JPH02219280A

JPH02219280A - 半導体受光装置

Info

Publication number: JPH02219280A
Application number: JP1041255A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Miyamoto; 義博宮本; Koji Shinohara; 篠原　宏爾; Nobuyuki Kajiwara; 梶原　信之; Soichiro Hikita; 匹田　総一郎; Kazuya Kubo; 久保　加寿也
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1989-02-20
Filing date: 1989-02-20
Publication date: 1990-08-31
Anticipated expiration: 2013-01-14
Also published as: JP2697081B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔概　要〕半導体受光装置に関し、赤外線、特に８〜１４μｍの長波長帯の赤外線に感度を
有し、ＧａＡｓ系の超格子を用いた画素数の多い半導体
受光装置を目的とし、半導体基板の所定の結晶軸方向に対して垂直な主平面に
対して、所定の角度の傾斜を有する副平面を含む溝、或
いは穴を設け、少なくとも該副平面上に超格子を設けて
構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体受光装置に係り、赤外線、特に８〜１４
μｍの長波長帯の赤外線に感度を有し、ＧａＡｓ系の超
格子を用いた画素数の多い半導体受光装置に関する。

近年の半導体加工技術の進歩に伴い、可視光を撮像する
半導体受光装置として、シリコン（Ｓｉ）の電荷転送装
置（ＣＣＤ）を基本とした画素数の多い受光装置が開発
されている。また赤外線領域を撮像する受光装置として
もＳｉを材料として用い、該Ｓｉと白金等の金属とのシ
ョットキー接合を用いたショットキー接合型の電荷転送
装置においては、多画素の受光装置が開発されている。

然し、このＳｔショットキー接合型の受光装置は、３〜
５１１ＩＩ＋帯の赤外線にしか感度を有せず、更に８〜
１４μｍ帯の長波長の赤外線に感度を有し、かつ多画素
で一次元の受光装置の要求がある。

また衛星搭載用の一次元の受光装置に於いても、資源探
査の目的のために８〜１４μｍ帯の赤外線に感度を有し
、２０００〜４０００画素程度の長尺の寸法の赤外線受
光装置の要求がある。

〔従来の技術〕

従来の赤外線受光装置として８〜１４μｍ帯の赤外線に
感度を有する材料としては、Ｓｉにガリウム（Ｇａ）、
或いはマグネシウム（Ｍｇ）を高濃度に添加した外因型
Ｓｔ、鉛・錫・テルル（ＰｂＳｎＴｅ）、および水銀・
カドミウム・テルル（’ｇ＋−ｘ　Ｃｄｘ　Ｔｅ）等が
あり、その中でも赤外線検知材料としてＨｇ＋−ｘ　Ｃ
ｄｘＴｅを用いた赤外線受光装置が最も高性能である。

然し、上記Ｈｇ＋−ｘ　Ｃｄｘ　Ｔｅを用いて８〜１４
μｍ帯の波長に高感度で、かつ多画素の受光装置を得よ
うとしても、該受光装置に光を集光するレンズ等の光学
系の回折限界より、一画素の寸法は検知すべき赤外線の
波長より小さくすることは出来ず、そのため一画素の寸
法を縮小して半導体メモリ装置のように高集積化を図る
ことは出来ない。

このため、特に１０μｍ帯の赤外線受光装置では、素子
寸法を１０μｍＸ１０μｍ程度に太き（する必要があり
、かつ多画素化に伴って素子を形成する半導体ウェハの
面積を大きくしなければ成らず、１ウエハ当たりに形成
される素子数を確保して歩留まりを上げる必要がある。

然し、上記したＨｇ＋−ｘＣｄ、　Ｔｅの結晶は大面積
の結晶を得難い。

また上記受光装置が得た信号を処理する電荷転送装置等
は一般にＳｔ基板を材料として形成されており、この受
光装置と信号処理装置とを一体化した場合、各々の装置
を形成する基板の材料の熱膨張係数が異なるため、該受
光装置を使用する液体窒素温度と室温との温度サイクル
によって基板間に生じる熱歪が異なるため、受光装置と
信号処理装置は同一基板を用いて形成することが望まし
い。

