JP2000106426A - Quantum well optical sensor and manufacture thereof - Google Patents

Quantum well optical sensor and manufacture thereof

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JP2000106426A
JP2000106426A JP10274666A JP27466698A JP2000106426A JP 2000106426 A JP2000106426 A JP 2000106426A JP 10274666 A JP10274666 A JP 10274666A JP 27466698 A JP27466698 A JP 27466698A JP 2000106426 A JP2000106426 A JP 2000106426A
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JP
Japan
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quantum well
carrier concentration
optical sensor
layer
lower contact
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JP10274666A
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Japanese (ja)
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Hiroshi Nishino
弘師 西野
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the effect of a voltage drop in each optical sensor element as the loss of incident light due to free-carrier absorption is kept low in a quantum well optical sensor and a method of manufacturing the quantum well optical sensor. SOLUTION: A multitude of optical sensor elements 5, which are subjected to photodetection utilizing light absorption using a carrier excitation between subbands in multiple quantum well layers 6, are arranged in an array type and at the same time, a carrier concentration in a lower contact layer 2 provided under the lower parts of the elements 5 is partially made to differ. That is, as the regions, which are overlapped with the elements 5 in a projective manner, of the layer 2 are provided as low-carrier concentration regions and the peripheries of the low-carrier concentration regions are provided as high-carrier concentration regions, reduction in an element sensitivity, which is felt as the whole quantum well optical sensor, due to free-carrier absorption is never caused and the effect of a voltage drop in each optical sensor element can be reduced. As a result, the fluctuation of a bias, which is applied to each optical sensor element, and an irregularity in the bias can be lessened, whereby the quantum well optical sensor greatly contributes to the practical use of a large-area, high-integration degree and high-resolution infrared sensor array.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は量子井戸型光センサ
及びその製造方法に関するものであり、特に、多重量子
井戸に生じたサブバンド間の遷移を利用した光吸収によ
る赤外線センサアレイにおける電圧降下低減構造に特徴
のある量子井戸型光センサ及びその製造方法に関するも
のである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a quantum well type optical sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a method for reducing a voltage drop in an infrared sensor array by light absorption utilizing transition between subbands generated in a multiple quantum well. The present invention relates to a quantum well type optical sensor having a characteristic structure and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、10μm帯近傍の赤外線を検知す
る赤外線検知装置としては、Cd組成比が0.2近傍、
例えば、Cd組成比が0.22のHgCdTe層に形成
したpn接合ダイオードをフォトダイオードとしたもの
を用い、このフォトダイオードを一次元アレイ状或いは
二次元アレイ状に配置すると共に、読出回路との電気的
なコンタクトをとるために、赤外線フォトダイオードア
レイ基板及びSi信号処理回路基板を、双方に形成した
In等の金属のバンプで貼り合わせた赤外線検知装置が
知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an infrared detector for detecting infrared rays in the vicinity of the 10 μm band has a Cd composition ratio of about 0.2,
For example, a pn junction diode formed on a HgCdTe layer having a Cd composition ratio of 0.22 is used as a photodiode, and the photodiode is arranged in a one-dimensional array or a two-dimensional array, and the electrical connection between the photodiode and a read circuit is made. Infrared detectors are known in which an infrared photodiode array substrate and a Si signal processing circuit substrate are bonded to each other with metal bumps of In or the like formed on both sides in order to make a proper contact.

【0003】しかし、この様なHgCdTe系赤外線検
知装置の場合には、結晶性の良好な大面積基板の入手が
困難であるので多センサ素子からなる大型の赤外線検知
アレイを構成することが困難であるという問題があり、
近年、この様な問題を解決するものとして、結晶性の良
好な大面積基板の入手が容易であるGaAs系半導体を
用い、且つ、多重量子井戸におけるサブバンド間吸収を
利用することにより10μm帯近傍の赤外線の検知を可
能にした量子井戸型光センサが注目を集めている。
However, in the case of such an HgCdTe-based infrared detecting device, it is difficult to obtain a large-area substrate having good crystallinity, so that it is difficult to construct a large-sized infrared detecting array composed of multiple sensor elements. There is a problem that there is
In recent years, as a solution to such a problem, a GaAs-based semiconductor which has a good crystallinity and a large-area substrate is easily available, and the intersubband absorption in a multiple quantum well is used to reduce the vicinity of the 10 μm band A quantum well-type optical sensor capable of detecting infrared rays has attracted attention.

