JP5266521B2 - 赤外線センサ、及び赤外線センサic - Google Patents
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(実施形態1)
図1は、実施形態1に係る赤外線センサの模式図である。赤外線センサ100は、半絶縁性の半導体基板101と、半導体基板101上の、インジウム及びアンチモンを含み、n型ドーピングされた材料である第1の化合物半導体層102と、第1の化合物半導体層102上の、n型ドーピングされた材料である第2の化合物半導体層103と、第2の化合物半導体層103上の、第1の化合物半導体層102と同一組成であり、n型ドーピングされた材料である第4の化合物半導体層104と、第4の化合物半導体層104上の、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープあるいはp型ドーピングされた材料である第3の化合物半導体層105と、第3の化合物半導体層105上の電極106と、第4の化合物半導体層104上の電極107とを備える。
図6は、実施形態2に係る赤外線センサ600を示している。半導体基板101から第3の化合物半導体層105までは実施形態1と同一であり、また同様の変形形態が考えられる。赤外線センサ600は、第3の化合物半導体層105上に配置され、第3の化合物半導体層105よりも高濃度にp型ドーピングされ、かつ第1の化合物半導体層102および第3の化合物半導体層105よりも大きなバンドギャップを有する第5の化合物半導体層601をさらに備える。この構造はいわゆるPINダイオードの構造である。
図8は、実施形態3に係る赤外線センサ800を示している。半導体基板101から第3の化合物半導体層105までは実施形態1と同一であり、また同様の変形形態が考えられる。第3の化合物半導体層105の上に第3の化合物半導体層105よりも高濃度にp型ドーピングされ、かつ第1の化合物半導体層102および第3の化合物半導体層105よりも大きなバンドギャップを有する第5の化合物半導体層をさらに備える点は実施形態2と共通するが、本実施形態では、第5の化合物半導体層801の膜厚を臨界膜厚以下(概ね10nmから30nm程度)とする。このようにすることで、第3の化合物半導体層105との界面においてミスフィット転位等の格子欠陥が発生することを防ぎ、第5の化合物半導体層801の結晶性を高めることができる。さらに本実施形態では、第5の化合物半導体層801上に、第3の化合物半導体層105よりも高濃度にp型ドーピングされた第6の化合物半導体層802を備える。第5の化合物半導体層801は臨界膜厚以下であり非常に薄い。したがって第5の化合物半導体層801に電極を直接に形成すると電極形成のプロセス中に何らかの損傷を受ける可能性がある。第6の化合物半導体層802は、このような損傷から第5の化合物半導体層801を保護する約割がある。
実施形態1〜3で説明してきた赤外線センサにおいて、たとえば図1の電極間のバイアスをゼロバイアスとし、信号を光電流ではなく開放回路電圧として読み取る光起電力型の素子として動作させることで、素子に電流が流れることにより発生する1/fノイズを抑制し、信号/ノイズ比(S/N比)を上げることができる。この場合の素子のノイズは熱ノイズ(ジョンソンノイズ)のみである。ここでジョンソンノイズはノイズ電圧v、信号を増幅する際の増幅器のバンド幅f、素子の絶対温度T、素子の抵抗R、ボルツマン定数kとすると次式のように表せる。
実施形態1〜4で説明してきた赤外線センサを、センサから出力される電気信号を処理する集積回路部と同一パッケージ内にハイブリッドに形成することで、超小型で、ノイズや温度揺らぎに強く、室温でより高感度である画期的な化合物半導体赤外線センサICを得る事ができる。また、信号処理によって特定の信号を識別して出力を行う等の、より高度な機能を付加することもできる。
図9に示した素子構造をMBE法により作製した。まず、半絶縁性のGaAs単結晶基板(001)面上に、Sn(n型ドーパント)を1.0×1019原子/cm3ドーピングしたInSb層(第1の化合物半導体層)を1.0μm成長し、この上に、同じくSn(n型ドーパント)を1.0×1019原子/cm3ドーピングしたAl0.17In0.83Sb層(第2の化合物半導体層)を0.02μm成長し、この上にZn(p型ドーパント)を6.0×1016原子/cm3ドーピングしたInSb層(第3の化合物半導体層)を1.0μm成長し、この上にZn(p型ドーパント)を2.0×1018原子/cm3ドーピングしたAl0.17In0.83Sb層(第5の化合物半導体層)を0.02μm成長し、最後に、この上にZn(p型ドーパント)を2.0×1018原子/cm3ドーピングしたInSb層(第6の化合物半導体層)を0.5μm成長した。ここで、各InSb層の室温におけるバンドギャップは0.18eVであり、各Al0.17In0.83Sb層の室温におけるバンドギャップは0.46eVである。これは、他の実施例及び比較例についても同様である。
図12(b)に、倍率12500倍の観察結果を示す。図中に見られる斜めの線が転位である。写真から分かるようにn型InSb層と第3の化合物半導体層との間にあるn型のAl0.17In0.83Sb層(第2の化合物半導体層)によって、基板との界面から発生した転位が曲げられており、第3の化合物半導体層への転位の伝播が大幅に抑制されている効果がはっきりと分かる。
実施例2−1からAl0.17In0.83Sb層(第2の化合物半導体層)を抜いた構造を作製した。この素子について、実施例2−1と同一条件で断面TEM観察を行った結果が図12(a)である。図12(a)から分かるように界面で発生した転位は第3の化合物半導体層を貫通している。
