(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）半導体基板を準備する工程と、
（ｂ）前記半導体基板の上方に、分子線エピタキシにより、Ｉｎ、Ａｌ、及びＧａから選択された材料と、Ａｓ２分子と、さらにＳｂとのビームを同時照射することにより、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ，ｙ＜１かつ０≦ｘ＋ｙ＜１）からなる第１の中間層を形成する工程と、
（ｃ）前記第１の中間層の上に、Ｉｎ１−ｕ−ｖＡｌｕＧａｖＡｓ（０≦ｕ，ｖ＜１かつ０≦ｕ＋ｖ＜１）からなる第１の量子ドット層を形成する工程と、
（ｄ）前記第１の量子ドット層の上に、分子線エピタキシにより、Ｉｎ、Ａｌ、及びＧａから選択された材料と、Ａｓ２分子と、さらにＳｂとのビームを同時照射することにより、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ，ｙ＜１かつ０≦ｘ＋ｙ＜１）からなる第２の中間層を形成する工程と、
（ｅ）前記第１の中間層と第２の中間層との間に電圧を印加する電極対を形成する工程と
を有し、
前記工程（ｂ）または（ｄ）において、Ｓｂの照射量がＩＩＩ族元素に対する照射比で０より大きく０．０１より小さい、赤外線検知装置の製造方法。
【請求項２】
さらに、
（ｆ）前記第２の中間層と、前記電極対の該第２の中間層側の電極との間に、他の量子ドット層及び中間層を交互に複数層積層する工程
を有する請求項１に記載の赤外線検知装置の製造方法。
【請求項３】
さらに、
（ｇ）前記第１の中間層、第１の量子ドット層、及び、第２の中間層の積層を、前記半導体基板面内で分割して、該半導体基板面内に、該第１の中間層、第１の量子ドット層、及び、第２の中間層が積層された構造を複数形成する工程
を有する請求項１または２に記載の赤外線検知装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検知装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子ドット型赤外線検知素子（ＱＤＩＰ）では、例えば、ｉ型ＧａＡｓ中間層で挟み込んだＩｎＡｓ量子ドット内の伝導帯量子準位に位置する電子が、外部から入射した赤外線によりサブバンド間励起され、それを電流（以下これを光電流と呼ぶ）として捕らえることにより、赤外線を検知する。量子ドット型赤外線検知素子について、例えば非特許文献１に開示されている。
【０００３】
赤外線のエネルギ程度に量子準位間が離散化されるほど小さいサイズを持つ量子ドットは、自己組織化量子ドット形成法を用いて作製される。この形成法は、通例分子線エピタキシャル成長により実現されるものであり、その成長では通例固体Ａｓ源を単に蒸発させて得られるＡｓ４分子線を用いる。
【０００４】
分子線エピタキシャル成長の成長方向（厚さ方向）に対して垂直な面内に、多数の量子ドットが形成された量子ドット層を、中間層で挟んで複数層積層することにより、赤外線の検知効率を高められる。このような積層構造を、ｎ型ＧａＡｓ電極で挟み込み、その電極間に予め電位差を与えておく。赤外線が入射すると、サブバンド間励起された電子が電極間を流れ、光電流となる。
【０００５】
赤外線入射により光電流が流れる一方で、赤外線を入射させない状態においても、電極間に加えられた電位差により、低電位側電極層に位置していた電子が電極間を流れて、暗電流が発生する。赤外線検知素子の性能は、概ね、光電流／暗電流比で表される。例えば、暗電流を増加させることなく光電流を増加させれば、検知素子の性能が向上することになる。
【非特許文献１】E.T. Kim et al., Appl. Phys. Lett. 84, 3277 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
検知性能の向上が図られた赤外線検知素子が望まれる。
【０００７】
本発明の一目的は、検知性能の向上が図られた赤外線検知装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によれば、（ａ）半導体基板を準備する工程と、（ｂ）前記半導体基板の上方に、分子線エピタキシにより、Ｉｎ、Ａｌ、及びＧａから選択された材料と、Ａｓ２分子と、さらにＳｂとのビームを同時照射することにより、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ，ｙ＜１かつ０≦ｘ＋ｙ＜１）からなる第１の中間層を形成する工程と、（ｃ）前記第１の中間層の上に、Ｉｎ１−ｕ−ｖＡｌｕＧａｖＡｓ（０≦ｕ，ｖ＜１かつ０≦ｕ＋ｖ＜１）からなる第１の量子ドット層を形成する工程と、（ｄ）前記第１の量子ドット層の上に、分子線エピタキシにより、Ｉｎ、Ａｌ、及びＧａから選択された材料と、Ａｓ２分子と、さらにＳｂとのビームを同時照射することにより、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ，ｙ＜１かつ０≦ｘ＋ｙ＜１）からなる第２の中間層を形成する工程と、（ｅ）前記第１の中間層と第２の中間層との間に電圧を印加する電極対を形成する工程とを有し、前記工程（ｂ）または（ｄ）において、Ｓｂの照射量がＩＩＩ族元素に対する照射比で０より大きく０．０１より小さい、赤外線検知装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
