JP2009532852A - 暗電流を低減した光検出器 - Google Patents

暗電流を低減した光検出器 Download PDF

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Abstract

光検出器が、価電子帯エネルギーレベルと伝導帯エネルギーレベルとを有するｎドープの半導体基板を含む光吸収層と、その第１側面は光吸収層の第１側面に隣り合い、光吸収層のドープされた半導体の価電子帯エネルギーレベルと実質的に等しい価電子帯エネルギーレベルを有するバリア層と、ドープされた半導体を含み、バリア層の、第１側面に対向する第２側面に隣り合うコンタクト領域とを含み、バリア層は、光吸収層からコンタクト領域に多数キャリアがトンネルするのを防止し、光吸収層からコンタクト領域に熱化された多数キャリアが流れるのを阻止するのに十分である膜厚と伝導帯バンドギャップを有する。代わりに、ｐドープ半導体が用いられ、バリアと光吸収層の伝導帯エネルギーレベルが等しくなる。

Description

本発明は、一般に半導体ベースの光検出器（Photo-detector）に関し、特に、活性な半導体領域とコンタクト半導体領域との間にバリア領域を有する光検出器に関する。
光検出器は、画像を含む幅広い応用に使用できる。光の赤外線波長を検知する光検出器の特定のタイプは、赤外線検出器として知られている。赤外線は、広い範囲の波長をカバーし、多くの材料は、特定の範囲の波長のみ検知する。結果として、赤外線帯域は、更に、伝統的に０．７５〜１．４μｍと規定される近赤外線、伝統的に０．３〜３μｍと規定される短波長赤外線、伝統的に３〜８μｍと規定される中波長赤外線、および伝統的に１５〜１０００μｍと規定される遠赤外線に分けられる。５μｍから８μｍの範囲の赤外線は、環境中でうまく伝送されず、多くの赤外線検出の応用において、中波長赤外線は、３〜５μｍとされる。
赤外線検出器は、幅広い応用に使用され、特に暗視装置、空気伝搬システム、海軍システム、およびミサイルシステムの熱検出器として使用されるような、特に軍事分野で使用される。非常に正確な熱検出器は、ＩｎＳｂおよびＨｇＣｄＴｅのｐ−ｎ接合ダイオードを用いて形成されるが、しかしながら、それらの熱検出器は、費用のかかる７７Ｋ周囲の低温への冷却を必要とする。低温は、第１に、他の効果の中で、ショットキリードホール（ＳＲＨ）生成によるｐ−ｎ接合中で発生する暗電流の低減に使用される。
ナローバンドギャップ半導体に基づくフォトダイオードにおいて、Ｉｄａｒｋと記載される暗電流について主な貢献は３つある。暗電流成分の変動は、デバイス性能を制限する、ノイズ中の主要因である。
それらの成分は、
ａ）空乏領域中のショットキリードホール（ＳＲＨ）プロセスに関する生成電流Ｉｓｒｈ、
ｂ）エクストリンシック領域中のオージェまたは放射プロセスに関する拡散電流Ｉｄｉｆｆ、および
ｃ）接合の表面状態に関する表面電流Ｉｓｕｒｆ、である。表面電流は、デバイスに対して行われたパッシベーションプロセスに主に依存する。
このように、Ｉｄａｒｋは以下のように表すことができる。
Figure 2009532852
ＳＲＨ生成プロセスは、ミッドギャップトラップが非常に活性な、フォトダイオードの空乏領域中で非常に有効である。これは、２００Ｋより低い温度で使用される中波長の赤外で働くフォトダイオードの主な暗電流源である。電流は、この源と以下のような関係を有する。
Figure 2009532852
 ここで、ｎｉは半導体のイントリンシック濃度、Ｗｄｅｐは空乏層幅（一般には１μｍのオーダー）、τｓｒｈは外部領域の少数キャリアのＳＲＨライフタイムである。外部領域の少数キャリアのＳＲＨライフタイムは、材料の品質に依存し、即ち、トラップの濃度に依存し、一般には低ドープ材料（〜１０１６ｃｍ−３）では１μｓｅｃまでの範囲である。ｎｉに対すＳＲＨ電流の依存は、Ｅｇ／２（ｎｉ〜ｅｘｐ（−Ｅｇ／２／ｋＴ））の活性化エネルギーを生じる。なぜならば、この生成プロセスの源は、ミッドギャップトリップを通るからである。フォトダイオードの暗電流の第２の源は、中性領域中での熱的生成と、接合の他の側への拡散である。この熱的生成は、この領域のオージェまたは放射プロセスに依存し、以下のように表される。
Figure 2009532852
 ここで、τｄｉｆｆはライフタイム、Ｎｄで示されるドーピング濃度が約１〜２×１０１６ｃｍ−３のｎ型材料中では、〜０．５μｓｅｃの範囲となり、わずかに温度に依存する。Ｌはデバイスの中性領域の幅、または小数キャリア（２つの内の小さい方）の拡散距離であり、ｐｎは、平衡状態における活性ｎ型半導体中のホールの濃度であり、ｎｉ ２／Ｎｄに等しい。拡散電流の活性エネルギーはＥｇであり、プロセスとしての（ｎｉ ２〜ｅｘｐ（−Ｅｇ／ｋＴ））はバンド間の励起を含む。
更に、ｐｎ接合ダイオード、特に熱画像用に製造されたｐｎ接合ダイオードは、ｐ層とｎ層の間の金属接合に、パッシベーション層を必要とする。残念ながらこれは達成が困難であり、製造コストを大きく増加させる。
このように、暗ノイズを低減したフォトダイオードが長年必要とされてきた。フォトダイオードは中波長の赤外線帯域を検知し、製造に高価なパッシベーションを必要としないものが好ましい。更に、フォトダイオードは７７Ｋより十分に高い温度で働くことが好ましい。
発明の概要
