JP5512583B2

JP5512583B2 - Quantum infrared sensor

Info

Publication number: JP5512583B2
Application number: JP2011072621A
Authority: JP
Inventors: 寛崇外賀
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei Microdevices Corp
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2031-03-29
Also published as: JP2012209357A

Description

本発明は、赤外線検知の技術分野に関し、特に長波長帯の放射エネルギーを検知するような量子型赤外線センサ、例えば人感センサや量子型赤外線ガス濃度計の技術分野に関する。 The present invention relates to the technical field of infrared detection, and more particularly to the technical field of a quantum infrared sensor that detects radiant energy in a long wavelength band, such as a human sensor or a quantum infrared gas concentration meter.

一般に、赤外線センサは、熱型赤外線センサと量子型赤外線センサに分けられる。熱型赤外線センサは、赤外線のエネルギーを熱として利用したセンサであり、赤外線の熱エネルギーによりセンサ自体の温度が上昇し、その温度上昇による効果（抵抗変化、容量変化、起電力、自発分極）を電気信号に変換する素子である。この熱型赤外線センサには、焦電型（ＰＺＴ、ＬｉＴａＯ₃）、熱起電力型（サーモパイル、熱電対）、導電型（ボロメータ、サーミスタ）などがあり、感度に波長依存性がなく、冷却は不要である。しかし、応答速度が遅く、検出能力もあまり高くない。一方、量子型赤外線センサは、半導体に赤外線が照射されると、その光量子によって発生する電子や正孔を利用するセンサであり、光導電型（ＨｇＣｄＴｅなど）や光起電力型（ＩｎＡｓなど）がある。この量子型赤外線センサは、感度の波長依存性があり、高感度で、応答速度が速いという特長があるが、冷却する必要があり、ペルチェ素子やスターリングクーラーなどの冷却機構とともに用いるのが一般的であった。 In general, infrared sensors are divided into thermal infrared sensors and quantum infrared sensors. A thermal infrared sensor is a sensor that uses infrared energy as heat, and the temperature of the sensor itself rises due to the infrared thermal energy, and the effects (resistance change, capacitance change, electromotive force, spontaneous polarization) due to the temperature rise. An element that converts an electrical signal. This thermal infrared sensor includes pyroelectric type (PZT, LiTaO ₃ ), thermoelectromotive force type (thermopile, thermocouple), conductive type (bolometer, thermistor), etc. It is unnecessary. However, the response speed is slow and the detection capability is not so high. On the other hand, a quantum infrared sensor is a sensor that uses electrons and holes generated by photons when an infrared ray is irradiated on a semiconductor. Photoconductive types (such as HgCdTe) and photovoltaic types (such as InAs) are available. is there. This quantum infrared sensor has the characteristics of wavelength dependence of sensitivity, high sensitivity, and quick response speed, but it needs to be cooled and is generally used with cooling mechanisms such as Peltier elements and Stirling coolers. Met.

量子型赤外線センサは、上述したように、光導電効果や光起電力効果等を利用し、赤外線を電気信号に変換する素子であり、一般に冷却して用いられるが、室温で動作可能な量子型赤外線センサも提案されている。例えば、特許文献１に記載の量子型赤外線センサは、基板上に設けられた化合物半導体層により赤外線を検知して電気信号を出力する化合物半導体センサ部と、この化合物半導体センサ部からの電気信号を演算する集積回路部とを備え、この化合物半導体センサ部と集積回路部とを同一パッケージ内に収納したものである。これにより、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくくするとともに、室温での検知を可能とし、モジュールの小型化を可能にしたものである。ここで、化合物半導体センサ部の光吸収層の材料は、主としてＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＮなどである。 As described above, a quantum infrared sensor is an element that converts infrared light into an electrical signal using a photoconductive effect, a photovoltaic effect, etc., and is generally used by cooling, but is a quantum type that can operate at room temperature. Infrared sensors have also been proposed. For example, a quantum infrared sensor described in Patent Document 1 detects a compound semiconductor layer that detects infrared rays by a compound semiconductor layer provided on a substrate and outputs an electrical signal, and an electrical signal from the compound semiconductor sensor unit. The compound semiconductor sensor unit and the integrated circuit unit are housed in the same package. This makes it less susceptible to electromagnetic noise and thermal fluctuations, enables detection at room temperature, and enables downsizing of the module. Here, the material of the light absorption layer of the compound semiconductor sensor unit is mainly InSb, InAsSb, InAsN, or the like.

これらの量子型赤外線センサの応用例としては、人を検知することによって、照明やエアコン、ＴＶなどの家電機器の自動オンオフを行う人感センサや、防犯用の監視センサなどが代表的な例である。最近、省エネルギーや、ホームオートメーション、セキュリテイシステム等への応用面で非常に注目されてきている。 Typical examples of applications of these quantum infrared sensors include human sensors that automatically turn on and off home appliances such as lighting, air conditioners, and TVs, and surveillance sensors for crime prevention. is there. Recently, much attention has been paid to application to energy saving, home automation, security systems, and the like.

その他の応用例としては、量子型赤外線センサを利用した量子型赤外線ガス濃度計、すなわち、非分散赤外吸収型（Ｎｏｎ−ＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＩｎｆｒａｒｅｄ）ガス濃度計（以下、ＮＤＩＲガス濃度計という）が挙げられる。特許文献２に記載のＮＤＩＲガス濃度計は、複数の量子型赤外線センサ素子と、この量子型赤外線センサ素子に対して赤外線光源側に設けられ各々異なる特定の波長領域の赤外光を選択的に透過する複数の光学フィルタと、少なくとも複数の光学フィルタを保持し量子型赤外線センサ素子に対して赤外線光源側に向けて複数の貫通孔を設けた保持部材とを備える。これにより、小型、薄型でかつ簡便な素子形状を有し、測定ガスの流量変化や温度変化などの外乱変化に対して安定して測定することができるようにしたＮＤＩＲガス濃度計を実現することができる。ここで用いられている量子型赤外線センサ素子における、化合物半導体センサ部の光吸収層の材料には、主としてＩｎＳｂが用いられている。 Other application examples include a quantum infrared gas concentration meter using a quantum infrared sensor, that is, a non-dispersive infrared gas concentration meter (hereinafter referred to as an NDIR gas concentration meter). . The NDIR gas concentration meter described in Patent Document 2 selectively provides a plurality of quantum infrared sensor elements and infrared light in different specific wavelength regions provided on the infrared light source side with respect to the quantum infrared sensor elements. A plurality of optical filters that pass through, and a holding member that holds at least the plurality of optical filters and has a plurality of through holes toward the infrared light source side with respect to the quantum infrared sensor element. This realizes an NDIR gas concentration meter that is small, thin, has a simple element shape, and can stably measure changes in disturbance such as changes in the flow rate and temperature of the measurement gas. Can do. InSb is mainly used as the material of the light absorption layer of the compound semiconductor sensor part in the quantum infrared sensor element used here.

国際公開第２００５／０２７２２８号International Publication No. 2005/027228 国際公開第２００９／１４８１３４号International Publication No. 2009/148134

上述したように、光吸収層がインジウム及びアンチモンを含む材料からなる量子型赤外線センサを用いることで、量子型赤外線センサの人感センサやＮＤＩＲガス濃度計への応用が可能となる。 As described above, by using the quantum infrared sensor whose light absorption layer is made of a material containing indium and antimony, the quantum infrared sensor can be applied to a human sensor or an NDIR gas concentration meter.

例えば、ＩｎＳｂを光吸収層の材料として用いた量子型赤外線センサでは、室温で約７．３μｍ以下の波長の赤外線検知において感度を得ることができる。 For example, in a quantum infrared sensor using InSb as a material for the light absorption layer, sensitivity can be obtained in infrared detection with a wavelength of about 7.3 μm or less at room temperature.

人感センサへ応用する場合には、人体が放出する１０μｍ帯をピーク波長とした赤外線検知が必要なことから、光吸収層の材料としては、ＩｎＳｂよりもバンドギャップが小さいＩｎＡｓＳｂ混晶の方が、ＩｎＳｂよりも適している。 In the case of application to a human sensor, infrared detection with a peak wavelength in the 10 μm band emitted by the human body is necessary. Therefore, the material of the light absorption layer is InAsSb mixed crystal having a smaller band gap than InSb. More suitable than InSb.

ＮＤＩＲガス濃度計の場合は、検出したいガスの種類によって、検知すべき吸収波長帯が異なっている。例えば、二酸化炭素では４．３μｍ帯、一酸化炭素では４．６μｍ帯、窒化酸化物では５．２μｍ帯、ホルムアルデヒドでは５．６μｍ帯である。すなわち、これらのガス検知のためには、ＩｎＳｂよりもバンドギャップが大きいＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶の方が、ＩｎＳｂよりも光吸収層の材料として適している。 In the case of an NDIR gas concentration meter, the absorption wavelength band to be detected differs depending on the type of gas to be detected. For example, it is a 4.3 μm band for carbon dioxide, a 4.6 μm band for carbon monoxide, a 5.2 μm band for nitrided oxide, and a 5.6 μm band for formaldehyde. That is, for detecting these gases, the InGaSb mixed crystal, InAlSb mixed crystal, and InAlGaSb mixed crystal having a band gap larger than that of InSb are more suitable as materials for the light absorption layer than InSb.

