JP6909165B2 - 赤外線検出器、撮像素子、撮像システム、赤外線検出器の製造方法 - Google Patents

赤外線検出器、撮像素子、撮像システム、赤外線検出器の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、赤外線検出器、撮像素子、撮像システム、赤外線検出器の製造方法に関する。
人の目に見えない赤外線を検出する赤外線検出器は、防犯や防衛等の用途で広く普及している。その赤外線検出器においては、検出対象の赤外線を半導体の受光層に吸収させ、その受光層に発生したキャリアを集めることで電流を得る。
受光層に使用する半導体には様々な材料がある。
MCT(Mercury Cadmium Tellurium)は古くから使用されている材料であり、高感度、低雑音という利点を有するものの、毒性が非常に高く、更に化学的に不安定であるため赤外線検出器の歩留まりが低下するという問題がある。
一方、QWIP(Quantum Well Infrared Photodetector)と呼ばれる赤外線検出器もある。QWIPは、障壁層と量子井戸層とを交互に複数積層した積層膜を受光層に使用するデバイスであり、量子井戸層内のサブバンド間の光吸収で光電変換を行う。量子井戸層や障壁層の材料としてはGaAsやInP等がある。これらの材料は、毒性が低いという利点を有すると共に、化学的に安定であるため赤外線検出器の歩留まりを向上させることができるという利点も有する。
そのQWIPにおいては、量子井戸層と障壁層との積層数を増加させることでキャリアの数も増加し、感度が高められると考えらえられる。しかしながら、積層数を増やすと量子井戸層に再捕獲されるキャリアも増加するため、ある積層数においてQWIPの感度が飽和してしまうことが知られている。
B. F. Levine, "Quantum-well infrared photodetectors", Journal of Applied Physics 74, R1 (1993)
一側面によれば、本発明は、感度を高めることが可能な赤外線検出器、撮像素子、撮像システム、赤外線検出器の製造方法を提供することを目的とする。
一側面によれば、基板と、前記基板の上に形成された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量子井戸構造を有する第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量子井戸構造を有する第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の受光層と前記第２の受光層の各々は、第１導電型不純物がドープされた第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に形成され、前記第１導電型不純物を補償する第２導電型不純物がドープされた第２の半導体層とを有する赤外線検出器が提供される。
一側面によれば、第１の半導体層の上に第２の半導体層を形成することにより、第２の半導体層に拡散した第１導電型不純物が第２導電型不純物で補償され、第２の半導体層におけるキャリア濃度が低減する。これにより、第１の半導体層の上下におけるキャリア濃度が対称となるため、基板上方向と下方向の各々にキャリアが等しく流れるようになり、赤外線検出器の高感度化を実現することができる。
図１は、調査に使用した赤外線検出器の断面図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１）である。 図３（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その２）である。 図４は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その３）である。 図５は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その４）である。 図６は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その５）である。 図７は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その６）である。 図８は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その７）である。 図９は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その８）である。 図１０は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その９）である。 図１１は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１０）である。 図１２は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１１）である。 図１３は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１２）である。 図１４は、第１実施形態において、ダイシングにより得られた複数の撮像素子の平面図である。 図１５は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの斜視図である。 図１６は、第１実施形態に係る赤外線イメージセンサの動作について説明するための画素領域における画素の拡大断面図である。 図１７は、第１実施形態における第１の受光層と第２の受光層の拡大断面図である。 図１８は、第１実施形態において、第３の障壁層にBeをドープした場合の不純物とキャリアの各々の濃度プロファイルを示す図であ 図１９は、第１実施形態におけるシミュレーションで使用したモデルの断面図とキャリアプロファイルである。 図２０は、第１実施形態と比較例の各々のI−V特性をシミュレーションして得られたグラフである。 図２１は、第１実施形態と比較例の各々について、コレクタ電圧の絶対値とコレクタ電流の絶対値との関係についてシミュレーションして得られたグラフである。 図２２は、第１実施形態に係る撮像素子の各層の材料と不純物のバリエーションについて説明するための図である。 図２３は、第１実施形態に係るInP/InGaAs系の撮像素子の不純物とキャリアの各々の濃度プロファイルを示す図である。 