JP2019057639A - 赤外線検出器、撮像装置及び撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】近赤外線を効率よく検出することのできる赤外線検出器を提供する。【解決手段】第１の導電型の第１の下部超格子層１１０と、第１の下部超格子層の上に形成された第１の導電型の第２の下部超格子層１２０と、第２の下部超格子層の上に形成された超格子吸収層１３０と、超格子吸収層の上に形成された第２の導電型の上部超格子層１４０と、を有し、第２の下部超格子層、超格子吸収層及び上部超格子層は、同じ超格子構造により形成されており、前記第１の下部超格子層は、第２の下部超格子層とは異なる材料の超格子構造により形成されており、第１の下部超格子層の実効的なバンドギャップは、第２の下部超格子層の実効的なバンドギャップ以上であって、第１の下部超格子層の側から入射した赤外光を検出することを特徴とする赤外線検出器により課題を解決する。【選択図】図５

Description

本発明は、赤外線検出器、撮像装置及び撮像システムに関するものである。

赤外線を検出する赤外線検出器には様々な構造のものがある。例えば、ＧａＳｂ基板上にエピタキシャル成長したＩｎＡｓ／ＧａＳｂ系Ｔｙｐｅ−II超格子（Ｔ２ＳＬ）は、超格子の膜厚調整により、受光する赤外線のカットオフ波長を正確に制御することができ、また暗電流も小さい。このため、環境への負荷が高いＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）に代わる新しい量子型赤外線受光素子の材料として期待されている。

従来Ｔ２ＳＬは、中赤外線（ＭＷＩＲ：Medium Wavelength Infrared、波長３μｍ〜５μｍ）や、遠赤外線（ＬＷＩＲ：Long Wavelength Infrared、波長８μｍ〜１２μｍ）を検出するための受光素子として開発が行われてきた。しかしながら、近年は、近赤外線（ＳＷＩＲ：Short Wavelength Infrared、波長１μｍ〜２．５μｍ）を検出するための赤外線検出器の開発も盛んになされており、例えば、代表的な構成としてはＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子が優れた光学的・電気的特性を示すものとして開示されている（例えば、非特許文献１）。

検出対象がＳＷＩＲの場合、赤外線検出器を作製する際に用いられる半導体のバンドギャップは、ＬＷＩＲやＭＷＩＲに比べて広いため、熱雑音に起因した暗電流成分が少ない。従って、赤外線検出器を形成しているエピタキシャル層中に暗電流を低減するためのバリア層を設ける必要性が小さく、単純なＰＩＮ接合を受光素子として用いることができる。

量子型赤外線受光素子では、入射赤外線強度に対応した量の電流を生成し、その電流を読み出し回路でキャパシタに電荷として蓄積し、蓄積された電荷をアンプで電圧に変換・増幅することで、赤外線検出器において検出された信号が出力される。受光素子アレイはＧａＡｓやＧａＳｂのような化合物半導体基板上に作製され、読み出し回路（ＲＯＩＣ：Readout Integrated Circuit）はＳｉ基板上に作製される。このため、この２つをフリップチップボンディング（Flip Chip Bonding：ＦＣＢ）によってハイブリッド接続して焦点面アレイ（Focal Plane Array：ＦＰＡ）を形成する。ＦＰＡの作製の際には、化合物半導体基板とＳｉ基板との熱膨張係数差による冷却・昇温サイクル時の基板等の破壊を防ぎ、また、赤外線の入射面側に位置する基板による自由キャリアによる吸収を防ぐため、化合物半導体基板を除去する。例えば、化合物半導体基板にＧａＳｂ基板を用いたＴ２ＳＬでは、ＧａＳｂ基板と格子整合する薄いエッチングストッパ層（ＩｎＡｓ_０．９１Ｓｂ_０．０９）を用いて、ＧａＳｂ基板を除去する方法がある。

特開２０１５−２１１１５５号公報 特開２０１４−２２５５７８号公報

M. Razeghi, A.M. Hoang, A. Haddadi, G. Chen, S. Ramezani-Darvish, P.Bijjam, P Wijewarnasuriya, E. Decuir. "High-Performance Bias-selectableDual-band Short-/Mid-wavelength Infrared Photodetectors and Focal Plane Arraysbased on InAs/GaSb/AlSb Type-II Superlattices". SPIE Vol. 8704, 87041W. 2013. Haruyoshi Katayama, Junpei Murooka, Masataka Naitoh, Ryota Sato,Satoshi Kawasaki, Yudai Itoh, Syota Sugano, Tomoko Takekawa, Masafumi Kimata,Mikhail Patrashin, Iwao Hosako, Yasuhiro Iguchi. "Development status of Type IIsuperlattice infrared detector in JAXA". SPIE Vol. 8704, 870416. 2013.

