2023-143359 赤外線センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023143359

(43)【公開日】2023-10-06

(54)【発明の名称】赤外線センサ

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/08 20060101AFI20230928BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20230928BHJP

【ＦＩ】

H01L31/08 L

H01L31/10 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022050685

(22)【出願日】2022-03-25

(71)【出願人】

【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】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100165951

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 憲悟

(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】太田 進也

(72)【発明者】

【氏名】藤田 浩己

【テーマコード（参考）】

5F149

5F849

【Ｆターム（参考）】

5F149AA03

5F149AB07

5F149AB17

5F149BA01

5F149CB03

5F149CB14

5F149DA02

5F149DA30

5F149FA05

5F149GA04

5F149GA06

5F149LA01

5F149XB18

5F149XB40

5F849AA03

5F849AB07

5F849AB17

5F849BA01

5F849CB03

5F849CB14

5F849DA02

5F849DA30

5F849FA05

5F849GA04

5F849GA06

5F849LA01

5F849XB18

5F849XB40

(57)【要約】

【課題】室温において高抵抗で長波長赤外線に感度を持つ赤外線センサが提供される。
【解決手段】赤外線センサは、基板と、基板上に形成された複数の化合物半導体層からなる薄膜積層部とを備え、薄膜積層部は、インジウム、アンチモン及びヒ素を含む化合物半導体である活性層と、活性層と接する、活性層よりも大きなバンドギャップを有するバリア層を備え、活性層がｐ型ドーピングされており、バリア層のｐ型ドーピング濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３未満である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、前記基板上に形成された複数の化合物半導体層からなる薄膜積層部とを備え、
前記薄膜積層部は、
インジウム、アンチモン及びヒ素を含む化合物半導体である活性層と、
前記活性層と接する、前記活性層よりも大きなバンドギャップを有するバリア層を備え、
前記活性層と前記バリア層がｐ型ドーピングされており、
前記バリア層のｐ型ドーピング濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３未満である、赤外線センサ。

【請求項2】

前記バリア層は、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ（０．１≦Ａｌ＋Ｇａ≦０．５、０≦Ａｓ≦０．５）、である、請求項１に記載の赤外線センサ。

【請求項3】

前記バリア層のｐ型ドーピング濃度が３×１０^１６／ｃｍ^３以上である、請求項１又は２に記載の赤外線センサ。

【請求項4】

前記活性層のｐ型ドーピング濃度が２×１０^１６／ｃｍ^３以上７×１０^１７／ｃｍ^３以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線センサ。

【請求項5】

前記活性層と前記バリア層のｐ型ドーパントがＺｎである、請求項１から４のいずれか一項に記載の赤外線センサ。

【請求項6】

前記バリア層の、前記バリア層と前記活性層とが接する面と反対側の面で接する第三の半導体層を更に備え、前記第三の半導体層のｐ型ドーピング濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３以上である、請求項１から５のいずれか一項に記載の赤外線センサ。

【請求項7】

前記第三の半導体層がＩｎＳｂである、請求項６に記載の赤外線センサ。

【請求項8】

前記活性層がＩｎＡｓＳｂ（０＜Ａｓ＜０．３６）である、請求項１から７のいずれか一項に記載の赤外線センサ。

【請求項9】

前記活性層がＩｎＡｓＳｂ（０＜Ａｓ＜０．２）である、請求項１から７のいずれか一項に記載の赤外線センサ。

【請求項10】

前記バリア層がＡｌＩｎＳｂ（０．１６＜Ａｌ＜０．３）である、請求項１から９のいずれか一項に記載の赤外線センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は赤外線センサに関する。

【背景技術】

【0002】

特に２～１５μｍ程度の波長を有する短波長から、中波長、長波長赤外線の領域（中赤外域と称する）の赤外線は、気体分子が特有の吸収帯を示すことから、非分散赤外吸収式のガス濃度測定装置に用いられてきた。その中で、赤外線センサは、ガス濃度測定器の検出分解能及び消費電力といった主要性能を大きく左右する重要な部材であり、所望の波長における高い受光感度を有する赤外線センサが求められてきた。赤外線センサとして例えば、赤外線フォトダイオード（ＰＤ）、焦電センサ、サーモパイル等が知られている。この中でも特に半導体を用いた赤外線ＰＤは、材料設計により、所望の波長帯での受光が可能であり、ガス濃度測定器に用いられてきた。

