(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】
(24)【登録日】2023-11-07
(45)【発行日】2023-11-15
(54)【発明の名称】赤外線検出器
(51)【国際特許分類】
H01L 31/08 20060101AFI20231108BHJP
H01L 31/10 20060101ALI20231108BHJP
H01L 27/144 20060101ALI20231108BHJP
H01L 27/146 20060101ALI20231108BHJP
G01J 1/02 20060101ALI20231108BHJP
【ＦＩ】
H01L31/08 N
H01L31/10 D
H01L27/144 K
H01L27/146 A
G01J1/02 B
G01J1/02 C
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2019204924
(22)【出願日】2019-11-12
(65)【公開番号】P2021077804
(43)【公開日】2021-05-20
【審査請求日】2022-07-08
(73)【特許権者】
【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
【審査官】原 俊文
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１１－２１１０１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０８２８１４９５（ＣＮ，Ａ）
【文献】米国特許第０９７９９７８５（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】特開２０１８－１０７２７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０２７０４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／００２５４６６（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１１９
Ｈ０１Ｌ ２７／１４－２７／１４８
Ｇ０１Ｊ １／００－１／６０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の赤外線を吸収する第１の受光層と、第２の赤外線を吸収する第２の受光層と、
前記第１の受光層と前記第２の受光層との間に設けられた障壁層と、
前記障壁層との間で前記第１の受光層を挟むように配置され、前記第１の受光層に接する第１の電極層と、
前記障壁層との間で前記第２の受光層を挟むように配置され、前記第２の受光層に接する第２の電極層と、
を有し、
前記第１の受光層のバンドギャップは、前記第２の受光層のバンドギャップよりも大きく、
前記第１の電極層のバンドギャップは、前記第１の受光層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２の電極層のバンドギャップは、前記第２の受光層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２の電極層のバンドギャップは、前記第１の受光層のバンドギャップ以下であり、
前記第１の電極層のバンドギャップと前記第１の受光層のバンドギャップとの差は、前記第２の電極層のバンドギャップと前記第２の受光層のバンドギャップとの差よりも小さいことを特徴とする赤外線検出器。
【請求項2】
前記第１の電極層のバンドギャップと前記第１の受光層のバンドギャップとの差が０．０３ｅＶ以上であり、前記第２の電極層のバンドギャップと前記第２の受光層のバンドギャップとの差が０．０３ｅＶ以上であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項3】
前記第１の電極層は、当該第１の電極層の厚さ方向に並んだ複数の第１の半導体層を含み、前記第２の電極層は、当該第２の電極層の厚さ方向に並んだ複数の第２の半導体層を含み、
前記複数の第１の半導体層のバンドギャップは、前記第１の受光層から離間するほど大きくなっており、
前記複数の第２の半導体層のバンドギャップは、前記第２の受光層から離間するほど大きくなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線検出器。
【請求項4】
前記第１の受光層、前記第２の受光層、前記障壁層、前記第１の電極層及び前記第２の電極層は超格子を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、赤外線検出器に関する。
【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）に変わる次世代の赤外線検出器の材料として期待されており、近年、タイプII超格子を用いた赤外線検出器について盛んに研究されている。タイプII超格子を用いた赤外線検出器の一例は、ＧａＳｂ基板上に設けられた、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ等の材料の超格子を含む受光層を有する。
【0003】
２波長の赤外線を検出できる２波長赤外線検出器についての研究も行われている。２波長赤外線検出器は、バンドギャップが相違する２つの受光層と、これらの間に設けられた障壁層とを含む。障壁層は、電子又は正孔の一方の流れをブロックする。障壁層により正孔の流れがブロックされる２波長赤外線検出器はｐＢｐ型とよばれ、障壁層により電子の流れがブロックされる２波長赤外線検出器はｎＢｎ型とよばれることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１１－２１１０１９号公報
【文献】特開２０１８－１０７２７７号公報
【非特許文献】
【0005】
【文献】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】
【0006】
従来の２波長赤外線検出器では、十分な信号／雑音比（Ｓ／Ｎ比）を得ることができない。
【0007】
本開示の目的は、Ｓ／Ｎ比を向上することができる赤外線検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の一形態によれば、第１の赤外線を吸収する第１の受光層と、第２の赤外線を吸収する第２の受光層と、前記第１の受光層と前記第２の受光層との間に設けられた障壁層と、前記障壁層との間で前記第１の受光層を挟むように配置され、前記第１の受光層に接する第１の電極層と、前記障壁層との間で前記第２の受光層を挟むように配置され、前記第２の受光層に接する第２の電極層と、を有し、前記第１の受光層のバンドギャップは、前記第２の受光層のバンドギャップよりも大きく、前記第１の電極層のバンドギャップは、前記第１の受光層のバンドギャップよりも大きく、前記第２の電極層のバンドギャップは、前記第２の受光層のバンドギャップよりも大きく、前記第２の電極層のバンドギャップは、前記第１の受光層のバンドギャップ以下であり、前記第１の電極層のバンドギャップと前記第１の受光層のバンドギャップとの差は、前記第２の電極層のバンドギャップと前記第２の受光層のバンドギャップとの差よりも小さい赤外線検出器が提供される。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】第１の実施形態に係る赤外線検出器を示す断面図である。
【図2】第１の実施形態に係る赤外線検出器内のエネルギバンドを示す図である。
【図3】第１の動作例における第１の実施形態に係る赤外線検出器内のエネルギバンドを示す図である。
【図4】第２の動作例における第１の実施形態に係る赤外線検出器内のエネルギバンドを示す図である。
【図5A】第１の実施形態に係る赤外線検出器の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図5B】第１の実施形態に係る赤外線検出器の製造方法を示す断面図（その２）である。
【図5C】第１の実施形態に係る赤外線検出器の製造方法を示す断面図（その３）である。
【図5D】第１の実施形態に係る赤外線検出器の製造方法を示す断面図（その４）である。
【図6】第２の実施形態に係る赤外線検出器を示す断面図である。
【図7】第２の実施形態に係る赤外線検出器内のエネルギバンドを示す図である。
【図8】第１の動作例における第２の実施形態に係る赤外線検出器内のエネルギバンドを示す図である。
【図9】第２の動作例における第２の実施形態に係る赤外線検出器内のエネルギバンドを示す図である。
【図10】第３の実施形態に係る赤外線検出器を示す断面図である。
【図11】第３の実施形態に係る赤外線検出器内のエネルギバンドを示す図である。
【図12】第４の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す斜視図である。
【図13】第４の実施形態に係る赤外線撮像素子の一部を拡大して示す断面図である。
【図14】第５の実施形態に係る赤外線撮像システムを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
