(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠赤外線から中赤外線の波長域の光を透過し、近赤外線から可視光線の波長域の光を反射する反射部と、
前記反射部を透過した遠赤外線から中赤外線の波長域の光により電子が励起されて、当該電子から光電流が生成される量子井戸構造を有する光電流生成部と、
前記光電流生成部で生成された光電流の電子が注入されて、正孔と再結合させることにより、近赤外線から可視光線の波長域の光を放出する量子井戸構造を有する発光部と、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を検出すると共に、前記発光部から放出されて、前記反射部で反射された近赤外線から可視光線の波長域の光を検出する光検出部とを有し、
少なくとも、前記反射部、前記光電流生成部及び前記発光部を、基板上に積層したIII−Ｖ族化合物半導体から構成し、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を前記光検出部で検出することにより、入射してくる遠赤外線から中赤外線の波長域の光を検出することを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項２】
請求項１に記載の赤外線検出素子において、
前記反射部と前記光電流生成部と前記発光部とから第１の素子を構成し、前記光検出部から第２の素子を独立して構成し、前記第１の素子と前記第２の素子とを貼り合わせて、一体としたことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項３】
請求項１に記載の赤外線検出素子において、
前記反射部、前記光電流生成部、前記発光部及び前記光検出部を全てIII−Ｖ族化合物半導体から構成し、III−Ｖ族化合物半導体の基板に各々積層して、一体としたことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の赤外線検出素子において、
前記光検出部を、アバランシェフォトダイオードから構成したことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の赤外線検出素子において、
前記光電流生成部の量子井戸構造は、量子井戸となる井戸層を障壁層で挟み込む構造からなり、
前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の膜厚を、前記光電流生成部の他の障壁層より厚く、かつ、電子の平均自由行程より薄くすると共に、前記発光層に向かってバンドギャップが徐々に狭くなるように、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の組成比を、膜厚の厚さ方向に徐々に変化させたことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項６】
請求項５に記載の赤外線検出素子において、
前記発光部の量子井戸構造は、近赤外線から可視光線の波長域の光を放出するバンドギャップとなるように、量子井戸となる前記発光部の井戸層を、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層と前記発光部の障壁層で挟み込む構造からなることを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の赤外線検出素子において、
近赤外線から可視光線の波長域の光に対して分布ブラッグ反射を起こすように、前記反射部を、屈折率が互いに異なる２つの層を交互に複数積層する構造としたことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の赤外線検出素子において、
当該赤外線検出素子の入射面側に、当該入射面に対して垂直に入射する遠赤外線から中赤外線の波長域の光を屈折させて、前記光電流生成部に斜めに入射させる屈折部を設けたことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の赤外線検出素子において、
二酸化炭素の吸収波長である４．２５７μｍを含む４〜４．５μｍの波長域の赤外線により電子が励起されるように、前記光電流生成部の量子井戸構造を構成したことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１つに記載の赤外線検出素子を使用することを特徴とする赤外線検出装置。
【請求項１１】
電子と正孔を再結合させることにより、近赤外線から可視光線の波長域の光を放出する量子井戸構造からなる発光部を、基板上に積層し、
遠赤外線から中赤外線の波長域の光により電子が励起されて、当該電子から前記発光部に注入される光電流が生成される量子井戸構造からなる光電流生成部を、前記発光部上に積層し、
前記光電流生成部に入射する遠赤外線から中赤外線の波長域の光を透過し、前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を前記光検出部側へ反射する反射部を、前記光電流生成部上に積層して、第１の素子を構成し、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を検出する共に、前記発光部から放出されて、前記反射部で反射された近赤外線から可視光線の波長域の光を検出する光検出部からなる第２の素子を独立して構成し、
少なくとも、前記反射部、前記光電流生成部及び前記発光部を単一の結晶成長法でIII−Ｖ族化合物半導体から形成すると共に、前記第１の素子と前記第２の素子とを貼り合わせて、一体に形成して、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を前記光検出部で検出することにより、入射してくる遠赤外線から中赤外線の波長域の光を検出する赤外線検出素子を製造することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
【請求項１２】
近赤外線から可視光線の波長域の光を検出する光検出部を、III−Ｖ族化合物半導体の基板上に積層し、
電子と正孔を再結合させることにより、前記光検出部で検出される近赤外線から可視光線の波長域の光を放出する量子井戸構造からなる発光部を、前記光検出部上に積層し、
遠赤外線から中赤外線の波長域の光により電子が励起されて、当該電子から前記発光部に注入される光電流が生成される量子井戸構造からなる光電流生成部を、前記発光部上に積層し、
前記光電流生成部に入射する遠赤外線から中赤外線の波長域の光を透過し、前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を前記光検出部側へ反射する反射部を、前記光電流生成部上に積層し、
前記反射部、前記光電流生成部、前記発光部及び前記光検出部の全てを単一の結晶成長法でIII−Ｖ族化合物半導体から一体に形成して、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を前記光検出部で検出することにより、入射してくる遠赤外線から中赤外線の波長域の光を検出する赤外線検出素子を製造することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１又は請求項１２に記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記光検出部として、アバランシェフォトダイオードを形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項１１から請求項１３のいずれか１つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記光電流生成部の量子井戸構造として、量子井戸となる井戸層を障壁層で挟み込む構造を形成し、
前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の膜厚を、前記光電流生成部の他の障壁層より厚く、かつ、電子の平均自由行程より薄く形成すると共に、前記発光層に向かってバンドギャップが徐々に狭くなるように、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の組成比を、膜厚の厚さ方向に徐々に変化させて形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記発光部の量子井戸構造として、近赤外線から可視光線の波長域の光を放出するバンドギャップを形成するように、量子井戸となる前記発光部の井戸層を、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層と前記発光部の障壁層で挟み込む構造を形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
【請求項１６】
