(57)【要約】      （修正有）【課題】製造が容易で、良好な時間的および空間的なコヒーレンスを有し、高い実装密度を有する、バイスペクトル検出器を提供する。【解決手段】第1の導電型の上側半導体層１８および下側半導体層１４のスタックであって、上側層１８および下側層１４の間の電位バリアを形成する中間層１６によって分離される、スタックと、第2の導電型の上側半導体領域６８および下型半導体領域６６であって、半導体領域６６が、少なくとも部分的に、上側層および中間層を通過する開口２２の底部に位置する、半導体領域６６，６８とからなる。上側層と下側層の少なくとも1つの上面が、半導体層６６，６８で全体が覆われる。半導体層６６，６８を形成するために、スタックの上面から、かつ半導体層６６，６８の少なくとも厚みを通って、各単位検出要素の周囲で切り欠き６２が作られ、半導体層６６，６８が、半導体層１８，１４の一方またはもう一方の全体を覆う。【選択図】図９
2012069941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1および第2の電磁放射領域を検出するための複数の単位要素(64)を含むバイスペクトル検出器であって、
第1および第2の電磁放射領域をそれぞれ吸収するための、第1の導電型の上側半導体層(18)および下側半導体層(14)のスタックであって、前記上側層(18)および前記下側層(14)の間の電位バリアを形成する中間層(16)によって分離される、スタックと、
各単位検出要素に対して、PN接合を形成するために前記上側層(18)および前記下側層(14)の上面と接触するようにそれぞれ配置された、前記第1の導電型とは反対の第2の導電型の2つの上側半導体領域(20、68)および下型半導体領域(24、66)であって、前記下側層(14)と接触する前記半導体領域(24、66)が、少なくとも部分的に、前記上側層(18)および前記中間層(16)を通過する開口(22)の底部に位置する、上側半導体領域(20、68)および下型半導体領域(24、66)と
からなり、
前記上側層(18)と前記下側層(14)の少なくとも1つの前記上面が、前記第2の導電型の半導体層(66、68)で全体が覆われ、
前記第2の導電型の半導体領域を形成するために、前記スタックの上面から、かつ前記第2の導電型の各半導体層(66、68)の少なくとも厚みを通って、各単位検出要素(64)の周囲で切り欠き(62、72、82)が作られ、前記各半導体層が、前記第1の導電型の前記上側半導体層(18)および前記下側半導体層(14)の一方またはもう一方の全体を覆うことを特徴とする、バイスペクトル検出器。
【請求項２】
前記上側層(18)の前記上面のみが、前記第2の導電型の半導体層(68)で実質的に覆われ、
切り欠き(72)が、上側半導体領域を形成するために、前記第2の導電型の半導体層(68)の少なくとも前記厚みを通って、各単位検出要素(64)の周囲で作られ、
下側半導体領域(24)が、前記上側層(18)および前記中間層(16)を通過する前記開口(22)の前記底部に、少なくとも部分的に生成されることを特徴とする、請求項1に記載のバイスペクトル検出器。
【請求項３】
前記下側層(14)の上面のみが、前記第2の導電型の半導体層(66)で実質的に覆われ、
切り欠き(82)が、下側半導体領域を形成するために、前記第2の導電型の半導体層(66)の少なくとも前記厚みを通って、各単位検出要素(64)の周囲で作られ、
上側半導体領域(20)が、前記上側層(18)の上面に生成されることを特徴とする、請求項1に記載のバイスペクトル検出器。
【請求項４】
半導体領域(20、24)が注入される前記上側層(18)または前記下側層(14)のドーピングが、前記層における電荷キャリアの拡散距離を最大化するように選択されることを特徴とする、請求項2または3に記載のバイスペクトル検出器。
【請求項５】
前記上側層(18)の上面および前記下側層(14)の上面がそれぞれ、前記第2の導電型の半導体層(66、68)で実質的に覆われ、
上側半導体領域および下側半導体領域を形成するために、前記スタックの上面から、少なくとも下側層(14)に至るまで、各単位検出要素(64)の周囲で切り欠き(62)が作られることを特徴とする、請求項1に記載のバイスペクトル検出器。
【請求項６】
第1および第2の電磁放射領域を検出するための複数の単位要素(64)を含むバイスペクトル検出器を製造するための方法であって、
第1および第2の電磁放射領域をそれぞれ吸収するための、第1の導電型の上側半導体層(18)および下側半導体層(14)のスタックを生成するステップであって、前記スタックが、前記上側層(18)および前記下側層(14)の間の電位バリアを形成する中間層(16)によって分離される、ステップと、
各単位検出要素に対して、PN接合を形成するために前記上側層(18)および前記下側層(14)と接触するようにそれぞれ配置された、前記第1の導電型とは反対の第2の導電型の2つの上側半導体領域(20、68)および下型半導体領域(24、66)を形成するステップと
を含み、
前記上側層(18)と前記下側層(14)の少なくとも1つの前記上面が、前記第2の導電型の半導体層(66、68)で実質的に全体が覆われ、
前記第2の導電型の半導体領域を形成するために、前記スタックの上面から、かつ前記第2の導電型の各半導体層(66、68)の少なくとも厚みを通って、各単位検出要素(64)の周囲で切り欠き(62、72、82)が作られ、前記各半導体層が、前記第1の導電型の前記上側半導体層(18)および前記下側半導体層(14)の一方またはもう一方の全体を覆うことを特徴とする、方法。