このように、本発明の主要な目的は、従来のフォトダイオードの欠点を克服することであり、特に中波長の赤外線検出器に関する。本発明では、目的波長帯で検知可能なフォトダイオードは、好適には光吸収長のオーダーの膜厚を有する光吸収層を含む。一例としての具体例では、光吸収層は、光吸収長の１倍と２倍の間の膜厚に形成される。コンタクト層は更に形成され、バリア層が光吸収層とコンタクト層との間に挟まれる。バリア層は、光吸収層からコンタクト層に多数キャリアがトンネルするのを防止するのに十分な膜厚を有し、更に光吸収層からコンタクト層に熱化された多数キャリアが流れるのを防止するのに十分なバンドギャップバリアを有する。バリア層は、少数キャリアを妨げるのには十分ではない。
本発明の第１の赤外線検出器は、ｎドープ光球種層またはｐドープ光吸収層のいずれかを用いて形成される。バリア層は、少数キャリアのオフセットがなく、多数キャリアに対してバンドギャップを有するように設計される。検出器中の電流は、このように、少数キャリアによりほぼ独占される。特に、ｎドープの光吸収層では、バリア層と吸収層との間の接合は、実質的に価電子帯のオフセットが０、即ち、バンドギャップの差が、伝導帯のオフセットにより殆ど独占される。ｐドープの光吸収層では、バリア層と吸収層との間の接合は、実質的に伝導帯のオフセットが０、即ち、バンドギャップの差が、価電子帯のオフセットにより殆ど独占される。
特徴的に、対象発明の光検出器は、空乏層を有さず、これにより暗電流は十分に減らされる。更に、一例の具体例では、バリア層が更にパッシベーションとして機能するためパッシベーションは不要である。
本発明は、光検出器であって、価電子帯エネルギーレベルと伝導帯エネルギーレベルとを有するｎドープの半導体を含む光吸収層と、その第１側面は光吸収層の第１側面に隣り合い、光吸収層の価電子帯エネルギーレベルと実質的に等しい価電子帯エネルギーレベルと、光吸収層の伝導帯に対して大きなバンドギャップを有する伝導帯エネルギーレベルを有するバリア層と、ドープされた半導体を含み、バリア層の、第１側面に対向する第２側面に隣り合うコンタクト領域とを含み、バリア層は所定の膜厚を有し、その膜厚とバンドギャップは、光吸収層からコンタクト領域に多数キャリアがトンネルするのを防止し、光吸収層からコンタクト領域に熱化された多数キャリアが流れるのを阻止するのに十分である光検出器を提供する。
１の具体例では、バリア層は、アンドープの半導体を含む。他の具体例では、コンタクト領域は、ｎドープである。更なる具体例では、コンタクト領域は、光吸収層のｎドープ半導体の価電子帯エネルギーレベルと実質的に等しい価電子帯エネルギーレベルを有する。
１の具体例では、コンタクト領域は、ｐドープである。他の具体例では、コンタクト領域は、光吸収層のｎドープ半導体の価電子帯エネルギーレベルより大きな価電子帯エネルギーレベルを有する。更なる具体例では、バリア層は、アンドープ半導体を含む。
１つの具体例では、光吸収層は、３〜５μｍの波長の光エネルギーの存在によりキャリアを生成する。他の具体例では、光検出器は、更に、光吸収層の第２側面に隣り合う第１側面を有する基板を含み、光吸収層の第２側面は光吸収層の第１側面に対向し、基板は金属層と接続した第２側面を有する。好適には、光検出器は、更に、コンタクト領域と接続した追加の金属層を含む。
１の具体例では、バリア層は、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＰＳｂ、ＡｌＧａＰＳｂ、およびＨｇＺｎＴｅの１つを含む。更なる具体例では、光吸収層は、ｎドープのＩｎＡｓ、ｎドープのＩｎＡｓＳｂ、ｎドープのＩｎＧａＡｓ、ｎドープのＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、およびｎドープのＨｇＣｄＴｅの１つからなる。更なる具体例では、コンタクト領域は、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、ＨｇＣｄＴｅ、およびＧａＳｂの１つからなる。更なる具体例では、コンタクト領域および光吸収層は、実質的に同じ成分を有する。
１の具体例では、光吸収層およびコンタクト領域は、ｎドープのＨｇＣｄＴｅからなり、バリア層は、ＨｇＺｎＴｅからなる。他の具体例では、光吸収層およびコンタクト層は、ｎドープのＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子からなり、バリア層は、ｎドープのＡｌＧａＡｓＳｂからなる。他の具体例では、光吸収層はｎドープのＩｎＡｓＳｂからなり、バリア層はＡｌＧａＡｓＳｂからなり、コンタクト層はｐドープのＧａＳｂからなる。１の具体例では、光吸収層は、光吸収長のオーダーの膜厚を有する。
本発明は、独立して、伝導帯エネルギーレベルと価電子帯エネルギーレベルとを有するｐドープの半導体を含む光吸収層と、その第１側面は光吸収層の第１側面に隣り合い、光吸収層の伝導帯エネルギーレベルと実質的に等しい伝導帯エネルギーレベルと、光吸収層の価電子帯に対して大きなバンドギャップを有する価電子帯エネルギーレベルを有するバリア層と、ドープされた半導体を含み、バリア層の、第１側面に対向する第２側面に隣り合うコンタクト領域とを含み、バリア層は所定の膜厚を有し、その膜厚とバンドギャップは、光吸収層からコンタクト領域に多数キャリアがトンネルするのを防止し、光吸収層からコンタクト領域に熱化された多数キャリアが流れるのを阻止するのに十分である光検出器を提供する。
１つの具体例では、バリア層は、アンドープの半導体を含む。他の具体例では、コンタクト領域は、ｐドープである。更に他の具体例では、コンタクト領域は、光吸収層のｐドープ半導体の伝導帯エネルギーレベルと実質的に等しい伝導帯エネルギーレベルを有する。
