JP4182596B2

JP4182596B2 - 赤外線検出器

Info

Publication number: JP4182596B2
Application number: JP21744499A
Authority: JP
Inventors: 哲也宮武
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 1999-07-30
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2019-07-30
Also published as: JP2001044486A

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Al_0.25Ga_0.75As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Al_0.25Ga_0.75As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Al_0.25Ga_0.75As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

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。