特開 2023-163932 赤外線検出器、及びこれを用いたイメージセンサ

(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】P2023163932

(43)【公開日】2023-11-10

(54)【発明の名称】赤外線検出器、及びこれを用いたイメージセンサ

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20231102BHJP

   H01L 27/144 20060101ALI20231102BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20231102BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 A

H01L31/10 D

H01L27/144 K

H01L27/146 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022075168

(22)【出願日】2022-04-28

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、防衛装備庁、請負契約、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 僚

【テーマコード（参考）】

4M118

5F149

5F849

【Ｆターム（参考）】

4M118AA01

4M118AB01

4M118BA19

4M118CA14

4M118CA22

4M118CA40

4M118CB01

4M118CB14

4M118EA14

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4M118HA31

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5F149FA13

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5F849AA20

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5F849EA04

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5F849FA05

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5F849JA10

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5F849LA01

5F849LA08

5F849XB18

5F849XB24

5F849XB35

(57)【要約】

【課題】赤外線検出器において信号電流の低下を抑制し、受光感度を向上する。
【解決手段】赤外線検出器は、共通電位が与えられる電極と電気的に接続されたエッチングストッパ層と、前記エッチングストッパ層の上に設けられ第１波長帯の赤外線を吸収する第１受光層と、前記第１受光層の上に設けられ、第２波長帯の赤外線を吸収する第２受光層と、を有し、前記第１受光層で検出可能な最長の赤外線波長は、前記第２受光層で検出可能な最長の赤外線波長よりも短く、前記エッチングストッパ層のバンドギャップは前記第１受光層のバンドギャップと同じか、または前記第１受光層のバンドギャップよりも小さい。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

共通電位が与えられる電極と電気的に接続されたエッチングストッパ層と、
前記エッチングストッパ層の上に設けられ、第１波長帯の赤外線を吸収する第１受光層と、
前記第１受光層の上に設けられ、第２波長帯の赤外線を吸収する第２受光層と、
を有し、
前記第１受光層で検出可能な最長の赤外線波長は、前記第２受光層で検出可能な最長の赤外線波長よりも短く、
前記エッチングストッパ層のバンドギャップは前記第１受光層のバンドギャップと同じか、または前記第１受光層のバンドギャップよりも小さい、
赤外線検出器。

【請求項2】

前記第１受光層はＧａを含む材料で形成されており、前記エッチングストッパ層はＧａを含まない材料で形成されている、
請求項１に記載の赤外線検出器。

【請求項3】

前記第１受光層はＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子で形成され、前記エッチングストッパ層はＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子で形成されている、
請求項１または２に記載の赤外線検出器。

【請求項4】

前記第１受光層と前記第２受光層の間に設けられ、電子と正孔のいずれか一方に対するポテンシャル障壁となるバリア層、
を有する請求項１～３のいずれか１項に記載の赤外線検出器。

【請求項5】

前記第１受光層と前記第２受光層の導電型はｐ型であり、
前記エッチングストッパ層の伝導帯下端の電子に対するエネルギーは、前記第１受光層、前記バリア層、及び前記第２受光層の電子に対するエネルギーよりも低い、
請求項４に記載の赤外線検出器。

【請求項6】

前記第１受光層と前記第２受光層の導電型はｎ型であり、
前記エッチングストッパ層の価電子帯上端の正孔に対するエネルギーは、前記第１受光層、前記バリア層、及び前記第２受光層の正孔に対するエネルギーよりも高い、
請求項４に記載の赤外線検出器。

【請求項7】

前記第１受光層、前記バリア層、及び前記第２受光層の伝導帯下端のエネルギー差、または価電子帯上端のエネルギー差は、１０ｍｅＶ以下である、
請求項４～６のいずれか１項に記載の赤外線検出器。

【請求項8】

前記第１波長帯は３μｍよりも長い波長帯であり、前記第２波長帯は８μｍよりも長い波長帯である、
請求項１～７のいずれか１項に記載の赤外線検出器。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか１項に記載の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器と電気的に接続されて前記赤外線検出器から信号を読み出す読出回路と、
を有するイメージセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、赤外線検出器、及びこれを用いたイメージセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

タイプII超格子（Type II Superlattice：Ｔ２ＳＬ）は、水銀カドミウムテルル（Mercury Cadmium Telluride：ＭＣＴ）に代わる次世代の赤外線検出器の材料として期待され、開発が進められている。タイプII超格子を用いた赤外線検出器の多くは、ＧａＳｂ基板に、ＧａＳｂと格子定数の近いＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂなどの材料を用いて超格子構造を形成する。適切に設計された超格子構造を赤外線受光層とすることにより、中波長帯（３～５μｍ）、長波長帯（８～１２μｍ）等、所望の波長帯域の赤外線を検出できる。

【0003】

２波長赤外線検出器の構成として、異なる波長の赤外線に感度をもつ２つの受光層の間に、電子と正孔のどちらか一方のキャリアの流れをブロックするユニポーラバリア層を配置した構造が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。