図２４（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その１）である。 図２５（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その２）である。 図２６は、第２実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図（その３）である。 図２７は、第２実施形態における第１の受光層と第２の受光層の拡大断面図である。 図２８は、第２実施形態において、障壁層にBeをドープした場合の不純物とキャリアの各々の濃度プロファイルを示す図である。 図２９は、第２実施形態に係る撮像素子の各層の材料と不純物のバリエーションについて説明するための図である。 図３０は、第２実施形態に係るInP/InGaAs系の撮像素子の不純物とキャリアの各々の濃度プロファイルを示す図である。 図３１は、第３実施形態に係る撮像システムの構成図である。
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が調査した事項について説明する。
図１は、その調査に使用した赤外線検出器の断面図である。
この赤外線検出器１は、QWIPであって、基板２の上に下部コンタクト層３、第１の受光層４、中間コンタクト層５、第２の受光層６、及び上部コンタクト層７をこの順に形成してなる。
このうち、基板２としては、例えば半絶縁性のGaAs基板が使用される。また、下部コンタクト層３、中間コンタクト層５、及び上部コンタクト層７は、いずれもn型のGaAs層であり、各々の端部にはそれぞれエミッタ電極１１、１２とコレクタ電極１３が設けられる。
一方、第１の受光層４と第２の受光層６は、いずれも障壁層１４と量子井戸層１５とが交互に複数積層された量子井戸構造を有する。この例では、障壁層１４としてAlGaAs層を形成する。また、キャリア（電子）を生成するためのn型不純物としてSi（シリコン）を障壁層１４にその成膜と同時にドープする。一方、量子井戸層１５は、不純物がドープされていないi型のGaAs層である。
このような赤外線検出器１においては、直流電源１６によりコレクタ電極１３に正電圧を印加し、かつ各コレクタ電極１１、１２に負電圧を印加することにより、各受光層４、６に向きが逆で同じ大きさのバイアス電圧を印加する。これにより各受光層４、６を電気的に並列に接続したのと等価な構成が得られる。
そして、この状態で基板２から赤外線IRが入射することで、各受光層４、６にキャリアが発生し、各受光層４、６の各々に流れる電流I1、I2を合計した電流Iがコレクタ電極１３を流れるようになる。
このとき、前述のように障壁層１４と量子井戸層１５の積層数を増やしてキャリアを増やしても、量子井戸層１５で再捕獲されるキャリアも増えるため、各受光層４、６の感度はある積層数で飽和してしまう。そのため、この例では、各受光層４、６における障壁層１４と量子井戸層１５の積層数を感度が飽和する積層数よりも少なくする。
これにより、感度が飽和する前の各電流I1、I2を合計してなる電流Iを得ることができ、赤外線検出器１の高感度化を実現できる。
ここで、障壁層１４と量子井戸層１５との積層数が第１の受光層４と第２の受光層６とで同じ場合に、これらの受光層４、６に同一の大きさのバイアス電圧を印加したときには、これらの受光層４、６を流れる電流I1、I2の値は同じになるはずである。本願発明者の試算によれば、このように各電流I1、I2の値が同じになる場合には、感度が飽和した第１の受光層４や第２の受光層６の一方のみを形成する場合と比較して電流IのS/N比が１．２倍に向上する。
しかしながら、本願発明者が検討したところ、各受光層４、６に同一の大きさのバイアス電圧を印加しても電流I1は電流I2よりも小さくなり、両者が等しい場合と比較して電流Iが減少してしまうことが明らかとなった。
これは、障壁層１４のSiを取り込みながらその上に量子井戸層１５が成長することで、量子井戸層１５の上面１５ａ付近の障壁層１４においては、下面１５ｂ付近よりもSiの濃度が高くなるためと考えられる。これにより、量子井戸層１５の上下においてSiの濃度が非対称となり、上面１５ａと下面１５ｂとでフェルミレベルが異なるようになる。その結果、基板上方向に流れるキャリアと基板下方向に流れるキャリアとの間で実効的なバリア高さに差が生じ、前述のように電流I1が電流I2よりも小さくなると考えられる。
このように電流I1が小さくなると、電流I1と電流I2とを合計してなる電流Iも小さくなり、赤外線検出器１の感度を十分に高めるのが難しくなる。
以下に、各実施形態について説明する。
（第１実施形態）
本実施形態に係る赤外線イメージセンサについて、その製造工程を追いながら説明する。
図２〜図１３は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図である。
なお、図２〜図１３においては、複数の画素が形成される画素領域Iと、画素領域Iの周辺の周辺領域IIの各断面を併記する。また、以下では、量子井戸層にGaAs層を使用し、障壁層にAlGaAs層を使用するGaAs/AlGaAs系のQWIPについて説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、基板２０として半絶縁性のGaAs基板を用意し、その基板２０を不図示の固体ソース分子線エピタキシー（SS-MBE: Solid Source - Molecular Beam Epitaxy）装置に入れて昇温する。基板２０の面方位は特に限定されないが、この例では基板２０の表面を（００１）面とする。
そして、昇温に伴って基板２０からAs（ヒ素）原子が脱離するのを防止するために、基板温度が４００℃となった時点で基板２０の表面にAsビームを照射する。その後、基板２０にAsビームを照射しながら昇温を更に続けることで基板２０の表面のGaAs酸化膜を解離させて除去する。GaAs酸化膜の解離は基板温度が６００℃程度となった時点で開始し、基板温度が６２０℃の状態を２０分程度維持することでGaAs酸化膜が略完全に解離する。
次いで、基板温度を６００℃とする条件で基板２０にAsとGa（ガリウム）の各々のビームを照射することにより、基板２０の上にバッファ層２１としてGaAs層を５００nm程度の厚さに形成する。
