JP2014146771A

JP2014146771A - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP2014146771A
Application number: JP2013016063A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Ueno; 康一郎上之
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2014-08-14

Abstract

【課題】素子抵抗を落とすことのない、結晶性の範囲を有する半導体材料によって、構成された赤外線センサを提供する。
【解決手段】単結晶の半導体基板１上に積層されたＩｎＳｂ層２，３，４からなる結晶構造部を、積層されたＩｎＳｂ層２，３，４全部の基板結晶面方位に対するＸ線回折のロッキングカーブにおける半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ以上で３００ａｒｃｓｅｃ以下の範囲となるような、結晶性を有する結晶構造部として構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサに関し、特に、ＩｎＳｂの積層構造を有する赤外線センサに関する。

一般に、波長が５μｍ以上の長波長帯の赤外線は、その熱的効果やガスによる赤外線吸収の効果から、人体を検知する人感センサや非接触温度センサ、ガスセンサ等に使用されている。これらの使用例の内、人体検知や非接触温度センサとして用いられる赤外線センサとしては、焦電センサやサーモパイルの様な熱型の赤外線センサと、半導体受光素子を使用した量子型の赤外線センサがあるが、熱型の赤外線センサに比べて、量子型の赤外線センサの方が、高感度、高速応答、静態検知が可能といった大きな特徴がある。

量子型の赤外線センサを実現するためには、波長が５μｍ以上の長波長帯の赤外線を受光する赤外線センサが必要となるが、この波長領域では赤外線センサに対する周辺温度の影響が非常に大きく、室温で使用するには問題がある。この量子型の赤外線センサは、一般に波長が５μｍ以上の赤外線を吸収可能である半導体中にいわゆるｐｎ接合を形成し、光吸収層において、吸収した赤外線によって発生した電子及び正孔が、ＰＮ接合部分の空乏層における内部電界によって電荷分離されることで、電気信号に変換される。

しかしながら、波長が５μｍ以上の赤外線を吸収できる半導体のバンドギャップは、０．２５ｅＶ以下と小さい。この様なバンドギャップの小さな半導体では、熱励起キャリアのために室温での真性キャリア密度が大きくなり、素子の抵抗が小さくなるので十分なｐｎダイオードの特性が得られない。これは真性キャリア密度が大きい場合、拡散電流や暗電流の様な素子の漏れ電流が大きくなるためである。このため、量子型の赤外線センサは熱励起キャリアを抑制するために、冷却機構を備えた赤外線センサが従来使用されている。

このような周辺温度の影響による問題を解決した赤外線センサとしては、例えば、特許文献１に記載の量子型の赤外線センサがある。この特許文献１に記載の量子型赤外線センサは、センサ部分の化合物半導体の積層構造および素子構造により拡散電流を抑制し、更に信号増幅用ＩＣとセンサのパッケージを改良することにより、室温動作が可能であり、かつ従来にない超小型の赤外線センサを実現したものである。

国際公開第ＷＯ２００５／０２７２２８号パンフレット

このように改良のための研究開発がなされているが、高性能の量子型赤外線センサを実現するためには、さらなる特性の向上が望まれている。

特に、半導体の結晶性は赤外線センサの特性に影響する重要な項目であるが、上述した特許文献にはその結晶性の最適な範囲について記載されていないという課題があった。
そこで、本発明の目的は、素子抵抗を落とすことのない、結晶性の範囲を有する半導体材料によって、構成された赤外線センサを提供することにある。

本発明は、所定の結晶性をもつ薄膜により形成された赤外線センサであって、単結晶の半導体基板と、単結晶の半導体基板上に、ＩｎＳｂの層が順次積層されたセンサ部とを具え、センサ部が、単結晶の半導体基板に形成されたｎ型ドーピングされた第１のＩｎＳｂ層と、第１のＩｎＳｂ層上に形成されたノンドープ或いはｐ型ドーピングされた第２のＩｎＳｂ層と、第２のＩｎＳｂ層上に当該第２のＩｎＳｂ層よりも更に高濃度にｐ型ドーピングされた第３のＩｎＳｂ層とを有する場合において、該センサ部は、積層された第１から第３までのＩｎＳｂ層全部の基板結晶面方位に対するＸ線回折のロッキングカーブにおける半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ以上でかつ３００ａｒｃｓｅｃ以下の範囲となるような結晶性を有する結晶構造部として構成されたことを特徴とする。

