JP5606374B2

JP5606374B2 - Method for producing compound semiconductor laminate for quantum infrared sensor and quantum infrared sensor

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Publication number: JP5606374B2
Application number: JP2011072669A
Authority: JP
Inventors: 寛崇外賀
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2031-03-29
Also published as: JP2012207968A

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用、例えば人感センサや量子型赤外線ガス濃度計用の化合物半導体積層体の製造方法および量子型赤外線センサの技術分野に関する。 The present invention relates to the technical field of infrared detection, and particularly to a method for producing a compound semiconductor laminate for 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, and The present invention relates to the technical field of quantum infrared sensors.

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である人感センサや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, application to a human sensor or an NDIR gas concentration meter that is a quantum infrared sensor is possible.

従来の量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の光吸収層、ｐ型バリア層、およびｐ型コンタクト層において知られているｐ型ドーパントは、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃ、Ｍｇ、Ｃｄである。活性化率・低毒性の観点からはＺｎが好ましく用いられている。しかし、Ｚｎは蒸気圧が高いため、成膜時に再蒸発を起こしやすく、成膜時の基板ヒーターの温度などの条件にずれが生じた場合、層中のＺｎの取り込み量にずれを生じてしまうため、制御が容易ではなかった。 The p-type dopants known in the light absorption layer, the p-type barrier layer, and the p-type contact layer of the conventional compound semiconductor laminate for a quantum infrared sensor are Be, Zn, C, Mg, and Cd. From the viewpoint of activation rate and low toxicity, Zn is preferably used. However, since Zn has a high vapor pressure, it tends to re-evaporate at the time of film formation, and if there is a shift in conditions such as the temperature of the substrate heater at the time of film formation, the amount of Zn taken in the layer will be shifted. Therefore, control was not easy.

本発明は、上記の問題を鑑みて、活性化率が高く、毒性が低く、かつ制御が容易であるｐ型ドーパントを用いた量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a method for producing a compound semiconductor multilayer body for a quantum infrared sensor using a p-type dopant having a high activation rate, low toxicity, and easy control. Objective.

本発明は、基板上に、インジウム及びアンチモンを含み且つｎ型ドーピングされたｎ型コンタクト層を形成するステップと、ｎ型コンタクト層上に、光吸収層を形成するステップと、光吸収層上に、光吸収層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ且つ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型バリア層を形成するステップと、ｐ型バリア層上に、ｐ型バリア層と同等以上の濃度にｐ型ドーピングされたｐ型コンタクト層を形成するステップとを備える量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体を製造する方法であって、光吸収層を形成するステップは、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂからなる群より選択された一種とを周期的に積層して超格子構造体を形成するステップであることを特徴とする。 The present invention includes forming an n-type contact layer containing indium and antimony and doped n-type on a substrate, forming a light absorption layer on the n-type contact layer, and forming a light absorption layer on the light absorption layer. Forming a p-type barrier layer that is p-type doped at a higher concentration than the light-absorbing layer and having a larger band gap than the n-type contact layer and the light-absorbing layer, and a p-type barrier layer on the p-type barrier layer Forming a p-type contact layer doped with a p-type at a concentration equal to or higher than that of the compound semiconductor stacked body for a quantum infrared sensor, wherein the step of forming the light absorption layer comprises: Periodically InSb and one selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant Characterized in that in the layer is a step of forming a superlattice structure.

本発明の一実施形態において、ｐ型バリア層を形成するステップは、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂからなる群より選択された一種とを周期的に積層して超格子構造体を形成するステップであることを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the step of forming a p-type barrier layer includes a non-doped InSb and a type selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant. And a superlattice structure is formed by laminating them.

本発明の一実施形態において、ｐ型コンタクト層を形成するステップは、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂからなる群より選択された一種とを周期的に積層して超格子構造体を形成するステップであることを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the step of forming the p-type contact layer includes a non-doped InSb and a kind selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant. And a superlattice structure is formed by laminating them.

本発明は、基板と、基板上に形成され、インジウム及びアンチモンを含み且つｎ型ドーピングされた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型ドーピングされ且つ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る赤外線センサであって、光吸収層は、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂからなる群より選択された一種とが周期的に積層された超格子構造体を有すること特徴とする。 The present invention relates to a substrate, an n-type contact layer formed on the substrate and containing indium and antimony and doped n-type, a light absorption layer formed on the n-type contact layer, and a light absorption layer A p-type barrier layer that is p-type doped at a higher concentration than the light absorption layer and has a larger band gap than the n-type contact layer and the light absorption layer; and a p-type barrier layer formed on the p-type barrier layer, An infrared sensor comprising a p-type contact layer doped with p-type at a concentration equal to or higher than that, the light absorption layer is made of non-doped InSb and GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant. It has a superlattice structure in which one kind selected from the group is periodically stacked.

本発明の一実施形態において、ｐ型バリア層は、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂからなる群より選択された一種とが周期的に積層された超格子構造体を有すること特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the p-type barrier layer is formed by periodically laminating non-doped InSb and one selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant. And a superlattice structure.

本発明の一実施形態において、ｐ型コンタクト層は、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂからなる群より選択された一種とが周期的に積層された超格子構造体を有すること特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the p-type contact layer is formed by periodically laminating non-doped InSb and one selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant. And a superlattice structure.

