赤外線検出素子
【課題】信頼性に優れた赤外線検出素子を提供する。
【解決手段】赤外線検出素子は、Ｎ型のＩｎＡｓからなる半導体基板１と、半導体基板１上に形成されたＩｎＡｓＸ１Ｓｂ１−Ｘ１を含むバッファ層２，３，４と、バッファ層２，３，４上に形成されたＩｎＡｓＸ２Ｓｂ１−Ｘ２からなる光吸収層５と、光吸収層５上に形成されたＩｎＰＳｂからなるキャップ層６とを備えている。組成比Ｘ１は、組成比Ｘ２よりも大きく、組成比Ｘ１は、半導体基板１から光吸収層５に近づくに従って段階的に減少しており、キャップ層６の表面から光吸収層５内にＰ型不純物が添加されてなる。なお、半導体基板１としてＩｎＳｂを用いた場合には、組成比の関係は逆となる。
【解決手段】赤外線検出素子は、Ｎ型のＩｎＡｓからなる半導体基板１と、半導体基板１上に形成されたＩｎＡｓＸ１Ｓｂ１−Ｘ１を含むバッファ層２，３，４と、バッファ層２，３，４上に形成されたＩｎＡｓＸ２Ｓｂ１−Ｘ２からなる光吸収層５と、光吸収層５上に形成されたＩｎＰＳｂからなるキャップ層６とを備えている。組成比Ｘ１は、組成比Ｘ２よりも大きく、組成比Ｘ１は、半導体基板１から光吸収層５に近づくに従って段階的に減少しており、キャップ層６の表面から光吸収層５内にＰ型不純物が添加されてなる。なお、半導体基板１としてＩｎＳｂを用いた場合には、組成比の関係は逆となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体を用いた赤外線検出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
赤外線は赤色よりも長い波長の光であり、波長帯域によって例えば近赤外線、中赤外線、遠赤外線に分類される。従来、中赤外線検出用の赤外線検出素子として、ＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）やＰｂＳｅ等の材料を用いたものが知られている。しかしながら、これらの材料はＨｇやＰｂなどの環境に対して有害な重金属を含んでいる。
【０００３】
そこで、これらの物質を含有しない赤外線検出素子の光吸収層として、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子構造のサブバンド間での遷移を用いたもの、ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＳｂ歪超格子のバンド間での空間的な間接遷移を用いたものが開発されている（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−１６０４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の半導体赤外線検出素子は、メサ型に加工されているため、加工された箇所のＰＮ接合部が露出しており、信頼性に改善の余地がある。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、信頼性に優れた赤外線検出素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、第１の発明に係る赤外線検出素子は、第１導電型のＩｎＡｓからなる半導体基板と、半導体基板上に形成されたＩｎＡｓＸ１Ｓｂ１−Ｘ１を含むバッファ層と、バッファ層上に形成されたＩｎＡｓＸ２Ｓｂ１−Ｘ２からなる光吸収層と、光吸収層上に形成されたＩｎＰＳｂからなるキャップ層とを備え、バッファ層における組成比Ｘ１は、光吸収層における組成比Ｘ２よりも大きく、且つ、バッファ層の組成比Ｘ１は、半導体基板から光吸収層に近づくに従って段階的に減少しており、キャップ層の表面から前記光吸収層内に第２導電型の不純物が添加されてなることを特徴とする。
【０００８】
第１の発明に係る赤外線検出素子よれば、第２導電型の不純物が添加されることで第２導電型の半導体領域が形成されており、エピタキシャル成長とメサエッチングの組み合わせで形成されているわけではないため、第２導電型の半導体領域と光吸収層との界面が側面に露出せず、信頼性に優れたプレーナー構造が形成されている。また、光吸収層との界面状態を良好に保持しつつ、光吸収層に入射光を透過させるため、キャップ層にはＩｎＰＳｂを用いており、信頼性に優れる構造となっている。
【０００９】
また、バッファ層及び半導体基板は、光吸収層に対して物理的に異なる位置に設けられているが、赤外線に感度を有する上記材料の組成比が上述の如く設定されているため、特に光吸収層の吸収端近辺の波長の光に関しては、バッファ層及び半導体基板によって検出されるキャリアがなくなり、赤外線検出素子から読み出されるキャリアの空間的な広がりが小さくなり、この素子は高速応答性に優れることとなる。また、光吸収層の吸収端より離れた短い波長の光に関しては、バッファ層及び半導体基板によってもキャリアが検出されるため、この赤外線検出素子は光電変換効率に優れることとなる。
【００１０】
また、第２の発明に係る赤外線検出素子は、第１導電型のＩｎＳｂからなる半導体基板と、半導体基板上に形成されたＩｎＡｓＹ１Ｓｂ１−Ｙ１を含むバッファ層と、バッファ層上に形成されたＩｎＡｓＹ２Ｓｂ１−Ｙ２からなる光吸収層と、光吸収層上に形成されたＩｎＰＳｂからなるキャップ層とを備え、バッファ層における組成比Ｙ１は、光吸収層における組成比Ｙ２よりも小さく、且つ、バッファ層の組成比Ｙ１は、半導体基板から前記光吸収層に近づくに従って段階的に増加しており、キャップ層の表面から光吸収層内に第２導電型の不純物が添加されてなることを特徴とする。
【００１１】
