JPH01240826A - 赤外線検出素子及び同赤外線検出素子を含む赤外線検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、改良された赤外線検出素子及び同素子を用い
ＩＣ赤外線検出装置に１３１１″ｇる。

（従来の技術） 数μｍより長波長の赤外線を検出する光吊子型検出素子
のうち、Ｓ１結晶を使用するものには、咎不純物をドー
プした素子を用いるものと、Ｇ）へテロ接合障壁を利用
したものとの２つの形式がある。上記の（ハ）の形式の
赤外線検出素子に関する技術文献としては、例えば、Ｐ
、　Ｒ，Ｂｒａｔｔ　：Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｄｅｔｅｃ
ｔｏｒｓ　　ＩＩ　、　Ｃｈａｐｔｅｒ　　２　。

Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　Ｓｅｍｉｍｃ
ｔａｌｓ、　ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ　　（１９７
７）がある。他方、上記の００形式の赤外線検出素子に
関する技術文献としては、本願発明各による特開昭６１
−２４１９８５号と第３３回応用物理学会春期講演会資
月３Ｐ７９１９８６）とがある。

−Ｆ記の２つの形式の赤外線検出素子は、いづれもモノ
リシック形の赤外線画像生成用の２次元１１ｆｆｌ像デ
バイス用として重要なものである。その中で、曲名の不
純物ドープ形はドープ邑に制限があるため、感度が低く
、またそれぞれの不純物による検出波長の限界があり、
任意波長に対して感度を最大にすることはできないとい
う不利がある。他方、後者にｔよそのような不利がない
。

上記の後者のへテロ接合ｌＩ！５壁による電荷レルを利
用した赤外線検出素子の原理を、第１図にそのＴネルギ
帯構造図を示したｎ形３ｉ基板／ｎ形Ｇｅ層／ｎ形Ｓ１
層の積層構成を有する赤外線検出素子の例について以下
に説明する。

この例の場合には、左右の３ｉ層と中間のＧｅ層との間
のへテロ接合において、伝導帯の底と価電子帯の頂とに
それぞれΔＦ　、△ＥＶのポテンシャル障壁が生じるの
で、第１図の構成では、中間のｎ形ＧＯ層の伝導帯には
、△Ｅｏによるポテンシャル井戸が生じる。従って、こ
のポテンシャル井戸の中に予めｆｉ　；ｌ；ｉｊ　（こ
の場合には′電子）をためておくと、被験赤外光を照射
したとき、この電荷が被験赤外光の光量子を吸収して、
ボテンシＶル井戸内で励起エネルギ状態になり、ｎ形Ｓ
１基板又はｎ形Ｓ１層に移って光キャリアとなる。従っ
て、この構成は、限界波長をλ。とすると、λ　＝１）
・Ｃ／へ「　（ここで、ｈはブランク定Ｃ 数、Ｃは真空中の光速）であられされる限界波長を超過
しない波長λの赤外光を検出する赤外線検出素子として
利用できる。ここで、−例として、ΔＥ　＝Ｑ、２ｅＶ
とすると、λ。＝６．２μ７７Ｌとなる。

更に、中間のｎ形Ｇｅ層の代りに一般的な表現のｎ形３
ｉ　　　Ｇｅ　　層を用いると、ｘ＝１から１−×× ｘ＝Ｏへの変化に対応してΔＥＣ＝０．２ｅＶからΔＥ
ｏ＝ＯｅＶへと変化するので、この赤外線検出素子の限
界波長λ。は、６．２μｍから理論的に（まωへと変化
する。前記のへテロ接合障壁によるポテンシャル井戸の
形成は、第１図のｎ形の代わりに第２図に示すｎ形によ
るエネルギ帯構造も可能であり、この場合は、中間のｐ
形Ｑｅ層と両側のｐ形３ｉ層との間のポテンシャル１４
壁Δ［、によつ、中間のｐ形Ｇｅ）Ｗの価電子帯にポテ
ンシャルプを戸が形成される。