請求項１１から請求項１５のいずれか１つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記反射部として、近赤外線から可視光線の波長域の光に対して分布ブラッグ反射を起こすように、屈折率が互いに異なる２つの層を交互に複数積層する構造を形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１１から請求項１６のいずれか１つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
当該赤外線検出素子の入射面側に、当該入射面に対して垂直に入射する遠赤外線から中赤外線の波長域の光を屈折させて、前記光電流生成部に斜めに入射させる屈折部を形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１１から請求項１７のいずれか１つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
二酸化炭素の吸収波長である４．２５７μｍを含む４〜４．５μｍの波長域の赤外線により電子が励起されるように、前記光電流生成部の量子井戸構造を形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を検出する赤外線検出素子、赤外線検出装置及び赤外線検出素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠赤外線帯域（例えば、波長８〜１２μｍの帯域）の赤外線検出素子は、II−VI族化合物半導体であるＨｇＣｄＴｅを用いたものと、III−Ｖ族化合物半導体の超格子（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）を用いたＱＷＩＰ（量子井戸型赤外線検出器；Quantum Well Infrared Photo-detector）が実用化されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平２−１９２７６９号公報
【特許文献２】特開２００３−２１８３６６号公報
【特許文献３】特開２０００−２７５６９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＨｇＣｄＴｅを用いた赤外線検出素子は高い量子効率が得られるが、Ｈｇの低い融点と高い蒸気圧により良質な結晶成長が困難であり、特に、イメージセンサにおいては、歩留まりが非常に悪かった。更に、大面積の良質な基板（ＣｄＴｅ等）が得られないため、ピクセル数の大きなイメージセンサの製造が困難となっていた。
【０００５】
ＱＷＩＰは、量子井戸内の離散化した電子のエネルギー準位間を、赤外線吸収により電子を遷移させて光電流を流すことにより赤外線を検出するものである。量子井戸の形成は、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓによる超格子構造により実現することができるため、成熟したＧａＡｓ結晶成長プロセスにより、大面積で高品質なイメージセンサの製造が可能である。しかしながら、電子は積層方向のみに一次元的に量子化されていることから、面に垂直な入射光に対しては感度を有しておらず、量子効率が非常に低いものであった。
そのため、基板自体に傾斜面を形成し、その傾斜面に量子井戸層を形成した構造を採用したり（特許文献１）、自己組織化量子ドットを利用した横方向伝導構造を採用したり（特許文献２）、ＱＷＩＰで発生した電子を量子井戸層にて再結合させることにより、入射赤外線よりエネルギーの高い近赤外線を発光させる波長変換構造を採用したり（特許文献３）、様々な提案がなされているが、最終的な検出感度の点では、未だに不十分なものであった。
【０００６】
又、宇宙での遠赤外線帯域の観測を実施するためには、微弱な光量の赤外線を広視野角、高分解能で検出する必要があり、そのためには、量子効率の高い材料からなる大面積（大ピクセル数）のイメージセンサが必要であるが、双方の要求を同時に満足するイメージセンサは製造が困難であった。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、検出感度が高く、大面積化が可能な赤外線検出素子、赤外線検出装置及び赤外線検出素子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】
【０００８】
上記課題を解決する第１の発明に係る赤外線検出素子は、
遠赤外線から中赤外線の波長域の光を透過し、近赤外線から可視光線の波長域の光を反射する反射部と、
前記反射部を透過した遠赤外線から中赤外線の波長域の光により電子が励起されて、当該電子から光電流が生成される量子井戸構造を有する光電流生成部と、
前記光電流生成部で生成された光電流の電子が注入されて、正孔と再結合させることにより、近赤外線から可視光線の波長域の光を放出する量子井戸構造を有する発光部と、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を検出すると共に、前記発光部から放出されて、前記反射部で反射された近赤外線から可視光線の波長域の光を検出する光検出部とを有し、
少なくとも、前記反射部、前記光電流生成部及び前記発光部を、基板上に積層したIII−Ｖ族化合物半導体から構成し、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を前記光検出部で検出することにより、入射してくる遠赤外線から中赤外線の波長域の光を検出することを特徴とする。
【０００９】
上記課題を解決する第２の発明に係る赤外線検出素子は、
第１の発明に記載の赤外線検出素子において、
前記反射部と前記光電流生成部と前記発光部とから第１の素子を構成し、前記光検出部から第２の素子を独立して構成し、前記第１の素子と前記第２の素子とを貼り合わせて、一体としたことを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決する第３の発明に係る赤外線検出素子は、
第１の発明に記載の赤外線検出素子において、
前記反射部、前記光電流生成部、前記発光部及び前記光検出部を全てIII−Ｖ族化合物半導体から構成し、III−Ｖ族化合物半導体の基板に各々積層して、一体としたことを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する第４の発明に係る赤外線検出素子は、
第１から第３の発明のいずれか１つに記載の赤外線検出素子において、
前記光検出部を、アバランシェフォトダイオードから構成したことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第５の発明に係る赤外線検出素子は、
第１から第４の発明のいずれか１つに記載の赤外線検出素子において、
前記光電流生成部の量子井戸構造は、量子井戸となる井戸層を障壁層で挟み込む構造からなり、
前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の膜厚を、前記光電流生成部の他の障壁層より厚く、かつ、電子の平均自由行程より薄くすると共に、前記発光層に向かってバンドギャップが徐々に狭くなるように、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の組成比を、膜厚の厚さ方向に徐々に変化させたことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第６の発明に係る赤外線検出素子は、
第５の発明に記載の赤外線検出素子において、
前記発光部の量子井戸構造は、近赤外線から可視光線の波長域の光を放出するバンドギャップとなるように、量子井戸となる前記発光部の井戸層を、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層と前記発光部の障壁層で挟み込む構造からなることを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第７の発明に係る赤外線検出素子は、
第１から第６の発明のいずれか１つに記載の赤外線検出素子において、
近赤外線から可視光線の波長域の光に対して分布ブラッグ反射を起こすように、前記反射部を、屈折率が互いに異なる２つの層を交互に複数積層する構造としたことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第８の発明に係る赤外線検出素子は、
第１から第７の発明のいずれか１つに記載の赤外線検出素子において、
当該赤外線検出素子の入射面側に、当該入射面に対して垂直に入射する遠赤外線から中赤外線の波長域の光を屈折させて、前記光電流生成部に斜めに入射させる屈折部を設けたことを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第９の発明に係る赤外線検出素子は、
第１から第８の発明のいずれか１つに記載の赤外線検出素子において、
二酸化炭素の吸収波長である４．２５７μｍを含む４〜４．５μｍの波長域の赤外線により電子が励起されるように、前記光電流生成部の量子井戸構造を構成したことを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する第１０の発明に係る赤外線検出装置は、
