JP4331428B2 - サブバンド間遷移量子井戸型光検知装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置に関するものであり、特に、多重量子井戸に生じたサブバンド間の遷移による光吸収を利用した赤外線センサにおけるクロストーク等を低減するための不所望な波長領域の赤外光を除去する構成に特徴のあるサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、１０μｍ帯近傍の赤外線を検知する赤外線検知装置としては、Ｃｄ組成比が０．２近傍、例えば、Ｃｄ組成比が０．２２のＨｇＣｄＴｅ層に形成したｐｎ接合ダイオードをフォトダイオードとしたものを用い、このフォトダイオードを一次元アレイ状或いは二次元アレイ状に配置すると共に、読出回路との電気的なコンタクトをとるために、赤外線フォトダイオードアレイ基板及びＳｉ信号処理回路基板を、双方に形成したＩｎ等の金属のバンプで貼り合わせた赤外線検知装置が知られている。
【０００３】
しかし、この様なＨｇＣｄＴｅ系赤外線検知装置の場合には、結晶性の良好な大面積基板の入手が困難であるので多センサ素子からなる大型の赤外線検知アレイを構成することが困難であるという問題があり、近年、この様な問題を解決するものとして、多重量子井戸におけるサブバンド間の遷移による光吸収を利用することにより１０μｍ帯近傍の赤外線の検知を可能にした量子井戸型赤外線検知素子（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＷＩＰ）が利用されるようになった。
【０００４】
特に、ＧａＡｓ系化合物半導体を用いたＱＷＩＰでは、材料加工技術が成熟していることや大面積化が可能なことから撮像デバイスとして用いられており、近年、撮像画像の高機能化のために２つの波長に感度を有する二波長量子井戸型赤外線検知素子（二波長ＱＷＩＰ）が使われるようになってきた。
【０００５】
ここで、図７及び図８を参照して、撮像デバイスとして用いられる従来の二波長量子井戸型赤外線検知装置について基本的構成および原理を説明する。
図７（ａ）参照
図７（ａ）は、従来の二波長量子井戸型赤外線検知装置の概略的部分断面図であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７２、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７４、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５、及び、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７６を順次積層させたのち、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７６の表面に反射型回折格子７７を形成する。
【０００６】
次いで、半絶縁性ＧａＡｓ基板に達する画素分離溝７８を形成して各画素７９に分離したのち、図示は省略するものの、ＳｉＯＮ膜等の保護膜を形成し、次いで、Ａｕ膜を形成して反射膜とする。
【０００７】
次いで、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７２、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７４、及び、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７６にそれぞれ達する３つのコンタクトホールを形成し、コンタクトホールの側面を絶縁膜で被覆したのち、コンタクトホールの内部をＡｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなる導電性部材で埋め込むことによってｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５に対するコンタクト電極を形成し、最後に半絶縁性ＧａＡｓ基板の裏面をウェットエッチングして薄層化することによってｉ型ＧａＡｓベース層７１とする。
【０００８】
この様な撮像デバイスにおいて、赤外線８０は各層の積層方向、即ち、ｚ軸の向きに入射するが、光吸収の選択則によりｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５においてｚ軸に平行な向きの赤外線は吸収されないため、入射した赤外線８０はｎ型ＧａＡｓコンタクト層７６の表面まで到達する。
【０００９】
そして反射型回折格子７７により赤外線８０は反射および回折され、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５を斜めに横切るときに吸収される。
ＭＱＷ光吸収層を1 回横切るときの赤外線吸収率は数％程度であるため、赤外線８０は画素７９中で何度か反射された後、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３或いはｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５に吸収されることとなる。
【００１０】
図７（ｂ）参照
図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した二波長量子井戸型赤外線検知装置のｚ軸方向に沿ったバンドダイヤグラムであり、Γ伝導帯の底（Ｅc ）のエネルギーを示している。
ここでは、例えば、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３を構成するバリア層のバンド・ギャップをｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５を構成するバリア層のバンド・ギャップより小さくしている。
なお、ｉ型ＧａＡｓ層７１のフェルミ準位から見たΓ伝導帯の底のエネルギーは、バリア層を構成するｎ- 型ＡｌＧａＡｓ層のΓ伝導帯の底のエネルギーよりも高くなった場合を示している。
【００１１】
図８（ａ）参照
図８（ａ）は、一次元量子井戸構造のｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３の伝導帯側のバンドダイヤグラムを示す図であり、ｎ型ＧａＡｓウエル層８２には、ｎ型ＧａＡｓウエル層８２の層厚及びｎ- 型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓバリア層８１のバリアハイトに依存する量子準位が形成され、ここでは、基底準位である第１量子準位８３と第１励起準位である第２量子準位８４のみが形成される場合を例示している。
【００１２】
ここに第２量子準位８４と第１量子準位８３のエネルギー差（波長換算でλ1 ）を持つ赤外線８０が入射すると、第１量子準位８３にある電子８５が第２量子準位８４へ遷移し、代わりにその赤外線８０は吸収され、このエネルギー差に相当する波長λ1 がｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３の吸収波長となる。
【００１３】
図８（ｂ）参照
図８（ｂ）は、一次元量子井戸構造のｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５の伝導帯側のバンドダイヤグラムを示す図であり、ｎ- 型Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓバリア層８６のＡｌ組成ｙをｎ- 型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓバリア層８１のＡｌ組成ｘよりも大きくすることによって、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５の吸収波長λ2 をｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３の吸収波長λ1 より短波長とし、互いに異なった吸収波長λ1 ，λ2 を持つようにする。
【００１４】
図８（ｃ）参照
図８（ｃ）は、図７（ａ）に示した二波長量子井戸型赤外線検知装置の光吸収特性の説明図であり、波長λ1 をもつ赤外線はｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３のみに、波長λ2 をもつ赤外線はｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５のみに吸収される。
なお、波長λ1 、λ2 の大小を問わないものであり、したがって、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５の積層順序は任意である。
【００１５】
この様に、赤外線の吸収に伴ない励起されたキャリア、即ち、電子は、各ＭＱＷ光吸収層の両端にｎ型ＧａＡｓコンタクト層を介して独立にバイアスを加えることにより井戸の外へ放出され、電流として外部に取り出すことができ、それによって、ＭＱＷ光吸収層により特定の二波長の吸収波長をもつ赤外線を独立に検知することが可能となる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この様なＭＱＷ光吸収層においては、多重量子井戸が１次元量子井戸であるため、キャリアの閉じ込めが不十分であり、且つ、赤外線検知時にはバイアスを印加するために、各量子井戸の形の曲がりが同じでなくなり、それぞれの量子準位および吸収波長にずれが生じ、図８（ｃ）に示すように吸収波長スペクトルが広がる。
【００１７】
そのため、二つのＭＱＷ光吸収層における中心吸収波長が近接してる場合、両方のＭＱＷ光吸収層で吸収される波長域が生まれてクロストーク現象が生ずるという問題があり、このクロストークは撮像デバイスの高機能化の妨げとなる。
【００１８】
したがって、本発明は、簡単な構成により不所望な波長域の赤外線を吸収除去することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記目的を達成するため、本発明は、サブバンド間遷移量子井戸構造光検知装置において、1 つ以上の吸収波長をもつ光検知機構を有するとともに、バンドカットフィルタとして所定波長域の光を吸収する量子井戸構造光吸収層３を付加し、且つ、量子井戸構造光吸収層３をフローティング状態で光吸収層として作用させることを特徴とする。
【００２０】
この様に、バンドカットフィルタを設けることによって、光検知機構において検知目的とする波長の光のみを効率的に検知することができる。
特に、バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３を無バイアス状態、即ち、フローティング状態で使用するので、量子井戸構造光吸収層３の吸収波長域が、光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２の吸収波長域に悪影響を与えることがない。
なお、図における符号８は、入射してくる光、通常は赤外線９を効率良く吸収するために入射角を変化させるための反射型回折格子である。
【００２１】
この場合、光検知機構を１個の量子井戸構造光吸収層で構成し、この光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層の吸収波長の短波長側の領域を吸収波長とする量子井戸構造光吸収層と、長波長側の領域を吸収波長とする量子井戸構造光吸収層とによってバンドカットフィルタを構成しても良く、それによって、極めて狭い波長領域の光のみを選択的に検知することができる。
【００２２】
また、光検知機構を互いに吸収波長の異なるｎ個の量子井戸構造光吸収層１，２から構成しても良く、その場合には、バンドカットフィルタを（ｎ−１）個の量子井戸構造光吸収層３から構成すれば良く、それによって、ｎ個の量子井戸構造光吸収層１，２間におけるクロストークを低減することができる。
なお、複数個の量子井戸構造光吸収層１，２を互いに独立に動作させるために、各量子井戸構造光吸収層１，２の両側にコンタクト層４〜６を設けることが望ましい。
【００２３】
また、この様な場合のバンドカットフィルタは、ベース層７の裏面側に設けても良いし、光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２に隣接して設けても良く、隣接して設ける際には、バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３の両側に不純物の拡散を防止するためにノン・ドープ層を設けることが望ましい。
【００２４】