このような要求を満たす受光装置として従来、第１２図
に示すように、側端部を所定の角度で斜め方向に切断加
工したＧａＡｓ基板１上に高濃度に不純物を添加したＧ
ａＡｓ層をコンタクト層２として形成した後、該コンタ
クト層２上にアルミニウム・ガリウム・砒素（ＡＩ！、
ＸＧａ１．−ＸＡｓ）の超格子３を数１０層積層した受
光部を形成し、その上に前記コンタクト層４を設け、該
コンタクト層２，４に電極を形成し、前記基板１の斜め
に加工した側端部ＩＡより矢印Ａ方向より入射した赤外
線を検知する半導体受光装置が文献（ＥＬＥＣＴＲＯＮ
ＩＣ３ＬＥＴＴＥＲ５９ｔｈ　Ｊｕｎｅ　１９８８　Ｖ
ｏｌ、２４　Ｎｏ、１２　Ｐ７４７）に於いて提案され
ている。そしてこの基板１の側端部１八より入射した赤
外線のエネルギーにより、＾１２ｘ　Ｇａ＋−ｘ　Ａｓ
の超格子３内に形成されたサブバンド間で遷移した電子
を検知して入射赤外線を検知している。

このように超格子３の各層に対して斜め方向に赤外線を
入射させる理由は、本来ならば超格子層の面に対して平
行に光を入射させるのが、最も変換効率が良いが、この
ように平行に入射させると超格子層が１μｍ程度以下と
極めて薄いために受光面積を大きくできず、入射効率が
悪い。

そのため、該超格子面の屈折率等を考慮して該超格子面
に対して所定の角度で入射させると最もサブバンド間の
電子の遷移効率が大となって最も変換効率が良くなると
されている。

またこの他に第１３図に示すように、プリズムのように
三角柱状に加工したＧａＡｓ基板１上に前記したＡｊ２
ＸＧａｌ−ｘ　Ａｓの超格子３よりなる受光部３＾、３
Ｂ。

３Ｃ・・・・・・を複数個アレイ状に形成し、前記基板
の斜め方向の加工面ＩＢより赤外線を入射し、この赤外
線を検知するアレイ状の半導体受光装置７も上記した文
献に提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

然し、上記した構造の一次元の受光装置７では、例えば
集光レンズ８を用いて集光した光がアレイ状に配列され
た複数の超格子よりなる受光部３Ａ、３Ｂ・・・・・・
に導入されるため、この光の焦点が各受光部の位置で全
て合致することは困難で、解像度の高い像が得られない
問題がある。そのため、上記した構造の受光装置では多
画素の二次元の受光装置は得られないのが現状である。

また上記したように赤外線検知装置と該検知装置で得ら
れた信号を処理する信号処理装置とを同一基板で形成す
ることが望ましいが、このようなＡｌｗ　Ｇａ＋−ＸＡ
ｓの超格子を設けたＧａＡｓ基板に信号処理装置を一体
化して設けた受光装置は現在提案されていないのが現状
である。

本発明は上記した事項に鑑みてなされたもので、上記超
格子を用いた二次元の高感度な赤外線受光装置を提供す
るとともに、該受光装置を形成した同一基板に信号処理
装置を設けた半導体受光装置の提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成する本発明の半導体受光装置は、第１図
の原理図に示すように、半導体基板１１の所定の結晶軸
方向に対して垂直な主平面１２に対して、所定の角度の
傾斜を有する副平面１３を含む溝、或いは穴１４を設け
、少なくとも該副平面１３上に超格子１５を設けたこと
で構成する。

