KR100762772B1 - 적외선 센서 ｉｃ, 적외선 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

매우 사이즈가 작고, 전자 노이즈나 열 이동의 영향을 받기 어려운 적외선 센서 IC, 적외선 센서 및 그 제조 방법을 제공한다. 소자 저항이 작고, 전자 이동도가 큰 화합물 반도체를 센서부 (2) 에 사용하여, 화합물 반도체 센서부 (2) 와 화합물 반도체 센서부 (2) 로부터의 전기 신호를 처리하여 연산을 행하는 집적 회로부 (3) 를 동일 패키지 내에 하이브리드 형성함으로써, 이제까지 없었던 소형이고, 간이한 패키지로 실온 동작 가능한 적외선 센서 IC 를 실현할 수 있다.
하이브리드, 적외선 센서, 인듐, 안티몬, 화합물 반도체

Description

적외선 센서 ＩＣ, 적외선 센서 및 그 제조 방법{INFRARED SENSOR IC, INFRARED SENSOR AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
기술분야
본 발명은, 적외선 검지 (detection) 의 분야, 특히 장파장대역의 방사 에너지를 검지하는 적외선 센서, 예를 들어 인감 센서 (human sensor) 의 기술 분야에 관한 것이다.
배경기술
일반적으로 적외선 센서에는, 적외선 에너지를 흡수함으로써 발생하는 온도 변화를 이용하는 열형 (집전 소자 (pyroelectric elements) 나 서모파일 (thermopiles) 등) 과, 입사한 광에너지로 여기된 전자에 의하여 발생하는 도전율의 변화나 기전력을 이용하는 양자형이 있다. 열형은 실온 동작이 가능하지만, 파장 의존성이 없고, 저감도로 응답성이 느리다는 결점이 있다. 한편, 양자형은 저온으로 냉각할 필요가 있지만, 파장 의존성이 있고, 고감도로 응답 속도도 빠르다는 특징을 갖고 있다.
적외선 센서의 응용은, 사람을 검지함으로써, 조명이나 에어컨, TV 등의 가전 기기의 자동 온오프를 행하는 인감 센서나, 방범용의 감시 센서 등이 대표적인 예이다. 최근, 에너지 절감이나, 홈 오토메이션, 시큐리티 시스템 등에의 응용으로 매우 주목되어 왔다.
인감 센서로서 현재 쓰이고 있는 적외선 센서는, 집전 효과를 이용한 집전형 적외선 센서이다. 집전형 적외선 센서는, 비특허 문헌 1 에 나타나 있는 바와 같이, 그 집전 소자의 임피던스가 매우 높기 때문에, 전자 (電磁) 노이즈나 열 이동의 영향을 받기 쉽다. 그 때문에, 금속 Can 패키지 등의 차폐가 필수가 된다. 또한, I-V 변환 회로에 큰 R 이나 C 가 필요하여, 소형화가 곤란하다.
한편, 양자형의 적외선 센서로는, HgCdTe (MCT) 나 InSb 계가 그 대표적인 재료로서 이용되어 왔다. MCT 나 InSb 계를 사용하는 경우, 센서부를 액체 질소나 액체 헬륨, 또는 펠티에 (Peltier) 효과를 이용한 전자 냉각 등으로 냉각할 필요가 있다. 일반적으로, 냉각된 양자형 적외선 센서에서는, 집전 센서의 100 배 이상의 고감도화를 달성할 수 있다. 또한, 소자 저항은 수십 ∼ 수백 Ω 로 작고, 전자 노이즈나 열 이동의 영향은 받기 어렵다. 단, 패키지에 관해서는 저온으로 냉각할 필요가 있기 때문에, 튼튼한 금속 패키지가 쓰이고 있다.
또한, 양자형 적외선 센서 중에서도, MCT 는 가장 고감도이지만, 그 센서에 사용되는 Hg 의 증기압은 높다. 그 때문에, 결정 성장시의 조성 제어성이나 재현성이 어렵고, 균일한 막이 얻어지기 어렵다. 또한 소자화 프로세스에 있어서도 기계적 강도가 약하고, Hg 의 확산이나 누출이라는 문제를 안고 있다.
InSb 계에 관해서는, 검출해야 할 파장에 맞추어 InAsxSb1 - x 의 혼정 (混晶) 이 검토되고 있다. 예를 들어, InSb 기판을 사용하고 그 위에 InSb 의 일부를 As 로 치환하여 에피텍셜 성장하는 방법 (특허 문헌 1 참조) 등이 시도되고 있다.
또한, 판독 및 신호 처리 회로가 집적화된 기체 위에, 적외선 센서부를 성장시킨 모놀리식 (monolithic) 구조가 제안되어 있다 (특허 문헌 2 참조). 그러나, 신호 처리 회로 상에 적외선 센서부인 화합물 반도체 박막을 성장시키는 기술은 매우 어렵고, 실용적인 디바이스로서 응용 가능한 품질을 갖는 막은 용이하게는 얻어지지 않는다. 또한, 신호 처리 회로를 동작시켰을 때에 발생하는 열이, 그 위에 모놀리식 형성된 적외선 센서부에 열 이동의 노이즈가 되어 오신호를 제공하는 것이 문제가 된다. 따라서, 이 열 이동의 영향을 억제하기 위하여, 센서 전체를 액체 질소 등으로 냉각시키는 것이 필수가 된다. 이와 같은 냉각은, 일반적인 가전이나 조명용의 인감 센싱의 용도에는 적합하지 않다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 소53-58791호
특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 평2-502326호
비특허 문헌 1 : 마츠이 쿠니히코 저 「센서 활용 141 의 실천 노하우」 CQ 출판, 2001 년 5 월 20 일, p56
비특허 문헌 2 : A.G.Thompson and J.C.Woolley, Can.J.Phys., 45, 255 (1967)
발명의 개시
본 발명은, 실온에서의 동작이 가능하고, 전자 노이즈나 열 이동의 영향도 받기 어려운 초소형의, 적외선 센서 IC, 적외선 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자 등은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 작은 소자 저항을 갖는 화합 물 반도체 센서부와 그 화합물 반도체 센서부로부터 출력되는 전기 신호를 처리하는 집적 회로부를 동일 패키지 내에서 하이브리드 형성시킴으로써, 실온에서 검지할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 이르렀다. 또한 본 발명 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서는, 전자 노이즈나 열 이동의 영향을 받기 어렵다는 특징을 갖는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부는, 소자 저항이 작기 때문에, 화합물 반도체 센서부로부터 출력되는 신호 처리 회로에 있어서의 R 이나 C 를 작게 할 수 있고, 따라서 센서 모듈로 하였을 때의 IC 의 소형화가 가능해진다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 는, 적외선 센서부와 집적 회로부를 따로따로 제작할 수 있기 때문에, 디바이스 프로세스는 각각에 알맞은 프로세스를 이용할 수 있다. 또한, 적외선 센서부와 집적 회로부는 하이브리드 형성되어 있기 때문에, 모놀리식 구조에서 문제가 된 집적 회로부로부터의 발열 영향을 받기 어렵다. 따라서 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 는 냉각할 필요가 없다는 큰 특징을 갖고 있다.
즉, 본 발명에 있어서의 제 1 실시 형태의 적외선 센서 IC 는, 기판 상에 박막 성장되고 인듐 및 안티몬을 함유하는 화합물 반도체층을 갖고, 그 화합물 반도체층에 의해 적외선을 검지하여 그 검지를 나타내는 전기 신호를 출력하는 화합물 반도체 센서부와, 상기 화합물 반도체 센서부로부터 출력되는 전기 신호를 처리하여 소정의 연산을 행하는 집적 회로부를 구비하고, 상기 화합물 반도체 센서부 및 상기 집적 회로부가 동일 패키지 내에 하이브리드의 형태로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 실시 형태의 적외선 센서 IC 는, 본 발명의 제 1 실시 형태의 적외선 센서 IC 에 있어서, 상기 화합물 반도체 센서부는, 기판과, 그 기판 상에, 격자 부정합을 완화시키는 층인 버퍼층을 사이에 개재하여 형성된 화합물 반도체층을 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 버퍼층은, AlSb, AlGaSb, AlGaAsSb, AlInSb, GaInAsSb, AlInAsSb 중 어느 하나이어도 된다.
본 발명의 제 3 실시 형태의 적외선 센서 IC 는, 본 발명의 제 1 및 제 2 실시 형태의 적외선 센서 IC 에 있어서, 상기 화합물 반도체층이, 제 1 화합물 반도체층의 단층으로 이루어지고, 또한 그 제 1 화합물 반도체층이, InSb, InAsSb, InSbBi, InAsSbBi, InTlSb, InTlAsSb, InSbN, InAsSbN 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 제 1 화합물 반도체층이, p 형 도핑되어 있어도 된다.
본 발명의 제 4 실시 형태의 적외선 센서 IC 는, 본 발명의 제 1 및 제 2 실시 형태의 적외선 센서 IC 에 있어서, 상기 화합물 반도체층이, 인듐 및 안티몬을 함유하는 재료인 제 2 화합물 반도체층과, 그 제 2 화합물 반도체층 상에 그 제 2 화합물 반도체층과 헤테로 접합하도록 형성된 안티몬을 함유하고, 또한 상기 제 2 화합물 반도체층과는 상이한 재료인 제 3 화합물 반도체층을 구비하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 제 3 화합물 반도체층/상기 제 2 화합물 반도체층의 조합이, GaSb/InSb, GaInSb/InSb, InSb/InAsSb, GaSb/InAsSb, GaInSb/InAsSb 중 어느 하나이어도 된다. 또한, 상기 제 2 화합물 반도체층과 상기 제 3 화합물 반도체층의 양방, 또는, 상기 제 3 화합물 반도체층만이 p 형 도핑되어 있어도 된다.
본 발명의 제 5 실시 형태의 적외선 센서 IC 는, 본 발명의 제 1 및 제 2 실 시 형태의 적외선 센서 IC 에 있어서, 상기 화합물 반도체층이, 인듐 및 안티몬의 적어도 일방을 함유하는 재료인 제 4 화합물 반도체층과, 그 제 4 화합물 반도체층 상에 그 제 4 화합물 반도체층과 헤테로 접합하도록 형성되고, 인듐 및 안티몬의 적어도 일방을 함유하고, 또한 상기 제 4 화합물 반도체층과는 상이한 재료인 제 5 화합물 반도체층을 구비하고, 상기 제 4 화합물 반도체층과 상기 제 5 화합물 반도체층은, 주기적으로 적층된 초격자 (superlattice) 구조인 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 제 5 화합물 반도체층/상기 제 4 화합물 반도체층의 조합이, InAs/GaSb, InAs/GaInSb, InAs/GaAsSb, InAsSb/GaSb, InAsSb/GaAsSb, InAsSb/GaInSb 중 어느 하나이어도 된다.
본 발명의 제 6 실시 형태의 적외선 센서 IC 는, 본 발명의 제 1 및 제 2 실시 형태의 적외선 센서 IC 에 있어서, 상기 화합물 반도체층이, 인듐 및 안티몬을 함유하고, n 형 도핑된 재료인 화합물 반도체층과, 인듐 및 안티몬을 함유하고, p 형 도핑된 재료인 화합물 반도체층을 구비한 p-n 접합의 적층체 (stacked layer) 인 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 적층체가, p 형 도핑된 InSb/n 형 도핑된 InSb, p 형 도핑된 InSb/p 형 도핑된 InAsSb/n 형 도핑된 InSb, p 형 도핑된 GaInSb/p 형 도핑된 InAsSb/n 형 도핑된 GaInSb, p 형 도핑된 GaInSb/p 형 도핑된 InSb/n 형 도핑된 GaInSb 중에서 선택된 p-n 접합 적층체이어도 된다.
본 발명의 제 7 실시 형태의 적외선 센서는, 기판과, 그 기판 상에 형성된 복수의 화합물 반도체층이 적층된 화합물 반도체의 적층체를 구비하고, 상기 화합물 반도체의 적층체는, 그 기판 상에 형성되고, 인듐 및 안티몬을 함유하고, n 형 도핑된 재료인 제 6 화합물 반도체층과, 그 제 6 화합물 반도체층 상에 형성되고, 인듐 및 안티몬을 함유하고, 논도프 (non dope) 또는 p 형 도핑된 재료인 제 7 화합물 반도체층과, 그 제 7 화합물 반도체층 상에 형성된, 상기 제 7 화합물 반도체층보다도 고농도로 p 형 도핑되고, 또한 상기 제 6 화합물 반도체층 및 상기 제 7 화합물 반도체층보다도 큰 밴드갭 (band gap) 을 갖는 재료인 제 8 화합물 반도체층을 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 제 6 화합물 반도체층은 InSb 이고, 상기 제 7 화합물 반도체층은 InSb, InAsSb, InSbN 중 어느 하나이고, 상기 제 8 화합물 반도체층은 AlInSb, GaInSb, 또는 AlAs, InAs, GaAs, AlSb, GaSb 및 그들의 혼정 중 어느 하나이어도 된다. 또한, 상기 제 6 화합물 반도체층의 n 형 도펀트는 Sn 이고, 상기 제 7 화합물 반도체층 및 상기 제 8 화합물 반도체층의 p 형 도펀트는 Zn 이어도 된다.
또한, 상기 화합물 반도체의 적층체는, 상기 제 8 화합물 반도체층 상에 형성되고, 인듐 및 안티몬을 함유하고, 그 제 8 화합물 반도체층과 동등하거나, 또는 그 이상의 농도로 p 형 도핑된 재료인 제 9 화합물 반도체층을 추가로 구비할 수 있다. 상기 제 9 화합물 반도체층은 InSb 이어도 된다.
또한, 상기 기판은 반절연성, 또는 상기 기판과 그 기판에 형성된 제 6 화합물 반도체층이 절연 분리 가능한 기판이고, 상기 제 6 화합물 반도체층 중, 상기 제 7 화합물 반도체층이 형성되어 있지 않은 영역에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 8 화합물 반도체층 상에 형성된 제 2 전극을 추가로 구비할 수 있다. 또, 「상기 제 8 화합물 반도체층 상에 형성된」 이란, 제 8 화합물 반도체층에 대하여 제 2 전극이 공간적으로 위에 형성되는 것을 가리킨다. 즉, 제 2 전극을 제 8 화 합물 반도체층의 바로 위에 형성하는 것에 한정되지 않고, 제 8 화합물 반도체층에 다른 층 (예를 들어, 제 9 화합물 반도체층) 을 형성하고, 그 층에 제 2 전극을 형성하는 것도 포함된다. 여기서, 상기 기판 상에는, 상기 화합물 반도체의 적층체에 형성된 제 1 전극과, 그 제 1 전극이 형성된 화합물 반도체의 적층체 옆의 화합물 반도체의 적층체에 형성된 제 2 전극이 직렬 접속하도록, 복수의 상기 화합물 반도체의 적층체가 연속적으로 형성되어 있어도 된다.
본 발명의 제 7 실시 형태에 있어서, 출력 신호를 측정할 때에, 상기 제 1 및 제 2 전극 사이의 바이어스를 제로 바이어스로 하고, 적외선 입사시의 신호를 개방 회로 전압으로서 판독하도록 하여도 된다.