その後に、基板温度が６００℃の状態を維持しながら、基板２０にAs、Ga、及びSiの各ビームを照射することでSiがドープされたGaAs層を１０００nm程度の厚さに形成し、そのGaAs層をn型の下部コンタクト層２２とする。
下部コンタクト層２２にドープするn型不純物の濃度は特に限定されないが、この例ではn型不純物としてSiを１．０×１０１８cm-3の濃度にドープする。
続いて、図２（ｂ）に示す工程について説明する。
まず、前述のSS-MBE装置を引き続き使用しながら、基板温度が６００℃の状態を維持する。そして、この状態で下部コンタクト層２２の表面にAl（アルミニウム）、Ga、及びAsの各々のビームを照射することにより、第１の障壁層２３として不純物を含まないi型のAl0.25Ga0.75As層を２０nm程度の厚さに形成する。
更に、その第１の障壁層２３の表面に、Al、Ga、及びAsの各々のビームを照射しながら、n型不純物であるSiのビームを照射することにより、n型のAl0.25Ga0.75As層を１０nm程度の厚さに形成し、そのAl0.25Ga0.75As層を第２の障壁層２４とする。第２の障壁層２４にドープされたSiはキャリア（電子）を生成する役割を担い、この例では１．０×１０１８cm-3程度の濃度にSiをドープする。
なお、Siは第１導電型不純物の一例であり、第２の障壁層２４は第１の半導体層の一例である。
その後、Siビームの照射を停止し、第２の障壁層２４の表面にAl、Ga、及びAsの各々のビームのみを照射してi型のAl0.25Ga0.75As層を０．５nm程度の厚さに形成し、そのAl0.25Ga0.75As層を第３の障壁層２５の下層２５ａとする。
更に、この下層２５ａの表面にAl、Ga、As、及びBe（ベリリウム）の各ビームを照射し、Beが６．０×１０１７cm-3程度の濃度にドープされたp型のAl0.25Ga0.75As層を０．５nm程度の厚さに形成して、このAl0.25Ga0.75As層を第３の障壁層２５の中間層２５ｂとする。
そして、Beビームの照射を停止した後、中間層２５ｂの表面にAl、Ga、及びAsの各々のビームのみを照射することによりi型のAl0.25Ga0.75As層を１９nm程度の厚さに形成し、このAl0.25Ga0.75As層を第３の障壁層２５の上層２５ｃとする。
第３の障壁層２５は第２の半導体層の一例であって、その中間層２５ｂにドープされたp型不純物のBeは、n型不純物であるSiを補償する第２導電型不純物の一例である。
ここまでの工程により、第１〜第３の障壁層２３〜２５を順に積層してなる障壁層２６が得られる。
次に、前述のSS-MBE装置内においてAlの照射を停止した後、障壁層２６の表面にGaとAsの各々のビームを照射することにより、量子井戸層２７としてi型のGaAs層を１０nm程度の厚さに形成する。
この後は、上記した障壁層２６と量子井戸層２７とを交互に複数積層することにより第１の受光層３１を形成する。第１の受光層３１における障壁層２６と量子井戸層２７の積層数は特に限定されないが、この例では障壁層２６と量子井戸層２７の各々をそれぞれ３０層程度積層する。
続いて、図３（ａ）に示すように、前述のSS-MBE装置内で基板温度を６００℃に維持しつつ、第１の受光層３１の表面にGa、As、及びSiの各々のビームを照射し、中間コンタクト層３２としてn型のGaAs層を１０００nm程度の厚さに形成する。その中間コンタクト層３２におけるSiの濃度は、例えば１．０×１０１８cm-3程度とする。
次いで、図３（ｂ）に示すように、第１の受光層３１を形成したのと同じ工程を行うことにより、中間コンタクト層３２の上に第２の受光層３３を形成する。その第２の受光層３３の層構造は第１の受光層３１と同一であって、障壁層２６と量子井戸層２７の各々をそれぞれ３０層程度積層することにより第２の受光層３３を形成する。
次に、図４に示すように、前述のSS-MBE装置内で基板温度を６００℃に維持し、つつ、第２の受光層３３の表面にGa、As、及びSiの各々のビームを照射してn型のGaAs層を１０００nm程度の厚さに形成し、そのGaAs層を上部コンタクト層３４とする。
この後に、SS-MBE装置から基板２０を取り出す。
ここまでの工程により、各コンタクト層２２、３２、３４と各受光層３１、３３とが交互に積層された構造が完成する。これらのうち、第１の受光層３１と第２の受光層３３は、量子井戸層２７内のサブバンド間の光吸収を利用してキャリアを発生させる層である。そして、各コンタクト層２２、３２、３４は、各受光層３１、３３で発生したキャリアを外部に取り出すための層である。
続いて、図５に示すように、上部コンタクト層３４の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像して第１のレジスト層３６を形成する。
そして、第１のレジスト層３６をマスクにしながら、上部コンタクト層３４から第１の受光層３１までをドライエッチングし、これらの各層に素子分離溝３７を形成する。
このドライエッチングではCF4ガスがエッチングガスとして使用され、素子分離溝３７により複数の画素３８が画定される。各々の画素３８は平面視で正方形状であり、その一辺の長さは５０μm程度である。
更に、このドライエッチングでは、下部コンタクト層２２に至る深さの第１のコンタクトホール３９が各画素３８に形成される。
この後に、第１のレジスト層３６は除去される。
次いで、図６に示すように、基板２０の上側全面にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、各画素３８の上に開口４０ａを備えた第２のレジスト層４０を形成する。
そして、CF4ガスをエッチングガスに使用しながら、開口４０ａを通じて第２の受光層３３と上部コンタクト層３４の各々をドライエッチングし、中間コンタクト層３２に至る深さの第２のコンタクトホール４１を画素領域Iに形成する。なお、周辺領域IIには第２のコンタクトホール４１は形成されない。
このドライエッチングを終了後、第２のレジスト層４０は除去される。
続いて、図７に示すように、基板２０の上側全面にCVD(Chemical Vapor Deposition)法でパシベーション層４２としてSiO2層を１００nm程度の厚さに形成する。そのパシベーション層４２により、素子分離溝３７とホール３９、４１の各々の内面、及び上部コンタクト層３４の上面が覆われる。
