(57)【要約】  所望の波長領域の赤外線に対する感度が高く、暗電流の発生が抑制するために、所望の波長領域の赤外線の透過率の高い基板と、基板の上方に形成され、基板と格子整合するタイプ１超格子構造の電子障壁層と、電子障壁層に接して形成されるタイプ２超格子構造の受光層とを備える。
2019215902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の波長領域の赤外線の透過率の高い基板と、
前記基板の上方に形成され、前記基板と格子整合するタイプ１超格子構造の電子障壁層と、
前記電子障壁層に接して形成されるタイプ２超格子構造の受光層とを備える光検出素子。
【請求項２】
前記電子障壁層の正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーが、前記受光層の正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーと略一致する請求項１に記載の光検出素子。
【請求項３】
前記基板は、ＩｎＰ基板である請求項１または２に記載の光検出素子。
【請求項４】
前記電子障壁層は、
第１障壁層と第２障壁層とを含み、
前記第２障壁層の膜厚は、正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーが前記受光層と揃うように調整される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項５】
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層がＡｌＡｓＳｂで構成され、前記第２障壁層がＧａＡｓＳｂで構成される請求項４に記載の光検出素子。
【請求項６】
前記受光層は、
第１受光層と第２受光層とを含み、
前記第１受光層がＩｎＧａＡｓで構成され、前記第２受光層がＧａＡｓＳｂで構成される請求項５に記載の光検出素子。
【請求項７】
前記第１障壁層および前記第２障壁層におけるＳｂに対するＡｓの比率が等しい請求項６に記載の光検出素子。
【請求項８】
前記電子障壁層に含まれる前記第２障壁層と、前記受光層に含まれる前記第２受光層とにおけるＳｂに対するＡｓの比率が等しい請求項６または７に記載の光検出素子。
【請求項９】
前記電子障壁層と前記受光層との境界において、前記電子障壁層の前記第２障壁層と前記受光層の前記第２受光層とを共通とする請求項８に記載の光検出素子。
【請求項１０】
前記第１障壁層および前記第２障壁層に含まれるＶ族元素中におけるＡｓの比率が０．５５である請求項６乃至９のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項１１】
前記第１受光層に含まれるIII族元素中におけるＩｎの比率が０．５２であり、前記第２受光層に含まれるＶ族元素中におけるＡｓの比率が０．５５である請求項６乃至１０のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項１２】
前記電子障壁層および前記受光層のうち少なくとも一方がＰを含む請求項６乃至１１のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項１３】
前記電子障壁層および前記受光層を挟み込む２つのコンタクト層を備える請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項１４】
２つの前記コンタクト層の両方がｎ型のドーパントを含む請求項１３に記載の光検出素子。
【請求項１５】
２つの前記コンタクト層の一方がｐ型のドーパントを含み、他方がｎ型のドーパントを含み、ｐ型のドーパントを含む前記コンタクト層と前記受光層との間に前記電子障壁層が配置される請求項１３に記載の光検出素子。
【請求項１６】
二つの前記コンタクト層の少なくともいずれかと前記基板との間に、前記基板と同一材料によって構成され、前記基板と格子整合するバッファ層を備える請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項１７】
前記受光層と前記コンタクト層との間に正孔障壁層が配置される請求項１５または１６に記載の光検出素子。
【請求項１８】
前記電子障壁層と前記基板の格子定数の不整合が１パーセント未満である請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項１９】
少なくとも前記電子障壁層および前記受光層を含む検出単位が基板上にアレイ状に配列された赤外線検出構造を有する請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項２０】
請求項１９に記載の光検出素子と、
前記光検出素子とフリップチップ接合され、前記光検出素子によって検出される赤外光を前記検出単位ごとに読み出す読み出し回路と、
前記光検出素子の前記赤外線検出構造に赤外光を集光させる赤外光学系と、
前記検出単位ごとに検出される赤外光に基づいた信号を出力する出力回路とを備える赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を検出する光検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を検出する光検出素子の受光材料として、水銀・カドミウム・テルル（ＨｇＣｄＴｅ）やインジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）等のバルク半導体が広く用いられている。また、バルク半導体の代わりに、インジウム・ヒ素（ＩｎＡｓ）層とガリウム・アンチモン（ＧａＳｂ）層とを短周期で交互に積層させたタイプ２超格子構造の受光層を含む光検出素子についても開示されている。【０００３】
タイプ２超格子構造は、複数のワイドバンドギャップ半導体組成を組み合わせた構造を有し、電子と正孔のミニバンド間に実効的なナローバンドギャップを実現する。ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子は、ＨｇＣｄＴｅなどのバルク半導体と比べて、キャリアの有効質量が大きく、オージェ再結合レートを抑制できる。【０００４】
タイプ２超格子構造では、受光層への赤外線の入射に伴って電子と正孔が生成される。電子と正孔が再結合する前にフォトキャリア（信号）を取り出すためには、受光層を挟んだ２つの電極間に数１００ミリボルト程度のバイアス電圧を印加して、電子と正孔とをそれぞれ逆方向の電極へ伝導させる。受光層を挟んだ２つの電極間にバイアス電圧を印加すると、電子に対して正バイアスである負極側コンタクト層から、受光層を介して、正極側コンタクト層へドリフト電流が生じる。また、負極側のｎ型コンタクト層にはｎ型不純物が高濃度にドープされているため、受光層とコンタクト層との間で電子密度の差に起因する拡散電流が発生する。ドリフト電流および拡散電流（暗電流とも呼ぶ）は、フォトキャリアとは無関係に流れるためにノイズの要因となる。【０００５】
非特許文献１には、タイプ２超格子構造の受光層とｎ型コンタクト層との間に、バルク半導体の電子障壁層を設けたｎＢｎ構造を有する光検出素子が開示されている。非特許文献１の光検出素子は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とを交互に積層させたタイプ２超格子構造の受光層を含む。また、非特許文献１の光検出素子は、バルクのアルミニウム・ガリウム・アンチモン（Ａｌ0.4ＧａＳｂ）層を電子障壁層として含む。非特許文献１の光検出素子によれば、負極側のｎ型コンタクト層と受光層との間に、電子に対してポテンシャルの壁となる電子障壁層を導入することによって、暗電流を低下させることができる。【０００６】
非特許文献２には、ＧａＳｂ基板上に、タイプ１超格子構造の電子障壁層と、タイプ２超格子構造の受光層とを積層させた光検出素子が開示されている。非特許文献２の光検出素子は、ＩｎＡｓ層とアルミニウム・アンチモン（ＡｌＳｂ）層とＧａＳｂ層とを交互に積層させたタイプ２超格子構造の受光層を含む。また、非特許文献２の光検出素子は、アルミニウム・ヒ素・アンチモン（ＡｌＡｓ0.1Ｓｂ）層とＧａＳｂ層とを交互に積層させたタイプ１超格子構造の電子障壁層を含む。【０００７】
