(57)【要約】【課題】小型化及び高精細化しても良好な感度が得られる量子井戸型赤外線検知素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】量子井戸型赤外線検知素子４０は、バンドギャップが相互に異なる複数の半導体層を積層してなる活性層２３と  赤外線入射面側に配置され、赤外線入射面側と反対側の面が活性層２３の一方の面に接触する第１のコンタクト層２２と、活性層２３の他方の面に接触する第２のコンタクト層２４と、第１のコンタクト層２２及び活性層２３を画素４１ａ毎に分離する分離溝４４とを有する。分離溝４４は、赤外線入射面側が広く、その反対側が狭い台形状の断面を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンドギャップが相互に異なる複数の半導体層を積層してなる活性層と、
赤外線入射面側に配置され、前記赤外線入射面側と反対側の面が前記活性層の一方の面に接触する第１のコンタクト層と、
前記活性層の他方の面に接触する第２のコンタクト層と、
前記赤外線入射面側が広く、その反対側が狭い台形状の断面を有し前記第１のコンタクト層及び前記活性層を画素毎に分離する分離溝と
を有することを特徴とする量子井戸型赤外線検知素子。
【請求項２】
前記第２のコンタクト層の前記赤外線入射面と反対側の面に設けられて前記第１のコンタクト層から入射した赤外線を散乱するカプラと、
前記第２のコンタクト層の前記赤外線入射面と反対側の面に設けられて前記分離溝の傾斜面から入射した赤外線を反射する平坦な金属膜と
を有することを特徴とする請求項１に記載の量子井戸型赤外線検知素子。
【請求項３】
前記分離溝内に、空気よりも屈折率が大きい光学材料が充填されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の量子井戸型赤外線検知素子。
【請求項４】
前記第２のコンタクト層も、前記分離溝により画素毎に分離されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子井戸型赤外線検知素子。
【請求項５】
第１の基板の上に第１のコンタクト層を形成する工程と、
前記第１のコンタクト層の上にバンドギャップが相互に異なる複数の半導体層を積層して活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に第２のコンタクト層を形成する工程と、
前記第２のコンタクト層の上面から前記第１のコンタクト層に到達するコンタクトホールを形成する工程と、
前記第１の基板の上側全面に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の所定部分に開口部を形成し、前記第１のコンタクト層に電気的に接続する第１の電極と前記第２のコンタクト層に電気的に接続する第２の電極とを形成する工程と、
前記第１の電極及び前記第２の電極の上にバンプを形成する工程と、
電子回路が形成された第２の基板の上に前記バンプを介して前記第１のコンタクト層、前記活性層及び前記第２のコンタクト層が積層された前記第１の基板を接合する工程と、
前記第１のコンタクト層、前記活性層及び前記第２のコンタクト層の積層体から前記第１の基板を除去する工程と、
前記第１のコンタクト層の面上にフォトレジスト膜を形成し、該フォトレジスト膜に所定のパターンで開口部を形成する工程と、
前記フォトレジスト膜を熱処理して断面をドーム状にする工程と、
前記フォトレジスト膜をマスクとして前記第１のコンタクト層及び前記活性層を順次エッチングして、上側が広く下側が狭い台形状の断面を有し前記第１のコンタクト層及び前記活性層を画素毎に分離する分離溝を形成する工程と
を有することを特徴とする量子井戸型赤外線検知素子の製造方法。
【請求項６】
前記エッチングの際に前記第２のコンタクト層までエッチングすることを特徴とする請求項５に記載の量子井戸型赤外線検知素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子井戸型赤外線検知素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
離れたところから物体の表面温度を測定したり、暗所で物体の動きを観察したりするのに使用される高性能な赤外線検知素子として、量子井戸型赤外線検知素子（Quantum Well Infrared Photo-detector：ＱＷＩＰ）が開発されている。
【０００３】
一般的な量子井戸型赤外線検知素子では、多数の画素がマトリクス状に配置されている。各画素は、バンドギャップが相互に異なる２種類以上の半導体層を交互に積層してなる活性層（Multi Quantum Well：ＭＱＷ）を一対のコンタクト層で挟んだ構造を有し、活性層に赤外線が入射すると、赤外線の入射量に応じた信号を出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０３０４１３号
【特許文献２】特開２００５−２０９８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
小型化及び高精細化しても良好な感度が得られる量子井戸型赤外線検知素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
開示の技術の一観点によれば、バンドギャップが相互に異なる複数の半導体層を積層してなる活性層と、赤外線入射面側に配置され、前記赤外線入射面側と反対側の面が前記活性層の一方の面に接触する第１のコンタクト層と、前記活性層の他方の面に接触する第２のコンタクト層と、前記赤外線入射面側が広く、その反対側が狭い台形状の断面を有し前記第１のコンタクト層及び前記活性層を画素毎に分離する分離溝とを有する量子井戸型赤外線検知素子が提供される。
