JP5503380B2 - 赤外線センサ - Google Patents

Description

本発明は、赤外線センサにかかり、特に量子型光電変換素子を備える赤外線センサに関する。

比較的長波長の光を検知する赤外線センサにおいて高感度を実現することは困難とされている。また、この波長帯のフォトンのエネルギーは小さいことから、高出力の発光素子を実現するのは困難である。なお、ここでいう長波長とは、例えば３μｍ以上の波長をいう。
上記の波長帯で動作するセンサには、焦電センサやサーモパイルが挙げられる。これらのセンサにおいて高感度を実現するためには、受光部と光の入射窓部との間に中空領域を設ける必要がある。中空領域を有する構造は、センサの小型化を制限することになる。焦電センサやサーモパイルよりも小型化に有利な赤外センサとして、量子型（光起電力型）の赤外線センサがある。

量子型の赤外線センサは、多数キャリアが電子であるＮ型半導体と多数キャリアがホールであるＰ型半導体とが接合されてなるＰ−Ｎ接合を有している。Ｐ−Ｎ接合に存在する空乏層内で赤外線の光子により発生した電子ホール対は、価電子帯と導電帯の傾斜に従って空間的に分離蓄積される。この結果、Ｐ型半導体はプラス側に、Ｎ型半導体はマイナス側に帯電しその間に起電力が生ずる。この起電力は開放電圧と呼ばれ、高い抵抗値を有する外部抵抗素子を使って電圧として読み出すことができる。また、センサ外部で短絡させて電流として読み出すことも可能である。

ところで、人体が発生する赤外線を検出することによって人体の存在を検出する人感センサがある。このような半導体型センサを室温で人感センサとして用いる場合、人体が活動する環境温度と人体の体温の差が小さくいことが問題となる。すなわち、環境において輻射される赤外線がセンサの熱ノイズを発生させるため、センサ信号の十分なＳ／Ｎ比を確保することが困難になる。

このような点に対処するため、一般的に、センサ自身を冷却して熱ノイズの発生を抑制することが行われている。このような半導体型センサの代表的なものに、ＩｎＳｂやＭＣＴ等の化合物半導体を用いた赤外線センサがある。なお、本明細書では、半導体を用いた赤外線センサを、以降、半導体型センサとも記す。
化合物半導体センサにおいて、非冷却、小型でありながら高いＳ／Ｎ比が得られる人感センサを提供することを目的にした発明が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された発明では、平面状に半導体型センサを多数配置し、各半導体型センサを多段に直列接続して出力を取り出している。

限られた面積内に多くの半導体型センサを配列する方法としては、電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた固体撮像素子が挙げられる。ＣＣＤは、ビデオカメラやデジタルスチルカメラに採用されていて、高画素化の目的で限られた面積の中により多くの素子を配列する様々な試みがなされている。
例えば、特許文献２に記載されている発明は、固体撮像素子を小型化、高画素化しながら、感度の低下や垂直転送レジスタの取り扱い電荷量の減少を抑えることを目的にしてなされている。この発明では、隣接する受光素子垂直列にある受光素子の位置を垂直方向に配置の２分の１ピッチずらし、各受光素子の形状を垂直方向に対し略４５度傾斜した４辺を含む多角形とすることにより、解像度向上及び実質的開口率を向上させる方法が記載されている。

また、特許文献３には、略正六角形の感熱部を有する熱型赤外線センサをハニカム状に二次元配列することにより、限られたチップサイズにおける開口率を向上させる方法が開示されている。
さらに、特許文献４には、画素を構成するフォトダイオードを略正八角形状とし、それを千鳥配置とすることにより、解像度の向上とともにモアレ干渉を抑制することが記載されている。

また、微弱の赤外線を検出できるセンサとして、多数のフォトダイオードを直列に接続した室温で動作できる赤外線センサの接続方法と作製方法が特許文献５に記載されている。

国際公開第２００５−２７２２８号パンフレット 特開平６−７７４５０号公報 特開平１１−１１１９５８号公報 特公平４−３１２３１号公報 特開２００７−０８１２２５号広報

しかしながら、特許文献１〜４に記載された従来技術は、いずれも可視光を検出対象としている。可視光の光量は遠赤外線領域に比べて非常に大きく、画素を構成するフォトダイオード等の検出素子が単一であっても十分な出力を取り出すことができる。一方、遠赤外線を検出対象とする赤外線センサでは、赤外線の光量が小さく、また背景となる環境からの輻射との差も小さいため、単一のフォトダイオードでは十分な出力を得ることが困難である。

また、単一素子を多段に接続することは遠赤外線光の検出に有効な手段であるが、素子を多段に接続するに当たっては、各々の素子を電気的に絶縁しながら、基板の一方の面に２つの端子を形成することが必要になる。このような構成の実現は、可視光を検出する固体撮像素子に用いられる配列方法を適用しても困難である。
また、赤外領域に感度を有する半導体素子は、もとよりバンドギャップエネルギーが小さく、室温環境下では低抵抗となり易い。このため、Ｐ−Ｎ接合側壁のリーク電流の増加を招きやすい。その結果、単一素子の形状についてはできるだけ受光面積に対する周囲長を短くし、各素子の配置については基板の一方の面に２端子を形成して直列接続できるように最適化する必要がある。しかし、ＣＣＤの従来の配置ではこのような目的を達成するのは困難である。

