(57)【要約】【課題】室温での動作が可能であり、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響も受けにくい超小型の、赤外線センサＩＣを提供すること。【解決手段】素子抵抗が小さく、電子移動度の大きな化合物半導体をセンサ部３２に用いて、該化合物半導体センサ部３２と、化合物半導体センサ部３２からの電気信号を処理して演算を行う集積回路部３３とをバンプ３７により電気的に接続し、樹脂パッケージにより、同一パッケージ３５内に配設することにより、これまでにない小型で、簡易なパッケージで室温動作可能な赤外線センサＩＣを実現できる。【選択図】図２６
2008103742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板上に薄膜成長されたインジウム及びアンチモンを含む化合物半導体層と、該化合物半導体層上に形成され、該化合物半導体層により検知した赤外線を電気信号として出力する第1の電極と、を有する化合物半導体センサ部と、
第２の基板上に形成された回路素子及び第２の電極を有し、前記化合物半導体センサ部から出力される電気信号を処理して所定の演算を行う集積回路部と、
を備え、
前記化合物半導体センサ部は、前記第１の電極と前記第２の電極が互いに向き合って接合するように、前記第２の基板を上にして前記集積回路部上に配置され、
前記第１の電極と前記第２の電極は、バンプにより電気的に互いに接続され、
前記化合物半導体センサ部及び前記集積回路部は、樹脂パッケージにより、同一パッケージ内に配設されていることを特徴とする赤外線センサＩＣ。
【請求項２】
前記集積回路部は、前記第２の基板上に形成された第３の電極を更に有し、
前記樹脂パッケージは、内部に第４の電極を有し、
前記集積回路部は、前記第３の電極が上になるように、前記樹脂パッケージ内部の底部に配置され、
前記第３の電極と前記第４の電極は、ワイヤーボンディングにより電気的に互いに接続されることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサＩＣ。
【請求項３】
前記赤外線は、前記第１の基板側から前記化合物半導体層に入射されることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサＩＣ。
【請求項４】
第１の基板上に薄膜成長されたインジウム及びアンチモンを含む化合物半導体層と、該化合物半導体層上に形成され、該化合物半導体層により検知した赤外線を電気信号として出力する第1の電極と、を有する化合物半導体センサ部と、
第２の基板上に形成された回路素子及び第２の電極を有し、前記化合物半導体センサ部から出力される電気信号を処理して所定の演算を行う集積回路部と、
前記化合物半導体センサ部及び前記集積回路部が配置される第３の基板と、
を備え、
前記化合物半導体センサ部及び前記集積回路部は、前記第１及び第２の電極が上になるように、前記第３の基板に夫々ダイボンディングされ、
前記第１の電極と前記第２の電極は、ワイヤーボンディングにより電気的に互いに接続され、
前記化合物半導体センサ部、前記集積回路部、及び前記第３の基板は、樹脂パッケージにより、同一パッケージ内に配設されていることを特徴とする赤外線センサＩＣ。
【請求項５】
第１の基板上に薄膜成長されたインジウム及びアンチモンを含む化合物半導体層と、該化合物半導体層上に形成され、該化合物半導体層により検知した赤外線を電気信号として出力する第1の電極と、を有する化合物半導体センサ部と、
第２の基板上に形成された回路素子及び第２の電極を有し、前記化合物半導体センサ部から出力される電気信号を処理して所定の演算を行う集積回路部と、
前記化合物半導体センサ部及び前記集積回路部が配置される第３の基板と、
を備え、
前記集積回路部は、前記第２の電極が上になるように、前記第３の基板にダイボンディングされ、
前記化合物半導体センサ部は、前記第１の電極が上になるように、前記集積回路部上に重ねて配置され、
前記第１の電極と前記第２の電極は、ワイヤーボンディングにより電気的に互いに接続され、
前記化合物半導体センサ部、前記集積回路部、及び前記第３の基板は、樹脂パッケージにより、同一パッケージ内に配設されていることを特徴とする赤外線センサＩＣ。
【請求項６】
前記集積回路部は、前記第２の基板上に形成された第３の電極を更に有し、
前記第３の基板は、第４の電極を有し、
前記第３の電極と前記第４の電極は、ワイヤーボンディングにより電気的に互いに接続されることを特徴とする請求項４または５に記載の赤外線センサＩＣ。
【請求項７】
前記第１の基板はＧａＡｓ基板であり、前記第２の基板はＳｉ基板であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の赤外線センサＩＣ。
【請求項８】
前記樹脂パッケージは、中空パッケージであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の赤外線センサＩＣ。
【請求項９】
前記集積回路部は、増幅回路及びチョッピング回路を備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の赤外線センサＩＣ。
【請求項１０】
前記化合物半導体層は波長５μｍ以上の長波長帯の赤外線を検知することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の赤外線センサＩＣ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検知の分野、特に長波長帯の放射エネルギーを検知するような赤外線センサ、例えば人感センサの技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に赤外線センサには、赤外線エネルギーを吸収することによって発生する温度変化を利用する熱型（焦電素子やサーモパイルなど）と、入射した光エネルギーで励起された電子によって生じる導電率の変化や起電力を利用する量子型とがある。熱型は室温動作が可能だが、波長依存性がなく、低感度で応答性が遅いという欠点がある。一方、量子型は低温に冷却する必要があるが、波長依存性があり、高感度で応答速度も速いという特徴を有している。
【０００３】
赤外線センサの応用は、人を検知することによって、照明やエアコン、ＴＶなどの家電機器の自動オンオフを行う人感センサや、防犯用の監視センサなどが代表的な例である。最近、省エネルギーや、ホームオートメーション、セキュリティシステム等への応用で非常に注目されてきた。
【０００４】
人感センサとして現在使われている赤外線センサは、焦電効果を利用した焦電型赤外線センサである。焦電型赤外線センサは、非特許文献１に示されているように、その焦電素子のインピーダンスがきわめて高いために、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けやすい。そのため、金属Ｃａｎパッケージなどのシールドが必須になる。また、Ｉ−Ｖ変換回路に大きなＲやＣが必要であり、小型化が困難となっている。
【０００５】
一方、量子型の赤外線センサとしては、ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）やＩｎＳｂ系がその代表的な材料として利用されてきた。ＭＣＴやＩｎＳｂ系を用いる場合、センサ部を液体窒素や液体ヘリウム、あるいはペルチェ効果を利用した電子冷却等で冷却する必要がある。一般に、冷却された量子型赤外線センサでは、焦電センサの１００倍以上の高感度化を達成できる。また、素子抵抗は数１０〜数１００Ωと小さく、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響は受けにくい。ただし、パッケージについては低温に冷却する必要があるため、頑丈な金属パッケージが使われている。
【０００６】
さらに、量子型赤外線センサの中でも、ＭＣＴは最も高感度であるが、それに用いられるＨｇの蒸気圧は高い。そのため、結晶成長時の組成制御性や再現性が難しく、均一な膜が得られにくい。また素子化プロセスにおいても機械的強度が弱く、Ｈｇの拡散や抜け出しという問題をかかえている。
【０００７】
ＩｎＳｂ系については、検出すべき波長にあわせてＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘの混晶が検討されている。例えば、ＩｎＳｂ基板を用いてその上にＩｎＳｂの一部をＡｓに置換してエピタキシャル成長する方法（特許文献１参照）などが試みられている。
【０００８】
さらに、読み出しおよび信号処理回路が集積化された基体の上に、赤外線センサ部を成長させたモノリシック構造が提案されている（特許文献２参照）。しかし、信号処理回路上に赤外線センサ部である化合物半導体薄膜を成長させる技術はきわめて難しく、実用的なデバイスとして応用可能な膜質は容易には得られない。また、信号処理回路を動作させたときに発生する熱が、その上にモノリシック形成された赤外線センサ部に熱ゆらぎのノイズとなって誤信号を与えてしまうことが問題となる。従って、この熱ゆらぎの影響を抑制するため、センサ全体を液体窒素等で冷却させることが必須となる。このような冷却は、一般の家電や照明用の人感センシングの用途には適さない。
【０００９】
【特許文献１】特開昭５３−５８７９１号公報
【特許文献２】特開平２−５０２３２６号公報
【非特許文献１】松井邦彦著「センサ活用１４１の実践ノウハウ」ＣＱ出版、２００１年５月２０日、ｐ５６
【非特許文献２】A.G. Thompson and J.C. Woolley, Can. J. Phys., 45, 255 (1967)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、室温での動作が可能であり、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響も受けにくい超小型の、赤外線センサＩＣ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】
【００１１】
本発明者らは、前記課題を解決するため、素子抵抗の小さな化合物半導体センサ部と該化合物半導体センサ部から出力される電気信号を処理する集積回路部を同一パッケージ内でハイブリッド形成させることにより、室温で検知できることを見出し、本発明をなすに至った。さらに本発明一実施形態に係る赤外線センサは、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくいという特徴を有することを見出した。さらに、本発明の一実施形態に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部は、素子抵抗が小さいため、化合物半導体センサ部から出力される信号処理回路におけるＲやＣを小さくでき、従ってセンサモジュールとしたときのＩＣの小型化が可能となる。
【００１２】
さらに、本発明の一実施形態に係る赤外線センサＩＣは、赤外線センサ部と集積回路部とを別々に製作できるので、デバイスプロセスはそれぞれに適したプロセスを利用できる。また、赤外線センサ部と集積回路部とはハイブリッド形成されているために、モノリシック構造で問題となった集積回路部からの発熱の影響を受けにくい。従って本発明の一実施形態に係る赤外線センサＩＣは冷却する必要がないという大きな特徴を有している。
【００１３】
すなわち、本発明における第１の実施形態の赤外線センサＩＣは、基板上に薄膜成長されたインジウムおよびアンチモンを含む化合物半導体層を有し、該化合物半導体層により赤外線を検知して該検知を示す電気信号を出力する化合物半導体センサ部と、前記化合物半導体センサ部から出力される電気信号を処理して所定の演算を行う集積回路部とを備え、前記化合物半導体センサ部及び前記集積回路部が同一パッケージ内にハイブリッドの形態で配設されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第２の実施形態の赤外線センサＩＣは、本発明の第１の実施形態の赤外線センサＩＣにおいて、前記化合物半導体センサ部は、基板と、該基板上に、格子不整合を緩和させる層であるバッファ層をはさんで形成された化合物半導体層とを備えることを特徴とする。また、前記バッファ層は、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂのいずれかであってもよい。
【００１５】
本発明の第３の実施形態の赤外線センサＩＣは、本発明の第１及び第２の実施形態の赤外線センサＩＣにおいて、前記化合物半導体層が、第一化合物半導体層の単層からなり、かつ該第一化合物半導体層が、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＳｂＢｉ、ＩｎＡｓＳｂＢｉ、ＩｎＴｌＳｂ、ＩｎＴｌＡｓＳｂ、ＩｎＳｂＮ、ＩｎＡｓＳｂＮのいずれかであることを特徴とする。ここで、前記第一化合物半導体層が、ｐ型ドーピングされていてもよい。
【００１６】
本発明の第４の実施形態の赤外線センサＩＣは、本発明の第１及び第２の実施形態の赤外線センサＩＣにおいて、前記化合物半導体層が、インジウム及びアンチモンを含む材料である第二化合物半導体層と、該第二化合物半導体層上に該第二化合物半導体層とヘテロ接合するように形成された、アンチモンを含み、かつ前記第二化合物半導体層とは異なる材料である第三化合物半導体層とを備えることを特徴とする。ここで、前記第三化合物半導体層／前記第二化合物半導体層の組み合わせが、ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＳｂ、ＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂのいずれかであってもよい。また、前記第二化合物半導体層と前記第三化合物半導体層との両方、もしくは、前記第三化合物半導体層のみが、ｐ型ドーピングされていてもよい。
【００１７】
