JPH04318979A - 配列型赤外線検知器の製造方法 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、禁制帯幅の比較的狭い
半導体を用いた配列型赤外線検知器及びその製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に赤外線検知器においては、禁制帯
幅の比較的狭い半導体を用いたものが高感度であること
が知られている。特に、単体の検知素子を一次元，二次
元に配列した構成を採った検知器は赤外線撮像装置に用
いる場合非常に有効である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の配列型赤外線検
知器の構成としては、例えば雑誌”エス・ピー・アイ・
イー（Ｓ．Ｐ．Ｉ．Ｅ）”（第４４３巻１９８３年１２
０頁）に示されているように、赤外線検知器部に狭禁制
帯幅の半導体を用い、これをシリコンのＣＣＤ（電荷結
合素子）等の信号処理部に接続したハイブリッド構造が
知られている。

【０００４】図３は従来の配列型赤外線検知器の一例を
示す断面図である。同図において、従来の配列型赤外線
検知器の構成は、ＣｄＴｅ基板１１，Ｈｇ０．８Ｃｄ０
．２Ｔｅ層１２，このＨｇ０．８Ｃｄ０．２Ｔｅ層１２
上に形成された赤外線検知部となるホトダイオード１３
，インジウム柱１４，シリコンＣＣＤを含む信号処理用
チップ１５，信号処理部への電荷信号注入層１６とを有
しており、赤外光１０は図中下側から入射する。この構
成においては、ＣｄＴｅ基板１１上にエピタキシャル成
長させたＨｇ０．８Ｃｄ０．２Ｔｅ層１２中に赤外線検
知部となるホトダイオード１３をイオン注入法により形
成し、そのホトダイオードからの出力となる電気信号を
インジウム柱１４，電荷信号注入層１６を通して信号処
理用チップ１５に入力するものである。これにより、入
射赤外光１０によって配列内の各赤外線検知部に発生し
た出力信号は信号処理用チップ１５を通して外部に読み
出され赤外画像として出力される。この場合、最大波長
１０μｍ程度までの赤外線を検知できる。

【０００５】しかしながら、このような配列型赤外線検
知器にはその構造及び製作工程において以下に述べる欠
点が存在する。

【０００６】従来例において、ホトダイオードの形成は
、選択的にイオン注入することによって行っている。 イオン注入法はキャリア濃度制御などの点で優れている
が、形成されたｐ−ｎ接合近傍で多くの結晶欠陥が生じ
るのが欠点である。特にＨｇＣｄＴｅのような非常に脆
い半導体を用いる場合、これは大きな問題となる。図３
において入射した赤外光１０はＨｇＣｄＴｅ１２により
吸収され電子・正孔対を発生し、この電子・正孔は拡散
しｐ−ｎ接合まで達すると個々のホトダイオードの出力
となる。赤外線検知器においては暗電流の少ないものが
感度などの面で良い特性を示すが、この光電変換の過程
において、ｐ−ｎ接合界面に結晶欠陥が多いと再結合に
よる暗電流が増加するため、検知器としては、十分な特
性のものは得られない。従って、イオン注入のみにより
形成されたｐ−ｎ接合を有したホトダイオードでは、十
分な低暗電流化は図れない。

【０００７】この暗電流を抑える方法として、注入後の
熱処理が考えられる。ある条件のもとで熱処理を行うと
、ｐ−ｎ接合位置がイオン注入直後のその位置に比べ３
〜４μｍ奥の方に拡がる。その結果ｐ−ｎ接合は、イオ
ン注入のダメージをほとんど受けていない領域に移動す
るため、暗電流の少ないホトダイオードが得られる。 従来の３２×３２又は６４×６４程度の配列型赤外線検
知器では、ホトダイオードのピッチ及び受光径は、典型
的にはそれぞれ５０μｍ，３０μｍであるが、将来の高
解像度化を図るために画素数を１２８×１２８，２５６
×２５６に増やす場合、ピッチ，受光径を従来の１／３
〜１／４にすることが必要である。即ち、ピッチが１５
μｍ，受光径が１０μｍ以下が要求される。従来例の構
造において画素数を増やし、さらにホトダイオードの特
性向上のためにイオン注入後の熱処理を行うと、ｐ−ｎ
接合界面が拡がるため各ホトダイオードが電気的に接続
し画素間の独立性が保てなくなる。従って、配列型赤外
線検知器としての機能は得られない。

【０００８】従来の配列型赤外線検知器の例として上述
したものの他に”アドバンスト・インフラレッド・ディ
テクターズ・アンド・システムズ”（１９８３年１２頁
）に示されている検知器がある。これは、Ｈｇ０．８Ｃ
ｄ０．２Ｔｅ層上に形成された赤外線検知部となるホト
ダイオードがそこに形成された貫通孔を通してシリコン
ＣＣＤを含む信号処理用チップと電気的に接続される構
成を採っている。この場合でもホトダイオードはイオン
注入により形成されており、注入後の熱処理によりホト
ダイオード特性の向上と、多画素かによるピッチの縮小
を同時に満足できないのは先の従来例で述べたのと同様
である。

