JP2018190798A - 赤外線検知半導体デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】光吸収層の光応答特性を補償可能なフィルタを含む赤外線検知半導体デバイスを提供する。
【解決手段】赤外線検知半導体デバイス１１ａは、タイプＩＩの光吸収層と、８．０×１０１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパント濃度を含むｎ型ＩｎＧａＡｓの光フィルタ膜１３を備え、光フィルタ膜では、第１半導体領域２３は、２．０×１０１９ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度を含み、第３半導体領域２７は、３．０×１０１８ｃｍ−３以下のｎ型ドーパント濃度を含み、第２半導体領域２５は、第１半導体領域と第２半導体領域との境界において第１値のｎ型ドーパント濃度を有し、第２半導体領域と第３半導体領域との境界において第２値のｎ型ドーパント濃度を有し、第１値は第２値より大きく、第２半導体領域は、光フィルタ膜のｎ型ドーパントプロファイルが第１半導体領域から第３半導体領域の方向に第１値から第２値に単調に変化する領域部分を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、赤外線検知半導体デバイスに関する。
非特許文献１は、タイプＩＩ量子井戸構造を有する短波及び中波域フォトダイオードを開示する。
Baile Chen, Weiyang Jiang, Jinrong Yuan, Archie L. Holmes, Jr., and Bora. M. Onat "SWIR/MWIR InP-Based p-i-n Photodiodes with InGaAs/GaAsSb Type-II Quantum Wells," IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 47, NO. 9, SEPTEMBER 2011
ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子は、波長１．３〜２．５マイクロメートルの範囲に光応答特性を示す。発明者の知見によれば、この波長域における光応答特性が波長間の感度差の点で改善されれば、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子を用いるフォトダイオードといった赤外線検知半導体デバイスの用途が広がる可能性がある。
本発明の一側面は、光吸収層の光応答特性を補償可能なフィルタを含む赤外線検知半導体デバイスを提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る赤外線検知半導体デバイスは、タイプＩＩの光吸収層と、８．０×１０１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパント濃度を含むｎ型ＩｎＧａＡｓの光フィルタ膜と、を備え、前記光吸収層及び前記光フィルタ膜は、第１軸に沿って順に配列されており、前記光フィルタ膜は、第１半導体領域、第２半導体領域及び第３半導体領域を含み、前記第１半導体領域、前記第２半導体領域及び前記第３半導体領域は、前記光吸収層上において前記第１軸に沿って順に配列され、前記第１半導体領域は、２．０×１０１９ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度を含み、前記第３半導体領域は、３．０×１０１８ｃｍ−３以下のｎ型ドーパント濃度を含み、前記第２半導体領域は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との境界において第１値のｎ型ドーパント濃度を有し、前記第２半導体領域は、前記第２半導体領域と前記第３半導体領域との境界において第２値のｎ型ドーパント濃度を有し、前記第１値は前記第２値より大きく、前記第２半導体領域は、前記光フィルタ膜のｎ型ドーパントプロファイルが前記第１半導体領域から前記第３半導体領域の方向に前記第１値から前記第２値に単調に変化する部分を有する。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明の一側面によれば、光吸収層の光応答特性を補償可能なフィルタを含む検知半導体デバイスが提供される。