１の具体例では、コンタクト領域は、ｎドープである。他の具体例では、コンタクト領域は、光吸収層のｐドープ半導体の伝導帯エネルギーレベルより小さな伝導帯エネルギーレベルを有する。他の具体例では、バリア層は、アンドープ半導体を含む。
１の具体例では、光吸収層は、３〜５μｍの波長の光エネルギーの存在によりキャリアを生成する。他の具体例では、光検出器は、更に、光吸収層の第２側面に隣り合う第１側面を有する基板を含み、光吸収層の第２側面は光吸収層の第１側面に対向し、基板は第１金属層と接続した第２側面を有する。他の具体例では、更に、コンタクト領域と接続した金属層を含む。
１の具体例では、バリア層は、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＰＳｂ、ＡｌＧａＰＳｂ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＳｂ、およびＨｇＺｎＴｅの１つからなる。更なる具体例では、光吸収層は、ｐドープのＩｎＡｓ、ｐドープのＩｎＡｓＳｂ、ｐドープのＩｎＧａＡｓ、ｐドープのＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、およびｐドープのＨｇＣｄＴｅの１つからなる。他の具体例では、コンタクト領域は、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、ＨｇＣｄＴｅ、およびＧａＳｂの１つからなる。他の具体例では、コンタクト領域および光吸収層は、実質的に同じ成分を有する。
本発明は、独立して、基板を準備する工程と、基板の上に、非導電性の多数キャリアと関係するエネルギーレベルを有するドープされた半導体を含む光吸収層を形成する工程と、光吸収層の上に、所定の膜厚と、光吸収層のエネルギーレベルと実質的に等しい光吸収層の少数キャリアに関係するエネルギーレベルと、光吸収層の多数キャリアに関係するバンドギャップとを有するバリア層を形成する工程と、光吸収層の上に、ドープされた半導体を含むコンタクト層を形成する工程とを含み、バリア層の膜厚とバンドギャップは、光吸収層からコンタクト領域に多数キャリアがトンネルするのを防止し、光吸収層からコンタクト領域に熱化された多数キャリアが流れるのを阻止するのに十分である光検出器の製造方法を提供する。
１の具体例では、この方法は、更に、形成したコンタクト層を選択的にエッチングして、複数のコンタクト領域を規定する工程を含む。他の具体例では、光吸収層を形成する工程、バリア層を形成する工程、およびコンタクト層を形成する工程の少なくとも１つは、分子線エピタキシー、有機金属化学気相成長、有機金属相エピタキシー、および液相エピタキシーの１つで行われる。
本発明の追加の長所や特徴は、以下の図面や説明から明らかになるであろう。
本発明の具体例は、目的周波帯を検知する光検出器であって、光吸収層を含み、好適には、光吸収層は、目的波長帯の光吸収長のオーダーの膜厚を有する。一例の具体例では、光吸収層は、光吸収長の１倍と２倍の間の膜厚で形成される。コンタクト層が更に形成され、バリア層は、光吸収層とコンタクト層との間に挟まれる。バリア層は、光吸収層からコンタクト層に多数キャリアがトンネルするのを防ぐのに十分な膜厚を有し、更に、光吸収層からコンタクト層に熱化された（thermalized）多数キャリアが流れるのを防ぐのに十分なバンドギャップバリアを有する。バリア層は、少数キャリアを防がない。
本発明の原理にかかる赤外線検出器は、ｎドープの光吸収層またはｐドープの光吸収層のいずれを用いても形成することができ、バリア層は、少数キャリアに対しては実質的にオフセットを有さず、多数キャリアに対してバンドギャップバリアを有するように設計される。検出器中の電流は、このように、少数キャリアによって占められる。特に、ｎドープの光吸収層に対して、バリア層と吸収層との間の接合は、価電子帯のオフセットは実質的に０であり、即ち、バンドギャップの差は、殆ど伝導帯のオフセットとなる。ｐドープの光吸収層に対して、バリア層と吸収層との間の接合は、伝導帯のオフセットは実質的に０であり、即ち、バンドギャップの差は、殆ど価電子帯のオフセットとなる。
優位には、主題の発明の光検出器は空乏層を有さず、これにより暗電流は著しく低減される。更に、一例の具体例では、バリア層は更にパッシベーションとしても機能するため、パシベーションは必要とされない。
本発明の少なくとも１つの具体例を詳細に説明する前に、本発明は、その適用において以下の説明や図面に示す詳細な構造や構成部分の配置に限定されないことが理解される。本発明は、他の具体例に適用し、多くの方法で実施することができる。また、ここで使用する語句や用語は記載を目的とし、これに限定されないことを理解すべきである。
図１Ａは、本発明の原理の具体例にかかる光検出器１０の層の高水準の模式図であり、基板２０、光吸収層３０、バリア層４０、コンタクト層５０、金属層６０、および金属層６５を含む。基板２０は形成のベースとして提供され、金属層６０の１つの面の上に、電子回路として接続される。一例の具体例では、金属層６０は金からなる。光吸収層３０は第１の側面に対向する、基板２０の第２の側面の上に形成される。光吸収層３０は、目的とする波長の光子（photon）に応答するドープされた半導体を含み、好適には、光吸収長のオーダーの膜厚で形成される。１の具体例では、光吸収層３０は、光吸収長の１倍と２倍との間の膜厚で形成される。一例の具体例では、光吸収層３０は、ｎドープのＩｎＡｓ、ｎドープのＩｎＡｓＳｂ、ｎドープのＩｎＧａＡｓ、ｎドープのＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、およびｎドープのＨｇＣｄＴｅの１つを含む。代わりの具体例では、吸収層３０は、ｐドープのＩｎＡｓ、ｐドープのＩｎＡｓＳｂ、ｐドープのＩｎＧａＡｓ、ｐドープのＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、およびｐドープのＨｇＣｄＴｅの１つを含む。