結晶構造部を構成する前記第１から第３までのＩｎＳｂ層全部の膜厚が、３．５μｍ以上であることを特徴とする。

単結晶の半導体基板は、結晶面方位が（００１）方向のＧａＡｓ単結晶の半導体基板であることを特徴とする。

半値全幅は、第１から第３までのＩｎＳｂ層の結晶面方位が（００４）方向のＸ線回折のロッキングカーブにおける半値全幅であることを特徴とする。

センサ部は、ＰＩＮダイオードとして構成されたことを特徴とする。

センサ部を構成する結晶性を有する結晶構造部において、半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ以上でかつ３００ａｒｃｓｅｃ以下の範囲内にあるとき、ゼロバイアス時の素子抵抗の値が所定の値を維持して低下しないことを特徴とする。

結晶構造部は、第２のＩｎＳｂ層と第３のＩｎＳｂ層との間に、第３のＩｎＳｂ層と同等のｐ型ドーピングされた、ＩｎＳｂよりもバンドギャップの大きなＡｌＩｎＳｂ層、又はＧａＩｎＳｂ層からなる第４のＩｎＳｂ層をさらに有することを特徴とする。

本発明によれば、単結晶の半導体基板上に積層されたＩｎＳｂ層からなる結晶構造部を、積層されたＩｎＳｂ層全部の基板結晶面方位に対するＸ線回折のロッキングカーブにおける半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ以上で３００ａｒｃｓｅｃ以下の範囲となるような、結晶性を有する結晶構造部として構成したので、半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ以上で３００ａｒｃｓｅｃ以下の範囲内にあるとき、ゼロバイアス時の素子抵抗の値を所定の値に維持できる赤外線センサを提供することができる。

本発明の第１の実施の形態である、赤外線センサのＩｎＳｂ層の積層構造を示す説明図である。本発明の第２の実施の形態である、赤外線センサのＩｎＳｂ層の積層構造を示す説明図である。本発明の積層されたＩｎＳｂ層からなるセンサ部における結晶面方位が（００４）方向のＸ線回折ピークのロッキングカーブにおける半値全幅と赤外線センサの素子抵抗の相関関係を示す説明図である。

〔第１の例〕
本発明の第１の実施の形態を、図１に基づいて説明する。

本例では、赤外線センサの構造について説明する。

＜センサ部構成＞
図１は、赤外線センサ１００の構成例を示す。

赤外線センサ１００は、結晶面方位が（００１）方向の単結晶の半導体基板１と、半導体基板１上にＩｎＳｂ層が順次積層されたセンサ部とから構成される。なお、半導体基板のＩｎＳｂ層を積層させる面の結晶面方位を特に基板結晶面方位という。単結晶の半導体基板１としては、ＧａＡｓ単結晶基板を用いることができる。

センサ部は、単結晶の半導体基板１上にエピタキシャル成長されたｎ型ドーピングされたｎ⁺ＩｎＳｂ層２と、ｎ⁺ＩｎＳｂ層２上にノンドープ或いはｐ型ドーピングされたｐ^-ＩｎＳｂ層３と、ｐ^-ＩｎＳｂ層３上にｐ^-ＩｎＳｂ層よりも更に高濃度にｐ型ドーピングされたｐ⁺ＩｎＳｂ層４とからなる。これにより、赤外線センサ１００は、ＰＩＮダイオードの積層構造として構成される。

本例でのセンサ部は、ＩｎＳｂの（００４）方向のＸ線回折のロッキングカーブにおける半値全幅（ｆｕｌｌｗｉｄｔｈａｔｈａｌｆｍａｘｉｍｕｍ，ＦＷＨＭ）が３０ａｒｃｓｅｃ以上で、３００ａｒｃｓｅｃ以下となるような結晶性を有する結晶構造部として構成したことを特徴とする。この場合、特に、結晶構造部の半導体の結晶性は、ＰＩＮダイオードを構成する全部のＩｎＳｂ層２〜４の膜厚が３．５μｍ以上のときに良好となる。