以上のように、光吸収層の材料として、ＩｎＳｂだけでなく、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料を用いることで、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを自由に設計することができる。 As described above, not only InSb but also InAsSb mixed crystal, InGaSb mixed crystal, InAlSb mixed crystal, and InAlGaSb mixed crystal are used as the material for the light absorption layer, so that high sensitivity according to each application can be obtained. Quantum infrared sensors can be freely designed.

しかしながら、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料を、ＧａＡｓ基板などの格子定数が全く異なる基板上に直接形成した場合、ＩｎＳｂに比べて、著しく結晶性が劣化してしまうという問題がある。すなわち、ＧａＡｓ基板上にＩｎＳｂ層を形成した場合には、とても結晶性の良いＩｎＳｂ層を得ることができる。しかし、ＩｎＳｂのうちＩｎ元素を他の３族元素であるＡｌやＧａで少しでも置換したり、あるいはＳｂ元素を他の５族元素であるＡｓなどで少しでも置換したりすると結晶性の劣化を引き起こす。特にＩｎ元素と他の３族元素、あるいは、Ｓｂ元素と他の５族元素の混晶比率が１に近づく中間組成領域で、結晶性の劣化は顕著となる。 However, when a mixed crystal material such as InAsSb mixed crystal, InGaSb mixed crystal, InAlSb mixed crystal, or InAlGaSb mixed crystal is directly formed on a substrate having a completely different lattice constant such as a GaAs substrate, the crystallinity is remarkably higher than that of InSb. There is a problem that will deteriorate. That is, when an InSb layer is formed on a GaAs substrate, an InSb layer with very good crystallinity can be obtained. However, if the In element in InSb is replaced with Al or Ga, which is another group 3 element, or if the Sb element is replaced with As, which is another group 5 element, the crystallinity is deteriorated. cause. In particular, in the intermediate composition region where the mixed crystal ratio of the In element and other group 3 elements, or the Sb element and other group 5 elements approaches 1, the deterioration of crystallinity becomes remarkable.

結晶性の劣化を防ぐためには、基板と混晶系材料の間に、格子定数の差を緩和する適切なバッファ層が必須である。例えば、基板上に形成した、結晶性の良いＩｎＳｂをバッファ層として用い、その上に混晶系材料を形成することが考えられる。しかし、この場合においても、ＩｎＳｂと混晶系材料の格子定数の差が大きければ、結晶性の劣化は避けることができない。従って、ＩｎＳｂ以外のバッファ層が必要となるが、ＩｎＳｂ以外の混晶系材料をバッファ層として用いると、やはりその結晶性はＩｎＳｂよりは必ず悪くなるため、好ましくない。ＩｎＳｂバッファ層上に、格子定数をＩｎＳｂの値から光吸収層に用いる混晶系材料の値まで、段階的に変化させるステップグレーデッドバッファ層や、連続的に変化させながら形成するグレーデッドバッファ層を用いる方法もあるが、量子型赤外線センサに用いる、化合物半導体積層体の形成に時間を要することから、工業的に好ましくない。 In order to prevent the deterioration of crystallinity, an appropriate buffer layer that relaxes the difference in lattice constant between the substrate and the mixed crystal material is essential. For example, it is conceivable to use InSb having good crystallinity formed on a substrate as a buffer layer and to form a mixed crystal material thereon. However, even in this case, deterioration in crystallinity cannot be avoided if the difference in lattice constant between InSb and the mixed crystal material is large. Accordingly, a buffer layer other than InSb is required. However, if a mixed crystal material other than InSb is used as the buffer layer, its crystallinity is necessarily worse than that of InSb, which is not preferable. On the InSb buffer layer, a step graded buffer layer that changes the lattice constant stepwise from the value of InSb to the value of the mixed crystal material used for the light absorption layer, or a graded buffer layer that is formed while changing continuously However, since it takes time to form the compound semiconductor laminate used in the quantum infrared sensor, it is not industrially preferable.

従って、従来技術では、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を自由に設計することができるものの、その結晶性が著しく低下してしまうために、量子型赤外線センサの出力、例えば光電流を十分に得ることができなかった。結果、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することができなかった。 Therefore, in the prior art, although the material of the light absorption layer having a band gap suitable for the absorption wavelength band to be detected can be freely designed, the crystallinity thereof is significantly lowered. Output, for example, photocurrent could not be sufficiently obtained. As a result, a high-sensitivity quantum infrared sensor according to each application could not be realized.

本発明は、上記問題を鑑みて、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を容易に、かつ、自由に設計することができ、ＩｎＳｂ以外のバッファ層を用いることなく、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention can easily and freely design a material for a light absorption layer having a band gap suitable for an absorption wavelength band to be detected, and use a buffer layer other than InSb. The purpose is to realize a high-sensitivity quantum infrared sensor corresponding to each application.

本発明は、基板と、基板上に形成され、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなるｎ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層上に形成された光吸収層と、光吸収層上に形成され、光吸収層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつｎ型コンタクト層及び光吸収層よりも大きなバンドギャップを有するｐ型バリア層と、ｐ型バリア層上に形成され、ｐ型バリア層と同等またはそれ以上の濃度にｐ型ドーピングされたｐ型コンタクト層とを備えた量子型赤外線センサであって、光吸収層は、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、およびＩｎＡｓのうちの何れか一つとが周期的に積層された超格子構造体からなることを特徴とする。 The present invention relates to a substrate, an n-type contact layer made of n-type doped InSb formed on the substrate, a light absorption layer formed on the n-type contact layer, and a light absorption layer formed on the light absorption layer. A p-type barrier layer that is p-type doped at a higher concentration than the absorption layer and has a larger band gap than the n-type contact layer and the light absorption layer, and is formed on the p-type barrier layer and is equivalent to the p-type barrier layer or A quantum infrared sensor including a p-type contact layer doped with p-type at a higher concentration, wherein the light absorption layer includes non-doped or p-type doped InSb, non-doped or p-type doped GaSb, It is characterized by comprising a superlattice structure in which any one of AlSb, AlGaSb, and InAs is periodically stacked.

本発明の一実施形態において、ｐ型バリア層は、ＡｌＩｎＳｂ層、ＧａＩｎＳｂ層、およびＡｌＧａＩｎＳｂ層のうちの何れか一つであるか、または、ＩｎＳｂ層とＡｌＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、およびＩｎＳｂ層とＡｌＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造のうちの何れか一つを有することを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the p-type barrier layer is any one of an AlInSb layer, a GaInSb layer, and an AlGaInSb layer, or an ultrathin layer in which an InSb layer and an AlSb layer are periodically stacked. It has any one of a lattice structure, a superlattice structure in which an InSb layer and a GaSb layer are periodically stacked, and a superlattice structure in which an InSb layer and an AlGaSb layer are periodically stacked. To do.

本発明の一実施形態において、ｐ型コンタクト層は、ＡｌＩｎＳｂ層、ＧａＩｎＳｂ層、ＡｌＧａＩｎＳｂ層のうちの何れか一つであるか、または、ＩｎＳｂ層とＡｌＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＡｌＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造のうちのいずれか一つを有することを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the p-type contact layer is any one of an AlInSb layer, a GaInSb layer, and an AlGaInSb layer, or a superlattice in which an InSb layer and an AlSb layer are periodically stacked. It has any one of a structure, a superlattice structure in which an InSb layer and a GaSb layer are periodically stacked, and a superlattice structure in which an InSb layer and an AlGaSb layer are periodically stacked.

本発明によると、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を容易に、かつ、自由に設計することができる。また、ＩｎＳｂ以外のバッファ層を用いることなく、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することができる。 According to the present invention, the material of the light absorption layer having a band gap suitable for the absorption wavelength band to be detected can be easily and freely designed. In addition, a high-sensitivity quantum infrared sensor corresponding to each application can be realized without using a buffer layer other than InSb.

本発明による量子型赤外線センサを作製するための化合物半導体積層体の断面図である。It is sectional drawing of the compound semiconductor laminated body for producing the quantum type infrared sensor by this invention. 本発明による化合物半導体積層体を用いて作製した量子型赤外線センサの断面図である。It is sectional drawing of the quantum type infrared sensor produced using the compound semiconductor laminated body by this invention. 本発明により作製した３種類の化合物半導体積層体におけるＸ線回折パターンを表すグラフである。It is a graph showing the X-ray-diffraction pattern in three types of compound semiconductor laminated bodies produced by this invention. 本発明により作製した３種類の化合物半導体積層体における透過率の波長依存性を表すグラフである。It is a graph showing the wavelength dependence of the transmittance | permeability in three types of compound semiconductor laminated bodies produced by this invention.

図１は、本発明による量子型赤外線センサを作製するための化合物半導体積層体の断面図である。基板１の上に、ｎ型コンタクト層２、光吸収層３、ｐ型バリア層４、ｐ型コンタクト層５が順次積層されている。この化合物半導体積層体は、各種の成膜方法を用いて形成される。例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などは好ましい方法である。これらの方法を用いて、化合物半導体積層体を形成する。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a compound semiconductor laminate for producing a quantum infrared sensor according to the present invention. On the substrate 1, an n-type contact layer 2, a light absorption layer 3, a p-type barrier layer 4, and a p-type contact layer 5 are sequentially stacked. This compound semiconductor laminated body is formed using various film-forming methods. For example, a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method is a preferable method. A compound semiconductor stacked body is formed using these methods.

