(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成され、量子井戸構造を有する光吸収層と、
前記光吸収層の上に形成された光透過層と、
前記光透過層の上面に形成され、第１の楕円曲線と該第１の楕円曲線を囲み楕円の中心が同じで長軸が直交する第２の楕円曲線とで挟まれる形状を、該第２の楕円曲線の長軸と短軸に沿って４分割した形状を含み、且つ断面が１段のステップ形状の溝を有する回折パターンと
を有することを特徴とする赤外線検知器。
【請求項２】
前記溝は前記回折パターンの最上面に対して１段のステップ形状を有することを特徴とする請求項１記載の赤外線検知器。
【請求項３】
前記回折パターンは、反射膜で覆われていることを特徴とする請求項１記載の赤外線検知器。
【請求項４】
前記回折パターンは、前記基板側から前記光吸収層を通過した光を回折し、前記光吸収層の面に平行に近い角度で強く、かつ前記光吸収層の面に垂直な線から１８度近い角度で弱くなる光強度分布を付与することを特徴とする請求項１記載の赤外線検知器。
【請求項５】
前記回折パターンを構成する前記溝は、前記光吸収層の吸収波長の半分よりも小さな値の深さを有していることを特徴とする請求項１記載の赤外線検知器。
【請求項６】
前記回折パターンのうち前記溝が形成されている領域の面積とされていない面積が等しいことを特徴とする請求項１記載の赤外線検知器。
【請求項７】
前記光吸収層は、多重量子井戸層、量子細線又は量子箱のいずれかの構造を有していることを特徴とする請求項１記載の赤外線検知器。
【請求項８】
前記多重量子井戸層は、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとを交互に複数重ねた構造を有していることを特徴とする請求項７記載の赤外線検知器。
【請求項９】
基板上に量子井戸構造を有する光吸収層を形成する工程と、
前記光吸収層の上に光透過層を形成する工程と、
第１の楕円曲線と該第１の楕円曲線を囲み楕円の中心が同じで長軸が直交する第２の楕円曲線とで挟まれる形状を、該第２の楕円曲線の長軸と短軸に沿って４分割した形状を有するパターンが形成されたマスクを前記光透過層の上に形成する工程と、
前記マスクに覆われない領域の前記光透過層をエッチングすることにより、前記光透過層に回折パターンを形成する工程と、
前記マスクを除去する工程と
を有することを特徴とする赤外線検知器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線検知器とその製造方法に関し、より詳しくは、焦点面アレイを有する多重量子井戸構造の赤外線検知器とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
焦点面アレイを有する多重量子井戸赤外線検出器（ＱＷＩＰ(quantum-well infrared photodetectors)）は、波長８〜１２μｍの範囲の赤外線の像を検出するために使用されている。
そのような多重量子井戸（ＭＱＷ）赤外線検出器は、例えばB. F. Levine, J. Appl. Phys. 74 (8), 15 October 1993に記載されている。
【０００３】
その多重量子井戸赤外線検出器は、AlGaAsとGaAsを交互に形成してなるＭＱＷ構造を有するGaAs基板から構成されている。そのＭＱＷ層は、リソグラフィーによってパターニングされて断面メサ形状の複数の素子又は断面メサ形状の複数の画素となる。そのようなＭＱＷ層を有する赤外線検出器としては、例えば図１に示すような構造のものがある。
【０００４】
図１(a),(b) において、GaAs基板１の上にはＭＱＷ層２を有する構造が形成され、さらにＭＱＷ層２はリソグラフィー法による溝３によって区切られ、区切られた部分にはシリコン基板９内の半導体回路（図示せず）が接続されている。そして、溝３によって区切られた領域は、画素ｐｘとなる。