【0004】ここで、図6を参照して従来の量子井戸型
光センサを説明する。 図6参照 図6は、従来の量子井戸型光センサの概略的断面図であ
り、まず、半絶縁性GaAs基板41上にi型GaAs
バッファ層42を介してn型GaAs下部コンタクト層
43を設け、その上に、エッチングストッパ層となるn
型InGaP層44を介してi型AlGaAsバリア層
に交互に挟まれた複数のn型GaAsウエル層からなる
MQW層45及びn型GaAs上部コンタクト層46を
順次堆積させたのち、センサ素子形成領域に対応するn
型GaAs上部コンタクト層46の表面に垂直入射光を
MQW層45で検知可能なように斜め方向に偏向させる
回折格子47を設け、次いで、n型GaAs下部コンタ
クト層43に対する共通電極を形成するためのコンタク
ト用開口48を設け、SiON膜49を保護膜とし、S
iON膜49に設けたの開口部分にAu・Ge/Niか
らなるオーミック電極50を設けると共に、その上にA
u膜を設けて反射電極51とし、さらに、センサ素子間
を分離する素子分離溝52を形成したものである。
Here, a conventional quantum well type optical sensor will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic sectional view of a conventional quantum well type optical sensor. First, an i-type GaAs is formed on a semi-insulating GaAs substrate 41.
An n-type GaAs lower contact layer 43 is provided with a buffer layer 42 interposed therebetween.
After sequentially depositing an MQW layer 45 composed of a plurality of n-type GaAs well layers and an n-type GaAs upper contact layer 46 alternately interposed between i-type AlGaAs barrier layers via an n-type InGaP layer 44, the sensor element formation region is formed. Corresponding n
A diffraction grating 47 for deflecting the vertically incident light in an oblique direction so as to be detectable by the MQW layer 45 is provided on the surface of the n-type GaAs lower contact layer 43, and then a common electrode for forming the common electrode for the n-type GaAs lower contact layer 43 is formed. A contact opening 48 is provided, and a SiON film 49 is used as a protective film.
An ohmic electrode 50 made of Au.Ge/Ni is provided in an opening portion provided in the iON film 49, and an ohmic electrode 50 is formed thereon.
A reflection film 51 is formed by providing a u film, and an element isolation groove 52 for isolating between sensor elements is formed.

【0005】この様に、従来の量子井戸型光センサで
は、サブバンド間の遷移による光吸収を起こす多重量子
井戸構造のMQW層45の上下をコンタクト層、即ち、
n型GaAs下部コンタクト層43及びn型GaAs上
部コンタクト層46で挟んだ素子構造となっており、各
センサ素子には半絶縁性GaAs基板41側から垂直入
射した入射光を斜め方向の偏向させる回折格子47、及
び、回折格子47を透過する光をMQW層45側に反射
する反射電極51からなる光結合構造を有している。
As described above, in the conventional quantum well type optical sensor, the contact layers, that is, the contact layers above and below the MQW layer 45 having the multiple quantum well structure that causes light absorption by transition between subbands.
The element structure has an element structure sandwiched between an n-type GaAs lower contact layer 43 and an n-type GaAs upper contact layer 46. Each sensor element has a diffraction element that deflects incident light vertically incident from the semi-insulating GaAs substrate 41 side in an oblique direction. The optical coupling structure includes a grating 47 and a reflective electrode 51 that reflects light transmitted through the diffraction grating 47 to the MQW layer 45 side.

【0006】この様な光センサ素子を1次元アレイ状或
いは2次元アレイ状に配置することによって赤外線検知
アレイを構成しており、各光センサ素子に対する共通バ
イアスはn型GaAs下部コンタクト層43を介して印
加することになるので、n型GaAs下部コンタクト層
43は、比較的高キャリア濃度層によって構成されるの
が通常である。
By arranging such optical sensor elements in a one-dimensional array or a two-dimensional array, an infrared detecting array is formed. A common bias for each optical sensor element is provided via an n-type GaAs lower contact layer 43. Therefore, the n-type GaAs lower contact layer 43 is usually formed of a relatively high carrier concentration layer.

【0007】この様な量子井戸型光センサは、その暗電
流及び感度にバイアス依存性が存在し、多数の光センサ
素子が配列された光センサアレイにおいては、各光セン
サ素子のMQW層45に印加されるバイアスは、印加電
圧からn型GaAs下部コンタクト層43及びn型Ga
As上部コンタクト層46による電圧降下分を差し引い
た値となる。
In such a quantum well type optical sensor, the dark current and the sensitivity have bias dependency, and in an optical sensor array in which a large number of optical sensor elements are arranged, the MQW layer 45 of each optical sensor element is provided. The applied bias is determined by applying the n-type GaAs lower contact layer 43 and the n-type Ga
This is a value obtained by subtracting the voltage drop due to the As upper contact layer 46.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の量子井
戸型光センサにおいては、光センサ素子の数が増大する
と、n型GaAs下部コンタクト層43から光センサ素
子までの距離が長くなるので電圧降下の影響が強くな
り、各光センサ素子のMQW層45に印加されるバイア
スに変動が生ずるという問題がある。
However, in the conventional quantum well optical sensor, when the number of optical sensor elements increases, the distance from the n-type GaAs lower contact layer 43 to the optical sensor element increases, so that the voltage drop occurs. And the bias applied to the MQW layer 45 of each optical sensor element fluctuates.

【0009】このバイアスの変動は、光センサアレイ内
部での各光センサ素子の性能のばらつき、例えば、感度
のばらつきをもたらすことになり、この様なばらつきを
避けるためにはn型GaAs下部コンタクト層43のキ
ャリア濃度を高めてコンタクト層抵抗を低減することが
必要になる。
[0009] This variation in the bias causes variations in the performance of each optical sensor element within the optical sensor array, for example, variations in sensitivity. To avoid such variations, the n-type GaAs lower contact layer is required. It is necessary to reduce the contact layer resistance by increasing the carrier concentration of 43.

【0010】しかし、キャリア濃度を増加させすぎる
と、n型GaAs下部コンタクト層43におけるフリー
キャリア吸収によって入射光の吸収損失が発生し、光セ
ンサアレイ全体の感度が低下するという問題が生ずる。
即ち、n型GaAs下部コンタクト層43のキャリア濃
度が小さい場合には、フリーキャリア吸収による入射光
の吸収損失は実効的に無視し得るものであるが、キャリ
ア濃度が高い場合には、その影響が無視し得なくなるも
のである。
However, if the carrier concentration is excessively increased, absorption loss of incident light occurs due to free carrier absorption in the n-type GaAs lower contact layer 43, which causes a problem that the sensitivity of the entire optical sensor array decreases.
That is, when the carrier concentration of the n-type GaAs lower contact layer 43 is low, the absorption loss of the incident light due to free carrier absorption is effectively negligible. It cannot be ignored.

