JP2017228607A - 赤外線受光素子及びそれを備えるガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓ／Ｎ比の向上を可能とした赤外線受光素子及びそれを備えるガスセンサを提供する。【解決手段】半導体基板１の表面１ａ側に設けられ、第１導電型の第１半導体層１１と、第１半導体層１１上に積層されたバリア層１５と、バリア層１５上に積層された第２導電型の第２半導体層１２とを含む第１メサ部１０、を有する。バリア層１５は、第１半導体層１１及び第２半導体層１２と比べて、側方から深く抉れた形状となっている。【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線受光素子及びそれを備えるガスセンサに関する。

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、赤外線受光素子を使用した量子型の赤外線センサとがある。量子型の赤外線センサは、熱型の赤外線センサに比べて、高感度、高速応答、静態検知が可能といった大きな特徴がある。
赤外線受光素子では、半導体が赤外線を吸収することによって生じた電子及び正孔が、半導体層中のＰＮ接合（または、ＰＩＮ接合）の空乏層における内部電界によって分離されることで、電気信号に変換される（例えば、特許文献１、２参照）。赤外線受光素子を使用した量子型の赤外線センサは、人体を検知する人感センサや非接触温度センサ、ガスセンサ等の分野で使用されている。

特開２０１３−２１１４５４号公報 特開２００８−６６５８４号公報

量子型の赤外線センサは普及しつつあり、またその応用分野も広がりつつある。このような状況下で、赤外線センサに使用される赤外線受光素子のさらなる高性能化が望まれている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、Ｓ／Ｎ比の向上を可能とした赤外線受光素子及びそれを備えるガスセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る赤外線受光素子は、半導体基板の一方の面側に設けられ、第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に積層された第２導電型のバリア層と、前記バリア層上に積層された第２導電型の第２半導体層とを含むメサ部を有し、前記バリア層は、前記第１半導体層及び前記第２半導体層と比べて、側方から深く抉れた形状となっていることを特徴とする。

本発明の別の態様に係る外線受光素子は、半導体基板の一方の面側に設けられ、第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に積層されたバリア層と、前記バリア層上に積層された第２導電型の第２半導体層とを含むメサ部と、前記メサ部の上面に形成された電極部と、を有し、前記半導体基板の一方の面から前記電極部に向かう方向において、前記第１半導体層及び前記バリア層の前記第１半導体層側の一定領域は、前記半導体基板の一方の面に平行な面内における面積が徐々に小さくなるテーパ状を有し、かつ前記バリア層の残余の領域及び前記第２半導体層は、前記面内における面積が徐々に大きくなる逆テーパ状を有し、前記メサ部の面積は前記バリア層の前記一定領域及び前記残余の領域の境界で最小となっていることを特徴とする。

本発明の一態様に係るガスセンサは、上記の赤外線受光素子と、赤外線を発光する赤外線発光部と、前記赤外線発光部から前記赤外線受光素子に至る光路上に、外部からガスを導入することが可能な筐体と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、Ｓ／Ｎ比の向上を可能とした赤外線受光素子及びそれを備えるガスセンサを提供することができる。

本発明の実施形態に係る赤外線受光素子１００の構成例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る第１、第２の角度θ１、θ２と、比較例に係る角度θ１’を模式的に示す断面図である。 赤外線受光素子１００の製造方法を工程順に示す断面図である。 赤外線受光素子１００の製造方法を工程順に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る赤外線センサ２００の構成例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサ３００の構成例を示す模式図である。 実施例１で作製した第１メサ部を撮影した写真図である。 本発明の実施形態の変形例１に係る赤外線受光素子１５０の構成例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

＜赤外線受光素子＞
（１）構成
図１は、本発明の実施形態（以下、本実施形態）に係る赤外線受光素子１００の構成例を示す断面図である。図１に示すように、この赤外線受光素子１００は、半導体基板１の一方の面（以下、表面）１ａ側に設けられた第１メサ部１０と、半導体基板１の表面１ａ側であって第１メサ部１０の下方に設けられた第２メサ部２０と、第１メサ部１０の上面１０ａ及び側面１０ｂと、第２メサ部２０の上面２０ａ及び側面２０ｂとを連続して覆っている絶縁膜３０と、絶縁膜３０に設けられた第１コンタクトホール３５を通して第１メサ部１０の上面１０ａに接合された第１電極部４１と、を備える。

