(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に積層形成され両面をコンタクト層に挟まれて量子化レベル間の遷移を利用して赤外光を検知する量子井戸層と、
前記基板の表出面側に形成された集光用レンズと、
該集光用レンズと反対側の該コンタクト層表面から先端が少なくとも前記量子井戸層に達するように形成されて該集光用レンズで集光した光を略層方向に反射して該量子井戸層に対して浅い角度で入射させる光反射用凹所とを備えてなることを特徴とする量子井戸型光検知器。
【請求項２】
光反射用凹所内に光反射膜が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の量子井戸型光検知器。
【請求項３】
集光用レンズがフレネル・レンズであることを特徴とする請求項１或いは２記載の量子井戸型光検知器。
【請求項４】
基板の面指数が（１００）であって且つ光反射用凹所が四角錐をなしていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１記載の量子井戸型検知器。
【請求項５】
基板の面指数が（１１１）であって且つ光反射用凹所が三角錐をなしていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１記載の量子井戸型検知器。
【請求項６】
集光用レンズの結像位置に光反射用凹所が在ることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１記載の量子井戸型光検知器。
【請求項７】
集光用レンズ及び光を検知する量子井戸層及び光反射用凹所からなる単位が一次元或いは二次元に配列されてアレイをなすことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１記載の量子井戸型光検知器。
【請求項８】
単位が電気的に共通接続されて大面積化された光検知器であることを特徴とする請求項７記載の量子井戸型光検知器。
【請求項９】
単位が素子間分離構造で電気的に分離されて独立に制御可能な光検知器であることを特徴とする請求項７記載の量子井戸型光検知器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＧａＡｓとＡｌＧａＡｓなど、エネルギ・バンド・ギャップを異にする半導体を積層して量子井戸を形成し、量子化レベル間の遷移を利用して赤外線などの光を検出する量子井戸型光検知器の改良に関する。
【０００２】
前記量子井戸型光検知器は、ＨｇＣｄＴｅやＩｎＳｂなどの狭エネルギ・バンド・ギャップの材料を用いる必要がなく、ＧａＡｓ系半導体で熟成された成長技術やプロセス技術を利用できるので、製造性や制御性の面で優れ、大規模のセンサを実現するのに好適なのであるが、結合効率の点で欠点があるので、その問題を解消する必要があり、本発明に依れば、それに対処する一手段を提供することができる。
【０００３】
【従来の技術】
一般に、量子井戸型光検知器は、量子井戸内の電子は、結晶の成長方向に拘束され、結晶層の面内では自由である。
【０００４】
従って、入射した光のうち、結晶の成長方向の電界成分としか結合せず、換言すると、検知器をなす結晶層の面に沿う方向、即ち、水平な方向の光のみ結合して吸収できるのであるが、結晶層の面に垂直に入射した光は検出することはできない。
【０００５】
従って、そのままでは、実際上の役には立たないので、単一の光検知器では、光を斜め方向から入射させる手段がとられ、また、アレイ状光検知器では、光格子（グレーティング）或いはランダム格子などを用い、光を散乱させることで角度を変化させ、結合効率を改善して高感度化を図っている。
【０００６】
図１４は光格子を用いた従来の光検知器を表す要部説明図であって、１はＧａＡｓコンタクト層、２はＭＱＷ（ｍｕｌｔｉ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）層、３は半導体光格子、４は入射光、５は電界をそれぞれ示している。
【０００７】
図に於いて、入射光４は、光検知器に垂直に入射しているが光格子３の作用で散乱され、実質的に入射角度が変化しているので、結合効率を改善できることが明らかである。
【０００８】
図１５は全吸収断面積（単一電子吸収断面積σ×全ドーピング面密度ｎ２d ）と量子効率との関係を表す線図であり、横軸には全吸収断面積ｎ2dσを、また、縦軸には量子効率ＱＥをそれぞれ採ってあり、更にまた、図には、記号（Ａ）を付与して図１４について説明した光検知器が表され、そして、記号（Ｂ）を付与してランダム格子を用いた光検知器を付記してある（要すれば、「Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ＳＰＩＥ．ｖｏｌ．２７４４  ｐｐ．１９３−２０６（１９９６）」、を参照）。
