JP2011066316A - 光センサ - Google Patents

Abstract

【課題】光を最大に効率良く利用し、高いＳ／Ｎ比を有した超小型で、赤外線領域の赤外線を電圧信号に変換するのに適した光センサを提供すること。
【解決手段】光センサは、半導体基板１の表面に設けられた少なくとも第１の半導体層２と、この第１の半導体層２上に設けられた光吸収層となる第３の半導体層４と、この第３の半導体層４上に設けられた第２の半導体層３と、半導体基板１の裏面に設けられた保護層５とから構成されている。半導体基板の裏面から入射した光量に応じた信号を電圧又は電流で出力し、半導体基板の裏面が粗面であり、さらに半導体基板の裏面に保護層を設けることで、半導体基板の裏面の変色を防ぎ、また、光の利用効率を向上することが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板の裏面から入射された光を電気信号に変換する光センサに関し、より詳細には、赤外線領域の赤外線量を電気信号に変換するのに適した光センサに関する。

近年、環境問題への関心が高まり、省エネルギー化・環境センサの観点から、赤外線センサが注目されている。人体が発する赤外線を検知する人感センサは、照明やエアコンなどに搭載され、省エネルギー化に貢献している。さらに、赤外線領域には、二酸化炭素、一酸化炭素、窒化酸素、ホルムアルデヒドなどの強い吸収があるため、赤外線領域に感度波長をもつ赤外線センサは、ガスセンサなど環境センサとしても大きく期待されている。

赤外線センサは動作原理から、熱型センサと量子型センサに分類される。熱型センサは一般に広く用いられているが、周波数応答性が低く、また静態検知が出来ないなどの課題がある。一方、量子型センサは、周波数応答性が高く静態検知も可能であるといった特長があり、人感センサやガスセンサ用途として有望である。

量子型センサとしては、半導体材料を用いたＰＮ又はＰＩＮ接合構造の赤外線センサが挙げられる。これらの赤外線センサでは、被検出光の束密度に応じて電子とホールが生成されて電気信号となるが、信号強度は微弱な場合が多い。そのため、高感度化によって信号強度を高めることはもとより、発生する微弱な信号を確実に増幅して使用するために、Ｓ／Ｎ比を高めることが重要である。

赤外線センサのＳ／Ｎ比を高めるためには、入射した光利用効率の向上や発生した電子を効率よく取り出したりするためにリーク電流を抑制することが有効である。また、アバランシェ増幅現象に代表される増幅機構を利用して高感度化を図ることも試みられている。

例えば、特許文献１には、このアバランシェ増幅現象を利用した、高温下で使用する紫外線センサが提案されている。アバランシェ増幅現象を利用するためには、高電界をセンサに与える必要があり、この技術では、メサ側壁と基板とが成す角度を適切な範囲にすることによって高電界を与えた時の漏洩電流を抑制しているが、半導体層の表面側から光を入射しているため、狭い範囲から光を入射する必要があり、光の利用効率は高くならず、高感度化は十分には達成されないという問題があった。

このような課題に対し、例えば、特許文献２では、光の利用効率を向上させるために、光入射窓となる基板の裏面を粗面とし、光の前方散乱により光利用効率の向上を達成している。