【0004】

受光層を含む積層体で赤外線検出器アレイを形成する場合、隣接する画素間を分離するために、積層体はメサ形状に加工される。エッチングの深さ精度を高めるために、積層体の下にエッチングストッパ層が設けられることが多い。エッチングストッパ層として、成膜基板と格子定数が近く、かつ、特定の元素の濃度が上層の電極層（またはコンタクト層）や受光層と大きく異なる材料が用いられる。特定の元素成分を示す信号をモニタすることで、エッチング深さを制御できるからである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－１５５５１３号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】SPIE Proceedings, Vol. 8155, pp. 815507 (2011)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

３μｍよりも長い２つの波長帯で赤外線を検出する場合、エッチングストッパ層のバンドギャップが受光層のバンドギャップよりも大きいときに、信号をうまく引き出せないという問題がある。エッチングストッパ層が少数キャリアに対するポテンシャル障壁として作用するからである。取り出す信号の種類と、エッチングストッパ層の伝導帯及び価電子帯のエネルギーによっては、電子に対するポテンシャル障壁として作用する場合も、正孔に対するポテンシャル障壁して作用する場合もあり得る。ポテンシャル障壁によって、特に長波長側の信号の流れが阻害され、受光感度が低下する。

【0008】

本開示のひとつの側面では、赤外線検出器において信号電流の低下を抑制し、受光感度を向上することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示の一形態によれば、赤外線検出器は、
共通電位が与えられる電極と電気的に接続されたエッチングストッパ層と、
前記エッチングストッパ層の上に設けられ、第１波長帯の赤外線を吸収する第１受光層と、
前記第１受光層の上に設けられ、第２波長帯の赤外線を吸収する第２受光層と、
を有し、前記第１受光層で検出可能な最長の赤外線波長は、前記第２受光層で検出可能な最長の赤外線波長よりも短く、前記エッチングストッパ層のバンドギャップは前記第１受光層のバンドギャップと同じか、または前記第１受光層のバンドギャップよりも小さい。

【発明の効果】

【0010】

赤外線検出器において、信号電流の低下を抑制し受光感度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1A】２波長赤外線検出器に生じ得る技術課題を説明する図である。

【図1B】２波長赤外線検出器に生じ得る技術課題を説明する図である。

【図2】第１実施形態の２波長赤外線検出器の断面模式図である。

【図3】第１実施形態の２波長赤外線検出器の動作説明図である。

【図4】第１実施形態の２波長赤外線検出器の動作説明図である。

【図5A】第１実施形態の２波長赤外線検出器の作製工程図である。

【図5B】第１実施形態の２波長赤外線検出器の作製工程図である。

【図5C】第１実施形態の２波長赤外線検出器の作製工程図である。

【図5D】第１実施形態の２波長赤外線検出器の作製工程図である。

【図5E】第１実施形態の２波長赤外線検出器の作製工程図である。

【図6】第２実施形態の２波長赤外線検出器の断面模式図である。

【図7A】第２実施形態の２波長赤外線検出器の動作説明図である。

【図7B】第２実施形態の２波長赤外線検出器の動作説明図である。

【図8】実施形態のイメージセンサの模式図である。

【図9】イメージセンサで用いられる赤外線検出器アレイの一部を示す断面模式図である。

【図10】イメージセンサを組み込んだ撮像システムの概略ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本開示の具体的な構成例を説明する前に、図１Ａと図１Ｂを参照して、２波長赤外線検出器で生じ得る技術課題を、より詳しく説明する。図１Ａと図１Ｂのエネルギーバンド図は、エッチングストッパ層（ＥＳ）、第１電極層（ＥＬ１）、波長λ１の光を吸収する第１受光層（Ｌ１）、バリア層（ＢＲ）、波長λ２の光を吸収する第２受光層（Ｌ２）、及び第２電極層（ＥＬ２）がこの順で積層された構成を前提としている。

【0013】

タイプII超格子を用いた２波長赤外線検出器で受光感度を高めるに、移動度の高い電子を信号として検出する構成が多い。電子を信号として引き出す構成は、ｐＢｐ（正孔ブロック）型と呼ばれる。

【0014】

図１Ａで、第１受光層（Ｌ１）から信号として電子を引き出す場合、第２電極層（ＥＬ２）に正の電圧を印加し、第１電極層（ＥＬ１）に負の電圧を印加する。ｐ型の第１受光層（Ｌ１）にとって逆バイアスの状態となり、第１受光層（Ｌ１）で生成された少数キャリアとしての電子は、第２電極層（ＥＬ２）に向かって流れ、信号として検出される。第１受光層（Ｌ１）で生じた正孔は、第１電極層（ＥＬ１）へと流れる。このとき、第２受光層（Ｌ２）は順バイアスの状態になっており、光吸収により生じたキャリア（電子－正孔対）は再結合して消滅するか、無視し得る程度に少ない。したがって、第１受光層（Ｌ１）に入射したλ１の赤外光は、正しく検出される。

【0015】

図１Ｂで、第２受光層（Ｌ２）から信号として電子を引き出す場合、第１電極層（ＥＬ１）に正の電圧を印加し、第２電極層（ＥＬ２）に負の電圧を印加する。ｐ型の第２受光層（Ｌ２）にとって逆バイアスの状態となり、第２受光層で生成された少数キャリアとしての電子は、第１電極層（ＥＬ１）に向かって流れる。しかし、第１受光層（Ｌ１）よりもバンドギャップＥ_ＢＧの大きいエッチングストッパ層（ＥＳ）の伝導帯がポテンシャル障壁となって、信号（電子）を引き出すことができない。