본 발명의 제 8 실시 형태의 적외선 센서 IC 는, 본 발명의 제 7 실시 형태의 적외선 센서와 상기 적외선 센서로부터 출력되는 전기 신호를 처리하여 소정의 연산을 행하는 집적 회로부를 구비하고, 상기 적외선 센서 및 상기 집적 회로부가 동일 패키지 내에 하이브리드의 형태로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 9 실시 형태의 적외선 센서의 제조 방법은, 기판 상에 인듐 및 안티몬을 함유하고, n 형 도핑된 재료인 제 6 화합물 반도체층을 형성하는 공정과, 그 제 6 화합물 반도체층 상에 인듐 및 안티몬을 함유하고, 논도프 또는 p 형 도핑된 재료인 제 7 화합물 반도체층을 형성하는 공정과, 그 제 7 화합물 반도체층 상에, 상기 제 7 화합물 반도체층보다도 고농도로 p 형 도핑되고, 또한 상기 제 6 화합물 반도체층 및 상기 제 7 화합물 반도체층보다도 큰 밴드갭을 갖는 재료인 제 8 화합물 반도체층을 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 제 6 화합물 반도체층은 InSb 이고, 상기 제 7 화합물 반도체층은 InSb, InAsSb, InSbN 중 어느 하나이고, 상기 제 8 화합물 반도체층은 AlInSb, GaInSb, 또는 AlAs, InAs, GaAs, AlSb, GaSb 및 그들의 혼정 중 어느 하나이어도 된다. 또한, 상기 제 6 화합물 반도체층의 n 형 도펀트는 Sn 이고, 상기 제 7 화합물 반도체층 및 상기 제 8 화합물 반도체층의 p 형 도펀트는 Zn 이어도 된다.
또한, 상기 제 8 화합물 반도체층 상에, 인듐 및 안티몬을 함유하고, 그 제 8 화합물 반도체층과 동등하거나, 또는 그 이상의 농도로 p 형 도핑된 재료인 제 9 화합물 반도체층을 형성하는 공정을 추가로 가질 수 있다. 여기서, 상기 제 9 화합물 반도체층은 InSb 이어도 된다. 또한, 상기 제 9 화합물 반도체층의 p 형 도펀트는 Zn 이어도 된다.
본 발명 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 를 사용하면, 초소형이고, 실온에서 동작 가능한 인감 센서를 실현할 수 있기 때문에, 이제까지 탑재가 어려웠던 가전 등에도 용이하게 탑재가 가능해진다. 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 는, 이제까지, 냉각이 전제이고, 계측 용도로 밖에 응용이 되지 않았던 화합물 반도체를 사용한 양자형 적외선 센서를, 집적 회로와 하이브리드화함으로써, 실온에서의 동작을 가능하게 한다. 또한 소자 저항이 작다는 화합물 반도체 소자가 전자 노이즈나 열 이동의 영향을 받기 어렵다는 특징을 살려, 소형이고 저렴한 인감 센서를 실현하였다. 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 를 사용하면, 홈 일렉트로닉스나 오피스 일렉트로닉스의 폭넓은 에너지 절감화를 달성할 수 있고, 에너지·환경상의 유용성은 헤아릴 수 없다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 2 는 본 발명의 제 3 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 나타내는 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 제 4 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 나타내는 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 제 5 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 나타내는 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 제 6 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 나타내는 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 나타내는 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 제 3 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부의 전극 구조 (광도전형) 를 나타내는 단면도이다.
도 8 은 본 발명의 제 6 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부의 전극 구조 (광기전력형 (photovoltaic type)) 를 나타내는 단면도이다.
도 9 는 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 다른 예를 나타내는 사시도이다.
도 10 은 본 발명의 제 7 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 나타내는 단면도이다.
도 11 은 본 발명의 제 7 실시 형태에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서의 에너지 밴드도이다.
도 12 는 본 발명의 제 7 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 13 은 본 발명의 제 7 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 복수의 단일 소자가 직렬 접속된 화합물 반도체 센서부의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 14 는 본 발명의 제 7 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 복수의 단일 소자가 직렬 접속된 화합물 반도체 센서부의 일례를 나타내는 상면도이다.
도 15 는 본 발명의 실시예 7 에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 나타내는 단면도이다.
도 16 은 본 발명의 실시예 8 에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 나타내는 단면도이다.
도 17 은 본 발명의 실시예 9 에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 나타내는 단면도이다.
도 18 은 본 발명의 실시예 10 에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 19 는 본 발명의 실시예 11 에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 20 은 본 발명의 실시예 12 에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 나타내는 단면도이다.
도 21 은 본 발명의 실시예 13 에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 나타내는 단면도이다.
도 22 는 본 발명의 실시예 7 ∼ 9, 12 및 13 에 관련된 화합물 반도체 센서의 출력 전압의 비교를 나타내는 도면이다.
도 23 은 본 발명의 실시예 9, 12 및 13 에 관련된 화합물 반도체 센서의 포화 전류의 비교를 나타내는 도면이다.
도 24 는 본 발명의 실시예 9, 12 및 13 에 관련된 화합물 반도체 센서의 광전류의 비교를 나타내는 도면이다.
도 25 는 본 발명의 실시예 14 에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 26 은 본 발명의 제 8 실시 형태이고, 실시예 15 에 관련된 적외선 센서 IC 의 단면도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명에 관하여, 이하에서 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 또, 이하에서 설명하는 도면에서, 동일 기능을 갖는 것은 동일 부호를 붙여, 그 반복 설명은 생략한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 모식도를 나타낸다. 도 1 중, 부호 1 은 프린트 기판 (또는 리드프레임), 2 는 화합물 반도 체 센서부, 3 은 집적 회로부, 4a 는 프린트 기판 (1) 상에 형성된 리드 (lead) 전극을 나타내고 있다. 화합물 반도체 센서부 (2) 및 집적 회로부 (3), 그리고 집적 회로부 (3) 및 리드 전극 (4a) 은, 각각 각 전극 (13) 사이를 와이어 본딩 (4b) 으로 접속되어 있다. 부호 5 는 패키지 커버를 나타내고 있다. 즉, 프린트 기판 (1) 상에, 화합물 반도체 센서부 (2) 및 집적 회로부 (3) 가 하이브리드 형성되어 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 「화합물 반도체 센서부」 란, 입사된 적외선을 검지하여, 그 검지 결과를 전기 신호로서 출력하는 수단, 즉 적외선 센서이다. 또한, 「집적 회로부」 란, 복수의 회로 소자가 기판 상 또는 기판 내에 형성되어 있는 회로이고, 화합물 반도체 센서부로부터 출력되는 적외선의 검지 신호 (전기 신호) 를 처리하여 소정의 연산을 행하는 수단이다. 또한, 「하이브리드 형성 (하이브리드로 형성한다)」 이란, 하나의 기판 상에, 집적 회로부나 화합물 반도체 센서부 등의 소자를 개별로 조합하고, 그들 소자를 서로 전기적으로 접속하여 형성하는 것이다.
본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 형성하기 위하여 사용되는 기판은, 일반적으로 단결정을 성장할 수 있는 것이면 무엇이든 좋고, GaAs 기판, Si 기판 등의 단결정 기판이 바람직하게 사용된다. 또한, 그들 단결정 기판이 도너 불순물이나 억셉터 불순물에 의하여 n 형이나 p 형으로 도핑되어 있어도 된다. 또한, 절연성의 기판 상에 성장시킨 후, 화합물 반도체 센서부를 다른 기판에 접착제로 붙이고, 절연성 기판을 박리하는 것도 행해 진다.
화합물 반도체 센서부를 구성하는 화합물 반도체층은, 각종 막형성 방법을 사용하여 형성된다. 예를 들어, 분자선 에피택시 (MBE) 법, 유기 금속 기상 에피택시 (MOVPE) 법 등은 바람직한 방법이다. 상기 성장 방법에 의하여, 원하는 화합물 반도체층을 형성한다.
화합물 반도체 센서부를 구성하는 화합물 반도체층의 재료로서, Eg[eV] ≤ 1.24/λ[㎛] (적외선의 파장 λ = 10㎛) 를 만족하는 밴드갭 (Eg) 을 갖는 화합물 반도체가 사용된다. 예를 들어, 제 1 화합물 반도체층으로는, 그 반도체층에 인듐 (In) 및 안티몬 (Sb) 을 함유하는 것이면 어느 것을 사용해도 되지만, 그 중에서도, InSb, InAsSb, InSbBi, InAsSbBi, InTlSb, InTlAsSb, InSbN, InAsSbN 등이 바람직하게 사용된다. InAsxSb1 -x 혼정의 밴드갭 (Eg) 은, 0.58x2 - 0.41x + 0.18 = Eg 로 나타내고, 매우 큰 비선형 인자가 있다 (비특허 문헌 2 참조). As 조성비의 x 가 0 인 경우, 즉 InSb 는 실온에서 약 7.3㎛ 이하의 파장에 있어서 감도가 얻어진다. 또한, 0.1 ≤ x ≤ 0.6 의 범위에 있어서는 Eg ≤ 0.12eV 가 되고, 10㎛ 대를 피크 파장으로 한 적외선 검지에 대하여, 보다 알맞은 화합물 반도체층이 된다. 또한 바람직한 x 의 범위는 0.2 ≤ x ≤ 0.5 이다. 도 2 에, GaAs 기판 (6) 상에 형성된 제 1 화합물 반도체층 (7) 의 일례의 단면도를 나타낸다.
또한, 화합물 반도체층이, 제 2 화합물 반도체층과 제 3 화합물 반도체층으로 이루어지는 헤테로 구조를 형성하고 있어도 된다. 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 제 2 화합물 반도체층으로는, 그 반도체층에 인듐 (In) 및 안티몬 (Sb) 을 함유하는 것이면 어느 것을 사용해도 되고, 또한, 제 3 화합물 반도체층으로는, 그 반도체층에 안티몬을 함유하고, 또한 제 2 화합물 반도체층과는 상이한 재료이면 된다. 그 중에서도, 제 3 화합물 반도체층/제 2 화합물 반도체층의 바람직한 조합은, GaSb/InSb, GaInSb/InSb, InSb/InAsSb, GaSb/InAsSb, GaInSb/InAsSb 등이다. 특히 InAsxSb1 -x 혼정의 x 는, 상기에서 서술한 바와 같이 0.1≤ x ≤ 0.6 의 범위가 바람직하고, 더욱 바람직한 x 의 범위는 0.2 ≤ x ≤ 0.5 이다. 도 3 에, GaAs 기판 (6) 상에 형성된 제 2 화합물 반도체층 (8)/제 3 화합물 반도체층 (9) 으로 이루어지는 화합물 반도체 센서부 (2) 의 예의 단면도를 나타낸다 (전극 (13) 은 도시하지 않는다).
또, 본 명세서에 있어서, 기호 / 가 있는 경우, 기호 / 의 좌측에 기재되는 재료는, 그 기호 / 의 우측에 기재되는 재료 위에 형성되는 것을 나타낸다. 따라서, 상기 기술한 바와 같이, 제 3 화합물 반도체층/제 2 화합물 반도체층이라고 되어 있는 경우에는, 제 2 화합물 반도체층 상에 제 3 화합물 반도체층이 형성되는 것을 나타낸다.
본 발명의 일 실시 형태에 관련된, 제 1 화합물 반도체층, 제 2 화합물 반도체층이나 제 3 화합물 반도체층은 p 형 도핑되어 있어도 된다. p 형의 도펀트로는 Be, Zn, C, Mg, Cd, Ge 등이 바람직하게 사용된다. 여기서, 도핑 농도란, 화합물 반도체 중에 도핑되는 불순물 원자의 농도이다. p 형 도핑 농도로는 1 × 1016 ∼ 1 × 1017 원자/cm3 이고, 보다 바람직하게는, 2 ×1016 ∼ 5 × 1016 원자/cm3 이다.
본 발명의 일 실시 형태에 관련된, 제 1 화합물 반도체층, 제 2 화합물 반도체층이나 제 3 화합물 반도체층을 p 형화하는 효과에 관하여 이하에 서술한다. 제 1 화합물 반도체층, 제 2 화합물 반도체층이나 제 3 화합물 반도체층을 화합물 반도체 센서부에 사용하는 적외선 센서는, 일반적으로 광도전형 적외선 센서라고 불린다. 광도전형 적외선 센서의 경우, 감도 (Rpc) 는, 수학식 1 로 나타낸다. 여기서, λ 는 적외선의 파장, h 는 프랭크 상수, c 는 광속, η 는 양자 효율, l 은 센서 소자의 길이, w 는 센서 소자의 폭, Vb 는 바이어스 전압, τ 는 캐리어의 라이프타임, d 는 화합물 반도체층의 막두께, N 은 센서 소자의 캐리어 농도, q 는 전자의 전하, μ 는 전자 이동도, Rin 은 센서 소자의 소자 저항이다.
Figure 112006016784398-pct00001
수학식 1 에 의하면, 적외선 센서의 고감도화를 위하여, 화합물 반도체층의 막 특성으로는, 전자 이동도가 크고, 소자 저항이 크고, 캐리어 농도가 가능한 한 작은 막 특성이 요구된다. 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 구성하는 제 1 화합물 반도체층이나 제 2 화합물 반도체층, 제 3 화합물 반도체층은, 논도프로 n 형을 나타내는 박막 재료이다. 따라서, 캐리어 농도 저감을 위하여, 그들 화합물 반도체층을 p 형 도핑하는 것이 바람직하게 행해진다. 막두께에 관해서는, 얇을수록 좋지만, 양자 효율은 막두께가 두꺼워질수록 커지기 때문에 최적치가 존재한다. 또한, 소자 저항에 관해서도 너무 커지면 (kΩ 이상), 전자 노이즈의 영향을 받기 쉬워지기 때문에, 최적치가 존재한다.
화합물 반도체층은 제 4 화합물 반도체층과 제 5 화합물 반도체층이 교대로 적층된 초격자 구조를 형성하는 것도 바람직하게 행해진다. 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 제 4 화합물 반도체층은 인듐 (In) 및 안티몬 (Sb) 의 적어도 일방을 함유하는 재료이고, 제 5 화합물 반도체층으로는 인듐 (In) 및 안티몬 (Sb) 의 적어도 일방을 함유하고, 또한 제 4 화합물 반도체층과 상이한 재료이면 된다. 그 중에서도 바람직한 초격자 구조를 형성하는 제 5 화합물 반도체층/제 4 화합물 반도체층의 조합으로는, InAs/GaSb, InAs/GaInSb, InAs/GaAsSb, InAsSb/GaSb, InAsSb/GaAsSb, InAsSb/GaInSb 등이, 고감도인 적외선 센서를 실현하는 데에 있어서, 매우 바람직하게 사용된다. 또한 상기 화합물 반도체 중에서, InAsxSb1 -x 혼정의 x 는, 상기에서 서술한 바와 같이 0.1 ≤ x ≤ 0.6 의 범위가 바람직하고, 더욱 바람직한 x 의 범위는 0.2 ≤ x ≤ 0.5 이다. 도 4 에는, GaAs 기판 (6) 상 에 제 4 화합물 반도체층 (10) 과 제 5 화합물 반도체층 (11) 이 교대로 적층된 초격자 구조의 화합물 반도체 센서부 (2) 의 일례의 단면도를 나타낸다 (전극 (13) 은 도시하지 않는다).
초격자 구조는 Type-II 라고 불리는 밴드 구조이다. 즉, 초격자 구조란, 제 5 화합물 반도체층을 구성하는 박막 재료의 전도대가, 제 4 화합물 반도체층을 구성하는 박막 재료의 가전자대의 아래에 위치하고 있고, 밴드갭이 분리되어 있는 구조이다. 이와 같은 밴드 구조에 있어서는, 가전자대의 홀과 전도대의 전자가 각각 공간적으로 분리된다. 그 결과, 재결합하고자 하는 캐리어의 라이프타임이 길어지고, 적외선의 에너지를 전기 신호로서 취출하는 효율이 향상한다. 따라서, 적외선 센서의 고감도화를 달성할 수 있다고 사료된다.
