JP2009246207A - 赤外線センサ、及び赤外線センサｉｃ - Google Patents

Abstract

【課題】熱励起した正孔（ホール）による暗電流、及び拡散電流を抑制した赤外線センサを提供すること。
【解決手段】第１の化合物半導体層１０２において発生した熱励起キャリア（正孔）は第３の化合物半導体層１０５方向に拡散しようとするが、第１の化合物半導体層１０２および第３の化合物半導体層１０５よりもバンドギャップが大きく、その拡散を抑制する第２の化合物半導体層１０３を第１の化合物半導体層１０２と第３の化合物半導体層１０５との間に設けることで、正孔による暗電流が低減される。第２の化合物半導体層１０３は、ｎ型ドーピングによりそのバンドギャップが相対的に価電子帯方向へシフトしており、熱励起された正孔の拡散障壁としてより効果的に機能する。つまり、ｎ型化合物半導体層１０３は、そのバンドギャップとｎ型ドーピングが、熱励起キャリアの拡散を抑制するように調整されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、赤外線センサ、及び赤外線センサＩＣに関する。

一般に波長が５μｍ以上の長波長帯の赤外線は、その熱的効果やガスによる赤外線吸収の効果から、人体を検知する人感センサや非接触温度センサ、ガスセンサ等に使用されている。これらの使用例の内、人体検知や非接触温度センサとして用いられる赤外線センサとしては、焦電センサやサーモパイルの様な熱型の赤外線センサと、半導体受光素子を使用した量子型の赤外線センサがあるが、熱型の赤外線センサに比べて、量子型の赤外線センサの方が、高感度、高速応答、静体検知可能といった大きな特徴がある。

ここで、上記量子型の赤外線センサを実現するためには、波長が５μｍ以上の長波長帯の赤外線を受光する赤外線センサが必要となるが、この波長領域では赤外線センサに対する周辺温度の影響が非常に大きく、室温で使用するには問題がある。上記量子型の赤外線センサは、一般に波長が５μｍ以上の赤外線を吸収可能である半導体中にいわゆるｐｎ接合を形成し、光吸収層において、吸収した赤外線によって発生した電子及び正孔が、ＰＮ接合部分の空乏層における内部電界によって電荷分離されることで、電気信号に変換される。しかしながら、波長が５μｍ以上の赤外線を吸収できる半導体のバンドギャップは０．２５ｅＶ以下と小さい。この様なバンドギャップの小さな半導体では、熱励起キャリアの為に室温での真性キャリア密度が大きくなり、素子の抵抗が小さくなるので十分なｐｎダイオードの特性が得られない。これは真性キャリア密度が大きい場合、拡散電流や暗電流の様な素子の漏れ電流が大きくなる為である。このため、量子型の赤外線センサは熱励起キャリアを抑制する為に、冷却機構を備えた赤外線センサが従来使用されている。

この様な周辺温度の影響による問題を解決した赤外線センサとしては、特許文献１に記載の量子型の赤外線センサがある。この量子型赤外線センサは、センサ部分の化合物半導体の積層構造および素子構造により拡散電流を抑制し、更に信号増幅用ＩＣとセンサのパッケージを改良することにより、室温動作が可能であり、かつ従来にない超小型の赤外線センサを実現している。

国際公開第ＷＯ２００５／０２７２２８号パンフレット

このように改良のための研究開発がなされているが、高性能の量子型赤外線センサを実現するためにさらなる特性の向上が望まれている。従来バンドギャップの小さな半導体材料では、一般的に電子の移動度が正孔の移動度に比べてはるかに大きい為、電子の漏れ電流（拡散電流や暗電流）を抑制することに重点が置かれていた。しかしながら、更なる特性の向上の為には正孔の漏れ電流を抑制することが必要となる。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、室温において熱励起された正孔による拡散電流、及び暗電流を抑制した赤外線センサを提供することにある。

このような赤外線センサを提供するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板上の、インジウム及びアンチモンを含み、ｎ型ドーピングされた材料である第１の化合物半導体層と、前記第１の化合物半導体層上の、ｎ型ドーピングされた材料である第２の化合物半導体層と、前記第２の化合物半導体層上の、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープあるいはｐ型ドーピングされた材料である第３の化合物半導体層とを備え、前記第２の化合物半導体層以外の層のバンドギャップは、０．２５ｅＶ以下であって、前記第２の化合物半導体層は、前記第１の化合物半導体層および前記第３の化合物半導体層よりもバンドキャップが大きいことを特徴とする赤外線センサである。

また、請求項２に記載の発明は、前記第３の化合物半導体層は、前記第２の化合物半導体層上に直接に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサである。

また、請求項３に記載の発明は、前記第２の化合物半導体層と前記第３の化合物半導体層との間に、前記第１の化合物半導体層と同一組成であって、ｎ型ドーピングされた材料である第４の化合物半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサである。

また、請求項４に記載の発明は、前記第３の化合物半導体層は、前記第１の化合物半導体層と同一組成であり、前記第２の化合物半導体層の膜厚は、臨界膜厚以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の赤外線センサである。

また、請求項５に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板上の、インジウム及びアンチモンを含み、ｎ型ドーピングされた材料である第１の化合物半導体層と、前記第１の化合物半導体層上の、ｎ型ドーピングされた材料であって、臨界膜厚以下である第２の化合物半導体層と、前記第２の化合物半導体層上の、前記第２の化合物半導体層との界面において前記第１の化合物半導体層と同一組成であり、膜厚方向に組成が傾斜している第４の化合物半導体層と、前記第４の化合物半導体層上の、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープまたはｐ型ドーピングの第３の化合物半導体層であって、前記第４の化合物半導体層との界面において前記第４の化合物半導体層と同一組成である第３の化合物半導体層とを備え、前記第２の化合物半導体層以外の層のバンドギャップは、０．２５ｅＶ以下であって前記第２の化合物半導体層は、前記第１の化合物半導体層および前記第３の化合物半導体層よりもバンドキャップが大きいことを特徴とする赤外線センサである。

また、請求項６に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板上の、インジウム及びアンチモンを含み、ｎ型ドーピングされた材料である第１の化合物半導体層と、前記第１の化合物半導体層上の、ｎ型ドーピングされた材料であって、臨界膜厚以下である第２の化合物半導体層と、前記第２の化合物半導体層上の、前記第２の化合物半導体層との界面において前記第１の化合物半導体層と同一組成であり、膜厚方向に組成が傾斜しているノンドープまたはｐ型ドーピングされた材料である組成遷移層と、前記組成遷移層上の、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープまたはｐ型ドーピングされた材料である第３の化合物半導体層であって、前記組成遷移層との界面において前記組成遷移層と同一組成である第３の化合物半導体層とを備え、前記第２の化合物半導体層以外の層のバンドギャップは、０．２５ｅＶ以下であって前記第２の化合物半導体層は、前記第１の化合物半導体層および前記第３の化合物半導体層よりもバンドキャップが大きいことを特徴とする赤外線センサである。