【0011】したがって、本発明は、フリーキャリア吸
収による入射光の損失を低い状態に保ったまま、各光セ
ンサ素子における電圧降下の影響を低減することを目的
とする。
Accordingly, it is an object of the present invention to reduce the effect of voltage drop in each optical sensor element while keeping the incident light loss due to free carrier absorption low.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図1を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。なお、図1にお
ける符号1,7,9は、夫々、半導体基板、上部コンタ
クト層、及び、センサ電極を表す。 図1参照 (1)本発明は、多重量子井戸層6におけるサブバンド
間のキャリア励起による光吸収を利用して光検知を行う
量子井戸型光センサにおいて、多数のセンサ素子5をア
レイ状に配置するとともに、センサ素子5の下部に設け
た下部コンタクト層2のキャリア濃度を部分的に異なら
せたことを特徴とする。
FIG. 1 is an explanatory view of the principle configuration of the present invention. Referring to FIG. 1, means for solving the problems in the present invention will be described. Note that reference numerals 1, 7, and 9 in FIG. 1 represent a semiconductor substrate, an upper contact layer, and a sensor electrode, respectively. See FIG. 1. (1) The present invention provides a quantum well optical sensor that performs optical detection by utilizing light absorption due to carrier excitation between subbands in a multiple quantum well layer 6, in which a large number of sensor elements 5 are arranged in an array. In addition, the carrier concentration of the lower contact layer 2 provided below the sensor element 5 is partially varied.

【0013】この様に、センサ素子5の下部に設けた下
部コンタクト層2のキャリア濃度を部分的に異ならせる
ことによって、各センサ素子5における電圧降下のばら
つきを低減することができ、それによって、各センサ素
子5の特性のばらつき及びセンサアレイ全体の感度の低
下を防止することができる。なお、アレイ状配置とは、
1次元アレイでも、或いは、2次元アレイでも良いもの
である。
As described above, by partially varying the carrier concentration of the lower contact layer 2 provided below the sensor element 5, the variation of the voltage drop in each sensor element 5 can be reduced. Variations in the characteristics of each sensor element 5 and a decrease in the sensitivity of the entire sensor array can be prevented. In addition, the array arrangement is
A one-dimensional array or a two-dimensional array may be used.

【0014】(2)また、本発明は、上記(1)におい
て、下部コンタクト層2のセンサ素子5の直下の領域を
低キャリア濃度領域4とし、下部コンタクト層2の隣接
する各センサ素子5間の領域を高キャリア濃度領域3と
したことを特徴とする。
(2) According to the present invention, in the above (1), a region immediately below the sensor element 5 in the lower contact layer 2 is defined as a low carrier concentration region 4, and the lower contact layer 2 is provided between adjacent sensor elements 5. Is a high carrier concentration region 3.

【0015】この様に、下部コンタクト層2のセンサ素
子5の直下の領域を低キャリア濃度領域4とすることに
よって、各センサ素子5に入射する入射光のフリーキャ
リア吸収による損失の影響を実効的になくすことができ
る。
As described above, by setting the region of the lower contact layer 2 immediately below the sensor element 5 as the low carrier concentration region 4, the effect of the loss due to the free carrier absorption of the incident light incident on each sensor element 5 can be effectively reduced. Can be eliminated.

【0016】(3)また、本発明は、上記(2)におい
て、各高キャリア濃度領域3が互いに接触しているとと
もに、下部コンタクト電極8まで連続して接続している
ことを特徴とする。
(3) The present invention is characterized in that, in the above (2), the high carrier concentration regions 3 are in contact with each other and are continuously connected to the lower contact electrode 8.

【0017】この様に、各高キャリア濃度領域3を互い
に接触させ、即ち、メッシュ状に形成するとともに、下
部コンタクト電極8まで連続して接続することによっ
て、センサ素子5の数が増大した場合にも、各センサ素
子5における電圧降下を効果的に低減することができ
る。
As described above, by bringing the high carrier concentration regions 3 into contact with each other, that is, forming them in a mesh shape and connecting them continuously to the lower contact electrode 8, when the number of the sensor elements 5 increases, Also, the voltage drop in each sensor element 5 can be effectively reduced.

【0018】(4)また、本発明は、上記(1)乃至
(3)のいずれかにおいて、低キャリア濃度領域4のキ
ャリア濃度が、多重量子井戸層6を構成するウエル層の
キャリア濃度より低いことを特徴とする。
(4) According to the present invention, in any one of the above (1) to (3), the carrier concentration of the low carrier concentration region 4 is lower than the carrier concentration of the well layer forming the multiple quantum well layer 6. It is characterized by the following.

【0019】一般に、多重量子井戸層6を構成する井戸
層のキャリア濃度は入射光吸収のために所定の濃度を必
要とするが、低キャリア濃度領域4のキャリア濃度を、
多重量子井戸層6を構成する井戸層のキャリア濃度より
低くすることによって、下部コンタクト層2におけるフ
リーキャリア吸収をより効果的に低減することができ
る。
In general, the carrier concentration of the well layer constituting the multiple quantum well layer 6 requires a predetermined concentration for absorbing the incident light.
By making the carrier concentration lower than that of the well layers constituting the multiple quantum well layer 6, the free carrier absorption in the lower contact layer 2 can be reduced more effectively.

