JP3648253B2 - 赤外線放射検出デバイス - Google Patents

Description

発明の起源
ここに記述する本発明はNASAとの契約下での作業の履行中に成されたものであり、契約者が権原を保持することを選択した公法96−517（35USC202）の条項の適用を受ける。
発明の分野
本発明は赤外線（「IR」）電磁放射を検出する量子井戸デバイス（quantum well devices）に関する。
背景と概要
物体は自身の温度によって赤外放射線を放出する。室温（すなわち300度Ｋ）にある物体は、例えば、8.5ミクロンあたりにピーク値を有する赤外放射線を放出する。完全な暗闇、すなわち可視の光波長が存在しない場合においてさえ、物体から放出された赤外放射線を検出できる。この検出された放射線は赤外放射線検出器によって処理してイメージを発生させることができる。
８〜15ミクロンの範囲で動作する赤外放射線検出器は夜間視界、航行、航空管制、天候監視、セキュリティ、偵察および化学的検出などに用いられてきた。地球の大気は８〜12ミクロンの放射線に対して透過であり、したがって、この波長範囲で動作する赤外放射線検出器は望遠鏡、通信システムおよび防衛に用いられる。IRスキャナーデータもまた、休火山から出る亜硫酸ガスの臭気をマッピングするのに用いられてきた。
初期のIR検出器は真性の検出器であった。真性検出器は、光キャリア、すなわち電子を励起するという光放射線の能力を利用するものである。このような光励起された電子すなわち「光電子」は価電子帯から伝導帯への帯域ギャップを横切る際に促進されてから回収される。これらの光電子が回収されることによって電子の流れが発生し、これが電流として検出される。
真性検出器が動作するには、感知される放射線からの入力光子のエネルギのレベルが、電子を価電子帯から伝導帯に促進する（押し上げる、励起する）のに十分なレベルであることが必要である。したがって、光子のエネルギ＝ｈνが感光性材料の帯域ギャップE_gより高いことが必要である。
量子井戸検出器（quantum well detectors）はもっと感度が高い。量子井戸光検出器を用いて、６〜25ミクロン波長範囲の赤外放射線を感知する量子井戸赤外線光検出器（「QWIPs」）を形成することが可能である。量子井戸は、比較的薄い層を成す第１の半導体（通常はGaAs）を隣り合った層を成す第２の半導体（通常はAl_xGa_1-xAs）間に実装することによって形成される。これらの半導体材料は、自身同士間に固有のエネルギギャップ、「帯域ギャップ」を有する。これらの材料を用いて、半導体においてエネルギ「井戸」を形成する。この井戸が、入力放射線によって発生した光子を捕獲する。電子がこの光子によって、井戸内の基底状態から励起状態に促進される。
検出器のスペクトル反応は、帯域ギャップを制御することによって調整されてきた。しかしながら、赤外放射線などの長波長放射線を検出するには、帯域ギャップが小さい（例えば62meV）ことが必要である。このような低い帯域ギャップ材料の特徴は結合が弱いことと融点が低いことにある。
その技術は、大きな帯域ギャップ半導体で作られる多量子井戸構造（MQW）を形成することによって応えた。MQW構造におけるエネルギレベルの位置は、主に井戸の高さと幅によって決定される。例えば、エネルギレベルの間隔と量子井戸の深さは、GaAs層の厚さが減るにつれて増す。井戸の高さもAl_xGa_1-xAs層の帯域ギャップと、Al_xGa_1-xAs中のAlとGa（「ｘ」）の相対的な割合に依存する。サブ帯域間エネルギ、すなわち、基底状態E₁と第一励起状態の間のエネルギは量子井戸の必須の特性の多くを規定する。
量子井戸赤外線検出器は、量子井戸中での基底と第一励起状態の間の電子の光励起に基づいて作用する。単一井戸の基本的作用を図１に示す。
Al_xGa_1-xAs112の帯域ギャップ110は、GaAs層122間の帯域ギャップ120とは異なる。この相違が電子を捕獲する井戸を形成する。これらの光電子は井戸から逃れることができ、光電流として回収される。
Al_xGa_1-xAsの帯域ギャップは、ｘを変化させることにより変えられる。従って、井戸の高さを変え、電子を捕獲するのに必要なエネルギつまり「サブ帯域間遷移エネルギ」を変え得る。
真性赤外線光検出器は、上述したように、一つの（あるいは多くの）光子を使って電子のエネルギを増し、結果として光電子を検出する。光子は、価電子帯130から伝導帯域132まで電子を促進するのに十分な程度に電子のエネルギを増加するための十分なエネルギを有する必要がある。これは、１つの帯域から別の帯域までの電子の促進を意味して帯域間作用と呼ばれてきた。
図１に示したサブ帯域間システムは１つのサブ帯域101から別のサブ帯域106までのサブ帯域間の電子を促進する。サブ帯域間遷移は、制限されたエネルギ状態間、すなわち、量子井戸中の伝導帯域132または価電子帯130のいずれかと関連する量子井戸、に作用する。上記促進は量子井戸のホール100において有効である。
異なる種類のサブ帯域間遷移が存在する。基底状態104と励起電子の励起状態106の両方が量子井戸100内に束縛されているときに、束縛−束縛遷移が形成される。
多量子井戸システムの概略を図２に示す。図１のシステムのように、量子井戸は２つの束縛エネルギレベル間のサブ帯域間吸収に続いて光電流を発生する。束縛−束縛サブ帯域間吸収は赤外線の波長が井戸の中で基底状態220aから束縛励起状態222まで電子を励起することを必要 とする。そうなれば、電子は、230に示したように量子トンネルを経由して井戸の角を通り抜けて井戸レベルよ り上のエネルギレベル境界のない（束縛されていない）連続的なレベル、つまり「連続体レベル（continuum level）21」へトンネル通過する。井戸上のバイアスは連続体を通して電子の流れを励起する。この電子の流れは光電流として検出される。
