JP4468600B2

JP4468600B2 - 暗電流低減機構を有する光検知装置

Info

Publication number: JP4468600B2
Application number: JP2001044008A
Authority: JP
Inventors: 靖仁内山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2021-02-20
Also published as: JP2002246635A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子井戸（quantum well）を利用した光検知装置、特に検知対象を赤外光とする、暗電流低減機構を有する光検知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
量子井戸型赤外線検知器（Quantum Well Infrared Photodetector；ＱＷＩＰ）は応答が速く高感度であるという特徴から、画像を捕える赤外線検知器として用いられる。特に８μm〜１２μm帯に感度を有するＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子を用いたＱＷＩＰでは、成熟したるＧａＡｓ成長技術により多画素化が容易なことから、赤外線画像デバイスとして多く使用される。
【０００３】
このＱＷＩＰは通常、光電変換部と読み出し回路部から構成されており、両者のそれぞれに含まれる画素同士を所定のバンプで接続したハイブリッド構造を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のＱＷＩＰにおいて、その光電変換部は、気相エピタキシャル成長法によりＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとを交互に積層成長させた超格子を含む。その伝導帯では、図８に示すように、それぞれのΓバンドによりＧａＡｓ層を量子井戸とする多重量子井戸（Multi Quantum Well：ＭＱＷ）構造が形成される。各量子井戸の特定の深さに基底準位が形成されるようにＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層厚を決めることで、特定のエネルギーを持つ赤外線の入射によって基底準位の電子が励起（光励起）され、量子井戸の外に放出される。ＭＱＷ両端にバイアスを加えておくことにより、光励起された電子を電流（光電流；Ｉ_p）として検知することが可能となる。一方、量子井戸内の電子は概ねフェルミ・ディラック統計に従って分布し、基底準位の電子が励起（熱励起）されるため、赤外線の入射がない場合においてもバイアス印加により電流（暗電流；Ｉ_d）が流れる。
【０００５】
ＱＷＩＰも含めた赤外線検知器の感度は、主に比検出能Ｄ^*で表され、
【０００６】
【数１】