第２の発明に係る赤外線検出素子においても、第２導電型の不純物が添加されることで第２導電型の半導体領域が形成されており、第２導電型の半導体領域と光吸収層との界面が側面に露出せず、信頼性に優れたプレーナー構造が形成されている。また、光吸収層との界面状態を良好に保持しつつ、光吸収層に入射光を透過させるため、キャップ層にはＩｎＰＳｂを用いており、信頼性に優れる構造となっている。
【００１２】
また、赤外線に感度を有する上記材料の組成比が上記の如く設定されていることにより、特に光吸収層の吸収端近辺の波長の光に関しては、バッファ層及び半導体基板によって検出されるキャリアがなくなり、赤外線検出素子から読み出されるキャリアの空間的な広がりが小さくなり、この素子は高速応答性に優れることとなる。また、光吸収層の吸収端より離れた短い波長の光に関しては、バッファ層及び半導体基板によってもキャリアが検出されるため、この赤外線検出素子は光電変換効率に優れることとなる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の赤外線検出素子は、信頼性に優れることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態に係る赤外線検出素子の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施の形態に係る赤外線検出素子について説明する。
【００１６】
図１は、赤外線検出素子の縦断面図である。
【００１７】
この赤外線検出素子は、赤外線ガス分析装置やＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換型赤外分光）装置などに用いることができる。検出できる波長は例えば３．５〜１０μｍ程度である。
【００１８】
この赤外線検出素子は、Ｎ型の半導体基板１と、半導体基板１上に形成されたバッファ層２，３，４と、バッファ層２，３，４上に形成された光吸収層５と、光吸収層５上に形成されたキャップ層６とを備えている。キャップ層６の表面からは、キャップ層６内及び光吸収層５内にＰ型不純物（Ｚｎ）が拡散して添加されており、Ｐ型半導体領域７を構成している。Ｐ型不純物は、光吸収層５内にも若干拡散しているため、Ｐ型とＩ型の接合界面が光吸収層５内に位置し、側面に露出していないため、この界面が安定し、信頼性が向上している。
【００１９】
Ｐ型半導体領域７は不純物の添加によって形成されており、エピタキシャル成長とメサエッチングの組み合わせで形成されているわけではないため、Ｐ型半導体領域７と光吸収層５との界面が側面に露出せず、信頼性に優れたプレーナー構造が形成されている。キャップ層６上には絶縁層８が形成されており、絶縁層８上には第１電極Ｅ１が形成され、第１電極Ｅ１は絶縁層８に設けられたコンタクトホールを介して半導体領域７に接触し、これに電気的に接続されている。半導体基板１の裏面側には、第２電極Ｅ２が形成されている。この赤外線検出素子においては、光吸収層５には不純物が添加されておらず、これをＩ型とするＰＩＮフォトダイオードが構成されている。バッファ層２，３，４には不純物としてシリコン（Ｓｉ）が添加されており、その導電型はＮ型である。各化合物半導体層の組成を制御することで、検出感度を有する波長帯を変更することができる。
【００２０】
以下、詳説する。
【００２１】
（１）第１形態：５μｍ帯の赤外線検出用の素子
第１形態における各要素を構成する材料（厚み）は以下の通りである。
・第１電極Ｅ１：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ
・絶縁層８：ＳｉＮ（０．１μｍ）
・キャップ層６：ＩｎＰＺ１Ｓｂ１−Ｚ１（厚みＴ６＝１．０μｍ）
・光吸収層５：ＩｎＡｓＸ２Ｓｂ１−Ｘ２（厚みＴ５＝８．０μｍ）
・バッファ層４：ＩｎＡｓＸ１３Ｓｂ１−Ｘ１３（厚みＴ４＝１．０μｍ）
・バッファ層３：ＩｎＡｓＸ１２Ｓｂ１−Ｘ１２（厚みＴ３＝１．５μｍ）
・バッファ層２：ＩｎＡｓＸ１１Ｓｂ１−Ｘ１１（厚みＴ２＝０．５μｍ）
・半導体基板１：ＩｎＡｓ（厚みＴ１＝２５０μｍ）
・第２電極Ｅ２：ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ
【００２２】
また、組成比の具体的な一例は、以下の通りである。
・Ｚ１＝０．４８
・Ｘ２＝０．７５
・Ｘ１３＝０．８
・Ｘ１２＝０．８５〜０．９５
・Ｘ１１＝１
【００２３】
なお、バッファ層３は、各層の厚みが０．５μｍの化合物半導体層からなる３層構造を有しており、各化合物半導体層の半導体基板１側からの組成比が、それぞれ、Ｘ１２＝０．９５、Ｘ１２＝０．９、Ｘ１２＝０．８５となっており、すなわち、徐々に減少している。バッファ層２，３，４におけるＡｓの組成比Ｘ１１、Ｘ１２、Ｘ１３を総括してＸ１として表記すると、バッファ層２，３，４におけるＡｓの組成比Ｘ１（＝１〜０．８）は、光吸収層５におけるＡｓの組成比Ｘ２（＝０．７５）よりも大きく、且つ、バッファ層２，３，４の組成比Ｘ１は、半導体基板１から光吸収層５に近づくに従って段階的に減少している。なお、光吸収層５は超格子構造ではなく、その組成比Ｘ２は一定である。
【００２４】
化合物半導体では組成比を変えることにより、エネルギーバンドギャップＥｇを小さくでき、検出感度の波長λが長くすることができる。格子定数ａは、原子半径ｒが大きい元素の比率が増加すると、増加する。第１形態では、光吸収層５におけるＳｂの組成比は２５％であって５μｍ帯の赤外線を検出できるが、このＳｂの組成比を第２形態のように６５％まで増加させると、１０μｍ帯の赤外線を検出することができるようになる。
【００２５】