【0003】

赤外線ＰＤの特徴として、波長依存性の他に応答速度が速いなどの長所が挙げられるが、室温での性能向上が難しい事が知られている。特に７．３μｍ～１５μｍの長波長赤外線に感度を持つ赤外線ＰＤを作製するにあたっては、例えばＩｎＡｓＳｂといった、ＩｎＳｂよりも小さなバンドギャップを有する材料を活性層に用いることが考えられる。しかしながら、そのような材料では室温においてキャリア濃度が高い。そのため、励起キャリアのバンドフィリングによる感度の低下及びオージェ再結合の増加による抵抗の減少のため、性能が低下する。従来は液体窒素又はペルチエ素子による電子冷却などと組み合わせて、計測器、赤外線カメラ等の用途に利用されてきた。しかしながら、これらの冷却機構は、寸法が大きくなること、液体窒素及び電力の供給などでランニングコストが高くなる等の問題がある。上記の問題を解決した赤外線センサとして、例えば、特許文献１に記載のＩｎＳｂ系材料を用いた室温動作可能な赤外線ＰＤがある。特許文献１においては、赤外線ＰＤを構成する化合物半導体の積層構造に関して、バリア層を導入することでリーク電流を抑制する又は活性層をｐ型ドーピングすることで感度を向上させるといった改良が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２００５／０２７２２８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記の通り、室温で長波長赤外線用ＰＤを作製する際は、活性層をｐ型ドーピングすることでバンドフィリングを抑制し、感度を向上させることができるが、活性層のキャリア濃度が増加するため必ずしもオージェ再結合を抑制することができない。特に後述の通り、バリア層と活性層の界面で特にオージェ再結合が多くなるためセンサ抵抗の向上に課題が残る。

【0006】

本開示はこのような事情を鑑みてされたものであって、室温において高抵抗で長波長赤外線に感度を持つ赤外線センサ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】

【0007】

本開示の一実施形態に係る赤外線センサは、
基板と、前記基板上に形成された複数の化合物半導体層からなる薄膜積層部とを備え、
前記薄膜積層部は、
インジウム、アンチモン及びヒ素を含む化合物半導体である活性層と、
前記活性層と接する、前記活性層よりも大きなバンドギャップを有するバリア層を備え、
前記活性層と前記バリア層がｐ型ドーピングされており、
前記バリア層のｐ型ドーピング濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３未満である。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、バリア層において最適なｐ型ドーピング濃度を選択することで、室温において高抵抗で長波長赤外線に感度を持つ赤外線センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、一実施形態に係る赤外線センサの構造を示す図である。

【図2】図２は、一実施形態に係る赤外線センサの構造を示す図である。

【図3】図３は、一実施形態に係る赤外線センサの薄膜積層部のエネルギーバンド図である。

【図4】図４は、一実施形態に係る赤外線センサの薄膜積層部のオージェ再結合レートを示す図である。

【図5】図５は、一実施形態に係る赤外線センサの薄膜積層部のエネルギーバンド図である。

【図6】図６は、一実施形態に係る赤外線センサの薄膜積層部のオージェ再結合レートを示す図である。

【図7】図７は、一実施形態に係る赤外線センサの薄膜積層部のＮＰＰオージェ再結合レートの界面成分を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態が説明される。ただし、図面は模式的なものである。例えば厚み、長さ等は現実のものと異なる。本開示の技術的思想は、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、様々な変更を加えることができる。以下の実施形態は、特許請求の範囲の内容を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが必須であるとは限らない。

【0011】

＜赤外線センサ＞
本実施形態に係る赤外線センサは、波長が７．３μｍ～１５μｍの長波長赤外線に感度を有するフォトダイオードである。赤外線センサは、半導体基板と化合物半導体積層部とを備える。化合物半導体積層部は活性層をｐ型半導体層とｎ型半導体層で挟んだ構造を含む。化合物半導体積層部の少なくとも一部が後述の薄膜積層部に対応する。

【0012】

＜基板＞
本実施形態に係る赤外線センサは、半導体基板を備えている。例えばＳｉ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＡｓ基板などを用いることができる。ＩｎＳｂ基板は、後述の活性層の材料と格子定数が近いことから、低欠陥で高性能な赤外線センサを形成するための基板として使用することができる。また、長波長赤外線の領域は、電子又はホールによる自由電子吸収が顕著となってくることから、不純物濃度（キャリア濃度）の低い半導体基板が好まれる。さらに半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いることにより、上記の自由電子吸収を抑制すると共に、基板上に形成した薄膜積層部を、電気的に絶縁分離することができる。従って電極配線を用いて、複数の薄膜積層部を直列に接続することにより、高い抵抗を有する赤外線センサを得ることが可能となる。

