JP5859357B2

JP5859357B2 - 光センサ

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Publication number: JP5859357B2
Application number: JP2012069631A
Authority: JP
Inventors: エジソンゴメスカマルゴ
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: JP2013201347A

Description

本発明は、光センサに関し、より詳細には、ＰＮ又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部を備えた光センサに関する。

近年、光通信技術の発展、省エネルギーの確保、ガスセンサなどの環境センサといった観点から、様々な波長に対応した高感度の光センサの開発が望まれている。とりわけ、中赤外線を検知する光センサは、人体や自動車といった熱源が発する赤外線を高速で検出することができるため、省エネルギーの人感センサや衝突防止器具用センサ等としてその開発に期待が寄せられている。また、中赤外線領域には、二酸化炭素、一酸化炭素、窒化酸素、及びホルムアルデヒドなどの強い吸収があるため、中赤外線領域に感度波長を有する光センサは、ガスセンサなど環境センサとしても大きく期待されている。

光センサの例としては、ＰＮ又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層を用いた光センサが挙げられる。これらの光センサでは、フォトダイオード構造に光が入射して被検出光の束密度に応じて電子及びホールが生成され、電流又は電圧信号となる。光センサは、多くの場合、微弱な光を電気信号に変換することが要求される。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、Ｓ／Ｎ比を高めることが重要である。

光センサのＳ／Ｎ比を高める手段としては、入射された光の利用効率を向上させることや、発生した電子を効率よく取り出したりするためのリーク電流を抑制することなどが挙げられる。また、アバランシェ増幅現象に代表される増幅機構を利用して高感度化を図ることも挙げられる。例えば、特許文献１には、このアバランシェ増幅現象を利用した、高温下で使用する紫外線光センサが提案されている。

図４は、特許文献１に示される従来の光センサ４００の構成を示す。図４には、基板４１０と、基板４１０の第１の面４０１上に形成された第１導電型の半導体層４２０と、第１導電型の半導体層４２０上に形成された光吸収層４３０と、光吸収層４３０上に形成された第２導電型の半導体層４４０とを備えた従来の光センサ４００が示されている。図４に示されるように、従来の光センサ４００では、各層が積層されている第１の面４０１側から入射した被検出光は、光吸収層４３０で吸収され、電子及びホールが生成・電荷分離され、それにより被検出光が電流又は電圧の電気信号に変換され、光起電力が生成される。このようにして生成された光起電力に基づいて、被検出光量を定量することができる。

特開２００４−１９３６１５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているようなアバランシェ効果を利用するためには、高電界を光センサに与える必要があり、消費電力が高いという問題があった。さらに、特許文献１に記載の光センサ４００は、各層が積層されている第１の面４０１側から被検出光が入射するように構成されており、光吸収層４３０に直接入射した光は電気信号に変換されて検出されるが、光吸収層４３０に直接入射しなかった光は検出されずにそのまま光センサ４００を透過する。従って、光吸収層４３０に直接入射した一部の被検出光のみしか光電変換されずに他の部分の被検出光は検出されないため、光の利用効率が高くならず、光センサのサイズを大きくすることにより光の入射を拡大しなければ高感度化を十分に達成することができず、小型化及び高感度化を同時に達成することができないという問題があった。また、特に中赤外〜遠赤外線を対象とした光センサの場合、光子のエネルギーが小さいため、高いＳ／Ｎ比を実現する光センサはいまだ実現されていなかった。