また、特許文献５に提示された多数のフォトダイオードの直列接続とその製造方法を用いることにより、高感度の赤外線センサが実現できる。さらに、センサの信号を受ける回路のノイズ特性を考量した設計を行なうことによって、Ｓ／Ｎ比がより優れた赤外線センサを実現することができる。
ところで、センサによって検出された信号を処理する信号処理回路で発生するノイズは、センサ側の抵抗成分に依存することが知られている。例えば、入力換算電圧ノイズが２０ｎＶ_RMS／Ｈｚ^1/2（ここではＶ_RMS／Ｈｚ^1/2はノイズの単位）である既存のＯＰアンプを信号処理回路の初段のアンプとして利用した場合、センサ側のインピーダンスを１００〜２００ｋΩとしたときに最大のＳ／Ｎ比が得られる。システム全体のＳ／Ｎ比は基本的に初段アンプのＳ／Ｎ比で決まる。このため、信号処理回路のＳ／Ｎ比を最大にするには、初段アンプの出力のＳ／Ｎ比を最大にする必要がある。

以上のことから、信号処理回路にセンサの出力電流を増幅するアンプを実装した場合、センサの内部抵抗が１００〜２００ｋΩという条件を満足しながら、センサの出力電流が最大になるような設計が必要となる。
本発明は、以上の点に鑑みて行われたものであって、微弱な赤外線光を高感度、高Ｓ／Ｎ比で検出することができる赤外線センサを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明の赤外線センサは、基板上に形成された半導体材料を含む第１メサ部（例えば図５に示した第１メサ部４０）と、当該第１メサ部と極性が異なる半導体材料を含む第２メサ部（例えば図５に示した第２メサ部４３）とを含む複数のフォトダイオードを含む赤外線センサであって、前記第１メサ部と前記基板との接触面が４角形状であり、前記第１メサ部と前記第２メサ部の接触面の形状が５角形状であり、前記複数のフォトダイオードの全てについて、前記フォトダイオードが占有する基板面積Ｓ_Wと、前記第１メサ部と前記第２メサ部との接触面積Ｓ₁₂との間に、０．７≦（Ｓ₁₂／Ｓ_W）≦０．９８、の関係があることを徴とする。

また、本発明の赤外線センサは、上記発明において、前記フォトダイオードのうち１つの単一フォトダイオードが占有する基板面積ａ_PDが、前記単一フォトダイオードの前記第１メサ部と第２メサ部と接触面積ａ₁₂との間に、０．６≦（ａ₁₂／ａ_PD）≦０．９８、の関係があることがさらに好ましい。
また、本発明の赤外線センサは、上記発明において、前記第１メサ部、前記第２メサ部は少なくともＩｎ、Ｓｂのいずれかを含む化合物半導体から構成され、前記第２のメサ部が拡散電流を抑制するためのバリア層を含むことがさらに好ましい。

また、本発明の赤外線センサは、上記発明において、配線と電気的に接続される少なくとも２つのパッドをさらに備え、前記第１メサ部と前記配線との抵抗率ｒ_c1と、前記第２メサ部と前記配線との抵抗率ｒ_c2との間に、ｒ_c1／ｒ_c2≦１／５の関係があり、前記フォトダイオードの抵抗ｒ₀と、前記配線と前記第１メサ部との接触面積Ｓ_c1と、前記配線と前記第２メサ部との接触面積Ｓ_c2との間に、ｒ₀＞５（Ｓ_c1・ｒ_c1＋Ｓ_c2・ｒ_c2）の関係があることがさらに好ましい。
また、本発明の赤外線センサは、上記発明において、前記パッド形成に必要な基板面積の横と縦の一辺の長さＬ _PAD1、Ｌ_PAD2 が、前記フォトダイオードのうち１つの単一フォトダイオードが占有する基板面積ａ _PD との間に、Ｌ_PAD1＝α×ｋ×ａ_PD ^1/2（α＝98〜100％、ｋ＝１、２、３・・・の整数）及びＬ_PAD2＝β×ｗ×ａ_PD ^1/2（β＝98〜100％、ｗ＝１、２、３・・・の整数）の関係を有することがさらに好ましい。

上記した発明によれば、センサ基板の面積を占める受光部の面積を最大にし、また、センサの抵抗値を回路側のノイズ特性に見合うように、最適化することによって、センサを冷却せずに、微弱の赤外線（例えば、数μＷ／ｃｍ²〜ｍＷ／ｃｍ²）を高いＳ／Ｎ比で検出する赤外線センサを作成することができる。

