JP5840408B2

JP5840408B2 - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP5840408B2
Application number: JP2011160117A
Authority: JP
Inventors: 哲朗尾形
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: JP2013026454A

Description

本発明は、光ダイオードに関し、より詳細には、赤外線検知の分野、特に長波長帯の放射エネルギーを検知するようなセンサ、例えば人感センサ等の赤外線センサに使用する光ダイオードに関する。

一般に赤外線センサには、赤外線エネルギーを吸収することによって発生する温度変化を利用する熱型（焦電センサやサーモパイルなど）と、入射した光エネルギーで励起された電子によって生じる導電率の変化や起電力を利用する量子型とがある。熱型は室温動作が可能だが、波長依存性がなく、低感度で応答性が遅いという欠点がある。一方、量子型は、低温に冷却する必要があるが、波長依存性があり、高感度で応答速度も速いという特徴を有している。

赤外線センサの応用としては、人を検知することによって、照明やエアコン、ＴＶ等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。これらの例は、最近、省エネルギーや、ホームオートメーション、セキュリティシステム等への応用で非常に注目されてきた。

人感センサとして現在使用されている赤外線センサは、焦電効果を利用した焦電型赤外線センサである。焦電型赤外線センサは非特許文献１に示されているように、その焦電素子のインピーダンスが極めて高いために、電磁ノイズや熱揺らぎの影響を受けやすい。そのため、金属Ｃａｎパッケージなどのシールドが必須になる。また、Ｉ−Ｖ変換回路に大きなＲやＣが必要であり、小型化が困難となっている。

一方、量子型の赤外線センサとしては、ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）やＩｎＳｂ系がその代表的な材料として利用されてきた。ＭＣＴやＩｎＳｂ系を使用する場合、センサ部を液体窒素や液体ヘリウム、あるいはペルチェ効果を利用した電子冷却等で冷却する必要がある。一般に、冷却された量子型赤外線センサでは、焦電センサの１００倍以上の高感度化を達成できる。また、素子抵抗は、数１０〜数１００Ωと小さく、電磁ノイズや熱揺らぎの影響は受けにくい。ただし、パッケージについては、低温に冷却する必要があるため、頑丈な金属パッケージが使用されている。

さらに、量子型赤外線センサの中でも、ＭＣＴは、最も高感度であるが、それに使用されるＨｇの蒸気圧は高い。そのため、結晶成長時の組成制御性や再現性が難しく、均一な膜が得られにくい。また、素子化プロセスにおいても機械的強度が弱く、Ｈｇの拡散や抜け出しという問題をかかえている。

ＩｎＳｂ系については、検出すべき波長にあわせてＩｎＡｓ_xＳｂ_1-xの混晶が検討されている。例えば、ＩｎＳｂ基板を使用してその上にＩｎＳｂの一部をＡｓに置換してエピタキシャル成長する方法（特許文献１参照）などが試みられている。

さらに、読み出しおよび信号処理回路が集積化された基板の上に、赤外線センサ部を成長させたモノリシック構造が提案されている（特許文献２参照）。しかし、信号処理回路上に赤外線センサ部である化合物半導体薄膜を成長させる技術は、極めて難しく、実用的なデバイスとして応用可能な膜質は、容易には得られない。また、信号処理回路を動作させたときに発生する熱が、その上にモノリシック形成された赤外線センサ部に熱ゆらぎのノイズとなって誤信号を与えてしまうことが問題となる。従って、この熱ゆらぎの影響を抑制するため、センサ全体を液体窒素等で冷却させることが必須となる。この様な冷却は、一般の家電や照明用の人感センシングの用途には適さない。

上記のような問題を解決した赤外線センサとして、特許文献４に記載の量子型の赤外線センサがある。この赤外線センサは、センサ部分の化合物半導体のバリア層を含む積層構造および素子構造により、室温でも動作可能な量子型の赤外線センサであり、なおかつ従来にない超小型の赤外線センサを実現している。

また、光ダイオードでは、特許文献５、６に示すように、受光部の構造以外にも電極形状や反射防止膜により光学的クロストークを排除し、取り込んだ光を効果的に活用する機能を持たせている例もある。

特開昭５３−５８７９１号公報特開平２−５０２３２６号公報国際公開第０５／０２７２２８号パンフレット特開２００７−２９９９４４号公報特開２００１−２８４５４号公報特許３３８６０１１号

