(57)【要約】【課題】素子抵抗を落とさずに、光電流をより大きくできるようにした素子形状の赤外線センサを提供する。【解決手段】本発明の赤外線センサは、基板と、Ｎ型ドーピングされた第一化合物半導体層、ノンドープ或いはｐ型ドーピングされた第二化合物半導体層、第二化合物半導体層よりも更に高濃度にｐ型ドーピングされた第三化合物半導体層がこの順で積層された、ＰＩＮダイオード構造を備え、前記第一および第二化合部半導体層が接する部分の面積Ｓ１と、前記第二化合物半導体層の第三半導体層側の面の面積Ｓ２、と、前記第二化合物半導体層と第三化合物半導体層の接する部分の面積Ｓ３の関係が、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３であることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、Ｎ型ドーピングされた第一化合物半導体層、ノンドープ或いはｐ型ドーピングされた第二化合物半導体層、第二化合物半導体層よりも更に高濃度にｐ型ドーピングされた第三化合物半導体層がこの順で積層された、ＰＩＮダイオード構造を備える赤外線センサであって、
前記第一および第二化合部半導体層が接する部分の面積Ｓ１と、前記第二化合物半導体層の第三半導体層側の面の面積Ｓ２、と、前記第二化合物半導体層と第三化合物半導体層の接する部分の面積Ｓ３の関係が、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３であることを特徴とする赤外線センサ
【請求項２】
基板と、Ｎ型ドーピングされた第一化合物半導体層、ノンドープ或いはｐ型ドーピングされた第二化合物半導体層、第四化合物半導体層、第二化合物半導体層よりも更に高濃度にｐ型ドーピングされた第三化合物半導体層がこの順で積層された、ＰＩＮダイオード構造を備える赤外線センサであって、
第一、第二、及び第三化合物半導体層のバンドギャップが０．１〜０．２５ｅＶであり、前記第四化合物半導体層のバンドギャップが、第一、第二、及び第三化合物半導体層よりも大きく、
前記第一および第二化合部半導体層が接する部分の面積Ｓ１と、前記第二化合物半導体層の第四化合物半導体層側の面の面積Ｓ２、と、前記第二化合物半導体層と第四化合物半導体層の接する部分の面積Ｓ４、と前記第四化合物半導体層と第三化合物半導体層の接する部分の面積Ｓ５の各面積の関係が、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ４≧Ｓ５であることを特徴とする赤外線センサ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線センサに関し、その形状によりその素子抵抗を下げることなく、光電流を大きくできるようにした赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、波長が５μｍ以上の長波長帯の赤外線は、その熱的効果やガスによる赤外線吸収の効果から、人体を検知する人感センサや非接触温度センサ、ガスセンサ等に使用されている。これらの使用例の内、人体検知や非接触温度センサとして用いられる赤外線センサとしては、焦電センサやサーモパイルの様な熱型の赤外線センサと、半導体受光素子を使用した量子型の赤外線センサがあるが、熱型の赤外線センサに比べて、量子型の赤外線センサの方が、高感度、高速応答、静態検知が可能といった大きな特徴がある。
【０００３】
量子型の赤外線センサを実現するためには、波長が５μｍ以上の長波長帯の赤外線を受光する赤外線センサが必要となるが、この波長領域では赤外線センサに対する周辺温度の影響が非常に大きく、室温で使用するには問題がある。この量子型の赤外線センサは、一般に波長が５μｍ以上の赤外線を吸収可能である半導体中にいわゆるＰＮ接合を形成し、光吸収層において、吸収した赤外線によって発生した電子及び正孔が、ＰＮ接合部分の空乏層における内部電界によって電荷分離されることで、電気信号に変換される。
【０００４】
しかしながら、波長が５μｍ以上の赤外線を吸収できる半導体のバンドギャップは、０．２５ｅＶ以下と小さい。この様なバンドギャップの小さな半導体では、熱励起キャリアのために室温での真性キャリア密度が大きくなり、素子の抵抗が小さくなるので十分なＰＮダイオードの特性が得られない。これは真性キャリア密度が大きい場合、拡散電流や暗電流の様な素子の漏れ電流が大きくなるためである。このため、量子型の赤外線センサは熱励起キャリアを抑制するために、冷却機構を備えた赤外線センサが従来使用されている。