一般的な量子型赤外線センサを説明するための図である。 フォトダイオードの形状の相違による最適な配置方法の相違を説明するための図である。 本発明の一実施形態の赤外線センサの概観を説明するための図である。 本発明の一実施形態の赤外線センサのメサ部の角について説明するための図である。 本発明の一実施形態のフォトダイオードを説明するための図である。 本発明の一実施形態のフォトダイオードの図５（ａ）に示した破線Ｂ−Ｂ’に沿う断面図である。 本発明の一実施形態のコンタクト抵抗及びフォトダイオード全体の抵抗とフォトダイオードの面積との関係を示した図である。 本発明の一実施形態の赤外線センサの出力電流を電圧に変換し、増幅する回路を例示した図である。 本発明の一実施形態のアンプの出力ノイズと赤外線センサの内部抵抗との関係を説明するための図である。 図５に示した第１メサ部のコンタクト孔用のエリアとコンタクト孔との関係を具体的に示した図である。 図１０に示した受光部の面積を変更しながら三角形のエリアの面積を一定にした状態を説明するための図である。 本発明の一実施形態の受光部の面積と光電流との関係を示す図である。 本発明の一実施形態のフォトダイオードの出力信号のＳ／Ｎ比とフォトダイオードの数との関係を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。
（一般的な赤外線センサ）
ここでは、本実施形態の赤外線センサと比較するため、実施形態の説明に先立って、一般的な赤外線センサについて説明する。
図１は、一般的な量子型赤外線センサを説明するための図であって、量子型赤外線センサの受光部の断面を示している。
受光部は、例えば半導体基板であるＧａＡｓ基板１上に設けられた複数のフォトダイオード９によって構成されている。複数のフォトダイオード９は、各々がＩｎＳｂ系の量子型ｐｉｎフォトダイオードであって、互いに直列に接続されている。フォトダイオード同士を接続する配線４７は、一層の金属配線等である。図中に示したＩは、赤外線光を示している。

フォトダイオード９は、ＧａＡｓ基板１上にインジウム（ｌｎ）及びアンチモン（Ｓｂ）を含むＩｎＳｂのようなＮ型化合物半導体層（Ｎ層）、ノンドープの化合物半導体層（π層）と、バンドギャップがＮ層及びπ層よりも大きいＡｌＩｎＳｂのような化合物半導体層と、Ｐ型の不純物が高濃度にドーピングされているＰ型化合物半導体層（Ｐ層）とが順次積層された構造となっている。

なお、後で説明する本発明の実施形態においても、フォトダイオードは同様の構成を有していて、ＧａＡｓ基板１上のＮ層の部分が第１メサ部、Ｎ層から上の層が第２メサ部となる。ただし、実際のプロセスにおいては、第２メサ部を形成するためのエッチングをＮ層をまったくエッチングすることなく止めることはできない場合も多く、第２メサ部がＮ層の一部を含む場合もある。本実施形態では、第２メサ部内の層構造については、説明の簡単化のために図示を略す場合もある。

図１に示したようなセンサの高感度、高Ｓ／Ｎ比を実現するには、基板の面積の無駄を最小減にし、フォトダイオードを効率の良く配置できる設計が不可欠である。しかし、フォトダイオードとフォトダイオード間を電気的に接続するためには、メタル配線と半導体とをコンタクトする第１メサ部のコンタクト部１０１と、フォトダイオード間を電気的に絶縁するための絶縁部１１とが必要となる。これらの部分は光によって感度を持たない（起電力を発生しない）ため、受光部の充填率を１００％にすることは不可能である。

ここでは、充填率とは、基板の面積からパッドに必要な面積を省いた面積（換言すれば、全フォトダイオードとそれらの電気的絶縁に必要な絶縁部の総面積）Ｓ_PDと、実際に受光機能のある部分である受光部(ＰＩＮ接合のある部分)の総面積Ｓ_Jの比を言う。つまり、面積の充填率γは次式によって表される。
γ＝Ｓ_J ／Ｓ_PD …式（１）
ここでは、フォトダイオードの総数をｎとした場合、Ｓ_PD＝ｎ×ａ_PD（ａ_PDは単一フォトダイオードの絶縁部込みの面積）で、Ｓ_J＝ｎ×ａ_J（ａ_Jは単一フォトダイオードの受光部の面積）となる。本発明の実施形態では、後述するように、受光面ａ_Jは単一フォトダイオードの第１メサ部と第２メサ部の界面となるので望ましい。
多数のフォトダイオードを基板上に配置し、フォトダイオード同士を直列接続する場合、単一フォトダイオードの形状によって、配置の最適な方法が異なってくる。

図２は、フォトダイオードの形状の相違による最適な配置方法の相違を説明するための図である。図２（ａ）は、上面から見た形状（以降、平面形状と記す）が丸いフォトダイオード２０１の場合の配置方法を示している。図２（ｂ）は、平面形状が六角形のフォトダイオード２０２の配置方法を示している。図２（ａ）に示した配置方法は、フォトダイオード間の隙間Ａが多く、（ｂ）に示した配置方法によれば、フォトダイオード間の隙間Ａをより少なくすることができる。

しかし、本実施形態の赤外線センサでは、出力電流が単一フォトダイオードの出力電流となるため、高いＳ／Ｎ比を得るには各フォトダイオードの受光面積を統一する必要がある。したがって、円形あるいは六角形のフォトダイオードを用いると、基板周辺にあっても図２（ａ）に示したような円形のフォトダイオード２０１、あるいは図２（ｂ）に示したような六角形のフォトダイオード２０２以外の形状を持ったフォトダイオードを用いることは望ましくない。基板周辺に円形や六角形のフォトダイオードを用いることは、基板の周辺に受光機能の無い無駄な部分Ｂを多く発生させてしまう。

