JP2017157755A - 光検出器及び光検出器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、低周波のノイズが除去される光検出器を提供する。【解決手段】光を検出する光検出器において、半導体材料により形成された、不純物元素がドープされた第１電極２２と、第１電極の上に半導体材料により形成された誘電体と、誘電体の上に半導体材料により形成された、不純物元素がドープされた第２電極２４と、第２電極の上に半導体材料により形成された活性層２５と、活性層の上に形成された第３電極２６と、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、光検出器及び光検出器の製造方法に関するものである。

光検出器として、赤外線を検出するための量子井戸型赤外線検出器（ＱＷＩＰ：Quantum Well Infrared Photodetector）、または、量子ドット型赤外線検出器（ＱＤＩＰ：Quantum Dot Infrared Photodetector）等がある。これらの赤外線検出器は、赤外線を検出する活性層の両面を上部コンタクト層と下部コンタクト層により挟んだ構造のものである。このような赤外線検出器と、信号処理用の集積回路素子である信号処理回路素子とをＩｎバンプを介しハイブリッド接続することにより、赤外線検出装置が作製される。

一般的には、赤外線検出器の表面側は、読み出し回路がＩｎバンプを介しハイブリッド接続されているため、赤外線検出器の裏面側から赤外線検出器に入射した赤外線が検出される。具体的には、赤外線検出器の裏面側から入射した赤外線は、赤外線検出器の表面側に形成された光結合構造(グレーティングカプラ)により回折、反射され、活性層において検出される。このような光結合構造は、回折格子と、回折格子の上に形成された金属反射膜により形成されている。赤外線検出器は、赤外線を検出するための画素が複数設けられており、画素と画素の間には、赤外線検出器の表面側より、各々の画素を分離するための画素分離溝が形成されている。

赤外線検出器は、物体の熱輻射によって放出される赤外線が赤外線検出器に入射し、入射した赤外線の強度分布を電気信号分布に変換する素子であり、例えば、そのような赤外線検出素子を２次元状に配列したいわゆるフォーカルプレーンアレイ（ＦＰＡ）型の赤外線撮像装置により、赤外線画像を得ることができる。赤外線画像は、可視光領域での撮像装置などとは異なり、暗闇の中においても対象物体を撮像可能であるため、セキュリティ分野等において用いられている。また、対象物体から放出される赤外線の強度は、その対象物体の温度の関数であることから、撮像物体中での赤外線放射強度分布より、その物体中での温度分布を反映した画像が得られる。このため、医療分野等においても期待されている。

赤外線検出素子を平面上に２次元アレイ状に配置したＦＰＡ型赤外線撮像装置においては、赤外線検出素子に入射する赤外線の強度分布を電気信号分布に変換して、赤外線を検出し、赤外線画像を得る。この際、図１に示されるようなダイレクト−インジェクション（ＤＩ）回路と呼ばれる電流−電圧変換回路が用いられることが多い。ダイレクト−インジェクション回路には、赤外線検出素子９１０、蓄積コンデンサ９２０、スイッチ９３１、９３２となるトランジスタ等が用いられている。ダイレクト−インジェクション回路を用いた赤外線検出素子９１０における赤外線検出方法は、最初に、スイッチ９３２を開き、スイッチ９３１を閉じて、静電容量Ｃの蓄積コンデンサ９２０を充電する。この後、スイッチ９３１を開き、スイッチ９３２を閉じることにより、蓄積コンデンサ９２０よりスイッチ９３２を介し赤外線検出素子９１０に電流Ｉが流れ、蓄積コンデンサ９２０において電圧降下ΔＶが生じる。赤外線検出素子９１０は、入射した赤外線の光量に応じて抵抗値が変化するため、これに対応して電流Ｉが変化し、電圧降下ΔＶの値も変化する。この電圧降下ΔＶの値を検出し、検出された電圧降下ΔＶの値に基づき、赤外線検出素子９１０に入射した赤外線の光量を検出する。尚、スイッチ９３２が閉じられている時間、即ち、蓄積時間をｔとした場合、電圧降下ΔＶの値は、ΔＶ＝（ｔ／Ｃ）×Ｉとなる。

ところで、赤外線検出器に限らず一般に半導体素子では、半導体素子の中を流れる電流は、例えば、赤外線検出器では、赤外線検出器に入射する赤外線の強度によって変化されるのみならず、素子バイアスの揺らぎ等の要因によっても変動し、これがノイズとなる。

具体的には、図１に示されるようなダイレクト−インジェクション回路においては、ノイズの周波数成分の周期が蓄積時間ｔよりも十分短い場合、電流Ｉの変動は、山と谷が打ち消し合い、出力される信号には影響がないため、ノイズとしては検出されない。これに対し、ノイズの周波数成分の周期が蓄積時間ｔよりも長い場合、電流Ｉの変動は、山と谷が打ち消しあう前に、スイッチ９３２が開かれてしまうため、出力される信号に影響を与え、ノイズとして検出される。従って、ダイレクト−インジェクション回路において、ノイズとして問題となるのは、蓄積時間ｔよりも周期が長いノイズ、即ち、蓄積時間ｔを周期とする周波数よりも低い周波数のノイズである。

一般的に、ノイズを除去するための方法としては、図２に示されるように、電気配線と接地電位との間にバイパスコンデンサ９４０を設ける方法がある。これにより、ノイズとなる成分をバイパスコンデンサ９４０を介して接地電位に逃がし、信号成分に含まれるノイズを抑制することができる。このようなバイパスコンデンサ９４０は、効率よくノイズを除去するためには、できるだけノイズの発生源に近接して設置される。