また、バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３の吸収波長域が、光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２の吸収波長域に悪影響を与えないために、不純物濃度を光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２の不純物濃度より大きくし、狭い波長領域における光吸収率を飛躍的に高めれば良い。
【００２５】
【発明の実施の形態】
ここで、図２及び図３を参照して、本発明の第１の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置を参照して説明する。
図２（ａ）参照
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板（図示を省略）上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）によって、ダミーＭＱＷ光吸収層１１、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍのｉ型ＧａＡｓベース層１２、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層１３、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層１５、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層１７を順次エピタキシャル成長させる。
【００２６】
次いで、全面にフォトレジストを塗布したのち、干渉露光法を用いて、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１７の表面に一次の回折格子１８を形成し、次いで、全面にＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程によって、画素分離溝１９を形成するための開口部を有するＳｉＯＮマスク（図示せず）を形成し、このＳｉＯＮマスクをマスクとしてウェット・エッチングを施すことによってｉ型ＧａＡｓベース層１２に達する素子分離溝１９を形成する。
【００２７】
次いで、ＳｉＯＮマスクを除去したのち、全面に新たにＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて各画素２０のｎ型ＧａＡｓコンタクト層１３、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１５、及び、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１７に対するコンタクトホールを形成し、次いで、コンタクトホールの側壁をＳｉＯＮ膜で被覆したのち、Ａｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなるオーミック電極を設ける。
なお、反射型回折格子１８の表面には、例えば、Ａｕからなる反射電極（図示を省略）を設けておく。
【００２８】
最後に、半絶縁性ＧａＡｓ基板をダミーＭＱＷ光吸収層１１に達するまでウェットエッチングして除去することによって、本発明の第１の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置の基本構成が完成する。
【００２９】
図２（ｂ）参照
図２（ｂ）は、ｚ方向、即ち、積層方向に沿ったバンドダイヤグラムであり、Γ伝導帯の底（Ｅc ）のエネルギーを示している。
この場合のダミーＭＱＷ光吸収層１１は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものであり、この場合のｎ- 型Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓバリア層は、隣接するｎ型ＧａＡｓウエル層間において電子がトンネルしないように十分に厚く形成しておく。
【００３０】
一方、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものであり、この場合もｎ- 型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓバリア層は、隣接するｎ型ＧａＡｓウエル層間において電子がトンネルしないように十分に厚く形成しておく。
【００３１】
また、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものであり、この場合もｎ- 型Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓバリア層は、隣接するｎ型ＧａＡｓウエル層間において電子がトンネルしないように十分に厚く形成しておく。
【００３２】
図３（ａ）参照
図３（ａ）は、光検知部における光吸収特性を示す図であり、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４は中心波長をλ1 とする光吸収スペクトルを示し、一方、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６は中心波長をλ2 とする光吸収スペクトルを示している。
【００３３】
使用時においては、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４及びｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１６にはバイアスを印加するので、これらの層でＥC の形状の曲がりが見られ、即ち、量子井戸の形が曲げられる。
【００３４】
この場合、各量子井戸の形の曲がりが同じではないため、それぞれの量子準位および吸収波長にずれが生じるとともに、量子井戸が１次元であることによる広がりもあるので、吸収のスペクトル幅が広がっている。
【００３５】
図３（ｂ）参照
図３（ｂ）は、ダミーＭＱＷ光吸収層１１の光吸収特性を示す図であり、その吸収中心波長は、多重量子井戸構造を構成するバリア層の禁制帯幅の関係で、λ1 とλ2 の中間のλ3 となっており、且つ、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６の赤外線吸収が重なっている領域となるように設定している。
【００３６】
また、このＭＱＷ光吸収層１１は、使用時にバイアスされないので個々の量子井戸の形を均一にすることができ、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６と比較して吸収波長の広がりが少なくなっているとともに、ダミーＭＱＷ光吸収層１１は、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６に比べて高濃度にドープされているので、吸収感度もｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６より高くなっている。
【００３７】
図３（ｃ）参照
図３（ｃ）は二波長量子井戸型赤外線検出器の全体として光吸収特性を示す図であり、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４とｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６の赤外線吸収が重なっている領域の光はダミーＭＱＷ光吸収層１１によって吸収されるため、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６との間でクロストークが起こることがない。
即ち、ダミーＭＱＷ光吸収層１１は、波長域λ3 近傍の光以外を通すフィルタと考えることができるため、バンドカットフィルタということができる。
【００３８】
なお、ダミーＭＱＷ光吸収層１１を高濃度にドープすることによって熱励起に起因する電流成分も同時に増やしてしまうが、ダミーＭＱＷ光吸収層１１では、赤外線の吸収は行われるがそれを検知する必要がないため、熱励起に起因する電流成分の増減を考慮する必要はなく、ダミーＭＱＷ光吸収層１１の量子井戸層には限界まで、例えば、ＧａＡｓ等の半導体材料の不純物固溶限界までドーピングを施すことができ、従って赤外線の吸収率を飛躍的に高めることができる。
【００３９】
また、ｉ型ＧａＡｓベース層１２が電子に対する障壁となり、ダミーＭＱＷ光吸収層１１内在する電子が画素１９側へ漏洩することを防ぐ役割を担うため、雑音が発生することとがなく、特にこれ以上の工夫する必要はない。
【００４０】
この様に、本発明の第１の実施の形態においては、高不純物濃度のダミーＭＱＷ光吸収層１１を設けるという簡単な構成によって、画素密度を低減することなく且つ装置の全体構成を大きくすることなく、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４とｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６との間のクロストークを効果的に低減することができる。
【００４１】
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置を説明する。
図４（ａ）参照
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＶＰＥ法によって、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層２２、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層２３、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４、厚さが、０．２〜１．０μｍ、例えば、０．５μｍのｉ型ＧａＡｓ分離層２５、ダミーＭＱＷ光吸収層２６、厚さが、０．２〜１．０μｍ、例えば、０．５μｍのｉ型ＧａＡｓ分離層２７、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層２８、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層２９、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層３０を順次エピタキシャル成長させる。
【００４２】
次いで、全面にフォトレジストを塗布したのち、干渉露光法を用いて、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層３０の表面に一次の回折格子３１を形成し、次いで、全面にＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程によって、画素分離溝３２を形成するための開口部を有するＳｉＯＮマスク（図示せず）を形成し、このＳｉＯＮマスクをマスクとしてウェット・エッチングを施すことによって半絶縁性ＧａＡｓ基板に達する素子分離溝３２を形成する。
【００４３】
次いで、ＳｉＯＮマスクを除去したのち、全面に新たにＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて各画素３３のｎ型ＧａＡｓコンタクト層３０、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２８、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４、及び、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２２に対するコンタクトホールを形成し、次いで、コンタクトホールの側壁をＳｉＯＮ膜で被覆したのち、Ａｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなるオーミック電極を設ける。
なお、反射型回折格子３１の表面には、例えば、Ａｕからなる反射電極（図示を省略）を設けておく。
【００４４】
最後に、半絶縁性ＧａＡｓ基板をウェットエッチングして厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍのｉ型ＧａＡｓベース層２１とすることによって、本発明の第２の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置の基本構成が完成する。
【００４５】
図４（ｂ）参照
図４（ｂ）は、ｚ方向、即ち、積層方向に沿ったバンドダイヤグラムであり、Γ伝導帯の底（Ｅc ）のエネルギーを示している。
この場合のｎ型ＭＱＷ第１光吸収層２３は、上記の第１の実施の形態におけるｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４と同様に、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
