特許 6917350 赤外線検出素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6917350

(24)【登録日】2021年7月21日

(45)【発行日】2021年8月11日

(54)【発明の名称】赤外線検出素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20210729BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 A

【請求項の数】20

【全頁数】33

(21)【出願番号】特願2018-161748(P2018-161748)

(22)【出願日】2018年8月30日

(65)【公開番号】特開2019-153770(P2019-153770A)

(43)【公開日】2019年9月12日

【審査請求日】2020年3月2日

(31)【優先権主張番号】特願2018-34760(P2018-34760)

(32)【優先日】2018年2月28日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】303046277

【氏名又は名称】旭化成エレクトロニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100181272

【弁理士】

【氏名又は名称】神 紘一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180655

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 俊樹

(72)【発明者】

【氏名】諸原 理

(72)【発明者】

【氏名】藤田 浩己

(72)【発明者】

【氏名】外賀 寛崇

【審査官】 桂城 厚

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２４６２０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０１５５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１８３４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／００１７０６３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／００−３１／０３９２

Ｈ０１Ｌ ３１／０８−３１／１１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、
前記第１層上に形成された受光層と、
前記受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、
前記第１層は、Ａｌ_ｘ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）}Ｓｂを含む層と、膜厚がｔ_ｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂを含む層と、Ａｌ_ｘ（２）Ｉｎ_{１−ｘ（２）}Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、
前記ｔ_ｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）及び前記ｙ（１）は、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（１））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（１））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．３３）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（２））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（２））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．３３）、
０＜ｘ（１）＜０．１８、および、
０＜ｘ（２）＜０．１８
を満たす赤外線検出素子。

【請求項2】

前記ｔ_ｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）及び前記ｙ（１）は、
０＜ｔ_ｙ（１）≦６９０１×（ｙ（１）−ｘ（１））−１０８７ （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−２６７３×（ｙ（１）−ｘ（１））＋６９９ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．２５）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦６９０１×（ｙ（１）−ｘ（２））−１０８７ （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、および、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−２６７３×（ｙ（１）−ｘ（２））＋６９９ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．２５）
を満たす請求項１に記載の赤外線検出素子。

【請求項3】

前記ｔ_ｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）及び前記ｙ（１）は、
０＜ｔ_ｙ（１）≦１９９３×（ｙ（１）−ｘ（１））−２４２ （０．１３≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（１）−ｘ（１））＋３２４ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．２９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦１９９３×（ｙ（１）−ｘ（２））−２４２ （０．１３≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、および、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（１）−ｘ（２））＋３２４ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．２９）
を満たす請求項１または請求項２に記載の赤外線検出素子。

【請求項4】

前記ｔ_ｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）及び前記ｙ（１）は、
０＜ｔ_ｙ（１）≦３０６７×（ｙ（１）−ｘ（１））−４７２ （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（１）−ｘ（１））＋３２２ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．２５）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦３０６７×（ｙ（１）−ｘ（２））−４７２ （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、および、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（１）−ｘ（２））＋３２２ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．２５）
を満たす請求項１〜３のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。

【請求項5】

前記第１層は、１からｎ（２≦ｎ≦６）までの整数ｉについて、Ａｌ_ｘ（ｉ）Ｉｎ_{１−ｘ（ｉ）}Ｓｂを含む層と、膜厚がｔ_ｙ（ｉ）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（ｉ）Ｉｎ_{１−ｙ（ｉ）}Ｓｂを含む層と、をこの順にｎ層ずつ順次積層された積層構造と、膜厚がｔ_ｙ（ｎ）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（ｎ）Ｉｎ_{１−ｙ（ｎ）}Ｓｂを含む層の直上にＡｌ_{ｘ（ｎ＋１）}Ｉｎ_{１−ｘ（ｎ＋１）}Ｓｂを含む層と、を有し、
前記ｔ_ｙ（ｉ）、前記ｘ（ｉ）、ｘ（ｉ＋１）及び前記ｙ（ｉ）は、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦２３６０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−２４０ （０．１１≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−１２１５×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋４２７ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．３３）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦２３６０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−２４０ （０．１１≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−１２１５×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋４２７ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．３３）、
０＜ｘ（ｉ）＜０．１８、および、
０＜ｘ（ｉ＋１）＜０．１８
を満たす請求項１〜４のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。

【請求項6】

前記ｔ_ｙ（ｉ）、前記ｘ（ｉ）、前記ｘ（ｉ＋１）及び前記ｙ（ｉ）は、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦６９０１×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−１０８７ （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−２６７３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋６９９ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２５）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦６９０１×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−１０８７ （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、および、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−２６７３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋６９９ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２５）
を満たす請求項５に記載の赤外線検出素子。

【請求項7】

前記ｔ_ｙ（ｉ）、前記ｘ（ｉ）、前記ｘ（ｉ＋１）及び前記ｙ（ｉ）は、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦１９９３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−２４２ （０．１３≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−１０４０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋３２４ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２９）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦１９９３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−２４２ （０．１３≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、および、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−１０４０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋３２４ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２９）
を満たす請求項５または請求項６に記載の赤外線検出素子。

【請求項8】

前記ｔ_ｙ（ｉ）、前記ｘ（ｉ）、前記ｘ（ｉ＋１）及び前記ｙ（ｉ）は、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦３０６７×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−４７２ （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−１１８８×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋３２２ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２５）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦３０６７×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−４７２ （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、および、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−１１８８×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋３２２ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２５）
を満たす請求項５〜７のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。

【請求項9】

前記第１導電型がｎ型であり、前記第２導電型がｐ型である
請求項１〜８のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。

【請求項10】

前記半導体基板はＧａＡｓ基板であり、
前記第１層のうち、前記ＧａＡｓ基板と接する層はＩｎＳｂからなる層である請求項１〜９のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。

【請求項11】

前記受光層はＡｌ_ｚＩｎ_１-ｚＳｂ（０＜ｚ＜０．１８）を含む
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。

【請求項12】

前記ｘ（１）、前記ｘ（２）は
０＜ｘ（１）＜０．０９、および、
０＜ｘ（２）＜０．０９
を満たす請求項１〜１１のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。

【請求項13】

前記受光層はＡｌ_ｚＩｎ_１-ｚＳｂ（０＜ｚ＜０．０９）を含む請求項１〜１２のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。

【請求項14】

前記Ａｌ_ｘ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）}Ｓｂを含む層、前記Ａｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂを含む層及び前記Ａｌ_ｘ（２）Ｉｎ_{１−ｘ（２）}Ｓｂを含む層の少なくともいずれかの層は、全Ｖ族元素に対する割合が３％以下のＡｓをさらに含む
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。

【請求項15】

前記ｔ_ｙ（１）は臨界膜厚の６倍以下である請求項１〜１４のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。

【請求項16】

前記ｔ_ｙ（１）は１００ｎｍ以下である請求項１〜１５のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。

【請求項17】

前記受光層の線欠陥密度が３．０×１０^８［本／ｃｍ^２］以下である
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。

【請求項18】

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、
前記第１層上に形成された受光層と、
前記受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、
前記第１層は、Ａｌ_ｘ（１）Ｇａ_ｐ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）−ｐ（１）}Ｓｂを含む層と、膜厚がｔ_ｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（１）Ｇａ_ｑ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）−ｑ（１）}Ｓｂを含む層と、Ａｌ_ｘ（２）Ｇａ_ｐ（２）Ｉｎ_{１−ｘ（２）−ｐ（２）}Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、
前記ｔ_ｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）、前記ｙ（１）、前記ｐ（１）、前記ｐ（２）、および前記ｑ（１）は、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．３３）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．３３）、
０＜ｘ（１）＋ｐ（１）＜０．１８、
０＜ｘ（２）＋ｐ（２）＜０．１８、および
０＜ｑ（１）／（ｙ（１）＋ｑ（１））≦１
を満たす赤外線検出素子。

【請求項19】

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、
前記第１層上に形成された受光層と、
前記受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、
前記第１層は、Ａｌ_ｘ（１）Ｇａ_ｐ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）−ｐ（１）}Ｓｂを含む層と、膜厚がｔ_ｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（１）Ｇａ_ｑ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）−ｑ（１）}Ｓｂを含む層と、Ａｌ_ｘ（２）Ｇａ_ｐ（２）Ｉｎ_{１−ｘ（２）−ｐ（２）}Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、
前記ｔ_ｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）、前記ｙ（１）、前記ｐ（１）、前記ｐ（２）、および前記ｑ（１）は、
０＜ｔ_ｙ（１）≦１９９３×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））−２４２ （０．１３≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））＋３２４ （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．２９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦１９９３×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））−２４２ （０．１３≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））＋３２４ （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．２９）、
を満たす請求項１８に記載の赤外線検出素子。

