JP5528882B2

JP5528882B2 - 赤外線センサ

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Publication number: JP5528882B2
Application number: JP2010078264A
Authority: JP
Inventors: 康一郎上之
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei Microdevices Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP2011211019A

Description

本発明は、赤外線センサに関し、より詳細には、光電流及び素子抵抗をともに大きくできるようにした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、静体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。

この様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

しかしながら、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。上述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特性が良い。Ｓ／Ｎ比は、赤外線が入射したときに発生する光電流Ｉｐとセンサの素子抵抗Ｒ₀の平方根の積に比例する。すなわち、数１の様に表される。

従って、Ｓ／Ｎ比を上げるためには、光電流Ｉ_pを大きくするか、素子抵抗Ｒ₀を大きくする必要がある。Ｉ_pを大きくするためには、よりバンドギャップの小さい半導体を使用することで、より長波長の赤外線を吸収することが出来るようになるため、Ｉ_pを増やすことが可能となる。一方で、素子抵抗Ｒ₀を大きくするためには、上述したように、ダイオードの漏れ電流である拡散電流を抑制するために半導体の真性キャリア密度を小さくする必要がある。ここで半導体の真性キャリア密度ｎ_iは数２で表せる。

ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。また、Ｎｃ、Ｎｖはそれぞれ伝導帯、及び価電子帯の有効状態密度である。また、Ｅｇは半導体のバンドギャップである。Ｎｃ、Ｎｖ、Ｅｇは半導体物質固有の値である。また、ダイオードの拡散電流Ｉは数３及び数４で表される。

ここで、ｅは素電荷、Ｖはダイオードのバイアス電圧、Ｄ_e、Ｄ_h、はそれぞれ電子、及び正孔の拡散定数、Ｌ_e、Ｌ_dはそれぞれ電子、及び正孔の拡散長、Ｎ_A、Ｎ_Dはそれぞれ、アクセプター、及びドナー濃度である。

上述した数２、数３及び数４より、バンドギャップの小さい半導体ではより拡散電流が増加し、素子抵抗が小さくなることになる。すなわち、Ｉ_pを大きくするためにバンドギャップの小さな半導体を使用すると素子抵抗Ｒ₀が低下し、一方、素子抵抗を上げるためにバンドギャップのより大きな半導体を使用すると、Ｉ_pが低下してしまうという課題が有る。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光電流及び素子抵抗をともに大きくできるようにした赤外線センサを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、半絶縁性の半導体基板と、該半絶縁性の半導体基板上に設けられ、バンドギャップが０．１ｅＶ以上０．２５ｅＶ以下である第１のｎ型化合物半導体層と、該第１のｎ型化合物半導体層上に設けられ、バンドギャップが０．１ｅＶ以上０．２５ｅＶ以下で、ノンドープもしくはｐ型ドーピングされた第１の光吸収層と、該第１の光吸収層上に設けられ、バンドギャップが前記第１の光吸収層よりも大きく、前記第１の光吸収層よりも高濃度にｐ型ドーピングされた第１のｐ型ワイドバンドギャップ層と、該第１のｐ型ワイドバンドギャップ層上に設けられ、バンドギャップが前記第１の光吸収層よりも小さい第２のｎ型化合物半導体層と、該第２のｎ型化合物半導体層上に設けられ、バンドギャップが前記第１の光吸収層よりも小さく、ノンドープもしくはｐ型ドーピングされた第２の光吸収層と、該第２の光吸収層上に設けられ、バンドギャップが前記第２の光吸収層よりも大きく、前記第２の光吸収層よりも高濃度にｐ型ドーピングされた第２のｐ型ワイドバンドギャップ層と、該第２のｐ型ワイドバンドギャップ層上に設けられ、バンドギャップが０．１ｅＶ以上０．２５ｅＶ以下で、前記第２のｐ型ワイドバンドギャップ層と同等またはそれ以上のｐ型ドーピングされたｐ型キャップ層と、前記第１のｎ型化合物半導体層上と前記ｐ型キャップ層上に各々設けられた電極とを備え、前記半絶縁性の半導体基板がＧａＡｓであり、前記第１のｎ型化合物半導体層がＩｎＳｂであり、前記第１の光吸収層がＩｎＳｂであり、前記第１のｐ型ワイドバンドギャップ層がＩｎ _1-x Ａｌ _x Ｓｂ（０．０６≦ｘ≦０．７）であり、前記第２のｎ型化合物半導体層がＩｎＡｓ _x Ｓｂ _1-x （０＜ｘ＜０．７）であり、前記第２の光吸収層がＩｎＡｓ _0.2 Ｓｂ _0.8 であり、前記第２のｐ型ワイドバンドギャップ層がＩｎ _1-x Ａｌ _x Ｓｂ（０．０６≦ｘ≦０．７）であり、前記ｐ型キャップ層がＩｎＳｂであって、前記第１の光吸収層と前記第２の光吸収層の合計膜厚が２μｍであり、かつ前記第２の光吸収層の膜厚が０．２５μｍより厚く、０．７μｍよりも薄いことを特徴とする。