次に、図８に示すように、パシベーション層４２の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、開口４４ａ〜４４ｃを備えた第３のレジスト層４４を形成する。これらの開口４４ａ〜４４ｃのうち、開口４４ａ、４４ｂはそれぞれ第１及び第２のコンタクトホール３９、４１に重なる位置に形成される。また、開口４４ｃは、各画素３８において第１のコンタクトホール３９寄りの部位に形成される。
そして、緩衝フッ酸をエッチング液として使用しながら、各開口４４ａ〜４４ｃを通じてその下のパシベーション層４２をウエットエッチングすることにより、パシベーション層４２に開口４２ａ〜４２ｃを形成する。
その後、第３のレジスト層４４は除去される。
続いて、図９に示すように、基板２０の上側全面にスパッタ法で金属積層膜を形成し、更にリフトオフ法でその金属積層膜をパターニングすることにより、画素領域Iにおける第１及び第２のコンタクトホール３９、４１内にそれぞれ第１の電極４６ａと第２の電極４６ｂを形成する。その金属積層膜として、例えばチタン層、プラチナ層、及び金層をこの順に形成する。
なお、周辺領域IIにおいては第１の電極４６ａのみが形成され、第２の電極４６ｂは形成されない。
また、上記の電極のうち、第１の電極４６ａは、パシベーション層４２の開口４２ａと４２ｃの各々を通じて下部コンタクト層２２と上部コンタクト層３４の各々と電気的に接続されており、これらのコンタクト層２２、３４同士を電気的に接続する。
一方、第２の電極４６ｂは、パシベーション層４２の開口４２ｂを通じて中間コンタクト層３２と電気的に接続される。
次いで、図１０に示すように、画素領域Iに絶縁層４８としてCVD法でSiO2層を形成し、更にその絶縁層４８をパターニングして第１の電極４６ａの上面と側面のみに残す。なお、周辺領域IIにおける第１の電極４６ａは、絶縁層４８で覆われずに露出した状態とする。
そして、図１１に示すように、画素領域Iにおける第２の電極４６ｂと周辺領域IIにおける第１の電極４６ａの各々の上に端子４９として蒸着法でインジウム層を形成する。
この後は、基板２０をダイシングして個片化することにより、複数の撮像素子５０を得る。
図１４は、ダイシングにより得られた複数の撮像素子５０の平面図である。
撮像素子５０は、複数の画素３８がアレイ状に配列されたFPA(Focal Plane Allay)チップであって、ダイシングによって一枚の基板２０から複数個の正方形状の撮像素子５０が切り出される。
一つの撮像素子５０における画素３８の個数は特に限定されないが、この例では２５６×２５６個の画素３８を一つの撮像素子５０に設ける。この場合、各画素３８の面積の合計値は１５．３６mm×１５．３６mmとなる。また、各々の画素３８は、赤外線を検出する赤外線検出器として機能する。
次に、図１２に示すように、前述の撮像素子５０とは別に回路素子６０を用意する。
回路素子６０には後述の読み出し回路が予め形成されており、その読み出し回路によって各画素３８の出力が読み出される。このように読み出し回路を備えた半導体素子はROIC(Read-Out Integrated Circuit)チップとも呼ばれる。
その回路素子６０は、シリコン基板６１とその表面に形成された電極パッド６２とを有する。このうち、電極パッド６２は、例えば銅めっき膜をパターニングすることにより形成され、その上には端子４９としてインジウム層が蒸着法により形成される。
そして、撮像素子５０の上に回路素子６０を配し、これらの素子の端子４９同士を対向させる。
次いで、図１３に示すように、上下の端子４９同士を当接させた後にこれらの端子４９をリフローしてバンプ状にし、その端子４９で撮像素子５０に回路素子６０を接続する。
リフロー時の温度は特に限定されないが、この例では端子４９の材料であるインジウムの融点（１５６．４℃）よりも高い１６０℃程度の温度に端子４９を加熱する。
以上により、本実施形態に係る赤外線イメージセンサ７０の基本構造が完成する。
図１５は、この赤外線イメージセンサ７０の斜視図である。
図１５に示すように、撮像素子５０と回路素子６０の各々は複数の端子４９で互いに接続される。
図１６は、この赤外線イメージセンサ７０の動作について説明するための画素領域Iにおける画素３８の拡大断面図である。
実使用下においては、回路素子６０（図１３参照）を介して直流電源６５の正電圧を第２の電極４６ｂに印加し、その正電圧を中間コンタクト層３２に印加する。これと共に、直流電源６５の負電圧を周辺領域IIの第１の電極４６ａ（図１３参照）に印加し、その負電圧を下部コンタクト層２２に印加する。
これにより、第１の受光層３１と第２の受光層３３の各々に大きさが同じで向きが逆のバイアス電圧が印加され、この状態で基板２０から赤外線IRが入射することで各受光層３１、３３にキャリア（電子）が発生し、各受光層３１、３３に電流I1、I2が流れる。
そして、各電流I1、I2を合計してなる電流Iが周辺領域IIの第１の電極４６ａ（図１３参照）から回路素子６０に読み出され、回路素子６０においてその電流Iが画素毎に増幅される。
図１７は、本実施形態における第１の受光層３１と第２の受光層３２の拡大断面図である。
図１７に示すように、本実施形態では、第２の障壁層２４にn型不純物としてSiをドープし、そのSiによってキャリア（電子）を生成する。そして、第３の障壁層２５において第２の障壁層２４寄りの部位に、Siとは反対導電型のBeがドープされたp型の中間層２５ｂを形成する。
なお、障壁層２６における第２の障壁層２４の位置は特に限定されない。この例では、障壁層２６の下面２６ｘと第２の障壁層２４の下面２４ｘとの第１の間隔ΔP1と、障壁層２６の上面２６ｙと第２の障壁層２４の上面２４ｙとの第２の間隔ΔP2とを等しくする。
図１８は、このように第３の障壁層２５にBeをドープした場合の不純物とキャリアの各々の濃度プロファイルを示す図であって、その横軸は第１の障壁層２３の下面を基準にした高さ方向の位置を示す。また、図１８の縦軸は、膜中におけるp型不純物（Be）、n型不純物（Si）、及びキャリア（電子）の各々の濃度を示す。
図１８に示すように、第２の障壁層２４にSiをドープしたことにより、第３の障壁層２５がそのSiを取り込みながら第２の障壁層２４の上に成長し、n型不純物のプロファイルが第３の障壁層２５側に拡がるようになる。
このように第３の障壁層２５側に拡散したSiは、第３の障壁層２５にドープしたBeによって補償される。これにより、第３の障壁層２５におけるキャリア濃度が低減するため、第２の障壁層２４の上下におけるキャリア濃度の非対称性を解消することができる。