雑音である暗電流を低減することで、赤外線検出器のＳ／Ｎ比を向上することができる。２波長の赤外線を検出できる赤外線検出器では、受光層に隣接して設けられる電極層において熱生成されるキャリアが暗電流の増加を引き起こす。特に、２つの電極層のうち、長波長側の赤外線を受光する受光層に隣接して設けられる電極層において熱生成されるキャリアが暗電流の増加をより引き起こしやすい。キャリアの熱生成は電極層のバンドギャップを受光層のバンドギャップよりも大きくすることで抑制することができる。これらの観点から、Ｓ／Ｎ比の向上のために、長波長側の赤外線を受光する受光層のバンドギャップよりも、この受光層に隣接する電極層のバンドギャップを大きくすることが考えられる。ところが、電極層のバンドギャップが過剰に大きい場合、当該電極層を通じて光電流が外部に流れ出にくくなる。光電流の低下は信号の低下につながるため、十分なＳ／Ｎ比が得られなくなる。本願発明者は、これらの知見に基づき鋭意検討を行った。この結果、２波長の赤外線を検出できる赤外線検出器に含まれる２つの受光層のバンドギャップ及び２つの電極層のバンドギャップの間に、適切な関係が成り立つことが重要であることが明らかになった。また、本願発明者が行ったシミュレーションにより、上記適切な関係が成り立つ上で、互いに隣接する電極層と受光層との間のバンドギャップの差が０．０３ｅＶ以上である場合に、暗電流は無視できる程度まで抑制されることも明らかになった。
【0012】
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。
【0013】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、ｐＢｐ型の赤外線検出器に関する。図１は、第１の実施形態に係る赤外線検出器を示す断面図である。図２は、バイアスが印加されていないときの第１の実施形態に係る赤外線検出器内のエネルギバンドを示す図である。図２中のＥｆはフェルミレベルを示す。
先ず、第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、ｐＢｐ型の赤外線検出器に関する。図１は、第１の実施形態に係る赤外線検出器を示す断面図である。図２は、バイアスが印加されていないときの第１の実施形態に係る赤外線検出器内のエネルギバンドを示す図である。図２中のＥｆはフェルミレベルを示す。
【0014】
第１の実施形態に係る赤外線検出器１００は、図１に示すように、基板１０１と、バッファ層１０２と、エッチングストッパ層１０３と、第１の電極層１１０と、第１の受光層１２０と、障壁層１５０と、第２の受光層１３０と、第２の電極層１４０とを有する。赤外線検出器１００は、更に、絶縁膜１６０と、第１の電極１７０と、第２の電極１８０とを有する。
【0015】
基板１０１は、例えばｎ型のＧａＳｂ基板である。例えば、基板１０１の表面のミラー指数は（１００）である。バッファ層１０２は基板１０１上に設けられている。バッファ層１０２は、例えばＧａＳｂ層である。バッファ層１０２の厚さは、例えば９０ｎｍ～１１０ｎｍ程度である。エッチングストッパ層１０３はバッファ層１０２上に設けられている。エッチングストッパ層１０３は、例えばＩｎＡｓＳｂ層である。エッチングストッパ層１０３の厚さは、例えば２８０ｎｍ～３２０ｎｍ程度である。ＩｎＡｓＳｂ層の混晶組成は、ＧａＳｂに格子整合する混晶組成であることが好ましく、ＩｎＡｓＳｂ層は、ＩｎＡｓ０．９１Ｓｂ０．０９層であることが好ましい。
【0016】
第１の電極層１１０はエッチングストッパ層１０３上に設けられている。第１の電極層１１０は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは３．０ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは１．２ｎｍである。厚さが３．０ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが１．２ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．１７７ｅＶである。例えば、第１の電極層１１０には、正孔濃度が１×１０１８ｃｍ－３程度となるようにＢｅがドーピングされており、第１の電極層１１０はｐ型の導電型を有する。第１の電極層１１０の厚さは、例えば３４０ｎｍ～３８０ｎｍ程度である。
【0017】
第１の受光層１２０は第１の電極層１１０上に設けられている。第１の受光層１２０は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは３．４ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは１．２ｎｍである。厚さが３．４ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが１．２ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．１４６ｅＶである。例えば、第１の受光層１２０には、正孔濃度が１×１０１６ｃｍ－３程度となるようにＢｅがドーピングされており、第１の受光層１２０はｐ型の導電型を有する。第１の受光層１２０の厚さは、例えば１２００ｎｍ～１４００ｎｍ程度である。
【0018】
障壁層１５０は第１の受光層１２０上に設けられている。障壁層１５０は、ＩｎＡｓ層とＡｌＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは４．６ｎｍであり、ＡｌＳｂ層の厚さは１．２ｎｍである。厚さが４．６ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが１．２ｎｍのＡｌＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．４８５ｅＶである。例えば、障壁層１５０には、正孔濃度が１×１０１６ｃｍ－３程度となるようにＢｅがドーピングされており、障壁層１５０はｐ型の導電型を有する。障壁層１５０は、正孔のみをブロックするユニポーラ障壁層として機能する。障壁層１５０の厚さは、例えば９０ｎｍ～１１０ｎｍ程度である。
【0019】
第２の受光層１３０は障壁層１５０上に設けられている。第２の受光層１３０は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは４．８ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは２．１ｎｍである。厚さが４．８ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが２．１ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．０９１ｅＶである。例えば、第２の受光層１３０には、正孔濃度が１×１０１６ｃｍ－３程度となるようにＢｅがドーピングされており、第２の受光層１３０はｐ型の導電型を有する。第２の受光層１３０の厚さは、例えば１２００ｎｍ～１４００ｎｍ程度である。
【0020】
第２の電極層１４０は第２の受光層１３０上に設けられている。第２の電極層１４０は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは４．２ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは２．１ｎｍである。厚さが４．２ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが２．１ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．１２７ｅＶである。例えば、第２の電極層１４０には、正孔濃度が１×１０１８ｃｍ－３程度となるようにＢｅがドーピングされており、第２の電極層１４０はｐ型の導電型を有する。第２の電極層１４０の厚さは、例えば３４０ｎｍ～３８０ｎｍ程度である。
【0021】
このように、第１の電極層１１０に含まれる超格子の材料、第１の受光層１２０に含まれる超格子の材料、第２の受光層１３０に含まれる超格子の材料及び第２の電極層１４０に含まれる超格子の材料は共通している。また、第１の受光層１２０の正孔濃度と第２の受光層１３０の正孔濃度とは同程度であり、第１の電極層１１０の正孔濃度と第２の電極層１４０の正孔濃度とは同程度である。第１の電極層１１０の正孔濃度は第１の受光層１２０の正孔濃度よりも高く、第２の電極層１４０の正孔濃度は第２の受光層１３０の正孔濃度よりも高い。
【0022】
第２の電極層１４０、第２の受光層１３０、障壁層１５０及び第１の受光層１２０はメサ状にエッチングされており、絶縁膜１６０は、第２の電極層１４０、第２の受光層１３０、障壁層１５０及び第１の受光層１２０の側面を被覆する。絶縁膜１６０は、例えば酸化ケイ素膜である。絶縁膜１６０の厚さは、例えば４８０ｎｍ～５２０ｎｍ程度である。絶縁膜１６０は、第１の電極層１１０の上面及び第２の電極層１４０の上面も覆う。
【0023】
絶縁膜１６０に、第１の電極層１１０の上面の一部を露出する開口部１６７と、第２の電極層１４０の上面の一部を露出する開口部１６８とが形成されている。開口部１６７の内側に第１の電極１７０が形成され、開口部１６８の内側に第２の電極１８０が設けられている。第１の電極１７０は、例えば、第１の電極層１１０と接するＴｉ膜と、Ｔｉ膜上のＰｔ膜と、Ｐｔ膜上のＡｕ膜とを有する。第１の電極１７０は第１の電極層１１０とオーミック接合する。第２の電極１８０は、例えば、第２の電極層１４０と接するＴｉ膜と、Ｔｉ膜上のＰｔ膜と、Ｐｔ膜上のＡｕ膜とを有する。第２の電極１８０は第２の電極層１４０とオーミック接合する。