【０００７】
開示の技術の他の一観点によれば、第１の基板の上に第１のコンタクト層を形成する工程と、前記第１のコンタクト層の上にバンドギャップが相互に異なる複数の半導体層を積層して活性層を形成する工程と、前記活性層の上に第２のコンタクト層を形成する工程と、前記第２のコンタクト層の上面から前記第１のコンタクト層に到達するコンタクトホールを形成する工程と、前記第１の基板の上側全面に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の所定部分に開口部を形成し、前記第１のコンタクト層に電気的に接続する第１の電極と前記第２のコンタクト層に電気的に接続する第２の電極とを形成する工程と、前記第１の電極及び前記第２の電極の上にバンプを形成する工程と、電子回路が形成された第２の基板の上に前記バンプを介して前記第１のコンタクト層、前記活性層及び前記第２のコンタクト層が積層された前記第１の基板を接合する工程と、前記第１のコンタクト層、前記活性層及び前記第２のコンタクト層の積層体から前記第１の基板を除去する工程と、前記第１のコンタクト層の面上にフォトレジスト膜を形成し、該フォトレジスト膜に所定のパターンで開口部を形成する工程と、前記フォトレジスト膜を熱処理して断面をドーム状にする工程と、前記フォトレジスト膜をマスクとして前記第１のコンタクト層及び前記活性層を順次エッチングして、上側が広く下側が狭い台形状の断面を有し前記第１のコンタクト層及び前記活性層を画素毎に分離する分離溝を形成する工程とを有する量子井戸型赤外線検知素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
上記一観点に係る量子井戸型赤外線検知素子及びその製造方法によれば、分離溝の傾斜面から画素内に進入した赤外線を活性層に小さな角度で入射させることができる。これにより、赤外線の検出効率が向上し、小型化及び高精細化しても良好な感度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、量子井戸型赤外線検知素子の一例を示す断面図である。
【図２】図２（ａ），（ｂ）は、分離溝の近傍に発生したダメージ領域を示す上面図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子を示す模式断面図である。
【図４】図４は、分離溝の傾斜面を示す模式図である。
【図５】図５は、分離溝の傾斜面を拡大して示す図である。
【図６】図６は、角度θ1と角度θ4，θ5との関係を示す図である。
【図７】図７は、第１の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を示す図（その１）である。
【図８】図８は、第１の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を示す図（その２）である。
【図９】図９は、第１の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を示す図（その３）である。
【図１０】図１０は、第１の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を示す図（その４）である。
【図１１】図１１は、第１の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を示す図（その５）である。
【図１２】図１２は、第１の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を示す図（その６）である。
【図１３】図１３は、第１の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を示す図（その７）である。
【図１４】図１４は、第１の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を示す図（その８）である。
【図１５】図１５は、第１の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を示す図（その９）である。
【図１６】図１６は、第２の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子を示す模式断面図である。
【図１７】図１７は、分離溝の傾斜面を示す模式図である。
【図１８】図１８は、第２の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を示す図（その１）である。
【図１９】図１９は、第２の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を示す図（その２）である。
【図２０】図２０は、第３の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子を示す模式断面図である。
【図２１】図２１は、分離溝の傾斜面を拡大して示す図である。
【図２２】図２２は、角度θ1と角度θ4，θ5との関係を示す図である。
【図２３】図２３は、第３の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を示す図（その１）である。
【図２４】図２４は、第３の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を示す図（その２）である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
【００１１】
図１は、量子井戸型赤外線検知素子の一例を示す断面図である。
【００１２】