本発明によれば、拡散電流を抑制する効果を持つ第１及び第２のｐ型ワイドバンドギャップ層を有するＰＮダイオード構造を積層したダイオード構造とすることで、素子抵抗Ｒ₀を上げると同時に、よりバンドギャップの小さい第２の光吸収層を設けることで、光電流Ｉ_pを向上させることが可能となり、光電流Ｉ_p及び素子抵抗Ｒ₀を共に大きくできる赤外線センサを提供することができる。

本発明に係る赤外線センサの実施形態を説明するために構成図である。図１に示した本発明の赤外線センサのエネルギーバンド図である。３７℃の黒体炉の分光放射発散強度（波長スペクトル）を示す図である。比較例のＳ／Ｎ比を１として規格化したときの、実施例との相対Ｓ／Ｎ比を、ＩｎＡｓ_0.2Ｓｂ_0.8層（第２の光吸収層）の膜厚に対してプロットした図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る赤外線センサの実施形態を説明するための構成図である。本発明の赤外線センサ１００は、半絶縁性の半導体基板１０１上に設けられた複数の積層で構成されている。この半導体基板１０１上には、バンドギャップが０．１ｅＶ以上０．２５ｅＶ以下である第１のｎ型化合物半導体層１０２が設けられている。また、この第１のｎ型化合物半導体層１０２上には、バンドギャップが０．１ｅＶ以上０．２５ｅＶ以下で、ノンドープもしくはｐ型ドーピングされた第１の光吸収層１０３が設けられている。また、この第１の光吸収層１０３上には、バンドギャップが前記第１の光吸収層よりも大きく、前記第１の光吸収層１０３よりも高濃度にｐ型ドーピングされた第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４が設けられている。また、この第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４上には、バンドギャップが第１の光吸収層１０３よりも小さい第２のｎ型化合物半導体層１０５が設けられている。

また、この第２のｎ型化合物半導体層１０５上には、バンドギャップが第１の光吸収層よりも小さく、ノンドープもしくはｐ型ドーピングされた第２の光吸収層１０６が設けられている。また、この第２の光吸収層１０６上には、バンドギャップが前記第２の光吸収層１０６よりも大きく、第２の光吸収層よりも高濃度にｐ型ドーピングされた第２のｐ型ワイドバンドギャップ層１０７が設けられている。また、この第２のｐ型ワイドバンドギャップ層１０７上には、バンドギャップが０．１ｅＶ以上０．２５ｅＶ以下で、第２のｐ型ワイドバンドギャップ層１０７と同程度のｐ型ドーピングされたｐ型キャップ層１０８が設けられている。また、第１のｎ型化合物半導体層１０２上には電極１１０が設けられ、ｐ型キャップ層１０８上には電極１０９が設けられている。

ここで、バンドギャップの大きさは温度依存性があり、その程度も各々の化合物半導体毎に異なっている。従って、上述したバンドギャップの大きさは、素子（赤外線センサ）が使用される環境温度において上述した条件を満たす事を意味する。この点は、以下で述べるバンドギャップの大きさでも全て同じである。

図２は、図１に示した本発明の赤外線センサのエネルギーバンド図である。この図２に示すように、本発明の赤外線センサでは、赤外線は半導体基板１０１側より入射する。一般に半絶縁性の半導体基板１０１のバンドギャップは十分に大きく、波長が５μｍよりも長い赤外線は半導体基板１０１を透過することが出来る。また、赤外線は、第１のｎ型化合物半導体層１０２も透過することが出来る。これについては後に詳述する。

