量子型赤外線センサ
【課題】検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を容易に、かつ、自由に設計することができ、ＩｎＳｂ以外のバッファ層を用いることなく、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現すること。
【解決手段】本発明による量子型赤外線センサを作製するための化合物半導体積層体は、基板に、ｎ型コンタクト層、光吸収層、ｐ型バリア層、ｐ型コンタクト層が順次積層された積層体であって、前記光吸収層として、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓのうちいずれか一つとが周期的に積層された超格子構造体を採用することを特徴とする。
【解決手段】本発明による量子型赤外線センサを作製するための化合物半導体積層体は、基板に、ｎ型コンタクト層、光吸収層、ｐ型バリア層、ｐ型コンタクト層が順次積層された積層体であって、前記光吸収層として、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓのうちいずれか一つとが周期的に積層された超格子構造体を採用することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検知の技術分野に関し、特に長波長帯の放射エネルギーを検知するような量子型赤外線センサ、例えば人感センサや量子型赤外線ガス濃度計の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、赤外線センサは、熱型赤外線センサと量子型赤外線センサに分けられる。熱型赤外線センサは、赤外線のエネルギーを熱として利用したセンサであり、赤外線の熱エネルギーによりセンサ自体の温度が上昇し、その温度上昇による効果（抵抗変化、容量変化、起電力、自発分極）を電気信号に変換する素子である。この熱型赤外線センサには、焦電型（ＰＺＴ、ＬｉＴａＯ3）、熱起電力型（サーモパイル、熱電対）、導電型（ボロメータ、サーミスタ）などがあり、感度に波長依存性がなく、冷却は不要である。しかし、応答速度が遅く、検出能力もあまり高くない。一方、量子型赤外線センサは、半導体に赤外線が照射されると、その光量子によって発生する電子や正孔を利用するセンサであり、光導電型（ＨｇＣｄＴｅなど）や光起電力型（ＩｎＡｓなど）がある。この量子型赤外線センサは、感度の波長依存性があり、高感度で、応答速度が速いという特長があるが、冷却する必要があり、ペルチェ素子やスターリングクーラーなどの冷却機構とともに用いるのが一般的であった。
【０００３】
量子型赤外線センサは、上述したように、光導電効果や光起電力効果等を利用し、赤外線を電気信号に変換する素子であり、一般に冷却して用いられるが、室温で動作可能な量子型赤外線センサも提案されている。例えば、特許文献１に記載の量子型赤外線センサは、基板上に設けられた化合物半導体層により赤外線を検知して電気信号を出力する化合物半導体センサ部と、この化合物半導体センサ部からの電気信号を演算する集積回路部とを備え、この化合物半導体センサ部と集積回路部とを同一パッケージ内に収納したものである。これにより、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくくするとともに、室温での検知を可能とし、モジュールの小型化を可能にしたものである。ここで、化合物半導体センサ部の光吸収層の材料は、主としてＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＮなどである。
【０００４】
これらの量子型赤外線センサの応用例としては、人を検知することによって、照明やエアコン、ＴＶなどの家電機器の自動オンオフを行う人感センサや、防犯用の監視センサなどが代表的な例である。最近、省エネルギーや、ホームオートメーション、セキュリテイシステム等への応用面で非常に注目されてきている。
【０００５】
その他の応用例としては、量子型赤外線センサを利用した量子型赤外線ガス濃度計、すなわち、非分散赤外吸収型（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）ガス濃度計（以下、ＮＤＩＲガス濃度計という）が挙げられる。特許文献２に記載のＮＤＩＲガス濃度計は、複数の量子型赤外線センサ素子と、この量子型赤外線センサ素子に対して赤外線光源側に設けられ各々異なる特定の波長領域の赤外光を選択的に透過する複数の光学フィルタと、少なくとも複数の光学フィルタを保持し量子型赤外線センサ素子に対して赤外線光源側に向けて複数の貫通孔を設けた保持部材とを備える。これにより、小型、薄型でかつ簡便な素子形状を有し、測定ガスの流量変化や温度変化などの外乱変化に対して安定して測定することができるようにしたＮＤＩＲガス濃度計を実現することができる。ここで用いられている量子型赤外線センサ素子における、化合物半導体センサ部の光吸収層の材料には、主としてＩｎＳｂが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００５／０２７２２８号
【特許文献２】国際公開第２００９／１４８１３４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、光吸収層がインジウム及びアンチモンを含む材料からなる量子型赤外線センサを用いることで、量子型赤外線センサの人感センサやＮＤＩＲガス濃度計への応用が可能となる。
【０００８】
例えば、ＩｎＳｂを光吸収層の材料として用いた量子型赤外線センサでは、室温で約 ７．３μｍ以下の波長の赤外線検知において感度を得ることができる。
【０００９】
人感センサへ応用する場合には、人体が放出する１０μｍ帯をピーク波長とした赤外線検知が必要なことから、光吸収層の材料としては、ＩｎＳｂよりもバンドギャップが小さいＩｎＡｓＳｂ混晶の方が、ＩｎＳｂよりも適している。
【００１０】
ＮＤＩＲガス濃度計の場合は、検出したいガスの種類によって、検知すべき吸収波長帯が異なっている。例えば、二酸化炭素では４．３μｍ帯、一酸化炭素では４．６μｍ帯、窒化酸化物では５．２μｍ帯、ホルムアルデヒドでは５．６μｍ帯である。すなわち、これらのガス検知のためには、ＩｎＳｂよりもバンドギャップが大きいＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶の方が、ＩｎＳｂよりも光吸収層の材料として適している。
【００１１】
以上のように、光吸収層の材料として、ＩｎＳｂだけでなく、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料を用いることで、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを自由に設計することができる。
【００１２】
しかしながら、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料を、ＧａＡｓ基板などの格子定数が全く異なる基板上に直接形成した場合、ＩｎＳｂに比べて、著しく結晶性が劣化してしまうという問題がある。すなわち、ＧａＡｓ基板上にＩｎＳｂ層を形成した場合には、とても結晶性の良いＩｎＳｂ層を得ることができる。しかし、ＩｎＳｂのうちＩｎ元素を他の３族元素であるＡｌやＧａで少しでも置換したり、あるいはＳｂ元素を他の５族元素であるＡｓなどで少しでも置換したりすると結晶性の劣化を引き起こす。特にＩｎ元素と他の３族元素、あるいは、Ｓｂ元素と他の５族元素の混晶比率が１に近づく中間組成領域で、結晶性の劣化は顕著となる。
【００１３】
結晶性の劣化を防ぐためには、基板と混晶系材料の間に、格子定数の差を緩和する適切なバッファ層が必須である。例えば、基板上に形成した、結晶性の良いＩｎＳｂをバッファ層として用い、その上に混晶系材料を形成することが考えられる。しかし、この場合においても、ＩｎＳｂと混晶系材料の格子定数の差が大きければ、結晶性の劣化は避けることができない。従って、ＩｎＳｂ以外のバッファ層が必要となるが、ＩｎＳｂ以外の混晶系材料をバッファ層として用いると、やはりその結晶性はＩｎＳｂよりは必ず悪くなるため、好ましくない。ＩｎＳｂバッファ層上に、格子定数をＩｎＳｂの値から光吸収層に用いる混晶系材料の値まで、段階的に変化させるステップグレーデッドバッファ層や、連続的に変化させながら形成するグレーデッドバッファ層を用いる方法もあるが、量子型赤外線センサに用いる、化合物半導体積層体の形成に時間を要することから、工業的に好ましくない。
【００１４】
従って、従来技術では、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を自由に設計することができるものの、その結晶性が著しく低下してしまうために、量子型赤外線センサの出力、例えば光電流を十分に得ることができなかった。結果、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することができなかった。
【００１５】
本発明は、上記問題を鑑みて、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を容易に、かつ、自由に設計することができ、ＩｎＳｂ以外のバッファ層を用いることなく、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、基板と、基板上に形成され、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなるｎ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層上に形成された光吸収層と、光吸収層上に形成され、光吸収層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつｎ型コンタクト層及び光吸収層よりも大きなバンドギャップを有するｐ型バリア層と、ｐ型バリア層上に形成され、ｐ型バリア層と同等またはそれ以上の濃度にｐ型ドーピングされたｐ型コンタクト層とを備えた量子型赤外線センサであって、光吸収層は、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、およびＩｎＡｓのうちの何れか一つとが周期的に積層された超格子構造体からなることを特徴とする。
【００１７】
本発明の一実施形態において、ｐ型バリア層は、ＡｌＩｎＳｂ層、ＧａＩｎＳｂ層、およびＡｌＧａＩｎＳｂ層のうちの何れか一つであるか、または、ＩｎＳｂ層とＡｌＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、およびＩｎＳｂ層とＡｌＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造のうちの何れか一つを有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の一実施形態において、ｐ型コンタクト層は、ＡｌＩｎＳｂ層、ＧａＩｎＳｂ層、ＡｌＧａＩｎＳｂ層のうちの何れか一つであるか、または、ＩｎＳｂ層とＡｌＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＡｌＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造のうちのいずれか一つを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を容易に、かつ、自由に設計することができる。また、ＩｎＳｂ以外のバッファ層を用いることなく、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による量子型赤外線センサを作製するための化合物半導体積層体の断面図である。
【図２】本発明による化合物半導体積層体を用いて作製した量子型赤外線センサの断面図である。
【図３】本発明により作製した３種類の化合物半導体積層体におけるＸ線回折パターンを表すグラフである。
【図４】本発明により作製した３種類の化合物半導体積層体における透過率の波長依存性を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明による量子型赤外線センサを作製するための化合物半導体積層体の断面図である。基板１の上に、ｎ型コンタクト層２、光吸収層３、ｐ型バリア層４、ｐ型コンタクト層５が順次積層されている。この化合物半導体積層体は、各種の成膜方法を用いて形成される。例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などは好ましい方法である。これらの方法を用いて、化合物半導体積層体を形成する。