【0024】
このように、赤外線検出器１００では、第１の電極層１１０のバンドギャップＥｇ１が約０．１７７ｅＶであり、第１の受光層１２０のバンドギャップＥｇ２が約０．１４６ｅＶである。また、第２の受光層１３０のバンドギャップＥｇ３が約０．０９１ｅＶであり、第２の電極層１４０のバンドギャップＥｇ４が約０．１２７ｅＶであり、障壁層１５０のバンドギャップＥｇ５が約０．４８５ｅＶである。バンドギャップＥｇ２とバンドギャップＥｇ３とが相違するため、第１の受光層１２０が吸収する第１の赤外線の波長と、第２の受光層１３０が吸収する第２の赤外線の波長とが相違する。障壁層１５０は、第１の受光層１２０と第２の受光層１３０との間に設けられている。第１の電極層１１０は、障壁層１５０との間で第１の受光層１２０を挟むように配置され、第１の受光層１２０に接する。第２の電極層１４０は、障壁層１５０との間で第２の受光層１３０を挟むように配置され、第２の受光層１３０に接する。
【0025】
図２に示すように、第１の受光層１２０のバンドギャップＥｇ２は、第２の受光層１３０のバンドギャップＥｇ３よりも大きい。このため、第２の受光層１３０が受光する第２の赤外線の波長は、第１の受光層１２０が吸収する第１の赤外線の波長よりも長い。第２の電極層１４０のバンドギャップＥｇ４は、第２の受光層１３０のバンドギャップＥｇ３よりも大きい。第１の電極層１１０のバンドギャップＥｇ１は、第１の受光層１２０のバンドギャップＥｇ２よりも大きい。第２の電極層１４０のバンドギャップＥｇ４は、第１の受光層１２０のバンドギャップＥｇ２以下である。
【0026】
赤外線検出器１００には、基板１０１側から赤外線Ｉｒが照射される。赤外線検出器１００に照射された赤外線Ｉｒは、基板１０１を通じて赤外線検出器１００の内部に入射し、その波長に応じて第１の受光層１２０又は第２の受光層１３０に吸収される。第１の受光層１２０又は第２の受光層１３０に赤外線Ｉｒが吸収されると、赤外線Ｉｒを吸収した第１の受光層１２０又は第２の受光層１３０にて電子－正孔対が生成される。第１の受光層１２０又は第２の受光層１３０にて生成された電子及び正孔は、第１の電極層１１０と第２の電極層１４０との間に印加されている電界に応じて拡散し、電流が発生する。そして、この電流を信号電流（光電流）として外部で検出することができる。
【0027】
ここで、赤外線検出器１００の動作の詳細について説明する。図３は、第１の動作例における赤外線検出器１００内のエネルギバンドを示す図である。図４は、第２の動作例における赤外線検出器１００内のエネルギバンドを示す図である。
【0028】
第１の動作例では、第２の受光層１３０に吸収された赤外線Ｉｒを検出する。第１の動作例では、図３に示すように、第１の受光層１２０の伝導帯の下端Ｅｃ２が第２の受光層１３０の伝導帯の下端Ｅｃ３以下となるように、第１の電極１７０にプラスの電圧が印加され、第２の電極１８０にマイナスの電圧が印加される。第２の電極層１４０のバンドギャップＥｇ４は、第２の受光層１３０のバンドギャップＥｇ３よりも大きい。このため、第２の電極層１４０におけるキャリアの熱生成が抑制され、暗電流を低減することができる。特に、本実施形態では、バンドギャップＥｇ４がバンドギャップＥｇ３よりも０．０３ｅＶ以上大きいため、第２の電極層１４０で熱生成されるキャリアにより生じる暗電流は無視できる程度に抑制することができる。
【0029】
第２の受光層１３０に吸収され得る赤外線Ｉｒが基板１０１を通じて赤外線検出器１００の内部に入射すると、赤外線Ｉｒは第２の受光層１３０に吸収され、赤外線Ｉｒを吸収した第２の受光層１３０にて電子１０及び正孔２０が生成される。電子１０は、第１の電極層１１０と第２の電極層１４０との間に印加されている電界に応じて、障壁層１５０を通過して第１の受光層１２０へと拡散する。
【0030】
第１の受光層１２０へと拡散した電子１０に対しては、第１の電極層１１０側では、第１の電極層１１０のポテンシャル障壁が存在し、第２の電極層１４０側では、障壁層１５０、第２の受光層１３０及び第２の電極層１４０のポテンシャル障壁が存在する。本実施形態では、第１の電極層１１０のバンドギャップＥｇ１と第１の受光層１２０のバンドギャップＥｇ２との差ΔＥｇ１２（＝Ｅｇ１－Ｅｇ２）は０．０３１ｅＶであり、第２の電極層１４０のバンドギャップＥｇ４と第２の受光層１３０のバンドギャップＥｇ３との差ΔＥｇ４３（＝Ｅｇ４－Ｅｇ３）は０．０３６ｅＶである。つまり、差ΔＥｇ１２は差ΔＥｇ４３よりも小さく、第１の電極層１１０のポテンシャル障壁は、障壁層１５０、第２の受光層１３０及び第２の電極層１４０のポテンシャル障壁よりも小さい。従って、第１の受光層１２０へと拡散した電子１０は、第１の電極層１１０を介して第１の電極１７０に到達し、信号電流（光電流）Ｉｓが外部に十分に流れ出る。これは、第１の受光層１２０の伝導帯の下端Ｅｃ２が第２の受光層１３０の伝導帯の下端Ｅｃ３と等しい場合でも同様である。
【0031】
なお、図２に示すように、赤外線検出器１００において、第１の電極層１１０の価電子帯の上端Ｅｖ１と第１の受光層１２０の価電子帯の上端Ｅｖ２との差ΔＥｖ１２（＝Ｅｖ１－Ｅｖ２）は、第２の電極層１４０の価電子帯の上端Ｅｖ４と第２の受光層１３０の価電子帯の上端Ｅｖ３との差ΔＥｖ４３（＝Ｅｖ４－Ｅｖ３）と同程度である。従って、差ΔＥｇ４３と差ΔＥｇ１２との差は、第２の電極層１４０の伝導帯の下端Ｅｃ４と第２の受光層１３０の伝導帯の下端Ｅｃ３との差ΔＥｃ４３（＝Ｅｃ４－Ｅｃ３）と第１の電極層１１０の伝導帯の下端Ｅｃ１と第１の受光層１２０の伝導帯の下端Ｅｃ２との差ΔＥｃ１２（＝Ｅｃ１－Ｅｃ２）との差と同程度である。
【0032】
第２の動作例では、第１の受光層１２０に吸収された赤外線Ｉｒを検出する。第２の動作例では、図４に示すように、第１の電極１７０にマイナスの電圧が印加され、第２の電極１８０にプラスの電圧が印加される。第１の受光層１２０の価電子帯の上端Ｅｖ２は第２の受光層１３０の価電子帯の上端Ｅｖ３以上となる。第１の電極層１１０のバンドギャップＥｇ１は、第１の受光層１２０のバンドギャップＥｇ２よりも大きい。このため、第１の電極層１１０におけるキャリアの熱生成が抑制され、暗電流を低減することができる。特に、本実施形態では、バンドギャップＥｇ１がバンドギャップＥｇ２よりも０．０３ｅＶ以上大きいため、第１の電極層１１０で熱生成されるキャリアにより生じる暗電流は無視できる程度に抑制することができる。
【0033】
第１の受光層１２０に吸収され得る赤外線Ｉｒが基板１０１を通じて赤外線検出器１００の内部に入射すると、赤外線Ｉｒは第１の受光層１２０に吸収され、赤外線Ｉｒを吸収した第１の受光層１２０にて電子１０及び正孔２０が生成される。電子１０は、第１の電極層１１０と第２の電極層１４０との間に印加されている電界に応じて、障壁層１５０を通過して第２の受光層１３０へと拡散する。
【0034】
第２の受光層１３０へと拡散した電子１０に対しては、第１の電極層１１０側では、障壁層１５０、第１の受光層１２０及び第１の電極層１１０のポテンシャル障壁が存在し、第２の電極層１４０側では、第２の電極層１４０のポテンシャル障壁が存在する。本実施形態では、第２の電極層１４０のバンドギャップＥｇ４は第１の受光層１２０のバンドギャップＥｇ２以下であり、第２の電極層１４０のポテンシャル障壁は、障壁層１５０、第１の受光層１２０及び第１の電極層１１０のポテンシャル障壁よりも小さい。従って、第２の受光層１３０へと拡散した電子１０は、第２の電極層１４０を介して第２の電極１８０に到達し、信号電流（光電流）Ｉｓが外部に十分に流れ出る。
【0035】
このように、第１の実施形態に係る赤外線検出器１００によれば、第２の電極層１４０で熱生成されるキャリアにより生じる暗電流及び第１の電極層１１０で熱生成されるキャリアにより生じる暗電流を抑制することができる。また、信号電流（光電流）Ｉｓが外部に十分に流れ出る。従って、赤外線検出器１００によれば、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。
【0036】
なお、第１の電極層１１０、第１の受光層１２０、障壁層１５０、第２の受光層１３０及び第２の電極層１４０に含まれるｐ型不純物はＢｅに限定されない。例えば、ｐ型不純物としてＺｎが用いられてもよい。
【0037】
次に、第１の実施形態に係る赤外線検出器１００の製造方法について説明する。図５Ａ～図５Ｄは、第１の実施形態に係る赤外線検出器１００の製造方法を示す断面図である。この製造方法では、バッファ層１０２、エッチングストッパ層１０３、第１の電極層１１０、第１の受光層１２０、障壁層１５０、第２の受光層１３０及び第２の電極層１４０を基板１０１上にエピタキシャル成長させる。以下の説明では、これら半導体層を分子線エピタキシ（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法によりエピタキシャル成長させることとする。
【0038】