本発明は、こ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、低消費電力で、中赤外線領域の赤外線を電圧、又は電流信号に変換するのに適した光センサであって、被検出光を最大限効率良く利用し、高いＳ／Ｎ比を有した光センサを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光センサは、基板と、前記基板の第１の面上の一部に形成された第１導電型の半導体層を含む第１のメサ部と、前記第１のメサ部上に形成され、第２導電型の半導体層を少なくとも備える第２のメサ部とを備えたＰＮ又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造部を有する半導体積層部とを備え、光が前記フォトダイオード構造部に入射することにより光起電力を生成する光センサであって、前記基板の前記第１の面のうち、前記第１のメサ部に接している領域における第１の平均二乗粗度は、前記第１のメサ部に接していない領域における第２の平均二乗粗度よりも小さく、前記光は、前記基板において前記第１の面に対抗する面である第２の面から入射することを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の光センサは、本発明の請求項１に記載の光センサであって、前記基板の前記第１の面のうち、前記第１のメサ部と接していない領域の平均二乗粗度ＲＢが１〜２０００ｎｍであることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の光センサは、本発明の請求項１又は２に記載の光センサであって、前記第２のメサ部は、前記第１導電型の半導体層上に形成された光吸収層をさらに含み、前記第２導電型の半導体層は、前記光吸収層上に形成されることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の光センサは、本発明の請求項３に記載の光センサであって、前記光吸収層は、インジウム、ガリウム、アルミニウム、アンチモン、砒素のいずれかを含む化合物半導体からなることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の光センサは、本発明の請求項１から４のいずれかに記載の光センサであって、前記基板は、ＧａＡｓ、Ｓｉ、サファイアの何れかの材料からなることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の光センサは、本発明の請求項１から５のいずれかに記載の光センサであって、前記半導体積層部のＰＮ又はＰＩＮ接合の前記フォトダイオード構造部は、波長１μｍ以上１５μｍ以下の光に応じて光起電力を生成することを特徴とする。

本発明によれば、デバイスの基本構造及びサイズを変えることなく、光センサに入射した光の光電変換効率を高めた高Ｓ／Ｎ且つ低消費電力の光センサを実現することができる。

本発明の実施形態１に係る光センサの断面図である。本発明の実施形態２に係る光センサの断面図である。本発明の実施形態３に係る光センサの断面図である。従来の光センサの断面図である。

以下、図面を参照して本発明の各実施形態に係る光センサについて説明する。

[実施形態１]
図１は、本発明の実施形態１に係る光センサ１００の構成断面図である。図１に示されるように、本発明の実施形態１に係る光センサ１００は、基板１と、基板１の第１の面４１上に形成されたフォトダイオード構造の半導体積層部２０とを備える。半導体積層部２０は、基板１の第１の面４１上に形成された第１導電型（ｎ型）の半導体層２を含む第１のメサ部２１と、第１導電型の半導体層２上に形成されたｉ型の光吸収層３及び第２導電型（ｐ型）の半導体層４を含む第２のメサ部２２とで構成され、第１導電型の半導体層２と、光吸収層３と、第２導電型の半導体層４とによりＰＩＮ接合のフォトダイオード構造が形成される。

基板１の各層が積層されている第１の面４１は、第１導電型の半導体層２と接している第１の領域３１と、第１導電型の半導体層２と接していない第２の領域３２とに分けられる。第１の領域３１における基板１の表面は、その平均二乗粗度が第２の領域３２における基板１の表面の平均二乗粗度よりも小さくなるように構成されている。

本発明に係る光センサ１００において、被検出光は、基板１の第２の面４２から入射する。第２の面４２は、基板１上において各層が積層されている第１の面４１に対抗する面である。基板１の第２の面４２から第１の面４１の第１の領域３１を介して入射した被検出光は、基板１及び第１導電型の半導体層２を通過して直接光吸収層３に吸収されて電気信号に変換される。一方、基板１の第２の面４２から第１の面４１の第２の領域３２に向かって入射する被検出光は、第２の領域３２を通過しようとするが、第１の領域３１よりも平均二乗粗度が大きい第２の領域３２では、被検出光が第１の面４１と外界との界面（以下、第１の界面とする）において散乱しながら反射された後、反射した被検出光が第２の面４２と外界との界面（以下、第２の界面とする）でさらに反射されて、基板１及び第１導電型の半導体層２を介して光吸収層３に入射して電気信号に変換される。

