JP2023143360A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高い抵抗を有する赤外線センサが提供される。【解決手段】赤外線センサは、複数の化合物半導体層が形成された化合物半導体の積層体を備え、化合物半導体の積層体は、Ｉｎ及びＳｂを含む化合物半導体である活性層と、活性層よりも大きなバンドギャップを有する化合物半導体であるバリア層と、化合物半導体である第三層を備え、活性層と、バリア層と、第三層がこの順に接していて、活性層と第三層の格子不整合が０．１％より大きく、バリア層の膜厚が、第三層に対する臨界膜厚ｈｃ３より大きく、活性層に対する臨界膜厚ｈｃＡより小さい。【選択図】図１

Description

本開示は赤外線センサに関する。

特に２～１５μｍ程度の波長を有する短波長から、中波長、長波長赤外線の領域（中赤外域と称する）の赤外線は、気体分子が特有の吸収帯を示すことから、非分散赤外吸収式のガス濃度測定装置に用いられてきた。その中で、赤外線センサは、ガス濃度測定器の検出分解能及び消費電力といった主要性能を大きく左右する重要な部材であり、所望の波長における高い受光感度を有する赤外線センサが求められてきた。赤外線センサとして例えば、赤外線フォトダイオード（ＰＤ）、焦電センサ、サーモパイル等が知られている。この中でも特に半導体を用いた赤外線ＰＤは、材料設計により、所望の波長帯での受光が可能であり、ガス濃度測定器に用いられてきた。

高性能な赤外線ＰＤの作製において、化合物半導体層の結晶性の向上が重要となる。特に活性層に影響する貫通転位密度を減少させるため、活性層よりも基板側に積層される下地層に関する改良がなされてきた。特許文献１は、ＡｌＩｎＳｂ下地層中に異なる格子定数を持ち、膜厚が臨界膜厚以下であるＡｌＩｎＳｂ層を導入するといった改良により、貫通転位密度が減少することを開示する。特許文献２は、ＩｎＡｓＳｂ下地層とＩｎＡｓＳｂ活性層の間のＩｎＡｓ中間層の膜厚を臨界膜厚以上とするといった改良により、貫通転位密度が減少することを開示する。

特開２０１９－１１４７７２号公報 特開２０１５－０９０９０１号公報

一般に、活性層と下地層若しくは上部層の材料の格子定数は一致させることが好まれる。しかし、格子定数の異なる元素を含む混晶系において、混晶比が大きくなるほど結晶性が悪くなることが知られている。従って、下地層若しくは上部層の格子定数と活性層の格子定数に差を生じさせても、下地層若しくは上部層の混晶比を小さくすることで、結果的に性能が向上する場合がある。しかしそのような場合、活性層と下地層若しくは上部層との格子不整合に起因して、活性層と下地層若しくは上部層の界面に結晶欠陥が導入され、界面付近における欠陥起因のキャリア再結合レートが増加し、素子抵抗が減少してしまう。

本開示はこのような事情を鑑みてされたものであって、高い抵抗を有する赤外線センサを提供することを目的とする。

本開示の一実施形態に係る赤外線センサは、
複数の化合物半導体層が形成された化合物半導体の積層体を備え、
前記化合物半導体の積層体は、
Ｉｎ及びＳｂを含む化合物半導体である活性層と、
前記活性層よりも大きなバンドギャップを有する化合物半導体であるバリア層と、
化合物半導体である第三層を備え、
前記活性層と、前記バリア層と、前記第三層がこの順に接していて、
前記活性層と前記第三層の格子不整合が０．１％より大きく、
前記バリア層の膜厚が、
前記第三層に対する臨界膜厚ｈ_ｃ３より大きく、
前記活性層に対する臨界膜厚ｈ_ｃＡより小さい。

本開示によれば、バリア層において適切な膜厚を選択することで、高い抵抗を有する赤外線センサを提供することができる。

図１は、一実施形態に係る赤外線センサの構造を示す図である。 図２は、一実施形態に係る赤外線センサの構造を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態が説明される。ただし、図面は模式的なものである。例えば厚み、長さ等は現実のものと異なる。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、様々な変更を加えることができる。以下の実施形態は、特許請求の範囲の内容を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが必須であるとは限らない。

＜赤外線センサ＞
本実施形態に係る赤外線センサは、波長が２μｍ～１５μｍの赤外線に感度を有するフォトダイオードである。赤外線センサは、半導体基板と、複数の化合物半導体層が形成された化合物半導体の積層体と、を備える。化合物半導体の積層体は活性層をｐ型半導体層とｎ型半導体層で挟んだ構造を含む。化合物半導体の積層体の少なくとも一部が後述の薄膜積層部に対応する。