［光吸収層］
まず、本発明において最も重要な光吸収層３について述べる。本発明では、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓのうちいずれか一つと、が周期的に積層された超格子構造体を光吸収層３として用いる。 [Light absorption layer]
First, the most important light absorption layer 3 in the present invention will be described. In the present invention, a superlattice structure in which non-doped or p-type doped InSb and any one of non-doped or p-type doped GaSb, AlSb, AlGaSb, and InAs are periodically stacked is used as a light absorption layer. Used as 3.

従来技術であるＩｎＳｂを光吸収層に用いると、ＧａＡｓなどの格子定数が全く異なる基板上に光吸収層を形成した場合でも、良質な結晶性を得ることができる。しかしながら、感度が得られる赤外線の波長帯は、ＩｎＳｂ材料固有のパラメータであるバンドギャップで決まっているため、検知すべき吸収波長帯を自由に設計することが出来ない。 When InSb, which is the prior art, is used for the light absorption layer, good crystallinity can be obtained even when the light absorption layer is formed on a substrate having a completely different lattice constant such as GaAs. However, since the wavelength band of infrared rays that can provide sensitivity is determined by the band gap that is a parameter unique to the InSb material, it is not possible to freely design the absorption wavelength band to be detected.

感度が得られる赤外線の波長帯を所望のものにするための技術としては、混晶系材料を光吸収層に用いる方法が考えられる。しかしながら、混晶系材料は、ＧａＡｓなどの格子定数が全く異なる基板上に光吸収層として形成された場合、結晶性が著しく低下してしまう。結果、赤外線検出に必要な出力が十分得られなくなるという問題が生じる。 As a technique for obtaining a desired infrared wavelength band capable of obtaining sensitivity, a method using a mixed crystal material for the light absorption layer is conceivable. However, when a mixed crystal material is formed as a light absorption layer on a substrate having a completely different lattice constant such as GaAs, the crystallinity is significantly lowered. As a result, there arises a problem that an output necessary for infrared detection cannot be obtained sufficiently.

結晶性の良いＩｎＳｂをバッファ層として用い、その上に混晶系材料を形成した場合においても、ＩｎＳｂと混晶系材料の格子定数の差が大きければ、結晶性の劣化は避けることができない。また、結晶性劣化を回避するための技術として、格子定数をＩｎＳｂの値から光吸収層に用いる混晶系材料の値まで段階的に変化させるステップグレーデッドバッファ層や、連続的に変化させながら形成するグレーデッドバッファ層を用いる方法があるが、これらの方法は形成に多大な時間を要し、製造容易性の観点から好ましくない。 Even when InSb having good crystallinity is used as a buffer layer and a mixed crystal material is formed thereon, deterioration in crystallinity cannot be avoided if the difference in lattice constant between InSb and the mixed crystal material is large. In addition, as a technique for avoiding the deterioration of crystallinity, a step-graded buffer layer that changes the lattice constant stepwise from the value of InSb to the value of the mixed crystal material used for the light absorption layer, or while continuously changing Although there are methods using a graded buffer layer to be formed, these methods require a lot of time for formation, and are not preferable from the viewpoint of manufacturability.

以上を踏まえ、本発明では、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓのうちいずれか一つと、が周期的に積層された超格子構造体を、光吸収層３として用いることとした。ここで、超格子構造体において、ＩｎＳｂと、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓとの各層の膜厚の比率を変えることで、超格子構造体のバンドギャップを自由に設計することができる。すなわち、混晶系材料を用いたときと同様に、感度が得られる赤外線の波長帯を自由に設計することができる。 Based on the above, in the present invention, a superlattice structure in which non-doped or p-type doped InSb and any one of non-doped or p-type doped GaSb, AlSb, AlGaSb, and InAs are periodically stacked. Was used as the light absorption layer 3. Here, in the superlattice structure, the band gap of the superlattice structure can be freely designed by changing the ratio of the film thickness of each layer of InSb and GaSb, AlSb, AlGaSb, and InAs. That is, as in the case of using a mixed crystal material, it is possible to freely design an infrared wavelength band where sensitivity can be obtained.

ＩｎＳｂと、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓとの間には、約７％の格子定数の差があるものの、超格子構造体においては、各層の膜厚は臨界膜厚以内の数ｎｍ〜数十ｎｍオーダーと極めて薄いため、結晶性の劣化には至らない。更に、基板上に形成した、結晶性の良いＩｎＳｂをバッファ層として用い、その上に超格子構造体を形成した場合においては、超格子構造体中のＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓ各層の膜厚は臨界膜厚以内であるため、超格子構造体の格子定数はＩｎＳｂとほぼ同一と考えて良い。すなわち、結晶性の良いＩｎＳｂバッファ層上に、ＩｎＳｂと格子定数の差がほとんどない超格子構造体を形成できるため、結晶性の良い超格子構造体からなる光吸収層を得ることができ、好ましい。 Although there is a difference in lattice constant of about 7% between InSb and GaSb, AlSb, AlGaSb, and InAs, in the superlattice structure, the thickness of each layer is several nm to several tens of times within the critical thickness. Since it is as thin as nm order, crystallinity is not deteriorated. Further, when InSb having good crystallinity formed on the substrate is used as a buffer layer and a superlattice structure is formed thereon, the film thickness of each layer of GaSb, AlSb, AlGaSb, InAs in the superlattice structure. Is within the critical film thickness, it can be considered that the lattice constant of the superlattice structure is almost the same as that of InSb. That is, since a superlattice structure having almost no difference in lattice constant from InSb can be formed on an InSb buffer layer with good crystallinity, a light absorption layer composed of a superlattice structure with good crystallinity can be obtained, which is preferable. .

上述のように、超格子構造体を光吸収層３として用いると、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を自由に設計することができ、かつ、ＩｎＳｂ以外のバッファ層を用いることなく、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することができる。 As described above, when the superlattice structure is used as the light absorption layer 3, a material for the light absorption layer having a band gap suitable for the absorption wavelength band to be detected can be freely designed, and other than InSb. Without using a buffer layer, it is possible to realize a high-sensitivity quantum infrared sensor corresponding to each application.

光吸収層３の膜厚は、赤外線の吸収を増やすために、なるべく厚い方が好ましい。ただし、膜厚が厚すぎると光吸収層３の形成に時間を要し、また素子分離を行うためのメサエッチング等が困難になる。このため、光吸収層３の膜厚は、０．５μｍ以上３μｍ以下が好ましい。 The film thickness of the light absorption layer 3 is preferably as thick as possible in order to increase absorption of infrared rays. However, if the film thickness is too thick, it takes time to form the light absorption layer 3, and mesa etching for element isolation becomes difficult. For this reason, the film thickness of the light absorption layer 3 is preferably 0.5 μm or more and 3 μm or less.

光吸収層３に用いられる超格子構造体のうち、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓのうちのいずれか一つによる各層の膜厚は、薄すぎると膜厚の制御が困難であり、厚すぎるとＩｎＳｂ層に対する臨界膜厚を超えてしまうため、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。一方、ＩｎＳｂ層の膜厚は、検知すべき吸収波長帯に応じて、適宜設計される。 Of the superlattice structure used for the light absorption layer 3, the thickness of each layer of any one of GaSb, AlSb, AlGaSb, and InAs is difficult to control if it is too thin, and too thick. Since it exceeds the critical film thickness for the InSb layer, it is preferably 0.5 nm or more and 10 nm or less. On the other hand, the thickness of the InSb layer is appropriately designed according to the absorption wavelength band to be detected.

光吸収層３に用いられる超格子構造体の各層は、ドーピングせずに真性半導体のままでも良いし、ｐ型にドーピングしても良い。超格子構造体の各層をｐ型にドーピングした場合、ｐ型ドーピング濃度は、ｎ型コンタクト層２及びｐ型バリア層４それぞれの伝導帯と、十分な伝導帯バンドオフセットを取れるように調整され、ｐ型ドーピング濃度は１×１０¹⁶／ｃｍ³以上１×１０¹⁸／ｃｍ³以下が好ましい。 Each layer of the superlattice structure used for the light absorption layer 3 may be an intrinsic semiconductor without being doped, or may be doped p-type. When each layer of the superlattice structure is doped p-type, the p-type doping concentration is adjusted so that the conduction band of each of the n-type contact layer 2 and the p-type barrier layer 4 and a sufficient conduction band offset can be obtained. The p-type doping concentration is preferably 1 × 10 ¹⁶ / cm ³ or more and 1 × 10 ¹⁸ / cm ³ or less.

ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられる。特にＺｎは、ＩｎＳｂにおいてより活性化率が高く、かつ毒性も低いために、好ましく用いられる。 As the p-type dopant, Be, Zn, Cd, C, Mg, Ge, or the like is preferably used. In particular, Zn is preferably used because InSb has a higher activation rate and lower toxicity.

［基板］
基板１は、一般に単結晶を成長できるものであれば特に制限されず、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板などの単結晶基板が好ましく用いられる。また、それらの単結晶基板がドナー不純物やアクセプタ不純物によって、ｎ型やｐ型にドーピングされていても良い。 [substrate]
The substrate 1 is not particularly limited as long as it can generally grow a single crystal, and a single crystal substrate such as a GaAs substrate or an Si substrate is preferably used. Further, these single crystal substrates may be doped n-type or p-type with donor impurities or acceptor impurities.