第１から第９の発明のいずれか１つに記載の赤外線検出素子を使用することを特徴とする。
【００１８】
上記課題を解決する第１１の発明に係る赤外線検出素子の製造方法は、
電子と正孔を再結合させることにより、近赤外線から可視光線の波長域の光を放出する量子井戸構造からなる発光部を、基板上に積層し、
遠赤外線から中赤外線の波長域の光により電子が励起されて、当該電子から前記発光部に注入される光電流が生成される量子井戸構造からなる光電流生成部を、前記発光部上に積層し、
前記光電流生成部に入射する遠赤外線から中赤外線の波長域の光を透過し、前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を前記光検出部側へ反射する反射部を、前記光電流生成部上に積層して、第１の素子を構成し、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を検出する共に、前記発光部から放出されて、前記反射部で反射された近赤外線から可視光線の波長域の光を検出する光検出部からなる第２の素子を独立して構成し、
少なくとも、前記反射部、前記光電流生成部及び前記発光部を単一の結晶成長法でIII−Ｖ族化合物半導体から形成すると共に、前記第１の素子と前記第２の素子とを貼り合わせて、一体に形成して、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を前記光検出部で検出することにより、入射してくる遠赤外線から中赤外線の波長域の光を検出する赤外線検出素子を製造することを特徴とする。
【００１９】
上記課題を解決する第１２の発明に係る赤外線検出素子の製造方法は、
近赤外線から可視光線の波長域の光を検出する光検出部を、III−Ｖ族化合物半導体の基板上に積層し、
電子と正孔を再結合させることにより、前記光検出部で検出される近赤外線から可視光線の波長域の光を放出する量子井戸構造からなる発光部を、前記光検出部上に積層し、
遠赤外線から中赤外線の波長域の光により電子が励起されて、当該電子から前記発光部に注入される光電流が生成される量子井戸構造からなる光電流生成部を、前記発光部上に積層し、
前記光電流生成部に入射する遠赤外線から中赤外線の波長域の光を透過し、前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を前記光検出部側へ反射する反射部を、前記光電流生成部上に積層し、
前記反射部、前記光電流生成部、前記発光部及び前記光検出部の全てを単一の結晶成長法でIII−Ｖ族化合物半導体から一体に形成して、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光線の波長域の光を前記光検出部で検出することにより、入射してくる遠赤外線から中赤外線の波長域の光を検出する赤外線検出素子を製造することを特徴とする。
【００２０】
上記課題を解決する第１３の発明に係る赤外線検出素子の製造方法は、
第１１又は第１２の発明に記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記光検出部として、アバランシェフォトダイオードを形成することを特徴とする。
【００２１】
上記課題を解決する第１４の発明に係る赤外線検出素子の製造方法は、
第１１から第１３の発明のいずれか１つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記光電流生成部の量子井戸構造として、量子井戸となる井戸層を障壁層で挟み込む構造を形成し、
前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の膜厚を、前記光電流生成部の他の障壁層より厚く、かつ、電子の平均自由行程より薄く形成すると共に、前記発光層に向かってバンドギャップが徐々に狭くなるように、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の組成比を、膜厚の厚さ方向に徐々に変化させて形成することを特徴とする。
【００２２】
上記課題を解決する第１５の発明に係る赤外線検出素子の製造方法は、
第１４の発明に記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記発光部の量子井戸構造として、近赤外線から可視光線の波長域の光を放出するバンドギャップを形成するように、量子井戸となる前記発光部の井戸層を、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層と前記発光部の障壁層で挟み込む構造を形成することを特徴とする。
【００２３】
上記課題を解決する第１６の発明に係る赤外線検出素子の製造方法は、
第１１から第１５の発明のいずれか１つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記反射部として、近赤外線から可視光線の波長域の光に対して分布ブラッグ反射を起こすように、屈折率が互いに異なる２つの層を交互に複数積層する構造を形成することを特徴とする。
【００２４】
上記課題を解決する第１７の発明に係る赤外線検出素子の製造方法は、
第１１から第１６の発明のいずれか１つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
当該赤外線検出素子の入射面側に、当該入射面に対して垂直に入射する遠赤外線から中赤外線の波長域の光を屈折させて、前記光電流生成部に斜めに入射させる屈折部を形成することを特徴とする。
【００２５】
上記課題を解決する第１８の発明に係る赤外線検出素子の製造方法は、
第１１から第１７の発明のいずれか１つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
二酸化炭素の吸収波長である４．２５７μｍを含む４〜４．５μｍの波長域の赤外線により電子が励起されるように、前記光電流生成部の量子井戸構造を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
第１〜第３、第１１〜第１２の発明によれば、所謂、ＱＷＩＰ構造となる光電流生成部に入射する遠赤外線から中赤外線の波長域の光により光電流を生成し、生成した光電流の電子を発光層に注入し、注入した電子と正孔との再結合により近赤外線から可視光線の波長域の光を発光させると共に、発光した近赤外線から可視光線の波長域の光を反射部で反射し、素子内部に閉じ込めて、発光した近赤外線から可視光線の波長域の光を光検出部で検出するので、素子としての検出感度の向上が可能となる。又、III−Ｖ族化合物半導体の基板（例えば、ＧａＡｓ基板）上に、III−Ｖ族化合物半導体からなる層を積層して赤外線検出素子を形成するので、大面積（大ピクセル数）のイメージセンサが実現可能となる。
【００２７】
第３、第１２の発明によれば、反射部、光電流生成部、発光部及び光検出部全てを、基板上積層して、一体に形成するので、発光部で発光した近赤外線から可視光線の波長域の光を、ロス無く光検出部で検出することができ、検出感度の更なる向上が可能となる。
【００２８】
第４、第１３の発明によれば、光検出部をアバランシェフォトダイオードとするので、発光部で発光した近赤外線から可視光線の波長域の光を、感度よく光検出部で検出することができ、検出感度の更なる向上が可能となる。
【００２９】
第５、第１４の発明によれば、発光部に隣接する光電流生成部の障壁層の膜厚を電子の平均自由行程より薄く形成すると共に、発光層に向かってバンドギャップが徐々に狭くなるように、その組成比を膜厚の厚さ方向に徐々に変化させるので、散乱無く、効率的に電子を発光部に注入することができ、発光部で近赤外線から可視光線の波長域の光を高効率で発光させることができ、その結果、検出感度の更なる向上が可能となる。
【００３０】
第６、第１５の発明によれば、隣接する光電流生成部の障壁層を利用して、発光部の量子井戸構造を形成できるので、単純な構造で近赤外線から可視光線の波長域の光を放出するバンドギャップを形成することが可能である。
【００３１】
第７、第１６の発明によれば、反射部を、分布ブラッグ反射を起こす構造とするので、発光部から反射部方向へ発光した近赤外線から可視光線の波長域の光を高効率で反射して、光検出部側へ入射させることができ、検出感度の更なる向上が可能となる。
【００３２】
第８、第１７の発明によれば、入射光を屈折させる屈折部を素子の入射面側に設けるので、入射面に垂直に入射してくる遠赤外線から中赤外線の波長域の光を、ＱＷＩＰ構造となる光電流生成部に斜めに入射することができ、光電流生成部での量子効率を向上させて、検出感度の更なる向上が可能となる。
【００３３】
第９、第１８の発明によれば、光電流生成部の量子井戸構造を、二酸化炭素の吸収波長である４．２５７μｍを含む４〜４．５μｍの波長域の赤外線により電子が励起されるように形成するので、他の分子の影響を排除して、検出対象とする二酸化炭素を高効率で検出することができる。
【００３４】