バリア層４０はパッシベーション無しに、光吸収層３０の上に直接形成される。バリア層４０は、多数キャリアが光吸収層３０からコンタクト層５０にトンネルするのを実質的に防止するのに十分な膜厚に形成され、一例の具体例では５０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚で形成される。バリア層４０は、光吸収層３０からの多数キャリアに対して高いバンドギャップバリアを示し、少数キャリアに対しては実質的にバンドギャップバリアが無いように選択される。バリア層４０は、これにより、光吸収層３０からコンタクト層５０への、熱化された多数キャリアの流れと、多数キャリアのトンネルを十分に防止する。これにより、ｎ型光吸収層３０に対して、伝導帯でバンドギャップの差が生じ、一方、価電子帯ではバンドギャップの差が生じない。１の具体例では、バリア層は、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＰＳｂ、ＡｌＧａＰＳｂ、およびＨｇＺｎＴｅの１つを含む。一例の具体例では、光吸収層３０は、ｎドープＩｎＡｓを含み、バリア層４０は、ＡｌＡｓｘＳｂ１−ｘ（ｘ〜０．１５）からなり、これにより価電子帯のオフセットは略０となる。
コンタクト層５０は、バリア層４０の上に形成される。コンタクト層５０は、吸収層３０から拡散する少数キャリアを吸収するように働き、本質的にはコンタクト層である。一例の具体例では、コンタクト層５０は、２０ｎｍ〜５０ｎｍの膜厚で形成され、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、ＨｇＣｄＴｅ、およびＧａＳｂの１つを含む。コンタクト層５０は、本発明の範囲を超えることなく、ｎドープまたはｐドープでもよい。有利には、コンタクト層５０は、光吸収層３０と同じ材料からなる。コンタクト層５０は、好適にはフォトリソグラフィによりエッチングされ、検出領域を規定する。有利には、バリア層４０または吸収層３０のエッチングは必要ではない。一例の具体例では金からなる金属層６５が、コンタクト層５０の上に形成される。金属層６０、６５は、適当なバイアスへの接続を可能とし、光吸収層３０からコンタクト層５０への電流の流れを検出するための接続を可能とする。
図１Ｂは、本発明の原理の具体例にかかるマルチピクセル光検出器１００の側面図であり、基板２０、光検出器３０、バリア層４０、第１および第２コンタクト領域１１０、金属層６０、および金属層６５を含む。基板２０は、形成のベースとして提供され、その１つの面の上に、電子回路に接続するための金属層６０を有する。一例の具体例では、金属層６０は金からなる。光吸収層３０は、第１の面と対向する、基板２０の第２の面の上に形成される。光吸収層３０は、目的とする波長の光子に応答するドープされた半導体を含み、好適には、光吸収長のオーダーの膜厚で形成される。１の具体例では、光吸収層３０は、光吸収長の１倍と２倍との間の膜厚で形成される。一例の具体例では、光吸収層３０は、ｎドープのＩｎＡｓ、ｎドープのＩｎＡｓＳｂ、ｎドープのＩｎＧａＡｓ、ｎドープのＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、およびｎドープのＨｇＣｄＴｅの１つを含む。代わりの具体例では、吸収層３０は、ｐドープのＩｎＡｓ、ｐドープのＩｎＡｓＳｂ、ｐドープのＩｎＧａＡｓ、ｐドープのＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、およびｐドープのＨｇＣｄＴｅの１つを含む。
バリア層４０はパッシベーション無しに、光吸収層３０の上に直接形成される。バリア層４０は、多数キャリアが光吸収層３０から第１および第２のコンタクト領域１１０にトンネルするのを実質的に防止するのに十分な膜厚に形成され、一例の具体例では５０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚で形成される。バリア層４０は、光吸収層３０からの多数キャリアに対して高いバンドギャップバリアを示し、少数キャリアに対しては実質的にバンドギャップバリアが無いように選択される。バリア層４０は、これにより、光吸収層３０からコンタクト領域１００への、熱化された多数キャリアの流れと、多数キャリアのトンネルを十分に防止する。これにより、ｎ型光吸収層３０に対して、伝導帯でバンドギャップの差が生じ、一方、価電子帯ではバンドギャップの差が生じない。１の具体例では、バリア層は、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＰＳｂ、ＡｌＧａＰＳｂ、およびＨｇＺｎＴｅの１つを含む。一例の具体例では、光吸収層３０は、ｎドープＩｎＡｓを含み、バリア層４０はＡｌＡｓｘＳｂ１−ｘ（ｘ〜０．１５）からなり、これにより価電子帯のオフセットは略０となる。