特開２００４−１９３６１５号公報 特開２００８−０６６５８４号公報

しかしながら、基板の裏面から光を入射する場合、湿度や温度など使用環境によって基板の裏面が変色し、赤外線センサの出力が低下するなどの問題があった。基板の裏面を粗面にすることで、光が大気から赤外線センサに入射する際に生じる光反射損失は低減できるが、微弱信号を増幅する赤外線センサでは、Ｓ／Ｎ比の更なる向上が必要である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光を最大に効率よく利用して高Ｓ／Ｎ比を実現し、高Ｓ／Ｎ比の特長を活かした超小型の光センサを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、半導体基板と、該半導体基板の表面に形成された半導体層とを有するフォトダイオードを用いて、前記半導体基板の裏面から入射した光量に応じた信号を電圧又は電流で出力する光センサにおいて、前記半導体基板の裏面が粗面であり、かつ前記半導体基板の裏面に保護層が形成されていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記保護層の厚みが、５ｎｍ以上９００ｎｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記保護層が、酸化チタン，酸化シリコン，窒化シリコンのいずれかであることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記半導体基板の裏面粗さが、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記フォトダイオードが、半導体基板と、少なくとも第１の半導体層及び第２の半導体層を含んで積層された形態のＰＮ型のフォトダイオードであることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記フォトダイオードが、半導体基板と、少なくとも第１の半導体層と、第２の半導体層及び第３の半導体層を含んで積層された形態のＰＩＮ型のフォトダイオードであることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、前記第１の半導体層と、第２の半導体層と、第３の半導体層とが化合物半導体であり、該化合物半導体が、インジウム，ガリウム，アルミニウム，アンチモン，砒素のいずれかを含むことを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１記載の光センサの感度波長が、１μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、半導体基板の表面に少なくとも第１の半導体層と、第２の半導体層を含む積層されたＰＮフォトダイオード、さらに第３の半導体層を含んだＰＩＮフォトダイオードのいずれかの構造で、半導体基板の裏面から入射した光量に応じた信号を電圧又は電流で出力する光センサにおいて、半導体基板の裏面が粗面であり、さらに半導体基板の裏面に保護層を設けることで、半導体基板裏面の変色を防ぎ、また、光の利用効率を向上することが出来る。

本発明に係る光センサの実施形態１を説明するための構成断面図である。 本発明に係る光センサの実施形態２を説明するための構成断面図である。 本発明に係る光センサの実施形態３を説明するための構成断面図である。 本発明に係る光センサの具体的な実施例１及び２を説明するための構成断面図である。 本発明に係る酸化チタン薄膜の厚みと光電流比を示す図である。 本発明に係るガリウム砒素基板の裏面粗さと光電流比を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本発明の光センサは、光を吸収して電気信号に変換するセンサであり、多層の半導体層からなるＰＮ又はＰＩＮ接合からなるフォトダイオードを利用し、半導体基板の半導体層が形成されていない裏面から入射した光を半導体層で吸収し、電気信号を出力するものである。

図１は、本発明に係る光センサの実施形態１を説明するための構成断面図である。本実施形態１における光センサは、半導体基板１の表面に設けられた第１の半導体層２と、この第１の半導体層２上に設けられた第３の半導体層４と、この第３の半導体層４上に設けられた第２の半導体層３と、半導体基板１の裏面に設けられた保護層５とから構成されている。

つまり、図１に示された光センサは、ＰＩＮ構造のフォトダイオードを示しており、半導体基板１上に、第１の半導体層としてｎ型の半導体層２と、第２の半導体層としてｐ型半導体層３と、ｎ型の半導体層２とｐ型半導体層３との間に光吸収層であるi型半導体層４を積層した形態のＰＩＮ構造例である。

さらに、ｎ型の半導体層２が積層されていない半導体基板１の裏面には、保護層５が設けられた構造であり、半導体基板１の裏面は粗面となっている。そして、本発明の光センサにおいて光は、半導体基板１の裏面から入射される。

入射された光は、光吸収層であるi型半導体層４で吸収され、電子とホールが生成し、電荷分離されることで光センサの出力となる。図１には半導体基板上にｎ→ｉ→ｐの順に積層した層構造を示したが、ｐ→ｉ→ｎの順に積層した構造でも構わない。

図２は、本発明に係る光センサの実施形態２を説明するための構成断面図である。この図２に示すように、光吸収層であるi型半導体層４とｐ型半導体層３の間に、生成したキャリアのリークを防ぐためのバリア層６が挿入された構造でも構わず、少なくともn型半導体層２、ｐ型半導体層３及びi型半導体層４を含んで積層された形態であればよい。

図３は、本発明に係る光センサの実施形態３を説明するための構成断面図である。本実施形態２における光センサは、半導体基板１の表面に設けられた第１の半導体層２と、この第１の半導体層２上に設けられた第２の半導体層３と、半導体基板１の裏面に設けられた保護層５とから構成されている。

つまり、図１及び図２では、ＰＩＮフォトダイオードの構造を示したが、図３においては、ＰＮ構造のフォトダイオードを示しており、半導体基板１上に第１の半導体層としてｎ型半導体層２と、第２の半導体層としてｐ型半導体層３を含む半導体層が積層された構造を有し、さらに、半導体基板１の裏面に保護層５が設けられた構造である。