赤外線は、GaAs基板１の裏側から照射される。照射される赤外線などの電磁波はGaAs基板１面に平行な成分Ｅy とＥx を有する。さらに、その赤外線検知器の１つの画素領域における断面構造は、例えば図２に示すようになっている。
【０００５】
図２において、ｎ型GaAs基板１の上には、GaAsよりなるｎ型層１ａ、ＭＱＷ層２、GaAsよりなるｎ型層３が順に形成されている。そのｎ型層３の上面には回折格子４が形成されている。また、さらに、その回折格子４の上にはインジウムよりなるバンプ５を介してシリコン基板９に接続されている。なお、図２において符号６は隣合う画素を分割するための溝を示している。
【０００６】
GaAs基板１を通して画素に入った赤外線などの電磁波は、ＭＱＷ層２での光誘導電子遷移によって検知される。そして、１画素の赤外線検出器において受光された光は電流に変換され、シリコン基板９に形成された電子回路（不図示）に出力されることになる。
しかし、そのＭＱＷ層は、エピタキシャル面に垂直な電界の成分を有する電磁波のみを吸収する。これは、通常、吸収されるべき入射電磁波方向について、検知器の画素の内部でその方向に変えることが要求されているということを意味する。
【０００７】
入射電磁波の方向を変化させるためには、図２に示すように、画素の上面でエッチングにより形成された回折格子４が使用されている。回折格子４により回折された電磁波は、総合的な内部反射によって画素内に閉じ込められる。
ＱＷＩＰにおいて、電磁波の吸収を容易にするためのいくつかの構成のうちの光結合の構成は、上記したLevineの文献において評論されている。
【０００８】
光結合についての研究は、基板の縁に研磨によって形成された角度４５°傾斜面を通してＭＱＷ層に光を照射する単純な方法から始まっている。
結合係数の改善は、初期の研究では、面上に形成された金属製の細長い格子によってなされ、この格子は９０°に近い角度で光を回折することができる。その後に、基板上の反射層の内部に一次元又は二次元の周期的格子をエッチングにより形成することによって、角度４５°傾斜面の光結合形状の場合に比べて、一次元周期格子では結合係数が２倍、二次元周期格子では結合係数が４倍とそれぞれ改善されている。
【０００９】
二次元の周期的格子としては図３(a) に示す周期的格子４があり、１つのユニット４ａの中央には図３(b),(c) に示すような１つの凹部４ｂがエッチングによって形成され、そのユニット４ａは図３(a) に示すように縦横に複数配置された構造を有している。
Andersonらは、J. Appl. Phys. 71(7), 1 April 1992, pp.3600-3610又はＵＳＰ 5,229,614において、理論的な分析について詳述しそして実験を行なって、８〜１０μｍの波長範囲で、傾斜角度４５°による結合形状に比べて光結合係数が２〜３倍に達成していることを示している。しかしながら、図３に示すような、反射層（３）内での周期格子は、反射膜内でＭＱＷ層２を通る２つの光の経路を形成しているだけである。
【００１０】
Sarusi等は、Appl. Phys. Lett. 64(1994), pp.960-962において、スード（疑似）ランダム格子を採用することによってＭＱＷ層を通る経路の数を増加し、さらにスードランダム格子によって角度４５°傾斜面の光結合よりも結合効率が約１４倍になること、を示している。なお、ピーク応答波長が１６．４μｍでは、角度４５°傾斜面によるカップリングの結合係数に比べて８倍の結合係数が得られることが実験的に実証された。これらの実験での画素への光の閉じ込めは薄いGaAs基板によって達成されている。
【００１１】
スードランダム格子は、例えば図４に示すように高さが異なる３段の面４ｃ，４ｄ，４ｅを有する構造のものがあり、２回のエッチング工程によって形成されている。その最大のユニットセルの大きさは約５．７μｍであり、最小の形状は１．２５μｍである。