検出器の感度は光電流検出の効率の関数である。すなわち、検出された光電流感度の量は検出器中でノイズにより下げられる。赤外線放射は可視電磁放射のようなより高周波の電磁放射より少ないエネルギを持っているので、システムは比較的少ない光電流を発生する。これは検出器効率を高めるユニークな挑戦を提供するものである。
暗電流はQWIPにおけるノイズの発生源である。暗電流とは、名前が暗示するように、検出すべき放射がQWIPに届いていない時さえ、暗黒中でも流れる電流のことである。QWIPでの暗電流は３つの主なメカニズム、量子機械的トンネル（量子の機械的なトンネル通過）、熱的支援トンネル（熱によって励起されたトンネル通過）、および熱イオン的放出（熱電子放出）に由来する。
バリヤ（224に示した）を通して井戸から井戸への量子機械的トンネルは、シーケンシャルトンネルとも呼ばれ、温度とは独立して生じる。これは非常に小さい範囲に起こり、非常に低い温度においては暗電流を支配する。
熱的支援トンネル226は、連続体210の中にバリヤのチップを通して熱的に励起された量子トンネルに基づいている。中温度、すなわち、45度Ｋ付近の８〜９ミクロン用検出器では、熱的支援トンネルが暗電流を支配する。
45度Ｋより高い通常の温度においては、古典的な熱イオン的放出228が暗電流を支配する。熱イオン的放出は、電子が熱イオン的プロセスで促進される時、すなわち光子が入って来なくても生じる。
より高感度な検出器、すなわち高いS/N比の検出器を作るには暗電流を減らすことが大いに望ましい。しかしながら、検出器ができる限り多くの光電流を生成することも同様に望ましい。
束縛−束縛システムは、それを１つの状態から別の状態へ励起するために光励起エネルギ、E_p240を必要とする。このエネルギE_pは、熱イオン的放出E_p242のエネルギ以下である。束縛レベル_pEが量子井戸の中であるので、熱イオン的放出は、連続体210への帯域レベルから逃れるに十分な活動的なそれらの電子によってのみ起こされる。E_Dからの暗電流の貢献はそれゆえ比較的小さい。
しかしながら、励起した束縛レベルが量子井戸の中であるので、光励起された電子は井戸から230に示した量子機械的トンネルによって逃れる。粒子トンネルに対する抵抗は、粒子がトンネル通過する必要がある距離に反比例および指数関数的に比例する。バリヤを通してトンネル通過する粒子の数は、そのバリヤの厚さに反比例的で指数関数的に反比例する。殆んどの粒子は厚さ50Å以下のバリヤを通して容易にトンネル通過する。しかしながら、若干の粒子だけが50から100Å間のバリヤを通してトンネル通過し、100Åより厚いバリヤでも、トンネル通過することに対して手ごわい挑戦を与える。束縛−束縛遷移のためのトンネルは典型的に100Å以上の厚みを持つので、電子の多くがこのようにはトンネル通過することができない。従って、束縛−束縛光電子での暗電流が低いと、光電流もトンネルのために低い。
これらの検出器におけるS/N比は次式のようにモデル化することができる；

ここでI_Dは暗電流である。暗電流I_Dと光電流I_pの両方が、束縛−束縛システムでは低くなる。
QWIPsでの束縛粒子のレベルはQWIP材料の特性に依存する。S/N比を増やす１つの従来技術の試みとしては、連続体レベル中へそれによって励起状態エネルギを高める図１のシステムにおけるGaAs層の厚さを減らすことを伴った。このサブ帯域間構成は「束縛−連続体」と呼ばれた。光電子は連続体レベルの中に束縛され、光励起された電子が量子井戸から連続体移送まで、図２の254に示したように、トンネル通過しないで漏出することができる。それゆえさらに多くの光電子が光電流として漏出することができ、信号Ｓを増加させる。しかしながら、この検出器のE_p250がE_p252より少ないので、電子は非常に活動的である。この構成は、熱イオン的放出を通して暗電流に対して非常に低いバリヤを持っている。熱イオン的放出（E_T）のエネルギバリヤは、サブ帯域間光イオン化プロセスのために必要とするエネルギより小さい10〜15meVである。したがって、この構成は束縛−束縛システムと比較してより高いノイズＮを持っている。
ノイズの増加を避けるかまたは最小にする間に、信号Ｓを増やすサブ帯域間吸収の特別なフォームがこの明細書に記述されている。第一励起状態がバリヤの最上部の近くの領域で共鳴する時に生じる吸収サブ帯域について記述されている。本発明者らは、これを「束縛−準束縛」遷移と名付けた。このような遷移は、光イオン化（E_p）すなわち、望ましくは正確な共鳴の２％に必要とされるエネルギが量子井戸の熱イオン的放出エネルギバリヤ（E_T）に実質的に整合する時存在する。
この束縛−準束縛の構成は、束縛−連続体遷移と比較して増加した熱イオン的放出エネルギバリヤを持っている。より多くの熱エネルギが量子井戸に閉じこめられた電子を自由にするために必要である。したがって、作動中に量子井戸によって発生した暗電流は減少する。しかしながら、束縛−準束縛の構成中の励起状態が熱イオン的放出エネルギバリヤと共鳴するので、電子は僅かにトンネル通過するかまたは全くトンネル通過することなく逃れることができる。この構成の量子井戸は、最高の量子効率、すなわち赤外線光子の投射による多量の光電流の発生を維持する。
これらの２つの要因−低い暗電流と高い量子効率−は、量子井戸によって発生した光電流のS/N比を増加させる。