本発明の第５の実施形態の赤外線センサＩＣは、本発明の第１及び第２の実施形態の赤外線センサＩＣにおいて、前記化合物半導体層が、インジウム及びアンチモンの少なくとも一方を含む材料である第四化合物半導体層と、該第四化合物半導体層上に該第四化合物半導体層とヘテロ接合するように形成された、インジウム及びアンチモンの少なくとも一方を含み、かつ前記第四化合物半導体層とは異なる材料である第五化合物半導体層とを備え、前記第四化合物半導体層と前記第五化合物半導体層とは、周期的に積層された超格子構造であることを特徴とする。ここで、前記第五化合物半導体層／前記第四化合物半導体層の組み合わせが、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＩｎＳｂのいずれかであってもよい。
【００１８】
本発明の第６の実施形態の赤外線センサＩＣは、本発明の第１及び第２の実施形態の赤外線センサＩＣにおいて、前記化合物半導体層が、インジウム及びアンチモンを含み、ｎ型ドーピングされた材料である化合物半導体層と、インジウム及びアンチモンを含み、ｐ型ドーピングされた材料である化合物半導体層とを備えたｐ−ｎ接合の積層体であることを特徴とする。ここで、前記積層体が、ｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ／ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ、ｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ／ｐ型ドーピングされたＩｎＡｓＳｂ／ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ、ｐ型ドーピングされたＧａＩｎＳｂ／ｐ型ドーピングされたＩｎＡｓＳｂ／ｎ型ドーピングされたＧａＩｎＳｂ、ｐ型ドーピングされたＧａＩｎＳｂ／ｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ／ｎ型ドーピングされたＧａＩｎＳｂの中から選択されたｐ−ｎ接合積層体であってもよい。
【００１９】
本発明の第７の実施形態の赤外線センサは、基板と、該基板上に形成された、複数の化合物半導体層が積層された化合物半導体の積層体とを備え、前記化合物半導体の積層体は、該基板上に形成された、インジウムおよびアンチモンを含み、ｎ型ドーピングされた材料である第六化合物半導体層と、該第六化合物半導体層上に形成された、インジウムおよびアンチモンを含み、ノンドープあるいはｐ型ドーピングされた材料である第七化合物半導体層と、該第七化合物半導体層上に形成された、前記第七化合物半導体層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ前記第六化合物半導体層、及び前記第七化合物半導体層よりも大きなバンドギャップを有する材料である第八化合物半導体層とを備えることを特徴とする。前記第六化合物半導体層はＩｎＳｂであり、前記第七化合物半導体層が、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＳｂＮのいずれかであり、前記第八化合物半導体層は、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、またはＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂおよびそれらの混晶のいずれかであってもよい。また、前記第六化合物半導体層のｎ型ドーパントはＳｎであり、前記第七化合物半導体層および前記第八化合物半導体層のｐ型ドーパントはＺｎであってもよい。
【００２０】
また、前記化合物半導体の積層体は、前記第八化合物半導体層上に形成された、インジウムおよびアンチモンを含み、該第八化合物半導体層と同等か、またはそれ以上の濃度にｐ型ドーピングされた材料である第九化合物半導体層をさらに備えることができる。前記第九化合物半導体層は、ＩｎＳｂであってもよい。
【００２１】
さらに、前記基板は、半絶縁性、または前記基板と該基板に形成された第六化合物半導体層とが絶縁分離可能である基板であり、前記第六化合物半導体層のうち、前記第七化合物半導体層が形成されていない領域に形成された第１電極と、前記第八化合物半導体層上に形成された、第２電極とをさらに備えることができる。なお、「前記第八化合物半導体層上に形成された」とは、第八化合物半導体層に対して第２の電極が空間的に上に形成されることを指す。すなわち、第２の電極を第八化合物半導体層の直上に形成することに限らず、第八化合物半導体層に他の層（例えば、第九化合物半導体層）を形成し、該層に第２の電極を形成することも含まれる。ここで、前記基板上には、前記化合物半導体の積層体に形成された第１の電極と、該第１の電極が形成された化合物半導体の積層体の隣の化合物半導体の積層体に形成された第２の電極とが直列接続するように、複数の前記化合物半導体の積層体が連続的に形成されていてもよい。
【００２２】
本発明の第７の実施形態において、出力信号を測定する際に、前記第１および第２の電極間のバイアスをゼロバイアスとし、赤外線入射時の信号を開放回路電圧として読み出すようにしてもよい。
【００２３】
本発明の第８の実施形態の赤外線センサＩＣは、本発明の第７の実施形態の赤外線センサと前記赤外線センサから出力される電気信号を処理して所定の演算を行う集積回路部とを備え、前記赤外線センサ及び前記集積回路部が同一パッケージ内にハイブリッドの形態で配設されていることを特徴とする。
【００２４】
本発明の第９の実施形態の赤外線センサの製造方法は、基板上に、インジウムおよびアンチモンを含み、ｎ型ドーピングされた材料である第六化合物半導体層を形成する工程と、該第六化合物半導体層上に、インジウムおよびアンチモンを含み、ノンドープあるいはｐ型ドーピングされた材料である第七化合物半導体層を形成する工程と、該第七化合物半導体層上に、前記第七化合物半導体層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ前記第六化合物半導体層、及び前記第七化合物半導体層よりも大きなバンドギャップを有する材料である第八化合物半導体層を形成する工程とを有することを特徴とする。前記第六化合物半導体層はＩｎＳｂであり、前記第七化合物半導体層が、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＳｂＮのいずれかであり、前記第八化合物半導体層は、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、またはＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂおよびそれらの混晶のいずれであってもよい。また、前記第六化合物半導体層のｎ型ドーパントはＳｎであり、前記第七化合物半導体層および前記第八化合物半導体層のｐ型ドーパントはＺｎであってもよい。
【００２５】
さらに、前記第八化合物半導体層上に、インジウムおよびアンチモンを含み、該第八化合物半導体層と同等か、またはそれ以上の濃度にｐ型ドーピングされた材料である第九化合物半導体層を形成する工程をさらに有することができる。ここで、前記第九化合物半導体層は、ＩｎＳｂであってもよい。また、前記第九化合物半導体層のｐ型ドーパントはＺｎであってもよい。
【００２６】
本発明の第１０の実施形態の赤外線センサＩＣは、第１の基板上に薄膜成長されたインジウム及びアンチモンを含む化合物半導体層と、該化合物半導体層上に形成され、該化合物半導体層により検知した赤外線を電気信号として出力する第1の電極と、を有する化合物半導体センサ部と、第２の基板上に形成された回路素子及び第２の電極を有し、前記化合物半導体センサ部から出力される電気信号を処理して所定の演算を行う集積回路部と、
を備え、前記化合物半導体センサ部は、前記第１の電極と前記第２の電極が互いに向き合って接合するように、前記第２の基板を上にして前記集積回路部上に配置され、前記第１の電極と前記第２の電極は、バンプにより電気的に互いに接続され、前記化合物半導体センサ部及び前記集積回路部は、樹脂パッケージにより、同一パッケージ内に配設されていることを特徴とする。
【００２７】
前記集積回路部は、前記第２の基板上に形成された第３の電極を更に有し、前記樹脂パッケージは、内部に第４の電極を有し、前記集積回路部は、前記第３の電極が上になるように、前記樹脂パッケージ内部の底部に配置され、前記第３の電極と前記第４の電極は、ワイヤーボンディングにより電気的に互いに接続されても良い。また、前記赤外線は、前記第１の基板側から前記化合物半導体層に入射されても良い。
【００２８】
本発明の第１１の実施形態の赤外線センサＩＣは、第１の基板上に薄膜成長されたインジウム及びアンチモンを含む化合物半導体層と、該化合物半導体層上に形成され、該化合物半導体層により検知した赤外線を電気信号として出力する第1の電極と、を有する化合物半導体センサ部と、第２の基板上に形成された回路素子及び第２の電極を有し、前記化合物半導体センサ部から出力される電気信号を処理して所定の演算を行う集積回路部と、前記化合物半導体センサ部及び前記集積回路部が配置される第３の基板と、
を備え、前記化合物半導体センサ部及び前記集積回路部は、前記第１及び第２の電極が上になるように、前記第３の基板に夫々ダイボンディングされ、前記第１の電極と前記第２の電極は、ワイヤーボンディングにより電気的に互いに接続され、前記化合物半導体センサ部、前記集積回路部、及び前記第３の基板は、樹脂パッケージにより、同一パッケージ内に配設されていることを特徴とする。
【００２９】
本発明の第１２の実施形態の赤外線センサＩＣは、第１の基板上に薄膜成長されたインジウム及びアンチモンを含む化合物半導体層と、該化合物半導体層上に形成され、該化合物半導体層により検知した赤外線を電気信号として出力する第1の電極と、を有する化合物半導体センサ部と、第２の基板上に形成された回路素子及び第２の電極を有し、前記化合物半導体センサ部から出力される電気信号を処理して所定の演算を行う集積回路部と、前記化合物半導体センサ部及び前記集積回路部が配置される第３の基板と、を備え、前記集積回路部は、前記第２の電極が上になるように、前記第３の基板にダイボンディングされ、前記化合物半導体センサ部は、前記第１の電極が上になるように、前記集積回路部上に重ねて配置され、前記第１の電極と前記第２の電極は、ワイヤーボンディングにより電気的に互いに接続され、前記化合物半導体センサ部、前記集積回路部、及び前記第３の基板は、樹脂パッケージにより、同一パッケージ内に配設されていることを特徴とする。
【００３０】
本発明の第１０〜第１２の実施形態の赤外線センサＩＣにおいて、前記集積回路部は、前記第２の基板上に形成された第３の電極を更に有し、前記第３の基板は、第４の電極を有し、前記第３の電極と前記第４の電極は、ワイヤーボンディングにより電気的に互いに接続されても良い。また、前記第１の基板はＧａＡｓ基板であり、前記第２の基板はＳｉ基板であっても良い。また、前記樹脂パッケージは、中空パッケージであっても良い。また、前記集積回路部は、増幅回路及びチョッピング回路を備えても良い。さらに、前記化合物半導体層は波長５μｍ以上の長波長帯の赤外線を検知しても良い。
【発明の効果】
【００３１】
本発明一実施形態に係る赤外線センサＩＣを用いれば、超小型で、室温で動作可能な人感センサを実現できるため、これまで搭載が難しかった家電などへも容易に搭載が可能となる。本発明の一実施形態に係る赤外線センサＩＣは、これまで、冷却が前提であり、計測用途にしか応用がされてこなかった化合物半導体を用いた量子型赤外線センサを、集積回路とハイブリッド化することにより、室温での動作を可能にする。しかも素子抵抗が小さいという化合物半導体素子が電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくいという特徴を生かし、小型で安価な人感センサを実現した。本発明の一実施形態に係る赤外線センサＩＣを用いれば、ホームエレクトロニクスやオフィスエレクトロニクスの大幅な省エネルギー化が達成でき、エネルギー・環境上の有用性は計り知れない。
【００３２】
本発明について、以下で、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００３３】
図１は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサＩＣの模式図を示す。図１中、符号１は、プリント基板（もしくはリードフレーム）、２は化合物半導体センサ部、３は集積回路部、４ａはプリント基板１上に形成された引き回し電極を示している。化合物半導体センサ部２及び集積回路部３、ならびに集積回路部３及び引き回し電極４ａは、それぞれ各電極１３間をワイヤーボンディング４ｂで接続されている。符号５はパッケージカバーを示している。すなわち、プリント基板１上に、化合物半導体センサ部２及び集積回路部３とがハイブリッド形成されている。
【００３４】
本発明の一実施形態において、「化合物半導体センサ部」とは、入射された赤外線を検知し、その検知結果を電気信号として出力する手段、すなわち赤外線センサのことである。また、「集積回路部」とは、複数の回路素子が基板上または基板内に形成されている回路であり、化合物半導体センサ部から出力される赤外線の検知信号（電気信号）を処理して所定の演算を行う手段である。また、「ハイブリッド形成（ハイブリッドに形成する）」とは、１つの基板上に、集積回路部や化合物半導体センサ部などの素子を個別に組み合わせて、それらの素子を互いに電気的に接続して形成することである。
【００３５】
本発明の一実施形態に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を形成するために用いられる基板は、一般に単結晶を成長できるものであれば何でもよく、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板などの単結晶基板が好ましく用いられる。また、それらの単結晶基板がドナー不純物やアクセプタ不純物によってｎ型やｐ型にドーピングされていてもよい。さらに、絶縁性の基板上に成長させた後、化合物半導体センサ部を他の基板に接着剤で付けて、絶縁性基板を剥がすことも行われる。
【００３６】