【請求項20】

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、
前記第１層上に形成された受光層と、
前記受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、
前記第１層は、Ａｌ_ｘ（１）Ｇａ_ｐ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）−ｐ（１）}Ｓｂを含む層と、膜厚がｔ_ｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（１）Ｇａ_ｑ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）−ｑ（１）}Ｓｂを含む層と、Ａｌ_ｘ（２）Ｇａ_ｐ（２）Ｉｎ_{１−ｘ（２）−ｐ（２）}Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、
前記ｔ_ｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）、前記ｙ（１）、前記ｐ（１）、前記ｐ（２）、および前記ｑ（１）は、
０＜ｔ_ｙ（１）≦３０６７×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））−４７２ （０．１６≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））＋３２２ （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．２５）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦３０６７×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））−４７２ （０．１６≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））＋３２２ （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．２５）、
を満たす請求項１８または請求項１９に記載の赤外線検出素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は赤外線検出素子に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に波長が２μｍ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、及びガスセンサ等に使用されている。例えばガスセンサは、大気環境の監視や保護、更には火災の早期検知などにも使用可能であり、近年注目されている。特に波長２．５μｍから波長１０．０μｍまでの領域においては各種ガスに固有の吸収帯が数多く存在し、ガスセンサに用いるのに適した波長帯である。

【0003】

上記赤外線を使用したガスセンサの原理は以下のようなものである。例えば、赤外線の光源と赤外線検出素子の間の空間にガスが注入されると、特定のガスは特定の波長の赤外線を吸収する為、ガスの注入前と注入後の波長スペクトルを解析することでガスの種類や濃度を測定することが出来る。ここで、赤外線検出素子としては、例えば焦電センサやサーモパイルのような熱型の赤外線検出素子と、半導体受光素子を使用した量子型の赤外線検出素子があるが、熱型の赤外線検出素子に比べて、量子型の赤外線検出素子の方が、高ＳＮＲ、高速応答といった利点がある。

【0004】

量子型の赤外線検出素子は、一般に波長が２μｍ以上の赤外線を検出可能である半導体中にＰＮ接合を形成し、受光層において、吸収した赤外線によって生成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。

【0005】

しかしながら、波長が２μｍ以上の赤外線を吸収できる半導体のバンドギャップは、０．６２ｅＶ以下と小さい。このよう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、素子の電気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、量子型の赤外線検出素子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検出素子が従来使用されている。

【0006】

この様な周辺温度の影響による問題を解決した赤外線検出素子としては、例えば、特許文献１に記載の量子型の赤外線検出素子がある。この特許文献１に記載の量子型の赤外線検出素子は、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、かつ従来にない小型の赤外線検出素子を実現したものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】国際公開第２００５／０２７２２８号

【特許文献2】特開２０１５−９０９０１号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】Ｂ． Ｃｏｒｂｅｔｔ ｅｔ ａｌ．， “Ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｄｒｙ ｅｔｃｈｅｄ ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐ−ｉ−ｎ ｍｅｓａ ｄｉｏｄｅｓ” Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ６２（１）， ８７（１９９３）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

この様に、赤外線検出素子の特性改良のための研究開発が成されているが、さらなるＳＮＲ（シグナルノイズ比）特性の向上が望まれている。

【0010】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ＳＮＲの高い赤外線検出素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の赤外線検出素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、前記第１層上に形成された受光層と、前記受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、前記第１層は、Ａｌ_ｘ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）}Ｓｂを含む層と、膜厚がｔ_ｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂを含む層と、Ａｌ_ｘ（２）Ｉｎ_{１−ｘ（２）}Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、前記ｔ_ｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）及び前記ｙ（１）は、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（１））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（１））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．３３）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（２））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（２））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．３３）、
０＜ｘ（１）＜０．１８、および、
０＜ｘ（２）＜０．１８
を満たすものである。

【0012】

また、本発明の赤外線検出素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、前記第１層上に形成された受光層と、前記受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、前記第１層は、Ａｌ_ｘ（１）Ｇａ_ｐ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）−ｐ（１）}Ｓｂを含む層と、膜厚がｔ_ｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（１）Ｇａ_ｑ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）−ｑ（１）}Ｓｂを含む層と、Ａｌ_ｘ（２）Ｇａ_ｐ（２）Ｉｎ_{１−ｘ（２）−ｐ（２）}Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、前記ｔ_ｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）、前記ｙ（１）、前記ｐ（１）、前記ｐ（２）、および前記ｑ（１）は、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．３３）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．３３）、
０＜ｘ（１）＋ｐ（１）＜０．１８、
０＜ｘ（２）＋ｐ（２）＜０．１８、および
０＜ｑ（１）／（ｙ（１）＋ｑ（１））≦１
を満たすものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、ＳＮＲの高い赤外線検出素子を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】組成差および膜厚の関係を示す図である。

【図2】第一実施形態の赤外線検出素子の構成を示す断面図である。

【図3】第二実施形態の赤外線検出素子の構成を示す断面図である。

【図4】第三実施形態の赤外線検出素子の構成を示す断面図である。

【図5】Ａｌ組成と臨界膜厚の相関図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。

【0016】

＜赤外線検出素子＞
本実施形態に係る赤外線検出素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、第１層上に形成された受光層と、受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、第１層は、Ａｌ_ｘ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）}Ｓｂを含む層と、膜厚がｔ_ｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂを含む層と、Ａｌ_ｘ（２）Ｉｎ_{１−ｘ（２）}Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、ｔ_ｙ（１）、ｘ（１）、ｘ（２）及びｙ（１）は、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（１））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（１））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．３３）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（２））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（２））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．３３）、
０＜ｘ（１）＜０．１８、および、
０＜ｘ（２）＜０．１８
を満たすものである。

【0017】

ここで赤外線検出素子のＳＮＲは、赤外線が入射したときに発生する光電流Ｉｐと赤外線検出素子の素子抵抗Ｒ_０の平方根の積に比例する。すなわち、式（１）の様に表される。

【0018】

【数1】

【0019】

従って、Ｉｐを低下させることなく、素子抵抗Ｒ_０を大きくすることで、赤外線検出素子のＳＮＲ特性の向上が実現する。

【0020】

赤外線検出素子を形成するダイオードを通る電流成分は、素子の内部を通る電流成分と、素子の側面を通る電流成分とに分けられる。これら両電流成分の大きさは、例えば非特許文献１に示すように素子のメサ形状のサイズの異なる複数の素子を作製し、電流密度の素子サイズおよび周囲長依存性から求めることができる。

【0021】

同様に赤外線検出素子の素子抵抗Ｒ_０は、素子の内部を通る電流に対する抵抗成分Ｒ_ｄと、素子の側面を通る電流に対する抵抗成分Ｒ_Ｓとに分けられる（式（２）参照）。非特許文献１と同様の手法を用いて、式（３）より１／（Ｒ_０・Ｓ）をＬ／Ｓに対してプロットすることで、切片と傾きから、赤外線検出素子の内部を通る電流に対するメサ形状の単位面積当たり抵抗率Ｒ_ａと、赤外線検出素子の側面を通る電流に対するメサ形状の単位長さ当たり抵抗率αを求めることができる。

【0022】

【数2】

【0023】

【数3】

【0024】

上記のように、Ｒ_０は赤外線検出素子の抵抗である。また、Ｒ_ｄは赤外線検出素子の内部を通る電流に対する抵抗成分である。また、Ｒ_Ｓは赤外線検出素子の側面を通る電流に対する抵抗成分である。また、Ｒ_ａは赤外線検出素子の内部を通る電流に対するメサ形状の単位面積当たり抵抗率である。また、αは赤外線検出素子の側面を通る電流に対するメサ形状の単位長さ当たり抵抗率である。ここで、Ｓは赤外線検出素子のメサ形状の面積である。また、Ｌは赤外線検出素子のメサ形状の周囲長である。

【0025】

このうち赤外線検出素子の内部を通る電流に対する単位面積当たり抵抗率Ｒ_ａ（以下、Ｒ_ａとだけ表記することもある）は、拡散電流が十分に抑制されている場合、受光層でのキャリアの再結合電流の大きさによって決まる。再結合電流の大きさは、受光層内部に存在する欠陥を介したキャリア再結合電流に大きく依存しており、受光層の欠陥密度を低減することでキャリア再結合電流を抑制できる。したがって受光層の欠陥密度を低減することでＲ_ａを向上し、結果として赤外線検出素子のＳＮＲを向上することができる。

【0026】

受光層に含まれる欠陥のうち主なものとしては、半導体基板と基板上に積層する化合物半導体材料との間の格子定数差により発生する線欠陥すなわち転位が挙げられる。ここで積層する化合物半導体材料の厚さを厚くすればするほど、転位密度が小さくなることが知られている。これは主に転位が互いにぶつかり消滅するためである。しかしながら、膜厚を厚くすることは、成膜時間の増加や、素子形成プロセスの難度を上げることに繋がり、好ましくない。