図１は、本実施形態に係る赤外線検知半導体デバイスの半導体層の構造を概略的に示す図面である。 図２は、ＩｎＧａＡｓにおいて、ｎ型ドーパント濃度と光遷移禁制帯との関係を例証する図面である。 図３は、本実施形態に係る赤外線検知半導体デバイスにおける光フィルタ膜の実施例を示す図面である。 図４は、実施例に係る赤外線検知半導体デバイスを模式的に示す一部破断図である。 図５は、実施例１に係る赤外線検知半導体デバイスの光フィルタ膜を示す平面図である。 図６は、実施例１に係る赤外線検知半導体デバイスの別の光フィルタ膜を示す平面図である。 図７は、実施例２に係る赤外線検知半導体デバイスの別の光フィルタ膜のｎ型ドーパント濃度プロファイルを示す図面である。 図８は、実施例３に係る赤外線検知半導体デバイスの光フィルタ膜の形状、及び光フィルタ膜のｎ型ドーパント濃度プロファイルを示す図面である。 図９は、本実施形態に係る光フィルタ膜による光応答特性の補償を示す図面である。 図１０は、光フィルタ膜を含まない光応答特性を有する赤外線検知半導体デバイスの半導体層の構造を概略的に示す図面である。 図１１は、本実施形態に係る赤外線検知半導体デバイスを備える測定システムを概略的に示す図面である。
引き続きいくつかの具体例を説明する。
具体例に係る赤外線検知半導体デバイスは、（ａ）タイプＩＩの光吸収層と、（ｂ）８．０×１０１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパント濃度を含むｎ型ＩｎＧａＡｓの光フィルタ膜と、を備え、前記光吸収層及び前記光フィルタ膜は、第１軸に沿って順に配列されており、前記光フィルタ膜は、第１半導体領域、第２半導体領域及び第３半導体領域を含み、前記第１半導体領域、前記第２半導体領域及び前記第３半導体領域は、前記光吸収層上において前記第１軸に沿って順に配列され、前記第１半導体領域は、２．０×１０１９ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度を含み、前記第３半導体領域は、３．０×１０１８ｃｍ−３以下のｎ型ドーパント濃度を含み、前記第２半導体領域は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との境界において第１値のｎ型ドーパント濃度を有し、前記第２半導体領域は、前記第２半導体領域と前記第３半導体領域との境界において第２値のｎ型ドーパント濃度を有し、前記第１値は前記第２値より大きく、前記第２半導体領域は、前記光フィルタ膜のｎ型ドーパントプロファイルが前記第１半導体領域から前記第３半導体領域の方向に前記第１値から前記第２値に単調に変化する部分を有する。
この赤外線検知半導体デバイスによれば、８．０×１０１７ｃｍ−３（「８．０Ｅ１７ｃｍ−３」と記す）より大きいｎ型ドーパント濃度のＩｎＧａＡｓは、モス−バースタイン効果により、ホスト半導体のＩｎＧａＡｓのバンドギャップより大きい光遷移禁制帯を示し、アンドープ又は軽ドープのＩｎＧａＡｓが吸収する光の波長帯においてホストのＩｎＧａＡｓに比べて高い光透過率を有する。８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパント濃度のＩｎＧａＡｓは、そのドーパント濃度に応じた光遷移禁制帯の幅を有する。光フィルタ膜は、８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きい濃度範囲において互いに異なるｎ型ドーパント濃度を有する半導体領域を含み、これらの半導体領域は、そのドーパント濃度に応じたそれぞれの光遷移禁制帯幅を有する。この結果、赤外線検知半導体デバイスの光応答特性は、８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパント濃度のＩｎＧａＡｓによって補償可能になる。光吸収層に入射する光の量は、これらの半導体領域の光吸収特性に応じて変更されて、赤外線検知半導体デバイスの光応答特性は、光吸収層の光応答特性と光フィルタ膜の光吸収特性とを合成した光吸収特性に依る。
具体例に係る赤外線検知半導体デバイスでは、前記光フィルタ膜の前記第１半導体領域、前記第２半導体領域及び前記第３半導体領域は、それぞれ、第１断面積、第２断面積及び第３断面積を有し、前記第１断面積は前記第２断面積より大きく、前記第２断面積は前記第３断面積より大きく、前記第１断面積、前記第２断面積及び前記第３断面積の各々は、前記第１軸に交差する平面上において規定される。
この赤外線検知半導体デバイスによれば、光フィルタ膜内の最も軽いドープであって小さい断面積の第３半導体領域は、赤外線検知半導体デバイスの受光波長範囲における長波側から短波側の光を吸収し、光フィルタ膜内の中位のドープであって第３半導体領域より大きな断面積の第２半導体領域は、赤外線検知半導体デバイスの受光波長範囲における中波から短波の光を吸収し、光フィルタ膜内の最も重いドープであって第２半導体領域より大きな断面積の第１半導体領域は、赤外線検知半導体デバイスの受光波長範囲における短波域の光を吸収する。