化合物半導体センサ部を構成する化合物半導体層は、各種の成膜方法を用いて形成される。例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などは好ましい方法である。上記成長方法により、所望の化合物半導体層を形成する。
【００３７】
化合物半導体センサ部を構成する化合物半導体層の材料として、Ｅｇ［ｅＶ］≦１．２４／λ[μｍ]（赤外線の波長λ＝１０μｍ）を満足するバンドギャップＥｇを有する化合物半導体が用いられる。例えば、第一化合物半導体層としては、該半導体層にインジウム（Ｉｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）を含むものであればいずれを用いても良いが、中でも、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＳｂＢｉ、ＩｎＡｓＳｂＢｉ、ＩｎＴｌＳｂ、ＩｎＴｌＡｓＳｂ、ＩｎＳｂＮ、ＩｎＡｓＳｂＮなどが好ましく用いられる。ＩｎＡｓxＳｂ1-x混晶のバンドギャップＥｇは、０．５８ｘ２−０．４１ｘ＋０．１８＝Ｅｇで表され、非常に大きな非線形因子がある（非特許文献２参照）。Ａｓ組成比のｘが０の場合、すなわちＩｎＳｂは室温で約７．３μｍ以下の波長において感度が得られる。また、０．１≦ｘ≦０．６の範囲においてはＥｇ≦０．１２ｅＶとなり、１０μｍ帯をピーク波長とした赤外線検知に対し、より適した化合物半導体層となる。さらに好ましいｘの範囲は０．２≦ｘ≦０．５である。図２に、ＧａＡｓ基板６上に形成された第一化合物半導体層７の一例の断面図を示す。
【００３８】
また、化合物半導体層が、第二化合物半導体層と第三化合物半導体層とからなるヘテロ構造を形成していてもよい。本発明の一実施形態に係る第二化合物半導体層としては、該半導体層にインジウム（Ｉｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）を含むものであればいずれを用いても良く、また、第三化合物半導体層としては、該半導体層にアンチモンを含み、かつ第二化合物半導体層とは異なる材料であれば良い。中でも、第三化合物半導体層／第二化合物半導体層の好ましい組み合わせは、ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＳｂ、ＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂなどである。特にＩｎＡｓxＳｂ1-x混晶のｘは、上記で述べたように０．１≦ｘ≦０．６の範囲が好ましく、さらに好ましいｘの範囲は０．２≦ｘ≦０．５である。図３に、ＧａＡｓ基板６上に形成された第二化合物半導体層８／第三化合物半導体層９からなる化合物半導体センサ部２の例の断面図を示した（電極１３は図示せず）。
【００３９】
なお、本明細書において、記号／がある場合、記号／の左側に記載される材料は、該記号／の右側に記載される材料の上に形成されることを示す。よって、上述のように、第三化合物半導体層／第二化合物半導体層とある場合は、第二化合物半導体層上に第三化合物半導体層が形成されることを示す。
【００４０】
本発明の一実施形態に係る、第一化合物半導体層、第二化合物半導体層や第三化合物半導体層は、ｐ型ドーピングされていてもよい。ｐ型のドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｇｅなどが好ましく用いられる。ここで、ドーピング濃度とは、化合物半導体中にドーピングされる不純物原子の濃度である。ｐ型ドーピング濃度としては、１×１０１６〜１×１０１７原子／ｃｍ３であり、より好ましくは、２×１０１６〜５×１０１６原子／ｃｍ３である。
【００４１】
本発明の一実施形態に係る、第一化合物半導体層、第二化合物半導体層や第三化合物半導体層をｐ型化する効果について以下に述べる。第一化合物半導体層、第二化合物半導体層や第三化合物半導体層を化合物半導体センサ部に用いる赤外線センサは、一般に光導電型赤外線センサと呼ばれる。光導電型赤外線センサの場合、感度Ｒｐｃは、数１で表される。ここで、λは赤外線の波長、ｈはプランク定数、ｃは光速、ηは量子効率、ｌはセンサ素子の長さ、ｗはセンサ素子の幅、Ｖｂはバイアス電圧、τはキャリアのライフタイム、ｄは化合物半導体層の膜厚、Ｎはセンサ素子のキャリア濃度、ｑは電子の電荷、μは電子移動度、Ｒｉｎはセンサ素子の素子抵抗である。
【００４２】
【数１】
2008103742.tif 000003
【００４３】
数１によれば、赤外線センサの高感度化のために、化合物半導体層の膜特性としては、電子移動度が大きく、素子抵抗が大きく、キャリア濃度ができるだけ小さい膜特性が求められる。本発明の一実施形態に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を構成する第一化合物半導体層や第二化合物半導体層、第三化合物半導体層は、ノンドープでｎ型を示す薄膜材料である。従って、キャリア濃度低減のために、それら化合物半導体層をｐ型ドーピングすることが好ましく行われる。膜厚については、薄いほどよいが、量子効率は膜厚が厚くなるほど大きくなるので最適値が存在する。また、素子抵抗についてもあまり大きくなると（ｋΩ以上）、電磁ノイズの影響を受けやすくなるため、最適値が存在する。
【００４４】
化合物半導体層が、第四化合物半導体層と第五化合物半導体層とが交互に積層された超格子構造を形成することも好ましく行われる。本発明の一実施形態に係る第四化合物半導体層はインジウム（Ｉｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）の少なくとも一方を含む材料であり、第五化合物半導体層としてはインジウム（Ｉｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）の少なくとも一方を含み、かつ第四化合物半導体層と異なる材料であれば良い。中でも好ましい超格子構造を形成する第五化合物半導体層／第四化合物半導体層の組み合わせとしては、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＩｎＳｂなどが、高感度な赤外線センサを実現する上で、非常に好ましく用いられる。また上記化合物半導体の中で、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ混晶のｘは、上記で述べたように０．１≦ｘ≦０．６の範囲が好ましく、さらに好ましいｘの範囲は０．２≦ｘ≦０．５である。図４には、ＧａＡｓ基板６上に第四化合物半導体層１０と第五化合物半導体層１１とが交互に積層された超格子構造の化合物半導体センサ部２の一例の断面図を示す（電極１３は図示せず）。
【００４５】
超格子構造は、Ｔｙｐｅ−ＩＩと呼ばれるバンド構造である。すなわち、超格子構造とは、第五化合物半導体層を構成する薄膜材料の伝導帯が、第四化合物半導体層を構成する薄膜材料の価電子帯の下に位置しており、バンドギャップが分離している構造である。このようなバンド構造においては、価電子帯のホールと伝導帯の電子とがそれぞれ空間的に分離される。その結果、再結合しようとするキャリアのライフタイムが長くなり、赤外線のエネルギーを電気信号として取り出す効率が向上する。よって、赤外線センサの高感度化が達成できると考えられる。
【００４６】
化合物半導体層が化合物半導体の積層体、すなわちインジウム（Ｉｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）を含み、ｎ型ドーピングされた化合物半導体層と、インジウム（Ｉｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）を含み、ｐ型ドーピングされた化合物半導体層が積層された積層体も用いることができる。該積層体の好ましい組み合わせとしては、ｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ／ｐ型ドーピングされたＩｎＡｓＳｂ／ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ、ｐ型ドーピングされたＧａＩｎＳｂ／ｐ型ドーピングされたＩｎＡｓＳｂ／ｎ型ドーピングされたＧａＩｎＳｂ、ｐ型ドーピングされたＧａＩｎＳｂ／ｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ／ｎ型ドーピングされたＧａＩｎＳｂなどのｐ−ｎ接合積層体が好ましく用いられる。またｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ／ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ、高濃度にｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ／低濃度にｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ／ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ／低濃度にｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ／高濃度にｐ型ドーピングされたＩｎＳｂといった積層体も好ましい。
【００４７】
なお、本明細書において、記号／が複数ある場合も、記号／が１つある場合と同様に、複数の記号／のうち右側の記号／から左側の記号／に向けて順に、各材料が形成されることを示す。すなわち、例えば、ｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ／ｐ型ドーピングされたＩｎＡｓＳｂ／ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂとある場合は、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ上にｐ型ドーピングされたＩｎＡｓＳｂが形成され、該ｐ型ドーピングされたＩｎＡｓＳｂ上にはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂが形成されることを示す
ｐ型ドーパントは、すでに述べたものと同様の元素が使用できる。ｎ型ドーパントは、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｅ、Ｓ、Ｓｅなどが好ましく用いられる。図５には、ｎ型ＧａＡｓ基板６上に化合物半導体の積層体１２が形成されている化合物半導体センサ部２の一例の断面図を示す（電極１３は図示せず）。図５において、化合物半導体の積層体１２が、高濃度ｎ型ドープ層１２ａ／低濃度ｐ型ドープ層１２ｂ／高濃度ｐ型ドープ層１２ｃの３層からなる例が示されている。
【００４８】
なお、本発明の一実施形態において、「積層体」とは、複数の化合物半導体を積層した積層構造を有する化合物半導体の膜のことである。
【００４９】
化合物半導体の積層体１２は、一般に、高濃度ｐ型ドープ層／低濃度ｐ型ドープ層／高濃度ｎ型ドープ層の3層構造からなっていることが好ましい。高濃度ｐ型ドープ層のドーピング濃度は、６×１０１７〜５×１０１８原子／ｃｍ３であり、より好ましくは１×１０１８〜４×１０１８原子／ｃｍ３である。また低濃度ｐ型ドープ層のドーピング濃度は、１×１０１６〜１×１０１８原子／ｃｍ３であり、より好ましくは１×１０１６〜１×１０１７原子／ｃｍ３である。高濃度ｎ型ドープ層のドーピング濃度は、６×１０１７〜５×１０１８原子／ｃｍ３であり、より好ましくは１×１０１８〜４×１０１８原子／ｃｍ３の範囲である。
【００５０】
一般的にｐ−ｎ接合積層体を用いた赤外線センサは、光起電力型赤外線センサであり、光起電力型赤外線センサの感度Ｒｐｖは、数２で表される。
【００５１】
【数２】
2008103742.tif 000004
【００５２】
数２によれば、赤外線センサの高感度化のためには、素子抵抗が大きく、量子効率を大きくするために素子の膜厚が厚いほど好ましい。また、ｐ−ｎ接合積層体の場合には、逆バイアス電圧を印加することでより効率よくキャリアを電気信号として取り出すことが可能となる。その結果として赤外線センサとしてのさらなる高感度化が達成できる。ただし、素子抵抗については、あまり大きくなると（ｋΩ以上）、電磁ノイズの影響を受けやすくなるため、最適値がある。また、逆バイアス電圧を印可せず、ゼロバイアスの状態で素子の解放回路電圧を測定する方法も好ましい測定方法である。これに関しては後で詳述する。
【００５３】
また、これまでに述べてきた化合物半導体センサ部を構成している化合物半導体層を、基板６上に成長する際、図６に示したように適当なバッファ層１４を挿入することにより、化合物半導体層（例えば、第二化合物半導体層８）の欠陥が減少し、表面の平坦性や結晶性を向上できることを見出した。バッファ層１４としては、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂなどが好ましく用いられる。またｐ型ドーピングを行ったＩｎＳｂでも良い。これらのバッファ層１４は、基板６との格子定数が大きく異なっているが、成長を開始すると非常に速く格子緩和が起こり、化合物半導体層の表面が平坦化し、結晶性に優れた薄膜が得られてくることが確認できている。バッファ層１４の膜厚は、基板６との格子不整合を緩和し、良好な結晶性と平坦な表面とが得られればよく、一般に１００ｎｍ〜１μｍ、好ましくは１５０ｎｍ〜６００ｎｍ程度である。バッファ層１４の組成は、バッファ層１４上に成長させる化合物半導体層の材料にできるだけ格子定数の近い組成を選択することが好ましい。この格子整合効果により、直接基板上に成長するよりも化合物半導体層の結晶性や平坦性、さらに界面の急峻性を大きく向上できる。
【００５４】
なお、バッファ層１４を、ＧａＡｓ基板６上と第一化合物半導体層７との間に設けるようにしても良い。すなわち、バッファ層１４をＧａＡｓ基板６と化合物半導体層との間に設けることによって、上述の通り、ＧａＡｓ基板６とその上に形成される化合物半導体層との格子不整合を緩和させ、形成される化合物半導体層の結晶性等を向上させることが目的である。よって、バッファ層１４上に形成される化合物半導体層は、単層であっても、複数の層であっても、複数の層の積層であってもよい。
【００５５】