この図１に示す量子井戸型赤外線検知素子１０は、赤外線検出部１１と、赤外線検出部１１から出力される信号を処理する信号処理部１９と、赤外線検出部１１と信号処理部１９とを接続するバンプ１８とを有する。
【００１３】
赤外線検出部１１には多数の画素１１ａがマトリクス状に配置されている。各画素１１ａは、活性層１２を上部コンタクト層１３ａと下部コンタクト層１３ｂとにより挟み込んだ構造を有し、赤外線が活性層１２に入射すると、赤外線の入射量に応じた信号を出力する。また、活性層１２は、バンドギャップが相互に異なる２種類以上の半導体層を交互に積層した構造を有する。
【００１４】
各画素１１ａは、活性層１２の一方の面側（図１の例では下面側）から形成された分離溝１４により相互に分離されている。
【００１５】
赤外線検出部１１の光入射面（図１では上側の面）側に配置された上部コンタクト層１３ａは、全ての画素１１ａに共通の電極である。一方、光入射面の反対側の面に配置された下部コンタクト層１３ｂは、分離溝１４により画素１１ａ毎に分離されている。これらのコンタクト層１３ａ，１３ｂは、例えばｎ型ＧａＡｓにより形成されている。
【００１６】
量子井戸型赤外線検知素子では、活性層１２に垂直に入射した光は信号発生に寄与しない。そのため、図１の量子井戸型赤外線検知素子１０では、下部コンタクト層１３ｂの下側に微細な凹凸を形成し、更に下部コンタクト層１３ｂの下に金属膜１５を形成している。
【００１７】
活性層１２に垂直に入射した光は、凹凸及び金属膜１５により散乱されて、活性層１２に対して水平な方向の成分をもつようになる。このような光を散乱させる機構は、カプラ（光結合器）と呼ばれている。
【００１８】
なお、図１中の符号１６は金属膜１５を覆う絶縁膜であり、符号１７は下部コンタクト層１３ｂとバンプ１８とを電気的に接続する引出電極である。
【００１９】
信号処理部１９は、引出電極１７及びバンプ１８を介して赤外線検出部１１の各画素１１ａから出力される信号を取得し、それらの信号を処理して赤外線画像を生成する。
【００２０】
ところで、近年、各種電子機器の小型化及び高精細化が促進されており、それに伴って量子井戸型赤外線検知素子にも小型化及び高精細化が要望されている。
【００２１】
前述したように、量子井戸型赤外線検知素子では、分離溝１４によって各画素１１ａ間を分離している。この分離溝１４はドライエッチングにより形成されるが、ドライエッチング時に活性層１２にダメージが残って、図２（ａ），（ｂ）の上面図に示すように、分離溝１４の近傍に赤外線を検知できないダメージ領域１１ｂが発生する。
【００２２】
図２（ａ）のように画素１１ａのサイズが大きいときには、画素１１ａの周囲にダメージ領域１１ｂが存在しても大きな問題とはならない。しかし、図２（ｂ）のように画素１１ａのサイズが小さくなると、画素１１ａの面積に対するダメージ領域１１ｂの面積の割合が大きくなり、有効画素面積が小さくなって感度が低下してしまう。
【００２３】
以下の実施形態では、小型化及び高精細化しても良好な感度が得られる量子井戸型赤外線検知素子及びその製造方法について説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図３は、第１の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子を示す模式断面図である。
【００２５】
本実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子４０は、赤外線検出部４１と、赤外線検出部４１から出力される信号を処理する信号処理部４９と、赤外線検出部４１と信号処理部４９とを接続するバンプ４８とを有する。
【００２６】
赤外線検出部４１には多数の画素４１ａがマトリクス状に配置されている。各画素４１ａは、活性層２３を上部コンタクト層２２と下部コンタクト層２４とにより挟み込んだ構造を有し、活性層２３に入射した赤外線の量に応じた信号を出力する。また、活性層２３は、バンドギャップが相互に異なる２種類以上の半導体層を交互に積層した構造を有する。
【００２７】
本実施形態では、上部コンタクト層２２及び下部コンタクト層２４はいずれもｎ型ＧａＡｓにより形成されており、活性層２３はＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とを交互に積層して形成されているものとする。
【００２８】
各画素４１ａは、分離溝４４により相互に分離されている。本実施形態では、図３に示すように、分離溝４４は、入射面側（図３では上側）が広く、その反対側が狭い台形状の断面を有する。
【００２９】
上部コンタクト層２２及び下部コンタクト層２４は、それぞれ引出電極３１ａ，３１ｂを介してバンプ４８に電気的に接続されている。また、下部コンタクト層２４の下側には、カプラとなる凹凸と金属膜２８とが形成されている。なお、図３において、符号３０は金属膜２８を覆う絶縁膜である。
【００３０】
図４は、分離溝４４の傾斜面を示す模式図である。この図４に示すように、本実施形態では、下部コンタクト層２４のうち分離溝４４の傾斜面に対応する部分には凹凸がなく、平坦な面を金属膜２８が覆っている。なお、図４中の符号２８ａは、凹凸と金属膜２８とからなるカプラを示している。
【００３１】
以下、図４のように、画素４１ａ内の領域のうち傾斜面に対応する領域を傾斜領域と呼び、傾斜領域に囲まれた領域を平坦領域と呼ぶ。また、以下の説明では、便宜上、入射面に平行な面を水平面と呼ぶ。
【００３２】
図５は、分離溝４４の傾斜面を拡大して示す図である。ここでは、分離溝４４の傾斜面の角度をθ1としている。
【００３３】
この図５に示すように、傾斜領域において入射面に対し垂直な方向から入射した光（傾斜面に対する入射角θ1）は、分離溝４４の傾斜面で屈折（屈折角θ2）されながら画素４１ａ内に進入する。そして、画素４１ａ内に進入した光は、金属膜２８で反射（反射角θ3）され、更に傾斜面に入射角θ4で入射し、傾斜面で水平面に対しθ5の角度で反射される。