非特許文献１や非特許文献２の光検出素子を用いて赤外線センサアレイを構成する場合、半導体微細加工プロセスを経て、シリコン基板上に形成した読み出し回路と、ＧａＳｂ基板上に形成した光検出素子とをフリップチップ接合する。そのように構成した光検出素子では、ＧａＳｂ基板の裏面から赤外線を入射させるが、ＧａＳｂ基板の赤外線の透過率が低いため、ＧａＳｂ基板の厚さによっては十分な感度が得られない。そのため、非特許文献１および非特許文献２の光検出素子を用いて赤外線検出器を構成する場合、ＧａＳｂ基板をできる限り薄く加工することが望ましい。しかしながら、ＧａＳｂ基板を薄くしすぎると、十分な強度が得られない可能性があった。【０００８】
特許文献１には、インジウム・リン（ＩｎＰ）基板を用いた受光素子について開示されている。ＩｎＰ基板は、３〜１２マイクロメートルの波長領域の赤外光の吸収率が低い。そのため、非特許文献１や非特許文献２の光検出素子をＩｎＰ基板上に構成できれば、光検出素子の感度と基板の強度とを両立できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第５９７５４１７号公報
【特許文献２】特開２００７−１８４５１２号公報
【特許文献３】特開２００６−１８６１８３号公報
【特許文献４】特開平０７−０８６６７８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｊ．Ｂ．Ｒｏｄｒｉｇｕｅｚ，  Ｅ．Ｐｌｉｓ，Ｇ．Ｂｉｓｈｏｐ，  Ｙ．Ｄ．Ｓｈａｒｍａ，  Ｈ．Ｋｉｍ，  Ｌ．Ｒ．Ｄａｗｓｏｎ，  Ｓ．Ｋｒｉｓｈｎａ，  “ｎＢｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ  ｔｙｐｅ−ＩＩ  ｓｔｒａｉｎｅｄ  ｌａｙｅｒ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．９１，  ０４３５１４，  ２００７
【非特許文献２】Ａ．Ｈａｄｄａｄｉ，  Ｒ．Ｃｈｅｖａｌｌｉｅｒ，  Ａ．Ｄｅｈｚａｎｇｉ，  Ｍ．Ｒａｚｅｇｈｉ，  “Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  ｓｈｏｒｔ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｎＢｎ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｔｙｐｅ−ＩＩ  ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ  ｗｉｔｈ  ａｎ  ＡｌＡｓＳｂ／ＧａＳｂ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｂａｒｒｉｅｒ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．１１０，  １０１１０４，  ２０１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
非特許文献２のように、タイプ１超格子構造の電子障壁層を用いれば、タイプ１超格子を構成するＧａＳｂ層の厚さを調整することによって、電子障壁層と受光層の正孔ミニバンドを略一致させることができる。電子障壁層と受光層の正孔ミニバンドを略一致させることができれば、受光層で生成された正孔の伝導が妨げられないので、動作バイアスを低減できる。しかしながら、非特許文献２の光検出器では、短波長領域の赤外線の透過率の低いＧａＳｂ基板を用いるため、赤外線の透過率を向上させるためにＧａＳｂ基板を薄く加工する必要があり、赤外線の透過率と基板の強度との間にトレードオフの関係が発生する。【００１２】
特許文献１の受光素子は、短波長領域の赤外線の透過率が高いＩｎＰ基板を用いるため、赤外線の透過率と基板の強度との間のトレードオフの関係を解消できる。そのため、特許文献１のＩｎＰ基板上に、非特許文献２のタイプ１超格子構造の電子障壁層を含む光検出素子を形成できれば、基板の強度と感度とを両立できる。【００１３】
しかしながら、ＩｎＰの格子定数は５．８６８６オングストロームであり、ＧａＳｂ基板およびＧａＳｂ層に格子整合したＡｌＡｓ0.10Ｓｂの格子定数は６．０９５９オングストロームであり、格子定数が３％以上異なる。すなわち、非特許文献２のタイプ１超格子構造（ＡｌＡｓ0.10Ｓｂ／ＧａＳｂ）の電子障壁層と、特許文献１のＩｎＰ基板上に格子整合するように成長したタイプ２超格子構造の受光層とは格子整合していない。そのため、特許文献１のＩｎＰ基板に、非特許文献２のタイプ１超格子構造の電子障壁層を適用すると、電子障壁層と受光層との間に転移が生じ、その転移に起因した暗電流が発生するという問題点があった。【００１４】
本発明の目的は、上述した課題を解決し、所望の波長領域の赤外線に対する感度が高く、暗電流の発生が抑制された光検出素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様の光検出素子は、所望の波長領域の赤外線の透過率の高い基板と、基板の上方に形成され、基板と格子整合するタイプ１超格子構造の電子障壁層と、電子障壁層に接して形成されるタイプ２超格子構造の受光層とを備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、所望の波長領域の赤外線に対する感度が高く、暗電流の発生が抑制された光検出素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の構造の一例を示す概念図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子に含まれる受光層と電子障壁層のバンドギャップについて説明するための概念図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子に含まれる超格子構造のミニバンドの基底状態のエネルギーと波動関数の数値計算結果を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の変形例に係る光検出素子の構造の一例を示す概念図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の製造方法について説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の受光層をアレイ状に形成する一例を示す概念図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子と読み出し回路とをフリップチップ接合する一例について説明するための概念図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の構造の一例を示す概念図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の伝導帯端および価電子帯端について説明するための概念図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る光検出素子の構造の一例を示す概念図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る赤外線検出装置の構成の一例を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由がない限り、同様箇所には同一符号を付す。また、以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。