具体例に係る赤外線検知半導体デバイスでは、前記光吸収層は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸構造を有する。
赤外線検知半導体デバイスによれば、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸構造の光吸収層における光応答特性を調整可能である。
具体例に係る赤外線検知半導体デバイスは、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層に接触を成す第１電極と、前記第２導電型半導体層に接触を成す第２電極と、を更に備え、前記光吸収層は前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられ、前記光フィルタ膜は、前記第１導電型半導体層に接触を成す。
赤外線検知半導体デバイスによれば、光フィルタ膜は、キャリアの伝搬経路上に設けられずに、電気的特性から独立して、所望のフィルタ特性を可能にする光吸収特性に必要なｎ型ドーパントプロファイルを付与できる。
具体例に係る赤外線検知半導体デバイスでは、前記第１導電型半導体層は、前記光フィルタ膜に接触を成すｐ型ＩｎＰを備える。
赤外線検知半導体デバイスによれば、８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパントを含むＩｎＧａＡｓの光フィルタ膜は、バルクＩｎＧａＡｓより広いバンドギャップのｐ型ＩｎＰ上に設けられる。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、赤外線検知半導体デバイスに係る実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図１は、本実施形態に係る赤外線検知半導体デバイスの半導体層の構造を概略的に示す図面である。図２は、ＩｎＧａＡｓにおいて、ｎ型ドーパント濃度と光遷移禁制帯との関係を例証する図面である。
赤外線検知半導体デバイス１１は、光フィルタ膜１３及びフォトダイオード構造１５を含む。フォトダイオード構造１５は、光吸収層１７を含み、光吸収層１７は、タイプＩＩの超格子構造を有する。光フィルタ膜１３の材料は、ｎ型ＩｎＧａＡｓであり、８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパント濃度を有する。赤外線検知半導体デバイス１１において、光吸収層１７は、第１導電型半導体層１９と第２導電型半導体層２１との間に設けられる。光フィルタ膜１３及び光吸収層１７は、第１軸Ａｘ１の方向に沿って順に配列される。
光フィルタ膜１３は、第１半導体領域２３、第２半導体領域２５及び第３半導体領域２７を含み、第１半導体領域２３、第２半導体領域２５及び第３半導体領域２７は、第２導電型半導体層２１上において第１軸Ａｘ１の方向に沿って順に配列される。第１半導体領域２３は、２．０Ｅ１９ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度を含み、第３半導体領域２７は、３．０Ｅ１８ｃｍ−３以下のｎ型ドーパント濃度を含む。第２半導体領域２５は、第１半導体領域２３と第２半導体領域２５との境界において第１値（例えば、２．０Ｅ１９ｃｍ−３未満）のｎ型ドーパント濃度を有し、第２半導体領域２５と第３半導体領域２７との境界において第２値（例えば、３．０Ｅ１８ｃｍ−３より大きい）のｎ型ドーパント濃度を有する。第１値は、第２値より大きい。第２半導体領域２５は、光フィルタ膜１３のｎ型ドーパントプロファイルが第１半導体領域２３から第３半導体領域２７の方向に第１値から第２値に単調に変化する部分を有し、また光吸収層１７から光フィルタ膜１３への方向に単調に減少していても良い。また、第１半導体領域２３は、第１半導体領域２３と第２半導体領域２５との境界において２．０Ｅ１９ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度を有し、第３半導体領域２７は、第２半導体領域２５と第３半導体領域２７との境界において３．０Ｅ１９ｃｍ−３以下のｎ型ドーパント濃度を有する。第２半導体領域２５は、光フィルタ膜１３のｎ型ドーパントプロファイルが３．０Ｅ１８ｃｍ−３以上２．０Ｅ１９ｃｍ−３以下の範囲において第１半導体領域２３から第３半導体領域２７の方向に単調に変化する領域部分を有し、また光吸収層１７から光フィルタ膜１３への方向に単調に減少していても良い。