本発明の目的は、束縛−連続体構造に関連して熱イオン的放出のエネルギバリヤを増やすことにある。本発明の１つの態様は、増加した感度と改善したダイナミックレンジを示す束縛−準束縛への量子井戸を形成することにより前記の目的を遂行するものである。
量子深さと量子井戸の厚さが、第一励起状態が量子井戸の「底」（すなわち、より低いエネルギバリヤ）の部分と（すなわち実質的に同じエネルギを持つよう）共鳴するように改良される。従って、熱イオン放出のエネルギバリヤは、サブ帯域間吸収に必要とされるエネルギと実質的に等しい。このようにしてエネルギバリヤを増やすことは、量子井戸によって発生した光電流が高レベルに維持されている間に、暗電流を際立って減らした。
束縛−準束縛のQWIPsは材料の厚み基づく値にてピーク値感度を示す。具体的な値は70度Ｋにて8.5ミクロンである。しかしながら、この値は井戸幅L_Wとバリヤ高さE_Gの適切な調整によって変えることができる。
単一のQWIPは、約50の量子井戸毎に１つの量子井戸構造を含む。それぞれの井戸は、二つの300Å〜500ÅのAl_xGa_1-xAsバリヤ層間に40〜70Å厚みのGaAsを含むのが望ましい。Alのモル分率（ｘ）は0.3が望ましい。各量子井戸は、キャリヤのFermiエネルギを低下させ、さらに暗電流を減らすため、ｎ型キャリヤの密度（典型的には５×10¹⁷cm^-3）でドープされるのが望ましい。
望ましい実施形態のQWIP量子井戸構造は、シリコンドープされたGaAsの電気的接触層間に形成される。これらの層は光電流の集電を容易にする電気的バイアスを供給する電気リードに付着される。この場合、すべての層がGaAs基板上に形成されるのが望ましい。
QWIPは主に量子井戸の成長軸（すなわち厚さ）に沿った分極化構成要素を有する放射を吸収する。QWIPは、電気的接触層上にパターン化されたランダムに反射する表面（例えば金）を含むのが望ましい。放射はQWIPの底の中へおよび底を通して通過し、反射表面へ放射する。量子井戸構造の中の内部反射は、成長軸と関連して放射角を任意の吸収を容易にするように調整する。内部反射の数は可能な限り薄いGaAs基板を作ることによって最大になる。
実施形態に従って、QWIPsは他の大きさも想定されるが、256×256画素の配列でGaAs基板の上にパターン化するのが望ましい。この構造は、２次元赤外線像を生成するのに用いるQWIP/シリコンCMOSマルチプレクサハイブリッド検出器に組み込まれるのが望ましい。
QWIPの画素配列は、初期成長するストップエッチング層と電気的接触層により、76mm（３インチ）のGaAsウエハ上に形成される。この領域は構造の「底」と呼ばれる。量子井戸構造は、電気的接触層の頂部にAl_xGa_1-xAsバリヤとGaAs井戸の交互の層を成長させることによって形成される。この場合、最終電気的接触層は、量子井戸構造の頂部に成長する。
それぞれの層は分子線エピタキシ法（MBE）により成長させる。次いで、多数のQWIP配列が標準的な光露光技術と化学エッチング技術を使ってパターン化される。その後、GaAsウエハは単一の焦点面配列を含むそれぞれ個別のGaAs基板を形成するためにさいの目に切られる。
本発明のシステムは特別なカメラとシステムにもしばしば使用される。この明細書に記述した焦点面配列は、そのCMOS支持電気回路と共にハイブリッドとして多用される。
単一のGaAs焦点面配列は、CMOSマルチプレクサ画素配列に付けられ、ストップエッチング層まで実質的に「薄層化」される。QWIP配列のアスペクト比（すなわち厚さと幅の比）を減じる特別な光露光薄層化プロセスが記述される。基板を薄層化することは光学的カプリングを改善し、GaAsとCMOSロジックファミリー間の熱的非整合を最小にし、隣接した画素間の光学的混線を最小にする。
薄層化プロセスは基板の最初の500ミクロンを除去する研摩工程を含んでいる。この場合、化学研磨工程（1:100の比率の臭素−メタノール混合物を用いる）が、その後基板の次の100ミクロンを除去するために行われる。GaAs基板表面以外のQWIP光検出器の外部表面は、その後通常のフォトレジストで覆われる。H₂SO₄:H₂O₂:H₂O溶液（5:40:100）を用いる湿式化学エッチング工程によって次の20ミクロンが基板から除去される。エッチングプロセスは、約５ミクロンのGaAs基板が残るまで続けられる。検出器は、１×10^-6torr以下の圧力に排気したプラズマエッチング室に装填される。プラズマエッチング室中にプラズマを構成してCCl₂F₂が、ストップエッチング層に届くまで基板をエッチングするために、高周波（「RF」）の存在下にて流される。CMOSマルチプレクサ画素配列に付けられた薄層化したQWIP画素配列は、その後最終洗浄工程で処理され、上記の室から取り外される。
束縛−準束縛QWIPsは、熱イオン的放出のために増加されたエネルギバリヤによって、比較的低い暗電流量を示す。暗電流の低下はQWIPの感度とダイナミックレンジを増加させる。束縛−準束縛QWIPの第一励起状態は井戸の頂部で共鳴する。この構成は、QWIPs量子効率（すなわち、各入射光子のために生成した光キャリヤの数）と感度を高いレベルに維持する。
この明細書で記述された技術により、QWIPsは、高品質のイメージと高S/N比をもつ検出器を提供するために使用され得る。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記の態様および他の態様は、以下に添付図面を参照して詳細に記述される。
図１は、単一の量子井戸の線図を示す；
図２は、量子井戸中の粒子のエネルギと「束縛」−束縛と「束縛−準束縛」検出器のために電界によってバイアスされた量子井戸のエネルギ領域を示す；