また、上記のように、ダイレクト−インジェクション回路において問題となるノイズは、周期が蓄積時間ｔよりも長く、周波数の低いノイズである。このような周波数の低いノイズを取り除くためには、バイパスコンデンサ９４０の静電容量は大きいものが好ましい。

特開平８−１６６２８４号公報 特開平１１−３３７４０６号公報 特開平１１−１０８７５７号公報

しかしながら、静電容量の大きなコンデンサは形状も大きくなるため、光検出器の大型化を招く。このため、小型で、低周波のノイズが除去される光検出器が求められている。

本実施の形態の一観点によれば、光を検出する光検出器において、半導体材料により形成された、不純物元素がドープされた第１電極と、前記第１電極の上に半導体材料により形成された誘電体と、前記誘電体の上に半導体材料により形成された、不純物元素がドープされた第２電極と、前記第２電極の上に半導体材料により形成された活性層と、前記活性層の上に形成された第３電極と、を有することを特徴とする。

開示の光検出器によれば、小型で、低周波のノイズを除去することができる。

赤外線検出器の説明図 赤外線検出器におけるバイパスコンデンサの説明図 第１の実施の形態における赤外線検出装置の斜視図 第１の実施の形態における赤外線検出器の構造図 第１の実施の形態における赤外線検出器の斜視図 バイパスコンデンサを形成している容量形成層の膜厚と静電容量との相関図 第１の実施の形態における赤外線検出器の回路図 第１の実施の形態における赤外線検出器の製造方法の工程図（１） 第１の実施の形態における赤外線検出器の製造方法の工程図（２） 第１の実施の形態における赤外線検出器の製造方法の工程図（３） 第１の実施の形態における赤外線検出素子が１つの赤外線検出器の構造図 第２の実施の形態における赤外線検出器の構造図 第２の実施の形態における赤外線検出器の製造方法の工程図（１） 第２の実施の形態における赤外線検出器の製造方法の工程図（２） 第２の実施の形態における赤外線検出器の製造方法の工程図（３） 第２の実施の形態における他の赤外線検出器の構造図 第２の実施の形態における赤外線検出素子が１つの赤外線検出器の構造図 第２の実施の形態における赤外線検出素子が１つの他の赤外線検出器の構造図 第３の実施の形態における赤外線検出器の構造図 第３の実施の形態における赤外線検出器の製造方法の工程図（１） 第３の実施の形態における赤外線検出器の製造方法の工程図（２） 第３の実施の形態における赤外線検出器の製造方法の工程図（３）

実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
ところで、冷却型の赤外線検出器は、冷却時における結露防止のために、密閉された真空冷却容器内に設置されている。尚、真空冷却容器における冷却温度は、例えば、液体窒素温度（７７Ｋ）である。

バイパスコンデンサ９４０は、真空冷却容器の外に接続すると、赤外線検出器までの距離が長くなり、ノイズの除去が効率的に行われない。従って、ノイズの除去を効率的に行うためには、バイパスコンデンサ９４０は、真空冷却容器内に設置することが好ましい。真空冷却容器内に設置されるバイパスコンデンサ９４０に、独立した部品の誘電体と金属等により形成されたコンデンサを用い、冷却の際の降温と昇温を繰り返すと、誘電体と金属との熱膨張率差等により、破壊される場合がある。また、比較的静電容量の大きいコンデンサは、大きさも大きいため、光検出器が大型化してしまう。従って、冷却型の赤外線検出器においては、小型で、信頼性が高く、低周波のノイズを除去することのできる赤外線検出器が求められている。

（光検出器）
次に、第１の実施の形態における光検出器について説明する。尚、本願においては、可視光、赤外線（赤外光）及び紫外線（紫外光）のうちのいずれかを含むものを光と記載する場合がある。

本実施の形態における赤外線検出装置は、図３及び図４に示されるように、赤外線検出器１０と信号処理回路素子７０とをＩｎバンプを用いたＦＣＢ（フリップチップボンディング）により接合することにより形成されている。即ち、信号処理回路素子７０は、Ｓｉ基板等により形成されており、信号処理回路素子７０の一方の面７０ａには、不図示の半導体回路、配線、下地金属膜等が形成されている。本実施の形態における赤外線検出装置は、赤外線検出器１０の一方の面１０ａと信号処理回路素子７０の一方の面７０ａとを対向させた状態で、Ｉｎ等の接合金属材料により形成されたバンプ接合部８０により接合されている。これにより、赤外線検出器１０と信号処理回路素子７０とが、Ｉｎにより形成されたバンプ接合部８０により、画素ごとに電気的に接合される。この赤外線検出装置においては、赤外線は赤外線検出器１０の他方の面１０ｂとなる半導体基板２０側より入射し、不図示の回折格子や金属反射膜において反射され、活性層２５に入射することにより検出される。検出された赤外線は、電気信号に変換され、バンプ接合部８０を介し、信号処理回路素子７０に送られる。

図４及び図５に示されるように、赤外線検出器１０は、半導体基板２０の上に、半導体層をエピタキシャル成長させることにより形成されている。具体的には、半導体基板２０の上に、バッファ層２１、容量電極層２２、容量形成層２３、下部コンタクト層２４、活性層２５、上部コンタクト層２６を積層することにより形成されている。半導体基板２０は、不純物元素がドープされていない半絶縁性ＧａＡｓ基板が用いられ、バッファ層２１は、不純物元素のドープされていないＧａＡｓにより形成されている。容量電極層２２は、不純物元素としてＳｉが１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でドープされた膜厚が約５００ｎｍのｎ−ＧａＡｓにより形成されており、容量形成層２３は、不純物元素のドープされていない膜厚が１５ｎｍのＧａＡｓにより形成されている。下部コンタクト層２４及び上部コンタクト層２６は、不純物元素としてＳｉが１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でドープされた膜厚が約５００ｎｍのｎ−ＧａＡｓにより形成されている。活性層２５は、赤外線を検知する層であり、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ等の化合物半導体を用いた量子井戸構造や量子ドット構造により形成されている。

