特表 2025-504974 赤外検出器及びその作製方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-02-19

(54)【発明の名称】赤外検出器及びその作製方法

(51)【国際特許分類】

   H10F 30/223 20250101AFI20250212BHJP

   B82Y 30/00 20110101ALI20250212BHJP

   B82Y 40/00 20110101ALI20250212BHJP

【ＦＩ】

H10F30/223

B82Y30/00

B82Y40/00

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024545247

(86)(22)【出願日】2022-01-27

(85)【翻訳文提出日】2024-07-26

(86)【国際出願番号】 CN2022074382

(87)【国際公開番号】W WO2023141895

(87)【国際公開日】2023-08-03

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524283523

【氏名又は名称】成都英飛睿技術有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＦＩＲＡＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】９ Ｓｈｕａｎｇｘｉｎｇ Ａｖｅｎｕｅ， Ｈｕａｎｇｊｉａ Ｒｏａｄ， Ｓｏｕｔｈ Ｗｅｓｔ Ａｉｒｐｏｒｔ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ａｒｅａ， Ｓｈｕａｎｇｌｉｕ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ Ｃｈｅｎｇｄｕ， Ｓｉｃｈｕａｎ ６１００００， Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】110002262

【氏名又は名称】ＴＲＹ国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】劉 ▲るぅ▼

(72)【発明者】

【氏名】周 勲

(72)【発明者】

【氏名】▲ざん▼ ▲うぇん▼慧

【テーマコード（参考）】

5F149

【Ｆターム（参考）】

5F149AA04

5F149AB07

5F149BA05

5F149CB03

5F149CB04

5F149CB14

5F149DA02

5F149DA28

5F149DA30

5F149DA35

5F149FA05

5F149GA06

5F149LA01

5F149XB18

5F149XB24

5F149XB37

(57)【要約】

赤外検出器及びその作製方法を提供し、赤外検出器は、主に、第１コンタクト層（８００）と、第２コンタクト層（３００）と、第１コンタクト層と第２コンタクト層との間に位置する吸収層（４００）及びバリア複合層とを含む。そのうち、バリア複合層は、順次隣接するとともに、何れも広バンドギャップ半導体材料である真性層（５００）、電界制御層（６００）及びブロック層（７００）を含み、真性層は、狭バンドギャップ半導体材料である吸収層に隣接する。そして、吸収層のドープタイプは、Ｎ型ドープであり、電界制御層及びブロック層は、何れもＰ型ドープであるため、バリア複合層と吸収層とによってＰＩＮ構造を形成して、赤外検出器の空乏層を広バンドギャップの真性層内に移行させることができ、検出器の発生・再結合電流を効果的に抑制した。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

赤外検出器であって、第１コンタクト層と、第２コンタクト層と、前記第１コンタクト層と第２コンタクト層との間に位置する吸収層及びバリア複合層とを含み、
前記吸収層は、Ｎ型ドープの狭バンドギャップ半導体材料層であり、
前記バリア複合層は、順次隣接する真性層、電界制御層及びブロック層を含み、前記真性層は、前記吸収層に隣接し、且つ広バンドギャップ半導体材料層であり、前記電界制御層及び前記ブロック層は、何れもＰ型ドープの広バンドギャップ半導体材料層である、ことを特徴とする赤外検出器。

【請求項2】

基板と、バッファ層とを更に含み、
前記基板は、Ｎ型ドープＩｎＰ基板又は半絶縁型ＩｎＰ基板であり、
前記バッファ層は、広バンドギャップ半導体材料層であり、
前記バッファ層は、前記第２コンタクト層と前記基板との間に位置し、前記吸収層は、前記第２コンタクト層の前記バッファ層とは反対側に位置する、ことを特徴とする請求項１に記載の赤外検出器。

【請求項3】

前記第１コンタクト層は、前記ブロック層に隣接し、且つＰ型ドープの狭バンドギャップ半導体材料層であり、
前記第２コンタクト層は、前記吸収層に隣接し、且つＮ型ドープの広バンドギャップ半導体材料層であり、且つ前記第２コンタクト層のドープ濃度は、前記吸収層のドープ濃度よりも大きい、ことを特徴とする請求項２に記載の赤外検出器。