第１０の発明によれば、第１〜第９の発明の赤外線検出素子を用いるので、検出感度が高く、かつ、大面積（大ピクセル数）の赤外線検出装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図１〜図８を参照して、本発明に係る赤外線検出素子、赤外線検出装置及び赤外線検出素子の製造方法を詳細に説明する。なお、本発明では、基板、素子共に、III−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓを基本組成とする構成を説明しているが、検出対象波長に応じて、基板、素子の半導体組成を適宜に選択可能である。
例えば、検出対象波長を３〜１０μｍの範囲としたい場合には、下記実施例で示すように、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ系材料（ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、Ｉｎ組成の低いＩｎＧａＡｓ等）を用いて素子を形成すればよいし、検出対象波長を長波長側にシフトしたい場合には、ＩｎＰ基板上にＧａＡｓ系材料（ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ等）を用いて素子を形成すればよいし、検出対象波長を短波長側にもう少し拡げて、２〜１０μｍの範囲としたい場合には、サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板又はＧａＮ（ガリウムナイトライド）基板上にＧａＮ系材料を用いて素子を形成すればよい。
【実施例１】
【００３６】
図１は、本発明に係る赤外線検出素子の実施形態の一例を説明する図であり、図１（ａ）は、その概略構成を説明する図であり、図１（ｂ）は、その素子構造とエネルギーバンドを説明する図である。又、図２は、その製造方法を説明する図である。
【００３７】
図１（ａ）に示すように、本実施例の赤外線検出素子は、遠赤外線〜中赤外線を透過し、近赤外線〜可視光を反射する反射部１と、反射部１を透過した遠赤外線〜中赤外線により電子が励起されて、当該電子から光電流が生成される多重量子井戸構造を有する光電流生成部２と、光電流生成部２で生成された光電流の電子が注入されて、正孔と再結合させることにより、近赤外線〜可視光を放出する単一量子井戸構造を有する発光部３とから構成された第１の素子と、発光部３から放出された近赤外線〜可視光を検出すると共に、発光部３から放出されて、反射部１で反射された近赤外線〜可視光を検出する光検出部４とから構成された第２の素子とを有し、第１の素子と第２の素子とを接合部５で貼り合わせて、一体に形成したものである。
【００３８】
第１の素子、第２の素子には、各々独立して電極６が設けられ、各々所定の電圧が印加されて、各々駆動されている。なお、電極６は、コンタクト層を介して、第１の素子、第２の素子と電気的に接続されているが、図１、図２においては、その図示を省略している。
【００３９】
本実施例の赤外線検出素子においては、少なくとも、反射部１、光電流生成部２及び発光部３を、つまり、第１の素子をIII−Ｖ族化合物半導体（例えば、ＧａＡｓ系材料）から構成すると共に、III−Ｖ族化合物半導体の基板（例えば、ＧａＡｓ基板）上に、反射部１、光電流生成部２及び発光部３（第１の素子）を積層して構成している。
【００４０】
更に具体的な素子構造を、図１（ｂ）を参照して説明する。
第１の素子において、反射部１は、屈折率が互いに異なる反射第一層１１、反射第二層１２を有し、近赤外線〜可視光に対して分布ブラッグ反射を起こすように、反射第一層１１と反射第二層１２とを交互に周期的に複数積層する構造としたものである。例えば、反射第一層１１はＡｌＡｓ、反射第二層１２はＧａＡｓからなる。
【００４１】
又、光電流生成部２は、障壁層２１と井戸層２２とを有し、障壁層２１の間に量子井戸となる井戸層２２を挟み込むと共に、これらを多重に積層して、多重量子井戸構造としたものである。この光電流生成部２は、所謂、ＱＷＩＰと同等の構造のものであり、例えば、障壁層２１がＡｌＧａＡｓ、井戸層２２がＧａＡｓからなる超格子構造である。但し、発光部３に隣接する障壁層２３は、後述する理由により、障壁層２１の組成を基本としながらも、発光層３に向かってバンドギャップが徐々に狭くなるように、障壁層２３の組成比を、膜厚の厚さ方向に徐々に変化させており、又、障壁層２３の膜厚も障壁層２１より厚く、かつ、電子の平均自由行程より薄くしている。
【００４２】
又、発光部３は、井戸層３１と障壁層３２とを有し、近赤外線〜可視光を放出するバンドギャップとなるように、量子井戸となる井戸層３１を、隣接する光電流生成部２の障壁層２３と発光部３の障壁層３２との間に挟み込む単一量子井戸構造としたものである。例えば、井戸層３１はＩｎＧａＡｓ、障壁層３２はＧａＡｓからなる。なお、障壁層３２はＡｌＧａＡｓでもよい。又、障壁層３２は、電極６を接続するコンタクト層を兼ねるようにしてもよい。
【００４３】
第２の素子において、光検出部４は、ｐ型領域層４１と、真性層４２と、ｎ型領域層４３とを有し、真性層４２を、ｐ型領域層４１とｎ型領域層４３との間に挟み込むように配置したものである。つまり、第２の素子は、ｐｉｎフォトダイオード（以降、ｐｉｎＰＤと略す。）となっている。ｐ型領域層４１、真性層４２、ｎ型領域層４３は、例えば、Ｓｉ（シリコン）を基本組成とする。
なお、第２の素子の一例として、ｐｉｎＰＤの構成を説明しているが、ｐｉｎＰＤに限らず、ｐｎフォトダイオードやアバランシェフォトダイオード（以降、ＡＰＤと略す。）でもよい。又、Ｓｉ系に限らず、ＧａＡｓ系のフォトダイオードでもよい。
【００４４】
そして、本実施例では、検出対象となる波長、つまり、光電流生成部２において電子を励起する遠赤外線〜中赤外線が３〜１０μｍの範囲となるように構成しており、発光部３から放出し、かつ、光検出部４で検出する近赤外線〜可視光が８２０〜１０００ｎｍの範囲となるように構成している。
【００４５】
ここで、図１（ｂ）に示したエネルギーバンドを参照して、本実施例の赤外線検出素子の動作原理を説明する。なお、図１（ｂ）において、Ｂｃは伝導帯、Ｂｖは価電子帯を示す。又、図中左側から遠赤外線〜中赤外線ＩＲが入射してくるものとする。
【００４６】
光電流生成部２においては、図１（ｂ）に示すように、障壁層２１の間に井戸層２２を挟み込むことにより、量子井戸が形成され、量子井戸内の伝導帯Ｂｃ側のエネルギー準位に電子（図中の黒丸）が存在している。この電子は、入射された遠赤外線〜中赤外線を吸収することにより励起され、多重の量子井戸間を移動し、最終的には、障壁層２３を経て、発光部３の井戸層３１に注入される（点線の矢印参照）。このとき、障壁層２３の組成、膜厚を適切に設定することにより（詳細は後述する。）、光電流生成部２で発生した電子が、散乱無く、効率的に発光部３の井戸層３１に注入されるようにしている。
【００４７】
一方、発光部３においても、図１（ｂ）に示すように、障壁層２３と障壁層３２との間に井戸層３１を挟み込むことにより、量子井戸が形成されている。井戸層３１には、価電子帯Ｂｖ側のエネルギー準位に正孔（図中の白丸）が存在しており、井戸層３１において、この正孔と注入された電子とが再結合することにより、よりエネルギーが大きい近赤外線〜可視光を放出することになる。
【００４８】
放出された近赤外線〜可視光は、主に、本実施例の赤外線検出素子の積層方向（図中の水平方向）に放出される。光検出部４側へ放出された近赤外線〜可視光Ｌｄは、光検出部４へ直接入射し、光検出部４において、その強度が検出されることになる。一方、反射部１側へ放出された近赤外線〜可視光Ｌｒは、反射部１における分布ブラッグ反射により高効率で反射された後、光検出部４へ入射し、光検出部４において、その強度が検出されることになる。この結果、発光部３から放出された近赤外線〜可視光は、光検出部４により高効率で検出されることになる。
【００４９】
そして、光検出部４に入射された近赤外線〜可視光は、ｐ型領域層４１を通過し、真性層４２でその殆どが吸収されて、電子−正孔対が生成される。これらのキャリア（電子、正孔）はドリフトして、ｐ型領域層４１、ｎ型領域層４３に流れ込み、光電流となる。つまり、発光部３から放出された近赤外線〜可視光を光検出部４で検出することにより、素子に入射してくる遠赤外線〜中赤外線を効率的に検出することになる。なお、光検出部４には、高速応答性のため、通常、逆バイアスが印加されている。
【００５０】
このように、本実施例の赤外線検出素子では、発光部３において、遠赤外線〜中赤外線の入射により光電流生成部２で発生した電子を正孔と再結合させて、近赤外線〜可視光を放出させることにより、入射してきた遠赤外線〜中赤外線を、よりエネルギーが大きい近赤外線〜可視光に変換させる波長変換機能を備えることになる。更に、反射部１において、発光部３から放出された近赤外線〜可視光を反射させることにより、近赤外線〜可視光に変換した光を素子内部に閉じこめる光閉じ込め機能も備えることになる。従って、本実施例の赤外線検出素子では、ＱＷＩＰ構造となる光電流生成部２に、波長変換機能を担う発光部３と、光閉じ込め機能を担う反射部１とを組み合わせて、一体に形成した単素子内で、波長変換した近赤外線〜可視光を閉じこめて検出することになり、通常のＱＷＩＰ方式の赤外線検出素子と比較して、検出効率（Ｓ／Ｎ比）を向上させることができる。