８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパント濃度ＮＤのＩｎＧａＡｓは、モス−バースタイン効果により、ホスト半導体のＩｎＧａＡｓのバンドギャップＥ０より大きい光遷移禁制帯を示し、そのｎ型ドーパント濃度ＮＤに応じたそれぞれの光吸収特性を有する。（８．０Ｅ１７ｃｍ−３以下の軽ドープ及びアンドープのＩｎＧａＡｓによって吸収される光の波長帯における光は、モス−バースタイン効果を示すようにｎ型ドーパントを添加したＩｎＧａＡｓを透過できる。８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパント濃度ＮＤのＩｎＧａＡｓは、そのドーパント濃度に応じた光遷移禁制帯の幅を有する。光フィルタ膜１３は、８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きい濃度範囲において互いに異なるｎ型ドーパント濃度ＮＤを有する半導体領域（２１、２３、２５）を含み、この赤外線検知半導体デバイス１１によれば、光吸収層１７に入射する光の量は、これらの半導体領域（２１、２３、２５）の光吸収特性に応じて変更されて、赤外線検知半導体デバイス１１の光応答特性は、光吸収層１７自体の光吸収特性ではなく、この光吸収特性と光フィルタ膜１３による補償とを合成した光吸収特性に依る。この結果、赤外線検知半導体デバイス１１の光応答特性は、８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパント濃度のＩｎＧａＡｓによって調整可能になる。
図２を参照しながら、ｎ型ドーパントを含むＩｎＧａＡｓにおけるモス−バースタイン効果を説明する。図２の（ａ）部は、アンドープＩｎＸＧａ１−ＸＡｓの伝導帯及び価電子帯を示す。アンドープＩｎＧａＡｓバルクの伝導帯と価電子帯とのエネルギー差は、０．７２８ ｅＶ（ＩｎＰに格子整合するＩｎ組成Ｘ＝０．５３における値）の光子エネルギーに相当し、約１．７マイクロメートルの波長に対応する。図２の（ｂ）部は、８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパント濃度、例えば３．０Ｅ１８ｃｍ−３のｎ型ドーパント濃度ＮＤのＩｎＧａＡｓの伝導帯Ｅｃ、価電子帯Ｅｖ及びフェルミ面Ｅｆを示す。このＩｎＧａＡｓの伝導帯Ｅｃ内のフェルミ面Ｅｆと価電子帯Ｅｖとのエネルギー差は、元のＧａＩｎＡｓのバンドギャップ（０．７２８ ｅＶ）に加えて、０．０４８ｅＶだけ大きい値を示す。この理由は、３．０Ｅ１８ｃｍ−３のｎ型ドーパントの添加により、フェルミ準位がバンドギャップ内から伝導帯Ｅｃ内にシフトされる。価電子帯Ｅｖから励起する電子は、価電子帯Ｅｖから伝導帯Ｅｃのフェルミ面Ｅｆ上に到達できる遷移エネルギーＥ１を必要とする。図２の（ｃ）部は、８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパント濃度ＮＤ、例えば３．０Ｅ１９ｃｍ−３のｎ型ドーパント濃度のＩｎＧａＡｓの伝導帯Ｅｃ及び価電子帯Ｅｖを示す。このＩｎＧａＡｓの伝導帯Ｅｃのフェルミ面Ｅｆと価電子帯Ｅｖとのエネルギー差は、元のＧａＩｎＡｓのバンドギャップ（０．７２８ ｅＶ）に加えて、０．２８１ｅＶだけ大きい値を示す。この理由は、３．０Ｅ１９ｃｍ−３のｎ型ドーパントの添加により、フェルミ準位がバンドギャップ内から伝導帯Ｅｃ内にシフトされる。価電子帯Ｅｖから励起する電子は、価電子帯Ｅｖから伝導帯Ｅｃのフェルミ面Ｅｆ上に到達できる遷移エネルギーＥ２を必要とする。
上記の説明から理解されるように、８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパントを含むＩｎＧａＡｓでは、ｎ型ドーパント濃度の増加に伴って、電子の光学遷移のためのエネルギーが大きくなる。
図１に示されるように、光フィルタ膜１３の第１半導体領域２３、第２半導体領域２５及び第３半導体領域２７は、光吸収層１７から光フィルタ膜１３への方向に順に配列される。第１半導体領域２３、第２半導体領域２５及び第３半導体領域２７は、それぞれ、第１断面積Ｓ１、第２断面積Ｓ２及び第３断面積Ｓ３を有する。第１断面積Ｓ１は第２断面積Ｓ２より大きく、第２断面積Ｓ２は第３断面積Ｓ３より大きい。第１断面積Ｓ１、第２断面積Ｓ２及び第３断面積Ｓ３の各々は、第１軸Ａｘ１に交差する平面上において規定される。
この赤外線検知半導体デバイス１１によれば、光フィルタ膜１３内において小さい第３断面積Ｓ３を有し最も軽いドープの第３半導体領域２７は、赤外線検知半導体デバイス１１の受光波長範囲における長波から短波の波長帯における光を吸収する。光フィルタ膜内において第３半導体領域２７より大きな第２断面積Ｓ２を有し中位のドープの第２半導体領域２５は、赤外線検知半導体デバイス１１の受光波長範囲における中波から短波の波長帯内の光を吸収する。光フィルタ膜１３内において第２半導体領域２５より大きな第１断面積Ｓ１を有し最も軽いドープの第１半導体領域２３は、赤外線検知半導体デバイス１１の受光波長範囲における短波域の光を吸収する。