【0016】

第２受光層（Ｌ２）から信号としての電子を効率よく引き出すには、エッチングストッパ層（ＥＳ）のバンドギャップＥ_ＢＧを、第１受光層（Ｌ１）のバンドギャップと同じ、またはそれよりも小さくすればよい。この構成により、信号の流れを保持して、受光感度を高めることができる。この知見に基づいて、実施形態の２波長赤外線検出器の具体的な構成を述べる。以下の説明で、「上に」または「下に」というときは積層方向または成長方向の上下を指し、絶対的な方向ではない。図中で、同じ構成要素には同じ符号を付けて重複する説明を省略する場合がある。

【0017】

＜第１実施形態＞
図２は、第１実施形態の２波長赤外線検出器１０の断面模式図である。第１実施形態では、電子を信号として取り出す。２波長赤外線検出器１０は、図示の便宜上、ひとつの画素１０１として描かれている。実際の使用では、複数の２波長赤外線検出器１０が一次元または二次元方向に配列された赤外線検出器アレイとして用いられる。

【0018】

２波長赤外線検出器１０は、基板１１の上に、エッチングストッパ層１３、第１電極層１４、第１受光層１５、バリア層１６、第２受光層１７、及び第２電極層１８がこの順で積層されている。基板１１とエッチングストッパ層１３の間に、バッファ層１２が設けられていてもよい。メサ３５は、第１電極層１４、第１受光層１５、バリア層１６、第２受光層１７、及び第２電極層１８を含み、所定の箇所に設けられた電極２１、及び２２を除いて、全体が絶縁膜１９で覆われている。

【0019】

エッチングストッパ層１３は、個々の画素１０１を形成するメサ３５の深さ精度を高めるために用いられる。エッチングストッパ層１３は、第１電極層１４の一部として、赤外線検出器アレイに含まれる複数の画素１０１に共通に用いられる共通電極として機能してもよい。この場合、エッチングストッパ層（ＥＳ）に、第１電極層（ＥＬ１）と同じｐ型不純物がドープされていてもよい。図２では、２波長赤外線検出器１０の動作を説明する都合上、エッチングストッパ層１３に接続される電極２２が描かれている。エッチングストッパ層１３を共通電極として用いる場合は、電極２２は、赤外線検出器アレイの最外周の画素にだけ設けられてもよい。

【0020】

基板１１として、たとえば、ＧａＳｂ（１００）基板を用いる。バッファ層１２を設ける場合は、基板１１と格子整合するＧａＳｂ層を用いてもよい。エッチングストッパ層１３は超格子で形成され、そのバンドギャップが、第１電極層１４、及び第１受光層１５のバンドギャップと同じか、またはそれよりも小さくなるように、組成、膜厚、周期等が設計されている。

【0021】

第１電極層１４は、第１受光層１５と同じバンドギャップをもつように設計されていてもよい。あるいは、後述するように、第１電極層１４と第１受光層１５の伝導帯下端のエネルギー差が１０ｍｅＶ以下で、かつ、双方ともにエッチングストッパ層１３の伝導帯下端のエネルギー以上となる設計であってもよい。

【0022】

第１受光層１５は、第１波長帯（たとえば３～５μｍ）に感度を有する。第２受光層１７は、第２波長帯（たとえば８～１２μｍ）に感度を有する。第１受光層１５で検出可能な最長の赤外線波長は、第２受光層１７で検出可能な最長の赤外線波長よりも短い。第１実施形態では、電子を少数キャリア、すなわち信号として検出するので、第１受光層１５と第２受光層１７はｐ型の導電型を有する。バリア層１６は、積層方向で、第１受光層１５と第２受光層１７を分離する。バリア層１６は、暗電流を抑制して、第１受光層１５と第２受光層１７から別々に信号を取り出すために、正孔に対するポテンシャル障壁として機能する。

【0023】

基板１１側が光入射面となる。基板１１とバッファ層１２は、最終的に研磨等により除去されてもよい。

【0024】

図３と図４は、第１実施形態の２波長赤外線検出器１０の動作説明図である。２波長赤外線検出器１０では、電極２１と電極２２に印加する電圧の極性を変えることで、異なる波長の赤外線を別々に検出する。

【0025】

図３で、第１受光層１５から第１波長帯（λ１）の赤外光の検出信号を引き出す。図３の（Ａ）は２波長赤外線検出器１０の断面模式図、（Ｂ）はエネルギーバンド図である。電極２１に正の電圧を印加し、電極２２に負の電圧を印加すると、ｐ型の第１受光層１５は逆バイアスの状態となり、受光部として機能する。第１受光層１５で光吸収により生じた少数キャリアの電子は、電界に沿って第２電極層１８に向かって流れ、信号として検出される。

【0026】

一方、ｐ型の第２受光層１７は順バイアスの状態になっており、光吸収により生じたキャリア（電子－正孔対）は再結合して消滅するか、無視し得る程度に少ない。バリア層１６は、第２受光層１７で生じた正孔をブロックする。