図１Ａに関して述べたように、コンタクト層５０は、バリア層４０の上に形成される。コンタクト層５０は、上述の工程に加え、更に、エッチングにより第１および第２コンタクト領域１１０が形成され、吸収層３０から拡散する少数キャリアを吸収するように働き、本質的にはコンタクト層である。一例の具体例では、コンタクト層５０は、２０ｎｍ〜５０ｎｍの膜厚で形成され、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、ＨｇＣｄＴｅ、およびＧａＳｂの１つを含む。コンタクト層５０は、本発明の範囲を超えることなく、ｎドープまたはｐドープでもよい。有利には、コンタクト層５０は、光吸収層３０と同じ材料からなる。コンタクト層５０は、好適にはフォトリソグラフィによりエッチングされ、第１および第２のコンタクト領域１１０を規定する。有利には、バリア層４０または吸収層３０のエッチングは必要ではない。一例の具体例では金からなる金属層６５が、第１および第２のコンタクト領域１１０の上に形成される。単体の光吸収層とバリア層が使用され、コンタクト層５０のそれぞれのエッチングされた部分は、ピクセルまたは個々の検出器を規定する。
ここでは２つのピクセルまたは検出器が規定された具体例について説明したが、しかしながら、これは全く限定することを意味するものではない。上述のように形成された光検出器の大きなアレイも、本質的に本発明に含まれる。
図１Ｃは、本発明の原理にかかる図１Ｂのマルチピクセル光検出器１００の上面図であり、バリア層４０、第１および第２のコンタクト領域１１０、および第１および第２のコンタクト領域１１０のそれぞれの上に規定された金属層６５を示す。
図２Ａは、本発明の原理にかかる図１の構造の具体例の、エネルギーバンドレベルを示す。ここで、光吸収層はｎドープであり、コンタクト層はｎドープであり、ｘ軸は図１の構造に沿った位置を表し、ｙ軸は任意の表示方法によるエネルギーレベルを表す。３つのエネルギーバンドレベルが記載されている。Ｅｖは価電子帯のエネルギーバンドレベル、Ｅｆはフェルミエネルギーのバンドレベル、そしてＥｃは伝導帯のエネルギーレベルである。領域１００は、光吸収層３０中のエネルギーバンドレベルを表し、領域１１０は、バリア層４０中のエネルギーバンドレベルを表し、領域１２０は、コンタクト層５０中のエネルギーバンドレベルを表す。
価電子帯エネルギーレベルは、領域１００、１１０、および１２０を通して実質的に一定であり、これにより少数キャリアは、光吸収領域１００からコンタクト領域１２０に流れるのを妨げられない。なお、エネルギーレベルにより、少数キャリアはコンタクト領域１２０に捕獲される。領域１１０で表されるバリア層４０は十分に厚く、そこを通って多数キャリアがトンネルするのを無視できる。一例の具体例では、バリア層４０は５０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚で形成され、領域１１０のバンドギャップバリアは十分に高くて、熱励起された多数キャリアがそこを越えるのを無視できる。領域１２０は、領域１００のエネルギーバンドレベルと同じエネルギーバンドレベルを示すが、これは何らこれに限定するものではない。１の具体例では、コンタクト層領域１２０のＥｆは、光吸収領域１００のその値より少し高く、この増加はドーパント濃度の増加によるものである。なお、空乏層は存在せず、それゆえにＳＲＨ電流も流れない。光電流は、光学的に形成された少数キャリアの結果であり、これが光吸収領域１００からコンタクト領域１２０に流れる。
図２Ｂは、本発明の原理にかかる図１の構造の具体例の、エネルギーバンドレベルを示す。ここで、光吸収層はｐドープであり、コンタクト層はｐドープであり、ｘ軸は図１の構造に沿った位置を表し、ｙ軸は任意の表示方法によるエネルギーレベルを表す。３つのエネルギーバンドレベルが記載されている。Ｅｖは価電子帯のエネルギーレベル、Ｅｆはフェルミエネルギーのバンドレベル、そしてＥｃは伝導帯のエネルギーレベルである。領域１５０は、光吸収層３０中のエネルギーバンドレベルを表し、領域１６０は、バリア層４０中のエネルギーバンドレベルを表し、領域１７０は、コンタクト層５０中のエネルギーバンドレベルを表す。
価電子帯エネルギーレベルは、領域１５０、１６０、および１７０を通して実質的に一定であり、これにより少数キャリアは、光吸収領域１５０からコンタクト領域１７０に流れるのを妨げられない。なお、エネルギーレベルにより、少数キャリアはコンタクト領域１７０に捕獲される。領域１６０で表されるバリア層４０は十分に厚く、そこを通って多数キャリアがトンネルするのを無視できる。一例の具体例では、バリア層４０は５０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚で形成され、領域１６０のバンドギャップバリアは十分に高くて、熱励起された多数キャリアがそこを越えるのを無視できる。領域１７０は、領域１５０のエネルギーバンドレベルと同じエネルギーバンドレベルを示すが、これは何らこれに限定するものではない。１の具体例では、コンタクト層領域１７０のＥｆは、光吸収領域１５０のその値より少し高く、この増加はドーパント濃度の増加によるものである。なお、空乏層は存在せず、それゆえにＳＲＨ電流も流れない。光電流は、光学的に形成された少数キャリアの結果であり、これが光吸収領域１５０からコンタクト領域１７０に流れる。
図３Ａは、本発明の原理にかかる図１の構造の具体例の、エネルギーバンドレベルを示す。ここで、光吸収層はｎドープであり、コンタクト層はｐドープであり、ｘ軸は図１の構造に沿った位置を表し、ｙ軸は任意の表示方法によるエネルギーレベルを表す。３つのエネルギーバンドレベルが記載されている。Ｅｖは価電子帯のエネルギーバンドレベル、Ｅｆはフェルミエネルギーのバンドレベル、そしてＥｃは伝導帯のエネルギーレベルである。領域２００は、光吸収層３０中のエネルギーバンドレベルを表し、領域２１０は、バリア層４０中のエネルギーバンドレベルを表し、領域２２０は、コンタクト層５０中のエネルギーバンドレベルを表す。