また、請求項７に記載の発明は、前記第１の化合物半導体層と、第２の化合物半導体層との間に、前記第１の化合物半導体層と同一組成の第１の繰り返し層と、前記第２の化合物半導体層と同一組成の第２の繰り返し層とをそれぞれ少なくとも１層ずつ備え、前記第１の繰り返し層と前記第２の繰り返し層とは、交互に配置されており、前記第２の繰り返し層の膜厚は、臨界膜厚以下であることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の赤外線センサである。

また、請求項８に記載の発明は、前記第１の化合物半導体層及び前記第３の化合物半導体層は、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、又はＩｎＳｂＮのいずれかであり、前記第２の化合物半導体層は、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、若しくはＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、又はそれらの混晶のいずれかであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の赤外線センサである。

また、請求項９に記載の発明は、前記第２の化合物半導体層は、前記第１の化合物半導体層と同等の濃度にｎ型ドーピングされていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の赤外線センサである。

また、請求項１０に記載の発明は、前記第３の化合物半導体層上に配置され、前記第３の化合物半導体層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ前記第１の化合物半導体層および前記第３の化合物半導体層よりも大きなバンドギャップを有する第５の化合物半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の赤外線センサである。

また、請求項１１に記載の発明は、前記第５の化合物半導体層は、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、若しくはＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、又はそれらの混晶のいずれかであることを特徴とする請求項１０に記載の赤外線センサである。

また、請求項１２に記載の発明は、前記第５の化合物半導体層は臨界膜厚以下であり、前記第５の化合物半導体層上に、前記第５の化合物半導体層と同等以上にｐ型ドーピングされている、第６の化合物半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項１０または１１に記載の赤外線センサである。

また、請求項１３に記載の発明は、前記ｐ型ドーピングされた第６の化合物半導体層は、前記第１の化合物半導体層または、前記第３の化合物半導体層と同一組成であることを特徴とする請求項１２に記載の赤外線センサである。

また、請求項１４に記載の発明は、前記第１の化合物半導体層の膜厚は、０．１μｍを超えることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の赤外線センサである。

また、請求項１５に記載の発明は、前記半導体基板は、半絶縁性の半導体基板、または前記半導体基板と該半導体基板に形成された前記第１の化合物半導体層とが絶縁分離可能な半導体基板であり、前記第１の化合物半導体層上のうち、前記第３の化合物半導体層が形成されていない領域に形成された第１の電極と、前記第３の化合物半導体層上に形成された、第２の電極とをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の赤外線センサである。

また、請求項１６に記載の発明は、前記半導体基板上には、前記赤外線センサに形成された第１の電極と、該第１の電極が形成された赤外線センサの隣の赤外線センサに形成された第２の電極とが直列接続するように、複数の赤外線センサが連続的に形成されていることを特徴とする請求項１５に記載の赤外線センサである。

また、請求項１７に記載の発明は、出力信号を測定する際に、前記第１及び第２の電極間のバイアスをゼロバイアスとし、赤外線入射時の信号を開放回路電圧として読み出すことを特徴とする請求項１５または１６に記載の赤外線センサである。

また、請求項１８に記載の発明は、請求項１乃至１７のいずれかに記載の赤外線センサと、前記赤外線センサから出力される電気信号を処理して所定の演算を行う集積回路部とを備え、前記赤外線センサ及び前記集積回路部が同一パッケージ内にハイブリッドの形態で配設されていることを特徴とする赤外線センサＩＣである。

本発明によれば、ｎ型ドーピングされた材料である第１の化合物半導体層とノンドープまたはｐ型ドーピングの第３の化合物半導体層とにより構成された赤外線センサにおいて、第１の化合物半導体層と第３の化合物半導体層との間に、第１の型化合物半導体層および第３の化合物半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の化合物半導体層を設けることにより、第１の化合物半導体層で室温において熱励起により発生した正孔の第３の化合物半導体層方向への拡散を抑制し、正孔によるｐｎダイオードの暗電流を低減すると共に、第３の化合物半導体層側において光励起や熱励起によって発生した正孔の第１の化合物半導体層側への拡散も抑制することができ、ｐｎダイオードの拡散電流も低減した素子抵抗の高い赤外線センサを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る赤外線センサの模式図である。赤外線センサ１００は、半絶縁性の半導体基板１０１と、半導体基板１０１上の、インジウム及びアンチモンを含み、ｎ型ドーピングされた材料である第１の化合物半導体層１０２と、第１の化合物半導体層１０２上の、ｎ型ドーピングされた材料である第２の化合物半導体層１０３と、第２の化合物半導体層１０３上の、第１の化合物半導体層１０２と同一組成であり、ｎ型ドーピングされた材料である第４の化合物半導体層１０４と、第４の化合物半導体層１０４上の、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープあるいはｐ型ドーピングされた材料である第３の化合物半導体層１０５と、第３の化合物半導体層１０５上の電極１０６と、第４の化合物半導体層１０４上の電極１０７とを備える。

赤外線センサ１００は、第４の化合物半導体層１０４と第３の化合物半導体層１０５との間に空乏層が形成される（第３の化合物半導体層がノンドープである場合、ノンドープ層とｎ型ドープ層との間の電位差により空乏層が形成される）、いわゆるＰＮ接合ダイオードである。赤外線が第３の化合物半導体層に入射した際、光電効果によって発生した電子・正孔対のキャリアをＰＮ接合の空乏層部分に生じる電位差によって分離し、電気信号（電圧もしくは電流）として取り出す。

本実施形態に係る赤外線センサ１００では、第２の化合物半導体層１０３のバンドキャップが第１の化合物半導体層１０２および第３の化合物半導体層１０５のそれよりも大きく、ｎ型ドーピングされた化合物半導体層で室温において熱励起により発生した正孔の第３の化合物半導体層方向への拡散を抑制する。図２がその様子を示している。第１の化合物半導体層１０２において発生したマイノリティキャリアである正孔（ホール）は第３の化合物半導体層１０５方向に拡散しようとするが、第１の化合物半導体層１０２および第３の化合物半導体層１０５よりもバンドギャップが大きく、その拡散を抑制する第２の化合物半導体層１０３を第１の化合物半導体層１０２と第３の化合物半導体層１０５との間に設けることで、暗電流が低減される。第２の化合物半導体層１０３は、ｎ型ドーピングによりそのバンドギャップが相対的に価電子帯方向へシフトしており、正孔の拡散障壁としてより効果的に機能する。つまり、第２の化合物半導体層１０３は、そのバンドギャップとｎ型ドーピングが、正孔の拡散を抑制するように調整されている。

また、第３の化合物半導体層１０５において光励起や熱励起によって発生した正孔は、通常はｐｎ接合により形成されている内部電界の為第３の化合物半導体層１０５方向へ移動するが、その一部は拡散によりｎ型化合物半導体層１０２方向へと移動し、ダイオードの拡散電流となる。前述のように、波長が５μｍ以上の赤外線を吸収できるバンドギャップの小さな半導体では、室温でも熱励起の為に真性キャリア密度が大きくなる。ここで拡散電流は真性キャリア密度の２乗に比例する関係が有り、すなわち真性キャリア密度が大きいほど拡散電流は大きくなる。大きな拡散電流は素子の抵抗を低下させる為これを抑制することは特に重要である。