【0027】

図４で、印加電圧の極性を切り替えて、第２受光層１７から第２波長帯（λ２）の赤外光の検出信号を引き出す。図４の（Ａ）は２波長赤外線検出器１０の断面模式図、（Ｂ）はエネルギーバンド図である。電極２１に負の電圧を印加し、電極２２に正の電圧を印加する。ｐ型の第２受光層１７は逆バイアスの状態となり、受光部として機能する。第２受光層１７で光吸収により生じた少数キャリアの電子は、電界に沿って第１電極層１４に向かって流れ、信号として検出される。

【0028】

図４の（Ｂ）に示すように、エッチングストッパ層１３のバンドギャップは第１受光層１５のバンドギャップよりも小さいか同等であり、伝導帯に電子にとってのポテンシャル障壁はない。図１Ｂと異なり、電子の流れは阻害されず、第２受光層１７の受光量が正しく検出される。

【0029】

一方、ｐ型の第１受光層１５は順バイアスの状態になっており、光吸収により生じたキャリア（電子－正孔対）は再結合して消滅するか、無視し得る程度に少ない。第１受光層１５で生じた正孔は、バリア層１６によってブロックされる。

【0030】

第１実施形態の２波長赤外線検出器１０では、電極２１、及び２２に印加する電圧の極性を切り替えることで、λ１の赤外線の受光結果と、λ２の赤外線の受光結果のそれぞれを、正しく検出することができる。

【0031】

図５Ａ～図５Ｅは、２波長赤外線検出器１０の作製工程図である。図５Ａ～図５Ｅを参照して説明する製造工程は一例であって、材料、組成、膜厚、層構成等は、適宜変更され得る。図５Ａで、基板１１の上に、バッファ層１２、エッチングストッパ層１３、第１電極層１４、第１受光層１５、バリア層１６、第２受光層１７、及び第２電極層１８をこの順でエピタキシャル成長する。

【0032】

ｎ型のＧａＳｂ（１００）基板を、分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）装置の基板導入室に導入する。ＧａＳｂの基板１１は、準備室において脱ガス処理され、その後、超高真空に保持された成長室へ搬送される。成長室へ搬送された基板１１はＳｂ雰囲気下で加熱されて、表面の酸化膜が除去される。酸化膜を除去した後に、基板１１の表面の平坦性を良くするために、たとえば、ＧａＳｂのバッファ層１２を基板温度５００℃にて１００ｎｍ成長する。

【0033】

次いで、エッチングストッパ層１３を３００ｎｍ成長する。エッチングストッパ層１３は、例えば、ＩｎＡｓとＩｎＡｓＳｂの超格子で形成される。超格子は、厚さ８．４ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ２．２ｎｍのＩｎＡｓ_０．５Ｓｂ_０．５をこの順で積層した構造を１周期（単位構造）として、３０周期繰り返す。この超格子の平均格子定数と、基板１１のＧａＳｂの格子定数の差は、約１６００ｐｐｍである。格子定数差が±２０００ｐｐｍ以内であれば、格子定数差に伴う欠陥を抑制することができる。

【0034】

エッチングストッパ層１３のＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子のバンドギャップは、約０．１１６ｅＶである。エッチングストッパ層１３には、不純物として、たとえばＢｅがドープされており、正孔濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３のｐ型の導電性を示す。

【0035】

次いで、ＩｎＡｓとＧａＳｂの超格子で第１電極層１４を形成する。たとえば厚さ３．０ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ１．２ｎｍのＧａＳｂをこの順序で積層した構造を１周期とする超格子で、第１電極層１４を形成する。ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子を８０周期繰り返して、３６０ｎｍの厚さに成長する。この超格子のバンドギャップは、約０．２５６ｅＶである。第１電極層１４には、たとえばＢｅが不純物として添加されており、正孔濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３のｐ型の導電性を示す。

【0036】

次いで、ＩｎＡｓとＧａＳｂの超格子で第１受光層１５を形成する。厚さ３．０ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ１．２ｎｍのＧａＳｂをこの順序で積層した構造を１周期とする超格子を３１０周期繰り返して、１３００ｎｍの厚さに成長する。この超格子のバンドギャップは約０．２５６ｅＶであり、中波長帯（３～５μｍ）の赤外光に感度を有する。第１受光層１５は、たとえば正孔濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３のｐ型の導電型を有する。

【0037】

次いで、たとえば、ＩｎＡｓとＡｌＳｂの超格子でバリア層１６を形成する。バリア層１６は、たとえば、４．６ｎｍのＩｎＡｓと、１．２ｎｍのＡｌＳｂを、この順序で積層した構造を１周期とする超格子で形成される。ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子を、たとえば２０周期繰り返して、１００ｎｍ程度の厚さに成長する。この超格子のバンドギャップは、約０．４８４ｅＶである。バリア層１６は、主として正孔のみをブロックする障壁として機能し、たとえば、正孔濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３のｐ型の導電型を有する。

【0038】

次いで、ＩｎＡｓとＧａＳｂの超格子で第２受光層１７を形成する。第２受光層１７は、たとえば、４．２ｎｍのＩｎＡｓと、２．１ｎｍのＧａＳｂを、この順序で積層した構造を１周期とする超格子で形成される。ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子を、たとえば２００周期繰り返して、１３００ｎｍ程度の厚さに成長する。第２受光層１７のＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子のバンドギャップは約０．１２７ｅＶであり、第２受光層１７は長波長帯（８～１２μｍ）の赤外線に感度を有する。第２受光層は、たとえば正孔濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３のｐ型の導電型を有する。