【請求項７】
前記第2の導電型の半導体層(66、68)によって覆われる前記上側層(18)および前記下側層(14)の各々が、エピタキシーによって形成され、前記各々の層を覆う前記第2の導電型の前記半導体層が、エピタキシャル成長中にドーパントを導入することによって生成されることを特徴とする、請求項6に記載のバイスペクトル検出器を製造するための方法。
【請求項８】
前記上側層(18)および前記下側層(14)の1つの前記上面が、前記第2の導電型の半導体層(66、68)で実質的に覆われ、前記第2の導電型の前記半導体層(66、68)の少なくとも厚みを通って、各単位検出要素(64)の周囲で切り欠き(72、82)が作られ、
前記上側層(18)および前記下側層(14)のもう一方と接触する半導体領域(20、24)が、前記上側層および前記下側層の前記もう一方に生成され、
前記上側層および前記下側層の前記もう一方が、前記層で最大化された電荷キャリアの拡散距離を有するように、熱処理が本アセンブリに加えられることを特徴とする、請求項6または7に記載のバイスペクトル検出器を製造するための方法。
【請求項９】
前記上側層(18)および前記下側層(14)の前記もう一方と接触する前記半導体領域(20、24)が、半導体領域(20、24)を定める、前記上側層(18)および前記下側層(14)の前記もう一方の上に堆積されるフォトレジストのパターンを形成することによって、かつ、特にイオン注入、拡散またはイオンビーム加工によるフォトレジストのパターンを通じて前記上側層(18)および前記下側層(14)の前記もう一方をドーピングすることによって形成されることを特徴とする、請求項8に記載のバイスペクトル検出器を製造するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバイスペクトル検出の分野に関し、より特別には、異なる吸収層のスタックからなる単位検出素子を用いるバイスペクトル検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイスペクトル検出、特に、中赤外線領域(2.5〜5.5μm)および遠赤外線領域(8〜12μm)のような、2つの別々の赤外線領域の検出は、特に地球観測、気象学などの分野において、多くの用途がある。
【０００３】
理想的には、バイスペクトル検出器によって、検出器の2つの検出領域のそれぞれで形成される像は空間的にコヒーレントであり、すなわち像は同じ観測場所に対応する。また像は時間的にコヒーレントであり、すなわち像は同じ検出の瞬間に対応する。また像は高い解像度を有し、すなわち像は単位表面積当たり、多数の単位検出素子、またはピクセルからなる。
【０００４】
2つの検出アレイを含み、それぞれのアレイが1つの波長領域に専用であり、それぞれのアレイが読み出しの同期した2つの別々の光学チャネルとして構成される、検出器が、これらの制約を満たすために最初に提案された。しかし、そのような検出器は、求められている空間的なコヒーレンスを実現するために検出器の光学的な中心が空間中の同じ点に向くように、光学チャネルの精密な調整を行うことを必要とする。そのような検出器は、体積が大きくなる。さらに、光学チャネルの調整が難しいだけでなく、検出器を使用している間に光学チャネルの調整がずれ、このため頻繁に製造業者に送り返さなければならない。
【０００５】
空間的なコヒーレンスをより簡単に得るために、ピクセルが2つの別々の波長領域を検出できる、単一の検出アレイが考案されてきた。すなわちそのピクセルは、単一の空間で半導体による2つの吸収のための体積部分を含み、そのそれぞれが1つの特定の波長領域に専用であり、電荷収集のために1つのPN接合と関連している。
【０００６】
検出の観点から、ピクセルは互いに別々でなければならず、クロストーク現象を可能な限り防止しなければならないことは、明らかである。
【０００７】
2つのタイプのバイスペクトル検出器が、これらの制約を満たすために開発されてきた。第1のタイプの検出器では、ピクセルは「並列な」構造を有する。第2のタイプの検出器では、ピクセルは「上から下の」構造を有する。
【０００８】
「並列」という用語は、2つのフォトダイオードを含むバイスペクトルピクセルについて、2つのフォトダイオードがスタックの主要面で隣接し、フォトダイオードのそれぞれが、フォトダイオードを別々に指定することを可能にする個別のインターフェイスと関連していることを示す。したがって、このピクセル配置によって2つのダイオードを同時に指定することが可能になり、それ故「並列」という用語になる。一方、この配置はより大型である。
【０００９】
「上から下」という用語は、2つのフォトダイオードを含むバイスペクトルピクセルについて、2つのフォトダイオードが垂直方向に上下に形成され、これら2つのフォトダイオードを指定するために単一のインターフェイスのみが設けられていることを示す。しかし、小型化を確実にするために考案されたこのピクセル配置は、「上から下」へのフォトダイオードの配置、すなわちあるフォトダイオードのカソードが別のフォトダイオードのアノードに面することを必ずしも伴わない。この配置はより小型であるが、スタックに所与の電位差を与えることによって、あるフォトダイオードは正にバイアスされ別のフォトダイオードは負にバイアスされるので、フォトダイオードを個別に指定することができない。したがって、フォトダイオードは、スタックに与えられる電位差の符号を変化させることによって、順番に指定される。
【００１０】
