JP7314639B2 - 赤外線検出器、及びこれを用いた撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、赤外線検出器と、これを用いた撮像装置に関する。
化合物半導体基板上にエピタキシャル成長したタイプII超格子（Type II Superlattice:Ｔ２ＳＬ）は、基板と格子定数の近い異種の結晶材料を短周期で繰り返し積層して形成される。超格子に形成されるミニバンド間の遷移によって赤外線を吸収できるため、量子効率が高いという利点がある。Ｔ２ＳＬでは、超格子を形成する材料の膜厚を制御することで、カットオフ波長を変えることができる。特に、中波長赤外線（３～５μｍ）から長波長赤外線（８～１２μｍ）にかけては、比較的容易に検出対象の波長に設計することができる。
異なる波長に感度を持つ二つのＴ２ＳＬを受光層に用い、二つの受光層の間にバリア層を配置して、一つの素子で二波長の赤外光を検出する構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
図１は、公知の二波長検知素子の構成を示す。第１吸収層２０２、バリア層２０４、第２吸収層２０６、界面層２０８がこの順に配置され、第２吸収層２０６は界面層２０８によって読出しチップに接続される。光は、バンドギャップの大きい第１吸収層２０２の側から入射する。第１吸収層２０２と第２吸収層２０６に印加するバイアスの極性を切り替えることで、第１波長の光と第２波長の光が検知される。
特開２０１５－３８９７７号公報
従来の二波長検出素子の構成では、長波長側の第２吸収層で、第２波長以外の光が検知される場合がある。たとえば、背景放射、筐体からの放射など、第１波長と第２波長の間の波長の光が検知され得る。第２吸収層はまた、第１波長にも感度を持つため、第１吸収層で吸収しきれなかった第１波長の光を吸収する。ターゲット波長以外の光の吸収によってクロストークが発生し、ターゲット波長に対する信号対雑音（Ｓ／Ｎ：Signal-to-Noise）比が低下する。Ｓ／Ｎ比の低下により、各波長の光の検出信号の独立性が低下して、検出精度が低下する。
本発明は、赤外線検出器でターゲット波長に対する検出信号のＳ／Ｎ比の低下を抑制し、検出精度を向上することを目的とする。
本発明の一態様では、赤外線検出器は、
第１のカットオフ波長を有する第１受光層と、
第１のカットオフ波長よりも長い第２のカットオフ波長を有する第２受光層と、
前記第１受光層と前記第２受光層の間に配置され、前記第１のカットオフ波長と同じかそれより長く、かつ前記第２のカットオフ波長と同じかそれよりも短い第３のカットオフ波長を有する中間フィルタ層と、
前記第１受光層と前記中間フィルタ層の間に配置される第１バリア層と、
前記第２受光層と前記中間フィルタ層の間に配置される第２バリア層と、
を有する。
赤外線検出器において、検出信号のＳ／Ｎ比の低下を抑制し、検出精度を向上することができる。
従来の二波長検知素子の構成を示す模式図である。 ｐＢｐ構造の二波長検知素子のエネルギーバンド図である。 カットオフ波長型の二波長検知素子の分光感度特性を示す模式図である。 ピーク波長型の二波長検知素子の分光感度特性を示す模式図である。 実施形態の赤外線検知素子の基本構成を示す模式図である。 図５の赤外線検知素子のエネルギーバンド図である。 実施形態の素子構造の分光感度特性を示す模式図である。 従来の二波長検知素子の計算によるエネルギーバンド図である。 実施形態の素子構造の計算によるエネルギーバンド図である。 実施形態の画素アレイの作製工程図である。 実施形態の画素アレイの作製工程図である。 実施形態の画素アレイの作製工程図である。 実施形態の画素アレイの作製工程図である。 実施形態の画素アレイの作製工程図である。 実施形態の画素アレイの作製工程図である。 実施形態の画素アレイの作製工程図である。 実施形態の画素アレイを用いた赤外線検出器の模式図である。 実施形態の赤外線検出器を用いた撮像装置の模式図である。
一つの素子で二つの波長の赤外線を検出する二波長検知素子では、異なる波長で検知された信号に融合、相関等の処理を施すことで、温度分布の検出精度を高め、単一波長の赤外線センサと比較して測定精度を向上することができる。
長波長の赤外線を検知する素子はバンドギャップが小さいため、暗電流が流れやすい。暗電流を減らすため、受光素子にｐｎ接合を用いずに、ｎＢｎ、ｐＢｐといった同じ極性の受光層とバリア層を組み合わせる構成が考えられる。
