JP4182596B2 - 赤外線検出器 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は赤外線検出器に関し、特に、多重量子井戸層内での電子のサブバンド間遷移を利用し、2波長域で赤外線を検出する赤外線検出器に関する。
【0002】
【従来の技術】
井戸層と障壁層が交互に繰り返し積層された通常の多重量子井戸層を有する赤外線センサでは、井戸層内の電子のエネルギー準位は局在化されてサブバンド構造を成している。外部からの光入射がない場合には、井戸層内の電子は基底準位に留まっており、バイアス電圧が印加されても電流は流れない。しかし、外部から赤外線が入射されると、基底準位に存在する電子は赤外線を吸収してサブバンド間遷移を起こし障壁層より上の励起準位まで励起され印加バイアス電圧によって外部へ信号電流として取り出される。
【0003】
従って、多重量子井戸層を有する赤外線センサでは、井戸層内の電子の基底準位と励起準位の間のエネルギー差に対応した波長の赤外線に対して検出感度を有することになる。このエネルギー差は多重量子井戸層の構造に依存しているため、赤外線センサの設計に際しては、所望の検出感度が得られるように多重量子井戸層の構造が決められる。
【0004】
多重量子井戸層を用いて異なる2つの波長域の赤外線を検出するためには、従来、それぞれの波長域で検出感度を持つ2種類の多重量子井戸層を積層したものが用いられていた。
【0005】
図6は2波長域で検出感度を有する従来の赤外線センサの構成を模式的に示したものである。通常の赤外線センサは基板上に画素となる検出素子を一次元あるいは2次元状に多数配置したものから成っているが、簡単のため、同図はそのうち1個の画素に相当する部分のみを示している。以下に述べる赤外線センサについても同様である。
【0006】
図6に見られるように、従来の2波長型赤外線センサは、基板30上で検出波長域が互いに異なる下部多重量子井戸層32と上部多重量子井戸層34が下部コンタクト層31、中間コンタクト層33、上部コンタクト層35を間に挟んで積層された構造を有しており、下部コンタクト層31、中間コンタクト層33及び上部コンタクト層35には外部回路と接続するためのオーミック電極36、37、38がぞれぞれ設けられている。この赤外線センサを動作させるためには、上記3つのコンタクト層のいずれかを基板上の全ての素子に対する共通のコンタクト層として用い、この共通コンタクト層を接地する。そして、他の2つのコンタクト層にバイアス電圧を印加する。
【0007】
下部コンタクト層31を共通のコンタクト層とする場合には、電極36を介して下部コンタクト層31を接地し、中間コンタクト層33と上部コンタクト層35にそれぞれオーミック電極37、38を介してバイアス電圧を印加する。この方式では中間コンタクト層33に印加されたバイアス電圧は下部多重量子井戸層32にのみ印加され、前述した動作原理に従って下部多重量子井戸層32のサブバンド間遷移に対応した波長の赤外線を検出することができる。
【0008】
しかし、上部コンタクト層35に印加されたバイアス電圧は下部多重量子井戸層32と上部多重量子井戸層34に同時に印加され、それぞれに対応した2つの波長域の赤外線による信号電流の和が取り出されることになる。従って、上部多重量子井戸層34に対応した信号電流を得るためには、上部コンタクト層35から取り出された信号電流を外部回路で処理して分離する必要があり信号処理が複雑になるという問題がある。
【0009】
さらに、上述の方式では、各画素の中間コンタクト層と上部コンタクト層を外部回路へ接続する必要があり、各画素ごとに外部取り出し電極を2個設けなければならない。図7は下部コンタクト層を共通のコンタクト層とした場合における赤外線センサの集積化構造を示しており、図6と同一の機能を有するものには同一番号を付してある。
【0010】
図7に示した集積化構造を得るためには以下述べる製造プロセスが用いられる。即ち、基板30上で上部コンタクト層35、上部多重量子井戸層34、中間コンタクト層33及び下部多重量子井戸層32を選択エッチングして画素分離を行い、さらに、各画素ごとに上部コンタクト層35と上部多重量子井戸層34を選択エッチングして中間コンタクト層33の表面を露出させる。ついで、全面に絶縁膜39を形成し所定部位に穴開けした後下部コンタクト層31、上部コンタクト層35及び中間コンタクト層33に対してそれぞれオーミック電極36、37、38を形成する。そして、中間コンタクト層33上のオーミック電極38から画素表面まで引き出し配線40を形成した後、Inバンプからなる外部取り出し電極41、42、43を設ける。下部コンタクト層31に接続された外部取り出し電極41は基板10上の全ての画素に共通に設けられるものであるが、上部コンタクト層35と中間コンタクト層33に接続された外部取り出し電極42、43は各画素ごとに設けられる。