【0027】

線欠陥すなわち転位の密度の低減に効果的な手法として、転位フィルタ層（例えば第一実施形態では、膜厚がｔ_ｙ（１）でありＡｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂを含む層）の導入が挙げられる。転位フィルタ層とは、線欠陥すなわち転位の密度低減を目的に母材に導入される、母材と格子定数が大きく異なる薄い層のことである。母材との転位フィルタ層との格子定数差により発生するミスフィット応力が、薄い転位フィルタ層に集中することで、転位が横方向に曲折する。複数の曲折した転位同士が衝突することで消滅するため、上層への転位の伝播が抑制される。転位フィルタ層は厚さが比較的薄いにもかかわらず転位を低減でき、成膜時間や素子形成プロセスの難度の増加が比較的小さい、好んで用いられる。

【0028】

転位フィルタ層において重要な設計要素は母材との格子定数差と転位フィルタ層の厚さおよびポアソン比などの弾性定数である。母材との格子定数差が大きくなるほど、また転位フィルタ層が厚くなるほどミスフィット応力が大きくなるため転位が曲折しやすくなるが、一定以上ミスフィット応力が大きくなると結晶が応力に耐えられず逆に転位を発生してしまう。このときの厚さを臨界膜厚と呼ぶ。臨界膜厚には理論式が存在するものの、理論値よりも厚い膜厚の場合においても転位を新たに発生することなく、転位を低減する例が報告されており（特許文献２）、転位の曲折に必要な厚さや転位が発生してしまう厚さは材料系に大きく依存する。このとき、ある条件における検討において、仮に新たな転位を発生していない場合には、次の検討においては転位フィルタ層を厚くする検討を行うことが一般的である。これは上述のように転位フィルタ層が厚くなるほど転位が曲折しやすくなるためである。

【0029】

赤外線検出素子の材料としては、比較的良好な質の結晶が得られるＩｎＳｂやＡｌＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂなどを用いることができる。例えばＡｌＩｎＳｂからなる母材に転位フィルタ層を導入する場合、素子形成プロセスの容易性の観点から、同一元素種であるＡｌＩｎＳｂを含む転位フィルタ層を導入することが好ましい。

【0030】

また、Ａｌの代わりにＧａを用いることができ、ＧａＩｎＳｂやＡｌＧａＩｎＳｂも母材や転位フィルタ層として好ましく用いることができる。二元系結晶であるＡｌＳｂとＧａＳｂの格子定数や弾性定数は互いに近い値をとるために、これらとＩｎＳｂとの混晶であるＡｌＩｎＳｂ混晶やＧａＩｎＳｂ混晶における格子定数や弾性定数についても、Ａｌ組成とＧａ組成とが同じ場合には互いに近い値をとる。したがって、ＡｌＩｎＳｂの「Ａｌ組成」の値を、ＧａＩｎＳｂにおける「Ｇａ組成」、もしくはＡｌＧａＩｎＳｂにおける「Ａｌ組成とＧａ組成の和」と置き換えることで、所望のＡｌＩｎＳｂに対して格子定数や弾性定数が極めて近い層を設計することが可能である。

【0031】

なお、母材と転位フィルタ層が何れもＡｌＩｎＳｂである場合、母材のＡｌＩｎＳｂ層とはＡｌ組成が異なるＡｌＩｎＳｂ層を転位フィルタ層として導入することで、格子定数差およびミスフィット応力を生じ転位を曲折することが可能になる。

【0032】

なお、本明細書において各々の層の「Ａｌ組成」とは、各々の層に含まれる全てのＩＩＩ族元素に対するＡｌ元素の数の割合を示す。同様に各々の層の「Ｇａ組成」「Ｉｎ組成」についても、各々の層に含まれる全てのＩＩＩ族元素に対するＧａ元素、Ｉｎ元素の数の割合を示す。

【0033】

本実施形態の赤外線検出素子によれば、第１層中で転位すなわち線欠陥が横方向に曲折するために第１層の上に位置する受光層の線欠陥密度が低減する。そして、受光層内における転位を介した欠陥性再結合が抑制されることによりＲ_ａの向上が可能となる。

【0034】

なおここで、「半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層」という表現における「上に」という文言は、半導体基板の上に第１層が形成されていることを意味するが、半導体基板と第１層の間に別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。その他の層同士の関係を表現する場合に「上の」という文言を使用する場合にも、同様の意味を有するものとする。

【0035】

またここで、「Ａｌ_ｘ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）}Ｓｂを含む層」という表現における「含む」という文言は、ＡｌとＩｎとＳｂを主に層内に含むことを意味するが、その他の元素を含む場合もこの表現に含まれる。具体的には、他の元素を少量（例えばＡｓ、Ｐ、Ｇａ、Ｎなどの元素を数％以下）加えるなどしてこの層の組成に軽微な変更を加える場合についてもこの表現に含まれることは当然である。その他の層の組成を表現する場合に「含む」という文言を使用する場合にも、同様の意味を有するものとする。

【0036】

以下、本実施形態に係る赤外線検出素子の各構成部について、例を挙げて説明する。

【0037】

＜半導体基板＞
本実施形態に係る赤外線検出素子における半導体基板は、この半導体基板上に後述の第１層を積層することができれば特に制限されない。一例としては、半導体基板としてＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板、ＩｎＰ基板、ＩｎＳｂ基板が挙げられるがこの限りではない。化合物半導体の結晶成長が容易であるという観点から、ＧａＡｓ基板が好ましい。

【0038】

半導体基板はドナー不純物やアクセプター不純物によるドーピングの制限はないが、導体基板上に形成した独立の複数の赤外検出素子を直列または並列に接続可能にする観点から、半絶縁性であることまたは化合物半導体層とは絶縁分離可能であることが望ましい。

【0039】

また半導体基板は化合物半導体単結晶を積層する観点から単結晶基板であることが望ましい。半導体基板の面方位は特に制限はないが、（００１）、（１１１）、（１０１）等が望ましい。また、これらの面方位に対して１°から５°程度傾けた面方位を用いることも好ましい。

【0040】

半導体基板の表面は、真空中で加熱して酸化膜を除去しても良いし、有機物や金属等の汚染物質を除去したのち、酸やアルカリによる洗浄処理を行ってもよい。

【0041】

＜第１層＞
本実施形態に係る赤外線検出素子における第１層は、半導体基板上に形成され、第１導電型（ｎ型、ｉ型及びｐ型のいずれか）を有するものである。また第１層は、Ａｌ_ｘ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）}Ｓｂ（０＜ｘ（１）＜１）を含む層と、膜厚がｔ_ｙ（１）でありＡｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂ（０＜ｙ（１）＜１）を含む層と、Ａｌ_ｘ（２）Ｉｎ_{１−ｘ（２）}Ｓｂ（０＜ｘ（２）＜１）を含む層と、をこの順に有し、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（１））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（１））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．３３）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（２））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（２））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．３３）、
を満たすものである。

【0042】

（各層のＡｌ組成の測定方法）
第１層が有する各層のＡｌ組成は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法により以下のように求めた。測定にはＣＡＭＥＣＡ社製磁場型ＳＩＭＳ装置ＩＭＳ ７ｆを用いた。この手法は、固体表面にビーム状の一次イオン種を照射することで、スパッタリング現象により深さ方向に掘り進めながら、同時に発生する二次イオンを検出することで、組成分析を行う手法である。なおここで、Ａｌ組成とは、各層に含まれる全１３族元素に対するＡｌ元素の比率を指す。

【0043】

具体的には、一次イオン種をセシウムイオン（Ｃｓ＋）、一次イオンエネルギーを２．５ｋｅＶ、ビーム入射角を６７．２°とし、検出二次イオン種としてマトリックス効果が小さいＭＣｓ＋（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂなど）を検出した。

【0044】

この際、上述のような一定条件でスパッタリングを行い、目的とする層の深さまでスパッタリングを所定の時間行うことで、目的とする層の組成分析を行った。なお、目的とする層の深さは、後述の断面ＴＥＭ測定により各層の厚さから求めることができる。ＳＩＭＳ分析のスパッタリング時間―深さの変換は、分析と同条件での一定時間スパッタリング深さを、例えば触針式の段差計を用いて測定しスパッタレートを求め、これを使って試料測定時のスパッタリング時間を深さに変換することで求めた。

【0045】

そして、各層におけるＭＣｓ＋の信号強度から、Ａｌ組成を求めた。例えばＡｌＩｎＳｂ層の場合、Ａｌ組成は（ＡｌＣｓ＋の信号強度）÷（（ＡｌＣｓ＋の信号強度）＋（ＩｎＣｓ＋の信号強度））から求めた。

【0046】

なお、各層が深さ方向に均一な組成であっても、スパッタリングの影響により信号強度が深さ方向に分布を生じる場合があるが、この場合は最大の信号強度を各層の信号強度の代表値とする。

