(57)【要約】【課題】光を最大に効率良く利用し、高いＳ／Ｎ比を有した超小型で、中赤外線領域の赤外線を電気信号に変換するのに適した光センサを提供すること。【解決手段】光センサは、半導体基板の表面に設けられた少なくとも第１のｎ型半導体層２と、第１の半導体層２上に設けられた光吸収層となる第３のｉ型半導体層４と、この第３の半導体層４上に設けられた第２のｐ型半導体層３と、第２のｐ型半導体層３と第３のｉ型半導体層４との間の、複数の第４の半導体層５と、第５の半導体層６とから構成されている。第４の半導体層５のバンドギャップは第２、第３の半導体層のバンドギャップより大きく、複数の第４の半導体層５と第５の半導体層６は交互に積層され、超格子構造を形成しており、赤外線によって第３の半導体層で生じた拡散電流およびリーク電流を抑制することによって、入射光量に対する電気出力が増加し、Ｓ／Ｎ比の向上を実現した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、該半導体基板の表面に第１のｎ型半導体層、第２のｐ型半導体層及びこれらの間に光吸収層となる第３のｉ型半導体層を有するＰＩＮフォトダイオードを含む赤外線センサであって、
前記第２のｐ型半導体層と、第３のｉ型半導体層との間に、
前記第２のｐ型半導体層および前記第３のｉ型半導体層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第４の半導体層と、第５の半導体層とが交互に積層され、
前記第４の半導体層および前記第５の半導体層が超格子構造を形成していることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
前記第５の半導体層が、前記ｐ型の半導体層と同一の材料であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項３】
前記半導体基板の半導体層を有していない裏面から光を入射し、その光量に応じた信号を電圧又は電流で出力する光センサであって、前記半導体層を有していない裏面が粗面であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項４】
前記半導体基板の半導体層を有していない裏面から光を入射し、その光量に応じた信号を電圧又は電流で出力するが、前記半導体層を有していない裏面に保護膜を有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項５】
前記保護膜が、酸化チタン、酸化シリコン、窒化シリコンのいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に積層されたＰＩＮフォトダイオードに入射された光を電気信号に変換する光センサに関し、より詳細には、中赤外線領域の赤外線を電気信号に変換するのに適した赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題への関心が高まり、エネルギー化・環境センサの観点から、人体検知やガス検知可能な赤外線センサが注目されている。例えば、人体が発する赤外線を検知する人感センサは、照明やエアコンなどに搭載されることによって人がいない間はスイッチを切るなどし、省エネルギー化に貢献している。さらに、中赤外線領域には、二酸化炭素、一酸化炭素、窒化酸素、ホルムアルデヒドなどの強い吸収があるため、赤外線領域に感度波長をもつ赤外線センサは、ガスセンサなど環境センサとしても大きく期待されている。
【０００３】
赤外線センサは動作原理から、熱型センサと量子型センサに分類される。熱型センサは一般に広く用いられているが、周波数応答性が低く、静態検知が出来ないなどの課題がある。一方、量子型センサは、周波数応答性が高く静態検知も可能であるといった特長があり、人感センサやガスセンサ用途として有望である。
【０００４】
量子型センサとしては、半導体材料を用いたＰＮ又はＰＩＮ接合構造の赤外線センサが挙げられる。これらの赤外線センサでは、被検出光の束密度に応じて電子とホールが生成されて電気信号となるが、信号強度は微弱な場合が多い。そのため、高感度化によって信号強度を高めることはもとより、発生する微弱な信号を確実に増幅して使用するために、Ｓ／Ｎ比を高めることが重要である。
【０００５】
赤外線センサのＳ／Ｎ比を高めるためには、入射した光利用効率の向上や発生した電子を効率よく取り出すためにリーク電流を抑制することが有効である。
【０００６】