＜基板＞
本実施形態に係る赤外線センサは、半導体基板を備えている。例えばＳｉ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＡｓ基板などを用いることができる。ＩｎＳｂ基板は、後述の活性層の材料と格子定数が近いことから、低欠陥で高性能な赤外線センサを形成するための基板として使用することができる。また、長波長赤外線の領域は、電子又はホールによる自由電子吸収が顕著となってくることから、不純物濃度（キャリア濃度）の低い半導体基板が好まれる。さらに半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いることにより、上記の自由電子吸収を抑制すると共に、基板上に形成した薄膜積層部を、電気的に絶縁分離することができる。従って電極配線を用いて、複数の薄膜積層部を直列に接続することにより、高い抵抗を有する赤外線センサを得ることが可能となる。

＜薄膜積層部＞
本実施形態に係る赤外線センサは、基板上に形成された薄膜積層部を備えている。薄膜積層部は少なくとも、活性層と、バリア層と、第三層がこの順に接している部分を有する。活性層と、バリア層と、第三層の積層順に関して、活性層と第三層のどちらが基板に近い側であってよい。

図１は、一実施形態の基板と薄膜積層部の構造を示す。本実施形態において、薄膜積層部は、基板上に下地層、活性層、バリア層、第三層がこの順に積層された構造である。下地層は、活性層よりも基板側に積層される層である。下地層がｎ型ドーピングされ、バリア層と第三層がｐ型ドーピングされている。ドーピングの組み合わせとして、逆に下地層がｐ型で、バリア層と第三層がｎ型であってよい。また、下地層及び第三層はｎｐトンネル接合を含んでいてよい。

図２は、別の実施形態の基板と薄膜積層部の構造を示す。本実施形態において、薄膜積層部は、基板上に第三層、バリア層、活性層、上部層がこの順に積層された構造である。上部層は活性層よりも基板から離れた側に積層される層である。第三層がｎ型ドーピングされ、バリア層と上部層がｐ型ドーピングされている。ドーピングの組み合わせとして、逆に下地層がｐ型で、バリア層と第三層がｎ型であってよい。また、下地層及び第三層はｎｐトンネル接合を含んでいてよい。

ｐ型ドーピングにはＺｎ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｇｅ等を用いてよい。ｎ型ドーピングにはＳｉ、Ｓｎ、Ｔｅ等を用いてよい。

＜活性層＞
活性層は、波長が２μｍ～１５μｍである赤外線の一部又は全部を受光することで、電子とホールのキャリア対を生成する。活性層はＩｎ及びＳｂを少なくとも含む化合物半導体である。活性層はＩｎ、Ａｓ及びＳｂを含む化合物半導体であってよい。活性層としては、例えばＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ（０≦Ａｌ＋Ｇａ≦０．５、０≦Ａｓ≦１）を含む薄膜を用いることができる。ここで、括弧内の記載は混晶における同族元素中の組成比を示す。（０≦Ａｌ＋Ｇａ≦０．５）は、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂにおいて、ＡｌとＧａを合わせた三族元素中の組成比が０以上０．５以下であることを示す。また、（０≦Ａｓ≦１）は、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂにおいて、Ａｓの五族元素中の組成比が０以上１以下であること、すなわち、どのような比も取り得ることを示す。以下において、同様の記載によって組成比が示される。活性層は、当該材料からなる単一組成の薄膜であってよいし、異なる材料を積層してよい。また、活性層は、複数のバンドギャップを有する半導体層を用いた量子井戸構造を含む積層体としてよい。また、活性層はキャリアの熱励起による実効的なバンドギャップの増加を抑制するため、ｐ型ドーピングされていてよい。

活性層の構成材料としてＩｎＡｓＳｂ（０＜Ａｓ＜０．３６）を用いることで、ＩｎＳｂを用いる場合よりも長い波長の赤外線への感度を比較的小さな混晶比で実現することができる。当該組成領域では、最大１５μｍまでの赤外線に対する感度が得られる。

また、更にＡｓ組成範囲を狭めることによって、より良い結晶成長が可能になることから、ＩｎＡｓＳｂ（０＜Ａｓ＜０．２０）が用いられてよい。当該組成領域では、最大１２μｍまでの赤外線に対する感度が得られる。