さらに、Gunpala 等が発表した、IEEE Trans. Electron Devices, 44(1997), pp.45-50の文献では１５μｍの波長用のＱＷＩＰにスードランダム格子を使用し、さらに、IEEE Trans. Electron Devices, 44(1997), pp.51-57の文献では８．５μｍの波長用のＱＷＩＰ素子にスードランダム格子を使用している。しかし、それらの素子は非常に低い応答であり、８．５μｍ波長では応答は０．３Ａ／Ｗであり、１４μｍ波長では応答は０．４Ａ／Ｗとなっている。この応答は、４５°傾斜面の光結合の応答の２倍よりもわずかに小さい値となっている。８．５μｍ波長では、最適なスードランダム格子は幅２．９μｍのユニットセルを持ち、そのサイズの場合には、実際上、作製が難しい幅０．４μｍの最小幅が必要とされる。
【００１２】
したがって、波長８．５μｍでは、上記したスードランダムよりも大きな最小線幅を有する周期格子を使用せざるを得ない、と考えられてきた。このことは、結果的に回折能力がさらに低くなる原因となる。
上記したように、ＱＷＩＰにおいて非常に高い光結合能力を持つ光結合構造はスードランダム格子を使用している。しかし、この光結合構造は、短い波長で目的を果たすことは難しい。通常、スードランダム格子に比べて低い結合能力しかない十字状に配置された周期的格子は、ピーク波長が約８．５μｍで適していると考えられていた。初期の構造としては、反射格子と組み合わされた画素の上面に角度をつける構造や、面状の金属格子やノコギリ波状格子などがある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図３に示すような二次元の周期回折格子を用いる場合には、２度目の回折の時に、光が周期格子によって基板面に対して９０°で反射するために（不図示）、図２、図４に示すようなスードランダム回折格子のような大きな光結合能力が得られない。
【００１４】
しかし、波長８．５μｍで使用されるスードランダム格子を、図４に示すような構造から構成する場合には、上記したように２回のリソグラフィーが必要となって工数が多くなり、しかも、最も低いステップ領域の幅が約０．４μｍ程度と小さく、その幅を高精度でパターニングすることは難しく、さらに、２回のリソグラフィーのパターンの位置合わせが難しい。
【００１５】
もし、そのパターニング精度が低下すると、多重量子井戸赤外線検知器での光結合が弱くなる。
本発明の目的は、パターニング回数を少なくして短波長の赤外線を検出することができる新たな格子パターンを有する赤外線検知器とその赤外線検知器の製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、図５〜図７に例示するように、基板１１の上に形成され、量子井戸構造を有する光吸収層１３と、前記光吸収層１３の上に形成された光透過層１４と、前記光透過層１４の上面に形成され、第１の楕円曲線と該第１の楕円曲線を囲み楕円の中心が同じで長軸が直交する第２の楕円曲線とで挟まれる形状を、該第２の楕円曲線の長軸と短軸に沿って４分割した形状を含み、且つ断面が１段のステップ形状の溝１４ａを有する回折パターン１４ｂとを有することを特徴とする赤外線検知器によって解決する。
【００１７】
上記した赤外線検知器において、前記溝１４ａは前記回折パターン１４ｂの最上面に対して１段のステップ形状を有することを特徴とする。
上記した赤外線検知器において、前記回折パターン１４ｂは、反射膜１６で覆われていることを特徴とする。
上記した赤外線検知器において、前記回折パターン１４ｂは、前記基板１１側から前記光吸収層１３を通過した光を回折し、前記光吸収層１３の面に平行に近い角度で強く、かつ前記光吸収層１３の前記面に垂直な線から１８度近い角度で弱くなる光強度分布を付与することを特徴とする。
【００１８】
上記した赤外線検知器において、前記回折パターン１４ｂを構成する前記溝１４ａは、前記光吸収層１３の吸収波長の半分よりも小さな値の深さαを有していることを特徴とする。
【００１９】
上記した赤外線検知器において、前記回折パターンのうち前記溝が形成されている領域の面積とされていない面積が等しいことを特徴とする。