【００１９】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る光検出器について図面を参照しながら説明する。本実施形態の光検出素子は、所望の波長領域の赤外線の透過率の高い基板上に、タイプ１超格子構造の電子障壁層と、タイプ２超格子構造の受光層とを積層した構成を含む。本実施形態においては、短波長領域（１．４〜３．０マイクロメートル）の赤外線の透過率の高いインジウム・リン（ＩｎＰ）基板を用いる例について説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態の光検出素子１０の構成の一例を示す模式図である。図１のように、光検出素子１０は、基板１１、バッファ層１２、第１コンタクト層１３、電子障壁層１４、受光層１５、および第２コンタクト層１６を備える。光検出素子１０は、電子障壁層１４および受光層１５が、ｎ型の第１コンタクト層１３と、ｎ型の第２コンタクト層１６によって挟まれた構造（ｎｉｎ型）を有する。なお、図１は、光検出素子１０の構成を概念的に示すものであり、各層の縮尺を正確に表していない。
【００２１】
基板１１は、所望の赤外線の透過率が高い基板である。以下においては、基板１１としてＩｎＰ基板を用いる例について説明する。ＩｎＰは、ガリウム・アンチモン（ＧａＳｂ）と比較すると、広い波長領域において赤外線吸収率が低い。不純物をドープしていない状態のＩｎＰの格子定数は、５．８６８６オングストロームである。なお、基板１１には、不純物をドープしていなくてもよいし、不純物をドープしてもよい。
【００２２】
バッファ層１２は、基板１１の上面に形成される。バッファ層１２は、基板１１の上面の面方位に倣って結晶成長した層である。バッファ層１２は、基板１１と同じ材料で構成する。本実施形態においては、基板１１と同様に、バッファ層１２にもＩｎＰを用いる。
【００２３】
第１コンタクト層１３は、バッファ層１２の上面に形成される。第１コンタクト層１３は、ｎ型ドーパントを含む。例えば、第１コンタクト層１３のｎ型ドーパントには、ケイ素（Ｓｉ）を用いることができる。第１コンタクト層１３は、バッファ層１２と同じ組成（ＩｎＰ）でもよいし、ＩｎＰと格子整合する他の半導体組成であってもよい。例えば、第１コンタクト層１３には、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓを用いることができる。
【００２４】
電子障壁層１４は、第１コンタクト層１３の上面に積層される。電子障壁層１４は、タイプ１超格子構造を有する。電子障壁層１４に含まれるタイプ１超格子構造は、少なくとも２種類の層（第１障壁層・第２障壁層）を短周期で交互に積層させた構造を有する。以下においては、第１障壁層と第２障壁層とを交互に積層したタイプ１超格子構造を含む電子障壁層１４を例に挙げて説明する。なお、電子障壁層１４は、３種類以上の層を組み合わせて構成してもよい。
【００２５】
タイプ１超格子構造は、バンドギャップの大きい材料によって構成される層（第１障壁層）によって、バンドギャップの小さい材料によって構成される層（第２障壁層）を挟み込んだ構造を有する。タイプ１超格子構造では、電子と正孔が閉じ込められる場所が空間的に同じである。
【００２６】
以下において、電子障壁層１４は、第１障壁層としてアルミニウム・ヒ素・アンチモン（ＡｌＡｓ0.55Ｓｂ）層を含み、第２障壁層としてガリウム・ヒ素・アンチモン（ＧａＡｓ0.55Ｓｂ）層を含む例を挙げる。これ以降、ＡｌＡｓ0.55Ｓｂ層とＧａＡｓ0.55Ｓｂ層とを交互に積層したタイプ１超格子構造をＡｌＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂと記載する。例えば、電子障壁層１４は、ＡｌＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂを数１０ペア積層させて構成できる。ただし、電子障壁層１４の積層数は、ここで挙げた限りではない。
【００２７】
電子障壁層１４を構成するタイプ１超格子構造の格子定数は、基板１１を構成する材料の格子定数と整合させる。例えば、基板１１をＩｎＰで構成する場合、電子障壁層１４を構成するタイプ１超格子構造の格子定数は、ＩｎＰの格子定数（５．８６８６オングストローム）と整合させる。
【００２８】
ＭａｔｔｈｅｗｓとＢｌａｋｅｓｌｅｅの力学的平衡理論によれば、格子不整合が１％を超えると臨界膜厚がナノメートルオーダーとなり、超格子の結晶品質が保たれなくなる。そのため、電子障壁層１４を構成するタイプ１超格子構造と、基板１１を構成する材料（ＩｎＰ）とが格子整合する条件（格子整合条件）は、電子障壁層１４とＩｎＰの格子定数との差が１パーセント以下であることが好ましい。言い換えると、電子障壁層１４と基板１１の格子定数の不整合が１パーセント未満であることが好ましい。なお、臨界膜厚とは、それ以上積層するとヘテロ界面にミスフィット転移が生じるようになる膜厚を指す。また、電子障壁層１４を構成するタイプ１超格子構造と、基板１１を構成する材料（ＩｎＰ）との格子整合条件は、より好ましくは０．５パーセント以下、さらに好ましくは０．２パーセント以下である。
【００２９】
例えば、電子障壁層１４を構成するタイプ１超格子構造には、基板１１（ＩｎＰ）と格子整合する範囲で他の半導体組成を含んでいても構わない。例えば、電子障壁層１４には、基板１１に含まれるリン（Ｐ）が含まれてもよい。
【００３０】
電子障壁層１４の第１障壁層（ＡｌＡｓＳｂ）におけるＡｌ比率をｖ、Ｉｎ比率をｗ、Ａｓ比率をｘ、Ｓｂ比率をｙ（０≦ｖ、ｗ、ｘ、ｙ≦１）とすると、電子障壁層１４の組成は、以下の式１のように表記できる。
ＡｌvＩｎwＧａ1-v-wＡｓxＳｂyＰ1-x-y・・・（１）
上記の式１の表記には、ＡｌＡｓＳｂが含まれる。
【００３１】
同様に、電子障壁層１４の第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）におけるＩｎ比率をｓ、Ａｓ比率をｔ、Ｓｂ比率をｕ（０≦ｓ、ｔ、ｕ≦１）とすると、電子障壁層１４の組成は、以下の式２のように表記できる。
ＩｎsＧａ1-sＡｓtＳｂuＰ1-t-u・・・（２）
上記の式２の表記には、ＧａＡｓＳｂが含まれる。また、上記の式２の表記には、ＩｎＰや、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＩｎＳｂＰ、ＧａＳｂＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＳｂＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂＰが含まれる。
【００３２】
電子障壁層１４の第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）におけるＡｓ比率は、基板１１（ＩｎＰ）と格子整合する条件であればどのような値でも構わない。以下において、電子障壁層１４の第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）におけるＡｓ比率は、受光層１５の第２受光層（ＧａＡｓＳｂ）のＡｓ比率と同じ（０．５５）に設定する。
【００３３】
一方、電子障壁層１４の第１障壁層（ＡｌＡｓＳｂ）のＡｓ比率は、０．５６付近が最適値である。なぜならば、ＡｌＡｓの格子定数（５．６６０５オングストローム）とＡｌＳｂの格子定数（６．１３５５オングストローム）とを線形補間すると、Ａｓ比率が０．５６付近でＩｎＰの格子定数（５．８６８６オングストローム）になるからである。以下の例では、電子障壁層１４の第１障壁層（ＡｌＡｓＳｂ）のＡｓ比率を０．５５にする例について説明するが、ＩｎＰ基板と格子整合する条件を満たす限りこれに限らない。なお、ＡｌＡｓ0.55Ｓｂは、ＩｎＰとの格子定数の差は約０．１パーセントと見積もられ、上述した格子整合条件のうちで最も好ましい格子整合条件（０．２パーセント以下）を満たす。
【００３４】