特に、この例では、Beのピーク濃度が第３の障壁層２５の下面２５ｘ寄りに位置するため、下面２５ｘ付近に高濃度に拡散したSiをBeで効果的に補償でき、キャリア濃度の非対称性を解消するのが容易となる。
キャリア濃度に非対称性が生じていると前述のように電流I1（図１６参照）が電流I2よりも小さくなるが、このように非対称性が解消されることで電流I1が電流I2と同程度にまで高まり、両者を合計してなる電流Iを高めて高感度化を実現することができる。
特に、この例では、図１７のように不純物を含まないi型の下層２５ａによってp型の中間層２５ｂが第２の障壁層２４から隔てられており、p型の中間層２５ｂに含まれるBeが第２の障壁層２４に拡散し難くなる。その結果、第２の障壁層２４におけるキャリア濃度が不必要に低減するのを防止しながら、第３の障壁層２５におけるSiをBeで効果的に補償することができるようになる。
しかも、図１７のように各間隔ΔP1、ΔP2を等しくしたことで、Siを含む第２の障壁層２４が上下の量子井戸層２７の各々から等距離だけ離れるようになる。そのため、基板上方向に流れるキャリアと基板下方向に流れるキャリアの各々が感じるポテンシャルに差が生じ難くなり、各電流I1、I2の値にも差が発生し難くなる。
本願発明者は、本実施形態において各電流I1、I2が同程度の値になることを確かめるために以下のようなシミュレーションを行った。
図１９は、そのシミュレーションで使用したモデルの断面図とキャリアプロファイルである。
図１９に示すように、このモデルSは、コレクタ電極６５の上に下部コンタクト層６６としてn型のGaAs層を形成し、その上に障壁層２６と量子井戸層２７とを交互に複数積層した。その積層数は、障壁層２６と量子井戸層２７のそれぞれについて３層とした。
そして、最上層の障壁層２６の上に上部コンタクト層６７としてn型のGaAs層を形成し、その上にエミッタ電極６８を形成した。
また、キャリアプロファイルは、非対称性なし（本実施形態C1）と非対称性あり（比較例C2）の二つを用意した。
このうち、本実施形態C1は、上記のように第３の障壁層２５にBeをドープして第２の障壁層２４の上下でキャリア濃度が対称となったキャリアプロファイルである。
一方、比較例C2は、第３の障壁層２５にBeをドープしない場合のキャリアプロファイルであり、第２の障壁層２４を中心にしてキャリア濃度が非対称となっている。その非対称性を表すために、比較例C2においては、第２の障壁層２４の下方へのキャリアの拡がりΔM1を０．５nmとし、第２の障壁層２４の上方への拡がりΔM2をこれよりも大きな３．８nmとした。
図２０は、本実施形態C1と比較例C2の各々のI−V特性をシミュレーションして得られたグラフであって、その横軸はコレクタ電圧を表し、縦軸はコレクタ電流を表す。
なお、コレクタ電圧は、エミッタ電極６８の電位を基準にしたときのコレクタ電極６５の電位として定義され、以下ではコレクタ電圧が正の場合を正バイアスと呼び、コレクタ電圧が負の場合を負バイアスと呼ぶ。また、コレクタ電流は、コレクタ電極６５とエミッタ電極６８との間を流れる電流である。
図２０に示すように、本実施形態C1と比較例C2の各々のグラフは完全には一致しておらず、正バイアスと負バイアスのいずれの場合でもコレクタ電圧の絶対値が大きくなると各グラフの差が顕著となる。
図２１は、本実施形態C1と比較例C2の各々について、コレクタ電圧の絶対値とコレクタ電流の絶対値との関係についてシミュレーションして得られたグラフである。
図２１に示すように、比較例C2においては、コレクタ電圧の絶対値が同じであっても、正バイアスと負バイアスの場合とでコレクタ電流に１．６％程度の差が生じている。
一方、本実施形態においては、正バイアスと負バイアスの場合とでコレクタ電流に差がほとんど生じていない。
このことから、本実施形態のように第３の障壁層２５に取り込まれたSiをBeで補償することが電流I1を電流I2と同程度にまで高めて両者の差を解消するのに有効であることが確認できた。そして、このように各電流I1、I2の値が同程度になることで、感度が飽和した第１の受光層３１や第２の受光層３３の一方のみを形成する場合と比較して電流IのS/N比が１．２倍に向上することが期待できる。
以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態は上記に限定されない。
図２２は、本実施形態に係る撮像素子５０の各層の材料と不純物のバリエーションについて説明するための図である。
図２２に示すように、撮像素子５０には、上記したGaAs/AlGaAs系の他に、InP/InGaAs系の素子もある。
そのInP/InGaAs系の素子においては、量子井戸層２７を除いた各層をInPで形成すると共に、量子井戸層２７をIn0.53Ga0.47Asで形成する。この場合においても、第２の障壁層２４にドープした不純物とは反対導電型の不純物を中間層２５ｂにドープすることにより、上記と同様にして電流I1と電流I2とを同程度にすることができ、撮像素子５０の感度を高めることができる。
また、上記ではキャリアが電子となる場合を例にして説明したが、撮像素子５０のキャリアを正孔にしてもよい。この場合は、下部コンタクト層２２、第２の障壁層２４、中間コンタクト層３２、及び上部コンタクト層３４の各々にp型不純物としてZn（亜鉛）、Be、及びC（炭素）のいずれかをドープし、中間層２５ｂにn型不純物としてSiをドープすればよい。これについてはInP/InGaAs系の撮像素子５０においても同様である。
図２３は、InP/InGaAs系の撮像素子５０の不純物とキャリアの各々の濃度プロファイルを示す図である。なお、この例では電子がキャリアとなる場合を想定しており、図２３の横軸と縦軸は図１８におけるのと同一である。また、第３の障壁層２５の中間層２５ｂにドープするp型不純物としてCを採用した。
この場合も、図１８におけるのと同様に、第３の障壁層２５側に拡がったn型不純物（Si）が第３の障壁層２５にドープしたp型不純物（C）によって補償され、第２の障壁層２４の上下におけるキャリア濃度の非対称性を解消することができる。
（第２実施形態）
第１実施形態では、図１７を参照して説明したように、キャリア（電子）を生成するためのSiを第２の障壁層２４にドープした。
これに対し、本実施形態では、以下のようにしてキャリア（電子）を生成するためのSiを量子井戸層にドープする。
図２４〜図２６は、本実施形態に係る赤外線イメージセンサの製造途中の断面図である。なお、図２４〜図２６において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