（発明が解決しようとする問題点〉 前記のヘテ［］接合障壁により形成されたポテンシャル
月戸の中の電荷を被験赤外光の照射により光ヤヤリアに
変える形式の赤外線検出素子においては、照α１された
波長λの被験赤外光の吸収によりポテンシャル井戸の中
の電荷ｔよ、ｈ−ｃ／λだｉ−Ｊエネルギ・レベルの高
い励起状態に移るが、更にこの電荷が、両側の電極であ
る８１基板又はＳ　ｉ　）、Ｙｊ　ｌこ移って光キセリ
アとなるためには、第３図に示したような励起状態にあ
る電荷＜４１＞の運動ベクトルＶの電極部に対し垂直方
向の成分Ｖ７間には、これらのベクトルのなす角度をＯ
とすると、 の関係がある。

したがって、被験赤外光の波長λが、 λ≦ｈ−ｃ／ΔＥ　（又はλ≦ｈ−ｃ／ΔＥＶ）の範囲
内にあり、かつ、励起状態の電荷のうち、ΔＥＶ） の関係を満たづ角度Ｏ８より小さい入射角度θの電子だ
Ｃづが、電極へ移って光キャリアとなる。

このため前記の赤外線検出素子の感度は、限界波長λ。

の値、すなわちλ。−ｈ−Ｃ／へＥ。

（又はλ　＝１）・Ｃ／へＥＶ）の値から遠ざかるにつ
れて、（λ−λ　）２／λ　に比例した割合Ｃ で低下し、特にλ。近傍で急激に減少とするどいう不＋
１１がある。

この不利を除いて感度をＦ−ｉさせるためには、ポテン
シャル井戸の両側の電極の間に外部から電圧を印加して
、励起状態の電荷が片方の電極へ移ｖ１する確率を大ぎ
くづる方法が考えられる。しかしこの方法は、前記の赤
外線検出素子には一般的には適用できない。その理由は
、ヘテロ接合障壁セルである３ｉ　　　Ｑｅ　　層は、
両側の電極であ１−ｘ　　　Ｘ る３ｉ基板と３ｉ層とよりも高い不純物濃度を持つよう
にされるので、印加される電場はＳｉＧｅ）Ｍの中では
小さく、従って、励起１づ　　Ｘ 電荷に働くイｊ効電場が小さいからである。また、前記
赤外線検出素子を赤外線ＪＩＧ像デバイスであるＩＲｃ
ｃＤ（赤外線電荷結合装置）の中で使用する場合には、
前記の電極は赤外線路像デバイスの各画素の？！荷集積
電極となるため、外部電圧を印加できる構成にすること
は複雑で実用的でないからである。

（問題を解決するだめの手段） 本発明は、上記の従来の装置の不利を克服することを目
的１Ｖるちのであり、赤外線検出素子の中に形成された
ポテンシャル井戸の中の励起電荷を効率よく片方の電極
に移して光キャリアとすることにより赤外線検出感度を
増大させるために、赤外線検出素子の中のへテロ接合障
壁セルを形成する中間層中の不純物のドープ量を赤外線
検出素子を構成する積層の積み重ねの厚さ方向に変化さ
せることにより、上記中間層内に好適な内部電場を形成
し、これにより励起電荷の所要の電極側への移動確率を
大きくした赤外線検出素子を提供する。

（実施例） 本発明の実施例を添附図面を参照しつつ以下に説明する
。

本発明の赤外線検出素子は、Ｓｉ結晶基板トに一般的に
Ｓｉ　　Ｇｅｘで表わされる混晶膜より−ｘ 成る中間層を形成し、ざらにその上に８１結晶膜を形成
した構成を有する。ただし最上層のＳｉＩ、″１品膜は
金属膜で代替することもできる。