本発明に係る光センサ１００においては、基板１上において半導体層が形成されていない第２の面４２から被検出光を入射させて、基板１の第１の面に平均二乗粗度が大きい第２の領域３２を形成することにより、第２の面４２から第２の領域３２に向かって入射する被検出光が第１及び第２の界面での反射を経て光吸収層３に入射することを可能にしている。そのため、従来の光センサ４００のような構成では検出することができなかった光吸収層４３０に直接入射しない光をフォトダイオード構造に入射させて光起電力を生成することにより被検出光量を定量することが可能となるため、従来の光センサ４００よりも被検出光の利用効率を高めることができる。

従って、本発明に係る光センサ１００によると、従来の光センサ４００と比較して、デバイスの基本構造及びサイズが変わらず、且つ光センサに入射した光の光電変換効率が高く高Ｓ／Ｎを有する光センサを実現することができる。

基板１の第２の領域３２の表面は、第２の領域３２における第１の界面での散乱・反射を効率的にする観点から、平均二乗粗度が１〜２０００ｎｍであることが好ましい。

光吸収層３の光吸収波長域が１μｍ以上１５μｍ以下である光センサを実現するためには、第１導電型の半導体層２、光吸収層３及び第２導電型の半導体層４の具体的な材料として、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）、インジウム砒素アンチモン（ＩｎＡｓＳｂ）、インジウムガリウムアンチモン（ＩｎＧａＳｂ）などを用いることが挙げられるが、これらに限らず、少なくともインジウム、ガリウム、アルミニウム、アンチモン、砒素のいずれかを含む化合物半導体層を用いればよい。

基板１は、被検出光に対して高い透過率を有することが好ましい。また、後述の実施例１で説明するように、基板１は、第２の領域３２を粗面化するために、粗面化エッチング液によって所望の特性が得られるようにエッチングされる材料であることが好ましく、例えば、Ｓｉ、サファイア、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等を使用することができる。

ここで、図１には、基板１上に、第１導電型の半導体層２としてｎ型層を使用し、第２導電型の半導体層４としてｐ型層を使用し、ｎ型層、ｉ型層、ｐ型層の順に積層した層構造を有する光センサ１００を示したが、第１導電型の半導体層２としてｐ型層を使用し、第２導電型の半導体層４としてｎ型層を使用してｐ型層、ｉ型層、ｎ型層の順に積層した構造としてもよい。また、図１には、ＰＩＮ接合の半導体積層部２０を有する光センサ１００を示したが、ｉ型光吸収層３を使用せずにＰＮ接合のフォトダイオード構造として構成してもよく、ＰＮ接合のフォトダイオード構造部に光が入射することにより光起電力を生成することができる。

[実施形態２]
図２は、本発明の実施形態２に係る光センサ２００の断面図である。図２に示されるように、本発明の実施形態２に係る光センサ２００は、上記実施形態１に係る光センサ１００に、パッシベーション層５と、配線層６と、保護層７とが積層した構成を有する。なお、実施形態２に係る光センサ２００において、実施形態１に係る光センサ１００と同様の部分については説明を省略する。

パッシベーション層５は、基板１の第１の面４１上及び半導体積層部２０上に形成され、基板１及び半導体積層部２０の表面を保護する。配線層６は、光吸収層３で精製された光起電力を取り出すための層であり、パッシベーション層５上に形成され、さらに第１導電型の半導体層２の一部及び第２導電型の半導体層４の一部と接触するように形成されている。保護層７は、パッシベーション層５及び配線層６が形成された基板１及び半導体積層部２０を覆うように、パッシベーション層５及び配線層６に形成されている。

保護層７の上部空間は、樹脂モールド（図示せず）されていてもよい。パッシベーション層５及び保護層７の材料としては、例えば酸化シリコン、窒化シリコンなどが挙げられるが、絶縁性の材料であればいずれの材料であってもよい。