上記した赤外線検知器において、前記光吸収層１３は、多重量子井戸層、量子細線又は量子箱のいずれかの構造を有していることを特徴とする。この場合、多重量子井戸層は、化合物半導体からなる。その多重量子井戸層は、GaAsとAlGaAsとを交互に複数層重ねた構造を採用してもよい。
【００２０】
上記した課題は、図５〜図７に例示するように、基板１１上に量子井戸構造を有する光吸収層１３を形成する工程と、前記光吸収層１３の上に光透過層１４を形成する工程と、第１の楕円曲線と該第１の楕円曲線を囲み楕円の中心が同じで長軸が直交する第２の楕円曲線とで挟まれる形状を、該第２の楕円曲線の長軸と短軸に沿って４分割した形状を有するパターンが形成されたマスク１５を前記光透過層１４の上に形成する工程と、前記マスク１５に覆われない領域の前記光透過層１４をエッチングすることにより、前記光透過層１４に回折パターン１４ｂを形成する工程と、前記マスク１５を除去する工程とを有することを特徴とする赤外線検知器の製造方法によって解決する。
【００２１】
上記した赤外線検知器において、前記回折パターン１４ｂは、断面を１段の溝１４ａにエッチングして形成されることを特徴とする。
なお、上記した図番、符号は本発明の理解を容易にするために引用したものであって、これに限定されるものではない。
次に、本発明の作用について説明する。
【００２２】
本発明によれば、平面形状に曲線（例えば楕円曲線）を有する回折パターンを多重量子井戸構造の光吸収層の上に形成している。
このような回折パターンは、波長８．５μｍの赤外線に対する光結合率が高くなることが確認された。また、その回折パターンを構成する溝は１段のステップ形状であるために、１回のリソグラフィーで形成することができ、製造工程を短縮化することができる。しかも、その回折パターンの最小パターン幅は０．６μｍ程度であり、パターン形成が容易である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
多重量子井戸赤外線検知器（ＱＷＩＰ）の光結合格子の設計プロセスは、回折理論を用いて画素の内部での回折光の計算に基づいて行なわれる。本願発明者は、理論的に高い結合係数を得ることができ、しかも波長８．５μｍという短い波長で使用することができる回折パターン（回折格子）を見つけた。
【００２４】
以下に、本発明のＱＷＩＰの回折パターンの形成工程とそのＱＷＩＰの構造について以下に説明する。
まず、図５(a) に示すように、多重量子井戸赤外線検出器（ＱＷＩＰ）を構成する半導体層を形成する。即ち、ｎ型GaAs基板１１の上に厚さ１μｍの第１のｎ型GaAs層１２とＭＱＷ層１３と厚さ２μｍの第２のｎ型GaAs層１４を形成する。ＭＱＷ層１３は、ガリウム砒素（GaAs）とアルミニウムガリウム砒素（AlGaAs）、又は、ガリウム砒素とインジウムガリウム砒素（InGaAs）、又はそれらを組み合わせたものをそれぞれ交互に複数層形成して構成されるものである。
【００２５】
第１のｎ型GaAs層１２から第２のｎ型GaAs層１４までの層の成長は、例えばＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などによって形成する。
続いて、図５(b) に示すように、第２のｎ型GaAs層１４の上にレジストを塗布し、これを露光、現像してレジストパターン１５を形成する。
そのレジストパターン１５は、曲線を含む回折パターンであって、例えば図６(a) に示すように第２の楕円（長円）カーブの中にそれより小さな第１の楕円カーブを有するパターンを４つに分割した開口平面形状を有している。その第１の楕円と第２の楕円の配置は互いに９０°ズレた関係を有している。図６(a) に示す基本形状を集積した回折パターンとして、例えば図６(b) 、図７(a) に示すような平面形状のものがある。
【００２６】