赤外線検出器１０においては、赤外線検出器１０の一方の面１０ａには、画素３０を分離する画素分離溝３１が形成されている。また、各々の画素３０には、上部コンタクト層２６の表面に、凹凸を形成することにより不図示の回折格子や金属反射膜等が形成されている。画素分離溝３１は、赤外線検出器１０の一方の面１０ａより、画素３０と画素３０との間の上部コンタクト層２６及び活性層２５を除去することにより形成されている。

本実施の形態における赤外線検出器１０には、バイアス接続部３２と接地電位接続部３３が形成されている。バイアス接続部３２は、画素分離溝３１と同じ深さの第１の分離溝３４により分離された上部コンタクト層２６及び活性層２５により形成されている。第１の分離溝３４は、下部コンタクト層２４の表面が露出するまで、上部コンタクト層２６及び活性層２５を除去することにより形成される。第１の分離溝３４により露出したバイアス接続部３２の側面には、上部コンタクト層２６及び活性層２５の側面を覆う絶縁膜４０が形成されている。また、第１の分離溝３４の底面となる下部コンタクト層２４の上から、バイアス接続部３２の側面を覆う絶縁膜４０の上、バイアス接続部３２の上面となる上部コンタクト層２６の上には、金属により第１の配線層４１が形成されている。バイアス接続部３２の上面における第１の配線層４１の上にはバンプ接合部８０が形成されており、バンプ接合部８０により信号処理回路素子７０におけるバイアス回路と接続されている。

接地電位接続部３３は、第２の分離溝３５により分離された上部コンタクト層２６、活性層２５、下部コンタクト層２４及び容量形成層２３により形成されている。第２の分離溝３５は、容量電極層２２の表面が露出するまで、上部コンタクト層２６、活性層２５、下部コンタクト層２４及び容量形成層２３を除去することにより形成される。第２の分離溝３５により露出した接地電位接続部３３の側面には、上部コンタクト層２６、活性層２５、下部コンタクト層２４及び容量形成層２３の側面を覆う絶縁膜４０が形成されている。第２の分離溝３５の底面となる容量電極層２２の上から、接地電位接続部３３の側面を覆う絶縁膜４０の上、接地電位接続部３３の上面となる上部コンタクト層２６の上には、金属により第２の配線層４２が形成されている。接地電位接続部３３の上面における第２の配線層４２の上にはバンプ接合部８０が形成されており、バンプ接合部８０により信号処理回路素子７０における接地電極と接続されている。

図６は、下部コンタクト層２４、容量形成層２３、容量電極層２２により形成されるバイパスコンデンサにおける容量形成層２３の厚さｄとの静電容量Ｃとの関係を示す。容量形成層２３は、不純物元素がドープされていないＧａＡｓ（比誘電率：１３．１８）により形成されており、絶縁性が高いため誘電体膜として用いることができる。赤外線検出器１０は、画素のピッチが２０μｍ、２次元状に６４０×４８０画素形成されているとすると、形成されるバイパスコンデンサの面積は、９．６ｍｍ×１２．８ｍｍとなる。図６より、容量形成層２３の厚さｄを１５ｎｍ程度にすることにより、静電容量が約１μＦとなる静電容量の大きなバイパスコンデンサを得ることができる。尚、本願においては、下部コンタクト層２４、容量形成層２３及び容量電極層２２の薄膜により形成されるバイパスコンデンサをキャパシタと記載する場合がある。

図７は、本実施の形態における赤外線検出器の回路図である。赤外線検出器１０には、画素となる赤外線検出素子１１０とバイパスコンデンサ１２０が形成されている。本実施の形態においては、上部コンタクト層２６、活性層２５、下部コンタクト層２４により、図７に示される画素となる赤外線検出素子１１０が形成される。また、下部コンタクト層２４、容量形成層２３、容量電極層２２により平行平板型のバイパスコンデンサ１２０が形成される。信号処理回路素子７０にはスイッチとなるトランジスタ１３２、蓄積コンデンサ１４０等が形成されている。信号処理回路素子７０においては、スイッチとなるトランジスタ１３２一方の側と蓄積コンデンサ１４０の一方の側とが接続されており、蓄積コンデンサ１４０の他方の側は接地電極に接続されている。

赤外線検出器１０において、画素となる赤外線検出素子１１０の一方の側とバイパスコンデンサ１２０の一方の側とは、共通の電極層となる下部コンタクト層２４により接続されている。下部コンタクト層２４は、バンプ接合部８０を介し、信号処理回路素子７０における不図示のバイアス回路に接続されている。

画素となる赤外線検出素子１１０の他方の側となる上部コンタクト層２６の側は、バンプ接合部８０を介し、信号処理回路素子７０に形成されたスイッチとなるトランジスタ１３２の他方の側と接続されている。バイパスコンデンサ１２０の他方の側となる容量電極層２２は、バンプ接合部８０を介し、蓄積コンデンサ１４０の他方の側及び信号処理回路素子７０における接地電極と接続されている。