また、古典的には、複数のフォトダイオードを製作する方法が2つある。すなわち、それぞれ「プレーナ」型および「メサ」型のフォトダイオード配置をもたらす、「プレーナ」型の製作および「メサ」型の製作である。
【００１１】
「プレーナ」という用語は、フォトダイオードが半導体層内にドープ領域を生成することによって製造され、半導体層に形成されるドープ領域の形状が、半導体層に堆積されるフォトレジストに形成されるパターンによって決まり、例えばイオン注入、拡散、またはイオンビーム加工によって、ドープ領域がこのフォトレジストパターンを通じて生成されることを意味する。
【００１２】
「メサ」という用語は、ドープ層が半導体層全体にわたって生成され、フォトダイオードを切断するエッチングによってフォトダイオードが分離され、したがって、フォトダイオードのドープ領域を定める「島」(または「メサ」)を生成することを意味する。
【００１３】
したがって、「並列の」または「上から下の」バイスペクトルピクセルの配置、およびそれらのバイスペクトルピクセルを構成するフォトダイオードの生成のされ方には区別がなされ、すなわち「プレーナ型」または「メサ型」の製作という区別がされる。
【００１４】
既存のバイスペクトル検出器が抱える問題を理解するために、例えば、非特許文献１で説明されるような「並列な」バイスペクトルアレイ検出器10が、図1〜4に関連してここで説明される。
【００１５】
図1はこの検出器の上面図であり、ここでは2次元3ピクセル×3ピクセル検出器の形態で示されている。図2は、図1の線A-Aにおける断面図である。図3は、検出器10のスタックを形成する、カドミウム、水銀およびテルル(CdxHg1-xTe)の様々な合金のカドミウム組成xを示す、プロファイルである。図4は、1つのピクセルのPN接合内の空間電荷領域を示す、断面図である。
【００１６】
検出器10は、以下により形成されるスタックを含む。
・カドミウム、亜鉛およびテルルの合金または「CZT」合金からなる基板12。
・基板12上に形成されるP型半導体の下側吸収層14。層14は、水銀の空孔によりP型にドープされる、エネルギーギャップの小さいCdxHg1-xTe合金からなる。層14のカドミウム組成x14は、波長λ14付近の第1の波長領域にある吸収特性を層が有するように選択される。
・下側層14で生成されるバリアを形成する中間層16。層16は、大きなエネルギーギャップを有する材料、例えば、層14および層18のカドミウム組成x14、x18よりも高い組成x16を有するCdxHg1-xTe合金からなる。
・バリアを形成する層16上に形成される上側のP型半導体の吸収層18。層18は、水銀の空孔によりP型にドープされる、エネルギーギャップの小さいCdxHg1-xTe合金からなる。層18のカドミウム組成x18は、波長λ18付近の第2の波長領域にある吸収特性を層が有するように選択される。
【００１７】
N型半導体領域20は、例えばホウ素イオン注入によって、上側層18にも生成される。イオン注入ステップには、P型の固有のドーピングをN型のドーピングに変化させる効果があり、したがって、上側のPN接合のアレイを形成し、それ故フォトダイオードを形成する。このN型領域20は、外部ドーパントのイオン注入によって、または外部ドーパントの拡散によって、またはイオンビーム加工およびP型ドーピングをN型ドーピングに変換することによっても、実現することができる。
【００１８】
開口22も、上側層18および中間層16の全てまたは一部を貫通してエッチングされる。層14へのアクセスをもたらすために、接点も層14までエッチングされる。開口22の底部に接触するだけである下側層14の全てまたは一部に対して層20に用いられるのと同じ方法を適用することによって、N型半導体領域24が下側層14に形成される。下側のPN接合のアレイと、したがってフォトダイオードは、こうして下側層14に形成される。
【００１９】
パッシベーション層26(分かりやすくするために図1には示されていない)も、上側層18の露出面上に、および開口22の中に堆積される。
【００２０】
最後に、金属接点パッド28が、各領域20の上の上側層18に接して形成され、領域20に含まれる電荷を収集できるように、領域20に入り込む。同様に、金属接点パッド30が、各開口22の中に配置され、対応する領域24に含まれる電荷を収集できるように、領域24に入り込む。接点パッド30と外部のインターフェイス(図示せず)を接続しやすくするため、接点パッド30は層18の上側層に接して延在する。最後に、フリップチップ技術を用いて読み出し回路(図示せず)上のスタックをハイブリッド化するために、インジウムのバンプ32、34が、上側層18に形成される各パッド28、30の上記の部分に接して使用される。
【００２１】
上記の検出器10は、裏側が照光されるセンサである。基板12の露出面は、スタックを貫通する電磁放射REを受ける。第1の波長範囲に含まれる放射REの部分は、下側層14によって吸収され、第2の波長範囲に含まれる放射REの部分は、上側層18によって吸収される。
【００２２】
それ自体知られているように、下側層14および上側層18での光子の吸収により、半導体領域20、24に拡散し接点パッド28、30で収集される電荷キャリアが放出される。それ自体知られている方式で、共通の周辺接点(図2には図示されていない)と接点パッド28、30との間に、バイアス電圧が印加されまたは印加されない。
【００２３】
中間層16の役割は、層14、18の一方で生成した電荷キャリアがもう一方の層14、18に拡散し、それにより検出品質を害するクロストークとして知られる現象が発生するのを、防ぐことである。この機能は、より一般的には「バリア」と呼ばれる。