基板上に形成された複数個の量子型赤外線センサを、電極で直列接続して用いる場合、各センサは電極以外の部分では絶縁分離されている必要がある。従って、基板１は単結晶を形成できるものであって、かつ、半絶縁性か、または化合物半導体積層体部分と基板部分とが絶縁分離可能であるような基板を用いる必要がある。 When a plurality of quantum infrared sensors formed on a substrate are connected in series with electrodes, each sensor needs to be insulated and separated at portions other than the electrodes. Accordingly, it is necessary to use a substrate that can form a single crystal and is semi-insulating or that can insulate and separate the compound semiconductor laminate portion and the substrate portion.

さらに、基板１として、赤外線を透過するような材料を用いることにより、赤外線を基板裏面から入射させることが可能となる。この場合、電極により赤外光が遮られることがないため、素子の受光面積をより広く取ることができ好ましい。このような基板の材料としては、半絶縁性のＳｉやＧａＡｓ等が好ましく用いられる。 Furthermore, by using a material that transmits infrared rays as the substrate 1, infrared rays can be incident from the back surface of the substrate. In this case, since the infrared light is not blocked by the electrode, the light receiving area of the element can be increased, which is preferable. As a material for such a substrate, semi-insulating Si, GaAs or the like is preferably used.

通常行われるように、基板表面を平坦化させ、清浄化させる目的で、基板と同じ材質の半導体を形成したものを本発明の基板１として使用しても良い。ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ層を形成し基板１として使用することは、この最も代表的な例である。 As is usually done, for the purpose of flattening and cleaning the substrate surface, a substrate formed with the same material as the substrate may be used as the substrate 1 of the present invention. The most representative example of this is that a GaAs layer is formed on a GaAs substrate and used as the substrate 1.

さらに、絶縁性の基板に化合物半導体積層体を形成した後、化合物半導体積層体を他の基板に接着剤でつけて、絶縁性基板を剥がすことも行われる。 Further, after the compound semiconductor stack is formed on the insulating substrate, the compound semiconductor stack is attached to another substrate with an adhesive, and the insulating substrate is peeled off.

［ｎ型コンタクト層］
ｎ型コンタクト層２は、光吸収層３が赤外線を吸収することにより発生した光電流を取り出すための、電極とのコンタクト層であり、本発明ではｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなる層をｎ型コンタクト層として用いる。 [N-type contact layer]
The n-type contact layer 2 is a contact layer with an electrode for taking out a photocurrent generated when the light absorption layer 3 absorbs infrared rays. In the present invention, the n-type contact layer 2 is made of n-type doped InSb. Used as a contact layer.

一般に、ｎ型コンタクト層に用いられる材料としては、ＩｎＳｂや、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料が挙げられる。ｎ型コンタクト層のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となるため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。従って、ｎ型コンタクト層には、電子移動度の大きな材料を用いることが好ましい。ＩｎＳｂは、ＧａＡｓなどの格子定数の全く異なる基板上にｎ型コンタクト層として形成された場合であっても、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料に比べ結晶性が良く、非常に大きな電子移動度が得られるため、好ましい。 In general, examples of the material used for the n-type contact layer include mixed crystal materials such as InSb, InAsSb mixed crystal, InGaSb mixed crystal, InAlSb mixed crystal, and InAlGaSb mixed crystal. Since the sheet resistance of the n-type contact layer causes Johnson noise that is thermal noise, the sheet resistance is preferably as small as possible. Therefore, it is preferable to use a material having a high electron mobility for the n-type contact layer. Even when InSb is formed as an n-type contact layer on a substrate having a completely different lattice constant such as GaAs, InSb is mixed with mixed crystal materials such as InAsSb mixed crystal, InGaSb mixed crystal, InAlSb mixed crystal, and InAlGaSb mixed crystal. It is preferable because it has better crystallinity and extremely high electron mobility.

また、ｎ型コンタクト層は、基板と光吸収層との中間に形成されているため、結晶性の良い光吸収層を形成するための、バッファ層としての役割も果たす。バッファ層の材料としては、基板上に形成した場合、結晶性が良く、且つ、光吸収層との格子定数が近いものが適している。ＩｎＳｂは、ＧａＡｓなどの格子定数の全く異なる基板上にｎ型コンタクト層として形成された場合であっても、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料に比べ、結晶性が良い。さらに、光吸収層３には格子定数がＩｎＳｂとほぼ同一の超格子構造体を用いているため、ＩｎＳｂを用いることで、格子定数の差をほとんどなくすことができる。 Further, since the n-type contact layer is formed between the substrate and the light absorption layer, it also serves as a buffer layer for forming a light absorption layer with good crystallinity. As a material for the buffer layer, when formed on a substrate, a material having good crystallinity and a lattice constant close to that of the light absorption layer is suitable. Even when InSb is formed as an n-type contact layer on a substrate having a completely different lattice constant such as GaAs, InSb is mixed with mixed crystal materials such as InAsSb mixed crystal, InGaSb mixed crystal, InAlSb mixed crystal, and InAlGaSb mixed crystal. Compared with crystallinity. Furthermore, since a superlattice structure having substantially the same lattice constant as InSb is used for the light absorption layer 3, the difference in lattice constant can be almost eliminated by using InSb.

これらの観点から、本発明ではｎ型ドーピングされたＩｎＳｂをｎ型コンタクト層として用いている。 From these viewpoints, the present invention uses n-type doped InSb as the n-type contact layer.

ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなるｎ型コンタクト層２において、ｎ型コンタクト層２の格子定数や結晶性に影響を与えない範囲であれば、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料からなる層を１層あるいは複数層挿入しても良い。これらの層は、例えば、ＩｎＳｂとは格子定数の異なる層を挿入することで、縦方向に伝播する転位に対してひずみを加え、転位の伝播を横方向に逃がすことで、貫通転位を低減する目的などで挿入される。 In the n-type contact layer 2 made of n-type doped InSb, an InAsSb mixed crystal, an InGaSb mixed crystal, an InAlSb mixed crystal, an InAlGaSb mixed crystal may be used as long as the lattice constant and crystallinity of the n-type contact layer 2 are not affected. One or more layers made of mixed crystal materials such as crystals may be inserted. For example, by inserting a layer having a lattice constant different from that of InSb, these layers add strain to the dislocations propagating in the vertical direction and release the dislocation propagation in the lateral direction, thereby reducing threading dislocations. Inserted for purposes.

ｎ型コンタクト層２の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。ただし、膜厚が厚すぎるとｎ型コンタクト層２の形成に時間を要し、かつ素子分離を行うためのメサエッチング等が困難になる。このため、ｎ型コンタクト層２の膜厚は、０．５μｍ以上２μｍ以下が好ましい。 The thickness of the n-type contact layer 2 is preferably as thick as possible in order to reduce the sheet resistance. However, if the film thickness is too thick, it takes time to form the n-type contact layer 2, and mesa etching for element isolation becomes difficult. For this reason, the film thickness of the n-type contact layer 2 is preferably 0.5 μm or more and 2 μm or less.

ｎ型のドーピング濃度は、光吸収層３とのポテンシャル差を大きくし、且つ、シート抵抗を下げるために、なるべく大きい方が好ましく、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であることが好ましい。 The n-type doping concentration is preferably as large as possible in order to increase the potential difference from the light absorption layer 3 and reduce the sheet resistance, and is preferably 1 × 10 ¹⁸ / cm ³ or more.

ｎ型のドーパントとしては、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅなどを用いることができる。特にＳｎは、ＩｎＳｂにおいて、より活性化率が高く、シート抵抗をより下げることが可能であることから、より好ましく用いられる。 Si, Te, Sn, S, Se, or the like can be used as the n-type dopant. In particular, Sn is more preferably used in InSb because it has a higher activation rate and can lower the sheet resistance.

［ｐ型バリア層］
ｐ型バリア層４は、光吸収層３の赤外線吸収により発生した電子が、ｐ型バリア層４側へ拡散するのを防ぐためのバリア層である。 [P-type barrier layer]
The p-type barrier layer 4 is a barrier layer for preventing electrons generated by infrared absorption of the light absorption layer 3 from diffusing to the p-type barrier layer 4 side.

電子の拡散を防ぐためには、光吸収層３よりもバンドギャップが大きな材料を用いる必要がある。このような材料としては、例えば、ＡｌＩｎＳｂ混晶、ＧａＩｎＳｂ混晶、ＡｌＧａＩｎＳｂ混晶などの混晶系材料が挙げられる。電子の拡散を抑制する観点から見れば、バンドギャップは大きいほど良い。しかし、バンドキャップが大きすぎると、その混晶系材料の格子定数はＩｎＳｂに比べ、非常に小さくなってしまう。そのため、ｐ型バリア層と光吸収層３との間の格子定数の差が大きくなり、結晶欠陥が発生しやすくなる。その結果、結晶性の劣化を招く。従って、バンドギャップの大きさは、電子の拡散抑制の効果と、結晶性の劣化の効果との両方を考慮することにより決定される。 In order to prevent the diffusion of electrons, it is necessary to use a material having a larger band gap than the light absorption layer 3. Examples of such materials include mixed crystal materials such as AlInSb mixed crystals, GaInSb mixed crystals, and AlGaInSb mixed crystals. From the viewpoint of suppressing electron diffusion, the larger the band gap, the better. However, if the band cap is too large, the lattice constant of the mixed crystal material is much smaller than that of InSb. Therefore, the difference in lattice constant between the p-type barrier layer and the light absorption layer 3 is increased, and crystal defects are likely to occur. As a result, the crystallinity is deteriorated. Accordingly, the size of the band gap is determined by considering both the effect of suppressing the diffusion of electrons and the effect of deterioration of crystallinity.