半導体基板１の裏面より光が入射されると、ｎ型半導体層２とｐ型半導体層３との接合によって生じる空乏層で光が吸収され、電子とホールが生成・電荷分離されることで光センサ出力となる。図３には、半導体基板上にｎ→ｐの順に積層した層構造を示したが、ｐ→ｎの順に積層した構造でも構わない。

本発明の光センサは、半導体基板の裏面より入射された光を吸収して電気信号に変換することで、光量を定量できる光センサである。本発明の半導体基板としては、赤外線のエネルギーよりバンドギャップが大きいことが好ましく、１ｅＶ以上が好ましい。このような半導体基板としては、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板などが挙げられる。

本発明の光センサでは、半導体基板の裏面に保護層が設けられた構造であり、保護層の厚みは、５ｎｍ以上９００ｎｍ以下、好ましくは、５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下、より好ましくは、１００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。

次に、半導体基板の裏面に設けられた保護層の効果について説明する。
光が空気中から光センサに入射する際、空気と半導体基板の屈折率との違いの影響で光が反射され、光の利用効率は低下する。一方、保護層を半導体基板の裏面に設けた場合には、空気から光センサに入射する際の光の損失は、空気と保護層の界面での光損失となる。光の損失を低減する屈折率をもつ材料を保護層として選択することで光の利用効率は向上する。

また、本発明の光センサのように、半導体基板の裏面から被検出光を入射する場合には、温度や湿度などの使用環境により、半導体基板の変色が問題となる。例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を半導体基板として用いた場合には、高温や高湿の条件では半導体基板の裏面が変色する。この場合、光の入射光量が変化し、センサの出力低下の要因となる。一方、半導体基板の裏面に保護層が設置されている場合には、高温や高湿などの使用環境による基板の変色が生じず、センサの出力の安定性は向上する。

本発明の光センサの保護層としては、入射光の波長域での吸収係数が小さく、半導体基板よりも屈折率の低い材料が好ましい。このような材料の保護層としては、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）などがあげられる。保護層としてはこれらの材料に制限されること無く、使用する半導体基板の屈折率に合わせて適宜、選択される。また、保護層は電子線蒸着法、スパッタリング法、プラズマ化学気相成長法など一般に良く用いられる方法で作製できる。

本発明に用いられる半導体基板裏面の粗さは、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、好ましくは、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下、より好ましくは、１５０ｎｍ以上３００ｎｍである。

本発明における光センサは、第１の半導体層、第２の半導体層及び光吸収層が化合物半導体であり、少なくともインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、アンチモン（Ｓｂ）、砒素（Ａｓ）のいずれかを含む構造であればよく、これらによって構成される化合物半導体に適宜ｎ型ドーパント、あるいはｐ型ドーパントをドーピングすることによってｎ型及びｐ型の化合物半導体層を形成する。ｎ型ドーパントとしては、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓｅなどが挙げられる。またｐ型ドーパントとしては、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｂｅ，Ｃａ、Ｍｇなどが挙げられる。

本発明の光センサは、検出感度波長域が１μｍ以上１５μｍである。光吸収層の材料としては、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）、インジウム砒素アンチモン（ＩｎＡｓＳｂ）、インジウムガリウムアンチモン（ＩｎＧａＳｂ）などがあるが、これらに限らず、少なくともインジウム、ガリウム、アルミニウム、アンチモン、砒素のいずれかを含む化合物半導体層であればよい。

本実施例１では、半導体基板としてガリウム砒素基板を用い、半導体層としてインジウムアンチモン薄膜、保護層として酸化チタン層を用いた。

図４は、本発明に係る光センサの具体的な実施例１を説明するための構成断面図で、本実施例１で用いたＰＩＮ構造の光センサの層構造例を示すが、本発明の光センサの層構造はこれらに限定されるものではない。ガリウム砒素基板７上に、第１の半導体層として、ｎ型のインジウムアンチモン層８を成膜し、第２の半導体層としてｐ型のインジウムアンチモン層９、第３の半導体層として光吸収層であるｉ型のインジウムアンチモン層１０を含む構造である。また、ｉ型のインジウムアンチモン層１０とｐ型のインジウムアンチモン層９の間には、バリア層としてｐ型のインジウムアルミアンチモン層１１を挿入した構造である。ガリウム砒素基板７の裏面には、保護層として酸化チタン層１２を設けた構造である。