【００２４】
中間層16のバリア機能の品質は、主に、中間層16のバンドギャップ値、下側層14のバンドギャップ値、および上側層18のバンドギャップ値の間の差に依存する。中間層16は、下側層14および上側層16の価電子帯と伝導帯を分離する電位バリアを形成し、したがって、電荷キャリアがある層から別の層へ移動するのを制限する。
【００２５】
CdxHg1-xTeタイプの半導体合金では、バンドギャップ値は主に水銀の組成(1-x)、または等価的に、カドミウムの組成xによって決まる。図3は、中間層16が、下側層14および上側層18の各々の組成x14、x18よりも好ましくは少なくとも50%高い組成x16を有する、スタックの様々な層のカドミウム組成xの、典型的なプロファイルを示す。
【００２６】
開口22は、下側層14にアクセスするのに必要であり、したがって半導体領域24を生成し、接点パッド30を生成して領域24の電荷を収集することを可能にする。
【００２７】
上述の検出器10は単純な形状を有し、したがって製作が容易であるという利点があり、良好な、しかし半導体領域20および24がピッチ間隔の半分だけオフセットされるために完璧ではない空間的なコヒーレンスを保証し、フォトダイオードが独立にバイアスされるために正確な時間的なコヒーレンスを保証する。
【００２８】
空間的なコヒーレンスが不正確であることに加えて、検出器10には、実装密度が最適ではないという欠点がある。ここで、「実装密度」という用語は、ピクセルの光学的な表面積の比、すなわち、例えば正方形のピクセルの場合にはピクセルのピッチの二乗で定義されるピクセルの幾何学的面積に対する、吸収された放射がPN接合によって実際に収集される面積を意味するように理解される。
【００２９】
この現象は、半導体領域20または24の1つ、例えば領域20、および対応する上側層18または下側層14、例えば層18のより詳細な断面図を模式的に示す図4に関連して、説明される。
【００３０】
本来知られているように、図4に示されるフォトダイオードは、領域20を介して、層18内で光子の吸収により生成される自由電荷キャリアが生成する電流を収集することで、動作する。電荷キャリアは、再結合するまでに、層18を構成する材料の中を、「拡散距離」と一般に呼ばれる最大の距離Ldだけ移動する。実際には、電荷キャリアが、距離Ldよりも短い距離だけ領域20から離れて層18で生成されると、電荷キャリアは領域20で収集され、それ以外の場合は、電荷キャリアは領域20に到達する前に再結合し、したがって収集されない。したがって、領域20周辺の層18の体積部分のみが検出に使用され、この体積部分は一般に「収集領域」と呼ばれる。したがって、ここでは42と呼ばれる層18の残りの部分は、利用されない。
【００３１】
収集領域40を最大化することができ、したがって例えば非特許文献２で説明されているように、適切な温度で検出器を熱処理することによって、対象となるフォトダイオードの実装密度の向上が実現する。
【００３２】
一方、理想的な熱処理温度は、電荷キャリアが通過する層の組成に依存する。しかし、層14および18は、異なる波長領域を検出するために、組成が異なる。したがって、フォトダイオードの各々に対して収集領域を理想化することは不可能である。
【００３３】
2つの「プレーナ」型ダイオードとともに示される例における、「並行な」配置のピクセルを有する検出器の実際の構造は必然的に、不十分な実装密度および不正確な空間的なコヒーレンスをもたらす。
【００３４】
上で言及したように、従来技術による第2のタイプの構造は、「上から下の」構造である。
【００３５】
「上から下」型の検出器が抱える問題を明らかにするために、「上から下」型のバイスペクトルアレイ検出器50、例えば非特許文献３で説明されている検出器が、図5〜7と関連してここで説明される。
【００３６】
図5はこの検出器の上面図であり、ここでは2次元3ピクセル×3ピクセル検出器の形態で示されている。図6は、図5の線B-Bにおける断面図である。図7は、検出器50のスタックを形成する、カドミウム、水銀およびテルル(CdxHg1-xTe)の様々な合金のカドミウム組成xを示す、プロファイルである。
【００３７】
検出器50は、以下の構成要素が以下に記載される順序で形成されるCZT合金からなる、基板52を含む。
・カドミウム組成x54を有する、N型ドーピングされたCdxHg1-xTe合金からなる、第1の半導体層54。
・第1の波長領域を確実に吸収するように選択されるカドミウム組成x56を有する、P型ドーピングされたCdxHg1-xTe合金からなる、第2の半導体吸収層56。層56のカドミウム組成は、層54のカドミウム組成と等しいかそれよりも大きい。
・バリアを形成し、大きなエネルギーギャップを有するCdxHg1-xTe合金からなる、中間層58。中間層58の組成x58は、層56および層60のカドミウム組成x56、x60よりも高い。
・第2の波長領域を確実に吸収するように選択されるカドミウム組成x60を有する、P型ドーピングされたCdxHg1-xTe合金からなる、第3の半導体吸収層60。
【００３８】
N型半導体領域62が第3の層60の中に生成され、島66の形にピクセルを形成するために、領域62の周辺のスタックに切り欠き64が層54に至るまで形成される。したがって、各ピクセルは、P型層およびN型層54および56からなる第1のフォトダイオード、ならびにP型層60およびN型領域62からなる第2のフォトダイオードを含む。
【００３９】
