JP6880601B2 - 光検出器及び撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光検出器及び撮像装置に関するものである。
光検出器である２波長赤外線検出器は、異なる２種類の波長の赤外線を検出することができる。このような２波長赤外線検出器は、２種類の異なる波長域の赤外光信号を電気信号に変換する画素を複数有しており、駆動回路等に接続されて、赤外線イメージセンサ等として用いられている。
２波長赤外線検出器は、異なる波長の２種類の赤外線に応答する受光層が、コンタクト層を介して積層されており、コンタクト層は駆動回路に接続されている。光検出器には、量子井戸型赤外線検知器（ＱＷＩＰ：Quantum Well Infrared Photodetector）、量子ドット型赤外線検知器（ＱＤＩＰ：Quantum Dot Infrared Photodetector）等がある。ＱＷＩＰの受光層は多重量子井戸層で構成されており、ＱＤＩＰの受光層は量子ドット層で構成されている。ＱＷＩＰでは量子井戸内、ＱＤＩＰでは量子ドット内に形成された量子準位に束縛されたキャリアが赤外線を吸収して、コンタクト層から外部に取り出されることにより光信号として検出される。
近年、２波長赤外線検出器においては、多画素化、高精細化が求められていることから、各画素の面積を小さくすることが行われており、例えば、各画素に形成されるバンプ電極を１つにした構造のものが開示されている。
図１に基づきバンプ電極を１つにした構造の２波長赤外線検出器について説明する。この２波長赤外線検出器は、ＧａＡｓ基板９１０の上に、化合物半導体により下部コンタクト層９２１、第１の受光層９３１、中間コンタクト層９２２、第２の受光層９３２、上部コンタクト層９２３、カプラ層９２４が積層して形成されている。下部コンタクト層９２１、中間コンタクト層９２２、上部コンタクト層９２３は、ｎ−ＧａＡｓにより形成されており、カプラ層９２４の表面には回折格子が形成されており光結合構造となっている。第１の受光層９３１及び第２の受光層９３２は、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）構造により形成されており、第１の受光層９３１と第２の受光層９３２とでは、異なる波長の赤外線を検出することができるように形成されている。
各々の画素９０１は、画素分離溝９０２を形成することにより分離されている。画素分離溝９０２は、カプラ層９２４、上部コンタクト層９２３、第２の受光層９３２、中間コンタクト層９２２、第１の受光層９３１を除去することにより形成されている。また、下部コンタクト層９２１の表面の一部、各々の画素９０１の側面、カプラ層９２４の上面の一部は、絶縁膜９５０により覆われている。
各々の画素９０１には、中間コンタクト層９２２に接続される配線９６１が絶縁膜９５０の上に形成されている。下部コンタクト層９２１は、第１の共通電極を形成するものであり、絶縁膜９５０の上に形成された配線９６２と接続されている。各々の画素９０１の上部コンタクト層９２３は、カプラ層９２４を介し、絶縁膜９５０の上に形成された配線９６３と接続されており、第２の共通電極を形成している。
このような２波長赤外線検出器には、駆動回路９８０が、バンプ９７１、９７２、９７３を介し接続されている。各々の画素９０１に形成されている中間コンタクト層９２２に接続された配線９６１は、バンプ９７１を介し、駆動回路９８０のトランジスタ９８１に接続されている。また、下部コンタクト層９２１に接続されている配線９６２は、バンプ９７２を介し、駆動回路９８０の電位ＶＢに接続されている。また、カプラ層９２４を介し、上部コンタクト層９２３に接続されている配線９６３は、バンプ９７３を介し、駆動回路９８０の電位ＶＡに接続されている。
図１に示す構造の２波長赤外線検出器は、第１の受光層９３１を動作させる時間と第２の受光層９３２を動作させる時間とを分割して駆動することにより、２波長の赤外光を検出することができる。具体的には、下部コンタクト層９２１と中間コンタクト層９２２との間に電位差を発生させ、上部コンタクト層９２３と中間コンタクト層９２２とを同電位にする。これにより、第１の受光層９３１に入射した第１の波長の赤外線を吸収したキャリアが、中間コンタクト層９２２から取り出される。この際、第２の受光層９３２に第２の波長の赤外線が入射しても、上部コンタクト層９２３と中間コンタクト層９２２とは同電位であるため、中間コンタクト層９２２から取り出されることはない。このようにして、第１の受光層９３１のみの光信号を検出することができる。
また、上部コンタクト層９２３と中間コンタクト層９２２との間に電位差を発生させ、下部コンタクト層９２１と中間コンタクト層９２２とを同電位にする。これにより、第２の受光層９３２に入射した第２の波長の赤外線を吸収したキャリアが、中間コンタクト層９２２から取り出される。この際、第１の受光層９３１に第１の波長の赤外線が入射しても、下部コンタクト層９２１と中間コンタクト層９２２とは同電位であるため、中間コンタクト層９２２から取り出されることはない。このようにして、第２の受光層９３２のみの光信号を検出することができる。
以上のように、図１に示す構造の２波長赤外線検出器においては、時間で分割することにより、２種類の異なる波長の赤外線を検出することができる。
