特許 7505320 ２波長光検出器、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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-17

(45)【発行日】2024-06-25

(54)【発明の名称】２波長光検出器、及びこれを用いたイメージセンサ

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/08 20060101AFI20240618BHJP

   H01L 31/10 20060101ALI20240618BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20240618BHJP

   H01L 27/144 20060101ALI20240618BHJP

   G01J 3/02 20060101ALI20240618BHJP

【ＦＩ】

H01L31/08 L

H01L31/10 D

H01L27/146 F

H01L27/144 K

G01J3/02 S

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020136808

(22)【出願日】2020-08-13

(65)【公開番号】P2022032720

(43)【公開日】2022-02-25

【審査請求日】2023-05-11

(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

(72)【発明者】

【氏名】西野 弘師

(72)【発明者】

【氏名】角田 浩司

【審査官】原 俊文

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１４６９９８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０５７６３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００１９２６９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－１０７６４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０１７６５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００５／０２７２２８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】MYERS, Stephen et al.，“Comparison of superlattice based dual color nBn and pBp infrared detectors”，Proc. SPIE 8155, Infrared Sensors, Devices, and Applications; and Single Photon Imaging II，2011年09月16日，Article number: 815507，pp. 1-9，DOI: 10.1117/12.894986

【文献】HOANG, Anh Minh et al.，“High performance bias-selectable three-color Short-wave/Mid-wave/Long-wave Infrared Photodetectors based on Type-II InAs/GaSb/AlSb superlattices”，Scientific Reports，2016年04月07日，Vol. 6, No. 1, Article number: 24144，pp. 1-7，DOI: 10.1038/srep24144

【文献】HOANG, A. M. et al.，“Demonstration of high performance bias-selectable dual-band short-/mid-wavelength infrared photodetectors based on type-II InAs/GaSb/AlSb superlattices”，Applied Physics Letters，2013年01月07日，Vol. 102, No. 1, Article number: 011108，pp. 1-4，DOI: 10.1063/1.4773593

(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】

第１の波長に感度を有する第１受光層と、
前記第１の波長よりも長い第２の波長に感度を有する第２受光層と、
前記第１受光層と前記第２受光層の間に配置され、正孔に対するポテンシャル障壁となる障壁層と、
を有し、
前記第１受光層は、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、およびＡｌＳｂを含む第１の超格子で形成され、
前記第２受光層は、ＩｎＡｓとＧａＳｂの第２の超格子で形成されており、
前記第１の超格子に含まれる前記ＩｎＡｓの膜厚は、前記第２の超格子に含まれる前記ＩｎＡｓの膜厚よりも大きい、
２波長光検出器。

【請求項2】

第１の波長に感度を有する第１受光層と、
前記第１の波長よりも長い第２の波長に感度を有する第２受光層と、
前記第１受光層と前記第２受光層の間に配置され、正孔に対するポテンシャル障壁となる障壁層と、
を有し、
前記第１受光層は、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、およびＡｌＳｂを含む第１の超格子で形成され、
前記第２受光層は、ＩｎＡｓとＧａＳｂの第２の超格子で形成されており、
前記第１の超格子に含まれる前記ＩｎＡｓと、前記第２の超格子に含まれる前記ＩｎＡｓの膜厚は４ｎｍ以上である、
２波長光検出器。

【請求項3】

前記第１の超格子と前記第２の超格子の伝導帯下端のエネルギー差は２０ｍｅＶ以下である、
請求項１または２に記載の２波長光検出器。

【請求項4】

前記第１の超格子は、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂがこの順序で積層された単位構造を有する超格子である、
請求項１～３のいずれか１項に記載の２波長光検出器。

【請求項5】

前記障壁層は、ＩｎＡｓとＡｌＳｂの超格子で形成されており、
前記障壁層のバンドギャップは、前記第１受光層と前記第２受光層のバンドギャップよりも大きい、
請求項１～４のいずれか１項に記載の２波長光検出器。

【請求項6】

前記第１受光層と前記第２受光層に、不純物元素としてＢｅ、Ｚｎ、またはＭｇが添加されている、
請求項１～５のいずれか１項に記載の２波長光検出器。

【請求項7】

前記障壁層の導電型は、前記第１受光層、及び前記第２受光層と同じ導電型である、
請求項１～６のいずれか１項に記載の２波長光検出器。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか１項に記載の２波長光検出器が複数配列された光検出器アレイと、
前記光検出器アレイに電気的に接続される読出回路と、
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、２波長光検出器、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基板上に、基板と格子整合しやすく、かつ吸収係数の大きいＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子を受光層として有する。

