JP5731754B2

JP5731754B2 - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP5731754B2
Application number: JP2010033480A
Authority: JP
Inventors: 朋浩森下
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2030-02-18
Also published as: JP2011171486A

Description

本発明は、赤外線センサに関し、具体的には、半導体基板の裏面から入射された中赤外線領域の赤外線を電気信号に変換する赤外線センサに関する。

近年、ガスセンサなどの環境センサへのニーズが高まり、検出対象となるガスの吸収波長に対応した高感度の赤外線センサの開発が望まれている。二酸化炭素、一酸化炭素、窒化酸素、ホルムアルデヒドなどの吸収波長は中赤外線領域にあるので、中赤外線領域に感度波長をもつ赤外線センサは、ガスセンサとして大きく期待されている。

赤外線センサはその動作原理から、熱型センサと量子型センサに分類される。熱型センサは人感センサなどで広く用いられているが、周波数応答性が低いという課題があり、ガスセンサとして使用する場合には、ガス検出の応答性が低く、迅速な異常検知の点で課題がある。一方、量子型センサは、周波数応答性が高いという特徴があり、熱型センサに比べて、ガスセンサとして非常に有望である。

量子型センサとしては、半導体材料を用いたＰＮ又はＰＩＮ接合構造の赤外線センサが挙げられる。これらの赤外線センサでは、被検出光の束密度に応じて電子とホールが生成されて電気信号となるが、特に２μｍ以上の波長となると信号強度は微弱な場合が多い。

赤外線センサは、多くの場合、微弱な赤外線を電気信号に変換する。そのため、高感度化によって信号強度を高めることはもとより、発生する微弱な信号を確実に増幅して使用するために、センサ内部や外部からの電磁波等に起因する雑音を減じ、Ｓ／Ｎ比を高めることが望まれる。

特許文献１には、半導体基板の裏面を粗面とし、入射光の前方散乱を利用することで光の取り込み効率を向上させてＳ／Ｎ比を改善した光センサが開示される。しかしながら、高感度のガスセンサとしては更なるＳ／Ｎ比の向上が望まれる。

特開２００８−０６６５８４号公報

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、測定対象となるガスの吸収波長における感度が向上した（即ち、高いＳ／Ｎ比を有する）赤外線センサを提供することにある。

本発明は、ガリウム砒素基板と、ガリウム砒素基板上のｎ型のＩｎＳｂ層と、ｎ型のＩｎＳｂ層上のｉ型のＧａ_xＩｎ_1-xＳｂ（０．０３≦ｘ≦０．１３）層と、ｉ型のＧａ_xＩｎ_1-xＳｂ層上のｐ型のＧａＩｎＳｂ層とを含むＰＩＮフォトダイオード構造を備える。

ｉ型のＧａ_xＩｎ_1-xＳｂにおいて、ｘ＝０．１３としてもよい。

ガリウム砒素基板の裏面から、検出光を入射し、入射光量に応じた信号を電圧又は電流として出力するようにしてもよい。

各層が積層されないガリウム砒素基板の裏面は、粗面としてもよい。

ガリウム砒素基板の裏面に、保護層を更に備えるようにしてもよい。

保護層は、酸化チタン、酸化シリコン、又は窒化シリコンから成るようにしてもよい。

本発明により、赤外線センサの感度波長を測定対象となるガスの吸収波長と整合させることができる。また、ガス検出波長域において赤外線センサのＳ／Ｎ比を改善することができる。

本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサを説明するための構成断面図である。本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサを説明するための構成断面図である。本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサを説明するための構成断面図である。本発明の第４の実施形態に係る赤外線センサを説明するための構成断面図である。本発明の第５の実施形態に係る赤外線センサを説明するための構成断面図である。本発明に係る赤外線センサの一実施例を説明するための構成断面図である。本発明に係る赤外線センサの一実施例を説明するための構成断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

本発明に係る赤外線センサは、赤外線を吸収して電気信号に変換する赤外線センサである。具体的には、本発明に係る赤外線センサは、ＰＩＮ接合からなるフォトダイオードを利用するものであり、半導体基板の半導体層が積層されない裏面から入射した光（赤外線）を半導体層で吸収して、電気信号に変換・出力する。これにより、光量を定量評価することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサを説明するための構成断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る赤外線センサは、半導体基板１、半導体基板１上に設けられたｎ型半導体層２、ｎ型半導体層２上に設けられたｉ型半導体層４、及びｉ型半導体層４上に設けられたｐ型半導体層３から構成される。