本実施の形態においては、バイパスコンデンサ１２０は、赤外線検出素子１１０と同じ半導体基板の上に、同じ材料のＧａＡｓにより形成されているため、熱膨張率差がない。このため、冷却の際に降温と昇温を繰り返しても破壊等されることがない。また、バイパスコンデンサ１２０は、赤外線検出素子１１０と同じ半導体基板の上に、一体として形成されているため、大型化することなく、大きな静電容量のものを形成することができる。また、バイパスコンデンサ１２０の上に赤外線検出素子１１０が形成されており、バイパスコンデンサ１２０と赤外線検出素子１１０とは極めて近い位置に形成される。よって、効率よくノイズを除去することができる。

尚、本願においては、容量電極層２２を第１電極、下部コンタクト層２４を第２電極、上部コンタクト層２６を第３電極と記載する場合がある。

（光検出器の製造方法）
次に、本実施の形態における光検出器の製造方法について、図８〜図１０に基づき説明する。

最初に、図８（ａ）に示すように、半導体基板２０の上に、バッファ層２１、容量電極層２２、容量形成層２３、下部コンタクト層２４を積層し、更に、図８（ｂ）に示すように、活性層２５、上部コンタクト層２６を積層する。バッファ層２１、容量電極層２２、容量形成層２３、下部コンタクト層２４、活性層２５、上部コンタクト層２６は、半導体基板２０の上に、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法等によるエピタキシャル成長により、順に形成する。

半導体基板２０は、不純物元素がドープされていない半絶縁性ＧａＡｓ基板が用いられ、バッファ層２１は、不純物元素のドープされていないＧａＡｓにより形成されている。容量電極層２２は、不純物元素としてＳｉが１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でドープされた膜厚が約５００ｎｍのｎ−ＧａＡｓにより形成されており、容量形成層２３は、不純物元素のドープされていない膜厚が１５ｎｍのＧａＡｓにより形成されている。下部コンタクト層２４及び上部コンタクト層２６は、不純物元素としてＳｉが１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でドープされた膜厚が約５００ｎｍのｎ−ＧａＡｓにより形成されている。活性層２５は、量子井戸構造や量子ドット構造により形成された赤外線を検知する層であり、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ等の化合物半導体により形成されている。

次に、図８（ｃ）に示すように、上部コンタクト層２６、活性層２５を除去することにより、画素分離溝３１、第１の分離溝３４、第２の分離溝３５の一部を形成する。具体的には、上部コンタクト層２６の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、画素分離溝３１、第１の分離溝３４、第２の分離溝３５が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のドライエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域の上部コンタクト層２６、活性層２５を除去し、下部コンタクト層２４を露出させる。これにより、画素分離溝３１、第１の分離溝３４、後述する第２の分離溝３５の一部が形成され、画素分離溝３１により赤外線検出素子は画素３０ごとに分離される。また、第１の分離溝３４により分離された上部コンタクト層２６、活性層２５により、バイアス接続部３２が形成される。

次に、図９（ａ）に示すように、第２の分離溝３５が形成される領域において、更に、下部コンタクト層２４、容量形成層２３を除去することにより第２の分離溝３５を形成する。具体的には、上部コンタクト層２６及び下部コンタクト層２４の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、第２の分離溝３５が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＲＩＥ等のドライエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域の下部コンタクト層２４、容量形成層２３を除去し、容量電極層２２を露出させる。これにより、第２の分離溝３５を形成され、第２の分離溝３５により分離された上部コンタクト層２６、活性層２５、下部コンタクト層２４、容量形成層２３により、接地電位接続部３３が形成される。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。

次に、図９（ｂ）に示すように、第１の分離溝３４により分離されたバイアス接続部３２の側面及び第２の分離溝３５により分離された接地電位接続部３３の側面に、絶縁膜４０を形成する。具体的には、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）等により、ＳｉＯ_２またはＳｉＮ膜を成膜することにより、上部コンタクト層２６、画素分離溝３１、第１の分離溝３４、第２の分離溝３５の側壁を覆う絶縁膜を形成する。この後、成膜された絶縁膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行う。これにより、第１の分離溝３４により分離されたバイアス接続部３２の側面及び第２の分離溝３５により分離された接地電位接続部３３の側面の絶縁膜の上に不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域の絶縁膜を除去することにより、第１の分離溝３４の底面となる下部コンタクト層２４、第２の分離溝３５の底面となる容量電極層２２、上部コンタクト層２６等を露出させる。これにより、第１の分離溝３４により分離されたバイアス接続部３２の側面及び第２の分離溝３５により分離された接地電位接続部３３の側面に、絶縁膜４０を形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。

次に、図９（ｃ）に示すように、バイアス接続部３２の側面を覆う絶縁膜４０の上に、下部コンタクト層２４と上部コンタクト層２６とを接続する第１の配線層４１を形成する。同時に、接地電位接続部３３を覆う側面の絶縁膜４０の上に、容量電極層２２と上部コンタクト層２６とを接続する第２の配線層４２を形成する。具体的には、第１の分離溝３４の底面となる下部コンタクト層２４の上、第２の分離溝３５の底面となる容量電極層２２の上、上部コンタクト層２６の上、絶縁膜４０の上に、スパッタリング等によりＡｕ膜等を成膜することにより金属膜を形成する。この後、成膜された金属膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、第１の配線層４１及び４２が形成される領域の上に、不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域の金属膜をＲＩＥ等により除去することにより、バイアス接続部３２の側面を覆う絶縁膜４０の上に第１の配線層４１を形成し、接地電位接続部３３の側面を覆う絶縁膜４０の上に第２の配線層４２を形成する。第１の配線層４１は、第１の分離溝３４の底面となる下部コンタクト層２４の上から、バイアス接続部３２の側面を覆う絶縁膜４０の上、バイアス接続部３２の上面となる上部コンタクト層２６の上に形成される。第２の配線層４２は、第２の分離溝３５の底面となる容量電極層２２の上から、接地電位接続部３３の側面を覆う絶縁膜４０の上、接地電位接続部３３の上面となる上部コンタクト層２６の上に形成される。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。