パッシベーション層68はアセンブリ全体を覆い、第1のフォトダイオード54、56および第2のフォトダイオード60、62の両方により生成される電荷を収集するために、島の領域62と接するそれぞれの島66に、単一の金属接点要素70が形成される。
【００４０】
最後に、電荷収集中に全ての島66に共通の電位を与えるために、共通の周辺接点67が層54の接点に生成される。
【００４１】
この「上から下」型の配置は、非常に小型であるという利点を有し、したがって高解像度の検出器50を実現することができ、一方がもう一方の上に堆積される、2つのP型層54およびN型層56によってPN接合が生成されるため、非常に高い実装密度を実現する。さらに、吸収層56および60は重なり合っているため、正確な空間的なコヒーレンスが得られる。
【００４２】
一方で、「上から下」の配置は、特定の問題ももたらす。
【００４３】
実際には、NP-PNパターンを有するある島66のスタックは、上から下の2つのフォトダイオードを形成する。より特別には、層54および56が形成するフォトダイオードが正(負)にバイアスされると、層60および領域62が形成するフォトダイオードは負(正)にバイアスされる。
【００４４】
したがって、フォトダイオードの各々が生成する電荷を同時に収集することは不可能である。よって、収集は、接点70と接点67との間の電位差の符号を反転することによって、一方のフォトダイオードの次にもう一方のフォトダイオードというように順番に行われ、2つの波長領域の検出は時間的にコヒーレントではない。
【００４５】
また、ピクセルは、例えば各ピクセルの周囲をエッチングすることによって形成される切り欠き64によって個別化され、したがって島66の形態になる。
【００４６】
このタイプの配置は、フォームファクタが大きいために、すなわち切り欠き64の幅に対する深さの比が大きいために製作が難しい。
【００４７】
まず、切り欠きは少なくともN型層54に至るまで形成されなければならないので、切り欠きの深さはかなり深い。したがって、吸収機能のために最も厚い層である層56および60を少なくとも、島を互いに絶縁させるためにエッチングしなければならない。次に、吸収材料を全く無駄にしないために、したがって良好な量子効率を保つために、切り欠き64を最小限の幅となるように形成することが好ましい。深さと幅に関するこれらの2つの制約によって、フォームファクタの大きい切り欠き、例えば深さが10マイクロメートルで幅が2マイクロメートルの切り欠きを作ることが必要になる。一方でこのタイプの切り欠きのエッチングを行って形状の制約を守り、もう一方で島の材料への構造的なまたは組成上の欠陥の混入を防ぐことは、非常に困難である。それだけでなく、フォームファクタが大きな切り欠きの表面全体を覆ってパッシベーション層68を堆積することも難しい。
【００４８】
したがって、「上から下」型の形状は製作が難しく、検出が時間的にコヒーレントにならない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００４９】
【非特許文献１】Destefanis、「Status of HgCdTe bicolor and dual-band infrared array at LETI」、JEM36(8)、1031頁、2007年
【非特許文献２】G.L.Destefanis、「Electrical doping of HgCdTe by ion implantation and heat treatment」、J.Crystal Growth、86、1988年、700〜722頁
【非特許文献３】J.Baylet et al、「Recent advances in the development of infrared multispectral 1282 FPAs」、Proceedings of the society of photo-optical instrumentation engineers、vol.4721、134〜143頁、2002年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００５０】
本発明の目的は、製作が容易で、良好な時間的および空間的なコヒーレンスならびに高い実装密度を有する、バイスペクトル検出器を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００５１】
これを実現するために、本発明の目的は、第1および第2の電磁放射領域を検出するための複数の単位要素を含むバイスペクトル検出器であり、このバイスペクトル検出器は、
・第1および第2の電磁放射領域をそれぞれ吸収するための、第1の導電型の上側半導体層および下側半導体層のスタックであって、上側層および下側層の間の電位バリアを形成する中間層によって分離される、スタックと、
・各単位検出要素に対して、PN接合を形成するために上側層および下側層の上面と接触するようにそれぞれ配置された、第1の導電型とは反対の第2の導電型の2つの上側半導体領域および下型半導体領域であって、下側層と接触する半導体領域が、少なくとも部分的に、上側層および中間層を通過する開口の底部に位置する、上側半導体領域および下側半導体領域と
を含む。
【００５２】
本発明によれば、
・上側層と下側層の少なくとも一方の上面が、第2の導電型の半導体層で全体が覆われ、
・第2の導電型の半導体領域を形成するために、スタックの上面から、かつ第2の導電型の各半導体層の少なくとも厚みを通って、各単位検出要素の周囲で切り欠きが作られ、各半導体層は、第1の導電型の上側半導体層および下側半導体層の一方またはもう一方の全体を覆う。
【００５３】