화합물 반도체층이 화합물 반도체의 적층체, 즉 인듐 (In) 및 안티몬 (Sb) 을 함유하고, n 형 도핑된 화합물 반도체층과, 인듐 (In) 및 안티몬 (Sb) 을 함유하고, p 형 도핑된 화합물 반도체층이 적층된 적층체도 사용할 수 있다. 그 적층체의 바람직한 조합으로는, p 형 도핑된 InSb/p 형 도핑된 InAsSb/n 형 도핑된 InSb, p 형 도핑된 GaInSb/p 형 도핑된 InAsSb/n 형 도핑된 GaInSb, p 형 도핑된 GaInSb/p 형 도핑된 InSb/n 형 도핑된 GaInSb 등의 p-n 접합 적층체가 바람직하게 사용된다. 또한 p 형 도핑된 InSb/n 형 도핑된 InSb, 고농도로 p 형 도핑된 InSb/저농도로 p 형 도핑된 InSb/n 형 도핑된 InSb, n 형 도핑된 InSb/저농도로 p 형 도핑된 InSb/고농도로 p 형 도핑된 InSb 라는 적층체도 바람직하다.
또, 본 명세서에 있어서, 기호 / 가 복수 있는 경우에도, 기호 / 가 하나 있 는 경우와 동일하게, 복수의 기호 / 중 우측의 기호 / 로부터 좌측의 기호 / 를 향하여 순차적으로, 각 재료가 형성되는 것을 나타낸다. 즉, 예를 들어, p 형 도핑된 InSb/p 형 도핑된 InAsSb/n 형 도핑된 InSb 라고 되어 있는 경우에는, n 형 도핑된 InSb 상에 p 형 도핑된 InAsSb 가 형성되고, 그 p 형 도핑된 InAsSb 상에는 p 형 도핑된 InSb 가 형성되는 것을 나타낸다.
p 형 도펀트는 이미 서술한 것과 동일한 원소를 사용할 수 있다. n 형 도펀트는 Si, Sn, Te, S, Se 등이 바람직하게 사용된다. 도 5 에는, n 형 GaAs 기판 (6) 상에 화합물 반도체의 적층체 (12) 가 형성되어 있는 화합물 반도체 센서부 (2) 의 일례의 단면도를 나타낸다 (전극 (13) 은 도시하지 않는다). 도 5 에 있어서, 화합물 반도체의 적층체 (12) 가, 고농도 n 형 도프층 (12a)/저농도 p 형 도프층 (12b)/고농도 p 형 도프층 (12c) 의 3 층으로 이루어지는 예가 나타나 있다.
또, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서, 「적층체」 란, 복수의 화합물 반도체를 적층한 적층 구조를 갖는 화합물 반도체의 막이다.
화합물 반도체의 적층체 (12) 는 일반적으로, 고농도 p 형 도프층/저농도 p 형 도프층/고농도 n 형 도프층의 3 층 구조로 이루어져 있는 것이 바람직하다. 고농도 p 형 도프층의 도핑 농도는, 6 × 1017 ∼ 5 × 1018 원자/cm3 이고, 보다 바람직하게는 1 × 1018 ∼ 4 × 1018 원자/cm3 이다. 또한 저농도 p 형 도프층의 도핑 농도는 1 × 1016 ∼ 1 × 1018 원자/cm3 이고, 보다 바람직하게는 1 × 1016 ∼ 1 × 1017 원자/cm3 이다. 고농도 n 형 도프층의 도핑 농도는, 6 × 1017 ∼ 5 × 1018 원자/cm3 이고, 보다 바람직하게는 1 × 1018 ∼ 4 × 1018 원자/cm3 의 범위이다.
일반적으로 p-n 접합 적층체를 사용한 적외선 센서는 광기전력형 적외선 센서이고, 광기전력형 적외선 센서의 감도 (Rpv) 는, 수학식 2 로 나타낸다.
Figure 112006016784398-pct00002
수학식 2 에 의하면, 적외선 센서의 고감도화를 위해서는, 소자 저항이 크고, 양자 효율을 크게 하기 위하여 소자의 막두께가 두꺼울수록 바람직하다. 또한, p-n 접합 적층체의 경우에는, 역 바이어스 전압을 인가함으로써 보다 효율적으로 캐리어를 전기 신호로서 취출하는 것이 가능해진다. 그 결과로 적외선 센서로서의 더욱 향상된 고감도화를 달성할 수 있다. 단, 소자 저항에 관해서는, 너무 커지면 (kΩ 이상), 전자 노이즈의 영향을 받기 쉬워지기 때문에, 최적치가 있다. 또한, 역 바이어스 전압을 인가하지 않고, 제로 바이어스의 상태에서 소자의 개방 회로 전압을 측정하는 방법도 바람직한 측정 방법이다. 이에 관해서는 후에 상술한다.
또한, 이제까지 서술해 온 화합물 반도체 센서부를 구성하고 있는 화합물 반도체층을, 기판 (6) 상에 성장할 때, 도 6 에 나타낸 바와 같이 적당한 버퍼층 (14) 을 삽입함으로써, 화합물 반도체층 (예를 들어, 제 2 화합물 반도체층 (8)) 의 결함이 감소하고, 표면의 평탄성이나 결정성을 향상시킬 수 있는 것을 발견하였다. 버퍼층 (14) 으로는, AlSb, AlGaSb, AlGaAsSb, AlInSb, GaInAsSb, AlInAsSb 등이 바람직하게 사용된다. 또한 p 형 도핑을 행한 InSb 이어도 된다. 이들 버퍼층 (14) 은 기판 (6) 과의 격자 상수가 크게 상이하지만, 성장을 개시하면 매우 빠르게 격자 완화가 일어나고, 화합물 반도체층의 표면이 평탄화하고, 결정성이 우수한 박막이 얻어지는 것을 확인할 수 있다. 버퍼층 (14) 의 막두께는 기판 (6) 과의 격자 부정합을 완화하고, 양호한 결정성과 평탄한 표면이 얻어지면 되고, 일반적으로 100nm ∼ 1㎛, 바람직하게는 150nm ∼ 600nm 정도이다. 버퍼층 (14) 의 조성은 버퍼층 (14) 상에 성장시키는 화합물 반도체층의 재료에 가능한 한 격자 상수가 가까운 조성을 선택하는 것이 바람직하다. 이 격자 정합 효과 (fit effect) 에 의해, 직접 기판 상에 성장하는 것보다도 화합물 반도체층의 결정성이나 평탄성, 또한 계면의 급준성을 크게 향상할 수 있다.
또, 버퍼층 (14) 을, GaAs 기판 (6) 상과 제 1 화합물 반도체층 (7) 사이에 형성하도록 하여도 된다. 즉, 버퍼층 (14) 을 GaAs 기판 (6) 과 화합물 반도체층 사이에 형성함으로써, 상기 기술한 바와 같이, GaAs 기판 (6) 과 그 위에 형성되는 화합물 반도체층의 격자 부정합을 완화시키고, 형성되는 화합물 반도체층의 결정성 등을 향상시키는 것이 목적이다. 따라서, 버퍼층 (14) 상에 형성되는 화합물 반도체층은 단층이어도, 복수의 층이어도, 복수의 층의 적층이어도 된다.
이들의 결과, 적외선 센서로서의 소자 특성도 개선할 수 있고, 고감도화나 저노이즈화를 실현할 수 있다.
화합물 반도체 센서부를 구성하고 있는 화합물 반도체층의 막두께는, 단층의 경우에는 0.5㎛ ∼ 10㎛ 이고, 바람직하게는 0.7㎛ ∼ 5㎛, 보다 바람직하게는 1㎛ ∼ 4㎛ 이다.
또한, 헤테로 구조를 사용하는 경우에는, 제 2 화합물 반도체층 및 제 3 화합물 반도체층의 총 막두께가 0.5㎛ ∼ 10㎛ 이고, 바람직하게는 1㎛ ∼ 5㎛, 보다 바람직하게는 2㎛ ∼ 4㎛ 이다.
또한 초격자 구조의 경우에는, 제 4 화합물 반도체층 및 제 5 화합물 반도체층의 1 주기의 막두께는, 미니밴드 (mini-band) 가 형성될 정도로 얇게 할 필요가 있다. 그 1 주기의 막두께는, 1nm ∼ 15nm 의 범위가 바람직하고, 보다 바람직하게는 2nm ∼ 10nm, 더욱 바람직하게는 3nm ∼ 7nm 이다. 또한 초격자 구조의 주기는 10 ∼ 100 주기, 더욱 20 ∼ 50 주기 정도 성장시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부를 가공하는 프로세스는, 먼저 메사 에칭 (mesa etching) 에 의해, 상기 성장 방법으로 형성된 화합물 반도체층에 대하여, 소자 분리를 행한다. 이어서, 기판 및 소자 분리된 화합물 반도체층의 표면에 SiN 보호막을 형성한다. 이어서, SiN 보호막 (패시베이션막) 에 전극용의 창을 연 후, 전극 (13) 을 리프트오프법으로 형성한다. 전극 (13) 으로는 Au/Ti 가 바람직하게 사용된다. 여기서, Au/Ti 란, 전극을 형성해야 하는 하지층 (underlayer) 상에 Ti, Au 의 순으로 형성하는 것을 나타낸다. 또한 다이싱을 행하고, 화합물 반도체 센서부의 칩을 형 성한다. 상기 기술한 프로세스는, 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 화합물 반도체 센서부를 제작하는 일련의 프로세스 플로의 예이다. 제 1 화합물 반도체층 (7) 을 사용한 화합물 반도체 센서부 (2 ; 광도전형 적외선 센서) 의 일례의 단면도를 도 7 에 나타낸다. 또한, p-n 접합 적층체 (12) 를 사용한 화합물 반도체 센서부 (2 ; 광기전력형 적외선 센서) 의 일례의 단면도를 도 8 에 나타낸다.
본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 에 있어서의 집적 회로부는, Si 기판 상에 증폭 회로, 초핑 (chopping) 회로 등이 장착되고, 통상적인 CMOS 라인으로 형성되는 것이 일반적이지만, 그것에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 유리 에폭시 기판 등의 프린트 기판 (1) 상에 화합물 반도체 센서부 (2) 와 집적 회로부 (3) 를 다이 본딩하고, 소정의 전극 (13) 을 각각 와이어 본딩 (4b) 으로 전기적으로 접속시키는 것이 본 발명의 적외선 센서 IC 의 일례이다.
또한, 도 9 에 나타낸 바와 같이, 상기 집적 회로부 (3) 상에 상기 화합물 반도체 센서부 (2) 를 탑재시키고, 와이어 본딩으로 각각을 전기적으로 접속하는 형태가, 본 발명의 적외선 센서 IC 의 다른 예이다. 도 9 의 예와 같이, 집적 회로부 (3) 상에 화합물 반도체 센서부 (2) 를 중첩함으로써, 적외선 센서 IC 의 사이즈를 더욱 소형화하는 것이 가능해진다.
패키지에 관해서는, 파장 5㎛ 이상의 적외선, 특히 10㎛ 대 부근의 적외선의 투과율이 높은 재료이면 무엇이든지 좋다. 또한, 폴리에틸렌 등의 수지 재료도 막두께를 얇게 하면, 패키지 커버로서 사용할 수 있다. 또한, 10㎛ 대 부근의 투명성이 높고, 또한 방열성이 우수한 수지 등도 바람직하게 사용된다. 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 는, 전자 노이즈나 열 이동의 영향을 받기 어렵기 때문에, 금속 Can 패키지 등의 튼튼하고 고가인 패키지는 필요하지 않다.
또한, 후술의 실시예 15 에 일례를 나타내는 바와 같이, 플라스틱이나 세라믹 등으로 형성된 중공 (hollow) 패키지 중에, 센서부와 IC 부를 배치하고, 와이어 본딩이나 플립칩 본딩에 의해, 센서부와 IC 부 및 패키지의 전극을 각각 전기적으로 접속하고, 또한 패키지의 표면을 Si 등의 필터로 커버하는 것도 바람직하게 행해진다. 또, 적외선의 입사 방향은 센서부의 표면측으로부터이든, 이면 (裏面) 의 기판측으로부터이든 어느 쪽이나 좋다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 에 있어서, 인감 센서로서 사용하는 경우, 사람 이외의 물체로부터 발생되는 광 (5㎛ 이하의 근적외나 가시광 등) 의 영향을 완전히 피하기 위하여, 5㎛ 부근 이하를 커트하는 필터를 설치하는 경우도 있다. 또한, 검지하는 거리나 방향성을 정하고, 집광성을 보다 높이기 위하여 프레넬 (Fresnel) 렌즈를 형성하는 것도 바람직하게 행해진다.
화합물 반도체에 의한 양자형의 적외선 센서는 고속, 고감도라는 우수한 성질을 가지고 있는 것이 알려져 있다. 예를 들어, PN 접합을 가지는 광다이오드형의 적외선 센서나, PN 접합 사이에, 논도프나 또는 매우 저농도로 도핑한 층을 삽입한 PIN 구조를 가진 광다이오드형의 적외선 센서 등은, 본 발명에 있어서의 적외선 센서 IC 의 화합물 반도체 센서부로서 바람직하게 사용된다. 이들 양자형의 적외선 센서를 사용하여, 파장 5㎛ 이상의 적외선을 실온에서 검지하는 경우, 그 더욱 향상된 고감도화를 위해서는, 적외선 센서의 누설 전류를 억제하는 것이 중요하다. 예를 들어 PN 접합을 가지는 광다이오드형의 소자에 있어서, 그 누설 전류의 주된 원인으로 되어 있는 것이 확산 전류이다. 확산 전류는 적외선 센서를 구성하고 있는 반도체의 진성 캐리어 밀도 ni 의 2 승에 비례한다. 또한, ni2 는 수학식 3 으로 나타낸다.
Figure 112006016784398-pct00003
여기서, k 는 볼트만 상수, T 는 절대 온도이다. 또한, Nc, nv 는 각각 전도대 및 가전자대의 유효 상태 밀도이다. 또한, Eg 는 에너지 밴드갭이다. Nc, Nv, Eg 는 반도체 물질 고유의 값이다.
즉, 파장 5㎛ 이상의 적외선을 반도체가 흡수하기 위해서는, 그 에너지 밴드갭이 약 0.25[eV] 이하로 매우 작지 않으면 안된다. 이 때문에, 실온에서는 그 진성 캐리어 밀도가 6 × 1015[cm3] 이상으로 커지고, 결과적으로 확산 전류도 커진다. 따라서, 누설 전류는 커져 버린다. 따라서, 실온에서 광다이오드형의 화합물 반도체 적외선 센서를 보다 고감도화하기 위해서는, 적외선 검출 소자 부분을 액체 질소나 스타링 쿨러 (stirling cooler) 등의 기계식 냉동기, 또는 펠티에 효과를 이용한 전자 냉각 등으로 냉각하고, 진성 캐리어 밀도를 억제할 필요가 있었다.
본 발명의 일 실시 형태에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서 구조에 의하면, 확산 전류를 억제할 수 있다. 그 결과, 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서는, 실온에서 냉각 기구 없이, 더욱 향상된 고감도화를 실현할 수 있다. 도 10 에 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서의 단면도를 나타낸다. 이하에서 도 10 을 참조하면서, 그 구조와 동작의 특징을 서술한다.
도 10 에 있어서, 기판 (15) 에, n 형 도핑된 층 (n 층이라고도 부른다) 인 제 6 화합물 반도체층 (16) 이 형성되어 있다. 제 6 화합물 반도체층 (16) 의 소정의 영역에는, 논도프 또는 p 형 도핑된 층인 제 7 화합물 반도체층 (17) 이 형성되어 있다. 제 7 화합물 반도체층 (17) 상에는, 제 7 화합물 반도체층 (17) 보다도 고농도로 p 형 도핑된 층 (P 층이라고도 부른다) 이고, 또한 제 7 화합물 반도체층 (17) 보다도 에너지 밴드갭이 큰 제 8 화합물 반도체층 (18) 이 형성되어 있다. 제 8 화합물 반도체층 (18) 및 제 6 화합물 반도체층 (16) 중 제 7 화합물 반도체층 (17) 이 형성되어 있지 않은 영역에는, 전극 (19) 이 형성되어 있다. 이와 같은 구성의 화합물 반도체 적외선 센서의 표면을 보호하도록, 패시베이션막 (20) 이 형성되어 있다. 이 때, 패시베이션막 (20) 은, 전극 (19) 상에는 형성되지 않도록 한다.