このような課題に対し、特許文献１では、光の利用効率を向上させるために、光入射窓となる基板の裏面を粗面とし、光の前方散乱により光利用効率の向上を達成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−０６６５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、光の前方散乱を利用して、光の利用効率は向上したが、ナローバンドギャップ材料を用いる赤外線センサでは、依然としてリーク電流が大きく、Ｓ／Ｎ比が低いという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、フォトダイオードを構成する薄膜構造を改良することで、リーク電流を抑制し、高Ｓ／Ｎ比を実現し、高Ｓ／Ｎ比の特徴を活かした超小型の赤外線センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、半導体基板と、該半導体基板の表面に第１のｎ型半導体層、第２のｐ型半導体層及びこれらの間に光吸収層となる第３のｉ型半導体層を有するＰＩＮフォトダイオードを含む赤外線センサであって、第２のｐ型半導体層と、第３の半導体層との間に、第２のｐ型半導体層および第３のｉ型半導体層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第４の半導体層と、第４の半導体層と交互に積層された第５の半導体層とを備え、第４の半導体層を複数有し、第４の半導体層および第５の半導体層が超格子構造を形成していることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第５の半導体層とｐ型の半導体層の材料が同一であることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記半導体基板の半導体層を有していない裏面から光を入射し、その光量に応じた信号を電圧又は電流で出力する光センサであって、前記裏面が粗面であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記半導体基板の半導体層を有していない裏面から光を入射し、その光量に応じた信号を電圧又は電流で出力する光センサであって、裏面に保護膜を有することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１又は４に記載の発明において、前記保護膜が、酸化チタン、酸化シリコン、窒化シリコンのいずれかであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、第１のｎ型半導体層、第２のｐ型半導体層、第３のｉ型半導体層を含むＰＩＮフォトダイオードの第２のｐ型半導体層と第３のｉ型半導体層の間に、超格子構造を形成する、第２のｐ型半導体層および第３のｉ型半導体層よりもバンドギャップの大きい第４の半導体層と、第５の半導体層を設けることにより、リーク電流を抑制し、高Ｓ／Ｎ比の赤外線センサを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る赤外線センサの実施形態１を説明するための構成断面図である。
【図２】本発明の実施形態１における赤外線センサのエネルギーバンドと各半導体層との関係を示す図である。
【図３】本発明に係る赤外線センサの実施形態２を説明するための構成断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
本実施形態は、光を吸収して電気信号に変換する赤外線センサであり、多層の半導体層からなるＰＩＮ接合からなるフォトダイオードを利用する。
【００１９】
図１は、実施形態１に係る赤外線センサを説明するための構成断面図である。
【００２０】
本実施形態に係る赤外線センサは、半導体基板１と半導体基板１上に積層されたｎ型半導体層２（第１の半導体層）、ｉ型半導体層４（第３の半導体層）、p型半導体層３（第２の半導体層）からなるＰＩＮ構造を基本とする。ｉ型半導体層４（第３の半導体層）とｐ型半導体層３（第２の半導体層）との間に、半導体層５（第４の半導体層）及びｐ型半導体層６（第５の半導体層）とが交互に複数積層された超格子構造を有する。半導体層５（第４の半導体層）はｉ型半導体層４（第３の半導体層）、ｐ型半導体層３（第２の半導体層）に比べて大きなバンドギャップを有する材料から構成される。またp型半導体層３（第２の半導体層）とp型半導体層６（第５の半導体層）とは同一の材料から構成される。
【００２１】
図１には半導体基板上にｎ→ｉ→ｐの順に積層した層構造を示したが、ｐ→ｉ→ｎの順に積層した構造でも構わない。
【００２２】
また、半導体基板１とｎ型半導体層２の間に格子不整合を緩和させるバッファ層を用いてもよい。
【００２３】
本発明の一実施形態において、「超格子構造」とは、２つの異なる半導体薄膜が格子緩和されない膜厚で交互に積層された構造であり、複数の種類の結晶格子の重ね合わせにより、その周期構造が基本単位格子より長くなった結晶格子を有する構造である。
【００２４】
以下に、ｉ型半導体層４（第３の半導体層）とｐ型半導体層３（第２の半導体層）との間に挿入された半導体層５（第４の半導体層）及びｐ型半導体層６（第５の半導体層）からなる超格子構造の効果を説明する。
【００２５】
赤外線センサに入射した光は、光吸収層であるｉ型半導体層４（第３の半導体層）で吸収され、電子とホールを生成し、ビルトインポテンシャルによって電荷分離され、赤外線センサから電気信号として出力される。電子はホールに比べて有効質量が小さいため、発生した電子がｐ型半導体層３（第２の半導体層）に拡散すると拡散した電子量に応じて光電流量が減少し、出力される電気信号が減少し、その結果Ｓ／Ｎ比は低くなる。