【0003】

多重量子井戸で形成された感光波長の異なる２つの感光層を中間層で分離し、印加電圧の極性を切替えることによって感度波長を制御する２波長の赤外線検知素子が知られている（たとえば、特許文献１参照）。III-V族化合物半導体からなるＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＳｂ／ＩｎＡｓ（ｘ＞０．３）超格子を用い、超格子端面に電極を取り付けた赤外線検出器が知られている（たとえば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０００－２９５１４６号公報

【文献】特開平６－１９６７４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

タイプII超格子を用いた２波長光検出器で受光感度を高めるには、移動度の高い電子を信号として検出することが望ましい。一方、タイプII超格子の受光層で異なる波長の光に感度を持たせるには、超格子を形成する薄膜の厚さを制御して、超格子のバンドギャップの大きさを制御する。ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子では、ＩｎＡｓの膜厚を制御することで赤外線検出波長が制御される。しかし、ＩｎＡｓの膜厚を変えると、超格子の伝導帯下端のエネルギー位置が変わり、長波長側の受光層の超格子の伝導帯下端のエネルギーが、短波長側の受光層の超格子の伝導帯下端のエネルギーよりも低くなる。電子を信号として検出する場合、長波長側の受光層の電子にとって短波長型の受光層がポテンシャル障壁となり、長波長側の信号が低下する。

【0006】

本開示は、２波長光検出器において、長波長側の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】

【0007】

本開示の一形態によれば、２波長光検出器は、
第１の波長に感度を有する第１受光層と、
前記第１の波長よりも長い第２の波長に感度を有する第２受光層と、
前記第１受光層と前記第２受光層の間に配置され、正孔に対するポテンシャル障壁となる障壁層と、
を有し、前記第１受光層は、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、およびＡｌＳｂを含む第１の超格子で形成され、前記第２受光層は、ＩｎＡｓとＧａＳｂの第２の超格子で形成されている。

【発明の効果】

【0008】

２波長光検出器において、長波長側の信号電流の低下が抑制され受光感度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態の２波長光検出器の断面模式図である。

【図2A】第１実施形態の２波長光検出器の動作原理を説明する図である。

【図2B】第１実施形態の２波長光検出器の動作原理を説明する図である。

【図3】第１実施形態の２波長光検出器の効果を説明する図である。

【図4A】第１実施形態の２波長光検出器の作製工程図である。

【図4B】第１実施形態の２波長光検出器の作製工程図である。

【図4C】第１実施形態の２波長光検出器の作製工程図である。

【図4D】第１実施形態の２波長光検出器の作製工程図である。

【図4E】第１実施形態の２波長光検出器の作製工程図である。

【図5】第２実施形態の２波長光検出器の断面模式図である。

【図6】第２実施形態の２波長光検出器の効果を説明する図である。

【図7】実施形態のイメージセンサの模式図である。

【図8】イメージセンサで用いられる光検出器アレイの一部を示す断面模式図である。

【図9】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】

【0010】

実施形態では、異なる波長の赤外線に感度を有する２波長光検出器の受光層をタイプII超格子で形成し、２つの受光層の間に正孔に対するポテンシャル障壁を設ける。長波長側の受光層の伝導帯下端に対して、障壁層の伝導帯下端と、短波長側の受光層の伝導帯下端のエネルギー位置が電子の移動の妨げとならないように、各層のバンドギャップを制御する。具体的には、２つの受光層の間に障壁層が配置された構成で、隣接する層の間で、伝導体下端のエネルギー差の大きさ（絶対値）を２０ｍｅＶ以下、より好ましくは、１０ｍｅＶ以下にする。これにより、長波長側の信号電流の低下が抑制され、受光感度が向上する。

【0011】

以下で、図面を参照して具体的な構成を説明する。この明細書と添付図面において、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。

【0012】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の２波長光検出器１０の断面模式図である。図示の便宜上、２波長光検出器１０はひとつの画素１０１として描かれているが、実際の使用態様では、複数の２波長光検出器１０が一次元または二次元方向に配列された光検出器アレイとして用いられ得る。

