JP2023123272A - infrared device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、赤外線デバイスに関する。 The present disclosure relates to infrared devices.
赤外線デバイスとしては、受光した赤外線に応じた信号を出力する赤外線受光素子及び入力した電力に応じて赤外線を発光する赤外線発光素子が知られている。量子型の赤外線受光素子は、pn接合又はpin接合を有する半導体が赤外線を吸収することで発生した光電流により赤外線を検知する。赤外線受光素子は赤外線センサと称されることがある。また、量子型の赤外線受光素子は、例えば人体から発せられる赤外線を検知する人感センサ及び非接触温度センサなどに利用される。赤外線発光素子は順方向に印加した電圧により赤外線を発光する。赤外線発光素子は赤外線LED(light emitting diode)と称されることがある。赤外線受光素子及び赤外線発光素子は、例えばNDIR(non dispersive infrared)方式ガスセンサ(例えば特許文献1)に利用されることがある。NDIR方式ガスセンサは、検出対象ガスに応じた吸収波長帯の赤外線を受光する赤外線受光素子及びその吸収波長帯の赤外線を発光する赤外線発光素子を用いて、ガス濃度を計測することができる。 As infrared devices, an infrared light receiving element that outputs a signal corresponding to received infrared light and an infrared light emitting element that emits infrared light according to input power are known. A quantum-type infrared light receiving element detects infrared rays by photocurrent generated by absorption of infrared rays by a semiconductor having a pn junction or a pin junction. An infrared light receiving element is sometimes called an infrared sensor. Quantum-type infrared light receiving elements are used, for example, as human sensors and non-contact temperature sensors that detect infrared rays emitted from the human body. The infrared light emitting element emits infrared light by applying voltage in the forward direction. An infrared light emitting element is sometimes called an infrared LED (light emitting diode). An infrared light receiving element and an infrared light emitting element may be used, for example, in an NDIR (non dispersive infrared) type gas sensor (for example, Patent Document 1). The NDIR gas sensor can measure the gas concentration using an infrared light receiving element that receives infrared light in the absorption wavelength band corresponding to the gas to be detected and an infrared light emitting element that emits infrared light in the absorption wavelength band.
ここで、特許文献2の赤外線センサは、メサ(PN段差)型であって、メサ領域の上面及び側面をすべて電極で覆うことによって、基板裏面からの入射光の透過を防ぐ。近年、メサ領域の段差が大きい赤外線デバイスが製造されることがあり、上面及び側面をすべて電極で覆わなくても信頼性を高めることが可能な構造が求められている。 Here, the infrared sensor of Patent Document 2 is of a mesa (PN stepped) type, and by covering the entire top surface and side surfaces of the mesa region with electrodes, the transmission of incident light from the back surface of the substrate is prevented. In recent years, infrared devices with large steps in the mesa region are sometimes manufactured, and there is a demand for a structure capable of improving reliability without covering the entire top surface and side surfaces with electrodes.
かかる点に鑑みてなされた本開示の目的は、信頼性を高めた赤外線デバイスを提供することにある。 An object of the present disclosure made in view of such points is to provide an infrared device with improved reliability.
一実施態様に係る赤外線デバイスは、
基板と、
前記基板の一方の面である表面に設けられて平坦部及び凸部を有する第1の導電型の第1の半導体層と、前記凸部の上に積層された活性層となる第2の半導体層と、前記第2の半導体層の上に積層された第2の導電型の第3の半導体層と、を含み、前記凸部と、前記第2の半導体層と、前記第3の半導体層とで第1のメサ部を、前記平坦部で第2のメサ部を形成する半導体積層部と、
前記第1のメサ部の上面に設けられた第1のコンタクトホールと、
前記平坦部に設けられた第2のコンタクトホールと、
前記第1のメサ部の一部である露出部を露出させて、前記露出部を除く前記第1のメサ部の全体を覆う第1の電極と、を備え、
前記露出部は、前記第1のコンタクトホールと前記第2のコンタクトホールとの間の領域を含む。
An infrared device according to one embodiment comprises:
a substrate;
A first semiconductor layer of a first conductivity type provided on a surface which is one surface of the substrate and having a flat portion and a convex portion, and a second semiconductor layer laminated on the convex portion and serving as an active layer. and a third semiconductor layer of a second conductivity type stacked on the second semiconductor layer, wherein the protrusion, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer a semiconductor lamination portion forming a first mesa portion with and forming a second mesa portion with the flat portion;
a first contact hole provided on the upper surface of the first mesa;
a second contact hole provided in the flat portion;
a first electrode that exposes an exposed portion that is a part of the first mesa portion and covers the entire first mesa portion excluding the exposed portion;
The exposed portion includes a region between the first contact hole and the second contact hole.