第４図には、本発明の第１の実施例として、ｎ形Ｓｉ結
晶基板１の上に中間層であるｎ形Ｇｅ結品膜２を、さら
にその上にｎ形３ｉ結晶膜３を形成した積層構成の赤外
線検出素子のエネルギ帯構造が示されている。既に述べ
たように、中間層のｎ形Ｇｅ結晶ＷＡ２と、ｎ形３ｉ結
晶基板１及び最ト層のｎ形３ｉ結晶膜３との間のそれぞ
れの境界には、中間層２の伝導帯側にはΔＥｏ、価電子
帯側にはΔＥｖで示したボテンシＶル障壁がそれぞれ生
じる。

本発明による素子においては、上記の構成の赤外線検出
素子の製作過程において、中間層のｎ形Ｑｅ結晶膜２の
中の不純物ドープ量の分布を一様にしないで、積層構成
の積み重ねの方向、すなわちｎ形Ｓｉ結晶基板１の側よ
りｎ形Ｓｉ結晶膜３の側に向かって、不純物のドープ量
を増加させである。そのため、第４図に示したように、
中間層２の伝導帯の底と価電子帯の頂とには、右下りの
斜線で示されるようなエネルギ・レベルの変化を生じる
。そのため本発明の赤外線検出素子の使用開始に際し、
予め電荷を蓄積しておくためのポテンシャル井戸として
作用させるための中間層２の伝導帯には内部電場が生じ
る。

上記の場合、中間層２の伝導帯の底のエネルギ・レベル
の変化は、上記の積層構成の積み重ねの方向に変化さけ
る不純物ドナーのドープ密反をＮｏで表わしたとぎ、そ
の変化に起因する下記の公知の式で表わされるフェルミ
準位［Ｆの変位によって生じる。

ここで、Ｅ　とＥ。とは、それぞれ中間層の伝導帯の底
とドナー準位とのエネルギ・レベルを示しており、Ｎｏ
は中間層の伝導帯の底の状態密度である。

なお、中間層の組成が、−殻内にｐ形 Ｓｉ　　　Ｇｅｘで表わされるようなｐ形混晶膜で−ｘ あるときも、同様に、不純物アクセプタのドープ量とし
てＮ　を用いてフェルミ準位Ｅ、の変位を＾ 表わすことができる。

本発明の赤外線検出素子の使用に際して、被験赤外光の
照射により、中間層２のポテンシャル１１戸中内に貯え
られた電荷である電子（・）は励起状態となるが、この
とき上記の内部電場の作用により、励起状態の電子（・
〉がｎ形３ｉ結晶膜３に向かって移動しｎ形３ｉ結晶膜
３の中へ移って光キャリヤとなるｅ作を促進することに
より、光キャリψの発生の確率を増加さゼる。

第５図には、本発明の第２の実施例として、ｐ形Ｓ１結
晶基板１′を用い、その上に中間層としてｎ形Ｇｅ結晶
膜２を、さらにその上にｎ形Ｓ１結晶膜３を形成した温
成形積に４構成の赤外線検出素子のエネルギ帯構造が示
されている。口の構成の赤外線検出素子は、後述するモ
ノリシック形赤外線撤像デバイスであるＩＲＣＣＤの構
成に用いるときに有用なものである。

第５図の赤外線検出素子の製作時にも、第１の実施例と
同様に中間層のｎ形Ｇｅ結晶膜２の中にドープされる不
純物ドナーの濃度を−様な分布としないで、積層構成の
積み小ねの方向、すなわちｐ形Ｓ１結晶基板１′の側よ
りｎ形Ｓ１結晶膜３の側に向かって、不純物のドープは
を増加させである。この不純物濃度の分布の変化により
、第１の実施例の場合と同様に、中間層２の伝導帯の底
と価電子帯の頂とには第５図に示したようなエネルギ・
レベルの変化が生じ、それにより中間層２の伝導帯には
内部電場が生じる。