ところで、第１の受光層９３１において第１の波長の赤外線を検出する場合、中間コンタクト層９２２の電位と上部コンタクト層９２３の電位とを同じにすることが求められる。これは、中間コンタクト層９２２の電位と上部コンタクト層９２３の電位が同じではない場合には、中間コンタクト層９２２と上部コンタクト層９２３との間に生じた電位差により第２の受光層９３２に第２の波長の赤外線が入射すると電流が流れてしまうからである。従って、この場合には、２つの異なる波長の赤外線を分離することができない。このことは、第２の受光層９３２において第２の波長の赤外線を検出する場合も同様である。
図２は、２波長赤外線検出器における１つの画素と駆動回路９８０の一部を含む回路図である。中間コンタクト層９２２の電位ＶＳは、駆動回路９８０のトランジスタ９８１のゲート電位ＶＩＧと、トランジスタを流れるドレイン電流とによって間接的に定まる。従って、外部から任意に設定できる電位は、２つの共通電極の電位である上部コンタクト層９２３の電位ＶＡ及び下部コンタクト層９２１の電位ＶＢと、トランジスタ９８１のゲート電位ＶＩＧである。よって、信号を読み出すための中間コンタクト層９２２には、直接電位を印加することはできない。
また、２波長赤外線検出器において複数の画素９０１が設けられている場合、各々の画素９０１における第１の受光層９３１及び第２の受光層９３２の特性は、同じではなく、画素９０１ごとに、多少異なっている。この場合、各々の画素９０１に対して、同じ電位ＶＡ、ＶＢ、ＶＩＧを各々印加しても、各々の画素９０１における第１の受光層９３１及び第２の受光層９３２の特性の違いから、流れる電流が異なるため、中間コンタクト層９２２における電位ＶＳが画素ごとに異なってしまう。
また、仮に全ての画素の特性が全く同じであっても、撮像装置として駆動させた場合には、画素ごとに入射する光の光量は異なるため、画素ごとに発生する信号が異なる。よって、中間コンタクト層９２２における電位ＶＳは、電流量に依存するため、画素ごとに電位ＶＳが異なってしまう。
従って、中間コンタクト層９２２における電位ＶＳは、画素ごとに異なり、上記のようなノイズが発生したり、２つの異なる波長の赤外線を十分に分離することができない。
このような問題点を解決するため、例えば、中間コンタクト層をｎ型、ｐ型、ｎ型の３層の半導体層により形成し、ｐｎ接合による整流により、２つの異なる波長の赤外線を分離する方法が開示されている（例えば、特許文献１）。また、中間コンタクト層と第１の受光層及び第２の受光層との間に、バンドギャップの広い材料により障壁層を設けることにより、２つの異なる波長の赤外線を分離する方法が開示されている（例えば、特許文献２）。この方法は、バンドギャップが広く不純物元素がドープされていない障壁層を設けることにより、第１の受光層及び第２の受光層において、駆動時に流れる電流方向とは逆向きの電流が流れないようにすることにより、簡便に２波長の信号を分離することができる。
特開２０１０−１９２８１５号公報 特開２０１５−１４２１１０号公報
しかしながら、特許文献２に記載されている方法では、障壁層等の化合物半導体層は、エピタキシャル成長により形成される時、比較的高い温度で形成される。このため、障壁層を成膜する際に、中間コンタクト層にドーピングされている不純物元素が、不純物元素のドープされていない障壁層内に拡散し、駆動時に流れる電流方向とは逆向きの電流が流れる場合がある。この場合には、２波長の信号を安定して分離することができなくなる。
このため、受光層が積層された２波長赤外線検出器において、２波長の信号を安定して分離することのできるものが求められている。
本実施の形態の一観点によれば、下部コンタクト層と、前記下部コンタクト層の上に形成された第１の波長の光に対して感度を有する第１の受光層と、前記第１の受光層の上に形成された中間コンタクト層と、前記中間コンタクト層の上に形成された第２の波長の光に対して感度を有する第２の受光層と、前記第２の受光層の上に形成された上部コンタクト層と、を有し、前記下部コンタクト層と前記第１の受光層との間、若しくは、前記第１の受光層と前記中間コンタクト層との間、または、前記中間コンタクト層と前記第２の受光層との間、若しくは、前記第２の受光層と前記上部コンタクト層との間には、障壁層が形成されており、前記下部コンタクト層、前記中間コンタクト層及び前記上部コンタクト層のうちのいずれかと、前記障壁層との間には、緩衝層が形成されており、前記下部コンタクト層、前記中間コンタクト層、前記上部コンタクト層は、半導体材料に不純物元素がドープされており、前記障壁層は、前記第１の受光層または前記第２の受光層よりもバンドギャップの広い材料により形成されており、前記緩衝層における不純物濃度は、前記中間コンタクト層における不純物濃度よりも低いことを特徴とする。
開示の光検出器によれば、受光層が積層された２波長赤外線検出器において、２波長の信号を安定して分離することができる。
従来の２波長赤外線検出器の構造図 従来の２波長赤外線検出器の説明図 障壁層を設けた２波長赤外線検出器の構造図 障壁層を設けた２波長赤外線検出器の説明図（１） 障壁層を設けた２波長赤外線検出器の説明図（２） 第１の実施の形態における２波長赤外線検出器の構造図 第１の実施の形態における２波長赤外線検出器の説明図 ドープされる不純物元素の濃度の説明図（１） 第１の実施の形態における赤外線イメージセンサの斜視図 本実施の形態における赤外線撮像装置のブロック図 ２波長赤外線検出器における印加電圧と流れる電流との相関図 ２波長赤外線検出器に印加する電圧の説明図 第１の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図（１） 第１の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図（２） 第１の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図（３） 第１の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図（４） 第１の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図（５） 第１の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程図（６） 第２の実施の形態における２波長赤外線検出器の説明図 ドープされる不純物元素の濃度の説明図（２）