次に、図１０（ａ）に示すように、画素３０となる赤外線検出素子の上部コンタクト層２６の上、バイアス接続部３２の上面の第１の配線層４１の上、接地電位接続部３３の上面の第２の配線層４２の上に、バンプ接合部８０を形成する。具体的には、上部コンタクト層２６、第１の配線層４１、第２の配線層４２の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、バンプ接合部８０が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、Ｉｎ膜を真空蒸着により成膜した後、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターンの上に成膜されているＩｎ膜をレジストパターンとともに除去する。これにより、残存するＩｎ膜によりバンプ接合部８０が形成される。

次に、図１０（ｂ）に示すように、バンプ接合部８０が形成されている赤外線検出器１０の一方の面１０ａと信号処理回路素子７０の一方の面７０ａとをバンプ接合部８０におけるＩｎによるフリップチップボンディング（ＦＣＢ）により接合する。これにより、各々の画素３０となる赤外線検出素子の上部コンタクト層２６は、バンプ接合部８０を介し、信号処理回路素子７０に接続される。また、赤外線検出器１０における下部コンタクト層２４は、第１の配線層４１を介し、バンプ接合部８０により、信号処理回路素子７０における不図示のバイアス回路に接続される。また、赤外線検出器１０における容量電極層２２は、第２の配線層４２を介し、バンプ接合部８０により、信号処理回路素子７０における不図示の接地電極に接続される。

以上の工程により、本実施の形態における赤外線検出器を作製することができる。

上記においては、画素３０となる赤外線検出素子が複数の場合について説明したが、図１１に示されるように、画素３０となる赤外線検出素子は１つであってもよい。この場合には、上記の製造方法において、画素３０となる赤外線検出素子を１つにすればよい。

また、上記においては、活性層２５が量子井戸構造や量子ドット構造により形成される赤外線検出器について説明した。しかしながら、本実施の形態における赤外線検出器は、半導体基板２０がＧａＡｓ基板であれば、バイパスコンデンサ及び赤外線検出素子は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、エピタキシャル結晶成長が可能な組成比のＡｌＧａＡｓ混晶、ＩｎＧａＰ混晶等により形成してもよい。また、半導体基板２０がＩｎＰ基板であれば、バイパスコンデンサ及び赤外線検出素子は、エピタキシャル結晶成長が可能な組成比のＩｎＧａＡｓ混晶やＩｎＡｌＡｓ混晶等により形成してもよい。また、半導体基板がＧａＳｂ基板であれば、バイパスコンデンサ及び赤外線検出素子は、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、エピタキシャル結晶成長が可能な組成比のＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＡｓＳｂ混晶等により形成してもよい。また、半導体基板がＧａＰ基板であれば、バイパスコンデンサ及び赤外線検出素子は、ＧａＰ、ＡｌＰ、エピタキシャル結晶成長が可能な組成比のＡｌＧａＰ混晶等により形成してもよい。また、半導体基板がＣｄＴｅ基板であれば、ＨｇＴｅ、ＣｅＴｅ、エピタキシャル結晶成長が可能な組成比のＨｇＣｄＴｅ混晶等により形成してもよい。

即ち、容量電極層２２、容量形成層２３、下部コンタクト層２４、上部コンタクト層２６等は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅのうちのいずれかを含む材料により形成してもよい。また、これらの任意の組み合わせの混晶であってもよい。

また、活性層２５は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅのうちのいずれかを含む材料、または、これらの混晶を用いた量子井戸構造や量子ドット構造により形成してもよい。また、活性層２５は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅのうちのいずれかを含む材料、例えば、これらの任意の組み合わせの混晶を用いた超格子構造により形成してもよい。また、赤外線検出素子は、ＨｇＣｄＴｅにより形成してもよい。

〔第２の実施の形態〕
（光検出器）
次に、第２の実施の形態における光検出器について説明する。本実施の形態における赤外線検出器は、図１２に示すように、接地電位接続部３３を形成することなく、容量電極層２２に直接、接地電極に接続される配線を接続した構造のものである。

（光検出器の製造方法）
次に、本実施の形態における光検出器の製造方法について、図１３〜図１５に基づき説明する。

最初に、図１３（ａ）に示すように、半導体基板２０の上に、バッファ層２１、容量電極層２２、容量形成層２３、下部コンタクト層２４を積層し、更に、図１３（ｂ）に示すように、活性層２５、上部コンタクト層２６を積層する。

次に、図１３（ｃ）に示すように、上部コンタクト層２６、活性層２５を除去することにより、画素分離溝３１及び第１の分離溝３４等を形成する。

次に、図１４（ａ）に示すように、第１の分離溝３４により分離されたバイアス接続部３２の側面に、絶縁膜４０を形成する。

次に、図１４（ｂ）に示すように、バイアス接続部３２の側面の絶縁膜４０の上に第１の配線層４１を形成する。

次に、図１４（ｃ）に示すように、画素３０となる赤外線検出素子の上部コンタクト層２６の上、バイアス接続部３２の上面の第１の配線層４１の上に、バンプ接合部８０を形成する。