図3Aは、本発明の実施形態の装置のための量子井戸中の粒子のエネルギを示す；
図3Bは、本発明の１つの実施形態のQWIPを形成する層を示す；
図４は、量子井戸、エネルギと入射の間の関係を示す；
図５は、検出器または単一画素の横断面図を示す；
図６は、実施形態のQWIP形成プロセスの流れ図を示す；
図７は、図６の流れ図を使用して形成したQWIPの層図を示す；
図7Aは、本発明によって使用されるランダム反射鏡の写真を示す；
図８は、QWIP配列を示す；
図９は、図８中の線９−９に沿ったQWIP配列の断面を示す；
図10は、QWIP配列の多数画素の平面図を示す；
図10Aは、実施形態の望ましい格子構造を示す；
図10Bは、図10Aの格子構造の周波数応答を示す；
図11は、使用することが望ましい薄層化プロセスの流れ図を示す。
発明の詳細な説明
図3Aは、本実施形態の望ましい束縛−準束縛QWIPの構造を示し、図3Bは、装置を形成する層を示す。底部接触層300と頂部接触層302は、QWIPの両端を形成する。これらの接触層は、それぞれN_d＝１×10¹⁸cm³のドーピングでシリコンドープされた素子であるのが望ましい。接触層300と302は、厚みで２分の１ミクロンと１ミクロンの間にある。接触層は井戸材料の50区分に分離される。それぞれの区分は300〜500Å厚みのAl_xGa_1-xAsバリヤ306、310を含み、望ましくは500Å；ここでのｘは0.10〜0.40とほぼ等しく；望ましくは0.3である。また、それぞれの区分は、45から80Å；望ましくは50ÅのGaAs量子井戸308を含んでいる。
この明細書において光子キャリヤは電子によって形成されると仮定されている。励起していない電子は基底状態450にあり、励起状態452に励起され得る。結果として生じたエネルギレベルは、図４に示し、同図の横軸400はエネルギを示し；縦軸402は量子井戸の成長軸ｚ（即ち、厚さ）に沿って空間の次元である。
量子井戸406、408は、GaAs306、310の薄い井戸層として、Al_xGa_1-xAs307,308,309の２つの隣接するバリヤ層の間に形成される。GaAsの厚さは井戸の幅を形成する。量子井戸406,408は、それぞれAl_xGa_1-xAsバリヤ層の帯域ギャップに基づいた四角形でGaAs井戸層の形状より大きい状態で示されている。Al_xGa_1-xAsの帯域ギャップ、即ち井戸深さは、Alのモル分率（ｘ）を変えることによって精密に制御される。GaAs306とAl_xGa_1-xAs307,308,309層の厚さは、それぞれ量子井戸の幅と井戸間の空間の距離を決定する。井戸406,408を形成する材料は、バリヤ308を形成する材料より一桁薄いのが望ましい。
量子井戸406,408の束縛−準束縛のエネルギレベル構成は、必要な共鳴関係をもたらすためにGaAsとAl_xGa_1-xAs材料の性質と量を調整することによって得られる。Alのモル分率は井戸深さ30を増加するために増すことができる。GaAs井戸層の厚さは、基底20と励起状態24と井戸深さ30の間の分離を増加するために減少させることができる。望ましい束縛−準束縛の構成は、光イオン化（E_p）が実質的に熱イオン的放出エネルギバリヤと等しい時、結果として生じる。この時点で、図3Aに示したように、電子の励起状態452は井戸頂部の底部471で実質的に共鳴する。励起状態は、より高エネルギの励起状態の連続体のわずかに下に位置する。
別の望ましい実施形態は、500Å厚さのAl_xGa_1-xAsバリヤ層によって包囲される45Å厚さのGaAs井戸層を使うことにある。バリヤ層でのAl（ｘ）のモル分率は0.29であるのが望ましい。
図3Aは、印加電圧でバイアスされる多数の束縛−準束縛量子井戸のエネルギレベルの線図を示している。バイアス電圧は、光電子210によって形成された光電流がQWIPの頂部480から底部482まで流れるように、エネルギレベルの形を変形する。この変形した井戸は頂部端473とより低いエネルギ底部端471を有している。作動中に、赤外線放射（矢印460によって示した）が低部端471のエネルギレベルと共鳴するのに近いエネルギ（hc/λ）を生じる。このエネルギは閉じこめられた電子を励起状態452に促進する。このプロセスは、量子井戸がバイアスされる時、光電流として流れる光電子462を発生する。非共鳴波長をもつ光子は、量子井戸では吸収されず、光電流を発生しない。
励起状態は、その状態が底部端471の２−５％内まで、好ましくは２％、より好ましくは底部端の２−3meV内で光電子をもたらす時、実質的に共鳴すると考えられる。最も好ましくは、光電子が正確に底部端471にあるか、上述した少量の底部端より低いことである。これは、トンネル通過しない（底部端471であっても）で、または小部分だけを通って井戸の２−3meV内で最小のトンネル通過することで光電子が連続体に逃れることを許容するものである。トンネル通過する量は80Å以下、より好ましくは50Å以下、更に好ましくは38Åまたはそれ以下である。これは、トンネル通過する困難さがバリヤ層さにより指数関数的に増すので、回収に対して最小限のバリヤをもたらすことになる。
図５は量子井戸の赤外線光検出器500を示している。量子井戸構造体502は、それぞれの量子井戸がAl_xGa_1-xAs層の間に形成されるGaAsの井戸層をもつ状態で、図3Aと3Bの構造を用いて形成される。量子井戸構造体502は、それぞれが束縛−準束縛のサブ帯域間遷移を呈する多数の量子井戸11を有している、すべての層は半絶縁性のGaAs基板504上に成長する。底部電気接触層506は、GaAs基板504と量子井戸構造体502の間に配置される。頂部電気接触層510は、量子井戸構造体502の頂部に位置する。