本開示によれば、信頼性を高めた赤外線デバイスを提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide an infrared device with improved reliability.
以下、本開示の第1の実施形態に係る赤外線受光素子100が図面を用いて説明される。赤外線受光素子100は赤外線デバイスの一例であってメサ型のデバイスである。ここで、以下に説明される赤外線受光素子100と同一の構造で、赤外線発光素子200が構成され得る。つまり、本実施形態において説明される赤外線受光素子100の構造は、そのまま赤外線発光素子200の構造とすることができる。換言すると、本実施形態において、代表して赤外線受光素子100を用いて、これらの赤外線デバイスの構造が説明される。 The infrared light receiving element 100 according to the first embodiment of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. The infrared light receiving element 100 is an example of an infrared device and is a mesa type device. Here, the infrared light emitting device 200 can be configured with the same structure as the infrared light receiving device 100 described below. That is, the structure of the infrared light receiving element 100 described in this embodiment can be used as the structure of the infrared light emitting element 200 as it is. In other words, in this embodiment, the structure of these infrared devices will be described using the infrared light receiving element 100 as a representative.
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、本実施形態は、本開示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。本開示の技術的思想は、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。 In each figure described below, the same reference numerals are given to the parts corresponding to each other, and the description of the overlapping parts will be omitted as appropriate. Further, the present embodiment exemplifies the configuration for embodying the technical idea of the present disclosure, and does not specify the material, shape, structure, arrangement, dimensions, etc. of each part as follows. Various modifications can be made to the technical idea of the present disclosure within the technical scope defined by the claims.
図1は、本実施形態に係る赤外線受光素子100の構成例を示す図である。図1の下図は赤外線受光素子100の平面図であって、赤外線受光素子100のメサ領域を上方から見た図である。図1の上図は下図に示されるA-Aにおける赤外線受光素子100の断面図である。図1に示すように、赤外線受光素子100は、基板1と、基板1の一方の面(以下、表面1a)に設けられた半導体積層部と、第1のコンタクトホール35と、第2のコンタクトホール36と、を備える。また、赤外線受光素子100は、第1のコンタクトホール35を覆う第1の電極43と、第2のコンタクトホール36を覆う第2の電極45と、を備える。また、図1の上図の太い矢印のように、赤外線受光素子100には、基板1の表面1aと反対の面(裏面)から光が入射する。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an infrared light receiving element 100 according to this embodiment. 1 is a plan view of the infrared light receiving element 100, showing the mesa region of the infrared light receiving element 100 viewed from above. The upper diagram of FIG. 1 is a cross-sectional view of the infrared light receiving element 100 along AA shown in the lower diagram. As shown in FIG. 1, the infrared light receiving element 100 includes a