本発明によると、活性化率が高く、毒性が低く、かつ制御が容易であるｐ型ドーパントを用いた量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法を提供することが可能になる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the manufacturing method of the compound semiconductor laminated body for quantum type infrared sensors using the p-type dopant with high activation rate, low toxicity, and easy control.

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.

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、量子型赤外線センサ用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. Using these methods, a compound semiconductor stack for a quantum infrared sensor is formed.

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態について説明する。 [First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described.

本発明の第１の実施形態に係る量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法では、先ず、基板上に、インジウム及びアンチモンを含み、かつ、ｎ型ドーピングされたｎ型コンタクト層を形成する。次いで、ｎ型コンタクト層上に光吸収層を形成する。次いで、光吸収層上に、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型バリア層を形成する。次いで、ｐ型バリア層上に、ｐ型バリア層と同等以上の濃度にｐ型ドーピングされたｐ型コンタクト層を形成する。ここで、光吸収層を形成する工程は、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂからなる群より選択される一種とを周期的に積層して超格子構造体を形成する工程である。 In the method for manufacturing a compound semiconductor multilayer body for a quantum infrared sensor according to the first embodiment of the present invention, first, an n-type contact layer containing indium and antimony and n-type doped is formed on a substrate. . Next, a light absorption layer is formed on the n-type contact layer. Next, a p-type barrier layer that is p-type doped at a higher concentration than the light absorption layer and has a larger band gap than the n-type contact layer and the light absorption layer is formed on the light absorption layer. Next, a p-type contact layer doped with p-type at a concentration equal to or higher than that of the p-type barrier layer is formed on the p-type barrier layer. Here, the step of forming the light absorption layer is performed by periodically laminating non-doped InSb and a kind selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant. This is a step of forming a structure.

本発明の第１の実施形態に係る量子型赤外線センサは、基板と、基板上に形成され、インジウム及びアンチモンを含み且つｎ型ドーピングされたｎ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層上に形成される光吸収層と、光吸収層上に形成され、光吸収層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ且つ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る。ここで、光吸収層は、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂからなる群より選択される一種とが周期的に積層された超格子構造体である。 The quantum infrared sensor according to the first embodiment of the present invention is formed on a substrate, an n-type contact layer formed on the substrate, containing indium and antimony and n-type doped, and an n-type contact layer. A p-type barrier layer formed on the light-absorbing layer, p-type doped at a higher concentration than the light-absorbing layer, and having a larger band gap than the n-type contact layer and the light-absorbing layer; A p-type contact layer formed on the barrier layer and p-doped at a concentration equal to or higher than that of the p-type barrier layer. Here, the light absorption layer is a superlattice structure in which non-doped InSb and a kind selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant are periodically stacked. is there.

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態について説明する。 [Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described.

本発明の第２の実施形態に係る量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法は、第１の実施形態に係る量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法において、ｐ型バリア層を形成する工程が、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂからなる群より選択される一種とを周期的に積層して超格子構造体を形成する工程であることを特徴とする。 The manufacturing method of the compound semiconductor laminated body for quantum type infrared sensors which concerns on the 2nd Embodiment of this invention WHEREIN: The manufacturing method of the compound semiconductor laminated body for quantum type infrared sensors which concerns on 1st Embodiment WHEREIN: A p-type barrier layer is used. The step of forming a superlattice structure by periodically laminating non-doped InSb and one selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant It is characterized by being.

本発明の第２の実施形態に係る量子型赤外線センサは、第１の実施形態に係る量子型赤外線センサにおいて、ｐ型バリア層が、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂからなる群より選択される一種とが周期的に積層された超格子構造体であることを特徴とする。 The quantum infrared sensor according to the second embodiment of the present invention is the quantum infrared sensor according to the first embodiment, wherein the p-type barrier layer is doped with non-doped InSb and Si as the p-type dopant. A superlattice structure in which one type selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb is periodically stacked.

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態について説明する。 [Third Embodiment]
A third embodiment of the present invention will be described.

本発明の第３の実施形態に係る量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法は、第１の実施形態または第２の実施形態に係る量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法において、ｐ型コンタクト層を形成する工程が、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂからなる群より選択される一種とを周期的に積層して超格子構造体を形成する工程であることを特徴とする。 The manufacturing method of the compound semiconductor laminated body for quantum infrared sensors which concerns on the 3rd Embodiment of this invention is the manufacturing method of the compound semiconductor laminated body for quantum infrared sensors which concerns on 1st Embodiment or 2nd Embodiment. The step of forming the p-type contact layer is a superlattice obtained by periodically laminating non-doped InSb and one selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant. It is a process for forming a structure.

本発明の第３の実施形態に係る量子型赤外線センサは、第１の実施形態または第２の実施形態に係る量子型赤外線センサにおいて、ｐ型コンタクト層が、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂからなる群より選択される一種とが周期的に積層された超格子構造体であることを特徴とする。 The quantum infrared sensor according to the third embodiment of the present invention is the quantum infrared sensor according to the first or second embodiment, wherein the p-type contact layer is non-doped InSb and p-type dopant. A superlattice structure in which Si is doped and one kind selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb is periodically stacked.

