JP2014017403A - Photodetector and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光検出器と、光検出器の製造方法に関する。 The present invention relates to a photodetector and a method for manufacturing the photodetector.
量子井戸型の赤外線検出器では、量子井戸内のキャリアが入射赤外光のエネルギーを吸収し、量子井戸内の基底準位から励起準位へサブバンド間遷移が起きる。これを利用して入射赤外光を検出することができる。一般的に、活性層（量子井戸層）を上部電極層と下部電極層で挟む構造となっており、上部電極層と下部電極層の間に電圧を印加することによって動作させる。 In the quantum well type infrared detector, carriers in the quantum well absorb the energy of incident infrared light, and an intersubband transition occurs from the ground level to the excited level in the quantum well. Using this, incident infrared light can be detected. In general, an active layer (quantum well layer) is sandwiched between an upper electrode layer and a lower electrode layer, and is operated by applying a voltage between the upper electrode layer and the lower electrode layer.
量子井戸の基底準位のキャリアは、入射光の積層方向の電界成分と相互作用してサブバンド間遷移を起こすため、赤外線検出器に垂直に入射した赤外光は吸収されない。垂直入射した赤外光から積層方向の電界成分を発生させるために、量子井戸型赤外線検出器の表面に、光結合構造（グレーティングカプラなど）を配置する。 The carriers at the ground level of the quantum well interact with the electric field component of the incident light in the stacking direction to cause intersubband transition, so that the infrared light perpendicularly incident on the infrared detector is not absorbed. In order to generate an electric field component in the stacking direction from vertically incident infrared light, an optical coupling structure (such as a grating coupler) is disposed on the surface of the quantum well infrared detector.
１つの波長域に感度を有する量子井戸型赤外線検出器では、その光結合構造を、感知される波長に対して最適化すればよい。 In a quantum well infrared detector having sensitivity in one wavelength region, the optical coupling structure may be optimized for the wavelength to be sensed.
異なる２つの波長域に感度を有する量子井戸型赤外線検出器が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。２波長の赤外線検出器では、共通電極層を間に挟んで、各波長域に対応する活性層を積層し、２つの活性層の上部と下部に上部電極層と下部電極層を配置する。上部電極層と共通電極層の間に電圧を印加して、上部の活性層を動作させる。下部電極層と共通電極層の間に電圧を印加して、下部の活性層を動作させる。 A quantum well infrared detector having sensitivity in two different wavelength regions has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In a two-wavelength infrared detector, an active layer corresponding to each wavelength region is stacked with a common electrode layer in between, and an upper electrode layer and a lower electrode layer are disposed above and below the two active layers. A voltage is applied between the upper electrode layer and the common electrode layer to operate the upper active layer. A voltage is applied between the lower electrode layer and the common electrode layer to operate the lower active layer.
２つの異なる波長域の光を検出する場合、各活性層に対して最適化された光結合構造が望まれる。しかし、光結合構造の回折効率は光の波長に大きく依存するため、両方の波長域に対して最適化された光結合構造を素子表面に形成することは困難である。 When detecting light in two different wavelength ranges, an optical coupling structure optimized for each active layer is desired. However, since the diffraction efficiency of the optical coupling structure greatly depends on the wavelength of light, it is difficult to form an optical coupling structure optimized for both wavelength regions on the element surface.
そこで、２以上の波長を検出する光検出器において、それぞれの波長に対して良好な感度を有する光検出器を提供することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a photodetector that has good sensitivity to each wavelength in a photodetector that detects two or more wavelengths.
ひとつの観点では、光検出器は、
支持基板と、
前記支持基板上に形成される第１電極層と、
前記第１電極層上に形成され、第１の波長の光を吸収する第１光吸収層と、
前記第１光吸収層上に形成され、前記第１の波長の光に対して屈折率の異なる２種類の材料を交互に積層した多層反射膜を有する第２電極層と、
前記第２電極層上に形成され、第２の波長の光を吸収する第２光吸収層と、
前記第２光吸収層上に形成される第３電極層と、
を備える。
In one aspect, the photodetector is
A support substrate;
A first electrode layer formed on the support substrate;
A first light absorption layer formed on the first electrode layer and absorbing light of a first wavelength;
A second electrode layer having a multilayer reflective film formed on the first light absorption layer and alternately laminated with two kinds of materials having different refractive indexes with respect to the light of the first wavelength;
A second light absorbing layer formed on the second electrode layer and absorbing light of a second wavelength;
A third electrode layer formed on the second light absorption layer;
Is provided.
２以上の波長を検出する光検出器において、それぞれの波長域に対する感度を向上することができる。 In a photodetector that detects two or more wavelengths, the sensitivity to each wavelength region can be improved.
以下で、図面を参照して発明の実施形態を説明する。実施形態では、光検出器として、異なる２以上の波長域に感度を有する赤外線検出器を提示する。一例として、積層方向に電界成分を持つ赤外線を吸収する量子井戸型の赤外線検出器（ＱＷＩＰ：Quantum Well Infrared Photodetector）において、各波長域に対して最適化された光結合構造を有する光検出器の構造と製造方法を説明する。 Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. In the embodiment, an infrared detector having sensitivity in two or more different wavelength ranges is presented as a photodetector. As an example, in a quantum well infrared detector (QWIP: Quantum Well Infrared Photodetector) that absorbs infrared rays having an electric field component in the stacking direction, a photodetector having an optical coupling structure optimized for each wavelength region is used. The structure and manufacturing method will be described.