また、第１のｎ型化合物半導体層１０２を透過した赤外線は、第１の光吸収層１０３において吸収され、図２に示すように、価電子帯の電子を励起して光励起キャリアである電子正孔対を形成する。この時、励起された電子は、第１のｎ型化合物半導体層１０２側へ、また、正孔は第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４側へそれぞれ拡散するとＰＮ接合によって形成された空乏層内の電界によって引き出され、これが光電流Ｉｐとなる。

また、第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４は、図２に示すように、電子の逆方向（第２のｎ型化合物半導体層１０５側）への拡散を抑制する。これが拡散電流による素子抵抗の低下を抑制する効果である。ここで、バンドギャップが０．１ｅＶ以上０．２５ｅＶ以下であるようなナローバンドギャップの化合物半導体においては、一般に電子の移動度が正孔の移動度よりもはるかに大きい。このため、第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４は、電子の拡散をより効果的に抑制するようにｐ型ドーピングが成されている。

次に、第１の光吸収層１０３で吸収されない、より長波長の赤外線は、第２のｎ型化合物半導体層１０５も透過することが出来る。これについても後に詳述する。第２のｎ型化合物半導体層１０５を透過した赤外線は、バンドギャップが第１の光吸収層１０５よりも小さく、従って、より長波長の赤外線を吸収可能で有るノンドープもしくはｐ型ドーピングされた第２の光吸収層１０６において吸収される。すなわち、単一の光吸収層では吸収できなかった、より長波長の赤外線も有効に吸収することが可能となる。

ここでも、第１の光吸収層１０３に吸収された赤外線の場合と同様に光電流Ｉｐが発生し、また、第２のｐ型ワイドバンドギャップ層１０７も第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４と同一の効果により拡散電流による素子抵抗の低下を抑制することが出来る。ここで、図２に示すように、第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４と第２のｎ型化合物半導体層１０５は、共に高濃度のＰＮドーピングのために、それぞれの伝導帯と価電子帯が非常に接近している。このため、第２の光吸収層１０６において発生した電子は、トンネル効果によって第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４の正孔と容易に結合し、トンネル電流として流れることが可能であり、光電流として取り出すことができる。

すなわち、第１のｎ型化合物半導体層１０２、第１の光吸収層１０３、第１のＰ型ワイドバンドギャップ層１０４から構成される第１のＰＮダイオードと、第２のｎ型化合物半導体層１０５、第２の光吸収層１０６、第２のＰ型ワイドバンドギャップ層１０７から構成される第２のＰＮダイオードとが直列接続された形になっている。

上述したダイオードの素子抵抗を決めているのは、第１および第２のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４，１０７であり、従って、素子抵抗は単一のダイオードだけの場合に比べて、２倍にすることが可能となる。理論的には積層ダイオード数を増やすだけ、素子抵抗を上げることが可能である。

また、第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４は、第２の光吸収層１０６から拡散した電子が第１の光吸収層１０３へ拡散することも抑制する。通常、ナローバンドギャップの半導体のＰＮ接合は、バンドギャップが狭いがゆえにＰＮ接合部の電位差を大きく取る事が出来ない。このため、電子はｎ型ドープ層の伝導帯から、ｐ型ドープ層の伝導帯へ容易に拡散する。従って、光が入射しない状況に於いても電子の拡散が起こるため、所謂暗電流が増加して素子の抵抗を大きく低下させる。

また、赤外線が入射した際、発生し、第２のｎ型化合物半導体層１０５に拡散してきた電子と、第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４に拡散して来た正孔とは、上述したように、電子の第１の光吸収層１０３へ拡散が抑制されているため、トンネル接合を通じて効率的に再結合する。ここで、電子が第１の光吸収層１０３へ拡散した場合、光吸収層１０３内部で正孔との再結合が起こるため、光電流への変換効率が落ちることになる。

すなわち、第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４の存在により、入射した赤外線の光電流への変換がより効果的に行える。上述した効果は、ナローバンドギャップのＰＮ接合ダイオードを２段に積層した構造にｐ型ワイドバンドギャップ層を組み合わせたがゆえに得られる効果であり、単一のダイオードの場合には得られない効果である。