［従来のｐ型ドーパント］
従来の量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法において知られていた光吸収層・ｐ型バリア層・ｐ型コンタクト層のｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅ等が存在する。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ｐ型ドーパントとして用いられている。 [Conventional p-type dopant]
As a p-type dopant of a light absorption layer, a p-type barrier layer, and a p-type contact layer known in a conventional method for producing a compound semiconductor laminate for a quantum infrared sensor, Be, Zn, Cd, C, Mg, Ge Etc. exist. In particular, Zn is used as a p-type dopant having a higher activation rate and lower toxicity in InSb.

しかし、Ｚｎは蒸気圧が高いため、化合物半導体積層体形成時の基板ヒーター過熱により、再蒸発を起こしやすい。すなわち、Ｚｎは極めて低温で蒸発してしまう材料であり、通常２００℃から３５０℃で蒸発させて、ドーパントとして用いる。それに対し、化合物半導体積層体形成時の基板温度の設定は、通常３５０℃から４５０℃であり、基板付近に到達したＺｎが、再蒸発するには十分な温度である。当然のことながら、再蒸発の量は、化合物半導体積層体形成時の基板温度に強く依存する。 However, since Zn has a high vapor pressure, re-evaporation is likely to occur due to overheating of the substrate heater when the compound semiconductor stack is formed. That is, Zn is a material that evaporates at an extremely low temperature, and is usually evaporated at 200 to 350 ° C. and used as a dopant. On the other hand, the setting of the substrate temperature at the time of forming the compound semiconductor stacked body is usually 350 ° C. to 450 ° C., and Zn reaching the substrate is a temperature sufficient for re-evaporation. As a matter of course, the amount of reevaporation strongly depends on the substrate temperature at the time of forming the compound semiconductor stack.

そのため、光吸収層・ｐ型バリア層・ｐ型コンタクト層形成時の基板ヒーターの温度などの成膜条件にずれが生じた場合、層中のＺｎの取り込み量にずれを生じてしまう。このように、Ｚｎをｐ型ドーパントとして用いた場合、制御が容易ではない。 For this reason, when a film forming condition such as the temperature of the substrate heater at the time of forming the light absorbing layer, the p-type barrier layer, or the p-type contact layer is deviated, the Zn incorporation amount in the layer is deviated. Thus, control is not easy when Zn is used as a p-type dopant.

［本発明のｐ型ドーパント］
本発明の量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法においては、蒸気圧が低いＳｉを光吸収層、ｐ型バリア層、及びｐ型コンタクト層のｐ型ドーパントとして用いることが出来るので、従来よりも制御が容易である。すなわち、Ｓｉは低温では蒸発しにくい材料であり、通常１０００℃から１４００℃の比較的高温で蒸発させて、ドーパントとして用いる。それに対し、化合物半導体積層体形成時の基板温度の設定は、通常３５０℃から４５０℃と、Ｓｉが蒸発する温度より十分低いため、基板付近に到達したＳｉが再蒸発することは殆どない。そのため、光吸収層、ｐ型バリア層、及びｐ型コンタクト層形成時の基板ヒーターの温度などの成膜条件にずれが生じた場合でも、層中のＳｉの取り込み量は変化しないため、制御が容易である。 [P-type dopant of the present invention]
In the method for producing a compound semiconductor multilayer body for a quantum infrared sensor of the present invention, Si having a low vapor pressure can be used as a p-type dopant for a light absorption layer, a p-type barrier layer, and a p-type contact layer. Easier to control. That is, Si is a material that hardly evaporates at a low temperature, and is usually evaporated at a relatively high temperature of 1000 ° C. to 1400 ° C. and used as a dopant. On the other hand, the setting of the substrate temperature at the time of forming the compound semiconductor stack is usually 350 ° C. to 450 ° C., which is sufficiently lower than the temperature at which Si evaporates, so that Si that has reached the vicinity of the substrate hardly re-evaporates. For this reason, even if a film formation condition such as the temperature of the substrate heater at the time of forming the light absorption layer, the p-type barrier layer, and the p-type contact layer is deviated, the amount of Si incorporated in the layer does not change. Easy.

また、本発明の量子型赤外線センサは、Ｓｉをｐ型ドーパントとして機能させることを可能にする。 In addition, the quantum infrared sensor of the present invention enables Si to function as a p-type dopant.

以下、量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の各構成要素について説明する。
［光吸収層］
本発明では、ノンドープのＩｎＳｂと、ＳｉドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂのうち何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として用いることが出来る。 Hereafter, each component of the compound semiconductor laminated body for quantum type infrared sensors is demonstrated.
[Light absorption layer]
In the present invention, a superlattice structure in which non-doped InSb and any one of Si-doped GaSb, AlSb, and AlGaSb are periodically stacked can be used as the light absorption layer 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の形成した場合でも、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 it 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.