【0020】(5)また、本発明は、上記(1)乃至
(4)のいずれかにおいて、高キャリア濃度領域3の面
積が、低キャリア濃度領域4の面積より小さいことを特
徴とする。
(5) The present invention is characterized in that in any one of the above (1) to (4), the area of the high carrier concentration region 3 is smaller than the area of the low carrier concentration region 4.

【0021】この様に、高キャリア濃度領域3の面積
を、低キャリア濃度領域4の面積より小さくすることに
よって、センサ素子5の占有面積を大きくすることがで
き、それにより、センサ素子5の高密度化・高画素数化
が可能になる。
As described above, by making the area of the high carrier concentration region 3 smaller than the area of the low carrier concentration region 4, the area occupied by the sensor element 5 can be increased. It is possible to increase the density and the number of pixels.

【0022】(6)また、本発明は、多重量子井戸層6
におけるサブバンド間のキャリア励起による光吸収を利
用して光検知を行う量子井戸型光センサの製造方法にお
いて、低キャリア濃度の下部コンタクト層2をエピタキ
シャル成長させたのち、下部コンタクト層2の一部に選
択的に不純物を導入して高キャリア濃度領域3を形成し
たのち、多重量子井戸層6をエピタキシャル成長させる
ことを特徴とする。
(6) The present invention also provides a multiple quantum well layer 6
In the method of manufacturing a quantum well optical sensor for performing light detection by utilizing light absorption due to carrier excitation between subbands in the method described above, the lower contact layer 2 having a low carrier concentration is epitaxially grown, and then a portion of the lower contact layer 2 is formed. After the high carrier concentration region 3 is formed by selectively introducing impurities, the multiple quantum well layer 6 is epitaxially grown.

【0023】この様に、電圧降下を低減するための高キ
ャリア濃度領域3は、下部コンタクト層2を形成した直
後に、選択イオン注入法或いは選択拡散法によって下部
コンタクト層2の一部に選択的に不純物を導入して形成
すれば良い。
As described above, the high carrier concentration region 3 for reducing the voltage drop is selectively formed in a part of the lower contact layer 2 by the selective ion implantation method or the selective diffusion method immediately after the lower contact layer 2 is formed. May be formed by introducing impurities into the substrate.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】ここで、本発明の実施の形態の量
子井戸型光センサの製造工程を図2乃至図5を参照して
説明する。 図2(a)及び(b)参照 図2(a)は、図2(b)に示す平面におけるA−A′
を結ぶ一点鎖線に沿った断面図であり、まず、半絶縁性
GaAs基板11上に、MOVPE法(有機金属気相成
長法)によって、厚さが、例えば、100nmのi型G
aAsバッファ層12、及び、共通コンタクト層とな
る、厚さが、0.5〜3.0μm、例えば、2.0μm
で、キャリア濃度が1×1016〜1×1017cm-3、例
えば、5×1016cm-3のn型GaAs下部コンタクト
層13を順次エピタキシャル成長させる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Here, a manufacturing process of a quantum well type optical sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b). FIG. 2 (a) is a sectional view taken along the line AA 'in FIG. 2 (b).
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along a dashed-dotted line connecting the i-type G layer having a thickness of, for example, 100 nm on the semi-insulating GaAs substrate 11 by MOVPE (metal-organic chemical vapor deposition).
The thickness to be the aAs buffer layer 12 and the common contact layer is 0.5 to 3.0 μm, for example, 2.0 μm.
Then, the n-type GaAs lower contact layer 13 having a carrier concentration of 1 × 10 16 to 1 × 10 17 cm −3 , for example, 5 × 10 16 cm −3 is sequentially epitaxially grown.

【0025】次いで、SiON膜を設けたのち、通常の
フォトリソグラフィー工程によって所定の開口部を有す
るSiONマスク14を形成し、このSiONマスク1
4をイオン注入マスクとしてSiイオンを選択的に注入
することによって、キャリア濃度が1×1019cm-3
上、例えば、1×1019cm-3の高キャリア濃度領域1
6,17を形成する。なお、このイオン注入工程におい
て、後の工程における高キャリア濃度領域16,17に
対する位置合わせが可能になるように、位置合わせマー
クをn型GaAs下部コンタクト層13の表面の周囲に
形成しておくことが望ましい。
Next, after providing an SiON film, an SiON mask 14 having a predetermined opening is formed by a normal photolithography process.
4 is used as an ion implantation mask to selectively implant Si ions, so that a high carrier concentration region 1 having a carrier concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more, for example, 1 × 10 19 cm −3.
6, 17 are formed. In this ion implantation step, an alignment mark is formed around the surface of the n-type GaAs lower contact layer 13 so that the alignment with the high carrier concentration regions 16 and 17 can be performed in a later step. Is desirable.

【0026】図3(c)参照 次いで、SiONマスク14を除去したのち、再び、M
OVPE法によって、厚さが、例えば、50nmで、キ
ャリア濃度が、例えば、5×1016cm-3のn型GaA
s層18、エッチングストッパ層となる、厚さが、例え
ば、30nmで、キャリア濃度が、例えば、2×1017
cm-3のi型InGaP層19、MQW層、及び、厚さ
が、例えば、1μmで、キャリア濃度が、例えば、2×
1017cm-3のn型GaAs上部コンタクト層21を順
次エピタキシャル成長させる。
Next, after the SiON mask 14 is removed, M
By the OVPE method, n-type GaAs having a thickness of, for example, 50 nm and a carrier concentration of, for example, 5 × 10 16 cm −3.
The thickness of the s layer 18 serving as an etching stopper layer is, for example, 30 nm, and the carrier concentration is, for example, 2 × 10 17.
cm- 3, an i-type InGaP layer 19, an MQW layer, a thickness of, for example, 1 μm, and a carrier concentration of, for example, 2 ×
An n-type GaAs upper contact layer 21 of 10 17 cm -3 is sequentially epitaxially grown.