【0011】
以上のように、単一の多重量子井戸層からなる通常の赤外線センサの構造に比べて中間コンタクト層が加わった分だけ素子構造が複雑となり、それに伴って製造プロセスや実装プロセスも困難になり素子の信頼性が低下するという問題がある。
【0012】
また、図6において、中間コンタクト層33を共通のコンタクト層として用いこれを接地する方式では、下部コンタクト層31と上部コンタクト層35にそれぞれオーミック電極36、38を介してバイアス電圧を印加することにより下部多重量子井戸層32と上部多重量子井戸層34に対し独立にバイアス電圧を印加することができる。この場合、それぞれの多重量子井戸層から異なる2波長域の赤外線に対応した信号電流を独立に取り出すことができるので信号処理は容易となるが、以下のような問題が生じる。
【0013】
図8は中間コンタクト層を共通のコンタクト層とした場合における赤外線センサの集積化構造を示したものであり、図6と同一機能を有するものには同一番号を付してある。
【0014】
図8に示した集積化構造では、図7で説明した製造プロセスに各画素を分離するための分離溝44を形成する工程が加わり製造プロセスはより複雑になる。また、外部回路と接続するために各画素ごとに3個のInバンプからなる外部取り出し電極41、42、43を設ける必要があり、図7に示した構成に比べてさらに外部取り出し電極数が多くなり実装プロセスがより困難になる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、2波長域で検出感度を有する従来の赤外線検出器では、素子構造の複雑化により製造プロセスや実装プロセスが困難となり信頼性が低下するという問題があった。
【0016】
そこで、本発明は2波長域で検出感度を有する簡単な素子構造の赤外線検出器を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題の解決は、多重量子井戸層内での電子のサブバンド間遷移を利用し、2波長域で赤外線を検出する赤外線検出器であって、該多重量子井戸層は、第1の障壁層、第1の井戸層、第2の障壁層、第2の井戸層、第3の障壁層及び第3の井戸層を順に積層したものを単位構造層として該単位構造層を繰り返し積層したものから成り、該第2の井戸層には不純物がドープされ、該第1の井戸層及び該第3の井戸層は該第2の井戸層より狭く且つ互いに異なる幅を有し、該第2の障壁層及び該第3の障壁層は電子の共鳴トンネル現象が起こる程度の幅を有していることを特徴とする赤外線検出器によって達成される。
【0018】
図1は上記多重量子井戸層における繰り返しの基本周期となる単位構造層のエネルギーバンド図を示したものであり、図1(A)はバイアス電圧を印加しない場合、図1(B)はバイアス電圧V1 を印加した場合、図1(C)は大きさ及び極性の異なるバイアス電圧V2 を印加した場合を示している。同図において、1は第1の障壁層、2は第1の井戸層、3は第2の障壁層、4は第2の井戸層、5は第3の障壁層、6は第3の井戸層である。
【0019】
本発明では、第2の井戸層4にのみ不純物がドープされているため、同図(A)に示したように、バイアス電圧が印加されていない場合には、第2の井戸層4の基底準位にのみ○印で示した電子が存在し、第1の井戸層2および第3の井戸層6には電子は存在しない。
【0020】
一般に、井戸層における電子の基底準位の位置は井戸層の幅に依存しており、図1(A)に見られるように、井戸層の幅が狭くなるとともに基底準位は上方に移動して基底準位と障壁層上端の励起準位の間のエネルギー差は小さくなる。本発明では、第1の井戸層2と第3の井戸層6の幅は該第2の井戸層4の幅より狭いので第2の井戸層4の基底準位が最も下方に位置し、第1の井戸層2と第3の井戸層6の基底準位は第2の井戸層4の基底準位より上方に位置することになる。また、第1の井戸層2と第3の井戸層6の幅は互いに異なっているのでそれらの基底準位の位置も異なることになる。図1は、第1の井戸層2の幅を第3の井戸層6より狭くした場合を示しており、第1の井戸層2の基底準位が第3の井戸層6の基底準位より上方に位置している。
