(57)【要約】【課題】  多重量子井戸層を有する赤外線検出装置に関し、量子効率を改善し、且つ画素間のクロストークを低減する。【解決手段】  半導体基板１０上に、下部コンタクト層１と、障壁層と井戸層とを交互に複数積層した下部多重量子井戸層２と、中間コンタクト層３と、下部多重量子井戸層２と同一構成の上部多重量子井戸層４と、上部コンタクト層５とを順次積層し、下部コンタクト層１を露出させる深さの分離溝７を画素領域の境界に形成し、分離溝７内に露出させた下部コンタクト層１と上部コンタクト層５との間を、分離溝７の側面の絶縁層２１上に形成した金属層２４により接続し、画素領域のほぼ中央の位置に中間コンタクト層３を露出させる深さの溝を形成し、この溝内の中間コンタクト層３に画素対応の出力端子となるバンプ２６を設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンタクト層と、障壁層と井戸層とを交互に複数積層した多重量子井戸層とを、半導体基板上に交互に複数積層し、最上層のコンタクト層から前記半導体基板上の最下層のコンタクト層に達する画素領域の境界の分離溝内の側面の絶縁層上に、前記最下層のコンタクト層と該最下層のコンタクト層から上層側の一つおきのコンタクト層とを接続する金属層を設け、該金属層を共通端子に接続し、前記画素領域内の前記最上層のコンタクト層から前記最下層のコンタクト層の一つ上のコンタクト層に達する溝内の側面の絶縁層上に、前記最下層のコンタクト層の一つ上のコンタクト層と該コンタクト層から上層側の一つおきのコンタクト層とを接続する金属層を設け、該金属層に画素対応の出力端子となるバンプを設けた構成を有する
ことを特徴とする赤外線検出装置。
【請求項２】
下部コンタクト層と、障壁層と井戸層とを交互に複数積層した下部多重量子井戸層と、中間コンタクト層と、前記下部多重量子井戸層と同一構成の上部多重量子井戸層と、上部コンタクト層とを、半導体基板上に順次積層し、前記上部コンタクト層から前記下部コンタクト層の一部を露出させる画素領域の分離溝内の側面の絶縁層上に、前記下部コンタクト層と前記上部コンタクト層との間を接続する金属層を設け、該金属層を全画素の共通端子に接続し、前記画素領域のほぼ中央の位置の前記上部コンタクト層から前記中間コンタクト層の一部を露出させる溝内に前記中間コンタクト層に接続して画素対応の出力端子となるバンプを設けた構成を有する
ことを特徴とする赤外線検出装置。
【請求項３】
前記画素領域の分離溝内に露出した前記下部コンタクト層に設けたオーミック電極と全画素の共通端子とを前記金属層により接続し、前記画素領域のほぼ中央の位置の溝内に露出した前記中間コンタクト層に設けたオーミック電極に画素対応の出力端子としてのバンプを接続し、選択した前記バンプと前記共通端子との間に電圧を印加する構成を有することを特徴とする請求項２記載の赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体層からなる多重量子井戸層を有し、赤外線を入射して電気信号に変換する量子井戸型赤外線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体層からなる多重量子井戸層を有する量子井戸型赤外線検出装置は既に各種の構成が提案されている。例えば、図６に示すように、ＧａＡｓの半絶縁性の半導体基板１０４上に、下部コンタクト層１０１と、多重量子井戸層１０２と、上部コンタクト層１０３と、反射層１０５とを形成し、分離溝１０９により画素対応の素子１１０に分離し、電極１０７，１０８を形成して、他の部分を保護絶縁層１０６により保護し、電極１０７，１０８間に電圧を印加し、半導体基板１０４側から赤外線を入射し、検出素子１１０対応の出力電流を処理して、赤外線検出を行うことができる。
【０００３】
図７は、図６に於ける多重量子井戸層の説明図であり、図７の（Ａ）に示すように、下部コンタクト層１２１と上部コンタクト層１２３との間に、井戸層１３２ａ〜１３２ｍと障壁層１３１ａ〜１３１ｎとを交互に積層した赤外線吸収層１２２を有するものである。又図７の（Ｂ）は多重量子井戸層のエネルギバンド図を示し、（Ａ）と同一符号は同一部分に対応し、Ｅｃは伝導帯を示す。従って、下部コンタクト層１２１と上部コンタクト層１２３との間に電圧を印加し、赤外線を入射することにより、井戸層１３２ａ〜１３２ｍの電子が障壁層１３１ａ〜１３１ｎを超えて流れることになる。