まず、ｎ型ＧａＳｂ（１００）基板等の基板１０１をＭＢＥ装置の基板導入室の中に導入する。次いで、基板１０１を超高真空に保持された成長室へ搬送する。その後、例えばＳｂ雰囲気下で基板１０１を加熱する。この加熱により、基板１０１の表面の酸化膜が除去される。続いて、図５Ａに示すように、ＭＢＥ法により、基板１０１上にバッファ層１０２を形成し、バッファ層１０２上にエッチングストッパ層１０３を形成する。基板１０１の温度は、例えば４８０℃～５２０℃程度とする。バッファ層１０２の形成により、エッチングストッパ層１０３の下地の表面の平坦性が向上する。
【0039】
次いで、図５Ｂに示すように、ＭＢＥ法により、エッチングストッパ層１０３上に第１の電極層１１０、第１の受光層１２０、障壁層１５０、第２の受光層１３０及び第２の電極層１４０を形成する。基板１０１の温度は、例えば３５０℃～５２０℃程度とする。
【0040】
その後、図５Ｃに示すように、第１の電極層１１０の一部の表面が露出するように、第２の電極層１４０、第２の受光層１３０、障壁層１５０及び第１の受光層１２０を選択的にメサ状にエッチングする。
【0041】
続いて、図５Ｄに示すように、第２の電極層１４０、第２の受光層１３０、障壁層１５０及び第１の受光層１２０の側面と、第１の電極層１１０及び第２の電極層１４０の上面とを覆う絶縁膜１６０を形成する。絶縁膜１６０は、例えば化学気相堆積（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法により形成することができる。絶縁膜１６０として酸化ケイ素膜を形成する場合、例えば、反応ガスとしてシラン及び一酸化二窒素を用いてもよい。
【0042】
次いで、マスクを用いた絶縁膜１６０の選択的なエッチングにより、第１の電極層１１０の上面の一部を露出する開口部１６７と、第２の電極層１４０の上面の一部を露出する開口部１６８とを形成する（図１参照）。更に、開口部１６７の内側に第１の電極１７０を形成し、開口部１６８の内側に第２の電極１８０を形成する（図１参照）。
【0043】
このようにして、第１の実施形態に係る赤外線検出器１００を製造することができる。
【0044】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、ｎＢｎ型の赤外線検出器に関する。第２の実施形態は、主に、第１の電極層、第１の受光層、障壁層、第２の受光層及び第２の電極層の導電型の点で第１の実施形態と相違する。図６は、第２の実施形態に係る赤外線検出器を示す断面図である。図７は、バイアスが印加されていないときの第２の実施形態に係る赤外線検出器内のエネルギバンドを示す図である。図７中のＥｆはフェルミレベルを示す。
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、ｎＢｎ型の赤外線検出器に関する。第２の実施形態は、主に、第１の電極層、第１の受光層、障壁層、第２の受光層及び第２の電極層の導電型の点で第１の実施形態と相違する。図６は、第２の実施形態に係る赤外線検出器を示す断面図である。図７は、バイアスが印加されていないときの第２の実施形態に係る赤外線検出器内のエネルギバンドを示す図である。図７中のＥｆはフェルミレベルを示す。
【0045】
第２の実施形態に係る赤外線検出器２００は、図６に示すように、基板１０１と、バッファ層１０２と、エッチングストッパ層１０３と、第１の電極層２１０と、第１の受光層２２０と、障壁層２５０と、第２の受光層２３０と、第２の電極層２４０とを有する。赤外線検出器２００は、更に、絶縁膜１６０と、第１の電極１７０と、第２の電極１８０とを有する。
【0046】
第１の電極層２１０はエッチングストッパ層１０３上に設けられている。第１の電極層２１０は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは３．０ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは３．６ｎｍである。厚さが３．０ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが３．６ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．２４６ｅＶである。例えば、第１の電極層２１０には、電子濃度が１×１０１８ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、第１の電極層２１０はｎ型の導電型を有する。第１の電極層２１０の厚さは、例えば３４０ｎｍ～３８０ｎｍ程度である。
【0047】
第１の受光層２２０は第１の電極層２１０上に設けられている。第１の受光層２２０は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは３．３ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは３．６ｎｍである。厚さが３．３ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが３．６ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．２１２ｅＶである。例えば、第１の受光層２２０には、電子濃度が１×１０１６ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、第１の受光層２２０はｎ型の導電型を有する。第１の受光層２２０の厚さは、例えば１２００ｎｍ～１４００ｎｍ程度である。
【0048】
障壁層２５０は第１の受光層２２０上に設けられている。障壁層２５０は、例えばＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｓｂ層である。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｓｂ層のバンドギャップは約１．０８３ｅＶである。例えば、障壁層２５０には、電子濃度が１×１０１６ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、障壁層２５０はｎ型の導電型を有する。障壁層２５０は、電子のみをブロックするユニポーラ障壁層として機能する。障壁層２５０の厚さは、例えば９０ｎｍ～１１０ｎｍ程度である。
【0049】
第２の受光層２３０は障壁層２５０上に設けられている。第２の受光層２３０は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは４．２ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは２．１ｎｍである。厚さが４．２ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが２．１ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．１２７ｅＶである。例えば、第２の受光層２３０には、電子濃度が１×１０１６ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、第２の受光層２３０はｎ型の導電型を有する。第２の受光層２３０の厚さは、例えば１２００ｎｍ～１４００ｎｍ程度である。
【0050】
第２の電極層２４０は第２の受光層２３０上に設けられている。第２の電極層２４０は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは３．６ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは２．１ｎｍである。厚さが３．６ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが２．１ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．１７１ｅＶである。例えば、第２の電極層２４０には、電子濃度が１×１０１８ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、第２の電極層２４０はｎ型の導電型を有する。第２の電極層２４０の厚さは、例えば３４０ｎｍ～３８０ｎｍ程度である。
【0051】
このように、第１の電極層２１０に含まれる超格子の材料、第１の受光層２２０に含まれる超格子の材料、第２の受光層２３０に含まれる超格子の材料及び第２の電極層２４０に含まれる超格子の材料は共通している。また、第１の受光層２２０の電子濃度と第２の受光層２３０の電子濃度とは同程度であり、第１の電極層２１０の電子濃度と第２の電極層２４０の電子濃度とは同程度である。第１の電極層２１０の電子濃度は第１の受光層２２０の電子濃度よりも高く、第２の電極層２４０の電子濃度は第２の受光層２３０の電子濃度よりも高い。
【0052】
第２の電極層２４０、第２の受光層２３０、障壁層２５０及び第１の受光層２２０はメサ状にエッチングされており、絶縁膜１６０は、第２の電極層２４０、第２の受光層２３０、障壁層２５０及び第１の受光層２２０の側面を被覆する。絶縁膜１６０は、第１の電極層２１０の上面及び第２の電極層２４０の上面も覆う。
【0053】
絶縁膜１６０に、開口部１６７及び開口部１６８が形成されており、開口部１６７の内側に第１の電極１７０が形成され、開口部１６８の内側に第２の電極１８０が設けられている。第１の電極１７０は、例えば、第１の電極層２１０と接するＴｉ膜と、Ｔｉ膜上のＰｔ膜と、Ｐｔ膜上のＡｕ膜とを有する。第１の電極１７０は第１の電極層２１０とオーミック接合する。第２の電極１８０は、例えば、第２の電極層２４０と接するＴｉ膜と、Ｔｉ膜上のＰｔ膜と、Ｐｔ膜上のＡｕ膜とを有する。第２の電極１８０は第２の電極層２４０とオーミック接合する。