なお、本実施例において、上述した光電流生成部２及び発光部３は、電子をキャリアとするｎ型デバイスであるが、正孔をキャリアとするｐ型デバイスの構成としてもよい。その場合、動作原理は上述したものと同じになるが、伝導帯、価電子帯の障壁高さや有効質量等が、電子をキャリアとする場合とは相違するので、これらを考慮して、光電流生成部２及び発光部３を構成すればよい。
【００５１】
次に、図２を参照して、本実施例の赤外線検出素子の製造方法を説明する。なお、本実施例において、第２の素子であるｐｉｎＰＤは、別途独立して形成されるものであり、その製造方法は公知であるため、その説明については割愛する。
【００５２】
＜１．準備工程＞
まず、ＧａＡｓ基板１０を、有機アルカリ溶媒（例えば、セミコクリーン（商品名））を用いて、超音波洗浄すると共に、超純水を用いて、超音波洗浄を行う。洗浄後、ＧａＡｓ基板１０をプリベークチャンバへ搬入し、超高真空中（１×１０-7〜１×１０-10ｔｏｒｒ程度）でプリベーク（約２００℃）して、水分を除去する。
【００５３】
一方、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）チャンバ内において、Ｇａ、Ａｌ、Ａｓ、Ｉｎを高温にして、各分子線圧力を測定しておく。そして、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓの成長レートを、各分子線セルシャッタを適宜に開いて、予め測定しておく。例えば、ＧａＡｓの成長レートを測定する場合には、Ａｓセルシャッタ、Ｇａセルシャッタを開いて、ＧａＡｓを成長させて確認する。
【００５４】
Ａｓ圧力を１×１０-5ｔｏｒｒ前後に設定し、水分を除去したＧａＡｓ基板１０をＭＢＥチャンバへ搬入する。ＧａＡｓ基板１０を５８０℃に加熱する。このとき、３００℃以上からはＡｓセルシャッタを開いて、Ａｓの離脱を防ぐようにしている。
【００５５】
＜２．成長工程＞
ＧａＡｓ基板１０上に、ＭＢＥ法により、ＧａＡｓからなる障壁層３２とＩｎＧａＡｓからなる井戸層３１とを順次積層して、発光部３を形成する（図２（ａ）参照）。このとき、予め求めた成長レートから、設計通りの膜厚になるように成長時間を決定して、セルシャッタの開閉時間を制御すると共に、ＧａＡｓからなる障壁層３２の成長後は、界面の平坦性を促進するために成長中断（マイグレーション）時間（約３０秒前後）をおく。井戸層３１は、障壁層３２のバンドギャップよりも低くなければならないので、Ｉｎ組成をできるだけ増やすようにしている。但し、Ｉｎ組成を増加させると、レイヤー（平面）になる層がだんだん薄くなる。例えば、Ｉｎ組成０．２においては４．２ｎｍ以下であり、それ以上だと量子ドットになり、又、Ｉｎ組成０．３においては１．７ｎｍ以下である。又、薄すぎると、発光効率が悪くなるため、少なくとも１ｎｍ以上であることが望ましい。従って、Ｉｎ組成に応じ、井戸層３１の膜厚を適切な範囲に設定している。
【００５６】
次に、発光部３上に、同じく、ＭＢＥ法により、ＡｌＧａＡｓからなる障壁層２３を積層すると共に、ＧａＡｓからなる井戸層２２とＡｌＧａＡｓからなる障壁層２１とを交互に複数積層して、光電流生成部２を形成する（図２（ｂ）参照）。このとき、予め求めた成長レートから、設計通りの膜厚になるように成長時間を決定して、セルシャッタの開閉時間を制御すると共に、ＡｌＧａＡｓからなる障壁層２１、２３及びＧａＡｓからなる井戸層２２の成長後は、界面の平坦性を促進するために成長中断時間（約３０秒前後）をおく。又、障壁層２１、井戸層２２の積層数は、通常、５０〜１００周期程度積層している。
【００５７】
障壁層２１は、井戸層２２に閉じ込められた電子が、隣の井戸層２２の電子と反応しない程度の厚さとするため、少なくとも、２５ｎｍの厚さとしており、通常２５ｎｍ〜５０ｎｍに形成している。又、井戸層２２は、検出対象の波長域に応じて、その組成、膜厚を変える必要があり、通常、数ｎｍの膜厚である。本実施例では、組成比０．６、膜厚３ｎｍとしている。
【００５８】
障壁層２３は、障壁層２１の組成を基本としながらも、そのＡｌ組成を、発光部３側に向かって徐々に減少させており、又、膜厚も障壁層２１より厚くなっている。これは、障壁層２３では、光電流生成部２で発生した電子を、散乱無く、効率的に発光部３の井戸層３１に注入することが望ましいからである。例えば、障壁層２３が障壁層２１と同じ組成である場合には、障壁層２３にかかる電界による電位差がそのまま障壁となってしまう。従って、その障壁（電位差）をなるべく少なくするため、障壁層２３においては、Ａｌ組成を発光部３に向かって徐々に少なくしている。従って、障壁層２３は、障壁層２１の成長方法を基本として、Ａｌセルシャッタを徐々に閉じながら、Ａｌ組成を徐々に減少させて、成長させている。
【００５９】
又、障壁層２３の膜厚は、散乱をできるだけ避けるため、電子の平均自由行程（散乱されずに進む距離）よりも短くしている。例えば、バルクＧａＡｓ移動度（７７Ｋ、１×１０16ｃｍ-3）μ＝２００００ｃｍ2／Ｖｓ、ＧａＡｓ電子有効質量ｍ*＝０．０６７ｍ0＝０．０６７×９．１×１０-31、衝突緩和時間τ＝μｍ*／ｅ＝０．７６ｐｓ、電子速度ｖ（高電界）：ｖ＝１．０×１０7ｃｍ／ｓとすると、電子の平均自由行程Ｌ＝ｖ×τ＝７６ｎｍとなり、障壁層２３の膜厚は、厚さは７６ｎｍ以下としている。一方、障壁層２１が少なくとも２５ｎｍであるので、障壁層２３は５０ｎｍ以上としている。
【００６０】
最後に、光電流生成部２上に、同じく、ＭＢＥ法により、ＧａＡｓからなる反射第二層１２とＡｌＡｓからなる反射第一層１１とを交互に複数積層して、反射部１を形成する（図２（ｃ）参照）。このとき、予め求めた成長レートから、設計通りの膜厚になるように成長時間を決定して、セルシャッタの開閉時間を制御すると共に、ＧａＡｓからなる反射第一層１２の成長後は、界面の平坦性を促進するために成長中断時間（約３０秒前後）をおく。一方、ＡｌＡｓからなる反射第一層１１は、成長中断をすると不純物を取り込み易いので、成長中断は設けていない。又、反射第一層１１及び反射第二層１２の積層数は、図３からわかるように、近赤外線〜可視光に対して９０％以上の反射率を確保するため、少なくとも、１１周期以上積層している。なお、本実施例では、発光部３からの発光波長８６５ｎｍに対して、屈折率ｎ(AlAs)＝２．８９、ｎ(GaAs)＝３．４１とし、膜厚ｔ(AlAs)＝７４．８ｎｍ、ｔ(GaAs)＝６３．４ｎｍとしている。
【００６１】
成長終了後は、ＧａＡｓ基板１０の基板温度を下げ、３００℃まで下がった時点でＡｓセルシャッタを閉じる。そして、ＧａＡｓ基板１０の温度が下がった時点（室温程度）で、ＭＢＥチャンバから取り出す。
【００６２】
このように、本実施例の赤外線検出素子の製造方法は、ＧａＡｓ基板を用いるので、大口径化が可能となる。又、ＭＢＥ法はプロセスが成熟しており、このＭＢＥ法の結晶成長のみを用いて、反射部１、光電流生成部２、発光部３を構成する全層を形成しているため、製造の歩留まりを高くすることができる。なお、裏面入射とする場合には、各層の成長順を逆にすればよい。
【００６３】
＜３．イメージセンサ形成工程＞
又、本実施例の赤外線検出素子を、ピクセル数の大きなイメージセンサとして形成する場合には、上記成長工程後、更に、以下に示す製造方法を用いて形成すればよい。
【００６４】
成長工程後の素子表面に、レジストをスピンコートし、ベーキングすることにより、レジストを固める。デバイスサイズにするためのマスクを利用し、レジストに紫外線露光を行った後、現像液で現像する。硫酸系エッチング液により、下部電極を蒸着する層の手前までエッチングする。そして、下部電極となる金属を蒸着する。例えば、蒸着対象の層がｎ型層である場合には、ＡｕＧｅ（１２％）／Ｎｉ／Ａｕ、ｐ型層である場合には、ＡｕＳｂ（５％）／Ｎｉ／Ａｕを蒸着する。これは、後述する上部電極でも同様である。下部電極として用いる部分を除き、蒸着した金属をレジストと共にリフトオフする。下部電極の平面形状としては、例えば、櫛形状、井形状に形成する。
【００６５】
なお、後述する屈折層８（実施例３、図６参照）を形成する場合には、前述の＜２．成長工程＞において、予め、反射部１上にＧａＡｓからなる層を形成しておき、ここで、素子表面となる屈折層８の表面の加工を行えばよい。具体的には、素子表面に再度レジストをスピンコートし、ベーキングすることにより、レジストを固める。ライン＆スペースのマスクを用いて、レジストに紫外線露光を行った後、現像液で現像する。硫酸系エッチング液でエッチングすることにより、ライン状の素子表面、つまり、図６に示す屈折層８を形成する。なお、屈折層８の形状としては、ライン状に限らず、ドット状としてもよい。
【００６６】
最後に、素子表面に再度レジストをスピンコートし、ベーキングすることにより、レジストを固める。上部電極用マスクを用いて、レジストに紫外線露光を行った後、現像液で現像する。そして、レジストの開口部に上部電極となる金属を蒸着する。上部電極として用いる部分を除き、蒸着した金属をレジストと共にリフトオフする。上部電極の平面形状としても、例えば、櫛形状、井形状に形成する。
【００６７】
