JPH08502147A - ヘテロ接合ブロッキング接点を持つインピーダンス整合光導電赤外線検出器 - Google Patents

ヘテロ接合ブロッキング接点を持つインピーダンス整合光導電赤外線検出器

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JPH08502147A
JPH08502147A JP7506471A JP50647194A JPH08502147A JP H08502147 A JPH08502147 A JP H08502147A JP 7506471 A JP7506471 A JP 7506471A JP 50647194 A JP50647194 A JP 50647194A JP H08502147 A JPH08502147 A JP H08502147A
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シマト,タマス、アー
バーンズ,スカット、エル
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ローラル、ヴァウト、システィムズ、コーパレイシャン
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Abstract

(57)【要約】 アイソタイプ・ヘテロ接合インピーダンス整合光導電赤外線検出器は、この検出器の底部側に位置させたブロッキング接点66,68を備えている。これ等のブロッキング接点66,68は、検出器の活性領域からの少数キャリヤの移動を防ぐことにより、これ等のキャリヤの寿命を延ばす。この検出器は成長基板40に先ず活性層42を次いでアイソタイプ・ブロッキング層44を作ることによつて形成する。これ等の層をエッチングし、適当なパッシベーション層93及び接点98,100を当てがう。本検出器には機械的支持基板90を当てがい、成長基板40を除く。この検出器の活性層42内に延びるエッチング止め穴48,50が形成される。インピーダンス整合検出器設計に必要な活性層42の精密な厚さは、活性層42の表面がエッチング止め穴48,50に達するまで活性層42をエッチング処理で薄くすることにより生ずる。前記した構造及び方法により作る検出器は赤外線焦点面配列を形成することのできるこのような検出器の配列に使うのに極めて適合している。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 ヘテロ接合ブロツキング接点を持つインピーダンス整合光導電赤 外線検出器 技術分野 本発明は、一般に光導電赤外線検出器、ことにヘテロ接合ブロツキング接点( heterojunction blocking contact)を持つこ のような検出器の構造及び製法に関する。 背景技術 光導電赤外線検出器の作動の際の切実な問題は、「スイープ・アウト(sw eep−out)の問題である。これは少数キヤリヤの正規の寿命より実質的に 短い時間で印加電界によるこれ等の少数キヤリヤの活性材料から接触片への移行 である。キヤリヤのこの減少した寿命により、検出器の有効性が低下する。スイ ープ・アウト(sweep−out)は、高い両極性可動度を持つP形検出器材 料では長期にわたる問題であり、又高性能のN形検出器材料では一層大きい問題 になる。スイープ・アウトの問題は、少数キヤリヤの移動をブロック(bloc k)するのに活性材料及び接点間にアイソタイプ(isotype)異質接合の 使用により低減できることが認められている。しかし有効なインピーダンス整合 光導電赤外線検出器を[impedance−matc hed infrared photoconductive(IMPC)de tector]を作るのにアイソタイプ・ヘテロ接合[isotypehete rojunction]の設計及び製造に困難な問題がある。 インピーダンス整合赤外線光導電(IMPC)検出器では、活性吸収材料の厚 さは吸収深さすなわち入斜線が吸収される深さより著しく小さい。高い量子効率 を保持するには、通常誘電性多重層スペーサ領域と高反射率接地面とから成るイ ンピーダンス整合サブ構造が必要である。