ここで、光吸収層３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、十分なバンドオフセットをとれるように、ｐ型ドーピングする必要がある。ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅ等があり、特にＺｎは、ＩｎＳｂにおいて、より活性化率が高く且つ毒性も低いｐ型ドーパントとして用いられている。 Here, the light absorption layer 3 needs to be p-type doped so that a sufficient band offset can be obtained from the conduction bands of the n-type contact layer 2 and the p-type barrier layer 4. Examples of the p-type dopant include Be, Zn, Cd, C, Mg, Ge, etc. In particular, Zn is used as a p-type dopant having a higher activation rate and lower toxicity in InSb.

そのため、光吸収層形成時の基板ヒーターの温度などの成膜条件にずれが生じた場合、層中のＺｎの取り込み量にずれを生じてしまうため、制御が容易ではない。特に、光吸収層は高い精度のドーピング量の制御が要求されるため、とりわけドーパントの取り込み量のズレがないことが好ましい。よって、ｐ型ドーパントとしては、Ｓｉのような蒸気圧の低い材料が好ましいが、ＩｎＳｂに対しては、Ｓｉはｎ型ドーパントであるため、用いることができない。 For this reason, when a film formation condition such as the temperature of the substrate heater at the time of forming the light absorption layer is deviated, the Zn incorporation amount in the layer is deviated, so that control is not easy. In particular, since the light absorption layer is required to control the doping amount with high accuracy, it is particularly preferable that there is no deviation in the amount of dopant taken in. Therefore, a material having a low vapor pressure such as Si is preferable as the p-type dopant, but Si cannot be used for InSb because Si is an n-type dopant.

以上を踏まえ、本発明においては、ノンドープのＩｎＳｂと、ＳｉドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂのうち何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。このような構造の光吸収層３を用いることで、Ｓｉをｐ型ドーパントとして機能させることを可能にする。すなわち、蒸気圧が低いＳｉを光吸収層のｐ型ドーパントとして用いることが出来るので、従来よりも制御が容易になる。 Based on the above, in the present invention, a superlattice structure in which non-doped InSb and any one of Si-doped GaSb, AlSb, and AlGaSb are periodically stacked is used as the light absorption layer 3. By using the light absorption layer 3 having such a structure, it is possible to make Si function as a p-type dopant. That is, since Si having a low vapor pressure can be used as the p-type dopant of the light absorption layer, control becomes easier than in the past.

Ｓｉは低温では蒸発しにくい材料であり、通常１０００℃から１４００℃の比較的高温で蒸発させて、ドーパントとして用いる。それに対し、化合物半導体積層体形成時の基板温度の設定は、通常３５０℃から４５０℃と、Ｓｉが蒸発する温度より十分低いため、基板付近に到達したＳｉが再蒸発することは殆どない。そのため、光吸収層形成時の基板ヒーターの温度などの成膜条件にずれが生じた場合でも、層中のＳｉの取り込み量は変化しないため、制御が容易である。 Si is a material that hardly evaporates at low temperatures, and is usually evaporated at a relatively high temperature of 1000 ° C. to 1400 ° C. and used as a dopant. On the other hand, the setting of the substrate temperature at the time of forming the compound semiconductor stack is usually 350 ° C. to 450 ° C., which is sufficiently lower than the temperature at which Si evaporates, so that Si that has reached the vicinity of the substrate hardly re-evaporates. Therefore, even when there is a deviation in the film forming conditions such as the temperature of the substrate heater when forming the light absorption layer, the amount of Si uptake in the layer does not change, and therefore control is easy.

更に本発明の量子型赤外線センサは、超格子構造体の各層の膜厚の比率を変えることで、光吸収層３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出来る。 Furthermore, the quantum infrared sensor of the present invention can freely design the band gap of the light absorption layer 3 by changing the ratio of the thickness of each layer of the superlattice structure. 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.

本発明の量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法においても同様に、光吸収層を形成する工程が、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂからなる群より選択される一種とを周期的に積層して超格子構造体を形成する工程であるため、Ｓｉをｐ型ドーパントとして機能させる他に、上述の様に、超格子構造体を構成するＩｎＳｂと、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂの何れかとの各層の膜厚の比率を変えることで、光吸収層３のバンドギャップを自由に設計することができるため好ましい。 Similarly, in the method for manufacturing a compound semiconductor multilayer body for a quantum infrared sensor of the present invention, the step of forming a light absorption layer includes GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with non-doped InSb and Si as a p-type dopant. Since the superlattice structure is formed by periodically laminating one kind selected from the group consisting of Si, the superlattice structure is configured as described above in addition to functioning as a p-type dopant. It is preferable that the band gap of the light absorption layer 3 can be freely designed by changing the ratio of the film thickness of each layer of InSb and any of GaSb, AlSb, and AlGaSb.

また、後述のインジウム及びアンチモンを含み、かつ、ｎ型ドーピングされたｎ型コンタクト層とＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂの何れかとの間には、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。 In addition, although there is a difference in lattice constant between an n-type contact layer that contains indium and antimony described later and is doped with n-type and any of GaSb, AlSb, and AlGaSb, in the superlattice structure The film thickness of each layer is extremely thin on the order of several nanometers to several tens of nanometers within the critical film thickness, so that the crystallinity is not deteriorated. Furthermore, when InSb with good crystallinity formed on a substrate is used as a buffer layer and a superlattice structure is formed thereon, the thickness of each layer of GaSb, AlSb, and AlGaSb in the superlattice structure is critical. Since it is within the film thickness, the lattice constant of the superlattice structure may be considered to be 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 having good crystallinity, a light absorption layer made of a superlattice structure having 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ため好ましい。 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. A high-sensitivity quantum infrared sensor suitable for each application can be realized without using a buffer layer, which is preferable.