【０００７】
である。暗電流雑音はショット雑音に起因するものであり
【０００８】
【数２】

【０００９】
と記述される。これにより比検出能は、
【００１０】
【数３】

【００１１】
と変形され、ＱＷＩＰの感度を上げるためには「光電流の増加」または「暗電流の低減」が必要になる。
【００１２】
従来の技術では、ＧａＡｓ層にｎ⁺型ドーピングを行い、基底準位の電子密度を高めて光励起する電子の増加を図ったものが一般的であり、その一方で熱励起による暗電流を抑える技術は数少ない現況にある。
【００１３】
そこで本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、熱励起による暗電流の低減化を積極的に図り、極めて感度の高い暗電流低減機構を有する光検知装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した
【００１５】
本発明は、基板上に、量子井戸を有する第１の層と、ポテンシャルの障壁を形成する第２の層とが交互に少なくともそれぞれ１層積層されてなり、入射光により光励起されて量子井戸外へ放出した電子を検知する、暗電流低減機構を有する光検知装置を対象とする。
【００１６】
ここで、量子効率を高めるため、前記第１及び第２の層を交互にそれぞれ複数積層してなる多重量子井戸構造とすることが好適である。
【００１７】
本発明の光検知装置は、前記積層両端にバイアスを印加したときに電子が流れる方向に沿って、前記第２の層が前記第１の層へと変わる界面の前記第２の層部分に選択的に不純物がドーピングされてなるものである。
【００１８】
上記の構造を実現するには、前記第２の層の成膜工程において、当該第２の層の上面表層に不純物を導入する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、光検知装置の好適な一例として、検知対象を赤外光とする量子井戸型赤外線検知器（ＱＷＩＰ）を開示する。
【００２０】
図１は、本実施形態のＱＷＩＰの概略構成を示す断面図である。
このＱＷＩＰは、赤外線の入射によって光励起された電子を電流（光電流；Ｉ_p）に変換する機能を有する光電変換部１と、変換された光電流に基づいて情報を読み出す読み出し回路部２とを備えて構成されている。
【００２１】
光電変換部１は、ＧａＡｓ基板１１上にＭＱＷ構造の複数の画素１２がパターン形成されてなり、読み出し回路部２は、Ｓｉ基板１３上に画素１１に対応するようにＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）からなる画素１４がパターン形成されてなるものである。光電変換部１と読み出し回路部２とが互いにＧａＡｓ基板１１，Ｓｉ基板１３を対向させ、Ｉｎバンプ１５により対応する画素１２，１４が電気的に接続されてＱＷＩＰが構成される。
【００２２】
画素１２は、本発明の主要構成をなすものであり、図２に示すように、ｎ−ＧａＡｓ層２１上に量子井戸ポテンシャルを有する第１の層であるＧａＡｓ層２２と量子井戸に対するポテンシャルの障壁を有する第２の層であるＡｌＧａＡｓ層２３とを交互に複数積層成長させ、最上層にＩｎバンプ１５との良好な接続を確保するためのｎ−ＧａＡｓ層２４が形成されてなるＭＱＷ構造を構成する。
【００２３】
そして、各ＡｌＧａＡｓ層２３には、ＧａＡｓ層２２から見た基板１１側の界面、換言すれば、ＭＱＷ構造の積層両端にバイアスを印加したときに電子が流れる方向に沿って、ＡｌＧａＡｓ層２３がＧａＡｓ層２２へと変わる界面のＡｌＧａＡｓ層２３部分に選択的にｎ⁺型不純物２５、一般的にＳｉが選択的にドーピングされている。これにより、熱励起に基づく暗電流の発生が抑止される。以下、このｎ型不純物２５のドープにより奏する暗電流抑止のメカニズムについて、従来の赤外線検知器との比較に基づいて説明する。
【００２４】
従来のＱＷＩＰにおいては、電流電圧特性、特に暗電流の電流電圧特性に、バイアス電圧の極性に対する非対称性が見られることが知られている（図３）。この現象は以下の議論により説明することができる。
【００２５】
光電変換部に含まれるＭＱＷにおいて、量子井戸層であるＧａＡｓ層から見て表面側（基板側の逆側）における障壁層であるＡｌＧａＡｓ層との界面（表面側界面）のＡｌＧａＡｓ層部分には、量子井戸層に施したｎ⁺型ドーパントの拡散などにより不純物の蓄積が生ずる（図４）。
【００２６】
この不純物は、室温ないしは動作温度近傍（〜７０Ｋ）では電子を放出して活性化しており、正の空間電荷を生ずる。このため、その近傍では伝導帯が曲がり、量子井戸層で基板側に向かって内部電界が生じ、結果として量子井戸構造の非対称を生じる。
【００２７】
ここで、量子井戸内の基底準位にある電子の感じる障壁の高さ（実効的な障壁高さ）を、表面側界面でＥ_af、基板側の障壁層界面（基板側界面）でＥ_arと表記する。この状態でＭＱＷ両端にバイアス電圧を加えた場合、この非対称性により、
Ｅ_af（表面側に正バイアス印加時）＜Ｅ_ar（表面側に負バイアス印加時）
という関係が生ずる（図５（ａ），図５（ｂ））。但し、ここで言及している実効的な障壁高さの対象は、電子の流れる向きに依存するため、バイアス極性の違いにより比較対象が異なってくることに注意を要する。
【００２８】
量子井戸内の電子はフェルミ・ディラック統計に従い分布し、電子密度は一定と考えられるので、基底準位Ｅ₀とフェルミ準位Ｅ_fとの関係は、
【００２９】
【数４】

【００３０】
と仮定できる。従って、実効的な障壁上端（Ｅ_c＝Ｅ_a＋Ｅ₀）以上に分布する熱励起された電子密度は、ある一定の温度条件下で、
【００３１】
【数５】