また、異なる波長の光を吸収するＰＮダイオードをトンネル接合により積層させた構造は、例えば、積層型の多接合構造太陽電池などでも見られる。しかしながら、多接合構造太陽電池では入射光に太陽光を想定しているためバンドギャップの大きな材料で構成されており、上述した様な電子の拡散を抑制する必要がない。このため、本発明のｐ型ワイドバンドギャップ層による電子の拡散抑制効果は多接合構造太陽電池には考慮されていない効果である。

次に、赤外線センサ１００の各層に関して以下に詳述する。

第１のｎ型化合物半導体層１０２は、ｎ型ドーピングされたバンドギャップが０．１ｅＶ以上０．２５ｅＶ以下である化合物半導体である。上述したように、ナローバンドギャップの化合物半導体は、正孔に比べて電子の移動度が非常に大きいため、ｐ型ドーピングよりもｎ型ドーピングの方が半導体層のシート抵抗を容易に下げることができる。

したがって、素子構造において大きな面積を占めている第１のｎ型化合物半導体層１０２にｎ型ドーピングすることで、赤外線センサ１００のシート抵抗を容易に低減することができる。シート抵抗が増加すると、ダイオードの等価回路上ダイオードに対して直列に接続されたシリーズ抵抗が増加することになる。このシリーズ抵抗は、光電流を外部に取り出す妨げになるためなるべく小さい方が望ましい。また、高濃度にｎ型ドーピングされた第１のｎ型化合物半導体層１０２は、所謂バーシュタイン・モスシフトにより、ドーピング濃度が高くなければ吸収してしまう赤外線に対して透明にすることができる。

ドーピング濃度としては、１×１０¹⁸原子／ｃｍ³以上１×１０²⁰原子／ｃｍ³以下が好ましく、より好ましくは、５×１０¹⁸原子／ｃｍ³以上５×１０¹⁹以下である。上述したような第１のｎ型化合物半導体層１０２としては、例えば、ＩｎＳｂが好ましく用いられる。赤外線センサを室温（２４℃〜３０℃程度）で使用することを想定した場合、ＩｎＳｂのバンドギャップは３００Ｋで０．１８ｅＶである。膜厚は結晶性の良い膜を形成するために十分な膜厚であり、且つ成膜時間が長くならないようにするために０．３μｍ以上３μｍ以下が好ましい。より好ましくは、０．５μｍ以上２μｍ以下である。また、ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ等を用いることができる。

第１の光吸収層１０３は、波長５μｍ以上の赤外線を吸収するために、バンドギャップは０．２５ｅＶ以下でなければならず、また、数２に示す関係からわかるようにバンドギャップが０．１ｅＶ以上になると、急激に真性キャリア密度が大きくなることから、バンドギャップは０．１ｅＶ以上、０．２５ｅＶ以下であって、ノンドープもしくはｐ型ドーピングされた層である。好ましい材料としては、第１のｎ型化合物半導体層１０２と同一の材料が格子整合の点からも好ましく、例えば、ＩｎＳｂは好ましい材料で有る。

ｐ型ドーピングは、赤外線センサの使用環境温度により熱励起している電子に対し、その一部を補償し真性キャリア密度を下げることができ、この結果で拡散電流を抑制し、素子抵抗を上げることが出来るために好ましい、ｐ型ドーピング濃度は１×１０¹⁶原子／ｃｍ³以上１×１０¹⁸原子／ｃｍ³未満が好ましく、更に好ましくは１×１０¹⁶原子／ｃｍ³以上１×１０¹⁷原子／ｃｍ³未満である。ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｃｒ等を用いることができる。また、膜厚に関しては後に詳細に述べる。

第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４は、上述したように、電子の第２のｎ型化合物半導体層１０５側への拡散を抑制し、拡散電流を抑えるために、第１のｎ型化合物半導体層１０２、および第１の光吸収層１０３よりも大きいバンドギャップでなければならない。その大きさは材料に因るが、例えば後述するＩｎＡｌＳｂの混晶の場合０．２７ｅＶ以上１．５２ｅＶ以下、もしくは０．３４ｅＶ以上１．１ｅＶ以下、もしくは、0.４２ｅＶ以上０．７ｅＶ以下である。第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４のｐ型ドーピングは、上述したように、そのバンドギャップを相対的に伝導帯方向へシフトさせ移動度の大きい電子をより効果的に抑制することができる。