【0027】なお、この場合の光吸収層となるMQW層
20は、例えば、厚さが50nmのi型Al0.32Ga
0.68Asバリア層と、厚さが5nmでキャリア濃度が2
×10 17cm-3のn型GaAsウエル層とを、n型Ga
Asウエル層が50層になるように交互に堆積させて形
成するものであり、この場合のi型Al0.32Ga0.68
sバリア層は、隣接するn型GaAsウエル層間におい
て電子がトンネルしないように十分に厚く形成してお
く。
The MQW layer serving as the light absorbing layer in this case
20 is, for example, an i-type Al having a thickness of 50 nm.0.32Ga
0.68As barrier layer, 5 nm thick and 2 carrier concentration
× 10 17cm-3And the n-type GaAs well layer
The As well layers are alternately deposited so as to have 50 layers, and
I-type Al in this case.0.32Ga0.68A
The s barrier layer is located between adjacent n-type GaAs well layers.
And make it thick enough so that electrons do not tunnel.
Good.

【0028】図3(d)参照 次いで、全面にフォトレジストを塗布したのち、干渉露
光法を用いて、高キャリア濃度領域16,17に囲まれ
た領域に対応する部分に回折格子23を形成するための
パターンを形成してレジストマスク22とし、このレジ
ストマスク22をマスクとして反応性イオンエッチング
(RIE)を施すことによって、n型GaAs上部コン
タクト層21の表面に1次の回折格子23を形成する。
Next, after a photoresist is applied to the entire surface, a diffraction grating 23 is formed in a portion corresponding to the region surrounded by the high carrier concentration regions 16 and 17 by using the interference exposure method. Is formed on the surface of the n-type GaAs upper contact layer 21 by performing a reactive ion etching (RIE) using the resist mask 22 as a mask. .

【0029】図4(e)参照 次いで、レジストマスク22を除去したのち、全面にS
iON膜を設け、通常のフォトリソグラフィー工程によ
って、共通電極を形成するための開口部を有するSiO
Nマスク24を形成し、このSiONマスク24をマス
クとしてウェット・エッチングを施すことによってn型
InGaP層19に達するコンタクト用開口25を形成
する。
Referring to FIG. 4E, after the resist mask 22 is removed, S
An iON film is provided, and an SiO film having an opening for forming a common electrode is formed by a normal photolithography process.
An N mask 24 is formed, and a contact opening 25 reaching the n-type InGaP layer 19 is formed by performing wet etching using the SiON mask 24 as a mask.

【0030】この場合、エッチャントとしてHF+H2
2 +H2 Oを用いることによって、n型InGaP層
19がエッチングストッパ層となってGaAs及びAl
GaAsとが選択的にエッチングされ、n型InGaP
層19の表面においてエッチングは自動的に停止する。
In this case, HF + H 2 is used as an etchant.
By using O 2 + H 2 O, the n-type InGaP layer 19 serves as an etching stopper layer so that GaAs and Al
GaAs is selectively etched, and n-type InGaP
Etching automatically stops at the surface of layer 19.

【0031】図4(f)参照 次いで、SiONマスク24を除去したのち、全面に新
たにSiON膜26を設け、フォトレジストパターン
(図示せず)を用いて共通電極形成部及びセンサ電極形
成部のSiON膜26を選択的に除去したのち、Au・
Ge/Niからなるオーミック電極27を部分的に設け
たのち、その表面にAuからなる反射電極28を設け、
フォトレジストパターンを利用したリフトオフ法により
共通電極及びセンサ電極を選択的に形成する。
Next, after the SiON mask 24 is removed, a new SiON film 26 is provided on the entire surface, and a common electrode forming portion and a sensor electrode forming portion are formed using a photoresist pattern (not shown). After selectively removing the SiON film 26, Au.
After partially providing an ohmic electrode 27 made of Ge / Ni, a reflective electrode 28 made of Au is provided on the surface thereof,
A common electrode and a sensor electrode are selectively formed by a lift-off method using a photoresist pattern.

【0032】なお、この電極形成工程において、回折格
子23の部分に設けるオーミック電極27は回折格子2
3の凹凸により段切れされ、回折格子23の凸部の頂部
及び凹部の底部のみに部分的に形成されるだけであるの
で、回折格子23の大部分においては反射電極28の反
射性が損なわれることがない。
In this electrode forming step, the ohmic electrode 27 provided on the diffraction grating 23 is
3 and is formed only partially on the top of the convex portion and the bottom of the concave portion of the diffraction grating 23, so that the reflectivity of the reflective electrode 28 is impaired in most of the diffraction grating 23. Nothing.

【0033】図5(g)参照 次いで、フォトレジストパターン(図示せず)を除去し
たのち、新たにフォトレジストを塗布し、素子分離領域
に対応する開口部を有するレジストマスク(図示せず)
を設け、このレジストマスクをマスクとしてドライエッ
チングを施し、SiON膜26の一部を除去し、引き続
いて、n型GaAs上部コンタクト層21及びMQW層
20を除去して素子分離溝29を形成する。
Next, after removing the photoresist pattern (not shown), a new photoresist is applied, and a resist mask (not shown) having an opening corresponding to the element isolation region is formed, as shown in FIG.
Then, dry etching is performed using this resist mask as a mask to remove a part of the SiON film 26. Subsequently, the n-type GaAs upper contact layer 21 and the MQW layer 20 are removed to form an element isolation groove 29.