価電子帯エネルギーレベルは、領域２００、２１０、および２２０を通して実質的に一定であり、これにより少数キャリアは、光吸収領域２００からコンタクト領域２２０に流れるのを妨げられない。なお、エネルギーレベルにより、少数キャリアはコンタクト領域２２０に捕獲される。領域２１０で表されるバリア層４０は十分に厚く、そこを通って多数キャリアがトンネルするのを無視できる。一例の具体例では、バリア層４０は５０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚で形成され、領域２１０のバンドギャップバリアは十分に高くて、熱励起された多数キャリアがそこを越えるのを無視できる。なお、空乏層は存在せず、それゆえにＳＲＨ電流も流れない。光電流は、光学的に形成された少数キャリアの結果であり、これが光吸収領域２００からコンタクト領域２２０に流れる。
図３Ｂは、本発明の原理にかかる図１の構造の具体例の、エネルギーバンドレベルを示す。ここで、光吸収層はｐドープであり、コンタクト層はｎドープであり、ｘ軸は図１の構造に沿った位置を表し、ｙ軸は任意の表示方法によるエネルギーレベルを表す。３つのエネルギーバンドレベルが記載されている。Ｅｖは価電子帯のエネルギーレベル、Ｅｆはフェルミエネルギーのバンドレベル、そしてＥｃは伝導帯のエネルギーレベルである。領域２５０は、光吸収層３０中のエネルギーバンドレベルを表し、領域２６０は、バリア層４０中のエネルギーバンドレベルを表し、領域２７０は、コンタクト層５０中のエネルギーバンドレベルを表す。
価電子帯エネルギーレベルは、領域２５０、２６０、および２７０を通して実質的に一定であり、これにより少数キャリアは、光吸収領域２５０からコンタクト領域２７０に流れるのを妨げられない。なお、エネルギーレベルにより、少数キャリアはコンタクト領域２７０に捕獲される。領域２６０で表されるバリア層４０は十分に厚く、そこを通って多数キャリアがトンネルするのを無視できる。一例の具体例では、バリア層４０は５０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚で形成され、領域２６０のバンドギャップバリアは十分に高くて、熱励起された多数キャリアがそこを越えるのを無視できる。なお、空乏層は存在せず、それゆえにＳＲＨ電流も流れない。光電流は、光学的に形成された少数キャリアの結果であり、これが光吸収領域２５０からコンタクト領域２７０に流れる。
図４は、図１の光検出器の製造プロセスの高水準のフローチャートを示す。ステージ１０００では、形成を支持するために、基板材料が提供される。ステージ１０１０では、光吸収層が基板の上に形成される。好適には、光吸収層は光吸収長のオーダーの膜厚で形成され、一例の具体例では、光吸収長の１倍と２倍の間の膜厚で形成される。
ステージ１０２０では、ステージ１０１０で形成された光吸収層からの熱化された多数キャリアの流れが無視できるように、そして少数キャリアの流れが妨げられないように、バリア材料が選択される。ステージ１０３０では、ステージ１０２０で選択されたバリア材料が、バリア材料を通って多数キャリアがトンネルするのを防ぐのに十分な膜厚で形成される。例示の具体例では、その膜厚は５０ｎｍと１００ｎｍとの間である。好適には、バリア材料は、ステージ１０１０で形成された光吸収層の上に直接形成される。
ステージ１０４０では、好ましくはステージ１０３０で形成されたバリア層の上に直接、コンタクト層が形成される。ステージ１０５０では、所望のコンタクト領域が規定される。好適には、コンタクト領域は、フォトリソグラフィとバリア層の上で停止する選択エッチャントにより規定される。代わりに、エッチャントは、コンタクト領域５０の被覆されていない部分が除去された時点で停止するように制御されてもよい。このように、エッチングの深さはコンタクト層５０の膜厚と同じになる。有利な点は、一例の具体例では他の層がエッチングされないことである。
ステージ１０６０では、金属層がステージ１０５０で規定されたコンタクト領域の上に形成され、電気的接続を形成する。好適には、金属層は、ステージ１０５０で規定したコンタクト領域の上に直接形成される。ステージ１０７０では、金属層が、ステージ１０００で規定されたコンタクト領域の上に直接形成され、電気的接続を形成する。
ステージ１０１０の光吸収層、ステージ１０３０のバリア層、およびステージ１０４０のコンタクト層の形成は、当業者に知られた他の手段によって行ってもよい。かかる手段は、分子線エピタキシー、有機金属化学気相成長、有機金属相エピタキシー、または液相エピタキシーを含むが、これらに限定されるものではない。
このように、本具体例は、好適には光吸収長のオーダーの膜厚を有する光吸収層を含む、目的波長帯を検知する光検出器を可能とする。一例の具体例では、光吸収層は、光吸収長の１倍と２倍の間の膜厚で形成される。コンタクト層が更に形成され、光吸収層とコンタクト層との間にバリア層が挟まれてもよい。バリア層は、光吸収層からコンタクト層に多数キャリアがトンネルするのを防止するのに十分な膜厚を有し、バンドギャップバリアは、光吸収層からコンタクト層に熱励起された多数キャリアが流れるのを阻止するのに十分である。