受光層１５は、電子障壁層１４の上面に積層される。受光層１５は、タイプ２超格子構造を有する。受光層１５に含まれるタイプ２超格子構造は、少なくとも２種類の層（第１受光層・第２受光層）を短周期で交互に積層させた構造を有する。以下においては、第１受光層と第２受光層とを交互に積層したタイプ２超格子構造を含む受光層１５を例に挙げて説明する。なお、受光層１５は、３種類以上の層を組み合わせて構成してもよい。
【００３５】
タイプ２超格子構造では、隣接し合う第１受光層と第２受光層との間におけるミニバンド間遷移を利用して、実効的に小さなバンドギャップを形成させる。タイプ２超格子構造では、電子と正孔が閉じ込められる場所が空間的に異なる。言い換えると、タイプ２超格子構造では、電子と正孔とが異なる層に交互に閉じ込められる。
【００３６】
以下において、受光層１５は、第１受光層としてインジウム・ガリウム・ヒ素（Ｉｎ0.52ＧａＡｓ）層を含み、第２受光層としてＧａＡｓ0.55Ｓｂ層を含む例を挙げる。これ以降、Ｉｎ0.52ＧａＡｓ層とＧａＡｓ0.55Ｓｂ層とを交互に積層したタイプ２超格子構造をＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂと記載する。例えば、受光層１５は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを数１００ペア積層させて構成できる。ただし、受光層１５の積層数は、ここで挙げた限りではない。例えば、タイプ２超格子構造を有する受光層１５は、有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法、またはそれらに準ずる手法を用いて基板１１の上方に成長される。
【００３７】
受光層１５の結晶品質を高く保つためには、受光層１５を構成するタイプ２超格子構造の格子定数が基板１１を構成する材料の格子定数と整合していることが望ましい。例えば、基板１１をＩｎＰで構成する場合、受光層１５を構成するタイプ２超格子構造の格子定数は、ＩｎＰの格子定数（５．８６８６オングストローム）と整合させることが望ましい。受光層１５を構成するタイプ２超格子構造と、基板１１を構成する材料（ＩｎＰ）とが格子整合する条件（格子整合条件）は、受光層１５の格子定数とＩｎＰの格子定数との差が１パーセント以下であることが好ましい。また、受光層１５を構成するタイプ２超格子構造と基板１１を構成する材料（ＩｎＰ）との格子整合条件は、より好ましくは０．５パーセント以下、さらに好ましくは０．２パーセント以下である。
【００３８】
受光層１５には、基板１１を構成する材料（ＩｎＰ）と格子整合する条件を満たす範囲で、他の半導体組成が添加されていても構わない。例えば、受光層１５には、基板１１に含まれるリン（Ｐ）が含まれてもよい。例えば、受光層１５の第１受光層（Ｉｎ0.52ＧａＡｓ）におけるＩｎ比率をａ、Ａｓ比率をｂと表記し、第２受光層（ＧａＡｓ0.55Ｓｂ）におけるＡｓ比率をｃ、Ｓｂ比率をｄ（０≦ａ、ｂ、ｃ、ｄ≦１）とする。このとき、受光層１５の組成は、以下の式３のように表記できる。
ＩｎaＧａ1-aＡｓbＰ1-b／ＧａＡｓcＳｂdＰ1-c-d・・・（３）
上記の式３の表記には、Ｉｎ0.52ＧａＡｓ／ＧａＡｓ0.55Ｓｂが含まれる。
【００３９】
第２コンタクト層１６は、受光層１５の上面に積層される。第２コンタクト層１６は、ｎ型ドーパントを含む。例えば、ｎ型ドーパントには、Ｓｉを用いることができる。第２コンタクト層１６は、バッファ層１２と同じ組成（ＩｎＰ）でもよいし、ＩｎＰと格子整合する他の半導体組成であってもよい。例えば、第２コンタクト層１６には、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓを用いることもできる。
【００４０】
以上が、本実施形態の光検出素子１０の構成についての説明である。なお、上記の光検出素子１０の構成は一例であって、本実施形態の光検出素子１０の構成を限定するものではない。
【００４１】
〔バンド構造〕
続いて、光検出素子１０に含まれる受光層１５のバンド構造について図面を参照しながら説明する。
【００４２】
図２は、光検出素子１０に含まれる受光層１５のバンドギャップについて説明するための概念図である。図２では、横軸が積層方向を示し、縦軸がエネルギーを示す。図２には、図面の右から左に向けて、第１コンタクト層１３、電子障壁層１４、受光層１５を積層した構成を示す。
【００４３】
図２では、電子障壁層１４および受光層１５を構成する各層のバンドギャップ部分を長方形（ハッチング）で示す。各層のバンドギャップを表す長方形の上辺が伝導帯の底を示し、長方形の下辺が価電子帯の頂上を示す。また、図２には、電子障壁層１４の電子ミニバンド１４１（一点鎖線）、受光層１５の電子ミニバンド１５１（破線）、電子障壁層１４および受光層１５の正孔ミニバンド１６１（実線）を図示している。
【００４４】
図２には、説明の都合上、タイプ１超格子構造の電子障壁層１４（ＡｌＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ）と、タイプ２超格子構造の受光層１５（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）とを３層ずつ図示している。実際には、例えば、電子障壁層１４としてＡｌＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂを数１０ペア、受光層１５としてＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを数１００ペア積層させる。ただし、電子障壁層１４を構成するタイプ１超格子構造および受光層１５を構成するタイプ２超格子構造の積層数は、ここで挙げた限りではない。
【００４５】
図３は、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂのそれぞれを５ｎｍの膜厚で２０ペア積層させたタイプ２超格子構造において、正孔ミニバンドおよび電子の基底状態のエネルギーと波動関数とを数値計算した結果を示す（ｎｍ：ナノメートル）。図３には、電子ミニバンドの波動関数１３１、電子ミニバンドの基底状態エネルギー１３２、正孔ミニバンドの基底状態エネルギー１３３、正孔ミニバンドの波動関数１３４、およびＩｎＰの価電子帯の底１３５を図示する。また、図３中の破線は、ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂの伝導帯および価電子帯の底を示す。数値計算の結果、ＩｎＰの価電子帯底をエネルギーの原点とすると、正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーは、８１３ｍｅＶと算出された（ｍｅＶ：ミリ電子ボルト）。
【００４６】
ここで、電子障壁層１４の膜厚について説明する。タイプ１超格子構造のＡｌＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ超格子は、タイプ２超格子構造のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子よりも価電子帯オフセットが大きい。そのため、タイプ１超格子構造のＡｌＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ超格子の方が、タイプ２超格子構造のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子よりも、正孔にとって量子井戸の閉じ込めが強くなる。そのため、ＡｌＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ超格子を受光層１５と同じく膜厚（例えば、５ｎｍ）のペアで作製すると、正孔ミニバンドの基底状態エネルギーはＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子よりも小さくなる。すなわち、電子障壁層１４においては、正孔ミニバンドの基底状態エネルギーと、ＧａＡｓＳｂ層の価電子帯の底とのエネルギー差が大きくなり、正孔ミニバンドのエネルギーが受光層１５と不連続になる。
