JP6487284B2 - 赤外線センサ素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線センサ素子及びその製造方法に関し、より詳細には、高感度でありながら温度特性の影響が小さい赤外線センサ素子及びその製造方法に関する。

近年、ガスの濃度測定が注目されており、なかでも環境ガスであるＣＯ_２の濃度測定が注目されている。ガス濃度を高精度で測定するセンサには、化学反応式のガスセンサと光学式のガスセンサとがある。測定精度の高さや、経時変化が少ないという観点から、光学式のガスセンサが特に注目されている。光学式のガスセンサの一種に、非分散型赤外線式（以下、ＮＤＩＲ（Ｎｏｎ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）方式）ガスセンサがある。

図１（ａ），（ｂ）は、従来のＮＤＩＲ方式のガスセンサの概念構成図で、図１（ａ）は第１の従来例、図１（ｂ）は第２の従来例を示している。
図１（ａ）に示すように、このＮＤＩＲ方式のガスセンサは、ガスセル９１０と、ガスの固有の吸収波長帯に対応した波長の赤外線を放射する光源９２０と、その波長帯の光の強度を検知することができる赤外線センサ９３０とを備えている。光源９２０と赤外線センサ９３０は、ガスセル９１０内に設けられている。ＮＤＩＲ方式のガスセンサは、ガスセル９１０内に測定したい気体を流し、或いは滞留させ、ガスセル内の光源９２０と赤外線センサ９３０との間の空間で吸収された赤外線量から測定したい気体の濃度を求めるものである。

また、図１（ｂ）に示すように、一般には、被検出ガスによる吸収のない波長帯の光を検出することが可能な参照用センサ９３１と、被検出ガスによる吸収が生じる波長帯を含む波長の光を検出することが可能な検出用センサ９３２の両方の出力比を取ることで光源９２０の出力変動を相殺させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
ここで、第２の従来例に係るようなＮＤＩＲ方式のガスセンサを用いてＣＯ_２ガス濃度を測定する場合、赤外線を含む光を放射する光源と赤外線センサの間の空間にＣＯ_２ガスを注入する。ＣＯ_２ガスは４．３μｍ付近の波長の赤外線を吸収するため、検出用センサは４．３μｍ付近の波長帯に感度を持つ必要がある。また参照用センサには、使用される光源との関係から、ＣＯ_２ガスによる吸収がない３．９μｍ付近の波長帯に感度を持つ赤外線センサが用いられる。高精度のＮＤＩＲ方式のガスセンサを実現するには、高感度の参照用センサが必要となる。

特表２００１−５０３８６５号公報

しかしながら、この種の赤外線センサには、温度特性の問題が存在する。具体的には、長波長の光を検知する赤外線センサは、長波長の光子のエネルギーが小さいため、高感度化が実現困難だけではなく、半導体、特にナローギャップ半導体に顕著に現れる温度特性の影響によりセンサ温度によって感度が大きく変動してしまうという問題がある。
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、高感度でありながら温度特性の影響が小さい赤外線センサ素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明者は、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、以下に示す赤外線センサ素子を想到するに至った。
本発明の第１の態様は、ＣＯ _２ ガスセンサ用の赤外線センサ素子であって、基板と、前記基板上のｎ型化合物半導体層と、前記ｎ型化合物半導体層上のＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ（ｘ＞０）からなる活性層と、前記活性層上のｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層と、前記ｐ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層上のｐ型化合物半導体層と、を備え、前記ｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層の組成比ｙは、前記活性層の組成比ｘと比較して、０．１７≦ｙ−ｘ≦０．２３５であり、前記活性層の組成比ｘは、０．００５≦ｘ≦０．０５であり、温度０℃において波長３．９μｍの赤外線を受光したときの光電流の値に対する温度５０℃における同光電流の変化率は、前記組成比ｘ及びｙの関係（ｙ−ｘ）が０．１３である素子における同変化率よりも小さい赤外線センサ素子である。