また、以下では、第１実施形態と同様にGaAs/AlGaAs系のQWIPについて説明する。
まず、第１実施形態の図２（ａ）の工程を行うことにより、図２４（ａ）に示すように、SS-MBE装置を用いて基板２０の上にバッファ層２１と下部コンタクト層２２とをこの順に形成する。
次に、図２４（ｂ）に示すように、前述のSS-MBE装置を引き続き使用しながら、バリア層２６と量子井戸層２７の各々を３０層づつ交互に複数形成し、これらの積層膜を第１の受光層３１とする。
バリア層２６と量子井戸層２７の成長条件は特に限定されない。この例では、バリア層２６の表面にGaとAsの各々のビームを照射しながらn型不純物であるSiのビームを照射することにより、量子井戸層２７としてn型のGaAs層を１０nm程度の厚さに形成する。なお、本実施形態では量子井戸層２７が第１の半導体層の一例となる。
量子井戸層２７にドープされたSiは、第１導電型不純物の一例であって、キャリア（電子）を生成する役割を担う。この例では、Siを１．０×１０１８cm-3程度の濃度に量子井戸層２７にドープする。
一方、バリア層２６は、第２の半導体層の一例であって、下層２６ａ、中間層２６ｂ、及び上層２６ｃをこの順に形成してなる。このうち、下層２６ａは、量子井戸層２７の表面にAl、Ga、及びAsの各ビームを照射することにより形成された厚さが０．５nm程度のi型のAl0.25Ga0.75As層である。
そして、その下層２６ａの表面にAl、Ga、及びAsの各々のビームを照射しながらp型不純物であるBeのビームを照射することにより、中間層２６ｂとしてp型のAl0.25Ga0.75As層が０．５nm程度の厚さに形成される。
本実施形態ではその中間層２６ｂにドープされたBeが第２導電型不純物の一例となる。
更に、中間層２６ｂの表面にAl、Ga、及びAsの各々のビームを照射することにより、上層２６ｃとしてi型のAl0.25Ga0.75As層が１９nm程度の厚さに形成される。
次に、図２５（ａ）に示すように、前述のSS-MBE装置を引き続き使用しながら、第１の受光層３１の表面にGa、As、及びSiの各々のビームを照射し、中間コンタクト層３２としてn型のGaAs層を１０００nm程度の厚さに形成する。その中間コンタクト層３２におけるSiの濃度は、例えば１．０×１０１８cm-3程度とする。
次いで、図２５（ｂ）に示すように、第１の受光層３１を形成したのと同じ工程を行うことにより、中間コンタクト層３２の上に第２の受光層３３を形成する。その第２の受光層３３の層構造は第１の受光層３１と同一であって、障壁層２６と量子井戸層２７の各々をそれぞれ３０層程度積層することにより第２の受光層３３を形成する。
この後は、第１実施形態で説明した図５〜図１３と同じ工程を行うことにより、図２６に示す本実施形態に係る赤外線イメージセンサ７０の基本構造を完成させる。
図２７は、本実施形態における第１の受光層３１と第２の受光層３２の拡大断面図である。
図２７に示すように、本実施形態では、量子井戸層２７にn型不純物としてSiをドープし、そのSiによってキャリア（電子）を生成する。そして、障壁層２６において量子井戸層２７寄りの部位に、Siとは反対導電型のBeがドープされたp型の中間層２６ｂを形成する。
図２８は、このように障壁層２６にBeをドープした場合の不純物とキャリアの各々の濃度プロファイルを示す図であって、その横軸は障壁層２６の下面を基準にした高さ方向の位置を示す。また、図２８の縦軸は、膜中におけるp型不純物（Be）、n型不純物（Si）、及びキャリア（電子）の各々の濃度を示す。
図２８に示すように、量子井戸層２７にSiをドープしたことにより、障壁層２６がそのSiを取り込みながら量子井戸層２７の上に成長し、n型不純物のプロファイルが量子井戸層２７からその上の障壁層２６側に拡がるようになる。
このように障壁層２６側に拡散したSiは、障壁層２６にドープしたBeによって補償されるため、障壁層２６におけるキャリア濃度が低減し、量子井戸層２７の上下におけるキャリア濃度の非対称性を解消することができる。
しかも、この例では、Beのピーク濃度が障壁層２６の下面２６ｘ寄りに位置するため、下面２６ｘ付近に高濃度に拡散したSiをBeで効果的に補償できる。
これにより、第１実施形態と同様に電流I1（図１６参照）を電流I2と同程度にまで高めることができ、両者を合計してなる電流Iを高めて赤外線イメージセンサ７０の高感度化を実現することができる。
しかも、本実施形態ではキャリアを生成するためのSiを量子井戸層２７にドープしたため、量子井戸層２７のサブバンド内に確実にキャリアを発生させることができるようになる。
以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態は上記に限定されない。
図２９は、本実施形態に係る撮像素子５０の各層の材料と不純物のバリエーションについて説明するための図である。
第１実施形態と同様に、撮像素子５０には、上記したGaAs/AlGaAs系の他に、InP/InGaAs系の素子もある。
そのInP/InGaAs系の素子においては、量子井戸層２７を除いた各層をInPで形成すると共に、量子井戸層２７をIn0.53Ga0.47Asで形成する。この場合においても、量子井戸層２７にドープした不純物とは反対導電型の不純物を中間層２６ｂにドープすることにより電流I1と電流I2とを同程度にすることができ、撮像素子５０の感度を高めることができる。
更に、本実施形態ではキャリアが電子となる場合を例にして説明したが、撮像素子５０のキャリアを正孔にしてもよい。この場合は、下部コンタクト層２２、量子井戸層２７、中間コンタクト層３２、及び上部コンタクト層３４の各々にp型不純物としてZn、Be、及びCのいずれかをドープし、中間層２６ｂにn型不純物としてSiをドープすればよい。これについてはInP/InGaAs系の撮像素子５０においても同様である。
図３０は、本実施形態に係るInP/InGaAs系の撮像素子５０の不純物とキャリアの各々の濃度プロファイルを示す図である。なお、この例では電子がキャリアとなる場合を想定しており、図３０の横軸と縦軸は図２８におけるのと同一である。また、障壁層２６の中間層２６ｂにドープするp型不純物としてCを採用した。
この場合も、図２８におけるのと同様に、量子井戸層２７の上方に拡散したn型不純物（Si）が障壁層２６にドープしたp型不純物（C）によって補償され、量子井戸層２７の上下におけるキャリア濃度の非対称性を解消することができる。