第１形態における各層のエネルギーバンドギャップＥｇ１〜Ｅｇ６を以下のように定義する。
・Ｅｇ６：キャップ層６：ＩｎＰ０．４８Ｓｂ０．５２
・Ｅｇ５：光吸収層５：ＩｎＡｓ０．７５Ｓｂ０．２５
・Ｅｇ４：バッファ層４：ＩｎＡｓ０．８Ｓｂ０．２
・Ｅｇ３Ｕ：バッファ層３（上層）：ＩｎＡｓ０．８５Ｓｂ０．１５
・Ｅｇ３Ｍ：バッファ層３（中層）：ＩｎＡｓ０．９０Ｓｂ０．１０
・Ｅｇ３Ｌ：バッファ層３（下層）：ＩｎＡｓ０．９５Ｓｂ０．０５
・Ｅｇ２：バッファ層２：ＩｎＡｓ
・Ｅｇ１：半導体基板１：ＩｎＡｓ
【００２６】
この場合、各層のエネルギーバンドギャップＥｇ１〜Ｅｇ６の関係は以下の通りとなる。
・Ｅｇ５＜Ｅｇ４＜Ｅｇ３Ｕ＜Ｅｇ３Ｍ＜Ｅｇ３Ｌ＜Ｅｇ２＜Ｅｇ１
・Ｅｇ５＜Ｅｇ６
【００２７】
半導体に入射した光（エネルギー）によって、その価電子帯から伝導帯に電子が遷移するには、エネルギーバンドギャップ以上のエネルギーを吸収する必要がある。Ｅｇ∝１／λであるため、Ｅｇが大きい場合には、これに対応する波長よりも短波長の成分が吸収され、残りの長波長の成分は透過する。
【００２８】
上記の如く、半導体基板１がＩｎＡｓである場合、半導体基板１から光吸収層５側に向かうにしたがってエネルギーバンドギャップが小さくなる。逆に言えば、光吸収層５から半導体基板１に向かうに従って、エネルギーバンドギャップは大きくなる。キャップ層６は光吸収層よりもエネルギーバンドギャップは大きく、光吸収層５で吸収されるべき赤外線に対しては透明である。
【００２９】
キャップ層６側から入射した光のうち、光吸収層５に対応する波長以下の短波長成分は、光吸収層５において吸収され、これよりも長波長の成分は光吸収層５に吸収されるエネルギーを与えることができず、光吸収層５を透過する。透過した長波長成分は、バッファ層２，３，４及び半導体基板１に順次入射するが、これらの半導体層は光吸収層５よりもエネルギーバンドギャップが大きい（吸収する波長が短い）ので、入射した長波長成分は、バッファ層２，３，４及び半導体基板１に吸収されず、これらを透過する。
【００３０】
したがって、バッファ層２，３，４及び半導体基板１は、光吸収層５に対して物理的に異なる位置に設けられているが、上記理由により、特に光吸収層の吸収端近辺の波長の光に関しては、これらのバッファ層２，３，４及び半導体基板１によって検出されなくなるため、赤外線検出素子から読み出されるキャリアの空間的な広がりが小さくなり、この素子は高速応答性に優れることとなる。また、光吸収層の吸収端より離れた短い波長の光に関しては、バッファ層及び半導体基板によってもキャリアが検出されるため、この赤外線検出素子は光電変換効率に優れることとなる。光電変換効率に優れる場合には、この赤外線検出素子は微弱光の計測に用いることができる。
【００３１】
また、上述の構造を有する赤外線検出素子は、光吸収層５の上に直接絶縁膜を積層すると、光吸収層５と絶縁膜の界面にて光によって発生したキャリアをトラップするような欠陥が生じてしまうので、光吸収層５よりもエネルギーバンドギャップの大きい材料を用いて光吸収層５と格子整合させたキャップ層６を光吸収層５上に生成して、所望の波長の光に対して透明で、かつ、光吸収層５との界面でトラップ等を生じないようにしている。具体的には、光吸収層５との界面状態を良好に保持しつつ、光吸収層５に入射光を透過させるため、キャップ層６にはＩｎＰＳｂを用いており、信頼性に優れる構造となっている。
【００３２】
なお、バッファ層２，３の合計の厚み（Ｔ２＋Ｔ３）は２μｍであるが、これは光吸収層５の厚みＴ５よりも小さい。良好な結晶性を有する光吸収層５を形成するためには、バッファ層２と、バッファ層３の組成比の異なる三層のそれぞれの層の厚み（Ｔ２、Ｔ３の内の各層の厚み）は、それぞれ０．５μｍ以上であることが好ましい。
【００３３】
（２）第２形態：１０μｍ帯の赤外線検出用の素子
第２形態における各要素を構成する材料（厚み）は以下の通りである。
・第１電極Ｅ１：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ
・絶縁層８：ＳｉＮ（０．１μｍ）
・キャップ層６：ＩｎＰＺ２Ｓｂ１−Ｚ２（厚みＴ６＝１．０μｍ）
・光吸収層５：ＩｎＡｓＹ２Ｓｂ１−Ｙ２（厚みＴ５＝８．０μｍ）
・バッファ層４：ＩｎＡｓＹ１３Ｓｂ１−Ｙ１３（厚みＴ４＝１．０μｍ）
・バッファ層３：ＩｎＡｓＹ１２Ｓｂ１−Ｙ１２（厚みＴ３＝２．５μｍ）
・バッファ層２：ＩｎＡｓＹ１１Ｓｂ１−Ｙ１１（厚みＴ２＝０．５μｍ）
・半導体基板１：ＩｎＳｂ（厚みＴ１＝２５０μｍ）
・第２電極Ｅ２：ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ
【００３４】
また、組成比の具体的な一例は、以下の通りである。
・Ｚ２＝０．２４
・Ｙ２＝０．３５
・Ｙ１３＝０．３
・Ｙ１２＝０．０５〜０．２５
・Ｙ１１＝０
【００３５】
なお、第１形態では、バッファ層３は、各層の厚みが０．５μｍの化合物半導体層からなる３層構造を有しており、各化合物半導体層の半導体基板１側からの組成比が、それぞれ、Ｙ１２＝０．０５、Ｙ１２＝０．１０、Ｙ１２＝０．１５、Ｙ１２＝０．２０、Ｙ１２＝０．２５となっており、すなわち、徐々に増加している。バッファ層２，３，４におけるＡｓの組成比Ｙ１１、Ｙ１２、Ｙ１３を総括してＹ１として表記すると、バッファ層２，３，４におけるＡｓの組成比Ｙ１（＝０〜０．３）は、光吸収層５におけるＡｓの組成比Ｙ２（＝０．３５）よりも小さく、且つ、バッファ層２，３，４の組成比Ｙ１は、半導体基板１から光吸収層５に近づくに従って段階的に増加している。なお、光吸収層５は超格子構造ではなく、その組成比Ｙ２は一定である。