また、本発明の第２の態様は、ＣＯ _２ ガスセンサ用の赤外線センサ素子の製造方法であって、基板上に、バッファ層としてｎ型半導体である第１のＩｎ_{（１−ｎ）}Ａｌ_ｎＳｂ層を形成する工程と、前記第１のＩｎ_{（１−ｎ）}Ａｌ_ｎＳｂ層上に、前記第１のＩｎ_{（１−ｎ）}Ａｌ_ｎＳｂ層と異なる組成のｎ型半導体である第２のＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層を形成する工程と、前記第２のＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層上にｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層を第１のバリア層として形成する工程と、前記第１のバリア層上にＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ（ｘ＞０）層を活性層として形成する工程と、前記活性層上にｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層を第２のバリア層として形成する工程と、前記第２のバリア層上にｐ型化合物半導体層を形成する工程と、前記ｐ型化合物半導体層層上に第１の電極部を形成するとともに、前記ＡｌＩｎＳｂ層上に第２の電極部を形成する工程と、を有し、前記ｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層の組成比ｙは、前記活性層の組成比ｘと比較して、０．１７≦ｙ−ｘ≦０．２３５であり、前記活性層の組成比ｘは、０．００５≦ｘ≦０．０５であり、温度０℃において波長３．９μｍの赤外線を受光したときの光電流の値に対する温度５０℃における同光電流の変化率は、前記組成比ｘ及びｙの関係（ｙ−ｘ）が０．１３である素子における同変化率よりも小さい赤外線センサ素子の製造方法である。

本発明によれば、高感度でありながら温度特性の影響が小さい赤外線センサ素子及びその製造方法を実現することができる。

（ａ），（ｂ）は、従来のＮＤＩＲ方式のガスセンサの概念構成図である。 本発明に係る赤外線センサ素子の実施形態を説明するための構成図である。 本実施例に係る赤外線センサ素子の製造方法を説明するための工程図（その１）である。 本実施例に係る赤外線センサ素子の製造方法を説明するための工程図（その２）である。 本実施例に係る赤外線センサ素子の製造方法を説明するための工程図（その３）である。 本実施例に係る赤外線センサ素子の製造方法を説明するための工程図（その４）である。 本実施例に係る赤外線センサ素子の製造方法を説明するための工程図（その５）である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という）について説明する。なお、以下の実施形態は、特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
＜実施形態＞
（赤外線センサ素子）
本実施形態に係る赤外線センサ素子は、基板と、基板上のｎ型化合物半導体層と、ｎ型化合物半導体層上のｎ型化合物半導体層上の、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ（ｘ＞０）からなる活性層と、活性層上のｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層と、ｐ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層上のｐ型化合物半導体層と、を備え、ｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層の組成比ｙは、活性層の組成比ｘと比較して、０．１７≦ｙ−ｘ≦０．２３５である。

本実施形態に係る赤外線センサ素子は、高感度でありながら温度特性の影響が小さい赤外線センサ素子を提供することができる。赤外線センサ素子は、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）若しくはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のような成膜方法を用いて成膜されることが好ましい。

（基板）
本発明の赤外線センサ素子において、基板は、その上に所望の半導体積層部を形成することが可能なものであれば特に制限されない。一例としては、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ基板への結晶成長が挙げられるがこの限りではない。結晶面は、（１００）、（１１１）、（１１０）方向等がある。半導体積層部の材料としてＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂを用いる場合、基板としてはＧａＡｓが好ましい。

（ｎ型化合物半導体層）
ｎ型化合物半導体層は、赤外線センサに適したものであれば特に制限されない。一例としては、ＩｎＳｂ，ＩｎＡｌＳｂ，ＩｎＡｓＳｂなどが挙げられるがこの限りではない。ここで、ｎ型とは、ｎ型となるドーパントが添加されていることを意味する。ｎ型化合物半導体層の材料としてＩｎＳｂを用いる場合、ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ等を用いることができるがこれに制限されない。ｎ電極との導電性の観点から、ドーピング濃度としては、６×１０^１８原子／ｃｍ^３以上が好ましく、より好ましくは８×１０^１８原子／ｃｍ^３以上である。また、結晶性の観点からドーピング濃度としては、２×１０^１９以下とすることが好ましい。

また、ｎ型化合物半導体層の厚みは特に制限されないが、ｎ型化合物半導体層の結晶性の観点からは０．２μｍ以上が好ましく、また、成膜の所要時間の観点からは２μｍ以下が好ましい。
また、基板上に成長するｎ型化合物半導体層の結晶性を上げるために、基板とｎ型化合物半導体層との間に、格子不整合を緩和させるバッファ層を用いることも好ましい。バッファ層の具体的な材料としては、ＩｎＳｂ，ＩｎＡｌＳｂ，ＩｎＧａＳｂ等が挙げられる。これらのバッファ層はシート抵抗を低減する観点からｎ型にドーピングされていることが好ましく、またｎ型化合物半導体層とバッファ層の膜厚比は任意に決定して良い。また、バッファ層としては連続的にまたは段階的に格子定数が増減するグレーデットバッファ層であってもよい。