しかしながら、ＩｎＡｓ_０．９１Ｓｂ_０．０９はバンドギャップが約０．３３５ｅＶと小さく、中赤外線から近赤外線を強く吸収するため、ＳＷＩＲに対応した赤外線検出器には用いることはできない。また、ＧａＳｂも厚いと近赤外線を吸収し、さらに化学的に不安定で酸化しやすいため、入射面に配置することは好ましくない。

よって、赤外線が入射する側に、近赤外線を吸収するＧａＳｂ基板やＩｎＡｓ_０．９１Ｓｂ_０．０９層、酸化しやすいＧａＳｂ層が残っておらず、近赤外線を効率よく安定して検出することのできる赤外線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、第１の導電型の第１の下部超格子層と、前記第１の下部超格子層の上に形成された第１の導電型の第２の下部超格子層と、前記第２の下部超格子層の上に形成された超格子吸収層と、前記超格子吸収層の上に形成された第２の導電型の上部超格子層と、を有し、前記第２の下部超格子層、前記超格子吸収層及び前記上部超格子層は、同じ超格子構造により形成されており、前記第１の下部超格子層は、前記第２の下部超格子層とは異なる材料の超格子構造により形成されており、前記第１の下部超格子層の実効的なバンドギャップは、前記第２の下部超格子層の実効的なバンドギャップ以上であって、前記第１の下部超格子層の側から入射した赤外光を検出することを特徴とする。

開示の赤外線検出器によれば、近赤外線を効率よく安定して検出することができる。

赤外線検出器の説明図（１） 赤外線検出器の構造図（１） 赤外線検出器の説明図（２） 赤外線検出器の構造図（２） 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器の製造方法の工程図（４） 第１の実施の形態における赤外線検出器の説明図 第１の実施の形態における撮像システムの説明図 第２の実施の形態における赤外線検出器の構造図

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〕
最初に、赤外線検出器について、図１及び図２に基づき説明する。この赤外線検出器を作製する際には、最初に、図１に示されるように、ＧａＳｂ基板９０１の上に、ＩｎＡｓＳｂ層９０２、ｐ−ＧａＳｂ層９１０、ｐ型超格子層２０、超格子吸収層３０、ｎ型超格子層４０、上部コンタクト層５０を順に積層形成する。ｐ型超格子層２０、超格子吸収層３０、ｎ型超格子層４０は、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子により形成されており、ｐ型超格子層２０にはｐ型となる不純物元素がドープされており、ｎ型超格子層４０にはｎ型となる不純物元素がドープされている。この後、上部コンタクト層５０の側から、上部コンタクト層５０、ｎ型超格子層４０、超格子吸収層３０、ｐ型超格子層２０をドライエッチングにより除去することにより、画素に対応した超格子層のメサを形成する。この際、ｐ−ＧａＳｂ層９１０がエッチングストッパ層として機能する。例えば、ドライエッチングによりエッチングした際に、ｐ型超格子層２０、超格子吸収層３０、ｎ型超格子層４０には含まれていないＧａを検出したらエッチングを停止する。これにより、ｐ−ＧａＳｂ層９１０の表面が露出した直後にエッチングを停止することができる。

この後、超格子層のメサの全体を覆う保護膜６０を形成し、コンタクトホールを開口した後、上部コンタクト層５０の上に上部電極７１を形成し、ｐ−ＧａＳｂ層９１０の上に下部電極７２を形成する。尚、ｐ−ＧａＳｂ層９１０は下部コンタクト層としても機能する。この後、ＧａＳｂ基板９０１を研削して薄層化した後、残りのＧａＳｂ基板９０１についてはＩｎＡｓＳｂ層９０２をエッチングストッパ層としてウェットエッチングにより除去する。更に、ｐ−ＧａＳｂ層９１０をエッチングストッパ層としてＩｎＡｓＳｂ層９０２をウェットエッチングにより除去する。これにより、図２に示す構造の赤外線検出器を作製することができる。図１及び図２に示される破線矢印は、赤外線の入射方向を示す。

ＩｎＡｓＳｂ層９０２は、ＧａＳｂ基板９０１と格子整合させるため、組成がＩｎＡｓ_０．９１Ｓｂ_０．０９となるように形成されているが、ＩｎＡｓ_０．９１Ｓｂ_０．０９はバンドギャップが約０．３３５ｅＶと小さく中赤外線から近赤外線における吸収が大きい。従って、ＳＷＩＲに対応した検出器では、ＩｎＡｓＳｂ層９０２を除去する必要がある。

また、ＧａＳｂもバンドギャップは約０．７３ｅＶであり、ＩｎＡｓ_０．９１Ｓｂ_０．０９に比べれば、近赤外線の吸収は低いものの、波長が１．７μｍより短い赤外線を吸収する。このためｐ−ＧａＳｂ層９１０は可能な限り薄い方（例えば、２μｍ以下）が好ましいが、ｐ−ＧａＳｂ層９１０は素子間に共通の下部コンタクト層としても機能するため、あまり薄いとその機能が低下するため好ましくない。また、ＧａＳｂは水等により酸化されやすいため、ｐ−ＧａＳｂ層９１０が露出している状態のままでは、製造プロセスが不安定となる。