【００４６】
一方、ダミーＭＱＷ光吸収層２６も、上記の第１の実施の形態におけるダミーＭＱＷ光吸収層１１と同様に、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
【００４７】
また、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層２９も、上記の第１の実施の形態におけるｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６と同様に、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
なお、各ＭＱＷ光吸収層のＡｌＧａＡｓバリア層は、隣接するｎ型ＧａＡｓウエル層間において電子がトンネルしないように十分に厚く形成しておく。
【００４８】
この第２の実施の形態における各光吸収層の光吸収特性は上記の第１の実施の形態と同様であるので、二波長量子井戸型赤外線検知装置全体としての光吸収特性としても、上記の第１の実施の形態と同様の特性が得られる。
【００４９】
なお、この第２の実施の形態においては、ダミーＭＱＷ光吸収層２６を、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層２３とｎ型ＭＱＷ第２光吸収層２９との間に設けているため、ダミーＭＱＷ光吸収層２６における光吸収に起因して発生する電子がｎ型ＭＱＷ第１光吸収層２３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層２９へ漏れ出しその赤外線検知に影響を与えないようにするため、ｉ型ＧａＡｓ分離層２５，２７を設けている。
【００５０】
次に、図５を参照して、本発明の第３の実施の形態の三波長量子井戸型赤外線検出装置を説明する。
図５（ａ）参照
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板（図示を省略）上に、ＭＯＶＰＥ法によって、第１ダミーＭＱＷ光吸収層４１、第２ダミーＭＱＷ光吸収層４２、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍのｉ型ＧａＡｓベース層４３、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層４４、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層４５、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層４６、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４７、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層４８、ｎ型ＭＱＷ第３光吸収層４９、及び、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層５０を順次エピタキシャル成長させる。
【００５１】
次いで、全面にフォトレジストを塗布したのち、干渉露光法を用いて、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５０の表面に一次の回折格子５１を形成し、次いで、全面にＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程によって、画素分離溝１９を形成するための開口部を有するＳｉＯＮマスク（図示せず）を形成し、このＳｉＯＮマスクをマスクとしてウェット・エッチングを施すことによってｉ型ＧａＡｓベース層４３に達する素子分離溝５２を形成する。
【００５２】
次いで、ＳｉＯＮマスクを除去したのち、全面に新たにＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて各画素５３のｎ型ＧａＡｓコンタクト層４４、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４６、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４８、及び、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５０に対するコンタクトホールを形成し、次いで、コンタクトホールの側壁をＳｉＯＮ膜で被覆したのち、Ａｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなるオーミック電極を設ける。
なお、反射型回折格子５１の表面には、例えば、Ａｕからなる反射電極（図示を省略）を設けておく。
【００５３】
最後に、半絶縁性ＧａＡｓ基板を第１ダミーＭＱＷ光吸収層４１に達するまでウェットエッチングして除去することによって、本発明の第３の実施の形態の三波長量子井戸型赤外線検知装置の基本構成が完成する。
【００５４】
この場合のｎ型ＭＱＷ第１光吸収層４５は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
【００５５】
また、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４７は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
【００５６】
また、ｎ型ＭＱＷ第３光吸収層４９は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
【００５７】
一方、第１ダミーＭＱＷ光吸収層４１は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.27Ｇａ0.73Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
【００５８】
また、第２ダミーＭＱＷ光吸収層４２は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.32Ｇａ0.68Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
なお、各ＭＱＷ光吸収層のＡｌＧａＡｓバリア層は、隣接するｎ型ＧａＡｓウエル層間において電子がトンネルしないように十分に厚く形成しておく。
【００５９】
図５（ｂ）参照
図５（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態の三波長量子井戸型赤外線検知装置の光吸収特性を示す図であり、図に示すように、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層４５とｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４７の赤外線吸収が重なっている領域の光は第１ダミーＭＱＷ光吸収層４１によって吸収されるため、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層４５及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４７との間でクロストークが起こることがない。
【００６０】
また、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４７とｎ型ＭＱＷ第３光吸収層４９の赤外線吸収が重なっている領域の光は第２ダミーＭＱＷ光吸収層４２によって吸収されるため、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４７及びｎ型ＭＱＷ第３光吸収層４９との間でクロストークが起こることがない。
【００６１】
次に、図６を参照して、本発明の第４の実施の形態の一波長量子井戸型赤外線検知装置を説明する。
図６（ａ）参照
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板（図示を省略）上に、ＭＯＶＰＥ法によって、第１ダミーＭＱＷ光吸収層６１、第２ダミーＭＱＷ光吸収層６２、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍのｉ型ＧａＡｓベース層６３、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層６４、ｎ型ＭＱＷ光吸収層６５、及び、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層６６を順次エピタキシャル成長させる。
【００６２】
次いで、全面にフォトレジストを塗布したのち、干渉露光法を用いて、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６６の表面に一次の回折格子６７を形成し、次いで、全面にＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程によって、画素分離溝６８を形成するための開口部を有するＳｉＯＮマスク（図示せず）を形成し、このＳｉＯＮマスクをマスクとしてウェット・エッチングを施すことによってｉ型ＧａＡｓベース層６３に達する素子分離溝６８を形成する。
【００６３】
次いで、ＳｉＯＮマスクを除去したのち、全面に新たにＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて各画素６９のｎ型ＧａＡｓコンタクト層６４及びｎ型ＧａＡｓコンタクト層６６に対するコンタクトホールを形成し、次いで、コンタクトホールの側壁をＳｉＯＮ膜で被覆したのち、Ａｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなるオーミック電極を設ける。
なお、反射型回折格子６７の表面には、例えば、Ａｕからなる反射電極（図示を省略）を設けておく。
【００６４】
最後に、半絶縁性ＧａＡｓ基板を第１ダミーＭＱＷ光吸収層６１に達するまでウェットエッチングして除去することによって、本発明の第４の実施の形態の一波長量子井戸型赤外線検知装置の基本構成が完成する。
【００６５】
この場合の第１ダミーＭＱＷ光吸収層６１は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものであり、それによって、中心吸収波長はλa となる。
【００６６】
また、第２ダミーＭＱＷ光吸収層６２は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものであり、それによって、中心吸収波長はλb となる。
【００６７】
一方、ｎ型ＭＱＷ光吸収層６５は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものであり、その中心吸収波長λは、λa ＞λ＞λb となる。
【００６８】
図６（ｂ）参照
図６（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態の一波長量子井戸型赤外線検知装置の光吸収特性を示す図であり、図に示すように、一点鎖線で示すｎ型ＭＱＷ光吸収層６５の吸収波長スペクトルの広がりの裾部分は、破線で示す第１ダミーＭＱＷ光吸収層６１及び第２ダミーＭＱＷ光吸収層６２の吸収波長スペクトル部で吸収されて、実線で示すような急峻な吸収波長スペクトルを示すことになる。
【００６９】
この様に、本発明の第４の実施の形態においては、光吸収感度を高めるために比較的高濃度にドープしても、高濃度ドープに伴う吸収波長スペクトルの広がりを素子内においてカットすることができ、それによって、特定の波長のみを選択的に検知することができるので、シャープな波長感度を有する赤外線検知装置を構成することができる。
【００７０】
以上、本発明の各実施例の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載した構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記各実施の形態においては、各ＭＱＷ光吸収層における吸収波長を、多重量子井戸を構成するバリア層のＡｌ組成比によって制御しているが、ウエル層の層厚によって制御しても良いものである。
【００７１】
或いは、多重量子井戸を構成するウエル層をＡｌＧａＡｓ層とし、ウエル層のＡｌ組成比によって制御しても良いものであり、さらには、バリア層のＡｌ組成比、ウエル層のＡｌ組成比、及び、ウエル層の層厚を複合的に制御することによって各ＭＱＷ光吸収層における吸収波長を制御しても良いものである。
【００７２】