このように、本発明では、容易にピクセル数の大きなイメージセンサを形成することも可能である。
【実施例２】
【００６８】
図４は、本発明に係る赤外線検出素子の実施形態の他の一例を説明する図であり、図４（ａ）は、その概略構成を説明する図であり、図４（ｂ）は、その素子構造とエネルギーバンドを説明する図である。又、図５は、その製造方法を説明する図である。なお、本実施例において、実施例１における赤外線検出素子と同等の構成要素には、同じ符号を付して説明を行う。
【００６９】
図４（ａ）に示すように、本実施例の赤外線検出素子は、遠赤外線〜中赤外線を透過し、近赤外線〜可視光を反射する反射部１と、反射部１を透過した遠赤外線〜中赤外線により電子が励起されて、当該電子から光電流が生成される多重量子井戸構造を有する光電流生成部２と、光電流生成部２で生成された光電流の電子が注入されて、正孔と再結合させることにより、近赤外線〜可視光を放出する単一量子井戸構造を有する発光部３と、発光部３から放出された近赤外線〜可視光を検出すると共に、発光部３から放出されて、反射部１で反射された近赤外線〜可視光を検出する光検出部７とを有し、反射部１、光電流生成部２、発光部３及び光検出部７を積層して、一体に形成したものである。
【００７０】
発光部３と光検出部７との間に共通のグランド電極６が設けられると共に、素子の両端部に正電極６及び負電極６が設けられ、素子全体に所定の電圧が印加されて、駆動されている。なお、電極６は、コンタクト層（図示省略）を介して、素子と電気的に接続されているが、図４、図５において、発光部３及び光検出部７に接続する電極６に対しては、後述する障壁層３２及びＡＰＤ上部電極層７１がその機能を果たしている。
【００７１】
本実施例の赤外線検出素子においては、反射部１、光電流生成部２、発光部３及び光検出部７全てをIII−Ｖ族化合物半導体（例えば、ＧａＡｓ系材料）から構成すると共に、III−Ｖ族化合物半導体の基板（例えば、ＧａＡｓ基板）上に、反射部１、光電流生成部２、発光部３及び光検出部７を積層して一体に構成している。
【００７２】
実施例１に示した赤外線検出素子は、第１の素子と第２の素子とを接合部５で貼り合わせているため、接合部５の欠陥等により、発光部３から放出された近赤外線〜可視光のロスがあり得るが、本実施例の赤外線検出素子では、後述するように、素子全体をＭＢＥ法のみを用いて結晶成長させて、一体形成するので、接合部５自体が存在せず、発光部３から放出された近赤外線〜可視光のロスを低減でき、検出効率の更なる向上が可能である。
【００７３】
更に具体的な素子構造を、図４（ｂ）を参照して説明する。
反射部１は、屈折率が互いに異なる反射第一層１１、反射第二層１２を有し、近赤外線〜可視光に対して分布ブラッグ反射を起こすように、反射第一層１１と反射第二層１２とを交互に周期的に複数積層する構造としたものである。例えば、反射第一層１１はＡｌＡｓ、反射第二層１２はＧａＡｓからなる。
【００７４】
又、光電流生成部２は、障壁層２１と井戸層２２とを有し、障壁層２１の間に量子井戸となる井戸層２２を挟み込むと共に、これらを多重に積層して、多重量子井戸構造としたものである。この光電流生成部２は、所謂、ＱＷＩＰと同等の構造のものであり、例えば、障壁層２１がＡｌＧａＡｓ、井戸層２２がＧａＡｓからなる超格子構造である。但し、発光部３に隣接する障壁層２３は、後述する理由により、障壁層２１の組成を基本としながらも、発光層３に向かってバンドギャップが徐々に狭くなるように、障壁層２３の組成比を、膜厚の厚さ方向に徐々に変化させており、又、障壁層２３の膜厚も障壁層２１より厚く、かつ、電子の平均自由行程より薄くしている。
【００７５】
又、発光部３は、井戸層３１と障壁層３２とを有し、近赤外線〜可視光を放出するバンドギャップとなるように、量子井戸となる井戸層３１を、隣接する光電流生成部２の障壁層２３と発光部３の障壁層３２との間に挟み込む単一量子井戸構造としたものである。例えば、井戸層３１はＩｎＧａＡｓ、障壁層３２はＧａＡｓからなる。なお、障壁層３２はＡｌＧａＡｓでもよい。又、障壁層３２は、電極６を接続するコンタクト層を兼ねている。
【００７６】
光検出部７は、ＡＰＤ上部電極層７１と、スペーサ層７２、光吸収層７３と、スペーサ層７４、増倍層７５と、ＡＰＤ下部電極層７６とを有し、これらを順次積層して構成したものである。つまり、第２の素子は、ＡＰＤとなっている。光検出部７は、例えば、ＧａＡｓ組成のみから構成してもよいが、本実施例においては、ＡＰＤ上部電極層７１はＡｌＧａＡｓ、光吸収層７３はＩｎＧａＡｓ、スペーサ層７２、７４はＡｌＧａＡｓ、増倍層７５はＡｌＧａＡｓ、ＡＰＤ下部電極層７６はＡｌＧａＡｓからなっている。これは、光吸収層７３を、発光部３の井戸層３１と同じＩｎＧａＡｓ組成とすることにより、発光波長が近いＩｎＧａＡｓ組成で光を吸収することになり、吸収効率を向上させることができる。
そして、本実施例では、検出対象となる波長、つまり、光電流生成部２において電子を励起する遠赤外線〜中赤外線が３〜１０μｍの範囲となるように構成しており、発光部３から放出し、かつ、光検出部４で検出する近赤外線〜可視光が８２０〜１０００ｎｍの範囲となるように構成している。
【００７７】
ここで、図４（ｂ）に示したエネルギーバンドを参照して、本実施例の赤外線検出素子の動作原理を説明する。なお、図４（ｂ）においても、Ｂｃは伝導帯、Ｂｖは価電子帯を示す。又、図中左側から遠赤外線〜中赤外線ＩＲが入射してくるものとする。
【００７８】
光電流生成部２においては、図４（ｂ）に示すように、障壁層２１の間に井戸層２２を挟み込むことにより、量子井戸が形成され、量子井戸内の伝導帯Ｂｃ側のエネルギー準位に電子（図中の黒丸）が存在している。この電子は、入射された遠赤外線〜中赤外線を吸収することにより励起され、多重の量子井戸間を移動し、最終的には、障壁層２３を経て、発光部３の井戸層３１に注入される（点線の矢印参照）。このとき、障壁層２３の組成、膜厚を適切に設定することにより（詳細は後述する。）、光電流生成部２で発生した電子が、散乱無く、効率的に発光部３の井戸層３１に注入されるようにしている。
【００７９】
一方、発光部３においても、図４（ｂ）に示すように、障壁層２３と障壁層３２との間に井戸層３１を挟み込むことにより、量子井戸が形成されている。井戸層３１には、価電子帯Ｂｖ側のエネルギー準位に正孔（図中の白丸）が存在しており、井戸層３１において、この正孔と注入された電子とが再結合することにより、よりエネルギーが大きい近赤外線〜可視光を放出することになる。
【００８０】
放出された近赤外線〜可視光は、主に、本実施例の赤外線検出素子の積層方向（図中の水平方向）に放出される。光検出部７側へ放出された近赤外線〜可視光Ｌｄは、光検出部７へ直接入射し、光検出部７において、その強度が検出されることになる。一方、反射部１側へ放出された近赤外線〜可視光Ｌｒは、反射部１における分布ブラッグ反射により高効率で反射された後、光検出部７へ入射し、光検出部７において、その強度が検出されることになる。この結果、発光部３から放出された近赤外線〜可視光は、光検出部７により高効率で検出されることになる。
【００８１】
そして、光検出部７においては、逆バイアスが印加されているため、光吸収層７３における空乏層には高電界が形成されている。入射された光は、この光吸収層７３で吸収されて、電子−正孔対が生成され、これらのキャリア（電子、正孔）が高電界により加速される。加速されたキャリアは、高エネルギーを持って、格子と衝突し、２次的な電子−正孔対が生成される。増倍層７５において、この過程が繰り返されて、キャリアがなだれ増倍され、増倍されたキャリアがドリフトして、光電流となる。つまり、発光部３から放出された近赤外線〜可視光を光検出部７で増幅して検出することにより、素子に入射してくる遠赤外線〜中赤外線を効率的に検出することになる。
【００８２】
このように、本実施例の赤外線検出素子では、発光部３において、遠赤外線〜中赤外線の入射により光電流生成部２で発生した電子を正孔と再結合させて、近赤外線〜可視光を放出させることにより、入射してきた遠赤外線〜中赤外線を、よりエネルギーが大きい近赤外線〜可視光に変換させる波長変換機能を備えることになる。更に、反射部１において、発光部３から放出された近赤外線〜可視光を反射させることにより、近赤外線〜可視光に変換した光を素子内部に閉じこめる光閉じ込め機能も備えることになる。加えて、光検出部７において、ＡＰＤ構造を用いることにより、発光部３から放出された可視光〜近赤外光の入射により生成された電子のなだれ増倍を行うなだれ増倍機能も備えることになる。従って、本実施例の赤外線検出素子では、ＱＷＩＰ構造となる光電流生成部２に、波長変換機能を担う発光部３と、光閉じ込め機能を担う反射部１と、なだれ増倍機能を担う光検出部７とを組み合わせて、一体に形成した単素子内で、波長変換した近赤外線〜可視光を閉じこめて、増幅して検出することになり、通常のＱＷＩＰ方式の赤外線検出素子、そして、実施例１の赤外線検出素子と比較して、検出効率（Ｓ／Ｎ比）を更に向上させることができる。
なお、本実施例においても、上述した光電流生成部２及び発光部３は、電子をキャリアとするｎ型デバイスであるが、正孔をキャリアとするｐ型デバイスの構成としてもよい。その場合、動作原理は上述したものと同じになるが、伝導帯、価電子帯の障壁高さや有効質量等が、電子をキャリアとする場合とは相違するので、これらを考慮して、光電流生成部２及び発光部３を構成すればよい。