図２は、ｐＢｐ構造の二波長検知素子のエネルギーバンド図である。短波長受光層と長波長受光層の間にバリア層が挿入され、バリア層は二つの受光層によって共有される。光は、エネルギーバンドギャップＥ１を有する短波長受光層側から入射する。短波長受光層で吸収された光によって発生する電子は、長波長受光層側に正バイアスを印加することで、外部に引き出される。
長波長受光層は、Ｅ１よりも小さなエネルギーバンドギャップＥ２を有し、Ｅ２で決まる波長の光を吸収する。長波長受光層で光吸収により発生する電子は、短波長受光層側に正バイアスを印加することで外部へ引き出される。
図３は、Ｔ２ＳＬの二波長検知素子の分光感度特性を示す。Ｔ２ＳＬで形成される受光層は、特定の波長以下の光を検出するカットオフ波長型の分光感度特性を有する。実線で示す短波長受光層のカットオフ波長はλ１、破線で示す長波長受光層のカットオフ波長はλ２である。この分光感度特性からわかるように、長波長受光層では、背景や筐体等から放射されるλ１とλ２の間の波長の光も検知される。また、長波長受光層はλ１より波長の短い光にも感度を持つため、短波長受光層で吸収されなかったλ１より波長の短い光も長波長受光層で吸収される。
これらの余分な光の検出信号が長波長受光層の検出信号に混入すると、クロストークが発生し、Ｓ／Ｎ比が低下する。この問題は、図４のようなピーク波長型の分光感度特性を有する量子井戸型または量子ドット型の素子では生じなかった問題である。
図４では、量子井戸内または量子ドット内の離散的なエネルギー準位間の遷移によって光吸収に応じた光電流が流れる。基底準位と励起準位の間のエネルギー差を設計することで、ターゲット波長にピークを持つ分光感度特性が得られる。
これに対し、Ｔ２ＳＬでは、異なる二つ以上の結晶材料が短周期で繰り返し積層され、その超格子に対応した電子とホールのミニバンドが形成される。ミニバンド間の最も小さいエネルギー差よりも大きいエネルギーの光が吸収されるので、図３のようにカットオフ波長型の分光感度特性となる。図４のピーク波長型の分光感度特性を持つ素子ではクロストークの影響は少ないが、量子効率と波長感度の制御性の良さから、Ｔ２ＳＬを利用した赤外線検出器が望ましい。
図２に戻って、二つの受光層の間に配置されるバリア層は、多数キャリア、あるいは表面リーク成分の移動を抑制するために、十分な膜厚を持つことが望ましいが、バリア層を厚くするのが難しいという問題もある。ｐＢｐ構造やｎＢｎ構造では、二つの受光層とバリア層の極性は同じに設定される。バンドギャップの大きいバリア層が厚くなると、ｐＢｐ構造の場合は、伝導帯にΔＥで示すバンドオフセットが生じる。ｎＢｎ構造の場合は、図２と逆に、バリア層の伝導帯が図の上側に突出して、価電子帯にバンドオフセットが生じる。
図２のように、少数キャリアに対するバンドオフセットが生じると、受光層で生じたキャリアを引き抜くために印加するバイアス電圧が大きくなり、暗電流が増加して、Ｓ／Ｎ比が劣化する。クロストークの影響、印加バイアスの増大などによるＳ／Ｎ比の低下を解決して、測定精度の高い赤外線検出器を実現することが望まれる。
以下の実施形態では、バリア層を２層以上のサブバリア層に分割し、サブバリア層の間に、第１のカットオフ波長以上、かつ第２のカットオフ波長以下のカットオフ波長を有するフィルタ層を挿入することで、二波長型の赤外線検出器の測定精度を向上する。
図５は、実施形態の受光素子１０の基本構成を示す。受光素子１０は、赤外線検出器の画素アレイを形成する画素１０１を含む。受光素子１０は、複数波長の光を検知する光吸収層２２を有する。
光吸収層２２は、第１のカットオフ波長を有する第１受光層２２１、第１バリア層２２２、中間フィルタ層２２３、第２バリア層２２４、及び第２のカットオフ波長を有する第２受光層２２５を有し、これらの層がこの順で積層されている。第１受光層２２１と第２受光層２２５の間に位置するバリア層は、第１バリア層２２２と第２バリア層２２４に分割され、第１バリア層２２２と第２バリア層２２４の間に、中間フィルタ層２２３が配置されている。中間フィルタ層２２３は、第１波長以上、かつ第２波長以下のカットオフ波長を有する。この例では、第１波長は第２波長よりも短く、光は第１受光層２２１の側から入射する。
図５では、図示を簡略化するために、バッファ層２１とキャップ層２３の間に光吸収層２２が配置されて描かれているが、バッファ層２１と光吸収層２２の間、及び光吸収層２２とキャップ層２３の間には、半導体電極層、エッチングストッパ層など、その他の層が配置されていてもよい。あるいはバッファ層２１の一部、またはキャップ層２３の一部が半導体電極層として機能してもよい。