ＡｓビームとしてＡｓ２分子を用い、さらにＩＩＩ族元素に対する照射比で０より大きく０．０１より小さい照射量でＳｂビームを同時照射して、分子線エピタキシにより形成したＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ，ｙ＜１かつ０≦ｘ＋ｙ＜１）層は、それに量子ドットを埋め込んで構成できる赤外線検知素子の性能を向上させるために用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
まず、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）の概略断面図を参照して、第１の実施例による赤外線検知素子構造の製造方法について説明する。成膜方法として、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を用いる。
【００１１】
図１（Ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板１を準備する。ＧａＡｓ基板１の上に、Ｇａ及びＡｓと、ｎ型不純物として例えばＳｉを照射して、ｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層２を形成する。基板温度は、ＧａＡｓ成長に適した温度、例えば６００℃とし、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２の厚さは、例えば１０００ｎｍとする。Ｓｉの濃度は例えば２×１０１８／ｃｍ３とする。
【００１２】
続いて、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２の上に、ｉ型ＧａＡｓからなる中間層３を成長する。中間層の成長では、Ｇａ及びＡｓの照射と同時に、Ｓｂの照射を行う。Ｖ／ＩＩＩ比は、例えば２０とする。
【００１３】
中間層の成長では、ＡｓビームとしてＡｓ２分子線を用いる。Ａｓ２分子線は、固体Ａｓ源を蒸発させることで発生するＡｓ４分子を、９００℃程度に保った容器の中を通過させて熱分解することにより得られる。なお、ＡｓビームとしてＡｓ２分子線を用いると、Ａｓ４分子線を用いる場合よりも、Ａｓを効率的に（少ない分子数で）結晶に取り込める傾向がある。
【００１４】
Ｓｂの照射量は、ＩＩＩ族に対するＳｂ分子線の照射比（ビームフラックス比）が、０より大きく０．０１より小さい範囲となるように設定する。ここでは例えば０．００４とする。ｉ型ＧａＡｓ中間層３の厚さは、例えば５０ｎｍとし、この層を成長する間に基板温度を６００℃から、量子ドットを成長するのに最適な温度、例えば５００℃に低下させる。
【００１５】
次に、図１（Ｂ）に示すように、ｉ型ＧａＡｓ中間層３の上に、ＩｎＡｓからなる量子ドット層４を成長させる。基板温度を５００℃に維持したまま、成長速度が例えば０．２ＭＬ／ｓ（原子層／秒）となるように、Ｉｎ及びＡｓを照射する。量子ドット層の成長では、ＡｓビームとしてＡｓ４分子線を用いる。
【００１６】
ＩｎＡｓが３次元成長して、面内に多数の量子ドット４ａが形成される（自己組織化量子ドット形成法）。個々の量子ドット４ａは、高さが５ｎｍ〜１０ｎｍ程度で、面内の寸法が３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度である。なお、量子ドット間のぬれ層の有無に関わらず（量子ドット同士が分離しているかどうかに依らず）、量子ドット層という名称を用いることとする。
【００１７】
次に、図１（Ｃ）に示すように、ＩｎＡｓ量子ドット層４の上に、引き続き基板温度を５００℃に維持したまま、ｉ型ＧａＡｓ中間層５を、例えば厚さ５０ｎｍ成長する。成長方法は、下方のｉ型ＧａＡｓ中間層３と同様であり、Ａｓ２分子線を用い、かつＳｂの照射を行う。
【００１８】