【0013】

＜薄膜積層部＞
本実施形態に係る赤外線センサは、基板上に形成された複数の化合物半導体層からなる薄膜積層部を備えている。薄膜積層部は、少なくとも、活性層と、活性層に接するｐ型ドーピングされたバリア層とを有している。薄膜積層部は、さらにバリア層の、バリア層と活性層とが接する面と反対側の面で接する第三の半導体層を有していてよい。

【0014】

図１は、一実施形態に関わる基板と薄膜積層部の構造を示す。本実施形態において、薄膜積層部は、基板上にｎ型層、活性層、バリア層、第三の半導体層がこの順に積層された構造である。また、図２に示すようにバリア層が活性層よりも基板側であってよい。ｎ型層はｎ型ドーピングされた半導体層である。

【0015】

＜活性層＞
活性層は、波長が７．３μｍ～１５μｍである長波長赤外線の一部又は全部を受光することで、電子とホールのキャリア対を生成する。活性層は、インジウム、アンチモン及びヒ素を含む化合物半導体である。活性層としては、例えばＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１－ｘ（０＜ｘ＜０．７２）を含む薄膜を用いることができる。当該組成領域では、ＩｎＳｂよりも小さなバンドギャップ、すなわち７．３μｍよりも長波長の赤外線に対する感度が実現される。活性層は、当該材料からなる単一組成の薄膜であってよいし、異なる材料を積層してよい。また、活性層は、複数のバンドギャップを有する半導体層を用いた量子井戸構造を含む積層体としてよい。例えばＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂの繰り返し積層からなるタイプ２（ｔｙｐｅ－ＩＩ）超格子構造がある。また、活性層はキャリアの熱励起による実効的なバンドギャップの増加を抑制するため、ｐ型ドーピングされている。一例として、特許文献１に開示された、３．５×１０^１７／ｃｍ^３にｐ型ドーピングされたＩｎＡｓ_０．２３Ｓｂ_０．７７層がある。

【0016】

活性層の構成材料としては、ＩｎＡｓＳｂ混晶材料のＡｓ組成を狭めることによって、より良い結晶成長が可能になることから、ＩｎＡｓＳｂ（０＜Ａｓ＜０．３６）を用いてよい。ここで、括弧内の記載は混晶における組成比を示す。（０＜Ａｓ＜０．３６）は、ＩｎＡｓＳｂにおいて、同族元素中のＡｓの組成比が０より大きく０．３６未満であることを示す。以下において、同様の記載によって組成比が示される。当該組成領域では、より小さい混晶比で、最大１５μｍまでの赤外線に対する感度が得られる。

【0017】

また、更にＡｓ組成範囲を狭めることによって、より良い結晶成長が可能になることから、ＩｎＡｓＳｂ（０＜Ａｓ＜０．２０）を用いてよい。当該組成領域では、最大１２μｍまでの赤外線に対する感度が得られる。波長９．５μｍ付近に吸収を持つアルコールガス検知に用いる場合、ＩｎＡｓＳｂ（０．１０＜Ａｓ＜０．１５）が好適である。

【0018】

＜バリア層＞
バリア層は活性層に接して積層される。バリア層は、活性層よりも大きなバンドギャップを持つ。バリア層は、構成材料として、例えばＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ（０≦Ａｌ＋Ｇａ≦０．５、０≦Ａｓ≦０．５）を含む。また、バリア層はｐ型ドーピングされており、ｐ型ドーピング濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３未満である。ｐ型ドーピング濃度の詳細については後述する。

【0019】

ここで、バリア層のｐ型ドーピング濃度とは、バリア層が活性層と接する界面から、バリア層の方向へ２０ｎｍ進入した位置までのｐ型ドーピング濃度の平均値を指す。例えばバリア層の厚さが１００ｎｍで、そのうち活性層界面側の５０ｎｍのｐ型ドーピング濃度が５×１０^１７／ｃｍ^３で、残りの５０ｎｍのｐ型ドーピング濃度が２×１０^１８／ｃｍ^３である場合等も、同様の効果が見込まれ、本開示の技術的思想に含まれる。

【0020】

バリア層の構成材料として、特にＡｌＩｎＳｂ（０．１６＜Ａｌ＜０．３０）が用いられてよい。当該材料はＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ（０≦Ａｌ＋Ｇａ≦０．５、０≦Ａｓ≦０．５）の中でも、大きなバンドギャップをより小さい混晶比で実現できる。