以上のことから、本実施形態は、図２（ｃ）で示すように、平面形状が四角いフォトダイオード２０３を用い、基板上でフォトダイオードが設けられない無駄をスペースの発生を抑制することができるようにする。その詳細については後述するものとする。
また、本実施形態の赤外線センサでは、各フォトダイオードが所有する基板面積Ｓ_Wと、各フォトダイオードの受光機能を持つ受光面積Ｓ₁₂の比を０．７≦（Ｓ₁₂／Ｓ_W）≦０．９８にすることによって、これまで実現できなかった高Ｓ／Ｎ比が実現できる。センサの感度はこのＳ₁₂／Ｓ_Wに比例するため、Ｓ₁₂／Ｓ_Wの値は高い程好ましい。電気絶縁用の部分を最小限にすることによって、Ｓ₁₂／Ｓ_Wが拡大でき、０．７５≦（Ｓ₁₂／Ｓ_W）≦０．９８よりも、０．８≦（Ｓ₁₂／Ｓ_W）≦０．９８は好ましい設計となる。

（実施形態）
図３は、本実施形態の赤外線センサの概観を説明するための図である。図示した赤外線センサは、パッド８１、パッド８２を有し、パッド８１、８２間には後述する１０個のフォトダイオードが接続されている。各フォトダイオードは四角い形状を持っていて、四角いチップに簡単に配置することができる。
また、本実施形態の赤外線センサは、フォトダイオード同士を接続するために、配線４７が設けられている。配線４７には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ａｌ等の金属が用いられる。配線４７の具体的な例としては、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉ（Ｔｉは半導体部と接触する）、もしくはＡｕ／Ｐｔ（Ｐｔは半導体部と接触する）構造が挙げられる。Ａｕを用いることによって、フォトダイオード間の寄生抵抗が抑えられる。ここでは、２つのパッド８１、パッド８２を配線４７と同時に形成することにより、パッド及び配線の製造効率を高めることができる。

製造方法の具体例としては、メタル配線のＥＢ（Electron Beam）蒸着法やスパッタリング法が挙げられる。このようなメタル層形成法を利用して形成された金属膜に、リフトオフ工程もしくは、エッチング工程によって配線をパターニングすることによってパッド８１、８２及び配線４７を簡単に形成することができる。
なお、本実施形態では、２個のパッド８１、８２間に１０個のフォトダイオードを接続した例を示したが、実際のセンサでは基板サイズや膜の抵抗によって、最適なフォトダイオードの数ｎが相違する。この詳細については後述する。

また、本実施形態では、パッド形成に必要なチップ面積の横と縦の一辺をそれぞれＬ_PAD1とＬ_PAD2を、フォトダイオードの面積ａ_PDの平方根の整数倍にすると、基板面積中においてフォトダイオードが占める面積を最も大きくすることができる。具体的には、Ｌ_PAD1＝ｋ×ａ_PD ^1/2（ｋ＝１、２、３・・・の整数）及びＬ_PAD2＝ｗ×ａ_PD ^1/2（ｗ＝１、２、３・・・の整数）となる。こうすることによって、設計者がチップ面積利用効率の高いセンサの設計ができる。なお、基板上のパッド形成においては、加工精度の観点から鑑みて、−２％の範囲、すなわちαが９８％以上の場合は、実質的にｋが整数の場合と同等の効果を有する。βも同様である。

また、本実施形態では、以降、基板面積中においてフォトダイオードが占める面積以外の面積を、「無駄な面積」と記すものとする。
ところで、半導体デバイスの製造プロセスでは四角い基板を利用することは一般的である。その理由は、デバイスがウエハー上で製造された後、ダイシング工程で四角い形状にダイシングされるからである。
本実施形態では、フォトダイオードの第１メサ部４０を基板１の形状に合わせて四角形状とし、また、複数のフォトダイオードを図１に示すように配置したことによって基板の無駄な面積が少なくなって最大の充填率が得られる。

また、実際のフォトリソグラフィ工程やエッチング工程では、四角に設計された半導体層の角が曲線を描く形状になる（以降、本実施形態では「丸まった」とも記す。また、半導体層の角部を「丸まった」状態にすることを、「丸める」とも記す）ことは多くある。具体的には、角の部位が例えば半径０．１〜２μｍ位の円弧の一部を描くように丸まった形に成り得る。このようなパターンの形状も本発明の範囲内である。

また、本実施形態では、第１メサ部４０を四角い形状とする例を示したが、パターニング・エッチング加工精度を保持するように、必要に応じて、メサ部の角を図４（ａ）に示すように丸める、あるいは図４（ｂ）に示すように角部がさらに多くの角を含むようにしてもよい。このような例では、図４（ａ）中に示した半径Ｒや図４（ｂ）中に示した角部分の距離Ｍを小さくするほど、チップの充填率が増える。

このため、角部を丸める場合には、第１メサ部４０の平面形状を一辺の長さをＬとする正方形とした場合、Ｒ／Ｌ＜１／４とすることが好ましい。また、Ｒ／Ｌ＜１／５、もしくはＲ／Ｌ＜１／１０とすることがさらに好ましい。また、第１メサ部４０の角部にさらに角を設ける場合、Ｍ／Ｌ＜１／４とすることが好ましい。また、Ｍ／Ｌ＜１／５、もしくはＭ／Ｌ＜１／１０とすることがさらに好ましい。

（フォトダイオードの構成）
図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の赤外線検出素子であるフォトダイオードを説明するための図である。図５（ａ）はフォトダイオードの平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）に示したフォトダイオードの図５（ａ）中に示した破線Ａ−Ａ’に沿う断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示したフォトダイオードの図５（ａ）中に示した破線Ｂ−Ｂ’に沿う断面図である。