【００３４】
図６は、横軸に角度θ1をとり、縦軸に角度θ4，θ5をとって、それらの関係を示す図である。なお、ここでは、空気の屈折率を１とし、上部コンタクト層２２、活性層２３及び下部コンタクト層２４の屈折率をいずれも３．３としている。
【００３５】
量子井戸型赤外線検知素子では、赤外線の検出効率はｃｏｓθ5にほぼ比例する。従って、角度θ5が０°に近いほど赤外線の検出効率が高くなるが、実用上、角度θ5は±２０°の範囲内であればよく、そのためには分離溝４４の傾斜面の角度θ1を２６°〜４０°にすればよい。本実施形態では、分離溝４４の傾斜面の角度θ1を３０°としている。
【００３６】
なお、金属膜２８で反射された光（赤外線）が傾斜面で全反射するためには角度θ4を１７．６°以上とすることが必要であり、そのためには分離溝４４の傾斜面の角度θ1を１１°以上とすることが必要となる。
【００３７】
以下、本実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子４０の効果について説明する。ここでは、上部コンタクト層２２の厚さが１μｍ、活性層２３の厚さが１．５μｍ、下部コンタクト層２４の厚さが１μｍであるとする。この場合、傾斜領域の幅（水平面に投影したときの幅）は約６μｍとなる。
【００３８】
また、画素４１ａのサイズ（水平面に投影したときのサイズ）は、２０μｍ×２０μｍであるとする。更に、分離溝４４を形成する際に、傾斜面から垂直方向１μｍの範囲にダメージ領域が発生するものとする。
【００３９】
そうすると、１画素内の平坦領域の面積（水平面に投影したときの面積）は、６４μｍ2（＝（２０μｍ−（２×６μｍ））2）となる。また、１画素内の傾斜領域の面積（水平面に投影したときの面積）は、３３６μｍ2（＝（２０μｍ）2−６４μｍ2）となる。
【００４０】
分離溝４４の傾斜面の角度θ1を３０°とすると、角度θ5は８．７１°となる。すなわち、入射面に垂直な方向から傾斜領域に入射した光は、８．１７°の角度で活性層２３に進入する。
【００４１】
一方、入射面に垂直な方向から平坦領域に入射した光は、カプラで散乱されて活性層２３に進入する。このときの光の散乱角の平均値を４５°とする。
【００４２】
前述したように、量子井戸型赤外線検知素子の各画素の赤外線に対する検出効率は、ｃｏｓθ5にほぼ比例する。４５°の角度で活性層２３に入射した赤外線の検出効率を１とすると、活性層２３に８．７１°の角度で赤外線が入射したときの検出効率は１．４（＝ｃｏｓ８．７１°／ｃｏｓ４５°）となる。
【００４３】
傾斜領域に入射した赤外線の検出効率が１．４であり、平坦領域に入射した赤外線の検出効率が１であるとすると、本実施形態の量子井戸型赤外線検知素子４０では、１画素内の１μｍ2当たりの平均検出効率が、１．３３６（＝（３３６μｍ2×１．４＋６４μｍ2×１）／２０μｍ）2）となる。
【００４４】
比較例として、図１の量子井戸型赤外線検知素子１０の検出効率を考える。ここでも、カプラで散乱されて活性層１２に進入する光の散乱角の平均値を４５°とし、そのときの検出効率を１とする。
【００４５】
図１の量子井戸型赤外線検知素子１０の場合、分離溝１４から１μｍの範囲はダメージ領域であるので、１画素内の１μｍ2当たりの平均検出効率は、０．８１（＝（２０μｍ−２×１μｍ）2／（２０μｍ）2）となる。
【００４６】
つまり、本実施形態の量子井戸型赤外線検知素子４０は、図１に示す量子井戸型赤外線検知素子１０に比べて、約１．６４倍（＝１．３３６／０．８１）の検出効率が見込まれる。このことから、本実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子４０は、小型化及び高精細化しても良好な感度が得られることがわかる。
【００４７】
図７〜図１５は、第１の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子の製造方法を工程順に示す図である。
【００４８】
まず、図７（ａ）に示すように、ノンドープのＧａＡｓ基板２１を用意し、このＧａＡｓ基板２１の上に、上部コンタクト層２２として、ｎ型ＧａＡｓ層を１μｍの厚さに形成する。ＧａＡｓ基板２１は、第１の基板の一例である。
【００４９】
その後、上部コンタクト層２２の上に、ＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とを交互に例えば５０層〜１００層形成して、活性層２３を形成する。本実施形態では、前述したように、活性層２３の厚さは１．５μｍとする。更に、活性層２３の上に、下部コンタクト層２４として、ｎ型ＧａＡｓ層を１μｍの厚さに形成する。
【００５０】
これらの上部コンタクト層２２、活性層２３及び下部コンタクト層２４は、例えばＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）により形成することができる。
【００５１】
次に、図７（ｂ）に示す構造を得るまでの工程を説明する。
【００５２】
上述した工程でＧａＡｓ基板２１上に上部コンタクト層２２、活性層２３及び下部コンタクト層２４を形成した後、下部コンタクト層２４の上に、所定部分に開口部を有する第１のレジスト膜（図示せず）を形成する。その後、第１のレジスト膜をマスクとし、下部コンタクト層２４の表面を例えば塩素系のガスを用いてドライエッチングして、カプラとなる凹凸を形成する。凹凸を形成した後、第１のレジスト膜は除去する。
【００５３】
次に、図７（ｃ）に示す構造を得るまでの工程を説明する。
【００５４】