【0021】

＜第三の半導体層＞
本実施形態に係る赤外線センサは、バリア層の、バリア層と活性層とが接する面と反対側の面で接する第三の半導体層を更に備えていて良い。第三の半導体層は、バリア層よりも電気伝導度の高い材料を用いると更に良い。

【0022】

第三の半導体層のバンドギャップは、活性層以外での赤外線吸収を抑えるため活性層のそれより大きいことが望ましい。また第三の半導体層のバンドギャップは、電気伝導度を高くするため、バリア層のそれより小さいと良い。

【0023】

第三の半導体層のバンドギャップは、電気伝導度を高くするためバリア層よりも高濃度にｐ型ドーピングされていてよい。このとき第三の半導体層中のｐ型ドーピング濃度が深さ方向によって必ずしも一定である必要はない。

【0024】

＜ｐ型ドーピング＞
ｐ型ドーピングに用いる材料（ｐ型ドーパント）としてＺｎ、Ｓｉ、Ｂｅ、Ｇｅ等がある。

【0025】

次に好適なｐ型ドーピング濃度について述べるため、バンド図等を用いて、本開示の一実施形態に係る赤外線センサの詳細が説明される。

【0026】

本実施形態に係る赤外線センサの活性層は、上記の通りバンドギャップが小さいため、特に室温におけるキャリア密度が大きい。電気伝導に寄与する再結合として、ＳＲＨ再結合、発光性再結合、オージェ再結合が挙げられるが、このようにキャリア密度が大きい場合、オージェ再結合の寄与が大きくなる。更にオージェ再結合の中でも電子２つとホール１つが相互作用する過程と、電子１つとホール２つが相互作用する過程が知られているが、本実施形態に係る赤外線センサの活性層は、上記の通りｐ型ドーピングされているため、後者の過程が支配的となる。以降、電子１つとホール２つが相互作用するオージェ再結合は、ＮＰＰオージェ再結合と称される。

【0027】

バリア層は、電子拡散に対する障壁となるため、比較的エネルギーギャップの大きい材料が用いられるが、同時にホールに対する障壁とならないよう、ｐ型ドーピングにより価電子帯のエネルギーレベルを高く保つ必要がある。従来、特に室温で動作する赤外線センサにおいて、このｐ型ドーピング濃度について、本開示と類似の材料を用いた場合１×１０^１８／ｃｍ^３以上が好ましいとされている（例えば特許文献１）。

【0028】

しかし、このようにｐ型ドーピング濃度が大きい場合、図３に示す様に、活性層のバリア層と接する部分付近でバンド曲がりが生じる。この影響により、活性層端でホール濃度が増加し、ひいては活性層界面におけるＮＰＰオージェ再結合が増加する。図４はこのときのＮＰＰオージェ再結合レートの位置依存性を示したものである。表１は図３、４を計算する際に仮定した層構造を示す。ここで、図３、図４、後述する図５及び図６の横軸の座標（μｍ）は、活性層中のある断面を０とする、積層方向の位置を示す。

【0029】

【表1】

【0030】

図５は、上記の場合よりもバリア層のｐ型ドーピング濃度を小さくした場合のバンド図を示す。この場合活性層端でのバンド曲がりが抑制される。図６は、このときのＮＰＰオージェ再結合レートの位置依存性を示す。表２は図５及び図６を計算する際に仮定した層構造を示す。図４と図６の比較から、バリア層におけるｐ型ドーピング濃度を減らすことで、活性層界面におけるＮＰＰオージェ再結合が抑制されることが分かる。

【0031】

【表2】

【0032】

図４及び図６において、活性層内で活性層端から十分離れた部分のＮＰＰオージェ再結合レートがバルクの寄与である。ＮＰＰオージェ再結合レートの位置依存性からバルクの寄与を除き、活性層部分について積分することで、ＮＰＰオージェ再結合レートの界面成分を計算することができる。そのようにして得られる界面成分を、バリア層のｐ型ドーピング濃度に対してプロットしたものが図７である。縦軸はｐ型ドーピング濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３の時の値で規格化されている。横軸は対数スケールとなっている。図７によると、ｐ型ドーピング濃度を１×１０^１９／ｃｍ^３から減少させていくと、１×１０^１８／ｃｍ^３までＮＰＰオージェ再結合レートの界面成分は直線的に減少する。更にｐ型ドーピング濃度を減少させると界面成分の減少はなだらかになり、３×１０^１６／ｃｍ^３まで減少させるとほとんど変化が無くなる。上記の振る舞いは、活性層のＡｓ組成、ｐ型ドーピング濃度又はバリアのＡｌ組成を変化させても大きく変わらない。従って、ＮＰＰオージェ再結合レートの界面成分を抑制するにあたって、バリア層の好適なドーピング濃度は３×１０^１６／ｃｍ^３から１×１０^１８／ｃｍ^３である。