インピーダンス整合サブ構造と共に活 性吸収層は、入射線を捕捉する光共振器を構成しこの入射線を活性層内に完全に 吸収することができる。このようにしてIMPC検出器の量子効率は、活性材料 の厚さが入射線の吸収深さに匹敵する普通の光導電体に同等にすることができる 。高い量子効率を保ちながら活性材料体積を減らすとS−N比が向上するように なる。活性層の変型例は、限定するものではないが、エピレイヤ(epilay er)水銀カドミウムテルライド、エピレイヤインジウムアンチモナイド、エピ レイヤインジウムアンチモナイドアーセナイド、エピレイヤガリウムインジウム アンチモナイド、超格子インジウムアンチモナイド/インジウムアンチモナイド アーセナイド及び超格子インジウムアーセナイド/ガリウムインジウムアンチモ ナイドがある。 アイソタイプ・ヘテロ接合ブロッキン接点では、一層広い帯状すきまアイソタ イプ半導体層は、その特性帯状 すきまエネルギーにより活性層でエピタキシアル生長をする。従来の長派長赤外 線(LWIR)水銀ガドミウムテルライド光導電性検出器の異質構造阻止接触片 の1例は、ジヤーナル・オブ・アプライド・フイジックス(Journal o f Applied Physics)(1985年)第58巻第2360ない し2370頁のD.K.アーチ(Arch)、R.A.ウッド(Wood)、及 びD.L.スミス(Smith)を著者とする論文「高応答性HgCdTe異質 接合光導電体」に記載してある。 層厚さの精密な制御は、インピーダンス整合光導電赤外線検出器の最適の性能 のために重要である。本発明は、アイソタイプ・ヘテロ接合ブロツキング接点を 備えたIMPCの層厚さの精密制御のできる構造とこのような検出器の製法を提 供する。 発明の開示 本発明の選定した実施例はインピーダンス整合光導電赤外線検出器の製法にあ る。この方法は、活性層表面の第1の面にキヤリヤ・ブロツキンッグ層を形成す ることにより追従する成長基板により支えた赤外線活性層を形成する工程を含む 。キヤリヤ・ブロツキング層はエッチングされて(etched)活性層(ac tive layer)の検出器領域を露出し、又この検出器領域の互いに対向 する側にキヤリヤ・ブロツキング層の第1及び第2の領域を形成する。キャリヤ ・ブロツキング層 の領域の検出器面と活性層の検出器領域とにパツシベーシヨン層(passiv ation layer)を形成する。このパツシベーシヨン層をエッチングし て第1及び第2のブロツキング層領域に各穴を形成する第1及び第2のブロツキ ング層領域の穴を貫通するオーム接点を形成する。各オーム接点に相互接続金属 被覆(interconnect metallization)を形成しデバ イス区域から横方向に延びるようにする。スペーサ層の表面に接地面を形成する 。支持基板は、接地面、オーム接点及び相互接続金属被覆に接合し、次いで成長 基板を除去し、活性層の第2の表面を露出する。この活性層の第2の表面をエッ チングし、この活性層を所定の厚さにする。 本発明の別の実施例は、第1及び第2の扁平なオフセットオーム接点を接合し た支持基板を備えたイピーダンス整合光導電赤外線検出器である。第1及びび第 2の支持体ブロッキング領域は、それぞれ支持基板に対向する各オーム接点の表 面に位置させてある。接地面は、各オーム接点に対向する第1及び第2のブロッ キング領域面の表面の間にその下方に横方向に位置させてある。誘電性スペーサ 層は、接地面の表面の上方に位置し第1及び第2の阻止領域間に少なくとも部分 的に位置する。赤外線活性層は、オーム接点に対向する阻止領域の表面に少なく とも部分に位置させてある。この活性層は阻止領域に電気的に接触し、又この活 性層は接地面から誘電性ス ペーサ層の反対側に位置している。 本発明のなお別の態様は選定した材料から成る精密な厚さの層と一体構造とを 作る方法にある。選定した材料から成る第1の層は基板に形成してある。この第 1の層は、基板に隣接する第1の表面と、この第1の層の基板の反対側の第2の 表面とを持つ。第2の層は、第2の材料により第1の層の第2の表面に形成して ある。