【００２２】
［光吸収層］
まず、本発明において最も重要な光吸収層３について述べる。本発明では、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓのうちいずれか一つと、が周期的に積層された超格子構造体を光吸収層３として用いる。
【００２３】
従来技術であるＩｎＳｂを光吸収層に用いると、ＧａＡｓなどの格子定数が全く異なる基板上に光吸収層を形成した場合でも、良質な結晶性を得ることができる。しかしながら、感度が得られる赤外線の波長帯は、ＩｎＳｂ材料固有のパラメータであるバンドギャップで決まっているため、検知すべき吸収波長帯を自由に設計することが出来ない。
【００２４】
感度が得られる赤外線の波長帯を所望のものにするための技術としては、混晶系材料を光吸収層に用いる方法が考えられる。しかしながら、混晶系材料は、ＧａＡｓなどの格子定数が全く異なる基板上に光吸収層として形成された場合、結晶性が著しく低下してしまう。結果、赤外線検出に必要な出力が十分得られなくなるという問題が生じる。
【００２５】
結晶性の良いＩｎＳｂをバッファ層として用い、その上に混晶系材料を形成した場合においても、ＩｎＳｂと混晶系材料の格子定数の差が大きければ、結晶性の劣化は避けることができない。また、結晶性劣化を回避するための技術として、格子定数をＩｎＳｂの値から光吸収層に用いる混晶系材料の値まで段階的に変化させるステップグレーデッドバッファ層や、連続的に変化させながら形成するグレーデッドバッファ層を用いる方法があるが、これらの方法は形成に多大な時間を要し、製造容易性の観点から好ましくない。
【００２６】
以上を踏まえ、本発明では、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓのうちいずれか一つと、が周期的に積層された超格子構造体を、光吸収層３として用いることとした。ここで、超格子構造体において、ＩｎＳｂと、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓとの各層の膜厚の比率を変えることで、超格子構造体のバンドギャップを自由に設計することができる。すなわち、混晶系材料を用いたときと同様に、感度が得られる赤外線の波長帯を自由に設計することができる。
【００２７】
ＩｎＳｂと、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓとの間には、約７％の格子定数の差があるものの、超格子構造体においては、各層の膜厚は臨界膜厚以内の数ｎｍ〜数十ｎｍオーダーと極めて薄いため、結晶性の劣化には至らない。更に、基板上に形成した、結晶性の良いＩｎＳｂをバッファ層として用い、その上に超格子構造体を形成した場合においては、超格子構造体中のＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓ各層の膜厚は臨界膜厚以内であるため、超格子構造体の格子定数はＩｎＳｂとほぼ同一と考えて良い。すなわち、結晶性の良いＩｎＳｂバッファ層上に、ＩｎＳｂと格子定数の差がほとんどない超格子構造体を形成できるため、結晶性の良い超格子構造体からなる光吸収層を得ることができ、好ましい。
【００２８】
上述のように、超格子構造体を光吸収層３として用いると、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を自由に設計することができ、かつ、ＩｎＳｂ以外のバッファ層を用いることなく、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することができる。
【００２９】
光吸収層３の膜厚は、赤外線の吸収を増やすために、なるべく厚い方が好ましい。ただし、膜厚が厚すぎると光吸収層３の形成に時間を要し、また素子分離を行うためのメサエッチング等が困難になる。このため、光吸収層３の膜厚は、０．５μｍ以上３μｍ以下が好ましい。
【００３０】
光吸収層３に用いられる超格子構造体のうち、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓのうちのいずれか一つによる各層の膜厚は、薄すぎると膜厚の制御が困難であり、厚すぎるとＩｎＳｂ層に対する臨界膜厚を超えてしまうため、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。一方、ＩｎＳｂ層の膜厚は、検知すべき吸収波長帯に応じて、適宜設計される。
【００３１】
光吸収層３に用いられる超格子構造体の各層は、ドーピングせずに真性半導体のままでも良いし、ｐ型にドーピングしても良い。超格子構造体の各層をｐ型にドーピングした場合、ｐ型ドーピング濃度は、ｎ型コンタクト層２及びｐ型バリア層４それぞれの伝導帯と、十分な伝導帯バンドオフセットを取れるように調整され、ｐ型ドーピング濃度は１×１０16／ｃｍ3以上１×１０18／ｃｍ3以下が好ましい。
【００３２】
ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられる。特にＺｎは、ＩｎＳｂにおいてより活性化率が高く、かつ毒性も低いために、好ましく用いられる。
【００３３】
［基板］
基板１は、一般に単結晶を成長できるものであれば特に制限されず、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板などの単結晶基板が好ましく用いられる。また、それらの単結晶基板がドナー不純物やアクセプタ不純物によって、ｎ型やｐ型にドーピングされていても良い。
【００３４】
基板上に形成された複数個の量子型赤外線センサを、電極で直列接続して用いる場合、各センサは電極以外の部分では絶縁分離されている必要がある。従って、基板１は単結晶を形成できるものであって、かつ、半絶縁性か、または化合物半導体積層体部分と基板部分とが絶縁分離可能であるような基板を用いる必要がある。
【００３５】
さらに、基板１として、赤外線を透過するような材料を用いることにより、赤外線を基板裏面から入射させることが可能となる。この場合、電極により赤外光が遮られることがないため、素子の受光面積をより広く取ることができ好ましい。このような基板の材料としては、半絶縁性のＳｉやＧａＡｓ等が好ましく用いられる。
【００３６】
通常行われるように、基板表面を平坦化させ、清浄化させる目的で、基板と同じ材質の半導体を形成したものを本発明の基板１として使用しても良い。ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ層を形成し基板１として使用することは、この最も代表的な例である。
【００３７】
さらに、絶縁性の基板に化合物半導体積層体を形成した後、化合物半導体積層体を他の基板に接着剤でつけて、絶縁性基板を剥がすことも行われる。
【００３８】
［ｎ型コンタクト層］
ｎ型コンタクト層２は、光吸収層３が赤外線を吸収することにより発生した光電流を取り出すための、電極とのコンタクト層であり、本発明ではｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなる層をｎ型コンタクト層として用いる。
【００３９】
一般に、ｎ型コンタクト層に用いられる材料としては、ＩｎＳｂや、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料が挙げられる。ｎ型コンタクト層のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となるため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。従って、ｎ型コンタクト層には、電子移動度の大きな材料を用いることが好ましい。ＩｎＳｂは、ＧａＡｓなどの格子定数の全く異なる基板上にｎ型コンタクト層として形成された場合であっても、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料に比べ結晶性が良く、非常に大きな電子移動度が得られるため、好ましい。
【００４０】
また、ｎ型コンタクト層は、基板と光吸収層との中間に形成されているため、結晶性の良い光吸収層を形成するための、バッファ層としての役割も果たす。バッファ層の材料としては、基板上に形成した場合、結晶性が良く、且つ、光吸収層との格子定数が近いものが適している。ＩｎＳｂは、ＧａＡｓなどの格子定数の全く異なる基板上にｎ型コンタクト層として形成された場合であっても、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料に比べ、結晶性が良い。さらに、光吸収層３には格子定数がＩｎＳｂとほぼ同一の超格子構造体を用いているため、ＩｎＳｂを用いることで、格子定数の差をほとんどなくすことができる。
【００４１】
これらの観点から、本発明ではｎ型ドーピングされたＩｎＳｂをｎ型コンタクト層として用いている。
【００４２】
ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなるｎ型コンタクト層２において、ｎ型コンタクト層２の格子定数や結晶性に影響を与えない範囲であれば、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料からなる層を１層あるいは複数層挿入しても良い。これらの層は、例えば、ＩｎＳｂとは格子定数の異なる層を挿入することで、縦方向に伝播する転位に対してひずみを加え、転位の伝播を横方向に逃がすことで、貫通転位を低減する目的などで挿入される。
【００４３】
ｎ型コンタクト層２の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。ただし、膜厚が厚すぎるとｎ型コンタクト層２の形成に時間を要し、かつ素子分離を行うためのメサエッチング等が困難になる。このため、ｎ型コンタクト層２の膜厚は、０．５μｍ以上２μｍ以下が好ましい。
【００４４】
ｎ型のドーピング濃度は、光吸収層３とのポテンシャル差を大きくし、且つ、シート抵抗を下げるために、なるべく大きい方が好ましく、１×１０18／ｃｍ3以上であることが好ましい。
【００４５】
ｎ型のドーパントとしては、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅなどを用いることができる。特にＳｎは、ＩｎＳｂにおいて、より活性化率が高く、シート抵抗をより下げることが可能であることから、より好ましく用いられる。
【００４６】
［ｐ型バリア層］
ｐ型バリア層４は、光吸収層３の赤外線吸収により発生した電子が、ｐ型バリア層４側へ拡散するのを防ぐためのバリア層である。
【００４７】
電子の拡散を防ぐためには、光吸収層３よりもバンドギャップが大きな材料を用いる必要がある。このような材料としては、例えば、ＡｌＩｎＳｂ混晶、ＧａＩｎＳｂ混晶、ＡｌＧａＩｎＳｂ混晶などの混晶系材料が挙げられる。電子の拡散を抑制する観点から見れば、バンドギャップは大きいほど良い。しかし、バンドキャップが大きすぎると、その混晶系材料の格子定数はＩｎＳｂに比べ、非常に小さくなってしまう。そのため、ｐ型バリア層と光吸収層３との間の格子定数の差が大きくなり、結晶欠陥が発生しやすくなる。その結果、結晶性の劣化を招く。従って、バンドギャップの大きさは、電子の拡散抑制の効果と、結晶性の劣化の効果との両方を考慮することにより決定される。
【００４８】
ｐ型バリア層４の膜厚は、センサの抵抗を下げるために、なるべく薄い方が良いが、電極と光吸収層３との間にトンネルリークが発生しないだけの膜厚が必要である。このため、膜厚は０．０１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．０２μｍ以上である。なお、膜厚の上限については、光吸収層３とｐ型バリア層４との格子定数の差によって決まる臨界膜厚によって制限される。
【００４９】