【００４７】
正孔ミニバンドのエネルギーは、電子障壁層１４の第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ層）の厚さを変えることによって受光層１５と揃うように調整できる。例えば、図３の受光層１５の場合と同様に正孔ミニバンドの基底状態エネルギーを数値計算すると、ＡｌＡｓＳｂ（５ｎｍ）／ＧａＡｓＳｂ（５．２８４ｎｍ）超格子では、電子障壁層１４の正孔ミニバンド基底状態のエネルギーが８１３ｍｅＶになる。すなわち、電子障壁層１４をＡｌＡｓＳｂ（５ｎｍ）／ＧａＡｓＳｂ（５．２８４ｎｍ）で構成すれば、ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）／ＧａＡｓＳｂ（５ｎｍ）の構成の受光層１５と正孔ミニバンドのエネルギーが揃う。
【００４８】
すなわち、電子障壁層１４の第２障壁層の膜厚は、正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーが受光層１５と揃うように調整されることが好ましい。
【００４９】
〔変形例〕
次に、本実施形態の光検出素子１０の変形例について図面を参照しながら説明する。図４は、本変形例の光検出素子１０−１の構造の一例を示す模式図である。図４のように、光検出素子１０−１は、第１コンタクト層１３と電子障壁層１４とによって受光層１５を挟む構造を有する。光検出素子１０−１のその他の構成は、図１の光検出素子１０と同様である。
【００５０】
すなわち、本実施形態のように、２つのｎ型コンタクト層によって受光層１５を挟む構造では、２つのｎ型コンタクト層の間に位置する電子障壁層１４と受光層１５との積層順番は問われない。
【００５１】
〔製造方法〕
次に、光検出素子１０の製造方法について図面を参照しながら説明する。図５は、光検出素子１０の製造方法について説明するためのフローチャートである。
【００５２】
図５において、まず、基板１１（ＩｎＰ）の上面に、バッファ層１２（ＩｎＰ）を５００ｎｍ程度積層する（ステップＳ１１）。
【００５３】
次に、バッファ層１２（ＩｎＰ）の上面に、第１コンタクト層１３（ｎ型）を５００〜１０００ｎｍ程度積層する（ステップＳ１２）。第１コンタクト層１３の組成は、バッファ層１２と同じくＩｎＰでもよいし、ＩｎＰと格子整合する他の半導体組成（ＩｎＧａＡｓなど）であってもよい。第１コンタクト層１３のｎ型ドーパントには、Ｓｉなどを用いることができる。
【００５４】
次に、第１コンタクト層１３の上面に、数１０ペア（数１００ｎｍ）のＡｌＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂで構成したタイプ１超格子構造の電子障壁層１４を積層する（ステップＳ１３）。ＡｌＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂのペアは、第１障壁層（ＡｌＡｓＳｂ）から積層し始めてもよいし、第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）から積層し始めてもよいが、電子障壁層１４の最上層は第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）にする。すなわち、ＡｌＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂのペアを第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）から積層し始めた場合、第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）を最上層として追加する。
【００５５】
次に、電子障壁層１４の上面に、数１００ペア（１〜３マイクロメートル）のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂで構成したタイプ２超格子構造の受光層１５を積層する（ステップＳ１４）。電子障壁層１４の最上層が第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）であるので、受光層１５は、第１受光層（ＩｎＧａＡｓ）から積層し始める。受光層１５の最上層は、最後のペアの第２受光層（ＧａＡｓＳｂ）でもよいし、第１受光層（ＩｎＧａＡｓ）を追加してもよい。
【００５６】
そして、受光層１５の上面に、第２コンタクト層１６（ｎ型）を５００〜１０００ｎｍ程度積層する（ステップＳ１５）。第２コンタクト層１６の組成は、第１コンタクト層１３と同様にＩｎＰでもよいし、ＩｎＰと格子整合する他の半導体組成（ＩｎＧａＡｓなど）であってもよい。
【００５７】
以上が、本実施形態の光検出素子１０の製造方法についての説明である。なお、図５のフローチャートに沿った光検出素子１０の製造方法は一例であって、本実施形態の光検出素子１０の製造方法を限定するものではない。
【００５８】
〔赤外線検出素子〕
次に、本実施形態の光検出素子１０を加工して製造される赤外線検出素子について図面を参照しながら説明する。
【００５９】
図６は、基板１１の上面に形成した赤外線検出構造を複数のメサ構造１１０（検出単位とも呼ぶ）に加工した赤外線検出素子１００の一例を示す模式図である。メサ構造１１０の最上端には、第２コンタクト層の最上面に形成させた上部電極が位置する。
【００６０】
メサ構造１１０は、フォトリソグラフィーやウエットエッチングなどの微細加工プロセスを用いて形成できる。メサ構造１１０の上端に、金属蒸着とアニーリングによって電極構造を作製すれば、アレイ状に配列された検出単位を有する赤外線検出素子１００を製造できる。
【００６１】
図７は、読み出し回路１２０に赤外線検出素子１００をフリップチップ接合して構成した赤外線センサアレイ１３０の一例を示す模式図である。赤外線センサアレイ１３０は、赤外線検出素子１００と、シリコン基板上に形成させた読み出し回路とをフリップチップ接合することによって製造できる。
【００６２】
例えば、赤外線センサアレイ１３０の作製プロセスは、非特許文献３に開示されている。
（非特許文献３：Ｈ．Ｓ．Ｋｉｍ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｍｉｄ−ＩＲ  ｆｏｃａｌ  ｐｌａｎｅ  ａｒｒａｙ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｔｙｐｅ−ＩＩ  ｓｔｒａｉｎ  ｌａｙｅｒ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ｎＢｎ  ｄｅｓｉｇｎ，”  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．９２，  １８３５０２，  ２００８）
赤外線検出素子１００を動作させるためには、第１コンタクト層１３に形成した下部電極（図示しない）と、第２コンタクト層１６に形成した上部電極（図示しない）との間にバイアス電圧を印加する。より具体的には、下部電極側（第１コンタクト層１３側）が負バイアスとなるような電圧を印加する。基板１１の裏面から赤外線が入射すると、受光層１５において電子と正孔とが生成される。第１コンタクト層１３と第２コンタクト層１６との間にバイアス電圧が印加されているため、電子は上部電極側（第２コンタクト層１６側）に伝導し、正孔は下部電極側（第１コンタクト層１３側）に伝導する。
【００６３】
以上のように、本実施形態の光検出素子は、所望の波長領域の赤外線の透過率の高い基板と、基板の上方に形成され、基板と格子整合するタイプ１超格子構造の電子障壁層と、電子障壁層に接して形成されるタイプ２超格子構造の受光層とを備える。例えば、本実施形態では、所望の波長領域の赤外線の透過率の高い基板としてＩｎＰ基板を用いる。
【００６４】
そのため、本実施形態の光検出素子によれば、基板側のコンタクト層と受光層との間に位置する電子障壁層がドリフト電流や拡散電流を阻害し、赤外線によって生成されるキャリアとは無関係に流れる暗電流を抑制できる。