また、この赤外線受光素子１００は、絶縁膜３０に設けられた第２コンタクトホール３６を通して第２メサ部２０の上面２０ａに接合された第２電極部４２と、第１電極部４１及び第２電極部４２と一体に形成された配線部４３と、を備える。第１導電型はｎ型及びｐ型のうちの一方であり、第２導電型はｎ型及びｐ型のうちの他方である。
なお、第１導電型と第２導電型は異なる導電型である。半導体基板１は、例えば、単結晶のＧａＡｓ基板である。また、図１では、半導体基板１の表面１ａ側に、赤外線受光素子１００を覆うパッシベーション膜５０が設けられている状態を示している。パッシベーション膜５０は絶縁性の保護膜である。

第１メサ部１０は、第１導電型の第１半導体層１１と、第１半導体層上に積層された第２導電型のバリア層１５と、バリア層１５上に積層された第２導電型の第２半導体層１２と、を含む。
ここで、「第１半導体層１１上に積層された」というバリア層１５に関する文言は、第１半導体層１１上にバリア層１５が形成されていることを意味するが、第１半導体層１１とバリア層１５との間に別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。その他の層同士の関係を表現する場合に「上の」という文言を使用する場合にも、同様の意味を有するものとする。例えば、第１メサ部１０は、第１半導体層１１の上側部位１１２と、バリア層１５と、第２半導体層１２と、第１半導体層１１とバリア層１５との間に位置する真性の第３半導体層１３と、を含む。また、第２メサ部２０は、第１半導体層１１の下側部位１１１を含む。

また、図１に示すように、バリア層１５は、側方から深く抉れた（えぐれた）形状となっており、第１半導体層１１、第２半導体層１２、第３半導体層１３と比べても側方から深く抉れた形状となっている。例えば、半導体基板１の一方の面１ａから第１電極部４１に向かう方向において、第１半導体層１１、第３半導体層１３及びバリア層１５の第１半導体層１１側の一定領域は、一方の面１ａに平行な面内における面積が徐々に小さくなるテーパ状を有し、かつバリア層１５の残余の領域及び第２半導体層１２は、一方の面１ａに平行な面内における面積が徐々に大きくなる逆テーパ状を有している。第１メサ部１０の面積は、バリア層１５のこの一定領域及びこの残余の領域の境界で最小となっている。つまり、半導体基板１の一方の面１ａに平行な面内における第１メサ部１０の面積は、バリア層１５で最小となる。このような側方から深く抉れた形状は、括れた（くびれた）形状と称することもできる。第１メサ部１０は、半導体基板１からテーパ状に形成され、バリア層１５でテーパ状から逆テーパ状へ変化する形状を有する。また、半導体基板１の一方の面に平行な面内において、バリア層１５の最小面積が、第２半導体層１２の最小面積より小さい。バリア層１５は、半導体基板１の一方の面に平行な面内における面積が、第１半導体層１１側から徐々に小さくなるテーパ状を有し、かつ、第２半導体層１２側に向けて面内における面積が徐々に大きくなる逆テーパ状を有する。
この抉れた形状は、第１メサ部１０のバリア層１５の外周に渡って形成される。また、第１メサ部１０の外周に渡って形成される。

バリア層１５は、第１半導体層１１及び第３半導体層１３内で光電変換により生じた電子の第２半導体層１２への拡散を抑制するための層である。この機能を奏するために、バリア層１５には、そのエネルギーバンドギャップが、第１半導体層１１のエネルギーバンドギャップよりも大きく、かつ、第３半導体層１３のエネルギーバンドギャップよりも大きい材料が用いられている。

例えば、第１半導体層１１、第２半導体層１２、第３半導体層１３及びバリア層１５として、次の材料からなる層で構成されている。第１半導体層１１は、ｎ型のＩｎＳｂ層（以下、「ｎ＋ＩｎＳｂ層」と称する）である。第２半導体層１２は、ｐ型のＩｎＳｂ層（以下、「ｐ＋ＩｎＳｂ層」と称する）である。第３半導体層１３は、真性のＩｎＳｂ層（以下、「ｉ−ＩｎＳｂ層」と称する）である。バリア層１５は、ｐ型のＡｌＩｎＳｂ層（以下、「ｐ＋ＡｌＩｎＳｂ層」と称する）である。
ただし、第１半導体層１１、第２半導体層１２、第３半導体層１３及びバリア層１５は、上記材料に限定されることはなく、例えばＧａ、Ａｓ、Ｐなどの材料を含んでもよい。また、それぞれの元素の比率も適宜調整することができる。

このように、第１メサ部１０は、第１半導体層１１と第２半導体層１２との間に、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する。なお、本実施形態において、半導体基板１の表面１ａ及び裏面１ｂと、第１メサ部１０の上面１０ａは、互いに平行（または、略平行）となっている。