【００３６】
第２形態における各層のエネルギーバンドギャップＥｇ１〜Ｅｇ６を以下のように定義する。
・Ｅｇ６：キャップ層６：ＩｎＰ０．２４Ｓｂ０．７６
・Ｅｇ５：光吸収層５：ＩｎＡｓ０．３５Ｓｂ０．６５
・Ｅｇ４：バッファ層４：ＩｎＡｓ０．３Ｓｂ０．７
・Ｅｇ３Ｕ：バッファ層３（上層）：ＩｎＡｓ０．２５Ｓｂ０．７５
・Ｅｇ３ＭＵ：バッファ層３（中上層）：ＩｎＡｓ０．２０Ｓｂ０．８０
・Ｅｇ３Ｍ：バッファ層３（中層）：ＩｎＡｓ０．１５Ｓｂ０．８５
・Ｅｇ３ＭＬ：バッファ層３（中下層）：ＩｎＡｓ０．１０Ｓｂ０．９０
・Ｅｇ３Ｌ：バッファ層３（下層）：ＩｎＡｓ０．０５Ｓｂ０．９５
・Ｅｇ２：バッファ層２：ＩｎＳｂ
・Ｅｇ１：半導体基板１：ＩｎＳｂ
【００３７】
この場合、各層のエネルギーバンドギャップＥｇ１〜Ｅｇ６の関係は以下の通りとなる。
・Ｅｇ５＜Ｅｇ４＜Ｅｇ３Ｕ＜Ｅｇ３ＭＵ＜Ｅｇ３Ｍ＜Ｅｇ３ＭＬ＜Ｅｇ３Ｌ＜Ｅｇ２＜Ｅｇ１
・Ｅｇ５＜Ｅｇ６
【００３８】
上記の如く、半導体基板１がＩｎＳｂである場合、半導体基板１から光吸収層５側に向かうにしたがってエネルギーバンドギャップが小さくなる。逆に言えば、光吸収層５から半導体基板１に向かうに従って、エネルギーバンドギャップは大きくなる。キャップ層６は光吸収層よりもエネルギーバンドギャップは大きく、光吸収層５で吸収されるべき赤外線に対しては透明である。
【００３９】
キャップ層６側から入射した光のうち、光吸収層５に対応する波長以下の短波長成分は、光吸収層５において吸収され、これよりも長波長の成分は光吸収層５に吸収されず、光吸収層５を透過する。透過した長波長成分は、バッファ層及び半導体基板に順次入射するが、これらの半導体層は光吸収層５よりもエネルギーバンドギャップが大きい（吸収する波長が短い）ので、入射した長波長成分は、バッファ層２，３，４及び半導体基板１に吸収されず、これらを透過する。
【００４０】
したがって、バッファ層２，３，４及び半導体基板１は、光吸収層５に対して物理的に異なる位置に設けられているが、上記理由により、特に光吸収層の吸収端近辺の波長の光に関しては、これらのバッファ層２，３，４及び半導体基板１によって検出されなくなるため、赤外線検出素子から読み出されるキャリアの空間的な広がりが小さくなり、この素子は高速応答性に優れることとなる。また、光吸収層の吸収端より離れた短い波長の光に関しては、バッファ層及び半導体基板によってもキャリアが検出されるため、この赤外線検出素子は光電変換効率に優れることとなる。光電変換効率に優れる場合には、この赤外線検出素子は微弱光の計測に用いることができる。
【００４１】
なお、第２形態においては、バッファ層２，３の合計の厚み（Ｔ２＋Ｔ３）は３μｍであるが、これは光吸収層５の厚みＴ５よりも小さい。良好な結晶性を有する光吸収層５を形成するためには、バッファ層２とバッファ層３の組成比の異なる五層のそれぞれの層の厚み（Ｔ２、Ｔ３の内の各層の厚み）は、それぞれ０．５μｍ以上であることが好ましい。
【００４２】
なお、上述の化合物半導体層はＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置又はＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置を用いて製造することができ、電極は、蒸着法又はスパッタ法を用いて形成することができる。不純物の添加法としては、熱拡散法又はイオン注入法を用いることができ、イオン注入後には熱処理を行う。
【００４３】
なお、上記では第１導電型をＮ型とし、第２導電型をＰ型として説明したが、これらの導電型は逆であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、赤外線ガス分析装置やＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換型赤外分光）装置などに用いられる赤外線検出素子に利用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１…半導体基板、２，３，４…バッファ層、５…光吸収層、６…キャップ層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体を用いた赤外線検出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
赤外線は赤色よりも長い波長の光であり、波長帯域によって例えば近赤外線、中赤外線、遠赤外線に分類される。従来、中赤外線検出用の赤外線検出素子として、ＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）やＰｂＳｅ等の材料を用いたものが知られている。しかしながら、これらの材料はＨｇやＰｂなどの環境に対して有害な重金属を含んでいる。
【０００３】