図５（ｄ）は簡略化したフォトダイオードの構造を示す図である。ここでは、第２メサ部内の層構造を図示し、第２メサ部内における起電力の発生機構について説明する。図５（ｄ）に示した例では、第１メサ部４０及び第２メサ部４３は、Ｎ層５０、π層５１、バリア層５２、ｐ層５３を順に積層し、これを第２メサ部形成のための工程と第２メサ部形成の工程とに分けてエッチングすることによって構成されている。
前記したように、Ｎ層５０はＩｎＳｂであり、π層５１はノンドープの化合物半導体層である。また、バリア層５２はＡｌＩｎＳｂ、Ｐ層はＩｎＳｂにＰ型の不純物が高濃度にドーピングして構成されている。

このとき、第２メサ部４３は、エッチングがＮ層５０表面で完全に止まらなかった場合にはＮ層の一部を含み、第２メサ部４３はＮ層の残りの部分とπ層５１とバリア層５２とＰ層５３を含む。第１メサ部と第２メサ部を絶縁層４８で覆ってから、第１メサ部上のコンタクト孔４１と第２メサ部上のコンタクト孔４４を形成する。その後、メタル配線４７が形成される。被検出物体からの輻射（赤外線）が基板１側から、入射され、Ｎ層を通過し、π層に吸収され、電子とホールが発生し、起電力が発生する。この起電力がセンサの出力信号となる。バリア層５２は拡散電流を抑制する役割を持ち、室温で、高感度の赤外線センサが実現できる。
本発明では、第１メサ部４０のコンタクト孔４１を含む第１メサ部のコンタクト部１０１は受光感を持たないため、最小にするのが望ましい。一方、第２メサ部４３のコンタクト孔４４は受光感度を持つＰＩＮ構造上に形成され、受光部の面積が大きくなる程、コンタクト孔も大きくできる。

図５（ａ）〜図５（ｄ）に示したように、本実施形態のフォトダイオードは、例えばＧａＡｓのような化合物半導体の基板１上に第１メサ部（台形形状部）４０を有する半導体層と、第１メサ部４０上に形成された第２メサ部４３とを有している。フォトダイオードの周囲には、他のフォトダイオードとの絶縁を図るための絶縁部４５が形成されている。
第１メサ部４０、第２メサ部４３はいずれも半導体材料を含んでいる。第１メサ部４０、第２メサ部４３はフォトダイオードを構成し、このフォトダイオードは受光素子として機能する。図５（ａ）の平面図に示した第２メサ部４３の領域が受光部となる。

第１メサ部４０、第２メサ部４３は絶縁層４８によって電気的に絶縁されている。絶縁層４８の主な役割は受光感度を持つπ層とバリア層をメタル配線から絶縁することである。なお、第１メサとメタル配線の接触用と、第２メサの最表面とメタル配線との接触のために、第１メサ部４０にはコンタクト孔４１が、第２メサ部４３にはコンタクト孔４４が形成されている。第１メサ部４０にはコンタクト孔４１を介してメタル配線４７が電気的に接続されている。また、第２メサ部４３にはコンタクト孔４４を介してメタル配線４７が電気的に接続されている。このメタル配線を介して、図１で示したように、隣接するフォトダイオードがお互いに直列に接続される。

第１メサ部４０の半導体層としてはＰ型のＩｎＳｂ（ｐ−ＩｎＳｂ）、第２メサ部４３の半導体層としてはＮ型のＩｎＳｂ（ｎ−ＩｎＳｂ）が用いられる。メタル配線４７には例えばＴｉが用いられる。
前記したように基板上の受光部の充填率を１００％にするのは不可能であるが、上記した本実施形態の受光部の充填率を最大限まで高めることにより、Ｓ／Ｎ比が高い信号が得られる赤外線センサデバイスが実現できる。第１メサ部４０にはコンタクト孔４１が必要であるが、最大のＳ／Ｎ比を実現するにはコンタクト孔４１を小さくする必要がある。具体的な寸法は製造加工精度によるが、例えば、コンタクト孔４１の直径は０．５μｍ〜５μｍが適切である。

（フォトダイオードの寸法形状）
本実施形態では、単一のフォトダイオードにおいて、フォトダイオードが占める基板の面積（絶縁に必要な部分を含む）をａ_PDで示す。また、第１メサ部４０と第２メサ部４３との界面の接触面積をａ₁₂で示す。そして、従来よりも高Ｓ／Ｎ比の出力信号を実現するため、０．６≦（ａ₁₂／ａ_PD）≦０．９８とする。そうすることにより、基板の無駄な面積を最小限にでき、高いＳ／Ｎ比の出力信号が得られる赤外線センサを実現することができる。

なお、接触面積ａ₁₂に対するフォトダイオードが占める基板面積（ａ₁₂／ａ_PD）が大きいほど高いＳ／Ｎ比が得られる。このため、本実施形態では、望ましくは０．７≦（ａ₁₂／ａ_PD）≦０．９８、より望ましくは０．８≦（ａ₁₂／ａ_PD）≦０．９８とする。また、第１メサ部４０のコンタクト孔４１を最小限にすることによって、ａ₁₂／ａ_PDが最大と値を持つようになる。