ｐ型ドーピング濃度は、７×１０¹⁷原子／ｃｍ³以上１×１０²⁰原子／ｃｍ³以下が好ましく、より好ましくは、１×１０¹⁸原子／ｃｍ³以上１×１０¹⁹原子／ｃｍ³以下である。第１のｐ型ワイドバンドギャップ層としてはＩｎＡｌＳｂが好ましく用いられる材料である。これは僅かなＡｌ組成で大きなバンドギャップを得られるため、結晶性の良い混晶が得られるためである。

Ａｌ組成としてはＩｎ_1-xＡｌ_xＳｂである場合、Ａｌの組成は０．０６≦ｘ≦０．７、より好ましくは０．１≦ｘ≦０．５、更に好ましくは０．１５≦ｘ≦０．３である。これは前述のＩｎＡｌＳｂのバンドキャップの大きさに対応する組成である。膜厚は各組成における臨界膜厚以下とすることで、第１の光吸収層１０３と第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４に格子ミスマッチが存在しても転位などの結晶欠陥が発生することなく、第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４を成長することができるため好ましい。それは概ね１０ｎｍから３０ｎｍ程度である。

次に、第２のｎ型化合物半導体層１０５は、より長波長の赤外線を吸収するための第２の光吸収層１０６と格子整合するために、第２の光吸収層１０６と同一組成であることが好ましく、このためバンドギャップも第１の光吸収層１０３よりも小さくなる。また、第１のｎ型化合物半導体層１０２と同様に高濃度にｎ型ドーピングすることで、バーシュタイン・モスシフトにより、ドーピング濃度が高くなければ吸収してしまう赤外線に対して透明にすることができる。

好ましいドーピング濃度およびドーパントと材料は、第１のｎ型化合物半導体層１０２と同一である。上述したような第２のｎ型化合物半導体層１０５としては、例えば、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＮＳｂが好ましく用いられ、その組成は第２の光吸収層１０６と同一である。好ましい膜厚としては、第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４との格子緩和を行い、更に成長時間を短くするために、０．１μｍ以上１μｍ以下が好ましく、更に好ましくは０．１μｍ以上０．５μｍ以下である。

第２の光吸収層１０６は、上述のように、より長波長の赤外線を吸収するためバンドギャップが第１の光吸収層１０３よりも小さくなる。その材料は第１の光吸収層の材料によって決まるが、例えば、第１の光吸収層がＩｎＳｂであった場合、例えば、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＮＳｂが好ましく用いられる。その組成は第１の光吸収層の材料によって決まるが、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x混晶（０＜ｘ＜１）のエネルギーバンドギャップＥｇは、室温において０．５８ｘ²−０．４１ｘ＋０．１８＝Ｅｇで表され、非常に大きな非線形因子がある。したがって、ＩｎＡｓＳｂの室温でのエネルギーバンドギャップは、０＜ｘ≦０．８５の組成範囲において０．２５ｅＶ以下となる。また、０＜ｘ＜０．７の組成範囲においては、ＩｎＳｂの室温でのエネルギーバンドギャップよりも更に小さく出来る。また、ＩｎＳｂ_1-yＮ_y混晶（０＜ｙ＜０．０１）のバンドギャップは、更に大きな非線形因子があり、窒素Ｎの組成ｙが僅か０．０１でバンドギャップがほぼ０に近くなることが知られている。また、第１の光吸収層１０３と同一の理由によりｐ型ドーピングが好ましく用いられ、好ましいドーピング濃度、及びドーパント材料は第１の光吸収層１０３と同一である。膜厚に関しては後述する。

第２のｐ型ワイドバンドギャップ層１０７は、第１のｐ型ワイドバンドギャップ層１０４と同一の構造を有することで、同様の効果を示すことが出来る。

次に、ｐ型キャップ層１０８は、以下の理由により形成される。第２のｐ型ワイドバンドギャップ層１０７が臨界膜厚以下であり非常に薄いため、第２のｐ型ワイドバンドギャップ層１０７に電極を直接に形成すると電極形成のプロセス中に何らかの損傷を受ける可能性がある。すなわち、ｐ型キャップ層１０８は、このような損傷から第２のｐ型ワイドバンドギャップ層１０７を保護する約割がある。また、ｐ型キャップ層１０８は、電極１０９とのコンタクト層となる。