また、後述のように、ｎ型化合物半導体層と活性層との間に、ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層をさらに備えてもよい。
また、ｎ型化合物半導体は、活性層の結晶性の向上の観点から、活性層と同様の材料・組成のＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂからなってもよい。
また、ｎ型化合物半導体層は、ｎ層のコンタクト抵抗・シート抵抗を下げ、低抵抗素子として利用できるという観点から、ＩｎＳｂからなることが好ましい。

また、ｎ型化合物半導体層は、活性層の結晶性の向上とｎ層のコンタクト抵抗・シート抵抗を下げるという観点から、ＩｎおよびＳｂを少なくとも含み、２層以上の異なる組成の層からなってもよい。

（ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層）
本実施形態に係る赤外線センサ素子は、ｎ型化合物半導体層とｉ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層との間に、ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層をさらに備えてもよい。ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層は、活性層よりもＡｌ組成が大きく、バンドギャップが広くなるため、正孔による暗電流や拡散電流に対する障壁になる。従って暗電流や拡散電流を抑制することができる。これは、活性層が、窒化ガリウム（ＧａＮ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）の様な元来バンドギャップが大きく熱励起キャリアの影響が無視でき、拡散電流が元々小さいような化合物半導体である場合はあまり意味を成さないが、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂのようにバンドギャップが小さい半導体であるが故に得られる効果である。Ａｌ組成ｙは正孔による漏れ電流（暗電流や拡散電流など）を抑制するために大きいほうがよいが、特に温度による赤外線センサ素子の出力の変動を抑えるためにｙ−ｘ≧０．１７とすることが望ましい。

また、活性層のＡｌ組成ｘとの差が大きいと格子緩和により発生した格子欠陥を通して電子の漏れが発生するために、ｙ−ｘ≦０．２３５であることが好ましい。ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ等を用いることができる。ドーピング濃度としては、６×１０^１８原子／ｃｍ^３以上が好ましく、より好ましくは８×１０^１８原子／ｃｍ^３以上である。また、漏れ電流抑制と格子緩和抑制の両面から、ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層の厚さは２０ｎｍ程度であることが望ましい。

（活性層）
活性層は、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ（ｘ＞０）からなり、赤外線を受光する活性層として機能する。活性層にはｎ型ドーパントやｐ型ドーパントとなる不純物をドーピングしてもよく、またはノンドープでもよい。活性層のＡｌ組成ｘは、赤外線センサ素子の用途に応じて適宜選択することができる。ＣＯ_２ガスセンサの参照用センサとして用いる場合には、３．９〜４．３μｍに感度を持つようにすることが好ましい。

また、３．９μｍ付近の波長帯での感度を高め、温度による感度特性の変化を抑制するという観点から、活性層の組成比ｘが０．００５≦ｘ≦０．０５であることが好ましい。
また、活性層は、厚いほど大きな光電流を発生させることが可能であるが、成膜・プロセスの観点と合わせると０．５〜５μｍ、さらには１〜３μｍ程度とすることが好ましいが、本発明の効果はこの範囲に限らない。

（ｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層）
ｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層のＡｌ組成ｙは、赤外線センサに適したものであれば特に制限されない。ここでｐ型とは、ｐ型となるドーパントが添加されていることを意味する。ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｒ等を用いることができる。ドーピング濃度としては、６×１０^１７原子／ｃｍ^３以上が好ましく、より好ましくは８×１０^１７原子／ｃｍ^３以上である。

ｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層は、活性層よりもＡｌ組成が大きく、バンドギャップが広くなるため、電子による暗電流や拡散電流に対する障壁になる。従って暗電流や拡散電流を抑制することができる。これは、活性層が窒化ガリウム（ＧａＮ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）の様な元来バンドギャップが大きく熱励起キャリアの影響が無視でき、拡散電流が元々小さいような化合物半導体である場合は意味を成さないが、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂのようにバンドギャップが小さい半導体であるが故に得られる効果である。ｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層のＡｌ組成ｙは、温度による赤外線センサ素子の出力の変動を抑えるために、活性層のＡｌ組成と比較してｙ−ｘ≧０．１７とすることが望ましい。またｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層のＡｌ組成ｙは、電子による漏れ（暗電流や拡散電流など）を抑制するために、大きいほうがよいが、活性層のＡｌ組成ｘとの差が大きいと格子緩和により発生する結晶欠陥から電子の漏れが発生するため、活性層のＡｌ組成と比較してｙ−ｘ≦０．２３５であることが好ましい。