上記接触層506と510はｎ型チャージキャリヤでドーピングされて、動作中に光電流の発生を容易にする。電圧源90がリード線92aと92bを介して上記接触層506と510に接続され、量子井戸構造体82中にて各量子井戸11をバイアスするために用いられる。放射線で誘導された光電流は電流測定器515で記録される。
量子井戸構造体502内の量子井戸の数は、所望の光伝導利得を考慮して、光吸収と発生光電流量を最大にするように選択される。この構造体内の量子井戸の最適数はほぼ50である。この数値は、構造体の１つの井戸中で発生した光電子が、別の井戸によって下流で捕捉されることなく連続体通過できる距離と光学利得との間の兼ね合いを表すものである。
量子井戸の数を50から減少させていくと、その結果、光吸収は低下するが発生する光電子が回収される相対的な比率は高くなる。これによって、装置の光利得、そしてノイズも影響される。光利得が１であるということは、各光電子が統計的に捕捉されることなく自己の井戸から回収点までの全距離を走行することを表す。しかしながら、光利得がより高くなると、暗電流も増す。本発明者等は、光利得が0.1であることが好ましいが、この値は、粒子の10％が再捕捉されることなく井戸から回収点まで走行することを意味する。光伝導利得が低くなると、検出器中のノイズを減少させることができる。
量子井戸構造体502は、上記の点を除いては、図１に示すものと同じ物理的寸法を有する。井戸構造体の各側部の接触層506と510はそれぞれ1.0ミクロンと0.5ミクロンの厚さを有している。これらの接触層は両方とも、濃度N_D＝１×10¹⁸cm^-3にてシリコンによりドーピングされる。量子井戸構造体内のGaAsとAl_xGa_1-xAs層はN_D＝５×10¹⁷cm^-3にまでドーピングされて、量子井戸中の電子のフェルミエネルギを低下させる。
上述したように、量子井戸は通常は自己の表面に垂直に入射する放射線を吸収することはなく、放射線は吸収される量子井戸の成長軸に沿った電界分極を有している。したがって、GaAs基板504はｚ軸に対して45度の角度を成す研磨ファセット520を含む。放射線が研磨ファセット520を通過してｚ軸に対してある角度を成して量子井戸構造体に入ると、光学的吸収が高められる。次に、放射線は吸収されて光電流を発生する。
また、他のメカニズムが、ｚ軸に対する放射線の入射角度を調整するために用いられる。粗なランダム反射表面は、表面層上の底部電気的接触層の底部または頂部電気的接触層の頂部にパターン化することができる。高反射材料（例えば金および銀）が、ランダム反射体に用いられるのが好ましい。この構成では、QWIPの頂部表面に垂直な放射線は量子井戸構造体を通過して粗な反射表面を照射する。量子井戸構造体内でのこれに続く内部反射が成長軸（ｚ）に対してある角度を成している。内部反射した放射線は量子井戸構造体によって吸収されて光電子を発生する。
小さい円錐体（通常は垂線から17度）内の放射線は、内部反射に必要な臨界角の外部にある。したがって、この円錐体内の放射線はQWIPの頂部表面から逃避する。内部反射の回数（光電子の数）の総数はGaAs基板をできるだけ薄くすることによって最大にされる。本発明による好ましい「薄層化」方法を以下に詳述する。
励起状態にある電子は束縛−準束縛状態から連続体に移行し得る。重要な利点は、光励起された電子は殆んど又は全くトンネル通過することなく量子井戸から連続移送状態に逃避できるということである。これによって、光電子を逆率的に回収するために必要とされるバイアスを減少させることができ、暗電流も減少させることができる。その上、光電子は厚いバリヤをトンネル通過する必要がないので、束縛−連続体QWIPのAl_xGa_1-xAsバリヤの厚さを、それに応じて光電子回収効率を減少させることなく増加させることができる。本実施形態では、バリヤの幅は500Å〜600Åが好ましく、量子井戸の幅は40Å〜70Åが好ましい。これは従来の多くのQWIPより５の値だけ増加することを意味している。
本発明の第２の実施形態は、図６を参照してここに説明したように形成されて、図７に示す層化された構造体を形成する。ステップ600で、厚さ630ミクロンのGaAs基板が形成される。この基板を図７に基板700として示す。GaAs基板700は、Ｎ＝５×10¹⁷cm^-3までドーピングすることによって半絶縁性であることが望ましい。厚さ300Åのストップエッチング層701もステップ601で形成され、ステップ601aで形成された0.5ミクロン厚の接触層701aで覆われる。
ステップ602にて、分子線エピタキシ法（「MBE」）を用いて、GaAs底部接触層700の上にAl_0.3Ga_0.7As層702の第１の500Å厚のバリヤ層を形成する。層702は好ましくは300〜500Åの厚さを有する。この後に実行されるステップ604では、分子線エピタキシ法を用いてGaAsの45Å厚のウエル704を形成する。このプロセスは50周期が形成されるまで続く。このように形成された各周期はバリヤとウエル双方を含む。まだドーピングされていないAl_xGa_1-xAsのもう１つのバリヤをステップ605で形成する必要がある。GaAsの頂部接触層が0.1〜0.5ミクロンの厚さの範囲で形成されて適宜にドーピングされる。
次に、装置全体が、装置構造体の頂部上の本来の位置に成長した別の300Å厚のストップエッチング層712によって覆われる。このストップエッチング層712はAl_0.3Ga_0.7Asから形成される。ストップエッチング層712は、λ/4位相シフト層として作用する0.7ミクロン厚のGaAsキャップ層で覆われる。このストップエッチング層とキャップ層は一緒になって光カップリング光学空洞を形成する。