エッチング止め穴は、第2の層を貫いて第1の層内にこの第1の層内に所 定の深さにエッチングを行うことにより形成する。この場合エッチング止め穴の 底部は第1の層にある。次に基板を取除く。最後に第1の層の第1の表面をエツ チングし、このエッチングした第1の表面がエッチング止め穴の底部に実質的に 平行になるまで第1の層の厚さを減らす。このエッチング作業の結果として、第 1の層は前記の所定の深さに実質的に等しい厚さを持つ。 図面の簡単な説明 本発明及びその利点を添付図面(必ずしも縮尺を合わせてない)について以下 に詳細に説明する。 第1図は従来のヘテロ接合光導電赤外線検出器の縦断面図である。 第2a図ないし第2j図は本発明によるヘテロ接合赤外線検出器の第1の実施 例を作る逐次の製造工程を示す縦断面図であり第2j図は完成した検出器の縦断 面図を示す。 第2k図は仕上がりの検出器の第2の実施例の縦断面 図である。 実施例の詳細な説明 略図で示したヘテロ接合を持つ従来の赤外線半導体検出器20を第1図に例示 してある[アーチ(Arch)等による前記した論文参照]。基板22は、その 表面にブロツキング層26を持つ活性層24を支える。基盤22はたとえばCd Te基板でよい。活性層24はHg1-xCdxTeである。この材料はx=0.2 の値を持つ。この場合xはHgに対するCdの比率である。ブロツキング層26 は、同様な材料であるが、x=0.24の値を持つ。xの値のこの差は、接点へ の少数キャリヤの移動をブロックする作用をする禁止帯幅エネルギーに差を生ず る。 CdTeのような材料から成るパツシベーシヨン層28は検出器20の中央に 設けてある。パツシベーション層28の各側に、例えばチタン、無電解金又はH gTeである接点30,32を設けてある。チタン、無電解金又はHgTeの接 点30及びブロツキング層26間と共にチタン又は無電解金の接点32及びブロ ツキング層26間にオーム接続を形成してある。 第1図に示したヘテロ接合構造は、少数キヤリヤの放出を防ぐことにより赤外 線半導体検出器20の性能を高めるように作用する。しかしこの構造及びその製 法は焦点面配列に使うインピーダンス整合光導電赤外線検出器の製造には望まし くない。 本発明によるブロツキング接点をもつインピーダンス整合光導電赤外線検出器 の製造の各段階は、第2a図ないし第2j図に断面図で例示してある。2つの実 施例の最終製品の断面図を第2j図及び第2k図に例示してある。この赤外線半 導体検出器は8ないし12μのスペクトル帯域の放射線を検出するようにしてあ る。 第2a図に示すように製造は、例えばカドミウムテルライド(CdTe)、カ ドミウム亜鉛テルライド(CdZnTe)、又はガリウムアーセナイド(GaA s)である生長基板40で開始する。エピタキシアルアイソタイプ活性層42は 、2ないし10μmの範囲の厚さをもつx=0.2Hg1-xCdxTeエピレイヤ である。ブロツキング層44は活性層42の表面で同様にエピタキシアル成長す る。ブロツキング層44は厚さが約1μmでx=0.24のHg1-xCdxTeエ ピレイヤ(epilayer)により構成するのがよい。各エピレイヤ42,4 4は、たとえば有機金属気相成長(OMVPE)[vapor phase e pitaxy],(分子線成長(MBE)(molecular beame pitaxy)、液相成長(LPE)[liquid phase epita xy])又は密閉空間気相成長(CSVPE)[closed−spaced vapor phase epitaxy]により成長するのがよい。又これ等 の2層に対するこれ等の成長法の組合わせを使ってもよい。各層の厚さは生長法 の校正により 制御する。 この方法の次の工程は第2b図に例示してある。ブロツキング層44は活性層 42の上面からエッチングを行い検出器固有領域46を形成する。各層44,4 2も又エッチングを行い穴48,50を形成する。各穴48,50はブロツキン グ層44を貫通し活性層42内に距離(深さ)taにわたつて延びる。距離ta は活性層42の望ましい最終厚さであり本実施例では0.6μである。 層44のエッチングにより、検出器固有領域46の各側にあるブロツキング接 点領域44a,44bを生成する。