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図面においては、便宜上、縦横の比率は正確には記載されていない場合がある。
〔第１の実施の形態〕
最初に、図３に基づき、障壁層を設けた２波長赤外線検出器において、２波長の信号を安定して分離することができないことについて説明する。
障壁層を設けた２波長赤外線検出器は、図３に示されるように、第１の受光層９３１と中間コンタクト層９２２との間に第１の障壁層９４１が設けられており、中間コンタクト層９２２と第２の受光層９３２との間には、第２の障壁層９４２が設けられている。中間コンタクト層９２２には、中間電極９９１が接続されており、不図示の駆動回路のトランジスタに接続されている。下部コンタクト層９２１には下部電極９９２が接続されており、下部電極９９２を介し電位ＶＢが印加されている。上部コンタクト層９２３には上部電極９９３が接続されており、上部電極９９３を介し電位ＶＡが印加されている。
図３に示されるように、２波長赤外線検出器について、第１の受光層９３１において検出された赤外光の信号を取り出す場合について説明する。この場合、上部電極９９３に印加される電位ＶＡが、中間電極９９１の電位ＶＳより低くなるように制御がなされる。
図３に示す２波長赤外線検出器が理想的に形成されている場合には、図４（ａ）に示すように、第１の受光層９３１に第１の波長の赤外光が入射した場合、第１の受光層９３１において電子が伝導帯に励起される。中間コンタクト層９２２と下部コンタクト層９２１との間には電位差が生じているため、伝導帯に励起された電子は、中間コンタクト層９２２に流れ、第１の受光層９３１に入射した第１の波長の赤外線が検出される。第１の受光層９３１と中間コンタクト層９２２との間には、バンドギャップの広い材料により形成された第１の障壁層９４１が形成されているが、非弾性散乱によるエネルギー散逸を受けない一部のキャリアは障壁層を越える。このため、電子は下部コンタクト層９２１から中間コンタクト層９２２へは、比較的流れやすい。
また、図４（ｂ）に示すように、中間コンタクト層９２２と第２の受光層９３２との間には、バンドギャップの広い材料により第２の障壁層９４２が形成されている。このため、中間コンタクト層９２２における電子は、第２の障壁層９４２により流入を遮られ、中間コンタクト層９２２と上部コンタクト層９２３との間では電流は流れにくい。
ところで、エピタキシャル成長により第２の障壁層９４２等を形成した場合、図５（ａ）に示すように、中間コンタクト層９２２にドープされているＳｉ（シリコン）が、不純物元素のドープされていない第２の障壁層９４２にまで拡散してしまう。このように、第２の障壁層９４２に不純物元素であるＳｉが拡散すると、伝導帯が一部低くなるため、第２の障壁層９４２を電子が通りやすくなり、上部コンタクト層９２３と中間コンタクト層９２２との間で、電流が僅かながら流れノイズとなる。尚、上記では、第１の受光層９３１において光検出する場合の第２の障壁層９４２について説明したが、第２の受光層９３２において光検出する場合の第１の障壁層９４１についても同様である。
（光検出器）
次に、本実施の形態における光検出器である２波長赤外線検出器について、図６に基づき説明する。尚、本願においては、光とは、可視光、赤外線、紫外線を含むものを意味するものとする。
本実施の形態の２波長赤外線検出器は、第１の受光層において光検出する場合には、中間コンタクト層より第２の障壁層に移動する電子が抑制され、第２の受光層において光検出する場合には、中間コンタクト層より第１の障壁層に移動する電子が抑制される。これにより、２波長の信号を安定して分離することができる。
本実施の形態における２波長赤外線検出器１００は、ＧａＡｓ基板１０の上に、化合物半導体をＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー法）等によりエピタキシャル成長させることにより形成されている。具体的には、ＧａＡｓ基板１０の上に、下部コンタクト層２１、第１の受光層３１、第１の障壁層４１、第１の緩衝層１４１、中間コンタクト層２２、第２の緩衝層１４２、第２の障壁層４２、第２の受光層３２、上部コンタクト層２３が積層して形成されている。上部コンタクト層２３の上には、カプラ層２４が形成されており、カプラ層２４の表面には回折格子が形成されており、光結合構造が形成されている。
下部コンタクト層２１、中間コンタクト層２２、上部コンタクト層２３は、ＧａＡｓにｎ型となる不純物元素としてＳｉが、１×１０１８ｃｍ−３の濃度となるようにドープされているｎ−ＧａＡｓ層により形成されている。