この時点にて、構造体はステップ610で湿式化学エッチングを用いてメサ領域になるように処理される。金／ゲルマニウム接触層はステップ612で頂部と底部の接触層の上に蒸着される。サブミクロンの光露光技術を用いて、ここに説明し図7Aに示したようなランダム反射体を形成する。
その結果、256×256QWIP焦点面配列（「FPA」）の装置ができる。FPAのピッチは38ミクロンであり、実際の画素サイズは28×28平方ミクロンである。ランダム反射体は検出器の頂部上に形成され、オーム接触と反射のために金／ゲルマニウムと金で覆われる。インジウム製のバンプが、読み出し回路のハイブリッド化のために反射体の頂部上に蒸着される。
図８は、２次元の赤外線イメージを発生するための２次元QWIP/シリコンCMOSマルチプレクサハイブリッド検出器800を示している。ハイブリッド検出器800は、２次元CMOSマルチプレクサ基板810に電気的に接続した２次元QWIP配列803を有している。QWIP配列803とCMOSマルチプレクサ基板810は共に、256×256の画素配列を有する。各画素807は、上述したものと類似の単一のQWIPを有する。図７を参照して説明したような金製の粗いランダム反射表面が検出器の頂部上に形成されて、垂直入射放射線の吸収を容易にしている。QWIP配列803内の各画素は、インジウム製バンプによってCMOSマルチプレクサ基板810内の整合用画素に付着される。
図９は、図８のハイブリッド検出器100の１つの画素107の断面図である。画素内の単一のQWIP900は、GaAs基板の頂部上に成長した量子井戸構造と電気的接触層を有する。粗ランダム反射層902が、GaAs基板が薄くされた（以下に説明する）後にQWIP900の底部表面に付着される。QWIP900と反射層902は、基礎を成すCMOS回路906にインジウム製バンプ904を介して付着される。CMOS回路906はシリコン基板910の一部分に取り付けられる。CMOS回路906とシリコン基板910の一部分は一緒になって、CMOSマルチプレクサの単一の画素120を表す。この画素920は、量子井戸構造によって発生した光電流が検出され処理されて２次元イメージを形成するようにQWIP900と空間的に整列される。
図10はカメラの12個の画素の底部表面を示す図である。この図は、粗なランダム反射層114を示している。個々の画素の面積は28ミクロン×28ミクロンである。画素間での中心から中心で測った離間距離は38ミクロンである。
上述のように、ランダム反射体は個々のQWIPに対して良好な光カップリング特性を示した。しかしながら、このようなランダム反射体の光カップリング効率は、反射体がランダムであるために、波長には依存しない。ランダム反射体は実質的に広帯域スペクトル特性を示す。
本発明者等は、光学的カップリングメカニズムが必要であるため、光学的カップリングメカニズムを使用して光の通過帯域を濾過するのが望ましいことを認識した。
図10に示す実施形態では、その周期性のゆえに、カップリング効率が波長に依存する特殊な交差格子を用いている。この交差格子光技法によって、狭帯域高効率QWIP焦点面配列が可能となる。
図10Aは格子構造の詳細図、図10Bは格子構造の量子効率を示している。この格子の強いピーク値波長は8.5ミクロンであることに注意されたい。任意の格子に対して最適化された格子パラメータは、試行錯誤、すなわち、境界面ｚ＝０平面間で電界ベクトルと磁場ベクトルの波振幅を計算することによって得られる。
上記の束縛−準束縛量子井戸構造体は、GaAs層とAl_xGa_1-xAs層を３インチのGaAsウエハ上で交互に成長させることによって製造される。各層は、標準の技術上周知の技法によって分子線エピタキシ法で成長される。ドープされたストップエッチング層は、QWIPを成長させるに先立って上記ウエハ上で成長される。次に、追加の層が底部の電気的接触層上に蒸着され、光露光技術と選択乾式エッチングによってパターン化される。光露光技術と湿式化学エッチングを次に用いて２次元QWIP配列をパターン化する。
GaAsウエハは切断されて個々のGaAs基板を形成するが、各基板は２次元QWIP配列を有している。GaAs基板のパターン化された表面はインジウム製バンプを用いてCMOSマルチプレクサに取り付けられる。
光カップリング効率を最大化する一方で、焦点面配列と読み出しマルチプレクサ間の画素−画素クロストークと熱不整合を最小化することが通常望ましい。本発明者等は薄層化と呼ばれる技法を用いた。本実施形態の技法は、QWIP焦点面配列を実質的には薄膜の厚さにまで薄層化するのが好ましい。残る薄膜は非常に小さい熱質量を有し、これは熱不整合をかなり減少させるか避ける機能を果す。薄膜レベルにまで薄層化することによって、幅対高さ比を最大にできる。これによって、ランダム反射体からのカップリング効率を最大にできる。薄層化以後も残る最小基板は通常は画素のクロストークを減衰させる。
本発明による薄層化プロセスの重要な特徴は、300Å厚のAl_0.3Ga_0.7As層の頂部上に全QWIPを成長させる点にある。CCl₂F₂選択乾式エッチングを用いて、QWIP装置からGaAs基板の最後の数ミクロンを除去する。プロセス全体で、機械的研磨による薄層化をし、その後で非選択湿式エッチングと選択乾式エッチングを用いる。
QWIP配列とマルチプレクサ基板間のギャップはエポキシで充填して、ハイブリッド検出器を固化させる。接続された画素は、ハイブリッド検出器100上に置かれたロー／カラム処理用エレクトロニクス812およびイメージ処理用エレクトロニクス114に電気的に接続される。