【０００４】
図８は、二次元配列の説明図であり、赤外線の検出素子１１０を二次元に配列して形成し、各検出素子１１０の電極１０８と、Ｓｉ基板上に形成したマルチプレクサ１１５の入力ゲート１１６とをＩｎバンプ１１７により接続し、１画素対応の検出素子１１０の出力信号をマルチプレクサ１１５により順次処理して赤外線画像データを出力する。
【０００５】
図９は、マルチプレクサの入力部分の要部を示し、１１０は赤外線の検出素子、１４１はマルチプレクサの入力ゲートを構成するトランジスタ、１４２はリセット用のトランジスタ、１４３は蓄積容量、１４４，１４５は制御端子、１４６はリセット用の電圧端子、１４７は切替スイッチ及び増幅器に接続する出力端子を示す。
【０００６】
リセット用のトランジスタ１４２をオンとして、端子１４６からの電圧により蓄積容量１４３を一定の電圧にチャージアップしてリセット状態とし、このトランジスタ１４２をオフとして、入力ゲートとしてのトランジスタ１４１をオンとすると、蓄積容量１４３からの電圧が素子１１０に印加され、赤外線の検出素子１１０に入射された赤外線エネルギに対応した電流が流れる。従って、蓄積容量の端子電圧が入射された赤外線エネルギに対応して変化するから、図示を省略した後段の回路により、二次元配列の検出素子１１０を順次切替えることにより、赤外線画像データを得ることができる。
【０００７】
又赤外線を、グレーティング層を介して第１の多重量子井戸層と、この第１の多重量子井戸層と検出波長感度が異なる第２の多重量子井戸層とに入射する構成として、異なる波長感度の検出素子を有する構成として、赤外線検知の波長領域を拡大する赤外線検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。又図６及び図７に示す構成に於いて、複数の障壁層の中の少なくとも一つの障壁層を他の障壁層の電子に対する障壁の効果を大きくし、暗電流を低減する赤外線検出装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
又それぞれ波長感度を異にする第１の多重量子井戸層と第２の多重量子井戸層とに印加する電圧をスイッチにより制御して、所望の波長帯域の赤外線を検出する赤外線検出装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。又下部多重量子井戸層を、上部多重量子井戸層に比較して、障壁層のエネルギバリアを大きくし、且つ井戸層の不純物濃度を高くして、暗電流を低減し、赤外線検出感度を向上させた赤外線検出装置が知られている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平５−２９６４３号公報
【特許文献２】特開平１０−３４１０２８号公報
【特許文献３】特開２０００−１９６１３３号公報
【特許文献４】特開２０００−３２３７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
多重量子井戸構造を有する赤外線検知素子の量子効率は、赤外線吸収部に印加される電界強度と、井戸層の積層数とに依存するものである。一般に、電界強度を大きくし、積層数を多くする程、量子効率は増加して、赤外線検出信号レベルを高くすることができる。この場合の印加電圧は、マルチプレクサ等の周辺回路の動作電圧等により制約されるものであり、その印加電圧を一定として、電界強度を高くするには、井戸層の積層数を減少させる必要がある。従って、量子効率を改善することができない問題があった。
【００１０】
又図６に示すように、従来の赤外線検出装置の画素対応の検出素子１１０間は、分離溝１０９により分離されているが、各検出素子１１０を近接して配置し、赤外線画像の分解能を高くする構成が適用されるものであり、従って、反射層１０５により散乱された赤外線が、隣接画素の検出素子に入射されて、クロストークが大きくなる問題があった。このような問題点については、前述の各特許文献１〜４には提起されておらず、且つその解決手段も示唆されていない。