図１は、実施例１の光検出器の原理を説明するための図である。複数の光検出器１０Ａ〜１０Ｃ（適宜、「光検出器１０」と総称する）が支持基板３１上に配置されてイメージセンサ１を形成する。各光検出器１０は、第１の波長域の光を吸収する第１活性層（光吸収層）１１と、第２の波長域の光を吸収する第２活性層（光吸収層）１２を有し、２つの波長域の入射光を検出する。 FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the photodetector of the first embodiment. A plurality of photodetectors 10 </ b> A to 10 </ b> C (collectively referred to as “photodetector 10” as appropriate) are arranged on the support substrate 31 to form the image sensor 1. Each photodetector 10 includes a first active layer (light absorption layer) 11 that absorbs light in the first wavelength region and a second active layer (light absorption layer) 12 that absorbs light in the second wavelength region. It has incident light in two wavelength ranges.
図１の例では、支持基板３１上に下部電極層２１、第１活性層１１、共通電極層２３、第２活性層１２、上部電極層２５がこの順に積層されている。第１活性層１１は、たとえば中波長（たとえば３〜５μｍ）の赤外光ＭＷを吸収する。第２活性層１２は長波長（たとえば７．８〜１０μｍ）の赤外光ＬＷを吸収する。 In the example of FIG. 1, a lower electrode layer 21, a first active layer 11, a common electrode layer 23, a second active layer 12, and an upper electrode layer 25 are stacked in this order on a support substrate 31. The first active layer 11 absorbs infrared light MW having a medium wavelength (for example, 3 to 5 μm), for example. The second active layer 12 absorbs infrared light LW having a long wavelength (for example, 7.8 to 10 μm).
上部電極層２５の表面に、金属膜２６で被覆されたグレーティングカプラ２９が形成されている。グレーティングカプラ２９は、長波長の赤外光ＬＷを反射するように、格子間隔と格子サイズなどが設定されている。 A grating coupler 29 covered with a metal film 26 is formed on the surface of the upper electrode layer 25. The grating coupler 29 is set with a lattice interval and a lattice size so as to reflect the long-wavelength infrared light LW.
共通電極層２３は、中波長の光に対して屈折率の異なる２種類の層を交互に配置した積層構造を有する。この積層構造は、中波長赤外光ＭＷを反射回折するように、各層の組成や膜厚が選択されている。屈折率の異なる層を交互に配置することで、屈折率が周期的に変化する多層反射膜（光結合構造）２３ａとして機能させる。 The common electrode layer 23 has a laminated structure in which two types of layers having different refractive indexes with respect to medium-wavelength light are alternately arranged. In this laminated structure, the composition and film thickness of each layer are selected so as to reflect and diffract the medium wavelength infrared light MW. By alternately arranging layers having different refractive indexes, the multilayer reflective film (optical coupling structure) 23a whose refractive index changes periodically is caused to function.
赤外線検出器の場合、垂直に入射する赤外光は積層方向への電界成分を有しないため、活性層で吸収されない。そこで、光結合構造を設けることによって、被検出光に活性層の積層方向の電界成分を生じさせる。 In the case of an infrared detector, vertically incident infrared light has no electric field component in the stacking direction and is not absorbed by the active layer. Thus, by providing an optical coupling structure, an electric field component in the stacking direction of the active layer is generated in the detected light.
支持基板３１から光検出器１０ｂに垂直入射した長波長赤外光ＬＷは、共通電極層２３を透過し、グレーティングカプラ２９で積層方向と異なる方向に反射される。反射光は、積層方向の電界成分を有し、第２活性層１２で吸収される。他方、支持基板３１から光検出器１０ｂに垂直入射した中波長赤外光ＭＷは、共通電極層２３で、第１活性層１１へと反射回折される。共通電極層２３からの反射光は積層方向の電界成分を有し、中波長赤外光ＭＷは第１活性層１１で吸収される。 The long-wavelength infrared light LW perpendicularly incident on the photodetector 10b from the support substrate 31 is transmitted through the common electrode layer 23 and reflected by the grating coupler 29 in a direction different from the stacking direction. The reflected light has an electric field component in the stacking direction and is absorbed by the second active layer 12. On the other hand, the medium wavelength infrared light MW perpendicularly incident on the photodetector 10 b from the support substrate 31 is reflected and diffracted to the first active layer 11 by the common electrode layer 23. The reflected light from the common electrode layer 23 has an electric field component in the stacking direction, and the medium wavelength infrared light MW is absorbed by the first active layer 11.