[実施形態３]
図３は、本発明の実施形態３に係る光センサ３００の断面図である。図３には、ｎ型の第１導電型の半導体層２と、第１導電型の半導体層２上に形成されたｐ型の第２導電型の半導体層４とで構成されるフォトダイオード構造の複数の半導体積層部５０が基板１上に形成された光センサ３００が示されている。なお、実施形態３に係る光センサ３００において、光センサ１００及び２００と同様の部分については説明を省略する。

図３に示される光センサ３００においては、各半導体積層部５０上には、パッシベーション層５及び配線層６が形成されており、配線層６によって互いに直列接続されている。複数の半導体積層部５０の各々の間の基板１の第１の面４１上には、粗面化された第２の領域３２が形成されている。

被検出光が基板１の第２の面４２から入射されると、第１導電型の半導体層２と第２導電型の半導体層４とのＰＮ接合によって生じる空乏層で光が吸収され、電子及びホールが生成・電荷分離されることにより電気信号が生成されて光センサ出力となる。

上記で説明した半導体積層部の各材料ではバンドギャップが小さいため、デバイスの抵抗が小さくなってしまう。そのために、図３で示される光センサ３００のように、基板１上にフォトダイオード構造の半導体積層部５０を複数設け、互いに直列接続することによって、デバイス全体の抵抗を増やすことができる。これによって、信号を増幅するアンプと組み合わせたときのシステム全体のＳ／Ｎが向上されるので好ましい。さらに、光センサ３００では、第１の面４１上において複数の第２の領域３２が設けられることにより第２の領域３２の範囲が大きくなるため、被検出光の利用効率をより一層高めることができる。

入射光の取り込みがさらにしやすくなるように、基板１の第２の面４２の粗面化も行う場合もある。この場合、基板１の第２の面４２での入射光の反射も抑制することができることに加え、第２の界面における第２の領域３２で反射した光の再反射がしやすくなる効果があるので、多くの場合好ましい。第２の面４２の平均二乗粗度は、外界、基板材料、被検出光の波長によって最適化する必要があるが、中赤外線の場合、第２の面の平均二乗粗度は１０〜１０００ｎｍとすることができる。

図３には、基板１上にｎ型層、ｐ型層の順に積層された半導体積層部５０を有する光センサ３００を示したが、ｐ型層、ｎ型層の順に積層した構造でもよく、図１及び図２に示されるようなＰＩＮ接合のフォトダイオード構造として構成してもよい。

本実施例１に係る光センサにおいては、基板１としてガリウム砒素基板を用い、その上に半導体積層部２０の第１導電型の半導体層２としてＳｎを７×１０¹⁸ｃｍ^-3ドープしたＩｎＳｂを、光吸収層３としてＺｎを６×１０¹⁶ｃｍ^-3ドープしたＩｎＳｂを、第２導電型の半導体層４としてＺｎを２×１０¹⁸ｃｍ^-3ドープしたＩｎＳｂを、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法により積層した。また、基板１の第２の面４２は、ラッピング加工により粗面化した。半導体積層部２０を積層する前のガリウム砒素基板の表面の平均二乗粗度を、段差・表面粗さ・微細形状測定装置「Ａｌｐｈａ−ＳｔｅｐＩＱ」（ＫＬＡＴｅｎｃｏｒＪａｐａｎ社製）を用いて、スキャン長４００μｍ、スキャン速度５０μｍ／ｓ、サンプリングレート５０Ｈｚの条件で測定したところ、測定限界以下（１ｎｍ以下）であった。同様の条件で、ラッピング加工後の基板１の第２の面４２の表面の平均二乗粗度を測定したところ、１５０ｎｍであった。