キャップ層２３と光吸収層２２を含むメサＭは、個々の画素１０１を形成し、保護膜２５で覆われている。バッファ層２１は、画素アレイに含まれる多数の画素に共通に接続される。
メサＭの上部で保護膜２５の一部が除去されて、キャップ層２３は上部電極２６に接続されている。ここで、「上部」または「上面」というときは、赤外線検出器の成膜プロセスにおける積層方向または成長方向の上側を意味する。したがって、フリップチップ実装等により赤外線検出器が逆向きに配置される場合も、積層方向または成長方向でみたときの上側が「上部」または「上面」となる。
後述するように、実装時には、上部電極２６にバンプ等の突起電極が配置され、突起電極によって画素アレイは読出し回路に接続される。
バッファ層２１の裏面から入射した光のうち、第１波長以下の波長の光は、第１受光層２２１で吸収される。第１受光層２２１で吸収されずに透過した光のうち、中間フィルタ層２２３のカットオフ波長よりも短い波長の光は、中間フィルタ層２２３で吸収される。第２受光層２２５に光が入射する前に、クロストークの原因となる第１波長の光や、筐体輻射等に起因する第１波長と第２波長の間の波長成分は、あらかじめ低減されている。これにより、第２受光層２２５への光学的なクロストークが低減される。
図６は、図５の受光素子１０のエネルギーバンド図である。中間フィルタ層２２３のエネルギーバンドギャップＥｍは、第１受光層２２１のエネルギーバンドギャップＥ１よりも小さく、第２受光層２２５のエネルギーバンドギャップＥ２よりも大きい。
第１バリア層２２２と第２バリア層２２４は、第１受光層２２１、中間フィルタ層２２３、及び第２受光層２２５のいずれよりも大きいエネルギーバンドギャップを有する。
第１受光層２２１、中間フィルタ層２２３、第２受光層２２５、第１バリア層２２２、及び第２バリア層２２４で、動作キャリアの極性は同じである。図６の例では、光吸収層２２はｐＢｐＢｐ構造を持つ。これにより、第１受光層２２１と第２受光層２２５のそれぞれに隣接する電極層にバイアスを印加することで、受光層の多数キャリアと異なる極性の動作キャリア（図６の例では光吸収により発生した電子）を電極層に引き抜くことができる。中間フィルタ層２２３で生じたホールは、外部へ引き出すことができないので、定常状態で赤外線吸収によって発生した電子-ホール対は、再結合によって消滅する。
第１バリア層２２２、中間フィルタ層２２３、及び第２バリア層２２４のキャリア濃度は、第１受光層２２１及び第２受光層２２５のキャリア濃度よりも低いことが好ましい。たとえば、第１受光層２２１と第２受光層２２５の不純物濃度を１０16ｃｍ-3のオーダーとすると、第１バリア層２２２、中間フィルタ層２２３、及び第２バリア層２２４の不純物濃度を１０15ｃｍ-3のオーダーとする。
第１バリア層２２２、中間フィルタ層２２３、及び第２バリア層２２４を超格子で形成する場合は、超格子を構成するすべての薄膜に不純物を導入する必要はなく、ｎ周期ごと（ｎは１以上の整数）、または不均一に、特定の層だけに不純物を導入してもよい。これにより、第１バリア層２２２、中間フィルタ層２２３、及び第２バリア層２２４の各層で、またはこれら三層の全体としてみたときに、不純物濃度を下げることができる。
第１バリア層２２２、中間フィルタ層２２３、及び第２バリア層２２４の不純物濃度を第１受光層２２１と第２受光層２２５の不純物濃度よりも低くすることで、光吸収で生じる少数キャリアに対するバンドオフセットまたはエネルギーの障壁を最小にすることができる。このことで、受光素子１０に印加されるバイアス電圧が低減される。これについては、図８Ａと図８Ｂを参照して後述する。少数キャリアに対するバンドオフセットを取り除くことで、第１バリア層２２２と第２バリア層２２４の厚さを厚くして暗電流を抑制し、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる。
図７は、図５の受光素子１０の分光感度特性を示す。実線は第１受光層２２１での吸収特性、破線は第２受光層２２５での吸収特性、点線は中間フィルタ層２２３での吸収特性である。中間フィルタ層２２３は、第１受光層２２１のカットオフ波長λ１と、第２受光層２２５のカットオフ波長λ２の間のカットオフ波長λｍを有する。λ１を含むλｍよりも短い波長の光は、中間フィルタ層を２２３で吸収される。背景、筐体等から放射されるλ１とλ２の間の波長の光は低減され、λ２の光に対する光学的なクロストークが低減される。