半導体積層部は、第1のメサ部10と、基板1の表面1a側であって第1のメサ部10の下方に設けられた第2のメサ部20と、を含む。図1に示すように、半導体積層部は、平坦部11a及び凸部11bを有する第1の導電型の第1の半導体層11と、凸部11bの上に積層された活性層となる第2の半導体層12と、第2の半導体層12の上に積層された第2の導電型の第3の半導体層13と、を含む。活性層である第2の半導体層12では光電変換が行われる。第1のメサ部10は、凸部11bと、第2の半導体層12と、第3の半導体層13と、で形成される。また、第2のメサ部20は、平坦部11aで形成される。
The semiconductor laminated portion includes a
ここで、上記の「凸部11bの上に積層された活性層」という説明における「上」の文言は、活性層が凸部11bの直上に形成されていることを含むが、凸部11bと活性層との間に別の層がさらに存在する場合も含む。その他の層同士の関係を表現するときに「上」という文言が使用される場合にも、同様の意味を有するものとする。例えば、第2の半導体層12と第3の半導体層13との間には別の半導体が含まれてよい。
Here, the word “upper” in the above description of “the active layer laminated on the
導電型は、キャリアの種別に従ったいわゆるn型又はp型のいずれかをいう。典型的には、n型半導体は、例えばリン(P)等のドナー不純物がドーピングされた不純物半導体である。また、p型半導体は、例えばホウ素(B)等のアクセプター不純物がドーピングされた不純物半導体である。本実施形態では、バースタイン-モス効果(Burstein-Moss effect)による赤外線透過率の向上の観点から、第1の導電型をn型とし、第2の導電型をp型とする。ただし、組み合わせはこれに限られず、第1の導電型をp型とし、第2の導電型をn型としてよい。 Conductivity type refers to either so-called n-type or p-type according to the type of carrier. Typically, the n-type semiconductor is an impurity semiconductor doped with a donor impurity such as phosphorus (P). A p-type semiconductor is an impurity semiconductor doped with an acceptor impurity such as boron (B). In this embodiment, from the viewpoint of improving the infrared transmittance by the Burstein-Moss effect, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, the combination is not limited to this, and the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.
第1の半導体層11、第2の半導体層12及び第3の半導体層13の材料は限定されない。第1の半導体層11、第2の半導体層12及び第3の半導体層13は、例えばAl、P、Ga、As、In、Sbなどの材料を含んでよい。また、それぞれの元素の比率も適宜調整することが出来る。一例として、第1の半導体層11、第2の半導体層12及び第3の半導体層13は、少なくともInを含む化合物であるIn化合物であってよい。
Materials for the
また、赤外線受光素子100は、第1のメサ部10と第2のメサ部20とを連続して覆っている絶縁膜30を備える。本実施形態においては、絶縁膜30は、第1のコンタクトホール35及び第2のコンタクトホール36以外の第1のメサ部10と第2のメサ部20を覆っている。赤外線受光素子100は、絶縁膜30に設けられた第1のコンタクトホール35を通して第1のメサ部10の上面T1に接合された第1の電極部を有する。図1の上図に示すように、第1のメサ部10の上面T1に設けられた第1のコンタクトホール35を覆う第1の電極43は、第2のコンタクトホール36から遠い側の第1のメサ部10の側面に延びている。また、第1の電極43は、第2のコンタクトホール36側の側面以外の側面の80%以上を覆っていることが好ましく、90%以上覆っていることがより好ましく、100%覆っていることがより好ましい。ここで、第2のコンタクトホール36側の側面とは、第2のコンタクトホール36と対向する面を有する側面であり、通常は1つの側面であるが、2つの側面が第2のコンタクトホール36が対向していれば、2つともの側面が第2のコンタクトホール36側の側面となる。
The infrared light receiving element 100 also includes an
また、赤外線受光素子100は、絶縁膜30に設けられた第2のコンタクトホール36を通して第2のメサ部20の上面に接合された第2の電極部を有する。図1の上図に示すように、平坦部11aに設けられた第2のコンタクトホール36を覆う第2の電極45は、第1のコンタクトホール35から離れる方向に延びている。ここで、第1のメサ部10の第2のメサ部20との境界面を第1のメサ部10の下面と称することがある。図1の上図では、第1のメサ部10の下面は破線で示されている。第1のメサ部10の上面T1に第1のコンタクトホール35が設けられ、第1のメサ部10の下面の延長上に第2のコンタクトホール36が設けられている。
The infrared light receiving element 100 also has a second electrode portion joined to the upper surface of the