従って、本実施形態に係る赤外線センサは、ＰＩＮフォトダイオード構造を備える。ここで、ｉ型半導体層４は、光吸収層として機能する。本発明の赤外線センサでは、ｉ型半導体層４が少なくともインジウム、アンチモン及びガリウムからなる構成であれば良い。

半導体基板１としては、赤外線のエネルギーよりバンドギャップが大きいことが好ましく、具体的には１ｅＶ以上が好ましい。このような半導体基板としては、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、シリコン（Ｓｉ）基板などが挙げられる。

本発明に係る赤外線センサでは、半導体基板１の裏面から光を入射するが、裏面を粗面とすることができる。半導体基板１の裏面を粗面とすることで、空気と半導体基板の界面での前方散乱効果を利用し、光取り込み効率を向上させることができる（特許文献１を参照）。

ｎ型半導体層２は、ｎ型ドーピングされた半導体層であればよく、ｎ型インジウムアンチモン、ｎ型インジウム砒素、ｎ型インジウムガリウムアンチモン、ｎ型インジウムアルミアンチモン、ｎ型ガリウム砒素などを半導体材料として使用することができる。ただし、ｎ型半導体層２の半導体材料は、インジウムガリウムアンチモンと格子整合するｎ型インジウムガリウムアンチモン、あるいはインジウムガリウムアンチモンとの格子不整合が小さいｎ型インジウムアンチモンが望ましい。また、ｎ型ドーパントとして、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅなどを挙げることができる。

ｐ型半導体層３は、ｐ型ドーピングされた半導体層であればよく、ｐ型インジウムアンチモン、ｐ型インジウム砒素、ｐ型インジウムガリウムアンチモン、ｐ型インジウムアルミアンチモン、ｐ型ガリウム砒素などを半導体材料として使用することができる。ただし、ｐ型半導体層３の半導体材料は、インジウムガリウムアンチモンと格子整合するｐ型インジウムガリウムアンチモン、あるいはインジウムガリウムアンチモンとの格子不整合が小さいｐ型インジウムアンチモンが望ましい。また、ｐ型ドーパントとして、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｂｅ，Ｃａ、Ｍｇなどを挙げることができる。

ｉ型半導体層４は、少なくともインジウム、アンチモン、及びガリウムを含む構成であればよい。

また、ｎ型半導体層２は、ｉ型半導体層４と同等あるいはそれ以上のバンドギャップを有することが望ましい。

また、本発明のＰＩＮ構造において、光吸収層の結晶性向上のために層内の組成比を少しずつ変化させて成長したグレーデッド構造を有することができる。

本発明に係る赤外線センサでは、ｉ型半導体層４として、少なくともインジウム、アンチモン、及びガリウムを含む半導体層を用いている。インジウムとガリウムの組成比を調整することにより、赤外線センサにおいて、出力感度が最大となる波長（以下、最大感度波長と略称する）を制御することができ、また、ガスセンサとして使用する場合には、検出するガスに応じてＳ／Ｎ比を向上することができる。以下、この効果について説明する。

例えば、光吸収層であるｉ型半導体層４がガリウムを含まないインジウムアンチモンから構成される場合、ｉ型半導体層４のバンドギャップは約０．１８ｅｖであり、最大感度波長は約５．６μｍである。ここで、３−５．５μｍの波長域に固有の吸収波長を持つホルムアルデヒド（３．５μｍ）、二酸化炭素（４．２μｍ）、一酸化炭素（４．５μｍ）、又は酸化窒素（５．３μｍ）などのガスセンサとして使用する場合には、Ｓ／Ｎ比向上のために、ガス固有の吸収波長と赤外線センサの最大感度波長が近いことが望ましい。

光吸収層であるｉ型半導体層４がインジウムガリウムアンチモンから構成される場合、ガリウムの組成比が増加するとバンドギャップは広がり、インジウムアンチモンを光吸収層の材料として用いた場合と比較して、赤外線センサの最大感度波長は短波長側にシフトする。従って、インジウムとガリウムの組成比を調整することにより、赤外線センサの最大感度波長を制御することが可能となるので、二酸化炭素、一酸化炭素など各ガスの吸収波長と赤外線センサの最大感度波長を近づけることでＳ／Ｎ比向上を実現することができる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサを説明するための構成断面図である。図２に示すように、本発明に係る赤外線センサは、ｉ型半導体層４とｐ型半導体層３との間に、バリア層５を更に備えることができる。バリア層５は、生成したキャリアのリークを防ぐために設けられる。