【0054】
このように、赤外線検出器２００では、第１の電極層２１０のバンドギャップＥｇ１が約０．２４６ｅＶであり、第１の受光層２２０のバンドギャップＥｇ２が約０．２１２ｅＶである。また、第２の受光層２３０のバンドギャップＥｇ３が約０．１２７ｅＶであり、第２の電極層２４０のバンドギャップＥｇ４が約０．１７１ｅＶであり、障壁層２５０のバンドギャップＥｇ５が約１．０８３ｅＶである。バンドギャップＥｇ２とバンドギャップＥｇ３とが相違するため、第１の受光層２２０が吸収する第１の赤外線の波長と、第２の受光層２３０が吸収する第２の赤外線の波長とが相違する。障壁層２５０は、第１の受光層２２０と第２の受光層２３０との間に設けられている。第１の電極層２１０は、障壁層２５０との間で第１の受光層２２０を挟むように配置され、第１の受光層２２０に接する。第２の電極層２４０は、障壁層２５０との間で第２の受光層２３０を挟むように配置され、第２の受光層２３０に接する。
【0055】
図７に示すように、第１の受光層２２０のバンドギャップＥｇ２は、第２の受光層２３０のバンドギャップＥｇ３よりも大きい。このため、第２の受光層２３０が受光する第２の赤外線の波長は、第１の受光層２２０が吸収する第１の赤外線の波長よりも長い。第２の電極層２４０のバンドギャップＥｇ４は、第２の受光層２３０のバンドギャップＥｇ３よりも大きい。第１の電極層２１０のバンドギャップＥｇ１は、第１の受光層２２０のバンドギャップＥｇ２よりも大きい。第２の電極層２４０のバンドギャップＥｇ４は、第１の受光層２２０のバンドギャップＥｇ２以下である。
【0056】
他の構成は第１の実施形態と同様である。
【0057】
赤外線検出器２００には、基板１０１側から赤外線Ｉｒが照射される。赤外線検出器２００に照射された赤外線Ｉｒは、基板１０１を通じて赤外線検出器２００の内部に入射し、その波長に応じて第１の受光層２２０又は第２の受光層２３０に吸収される。第１の受光層２２０又は第２の受光層２３０に赤外線Ｉｒが吸収されると、赤外線Ｉｒを吸収した第１の受光層２２０又は第２の受光層２３０にて電子－正孔対が生成される。第１の受光層２２０又は第２の受光層２３０にて生成された電子及び正孔は、第１の電極層２１０と第２の電極層２４０との間に印加されている電界に応じて拡散し、電流が発生する。そして、この電流を信号電流（光電流）として外部で検出することができる。
【0058】
ここで、赤外線検出器２００の動作の詳細について説明する。図８は、第１の動作例における赤外線検出器２００内のエネルギバンドを示す図である。図９は、第２の動作例における赤外線検出器２００内のエネルギバンドを示す図である。
【0059】
第１の動作例では、第２の受光層２３０に吸収された赤外線Ｉｒを検出する。第１の動作例では、図８に示すように、第１の受光層２２０の価電子帯の上端Ｅｖ２が第２の受光層２３０の価電子帯の上端Ｅｖ３以上となるように、第１の電極１７０にマイナスの電圧が印加され、第２の電極１８０にプラスの電圧が印加される。第２の電極層２４０のバンドギャップＥｇ４は、第２の受光層２３０のバンドギャップＥｇ３よりも大きい。このため、第２の電極層２４０におけるキャリアの熱生成が抑制され、暗電流を低減することができる。特に、本実施形態では、バンドギャップＥｇ４がバンドギャップＥｇ３よりも０．０３ｅＶ以上大きいため、第２の電極層２４０で熱生成されるキャリアにより生じる暗電流は無視できる程度に抑制することができる。
【0060】
第２の受光層２３０に吸収され得る赤外線Ｉｒが基板１０１を通じて赤外線検出器２００の内部に入射すると、赤外線Ｉｒは第２の受光層２３０に吸収され、赤外線Ｉｒを吸収した第２の受光層２３０にて電子１０及び正孔２０が生成される。正孔２０は、第１の電極層２１０と第２の電極層２４０との間に印加されている電界に応じて、障壁層２５０を通過して第１の受光層２２０へと拡散する。
【0061】
第１の受光層２２０へと拡散した正孔２０に対しては、第１の電極層２１０側では、第１の電極層２１０のポテンシャル障壁が存在し、第２の電極層２４０側では、障壁層２５０、第２の受光層２３０及び第２の電極層２４０のポテンシャル障壁が存在する。本実施形態では、第１の電極層２１０のバンドギャップＥｇ１と第１の受光層２２０のバンドギャップＥｇ２との差ΔＥｇ１２（＝Ｅｇ１－Ｅｇ２）は０．０３４ｅＶであり、第２の電極層２４０のバンドギャップＥｇ４と第２の受光層２３０のバンドギャップＥｇ３との差ΔＥｇ４３（＝Ｅｇ４－Ｅｇ３）は０．０４４ｅＶである。つまり、差ΔＥｇ１２は差ΔＥｇ４３よりも小さく、第１の電極層２１０のポテンシャル障壁は、障壁層２５０、第２の受光層２３０及び第２の電極層２４０のポテンシャル障壁よりも小さい。従って、第１の受光層２２０へと拡散した正孔２０は、第１の電極層２１０を介して第１の電極１７０に到達し、信号電流（光電流）Ｉｓが外部に十分に流れ出る。これは、第１の受光層２２０の価電子帯の上端Ｅｖ２が第２の受光層２３０の価電子帯の下端Ｅｖ３と等しい場合でも同様である。
【0062】
なお、図７に示すように、赤外線検出器２００において、第１の電極層２１０の伝導帯の下端Ｅｃ１と第１の受光層２２０の伝導帯の下端Ｅｃ２との差ΔＥｃ１２（＝Ｅｃ１－Ｅｃ２）は、第２の電極層２４０の伝導帯の下端Ｅｃ４と第２の受光層２３０の伝導帯の下端Ｅｃ３との差ΔＥｃ４３（＝Ｅｃ４－Ｅｃ３）と同程度である。従って、差ΔＥｇ４３と差ΔＥｇ１２との差は、第２の電極層２４０の価電子帯の上端Ｅｖ４と第２の受光層２３０の価電子帯の上端Ｅｖ３との差ΔＥｖ４３（＝Ｅｖ４－Ｅｖ３）と第１の電極層２１０の価電子帯の上端Ｅｖ１と第１の受光層２２０価電子帯の上端Ｅｖ３との差ΔＥｖ１２（＝Ｅｖ１－Ｅｖ２）との差と同程度である。
【0063】
第２の動作例では、第１の受光層２２０に吸収された赤外線Ｉｒを検出する。第２の動作例では、図９に示すように、第１の電極１７０にプラスの電圧が印加され、第２の電極１８０にマイナスの電圧が印加される。第１の受光層２２０の伝導帯の下端Ｅｃ２は第２の受光層２３０の伝導帯の下端Ｅｃ３以下となる。第１の電極層２１０のバンドギャップＥｇ１は、第１の受光層２２０のバンドギャップＥｇ２よりも大きい。このため、第１の電極層２１０におけるキャリアの熱生成が抑制され、暗電流を低減することができる。特に、本実施形態では、バンドギャップＥｇ１がバンドギャップＥｇ２よりも０．０３ｅＶ以上大きいため、第１の電極層２１０で熱生成されるキャリアにより生じる暗電流は無視できる程度に抑制することができる。
【0064】
第１の受光層２２０に吸収され得る赤外線Ｉｒが基板１０１を通じて赤外線検出器２００の内部に入射すると、赤外線Ｉｒは第１の受光層２２０に吸収され、赤外線Ｉｒを吸収した第１の受光層２２０にて電子１０及び正孔２０が生成される。正孔２０は、第１の電極層２１０と第２の電極層２４０との間に印加されている電界に応じて、障壁層２５０を通過して第２の受光層２３０へと拡散する。
【0065】
第２の受光層２３０へと拡散した正孔２０に対しては、第１の電極層２１０側では、障壁層２５０、第１の受光層２２０及び第１の電極層２１０のポテンシャル障壁が存在し、第２の電極層２４０側では、第２の電極層２４０のポテンシャル障壁が存在する。本実施形態では、第２の電極層２４０のバンドギャップＥｇ４は第１の受光層２２０のバンドギャップＥｇ２以下であり、第２の電極層２４０のポテンシャル障壁は、障壁層２５０、第１の受光層２２０及び第１の電極層２１０のポテンシャル障壁よりも小さい。従って、第２の受光層２３０へと拡散した正孔２０は、第２の電極層２４０を介して第２の電極１８０に到達し、信号電流（光電流）Ｉｓが外部に十分に流れ出る。
【0066】
このように、第２の実施形態に係る赤外線検出器２００によれば、第２の電極層２４０で熱生成されるキャリアにより生じる暗電流及び第１の電極層２１０で熱生成されるキャリアにより生じる暗電流を抑制することができる。また、信号電流（光電流）Ｉｓが外部に十分に流れ出る。従って、赤外線検出器２００によれば、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。
【0067】
なお、第１の電極層２１０、第１の受光層２２０、障壁層２５０、第２の受光層２３０及び第２の電極層２４０に含まれるｎ型不純物はＳｉに限定されない。例えば、ｎ型不純物としてＴｅが用いられてもよい。
【0068】
第２の実施形態に係る赤外線検出器２００は、第１の実施形態に係る赤外線検出器１００の製造方法と同様の方法で製造することができる。例えば、第１の電極層１１０、第１の受光層１２０、障壁層１５０、第２の受光層１３０及び第２の電極層１４０に代えて、第１の電極層２１０、第１の受光層２２０、障壁層２５０、第２の受光層２３０及び第２の電極層２４０をＭＢＥ法によりエピタキシャル成長させることができる。
【0069】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、ｎＢｎ型の赤外線検出器に関する。第３の実施形態は、主に、第１の電極層及び第２の電極層の構成の点で第２の実施形態と相違する。図１０は、第３の実施形態に係る赤外線検出器を示す断面図である。図１１は、バイアスが印加されていないときの第３の実施形態に係る赤外線検出器内のエネルギバンドを示す図である。図１１中のＥｆはフェルミレベルを示す。