また、上記の各実施の形態においては、ダミーＭＱＷ光吸収層における光吸収効率を高めるために光検知部を構成するＭＱＷ光吸収層よりも高濃度にドープしているが、必ずしも必須ではなく、光検知部を構成するＭＱＷ光吸収層と同程度のドープ量でも良い。
【００７３】
また、上記の第３及び第４の実施の形態においては、ダミーＭＱＷ光吸収層をｉ型ＧａＡｓベース層の裏面側に設けているが、上記の第２の実施の形態と同様に画素側に設けても良いものである。
【００７４】
また、上記の第２の実施の形態においては、ダミーＭＱＷ光吸収層を光検知部を構成する２つのＭＱＷ光吸収層の間に設けているが、必ずしも２つのＭＱＷ光吸収層の間である必要はなく、ｉ型ＧａＡｓベース層に接するように設けても良いものである。
【００７５】
また、上記第１乃至第３の実施の形態においては、光検知部を構成する複数のＭＱＷ光吸収層を、ｉ型ＧａＡｓベース層に近い側から、長波長から短波長になるように積層させているが、波長の積層順位は任意であり、また、３つ以上のＭＱＷ光吸収層を設ける場合にも、吸収波長の配列は任意である。
【００７６】
また、上記の各実施の形態の説明においては、各ＭＱＷ光吸収層におけるバリア層のＡｌ組成及びウエル層の層厚を特定しているが、記載しているＡｌ組成及び層厚は単なる一例であり、検知対象とする波長に応じた量子準位、サブバンドが形成されるように、バリア層の厚さ、組成比、及び、ｎ型ＧａＡｓウエル層の厚さを適宜選択すれば良く、さらに、必要とするセンサ感度に応じてｎ型ＧａＡｓウエル層の層数を適宜選択すれば良い。
【００７７】
また、上記の各実施の形態の説明においては、各ＭＱＷ光吸収層をＡｌＧａＡｓ系の多重量子井戸構造によって構成しているが、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系等の他のIII-Ｖ族化合物半導体による多重量子井戸構造を用いても良いものであり、使用する大面積基板に格子整合する材料系であれば良い。
【００７８】
また、上記の各実施の形態の説明においては、量子井戸型赤外線検知装置を１個の画素として示しているが、実際には、この様な画素が二次元アレイ或いは一次元アレイとして配置されてものであるが、逆に、一個の赤外線検知素子単体として用いても良いものである。
【００７９】
ここで、図１を参照して、本発明の詳細な構成を改めて説明する。
図１参照
（付記１） 1 つ以上の吸収波長をもつ光検知機構を有するとともに、バンドカットフィルタとして所定波長域の光を吸収する量子井戸構造光吸収層３を付加し、且つ、量子井戸構造光吸収層３をフローティング状態で光吸収層として作用させることを特徴とするサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記２） 上記光検知機構が１個の量子井戸構造光吸収層からなり、且つ、上記バンドカットフィルタが、前記光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層の吸収波長の短波長側の領域を吸収波長とする量子井戸構造光吸収層と、光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層の吸収波長の長波長側の領域を吸収波長とする量子井戸構造光吸収層とによって構成されることを特徴とする付記１記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記３） 上記光検知機構が互いに吸収波長の異なるｎ個の量子井戸構造光吸収層１，２から構成され、且つ、上記バンドカットフィルタが（ｎ−１）個の量子井戸構造光吸収層３から構成されることを特徴とする付記１記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記４） 上記バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３が、上記光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２を支持するベース層７の裏面側に設けられていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１つに記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記５） 上記バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３が、上記光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２に隣接して設けられていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１つに記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記６） 上記バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３の両側にノン・ドープ層を設けたことを特徴とする付記５記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記７） 上記バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３の不純物濃度が、上記光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２の不純物濃度より大きいことを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記８） 上記光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２の吸収波長領域が、赤外領域であることを特徴とする付記１乃至７のいずれか１項に記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、サブバンド間遷移量子井戸型光検知装置、特に、多波長量子井戸型赤外線検知装置において、不所望な波長域、特に、検知対象となる波長の中間波長域の赤外線を吸収する多重量子井戸型のバンドカットフィルタを設けているので、吸収波長の広がりを小さくし、多波長の場合には波長間のスペクトルクロストークを低減することができ、ひいては、高解像度の赤外線固体撮像装置の実用化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置の構造説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置の光吸収特性の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置の説明図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の三波長量子井戸型赤外線検知装置の説明図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の一波長量子井戸型赤外線検知装置の説明図である。
【図７】従来の二波長量子井戸型赤外線検知装置の説明図である。
【図８】従来の二波長量子井戸型赤外線検知装置の光吸収特性の説明図である。
【符号の説明】
１ 量子井戸構造光吸収層
２ 量子井戸構造光吸収層
３ 量子井戸構造光吸収層
４ コンタクト層
５ コンタクト層
６ コンタクト層
７ ベース層
８ 反射型回折格子
９ 赤外線
１１ ダミーＭＱＷ光吸収層
１２ ｉ型ＧａＡｓベース層
１３ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
１４ ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層
１５ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
１６ ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層
１７ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
１８ 反射型回折格子
１９ 画素分離溝
２０ 画素
２１ ｉ型ＧａＡｓベース層
２２ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
２３ ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層
２４ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
２５ ｉ型ＧａＡｓ分離層
２６ ダミーＭＱＷ光吸収層
２７ ｉ型ＧａＡｓ分離層
２８ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
２９ ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層
３０ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
３１ 反射型回折格子
３２ 画素分離溝
３３ 画素
４１ 第１ダミーＭＱＷ光吸収層
４２ 第２ダミーＭＱＷ光吸収層
４３ ｉ型ＧａＡｓベース層
４４ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
４５ ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層
４６ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
４７ ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層
４８ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
４９ ｎ型ＭＱＷ第３光吸収層
５０ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
５１ 反射型回折格子
５２ 画素分離溝
５３ 画素
６１ 第１ダミーＭＱＷ光吸収層
６２ 第２ダミーＭＱＷ光吸収層
６３ ｉ型ＧａＡｓベース層
６４ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
６５ ｎ型ＭＱＷ光吸収層
６６ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
６７ 反射型回折格子
６８ 画素分離溝
６９ 画素
７１ ｉ型ＧａＡｓベース層
７２ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７３ ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層
７４ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７５ ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層
７６ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７７ 反射型回折格子
７８ 画素分離溝
７９ 画素
８０ 赤外線
８１ ｎ- 型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓバリア層
８２ ｎ型ＧａＡｓウエル層
８３ 第１量子準位
８４ 第２量子準位
８５ 電子
８６ ｎ- 型Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓバリア層
８７ ｎ型ＧａＡｓウエル層
８８ 第１量子準位
８９ 第２量子準位
９０ 電子
【発明の属する技術分野】
本発明はサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置に関するものであり、特に、多重量子井戸に生じたサブバンド間の遷移による光吸収を利用した赤外線センサにおけるクロストーク等を低減するための不所望な波長領域の赤外光を除去する構成に特徴のあるサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、１０μｍ帯近傍の赤外線を検知する赤外線検知装置としては、Ｃｄ組成比が０．２近傍、例えば、Ｃｄ組成比が０．２２のＨｇＣｄＴｅ層に形成したｐｎ接合ダイオードをフォトダイオードとしたものを用い、このフォトダイオードを一次元アレイ状或いは二次元アレイ状に配置すると共に、読出回路との電気的なコンタクトをとるために、赤外線フォトダイオードアレイ基板及びＳｉ信号処理回路基板を、双方に形成したＩｎ等の金属のバンプで貼り合わせた赤外線検知装置が知られている。
【０００３】