【００２６】
また、赤外線センサでは、光吸収層であるｉ型半導体層４（第３の半導体層）としてナローバンドギャップ材料を用いるため、熱励起された電子がｐ型半導体層３（第２の半導体層）に拡散するとリーク電流となり赤外線センサのＳ／Ｎ比は低くなる。
【００２７】
このような場合、ｐ型半導体層３（第２の半導体層）よりもバンドギャップの大きい半導体層５（第４の半導体層）を挿入し、光吸収層であるｉ型半導体層４（第３の半導体層）からｐ型半導体層３（第２の半導体層）への「光励起された電子の拡散」及び「光未照射時の熱励起電子の拡散」を防ぐことは有効である。
【００２８】
しかしながら、この半導体層５（第４の半導体層）によるエネルギー障壁が存在した場合でも、トンネル効果などにより、電子はある確率で半導体層５を透過し、ｉ型半導体層４（第３の半導体層）からｐ型半導体層３（第２の半導体層）へと電子が拡散する。この際、電子の存在確率は、シュレディンガー方程式から求めることができる。
【００２９】
例えば、井戸型ポテンシャルを考えた場合、シュレディンガー方程式は式（１）で表さ
れる。
【００３０】
【数１】
2011204779.tif 000003
【００３１】
2011204779.tif 000004
【００３２】
式（１）を解くことで、E<Vの場合、半導体層６に存在する電子が半導体層５を透過して、ｐ型半導体層３（第２の半導体層）に存在する確率Tは式（２）、（３）および（４）で表される。
【００３３】
【数２】
2011204779.tif 000005
【００３４】
【数３】
2011204779.tif 000006
【００３５】
【数４】
2011204779.tif 000007
【００３６】
式（２）、（３）および（４）からわかるように、障壁の高さＶが大きく、障壁の長さａが大きいほど、リーク電流を低減できる。
【００３７】
したがって、電子の拡散を低減させるためには、ｉ型半導体層４（第３の半導体層）と半導体層５（第４の半導体層）の電子エネルギー差を大きくすることが有効である。その場合、ｉ型半導体層４（第３の半導体層）と半導体層５（第４の半導体層）の格子不整合は大きくなり、界面での転位欠陥の発生が増加する。これを防ぐためには、半導体層５（第４の半導体層）膜厚を小さくする必要がある。その結果、障壁の高さVを大きくした場合は、障壁の長さaが小さくなり、電子の拡散を防ぐには十分ではない。
【００３８】
これに対し、本発明のように、エネルギー障壁となる超格子構造を挿入することは有効である。図２に示すように十分なエネルギー障壁Vと欠陥転位が発生しない膜厚aの半導体層５（第４の半導体層）を複数回設けることができる。半導体層５（第４の半導体層）を設けた回数をｎ回とすると、ｐ型半導体層に拡散する電子の存在確率はTのｎ乗に比例して低減する。この結果、リーク電流を大きく低減することができるため、電子信号の出力が増加し、ダイオード抵抗が増加することによって、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００３９】
本発明において、超格子構造を形成する半導体層５（第４の半導体層）およびｐ型半導体層６（第５の半導体層）の膜厚は臨界膜厚よりも小さいことが好ましい。臨界膜厚を越えると、格子緩和による欠陥転位が発生し、リーク電流の原因となる。
【００４０】
臨界膜厚はMatthewsand Blakeslee モデルなど一般に使用されている計算で見積もることが出来る。例えば、半導体層５（第４の半導体層）をインジウムアルミアンチモン層(アルミ組成２０％)、ｐ型半導体層６（第５の半導体層）をｐ型インジウムアンチモンとした場合、臨界膜厚は約１０ｎｍとなる。
【００４１】
また、図１には半導体層５（第４の半導体層）を２層有する層構造を示したが、赤外線センサは、半導体層５（第４の半導体層）を複数有していればよく、半導体層５（第４の半導体層）の数は、全体の膜厚などを考慮して適宜選択される。
【００４２】
本発明における第４の半導体層は、第５の半導体層よりもバンドギャップが大きく、かつ格子定数の差が少ないほうが好ましい。実施形態１においては、例えば、半導体層６（第５の半導体層）の材料がインジウムアンチモンであった場合、半導体層５（第４の半導体層）の材料としては、インジウムアルミアンチモン、インジウムガリウムアンチモンなどがあげられる。以上のものを例としてあげたが、この組み合わせに制限されることなく、用途により適宜、選択される。また、半導体層５はｐ型にドープされているほうが好ましい。
【００４３】
本発明の赤外線センサは、半導体基板の半導体層を有している面から光を入射する場合、金属電極により光が反射され、光の利用効率が低下する。したがって、半導体層を有していない面より光を入射することが好ましい。さらに、半導体基板の半導体層を有していない面をラッピング加工などにより粗面として、前方散乱により光の利用効率を向上する形態が好ましい。本発明の半導体基板としては、赤外線のエネルギーよりバンドギャップが大きいことが好ましく、１ｅＶ以上が好ましい。このような半導体基板としては、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板、インジウムリン（ＩｎＰ）基板、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）基板などが挙げられる。