（ｐ型化合物半導体層）
ｐ型化合物半導体層は、赤外線センサに適したものであれば特に制限されない。一例としては、ＩｎＳｂ，ＩｎＡｌＳｂ，ＩｎＡｓＳｂなどが挙げられるがこの限りではない。
ここでｐ型とは、ｐ型となるドーパントが添加されていることを意味する。ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｒ等を用いることができる。ドーピング濃度としては、６×１０^１７原子／ｃｍ^３以上が好ましく、より好ましくは８×１０^１７原子／ｃｍ^３以上である。
また、ｐ型化合物半導体層の材料をＩｎ_{（１−ｚ）}Ａｌ_ｚＳｂとした場合に、不要な光吸収を抑えるため、そのＡｌ組成ｚは、活性層のＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂのＡｌ組成と比較してｚ≧ｘであることが好ましい。

（ダイオード形状）
上述した化合物半導体膜構造にプロセスを施して得られるダイオード構造のＳ／Ｎ（信号／ノイズ）は、主にダイオード面積に比例する光電流Ｉｐ、ダイオード抵抗Ｒ０（０バイアス付近の内部抵抗）により決定される。一般に光電流におけるＳ／Ｎは（Ｉｐ×√Ｒ０）に比例することが知られており、ダイオード形状は、円形、五角形等の多角形が考えられるが、十分なＳ／Ｎが得られる素子形状であれば特に形状は制限されない。また、ノイズ抑制の観点から、大きなＲ０を得るために素子同士を配線により直列接続しても良い。

以下、図面を参酌しながら本発明を実施するためのより具体的な形態を説明する。なお、各実施形態における構成要件については上述の説明が参酌される。
図２は、本発明に係る赤外線センサ素子の実施形態を説明するための構成図である。本実施形態の赤外線センサ素子１００は、基板１０と、この基板１０上のｎ型化合物半導体層１１と、このｎ型化合物半導体層１１上のＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ（ｘ＞０）からなる活性層１３と、この活性層１３上のｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１４と、このｐ型Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１４上のｐ型化合物半導体層１５と、を備え、ｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１４の組成比ｙは、活性層１３の組成比ｘと比較して、０．１７≦ｙ−ｘ≦０．２３５である。さらに、活性層１３の組成比ｘが、０．００５≦ｘ≦０．０５であることが好ましい。

また、ｎ型化合物半導体層１１と活性層１３との間にｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１２をさらに備えていてもよい。また、ｎ型化合物半導体層１１は、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂからなることが好ましい。
また、ｎ型化合物半導体層１１は、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、２層以上の異なる組成の例えば第１層及び第２１層１１ａ，１１ｂを有することが好ましい。さらに、ｎ型化合物半導体層１１が、ＩｎＳｂからなることが好ましい。

また、基板１０上に形成された各層からなり、頂部２１と底部２２とを有するメサ構造のメサ型化合物半導体積層部２０を備えている。さらに、メサ型化合物半導体積層部２０の全面に第１の保護層４１と、第１の保護層４１上に第２の保護層４２を備えている。
また、メサ型化合物半導体積層部２０の頂部２１上の第１の保護層４１及び第２の保護層４２の一部と、底部２２上の一部とをそれぞれ開口して各々露出部を備えている。さらに、各露出部に第１の電極部５１及び第２の電極部５２を設けている。

つまり、本実施形態に係る赤外線センサ素子１００は、基板１０と、ｎ型化合物半導体層１１と、Ｉｎ_１−ｘＡｌ_ｘＳｂ層からなる活性層１３と、ｐ型Ｉｎ_１−ｙＡｌ_ｙＳｂ層１４と、ｐ型化合物半導体層１５とを備えている。また、ｐ型化合物半導体上に第１の電極５１が接続され、ｎ型化合物半導体層１１に第２の電極５２が接続されている。
ｐ型Ｉｎ_１−ｙＡｌ_ｙＳｂ層１４のＡｌ組成ｙは、活性層１３のＡｌ組成ｘよりも大きいため、バンドギャップも大きくなる。このとき、ｐ型ＩｎＡｌＳｂ層１４は電子ブロック層として働く。活性層１３でのキャリア閉じ込め効果を十分に得るために、活性層１３とｐ型Ｉｎ_１−ｙＡｌ_ｙＳｂ層１４のＡｌ組成差は、ｙ−ｘ≧０．１７であることが好ましい。また、Ａｌ組成差が大きくなると、膜成長時に活性層１３との格子定数差に従って格子緩和が発生し、電子ブロック層としての効果が薄れるため、ｙ−ｘ≦０．２３５であることが好ましい。