次に、図１５（ａ）に示すように、バンプ接合部８０が形成されている赤外線検出器１１の一方の面１１ａと信号処理回路素子７０の一方の面７０ａとをバンプ接合部８０におけるＩｎによるフリップチップボンディング（ＦＣＢ）により接合する。

次に、図１５（ｂ）に示すように、半導体基板２０及びバッファ層２１を研削等により除去し、容量電極層２２を露出させ、容量電極層２２に不図示の接地電極に接続する。容量電極層２２を接地電極に接続するための配線としては、ワイヤボンディングにより形成されるボンディングワイヤや銀ペースト等の導電性ペーストが挙げられる。

以上の工程により、本実施の形態における赤外線検出器を作製することができる。

また、本実施の形態における光検出器は、図１６に示すように、半導体基板２０及びバッファ層２１に不純物元素がドープされており、半導体基板２０には、不図示の接地電極に接続される配線が接続されているものであってもよい。不純物元素がドープされた半導体基板２０及びバッファ層２１は導電性を有するため、半導体基板２０に接地電極に接続される配線を接続することにより、半導体基板２０及びバッファ層２１を介し、容量電極層２２を接地電極に接続することができる。このような構造においても、接地電位接続部３３を形成する必要がない。

図１６に示す光検出器は、上記の製造方法において、図１５（ａ）に示される工程まで行うことにより製造することができる。尚、半導体基板２０には不純物元素がドープされたＧａＡｓ基板を用い、バッファ層２１には不純物元素をドープする。この構造の光検出器は、半導体基板２０及びバッファ層２１を研削等により除去する工程を省くことができるため、低コストで光検出器を作製することができる。

上記においては、画素３０となる赤外線検出素子が複数の場合について説明したが、図１７、図１８に示されるように、画素３０となる赤外線検出素子は１つであってもよい。この場合には、上記の製造方法において、画素３０となる赤外線検出素子を１つにすればよい。

尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第３の実施の形態〕
（光検出器）
次に、第３の実施の形態における光検出器について説明する。

本実施の形態における赤外線検出装置は、赤外線検出器２１０と信号処理回路素子７０とをＩｎのバンプを用いたＦＣＢにより接合することにより形成されている。具体的には、赤外線検出器２１０と信号処理回路素子７０とが、Ｉｎにより形成されたバンプ接合部８０により、画素ごとに電気的に接合されている。

図１９に示されるように、本実施の形態における赤外線検出器２１０は、半導体基板２０の上に、半導体層をエピタキシャル成長させることにより形成されている。具体的には、半導体基板２０の上に、バッファ層２１、第１の容量電極層２２０、容量形成層２２１、第２の容量電極層２２２、高抵抗層２２３、下部コンタクト層２４、活性層２５、上部コンタクト層２６を積層することにより形成されている。

第１の容量電極層２２０及び第２の容量電極層２２２は、不純物元素としてＳｉが１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でドープされた膜厚が約５００ｎｍのｎ−ＧａＡｓにより形成されている。容量形成層２２１及び高抵抗層２２３は、不純物元素のドープされていない膜厚が１５ｎｍのＧａＡｓにより形成されている。

赤外線検出器２１０においては、赤外線検出器２１０の一方の面２１０ａには、画素３０を分離する画素分離溝３１が形成されている。また、各々の画素３０には、上部コンタクト層２６の表面に凹凸を形成することにより不図示の回折格子や金属反射膜等が形成されている。画素分離溝３１は、赤外線検出器２１０の一方の面２１０ａより、画素３０と画素３０との間の上部コンタクト層２６及び活性層２５を除去することにより形成されている。尚、赤外線は赤外線検出器２１０の他方の面２１０ｂとなる半導体基板２０側より入射する。

本実施の形態における赤外線検出器２１０には、バイアス接続部２３２と接地電位接続部２３３が形成されている。バイアス接続部２３２は、第１の分離溝２３４により分離された上部コンタクト層２６、活性層２５、下部コンタクト層２４、高抵抗層２２３、第２の容量電極層２２２及び容量形成層２２１により形成されている。第１の分離溝２３４は、第１の容量電極層２２０の表面が露出するまで、上部コンタクト層２６、活性層２５、下部コンタクト層２４、高抵抗層２２３、第２の容量電極層２２２及び容量形成層２２１を除去することにより形成される。

第１の分離溝２３４により露出したバイアス接続部２３２の側面には、上部コンタクト層２６、活性層２５、下部コンタクト層２４、高抵抗層２２３、第２の容量電極層２２２及び容量形成層２２１の側面を覆う絶縁膜２４０が形成されている。また、第１の分離溝２３４により露出した画素３０側の側面には、下部コンタクト層２４、高抵抗層２２３、第２の容量電極層２２２及び容量形成層２２１の側面を覆う絶縁膜２４０が形成されている。

第１の分離溝２３４の底面の第１の容量電極層２２０の上、第１の分離溝２３４の側壁の絶縁膜２４０の上、バイアス接続部２３２の上部コンタクト層２６の上、画素３０となる赤外線検出素子の下部コンタクト層２４の上には、第１の配線層２４１が形成されている。第１の配線層２４１は金属により形成されており、バイアス接続部２３２の上面における第１の配線層２４１の上にはバンプ接合部８０が形成されており、バンプ接合部８０を介し信号処理回路素子７０におけるバイアス回路と接続されている。従って、第１の配線層２４１により、画素３０となる赤外線検出素子の下部コンタクト層２４、第１の容量電極層２２０、バイアス接続部２３２の上に形成されたバンプ接合部８０が電気的に接続される。

