JP2018138903A - 赤外線検出器、撮像素子、及び撮像システム。 - Google Patents
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Description
以下、第1の実施形態について説明する。本実施形態では、赤外線検出器を開示し、その構成について製造方法と共に説明する。
図1〜図4は、第1の実施形態による赤外線検出器の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
詳細には、基板として例えばn型GaSb基板1を用意し、n型GaSb基板1をMBE装置の基板導入室の中に導入する。準備室において、n型GaSb基板1を脱ガス処理する。その後、n型GaSb基板1を超高真空に保持された成長室へ搬送する。成長室へ搬送されたn型GaSb基板1を、例えばSb雰囲気下で加熱処理し、基板表面の酸化膜を除去する。酸化膜が除去されたn型GaSb基板1の表面上に、例えばn型GaSb基板1と同じ材料であるGaSbを、例えば基板温度500℃で100nm程度の厚みに成長する。このGaSbを形成することにより、n型GaSb基板1の表面の平坦性が向上する。以上により、n型GaSb基板1上にバッファ層2が形成される。
詳細には、バッファ層2上に例えばInAsSbを300nm程度の厚みに成長する。この場合、InAsSbの混晶組成は、バッファ層2のGaSbに格子整合するように設定することが好ましい。ここでは、例えばInAs0.91Sb0.09である。以上により、バッファ層2上にエッチングストッパ層3が形成される。なお、エッチングストッパ層3を形成しない場合もある。
詳細には、エッチングストッパ層3上に、p型不純物として例えばBeをドーピングした正孔濃度が1×1018cm-3程度のp型GaSbを1500nm程度の厚みに成長する。以上により、エッチングストッパ層3上に下部電極層4が形成される。
詳細には、先ず、AlSbを含有する材料、p型不純物として例えばBeをドーピングした正孔濃度が5×1017cm-3程度のp型AlSbを5原子層成長し、第2層を形成する。次いで、n型GaSb基板1(又はバッファ層2のGaSb)よりも格子定数の大きい材料である例えばInSbを含有する材料、ここではInaGa1-aSb(0<a≦1)、具体的にはIn0.4Ga0.6Sbを1原子層成長し、第3層を形成する。次いで、InAsを含有する材料、例えばInAsを6原子層成長し、第1層を形成する。次いで、同様にして、例えばIn0.4Ga0.6Sbを1原子層成長し、第3層を形成する。以上のようにして形成される第2層、第3層、第1層、及び第3層が順に積層されてなる積層体を第1単位構造5a(図2(a)中、左上に拡大して示す)として、例えば80回繰り返し成長する。以上により、下部電極層4上にp型超格子5が形成される。
詳細には、先ず、AlSbを含有する材料、例えばAlSbを5原子層成長し、第2層を形成する。次いで、n型GaSb基板1(又はバッファ層2のGaSb)よりも格子定数の大きい材料である例えばInSbを含有する材料、ここではInaGa1-aSb(0<a≦1)、具体的にはIn0.4Ga0.6Sbを1原子層成長し、第3層を形成する。次いで、InAsを含有する材料、例えばInAsを6原子層成長し、第1層を形成する。次いで、同様にして、例えばIn0.4Ga0.6Sbを1原子層成長し、第3層を形成する。第1層、第2層、及び第3層はいずれもアンドープで形成する。以上のようにして形成される第2層、第3層、第1層、及び第3層が順に積層されてなる積層体を第2単位構造6a(図2(b)中、左上に拡大して示す)として、例えば300回繰り返し成長する。以上により、p型超格子5上にi型超格子6が形成される。
詳細には、先ず、AlSbを含有する材料、例えばAlSbを5原子層成長し、第2層を形成する。次いで、n型GaSb基板1(又はバッファ層2のGaSb)よりも格子定数の大きい材料である例えばInSbを含有する材料、ここではInaGa1-aSb(0<a≦1)、具体的にはIn0.4Ga0.6Sbを1原子層成長し、第3層を形成する。次いで、InAsを含有する材料、n型不純物として例えばSiをドーピングした電子濃度が5×1017cm-3程度のn型InAsを6原子層成長し、第1層を形成する。n型不純物としては、Siの代わりにTeを用いても良い。次いで、同様にして、例えばIn0.4Ga0.6Sbを1原子層成長し、第3層を形成する。以上のようにして形成される第2層、第3層、第1層、及び第3層が順に積層されてなる積層体を第3単位構造7a(図3(a)中、左上に拡大して示す)として、例えば80回繰り返し成長する。以上により、i型超格子6上にn型超格子7が形成される。