半導体積層部２０に第１のメサ部２１及び第２のメサ部２２を形成するために、塩酸過水（ＨＣｌ＋Ｈ₂Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ）を用いてＷＥＴエッチングを実施した。次に、林純薬工業株式会社製の「ＰｕｒｅＥｔｃｈＦ３００Ｓｅｒｉｅｓ」の粗面化エッチング液を用いて第１の面４１の第２の領域３２に粗面化処理を実施した。領域３２の粗面化処理後の平均二乗粗度を、段差・表面粗さ・微細形状測定装置「Ａｌｐｈａ−ＳｔｅｐＩＱ」（ＫＬＡＴｅｎｃｏｒＪａｐａｎ社製）を用いて、スキャン長４００μｍ、スキャン速度５０μｍ／ｓ、サンプリングレート５０Ｈｚの条件で測定したところ、８．３ｎｍであった。

第２の領域３２の粗面化処理後、図２で示した構造となるように、レジストパターニングをしながらパッシベーション層５、配線層６及び保護層７を形成した。パッシベーション層５として窒化シリコンをＰ−ＣＶＤ（ＰｌａｓｍａＡｓｓｉｓｔｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置を用いて形成し、配線層６としてＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ（Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの順で積層）を電子ビーム蒸着装置を用いて形成し、保護層７として樹脂性の膜をスピンコーターを用いて形成した。

第２の領域３２を粗面化して得られた実施例１に係る光センサは、第２の領域３２を粗面化しない従来の光センサ４００と比較して、デバイスの基本構造及びサイズが変わらず、且つ光センサに入射した光の光電変換効率が高く、高Ｓ／Ｎを有する光センサであった。

本発明の光センサは、長波長の赤外線を電圧信号に変換するのに適した光センサに関するもので、光の利用効率が高く、高出力、高Ｓ／Ｎ比の光センサが実現できる。とりわけ、赤外線を検出する場合、冷却機構を不要とした、高出力、高Ｓ／Ｎ比及び低消費電力の光センサが実現できる。また、低消費電力、高感度及び高Ｓ／Ｎ比を有するため、携帯電子機器等に応用できる。さらに、感度波長域が中赤外領域であり、二酸化炭素、一酸化炭素などのガスセンサとしても使用でき、環境センサを実現することができる。

１、４１０基板
２、４２０第１導電型の半導体層
３、４３０光吸収層
４、４４０第２導電型の半導体層
５パッシベーション層
６配線層
７保護層
２０、５０半導体積層部
２１第１のメサ部
２２第２のメサ部
３１第１の領域
３２第２の領域
４１、４０１第１の面
４２第２の面
１００、２００、３００光センサ
４００従来の光センサ

Claims

基板と、
前記基板の第１の面上の一部に形成された第１導電型の半導体層を含む第１のメサ部と、前記第１のメサ部上に形成され、第２導電型の半導体層を少なくとも備える第２のメサ部とを備えたＰＮ又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造部を有する半導体積層部と
を備え、光が前記フォトダイオード構造部に入射することにより光起電力を生成する光センサであって、
前記基板の前記第１の面のうち、前記第１のメサ部に接している領域における第１の平均二乗粗度は、前記第１のメサ部に接していない領域における第２の平均二乗粗度よりも小さく、
前記光は、前記基板において前記第１の面に対抗する面である第２の面から入射することを特徴とする光センサ。
前記基板の前記第１の面のうち、前記第１のメサ部と接していない領域の平均二乗粗度ＲＢが１〜２０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
前記第２のメサ部は、前記第１導電型の半導体層上に形成された光吸収層をさらに含み、前記第２導電型の半導体層は、前記光吸収層上に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光センサ。
前記光吸収層は、インジウム、ガリウム、アルミニウム、アンチモン、砒素のいずれかを含む化合物半導体からなることを特徴とする請求項３に記載の光センサ。
前記基板は、ＧａＡｓ、Ｓｉ、サファイアの何れかの材料からなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光センサ。
前記半導体積層部のＰＮ又はＰＩＮ接合の前記フォトダイオード構造部は、波長１μｍ以上１５μｍ以下の光に応じて光起電力を生成することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光センサ。