＜半導体の結晶性の評価＞
次に、素子抵抗Ｒｏと半値全幅との関係において、半導体の結晶性の評価、すなわち、半値全幅（ＦＷＨＭ）を３０ａｒｃｓｅｃ以上で、３００ａｒｃｓｅｃ以下の範囲内に設定した理由について説明する。

従来技術で説明した量子型赤外線センサの特性のうち最も重要であるのが信号（Ｓｉｇｎａｌ）とノイズ（Ｎｏｉｓｅ）の比、所謂Ｓ／Ｎ比であり、この値が大きいほど赤外線センサの特性がよいことを意味する。

Ｓ／Ｎ比は、赤外線が入射したときに発生する光電流Ｉｐとセンサの無バイアス時の素子抵抗Ｒ₀の平方根の積に比例する。すなわち、式１に示すように表される。

従って、高いＳ／Ｎ比を得るためには、素子抵抗Ｒ₀が大きい方が好ましい。

素子抵抗Ｒ₀は、量子型赤外線センサを構成している半導体材料の結晶性に影響される。ここで、結晶性とは、結晶配列の完全性、すなわち半導体を構成する原子配列の規則的な周期性の完全性を意味し、転位や結晶粒界のような、この完全性を乱す所謂格子欠陥が存在することで結晶性は悪化する。例えば、このような格子欠陥が量子型赤外線センサのＰＮ接合部に存在すると、格子欠陥部分を通じた電流のリークパスが生じ、ＰＮ接合の抵抗が低下することで素子抵抗Ｒ₀が低下する。

上述した半導体の結晶性を評価する手段としては、Ｘ線回折法のロッキングカーブによる評価が一般的に用いられる。すなわち、半導体の単結晶に照射した単色Ｘ線が結晶の規則性によって特定の方向（ブラッグ方位）に強く反射される。このとき、Ｘ線検出器をブラッグ方位の位置に固定し、Ｘ線と試料のなす角を回転して回折線の強度分布曲線を測定したものがロッキングカーブである。測定されたロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）により半導体の結晶性が評価できる。すなわち、半導体結晶の配列が乱れることにより、ブラッグ条件を満たす方位も広がるため、ロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）が大きい程、結晶配列の乱れが大きいことを意味し、結晶性が悪いことになる。

本発明では、以上のように素子抵抗と半値全幅との関係を考慮して半導体の結晶性の評価した。その結果、本例のセンサ部は、ＩｎＳｂの（００４）方向のＸ線回折のロッキングカーブを３０ａｒｃｓｅｃ以上で、３００ａｒｃｓｅｃ以下となるような結晶性を有する結晶構造部として構成した。この場合、特に、ＰＩＮダイオードを構成するＩｎＳｂ層２〜４の全部の膜厚を３．５μｍ以上に設定することによって、半導体の結晶性をさらに向上させることができる。

以上より、単結晶の半導体基板１上に積層されたＩｎＳｂ層２〜４からなる結晶構造部は、積層されたＩｎＳｂ層全部の基板結晶面方位に対するＸ線回折のロッキングカーブにおける半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ以上で３００ａｒｃｓｅｃ以下の範囲となるような結晶性を有する結晶構造部として構成したので、半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ以上で３００ａｒｃｓｅｃ以下の範囲内にあるとき、ゼロバイアス時の素子抵抗の値を所定の値に維持して低下しないようにすることができる。これにより、素子抵抗が低下することのない最適な結晶性の範囲を有する半導体材料によって構成された赤外線センサを提供することができる。

〔第２の例〕
本発明の第２の実施の形態を、図２および図３に基づいて説明する。なお、前述した第１の例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。