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、膜厚が厚くなると光吸収層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, as the film thickness increases, 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の各層の膜厚は、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、光吸収層３に用いられる超格子構造体のうち、ＩｎＳｂ層の膜厚は、検知する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 film thickness of each layer of GaSb, AlSb, and AlGaSb is difficult to control if it is too thin, and if it is too thick, it exceeds the critical film thickness for the InSb layer. Therefore, 0.5 nm or more and 10 nm or less are preferable. On the other hand, in the superlattice structure used for the light absorption layer 3, 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うち、ＳｉドープしたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂの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、ドーピング濃度は１×１０¹⁶／ｃｍ³以上１×１０¹⁸／ｃｍ³以下が好ましい。 Of the superlattice structure used for the light absorption layer 3, the p-type doping concentration of Si-doped GaSb, AlSb, and AlGaSb depends on the conduction bands of the n-type contact layer 2 and the p-type barrier layer 4 and sufficient conduction bands. It is adjusted so as to obtain a band offset, and the doping concentration is preferably 1 × 10 ¹⁶ / cm ³ or more and 1 × 10 ¹⁸ / cm ³ or less.

［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. Therefore, 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 from 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、本発明ではインジウム及びアンチモンを含み、かつ、ｎ型ドーピングされた層をｎ型コンタクト層として用いる。好ましくは、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 contains indium and antimony and is n-type doped. This layer is used as an n-type contact layer. Preferably, a layer made of n-type doped InSb is used as the n-type 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、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料に比べ、ＧａＡｓなどの格子定数の全く異なる基板上に形成した場合でも、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. InSb has excellent crystallinity even when formed on a substrate having a completely different lattice constant, such as GaAs, compared to mixed crystal materials such as InAsSb mixed crystal, InGaSb mixed crystal, InAlSb mixed crystal, and InAlGaSb mixed crystal. Since large electron mobility is obtained, it is preferable.

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、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料に比べ、ＧａＡｓなどの格子定数の全く異なる基板上に形成した場合でも、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出来る。 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. InSb has better crystallinity even when formed on a substrate having a completely different lattice constant, such as GaAs, than mixed crystal materials such as InAsSb mixed crystal, InGaSb mixed crystal, InAlSb mixed crystal, and InAlGaSb mixed crystal. 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ることが好ましい。 From these viewpoints, in the present invention, it is preferable to use n-type doped InSb as the n-type contact layer.

インジウム及びアンチモンを含み、かつ、ｎ型ドーピングされた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 that contains indium and antimony and does not affect the lattice constant or crystallinity of the n-type contact layer 2, InAsSb mixed crystal, InGaSb mixed crystal, InAlSb One layer or a plurality of layers made of a mixed crystal material such as a mixed crystal or InAlGaSb mixed crystal 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、バンドギ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 gap is too large, the lattice constant of the mixed crystal material becomes very small compared to 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のうち何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、及びＡｌＧａＳｂのうちの何れか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ｐ型バリア層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 the 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 is used. You can also. Since the thickness of each layer of GaSb, AlSb, and AlGaSb in the superlattice structure is designed to be within a critical thickness with respect to InSb, the lattice constant of the superlattice structure is considered to be almost the same as InSb. Good. 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 between the light absorption layer 3 and the p-type barrier layer. 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.

上述した第２の実施形態に係る量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法における、ｐ型バリア層を形成する工程は、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂからなる群より選択される一種とを周期的に積層して超格子構造体を形成する工程である。Ｓｉをｐ型ドーパントとして機能させる他に、上述の様に、ＩｎＳｂと、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂのうちの何れかとの各層の膜厚の比率を変えることで、ｐ型バリア層の材料のバンドギャップ及び膜厚等に関する設計の自由度が高くなるため好ましい。 The step of forming the p-type barrier layer in the method of manufacturing a compound semiconductor multilayer body for a quantum infrared sensor according to the second embodiment described above includes non-doped InSb and GaSb doped with Si as a p-type dopant. In this process, a superlattice structure is formed by periodically laminating one selected from the group consisting of AlSb and AlGaSb. Besides allowing Si to function as a p-type dopant, the band of the material of the p-type barrier layer can be changed by changing the ratio of the film thickness of each layer of InSb and any of GaSb, AlSb, and AlGaSb as described above. This is preferable because the degree of freedom in design regarding the gap and the film thickness is increased.

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.

上記のように、ｐ型バリア層４に用いられる超格子構造体中のＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂに対しては、Ｓｉをｐ型ドーパントとして用いることができる。 As described above, Si can be used as a p-type dopant for GaSb, AlSb, and AlGaSb in the superlattice structure used for the p-type barrier layer 4.