このため、図３に示されるように、ｐ型超格子層２０を残してメサを形成する方法が考えられる。具体的には、上部コンタクト層５０の側から、上部コンタクト層５０、ｎ型超格子層４０、超格子吸収層３０をドライエッチングにより除去することにより、画素に対応した超格子層のメサを形成する方法である。この場合、ＧａＳｂ基板９０１、ＩｎＡｓＳｂ層９０２、ｐ−ＧａＳｂ層９１０を除去することにより、図４に示す構造の赤外線検出器が作製される。

この構造の赤外線検出器では、赤外線の入射面側には、ＩｎＡｓ_０．９１Ｓｂ_０．０９層や厚いｐ−ＧａＳｂ層が存在しないため、これらによる赤外線の吸収がなく、近赤外線を効率よく検出することができる。しかしながら、この構造の赤外線検出器では、ｐ型超格子層２０と超格子吸収層３０は、ドープされている不純物元素を除き、同じ材料の超格子により形成されているため、ｐ型超格子層２０が露出した直後にエッチングを停止することは極めて困難である。このため、メサ間におけるｐ型超格子層２０の厚さにバラツキが生じてしまい、画素間におけるクロストーク等に違いが生じ、特性が安定ではなくなる場合がある。また、メサを形成する際のエッチングのバラツキを考慮すると、ｐ型超格子層２０を十分に厚く（例えば、２μｍ以上）形成する必要もある。

（赤外線検出器）
次に、本実施の形態における赤外線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５に示されるように、第１のｐ型超格子層１１０、第２のｐ型超格子層１２０、超格子吸収層１３０、ｎ型超格子層１４０、上部コンタクト層１５０が順に積層形成されている。また、上部コンタクト層１５０の側から、上部コンタクト層１５０、ｎ型超格子層１４０、超格子吸収層１３０、第２のｐ型超格子層１２０をドライエッチングにより除去することにより、画素に対応した超格子層のメサが形成されている。また、超格子層のメサの全体を覆う保護膜１６０が形成されており、上部コンタクト層１５０の上に上部電極１７１、第１のｐ型超格子層１１０の上に下部電極１７２が形成されている。

本実施の形態においては、第１のｐ型超格子層１１０を第１の下部超格子層と記載し、第２のｐ型超格子層１２０を第２の下部超格子層と記載し、ｎ型超格子層１４０を上部超格子層と記載する場合がある。よって、本実施の形態における赤外線検出器においては、近赤外線は、破線矢印に示されるように、第１の下部超格子層の側から入射する。

本実施の形態における赤外線検出器においては、第２のｐ型超格子層１２０、超格子吸収層１３０、ｎ型超格子層１４０は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子により形成されており、同じ超格子構造により形成されている。また、第２のｐ型超格子層１２０にはｐ型となる不純物元素がドープされており、ｎ型超格子層１４０にはｎ型となる不純物元素がドープされている。また、第１のｐ型超格子層１１０は、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子により形成されており、ｐ型となる不純物元素がドープされている。尚、第２のｐ型超格子層１２０、超格子吸収層１３０、ｎ型超格子層１４０は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子により形成されていてもよく、第１のｐ型超格子層１１０は、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子により形成されていてもよい。また、上部コンタクト層１５０は、ＩｎＡｓにより形成されており、ｎ型となる不純物元素がドープされている。

ところで、第１のｐ型超格子層１１０は、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子等の超格子構造ではなく、ＩｎＡｓとＡｌＳｂとの混晶により形成する方法も考えられる。しかしながら、この場合、４元系となるため組成を制御することが極めて困難であり、所望の組成比で形成することが難しい。従って、本実施の形態のように、超格子構造により形成した方が、製造の観点等からは好ましい。また、第２のｐ型超格子層１２０、超格子吸収層１３０、ｎ型超格子層１４０については、同じ材料の同じ超格子構造により形成した方が、電気的特性等の観点から好ましい。例えば、第２のｐ型超格子層１２０と超格子吸収層１３０との界面では、空乏層が形成されるが、この部分で材料が変わると、接合の電気的特性が変化し、また、超格子吸収層１３０とｎ型超格子層１４０との界面との対称性も崩れてしまうため、好ましくない。

本実施の形態は、ドライエッチングにより超格子層のメサを形成する際には、第２のｐ型超格子層１２０、超格子吸収層１３０、ｎ型超格子層１４０には含まれているが、第１のｐ型超格子層１１０には含まれていないＧａの検出量が減少した時点でエッチングを止める。これにより、第２のｐ型超格子層１２０が除去され、第１のｐ型超格子層１１０が露出した直後にドライエッチングを停止することができ、メサ間における第１のｐ型超格子層１１０の厚さを均一にすることができる。また、必要以上に、第１のｐ型超格子層１１０等の厚さを厚く形成する必要もない。尚、不図示のＧａＳｂ基板、ＩｎＡｓＳｂ層、ｐ−ＧａＳｂ層をウェットエッチングにより除去する際には、第１のｐ型超格子層１１０を形成しているＩｎＡｓまたはＡｌＳｂがエッチングストッパ層として機能する。