ｐ型バリア層４の膜厚は、センサの抵抗を下げるために、なるべく薄い方が良いが、電極と光吸収層３との間にトンネルリークが発生しないだけの膜厚が必要である。このため、膜厚は０．０１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．０２μｍ以上である。なお、膜厚の上限については、光吸収層３とｐ型バリア層４との格子定数の差によって決まる臨界膜厚によって制限される。 The thickness of the p-type barrier layer 4 is preferably as thin as possible in order to reduce the resistance of the sensor. However, the thickness of the p-type barrier layer 4 is required so as not to cause a tunnel leak between the electrode and the light absorption layer 3. For this reason, the film thickness is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.02 μm or more. The upper limit of the film thickness is limited by the critical film thickness determined by the difference in lattice constant between the light absorption layer 3 and the p-type barrier layer 4.

ｐ型バリア層４の材料として、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうちいずれか一つと、が周期的に積層された超格子構造体を用いることもできる。超格子構造体中のＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうちのいずれか一つによる各層の膜厚はＩｎＳｂに対して臨界膜厚以内に設計するため、超格子構造体の格子定数はＩｎＳｂとほぼ同一と考えて良い。光吸収層３にも格子定数がＩｎＳｂとほぼ同一の超格子構造体を用いているため、光吸収層３との格子定数の差はほとんどない。よって、結晶性の劣化の恐れもなく、ｐ型バリア層４の膜厚の上限に関しても、臨界膜厚による制限がなくなる。すなわち、ｐ型バリア層４の材料のバンドギャップや膜厚などの設計の自由度が広がり、好ましい。 As a material of the p-type barrier layer 4, a superlattice structure in which non-doped or p-type doped InSb and any one of non-doped or p-type doped GaSb, AlSb, and AlGaSb are periodically stacked. It can also be used. Since the film thickness of each layer of any one of GaSb, AlSb, and AlGaSb in the superlattice structure is designed to be within a critical film thickness with respect to InSb, the lattice constant of the superlattice structure is almost the same as InSb. You can think about it. Since the light absorption layer 3 also uses a superlattice structure having substantially the same lattice constant as InSb, there is almost no difference in the lattice constant from the light absorption layer 3. Therefore, there is no fear of deterioration of crystallinity, and the upper limit of the thickness of the p-type barrier layer 4 is not limited by the critical thickness. That is, the degree of freedom in design such as the band gap and the film thickness of the material of the p-type barrier layer 4 is preferable.

ｐ型バリア層４に関しては、光吸収層３の赤外線吸収により発生した電子が、ｐ型バリア層４側へ拡散するのを防ぐことのほか、光吸収層３の赤外線吸収により発生した正孔が、ｐ型バリア層４側へしっかり流れ込むことも重要である。そのために、ｐ型バリア層４には十分なｐ型ドーピングをする必要があり、ドーピング濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³以上が好ましい。 Regarding the p-type barrier layer 4, in addition to preventing the electrons generated by the infrared absorption of the light absorption layer 3 from diffusing to the p-type barrier layer 4 side, the holes generated by the infrared absorption of the light absorption layer 3 are not generated. It is also important to flow firmly into the p-type barrier layer 4 side. Therefore, the p-type barrier layer 4 needs to be sufficiently p-type doped, and the doping concentration is preferably 1 × 10 ¹⁸ / cm ³ or more.

ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられる。特にＺｎは、ＩｎＳｂにおいて、より活性化率が高く、かつ毒性も低いために、好ましく用いられる。 As the p-type dopant, Be, Zn, Cd, C, Mg, Ge, or the like is preferably used. In particular, Zn is preferably used because it has a higher activation rate and lower toxicity in InSb.

［ｐ型コンタクト層］
ｐ型コンタクト層５は、光吸収層３が赤外線を吸収することにより発生した光電流を取り出すための、電極とのコンタクト層である。ｐ型バリア層４は、バンドギャップが大きい材料で形成されているので、一般にｐ型バリア層４におけるキャリア移動度は小さくなってしまう。このため、ｐ型バリア層４上に電極を形成した場合、電極とのコンタクト抵抗が増加し、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となる。ここで、ｐ型バリア層４上に、ｐ型バリア層４よりも電気抵抗が小さいｐ型コンタクト層５を形成し、その上に電極を形成する構造とすることで、コンタクト抵抗を抑えることができる。また、コンタクト層の電気抵抗を小さくするために、十分なｐ型ドーピングを行うことが好ましい。 [P-type contact layer]
The p-type contact layer 5 is a contact layer with an electrode for taking out a photocurrent generated when the light absorption layer 3 absorbs infrared rays. Since the p-type barrier layer 4 is formed of a material having a large band gap, the carrier mobility in the p-type barrier layer 4 is generally reduced. For this reason, when an electrode is formed on the p-type barrier layer 4, the contact resistance with the electrode increases, which causes Johnson noise, which is thermal noise. Here, by forming a p-type contact layer 5 having an electric resistance smaller than that of the p-type barrier layer 4 on the p-type barrier layer 4 and forming an electrode thereon, the contact resistance can be suppressed. it can. Further, it is preferable to perform sufficient p-type doping in order to reduce the electrical resistance of the contact layer.

ｐ型コンタクト層５に用いられる材料としては、ＩｎＳｂや、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料が挙げられる。ｐ型コンタクト層５のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となるため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。従って、ｐ型コンタクト層５の材料は、キャリア移動度の大きな材料であることが好ましい。さらに、結晶性の良いｐ型コンタクト層５を得るためには、格子定数がＩｎＳｂとほぼ同一の超格子構造体を用いている光吸収層３の格子定数と、ｐ型コンタクト層５の格子定数とが近いことも重要である。ＩｎＳｂは、キャリア移動度が非常に大きく、且つ、光吸収層３と格子定数がほぼ同じであることから、ｐ型コンタクト層５の材料として好ましい。 Examples of the material used for the p-type contact layer 5 include mixed crystal materials such as InSb, InAsSb mixed crystal, InGaSb mixed crystal, InAlSb mixed crystal, and InAlGaSb mixed crystal. Since the sheet resistance of the p-type contact layer 5 causes Johnson noise, which is thermal noise, the sheet resistance is preferably as small as possible. Therefore, the material of the p-type contact layer 5 is preferably a material having a high carrier mobility. Furthermore, in order to obtain the p-type contact layer 5 with good crystallinity, the lattice constant of the light absorption layer 3 using the superlattice structure whose lattice constant is almost the same as that of InSb, and the lattice constant of the p-type contact layer 5 are used. It is also important that they are close. InSb is preferable as a material for the p-type contact layer 5 because it has a very high carrier mobility and has substantially the same lattice constant as that of the light absorption layer 3.

ｐ型コンタクト層５の材料として、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうちいずれか一つと、が周期的に積層された超格子構造体を用いることもできる。超格子構造体中のＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうちのいずれか一つによる各層の膜厚はＩｎＳｂに対して臨界膜厚以内に設計するため、超格子構造体の格子定数はＩｎＳｂとほぼ同一と考えて良い。光吸収層３にも格子定数がＩｎＳｂとほぼ同一の超格子構造体を用いているため、光吸収層３との格子定数の差はほとんどない。よって、結晶性の劣化の恐れもなく、ｐ型コンタクト層５の膜厚の上限に関しても、臨界膜厚による制限がなくなる。すなわち、ｐ型コンタクト層５の材料のバンドギャップや膜厚などの設計の自由度が広がり、好ましい。 As a material of the p-type contact layer 5, a superlattice structure in which non-doped or p-type doped InSb and any one of non-doped or p-type doped GaSb, AlSb, and AlGaSb are periodically stacked. It can also be used. Since the film thickness of each layer of any one of GaSb, AlSb, and AlGaSb in the superlattice structure is designed to be within a critical film thickness with respect to InSb, the lattice constant of the superlattice structure is almost the same as InSb. You can think about it. Since the light absorption layer 3 also uses a superlattice structure having substantially the same lattice constant as InSb, there is almost no difference in the lattice constant from the light absorption layer 3. Therefore, there is no fear of deterioration of crystallinity, and the upper limit of the film thickness of the p-type contact layer 5 is not limited by the critical film thickness. That is, the degree of freedom of design such as the band gap and film thickness of the material of the p-type contact layer 5 is preferable.

ｐ型コンタクト層５の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。ただし、膜厚が厚すぎるとｐ型コンタクト層５の形成に時間を要し、また素子分離を行うためのメサエッチング等が困難になる。このため、ｐ型コンタクト層５の膜厚は、０．１μｍ以上２μｍ以下が好ましい。 The p-type contact layer 5 is preferably as thick as possible in order to reduce the sheet resistance. However, if the film thickness is too thick, it takes time to form the p-type contact layer 5, and mesa etching for element isolation becomes difficult. For this reason, the film thickness of the p-type contact layer 5 is preferably 0.1 μm or more and 2 μm or less.