絶縁膜３０には第１コンタクトホール３５と第２コンタクトホール３６とが設けられている。第１コンタクトホール３５は第１メサ部１０の上面１０ａを底面とし、第２コンタクトホール３６は第２メサ部２０の上面２０ａを底面としている。

第１電極部４１は、第１メサ部１０の上面１０ａの少なくとも一部を覆っている。例えば、第１電極部４１は、第１メサ部１０の上面１０ａの面積の６０％以上を覆っていることが望ましく、上面１０ａの面積の６５％以上を覆っていることがより望ましく、上面１０ａの面積の１００％を覆っている（つまり、上面１０ａ全体を覆っている）ことがさらに望ましい。後述の図５では、第１電極部４１ａが第１メサ部１０の上面１０ａ全体を覆っている場合を示している。
また、配線部４３は、絶縁膜３０を介して、第１メサ部１０の側面１０ｂ及び第２メサ部２０の側面２０ｂや、半導体基板１の表面１ａに形成されている。第１電極部４１及び第２電極部４２と配線部４３は、導電性が高く、しかも光の反射率に優れた金属膜で構成されている。このような金属膜として、例えばＡｌ又はＡｕ、Ｔｉ、Ｐｔ等が挙げられる。

第１電極部４１、第２電極部４２及び配線部４３を構成する金属膜を第１メサ部１０の上面１０ａに直交する方向に見たときに、この金属膜が第１メサ部１０の上面１０ａと重なる部分及びこの金属膜が第１コンタクトホール３５に埋め込まれている部分が第１電極部４１に相当する。また、第１電極部４１、第２電極部４２及び配線部４３を構成する金属膜を第２メサ部２０の上面２０ａに直交する方向に見たときに、この金属膜が第２メサ部２０の上面２０ａと重なる部分及びこの金属膜が第２コンタクトホール３６に埋め込まれている部分が第２電極部４２に相当する。

第１電極部４１、第２電極部４２及び配線部４３を構成する金属膜のうち、第１電極部４１及び第２電極部４２を除いた部分が配線部４３に相当する。ところで、図１に示すように、赤外線受光素子１００に設けられた第１電極部４１及び第２電極部４２は、配線部４３で接続されていない。配線部４３は、一の赤外線受光素子１００に設けられた第１電極部４１及び第２電極部４２を接続するために設けられていない。配線部４３は、一の赤外線受光素子１００の第１電極部４１と他の赤外線受光素子１００の第２電極部４２とを接続するために設けられている（詳細は図５を用いて後述する）。したがって、より厳密には、第１電極部４１、第２電極部４２及び配線部４３を構成する１つの金属膜のうち、一の赤外線受光素子１００の第１電極部４１及び他の赤外線受光素子１００の第２電極部４２を除いた部分が配線部４３に相当する。

図２（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る第１の角度θ１及び第２の角度θ２と、比較例に係る角度θ１’とを模式的に示す断面図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態に係る赤外線受光素子１００において、第１メサ部１０の側面１０ｂと半導体基板１の表面１ａとが成す第１の角度θ１は、３０°以上７０°以下である。すなわち、３０°≦θ１≦７０°である。より好ましくは、４０°≦θ１≦６０°である。また、この赤外線受光素子１００において、第２メサ部２０の側面２０ｂと半導体基板１の表面１ａとが成す第２の角度θ２は、第１の角度θ１以上、かつ９０°以下であることが好ましい。すなわち、θ１≦θ２≦９０°、である。なお、第２の角度θ２は第１の角度θ１よりも大きくてもよい。

一方、図２（ｂ）に示す比較例に係る赤外線受光素子５００では、第１メサ部５１０の側面５１０ｂと半導体基板５０１の表面５０１ａとが成す角度θ１’は２０°である。

図２（ａ）に示す第１の角度θ１は３０°以上７０°以下であり、図２（ｂ）に示す角度θ１’よりも大きい角度である。これにより、第１メサ部の厚さ（すなわち、第２メサ部の上面から第１メサ部の上面までの高さ）が同じ大きさの場合、本実施形態は、比較例と比べて、第１半導体層１１の上側部位１１２及び第３半導体層１３の体積をそれぞれ大きくすることができる。第１半導体層１１の上側部位１１２及び第３半導体層１３は、光吸収層として機能するため、これらの体積を大きくすることにより光電変換が行われる領域を広く確保することができ、光電変換の効率を高めることができる。
なお、図２（ａ）の太矢印で示すように、この赤外線受光素子１００では、半導体基板１の裏面に赤外線が入射する。第１メサ部１０の上面１０ａを覆う第１電極部４１（図１参照）は、半導体基板１の裏面に垂直に入射して第１メサ部１０に進入した赤外線を、入射方向とは反対方向に反射させる反射面として機能する。