活性層の構成材料としてＩｎＡｓＳｂ（０．８＜Ａｓ≦１）が用いられてよい。当該組成領域では、３．４μｍ～５．７μｍの赤外線に対する感度が得られる。

活性層の構成材料としてＡｌＩｎＳｂ（０＜Ａｌ＜０．２）が用いられることで、ＩｎＳｂを用いる場合よりも短い波長の赤外線へ限定した感度と高いダイオード抵抗を比較的小さな混晶比で実現できる。当該組成領域では、２．３μｍ～７．３μｍの赤外線に対する感度が得られる。

＜第三層＞
第三層は活性層とバリア層に対して、基板側に積層される下地層であってよいし、基板から離れた側に積層される上部層であってよい。

第三層の混晶比を小さくするため、第三層と活性層の格子不整合ｆ_Ａ－３は０．１％以上であってよい。ｆ_Ａ－３は第三層の格子定数ａ_３と活性層の格子定数ａ_Ａを用いて式（１）により決定される。

各層の格子定数は材料組成とベガード則を用いて決定される、格子歪みが無い場合の格子定数である。また、材料組成が不明の場合はＸ線回折を用いた逆格子マッピング法により面内方向の格子定数と面直方向の格子定数をそれぞれ求め、その平均値として決定することもできる。

第三層のバンドギャップは、活性層以外での赤外線吸収を抑えるため活性層のそれより大きいことが望ましい。また第三層のバンドギャップは、電気伝導度を高くするため、バリア層のそれより小さいとよい。さらに電気伝導度を高くするため、第三層は、ｐ型若しくはｎ型にドーピングされていてよい。

第三層の構成材料として、例えばＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ（０≦Ａｌ＋Ｇａ≦０．５、０≦Ａｓ≦１）が用いられてよい。活性層にＩｎＡｓＳｂ（０＜Ａｓ＜０．３６）を用いる場合は、第三層にＡｌＩｎＳｂ（０≦Ａｌ＜０．３）を用いると活性層よりもバンドギャップが大きくなる。またさらに第三層にＩｎＳｂを用いると最も混晶比を小さくすることができる。

＜バリア層＞
バリア層は活性層と第三層に挟まれて積層される。バリア層は、活性層よりも大きなバンドギャップを持つ。バリア層は、構成材料として、例えばＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ（０≦Ａｌ＋Ｇａ≦０．５、０≦Ａｓ≦０．５）を含む。また、バリア層は上記の通りｐ型若しくはｎ型にドーピングされていてよい。

バリア層の構成材料として、特にＡｌＩｎＳｂ（０．１＜Ａｌ＜０．４）が用いられてよい。当該材料はＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ（０≦Ａｌ＋Ｇａ≦０．５、０≦Ａｓ≦１）の中でも、大きなバンドギャップをより小さい混晶比で実現できる。

従来、ある層の膜厚を臨界膜厚よりも大きくした場合、層界面に結晶欠陥が多く生じ、結晶欠陥の多くは界面から臨界膜厚程度の距離に局在することが知られている（例えば特許文献２）。

第三層に対するバリア層の臨界膜厚ｈ_ｃ３は、第三層の格子定数ａ_３とバリア層の格子定数ａ_Ｂとバリア層のポアソン比νを用いて、式（２）により求められる。ここで、ｆ_Ｂ－３は後述する式（４）で求められる。

同様に活性層の格子定数ａ_Ａとバリア層の格子定数ａ_Ｂとバリア層のポアソン比νを用いて、活性層に対するバリア層の臨界膜厚ｈ_ｃＡが、式（３）により求められる。ここで、ｆ_Ｂ－Ａは後述する式（５）で求められる。

各層の格子定数は材料組成とベガード則を用いて決定される、格子歪みが無い場合の格子定数である。また、材料組成が不明の場合はＸ線回折を用いた逆格子マッピング法により面内方向の格子定数と面直方向の格子定数をそれぞれ求め、その平均値として決定することもできる。

バリア層の膜厚をｈ_ｃ３より大きく、ｈ_ｃＡより小さくすることで、活性層とバリア層の界面の欠陥が少なく、第三層とバリア層の界面の欠陥は多い状態となる。このとき、第三層とバリア層の界面に生じた欠陥は、当該界面からｈ_ｃ３程度に局在するが、バリア層膜厚がｈ_ｃ３より大きいため、第三層とバリア層の界面に生じた欠陥が活性層に与える影響を抑えることができる。

例として、バリア層がＡｌ_０．１８Ｉｎ_０．８２Ｓｂである場合、すなわちａ_Ｂが０．６４１７ｎｍ、νが０．３４６４の場合のｈ_ｃ３を表１に示す。当該材料系においてａ_Ｂ及びνが臨界膜厚に与える影響は第三層とバリア層の格子不整合ｆ_Ｂ－３（式（４））の影響に比べ小さい。そのため、バリア層の材料が本例と異なる場合であっても、臨界膜厚の値は格子不整合が同じであれば大きく変化しない。