ｐ型バリア層４の材料として、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうちいずれか一つと、が周期的に積層された超格子構造体を用いることもできる。超格子構造体中のＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうちのいずれか一つによる各層の膜厚はＩｎＳｂに対して臨界膜厚以内に設計するため、超格子構造体の格子定数はＩｎＳｂとほぼ同一と考えて良い。光吸収層３にも格子定数がＩｎＳｂとほぼ同一の超格子構造体を用いているため、光吸収層３との格子定数の差はほとんどない。よって、結晶性の劣化の恐れもなく、ｐ型バリア層４の膜厚の上限に関しても、臨界膜厚による制限がなくなる。すなわち、ｐ型バリア層４の材料のバンドギャップや膜厚などの設計の自由度が広がり、好ましい。
【００５０】
ｐ型バリア層４に関しては、光吸収層３の赤外線吸収により発生した電子が、ｐ型バリア層４側へ拡散するのを防ぐことのほか、光吸収層３の赤外線吸収により発生した正孔が、ｐ型バリア層４側へしっかり流れ込むことも重要である。そのために、ｐ型バリア層４には十分なｐ型ドーピングをする必要があり、ドーピング濃度は１×１０18／ｃｍ3以上が好ましい。
【００５１】
ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられる。特にＺｎは、ＩｎＳｂにおいて、より活性化率が高く、かつ毒性も低いために、好ましく用いられる。
【００５２】
［ｐ型コンタクト層］
ｐ型コンタクト層５は、光吸収層３が赤外線を吸収することにより発生した光電流を取り出すための、電極とのコンタクト層である。ｐ型バリア層４は、バンドギャップが大きい材料で形成されているので、一般にｐ型バリア層４におけるキャリア移動度は小さくなってしまう。このため、ｐ型バリア層４上に電極を形成した場合、電極とのコンタクト抵抗が増加し、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となる。ここで、ｐ型バリア層４上に、ｐ型バリア層４よりも電気抵抗が小さいｐ型コンタクト層５を形成し、その上に電極を形成する構造とすることで、コンタクト抵抗を抑えることができる。また、コンタクト層の電気抵抗を小さくするために、十分なｐ型ドーピングを行うことが好ましい。
【００５３】
ｐ型コンタクト層５に用いられる材料としては、ＩｎＳｂや、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料が挙げられる。ｐ型コンタクト層５のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となるため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。従って、ｐ型コンタクト層５の材料は、キャリア移動度の大きな材料であることが好ましい。さらに、結晶性の良いｐ型コンタクト層５を得るためには、格子定数がＩｎＳｂとほぼ同一の超格子構造体を用いている光吸収層３の格子定数と、ｐ型コンタクト層５の格子定数とが近いことも重要である。ＩｎＳｂは、キャリア移動度が非常に大きく、且つ、光吸収層３と格子定数がほぼ同じであることから、ｐ型コンタクト層５の材料として好ましい。
【００５４】
ｐ型コンタクト層５の材料として、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうちいずれか一つと、が周期的に積層された超格子構造体を用いることもできる。超格子構造体中のＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうちのいずれか一つによる各層の膜厚はＩｎＳｂに対して臨界膜厚以内に設計するため、超格子構造体の格子定数はＩｎＳｂとほぼ同一と考えて良い。光吸収層３にも格子定数がＩｎＳｂとほぼ同一の超格子構造体を用いているため、光吸収層３との格子定数の差はほとんどない。よって、結晶性の劣化の恐れもなく、ｐ型コンタクト層５の膜厚の上限に関しても、臨界膜厚による制限がなくなる。すなわち、ｐ型コンタクト層５の材料のバンドギャップや膜厚などの設計の自由度が広がり、好ましい。
【００５５】
ｐ型コンタクト層５の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。ただし、膜厚が厚すぎるとｐ型コンタクト層５の形成に時間を要し、また素子分離を行うためのメサエッチング等が困難になる。このため、ｐ型コンタクト層５の膜厚は、０．１μｍ以上２μｍ以下が好ましい。
【００５６】
ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられる。特にＺｎは、ＩｎＳｂにおいて、より活性化率が高く、かつ毒性も低いために、好ましく用いられる。
【００５７】
［量子型赤外線センサの製造方法］
上述の化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製する。図２は、本発明による化合物半導体積層体を用いて作製した量子型赤外線センサの断面図である。図２に示すように、基板１と、ｎ型コンタクト層２と、光吸収層３と、ｐ型バリア層４と、ｐ型コンタクト層５とが順次積層された化合物半導体積層体をパッシベーション膜６が覆っている。パッシベーション膜６の一部には窓が開けられて、電極７が形成されている。
【００５８】
以下に、量子型赤外線センサの作製方法の一例について述べるが、本発明は、特にこの方法に限定されるものではない。
【００５９】
まず、酸またはイオンミリング法などを用いて、ｎ型コンタクト層２とコンタクトを取るための段差形成を行う。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行う。次いで、ＳｉＮやＳｉＯ2などのパッシベーション膜６で、基板１及び素子分離された化合物半導体積層体の表面を覆う。次いで、パッシベーション膜６のうち電極７を形成する部分のみを窓開けし、Ａｕ／ＴｉやＡｕ／Ｃｒ等の電極７をリフトオフ法などで形成する。このようにして、量子型赤外線センサを作製する。また、基板１上に作製した複数の量子型赤外線センサを、電気的に直列接続する構造とすることは好ましい。このような構造とすることで、単一の量子型赤外線センサの出力を足し合わせることが可能となり、出力を飛躍的に向上させることができる。
【００６０】
量子型赤外線センサは、センサから出力される電気信号を処理する集積回路部と、同一パッケージ内にハイブリッドに形成しても良い。センサと集積回路部との電気的な接続方法は、何でも良く、特に限定されない。パッケージに関しても、赤外線の透過率が高い材料であれば何でも良く、中空パッケージなどを用いても良い。また、特定の光の影響を完全に避けるため、フィルタを取り付けることもある。さらに、検知する距離や方向性を定め、集光性をより高めるためにフレネルレンズを設けることも行われる。
【実施例】
【００６１】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
【００６２】
（実施例１）
まず、様々な光吸収層を用いた場合の、赤外線吸収波長帯への影響について調べた。具体的には、ＭＢＥ法によりＧａＡｓ基板上にｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を形成し、その上に以下の３種類のいずれかによる光吸収層を形成し、その赤外線吸収波長帯を比較した。
（ａ）ノンドープのＩｎＳｂ層１μｍ
（ｂ）ノンドープのＩｎ0.75Ｇａ0.25Ｓｂ混晶層１μｍ
（ｃ）ノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍ
図３に、作製した３種類の化合物半導体積層体におけるＸ線回折パターンを示す。図３に示す各図において、横軸は入射角を表し、縦軸は回折強度を表す。図３（ａ）はノンドープのＩｎＳｂ層１μｍを用いたときの回折パターンを示し、図３（ｂ）はノンドープのＩｎ0.75Ｇａ0.25Ｓｂ混晶層１μｍを用いたときの回折パターンを示し、図３（ｃ）はノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍを用いたときの回折パターンを示す。また、図３（ｄ）には、これら３種類のパターンをまとめて表示した。
【００６３】
図３（ａ）を参照すると、ＧａＡｓ基板とＩｎＳｂに対応する回折ピークが観測されていることがわかる。図３（ｂ）を参照すると、ＧａＡｓ基板とＩｎＳｂに対応する回折ピークに加えて、Ｉｎ0.75Ｇａ0.25Ｓｂ混晶層に対応する回折ピークが観測されていることがわかる。図３（ｃ）を参照すると、ＧａＡｓ基板とＩｎＳｂに対応するピークに加えて、Ｉｎ0.75Ｇａ0.25Ｓｂ混晶層に対応するピークと、更にそれに対して等間隔ないくつかのサテライトピークが観測されていることがわかる。すなわち、ＩｎＳｂとＧａＳｂとからなる超格子構造に対応するピークが観測されている。この結果から、上記（ｃ）の積層体において、超格子構造体を設計通り作製できていることがわかった。
【００６４】
図４は、作製した３種類の化合物半導体積層体における透過率の波長依存性を示すグラフである。図４において、横軸は波長を表し、縦軸は透過率を表す。また、図４において、実線は（ａ）ノンドープのＩｎＳｂ層１μｍを用いたときの透過率の波長依存性を、破線は（ｂ）ノンドープのＩｎ0.75Ｇａ0.25Ｓｂ混晶層１μｍを用いたときの透過率の波長依存性を、一点鎖線は（ｃ）ノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍを用いたときの透過率の波長依存性を夫々示す。透過率はフーリエ変換赤外分光光度計（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ＦＴＩＲ）を用いて求めた。
【００６５】
図４を参照すると、（ａ）ノンドープのＩｎＳｂ層１μｍを用いた場合は、ＩｎＳｂのバンドギャップに対応した波長７．３μｍ以下の領域で、透過率が低下、すなわち、光吸収が起こっている。（ｂ）ノンドープのＩｎ0.75Ｇａ0.25Ｓｂ混晶層１μｍを用いた場合は、ＩｎＧａＳｂのバンドギャップがＩｎＳｂよりも大きいため、光吸収が始まる波長は短波長側にシフトし、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっている。（ｃ）ノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍを用いた場合は、（ｂ）と同様に、光吸収が始まる波長は短波長側にシフトし、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっていることがわかる。すなわち、光吸収層としてＩｎＳｂとＧａＳｂとからなる超格子構造体を用いた場合、光吸収層としてＩｎＳｂを用いた場合よりも、光吸収が起こる波長帯が短波長側にシフトしており、ＩｎＧａＳｂ混晶系と同様の効果を得ることができた。このような効果は、光吸収層を、ノンドープのＩｎＳｂ層０．００８μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００２μｍとからなる積層体を１００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍや、ノンドープのＩｎＳｂ層０．０１６μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００４μｍとからなる積層体を５０回繰り返して形成した超格子構造体１μｍとした場合でも同様に見ることができ、やはり、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっていることがわかった。
【００６６】
さらに、光吸収層を、ＩｎＳｂとＡｌＳｂ、ＩｎＳｂとＡｌＧａＳｂ、またはＩｎＳｂとＩｎＡｓとからなる超格子構造体とした場合でも、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｓＳｂ混晶などの混晶系材料と同様に、光吸収が起こる波長帯をシフトさせる効果が見られる。この波長帯は、超格子構造における材料の選定や、各層の膜厚の比率などを制御することで、自由に設計することが可能である。
【００６７】
よって、光吸収層に超格子構造を用いることで、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を自由に設計することができる。しかも、混晶系材料に見られるような結晶性の劣化もないことから、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することができる。
【００６８】
これ以降、量子型赤外線センサを作製した実施例について述べる。
（実施例２）
第２の実施例について説明する。