（２）製造方法
次に、図１に示した赤外線受光素子１００の製造方法について説明する。
図３（ａ）〜図４（ｂ）は、本実施形態に係る赤外線受光素子１００の製造方法を工程順に示す断面図である。

（２．１）半導体積層工程
図３（ａ）に示すように、まず、半導体基板１の表面側に第１導電型の第１半導体層１１を形成する。次に、第１半導体層１１上に真性の第３半導体層１３を形成する。そして、第３半導体層１３上にバリア層１５を形成し、その上に第２導電型の第２半導体層１２を形成する。つまり、半導体基板１上に、第１半導体層１１、第３半導体層１３、バリア層１５、第２半導体層１２を、この順で成膜する。第１半導体層１１、第３半導体層１３、バリア層１５及び第２半導体層１２の成膜は、例えば、エピタキシャル成長装置のチャンバ内で、予め設定した真空度を保持したまま連続して行う。

（２．２）第１メサ部の形成工程
次に、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、第２半導体層１２膜上にレジストパターン５１を形成する。なお、レジストパターン５１を形成する前に、第２半導体層１２上に酸化膜等を形成して、レジストパターン５１が第２半導体層１２に直に接触しないようにしてもよい。

次に、レジストパターン５１をマスクに、第２半導体層１２、第３半導体層１３及び第１半導体層１１の上側部位にウェットエッチング処理を施す。これにより、図３（ｃ）に示すように、第１メサ部１０を形成する。
この第１メサ部１０を形成する工程では、第２半導体層１２、バリア層１５、第３半導体層１３及び第１半導体層１１の上側部位１１２をウェットエッチングするためのエッチング溶液として、酸性溶液と酸化剤を含有する水溶液を用いる。例えば、塩化水素（ＨＣｌ）と過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）とを含む水溶液（すなわち、ＨＣｌ＋Ｈ_２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ）を用いる。ＨＣｌは酸性溶液でありＨ_２Ｏ_２は酸化剤として機能する。この水溶液を用いたエッチング処理では、第１半導体層１１、第３半導体層１３、バリア層１５及び第２半導体層１２のうち、バリア層１５のエッチングレートが最も大きいため、第１半導体層１１、第３半導体層１３及び第２半導体層１２に対してバリア層１５を抉れた形状に形成することができる。
なお、本実施形態ではＨＣｌとＨ_２Ｏ_２の比を、例えば質量比で、１０：１から２：１の範囲内に設定するとよい。これにより、バリア層１５を側方から深く抉れた形状に形成することができると共に、第１メサ部１０の側面１０ｂと半導体基板１の表面１ａとが成す第１の角度θ１（図２（ａ）参照）を３０°以上７０°以下にすることができる。ＨＣｌに対するＨ_２Ｏ_２の比が大きいほど、バリア層１５を側方から深く抉ることができ、また、第１の角度θ１を大きくすることができる。
なお、このエッチング処理では、第１半導体層１１の下側部位１１１は半導体基板１の表面１ａ上に残しておく。エッチング処理後、レジストパターンを除去する。

（２．３）第２メサ部の形成工程（素子分離工程）
次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、第１半導体層１１の下側部位１１１にエッチング処理を施す。

これにより、図４（ａ）に示すように、第１メサ部１０下に第２メサ部２０が形成されるとともに、第１メサ部１０及び第２メサ部２０を含むメサ積層体が、隣り合う他のメサ積層体から電気的に分離される（すなわち、素子分離される）。
この第２メサ部を形成するための（すなわち、素子分離するための）、第１半導体層１１の下側部位１１１に対するエッチング処理は、ドライエッチング処理（例えば、プラズマエッチング処理）で行ってもよく、イオンミリングで行ってもよい。