図８Ａは、図５の光吸収層２２を有する実施形態の受光素子１０の計算によるエネルギーバンド図である。ここでは、長波長の第２受光層２２５で発生した電子を引き抜くために、第１受光層２２１側に正バイアスを０．２Ｖ印加している。第１受光層２２１と第２受光層２２５の不純物濃度は１×１０16ｃｍ-3、第１バリア層２２２、中間フィルタ層２２３、及び第２バリア層２２４の不純物濃度は１×１０15ｃｍ-3である。
横軸は積層方向の位置を示し、左端が光の入射側、右端が第２受光層２２５側である。価電子帯ＶＢで下側に突出する二つの障壁は第１バリア層２２２と第２バリア層２２４に対応する。
伝導帯ＣＢでは、第２受光層２２５で発生した電子が感じるエネルギーの障壁またはバンドオフセットがなく、電子は効果的に正バイアスが印加された第１受光層側へと移動する。
図８Ｂに、比較例として、図１の従来構成での計算によるエネルギーバンド図を示す。図８Ｂで、二つの受光層へのドープ濃度は、図８Ａと同じく１×１０16ｃｍ-3、二つの受光層の間に配置されるバリア層へのドープ濃度は、図８Ａと異なり１×１０16ｃｍ-3である。破線のサークルＢで示すように、バリア層に対応する位置で、伝導帯ＣＶにバンドオフセットが発生している。このバンドオフセットは、長波長側の受光層で発生した電子にとってエネルギーの障壁となる。計算によるこのエネルギーの障壁は５９ｍｅＶである。この障壁を超えて電子を短波長側に引き抜くためには、印加バイアスを大きくする必要があるが、印加バイアスの増大は暗電流の増加を引き起こす。
これに対し、図８Ａで、第１バリア層２２２、中間フィルタ層２２３、及び第２バリア層２２４の不純物濃度を、第１受光層２２１及び第２受光層２２５の不純物濃度よりも低くすることで、電子が感じるエネルギーの障壁を０ｍｅＶにすることができる。
このように、第１受光層２２１のカットオフ波長以上、第２受光層２２５のカットオフ波長以下のカットオフ波長を有する中間フィルタ層２２３を配置することで、２波長の受光素子１０が検出する信号間の光学的なクロストークを防止することができる（図７参照）。また、中間フィルタ層２２３、第１バリア層２２２及び第２バリア層２２４の不純物濃度を第１受光層２２１及び第２受光層２２５よりも低く設定することで、動作キャリア（図８Ａの例では電子）が感じるバンドオフセット量またはエネルギーの障壁が、動作キャリアが持つ熱エネルギーと比較して小さくなるため、バイアス電圧を小さくすることができる。
図９Ａ～図９Ｇは、実施形態の受光素子１０が多数配列された画素アレイの製造工程図である。図９Ａ～図９Ｇでは、図示の便宜上、画素アレイの最外周に位置する一つの画素に着目して製造工程が示されているが、実際は、画素アレイに含まれる多数の画素が一度に形成される。
まず、図９Ａで、基板４１の上に、たとえば分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）により、画素アレイの作製に必要な積層を形成する。一例として、ＧａＳｂの基板４１の上に、ｐ型不純物が１×１０18ｃｍ-3にドーピングされたＧａＳｂバッファ層を１μｍエピタキシャル成長する。このバッファ層により，基板４１の表面の自然酸化膜を除去する際に生じた表面荒れを小さくして、より平坦な超格子層を得ることができる。ただし、基板４１とこのバッファ層の材料は同じであるため、図９Ａでは基板４１と区別していない。
次に、最終的に基板４１を除去する際に用いる第１エッチングストッパ層４２として、ｐ型不純物が１×１０18ｃｍ-3にドープされたＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09層を２μｍエピタキシャル成長する。続いて、ＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09の第１エッチングストッパ層４２を除去する際に用いる第２エッチングストッパ層４３として、ｐ型不純物が１×１０18ｃｍ-3にドープされたＧａＳｂ層を、５００ｎｍエピタキシャル成長する。続いて、ＧａＳｂの第２エッチングストッパ層４３の除去とメサエッチングの際に用いる第３エッチングストッパ層４４として、p型不純物が１×１０18ｃｍ-3にドープされたＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09層を、１μｍエピタキシャル成長する。この第３エッチングストッパ層４４は、画素アレイの共通コンタクト層としても機能する。