【００６９】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【００７０】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【００７１】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【００７２】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【００７３】
（実施例３）
第３の実施例について説明する。
【００７４】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【００７５】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【００７６】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【００７７】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【００７８】
（実施例４）
第４の実施例について説明する。
【００７９】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００３μｍとＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＡｓ層０．００１μｍとの積層体を５００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【００８０】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長１０μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、人感センサなどに必要な、より長波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【００８１】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【００８２】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【００８３】
（実施例５）
第５の実施例について説明する。
【００８４】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【００８５】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【００８６】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【００８７】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【００８８】
（実施例６）
第６の実施例について説明する。
【００８９】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００８μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００２μｍとの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【００９０】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【００９１】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【００９２】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【００９３】
（実施例７）
第７の実施例について説明する。
【００９４】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．０１６μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００４μｍとの積層体を１００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【００９５】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【００９６】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【００９７】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【００９８】
（実施例８）
第８の実施例について説明する。
【００９９】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．０３９μｍとノンドープのＡｌＳｂ層０．００１μｍとの積層体を５０回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【０１００】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【０１０１】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【０１０２】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【０１０３】
（実施例９）
第９の実施例について説明する。
【０１０４】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．０１９μｍとノンドープのＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ層０．００１μｍとの積層体を１００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【０１０５】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【０１０６】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【０１０７】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【０１０８】
（実施例１０）
第１０の実施例について説明する。
【０１０９】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【０１１０】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【０１１１】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【０１１２】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【０１１３】
（実施例１１）
第１１の実施例について説明する。
【０１１４】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００３μｍとＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌＳｂ層０．００１μｍとの積層体を５回繰り返して形成した超格子構造体０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【０１１５】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【０１１６】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【０１１７】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【０１１８】
（実施例１２）
第１２の実施例について説明する。
【０１１９】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００１μｍとＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ層０．００１μｍとの積層体を１０回繰り返して形成した超格子構造体０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【０１２０】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【０１２１】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【０１２２】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【０１２３】
（実施例１３）
第１３の実施例について説明する。
【０１２４】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００１μｍとＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ層０．００１μｍとの積層体を１０回繰り返して形成した超格子構造体０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を１００回繰り返して形成した超格子構造体０．５μｍを成長した。
【０１２５】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【０１２６】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【０１２７】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【符号の説明】
【０１２８】
１ 基板
２ ｎ型コンタクト層
３ 光吸収層
４ ｐ型バリア層
５ ｐ型コンタクト層
６ パッシベーション膜
７ 電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検知の技術分野に関し、特に長波長帯の放射エネルギーを検知するような量子型赤外線センサ、例えば人感センサや量子型赤外線ガス濃度計の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、赤外線センサは、熱型赤外線センサと量子型赤外線センサに分けられる。熱型赤外線センサは、赤外線のエネルギーを熱として利用したセンサであり、赤外線の熱エネルギーによりセンサ自体の温度が上昇し、その温度上昇による効果（抵抗変化、容量変化、起電力、自発分極）を電気信号に変換する素子である。この熱型赤外線センサには、焦電型（ＰＺＴ、ＬｉＴａＯ3）、熱起電力型（サーモパイル、熱電対）、導電型（ボロメータ、サーミスタ）などがあり、感度に波長依存性がなく、冷却は不要である。しかし、応答速度が遅く、検出能力もあまり高くない。一方、量子型赤外線センサは、半導体に赤外線が照射されると、その光量子によって発生する電子や正孔を利用するセンサであり、光導電型（ＨｇＣｄＴｅなど）や光起電力型（ＩｎＡｓなど）がある。この量子型赤外線センサは、感度の波長依存性があり、高感度で、応答速度が速いという特長があるが、冷却する必要があり、ペルチェ素子やスターリングクーラーなどの冷却機構とともに用いるのが一般的であった。
【０００３】
量子型赤外線センサは、上述したように、光導電効果や光起電力効果等を利用し、赤外線を電気信号に変換する素子であり、一般に冷却して用いられるが、室温で動作可能な量子型赤外線センサも提案されている。例えば、特許文献１に記載の量子型赤外線センサは、基板上に設けられた化合物半導体層により赤外線を検知して電気信号を出力する化合物半導体センサ部と、この化合物半導体センサ部からの電気信号を演算する集積回路部とを備え、この化合物半導体センサ部と集積回路部とを同一パッケージ内に収納したものである。これにより、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくくするとともに、室温での検知を可能とし、モジュールの小型化を可能にしたものである。ここで、化合物半導体センサ部の光吸収層の材料は、主としてＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＮなどである。
【０００４】