上記により、第２メサ部２０の側面２０ｂと半導体基板１の表面１ａとが成す第２の角度θ２（図２（ａ）参照）を、θ１よりも大きく、かつ９０°以下にすることができる。

次に、半導体基板１の上方全体に絶縁膜３０を形成して、第１メサ部１０及び第２メサ部２０を覆う。

（２．４）第１、第２電極部、配線部の形成工程
次に、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、絶縁膜のうちの第１メサ部１０の上面１０ａを覆う部分に第１コンタクトホールを形成するとともに、第２メサ部２０の上面２０ａを覆う部分に第２コンタクトホールを形成する。
次に、半導体基板１の上方全体にＡｕ等の金属膜を形成する。金属膜の形成は、スパッタリング等で行う。また、この金属膜を形成する工程では、その下地膜としてバリアメタル層を形成してもよい。Ａｕ等の金属膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、金属膜を電極・配線形状にパターニングする。これにより、図４（ｂ）に示すように、第１コンタクトホールを埋め込んで第１メサ部１０の上面１０ａに接合した第１電極部４１と、第２コンタクトホールを埋め込んで第２メサ部２０の上面２０ａに接合した第２電極部４２と、第１電極部４１及び第２電極部４２にそれぞれ接続する配線部４３とを形成する。

（２．５）以降の工程
その後、半導体基板１に対してダイシングし、個別の赤外線受光素子としてもよく、また、ダイシング後に、パッケージ工程を有していてもよい。
さらに、赤外線発光部と、外部からガスを導入する筐体と、パッケージされた赤外線受光素子とを組み立てて、ガスセンサとしてもよい。

＜赤外線センサ＞
図５は、本実施形態に係る赤外線センサ２００の構成例を示す平面図である。
図５に示すように、本実施形態に係る赤外線センサ２００は、図１に示した赤外線受光素子１００を複数個有する。図５では、赤外線センサ２００に設けられた複数の赤外線受光素子１００のうち、３行（ｉ＝１，２，３）３列（ｊ＝１，２，３）の９個の赤外線受光素子１００ｉｊが図示されている。例えば、複数個の赤外線受光素子１００は同一の半導体基板１上に形成されている。これら複数個の赤外線受光素子１００は、第１電極部４１及び第２電極部４２と配線部４３とによって、互いに直列又は並列に接続されている。

図５に示すように、ｉ＝１かつｊ＝２の赤外線受光素子１００ｉｊ（以下、「赤外線受光素子１００（１２）」と称する）の第１電極部４１は、第１メサ部１０の上面１０ａの全面を覆って配置されている。すなわち、第１メサ部１０の上面１０ａに直交する方向に赤外線受光素子１００（１２）を見た場合、第１電極部４１は、第１メサ部１０の上面１０ａの全体に重なって配置されている。赤外線受光素子１００（１２）の第１電極部４１は、赤外線受光素子１００（１２）の第１メサ部１０の上面１０ａに設けられた絶縁膜３０（図１参照）に形成された第１コンタクトホール３５を埋め込んだ状態で第１メサ部１０の上面１０ａに広がって配置されている。

赤外線受光素子１００（１２）の第１電極部４１の周囲端部は、第１メサ部１０の上面１０ａの周囲端部と一致している。赤外線受光素子１００（１２）の第１電極部４１の周囲端部には、赤外線受光素子１００（１２）の配線部４３が接続されている。赤外線受光素子１００（１２）の配線部４３は、赤外線受光素子１００（１２）の第１電極部４１と一体に形成されている。赤外線受光素子１００（１２）の配線部４３は、第１電極部４１の周囲端部から第１メサ部１０の側面１０ｂに沿って配置されている。赤外線受光素子１００（１２）の配線部４３の一部は、ｉ＝１かつｊ＝１の赤外線受光素子１００ｉｊ（以下、「赤外線受光素子１００（１１）」と称する）側に向かって延在して配置されている。より具体的に、赤外線受光素子１００（１１）に対向する赤外線受光素子１００（１２）の配線部４３の側端部の一部は、赤外線受光素子１００（１１）の第２メサ部２０の側面２０ｂまで延在して配置されている。

赤外線受光素子１００（１１）の第２メサ部２０の側面２０ｂまで延在して配置された赤外線受光素子１００（１２）の配線部４３の端部には、赤外線受光素子１００（１１）の第２電極部４２が接続されている。これにより、赤外線受光素子１００（１２）の配線部４３は、赤外線受光素子１００（１２）の第１電極部４１と赤外線受光素子１００（１１）の第２電極部４２とを接続する配線としての機能を発揮する。赤外線受光素子１００（１２）の第１電極部４１、赤外線受光素子１００（１１）の第２電極部４２及び赤外線受光素子１００（１２）の配線部４３は、一続きで一体の金属膜で構成されている。