第１の受光層３１及び第２の受光層３２は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造により形成されており、第１の受光層３１と第２の受光層３２とでは、異なる波長の赤外線を検出することができるように形成されている。具体的には、第１の受光層３１は、膜厚が約３０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層と、膜厚が約２．５ｎｍのＩｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓ井戸層とを交互に成膜することにより形成されている。また、第２の受光層３２は、膜厚が約３０ｎｍのＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓ層と、膜厚が約５ｎｍのＧａＡｓ井戸層とを交互に成膜することにより形成されている。従って、第１の受光層３１では、波長が３μｍ〜５μｍの赤外線が検出され、第２の受光層３２では、波長が８μｍ〜１２μｍの赤外線が検出されるように形成されている。
第１の障壁層４１及び第２の障壁層４２は、膜厚が約５０ｎｍのｉ−Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層により形成されており、不純物元素はドープされてはいない。第１の緩衝層１４１及び第２の緩衝層１４２は、膜厚が５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下のｉ−ＧａＡｓ層により形成されており、不純物元素がドープされてはいない。
各々の画素１０１は、溝１０２を形成することにより分離されている。溝１０２は、カプラ層２４、上部コンタクト層２３、第２の受光層３２、第２の障壁層４２、第２の緩衝層１４２、中間コンタクト層２２、第１の緩衝層１４１、第１の障壁層４１、第１の受光層３１を除去することにより形成されている。また、下部コンタクト層２１の表面の一部、各々の画素１０１の側面、カプラ層２４の上面の一部は、絶縁膜５０により覆われている。
各々の画素１０１には、中間コンタクト層２２に接続される配線６１が絶縁膜５０の上に形成されている。下部コンタクト層２１は、第１の共通電極を形成するものであり、絶縁膜５０の上に形成された配線６２と接続されている。各々の画素１０１の上部コンタクト層２３は、カプラ層２４を介し、絶縁膜５０の上に形成された配線６３と接続されており、第２の共通電極を形成する。尚、図６では、配線６１は中間電極となり、配線６２は下部電極となり、配線６３は上部電極となる。
このような２波長赤外線検出器には、駆動回路８０が、バンプ７１、７２、７３を介し接続されている。各々の画素１０１に形成されている中間コンタクト層２２に接続された配線６１は、バンプ７１を介し、駆動回路８０のトランジスタ８１に接続されている。また、下部コンタクト層２１に接続されている配線６２は、バンプ７２を介し、駆動回路８０の電位ＶＢに接続されている。また、カプラ層２４を介し、上部コンタクト層２３に接続されている配線６３は、バンプ７３を介し、駆動回路８０の電位ＶＡに接続されている。
図７は、本実施の形態における２波長赤外線検出器の１つの画素１０１の構造を模式的に示したものである。図７では、中間コンタクト層２２の上には中間電極９１が形成されており、下部コンタクト層２１の上には下部電極９２が形成されており、上部コンタクト層２３の上には上部電極９３が形成されている。図８（ａ）は、本実施の形態における２波長赤外線検出器において、ドープされる不純物濃度を示し、図８（ｂ）は、図３に示す構造の２波長赤外線検出器において、ドープされる不純物濃度を示す。
図８（ａ）に示されるように、本実施の形態においては、第１の障壁層４１及び第２の障壁層４２、第１の緩衝層１４１及び第２の緩衝層１４２は不純物元素がドープされていないため、不純物元素の濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以下である。従って、これらの層の不純物濃度は、中間コンタクト層２２における不純物濃度よりも低い。尚、第１の障壁層４１及び第２の障壁層４２は、第１の緩衝層１４１、第２の緩衝層１４２及び中間コンタクト層２２よりもバンドギャップが広い材料により形成されている。また、第１の緩衝層１４１、第２の緩衝層１４２は、ｉ−ＧａＡｓ層により形成されており、中間コンタクト層２２は、ｎ−ＧａＡｓ層により形成されており、同じＧａＡｓ層に形成されている。従って、第１の緩衝層１４１及び第２の緩衝層１４２のバンドギャップと、中間コンタクト層２２のバンドギャップは同じである。
このように、中間コンタクト層２２と第１の障壁層４１との間に第１の緩衝層１４１を形成することにより、中間コンタクト層２２にドープされているＳｉは、第１の緩衝層１４１には拡散するものの、第１の障壁層４１までは拡散しない。従って、中間コンタクト層２２から第１の受光層３１に向かう電子は、不純物元素であるＳｉが拡散していない第１の障壁層４１により遮られる。同様に、中間コンタクト層２２と第２の障壁層４２との間に第２の緩衝層１４２を形成することにより、中間コンタクト層２２にドープされているＳｉは、第２の緩衝層１４２には拡散するものの、第２の障壁層４２までは拡散しない。従って、中間コンタクト層２２から第２の受光層３２に向かう電子は、不純物元素であるＳｉが拡散していない第２の障壁層４２により遮られる。
尚、ＭＢＥ等によるエピタキシャル成長により、第１の障壁層４１、中間コンタクト層２２、第２の障壁層４２等を形成する際、中間コンタクト層２２にドープされるＳｉは、中間コンタクト層２２より膜厚方向に５ｎｍ程度拡散する。従って、第１の緩衝層１４１及び第２の緩衝層１４２の膜厚は５ｎｍ以上であれば、第１の障壁層４１及び第２の障壁層４２には、中間コンタクト層２２に不純物元素としてドープされているＳｉが拡散することは殆どない。尚、第１の緩衝層１４１及び第２の緩衝層１４２の膜厚は、あまり厚くしても、利点はないため、２０ｎｍ以下であることが好ましい。