도 10 에 나타내는 적외선 센서에 적외선을 입사한 경우, 적외선은 광흡수층 인 제 7 화합물 반도체층 (17) 에 있어서 흡수되고, 전자 정공쌍 (電子 正孔雙) 을 생성한다. 생성된 전자 정공쌍은 n 층인 제 6 화합물 반도체층 (16) 과 p 층인 제 8 화합물 반도체층 (18) 의 포텐셜 차, 즉 빌트인 포텐셜에 의하여 분리되고, 전자는 n 층측으로, 정공은 p 층측으로 이동하여 광전류가 된다. 이 때, 발생한 전자가 PIN 다이오드의 순방향, 즉 p 층측으로 확산하여 버리면, 광전류로서 취출할 수는 없다. 이 PIN 다이오드 순방향에의 캐리어의 확산이 확산 전류이다. 여기서, p 층인 제 8 화합물 반도체층이 에너지 밴드갭의 보다 큰 재료로써, 수학식 3 에 나타내는 바와 같이 p 층 부분의 진성 캐리어 밀도 (ni) 를 작게 할 수 있다. 따라서, 제 7 화합물 반도체층 (17) 으로부터 제 8 화합물 반도체층 (18) 에의 확산 전류를 억제할 수 있게 된다.
도 11 에, 도 10 에서 설명한 화합물 반도체 적외선 센서의 에너지 밴드도를 나타낸다. 도 11 에 있어서, E 는 전자의 에너지를 나타내고, EF 는 페르미 에너지를 나타내고, Ec 는 전도대 레벨을 나타내고, Ev 는 가전자대 레벨을 나타낸다. 또한, 도면 중의 화살표는, 적외선의 입사에 의하여 생성된 전자의 이동 방향을 나타내고, 각각 광전류가 되는 이동 방향 (화살표 A) 과, 확산 전류가 되는 이동 방향 (화살표 B) 을 나타내고 있다. 즉, 도 11 에 나타내는 화합물 반도체 적외선 센서의 에너지 밴드도로부터 알 수 있듯이, 제 8 화합물 반도체층 (18) 자체가 p 층측에의 전자의 확산에 대한 배리어층이 된다. 한편으로 적외선의 입사에 의해 생성된 정공의 흐름은 저해하지 않는다. 이 효과에 의해, 누설 전류를 대 폭으로 감소시킬 수 있다. 또한, 적외선의 입사에 의해 발생한 전자가 광전류 방향 (A) 으로 흐르기 쉬워지기 때문에, 취출할 수 있는 광전류가 커진다. 즉, 센서의 외부 양자 효율이 향상한다. 이 결과, 소자의 감도를 비약적으로 올릴 수 있다.
또한, 각 화합물 반도체층의 적층의 순서는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 매우 중요하다. 이하에서, 기판 상에 n 형 도핑되어 있는 제 6 화합물 반도체층을 먼저 성장하고, 그 제 6 화합물 반도체층 상에 p 형 도핑된 제 7 화합물 반도체층을 성장하고, 또한 제 7 화합물 반도체층 상에 제 7 화합물 반도체층보다도 고농도로 p 형 도핑되고, 또한 제 7 화합물 반도체층보다도 큰 밴드갭을 갖고 있는 제 8 화합물 반도체층을 성장하는 것의 이유를 설명한다. 먼저 제 6 화합물 반도체층 (16) 은, 광흡수층이 되는 제 7 화합물 반도체층 (17) 을 기판 상에 양호한 결정성으로 성장시키기 위한 버퍼층임과 함께, 전극과의 컨택트층 (contact layer) 이 된다. 여기서, 제 6 화합물 반도체층 (16) 의 표면적은 소자 중에서 가장 크기 때문에, 그 시트 저항은 센서의 저항의 주된 요인으로 되어 있다. 한편 센서의 저항 (R) 은 열 노이즈인 존슨 노이즈의 원인이 된다. 즉 센서의 저항이 클수록 노이즈는 커진다. 여기서, 노이즈 전압 v, 센서 신호를 증폭할 때의 증폭기의 밴드폭 f 로 하면, 존슨 노이즈는 수학식 4 와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006016784398-pct00004
따라서, 제 6 화합물 반도체층 (16) 은 시트 저항이 작은 층인 것이 바람직하다. 일반적으로 화합물 반도체는 전자의 이동도가 홀의 이동도보다도 크기 때문에, n 형 도핑이 p 형 도핑보다도 시트 저항을 작게 할 수 있다. 때문에 제 6 화합물 반도체층 (16) 에는 n 형 도핑을 행하는 것이 바람직하다.
또한, 배리어층인 제 8 화합물 반도체층 (18) 을 먼저 성장하고, 다음으로 광흡수층인 제 7 화합물 반도체층 (17) 을 성장한 경우, 확산 전류를 억제하는 효과는, 도 10 에 나타낸 적층 구조로는 변하지 않기 때문에, 화합물 반도체 적외선 센서의 구조로서는 바람직하다. 그러나, 제 7 화합물 반도체층 (17) 은 결정의 격자 상수가 상이한 제 8 화합물 반도체층 (18) 상에의 격자 부정합이 있는 헤테로 성장이 된다. 따라서, 광흡수층인 제 7 화합물 반도체층 (17) 에 결정 결함이 발생하기 쉽고, 적외선의 흡수에 의해 발생한 전자 정공쌍이 쌍소멸을 일으키기 쉬워진다. 즉 센서의 양자 효율이 내려가기 쉬워진다. 때문에 배리어층인 제 8 화합물 반도체층 (18) 은 광흡수층인 제 7 화합물 반도체층 (17) 의 다음으로 성장하는 것이 보다 바람직하다.
상기 이유에 의해, 상기 기술한 화합물 반도체 적외선 센서 구조는, 기판 (15) 상에 n 형 도핑되어 있는 제 6 화합물 반도체층 (16) 을 성장시킨다. 이어서, 그 제 6 화합물 반도체층 (16) 상의 소정의 영역에 p 형 도핑된 제 7 화합물 반도체층 (17) 을 성장시킨다. 또한, 제 7 화합물 반도체층 (17) 상에 제 7 화합물 반도체층 (17) 보다도 고농도로 p 형 도핑되고, 또한 제 7 화합물 반도체층 (17) 보다도 큰 밴드갭을 갖고 있는 제 8 화합물 반도체층 (18) 을 성장시킨다. 본 발명의 일 실시 형태에서는, 이와 같은 순서의 성장 방법으로 화합물 반도체 적외선 센서를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 제 8 화합물 반도체층 (18) 상에, 제 8 화합물 반도체층 (18) 과 동등하거나, 또는 그 이상의 농도로 p 형 도핑을 행한 제 9 화합물 반도체층을 추가로 계속하여 성장해도 된다. 이에 관해서는 후술한다.
또한, 제 8 화합물 반도체층 (18) 은, 실온에서 확산하는 전자를 충분히 멈출 수 있는 만큼의, 큰 밴드갭을 가질 필요가 있다. 일반적으로 밴드갭을 보다 크게 하기 위해서는, 제 8 화합물 반도체층 (18) 을, 격자 상수가 보다 작은 재료로 할 필요가 있다. 이 결과, 밴드갭이 작은 제 7 화합물 반도체층 (17) 과의 격자 상수차가 커지기 쉽고, 배리어층인 제 8 화합물 반도체층 (18) 에, 헤테로 성장에 의한 결정 결함이 발생하기 쉬워진다. 이 결정 결함은 결함에 의한 누설 전류의 원인이 된다. 따라서 그 밴드갭의 크기는, 확산 전류 억제의 효과와, 제 8 화합물 반도체층 (18) 의 결정성에 의해 결정된다. 이것은 사용하는 화합물 반도체층의 재료의 조합에 의하여 변화할 수 있다. 또한, 제 7 화합물 반도체층 (17) 과 제 8 화합물 반도체층 (18) 의 접합 계면에서는, 재료의 에너지 밴드 구조의 차에 의해, 도 11 에 나타내는 바와 같은 가전자대의 도약 (스파이크라고도 한다) 이 일어난다. 이 스파이크의 끝이 제 7 화합물 반도체층의 가전자대보다도 튀어나오게 되면, 적외선의 흡수에 의해 발생한 정공의 흐름을 방해하게 된다. 이것을 막기 위하여, 제 8 화합물 반도체층 (18) 은 충분한 p 형 도핑을 행할 필요가 있다.
상기 적외선 센서를 구성하는 각 화합물 반도체층의 재료로서, 제 6 화합물 반도체층 (16) 의 재료로는, 그 반도체층에 인듐 (In) 및 안티몬 (Sb) 을 함유하는 것이면 어느 것을 사용해도 되지만, 바람직한 재료로는 InSb 가 사용된다. InSb 는 화합물 반도체 중에서도 특히 캐리어의 이동도가 크고, 시트 저항을 작게 할 수 있다. 또한, 제 7 화합물 반도체층 (17) 의 재료로는, 그 반도체층에 인듐 (In) 및 안티몬 (Sb) 을 함유하는 것이면 어느 것을 사용해도 되지만, 바람직한 재료로는 InSb, InAsSb, InSbN 등이 사용된다. 상기 기술한 바와 같이, InAsxSb1 -x 혼정의 밴드갭 (Eg) 는, 0.58x2 - 0.41x + 0.18 = Eg 로 나타내고, 매우 큰 비선형 인자가 있다. As 조성비의 x 가 0 인 경우, 즉 InSb 는 실온에서 약 7.3㎛ 이하의 파장에 있어서 감도가 얻어진다. 또한, 0.1 ≤ x ≤ 0.6 의 범위에 있어서는, Eg ≤ 0.12eV 가 되고, 10㎛ 대를 피크 파장으로 한 적외선 검지에 의해 알맞은 화합물 반도체층이 된다. 또한 바람직한 x 의 범위는 0.2 ≤ x ≤ 0.5 이다. 또한, InSb1 - yNy 혼정 (0 < y < 0.01) 의 밴드갭은 더욱 큰 비선형 인자가 있고, 질소 N 의 조성 y 가 불과 0.01 로 밴드갭이 거의 0 에 가까워지는 것이 알려져 있다. 따라서, InSb1 - yNy 는, InSb (제 6 화합물 반도체층) 과 격자 정합에 가까운 계에서, InSb 로 흡수할 수 있는 파장보다도, 보다 장파장의 적외선을 흡수할 수 있다.
또, InAsSb 나 InSbN 을 제 7 화합물 반도체층 (17) 으로서 제 6 화합물 반 도체층 (16) 인 InSb 층 상에 성장하는 경우, 헤테로 성장에 의한 결정 결함의 발생을 억제하기 위하여, 조성을 0 에서 x, 또는 0 에서 y 로 단계적으로 변화시키는 성장 방법 등이 바람직하게 사용된다.
제 8 화합물 반도체층 (18) 의 재료로는, 밴드갭이 제 7 화합물 반도체층 (17) 보다도 큰 재료이면 되고, AlInSb, GaInSb, AlAs, GaAs, InAs, AlSb, GaSb, AlAsSb, GaAsSb, AlGaSb, AlGaAs, AlInAs, GaInAs, AlGaAsSb, AlInAsSb, GaInAsSb, AlGaInSb, AlGaInSb, AlGaInAsSb 중 어느 하나가 바람직하다. 특히 AlzIn1 - zSb 혼정의 밴드갭 (Eg') 은 Eg' = 0.172 + 1.621z + 0.43z2 로 나타내고, 약간의 Al 조성에 의하여 큰 밴드갭을 얻는 것이 가능해진다. 이 때문에, 광흡수층이 되는 제 7 화합물 반도체층 (17) 의 InSb 나 InAsSb 등의 재료와 격자 상수가 가깝고, 밴드갭의 큰 배리어층으로 하는 것이 가능해진다. 여기서, 바람직한 z 의 범위는 0.01 ≤ z ≤ 0.7 이고, 보다 바람직하게는 0.1 ≤ z ≤ 0.5 이다.
제 6 화합물 반도체층 (16) 의 막두께는, 시트 저항을 낮추기 위하여 가능한 한 두꺼운 편이 바람직하다. 단, 제 6 화합물 반도체층 (16) 의 막두께가 두꺼워지면 막의 성장에 막대한 시간을 요하고, 또한 소자 분리를 행하기 위한 메사 에칭 등이 곤란해진다. 이 때문에 제 6 화합물 반도체층 (16) 의 막두께는, 바람직하게는 0.3㎛ 이상 2㎛ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.5㎛ 이상 1㎛ 이하이다.
또한, 제 7 화합물 반도체층 (17) 의 막두께는, 적외선의 흡수를 늘리기 위하여 가능한 한 두꺼운 편이 바람직하다. 단, 제 7 화합물 반도체층 (17) 의 막두께가 두꺼워지면 제 6 화합물 반도체층 (16) 과 동일하게, 막의 성장에 막대한 시간을 요하고, 또한 소자 분리를 행하기 위한 에칭 등이 곤란해진다. 이 때문에 제 7 화합물 반도체층 (17) 의 막두께는, 바람직하게는 0.5㎛ 이상 3㎛ 이고, 보다 바람직하게는 1㎛ 이상 2㎛ 이하이다.
또한, 제 8 화합물 반도체층 (18) 의 막두께는, 소자 저항을 낮추기 위하여 가능한 한 얇은 편이 바람직하다. 단, 전극 (19) 과 제 7 화합물 반도체층 (17) 사이에서 터널리크 (tunnel leak) 가 발생하지 않을 만큼의 막두께가 필요하다. 이 때문에, 제 8 화합물 반도체층 (18) 의 막두께는 0.01㎛ 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.02㎛ 이상이다. 또, 직사각형의 포텐셜배리어를 가정한 경우의 전자의 터널 확률 P 는 수학식 5 및 수학식 6 으로 나타낸다. 포텐셜배리어의 높이 (V) 를 0.2eV, 포텐셜배리어의 두께 (W) 를 0.02㎛, 전자의 에너지 (E) 를 0.1eV, 전자 질량 (m) 을 InSb 중에서의 유효 질량으로 가정하였을 때, 터널 확률 (P) 는 약 0.002 로 충분히 작다.
Figure 112006016784398-pct00005
Figure 112006016784398-pct00006
여기서,
ħ
은 프랭크 상수 (h) 를 2π 로 나눈 것이다.
제 6 화합물 반도체층 (16) 의 n 형 도핑의 농도는, 제 7 화합물 반도체층 (17) 과의 포텐셜 차를 크게 하고, 또한 시트 저항을 낮추기 위하여 가능한 한 큰 편이 바람직하고, 1 × 1018 원자/cm3 이상인 것이 바람직하다. 또한, 제 7 화합물 반도체층 (17) 은 도핑하지 않고 진성 반도체 그대로이어도 되고, 또는 p 형으로 도핑해도 된다. p 형으로 도핑하는 경우에는, 제 7 화합물 반도체층 (17) 의 p 형 도핑 농도는, 제 6 화합물 반도체층 (16) 및 제 8 화합물 반도체층 (18) 각각의 전도대와 충분히 큰 전도대의 밴드 오프셋을 취할 수 있도록 조정된다. 여기서, 제 7 화합물 반도체층 (17) 의 p 형 도핑 농도는, 1 × 1016 원자/cm3 이상 1.0 × 1018 원자/cm3 미만이 바람직하다. 또한, 제 8 화합물 반도체층 (18) 의 p 형 도핑 농도는, 제 7 화합물 반도체층 (17) 과 제 8 화합물 반도체층 (18) 의 접합 계면에 있어서의 가전자대의 스파이크가, 적외선의 흡수에 의해 발생한 정공의 흐름을 방해하지 않도록 하기 위하여, 1 × 1018 원자/cm3 이상이 바람직하다.