バリア層５の材料としては、ｉ型半導体層４の材料よりもバンドギャップの大きな材料が望ましい。例えばインジウムアルミアンチモンである。またフォトダイオードのバンド構造を考慮した場合、ｐ型ドーピングされていることが望ましい。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る赤外線センサを説明するための構成断面図である。図３に示すように、本発明に係る赤外線センサは、半導体基板１とｎ型半導体層２との間に、バッファ層６を更に備えることができる。バッファ層６は、基板と基板上に積層される半導体層の格子不整合を緩和し、積層された半導体層の結晶性を向上するために設けられる。

バッファ層６の材料としては、インジウムアンチモン、インジウムアルミアンチモン、アルミガリウムアンチモン、アルミガリウム砒素アンチモンなどを用いることができる。バッファ層は、格子不整合を緩和するためにグレーデッド構造を有することできる。

更に、本発明に係る赤外線センサは、図４に示すように、バリア層５及びバッファ層６の両方を含んだ構成を備えることができる。

本発明に係る赤外線センサにおいて、インジウムガリウムアンチモンをｉ型半導体層４として用いた場合、ｉ型半導体層４に含まれるガリウムとインジウムの組成比は、Ga_xIn_1-xSbと表示した場合に、０．０３≦ｘ≦０．４である。

Ga_xIn_1-xSbをｉ型半導体層４として用いた場合、ガリウムの組成が小さければ、感度波長のシフトは小さい。また、ガリウムの組成を大きくして、最大感度波長を短波長側にシフトさせることは可能であるが、光吸収層の結晶性が悪化するので、赤外線センサのＳ／Ｎ比は低下する。Ｓ／Ｎ比が低下するのは、赤外線吸収により生成したキャリアが結晶欠陥サイトにトラップされ、再結合により消滅するためである。以上の点より、インジウムとガリウムの組成比は、Ga_xIn_1-xSbと表示した場合に、０．０３≦ｘ≦０．４の範囲が望ましい。

さらに、本発明に係る赤外線センサをガスセンサとして使用する場合には、検出ガスの種類によって、インジウムとガリウムの組成比を調整することで、各ガス種に対応した高Ｓ／Ｎ比の赤外線センサを実現することができる。

図５は、本発明の第５の実施形態に係る赤外線センサを説明するための構成断面図である。図５に示すように、本実施形態に係る赤外線センサは、半導体基板１の裏面に、保護層７を更に備えることができる。

保護層７は光の利用効率を向上させるために設けられる。保護層を半導体基板の裏面に設けない場合、光が空気中から赤外線センサに入射する際、空気の屈折率と半導体基板の屈折率との違いの影響で光が反射され、光の利用効率は低下する。一方、保護層を半導体基板の裏面に設けた場合には、空気から赤外線センサに入射する際の光の損失は、空気と保護層の界面での光損失となる。光の損失を低減する屈折率をもつ材料を保護層として選択することで光の利用効率は向上する。

また、本発明の赤外線センサのように、半導体基板の裏面から被検出光を入射する場合には、温度や湿度などの使用環境による半導体基板の変色が問題となる。例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を半導体基板として用いた場合には、高温や高湿の条件では半導体基板の裏面が変色する。この場合、光の入射光量が変化し、センサの出力低下の要因となる。一方、半導体基板の裏面に保護層が設置されている場合には、高温や高湿などの使用環境による基板の変色が生じず、センサの出力の安定性は向上する。また、本発明の赤外線センサは、半導体基板側から光を入射する構成であるため、保護層には半導体基板が剥き出しにならないための役割もある。

保護層７の材料としては、入射光の波長域での吸収係数が小さく、半導体基板よりも屈折率の低い材料が望ましい。このような材料としては、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、窒化シリコン（ＳｉＮ_x）などがあげられる。ただし、保護層の材料はこれらに制限されず、使用する半導体基板の屈折率に合わせて適宜、選択することができる。また、これらの膜が積層された構造でも構わない。保護層は、電子線蒸着法、スパッタリング法、プラズマ化学気相成長法など一般に良く用いられる成膜方法で作製することができる。

本発明に係る光センサを構成する薄膜は、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法、ガスソースＭＢＥ法、有機金属気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法、有機金属ＭＢＥ（ＭＯ−ＭＢＥ）法などを用いて作成することができる。

図６は、本発明に係る赤外線センサの具体的な実施例を説明するための構成断面図である。図６には、本実施例で用いたＰＩＮ構造赤外線センサの層構造例が示されるが、本発明に係る赤外線センサが備える層構造は、これに限定されない。