表１は、バリア層がＡｌ_０．１８Ｉｎ_０．８２Ｓｂの場合のｈ_ｃ３の例を示す。表１の各場合においてバリア層の膜厚はｈ_ｃ３よりも大きいとよい。

表２は、同様にバリア層がＡｌ_０．１８Ｉｎ_０．８２Ｓｂの場合のｈ_ｃＡの例を示す。当該材料系においてａ_Ｂ及びνが臨界膜厚に与える影響は活性層とバリア層の格子不整合ｆ_Ｂ－Ａ（式（５））の影響に比べ小さい。そのため、バリア層の材料が本例と異なる場合であっても、臨界膜厚の値は格子不整合が同じであれば大きく変化しない。表２の各場合においてバリア層の膜厚はｈ_ｃＡよりも小さいとよい。

また、バリア層はバンドギャップが大きく伝導度が小さくなるため、効率的なキャリア取り出しのために、厚さが３００ｎｍ以下であると更によい。

また、上記の膜設計に従えば、バリア層と第三層の界面で格子緩和が発生し、バリア層と活性層の界面では格子緩和が発生しない。従って、バリア層の面内格子定数は第三層の面内格子定数よりも活性層の面内格子定数に近いとよい。すなわちバリア層と活性層の面内格子不整合は、バリア層と第三層の面内格子不整合より小さいとよい。上記の面内格子不整合は、式（４）、式（５）において、各層の格子定数ａ_Ａ、ａ_Ｂ、ａ_３をそれぞれ対応する層の面内方向の格子定数で置き換えたものに等しい。面内方向の格子定数は逆格子マッピングなどにより求めることができる。

（比較例１）
表３は比較例１に係る薄膜積層部の構成を示す。比較例１において、層番号１～４は下地層で、ノンドープ若しくはＳｎをドープすることでｎ型化されたＡｌＩｎＳｂ（Ａｌが０、０．０９のいずれか）で構成される。層番号５は下地側のバリア層で、Ａｌ_０．１８Ｉｎ_０．８２Ｓｂで構成され、Ｓｎドーピングによりｎ型化されている。以上のｎ型層のドーピング濃度はいずれも７×１０^１８／ｃｍ^３である。層番号６がＩｎＡｓ_０．１３Ｓｂ_０．８７からなる活性層で、Ｚｎを用いてｐ^―型ドーピングされている。活性層のドーピング濃度は３×１０^１７／ｃｍ^３である。層番号７は上部側のバリア層で、Ａｌ_０．１８Ｉｎ_０．８２Ｓｂで構成され、Ｚｎを用いて３×１０^１７／ｃｍ^３にｐ型ドーピングされている。層番号８はＩｎＳｂからなる上部層で、Ｚｎを用いて３×１０^１８／ｃｍ^３にｐ型ドーピングされている。

比較例１の層番号４を第三層、層番号６を活性層としたとき、活性層と第三層の格子不整合はｆ_Ａ－３が０．４％と、０．１％以上の格子不整合が存在する。層番号５のバリア層の臨界膜厚についてｈ_ｃ３が１１２．７ｎｍ、ｈ_ｃＡが６３５ｎｍであるのに対し、バリア層の膜厚は２３ｎｍであり、バリア層の膜厚がｈ_ｃ３よりも小さい。

また、比較例１の層番号８を第三層、層番号６を活性層としたとき、活性層と第三層の格子不整合はｆ_Ａ－３が０．８％と、０．１％以上の格子不整合が存在する。層番号７のバリア層の臨界膜厚についてｈ_ｃ３が４７．９ｎｍ、ｈ_ｃＡが６３５ｎｍであるのに対し、バリア層の膜厚は２３ｎｍであり、バリア層の膜厚がｈ_ｃ３よりも小さい。

（実施例１）
表４は実施例１に係る薄膜積層部の構成を示す。実施例１は、比較例１の構成において層番号５のバリア層の膜厚を１１４ｎｍに厚膜化し、代わりに層番号４の膜厚を減少させて、合計膜厚を比較例１と合わせている。この場合、活性層と第三層に０．１％より大きい格子不整合が存在し、かつバリア層の膜厚は、ｈ_ｃ３の１１２．７ｎｍより大きく、ｈ_ｃＡの６３５ｎｍより小さい。