そこで、これらの物質を含有しない赤外線検出素子の光吸収層として、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子構造のサブバンド間での遷移を用いたもの、ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＳｂ歪超格子のバンド間での空間的な間接遷移を用いたものが開発されている（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−１６０４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の半導体赤外線検出素子は、メサ型に加工されているため、加工された箇所のＰＮ接合部が露出しており、信頼性に改善の余地がある。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、信頼性に優れた赤外線検出素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、第１の発明に係る赤外線検出素子は、第１導電型のＩｎＡｓからなる半導体基板と、半導体基板上に形成されたＩｎＡｓＸ１Ｓｂ１−Ｘ１を含むバッファ層と、バッファ層上に形成されたＩｎＡｓＸ２Ｓｂ１−Ｘ２からなる光吸収層と、光吸収層上に形成されたＩｎＰＳｂからなるキャップ層とを備え、バッファ層における組成比Ｘ１は、光吸収層における組成比Ｘ２よりも大きく、且つ、バッファ層の組成比Ｘ１は、半導体基板から光吸収層に近づくに従って段階的に減少しており、キャップ層の表面から前記光吸収層内に第２導電型の不純物が添加されてなることを特徴とする。
【０００８】
第１の発明に係る赤外線検出素子よれば、第２導電型の不純物が添加されることで第２導電型の半導体領域が形成されており、エピタキシャル成長とメサエッチングの組み合わせで形成されているわけではないため、第２導電型の半導体領域と光吸収層との界面が側面に露出せず、信頼性に優れたプレーナー構造が形成されている。また、光吸収層との界面状態を良好に保持しつつ、光吸収層に入射光を透過させるため、キャップ層にはＩｎＰＳｂを用いており、信頼性に優れる構造となっている。
【０００９】
また、バッファ層及び半導体基板は、光吸収層に対して物理的に異なる位置に設けられているが、赤外線に感度を有する上記材料の組成比が上述の如く設定されているため、特に光吸収層の吸収端近辺の波長の光に関しては、バッファ層及び半導体基板によって検出されるキャリアがなくなり、赤外線検出素子から読み出されるキャリアの空間的な広がりが小さくなり、この素子は高速応答性に優れることとなる。また、光吸収層の吸収端より離れた短い波長の光に関しては、バッファ層及び半導体基板によってもキャリアが検出されるため、この赤外線検出素子は光電変換効率に優れることとなる。
【００１０】
また、第２の発明に係る赤外線検出素子は、第１導電型のＩｎＳｂからなる半導体基板と、半導体基板上に形成されたＩｎＡｓＹ１Ｓｂ１−Ｙ１を含むバッファ層と、バッファ層上に形成されたＩｎＡｓＹ２Ｓｂ１−Ｙ２からなる光吸収層と、光吸収層上に形成されたＩｎＰＳｂからなるキャップ層とを備え、バッファ層における組成比Ｙ１は、光吸収層における組成比Ｙ２よりも小さく、且つ、バッファ層の組成比Ｙ１は、半導体基板から前記光吸収層に近づくに従って段階的に増加しており、キャップ層の表面から光吸収層内に第２導電型の不純物が添加されてなることを特徴とする。
【００１１】
第２の発明に係る赤外線検出素子においても、第２導電型の不純物が添加されることで第２導電型の半導体領域が形成されており、第２導電型の半導体領域と光吸収層との界面が側面に露出せず、信頼性に優れたプレーナー構造が形成されている。また、光吸収層との界面状態を良好に保持しつつ、光吸収層に入射光を透過させるため、キャップ層にはＩｎＰＳｂを用いており、信頼性に優れる構造となっている。
【００１２】
また、赤外線に感度を有する上記材料の組成比が上記の如く設定されていることにより、特に光吸収層の吸収端近辺の波長の光に関しては、バッファ層及び半導体基板によって検出されるキャリアがなくなり、赤外線検出素子から読み出されるキャリアの空間的な広がりが小さくなり、この素子は高速応答性に優れることとなる。また、光吸収層の吸収端より離れた短い波長の光に関しては、バッファ層及び半導体基板によってもキャリアが検出されるため、この赤外線検出素子は光電変換効率に優れることとなる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の赤外線検出素子は、信頼性に優れることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態に係る赤外線検出素子の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施の形態に係る赤外線検出素子について説明する。
【００１６】
図１は、赤外線検出素子の縦断面図である。
【００１７】
この赤外線検出素子は、赤外線ガス分析装置やＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換型赤外分光）装置などに用いることができる。検出できる波長は例えば３．５〜１０μｍ程度である。
【００１８】
この赤外線検出素子は、Ｎ型の半導体基板１と、半導体基板１上に形成されたバッファ層２，３，４と、バッファ層２，３，４上に形成された光吸収層５と、光吸収層５上に形成されたキャップ層６とを備えている。キャップ層６の表面からは、キャップ層６内及び光吸収層５内にＰ型不純物（Ｚｎ）が拡散して添加されており、Ｐ型半導体領域７を構成している。Ｐ型不純物は、光吸収層５内にも若干拡散しているため、Ｐ型とＩ型の接合界面が光吸収層５内に位置し、側面に露出していないため、この界面が安定し、信頼性が向上している。
【００１９】
Ｐ型半導体領域７は不純物の添加によって形成されており、エピタキシャル成長とメサエッチングの組み合わせで形成されているわけではないため、Ｐ型半導体領域７と光吸収層５との界面が側面に露出せず、信頼性に優れたプレーナー構造が形成されている。キャップ層６上には絶縁層８が形成されており、絶縁層８上には第１電極Ｅ１が形成され、第１電極Ｅ１は絶縁層８に設けられたコンタクトホールを介して半導体領域７に接触し、これに電気的に接続されている。半導体基板１の裏面側には、第２電極Ｅ２が形成されている。この赤外線検出素子においては、光吸収層５には不純物が添加されておらず、これをＩ型とするＰＩＮフォトダイオードが構成されている。バッファ層２，３，４には不純物としてシリコン（Ｓｉ）が添加されており、その導電型はＮ型である。各化合物半導体層の組成を制御することで、検出感度を有する波長帯を変更することができる。