【0047】

なお、分析で求められるＡｌ組成定量値は真値からのずれを伴い得る。この真値からのずれを補正するために、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｎ）法から得られる格子定数値を求めた別サンプルを用意し、Ａｌ組成値が既知である標準試料として用いて、第１層が有する各層のＡｌ組成についての測定条件を用いてＳＩＭＳ分析を行うことで、信号強度に対するＡｌ組成の感度係数を求めた。第１層が有する各層のＡｌ組成を、第１層が有する各層におけるＳＩＭＳ信号強度に上記感度係数をかけることで求めた。

【0048】

ここで、別サンプルとしてはＧａＡｓ基板上に積層された膜厚８００ｎｍのＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂを用いた。このサンプルについて、格子定数をスペクトリス株式会社製Ｘ線回折装置Ｘ’Ｐｅｒｔ ＭＰＤを用いてＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆａｃｔｉｏｎ）法により以下のように求め、標準試料としてのＡｌ組成xを求めた。

【0049】

Ｘ線回折による２θ−ωスキャンを行うことにより、基板表面の面方位に対応する面の面指数の２θ−ωスキャンにおけるピーク位置から、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂを含む層の基板表面に対する法線方向の格子定数を求め、該法線方向の格子定数からベガード則を用いてＡｌ組成ｘを決定した。ここでは、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂ層の異方的な歪みはないものとした。ベガード則は具体的には以下の式（４）で表される。

【0050】

【数4】

【0051】

ここでａ_ＡｌＳｂはＡｌＳｂ、ａ_ＩｎＳｂはＩｎＳｂの格子定数であり、ａ_{ＡｌＩｎＳｂ}は上記のＸ線回折により求まるＡｌ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂの格子定数である。ａ_ＡｌＳｂには６．１３５５Åを、ａ_ＩｎＳｂには６．４７９４Åを使用した。ＳＩＭＳ測定に対する標準試料としては、０．１０＜ｘ＜０．１５のものを用いた。

【0052】

第１の層が有する各層のＡｌ以外の元素の組成についても、上記と同様の手法を用いることで測定可能である。

【0053】

例えば、Ｇａを含む場合のＧａ組成についても上記と同様の手法を用いることで測定可能である。

【0054】

この際には、別サンプルとしてＧａＡｓ基板上に積層された膜厚８００ｎｍのＧａ_ｇＩｎ_１−ｇＳｂを用いる。Ｇａ_ｇＩｎ_１−ｇＳｂを用い、ベガード則は具体的には以下の式（５）で表される。

【0055】

【数5】

【0056】

ここで、ａ_ＧａＳｂはＧａＳｂ、ａ_ＩｎＳｂはＩｎＳｂの格子定数であり、ａ_{ＧａＩｎＳｂ}は上記のＸ線回折により求まるＡｌ_ｇＩｎ_１−ｇＳｂの格子定数である。ａ_ＧａＳｂには６．０９５９Åを、ａ_ＩｎＳｂには６．４７９４Åを使用した。ＳＩＭＳ測定に対する標準試料としては、０．１０＜ｇ＜０．１５のものを用いた。

【0057】

（各層の膜厚の測定方法）
第１層が有する各層の膜厚は断面ＴＥＭ（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法により測定することが可能である。具体的には、およそ５００ｎｍ以下の厚みの試料作成を日立ハイテクノロジーズ社製ＦＩＢ装置（ＦＢ−２１００）を用いてＦＩＢ法により行い、日立製ＳＴＥＭ装置（ＨＤ−２３００Ａ）を用いて加速電圧２００ｋＶにて透過像で断面観察を行い各層の厚さを測定した。第１層以外の層の膜厚についても、同様の測定方法を用いることで測定可能である。

【0058】

線欠陥の曲折のために必要な応力を導入する観点から、Ａｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂを含む層の膜厚ｔ_ｙ（１）［ｎｍ］の下限値は２ｎｍ以上であることが好ましく、５ｎｍ以上であることがより好ましい。

【0059】

三元系以上の混晶においては混晶比が小さいほど良好な質の結晶が得られることを鑑み、比較的良好な質の結晶が得られるという観点からや素子形成プロセスの容易性の観点から、０＜ｘ（１）＜０．２５が好ましく、０＜ｘ（１）＜０．１８がより好ましい。さらに好ましくは０＜ｘ（１）＜０．０９が望ましく、ｘ（２）についても同様の範囲が好ましい。

【0060】

また第１層はＶ族元素としてＡｓを含んでも構わないが、結晶成長中に過剰なＡｓ元素を照射する必要があり結晶成長中の表面原子の拡散を阻害し結晶性の悪化につながることから、全Ｖ族元素に対するＡｓ原子の割合は３％以下であることが好ましい。

【0061】

また、Ａｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂを含む層に均一に応力をかけるという観点から、｜ｘ（１）−ｘ（２）｜＜０．１０であることが好ましく、｜ｘ（１）−ｘ（２）｜＜０．０３であることがより好ましい。

【0062】

またＡｌ_ｘ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）}Ｓｂを含む層の膜厚ｔ_ｘ（１）としては、ミスフィット応力の吸収の観点からｔ_ｘ（１）≧２００ｎｍであることが好ましく、ｔ_ｘ（１）≧３００ｎｍであることがより好ましい。Ａｌ_ｘ（２）Ｉｎ_{１−ｘ（２）}Ｓｂを含む層の膜厚ｔ_ｘ（２）についても同様の範囲が好ましい。

【0063】

また成膜時間の増加や、素子形成プロセスの容易性の観点から、ｔ_ｘ（１）≦７００ｎｍであることが好ましく、より好ましくはｔ_ｘ（１）≦６００ｎｍであることが特に好ましい。ｔ_ｘ（２）についても同様の範囲が好ましい。

【0064】

上述のように、転位フィルタ層Ａｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂが厚くなるほど、また転位フィルタ層Ａｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂと母材層Ａｌ_ｘ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）}Ｓｂとの格子定数差が大きくなるほど転位が曲折しやすくなる。しかしながら、赤外線検出素子に用いられる転位フィルタ層としては、転位フィルタ層Ａｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂが厚くなることは好ましくない。これは、成膜時間の増加や、赤外線検出素子形成プロセスの難度を上げることに繋がるためである。以上の観点から、赤外線検出素子に用いられる転位フィルタ層としては、母材との格子定数差を大きくとったうえで、膜厚が薄いことが好ましい。

【0065】

例えば膜厚ｔ_ｙ（１）［ｎｍ］は２００ｎｍ以下であることが好ましく、１００ｎｍ以下であることがより好ましい。また、膜厚ｔ_ｙ（１）［ｎｍ］臨界膜厚の６倍以下であることが好ましく、４倍以下であることがより好ましい（後述の図５）。

【0066】

ここで、臨界膜厚はｙ（１）−ｘ（１）の関数であり、以下の式（６）〜式（８）で与えられるものである。以下では臨界膜厚ｈｃを求める方法について説明する。

【0067】

式（６）はダブルヘテロ構造の中間層の臨界膜厚に関するＭａｔｔｈｅｗｓの式を示している（特許文献２）。

【0068】

式（６）において、ｈｃは中間層に相当するＡｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂの臨界膜厚、ｆは格子不整合度、νはポアソン比、ｂはバーガーズベクトルの大きさ、αは転位線の方向とバーガーズベクトルの角度、λは転位フィルタ層とバッファ層との界面とすべり面とがなす角を示す。

【0069】

これらのパラメータは考慮する転位の種類により異なるが、ここではＡｌＩｎＳｂを含む閃亜鉛鉱構造に一般的な６０°転位を考え、ｂ＝ａ／√２、ｃｏｓα＝１／２、ｃｏｓλ＝１／２を用いる。これらを式（６）に代入して整理することで、式（７）が得られる。ポアソン比は０．３５を用いた。格子定数ａは転位フィルタ層に相当するＡｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂの格子定数を用いた。

【0070】

転位フィルタ層に相当するＡｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂの組成ｙ（１）、バッファ層に相当するＡｌ_ｘ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）}Ｓｂの組成ｘ（１）、を用いると、べガード則（式（４））を用いることにより、各々の層の格子定数を求めることができ、さらに格子不整合度ｆを求めることができる（式（８））。これらの式により、臨界膜厚ｈｃを求めることができる。このときのＡｌ組成差と臨界膜厚ｈｃの関係を図５に示す。