図９は、本実施の形態における２波長赤外線検出器１００に駆動回路８０が接続されている赤外線イメージセンサ１１１の斜視図である。この赤外線イメージセンサ１１１は、図９に示されるように、２波長赤外線検出器１００における画素１０１が２次元状に形成されており、２次元画像を撮像することができる。
本実施の形態における赤外線撮像装置は、図１０に示すように、赤外線イメージセンサ１１１に制御部１１２が接続され、制御部１１２に表示部１１３が接続されている。制御部１１２は、赤外線イメージセンサ１１１において検出される２波長の切替や、赤外線イメージセンサ１１１において検出された信号の信号処理を行う。表示部１１３は、ディスプレイ等であり、赤外線イメージセンサ１１１において検出された信号に基づき、２次元画像を表示する。
本実施の形態における２波長赤外線検出器は、第１の受光層３１を動作させる時間と第２の受光層３２を動作させる時間とを分割して駆動することにより、２波長の赤外光を検出することができる。
具体的には、下部コンタクト層２１と中間コンタクト層２２との間に電位差を発生させ、上部コンタクト層２３と中間コンタクト層２２とを略同電位にする。もしくは、電流が流れない程度に、上部コンタクト層２３の電位を中間コンタクト層２２の電位よりも低くする。これにより、第１の受光層３１に入射した第１の波長の赤外線を吸収したキャリアが、中間コンタクト層２２から取り出される。この際、第２の受光層３２に第２の波長の赤外線が入射しても、第２の受光層３２と中間コンタクト層２２との間には不純物元素が含まれていない第２の障壁層４２が設けられているため、中間コンタクト層２２から取り出されることはない。このようにして、第１の受光層３１のみの光信号を検出することができる。
また、上部コンタクト層２３と中間コンタクト層２２との間に電位差を発生させ、下部コンタクト層２１と中間コンタクト層２２とを略同電位にする。もしくは、電流が流れない程度に、下部コンタクト層２１の電位を中間コンタクト層２２の電位よりも低くする。これにより、第２の受光層３２に入射した第２の波長の赤外線を吸収したキャリアが、中間コンタクト層２２から取り出される。この際、第１の受光層３１に第１の波長の赤外線が入射しても、第１の受光層３１と中間コンタクト層２２との間には不純物元素が含まれていない第１の障壁層４１が設けられているため、中間コンタクト層２２から取り出されることはない。このようにして、第２の受光層３２のみの光信号を検出することができる。
図１１は、２波長赤外線検出器において、上部コンタクト層と中間コンタクト層の間に印加する電圧を変化させた場合の印加電圧と暗電流との関係を示す。印加電圧の値は、上部コンタクト層の電位に対する中間コンタクト層の電位である。従って、図１１において、印加電圧が負の場合（動作方向）では伝導帯は図１２（ａ）に示すようになり、印加電圧が正の場合（動作方向とは逆方向）では伝導帯は図１２（ｂ）に示すようになる。尚、図１２では、第２の緩衝層は省略されている。
図１１において、特性１１Ａは、本実施の形態における２波長赤外線検出器における関係を示し、特性１１Ｂは、図３に示す構造の２波長赤外線検出器における関係を示す。特性１１Ａに示される本実施の形態における２波長赤外線検出器では、特性１１Ｂに示される図３に示す構造の２波長赤外線検出器よりも、印加電圧が正の方向、即ち、動作方向とは逆方向の暗電流を低くすることができる。このように、動作方向とは逆方向の暗電流を低くすることにより、２波長の信号を安定して分離することができる。
上記においては、２波長赤外線検出器における化合物半導体をＭＢＥによりする場合について説明したが、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により形成してもよい。また、キャリアは、電子以外に正孔であってもよい。キャリアが正孔である場合には、ｎ型となる不純物元素に代えてｐ型となる不純物元素がドープされる。ｐ型となる不純物元素としては、Ｂｅ等が用いられる。
また、第１の受光層３１及び第２の受光層３２を形成する材料は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）の範囲で任意に選んでもよい。また、第１の受光層３１及び第２の受光層３２は、量子ドットにより形成してもよい。この場合、カプラ層等の光結合構造を形成しなくてもよい。更に、第１の受光層３１及び第２の受光層３２は、量子井戸と量子ドットを組み合わせたものであってもよい。
また、第１の障壁層４１は、下部コンタクト層２１と第１の受光層３１との間に設けてもよく、第２の障壁層４２は、上部コンタクト層２３と第２の受光層３２との間に設けてもよい。この場合、第１の障壁層４１と下部コンタクト層２１との間に、不純物元素がドープされていない第１の緩衝層１４１を形成し、第２の障壁層４２と上部コンタクト層２３との間に、不純物元素がドープされていない第２の緩衝層１４２を形成することが好ましい。
また、第１の障壁層４１または第２の障壁層４２のうちのいずれか一方のみを形成してもよい。この場合には、第１の緩衝層１４１または第２の緩衝層１４２は、第１の障壁層４１または第２の障壁層４２に対応する一方のみを形成する。
（光検出器の製造方法）
次に、本実施の形態における光検出器である２波長赤外線検出器の製造方法について、図１３〜図１８に基づき説明する。尚、以下に説明する２波長赤外線検出器の構造は、説明の便宜上、細部において図６等に示される２波長赤外線検出器と異なる部分が存在している。本実施の形態においては、化合物半導体はＭＢＥによるエピタキシャル成長によりを形成する。