【0021】
そこで、第1の井戸層2と第2の井戸層4の基底準位間のエネルギー差に対応したバイアス電圧V1 を印加すると、図1(B)に示したように、第2の障壁層3の幅は電子の共鳴トンネル現象が起こる程度に十分狭く設定しているので第2の井戸層4の基底準位に存在する電子は第2の障壁層3をトンネリングして第1の井戸層2の基底準位に移動する。この状態で第1の井戸層2の基底準位と励起準位間のエネルギー差に対応した波長の赤外線を入射させると、第1の井戸層2に移動した電子はサブバンド間遷移を起こして第1の障壁層1の上端まで励起されバイアス電圧によって外部へ信号電流として取り出される。
【0022】
また、第3の井戸層6と第2の井戸層4の基底準位間のエネルギー差に対応した大きさを有しバイアス電圧V1 とは逆極性のバイアス電圧V2 を印加すると、同図(C)に示したように、第3の障壁層5の幅は第2の障壁層3と同様に電子の共鳴トンネル現象が起こる程度に十分狭く設定しているので第2の井戸層4の基底準位に存在する電子は第3の障壁層5をトンネリングして第3の井戸層6の基底準位に移動する。この状態で第3の井戸層6の基底準位と励起準位のエネルギー差に対応した波長の赤外線を入射させると、第3の井戸層6に移動した電子はサブバンド間遷移を起こして第1の障壁層1の上端まで励起されバイアス電圧によって外部へ信号電流として取り出される。
【0023】
図2は上記多重量子井戸層を利用した赤外線検出器の構成を模式的に示した断面図であり、基板10上に下部コンタクト層11、多重量子井戸層12、上部コンタクト層13を積層し、下部コンタクト層11と上部コンタクト層13にそれぞれオーミック電極14、15を形成している。図6に示した従来の構成に比べて単一の多重量子井戸層を用いているため製造プロセスは容易となる。
【0024】
上記赤外線センサを動作させるためには下部コンタクト層11を基板10上の全ての画素に対する共通のコンタクト層としてこれを接地する。そして、前述したように上部コンタクト層13を介して多重量子井戸層12に印加されるバイアス電圧の極性とその大きさを切り換えることにより赤外線の検出波長域を選択することができる。また、電極数は各画素ごとに上部コンタクト層13に接続された外部取り出し電極18の1個で済むため実装プロセスも容易となる。
【0025】
【発明の実施の形態】
図3(A)、(B)は本発明に係る赤外線センサの製作に用いるエピタキシャルウェーハの断面図を示したものである。図3(A)はエピタキシャルウェーハの全体構成を示しており、20は半絶縁性GaAs基板、21は膜厚1,000nm で不純物濃度1×1018cm-3のn型GaAsからなる下部コンタクト層、22は後述する多重量子井戸層、23は膜厚500nm で不純物濃度1 ×1018cm-3のn型GaAsからなる上部コンタクト層である。
【0026】
図3(B)は上記多重量子井戸層22の構成を示しており、24は膜厚25nmのアンドープAl0.25Ga0.75Asから成る第1の障壁層、25は膜厚4nm のアンドープGaAsからなる第1の井戸層、26は膜厚3nm のアンドープAl0.25Ga0.75Asからなる第2の障壁層、27は膜厚10nmで不純物濃度1×1018cm-3のn型GaAsからなる第2の井戸層、28は膜厚3nm のアンドープAl0.25Ga0.75Asからなる第3の障壁層、29は膜厚6nm のアンドープGaAsからなる第3の井戸層である。
【0027】
上記各層はいずれにも分子線エピタキシャル法あるいはMOCVD法を用いて半絶縁性GaAs20上に順にエピタキシャル成長させることによって得られる。
【0028】
図4は上記エピタキシャルウェーハを用いて製作した赤外線センサの集積化構造を示す断面図であり、図2と同一のものには同一番号を付してある。製作に際しては、まず、基板10、即ち、半絶縁性GaAs基板上で上部コンタクト層13と多重量子井戸層12を選択エッチングして画素分離を行った後、全面に絶縁膜16を形成する。ついで、絶縁膜16を選択エッチングして下部コンタクト層11と上部コンタクト層13にオーミック電極14、15を形成し、最後に、オーミック電極14、15にInバンプによる外部取り出し電極17、18を形成する。
【0029】
以上のように、本発明では、単一の多重量子井戸層を用いているため、従来の素子構造に比べて中間コンタクト層の選択エッチング工程は必要なく、また、下部コンタクト層を全ての画素の共通コンタクト層とすることにより各画素ごとに外部取り出し電極は1 個で済むため製造プロセスが簡単となり且つ実装も容易となる。