【００３２】
と表される。これは、熱励起されて実効的な障壁上端以上に分布する電子密度が、基底準位のエネルギーレベルに拠らず、実効的な障壁高さＥ₀に依存することを示している。このため、実効的な障壁が高いほど暗電流は小さくなる。つまり、表面側に負バイアスを加えたほうが、正バイアスを加えた場合に比べて暗電流を減らすことが可能となり、暗電流の電流電圧特性にバイアス極性に対する非対称性を生ずる。
【００３３】
従来のＱＷＩＰでは、ＭＱＷに印加するバイアスの極性は表面側で正となる。読み出し回路部のＣＭＯＳトランジスタは応答速度の速いｎ型トランジスタを採用しており、この結果、光電変換部の各画素との接点の電極では正電圧が印加される。しかし、画像デバイスとして光電変換部の各画素を分離する必要があり、この加工を表面側から行うため、読み出し回路部の各画素との接点の電極が表面側に形成される。従って、ＭＱＷに印加させるバイアスは表面側で正に固定される。このため、従来のＱＷＩＰにおける電流電圧特性は正バイアスであることから暗電流が増加する。
【００３４】
これに対して、本実施形態によるＱＷＩＰでは、表面側に正バイアスを印加した条件下においても、実効的な障壁高さＥ_afを大きくすることが可能であれば暗電流を低減できる。
【００３５】
本発明では、ＡｌＧａＡｓ層の基板側界面にｎ⁺型不純物の選択ドーピングを施す（図６）。この界面では、不純物蓄積と同様の考察から伝導帯が曲がり、量子井戸層で表面側に向かって内部電界が生じ、前記選択ドーピングを施さない場合と比較してＥ_arが小さくなる。逆に、表面側界面ではＥ_afが大きくなる。このとき、表面側に正バイアスを印加した場合でさえ、前記選択ドーピングを施さなかった時に比べて大きな実効的な障壁高さＥ_afを獲得し（図７）、暗電流を低減させることができる。
【００３６】
更に、本発明の前記選択ドーピングは、量子井戸層におけるｎ⁺型不純物のドーピングを省くことを可能にする。ＡｌＧａＡｓ層の基板側界面のドーパントは、前述のように室温近傍で活性化し、空間電荷となった電子の一部は量子井戸層の基底準位へ落ち込み蓄えられる。これは、量子井戸層にドーピングした不純物が活性化し、励起された電子が基底状態に蓄えられることの代わりとなる。よって、井戸層へのｎ＋型不純物のドーピングは不要となる。この効果は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子の成長過程における量子井戸層からＡｌＧａＡｓ層の表面側界面へのｎ⁺型不純物の拡散を防止し、表面側界面の実効的な障壁高さＥ_afの低下を抑制することにある。その結果、暗電流低減の効果を高めることができる。
【００３７】
以上説明した暗電流抑止のメカニズムを踏まえ、本実施形態によるＱＷＩＰの製造方法について説明する。
【００３８】
先ず、光電変換部１を作製するには、図２に示したように、気相エピタキシャル成長法により、ＧａＡｓ基板１１上にｎ−ＧａＡｓ層２１を形成した後、ＧａＡｓ層２２とＡｌＧａＡｓ層２３とを交互に多数積層し、最上層にｎ−ＧａＡｓ層２４を形成してＭＱＷ構造を構成する。
【００３９】
各ＡｌＧａＡｓ層２３を成膜した際に、図２に示したように、当該ＡｌＧａＡｓ層２３の表層（上面表層）にｎ⁺型不純物２５、ここではＳｉを選択的にドープする。このようにしてＭＱＷ構造を形成した場合、各ＡｌＧａＡｓ層２３には、ＧａＡｓ層２２から見たＧａＡｓ基板１１側の界面にＳｉがドープされている。その後、このＭＱＷ構造を電極形状にパターニングし、画素１２を形成する。
【００４０】
上述のように、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子の成長は気相エピタキシャル成長法により行うが、現在の気相エピタキシャル成長法の技術では１０^-8ｃｍオーダーの膜厚制御が可能であり、不純物添加についても同様に可能であるため、選択ドーピングの位置精度は充分である。また、ドーピング濃度についても、量子井戸内の内部電界の向きを反転させるのに必要な濃度（１×１０¹⁸ｃｍ³程度）は現在の技術で充分実現可能な値である。
【００４１】
一方、読み出し回路部２を作製するには、Ｓｉ基板１３上にＭＯＳ（不図示）を形成し、これを電極形状に加工することにより、画素１４を形成する。
【００４２】
しかる後、基板１１，１３を対向させ、対応する画素１２，１４をＩｎバンプ１５により接続し、所定の後工程を経て、赤外線検知器を完成させる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態によれば、熱励起による暗電流の低減化を積極的に図り、極めて感度の高いＱＷＩＰが実現する。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、熱励起による暗電流の低減化を積極的に図り、極めて感度の高い暗電流低減機構を有する光検知装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のＱＷＩＰの概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の主要構成をなすＭＱＷ構造を示す断面図である。
【図３】従来のＱＷＩＰにおける暗電流の電流電圧特性を示す特性図である。
【図４】従来のＱＷＩＰにおいて、量子井戸層の不純物蓄積の様子を示すポテンシャル図である。
【図５】従来のＱＷＩＰにおいて、量子井戸構造に非対称が生じた様子を示すポテンシャル図である。
【図６】本発明の主要構成をなすＭＱＷ構造における障壁層に施す選択ドーピングの様子を示すポテンシャル図である。
【図７】本発明のＱＷＩＰにおいて、表面側界面の障壁高さを増大させる様子を示すポテンシャル図である。
【図８】ＱＷＩＰの量子井戸構造を示すポテンシャル図である。
【符号の説明】
１光電変換部
２読み出し回路部
１１ＧａＡｓ基板
１２，１４画素
１３Ｓｉ基板
１５Ｉｎバンプ
２１，２４ｎ−ＧａＡｓ層
２２ＧａＡｓ層
２３ＡｌＧａＡｓ層
２５ｎ⁺型不純物

Claims

基板上に、量子井戸を有する第１の層と、ポテンシャルの障壁を形成する第２の層とが交互に少なくともそれぞれ１層積層されてなり、入射光により光励起されて量子井戸外へ放出した電子を検知する暗電流低減機構を有する光検知装置であって、
前記積層両端にバイアスを印加したときに電子が流れる方向に沿って、前記第２の層が前記第１の層へと変わる界面の前記第２の層部分に選択的に不純物がドーピングされてなることを特徴とする光検知装置。
前記第１及び第２の層が交互にそれぞれ複数積層されてなる多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１に記載の光検知装置。
前記入射光が赤外光であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光検知装置。