また、p型超格子5、i型超格子6、及びn型超格子7の第3層としては、基板材料よりも格子定数が大きい材料であれば良い。そのため、InaGa1-aSb(0<a≦1)の代わりに、InAscSb1-c(0≦c<0.91)、IndAl1-dSb(0<d≦1)を用いても良い。また、これらの3種から選ばれた2種、或いは3種全てを積層して第3層を形成するようにしても良い。また、第3層として、InSb及びGaSbからなる積層体を形成するようにしても良い。
本実施形態では、第3層は、第2層上で第1層を挟むように第1層の上下の界面にそれぞれ配置されているが、いずれか一方の界面のみに配置するようにしても良い。即ち第3層は、第1層及び第2層の少なくとも一方の界面に配置される。
詳細には、超格子構造10上に、n型不純物として例えばSiをドーピングした電子濃度が1×1018cm-3程度のn型InAsを30nm程度の厚みに成長する。n型不純物としては、Siの代わりにTeを用いても良い。以上により、超格子構造10上に上部電極層8が形成される。
詳細には、先ず、レジストマスク等を用いたエッチングにより、上部電極層8から下部電極層4の表面が露出するまで選択的にエッチングする。ここで、下部電極層4と超格子構造10との間に所定のエッチングストッパ層を形成しておき、上記の選択的エッチングの際にエッチングストッパとして用いるようにしても良い。
以上により、本実施形態による赤外線検出器を得ることができる。
これに対して本実施形態では、超格子構造を構成する第3層がInSbを含有する材料、ここではInGaSbからなる。本実施形態の第3層は、基板材料(又はバッファ層の材料)であるGaSbよりも格子定数が大きい材料であるため、InAsを含有する第1層に引っ張り歪が生じ、第1層の伝導帯下端のエネルギーが下がる。即ち、第1層に閉じ込められる電子のエネルギー準位が低下する。その結果、超格子構造のエネルギーギャップが小さくなり、受光可能な光の波長を長波長化し、近赤外領域の長波長側を検出することがすることができる。従って、第1層の膜厚を薄くすることができるため、電子の波動関数と正孔の波動関数との重なりが増加し、吸収効率の向上が達成される。
以下、第2の実施形態について説明する。本実施形態では、第1の実施形態と同様に赤外線検出器を開示し、その構成について製造方法と共に説明するが、基板の材料及び超格子構造の構成が異なる点で第1の実施形態と相違する。
図7〜図10は、第2の実施形態による赤外線検出器の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
詳細には、基板として例えばn型InAs基板21を用意し、n型InAs基板21をMBE装置の基板導入室の中に導入する。準備室において、n型InAs基板21を脱ガス処理する。その後、n型InAs基板21を超高真空に保持された成長室へ搬送する。成長室へ搬送されたn型InAs基板21を、例えばAs雰囲気下で加熱処理し、基板表面の酸化膜を除去する。酸化膜が除去されたn型InAs基板21の表面上に、例えばn型InAs基板21と同じ材料であるInAsを、例えば基板温度500℃で100nm程度の厚みに成長する。このInAsを形成することにより、n型InAs基板21の表面の平坦性が向上する。以上により、n型InAs基板21上にバッファ層22が形成される。
詳細には、バッファ層22上に例えばAlGaSbを300nm程度の厚みに成長する。ここでは、例えばAl0.2Ga0.8Sbである。以上により、バッファ層22上にエッチングストッパ層23が形成される。なお、エッチングストッパ層23を形成しない場合もある。
詳細には、エッチングストッパ層23上に、p型不純物として例えばBeをドーピングした正孔濃度が1×1018cm-3程度のp型InAsを1500nm程度の厚みに成長する。以上により、エッチングストッパ層23上に下部電極層24が形成される。
詳細には、先ず、AlSbを含有する材料、p型不純物として例えばBeをドーピングした正孔濃度が5×1017cm-3程度のp型AlSbを5原子層成長し、第2層を形成する。次いで、InAsを含有する材料、例えばInAsを6原子層成長し、第1層を形成する。次いで、n型InAs基板21(又はバッファ層22のInAs)よりも格子定数の大きい材料である例えばInSbを含有する材料、ここではInaGa1-aSb(0<a≦1)、具体的にはIn0.01Ga0.99Sbを1原子層成長し、第3層を形成する。以上のようにして形成される第2層、第1層、及び第3層が順に積層されてなる積層体を第1単位構造25a(図8(a)中、左上に拡大して示す)として、例えば30回繰り返し成長する。以上により、下部電極層24上にp型超格子25が形成される。