図６は、第１メサのコンタクト部１０１が基板１上に占める面積を最小限にした一例を示す図であって、フォトダイオードの図５（ａ）に示した破線Ｂ−Ｂ’に沿う断面図である。この例では、コンタクト孔４１が第１メサ部４０の上面ばかりでなく、側面にも形成されている。
また、ａ_Jは受光機能を持つフォトダイオードの接合部の面積を示す。一般的にはａ_J≦ａ₁₂であるが、センサの最大の出力を得るには、ａ_Jは大きいほど好ましい。ａ_Jとａ₁₂との関係はセンサの積層膜によるが、本実施形態ではａ₁₂はフォトダイオードの第１メサ部と第２メサ部の界面を示し、界面が受光面の面積ａ_Jに一致するので、最も好ましい形状となる。

（寄生抵抗）
出力信号が高Ｓ／Ｎ比のフォトダイオードを実現するための他の要素は、フォトダイオードの直列寄生抵抗である。直列寄生抵抗の値が小さいほど、半導体とメタル配線４７との間で発生する電圧降下を低減し、外部に取り出せる光電流が増える。また、開放電圧を取り出す場合、熱雑音が低減できるため、寄生抵抗は小さいほど好ましい。そのため、高性能のフォトダイオードの実現には寄生直列抵抗の値を最小にする必要がある。

寄生抵抗は半導体とメタルとの界面に発生する。メタル／半導体の接触面積を大きくするほど、コンタクト抵抗が下がる。具体的にはコンタクト抵抗Ｒ _ｃ はコンタクト抵抗率ｒｃに比例し、接触面積Ｓ _ｃ に反比例する。具体的には、コンタクト抵抗Ｒ _ｃ は次の式（２）、式（３）で表現できる。
Ｒ_C1＝ｒ_c1 ／Ｓ_c1 …式（２）
Ｒ_C2＝ｒ_c2 ／Ｓ_c2 …式（３）

Ｒ_C1は第１メサ部４０とメタル配線４７とのコンタクト抵抗値、Ｒ_C2は第２メサ部４３とメタル配線４７とのコンタクト抵抗値を示す。ｒ_C1は第１メサ部４０とメタル配線４７とのコンタクト抵抗率、ｒ_C2は第２メサ部４３とメタル配線４７とのコンタクト抵抗率を示す。ｒ_C1とｒ_C2 の単位は面積の単位（μｍ^２）×抵抗の単位（Ω）となる。Ｓ_c1は第１メサ部４０とメタル配線４７との接触面積を示し、Ｓ_c2は第２メサ部４３とメタル配線４７との接触面積を示す。

本実施形態では、フォトダイオードの寄生直列抵抗成分（Ｒ_C1＋Ｒ_C2）をフォトダイオードの全体の抵抗ｒ₀の１／５以下にすることが好ましい。こうすることにより、出力信号が高Ｓ／Ｎ比を持つ赤外線センサを実現することができる。また、本実施形態は、（Ｒ_C1＋Ｒ_C2）≦１／１０ｒ₀、さらには（Ｒ_C1＋Ｒ_C2）＜１／２０とすることが好ましい。
上記の条件を満たすには、メタル配線４７に接触する半導体層の不純物濃度を高くし、さらに、メタル配線形成時に、界面の酸化膜を除去する工程が必要である。また、ＥＢ蒸着もしくは、スパッタ時に、材料源の十分なクリーニングが必要となる。

（具体的なプロセス条件）
具体的には、図５に示した本実施形態において、デバイス製造時に材料源の十分なクリーニングをした場合、ｐ−ＩｎＳｂとＴｉのコンタクト抵抗率は約１１７Ω×μｍ^２となり、ｎ−ＩｎＳｂとＴｉとのコンタクト抵抗率が６Ω×μｍ^２となる。フォトダイオードの受光面積を５２０〜２０８０μｍ²とすると、フォトダイオードの全体の抵抗ｒ₀が９０〜５００Ωとなる。ｐ−ＩｎＳｂのコンタクト面積に受光部の面積を利用して、また、ｎ−ＩｎＳｂとメタルとの接触面積をφ３μｍの孔を想定した場合、ｎ−ＩｎＳｂ／メタルとｐ−ＩｎＳｂ／メタルのコンタクト抵抗成分の総合抵抗成分（Ｒ_C1＋Ｒ_C2）がフォトダイオードの全体の抵抗のｒ₀の３％以下実現することができる。

図７は、コンタクト抵抗及びフォトダイオード全体の抵抗とフォトダイオードの面積との関係を示した図である。図７の横軸はフォトダイオードの面積を、縦軸はフォトダイオードの抵抗値を示している。また、菱形のプロットはｐ−ＩｎＳｂと配線４７とのコンタクト抵抗を、四角のプロットはｎ−ＩｎＳｂと配線４７とのコンタクト抵抗を示している。さらに、三角形のプロットはフォトダイオード全体の抵抗を示している。図７から分かるように、コンタクト抵抗成分は、フォトダイオード全体の抵抗の１／１０以下になることがわかる。

本実施形態では、第１メサ部４０とメタル配線４７との積（コンタクト抵抗×面積）を十分に小さくすることによってＲｃ１が無視でき、第１メサ部４０上のコンタクト孔を小さくしてもフォトダイオードの性能の低下は起こらない。このような構成を実現するには、第１メサ部の半導体中の不純物濃度を高くする必要がある。具体的な数値としては、第１メサ部４０と第２メサ部４３の最表面の不純物濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3以上にすることが好ましい。