［量子型赤外線センサの製造方法］
上述の化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製する。図２は、本発明による化合物半導体積層体を用いて作製した量子型赤外線センサの断面図である。図２に示すように、基板１と、ｎ型コンタクト層２と、光吸収層３と、ｐ型バリア層４と、ｐ型コンタクト層５とが順次積層された化合物半導体積層体をパッシベーション膜６が覆っている。パッシベーション膜６の一部には窓が開けられて、電極７が形成されている。 [Quantum infrared sensor manufacturing method]
A quantum infrared sensor is manufactured using the above-described compound semiconductor laminate. FIG. 2 is a cross-sectional view of a quantum infrared sensor manufactured using the compound semiconductor laminate according to the present invention. As shown in FIG. 2, a compound semiconductor stacked body in which a substrate 1, an n-type contact layer 2, a light absorption layer 3, a p-type barrier layer 4, and a p-type contact layer 5 are sequentially stacked is formed as a passivation film 6. Covered. A window is opened in a part of the passivation film 6 to form an electrode 7.

以下に、量子型赤外線センサの作製方法の一例について述べるが、本発明は、特にこの方法に限定されるものではない。 An example of a method for manufacturing a quantum infrared sensor will be described below, but the present invention is not particularly limited to this method.

まず、酸またはイオンミリング法などを用いて、ｎ型コンタクト層２とコンタクトを取るための段差形成を行う。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行う。次いで、ＳｉＮやＳｉＯ₂などのパッシベーション膜６で、基板１及び素子分離された化合物半導体積層体の表面を覆う。次いで、パッシベーション膜６のうち電極７を形成する部分のみを窓開けし、Ａｕ／ＴｉやＡｕ／Ｃｒ等の電極７をリフトオフ法などで形成する。このようにして、量子型赤外線センサを作製する。また、基板１上に作製した複数の量子型赤外線センサを、電気的に直列接続する構造とすることは好ましい。このような構造とすることで、単一の量子型赤外線センサの出力を足し合わせることが可能となり、出力を飛躍的に向上させることができる。 First, a step for making contact with the n-type contact layer 2 is formed using an acid or ion milling method. Next, mesa etching for element isolation is performed on the compound semiconductor stacked body on which the step is formed. Next, a passivation film 6 such as SiN or SiO ₂ covers the surface of the substrate 1 and the compound semiconductor stacked body from which the elements are separated. Next, only a portion of the passivation film 6 where the electrode 7 is to be formed is opened, and an electrode 7 such as Au / Ti or Au / Cr is formed by a lift-off method or the like. In this way, a quantum infrared sensor is produced. In addition, it is preferable to have a structure in which a plurality of quantum infrared sensors fabricated on the substrate 1 are electrically connected in series. With such a structure, it becomes possible to add the outputs of a single quantum infrared sensor, and the output can be dramatically improved.

量子型赤外線センサは、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しても良い。センサと集積回路部との電気的な接続方法は、何でも良く、特に限定されない。パッケージに関しても、赤外線の透過率が高い材料であれば何でも良く、中空パッケージなどを用いても良い。また、特定の光の影響を完全に避けるため、フィルタを取り付けることもある。さらに、検知する距離や方向性を定め、集光性をより高めるためにフレネルレンズを設けることも行われる。 The quantum infrared sensor may be formed in a hybrid form in the same package as the integrated circuit section that processes the electrical signal output from the sensor. Any electrical connection method may be used between the sensor and the integrated circuit unit, and there is no particular limitation. As for the package, any material having a high infrared transmittance may be used, and a hollow package or the like may be used. A filter may be attached to completely avoid the influence of specific light. Furthermore, a Fresnel lens is also provided in order to determine the distance and directionality to be detected and to further improve the light collecting property.

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples, but the present invention is not limited to the following examples, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. .

（実施例１）
まず、様々な光吸収層を用いた場合の、赤外線吸収波長帯への影響について調べた。具体的には、ＭＢＥ法によりＧａＡｓ基板上にｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０¹⁸／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を形成し、その上に以下の３種類のいずれかによる光吸収層を形成し、その赤外線吸収波長帯を比較した。
（ａ）ノンドープのＩｎＳｂ層１μｍ
（ｂ）ノンドープのＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｓｂ混晶層１μｍ
（ｃ）ノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍ
図３に、作製した３種類の化合物半導体積層体におけるＸ線回折パターンを示す。図３に示す各図において、横軸は入射角を表し、縦軸は回折強度を表す。図３（ａ）はノンドープのＩｎＳｂ層１μｍを用いたときの回折パターンを示し、図３（ｂ）はノンドープのＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｓｂ混晶層１μｍを用いたときの回折パターンを示し、図３（ｃ）はノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍを用いたときの回折パターンを示す。また、図３（ｄ）には、これら３種類のパターンをまとめて表示した。 Example 1
First, the influence on the infrared absorption wavelength band when various light absorption layers were used was investigated. Specifically, an InSb layer doped with 7 × 10 ¹⁸ / cm ³ of Sn as an n-type contact layer is formed on a GaAs substrate by MBE, and a light absorption layer of any of the following three types is formed thereon: The infrared absorption wavelength bands were compared.
(A) Non-doped InSb layer 1 μm
(B) Non-doped In _0.75 Ga _0.25 Sb mixed crystal layer 1 μm
(C) Superlattice structure 1 μm formed by repeatedly stacking a non-doped InSb layer 0.004 μm and a non-doped GaSb layer 0.001 μm 200 times
FIG. 3 shows X-ray diffraction patterns in the three types of compound semiconductor laminates produced. In each figure shown in FIG. 3, the horizontal axis represents the incident angle, and the vertical axis represents the diffraction intensity. 3A shows a diffraction pattern when using a 1 μm non-doped InSb layer, and FIG. 3B shows a diffraction pattern when using a 1 μm non-doped In _0.75 Ga _0.25 Sb mixed crystal layer. (C) shows a diffraction pattern when 1 μm of a superlattice structure formed by repeating a laminate of a non-doped InSb layer 0.004 μm and a non-doped GaSb layer 0.001 μm 200 times. Further, in FIG. 3D, these three types of patterns are collectively displayed.

図３（ａ）を参照すると、ＧａＡｓ基板とＩｎＳｂに対応する回折ピークが観測されていることがわかる。図３（ｂ）を参照すると、ＧａＡｓ基板とＩｎＳｂに対応する回折ピークに加えて、Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｓｂ混晶層に対応する回折ピークが観測されていることがわかる。図３（ｃ）を参照すると、ＧａＡｓ基板とＩｎＳｂに対応するピークに加えて、Ｉｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｓｂ混晶層に対応するピークと、更にそれに対して等間隔ないくつかのサテライトピークが観測されていることがわかる。すなわち、ＩｎＳｂとＧａＳｂとからなる超格子構造に対応するピークが観測されている。この結果から、上記（ｃ）の積層体において、超格子構造体を設計通り作製できていることがわかった。 Referring to FIG. 3A, it can be seen that diffraction peaks corresponding to the GaAs substrate and InSb are observed. Referring to FIG. 3B, it can be seen that a diffraction peak corresponding to the In _0.75 Ga _0.25 Sb mixed crystal layer is observed in addition to the diffraction peak corresponding to the GaAs substrate and InSb. Referring to FIG. 3 (c), in addition to the peak corresponding to the GaAs substrate and InSb, a peak corresponding to the In _0.75 Ga _0.25 Sb mixed crystal layer and several satellite peaks at equal intervals are observed. You can see that That is, a peak corresponding to a superlattice structure composed of InSb and GaSb is observed. From this result, it was found that the superlattice structure was produced as designed in the laminate (c).

図４は、作製した３種類の化合物半導体積層体における透過率の波長依存性を示すグラフである。図４において、横軸は波長を表し、縦軸は透過率を表す。また、図４において、実線は（ａ）ノンドープのＩｎＳｂ層１μｍを用いたときの透過率の波長依存性を、破線は（ｂ）ノンドープのＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｓｂ混晶層１μｍを用いたときの透過率の波長依存性を、一点鎖線は（ｃ）ノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍを用いたときの透過率の波長依存性を夫々示す。透過率はフーリエ変換赤外分光光度計（ＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍＩｎｆｒａｒｅｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ＦＴＩＲ）を用いて求めた。 FIG. 4 is a graph showing the wavelength dependence of the transmittance of the three types of compound semiconductor laminates produced. In FIG. 4, the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents transmittance. In FIG. 4, the solid line shows (a) the wavelength dependence of transmittance when using a non-doped InSb layer of 1 μm, and the broken line shows that when (b) a non-doped In _0.75 Ga _0.25 Sb mixed crystal layer of 1 μm is used. The one-dot chain line shows the wavelength dependence of the transmittance. (C) Transmission when using a superlattice structure 1 μm formed by repeating a non-doped InSb layer 0.004 μm and a non-doped GaSb layer 0.001 μm 200 times. The wavelength dependence of the rate is shown respectively. The transmittance was determined using a Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR).