多層反射膜２３ａを有する共通電極層２３を設けることにより、第２活性層１２への中波長赤外光ＭＷの進入を防止し、中波長赤外光ＭＷが第２活性層１２を往復することによる減衰を抑制することができる。この構成により、異なる波長域の光を対応する活性層１１、１２で高効率に吸収することができる。 Providing the common electrode layer 23 having the multilayer reflective film 23 a prevents the mid-wavelength infrared light MW from entering the second active layer 12, and the mid-wavelength infrared light MW reciprocates the second active layer 12. Attenuation due to can be suppressed. With this configuration, light in different wavelength ranges can be absorbed with high efficiency by the corresponding active layers 11 and 12.
なお、図１の模式図では、下部電極層２１上に複数の積層構造が形成されているが、下部電極層２１を支持基板３１まで掘り下げて、光検出器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを電気的に分離してもよい。 In the schematic diagram of FIG. 1, a plurality of laminated structures are formed on the lower electrode layer 21, but the lower electrode layer 21 is dug down to the support substrate 31, and the photodetectors 10A, 10B, and 10C are electrically connected. It may be separated.
図２は、実施例１の赤外線検出器１０の概略構成図である。支持基板３１上に、下部電極層２１、下部活性層１１、周期的な屈折率変化構造の共通電極層２３、上部活性層１２、上部電極層２５、グレーティングカプラ２９が、この順に積層されている。下部活性層１１は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し、第１の波長域の光、たとえば波長が３〜５μｍの赤外光を吸収する。上部活性層１２は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し、第２の波長域の光、たとえば７．８〜１０μｍの波長の赤外光を吸収する。共通電極層２３は、第２の波長域の光に対して透明であるが、第１の波長の光を反射回折する。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the infrared detector 10 according to the first embodiment. On the support substrate 31, a lower electrode layer 21, a lower active layer 11, a common electrode layer 23 having a periodic refractive index change structure, an upper active layer 12, an upper electrode layer 25, and a grating coupler 29 are laminated in this order. . The lower active layer 11 has a multiple quantum well (MQW) structure and absorbs light in the first wavelength region, for example, infrared light having a wavelength of 3 to 5 μm. The upper active layer 12 has a multiple quantum well (MQW) structure and absorbs light in the second wavelength region, for example, infrared light having a wavelength of 7.8 to 10 μm. The common electrode layer 23 is transparent to the light of the second wavelength range, but reflects and diffracts the light of the first wavelength.
赤外線検出器１０は、その側面及び上面に絶縁性の保護膜３２を有する。赤外線検出器１０の側面は、隣接する赤外線検出器との間を電気的に分離する画素分離溝の内壁に相当する。保護膜３２の一部に、共通電極層２３に連絡するコンタクトホール４２が形成されている。共通電極層２３は、引き出し配線３４を介して、バンプ電極３６ａと電気的に接続されている。また、保護膜３２に形成されたコンタクトホール４３により、引き出し配線３５を介して、下部電極層２１とバンプ電極３６ｂが電気的に接続されている。さらにコンタクトホール４４によって、上部電極層２５とバンプ電極３６ｃが電気的に接続されている。 The infrared detector 10 has an insulating protective film 32 on its side surface and top surface. The side surface of the infrared detector 10 corresponds to the inner wall of a pixel separation groove that electrically separates the adjacent infrared detectors. A contact hole 42 communicating with the common electrode layer 23 is formed in a part of the protective film 32. The common electrode layer 23 is electrically connected to the bump electrode 36 a through the lead wiring 34. Further, the lower electrode layer 21 and the bump electrode 36 b are electrically connected through the lead-out wiring 35 by the contact hole 43 formed in the protective film 32. Further, the upper electrode layer 25 and the bump electrode 36 c are electrically connected by the contact hole 44.
電極３６ａと３６ｃに電圧を印加することで、上部活性層１２を動作させる。電極３６ａと３６ｂに電圧を印加することで、下部活性層１１を動作させる。 The upper active layer 12 is operated by applying a voltage to the electrodes 36a and 36c. The lower active layer 11 is operated by applying a voltage to the electrodes 36a and 36b.
図３〜図８は、図２の赤外線検出器１０の製造工程図である。 3 to 8 are manufacturing process diagrams of the infrared detector 10 of FIG.
図３において、半導体層の積層構造を形成する。具体的には、アンドープの半絶縁性ＧａＡｓ（i-GaAs）基板３１上に、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）または有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤにより、下部電極層２１、下部活性層１１、共通電極層２３、上部活性層１２、上部電極層２４、グレーティングカプラ層２８をこの順に形成する。 In FIG. 3, a stacked structure of semiconductor layers is formed. Specifically, on the undoped semi-insulating GaAs (i-GaAs) substrate 31, the lower electrode layer 21 and the lower active layer 11 are commonly used by molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). The electrode layer 23, the upper active layer 12, the upper electrode layer 24, and the grating coupler layer 28 are formed in this order.
下部電極層２１として、１×１０18ｃｍ-3以上のＳｉをドーピングしたｎ−ＧａＡｓ層を１．５μｍの膜厚に成長する。支持基板３１と下部電極層２１の間に、ＧａＡｓバッファ層（不図示）を介してストッパ層（不図示）を挿入してもよい。 As the lower electrode layer 21, an n-GaAs layer doped with 1 × 10 18 cm −3 or more of Si is grown to a thickness of 1.5 μm. A stopper layer (not shown) may be inserted between the support substrate 31 and the lower electrode layer 21 via a GaAs buffer layer (not shown).