以上のようなレジストパターン１５を形成した後に、図５(c) に示すように、第２のｎ型GaAs層１４のうちレジストパターン１５に覆われない部分をエッチングして第２のｎ型GaAs層１４の上面に平面形状が楕円曲線の一部を含み、断面形状が１段のステップを有する溝１４ａを形成する。図７(a) のパターンが第２のｎ型GaAs層１４に転写された結果、その上面には図７(b) に示すような断面の回折格子14ａが現れる。第２のｎ型GaAs層１４のエッチング深さαは、例えばＭＱＷ層１３により吸収される光のうち最も強い吸収を示す波長λ′p の１／２と同等又はそれ以下に相当する量とする。
【００２７】
なお、図７(a) に示す１／４楕円形状のパターンが接続している部分は、エッチング部分であり、そのエッチング領域の総面積は、エッチングされない領域の総面積とほぼ等しくなるようにしている。
このように、第２のｎ型GaAs層１４の上面に楕円曲線を有する溝１４ａを形成した後に、レジストパターン１５を溶剤によって除去する。これにより、第２のｎ型GaAs層１４の上面には溝１４ａを有する新規な回折パターンが形成されることになる。
【００２８】
続いて、図５(d) に示すように、凹部１４ａの内部と第２のｎ型GaAs層１４の上に金、銀、アルミニウム等の高い反射率を持つ材料よりなる反射膜１６をスパッタ或いは真空蒸着によって形成する。導電材よりなるその反射膜１６はカソードとして使用される。
その後に、反射膜１６をリソグラフィー法によりパターニングし、その反射膜１６上にインジウム（In）よりなるバンプ１７を形成し、そのバンプをシリコン基板（不図示）に形成された半導体集積回路に接続する。これにより赤外線検知器の基本的な構造が完成する。
【００２９】
以上のような赤外線検知器の製造工程では、１枚のレジストパターン１５を用いた１回のフォトリソグラフィーによって回折パターンが形成されるために、図４に示した２以上のフォトリソグラフィー工程が要求される従来のスードランダム格子の形成に比べて、工程が短くなる。
しかも、本実施形態における回折パターンを構成するパターンのうち最も狭い幅は０．６μｍ程度で済むので、パターン精度を高くすることができる。
【００３０】
次に、受光素子の１画素の頂面の回折パターンを構成する図６に示す基本パターン形状に基づいて、エッチングされるべき領域とエッチングされない領域を数式によって示す。
まず、図６に示した１／４楕円形状のパターンの長手方向をｘ軸、短手方向をｙ軸、エッチング方向をｚ軸として、エッチングされるべき領域における点Ｐの座標を（ｘ．ｙ，ｚ）とする。そして、基準点の座標を（ｘ0 ，ｙ0 ，ｚ0 ）とする。
【００３１】
点Ｐのｘはｘ0 ＜ｘ≦ｘ0 ＋Ｃの範囲にあり、点Ｐのｙはｙ0 ＜ｙ≦ｙ0 ＋Ｃの範囲内にある。Ｃは、定数である。
次の（１）〜（８）は、４分割された楕円形状の違いによるエッチング領域を示している。なお、（１）〜（８）において、記号ｄは、第２のｎ型GaAs層１４のエッチングの深さを表し、ｚ＝ｚ0 −ｄはエッチングされた凹部１４ａを示し、ｚ＝ｚ0 はエッチングされない領域を示している。ａ1 とｂ1 は、それぞれ図６(a) に示す第１の楕円の短軸の半分と長軸の半分を示し、ａ2 とｂ2 は、それぞれ図６(a) に示す第２の楕円の長軸の半分と短軸の半分を示している。
（１）図８に示すエッチングパターン形状の条件
▲１▼ z＝z0−d の深さまでエッチングされる領域：
y1＝y0＋［a12b12−b12(x −x0)2］1/2 ／a1，
y2＝y0＋［a22b22−b22(x −x0)2］1/2 ／a2  とすると、
エッチングされる領域は、x0＜x ≦x0＋a1と y1 ＜y ≦y2の条件を満たす領域、又は、x0＋a1＜x ≦x0＋a2とy0＜y ≦y2の条件を満たす領域であり、そしてy0≦y2≦y0＋C とy0≦y1≦y0＋C の条件を満たす領域である。
【００３２】
▲２▼エッチングされない領域：▲１▼以外の領域はエッチングされずにz ＝ z0 となる。
（２）図９に示すエッチングパターン形状の条件
▲１▼ z＝z0−d の深さまでエッチングされる領域：
y1＝(y0 ＋C)＋［a12b12−a12(x −x0)2］1/2 ／b1,
y2＝(y0 ＋C)＋［a22b22−a22(x −x0)2］1/2 ／b2  とすると、