また、表４の構造を実際に成膜し、逆格子マッピング法により、第三層、バリア層、活性層について面内方向の格子定数を求めると、それぞれ０．６４５２ｎｍ、０．６４４３ｎｍ、０．６４３８ｎｍであった。従って、バリア層と活性層の面内格子不整合０．０８％は、第三層とバリア層の面内格子不整合０．１４％よりも小さい。

（実施例２）
表５は実施例２に係る薄膜積層部の構成を示す。実施例２は、比較例１の構成において層番号７のバリア層の膜厚を１１４ｎｍに厚膜化し、代わりに層番号６の膜厚を減少させて、合計膜厚を比較例１と合わせている。この場合、活性層と第三層に０．１％より大きい格子不整合が存在し、かつバリア層の膜厚は、ｈ_ｃ３の４７．９ｎｍより大きく、ｈ_ｃＡの６３５ｎｍより小さい。

また、表５の構造を実際に成膜し、逆格子マッピング法により、第三層、バリア層、活性層について面内方向の格子定数を求めると、それぞれ０．６４３６ｎｍ、０．６４３４ｎｍ、０．６４３４ｎｍであった。従って、バリア層と活性層の面内格子不整合０．００％は、第三層とバリア層の面内格子不整合０．０４％よりも小さい。

（作製手順）
比較例１、実施例１及び実施例２の赤外線センサはいずれも以下の手順で作製された。まず、半絶縁性のＧａＡｓ基板上に、表３から表５に示される薄膜積層部がＭＢＥ法にて形成された。ドライエッチ法により、上部から層番号４の途中までエッチングすることでメサ構造を形成し、ＳｉＯ_２及びＳｉＮからなる保護層を形成後、電極と半導体とのコンタクト部について窓開けが行われた。次いで、当該窓開け部を覆うようにＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ層からなる電極層が形成された。メサ構造の面積は約２３０μｍ^２である。赤外光はＧａＡｓ基板側から入射されることで、基板、下地層を透過し、活性層にて吸収される。活性層にて生じたキャリア対のうち、ホールが層番号８と接続した電極層へ、電子が層番号４と接続した電極層へ取り出される。あるメサの層番号８と接続した電極層と、別のメサの層番号４と接続した電極層とを電気的に接続することで、６４３個のメサが直列に接続された。

比較例１、実施例１、実施例２の無バイアス下での抵抗値はそれぞれ２４．８ｋΩ、２６．９ｋΩ、２７．０ｋΩであった。すなわち実施例１、実施例２のそれぞれにおいて抵抗値について１．０８倍、１．０９倍の改善が確認された。一方で比較例１に対して、実施例１及び実施例２の受光感度はほぼ変化が無かった。赤外線センサのＳＮ比は、（受光感度）×（抵抗値）^１／２に比例する。比較例１に対する実施例１及び実施例２のＳＮ比はいずれも１．０４倍の改善であった。すなわち、赤外線センサの性能が向上することが確認された。

以上のように、本実施形態に係る赤外線センサは、上記のように、バリア層において適切な膜厚を選択することで、高い抵抗を有する赤外線センサとなる。

Claims (5)

1. 複数の化合物半導体層が形成された化合物半導体の積層体を備え、
   前記化合物半導体の積層体は、
   Ｉｎ及びＳｂを含む化合物半導体である活性層と、
   前記活性層よりも大きなバンドギャップを有する化合物半導体であるバリア層と、
   化合物半導体である第三層を備え、
   前記活性層と、前記バリア層と、前記第三層がこの順に接していて、
   前記活性層と前記第三層の格子不整合が０．１％より大きく、
   前記バリア層の膜厚が、
   前記第三層に対する臨界膜厚ｈ_ｃ３より大きく、
   前記活性層に対する臨界膜厚ｈ_ｃＡより小さい、赤外線センサ。
2. 前記活性層がＩｎ、Ａｓ及びＳｂを含む化合物半導体であり、
   前記バリア層と前記第三層は、Ｉｎ、Ｓｂを少なくとも含み、前記活性層よりも大きなバンドギャップを持つ、請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 前記活性層がＩｎＡｓＳｂ（０＜Ａｓ≦０．３６）であり、前記バリア層は、ＡｌＩｎＳｂ（０．１＜Ａｌ＜０．４）であり、前記第三層がＡｌＩｎＳｂ（０≦Ａｌ＜０．３）である、請求項１又は２に記載の赤外線センサ。
4. 前記バリア層の厚さが３００ｎｍ以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線センサ。
5. 前記バリア層と前記活性層との面内格子不整合が、
   前記バリア層と前記第三層との面内格子不整合より小さい、請求項１から４のいずれか一項に記載の赤外線センサ。

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