ｐ型ドーパントとしてＺｎを用いることも考えられる。しかし、Ｚｎは蒸気圧が高いため、ｐ型バリア層４形成時の基板ヒーター過熱により、再蒸発を起こしやすい。そのため、ｐ型バリア層４形成時の基板ヒーターの温度などの成膜条件にずれが生じた場合、層中のＺｎの取り込み量にずれを生じてしまうため、制御が難しい。 It is also conceivable to use Zn as the p-type dopant. However, since Zn has a high vapor pressure, re-evaporation is likely to occur due to overheating of the substrate heater when the p-type barrier layer 4 is formed. For this reason, if there is a shift in the film forming conditions such as the temperature of the substrate heater when forming the p-type barrier layer 4, a shift occurs in the Zn uptake amount in the layer, which makes it difficult to control.

一方、Ｓｉは蒸気圧が非常に低いため、上記のような問題はなく、その制御は容易であり、より好ましい。例えば、ノンドープのＩｎＳｂと、Ｓｉでｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうち何れか一つとが周期的に積層された超格子構造体をｐ型バリア層４として用いれば、制御の難しいｐ型ドーパントであるＺｎを使用する必要がなく、より好ましい。 On the other hand, since the vapor pressure of Si is very low, there is no problem as described above, and its control is easy and more preferable. For example, if a superlattice structure in which non-doped InSb and any one of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with p-type with Si are periodically stacked is used as the p-type barrier layer 4, p is difficult to control. It is not necessary to use Zn, which is a type dopant, and is more preferable.

［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材料で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, the p-type contact layer 5 is formed on the p-type barrier layer 4 with a material having an electric resistance smaller than that of the p-type barrier layer 4, and the electrode is formed thereon, thereby suppressing the contact resistance. be able to. 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のうちの何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のうちの何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.

上述した第３の実施形態に係る量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法における、ｐ型コンタクト層を形成する工程は、ノンドープのＩｎＳｂと、ｐ型ドーパントとしてＳｉがドーピングされた、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂからなる群より選択される一種とを周期的に積層して超格子構造体を形成する工程である。Ｓｉをｐ型ドーパントとして機能させる他に、上述の様に、ＩｎＳｂと、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、及びＡｌＧａＳｂのうちの何れかとの各層の膜厚の比率を変えることで、ｐ型コンタクト層のバンドギャップ及び膜厚等に関する設計の自由度が高くなるため好ましい。 The step of forming the p-type contact layer in the method for manufacturing a compound semiconductor multilayer body for a quantum infrared sensor according to the third embodiment described above includes non-doped InSb and GaSb doped with Si as a p-type dopant. In this process, a superlattice structure is formed by periodically laminating one selected from the group consisting of AlSb and AlGaSb. Besides allowing Si to function as a p-type dopant, as described above, by changing the ratio of the film thickness of each layer of InSb and GaSb, AlSb, and AlGaSb, the band gap of the p-type contact layer and This is preferable because the degree of freedom in design regarding the film thickness and the like is increased.

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.

上記のように、ｐ型コンタクト層５に用いられる超格子構造体中のＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂに対しては、Ｓｉをｐ型ドーパントとして用いることができる。 As described above, Si can be used as a p-type dopant for GaSb, AlSb, and AlGaSb in the superlattice structure used for the p-type contact layer 5.

ｐ型ドーパントとしてＺｎを用いることも考えられる。しかし、Ｚｎは蒸気圧が高いため、ｐ型コンタクト層５形成時の基板ヒーター過熱により、再蒸発を起こしやすい。そのため、ｐ型コンタクト層５形成時の基板ヒーターの温度などの成膜条件にずれが生じた場合、層中のＺｎの取り込み量にずれを生じてしまうため、制御が難しい。 It is also conceivable to use Zn as the p-type dopant. However, since Zn has a high vapor pressure, it tends to re-evaporate due to overheating of the substrate heater when the p-type contact layer 5 is formed. For this reason, if a deviation occurs in the film formation conditions such as the temperature of the substrate heater when the p-type contact layer 5 is formed, a deviation occurs in the Zn incorporation amount in the layer, which makes it difficult to control.

一方、Ｓｉは蒸気圧が非常に低いため、上記のような問題はなく、その制御は容易であり、より好ましい。例えば、ノンドープのＩｎＳｂと、Ｓｉでｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうち何れか一つとが周期的に積層された超格子構造体をｐ型コンタクト層５として用いれば、制御の難しいｐ型ドーパントであるＺｎを使用する必要がなく、より好ましい。 On the other hand, since the vapor pressure of Si is very low, there is no problem as described above, and its control is easy and more preferable. For example, if a superlattice structure in which non-doped InSb and any one of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with p-type with Si are periodically stacked is used as the p-type contact layer 5, p is difficult to control. It is not necessary to use Zn, which is a type dopant, and is more preferable.

［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）
第１の実施例について説明する。
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Ｓｉ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。ここで、薄膜積層体形成時の基板温度は４００℃に設定した。基板温度の設定をそれぞれ３８０℃、４２０℃に意図的にずらして薄膜積層体を形成した場合でも、光吸収層中のＳｉの取り込み量は同じであり、変化は見られなかった。このことは、Ｓｉのドープ量の制御が極めて容易であることを示している。 Example 1
A first embodiment will be described.
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 Si 2 × 10 ¹⁶ / cm ³ 400 times is grown, and a p-type barrier layer 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 . Here, the substrate temperature during the formation of the thin film laminate was set to 400 ° C. Even when the thin film stack was formed by intentionally shifting the substrate temperature to 380 ° C. and 420 ° C., respectively, the amount of Si incorporated in the light absorption layer was the same and no change was observed. This indicates that the control of the Si doping amount is extremely easy.