〔作　用〕

第１図に示すように（００１）面が主平面１２のＧａＡ
ｓ基板１１は、文献（Ｊ、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、Ｓ
ｏｃ、　；５ＯＬＩＤ−３ＴＡＴｕ　５ＣＴＥＮＣＥ　
ＡＮＤ　ＴＥ（ＪＩＮＯＬＯＧＹ、　　Ｉ）ｅｃ、１９
８３　ＶｏＬ１３０、Ｎｏ、１２　Ｐ２４２７　）に示
されるように所定のエツチング液によって主平面に対し
て５４．７度の角度を有する（１１１）面の副平面１３
で囲まれた四角錐状の穴１４が開口される。或いは所定
のエツチング液によって主平面１２に対して４５度の角
度を有する（１１０）面の副子面１３で囲まれた７字状
の溝１４が形成される。

このようにＧａＡｓ基板１１に形成した穴、或いは溝１
４上にＡＩ！、ｘ　Ｇａ１−ｘ　Ａｓの超格子１５を形
成すると、仮に光を基板１１の主平面（表面および裏面
）１２に対して垂直方向に入射しても、受光部となる超
格子１４には所定の角度を持って光が入射するようにな
り、そのため光電変換効率の大きい受光装置が得られる
。

またＧａＡｓの基板上に前記＾１ｘＧａｌ−ｘ　Ａｓの
超格子の感光部を所定のパターンで形成し、該基板の周
辺部上の前記超格子を選択的に除去し、該周辺部にマル
チプレクサ等の信号処理回路を形成すると、前記ＧａＡ
ｓ基板で上記信号処理回路等を構成する半導体装置の製
造技術は進歩しているので、信号処理装置と受光部が同
一基板で形成され、装置の動作中、および非動作時の温
度サイクルによっても、熱歪の発生しない高性能な半導
体受光装置が得られる。

〔実　施　例〕

以下、図面を用いて本発明の実施例に付き詳細に説明す
る。

第２図は本発明の第１実施例の半導体受光装置の断面図
である。

図示するように主平面１２が（００１）面のＧａＡｓ基
板１１にエツチングによって（１１１）面を副平面とす
る四角錐状の穴１４、或いは（１１０）面を副平面とし
た７字状の溝１４が形成され、この穴、或いは溝１４を
含む基板上にＮ型の不純物を１０１８原子／ｃ＋ｎ３程
度に高濃度に添加されたＮ”　ＧａＡｓ層よりなるコン
タクト層２１が形成され、該コンタクト層２１上にノン
ドープのＡｌＸＧａ、−、＾Ｓの超格子１５が形成され
、この上には更にコンタクト層２２が形成され、該コン
タクト層２２上に金等の電極２３が形成されて受光装置
が形成されている。

上記第１実施例の半導体受光装置を形成するには第３図
（ａ）に示すように、前記ＧａＡｓ基板１１上に所定の
パターンに開口された５ｉｎ２膜２４を蒸着、或いはス
パッタ法により形成する。

次いで上記ＳｉＯ２膜２４をマスクとして用いて燐酸・
（Ｈ３ＰＯ４）　、過酸化水素（Ｈ２Ｏ。）、および水
（Ｈ２Ｏ）のエツチング液を用いてエツチングする。こ
のようにすると主平面１２に対して５４．７度の（１１
１）面の副平面１３を有する四角錐状の穴１４が二次元
的に形成される。

また上記ＳｉＯ□膜２４のマスクの開口部２５の形状を
変化させ、前記エツチング液の組成を変動させてエツチ
ングすることで、主平面１２に対して４５度の角度をな
す副平面を有する７字状の溝１４を一次元的に形成する
こともできる。

次いで第３図（ｂ）に示すように、液穴、または溝１４
を含む基板１１上に分子線エピタキシャル成長法等を用
いて１０′８原子／ｃｍ３程度に高濃度にＮ型の不純物
が添加されたコンタクト層２１を形成後、更にノンドー
プのＡｆｆｉ）Ｉ　Ｇａ＋−ｘ　Ａｓの超格子１５を数
１０層形成後、更にその上にコンタクト層２２を形成す
る。

次いで第３図（Ｃ）に示すように、主平面１２上のコン
タクト層２１を一部残留させた状態で超格子１５および
、その上のコンタクト層２２を所定のパターンでエツチ
ングした後、該コンタクト層２１．２２上に電極２３を
形成して半導体受光装置を形成する。