【0030】
図5は図3(B)に示した多重量子井戸層22のエネルギーバンド図を示したものであり、図3(B)と同一のものには同一番号を付してある。図5(A)に見られるように、バイアス電圧が印加されていない場合には、第2の井戸層27の基底準位にのみ電子が存在し、第1の井戸層25と第3の井戸層29には電子は存在せず、また、第2の井戸層27と第1の井戸層25の基底準位の間には60mV、第2の井戸層27と第3の井戸層29の基底準位の間には20mVのエネルギー差が生じている。
【0031】
そこで、図4に示した外部取り出し電極17を接地し外部取り出し電極18に対して、図5(B)に示したように、 多重量子井戸層22の基本周期当たり−60mVに相当するバイアス電圧V1 を印加すると、第2の井戸層27の基底順位に存在する電子は第1の井戸層25の基底準位へ共鳴トンネリングにより移動する。この状態で外部から赤外線を入射させると、第1の井戸層25の基底準位に存在する電子はサブバンド間のエネルギー差に等しい波長11.3μm の赤外線を吸収して励起準位に遷移し外部取り出し電極18を経て外部へ信号電流として取り出される。
【0032】
同様にして、図5(C)に示したように、 多重量子井戸層22の基本周期当たり20mVに相当するバイアス電圧V2 を印加すると、第2の井戸層27の基底準位に存在する電子は第3の井戸層29の基底準位へ共鳴トンネリングにより移動し、この状態で外部から赤外線を入射させると、第3の井戸層29の基底準位に存在する電子はサブバンド間のエネルギー差に等しい波長8.3 μm の赤外線を吸収して励起準位に遷移し外部へ信号電流が取り出される。
【0033】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば単一の波長域で検出感度を有する従来の赤外線検出器と同程度の製造プロセス及び実装プロセスにより2波長域で検出感度を有する赤外線検出器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の原理を示すエネルギーバンド図であり、(A)はバイアス電圧を印加しない場合、(B)はバイアス電圧V1 を印加した場合、(C)はバイアス電圧V2 を印加した場合を示している。
【図2】 本発明の実施例に係る赤外線センサの構成を示す断面図。
【図3】 本発明の実施例に係るエピタキシャルウェーハの断面図であり、(A)はエピタキシャルウェーハの全体構成、(B)は多重量子井戸層を示している。
【図4】 本発明の実施例に係る赤外線センサの集積化構造を示す断面図。
【図5】 本発明の実施例を示すエネルギーバンド図であり、(A)はバイアス電圧を印加しない場合、(B)はバイアス電圧V1 を印加した場合、(C)はバイアス電圧V2 を印加した場合を示している。
【図6】 従来の赤外線センサの構成を示す断面図。
【図7】 従来の赤外線センサの集積化構造を示す断面図(その1)。
【図8】 従来の赤外線センサの集積化構造を示す断面図(その2)。
【符号の説明】
1、24 第1の障壁層
2、25 第1の井戸層
3、26 第2の障壁層
4、27 第2の井戸層
5、28 第3の障壁層
6、29 第3の井戸層
10、30 基板
11、21、31 下部コンタクト層
12、22 多重量子井戸層
13、23、35 上部コンタクト層
14、15、36、37、38 オーミック電極
16、39 絶縁膜
17、18、41、42、43 外部取り出し電極
20 半絶縁性GaAs基板
32 下部多重量子井戸層
33 中間コンタクト層
34 上部多重量子井戸層
40 引き出し配線
44 分離溝

Claims (1)

  1. 多重量子井戸層内での電子のサブバンド間遷移を利用し、2波長域で赤外線を検出する赤外線検出器であって、
    該多重量子井戸層は、第1の障壁層、第1の井戸層、第2の障壁層、第2の井戸層、第3の障壁層及び第3の井戸層を順に積層したものを単位構造層として該単位構造層を繰り返し積層したものから成り、
    該第2の井戸層には不純物がドープされ、
    該第1の井戸層及び該第3の井戸層は該第2の井戸層より狭く且つ互いに異なる幅を有し、
    該第2の障壁層及び該第3の障壁層は電子の共鳴トンネル現象が起こる程度の幅を有していることを特徴とする赤外線検出器。
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