従って、本実施の形態における赤外線検出器においては、第１のｐ型超格子層１１０は、メサを形成する際のドライエッチングのエッチングストッパ層、ＧａＳｂ層等を除去する際のウェットエッチングのエッチングストッパ層、下部コンタクト層として機能するものである。第１のｐ型超格子層１１０は、ＧａＳｂ基板と疑似的に格子整合するものであり、水等により酸化されることもない。

本実施の形態においては、第１のｐ型超格子層１１０における実効的なバンドギャップは、第２のｐ型超格子層１２０の実効的なバンドギャップ以上、更に好ましくは、第２のｐ型超格子層１２０の実効的なバンドギャップよりも大きな材料により形成されている。これにより、入射する近赤外線が、第１のｐ型超格子層１１０において吸収されることを防ぐことができ、赤外線検出器において検出される近赤外線の信号量を増やし、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

また、第１のｐ型超格子層１１０は、下部コンタクト層として機能させるべく、導電性を確保するため、ｐ型となる不純物元素の濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３以上、３×１０^１８／ｃｍ^３以下となるようにドープされている。第１のｐ型超格子層１１０は、第２のｐ型超格子層１２０と同じ導電型であることが好ましいが、上記のように不純物濃度が高い場合はトンネル接合により電気的導電性が確保できる場合には、第２のｐ型不純物と異なるｎ型超格子にする場合もある。尚、超格子吸収層１３０は、不純物元素がドープされていないか、または、不純物元素がドープされていても、ドープされている不純物元素の濃度は５×１０^１６／ｃｍ^３以下である。

また、第１のｐ型超格子層１１０の厚さは、薄すぎると十分な導電性が得られず、厚すぎると自由キャリア吸収等が生じるため、第１のｐ型超格子層１１０の厚さは、０．３μｍ以上、２．０μｍ以下が好ましい。

尚、本実施の形態における赤外線検出器では、検出対象となる赤外線が近赤外線であるため、第２のｐ型超格子層１２０、超格子吸収層１３０、ｎ型超格子層１４０におけるカットオフ波長は、１．０μｍ以上、２．５μｍ以下である。

上記における説明では、第２のｐ型超格子層１２０、超格子吸収層１３０、ｎ型超格子層１４０は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子、または、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子等のＧａを含む超格子により形成されている。また、第１のｐ型超格子層１１０は、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子、または、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子等のＧａを含まない超格子により形成されている。

しかしながら、本実施の形態は、第２のｐ型超格子層１２０、超格子吸収層１３０、ｎ型超格子層１４０は、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子、または、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子等のＧａを含まない超格子により形成してもよい。この場合、第１のｐ型超格子層１１０は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子、または、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子等のＧａを含む超格子により形成する。尚、超格子構造であるためには、各々の層の膜厚は、所定の膜厚以下であることが好ましいが、好ましい膜厚は材料によって異なる。例えば、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子構造の場合、ＳＷＩＲに対応させるためにはＩｎＡｓでは５ＭＬ以下（１．５ｎｍ以下）であり、ＧａＳｂでは１０ＭＬ以下（３．１ｎｍ以下）である。

（赤外線検出器の製造方法）
次に、本実施の形態における赤外線検出器の製造方法について、図６から図９に基づき説明する。

最初に、図６（ａ）に示すように、ＧａＳｂ基板１８１の上に、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー）によるエピタキシャル成長により化合物半導体層を形成する。即ち、ＧａＳｂ基板１８１の上に、ｐ^＋型ＩｎＡｓＳｂ層１８２、ｐ^＋型ＧａＳｂ層１８３、第１のｐ型超格子層１１０、第２のｐ型超格子層１２０、超格子吸収層１３０、ｎ型超格子層１４０、上部コンタクト層１５０を順に積層して形成する。

具体的には、最初に、厚さが約６２５μｍのＧａＳｂ基板１８１の上に、不図示のＧａＳｂバッファ層を形成する。このＧａＳｂバッファ層は、膜厚が１μｍであり、ｐ型となる不純物元素が、１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でドープされている。このようなＧａＳｂバッファ層をＧａＳｂ基板１８１の上に形成することにより、ＧａＳｂ基板１８１の表面の自然酸化膜を除去する際に生じる表面の荒れを小さくできるため，より平坦な超格子層を得ることができる。

ｐ^＋型ＩｎＡｓＳｂ層１８２は、ＧａＳｂ基板１８１の上の不図示のＧａＳｂバッファ層の上に形成される。ｐ^＋型ＩｎＡｓＳｂ層１８２は、ＧａＳｂ基板１８１を除去する際に、エッチングストッパ層となる層であり、ｐ型となる不純物元素が１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でドープされている膜厚が約２μｍのＩｎＡｓ_０．９１Ｓｂ_０．０９により形成されている。

ｐ^＋型ＧａＳｂ層１８３は、ｐ^＋型ＩｎＡｓＳｂ層１８２を除去する際に、エッチングストッパ層となる層であり、ｐ型となる不純物元素が１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でドープされており、膜厚は約５００ｎｍである。