最初に、図１３（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板１０の上に、ｉ−ＧａＡｓバッファ層１１、ＩｎＧａＰストッパ層１２、下部コンタクト層２１を形成する。ＧａＡｓ基板１０には、（１００）面を主面とする半絶縁性ＧａＡｓ基板が用いられる。具体的には、ＧａＡｓ基板１０をＭＢＥ装置の基板導入室に設置し、ＭＢＥ装置の準備室において、ＧａＡｓ基板１０を例えば、４００℃に加熱して脱ガス処理を施す。この後、ＧａＡｓ基板１０を１０−１０Ｔｏｒｒより真空度の良い超高真空に保持された成長室へ搬送し、ＧａＡｓ基板１０の表面の自然酸化膜を除去するために、Ａｓ雰囲気下で例えば、６４０℃まで加熱する。この後、基板温度を例えば、６００℃として、表面の平坦性を良くするために、ＧａＡｓ基板１０の上に、膜厚が、例えば、１００ｎｍのｉ−ＧａＡｓバッファ層１１を形成する。この後、ｉ−ＧａＡｓバッファ層１１の上に、ＧａＡｓと格子整合するＩｎＧａＰストッパ層１２を膜厚が約３００ｎｍとなるように形成する。この後、ＩｎＧａＰストッパ層１２の上に、下部コンタクト層２１を形成する。下部コンタクト層２１は、不純物元素としてＳｉが、例えば、１×１０１８ｃｍ−３での濃度でドープされている膜厚が１０００ｎｍのｎ−ＧａＡｓにより形成する。
次に、図１３（ｂ）に示すように、下部コンタクト層２１の上に、第１の受光層３１を形成する。第１の受光層３１は、第１の波長の赤外線を検出するための層であり、多重量子井戸構造を有している。具体的には、基板温度を例えば、５００℃とし、膜厚が約３０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層と、膜厚が約２．５ｎｍの電子濃度が５×１０１８ｃｍ−３のＩｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓ井戸層とを交互に１０〜１５回繰り返し成膜することにより形成する。第１の受光層３１は、最初の層と最後の層がＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層となるように形成する。
次に、図１４（ａ）に示すように、第１の受光層３１の上に、第１の障壁層４１を形成する。第１の障壁層４１は、例えば、膜厚が約５０ｎｍのＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層により形成する。
次に、図１４（ｂ）に示すように、第１の障壁層４１の上に、第１の緩衝層１４１を形成する。第１の緩衝層１４１は、不純物元素をドープすることなく膜厚が約５ｎｍのｉ−ＧａＡｓ層を成膜することにより形成する。
次に、図１５（ａ）に示すように、第１の緩衝層１４１の上に、中間コンタクト層２２を形成する。中間コンタクト層２２は、不純物元素であるＳｉを不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３となるようにドープして、膜厚が１０００ｎｍのｎ−ＧａＡｓ層を成膜することにより形成する。
次に、図１５（ｂ）に示すように、中間コンタクト層２２の上に、第２の緩衝層１４２を形成する。第２の緩衝層１４２は、不純物元素をドープすることなく膜厚が約５ｎｍのｉ−ＧａＡｓ層を成膜することにより形成する。尚、第１の緩衝層１４１、中間コンタクト層２２、第２の緩衝層１４２は連続して形成されるため、ＳｉのドープはＭＢＥ装置のＳｉセルのシャッタの開閉により容易に制御することができる。
次に、図１６（ａ）に示すように、第２の緩衝層１４２の上に、第２の障壁層４２を形成する。第２の障壁層４２は、例えば、膜厚が約５０ｎｍのＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層により形成する。
次に、図１６（ｂ）に示すように、第２の障壁層４２の上に、第２の受光層３２を形成する。第２の受光層３２は、第２の波長の赤外線を検出するための層であり、多重量子井戸構造を有している。具体的には、膜厚が約４０ｎｍのＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓ層と、膜厚が約５ｎｍの電子濃度が４×１０１７ｃｍ−３のＧａＡｓ井戸層とを交互に約５０回繰り返し成膜することにより形成する。第２の受光層３２は、最初の層と最後の層がＡｌ０．２６Ｇａ０．７４Ａｓ層となるように形成する。
次に、図１７（ａ）に示すように、第２の受光層３２の上に、上部コンタクト層２３、半導体層２４ａを形成する。上部コンタクト層２３は、不純物元素であるＳｉを不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３となるようにドープして、膜厚が１５０ｎｍのｎ−ＧａＡｓ層を成膜することにより形成する。半導体層２４ａは、カプラ層２４を形成するためのものであり、不純物元素がドープされていない膜厚が約５ｎｍのｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層と、不純物元素がドープされていない膜厚が約６４０ｎｍのｉ−ＧａＡｓ層により形成する。
次に、図１７（ｂ）に示すように、半導体層２４ａの表面に周期的な凹凸２４ｂを形成することによりカプラ層２４を形成する。
次に、図１８（ａ）に示すように、画素１０１ごとに分離する溝１０２を形成することにより、下部コンタクト層２１、中間コンタクト層２２、上部コンタクト層２３の表面の一部を露出させる。