（第３実施形態）
本実施形態では、第１及び第２実施形態で説明した赤外線イメージセンサを備えた撮像システムについて説明する。
図３１は、本実施形態に係る撮像システムの構成図である。
なお、図３１において、第１及び第２実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
図３１に示すように、この撮像システム１００は、撮像レンズ１０１と、その後段に設けられたイメージセンサ７０とを備える。
このうち、撮像レンズ１０１は、撮像対象の赤外像を得るためのレンズであって、その焦点面にイメージセンサ７０が設けられる。
イメージセンサ７０は容器１０２に収容されており、その容器１０２の開口部に設けられた赤外線透過窓１０３を介して赤外線IRを受光する。
容器１０２内にはコールドフィンガ１０４と冷却ヘッド１０５とが設けられる。コールドフィンガ１０４は、不図示のペルチェ素子等の冷却デバイスに接続されており、これにより冷却ヘッド１０５を介してイメージセンサ７０を冷却し、イメージセンサ７０に発生するノイズを低減する。
なお、イメージセンサ７０の周囲の冷却ヘッド１０５にはコールドシールド１０６が立設されており、迷光がイメージセンサ７０に入るのをコールドシールド１０６で防止できる。
このような撮像システム１００によれば、第１及び第２実施形態で説明したように、イメージセンサ７０が備える撮像素子６０の感度が高められているため、被写体から発せられる赤外線が微弱であっても撮像システム１００で鮮明な赤外像を得ることができる。
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 基板と、
前記基板の上に形成された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量子井戸構造を有する第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量子井戸構造を有する第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の受光層と前記第２の受光層の各々は、
第１導電型不純物がドープされた第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に形成され、前記第１導電型不純物を補償する第２導電型不純物がドープされた第２の半導体層とを有することを特徴とする赤外線検出器。
（付記２） 前記第１の受光層と前記第２の受光層の各々は、前記量子井戸構造を形成する量子井戸層と障壁層とを有し、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の各々は、前記障壁層の一部の層であることを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。
（付記３） 前記障壁層の下面と前記第１の半導体層の下面との第１の間隔と、前記障壁層の上面と前記第１の半導体層の上面との第２の間隔とが等しいことを特徴とする付記２に記載の赤外線検出器。
（付記４） 前記第１の受光層と前記第２の受光層の各々は、前記量子井戸構造を形成する量子井戸層と障壁層とを有し、
前記第１の半導体層は前記量子井戸層であり、前記第２の半導体層は前記障壁層であることを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。
（付記５） 前記第２導電型不純物のピーク濃度は、前記第２の半導体層の下面寄りに位置することを特徴とする付記１乃至付記４のいずれかに記載の赤外線検出器。
（付記６） 前記第１導電型不純物が前記第２の半導体層に拡散していることを特徴とする付記１乃至付記５のいずれかに記載の赤外線検出器。
（付記７） 平面内に間隔をおいて複数形成された画素を備え、
前記画素は、
基板と、
前記基板の上に形成された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量子井戸構造を有する第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量子井戸構造を有する第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の受光層と前記第２の受光層の各々は、
第１導電型不純物がドープされた第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に形成され、前記第１導電型不純物を補償する第２導電型不純物がドープされた第２の半導体層とを有することを特徴とする撮像素子。
（付記８） 撮像レンズと、
前記撮像レンズの後段に設けられ、平面内に間隔をおいて配列された複数の画素を有する撮像素子とを備え、
前記画素は、
基板と、
前記基板の上に形成された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量子井戸構造を有する第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量子井戸構造を有する第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の受光層と前記第２の受光層の各々は、
第１導電型不純物がドープされた第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に形成され、前記第１導電型不純物を補償する第２導電型不純物がドープされた第２の半導体層とを有することを特徴とする撮像システム。
（付記９） 基板の上に下部コンタクト層を形成する工程と、
前記下部コンタクト層の上に、量子井戸構造を有する第１の受光層を形成する工程と、
前記第１の受光層の上に中間コンタクト層を形成する工程と、
前記中間コンタクト層の上に、量子井戸構造を有する第２の受光層を形成する工程と、
前記第２の受光層の上に上部コンタクト層を形成する工程とを有し、
前記第１の受光層を形成する工程と前記第２の受光層を形成する工程の各々は、
第１導電型不純物がドープされた第１の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層の上に、前記第１導電型不純物を補償する第２導電型不純物がドープされた第２の半導体層を形成する工程とを有することを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