第５図には、また、この実施例の赤外線検出素子の検出
操作のはじめにおいて、ｐ形Ｓｉ結晶基板１に対しバイ
アス可視光を照射してその伝導帯と価電子帯とにそれぞ
れ電子及びホールを発生させ、その中の電子（・）を中
間層２の中のポテンシャル井戸の中に注入してそこにた
くわえさせる段階と、次に、この赤外線検出素子に被験
赤外光ＩＲを照射して、上記のポテンシャル井戸の中の
蓄積電荷の電子を励起し、それは同時に上記の内部電場
により駆動されてｎ形Ｓ１結晶膜３の側に向かって移動
し、次に中間層２とｎ形Ｓ１結晶膜３との間のポテンシ
ャル障壁を越えてｎ形Ｓ１結晶膜３の中へ移動して光キ
ャリヤとなる段階とを図解している。

次に、第６図は、第４図の第２の実施例の赤外線検出素
子を電荷結合索子（以下ＣＯＤと略称する）と結合させ
ることにより、モノリシック形赤外線ｔｍデバイスであ
るＩＲＱＣＤを形成した第３の実施例を示している。

第６図の中で、ρ形３ｉ結晶基板１′、ｎ形Ｑｅ結晶膜
２及びｎ形３ｉ結晶膜３は、第５図に示された本発明の
第２実滴例の赤外線検出素子の構成部分を示している。

また、左右の矢印は、それぞれ、第５図について説明し
たように、照射されるバイアス可視光及び被験赤外光Ｉ
Ｒを示す。

４は、ｎ形分列領域（注入阻止領域）として設けられた
ガード・リングと呼ばれる領域であって、バイアス可視
光の照射時に、ｐ形３ｉ結晶基板１′とｎ形Ｇｅ結晶膜
２との間のへテロ接合の反転層に向かう周辺からのホー
ルの６人を防止するためのものである。５はＳ　＋　０
２などより成る絶縁膜である。６は、トランスファ・ゲ
ートであり、被験赤外光ＩＨの照射によりｎ形Ｓ１結晶
膜３の中に移動した光キャリヤの電子を、次段の光キャ
リヤ転送用のＣＯＤの入力部に向けて移送するためのａ
Ｉｌｌ　ｔｅｌゲートである。７は、ＣＯＤのゲートを
示し、トランスファ・ゲート６より移送された光キャリ
ヤの電子を受は取り、ＣＣＤの内部を通り、モノリシッ
ク形赤外線撮像デバイスの出力へ進む光キャリヤの電子
の転送を制御するためのゲートである。

本発明においては、赤外線検出素子の構成材料として、
結晶成長技術により良質のものが得られるＳ１結晶基板
を使用しているので、上記のＣＯＤを含む他の半導体装
置と組合せることにより、すぐれた赤外線検出感度を有
するモノリシック形赤外線撤像デバイスを構成するため
の集積化を好都合に行うことができる。

（発明の効果） 本発明の赤外線検出素子においては、３ｉ結晶基板上に
、−船釣に３ｉ　　　Ｑｅ　　で表わされる１−×　　
　　　× 混晶膜より成る中間層を、さらにその上に８１結晶膜を
形成した積層構成を備え、上記中間層中の不純物のドー
プ吊を、両側の３ｉ結晶基板とＳ１結晶膜との間で、」
二記の積層構成の積み重ね方向に変化させることにより
、外部の電界を必要とづることなく、上記中間層の内部
構成のみにより、中間層内に電荷の一方向駆動用の内部
電場を生成することができるため、筒中な構成により良
好な赤外線検出感度を有する赤外線検出素子を＋ｙ＋る
口とができる。