【００１１】
本発明は、赤外線検知の量子効率を改善し、且つ画素間のクロストークを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の赤外線検出装置は、コンタクト層と、障壁層と井戸層とを交互に複数積層した多重量子井戸層とを、半導体基板上に交互に複数積層し、最上層のコンタクト層から前記半導体基板上の最下層のコンタクト層に達する画素領域の境界の分離溝内の側面の絶縁層上に、前記最下層のコンタクト層と該最下層のコンタクト層から上層側の一つおきのコンタクト層とを接続する金属層を設け、該金属層を共通端子に接続し、前記画素領域内の前記最上層のコンタクト層から前記最下層のコンタクト層の一つ上のコンタクト層に達する溝内の側面の絶縁層上に、前記最下層のコンタクト層の一つ上のコンタクト層と該コンタクト層から上層側の一つおきのコンタクト層とを接続する金属層を設け、該金属層に画素対応の出力端子となるバンプを設けた構成を有するものである。
【００１３】
又下部コンタクト層と、障壁層と井戸層とを交互に複数積層した下部多重量子井戸層と、中間コンタクト層と、前記下部多重量子井戸層と同一構成の上部多重量子井戸層と、上部コンタクト層とを、半導体基板上に順次積層し、前記上部コンタクト層から前記下部コンタクト層の一部を露出させる画素領域の分離溝内の側面の絶縁層上に、前記下部コンタクト層と前記上部コンタクト層との間を接続する金属層を設け、該金属層を全画素の共通端子に接続し、前記画素領域のほぼ中央の位置の前記上部コンタクト層から前記中間コンタクト層の一部を露出させる溝内に前記中間コンタクト層に接続して画素対応の出力端子となるバンプを設けた構成を有するものである。
【００１４】
又前記画素領域の分離溝内に露出した前記下部コンタクト層に設けたオーミック電極と全画素の共通端子とを前記金属層により接続し、前記画素領域のほぼ中央の位置の溝内に露出した前記中間コンタクト層に設けたオーミック電極に画素対応の出力端子としてのバンプを接続し、選択した前記バンプと前記共通端子との間に電圧を印加する構成を有するものである。
【発明の効果】
【００１５】
１画素は、コンタクト層と多重量子井戸層とによる検出素子を複数個並列に接続した構成とするものであるから、赤外線の検出感度を向上することができる。又画素領域の分離溝内の金属層により、散乱された赤外線を隣接画素側へ漏出しないようにして遮蔽することにより、クロストークを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１を参照して説明すると、半導体基板１０上に、下部コンタクト層１と、障壁層と井戸層とを交互に複数積層した下部多重量子井戸層２と、中間コンタクト層３と、下部多重量子井戸層２と同一構成の上部多重量子井戸層４と、上部コンタクト層５とを順次積層した構成に於いて、上部コンタクト層５から下部コンタクト層１を露出させる深さの分離溝７を画素領域の境界に形成し、この分離溝７内に露出させた下部コンタクト層１と，画素領域内の上部コンタクト層５との間を、分離溝７の側面の絶縁層２１上に形成した金属層２４により接続し、画素領域のほぼ中央の位置に上部コンタクト層５から中間コンタクト層３を露出させる深さの溝を形成し、この溝内の中間コンタクト層３に画素対応の出力端子となるバンプ２６を設ける。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明の実施例１の要部説明図であり、半絶縁性ＧａＡｓ等の半導体基板１０上に、ｎ−ＧａＡｓの下部コンタクト層１と、下部多重量子井戸層２と、中間コンタクト層３と、上部多重量子井戸層４と、上部コンタクト層５とを順次積層し、画素領域を定める為の分離溝７を下部コンタクト層１が露出するように形成し、この画素６のほぼ中央の位置に中間コンタクト層３が露出するように溝を形成し、画素６の周囲を包囲すると共に下部コンタクト層１と上部コンタクト層５との間を接続する金属層２４を絶縁層２１上に設け、中間コンタクト層３の露出部分に接続したバンプ２６を形成した構成を有するものである。尚９，２０，２３はオーミック電極、２１はＳｉＯＮ等の絶縁層、２２は反射層を示す。