次に、半導体電極層４５を形成する。半導体電極層４５は、ｐ型不純物が１×１０18ｃｍ-3にドープされたＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子を、膜厚比１１／４（ＭＬ）で約５００ｎｍエピタキシャル成長する。一例として、ＧａＳｂにＢｅを添加する。半導体電極層４５は、上層の光吸収層２２の下部電極層として機能する。
次に、光吸収層２２を形成する。光吸収層２２は、図５に示したように、第１受光層２２１、第１バリア層２２２、中間フィルタ層２２３、第２バリア層２２４、及び第２受光層２２５がこの順に積層されている。
第１受光層２２１として、ｐ型不純物を１×１０16ｃｍ-3にドープしたＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子を膜厚比１１／４（ＭＬ）で約２μｍエピタキシャル成長する。第１バリア層２２２として、ｐ型の不純物を１×１０15ｃｍ-3にドープしたＩｎＡｓ／ＡｌＳｂの超格子を膜厚比１５／４（ＭＬ）で約１００ｎｍエピタキシャル成長する。
中間フィルタ層２２３として、ｐ型不純物を１×１０15ｃｍ-3にドープしたＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子を膜厚比１３／５（ＭＬ）で約１μｍエピタキシャル成長する。第２バリア層２２４として、ｐ型の不純物を１×１０15ｃｍ-3にドープしたＩｎＡｓ／ＡｌＳｂの超格子を膜厚比１５／４（ＭＬ）で約１００ｎｍエピタキシャル成長する。第２受光層２２５として、ｐ型不純物を１×１０16ｃｍ-3にドープしたＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子を膜厚比１４／７（ＭＬ）で約３μｍエピタキシャル成長する。
これにより、第１受光層２２１、第１バリア層２２２、中間フィルタ層２２３、第２バリア層２２４、及び第２受光層２２５の積層を含む光吸収層２２が形成される。第１受光層２２１は、中波長の赤外域にカットオフ波長を有し、第２受光層２２５は、長波長の赤外域にカットオフ波長を有する。中間フィルタ層２２３は、中波長～長波長の赤外域にカットオフ波長を有する。第１バリア層２２２と第２バリア層２２４は、この例では、ホールに対する障壁となる。
光吸収層２２の上に、上部電極としての半導体電極層４６を形成する。半導体電極層４６として、ｐ型不純物を１×１０18ｃｍ-3にドープしたＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子を膜厚比１４／７（ＭＬ）で約５００ｎｍエピタキシャル成長する。次に、キャップ層４７として、１×１０18ｃｍ-3にドープされたＩｎＡｓを２０ｎｍエピタキシャル成長する。キャップ層４７は、上部コンタクト層としても機能する。
これらの積層の上に、５００ｎｍのＳｉＯＮ層４８をプラズマ化学気相堆積（ＣＶＤ）法により成膜する。ＳｉＯＮ層４８上に、リソグラフィにより画素のパターン形状を有するレジストマスク４９を形成する。
図９Ｂで、積層に各画素となるメサＭを形成する。メサＭは、ハードマスクを用いたドライエッチングで形成される。一例として、レジストマスク４９を用い、ＣＦ4／Ａｒガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯＮ層４８をエッチングして、ハードマスクを形成する。ハードマスクを用いて、ＢＣｌ3／Ａｒガスを用いたＲＩＥ法により、超格子の積層をエッチングしてメサＭを形成する。このとき、二次イオン等によるＧａのパルス信号をモニタし、Ｇａの低減によってエッチングの終点を検知する。ＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09の第３エッチングストッパ層４４の表面が露出した時点で、エッチングを終了する。その後、リン酸、クエン酸、過酸化水素水、及び水の混合溶液にて、超格子のメサＭの側壁を約１００ｎｍエッチングして、ＲＩＥにより生じたメサ側壁のダメージ層を除去する。続いて、ＢＨＦを用いて、ハードマスクを形成していたＳｉＯＮ層４８を除去する。
図９Ｃで、全面に、メサＭを覆う保護膜２５を形成する。たとえば、ＳｉＨ4／Ｎ2Ｏガスを用いたプラズマＣＶＤにより、シリコン酸化膜を３００ｎｍ成膜して、保護膜２５とする。