本発明の原理にかかる赤外線検出器は、ｎドープ光吸収層またはｐドープ光吸収層のいずれかを用いて形成することができる。ここで、バリア層は、少数キャリアに対してオフセットを有さず、多数キャリアに対してバンドキャップバリアを有するように設計される。検出器中の電流は、このように、少数キャリアにより殆ど独占されている。特に、ｎドープの光吸収層では、バリア層と吸収層との間の接合は、実質的に０の価電子帯オフセットを有し、即ち、バンドギャップ差は殆ど伝導帯で独占される。ｐドープの光吸収層では、バリア層と吸収層との間の接合は、実質的に０の伝導帯オフセットを有し、即ち、バンドギャップ差は殆ど価電子帯で独占される。
有利には、対象発明の光検出器は空乏層を有さず、このため、暗電流が十分に低減できる。更に、一例の具体例では、バリア層は更にパッシベーションとなるように機能するため、パッシベーションは不要である。
明確化のために別々の具体例の内容で記載した本発明の所定の特徴は、１つの具体例に組み合わせて提供できることが理解される。反対に、簡潔化のために１つの具体例の内容のみで述べた本発明の様々な長所は、別々に、または好適なサブコンビネーションとして提供してもよい。
特に定義しない限り、ここで使用される全ての技術的用語や科学的用語は、本発明が属する分野の当業者により共通して理解されるものと同じ意味を有する。ここに記載された方法と類似または均等の方法を、本発明の実施やテストに使用することができるが、好適な方法についてここで述べる。
ここで言及したすべての出版物、特許出願、特許、および他の参考文献は、参照されることによりその全体がここに含まれる。不一致がある場合、定義を含む特許明細書が優先する。加えて、材料、方法、および例は例示であり、限定することを意図しない。
本発明は、特に上で示され述べられたものに限定されないことは、当業者に理解されるであろう。本発明の範囲は、添付の請求の範囲により規定され、上述の多くの長所のコンビネーションとサブコンビネーションの双方を含み、同様にそれらのバリエーションや変形を含み、それらは、先の記載を読むことにより当業者に可能であろう。
本発明をより理解するために、そして本発明を実施するために、単に例示の方法で、添付の図面が参照される。全図面を通して、同一符号は、対応する要素又は部分を表す。
特定の詳細な図面に関して、これらは、例示として、本発明の好ましい具体例を事例として検討することのみを目的として示されるものであり、本発明の主要で概念的な形態をより理解するのに有用かつ容易となると信じて提供されるものである。ただし、本発明を基礎的に理解するより多くの詳細な構造を示すことは行われていないが、図面を考慮した説明により、当業者にとって、実施にあたってどのように本発明の多くの形態を行うかは明らかであろう。添付の図面は以下のとおりである。
本発明の原理の具体例にかかる単体光検出器の層の高水準の模式図を示す。 本発明の原理の具体例にかかるマルチピクセル光検出器の側面図を示す。 本発明の原理にかかる図１Ｂのマルチピクセル光検出器の上面図を示す。 本発明の原理にかかる図１の構造の具体例の、エネルギーバンドレベルを示す。ここで、光吸収層はｎドープであり、コンタクト層はｎドープである。 本発明の原理にかかる図１の構造の具体例の、エネルギーバンドレベルを示す。ここで、光吸収層はｐドープであり、コンタクト層はｐドープである。 本発明の原理にかかる図１の構造の具体例の、エネルギーバンドレベルを示す。ここで、光吸収層はｎドープであり、コンタクト層はｐドープである。 本発明の原理にかかる図１の構造の具体例の、エネルギーバンドレベルを示す。ここで、光吸収層はｐドープであり、コンタクト層はｎドープである。 図１Ｂ〜図１Ｃのマルチピクセル光検出器の製造プロセスの高水準のフローチャートを示す。

Claims (34)

  1. 価電子帯エネルギーレベルと伝導帯エネルギーレベルとを有するｎドープの半導体を含む光吸収層と、
    その第１側面は光吸収層の第１側面に隣り合い、光吸収層の価電子帯エネルギーレベルと実質的に等しい価電子帯エネルギーレベルと、光吸収層の伝導帯に対して大きなバンドギャップを有する伝導帯エネルギーレベルを有するバリア層と、
    ドープされた半導体を含み、バリア層の、第１側面に対向する第２側面に隣り合うコンタクト領域とを含む光検出器であって、
    バリア層は所定の膜厚を有し、その膜厚とバンドギャップは、光吸収層からコンタクト領域に多数キャリアがトンネルするのを防止し、光吸収層からコンタクト領域に熱化された多数キャリアが流れるのを阻止するのに十分である光検出器。
  2. バリア層は、アンドープの半導体を含む請求項１に記載の光検出器。
  3. コンタクト領域は、ｎドープである請求項１に記載の光検出器。
  4. コンタクト領域は、光吸収層のｎドープ半導体の価電子帯エネルギーレベルと実質的に等しい価電子帯エネルギーレベルを有する請求項３に記載の光検出器。
  5. コンタクト領域は、ｐドープである請求項１に記載の光検出器。
  6. コンタクト領域は、光吸収層のｎドープ半導体の価電子帯エネルギーレベルより大きな価電子帯エネルギーレベルを有する請求項５に記載の光検出器。
  7. バリア層は、アンドープ半導体を含む請求項５に記載の光検出器。
  8. 光吸収層は、３〜５μｍの波長の光エネルギーの存在によりキャリアを生成する請求項１に記載の光検出器。
  9. 更に、光吸収層の第２側面に隣り合う第１側面を有する基板を含み、光吸収層の第２側面は光吸収層の第１側面に対向し、基板は第１金属層と接続した第２側面を有する請求項１に記載の光検出器。
  10. 更に、コンタクト領域と接続した第２金属層を含む請求項９に記載の光検出器。
  11. バリア層は、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＰＳｂ、ＡｌＧａＰＳｂ、およびＨｇＺｎＴｅの１つを含む請求項１に記載の光検出器。