【０００９】以上説明したように、解像度を上げるため
画素数を多くし、かつホトダイオード特性の向上も同時
に図ることは従来の構造及び製造方法では困難である。

【００１０】本発明の目的は、これらの欠点を除いた配
列型赤外線検知器及びその製造方法を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
、本発明に係る配列型赤外線検知器においては、禁制帯
幅の比較的狭い化合物半導体上に配列して形成されたホ
トダイオードは、メサ型の構造を有し、前記各ホトダイ
オードは、イオン注入後の熱処理により形成されたｐ−
ｎ接合を有し、前記ｐ−ｎ接合は、前記イオン注入の平
均射影飛程に比べ十分深い位置にあり、前記ｐ−ｎ接合
と前記平均射影飛程の間の不純物濃度が前記平均射影飛
程以内の不純物濃度に比べ少なくとも一桁以上小さく、
かつ同導電型であり、前記各ホトダイオードは、信号処
理用のシリコンチップと電気的に接続されているもので
ある。

【００１２】また、本発明に係る配列型赤外線検知器の
製造方法においては、禁制帯幅の比較的狭い化合物半導
体全面に前記化合物半導体と反対の導電性を有する層を
イオン注入により形成する工程と、各画素に対応するよ
うにｐ−ｎ接合をエッチングにより分離する工程と、前
記エッチング工程の後に熱処理を行う工程とを含むもの
である。

【００１３】

【作用】本発明の製造方法により製作した配列型赤外線
検知器は、各画素となるホトダイオードがイオン注入後
の熱処理により拡散したｐ−ｎ接合界面を有している構
造である。各ホトダイオードは、イオン注入によるダメ
ージを受けていない領域にｐ−ｎ接合があるため、結晶
欠陥に起因するｐ−ｎ接合部での再結晶電流が非常に小
さく、さらに、熱処理により拡散した領域は不純物濃度
が低いため、基板側の不純物濃度の高低によらず、トン
ネル電流も小さく抑えられ、ホトダイオードとしては優
れた特性を示す。各ホトダイオードの電気的な分離は、
イオン注入後のメサ型構造形成により行っており、従っ
て、その後の熱処理によるｐ−ｎ接合界面の拡散に関し
ては、横方向のみの拡がりが制限される。このため、各
画素間での電気的な分離を採りながら配列されたホトダ
イオードのピッチを十分に小さくする、即ち単位面積当
りに配列するホトダイオードの数を多くすることが可能
となる。

【００１４】このように本発明の構造及び製造方法にお
いては、各ホトダイオードの暗電流が小さいため、温度
分解能が高く高感度でさらに十分な多画素化が可能であ
り、高解像度の配列型赤外線検知器が得られる。

【００１５】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００１６】図１は、本発明の実施例を示す断面図であ
る。ここでは狭禁制帯幅の化合物半導体としてｐ−Ｈｇ
０．８Ｃｄ０．２Ｔｅ層を用いた場合につき示す。図２
は本発明の製造方法を説明するための図である。まず図
２を用いて、本発明の製造方法を説明する。

【００１７】図２（ａ）に示すように、ＣｄＴｅ基板１
上にエピタキシャル成長した約１５μｍのｐ−Ｈｇ０．
８Ｃｄ０．２Ｔｅ層２に、ホウ素イオンのイオン注入に
よりｎ＋−Ｈｇ０．８Ｃｄ０．２Ｔｅイオン注入領域４
を形成する。深さは約１．５μｍである。このときｐ−
Ｈｇ０．８Ｃｄ０．２Ｔｅ層２とｎ＋−Ｈｇ０．８Ｃｄ
０．２Ｔｅイオン注入領域４の界面のｐ−ｎ接合近傍に
はイオン注入によるダメージが数多く存在している。

【００１８】次に図２（ｂ）に示すように、反応性イオ
ンビームエッチング法により各画素に対応するようにメ
サを２次元に配列させてホトダイオードを形成した後、
表面保護膜６を堆積する。このときのメサの深さは、ｎ
＋−Ｈｇ０．８Ｃｄ０．２Ｔｅイオン注入領域４より深
くなるように４μｍとした。各ホトダイオードの直径は
１０μｍ，ピッチは１５μｍで、５ｍｍ四方の中に２５
６×２５６個のホトダイオードが集積されている。表面
保護膜６としては硫化亜鉛を用いた。