【００８３】
次に、図５を参照して、本実施例の赤外線検出素子の製造方法を説明する。
【００８４】
＜１．準備工程＞
まず、ＧａＡｓ基板１０を、有機アルカリ溶媒（例えば、セミコクリーン（商品名））を用いて、超音波洗浄すると共に、超純水を用いて、超音波洗浄を行う。洗浄後、ＧａＡｓ基板１０をプリベークチャンバへ搬入し、超高真空中（１×１０-7〜１×１０-10ｔｏｒｒ程度）でプリベーク（約２００℃）して、水分を除去する。
【００８５】
一方、ＭＢＥチャンバ内において、Ｇａ、Ａｌ、Ａｓ、Ｉｎを高温にして、各分子線圧力を測定しておく。そして、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓの成長レートを、各分子線セルシャッタを適宜に開いて、予め測定しておく。例えば、ＧａＡｓの成長レートを測定する場合には、Ａｓセルシャッタ、Ｇａセルシャッタを開いて、ＧａＡｓを成長させて確認する。
【００８６】
Ａｓ圧力を１×１０-5ｔｏｒｒ前後に設定し、水分を除去したＧａＡｓ基板１０をＭＢＥチャンバへ搬入する。ＧａＡｓ基板１０を５８０℃に加熱する。このとき、３００℃以上からはＡｓセルシャッタを開いて、Ａｓの離脱を防ぐようにしている。
【００８７】
＜２．成長工程＞
ＧａＡｓ基板１０上に、ＭＢＥ法により、ＡｌＧａＡｓからなるＡＰＤ下部電極層７６、ＡｌＧａＡｓからなる増倍層７５、ＡｌＧａＡｓからなるスペーサ層７４、ＩｎＧａＡｓからなる光吸収層７３、ＡｌＧａＡｓからなるスペーサ層７２、ＡｌＧａＡｓからなるＡＰＤ上部電極層７１を順次積層して、光検出部７を形成する（図５（ａ）参照）。このとき、予め求めた成長レートから、設計通りの膜厚になるように成長時間を決定して、セルシャッタの開閉時間を制御すると共に、ＡｌＧａＡｓからなるＡＰＤ下部電極層７６、増倍層７５、スペーサ層７２、７４及びＡＰＤ上部電極層７１の成長後は、界面の平坦性を促進するために成長中断時間（約３０秒前後）をおく。
【００８８】
ＡＰＤ上部電極層７１は、障壁層３２と共に、共通電極を蒸着するコンタクト層として機能する。そして、後述する＜３．イメージセンサ形成工程＞において、これらのＡＰＤ上部電極層７１及び障壁層３２に共通電極を蒸着することになる。従って、ＡＰＤ上部電極層７１及び障壁層３２は、全く同じ組成から構成してもよく、例えば、ＡＰＤ上部電極層７１をｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓから構成する場合、それに合わせて、障壁層３２もｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓから構成すればよい。その場合、ＭＢＥ法により、ＡＰＤ上部電極層７１及び障壁層３２を連続して積層して、分厚い層（例えば、１μｍ前後）を形成することになる。当然ながら、障壁層３２の組成に合わせて、ＡＰＤ上部電極層７１を構成してもよく、後述するように、障壁層３２をｐ型ＧａＡｓから構成する場合、それに合わせて、ＡＰＤ上部電極層７１もｐ型ＧａＡｓから構成すればよい。
【００８９】
次に、光検出部７上に、同じく、ＭＢＥ法により、ＧａＡｓからなる障壁層３２とＩｎＧａＡｓからなる井戸層３１とを順次積層して、発光部３を形成する（図５（ｂ）参照）。このとき、予め求めた成長レートから、設計通りの膜厚になるように成長時間を決定して、セルシャッタの開閉時間を制御すると共に、ＧａＡｓからなる障壁層３２の成長後は、界面の平坦性を促進するために成長中断時間（約３０秒前後）をおく。井戸層３１は、障壁層３２のバンドギャップよりも低くなければならないので、Ｉｎ組成をできるだけ増やすようにしている。但し、Ｉｎ組成を増加させると、レイヤー（平面）になる層がだんだん薄くなる。例えば、Ｉｎ組成０．２においては４．２ｎｍ以下であり、それ以上だと量子ドットになり、又、Ｉｎ組成０．３においては１．７ｎｍ以下である。又、薄すぎると、発光効率が悪くなるため、少なくとも１ｎｍ以上であることが望ましい。従って、Ｉｎ組成に応じ、井戸層３１の膜厚を適切な範囲に設定している。
【００９０】
次に、発光部３上に、同じく、ＭＢＥ法により、ＡｌＧａＡｓからなる障壁層２３を積層すると共に、ＧａＡｓからなる井戸層２２とＡｌＧａＡｓからなる障壁層２１とを交互に複数積層して、光電流生成部２を形成する（図５（ｃ）参照）。このとき、予め求めた成長レートから、設計通りの膜厚になるように成長時間を決定して、セルシャッタの開閉時間を制御すると共に、ＡｌＧａＡｓからなる障壁層２１、２３及びＧａＡｓからなる井戸層２２の成長後は、界面の平坦性を促進するために成長中断時間（約３０秒前後）をおく。又、障壁層２１、井戸層２２の積層数は、通常、５０〜１００周期程度積層している。
【００９１】
障壁層２１は、井戸層２２に閉じ込められた電子が、隣の井戸層２２の電子と反応しない程度の厚さとするため、少なくとも、２５ｎｍの厚さとしており、通常２５ｎｍ〜５０ｎｍに形成している。又、井戸層２２は、検出する対象波長域に応じて、その組成、膜厚を変える必要があり、通常、数ｎｍの膜厚である。本実施例では、組成比０．６、膜厚３ｎｍとしている。
【００９２】
障壁層２３は、障壁層２１の組成を基本としながらも、そのＡｌ組成を、発光部３側に向かって徐々に減少させており、又、膜厚も障壁層２１より厚くなっている。これは、障壁層２３では、光電流生成部２で発生した電子を、散乱無く、効率的に発光部３の井戸層３１に注入することが望ましいからである。例えば、障壁層２３が障壁層２１と同じ組成である場合には、障壁層２３にかかる電界による電位差がそのまま障壁となってしまう。従って、その障壁（電位差）をなるべく少なくするため、障壁層２３においては、Ａｌ組成を発光部３に向かって徐々に少なくしている。従って、障壁層２３は、障壁層２１の成長手順を基本として、Ａｌセルシャッタを徐々に閉じながら、Ａｌ組成を徐々に減少させて、成長させている。
【００９３】
又、障壁層２３の膜厚は、散乱をできるだけ避けるため、電子の平均自由行程（散乱されずに進む距離）よりも短くしている。例えば、バルクＧａＡｓ移動度（７７Ｋ、１×１０16ｃｍ-3）μ＝２００００ｃｍ2／Ｖｓ、ＧａＡｓ電子有効質量ｍ*＝０．０６７ｍ0＝０．０６７×９．１×１０-31、衝突緩和時間τ＝μｍ*／ｅ＝０．７６ｐｓ、電子速度ｖ（高電界）：ｖ＝１．０×１０7ｃｍ／ｓとすると、電子の平均自由行程Ｌ＝ｖ×τ＝７６ｎｍとなり、障壁層２３の膜厚は、厚さは７６ｎｍ以下としている。一方、障壁層２１が少なくとも２５ｎｍあるので、障壁層２３は５０ｎｍ以上としている。
【００９４】
最後に、光電流生成部２上に、同じく、ＭＢＥ法により、ＧａＡｓからなる反射第二層１２とＡｌＡｓからなる反射第一層１１とを交互に複数積層して、反射部１を形成する（図５（ｄ）参照）。このとき、予め求めた成長レートから、設計通りの膜厚になるように成長時間を決定して、セルシャッタの開閉時間を制御すると共に、ＧａＡｓからなる反射第一層１２の成長後は、界面の平坦性を促進するために成長中断時間（約３０秒前後）をおく。一方、ＡｌＡｓからなる反射第一層１１は、成長中断をすると不純物を取り込み易いので、成長中断は設けていない。又、反射第一層１１及び反射第二層１２の積層数は、前述の図３からわかるように、近赤外線〜可視光に対して９０％以上の反射率を確保するため、少なくとも、１１周期以上積層している。なお、本実施例でも、発光部３からの発光波長８６５ｎｍに対して、屈折率ｎ(AlAs)＝２．８９、ｎ(GaAs)＝３．４１とし、膜厚ｔ(AlAs)＝７４．８ｎｍ、ｔ(GaAs)＝６３．４ｎｍとしている。
【００９５】
成長終了後は、ＧａＡｓ基板１０の基板温度を下げ、３００℃まで下がった時点でＡｓセルシャッタを閉じる。そして、ＧａＡｓ基板１０の温度が下がった時点（室温程度）で、ＭＢＥチャンバから取り出す。
【００９６】
このように、本実施例の赤外線検出素子の製造方法は、ＧａＡｓ基板を用いるので、大口径化が可能となる。又、ＭＢＥ法はプロセスが成熟しており、このＭＢＥ法の結晶成長のみを用いて、反射部１、光電流生成部２、発光部３、光検出部７の全てを構成する全層を形成しているため、製造の歩留まりを高くすることができる。なお、裏面入射とする場合には、上記成長順を逆にすればよい。
【００９７】
＜３．イメージセンサ形成工程＞
又、本実施例の赤外線検出素子を、ピクセル数の大きなイメージセンサとして形成する場合には、上記成長工程後、更に、以下に示す製造方法を用いて形成すればよい。
【００９８】
成長工程後の素子表面に、レジストをスピンコートし、ベーキングすることにより、レジストを固める。デバイスサイズにするためのマスクを利用し、レジストに紫外線露光を行った後、現像液で現像する。硫酸系エッチング液により、ＡＰＤ用下部電極を蒸着するｎ型ＡＰＤ下部電極層７６の手前までエッチングする。そして、ｎ型のＡＰＤ下部電極層７６にＡＰＤ用下部電極となる金属［ＡｕＧｅ（１２％）／Ｎｉ／Ａｕ］を蒸着する。ＡＰＤ用下部電極として用いる部分を除き、蒸着した金属をレジストと共にリフトオフする。ＡＰＤ用下部電極の平面形状としては、例えば、櫛形状、井形状に形成する。