これらの量子型赤外線センサの応用例としては、人を検知することによって、照明やエアコン、ＴＶなどの家電機器の自動オンオフを行う人感センサや、防犯用の監視センサなどが代表的な例である。最近、省エネルギーや、ホームオートメーション、セキュリテイシステム等への応用面で非常に注目されてきている。
【０００５】
その他の応用例としては、量子型赤外線センサを利用した量子型赤外線ガス濃度計、すなわち、非分散赤外吸収型（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）ガス濃度計（以下、ＮＤＩＲガス濃度計という）が挙げられる。特許文献２に記載のＮＤＩＲガス濃度計は、複数の量子型赤外線センサ素子と、この量子型赤外線センサ素子に対して赤外線光源側に設けられ各々異なる特定の波長領域の赤外光を選択的に透過する複数の光学フィルタと、少なくとも複数の光学フィルタを保持し量子型赤外線センサ素子に対して赤外線光源側に向けて複数の貫通孔を設けた保持部材とを備える。これにより、小型、薄型でかつ簡便な素子形状を有し、測定ガスの流量変化や温度変化などの外乱変化に対して安定して測定することができるようにしたＮＤＩＲガス濃度計を実現することができる。ここで用いられている量子型赤外線センサ素子における、化合物半導体センサ部の光吸収層の材料には、主としてＩｎＳｂが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００５／０２７２２８号
【特許文献２】国際公開第２００９／１４８１３４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、光吸収層がインジウム及びアンチモンを含む材料からなる量子型赤外線センサを用いることで、量子型赤外線センサの人感センサやＮＤＩＲガス濃度計への応用が可能となる。
【０００８】
例えば、ＩｎＳｂを光吸収層の材料として用いた量子型赤外線センサでは、室温で約 ７．３μｍ以下の波長の赤外線検知において感度を得ることができる。
【０００９】
人感センサへ応用する場合には、人体が放出する１０μｍ帯をピーク波長とした赤外線検知が必要なことから、光吸収層の材料としては、ＩｎＳｂよりもバンドギャップが小さいＩｎＡｓＳｂ混晶の方が、ＩｎＳｂよりも適している。
【００１０】
ＮＤＩＲガス濃度計の場合は、検出したいガスの種類によって、検知すべき吸収波長帯が異なっている。例えば、二酸化炭素では４．３μｍ帯、一酸化炭素では４．６μｍ帯、窒化酸化物では５．２μｍ帯、ホルムアルデヒドでは５．６μｍ帯である。すなわち、これらのガス検知のためには、ＩｎＳｂよりもバンドギャップが大きいＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶の方が、ＩｎＳｂよりも光吸収層の材料として適している。
【００１１】
以上のように、光吸収層の材料として、ＩｎＳｂだけでなく、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料を用いることで、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを自由に設計することができる。
【００１２】
しかしながら、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料を、ＧａＡｓ基板などの格子定数が全く異なる基板上に直接形成した場合、ＩｎＳｂに比べて、著しく結晶性が劣化してしまうという問題がある。すなわち、ＧａＡｓ基板上にＩｎＳｂ層を形成した場合には、とても結晶性の良いＩｎＳｂ層を得ることができる。しかし、ＩｎＳｂのうちＩｎ元素を他の３族元素であるＡｌやＧａで少しでも置換したり、あるいはＳｂ元素を他の５族元素であるＡｓなどで少しでも置換したりすると結晶性の劣化を引き起こす。特にＩｎ元素と他の３族元素、あるいは、Ｓｂ元素と他の５族元素の混晶比率が１に近づく中間組成領域で、結晶性の劣化は顕著となる。
【００１３】
結晶性の劣化を防ぐためには、基板と混晶系材料の間に、格子定数の差を緩和する適切なバッファ層が必須である。例えば、基板上に形成した、結晶性の良いＩｎＳｂをバッファ層として用い、その上に混晶系材料を形成することが考えられる。しかし、この場合においても、ＩｎＳｂと混晶系材料の格子定数の差が大きければ、結晶性の劣化は避けることができない。従って、ＩｎＳｂ以外のバッファ層が必要となるが、ＩｎＳｂ以外の混晶系材料をバッファ層として用いると、やはりその結晶性はＩｎＳｂよりは必ず悪くなるため、好ましくない。ＩｎＳｂバッファ層上に、格子定数をＩｎＳｂの値から光吸収層に用いる混晶系材料の値まで、段階的に変化させるステップグレーデッドバッファ層や、連続的に変化させながら形成するグレーデッドバッファ層を用いる方法もあるが、量子型赤外線センサに用いる、化合物半導体積層体の形成に時間を要することから、工業的に好ましくない。
【００１４】
従って、従来技術では、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を自由に設計することができるものの、その結晶性が著しく低下してしまうために、量子型赤外線センサの出力、例えば光電流を十分に得ることができなかった。結果、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することができなかった。
【００１５】
本発明は、上記問題を鑑みて、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を容易に、かつ、自由に設計することができ、ＩｎＳｂ以外のバッファ層を用いることなく、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、基板と、基板上に形成され、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなるｎ型コンタクト層と、ｎ型コンタクト層上に形成された光吸収層と、光吸収層上に形成され、光吸収層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつｎ型コンタクト層及び光吸収層よりも大きなバンドギャップを有するｐ型バリア層と、ｐ型バリア層上に形成され、ｐ型バリア層と同等またはそれ以上の濃度にｐ型ドーピングされたｐ型コンタクト層とを備えた量子型赤外線センサであって、光吸収層は、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、およびＩｎＡｓのうちの何れか一つとが周期的に積層された超格子構造体からなることを特徴とする。
【００１７】
本発明の一実施形態において、ｐ型バリア層は、ＡｌＩｎＳｂ層、ＧａＩｎＳｂ層、およびＡｌＧａＩｎＳｂ層のうちの何れか一つであるか、または、ＩｎＳｂ層とＡｌＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、およびＩｎＳｂ層とＡｌＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造のうちの何れか一つを有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の一実施形態において、ｐ型コンタクト層は、ＡｌＩｎＳｂ層、ＧａＩｎＳｂ層、ＡｌＧａＩｎＳｂ層のうちの何れか一つであるか、または、ＩｎＳｂ層とＡｌＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＡｌＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造のうちのいずれか一つを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を容易に、かつ、自由に設計することができる。また、ＩｎＳｂ以外のバッファ層を用いることなく、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による量子型赤外線センサを作製するための化合物半導体積層体の断面図である。
【図２】本発明による化合物半導体積層体を用いて作製した量子型赤外線センサの断面図である。
【図３】本発明により作製した３種類の化合物半導体積層体におけるＸ線回折パターンを表すグラフである。
【図４】本発明により作製した３種類の化合物半導体積層体における透過率の波長依存性を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明による量子型赤外線センサを作製するための化合物半導体積層体の断面図である。基板１の上に、ｎ型コンタクト層２、光吸収層３、ｐ型バリア層４、ｐ型コンタクト層５が順次積層されている。この化合物半導体積層体は、各種の成膜方法を用いて形成される。例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などは好ましい方法である。これらの方法を用いて、化合物半導体積層体を形成する。
【００２２】
［光吸収層］
まず、本発明において最も重要な光吸収層３について述べる。本発明では、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓのうちいずれか一つと、が周期的に積層された超格子構造体を光吸収層３として用いる。
【００２３】
従来技術であるＩｎＳｂを光吸収層に用いると、ＧａＡｓなどの格子定数が全く異なる基板上に光吸収層を形成した場合でも、良質な結晶性を得ることができる。しかしながら、感度が得られる赤外線の波長帯は、ＩｎＳｂ材料固有のパラメータであるバンドギャップで決まっているため、検知すべき吸収波長帯を自由に設計することが出来ない。
【００２４】
感度が得られる赤外線の波長帯を所望のものにするための技術としては、混晶系材料を光吸収層に用いる方法が考えられる。しかしながら、混晶系材料は、ＧａＡｓなどの格子定数が全く異なる基板上に光吸収層として形成された場合、結晶性が著しく低下してしまう。結果、赤外線検出に必要な出力が十分得られなくなるという問題が生じる。
【００２５】
結晶性の良いＩｎＳｂをバッファ層として用い、その上に混晶系材料を形成した場合においても、ＩｎＳｂと混晶系材料の格子定数の差が大きければ、結晶性の劣化は避けることができない。また、結晶性劣化を回避するための技術として、格子定数をＩｎＳｂの値から光吸収層に用いる混晶系材料の値まで段階的に変化させるステップグレーデッドバッファ層や、連続的に変化させながら形成するグレーデッドバッファ層を用いる方法があるが、これらの方法は形成に多大な時間を要し、製造容易性の観点から好ましくない。
【００２６】
以上を踏まえ、本発明では、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓのうちいずれか一つと、が周期的に積層された超格子構造体を、光吸収層３として用いることとした。ここで、超格子構造体において、ＩｎＳｂと、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓとの各層の膜厚の比率を変えることで、超格子構造体のバンドギャップを自由に設計することができる。すなわち、混晶系材料を用いたときと同様に、感度が得られる赤外線の波長帯を自由に設計することができる。
【００２７】
ＩｎＳｂと、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓとの間には、約７％の格子定数の差があるものの、超格子構造体においては、各層の膜厚は臨界膜厚以内の数ｎｍ〜数十ｎｍオーダーと極めて薄いため、結晶性の劣化には至らない。更に、基板上に形成した、結晶性の良いＩｎＳｂをバッファ層として用い、その上に超格子構造体を形成した場合においては、超格子構造体中のＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓ各層の膜厚は臨界膜厚以内であるため、超格子構造体の格子定数はＩｎＳｂとほぼ同一と考えて良い。すなわち、結晶性の良いＩｎＳｂバッファ層上に、ＩｎＳｂと格子定数の差がほとんどない超格子構造体を形成できるため、結晶性の良い超格子構造体からなる光吸収層を得ることができ、好ましい。
【００２８】
上述のように、超格子構造体を光吸収層３として用いると、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を自由に設計することができ、かつ、ＩｎＳｂ以外のバッファ層を用いることなく、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することができる。