また、本実施形態では、ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法を用いて、ＰＩＮ構造のフォトダイオード構造を積層し、ｎ−ＩｎＳｂのドーパントをＳｎにし、その濃度を７×１０¹⁸ｃｍ^-3にした、また、ｐ−ＩｎＳｂのドーパントをＺｎにし、その濃度をと２×１０¹⁸ｃｍ^-3にした。
また、本実施形態において最大の充填率を実現するには、第１メサとメタルの接触用のコンタクト部１０１を最少にするのは望ましい。こうすることにより、縮小した面積をＰＩＮ構造へ変えることによって、最大の面積充填率と共に、最大のＳ／Ｎ比が実現できる。

なお、以上説明した実施形態では、ＩｎＳｂ系の赤外線センサを説明したが、用途に応じて、デバイスの検知波長帯を変える必要が有る。ＩｎＳｂ系の場合、１〜７μｍの波長帯の赤外線光を検知することができる。ＩｎＧａＳｂ、もしくは、ＩｎＡｌＳｂ系のフォトダイオードの場合、検出される赤外線光を１〜５μｍの波長帯に絞ることができる。また、ＩｎＡｓＳｂ系のフォトダイオードの場合、１〜１２μｍの波長帯の赤外線光を検知することができる。

同様の波長の赤外線光を検知するには、ＨｇやＣｄを用いたＭＣＴ（Mercury Cadmium Teluride）を用いたフォトダイオード構造も研究されている。しかし、本実施形態では、本発明の赤外線センサを一般的な用途に幅広く普及させるため、環境に害の無いデバイスを目指し、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｇａ、Ａｌの材料をフォトダイオードの主材料とすることが好ましい。

上記した半導体材料によって、フォトダイオードの全体の抵抗が変化する。これは主にＩ層（光を吸収し、起電力を発生する層）のバンドギャップによって、室温での真性キャリア数が変わるためである。具体的にはバンド材料のバンドギャップが小さいほど、真性キャリア数が増え、フォトダイオードの抵抗が低下する。
一方、微弱の信号を増幅する低ノイズのＯＰアンプでは、入力換算ノイズが２０ｎＶ_RMS／Ｈｚ^1/2となる。図８に示すような回路構成を用いれば、赤外線センサの出力電流を電圧に変換し、増幅することができる。しかし、アンプの入力に接続される赤外線センサの内部抵抗によって、アンプの出力に表れるノイズが変化する。

図９は、アンプの出力ノイズと赤外線センサの内部抵抗との関係を説明するための図であって、横軸に赤外線センサの内部抵抗を、縦軸にアンプの出力ノイズを示している。図９から分かるように、センサの内部抵抗が１００〜２００ｋΩになると、出力信号のノイズレベルが最も小さくなる。したがって、赤外線センサの内部抵抗をこの範囲に合わせることによって、システム（アンプと赤外線センサ）のＳ／Ｎ比が最大となる。また、アンプの出力信号は電流／電圧変換抵抗Ｒｃ×（１＋Ｒ₂／Ｒ₁）に比例するため、用途によって、赤外線センサの内部抵抗を所望の抵抗値に設計できる。

しかし、非常に微弱な赤外線を検出する場合、Ｒ２とＲｃの値が５ＭΩ以上となると、回路の動作が不安定となり、発振することもある。また、抵抗器自身の熱雑音がシステムのＳ／Ｎ比を低下させてしまうため、Ｒ₂及びＲ_Cの値は１０ＭΩ以下が好ましい。より好ましくは５ＭΩ以下、１ＭΩ以下である。そのため、非常に微弱の信号を増幅する場合、赤外線センサにも高感度が求められる。ここでは、アンプが赤外線センサの出力電流を増幅するため、被検出輻射に対して、最大の光電流を出力する必要がある。

（赤外線センサの設計方法）
また、本実施形態では、センサの設計に当たって、回路（アンプ）の特性を考量した設計方法を提供する。具体的には、赤外線センサの抵抗が１００〜２００ｋΩのとき、出力電流の感度が最大になるものとする。そのため、第１メサ部４０の平面形状を４角形で、第１メサ部４０上に形成される第２メサ部４３の平面形状を５角形とする。なお、第１メサ部４０、第２メサ部４３の角部の形状は、図４で説明したように、丸めても良いし、角部に角を設けるように（多角形に）してもよい。
また、第２メサ部４３のコンタクト孔４４は、第２メサ部４３の形状に合わせて５角形にしても良いし、図５で示したように円形状にしても良い。

また、本実施形態では、第１メサ部４０のコンタクト孔用のエリアを三角形にしている。充填率を高めるためには、三角形部分を最小にする必要があるが、その大きさは第１メサ部４０のコンタクト孔４１の大きさによって制限される。製造方法によって、加工精度は異なるが、一般的なフォトリソグラフィ工程を用いても、直径０．５〜５μｍの孔がドライエッチング（例えば、ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）法によって形成できる。コンタクト孔をφ２μｍにした場合の具体的な設計図を図１０に示す。