言い換えると、本発明による検出器は、全体的に、従来技術による「並列な」検出器と同じ構造を有するが、「メサ」型の配置を有する上側フォトダイオードおよび下側フォトダイオードの少なくとも1つを有する。
【００５４】
「並列な」検出器にこのような「メサ」配置を単に設けることの効果は、以下の通りである。
・両方のフォトダイオードを別々にバイアスできるので、時間的なコヒーレンスが保たれる。
・フォームファクタがより小さいので、従来技術による「上から下の」配置と比べて製作が容易になる。これは、フォトダイオードのスタックがNPNP型なので、2つの吸収層をエッチングする必要がなく、したがって切り欠きの深さが低減されるためである。
・実装密度が、
a. 2つの重なり合うP型層およびN型層で形成される、2つのメサ型フォトダイオード、
b.  または、2つの重なり合うP型層およびN型層で形成される、一方のメサ型フォトダイオードと、注入によって生成され、例えば熱処理を加えることによって収集領域が最適化される、もう一方のフォトダイオード
という条件で最大化される。
・フォトダイオードを完全に重ね合わせることができるので、用途によって必要な場合には、正確な空間コヒーレンス。
【００５５】
本発明の第1の実施形態では、
・上側層の上面のみが、第2の導電型の半導体層で覆われ、
・切り欠きが、上側半導体領域を形成するために、第2の導電型の半導体層の少なくとも厚みを通って、各単位検出要素の周囲で作られ、
・下側半導体領域が、上側層および中間層を通過する開口の底部に、少なくとも部分的に生成される。
【００５６】
本発明の第2の実施形態では、
・下側層の上面のみが、第2の導電型の半導体層で実質的に覆われ、
・切り欠きが、下側半導体領域を形成するために、第2の導電型の半導体層の少なくとも厚みを通って、各単位検出要素の周囲で作られ、
・上側半導体領域が、上側層の上面に生成される。
【００５７】
具体的には、第2の導電型の半導体領域が生成される上側層または下側層のドーピングは、特に「プレーナ」型の方法を用いることによって、その層における電荷キャリアの拡散距離を最大化するように選択される。
【００５８】
本発明の第3の実施形態では、
・上側層の上面および下側層の上面がそれぞれ、第2の導電型の半導体層で実質的に覆われ、
・上側半導体領域および下側半導体領域を形成するために、スタックの上面から、少なくとも下側層に至るまで、各単位検出要素の周囲で切り欠きが作られる。
【００５９】
本発明の目的は、第1および第2の電磁放射領域を検出するための複数の単位要素を含むバイスペクトル検出器を製造するための方法でもあり、この方法は、
・第1および第2の電磁放射領域をそれぞれ吸収するための第1の導電型の上側半導体層および下側半導体層のスタックを生成するステップであって、そのスタックが、上側層と下側層の間の電位バリアを形成する中間層によって分離される、ステップと、
・各単位検出要素に対して、PN接合を形成するために上側層および下側層と接触するようにそれぞれ配置された、第1の導電型とは反対の第2の導電型の2つの上側半導体領域および下型半導体領域を形成するステップと
を含む。
【００６０】
本発明によれば、
・上側層および下側層のうちの少なくとも1つの上面が、第2の導電型の半導体層で実質的に全体が覆われ、
・第2の導電型の半導体領域を形成するために、スタックの上面から、かつ第2の導電型の各半導体層の少なくとも厚みを通って、各単位検出要素の周囲で切り欠きが作られ、各半導体層は、第1の導電型の上側半導体層および下側半導体層の一方またはもう一方の全体を覆う。
【００６１】
本発明の1つの実施形態では、第2の導電型の半導体層によって覆われる上側層および下側層の各々は、エピタキシーによって形成され、各々の層を覆う第2の導電型の半導体層は、エピタキシャル成長中にドーパントを導入することによって生成される。
【００６２】
本発明の1つの実施形態では、
・上側層および下側層の一方の上面が、第2の導電型の半導体層で実質的に覆われ、第2の導電型の半導体層の少なくとも厚みを通って、各単位検出要素の周囲で切り欠きが作られ、
・上側層および下側層のもう一方の層と接触する半導体領域が、上側層および下側層のもう一方の層に生成され、
・上側層および下側層のもう一方が、その層で最大化された電荷キャリアの拡散距離を有するように、熱処理がこのアセンブリに加えられる。
【００６３】
より具体的には、上側層および下側層のもう一方と接触する半導体領域は、半導体領域を定める、上側層および下側層のもう一方の上に堆積されるフォトレジストのパターンを形成することによって、かつ、特にイオン注入、拡散またはイオンビーム加工によるフォトレジストのパターンを通じて上側層および下側層のもう一方をドーピングすることによって形成される。
【００６４】
本発明は、単に例として与えられ、同一の参照符号が同一または類似の構成要素を示す添付の図面と関連する、以下の説明によって、より容易に理解できるようになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】上の文章で説明されたような、従来技術による「並列」型のアレイ検出器の上面図である。
【図２】上の文章で説明されたような、従来技術による「並列」型のアレイ検出器の断面図である。
【図３】上の文章で説明されたような、図1および図2で示される検出器のスタックの層のカドミウム組成のプロファイルである。
【図４】上の文章で説明されたような、収集領域を示す図2の詳細な断面図である。
【図５】上の文章で説明されたような、従来技術による「上から下」型のアレイ検出器の上面図である。