【0034】図5(h)参照 次いで、レジストマスクを除去したのち、新たに保護絶
縁膜となるSiON膜30を堆積させ、通常のフォトリ
ソグラフィー工程により共通電極部及びセンサ電極部の
反射電極28の一部を露出させ、露出部にバリア層及び
密着性改善層となるTi/Au膜31を介してInバン
プ32を蒸着法により形成する。
Next, after removing the resist mask, a new SiON film 30 serving as a protective insulating film is deposited, and the reflection electrodes 28 of the common electrode portion and the sensor electrode portion are formed by a normal photolithography process. A part is exposed, and an In bump 32 is formed on the exposed portion via a Ti / Au film 31 serving as a barrier layer and an adhesion improving layer by an evaporation method.

【0035】以上、説明したように、本発明の実施の形
態においては、各センサ素子を囲む様に高キャリア濃度
領域17を形成し、この高キャリア濃度領域17を高キ
ャリア濃度領域16を介してコンタクト用開口部25に
形成した共通電極に接続しているので、共通電極からセ
ンサ素子までの距離が長くなっても、共通電極からセン
サ素子までの間は1×1019cm-3以上の高キャリア濃
度領域16,17を介して電圧が印加されるので、電圧
降下分は十分小さくなる。
As described above, in the embodiment of the present invention, the high carrier concentration region 17 is formed so as to surround each sensor element, and this high carrier concentration region 17 is formed via the high carrier concentration region 16. Since it is connected to the common electrode formed in the contact opening 25, even if the distance from the common electrode to the sensor element is long, the distance from the common electrode to the sensor element is 1 × 10 19 cm −3 or more. Since the voltage is applied through the carrier concentration regions 16 and 17, the voltage drop is sufficiently small.

【0036】したがって、各センサ素子に印加される印
加電圧のばらつきが小さくなるので、光センサアレイを
構成する各センサ素子間の性能のばらつき、例えば、感
度及び暗電流値のばらつきを低減することができる。
Therefore, the variation in the applied voltage applied to each sensor element is reduced, so that it is possible to reduce the variation in performance between the sensor elements constituting the optical sensor array, for example, the variation in sensitivity and dark current value. it can.

【0037】また、各センサ素子には、高キャリア濃度
領域17に囲まれた低キャリア濃度領域を介して信号光
が入射し、また、高キャリア濃度領域17の面積は高キ
ャリア濃度領域17に囲まれた低キャリア濃度領域の面
積より小さいので、高キャリア濃度領域17におけるフ
リーキャリア吸収による入射光の吸収損失の影響を低減
することができ、それによって、光センサアレイ全体と
しての感度の低下を低減することができる。
Signal light is incident on each sensor element through a low carrier concentration region surrounded by a high carrier concentration region 17, and the area of the high carrier concentration region 17 is surrounded by the high carrier concentration region 17. Since the area of the low carrier concentration region is smaller than that of the low carrier concentration region, the influence of the absorption loss of the incident light due to the free carrier absorption in the high carrier concentration region 17 can be reduced. can do.

【0038】特に、n型GaAs下部コンタクト層13
における高キャリア濃度領域17に囲まれた低キャリア
濃度領域のキャリア濃度を5×1016cm-3とし、MQ
W層20を構成するn型GaAsウエル層のキャリア濃
度の2×1017cm-3より低くしているので、フリーキ
ャリア吸収による入射光の吸収損失の影響をより確実に
低減することができる。
In particular, n-type GaAs lower contact layer 13
The carrier concentration in the low carrier concentration region surrounded by the high carrier concentration region 17 is 5 × 10 16 cm −3 ,
Since the carrier concentration of the n-type GaAs well layer forming the W layer 20 is lower than 2 × 10 17 cm −3 , the influence of the absorption loss of incident light due to free carrier absorption can be reduced more reliably.

【0039】また、半絶縁性GaAs基板11側から入
射した信号光の大半はMQW層20で吸収されずに透過
してしまうが、n型GaAs上部コンタクト層21の表
面に設けた回折格子23によって斜め方向に反射・偏向
されて、再びMQW層20に対して斜め方向に入射され
ることになり、斜め方向から入射することによってMQ
W層20において効果的に吸収される。
Although most of the signal light incident from the semi-insulating GaAs substrate 11 is transmitted without being absorbed by the MQW layer 20, the diffraction grating 23 provided on the surface of the n-type GaAs upper contact layer 21 causes the signal light to pass through. The light is reflected and deflected in an oblique direction, and is again incident on the MQW layer 20 in an oblique direction.
It is effectively absorbed in the W layer 20.

【0040】また、回折格子23を透過しようとする信
号光は、反射電極28によって反射され、再び、MQW
層20側に反射され、再び、MQW層20において吸収
されるので、光検知効率をさらに向上することができ
る。
The signal light to be transmitted through the diffraction grating 23 is reflected by the reflection electrode 28, and is again transmitted to the MQW.
Since the light is reflected on the layer 20 side and is absorbed again in the MQW layer 20, the light detection efficiency can be further improved.

【0041】以上、本発明の実施例の形態を説明してき
たが、本発明は実施の形態に記載した構成・条件に限ら
れるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、
高キャリア濃度領域は、イオン注入法の代わりに選択拡
散法を用いて形成しても良いものである。
The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications are possible.
The high carrier concentration region may be formed by using a selective diffusion method instead of the ion implantation method.