【００６５】
また、本実施形態の光検出素子では、電子障壁層の正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーが、受光層の正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーと略一致しているため、下部電極側への正孔の伝導が妨げられることがない。そのため、本実施形態の光検出素子によれば、動作バイアス電圧を過度に印加する必要がない。
【００６６】
例えば、本実施形態において、電子障壁層が第１障壁層と第２障壁層とを含み、第２障壁層の膜厚は、正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーが受光層と揃うように調整される。
【００６７】
例えば、本実施形態においては、第１障壁層がＡｌＡｓＳｂで構成され、第２障壁層がＧａＡｓＳｂで構成される。電子障壁層を構成する第１障壁層（ＡｌＡｓＳｂ）と第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）のＡｓ比率を同じにすれば、第１障壁層と第２障壁層との間で成長させる層を切り替える際に、ＡｓとＳｂのフラックスを変える必要がない。例えば、電子障壁層をＭＢＥで成長させる際には、フラックスを変えるために原料セルの温度の変更に相応の時間を要する。そのため、本実施形態において、第１障壁層（ＡｌＡｓＳｂ）と第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）のＡｓ比率を同じにすれば、ＡｓとＳｂのセルの温度を変える必要がなく、電子障壁層の成長時間を短縮できる。
【００６８】
例えば、受光層は、第１受光層と第２受光層とを含む。例えば、第１受光層がＩｎＧａＡｓで構成され、第２受光層がＧａＡｓＳｂで構成される。電子障壁層の第２障壁層（ＧａＡｓＳｂ）と受光層の第２受光層（ＧａＡｓＳｂ）とのＡｓ比率を同じにすれば、電子障壁層の最端部のＧａＡｓＳｂ層と受光層の最端部のＧａＡｓＳｂ層とを共通にできる。電子障壁層の最端部の層と受光層の最端部の層とを共通にすると、電子障壁層と受光層との境界における正孔ミニバンド基底状態のエネルギーおよび波動関数の連続性が高くなる。そのため、正孔の伝導度を高く保つことができ、動作バイアスを過度に印加する必要がなくなるという効果をより高めることができる。
【００６９】
以上のように、本実施形態の光検出素子によれば、所望の波長領域における赤外線透過率の高い基板上に、タイプ１超格子を含む電子障壁層を形成する際に発生し得る転移に起因する暗電流を抑制できる。すなわち、本実施形態によれば、所望の波長領域の赤外線に対する感度が高く、暗電流の発生が抑制された光検出素子を提供できる。
【００７０】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る光検出素子について図面を参照しながら説明する。本実施形態の光検出素子は、２つのコンタクト層のいずれか一方がｐ型ドーパントを含む点で第１の実施形態とは異なる。以下において、第１の実施形態の光検出素子１０と同様の構成・機能については説明を省略する場合がある。
【００７１】
図８は、本実施形態の光検出素子２０の構成の一例を示す模式図である。図８のように、光検出素子２０は、基板２１、第１バッファ層２２、第１コンタクト層２３、電子障壁層２４、受光層２５、第２バッファ層２６、および第２コンタクト層２７を備える。光検出素子２０は、電子障壁層２４および受光層２５が、ｐ型の第１コンタクト層２３と、ｎ型の第２コンタクト層２７によって挟まれた構造（ｐｉｎ型）を有する。なお、図８は、光検出素子２０の構成を概念的に示すものであり、各層の縮尺を正確に表していない。
【００７２】
基板２１は、所望の赤外線の透過率が高い基板である。基板２１は、第１の実施形態の基板１１と同様である。
【００７３】
第１バッファ層２２は、基板２１の上面に形成される。第１バッファ層２２は、第１の実施形態のバッファ層１２と同様である。
【００７４】
第１コンタクト層２３は、第１バッファ層２２の上面に形成される。第１コンタクト層２３は、
ｐ型ドーパントを含む。例えば、第１コンタクト層２３のｐ型ドーパントには、ベリリウム（Ｂｅ）や亜鉛（Ｚｎ）を用いることができる。第１コンタクト層２３は、第１バッファ層２２と同じ組成（ＩｎＰ）でもよいし、ＩｎＰと格子整合する他の半導体組成であってもよい。例えば、第１コンタクト層２３には、ＩｎＰではなく、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓなどを用いることもできる。なお、第１コンタクト層２３をｎ型とし、第２コンタクト層２７をｐ型としてもよい。
【００７５】
電子障壁層２４は、第１コンタクト層２３の上面に積層される。電子障壁層２４は、タイプ１超格子構造を有する。電子障壁層２４は、第１の実施形態の電子障壁層１４と同様である。
【００７６】
受光層２５は、電子障壁層２４の上面に積層される。受光層２５は、タイプ２超格子構造を有する。受光層２５は、第１の実施形態の受光層１５と同様である。
【００７７】
第２バッファ層２６は、受光層２５の上面に積層される。第２バッファ層２６は、第１の実施形態のバッファ層１２と同様に構成できる。なお、第２バッファ層２６の位置に、正孔の伝導に対する障壁層（正孔障壁層とも呼ぶ）を設けてもよい。正孔障壁層を含む構造は、ｐＢｉＢｎ構造と呼ばれる（非特許文献４を参照）。
（非特許文献４：Ｎ．Ｇａｕｔａｍ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｌｏｎｇｗａｖｅ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｔｙｐｅ−ＩＩ  ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ｕｎｉｐｏｌａｒ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒｓ，”  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．９６，  ２３１１０７，  ２０１０）
第２コンタクト層２７は、第２バッファ層２６の上面に積層される。第２コンタクト層２７は、ｎ型ドーパントを含む。第２コンタクト層２７は、第１の実施形態の第２コンタクト層１６と同様である。なお、第２コンタクト層２７がｐ型ドーパントを含み、第１コンタクト層２３がｎ型ドーパントを含むように構成してもよい。
【００７８】
第１の実施形態の光検出素子１０の構造（ｎｉｎ構造）において、電子障壁層１４は、第１コンタクト層１３と受光層１５との間でも、第２コンタクト層１６と受光層１５との間のいずれでもよい。一方で、本実施形態の光検出素子２０の構造（ｐｉｎ構造またはｎｉｐ構造）において、電子障壁層２４は、ｐ型の第１コンタクト層２３と受光層２５との間に配置する。なお、本実施形態の光検出素子２０において、第１コンタクト層２３をｎ型とし、第２コンタクト層２７をｐ型とする場合、電子障壁層２４は、ｐ型の第２コンタクト層２７と受光層２５との間に配置する。
【００７９】
図９は、バルク半導体における伝導帯端および価電子帯と、超格子構造における電子ミニバンドおよび正孔ミニバンドとを繋ぐように線描した概念図である。図９では、横軸が積層方向を示し、縦軸がエネルギーを示す。図９には、図面の右から左に向けて、第１コンタクト層２３、電子障壁層２４、受光層２５、第２バッファ層２６、第２コンタクト層２７を積層した構成を示す。
【００８０】
図９において、上の実線（２０１）がバルク半導体における伝導帯端と超格子構造における電子ミニバンドであり、下の実線（２０２）がバルク半導体における価電子帯端と超格子構造における正孔ミニバンドである。また、図９において、破線（２０３）がフェルミエネルギーである。図９によれば、電子の伝導に対して電子障壁層２４が障壁になっていること、および正孔の伝導に対して電子障壁層２４が障壁にならないことが一目で分かる。