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、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍＩｎｆｒａｒｅｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，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 a Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), light absorption was observed in a wavelength region of 5.5 μm or less. As compared with the case where InSb was used as the light absorption layer, the infrared absorption sensitivity on the shorter wavelength side required for gas detection could be 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２）
第２の実施例について説明する。
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Ｓｉ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型バリア層としてノンドープのＩｎＳｂ層０．００３μｍとＳｉ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。ここで、薄膜積層体形成時の基板温度は４００℃に設定した。基板温度の設定をそれぞれ３８０℃、４２０℃に意図的にずらして薄膜積層体を形成した場合でも、光吸収層、ｐ型バリア層中のＳｉの取り込み量は同じであり、変化は見られなかった。このことは、Ｓｉのドープ量の制御が極めて容易であることを示している。 (Example 2)
A second embodiment will be described.
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 0.004 μm layer and a GaSb layer 0.001 μm doped with Si 2 × 10 ¹⁶ / cm ³ 400 times is grown, and a non-doped p-type barrier layer is grown thereon A superlattice structure 0.02 μm formed by repeating a stack of 0.003 μm of InSb layer 0.003 μm and AlSb layer 0.001 μm doped with Si 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ 5 times is grown on this. As a contact layer, an InSb layer 0.5 μm doped with 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ of Zn was grown. Here, the substrate temperature during the formation of the thin film laminate was set to 400 ° C. Even when the thin film stack is formed by intentionally shifting the substrate temperature to 380 ° C. and 420 ° C. respectively, the amount of Si incorporated into the light absorption layer and the p-type barrier layer is the same, and no change is observed. It was. This indicates that the control of the Si doping amount is extremely easy.

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.

（実施例３）
第３の実施例について説明する。
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Ｓｉ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型バリア層としてノンドープのＩｎＳｂ層０．００１μｍとＳｉ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。ここで、薄膜積層体形成時の基板温度は４００℃に設定した。基板温度の設定をそれぞれ３８０℃、４２０℃に意図的にずらして薄膜積層体を形成した場合でも、光吸収層、ｐ型バリア層中のＳｉの取り込み量は同じであり、変化は見られなかった。このことは、Ｓｉのドープ量の制御が極めて容易であることを示している。 (Example 3)
A third embodiment will be described.
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 0.004 μm layer and a GaSb layer 0.001 μm doped with Si 2 × 10 ¹⁶ / cm ³ 400 times is grown, and a non-doped p-type barrier layer is grown thereon A superlattice structure 0.02 μm formed by repeating a laminate of 0.001 μm of the InSb layer 0.001 μm of Si and 1 × 10 ¹⁹ / cm ^{3 of} Al _0.5 Ga _0.5 Sb layer 0.001 μm of Si was grown. A 0.5 μm InSb layer doped with 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ of Zn was grown thereon as a p-type contact layer. Here, the substrate temperature during the formation of the thin film laminate was set to 400 ° C. Even when the thin film stack is formed by intentionally shifting the substrate temperature to 380 ° C. and 420 ° C. respectively, the amount of Si incorporated into the light absorption layer and the p-type barrier layer is the same, and no change is observed. It was. This indicates that the control of the Si doping amount is extremely easy.

（実施例４）
第４の実施例について説明する。
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Ｓｉ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型バリア層としてノンドープのＩｎＳｂ層０．００１μｍとＳｉ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ノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとＳｉ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。ここで、薄膜積層体形成時の基板温度は４００℃に設定した。基板温度の設定をそれぞれ３８０℃、４２０℃に意図的にずらして薄膜積層体を形成した場合でも、光吸収層、ｐ型バリア層、及びｐ型コンタクト層中のＳｉの取り込み量は同じであり、変化は見られなかった。このことは、Ｓｉのドープ量の制御が極めて容易であることを示している。 Example 4
A fourth embodiment will be described.
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 0.004 μm layer and a GaSb layer 0.001 μm doped with Si 2 × 10 ¹⁶ / cm ³ 400 times is grown, and a non-doped p-type barrier layer is grown thereon A superlattice structure 0.02 μm formed by repeating a laminate of 0.001 μm of the InSb layer 0.001 μm of Si and 1 × 10 ¹⁹ / cm ^{3 of} Al _0.5 Ga _0.5 Sb layer 0.001 μm of Si was grown. laminates of non-doped InSb layer 0.004μm and Si as a p-type contact layer and 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ doped GaSb layer 0.001μm above Was grown superlattice structure 0.5μm was formed by repeating 100 times. Here, the substrate temperature during the formation of the thin film laminate was set to 400 ° C. Even when the thin film stack is formed by intentionally shifting the substrate temperature to 380 ° C. and 420 ° C., the amount of Si incorporated in the light absorption layer, the p-type barrier layer, and the p-type contact layer is the same. No change was seen. This indicates that the control of the Si doping amount is extremely easy.