これらの結果、赤外線センサとしての素子特性も改善でき、高感度化や低ノイズ化が実現できる。
【００５６】
化合物半導体センサ部を構成している化合物半導体層の膜厚は、単層の場合には０．５μｍ〜１０μｍであり、好ましくは、０．７μｍ〜５μｍ、より好ましくは１μｍ〜４μｍである。
【００５７】
また、ヘテロ構造を用いる場合は、第二化合物半導体層及び第三化合物半導体層のトータルの膜厚が０．５μｍ〜１０μｍであり、好ましくは、１μｍ〜５μｍ、より好ましくは２μｍ〜４μｍである。
【００５８】
さらに超格子構造の場合には、第四化合物半導体層及び第五化合物半導体層の１周期の膜厚は、ミニバンドが形成される程度に薄くする必要がある。その１周期の膜厚は、１ｎｍ〜１５ｎｍの範囲が好ましく、より好ましくは２ｎｍ〜１０ｎｍ、さらに好ましくは３ｎｍ〜７ｎｍである。また超格子構造の周期は１０〜１００周期、さらには２０〜５０周期程度成長させることが好ましい。
【００５９】
本発明の一実施形態に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を加工するプロセスは、まずメサエッチングにより、上記成長方法にて形成された化合物半導体層に対して、素子分離を行う。次いで、基板及び素子分離された化合物半導体層の表面にＳｉＮ保護膜を形成する。次いで、ＳｉＮ保護膜（パッシベーション膜）に電極用の窓開けを行った後、電極１３をリフトオフ法で形成する。電極１３としてはＡｕ／Ｔｉが好ましく用いられる。ここで、Ａｕ／Ｔｉとは、電極を形成すべき下地層上にＴｉ、Ａｕの順に形成することを示す。さらにダイシングを行い、化合物半導体センサ部のチップを形成する。上述のプロセスは、本発明の一実施形態に係る化合物半導体センサ部を作製する一連のプロセスフローの例である。第一化合物半導体層７を用いた化合物半導体センサ部２（光導電型赤外線センサ）の一例の断面図を図７に示す。また、ｐ−ｎ接合積層体１２を用いた化合物半導体センサ部２（光起電力型赤外線センサ）の一例の断面図を図８に示す。
【００６０】
本発明の一実施形態に係る赤外線センサＩＣにおける集積回路部は、Ｓｉ基板上に増幅回路、チョッピング回路等が組み込まれ、通常のＣＭＯＳラインで形成されるのが一般的であるが、それに限定されるものではない。
【００６１】
さらに、図１に示したように、ガラスエポキシ基板などのプリント基板１上に化合物半導体センサ部２と集積回路部３とをダイボンディングし、所定の電極１３をそれぞれワイヤーボンディング４ｂで電気的に接続させるのが本発明の赤外線センサＩＣの一例である。
【００６２】
また、図９に示したように、前記集積回路部３上に前記化合物半導体センサ部２をのせ、ワイヤーボンディングでそれぞれを電気的に接続する形態が、本発明の赤外線センサＩＣの他の例である。図９の例のように、集積回路部３上に化合物半導体センサ部２を重ねることにより、赤外線センサＩＣのサイズをさらに小型化することが可能になる。
【００６３】
パッケージについては、波長５μｍ以上の赤外線、特に１０μｍ帯付近の赤外線の透過率が高い材料であれば何でもよい。また、ポリエチレンなどの樹脂材料も膜厚を薄くすれば、パッケージカバーとして用いることができる。また、１０μｍ帯付近の透明性が高く、かつ放熱性に優れた樹脂等も好ましく用いられる。本発明の一実施形態に係る赤外線センサＩＣは、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくいので、金属Ｃａｎパーケージなどの頑丈で高価なパッケージは必要ない。
【００６４】
また、後述の実施例１５に一例を示すように、プラスチックやセラミックなどで形成された中空パッケージの中に、センサ部とＩＣ部とを配置し、ワイヤーボンディングやフリップチップボンディングにより、センサ部とＩＣ部及びパッケージの電極をそれぞれ電気的に接続し、さらにパッケージの表面をＳｉなどのフィルタでカバーすることも好ましく行われる。なお、赤外線の入射方向はセンサ部の表面側からでも、裏面の基板側からでもどちらでもよい。
【００６５】
さらに、本発明の一実施形態に係る赤外線センサＩＣにおいて、人感センサとして用いる場合、人以外から発せられる光（５μｍ以下の近赤外や可視光など）の影響を完全に避けるため、５μｍ付近以下をカットするようなフィルタを取り付けることもある。また、検知する距離や方向性を定め、集光性をより高めるためにフレネルレンズを設けることも好ましく行われる。
【００６６】
化合物半導体による量子型の赤外線センサは高速、高感度という優れた性質を持っていることが知られている。例えば、ＰＮ接合を持つ光ダイオード型の赤外線センサや、ＰＮ接合の間に、ノンドープかあるいは非常に低濃度にドーピングした層を挿入したＰＩＮ構造をもった光ダイオード型の赤外線センサなどは、本発明における赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部として好ましく用いられる。これら量子型の赤外線センサを用いて、波長５μｍ以上の赤外線を室温において検知する場合、その更なる高感度化の為には、赤外線センサの漏れ電流を抑制することが重要である。例えばＰＮ接合を持つ光ダイオード型の素子において、その漏れ電流の主な原因となっているのが拡散電流である。拡散電流は赤外線センサを構成している半導体の真性キャリア密度ｎｉの２乗に比例する。また、ｎｉ２は数３で表される。
【００６７】
【数３】
2008103742.tif 000005
【００６８】
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。また、Ｎｃ、Ｎｖはそれぞれ伝導帯、及び価電子帯の有効状態密度である。また、Ｅｇはエネルギーバンドギャップである。Ｎｃ、Ｎｖ、Ｅｇは半導体物質固有の値である。
【００６９】
すなわち、波長５μｍ以上の赤外線を半導体が吸収するためには、そのエネルギーバンドギャップが約０．２５［ｅＶ］以下と非常に小さくなければならない。このため、室温ではその真性キャリア密度が６×１０１５［ｃｍ３］以上と大きくなり、結果として拡散電流も大きくなる。よって、漏れ電流は大きくなってしまう。従って、室温で光ダイオード型の化合物半導体赤外線センサをより高感度化する為には、赤外線検出素子部分を液体窒素やスターリングクーラーなどの機械式冷凍機、あるいはペルチェ効果を利用した電子冷却等で冷却し、真性キャリア密度を抑制する必要があった。
【００７０】
本発明の一実施形態に係る化合物半導体赤外線センサ構造によれば、拡散電流を抑制する事ができる。その結果、本発明の一実施形態に係る化合物半導体赤外線センサは、室温において冷却機構無しで、更なる高感度化を実現できる。図１０に本発明の一実施形態に係る化合物半導体赤外線センサの断面図を示す。以下で図１０を参照しながら、その構造と動作の特徴を述べる。
【００７１】
図１０において、基板１５に、ｎ型ドーピングされた層（ｎ層とも呼ぶ）である第六化合物半導体層１６が形成されている。第六化合物半導体層１６の所定の領域には、ノンドープあるいはｐ型ドーピングされた層である第七化合物半導体層１７が形成されている。第七化合物半導体層１７上には、第七化合物半導体層１７よりも高濃度にｐ型ドーピングされた層（Ｐ層とも呼ぶ）であり、かつ第七化合物半導体層１７よりもエネルギーバンドギャップが大きな第八化合物半導体層１８が形成されている。第八化合物半導体層１８、及び第六化合物半導体層１６のうち第七化合物半導体層１７が形成されてない領域には、電極１９が形成されている。このような構成の化合物半導体赤外線センサの表面を保護するように、パッシベーション膜２０が形成されている。このとき、パッシベーション膜２０は、電極１９上には形成されないようにする。
【００７２】
図１０に示す赤外線センサに赤外線を入射した場合、赤外線は光吸収層である第七化合物半導体層１７において吸収され、電子正孔対を生成する。生成した電子正孔対はｎ層である第六化合物半導体層１６とｐ層である第八化合物半導体層１８とのポテンシャル差、すなわちビルトインポテンシャルによって分離され、電子はｎ層側へ、正孔はｐ層側へと移動し光電流となる。この時、発生した電子がＰＩＮダイオードの順方向、すなわちｐ層側に拡散してしまうと、光電流として取り出すことは出来ない。このＰＩＮダイオード順方向へのキャリアの拡散が拡散電流である。ここで、ｐ層である第八化合物半導体層がエネルギーバンドギャップのより大きな材料であることで、数３に示すようにｐ層部分の真性キャリア密度ｎiを小さくすることができる。よって、第七化合物半導体層１７から第八化合物半導体層１８への拡散電流を抑えることが出来るようになる。
【００７３】
図１１に、図１０にて説明した化合物半導体赤外線センサのエネルギーバンド図を示す。図１１において、Ｅは電子のエネルギーを示し、ＥＦはフェルミエネルギーを示し、ＥＣは伝導帯レベルを示し、ＥＶは価電子帯レベルを示す。また、図中の矢印は、赤外線の入射によって生成された電子の移動方向を示し、それぞれ光電流となる移動方向（矢印Ａ）と、拡散電流となる移動方向（矢印Ｂ）とを示している。すなわち、図１１に示す化合物半導体赤外線センサのエネルギーバンド図からわかるように、第八化合物半導体層１８自身がｐ層側への電子の拡散に対するバリア層となる。一方で赤外線の入射により生成された正孔の流れは阻害しない。この効果により、漏れ電流を大幅に減少させる事ができる。さらに、赤外線の入射により発生した電子が光電流方向Ａへ流れやすくなることから、取り出せる光電流が大きくなる。すなわち、センサの外部量子効率が向上する。この結果、素子の感度を飛躍的に上げることが出来る。
【００７４】
また、各化合物半導体層の積層の順番は本発明の一実施形態において非常に重要である。以下で、基板上にｎ型ドーピングされている第六化合物半導体層をまず成長し、該第六化合物半導体層上にｐ型ドーピングされた第七化合物半導体層を成長し、さらに第七化合物半導体層上に第七化合物半導体層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ第七化合物半導体層よりも大きなバンドギャップを有している第八化合物半導体層を成長することの理由を説明する。まず第六化合物半導体層１６は、光吸収層となる第七化合物半導体層１７を基板上に結晶性良く成長させるためのバッファ層であると共に、電極とのコンタクト層となる。ここで、第六化合物半導体層１６の表面積は素子の中で最も大きいため、そのシート抵抗はセンサの抵抗の主な要因となっている。一方センサの抵抗Ｒは熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となる。すなわちセンサの抵抗が大きいほどノイズは大きくなる。ここで、ノイズ電圧ｖ、センサ信号を増幅する際の増幅器のバンド幅ｆとすると、ジョンソンノイズは数４の様に表せる。
【００７５】
【数４】
2008103742.tif 000006
【００７６】
従って、第六化合物半導体層１６はシート抵抗が小さい層であることが好ましい。一般に化合物半導体は電子の移動度がホールの移動度よりも大きいため、ｎ型ドーピングの方がｐ型ドーピングよりもシート抵抗を小さくすることが出来る。ゆえに第六化合物半導体層１６にはｎ型ドーピングを行うことが好ましい。
【００７７】
また、バリア層である第八化合物半導体層１８をまず成長し、次に光吸収層である第七化合物半導体層１７を成長した場合、拡散電流を抑制する効果は、図１０に示した積層構造とは変わらないので、化合物半導体赤外線センサの構造としては好ましい。しかし、第七化合物半導体層１７は結晶の格子定数の異なる第八化合物半導体層１８上への格子不整合のあるヘテロ成長となる。従って、光吸収層である第七化合物半導体層１７に結晶欠陥が発生しやすく、赤外線の吸収により発生した電子正孔対が対消滅を起こしやすくなる。すなわちセンサの量子効率が下がりやすくなる。ゆえにバリア層である第八化合物半導体層１８は光吸収層である第七化合物半導体層１７の次に成長することがより好ましい。
【００７８】
上記理由により、上述の化合物半導体赤外線センサ構造は、基板１５上にｎ型ドーピングされている第六化合物半導体層１６を成長させる。次いで、該第六化合物半導体層１６上の所定の領域にｐ型ドーピングされた第七化合物半導体層１７を成長させる。さらに、第七化合物半導体層１７上に第七化合物半導体層１７よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ第七化合物半導体層１７よりも大きなバンドギャップを有している第八化合物半導体層１８を成長させる。本発明の一実施形態では、このような順番の成長方法で化合物半導体赤外線センサを形成する事が好ましい。
【００７９】
また、第八化合物半導体層１８上に、第八化合物半導体層１８と同等か、またはそれ以上の濃度でｐ型ドーピングを行った第九化合物半導体層を更に続けて成長しても良い。これについては後述する。
【００８０】
また、第八化合物半導体層１８は、室温において拡散する電子を十分に止める事が出来るだけの、大きなバンドギャップを持つ必要がある。一般にバンドギャップをより大きくする為には、第八化合物半導体層１８を、格子定数がより小さな材料とする必要がある。この結果、バンドギャップの小さい第七化合物半導体層１７との格子定数差が大きくなり易く、バリア層である第八化合物半導体層１８に、ヘテロ成長による結晶欠陥が発生し易くなる。この結晶欠陥は欠陥による漏れ電流の原因となる。従ってそのバンドギャップの大きさは、拡散電流抑止の効果と、第八化合物半導体層１８の結晶性により決定される。これは使用する化合物半導体層の材料の組み合わせによって変化し得る。また、第七化合物半導体層１７と第八化合物半導体層１８との接合界面では、材料のエネルギーバンド構造の差により、図１１に示すような価電子帯の跳び（スパイクともいう）が生じる。このスパイクの先が第七化合物半導体層の価電子帯よりも飛び出すようになると、赤外線の吸収により発生した正孔の流れを妨げるようになる。これを防ぐために、第八化合物半導体層１８は十分なｐ型ドーピングを行う必要がある。
【００８１】