【図６】上の文章で説明されたような、従来技術による「上から下」型のアレイ検出器の断面図である。
【図７】上の文章で説明されたような、図5および図6で示される検出器のスタックの層のカドミウム組成のプロファイルである。
【図８】本発明の第1の実施形態による、アレイ検出器の上面図である。
【図９】本発明の第1の実施形態による、アレイ検出器の断面図である。
【図１０】本発明の第2の実施形態による、アレイ検出器の概略的な断面図である。
【図１１】本発明の第3の実施形態による、アレイ検出器の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
上記のように、本発明は、「並列」型のピクセル配置を「メサ」型の配置を有する少なくとも1つのフォトダイオードと組み合わせることを、本質的に伴う。
【００６７】
本発明によれば、図1〜図3に関連して説明された従来技術による「並列」型のアレイ検出器は、少なくとも1つの「メサ」型フォトダイオードを画定するために、検出器の各ピクセルの周囲に切り欠きを作ることによって改造される。
【００６８】
第1の実施形態
本発明の第1の実施形態による検出器60が、図8および図9を参照して以下で説明される。図8は、2ピクセル×2ピクセルのアレイを示す上面図であり、図9は、図8の線C-Cにおける断面図である。
【００６９】
検出器60は、スタックの層14および18に注入されたN型半導体領域の形状、および各ピクセル64の周囲における切り欠き62の存在という点で、図1〜図3の検出器10とは異なる。
【００７０】
より具体的には、従来技術によるN型領域20および24はそれぞれ、P型吸収層14および18の全体を覆うN型層66および68によって置き換えられる。
【００７１】
有利なことに、所望のカドミウム組成およびN型またはP型の特性を得るために、適切なドーパントをCdxHg1-xTe合金に導入することによって、単一のエピタキシャル成長の間に、N型層66およびP型層14がN型層68およびP型層18とともに生成される。
【００７２】
次いで、アセンブリの上面でP型層14に至るまで切り欠き62をエッチングすることによって、ピクセルが個別化され、切り欠き62の表面も、パッシベーション層26で覆われる。
【００７３】
したがって、第1の実施形態は、大きなフォームファクタを必要とするという欠点を被ることなく、「メサ」型の上側および下側フォトダイオードを有する。
【００７４】
この実施形態には、多くの利点がある。
・例えばドーパントの調整を伴うエピタキシーによる、全ての層14、66、16、18、68の簡単な製作と、それに続く、例えばエッチングによる、P型層14に至るまでの切り欠き62の形成。P型層14はピクセルを互いに独立させるためにエッチングされる必要がないので、したがって切り欠き62の深さが制限される。
・フォトダイオード14、66および18、68が重なり合うことによる、正確な空間的なコヒーレンス。
・ピクセル当たり2つの別々の接点パッドがあることによる、正確な時間的なコヒーレンス。
N型層66、68がP型吸収層14、18の表面全体を覆うことによる、P型吸収層14および18の所与の厚さを考慮した、各々のフォトダイオードの理想的な実装密度。
【００７５】
切り欠き62の深さを最小化し、ピクセル64の実装密度を向上させるために、吸収層18の厚さを低減することもできる。
【００７６】
開口22は、切り欠き62よりも有利なフォームファクタを有することに、留意されたい。第一に、開口22はスタックのおよそ半分までしか伸びないため、開口の深さは意図的により浅くなっている。第二に、(例えば領域24の接点パッドのような)パターンが開口の底部で画定されなければならないので、開口22はまた、より幅が広い。これにより、寸法が数マイクロメートルのオーダーのフォトリソグラフィおよび注入またはエッチングのステップが必要になる。技術的な理由により、切り欠き62の底部にパターンを画定する必要もないので、開口22は切り欠き62よりも幅が広い。
【００７７】
第2の実施形態
上記の実施形態では、切り欠き62のフォームファクタは、「上から下」型の検出器で用いられる従来技術と比べるとかなり低減されるが、依然として大きすぎると考えられる。
【００７８】
図10に断面図で示される第2の実施形態は、下側のPN接合を形成するための、吸収層14と接触して生成されるN型半導体領域24が、開口22の底部に生成される点で、第1の実施形態と異なる。このN型半導体領域24は、従来技術による領域24に対する方法と同様の方法である「プレーナ」型の方法を用いて、N-ドーパントの外部からのドーピング、例えばイオン注入により、またはイオン注入およびP型の内在するドーピングをN型のドーピングに変換することにより、または拡散により、形成される。
【００７９】
例えば、領域24の直径は2〜10マイクロメートルである。
【００８０】
次いで、上側のフォトダイオードが、アセンブリの上面において上側吸収層18まで切り欠き72をエッチングすることで、個別化される。したがって、切り欠き72の深さは浅く、切り欠き72は製作がさらに簡単である。そして、上側のフォトダイオードは「メサ」型の配置を有し、下側のフォトダイオードは「プレーナ」型の配置を有する。
【００８１】
上側のフォトダイオード68、18の実装密度は、吸収層18の所望の厚さをふまえて、ここで意図的に最適化される。
【００８２】
また、例えば非特許文献２に記載されているような適切な熱処理を加えることによって、層14の拡散距離Ldを増加させることによって、下側のフォトダイオード24の実装密度が有利なことに最大化される。
【００８３】