【0013】

２波長光検出器１０は、基板１１の上に、第１電極層１４、第１受光層１５、障壁層１６、第２受光層１７、及び第２電極層１８がこの順でエピタキシャル成長された積層構造を有する。基板１１と第１電極層１４の間に、バッファ層１２とエッチングストッパ層１３の少なくとも一方が設けられていてもよい。

【0014】

第１電極層１４は、光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。第１電極層１４に接続されるメサ３５、すなわち、第１受光層１５、障壁層１６、第２受光層１７、及び第２電極層１８を含むメサ３５が、ひとつの画素１０１を形成する。メサ３５と第１電極層１４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。

【0015】

基板１１として、たとえば、ＧａＳｂ（１００）基板を用いる。バッファ層１２とエッチングストッパ層１３を設ける場合は、バッファ層１２として、基板１１と格子整合するＧａＳｂ層を用い、エッチングストッパ層１３として、ＩｎＡｓＳｂ層を用いてもよい。ＩｎＡｓＳｂ層の組成は、ＧａＳｂと格子整合するように設定されるのが望ましく、たとえばＩｎＡｓ_０．９１Ｓｂ_０．０９層が用いられる。

【0016】

第１電極層１４は、たとえば、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、及びＡｌＳｂの超格子で形成されている。第１受光層１５は、第１の波長帯（たとえば３～５μｍ）に感度を有し、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、及びＡｌＳｂの超格子で形成されている。障壁層１６は、たとえば、ＩｎＡｓとＡｌＳｂの超格子で形成されている。第２受光層１７は、第２の波長帯（たとえば８～１２μｍ）に感度を有し、ＩｎＡｓとＧａＳｂの超格子で形成されている。第２電極層１８は、たとえば、ＩｎＧａとＧａＳｂの超格子で形成されている。

【0017】

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。第１受光層１５と第２受光層１７は、積層方向で障壁層１６によって分離されている。第１受光層１５の超格子の伝導帯下端のエネルギー位置と、第２受光層１７の超格子の伝導帯下端のエネルギー位置との差は、２０ｍｅＶ以下、より好ましくは１０ｍｅＶ以下である。

【0018】

障壁層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。第１受光層１５、障壁層１６、及び第２受光層１７のエネルギーバンド構造については、図３を参照して後述する。

【0019】

図２Ａと図２Ｂは、２波長光検出器１０の動作原理を説明する図である。第１受光層１５は、第１の波長（λ１）に感度を有し、第２受光層１７は、第２の波長（λ２）に感度を有する。λ２はλ１よりも長波長である。２波長光検出器１０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、検出される赤外線の波長が切り替えられる。

【0020】

図２Ａで、第２電極層１８に接続される電極２１に正の電圧を印加し、第１電極層１４に接続される電極２２に負の電圧を印加すると、ｐ型の第１受光層１５にとって逆バイアスの状態となり、第１受光層１５が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としての電子は、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。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。

【0021】

図２Ｂで、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と、ｐ型の第２受光層１７は逆バイアスの状態となり、第２受光層１７が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としての電子は、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。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。

【0022】

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ことができる。図２Ａ、及び図２Ｂに示した動作で、一方の受光層で光吸収により生成された電子は、障壁層１６と他方の受光層とを横切って、対応する電極から引き出される。図２Ａでは、第１受光層１５で生成された電子－正孔対のうち、電子は障壁層１６と第２受光層１７を通過して引き出される。図２Ｂでは、第２受光層１７で生成された電子－正孔対のうち、電子は障壁層１６と第１受光層１５を通過して引き出される。

【0023】

電子が引き出される過程で、電子に対するポテンシャル障壁が存在する場合、ポテンシャル障壁が高いほど、電子は障壁を乗り越えることができず、信号低下の要因となる。従来の一般的な構成で、第１受光層１５と第２受光層１７をＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子で形成し、検出対象の赤外線波長を変えるためにＩｎＡｓの膜厚を変更すると、超格子の伝導帯下端のエネルギー位置が変化し、電子に対する障壁が高くなる。

【0024】

たとえば、中波長帯と長波長帯の赤外線に感度を有する２波長光検出器をＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子で構成する場合、第１受光層１５と第２受光層１７のバンドギャップ差にほぼ等しいエネルギー差（０．１ｅＶ以上）が、第１受光層１５と第２受光層１７の伝導帯下端で生じる。