第２の化合物半導体層１０３は、図２に示す様に正孔による拡散電流に対する障壁にもなる。従って拡散電流を抑制することができる。これは、化合物半導体層が窒化ガリウム（ＧａＮ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）の様な元来バンドギャップが大きく熱励起キャリアの影響が無視でき、拡散電流が元々小さいような化合物半導体である場合は意味を成さず、上記のようにバンドギャップが小さい半導体であるが故に得られる効果である。

また、入射した赤外線によって光励起された正孔が光電流として取り出せない方向（逆方向）へ拡散することを、第２の化合物半導体層１０３によって抑制することもできる為、素子の量子効率を上げることもできる。

上述した熱励起、或いは光励起された正孔の拡散による暗電流、及び拡散電流を抑制するために必要な第２の化合物半導体層１０３と価電子帯とのエネルギー差ΔＥの大きさは、正孔の持つエネルギーよりも大きい必要がある。ここで正孔に与えられるエネルギーとしては、熱エネルギーがあり、室温の場合約２５ｍｅＶである。従って、この場合のΔＥの大きさは少なくとも熱エネルギー以上、室温の場合は２５ｍｅＶ以上であることが好ましい。

更に、赤外線入射の信号を取り出す際、電極１０６と電極１０７の間を開放（オープン）とし、信号を開放回路電圧として読み取る光起電力型の測定方法がある。この場合、第３の化合物半導体層１０５中の正孔が、ｎ型化合物半導体層１０２中へ拡散することを抑制することで、より高い信号電圧を得ることが出来る。この場合、正孔の拡散を抑制する為の第２の化合物半導体層１０３と価電子帯とのエネルギー差ΔＥは、少なくともＰＮ接合の電位差よりも大きいことが好ましい。通常ＰＮ接合の電位差はトンネルリーク電流を防ぐ為にバンドギャップよりも小さくなることから、ΔＥは、少なくとも第１および第４の化合物半導体層１０２および１０４、ならびに第３の化合物半導体層１０５のエネルギーバンドギャップの大きさの５０％以上が好ましく、より好ましくは８０％以上であり、更に好ましくは同等以上である。例えば第１および第４の化合物半導体層１０２および１０４、ならびに第３の化合物半導体層１０５にＩｎＳｂを使用した場合、室温でΔＥは０．０９ｅＶ以上が好ましく、より好ましくは０．１４ｅＶ以上であり、更に好ましくは０．１８ｅＶ以上である。前記の様なΔＥを得る為に、適した第２の化合物半導体層１０３のバンドギャップの大きさは、第１および第４のｎ型化合物半導体層１０２および１０４、ならびに第３の化合物半導体層１０５のエネルギーバンドギャップの大きさの１．５倍以上が好ましく、より好ましくは２倍以上、更に好ましくは２．３倍以上である。ただし、上記のΔＥの大きさは、第２の化合物半導体層１０３のバンドギャップの大きさに加えて、材料の電子親和力や、第２の化合物半導体層へのドーピング濃度によっても調整可能である。

本実施形態に係る赤外線センサ１００の各構成要素について以下に詳説する。

まず、第２の化合物半導体層１０３以外の層を構成する化合物半導体はナローバンドギャップ半導体であり、特に、波長が５μｍ以上の長波長帯の赤外線を吸収可能な、バンドギャップが０．２５ｅＶ以下の化合物半導体であることが好ましい。素子は室温での使用を想定しているため、室温においてバンドギャップが０．２５ｅＶ以下であることがより好ましいが、素子の使用温度が室温ではない場合は、それらの使用温度においてバンドギャップが０．２５ｅＶ以下であればよい。

室温でエネルギーバンドギャップが０．２５ｅＶ以下であるナローバンドギャップの化合物半導体としては、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、又はＩｎＳｂＮのいずれかを用いることができる。ＩｎＳｂの室温でのエネルギーバンドギャップは０．１８ｅＶである。ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x混晶（０＜ｘ＜１）のエネルギーバンドギャップＥ_gは、０．５８ｘ²−０．４１ｘ＋０．１８＝Ｅ_gで表され、非常に大きな非線形因子がある。したがって、ＩｎＡｓＳｂの室温でのエネルギーバンドギャップは、０＜ｘ≦０．８５の組成範囲において０．２５ｅＶ以下となる。また、０＜ｘ＜０．７の組成範囲においては、ＩｎＳｂの室温でのエネルギーバンドギャップよりも更に小さく出来る。また、ＩｎＳｂ_1-yＮ_y混晶（０＜ｙ＜０．０１）のバンドギャップは更に大きな非線形因子があり、窒素Ｎの組成ｙが僅か０．０１でバンドギャップがほぼ０に近くなることが知られている。

第２の化合物半導体層１０３は、ＰＮ接合部分が受光または発光する赤外線を吸収しない程度にワイドバンドギャップであることが好ましい。そうすることで、暗電流、拡散電流の低減に加えて、素子の外部量子効率を向上することができる。第２の化合物半導体層１０３としては、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、若しくはＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、又はそれらの混晶のいずれかを用いることができる。各第２の化合物半導体層の室温でのエネルギーバンドギャップは、組成比により決まり、例えば、Ａｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層の室温におけるバンドギャップは０．４６ｅＶである。上記の材料はＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）の様なＨｇの蒸気圧が高く結晶成長時の組成制御や再現性が難しい材料に比べて、安定した化合物や混晶半導体を作成可能な材料であり、より好ましい。

本実施形態に係る赤外線センサ１００の素子特性をさらに向上するために、第３の化合物半導体層１０５を第１の化合物半導体層１０２と同一組成とし、第２の化合物半導体層１０３の膜厚を臨界膜厚以下とすることができる。赤外線センサ１００の備える第２の化合物半導体層１０３は第１の化合物半導体層１０２よりもバンドキャップが大きく、第１の化合物半導体層１０２と組成が異なる。このような層を第１の化合物半導体層１０２上に形成すると、半導体基板１０１と第１の化合物半導体層１０２との界面で発生したミスフィット転位が、第２の化合物半導体層１０３と第１の化合物半導体層１０２との界面において図３に示すように界面と平行な方向に伝播の向きが変えられることが実験的に分かった。向きの変わった転位は転位同士が対消滅するか、あるいは転位ループを作り半導体基板１０１との界面に再び戻ることになる。すなわち、転位を第１の化合物半導体層１０２中に閉じ込めることができる。実施例は後述する。これによりＰＮ接合部分への転位の伝播を大幅に減らすことが可能となり、赤外線センサ１００の素子特性に対する結晶欠陥の影響を低減することができる。化合物半導体層中の結晶欠陥は、キャリアのリークパスとして素子特性を劣化させる可能性がある。なお上述した様に、上記の第２の化合物半導体層１０３による基板界面からの貫通転位の低減効果は、臨界膜厚以上の膜を成長し、膜中に新たに発生した転位と、基板界面からの貫通転位とを対消滅させる方法や、基板から徐々に組成を変えた格子整合層を基板と活性層の間に設ける等の方法とは異なる効果であり、量産に適した簡易な構造で、活性層となる第３の化合物半導体層１０５の結晶性を向上出来ると共に暗電流、拡散電流を低減することも出来るものである。