各層44,42のエッチングは、臭素エチレ ングリコールウエツトエッチング法又は遊離メチルプラズマエツチング法を使っ て実施するのがよい。各穴48,50は活性層42内に深さtaまで延びる。エ ッチングの止めの決定に引続いて使う各穴48,50は単に例示のために検出器 固有領域46に隣接して示してある。各検出器固有領域46に対し穴48,50 の一方を必要とするわけではない。典型的には数百又は数千の検出器領域たとえ ば領域46は単一のウエーハに作る。このウエーハの全体にわたり少数の穴48 ,50だけしか設ける必要がない。 第2c図ではパツシベーシヨン層54を付着させエッチングを行い、パツシベ ーシヨン層54が検出器領域46で活性層42の表面を覆うようにする。パツシ ベーシヨン層54はたとえば、約1,000Aの厚さを持つ 蒸着CdTeである。次に窒化けい素エツチング止め層(etch stop layer)すなわちSiN層56を全部の露出面に付着する。SiN層56は 約1000Aの好適な厚さを持つ。SiN層56は又各穴48,50の内面すな わち両側部及び底部を被覆する。穴48,50の底部のSiN層56の部分は、 後述のようにエッチング止め層として作用する。 検出器の製法の次の段階を第2d図に例示してある。エッチング止め層56は 、窓62,64を形成を形成するように領域44a,44bの表面を選択的にエ ッチングする。SiN層56は、ふっ化水素酸を使用してウエツトエッチングを 行い又はCF4を使用してプラズマエッチングを行う。 さらに第2b図に示すように接点66,68は、普通の光蝕刻リフトオフエ程 (photolithographic liftoff process)を 使い堆積させそれぞれ窓62,64内に位置させる。接点66,68は、活性層 42のような水銀カドミウムテルライドに対しn形ドーピング層42に対しては チタン又層42のp形ドーピングのためには無電解の金又はHgTeから成る金 属被覆である。接点66,68の形成に次いで相互接続金属被覆接点(inte rconnecting metallization contact)70 ,72はそれぞれ接触片66,68に電気的に接触するように形成する。相互接 続金属被覆は蒸着チタン金 がよい。接触片66,68は厚さを500Aにするのがよく、被覆接触片70, 72は厚さを10,000Aにするのがよい。 次に第2e図について整合インピーダンス構造を生成する製造順序の部分につ いて述べる。誘電性材料から成るスペーサ80は、ブロッキング層領域44a, 44b間で層56の表面に検出器領域46内に形成する。スペーサ80はCdT e又はSiNから作るのがよい。この層の厚さは、この構造を受入れる赤外線エ ネルギーの所望の波長に同調させるように注意深く制御する。金属接地面82な るべくは蒸着アルミニウムはスペーサ80の表面に付着させる。選定した実施例 では、スペーサ80は2000Aの好適な厚さを持ち、又アルミニウム接地面8 2は500Aの好適な厚さを持つ。接地面82の形成後に、構造全体をたとえば 約1,000Aの厚さを持つSiNから成る密封誘電性層84で覆う。 第2f図では第2e図に示した構造を説明しやすいように逆さにしてある。機 械的基板90は、基板90を第2e図に示した構造に接合するのにエポキシ92 を使って接着してある。エポキシ92は密封層84に接触する。基板90はシリ コン又はサファイアのウエーハがよい。基板90は又シリコン読出し集積回路( ROIC)チップでもよい。 第2g図では成長基板40は、この基板に対し選定するエッチングを行って除 去する。前記した成長基板40 に対し前記3例のうちのいずれも種々の酸過酸化物エッチング又はE−エッチン グにより除去する。E−エッチングは、重クロム酸カリウムプラス硝酸及びH2 Oを使って行うことができる。これ等のエッチング法では、活性層42にはエッ チングを行わないで基板40の選択的エッチングを行う。 次の製造工程を第2h図について述べる。この工程では活性層42を精密な設 計厚さtaに薄くする。エッチング処理によりこのウエーハを横切つて活性層4 2の露出面を均等に除去する。