【0025】

長波長帯に感度を持つＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子の伝導帯下端のエネルギー位置は、中波長帯に感度を持つＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子の伝導帯下端のエネルギー位置よりも低くなる。長波長側のＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子で生成された電子は、電極に引き出される過程で、中波長帯に感度を持つＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子の伝導帯下端とのエネルギー差に相当するポテンシャル障壁を乗り越えられず、長波長側の信号を十分に引き出すことができない。

【0026】

実施形態では、長波長側の信号の低下を抑制するために、第１受光層１５の伝導帯下端の下端のエネルギーと第２受光層１７の伝導帯下端のエネルギーとの差を、電子の移動を妨げない程度に小さくする。また、障壁層１６を正孔ブロック層として機能させて暗電流を抑制する一方で、電子にとってはポテンシャル障壁とならないようにバンドギャップを設計する。

【0027】

図３は、第１実施形態の２波長光検出器１０の効果を説明する図である。第１実施形態では、短波長側の第１受光層１５を、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、及びＡｌＳｂの超格子で形成し、第２受光層１７を、ＩｎＡｓとＧａＳｂの超格子で形成している。超格子のバンドギャップエネルギーＥｇは、超格子の伝導体下端と、価電子帯上端のエネルギー差によって決まる。

【0028】

一般的なＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子の２波長検出器と異なり、第１実施形態の２波長光検出器１０では、長波長側の第２受光層１７の伝導帯下端のエネルギー位置は、第１受光層１５の伝導帯下端のエネルギー位置よりも高く設定されている。また、第１受光層１５の伝導帯下端のエネルギー位置と障壁層１６の伝導帯下端のエネルギー位置との差、及び第２受光層１７の伝導帯下端のエネルギー位置と障壁層１６の伝導帯下端のエネルギー位置との差が、２０ｍｅＶ以下、より好ましくは１０ｍｅＶ以下になるように設定されている。

【0029】

第１受光層１５のバンドギャップエネルギーＥｇ１は約２５６ｍｅＶ、障壁層１６のバンドギャップエネルギーＥｇ(bar)は約４８４ｍｅＶ、第２受光層１７のバンドギャップエネルギーＥｇ２は約１２７ｍｅＶである。障壁層１６のバンドギャップは、第１受光層１５と第２受光層１７のいずれのバンドギャップよりも大きい。

【0030】

伝導帯下端のエネルギー差を見ると、第１受光層１５の伝導帯下端と障壁層１６の伝導帯下端のエネルギー差ΔＥｃ１は約９ｍｅＶ、第２受光層１７の伝導帯下端と障壁層１６の伝導帯下端のエネルギー差ΔＥｃ２は約３ｍｅＶと小さい。

【0031】

図２Ｂのように第２受光層１７を動作させるときに、第２受光層１７と障壁層１６の間にエネルギー差はほとんどない。第２受光層１７で生成された電子が電極２２に引き出される過程で、電子は、第２受光層１７と障壁層１６の間の伝導帯下端のわずかなエネルギー差を容易に乗り越えて、第１受光層１５の伝導帯下端に沿って電極に引き出される。長波長側の信号の低下は抑制され、受光感度が向上する。図２Ａのように、第１受光層１５を動作させるときも、第１受光層１５と障壁層１６の伝導帯下端におけるエネルギー差ΔＥｃ１もわずか９ｍｅＶであり、電子が乗り越えられる程度に十分に小さい。

【0032】

価電子帯上端のエネルギーを見ると、第１受光層１５の価電子帯上端と障壁層１６の価電子帯上端のエネルギー差ΔＥｖ１は約２１９ｍｅＶ、第２受光層１７の価電子帯上端と障壁層１６の価電子帯上端のエネルギー差ΔＥｖ２は約３５４ｍｅＶと大きい。障壁層１６は正孔に対するポテンシャル障壁となり、暗電流を抑制することができる。

【0033】

第１受光層１５において、ＧａＳｂおよびＡｌＳｂを障壁層、ＩｎＡｓを井戸層とする量子構造では、超格子の伝導体下端のエネルギー位置は、ＩｎＡｓ層中の電子の量子準位の基底準位によって決まる。ＩｎＡｓおよびＡｌＳｂを障壁層、ＧａＳｂを井戸層とする量子構造では、超格子の価電子帯上端のエネルギー位置は、ＧａＳｂ層中に形成される正孔の量子準位の基底準位によって決まる。この構成により、第１受光層１５の伝導帯下端と、第２受光層１７の伝導帯下端のエネルギー差を十分小さく維持したまま、価電子帯上端のエネルギーを下げることができる。