次に、図１８（ｂ）に示すように、表面が露出している中間コンタクト層２２の上に中間電極９１を形成し、下部コンタクト層２１の上に下部電極９２を形成し、上部コンタクト層２３の上に上部電極９３を形成する。中間電極９１、下部電極９２、上部電極９３は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを積層した金属積層膜により形成されている。
以上の工程により、本実施の形態における２波長赤外線検出器を作製することができる。
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態における光検出器である２波長赤外線検出器について説明する。本実施の形態における２波長赤外線検出器は、緩衝層における不純物濃度が傾斜している。
本実施の形態における２波長赤外線検出器は、図１９に示されるように、ＧａＡｓ基板１０の上に、化合物半導体をＭＢＥ等によりエピタキシャル成長させることにより形成されている。具体的には、ＧａＡｓ基板１０の上に、下部コンタクト層２１、第１の受光層３１、第１の障壁層４１、第１の緩衝層２４１、中間コンタクト層２２、第２の緩衝層２４２、第２の障壁層４２、第２の受光層３２、上部コンタクト層２３が積層して形成されている。上部コンタクト層２３の上には、表面に回折格子が形成されたカプラ層を形成してもよい。
本実施の形態における光検出器は、図２０（ａ）に示されるように、第１の緩衝層２４１は、中間コンタクト層２２の側から、第１の障壁層４１の側に向かって徐々に、不純物元素であるＳｉの濃度が減少している。具体的には、第１の緩衝層２４１は、中間コンタクト層２２と接している部分のＳｉの濃度が１×１０１８ｃｍ−３であり、第１の障壁層４１に向かって徐々にＳｉの濃度が減少し、第１の障壁層４１と接している部分では、１×１０１６ｃｍ−３以下となっている。同様に、第２の緩衝層２４２は、中間コンタクト層２２の側から、第２の障壁層４２の側に向かって徐々に、不純物元素であるＳｉの濃度が減少している。具体的には、第２の緩衝層２４２は、中間コンタクト層２２と接している部分のＳｉの濃度が１×１０１８ｃｍ−３であり、第２の障壁層４２に向かって徐々にＳｉの濃度が減少し、第２の障壁層４２と接している部分では、１×１０１６ｃｍ−３以下となっている。
また、本実施の形態における光検出器は、図２０（ｂ）に示されるように、第１の緩衝層２４１及び第２の緩衝層２４２は、Ｓｉの濃度が階段状に減少するものであってもよい。
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態または第２の実施の形態と同様である。
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
下部コンタクト層と、
前記下部コンタクト層の上に形成された第１の波長の光に対して感度を有する第１の受光層と、
前記第１の受光層の上に形成された中間コンタクト層と、
前記中間コンタクト層の上に形成された第２の波長の光に対して感度を有する第２の受光層と、
前記第２の受光層の上に形成された上部コンタクト層と、
を有し、
前記下部コンタクト層と前記第１の受光層との間、若しくは、前記第１の受光層と前記中間コンタクト層との間、または、前記中間コンタクト層と前記第２の受光層との間、若しくは、前記第２の受光層と前記上部コンタクト層との間には、障壁層が形成されており、
前記下部コンタクト層、前記中間コンタクト層及び前記上部コンタクト層のうちのいずれかと、前記障壁層との間には、緩衝層が形成されており、
前記下部コンタクト層、前記中間コンタクト層、前記上部コンタクト層は、半導体材料に不純物元素がドープされており、
前記障壁層は、前記第１の受光層または前記第２の受光層よりもバンドギャップの広い材料により形成されており、
前記緩衝層における不純物濃度は、前記中間コンタクト層における不純物濃度よりも低いことを特徴とする光検出器。
（付記２）
前記第１の受光層と前記中間コンタクト層との間には、第１の障壁層が形成されており、
前記第２の受光層と前記中間コンタクト層との間には、第２の障壁層が形成されており、
前記第１の障壁層と前記中間コンタクト層との間には、第１の緩衝層が形成されており、
前記第２の障壁層と前記中間コンタクト層との間には、第２の緩衝層が形成されており、
前記第１の障壁層は、前記第１の受光層よりもバンドギャップの広い材料により形成されており、
前記第２の障壁層は、前記第２の受光層よりもバンドギャップの広い材料により形成されており、
前記第１の緩衝層及び前記第２の緩衝層における不純物濃度は、前記中間コンタクト層における不純物濃度よりも低いことを特徴とする付記１に記載の光検出器。
（付記３）
前記中間コンタクト層における不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であって、
前記第１の緩衝層及び前記第２の緩衝層における不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３未満であることを特徴とする付記２に記載の光検出器。
（付記４）
前記第１の緩衝層及び前記第２の緩衝層の膜厚は、５ｎｍ以上であることを特徴とする付記２または３に記載の光検出器。
（付記５）
前記第１の緩衝層及び前記第２の緩衝層の膜厚は、２０ｎｍ以下であることを特徴とする付記４に記載の光検出器。
（付記６）
前記中間コンタクト層におけるバンドギャップと、前記第１の緩衝層及び前記第２の緩衝層におけるバンドギャップは、同じであることを特徴とする付記２から５のいずれかに記載の光検出器。
（付記７）
前記中間コンタクト層は、ｎ−ＧａＡｓを含む材料により形成されており、