【0071】

【数6】

【数7】

【数8】

【0072】

また後述の実施例で示すように、第１層におけるｔ_ｙ（１）、ｘ（１）、ｘ（２）及びｙ（１）は、
０＜ｔ_ｙ（１）≦６９０１×（ｙ（１）−ｘ（１））−１０８７ （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−２６７３×（ｙ（１）−ｘ（１））＋６９９ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．２５）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦６９０１×（ｙ（１）−ｘ（２））−１０８７ （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、および、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−２６７３×（ｙ（１）−ｘ（２））＋６９９ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．２５）
を満たすことが好ましく、
より好ましくは
０＜ｔ_ｙ（１）≦１９９３×（ｙ（１）−ｘ（１））−２４２ （０．１３≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（１）−ｘ（１））＋３２４ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．２９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦１９９３×（ｙ（１）−ｘ（２））−２４２ （０．１３≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、および、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（１）−ｘ（２））＋３２４ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．２９）
を満たすことが好ましく、
さらに好ましくは ０＜ｔ_ｙ（１）≦３０６７×（ｙ（１）−ｘ（１））−４７２ （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（１）−ｘ（１））＋３２２ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．２５）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦３０６７×（ｙ（１）−ｘ（２））−４７２ （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、および、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（１）−ｘ（２））＋３２２ （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．２５）
を満たすことがより好ましい。

【0073】

また第１層は、Ａｌ_ｘ（ｉ）Ｉｎ_{１−ｘ（ｉ）}Ｓｂ（０≦ｘ（ｉ）≦１）を含む層と、膜厚がｔ_ｙ（ｉ）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（ｉ）Ｉｎ_{１−ｙ（ｉ）}Ｓｂ（０≦ｙ（ｉ）≦１）を含む層と、をこの順にｎ層ずつ順次積層された積層構造を有することが好ましい。

【0074】

ここで繰り返し回数ｎについては、線欠陥密度低減の観点からｎ≧２であることが好ましく、ｎ≧３であることがより好ましい。

【0075】

また成膜時間の増加や素子形成プロセスの容易性の観点から、ｎ≦６であることが好ましく、ｎ≦５であることがより好ましい。

【0076】

また後述の実施例で示すように、第１層は、１からｎ（２≦ｎ≦６）までの整数ｉについて、Ａｌ_ｘ（ｉ）Ｉｎ_{１−ｘ（ｉ）}Ｓｂを含む層と、膜厚がｔ_ｙ（ｉ）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（ｉ）Ｉｎ_{１−ｙ（ｉ）}Ｓｂを含む層と、をこの順にｎ層ずつ順次積層された積層構造と、膜厚がｔ_ｙ（ｎ）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（ｎ）Ｉｎ_{１−ｙ（ｎ）}Ｓｂを含む層の直上にＡｌ_{ｘ（ｎ＋１）}Ｉｎ_{１−ｘ（ｎ＋１）}Ｓｂを含む層と、を有し、ｔ_ｙ（ｉ）、ｘ（ｉ）、ｘ（ｉ＋１）及びｙ（ｉ）は、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦２３６０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−２４０ （０．１１≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−１２１５×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋４２７ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．３３）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦２３６０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−２４０ （０．１１≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−１２１５×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋４２７ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．３３）、
０＜ｘ（ｉ）＜０．１８、および、
０＜ｘ（ｉ＋１）＜０．１８
を満たすことが好ましい。

【0077】

ここでｔ_ｙ（ｉ）については上述のｔ_ｙ（１）と同様の範囲が好ましく、ｘ（ｉ）、ｘ（ｉ＋１）については、上述のｘ（１）と同様の範囲が好ましい。

【0078】

また後述の実施例で示すように、第１層のｔ_ｙ（ｉ）、ｘ（ｉ）、ｘ（ｉ＋１）及びｙ（ｉ）は、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦６９０１×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−１０８７ （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−２６７３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋６９９ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２５）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦６９０１×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−１０８７ （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、および、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−２６７３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋６９９ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２５）
を満たすことが好ましく、
より好ましくは、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦１９９３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−２４２ （０．１３≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−１０４０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋３２４ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２９）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦１９９３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−２４２ （０．１３≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、および、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−１０４０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋３２４ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２９）
を満たすことがより好ましく、
さらに好ましくは
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦３０６７×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−４７２ （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−１１８８×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋３２２ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２５）、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦３０６７×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−４７２ （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、および、
０＜ｔ_ｙ（ｉ）≦−１１８８×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋３２２ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２５）
を満たすことがより好ましい。このとき、互いに異なる層のＡｌ_ｙ（ｉ）Ｉｎ_{１−ｙ（ｉ）}Ｓｂについて、Ａｌ組成ｙ（ｉ）の値は同一の値をとることもできるし、異なる値をとることもできる。

【0079】

第１層の材料としては、上述のＡｌ_ｘ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）}Ｓｂを含む層と、膜厚がｔ_ｙ（１）でありＡｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂを含む層と、Ａｌ_ｘ（２）Ｉｎ_{１−ｘ（２）}Ｓｂを含む層と、をこの順に有する積層構造の他に、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰの単体もしくは混晶の単層もしくは積層構造などを有してもよい。

【0080】

また前述の半導体基板がＧａＡｓ基板である場合、第１層のうち、ＧａＡｓ基板と接する層は良好な質の結晶性の確保の観点からＩｎＳｂからなる層であることが好ましい。

【0081】

第１層はドナー不純物やアクセプター不純物によりｎ型やｐ型にドーピングされていることが好ましいが、第１導電型を有するのであれば必ずしもドープされていなくてもよい。第１層がドープされている場合、ドープ濃度は金属との接触抵抗の低減の観点から１×１０^１８［ｃｍ^−３］以上が好ましく、また結晶性確保の観点から１×１０^１９［ｃｍ^−３］以下であることが望ましい。

【0082】

第１導電型は、赤外検出素子のバーシュタインモス効果による赤外線透過率の向上の観点から、ｎ型の導電型であることが好ましい。

【0083】

第１層と受光層が直接接する場合には、拡散電流低減の観点から、第１層のうち受光層と接する層の材料は、受光層よりもバンドギャップの大きいものであることが好ましい。

【0084】

＜受光層＞
本実施形態に係る赤外線検出素子における受光層は、第１層上に形成される層である。受光層の材料は、波長が２μｍ以上の赤外線に相当するバンドギャップを有する化合物半導体であれば特に制限されない。例えば、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰの単体もしくは混晶の単層またはそれらの積層構造などが挙げられる。

【0085】

特に比較的良好な質の結晶が得られるという観点から、受光層の材料としてはＡｌ_ｚＩｎ_１−ｚＳｂが好ましい。この場合Ａｌ組成ｚは、２．０μｍから７．０μｍまでの波長に対応可能という観点から、０より大きく０．２５より小さいことが好ましく、特にＡｌ組成ｚが小さい方が良好な結晶性が得られるという観点から、０より大きく、０．１８より小さいことがより好ましい。さらに好ましくは０．０９より小さいことが好ましい。また良好な質の結晶を得る観点から、第１層のうちＡｌ_ｘ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）}Ｓｂを含む層と格子定数が近いことが好ましい。

【0086】

受光層の導電型はｎ型、ｉ型及びｐ型のいずれでもよい。また受光層へのドーピングとしては、ノンドープ（不純物を含まないこと）でもよく、ドナー不純物やアクセプター不純物によりｎ型やｐ型にドーピングされていてもよい。

【0087】

また欠陥による欠陥性再結合の抑制の観点から、受光層の線欠陥密度が３．０×１０^８［本／ｃｍ^２］以下であることが好ましい。受光層の線欠陥密度については、平面ＴＥＭによる観察を行うことで測定可能である。具体的には、試料作成を日立製ＦＩＢ装置（ＦＢ−２１００）を用いてＦＩＢ法により加工を行い、日立製ＳＴＥＭ装置（ＨＤ−２３００Ａ）を用いて平面ＴＥＭ像観察を行い、３０μｍ^２以上の面積の連続した視野の線欠陥の本数を計測し、単位面積当たりの線欠陥の本数を求めることで、線欠陥密度の算出を行うことができる。

【0088】

入射された赤外線を十分に吸収するという観点から、受光層の膜厚［ｎｍ］の下限値は１００ｎｍ以上であることが好ましく、２００ｎｍ以上であることがより好ましい。また、成膜時間の増加や、素子形成プロセスの容易性の観点から、受光層の膜厚の上限値は４０００ｎｍ以下であることが好ましく、３０００ｎｍ以下であることがより好ましい。

【0089】

＜第２層＞
本実施形態に係る赤外線検出素子における第２層は、受光層上に形成され、第２導電型（ｎ型、ｉ型及びｐ型のいずれか）を有する層である。

【0090】

第２層は、第１層が有する第１導電型とは反対の導電型であることが好ましい。例えば第１層がｎ型であれば第２層はｐ型であることが好ましく、第１層がｐ型であれば第２層はｎ型であることが好ましい。

【0091】

また前述の通り、第１層はｎ型であることが好ましいため、第２層はｐ型であることが好ましい。

【0092】

第２層はドナー不純物やアクセプター不純物によりｎ型やｐ型にドーピングされていることが好ましいが、第２導電型を有するのであれば必ずしもドープされていなくてもよい。

【0093】

第２層がドープされている場合、そのドープ濃度は金属との接触抵抗の低減の観点から１×１０^１８［ｃｍ^−３］以上が好ましく、また結晶性確保の観点から１×１０^１９［ｃｍ^−３］以下であることが好ましい。