第１のｐ型超格子層１１０は、ｐ^＋型ＧａＳｂ層１８３を除去する際に、エッチングストッパ層となるとともに、メサを形成する際のエッチングストッパ層となり、更には、下部コンタクト層となる層である。第１のｐ型超格子層１１０は、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ＝６ＭＬ／６ＭＬの超格子により形成されており、ｐ型となる不純物元素が１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でドープされており、膜厚は約１μｍである。尚、超格子の界面には、歪を補償するために、超格子を構成する元素の組み合わせにより、極薄い界面層を挿入する場合がある。例えばＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子であればＩｎＳｂやＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ界面であればＩｎＳｂやＧａＡｓが歪補償の界面層となる。この例では、意図的な界面層は導入していない。

第２のｐ型超格子層１２０、超格子吸収層１３０、ｎ型超格子層１４０は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ＝７ＭＬ／１ＭＬ／５ＭＬ／１ＭＬの超格子により形成されている。第２のｐ型超格子層１２０は、ｐ型となる不純物元素が、５×１０^１７／ｃｍ^３の濃度でドープされており、膜厚は約３００ｍである。超格子吸収層１３０は、ｐ型となる不純物元素が、１×１０^１６／ｃｍ^３の濃度でドープされており、膜厚は約３μｍである。ｎ型超格子層１４０は、ｎ型となる不純物元素が、５×１０^１７／ｃｍ^３の濃度でドープされており、膜厚は約３００ｍである。

尚、超格子吸収層１３０は、近赤外線を吸収する層であり、不純物元素をドープしない場合もあるが、本実施の形態においては、少数キャリアを電子とするため意図的に微量のｐ型となる不純物元素をドープしている。キャリアの種類は素子設計に依存し、少数キャリアに正孔を用いる場合には、意図的にｎ型となる不純物をドープする。尚、超格子吸収層１３０にドープされている不純物元素の濃度は、５×１０^１６／ｃｍ^３以下である。

上部コンタクト層１５０は、膜厚が２０ｎｍであり、ｎ型となる不純物元素が、１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度でドープされたＩｎＡｓにより形成されている。

次に、図６（ｂ）に示すように、上部コンタクト層１５０の上に、画素に対応したメサを形成するためのハードマスク１８４を形成する。具体的には、上部コンタクト層１５０の上に、プラズマ化学気相堆積（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）により、膜厚が５００ｎｍのＳｉＯＮ膜を形成する。この後、ＳｉＯＮ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、ハードマスク１８４が形成される領域に、レジストパターン１８５を形成する。この後、エッチングガスとして、ＡｒとＣＦ_４を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）により、レジストパターン１８５が形成されていない領域のＳｉＯＮ膜を除去する。これにより、残存するＳｉＯＮ膜によりハードマスク１８４を形成することができる。

次に、図７（ａ）に示すように、ハードマスク１８４をマスクとして、ＲＩＥにより、上部コンタクト層１５０、ｎ型超格子層１４０、超格子吸収層１３０、第２のｐ型超格子層１２０を除去することにより、複数のメサ１８６を形成する。このＲＩＥを行う際には、エッチングガスとしてＡｒとＢＣｌ_３を用い、四重極形質量分析計等を用いてＧａが検出されなくなったらエッチングを停止する終点検知を行う。これにより、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子構造により形成されている第１のｐ型超格子層１１０の表面が露出した直後にエッチングを停止することができる。この後、リン酸、クエン酸、過酸化水素水、水の混合溶液により、メサ１８６の側面部分を約１００ｎｍエッチングすることにより、ＲＩＥによって受けたメサ１８６の側面部分のダメージ領域を除去する。この後、ＢＨＦによりＳｉＯＮにより形成されているハードマスク１８４を除去する。

次に、図７（ｂ）に示すように、メサ１８６の上面及び側面、第１のｐ型超格子層１１０の表面に、保護膜１６０を形成する。保護膜１６０は、ＳｉＨ_４／ＮＨ_３ガスを用いたプラズマＣＶＤにより、ＳｉＮ（シリコン窒化）膜を膜厚が３００ｎｍとなるように成膜することにより形成する。

次に、図８（ａ）に示すように、上部コンタクト層１５０の上に上部電極１７１を形成し、第１のｐ型超格子層１１０の上に下部電極１７２を形成する。具体的には、保護膜１６０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、上部電極１７１及び下部電極１７２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、ＲＩＥにより、レジストパターンの形成されていない領域における保護膜１６０を除去することにより、上部電極１７１が形成される領域の上部コンタクト層１５０の表面、下部電極１７２が形成される領域の第１のｐ型超格子層１１０の表面を露出させる。この後、レジストパターンを有機溶剤により除去した後、再び、保護膜１６０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、上部電極１７１及び下部電極１７２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、真空蒸着により、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕにより形成された積層金属膜を成膜し、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上の金属積層膜をレジストパターンとともにリフトオフにより除去する。これにより、残存する金属積層膜により、上部コンタクト層１５０の上に上部電極１７１を形成し、第１のｐ型超格子層１１０の上に下部電極１７２を形成することができる。これにより、１つのメサ１８６を１画素とする複数の画素を有する画素アレイ１０１が形成される。尚、画素アレイ１０１は、ＧａＳｂ基板１８１、ｐ^＋型ＩｎＡｓＳｂ層１８２、ｐ^＋型ＧａＳｂ層１８３が除去されたものを意味するが、説明の便宜上、これらが除去される前のものについても、画素アレイ１０１と記載する場合がある。