【０００５】
この様な周辺温度の影響による問題を解決した赤外線センサとしては、例えば、特許文献１に記載の量子型の赤外線センサがある。この特許文献１に記載の量子型赤外線センサは、センサ部分の化合物半導体の積層構造および素子構造により拡散電流を抑制し、更に信号増幅用ＩＣとセンサのパッケージを改良することにより、室温動作が可能であり、かつ従来にない超小型の赤外線センサを実現したものである。
【０００６】
また、上記のような積層層構造を持つ赤外線センサの素子抵抗を上げるためには特にＰ型半導体層側の素子の面積を小さくすることが有効な手段となるが、この場合赤外線の受光面積も小さくなってしまう、この問題を解決するために、特許文献２には、素子の形状を受光部分のメサ角度を基板側に寝かせることで受光面積が大きいまま、Ｐ型半導体側の素子面積を小さくし、赤外線の受光量を落とさず、素子抵抗を上げることができる素子形状が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００５／０２７２２８号パンフレット
【特許文献２】特願２００６−２４４３８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように改良のための研究開発がなされているが、高性能の量子型赤外線センサを実現するためには、さらなる特性の向上が望まれている。上述した量子型赤外線センサの特性のうち最も重要であるのが信号（Ｓｉｇｎａｌ）とノイズ（Ｎｏｉｓｅ）の比、所謂Ｓ／Ｎ比であり、この値が大きいほど赤外線センサの特性が良い。Ｓ／Ｎ比は、赤外線が入射したときに発生する光電流Ｉｐとセンサの素子抵抗Ｒ0の平方根の積に比例する。すなわち、数１の様に表される。
【０００９】
【数１】
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【００１０】
従って、Ｓ／Ｎ比を上げるためには、光電流Ｉpを大きくしつつ、素子抵抗Ｒ0を大きくする必要がある。Ｉpを大きくするためには、後述するように赤外線の受光面積および赤外線の吸収層の体積を大きくする必要がある。一方で素子抵抗を上げるためには、抵抗が素子の面積に反比例することから、素子の面積を小さくする必要がある。したがって、光電流Ｉｐを大きくする素子形状と、素子抵抗を上げる素子形状は互いにトレードオフの関係になっている。この矛盾を解決するために、特許文献２には図１ａ及び図１ｂに示すように受光面となるｎ型半導体層（２）側から連続的に素子形状を小さくする、すなわち素子のメサ角度を基板（１）側に寝かせることで、Ｐ型半導体層側の素子面積を小さくし、光電流を落とさずに、素子抵抗を上げる素子形状を実現している。しかしながらこの形状では光吸収層となる層（３）の体積も徐々に小さくなってしまう為、赤外線を一部吸収できなくなってしまうという課題もある。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、素子抵抗を落とさずに、光電流をより大きくできるようにした素子形状の赤外線センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、このような目的を達成するためになされたものであり、具体的には、本発明の赤外線センサの１実施形態は、基板と、Ｎ型ドーピングされた第一化合物半導体層、ノンドープ或いはＰ型ドーピングされた第二化合物半導体層、第二化合物半導体層よりも更に高濃度にｐ型ドーピングされた第三化合物半導体層がこの順で積層された、ＰＩＮダイオード構造を備え、前記第一および第二化合部半導体層が接する部分の面積Ｓ１と、前記第二化合物半導体層の第三半導体層側の面の面積Ｓ２、と、前記第二化合物半導体層と第三化合物半導体層の接する部分の面積Ｓ３の関係が、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の赤外線センサの他の実施形態は、基板と、Ｎ型ドーピングされた第一化合物半導体層、ノンドープ或いはｐ型ドーピングされた第二化合物半導体層、第四化合物半導体層、第二化合物半導体層よりも更に高濃度にｐ型ドーピングされた第三化合物半導体層がこの順で積層された、ＰＩＮダイオード構造を備え、第一、第二、及び第三化合物半導体層のバンドギャップが０．１〜０．