また、本実施形態に係る赤外線センサ素子１００は、さらに受光する波長を制限するための光学フィルタまたは光学フィルタが組み込まれた部材を備えていても良い。この場合、光学フィルタの透過する帯域は赤外線センサが受光感度を持つ波長範囲よりも狭い必要があるが、任意の波長を透過する光学フィルタを選択することでさらに温度特性の向上を図ることができる。

次に、本実施例に係る赤外線センサ素子の製造方法について以下に説明する。
図３乃至図７は、本実施例に係る赤外線センサ素子の製造方法を説明するための工程図である。この赤外線センサ素子の素子構造は、ＭＢＥ法により作製される。
まず、図３乃至図４に示すように、基板１０上に、バッファ層としてｎ型半導体である第１のＩｎ_{（１−ｎ）}Ａｌ_ｎＳｂ層１１ａを形成する。次に、第１のＩｎ_{（１−ｎ）}Ａｌ_ｎＳｂ層１１ａ上に、第１のＩｎ_{（１−ｎ）}Ａｌ_ｎＳｂ層１１ａと異なる組成のｎ型半導体である第２のＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１１ｂを形成する。

次に、第２のＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層１１ｂ上にｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層を第１のバリア層１２として形成する。次に、第１のバリア層１２上にＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ（ｘ＞０）層を活性層１３として形成する。
次に、活性層１３上にｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層を第２のバリア層１４として形成する。次に、第２のバリア層１４上にｐ型化合物半導体層１５を形成する。ここで、温度による赤外線センサ素子の出力の変動を抑える観点から、ｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層１４の組成比ｙは、活性層１３の組成比ｘと比較して、０．１７≦ｙ−ｘ≦０．２３５であることが好ましい。

次に、図６に示すように、ｐ型化合物半導体層１５上に第１の電極部を形成するとともに、Ｉｎ _{（１−ｘ）} Ａｌ _ｘ Ｓｂ層１１ｂ上に第２の電極部を形成する。
また、第１及び第２の電極部を形成する前に以下の工程を必要とする。つまり、図４に示すように、基板１０上に形成された各層からなり、頂部２１と底部２２とを有するメサ構造のメサ型化合物半導体積層部２０を形成する。

次に、図５に示すように、メサ型化合物半導体積層部２０の全面に第１の保護層４１と、第１の保護層４１上に第２の保護層４２を形成する。
次に、メサ型化合物半導体積層部２０の頂部２１上の第１の保護層４１及び第２の保護層４２の一部と、底部２２上の一部とをそれぞれ開口して露出部を形成する。このようにして、図６に示すように、露出部に第１の電極部５１及び第２の電極部５２を形成することになる。

つまり、まず、ＧａＡｓ基板１０上に、バッファ層としてＳｎを濃度１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型半導体であるＩｎＳｂ層１１ａを０．５μｍ形成した。その上にＳｎを濃度１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型半導体であるＡｌ_０．０５Ｉｎ_０．９５Ｓｂ層１１ｂを０．５μｍ形成した。さらに、その上にＺｎを濃度１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたＡｌ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ｓｂバリア層１２を２０ｎｍ形成した。

さらに、その上にｉ型半導体Ａｌ_０．０５Ｉｎ_０．９５Ｓｂ層を活性層１３として２μｍ形成した。さらに、その上にＺｎを濃度１×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたＡｌ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ｓｂバリア層１４を２０ｎｍ形成した。さらに、その上にＺｎを濃度１×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型半導体のＡｌ_０．０５Ｉｎ_０．９５Ｓｂ層１５を０．５μｍ形成した。ｎ型半導体層１１ａからｐ型半導体層１５までの構造がＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造をなし、ｙ−ｘ＝０．１７となる。