前記した活性層42に対したとえば臭素メタノー ルウエットエッチング法又は遊離メチル基プラズマエッチング法によりエッチン グを行う。このエッチング処理は、層56の上面が現われるまで続ける。層56 の表面は第2c図に示すように穴48の底部である。作業者は、穴48における 層56の上面が現われ又はこの上面をエッチング作用を止める器具によつて検出 すると終了する。 第2i図では活性層42及びブロッキング層44は、普通のレジストによるマ スキングの使用により選択的エッチングによつてパターン形成する。このエッチ ングはたとえば臭素エッチングリコールウエットエッチング法又は遊離メチル基 プラズマエッチング法によつて行うことができる。このようにして活性領域42 a及びブロッキング接触領域44c,44dを生成する。 第2j図に示すようにパッシベーション層13は活性 領域42aの表面に形成する。約500Aの厚さを持つアルミニウム光遮蔽層9 4,96はパッシベーション層93の上面に形成する。光遮蔽層94,96はブ ロッキング領域44c,44dの上方に整合させ入射赤外線がブロッキング領域 44c,44dに当たらないようにする。 各ボンドパッド窓(bond pad window)は層56で接点70, 72の上方でエッチングされ、本検出器に対し外部接続ができるようにする。こ のエッチングを、ふつ化水素酸ウエットエッチングにより又はCF4プラズマエ ッチングにより行う。次いで結合ワイヤを接点70,72に取付ける。 検出器セルの第2の実施例を第2k図に示してある。支持基板90がシリコン ROICである場合には、各バイアホールは接触片70,72を貫いてイオン加 工し、密封層84及びエポキシ層92がROICに接触する。金属相互接続片9 8,100は、普通の光蝕刻リフト・オフ工程を使いバイアホールを経て付着さ せる。ROICの回路の詳細は図示してない。ROICを設けた赤外線検出器は 、コックラム(Cockrum)等を発明者とする1993年1月12日付米国 特許第3,179,283号明細書「赤外線検出器焦点面」とアールグレン(A hlgren)等を発明者とする1990年11月13日付米国特許第4,97 0,567号明細書「赤外線を検出する方法及び装置、モノリシック光電検出器 」 とに示してある。これ等の2つの米国特許明細書は本説明に参照してある。 作動時には第2j図及び第2k図に示した赤外線検出器セルは各接点70,7 2間に加える直流信号により電気的に付勢する。この信号は、赤外線を活性領域 により吸収するときに変調される。 第2j図及び第2k図は赤外線焦点面配列を形成するように配列内の複数の要 素として作るのがよい。 要するに本発明は、同形異質接合阻止接触片を持つ赤外線検出器の構成とこの 検出器を作る方法とにある。 以上本発明の複数の実施例を添付図面について詳細に説明したが本発明はなお その精神を逸脱しないで種々の変化変型を行うことができるのはもちろんである 。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.インピーダンス整合光導電赤外線検出器を作る方法において、 成長基板により支えられる赤外線活性層を形成する段階と、 この赤外線活性層の第1の表面にキャリヤ・ブロッキング層を形成する段階と 、 このキャリヤ・ブロッキング層をエッチングして、前記赤外線活性層の領域を 露出し、前記キャリヤ・ブロッキング層の第1及び第2の領域を形成する段階と 、 前記キャリヤ・ブロッキング層の領域及び前記赤外線活性層の領域の露出面に パッシベーション層を形成する段階と、 このパッシベーション層をエッチングして、前記キャリヤ・ブロッキング層の 第1及び第2の領域に各穴を形成する段階と、 これ等の各穴を貫いて前記キャリヤ・ブロッキング層の第1及び第2の領域に 延びる各オーム接点を形成する段階と、 前記赤外線活性層の前記領域上に赤外線を通過させるスペーサ層を形成する段 階と、 このスペーサ層上に接地面を形成する段階と、 この接地面及び前記オーム接点に支持基板を接合する段階と、 前記成長基板を除去して前記赤外線活性層の第2の表面を露出する段階と、 前記赤外線活性層の前記第2の表面をエッチングし、エッチングした第2の表 面を形成し、前記赤外線活性層に対し所定の厚さを生じさせる段階と、を包含す る方法。 