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、ｎＢｎ型の赤外線検出器に関する。第３の実施形態は、主に、第１の電極層及び第２の電極層の構成の点で第２の実施形態と相違する。図１０は、第３の実施形態に係る赤外線検出器を示す断面図である。図１１は、バイアスが印加されていないときの第３の実施形態に係る赤外線検出器内のエネルギバンドを示す図である。図１１中のＥｆはフェルミレベルを示す。
【0070】
第３の実施形態に係る赤外線検出器３００は、図１０に示すように、基板１０１と、バッファ層１０２と、エッチングストッパ層１０３と、第１の電極層３１０と、第１の受光層２２０と、障壁層２５０と、第２の受光層２３０と、第２の電極層３４０とを有する。赤外線検出器２００は、更に、絶縁膜１６０と、第１の電極１７０と、第２の電極１８０とを有する。つまり、第２の実施形態の第１の電極層２１０に代えて第１の電極層３１０が設けられ、第２の実施形態の第２の電極層２４０に代えて第２の電極層３４０が設けられている。
【0071】
第１の電極層３１０はエッチングストッパ層１０３上に設けられている。第１の電極層３１０は、第１のサブ電極層３１１と、第２のサブ電極層３１２と、第３のサブ電極層３１３とを有する。第１の電極層３１０の厚さは、例えば３４０ｎｍ～３８０ｎｍ程度である。第１～第３のサブ電極層３１１～３１３は第１の半導体層の例である。
【0072】
第１のサブ電極層３１１はエッチングストッパ層１０３上に設けられている。第１のサブ電極層３１１は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは３．０ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは３．６ｎｍである。厚さが３．０ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが３．６ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．２４６ｅＶである。例えば、第１のサブ電極層３１１には、電子濃度が１×１０１８ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、第１のサブ電極層３１１はｎ型の導電型を有する。
【0073】
第２のサブ電極層３１２は第１のサブ電極層３１１上に設けられている。第２のサブ電極層３１２は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは３．１ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは３．６ｎｍである。厚さが３．１ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが３．６ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．２３５ｅＶである。例えば、第２のサブ電極層３１２には、電子濃度が１×１０１８ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、第２のサブ電極層３１２はｎ型の導電型を有する。
【0074】
第３のサブ電極層３１３は第２のサブ電極層３１２上に設けられている。第３のサブ電極層３１３は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは３．２ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは３．６ｎｍである。厚さが３．２ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが３．６ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．２２３ｅＶである。例えば、第３のサブ電極層３１３には、電子濃度が１×１０１８ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、第３のサブ電極層３１３はｎ型の導電型を有する。
【0075】
第２の電極層３４０は第２の受光層２３０上に設けられている。第２の電極層３４０は、第１のサブ電極層３４１と、第２のサブ電極層３４２と、第３のサブ電極層３４３と、第４のサブ電極層３４４と、第５のサブ電極層３４５と、第６のサブ電極層３４６とを有する。第２の電極層３４０の厚さは、例えば３４０ｎｍ～３８０ｎｍ程度である。第１～第６のサブ電極層３４１～３４６は第２の半導体層の例である。
【0076】
第１のサブ電極層３４１は第２の受光層２３０上に設けられている。第１のサブ電極層３４１は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは４．１ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは２．１ｎｍである。厚さが４．１ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが２．１ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．１３５ｅＶである。例えば、第１のサブ電極層３４１には、電子濃度が１×１０１８ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、第１のサブ電極層３４１はｎ型の導電型を有する。
【0077】
第２のサブ電極層３４２は第１のサブ電極層３４１上に設けられている。第２のサブ電極層３４２は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは４．０ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは２．１ｎｍである。厚さが４．０ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが２．１ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．１４１ｅＶである。例えば、第２のサブ電極層３４２には、電子濃度が１×１０１８ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、第２のサブ電極層３４２はｎ型の導電型を有する。
【0078】
第３のサブ電極層３４３は第２のサブ電極層３４２上に設けられている。第３のサブ電極層３４３は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは３．９ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは２．１ｎｍである。厚さが３．９ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが２．１ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．１４８ｅＶである。例えば、第３のサブ電極層３４３には、電子濃度が１×１０１８ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、第３のサブ電極層３４３はｎ型の導電型を有する。
【0079】
第４のサブ電極層３４４は第３のサブ電極層３４３上に設けられている。第４のサブ電極層３４４は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは３．８ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは２．１ｎｍである。厚さが３．８ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが２．１ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．１５５ｅＶである。例えば、第４のサブ電極層３４４には、電子濃度が１×１０１８ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、第４のサブ電極層３４４はｎ型の導電型を有する。
【0080】
第５のサブ電極層３４５は第４のサブ電極層３４４上に設けられている。第５のサブ電極層３４５は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは３．７ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは２．１ｎｍである。厚さが３．７ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが２．１ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．１６３ｅＶである。例えば、第５のサブ電極層３４５には、電子濃度が１×１０１８ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、第５のサブ電極層３４５はｎ型の導電型を有する。
【0081】