松井邦彦著「センサ活用１４１の実践ノウハウ」ＣＱ出版、２００１年５月２０日、ｐ５６

本発明は、特許文献４に記載の光ダイオードの化合物半導体の積層構造において、基板裏面からの入射光の透過を防ぎ、従来よりも出力信号が大きい光ダイオード構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光ダイオードは、基板と、該基板上に設けられた化合物半導体からなる受光部を備えたメサ（ＰＮ段差）型の光ダイオードにおいて、上記メサ（ＰＮ段差）領域の上面および側面をすべて電極で覆うことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の光ダイオードは、上記請求項１において、上記光ダイオードは、基板と、該基板上に形成された複数の化合物半導体層が形成された化合物半導体の積層体とを備え、上記化合物半導体の積層体は、該基板上に形成された、インジウム及びアンチモンを含み、ｎ型ドーピングされた材料である第１化合物半導体層と、該第１化合物半導体層上に形成された、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープあるいはｐ型ドーピングされた材料である第２化合物半導体層と、該第２化合物半導体層上に形成された、上記第２化合物半導体層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ上記第１化合物半導体層、及び上記第２化合物半導体層よりも大きなバンドギャップを有する材料である第３化合物半導体層とを備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の光ダイオードは、上記請求項２において、上記化合物半導体の積層体は、該第３化合物半導体層上に形成された、インジウム及びアンチモンを含み、上記第２化合物半導体層よりも高濃度にｐ型ドーピングされた第４化合物半導体層を更に備えることを特徴とする。

本発明によれば、受光部を含むＰＮメサの上部および側面のすべてを電極で被覆することにより、製造工程を変更することなく、基板裏面からの入射光の透過を防ぎ、かつ、ＰＮメサと電極の界面で入射光を反射させて、従来よりも同じ入射光に対する出力信号が大きい光ダイオード構造を提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる赤外線センサの化合物半導体の積層構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態にかかる赤外線センサの化合物半導体の積層構造を示す断面図である。図２に示す化合物半導体の積層構造のエネルギーバンド図の例である。従来技術にかかる赤外線センサの一部の構造を示す断面図である。図４に示す従来技術にかかる赤外線センサの一部の構造に入射光を入射した場合を示す模式図である。本発明の実施形態にかかる赤外線センサの一部の構造に入射光を入射した場合を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

従来、人体から放射される赤外線を検出するいくつかの手法において、ＩｎＳｂの様な化合物半導体による量子型の赤外線センサは、高速、高感度という優れた性質を有していることが知られている。しかしながら、量子型の赤外線センサを使用して、人体から放射される赤外線を室温において検知する場合、検出素子の漏れ電流が非常に大きく、使用は極めて困難であることも知られている。

この問題を解決する為に、特許文献３に記載の量子型の赤外線センサにおいては、図１に示すような化合物半導体の積層構造を使用した。ここで、特許文献３に記載の化合物半導体の積層構造については、その各層の材料に関して該特許文献中で実施例として示されている材料を使用して具体的に説明する。すなわち、半絶縁性のＧａＡｓ基板１０１上にｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ層１０２（第１化合物半導体層）を積層し、上記ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ層１０２上に、ｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ層（またはＩｎＡｓＳｂ層）１０３（第２化合物半導体層、以後この層をπ層とも呼ぶ)を積層し、上記π層上に、π層よりも高濃度にｐ型ドーピングされたＡｌ_xＩｎ_1-xＳｂ層１０４（第３化合物半導体層）（０＜ｘ＜１）を積層した図１に示す構造である。もしくは、上記高濃度にｐ型ドーピングされたＡｌ_xＩｎ_1-xＳｂ層１０４上に、さらに上記π層よりも高濃度にｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ層１０５（第４化合物半導体層）を積層した図２に示す構造である。

ここで、図２の積層構造を例として、その技術的特長を更に詳しく述べる。図２に示す積層構造のエネルギーバンド図の例を、図３に示す。
図２の赤外線検出素子に赤外線が入射した場合、赤外線は光吸収層であるπ層（ｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ層）において吸収され、電子正孔対を生成する。生成した電子正孔対は、ｎ⁺層であるｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ層１０２と、ｐ⁺層である高濃度にｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ層１０５、および光吸収層であるｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ層（またはＩｎＡｓＳｂ層）１０３のポテンシャル差、すなわちビルトインポテンシャルによって分離され、電子はｎ⁺層側へ、正孔はｐ⁺層側へと移動し光電流となる。