上記赤外線センサを構成する各化合物半導体層の材料として、第六化合物半導体層１６の材料としては、該半導体層にインジウム（Ｉｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）を含むものであればいずれを用いても良いが、好ましい材料としてはＩｎＳｂが用いられる。ＩｎＳｂは化合物半導体の中でも特にキャリアの移動度が大きく、シート抵抗を小さくする事が出来る。また、第七化合物半導体層１７の材料としては、該半導体層にインジウム（Ｉｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）を含むものであればいずれを用いても良いが、好ましい材料としては、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＳｂＮなどが用いられる。前述のように、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ混晶のバンドギャップＥｇは、０．５８ｘ２−０．４１ｘ＋０．１８＝Ｅｇで表され、非常に大きな非線形因子がある。Ａｓ組成比のｘが０の場合、すなわちＩｎＳｂは室温で約７．３μｍ以下の波長において感度が得られる。また、０．１≦ｘ≦０．６の範囲においては、Ｅｇ≦０．１２ｅＶとなり、１０μｍ帯をピーク波長とした赤外線検知により適した化合物半導体層となる。さらに好ましいｘの範囲は０．２≦ｘ≦０．５である。また、ＩｎＳｂ１−ｙＮｙ混晶（０＜ｙ＜０．０１）のバンドギャップは更に大きな非線形因子があり、窒素Ｎの組成ｙが僅か０．０１でバンドギャップがほぼ０に近くなることが知られている。したがって、ＩｎＳｂ１−ｙＮｙは、ＩｎＳｂ（第六化合物半導体層）と格子整合に近い系で、ＩｎＳｂで吸収できる波長よりも、より長波長の赤外線を吸収することができる。
【００８２】
なお、ＩｎＡｓＳｂやＩｎＳｂＮを第七化合物半導体層１７として第六化合物半導体層１６であるＩｎＳｂ層上に成長する場合、ヘテロ成長による結晶欠陥の発生を抑制するために、組成を０からｘ、あるいは０からｙへと段階的に変化させる成長方法などが好ましく用いられる。
【００８３】
第八化合物半導体層１８の材料としては、バンドギャップが第七化合物半導体層１７よりも大きい材料でよく、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂのいずれかが好ましい。特にＡｌｚＩｎ１−ｚＳｂ混晶のバンドギャップＥｇ’はＥｇ’=０．１７２＋１．６２１ｚ+０．４３ｚ２で表され、僅かなＡｌ組成によって大きなバンドギャップを得ることが可能となる。この為、光吸収層となる第七化合物半導体層１７のＩｎＳｂやＩｎＡｓＳｂ等の材料と格子定数が近く、バンドギャップの大きなバリア層とすることが可能となる。ここで、好ましいｚの範囲は０．０１≦ｚ≦０．７であり、より好ましくは０．１≦ｚ≦０．５である。
【００８４】
第六化合物半導体層１６の膜厚は、シート抵抗を下げるためになるべく厚いほうが好ましい。ただし、第六化合物半導体層１６の膜厚が厚くなると膜の成長に多大な時間を要し、かつ素子分離を行うためのメサエッチング等が困難となる。この為第六化合物半導体層１６の膜厚は、好ましくは、０．３μｍ以上２μｍ以下であり、より好ましくは、０．５μｍ以上１μｍ以下である。
【００８５】
また、第七化合物半導体層１７の膜厚は、赤外線の吸収を増やすためになるべく厚いほうが好ましい。ただし、第七化合物半導体層１７の膜厚が厚くなると第六化合物半導体層１６と同様に、膜の成長に多大な時間を要し、かつ素子分離を行うためのエッチング等が困難となる。この為第七化合物半導体層１７の膜厚は、好ましくは、０．５μｍ以上３μｍであり、より好ましくは、１μｍ以上２μｍ以下である。
【００８６】
また、第八化合物半導体層１８の膜厚は、素子抵抗下げるためになるべく薄いほうが好ましい。ただし、電極１９と第七化合物半導体層１７との間でトンネルリークが発生しないだけの膜厚が必要である。この為、第八化合物半導体層１８の膜厚は０．０１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．０２μｍ以上である。なお、矩形のポテンシャルバリアを仮定した場合の電子のトンネル確率Ｐは数５、及び数６で表される。ポテンシャルバリアの高さＶを０．２ｅＶ、ポテンシャルバリアの厚さＷを０．０２μｍ、電子のエネルギーＥを０．１ｅＶ、電子質量ｍをＩｎＳｂ中での有効質量と仮定したとき、トンネル確率Ｐは約０．００２と十分に小さい。
【００８７】
【数５】
2008103742.tif 000007
【００８８】
【数６】
2008103742.tif 000008
【００８９】
ここで、
【００９０】
【数７】
2008103742.tif 000009
【００９１】
はプランク定数ｈを２πで割ったものである。
【００９２】
第六化合物半導体層１６のｎ型ドーピングの濃度は、第七化合物半導体層１７とのポテンシャル差を大きくし、かつシート抵抗を下げるためになるべく大きいほうが好ましく、１×１０１８原子／ｃｍ３以上であることが好ましい。また、第七化合物半導体層１７は、ドーピングしないで真性半導体のままでも良いし、またはｐ型にドーピングしても良い。ｐ型にドーピングする場合には、第七化合物半導体層１７のｐ型ドーピング濃度は、第六化合物半導体層１６及び第八化合物半導体層１８それぞれの伝導帯と十分大きな伝導帯のバンドオフセットを取れるように調整される。ここで、第七化合物半導体層１７のｐ型ドーピング濃度は、１×１０１６原子／ｃｍ３以上１．０×１０１８原子／ｃｍ３未満が好ましい。また、第八化合物半導体層１８のｐ型ドーピング濃度は、第七化合物半導体層１７と第八化合物半導体層１８との接合界面における価電子帯のスパイクが、赤外線の吸収により発生した正孔の流れを妨げ無いようにするため、１×１０１８原子／ｃｍ３以上が好ましい。
【００９３】
また、ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅなどを用いることができる。中でもＳｎは、ＩｎＳｂにおいて、より活性化率が高く、シート抵抗をより下げることが可能であることから、より好ましく用いられる。また、ｐ型ドーパントとしてはＢｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどを用いることができる。中でもＺｎは、ＩｎＳｂにおいて、より活性化率が高く、かつ毒性も低いために、より好ましく用いられる。
【００９４】
また、バリア層となる第八化合物半導体１８上に、さらにコンタクト層となる第九化合物半導体層を形成した素子構造とすることは、より好ましい形態である。ここで、図１２には上記素子構造の断面図を示す。以下で、図１２を参照しながら、上記化合物半導体赤外線センサ構造の特徴を述べる。
【００９５】
バリア層となる第八化合物半導体層１８は、バンドギャップが大きい材料であり、一般にキャリア移動度は小さくなってしまう。この為電極１９とのコンタクト抵抗が増加し、この抵抗は前述したジョンソンノイズの原因となる。ここで、図１２に示すように、第八化合物半導体層１８上に形成された、第九化合物半導体層２１について、電気抵抗が第八化合物半導体層１８よりも小さな材料とすることで、この抵抗の増加を抑える事が出来る。また、第九化合物半導体層２１は、その電気抵抗を小さくするために、十分に大きなｐ型ドーピングを行うことが好ましい。
【００９６】
この様な第九化合物半導体層２１の材料としては、該半導体層にインジウム（Ｉｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）を含むものであればいずれを用いても良いが、好ましい材料としてはキャリア移動度の大きいＩｎＳｂが用いられる。
【００９７】
第九化合物半導体層２１の膜厚は、コンタクト抵抗を下げるために十分な膜厚であれば良く、０．１μｍ以上２μｍ以下が好ましく用いられる。
【００９８】
また、第九化合物半導体層２１のｐ型ドーパントとしてはＢｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられる。中でもＺｎは、ＩｎＳｂにおいてより活性化率が高く、かつ毒性も低いために、より好ましく用いられる。またｐ型ドーピング濃度は、膜の抵抗を十分に小さくする必要があるため、１×１０１８原子／ｃｍ３以上が好ましい。
【００９９】
さらに、上述した素子構造を特徴とする化合物半導体赤外線センサを基板１５上でさらに複数個、直列接続する構造とすることがより好ましい。このように複数の単一素子が直列接続された化合物半導体センサ部の一部を示す断面図を図１３に示す。また、図１４は、図１３に示した構造の上面図である。図１４において、素子分離された単一素子としての化合物半導体赤外線センサは、基板１５上で、電極１９によって連続的に直列接続されている。すなわち、基板１５上に連続的に直列接続された化合物半導体赤外線センサのうちあるセンサに着目すると、該センサの一方において、該センサの第六化合物半導体層１６と該センサの隣に配置されたセンサの第九化合物半導体層２１とが電極１９により直列に電気的に接続され、かつ、該センサの他方において、該センサの第九化合物半導体層２１と該センサの隣に配置されたセンサの第六化合物半導体層１６とが電極１９により直列に電気的に接続されている。また、直列接続の両端に位置する化合物半導体赤外線センサはそれぞれ、電極パッド２２に接続されている。なお、図１４において、破線は、上記構成で各センサが連続的に繰り返し接続されていることを示す。また、図１４では、各素子間の電極の接続構造を分かり易くするため、パッシベーション膜２０を便宜上省略している。
【０１００】
本発明の一実施形態に係る、複数の化合物半導体赤外線センサを図１３および図１４に示すような構造とすることで、各単一素子からの出力を足し合わせることが可能となり、出力を飛躍的に向上させることが可能となる。この場合、各素子は電極１９以外の部分では絶縁分離されていることが必須である。したがって、基板１５は、化合物半導体薄膜の単結晶を成長できるもので、半絶縁性か、または化合物半導体薄膜部分と基板部分とが絶縁分離可能であるような基板でなければならない。また、このような基板としてさらに、赤外線を透過するような材料を用いることにより、赤外光を基板裏面から入射させることが可能となる。この場合、電極により赤外光が遮られることが無いため、素子の受光面積をより広く取ることが可能でありより好ましい。この様な基板の材料としては、半絶縁性のＳｉやＧａＡｓ等が好ましく用いられる。
【０１０１】
なお、本発明の一実施形態に係る赤外線センサを構成する、各化合物半導体層は各種の成膜方法を用いて形成される。例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などは好ましい方法である。従って、上記各方法により、化合物半導体層の各々を所望に応じて成長させる。また、素子の加工方法としては、特に限定されない。例えば、上記各成長方法にて形成された化合物半導体層に対して、酸またはイオンミリングなどを用いて第六化合物半導体層１６とコンタクトを取るための段差形成を行う。次いで、段差形成がされた化合物半導体層に対して、素子分離のためのメサエッチングを行う。次いで、ＳｉＮやＳｉＯ２などのパッシベーション膜２０で基板１５及び素子分離された化合物半導体層の表面を覆った後、電極１９部分のみを窓開けし、Ａｕ／ＴｉやＡｕ／Ｃｒ等の電極をリフトオフ法などで形成する。このようにして、化合物半導体センサ部のチップを形成する。
【０１０２】
また、上述した図１０、図１２に示すような単一素子の赤外線センサと、図１３及び図１４に示すような単一素子を複数個直列接続させた赤外線センサとを用いて赤外線をセンシングする測定方法としては、電極間に逆バイアスをかけ、信号を電流として取り出す測定が感度を向上することのできる好ましい方法である。
【０１０３】
一方で、この測定方法では電流を流すために１／ｆノイズが大きくなってしまうという問題がある。人感センサに必要な周波数領域は１０Ｈｚ程度であり上記方法では化合物半導体赤外線センサを人感センサとして使用することには問題があった。
【０１０４】
そこで本発明者らは、上述した化合物半導体赤外線センサにおいて、電極間をゼロバイアスとし、信号を開放回路電圧として読み取る光起電力型の測定方法を採用した。この光起電力型の測定方法の場合、素子に電流が流れないため、そのノイズはジョンソンノイズのみである。従って、低周波で使用することが可能となる。またこの方法によれば、ジュール熱による素子自身の発熱が起こらないため測定誤差を極めて小さくできる。また、従来の光起電力型の測定方法では信号が小さくなってしまう。しかしながら、本発明の第７の実施形態に係る化合物半導体赤外線センサを用いることで、十分に大きな信号を得ることが可能となる。
【０１０５】
また、本発明の第７の実施形態に係る化合物半導体赤外線センサを、センサから出力される電気信号を処理する集積回路部と同一パッケージ内にハイブリッドに形成することで、超小型で、ノイズや温度揺らぎに強く、室温でより高感度である画期的な化合物半導体赤外線センサＩＣを得る事ができる。
【０１０６】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
【０１０７】
（実施例１）  
ＭＢＥ法により、ＧａＡｓ基板上にノンドープのＩｎＡｓ０．２３Ｓｂ０．７７を２μｍ成長した。ＩｎＡｓＳｂ薄膜の膜特性は、van der Pauw法で測定したところ、室温での電子移動度が、３５，０００ｃｍ２／Ｖｓ、シート抵抗（素子抵抗）が２０Ω、キャリア濃度が１×１０１７原子／ｃｍ３であった。この化合物半導体薄膜を用いて、化合物半導体センサ部を作製した。まず、素子分離のためにＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体膜にメサエッチングを行った後、全面（ＧａＡｓ基板及び該基板に形成された化合物半導体膜）をＳｉＮ保護膜で覆った。次に形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。受光面積は、３５μｍ×１１５μｍに設計した。実施例１の化合物半導体センサ部の断面図は、図７に示した通りである。
【０１０８】
増幅回路とチョッピング回路等を搭載した集積回路部は、通常のＣＭＯＳラインで作製した。その後、同一基板上に上記化合物半導体センサ部と前記集積回路部とをダイボンディングし、ワイヤーボンディングで電気的に接続した。パッケージカバーをつけて実施例１に係る赤外線センサＩＣを完成した。