さらに、ｉ型ＧａＡｓ中間層５の上に、ＩｎＡｓ量子ドット層とｉ型ＧａＡｓ中間層とを交互に複数層積層する。例えば、量子ドット層の積層数を全体で１０層とするために、ｉ型ＧａＡｓ中間層５の上に、ＩｎＡｓ量子ドット層の成長と、ｉ型ＧａＡｓ中間層の成長を９回ずつ繰り返す。各ＩｎＡｓ量子ドット層、及び、各ｉ型ＧａＡｓ中間層は、それぞれ、ＩｎＡｓ量子ドット層４及びｉ型ＧａＡｓ中間層５と同様な方法で成長させる。ただし、一番上のｉ型ＧａＡｓ中間層６を成長する間に、基板温度を５００℃から再び６００℃に上昇させる。
【００１９】
基板温度を６００℃に維持したまま、一番上のｉ型ＧａＡｓ中間層６の上に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７を形成する。ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７の厚さは、例えば１０００ｎｍとし、ｎ型不純物として例えばＳｉを用い、その濃度は例えば２×１０１８／ｃｍ３とする。
【００２０】
次に、フォトリソグラフィー及びドライエッチングを用いて、上側のｎ型ＧａＡｓコンタクト層７、及び、中間層と量子ドット層の積層構造を除去して、下側のｎ型ＧａＡｓコンタクト層２の電極形成領域を露出させる。露出させた下側ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２の上と、上側ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７の上に、それぞれ、金属蒸着法により、下側からＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕが積層された構造の電極８及び９を形成する。このようにして、赤外線検知素子構造が作製される。
【００２１】
なお、量子ドットの材料は、ＩｎＡｓに限られず、また、量子ドットを埋め込む中間層の材料は、ＧａＡｓに限られない。量子ドット及び中間層のＩＩＩ族の材料として、Ｉｎ、Ｇａ、及びＡｌを混合して用いることもできる。量子ドット及び中間層の材料は、それぞれ一般的な形で、Ｉｎ１−ｕ−ｖＡｌｕＧａｖＡｓ（０≦ｕ，ｖ＜１かつ０≦ｕ＋ｖ＜１）、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ，ｙ＜１かつ０≦ｘ＋ｙ＜１）と表すことできる。
【００２２】
なお、中間層の導電型はｉ型に限られず、必要に応じてｐ型やｎ型とすることもできる。また、中間層ごとに組成を異ならせることも可能である。
【００２３】
引き続き、図１（Ｃ）を参照して、実施例の赤外線検知素子の動作について説明する。下側及び上側電極８、９の間に、直流電圧源と電流計を直列に挿入し、両電極間に電位差を与えて、両電極間に流れる電流を計測する。印加電圧は、例えば絶対値で２０Ｖ以下である。なお、内部電界によって０Ｖで動作することもある。
【００２４】
外部から赤外線ＩＲが量子ドットに入射すると、光電流Ｉｐが生じるので、電流変化により赤外線入射を観測することができる。検知される赤外線の波長は、例えば３μｍ〜５μｍである。量子ドット層を複数層積層した構造とすることにより、赤外線の検知効率が向上する。なお、赤外線を入射させない状態においても、電極間に加えられた電位差により、暗電流Ｉｄが発生する。検知素子の性能は概ね、光電流／暗電流比で表される。
【００２５】
次に、図２〜図４を参照して、中間層の成長方法と赤外線検知素子の性能との関係について説明する。なお、図２〜図４に示した結果に対応する試料では、上下ｎ型ＧａＡｓコンタクト層の不純物濃度を１×１０１８／ｃｍ３とし、各量子ドット層の成長速度を０．１ＭＬ／ｓとした。
【００２６】
図２は、中間層を、Ａｓ２分子線を用いかつＳｂビームを照射して成長した試料における、検知素子性能のＳｂ／ＩＩＩ族照射比に対する依存性を示すグラフである。
【００２７】
グラフの横軸が、ＳｂのＩＩＩ族元素に対する照射量の比（ビームフラックス比）であり、縦軸が、リニアスケールの任意単位で示す検知素子性能である。なお、図２に示す結果に対応する試料では、各中間層の、組成をｉ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓとし、厚さを３０ｎｍとした。
【００２８】
Ｓｂ／ＩＩＩ族照射比が０の場合及び０．０１の場合に比べて、０．００４の場合に素子性能が２倍程度向上している。この結果より、中間層形成時のＳｂ照射量を、ＩＩＩ族元素に対する照射比として０より大きく０．０１より小さい範囲となるように設定することにより、検知素子性能の向上が図られると考えられる。
【００２９】
図３は、中間層を、Ｓｂ照射を行わずに成長した試料における、Ａｓ分子線種の違いによる検知素子性能を比較したグラフである。横軸上に、Ａｓ分子線種を示す。左側がＡｓ４であり、右側がＡｓ２である。縦軸が、リニアスケールの任意単位で示す検知素子性能である。
【００３０】