【0094】

第２層の材料は化合物半導体であれば特に制限されない。例えば、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰの単体もしくは混晶の単層もしくは積層構造などが挙げられる。

【0095】

第２層と受光層が直接接する場合には、拡散電流低減の観点から、第２層のうち受光層と接する層の材料は、受光層よりもバンドギャップの大きいものであることが好ましい。

【0096】

本発明の実施形態において、各化合物半導体層（第１層、受光層及び第２層等）は各種の成膜方法を用いて形成することが可能である。例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などが好ましい方法である。これらの方法を用いて、半導体基板上に各化合物半導体層を形成することができる。各化合物半導体層の形成工程では、各化合物半導体層を構成する各層の形成途中で半導体基板を成膜装置から一旦、大気中に取り出してもよい。

【0097】

素子形成プロセス時のダメージを防ぐ観点から、第２層の膜厚［ｎｍ］の下限値は３０ｎｍ以上であることが好ましく、５０ｎｍ以上であることがより好ましい。成膜時間の増加や、素子形成プロセスの容易性の観点から、第２層の膜厚の上限値［ｎｍ］は２０００ｎｍ以下であることが好ましく、１０００ｎｍ以下であることがより好ましい。

【0098】

＜積層構造＞
本発明の実施形態において、赤外線検出素子は次のような積層構造を有する。

【0099】

第１層２０は、１からｎまでの整数ｉについて、厚さｔ_ｘ（ｉ）でありＡｌ_ｘ（ｉ）Ｉｎ_{１−ｘ（ｉ）}Ｓｂを含むバッファ層Ｘ（ｉ）と、厚さｔ_ｙ（ｉ）でありＡｌ_ｙ（ｉ）Ｉｎ_{１−ｙ（ｉ）}Ｓｂを含む転位フィルタ層Ｙ（ｉ）と、をこの順にｎ層ずつ順次積層された構造を有し、その直上に厚さｔ_{ｘ（ｎ＋１）}でありＡｌ_{ｘ（ｎ＋１）}Ｉｎ_{１−ｘ（ｎ＋１）}Ｓｂを含むバッファ層Ｘ（ｎ＋１）が積層されてなる構造を含む。ここで述べた「順次積層された」とは、「Ｘ（ｉ）層の直上にＹ（ｉ）層が積層されてなり、Ｙ（ｉ）層の直上にＸ（ｉ＋１）層が積層されてなる」ことを示す。

【0100】

ここで、Ｙ（ｉ）層は転位フィルタ層としての機能を、Ｘ（ｉ）層はミスフィット応力を吸収するバッファ層としての機能を果たし、Ｙ（ｉ）層にミスフィット応力を与えることでＸ（ｉ）層とＹ（ｉ）層の界面およびＹ（ｉ）層とＸ（ｉ＋１）層との界面において転位を曲折する。

【0101】

したがってＹ（ｉ）層は、Ｘ（ｉ）およびＸ（ｉ＋１）層との組成差が大きくなるほど、ミスフィット応力が大きくなるため転位が曲折しやすくなる。一方で、Ｙ（ｉ）層のＸ（ｉ）およびＸ（ｉ＋１）層との組成差が大きくなりすぎると、大きくなりすぎたミスフィット応力に結晶が耐えられず逆に転位を発生してしまう。

【0102】

またＹ（ｉ）層の厚さｔ_ｙ（ｉ）が厚くなるほどミスフィット応力が大きくなるため転位が曲折しやすくなる。一方、Ｙ（ｉ）層の厚さｔ_ｙ（ｉ）が厚くなりすぎると一定以上ミスフィット応力が大きくなり結晶が応力に耐えられず逆に転位を発生してしまう。上記、Ｙ（ｉ）層のＸ（ｉ）との組成差、Ｙ（ｉ）層とＸ（ｉ＋１）層との組成差、およびＹ（ｉ）層の厚さｔ_ｙ（ｉ）は互いに独立ではなく、前述の通り好適な範囲が存在する。

【0103】

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。また、本発明の実施形態は、以下で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

【0104】

図２は、本発明に係る赤外線検出素子１００の第一実施形態の構成を示す断面図である。赤外線検出素子１００は、半導体基板１０の上に化合物半導体層５０が積層された構造を有する。化合物半導体層５０は、第１層２０、受光層３０および第２層４０がこの順に積層された構造を有する。第一実施形態において、第１層２０は、厚さｔ_ｘ（１）でありＡｌ_ｘ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）}Ｓｂを含む層Ｘ（１）であるバッファ層２３を有する。また、第１層２０は、厚さｔ_ｙ（１）でありＡｌ_ｙ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）}Ｓｂを含む層Ｙ（１）である転位フィルタ層２４を有する。また、第１層２０は、厚さｔ_ｘ（２）でありＡｌ_ｘ（２）Ｉｎ_{１−ｘ（２）}Ｓｂを含む層Ｘ（２）であるバッファ層２５を有する。第一実施形態において、第１層２０は、バッファ層２３および転位フィルタ層２４をこの順に１層（一組）積層された構造を有し、その直上にバッファ層２５が積層されてなる構造を含む。

【0105】

ここで、第１層２０は、更にＩｎＳｂを含むバッファ層（ＩｎＳｂ層２１）と、バリア層２２と、を有する。図２に示すように、第１層２０は、ＩｎＳｂ層２１の直上にバッファ層２３が積層される構造を有する。また、第１層２０は、バッファ層２５の直上にバリア層２２が積層される構造を有する。

【0106】

図３は、本発明に係る赤外線検出素子１００の第二実施形態の構成を示す断面図である。第二実施形態において、第１層２０は、上記の積層構造の繰り返し回数ｎを２とした場合の構造を有する。図３において、第一実施形態の赤外線検出素子１００と同じ要素には同じ符号が付されており、説明を省略する。

【0107】

第二実施形態において、第１層２０は、厚さｔ_ｙ（２）でありＡｌ_ｙ（２）Ｉｎ_{１−ｙ（２）}Ｓｂを含む層Ｙ（２）である転位フィルタ層２６を有する。また、第１層２０は、厚さｔ_ｘ（３）でありＡｌ_ｘ（３）Ｉｎ_{１−ｘ（３）}Ｓｂを含む層Ｘ（３）であるバッファ層２７を有する。第１層２０は、バッファ層２３および転位フィルタ層２４と、バッファ層２５および転位フィルタ層２６と、をこの順に２層（二組）順次積層された構造を有し、その直上にバッファ層２７が積層されてなる構造を含む。また、第二実施形態において、第１層２０は、バッファ層２７の直上にバリア層２２が積層される構造を有する。

【0108】

図４は、本発明に係る赤外線検出素子１００の第三実施形態の構成を示す断面図である。第三実施形態において、第１層２０は、上記の積層構造の繰り返し回数ｎを３とした場合の構造を有する。図４において、第二実施形態の赤外線検出素子１００と同じ要素には同じ符号が付されており、説明を省略する

【0109】

第三実施形態において、第１層２０は、厚さｔ_ｙ（３）でありＡｌ_ｙ（３）Ｉｎ_{１−ｙ（３）}Ｓｂを含む層Ｙ（３）である転位フィルタ層２８を有する。また、第１層２０は、厚さｔ_ｘ（４）でありＡｌ_ｘ（４）Ｉｎ_{１−ｘ（４）}Ｓｂを含む層Ｘ（４）であるバッファ層２９を有する。第１層２０は、バッファ層２３および転位フィルタ層２４と、バッファ層２５および転位フィルタ層２６と、バッファ層２７および転位フィルタ層２８と、をこの順に３層（三組）順次積層された構造を有し、その直上にバッファ層２９が積層されてなる構造を含む。また、第三実施形態において、第１層２０は、バッファ層２９の直上にバリア層２２が積層される構造を有する。

【0110】

以上、本発明の第一実施形態、第二実施形態および第三実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。例えば、積層構造の繰り返し回数ｎは２または３に限定されるものではなく、４〜６の範囲で選択されてもよい。また、上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【0111】

またＡｌの代わりにＧａを用いても、上述の通り、ＡｌＳｂと近い格子定数を取るＧａＳｂを形成でき、層内に応力を発生することができるため、本発明に係る赤外線検出素子のその他の実施形態として、
半導体基板と、
半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、
第１層上に形成された受光層と、
受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、
第１層は、Ａｌ_ｘ（１）Ｇａ_ｐ（１）Ｉｎ_{１−ｘ（１）−ｐ（１）}Ｓｂを含む層と、膜厚がｔ_ｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（１）Ｇａ_ｑ（１）Ｉｎ_{１−ｙ（１）−ｑ（１）}Ｓｂを含む層と、Ａｌ_ｘ（２）Ｇａ_ｐ（２）Ｉｎ_{１−ｘ（２）−ｐ（２）}Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、
ｔ_ｙ（１）、ｘ（１）、ｘ（２）、ｙ（１）ｐ（１）、ｐ（２）、およびｑ（１）は、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．３３）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））−２４０ （０．１１≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．１９）、
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））＋４２７ （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．３３）、
０＜ｘ（１）＋ｐ（１）＜０．１８、
０＜ｘ（２）＋ｐ（２）＜０．１８、および
０＜ｑ（１）／（ｙ（１）＋ｑ（１））≦１
を満たす層を含む形態をとることができる。