また、ガリウム砒素基板７の裏面は、ラッピング加工などにより粗さ(Ｒａ)を１５０ｎｍとした。本発明における半導体層は、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法により成膜し、また、保護層である酸化チタン層１１はスパッタリング法により成膜した。酸化チタンの厚みを０ｎｍ，３００ｎｍ，５２０ｎｍ，８００ｎｍと変えて成膜した。

上述した光センサを素子化することで光センサの出力を評価した。光センサのＳ／Ｎ比の評価は、光電流を比較することで行った。

図５は、本発明に係る酸化チタン薄膜の厚みと光電流比を示す図である。保護層である酸化チタン層１２が設けられていない場合の光電流を１とした際の光電流比を示している。図５からわかるように、保護層である酸化チタン層を設けることで光電流比は向上し、光センサのＳ／Ｎ比が向上することがわかる。これは、光利用効率の向上によるものである。

さらに、これらの素子を用いて、加速試験(温度１２１℃、湿度９９％、気圧２気圧)を
１０時間行った結果、酸化チタン薄膜のない場合は、半導体基板裏面が変色し、光電流が約３０％低下した。一方、酸化チタン薄膜を設けた素子では、半導体基板裏面の変色もなく、光電流の低下もなかった。

本実施例２は、図４と同様の層構造の光センサである。
図６は、本発明に係るガリウム砒素基板の裏面粗さと光電流比を示す図である。裏面粗さＲａを、０ｎｍ（鏡面）, １５０ｎｍ，２００ｎｍ，２３０ｎｍとして検討を行った。ガリウム砒素基板の裏面が鏡面（粗さＲａ＝０ｎｍ）の時の光電流を１とした。酸化チタン層の膜厚は５００ｎｍとした。ガリウム砒素基板の裏面を粗面にすることにより、前方散乱の効果が顕著になり光電流比が増大し、光センサのＳ／Ｎ比が増大する。

本発明の光センサは、赤外線を電気信号に変換するのに適した光センサに関するもので、光の利用効率が高く、高出力、高Ｓ／Ｎ比の光センサが実現できる。高感度、高いＳ／Ｎ比を持つため、小型化を達成でき、携帯電子機器等に応用できる。さらに感度波長域が赤外領域であり、二酸化炭素、一酸化炭素などのガスセンサとしても使用でき、環境センサを実現できる。

１ 半導体基板
２ ｎ型半導体層（第１の半導体層）
３ ｐ型半導体層（第２の半導体層）
４ 光吸収層
５ 保護層
６ バリア層
７ ガリウム砒素基板
８ ｎ型のインジウムアンチモン層（第１の半導体層）
９ ｐ型のインジウムアンチモン層（第２の半導体層）
１０ ｉ型のインジウムアンチモン層（光吸収層）
１１ ｐ型のアルミインジウムアンチモン層（バリア層）
１２ 酸化チタン層（保護層）

Claims (8)

1. 半導体基板と、該半導体基板の表面に形成された半導体層とを有するフォトダイオードを用いて、前記半導体基板の裏面から入射した光量に応じた信号を電圧又は電流で出力する光センサにおいて、
   前記半導体基板の裏面が粗面であり、かつ前記半導体基板の裏面に保護層が形成されていることを特徴とする光センサ。
2. 前記保護層の厚みが、５ｎｍ以上９００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
3. 前記保護層が、酸化チタン，酸化シリコン，窒化シリコンのいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光センサ。
4. 前記半導体基板の裏面の粗さが、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の光センサ。
5. 前記フォトダイオードが、半導体基板と、少なくとも第１の半導体層及び第２の半導体層を含んで積層された形態のＰＮ型のフォトダイオードであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光センサ。
6. 前記フォトダイオードが、半導体基板と、少なくとも第１の半導体層と、第２の半導体層及び第３の半導体層を含んで積層された形態のＰＩＮ型のフォトダイオードであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光センサ。
7. 前記第１の半導体層と、第２の半導体層と、光吸収層とが化合物半導体であり、該化合物半導体が、インジウム，ガリウム，アルミニウム，アンチモン，砒素のいずれかを含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の光センサ。
8. 前記光センサの感度波長が、１μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。

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