図1に示すように、本実施形態に係る赤外線受光素子100では、第1の電極43が、第1のメサ部10の一部である露出部44を露出させる。第1の電極43は、露出部44を除く第1のメサ部10の全体を覆うように構成される。露出部44は、第1のコンタクトホール35と第2のコンタクトホール36との間の領域を含む。ここで、第1のメサ部10は、他の部分がさらに露出していてよい。つまり、露出部44は、少なくとも第1のコンタクトホール35と第2のコンタクトホール36との間の領域を含めばよい。本実施形態において、露出部44は、第1のメサ部10の側面から上面T1まで延在している。本実施形態に係る赤外線受光素子100は、露出部44を有することによって、電極間の短絡のおそれを低減する、すなわち絶縁性を高めることができる。よって、赤外線受光素子100の品質についての信頼性が高まる。ここで、十分な絶縁性を得るために、第1のコンタクトホール35を覆う第1の電極43は、第2のコンタクトホール36を覆う第2の電極45から少なくとも3μmの間隔を空けて配置されていることが好ましい。露出部44は、第1のコンタクトホール35と第2のコンタクトホール36との間のうち、第1のメサ部10の側面だけに設けられてよいし、第1のメサ部10の上面T1だけに設けられてよいが、少なくとも第1のメサ部10の側面に設けられていることが好ましく、第1のメサ部10の側面から上面T1まで延在していることがより絶縁性を高めることができるため好ましい。
As shown in FIG. 1 , in the infrared light receiving element 100 according to this embodiment, the
ここで、本実施形態において露出部44が第1のメサ部10の上面T1まで延在するが、基板1の裏面からの入射光の透過を防ぐ観点から、露出部44が大きくなり過ぎないことが好ましい。例えば、第1のメサ部10の上面T1の面積の80%以上が第1の電極43で覆われていることが好ましい。このとき、露出部44でない第1のメサ部10の側面と80%以上の上面T1が第1の電極43で覆われるため、入射光の透過を大きく防ぐことが可能である。
Here, in the present embodiment, the exposed
ここで、第1のコンタクトホール35の面積は、第1のメサ部10の上面T1の大きさに応じて定められ、特に限定されるものでない。ただし、コンタクト抵抗を低減する観点から、平面視で、第1のコンタクトホール35の面積は、第1のメサ部10の上面T1の面積の40%以上であることが好ましい。
Here, the area of the
本実施形態に係る赤外線受光素子100は以下の工程によって製造されてよい。まず、基板1の表面1aに第1の導電型の第1の半導体層11が形成される。次に、第1の半導体層11の上に真性の第2の半導体層12が形成される。そして、第2の半導体層12の上に第2の導電型の第3の半導体層13が形成される。つまり、基板1上に、第1の半導体層11、第2の半導体層12及び第3の半導体層13が、この順で成膜される。第1の半導体層11、第2の半導体層12及び第3の半導体層13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われてよい。
The infrared light receiving element 100 according to this embodiment may be manufactured by the following steps. First, a first conductive type
次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、第3の半導体層13の上にレジストパターンが形成される。レジストパターンのマスクを形成するマスク工程の前に、第3の半導体層13の上にSiO2などのハードマスクを形成して、レジストパターンが第3の半導体層13に直に接触しないようにしてよい。
Next, a resist pattern is formed on the
次に、レジストパターンをマスクに、第3の半導体層13、第2の半導体層12及び第1の半導体層11の凸部11bに順次エッチング処理が施される。これにより、第1のメサ部10が形成される。
Next, using the resist pattern as a mask, the
ここで、本実施形態に係る赤外線受光素子100は、露出部44を有するため、レジストを剥離するための剥離液が入りやすい。本実施形態のように露出部44が第1のメサ部10の上面T1まで延在している場合に、特に剥離液が入りやすい効果が高まる。また、メサ領域の段差が大きくなると、赤外線受光素子100の製造においてレジストの剥離の工程が難化するが、本実施形態に係る赤外線受光素子100の構造は剥離液が入りやすいため、加工性及び歩留まりを向上させる。よって、赤外線受光素子100の量産性と信頼性が高まる。
Here, since the infrared light receiving element 100 according to the present embodiment has the exposed
ここで、第1のメサ部10を形成する場合に、第3の半導体層13、第2の半導体層12及び第1の半導体層11の凸部11bをエッチングするためのエッチングガスとして、ハロゲンガス、ハロゲンを組成に含むガス(以下、ハロゲン系ガス)又はこれらの混合ガスが用いられてよい。ハロゲンガスの例として、塩素ガス(Cl2)が挙げられる。ハロゲン系ガスの例として、塩化水素ガス(HCl)、臭化水素ガス(HBr)等が挙げられる。エッチングガスに酸素ガスといった酸化作用を持つガスを含まないことによって、レジストと半導体層の選択比が向上し、エッチング工程中のレジストの消失を防ぐことができる。
Here, when forming the
以上のように、本実施形態に係る赤外線受光素子100は、上記の構成によって、信頼性を高めることができる。 As described above, the reliability of the infrared light receiving element 100 according to the present embodiment can be improved by the above configuration.