【００８１】
以上のように、本実施形態の光検出素子においては、タイプ１超格子構造の電子障壁層が、ｐ型のコンタクト層と受光層との間に挟まれたｐｉｎ構造を有する。本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、所望の波長領域の赤外線に対する感度が高く、暗電流の発生が抑制された光検出素子を提供できる。
【００８２】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る光検出素子３０について図面を参照しながら説明する。本実施形態の光検出素子３０は、第１の実施形態の光検出素子１０や第２の実施形態の光検出素子２０を上位概念化した構成である。
【００８３】
図１０は、本実施形態の光検出素子３０の構成の一例を示す概念図である。図１０のように、光検出素子３０は、基板３１、電子障壁層３４、および受光層３５を備える。
【００８４】
基板３１は、所望の赤外線の透過率が高い基板である。基板３１は、第１の実施形態の基板１１と同様である。
【００８５】
電子障壁層３４は、基板３１の上方に形成される。電子障壁層３４は、基板３１と格子整合するタイプ１超格子構造を有する。電子障壁層３４は、第１の実施形態の電子障壁層１４と同様である。
【００８６】
受光層３５は、電子障壁層３４に接して形成される。例えば、受光層３５は、タイプ２超格子構造を有する。受光層３５は、第１の実施形態の受光層１５と同様である。なお、受光層３５は、バルク半導体で構成してもよい。
【００８７】
例えば、受光層３５がタイプ２超格子構造の場合、電子障壁層３４の正孔ミニバンドと、受光層３５の正孔ミニバンドの基底状態とが略一致する。また、受光層３５がバルク半導体の場合、電子障壁層３４の正孔ミニバンドと、受光層３５の価電子帯端とが略一致する。
【００８８】
例えば、基板３１は、ＩｎＰ基板である。例えば、電子障壁層３４および受光層３５のうち少なくとも一方がＰを含む。
【００８９】
例えば、電子障壁層３４は、第１障壁層と第２障壁層とを含む。例えば、第２障壁層の膜厚は、正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーが受光層３５と揃うように調整される。例えば、電子障壁層３４は、第１障壁層がＡｌＡｓＳｂで構成され、第２障壁層がＧａＡｓＳｂで構成される。例えば、第１障壁層および第２障壁層におけるＳｂに対するＡｓの比率が等しい。例えば、第１障壁層および第２障壁層に含まれるＶ族元素中におけるＡｓの比率が０．５５である。なお、Ｖ族元素とは、元素周期表の第１５族に属する元素の総称である。例えば、ＡｓやＳｂ、Ｐ等が代表的なＶ族元素である。
【００９０】
例えば、受光層３５は、第１受光層と第２受光層とを含む。例えば、第１受光層がＩｎＧａＡｓで構成され、第２受光層がＧａＡｓＳｂで構成される。例えば、電子障壁層に含まれる第２障壁層と、受光層に含まれる第２受光層とにおけるＳｂに対するＡｓの比率が等しい。例えば、電子障壁層と受光層との境界において、電子障壁層の第２障壁層と受光層の第２受光層とを共通とする。例えば、第１受光層に含まれるIII族元素中におけるＩｎの比率が０．５２であり、第２受光層に含まれるＶ族元素中におけるＡｓの比率が０．５５である。なお、III族元素とは、元素周期表の第１３族に属する元素の総称である。例えば、ＡｌやＩｎ、Ｇａ等が代表的なＶ族元素である。
【００９１】
本実施形態の光検出素子によれば、第１および第２の実施形態と同様に、所望の波長領域の赤外線に対する感度が高く、暗電流の発生が抑制された光検出素子を提供できる。
【００９２】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る赤外線検出装置（赤外線カメラとも呼ぶ）について図面を参照しながら説明する。本実施形態の赤外線検出装置は、第１〜第３の実施形態のいずれかの光検出素子を備える。
【００９３】
図１１は、本実施形態の赤外線検出装置４０の構成の一例を示す概念図である。図１１のように、赤外線検出装置４０は、赤外線光学系４１、赤外線検出素子４２、読み出し回路４３、および出力回路４４を備える。
【００９４】
赤外線光学系４１（赤外光学系とも呼ぶ）は、赤外線検出素子４２の受光部に赤外光を集光させるレンズを含む。赤外線光学系４１は、少なくとも１枚のレンズを含む。赤外線光学系４１のレンズは、赤外光の透過率が高く、赤外線検出素子４２の受光面に赤外光を屈折させる材料で構成される。例えば、赤外線光学系４１のレンズの材料には、ゲルマニウムやシリコン、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、カルコゲナイドガラスなどを適用できる。赤外線光学系４１のレンズは、検出対象の赤外光の波長によって選択すればよい。なお、赤外線光学系４１は、特定の波長領域の光を遮蔽したり、透過させたりするフィルタを含んでもよい。また、赤外線光学系４１は、赤外線検出素子４２の受光部に赤外光が導光されるための反射鏡や、赤外線の光量を制御するための絞りを含んでもよい。
【００９５】
赤外線検出素子４２は、第１〜第３の実施形態の光検出素子をアレイ状に加工することによって形成された赤外光検出構造を有する。言い換えると、赤外線検出素子４２は、所望の赤外線に対する透過率の高い基板上に、タイプ２超格子構造の受光層と、タイプ１超格子構造の電子障壁層とを積層した検出単位がアレイ状に配列された構造を有する。アレイ状に加工された赤外線検出素子４２の赤外光検出構造を構成する複数の検出単位のそれぞれが独立して赤外線を検知する。アレイ状に加工された赤外線検出素子４２の赤外光検出構造を構成する複数の検出単位のそれぞれが赤外画像の画素に対応する。
【００９６】
読み出し回路４３は、赤外線検出素子４２に接続される。例えば、読み出し回路４３は、図７のように、赤外線検出素子４２とフリップチップ接合される。赤外線検出素子４２と読み出し回路４３とによって、赤外線センサアレイが構成される。読み出し回路４３は、赤外線検出素子４２によって検出される赤外線を赤外線検出素子４２の検出単位（画素）ごとに読み出す。
【００９７】
出力回路４４は、読み出し回路４３によって検出される赤外光に基づいた信号を出力する。例えば、出力回路４４は、読み出し回路４３によって検出される赤外光に基づいた信号を外部のシステムに出力する。例えば、出力回路４４は、読み出し回路４３によって検出される赤外光に基づいた信号から赤外画像を生成し、生成した赤外画像を自装置に設置されたモニターに表示させてもよい。
【００９８】
赤外線検出装置４０は、赤外線検出素子４２を冷却する冷却装置を含んでもよい。例えば、赤外線検出素子４２を冷却する冷却装置にはペルチェ素子などを用いることができる。赤外線検出素子４２を低温に冷却すれば、熱雑音を低減できるため感度が向上する。また、赤外線検出素子４２を低温に冷却すれば、赤外光に対する応答速度を維持できる。
【００９９】
以上のように、本実施形態によれば、所望の波長領域の赤外線に対する感度が高く、暗電流の発生が抑制された光検出素子を搭載する赤外線カメラを提供できる。
【０１００】
以上、実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【０１０１】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
所望の波長領域の赤外線の透過率の高い基板と、
前記基板の上方に形成され、前記基板と格子整合するタイプ１超格子構造の電子障壁層と、
前記電子障壁層に接して形成されるタイプ２超格子構造の受光層とを備える光検出素子。
（付記２）
前記電子障壁層の正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーが、前記受光層の正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーと略一致する付記１に記載の光検出素子。
（付記３）
前記基板は、ＩｎＰ基板である付記１または２に記載の光検出素子。