しかし、この様なＨｇＣｄＴｅ系赤外線検知装置の場合には、結晶性の良好な大面積基板の入手が困難であるので多センサ素子からなる大型の赤外線検知アレイを構成することが困難であるという問題があり、近年、この様な問題を解決するものとして、多重量子井戸におけるサブバンド間の遷移による光吸収を利用することにより１０μｍ帯近傍の赤外線の検知を可能にした量子井戸型赤外線検知素子（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＷＩＰ）が利用されるようになった。
【０００４】
特に、ＧａＡｓ系化合物半導体を用いたＱＷＩＰでは、材料加工技術が成熟していることや大面積化が可能なことから撮像デバイスとして用いられており、近年、撮像画像の高機能化のために２つの波長に感度を有する二波長量子井戸型赤外線検知素子（二波長ＱＷＩＰ）が使われるようになってきた。
【０００５】
ここで、図７及び図８を参照して、撮像デバイスとして用いられる従来の二波長量子井戸型赤外線検知装置について基本的構成および原理を説明する。
図７（ａ）参照
図７（ａ）は、従来の二波長量子井戸型赤外線検知装置の概略的部分断面図であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７２、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７４、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５、及び、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７６を順次積層させたのち、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７６の表面に反射型回折格子７７を形成する。
【０００６】
次いで、半絶縁性ＧａＡｓ基板に達する画素分離溝７８を形成して各画素７９に分離したのち、図示は省略するものの、ＳｉＯＮ膜等の保護膜を形成し、次いで、Ａｕ膜を形成して反射膜とする。
【０００７】
次いで、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７２、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７４、及び、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７６にそれぞれ達する３つのコンタクトホールを形成し、コンタクトホールの側面を絶縁膜で被覆したのち、コンタクトホールの内部をＡｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなる導電性部材で埋め込むことによってｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５に対するコンタクト電極を形成し、最後に半絶縁性ＧａＡｓ基板の裏面をウェットエッチングして薄層化することによってｉ型ＧａＡｓベース層７１とする。
【０００８】
この様な撮像デバイスにおいて、赤外線８０は各層の積層方向、即ち、ｚ軸の向きに入射するが、光吸収の選択則によりｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５においてｚ軸に平行な向きの赤外線は吸収されないため、入射した赤外線８０はｎ型ＧａＡｓコンタクト層７６の表面まで到達する。
【０００９】
そして反射型回折格子７７により赤外線８０は反射および回折され、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５を斜めに横切るときに吸収される。
ＭＱＷ光吸収層を1 回横切るときの赤外線吸収率は数％程度であるため、赤外線８０は画素７９中で何度か反射された後、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３或いはｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５に吸収されることとなる。
【００１０】
図７（ｂ）参照
図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した二波長量子井戸型赤外線検知装置のｚ軸方向に沿ったバンドダイヤグラムであり、Γ伝導帯の底（Ｅc ）のエネルギーを示している。
ここでは、例えば、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３を構成するバリア層のバンド・ギャップをｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５を構成するバリア層のバンド・ギャップより小さくしている。
なお、ｉ型ＧａＡｓ層７１のフェルミ準位から見たΓ伝導帯の底のエネルギーは、バリア層を構成するｎ- 型ＡｌＧａＡｓ層のΓ伝導帯の底のエネルギーよりも高くなった場合を示している。
【００１１】
図８（ａ）参照
図８（ａ）は、一次元量子井戸構造のｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３の伝導帯側のバンドダイヤグラムを示す図であり、ｎ型ＧａＡｓウエル層８２には、ｎ型ＧａＡｓウエル層８２の層厚及びｎ- 型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓバリア層８１のバリアハイトに依存する量子準位が形成され、ここでは、基底準位である第１量子準位８３と第１励起準位である第２量子準位８４のみが形成される場合を例示している。
【００１２】
ここに第２量子準位８４と第１量子準位８３のエネルギー差（波長換算でλ1 ）を持つ赤外線８０が入射すると、第１量子準位８３にある電子８５が第２量子準位８４へ遷移し、代わりにその赤外線８０は吸収され、このエネルギー差に相当する波長λ1 がｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３の吸収波長となる。
【００１３】
図８（ｂ）参照
図８（ｂ）は、一次元量子井戸構造のｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５の伝導帯側のバンドダイヤグラムを示す図であり、ｎ- 型Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓバリア層８６のＡｌ組成ｙをｎ- 型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓバリア層８１のＡｌ組成ｘよりも大きくすることによって、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５の吸収波長λ2 をｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３の吸収波長λ1 より短波長とし、互いに異なった吸収波長λ1 ，λ2 を持つようにする。
【００１４】
図８（ｃ）参照
図８（ｃ）は、図７（ａ）に示した二波長量子井戸型赤外線検知装置の光吸収特性の説明図であり、波長λ1 をもつ赤外線はｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３のみに、波長λ2 をもつ赤外線はｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５のみに吸収される。
なお、波長λ1 、λ2 の大小を問わないものであり、したがって、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５の積層順序は任意である。
【００１５】
この様に、赤外線の吸収に伴ない励起されたキャリア、即ち、電子は、各ＭＱＷ光吸収層の両端にｎ型ＧａＡｓコンタクト層を介して独立にバイアスを加えることにより井戸の外へ放出され、電流として外部に取り出すことができ、それによって、ＭＱＷ光吸収層により特定の二波長の吸収波長をもつ赤外線を独立に検知することが可能となる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この様なＭＱＷ光吸収層においては、多重量子井戸が１次元量子井戸であるため、キャリアの閉じ込めが不十分であり、且つ、赤外線検知時にはバイアスを印加するために、各量子井戸の形の曲がりが同じでなくなり、それぞれの量子準位および吸収波長にずれが生じ、図８（ｃ）に示すように吸収波長スペクトルが広がる。
【００１７】
そのため、二つのＭＱＷ光吸収層における中心吸収波長が近接してる場合、両方のＭＱＷ光吸収層で吸収される波長域が生まれてクロストーク現象が生ずるという問題があり、このクロストークは撮像デバイスの高機能化の妨げとなる。
【００１８】
したがって、本発明は、簡単な構成により不所望な波長域の赤外線を吸収除去することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記目的を達成するため、本発明は、サブバンド間遷移量子井戸構造光検知装置において、1 つ以上の吸収波長をもつ光検知機構を有するとともに、バンドカットフィルタとして所定波長域の光を吸収する量子井戸構造光吸収層３を付加し、且つ、量子井戸構造光吸収層３をフローティング状態で光吸収層として作用させることを特徴とする。
【００２０】
この様に、バンドカットフィルタを設けることによって、光検知機構において検知目的とする波長の光のみを効率的に検知することができる。
特に、バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３を無バイアス状態、即ち、フローティング状態で使用するので、量子井戸構造光吸収層３の吸収波長域が、光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２の吸収波長域に悪影響を与えることがない。
なお、図における符号８は、入射してくる光、通常は赤外線９を効率良く吸収するために入射角を変化させるための反射型回折格子である。
【００２１】
この場合、光検知機構を１個の量子井戸構造光吸収層で構成し、この光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層の吸収波長の短波長側の領域を吸収波長とする量子井戸構造光吸収層と、長波長側の領域を吸収波長とする量子井戸構造光吸収層とによってバンドカットフィルタを構成しても良く、それによって、極めて狭い波長領域の光のみを選択的に検知することができる。
【００２２】
また、光検知機構を互いに吸収波長の異なるｎ個の量子井戸構造光吸収層１，２から構成しても良く、その場合には、バンドカットフィルタを（ｎ−１）個の量子井戸構造光吸収層３から構成すれば良く、それによって、ｎ個の量子井戸構造光吸収層１，２間におけるクロストークを低減することができる。
なお、複数個の量子井戸構造光吸収層１，２を互いに独立に動作させるために、各量子井戸構造光吸収層１，２の両側にコンタクト層４〜６を設けることが望ましい。
【００２３】
また、この様な場合のバンドカットフィルタは、ベース層７の裏面側に設けても良いし、光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２に隣接して設けても良く、隣接して設ける際には、バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３の両側に不純物の拡散を防止するためにノン・ドープ層を設けることが望ましい。
【００２４】
また、バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３の吸収波長域が、光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２の吸収波長域に悪影響を与えないために、不純物濃度を光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２の不純物濃度より大きくし、狭い波長領域における光吸収率を飛躍的に高めれば良い。
【００２５】
【発明の実施の形態】
ここで、図２及び図３を参照して、本発明の第１の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置を参照して説明する。
図２（ａ）参照
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板（図示を省略）上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）によって、ダミーＭＱＷ光吸収層１１、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍのｉ型ＧａＡｓベース層１２、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層１３、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層１５、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層１７を順次エピタキシャル成長させる。