図１０において、符号１０１を付して示した箇所が、図５に示したコンタクト孔４１が形成される三角形のエリアであって、第１メサのコンタクト部を示す。また、符号１０２を付して示した箇所が受光面を示している。
本実施形態によれば、材料の抵抗や回路のノイズ特性に応じて、第１メサ部４０のコンタクト孔４１の大きさを最小限の一定値にしながら、図１１に示すように、受光部１０２の面積が自由に変えられ、フォトダイオードの設計が簡易になる。

以上説明した設計方法を用いて、第１メサ部４０のコンタクト孔４１を含めて、第１メサのコンタクト部１０１の大きさを固定し、第２メサ部４３の形状のみを変えた場合の、受光部１０２の面積と光電流との関係を図１２に示す。図１２の横軸は受光部１０２の面積を、縦軸は光電流を示している。また、実測値を三角形のプロットで、シミュレーションの結果を円形のプロットで示す。

図１２から明らかなように、光電流の実測値と計算値において、光電流が受光面積ａ₁₂に比例する傾向及びその値が一致していることから、第１メサ部４０のコンタクト孔４１の抵抗成分はフォトダイオードの性能に影響を与えないことが分かる。この結果から、所望の光電流は、フォトダイオードの受光部の形状によって決定できることが分かる。この特徴を利用することによって、設計者はフォトダイオードを簡易に設計できる。
図１３は、本実施形態の第１メサ部４０、第２メサ部４３をＩｎＳｂ系の半導体として構成されたフォトダイオードの出力信号のＳ／Ｎ比とフォトダイオードの数ｎとの関係を説明するための図である。図１３の横軸はフォトダイオードの数、縦軸は出力信号のＳ／Ｎ比を示している。

図１３に示した例では、基板の面積Ａ_PDが３．９×１０⁵μｍ²で、ＯＰアンプの入力換算ノイズが２０ｎＶ_RMS／Ｈｚ^1/2、膜の抵抗（フォトダイオード抵抗×受光面積）Ｒ_FILM＝ｒ₀×Ａ_PD／ｎは１．３〜１．５×１０^-3Ωｃｍ²である。この結果から、ＩｎＳｂ系のフォトダイオードの数を４００〜６００個にすることによって、最大のＳ／Ｎ比が得られることが分かる。
膜構造を変えて、膜抵抗を変えた場合、あるいは基板のサイズＡ_PDを変えた場合、フォトダイオードの数の最適値も変化する。
一般的には、４００≦ｒ₀Ａ_PD／Ｒ_FILM≦６００という条件を満足させることにより、システムにおいて最大のＳ／Ｎ比を持った出力信号が得られる。

本発明は、量子型光電変換素子を備える赤外線センサであればどのような赤外線センサにも適用することができる。

１ 基板
４０ 第１メサ部
４１、４４ コンタクト孔
４３ 第２メサ部
４８ 絶縁層
４７ メタル配線
８１、８２ パッド
９ フォトダイオード
１０１ 第１メサ部のコンタクト部
１０２ 受光部

Claims (5)

1. 基板上に形成された半導体材料を含む第１メサ部と、当該第１メサ部と極性が異なる半導体材料を含む第２メサ部とを含む複数のフォトダイオードを含む赤外線センサであって、
   前記第１メサ部と前記基板との接触面が４角形状であり、前記第１メサ部と前記第２メサ部の接触面の形状が５角形状であり、
   前記複数のフォトダイオードの全てについて、前記フォトダイオードが占有する基板面積Ｓ_Wと、前記第１メサ部と前記第２メサ部との接触面積Ｓ₁₂との間に、
   ０．７≦（Ｓ₁₂／Ｓ_W）≦０．９８
   の関係があることを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記フォトダイオードのうち１つの単一フォトダイオードが占有する基板面積ａ_PDが、前記単一フォトダイオードの前記第１メサ部と第２メサ部と接触面積ａ₁₂との間に、
   ０．６≦（ａ₁₂／ａ_PD）≦０．９８
   の関係を有することを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 前記第１メサ部、前記第２メサ部は少なくともＩｎ、Ｓｂのいずれかを含む化合物半導体から構成され、前記第２のメサ部が拡散電流を抑制するためのバリア層を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサ。
4. 配線と電気的に接続される少なくとも２つのパッドをさらに備え、
   前記第１メサ部と前記配線との抵抗率ｒ_c1と、前記第２メサ部と前記配線との抵抗率ｒ_c2との間に、
   ｒ_c1／ｒ_c2≦１／５の関係があり、
   前記フォトダイオードの抵抗ｒ₀と、前記配線と前記第１メサ部との接触面積Ｓ_c1と、
   前記配線と前記第２メサ部との接触面積Ｓ_c2との間に、
   ｒ₀＞５（Ｓ_c1・ｒ_c1＋Ｓ_c2・ｒ_c2）の関係があることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
5. 前記パッド形成に必要な基板面積の横と縦の一辺の長さＬ _PAD1、Ｌ_PAD2 が、前記フォトダイオードのうち１つの単一フォトダイオードが占有する基板面積ａ _PD との間に、
   Ｌ_PAD1＝α×ｋ×ａ_PD ^1/2（α＝98〜100％、ｋ＝１、２、３・・・の整数）及び
   Ｌ_PAD2＝β×ｗ×ａ_PD ^1/2（β＝98〜100％、ｗ＝１、２、３・・・の整数）
   の関係を有することを特徴とする請求項４に記載の赤外線センサ。

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