第４図は本発明の第２実施例の半導体受光装置の断面図
である。

図示するように主平面１２が（００１）面のＧａＡｓ基
板１１にエツチングによって（１１１）面を副平面１３
とする四角錐状の穴、或いは７字状の溝１４が形成され
、この穴、或いは溝１４を含む基板上にＮ型の不純物を
高濃度に添加されたＮ″ＧａＡｓ層よりなるコンタクト
層２１が形成され、該コンタクト層２１上にノンドープ
のＡｆｆｉ、Ｇａ、□へＳの超格子層１５が数１０層、
積層形成形成され、この上には赤外線を透過するＧａＡ
ｓよりなる透過層３１が分子線エピタキシャル成長方法
を用いて形成された後、バイアススパッタ法を用いて平
坦化されて埋設形成されて、その上には該赤外線を反射
する金、或いはゲルマニウムよりなる反射層３２が形成
され、前記コンタクト層２１と反射層３２上に電極２３
が形成されて受光装置が形成されている。

このようにすると赤外線を透過するＧａＡｓ基板の底部
より矢印Ａ方向に沿って入射された赤外線は、超格子１
５に導入され、この超格子を透過した一部の入射赤外線
が、更に透過層３１を通過して反射層３２に当たって超
格子１５に再入射されるので、第１実施例に比較して高
感度な受光装置が得られる。

上記第２実施例の半導体受光装置を形成するには第５図
（ａ）に示すように、前記ＧａＡｓ基板１１上に所定の
パターンに開口されたＳｉＯ□膜２４を蒸着に基板上に
形成する。

更にＳｉＯ□膜２４をマスクとし、燐酸（Ｈ３Ｐ（１４
）　、過酸化水素（ｕｚｏｇ）、および水（Ｈ２Ｏ）の
エツチング液を用いてエツチングする。このようにする
と主平面１２に対して５４．７度の（１１１）面の副平
面１３を含む四角錐状の穴１４が二次元的に形成される
。

また上記した５ｉ０２膜２４の開口部のパターンを変化
させて、上記エツチング液を構成する成分の割合を変動
させてエツチングすると主平面１２に対して４５度の角
度の（１１０）面の副平面１３を有する７字状の一次元
の溝１４が形成される。

次いで第５図［有］）に示すように液穴、或いは溝１４
を含む基板上に分子線エピタキシャル成長法等を用いて
１０Ｉ８原子／ｃｗＩ″程度に高濃度にＮ型の不純物が
添加されたコンタクト層２１を形成後、更にノンドープ
のＡｆｘＧａ＋−ｘへＳの超格子１５を数１０層形成後
、更にコンタクト層２２を形成後、該コンタクト層２２
上にＧａＡｓよりなる赤外線の透過層３１を厚く形成す
る。

次いで第５図（Ｃ）に示すように、バイアススパッタ法
を用いて該透過層３１の表面を主平面１２と平行になる
ように平坦に加工後、該基板１１上の積層された超格子
１５とコンタクト層２２を一部除去した後、金・ゲルマ
ニウム合金の反射層３２を形成して受光装置を形成する
。

本発明の半導体受光装置の第３実施例を第６図（ａ）に
示し、その等価回路図を第６図（ｂ）に示す。

本実施例は、前記形成した第２実施例の受光装置の反射
層３２を金・ゲルマニウム合金等の導体層で形成し、そ
の上に５ｉｎ２膜よりなる絶縁膜４１を設けた後、更に
該絶縁膜４１上に金・ゲルマニウム合金よりなる導体層
４２を設け、該絶縁膜４１を積分容量としたものである
。

かかる受光装置の動作を説明すると、第６図［有］）に
示すように前記形成した導電性の反射層３２と本実施例
で形成した導体層４２の間に電圧を印加して前記絶縁膜
４１で形成された容量４３に電荷を蓄積する。更に上記
電圧の印加を停止して所定時間放置した段階で上記導体
層４２と反射層３２の間の電圧を測定する。そしてこの
放電時間の間に前記超格子１５に赤外線を導入すること
で該超格子の抵抗が変動し、該超格子が光導電層となる
ので、この光導電層によって放電後の電圧変動を検知す
ることで赤外線を検知する。