【００２６】
次いで、全面にフォトレジストを塗布したのち、干渉露光法を用いて、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１７の表面に一次の回折格子１８を形成し、次いで、全面にＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程によって、画素分離溝１９を形成するための開口部を有するＳｉＯＮマスク（図示せず）を形成し、このＳｉＯＮマスクをマスクとしてウェット・エッチングを施すことによってｉ型ＧａＡｓベース層１２に達する素子分離溝１９を形成する。
【００２７】
次いで、ＳｉＯＮマスクを除去したのち、全面に新たにＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて各画素２０のｎ型ＧａＡｓコンタクト層１３、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１５、及び、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１７に対するコンタクトホールを形成し、次いで、コンタクトホールの側壁をＳｉＯＮ膜で被覆したのち、Ａｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなるオーミック電極を設ける。
なお、反射型回折格子１８の表面には、例えば、Ａｕからなる反射電極（図示を省略）を設けておく。
【００２８】
最後に、半絶縁性ＧａＡｓ基板をダミーＭＱＷ光吸収層１１に達するまでウェットエッチングして除去することによって、本発明の第１の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置の基本構成が完成する。
【００２９】
図２（ｂ）参照
図２（ｂ）は、ｚ方向、即ち、積層方向に沿ったバンドダイヤグラムであり、Γ伝導帯の底（Ｅc ）のエネルギーを示している。
この場合のダミーＭＱＷ光吸収層１１は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものであり、この場合のｎ- 型Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓバリア層は、隣接するｎ型ＧａＡｓウエル層間において電子がトンネルしないように十分に厚く形成しておく。
【００３０】
一方、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものであり、この場合もｎ- 型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓバリア層は、隣接するｎ型ＧａＡｓウエル層間において電子がトンネルしないように十分に厚く形成しておく。
【００３１】
また、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものであり、この場合もｎ- 型Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓバリア層は、隣接するｎ型ＧａＡｓウエル層間において電子がトンネルしないように十分に厚く形成しておく。
【００３２】
図３（ａ）参照
図３（ａ）は、光検知部における光吸収特性を示す図であり、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４は中心波長をλ1 とする光吸収スペクトルを示し、一方、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６は中心波長をλ2 とする光吸収スペクトルを示している。
【００３３】
使用時においては、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４及びｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１６にはバイアスを印加するので、これらの層でＥC の形状の曲がりが見られ、即ち、量子井戸の形が曲げられる。
【００３４】
この場合、各量子井戸の形の曲がりが同じではないため、それぞれの量子準位および吸収波長にずれが生じるとともに、量子井戸が１次元であることによる広がりもあるので、吸収のスペクトル幅が広がっている。
【００３５】
図３（ｂ）参照
図３（ｂ）は、ダミーＭＱＷ光吸収層１１の光吸収特性を示す図であり、その吸収中心波長は、多重量子井戸構造を構成するバリア層の禁制帯幅の関係で、λ1 とλ2 の中間のλ3 となっており、且つ、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６の赤外線吸収が重なっている領域となるように設定している。
【００３６】
また、このＭＱＷ光吸収層１１は、使用時にバイアスされないので個々の量子井戸の形を均一にすることができ、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６と比較して吸収波長の広がりが少なくなっているとともに、ダミーＭＱＷ光吸収層１１は、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６に比べて高濃度にドープされているので、吸収感度もｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６より高くなっている。
【００３７】
図３（ｃ）参照
図３（ｃ）は二波長量子井戸型赤外線検出器の全体として光吸収特性を示す図であり、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４とｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６の赤外線吸収が重なっている領域の光はダミーＭＱＷ光吸収層１１によって吸収されるため、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６との間でクロストークが起こることがない。
即ち、ダミーＭＱＷ光吸収層１１は、波長域λ3 近傍の光以外を通すフィルタと考えることができるため、バンドカットフィルタということができる。
【００３８】
なお、ダミーＭＱＷ光吸収層１１を高濃度にドープすることによって熱励起に起因する電流成分も同時に増やしてしまうが、ダミーＭＱＷ光吸収層１１では、赤外線の吸収は行われるがそれを検知する必要がないため、熱励起に起因する電流成分の増減を考慮する必要はなく、ダミーＭＱＷ光吸収層１１の量子井戸層には限界まで、例えば、ＧａＡｓ等の半導体材料の不純物固溶限界までドーピングを施すことができ、従って赤外線の吸収率を飛躍的に高めることができる。
【００３９】
また、ｉ型ＧａＡｓベース層１２が電子に対する障壁となり、ダミーＭＱＷ光吸収層１１内在する電子が画素１９側へ漏洩することを防ぐ役割を担うため、雑音が発生することとがなく、特にこれ以上の工夫する必要はない。
【００４０】
この様に、本発明の第１の実施の形態においては、高不純物濃度のダミーＭＱＷ光吸収層１１を設けるという簡単な構成によって、画素密度を低減することなく且つ装置の全体構成を大きくすることなく、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４とｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６との間のクロストークを効果的に低減することができる。
【００４１】
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置を説明する。
図４（ａ）参照
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＶＰＥ法によって、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層２２、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層２３、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４、厚さが、０．２〜１．０μｍ、例えば、０．５μｍのｉ型ＧａＡｓ分離層２５、ダミーＭＱＷ光吸収層２６、厚さが、０．２〜１．０μｍ、例えば、０．５μｍのｉ型ＧａＡｓ分離層２７、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層２８、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層２９、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層３０を順次エピタキシャル成長させる。
【００４２】
次いで、全面にフォトレジストを塗布したのち、干渉露光法を用いて、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層３０の表面に一次の回折格子３１を形成し、次いで、全面にＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程によって、画素分離溝３２を形成するための開口部を有するＳｉＯＮマスク（図示せず）を形成し、このＳｉＯＮマスクをマスクとしてウェット・エッチングを施すことによって半絶縁性ＧａＡｓ基板に達する素子分離溝３２を形成する。
【００４３】
次いで、ＳｉＯＮマスクを除去したのち、全面に新たにＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて各画素３３のｎ型ＧａＡｓコンタクト層３０、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２８、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２４、及び、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２２に対するコンタクトホールを形成し、次いで、コンタクトホールの側壁をＳｉＯＮ膜で被覆したのち、Ａｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなるオーミック電極を設ける。
なお、反射型回折格子３１の表面には、例えば、Ａｕからなる反射電極（図示を省略）を設けておく。
【００４４】
最後に、半絶縁性ＧａＡｓ基板をウェットエッチングして厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍのｉ型ＧａＡｓベース層２１とすることによって、本発明の第２の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置の基本構成が完成する。
【００４５】
図４（ｂ）参照
図４（ｂ）は、ｚ方向、即ち、積層方向に沿ったバンドダイヤグラムであり、Γ伝導帯の底（Ｅc ）のエネルギーを示している。
この場合のｎ型ＭＱＷ第１光吸収層２３は、上記の第１の実施の形態におけるｎ型ＭＱＷ第１光吸収層１４と同様に、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
【００４６】
一方、ダミーＭＱＷ光吸収層２６も、上記の第１の実施の形態におけるダミーＭＱＷ光吸収層１１と同様に、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
【００４７】
また、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層２９も、上記の第１の実施の形態におけるｎ型ＭＱＷ第２光吸収層１６と同様に、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
なお、各ＭＱＷ光吸収層のＡｌＧａＡｓバリア層は、隣接するｎ型ＧａＡｓウエル層間において電子がトンネルしないように十分に厚く形成しておく。
【００４８】
この第２の実施の形態における各光吸収層の光吸収特性は上記の第１の実施の形態と同様であるので、二波長量子井戸型赤外線検知装置全体としての光吸収特性としても、上記の第１の実施の形態と同様の特性が得られる。
【００４９】