＜センサ部構成＞
図２の赤外線センサ２００は、図１の赤外線センサ１００の変形例を示す。

本例では、ｐ^-ＩｎＳｂ層３とｐ⁺ＩｎＳｂ層４との間に、ｐ⁺ＩｎＳｂ層４と同等のｐ型ドーピングのなされた、ＩｎＳｂ層よりもバンドギャップが大きく、膜厚が３０ｎｍ以下である、ＡｌＩｎＳｂ層５（又は、ＧａＩｎＳｂ層）５を有することを特徴とする。

センサ部の他の部分の構成は、前述した図１に示した赤外線センサ１００のＩｎＳｂによるＰＩＮダイオードの積層構造と同様である。

＜製造方法＞
次に、赤外線センサ２００の製造方法について説明する。

まず、ＭＢＥ法により、半絶縁性の、ＧａＡｓ単結晶基板（（００１）面方位）１上にＩｎＳｂのｎ型ドーパントであるＳｎを１．０×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を１．０μｍエピタキシャル成長させて、ｎ⁺ＩｎＳｂ層２を形成する。

ｎ⁺ＩｎＳｂ層２上に、ＩｎＳｂのｐ型ドーパントであるＺｎを１×１０¹⁶原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層を２．０μｍエピタキシャル成長させて、ｐ^-ＩｎＳｂ層３を形成する。

ｐ^-ＩｎＳｂ層３上に、Ｚｎを５×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.2Ｉｎ_0.8Ｓｂ層５を０．０２μｍエピタキシャル成長させる。

Ａｌ_0.2Ｉｎ_0.8Ｓｂ層５上に、Ｚｎを５×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂを０．５μｍ成長させて、ｐ⁺ＩｎＳｂ層４を形成する。

この赤外線センサ２００の作成のとき、成長時の基板温度、及び原料であるＩｎとＳｂ材料の供給比を変化させることで、結晶性の異なる４つの試料を作成した。これら４試料についてＸ線回折法を用いてＩｎＳｂの（００４）のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）を評価した。測定には既存のＸ線回折測定装置を使用し、入射Ｘ線はＣｕＫα１のＸ線をＧｅ（２２０）の４結晶モノクロメータにて単色化したものを使用している。

上記評価の結果、４試料のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）はそれぞれ２０３（Ａ点）、３０５（Ｂ点）、３５７（Ｃ点）、４９９（Ｄ点）ａｒｃｓｅｃであった。なお、ａｒｃｓｅｃは角度単位の秒である。

次に、上記４試料を用いて次の手順にて赤外線センサ２００を作成した。

まず、ｎ型ドーピングを行っているｎ⁺ＩｎＳｂ層とのコンタクトを取るための段差形成を行い、次に素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面をＳｉＮ保護膜で覆った。

次に、ＳｉＮ保護膜の所定の部分を取り除くことによって電極部分のみ窓開けを行い、Ｔｉ／ＡｕをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。作成した赤外線センサのＰＮ接合部の面積は９０×９０平方μｍであった。このようにして作成した各赤外線センサの素子抵抗を、ダイオードに対して０．１Ｖ正のバイアスをかけた場合と、０．１Ｖ負のバイアスをかけた場合とで測定し、両測定結果の平均値をゼロバイアスの素子抵抗Ｒ₀として測定した。なお測定中の各試料の温度は２５℃で一定になるようにしている。

＜半値全幅と素子抵抗との関係＞
図３は、測定した各試料のロッキングカーブの半値全幅（ＦＷＨＭ）と赤外線センサの素子抵抗Ｒ₀の相関関係を示す。

ＦＷＨＭが３０５と３５７ａｒｃｓｅｃの間で、素子抵抗が急激に小さくなることが確認出来る。従ってＦＷＨＭは３００ａｒｃｓｅｃ以下であることが必要となる。また、ＩｎＳｂを完全結晶と仮定した場合、ロッキングカーブのＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃである。その結果、ＦＷＨＭは３０ａｒｃｓｅｃ以上、３００ａｒｃｓｅｃ以下の範囲が素子抵抗を下げることのない結晶性の範囲である。なお、実際の試料では必ず格子欠陥は形成されるため、ＦＷＨＭは１００ａｒｃｓｅｃ以上であってもよい。