【００１８】
下部多重量子井戸層２と上部多重量子井戸層４とは同一構成で、従来例と同様に井戸層と障壁層とを交互に複数層積層した構成を有するものである。そして、バンプ２６を画素６対応の出力端子とし、オーミック電極２３を全画素に対する共通電極とするように金属層２４等により相互に接続し、オーミック電極２３とバンプ２６との間に電圧を印加すると、下部多重量子井戸層２には、下部コンタクト層１と中間コンタクト層３とを介して電圧が印加され、上部多重量子井戸層４には、上部コンタクト層５と中間コンタクト層３とを介して電圧が印加される。従って、１画素６の領域内の下部多重量子井戸層２による検出素子と、上部多重量子井戸層４による検出素子とに、それぞれ同一の電圧が印加され、多重量子井戸層を積層して、井戸層の積層数を増加した場合の電界強度を従来例と同様に維持することができる。
【００１９】
又多重量子井戸層による赤外線の吸収率は数パーセント以下であり、上下の多重量子井戸層にそれぞれ入射される赤外線の量は殆ど同一と見做しても良いものである。そして、下部多重量子井戸層２と上部多重量子井戸層４とによる１画素を構成する検出素子を並列に接続した構成とするものであるから、画素対応の赤外線の検出感度を向上することができる。又基板１０側から入射した赤外線は、図示を省略した光結合構造により、方向変換して下部多重量子井戸層２と上部量子井戸層４とに入射し、上部コンタクト層５上の反射層２２によりランダム方向に反射して、再び上部量子井戸層４と下部量子井戸層２とに入射する。そして、各多重量子井戸層２，４に於いて散乱された赤外線及び反射層２２により散乱された赤外線は、分離溝７の側面の絶縁層２１上の金属層２４によって、隣接画素側への漏出を防止することができ、クロストークを低減することができる。
【００２０】
図２及び図３は、図１に示す本発明の実施例１の赤外線検出装置の製造過程の説明図であり、画素１個分に相当する領域についての製造過程の概略を示す。図２の（ａ）は、エピタキシャルウェーハの断面の概略構成を示し、半絶縁性ＧａＡｓの半導体基板１０上に、膜厚１，０００ｎｍで、不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３のｎ−ＧａＡｓからなる下部コンタクト層１を形成し、その上に、膜厚４０ｎｍのｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる障壁層と、膜厚５ｎｍの不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３のｎ−ＧａＡｓからなる井戸層とを交互に２０周期積層した下部多重量子井戸層２を形成し、その上に、厚さ５００ｎｍで不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３のｎ−ＧａＡｓからなる中間コンタクト層３を形成し、その上に、下部多重量子井戸層２と同一構成の上部多重量子井戸層４を形成し、その上に、膜厚５００ｎｍで不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３のｎ−ＧａＡｓからなる上部コンタクト層５を形成した状態を示す。基板１０上の各層は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法又はＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法によって形成することができる。
【００２１】
次に、図２の（ｂ）に示すように、上部コンタクト層５と上部多重量子井戸層４とを選択エッチングして、画素６の領域の境界の位置と、画素６のほぼ中央に相当する位置とに於いて、中間コンタクト層３に達する分離溝７と中間コンタクト溝８とを形成する。次に、図６の（ｃ）に示すように、中間コンタクト層３と下部多重量子井戸層２とを選択エッチングして、下部コンタクト層１が露出するように、画素６の領域の境界の位置に分離溝７を形成する。この場合の選択エッチングは、ウエットエッチング法を適用し、分離溝７と中間コンタクト溝８とをテーパー状に形成することができる。