なお、図３に示す結果に対応する試料では、各中間層の、組成をｉ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓとし、厚さを５０ｎｍとした。また、中間層形成時のＶ／ＩＩＩ比は、Ａｓ４分子線の場合に４０とし、Ａｓ２分子線の場合に２０とした。Ｓｂを照射しない条件では、Ａｓ４分子線の代わりにＡｓ２分子線を用いても、素子性能が向上する効果はない。
【００３１】
図４は、中間層を、Ａｓ４分子線を用いて成長した試料における、検知素子性能のＳｂ／ＩＩＩ族照射比に対する依存性を示すグラフである。横軸がＳｂ／ＩＩＩ族照射比であり、縦軸がリニアスケールの任意単位で示す検知素子性能である。なお、図４に示す結果に対応する試料では、各中間層の、組成をｉ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓとし、厚さを３０ｎｍとした。Ａｓ４分子線を用いた場合は、Ｓｂ照射により素子性能が向上する効果は見られない。
【００３２】
なお、図２〜図４のグラフは、検知素子性能を任意単位で表しているが、これらのグラフを比較して認められる傾向は、絶対値を比較したものと（結果的に）概ね同様となる。
【００３３】
図２に示したＳｂ／ＩＩＩ族照射比０．００４の試料が、絶対値として最も高い検知素子性能を示す。なお、図２に示すＳｂ／ＩＩＩ族照射比０の試料と、図３に示すＡｓ２分子線を用いた試料の、検知素子性能の絶対値は一致しないが、これは例えば、中間層の膜厚の違い（前者は３０ｎｍ、後者は５０ｎｍ）等の要因によるものと思われる。
【００３４】
以上説明したように、Ａｓ２分子線を用いると同時にＳｂビームを照射して中間層を形成することにより、Ａｓ４分子線を用いる場合には見られない検知素子性能向上効果が得られる。
【００３５】
なお、素子性能向上の理由は明らかではないが、１つの可能性としては、Ａｓ２分子線を用いると同時にＳｂを照射することにより、中間層の結晶性の向上が図られるのではないかと考えられる。このような中間層に量子ドットを埋め込んで赤外線検知素子を構成すれば、素子性能の向上が期待できるであろう。
【００３６】
次に、第２の実施例による赤外線撮像検知器について説明する。図５は、第２の実施例の赤外線撮像検知器の概略平面図であり、図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、第２の実施例の赤外線撮像検知器の概略断面図である。
【００３７】
第２の実施例の赤外線撮像検知器では、図５に示すように、第１の実施例の赤外線検知素子構造を持つ画素Ｐｘが、平面内で行列状に多数配置されている、図６（Ａ）に示すように、多数の画素Ｐｘが形成されたＧａＡｓ基板１１が、ＧａＡｓ基板１１がレンズ３１側（上側）になるように配置されている。
【００３８】
レンズ３１を透過した赤外線ＩＲが、ＧａＡｓ基板１１を透過して、各画素Ｐｘに入射する。各画素Ｐｘは、ＧａＡｓ基板１１側のｎ型ＧａＡｓコンタクト層１２と、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）回路２２側のｎ型ＧａＡｓコンタクト層１７との間に、例えばＩｎＡｓ量子ドット層とｉ型ＧａＡｓ中間層とを交互に複数層ずつ積層した積層構造２０が挟まれた構造を有する。
【００３９】
ＧａＡｓ基板１１側のｎ型ＧａＡｓコンタクト層１２は、全画素について共通であり、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１２に、共通のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極１８が接続されている。ＣＭＯＳ回路２２側のｎ型ＧａＡｓコンタクト層１７が、画素ごとに設けられており、各ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１７に、画素ごとのＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極１９が接続されている。
【００４０】
ＣＭＯＳ回路２２が、Ｉｎ電極２１を介して、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極１８及び１９に接続されている。電極端子２３を介して、ＣＭＯＳ回路２２に制御信号が入力されるとともに、ＣＭＯＳ回路２２から、各画素Ｐｘで検知された赤外線に対応する画像信号が出力される。  
【００４１】
なお、複数の画素Ｐｘは以下のように作製することができる。図６（Ｂ）に示すように、第１の実施例で説明したのと同様にして、基板１１の上に、コンタクト層１２と、量子ドット層及び中間層の積層構造２０と、コンタクト層１７と、電極１９とを形成する。電極１９は、画素Ｐｘごとに配置されるようパタニングされている。次いで、レジストパタン４１を用いたエッチングにより、積層構造２０と、ＣＭＯＳ回路２２側に配置されるコンタクト層１７とを、各画素Ｐｘに対応するように分割する。