第２の化合物半導体層１０３は、第１の化合物半導体層１０２、第４の化合物半導体層１０４および第３の化合物半導体層１０５よりもバンドキャップが大きく、第１の化合物半導体層１０２と組成の異なる材料である。組成が異なると格子定数も異なり、第２の化合物半導体層１０３はその格子全体を歪ませて、下地である第１の化合物半導体層１０２に格子整合して成長していく。第２の化合物半導体層１０３の膜厚が、そのように格子整合した状態で成長できる膜厚が、いわゆる「臨界膜厚」である。第２の化合物半導体層１０３の膜厚を臨界膜厚以下とし、更に第１の化合物半導体層１０２と第４の化合物半導体層１０４の組成が同じであることによって、第１の化合物半導体層１０２と第２の化合物半導体層１０３と第４の化合物半導体層１０４の格子定数は一致することになる。この為第２の化合物半導体層１０３と第１の化合物半導体層１０２および第４の化合物半導体層１０４との界面から新たにミスフィット転位が発生することを抑制できる。これにより、結晶性の高い第２の化合物半導体層１０３を得ることが出来、前述した暗電流、及び拡散電流の抑制効果を高めることが出来る。更に前述した界面からの貫通転位を減少させる効果と合わせて、活性層となる第３の化合物半導体層１０５の結晶性も向上させることが出来る為、発光効率を高めることが可能となる。なお、本明細書において使用する「同一組成」という用語は、完全に組成が同一の場合に加え、格子不整合による応力が臨界膜厚以下のｎ型ワイドバンドギャップ層との界面において欠陥を発生させない程度に同一である場合を含むことが意図されている。

半導体基板１０１としては、ＳｉやＧａＡｓ等を用いることができる。結晶面は、（１００）、（１１１）、（１１０）方向等がある。半絶縁性の半導体基板１０１は、一般にそのバンドギャップが０．２５ｅＶよりも大きい為長波長帯の赤外線に対して透明であるので、赤外線の基板側からの入射を妨げない。基板側には電極が無い為に入射する赤外線が電極により遮られることが無く好ましい。一方、本実施形態では半絶縁性の基板を用いたが、図４に示すようにｎ型半導体基板を用いてもよい。この場合、一方の電極４０７は図４に示すように基板の裏面に作製することも可能である。

第１の化合物半導体層１０２は、ｎ型ドーピングされたナローバンドギャップの化合物半導体である。ナローバンドギャップの化合物半導体は正孔に比べて電子の移動度が非常に大きいため、ｐ型ドーピングよりもｎ型ドーピングの方が半導体層のシート抵抗を容易に下げることができる。したがって、素子構造において大きな面積を占めている第１の化合物半導体層１０２にｎ型ドーピングすることで、赤外線センサ１００のシート抵抗を容易に低減することができる。シート抵抗が増加すると、ダイオードの等価回路上ダイオードに対して直列に接続されたシリーズ抵抗が増加することになる。このシリーズ抵抗は素子の電気的ノイズを増加させる為なるべく小さい方が望ましい。ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ等を用いることができる。

第１の化合物半導体層１０２と同様の理由で、所望のシート抵抗が得られるように第２の化合物半導体層１０３のｎ型ドーピングを調整することができる。なお前述のように第２の化合物半導体層１０３のｎ型ドーピングはそのバンドギャップを相対的に価電子帯方向へシフトさせる効果も持つ。

第２の化合物半導体層１０３の組成は、必要なバンドギャップの大きさ及び薄膜成長の容易さ等を考慮して適切な値に設計される。一例として、第１および第４の化合物半導体層１０１および１０４がＩｎＳｂであり、第２の化合物半導体層１０３がＩｎ_1-xＡｌ_xＳｂである場合、Ａｌの組成は０．０６≦ｘ≦０．７、より好ましくは０．１≦ｘ≦０．５、更に好ましくは０．１５≦ｘ≦０．３である。膜厚は各組成における臨界膜厚以下とすることができるが、それは概ね１０ｎｍから３０ｎｍ程度である。

第４の化合物半導体層１０４も、第１の化合物半導体層１０２と同様にｎ型ドーピングされたナローバンドギャップの化合物半導体である。ｎ型ドーピングの濃度は第１の化合物半導体層１０２や第２の化合物半導体層１０３と同一である必要はないが、素子のシート抵抗を上げない程度にドーピングされていることが好ましく、第１の化合物半導体層１０２や第２の化合物半導体層１０３と同一であっても良い。

第３の化合物半導体層１０５は、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープまたはｐ型ドーピングされた材料である第３の化合物半導体層ある。第２の化合物半導体層１０３の膜厚を臨界膜厚以下とした場合、第４の化合物半導体層１０４について説明したのと同じ理由により、第１の化合物半導体層１０２と同一組成とする。ｐ型ドーピングする場合のドーピング濃度は１×１０¹⁶原子／ｃｍ³以上１×１０¹⁸原子／ｃｍ³未満が好ましく、更に好ましくは１×１０¹⁶原子／ｃｍ³以上１×１０¹⁷原子／ｃｍ³未満である。また第３の化合物半導体層１０５の膜厚は、０．１μｍ以上３μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上２μｍ以下である。ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｒ等を用いることができる。

半導体基板１０１の上に順次、層を形成し、化学エッチングによる素子分離と第３の化合物半導体層１０５の部分除去を行い、そして電極１０６および１０７を形成することで赤外線センサ１００を得る。本実施形態に係る赤外線センサ１００を構成する各化合物半導体層は、各種の成膜方法を用いて形成できる。たとえば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などが好ましい。また、素子の加工方法としては、たとえば、まず酸またはイオンミリングなどを用いてｎ型ドーピング層とコンタクトを取るための段差形成を行い、次に素子分離のためのメサエッチングを行い、その後ＳｉＮやＳｉＯ₂などのパッシベーション膜で覆った後、電極部分のみを窓開けし、Ｔｉ／ＡｕやＣｒ／Ａｕ等の電極をリフトオフ法などで形成する方法が使用される。また、専用のマスクセットを使用することで素子を複数個直列接続した構造を作製できる。

なお、第４の化合物半導体層１０４は、第２の化合物半導体層１０３との界面において第１の化合物半導体層１０２と同一組成であり、膜厚方向に組成が傾斜しているものを用いることができる。第３の化合物半導体層１０５の組成を第４の化合物半導体層１０４の上面と同一にし、第１の化合物半導体層１０２とは異なるようにすることで、第２の化合物半導体層１０３の膜厚を臨界膜厚以下とした場合に赤外線の吸収波長の調整が可能となる。