（実施例５）
第５の実施例について説明する。
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０．０３９μｍとＳｉを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングした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型バリア層としてノンドープのＩｎＳｂ層０．００１μｍとＳｉ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ノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとＳｉ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。ここで、薄膜積層体形成時の基板温度は４００℃に設定した。基板温度の設定をそれぞれ３８０℃、４２０℃に意図的にずらして薄膜積層体を形成した場合でも、光吸収層、ｐ型バリア層、及びｐ型コンタクト層中のＳｉの取り込み量は同じであり、変化は見られなかった。このことは、Ｓｉのドープ量の制御が極めて容易であることを示している。 (Example 5)
A fifth embodiment will be described.
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 0.039 μm layer and 0.001 μm of AlSb layer doped with Si 2 × 10 ¹⁶ / cm ³ 50 times is grown and non-doped as a p-type barrier layer thereon A superlattice structure 0.02 μm formed by repeating a laminate of 0.001 μm of the InSb layer 0.001 μm of Si and 1 × 10 ¹⁹ / cm ^{3 of} Al _0.5 Ga _0.5 Sb layer 0.001 μm of Si was grown. a stack of the non-doped InSb layer 0.004μm and Si as a p-type contact layer and 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ doped GaSb layer 0.001μm above 00 repetitions superlattice structure 0.5μm formed by grew. Here, the substrate temperature during the formation of the thin film laminate was set to 400 ° C. Even when the thin film stack is formed by intentionally shifting the substrate temperature to 380 ° C. and 420 ° C., the amount of Si incorporated in the light absorption layer, the p-type barrier layer, and the p-type contact layer is the same. No change was seen. This indicates that the control of the Si doping amount is extremely easy.

（実施例６）
第６の実施例について説明する。
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０．０１９μｍとＳｉを２×１０¹⁶／ｃｍ³ドーピングした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型バリア層としてノンドープのＩｎＳｂ層０．００１μｍとＳｉ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ノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとＳｉ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。ここで、薄膜積層体形成時の基板温度は４００℃に設定した。基板温度の設定をそれぞれ３８０℃、４２０℃に意図的にずらして薄膜積層体を形成した場合でも、光吸収層、ｐ型バリア層、及びｐ型コンタクト層中のＳｉの取り込み量は同じであり、変化は見られなかった。このことは、Ｓｉのドープ量の制御が極めて容易であることを示している。 (Example 6)
A sixth embodiment will be described.
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 an Al _0.5 Ga _0.5 Sb layer 0.001 μm doped with 0.019 μm of Si and 2 × 10 ¹⁶ / cm ^{3 of} Si is grown 100 times, and a p-type layer is grown thereon. A superlattice structure 0.02 μm formed by repeating a non-doped InSb layer 0.001 μm as a barrier layer and an Al _0.5 Ga _0.5 Sb layer 0.001 μm doped with Si 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ 10 times. A non-doped InSb layer of 0.004 μm and a GaSb layer of 0.001 μm doped with Si at 1 × 10 ¹⁹ / cm ³ are grown thereon as a p-type contact layer. A 0.5 μm superlattice structure formed by repeating the laminate with 100 times was grown. Here, the substrate temperature during the formation of the thin film laminate was set to 400 ° C. Even when the thin film stack is formed by intentionally shifting the substrate temperature to 380 ° C. and 420 ° C., the amount of Si incorporated in the light absorption layer, the p-type barrier layer, and the p-type contact layer is the same. No change was seen. This indicates that the control of the Si doping amount is extremely easy.

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 electrodes

Claims

Forming an n-type contact layer comprising indium and antimony and n-type doped on a substrate;
Forming a light absorption layer on the n-type contact layer;
Forming a p-type barrier layer on the light-absorbing layer, which is p-type doped at a higher concentration than the light-absorbing layer and having a larger band gap than the n-type contact layer and the light-absorbing layer;
Forming a p-type contact layer doped with p-type at a concentration equal to or higher than that of the p-type barrier layer on the p-type barrier layer. And
The step of forming the light absorption layer is performed by periodically laminating a non-doped InSb and one selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant. A method for producing a compound semiconductor laminated body for a quantum infrared sensor, which is a step of forming a body.

The step of forming the p-type barrier layer includes periodically superposing a non-doped InSb and a kind selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant. The method for producing a compound semiconductor multilayer body for a quantum infrared sensor according to claim 1, which is a step of forming a structure.

The step of forming the p-type contact layer is performed by periodically laminating a non-doped InSb and a kind selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant. 3. The method for producing a compound semiconductor laminated body for a quantum infrared sensor according to claim 1, wherein the structure is a step of forming a structure.

A substrate,
An n-type contact layer formed on the substrate and containing indium and antimony and n-type doped;
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;
An 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 has a superlattice structure in which non-doped InSb and a kind selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant are periodically stacked. Quantum infrared sensor.

The p-type barrier layer has a superlattice structure in which non-doped InSb and a kind selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant are periodically stacked. The quantum infrared sensor according to claim 4.

The p-type contact layer has a superlattice structure in which non-doped InSb and a kind selected from the group consisting of GaSb, AlSb, and AlGaSb doped with Si as a p-type dopant are periodically stacked. The quantum infrared sensor according to claim 4 or 5, wherein