この時、発生した電子がＰＩＮダイオードの順方向、すなわちｐ⁺層側に拡散すると光電流として取り出すことは出来ない。この順方向へのキャリアの拡散が拡散電流である。ここで、光吸収層であるπ層と、ｐ⁺層である高濃度にｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ層１０５との間に、第２化合物半導体層１０３として使用することができるＩｎＳｂやＩｎＡｓＳｂよりもバンドギャップのより大きな層、例えばＡｌＩｎＳｂ層を設けると、図３に示すように光吸収層としてのｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ層（またはＩｎＡｓＳｂ層）１０３と、ｐ⁺層としてのＩｎＳｂ層１０５との間にエネルギーの壁を設けることが出来る。このエネルギーの壁（すなわちバリア層）により、光吸収層からｐ⁺層への電子の拡散、すなわち拡散電流を防ぐこと、ないしは上記拡散電流を低減することが可能となる。この結果素子の感度を飛躍的に上げることができる。

上述のようなエネルギーの壁として機能させるために、バリア層（第３化合物半導体層）１０４は、光吸収層であるπ層（第２化合物半導体層）１０３よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつｎ⁺層（第１化合物半導体層）、およびπ層よりも大きなバンドギャップを有する材料とすることが望ましい。

上述のように、この構造においてバリア層であるＡｌＩｎＳｂ層は拡散電流を防ぐ、または軽減する為の非常に重要な層であり、その膜厚、および組成は素子の特性に大きく影響する。

図４は、従来技術の光ダイオードの一部を示す断面図である。ＭＢＥ法により、半絶縁性の、ＧａＡｓ単結晶基板４０１上にＳｎを７×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層４０２（ｎ⁺層、第１化合物半導体層）を１．０μｍ成長し、この上にＺｎを６×１０¹⁶原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層４０３（π層、第２化合物半導体層）を１．０μｍ成長し、この上にＡｌの組成がＸ＝０．２（２０％）であり、Ｚｎを２×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.2Ｉｎ_0.8Ｓｂ層４０４（バリア層、第３化合物半導体層）を成長し、この上にＺｎを２×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層４０５（ｐ⁺層、第４化合物半導体層）を０．５μｍ成長した。ここで、Ａｌ_0.2Ｉｎ_0.8Ｓｂ層４０４の膜厚は、１５ｎｍ、２０ｎｍ、２５ｎｍ、４０ｎｍとした。また、Ｓｎはｎ型ドーパント、Ｚｎはｐ型ドーパントである。これらの材料はＩｎＳｂにおいて活性化率が高く、好ましいドーピング材料である。

上記化合物半導体薄膜の積層体を使用して、光ダイオードを作製した。まず、ｎ型ドーピングを行っているＩｎＳｂ層４０２とのコンタクトを取るためのメサ（ＰＮ段差）形成を行い、次に素子分離のためのエッチングを行った。その後、全面をＳｉＮ保護膜４０６で覆った。次にＳｉＮ保護膜４０６の所定の部分を取り除くことによって電極部分のみ窓開けを行い、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、リフトオフ法により電極４０７を形成した。このとき、隣り合った素子同士を電気的に直列接続するように電極４０７を形成した。すなわち、ある素子のＩｎＳｂ層４０２と、その隣の素子のＩｎＳｂ層４０５とを電気的に接続するように電極４０７が形成される。作製した単一素子の受光面積は１０μｍ×１０μｍであり、ＧａＡｓ基板４０１上で９１０個直列接続している。

赤外線を照射したときの直列接続した素子の開放電圧をセンサの出力電圧として測定した。なお、測定中のセンサ温度は室温（２７℃）である。入射する赤外線は５００Ｋの黒体炉を使用して発生させ、センサから１０ｃｍの距離に黒体炉を設置した。この様な配置で、センサの基板４０１側から赤外線を入射した。入射した赤外線のエネルギーは１．２ｍＷ／ｃｍ²である。センサと黒体炉との間にはチョッピングをするためのチョッパーを設けた。光チョッピングの周波数は１０Ｈｚであり、フィルタとしてＳｉを使用した。

ここで、従来の電極形状では、４０２、４０３、４０４、４０５で構成されたＰＮメサの一部は電極４０７に覆われていないため、基板４０１側から入射した光の一部は基板表面方向に透過する。また、ＰＮメサの斜面上とメサ底部の最大３μｍ程度の高低差にパターン端が存在するようなレジストパターンを形成する必要がある。この高低差に対して、フォーカスを高低差の中間にして露光する、あるいは、２つの高さにフォーカスを合わせて露光することが必要であった。前者では、パターニング精度が悪化し、後者では製造工程が増えるという問題点がある。