断面積比の例示。
半導体領域：断面積の相対値。
第１半導体領域２３：Ｓ１＝４。
第２下側半導体領域２５ａ：Ｓ２Ｕ（Ｓ２）＝８。
第２上側半導体領域２５ｂ：Ｓ２Ｄ（Ｓ２）＝１２。
第３半導体領域２７：Ｓ３＝１６。
光吸収層１７は、第１半導体層１７ａ及び第２半導体層１７ｂを含み、第１半導体層１７ａ及び第２半導体層１７ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に交互に配列されている。第１半導体層１７ａの材料は、例えばアンドープＩｎＧａＡｓであり、第２半導体層１７ｂの材料は、例えばＧａＡｓＳｂである。
互いに異なるｎ型ドーパント濃度の複数のＩｎＧａＡｓ領域（２３、２５ａ、２５ｂ、２７）によれば、赤外波長域に光感度を有するタイプＩＩの光吸収層１７の光応答特性の波長依存性を補正して、赤外線検知半導体デバイス１１に所望の光応答特性を提供できる。
赤外線検知半導体デバイス１１における半導体層の例示構造。
光フィルタ膜１３：８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパント濃度のＩｎＧａＡｓ。
第１半導体領域２３：２．０Ｅ１９ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度を含むＳｉドープＩｎＧａＡｓ、厚さ１０００〜２０００ｎｍ。
第２半導体領域２５：３．０Ｅ１８ｃｍ−３以上２．０Ｅ１９ｃｍ−３以下のｎ型ドーパント濃度を含むＳｉドープＩｎＧａＡｓ、厚さ１０００〜４０００ｎｍ。
第３半導体領域２７：３．０Ｅ１８ｃｍ−３以下のｎ型ドーパント濃度を含むＳｉドープＩｎＧａＡｓ、厚さ１０００〜２０００ｎｍ。
フォトダイオード構造１５：８．０Ｅ１７ｃｍ−３以下のｎ型ドーパント濃度のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域。
第１導電型半導体層１９。
ｐ型コンタクト層２９：ＺｎドープＩｎＰ、厚さ８００ｎｍ。
ｐ型アノード層３１：ＺｎドープＩｎＧａＡｓ、厚さ１２５ｎｍ。
半導体層３３：アンドープＩｎＧａＡｓ、厚さ８００ｎｍ。
光吸収層１７：ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸構造、５０〜４００の繰り返し、厚さ５００ｎｍ〜４０００ｎｍ。
第２導電型半導体層２１：ＳｉドープＩｎＧａＡｓ（ＮＤ＝１Ｅ１８ｃｍ−３）コンタクト層、厚さ１００ｎｍ。
基板３５：ＩｎＰ。
ｐ型アノード層３１は、例えばｐ型コンタクト層２９と半導体層３３のバンド構造を滑らかに接続する。
半導体層３３は、例えばフォトキャリアを生成可能である層として働く。
ｐ型コンタクト層２９は、光フィルタ膜１３に接触して、ｐｎ接合を形成する。
これらの半導体層は、基板３５の主面３５ａ上に分子線エピタキシー法又は有機金属気相成長法で成長される。
図３は、本実施形態に係る赤外線検知半導体デバイスにおける光フィルタ膜の実施例を示す図面である。図３の（ａ）部に示される光フィルタ膜１３は、４つの半導体領域（２３、２５ａ、２５ｂ、２７）を含む。
半導体領域：ｎ型ドーパント濃度（ｃｍ−３）。
第１半導体領域２３：３Ｅ１９。
第２下側半導体領域２５ａ：９Ｅ１８。
第２上側半導体領域２５ｂ：６Ｅ１８。
第３半導体領域２７： ３Ｅ１８。
これらの半導体領域（２３、２５ａ、２５ｂ、２７）は、光吸収層１７から光フィルタ膜１３への方向にｎ型ドーパント濃度が単調に変化するように配列されている。最も高濃度の第１半導体領域２３が光吸収層１７上に設けられ、高い中濃度の第２下側半導体領域２５ａが第１半導体領域２３上に設けられ、低い中濃度の第２上側半導体領域２５ｂが第２下側半導体領域２５ａ上に設けられ、最も低濃度の第３半導体領域２７が第２上側半導体領域２５ｂ上に設けられる。
図３の（ｂ）部を参照すると、これらの半導体領域（２３、２５ａ、２５ｂ、２７）のバンドギャップが示されており、最も大きな光遷移禁制帯の第１半導体領域２３が光吸収層１７上に設けられ、次に大きな光遷移禁制帯の第２下側半導体領域２５ａが第１半導体領域２３上に設けられ、次に大きな光遷移禁制帯の第２上側半導体領域２５ｂが第２下側半導体領域２５ａ上に設けられ、最も小さい光遷移禁制帯の第３半導体領域２７が第２上側半導体領域２５ｂ上に設けられる。この図には、代表的な５つの波長の光（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５）が示されている。これらの光の波長は、第１光Ｐ１（最も長波長の光）、第２光Ｐ２、第３光Ｐ３、第４光Ｐ４、及び第５光Ｐ５（最も短波長の光）の順に短くなる。