上述した工程で下部コンタクト層２４の表面に凹凸を形成した後、下部コンタクト層２４の上に、所定部分に開口部を有する第２のレジスト膜（図示せず）を形成する。そして、第２のレジスト膜をマスクとして、下部コンタクト層２４の表面から上部コンタクト層２２に到達するコンタクトホール２５を形成する。
【００５５】
コンタクトホール２５の直径は、例えば５μｍとする。また、コンタクトホール２５は、各画素領域毎に形成する。その後、第２のレジスト膜は除去する。
【００５６】
次に、図８（ａ）に示す構造を得るまでの工程を説明する。
【００５７】
上述した工程でコンタクトホール２５を形成した後、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により、ＧａＡｓ基板２１の上側全面に絶縁膜２６を形成する。この絶縁膜２６により、下部コンタクト層２４の表面とコンタクトホール２５の壁面及び底面とが覆われる。
【００５８】
その後、下部コンタクト層２４の上に、接続電極２７ａ，２７ｂを形成する位置に開口部を有する第３のレジスト膜（図示せず）を形成する。そして、第３のレジスト膜をマスクとして、絶縁膜２６をエッチングする。これにより、コンタクトホール２５の底部に上部コンタクト層２２が露出するとともに、下部コンタクト層２４の所定の部分が露出する。
【００５９】
次に、第３のレジスト膜をそのまま残し、ＧａＡｓ基板２１の上側にＡｕ（金）等の金属をスパッタリングする。その後、第３のレジスト膜を、その上に付着している金属とともに除去する。これにより、コンタクトホール２５の底部に残った金属が接続電極２７ａとなり、下部コンタクト層２４の上に残った金属が接続電極２７ｂとなる。
【００６０】
次に、図８（ｂ）に示す構造を得るまでの工程を説明する。
【００６１】
上述した工程で接続電極２７ａ，２７ｂを形成した後、ＧａＡｓ基板２１の上側に、金属膜２８を形成する部分に開口部を有する第４のレジスト膜（図示せず）を形成する。そして、第４のレジスト膜をマスクとして絶縁膜２６をエッチングし、下部コンタクト層２４を部分的に露出させる。
【００６２】
その後、第４のレジスト膜をそのまま残し、ＧａＡｓ基板２１の上側に金属をスパッタリングして、金属膜２８を形成する。金属膜２８は、例えばＴｉ（チタン）とＡｕ（金）との２層構造とする。金属膜２８を形成した後、第４のレジスト膜はその上に付着している金属とともに除去する。
【００６３】
次に、図８（ｃ）に示す構造を得るまでの工程を説明する。
【００６４】
上述した工程で金属膜２８を形成した後、ＣＶＤ法により、ＧａＡｓ基板２１の上側全面に酸化シリコン等の絶縁物からなる絶縁膜３０を形成する。その後、絶縁膜３０の上に、接続電極２７ａ，２７ｂに対応する部分に開口部を有する第５のレジスト膜（図示せず）を形成する。そして、この第５のレジスト膜をマスクとして、絶縁膜３０をエッチングする。エッチング終了後、第５のレジスト膜は除去する。
【００６５】
次に、絶縁膜３０の上に、所定の部分が開口された第６のレジスト膜（図示せず）を形成する。そして、ＧａＡｓ基板２１の上側から金属をスパッタリングして、絶縁膜３０の上に、接続電極２７ａと電気的に接続した引出電極３１ａと、接続電極２７ｂに電気的に接続した引出電極３１ｂとを形成する。引出電極３１ａ，３１ｂは、例えばＴｉとＡｕとの２層構造とする。
【００６６】
引出電極３１ａ，３１ｂの形成が終了した後、第６のレジスト膜はその上に付着している金属とともに除去する。
【００６７】
次に、図９に示す構造を得るまでの工程を説明する。
【００６８】
上述の工程で引出電極３１ａ，３１ｂを形成した後、絶縁膜３０の上に、引出電極３１ａ，３１ｂに対応する部分に開口部が設けられた第７のレジスト膜（図示せず）を形成する。そして、ＧａＡｓ基板２１の上側からＩｎ（インジウム）等の低融点金属をスパッタリングする。その後、第７のレジスト膜を、その上の金属とともに除去する。これにより、引出電極３１ａ，３１ｂの上にバンプ３２が形成される。
【００６９】
その後、ダイシング装置を使用して、ＧａＡｓ基板２１を各チップ毎に分離する。以下、チップ毎に分離されたＧａＡｓ基板２１を、センサチップ２０という。なお、センサチップ２０は、後述の工程で分離溝４４を形成することにより、図３に示す赤外線検出部４１となる。
【００７０】
以下、図１０に示す構造を得るまでの工程を説明する。
【００７１】
信号処理部４９となるシリコン基板５１を用意する。そして、公知の半導体プロセスを使用して、シリコン基板５１に所定の電子回路を形成する。シリコン基板５１は、第２の基板の一例である。
【００７２】
その後、試験装置により電子回路の良否を検査する検査工程を行った後、シリコン基板５１上にセンサチップ２０をフリップフロップ接続する。これにより、シリコン基板５１は、いわゆるマルチチップモジュールの状態となる。
【００７３】
フリップチップボンディングは常温で行うが、センサチップ２０の実装が完了した後、シリコン基板５１を水素（Ｈ2）等の還元雰囲気中で２００℃程度の温度まで加熱する。これにより、図１１に模式的に示すように、シリコン基板５１のバンプ５２とセンサチップ２０のバンプ３２とが溶融して一体化する。
【００７４】
このとき、シリコン基板５１とセンサチップ２０との間に若干の位置ずれがあっても、溶融したバンプの表面張力により位置ずれが修正される。バンプ３２，５２が一体化してバンプ４８となる。
【００７５】
次に、図１２に示すように、シリコン基板５１の上側全面にフォトレジスト膜５３を形成し、露光及び現像処理を実施して、センサチップ２０に対応する部分に開口部を形成する。その後、このレジスト膜５３をマスクとして、センサチップ２０のＧａＡｓ基板２１をエッチングにより除去する。これにより、センサチップ２０が薄膜化される。
【００７６】
ＧａＡｓ基板２１のエッチングは、ドライエッチングとウェットエッチングとを組み合わせて行う。例えばＧａＡｓ基板２１ａの厚さが６００μｍであるとすると、５００μｍまでを塩素系のガスを使用したドライエッチングで除去し、残りの１００μｍをリン酸及び過酸化水素水を含むエッチャントでエッチング除去する。