２５ｅＶであり、前記第四化合物半導体層のバンドギャップが、第一、第二、及び第三化合物半導体層よりも大きく、前記第一および第二化合部半導体層が接する部分の面積Ｓ１と、前記第二化合物半導体層の第四化合物半導体層側の面の面積Ｓ２、と、前記第二化合物半導体層と第四化合物半導体層の接する部分の面積Ｓ４、と前記第四化合物半導体層と第三化合物半導体層の接する部分の面積Ｓ５の各面積の関係が、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ４≧Ｓ５であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、赤外線センサの形状を前記に記載した構造とすることで、素子抵抗Ｒ0を下げることなく、光電流Ｉpが向上した赤外線センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１ａは、特許文献２に記載の赤外線センサの素子構造の断面図である。図１ｂは、特許文献２に記載の赤外線センサの素子構造の基板と反対側の面の図である。
【図２】図２ａは、本発明の第一の実施形態の赤外線センサの素子構造の断面図である。図２ｂ本発明の第一の実施形態の赤外線センサの素子構造の基板と反対側の面の図である。
【図３】図３ａは、本発明の第二の実施形態の赤外線センサの素子構造の断面図である。図３ｂは、本発明の第二の実施形態の赤外線センサの素子構造の基板と反対側の面の図である。
【図４】図４ａは、本発明の赤外線センサの素子構造の断面図であって、素子の配線構造まで示した実施例を示す図である。図４ｂは、本発明の赤外線センサの素子構造の基板と反対側の面の図であって、素子の配線構造まで示した実施例を示す図である。
【図５】図５ａは、比較例の赤外線センサの素子構造の断面図であって、素子の配線構造まで示した実施例を示す図である。図５ｂは、比較例の赤外線センサの素子構造の基板と反対側の面の図であって、素子の配線構造まで示した実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１７】
図２に本発明の第一の実施形態の赤外線センサの素子構造図を示す。ここで、図２ａは赤外線センサの構造断面図を示し、図２ｂは赤外線センサの基板とは反対側の面の構造図を示す。本構造は基板１と、基板上に形成されたｎ型ドーピングされた第一化合物半導体層２、前記第一化合物半導体層上に形成されたノンドープ或いはｐ型ドーピングされた第二化合物半導体層３、前記第二化合物半導体層上形成されたに第二化合物半導体層３よりも更に高濃度にｐ型ドーピングされた第三化合物半導体層４がこの順で積層され、ＰＩＮダイオード構造となっている。
【００１８】
ここで、検知する赤外線は基板１側から入射される。基板１は入射される赤外線に対して吸収の無い材料が使用され、例えばシリコンやＧａＡｓが一般的な材料である。
【００１９】
第一化合物半導体層２はｎ型ドーピングされた層である。これは高濃度のｎ型ドーピングを行うことで、バーシュタインモスシフトと呼ばれる効果により、第一化合物半導体層の赤外線吸収波長がより短波長側にシフトする為、長波長の赤外線が吸収されなくなり、赤外線を効率よく透過させることができるようになる為、第一の化合物半導体層２はｎ型ドーピングされている。
【００２０】
また、前記第二化合物半導体層３は赤外線を吸収し、光電流Ｉｐを発生させるための光吸収層である。したがってこの第二化合物半導体層３と第一化合物半導体層２が接する面積Ｓ１が赤外線の入射される受光面積となる。
【００２１】
一般的に受光素子の光電流Ｉｐは受光面積に比例して大きくなる。このため面積Ｓ１は大きい方が好ましい。また、光吸収層の体積が大きいほど吸収できる赤外線量は大きくなるので、光吸収層である第二化合物半導体層３の体積は大きい方が好ましい。ただし、その膜厚は赤外線の吸収により発生した電子、及び正孔のキャリアが拡散できる程度の膜厚に設定される。
【００２２】
一方赤外線が吸収される半導体は一般にバンドギャップの小さい半導体である。この様な半導体は一般に電子の移動度が正孔の移動度よりも非常に大きい。例えばＩｎＳｂの場合、電子の移動度が約１００，０００ｃｍ2／Ｖｓであるのに対して、正孔の移動度は１,７００ｃｍ2／Ｖｓである。従って、素子抵抗は電子の流れ易さによる影響が大きい。
【００２３】