図9に示した素子構造において第1の化合物半導体層中に図5のように第2の化合物半導体層を5層挿入した構造をMBE法により作製した。まず、半絶縁性のGaAs単結晶基板(001)面上に、Sn(n型ドーパント)を1.0×1019原子/cm3ドーピングしたInSb層を0.5μm成長し、この上に、同じくSn(n型ドーパント)を1.0×1019原子/cm3ドーピングしたAl0.17In0.83Sb層(第2の化合物半導体層)を0.02μm成長し、この上にSn(n型ドーパント)を1.0×1019原子/cm3ドーピングしたInSb層を0.02μm成長する。この後、上記と同じ0.02μmのAl0.17In0.83Sb層(第2の化合物半導体層)と0.02μmのInSb層を交互に積層し、Al0.17In0.83Sb層(第2の化合物半導体層)が合計5層になるまで繰り返し積層する。5層目のAl0.17In0.83Sb層(第2の化合物半導体層)上にはSn(n型ドーパント)を1.0×1019原子/cm3ドーピングしたInSb層を0.3μm成長する。この上に更にSn(n型ドーパント)を1.0×1019原子/cm3ドーピングしたAl0.17In0.83Sb層を0.02μm成長する。ここまでのn型ドーピング層(Snドーピング層)は合計で1μmの膜厚となっている。この上にZn(p型ドーパント)を6.0×1016原子/cm3ドーピングしたInSb層(第3の化合物半導体層)を1.0μm成長し、この上にZn(p型ドーパント)を2.0×1018原子/cm3ドーピングしたAl0.17In0.83Sb層(第5の化合物半導体層)を0.02μm成長し、最後に、この上にZn(p型ドーパント)を2.0×1018原子/cm3ドーピングしたInSb層(第6の化合物半導体層)を0.2μm成長した。
実施例2−1の構造を用いて、次の手順でPINダイオードを作製した。まず、n型ドーピング層とのコンタクトを取るための段差形成エッチングを酸により行い、次いで段差形成がされた化合物半導体薄膜に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後プラズマCVDを用いて、全面(GaAs基板およびこの基板に形成された化合物半導体構造)をSiN保護膜で覆った。次いで、形成されたSiN保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Au/Ti(Tiが膜側)をEB蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。PN接合部分は8角形の形状をしており、面積は120.7μm2となるように設計した。また、比較例2−1の構造を用いてもPINダイオードを作製した。
101 半導体基板
102 第1の化合物半導体層
103 第2の化合物半導体層
104 第4の化合物半導体層
105 第3の化合物半導体層
106、107、407 電極
601、801、901 第5の化合物半導体層
802、902 第6の化合物半導体層
Claims (17)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上の、インジウム及びアンチモンを含み、n型ドーピングされた材料である第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層上の、n型ドーピングされた材料である第2の化合物半導体層と、
前記第2の化合物半導体層上の、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープあるいはp型ドーピングされた材料である第3の化合物半導体層と
を備え、
前記第2の化合物半導体層以外の層のバンドギャップは、0.25eV以下であって、
前記第2の化合物半導体層は、前記第1の化合物半導体層および前記第3の化合物半導体層よりもバンドキャップが大きく、
前記第3の化合物半導体層は、前記第1の化合物半導体層と同一組成であり、
前記第2の化合物半導体層の膜厚は、臨界膜厚以下であり、
前記第1の化合物半導体層の膜厚が0.1μmより大きく、3.0μm以下であり、
前記第3の化合物半導体層の結晶性が向上し、かつ、暗電流、拡散電流が低減されることを特徴とする赤外線センサ。 - 前記第3の化合物半導体層は、前記第2の化合物半導体層上に直接に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。
- 前記第2の化合物半導体層と前記第3の化合物半導体層との間に、前記第1の化合物半導体層と同一組成であって、n型ドーピングされた材料である第4の化合物半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。
- 半導体基板と、
前記半導体基板上の、インジウム及びアンチモンを含み、n型ドーピングされた材料である第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層上の、n型ドーピングされた材料であって、臨界膜厚以下である第2の化合物半導体層と、
前記第2の化合物半導体層上の、前記第2の化合物半導体層との界面において前記第1の化合物半導体層と同一組成であり、膜厚方向に組成が傾斜している第4の化合物半導体層と、
前記第4の化合物半導体層上の、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープまたはp型ドーピングの第3の化合物半導体層であって、前記第4の化合物半導体層との界面において前記第4の化合物半導体層と同一組成である第3の化合物半導体層と