【0112】

この実施形態に係る赤外線検出素子においても、第１層中で転位すなわち線欠陥が横方向に曲折するために第１層の上に位置する受光層の線欠陥密度が低減する。そして、受光層内における転位を介した欠陥性再結合が抑制されることによりＲ_ａの向上が可能となる。この効果は後述の実施例２１及び２２で確認することができており、母材及び転位フィルタ層がＡｌＩｎＳｂを含む形態と同様のＲ_ａが実現されている。なお、母材及び転位フィルタ層がＡｌＩｎＳｂを含む形態に関して上記で説明されている種々の好ましい形態などについては、「Ａｌ組成」を「Ａｌ組成及びＧａ組成の和」と読み替えることで、本実施形態の赤外線検出素子にも適用可能である。

【実施例】

【0113】

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。

【0114】

＜実施例１＞
例えば図３に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）上に、ＭＢＥ装置を用いて
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２４）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２５）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２６）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２７）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２）、
ノンドープのＡｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層（受光層３０）を１μｍと、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型ｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層）、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０を形成した。

【0115】

次いで、化合物半導体層５０上にレジストパターンを形成し、エッチングを施すことで、メサ構造を作製した。さらに各検出素子が電気的に独立となるように、メサ構造どうしの間に、酸化ケイ素からなる絶縁溝を形成し、メサ構造及び絶縁溝を含む化合物半導体層５０全面に、絶縁層として窒化ケイ素を形成した。この絶縁層の一部にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを覆うように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）をこの順に堆積して電極部を形成し、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を得た。同様の手法により、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を、各々の赤外線検出素子の１つ当たりのメサ構造の面積および周囲長が異なるようにして複数独立に作製した。

【0116】

受光層３０のうち、第２層４０を構成するｐ層に近い側の０．３μｍの中から測定試料を作成し、平面ＴＥＭにより線欠陥密度観察を行ったところ、線欠陥密度は１．１×１０^８［本／ｃｍ^２］であった。後述の比較例と比べて、欠陥密度が低減していることがわかる。

【0117】

＜実施例２〜１２、１８〜２０＞
表１および表２に従って、転位フィルタ層２４（Ｙ（１）層）と転位フィルタ層２６（Ｙ（２）層）のＡｌ組成ｙ（ｉ）等を変えた。

【0118】

＜実施例１３、１４＞
表２に従って、受光層３０のＡｌ組成ｚとバッファ層２３（Ｘ（１）層）、２５（Ｘ（２）層）、２７（Ｘ（３）層）のＡｌ組成等を変えた。バリア層のＡｌ組成は０．２６とした。

【0119】

＜実施例１５＞
表２に従って、受光層３０のＡｌ組成ｚとバッファ層２３（Ｘ（１）層）、２５（Ｘ（２）層）、２７（Ｘ（３）層）のＡｌ組成等を変えた。バリア層のＡｌ組成は０．３３とした。

【0120】

＜実施例１６＞
例えば図２に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）上に、ＭＢＥ装置を用いて
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．７５μｍと（バッファ層２３）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２４）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．７５μｍと（バッファ層２５）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２）、
ノンドープのＡｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層（受光層３０）を１μｍと、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型ｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層）、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０を形成した。

【0121】

このとき、Ａｌ_ｘ（ｉ）Ｉｎ_{１−ｘ（ｉ）}Ｓｂ（０＜ｘ（ｉ）＜１）を含む層と、膜厚がｔ_ｙ（ｉ）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（ｉ）Ｉｎ_{１−ｙ（ｉ）}Ｓｂ（０＜ｙ（ｉ）＜１）を含む層との積層構造繰り返し数回数ｎは１に相当する。

【0122】

次いで、化合物半導体層５０上にレジストパターンを形成し、エッチングを施すことで、メサ構造を作製した。さらに各検出素子が電気的に独立となるように、メサ構造どうしの間に、酸化ケイ素からなる絶縁溝を形成し、メサ構造及び絶縁溝を含む化合物半導体層５０全面に、絶縁層として窒化ケイ素を形成した。この絶縁層の一部にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを覆うように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）をこの順に堆積して電極部を形成し、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を得た。同様の手法により、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を、各々の赤外線検出素子の１つ当たりのメサ構造の面積および周囲長が異なるようにして複数独立に作製した。

【0123】

＜実施例１７＞
例えば図４示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）上に、ＭＢＥ装置を用いて
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２４）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．３３３μｍと（バッファ層２５）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２６）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．３３３μｍと（バッファ層２７）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２８）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．３３３μｍと（バッファ層２９）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２）、
ノンドープのＡｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層（受光層３０）を１μｍと、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型ｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層）、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０を形成した。

【0124】

このとき、Ａｌ_ｘ（ｉ）Ｉｎ_{１−ｘ（ｉ）}Ｓｂ（０＜ｘ（ｉ）＜１）を含む層と、膜厚がｔ_ｙ（ｉ）［ｎｍ］でありＡｌ_ｙ（ｉ）Ｉｎ_{１−ｙ（ｉ）}Ｓｂ（０＜ｙ（ｉ）＜１）を含む層との積層構造繰り返し数回数ｎは３に相当する。

【0125】

次いで、化合物半導体層５０上にレジストパターンを形成し、エッチングを施すことで、メサ構造を作製した。さらに各検出素子が電気的に独立となるように、メサ構造どうしの間に、酸化ケイ素からなる絶縁溝を形成し、メサ構造及び絶縁溝を含む化合物半導体層５０全面に、絶縁層として窒化ケイ素を形成した。この絶縁層の一部にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを覆うように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）をこの順に堆積して電極部を形成し、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を得た。同様の手法により、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を、各々の赤外線検出素子の１つ当たりのメサ構造の面積および周囲長が異なるようにして複数独立に作製した。

【0126】

＜実施例２１＞
例えば図３に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）上に、ＭＢＥ装置を用いて
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ｇａ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２４）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２５）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ｇａ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２６）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２７）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２）、
ノンドープのＡｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層（受光層３０）を１μｍと、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型ｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層）、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０を形成した。

【0127】

次いで、化合物半導体層５０上にレジストパターンを形成し、エッチングを施すことで、メサ構造を作製した。さらに各検出素子が電気的に独立となるように、メサ構造どうしの間に、酸化ケイ素からなる絶縁溝を形成し、メサ構造及び絶縁溝を含む化合物半導体層５０全面に、絶縁層として窒化ケイ素を形成した。この絶縁層の一部にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを覆うように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）をこの順に堆積して電極部を形成し、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を得た。同様の手法により、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を、各々の赤外線検出素子の１つ当たりのメサ構造の面積および周囲長が異なるようにして複数独立に作製した。

【0128】

＜実施例２２＞
例えば図３に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）上に、ＭＢＥ装置を用いて
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．１３Ｇａ_０．１４Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２４）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２５）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．１３Ｇａ_０．１４Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２６）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２７）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２）、
ノンドープのＡｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層（受光層３０）を１μｍと、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型ｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層）、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０を形成した。

【0129】

次いで、化合物半導体層５０上にレジストパターンを形成し、エッチングを施すことで、メサ構造を作製した。さらに各検出素子が電気的に独立となるように、メサ構造どうしの間に、酸化ケイ素からなる絶縁溝を形成し、メサ構造及び絶縁溝を含む化合物半導体層５０全面に、絶縁層として窒化ケイ素を形成した。この絶縁層の一部にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを覆うように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）をこの順に堆積して電極部を形成し、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を得た。同様の手法により、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を、各々の赤外線検出素子の１つ当たりのメサ構造の面積および周囲長が異なるようにして複数独立に作製した。

【0130】

【表1】

【0131】

【表2】

【0132】

＜比較例１＞
比較例は、ダブルバリアの構造を有する。比較例１では、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３相当）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２相当）、
ノンドープのＡｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層（受光層３０相当）を２μｍと、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型ｌ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層相当）、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ_０．０８Ｉｎ_０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層相当）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０に対応する構造を形成した。

【0133】

＜比較例２＞
比較例は、ダブルバリアの構造を有する。比較例２では、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．０４Ｉｎ_０．９６Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３相当）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．２６Ｉｎ_０．７４Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２相当）、
ノンドープのＡｌ_０．０４Ｉｎ_０．９６Ｓｂ層（受光層３０相当）を２μｍと、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型ｌ_０．２６Ｉｎ_０．７４Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層相当）、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ_０．０４Ｉｎ_０．９６Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層相当）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０に対応する構造を形成した。