【００２９】
光吸収層３の膜厚は、赤外線の吸収を増やすために、なるべく厚い方が好ましい。ただし、膜厚が厚すぎると光吸収層３の形成に時間を要し、また素子分離を行うためのメサエッチング等が困難になる。このため、光吸収層３の膜厚は、０．５μｍ以上３μｍ以下が好ましい。
【００３０】
光吸収層３に用いられる超格子構造体のうち、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓのうちのいずれか一つによる各層の膜厚は、薄すぎると膜厚の制御が困難であり、厚すぎるとＩｎＳｂ層に対する臨界膜厚を超えてしまうため、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。一方、ＩｎＳｂ層の膜厚は、検知すべき吸収波長帯に応じて、適宜設計される。
【００３１】
光吸収層３に用いられる超格子構造体の各層は、ドーピングせずに真性半導体のままでも良いし、ｐ型にドーピングしても良い。超格子構造体の各層をｐ型にドーピングした場合、ｐ型ドーピング濃度は、ｎ型コンタクト層２及びｐ型バリア層４それぞれの伝導帯と、十分な伝導帯バンドオフセットを取れるように調整され、ｐ型ドーピング濃度は１×１０16／ｃｍ3以上１×１０18／ｃｍ3以下が好ましい。
【００３２】
ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられる。特にＺｎは、ＩｎＳｂにおいてより活性化率が高く、かつ毒性も低いために、好ましく用いられる。
【００３３】
［基板］
基板１は、一般に単結晶を成長できるものであれば特に制限されず、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板などの単結晶基板が好ましく用いられる。また、それらの単結晶基板がドナー不純物やアクセプタ不純物によって、ｎ型やｐ型にドーピングされていても良い。
【００３４】
基板上に形成された複数個の量子型赤外線センサを、電極で直列接続して用いる場合、各センサは電極以外の部分では絶縁分離されている必要がある。従って、基板１は単結晶を形成できるものであって、かつ、半絶縁性か、または化合物半導体積層体部分と基板部分とが絶縁分離可能であるような基板を用いる必要がある。
【００３５】
さらに、基板１として、赤外線を透過するような材料を用いることにより、赤外線を基板裏面から入射させることが可能となる。この場合、電極により赤外光が遮られることがないため、素子の受光面積をより広く取ることができ好ましい。このような基板の材料としては、半絶縁性のＳｉやＧａＡｓ等が好ましく用いられる。
【００３６】
通常行われるように、基板表面を平坦化させ、清浄化させる目的で、基板と同じ材質の半導体を形成したものを本発明の基板１として使用しても良い。ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ層を形成し基板１として使用することは、この最も代表的な例である。
【００３７】
さらに、絶縁性の基板に化合物半導体積層体を形成した後、化合物半導体積層体を他の基板に接着剤でつけて、絶縁性基板を剥がすことも行われる。
【００３８】
［ｎ型コンタクト層］
ｎ型コンタクト層２は、光吸収層３が赤外線を吸収することにより発生した光電流を取り出すための、電極とのコンタクト層であり、本発明ではｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなる層をｎ型コンタクト層として用いる。
【００３９】
一般に、ｎ型コンタクト層に用いられる材料としては、ＩｎＳｂや、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料が挙げられる。ｎ型コンタクト層のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となるため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。従って、ｎ型コンタクト層には、電子移動度の大きな材料を用いることが好ましい。ＩｎＳｂは、ＧａＡｓなどの格子定数の全く異なる基板上にｎ型コンタクト層として形成された場合であっても、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料に比べ結晶性が良く、非常に大きな電子移動度が得られるため、好ましい。
【００４０】
また、ｎ型コンタクト層は、基板と光吸収層との中間に形成されているため、結晶性の良い光吸収層を形成するための、バッファ層としての役割も果たす。バッファ層の材料としては、基板上に形成した場合、結晶性が良く、且つ、光吸収層との格子定数が近いものが適している。ＩｎＳｂは、ＧａＡｓなどの格子定数の全く異なる基板上にｎ型コンタクト層として形成された場合であっても、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料に比べ、結晶性が良い。さらに、光吸収層３には格子定数がＩｎＳｂとほぼ同一の超格子構造体を用いているため、ＩｎＳｂを用いることで、格子定数の差をほとんどなくすことができる。
【００４１】
これらの観点から、本発明ではｎ型ドーピングされたＩｎＳｂをｎ型コンタクト層として用いている。
【００４２】
ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなるｎ型コンタクト層２において、ｎ型コンタクト層２の格子定数や結晶性に影響を与えない範囲であれば、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料からなる層を１層あるいは複数層挿入しても良い。これらの層は、例えば、ＩｎＳｂとは格子定数の異なる層を挿入することで、縦方向に伝播する転位に対してひずみを加え、転位の伝播を横方向に逃がすことで、貫通転位を低減する目的などで挿入される。
【００４３】
ｎ型コンタクト層２の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。ただし、膜厚が厚すぎるとｎ型コンタクト層２の形成に時間を要し、かつ素子分離を行うためのメサエッチング等が困難になる。このため、ｎ型コンタクト層２の膜厚は、０．５μｍ以上２μｍ以下が好ましい。
【００４４】
ｎ型のドーピング濃度は、光吸収層３とのポテンシャル差を大きくし、且つ、シート抵抗を下げるために、なるべく大きい方が好ましく、１×１０18／ｃｍ3以上であることが好ましい。
【００４５】
ｎ型のドーパントとしては、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅなどを用いることができる。特にＳｎは、ＩｎＳｂにおいて、より活性化率が高く、シート抵抗をより下げることが可能であることから、より好ましく用いられる。
【００４６】
［ｐ型バリア層］
ｐ型バリア層４は、光吸収層３の赤外線吸収により発生した電子が、ｐ型バリア層４側へ拡散するのを防ぐためのバリア層である。
【００４７】
電子の拡散を防ぐためには、光吸収層３よりもバンドギャップが大きな材料を用いる必要がある。このような材料としては、例えば、ＡｌＩｎＳｂ混晶、ＧａＩｎＳｂ混晶、ＡｌＧａＩｎＳｂ混晶などの混晶系材料が挙げられる。電子の拡散を抑制する観点から見れば、バンドギャップは大きいほど良い。しかし、バンドキャップが大きすぎると、その混晶系材料の格子定数はＩｎＳｂに比べ、非常に小さくなってしまう。そのため、ｐ型バリア層と光吸収層３との間の格子定数の差が大きくなり、結晶欠陥が発生しやすくなる。その結果、結晶性の劣化を招く。従って、バンドギャップの大きさは、電子の拡散抑制の効果と、結晶性の劣化の効果との両方を考慮することにより決定される。
【００４８】
ｐ型バリア層４の膜厚は、センサの抵抗を下げるために、なるべく薄い方が良いが、電極と光吸収層３との間にトンネルリークが発生しないだけの膜厚が必要である。このため、膜厚は０．０１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．０２μｍ以上である。なお、膜厚の上限については、光吸収層３とｐ型バリア層４との格子定数の差によって決まる臨界膜厚によって制限される。
【００４９】
ｐ型バリア層４の材料として、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうちいずれか一つと、が周期的に積層された超格子構造体を用いることもできる。超格子構造体中のＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうちのいずれか一つによる各層の膜厚はＩｎＳｂに対して臨界膜厚以内に設計するため、超格子構造体の格子定数はＩｎＳｂとほぼ同一と考えて良い。光吸収層３にも格子定数がＩｎＳｂとほぼ同一の超格子構造体を用いているため、光吸収層３との格子定数の差はほとんどない。よって、結晶性の劣化の恐れもなく、ｐ型バリア層４の膜厚の上限に関しても、臨界膜厚による制限がなくなる。すなわち、ｐ型バリア層４の材料のバンドギャップや膜厚などの設計の自由度が広がり、好ましい。
【００５０】
ｐ型バリア層４に関しては、光吸収層３の赤外線吸収により発生した電子が、ｐ型バリア層４側へ拡散するのを防ぐことのほか、光吸収層３の赤外線吸収により発生した正孔が、ｐ型バリア層４側へしっかり流れ込むことも重要である。そのために、ｐ型バリア層４には十分なｐ型ドーピングをする必要があり、ドーピング濃度は１×１０18／ｃｍ3以上が好ましい。
【００５１】
ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられる。特にＺｎは、ＩｎＳｂにおいて、より活性化率が高く、かつ毒性も低いために、好ましく用いられる。
【００５２】
［ｐ型コンタクト層］
ｐ型コンタクト層５は、光吸収層３が赤外線を吸収することにより発生した光電流を取り出すための、電極とのコンタクト層である。ｐ型バリア層４は、バンドギャップが大きい材料で形成されているので、一般にｐ型バリア層４におけるキャリア移動度は小さくなってしまう。このため、ｐ型バリア層４上に電極を形成した場合、電極とのコンタクト抵抗が増加し、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となる。ここで、ｐ型バリア層４上に、ｐ型バリア層４よりも電気抵抗が小さいｐ型コンタクト層５を形成し、その上に電極を形成する構造とすることで、コンタクト抵抗を抑えることができる。また、コンタクト層の電気抵抗を小さくするために、十分なｐ型ドーピングを行うことが好ましい。
【００５３】
ｐ型コンタクト層５に用いられる材料としては、ＩｎＳｂや、ＩｎＡｓＳｂ混晶、ＩｎＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶などの混晶系材料が挙げられる。ｐ型コンタクト層５のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となるため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。従って、ｐ型コンタクト層５の材料は、キャリア移動度の大きな材料であることが好ましい。さらに、結晶性の良いｐ型コンタクト層５を得るためには、格子定数がＩｎＳｂとほぼ同一の超格子構造体を用いている光吸収層３の格子定数と、ｐ型コンタクト層５の格子定数とが近いことも重要である。ＩｎＳｂは、キャリア移動度が非常に大きく、且つ、光吸収層３と格子定数がほぼ同じであることから、ｐ型コンタクト層５の材料として好ましい。
【００５４】
ｐ型コンタクト層５の材料として、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうちいずれか一つと、が周期的に積層された超格子構造体を用いることもできる。超格子構造体中のＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂのうちのいずれか一つによる各層の膜厚はＩｎＳｂに対して臨界膜厚以内に設計するため、超格子構造体の格子定数はＩｎＳｂとほぼ同一と考えて良い。光吸収層３にも格子定数がＩｎＳｂとほぼ同一の超格子構造体を用いているため、光吸収層３との格子定数の差はほとんどない。よって、結晶性の劣化の恐れもなく、ｐ型コンタクト層５の膜厚の上限に関しても、臨界膜厚による制限がなくなる。すなわち、ｐ型コンタクト層５の材料のバンドギャップや膜厚などの設計の自由度が広がり、好ましい。