【０１０９】
５００Ｋの黒体炉、光チョッピング周波数１Ｈｚ、雑音帯域幅１Ｈｚで室温における感度を測定したところ、Ｄ＊＝１×１０７ｃｍＨｚ１／２／Ｗであった。ここで、Ｄ＊は、比検出能力を示す指標であり、Ｓ／Ｎ比が１になるために必要な入力光強度（Ｗ／Ｈｚ１／２）の逆数に、検出素子の受光面積の１／２乗を掛けた値で表す。実施例１に係る赤外線センサＩＣは、簡易なパッケージにも関わらず、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくい特徴を有していることを確認した。
【０１１０】
（実施例２）  
ＭＢＥ法により、ＧａＡｓ基板上にノンドープＩｎＳｂを１μｍ、ノンドープＩｎＡｓ０．２３Ｓｂ０．７７を２μｍ順に成長した。化合物半導体層の膜特性は、van der Pauw法で測定したところ、室温での電子移動度が５１，０００ｃｍ２／Ｖｓ、シート抵抗（素子抵抗）が２０Ω、キャリア濃度が９×１０１６原子／ｃｍ３であった。この化合物半導体薄膜を用いて、化合物半導体センサ部を作製した。まず、素子分離のためにＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体膜にメサエッチングを行った後、全面（ＧａＡｓ基板及び該基板に形成された化合物半導体膜）をＳｉＮ保護膜で覆った。次に、形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。受光面積は、３５μｍ×１１５μｍに設計した。
【０１１１】
増幅回路とチョッピング回路等を搭載した集積回路部は、通常のＣＭＯＳラインで作製した。その後、同一基板上に上記化合物半導体センサ部と前記集積回路部とをダイボンディングし、ワイヤーボンディングで電気的に接続した。パッケージカバーをつけて実施例２に係る赤外線センサＩＣを完成した。
【０１１２】
５００Ｋの黒体炉、光チョッピング周波数１Ｈｚ、雑音帯域幅１Ｈｚで室温における感度を測定したところ、Ｄ＊＝２×１０７ｃｍＨｚ１／２／Ｗであった。実施例２に係る赤外線センサＩＣは、簡易なパッケージにも関わらず、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくい特徴を有していることを確認した。
【０１１３】
（実施例３）  
ＭＢＥ法により、ＧａＡｓ基板上に５ｎｍのＩｎＡｓと３ｎｍのＧａＳｂとを交互に５０周期成長し、超格子構造を形成した。実施例３に係る超格子構造の膜特性は、van der Pauw法で測定したところ、室温での電子移動度が８，０００ｃｍ２／Ｖｓ、シート抵抗（素子抵抗）が９０Ω、シートキャリア濃度が２．６×１０１３原子／ｃｍ２であった。この化合物半導体薄膜を用いて、化合物半導体センサ部を作製した。まず、素子分離のためにＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体膜にメサエッチングを行った後、全面（ＧａＡｓ基板及び該基板に形成された化合物半導体膜）をＳｉＮ保護膜で覆った。次に形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。受光面積は、３５μｍ×１１５μｍに設計した。
【０１１４】
増幅回路とチョッピング回路等を搭載した集積回路部は、通常のＣＭＯＳラインで作製した。その後、図９に示したように、同一基板上に集積回路をダイボンディングした後、化合物半導体センサ部を前記集積回路部上にダイボンディングし、ワイヤーボンディングで電気的に接続した。さらに、パッケージカバーをつけて実施例３に係る赤外線センサＩＣを完成した。
【０１１５】
５００Ｋの黒体炉、光チョッピング周波数１Ｈｚ、雑音帯域幅１Ｈｚで室温における感度を測定したところ、Ｄ＊＝１×１０８ｃｍＨｚ１／２／Ｗと高感度を示した。実施例３に係る赤外線センサＩＣは、簡易なパッケージにも関わらず、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくい特徴を有していることを確認した。
【０１１６】
（実施例４）  
ＭＢＥ法により、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ（ｎ型ドーピング濃度＝３×１０１８原子／ｃｍ３）を１μｍ、続いてｐ型ドーピングされたＩｎＡｓ０．２３Ｓｂ０．７７（ｐ型ドーピング濃度＝３．５×１０１６原子／ｃｍ３）を２μｍ、次いでｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ（ｐ型ドーピング濃度＝３×１０１８原子／ｃｍ３）を０．５μｍ成長した。この化合物半導体薄膜を用いて、化合物半導体センサ部を作製した。まず、素子分離のためにｎ型ＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体膜にメサエッチングを行った後、全面（ｎ型ＧａＡｓ基板及び該基板に形成された化合物半導体膜）をＳｉＮ保護膜で覆った。次に形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。受光面積は、３５μｍ×１１５μｍに設計した。実施例４に係る化合物半導体センサ部の断面図は、図８に示した通りである。
【０１１７】
増幅回路とチョッピング回路等を搭載した集積回路部は、通常のＣＭＯＳラインで作製した。その後、同一基板上に上記化合物半導体センサ部と前記集積回路部とをダイボンディングし、ワイヤーボンディングで電気的に接続した。パッケージカバーをつけて実施例４に係る赤外線センサＩＣを完成した。
【０１１８】
５００Ｋの黒体炉、光チョッピング周波数１Ｈｚ、雑音帯域幅１Ｈｚで室温における感度を測定したところ、Ｄ＊＝２×１０８ｃｍＨｚ１／２／Ｗと高感度を示した。実施例４に係る赤外線センサＩＣは、簡易なパッケージにも関わらず、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくい特徴を有していることを確認した。
【０１１９】
（実施例５）  
ＭＢＥ法により、ＧａＡｓ基板上にバッファ層としてＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｓｂを１５０ｎｍ成長した後、引き続きノンドープのＩｎＳｂを０．５μｍ、ＩｎＡｓ０．２３Ｓｂ０．７７を２μｍ成長した。ＩｎＡｓＳｂ薄膜の膜特性は、van der Pauw法で測定したところ、室温での電子移動度が４５，０００ｃｍ２／Ｖｓ、シート抵抗（素子抵抗）が４０Ω、キャリア濃度が５×１０１６原子／ｃｍ３であった。この化合物半導体薄膜を用いて、化合物半導体センサ部を作製した。まず、素子分離のためにＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体膜にメサエッチングを行った後、全面（ＧａＡｓ基板及び該基板に形成された化合物半導体膜）をＳｉＮ保護膜で覆った。次に形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。受光面積は、３５μｍ×１１５μｍに設計した。
【０１２０】
増幅回路とチョッピング回路等を搭載した集積回路部は、通常のＣＭＯＳラインで作製した。その後、同一基板上に上記化合物半導体センサ部と前記集積回路部とをダイボンディングし、ワイヤーボンディングで電気的に接続した。パッケージカバーをつけて実施例５に係る赤外線センサＩＣを完成した。
【０１２１】
５００Ｋの黒体炉、光チョッピング周波数１Ｈｚ、雑音帯域幅１Ｈｚで室温における感度を測定したところ、Ｄ＊＝３．５×１０７ｃｍＨｚ１／２／Ｗと高感度であった。実施例５に係る赤外線センサＩＣは、簡易なパッケージにも関わらず、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくい特徴を有していることを確認した。
【０１２２】
（実施例６）  
ＭＢＥ法により、ＧａＡｓ基板上にノンドープＩｎＳｂを１μｍ、ｐ型ドーピングされたＩｎＡｓ０．２３Ｓｂ０．７７２μｍを順に成長した。ＩｎＡｓＳｂ薄膜の膜特性は、van der Pauw法で測定したところ、室温での電子移動度が４１，０００ｃｍ２／Ｖｓ、シート抵抗（素子抵抗）が１５０Ω、キャリア濃度が１．５×１０１６原子／ｃｍ３であった。実施例６のｐ型ドーピングは、ＩｎＡｓＳｂ層中の電子のキャリアを補償し、キャリア濃度の低減化を目的としている。実施例２と比較して、電子移動度は低下したが、ｐ型ドーピングすることにより、電子のキャリア濃度が低減でき、またシート抵抗も増大した。また、ＧａＡｓ基板上のノンドープＩｎＳｂ層をｐ型ドーピングすることにより同様の効果が得られる。
【０１２３】
この化合物半導体薄膜を用いて、実施例２と同様に化合物半導体センサ部を作製した。集積回路部も実施例２と同様に作製し、実施例６に係る赤外線センサＩＣを完成した。
【０１２４】
５００Ｋの黒体炉、光チョッピング周波数１Ｈｚ、雑音帯域幅１Ｈｚで室温における感度を測定したところ、Ｄ＊＝１．２×１０８ｃｍＨｚ１／２／Ｗと高感度を示した。実施例６の赤外線センサＩＣは、簡易なパッケージにも関わらず、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくい特徴を有していることを確認した。
【０１２５】
（実施例７）  
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上にＺｎを３．５×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層を２．０μｍ成長し、この上にＳｉを１．８×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．５μｍ成長した。この化合物半導体薄膜を用いて、化合物半導体赤外線センサ部を作成した。まず、上記形成された化合物半導体薄膜について、ｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリングなどを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体薄膜に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及び該基板に形成された化合物半導体膜）をＳｉＮパッシベーッション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。受光面積は２２５μｍ×１５０μｍに設計した。実施例７に係る化合物半導体赤外線センサ部の断面図を図１５に示す。図１５から分かる通り、実施例７に係る化合物半導体赤外線センサは、いわゆる、ＰＮ接合ダイオードの構造である。図１５において、符号２３は半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板であり、２４はｐ型ドーピングしたＩｎＳｂ層であり、２５はｎ型ドーピングしたＩｎＳｂ層であり、２６はＳｉＮパッシベーッション膜であり、２７はＡｕ／Ｔｉ電極である。
【０１２６】
上記化合物半導体赤外線センサに、赤外線を照射したときの素子の開放回路電圧を出力電圧として測定した。なお、測定中のセンサ温度は室温（２７℃）である。入射する赤外線は５００Ｋの黒体炉を使用して発生させ、センサから１０ｃｍの距離に黒体炉を設置した。このような配置で、センサの基板側から赤外線を入射した。入射した赤外線のエネルギーは１．２ｍＷ／ｃｍ２である。光チョッピングの周波数は１０Ｈｚであり、可視光等の光をカットするフィルタとしてＳｉを使用した。
【０１２７】
出力電圧の測定結果を図２２に示す。出力電圧は５４ｎＶであり、室温において赤外線の検知が可能であることが確認できた。
【０１２８】
（実施例８）  
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上にＺｎを３．５×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上にＺｎを６×１０１６原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、さらにこの上にＳｉを１．８×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．５μｍ成長した。この化合物半導体薄膜を用いて、化合物半導体赤外線センサ部を作成した。まず、上記形成された化合物半導体薄膜について、高濃度にｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリングなどを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体薄膜に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及び該基板に形成された化合物半導体膜）をＳｉＮパッシベーッション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。受光面積は２２５μｍ×１５０μｍに設計した。実施例８に係る化合物半導体赤外線センサ部の断面図を図１６に示す。図１６から分かる通り、実施例８に係る化合物半導体赤外線センサは、いわゆる、ＰＩＮ接合ダイオードの構造である。図１６において、符号２８は高濃度にｐ型ドーピングしたＩｎＳｂ層であり、２９は低濃度にｐ型ドーピングしたＩｎＳｂ層であり、３０はｎ型ドーピングしたＩｎＳｂ層である。
【０１２９】
上記化合物半導体赤外線センサに、赤外線を照射したときの素子の開放回路電圧を出力電圧として測定した。なお、測定中のセンサ温度は室温（２７℃）である。入射する赤外線は５００Ｋの黒体炉を使用して発生させ、センサから１０ｃｍの距離に黒体炉を設置した。このような配置で、センサの基板側から赤外線を入射した。入射した赤外線のエネルギーは１．２ｍＷ／ｃｍ２である。光チョッピングの周波数は１０Ｈｚであり、可視光等の光をカットするフィルタとしてＳｉを使用した。
【０１３０】
出力電圧の測定結果を実施例７と同じく図２２に示す。出力電圧は１１７ｎＶであり、ＰＮ接合の場合よりもさらに出力電圧が増加することを確認した。
【０１３１】
（実施例９）  