を備え、
前記第2の化合物半導体層以外の層のバンドギャップは、0.25eV以下であって
前記第2の化合物半導体層は、前記第1の化合物半導体層および前記第3の化合物半導体層よりもバンドキャップが大きく、
前記第1の化合物半導体層の膜厚が0.1μmより大きく、3.0μm以下であり、
前記第3の化合物半導体層の結晶性が向上し、かつ、暗電流、拡散電流が低減されることを特徴とする赤外線センサ。 - 半導体基板と、
前記半導体基板上の、インジウム及びアンチモンを含み、n型ドーピングされた材料である第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層上の、n型ドーピングされた材料であって、臨界膜厚以下である第2の化合物半導体層と、
前記第2の化合物半導体層上の、前記第2の化合物半導体層との界面において前記第1の化合物半導体層と同一組成であり、膜厚方向に組成が傾斜しているノンドープまたはp型ドーピングされた材料である組成遷移層と、
前記組成遷移層上の、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープまたはp型ドーピングされた材料である第3の化合物半導体層であって、前記組成遷移層との界面において前記組成遷移層と同一組成である第3の化合物半導体層と
を備え、
前記第2の化合物半導体層以外の層のバンドギャップは、0.25eV以下であって、
前記第2の化合物半導体層は、前記第1の化合物半導体層および前記第3の化合物半導体層よりもバンドキャップが大きく、
前記第1の化合物半導体層の膜厚が0.1μmより大きく、3.0μm以下であり、
前記第3の化合物半導体層の結晶性が向上し、かつ、暗電流、拡散電流が低減されることを特徴とする赤外線センサ。 - 前記第1の化合物半導体層と、第2の化合物半導体層との間に、前記第1の化合物半導体層と同一組成の第1の繰り返し層と、前記第2の化合物半導体層と同一組成の第2の繰り返し層とをそれぞれ少なくとも1層ずつ備え、
前記第1の繰り返し層と前記第2の繰り返し層とは、交互に配置されており、
前記第2の繰り返し層の膜厚は、臨界膜厚以下であることを特徴とする請求項1、4及び5のいずれかに記載の赤外線センサ。 - 前記第1の化合物半導体層及び前記第3の化合物半導体層は、InSb、InAsSb、又はInSbNのいずれかであり、前記第2の化合物半導体層は、AlInSb、GaInSb、若しくはAlAs、InAs、GaAs、AlSb、GaSb、又はそれらの混晶のいずれかであることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の赤外線センサ。
- 前記第2の化合物半導体層は、前記第1の化合物半導体層と同等の濃度にn型ドーピングされていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の赤外線センサ。
- 前記第3の化合物半導体層上に配置され、前記第3の化合物半導体層よりも高濃度にp型ドーピングされ、かつ前記第1の化合物半導体層および前記第3の化合物半導体層よりも大きなバンドギャップを有する第5の化合物半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の赤外線センサ。
- 前記第5の化合物半導体層は、AlInSb、GaInSb、若しくはAlAs、InAs、GaAs、AlSb、GaSb、又はそれらの混晶のいずれかであることを特徴とする請求項9に記載の赤外線センサ。
- 前記第5の化合物半導体層は臨界膜厚以下であり、
前記第5の化合物半導体層上に、前記第5の化合物半導体層と同等以上にp型ドーピングされている、第6の化合物半導体層をさらに備えることを特徴とする請求項9または10に記載の赤外線センサ。 - 前記p型ドーピングされた第6の化合物半導体層は、前記第1の化合物半導体層または、前記第3の化合物半導体層と同一組成であることを特徴とする請求項11に記載の赤外線センサ。
- 前記第1の化合物半導体層の膜厚は、0.1μmより大きく、3.0μm以下であることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の赤外線センサ。
- 前記半導体基板は、半絶縁性の半導体基板、または前記半導体基板と該半導体基板に形成された前記第1の化合物半導体層とが絶縁分離可能な半導体基板であり、
前記第1の化合物半導体層上のうち、前記第3の化合物半導体層が形成されていない領域に形成された第1の電極と、
前記第3の化合物半導体層上に形成された、第2の電極と
をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載の赤外線センサ。 - 前記半導体基板上には、前記赤外線センサに形成された第1の電極と、該第1の電極が形成された赤外線センサの隣の赤外線センサに形成された第2の電極とが直列接続するように、複数の赤外線センサが連続的に形成されていることを特徴とする請求項14に記載の赤外線センサ。
- 出力信号を測定する際に、前記第1及び第2の電極間のバイアスをゼロバイアスとし、赤外線入射時の信号を開放回路電圧として読み出すことを特徴とする請求項14または15に記載の赤外線センサ。
- 請求項1乃至16のいずれかに記載の赤外線センサと、
前記赤外線センサから出力される電気信号を処理して所定の演算を行う集積回路部と
を備え、
前記赤外線センサ及び前記集積回路部が同一パッケージ内にハイブリッドの形態で配設されていることを特徴とする赤外線センサIC。
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