下部活性層１１は、この例では、ＡｌＧａＡｓ層と、ＧａＡｓ層と、ＳｉをドープしたＩｎＡｓＧａ層の積層（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）を１０〜５０周期繰り返して成長したものである。各層の膜厚とＩｎの組成、及びＡｌの組成は、感度波長（たとえば、５μｍの中波長）に応じて、最適に設計されている。ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層をＡｌＧａＡｓバリア層で挟み込むことによってキャリアの閉じ込めを行う。下部活性層１１の膜厚は、たとえば１．５μｍである。 In this example, the lower active layer 11 is formed by repeatedly laminating an AlGaAs layer, a GaAs layer, and a Si-doped InAsGa layer (InGaAs / GaAs / AlGaAs) for 10 to 50 cycles. The thickness of each layer, the composition of In, and the composition of Al are optimally designed according to the sensitivity wavelength (for example, a medium wavelength of 5 μm). Carrier confinement is performed by sandwiching an InGaAs / GaAs quantum well layer between AlGaAs barrier layers. The film thickness of the lower active layer 11 is 1.5 μm, for example.
共通電極層２３は、下部活性層１１の感度ピーク波長（５μｍ）に対して屈折率の異なる２種類の材料ＧａＡｓ、ＡｌＡｓを用いる。ＧａＡｓとＡｌＡｓを、ドーピングしながらそれぞれλ／４の膜厚（ＧａＡｓは０．４μｍ、ＡｌＡｓは０．４５μｍ）に成長し、これを１０〜３０周期繰り返す。 The common electrode layer 23 uses two types of materials GaAs and AlAs having different refractive indexes with respect to the sensitivity peak wavelength (5 μm) of the lower active layer 11. GaAs and AlAs are grown to a thickness of λ / 4 while doping (GaAs is 0.4 μm and AlAs is 0.45 μm), and this is repeated for 10 to 30 cycles.
上部活性層１２は、この例では、ＡｌＧａＡｓ層と、ＳｉをドープしたＡｓＧａ層の積層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）を１０〜５０周期繰り返して１．５μｍの膜厚に成長したものである。ＡｌＧａＡｓ層の膜厚とＡｌの組成、及びＡｓＧａ層の膜厚は、感度波長（たとえば、８〜１０μｍの長波長）に応じて、最適に設計されている。ＧａＡｓ量子井戸層をＡｌＧａＡｓバリア層で挟み込むことによってキャリアの閉じ込めを行う。 In this example, the upper active layer 12 is formed by repeating an AlGaAs layer and an Si layer-doped AsGa layer (GaAs / AlGaAs) for 10 to 50 cycles to a thickness of 1.5 μm. The thickness of the AlGaAs layer, the composition of Al, and the thickness of the AsGa layer are optimally designed according to the sensitivity wavelength (for example, a long wavelength of 8 to 10 μm). Carrier confinement is performed by sandwiching a GaAs quantum well layer between AlGaAs barrier layers.
上部電極層２５として、１×１０18ｃｍ-3以上のＳｉをドーピングしたｎ−ＧａＡｓ層を０．１〜０．５μｍの膜厚に成長する。 As the upper electrode layer 25, an n-GaAs layer doped with 1 × 10 18 cm −3 or more of Si is grown to a thickness of 0.1 to 0.5 μm.
グレーティングカプラ層２８は、たとえばアンドープのＧａＡｓ層である。上記構成において、下部電極層２１上、共通電極層２３上、上部電極層２５上に、それぞれエッチングストッパ層（不図示）を挿入してもよい。 The grating coupler layer 28 is, for example, an undoped GaAs layer. In the above configuration, an etching stopper layer (not shown) may be inserted on the lower electrode layer 21, the common electrode layer 23, and the upper electrode layer 25, respectively.
図４において、グレーティングカプラ層２８を加工して、上部活性層１２に対して最適化したグレーティングカプラ２９を形成する。具体的には、フォトリソグラフィーにより図示しないレジストパターンを形成し、ドライエッチング又はウェットエッチングによりグレーティングカプラ２９の格子パターンを形成する。上部電極層２５とグレーティングカプラ層２８の間にエッチングストッパ層（不図示）が挿入されている場合はエッチングの制御が容易になる。 In FIG. 4, the grating coupler layer 28 is processed to form a grating coupler 29 optimized for the upper active layer 12. Specifically, a resist pattern (not shown) is formed by photolithography, and a grating pattern of the grating coupler 29 is formed by dry etching or wet etching. When an etching stopper layer (not shown) is inserted between the upper electrode layer 25 and the grating coupler layer 28, etching control is facilitated.
格子パターンの形成後、光をデバイス内部に効率よく反射させるために格子表面に金属膜（たとえばＡｕ）２６を形成する。金属膜２６は、真空蒸着法、真空スパッタ法など、一般的な方法で形成される。グレーティングカプラ２９は、金属膜２６を含めたグレーティング全体が所定のデューティーとなるように、凸部と凹部の間隔が設計されている。 After the formation of the grating pattern, a metal film (for example, Au) 26 is formed on the grating surface in order to efficiently reflect light into the device. The metal film 26 is formed by a general method such as a vacuum deposition method or a vacuum sputtering method. In the grating coupler 29, the interval between the convex portion and the concave portion is designed so that the entire grating including the metal film 26 has a predetermined duty.