また、赤外線受光素子100と同一の構造を有する本実施形態に係る赤外線発光素子200は、赤外線受光素子100と同様に上記の効果を奏する。 Further, the infrared light emitting element 200 according to the present embodiment, which has the same structure as the infrared light receiving element 100, has the same effects as the infrared light receiving element 100.
本開示の実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部などを1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。 Although the embodiments of the present disclosure have been described with reference to drawings and examples, it should be noted that various variations or modifications can be easily made by those skilled in the art based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations or modifications are included within the scope of this disclosure. For example, functions included in each component can be rearranged so as not to be logically inconsistent, and multiple components can be combined into one or divided.
上記の実施形態において、平面視で第1のメサ部10の形状が五角形であるとして例示したが、第1のメサ部10の形状は限定されない。例えば平面視で第1のメサ部10の形状がN個の角を有する多角形である場合に、少なくとも(N/2)個以上の角が第1の電極43で覆われていればよい。図1の例(N=5)では、(N/2)個以上である3個の角が第1の電極43で覆われている。
In the above embodiment, the shape of the
図2は、平面視で第1のメサ部10が四角形(N=4)である赤外線デバイスを示す図である。図1と同様に、図2の下図が平面図であって、上図が下図のA-A断面図である。図2の例において、赤外線デバイスの断面構造は図1と同じである。図2の下図に示すように、第1のメサ部10の2個の角が第1の電極43で覆われている。図2に示される赤外線デバイスも、上記の実施形態と同様に、信頼性を高めることができる。
FIG. 2 shows an infrared device in which the
1 基板
1a 表面
10 第1のメサ部
11 第1の半導体層
11a 平坦部
11b 凸部
12 第2の半導体層
13 第3の半導体層
20 第2のメサ部
30 絶縁膜
35 第1のコンタクトホール
36 第2のコンタクトホール
43 第1の電極
44 露出部
45 第2の電極
100 赤外線受光素子
200 赤外線発光素子
Claims (6)
前記基板の一方の面である表面に設けられて平坦部及び凸部を有する第1の導電型の第1の半導体層と、前記凸部の上に積層された活性層となる第2の半導体層と、前記第2の半導体層の上に積層された第2の導電型の第3の半導体層と、を含み、前記凸部と、前記第2の半導体層と、前記第3の半導体層とで第1のメサ部を、前記平坦部で第2のメサ部を形成する半導体積層部と、
前記第1のメサ部の上面に設けられた第1のコンタクトホールと、
前記平坦部に設けられた第2のコンタクトホールと、
前記第1のメサ部の一部である露出部を露出させて、前記露出部を除く前記第1のメサ部の全体を覆う第1の電極と、を備え、
前記露出部は、前記第1のコンタクトホールと前記第2のコンタクトホールとの間の領域を含む、赤外線デバイス。 a substrate;
A first semiconductor layer of a first conductivity type provided on a surface which is one surface of the substrate and having a flat portion and a convex portion, and a second semiconductor layer laminated on the convex portion and serving as an active layer. and a third semiconductor layer of a second conductivity type stacked on the second semiconductor layer, wherein the protrusion, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer a semiconductor lamination portion forming a first mesa portion with and forming a second mesa portion with the flat portion;
a first contact hole provided on the upper surface of the first mesa;
a second contact hole provided in the flat portion;
a first electrode that exposes an exposed portion that is a part of the first mesa portion and covers the entire first mesa portion excluding the exposed portion;
The infrared device, wherein the exposed portion includes a region between the first contact hole and the second contact hole.
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