なお、この第２の実施の形態においては、ダミーＭＱＷ光吸収層２６を、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層２３とｎ型ＭＱＷ第２光吸収層２９との間に設けているため、ダミーＭＱＷ光吸収層２６における光吸収に起因して発生する電子がｎ型ＭＱＷ第１光吸収層２３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層２９へ漏れ出しその赤外線検知に影響を与えないようにするため、ｉ型ＧａＡｓ分離層２５，２７を設けている。
【００５０】
次に、図５を参照して、本発明の第３の実施の形態の三波長量子井戸型赤外線検出装置を説明する。
図５（ａ）参照
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板（図示を省略）上に、ＭＯＶＰＥ法によって、第１ダミーＭＱＷ光吸収層４１、第２ダミーＭＱＷ光吸収層４２、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍのｉ型ＧａＡｓベース層４３、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層４４、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層４５、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層４６、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４７、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層４８、ｎ型ＭＱＷ第３光吸収層４９、及び、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層５０を順次エピタキシャル成長させる。
【００５１】
次いで、全面にフォトレジストを塗布したのち、干渉露光法を用いて、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５０の表面に一次の回折格子５１を形成し、次いで、全面にＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程によって、画素分離溝１９を形成するための開口部を有するＳｉＯＮマスク（図示せず）を形成し、このＳｉＯＮマスクをマスクとしてウェット・エッチングを施すことによってｉ型ＧａＡｓベース層４３に達する素子分離溝５２を形成する。
【００５２】
次いで、ＳｉＯＮマスクを除去したのち、全面に新たにＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて各画素５３のｎ型ＧａＡｓコンタクト層４４、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４６、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層４８、及び、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５０に対するコンタクトホールを形成し、次いで、コンタクトホールの側壁をＳｉＯＮ膜で被覆したのち、Ａｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなるオーミック電極を設ける。
なお、反射型回折格子５１の表面には、例えば、Ａｕからなる反射電極（図示を省略）を設けておく。
【００５３】
最後に、半絶縁性ＧａＡｓ基板を第１ダミーＭＱＷ光吸収層４１に達するまでウェットエッチングして除去することによって、本発明の第３の実施の形態の三波長量子井戸型赤外線検知装置の基本構成が完成する。
【００５４】
この場合のｎ型ＭＱＷ第１光吸収層４５は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
【００５５】
また、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４７は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
【００５６】
また、ｎ型ＭＱＷ第３光吸収層４９は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
【００５７】
一方、第１ダミーＭＱＷ光吸収層４１は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.27Ｇａ0.73Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
【００５８】
また、第２ダミーＭＱＷ光吸収層４２は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.32Ｇａ0.68Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものである。
なお、各ＭＱＷ光吸収層のＡｌＧａＡｓバリア層は、隣接するｎ型ＧａＡｓウエル層間において電子がトンネルしないように十分に厚く形成しておく。
【００５９】
図５（ｂ）参照
図５（ｂ）は、本発明の第３の実施の形態の三波長量子井戸型赤外線検知装置の光吸収特性を示す図であり、図に示すように、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層４５とｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４７の赤外線吸収が重なっている領域の光は第１ダミーＭＱＷ光吸収層４１によって吸収されるため、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層４５及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４７との間でクロストークが起こることがない。
【００６０】
また、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４７とｎ型ＭＱＷ第３光吸収層４９の赤外線吸収が重なっている領域の光は第２ダミーＭＱＷ光吸収層４２によって吸収されるため、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層４７及びｎ型ＭＱＷ第３光吸収層４９との間でクロストークが起こることがない。
【００６１】
次に、図６を参照して、本発明の第４の実施の形態の一波長量子井戸型赤外線検知装置を説明する。
図６（ａ）参照
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板（図示を省略）上に、ＭＯＶＰＥ法によって、第１ダミーＭＱＷ光吸収層６１、第２ダミーＭＱＷ光吸収層６２、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍのｉ型ＧａＡｓベース層６３、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層６４、ｎ型ＭＱＷ光吸収層６５、及び、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3、例えば、１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層６６を順次エピタキシャル成長させる。
【００６２】
次いで、全面にフォトレジストを塗布したのち、干渉露光法を用いて、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６６の表面に一次の回折格子６７を形成し、次いで、全面にＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程によって、画素分離溝６８を形成するための開口部を有するＳｉＯＮマスク（図示せず）を形成し、このＳｉＯＮマスクをマスクとしてウェット・エッチングを施すことによってｉ型ＧａＡｓベース層６３に達する素子分離溝６８を形成する。
【００６３】
次いで、ＳｉＯＮマスクを除去したのち、全面に新たにＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて各画素６９のｎ型ＧａＡｓコンタクト層６４及びｎ型ＧａＡｓコンタクト層６６に対するコンタクトホールを形成し、次いで、コンタクトホールの側壁をＳｉＯＮ膜で被覆したのち、Ａｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなるオーミック電極を設ける。
なお、反射型回折格子６７の表面には、例えば、Ａｕからなる反射電極（図示を省略）を設けておく。
【００６４】
最後に、半絶縁性ＧａＡｓ基板を第１ダミーＭＱＷ光吸収層６１に達するまでウェットエッチングして除去することによって、本発明の第４の実施の形態の一波長量子井戸型赤外線検知装置の基本構成が完成する。
【００６５】
この場合の第１ダミーＭＱＷ光吸収層６１は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものであり、それによって、中心吸収波長はλa となる。
【００６６】
また、第２ダミーＭＱＷ光吸収層６２は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものであり、それによって、中心吸収波長はλb となる。
【００６７】
一方、ｎ型ＭＱＷ光吸収層６５は、例えば、厚さが５０ｎｍでキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3のｎ- 型Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓバリア層と、厚さが５．５ｎｍでキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓウエル層とを、ｎ型ＧａＡｓウエル層が２０層になるように交互に堆積させて形成するものであり、その中心吸収波長λは、λa ＞λ＞λb となる。
【００６８】
図６（ｂ）参照
図６（ｂ）は、本発明の第４の実施の形態の一波長量子井戸型赤外線検知装置の光吸収特性を示す図であり、図に示すように、一点鎖線で示すｎ型ＭＱＷ光吸収層６５の吸収波長スペクトルの広がりの裾部分は、破線で示す第１ダミーＭＱＷ光吸収層６１及び第２ダミーＭＱＷ光吸収層６２の吸収波長スペクトル部で吸収されて、実線で示すような急峻な吸収波長スペクトルを示すことになる。
【００６９】
この様に、本発明の第４の実施の形態においては、光吸収感度を高めるために比較的高濃度にドープしても、高濃度ドープに伴う吸収波長スペクトルの広がりを素子内においてカットすることができ、それによって、特定の波長のみを選択的に検知することができるので、シャープな波長感度を有する赤外線検知装置を構成することができる。
【００７０】
以上、本発明の各実施例の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載した構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記各実施の形態においては、各ＭＱＷ光吸収層における吸収波長を、多重量子井戸を構成するバリア層のＡｌ組成比によって制御しているが、ウエル層の層厚によって制御しても良いものである。
【００７１】
或いは、多重量子井戸を構成するウエル層をＡｌＧａＡｓ層とし、ウエル層のＡｌ組成比によって制御しても良いものであり、さらには、バリア層のＡｌ組成比、ウエル層のＡｌ組成比、及び、ウエル層の層厚を複合的に制御することによって各ＭＱＷ光吸収層における吸収波長を制御しても良いものである。
【００７２】
また、上記の各実施の形態においては、ダミーＭＱＷ光吸収層における光吸収効率を高めるために光検知部を構成するＭＱＷ光吸収層よりも高濃度にドープしているが、必ずしも必須ではなく、光検知部を構成するＭＱＷ光吸収層と同程度のドープ量でも良い。
【００７３】
また、上記の第３及び第４の実施の形態においては、ダミーＭＱＷ光吸収層をｉ型ＧａＡｓベース層の裏面側に設けているが、上記の第２の実施の形態と同様に画素側に設けても良いものである。
【００７４】
また、上記の第２の実施の形態においては、ダミーＭＱＷ光吸収層を光検知部を構成する２つのＭＱＷ光吸収層の間に設けているが、必ずしも２つのＭＱＷ光吸収層の間である必要はなく、ｉ型ＧａＡｓベース層に接するように設けても良いものである。
【００７５】
また、上記第１乃至第３の実施の形態においては、光検知部を構成する複数のＭＱＷ光吸収層を、ｉ型ＧａＡｓベース層に近い側から、長波長から短波長になるように積層させているが、波長の積層順位は任意であり、また、３つ以上のＭＱＷ光吸収層を設ける場合にも、吸収波長の配列は任意である。