【００２２】
次に、図３の（ａ）に示すように、全面にＳｉＯＮの絶縁層２１を形成し、分離溝７内の下部コンタクト層１と、中間コンタクト溝８内の中間コンタクト層３と、上部コンタクト層１５の一部分とをそれぞれ露出するように絶縁層２１を選択的に除去する。そして、露出された上部コンタクト層５と、中間コンタクト層３と、下部コンタクト層１とに、それぞれＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉからなるオーミック電極９，２０，２３を形成する。これらのオーミック電極９，２０，２３は、例えば、半導体装置の製造過程で用いられているリフトオフ法を適用して形成することができる。次に上部コンタクト層４上に、Ａｕ／Ｔｉからなる反射層２２を形成する。この反射層２２もリフトオフ法を適用して形成することができる。
【００２３】
次に、図３の（ｂ）に示すように、Ａｕ／Ｔｉからなる金属層２４を分離溝７内の側面絶縁層２１上に形成してオーミック電極９，２３間を接続する。又オーミック電極２０に接続すると共に中間コンタクト溝８のテーパー面の絶縁層２１上に、Ａｕ／Ｔｉからなるバンプ下地電極２５を形成する。このバンプ下地電極２５は金属層２４と同時に、例えば、リフトオフ法を適用して形成することができる。このバンプ下地電極２５上にＩｎからなるバンプ２６を形成する。
【００２４】
このＩｎバンプ２６が画素６の出力端子となり、金属層２４は、各画素に対する共通端子（図示を省略）に接続する。そして、Ｉｎバンプ２６と共通端子との間に電圧を印加することにより、下部多重量子井戸層２と上部多重量子井戸層４とによる検出素子は並列接続された状態で電圧が印加され、基板１０側から入射した赤外線の強度に対応した信号をＩｎバンプ２６から出力することができる。その時、反射層２２により乱反射された赤外線は、金属層２４により遮蔽されて、隣接画素へ漏出しないから、クロストークを低減することができる。
【００２５】
尚、前述の製造過程に於いて、例えば、図２の（ａ）に於けるエピタキシャル成長層以外に、選択的にエッチングする為のエッチング停止層や、エピタキシャル成長層の特性劣化を防止する為のバッファ層等を設けるものであるが、簡略化の為に、処理工程及び図示を省略している。又基板１０に対して垂直方向から入射する赤外線の方向を変換する為の凹凸構造等による光結合構造を設けるものであるが、これについても、処理工程及び図示を省略している。又赤外線が入射する基板１０側以外に保護膜を形成して保護する構成とすることができる。
【００２６】
図４は、本発明の実施例１のマルチプレクサの入力部分の要部説明図であり、４０ａ，４０ｂは、下部多重量子井戸層２からなる検出素子及び上部多重量子井戸層４からなる検出素子、４１は入力ゲートを構成するトランジスタ、４２はリセット用のトランジスタ、４３は蓄積容量、４４，４５は制御端子、４６はリセット用の電圧端子、４７は切替スイッチ及び増幅器に接続する出力端子を示す。
【００２７】
１画素は、画素領域内の多重量子井戸層２，４による検出素子４０ａ，４０ｂが並列接続された構成となり、前述のバンプ２６が、マルチプレクサの入力ゲートを構成するトランジスタ４１に接続され、金属層２４を相互に接続した共通端子が接地される回路構成となる。そして、リセット用のトランジスタ４２をオンとして、端子４６からの一定の電圧により蓄積容量４３をチャージアップして、リセット状態とし、このトランジスタ４２をオフとして、画素選択のトランジスタ４１をオンとすると、蓄積容量４３からの電圧が、並列接続の検出素子４０ａ，４０ｂに印加され、検出素子４０ａ，４０ｂに入射された赤外線エネルギに対応した電流が流れて、蓄積容量４３の端子電圧が変化する。この端子電圧の変化を、出力端子４７に接続された図示を省略した後段の回路によって処理し、二次元配列の画素を、それぞれの画素対応のトランジスタ４１，４２により順次切替えることにより、二次元の赤外線画像データを得ることができる。
【実施例２】
【００２８】