図４を参照すると、（ａ）ノンドープのＩｎＳｂ層１μｍを用いた場合は、ＩｎＳｂのバンドギャップに対応した波長７．３μｍ以下の領域で、透過率が低下、すなわち、光吸収が起こっている。（ｂ）ノンドープのＩｎ_0.75Ｇａ_0.25Ｓｂ混晶層１μｍを用いた場合は、ＩｎＧａＳｂのバンドギャップがＩｎＳｂよりも大きいため、光吸収が始まる波長は短波長側にシフトし、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっている。（ｃ）ノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍを用いた場合は、（ｂ）と同様に、光吸収が始まる波長は短波長側にシフトし、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっていることがわかる。すなわち、光吸収層としてＩｎＳｂとＧａＳｂとからなる超格子構造体を用いた場合、光吸収層としてＩｎＳｂを用いた場合よりも、光吸収が起こる波長帯が短波長側にシフトしており、ＩｎＧａＳｂ混晶系と同様の効果を得ることができた。このような効果は、光吸収層を、ノンドープのＩｎＳｂ層０．００８μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００２μｍとからなる積層体を１００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍや、ノンドープのＩｎＳｂ層０．０１６μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００４μｍとからなる積層体を５０回繰り返して形成した超格子構造体１μｍとした場合でも同様に見ることができ、やはり、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっていることがわかった。 Referring to FIG. 4, when (a) a non-doped InSb layer having a thickness of 1 μm is used, the transmittance is reduced, that is, light absorption occurs in a region having a wavelength of 7.3 μm or less corresponding to the band gap of InSb. (B) When a non-doped In _0.75 Ga _0.25 Sb mixed crystal layer of 1 μm is used, since the band gap of InGaSb is larger than that of InSb, the wavelength at which light absorption starts shifts to the short wavelength side, and the wavelength is 5.5 μm or less. Light absorption is occurring in the area. (C) In the case of using a superlattice structure 1 μm formed by repeating 200 times of a non-doped InSb layer 0.004 μm and a non-doped GaSb layer 0.001 μm, light absorption starts as in (b). It can be seen that the wavelength shifts to the short wavelength side and light absorption occurs in the region of wavelength of 5.5 μm or less. That is, when a superlattice structure made of InSb and GaSb is used as the light absorption layer, the wavelength band where light absorption occurs is shifted to the short wavelength side compared to the case where InSb is used as the light absorption layer. The same effect as the mixed crystal system could be obtained. Such an effect is that the light absorption layer is a superlattice structure 1 μm formed by repeating a stack of non-doped InSb layers 0.008 μm and non-doped GaSb layers 0.002 μm 100 times, or non-doped InSb layers 0 Even in the case of a superlattice structure of 1 μm formed by repeating a stack of .016 μm and a non-doped GaSb layer of 0.004 μm 50 times, it can be seen in the same manner, and also absorbs light in a wavelength region of 5.5 μm or less. I know that is happening.

さらに、光吸収層を、ＩｎＳｂとＡｌＳｂ、ＩｎＳｂとＡｌＧａＳｂ、またはＩｎＳｂとＩｎＡｓとからなる超格子構造体とした場合でも、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｓＳｂ混晶などの混晶系材料と同様に、光吸収が起こる波長帯をシフトさせる効果が見られる。この波長帯は、超格子構造における材料の選定や、各層の膜厚の比率などを制御することで、自由に設計することが可能である。 Furthermore, even when the light absorption layer is a superlattice structure composed of InSb and AlSb, InSb and AlGaSb, or InSb and InAs, the same as mixed crystal materials such as InAlSb mixed crystal, InAlGaSb mixed crystal, and InAsSb mixed crystal In addition, the effect of shifting the wavelength band where light absorption occurs can be seen. This wavelength band can be freely designed by selecting the material in the superlattice structure and controlling the ratio of the film thickness of each layer.

よって、光吸収層に超格子構造を用いることで、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を自由に設計することができる。しかも、混晶系材料に見られるような結晶性の劣化もないことから、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することができる。 Therefore, by using a superlattice structure for the light absorption layer, a material for the light absorption layer having a band gap suitable for the absorption wavelength band to be detected can be freely designed. In addition, since there is no deterioration in crystallinity as seen in mixed crystal materials, it is possible to realize a highly sensitive quantum infrared sensor corresponding to each application.

これ以降、量子型赤外線センサを作製した実施例について述べる。
（実施例２）
第２の実施例について説明する。 Hereinafter, examples in which a quantum infrared sensor is manufactured will be described.
(Example 2)
A second embodiment will be described.

ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０¹⁸／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.2Ｉｎ_0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。 By MBE, an InSb layer doped with 7 × 10 ¹⁸ / cm ³ of Sn as an n-type contact layer is grown on a semi-insulating GaAs single crystal substrate by 1.0 μm, and a non-doped InSb layer is formed thereon as a light absorption layer. A superlattice structure 2 μm formed by repeating a stack of a layer of 0.004 μm and a non-doped GaSb layer 0.001 μm 400 times is grown, and Zn is doped at 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ as a p-type barrier layer thereon. An Al _0.2 In _0.8 Sb layer of 0.02 μm was grown, and an InSb layer of 0.5 μm doped with Zn at 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ was grown thereon as a p-type contact layer.

本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。 When the wavelength dependency of the transmittance in the light absorption layer according to this example was evaluated using FTIR, light absorption occurred in a region of a wavelength of 5.5 μm or less, and InSb was used as the light absorption layer. In comparison, the infrared absorption sensitivity on the shorter wavelength side required for gas detection and the like was obtained.

この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。 A quantum infrared sensor was produced using this compound semiconductor laminate.

まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。 First, step formation for making contact with the n-type contact layer was performed using an acid or ion milling method or the like. Next, mesa etching for element isolation was performed on the compound semiconductor stacked body on which the step was formed. Thereafter, the entire surface (GaAs substrate and compound semiconductor laminate formed on the GaAs substrate) was covered with a SiN passivation film. Next, only the electrode portion was opened on the formed SiN protective film. Subsequently, Au / Ti was EB-deposited at two places on the step portion of the n-type contact layer and the p-type contact layer, and electrodes were formed by a lift-off method.

（実施例３）
第３の実施例について説明する。 (Example 3)
A third embodiment will be described.

ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０¹⁸／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとＺｎを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングしたＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.2Ｉｎ_0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。 By an MBE method, an InSb layer doped with 7 × 10 ¹⁸ / cm ³ of Sn as an n-type contact layer is grown on a semi-insulating GaAs single crystal substrate by 1.0 μm, and Zn is added as a light absorption layer thereon by 2 μm. × grown 10 ¹⁶ / cm ³ doped InSb layer 0.004μm and Zn of 2 × 10 ¹⁶ / cm ³ doped GaSb layer 0.001μm superlattice structure 2μm a laminate was formed by repeating 400 times, Zn as p-type barrier layer 1 × grown 10 ¹⁹ / cm ³ doped Al _0.2 in _0.8 Sb layer 0.02μm on this, p-type 1 × Zn as contact layer 10 ¹⁹ / cm ³ doped thereon An InSb layer of 0.5 μm was grown.

（実施例４）
第４の実施例について説明する。 (Example 4)
A fourth embodiment will be described.

ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０¹⁸／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００３μｍとＺｎを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＡｓ層０．００１μｍとの積層体を５００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.2Ｉｎ_0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。 By an MBE method, an InSb layer doped with 7 × 10 ¹⁸ / cm ³ of Sn as an n-type contact layer is grown on a semi-insulating GaAs single crystal substrate by 1.0 μm, and Zn is added as a light absorption layer thereon by 2 μm. × grown 10 ¹⁶ / cm ³ doped InSb layer 0.003μm and Zn of 2 × 10 ¹⁶ / cm ³ doped superlattice structure 2μm a laminate was formed by repeating 500 times the InAs layer 0.001 [mu] m, Zn as p-type barrier layer 1 × grown 10 ¹⁹ / cm ³ doped Al _0.2 in _0.8 Sb layer 0.02μm on this, p-type 1 × Zn as contact layer 10 ¹⁹ / cm ³ doped thereon An InSb layer of 0.5 μm was grown.

本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長１０μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、人感センサなどに必要な、より長波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。 When the wavelength dependence of the transmittance in the light absorption layer according to this example was evaluated using FTIR, light absorption occurred in a region of a wavelength of 10 μm or less, compared to the case where InSb was used as the light absorption layer. The infrared absorption sensitivity on the longer wavelength side required for human sensors etc. was obtained.

（実施例５）
第５の実施例について説明する。 (Example 5)
A fifth embodiment will be described.

ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０¹⁸／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.2Ｉｎ_0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。 By an MBE method, an InSb layer doped with 7 × 10 ¹⁸ / cm ³ of Sn as an n-type contact layer is grown on a semi-insulating GaAs single crystal substrate by 1.0 μm, and Zn is added as a light absorption layer thereon by 2 μm. A superlattice structure 2 μm formed by repeating a stack of an InSb layer 0.004 μm doped with × 10 ¹⁶ / cm ³ and a non-doped GaSb layer 0.001 μm 400 times is grown thereon, and Zn is formed thereon as a p-type barrier layer. the 1 × grown 10 ¹⁹ / cm ³ doped Al _0.2 in _0.8 Sb layer 0.02 [mu] m, was grown InSb layer 0.5μm was 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ doped with Zn as p-type contact layer on the .

（実施例６）
第６の実施例について説明する。 (Example 6)
A sixth embodiment will be described.

ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０¹⁸／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００８μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００２μｍとの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.2Ｉｎ_0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。 By an MBE method, an InSb layer doped with 7 × 10 ¹⁸ / cm ³ of Sn as an n-type contact layer is grown on a semi-insulating GaAs single crystal substrate by 1.0 μm, and Zn is added as a light absorption layer thereon by 2 μm. A superlattice structure of 2 μm formed by repeating a stack of 200 × 10 ¹⁶ / cm ³ doped InSb layer 0.008 μm and non-doped GaSb layer 0.002 μm was grown thereon, and Zn was formed thereon as a p-type barrier layer. the 1 × grown 10 ¹⁹ / cm ³ doped Al _0.2 in _0.8 Sb layer 0.02 [mu] m, was grown InSb layer 0.5μm was 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ doped with Zn as p-type contact layer on the .