このようにすれば容量を充電し、超格子に導入された赤
外線の光伝導で放電することで、この容量に積分効果が
生じ、Ｓ／Ｎ比の向上した半導体受光装置が得られる。

本発明の半導体受光装置の第４実施例を第７図に示す。

本実施例が第１．第２および第３実施例と異なる点は上
記した主平面１２内に複数の副平面１３を規則的に配置
し、核上および副子面上に超格子１５を設けた点にある
。

このようにすることで超格子１５で形成される受光部領
域の面積が増大し、前記第１．第２および第３実施例よ
り更に高感度な検知装置が得られる。

本発明の半導体受光装置の第５実施例を第８図（ａ）お
よび第８図（ｂ）の斜視図に示す。本実施例では第８図
（ａ）および第８図（ｂ）に示すように、基板１１の主
平面１２と該主平面に対して所定の角度で傾斜した副平
面１３をエツチングにより形成し、該副平面１３を含む
穴１４、或いは溝１４を設けた後、該基板上の全面に超
格子１５を設け、該基板の周辺部上の超格子のみを選択
的に除去した後、該溝１４上に形成された超格子１５を
所定のピッチで分離すると共に、穴１４上にのみ超格子
が残留するようにエツチングし、露出された平坦な主平
面１２に電極２３を設Ｌ−する。

このようにすれば素子分離されたアレイ状の一次元の受
光装置が得られる。

本発明の半導体受光装置の第６実施例を第９図に示す。

図示するようにＧａＡｓ基板１１に該基板の主平面に対
して所定の角度の副平面１３を有する穴１４を二次元的
に設け、該穴１４上に選択的に超格子１５を設けて受光
部を設ける。そして各受光部の超格子１５に対応して、
ショットキー接合型のＭＥＳ　ＦＥＴ（ＭｅｔａｌＳｅ
ｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ＦＥＴ）よりなるスイッチン
グ素子５１のソース領域が前記超格子に接続するように
設ける。

更に該スイッチング素子５１のゲート電極に接続するシ
フトレジスタ５２、該スイッチング素子５１のドレイン
領域に接続するマルチプレクサ５３等の信号処理回路を
基板の周辺部に設けることで、各受光部１５からの信号
をシフトレジスタ５２で走査し、マルチプレクサ５３で
時系列信号に変換して信号処理できるラインアドレス型
の二次元の撮像装置が得られる。

本発明の半導体受光装置の第７実施例の構成図を第１０
図（ａ）に、該実施例の等価回路図を第１０図（ｂ）に
示す。第１０図（ａ）、および第１０図（ｂ）に図示す
るように、ＧａＡｓ基板に前記した第３実施例に示した
受光素子６１を二次元的に所定のピッチで配設し、該受
光素子６１の各受光部の超格子に対応して、ショットキ
ー接合型のＭＥＳ　ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｓｅｍ１ｃｏ
ｎｄｕｃｔｏｒ）よりなるスイッチング素子５１のソー
ス領域が前記超格子に接続するように設ける。

更に該スイッチング素子５１のゲート電極に接続するシ
フトレジスタ５２、該スイッチング素子５１のドレイン
領域に接続するマルチプレクサ５３等の信号処理回路を
基板の周辺部に設ける。そして該シフトレジスタ５２で
所定の位置の受光素子６１を設定し、この受光素子６１
に対応したスイッチング素子５１に電圧を印加すること
で受光素子の容量４３に電荷を蓄積する。そして該スイ
チング素子５１の電圧の印加を停止し、容量４３より電
荷を放電させる。

そしてこの所定位置の受光素子に赤外線が入射するとそ
の超格子の抵抗４４の値が変動するので、これによって
所定時間後放電されたスイッチング素子の電圧変動をマ
ルチプレクサで５３読み取ることで入射された赤外線が
検知でき、二次元の撮像装置が得られる。