エッチングされる領域は、x0＜x ≦x0＋b1と y2 ＜y ≦ y1 の条件を満たす領域、又は、x0＋b1＜x ≦x0＋b2と y2 ＜y ≦y0＋C の条件を満たす領域であり、そしてy0≦y2≦y0＋C とy0≦y1≦y0＋C の条件を満たす領域である。
【００３３】
▲２▼エッチングされない領域：▲１▼以外の領域はエッチングされずにz ＝ z0 となる。
（３）図１０に示すエッチングパターン形状の条件
▲１▼ z＝z0−d の深さまでエッチングされる領域：
y1＝(y0 ＋C)＋［a12b12−b12(x −C −x0)2］1/2 ／a1,
y2＝(y0 ＋C)＋［a22b22−b22(x −C −x0)2］1/2 ／a2  とすると、
エッチングされる領域は、(x0 ＋C −a2)<x ≦(x0 ＋C −a1) とy2＜y ≦ y0 ＋C の条件を満たす領域、又は、(x0 ＋C −a1)<x ≦(x0 ＋C)とy2＜y ≦y1の条件を満たす領域であり、そしてy0≦y2≦y0＋C とy0≦y1≦y0＋C の条件を満たす領域である。
【００３４】
▲２▼エッチングされない領域：▲１▼以外の領域はエッチングされずにz ＝ z0 となる。
（４）図１１に示すエッチングパターン形状の条件
▲１▼ z＝z0−d の深さまでエッチングされる領域：
y1＝y0＋［a12b12−a12(x −C −x0)2］1/2 ／b1,
y2＝y0＋［a22b22−a22(x −C −x0)2］1/2 ／b2  とすると、
エッチングされる領域は、(x0 ＋C −b2)<x ≦(x0 ＋C −b1) とy0＜y ≦ y2 の条件を満たす領域、又は、(x0 ＋C −b1) <x≦(x0 ＋C)とy0＜y ≦ y1 の条件を満たす領域であり、そしてy0≦y2≦y0＋C とy0≦y1≦y0＋C の条件を満たす領域である。
【００３５】
▲２▼エッチングされない領域：▲１▼以外の領域はエッチングされずにz ＝ z0 となる。
（５）図１２に示すエッチングパターン形状の条件
▲１▼ z＝z0−d の深さまでエッチングされる領域：
y1＝y0＋［a12b12−b12(x −C −x0)2］1/2 ／a1,
y2＝y0＋［a22b22−b22(x −C −x0)2］1/2 ／a2  とすると、
エッチングされる領域は、(x0 ＋C −a2)< x≦(x0 ＋C −a1) とy0＜y ≦y2の条件を満たす領域、又は(x0 ＋C −a1) < x ≦ (x0＋C ) とy1＜y ≦ y2 の条件を満たす領域であり、そしてy0≦y2≦y0＋C とy0≦y1≦y0＋C の条件を満たす領域である。
【００３６】
▲２▼エッチングされない領域：▲１▼以外の領域はエッチングされずにz ＝ z0 となる。
（６）図１３に示すエッチングパターン形状の条件
▲１▼ z＝z0−d の深さまでエッチングされる領域：
y1＝y0＋［a12b12−a12(x −x0)2］1/2 ／b1,
y2＝y0＋［a22b22−a22(x −x0)2］1/2 ／b2  とすると、
エッチングされる領域は、x0＜x ≦(x0 ＋b1) と y1 ＜y ≦ y2 の条件を満たす領域、又は、(x0 ＋b1) ＜x ≦(x0 ＋b2) と y0 ＜y ≦y2の条件を満たす領域であり、そしてy0≦y2≦y0＋C とy0≦y1≦y0＋C を条件を満たす領域である。
【００３７】
▲２▼エッチングされない領域：▲１▼以外の領域はエッチングされずにz ＝ z0 となる。
（７）図１４に示すエッチングパターン形状の条件
▲１▼ z＝z0−d の深さまでエッチングされる領域：
y1＝(y0 ＋C)＋［a12b12−b12(x −x0)2］1/2 ／a1,
y2＝(y0 ＋C)＋［a22b22−b22(x −x0)2］1/2 ／a2  とすると、
エッチングされる領域は、x0＜x ≦x0＋a1と y2 ＜y ≦y1の条件を満たす領域、又は、x0＋a1＜x ≦x0＋a2とy2＜y ≦y0＋C の条件を満たす領域であり、そしてy0≦y2≦y0＋C とy0≦y1≦y0＋C の条件を満たす領域である。