図５において、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより、画素分離するための深溝を形成する。各画素の下部電極層２１の形状に対応する形状のレジストマスク（不図示）を形成し、画素（デバイス）表面から半絶縁性基板３１まで掘り下げる。レジストマスクを除去し、別のレジストマスクを形成して、各画素の一部をドライエッチングまたはウェットエッチングにより、デバイス表面から共通電極層２３まで掘り下げる。使用したレジストマスクを除去してさらに別のレジストマスクを形成し、各画素の一部を、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより、デバイス表面から下部電極層２１まで掘り下げる。これにより、図５のような画素の断面形状が得られる。 In FIG. 5, a deep groove for separating pixels is formed by dry etching or wet etching. A resist mask (not shown) having a shape corresponding to the shape of the lower electrode layer 21 of each pixel is formed and dug down from the pixel (device) surface to the semi-insulating substrate 31. The resist mask is removed, another resist mask is formed, and a part of each pixel is dug down from the device surface to the common electrode layer 23 by dry etching or wet etching. The used resist mask is removed to form another resist mask, and a part of each pixel is dug down from the device surface to the lower electrode layer 21 by dry etching or wet etching. Thereby, the cross-sectional shape of the pixel as shown in FIG. 5 is obtained.
図６において、全面に絶縁性の保護膜３２を形成する。保護膜３２は、たとえばシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）である。各電極層と電気的コンタクトをとるために、保護巻く３２の所定の箇所にコンタクトホール４２、４３、４４を形成する。コンタクトホール４２は、共通電極層２３の一部を露出する。コンタクトホール４３は、下部電極層２１の一部を露出する。コンタクトホール４４は、上部電極層２５の一部を露出する。コンタクトホール４２、４３、４４の形成は、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよい。 In FIG. 6, an insulating protective film 32 is formed on the entire surface. The protective film 32 is, for example, a silicon oxynitride film (SiON). In order to make electrical contact with each electrode layer, contact holes 42, 43, 44 are formed at predetermined positions of the protective winding 32. The contact hole 42 exposes a part of the common electrode layer 23. The contact hole 43 exposes a part of the lower electrode layer 21. The contact hole 44 exposes a part of the upper electrode layer 25. The contact holes 42, 43, and 44 may be formed by dry etching or wet etching.
図７において、保護膜３２上に、共通電極層２３からデバイス上面まで引き出し配線３４を形成する。同様に、保護膜３２上に、下部電極層２１からデバイス上面まで引き出し線３５を形成する。引き出し線３４、３５は、共通電極層２３、下部電極層２１にそれぞれオーミック接触し、半導体に対して接触抵抗の低い材料で形成される。一例として、Ａｕ／Ｔｉ、Ａｕ／ＡｕＮｉＡｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉなど、適切な材料を選択することができる。 In FIG. 7, lead wirings 34 are formed on the protective film 32 from the common electrode layer 23 to the device upper surface. Similarly, a lead line 35 is formed on the protective film 32 from the lower electrode layer 21 to the upper surface of the device. The lead wires 34 and 35 are in ohmic contact with the common electrode layer 23 and the lower electrode layer 21, respectively, and are formed of a material having a low contact resistance with respect to the semiconductor. As an example, an appropriate material such as Au / Ti, Au / AuNiAu, AuGe / Ni / Au / Ti, or Au / Pt / Ti can be selected.
図８において、下部電極層２１、共通電極層２３、上部電極層２５と電気的に接続するバンプ電極３６ｂ、３６ａ、３６ｃを形成する。バンプ電極３６ａ〜３６ｃはたとえばＩｎ電極である。これにより、光検出器１０が得られる。 In FIG. 8, bump electrodes 36b, 36a, and 36c that are electrically connected to the lower electrode layer 21, the common electrode layer 23, and the upper electrode layer 25 are formed. The bump electrodes 36a to 36c are, for example, In electrodes. Thereby, the photodetector 10 is obtained.
バンプ電極３６ａと３６ｂにより共通電極層２３と下部電極層２１の間に適切なバイアス電圧が印加された状態で、下部活性層１１の量子井戸構造に応じた波長（たとえば５μｍの波長）の光が入射すると、量子井戸内のキャリアが励起され、光吸収が起きる。励起されたキャリアの走行による光電流を検出することで、特定波長の入射光を検出することができる。 With an appropriate bias voltage applied between the common electrode layer 23 and the lower electrode layer 21 by the bump electrodes 36a and 36b, light having a wavelength (for example, a wavelength of 5 μm) corresponding to the quantum well structure of the lower active layer 11 is emitted. When incident, the carriers in the quantum well are excited and light absorption occurs. Incident light having a specific wavelength can be detected by detecting a photocurrent generated by traveling of the excited carrier.