図11に、薄層化プロセスの詳細のフローチャートを示す。研削研磨1100を用いて、基板の最初の500ミクロンを除去する。研磨はCMOSチップをガラス製顕微鏡のスライドに取り付け、GaAs基板を、Al₂O₃と水で処理した研削プレートに押しつけて実行できる。
化学的研磨プロセス1110によってGaAs基板から次の100ミクロンを除去する。このプロセスには、1:100の比で存在する臭素とメタノール溶液に基板を露呈させるステップが含まれる。
次に、湿式化学エッチング1120を用いて基板から次の20ミクロンを除去する。このステップで、GaAs基板表面を除くQWIP光検出器のすべての外部表面が標準のフォトレジストで覆われる。次いで、基板表面はH₂SO₄:H₂O₂:H₂O溶液（5:40:100）に露呈される。この溶液を用いるエッチング速度は約1.7から1.8ミクロン／分である。
湿式化学エッチング160は、GaAs基板が約５ミクロン厚になるまで続けられる。次に、検出器が５％のHCl/脱イオン水溶液中に約30秒浸され、ブロー乾燥され、プラズマエッチングチャンバ中に装入される。このプラズマエッチング1130を用いて、ストップエッチング層に達するまで基板を約1.2ミクロン／分の速度で除去する。プラズマエッチング160には、チャンバを約１×10^-6torrまで真空化して、次に、圧力が100torrに達するまでCCl₂F₂をチャンバ中に導入する必要がある。基板はチャンバ内で100Wおよび45Vでバイアスされる。基板は頂部エッチング層に達すると、チャンバから取り出される。基板上の残留材料は容易にO₂プラズマで除去される。
これによって約300Å厚のストップエッチング層と約1000Å厚の接触層が残る。この1300Å厚の層は殆んど熱質量をもたず、70度Ｋまで冷却すれば、熱不整合は殆んどなくなる。この薄層はまた、光学的カップリング効率を高め、上記のクロストーク（crosstalk）を防ぐ。
本発明の別の態様は、基本的バルク暗電流の減少である。QWIPの基本的暗電流は、装置の面積に比例する。これは、周囲に比例する表面漏れ電流と対照的である。従って、表面漏れ電流対バルク暗電流比は検出器のサイズが減少するに連れて増加する。大きな面積の焦点面をもつ検出器のノイズ電流全体に対する表面漏れ電流の影響は高く、例えば通常のQWIP内で400％である。
本発明は、ここに述べる特殊な方法によって、表面漏れ電流を減少させる。上述のように、QWIPの基本的暗電流は連続的なトンネル通過、熱イオン的支援トンネル通過および熱イオン的放出に起因して生じる。より高い動作温度（例えば10ミクロン装置に対してT50度Ｋ）の熱イオン的放出は暗電流を凌駕する。
焦点面配列における赤外線検出器は、通常は約40×40平方ミクロンである。40×40平方ミクロンのQWIP装置の場合の表面電流対全暗流比は約400％であると推定される。この小面積装置の全暗電流に対する表面電流の過大な影響の原因は、装置の表面積の減少が装置の周囲の減少よりはるかに急速であることにある。
寄生的表面誘導漏れは、露呈表面を、LiS₂、（NH₄）Ｓ、Na₂S9H₂Oなどの複数種類の無機硫化物で処理したり、NH₄OH湿式化学エッチングを用いてメサを画定し、さらにSiNで露呈領域をパッシベートすることによってかなり減少させることができる。したがって、QWIPメサを画定するNH₄OH系のエッチング液とSiNパッシベーションによって以前にはQWIPの暗電流を減少させた。この暗電流の減少によってQWIP焦点面配列の感度が200％だけ増える。
他の実施形態
他の実施形態は本発明の範囲内にある。重要なことに、本明細書は、光キャリヤが電子である動作を説明した。光キャリヤを形成するのがホールである場合も同様に動作する。GaAsおよびAl_xGa_1-xAs以外の半導体材料を用いて束縛−準束縛量子井戸構造体を製造してもよい。このような構造体には、例えば、In_yA_l-yAs/In_xGa_1-xAs/In_yA_1-yAs、InP_x/In_1-xGa、As/InP、InP/InGaAsP/InP、_xGaIn_1-xP/GaAs/Ga_xIn_1-xP、Al_xIn_1-xP/GaAs/Al_xIn_1-xPおよびGaAs/In_xGa_1-xAs/GaAs材料が含まれる。いずれの場合も、量子井戸パラメータ（すなわち井戸の深さと幅）は、束縛−準束縛エネルギレベル構成が存在するように化学量論比と材料の厚さを変えることによって調整される。
上述のGaAsとAl_xGs_1-xAsのQWIPの感度のピーク値は赤外線スペクトル領域で8.5ミクロンのところにある。また、赤外線スペクトルの別の領域で光子を吸収する束縛−準束縛量子井戸構造体を製造することも可能である。例えば、量子井戸とバリヤ層に用いられる材料はそれぞれAl_yGa_1-yAsとAl₂Ga_1-zAsである。次に、Alのモル分率（すなわちｙおよびｚ）を調整して、所望の井戸深さをもつ束縛−準束縛量子井戸構造体を形成する。GaAs井戸層の厚さも変更して、異なったスペクトル特性を得ることができる。
単一のQWIP内でも量子井戸が違えばまた吸収特性も異なる。これによってQWIPのスペクトル特性が広い領域に広がり、より頑丈な検出器ができる。ある実施形態では、Al_xGa_1-xAs製のバリヤ層がGaAsとAl_yGa_1-yAsの交互の層を分離している。Al_xGa_1-xAs:Al_yGa_1-yAs:Al_xGa_1-xAs（ここで、ｘは0.3）によって定められる量子井戸は束縛−準束縛エネルギレベルを有し、第１の波長（8.5ミクロン）で放射線を吸収する。Al_xGa_1-xAs:GaAs:Al_xGa_1-xAs（ここで、ｘは0.3）によって定められる量子井戸は第２の波長（8.5ミクロン）で放射線を吸収する。量子井戸構造体でのこれらの量子井戸の分布はランダムかまたは周期的である。これに代えて、上記の材料とは異なった材料から作られ得た個別の量子井戸を有する量子井戸構造体によって、異なったスペクトル領域で吸収されてもよい。