（実施例７）
第７の実施例について説明する。 (Example 7)
A seventh embodiment will be described.

ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０¹⁸／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．０１６μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００４μｍとの積層体を１００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.2Ｉｎ_0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。 By an MBE method, an InSb layer doped with 7 × 10 ¹⁸ / cm ³ of Sn as an n-type contact layer is grown on a semi-insulating GaAs single crystal substrate by 1.0 μm, and Zn is added as a light absorption layer thereon by 2 μm. A superlattice structure of 2 μm formed by repeating a stack of an InSb layer of 0.016 μm doped with × 10 ¹⁶ / cm ³ and a non-doped GaSb layer of 0.004 μm 100 times is grown thereon, and Zn is formed thereon as a p-type barrier layer. the 1 × grown 10 ¹⁹ / cm ³ doped Al _0.2 in _0.8 Sb layer 0.02 [mu] m, was grown InSb layer 0.5μm was 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ doped with Zn as p-type contact layer on the .

（実施例８）
第８の実施例について説明する。 (Example 8)
An eighth embodiment will be described.

ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０¹⁸／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．０３９μｍとノンドープのＡｌＳｂ層０．００１μｍとの積層体を５０回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.2Ｉｎ_0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。 By an MBE method, an InSb layer doped with 7 × 10 ¹⁸ / cm ³ of Sn as an n-type contact layer is grown on a semi-insulating GaAs single crystal substrate by 1.0 μm, and Zn is added as a light absorption layer thereon by 2 μm. A superlattice structure 2 μm formed by repeating a stack of an InSb layer 0.039 μm doped with × 10 ¹⁶ / cm ³ and a non-doped AlSb layer 0.001 μm was grown 50 times, and Zn was formed thereon as a p-type barrier layer. the 1 × grown 10 ¹⁹ / cm ³ doped Al _0.2 in _0.8 Sb layer 0.02 [mu] m, was grown InSb layer 0.5μm was 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ doped with Zn as p-type contact layer on the .

（実施例９）
第９の実施例について説明する。 Example 9
A ninth embodiment will be described.

ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０¹⁸／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．０１９μｍとノンドープのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｓｂ層０．００１μｍとの積層体を１００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.2Ｉｎ_0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。 By an MBE method, an InSb layer doped with 7 × 10 ¹⁸ / cm ³ of Sn as an n-type contact layer is grown on a semi-insulating GaAs single crystal substrate by 1.0 μm, and Zn is added as a light absorption layer thereon by 2 μm. A superlattice structure 2 μm formed by repeating a stack of an InSb layer 0.019 μm doped with × 10 ¹⁶ / cm ³ and a non-doped Al _0.5 Ga _0.5 Sb layer 0.001 μm 100 times is grown on this, and p-type is grown thereon An Al _0.2 In _0.8 Sb layer 0.02 μm doped with 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ Zn was grown as a barrier layer, and an InSb layer doped with 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ Zn as a p-type contact layer was formed thereon. Grows 5 μm.

（実施例１０）
第１０の実施例について説明する。 (Example 10)
A tenth embodiment will be described.

ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０¹⁸／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとＺｎを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングしたＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.2Ｉｎ_0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。 By MBE, an InSb layer doped with 7 × 10 ¹⁸ / cm ³ of Sn as an n-type contact layer is grown on a semi-insulating GaAs single crystal substrate by 1.0 μm, and a non-doped InSb layer is formed thereon as a light absorption layer. A superlattice structure 2 μm formed by repeating a stack of 0.004 μm layer and a GaSb layer 0.001 μm doped with Zn at 2 × 10 ¹⁶ / cm ³ 400 times is grown thereon, and Zn is formed thereon as a p-type barrier layer. the 1 × grown 10 ¹⁹ / cm ³ doped Al _0.2 in _0.8 Sb layer 0.02 [mu] m, was grown InSb layer 0.5μm was 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ doped with Zn as p-type contact layer on the .

（実施例１１）
第１１の実施例について説明する。 (Example 11)
An eleventh embodiment will be described.

ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０¹⁸／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００３μｍとＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＡｌＳｂ層０．００１μｍとの積層体を５回繰り返して形成した超格子構造体０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。 By an MBE method, an InSb layer doped with 7 × 10 ¹⁸ / cm ³ of Sn as an n-type contact layer is grown on a semi-insulating GaAs single crystal substrate by 1.0 μm, and Zn is added as a light absorption layer thereon by 2 μm. A superlattice structure 2 μm formed by repeating a stack of an InSb layer 0.004 μm doped with × 10 ¹⁶ / cm ³ and a non-doped GaSb layer 0.001 μm 400 times is grown thereon, and Zn is formed thereon as a p-type barrier layer. the 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ doped InSb layer 0.003μm and Zn to 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ doped AlSb layer laminate of the 0.001 [mu] m 5 times repeating superlattice structure formed by 0.02μm An InSb layer 0.5 μm doped with 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ of Zn was grown thereon as a p-type contact layer.

（実施例１２）
第１２の実施例について説明する。 (Example 12)
A twelfth embodiment will be described.

ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０¹⁸／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００１μｍとＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｓｂ層０．００１μｍとの積層体を１０回繰り返して形成した超格子構造体０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。 By an MBE method, an InSb layer doped with 7 × 10 ¹⁸ / cm ³ of Sn as an n-type contact layer is grown on a semi-insulating GaAs single crystal substrate by 1.0 μm, and Zn is added as a light absorption layer thereon by 2 μm. A superlattice structure 2 μm formed by repeating a stack of an InSb layer 0.004 μm doped with × 10 ¹⁶ / cm ³ and a non-doped GaSb layer 0.001 μm 400 times is grown thereon, and Zn is formed thereon as a p-type barrier layer. the 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ doped InSb layer 0.001μm and Zn to 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ doped Al _0.5 Ga _0.5 Sb layer superlattice structure a laminate of a 0.001μm was formed by repeating 10 times A 0.02 μm body was grown, and an InSb layer 0.5 μm doped with 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ of Zn was grown thereon as a p-type contact layer.

（実施例１３）
第１３の実施例について説明する。 (Example 13)
A thirteenth embodiment will be described.

ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０¹⁸／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００１μｍとＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｓｂ層０．００１μｍとの積層体を１０回繰り返して形成した超格子構造体０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとＺｎを１×１０¹⁹／ｃｍ³ドーピングしたＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を１００回繰り返して形成した超格子構造体０．５μｍを成長した。 By an MBE method, an InSb layer doped with 7 × 10 ¹⁸ / cm ³ of Sn as an n-type contact layer is grown on a semi-insulating GaAs single crystal substrate by 1.0 μm, and Zn is added as a light absorption layer thereon by 2 μm. A superlattice structure 2 μm formed by repeating a stack of an InSb layer 0.004 μm doped with × 10 ¹⁶ / cm ³ and a non-doped GaSb layer 0.001 μm 400 times is grown thereon, and Zn is formed thereon as a p-type barrier layer. the 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ doped InSb layer 0.001μm and Zn to 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ doped Al _0.5 Ga _0.5 Sb layer superlattice structure a laminate of a 0.001μm was formed by repeating 10 times growing body 0.02 [mu] m, Zn as p-type contact layer on the 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ and doped InSb layer 0.004μm and Zn 1 × 10 ¹⁹ / c ³ a stack of a doped GaSb layer 0.001μm grown superlattice structure 0.5μm was formed by repeating 100 times.

１基板
２ｎ型コンタクト層
３光吸収層
４ｐ型バリア層
５ｐ型コンタクト層
６パッシベーション膜
７電極 1 substrate 2 n-type contact layer 3 light absorption layer 4 p-type barrier layer 5 p-type contact layer 6 passivation film 7 electrode

Claims

A substrate,
An n-type contact layer formed on the substrate and made of n-type doped InSb;
A light absorption layer formed on the n-type contact layer;
A p-type barrier layer formed on the light absorption layer, p-type doped at a higher concentration than the light absorption layer, and having a larger band gap than the n-type contact layer and the light absorption layer;
A quantum infrared sensor comprising: a p-type contact layer formed on the p-type barrier layer and p-type doped at a concentration equal to or higher than that of the p-type barrier layer;
The light absorption layer includes a superlattice structure in which non-doped or p-type doped InSb and any one of non-doped or p-type doped GaSb, AlSb, AlGaSb, and InAs are periodically stacked. A quantum infrared sensor.

The p-type barrier layer is any one of an AlInSb layer, a GaInSb layer, and an AlGaInSb layer, or a superlattice structure in which an InSb layer and an AlSb layer are periodically stacked, an InSb layer and a GaSb layer The superlattice structure in which the layers are periodically stacked, and the superlattice structure in which the InSb layer and the AlGaSb layer are periodically stacked. Quantum infrared sensor.

The p-type contact layer is one of an AlInSb layer, a GaInSb layer, and an AlGaInSb layer, or a superlattice structure in which an InSb layer and an AlSb layer are periodically stacked, an InSb layer and a GaSb layer And the superlattice structure in which the InSb layer and the AlGaSb layer are periodically laminated. Quantum infrared sensor.