また、第３の化合物半導体層１０５は、第２の化合物半導体層１０３の上に直接に配置してもよい。この構成において第２の化合物半導体層１０３の膜厚を臨界膜厚以下とした場合に第３の化合物半導体層１０５の組成を第１の化合物半導体層１０２とは異なるようにするために、第２の化合物半導体層１０３との界面において第１の化合物半導体層１０２と同一組成であり、膜厚方向に組成が傾斜しているノンドープまたはｐ型ドーピングの組成遷移層を、第２の化合物半導体層１０３と第３の化合物半導体層１０５との間に設けてもよい。

また、図５に示すように第２の化合物半導体層を複数層積層させることで、転位を止め得る界面を複数に増やし、ＰＮ接合部分への転位の伝播を抑制する効果を更に高めることができる。ここで第２の化合物半導体層の膜厚はすべて臨界膜厚以下であるが、その間のｎ型ドーピングされた化合物半導体層の膜厚は、ｎ型にドーピングされた層（以下、「ｎ型ドーピング層」という。）全体の膜厚を考慮して任意に決めることができる。また、何層繰り返し積層するかも、ｎ型ドーピング層全体の膜厚を考慮して任意に決めることができる。

また、第１および第４の化合物半導体層１０２および１０４を高濃度にドーピングをすることで、バーシュタイン・モス・シフトにより、ドーピング濃度が高くなければ吸収してしまう赤外線に対して透明にすることができる。半導体基板１０１側から赤外線を入射する場合、半導体基板１０１は赤外線に対して透明であり、また第２の化合物半導体層１０３もそのバンドギャップの大きさから透明であるので、第３の化合物半導体層１０５に存在するＰＮ接合の空乏層部分に赤外線を効率的に入射することができ、素子の外部量子効率を向上できる。ドーピング濃度としては、１×１０¹⁸原子／ｃｍ³以上が好ましく、より好ましくは×１０¹⁹原子／ｃｍ³以上である。

また、半導体基板１０１上に成長する第１の化合物半導体層１０１の結晶性を上げるために、半導体基板１０１と第１の化合物半導体層１０２との間に、格子定数が半導体基板１０１と第１の化合物半導体層１０２の中間程度であり、格子不整合を緩和させるバッファ層を用いる場合もある。この場合バッファ層は赤外線の光を吸収しないような材料が選択される。

本実施形態では、第３の化合物半導体層１０５にノンドープまたはｐ型、第３の化合物半導体層１０５以外にｎ型の層を使用したが、ｎ型とｐ型を入れ替えた構造においてもワイドバンドギャップである第２の化合物半導体層１０３により暗電流の増加の抑制や結晶欠陥による素子特性の劣化低減という効果が得られる。ただし、第１の化合物半導体層１０２に関して説明したように、ｐ型ドーピングにすると素子のシート抵抗が増大してしまう。また、ｐ型の化合物半導体は長波長帯の赤外線を吸収し易いため基板側からの赤外線の入射は難しくなる。

また、図１に示した赤外線センサ１００は、第４の化合物半導体層１０４上に電極１０７を設けたが、第２の化合物半導体層１０３または第１の化合物半導体層１０２に接続する形に設けてもよい。ただし、ｎ型ドーピング層のシート抵抗を下げるためにはそれらの膜厚が厚い方がよいので、電極１０７を設ける位置としては図１のように第４の化合物半導体層の直上（あるいはｎ型ドーピング層の上面）が好ましい。

（実施形態２）
図６は、実施形態２に係る赤外線センサ６００を示している。半導体基板１０１から第３の化合物半導体層１０５までは実施形態１と同一であり、また同様の変形形態が考えられる。赤外線センサ６００は、第３の化合物半導体層１０５上に配置され、第３の化合物半導体層１０５よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ第１の化合物半導体層１０２および第３の化合物半導体層１０５よりも大きなバンドギャップを有する第５の化合物半導体層６０１をさらに備える。この構造はいわゆるＰＩＮダイオードの構造である。

図７は、実施形態２に係る赤外線センサにおけるエネルギーバンドギャップの模式図である。第５の化合物半導体層６０１のバンドギャップを第１の化合物半導体層１０２および第３の化合物半導体層１０５よりも大きくすることで、第５の化合物半導体層６０１中における、マイノリティキャリアである電子の熱励起による発生を効果的に抑制することができる。これにより、第５の化合物半導体層６０１より第３の化合物半導体層１０５側へ流れる電子による暗電流を抑制すると共に、第３の化合物半導体層１０５において熱励起、或いは光励起により発生した、第５の化合物半導体層６０１側へ流れる電子の拡散電流を抑制し、素子のダイオード抵抗の効果的な低減抑制が可能である。

ここで、第５の化合物半導体層６０１では赤外線を吸収することができない程度のワイドバンドギャップであるが、赤外線の吸収は第３の化合物半導体層１０５で行われるため問題とならない。また、同じく図７に示すように、光励起によって発生したキャリアは第５の化合物半導体層６０１により第５の化合物半導体層６０１側への拡散が抑制されるため、効率的にｎ型ドーピング層側へ拡散する。すなわち、発生したキャリアを効率的に利用可能となるため、内部量子効率が上がることになる。

第５の化合物半導体層６０１の組成は必要なバンドギャップの大きさ及び薄膜成長の容易さ等を考慮して適切な値に設計される。一例として、ナローバンドギャップの化合物半導体がＩｎＳｂであり、ｐ型ワイドバンドギャップ層がＩｎ_1-xＡｌ_xＳｂである場合、Ａｌの組成は０．０６≦ｘ≦０．７、より好ましくは０．１≦ｘ≦０．５、更に好ましくは０．１５≦ｘ≦０．３である。また、第５の化合物半導体層６０１のｐ型ドーピング濃度は７×１０¹⁷原子／ｃｍ³以上が好ましく、より好ましく１×１０¹⁸原子／ｃｍ³以上である。

（実施形態３）
図８は、実施形態３に係る赤外線センサ８００を示している。半導体基板１０１から第３の化合物半導体層１０５までは実施形態１と同一であり、また同様の変形形態が考えられる。第３の化合物半導体層１０５の上に第３の化合物半導体層１０５よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ第１の化合物半導体層１０２および第３の化合物半導体層１０５よりも大きなバンドギャップを有する第５の化合物半導体層をさらに備える点は実施形態２と共通するが、本実施形態では、第５の化合物半導体層８０１の膜厚を臨界膜厚以下（概ね１０ｎｍから３０ｎｍ程度）とする。このようにすることで、第３の化合物半導体層１０５との界面においてミスフィット転位等の格子欠陥が発生することを防ぎ、第５の化合物半導体層８０１の結晶性を高めることができる。さらに本実施形態では、第５の化合物半導体層８０１上に、第３の化合物半導体層１０５よりも高濃度にｐ型ドーピングされた第６の化合物半導体層８０２を備える。第５の化合物半導体層８０１は臨界膜厚以下であり非常に薄い。したがって第５の化合物半導体層８０１に電極を直接に形成すると電極形成のプロセス中に何らかの損傷を受ける可能性がある。第６の化合物半導体層８０２は、このような損傷から第５の化合物半導体層８０１を保護する約割がある。