次に、この化合物半導体積層部上にレジストパターンを形成した。そして、このレジストパターンをマスクに化合物半導体積層体をエッチングした。これにより、基板１０上に、図４に示したような頂部２１と底部２２とを有するメサ構造のメサ型化合物半導体積層部２０を形成した。このとき、ＰＩＮ接合を含む頂部の面積はマスクサイズで５１３μｍ^２、下部の面積は６０５μｍ^２であった。

次に、図５に示すように、メサ型化合物半導体積層部２０の全面に第１の保護層４１としてＳｉＯ_２を３０００Å、第２の保護層４２としてＳｉＮを２０００Å形成した。次に、メサ型化合物半導体積層部２０の頂部２１上の一部と、底部２２上の一部とをそれぞれ開口し、それ以外の領域を覆うレジストパターンを形成した。そして、このレジストパターンをマスクにＳｉＮ膜、ＳｉＯ_２膜をドライエッチングした。これにより、図５に示すように、ＳｉＮ膜及びＳｉＯ_２膜の下から、メサ型化合物半導体積層部２０の頂部２１と底部２２とをそれぞれ露出させた。

さらに、図６に示すように、第１の電極部５１及び第２の電極部５２を形成するために、基板１０上方にレジストパターンを形成し、Ｔｉを１０００Å、Ｐｔを２００Å、Ａｕを３０００Å、この順で蒸着し、その後、リフトオフを行った。このとき、ダイオード間を電気的に接続する配線電極も同時に蒸着し、３９６個のダイオードを直列接続した。さらに、図７に示すように、ＧａＡｓ基板１０の素子加工していない裏面から厚さを２３０μｍまで粗面研削し、ＴｉＯ_２膜６１を１５００Å蒸着することにより赤外線センサ素子１００を得た。つまり、基板１０とＴｉＯ_２膜６１との境界Ａは粗面である。

このように上述した実施例で作成した赤外線センサ素子（赤外線発光素子）１００の光電流測定を、０〜５０℃の間で温度を変化させながら測定したところ、後述の比較例１で示す赤外線発光素子２００の３．９μｍにおける光電流Ｉｐ変化が０〜５０℃で１５．８％だったのに対し、本実施例では５．６％の変化にとどまっている。

（比較例１）
ＧａＡｓ基板上に、バッファ層としてＳｎを濃度１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型半導体であるＩｎＳｂ層を０．５μｍ形成した。その上にＳｎを濃度１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型半導体であるＡｌ_０．０５Ｉｎ_０．９５Ｓｂ層を０．５μｍ形成した。さらに、その上にＺｎを濃度１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたＡｌ_０．１８Ｉｎ_０．８２Ｓｂバリア層を２０ｎｍ形成した。その上にｉ型半導体Ａｌ_０．０５Ｉｎ_０．９５Ｓｂ層を２μｍ形成した。

さらに、その上にＺｎを濃度１×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたＡｌ_０．１８Ｉｎ_０．８２Ｓｂバリア層を２０ｎｍ形成した。さらに、その上にＺｎを濃度１×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型半導体のＡｌ_０．０５Ｉｎ_０．９５Ｓｂ層を０．５μｍ形成した。前記ｎ型半導体層からｐ型半導体層までの構造がＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造をなし、ｙ−ｘ＝０．１３となる。

この化合物半導体積層体に、実施例１と同様の工程を施して赤外線センサ素子を得た。赤外線発光素子の光電流測定を、０〜５０℃の間で温度を変化させながら測定したところ、赤外線発光素子の３．９μｍにおける光電流Ｉｐ変化が０〜５０℃で１５．８％となった。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に記載の技術的範囲には限定されない。上述した実施形態に、多様な変更又は改良を加えることも可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０ 基板
１１ ｎ型化合物半導体層
１３ 活性層
１４ ｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層
１５ ｐ型化合物半導体層
１２ ｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層
１１ａ ｎ型化合物半導体層１１の第１層
１１ｂ ｎ型化合物半導体層１１の第２層
４１ 第１の保護層
４２ 第２の保護層
５１ 第１の電極部
５２ 第２の電極部
６１ ＴｉＯ_２膜
１００ 赤外線センサ素子
９２０ 光源
９３０ 赤外線センサ
９３１ 参照用センサ
９３２ 検出用センサ

Claims (11)