電極とのコンタクト抵抗は、等価回路上のシリーズ抵抗となり、光電流の取り出しを妨げる。したがって、ｐ型キャップ層１０８と電極１０９とのコンタクト抵抗を下げるためにｐ型キャップ層１０８には前記２のｐ型ワイドバンドギャップ層と同等またはそれ以上のｐ型ドーピングがなされていることが好ましい。特に、ｐ型ドーピング濃度は、７×１０¹⁷原子／ｃｍ³以上１×１０²⁰原子／ｃｍ³以下が好ましく、より好ましく１×１０¹⁸原子／ｃｍ³以上１×１０¹⁹原子／ｃｍ³以下である。

ｐ型キャップ層１０８の膜厚は、０．０５μ以上１μｍ以下が好ましく、より好ましくは、０．１μｍ以上０．７μｍ以下である。また、上述したように、ｐ型キャップ層１０８は、電極１０９とのコンタクト層となるため、その膜抵抗はなるべく小さい方が好ましい。従って、ｐ型キャップ層１０８のバンドギャップは０．２５ｅＶ以下で有る方が好ましい。これは上述したように、バンドギャップの小さい半導体は膜抵抗も小さいためである。

ここで、ｐ型キャップ層１０８の組成を、第２の光吸収層１０６と同じ組成にすると、格子定数が臨界膜厚以下の第２のｐ型ワイドバンドギャップ層１０７と近いために、第２のｐ型ワイドバンドギャップ層１０７に対して応力を与えることが無く、その結晶性を更に高めることが出来好ましい。この様な材料としては、第２の光吸収層と同一組成のＩｎＡｓＳｂやＩｎＮＳｂが好ましく用いられる。一方で、混晶に対してより安定した結晶性を得るためにＩｎＳｂも好ましく用いられる。

上述したように、本発明の赤外線センサ１００は、第１の光吸収層１０３、及び第２の光吸収層１０６によって吸収された赤外線を光電流に変換するＰＮダイオードをトンネル接合によって直列接合させた構造である。したがって、直列接合であるために第１の光吸収層１０３及び第２の光吸収層１０６から発生する光電流の内、より小さい方の電流で全体の光電流が決定されることになる。従って、第１の光吸収層１０３及び第２の光吸収層１０６の膜厚はそれぞれの赤外線の吸収量を考慮し、より小さい方の電流が最大になるように膜厚を設定することが好ましい。第１及び第２の光吸収層１０３，１０６の膜厚に制限が無い場合、吸収量の小さい方の層の膜厚を赤外線の吸収量が飽和する膜厚とし、吸収量の大きい方の膜厚は、吸収量の小さい方の層と同等の光電流が発生できる膜厚とすることがより好ましい設定である。しかしながら、膜厚が厚くなると膜の成長に時間が掛かり、また、その後の素子構造形成も困難になる場合が有る。このため、２つの光吸収層の合計膜厚に制限が有る事が多く、この場合２つの光吸収層の膜厚の設定は各々独立では無く、例えば、第１の光吸収層の膜厚は、最大の合計膜厚から第２の光吸収層の膜厚を引いた膜厚とする場合がある。従って、各光吸収層の膜厚のバランスによっては光吸収層が１層だけの場合よりもＳ／Ｎが悪くなることも起こり得る。このため、本実施例ではこの２つの光吸収層の合計膜厚に制限が有る場合の、第１の光吸収層１０３及び第２の光吸収層１０６の適切な膜厚の検討を行った。

先ず、図１に示す素子の膜構造をＭＢＥ法により作製した。半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板（００１）面上に、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層（第１のｎ型化合物半導体層）を１．０μｍ成長し、この上に、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を６．０×１０¹⁶原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層（第１の光吸収層）を膜厚が１．９μｍ、１．８μｍ、１．７μｍ、１．６μｍ、１．５μｍ、１．４μｍ、１．３μｍ、１．２μｍまで合計８種類の成長を行った。

なお、表１に示すように、それぞれの膜厚の試料を試料Ｎｏ１からＮｏ８とした。これら８種類の膜厚の第１の光吸収層上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を２．０×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層（第１のｐ型ワイドバンドギャップ層）を０．０２μｍ成長した。ここで、Ａｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層の室温におけるバンドギャップは０．４６ｅＶである。

この上に、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＡｓ_0.2Ｓｂ_0.8層（第２のｎ型化合物半導体層）を０．２μｍ成長した。