本発明の第８実施例を第１１図に示す。

図示するように上記第１乃至第７実施例で形成した半導
体受光装置の受光面側を、液体窒素等を用いて冷却した
コールドヘッド７１上に対向するようにＩｎ金属バンプ
７２等を用いて接続する。そして基板の裏面側にＺｎＳ
等の反射防止膜７３を蒸着等により形成し、裏面側より
赤外線を入射させ、コールドヘッド７１の側面に形成し
た配線層７４を介して該受光装置に電圧を印加するよう
にする。このようにすればＧａＡｓは比較的熱容量が大
で熱が放熱し難い特性を有しているが、この動作時の基
板をコールドヘッドで冷却することで雑音の少ない高感
度の受光装置が得られる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように本発明によれば、多画素
で、赤外線、特に８〜１４μｍ帯の長波長帯に高感度を
有する高性能な半導体受光装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体受光装置の原理図、第２図は本
発明の半導体受光装置の第１実施例の断面図、第３図（ａ）より第３図（Ｃ）迄は第１実施例の受光装
置の製造工程を示す断面図、第４図は本発明の半導体受光装置の第２実施例の断面図
、第５図（ａ）より第５図（Ｃ）迄は第２実施例の製造工
程を示す断面図、第６図（ａ）は本発明の装置の第３実施例の断面図、第
６図（ｂ）は第３実施例の等価回路図、２　〇− 第７図は本発明の装置の第４実施例の断面図、第８図（
ａ）および第８図（ｂ）は本発明の装置の第５実施例の
斜視図、第９図は本発明の装置の第６実施例の平面図、第１０図
（ａ）は本発明の装置の第７実施例の構成図、第１０図
（ハ）は第７実施例の等価回路図、第１１図は本発明の
装置の第８実施例の断面図、第１２図は従来の装置の断
面図、第１３図は従来の装置の模式図を示す。図において、１１は半導体基板（ＧａＡｓ基板）、１２は主平面、１
３は副平面、１４は溝、或いは穴、１５は超格子、２１
．２２はコンタクト層、２３は電極、２４は５ｉｎ２膜
、２５は開口部、３１は透過層、３２は反射層、４１は
絶縁膜、４２は導体層、４３は容量、４４は抵抗、５１
はスイッチング素子、５２はシフトレジスタ、５３はマ
ルチプレクサ、６１は受光素子、７１はコールドヘッド
、７２は金属バンプ、７３は反射防止膜、７４は配線層
を示す。喜

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板（１１）の所定の結晶軸方向に垂直な
主平面（１２）に対して、所定の角度の傾斜を有する副
平面（１３）を含む溝、或いは穴（１４）を設け、少な
くとも該平面（１２、１３）上に超格子（１５）を設け
て受光部としたことを特徴とする半導体受光装置。
（２）前記超格子（１４）を設けた溝、或いは穴（１４
）に検知すべき光の透過層（３１）を埋設して該透過層
表面を基板の主平面（１２）に対して平坦と成し、該透
過層（３１）上に検知すべき光の反射層（３２）を設け
たことを特徴とする請求項１記載の半導体受光装置。
（３）前記反射層（３２）を導電体層で形成すると共に
、該反射層（３２）上に絶縁層（４１）および導電体層
（４２）を設けて積分容量としたことを特徴とする請求
項２記載の半導体受光装置。
（４）前記基板（１１）の主平面（１２）内に複数の前
記副平面（１３）を規則的に設けたことを特徴とする請
求項１、２または３記載の半導体受光装置。
（５）前記基板（１１）の主平面上に配線および周辺回
路（５２、５３）を設け、該周辺回路は前記受光部から
の信号を走査し、時系列信号に変換することを特徴とす
る請求項１、２、３または４記載の半導体受光装置。
（６）超格子（１５）を設けた基板面に対向して冷却手
段（７１）を設け、基板（１１）の裏面側より検知すべ
き光を導入することを特徴とする請求項１、２、３、４
または５に記載の半導体受光装置。