前記第１の緩衝層及び前記第２の緩衝層は、ｉ−ＧａＡｓを含む材料により形成されていることを特徴とする付記２から５のいずれかに記載の光検出器。
（付記８）
前記第１の緩衝層は、前記中間コンタクト層の側から前記第１の受光層の側に向かって、不純物濃度が減少しており、
前記第２の緩衝層は、前記中間コンタクト層の側から前記第２の受光層の側に向かって、不純物濃度が減少していることを特徴とする付記２から７のいずれかに記載の光検出器。
（付記９）
前記下部コンタクト層には、下部電極が接続されており、
前記中間コンタクト層には、中間電極が接続されており、
前記上部コンタクト層には、上部電極が接続されていることを特徴とする付記１から８のいずれかに記載の光検出器。
（付記１０）
前記不純物元素は、シリコンであることを特徴とする付記１から９のいずれかに記載の光検出器。
（付記１１）
前記光検出器は、２波長赤外線検出器であって、
前記第１の波長の光と前記第２の波長の光は、異なる波長の赤外光であることを特徴とする付記１から１０のいずれかに記載の光検出器。
（付記１２）
前記第１の受光層及び前記第２の受光層は、量子井戸、または、量子ドットを含むことを特徴とする付記１から１１のいずれかに記載の光検出器。
（付記１３）
付記１から１２のいずれかに記載の光検出器は、溝により分離された前記第１の受光層、前記中間コンタクト層、前記第２の受光層、前記上部コンタクト層を有する画素が、２次元状に形成されており、
前記２次元状に形成された画素により、画像を撮像することを特徴とする撮像装置。
１０ ＧａＡｓ基板
２１ 下部コンタクト層
２２ 中間コンタクト層
２３ 上部コンタクト層
２４ カプラ層
３１ 第１の受光層
３２ 第２の受光層
４１ 第１の障壁層
４２ 第２の障壁層
１００ ２波長赤外線検出器
１０１ 画素
１０２ 溝
１４１ 第１の緩衝層
１４２ 第２の緩衝層

Claims (8)

  1. 下部コンタクト層と、
    前記下部コンタクト層の上に形成された第１の波長の光に対して感度を有する第１の受光層と、
    前記第１の受光層の上に形成された中間コンタクト層と、
    前記中間コンタクト層の上に形成された第２の波長の光に対して感度を有する第２の受光層と、
    前記第２の受光層の上に形成された上部コンタクト層と、
    を有し、
    前記第１の受光層と前記中間コンタクト層との間に、第１の障壁層が形成されており、
    前記第２の受光層と前記中間コンタクト層との間に、第２の障壁層が形成されており、
    前記第１の障壁層と前記中間コンタクト層との間に、第１の緩衝層が形成されており、
    前記第２の障壁層と前記中間コンタクト層との間に、第２の緩衝層が形成されており、
    前記第１の障壁層は、前記第１の受光層よりもバンドギャップの広い材料により形成されており、
    前記第２の障壁層は、前記第２の受光層よりもバンドギャップの広い材料により形成されており、
    前記下部コンタクト層、前記中間コンタクト層、前記上部コンタクト層は、半導体材料に不純物元素がドープされており、
    前記第１の緩衝層及び前記第２の緩衝層における不純物濃度は、前記中間コンタクト層における不純物濃度よりも低いことを特徴とする光検出器。
  2. 前記中間コンタクト層における不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であって、
    前記第１の緩衝層及び前記第２の緩衝層における不純物濃度は１×１０１８ｃｍ−３未満であることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  3. 前記第１の緩衝層及び前記第２の緩衝層の膜厚は、５ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出器。
  4. 前記中間コンタクト層は、ｎ−ＧａＡｓを含む材料により形成されており、
    前記第１の緩衝層及び前記第２の緩衝層は、ｉ−ＧａＡｓを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光検出器。
  5. 前記第１の緩衝層は、前記中間コンタクト層の側から前記第１の受光層の側に向かって、不純物濃度が減少しており、
    前記第２の緩衝層は、前記中間コンタクト層の側から前記第２の受光層の側に向かって、不純物濃度が減少してい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検出器。
  6. 前記下部コンタクト層には、下部電極が接続されており、
    前記中間コンタクト層には、中間電極が接続されており、
    前記上部コンタクト層には、上部電極が接続されてい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検出器。
  7. 前記第１の受光層及び前記第２の受光層は、量子井戸、または、量子ドットを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光検出器。
  8. 請求項１から７のいずれかに記載の光検出器を用いた撮像装置であって、
    前記光検出器は、溝により、前記第１の受光層、前記中間コンタクト層、前記第２の受光層、及び前記上部コンタクト層を有する画素が分離され、２次元状に形成されており、
    前記２次元状に形成された画素により、画像を撮像することを特徴とする撮像装置。
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