또한, n 형 도펀트로는 Si, Te, Sn, S, Se, Ge 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도 Sn 은 InSb 에 있어서, 보다 활성화율이 높고, 시트 저항을 보다 낮추는 것이 가능하기 때문에, 보다 바람직하게 사용된다. 또한, p 형 도펀트로는 Be, Zn, Cd, C, Mg 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도 Zn 은 InSb 에 있어서, 보다 활성화율이 높고, 또한 독성도 낮기 때문에, 보다 바람직하게 사용된다.
또한, 배리어층이 되는 제 8 화합물 반도체 (18) 상에, 추가로 컨택트층이 되는 제 9 화합물 반도체층을 형성한 소자 구조로 하는 것은, 보다 바람직한 형태이다. 여기서, 도 12 에는 상기 소자 구조의 단면도를 나타낸다. 이하에서, 도 12 를 참조하면서, 상기 화합물 반도체 적외선 센서 구조의 특징을 서술한다.
배리어층이 되는 제 8 화합물 반도체층 (18) 은, 밴드갭이 큰 재료이고, 일반적으로 캐리어 이동도는 작아져 버린다. 이 때문에 전극 (19) 과의 컨택트 저항이 증가하고, 이 저항은 상기 기술한 존슨 노이즈의 원인이 된다. 여기서, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 제 8 화합물 반도체층 (18) 상에 형성된 제 9 화합물 반도체층 (21) 에 관하여, 전기 저항이 제 8 화합물 반도체층 (18) 보다도 작은 재료로 함으로써, 이 저항의 증가를 억제할 수 있다. 또한, 제 9 화합물 반도체층 (21) 은 그 전기 저항을 작게 하기 위하여, 충분히 큰 p 형 도핑을 행하는 것이 바람직하다.
이와 같은 제 9 화합물 반도체층 (21) 의 재료로는, 그 반도체층에 인듐 (In) 및 안티몬 (Sb) 을 함유하는 것이면 어느 것을 사용해도 되지만, 바람직한 재료로는 캐리어 이동도가 큰 InSb 가 사용된다.
제 9 화합물 반도체층 (21) 의 막두께는, 컨택트 저항을 낮추기 위하여 충분한 막두께이면 되고, 0.1㎛ 이상 2㎛ 이하가 바람직하게 사용된다.
또한, 제 9 화합물 반도체층 (21) 의 p 형 도펀트로는 Be, Zn, Cd, C, Mg 등 이 바람직하게 사용된다. 그 중에서도 Zn 은 InSb 에 있어서 보다 활성화율이 높고, 또한 독성도 낮기 때문에, 보다 바람직하게 사용된다. 또한 p 형 도핑 농도는 막의 저항을 충분히 작게 할 필요가 있기 때문에, 1 × 1018 원자/cm3 이상이 바람직하다.
또한, 상기 기술한 소자 구조를 특징으로 하는 화합물 반도체 적외선 센서를 기판 (15) 상에서 추가로 복수 개, 직렬 접속하는 구조로 하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이 복수의 단일 소자가 직렬 접속된 화합물 반도체 센서부의 일부를 나타내는 단면도를 도 13 에 나타낸다. 또한, 도 14 는, 도 13 에 나타낸 구조의 상면도이다. 도 14 에 있어서, 소자 분리된 단일 소자로서의 화합물 반도체 적외선 센서는, 기판 (15) 상에서, 전극 (19) 에 의하여 연속적으로 직렬 접속되어 있다. 즉, 기판 (15) 상에 연속적으로 직렬 접속된 화합물 반도체 적외선 센서 중 어느 센서에 주목하면, 그 센서의 일방에 있어서, 그 센서의 제 6 화합물 반도체층 (16) 과 그 센서 옆에 배치된 센서의 제 9 화합물 반도체층 (21) 이 전극 (19) 에 의해 직렬로 전기적으로 접속되고, 또한, 그 센서의 타방에 있어서, 그 센서의 제 9 화합물 반도체층 (21) 과 그 센서 옆에 배치된 센서의 제 6 화합물 반도체층 (16) 이 전극 (19) 에 의해 직렬로 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 직렬 접속의 양단에 위치하는 화합물 반도체 적외선 센서는 각각, 전극 패드 (22) 에 접속되어 있다. 또, 도 14 에 있어서, 파선은 상기 구성에서 각 센서가 연속적으로 반복 접속되어 있는 것을 나타낸다. 또한, 도 14 에서는, 각 소자 사 이의 전극의 접속 구조를 알기 쉽게 하기 위하여, 패시베이션막 (20) 을 편의상 생략하고 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 관련된, 복수의 화합물 반도체 적외선 센서를 도 13 및 도 14 에 나타내는 바와 같은 구조로 함으로써, 각 단일 소자로부터의 출력을 더하는 것이 가능해지고, 출력을 비약적으로 향상시키는 것이 가능해진다. 이 경우, 각 소자는 전극 (19) 이외의 부분에서는 절연 분리되어 있는 것이 필수적이다. 따라서, 기판 (15) 은 화합물 반도체 박막의 단결정을 성장할 수 있는 것으로서, 반절연성이나, 또는 화합물 반도체 박막 부분과 기판 부분이 절연 분리 가능한 기판이 아니면 안된다. 또한, 이와 같은 기판으로서 추가로, 적외선을 투과하는 재료를 사용함으로써, 적외광을 기판 이면으로부터 입사시키는 것이 가능해진다. 이 경우, 전극에 의해 적외광이 차단되는 일이 없기 때문에, 소자의 수광 면적을 보다 넓게 취하는 것이 가능하여 보다 바람직하다. 이와 같은 기판의 재료로는, 반절연성의 Si 나 GaAs 등이 바람직하게 사용된다.
또, 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서를 구성하는 각 화합물 반도체층은 각종 막형성 방법을 사용하여 형성된다. 예를 들어, 분자선 에피택시 (MBE) 법, 유기 금속 기상 에피택시 (MOVPE) 법 등은 바람직한 방법이다. 따라서, 상기 각 방법에 의하여, 화합물 반도체층의 각각을 희망에 따라 성장시킨다. 또한, 소자의 가공 방법으로서는, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 각 성장 방법으로 형성된 화합물 반도체층에 대하여, 산 또는 이온밀링 등을 사용하여 제 6 화합물 반도체층 (16) 과 컨택트를 취하기 위한 단차 형성을 행한다. 이어서, 단차 형성이 된 화합물 반도체층에 대하여, 소자 분리를 위한 메사 에칭을 행한다. 이어서, SiN 이나 SiO2 등의 패시베이션막 (20) 으로 기판 (15) 및 소자 분리된 화합물 반도체층의 표면을 덮은 후, 전극 (19) 부분만을 창을 열고, Au/Ti 나 Au/Cr 등의 전극을 리프트오프법 등으로 형성한다. 이와 같이 하여, 화합물 반도체 센서부의 칩을 형성한다.
또한, 상기 기술한 도 10, 도 12 에 나타내는 바와 같은 단일 소자의 적외선 센서와, 도 13 및 도 14 에 나타내는 바와 같은 단일 소자를 복수 개 직렬 접속시킨 적외선 센서를 사용하여 적외선을 센싱하는 측정 방법으로는, 전극 사이에 역 바이어스를 걸고, 신호를 전류로서 취출하는 측정이 감도를 향상할 수 있는 바람직한 방법이다.
한편으로, 이 측정 방법에서는 전류를 흘리기 위하여 1/f 노이즈가 커져 버린다는 문제가 있다. 인감 센서에 필요한 주파수 영역은 10Hz 정도로 상기 방법에서는 화합물 반도체 적외선 센서를 인감 센서로서 사용하는 것에는 문제가 있었다.
그래서 본 발명자 등은, 상기 기술한 화합물 반도체 적외선 센서에 있어서, 전극 사이를 제로 바이어스로 하고, 신호를 개방 회로 전압으로서 판독하는 광기전력형의 측정 방법을 채용하였다. 이 광기전력형의 측정 방법의 경우, 소자에 전류가 흐르지 않기 때문에, 그 노이즈는 존슨 노이즈뿐이다. 따라서, 저주파로 사용하는 것이 가능해진다. 또한 이 방법에 의하면, 주울열에 의한 소자 자 신의 발열이 일어나지 않기 때문에 측정 오차를 매우 작게 할 수 있다. 또한, 종래의 광기전력형의 측정 방법에서는 신호가 작아져 버린다. 그러나, 본 발명의 제 7 실시 형태에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서를 사용함으로써, 충분히 큰 신호를 얻는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 제 7 실시 형태에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서를, 센서로부터 출력되는 전기 신호를 처리하는 집적 회로부와 동일 패키지 내에 하이브리드로 형성함으로써, 초소형이고, 노이즈나 온도 요동에 강하고, 실온에서 보다 고감도인 획기적인 화합물 반도체 적외선 센서 IC 를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 토대로 상세하게 설명하지만, 본 발명은, 하기 실시예에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 다양하게 변경 가능한 것은 말할 필요도 없다.
(실시예 1)
MBE 법에 의해, GaAs 기판 상에 논도프의 InAs0 .23Sb0 .77 을 2㎛ 성장하였다. InAsSb 박막의 막 특성은, van der Pauw 법으로 측정한 결과, 실온에서의 전자 이동도가 35,000cm2/Vs, 시트 저항 (소자 저항) 이 20Ω, 캐리어 농도가 1 × 1017 원자/cm3 이었다. 이 화합물 반도체 박막을 사용하여, 화합물 반도체 센서부를 제작하였다. 먼저, 소자 분리를 위하여 GaAs 기판에 형성된 화합물 반도체막에 메사 에칭을 행한 후, 전체면 (GaAs 기판 및 그 기판에 형성된 화합물 반도체막) 을 SiN 보호막으로 덮었다. 다음으로 형성된 SiN 보호막 상에서 전극 부분만 창을 열고, Au/Ti 를 EB 증착하여, 리프트오프법에 의해 전극을 형성하였다. 수광 면적은 35㎛ × 115㎛ 로 설계하였다. 실시예 1 의 화합물 반도체 센서부의 단면도는, 도 7 에 나타낸 바와 같다.
증폭 회로와 초핑 회로 등을 탑재한 집적 회로부는, 통상적인 CMOS 라인으로 제작하였다. 그 후, 동일 기판 상에 상기 화합물 반도체 센서부와 상기 집적 회로부를 다이 본딩하고, 와이어 본딩으로 전기적으로 접속하였다. 패키지 커버를 붙여 실시예 1 에 관련된 적외선 센서 IC 를 완성하였다.
500K 의 흑체로 (blockbody furnace), 광초핑 주파수 1Hz, 잡음 대역폭 1Hz 로 실온에서의 감도를 측정한 결과, D* = 1 × 107cmHz1/2/W 이었다. 여기서, D* 는 비검출 (比檢出) 능력을 나타내는 지표이고, S/N 비가 1 이 되기 위하여 필요한 입력광 강도 (W/Hz1/2) 의 역수에, 검출 소자의 수광 면적의 1/2 승을 곱한 값으로 나타낸다. 실시예 1 에 관련된 적외선 센서 IC 는, 간이한 패키지에도 불구하고, 전자 노이즈나 열 이동의 영향을 받기 어려운 특징을 갖고 있는 것을 확인하였다.
(실시예 2)
MBE 법에 의해, GaAs 기판 상에 논도프 InSb 를 1㎛, 논도프 InAs0 .23Sb0 .77 을 2㎛ 순으로 성장하였다. 화합물 반도체층의 막 특성은, van der Pauw 법으로 측정한 결과, 실온에서의 전자 이동도가 51,000cm2/Vs, 시트 저항 (소자 저항) 이 20Ω, 캐리어 농도가 9 × 1016 원자/cm3 이었다. 이 화합물 반도체 박막을 사용하여, 화합물 반도체 센서부를 제작하였다. 먼저, 소자 분리를 위하여 GaAs 기판에 형성된 화합물 반도체막에 메사 에칭을 행한 후, 전체면 (GaAs 기판 및 그 기판에 형성된 화합물 반도체막) 을 SiN 보호막으로 덮었다. 다음으로, 형성된 SiN 보호막 상에서 전극 부분만 창을 열고, Au/Ti 를 EB 증착하여, 리프트오프법에 의해 전극을 형성하였다. 수광 면적은 35㎛ × 115㎛ 로 설계하였다.
증폭 회로와 초핑 회로 등을 탑재한 집적 회로부는, 통상적인 CMOS 라인으로 제작하였다. 그 후, 동일 기판 상에 상기 화합물 반도체 센서부와 상기 집적 회로부를 다이 본딩하고, 와이어 본딩으로 전기적으로 접속하였다. 패키지 커버를 붙여 실시예 2 에 관련된 적외선 센서 IC 를 완성하였다.
500K 의 흑체로, 광초핑 주파수 1Hz, 잡음 대역폭 1Hz 로 실온에서의 감도를 측정한 결과, D* = 2 × 107cmHz1/2/W 이었다. 실시예 2 에 관련된 적외선 센서 IC 는, 간이한 패키지에도 불구하고, 전자 노이즈나 열 이동의 영향을 받기 어려운 특징을 갖고 있는 것을 확인하였다.
(실시예 3)
MBE 법에 의해, GaAs 기판 상에 5nm 의 InAs 와 3nm 의 GaSb 를 교대로 50 주기 성장하여, 초격자 구조를 형성하였다. 실시예 3 에 관련된 초격자 구조의 막 특성은, van der Pauw 법으로 측정한 결과, 실온에서의 전자 이동도가 8,000cm2/Vs, 시트 저항 (소자 저항) 이 90Ω, 시트캐리어 농도가 2.6 × 1013 원자 /cm2 이었다. 이 화합물 반도체 박막을 사용하여, 화합물 반도체 센서부를 제작하였다. 먼저, 소자 분리를 위하여 GaAs 기판에 형성된 화합물 반도체막에 메사 에칭을 행한 후, 전체면 (GaAs 기판 및 그 기판에 형성된 화합물 반도체막) 을 SiN 보호막으로 덮었다. 다음으로 형성된 SiN 보호막 상에서 전극 부분만 창을 열고, Au/Ti 를 EB 증착하여, 리프트오프법에 의해 전극을 형성하였다. 수광 면적은 35㎛ × 115㎛ 로 설계하였다.
증폭 회로와 초핑 회로 등을 탑재한 집적 회로부는, 통상적인 CMOS 라인으로 제작하였다. 그 후, 도 9 에 나타낸 바와 같이, 동일 기판 상에 집적 회로를 다이 본딩한 후, 화합물 반도체 센서부를 상기 집적 회로부 상에 다이 본딩하고, 와이어 본딩으로 전기적으로 접속하였다. 또한, 패키지 커버를 붙여 실시예 3 에 관련된 적외선 센서 IC 를 완성하였다.
500K 의 흑체로, 광초핑 주파수 1Hz, 잡음 대역폭 1Hz 로 실온에서의 감도를 측정한 결과, D* = 1 × 108cmHz1/2/W 로 고감도를 나타내었다. 실시예 3 에 관련된 적외선 센서 IC 는, 간이한 패키지에도 불구하고, 전자 노이즈나 열 이동의 영향을 받기 어려운 특징을 갖고 있는 것을 확인하였다.