また、本発明の赤外線検出素子は、良質の結晶が１！？
易い３ｉ結晶基板を使用しているため、ＣＯＤその他の
半導体装置と組合せて集積化を行うことにより、すぐれ
た赤外線検出感度を有するモノリシック形赤外線撮像デ
バイスを得ることができる。このように、本発明により
得られる産業上の効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のへテロ接合障壁を利用したｎ形Ｓ１基
板／ｎ形Ｑｅ層／ｎ形３ｉ層の積層構成の赤外線検出素
子のエネルギ帯構造図である。 第２図は、第１図の従来の赤外線検出素子の各層のｐ形
をｐ形に変えた構成を有する赤外線検出素子のエネルギ
帯構造図で・ある。 第３図は、積層構成のへテロ接合障壁利用形赤外線検出
素子の中間層内のポテンシャル井戸の中の電荷が、電極
として作用する両側の層のいずれかに向かつて移動する
状態を図解した説明図である。 第４図は、ヘテロ接合障壁を利用するｎ形Ｓ１結晶阜根
／ｎ形Ｑｅ結晶膜／ｎ形３ｉ結晶膜の積層構成を有し、
かつ、中間層のｎ形Ｇｅ結晶膜の中の不純物のドープ量
を積層の積み重ねの方向に変化させた本発明の第１の実
施例の赤外線検出素子のエネルギ帯構造図である。 第５図は、第４図の赤外線検出素子のｎ形３ｉ結晶基根
をｐ形３ｉ結晶基根に変えた、ＩＲＣＣＤを形成づるた
めの集積化に適した混成形積層構成を有する本発明の第
２の実施例の赤外線検出素子のエネルギ帯構造図である
。 第６図は、第５図の赤外線検出素子をＣＯＤと結合させ
ることにより形成した赤外線検出装置の構成を示す要部
切断側面図である。 （符号の説明〉 １・・・ｒ）形３ｉ結晶基根、 ２・・・ｎ形Ｑｅ結晶膜、 ３・・・ｎ形３ｉ結晶膜、 １′・・・ｐ形３ｉ結晶基根、 ２′・・・ｐ形Ｇｅ結晶膜、 ３′・・・ｐ形３ｉ結晶膜、 ４・・・ガード・リング、 ５・・・絶縁膜、 ６・・・トランスファ・ゲート、 ７・・・ＣＯＤのゲート、 ＦＦ・・・フェルミ中レベル 「。・・・伝導帯の底のエネルギ・レベル、Ｅ　・・・
価電子帯の頂のエネルギ・レベル、■ ΔＥｏ・・・伝導帯のポテンシャル障壁、八Ｅ　・・・
ｌ１１ｉ電子帯のポテンシへフル障壁。 ■

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｉ結晶基板上にＳｉ＿１＿−＿ｘＧｅ＿ｘ混晶
   膜より成る中間層（０≦ｘ≦１）を、さらにその上にＳ
   ｉ結晶層を形成させた積層構成を有し、前記Ｓｉ結晶基
   板と前記Ｓｉ＿１＿−＿ｘＧｅ＿ｘ中間層との間、およ
   び前記Ｓｉ＿１＿−＿ｘＧｅ＿ｘ中間層と前記Ｓｉ結晶
   層との間に生ずるヘテロ接合障壁を用いて、前記Ｓｉ＿
   １＿−＿ｘＧｅ＿ｘ中間層の伝導帯または価電子帯に形
   成した電荷蓄積用ヘテロ接合障壁セルを利用した赤外線
   検出素子において、前記Ｓｉ＿１＿−＿ｘＧｅ＿ｘ中間
   層中の不純物ドープ量を前記積層構成の厚さ方向に変化
   させることにより、前記 Ｓｉ＿１＿−＿ｘＧｅ＿ｘ中間層の伝導帯または価電子
   帯に内部電場を形成し、被験赤外線を吸収することによ
   って生じた前記ヘテロ接合障壁セル内の励起エネルギ準
   位の電荷が、前記Ｓｉ＿１＿−＿ｘＧｅ＿ｘ中間層から
   前記Ｓｉ結晶基板又は前記Ｓｉ結晶図に移動する確率を
   増加させることによって赤外線検出感度を増大させるこ
   とを特徴とする赤外線検出素子。
2. （２）請求項１に記載の赤外線検出素子と電荷結合素子
   とを結合させることにより形成され、赤外線電荷結合装
   置としての機能を備えた赤外線検出装置。