なお、第６の化合物半導体層８０２は、電極１０６とのコンタクト層となる。電極とのコンタクト抵抗は等価回路上のシリーズ抵抗となり、赤外線センサのノイズを大きくする。したがって、第６の化合物半導体層８０２と電極１０６とのコンタクト抵抗を下げる為に第６の化合物半導体層８０２には第５の化合物半導体層８０１と同等またはそれ以上のｐ型ドーピングがなされていることが好ましい。特にｐ型ドーピング濃度は７×１０¹⁷原子／ｃｍ³以上が好ましく、より好ましく１×１０¹⁸原子／ｃｍ³以上である。また第６の化合物半導体層８０２の膜厚は０．０５μ以上１μｍ以下が好ましく、より好ましくは０．１μｍ以上０．７μｍ以下である。

また、前記のように第６の化合物半導体層８０２は電極１０６とのコンタクト層となる為、その膜シート抵抗はなるべく小さい方が好ましい。従って第６の化合物半導体層８０２のバンドギャップは第５の化合物半導体層８０１よりも小さい方が好ましい。これはバンドギャップの小さい半導体は膜シート抵抗も小さい為である。ここで、第６の化合物半導体層８０２の組成を、第１の化合物半導体層１０２、または第３の化合物半導体層１０５と同じ組成にすると、バンドギャップが小さい為その膜シート抵抗も小さく出来る。さらに、格子定数が臨界膜厚以下の第５の化合物半導体層８０１と近い為に第５の化合物半導体層８０１に対して応力を与えることが無く、その結晶性を更に高めることが出来る。特に第３の化合物半導体層１０５と同じ組成の場合、第３の化合物半導体層１０５と第５の化合物半導体層８０１と第６の化合物半導体層８０２の格子定数が一致する為、高い結晶性の膜成長を行うことが出来る為、好ましい。

図９は、赤外線センサ８００の変形形態９００を示している。赤外線センサ９００は、実施形態１において説明したように、第３の化合物半導体層１０５を第２の化合物半導体層１０３の上に直接に配置した構造である。この構造では、第１の化合物半導体層１０２で発生したマイノリティキャリアであるホールの熱拡散をより効果的に抑制し、拡散電流によるリーク電流をより効果的に抑制することができるので好ましい。

（実施形態４）
実施形態１〜３で説明してきた赤外線センサにおいて、たとえば図１の電極間のバイアスをゼロバイアスとし、信号を光電流ではなく開放回路電圧として読み取る光起電力型の素子として動作させることで、素子に電流が流れることにより発生する１／ｆノイズを抑制し、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を上げることができる。この場合の素子のノイズは熱ノイズ（ジョンソンノイズ）のみである。ここでジョンソンノイズはノイズ電圧ｖ、信号を増幅する際の増幅器のバンド幅ｆ、素子の絶対温度Ｔ、素子の抵抗Ｒ、ボルツマン定数ｋとすると次式のように表せる。

上式からも素子の抵抗Ｒを小さくすることで、素子のノイズを下げることができることが分かる。したがって、素子のダイオード抵抗以外の直列抵抗成分、すなわちｎ型ドーピング層の膜シート抵抗や、電極とのコンタクト抵抗等の抵抗が大きいと素子のノイズが大きくなるので、ダイオード抵抗以外の直列抵抗成分はなるべく小さい方が好ましい。

図１０は、半導体基板上に複数の赤外線センサ設けた構造を示している。各赤外線センサは電極により直列に接続されている。このような赤外線センサを光起電力型受光素子として動作させると、さらなるＳ／Ｎ比の増加が可能である。図１０の構造は、化学エッチングによる素子分離と層の部分除去の後、全体に絶縁性の保護膜を積層し、素子とのコンタクト部分に窓開けした後、各素子が直列に繋がるように電極を形成することで得ることができる。光起電力型の動作の場合、信号である電圧は素子の接続数に比例するのに対し、熱ノイズは接続した素子抵抗のルートであるため、Ｓ／Ｎ比を接続数／（接続数）^1/2の割合で増加することができる。

（実施形態５）
実施形態１〜４で説明してきた赤外線センサを、センサから出力される電気信号を処理する集積回路部と同一パッケージ内にハイブリッドに形成することで、超小型で、ノイズや温度揺らぎに強く、室温でより高感度である画期的な化合物半導体赤外線センサＩＣを得る事ができる。また、信号処理によって特定の信号を識別して出力を行う等の、より高度な機能を付加することもできる。

第２の化合物半導体層による結晶欠陥の伝播抑制という効果を得るために適切な第１の化合物半導体層の膜厚を検討した。

半導体基板上に最初に成長する第１の化合物半導体層は、基板材料と格子不整合の大きいヘテロ成長となるために、最初は島状に成長し、成長した島が互いに接触し結合することで連続膜となる成長過程をとる。したがって、その膜厚が非常に薄い場合、連続膜を形成できないか、あるいは連続膜であっても十分な結晶性が得られない場合がある。このような結晶性の第１の化合物半導体層上に第２の化合物半導体層を成長しても、下層の第１の化合物半導体層の結晶性が影響し、第２の化合物半導体層も十分な結晶性が得られず十分な結晶欠陥の伝播抑制効果を発揮できない。

ここで、ＧａＡｓ基板上に合計１μｍのＩｎＳｂ膜を成長する際、膜厚２０ｎｍの第２の化合物半導体層Ａｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂを、基板から０．１μｍ、０．２μｍ、および０．３μｍの位置にそれぞれ挿入した。このＩｎＳｂ膜をＨＦ（フッ酸）：ＨＮＯ₃（硝酸）：Ｈ₂Ｏ（水）＝１：１：３のエッチャントでエッチングすると、表面に達した転位部分、いわゆる貫通転位がエッチピットとして得られた。エッチピットの数を数えることで、膜の表面に達した転位の数が得られる。

図１１は、このようにして得られたエッチピットの数と第２の化合物半導体層Ａｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂの挿入位置の関係を示すグラフである。この図から分かるように、第２の化合物半導体層Ａｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂの挿入位置が基板から０．２μｍ及び０．３μｍの位置では第２の化合物半導体層Ａｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂのない膜に比べて貫通転位の数が２０％以上も減少している。すなわち第２の化合物半導体層Ａｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂが結晶欠陥の伝播を効果的に抑制している。一方で第２の化合物半導体層Ａｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂの挿入位置が基板から０．１μｍの位置ではエッチングによりＩｎＳｂの膜自体が溶解してしまった。すなわち膜の結晶性を逆に悪化させてしまうことを示している。従って、第２の化合物半導体層の挿入位置は、基板から０．１μｍより離れた位置であることが好ましい。換言すれば、第１の化合物半導体層の膜厚は０．１μｍを超えることが好ましい。