  12. 光吸収層は、ｎドープのＩｎＡｓ、ｎドープのＩｎＡｓＳｂ、ｎドープのＩｎＧａＡｓ、ｎドープのＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、およびｎドープのＨｇＣｄＴｅの１つからなる請求項１１に記載の光検出器。
  13. コンタクト領域は、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、ＨｇＣｄＴｅ、およびＧａＳｂの１つからなる請求項１２に記載の光検出器。
  14. コンタクト領域および光吸収層は、実質的に同じ成分を有する請求項１３に記載の光検出器。
  15. 光吸収層およびコンタクト領域は、ｎドープのＨｇＣｄＴｅからなり、バリア層は、ＨｇＺｎＴｅからなる請求項１に記載の光検出器。
  16. 光吸収層は、ｎドープのＩｎＡｓＳｂからなり、バリア層は、ｎドープのＡｌＧａＡｓＳｂからなり、コンタクト層は、ｐドープのＧａＳｂからなる請求項１に記載の光検出器。
  17. 光吸収層は、光吸収長のオーダーの膜厚を有する請求項１に記載の光検出器。
  18. 伝導帯エネルギーレベルと価電子帯エネルギーレベルとを有するｐドープの半導体を含む光吸収層と、
    その第１側面は光吸収層の第１側面に隣り合い、光吸収層の伝導帯エネルギーレベルと実質的に等しい伝導帯エネルギーレベルと、光吸収層の価電子帯に対して大きなバンドギャップを有する価電子帯エネルギーレベルを有するバリア層と、
    ドープされた半導体を含み、バリア層の、第１側面に対向する第２側面に隣り合うコンタクト領域とを含む光検出器であって、
    バリア層は所定の膜厚を有し、その膜厚とバンドギャップは、光吸収層からコンタクト領域に多数キャリアがトンネルするのを防止し、光吸収層からコンタクト領域に熱化された多数キャリアが流れるのを阻止するのに十分である光検出器。
  19. バリア層は、アンドープの半導体を含む請求項１８に記載の光検出器。
  20. コンタクト領域は、ｐドープである請求項１８に記載の光検出器。
  21. コンタクト領域は、光吸収層のｐドープ半導体の伝導帯エネルギーレベルと実質的に等しい伝導帯エネルギーレベルを有する請求項２０に記載の光検出器。
  22. コンタクト領域は、ｎドープである請求項１に記載の光検出器。
  23. コンタクト領域は、光吸収層のｐドープ半導体の伝導帯エネルギーレベルより小さな伝導帯エネルギーレベルを有する請求項２２に記載の光検出器。
  24. バリア層は、アンドープ半導体を含む請求項２２に記載の光検出器。
  25. 光吸収層は、３〜５μｍの波長の光エネルギーの存在によりキャリアを生成する請求項１８に記載の光検出器。
  26. 更に、光吸収層の第２側面に隣り合う第１側面を有する基板を含み、光吸収層の第２側面は光吸収層の第１側面に対向し、基板は第１金属層と接続した第２側面を有する請求項１８に記載の光検出器。
  27. 更に、コンタクト領域と接続した金属層を含む請求項２６に記載の光検出器。
  28. バリア層は、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＰＳｂ、ＡｌＧａＰＳｂ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＳｂ、およびＨｇＺｎＴｅの１つからなる請求項１８に記載の光検出器。
  29. 光吸収層は、ｐドープのＩｎＡｓ、ｐドープのＩｎＡｓＳｂ、ｐドープのＩｎＧａＡｓ、ｐドープのＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、およびｐドープのＨｇＣｄＴｅの１つからなる請求項２８に記載の光検出器。
  30. コンタクト領域は、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ型のＩＩ型超格子、ＨｇＣｄＴｅ、およびＧａＳｂの１つからなる請求項２９に記載の光検出器。
  31. コンタクト領域および光吸収層は、実質的に同じ成分を有する請求項３０に記載の光検出器。
  32. 基板を準備する工程と、
    基板の上に、非導電性の多数キャリアと関係するエネルギーレベルを有するドープされた半導体を含む光吸収層を形成する工程と、
    光吸収層の上に、所定の膜厚と、光吸収層のエネルギーレベルと実質的に等しい光吸収層の少数キャリアに関係するエネルギーレベルと、光吸収層の多数キャリアに関係するバンドギャップとを有するバリア層を形成する工程と、
    光吸収層の上に、ドープされた半導体を含むコンタクト層を形成する工程とを含む光検出器の製造方法であって、
    バリア層の膜厚とバンドギャップは、光吸収層からコンタクト領域に多数キャリアがトンネルするのを防止し、光吸収層からコンタクト領域に熱化された多数キャリアが流れるのを阻止するのに十分である光検出器の製造方法。
  33. 更に、形成したコンタクト層を選択的にエッチングして、複数のコンタクト領域を規定する工程を含む請求項３２に記載の製造方法。
  34. 光吸収層を形成する工程、バリア層を形成する工程、およびコンタクト層を形成する工程の少なくとも１つは、分子線エピタキシー、有機金属化学気相成長、有機金属相エピタキシー、および液相エピタキシーの１つで行われる請求項３２に記載の製造方法。
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