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、Ｓｎを１．０×１０１９原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上にＺｎを６×１０１６原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、さらにこの上にＺｎを７．０×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂを０．５μｍ成長した。この化合物半導体薄膜を用いて、化合物半導体赤外線センサ部を作成した。まず、上記形成された化合物半導体薄膜について、高濃度のｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリングなどを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体薄膜に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及び該基板に形成された化合物半導体膜）をＳｉＮパッシベーッション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。受光面積は２２５μｍ×１５０μｍに設計した。実施例９に係る化合物半導体赤外線センサ部の断面図を図１７に示す。図１７から分かるように、実施例９の構造は、実施例８の構造について、ｐ型ドーピング層２８とｎ型ドーピング層３０とが入れ替わった構造である。
【０１３２】
上記化合物半導体赤外線センサに、赤外線を照射したときの素子の開放回路電圧を出力電圧として測定した。なお、測定中のセンサ温度は室温（２７℃）である。入射する赤外線は５００Ｋの黒体炉を使用して発生させ、センサから１０ｃｍの距離に黒体炉を設置した。このような配置で、センサの基板側から赤外線を入射した。入射した赤外線のエネルギーは１．２ｍＷ／ｃｍ２である。光チョッピングの周波数は１０Ｈｚであり、可視光等の光をカットするフィルタとしてＳｉを使用した。
【０１３３】
出力電圧の測定結果を同じく図２２に示す。出力電圧は１５５ｎＶであり、実施例8の場合よりもさらに出力電圧が増加することを確認した。これはｎ型ドーパントとしてＳｎを用いたことによる効果である。すなわち、ＩｎＳｂ中では、ＳｎはＳｉよりも高い活性化率を持つ。このためより高濃度のｎ型ドーピングが可能となり、より大きなＰＮ接合のビルトインポテンシャルが得られる。出力電圧Ｖｏｕｔは、ビルトインポテンシャルＶｄによる電位障壁を越えて拡散電流を流すのに必要な電圧である。よって、ビルトインポテンシャルが大きいほど出力電圧は大きくなる。したがって、実施例９においてｎ型ドーパントにＳｎを用いたことによる出力増加の効果を確認することができた。
【０１３４】
（実施例１０）  
実施例８と同様の構造を持つ化合物半導体薄膜を使用し、複数の素子を直列に接続した化合物半導体センサ部を作成した。まず、実施例８と同様にして形成された化合物半導体薄膜について、高濃度にｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリングなどを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体薄膜に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及び該基板に形成された化合物半導体膜）をＳｉＮパッシベーッション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。このとき、ある素子の、Ｚｎを３．５×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層と、該素子の隣の素子であって、該素子の段差が形成されている側の素子の、Ｓｉを１．８×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層とを電気的に接続するように電極を形成した。作成した単一素子の受光面積は１８μｍ×１８μｍであり、ＧａＡｓ基板上で、単一素子を１２５個、直列接続したものを作成した。作成したセンサ部の一部を示す断面図を図１８に示す。
【０１３５】
上記化合物半導体赤外線センサに、赤外線を照射したときの素子の開放回路電圧を出力電圧として測定した。なお、測定中のセンサ温度は室温（２７℃）である。入射する赤外線は５００Ｋの黒体炉を使用して発生させ、センサから１０ｃｍの距離に黒体炉を設置した。このような配置で、センサの基板側から赤外線を入射した。入射した赤外線のエネルギーは１．２ｍＷ／ｃｍ２である。光チョッピングの周波数は１０Ｈｚであり、可視光等の光をカットするフィルタとしてＳｉを使用した。
【０１３６】
上記１２５個接続した素子において１２．５μＶの出力電圧を得た。すなわち、上記化合物半導体膜構造と解放回路電圧を測定する測定方法との本発明における組み合わせにおいて、接続素子数を増やすことで出力を増加させることが可能であることが確認できた。これは単一素子から得られる信号が小さい、室温での量子型赤外線センサにとって、極めて大きな利点である。
【０１３７】
また、１２５個接続したセンサを信号増幅器に接続し、そのノイズを室温（２７℃）の暗室において、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アナライザを用いて測定した。信号増幅器のノイズを除き、センサのノイズのみとした結果、周波数が１０Ｈｚ以下でも１／ｆノイズは見られないことを確認した。さらに、赤外線センサ部の抵抗をテスターにより測定した結果、その値は１２．７５ｋΩであった。この値を数４に代入し、ジョンソンノイズを求めたところ、測定したセンサノイズと一致することがわかった。
【０１３８】
すなわち、センサのノイズはその抵抗で決まるジョンソンノイズのみであり、１０Ｈｚ以下の低周波領域においても極めてノイズの小さなセンサであるという、本発明の特徴を確認した。
【０１３９】
（実施例１１）  
実施例９と同様の構造を持つ化合物半導体薄膜を使用し、実施例１０と同様のマスクセットを用いて、複数の素子を直列に接続した化合物半導体センサ部を作成した。まず、実施例９と同様にして形成された化合物半導体薄膜について、高濃度にｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリングなどを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体薄膜に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及び該基板に形成された化合物半導体膜）をＳｉＮパッシベーッション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。このとき、ある素子の、Ｓｎを１．０×１０１９原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層と、該素子の隣の素子であって、該素子の段差が形成されている側の素子の、Ｚｎを７．０×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層とを電気的に接続するように電極を形成した。作成した単一素子の受光面積は１８μｍ×１８μｍであり、ＧａＡｓ基板上で１２５個、直列接続したものを作成した。作成したセンサ部の一部を示す断面図は図１９に示す。
【０１４０】
上記化合物半導体赤外線センサに、赤外線を照射したときの素子の開放回路電圧を出力電圧として測定した。その結果は２２．５μＶであり、実施例１０の同一接続素子数の出力電圧に比べて約１．８倍の出力が得られた。なお、測定中のセンサ温度は室温（２７℃）であり、入射する赤外線は５００Ｋの黒体炉を使用して発生させ、センサから１０ｃｍの距離に黒体炉を設置した。このような配置で、センサの基板側から赤外線を入射した。入射した赤外線のエネルギーは１．２ｍＷ／ｃｍ２である。光チョッピングの周波数は１０Ｈｚであり、可視光等の光をカットするフィルタとしてＳｉを使用した。
【０１４１】
また、上記化合物半導体赤外線センサの素子抵抗をテスターにより測定した結果、９．６ｋΩであった。すなわち実施例１０における同様の接続個数の抵抗よりも小さくなっていることが確認できた。これは、抵抗率の低いｎ型ドーピングの層を最下層に配置し、素子の抵抗が下がるようにした為である。この結果、センサのノイズを実施例１０におけるセンサのノイズの約０．８７倍とさらに低下できることを確認した。
【０１４２】
（実施例１２）  
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上にＺｎを５×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上にＺｎを５×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＡｌ０．２Ｉｎ０．８Ｓｂを０．０２μｍ成長し、この上にＺｎを１×１０１６原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上にＳｎを１．０×１０１９原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂを０．５μｍ成長した。この化合物半導体薄膜を用いて、化合物半導体センサ部を作成した。まず、ｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリングなどを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体薄膜に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及び該基板に形成された化合物半導体膜）をＳｉＮパッシベーッション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。受光面積は２２５μｍ×１５０μｍに設計した。実施例１２に係る化合物半導体赤外線センサ部の断面図を図２０に示す。図２０において、符号３１は高濃度にｐ型ドーピングしたＡｌ０．２Ｉｎ０．８Ｓｂ層を示す。
【０１４３】
赤外線を照射したときの素子の開放電圧を出力電圧として測定した。なお、測定中のセンサ温度は室温（２７℃）である。入射する赤外線は５００Ｋの黒体炉を使用して発生させ、センサから１０ｃｍの距離に黒体炉を設置した。このような配置で、センサの基板側から赤外線を入射した。入射した赤外線のエネルギーは１．２ｍＷ／ｃｍ２である。光チョッピングの周波数は１０Ｈｚであり、フィルタとしてＳｉを使用した。
【０１４４】
上述の構成によって得られた出力電圧は２４２ｎＶであった。この測定結果を他の実施例と同様に図２２に示す。ＰＩＮダイオード構造の実施例９と比較し、さらに出力が約１．６倍となることを確認した。
【０１４５】
また、素子の抵抗を、０．０１Ｖ正のバイアスをかけた場合と、０．０１Ｖ負のバイアスをかけた場合とで測定し、両測定結果の平均値をゼロバイアスの素子抵抗Ｒ０として測定した。さらに、同様のＲ０の測定を実施例９の赤外線センサにおいても行った。測定したＲ０より飽和電流Ｉｓを数８の式から求めた。
【０１４６】
【数８】
2008103742.tif 000010
【０１４７】
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは素電荷である。飽和電流Ｉｓは拡散電流Ｉｄ、出力電圧Ｖｏｕｔと数９の様な関係にある。
【０１４８】
【数９】
2008103742.tif 000011
【０１４９】
従って、飽和電流Ｉｓは素子の拡散電流の大きさを表している。
【０１５０】
図２３に、得られた実施例１２と実施例９のＩｓの結果を示す。図２３に示すように、ＡｌＩｎＳｂのバリア層を形成した赤外線センサにおける飽和電流Ｉｓは、ＡｌＩｎＳｂのバリア層を使用しないＰＩＮダイオード構造の素子に比べて、約１桁減少していることを確認できた。
【０１５１】
すなわち、ＡｌＩｎＳｂバリア層により拡散電流が抑制される特徴を確認できた。この効果により、出力が増加している。
【０１５２】
（実施例１３）  
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上にＳｎを１．０×１０１９原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上にＺｎを１×１０１６原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上にＺｎを５×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＡｌ０．２Ｉｎ０．８Ｓｂを０．０２μｍ成長し、この上にＺｎを５×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂを０．５μｍ成長した。この化合物半導体薄膜を用いて、化合物半導体センサ部を作成した。まず、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリングなどを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体薄膜に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及び該基板に形成された化合物半導体膜）をＳｉＮパッシベーッション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。受光面積は２２５μｍ×１５０μｍに設計した。実施例１３に係る化合物半導体赤外線センサ部の断面図を図２１に示す。
【０１５３】
赤外線を照射したときの素子の開放電圧を出力電圧として測定した。なお、測定中のセンサ温度は室温（２７℃）である。入射する赤外線は５００Ｋの黒体炉を使用して発生させ、センサから１０ｃｍの距離に黒体炉を設置した。このような配置で、センサの基板側から赤外線を入射した。入射した赤外線のエネルギーは１．２ｍＷ／ｃｍ２である。光チョッピングの周波数は１０Ｈｚであり、フィルタとしてＳｉを使用した。