第１光Ｐ１は、半導体領域（２３、２５ａ、２５ｂ、２７）を透過できる。第２光Ｐ２は、半導体領域（２３、２５ａ、２５ｂ）を透過できるが、半導体領域（２７）によって吸収される。第３光Ｐ３は、半導体領域（２３、２５ａ）を透過できるが、半導体領域（２５ｂ、２７）によって吸収される。第４光Ｐ４は、半導体領域（２３）を透過できるが、半導体領域（２５ａ、２５ｂ、２７）によって吸収される。第５光Ｐ５は、半導体領域（２３、２５ａ、２５ｂ、２７）によって吸収される。互いに異なる濃度の半導体領域（２３、２５ａ、２５ｂ、２７）がｎ型ドーパント濃度の大きい順に光吸収層１７から光フィルタ膜１３への方向に配列される光フィルタ膜１３では、半導体領域（２３、２５ａ、２５ｂ、２７）は、半導体領域（２３、２５ａ、２５ｂ、２７）の断面積（第１軸Ａｘ１に交差する平面において規定される断面積）がｎ型ドーパント濃度の大きい順に従って小さくなるように配列される。この配列によれば、最も低いｎ型ドーパント濃度の半導体領域（２７）が最上になると共に、最も高いｎ型ドーパント濃度の半導体領域（２３）が最下になる。
第１光Ｐ１は、第１半導体領域２３、第２下側半導体領域２５ａ、第２上側半導体領域２５ｂ、及び第３半導体領域２７を透過可能である。第２光Ｐ２は、第３半導体領域２７の外側では、最初に、第２上側半導体領域２５ｂに入射する。第３光Ｐ３は、第３半導体領域２７及び第２上側半導体領域２５ｂの外側では、最初に、第２下側半導体領域２５ａに入射する。第４光Ｐ４は、第３半導体領域２７、第２上側半導体領域２５ｂ及び第２下側半導体領域２５ａの外側では、最初に、第１半導体領域２３に入射する。第５光Ｐ５は、第１半導体領域２３、第２下側半導体領域２５ａ、第２上側半導体領域２５ｂ、及び第３半導体領域２７を透過できない。
半導体領域（２３、２５ａ、２５ｂ、２７）の断面積の比率により、赤外線検知半導体デバイス１１の入射面に入射する入射光（Ｐ１〜Ｐ５、図１における参照符合「Ｌ１」）の透過量が変更される。
（実施例１）
図４は、実施例に係る赤外線検知半導体デバイスを模式的に示す一部破断図である。赤外線検知半導体デバイス１１ａは、基板３５と、基板３５上に設けられたフォトダイオード構造１５と、フォトダイオード構造１５上に設けられた光フィルタ膜１３とを備える。赤外線検知半導体デバイス１１ａは、光フィルタ膜１３及びフォトダイオード構造１５を覆うパッシベーション膜３７、並びにフォトダイオード構造１５上に設けられた第１電極３９及び第２電極４１を含む。フォトダイオード構造１５はメサ構造ＭＳを有する。メサ構造ＭＳは、光吸収層１７を含み、メサ構造ＭＳの上面は、光吸収層１７への光の入射断面積を規定する。光フィルタ膜１３は、フォトダイオード構造１５の上面に接触を成す。具体的には、第１電極３９は、第１導電型半導体層１９に接触を成すと共に、第２電極４１は、第２導電型半導体層２１（２９）に接触を成す。光フィルタ膜１３は、第２導電型半導体層２１に接触を成す。メサ構造ＭＳは、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成される。また、パッシベーション膜３７は、化学的気相成長法により成長される酸化シリコンといったシリコン系無機絶縁膜を含み、またシリコン系無機絶縁膜は、フォトリソグラフィ及びエッチングによりパターン形成される。第１電極３９及び第２電極４１は、例えばＡｕＴｉ／ＡｕＺｎＡｕ（Ｐ−電極）及びＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ（Ｎ−電極）であることができる。
具体的には、第２導電型半導体層２１は、光フィルタ膜１３のバンドギャップ及び光吸収層１７のバンドギャップより大きなバンドギャップのｐ型ＩｎＰといったｐ型コンタクト層２９を備える。８．０Ｅ１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパントを含むｎ型ＩｎＧａＡｓの光フィルタ膜１３は、ｐ型ＩｎＰコンタクト層上に設けられる。赤外線検知半導体デバイス１１ａによれば、光吸収層１７は、光入射に応答して光キャリアを生成する。光吸収層１７からの光キャリアは、光フィルタ膜１３内を伝搬しない。光フィルタ膜１３は、フォトダイオード構造１５の電気的特性から独立して光吸収特性のためのｎ型ドーパントプロファイルを有する。
図５は、実施例１に係る赤外線検知半導体デバイスの光フィルタ膜を示す平面図である。半導体領域（２３、２５ａ、２５ｂ、２７）の断面積は矩形又は正方形である。
半導体領域（断面積）。正方形の一辺の長さ（ｍ）
第１半導体領域２３（Ｓ１）：１８Ｅ−６。
第２下側半導体領域２５ａ（Ｓ２Ｄ）：１３．５Ｅ−６。