【0039】

次いで、例えば、ＩｎＡｓとＧａＳｂの超格子で第２電極層１８を形成する。第２電極層１８は、たとえば４．２ｎｍのＩｎＡｓと、２．１ｎｍのＧａＳｂをこの順序で積層した構造を１周期とする超格子で形成される。ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子を、たとえば６０周期繰り返して、３６０ｎｍ程度の厚さに成長する。この超格子のバンドギャップは、約０．１２７ｅＶである。第２電極層１８は、たとえば正孔濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３のｐ型の導電型を有する。以上の工程により、図５Ａの積層構造が得られる。

【0040】

図５Ｂで、図５Ａの積層構造をエッチング加工して、メサ３５を形成する。エッチングストッパ層１３の一部の表面が露出するように、第２電極層１８、第２受光層１７、バリア層１６、第１受光層１５、及び第１電極層１４を選択的にエッチングする。図５Ｂでは１つのメサ３５のみが描かれているが、このエッチング工程で、アレイ状に配置される複数のメサ３５が形成される。隣接するメサ３５の間の空間は、画素分離溝３６となる。

【0041】

メサ３５は、たとえば、反応性イオンエッチングで形成される。エッチング中に、エッチングの副生成物に含まれるＧａ元素の信号をモニタする。第２電極層１８から第１電極層１４までのエッチングでは、Ｇａ元素が検出されるのに対し、エッチングストッパ層１３にＧａ元素は含まれていない。Ｇａ元素の信号をモニタすることにより、精度良くエッチング深さを制御することができる。

【0042】

図５Ｃで、メサ３５の全体と、露出したエッチングストッパ層１３の表面を覆う絶縁膜１９を形成する。絶縁膜１９は、たとえば厚さ５００ｎｍの酸化ケイ素の膜であるが、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などの、その他の絶縁膜を形成してもよい。酸化ケイ素の膜を形成する場合は、反応ガスとしてシラン、及び一酸化二窒素を用いて、化学気相堆積法で形成することができる。

【0043】

図５Ｄで、エッチングマスクを用いた選択的エッチングで、絶縁膜１９の所定の箇所に開口３７－１、及び３７－２を形成して、第２電極層１８の一部と、エッチングストッパ層１３の一部を露出する。

【0044】

図５Ｅで、開口３７－１、及び３７－２に、電極２１、及び２２を形成する。電極２１は第２電極層１８と接続される。電極２２はエッチングストッパ層１３と接続される。電極２１、及び２２は、たとえばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで形成される。Ｔｉは下層膜との密着膜として機能し得る。電極２１、及び２２を、金属膜のスパッタリングとミリングにより形成してもよいし、蒸着とリフトオフ法により形成してもよい。この後、後述するように、赤外線検出器アレイの最外周画素で電極２２に接続される配線と、各有効画素で電極２１に接続される電極バッドを形成して、各画素に突起電極を設ける。必要に応じて、基板１１とバッファ層１２を除去してもよい。

【0045】

第１実施形態の構成では、第１受光層１５と第１電極層１４のバンドギャップが約０．２５６ｅＶであるのに対し、エッチングストッパ層１３のバンドギャップは、約０．１１６ｅＶである。第２受光層１７で赤外光の吸収により生成された信号（電子）は、バリア層１６、第１受光層１５、第１電極層１４、及びエッチングストッパ層１３を経由して、電極２２から外部に引き出される。このとき、エッチングストッパ層１３のバンドギャップが第１受光層１５、及び第１電極層１４のバンドギャップよりも小さいので、λ２の検出信号（電子）に対するポテンシャル障壁がなく、容易に信号を取り出せる。印加する電圧の極性を変えて第１受光層１５から信号を引き出すときは、図３に示したように、従来と同様に高感度で信号を検出できる。

【0046】

エッチングストッパ層１３とＧａＳｂの基板１１との格子定数の差は±２０００ｐｐｍ以内なので、格子定数差にともなう欠陥を抑制することができ、エッチングストッパ層１３は成膜の観点での要求を満たす。上層の第１電極層１４と第１受光層１５がＧａを含むのに対し、エッチングストッパ層１３はＧａを含まない。エッチング中にＧａ元素の信号をモニタすることで、エッチング深さを高精度に制御できる。エッチングストッパ層１３は、プロセスの観点での要求も満たす。

【0047】

第１実施形態の構成は、上述した効果が得られる範囲であれば適宜変更してもよい。第１受光層１５、及び第２受光層１７を形成する超格子は、目的とする吸収波長に応じて各層の膜厚を適宜変更してもよい。ただし、第１受光層１５、バリア層１６、及び第２受光層１７のそれぞれの伝導帯下端のエネルギー差が小さいことが望ましい。典型的には、熱エネルギーによりエネルギー差を容易に乗り越えらえるように、隣接する層との伝導帯下端のエネルギー差は１０ｍｅＶ以下であることが望ましい。