（８）図１５に示すエッチングパターン形状の条件
▲１▼ z＝z0−d の深さまでエッチングされる領域：
y1＝(y0 ＋C)＋［a12b12−a12(x −C −x0)2］1/2 ／b1,
y2＝(y0 ＋C)＋［a22b22−a22(x −C −x0)2］1/2 ／b2とすると、
エッチングされる領域は、(x0 ＋C −b2)<x ≦(x0 ＋C −b1) とy2＜y ≦y0の条件を満たす領域、又は、(x0 ＋C −b1)<x ≦(x0 ＋C)とy2＜y ≦ y1 の条件を満たす領域であり、そしてy0≦y2≦y0＋C とy0≦y1≦y0＋C の条件を満たす領域である。
【００３８】
▲２▼エッチングされない領域：▲１▼以外の領域はエッチングされずにz ＝ z0 となる。
なお、（１）〜（８）において、ｘ0 とｙ0 はｘ0 ＝ｍＣ、ｙ0 ＝ｎＣのようなステップで増加する。ただし、ｍ、ｎはともに整数である。
応答波長を８．５μｍとするとＣの最大値は３．５μｍであり、ａ1 、ｂ1 、ａ2 及びｂ2 は、それぞれ０．４μｍ、０．９μｍ、３．０μｍ、２．４μｍとなる。
【００３９】
（１）〜（８）に示した式を用いて図７(a) に示すパターンが形成される。
回折パターンの最も小さな姿は、図６(a) に示すようなパターンが図６(b) に示すように２つ合わされた時に現れる。この場合、最も小さい形状の幅は２ａ1 となる。そのａ1 の値は、条件（１）〜（８）で、波長８．５μｍの場合に０．４μｍとなる。図６(b) の最も小さな形状は楕円であって長方形でｈないが、平均的な幅は０．８μｍではなくて０．６μｍとなる。
【００４０】
回折パターン１４b で回折された光は、例えば図７(b) に示すようにＭＱＷ層１３の面に平行に近い成分が強く、かつ、その面に垂直な線から１８度近い角度の成分が弱く成る強度分布をもつ。
図４に示した従来のスードランダム格子の設計値からのエッチング領域のズレ（増減）と相関的応答を図１６の破線で示す一方、本発明の楕円形溝を有する格子の設計値からのエッチング領域のズレ（増減）と相関的応答を図１６の実線で示す。これらを比較すると、本発明において設計値からのズレに対する応答の減少が少ないことから製造のマージンが大きいことが明らかになった。
【００４１】
図１６は、ＱＷＩＰの結合系数の製造誤りへの影響の論理的な評価を示している。従来のスードランダム格子の場合に、第１のエッチングは誤り無く構成されるとしても、第２のエッチングで生じるエッチング領域の誤差のために応答が低くなる。
上記した図７の楕円成分を有する格子の溝の平面形状は、直線成分を含まないパターンであるが、図１７，図１８に示すように直線部分を含むパターンの溝を採用してもよい。
【００４２】
図１７(a) は、１辺が２８μｍの長さの正方形の画素について、楕円曲線を含む回折パターンの別の例を示している。この場合、上記した（１）〜（８）での長さＣは３．５μｍであり、ａ2 は３．０μｍ、ｂ2 は２．６μｍ、ａ1 は０．４μｍ、ｂ1 は０．９μｍとなる。そして、図１７(a) のII−II線断面は、図１７(b) のようになる。
【００４３】
図１８(a) は、１辺が２８μｍの長さの正方形の画素について、楕円曲線を含む格子のさらに別な例を示している。この場合、上記した（１）〜（８）での長さＣは３．５μｍであり、ａ2 は３．０μｍ、ｂ2 は２．８μｍ、ａ1 は０．５μｍ、ｂ1 は０．７μｍとなる。そして、図１８(a) のIII −III 線断面は、図１８(b) のようになる。
【００４４】
波長８．５μｍの光を赤外線検知器に入射する場合に、図１７(a) に示す格子は、図１８に示す格子よりもその長円率の大きいことに起因して、その光結合率が約１８％高くなった。
なお、上記した赤外線検知器は、光吸収層をＭＱＷ層から構成しているが、量子細線又は量子箱（ドット）から構成してもよい。
【００４５】