この上に、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＡｓ_0.2Ｓｂ_0.8層（第２のｎ型化合物半導体層）を０．２μｍ成長した。この上に、ノンドープのＩｎＡｓ_0.2Ｓｂ_0.8層（第２の光吸収層）を表１に示す組み合わせのように、第１の光吸収層の膜厚との合計が２．０μｍになる膜厚でそれぞれ成長した。ここで、合計膜厚が２．０μｍとなるようにした理由は、上述したように成長時間が長くなりすぎないようにすると共に、合計膜厚を同一にすることで、後述する素子形成プロセスの条件も同一にすることが可能であるためである。

また、上述したように、第１の光吸収層であるＩｎＳｂ層の室温（ここでは３００Ｋ）に於けるバンドギャップは０．１８ｅＶであり、吸収端の波長は７μｍである。また、第２の光吸収層であるＩｎＡｓ_0.2Ｓｂ_0.8層のバンドギャップは０．１２ｅＶであり、吸収端の波長は１０μｍである。従って、ＩｎＡｓ_0.2Ｓｂ_0.8層は、ＩｎＳｂ層を透過する波長７〜１０μｍの赤外線を吸収することが出来る。

更に、上述した各膜厚のノンドープのＩｎＡｓ_0.2Ｓｂ_0.8層（第２の光吸収層）上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を２．０×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層（第２のｐ型ワイドバンドギャップ層）を０．０２μｍ成長し、最後に、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を２．０×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層（ｐ型キャップ層）を０．２６μｍ成長した。

次に、比較例として、２段積層構造になっていない、単一のＰＮダイオード構造の膜構造をＭＢＥ法により作製した。半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板（００１）面上に、Ｓｎ（ｎ型ドーパント）を１．０×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層（第１のｎ型化合物半導体層）を１．０μｍ成長し、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を６．０×１０¹⁶原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層（第１の光吸収層）を２．０μｍ成長し、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を２．０×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＡｌ_0.17Ｉｎ_0.83Ｓｂ層（第１のｐ型ワイドバンドギャップ層）を０．０２μｍ成長し、最後に、この上にＺｎ（ｐ型ドーパント）を２．０×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎＳｂ層（ｐ型キャップ層）を０．５μｍ成長した。上述した比較例の膜厚も表１に示した。また、ｐ型キャップ層の膜厚を０．５μｍとしたのは、全ての合計膜厚を３．５μｍで統一し、素子作成プロセスの条件を統一するためである。

上述した試料Ｎｏ１からＮｏ８の各試料と、比較例試料の膜構造を用いて、次の手順でＰＮダイオード構造の赤外線センサを作製した。まず、第１のｎ型化合物半導体層とのコンタクトを取るための段差形成エッチングを酸により行い、次いで段差形成がされた化合物半導体薄膜に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後プラズマＣＶＤを用いて、全面（ＧａＡｓ基板およびこの基板に形成された化合物半導体構造）をＳｉＮ保護膜で覆った。

次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で電極部分のみ窓開けを行い、Ａｕ／Ｔｉ（Ｔｉが膜側）をＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。上記のようにして形成されたダイオードの受光部分の面積は（第１の光吸収層が第１のｎ型化合物半導体層と接している部分の面積）１２０μｍ²となるように設計した。

この様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０．０１Ｖ正のバイアスをかけた場合と、０．０１Ｖ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２７℃で一定になるようにしている。この結果、比較例試料の単１ダイオード構造の素子構造では８７０Ωであったのに対し、２段積層構造の試料１から８の素子は何れも１７００〜１７５０Ωと単１ダイオード構造の２倍の素子抵抗が得られた。

次に、人体からの赤外線輻射を想定し、３７℃の黒体炉を用いて赤外線を発生し、各赤外線センサに赤外線を入射したときの信号を、発生した光電流量で測定し、更に各赤外線センサのＳ／Ｎ比を測定した光電流量Ｉｐと素子抵抗Ｒ₀からＩｐ√Ｒ₀から算出した。

図３は、３７℃の黒体炉から発せられる赤外線のスペクトルを示す図である。図３に示すように、３７℃の黒体炉（人体を想定）は波長１０μｍにピーク強度を持っており、ＩｎＳｂ層（第１の光吸収層）よりも、ＩｎＡｓ_0.2Ｓｂ_0.8層（第２の光吸収層）がより強度の強い赤外線を吸収することが出来ることがわかる。なお、赤外線の入射はＧａＡｓ基板側から行った。また、測定中の各試料の温度は２７℃で一定になるようにしている。また、赤外線の入射は試料と黒体炉の距離が１０ｃｍの距離で行い、入射赤外線に１０Ｈｚのチョッピングを掛け、赤外線入射時の光電流を測定している。