次に、図８（ｂ）に示すように、上部電極１７１等の上にＩｎバンプ１９０を形成する。具体的には、保護膜１６０、上部電極１７１及び下部電極１７２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、Ｉｎバンプ１９０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、真空蒸着によりＩｎ膜を成膜し、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のＩｎ膜をリフトオフにより除去する。これにより、残存するＩｎ膜によりＩｎバンプ１９０を形成することができる。本実施の形態においては、図示はしないが、端部にはダミーメサが形成されており、ダミーメサの上面には下部電極１７２と接続されている電極が形成されており、この電極の上にも、Ｉｎバンプが形成されている。尚、この電極と下部電極１７２とは、ダミーメサの側面の保護膜１６０の上に形成された不図示の配線により接続されている。

次に、図９（ａ）に示すように、画素アレイ１０１とＲＯＩＣ２００とをＩｎバンプ１９０によりフリップチップボンディングによりハイブリッド接続し、更に、画素アレイ１０１とＲＯＩＣ２００との間にアンダーフィル１９１を充填し硬化させる。尚、フリップチップボンディングの際にはＲＯＩＣ２００側にもＩｎバンプがあってもよく、その場合、図９（ａ）のＩｎバンプ１９０は、二つのＩｎバンプが融合したものである。

次に、図９（ｂ）に示すように、ＧａＳｂ基板１８１、ｐ^＋型ＩｎＡｓＳｂ層１８２、ｐ^＋型ＧａＳｂ層１８３を除去する。具体的には、厚さが約６２５μｍのＧａＳｂ基板１８１を背面研削により、残膜が約３０μｍになるまで除去した後、ＨＦ／ＣｒＯ_３の混合溶液により、ｐ^＋型ＩｎＡｓＳｂ層１８２をエッチングストッパ層として、ウェットエッチングにより除去する。この後、リン酸、過酸化水素水、水の混合溶液により、ｐ^＋型ＧａＳｂ層１８３をエッチングストッパ層として、ｐ^＋型ＩｎＡｓＳｂ層１８２をウェットエッチングにより除去する。この後、リン酸、クエン酸、過酸化水素水、水の混合溶液により、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂにより形成されている第１のｐ型超格子層１１０をエッチングストッパ層として、ｐ^＋型ＧａＳｂ層１８３をウェットエッチングにより除去する。この後、図示はしないが、赤外線の入射面となる第１のｐ型超格子層１１０が露出している面に反射防止膜を成膜する。このように、ＧａＳｂ基板１８１、ｐ^＋型ＩｎＡｓＳｂ層１８２、ｐ^＋型ＧａＳｂ層１８３を除去することにより、本実施の形態における赤外線検出器が形成される。

図１０は、赤外線検出器となる画素アレイ１０１とＲＯＩＣ２００とがフリップチップボンディングにより接続され、焦点面アレイとなるものの様子を模式的に示す。画素アレイ１０１は、メサにより形成された画素が２次元状に形成されており、各々の画素ごとに独立して近赤外線を検出することができる。画素アレイ１０１の各々のメサの上面には上部電極１７１が各々形成されている。ＲＯＩＣ２００には、上部電極１７１に対応する電極２０１が形成されており、対応する画素アレイ１０１の上部電極１７１と、ＲＯＩＣ２００の電極２０１とは、フリップチップボンディングによりＩｎバンプ１９０によって接続されている。ＲＯＩＣ２００の内部には、読み出し回路が設けられており、画素アレイ１０１において２次元状に形成される画素に入力した赤外線の強度の情報に基づき、近赤外線の２次元画像を得ることができる。

（撮像装置及び撮像システム）
次に、本実施の形態における撮像装置及び撮像システムについて、図１１に基づき説明する。本実施の形態における撮像システムは、光学系３１０、撮像装置３２０、補正信号処理部３３０、表示記録部３４０、冷却器３５０、制御部３６０を有している。撮像装置３２０は、シャッタ３２１、画素アレイ１０１、ＲＯＩＣ２００、及び温度センサ３２２を有している。

光学系３１０は、入射した近赤外線を画素アレイ１０１の撮像面に結像するものである。画素アレイ１０１では、撮像面に入射した近赤外光の強度を画素ごとに検出することができる。シャッタ３２１は、機械的シャッタ等の開閉可能なシャッタであり、開いている状態では赤外光が入射し、閉じている状態では赤外光の入射を遮断することができる。尚、ＲＯＩＣ内部のトランジスタのＯＮ／ＯＦＦによってもシャッタ機能を実現することができるため、シャッタ３２１は必須の構成要素ではない。