光吸収層で赤外線の吸収によって発生した電子は拡散と、ＰＮ接合によって形成された電位差によって光吸収層である第二化合物半導体層３から、ｎ型ドーピングされた第一化合物半導体層２側へと拡散し光電流として取り出される。上述の様にバンドギャップの小さい半導体では正孔の移動度は非常に小さいことから、通常ｎ型ドーピング層よりも、ｐ型ドーピング層の電気抵抗が高くなる。また、電気抵抗は電流が流れる部分の面積に反比例する。従って第二化合物半導体層３とｐ型ドーピング層である第三化合物半導体層４の接する面積Ｓ３の大きさによって素子抵抗は決まり、素子抵抗が大きくなるためには面積Ｓ３が小さい方が好ましい。
【００２４】
本発明では図１に示す従来の素子構造と比較して、素子抵抗を上げるために面積Ｓ３を小さくする一方、光吸収層である第二化合物半導体層３の第三半導体層４側の面積Ｓ２はＳ３と同一とすることなくＳ３よりもＳ２の方を大きくすることで、光吸収層である第二化合物半導体層３の体積を従来構造よりも大きくすることが可能となる。これにより光吸収層の体積を減らすことなく素子抵抗も上げることが出来るため、光電流Ｉｐを減らすことなく素子抵抗Ｒ０を上げることが可能となる。
【００２５】
ここで、Ｓ２の大きさはＳ３よりも大きくなるのでＳ２＞Ｓ３である。またＳ２はＳ１以上に大きくすると、所謂逆テーパー構造を作ることになる。この場合素子上部に形成される電極配線が切れやすくなる原因となることから、Ｓ２＜Ｓ１となる。すなわちＳ１、Ｓ２、Ｓ３の関係はＳ１＞Ｓ２＞Ｓ３となる。
【００２６】
上記の大きさの関係は、好ましくはＳ１とＳ２の大きさの比が０．４＜Ｓ２／Ｓ１≦０．９９であり、Ｓ２とＳ３の大きさの比が０．１≦Ｓ３／Ｓ２≦０．９９である。より好ましくは０．６≦Ｓ２／Ｓ１≦０．９であり、０．１≦Ｓ３／Ｓ２≦０．７である。更に好ましくは０．８≦Ｓ２／Ｓ１≦０．９であり、０．１≦Ｓ３／Ｓ２≦０．５である。
【００２７】
また、前述の様に波長が５μｍ以上の赤外線を吸収できる半導体のバンドギャップは０．２５ｅＶ以下と小さい。この様なバンドギャップの小さな半導体（光吸収層の材料バンドギャップが０．１〜０．２５ｅＶの半導体）では、特許文献１に記載の半導体積層構造の様にｐ型ドーピング層側に、電子による拡散電流を抑制する為、バンドギャップが光吸収層よりも大きなバリア層を形成すると、暗電流の様な素子の漏れ電流が小さくなり、素子抵抗を大きくすること出来る為、有効な手段である。この様にｐ型ドーピング層側にバリア層を形成した積層膜に本発明の素子構造を適用した例が図３に示す素子構造図である。
【００２８】
図３は本発明の第二の実施形態の赤外線センサの断面図である。ここで、図３ａは赤外線センサの構造断面図を示し、図３ｂは赤外線センサの基板とは反対側の面の構造図を示す。図３に示すように光吸収層である第二化合物半導体層３とｐ型ドーピング層である第三化合物半導体層の間に第一、第二、及び第三の各化合物半導体層よりもバンドギャップの大きい第四化合物半導体層５が挿入されている場合、素子抵抗は第二化合物半導体層３と第四化合物半導体層５の接する面積Ｓ４によって決まる。よってＳ２よりもＳ４の方を小さくすることで光吸収層である第二化合物半導体層３の体積を従来構造よりも大きくし、光吸収層の体積を減らすことなく素子抵抗も上げることが出来るため、光電流Ｉｐを減らすことなく素子抵抗Ｒ０を更に上げることが可能となる。
【００２９】
また、第四化合物半導体層５と第三化合物半導体層４の接する面積Ｓ５はＳ４よりも大きくなると、やはり逆テーパー構造を作ることになり、素子上部に形成される電極配線が切れやすくなる原因となる。ただし、第四化合物半導体層５の膜厚は１０〜１００ｎｍと薄く設定されることから、Ｓ４＝Ｓ５であっても断線のリスクは小さい。よってＳ４≧Ｓ５となる。
【００３０】
上記の大きさの関係は、好ましくはＳ１とＳ２の大きさの比が０．４＜Ｓ２／Ｓ１≦０．９９であり、Ｓ２とＳ４の大きさの比が０．１≦Ｓ４／Ｓ２≦０．９９である。より好ましくは０．６≦Ｓ２／Ｓ１≦０．９であり、０．１≦Ｓ４／Ｓ２≦０．７である。更に好ましくは０．８≦Ｓ２／Ｓ１≦０．９であり、０．１≦Ｓ４／Ｓ２≦０．５である。
【００３１】
（実施例）