【０１５４】
上述の構成によって得られた出力電圧は７６５ｎＶであった。この出力電圧の測定結果を他の実施例と同様に図２２に示す。実施例１２の結果と比較し、さらに出力が約３．２倍と飛躍的に増加することを確認した。
【０１５５】
また、素子のゼロバイアス抵抗を、素子に０．０１Ｖ正のバイアスをかけた場合と、０．０１Ｖ負のバイアスをかけた場合とで測定した。両測定結果の平均値をゼロバイアスの素子抵抗Ｒ０として測定し、実施例１２の場合と同様に飽和電流Ｉｓを求めた。この結果を実施例１２、実施例９の場合と同様に図２３に示す。図２３に示すように、実施例１３においても、実施例１２と同様に、ＡｌＩｎＳｂのバリア層を形成した赤外線センサにおける飽和電流Ｉｓは、ＡｌＩｎＳｂのバリア層を使用しないＰＩＮダイオード構造の素子に比べて、約1桁減少していることを確認できた。すなわち、実施例１２と同様、ＡｌＩｎＳｂバリア層により拡散電流が抑制される特徴を確認できた。
【０１５６】
さらに、解放回路電圧を測定する本発明の測定方法では、光電流Ｉｐｈと拡散電流Ｉｄとが等しくなるので、飽和電流Ｉｓと出力Ｖｏｕｔとにより、数１０に示す関係により素子内部で発生した光電流Ｉｐｈを求める事が出来る。
【０１５７】
【数１０】
2008103742.tif 000012
【０１５８】
数９より、実施例９と実施例１２と実施例１３との光電流をそれぞれ求めた。その結果を図２４に示す。図２４に示すように実施例１２においては、光電流Ｉｐｈが実施例９のＰＩＮダイオード構造の素子に比べて約半分に減少していることを確認した。これは光吸収層であるｐ型ドーピングＩｎＳｂ層をＡｌＩｎＳｂ層上にヘテロ成長した結果、光吸収層の結晶性が低下し、量子効率が減少した為である。
【０１５９】
一方で、実施例１３の光電流は、実施例９のＰＩＮダイオード構造の素子に比べて、光電流Ｉｐｈが約１．８倍に向上することを確認した。これは赤外線の吸収により発生した電子正孔対のうち、ｐ層方向へ拡散する電子が減少した結果、光電流が増加したものである。すなわち、外部量子効率が向上する効果が確認できた。すなわち、実施例１３に係る構造は、化合物半導体赤外線センサの単一素子の構造として、より好ましい構造であると言える。
【０１６０】
（実施例１４）  
ＭＢＥ法により、半絶縁性の、ＧａＡｓ単結晶基板上にＳｎを１．０×１０１９原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上にＺｎを１×１０１６原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上にＺｎを５×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＡｌ０．２Ｉｎ０．８Ｓｂを０．０２μｍ成長し、この上にＺｎを５×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂを０．５μｍ成長した。この実施例１３と同様の構造である化合物半導体薄膜を用いて、複数の素子を直列に接続した化合物半導体センサ部を作成した。まず、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリングなどを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体薄膜に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及び該基板に形成された化合物半導体膜）をＳｉＮパッシベーッション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。このとき、ある素子の、Ｓｎを１．０×１０１９原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層と、該素子の隣の素子であって、該素子の段差が形成されている側の素子の、Ｚｎを５．０×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層とを電気的に接続するように電極を形成した。作成した単一素子の受光面積は９μｍ×９μｍであり、ＧａＡｓ基板上で２６０個直列接続している。作成したセンサ部の一部を示す断面図は図２５に示す。
【０１６１】
赤外線を照射したときの素子の開放電圧を出力電圧として測定した。なお、測定中のセンサ温度は室温（２７℃）である。入射する赤外線は５００Ｋの黒体炉を使用して発生させ、センサから１０ｃｍの距離に黒体炉を設置した。このような配置で、センサの基板側から赤外線を入射した。入射した赤外線のエネルギーは１．２ｍＷ／ｃｍ２である。光チョッピングの周波数は１０Ｈｚであり、フィルタとしてＳｉを使用した。
【０１６２】
得られた出力Ｖｏｕｔは９１μＶであり、室温において１００μＶ近い出力電圧が得られることが確認できた。出力は単一素子だけの場合に比べて飛躍的に出力が向上している。これらの結果は、ＩＣによる信号処理に十分な出力あり、該化合物半導体赤外線センサと、赤外線センサＩＣをハイブリッドに組み合わせることで、室温において冷却機構なしで更に高感度である、超小型の赤外線センサが実現できる。
【０１６３】
（実施例１５）  
実施例１４と同様の構造で作成した化合物半導体赤外線センサを用い、増幅回路とチョッピング回路等を搭載した集積回路部とを同一パッケージ内にハイブリッド形成する赤外線センサＩＣを作成した。
【０１６４】
増幅回路とチョッピング回路等とを搭載した集積回路部（ＩＣ）は、通常のＣＭＯＳラインで作製した。その後、前記集積回路部の基板上に実施例１４に係る化合物半導体赤外線センサ部を、センサの化合物半導体薄膜上の電極部分とＩＣの電極部分とが接合するように、センサの基板部分を上にしてＩＣ上にフリップチップボンディングにより接合した。さらにパッケージ内部の電極部分（ランド）と集積回路部とをワイヤーボンディングで電気的に接続した。さらに、上記パッケージの赤外線入射部にＳｉのフィルタをつけて実施例１５に係る赤外線センサＩＣを完成した。図２６にその断面図を示す。図２６において、符号３２は化合物半導体赤外線センサ部であり、３３は集積回路部であり、３４はワイヤボンディングであり、３５はパッケージであり、３６はＳｉフィルタであり、３７はバンプであり、３８はランドであり、３９はパッケージ電極である。
【０１６５】
完成した赤外線センサＩＣは、その面積が３ｍｍ×３ｍｍ、厚さ１．２ｍｍと従来に無い超小型の赤外線センサＩＣである。また本構造では、赤外線はＳｉのフィルタ３６を通して化合物半導体赤外線センサ部３２の基板側より入射される。基板は半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いているため波長５μｍ以上の赤外線は基板部分を十分に透過し、化合物半導体薄膜層に吸収される。従って、入射した赤外線は化合物半導体赤外線センサ部３２の電極や配線部分によって遮られることはなく、効率的に信号として取り出すことが可能である。
【０１６６】
また、実施例１５に係る赤外線センサＩＣは、簡易なパッケージにも関わらず、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくい特徴を有していることを確認した。
【０１６７】
上述のように、本発明の一実施形態に係る赤外線センサＩＣは、人が放射する熱エネルギーを検知する人感センサとして好適に利用できる。ＩＣチップサイズ程度の超小型で電磁ノイズや熱ゆらぎの影響も受けにくい特徴を有しており、照明や家電などの自動オンオフを可能とし、省エネルギー化に大きく効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【０１６８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサＩＣの一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を示す断面図である。
【図３】本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を示す断面図である。
【図４】本発明の第５の実施形態に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を示す断面図である。
【図５】本発明の第６の実施形態に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を示す断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部の電極構造（光導電型）を示す断面図である。
【図８】本発明の第６の実施形態に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部の電極構造（光起電力型）を示す断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサＩＣの他の例を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第７の実施形態に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を示す断面図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態に係る化合物半導体赤外線センサのエネルギーバンド図である。
【図１２】本発明の第７の実施形態に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部の他の例を示す断面図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態に係る赤外線センサＩＣの複数の単一素子が直列接続された化合物半導体センサ部の一部を示す断面図である。
【図１４】本発明の第７の実施形態に係る赤外線センサＩＣの複数の単一素子が直列接続された化合物半導体センサ部の一例を示す上面図である。
【図１５】本発明の実施例７に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を示す断面図である。
【図１６】本発明の実施例８に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を示す断面図である。
【図１７】本発明の実施例９に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を示す断面図である。
【図１８】本発明の実施例１０に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部の一部を示す断面図である。
【図１９】本発明の実施例１１に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部の一部を示す断面図である。
【図２０】本発明の実施例１２に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を示す断面図である。
【図２１】本発明の実施例１３に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部を示す断面図である。
【図２２】本発明の実施例７〜９、１２及び１３に係る化合物半導体センサの出力電圧の比較を示す図である。
【図２３】本発明の実施例９、１２及び１３に係る化合物半導体センサの飽和電流の比較を示す図である。
【図２４】本発明の実施例９、１２及び１３に係る化合物半導体センサの光電流の比較を示す図である。
【図２５】本発明の実施例１４に係る赤外線センサＩＣの化合物半導体センサ部の一部を示す断面図である。
【図２６】本発明の第８の実施形態であり、実施例１５に係る赤外線センサＩＣの断面図である。
【符号の説明】
【０１６９】
１    プリント基板
２、３２    化合物半導体センサ
３、３３    集積回路部
４ａ    引き回し電極
４ｂ    ワイヤーボンディング
５    パッケージカバー
３４    ワイヤボンディング
３５    パッケージ
３６    Ｓｉフィルタ
３７    バンプ
３８    ランド
３９    パッケージ電極
【図１】
2008103742.tif 000013
【図２】
2008103742.tif 000014
【図３】
2008103742.tif 000015
【図４】
2008103742.tif 000016
【図５】
2008103742.tif 000017
【図６】
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【図７】
2008103742.tif 000019
【図８】
2008103742.tif 000020
【図９】
2008103742.tif 000021
【図１０】
2008103742.tif 000022
【図１１】
2008103742.tif 000023
【図１２】
2008103742.tif 000024
【図１３】
2008103742.tif 000025
【図１４】
2008103742.tif 000026
【図１５】
2008103742.tif 000027
【図１６】
2008103742.tif 000028
【図１７】
2008103742.tif 000029
【図１８】
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【図１９】
2008103742.tif 000031
【図２０】
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【図２１】
2008103742.tif 000033
【図２２】
2008103742.tif 000034
【図２３】
2008103742.tif 000035
【図２４】
2008103742.tif 000036
【図２５】
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【図２６】
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