【００１９】次に図２（ｃ）に示すように、窒素雰囲気
中で１５０℃１時間の熱処理を行う。その結果ｎ＋−Ｈ
ｇ０．８Ｃｄ０．２Ｔｅイオン注入領域４より比較的キ
ャリア濃度の低いｎ−−Ｈｇ０．８Ｃｄ０．２Ｔｅ拡散
領域３が拡がり、ｐ−ｎ接合は、イオン注入によるダメ
ージの影響のないより深い位置へと移動する。これは、
ＨｇＣｄＴｅの場合格子間中のＨｇ原子の拡散が主な原
因と考えられ、先の条件の場合拡散幅は３．５〜４．０
μｍである。図２（ｃ）に示すように、メサを形成して
いるため、この拡散は主に深さ方向にのみ拡がり、横方
向への拡がりはメサよりも深い部分でのみ生じ、それは
１〜１．５μｍと非常に小さい。従って前述したように
各ホトダイオードのピッチを１５μｍと小さくしても、
本発明の構造，製造方法を用いれば熱処理により画素間
が結合するという問題はない。最後にインジウム柱７を
介して信号処理用チップと電気的に接合させる。最終的
な構造が図１に示されている。

【００２０】次に図１を用いて、本発明の配列型赤外線
検知器の動作について説明する。

【００２１】入射赤外光１０が図中下側から入射する。 ＣｄＴｅ基板１を通過しｐ−Ｈｇ０．８Ｃｄ０．２Ｔｅ
層２で吸収された赤外光１０はキャリア（電子又はホー
ル）を発生し、この場合、少数キャリアである電子は、
拡散長以内にあるホトダイオード５に達すると、インジ
ウム柱７を介して電荷信号注入層８へ送り込まれ、信号
処理用チップ９により出力信号として出力される。

【００２２】赤外線検知器においては、暗電流の少ない
ものが感度などの面で良い特性を示す。本発明の構造で
は、ｐ−ｎ接合が熱処理により形成され、イオン注入に
よるダメージのない領域に位置しているので、光電変換
の過程において、ｐ−ｎ接合界面存在する結晶欠陥で生
じる再結合による暗電流が非常に少ない。さらに比較的
キャリア濃度の低いｎ−−Ｈｇ０．８Ｃｄ０．２Ｔｅ拡
散領域３が存在するためにＣｄＴｅ基板１の不純物濃度
の高低によらずトンネル電流による暗電流も十分小さく
抑えられるため、各ホトダイオードでは十分な低暗電流
化が図れ、特性の優れた赤外線検知器が得られる。

【００２３】本実施例では狭禁制帯幅の化合物半導体と
してｐ−Ｈｇ０．８Ｃｄ０．２Ｔｅ層を用いた場合につ
いて示したが、材料，極性，組成に関してはこれに限定
されるものではない。

【００２４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の構
造及び製造方法においては、各ホトダイオードの暗電流
が小さいため、温度分解能が高く高感度でさらに十分な
多画素化が可能であり、高解像度の配列型赤外線検知器
を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である配列型赤外線検知器を示
す断面図である。

【図２】本発明の製造方法を工程順に示す断面図である
。

【図３】従来例を説明するための断面図である。

【符号の説明】

１，１１　　ＣｄＴｅ基板 ２，１２　　ｐ−Ｈｇ０．８Ｃｄ０．２Ｔｅ層３　　ｎ
−−Ｈｇ０．８Ｃｄ０．２Ｔｅ拡散領域４　　ｎ＋−Ｈ
ｇ０．８Ｃｄ０．２Ｔｅイオン注入領域５，１３　　ホ
トダイオード ６　　表面保護膜 ７，１４　　インジウム柱 ８，１６　　電荷信号注入層 ９，１５　　信号処理用チップ １０　　赤外光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　禁制帯幅の比較的狭い化合物半導体上
   に配列して形成されたホトダイオードは、メサ型の構造
   を有し、前記各ホトダイオードは、イオン注入後の熱処
   理により形成されたｐ−ｎ接合を有し、前記ｐ−ｎ接合
   は、前記イオン注入の平均射影飛程に比べ十分深い位置
   にあり、前記ｐ−ｎ接合と前記平均射影飛程の間の不純
   物濃度が前記平均射影飛程以内の不純物濃度に比べ少な
   くとも一桁以上小さく、かつ同導電型であり、前記各ホ
   トダイオードは、信号処理用のシリコンチップと電気的
   に接続されていることを特徴とする配列型赤外線検知器
   。
2. 【請求項２】　　禁制帯幅の比較的狭い化合物半導体全
   面に前記化合物半導体と反対の導電性を有する層をイオ
   ン注入により形成する工程と、各画素に対応するように
   ｐ−ｎ接合をエッチングにより分離する工程と、前記エ
   ッチング工程の後に熱処理を行う工程とを含むことを特
   徴とする配列型赤外線検知器の製造方法。