【００２０】
以下、詳説する。
【００２１】
（１）第１形態：５μｍ帯の赤外線検出用の素子
第１形態における各要素を構成する材料（厚み）は以下の通りである。
・第１電極Ｅ１：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ
・絶縁層８：ＳｉＮ（０．１μｍ）
・キャップ層６：ＩｎＰＺ１Ｓｂ１−Ｚ１（厚みＴ６＝１．０μｍ）
・光吸収層５：ＩｎＡｓＸ２Ｓｂ１−Ｘ２（厚みＴ５＝８．０μｍ）
・バッファ層４：ＩｎＡｓＸ１３Ｓｂ１−Ｘ１３（厚みＴ４＝１．０μｍ）
・バッファ層３：ＩｎＡｓＸ１２Ｓｂ１−Ｘ１２（厚みＴ３＝１．５μｍ）
・バッファ層２：ＩｎＡｓＸ１１Ｓｂ１−Ｘ１１（厚みＴ２＝０．５μｍ）
・半導体基板１：ＩｎＡｓ（厚みＴ１＝２５０μｍ）
・第２電極Ｅ２：ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ
【００２２】
また、組成比の具体的な一例は、以下の通りである。
・Ｚ１＝０．４８
・Ｘ２＝０．７５
・Ｘ１３＝０．８
・Ｘ１２＝０．８５〜０．９５
・Ｘ１１＝１
【００２３】
なお、バッファ層３は、各層の厚みが０．５μｍの化合物半導体層からなる３層構造を有しており、各化合物半導体層の半導体基板１側からの組成比が、それぞれ、Ｘ１２＝０．９５、Ｘ１２＝０．９、Ｘ１２＝０．８５となっており、すなわち、徐々に減少している。バッファ層２，３，４におけるＡｓの組成比Ｘ１１、Ｘ１２、Ｘ１３を総括してＸ１として表記すると、バッファ層２，３，４におけるＡｓの組成比Ｘ１（＝１〜０．８）は、光吸収層５におけるＡｓの組成比Ｘ２（＝０．７５）よりも大きく、且つ、バッファ層２，３，４の組成比Ｘ１は、半導体基板１から光吸収層５に近づくに従って段階的に減少している。なお、光吸収層５は超格子構造ではなく、その組成比Ｘ２は一定である。
【００２４】
化合物半導体では組成比を変えることにより、エネルギーバンドギャップＥｇを小さくでき、検出感度の波長λが長くすることができる。格子定数ａは、原子半径ｒが大きい元素の比率が増加すると、増加する。第１形態では、光吸収層５におけるＳｂの組成比は２５％であって５μｍ帯の赤外線を検出できるが、このＳｂの組成比を第２形態のように６５％まで増加させると、１０μｍ帯の赤外線を検出することができるようになる。
【００２５】
第１形態における各層のエネルギーバンドギャップＥｇ１〜Ｅｇ６を以下のように定義する。
・Ｅｇ６：キャップ層６：ＩｎＰ０．４８Ｓｂ０．５２
・Ｅｇ５：光吸収層５：ＩｎＡｓ０．７５Ｓｂ０．２５
・Ｅｇ４：バッファ層４：ＩｎＡｓ０．８Ｓｂ０．２
・Ｅｇ３Ｕ：バッファ層３（上層）：ＩｎＡｓ０．８５Ｓｂ０．１５
・Ｅｇ３Ｍ：バッファ層３（中層）：ＩｎＡｓ０．９０Ｓｂ０．１０
・Ｅｇ３Ｌ：バッファ層３（下層）：ＩｎＡｓ０．９５Ｓｂ０．０５
・Ｅｇ２：バッファ層２：ＩｎＡｓ
・Ｅｇ１：半導体基板１：ＩｎＡｓ
【００２６】
この場合、各層のエネルギーバンドギャップＥｇ１〜Ｅｇ６の関係は以下の通りとなる。
・Ｅｇ５＜Ｅｇ４＜Ｅｇ３Ｕ＜Ｅｇ３Ｍ＜Ｅｇ３Ｌ＜Ｅｇ２＜Ｅｇ１
・Ｅｇ５＜Ｅｇ６
【００２７】
半導体に入射した光（エネルギー）によって、その価電子帯から伝導帯に電子が遷移するには、エネルギーバンドギャップ以上のエネルギーを吸収する必要がある。Ｅｇ∝１／λであるため、Ｅｇが大きい場合には、これに対応する波長よりも短波長の成分が吸収され、残りの長波長の成分は透過する。
【００２８】
上記の如く、半導体基板１がＩｎＡｓである場合、半導体基板１から光吸収層５側に向かうにしたがってエネルギーバンドギャップが小さくなる。逆に言えば、光吸収層５から半導体基板１に向かうに従って、エネルギーバンドギャップは大きくなる。キャップ層６は光吸収層よりもエネルギーバンドギャップは大きく、光吸収層５で吸収されるべき赤外線に対しては透明である。
【００２９】
キャップ層６側から入射した光のうち、光吸収層５に対応する波長以下の短波長成分は、光吸収層５において吸収され、これよりも長波長の成分は光吸収層５に吸収されるエネルギーを与えることができず、光吸収層５を透過する。透過した長波長成分は、バッファ層２，３，４及び半導体基板１に順次入射するが、これらの半導体層は光吸収層５よりもエネルギーバンドギャップが大きい（吸収する波長が短い）ので、入射した長波長成分は、バッファ層２，３，４及び半導体基板１に吸収されず、これらを透過する。
【００３０】
したがって、バッファ層２，３，４及び半導体基板１は、光吸収層５に対して物理的に異なる位置に設けられているが、上記理由により、特に光吸収層の吸収端近辺の波長の光に関しては、これらのバッファ層２，３，４及び半導体基板１によって検出されなくなるため、赤外線検出素子から読み出されるキャリアの空間的な広がりが小さくなり、この素子は高速応答性に優れることとなる。また、光吸収層の吸収端より離れた短い波長の光に関しては、バッファ層及び半導体基板によってもキャリアが検出されるため、この赤外線検出素子は光電変換効率に優れることとなる。光電変換効率に優れる場合には、この赤外線検出素子は微弱光の計測に用いることができる。
【００３１】