その上、電気的接触層、反射層およびストップエッチング層などの他の材料をQWIP内において用いたり、または別様にドーピングして、同様な電気的機能を達成してもよい。例えば、量子井戸構造体内で角度付きの内部反射を発生するために用いられるランダム反射体の代わりに、放射線を回折したり反射したりする回折格子または類似の光学的構造体を用いてもよい。回折格子は、波長に依存した回折をするので一部の応用例には適する。したがって、これらの構造体を用いて、QWIPのスペクトル特性を狭隘化してもよい。
また、薄層化プロセスの他の実施形態を用いてQWIPを製造してもよい。例えば、上記方法のステップを変更して、上記の値以外の分量を基板から除去してもよい。同様に、湿式エッチングプロセスとプラズマエッチングプロセスに用いられる化学品の代わりに他の適当な化学品を用いてもよい。

Claims (12)

1. 複数の周期的構造を具備してなる量子井戸赤外線光検出器であって、
   前記周期的構造の各々がバリヤ層と井戸層を有し、各周期的構造の井戸層は２つのバリヤ層間にカップリングされており、
   各井戸層は井戸底部および井戸頂部を有し、各井戸層はその中に束縛エネルギ状態を維持しており、
   前記周期的構造の材料と厚さは束縛エネルギ状態が実質的に前記井戸頂部と共鳴するように選択されている
   ことを特徴とする量子井戸赤外線光検出器。
2. 前記井戸層がGaAsから形成されている請求項１に記載の光検出器。
3. 前記バリヤ層がAl_xGa_1-xAsから形成されている請求項２に記載の光検出器。
4. ｘの値が実質的に0.3である請求項３に記載の光検出器。
5. 前記井戸層を形成する上記材料が前記バリヤ層を形成する上記材料より１桁薄い大きさである請求項１に記載の光検出器。
6. 前記井戸層が、500Å厚のAl_xGa_1-xAsバリヤ層で囲まれている45Å厚のGaAsから形成されており、モル分率ｘ値が0.3である請求項１に記載の光検出器。
7. 放射線検出表面と；
   複数の周期的構造を有する光検出器素子であって、
   各周期的構造が第１の半導体材料のバリヤ層および第２の半導体材料の井戸層を有し、前記第１と前記第２の材料がその間の帯域ギャップを定め、各周期的構造の各井戸層が２つのバリヤ層間にカップリングされており、各井戸層が井戸底部および井戸頂部を有し、各井戸層が光キャリヤのための非励起エネルギ状態および光キャリヤのための束縛励起状態を維持し、前記光キャリヤが放射線によって励起されて前記束縛励起エネルギ状態になる、光検出器素子と；
   を具備してなり、
   前記周期的構造の材料と厚さは、束縛エネルギ状態が実質的に前記井戸頂部と共鳴するように選択されている
   ことを特徴とする量子井戸光検出器。
8. 周期的に配置された複数の量子井戸構造体を具備してなる量子井戸半導体であって、
   各量子井戸構造体が第１の半導体材料のバリヤ層および第２の半導体材料の井戸層を有し、前記第１と前記第２の材料がその間に帯域ギャップを定め、各量子井戸構造 体の各井戸層が２つのバリヤ層間にカップリングされており、
   各井戸層が井戸底部および井戸頂部を有し、各井戸層が光キャリヤに対して非励起エネルギ状態および束縛励起エネルギ状態を維持しており、
   前記井戸層の材料と厚さは、前記束縛励起エネルギ状態が前記井戸の頂部部分と実質的に共鳴するように選択されている
   ことを特徴とする量子井戸半導体。
9. 前記束縛エネルギ状態の位置が、前記束縛励起キャリヤが前記束縛励起状態からトンネル通過することなく、または50Å未満の厚さの材料をトンネル通過することにより連続体中に抜け出すような位置である請求項８に記載の半導体。
10. 前記束縛エネルギ状態の位置が、前記量子井戸のエネルギバリヤが、２％未満の相違で光イオン化に必要なエネルギと整合するような位置である請求項８に記載の半導体。
11. 第１の半導体材料を含む井戸層であって、同井戸層が第１の当接表面と第２の当接表面を有する井戸層と；
    第１と第２のバリヤ層であって、各層が、前記第１の半導体材料とは異なる第２の半導体材料を含み、前記第１のバリヤ層が前記井戸層の前記第１の当接表面に付着される第１の表面を有し、前記第２のバリヤ層が前記井戸層の前記第２の当接表面に付着される第１の表面を有するバリヤ層と；
    を具備してなり、
    前記各層と前記各材料が前記量子井戸の頂部を定めるエネルギレベルと実質的に同じエネルギレベルである励起状態エネルギレベルを有するように選択される束縛−準束縛量子井戸半導体。
12. 基板の頂部表面上にストップエッチング層を成長させるステップと；
    前記ストップエッチング層上に量子井戸を成長させるステップと；
    研削研磨溶液で前記基板の底部表面から第１の層を除去するステップと；
    化学研磨溶液で前記基板の前記底部表面から第２の層を除去するステップと；
    湿式化学エッチング溶液で前記基板の前記底部表面から第３の層を除去するステップと；
    プラズマエッチングプロセスにより前記基板をさらに除去するステップとを含んでなる量子井戸に取り付けた基板の厚さを減少させる方法。

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