第1の実施形態と比較すると、空間的なコヒーレンスと時間的なコヒーレンスの両方が保たれる。また、構造中に単一の「プレーナ」型ダイオードしかないため、下側のフォトダイオードの最適な実装密度が保たれ、したがって層14の拡散距離を最適に調整することができ、こうしてフォトダイオード24が実装される方法を最適化する。
【００８４】
この解決法は、上側のダイオードを形成する島を分離するように作成された切り欠き72が、上側のN型層68を通過するだけなので特に浅いという、特定の利点も有する。これにより製作プロセスが簡単になり、より高い歩留りが容易に得られる。
【００８５】
説明される例では、吸収層はP型層である。N型吸収層を設けることでドーピングを反転させることができることは、明らかである。この場合、N型半導体材料の拡散距離は、通常、P型半導体材料の拡散距離よりもはるかに長いので、発生し得るクロストークを低減するために、有利なことに、下側の吸収層14までバリアを形成する層16を通って切り欠き72を作成することができる。
【００８６】
第3の実施形態
図11に断面図で示される第3の実施形態では、検出器80の構造が、第2の実施形態の検出器70に対して反転する。
【００８７】
より具体的には、上側のフォトダイオードは、従来技術と同様の方法で吸収層18に注入されたN型半導体領域20を有する「プレーナ」型である。下側のフォトダイオードは「メサ」型であり、P型吸収層14を覆うN型層66によって形成され、ピクセルを個別化するため、切り欠き82がアセンブリの上面において層14に至るまで作成される。
【００８８】
ここで、吸収層14の所望の厚みをふまえて、下側のフォトダイオード66、14の実装密度は意図的に最適化される。また、例えば非特許文献２に記載されているような適切な熱処理を加えることによって、層18の拡散距離Ldを増加させることによって、上側のフォトダイオード20、18の実装密度が有利なことに最大化される。
【００８９】
第2の実施形態のように、第1の実施形態と比べて、空間的なコヒーレンスと時間的なコヒーレンスの両方が保たれる。また、構造中に単一の「プレーナ」型ダイオードしかないため、下側のフォトダイオードの最適な実装密度が保たれ、層18の真に最適な拡散距離の調整が可能であり、こうしてフォトダイオード20が実装される方法を最適化する。
【００９０】
この解決法は、上側のP/N接合の端部が開口22の側面に接触しないという、特定の利点も有する。開口を形成するために用いられるエッチングおよびパッシベーションのステップのために、開口の側面に近い領域は、構造の他の部分よりも、フォトダイオードの動作中に電気光学的な欠陥をもたらし得る材料欠陥を含む可能性が高い領域である。したがって、P/N接合の端部をこの領域から離すことで、この方法で形成されるフォトダイオードアレイの性能の向上を実現する。
【００９１】
例として、上述の3つの実施形態では、
・ピクセルのピッチは15〜30マイクロメートルであり、
・開口22は、例えば円筒形であり、4〜12マイクロメートルの直径を有し、
・ピクセルを個別化するために使用される切り欠きは2〜5マイクロメートルの幅を有し、
・下側層14は厚さが5マイクロメートルであり、カドミウム組成x14が0.3であり、したがって層14は温度77Kで波長5.1マイクロメートルに調整され、エネルギーギャップがEg = 0.24eVであり、したがって中赤外線領域の検出を可能にし、
・上側層18は厚さが3マイクロメートルであり、カドミウム組成x18が0.22であり、したがって層18は温度77Kで波長10.7マイクロメートルに調整され、エネルギーギャップがEg = 0.11eVであり、したがって遠赤外線領域の検出を可能にし、
・中間層16は厚さが1マイクロメートルであり、カドミウム組成x16が0.8であり、したがって層16はエネルギーギャップがEg = 1.1eVである。
【００９２】
上で示された数値は、中赤外線領域と遠赤外線領域の両方の検出を可能にする。別の領域の検出、特に近赤外線領域(77°Kで1〜2.5マイクロメートル)、中赤外線領域(77°Kで2.5〜5.5マイクロメートル)、遠赤外線領域(77°Kで8〜12マイクロメートル)、および超遠赤外線領域(77°Kで12マイクロメートルを超える)の検出が、適切な材料を選ぶことにより可能であることは、明らかである。
【００９３】
同様に、吸収層がP型層である実施形態が、上で説明される。本発明は、N型層にも適用される。
【００９４】
同様に、大きなフォームファクタを有する切り欠きをエッチングするのが特に難しい材料である、CdxHg1-xTe合金を用いる本発明の適用が上で説明される。本発明が、他の種類の半導体材料にも適用されることは、明らかである。
【符号の説明】
【００９５】
12  基板
14  下側層
16  中間層
18  上側層
20  N型半導体領域
22  開口
24  N型半導体領域
26  パッシベーション層
28  金属接点パッド
32  バンプ
62  N型半導体領域
64  切り欠き
66  島
68  パッシベーション層
70  検出器
72  切り欠き
80  検出器
82  切り欠き
【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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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
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