【００９９】
次に、素子表面に再度レジストをスピンコートし、ベーキングすることにより、レジストを固める。ＡＰＤ用上部電極兼ＱＷＩＰ用下部電極となる共通電極用マスクを用いて、レジストに紫外線露光を行った後、現像液で現像する。硫酸系エッチング液により、共通電極を蒸着する障壁層３２の手前までエッチングする。そして、ｐ型の障壁層３２に共通電極となる金属［ＡｕＳｂ（５％）／Ｎｉ／Ａｕ］を蒸着する。共通電極、つまり、グランド電極として用いる部分を除き、蒸着した金属をレジストと共にリフトオフする。共通電極の平面形状としても、例えば、櫛形状、井形状に形成する。
【０１００】
なお、後述する屈折層８（実施例３、図６参照）を形成する場合には、前述の＜２．成長工程＞において、予め、反射部１上にＧａＡｓからなる層を形成しておき、ここで、素子表面となる屈折層８の表面の加工を行えばよい。具体的には、素子表面に再度レジストをスピンコートし、ベーキングすることにより、レジストを固める。ライン＆スペースのマスクを用いて、レジストに紫外線露光を行った後、現像液で現像する。硫酸系エッチング液でエッチングすることにより、ライン状の素子表面、つまり、図６に示す屈折層８を形成する。なお、屈折層８の形状としては、ライン状に限らず、ドット状としてもよい。
【０１０１】
最後に、素子表面に再度レジストをスピンコートし、ベーキングすることにより、レジストを固める。上部電極用マスクを用いて、レジストに紫外線露光を行った後、現像液で現像する。そして、レジストの開口部に上部電極となる金属を蒸着する。上部電極として用いる部分を除き、蒸着した金属をレジストと共にリフトオフする。上部電極の平面形状としても、例えば、櫛形状、井形状に形成する。
【０１０２】
このように、本発明では、容易にピクセル数の大きなイメージセンサを形成することも可能である。
【実施例３】
【０１０３】
図６は、本発明に係る赤外線検出素子の実施形態の更なる他の一例を説明する図である。なお、本実施例は、一例として、実施例２に示す赤外線検出素子に適用したものであり、そのため、実施例２における赤外線検出素子と同等の構成要素には、同じ符号を付して説明を行う。当然ながら、本実施例は、実施例１に示す赤外線検出素子にも適用可能である。
【０１０４】
図６に示すように、本実施例の赤外線検出素子は、その入射面側に、当該入射面に対して垂直に入射してくる遠赤外線〜中赤外線の入射角を屈折させるための屈折層８を設けたものである。具体的には、屈折層８はＧａＡｓからなり、ＭＢＥ法を用いて、反射部１上に（００１）面が表面となるように結晶成長した後、屈折層８の表面をウェットエッチングすることにより（例えば、硫酸＋過酸化水素系溶液、アンモニア系溶液等を使用）、Ｖ字溝８ａの切り込みを形成して、｛１１１｝面の傾斜面８ｂを形成している。このとき、屈折層８の当初の表面に対し、傾斜面８ｂは、５４．７°の角度をなしている。
【０１０５】
従って、本実施例の赤外線検出素子に対して垂直に入射してくる遠赤外線〜中赤外線ＩＲは、傾斜面８ｂに対して、３５．３°の角度に入射することになり、傾斜面８ｂにおいて、７６．２°の角度で屈折して、当初の垂直入射方向に対して、４０．９°の傾斜角度で、赤外線検出素子の光電流生成部２へ入射することになる。
【０１０６】
なお、傾斜面８ｂは、垂直に入射してくる遠赤外線〜中赤外線ＩＲに対して、ブリュースター角度となるように形成することが望ましいが、本実施例のように、（００１）面のＧａＡｓ層のエッチング特性を利用することにより、ブリュースター角度に近い角度となるようにしてもよい。
【０１０７】
又、屈折層８の表面全面にＶ字溝８ａを形成して、垂直入射してきた遠赤外線〜中赤外線ＩＲの全てを斜め入射にしてもよく、これは、光電流生成部２がｎ型である場合に好適である。一方、図６に示すように、マスク等を用いて、Ｖ字溝８ａと平坦部８ｃとが同じ面積比となるように交互に形成してもよい。この場合、Ｖ字溝８ａでは、垂直入射してきた遠赤外線〜中赤外線ＩＲの一部を斜め入射にしており、平坦部８ｃでは、垂直入射してきた遠赤外線〜中赤外線ＩＲをそのまま入射させる構成となる。これは、光電流生成部２がｐ型である場合に好適である。又、Ｖ字溝８ａは、屈折層８の表面にライン状に形成してもよいし、又、平坦部８ｃの周囲を囲むように形成して、平坦部８ｃがドット状となるようにしてもよい。
【０１０８】
従来のｎ型ＱＷＩＰ方式の赤外線検出素子は、素子表面に垂直な入射光に対して感度を有しておらず、量子効率が非常に低いが、本実施例の赤外線検出素子では、素子表面に屈折層８を設け、垂直入射光を屈折させて、斜め入射させることにより、量子効率を向上させて、検出効率（Ｓ／Ｎ比）を更に向上させることができる。
【０１０９】
又、屈折層８の形成は、ＭＢＥ法及びウェットエッチングにて行っており、更に、（００１）面のＧａＡｓ層のエッチング特性を利用することにより、安価かつ容易な方法で行うことができる。
【実施例４】
【０１１０】
図７は、本発明に係る赤外線検出装置の実施形態の一例を示すブロック図である。
本実施例の赤外線検出装置は、赤外線検出素子８０と、赤外線検出素子の入射面側に設けられた光学系８１と、赤外線検出素子８０を駆動し、制御するセンサ駆動部８２と、赤外線検出素子８０で検出した画像信号の処理を行う画像信号処理部８３と、センサ駆動部８２及び画像信号処理部８３を制御するデジタル制御回路８４と、デジタル制御回路８４により制御されると共に、赤外線検出素子８０の冷却を行う冷却系８５とを有するものである。
【０１１１】
本実施例において、赤外線検出素子８０としては、上記実施例１〜３に示した赤外線検出素子のいずれかを使用しており、従来の赤外線検出装置と比較して、実施例１〜３と同様に、赤外線検出装置としての検出効率（Ｓ／Ｎ比）を向上させることができる。
【０１１２】
このような構成の赤外線検出装置は、例えば、衛星に搭載することにより、地球表面の特定の波長域を観測して、地球の大気の状態や地球表面の状態を観測することができる。又、地球での赤外線の影響を受けることなく、天文観測を行って、天体の状態を観測することができる。
【０１１３】
更に、光電流生成部２を適切な構成にすることにより、特定の波長域に対応した赤外線検出装置とすることができる。具体的には、地球温暖化の問題に対して、大気中の二酸化炭素（ＣＯ2）濃度を高効率、高精度で観測することが現在望まれている。図８に示すように、ＣＯ2の吸収波長（４．２５７μｍ）を含む波長域（例えば、４μｍ以上４．５μｍ以下の範囲の波長域）に赤外線検出感度を有するように、光電流生成部２の量子井戸構造を適切な構成にすることにより、他の分子の赤外線吸収特性の影響を排除して、大気中のＣＯ2濃度を高効率、高精度で検出するＣＯ2用赤外線検出装置とすることが可能となる。
例えば、光電流生成部２において、井戸層２２を膜厚３．１ｎｍのＧａＡｓから構成すると共に、障壁層１１を膜厚３０ｎｍ以上のＡｌ0.57Ｇａ0.43Ａｓから構成すると、ＣＯ2の吸収波長（４．２５７μｍ）に適合する構成となる。
そして、上記構成のＣＯ2用赤外線検出装置を衛星に搭載すれば、地球全体の大気中のＣＯ2濃度を高効率、高精度で観測することが可能となる。上記実施例１〜３に示した赤外線検出素子のいずれかを使用しているので、従来のＣＯ2検出装置と比較しても、検出効率（Ｓ／Ｎ比）を向上させることができると共に、他の分子の影響も排除することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明は、地球のリモートセンシングや天体観測に用いられる赤外線センサ、赤外線イメージセンサに好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明に係る赤外線検出素子の実施形態の一例を説明する図であり、（ａ）は、概略構成図、（ｂ）は、素子構造及びエネルギーバンドの説明図である。
【図２】図１に示す赤外線検出素子の製造方法の説明図である。
【図３】積層周期と反射率との関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係る赤外線検出素子の実施形態の他の一例を説明する図であり、（ａ）は、概略構成図、（ｂ）は、素子構造及びエネルギーバンドの説明図である。
【図５】図４に示す赤外線検出素子の製造方法の説明図である。
【図６】本発明に係る赤外線検出素子の実施形態の更なる他の一例を説明する図である。
【図７】本発明に係る赤外線検出装置の実施形態の一例を示すブロック図である。
【図８】大気の赤外吸収スペクトルである。
【符号の説明】
【０１１６】
１    反射部
２    光電流生成部
３    発光部
４、７  光検出部
８    屈折部
【図１】
0004533939.tif 000002
【図２】
0004533939.tif 000003
【図３】
0004533939.tif 000004
【図４】
0004533939.tif 000005
【図５】
0004533939.tif 000006
【図６】
0004533939.tif 000007
【図７】
0004533939.tif 000008
【図８】
0004533939.tif 000009