【００７７】
ＧａＡｓ基板２１の除去が完了した後、レジスト膜５３は除去する。図１３は、ＧａＡｓ基板２１を除去した後のセンサチップ２０が搭載されたシリコン基板５１を示している。
【００７８】
次に、図１４に示す構造を得るまでの工程について説明する。
【００７９】
上述の工程でＧａＡｓ基板２１を除去した後、センサチップ２０の上側全面にフォトレジスト膜５４を形成する。そして、このフォトレジスト膜５４を露光及び現像処理して、分離溝４４を形成する部分に上部コンタクト層２２が露出する開口部を形成する。但し、レジスト膜５４の開口部の幅は、分離溝４４の幅よりも狭くする。
【００８０】
次いで、例えば１００℃〜２００℃の温度で１０分間程度熱処理を実施する。この熱処理により、フォトレジスト膜５４が軟化して、図１４のようにドーム状となる。
【００８１】
次に、図１５に示す構造を得るまでの工程について説明する。
【００８２】
上述の工程でフォトレジスト膜５４の形状をドーム状とした後、フォトレジスト膜５４をマスクとして、上部コンタクト層２２、活性層２３及び下部コンタクト層２４をエッチングする。このとき、フォトレジスト膜５４に対するエッチングレートの選択比が比較的低い条件でドライエッチングする。
【００８３】
このドライエッチング工程では、上部コンタクト層２２、活性層２３及び下部コンタクト層２４がエッチングされるのに伴ってレジスト膜５４の開口部が広がり、図１５のように上側が広く、下側が狭い台形状の断面をもつ分離溝４４が形成される。
【００８４】
その後、剥離液を用いてレジスト膜５４を除去した後、ダイシング装置を使用してシリコン基板４１を量子井戸型赤外線検知素子毎に分離する。これにより、図３に示す本実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子４０が完成する。
【００８５】
（第２の実施形態）
図１６は、第２の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子を示す模式断面図である。
【００８６】
本実施形態の量子井戸型赤外線検知素子４０ａでは、各画素４１ａを相互に分離する分離溝４４ａの断面形状が、第１の実施形態と異なる。
【００８７】
すなわち、第１の実施形態では、分離溝４４を形成する際に下部コンタクト層２４まで傾斜面を形成している。これに対し、本実施形態では、上部コンタクト層２２及び活性層２３の端面を傾斜面としているものの、下部コンタクト層２４の端面は垂直である。
【００８８】
これにより、図１７に示すように、分離溝４４ａの傾斜面の角度θ1が第１の実施形態と同じであっても、傾斜領域の幅が狭くなる。
【００８９】
以下、本実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子４０ａの効果について説明する。ここでも、上部コンタクト層２２の厚さが１μｍ、活性層２３の厚さが１．５μｍ、下部コンタクト層２４の厚さが１μｍであるとする。この場合、傾斜領域の幅（水平面に投影したときの幅）は約４．３μｍとなる。また、画素４１ａのサイズ（水平面に投影したときのサイズ）は、２０μｍ×２０μｍであるとする。更に、分離溝４４ａの傾斜面の角度θ1は、第１の実施形態と同様に３０°とする。
【００９０】
そうすると、１画素内の平坦領域の面積（水平面に投影したときの面積）は、１２９．９６μｍ2（＝（２０μｍ−２×４．３μｍ）2）となる。また、１画素内の傾斜領域の面積（水平面に投影したときの面積）は、２７０．０４μｍ2（＝（２０μｍ）2−１２９．９６μｍ2）となる。
【００９１】
第１の実施形態と同様に、傾斜領域に入射した光の検出効率を１．４とし、平坦領域に入射した光の検出効率を１とする。この場合、本実施形態の量子井戸型赤外線検知素子４０ａでは、１画素内の１μｍ2当たりの平均検出効率が１．２７（＝（２７０．０４μｍ2×１．４＋１２９．９６μｍ2）／（２０μｍ）2）となる。
【００９２】
一方、図１の量子井戸型赤外線検知素子１０の１画素内の１μｍ2当たりの平均検出効率は、前述したように０．８１である。従って、本実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子４０ａの検出効率は、図１に示す量子井戸型赤外線検知素子１０の検出効率に比べて約１．５６８倍（＝１．２７／０．８１）となる。
【００９３】
以下、図１８〜図１９を参照して、本実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子４０ａの製造方法について説明する。なお、図１８〜図１９において、図７〜図１４と同一物には同一符号を付している。
【００９４】
第１の実施形態と同様にして、図１８（ａ）に示す構造を得る。図１８（ａ）に示す構造を得るまでの工程は、図７〜図１４に示す工程と基本的に同じであるので、ここではその説明を省略する。
【００９５】
次に、図１８（ｂ）に示す構造を得るまでの工程を説明する。
【００９６】
図１８（ａ）のようにフォトレジスト膜５４をドーム状とした後、フォトレジスト膜５４をマスクとして、上部コンタクト層２２及び活性層２３をエッチングする。このとき、フォトレジスト膜５４に対するエッチングレートの選択比が比較的低い条件でドライエッチングする。
【００９７】
これにより、上部コンタクト層２２及び活性層２３がエッチングされるのに伴ってレジスト膜５４の開口部が広がり、図１８（ｂ）のように上側が広く、下側が狭い台形状の断面をもつ分離溝４４ａが形成される。
【００９８】
次に、図１９（ａ）に示す構造を得るまでの工程を説明する。
【００９９】