図９Ｄで、リソグラフィとＲＩＥ法により、各メサの上面の保護膜２５の一部と、画素アレイの最外周の第３エッチングストッパ層４４の上面を覆う保護膜２５の一部を除去して上部電極２６と下部電極５１を形成する。具体例としては、メサ上面の保護膜２５を除去したコンタクトホールと、第３エッチングストッパ層４４の上面の保護膜２５を除去したコンタクトホールに、リソグラフィにて、キャップ層４７とオーミック接触する電極パターンと、第３エッチングストッパ層４４とオーミック接触する電極パターンをそれぞれ形成する。その後、蒸着法にて、たとえばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの電極材料を堆積し、リフトオフ法により形状を加工して、上部電極２６と下部電極５１を形成する。
アレイ中の有効画素としては、下部電極５１を除いた素子が均一に配置されており、アレイの最外周にダミー画素が配置されている。以下で述べるように、下部電極５１は、ダミー画素のメサ上部に引き出される。
図９Ｅで、リソフラフィと蒸着法を組み合わせたリフトオフ法により、上部電極２６の上に、Ｉｎ等の良導体でバンプ電極５２を形成する。図示は省略しているが、下部電極５１は、ダミー画素のメサ側壁に形成された引き出し配線によってメサの上部に引き出されており、ダミー画素の上部電極によって、バンプ電極に接続されている。下部電極５１は画素アレイの対応する列または行を形成する複数の画素に共通の電極として用いられる。
図９Ｆで、バンプ電極５２が形成された画素アレイと、接続電極が形成された読出し回路５０とをフリップチップ接合する。図９Ｆでは、図示の便宜上、図９Ａ～図９Ｅと同じ向きの画素アレイに読出し回路５０が接続されているが、画素アレイのバンプ電極５２を読出し回路５０に形成された接続電極に位置合わせして、フリップチップで接続する。これにより画素アレイを含む基板と、読出し回路５０の間が、接合電極５３によって接合される。接合電極５３で連結された画素アレイと読出し回路５０の間に、アンダーフィル５６を充填する。
図９Ｇで、基板４１を背面研削により、６００μｍ程度除去して薄化する。続いて、ＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09の第１エッチングストッパ層４２を用いて、ＨＦ／ＣｒＯ3の混合液により基板４１の残りをウェットエッチングで除去する。続いて、ＧａＳｂの第２エッチングストッパ層４３を用いて、リン酸、過酸化水素水、及び水の混合溶液により、ＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09の第１エッチングストッパ層をウェットエッチングで除去する。さらに、ＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09の第３エッチングストッパ層４４を用いて、リン酸、クエン酸、過酸化水素水、及び水の混合溶液により、ＧａＳｂの第２エッチングストッパ層４３をウェットエッチングにより除去する。これにより、画素アレイ１００が得られる。
この後、赤外線の入射面となる第３エッチングストッパ層４４の背面に反射防止膜を成膜し、容器に実装することで、赤外線検出器が完成する。
図１０は、実施形態の赤外線検出器１５０の模式図である。赤外線検出器１５０は、画素アレイ１００と、読出し回路５０を有する。画素アレイ１００では、各画素１０１を形成する受光素子１０が、アレイ状に配置されている。各画素１０１は、接合電極５３（図９Ｇ参照）によって、読出し回路５０に形成された対応するユニットセル５０１に電気的に接続されている。
光吸収層２２のうち、第１受光層２２１で吸収された光によって生成されたキャリア（たとえば電子）を読み出すときは、選択した画素１０１の上部電極２６から半導体電極層４６に正バイアスを印加して、半導体電極層４６から電子を引き抜く。この電荷は、読出し回路５０の対応するユニットセル５０１のキャパシタに蓄積され、所定のタイミングで電荷量が読み出される。
第２受光層２２５で吸収された光によって生成されたキャリア（たとえば電子）を読み出すときは、下部電極５１から、半導体電極層４５に正バイアスを印加し、半導体電極層４５から電子を引き抜く。引き出された電荷は、読出し回路５０の対応するユニットセル５０１のキャパシタに蓄積され、所定のタイミングで電荷量が読み出される。
第１受光層２２１と第２受光層２２５の間に、中間フィルタ層２２３が配置され、第１受光層２２１と中間フィルタ層２２３の間に第１バリア層２２２が挿入され、中間フィルタ層２２３と第２受光層２２５の間に第２バリア層２２４が挿入されている。これによって、第１受光層２２１と第２受光層２２５の間の光学的なクロストークが抑制され、Ｓ／Ｎ比が向上する。