1. ＣＯ _２ ガスセンサ用の赤外線センサ素子であって、
   基板と、
   前記基板上のｎ型化合物半導体層と、
   前記ｎ型化合物半導体層上のＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ（ｘ＞０）からなる活性層と、
   前記活性層上のｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層と、
   前記ｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ _ｙ Ｓｂ層上のｐ型化合物半導体層と、を備え、
   前記ｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層の組成比ｙは、前記活性層の組成比ｘと比較して、０．１７≦ｙ−ｘ≦０．２３５であり、前記活性層の組成比ｘは、０．００５≦ｘ≦０．０５であり、温度０℃において波長３．９μｍの赤外線を受光したときの光電流の値に対する温度５０℃における同光電流の変化率は、前記組成比ｘ及びｙの関係（ｙ−ｘ）が０．１３である素子における同変化率よりも小さい赤外線センサ素子。
2. 前記ｎ型化合物半導体層と前記活性層との間にｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層をさらに備える請求項１に記載の赤外線センサ素子。
3. 前記ｎ型化合物半導体層は、Ｉｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂからなる請求項１又は２に記載の赤外線センサ素子。
4. 前記ｎ型化合物半導体層は、Ｉｎ及びＳｂを少なくとも含み、２層以上の異なる組成の層を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線センサ素子。
5. 前記ｎ型化合物半導体層が、ＩｎＳｂからなる請求項１又は２に記載の赤外線センサ素子。
6. 前記基板上に形成された前記各層からなり、頂部と底部とを有するメサ構造のメサ型化合物半導体積層部を備える請求項１から５のいずれか一項に記載の赤外線センサ素子。
7. 前記メサ型化合物半導体積層部の全面に第１の保護層と、前記第１の保護層上に第２の保護層を備える請求項６に記載の赤外線センサ素子。
8. 前記メサ型化合物半導体積層部の前記頂部上の前記第１の保護層及び前記第２の保護層の一部と、前記底部上の一部とをそれぞれ開口して各々露出部を備える請求項７に記載の赤外線センサ素子。
9. 前記各露出部に第１の電極部及び第２の電極部を設ける請求項８に記載の赤外線センサ素子。
10. ＣＯ _２ ガスセンサ用の赤外線センサ素子の製造方法であって、
    基板上に、バッファ層としてｎ型半導体である第１のＩｎ_{（１−ｎ）}Ａｌ_ｎＳｂ層を形成する工程と、
    前記第１のＩｎ_{（１−ｎ）}Ａｌ_ｎＳｂ層上に、前記第１のＩｎ_{（１−ｎ）}Ａｌ_ｎＳｂ層と異なる組成のｎ型半導体である第２のＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層を形成する工程と、
    前記第２のＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ層上にｎ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層を第１のバリア層として形成する工程と、
    前記第１のバリア層上にＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＳｂ（ｘ＞０）層を活性層として形成する工程と、
    前記活性層上にｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層を第２のバリア層として形成する工程と、
    前記第２のバリア層上にｐ型化合物半導体層を形成する工程と、
    前記ｐ型化合物半導体層上に第１の電極部を形成するとともに、前記Ｉｎ _{（１−ｘ）} Ａｌ _ｘ Ｓｂ層上に第２の電極部を形成する工程と、
    を有し、
    前記ｐ型Ｉｎ_{（１−ｙ）}Ａｌ_ｙＳｂ層の組成比ｙは、前記活性層の組成比ｘと比較して、０．１７≦ｙ−ｘ≦０．２３５であり、前記活性層の組成比ｘは、０．００５≦ｘ≦０．０５であり、温度０℃において波長３．９μｍの赤外線を受光したときの光電流の値に対する温度５０℃における同光電流の変化率は、前記組成比ｘ及びｙの関係（ｙ−ｘ）が０．１３である素子における同変化率よりも小さい赤外線センサ素子の製造方法。
11. 前記基板上に形成された各層からなり、頂部と底部とを有するメサ構造のメサ型化合物半導体積層部を形成する工程と、
    前記メサ型化合物半導体積層部の全面に第１の保護層と、前記第１の保護層上に第２の保護層を形成する工程と、
    前記メサ型化合物半導体積層部の前記頂部上の前記第１の保護層及び前記第２の保護層の一部と、前記底部上の一部とをそれぞれ開口して露出部を形成する工程と、を有し、
    前記露出部に前記第１の電極部及び前記第２の電極部を形成する請求項１０に記載の赤外線センサ素子の製造方法。

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