上述の工程で活性層２３までエッチングした後、フォトレジスト膜５４を除去する。その後、センサチップ２０の上側全面にフォトレジスト膜５５を形成し、所定の露光マスクを用いてフォトレジスト膜５５を露光した後、現像処理を行って、分離溝４４ａの底部が露出する開口部５５ａを形成する。
【０１００】
次に、図１９（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜５５をマスクとして下部コンタクト層２４をエッチングする。このとき、フォトレジスト膜５５に対するエッチングレートの選択比が比較的高い条件で下部コンタクト層２４をドライエッチングすることで、図１９（ｂ）のように、下部コンタクト層２４の端面を垂直にすることができる。
【０１０１】
その後、剥離液を使用してフォトレジスト膜５５を除去した後、ダイシング装置を使用してシリコン基板５１を量子井戸型赤外線検知素子毎に分離する。これにより、図１６に示す本実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子４０ａが完成する。
【０１０２】
（第３の実施形態）
図２０は、第３の実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子を示す模式断面図である。図２０において、図３と同一物には同一符号を付している。
【０１０３】
本実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子４０ｂでは、分離溝４４内に光学材料６１が充填されているとともに、赤外線検出部４１と信号処理部４９との間の隙間に樹脂６２が充填されている。
【０１０４】
本実施形態では、光学材料６１として、屈折率が２．３７のＺｎＳ（硫化亜鉛）を使用している。また、樹脂６２として、エポキシ樹脂を使用している。
【０１０５】
図２１は、分離溝４４の傾斜面を拡大して示す図である。
【０１０６】
この図２１に示すように、傾斜領域において入射面に対し垂直な方向から入射した光は、光学材料６１を垂直に透過し、入射角θ1、屈折角θ2で画素４１ａ内に進入する。そして、画素４１ａ内に進入した光は、金属膜２８で反射（反射角θ3）され、更に傾斜面に入射角θ4で入射し、傾斜面で水平面に対しθ5の角度で反射される。
【０１０７】
図２２は、横軸に角度θ1をとり、縦軸に角度θ4，θ5をとって、それらの関係を示す図である。本実施形態では、分離溝４４内に光学材料６１として空気よりも屈折率が大きいＺｎＳを充填している。これにより、角度θ4が４５．９°以下であれば傾斜面で光が全反射するようになる。また、角度θ5を±２０°とするためには、分離溝４４の傾斜面の角度θ1を３６°〜４８°にすればよく、製造上十分な冗長性が確保される。ここでは、傾斜面の角度θ1を４０°とする。この場合、角度θ5は−２．５１°となる。
【０１０８】
分離溝４４の傾斜面の角度θ1を４０°とすると、傾斜領域の幅は４．２μｍとなる。この場合、平坦領域の面積（水平面に投影したときの面積）は１３４．５６μｍ2（＝（２０μｍ−２×４．２μｍ）2）であり、傾斜領域の面積（水平面に投影したときの面積）は２６５．４４μｍ2（＝（２０μｍ）2−１３４．５６μｍ2）となる。
【０１０９】
傾斜面からの反射光の検出効率は、角度θ5＝−２．５１°のときに、１．４（＝ｃｏｓ２．５１°／ｃｏｓ４５°）となる。
【０１１０】
傾斜領域に入射した光の検出効率を１．４とし、平坦領域に入射した光の検出効率を１とすると、本実施形態の量子井戸型赤外線検知素子４０ｂでは、１画素内の１μｍ2当たりの平均検出効率が１．２２１（＝（２６５．４４μｍ2×１．４＋１１６．６４μｍ2×１）／（２０μｍ）2）となる。
【０１１１】
一方、図１の量子井戸型赤外線検知素子１０の１画素内の１μｍ2当たりの平均検出効率は、前述したように０．８１である。従って、本実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子４０ｂの検出効率は、図１に示す量子井戸型赤外線検知素子１０の検出効率に比べて約１．５０７倍（＝１．２２１／０．８１）となる。
【０１１２】
以下、図２３〜図２４を参照して、本実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子４０ｂの製造方法について説明する。なお、図２３〜図２４において、図７〜図１５と同一物には同一符号を付している。
【０１１３】
第１の実施形態と同様にして、図２３（ａ）に示す構造を得る。図２３（ａ）に示す構造を得るまでの工程は、図７〜図１５に示す工程と基本的に同じであるので、ここではその説明を省略する。
【０１１４】
次に、図２３（ｂ）に示す構造を得るまでの工程を説明する。
【０１１５】
センサチップ２０に分離溝４４を形成した後、レジスト膜５４を除去する。その後、センサチップ２０とシリコン基板４１との間に樹脂６２を充填する。この樹脂６２は、後述する工程で光学材料６１を研磨するときに、センサチップ２０とシリコン基板５１との間の接続が破壊されないようにするためのものである。
【０１１６】
次に、図２４（ａ）に示すように、上部コンタクト層２２の上に光学材料６１を塗布して、分離溝４４内に光学材料６１を充填する。本実施形態では、前述したように光学材料６１としてＺｎＳを使用するので、蒸着により分離溝４４内に光学材料６１を充填する。但し、分離溝４４内への光学材料６１の充填方法は光学材料６１に応じて選択すればよく、蒸着に限定されない。また、光学材料６１として、ＺｎＳ以外のものを使用してもよい。
【０１１７】
次に、図２４（ｂ）に示すように、上部コンタクト層２２の上の光学材料６１を研磨により除去するとともに、表面を平坦化する。その後、ダイシング装置を使用してシリコン基板５１を量子井戸型赤外線検知素子毎に分離する。これにより、図２０に示す本実施形態に係る量子井戸型赤外線検知素子４０ｂが完成する。