【００４２】
なお、画素の一方の電極（及びコンタクト層）を全画素共通にした構成を説明したが、画素ごとに分離された電極構造とすることもできる。
【００４３】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００４４】
以下、本発明の特徴を付記する。
（付記１）
（ａ）半導体基板を準備する工程と、
（ｂ）前記半導体基板の上方に、分子線エピタキシにより、Ｉｎ、Ａｌ、及びＧａから選択された材料と、Ａｓ２分子と、さらにＳｂとのビームを同時照射することにより、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ，ｙ＜１かつ０≦ｘ＋ｙ＜１）からなる第１の中間層を形成する工程
とを有する化合物半導体装置の製造方法。
（付記２）
さらに、
（ｃ）前記第１の中間層の上に、Ｉｎ１−ｕ−ｖＡｌｕＧａｖＡｓ（０≦ｕ，ｖ＜１かつ０≦ｕ＋ｖ＜１）からなる第１の量子ドット層を形成する工程と、
（ｄ）前記第１の量子ドット層の上に、分子線エピタキシにより、Ｉｎ、Ａｌ、及びＧａから選択された材料と、Ａｓ２分子と、さらにＳｂとのビームを同時照射することにより、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ，ｙ＜１かつ０≦ｘ＋ｙ＜１）からなる第２の中間層を形成する工程と、
（ｅ）前記第１の中間層と第２の中間層との間に電圧を印加する電極対を形成する工程と
を有する付記１に記載の化合物半導体装置の製造方法。
（付記３）
さらに、
（ｆ）前記第２の中間層と、前記電極対の該第２の中間層側の電極との間に、他の量子ドット層及び中間層を交互に複数層積層する工程
を有する付記２に記載の化合物半導体装置の製造方法。
（付記４）
さらに、
（ｇ）前記第１の中間層、第１の量子ドット層、及び、第２の中間層の積層を、前記半導体基板面内で分割して、該半導体基板面内に、該第１の中間層、第１の量子ドット層、及び、第２の中間層が積層された構造を複数形成する工程
を有する付記２または３に記載の化合物半導体の製造方法。
（付記５）
前記工程（ｃ）で、個々の量子ドットの高さが５ｎｍ〜１０ｎｍで、面内の寸法が３０ｎｍ〜５０ｎｍである付記２〜４のいずれか１つに記載の化合物半導体の製造方法。
（付記６）
前記工程（ａ）で、前記半導体基板はＧａＡｓ基板である付記１〜５のいずれか１つに記載の化合物半導体の製造方法。
（付記７）
前記工程（ｂ）において、Ｓｂの照射量がＩＩＩ族元素に対する照射比で０より大きく０．０１より小さい付記１〜６のいずれか１つに記載の化合物半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、第１の実施例による赤外線検知素子の概略断面図である。
【図２】図２は、中間層形成時にＡｓ２分子線を用いた場合の、Ｓｂ照射量と素子性能との関係を示すグラフである。
【図３】図３は、Ｓｂ照射を行わない条件で、Ａｓ４分子線により中間層を成長させた試料と、Ａｓ２分子線により中間層を成長させた試料の素子性能を示すグラフである。
【図４】図４は、中間層形成時にＡｓ４分子線を用いた場合の、Ｓｂ照射量と素子性能との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、第２の実施例の赤外線撮像検知器の概略平面図である。
【図６】図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、第２の実施例の赤外線撮像検知器の概略断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１、１１  ＧａＡｓ基板
２、７、１２、１７  ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
３、５、６  ｉ型ＧａＡｓ中間層
４  ＩｎＡｓ量子ドット層
４ａ  量子ドット
８、９、１８、１９  ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極
２０  量子ドット／中間層積層構造
２１  Ｉｎ電極
２２  ＣＭＯＳ回路
２３  電極端子
３１  レンズ
ＩＲ  赤外線
Ｉｐ  光電流
Ｉｄ  暗電流
Ｐｘ  画素
【図１】
0004894672.tif 000002
【図２】
0004894672.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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