【００５５】
ｐ型コンタクト層５の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。ただし、膜厚が厚すぎるとｐ型コンタクト層５の形成に時間を要し、また素子分離を行うためのメサエッチング等が困難になる。このため、ｐ型コンタクト層５の膜厚は、０．１μｍ以上２μｍ以下が好ましい。
【００５６】
ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられる。特にＺｎは、ＩｎＳｂにおいて、より活性化率が高く、かつ毒性も低いために、好ましく用いられる。
【００５７】
［量子型赤外線センサの製造方法］
上述の化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製する。図２は、本発明による化合物半導体積層体を用いて作製した量子型赤外線センサの断面図である。図２に示すように、基板１と、ｎ型コンタクト層２と、光吸収層３と、ｐ型バリア層４と、ｐ型コンタクト層５とが順次積層された化合物半導体積層体をパッシベーション膜６が覆っている。パッシベーション膜６の一部には窓が開けられて、電極７が形成されている。
【００５８】
以下に、量子型赤外線センサの作製方法の一例について述べるが、本発明は、特にこの方法に限定されるものではない。
【００５９】
まず、酸またはイオンミリング法などを用いて、ｎ型コンタクト層２とコンタクトを取るための段差形成を行う。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行う。次いで、ＳｉＮやＳｉＯ2などのパッシベーション膜６で、基板１及び素子分離された化合物半導体積層体の表面を覆う。次いで、パッシベーション膜６のうち電極７を形成する部分のみを窓開けし、Ａｕ／ＴｉやＡｕ／Ｃｒ等の電極７をリフトオフ法などで形成する。このようにして、量子型赤外線センサを作製する。また、基板１上に作製した複数の量子型赤外線センサを、電気的に直列接続する構造とすることは好ましい。このような構造とすることで、単一の量子型赤外線センサの出力を足し合わせることが可能となり、出力を飛躍的に向上させることができる。
【００６０】
量子型赤外線センサは、センサから出力される電気信号を処理する集積回路部と、同一パッケージ内にハイブリッドに形成しても良い。センサと集積回路部との電気的な接続方法は、何でも良く、特に限定されない。パッケージに関しても、赤外線の透過率が高い材料であれば何でも良く、中空パッケージなどを用いても良い。また、特定の光の影響を完全に避けるため、フィルタを取り付けることもある。さらに、検知する距離や方向性を定め、集光性をより高めるためにフレネルレンズを設けることも行われる。
【実施例】
【００６１】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
【００６２】
（実施例１）
まず、様々な光吸収層を用いた場合の、赤外線吸収波長帯への影響について調べた。具体的には、ＭＢＥ法によりＧａＡｓ基板上にｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を形成し、その上に以下の３種類のいずれかによる光吸収層を形成し、その赤外線吸収波長帯を比較した。
（ａ）ノンドープのＩｎＳｂ層１μｍ
（ｂ）ノンドープのＩｎ0.75Ｇａ0.25Ｓｂ混晶層１μｍ
（ｃ）ノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍ
図３に、作製した３種類の化合物半導体積層体におけるＸ線回折パターンを示す。図３に示す各図において、横軸は入射角を表し、縦軸は回折強度を表す。図３（ａ）はノンドープのＩｎＳｂ層１μｍを用いたときの回折パターンを示し、図３（ｂ）はノンドープのＩｎ0.75Ｇａ0.25Ｓｂ混晶層１μｍを用いたときの回折パターンを示し、図３（ｃ）はノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍを用いたときの回折パターンを示す。また、図３（ｄ）には、これら３種類のパターンをまとめて表示した。
【００６３】
図３（ａ）を参照すると、ＧａＡｓ基板とＩｎＳｂに対応する回折ピークが観測されていることがわかる。図３（ｂ）を参照すると、ＧａＡｓ基板とＩｎＳｂに対応する回折ピークに加えて、Ｉｎ0.75Ｇａ0.25Ｓｂ混晶層に対応する回折ピークが観測されていることがわかる。図３（ｃ）を参照すると、ＧａＡｓ基板とＩｎＳｂに対応するピークに加えて、Ｉｎ0.75Ｇａ0.25Ｓｂ混晶層に対応するピークと、更にそれに対して等間隔ないくつかのサテライトピークが観測されていることがわかる。すなわち、ＩｎＳｂとＧａＳｂとからなる超格子構造に対応するピークが観測されている。この結果から、上記（ｃ）の積層体において、超格子構造体を設計通り作製できていることがわかった。
【００６４】
図４は、作製した３種類の化合物半導体積層体における透過率の波長依存性を示すグラフである。図４において、横軸は波長を表し、縦軸は透過率を表す。また、図４において、実線は（ａ）ノンドープのＩｎＳｂ層１μｍを用いたときの透過率の波長依存性を、破線は（ｂ）ノンドープのＩｎ0.75Ｇａ0.25Ｓｂ混晶層１μｍを用いたときの透過率の波長依存性を、一点鎖線は（ｃ）ノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍを用いたときの透過率の波長依存性を夫々示す。透過率はフーリエ変換赤外分光光度計（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ＦＴＩＲ）を用いて求めた。
【００６５】
図４を参照すると、（ａ）ノンドープのＩｎＳｂ層１μｍを用いた場合は、ＩｎＳｂのバンドギャップに対応した波長７．３μｍ以下の領域で、透過率が低下、すなわち、光吸収が起こっている。（ｂ）ノンドープのＩｎ0.75Ｇａ0.25Ｓｂ混晶層１μｍを用いた場合は、ＩｎＧａＳｂのバンドギャップがＩｎＳｂよりも大きいため、光吸収が始まる波長は短波長側にシフトし、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっている。（ｃ）ノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍを用いた場合は、（ｂ）と同様に、光吸収が始まる波長は短波長側にシフトし、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっていることがわかる。すなわち、光吸収層としてＩｎＳｂとＧａＳｂとからなる超格子構造体を用いた場合、光吸収層としてＩｎＳｂを用いた場合よりも、光吸収が起こる波長帯が短波長側にシフトしており、ＩｎＧａＳｂ混晶系と同様の効果を得ることができた。このような効果は、光吸収層を、ノンドープのＩｎＳｂ層０．００８μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００２μｍとからなる積層体を１００回繰り返して形成した超格子構造体１μｍや、ノンドープのＩｎＳｂ層０．０１６μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００４μｍとからなる積層体を５０回繰り返して形成した超格子構造体１μｍとした場合でも同様に見ることができ、やはり、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっていることがわかった。
【００６６】
さらに、光吸収層を、ＩｎＳｂとＡｌＳｂ、ＩｎＳｂとＡｌＧａＳｂ、またはＩｎＳｂとＩｎＡｓとからなる超格子構造体とした場合でも、ＩｎＡｌＳｂ混晶、ＩｎＡｌＧａＳｂ混晶、ＩｎＡｓＳｂ混晶などの混晶系材料と同様に、光吸収が起こる波長帯をシフトさせる効果が見られる。この波長帯は、超格子構造における材料の選定や、各層の膜厚の比率などを制御することで、自由に設計することが可能である。
【００６７】
よって、光吸収層に超格子構造を用いることで、検知すべき吸収波長帯に適したバンドギャップを有する光吸収層の材料を自由に設計することができる。しかも、混晶系材料に見られるような結晶性の劣化もないことから、各用途に応じた高感度な量子型赤外線センサを実現することができる。
【００６８】
これ以降、量子型赤外線センサを作製した実施例について述べる。
（実施例２）
第２の実施例について説明する。
【００６９】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【００７０】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【００７１】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【００７２】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【００７３】
（実施例３）
第３の実施例について説明する。
【００７４】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【００７５】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【００７６】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【００７７】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【００７８】
（実施例４）
第４の実施例について説明する。
【００７９】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００３μｍとＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＡｓ層０．００１μｍとの積層体を５００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【００８０】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長１０μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、人感センサなどに必要な、より長波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【００８１】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【００８２】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【００８３】
（実施例５）
第５の実施例について説明する。
【００８４】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【００８５】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【００８６】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【００８７】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【００８８】
（実施例６）
第６の実施例について説明する。
【００８９】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００８μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００２μｍとの積層体を２００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【００９０】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【００９１】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【００９２】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【００９３】
（実施例７）
第７の実施例について説明する。