【００４４】
図３は、本発明のより好ましい実施形態２に係る光センサを説明するための構成断面図である。図３に示すように、半導体基板１の半導体層２が積層されていない面には、保護層７が設けられている。
【００４５】
以下に、この保護層７の効果について説明する。光が空気中から光センサに入射する際、空気と半導体基板の屈折率との違いの影響で光が反射され、光の利用効率は低下する。一方、保護層を半導体基板の裏面に設けた場合、空気中から裏面側より光センサに入射する際、空気と保護層との界面での光の損失と、保護層内での光吸収が光損失となる。この保護層に、入射光の波長域において小さな吸収係数を持ち、且つ、空気と保護層との界面での光の損失を低減する屈折率を持つ材料を選択することで、光の利用効率は、保護層を設けない場合よりも向上する。
【００４６】
また、半導体基板の裏面から被検出光を入射する場合、温度や湿度などの使用環境により、半導体基板の変色が問題となる。例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を半導体基板として用いた場合、高温や高湿の条件では半導体基板の裏面が変色する。この場合、光の入射光量が変化し、センサの出力低下の要因となる。一方、半導体基板の裏面に保護層が設置されている場合、高温や高湿などの使用環境による基板の変色が生じず、センサの出力の安定性は向上する。
【００４７】
保護層の材料としては、入射光の波長域での吸収係数が小さく、半導体基板よりも屈折率の低い材料が好ましい。このような保護層の材料としては、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化窒化チタン（ＴｉＯxＮy）、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉxＮy）などがあげられる。酸化チタン（ＴｉＯ2）や、酸化窒化チタン（ＴｉＯxＮy）は、結晶構造や組成比によって屈折率が変化するが、好ましい屈折率は１．１以上３．３以下、より好ましくは１．５以上３．０以下である。保護層としてはこれらの材料に制限されること無く、使用する半導体基板の屈折率に合わせて適宜、選択される。また、このような保護層は電子線蒸着法、スパッタリング法、プラズマ化学気相成長法など一般によく用いられる方法で作製できる。
【００４８】
本発明における赤外線センサの第３の半導体層は、入射光の波長域に感度を有する材料が好ましい。赤外域に感度を有する光吸収層の材料としては、以下のようなものがあげられる。例えば、３〜７μmの赤外光を検出する際は、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、インジウムガリウムアンチモン（ＩｎＧａＳｂ）、インジウムアルミアンチモン（ＩｎＡｌＳｂ）が好適である。またガスセンサ用途として特に波長４−５μmに最高感度波長を合致させたい時には、インジウムガリウムアンチモン（ＩｎＧａＳｂ）、インジウムアルミアンチモン（ＩｎＡｌＳｂ）などが好ましい。１０μｍ以上の赤外光を検出する際には、インジウム砒素アンチモン（ＩｎＡｓＳｂ）が好ましい。光吸収材料としてはこれらの材料に制限されることなく、使用する赤外線波長に合わせて適宜、選択される。
【００４９】
また、これらによって構成される半導体に適宜ｎ型ドーパント、あるいはｐ型ドーパントをドーピングすることによって第１のｎ型及び第２のｐ型の半導体層を形成する。ｎ型ドーパントとしては、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓｅなどが挙げられる。またｐ型ドーパントとしては、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｂｅ，Ｃａ、Ｍｇなどが挙げられる。
【００５０】
本発明における赤外線センサを構成する薄膜は、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法、ガスソースＭＢＥ法、有機金属気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法、有機金属ＭＢＥ（ＭＯ−ＭＢＥ）法などを用いて作成することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１  半導体基板
２  ｎ型半導体層
３  ｐ型半導体層
４  ｉ型半導体層
５  半導体層
６  ｐ型半導体層
７  保護層
【図１】
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【図２】
2011204779.tif 000009
【図３】
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