図５は本発明の実施例２の要部説明図であり、図１と同一符号は同一構成部分を示し、下部多重量子井戸層２を第１多重量子井戸層、上部多重量子井戸層４を第２多重量子井戸層とし、又下部コンタクト層１と中間コンタクト層３と上部コンタクト層５とをそれぞれ第１，第２，第３コンタクト層として、３１を第３多重量子井戸層、３２を第４コンタクト層とする。又３３はオーミック電極、３４は金属層を示す。又第１〜第３多重量子井戸層２，４，３１は、それぞれ井戸層と障壁層とを複数層積層した同一の構成を有するものである。即ち、半導体基板１０上に、コンタクト層と多重量子井戸層とを交互に複数積層するもので、図１に於いては、多重量子井戸層を２層構成とし、図５に於いては、３層構成とした場合を示す。
【００２９】
即ち、図５に於いては、半絶縁性ＧａＡｓ等の半導体基板１０上に、第１コンタクト層１と、第１多重量子井戸層２と、第２コンタクト層３と、第２多重量子井戸層４と、第３コンタクト層５と、第３多重量子井戸層３１と、第４コンタクト層３２とを順次積層し、多重量子井戸層を３層構成する。そして、画素６の領域を定める分離溝７を、最上層の第４コンタクト層３２側から最下層の第１コンタクト層１が露出するように形成し、又画素６の領域のほぼ中央に相当する位置に、最上層の第４コンタクト層３２側から、最下層のコンタクト層より一つ上の第２コンタクト層３が露出するように溝を形成し、全面に絶縁層２１を形成し、この絶縁層２１を選択エッチングして、分離溝７内の第１コンタクト層１と、画素６の領域の中央位置の溝内の第２コンタクト層３と、第４コンタクト層３２とを露出させて、オーミック電極９，２０，２３，３３を形成し、オーミック電極２３，９間を、絶縁層２１上の金属層２４により接続し、オーミック電極２０，３３間を絶縁層２１上のバンプ下地層２５としての金属層により接続し、バンプ下地層２５にバンプ２６を設け、又第４コンタクト層３２上に反射層２２を形成し、金属層２４と同様の金属層３４を第３多重量子井戸層３１の分離溝７側に絶縁層２１を介して形成する。
【００３０】
従って、第１コンタクト層１と第３コンタクト層５とが金属層２４により接続され、第２コンタクト層３と第４コンタクト層３２とがバンプ下地層２５としての金属層により接続された構成となり、共通端子に接続された金属層２４と、画素対応のバンプ２６との間に電圧を印加すると、画素６内の第１〜第３多重量子井戸層２，４，３１にそれぞれ同一の電圧が印加され、基板１０側から入射した赤外線に対して、検出素子を３個並列に接続して検出する構成となり、検出感度を向上することができる。
【００３１】
多重量子井戸層を更に積層して、画素対応の検出素子数を増加して、赤外線検出感度を向上することも可能である。その場合、画素の分離溝内を利用したコンタクト層間の接続構成が複雑となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例１の要部説明図である。
【図２】本発明の実施例１の製造過程の説明図である。
【図３】本発明の実施例１の製造過程の説明図である。
【図４】本発明の実施例１のマルチプレクサの入力部分の要部説明図である。
【図５】本発明の実施例２の要部説明図である。
【図６】従来例の説明図である。
【図７】多重量子井戸層の説明図である。
【図８】二次元配列の説明図である。
【図９】マルチプレクサの入力部分の要部説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  下部コンタクト層
２  下部多重量子井戸層
３  中間コンタクト層
４  上部多重量子井戸層
５  上部コンタクト層
６  画素
７  分離溝
９  オーミック電極
１０  半導体基板
２０  オーミック電極
２１  絶縁層
２２  反射層
２３  オーミック電極
２４  金属層
２５  バンプ下地層
２６  バンプ
【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】
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【図８】
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【図９】
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