本実施例に係る層構造は、半導体基板であるガリウム砒素基板８と、ガリウム砒素基板８上のｎ型半導体層であるｎ型のインジウムアンチモン層９と、ｎ型のインジウムアンチモン層９上のｉ型半導体層であるｉ型のインジウムガリウムアンチモン層１１と、ｉ型のインジウムガリウムアンチモン層１１上のｐ型半導体層であるｐ型のインジウムガリウムアンチモン層１０とから構成される。また、ｉ型のインジウムガリウムアンチモン層１１とｐ型のインジウムガリウムアンチモン層１０との間には、バリア層としてｐ型のインジウムアルミアンチモン層１２が設けられている。ｎ型ドーパントとしてＳｎを、ｐ型ドーパントとしてＺｎを用いた。また、ガリウム砒素基板８の裏面は、ラッピング加工により粗面とし、さらに保護層として酸化チタン層１３が設けられている。

また、Ｘ線回折を用いてｉ型インジウムガリウムアンチモン層１１のガリウム組成を測定し、ｉ型インジウムガリウムアンチモン層１１における、ガリウム組成が、Ga_xIn_1-xSbと表示した場合に、ｘ＝０．１３となるように設定した。

本発明の本実施例に係る半導体層は、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法により成膜した。また、保護層である酸化チタン層１３は、スパッタリング法により成膜した。

上記の実施例と比較するための例として、図７に、光吸収層がインジウムアンチモンの場合を示す。

この例に係る層構造は、半導体基板であるガリウム砒素基板８と、ガリウム砒素基板８上のｎ型半導体層であるｎ型のインジウムアンチモン層９と、ｎ型のインジウムアンチモン層９上のｉ型半導体層であるｉ型のインジウムアンチモン層１５と、ｉ型のインジウムアンチモン層１５上のｐ型半導体層であるｐ型のインジウムアンチモン層１４とから構成される。また、ｉ型のインジウムアンチモン層１５とｐ型のインジウムアンチモン層１４との間には、バリア層としてｐ型のインジウムアルミアンチモン層１２が設けられている。ガリウム砒素基板８の裏面処理、及び保護層については上記実施例と同様の処理を行った。

図６及び図７の構造の半導体積層膜を素子化し、本発明の本実施例に係る赤外線センサの出力について評価した。

評価は、５００Ｋの黒体炉を基準光源として、黒体炉と赤外線センサの間に波長４．２μｍの光を透過するバンドパスフィルタを設置し、波長４．２μｍでの赤外線センサ出力のＳ／Ｎを評価した。ここで、波長４．２μｍは、二酸化炭素の吸収ピークが存在する波長である。結果を以下の表に示す。

光吸収層がインジウムアンチモン層の場合のＳ／Ｎ比を１とした場合、光吸収層がインジウムガリウムアンチモン層の場合のＳ／Ｎ比は１．３となり、Ｓ／Ｎ比の向上が見られる。

本発明は、中赤外線を電気信号に変換するのに適した赤外線センサに関する。光吸収層に含まれるインジウム−ガリウムの組成比を調整することで、赤外線センサの出力感度が最大となる波長を選択できる。このような赤外線センサは、二酸化炭素、一酸化炭素など吸収波長が中赤外線領域にある気体のガスセンサとしても使用することができるので、環境センサを実現することができる。

１半導体基板
２ｎ型半導体層
３ｐ型半導体層
４ｉ型半導体層
５バリア層
６バッファ層
７保護層
８ガリウム砒素基板
９ｎ型のインジウムアンチモン層
１０ｐ型のインジウムガリウムアンチモン層
１１ｉ型のインジウムガリウムアンチモン層
１２ｐ型のアルミインジウムアンチモン層
１３酸化チタン層
１４ｐ型のインジウムアンチモン層
１５ｉ型のインジウムアンチモン層

Claims

ガリウム砒素基板と、
前記ガリウム砒素基板上に直接形成されるｎ型のＩｎＳｂ層と、
前記ｎ型のＩｎＳｂ層上のｉ型のＧａ_xＩｎ_1-xＳｂ（０．０３≦ｘ≦０．１３）層と、
前記ｉ型のＧａ_xＩｎ_1-xＳｂ層上のｐ型のＧａＩｎＳｂ層とを含むＰＩＮフォトダイオード構造を備える赤外線センサ。
前記ｉ型のＧａ_xＩｎ_1-xＳｂにおいて、ｘ＝０．１３であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
前記ガリウム砒素基板の裏面から、検出光を入射し、入射光量に応じた信号を電圧又は電流として出力することを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサ。
前記各層が積層されない前記ガリウム砒素基板の裏面は、粗面であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の赤外線センサ。
前記ガリウム砒素基板の裏面に、保護層を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の赤外線センサ。
前記保護層は、酸化チタン、酸化シリコン、又は窒化シリコンから成ることを特徴とする請求項５に記載の赤外線センサ。