【００９４】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．０１６μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００４μｍとの積層体を１００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【００９５】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【００９６】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【００９７】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【００９８】
（実施例８）
第８の実施例について説明する。
【００９９】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．０３９μｍとノンドープのＡｌＳｂ層０．００１μｍとの積層体を５０回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【０１００】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【０１０１】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【０１０２】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【０１０３】
（実施例９）
第９の実施例について説明する。
【０１０４】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．０１９μｍとノンドープのＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ層０．００１μｍとの積層体を１００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【０１０５】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【０１０６】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【０１０７】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【０１０８】
（実施例１０）
第１０の実施例について説明する。
【０１０９】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてノンドープのＩｎＳｂ層０．００４μｍとＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.2Ｉｎ0.8Ｓｂ層０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【０１１０】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【０１１１】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【０１１２】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【０１１３】
（実施例１１）
第１１の実施例について説明する。
【０１１４】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００３μｍとＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌＳｂ層０．００１μｍとの積層体を５回繰り返して形成した超格子構造体０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【０１１５】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【０１１６】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【０１１７】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【０１１８】
（実施例１２）
第１２の実施例について説明する。
【０１１９】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００１μｍとＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ層０．００１μｍとの積層体を１０回繰り返して形成した超格子構造体０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．５μｍを成長した。
【０１２０】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【０１２１】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【０１２２】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【０１２３】
（実施例１３）
第１３の実施例について説明する。
【０１２４】
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、ｎ型コンタクト層としてＳｎを７×１０18／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍ成長し、この上に光吸収層としてＺｎを２×１０16／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとノンドープのＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を４００回繰り返して形成した超格子構造体２μｍを成長し、この上にｐ型バリア層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００１μｍとＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ層０．００１μｍとの積層体を１０回繰り返して形成した超格子構造体０．０２μｍを成長し、この上にｐ型コンタクト層としてＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＩｎＳｂ層０．００４μｍとＺｎを１×１０19／ｃｍ3ドーピングしたＧａＳｂ層０．００１μｍとの積層体を１００回繰り返して形成した超格子構造体０．５μｍを成長した。
【０１２５】
本実施例に係る光吸収層における透過率の波長依存性を、ＦＴＩＲを用いて評価したところ、波長５．５μｍ以下の領域で光吸収が起こっており、ＩｎＳｂを光吸収層として用いた場合に比べ、ガス検出などに必要な、より短波長側での赤外線吸収感度を得ることができた。
【０１２６】
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
【０１２７】
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトを取るための段差形成を酸またはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション膜で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極部分のみ窓明けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。
【符号の説明】
【０１２８】
１ 基板
２ ｎ型コンタクト層
３ 光吸収層
４ ｐ型バリア層
５ ｐ型コンタクト層
６ パッシベーション膜
７ 電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなるｎ型コンタクト層と、
前記ｎ型コンタクト層上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成され、前記光吸収層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ前記ｎ型コンタクト層及び前記光吸収層よりも大きなバンドギャップを有するｐ型バリア層と、
前記ｐ型バリア層上に形成され、前記ｐ型バリア層と同等またはそれ以上の濃度にｐ型ドーピングされたｐ型コンタクト層と
を備えた量子型赤外線センサであって、
前記光吸収層は、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、およびＩｎＡｓのうちの何れか一つとが周期的に積層された超格子構造体からなることを特徴とする量子型赤外線センサ。
【請求項２】
前記ｐ型バリア層は、ＡｌＩｎＳｂ層、ＧａＩｎＳｂ層、およびＡｌＧａＩｎＳｂ層のうちの何れか一つであるか、または、ＩｎＳｂ層とＡｌＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、およびＩｎＳｂ層とＡｌＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造のうちの何れか一つを有することを特徴とする請求項１に記載の量子型赤外線センサ。
【請求項３】
前記ｐ型コンタクト層は、ＡｌＩｎＳｂ層、ＧａＩｎＳｂ層、ＡｌＧａＩｎＳｂ層のうちの何れか一つであるか、または、ＩｎＳｂ層とＡｌＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＡｌＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造のうちのいずれか一つを有することを特徴とする請求項１または２に記載の量子型赤外線センサ。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、ｎ型ドーピングされたＩｎＳｂからなるｎ型コンタクト層と、
前記ｎ型コンタクト層上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成され、前記光吸収層よりも高濃度にｐ型ドーピングされ、かつ前記ｎ型コンタクト層及び前記光吸収層よりも大きなバンドギャップを有するｐ型バリア層と、
前記ｐ型バリア層上に形成され、前記ｐ型バリア層と同等またはそれ以上の濃度にｐ型ドーピングされたｐ型コンタクト層と
を備えた量子型赤外線センサであって、
前記光吸収層は、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＩｎＳｂと、ノンドープまたはｐ型ドーピングされたＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、およびＩｎＡｓのうちの何れか一つとが周期的に積層された超格子構造体からなることを特徴とする量子型赤外線センサ。
【請求項２】
前記ｐ型バリア層は、ＡｌＩｎＳｂ層、ＧａＩｎＳｂ層、およびＡｌＧａＩｎＳｂ層のうちの何れか一つであるか、または、ＩｎＳｂ層とＡｌＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、およびＩｎＳｂ層とＡｌＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造のうちの何れか一つを有することを特徴とする請求項１に記載の量子型赤外線センサ。
【請求項３】
前記ｐ型コンタクト層は、ＡｌＩｎＳｂ層、ＧａＩｎＳｂ層、ＡｌＧａＩｎＳｂ層のうちの何れか一つであるか、または、ＩｎＳｂ層とＡｌＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造、ＩｎＳｂ層とＡｌＧａＳｂ層とが周期的に積層された超格子構造のうちのいずれか一つを有することを特徴とする請求項１または２に記載の量子型赤外線センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２０９３５７（Ｐ２０１２−２０９３５７Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７２６２１（Ｐ２０１１−７２６２１）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（３０３０４６２７７）旭化成エレクトロニクス株式会社 (840)
【Ｆターム（参考）】
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