一方、この膜厚が厚過ぎると膜の成長に長い時間が必要となる。このため好ましい第１の化合物半導体層の膜厚としては０．１μｍ＜ｘ≦３．０μｍであり、より好ましくは０．２μｍ≦ｘ≦２．０μｍであり、更に好ましくは０．３μｍ≦ｘ≦１．０μｍである。

第１および第４の化合物半導体層を合わせた全体のｎ型化合物半導体層の膜厚は０．１μｍより厚ければよいが、好ましくは０．１μｍより厚く３μｍ以下であり、より好ましくは０．７μｍ以上２μｍ以下である。

実施例２−１
図９に示した素子構造をＭＢＥ法により作製した。まず、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板（００１）面上に、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層（第１の化合物半導体層）を１．０μｍ成長し、この上に、同じくＳｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層（第２の化合物半導体層）を０．０２μｍ成長し、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を６．０×１０¹⁶原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層（第３の化合物半導体層）を１．０μｍ成長し、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を２．０×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層（第５の化合物半導体層）を０．０２μｍ成長し、最後に、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を２．０×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層（第６の化合物半導体層）を０．５μｍ成長した。ここで、各ＩｎＳｂ層の室温におけるバンドギャップは０．１８ｅＶであり、各Ａｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層の室温におけるバンドギャップは０．４６ｅＶである。これは、他の実施例及び比較例についても同様である。

このようにして作製した赤外線センサについて断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察を行った。まず、イオンミリング法により薄片化し、続いて、ＨＩＴＡＣＨＩ Ｈ−９０００ＮＡＲの電子顕微鏡を用いて加速電圧３００ｋＶの条件で観察した。
図１２（ｂ）に、倍率１２５００倍の観察結果を示す。図中に見られる斜めの線が転位である。写真から分かるようにｎ型ＩｎＳｂ層と第３の化合物半導体層との間にあるｎ型のＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層（第２の化合物半導体層）によって、基板との界面から発生した転位が曲げられており、第３の化合物半導体層への転位の伝播が大幅に抑制されている効果がはっきりと分かる。

なお、膜厚０．０２μｍのＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層はＩｎＳｂの下地に対して臨界膜厚以下であり、膜表面に平行な方向に関してＩｎＳｂ層とＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層は完全に格子整合していることを、断面ＴＥＭの写真と、Ｘ線回折による（１１５）面の逆格子マッピングの結果から確認した。

比較例２−１
実施例２−１からＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層（第２の化合物半導体層）を抜いた構造を作製した。この素子について、実施例２−１と同一条件で断面ＴＥＭ観察を行った結果が図１２（ａ）である。図１２（ａ）から分かるように界面で発生した転位は第３の化合物半導体層を貫通している。

実施例２−２
図９に示した素子構造において第１の化合物半導体層中に図５のように第２の化合物半導体層を５層挿入した構造をＭＢＥ法により作製した。まず、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板（００１）面上に、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．５μｍ成長し、この上に、同じくＳｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層（第２の化合物半導体層）を０．０２μｍ成長し、この上にＳｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．０２μｍ成長する。この後、上記と同じ０．０２μｍのＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層（第２の化合物半導体層）と０．０２μｍのＩｎＳｂ層を交互に積層し、Ａｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層（第２の化合物半導体層）が合計５層になるまで繰り返し積層する。５層目のＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層（第２の化合物半導体層）上にはＳｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．３μｍ成長する。この上に更にＳｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層を０．０２μｍ成長する。ここまでのｎ型ドーピング層（Ｓｎドーピング層）は合計で１μｍの膜厚となっている。この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を６．０×１０¹⁶原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層（第３の化合物半導体層）を１．０μｍ成長し、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を２．０×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層（第５の化合物半導体層）を０．０２μｍ成長し、最後に、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を２．０×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層（第６の化合物半導体層）を０．２μｍ成長した。

このようにして作製した赤外線センサについて実施例２−１と同一の条件で断面ＴＥＭ観察を行った結果が図１２（ｃ）である。図１２（ｃ）から分かるように界面で発生した転位が、挿入された５層のＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層によって更に効果的に伝播抑制されていることがわかる。

実施例２−３
実施例２−１の構造を用いて、次の手順でＰＩＮダイオードを作製した。まず、ｎ型ドーピング層とのコンタクトを取るための段差形成エッチングを酸により行い、次いで段差形成がされた化合物半導体薄膜に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後プラズマＣＶＤを用いて、全面（ＧａＡｓ基板およびこの基板に形成された化合物半導体構造）をＳｉＮ保護膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／Ｔｉ（Ｔｉが膜側）をＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。ＰＮ接合部分は８角形の形状をしており、面積は１２０．７μｍ²となるように設計した。また、比較例２−１の構造を用いてもＰＩＮダイオードを作製した。

図１３は、このようにして作製したＰＩＮダイオードの電流−電圧特性を示している。実施例２−１の構造を用いたＰＩＮダイオードは、比較例２−１の構造を用いたものと比べて、逆バイアス時の電流すなわちダイオードの暗電流が減少している。また、正バイアス時の電流の立ち上がりがバイアスの大きい側へシフトしている。これはダイオードの拡散電流が抑制された効果である。

さらに、これらのＰＩＮダイオードを赤外線センサとして用いたときの特性を評価するため、赤外線を照射したときの素子の開放電圧を出力電圧として測定した。その結果を図１４に示す。測定中の素子の温度は室温（２７℃）である。入射する赤外線は５００Ｋの黒体炉を使用して発生させ、センサから１０ｃｍの距離に黒体炉を設置した。このような配置で、素子の基板側から赤外線を入射した。入射した赤外線のエネルギーは１．２ｍＷ／ｃｍ²である。光チョッピングの周波数は１０Ｈｚであり、フィルタとしてＳｉを使用した。

測定によって得られた出力電圧は実施例２−１の構造については１．４１μＶ、比較例２−１の構造については０．８８μＶであり、実施例２−１の構造を用いることで出力が１．６倍に増加することを確認した。これは上記拡散電流の抑制効果により、正バイアス時の電流の立ち上がりがバイアスの大きい側へシフトした結果開放電圧が大きくなる効果と、赤外線の入射により発生した正孔が光電流として取り出せない方向（逆方向）へ拡散することを、ｎ型ワイドバンドギャップによって抑制することにより、受光素子の量子効率を上げた効果による。

実施形態１に係る赤外線センサの模式図である。 実施形態１に係る赤外線センサのバンド図である。 第１の化合物半導体層中の転位を示す図である。 実施形態１に係る赤外線センサの変形形態を示す図である。 実施形態１に係る赤外線センサの変形形態を示す図である。 実施形態２に係る赤外線センサの模式図である。 実施形態２に係る赤外線センサのバンド図である。 実施形態３に係る赤外線センサの模式図である。 実施形態３に係る赤外線センサの変形形態を示す図である。 実施形態４に係る赤外線センサの模式図である。 第１の化合物半導体層の膜厚とエッチピット密度の関係を示す図である。 （ａ）は比較例２−１、（ｂ）は実施例２−１、（ｃ）は実施例２−２の断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察結果を示す図である。 比較例２−１および実施例２−１の構造を用いたＰＩＮダイオードの電流−電圧特性を示す図である。 比較例２−１および実施例２−１の構造を用いた赤外線センサに赤外線を照射したときの出力電圧を示す図である。