【0048】

エッチングストッパ層１３は、厚さ８．４ｎｍのＩｎＡｓと厚さ２．２ｎｍのＩｎＡｓ_０．５Ｓｂ_０．５の超格子に限定されない。エッチングストッパ層１３のバンドギャップが、第１受光層１５のバンドギャップと同じか小さければ、ＩｎＡｓの膜厚やＩｎＡｓＳｂの膜厚を適宜変更してもよい。ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子に替えて、ＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１－ｘ（０≦ｘ＜１）でエッチングストッパ層１３を形成してもよい。エッチングストッパ層１３は、基板であるＧａＳｂと格子定数差が小さいことが好ましく、格子定数差は±２０００ｐｐｍ以内、より好ましくは、±１０００ｐｐｍ以内である。

【0049】

ｐ型の不純物として、Ｂｅ以外の不純物、たとえば、Ｚｎを用いてもよい。２波長赤外線検出器１０の積層方法は、ＭＢＥ法に限らず、ＭＯＣＶＤ法や、積層構造が作製可能なその他の成長方法を用いてもよい。絶縁膜１９は、原子層堆積法、化学気相蒸着法の他、スパッタ法などで形成してもよい。

【0050】

＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態の２波長赤外線検出器２０の断面模式図である。第２実施形態では、正孔を信号として取り出す。２波長赤外線検出器２０は、基板１１の上に、バッファ層１２、エッチングストッパ層２３、第１電極層２４、第１受光層２５、バリア層２６、第２受光層２７、及び第２電極層２８がこの順でエピタキシャル成長されている。積層体は、所定の箇所に設けられた電極２１、及び２２を除いて、全体が絶縁膜１９で覆われている。電極２１は第２電極層２８と接続されている。電極２２はエッチングストッパ層２３と接続されている。

【0051】

基板１１は、第１実施形態と同様に、ｎ型ＧａＳｂ（１００）基板である。バッファ層１２も、第１実施形態と同様に、厚さ１００ｎｍ程度のＧａＳｂ層である。エッチングストッパ層２３はＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子で形成された厚さ３００ｎｍの層である。超格子は、例えば、ＩｎＡｓを８．４ｎｍ、ＩｎＡｓ_０．５Ｓｂ_０．５を２．２ｎｍの順序で積層された構造を１周期とした超格子とする。この超格子の平均格子定数と、基板であるＧａＳｂの格子定数の差は、約１６００ｐｐｍである。格子定数差が±２０００ｐｐｍ以内であれば、格子定数差に伴う欠陥を抑制することができるため、成膜の観点における要求が満たされている。

【0052】

エッチングストッパ層２３のＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子のバンドギャップは約０．１１６ｅＶである。エッチングストッパ層２３には、例えばＳｉが不純物としてドープされており、電子濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３のｎ型の導電性を示す。

【0053】

第１電極層２４は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子で形成された、厚さ３６０ｎｍの層である。厚さ２．４ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ３．６ｎｍのＧａＳｂをこの順序で積層した構造を１周期とする。このＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子のバンドギャップは、約０．２４９ｅＶである。第１電極層２４は、Ｓｉがドープされた電子濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３のｎ型の導電層である。

【0054】

第１受光層２５は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子で形成された厚さ１３００ｎｍの層である。厚さ２．４ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ３．６ｎｍのＧａＳｂをこの順序で積層した構造を１周期とする。このＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子のバンドギャップは約０．２４９ｅＶであり、第１受光層２５は中波長帯（３～５μｍ）の赤外線に感度を有する。第１受光層２５は、例えばＳｉが不純物としてドープされた電子濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３のｎ型の導電型を有する。

【0055】

バリア層２６は、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｓｂで形成された厚さ１００ｎｍの層である。Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｓｂのバンドギャップは約１．０８３ｅＶである。バリア層２６は、主として電子のみをブロックし、電子濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３のｎ型の導電型を有する。

【0056】

第２受光層２７は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子で形成された厚さ１３００ｎｍの層である。超格子は、例えば、厚さ４．２ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ２．１ｎｍのＧａＳｂをこの順序で積層された構造を１周期とする。第２受光層２７のバンドギャップは、約０．１２７ｅＶであり、第２受光層は長波長帯（８～１２μｍ）の赤外線に感度を有する。第２受光層２７は、例えば電子濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３のｎ型である。

【0057】

第２電極層２８は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子で形成された、厚さ３６０ｎｍの層である。超格子は、厚さ４．２ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ２．１ｎｍのＧａＳｂをこの順序で積層された構造を１周期とする。第２電極層２８のバンドギャップは、約０．１２７ｅＶである。第２電極層２８は、例えば電子濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３のｎ型である。第１受光層２５、バリア層２６、及び第２受光層２７で、ｎＢｎ（電子をブロック）型の赤外線検出構造が形成される。

【0058】

図７Ａと図７Ｂは、第２実施形態の２波長赤外線検出器２０の動作説明図である。２波長赤外線検出器２０では、電極２１と電極２２に印加する電圧の極性を変えることで、異なる波長の赤外線を検出する。