第６のサブ電極層３４６は第５のサブ電極層３４５上に設けられている。第６のサブ電極層３４６は、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子を含む。例えば、ＩｎＡｓ層の厚さは３．６ｎｍであり、ＧａＳｂ層の厚さは２．１ｎｍである。厚さが３．６ｎｍのＩｎＡｓ層と厚さが２．１ｎｍのＧａＳｂ層とが交互に積層されたタイプII超格子のバンドギャップは約０．１７１ｅＶである。例えば、第６のサブ電極層３４６には、電子濃度が１×１０１８ｃｍ－３程度となるようにＳｉがドーピングされており、第６のサブ電極層３４６はｎ型の導電型を有する。
【0082】
このように、第１の電極層２１０に代えて第１の電極層３１０が設けられ、第２の電極層２４０に代えて第２の電極層３４０が設けられている。他の構成は第２の実施形態と同様である。
【0083】
図１１に示すように、赤外線検出器３００では、第１～第３のサブ電極層３１１～３１３のうちで、第１の受光層２２０に近いものほどバンドギャップが小さくなっている。すなわち、第１の受光層２２０から第１のサブ電極層３１１にかけて、熱エネルギ程度の差で段階的にバンドギャップが変化している。このため、第２の受光層２３０に吸収された赤外線Ｉｒを検出する際に、信号電流Ｉｓを引き出しやすい。
【0084】
同様に、第１～第６のサブ電極層３４１～３４６のうちで、第２の受光層２３０に近いものほどバンドギャップが小さくなっている。すなわち、第２の受光層２３０から第６のサブ電極層３４６にかけて、熱エネルギ程度の差で段階的にバンドギャップが変化している。このため、第１の受光層２２０に吸収された赤外線Ｉｒを検出する際に、信号電流Ｉｓを引き出しやすい。
【0085】
なお、第１～第５のサブ電極層３４１～３４５のバンドギャップが第２の実施形態の第２の電極層２４０のバンドギャップよりも小さいが、第２の受光層２３０のバンドギャップよりも大きいため、暗電流を低減する効果を得ることができる。同様に、第２～第３のサブ電極層３１２～３１３のバンドギャップが第２の実施形態の第１の電極層２１０のバンドギャップよりも小さいが、第１の受光層２２０のバンドギャップよりも大きいため、暗電流を低減する効果を得ることができる。
【0086】
第２の電極層３４０では、第２の受光層２３０との間のバンドギャップ差が０．０３ｅＶ未満の第１のサブ電極層３４１、第２のサブ電極層３４２、第３のサブ電極層３４３及び第４のサブ電極層３４４を薄くすることが好ましい。第１の電極層３１０では、第１の受光層２２０との間のバンドギャップ差が０．０３ｅＶ未満の第２のサブ電極層３１２及び第３のサブ電極層３１３を薄くすることが好ましい。
【0087】
本開示においては、第２の受光層により受光される第２の赤外線の波長が、第１の受光層により受光される第１の赤外線の波長よりも長い。従って、Ｓ／Ｎ比の十分な向上には、第２電極層において熱生成されるキャリアにより生じる暗電流を抑制することが重要である。このため、第２の電極層のバンドギャップが第２の受光層のバンドギャップよりも大きければ、第１の電極層のバンドギャップが第１の受光層のバンドギャップよりも大きい必要はなく、第１の電極層のバンドギャップが第１の受光層のバンドギャップと同程度であってもよい。
【0088】
第１の受光層及び第２の受光層に含まれる超格子において、ＩｎＡｓ層及びＧａＳｂ層の厚さは上記の実施形態のものに限定されず、吸収しようとする赤外線の波長に応じて適宜変更してもよい。
【0089】
第１の電極層、第１の受光層、第２の受光層及び第２の電極層に含まれる超格子において、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層との間に、ＧａＳｂ基板に格子整合するようにＩｎＳｂ層が設けられてもよい。超格子の材料はＩｎＡｓ及びＧａＳｂに限定されない。例えば、超格子の材料にＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ及びＡｌＳｂのうちの２種以上が用いられてもよい。赤外領域に応答する材料であれば、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ及びＡｌＳｂのうちの２種以上の混晶が超格子の材料に用いられてもよい。例えば、ＩｎＡｓ１－ａＳｂａ（０≦ａ≦１）が超格子の材料に用いられてもよい。
【0090】
第１の電極層、第１の受光層、障壁層、第２の受光層及び第２の電極層の形成方法はＭＢＥ法に限定されない。例えば、有機金属化学気相堆積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法等により第１の電極層、第１の受光層、障壁層、第２の受光層及び第２の電極層が形成されてもよい。絶縁膜の形成方法はＣＶＤ法に限定されない。例えば、原子層堆積（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）法又はスパッタ法等により絶縁膜が形成されてもよい。
【0091】
エッチングストッパ層が用いられなくてもよい。また、第１の電極及び第２の電極の形成後に、基板、バッファ層及びエッチングストッパ層を除去してもよい。
【0092】
本開示に係る赤外線検出器により検出する赤外線の波長は限定されない。例えば、波長が３μｍ～５μｍの中赤外線が検出されてもよく、波長が８μｍ～１２μｍの遠赤外線が検出されてもよい。本開示に係る赤外線検出器は、例えばセキュリティ分野やインフラストラクチャ点検分野等へ応用することができる。
【0093】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、第１の実施形態に係る赤外線検出器１００を備えた赤外線撮像素子に関する。図１２は、第４の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す斜視図である。図１３は、第４の実施形態に係る赤外線撮像素子の一部を拡大して示す断面図である。
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、第１の実施形態に係る赤外線検出器１００を備えた赤外線撮像素子に関する。図１２は、第４の実施形態に係る赤外線撮像素子を示す斜視図である。図１３は、第４の実施形態に係る赤外線撮像素子の一部を拡大して示す断面図である。
【0094】
第４の実施形態に係る赤外線撮像素子４００は、赤外線撮像パネル４１及び駆動回路４２を備えており、赤外線撮像パネル４１と駆動回路４２とがバンプ４３により電気的に接続されている。
【0095】
赤外線撮像パネル４１では、例えば第１の実施形態に係る赤外線検出器１００が複数、２次元にマトリクス状に平面配置されている。各赤外線検出器１００が画素となる。赤外線撮像パネル４１では、各赤外線検出器１００において、基板１０１、バッファ層１０２、エッチングストッパ層１０３、第１の電極層１１０及び第１の電極１７０が共通とされている。各赤外線検出器１００の絶縁膜１６０上には表面配線４４が形成されており、各表面配線４４上にバンプ４３が形成されている。バンプ４３は、例えばＩｎバンプである。バンプ４３の一部は各赤外線検出器１００の共通電極４３ａとされている。各表面配線４４は、一端で第１の電極１７０又は第２の電極１８０と電気的に接続されている。
【0096】
駆動回路４２は、各赤外線検出器１００の駆動部であり、複数のトランジスタ４５と、電源電圧ＶＡを印加する電源線４６とを有している。各トランジスタ４５は、バンプ４３と電気的に接続されており、電源線４６は、共通電極４３ａと電気的に接続されている。電源電圧ＶＡを印加することにより、各赤外線検出器１００に出力電流Ｉが流れる。
【0097】
本実施形態によれば、赤外線の吸収効率を向上させることができる超格子構造を有する赤外線検出器１００を備えた信頼性の高い赤外線撮像素子４００が実現する。
【0098】
赤外線撮像素子４００を製造する際には、例えば、第１の電極１７０及び第２の電極１８０の形成後に、表面配線４４用の金属膜を形成し、バンプ４３を形成する。次いで、駆動回路４２を貼り合わせる。このようにして赤外線撮像素子４００を製造することができる。
【0099】
必要に応じて、基板１０１、バッファ層１０２、エッチングストッパ層１０３を除去してもよい。
【0100】
第４の実施形態において、赤外線検出器１００に代えて赤外線検出器２００又は３００が用いられてもよい。
【0101】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態は、第４の実施形態に係る赤外線撮像素子４００を備えた赤外線撮像システムに関する。図１４は、第５の実施形態に係る赤外線撮像システムを示す模式図である。
次に、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態は、第４の実施形態に係る赤外線撮像素子４００を備えた赤外線撮像システムに関する。図１４は、第５の実施形態に係る赤外線撮像システムを示す模式図である。
【0102】
第５の実施形態に係る赤外線撮像システム５００は、センサ部５１、制御演算部５２及び表示部５３を備えている。
【0103】
センサ部５１は、入射光を集光するレンズ５４と、第４の実施形態に係る赤外線撮像素子４００と、赤外線撮像素子４００を冷却するための冷却部５５とを備えている。制御演算部５２は、赤外線撮像素子４００の駆動回路４２を制御するものである。表示部５３は、制御演算部５２から送信された撮像信号に基づいて、赤外線撮像素子４００で撮像された赤外線画像を表示する。