ＲＯＩＣ２００には、画素アレイ１０１における各々の画素に１対１に対応する画素読み出し回路が設けられており、各々の画素において検出された赤外線の光量に対応する電流をキャパシタに蓄積し、アンプによって電圧による電気信号に変換する。尚、温度センサ３２２は、撮像装置３２０の画素アレイ１０１の温度を検出することができる。

撮像装置３２０より出力される各々の画素の電気信号は、補正信号処理部３３０に入力される。補正信号処理部３３０では、入力された電気信号に対して、画素ごとの感度や非線形性のばらつきを補正する処理を行うことにより補正後の撮像データを生成する。補正信号処理部３３０から出力された補正後の撮像データは、表示記録部３４０に入力される。表示記録部３４０では、入力された撮像データを表示記録部３４０の表示部に撮像画像として表示し、表示記録部３４０の記録部に記録する。

制御部３６０は、光学系３１０、撮像装置３２０、補正信号処理部３３０、表示記録部３４０、冷却器３５０を制御する。制御部３６０は、所定のタイミングでシャッタ３２１を開閉することにより、画素アレイ１０１による撮像や、温度板を用いた補正処理が行われる。また、制御部３６０は、温度センサ３２２において検出された温度に基づき、冷却器３５０の動作を制御することにより、撮像装置３２０の温度を一定に保つことができる。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態における赤外線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、第１の実施の形態における赤外線検出器において、ｐ型とｎ型とを入れ換えた構造のものである。

具体的には、本実施の形態における赤外線検出器は、図１２に示されるように、第１のｎ型超格子層２１０、第２のｎ型超格子層２２０、超格子吸収層２３０、ｐ型超格子層２４０、上部コンタクト層２５０が形成されている。また、上部コンタクト層２５０の側から、上部コンタクト層２５０、ｐ型超格子層２４０、超格子吸収層２３０、第２のｎ型超格子層２２０をドライエッチングにより除去することにより、画素に対応した超格子層のメサが形成されている。また、超格子層のメサの全体を覆う保護膜１６０が形成されており、上部コンタクト層２５０の上に上部電極２７１、第１のｎ型超格子層２１０の上に下部電極２７２が形成されている。

本実施の形態においては、第１のｎ型超格子層２１０を第１の下部超格子層と記載し、第２のｎ型超格子層２２０を第２の下部超格子層と記載し、ｐ型超格子層２４０を上部超格子層と記載する場合がある。よって、本実施の形態における赤外線検出器においては、近赤外線は、破線矢印で示すように、第１の下部超格子層の側から入射する。

本実施の形態における赤外線検出器においては、第２のｎ型超格子層２２０、超格子吸収層２３０、ｐ型超格子層２４０は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子により形成されており、同じ超格子構造により形成されている。また、第２のｎ型超格子層２２０にはｎ型となる不純物元素がドープされており、ｐ型超格子層２４０にはｐ型となる不純物元素がドープされている。また、第１のｎ型超格子層２１０は、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子により形成されており、ｎ型となる不純物元素がドープされている。尚、第２のｎ型超格子層２２０、超格子吸収層２３０、ｐ型超格子層２４０は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子により形成してもよく、第１のｎ型超格子層２１０は、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子により形成してもよい。また、上部コンタクト層２５０は、ＩｎＡｓにより形成されており、ｐ型となる不純物元素がドープされている。