第２上側半導体領域２５ｂ（Ｓ２Ｕ）：９．０Ｅ−６。
第３半導体領域２７（Ｓ３）：４．５Ｅ−６。
図６は、実施例１に係る赤外線検知半導体デバイスの別の光フィルタ膜を示す平面図である。半導体領域（２３、２５ａ、２５ｂ、２７）の断面積は円形又は楕円形である。
半導体領域（断面積）、円の半径（ｍ）
第１半導体領域２３（Ｓ１）：９Ｅ−６。
第２下側半導体領域２５ａ（Ｓ２Ｄ）：６．７５Ｅ−６。
第２上側半導体領域２５ｂ（Ｓ２Ｕ）：９４．５Ｅ−６。
第３半導体領域２７（Ｓ３）：２．２５Ｅ−６。
図１〜図６を参照した説明から理解されるように、断面積は、矩形、正方形、円形及び楕円形といった特定の形状の例示に限定されることなく、三角形、ｎ多角形（ｎは５以上の自然数）といった様々な形状を有することができる。所望の断面形状を有する半導体領域（２３、２５ａ、２５ｂ、２７）は、実施例１に係る赤外線検知半導体デバイスに所望の光応答特性を提供できるように、それぞれの断面積の比を有する。これらの断面積は、モス−バースタイン効果による光禁制帯幅の変化を考慮して決定される。
（実施例２）
図７は、実施例２に係る赤外線検知半導体デバイスの別の光フィルタ膜のｎ型ドーパント濃度プロファイルを示す図面である。光フィルタ膜１３のｎ型ドーパント濃度プロファイルは、ステップ型のプロファイルに限定されることなく、第１軸Ａｘ１の方向に単調に変化する傾斜型のプロファイルであることができる。或いは、光フィルタ膜１３のｎ型ドーパント濃度は、ステップ型及び傾斜型のプロファイルの組み合わせであることができる。
（実施例３）
図８は、実施例３に係る赤外線検知半導体デバイスの光フィルタ膜の形状、及び光フィルタ膜のｎ型ドーパント濃度プロファイルを示す図面である。
図８の（ａ）部を参照すると、赤外線検知半導体デバイス１１ａが示される。赤外線検知半導体デバイス１１ａの光フィルタ膜１３は、階段形状の外観を有する。光フィルタ膜１３の階段形状は、フォトリソグラフィ及びエッチングの繰り返しにより作製される。また、赤外線検知半導体デバイス１１ａの光フィルタ膜１３は、図８の（ｃ）部に示されるステップ型のｎ型ドーパント濃度プロファイルを備えることができ、或いは図８の（ｄ）部に示される傾斜型のｎ型ドーパント濃度プロファイルを備えることができる。
図８の（ｂ）部を参照すると、赤外線検知半導体デバイス１１ｂが示されている。赤外線検知半導体デバイス１１ｂの光フィルタ膜１３は、凸曲面形状の外観を有する。光フィルタ膜１３の凸曲面形状は、光フィルタ膜１３の外縁を規定するパターン形成された厚いレジストを光フィルタ膜１３のためのドープされた半導体膜上に形成し、この厚いレジストを熱処理により変形させると共に、変形レジスト及び半導体をエッチングにより加工して、ドープされた半導体膜に厚いレジストのパターンを転写する。赤外線検知半導体デバイス１１ｂの光フィルタ膜１３は、図８の（ｄ）部に示される傾斜型のｎ型ドーパント濃度プロファイルを備えることができ、或いは図８の（ｃ）部に示されるステップ型のｎ型ドーパント濃度プロファイルを備えることができる。
（実施例４）
図９は、本実施形態に係る光フィルタ膜による光応答特性の補償を示す図面である。図１０は、光フィルタ膜に含まない光吸収層の光応答特性を有する赤外線検知半導体デバイスの半導体層の構造を概略的に示す図面である。具体的には、図９の（ａ）部は、本実施形態に係る光フィルタ膜によって補償された光応答特性を示し、図９の（ｂ）部は、図１０に示されるフォトダイオード構造４の光応答特性（光フィルタ膜によって補正されない光応答特性）を示す。
図１０のフォトダイオード構造４のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体領域。
ｐ型コンタクト層４１ａ：ＺｎドープＩｎＰ、厚さ５００ｎｍ。
半導体層４１ｂ：アンドープＩｎＧａＡｓ、厚さ５００ｎｍ。
光吸収層４１ｃ：タイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸構造、２００の繰り返し、厚さ１０００ｎｍ。
ｎ型コンタクト層４１ｄ：ＳｉドープＩｎＧａＡｓ（ＮＤ＝１Ｅ１７ｃｍ−３）、厚さ５００ｎｍ。
ｎ型半導体層４１ｅ：ＳｉドープＩｎＰ（ＮＤ＝１Ｅ１８ｃｍ−３）
図９の（ａ）部に示される光応答特性を提供できる光フィルタ膜の具体例の構造。
半導体領域、厚さ、ｎ型ドーパント濃度。
第１半導体領域２３：２０００ｎｍ、９Ｅ１８〜３Ｅ１９ｃｍ−３。
第２下側半導体領域２５ａ：２０００ｎｍ、６Ｅ１８〜９Ｅ１８ｃｍ−３。
第２上側半導体領域２５ｂ：２０００ｎｍ、３Ｅ１８〜６Ｅ１８ｃｍ−３。
第３半導体領域２７：２０００ｎｍ、８Ｅ１７〜３Ｅ１８ｃｍ−３。
例えば、波長１．６マイクロメートルの光を吸収できるドーパント濃度は、９．４Ｅ１７ｃｍ−３である。