上述した第四化合物半導体層のある膜構造を用いて、次の手順で図４に示すＰＩＮダイオード構造の赤外線センサを作製した。ここで、図４ａは赤外線センサの構造断面図を示し、図４ｂは赤外線センサの基板とは反対側の面の構造図を示す。まず、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（第一化合物半導体層２）、この上にＺｎを１×１０16原子／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を２．０μｍ成長し（第二化合物半導体層３）、この上にＺｎを５×１０18原子／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層を０．０２μｍ成長し（第四化合物半導体層５）、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（第三化合物半導体層４）。上記構造の半導体薄膜を使用し、フォトリソ工程と酸によるウェットエッチング工程により第三および第四化合物半導体層５のエッチングを第二化合物半導体層３と第四化合物半導体層５の界面から０．０１μｍ第二化合物半導体層３側に入った部分まで行った。このエッチングはドライエッチング等を用いても良い。これは以下全てのエッチング工程においても同様である。また、第二化合物半導体層３と第四化合物半導体層５の界面からどこまでエッチングを進めるかについては、界面と同一の時が最も好ましいが、界面から０．２μｍ以内であっても良い。
【００３２】
次にｎ型ドーピング層である第一化合物半導体層２とコンタクトを取るための段差形成エッチングを以下の様にして行った。再度フォトリソ工程を行い、先に露出した第二化合物半導体層３をウェットエッチングによりエッチングし、第一化合物半導体層２を露出させた。この際エッチングは第一化合物半導体層２と第二化合物半導体層３の界面から０．１μｍ第一化合物半導体層２側に入った部分まで行った。また、第一化合物半導体層２と第二化合物半導体層３の界面からどこまでエッチングを進めるかについては、界面と同一の時が最も好ましいが、界面から０．５μｍ以内であっても良い。
【００３３】
更に上記の様にして段差形成がされた化合物半導体薄膜６に対して、素子分離のための第一化合物半導体層２のメサエッチング、すなわち残された第一化合物半導体層２を基板まで完全にエッチングする工程を前記と同様の手順行った。その後プラズマＣＶＤを用いて、全面（ＧａＡｓ基板およびこの基板に形成された化合物半導体構造）をＳｉＮの半導体保護膜６で覆った。なおこの半導体保護膜６はＳｉＯ2またはＳｉＯ2の上にＳｉＮを積層した構造の膜であっても良い。
【００３４】
次いで、形成されたＳｉＮの半導体保護膜上に電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／Ｔｉ（Ｔｉが膜側）をＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極７を形成した。上記のようにして形成されたダイオードの受光部分の面積Ｓ１は４２０μｍ2、またＳ２は３７０μｍ2、またＳ４は１８０μｍ2、となるように設計した。この素子の断面図を図４に示す。比較例として、Ｓ４＝Ｓ２である従来のメサ構造のＰＩＮダイオードも同様にフォトリソとウェットエッチングにより作成した。この従来メサ構造の素子も面積Ｓ１は４２０μｍ2、Ｓ４＝Ｓ２＝１８０μｍ2となるようにした。この素子断面図は図５に示した。
【００３５】
この様にして作成した各赤外線センサの素子抵抗を、ダイオードに対して０．１Ｖ正のバイアスをかけた場合と、０．１Ｖ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。なお測定中の各試料の温度は２５℃で一定になるようにしている。この結果、本発明の構造の試料と比較例試料は何れも４３０Ωと同等の素子抵抗が得られた。
【００３６】
次に、５００Ｋの黒体炉を用いて赤外線を発生し、またセンサから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、この時発生した光電流量を赤外線が入射したときと遮光された時の差から測定した。この結果、本発明の構造の試料は、図５に示した比較例試料に比べて光電流量が２０％増加した。これは本発明の赤外線センサの光吸収層の体積が、比較例の赤外線センサに比べて増加している為である。この結果数式１で決まる素子のＳ／Ｎも２０％増加しており、本発明の有効性が確かめられた。
【符号の説明】
【００３７】
１  基板
２  第一化合物半導体層
３  第二化合物半導体層
４  第三化合物半導体層
５  第四化合物半導体層
６  半導体保護膜
７  電極
【図１】
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【図２】
2013201209.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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