【0034】

従来のようにＧａＳｂを障壁層、ＩｎＡｓを井戸層とする量子構造の超格子では、超格子の伝導帯下端のエネルギー位置は、ＩｎＡｓ層中に形成される電子の量子準位の基底準位で決まる。価電子帯上端のエネルギー位置は、ＧａＳｂ層中に形成される正孔の量子準位の基底準位で決まる。ＩｎＡｓの膜厚を薄くすると、電子の基底準位のエネルギー位置が高くなるため、超格子の伝導帯下端のエネルギー位置が高くなって、価電子帯上端とのエネルギー差が大きくなる。その結果、超格子のバンドギャップが大きくなり、検出可能な赤外線波長が短くなる。

【0035】

一方、ＧａＳｂの膜厚を変えた場合は、正孔の有効質量が重いため、正孔の基底準位のエネルギー位置、すなわち、価電子帯上端のエネルギー位置はそれほど変化しない。ＧａＳｂの膜厚制御では超格子のバンドギャップを変えることができないので、ＩｎＡｓの膜厚を制御することでバンドギャップ、すなわち検出波長が調整される。ＩｎＡｓの膜厚の変化により、伝導体下端のエネルギー位置が変化して長波長側の信号が低下することは、上述したとおりである。

【0036】

第１実施形態の２波長光検出器１０は、図３のようにエネルギーバンドギャップを設計することで、長波長側の信号の低下が抑制され、長波長側の受光感度が向上するという効果が得られる。

【0037】

図４Ａ～図４Ｄは、２波長光検出器１０の作製工程図である。図４Ａ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、障壁層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。

【0038】

たとえば、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。次いで、たとえばＩｎＡｓＳｂのエッチングストッパ層１３を３００ｎｍ成長する。このとき、ＩｎＡｓＳｂの混晶組成を、ＧａＳｂに格子整合するように設定することが好ましく、一例としてＩｎＡｓ_０．９１Ｓｂ_０．０９のエッチングストッパ層１３を形成する。

【0039】

次いで、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、及びＡｌＳｂの超格子で第１電極層１４を形成する。たとえば４．６ｎｍのＩｎＡｓ、０．９ｎｍのＧａＳｂ、１．５ｎｍのＡｌＳｂ、及び０．９ｎｍのＧａＳｂをこの順序で積層した構造を１周期（単位構造）とする超格子で、第１電極層１４を形成する。ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂの超格子を、たとえば４０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型の導電型を有する。

【0040】

次いで、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、及びＡｌＳｂの超格子で第１受光層１５を形成する。第１受光層１５は、たとえば４．６ｎｍのＩｎＡｓ、０．９ｎｍのＧａＳｂ、１．５ｎｍのＡｌＳｂ、及び０．９ｎｍのＧａＳｂをこの順序で積層した構造を１周期（単位構造）とする超格子で形成される。ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子を、たとえば１６０周期繰り返して、１３００ｎｍ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０．２５６ｅＶであり、第１受光層１５は、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。

【0041】

次いで、たとえば、ＩｎＡｓとＡｌＳｂの超格子で障壁層１６を形成する。障壁層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（単位構造）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。障壁層１６は、主として正孔のみをブロックする障壁層として機能し、たとえば、正孔濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３のｐ型の導電型を有する。

【0042】

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（単位構造）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。

【0043】

第２受光層１７のＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子のＩｎＡｓの膜厚は、第１受光層１５のＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子のＩｎＡｓの膜厚よりも薄い。ＩｎＡｓの膜厚を第１受光層１５の超格子のＩｎＡｓ膜厚よりも薄くすることで、電子の基底準位のエネルギー位置が高くなり、超格子の伝導体下端のエネルギー位置が上がる。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。

【0044】

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（単位構造）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４Ａの積層構造が得られる。

【0045】

図４Ｂで、図４Ａの積層構造をエッチング加工して、メサ３５を形成する。第１電極層１４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、障壁層１６、および第１受光層１５を選択的にエッチングする。図４Ｂ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。