赤外線受光素子１００（１２）の第２電極部４２は、赤外線受光素子１００（１２）の第２メサ部２０の上面２０ａ上に配置されている。赤外線受光素子１００（１２）の第２電極部４２は、赤外線受光素子１００（１２）の第２メサ部２０の上面２０ａに設けられた絶縁膜３０（図１参照）に形成された第２コンタクトホール３６を埋め込んだ状態で赤外線受光素子１００（１２）の第２メサ部２０の上面２０ａに広がって配置されている。赤外線受光素子１００（１２）の第２電極部４２は、赤外線受光素子１００（１２）の第１電極部４１及び配線部４３とは絶縁されている。赤外線受光素子１００（１２）の第２電極部４２は、ｉ＝１かつｊ＝３の赤外線受光素子１００ｉｊ（以下、「赤外線受光素子１００（１３）」と称する）の配線部４３に接続されている。これにより、赤外線受光素子１００（１２）の第２電極部４２は、赤外線受光素子１００（１３）の配線部４３によって赤外線受光素子１００（１３）の第１電極部４１に接続される。このように、赤外線センサ２００では、同一行に配置された複数の赤外線受光素子１００は直列に接続されている。

＜ガスセンサ＞
図６は、本実施形態に係るガスセンサ３００の構成例を示す模式図である。
図６に示すように、本実施形態に係るガスセンサ３００は、上述した赤外線受光素子１００と、赤外線を発光する赤外線発光部３１０と、赤外線発光部３１０から赤外線受光素子１００に至る光路上に、外部からガスを導入することが可能な筐体３２０と、を備える。
赤外線受光素子１００と赤外線発光部３１０は、例えば筐体３２０内で互いに向かい合って配置されている。赤外線受光素子１００は、半導体基板１の裏面を赤外線発光部３１０に向けた状態で筐体３２０に取り付けられている。赤外線発光部３１０は、赤外線が出射される出射口を赤外線受光素子１００に向けた状態で筐体３２０に取り付けられている。また、筐体３２０には、その内部と外部との間を貫通する貫通穴３２１が設けられている。ガスは、この貫通穴３２１を通って筐体３２０の外部から内部へ導入される。

なお、図６では、赤外線受光素子１００を上述した赤外線センサ２００に置き換えてもよい。このガスセンサ３００により検出されるガスの一例として、二酸化炭素（ＣＯ_２）が挙げられる。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態は、以下の効果を奏する。
（１）バリア層１５は、第１半導体層１１、第３半導体層１３及び第２半導体層１２と比べて、側方から深く抉れた形状となっている。これにより、バリア層１５が側方から抉れていない場合と比べて、バリア層１５の体積を小さくすることができ、バリア層１５の上面及び下面（すなわち、光電流が流れる方向と垂直に交わる面）の各面積を小さくすることができるので、バリア層１５の抵抗を高めることができる。
このように、バリア層１５の抵抗を高めることによって、光電流によって生じる出力電圧を大きく取ることが出来る。その結果、赤外線受光素子のＳ／Ｎ比を高めることができる。
以上から、Ｓ／Ｎ比の向上を可能とした赤外線受光素子とその製造方法、ガスセンサを提供することができる。

（２）図２（ａ）及び（ｂ）に示したように、第１メサ部１０の側面１０ｂと半導体基板１の表面１ａとが成す第１の角度θ１は３０°以上７０°以下であり、比較例の角度θ１’よりも角度が大きい。これにより、本実施形態は、比較例と比べて、第１半導体層１１の上側部位１１２及び第３半導体層１３の体積（すなわち、光吸収層の体積）を大きくすることができ、光電変換が行われる領域を広く確保することができる。したがって、個々の赤外線受光素子において、光電変換の効率をそれぞれ高めることができる。

（３）第１メサ部１０において、バリア層１５は側方から深く抉れた形状となっており、第１メサ部１０の径はバリア層１５で最小となっている。このため、第１メサ部１０の上面１０ａの面積をＳ１とし、バリア層１５の上面の面積をＳ２としたとき、Ｓ１≧Ｓ２の関係が成り立つ。
これにより、Ｓ１＜Ｓ２の場合と比べて、第１メサ部１０の上面１０ａに形成される第１コンタクトホールの径を大きくしたり、第１コンタクトホールの数を増やしたりすることができ、第１メサ部１０と第１電極部４１との接触面積を増やすことができる。したがって、第１メサ部１０と第１電極部４１との接触抵抗の低減や、第１メサ部１０と第１電極部４１との接合強度の向上、接合信頼性の向上に寄与することができる。

＜変形例１＞
本実施形態の変形例１に係る赤外線受光素子１５０について図８を用いて説明する。なお、図１に示す赤外線受光素子１００と同一の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付してその説明は省略する。