【０１１８】
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１１９】
（付記１）バンドギャップが相互に異なる複数の半導体層を積層してなる活性層と、
赤外線入射面側に配置され、前記赤外線入射面側と反対側の面が前記活性層の一方の面に接触する第１のコンタクト層と、
前記活性層の他方の面に接触する第２のコンタクト層と、
前記赤外線入射面側が広く、その反対側が狭い台形状の断面を有し前記第１のコンタクト層及び前記活性層を画素毎に分離する分離溝と
を有することを特徴とする量子井戸型赤外線検知素子。
【０１２０】
（付記２）前記第２のコンタクト層の前記赤外線入射面と反対側の面に設けられて前記第１のコンタクト層から入射した赤外線を散乱するカプラと、
前記第２のコンタクト層の前記赤外線入射面と反対側の面に設けられて前記分離溝の傾斜面から入射した赤外線を反射する平坦な金属膜と
を有することを特徴とする付記１に記載の量子井戸型赤外線検知素子。
【０１２１】
（付記３）前記分離溝内に、空気よりも屈折率が大きい光学材料が充填されていることを特徴とする付記１又は２に記載の量子井戸型赤外線検知素子。
【０１２２】
（付記４）前記分離溝の傾斜面の角度が、２６°乃至４０°であることを特徴とする付記１又は２に記載の量子井戸型赤外線検知素子。
【０１２３】
（付記５）前記第２のコンタクト層も、前記分離溝により画素毎に分離されていることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の量子井戸型赤外線検知素子。
【０１２４】
（付記６）第１の基板の上に第１のコンタクト層を形成する工程と、
前記第１のコンタクト層の上にバンドギャップが相互に異なる複数の半導体層を積層して活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に第２のコンタクト層を形成する工程と、
前記第２のコンタクト層の上面から前記第１のコンタクト層に到達するコンタクトホールを形成する工程と、
前記第１の基板の上側全面に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の所定部分に開口部を形成し、前記第１のコンタクト層に電気的に接続する第１の電極と前記第２のコンタクト層に電気的に接続する第２の電極とを形成する工程と、
前記第１の電極及び前記第２の電極の上にバンプを形成する工程と、
電子回路が形成された第２の基板の上に前記バンプを介して前記第１のコンタクト層、前記活性層及び前記第２のコンタクト層が積層された前記第１の基板を接合する工程と、
前記第１のコンタクト層、前記活性層及び前記第２のコンタクト層の積層体から前記第１の基板を除去する工程と、
前記第１のコンタクト層の面上にフォトレジスト膜を形成し、該フォトレジスト膜に所定のパターンで開口部を形成する工程と、
前記フォトレジスト膜を熱処理して断面をドーム状にする工程と、
前記フォトレジスト膜をマスクとして前記第１のコンタクト層及び前記活性層を順次エッチングして、上側が広く下側が狭い台形状の断面を有し前記第１のコンタクト層及び前記活性層を画素毎に分離する分離溝を形成する工程と
を有することを特徴とする量子井戸型赤外線検知素子の製造方法。
【０１２５】
（付記７）前記エッチングの際に前記第２のコンタクト層までエッチングすることを特徴とする付記６に記載の量子井戸型赤外線検知素子の製造方法。
【０１２６】
（付記８）前記第２のコンタクト層をエッチングする際に、前記第２のコンタクト層に対し斜めにエッチングすることを特徴とする付記７に記載の量子井戸型赤外線検知素子の製造方法。
【０１２７】
（付記９）前記第２のコンタクト層をエッチングする際に、前記第２のコンタクト層に対し垂直にエッチングすることを特徴とする付記７に記載の量子井戸型赤外線検知素子の製造方法。
【０１２８】
（付記１０）前記分離溝内に、空気よりも屈折率が大きい光学材料を充填する工程とを有することを特徴とする付記６乃至９のいずれか１項に記載の量子井戸型赤外線検知素子の製造方法。
【０１２９】
（付記１１）前記第２のコンタクト層を形成する工程と前記コンタクトホールを形成する工程との間に、前記第２のコンタクト層の表面に凹凸を形成する工程と、前記第２のコンタクト層を覆う金属膜を形成する工程と、を有することを特徴とする付記６乃至１０のいずれか１項に記載の量子井戸型赤外線検知素子の製造方法。
【符号の説明】
【０１３０】
１０…量子井戸型赤外線検知素子、１１…赤外線検出部、１１ａ…画素、１１ｂ…ダメージ領域、１２…活性層、１３ａ，１３ｂ…コンタクト層、１４…分離溝、１５…金属膜、１６…絶縁膜、１７…引出電極、１８…バンプ、１９…信号処理部、２０…センサチップ、２１…ＧａＡｓ基板、２２…上部コンタクト層、２３…活性層、２４…下部コンタクト層、２５…コンタクトホール、２６，３０…絶縁膜、２７ａ，２７ｂ…接続電極、２８…金属膜、３１ａ，３１ｂ…引出電極、３２，５２…バンプ、４０、４０ａ，４０ｂ…量子井戸型赤外線検知素子、４１…赤外線検出部、４１ａ…画素、４４，４４ａ…分離溝、４８…バンプ、４９…信号処理部、５１…シリコン基板、５３，５４，５５…フォトレジスト膜、６１…光学材料、６２…樹脂。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015170645.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2015170645.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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