図４は、上述したようにして得られた各センサのＳ／Ｎ比を、比較例試料のＳ／Ｎ比を１として規格化し、ＩｎＡｓ_0.2Ｓｂ_0.8層（第２の光吸収層）の各膜厚に対してプロットした結果を示す図である。図４に示すように、一番左が表１におけるＮｏ１で、一番右がＮｏ８に対応しており、ＩｎＡｓ_0.2Ｓｂ_0.8層（第２の光吸収層）の膜厚が、０．２５μｍより厚く、０．７μｍよりも薄い範囲、つまり、Ｎｏ３乃至Ｎｏ７で、比較例試料よりも高いＳ／Ｎ比が得られ、特に、０．３μｍ以上０．４μｍ以下の範囲、つまり、Ｎｏ３及びＮｏ４では２０％近いＳ／Ｎ比の増加が得られた。

１００赤外線センサ
１０１半絶縁性の半導体基板
１０２第１のｎ型化合物半導体層
１０３第１の光吸収層
１０４第１のｐ型ワイドバンドギャップ層
１０５第２のｎ型化合物半導体層
１０６第２の光吸収層
１０７第２のｐ型ワイドバンドギャップ層
１０８ｐ型キャップ層
１０９，１１０電極

Claims

半絶縁性の半導体基板と、
該半絶縁性の半導体基板上に設けられ、バンドギャップが０．１ｅＶ以上０．２５ｅＶ以下である第１のｎ型化合物半導体層と、
該第１のｎ型化合物半導体層上に設けられ、バンドギャップが０．１ｅＶ以上０．２５ｅＶ以下で、ノンドープもしくはｐ型ドーピングされた第１の光吸収層と、
該第１の光吸収層上に設けられ、バンドギャップが前記第１の光吸収層よりも大きく、かつ前記第１の光吸収層よりも高濃度にｐ型ドーピングされた第１のｐ型ワイドバンドギャップ層と、
該第１のｐ型ワイドバンドギャップ層上に設けられ、バンドギャップが前記第１の光吸収層よりも小さい第２のｎ型化合物半導体層と、
該第２のｎ型化合物半導体層上に設けられ、バンドギャップが前記第１の光吸収層よりも小さく、ノンドープもしくはｐ型ドーピングされた第２の光吸収層と、
該第２の光吸収層上に設けられ、バンドギャップが前記第２の光吸収層よりも大きく、前記第２の光吸収層よりも高濃度にｐ型ドーピングされた第２のｐ型ワイドバンドギャップ層と、
該第２のｐ型ワイドバンドギャップ層上に設けられ、バンドギャップが０．１ｅＶ以上０．２５ｅＶ以下で、前記第２のｐ型ワイドバンドギャップ層と同等またはそれ以上のｐ型ドーピングされたｐ型キャップ層と、
前記第１のｎ型化合物半導体層上と前記ｐ型キャップ層上に各々設けられた電極と
を備え、
前記半絶縁性の半導体基板がＧａＡｓであり、前記第１のｎ型化合物半導体層がＩｎＳｂであり、前記第１の光吸収層がＩｎＳｂであり、前記第１のｐ型ワイドバンドギャップ層がＩｎ _1-x Ａｌ _x Ｓｂ（０．０６≦ｘ≦０．７）であり、前記第２のｎ型化合物半導体層がＩｎＡｓ _x Ｓｂ _1-x （０＜ｘ＜０．７）であり、前記第２の光吸収層がＩｎＡｓ _0.2 Ｓｂ _0.8 であり、前記第２のｐ型ワイドバンドギャップ層がＩｎ _1-x Ａｌ _x Ｓｂ（０．０６≦ｘ≦０．７）であり、前記ｐ型キャップ層がＩｎＳｂであって、
前記第１の光吸収層と前記第２の光吸収層の合計膜厚が２μｍであり、かつ前記第２の光吸収層の膜厚が０．２５μｍより厚く、０．７μｍよりも薄い
ことを特徴とする赤外線センサ。