(실시예 4)
MBE 법에 의해, n 형 GaAs 기판 상에 n 형 도핑된 InSb (n 형 도핑 농도 = 3 × 1018 원자/cm3) 를 1㎛, 계속해서 p 형 도핑된 InAs0 .23Sb0 .77 (p 형 도핑 농도 = 3.5 × 1016 원자/cm3) 을 2㎛, 이어서 p 형 도핑된 InSb (p 형 도핑 농도 = 3 × 1018 원자/cm3) 를 0.5㎛ 성장하였다. 이 화합물 반도체 박막을 사용하여, 화합물 반도체 센서부를 제작하였다. 먼저, 소자 분리를 위하여 n 형 GaAs 기판에 형성된 화합물 반도체막에 메사 에칭을 행한 후, 전체면 (n 형 GaAs 기판 및 그 기판에 형성된 화합물 반도체막) 을 SiN 보호막으로 덮었다. 다음으로 형성된 SiN 보호막 상에서 전극 부분만 창을 열고, Au/Ti 를 EB 증착하고, 리프트오프법에 의해 전극을 형성하였다. 수광 면적은, 35㎛ × 115㎛ 로 설계하였다. 실시예 4 에 관련된 화합물 반도체 센서부의 단면도는, 도 8 에 나타낸 바와 같다.
증폭 회로와 초핑 회로 등을 탑재한 집적 회로부는, 통상적인 CMOS 라인으로 제작하였다. 그 후, 동일 기판 상에 상기 화합물 반도체 센서부와 상기 집적 회로부를 다이 본딩하고, 와이어 본딩으로 전기적으로 접속하였다. 패키지 커버를 붙여 실시예 4 에 관련된 적외선 센서 IC 를 완성하였다.
500K 의 흑체로, 광초핑 주파수 1Hz, 잡음 대역폭 1Hz 로 실온에서의 감도를 측정한 결과, D* = 2 × 108cmHz1/2/W 로 고감도를 나타내었다. 실시예 4 에 관련된 적외선 센서 IC 는, 간이한 패키지에도 불구하고, 전자 노이즈나 열 이동의 영향을 받기 어려운 특징을 갖고 있는 것을 확인하였다.
(실시예 5)
MBE 법에 의해, GaAs 기판 상에 버퍼층으로서 Al0 .5Ga0 .5Sb 를 150nm 성장한 후, 계속해서 논도프의 InSb 를 0.5㎛, InAs0 .23Sb0 .77 을 2㎛ 성장하였다. InAsSb 박막의 막 특성은, van der Pauw 법으로 측정한 결과, 실온에서의 전자 이동도가 45,000cm2/Vs, 시트 저항 (소자 저항) 이 40Ω, 캐리어 농도가 5 × 1016원자/cm3 이었다. 이 화합물 반도체 박막을 사용하여, 화합물 반도체 센서부를 제작하였다. 먼저, 소자 분리를 위하여 GaAs 기판에 형성된 화합물 반도체막에 메사 에칭을 행한 후, 전체면 (GaAs 기판 및 그 기판에 형성된 화합물 반도체막) 을 SiN 보호막으로 덮었다. 다음으로 형성된 SiN 보호막 상에서 전극 부분만 창을 열고, Au/Ti 를 EB 증착하여, 리프트오프법에 의해 전극을 형성하였다. 수광 면적은 35㎛ × 115㎛ 로 설계하였다.
증폭 회로와 초핑 회로 등을 탑재한 집적 회로부는, 통상적인 CMOS 라인으로 제작하였다. 그 후, 동일 기판 상에 상기 화합물 반도체 센서부와 상기 집적 회로부를 다이 본딩하고, 와이어 본딩으로 전기적으로 접속하였다. 패키지 커버를 붙여 실시예 5 에 관련된 적외선 센서 IC 를 완성하였다.
500K 의 흑체로, 광초핑 주파수 1Hz, 잡음 대역폭 1Hz 로 실온에서의 감도를 측정한 결과, D* = 3.5 × 107cmHz1/2/W 로 고감도이었다. 실시예 5 에 관련된 적외선 센서 IC 는, 간이한 패키지에도 불구하고, 전자 노이즈나 열 이동의 영향을 받기 어려운 특징을 갖고 있는 것을 확인하였다.
(실시예 6)
MBE 법에 의해, GaAs 기판 상에 논도프 InSb 를 1㎛, p 형 도핑된 InAs0.23Sb0.77 을 2㎛ 순차적으로 성장하였다. InAsSb 박막의 막 특성은, van der Pauw 법으로 측정한 결과, 실온에서의 전자 이동도가 41,000cm2/Vs, 시트 저항 (소자 저항) 이 150Ω, 캐리어 농도가 1.5 × 1016 원자/cm3 이었다. 실시예 6 의 p 형 도핑은, InAsSb 층 중의 전자의 캐리어를 보상하고, 캐리어 농도의 저감화를 목적으로 하고 있다. 실시예 2 와 비교하여, 전자 이동도는 저하하였지만, p 형 도핑함으로써, 전자의 캐리어 농도가 저감할 수 있고, 또한 시트 저항도 증대하였다. 또한, GaAs 기판 상의 논도프 InSb 층을 p 형 도핑함으로써 동일한 효과가 얻어진다.
이 화합물 반도체 박막을 사용하여, 실시예 2 와 동일하게 화합물 반도체 센서부를 제작하였다. 집적 회로부도 실시예 2 와 동일하게 제작하고, 실시예 6 에 관련된 적외선 센서 IC 를 완성하였다.
500K 의 흑체로, 광초핑 주파수 1Hz, 잡음 대역폭 1Hz 로 실온에서의 감도를 측정한 결과, D* = 1.2 × 108cmHz1/2/W 로 고감도를 나타내었다. 실시예 6 의 적외선 센서 IC 는, 간이한 패키지에도 불구하고, 전자 노이즈나 열 이동의 영향을 받기 어려운 특징을 갖고 있는 것을 확인하였다.
(실시예 7)
MBE 법에 의해, 반절연성의 GaAs 단결정 기판 상에 Zn 을 3.5 × 1018 원자/cm3 도핑한 InSb 층을 2.0㎛ 성장하고, 이 위에 Si 를 1.8 × 1018 원자/cm3 도핑한 InSb 층을 0.5㎛ 성장하였다. 이 화합물 반도체 박막을 사용하여, 화합물 반도체 적외선 센서부를 제작하였다. 먼저, 상기 형성된 화합물 반도체 박막에 관하여, p 형 도핑된 InSb 층과의 컨택트를 얻기 위한 단차 형성을 산 또는 이온밀링 등을 사용하여 행하였다. 이어서, 단차 형성이 된 화합물 반도체 박막에 대하여, 소자 분리를 위한 메사 에칭을 행하였다. 그 후, 전체면 (GaAs 기판 및 그 기판에 형성된 화합물 반도체막) 을 SiN 패시베이션막으로 덮었다. 이어서, 형성된 SiN 보호막 상에서 전극 부분만 창을 열고, Au/Ti 를 EB 증착하여, 리프트오프법에 의해 전극을 형성하였다. 수광 면적은 225㎛ × 150㎛ 로 설계하였다. 실시예 7 에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서부의 단면도를 도 15 에 나타낸다. 도 15 로부터 알 수 있듯이, 실시예 7 에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서는, 이른바 PN 접합 다이오드의 구조이다. 도 15 에 있어서, 부호 23 은 반절연성의 GaAs 단결정 기판이고, 24 는 p 형 도핑한 InSb 층이고, 25 는 n 형 도핑한 InSb 층이고, 26 는 SiN 패시베이션막이고, 27 은 Au/Ti 전극이다.
상기 화합물 반도체 적외선 센서에, 적외선을 조사하였을 때의 소자의 개방 회로 전압을 출력 전압으로서 측정하였다. 또, 측정 중의 센서 온도는 실온 (27℃) 이다. 입사하는 적외선은 500K 의 흑체로를 사용하여 발생시키고, 센서로부터 10cm 의 거리에 흑체로를 설치하였다. 이와 같은 배치로, 센서의 기판측으로부터 적외선을 입사하였다. 입사한 적외선의 에너지는 1.2mW/cm2 이다. 광초핑의 주파수는 10Hz 이고, 가시광 등의 광을 커트하는 필터로서 Si 를 사용하 였다.
출력 전압의 측정 결과를 도 22 에 나타낸다. 출력 전압은 54nV 이고, 실온에서 적외선의 검지가 가능한 것을 확인할 수 있었다.
(실시예 8)
MBE 법에 의해, 반절연성의 GaAs 단결정 기판 상에 Zn 을 3.5 × 1018 원자/cm3 도핑한 제 1 InSb 층을 1.0㎛ 성장하고, 제 1 InSb 층 상에 Zn 을 6 × 1016 원자/cm3 도핑한 제 2 InSb 층을 1.0㎛ 성장하고, 또한 제 2 InSb 층 상에 Si 를 1.8 × 1018 원자/cm3 도핑한 제 3 InSb 층을 0.5㎛ 성장하였다. 이 화합물 반도체 박막을 사용하여, 화합물 반도체 적외선 센서부를 제작하였다. 먼저, 상기 형성된 화합물 반도체 박막에 관하여, 고농도로 p 형 도핑된 InSb 층과의 컨택트를 얻기 위한 단차 형성을 산 또는 이온밀링 등을 사용하여 행하였다. 이어서, 단차 형성이 된 화합물 반도체 박막에 대하여, 소자 분리를 위한 메사 에칭을 행하였다. 그 후, 전체면 (GaAs 기판 및 그 기판에 형성된 화합물 반도체막) 을 SiN 패시베이션막으로 덮었다. 이어서, 형성된 SiN 보호막 상에서 전극 부분만 창을 열고, Au/Ti 를 EB 증착하여, 리프트오프법에 의해 전극을 형성하였다. 수광 면적은 225㎛ × 150㎛ 로 설계하였다. 실시예 8 에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서부의 단면도를 도 16 에 나타낸다. 도 16 으로부터 알 수 있듯이, 실시예 8 에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서는, 이른바 PIN 접합 다이오드의 구조이다. 도 16 에 있어서, 부호 28 은 고농도로 p 형 도핑한 InSb 층이고, 29 는 저농도로 p 형 도핑한 InSb 층이고, 30 은 n 형 도핑한 InSb 층이다.
상기 화합물 반도체 적외선 센서에, 적외선을 조사하였을 때의 소자의 개방 회로 전압을 출력 전압으로서 측정하였다. 또, 측정 중의 센서 온도는 실온 (27℃) 이다. 입사하는 적외선은 500K 의 흑체로를 사용하여 발생시키고, 센서로부터 10cm 의 거리에 흑체로를 설치하였다. 이와 같은 배치로, 센서의 기판측으로부터 적외선을 입사하였다. 입사한 적외선의 에너지는 1.2mW/cm2 이다. 광초핑의 주파수는 10Hz 이고, 가시광 등의 광을 커트하는 필터로서 Si 를 사용하였다.
출력 전압의 측정 결과를 실시예 7 과 동일하게 도 22 에 나타낸다. 출력 전압은 117nV 이고, PN 접합의 경우보다도 더욱 출력 전압이 증가하는 것을 확인하였다.
(실시예 9)
MBE 법에 의해, 반절연성의 GaAs 단결정 기판 상에 Sn 을 1.0 × 1019 원자/cm3 도핑한 제 1 InSb 층을 1.0㎛ 성장하고, 제 1 InSb 층 상에 Zn 을 6 × 1016 원자/cm3 도핑한 제 2 InSb 층을 1.0㎛ 성장하고, 또한 제 2 InSb 층 상에 Zn 을 7.0 × 1018 원자/cm3 도핑한 제 3 InSb 를 0.5㎛ 성장하였다. 이 화합물 반도체 박막을 사용하여, 화합물 반도체 적외선 센서부를 제작하였다. 먼저, 상기 형성된 화합물 반도체 박막에 관하여, 고농도의 n 형 도핑된 InSb 층과의 컨택트를 얻기 위한 단차 형성을 산 또는 이온밀링 등을 사용하여 행하였다. 이어서, 단차 형성이 된 화합물 반도체 박막에 대하여, 소자 분리를 위한 메사 에칭을 행하였다. 그 후, 전체면 (GaAs 기판 및 그 기판에 형성된 화합물 반도체막) 을 SiN 패시베이션막으로 덮었다. 이어서, 형성된 SiN 보호막 상에서 전극 부분만 창을 열고, Au/Ti 를 EB 증착하여, 리프트오프법에 의해 전극을 형성하였다. 수광 면적은 225㎛ × 150㎛ 로 설계하였다. 실시예 9 에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서부의 단면도를 도 17 에 나타낸다. 도면 17 로부터 알 수 있듯이, 실시예 9 의 구조는, 실시예 8 의 구조에 관하여, p 형 도핑층 (28) 과 n 형 도핑층 (30) 이 교체된 구조이다.
상기 화합물 반도체 적외선 센서에, 적외선을 조사하였을 때의 소자의 개방 회로 전압을 출력 전압으로서 측정하였다. 또, 측정 중의 센서 온도는 실온 (27℃) 이다. 입사하는 적외선은 500K 의 흑체로를 사용하여 발생시키고, 센서로부터 10cm 의 거리에 흑체로를 설치하였다. 이와 같은 배치로, 센서의 기판측으로부터 적외선을 입사하였다. 입사한 적외선의 에너지는 1.2mW/cm2 이다. 광초핑의 주파수는 10Hz 이고, 가시광 등의 광을 커트하는 필터로서 Si 를 사용하였다.
출력 전압의 측정 결과를 동일하게 도 22 에 나타낸다. 출력 전압은 155nV 이고, 실시예 8 의 경우보다도 더욱 출력 전압이 증가하는 것을 확인하였다. 이것은 n 형 도펀트로서 Sn 을 사용한 것에 의한 효과이다. 즉, InSb 중에서는, Sn 은 Si 보다도 높은 활성화율을 가진다. 이 때문에 보다 고농도의 n 형 도핑이 가능해지고, 보다 큰 PN 접합의 빌트인 포텐셜이 얻어진다. 출력 전압 (Vout) 는, 빌트인 포텐셜 (Vd) 에 의한 전위 장벽을 넘어서 확산 전류를 흘리는 데 필요한 전압이다. 따라서, 빌트인 포텐셜이 클수록 출력 전압은 커진다. 따라서, 실시예 9 에 있어서 n 형 도펀트에 Sn 을 사용한 것에 의한 출력 증가의 효과를 확인할 수 있었다.
(실시예 10)
실시예 8 과 동일한 구조를 가지는 화합물 반도체 박막을 사용하여, 복수의 소자를 직렬로 접속한 화합물 반도체 센서부를 제작하였다. 먼저, 실시예 8 과 동일하게 하여 형성된 화합물 반도체 박막에 관하여, 고농도로 p 형 도핑된 InSb 층과의 컨택트를 얻기 위한 단차 형성을 산 또는 이온밀링 등을 사용하여 행하였다. 이어서, 단차 형성이 된 화합물 반도체 박막에 대하여, 소자 분리를 위한 메사 에칭을 행하였다. 그 후, 전체면 (GaAs 기판 및 그 기판에 형성된 화합물 반도체막) 을 SiN 패시베이션막으로 덮었다. 이어서, 형성된 SiN 보호막 상에서 전극 부분만 창을 열고, Au/Ti 를 EB 증착하여, 리프트오프법에 의해 전극을 형성하였다. 이 때, 어느 소자의 Zn 을 3.5 × 1018 원자/cm3 도핑한 InSb 층과, 그 소자 옆의 소자로, 그 소자의 단차가 형성되어 있는 측의 소자의 Si 를 1.8 × 1018 원자/cm3 도핑한 InSb 층을 전기적으로 접속하도록 전극을 형성하였다. 제작한 단일 소자의 수광 면적은 18㎛ × 18㎛ 이고, GaAs 기판 상에서, 단일 소자를 125 개, 직렬 접속한 것을 제작하였다. 제작한 센서부의 일부를 나타내는 단면 도를 도 18 에 나타낸다.