【０００９】
図１５に於ける（Ｂ）に表された光検知器は、（Ａ）に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００１０】
（Ｂ）の光検知器に於ける６がランダム格子であり、入射光は、ランダム格子６に依って、（Ａ）の場合と同様、散乱されるので、結合効率は改善される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図１４や図１５に見られる光格子やランダム格子に於いては、入射した光を回折させる為には、格子の寸法を入射光に於ける波長の１／２〜１／４にしなければならず、従って、１０〔μｍ〕帯の赤外線であっても１．５〔μｍ〕〜０．７〔μｍ〕のパターンを形成することが必要となり、このような微細な寸法のパターン形成が困難であることは云うまでもない。
【００１２】
本発明は、量子井戸型光検知器に於いて、微細パターンの形成を必要とすることなく、結合効率を大きく改善できるようにする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、各検知素子毎に、入射光を集光する手段、及び、集光した光を略層方向に反射する手段をもつことが基本になっていて、集光する手段としては、マイクロ・レンズやフレネル・レンズを用い、また、反射する手段としては、半導体を異方性エッチングして形成した三角錐或いは四角錐を用いる。
【００１４】
前記したところから、本発明に依る量子井戸型光検知器に於いては、
（１）
基板（例えば基板１１）上に積層形成され両面をコンタクト層（例えば第一のコンタクト層１２及び第二のコンタクト層１４）に挟まれて量子化レベル間の遷移を利用して赤外光を検知する量子井戸層（例えばＭＱＷ層１３）と、前記基板の表出面側に形成された集光用レンズ（例えばマイクロ・レンズ１１Ａ）と、該集光用レンズと反対側の該コンタクト層表面から先端が少なくとも前記量子井戸層に達するように形成されて該集光用レンズで集光した光を略層方向に反射して該量子井戸層に対して浅い角度で入射させる光反射用凹所（例えば凹所１２Ａ或いは１２Ｂ）とを備えてなることを特徴とするか、又は、
【００１５】
（２）
前記（１）に於いて、光反射用凹所内に光反射膜（例えば金属膜２３）が形成されてなることを特徴とするか、又は、
【００１６】
（３）
前記（１）又は（２）に於いて、集光用レンズがフレネル・レンズ（例えばフレネル・レンズ１８）であることを特徴とするか、又は、
【００１７】
（４）
前記（１）乃至（３）の何れか１に於いて、基板の面指数が（１００）であって且つ光反射用凹所が四角錐（例えば四角錐をなす反射面１５）をなしていることを特徴とするか、又は、
【００１８】
（５）
前記（１）乃至（３）の何れか１に於いて、基板の面指数が（１１１）であって且つ光反射用凹所が三角錐（例えば三角錐をなす反射面１９）をなしていることを特徴とするか、又は、
【００１９】
（６）
前記（１）乃至（５）の何れか１に於いて、集光用レンズの結像位置に光反射用凹所が在ること（例えば図１３を参照）を特徴とするか、又は、
【００２０】
（７）
前記（１）乃至（６）の何れか１に於いて、集光用レンズ及び光を検知する量子井戸層及び光反射用凹所からなる単位が一次元或いは二次元に配列されてアレイをなすこと（例えば図１１及び図１２を参照）を特徴とするか、又は、
【００２１】
（８）
前記（７）に於いて、単位が電気的に共通接続されて大面積化された光検知器であること（例えば図１１を参照）
を特徴とするか、又は、
【００２２】
（９）
前記（７）に於いて、単位が素子間分離構造で電気的に分離されて独立に制御可能な光検知器であること（例えば図１２を参照）を特徴とする。
【００２３】
前記手段を採ることに依り、各検知素子に入射する光は集光手段に依って集光され、そして、反射手段に依って光を量子井戸に対して浅い角度で入射させることができるので、結合効率を向上させることができ、しかも、その構成を実現するには、微細加工など、面倒な手段は一切不要である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に於ける実施の形態１を説明する為の量子井戸型光検知器を表す要部斜面図である。
【００２５】