（付記１０） 前記第２の半導体層を形成する工程は、
前記第１の半導体層の上に、不純物がドープされていない前記第２の半導体層の下層を形成する工程と、
前記下層の上に、前記第２導電型不純物がドープされた中間層を形成する工程とを有することを特徴とする付記９に記載の赤外線検出器の製造方法。
１…赤外線検出器、２…基板、３…下部コンタクト層、４…第１の受光層、５…中間コンタクト層、６…第２の受光層、７…上部コンタクト層、１１、１２…エミッタ電極、１３…コレクタ電極、１４…障壁層、１５…量子井戸層、１５ａ…上面、１５ａ…下面、１６…直流電源、２０…基板、２１…バッファ層、２２…下部コンタクト層、２３…第１の障壁層、２４…第２の障壁層、２５…第３の障壁層、２５ａ…下層、２５ｂ…中間層、２５ｃ…上層、２６…障壁層、２６ａ…下層、２６ｂ…中間層、２６ｃ…上層、２７…量子井戸層、３１…第１の受光層、３２…中間コンタクト層、３３…第２の受光層、３４…上部コンタクト層、３６…第１のレジスト層、３７…素子分離溝、３８…画素、３９…第１のコンタクトホール、４０…第２のレジスト層、４０ａ…開口、４１…第２のコンタクトホール、４２…パシベーション層、４２ａ〜４２ｃ…開口、４４…第３のレジスト層、４４ａ〜４４ｃ…開口、４６ａ…第１の電極、４６ｂ…第２の電極、４８…絶縁層、４９…端子、５０…撮像素子、６０…回路素子、６１…シリコン基板、６２…電極パッド、６５…直流電源、６６…下部コンタクト層、６７…上部コンタクト層、６８…エミッタ電極、７０…赤外線イメージセンサ、１００…撮像システム、１０１…撮像レンズ、１０２…容器、１０３…赤外線透過窓、１０４…コールドフィンガ、１０５…冷却ヘッド、１０６…コールドシールド。

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板の上に形成された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量子井戸構造を有する第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量子井戸構造を有する第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の受光層と前記第２の受光層の各々は、
    第１導電型不純物がドープされた第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に形成され、前記第１導電型不純物を補償する第２導電型不純物がドープされた第２の半導体層とを有することを特徴とする赤外線検出器。
  2. 前記第１の受光層と前記第２の受光層の各々は、前記量子井戸構造を形成する量子井戸層と障壁層とを有し、
    前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の各々は、前記障壁層の一部の層であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
  3. 前記第１の受光層と前記第２の受光層の各々は、前記量子井戸構造を形成する量子井戸層と障壁層とを有し、
    前記第１の半導体層は前記量子井戸層であり、前記第２の半導体層は前記障壁層であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
  4. 平面内に間隔をおいて複数形成された画素を備え、
    前記画素は、
    基板と、
    前記基板の上に形成された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量子井戸構造を有する第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量子井戸構造を有する第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の受光層と前記第２の受光層の各々は、
    第１導電型不純物がドープされた第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に形成され、前記第１導電型不純物を補償する第２導電型不純物がドープされた第２の半導体層とを有することを特徴とする撮像素子。
  5. 撮像レンズと、
    前記撮像レンズの後段に設けられ、平面内に間隔をおいて配列された複数の画素を有する撮像素子とを備え、
    前記画素は、
    基板と、
    前記基板の上に形成された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量子井戸構造を有する第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量子井戸構造を有する第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の受光層と前記第２の受光層の各々は、
    第１導電型不純物がドープされた第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に形成され、前記第１導電型不純物を補償する第２導電型不純物がドープされた第２の半導体層とを有することを特徴とする撮像システム。
  6. 基板の上に下部コンタクト層を形成する工程と、
    前記下部コンタクト層の上に、量子井戸構造を有する第１の受光層を形成する工程と、
    前記第１の受光層の上に中間コンタクト層を形成する工程と、
    前記中間コンタクト層の上に、量子井戸構造を有する第２の受光層を形成する工程と、
    前記第２の受光層の上に上部コンタクト層を形成する工程とを有し、
    前記第１の受光層を形成する工程と前記第２の受光層を形成する工程の各々は、
    第１導電型不純物がドープされた第１の半導体層を形成する工程と、
    前記第１の半導体層の上に、前記第１導電型不純物を補償する第２導電型不純物がドープされた第２の半導体層を形成する工程とを有することを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
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