【0042】また、上記の実施の形態の説明において
は、コンタクト用開口25等を形成する際に、エッチン
グ工程の制御性を高めるためにn型InGaP層19を
エッチングストッパ層として用いているが、他の半導体
層をエッチングストッパ層として用いても良いものであ
り、さらには、エッチングストッパ層は必ずしも設ける
必要がないものである。
In the description of the above embodiment, the n-type InGaP layer 19 is used as an etching stopper layer in order to enhance the controllability of the etching step when forming the contact opening 25 and the like. Another semiconductor layer may be used as the etching stopper layer, and further, the etching stopper layer is not necessarily provided.

【0043】また、上記の実施の形態の説明において
は、MQW層20をAl0.32Ga0.68As/GaAs接
合で構成しているが、バリア層の組成はAl0.32Ga
0.68Asに限られるものではなく、他の組成比のAlx
Ga1-x Asでも良く、検知対称とする波長に応じた量
子準位、サブバンドが形成されるように、バリア層の厚
さ、組成比、及び、n型GaAsウエル層の厚さを適宜
選択すれば良い。
Further, in the above description of the embodiment, the MQW layer 20 is composed of an Al 0.32 Ga 0.68 As / GaAs junction, but the composition of the barrier layer is Al 0.32 Ga
It is not limited to 0.68 As, but Al x
Ga 1-x As may be used, and the thickness of the barrier layer, the composition ratio, and the thickness of the n-type GaAs well layer are appropriately set so that a quantum level and a sub-band corresponding to the wavelength to be detected are formed. Just choose.

【0044】また、上記の実施の形態の説明において
は、MQW層20をAlGaAs/GaAs系の多重量
子井戸構造によって構成しているが、GaAs/InG
aAs系等の他のIII-V族化合物半導体による多重量子
井戸構造を用いても良いものであり、使用する大面積基
板に格子整合する材料系であれば良い。
In the description of the above embodiment, the MQW layer 20 is constituted by an AlGaAs / GaAs multiple quantum well structure.
A multi-quantum well structure using another III-V compound semiconductor such as an aAs-based compound semiconductor may be used, and any material may be used as long as the material is lattice-matched to a large-area substrate to be used.

【0045】また、上記の実施の形態の説明において
は、図2(b)から明らかなように光センサアレイを2
次元アレイとして説明しているが、1次元アレイをも対
象とするものである。
Further, in the description of the above embodiment, as is apparent from FIG.
Although described as a dimensional array, a one-dimensional array is also targeted.

【0046】[0046]

【発明の効果】本発明によれば、下部コンタクト層のセ
ンサ素子と投影的に重なる領域を低キャリア濃度領域と
し、その周囲を高キャリア濃度領域としているので、フ
リーキャリア吸収による量子井戸型センサ全体としての
素子感度の低下を引き起こすことなく、電圧効果の影響
を低減することができるので、各センサ素子に印加され
るバイアスの変動・ばらつきを小さくすることができ、
それによって大面積の高集積度で且つ高解像度の赤外線
センサアレイの実用化に寄与するところが大きい。
According to the present invention, the region which is projectedly overlapped with the sensor element of the lower contact layer is a low carrier concentration region and the surrounding region is a high carrier concentration region. Since the influence of the voltage effect can be reduced without causing a decrease in element sensitivity as described above, fluctuations and variations in bias applied to each sensor element can be reduced,
This greatly contributes to the practical use of a large-area, high-integration and high-resolution infrared sensor array.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の原理的構成の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態の量子井戸型光センサの途
中までの製造工程の説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the quantum well type optical sensor according to the embodiment of the present invention halfway;

【図3】本発明の実施の形態の量子井戸型光センサの図
2以降の途中までの製造工程の説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the quantum well type optical sensor according to the embodiment of the present invention in the middle of FIG. 2 and thereafter;

【図4】本発明の実施の形態の量子井戸型光センサの図
3以降の途中までの製造工程の説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the quantum well type optical sensor according to the embodiment of the present invention in the middle of FIG. 3 and thereafter;

【図5】本発明の実施の形態の量子井戸型光センサの図
4以降の製造工程の説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the quantum well optical sensor according to the embodiment of the present invention after FIG. 4;