図９の（ａ）部に示されるように、波長１．２〜２．３５マイクロメートルの範囲において、光応答特性の差が±１０％以下の範囲になり、この実施例に係る赤外線検知半導体デバイスは、平坦な光応答特性を示す。
図１１は、本実施形態に係る赤外線検知半導体デバイスを備える測定システムを概略的に示す図面である。測定システム４３は、赤外線光源４５（光波長１．２〜２．３５マイクロメートル）からの光をモノクロメータ４７によって単色化して、測定対象物ＳＭＰＬに照射する。赤外線検知半導体デバイス１１は、測定対象物ＳＭＰＬからの反射光を受ける。赤外線光源４５からの光の波長をモノクロメータ４７により走引すると共に、走査に同期して測定対象物ＳＭＰＬからの反射光を赤外線検知半導体デバイス１１（１１ａ、１１ｂ）によって受ける。赤外線検知半導体デバイス１１（１１ａ、１１ｂ）からの測定データは、処理装置４９に送られる。この測定システム４３によれば、測定対象物ＳＭＰＬの赤外線反射スペクトルにおいて、赤外線検知半導体デバイス１１（１１ａ、１１ｂ）における光応答特性の差による影響が低減される。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
以上説明したように、本実施形態によれば、光吸収層の光応答特性を補償可能なフィルタを含む検知半導体デバイスが提供される。
１１、１１ａ、１１ｂ…赤外線検知半導体デバイス、１３…光フィルタ膜、１５…フォトダイオード構造、１７…光吸収層、１９…第１導電型半導体層、２１…第２導電型半導体層、２３…第１半導体領域、２５…第２半導体領域、２７…第３半導体領域、２５ａ…第２下側半導体領域、２５ｂ…第２上側半導体領域、２７…第３半導体領域、２９…ｐ型コンタクト層、３１…ｐ型アノード層、３３…半導体層。

Claims (5)

  1. 赤外線検知半導体デバイスであって、
    タイプＩＩの光吸収層と、
    ８．０×１０１７ｃｍ−３より大きいｎ型ドーパント濃度を含むｎ型ＩｎＧａＡｓの光フィルタ膜と、
    を備え、
    前記光吸収層及び前記光フィルタ膜は、第１軸に沿って順に配列されており、
    前記光フィルタ膜は、第１半導体領域、第２半導体領域及び第３半導体領域を含み、前記第１半導体領域、前記第２半導体領域及び前記第３半導体領域は、前記光吸収層上において前記第１軸に沿って順に配列され、
    前記第１半導体領域は、２．０×１０１９ｃｍ−３以上のｎ型ドーパント濃度を含み、
    前記第３半導体領域は、３．０×１０１８ｃｍ−３以下のｎ型ドーパント濃度を含み、
    前記第２半導体領域は、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との境界において第１値のｎ型ドーパント濃度を有し、前記第２半導体領域は、前記第２半導体領域と前記第３半導体領域との境界において第２値のｎ型ドーパント濃度を有し、前記第１値は前記第２値より大きく、
    前記第２半導体領域は、前記光フィルタ膜のｎ型ドーパントプロファイルが前記第１半導体領域から前記第３半導体領域の方向に前記第１値から前記第２値に単調に変化する領域部分を有する、赤外線検知半導体デバイス。
  2. 前記光フィルタ膜の前記第１半導体領域、前記第２半導体領域及び前記第３半導体領域は、それぞれ、第１断面積、第２断面積及び第３断面積を有し、前記第１断面積は前記第２断面積より大きく、前記第２断面積は前記第３断面積より大きく、前記第１断面積、前記第２断面積及び前記第３断面積の各々は、前記第１軸に交差する平面上において規定される、請求項１に記載された赤外線検知半導体デバイス。
  3. 前記光吸収層は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸構造を有する、請求項１又は請求項２に記載された赤外線検知半導体デバイス。
  4. 第１導電型半導体層と、
    第２導電型半導体層と、
    前記第１導電型半導体層に接触を成す第１電極と、
    前記第２導電型半導体層に接触を成す第２電極と、
    を更に備え、
    前記光吸収層は前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられ、
    前記光フィルタ膜は、前記第１導電型半導体層に接触を成す、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された赤外線検知半導体デバイス。
  5. 前記第１導電型半導体層は、前記光フィルタ膜に接触を成すｐ型ＩｎＰを備える、請求項４に記載された赤外線検知半導体デバイス。
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