【0104】
本実施形態によれば、赤外線の吸収効率を向上させることができる超格子構造を有する赤外線撮像素子４００を備えた信頼性の高い赤外線撮像システム５００が実現する。
【0105】
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
【0106】
以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【0107】
（付記１）
第１の赤外線を吸収する第１の受光層と、
第２の赤外線を吸収する第２の受光層と、
前記第１の受光層と前記第２の受光層との間に設けられた障壁層と、
前記障壁層との間で前記第１の受光層を挟むように配置され、前記第１の受光層に接する第１の電極層と、
前記障壁層との間で前記第２の受光層を挟むように配置され、前記第２の受光層に接する第２の電極層と、
を有し、
前記第１の受光層のバンドギャップは、前記第２の受光層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２の電極層のバンドギャップは、前記第２の受光層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２の電極層のバンドギャップは、前記第１の受光層のバンドギャップ以下であることを特徴とする赤外線検出器。
（付記２）
前記第１の電極層のバンドギャップは、前記第１の受光層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。
（付記３）
前記第１の電極層のバンドギャップと前記第１の受光層のバンドギャップとの差は、前記第２の電極層のバンドギャップと前記第２の受光層のバンドギャップとの差よりも小さいことを特徴とする付記２に記載の赤外線検出器。
（付記４）
前記第１の電極層のバンドギャップと前記第１の受光層のバンドギャップとの差が０．０３ｅＶ以上であり、
前記第２の電極層のバンドギャップと前記第２の受光層のバンドギャップとの差が０．０３ｅＶ以上であることを特徴とする付記２又は３に記載の赤外線検出器。
（付記５）
前記第１の電極層は、当該第１の電極層の厚さ方向に並んだ複数の第１の半導体層を含み、
前記第２の電極層は、当該第２の電極層の厚さ方向に並んだ複数の第２の半導体層を含み、
前記複数の第１の半導体層のバンドギャップは、前記第１の受光層から離間するほど大きくなっており、
前記複数の第２の半導体層のバンドギャップは、前記第２の受光層から離間するほど大きくなっていることを特徴とする付記２乃至４のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
（付記６）
前記第１の受光層、前記第２の受光層、前記障壁層、前記第１の電極層及び前記第２の電極層は超格子を含むことを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
（付記７）
前記超格子はタイプIIの超格子であることを特徴とする付記６に記載の赤外線検出器。
（付記８）
前記第１の受光層に含まれる超格子の材料、前記第２の受光層に含まれる超格子の材料、前記第１の電極層に含まれる超格子の材料及び前記第２の電極層に含まれる超格子の材料は共通していることを特徴とする付記６又は７に記載の赤外線検出器。
（付記９）
前記障壁層のバンドギャップは、前記第１の受光層のバンドギャップ及び前記第２の受光層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする付記１乃至８のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
（付記１０）
複数の赤外線検出器と、
前記複数の赤外線検出器を駆動する駆動部と、
を有し、
前記複数の赤外線検出器の各々は、付記１乃至９のいずれか１項に記載の赤外線検出器であることを特徴とする撮像素子。
（付記１１）
赤外線センサ部と、
前記赤外線センサ部を制御する制御部と、
撮像された赤外線画像を表示する表示部と、
を有し、
前記赤外線センサ部は、
付記１０に記載の撮像素子と、
前記撮像素子を冷却する冷却部と、
前記撮像素子に赤外線を入射させるためのレンズと、
を有することを特徴とする撮像システム。
第１の赤外線を吸収する第１の受光層と、
第２の赤外線を吸収する第２の受光層と、
前記第１の受光層と前記第２の受光層との間に設けられた障壁層と、
前記障壁層との間で前記第１の受光層を挟むように配置され、前記第１の受光層に接する第１の電極層と、
前記障壁層との間で前記第２の受光層を挟むように配置され、前記第２の受光層に接する第２の電極層と、
を有し、
前記第１の受光層のバンドギャップは、前記第２の受光層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２の電極層のバンドギャップは、前記第２の受光層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２の電極層のバンドギャップは、前記第１の受光層のバンドギャップ以下であることを特徴とする赤外線検出器。
（付記２）
前記第１の電極層のバンドギャップは、前記第１の受光層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。
（付記３）
前記第１の電極層のバンドギャップと前記第１の受光層のバンドギャップとの差は、前記第２の電極層のバンドギャップと前記第２の受光層のバンドギャップとの差よりも小さいことを特徴とする付記２に記載の赤外線検出器。
（付記４）
前記第１の電極層のバンドギャップと前記第１の受光層のバンドギャップとの差が０．０３ｅＶ以上であり、
前記第２の電極層のバンドギャップと前記第２の受光層のバンドギャップとの差が０．０３ｅＶ以上であることを特徴とする付記２又は３に記載の赤外線検出器。
（付記５）
前記第１の電極層は、当該第１の電極層の厚さ方向に並んだ複数の第１の半導体層を含み、
前記第２の電極層は、当該第２の電極層の厚さ方向に並んだ複数の第２の半導体層を含み、
前記複数の第１の半導体層のバンドギャップは、前記第１の受光層から離間するほど大きくなっており、
前記複数の第２の半導体層のバンドギャップは、前記第２の受光層から離間するほど大きくなっていることを特徴とする付記２乃至４のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
（付記６）
前記第１の受光層、前記第２の受光層、前記障壁層、前記第１の電極層及び前記第２の電極層は超格子を含むことを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
（付記７）
前記超格子はタイプIIの超格子であることを特徴とする付記６に記載の赤外線検出器。
（付記８）
前記第１の受光層に含まれる超格子の材料、前記第２の受光層に含まれる超格子の材料、前記第１の電極層に含まれる超格子の材料及び前記第２の電極層に含まれる超格子の材料は共通していることを特徴とする付記６又は７に記載の赤外線検出器。
（付記９）
前記障壁層のバンドギャップは、前記第１の受光層のバンドギャップ及び前記第２の受光層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする付記１乃至８のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
（付記１０）
複数の赤外線検出器と、
前記複数の赤外線検出器を駆動する駆動部と、
を有し、
前記複数の赤外線検出器の各々は、付記１乃至９のいずれか１項に記載の赤外線検出器であることを特徴とする撮像素子。
（付記１１）
赤外線センサ部と、
前記赤外線センサ部を制御する制御部と、
撮像された赤外線画像を表示する表示部と、
を有し、
前記赤外線センサ部は、
付記１０に記載の撮像素子と、
前記撮像素子を冷却する冷却部と、
前記撮像素子に赤外線を入射させるためのレンズと、
を有することを特徴とする撮像システム。
【符号の説明】
【0108】
１０：電子
２０：正孔
１００、２００、３００：赤外線検出器
１１０、２１０、３１０：第１の電極層
１２０、２２０：第１の受光層
１３０、２３０：第２の受光層
１４０、２４０、３４０：第２の電極層
１５０、２５０：障壁層
３１１：第１のサブ電極層
３１２：第２のサブ電極層
３１３：第３のサブ電極層
３４１：第１のサブ電極層
３４２：第２のサブ電極層
３４３：第３のサブ電極層
３４４：第４のサブ電極層
３４５：第５のサブ電極層
３４６：第６のサブ電極層
４００：赤外線撮像素子
５００：赤外線撮像システム
２０：正孔
１００、２００、３００：赤外線検出器
１１０、２１０、３１０：第１の電極層
１２０、２２０：第１の受光層
１３０、２３０：第２の受光層
１４０、２４０、３４０：第２の電極層
１５０、２５０：障壁層
３１１：第１のサブ電極層
３１２：第２のサブ電極層
３１３：第３のサブ電極層
３４１：第１のサブ電極層
３４２：第２のサブ電極層
３４３：第３のサブ電極層
３４４：第４のサブ電極層
３４５：第５のサブ電極層
３４６：第６のサブ電極層
４００：赤外線撮像素子
５００：赤外線撮像システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】