また、上述の構造を有する赤外線検出素子は、光吸収層５の上に直接絶縁膜を積層すると、光吸収層５と絶縁膜の界面にて光によって発生したキャリアをトラップするような欠陥が生じてしまうので、光吸収層５よりもエネルギーバンドギャップの大きい材料を用いて光吸収層５と格子整合させたキャップ層６を光吸収層５上に生成して、所望の波長の光に対して透明で、かつ、光吸収層５との界面でトラップ等を生じないようにしている。具体的には、光吸収層５との界面状態を良好に保持しつつ、光吸収層５に入射光を透過させるため、キャップ層６にはＩｎＰＳｂを用いており、信頼性に優れる構造となっている。
【００３２】
なお、バッファ層２，３の合計の厚み（Ｔ２＋Ｔ３）は２μｍであるが、これは光吸収層５の厚みＴ５よりも小さい。良好な結晶性を有する光吸収層５を形成するためには、バッファ層２と、バッファ層３の組成比の異なる三層のそれぞれの層の厚み（Ｔ２、Ｔ３の内の各層の厚み）は、それぞれ０．５μｍ以上であることが好ましい。
【００３３】
（２）第２形態：１０μｍ帯の赤外線検出用の素子
第２形態における各要素を構成する材料（厚み）は以下の通りである。
・第１電極Ｅ１：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ
・絶縁層８：ＳｉＮ（０．１μｍ）
・キャップ層６：ＩｎＰＺ２Ｓｂ１−Ｚ２（厚みＴ６＝１．０μｍ）
・光吸収層５：ＩｎＡｓＹ２Ｓｂ１−Ｙ２（厚みＴ５＝８．０μｍ）
・バッファ層４：ＩｎＡｓＹ１３Ｓｂ１−Ｙ１３（厚みＴ４＝１．０μｍ）
・バッファ層３：ＩｎＡｓＹ１２Ｓｂ１−Ｙ１２（厚みＴ３＝２．５μｍ）
・バッファ層２：ＩｎＡｓＹ１１Ｓｂ１−Ｙ１１（厚みＴ２＝０．５μｍ）
・半導体基板１：ＩｎＳｂ（厚みＴ１＝２５０μｍ）
・第２電極Ｅ２：ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ
【００３４】
また、組成比の具体的な一例は、以下の通りである。
・Ｚ２＝０．２４
・Ｙ２＝０．３５
・Ｙ１３＝０．３
・Ｙ１２＝０．０５〜０．２５
・Ｙ１１＝０
【００３５】
なお、第１形態では、バッファ層３は、各層の厚みが０．５μｍの化合物半導体層からなる３層構造を有しており、各化合物半導体層の半導体基板１側からの組成比が、それぞれ、Ｙ１２＝０．０５、Ｙ１２＝０．１０、Ｙ１２＝０．１５、Ｙ１２＝０．２０、Ｙ１２＝０．２５となっており、すなわち、徐々に増加している。バッファ層２，３，４におけるＡｓの組成比Ｙ１１、Ｙ１２、Ｙ１３を総括してＹ１として表記すると、バッファ層２，３，４におけるＡｓの組成比Ｙ１（＝０〜０．３）は、光吸収層５におけるＡｓの組成比Ｙ２（＝０．３５）よりも小さく、且つ、バッファ層２，３，４の組成比Ｙ１は、半導体基板１から光吸収層５に近づくに従って段階的に増加している。なお、光吸収層５は超格子構造ではなく、その組成比Ｙ２は一定である。
【００３６】
第２形態における各層のエネルギーバンドギャップＥｇ１〜Ｅｇ６を以下のように定義する。
・Ｅｇ６：キャップ層６：ＩｎＰ０．２４Ｓｂ０．７６
・Ｅｇ５：光吸収層５：ＩｎＡｓ０．３５Ｓｂ０．６５
・Ｅｇ４：バッファ層４：ＩｎＡｓ０．３Ｓｂ０．７
・Ｅｇ３Ｕ：バッファ層３（上層）：ＩｎＡｓ０．２５Ｓｂ０．７５
・Ｅｇ３ＭＵ：バッファ層３（中上層）：ＩｎＡｓ０．２０Ｓｂ０．８０
・Ｅｇ３Ｍ：バッファ層３（中層）：ＩｎＡｓ０．１５Ｓｂ０．８５
・Ｅｇ３ＭＬ：バッファ層３（中下層）：ＩｎＡｓ０．１０Ｓｂ０．９０
・Ｅｇ３Ｌ：バッファ層３（下層）：ＩｎＡｓ０．０５Ｓｂ０．９５
・Ｅｇ２：バッファ層２：ＩｎＳｂ
・Ｅｇ１：半導体基板１：ＩｎＳｂ
【００３７】
この場合、各層のエネルギーバンドギャップＥｇ１〜Ｅｇ６の関係は以下の通りとなる。
・Ｅｇ５＜Ｅｇ４＜Ｅｇ３Ｕ＜Ｅｇ３ＭＵ＜Ｅｇ３Ｍ＜Ｅｇ３ＭＬ＜Ｅｇ３Ｌ＜Ｅｇ２＜Ｅｇ１
・Ｅｇ５＜Ｅｇ６
【００３８】
上記の如く、半導体基板１がＩｎＳｂである場合、半導体基板１から光吸収層５側に向かうにしたがってエネルギーバンドギャップが小さくなる。逆に言えば、光吸収層５から半導体基板１に向かうに従って、エネルギーバンドギャップは大きくなる。キャップ層６は光吸収層よりもエネルギーバンドギャップは大きく、光吸収層５で吸収されるべき赤外線に対しては透明である。
【００３９】
キャップ層６側から入射した光のうち、光吸収層５に対応する波長以下の短波長成分は、光吸収層５において吸収され、これよりも長波長の成分は光吸収層５に吸収されず、光吸収層５を透過する。透過した長波長成分は、バッファ層及び半導体基板に順次入射するが、これらの半導体層は光吸収層５よりもエネルギーバンドギャップが大きい（吸収する波長が短い）ので、入射した長波長成分は、バッファ層２，３，４及び半導体基板１に吸収されず、これらを透過する。
【００４０】
したがって、バッファ層２，３，４及び半導体基板１は、光吸収層５に対して物理的に異なる位置に設けられているが、上記理由により、特に光吸収層の吸収端近辺の波長の光に関しては、これらのバッファ層２，３，４及び半導体基板１によって検出されなくなるため、赤外線検出素子から読み出されるキャリアの空間的な広がりが小さくなり、この素子は高速応答性に優れることとなる。また、光吸収層の吸収端より離れた短い波長の光に関しては、バッファ層及び半導体基板によってもキャリアが検出されるため、この赤外線検出素子は光電変換効率に優れることとなる。光電変換効率に優れる場合には、この赤外線検出素子は微弱光の計測に用いることができる。
【００４１】