図に於いて、１１は基板、１１Ａはマイクロ・レンズ、１２は第一のコンタクト層、１３はＭＱＷ層、１４は第二のコンタクト層、１５は四角錐をなす反射面をそれぞれ示している。
【００２６】
図２乃至図５は実施の形態１を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子井戸型光検知器を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。
【００２７】
図２（Ａ）参照
２−（１）
例えば、分子線エピタキシャル成長（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法を適用することに依り、基板１１上に第一のコンタクト層１２、ＭＱＷ層１３、第二のコンタクト層１４を形成する。
【００２８】
２−（２）
ここで、前記各半導体部分について、主要なデータを例示すると次の通りで
ある。
（１）  基板１１について
材料：ＧａＡｓ
面指数：（１００）
厚さ：１００〔μｍ〕
【００２９】
（２）  第一のコンタクト層１２について
材料：ｎ−ＧａＡｓ
不純物濃度：１×１０17〔cm-3〕
厚さ：１〔μｍ〕
【００３０】
（３）  ＭＱＷ層１３について
バリヤ層と井戸層との５０周期分の積層体
○  バリヤ層
材料：ｉ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ
（ｘ＝例えば０．３）
厚さ：５００〔Å〕
○  井戸層
材料：ｎ−ＧａＡｓ
厚さ：５０〔Å〕
【００３１】
（４）  第二のコンタクト層１４について
材料：ｎ−ＧａＡｓ
不純物濃度：１×１０17〔cm-3〕
厚さ：１〔μｍ〕
【００３２】
図２（Ｂ）参照
２−（３）
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、表面側、即ち、第二のコンタクト層１４の表面に四角錐をなす凹所を形成する為のマスクとなる開口１６Ａをもつレジスト膜１６を形成する。
【００３３】
図３（Ａ）参照
３−（１）
エッチャントをＣＨ3 ＯＨ＋Ｂｒ2 とするウエット・エッチング法を適用することに依り、レジスト膜１６をマスクとし、異方性エッチングを行なって、
表面から第一のコンタクト層１２に達する凹所１２Ａを形成する。
【００３４】
この場合、基板１１の主面に於ける面指数が（１００）であることから、当然、各半導体の主面に於ける面指数も（１００）となるので、前記エッチャントを用いて異方性エッチングを行なった場合、得られる凹所１２Ａは四角錐となる。
【００３５】
図３（Ｂ）参照
３−（２）
真空蒸着法を適用することに依り、厚さが例えば３０００〔Å〕のＡｕからなる反射膜（図示せず）を形成する。尚、入射光に対する凹所１２Ａの角度を適切に選択し、全反射が起こるようにすれば、反射膜は不要である。
【００３６】
３−（３）
凹所１２Ａを形成した際のマスクとして用いたレジスト膜１６を除去すると反射面１５をもつ凹所１２Ａが完成され、その四角錐をなす凹所１２Ａの一辺は例えば４．５〔μｍ〕、深さは例えば４〔μｍ〕である。
【００３７】
図４（Ａ）参照
４−（１）
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、裏面側、即ち、基板１１の裏面にマイクロ・レンズを形成する為のマスクとなる直径が例えば５０〔μｍ〕のレジスト膜１７を形成する。
【００３８】
図４（Ｂ）参照
４−（２）
熱処理を行ない、レジスト膜１７を軟化させて、その形状を所要のマイクロ・レンズと同形状にする。
【００３９】
図５参照
５−（１）
エッチング・ガスを塩素を含むガス（例えば、ＳｉＣｌ4 ）とするドライ・エッチング法を適用することに依り、レジスト膜１７を含めた基板１１の全面をエッチングし、レジスト膜１７が無くなるまで継続することに依って、基板１１には、マイクロ・レンズ１１Ａが形成される。
【００４０】
５−（２）
この後、通常の技法を適用することに依り、電極を導出して完成する。
【００４１】
図６は本発明に於ける実施の形態２を説明する為の量子井戸型光検知器を表す要部斜面図であり、図１に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００４２】
実施の形態２が実施の形態１と相違するところは、集光する手段としてフレネル・レンズ１８を、また、反射する手段として三角錐をなす反射面１９を用いているところである。
【００４３】