상기 화합물 반도체 적외선 센서에, 적외선을 조사하였을 때의 소자의 개방 회로 전압을 출력 전압으로서 측정하였다. 또, 측정 중의 센서 온도는 실온 (27℃) 이다. 입사하는 적외선은 500K 의 흑체로를 사용하여 발생시키고, 센서로부터 10cm 의 거리에 흑체로를 설치하였다. 이와 같은 배치로, 센서의 기판측으로부터 적외선을 입사하였다. 입사한 적외선의 에너지는 1.2mW/cm2 이다. 광초핑의 주파수는 10Hz 이고, 가시광 등의 광을 커트하는 필터로서 Si 를 사용하였다.
상기 125 개 접속한 소자에 있어서 12.5μV 의 출력 전압을 얻었다. 즉, 상기 화합물 반도체막 구조와 개방 회로 전압을 측정하는 측정 방법의 본 발명에 있어서의 조합에 있어서, 접속 소자수를 늘림으로써 출력을 증가시키는 것이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 이것은 단일 소자로부터 얻어지는 신호가 작은, 실온에서의 양자형 적외선 센서에 있어서, 매우 큰 이점이다.
또한, 125 개 접속한 센서를 신호 증폭기에 접속하고, 그 노이즈를 실온 (27℃) 의 암실에 있어서, 고속 푸리에 변환 (FFT) 애널라이저를 사용하여 측정하였다. 신호 증폭기의 노이즈를 제거하고, 센서의 노이즈만으로 한 결과, 주파수가 10Hz 이하라도 1/f 노이즈는 볼 수 없는 것을 확인하였다. 또한, 적외선 센서부의 저항을 테스터에 의해 측정한 결과, 그 값은 12.75kΩ 이었다. 이 값을 수학식 4 에 대입하여 존슨 노이즈를 구한 결과, 측정한 센서 노이즈와 일치하는 것을 알 수 있었다.
즉, 센서의 노이즈는 그 저항으로 결정되는 존슨 노이즈 뿐이고, 10Hz 이하의 저주파 영역에 있어서도 노이즈가 매우 작은 센서라는, 본 발명의 특징을 확인하였다.
(실시예 11)
실시예 9 와 동일한 구조를 가지는 화합물 반도체 박막을 사용하고, 실시예 10 과 동일한 마스크세트를 사용하여, 복수의 소자를 직렬로 접속한 화합물 반도체 센서부를 제작하였다. 먼저, 실시예 9 와 동일하게 하여 형성된 화합물 반도체 박막에 관하여, 고농도로 n 형 도핑된 InSb 층과의 컨택트를 얻기 위한 단차 형성을 산 또는 이온밀링 등을 사용하여 행하였다. 이어서, 단차 형성이 된 화합물 반도체 박막에 대하여, 소자 분리를 위한 메사 에칭을 행하였다. 그 후, 전체면 (GaAs 기판 및 그 기판에 형성된 화합물 반도체막) 을 SiN 패시베이션막으로 덮었다. 이어서, 형성된 SiN 보호막 상에서 전극 부분만 창을 열고, Au/Ti 를 EB 증착하여, 리프트오프법에 의해 전극을 형성하였다. 이 때, 어느 소자의 Sn 을 1.0 × 1019 원자/cm3 도핑한 InSb 층과, 그 소자 옆의 소자로, 그 소자의 단차가 형성되어 있는 측의 소자의 Zn 을 7.0 × 1018 원자/cm3 도핑한 InSb 층을 전기적으로 접속하도록 전극을 형성하였다. 제작한 단일 소자의 수광 면적은 18㎛ × 18㎛ 이고, GaAs 기판 상에서 125 개, 직렬 접속한 것을 제작하였다. 제작한 센서부의 일부를 나타내는 단면도는 도 19 에 나타낸다.
상기 화합물 반도체 적외선 센서에, 적외선을 조사하였을 때의 소자의 개방회로 전압을 출력 전압으로서 측정하였다. 그 결과는 22.5μV 이고, 실시예 10 의 동일 접속 소자수의 출력 전압과 비교하여 약 1.8 배의 출력이 얻어졌다. 또, 측정 중의 센서 온도는 실온 (27℃) 이고, 입사하는 적외선은 500K 의 흑체로를 사용하여 발생시키고, 센서로부터 10cm 의 거리에 흑체로를 설치하였다. 이와 같은 배치로, 센서의 기판측으로부터 적외선을 입사하였다. 입사한 적외선의 에너지는 1.2mW/cm2 이다. 광초핑의 주파수는 10Hz 이고, 가시광 등의 광을 커트하는 필터로서 Si 를 사용하였다.
또한, 상기 화합물 반도체 적외선 센서의 소자 저항을 테스터에 의해 측정한 결과, 9.6kΩ 이었다. 즉 실시예 10 에 있어서의 동일한 접속 개수의 저항보다도 작아져 있는 것을 확인할 수 있었다. 이것은, 저항률이 낮은 n 형 도핑의 층을 최하층에 배치하여, 소자의 저항이 내려가도록 하였기 때문이다. 이 결과, 센서의 노이즈를 실시예 10 에 있어서의 센서의 노이즈의 약 0.87 배로 더욱 저하할 수 있는 것을 확인하였다.
(실시예 12)
MBE 법에 의해, 반절연성의 GaAs 단결정 기판 상에 Zn 을 5 × 1018 원자/cm3 도핑한 제 1 InSb 층을 1.0㎛ 성장시키고, 제 1 InSb 층 상에 Zn 을 5 × 1018 원자/cm3 도핑한 Al0.2In0.8Sb 층을 0.02㎛ 성장시키고, 이 Al0.2In0.8Sb 층 상에 Zn 을 1 × 1016 원자/cm3 도핑한 제 2 InSb 층을 1.0㎛ 성장시키고, 제 2 InSb 층 상에 Sn 을 1.0 × 1019 원자/cm3 도핑한 제 3 InSb 층을 0.5㎛ 성장시켰다. 이 화합물 반도체 박막을 사용하여, 화합물 반도체 센서부를 제작하였다. 먼저, p 형 도핑된 InSb 층과의 컨택트를 얻기 위한 단차 형성을 산 또는 이온밀링 등을 사용하여 행하였다. 이어서, 단차 형성이 된 화합물 반도체 박막에 대하여, 소자 분리를 위한 메사 에칭을 행하였다. 그 후, 전체면 (GaAs 기판 및 그 기판에 형성된 화합물 반도체막) 을 SiN 패시베이션막으로 덮었다. 이어서, 형성된 SiN 보호막 상에서 전극 부분만 창을 열고, Au/Ti 를 EB 증착하여, 리프트오프법에 의해 전극을 형성하였다. 수광 면적은 225㎛ × 150㎛ 로 설계하였다. 실시예 12 에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서부의 단면도를 도 20 에 나타낸다. 도 20 에 있어서, 부호 31 은 고농도로 p 형 도핑한 Al0.2In0.8Sb 층을 나타낸다.
적외선을 조사하였을 때의 소자의 개방 전압을 출력 전압으로서 측정하였다. 또, 측정 중의 센서 온도는 실온 (27℃) 이다. 입사하는 적외선은 500K 의 흑체로를 사용하여 발생시키고, 센서로부터 10cm 의 거리에 흑체로를 설치하였다. 이와 같은 배치로, 센서의 기판측으로부터 적외선을 입사하였다. 입사한 적외선의 에너지는 1.2mW/cm2 이다. 광초핑의 주파수는 10Hz 이고, 필터로서 Si 를 사용하였다.
상기 기술한 구성에 의하여 얻어진 출력 전압은 242nV 이었다. 이 측정 결과를 다른 실시예와 마찬가지로 도 22 에 나타낸다. PIN 다이오드 구조의 실 시예 9 와 비교하여, 또한 출력이 약 1.6 배가 되는 것을 확인하였다.
또한, 소자의 저항을, 0.01V 정의 바이어스를 인가한 경우와, 0.01V 부의 바이어스를 인가한 경우에서 측정하여, 양 측정 결과의 평균치를 제로 바이어스의 소자 저항 (R0) 으로서 측정하였다. 또한, 동일한 R0 을 실시예 9 의 적외선 센서에 있어서도 측정하였다. 측정된 R0 로부터 포화 전류 (Is) 를 수학식 7 의 식으로 구하였다.
Figure 112006016784398-pct00007
여기서, k 는 볼트만 상수, T 는 절대 온도, q 는 소전하 (素電荷) 이다. 포화 전류 (Is) 는 확산 전류 (Id), 출력 전압 (Vout) 과 수학식 8 과 같은 관계에 있다.
Figure 112006016784398-pct00008
따라서, 포화 전류 Is 는 소자의 확산 전류의 크기를 나타내고 있다.
도 23 에, 얻어진 실시예 12 와 실시예 9 의 Is 의 결과를 나타낸다. 도 23 에 나타내는 바와 같이, AlInSb 의 배리어층을 형성한 적외선 센서에 있어서의 포화 전류 (Is) 는, AlInSb 의 배리어층을 사용하지 않는 PIN 다이오드 구조의 소자와 비교하여, 약 1 자리수 (digit) 감소하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
즉, AlInSb 배리어층에 의해 확산 전류가 억제되는 특징을 확인할 수 있었다. 이 효과에 의해, 출력이 증가하고 있다.
(실시예 13)
MBE 법에 의해, 반절연성의 GaAs 단결정 기판 상에 Sn 을 1.0 × 1019 원자/cm3 도핑한 제 1 InSb 층을 1.0㎛ 성장시키고, 제 1 InSb 층 상에 Zn 을 1 × 1016 원자/cm3 도핑한 제 2 InSb 층을 1.0㎛ 성장시키고, 제 2 InSb 층 상에 Zn 을 5 × 1018 원자/cm3 도핑한 Al0.2In0.8Sb 층을 0.02㎛ 성장시키고, 이 Al0.2In0.8Sb 층 상에 Zn 을 5 × 1018 원자/cm3 도핑한 제 3 InSb 를 0.5㎛ 성장시켰다. 이 화합물 반도체 박막을 사용하여, 화합물 반도체 센서부를 제작하였다. 먼저, n 형 도핑된 InSb 층과의 컨택트를 얻기 위한 단차 형성을 산 또는 이온밀링 등을 사용하여 행하였다. 이어서, 단차 형성이 된 화합물 반도체 박막에 대하여, 소자 분리를 위한 메사 에칭을 행하였다. 그 후, 전체면 (GaAs 기판 및 그 기판에 형성된 화합물 반도체막) 을 SiN 패시베이션막으로 덮었다. 이어서, 형성된 SiN 보호막 상에서 전극 부분만 창을 열고, Au/Ti 를 EB 증착하여, 리프트오프법에 의해 전극을 형성하였다. 수광 면적은 225㎛ × 150㎛ 로 설계하였다. 실시예 13 에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서부의 단면도를 도 21 에 나타낸다.
적외선을 조사하였을 때의 소자의 개방 전압을 출력 전압으로서 측정하였다. 또, 측정 중의 센서 온도는 실온 (27℃) 이다. 입사하는 적외선은 500K 의 흑체로를 사용하여 발생시키고, 센서로부터 10cm 의 거리에 흑체로를 설치하였다. 이와 같은 배치로, 센서의 기판측으로부터 적외선을 입사하였다. 입사한 적외선의 에너지는 1.2mW/cm2 이다. 광초핑의 주파수는 10Hz 이고, 필터로서 Si 를 사용하였다.
상기 기술한 구성에 의하여 얻어진 출력 전압은 765nV 이었다. 이 출력 전압의 측정 결과를 다른 실시예와 동일하게 도 22 에 나타낸다. 실시예 12 의 결과와 비교하여, 또한 출력이 약 3.2 배로 비약적으로 증가하는 것을 확인하였다.
또한, 소자의 제로 바이어스 저항을, 소자에 0.01V 정 (正) 의 바이어스를 건 경우와, 0.01V 부 (負) 의 바이어스를 건 경우에서 측정하였다. 양 측정 결과의 평균치를 제로 바이어스의 소자 저항 (R0) 으로서 측정하여, 실시예 12 의 경우와 동일하게 포화 전류 (Is) 를 구하였다. 이 결과를 실시예 12, 실시예 9 의 경우와 동일하게 도 23 에 나타낸다. 도 23 에 나타내는 바와 같이, 실시예 13 에 있어서도, 실시예 12 와 동일하게, AlInSb 의 배리어층을 형성한 적외선 센서에 있어서의 포화 전류 (Is) 는, AlInSb 의 배리어층을 사용하지 않는 PIN 다이오드 구조의 소자와 비교하여, 약 1 자리수 감소하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 실시예 12 와 동일하게, AlInSb 배리어층에 의해 확산 전류가 억제되는 특징을 확인할 수 있었다.
또한, 개방 회로 전압을 측정하는 본 발명의 측정 방법에서는, 광전류 (Iph) 와 확산 전류 (Id) 가 동등해지기 때문에, 포화 전류 (Is) 와 출력 (Vout) 에 의해, 수학식 9 에 나타내는 관계에 의해 소자 내부에서 발생한 광전류 (Iph) 를 구할 수 있다.
Figure 112006016784398-pct00009
수학식 9 로부터, 실시예 9 와 실시예 12 와 실시예 13 의 광전류를 각각 구하였다. 그 결과를 도 24 에 나타낸다. 도 24 에 나타내는 바와 같이 실시예 12 에 있어서는, 광전류 (Iph) 가 실시예 9 의 PIN 다이오드 구조의 소자와 비교하여 약 절반으로 감소하고 있는 것을 확인하였다. 이것은 광흡수층인 p 형 도핑 InSb 층을 AlInSb 층 상에 헤테로 성장한 결과, 광흡수층의 결정성이 저하하여, 양자 효율이 감소하였기 때문이다.
한편으로, 실시예 13 의 광전류는, 실시예 9 의 PIN 다이오드 구조의 소자와 비교하여, 광전류 (Iph) 가 약 1.8 배로 향상하는 것을 확인하였다. 이것은 적외선의 흡수에 의해 발생한 전자 정공쌍 중, p 층 방향으로 확산하는 전자가 감소한 결과, 광전류가 증가한 것이다. 즉, 외부 양자 효율이 향상하는 효과를 확인할 수 있었다. 즉, 실시예 13 에 관련된 구조는, 화합물 반도체 적외선 센서 의 단일 소자의 구조로서, 보다 바람직한 구조라고 할 수 있다.
(실시예 14)
MBE 법에 의해, 반절연성의, GaAs 단결정 기판 상에 Sn 을 1.0 × 1019 원자/cm3 도핑한 제 1 InSb 층을 1.0㎛ 성장시키고, 제 1 InSb 층 상에 Zn 을 1 × 1016 원자/cm3 도핑한 제 2 InSb 층을 1.0㎛ 성장시키고, 제 2 InSb 층 상에 Zn 을 5 × 1018 원자/cm3 도핑한 Al0.2In0.8Sb 층을 0.02㎛ 성장시키고, 이 Al0.2In0.8Sb 층 상에 Zn 을 5 × 1018 원자/cm3 도핑한 제 3 InSb 층을 0.5㎛ 성장시켰다. 이 실시예 13 과 동일한 구조인 화합물 반도체 박막을 사용하여, 복수의 소자를 직렬로 접속한 화합물 반도체 센서부를 제작하였다. 먼저, n 형 도핑된 InSb 층과의 컨택트를 얻기 위한 단차 형성을 산 또는 이온밀링 등을 사용하여 행하였다. 이어서, 단차 형성이 된 화합물 반도체 박막에 대하여, 소자 분리를 위한 메사 에칭을 행하였다. 그 후, 전체면 (GaAs 기판 및 그 기판에 형성된 화합물 반도체막) 을 SiN 패시베이션막으로 덮었다. 이어서, 형성된 SiN 보호막 상에서 전극 부분만 창을 열고, Au/Ti 를 EB 증착하여, 리프트오프법에 의해 전극을 형성하였다. 이 때, 어느 소자의 Sn 을 1.0 × 1019 원자/cm3 도핑한 InSb 층과, 그 소자 옆의 소자로, 그 소자의 단차가 형성되어 있는 측의 소자의 Zn 을 5.0 × 1018 원자/cm3 도핑한 InSb 층을 전기적으로 접속하도록 전극을 형성하였다. 제작한 단일 소자의 수광 면적은 9㎛ × 9㎛ 이고, GaAs 기판 상에서 260 개 직렬 접속하고 있다. 제작한 센서부의 일부를 나타내는 단면도는 도 25 에 나타낸다.