詳細には、先ず、AlSbを含有する材料、例えばAlSbを5原子層成長し、第2層を形成する。次いで、InAsを含有する材料、例えばInAsを6原子層成長し、第1層を形成する。次いで、n型InAs基板21(又はバッファ層22のInAs)よりも格子定数の大きい材料である例えばInSbを含有する材料、ここではInaGa1-aSb(0<a≦1)、具体的にはIn0.01Ga0.99Sbを1原子層成長し、第3層を形成する。第1層、第2層、及び第3層はいずれもアンドープで形成する。以上のようにして形成される第2層、第1層、及び第3層が順に積層されてなる積層体を第2単位構造26a(図8(b)中、左上に拡大して示す)として、例えば100回繰り返し成長する。以上により、p型超格子25上にi型超格子26が形成される。
詳細には、先ず、AlSbを含有する材料、例えばAlSbを5原子層成長し、第2層を形成する。次いで、InAsを含有する材料、n型不純物としてSiをドーピングした電子濃度が5×1017cm-3程度のn型InAsを6原子層成長し、第1層を形成するn型不純物としては、Siの代わりにTeを用いても良い。次いで、n型InAs基板21(又はバッファ層22のInAs)よりも格子定数の大きい材料である例えばInSbを含有する材料、ここではInaGa1-aSb(0<a≦1)、具体的にはIn0.01Ga0.99Sbを1原子層成長し、第3層を形成する。以上のようにして形成される第2層、第1層、及び第3層が順に積層されてなる積層体を第3単位構造27a(図9(a)中、左上に拡大して示す)として、例えば30回繰り返し成長する。以上により、i型超格子26上にn型超格子27が形成される。
また、p型超格子25、i型超格子26、及びn型超格子27の第3層としては、基板材料よりも格子定数が大きい材料であれば良い。そのため、InaGa1-aSb(0<a≦1)の代わりに、InAscSb1-c(0≦c<1)、IndAl1-dSb(0<d≦1)を用いても良い。また、これらの3種から選ばれた2種、或いは3種全てを積層して第3層を形成するようにしても良い。また、第3層として、InSb及びGaSbからなる積層体を形成するようにしても良い。
詳細には、超格子構造20上に、n型不純物として例えばSiをドーピングした電子濃度が1×1018cm-3程度のn型InAsを30nm程度の厚みに成長する。n型不純物としては、Siの代わりにTeを用いても良い。以上により、超格子構造20上に上部電極層28が形成される。
詳細には、先ず、レジストマスク等を用いたエッチングにより、上部電極層28から下部電極層24の表面が露出するまで選択的にエッチングする。ここで、下部電極層24と超格子構造20との間に所定のエッチングストッパ層を形成しておき、上記の選択的エッチングの際にエッチングストッパとして用いるようにしても良い。
以上により、本実施形態による赤外線検出器を得ることができる。
以下、第3の実施形態について説明する。本実施形態では、第1の実施形態と同様に赤外線検出器を開示し、その構成について製造方法と共に説明するが、超格子構造の構成が異なる点で第1の実施形態と相違する。
図12〜図14は、第3の実施形態による赤外線検出器の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
詳細には、先ず第2層を形成する。AlSbを含有する材料、p型不純物として例えばBeをドーピングした正孔濃度が5×1017cm-3程度のp型AlSbを2原子層成長する。n型GaSb基板1(又はバッファ層2のGaSb)よりも格子定数の小さい材料である例えばAlAsSbを含有する材料、ここではAlAseSb1-e(0<e≦1)、具体的にはAlAs0.16Sb0.84を5原子層成長し、第4層を形成する。再び、AlSbを含有する材料、p型不純物として例えばBeをドーピングした正孔濃度が5×1017cm-3程度のp型AlSbを2原子層成長する。以上により、p型AlSbで第4層を挟持してなる第2層が形成される。
詳細には、先ず第2層を形成する。AlSbを含有する材料、例えばAlSbを2原子層成長する。n型GaSb基板1(又はバッファ層2のGaSb)よりも格子定数の小さい材料である例えばAlAsSbを含有する材料、ここではAlAseSb1-e(0<e≦1)、具体的にはAlAs0.16Sb0.84を5原子層成長し、第4層を形成する。再び、AlSbを含有する材料、例えばAlSbを2原子層成長する。以上により、AlSbで第4層を挟持してなる第2層が形成される。