2.前記赤外線活性層の前記エッチングした第2の表面にパッシペーション層を 形成する段階を含む請求の範囲第1項記載の方法。 3.前記キャリヤ・ブロッキング層の直上で前記パッシベーション層に赤外線ブ ロッキング遮蔽を付着して入射する赤外線が前記赤外線活性層を通過して前記キ ャリヤ・ブロッキング層の領域に衝突するのを防ぐようにする請求の範囲第2項 記載の方法。 4.前記各オーム接点を形成する段階が、前記赤外線活性層に対向する前記キャ リヤ・ブロッキング層の領域に第1の各接点を形成する段階と、 これ等の接点に外部導体を当てがう表面を持ち、前記第1の接点に干渉する第 2の各接点を形成する段階と、 ビアホール及び接点を形成し、読出し集積回路にインタフェースで接続する段 附と、を包含する請求の範囲第1項記載の方法。 5.前記各オーム接点を形成する段階が、 各第1の接点を前記赤外線活性層に対向する前記キャリヤ・ブロッキング層の 領域に形成する段階と、 前記第1の接点に外部導体を当てがう表面を持ち、前記第1の接点にインタフ ェースで接続する第2の各接点を形成する段階と、 ビアホール及び接点を形成して読出し集積回路支持基板に、インタフェースで 接続する段階と、を包含する請求の範囲第1項記載の方法。 6.支持基板と、 この支持基板に接合された第1及び第2の扁平なオフセット・オーム接点と、 これ等のオフセット・オーム接点の前記支持基板に対向する表面にそれぞれ位 置させた第1及び第2のキャリヤ・ブロッキング領域と、 前記各オーム接点に対向する前記第1及び第2のキャリヤ・ブロッキング領域 の前記各表面の間に、かつその下方に横方向に位置させた接地面と、 この接地面上に位置させられ、前記第1及び第2のキャリヤ・ブロッキング領 域の間に少なくとも部分的に位置させられた誘電性スペーサ層と、 前記オーム接点に対向する前記キャリヤ・ブロッキング領域の表面に少なくと も部分的に位置させられ、これ等のキャリヤ・ブロッキング領域に電気的に接触 し、前 記接地面から前記誘電性スペーサ層の反対側に位置させられた赤外線活性層と、 を包含するインピーダンス整合光導電赤外線検出器。 7.前記赤外線活性層に形成したパッシベーション層を備えた請求の範囲第6項 記載のインピーダンス整合光導電赤外線検出器。 8.前記各キャリヤ・ブロッキング領域のすぐ上方で前記パッシベーション層に 形成され、入射する赤外線が前記赤外線活性層を通過して前記各キャリヤ・ブロ ッキング領域に衝突するのを防ぐようにした各赤外線ブロッキング遮蔽を備えた 請求の範囲第7項記載のインピーダンス整合光導電赤外線検出器。 9.集積構造に第1の材料から成る精密な厚さの層を作る方法において、 基板に、隣接する第1の表面と第2の表面とを持ち、前記第1の材料から成る 第1の層を前記基板上に形成する段階と、 前記第1の層の第2の表面上に第2の材料から成る第2の層を形成する段階と 、 前記第2及び第1の層をエッチング処理して、前記第2の層を貫通し、前記第 1の層内に所定の距離だけ延び、前記第1層内に底部を持つエッチング止め穴を 形成する 段階と、 前記基板を除去する段階と、 前記の第1の層の第1の表面をエッチングして、前記第1の層の厚さを減らす 段階と、 前記の第1の層の第1の表面をエッチング処理して、この第1の層の厚さを減 らす前記段階中に、この第1の層の第1の表面を監視して前記エッチング止め穴 の底部の露出を検出する段階と、 このエッチング止め穴の前記底部が、前記監視段階で検出されるときに、前記 第1の層の前記第1表面をエッチングして、前記第1の層の厚さを減らす段階を 終了することにより、前記第1の層が前記所定距離に実質的に等しい厚さを持つ ようにする段階と、を包含する方法。 10.集積構造に選定した材料から成る精密な厚さの層を作る請求の範囲第9項 記載の方法において、前記エッチング止め穴の少なくとも底部を覆う第3の材料 層を形成する段階を包含する方法。
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