また、上記した量子井戸型赤外線検知器は、例えば赤外線焦点面アレー（ＩＲＦＰＡ(infrared focal plane array)）に用いられる。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、平面形状に曲線（例えば楕円曲線）を有し且つ断面が１段のステップ形状の溝を有する回折格子を量子井戸構造の光吸収層の上に形成することによって、光吸収層での吸収光量を増やすことができ、波長８．５μｍの赤外線に対する光結合率を高くすることができる。
【００４７】
その回折格子を構成する溝は１段のステップ形状であるために、１回のリソグラフィーで形成することができ、製造工程を短縮化することができる。しかも、その回折格子の最小パターン幅は０．６μｍ程度であり、パターン精度の低下を防止できる。さらに、図１６で示したように製造余裕が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１(a) は、従来の赤外線検出器の平面図、図１（b)は、その赤外線光検出器の断面図である。
【図２】図２は、従来のスードランダム格子を有する光検出器の断面図である。
【図３】図３(a) は、従来の２次元周期回折格子の平面図、図３(b) は、その回折格子の１画素の平面図、図３(c) は、その回折格子の１画素の断面図である。
【図４】図４(a) は、従来のスードランダム格子の平面図、図４(b) は、その格子の１画素の平面図、図４(c) は、その格子の１画素の断面図である。
【図５】図５(a) 〜図５(d) は、本発明の一実施形態の赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。
【図６】図６(a) は、本発明の実施形態の回折パターンを構成する基本パターンを示す平面図であり、図６(b) は、その基本パターンを２つ合わせた回折パターンの平面図である。
【図７】図７(a) は、本発明の実施形態に係る回折パターンの第１例を示す平面図、図７(b) は、図７(a) のI-I 線断面図である。
【図８】図８は、図７(a) を構成するパターンの第１の要素のエッチング領域と非エッチング領域を示す図である。
【図９】図９は、図７(a) を構成するパターンの第２の要素のエッチング領域と非エッチング領域を示す図である。
【図１０】図１０は、図７(a) を構成するパターンの第３の要素のエッチング領域と非エッチング領域を示す図である。
【図１１】図１１は、図７(a) を構成するパターンの第４の要素のエッチング領域と非エッチング領域を示す図である。
【図１２】図１２は、図７(a) を構成するパターンの第５の要素のエッチング領域と非エッチング領域を示す図である。
【図１３】図１３は、図７(a) を構成するパターンの第６の要素のエッチング領域と非エッチング領域を示す図である。
【図１４】図１４は、図７(a) を構成するパターンの第７の要素のエッチング領域と非エッチング領域を示す図である。
【図１５】図１５は、図７(a) を構成するパターンの第８の要素のエッチング領域と非エッチング領域を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施形態と従来のＱＷＩＰにおける結合効率と設計値からのエッチング領域のズレ（増減）との関係を示す図である。
【図１７】図１７(a) は、本発明の実施形態に係る回折パターンの第２例を示す平面図、図１７(b) は、図１７(a) のII-II 線断面図である。
【図１８】図１８(a) は、本発明の実施形態に係る回折パターンの第３例を示す平面図、図１８(b) は、図１８(a) のIII-III 線断面図である。
【符号の説明】
１１…ＧａＡｓ基板、１２…第１のｎ型GaAs層、１３…ＭＱＷ層（光吸収層）、１４…第２のｎ型GaAs層、１４a …溝（ステップ）、１４b …回折パターン、１６…反射膜。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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