図７乃至図９は実施の形態２を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子井戸型光検知器を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。尚、実施の形態２は、フレネル・レンズ１８並びに三角錐の反射面１９以外は実施の形態１と同じであるから、同じ部分に関する説明は省略する。
【００４４】
図７（Ａ）参照
７−（１）
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、表面側、即ち、第二のコンタクト層１４の表面に三角錐をなす凹所を形成する為のマスクとなる開口２０Ａをもつレジスト膜２０を形成する。
【００４５】
図７（Ｂ）参照
７−（２）
ウエット・エッチング法を適用することに依り、レジスト膜２０をマスクとし、異方性エッチングを行なって、表面から第一のコンタクト層１２に達する凹所１２Ｂを形成する。
【００４６】
この場合、基板１１の主面に於ける面指数が（１１１）であることから、当然、各半導体の主面に於ける面指数も（１１１）となるので、前記エッチャントを用いて異方性エッチングを行なった場合、得られる凹所１２Ｂは三角錐となる。
【００４７】
７−（３）
真空蒸着法を適用することに依り、厚さが例えば３０００〔Å〕のＡｕからなる反射膜（図示せず）を形成する。
【００４８】
７−（４）
凹所１２Ｂを形成した際のマスクとして用いたレジスト膜２０を除去すると反射面１９をもつ凹所１２Ｂが完成される。
【００４９】
図８（Ａ）参照
８−（１）
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、裏面側、即ち、基板１１の裏面にフレネル・レンズを形成する為のマスクとなる同心円状のレジスト膜２１を形成する。
【００５０】
図８（Ｂ）参照
８−（２）
ドライ・エッチング法を適用することに依り、表出されている基板１１の裏面をエッチングし、同心円状の凹凸を形成する。
【００５１】
図９参照
９−（１）
以後、フレネル・レンズを形成するのに必要な露光マスクを用い、前記工程８−（１）及び８−（２）を繰り返すことに依って、所要のパターンをもつフレネル・レンズ１８が形成される。
【００５２】
９−（２）
この後、通常の技法を適用することに依り、電極を導出して完成する。
【００５３】
図１０はマイクロ・レンズと四角錐とを組み合わせた図１乃至図５について説明した実施の形態１である光検知器に於ける平行光線の入射光路を説明する為の要部切断側面図であり、図１乃至図５に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００５４】
図に於いて、２２は絶縁膜、２２Ａは電極コンタクト領域、２３は金属膜（反射面）、Ｌは入射光をそれぞれ示し、絶縁膜２２は、例えばＳｉＮやＳｉＯＮを用いることができ、また、金属膜２３としてはＡｕを用いている。
【００５５】
図から明らかなように、平行光線である入射光Ｌは、マイクロ・レンズ１１Ａで集光され、四角錐の反射面１５で反射され、検知層、即ち、ＭＱＷ層１３中を極めて浅い角度をもって透過していることが看取されよう。
【００５６】
図１１は図１０について説明した光検知器を大面積化した実施の形態３を表す要部切断側面図であり、図１乃至図５及び図１０に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００５７】
図に於いて、２４及び２５は電極位置を指示していて、その具体的な電極は、半導体分野で多用されている既知の技術を利用して容易に構成することが可能である。尚、この実施の形態は、図１０について説明した光検知器をアレイ状に配設した構成になっていることは、図に見られる通りである。
【００５８】
図１２は本発明に於ける実施の形態４を説明する為の量子井戸型光検知器を表す要部切断側面図であり、図１乃至図１１に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとし、また、（Ａ）は全体を表し、（Ｂ）は（Ａ）の一部を拡大して詳細に表してある。
【００５９】
図に於いて、２６は素子間分離溝、２７は電極をそれぞれ示していて、図に見られる通り、この実施の形態４は、図１０について説明した光検知器と異なり、光検知器が、素子間分離溝２６で分離され、それぞれ独立した単一の光検知素子のアレイで構成されている。従って、各光検知素子毎に電極２７が形成されている。
【００６０】
図１３は本発明に於ける実施の形態５を説明する為の量子井戸型光検知器を表す要部切断側面図であり、図１乃至図１２に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００６１】