【0033】

上記のメカニズムから、活性層においてＮＰＰオージェ再結合が支配的な状況で更に効果が大きくなる。ＩｎＳｂの室温における真性キャリア密度が２×１０^１６／ｃｍ^３であることから、活性層のｐ型ドーピング濃度は２×１０^１６／ｃｍ^３以上であるとよい。

【0034】

（実施例１）
表３は実施例１に係る薄膜積層部の構成を示す。実施例１において、層番号１～５は下地層（ｎ型層）で、ノンドープ又はＳｎをドープすることでｎ型化されたＡｌＩｎＳｂ（Ａｌ＝０、０．０９、０．１８のいずれか）で構成される。層番号６がＩｎＡｓ_０．１３Ｓｂ_０．８７からなる活性層で、Ｚｎを用いてｐ型ドーピングされている。層番号６がＩｎＡｓ_０．１３Ｓｂ_０．８７からなる活性層で、Ｚｎを用いてｐ型ドーピングされている。層番号７がＡｌ_０．１８Ｉｎ_０．８２Ｓｂからなるバリア層で、Ｚｎを用いて２×１０^１７／ｃｍ^３にｐ型ドーピングされている。層番号８及び９がＩｎＳｂからなる第三の半導体層で、層番号８の部分はＺｎを用いて３×１０^１７／ｃｍ^３にｐ型ドーピングされている。また、層番号９の部分はＺｎを用いて３×１０^１８／ｃｍ^３にｐ型ドーピングされている。Ｚｎの濃度は、Ｚｎの濃度が既知のＩｎＳｂ標準試料を用いて校正された二次イオン質量分析法により得られた値である。

【0035】

赤外線センサは以下の手順で作製された。まず、半絶縁性のＧａＡｓ基板上に、表３に示される薄膜積層部がＭＢＥ法にて形成された。ドライエッチ法により、上部から層番号４の途中までエッチングすることでメサ構造を形成し、ＳｉＯ_２及びＳｉＮからなる保護層を形成後、電極と半導体とのコンタクト部について窓開けが行われた。次いで、当該窓開け部を覆うようにＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ層からなる電極層が形成された。メサ構造の面積は約２３０μｍ^２である。赤外光はＧａＡｓ基板側から入射されることで、基板、下地層を透過し、活性層にて吸収される。活性層にて生じたキャリア対のうち、ホールは層番号９と接続した電極層へ取り出される。また、電子は層番号４と接続した電極層へ取り出される。あるメサの層番号９と接続した電極層と、別のメサの層番号４と接続した電極層とを電気的に接続することで、６４３個のメサが直列に接続された。

【0036】

【表3】

【0037】

（比較例１）
表４は比較例１に係る薄膜積層部の構成を示す。比較例１は実施例１において、層番号７の部分及び層番号８の部分のドーピング濃度を３×１０^１８／ｃｍ^３に変更したものに等しい。比較例１の赤外線センサの作製手順は実施例１と同一である。

【0038】

【表4】

【0039】

実施例１と比較例１の無バイアス下での抵抗値はそれぞれ２９．０ｋΩと２４．４ｋΩであった。すなわち抵抗値の１．１９倍の改善が確認された。また、波長が８μｍ、９μｍの赤外線における、比較例１に対する実施例１の受光感度の比は、それぞれ１．０１、０．９５でほぼ変わらなかった。赤外線センサのＳＮ比は、（受光感度）×（抵抗値）^１／２に比例する。そのため、波長が８μｍ、９μｍの赤外線における、比較例１に対する実施例１のＳＮ比はそれぞれ１．１０倍、１．０４倍の改善であった。すなわち、バリア層のｐ型ドーピング濃度を減らすことで、わずかに取り出し効率の低下があり得るが、ＮＰＰオージェ再結合の界面成分を抑制でき、赤外線センサの性能が向上することが確認された。

【0040】

以上のように、本実施形態に係る赤外線センサは、上記のように、バリア層において最適なｐ型ドーピング濃度を選択することで、室温において高抵抗で長波長赤外線に感度を持つ赤外線センサとなる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】