なお、第２形態においては、バッファ層２，３の合計の厚み（Ｔ２＋Ｔ３）は３μｍであるが、これは光吸収層５の厚みＴ５よりも小さい。良好な結晶性を有する光吸収層５を形成するためには、バッファ層２とバッファ層３の組成比の異なる五層のそれぞれの層の厚み（Ｔ２、Ｔ３の内の各層の厚み）は、それぞれ０．５μｍ以上であることが好ましい。
【００４２】
なお、上述の化合物半導体層はＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置又はＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置を用いて製造することができ、電極は、蒸着法又はスパッタ法を用いて形成することができる。不純物の添加法としては、熱拡散法又はイオン注入法を用いることができ、イオン注入後には熱処理を行う。
【００４３】
なお、上記では第１導電型をＮ型とし、第２導電型をＰ型として説明したが、これらの導電型は逆であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、赤外線ガス分析装置やＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換型赤外分光）装置などに用いられる赤外線検出素子に利用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１…半導体基板、２，３，４…バッファ層、５…光吸収層、６…キャップ層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型のＩｎＡｓからなる半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたＩｎＡｓＸ１Ｓｂ１−Ｘ１を含むバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されたＩｎＡｓＸ２Ｓｂ１−Ｘ２からなる光吸収層と、
前記光吸収層上に形成されたＩｎＰＳｂからなるキャップ層と、
を備え、
前記バッファ層における組成比Ｘ１は、前記光吸収層における組成比Ｘ２よりも大きく、且つ、前記バッファ層の組成比Ｘ１は、前記半導体基板から前記光吸収層に近づくに従って段階的に減少しており、
前記キャップ層の表面から前記光吸収層内に第２導電型の不純物が添加されてなる、
ことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項２】
第１導電型のＩｎＳｂからなる半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたＩｎＡｓＹ１Ｓｂ１−Ｙ１を含むバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されたＩｎＡｓＹ２Ｓｂ１−Ｙ２からなる光吸収層と、
前記光吸収層上に形成されたＩｎＰＳｂからなるキャップ層と、
を備え、
前記バッファ層における組成比Ｙ１は、前記光吸収層における組成比Ｙ２よりも小さく、且つ、前記バッファ層の組成比Ｙ１は、前記半導体基板から前記光吸収層に近づくに従って段階的に増加しており、
前記キャップ層の表面から前記光吸収層内に第２導電型の不純物が添加されてなる、
ことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項１】
第１導電型のＩｎＡｓからなる半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたＩｎＡｓＸ１Ｓｂ１−Ｘ１を含むバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されたＩｎＡｓＸ２Ｓｂ１−Ｘ２からなる光吸収層と、
前記光吸収層上に形成されたＩｎＰＳｂからなるキャップ層と、
を備え、
前記バッファ層における組成比Ｘ１は、前記光吸収層における組成比Ｘ２よりも大きく、且つ、前記バッファ層の組成比Ｘ１は、前記半導体基板から前記光吸収層に近づくに従って段階的に減少しており、
前記キャップ層の表面から前記光吸収層内に第２導電型の不純物が添加されてなる、
ことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項２】
第１導電型のＩｎＳｂからなる半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたＩｎＡｓＹ１Ｓｂ１−Ｙ１を含むバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されたＩｎＡｓＹ２Ｓｂ１−Ｙ２からなる光吸収層と、
前記光吸収層上に形成されたＩｎＰＳｂからなるキャップ層と、
を備え、
前記バッファ層における組成比Ｙ１は、前記光吸収層における組成比Ｙ２よりも小さく、且つ、前記バッファ層の組成比Ｙ１は、前記半導体基板から前記光吸収層に近づくに従って段階的に増加しており、
前記キャップ層の表面から前記光吸収層内に第２導電型の不純物が添加されてなる、
ことを特徴とする赤外線検出素子。
【図１】
【公開番号】特開２０１０−１７７３５０（Ｐ２０１０−１７７３５０Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６８０４（Ｐ２００９−１６８０４）
【出願日】平成２１年１月２８日（２００９．１．２８）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２８日（２００９．１．２８）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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