図８に示すように、本実施形態の変形例１に係る赤外線受光素子１５０は、図１に示す赤外線受光素子１００に対して、第１メサ部１０の形状が異なる。具体的には、赤外線受光素子１５０の第１メサ部１０では、赤外線受光素子１５０の第１メサ部１０と同様に、半導体基板１の一方の面１ａから第１電極部４１に向かう方向において、第１半導体層１１、第３半導体層１３及び第１半導体層１１側のバリア層１５の一定領域は、一方の面１ａに平行な面内における面積が徐々に小さくなるテーパ状を有し、かつバリア層１５の残余の領域は、一方の面１ａに平行な面内における面積が徐々に大きくなる逆テーパ状を有している。しかしながら、赤外線受光素子１５０の第１メサ部１０では、赤外線受光素子１５０の第１メサ部１０とは異なり、半導体基板１の一方の面１ａから第１電極部４１に向かう方向において、第２半導体層１２は、一方の面１ａに平行な面内における面積が徐々に小さくなるテーパ状を有している。

半導体基板１の一方の面１ａに平行な面内における赤外線受光素子１５０の第１メサ部１０の面積は、第１メサ部１０の上面１０ａで最小となる。つまり、第１メサ部１０の上面１０ａの面積は、第２半導体層１２の最小面積となる。また、赤外線受光素子１５０における半導体基板１の一方の面１ａに平行な面内において、第１メサ部１０のバリア層１５の最小面積は、第２半導体層１２の最小面積よりも大きく、かつ最大面積よりも小さくなっている。

赤外線受光素子１５０の製造方法は、図１に示す赤外線受光素子１００の製造方法に対し、第２半導体層１２、第３半導体層１３及び第１半導体層１１の上側部位へ施すウェットエッチングの条件が異なる。
図１に示す赤外線受光素子１００の製造方法に対し、過酸化水素水の塩酸に対する比を小さくすることによって赤外線受光素子１５０を実現することが出来る。

変形例１に係る赤外線受光素子１５０のバリア層１５は、赤外線受光素子１００のバリア層１５と同様に、側方から深く抉れた形状となっている。これにより、赤外線受光素子１５０は、赤外線受光素子１００と同様の効果が得られる。

また、赤外線受光素子１５０は、第１メサ部１０の側面１０ｂと半導体基板１の表面１ａとが成す第１の角度θ１を３０°以上７０°以下にすることができる。また、赤外線受光素子１５０は、赤外線受光素子１００と同様に、第２メサ部２０の側面２０ｂと半導体基板１の表面１ａとが成す第２の角度θ２を、θ１よりも大きく、かつ９０°以下にすることができる。これにより、赤外線受光素子１５０は、赤外線受光素子１００と同様の効果が得られる。

＜その他の変形例＞
（１）上記の実施形態及び変形例１では、図１及び図８に示したように、バリア層１５が断面視で左右両側からそれぞれ抉れた形状となっている。しかしながら、本発明において、バリア層１５の抉れは左右両側ではなく、左右両側のうち一方のみであってもよい。つまり、バリア層の外周に渡って均一に抉れた形状でなくともよい。このような場合であっても、バリア層１５の体積を小さくすることができるので、赤外線受光素子のＳ／Ｎ比を高めることができる。
（２）上記の実施形態及び変形例１では、第１メサ部１０を形成するためのエッチング処理をウェットエッチングで行う場合について説明した。しかしながら、本発明において、このエッチング処理はウェットエッチングに限定されず、ドライエッチングであってもよい。すなわち、上記の実施形態では、第１半導体層１１、第３半導体層１３、バリア層１５及び第２半導体層１２のうち、バリア層１５のエッチングレートが最も大きいエッチング条件でドライエッチング処理を行うことによって、バリア層１５を、第１半導体層１１、第３半導体層１３及び第２半導体層１２と比べて、側方から深く抉れた形状に形成してもよい。また、上記の変形例１においても、バリア層１５を側方から深く抉れた形状に形成してもよい。このような方法であっても、図１に示した赤外線受光素子１００及び図８に示した赤外線受光素子１５０を製造することができる。

＜対応関係＞
第１メサ部１０が本発明の「メサ部」に対応し、第１電極部４１が本発明の「電極部」に対応している。また、第１コンタクトホール３５が本発明の「コンタクトホール」に対応している。