【００７６】
また、上記の各実施の形態の説明においては、各ＭＱＷ光吸収層におけるバリア層のＡｌ組成及びウエル層の層厚を特定しているが、記載しているＡｌ組成及び層厚は単なる一例であり、検知対象とする波長に応じた量子準位、サブバンドが形成されるように、バリア層の厚さ、組成比、及び、ｎ型ＧａＡｓウエル層の厚さを適宜選択すれば良く、さらに、必要とするセンサ感度に応じてｎ型ＧａＡｓウエル層の層数を適宜選択すれば良い。
【００７７】
また、上記の各実施の形態の説明においては、各ＭＱＷ光吸収層をＡｌＧａＡｓ系の多重量子井戸構造によって構成しているが、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系等の他のIII-Ｖ族化合物半導体による多重量子井戸構造を用いても良いものであり、使用する大面積基板に格子整合する材料系であれば良い。
【００７８】
また、上記の各実施の形態の説明においては、量子井戸型赤外線検知装置を１個の画素として示しているが、実際には、この様な画素が二次元アレイ或いは一次元アレイとして配置されてものであるが、逆に、一個の赤外線検知素子単体として用いても良いものである。
【００７９】
ここで、図１を参照して、本発明の詳細な構成を改めて説明する。
図１参照
（付記１） 1 つ以上の吸収波長をもつ光検知機構を有するとともに、バンドカットフィルタとして所定波長域の光を吸収する量子井戸構造光吸収層３を付加し、且つ、量子井戸構造光吸収層３をフローティング状態で光吸収層として作用させることを特徴とするサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記２） 上記光検知機構が１個の量子井戸構造光吸収層からなり、且つ、上記バンドカットフィルタが、前記光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層の吸収波長の短波長側の領域を吸収波長とする量子井戸構造光吸収層と、光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層の吸収波長の長波長側の領域を吸収波長とする量子井戸構造光吸収層とによって構成されることを特徴とする付記１記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記３） 上記光検知機構が互いに吸収波長の異なるｎ個の量子井戸構造光吸収層１，２から構成され、且つ、上記バンドカットフィルタが（ｎ−１）個の量子井戸構造光吸収層３から構成されることを特徴とする付記１記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記４） 上記バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３が、上記光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２を支持するベース層７の裏面側に設けられていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１つに記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記５） 上記バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３が、上記光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２に隣接して設けられていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１つに記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記６） 上記バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３の両側にノン・ドープ層を設けたことを特徴とする付記５記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記７） 上記バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層３の不純物濃度が、上記光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２の不純物濃度より大きいことを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
（付記８） 上記光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層１，２の吸収波長領域が、赤外領域であることを特徴とする付記１乃至７のいずれか１項に記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、サブバンド間遷移量子井戸型光検知装置、特に、多波長量子井戸型赤外線検知装置において、不所望な波長域、特に、検知対象となる波長の中間波長域の赤外線を吸収する多重量子井戸型のバンドカットフィルタを設けているので、吸収波長の広がりを小さくし、多波長の場合には波長間のスペクトルクロストークを低減することができ、ひいては、高解像度の赤外線固体撮像装置の実用化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置の構造説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置の光吸収特性の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の二波長量子井戸型赤外線検知装置の説明図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の三波長量子井戸型赤外線検知装置の説明図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の一波長量子井戸型赤外線検知装置の説明図である。
【図７】従来の二波長量子井戸型赤外線検知装置の説明図である。
【図８】従来の二波長量子井戸型赤外線検知装置の光吸収特性の説明図である。
【符号の説明】
１ 量子井戸構造光吸収層
２ 量子井戸構造光吸収層
３ 量子井戸構造光吸収層
４ コンタクト層
５ コンタクト層
６ コンタクト層
７ ベース層
８ 反射型回折格子
９ 赤外線
１１ ダミーＭＱＷ光吸収層
１２ ｉ型ＧａＡｓベース層
１３ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
１４ ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層
１５ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
１６ ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層
１７ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
１８ 反射型回折格子
１９ 画素分離溝
２０ 画素
２１ ｉ型ＧａＡｓベース層
２２ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
２３ ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層
２４ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
２５ ｉ型ＧａＡｓ分離層
２６ ダミーＭＱＷ光吸収層
２７ ｉ型ＧａＡｓ分離層
２８ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
２９ ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層
３０ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
３１ 反射型回折格子
３２ 画素分離溝
３３ 画素
４１ 第１ダミーＭＱＷ光吸収層
４２ 第２ダミーＭＱＷ光吸収層
４３ ｉ型ＧａＡｓベース層
４４ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
４５ ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層
４６ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
４７ ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層
４８ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
４９ ｎ型ＭＱＷ第３光吸収層
５０ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
５１ 反射型回折格子
５２ 画素分離溝
５３ 画素
６１ 第１ダミーＭＱＷ光吸収層
６２ 第２ダミーＭＱＷ光吸収層
６３ ｉ型ＧａＡｓベース層
６４ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
６５ ｎ型ＭＱＷ光吸収層
６６ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
６７ 反射型回折格子
６８ 画素分離溝
６９ 画素
７１ ｉ型ＧａＡｓベース層
７２ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７３ ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層
７４ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７５ ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層
７６ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７７ 反射型回折格子
７８ 画素分離溝
７９ 画素
８０ 赤外線
８１ ｎ- 型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓバリア層
８２ ｎ型ＧａＡｓウエル層
８３ 第１量子準位
８４ 第２量子準位
８５ 電子
８６ ｎ- 型Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓバリア層
８７ ｎ型ＧａＡｓウエル層
８８ 第１量子準位
８９ 第２量子準位
９０ 電子
Claims (5)
1 つ以上の吸収波長をもつ光検知機構を有するとともに、バンドカットフィルタとして所定波長域の光を吸収する量子井戸構造光吸収層を付加し、且つ、前記量子井戸構造光吸収層をフローティング状態で光吸収層として作用させることを特徴とするサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
上記光検知機構が互いに吸収波長の異なるｎ個の量子井戸構造光吸収層から構成され、且つ、上記バンドカットフィルタが（ｎ−１）個の量子井戸構造光吸収層から構成されることを特徴とする請求項１記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
上記バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層が、上記光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層を支持するベース層の裏面側に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
上記バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層が、上記光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層に隣接して設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
上記バンドカットフィルタとして機能する量子井戸構造光吸収層の不純物濃度が、上記光検知機構を構成する量子井戸構造光吸収層の不純物濃度より大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のサブバンド間遷移量子井戸型光検知装置。
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