적외선을 조사하였을 때의 소자의 개방 전압을 출력 전압으로서 측정하였다. 또, 측정 중의 센서 온도는 실온 (27℃) 이다. 입사하는 적외선은 500K 의 흑체로를 사용하여 발생시키고, 센서로부터 10cm 의 거리에 흑체로를 설치하였다. 이와 같은 배치로, 센서의 기판측으로부터 적외선을 입사하였다. 입사한 적외선의 에너지는 1.2mW/cm2 이다. 광초핑의 주파수는 10Hz 이고, 필터로서 Si 를 사용하였다.
얻어진 출력 (Vout) 은 91μV 이고, 실온에서 100μV 가까운 출력 전압이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다. 출력은 단일 소자만의 경우와 비교하여 비약적으로 출력이 향상하고 있다. 이들의 결과는, IC 에 의한 신호 처리에 충분한 출력이 있고, 그 화합물 반도체 적외선 센서와, 적외선 센서 IC 를 하이브리드로 조합함으로써, 실온에서 냉각 기구 없이 더욱 고감도인, 초소형의 적외선 센서를 실현할 수 있다.
(실시예 15)
실시예 14 와 동일한 구조로 제작한 화합물 반도체 적외선 센서를 사용하여, 증폭 회로와 초핑 회로 등을 탑재한 집적 회로부를 동일 패키지 내에 하이브리드 형성하는 적외선 센서 IC 를 제작하였다.
증폭 회로와 초핑 회로 등을 탑재한 집적 회로부 (IC) 는, 통상적인 CMOS 라 인으로 제작하였다. 그 후, 상기 집적 회로부의 기판 상에 실시예 14 에 관련된 화합물 반도체 적외선 센서부를, 센서의 화합물 반도체 박막 상의 전극 부분과 IC 의 전극 부분이 접합하도록, 센서의 기판 부분을 위로 하여 IC 상에 플립칩 본딩에 의해 접합하였다. 또한 패키지 내부의 전극 부분 (랜드; land) 과 집적 회로부를 와이어 본딩으로 전기적으로 접속하였다. 또한, 상기 패키지의 적외선 입사부에 Si 의 필터를 붙여 실시예 15 에 관련된 적외선 센서 IC 를 완성하였다. 도 26 에 그 단면도를 나타낸다. 도 26 에 있어서, 부호 32 는 화합물 반도체 적외선 센서부이고, 33 은 집적 회로부이고, 34 는 와이어 본딩이고, 35 는 패키지이고, 36 은 Si 필터이고, 37 은 범프 (bump) 이고, 38 은 랜드이고, 39 는 패키지 전극이다.
완성한 적외선 센서 IC 는, 그 면적이 3mm × 3mm, 두께 1.2mm 로 종래에 없는 초소형의 적외선 센서 IC 이다. 또한 본 구조에서는, 적외선은 Si 의 필터 (36) 를 통해서 화합물 반도체 적외선 센서부 (32) 의 기판측으로부터 입사된다. 기판은 반절연성의 GaAs 기판을 사용하고 있기 때문에 파장 5㎛ 이상의 적외선은 기판 부분을 충분히 투과하고, 화합물 반도체 박막층에 흡수된다. 따라서, 입사한 적외선은 화합물 반도체 적외선 센서부 (32) 의 전극이나 배선 부분에 의하여 차단되는 일은 없고, 효율적으로 신호로서 취출하는 것이 가능하다.
또한, 실시예 15 에 관련된 적외선 센서 IC 는, 간이한 패키지에도 불구하고, 전자 노이즈나 열 이동의 영향을 받기 어려운 특징을 갖고 있는 것을 확인하였다.
상기 기술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 관련된 적외선 센서 IC 는, 사람이 방사하는 열에너지를 검지하는 인감 센서로서 바람직하게 이용할 수 있다. IC 칩 사이즈 정도의 초소형으로 전자 노이즈나 열 이동의 영향도 받기 어려운 특징을 갖고 있고, 조명이나 가전 등의 자동 온오프를 가능하게 하고, 에너지 절감화에 크게 효과를 기대할 수 있다.

Claims (35)

  1. 기판 상에 박막 성장되고, 인듐 및 안티몬을 함유하는 화합물 반도체층을 갖고, 상기 화합물 반도체층에 의해 적외선을 검지하여 그 검지를 나타내는 전기 신호를 출력하는 화합물 반도체 센서부, 및
    상기 화합물 반도체 센서부로부터 출력되는 상기 전기 신호를 처리하여 소정의 연산을 행하는 집적 회로부를 구비하고,
    상기 화합물 반도체 센서부 및 상기 집적 회로부가 동일 패키지 내에 서로 직접 접촉하지 않도록 전기적으로 접속된 하이브리드의 형태로 배설되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물 반도체 센서부는,
    기판, 및
    상기 기판 상에, 격자 부정합을 완화시키는 층인 버퍼층을 사이에 개재하여 형성된 화합물 반도체층을 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 버퍼층은, AlSb, AlGaSb, AlGaAsSb, AlInSb, GaInAsSb, AlInAsSb 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화합물 반도체층은, 제 1 화합물 반도체층의 단층으로 이루어지고,
    상기 제 1 화합물 반도체층은, InSb, InAsSb, InSbBi, InAsSbBi, InTlSb, InTlAsSb, InSbN, InAsSbN 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 화합물 반도체층은, p 형 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화합물 반도체층은,
    인듐 및 안티몬을 함유하는 재료인 제 2 화합물 반도체층, 및
    상기 제 2 화합물 반도체층 상에 상기 제 2 화합물 반도체층과 헤테로 접합하도록 형성된, 안티몬을 함유하고, 또한 상기 제 2 화합물 반도체층과는 상이한 재료인 제 3 화합물 반도체층을 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 3 화합물 반도체층/상기 제 2 화합물 반도체층의 조합은, GaSb/InSb, GaInSb/InSb, InSb/InAsSb, GaSb/InAsSb, GaInSb/InAsSb 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 화합물 반도체층과 상기 제 3 화합물 반도체층의 양방, 또는, 상기 제 3 화합물 반도체층만을 p 형 도핑하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화합물 반도체층은,
    인듐 및 안티몬의 적어도 일방을 함유하는 재료인 제 4 화합물 반도체층, 및
    상기 제 4 화합물 반도체층 상에 그 제 4 화합물 반도체층과 헤테로 접합하도록 형성되고, 인듐 및 안티몬의 적어도 일방을 함유하고, 또한 상기 제 4 화합물 반도체층과는 상이한 재료인 제 5 화합물 반도체층을 구비하고,
    상기 제 4 화합물 반도체층과 상기 제 5 화합물 반도체층은, 주기적으로 적층된 초격자 구조인 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 5 화합물 반도체층/상기 제 4 화합물 반도체층의 조합은, InAs/GaSb, InAs/GaInSb, InAs/GaAsSb, InAsSb/GaSb, InAsSb/GaAsSb, InAsSb/GaInSb 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화합물 반도체층은,
    인듐 및 안티몬을 함유하고, n 형 도핑된 재료인 화합물 반도체층, 및
    인듐 및 안티몬을 함유하고, p 형 도핑된 재료인 화합물 반도체층을 구비한 p-n 접합의 적층체인 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 적층체는, p 형 도핑된 InSb/n 형 도핑된 InSb, p 형 도핑된 InSb/p 형 도핑된 InAsSb/n 형 도핑된 InSb, p 형 도핑된 GaInSb/p 형 도핑된 InAsSb/n 형 도핑된 GaInSb, p 형 도핑된 GaInSb/p 형 도핑된 InSb/n 형 도핑된 GaInSb 중 어느 하나인 p-n 접합 적층체인 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  13. 기판, 및
    상기 기판 상에 형성된 복수의 화합물 반도체층이 적층된 화합물 반도체의 적층체를 구비하고,
    상기 화합물 반도체의 적층체는,
    상기 기판 상에 형성되고, 인듐 및 안티몬을 함유하고, n 형 도핑된 재료인 제 6 화합물 반도체층,
    상기 제 6 화합물 반도체층 상에 형성되고, 인듐 및 안티몬을 함유하고, 논도프 또는 p 형 도핑된 재료인 제 7 화합물 반도체층, 및
    상기 제 7 화합물 반도체층 상에 형성되고, 상기 제 7 화합물 반도체층보다도 고농도로 p 형 도핑되고, 또한 상기 제 6 화합물 반도체층 및 상기 제 7 화합물 반도체층보다도 큰 밴드갭을 갖는 재료인 제 8 화합물 반도체층을 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 6 화합물 반도체층은, InSb 이고,
    상기 제 7 화합물 반도체층은, InSb, InAsSb, InSbN 중 어느 하나이고,
    상기 제 8 화합물 반도체층은, (i) AlInSb, GaInSb 중 어느 하나, (ii) AlAs, InAs, GaAs, AlSb, GaSb 중 어느 하나, 또는 (iii)(ii)의 혼정 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 제 6 화합물 반도체층의 n 형 도펀트는, Sn 이고,
    상기 제 7 화합물 반도체층 및 상기 제 8 화합물 반도체층의 p 형 도펀트는, Zn 인 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  16. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 화합물 반도체의 적층체는,
    상기 제 8 화합물 반도체층 상에 형성되고, 인듐 및 안티몬을 함유하고, 그 제 8 화합물 반도체층과 동등하거나, 또는 그 이상의 농도로 p 형 도핑된 재료인 제 9 화합물 반도체층을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 9 화합물 반도체층은, InSb 인 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 9 화합물 반도체층의 p 형 도펀트는, Zn 인 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  19. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 기판은, 반절연성, 또는 상기 기판과 그 기판에 형성된 제 6 화합물 반도체층이 절연 분리 가능한 기판이고,
    상기 제 6 화합물 반도체층 중, 상기 제 7 화합물 반도체층이 형성되어 있지 않은 영역에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 8 화합물 반도체층 상에 형성된 제 2 전극을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 기판 상에는, 상기 화합물 반도체의 적층체에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극이 형성된 화합물 반도체의 적층체 옆의 화합물 반도체의 적층체에 형성된 제 2 전극이 직렬 접속하도록, 복수의 상기 화합물 반도체의 적층체가 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  21. 제 19 항에 있어서,
    출력 신호를 측정할 때에, 상기 제 1 및 제 2 전극 사이의 바이어스를 제로 바이어스로 하고, 적외선 입사시의 신호를 개방 회로 전압으로서 판독하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  22. 제 20 항에 있어서,
    출력 신호를 측정할 때에, 상기 제 1 및 제 2 전극 사이의 바이어스를 제로 바이어스로 하고, 적외선 입사시의 신호를 개방 회로 전압으로서 판독하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 기판은, 반절연성, 또는 상기 기판과 그 기판에 형성된 제 6 화합물 반도체층이 절연 분리 가능한 기판이고,
    상기 제 6 화합물 반도체층 중, 상기 제 7 화합물 반도체층이 형성되어 있지 않은 영역에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 8 화합물 반도체층 상에 형성된 제 2 전극을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 기판 상에는, 상기 화합물 반도체의 적층체에 형성된 제 1 전극과, 상기 제 1 전극이 형성된 화합물 반도체의 적층체 옆의 화합물 반도체의 적층체에 형성된 제 2 전극이 직렬 접속하도록, 복수의 상기 화합물 반도체의 적층체가 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  25. 제 23 항에 있어서,
    출력 신호를 측정할 때에, 상기 제 1 및 제 2 전극 사이의 바이어스를 제로 바이어스로 하고, 적외선 입사시의 신호를 개방 회로 전압으로서 판독하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  26. 제 24 항에 있어서,
    출력 신호를 측정할 때에, 상기 제 1 및 제 2 전극 사이의 바이어스를 제로 바이어스로 하고, 적외선 입사시의 신호를 개방 회로 전압으로서 판독하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  27. 제 13 항 또는 제 14 항에 기재된 적외선 센서, 및
    상기 적외선 센서로부터 출력되는 전기 신호를 처리하여 소정의 연산을 행하는 집적 회로부를 구비하고,
    상기 적외선 센서 및 상기 집적 회로부가 동일 패키지 내에 하이브리드의 형태로 배설되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  28. 제 22 항에 기재된 적외선 센서, 및
    상기 적외선 센서로부터 출력되는 전기 신호를 처리하여 소정의 연산을 행하는 집적 회로부를 구비하고,
    상기 적외선 센서 및 상기 집적 회로부가 동일 패키지 내에 하이브리드의 형태로 배설되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  29. 제 26 항에 기재된 적외선 센서, 및
    상기 적외선 센서로부터 출력되는 전기 신호를 처리하여 소정의 연산을 행하는 집적 회로부를 구비하고,
    상기 적외선 센서 및 상기 집적 회로부가 동일 패키지 내에 하이브리드의 형태로 배설되어 있는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 IC.
  30. 기판 상에, 인듐 및 안티몬을 함유하고, n 형 도핑된 재료인 제 6 화합물 반도체층을 형성하는 공정,
    상기 제 6 화합물 반도체층 상에, 인듐 및 안티몬을 함유하고, 논도프 또는 p 형 도핑된 재료인 제 7 화합물 반도체층을 형성하는 공정, 및
    상기 제 7 화합물 반도체층 상에, 상기 제 7 화합물 반도체층보다도 고농도로 p 형 도핑되고, 또한 상기 제 6 화합물 반도체층 및 상기 제 7 화합물 반도체층보다도 큰 밴드갭을 갖는 재료인 제 8 화합물 반도체층을 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 센서의 제조 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 제 6 화합물 반도체층은, InSb 이고,
    상기 제 7 화합물 반도체층은, InSb, InAsSb, InSbN 중 어느 하나이고,
    상기 제 8 화합물 반도체층은, (i) AlInSb, GaInSb 중 어느 하나, (ii) AlAs, InAs, GaAs, AlSb, GaSb 중 어느 하나 또는 (iii) (ii)의 혼정 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 적외선 센서의 제조 방법.
  32. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
    상기 제 6 화합물 반도체층의 n 형 도펀트는, Sn 이고,
    상기 제 7 화합물 반도체층 및 상기 제 8 화합물 반도체층의 p 형 도펀트는, Zn 인 것을 특징으로 하는 적외선 센서의 제조 방법.
  33. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
    상기 제 8 화합물 반도체층 상에 인듐 및 안티몬을 함유하고, 상기 제 8 화합물 반도체층과 동등하거나, 또는 그 이상의 농도로 p 형 도핑된 재료인 제 9 화합물 반도체층을 형성하는 공정을 추가로 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 센서의 제조 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 제 9 화합물 반도체층은, InSb 인 것을 특징으로 하는 적외선 센서의 제조 방법.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 제 9 화합물 반도체층의 p 형 도펀트는, Zn 인 것을 특징으로 하는 적외선 센서의 제조 방법.
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