（実施例１）
ＧａＡｓ基板の表面側に、エピタキシャル成長装置で積層膜を形成した。すなわち、第１半導体層であるｎ＋ＩｎＳｂ層を形成した。次に、ｎ＋ＩｎＳｂ層上に第３半導体層であるｉ―ＩｎＳｂ層を形成した。さらに、ｉ―ＩｎＳｂ層上にバリア層であるｐ＋ＡｌＩｎＳｂ層を形成した。次に、ｐ＋ＡｌＩｎＳｂ層に第２半導体層であるｐ＋ＩｎＳｂ層を形成した。このように、第１半導体層、第３半導体層、バリア層及び第２半導体層がこの順に積層された積層膜を形成した。

次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、上記の積層膜上にレジストパターンを形成した。そして、レジストパターンをマスクに、積層膜にウェットエッチング処理を行い、第１メサ部を形成した。
このウェットエッチング処理で用いたエッチング溶液は、ＨＣｌとＨ_２Ｏ_２とを含む水溶液である。バリア層を側方から深く抉り、第１の角度θ１を大きくするエッチング条件でウェットエッチングを行った。

ウェットエッチング処理後、レジストパターンを除去し、第１半導体層であるｎ＋ＩｎＳｂ層の下側部位にエッチング処理を施した。これにより、第２メサ部を形成するとともに、素子分離を行った。
図７は、実施例１で作製した第１メサ部を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した写真図である。図７に示すように、第１メサ部において、バリア層１５は側方から深く抉れた形状となっていることを確認した。また、第１メサ部の側面と半導体基板の表面とが成す第１の角度θ１が４５°であることを確認した。

１ 半導体基板
１ａ 表面
１ｂ 裏面
１０ 第１メサ部
１０ａ、２０ａ 上面
１０ｂ、２０ｂ 側面
１１ 第１半導体層
１２ 第２半導体層
１３ 第３半導体層
１５ バリア層
２０ 第２メサ部
３０ 絶縁膜
３５ 第１コンタクトホール
３６ 第２コンタクトホール
４１ 第１電極部
４２ 第２電極部
４３ 配線部
５０ パッシベーション膜
５１ レジストパターン
１００，１５０ 赤外線受光素子
１１１ 下側部位
１１２ 上側部位
２００ 赤外線センサ
３００ ガスセンサ
３１０ 赤外線発光部
３２０ 筐体
３２１ 貫通穴

Claims (9)

1. 半導体基板の一方の面側に設けられ、第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に積層された第２導電型のバリア層と、前記バリア層上に積層された第２導電型の第２半導体層とを含むメサ部を有し、
   前記バリア層は、側方から抉れた形状となっている赤外線受光素子。
2. 前記半導体基板の一方の面に平行な面内において、前記バリア層の最小面積が、前記第２半導体層の最小面積より小さい請求項１に記載の赤外線受光素子。
3. 前記半導体基板の一方の面に平行な面内における前記メサ部の面積は、前記バリア層で最小となっている請求項１又は２に記載の赤外線受光素子。
4. 前記バリア層は、前記半導体基板の一方の面に平行な面内における面積が、前記第１半導体層側から徐々に小さくなるテーパ状を有し、かつ、前記第２半導体層側に向けて前記面内における面積が徐々に大きくなる逆テーパ状を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の赤外線受光素子。
5. 前記第１半導体層の側面と前記半導体基板の一方の面とが成す角度は、３０°以上７０°以下である請求項１から請求項４の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
6. 前記メサ部は、前記第１半導体層と前記バリア層との間に位置する真性の第３半導体層をさらに含む請求項１から請求項５の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
7. 前記メサ部の上面及び側面を覆う絶縁膜と、
   前記絶縁膜に設けられたコンタクトホールを通して前記メサ部の上面に接合された電極部と
   をさらに有する請求項１から請求項６の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
8. 半導体基板の一方の面側に設けられ、第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層上に積層されたバリア層と、前記バリア層上に積層された第２導電型の第２半導体層とを含むメサ部と、
   前記メサ部の上面に形成された電極部と、を有し、
   前記半導体基板の一方の面から前記電極部に向かう方向において、前記第１半導体層及び前記第１半導体層側の前記バリア層の一定領域は、前記半導体基板の一方の面に平行な面内における面積が徐々に小さくなるテーパ状を有し、かつ前記バリア層の残余の領域及び前記第２半導体層は、前記面内における面積が徐々に大きくなる逆テーパ状を有し、
   前記面内における前記メサ部の面積は前記バリア層の前記一定領域及び前記残余の領域の境界で最小となっている赤外線受光素子。
9. 請求項１から請求項８の何れか一項に記載の赤外線受光素子と、
   赤外線を発光する赤外線発光部と、
   前記赤外線発光部から前記赤外線受光素子に至る光路上に、外部からガスを導入することが可能な筐体と、
   を備えるガスセンサ。