【図6】従来の量子井戸型光センサの概略的断面図であ
る。
FIG. 6 is a schematic sectional view of a conventional quantum well optical sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体基板 2 下部コンタクト層 3 高キャリア濃度領域 4 低キャリア濃度領域 5 センサ素子 6 多重量子井戸層 7 上部コンタクト層 8 下部コンタクト用電極 9 センサ電極 11 半絶縁性GaAs基板 12 i型GaAsバッファ層 13 n型GaAs下部コンタクト層 14 SiONマスク 15 Siイオン 16 高キャリア濃度領域 17 高キャリア濃度領域 18 n型GaAs層 19 n型InGaP層 20 MQW層 21 n型GaAs上部コンタクト層 22 レジストマスク 23 回折格子 24 SiONマスク 25 コンタクト用開口 26 SiON膜 27 オーミック電極 28 反射電極 29 素子分離溝 30 SiON膜 31 Ti/Au膜 32 Inバンプ 41 半絶縁性GaAs基板 42 i型GaAsバッファ層 43 n型GaAs下部コンタクト層 44 n型InGaP層 45 MQW層 46 n型GaAs上部コンタクト層 47 回折格子 48 コンタクト用開口 49 SiON膜 50 オーミック電極 51 反射電極 52 素子分離溝 Reference Signs List 1 semiconductor substrate 2 lower contact layer 3 high carrier concentration region 4 low carrier concentration region 5 sensor element 6 multiple quantum well layer 7 upper contact layer 8 lower contact electrode 9 sensor electrode 11 semi-insulating GaAs substrate 12 i-type GaAs buffer layer 13 n-type GaAs lower contact layer 14 SiON mask 15 Si ions 16 high carrier concentration region 17 high carrier concentration region 18 n-type GaAs layer 19 n-type InGaP layer 20 MQW layer 21 n-type GaAs upper contact layer 22 resist mask 23 diffraction grating 24 SiON Mask 25 Contact opening 26 SiON film 27 Ohmic electrode 28 Reflection electrode 29 Element isolation groove 30 SiON film 31 Ti / Au film 32 In bump 41 Semi-insulating GaAs substrate 42 i-type GaAs buffer layer 43 n-type Ga As lower contact layer 44 n-type InGaP layer 45 MQW layer 46 n-type GaAs upper contact layer 47 diffraction grating 48 contact opening 49 SiON film 50 ohmic electrode 51 reflective electrode 52 element isolation groove

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4M118 AA06 AB01 BA05 CA15 CA32 CA34 CB02 CB14 EA04 EA20 FB08 FB09 FB18 FB19 FB20 FB24 GA09 5F049 MA02 MB07 MB11 NA14 NA20 NB05 PA03 PA10 PA14 QA16 QA18 RA02 SE05 SE16 SS04 SZ12 WA01  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4M118 AA06 AB01 BA05 CA15 CA32 CA34 CB02 CB14 EA04 EA20 FB08 FB09 FB18 FB19 FB20 FB24 GA09 5F049 MA02 MB07 MB11 NA14 NA20 NB05 PA03 PA10 PA14 QA16 QA18 RA02 SE05 SE16 SS

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 多重量子井戸層におけるサブバンド間の
キャリア励起による光吸収を利用して光検知を行う量子
井戸型光センサにおいて、多数のセンサ素子をアレイ状
に配置するとともに、前記センサ素子の下部に設けた下
部コンタクト層のキャリア濃度を部分的に異ならせたこ
とを特徴とする量子井戸型光センサ。
In a quantum well type optical sensor for detecting light by utilizing light absorption due to carrier excitation between subbands in a multiple quantum well layer, a large number of sensor elements are arranged in an array, and A quantum well optical sensor characterized in that the carrier concentration of a lower contact layer provided below is partially varied.
【請求項2】 上記下部コンタクト層のセンサ素子の直
下の領域を低キャリア濃度領域とし、前記下部コンタク
ト層の隣接する各センサ素子間の領域を高キャリア濃度
領域としたことを特徴とする請求項1記載の量子井戸型
光センサ。
2. A region of the lower contact layer immediately below a sensor element is a low carrier concentration region, and a region between adjacent sensor elements of the lower contact layer is a high carrier concentration region. 2. The quantum well type optical sensor according to 1.
【請求項3】 上記各高キャリア濃度領域が互いに接触
しているとともに、下部コンタクト電極まで連続して接
続していることを特徴とする請求項2記載の量子井戸型
光センサ。
3. The quantum well type optical sensor according to claim 2, wherein said high carrier concentration regions are in contact with each other and are continuously connected to a lower contact electrode.
【請求項4】 上記低キャリア濃度領域のキャリア濃度
が、上記多重量子井戸層を構成する井戸層のキャリア濃
度より低いことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか
1項に記載の量子井戸型光センサ。
4. The quantum well according to claim 1, wherein a carrier concentration of the low carrier concentration region is lower than a carrier concentration of a well layer forming the multiple quantum well layer. Type optical sensor.
【請求項5】 上記高キャリア濃度領域の面積が、上記
低キャリア濃度領域の面積より小さいことを特徴とする
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の量子井戸型光セ
ンサ。
5. The quantum well type optical sensor according to claim 1, wherein the area of the high carrier concentration region is smaller than the area of the low carrier concentration region.
【請求項6】 多重量子井戸層におけるサブバンド間の
キャリア励起による光吸収を利用して光検知を行う量子
井戸型光センサの製造方法において、低キャリア濃度の
下部コンタクト層をエピタキシャル成長させたのち、前
記下部コンタクト層の一部に選択的に不純物を導入して
高キャリア濃度領域を形成したのち、前記多重量子井戸
層をエピタキシャル成長させることを特徴とする量子井
戸型光センサの製造方法。
6. A method for manufacturing a quantum well photosensor for performing photodetection utilizing light absorption due to carrier excitation between subbands in a multiple quantum well layer, wherein a lower contact layer having a low carrier concentration is epitaxially grown. Forming a high carrier concentration region by selectively introducing impurities into a part of the lower contact layer; and epitaxially growing the multiple quantum well layer.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002094039A (en) * 2000-09-20 2002-03-29 Fujitsu Ltd Photodetector and its manufacturing method
JP2019153672A (en) * 2018-03-02 2019-09-12 国立研究開発法人物質・材料研究機構 Semiconductor device, manufacturing method thereof, infrared photoelectric conversion element, infrared detector, and infrared light-emitting element

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JP7002126B2 (en) 2018-03-02 2022-02-04 国立研究開発法人物質・材料研究機構 Semiconductor devices, semiconductor device manufacturing methods, infrared photoelectric conversion elements, infrared detection elements, and infrared light emitting elements

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