また、第１バリア層２２２、中間フィルタ層２２３、及び第２バリア層２２４の不純物濃度を、第１受光層２２１及び第２受光層２２５よりも低く設定することで、動作キャリアが感じるエネルギーの障壁を小さくして、バイアス電圧を小さくすることができる。これにより、暗電流を抑制して、Ｓ／Ｎ比の向上に寄与することができる。
図１１は、赤外線検出器１５０を用いた撮像装置１のシステム構成図である。撮像装置１は、赤外線検出器１５０と、赤外線検出器１５０の光入射側に配置される光学系２と、赤外線検出器１５０の読出し回路５０に接続される信号処理回路６と、表示記録装置７を有する。また、光学系２と赤外線検出器１５０を制御する第１制御部３、及び信号処理回路６と表示記録装置７を制御する第２制御部４を由比鵜する。赤外線検出器１５０の全体は冷却器５の内部に配置されていてもよい。
信号処理回路６は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の専用の信号処理回路であってもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）のようなロジックデバイスであってもよいし、これらに専用の画像処理プロセッサを組み合わせてもよい。信号処理回路６は、各画素の第１受光層２２１で検出された赤外線と、第２受光層２２５で検出された赤外線を用いて演算処理、感度補正を含む補正処理等を行って、画像信号を生成する。生成された画像信号は、表示記録装置７に供給され、各画素１０１への入射赤外光に応じた画像が表示され、記録される。
撮像装置１は、光学的クロストークが抑制されてＳ／Ｎ比が向上しているので、測定対象物の画像を高精細で画像表示することができる。撮像装置１は、セキュリティシステム、無人探査システム等に適用可能であり、赤外光を検出するので、夜間の監視システムにも有効に適用できる。
以上、特定の構成例に基づいて実施例及び変形例を説明したが、本発明は、上述した構成、及び手法に限定されない。Ｓ／Ｎ比改善の効果が得られる範囲で、適宜、変更または代替が可能である。たとえば、実施形態では、中波長赤外線と長波長赤外線の受光部としてＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子を用いたが、この例に限定されず、ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子などを用いてもよい。また、第１バリア層と第２バリア層はＩｎＡｓ／ＡｌＳｂに限定されず、第１受光層と第２受光層よりもバンドギャップの広い超格子、たとえば、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子などを用いてもよい。
実施形態では、光吸収層２２がｐ型の場合について説明し、第１バリア層と第２バリア層をホールに対するバリア層としたが、ドーパントとしてＳｉ、Ｔｅ等を用いて、光吸収層２２をｎ型にしてもよい。その場合は、電子に対するバリア層として、第１バリア層と第２バリア層をＡｌxＧａ1-xＳｂなどを用いることができる。光吸収層２２に添加されるｐ型の不純物はＢｅに限定されず、Ｚｎ等を用いてもよい。
光吸収層２２に添加される不純物は、すべての超格子に均等に導入される必要はなく、何層かおきに導入してもよい。特に、第１バリア層、中間フィルタ層、及び第２バリア層で、第１受光層及び第２受光層よりも不純物濃度を低くする場合は、不純物を添加しない超格子層の数を増やしてもよい。
ｐ型の光吸収層を用いる場合（動作キャリアが電子の場合）は、第１受光層、第１バリア層、中間フィルタ層、第２バリア層、及び第２受光層を、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂの２以上の組み合わせによる超格子で形成してもよい。
ｎ型の光吸収層を用いる場合（動作キャリアがホールの場合）は、第１受光層、中間フィルタ層、及び第２受光層をＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂの２以上の組み合わせによる超格子で形成し、第１バリア層と第２バリア層をＡｌxＧａ1-xＳｂで形成してもよい。
積層の形成はＭＢＥ法に限定されず、ＭＯＣＶＤ法や、積層構造が作製可能なその他の方法を用いてもよい。