符号の説明

１００、６００、８００、９００ 赤外線センサ
１０１ 半導体基板
１０２ 第１の化合物半導体層
１０３ 第２の化合物半導体層
１０４ 第４の化合物半導体層
１０５ 第３の化合物半導体層
１０６、１０７、４０７ 電極
６０１、８０１、９０１ 第５の化合物半導体層
８０２、９０２ 第６の化合物半導体層

Claims (18)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上の、インジウム及びアンチモンを含み、ｎ型ドーピングされた材料である第１の化合物半導体層と、
   前記第１の化合物半導体層上の、ｎ型ドーピングされた材料である第２の化合物半導体層と、
   前記第２の化合物半導体層上の、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープあるいはｐ型ドーピングされた材料である第３の化合物半導体層と
   を備え、
   前記第２の化合物半導体層以外の層のバンドギャップは、０．２５ｅＶ以下であって、
   前記第２の化合物半導体層は、前記第１の化合物半導体層および前記第３の化合物半導体層よりもバンドキャップが大きいことを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記第３の化合物半導体層は、前記第２の化合物半導体層上に直接に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 前記第２の化合物半導体層と前記第３の化合物半導体層との間に、前記第１の化合物半導体層と同一組成であって、ｎ型ドーピングされた材料である第４の化合物半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
4. 前記第３の化合物半導体層は、前記第１の化合物半導体層と同一組成であり、
   前記第２の化合物半導体層の膜厚は、臨界膜厚以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の赤外線センサ。
5. 半導体基板と、
   前記半導体基板上の、インジウム及びアンチモンを含み、ｎ型ドーピングされた材料である第１の化合物半導体層と、
   前記第１の化合物半導体層上の、ｎ型ドーピングされた材料であって、臨界膜厚以下である第２の化合物半導体層と、
   前記第２の化合物半導体層上の、前記第２の化合物半導体層との界面において前記第１の化合物半導体層と同一組成であり、膜厚方向に組成が傾斜している第４の化合物半導体層と、
   前記第４の化合物半導体層上の、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープまたはｐ型ドーピングの第３の化合物半導体層であって、前記第４の化合物半導体層との界面において前記第４の化合物半導体層と同一組成である第３の化合物半導体層と
   を備え、
   前記第２の化合物半導体層以外の層のバンドギャップは、０．２５ｅＶ以下であって
   前記第２の化合物半導体層は、前記第１の化合物半導体層および前記第３の化合物半導体層よりもバンドキャップが大きいことを特徴とする赤外線センサ。
6. 半導体基板と、
   前記半導体基板上の、インジウム及びアンチモンを含み、ｎ型ドーピングされた材料である第１の化合物半導体層と、
   前記第１の化合物半導体層上の、ｎ型ドーピングされた材料であって、臨界膜厚以下である第２の化合物半導体層と、
   前記第２の化合物半導体層上の、前記第２の化合物半導体層との界面において前記第１の化合物半導体層と同一組成であり、膜厚方向に組成が傾斜しているノンドープまたはｐ型ドーピングされた材料である組成遷移層と、
   前記組成遷移層上の、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープまたはｐ型ドーピングされた材料である第３の化合物半導体層であって、前記組成遷移層との界面において前記組成遷移層と同一組成である第３の化合物半導体層と
   を備え、
   前記第２の化合物半導体層以外の層のバンドギャップは、０．２５ｅＶ以下であって
   前記第２の化合物半導体層は、前記第１の化合物半導体層および前記第３の化合物半導体層よりもバンドキャップが大きいことを特徴とする赤外線センサ。
7. 前記第１の化合物半導体層と、第２の化合物半導体層との間に、前記第１の化合物半導体層と同一組成の第１の繰り返し層と、前記第２の化合物半導体層と同一組成の第２の繰り返し層とをそれぞれ少なくとも１層ずつ備え、
   前記第１の繰り返し層と前記第２の繰り返し層とは、交互に配置されており、
   前記第２の繰り返し層の膜厚は、臨界膜厚以下であることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の赤外線センサ。
8. 前記第１の化合物半導体層及び前記第３の化合物半導体層は、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、又はＩｎＳｂＮのいずれかであり、前記第２の化合物半導体層は、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、若しくはＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、又はそれらの混晶のいずれかであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の赤外線センサ。
9. 前記第２の化合物半導体層は、前記第１の化合物半導体層と同等の濃度にｎ型ドーピングされていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の赤外線センサ。
10. 前記第３の化合物半導体層上に配置され、前記第３の化合物半導体層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ前記第１の化合物半導体層および前記第３の化合物半導体層よりも大きなバンドギャップを有する第５の化合物半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の赤外線センサ。
11. 前記第５の化合物半導体層は、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、若しくはＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、又はそれらの混晶のいずれかであることを特徴とする請求項１０に記載の赤外線センサ。
12. 前記第５の化合物半導体層は臨界膜厚以下であり、
    前記第５の化合物半導体層上に、前記第５の化合物半導体層と同等以上にｐ型ドーピングされている、第６の化合物半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項１０または１１に記載の赤外線センサ。
13. 前記ｐ型ドーピングされた第６の化合物半導体層は、前記第１の化合物半導体層または、前記第３の化合物半導体層と同一組成であることを特徴とする請求項１２に記載の赤外線センサ。
14. 前記第１の化合物半導体層の膜厚は、０．１μｍを超えることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の赤外線センサ。
15. 前記半導体基板は、半絶縁性の半導体基板、または前記半導体基板と該半導体基板に形成された前記第１の化合物半導体層とが絶縁分離可能な半導体基板であり、
    前記第１の化合物半導体層上のうち、前記第３の化合物半導体層が形成されていない領域に形成された第１の電極と、
    前記第３の化合物半導体層上に形成された、第２の電極と
    をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の赤外線センサ。
16. 前記半導体基板上には、前記赤外線センサに形成された第１の電極と、該第１の電極が形成された赤外線センサの隣の赤外線センサに形成された第２の電極とが直列接続するように、複数の赤外線センサが連続的に形成されていることを特徴とする請求項１５に記載の赤外線センサ。
17. 出力信号を測定する際に、前記第１及び第２の電極間のバイアスをゼロバイアスとし、赤外線入射時の信号を開放回路電圧として読み出すことを特徴とする請求項１５または１６に記載の赤外線センサ。
18. 請求項１乃至１７のいずれかに記載の赤外線センサと、
    前記赤外線センサから出力される電気信号を処理して所定の演算を行う集積回路部と
    を備え、
    前記赤外線センサ及び前記集積回路部が同一パッケージ内にハイブリッドの形態で配設されていることを特徴とする赤外線センサＩＣ。

Images