本実施の形態における赤外線検出器においても、第１の実施の形態における赤外線検出器と同様の効果を得ることができる。

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）
第１の導電型の第１の下部超格子層と、
前記第１の下部超格子層の上に形成された第１の導電型の第２の下部超格子層と、
前記第２の下部超格子層の上に形成された超格子吸収層と、
前記超格子吸収層の上に形成された第２の導電型の上部超格子層と、
を有し、
前記第２の下部超格子層、前記超格子吸収層及び前記上部超格子層は、同じ超格子構造により形成されており、
前記第１の下部超格子層は、前記第２の下部超格子層とは異なる材料の超格子構造により形成されており、
前記第１の下部超格子層の実効的なバンドギャップは、前記第２の下部超格子層の実効的なバンドギャップ以上であって、
前記第１の下部超格子層の側から入射した赤外光を検出することを特徴とする赤外線検出器。
（付記２）
前記第１の下部超格子層における不純物元素の濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、３×１０^１８／ｃｍ^３以下であり、
前記超格子吸収層における不純物元素の濃度は、５×１０^１６／ｃｍ^３以下であることを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。
（付記３）
前記第２の下部超格子層、前記超格子吸収層及び前記上部超格子層は、Ｇａを含む層を有する超格子構造により形成されており、
前記第１の下部超格子層は、Ｇａを含まない層による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または２に記載の赤外線検出器。
（付記４）
前記第２の下部超格子層、前記超格子吸収層及び前記上部超格子層は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子、または、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子により形成されており、
前記第１の下部超格子層は、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子、または、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子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に記載の赤外線検出器。
（付記５）
前記第２の下部超格子層、前記超格子吸収層及び前記上部超格子層は、Ｇａを含まない層による超格子構造により形成されており、
前記第１の下部超格子層は、Ｇａを含む層を有する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または２に記載の赤外線検出器。
（付記６）
前記第２の下部超格子層、前記超格子吸収層及び前記上部超格子層は、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子、または、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子により形成されており、
前記第１の下部超格子層は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子、または、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子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に記載の赤外線検出器。
（付記７）
前記第１の下部超格子層の厚さは、０．３μｍ以上、２．０μｍ以下であることを特徴とする付記１から６のいずれかに記載の赤外線検出器。
（付記８）
前記超格子吸収層におけるカットオフ波長は、１．０μｍ以上、２．５μｍ以下であることを特徴とする付記１から７のいずれかに記載の赤外線検出器。
（付記９）
近赤外線を検出することを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の赤外線検出器。
（付記１０）
前記第１の導電型はｐ型であり、前記第２の導電型はｎ型であることを特徴とする付記１から９のいずれかに記載の赤外線検出器。
（付記１１）
前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型であることを特徴とする付記１から９のいずれかに記載の赤外線検出器。
（付記１２）
前記第１の下部超格子層の上には、前記第２の下部超格子層、前記超格子吸収層及び前記上部超格子層により形成されるメサが２次元状に複数形成されており、
各々の前記メサを各々画素とすることを特徴とする付記１から１１のいずれかに記載の赤外線検出器。
（付記１３）
付記１２に記載された赤外線検出器を有し、
前記赤外線検出器における複数の前記画素により２次元画像を撮像することのできる撮像装置。
（付記１４）
付記１２に記載された赤外線検出器を有し、
前記赤外線検出器における複数の前記画素により２次元画像を撮像し、撮像画像の記録表示や、画像解析によって付加価値の高い情報を検知および表示することのできる撮像システム。

１１０ 第１のｐ型超格子層
１２０ 第２のｐ型超格子層
１３０ 超格子吸収層
１４０ ｎ型超格子層
１５０ 上部コンタクト層
１６０ 保護膜
１７１ 上部電極
１７２ 下部電極

Claims (14)

1. 第１の導電型の第１の下部超格子層と、
   前記第１の下部超格子層の上に形成された第１の導電型の第２の下部超格子層と、
   前記第２の下部超格子層の上に形成された超格子吸収層と、
   前記超格子吸収層の上に形成された第２の導電型の上部超格子層と、
   を有し、
   前記第２の下部超格子層、前記超格子吸収層及び前記上部超格子層は、同じ超格子構造により形成されており、
   前記第１の下部超格子層は、前記第２の下部超格子層とは異なる材料の超格子構造により形成されており、
   前記第１の下部超格子層の実効的なバンドギャップは、前記第２の下部超格子層の実効的なバンドギャップ以上であって、
   前記第１の下部超格子層の側から入射した赤外光を検出することを特徴とする赤外線検出器。
2. 前記第１の下部超格子層における不純物元素の濃度は、１×１０^１７／ｃｍ^３以上、３×１０^１８／ｃｍ^３以下であり、
   前記超格子吸収層における不純物元素の濃度は、５×１０^１６／ｃｍ^３以下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。
3. 前記第２の下部超格子層、前記超格子吸収層及び前記上部超格子層は、Ｇａを含む層を有する超格子構造により形成されており、
   前記第１の下部超格子層は、Ｇａを含まない層による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または２に記載の赤外線検出器。
4. 前記第２の下部超格子層、前記超格子吸収層及び前記上部超格子層は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子、または、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子により形成されており、
   前記第１の下部超格子層は、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子、または、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子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に記載の赤外線検出器。
5. 前記第２の下部超格子層、前記超格子吸収層及び前記上部超格子層は、Ｇａを含まない層による超格子構造により形成されており、
   前記第１の下部超格子層は、Ｇａを含む層を有する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または２に記載の赤外線検出器。
6. 前記第２の下部超格子層、前記超格子吸収層及び前記上部超格子層は、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子、または、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子により形成されており、
   前記第１の下部超格子層は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子、または、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子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に記載の赤外線検出器。
7. 前記第１の下部超格子層の厚さは、０．３μｍ以上、２．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の赤外線検出器。
8. 前記超格子吸収層におけるカットオフ波長は、１．０μｍ以上、２．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の赤外線検出器。
9. 近赤外線を検出することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の赤外線検出器。
10. 前記第１の導電型はｐ型であり、前記第２の導電型はｎ型であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の赤外線検出器。
11. 前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の赤外線検出器。
12. 前記第１の下部超格子層の上には、前記第２の下部超格子層、前記超格子吸収層及び前記上部超格子層により形成されるメサが２次元状に複数形成されており、
    各々の前記メサを各々画素とすることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の赤外線検出器。
13. 請求項１２に記載された赤外線検出器を有し、
    前記赤外線検出器における複数の前記画素により２次元画像を撮像することのできる撮像装置。
14. 請求項１２に記載された赤外線検出器を有し、
    前記赤外線検出器における複数の前記画素により２次元画像を撮像し、撮像画像の記録表示や、画像解析によって付加価値の高い情報を検知および表示することのできる撮像システム。
    

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