【0059】

図７Ａで、第１受光層２５からλ１の赤外光の検出信号を引き出す。電極２１から第２電極層２８に負の電圧を印加し、電極２２からエッチングストッパ層２３に正の電圧を印加する。ｎ型の第１受光層２５は逆バイアスの状態となり、受光部として機能する。第１受光層２５で光吸収により生成された少数キャリアの正孔は、第２電極層２８に向かって流れ、信号として検出される。

【0060】

一方、ｎ型の第２受光層２７は順バイアスの状態になっており、光吸収により生じたキャリア（電子－正孔対）は再結合して消滅するか、無視し得る程度に少ない。バリア層２６は、第２受光層１７で生じた電子をブロックする。

【0061】

図７Ｂで、印加電圧の極性を切り替えて、第２受光層２７からλ２の赤外光の検出信号を引き出す。電極２１から第２電極層２８に正の電圧を印加し、電極２２からエッチングストッパ層２３に負の電圧を印加する。ｎ型の第２受光層２７は逆バイアスの状態となり、受光部として機能する。第２受光層２７で光吸収により生じた少数キャリアの正孔は、第１電極層２４に向かって流れ、信号として検出される。

【0062】

図７Ｂに示すように、エッチングストッパ層２３のバンドギャップは第１受光層２５のバンドギャップよりも小さいか同等であり、価電子帯の正孔にとってのポテンシャル障壁はない。正孔の流れは阻害されず、第２受光層２７の受光量が正しく検出される。

【0063】

一方、ｎ型の第１受光層２５は順バイアスの状態になっており、光吸収により生じたキャリア（電子－正孔対）は再結合して消滅するか、無視し得る程度に少ない。第１受光層２５で生じた電子は、バリア層２６によってブロックされる。

【0064】

第２実施形態の２波長赤外線検出器２０では、正孔を信号として検出する。電極２１、及び２２に印加する電圧の極性を切り替えることで、λ１の赤外線の受光結果と、λ２の赤外線の受光結果のそれぞれを、正しく検出することができる。

【0065】

第２実施形態の構成では、第１受光層２５と第１電極層２４のバンドギャップが約０．２４９ｅＶであるのに対し、エッチングストッパ層２３のバンドギャップは約０．１１６ｅＶである。第２受光層２７で赤外線を吸収して生成した信号（正孔）は、バリア層２６、第１受光層２５、第１電極層２４、及びエッチングストッパ層２３を経由して外部に引き出される。エッチングストッパ層２３のバンドギャップが第１受光層２５および第１電極層２４のバンドギャップよりも小さいので、エッチングストッパ層２３は信号（正孔）に対するポテンシャル障壁にならず、容易に信号を引き出せる。第２受光層２７で生成された信号の流れは低下せず、高感度が維持される。印加する電圧の極性を変えて、第１受光層２５から信号（正孔）を引き出す場合は、従来通り信号の流れは妨げられず、高い感度が得られる。

【0066】

エッチングストッパ層２３が、基板１１のＧａＳｂとの格子定数差が±２０００ｐｐｍ以内であること、及び、Ｇａ元素の信号をモニタすることでエッチング深さを精度良く制御できることは、第１実施形態と同じである。

【0067】

第２の実施形態の構成は、効果が得られる範囲で適宜変更しても構わない。第１受光層２５、及び第２受光層２７を構成する超格子について、吸収波長に応じて各層の厚さは適宜変更して構わないが、第１受光層２５、バリア層２６、第２受光層２７のそれぞれの価電子帯上端のエネルギー差が小さいことが望ましい。典型的には、熱エネルギーによりエネルギー差を乗り越えることが容易となるように、隣接する層との価電子帯上端のエネルギー差が１０ｍｅＶ以下であることが好ましい。

【0068】

エッチングストッパ層２３のバンドギャップが、第１受光層２５のバンドギャップと同じか小さければ、ＩｎＡｓの膜厚やＩｎＡｓＳｂの膜厚を適宜変更して構わない。また、ＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１－ｘ（０≦ｘ＜１）でエッチングストッパ層２３を形成してもよい。

【0069】

第2実施形態では、バリア層２６をＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｓｂとしたが、Ａｌ_ｙＧａ_１－ｙＳｂ（０＜ｙ≦１）、ＡｌＡｓ_ｚＳｂ_１－ｚ（０≦ｚ≦１）などであってもよい。第１電極層２４、及び第２電極層２８のドーパントをＳｉに替えて、その他のｎ型不純物、たとえばＴｅを用いてもよい。積層体の成長方法と、絶縁膜１９の成膜方法を適宜選択できることは第１実施形態で述べたとおりである。

【0070】

＜２波長赤外線検出器を用いたイメージセンサ＞
図８は、２波長赤外線検出器１０を用いたイメージセンサ１００の模式図である。イメージセンサ１００は、複数の画素１０１の配列を含む赤外線検出器アレイ５０と、読出回路６０を有する。赤外線検出器アレイ５０は、突起電極３１によって読出回路６０にフリップチップ接合されている。赤外線検出器アレイ５０と読出回路６０の間にアンダーフィルが充填され硬化されていてもよい。図８では、赤外線検出器アレイ５０は第１実施形態の２波長赤外線検出器１０を用いているが、第２実施形態の２波長赤外線検出器２０を用いてもよい。