詳細には、先ず第2層を形成する。AlSbを含有する材料、例えばAlSbを2原子層成長する。n型GaSb基板1(又はバッファ層2のGaSb)よりも格子定数の小さい材料である例えばAlAsSbを含有する材料、ここではAlAseSb1-e(0<e≦1)、具体的にはAlAs0.16Sb0.84を5原子層成長し、第4層を形成する。再び、AlSbを含有する材料、例えばAlSbを2原子層成長する。以上により、AlSbで第4層を挟持してなる第2層が形成される。
本実施形態では、第3層は、第2層上で第1層を挟むように第1層の上下の界面にそれぞれ配置されているが、いずれか一方の界面のみに配置するようにしても良い。即ち第3層は、第1層及び第2層の少なくとも一方の界面に配置される。
詳細には、超格子構造30上に、n型不純物として例えばSiをドーピングした電子濃度が1×1018cm-3程度のn型InAsを30nm程度の厚みに成長する。n型不純物としては、Siの代わりにTeを用いても良い。以上により、超格子構造30上に上部電極層8が形成される。
詳細には、先ず、レジストマスク等を用いたエッチングにより、上部電極層8から下部電極層4の表面が露出するまで選択的にエッチングする。ここで、下部電極層4と超格子構造30との間に所定のエッチングストッパ層を形成しておき、上記の選択的エッチングの際にエッチングストッパとして用いるようにしても良い。
以上により、本実施形態による赤外線検出器を得ることができる。
この場合、超格子構造20を構成するp型超格子25において、第2層を以下のように形成する。即ち、AlSbを含有する材料、p型不純物として例えばBeをドーピングした正孔濃度が5×1017cm-3程度のp型AlSbを2原子層成長する。n型GaSb基板1(又はバッファ層2のGaSb)よりも格子定数の小さい材料である例えばAlAsSbを含有する材料、ここではAlAseSb1-e(0<e≦1)、具体的にはAlAs0.16Sb0.84を5原子層成長し、第4層を形成する。再び、AlSbを含有する材料、p型不純物として例えばBeをドーピングした正孔濃度が5×1017cm-3程度のp型AlSbを2原子層成長する。以上により、p型AlSbで第4層を挟持してなる第2層が形成される。
以下、第4の実施形態について説明する。本実施形態では、第1〜第3の実施形態から選ばれた1種の赤外線検出器を備えた赤外線撮像素子を開示する。
この赤外線撮像素子は、赤外線撮像パネル41及び駆動回路42を備えており、赤外線撮像パネル41と駆動回路42とがバンプ43により電気的に接続されている。
以下、第5の実施形態について説明する。本実施形態では、第5の実施形態による赤外線撮像素子を備えた赤外線撮像システムを開示する。
この赤外線撮像システムは、センサ部51、制御演算部52、及び表示部53を備えている。
2,22 バッファ層
3,23 エッチングストッパ層
4,24 下部電極層
5,25,31 p型超格子
5a,25a,31a 第1単位構造
6,26,32 i型超格子
6a,26a,32a 第2単位構造
7,27,33 n型超格子
7a,27a,33a 第3単位構造
8,28 上部電極層
9 絶縁膜
10,20,30 超格子構造
11,12 電極
40 赤外線検出器
41 赤外線撮像パネル
42 駆動回路
43 バンプ
43a 共通電極
44 表面電極
45 トランジスタ
46 電源線
50 赤外線撮像素子
51 センサ部
52 制御演算部
53 表示部
54 レンズ
55 冷却部
Claims (13)
- 基板及びバッファ層、又は前記バッファ層と、
前記バッファ層の上方に形成された超格子構造と、
前記超格子構造を挟む一対の電極と
を備えており、
前記超格子構造は、InAsを含有する第1層と、AlSbを含有する第2層と、前記第1層及び前記第2層の少なくとも一方の界面に設けられ、前記基板又は前記バッファ層よりも格子定数が大きい第3層とを有する単位構造が繰り返し積層されてなることを特徴とする赤外線検出器。 - 前記基板は、GaSb基板又はInAs基板であることを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出器。
- 前記バッファ層は、前記基板と同じ材料からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の赤外線検出器。