バンプ電極３６ａと３６ｃにより共通電極層２３と上部電極層２５の間に適切なバイアス電圧が印加された状態で、上部活性層１２の量子井戸構造に応じた波長（たとえば９μｍの波長）の光が入射すると、量子井戸内のキャリアが励起され、光吸収が起きる。励起されたキャリアの走行による光電流を検出することで、別の波長の入射光を検出することができる。 In a state where an appropriate bias voltage is applied between the common electrode layer 23 and the upper electrode layer 25 by the bump electrodes 36a and 36c, light having a wavelength (for example, a wavelength of 9 μm) corresponding to the quantum well structure of the upper active layer 12 is emitted. When incident, the carriers in the quantum well are excited and light absorption occurs. By detecting the photocurrent due to the traveling of the excited carrier, incident light having a different wavelength can be detected.
図９は、実施例１の構成の効果を示す図である。共通電極層２３を、ＧａＡｓ（０．４μｍ）／ＡｌＡｓ（０．４５μｍ）を１周期として１０周期で構成し、支持基板３１側から波長５μｍの光を入射したときの、素子内部における光の電界強度分布の計算結果である。 FIG. 9 is a diagram illustrating the effect of the configuration of the first embodiment. The common electrode layer 23 is composed of 10 cycles of GaAs (0.4 μm) / AlAs (0.45 μm) as one cycle, and the electric field of light inside the device when light with a wavelength of 5 μm is incident from the support substrate 31 side. It is a calculation result of intensity distribution.
下部活性層１１に対応する波長５μｍの光は、上部活性層（ＬＷ−ＭＱＷ）１２と比較して、下部活性層（ＭＷ−ＭＱＷ）１１の内部に集中していることがわかる。この計算例では、上部活性層１２に侵入する波長５μｍの電界強度を１／３に低減できる。これは、波長５μｍの光を下部活性層１１で高効率に検出できることを意味する。 It can be seen that light having a wavelength of 5 μm corresponding to the lower active layer 11 is concentrated inside the lower active layer (MW-MQW) 11 as compared to the upper active layer (LW-MQW) 12. In this calculation example, the electric field intensity at a wavelength of 5 μm entering the upper active layer 12 can be reduced to 1/3. This means that light having a wavelength of 5 μm can be detected with high efficiency by the lower active layer 11.
実施例１では、長波長赤外光（ＬＷ）を吸収する層を上部活性層１２、中波長赤外光（ＭＷ）を吸収する層を下部活性層１１として配置したが、逆であってもよい。逆にした場合は、グレーティングカプラ２９を中波長赤外光に対して最適化するように格子パターンを設計し、共通電極層２３の屈折率周期構造を、長波長赤外光に対して最大の反射回折を与えるように材料、組成、膜厚、周期を設計する。 In Example 1, the layer that absorbs long-wavelength infrared light (LW) is disposed as the upper active layer 12, and the layer that absorbs medium-wavelength infrared light (MW) is disposed as the lower active layer 11. Good. In the reverse case, the grating pattern is designed so that the grating coupler 29 is optimized for medium wavelength infrared light, and the refractive index periodic structure of the common electrode layer 23 is the maximum for long wavelength infrared light. The material, composition, film thickness, and period are designed to give reflection diffraction.
実施例１では２つの異なる波長の入射光を検出する構成としたが、３以上の波長の光の検出器に適用することも可能である。この場合、３つの活性層を共通電極を間に挟んで積層し、各共通電極を、対応する波長の光に適合する屈折率周期構成を有するように形成すればよい。 In the first embodiment, the configuration is such that incident light having two different wavelengths is detected. However, the present invention can also be applied to a light detector having three or more wavelengths. In this case, three active layers may be stacked with a common electrode interposed therebetween, and each common electrode may be formed so as to have a refractive index periodic configuration suitable for light of a corresponding wavelength.
図１０は、実施例２の光検出器２０の原理を説明するための図である。複数の光検出器２０Ａ〜２０Ｃ（適宜、「光検出器２０」と総称する）が支持基板３１上に配置されてイメージセンサ２を形成する。光検出器２０は、下部電極層２１、第１活性層（下部活性層）１１、共通電極層５３、第２活性層（上部活性層）１２、上部電極層２５、グレーティングカプラ２９を有する。実施例１と同様に、第１活性層１１は、第１の波長域の光を吸収し、第２活性層１２は、第２の波長域の光を吸収する。 FIG. 10 is a diagram for explaining the principle of the photodetector 20 according to the second embodiment. A plurality of photodetectors 20 </ b> A to 20 </ b> C (referred to as “photodetector 20” as appropriate) are arranged on the support substrate 31 to form the image sensor 2. The photodetector 20 includes a lower electrode layer 21, a first active layer (lower active layer) 11, a common electrode layer 53, a second active layer (upper active layer) 12, an upper electrode layer 25, and a grating coupler 29. Similar to Example 1, the first active layer 11 absorbs light in the first wavelength range, and the second active layer 12 absorbs light in the second wavelength range.
共通電極層５３は、多層反射膜２３ａと、多層反射膜２３ａに形成された屈折率周期構造３９を有する。この構成によって、下部活性層１１への回折効率がさらに向上する。 The common electrode layer 53 has a multilayer reflective film 23a and a refractive index periodic structure 39 formed on the multilayer reflective film 23a. With this configuration, the diffraction efficiency to the lower active layer 11 is further improved.