【0071】

赤外線検出器アレイ５０の突起電極３１と反対側の面が光入射面であり、第１受光層１５（または２５）の側から光が入射する。タイプII超格子の場合は、受光層のバンドギャップと波長応答特性の関係から、応答波長が短い第１受光層１５が光入射面に近い側に設けられる。

【0072】

読出回路６０には、赤外線検出器アレイ５０の各画素１０１に対応する駆動セルを有する。各駆動セルは、対応する画素１０１に、正電位を与えるバイアスと負電位を与えるバイアスを交互に印加して、第１受光層１５と第２受光層１７から電子を信号として読み出す。各駆動セルで、第１の波長と第２の波長に対応する電荷のそれぞれを積分して、各波長の入射強度に対応した電圧信号を出力する。読出回路６０は、各画素１０１からの応答出力を順次に走査して、観測対象からの温度分布やガス分布の情報を含む信号を、時系列信号として出力してもよい。この場合、第１波長（たとえば中赤外波長）の時系列信号と、第２波長（遠赤外波長）の時系列信号を交互に出力してもよい。

【0073】

図９は、イメージセンサ１００で用いられる赤外線検出器アレイ５０の一部を示す断面模式図である。たとえば、第１実施形態の２波長赤外線検出器１０を１つの画素１０１として、複数の画素１０１が２次元状に配置されている。各画素１０１は、画素分離溝３６によって互いに分離され、Ｉｎ等で形成された個別の突起電極３１ｐを介して、読出回路６０の対応する駆動セルのトランジスタ６１と電気的に接続されている。

【0074】

個別の突起電極３１ｐは、各画素１０１のメサの上部に設けられた電極２１に接続される表面配線用の金属膜３２の上に配置されている。対応する駆動セルのトランジスタ６１のゲート印加されるゲート電圧Ｖ_ＩＧに応じたバイアス電圧が、突起電極３１ｐから、画素１０１に選択的に印加される。

【0075】

赤外線検出器アレイ５０の最外周の画素は、ダミー画素１０１Ｄとして、共通電極３１ｄにより共通の電位Ｖ_Ａに接続されている。共通電極３１ｄは、配線３３を介して、エッチングストッパ層１３とオーミック接触する電極２２に接続されており、エッチングストッパ層１３を介して、各画素１０１に共通の電位Ｖ_Ａが供給される。

【0076】

金属膜３２と配線３３は、図５Ｅの工程の後に同一の工程で形成される。金属膜３２と配線３３上に、個別の突起電極３１ｐと共通電極３１ｄが同一の工程で形成される。赤外線検出器アレイ５０が、突起電極３１ｐと共通電極３１ｄを介して読出回路６０にフリップチップ接合されたあとに、必要に応じて、基板１１、及びバッファ層１２が除去されてもよい。これにより、図８のイメージセンサ１００が得られる。

【0077】

図１０は、イメージセンサ１００を組み込んだ撮像システム１の概略ブロック図である。撮像システム１は、イメージセンサ１００と、イメージセンサ１００に接続される制御演算部２と、制御演算部２に接続される表示部３を有する。イメージセンサ１００の光入射側に光学系１１０を配置してもよい。

【0078】

光学系１１０は、イメージセンサ１００の赤外線検出器アレイ５０の光入射面に、入射赤外線の光像を結像させる。画素１０１ごとに２波長で検出される赤外線の強度情報は、交互に読出回路６０に読み出される。赤外線検出器アレイ５０から得られる赤外線強度情報は、観測対象からの赤外線放射、すなわち温度分布やガス濃度分布を表わしている。

【0079】

イメージセンサ１００の読出回路６０から出力される電圧信号は、制御演算部２の入力に接続されている。電圧信号が制御演算部２に入力される前に、デジタル信号に変換されてもよい。制御演算部２は、読出回路６０からの出力信号に補正処理、画像処理等を施して観測対象の温度分布やガス分布に応じた画像を生成する。補正処理には、画素１０１ごとの感度や非線形性のばらつきの補正が含まれていてもよい。

【0080】

実施形態の２波長赤外線検出器１０または２０を用いた赤外線検出器アレイ５０は、各画素で長波長側の信号流の低下が抑制され、高画質の赤外線画像が得られる。制御演算部２により生成された画像は、表示部３に表示され、温度分布やガス分布が視覚的に認識可能になる。

【0081】

実施形態のイメージセンサ１００と撮像システム１は、セキュリティ、インフラ点検の分野等への応用が可能である。イメージセンサ１００で用いられる２波長赤外線検出器１０または２０は、少数キャリアの流れを阻害しないエネルギーバンド構造を有し、長波長側での信号低下が抑制され、観察対象物に対する識別精度が高い。

【符号の説明】

【0082】

１ 撮像システム
１０、２０ ２波長赤外線検出器
１１ 基板
１２ バッファ層
１３、２３ エッチングストッパ層
１４、２４ 第１電極層
１５、２５ 第１受光層
１６、２６ バリア層
１７、２７ 第２受光層
１８、２８ 第２電極層
２１、２２ 電極
３１、３１ｐ 突起電極
３１ｄ 共通電極
３２ 金属膜
３３ 配線
５０ ２波長赤外線検出器アレイ
６０ 読出回路
１００ イメージセンサ
１０１ 画素

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】