図５は、図４に対応する従来技術による光ダイオードの一部を示す断面図であり、図６は、本発明の一実施形態に係る光ダイオードの一部を示す断面図である。図６に示す電極４０７の形状は、図５に示す従来の電極の形状と比較して、ＰＮメサの全てを覆うようにしている。このように本発明を適用すれば、基板４０１側から入射した光はすべて電極により反射され、受光部に吸収させることができる。また、レジストパターンニングについても、露光のフォーカスを同一平面状にあわせればよく、パターニング精度の向上も期待できる。

本発明の効果を詳細に説明する。基板４０１側から入射した光は、量子効率が１ではないため、受光部で吸収されてキャリアを生じさせる光と、受光部を透過する光が存在する。後者の透過光をメサと電極界面で反射させることにより、再び受光部に達するためキャリアを生じさせることができる。本発明では、受光部を含むＰＮメサをすべて電極で覆っているため、あらゆる方向からの透過光が全て反射されて実効的な量子効率が増加し、光ダイオードの出力信号を増大させることができる。

なお、上述では、ｎ⁺層である第１化合物半導体層４０２としてｎ型ドーピングされたＩｎＳｂを使用しているがこれに限定されず、Ｉｎ（インジウム）およびＳｂ（アンチモン）を含み、ｎ型ドーピングされた材料であれば、いずれの材料であっても良い。また、π層である第２化合物半導体層４０３としてｐ型ドーピングされたＩｎＳｂを使用しているがこれに限定されず、他にＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＳｂＮなどＩｎおよびＳｂを含み、ｐ型ドーピングされた材料であれば、いずれの材料であっても良い。なお、第２化合物半導体層４０３は、ノンドープであっても良い。

また、バリア層である第３化合物半導体層４０４としてπ層よりも高濃度にｐ型ドーピングされたＡｌ_xＩｎ_1-xＳｂ層を使用しているがこれに限定されず、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、またはＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ及びそれらの混晶のいずれか等、第２化合物半導体層４０３よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ第１化合物半導体層４０２および上記第２化合物半導体層４０３よりも大きなバンドギャップを有する材料であれば、いずれの材料であっても良い。さらに、ｐ⁺層である第４化合物半導体層４０５として、第３化合物半導体層４０４と同等の濃度にｐ型ドーピングされたＩｎＳｂを使用しているが、これに限定されず、ＩｎおよびＳｂを含み、第３化合物半導体層４０４と同等、あるいはそれ以上の濃度にｐ型ドーピングされた材料であれば、いずれの材料であっても良い。

１００，２００，４００赤外線積層サンサ
１０１，４０１ＧａＡｓ単結晶基板
１０２，４０２ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂ層
１０３，４０３ｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ層（π層）
１０４，４０４ π層よりも高濃度にｐ型ドーピングされたＡｌ_xＩｎ_1-xＳｂ層
１０５，４０５ π層よりも高濃度にｐ型ドーピングされたＩｎＳｂ層
４０６ＳｉＮ保護膜
４０７電極

Claims

基板と、該基板上に形成された複数の化合物半導体層が形成された化合物半導体の積層体を有する受光部と、電極とを備えたメサ型の赤外線センサにおいて、
前記化合物半導体の積層体は、
該基板上に形成された、インジウム及びアンチモンを含み、ｎ型ドーピングされた材料である第１化合物半導体層と、
該第１化合物半導体層上に形成された、インジウム及びアンチモンを含み、ノンドープあるいはｐ型ドーピングされた材料である第２化合物半導体層と、
該第２化合物半導体層上に形成された、前記第２化合物半導体層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ前記第１化合物半導体層、及び前記第２化合物半導体層よりも大きなバンドギャップを有する材料である第３化合物半導体層と、を有し、
前記受光部のメサ領域の側面は、斜面形状であり、
前記電極が、前記メサ領域の上面および側面をすべて覆うことを特徴とする赤外線センサ。
前記化合物半導体の積層体は、
該第３化合物半導体層上に形成された、インジウム及びアンチモンを含み、前記第２化合物半導体層よりも高濃度にｐ型ドーピングされた第４化合物半導体層を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。