赤外線検出器１５０の入射側、すなわち光学系２と画素アレイ１００の間に、シャッタを配置してもよい。赤外線検出器１５０または冷却器５に、温度センサを設けてもよい。読出し回路５０の外周に沿って、垂直走査回路（シフトレジスタ）、水平走査回路（シフトレジスタ）、水平読出し回路、ノイズキャンセラ等の回路が配置されていてもよい。撮像装置１の動作を制御する第１制御部３と第２制御部４は、一つのプロセッサで実現されてもよい。
いずれの場合も、第１受光層と第２受光層の間に、第１受光層のカットオフ波長以上、かつ第２受光層のカットオフ波長以下のカットオフ波長を持つ中間フィルタ層を挿入することで、光学的なクロストークを抑制してＳ／Ｎ比を改善することができる。
また、中間フィルタ層と第１バリア層及び第２バリア層の不純物濃度を、第１受光層と第２受光層の不純物濃度よりも低くすることで、動作キャリアが感じるエネルギーの障壁を小さくして、バイアス電圧を小さくすることができる。これにより、暗電流を抑制してＳ／Ｎ比の向上に寄与することができる。
１ 撮像装置
６ 信号処理回路
１０ 受光素子
２２ 光吸収層
２２１ 第１受光層
２２２ 第１バリア層
２２３ 中間フィルタ層
２２４ 第２バリア層
２２５ 第２受光層
２６ 上部電極
４１ 基板
４５、４６ 半導体電極層
４７ キャップ層
５０ 読出し回路
５１ 下部電極
５３ 接合電極
１００ 画素アレイ
１０１ 画素
１５０ 赤外線検出器
Ｍ メサ

Claims (8)

  1. 第１のカットオフ波長を有する第１受光層と、
    第１のカットオフ波長よりも長い第２のカットオフ波長を有する第２受光層と、
    前記第１受光層と前記第２受光層の間に配置され、前記第１のカットオフ波長と同じかそれより長く、かつ前記第２のカットオフ波長と同じかそれよりも短い第３のカットオフ波長を有する中間フィルタ層と、
    前記第１受光層と前記中間フィルタ層の間に配置される第１バリア層と、
    前記第２受光層と前記中間フィルタ層の間に配置される第２バリア層と、
    を有し、
    前記第１受光層、前記第２受光層、前記中間フィルタ層、前記第１バリア層、及び前記第２バリア層は、同じ導電型である
    赤外線検出器。
  2. 前記中間フィルタ層、前記第１バリア層、及び前記第２バリア層の不純物濃度は、前記第１受光層と前記第２受光層の不純物濃度よりも低い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バリア層と前記第２バリア層のエネルギーバンドギャップは、前記第１受光層、前記中間フィルタ層、及び前記第２受光層のエネルギーバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線検出器。
  4. 前記第１受光層と前記第２受光層で発生する動作キャリアはｎ型キャリアであり、前記第１受光層、前記第２受光層、前記第１バリア層、前記第２バリア層、及び前記中間フィルタ層は、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂから選択される２以上の材料による超格子で形成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  5. 前記第１受光層と前記第２受光層で発生する動作キャリアはｐ型キャリアであり、前記第１受光層、前記中間フィルタ層、及び前記第２受光層は、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂから選択される２以上の材料による超格子で形成されており、
    前記第１バリア層と前記第２バリア層はＡｌxＧａ1-xＳｂで形成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  6. 前記超格子を形成する繰り返し層への不純物の導入は不均一であることを特徴とする請求項４または５に記載の赤外線検出器。
  7. 前記第１受光層、前記第１バリア層、前記中間フィルタ層、前記第２バリア層、及び前記第２受光層がこの順で積層された受光素子が複数配列された画素アレイと、
    前記画素アレイに接合される読出し回路と、
    を有する請求項１～６のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  8. 請求項７の赤外線検出器と、
    前記読出し回路の出力に接続される信号処理回路と、
    を有する撮像装置。
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