- 前記第3層は、少なくともInSbを含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
- 超格子構造と、
前記超格子構造を挟む一対の電極と
を備えており、
前記超格子構造は、InAsを含む第1層と、AlSbを含む第2層と、少なくともInSbを含有し、前記第1層及び前記第2層の少なくとも一方の界面に設けられた第3層とを有する単位構造が繰り返し積層されてなることを特徴とする赤外線検出器。 - 前記第2層は、AlSb層と前記基板の格子定数より小さい第4層との少なくとも2層によって構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
- 前記第2層は、AlSb層とAlAsSb層との少なくとも2層によって構成されていることを特徴とする請求項5に記載の赤外線検出器。
- 前記第3層は、InAsSb層、InGaSb層、及びAlInSb層からなる群から選ばれた1層、又は前記群から選ばれた2層以上によって構成されていることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
- 前記第3層は、InSb及びGaSbの積層体であることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
- 複数の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器を駆動する駆動部と
を備えており、
前記赤外線検出器は、
基板及びバッファ層、又は前記バッファ層と、
前記バッファ層の上方に形成された超格子構造と、
前記超格子構造を挟む一対の電極と
を有し、
前記超格子構造は、InAsを含有する第1層と、AlSbを含有する第2層と、前記第1層及び前記第2層の少なくとも一方の界面に設けられ、前記基板又は前記バッファ層よりも格子定数が大きい第3層とを有する単位構造が繰り返し積層されてなることを特徴とする撮像素子。 - 複数の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器を駆動する駆動部と
を備えており、
前記赤外線検出器は、
超格子構造と、
前記超格子構造を挟む一対の電極と
を有し、
前記超格子構造は、InAsを含む第1層と、AlSbを含む第2層と、少なくともInSbを含有し、前記第1層及び前記第2層の少なくとも一方の界面に設けられた第3層とを有する単位構造が繰り返し積層されてなることを特徴とする撮像素子。 - 赤外線センサ部と、
前記赤外線センサ部を制御する制御部と、
撮像された赤外線画像を表示する表示部と
を備えており、
前記赤外線センサ部は、
赤外線撮像素子と、
前記赤外線撮像素子を冷却する冷却部と、
前記赤外線撮像素子に赤外線を入射させるためのレンズと
を備えており、
前記赤外線撮像素子は、
複数の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器を駆動する駆動部と
を備えており、
前記赤外線検出器は、
基板及びバッファ層、又は前記バッファ層と、
前記バッファ層の上方に形成された超格子構造と、
前記超格子構造を挟む一対の電極と
を備えており、
前記超格子構造は、InAsを含有する第1層と、AlSbを含有する第2層と、前記第1層及び前記第2層の少なくとも一方の界面に設けられ、前記基板又は前記バッファ層よりも格子定数が大きい第3層とを有する単位構造が繰り返し積層されてなることを特徴とする撮像システム。 - 赤外線センサ部と、
前記赤外線センサ部を制御する制御部と、
撮像された赤外線画像を表示する表示部と
を備えており、
前記赤外線センサ部は、
赤外線撮像素子と、
前記赤外線撮像素子を冷却する冷却部と、
前記赤外線撮像素子に赤外線を入射させるためのレンズと
を備えており、
前記赤外線撮像素子は、
複数の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器を駆動する駆動部と
を備えており、
前記赤外線検出器は、
超格子構造と、
前記超格子構造を挟む一対の電極と
を備えており、
前記超格子構造は、InAsを含む第1層と、AlSbを含む第2層と、少なくともInSbを含有し、前記第1層及び前記第2層の少なくとも一方の界面に設けられた第3層とを有する単位構造が繰り返し積層されてなることを特徴とする撮像システム。
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