【0134】

＜比較例３＞
比較例は、ダブルバリアの構造を有する。比較例３では、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．１３Ｉｎ_０．８７Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３相当）、
Ｓｎを７×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ_０．３３Ｉｎ_０．６７Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２相当）、
ノンドープのＡｌ_０．１３Ｉｎ_０．８７Ｓｂ層（受光層３０相当）を２μｍと、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型ｌ_０．３３Ｉｎ_０．６７Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層相当）、
Ｚｎを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ_０．１３Ｉｎ_０．８７Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層相当）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０に対応する構造を形成した。

【0135】

比較例１について、受光層のうち、ｐ層に近い側の０．３μｍの中から測定試料を作成し、平面ＴＥＭにより線欠陥密度観察を行ったところ、線欠陥密度は３．５×１０^８［本／ｃｍ^２］であった。

【0136】

＜Ｒ_ａの比較＞
上記実施例１〜２２及び比較例１〜３により形成した赤外線検出素子について、赤外線検出素子の内部を通る電流に対するメサ形状の単位面積当たり抵抗率Ｒ_ａを比較した。具体的には構成するメサ構造の面積および周囲長が異なる複数の赤外線検出素子について、順方向に５ｎＶの電圧を印加した際に流れる電流値を測定し、続いて逆方向に５ｎＶの電圧を印加した際に流れる電流値を測定し、両者の電流値の絶対値が互いに１０％以上差を含まないことを確認した。これらの電流値を基に、順方向の素子抵抗と逆方向の素子抵抗を求め、これらの平均値をダイオードの段数で割り返すことで、ダイオード1段当たりの素子抵抗Ｒ_０を得た。各々のサイズおよび周囲長のダイオードについて得られたＲ_０を、各々の素子のメサ面積Ｓと周囲長Ｌを用いて、１／（Ｒ_０・Ｓ）をＬ／Ｓに対してプロットし、切片からＲ_ａを求めた。ここで、Ｒ_ａは比較例１により形成した赤外線検出素子のＲ_ａを１としている。

【0137】

転位フィルタ層を含みｔ_ｙ（ｉ）、ｙ（ｉ）、ｘ（ｉ）、ｘ（ｉ＋１）が下記の関係式（Ａ）〜（Ｄ）を満たす実施例１〜１２および１８〜２０の構造では、比較例１の構造と比べて３．０倍以上の大きいＲ_ａを得ることができることが確認された。
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−２４０ （０．１１≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９） … 式（Ａ）
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋４２７ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．３３） … 式（Ｂ）
０＜ｔ_ｙ（１）≦２３６０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−２４０ （０．１１≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９） … 式（Ｃ）
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋４２７ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．３３） … 式（Ｄ）

【0138】

ここで、図１は実施例１〜９および１８〜２０の組成および膜厚と線欠陥密度との関係を示す。図１の横軸はｙ（ｉ）とｘ（ｉ）との差分を示す。ここで、実施例１〜９および１８〜２０のｘ（ｉ）とｘ（ｉ＋１）とは同じ組成である。そのため、図１の横軸はｙ（ｉ）とｘ（ｉ＋１）との差分でもある。また、図１の縦軸は転位フィルタ層Ｙ（ｉ）の膜厚を示す。実施例１〜９および１８〜２０のいくつかは、黒い四角形で図１にプロットされている。上記の式（Ａ）〜式（Ｄ）は図１に示される関係から算出されたものである。上記の式（Ａ）および式（Ｃ）は、図１の直線１００１に対応する。また、上記の式（Ｂ）および式（Ｄ）は、図１の直線１００２に対応する。

【0139】

なお、前述のように、積層する化合物半導体材料の厚さを厚くすればするほど、転位密度が小さくなることが知られている。したがって積層した化合物半導体層の厚さの異なる実施例１０、１１、１２については他の実施例１〜９、１８〜２０とは単純にＲ_ａの比較ができない。

【0140】

ここで、実施例１、３、４、５、７、８、９、１８、１９、２０においては、比較例１と比べて４．０倍以上の大きいＲａを得ることができる。このとき、下記の関係式（Ｉ）〜（Ｌ）が満たされる。
０＜ｔ_ｙ（１）≦６９０１×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−１０８７ （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９） … 式（Ｉ）
０＜ｔ_ｙ（１）≦−２６７３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋６９９ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２５） … 式（Ｊ）
０＜ｔ_ｙ（１）≦６９０１×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−１０８７ （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９） … 式（Ｋ）
０＜ｔ_ｙ（１）≦−２６７３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋６９９ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２５） … 式（Ｌ）

【0141】

上記の式（Ｉ）〜式（Ｌ）は図１に示される関係から算出されたものである。上記の式（Ｉ）および式（Ｋ）は、図１の直線１０２１に対応する。また、上記の式（Ｊ）および式（Ｌ）は、図１の直線１０２２に対応する。

【0142】

下記の関係式（Ｍ）〜（Ｐ）を満たす実施例１、３、４、５、７、８、１８、１９、２０については、比較例１と比べて５．０倍以上の大きいＲ_ａを得ることができることが確認された。
０＜ｔ_ｙ（１）≦１９９３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−２４２ （０．１３≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９） … 式（Ｍ）
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋３２４ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２９） … 式（Ｎ）
０＜ｔ_ｙ（１）≦１９９３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−２４２ （０．１３≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９） … 式（Ｏ）
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋３２４ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２９） … 式（Ｐ）

【0143】

上記の式（Ｍ）〜式（Ｐ）は図１に示される関係から算出されたものである。上記の式（Ｍ）および式（Ｏ）は、図１の直線１０３１に対応する。また、上記の式（Ｎ）および式（Ｐ）は、図１の直線１０３２に対応する。

【0144】

下記の関係式（Ｅ）〜（Ｈ）を満たす実施例１、３、４、５、７、８については、比較例１と比べて５．２倍以上の大きいＲ_ａを得ることができることが確認された。
０＜ｔ_ｙ（１）≦３０６７×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−４７２ （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９） … 式（Ｅ）
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋３２２ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２５） … 式（Ｆ）
０＜ｔ_ｙ（１）≦３０６７×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−４７２ （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９） … 式（Ｇ）
０＜ｔ_ｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋３２２ （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２５） … 式（Ｈ）

【0145】

上記の式（Ｅ）〜式（Ｈ）は図１に示される関係から算出されたものである。上記の式（Ｅ）および式（Ｇ）は、図１の直線１０１１に対応する。また、上記の式（Ｆ）および式（Ｈ）は、図１の直線１０１２に対応する。

【0146】

実施例１、１６、１７は、第１層の厚さが同じであり、転位フィルタ構造の繰り返し数のみが異なるものである。このとき、繰り返し数が増加するにつれて、Ｒ_ａが大きくなることがわかる。

【0147】

実施例２１、２２は転位フィルタ層にＧａを含む例であり、これらにおいても比較例１に対してそれぞれ６．３倍、６．４倍と大きいＲ_ａが得られていることがわかる。

【0148】

＜Ｒ_ａの比較＞
上記実施例１３、１４及び比較例２により形成した赤外線検出素子について、上記実施例１〜１２及び比較例１と同様にしてＲ_ａを求めた。ここで、Ｒ_ａは比較例２により形成した赤外線検出素子のＲ_ａを１としている。ここで、実施例１〜１２、１８〜２０及び比較例１と、実施例１３、１４及び比較例２とでは、受光層のＡｌ組成、すなわち受光層のバンドギャップが異なり、受光層のキャリア濃度が異なるため、単純に比較することができない。したがって、実施例１３、１４については、比較例２をＲ_ａの比較対象としている。

【0149】

同様に、上記実施例１５及び比較例３により形成した赤外線検出素子について、上記実施例１〜１２及び比較例１と同様にしてＲ_ａを求めた。

【0150】

実施例１３、１４においては、比較例２と比べてそれぞれ３．６倍、２．６倍と大きいＲ_ａが得られている。同様に、実施例１５においては、比較例３と比べて５．０倍と大きいＲａが得られている。実施例１３は転位フィルタ層を含みｔ_ｙ（ｉ）、ｙ（ｉ）、ｘ（ｉ）、ｘ（ｉ＋１）が上記の関係式（Ａ）〜（Ｐ）を満たすものであり、このとき受光層のＡｌ組成ｚが変わってもＲ_ａが増加することが示された。

【符号の説明】

【0151】

１０ 半導体基板
２０ 第１層
２１ ＩｎＳｂ層
２２ バリア層
２３ バッファ層（Ｘ（１）層）
２４ 転位フィルタ層（Ｙ（１）層）
２５ バッファ層（Ｘ（２）層）
２６ 転位フィルタ層（Ｙ（２）層）
２７ バッファ層（Ｘ（３）層）
３０ 受光層
４０ 第２層
５０ 化合物半導体層
１００ 赤外線検出素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】