【0046】

図４Ｃで、メサ３５の全体と、第１電極層１４の表面を覆う絶縁膜１９を形成する。絶縁膜は、たとえば厚さ５００ｎｍのシリコン酸化膜であるが、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。シリコン酸化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。

【0047】

図４Ｄ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２６を形成して、第１電極層１４の一部と、第２電極層１８の一部を露出する。

【0048】

図４Ｅで、開口２６内に、第１電極層１４と接続される電極２２と、第２電極層１８と接続される電極２１を形成する。電極２１、及び２２は、たとえばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで形成される。Ｔｉは下層の電極層との密着膜として機能し得る。電極２１、及び２２は、金属膜のスパッタリングとミリングにより形成されてもよいし、蒸着とリフトオフ法により形成されてもよい。この後、後述するように、光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、各画素に突起電極を設けることで、２波長光検出器１０が作製される。必要に応じて、基板１１、バッファ層１２、及びエッチングストッパ層１３を除去してもよい。

【0049】

第１実施形態では、第１受光層１５、障壁層１６、及び第２受光層１７の積層で、隣接する層の伝導帯下端のエネルギー差を２０ｍｅＶ以下、より好ましくは１０ｍｅＶ以下とすることで、長波長側から信号である電子を効率的に引き出して、受光感度を向上する。具体的には、第１受光層１５のＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、及びＡｌＳｂの超格子に含まれるＩｎＡｓの膜厚と、第２受光層１７のＩｎＡｓとＧａＳｂの超格子に含まれるＩｎＡｓの膜厚を４ｎｍ以上の厚さで互いに近接させて、伝導体下端のエネルギー位置を互いに近づける。また、障壁層１６を正孔ブロック層として機能させることで、暗電流が抑制され、受光感度が向上する。

【0050】

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の２波長光検出器２０の断面模式図である。２波長光検出器２０は、基板１１の上に、第１電極層２４、第１受光層２５、障壁層１６、第２受光層１７、及び第２電極層１８がこの順でエピタキシャル成長された積層構造を有する。基板１１と第１電極層２４の間に、バッファ層１２とエッチングストッパ層１３の少なくとも一方を配置してもよい。

【0051】

２波長光検出器２０は、第１電極層２４と第１受光層２５の構成を除いて、第１実施形態の２波長光検出器１０と同様の構成を有するので、異なる部分のみを説明する。基板１１の上に、第１電極層２４と第１受光層２５を連続してエピタキシャル成長する。基板１１と第１電極層２４の間に、バッファ層１２とエッチングストッパ層１３が挿入されていてもよい。

【0052】

第１電極層２４は、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、及びＡｌＳｂの超格子で形成される。たとえば、４．６ｎｍのＩｎＡｓ、０．３ｎｍのＧａＳｂ、０．９ｎｍのＡｌＳｂ、０．３ｎｍ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２４を形成する。この超格子のバンドギャップは、約０．３９２ｅＶである。第１電極層２４は、例えば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型の導電型を有する。このＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子を、たとえば６０周期繰り返して、３６０ｎｍの厚さに成長する。

【0053】

第１受光層２５は、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、及びＡｌＳｂの超格子で形成される。たとえば、４．６ｎｍのＩｎＡｓ、０．３ｎｍのＧａＳｂ、０．９ｎｍのＡｌＳｂ、０．３ｎｍ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受光層２５を形成する。この超格子のバンドギャップは、約０．３９２ｅＶである。第１受光層２５は、例えば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型の導電型を有する。このＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ超格子を、たとえば２１０周期繰り返して、１３００ｎｍの厚さに成長する。

【0054】

図６は、第２実施形態の２波長光検出器２０の効果を説明する図である。第２実施形態では、第１受光層２５を形成するＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、及びＡｌＳｂの超格子の１周期の膜厚を第１実施形態よりも薄く形成して伝導帯下端のエネルギー位置を上げて、さらには価電子帯上端のエネルギー位置を下げて、バンドギャップエネルギーＥｇ１を、約３９２ｍｅＶに設計している。すなわち、第１実施形態の第１受光層１５よりも検出可能な赤外線の波長が短くなる。障壁層１６と第２受光層１７のバンドギャップエネルギーは、第１実施形態と同様に、それぞれ約４８４ｍｅＶと、約１２７ｍｅＶである。