図に於いて、２８は遮光部分、２９は開口部分をそれぞれ示していて、この光検知装置には、図１２について説明した光検知器を用い、結像光学系の特性を考慮してマイクロ・レンズ１１Ａや反射面１５の配置を選択する。
【００６２】
図示の光検知装置では、入射光線の角度が異なる為、マイクロ・レンズ１１Ａで集光される光の位置がアレイ内で異なるので、例えば、四角錐からなる反射面１５の位置を適切に設定する必要があり、図示例では、開口１９の中心から離れるにつれて光検知素子の中心からずれていることが看取されよう。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に依る量子井戸型光検知器に於いては、基板上に積層形成され両面をコンタクト層に挟まれて量子化レベル間の遷移を利用して赤外光を検知する量子井戸層と、前記基板の表出面側に形成された集光用レンズと、該集光用レンズと反対側の該コンタクト層表面から先端が少なくとも前記量子井戸層に達するように形成されて該集光用レンズで集光した光を略層方向に反射して該量子井戸層に対して浅い角度で入射させる光反射用凹所とを備える。
【００６４】
前記構成を採ることに依り、各検知素子に入射する光は集光手段に依って集光され、そして、反射手段に依って光を量子井戸に対して浅い角度で入射させることができるので、結合効率を向上させることができ、しかも、その構成を実現するには、微細加工など、面倒な手段は一切不要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に於ける実施の形態１を説明する為の量子井戸型光検知器を表す要部斜面図である。
【図２】実施の形態１を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子井戸型光検知器を表す要部切断側面図である。
【図３】実施の形態１を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子井戸型光検知器を表す要部切断側面図である。
【図４】実施の形態１を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子井戸型光検知器を表す要部切断側面図である。
【図５】実施の形態１を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子井戸型光検知器を表す要部切断側面図である。
【図６】本発明に於ける実施の形態２を説明する為の量子井戸型光検知器を表す要部斜面図である。
【図７】実施の形態２を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子井戸型光検知器を表す要部切断側面図である。
【図８】実施の形態２を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子井戸型光検知器を表す要部切断側面図である。
【図９】実施の形態２を製造する場合を説明する為の工程要所に於ける量子井戸型光検知器を表す要部切断側面図である。
【図１０】マイクロ・レンズと四角錐とを組み合わせた図１乃至図５について説明した実施の形態１である光検知器に於ける平行光線の入射光路を説明する為の要部切断側面図である。
【図１１】図１０について説明した光検知器を大面積化した実施の形態３を表す要部切断側面図である。
【図１２】本発明に於ける実施の形態４を説明する為の量子井戸型光検知器を表す要部切断側面図である。
【図１３】本発明に於ける実施の形態５を説明する為の量子井戸型光検知器を表す要部切断側面図である。
【図１４】光格子を用いた従来の光検知器を表す要部説明図である。
【図１５】全吸収断面積と量子効率との関係を表す線図である。
【符号の説明】
１１  基板
１１Ａ  マイクロ・レンズ
１２  第一のコンタクト層
１２Ａ及び１２Ｂ  凹所
１３  ＭＱＷ層
１４  第二のコンタクト層
１５  四角錐をなす反射面
１６  レジスト膜
１６Ａ  開口
１７  レジスト膜
１８  フレネル・レンズ
１９  三角錐をなす反射面
２０  レジスト膜
２０Ａ  開口
２１  レジスト膜
２２  絶縁膜
２２Ａ  電極コンタクト領域
２３  金属膜（反射面）
２４及び２５  電極位置
２６  素子間分離溝
２７  電極
２８  遮光部分
２９  開口部分
Ｌ  入射光
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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