接地電位接続部２３３は、第２の分離溝２３５により分離された上部コンタクト層２６、活性層２５、下部コンタクト層２４及び高抵抗層２２３により形成されている。第２の分離溝２３５は、第２の容量電極層２２２の表面が露出するまで、上部コンタクト層２６、活性層２５、下部コンタクト層２４及び高抵抗層２２３を除去することにより形成される。接地電位接続部２３３の側面には、第２の分離溝２３５により露出した上部コンタクト層２６、活性層２５、下部コンタクト層２４及び高抵抗層２２３の側面を覆う絶縁膜２４０が形成されている。第２の分離溝２３５の底面となる第２の容量電極層２２２の上から、接地電位接続部２３３の側面を覆う絶縁膜２４０の上、接地電位接続部２３３の上面となる上部コンタクト層２６の上には、金属により第２の配線層２４２が形成されている。接地電位接続部２３３の上面における第２の配線層２４２の上にはバンプ接合部８０が形成されており、バンプ接合部８０を介し信号処理回路素子７０における接地電極と接続されている。

本実施の形態においては、上部コンタクト層２６、活性層２５、下部コンタクト層２４により、画素３０となる赤外線検出素子が形成される。また、第２の容量電極層２２２、容量形成層２２１、第１の容量電極層２２０により平行平板型のバイパスコンデンサが形成される。

（光検出器の製造方法）
次に、本実施の形態における光検出器の製造方法について、図２０〜図２２に基づき説明する。

最初に、図２０（ａ）に示すように、半導体基板２０の上に、バッファ層２１、第１の容量電極層２２０、容量形成層２２１、第２の容量電極層２２２、高抵抗層２２３、下部コンタクト層２４を積層する。更に、図２０（ｂ）に示すように、活性層２５、上部コンタクト層２６を積層する。バッファ層２１、第１の容量電極層２２０、容量形成層２２１、第２の容量電極層２２２、高抵抗層２２３、下部コンタクト層２４、活性層２５、上部コンタクト層２６は、半導体基板２０の上に、ＭＢＥ法等によるエピタキシャル成長により形成する。

第１の容量電極層２２０及び第２の容量電極層２２２は、不純物元素としてＳｉが１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でドープされた膜厚が約５００ｎｍのｎ−ＧａＡｓにより形成されている。容量形成層２２１及び高抵抗層２２３は、不純物元素のドープされていない膜厚が約１５ｎｍのＧａＡｓにより形成されている。な、不純物元素のドープされていないＧａＡｓは抵抗が高いため絶縁性を有する。本実施の形態においては、高抵抗層２２３は、絶縁性を有していればよいため、バンドギャップの広い他の半導体材料や絶縁体材料により形成してもよい。

次に、図２０（ｃ）に示すように、上部コンタクト層２６、活性層２５を除去することにより、画素３０を分離する画素分離溝３１、後述する第１の分離溝２３４の一部、第２の分離溝２３５の一部を形成する。

次に、図２１（ａ）に示すように、第１の分離溝２３４が形成される領域において、更に、下部コンタクト層２４、高抵抗層２２３、第２の容量電極層２２２及び容量形成層２２１を除去することにより第１の分離溝２３４を形成する。

次に、図２１（ｂ）に示すように、第２の分離溝２３５が形成される領域において、更に、下部コンタクト層２４、高抵抗層２２３を除去することにより第２の分離溝２３５を形成する。

次に、図２１（ｃ）に示すように、バイアス接続部２３２を形成するための第１の分離溝２３４の両側の側壁及び第２の分離溝２３５により分離された接地電位接続部２３３の側面に、絶縁膜２４０を形成する。

次に、図２２（ａ）に示すように、バイアス接続部２３２を形成するための第１の分離溝２３４の両側の側壁における絶縁膜２４０の上に第１の配線層２４１を形成し、接地電位接続部２３３の側面の絶縁膜２４０の上に第２の配線層２４２を形成する。これにより、第１の分離溝２３４の底面の第１の容量電極層２２０の上、第１の分離溝２３４の側壁の絶縁膜２４０の上、バイアス接続部２３２の上面の上部コンタクト層２６の上、画素３０の下部コンタクト層２４の上には、第１の配線層２４１が形成される。従って、第１の配線層２４１により、画素３０となる赤外線検出素子の下部コンタクト層２４、第１の容量電極層２２０とが電気的に接続される。また、第２の分離溝２３５の底面となる第２の容量電極層２２２の上から、接地電位接続部２３３の側面を覆う絶縁膜２４０の上、接地電位接続部２３３の上部コンタクト層２６の上には、第２の配線層２４２が形成される。

次に、図２２（ｂ）に示すように、画素３０となる赤外線検出素子の上部コンタクト層２６の上、及び、バイアス接続部２３２の上面の第１の配線層２４１の上、接地電位接続部２３３の上面の第２の配線層２４２の上に、バンプ接合部８０を形成する。

次に、図２２（ｃ）に示すように、バンプ接合部８０が形成されている赤外線検出器２１０の一方の面２１０ａと信号処理回路素子７０の一方の面７０ａとをバンプ接合部８０におけるＩｎによるフリップチップボンディング（ＦＣＢ）により接合する。

以上の工程により、本実施の形態における赤外線検出器を作製することができる。

上記においては、画素３０となる赤外線検出素子が複数の場合について説明したが、画素３０となる赤外線検出素子は１つであってもよい。この場合の製造方法は、上記における製造方法において、画素３０となる赤外線検出素子を１つ形成すればよい。

尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
光を検出する光検出器において、
半導体材料により形成された第１電極と、
前記第１電極の上に半導体材料により形成された誘電体と、
前記誘電体の上に半導体材料により形成された第２電極と、
前記第２電極の上に半導体材料により形成された活性層と、
前記活性層の上に半導体材料により形成された第３電極と、
を有し、
前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極には、不純物元素がドープされており、
前記第１電極、前記誘電体、前記第２電極によりキャパシタが形成されることを特徴とする光検出器。
（付記２）
光を検出する複数の画素を有しており、
複数の前記画素は、画素分離溝により分離されていることを特徴とする付記１に記載の光検出器。
（付記３）
前記第１電極、前記誘電体、前記第２電極及び前記第３電極は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅのうちのいずれかを含む材料により形成されていることを特徴とする付記１または２に記載の光検出器。
（付記４）
前記活性層は、量子井戸構造または量子ドット構造により形成されていることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の光検出器。
（付記５）
前記活性層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅのうちのいずれかを含む材料の超格子構造により形成されていることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の光検出器。
（付記６）
前記第３電極の上には、バンプ接合部が形成されており、
前記光検出器は、前記バンプ接合部において信号処理回路素子と接合されるものであって、
前記第１電極の側から入射した光を検出するものであることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載の光検出器。
（付記７）
第１の分離溝により分離された前記第３電極及び前記活性層により形成されるバイアス接続部と、
前記第１の分離溝の底面における前記第２電極と前記バイアス接続部の上に形成されたバンプ接合部とを接続する第１の配線層と、
を有することを特徴とする付記６に記載の光検出器。
（付記８）
第２の分離溝により分離された前記第３電極、前記活性層、前記第２電極及び前記誘電体により形成される接地電位接続部と、
前記第２の分離溝の底面における前記第１電極と前記接地電位接続部の上に形成されたバンプ接合部とを接続する第２の配線層と、
を有することを特徴とする付記７に記載の光検出器。
（付記９）
前記第１電極は接地されていることを特徴とする付記１から７のいずれかに記載の光検出器。
（付記１０）
前記第１電極は、不純物のドープされた半導体基板の上に形成されており、
前記第１電極は、接地されている前記半導体基板を介して、接地されることを特徴とする付記７に記載の光検出器。
（付記１１）
前記光は赤外線であって、
前記光検出器は赤外線検出器であることを特徴とする付記１から１０のいずれかに記載の光検出器。
（付記１２）
光を検出する光検出器の製造方法において、
基板の上に、半導体材料により第１電極、誘電体、第２電極、活性層、第３電極を順に積層して形成する工程と、
前記活性層及び前記第３電極に画素分離溝を形成する工程と、
を有し、
前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極には、不純物元素がドープされており、
前記第１電極、前記誘電体、前記第２電極によりキャパシタが形成されることを特徴とする光検出器の製造方法。

１０ 赤外線検出器
１０ａ 一方の面
１０ｂ 他方の面
２０ 半導体基板
２１ バッファ層
２２ 容量電極層
２３ 容量形成層
２４ 下部コンタクト層
２５ 活性層
２６ 上部コンタクト層
３０ 画素
３１ 画素分離溝
３２ バイアス接続部
３３ 接地電位接続部
３４ 第１の分離溝
３５ 第２の分離溝
４０ 絶縁膜
４１ 配線層
４２ 配線層
７０ 信号処理回路素子
８０ バンプ接合部
１１０ 赤外線検出素子
１２０ バイパスコンデンサ
１３２ トランジスタ
１４０ 蓄積コンデンサ

Claims (9)

1. 光を検出する光検出器において、
   半導体材料により形成された、不純物元素がドープされた第１電極と、
   前記第１電極の上に半導体材料により形成された誘電体と、
   前記誘電体の上に半導体材料により形成された、不純物元素がドープされた第２電極と、
   前記第２電極の上に半導体材料により形成された活性層と、
   前記活性層の上に形成された第３電極と、
   を有することを特徴とする光検出器。
2. 光を検出する複数の画素を有しており、
   複数の前記画素は、画素分離溝により分離されていることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
3. 前記第１電極、前記誘電体、前記第２電極及び前記第３電極は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅのうちのいずれかを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出器。
4. 前記活性層は、量子井戸構造または量子ドット構造により形成されてい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光検出器。
5. 前記活性層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅのうちのいずれかを含む材料の超格子構造により形成されてい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光検出器。
6. 前記第３電極の上には、バンプ接合部が形成されており、
   前記光検出器は、前記バンプ接合部において信号処理回路素子と接合されるものであって、
   前記第１電極の側から入射した光を検出するものであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光検出器。
7. 第１の分離溝により分離された前記第３電極及び前記活性層により形成されるバイアス接続部と、
   前記第１の分離溝の底面における前記第２電極と前記バイアス接続部の上に形成されたバンプ接合部とを接続する第１の配線層と、
   を有することを特徴とする請求項６に記載の光検出器。
8. 第２の分離溝により分離された前記第３電極、前記活性層、前記第２電極及び前記誘電体により形成される接地電位接続部と、
   前記第２の分離溝の底面における前記第１電極と前記接地電位接続部の上に形成されたバンプ接合部とを接続する第２の配線層と、
   を有することを特徴とする請求項７に記載の光検出器。
9. 光を検出する光検出器の製造方法において、
   基板の上に、半導体材料により第１電極、誘電体、第２電極、活性層、第３電極を順に積層して形成する工程と、
   前記活性層及び前記第３電極に画素分離溝を形成する工程と、
   を有し、
   前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極には、不純物元素がドープされており、
   前記第１電極、前記誘電体、前記第２電極によりキャパシタが形成されることを特徴とする光検出器の製造方法。

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