（付記４）
前記電子障壁層は、
第１障壁層と第２障壁層とを含み、
前記第２障壁層の膜厚は、正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーが前記受光層と揃うように調整される付記１乃至３のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記５）
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層がＡｌＡｓＳｂで構成され、前記第２障壁層がＧａＡｓＳｂで構成される付記４に記載の光検出素子。
（付記６）
前記受光層は、
第１受光層と第２受光層とを含み、
前記第１受光層がＩｎＧａＡｓで構成され、前記第２受光層がＧａＡｓＳｂで構成される付記５に記載の光検出素子。
（付記７）
前記第１障壁層および前記第２障壁層におけるＳｂに対するＡｓの比率が等しい付記６に記載の光検出素子。
（付記８）
前記電子障壁層に含まれる前記第２障壁層と、前記受光層に含まれる前記第２受光層とにおけるＳｂに対するＡｓの比率が等しい付記６または７に記載の光検出素子。
（付記９）
前記電子障壁層と前記受光層との境界において、前記電子障壁層の前記第２障壁層と前記受光層の前記第２受光層とを共通とする付記８に記載の光検出素子。
（付記１０）
前記第１障壁層および前記第２障壁層に含まれるＶ族元素中におけるＡｓの比率が０．５５である付記６乃至９のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１１）
前記第１受光層に含まれるIII族元素中におけるＩｎの比率が０．５２であり、前記第２受光層に含まれるＶ族元素中におけるＡｓの比率が０．５５である付記６乃至１０のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１２）
前記電子障壁層および前記受光層のうち少なくとも一方がＰを含む付記６乃至１１のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１３）
前記電子障壁層および前記受光層を挟み込む２つのコンタクト層を備える付記１乃至１２のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１４）
２つの前記コンタクト層の両方がｎ型のドーパントを含む付記１３に記載の光検出素子。
（付記１５）
２つの前記コンタクト層の一方がｐ型のドーパントを含み、他方がｎ型のドーパントを含み、ｐ型のドーパントを含む前記コンタクト層と前記受光層との間に前記電子障壁層が配置される付記１３に記載の光検出素子。
（付記１６）
二つの前記コンタクト層の少なくともいずれかと前記基板との間に、前記基板と同一材料によって構成され、前記基板と格子整合するバッファ層を備える付記１３乃至１５のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１７）
前記受光層と前記コンタクト層との間に正孔障壁層が配置される付記１５または１６に記載の光検出素子。
（付記１８）
前記電子障壁層と前記基板の格子定数の不整合が１パーセント未満である付記１乃至１７のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記１９）
少なくとも前記電子障壁層および前記受光層を含む検出単位が基板上にアレイ状に配列された赤外線検出構造を有する付記１乃至１８のいずれか一項に記載の光検出素子。
（付記２０）
付記１９に記載の光検出素子と、
前記光検出素子とフリップチップ接合され、前記光検出素子によって検出される赤外光を前記検出単位ごとに読み出す読み出し回路と、
前記光検出素子の前記赤外線検出構造に赤外光を集光させる赤外光学系と、
前記検出単位ごとに検出される赤外光に基づいた信号を出力する出力回路とを備える赤外線検出装置。
【符号の説明】
【０１０２】
１０、２０、３０    光検出素子
１１、２１、３１    基板
１２    バッファ層
１３、２３    第１コンタクト層
１４、２４、３４    電子障壁層
１５、２５、３５    受光層
１６、２７    第２コンタクト層
２２    第１バッファ層
２６    第２バッファ層
４０    赤外線検出装置
４１    赤外線光学系
４２    赤外線検出素子
４３    読み出し回路
４４    出力回路
【図１】
2019215902.tif 000003
【図２】
2019215902.tif 000004
【図３】
2019215902.tif 000005
【図４】
2019215902.tif 000006
【図５】
2019215902.tif 000007
【図６】
2019215902.tif 000008
【図７】
2019215902.tif 000009
【図８】
2019215902.tif 000010
【図９】
2019215902.tif 000011
【図１０】
2019215902.tif 000012
【図１１】
2019215902.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】令和2年10月19日(2020.10.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の波長領域の赤外線の透過率の高い基板と、
前記基板の上方に形成され、前記基板と格子整合するタイプ１超格子構造の電子障壁層と、
前記電子障壁層に接して形成されるタイプ２超格子構造の受光層とを備える光検出素子。
【請求項２】
前記電子障壁層の正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーが、前記受光層の正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーと略一致する請求項１に記載の光検出素子。
【請求項３】
前記基板は、ＩｎＰ基板である請求項１または２に記載の光検出素子。
【請求項４】
前記電子障壁層は、
第１障壁層と第２障壁層とを含み、
前記第２障壁層の膜厚は、正孔ミニバンドの基底状態のエネルギーが前記受光層と揃うように調整される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項５】
前記電子障壁層は、
前記第１障壁層がＡｌＡｓＳｂで構成され、前記第２障壁層がＧａＡｓＳｂで構成される請求項４に記載の光検出素子。
【請求項６】
前記受光層は、
第１受光層と第２受光層とを含み、
前記第１受光層がＩｎＧａＡｓで構成され、前記第２受光層がＧａＡｓＳｂで構成される請求項５に記載の光検出素子。
【請求項７】
前記電子障壁層および前記受光層を挟み込む２つのコンタクト層を備える請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項８】
二つの前記コンタクト層の少なくともいずれかと前記基板との間に、前記基板と同一材料によって構成され、前記基板と格子整合するバッファ層を備える請求項７に記載の光検出素子。
【請求項９】
少なくとも前記電子障壁層および前記受光層を含む検出単位が基板上にアレイ状に配列された赤外線検出構造を有する請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光検出素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の光検出素子と、
前記光検出素子とフリップチップ接合され、前記光検出素子によって検出される赤外光を前記検出単位ごとに読み出す読み出し回路と、
前記光検出素子の前記赤外線検出構造に赤外光を集光させる赤外光学系と、
前記検出単位ごとに検出される赤外光に基づいた信号を出力する出力回路とを備える赤外線検出装置。
【国際調査報告】
2019215902.tif 000014
2019215902.tif 000015
2019215902.tif 000016
2019215902.tif 000017