【0055】

第１受光層２５と第２受光層１７の間で、伝導帯下端のエネルギー差は第１実施形態よりもさらに小さく、ほとんど同じエネルギー位置である。第１受光層２５、障壁層１６、及び第２受光層１７の間の伝導帯下端のエネルギー位置を見ると、電子に対するポテンシャル障壁はほとんどない。長波長側の第２受光層１７で生成された電子は、電極２２に引き出される過程で、障壁層１６、及び第１受光層２５との間の伝導帯下端におけるエネルギー差を容易に乗り越えられる。長波長側の信号の低下が抑制され、受光感度を向上することができる。第１受光層２５で生成された電子にとってもポテンシャル障壁はほとんど存在せず、短波長側の受光感度も向上する。

【0056】

＜２波長光検出器を用いたイメージセンサ＞
図７は、２波長光検出器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の配列を含む光検出器アレイ５０と、読出回路６０を有する。光検出器アレイ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。光検出器アレイ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７では、光検出器アレイ５０は第１実施形態の２波長光検出器１０を用いているが、第２実施形態の２波長光検出器２０を用いてもよい。

【0057】

光検出器アレイ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配置される。

【0058】

読出回路６０には、光検出器アレイ５０の各画素１０１に対応する駆動セルを有し、各画素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）の時系列信号が交互に出力されてもよい。

【0059】

図８は、イメージセンサ１００で用いられる光検出器アレイ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波長光検出器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。

【0060】

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を介して、画素１０１に選択的に印加される。

【0061】

光検出器アレイ５０の最外周の画素は、ダミー画素として、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、第１電極層１４とオーミック接触する電極２２に接続されており、第１電極層１４を介して、各画素１０１に共通の電位Ｖ_Ａが供給される。

【0062】

金属膜３２と配線３３は、図４Ｅ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。光検出器アレイ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、バッファ層１２、及びエッチングストッパ層１３が除去されてもよい。これにより、図７のイメージセンサ１００が得られる。

【0063】

図９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。

【0064】

光学系１１０は、イメージセンサ１００の光検出器アレイ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。光検出器アレイ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。

【0065】

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～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。

【0066】

実施形態の２波長光検出器１０または２０を用いた光検出器アレイ５０は、各画素１０１または２０１で長波長側の信号低下が抑制され、かつ、暗電流が抑制されているので、高画質の２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。

【0067】

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波長光検出器１０または２０は、高い移動度をもつ電子を信号として検出し、長波長側での信号低下と暗電流が抑制されており、感度、すなわち、観察対象物に対する識別精度が高い。

【0068】

以上、発明の実施形態を特定の構成例に基づいて説明してきたが、本発明は上述した構成例に限定されない。第１受光層と第２受光層に用いられる超格子の各層の膜厚は、第１受光と第２受光層の伝導帯下端のエネルギー差が２０ｍｅＶ以下、より好ましくは１０ｍｅＶ以下である限り、適宜変更可能である。また、短波長側の第１受光層の超格子で用いられるＩｎＡｓの膜厚が、長波長側の第２受光層の超格子で用いられるＩｎＡｓの膜厚よりも大きいならば、それぞれを４ｎｍ以上の適切な厚さに設定されてもよい。障壁層１６を形成する超格子は、第２受光層で生成された電子にとってポテンシャル障壁とならず、正孔に対するブロック層として機能するならば、適切な材料と膜厚で形成されてもよい。

【0069】

第１受光層と第２受光層の導電型をｐ型にする不純物（アクセプタ）として、Ｂｅに替えて、またはＢｅとともに、Ｚｎ、Ｍｇなどを用いてもよい。２波長光検出器の積層の形成はＭＢＥ法に限定されず、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、または積層の形成が可能なその他の方法を採用してもよい。メサ３５を覆う絶縁膜は、原子層堆積法、スパッタ法などで形成されてもよい。いずれの場合も、第１受光層、障壁層、第２受光層のエネルギーバンド構造を適切に設計することで、長波長側の電子に対するポテンシャル障壁を小さくして、受光感度を向上することができる。

【符号の説明】

【0070】

１ 撮像システム
１０、２０ ２波長光検出器
１１ 基板
１４、２４ 第１電極層
１５、２５ 第１受光層
１６ 障壁層
１７ 第２受光層
１８ 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 光検出器アレイ
６０ 読出回路
１００ イメージセンサ
１０１、２０１ 画素

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】