図１１は、屈折率周期構造３９の形成方法を示す図である。実施例１と同様に、図３〜図５の工程により、支持基板３１上に、下部電極層２１、下部活性層１１、多層反射膜２３ａ、上部活性層１２、上部電極層２５、金属膜２６が形成されたグレーティングカプラ２９の積層構造を作製し、積層構造を所定の断面形状に加工する。その後、全面に絶縁性の保護膜３２を形成する。 FIG. 11 is a diagram illustrating a method for forming the refractive index periodic structure 39. 3 to 5, the lower electrode layer 21, the lower active layer 11, the multilayer reflective film 23 a, the upper active layer 12, the upper electrode layer 25, and the metal film 26 are formed on the support substrate 31 in the same manner as in the first embodiment. A laminated structure of the grating coupler 29 formed with is manufactured, and the laminated structure is processed into a predetermined cross-sectional shape. Thereafter, an insulating protective film 32 is formed on the entire surface.
この状態で、多層反射膜２３ａにフェムト秒レーザ光Ｌを照射して、一部分をアモルファス化することにより、基板３１と平行な方向に屈折率が周期的に変化する屈折率周期構造３９を形成する。屈折率周期構造３９が形成された多層反射膜２３ａは、共通電極層５３として機能するとともに、下部活性層１１への光結合部として機能する。 In this state, the multilayer reflective film 23a is irradiated with femtosecond laser light L, and a part thereof is amorphized to form a refractive index periodic structure 39 whose refractive index periodically changes in a direction parallel to the substrate 31. . The multilayer reflective film 23 a on which the refractive index periodic structure 39 is formed functions as the common electrode layer 53 and also functions as an optical coupling portion to the lower active layer 11.
フェムト秒レーザ加工は、超短パルスを用いた加工方法であり、焦点位置のみを加工することができる。多層反射膜２３ａの屈折率周期構造３９を形成したい部分に焦点を合わせてレーザを走査する。 The femtosecond laser processing is a processing method using an ultrashort pulse and can process only the focal position. The laser beam is scanned while focusing on the portion of the multilayer reflective film 23a where the refractive index periodic structure 39 is to be formed.
フェムト秒レーザが照射された領域は、結晶がアモルファス化して屈折率が変化する。フェムト秒レーザの照射を周期的に行うことで、屈折率周期構造３９を形成することができる。レーザパワーが強すぎると、共通電極層５３の内部にボイド（空孔）が形成される場合があるので、共通電極層５３の材料をアモルファス化するのに適したレベルにレーザパワーを設定する。一例として、５μｍに感度ピークを有する共通電極層５３（λ／４の膜厚のＧａＡｓとＡｌＡｓを繰り返し積層）に屈折率周期構造３９を形成する場合、波長８００ｎｍのフェムト秒レーザを用い、レーザパワー０．１〜１ｍＷ、パルス幅１００ｆｓ以下で加工する。 In the region irradiated with the femtosecond laser, the crystal becomes amorphous and the refractive index changes. By periodically performing femtosecond laser irradiation, the refractive index periodic structure 39 can be formed. If the laser power is too strong, voids (holes) may be formed inside the common electrode layer 53, so the laser power is set to a level suitable for amorphizing the material of the common electrode layer 53. As an example, when the refractive index periodic structure 39 is formed on the common electrode layer 53 having a sensitivity peak at 5 μm (repetitive lamination of GaAs and AlAs having a film thickness of λ / 4), a femtosecond laser with a wavelength of 800 nm is used, and laser power Processing is performed at 0.1 to 1 mW and a pulse width of 100 fs or less.
屈折率周期構造３９が形成された後、図６〜図８のように保護膜３２の所定の箇所にコンタクトホール４２、４３、４４を形成して、共通電極層５３、下部電極層２１、上部電極層２５と電気的なコンタクトをとる。 After the refractive index periodic structure 39 is formed, contact holes 42, 43, 44 are formed at predetermined positions of the protective film 32 as shown in FIGS. 6 to 8, and the common electrode layer 53, the lower electrode layer 21, and the upper part are formed. Electrical contact is made with the electrode layer 25.
実施例２の構成では、下部活性層１１と上部活性層１２のそれぞれに対して最適化された光結合構造を配置することにより、２つの異なる波長域の光を効率的に検出することができる。 In the configuration of the second embodiment, by arranging optimized optical coupling structures for the lower active layer 11 and the upper active layer 12, light in two different wavelength ranges can be efficiently detected. .
３つ以上の波長域の光を検出する場合は、それぞれの波長の光を吸収する量子井戸構造の活性層の間に多層反射膜の共通電極層を挟んで積層し、フェムト秒レーザの焦点をそれぞれの共通電極層に合わせて照射する。フェムト秒レーザを走査して周期的に照射することで、各共通電極層に検出波長に応じた屈折率周期構造を形成することができる。 When detecting light of three or more wavelength ranges, stack the common electrode layer of the multilayer reflective film between the active layers of the quantum well structure that absorbs light of each wavelength, and focus the femtosecond laser. Irradiate according to each common electrode layer. By scanning the femtosecond laser and periodically irradiating it, a refractive index periodic structure corresponding to the detection wavelength can be formed in each common electrode layer.