また、一般に膜厚が厚くなると結晶性は良くなるため、本例での膜厚は、３．５μｍ以上の膜厚であればよい。

また、ＡｌＩｎＳｂ層やＧａＩｎＳｂ層は膜厚が３０ｎｍ以下であれば、臨界膜厚以下であるため、ＩｎＳｂの結晶性にほとんど影響を与えない。

また、各層のドーピング濃度に関してもｎ⁺ＩｎＳｂ層２では２×１０¹⁹原子／ｃｍ³以下であってｐ⁺ＩｎＳｂ層４では１×１０¹⁹原子／ｃｍ³以下の範囲のドーピングであればＩｎＳｂの結晶性に対してドーピングの影響は殆どないため、上記のドーピング範囲であればよい。

以上説明したように、単結晶の半導体基板１上に積層されたＩｎＳｂ層２〜４からなる結晶構造部を、積層されたＩｎＳｂ層全部の結晶性方向に対するＸ線回折のロッキングカーブにおける半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ以上で３００ａｒｃｓｅｃ以下の範囲となるような結晶性を有する結晶構造部として構成することにより、ゼロバイアス時の素子抵抗の値を所定の値に維持して低下しないようにすることができる。これにより、素子抵抗が低下することのない最適な結晶性の範囲を有する半導体材料によって構成された赤外線センサを提供することができる。

１半導体基板
２第１のＩｎＳｂ層（ｎ⁺ＩｎＳｂ層）
３第２のＩｎＳｂ層（ｐ^-ＩｎＳｂ層）
４第３のＩｎＳｂ層（ｐ⁺ＩｎＳｂ層）
５第４のＩｎＳｂ層（ＡｌＩｎＳｂ層、又はＧａＩｎＳｂ層）
１００赤外線センサ
２００赤外線センサ

Claims

所定の結晶性をもつ薄膜により形成された赤外線センサであって、
単結晶の半導体基板と、
前記単結晶の半導体基板上に、ＩｎＳｂの層が順次積層されたセンサ部と
を具え、
前記センサ部が、
前記単結晶の半導体基板に形成されたｎ型ドーピングされた第１のＩｎＳｂ層と、
前記第１のＩｎＳｂ層上に形成されたノンドープ或いはｐ型ドーピングされた第２のＩｎＳｂ層と、
前記第２のＩｎＳｂ層上に当該第２のＩｎＳｂ層よりも更に高濃度にｐ型ドーピングされた第３のＩｎＳｂ層と
を有する場合において、該センサ部は、
前記積層された第１から第３までのＩｎＳｂ層全部の基板結晶面方位に対するＸ線回折のロッキングカーブにおける半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ以上でかつ３００ａｒｃｓｅｃ以下の範囲となるような、結晶性を有する結晶構造部により構成されたことを特徴とする赤外線センサ。
前記結晶構造部を構成する前記第１から第３までのＩｎＳｂ層全部の膜厚が、３．５μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
前記単結晶の半導体基板は、結晶面方位が（００１）方向のＧａＡｓ単結晶の半導体基板であることを特徴とする請求項１又は２記載の赤外線センサ。
前記半値全幅は、前記第１から第３までのＩｎＳｂ層の結晶面方位が（００４）方向のＸ線回折のロッキングカーブにおける半値全幅であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の赤外線センサ。
前記センサ部は、ＰＩＮダイオードとして構成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の赤外線センサ。
前記センサ部を構成する前記結晶性を有する結晶構造部において、前記半値全幅が３０ａｒｃｓｅｃ以上でかつ３００ａｒｃｓｅｃ以下の範囲内にあるとき、ゼロバイアス時の素子抵抗の値が所定の値を維持して低下しないことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の赤外線センサ。
前記結晶構造部は、
前記第２のＩｎＳｂ層と前記第３のＩｎＳｂ層との間に、前記第３のＩｎＳｂ層と同等のｐ型ドーピングされた、ＩｎＳｂよりもバンドギャップの大きな、ＡｌＩｎＳｂ層、又はＧａＩｎＳｂ層からなる第４のＩｎＳｂ層をさらに有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の赤外線センサ。