実施例１、２では、量子井戸型の赤外線検出器の例を説明したが、本発明はたとえば量子ドットを用いた赤外線検出器にも適用することができる。この場合は、活性層を構成する多重量子井戸（ＭＱＷ）を量子ドット層とバッファ層を繰り返し形成する。たとえば、ＡｌＧａＡｓあるいはＧａＡｓのバッファ層と、ＩｎＡｓあるいはＩｎＧａＡｓの量子ドット層を１０〜５０周期積層する。共通電極を多層反射膜、あるいは屈折率周期構造が形成された多層反射膜で構成することにより、実施例１，２の量子井戸型赤外線検出器と同等の効果が得られる。 In the first and second embodiments, an example of a quantum well type infrared detector has been described. However, the present invention can also be applied to an infrared detector using quantum dots, for example. In this case, the quantum dot layer and the buffer layer are repeatedly formed in the multiple quantum well (MQW) constituting the active layer. For example, an AlGaAs or GaAs buffer layer and an InAs or InGaAs quantum dot layer are stacked for 10 to 50 periods. By configuring the common electrode with a multilayer reflective film or a multilayer reflective film having a refractive index periodic structure, the same effects as those of the quantum well infrared detectors of Examples 1 and 2 can be obtained.
実施例１の光検出器１０、又は実施例２の光検出器２０を基板上に多数配置することでイメージセンサを形成することができる。 An image sensor can be formed by arranging a large number of photodetectors 10 according to the first embodiment or photodetectors 20 according to the second embodiment on a substrate.
光情報通信、医療の分野、非接触測定、生体検知、イメージセンサ等、広い分野にわたって適用することができる。 It can be applied to a wide range of fields such as optical information communication, medical field, non-contact measurement, living body detection, and image sensor.
１、２ イメージセンサ
１０、２０ 赤外線検出器（光検出器）
１１ 第１活性層（第１光吸収層）
１２ 第２活性層（第２光吸収層）
２１ 下部電極層（第１電極層）
２３、５３ 共通電極層
２３ａ 多層反射膜
２５ 上部電極層（第３電極層）
２９ グレーティングカプラ
３９ 屈折率周期構造
1, 2 Image sensor 10, 20 Infrared detector (light detector)
11 1st active layer (1st light absorption layer)
12 2nd active layer (2nd light absorption layer)
21 Lower electrode layer (first electrode layer)
23, 53 Common electrode layer 23a Multilayer reflective film 25 Upper electrode layer (third electrode layer)
29 Grating coupler 39 Refractive index periodic structure
Claims (6)
前記支持基板上に形成される第１電極層と、
前記第１電極層上に形成され、第１の波長の光を吸収する第１光吸収層と、
前記第１光吸収層上に形成され、前記第１の波長の光に対して屈折率の異なる２種類の材料を交互に積層した多層反射膜を有する第２電極層と、
前記第２電極層上に形成され、第２の波長の光を吸収する第２光吸収層と、
前記第２光吸収層上に形成される第３電極層と、
を備えた光検出器。 A support substrate;
A first electrode layer formed on the support substrate;
A first light absorption layer formed on the first electrode layer and absorbing light of a first wavelength;
A second electrode layer having a multilayer reflective film formed on the first light absorption layer and alternately laminated with two kinds of materials having different refractive indexes with respect to the light of the first wavelength;
A second light absorbing layer formed on the second electrode layer and absorbing light of a second wavelength;
A third electrode layer formed on the second light absorption layer;
With a photodetector.
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。 An optical coupling part that is disposed on the second light absorption layer and reflects and diffracts the light of the second wavelength;
The photodetector according to claim 1, further comprising:
前記積層を所定の形状に加工した後、全体を保護膜で被覆し、
前記第１電極層と電気的に接続する第１外部電極、前記第２電極層と電気的に接続する第２外部電極、及び前記第３電極層と電気的に接続する第３外部電極を形成する
工程を含み、
前記第２電極層の形成は、前記第１の波長の光に対して屈折率の異なる２種類の材料を、不純物をドープしながら交互に積層して多層反射膜を形成する工程を含むことを特徴とする光検出器の製造方法。 On the support substrate, a first electrode layer, a first light absorption layer that absorbs light of a first wavelength, a second electrode layer, a second light absorption layer that absorbs light of a second wavelength, and a third electrode layer Are stacked in this order,
After processing the laminate into a predetermined shape, the whole is covered with a protective film,
Forming a first external electrode electrically connected to the first electrode layer, a second external electrode electrically connected to the second electrode layer, and a third external electrode electrically connected to the third electrode layer; Including the process of
The formation of the second electrode layer includes a step of forming a multilayer reflective film by alternately laminating two kinds of materials having different refractive indexes with respect to the light having the first wavelength while doping impurities. A method for manufacturing a photodetector.
をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の光検出器の製造方法。 Irradiating the multilayer reflective film with a femtosecond laser after the formation of the protective film, and periodically amorphizing a part of the multilayer reflective film;
The method of manufacturing a photodetector according to claim 5, further comprising:
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