【請求項4】

前記真性層の伝導帯下端エネルギー、前記電界制御層の伝導帯下端エネルギー、前記ブロック層の伝導帯下端エネルギーは順次増加し、
前記ブロック層の禁制帯幅は、前記電界制御層の禁制帯幅よりも大きく、前記電界制御層の禁制帯幅は、前記真性層の禁制帯幅以上である、ことを特徴とする請求項３に記載の赤外検出器。

【請求項5】

前記吸収層は、ＩｎＧａＡｓ層又はＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩ超格子層である、ことを特徴とする請求項１に記載の赤外検出器。

【請求項6】

前記真性層及び前記電界制御層は、何れも広バンドギャップアンチモン化物半導体材料層であり、前記真性層内のアンチモン成分は、前記吸収層の格子に整合するものとされる、ことを特徴とする請求項５に記載の赤外検出器。

【請求項7】

前記真性層は、ＡｌＧａＡｓＳｂ層であり、
前記電界制御層は、ＡｌＧａＡｓＳｂ層又はＩｎＰ層であり、
前記ブロック層は、ＡｌＡｓＳｂ層、ＩｎＡｌＡｓ層、ＩｎＰ層、ＩｎＡｓＰ層のうち、少なくとも１つであり、
前記第１コンタクト層は、ＩｎＧａＡｓ層又はＧａＡｓＳｂ層であり、
前記第２コンタクト層は、ＩｎＰ層又はＩｎＡｌＡｓ層である、ことを特徴とする請求項６に記載の赤外検出器。

【請求項8】

前記第１コンタクト層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ層又はＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層であり、前記第１コンタクト層のドープされたアクセプタ濃度は、２Ｅ＋１８ｃｍ^－３以上であり、前記第１コンタクト層の厚さは、０．０５～０．２μｍであり、
前記吸収層は、シリコン又はイオウをドープしたＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ層であり、前記Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ層の厚さは、２．０～３．０μｍであるか、又は、前記吸収層は、Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ／ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙタイプＩＩ超格子層であり、そのうち、前記Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ／ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙタイプＩＩ超格子層のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ井戸層の厚さは、４～７ｎｍであり、ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙバリア層の厚さは、４～７ｎｍであり、前記Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ／ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙタイプＩＩ超格子層の周期数は、１５０～３００であり、
前記真性層及び前記電界制御層は、何れもＡｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層であり、前記真性層の厚さは、０．３～１．０μｍであり、且つ前記真性層のバックグラウンドキャリア濃度は、１～１０Ｅ＋１５ｃｍ^－３であり、前記電界制御層の厚さは、０．２～０．８μｍであり、前記電界制御層のドープされたアクセプタ濃度は、０．５～５Ｅ＋１７ｃｍ^－３であり、
前記ブロック層は、ＡｌＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層であり、前記ブロック層のドープされたアクセプタ濃度は、０．５～２Ｅ＋１８ｃｍ^－３であり、前記ブロック層の厚さは、０．５～２．０μｍであり、
前記第２コンタクト層は、シリコン又はイオウをドープしたＩｎＰ層又はＩｎＡｌＡｓ層であり、前記第２コンタクト層のドープされたドナー濃度は、２～８Ｅ＋１８ｃｍ^－３であり、前記第２コンタクト層の厚さは、０．２～１．０μｍであり、
そのうち、前記ｘ、ｙ、ｚの範囲は、それぞれ０．４７≦ｘ≦０．８２、０．４７≦ｙ≦０．５１、０．２≦ｚ≦０．５である、ことを特徴とする請求項７に記載の赤外検出器。

【請求項9】

パッシベーション層と、第１電極と、第２電極とを更に含み、
前記パッシベーション層は、少なくとも一部が前記第１コンタクト層の前記ブロック層とは反対側に位置し、且つ第１タイプの開口及び第２タイプの開口を有し、
前記第１タイプの開口により、前記第１コンタクト層が露出され、前記第２タイプの開口により、前記第１コンタクト層、前記バリア複合層、前記吸収層を順次通過して前記第２コンタクト層で止まる電極トレンチが露出され、
前記第１電極は、前記第１タイプの開口を通過して前記第１コンタクト層とオーミック接触を形成し、
前記第２電極は、前記電極トレンチを通過して前記第２コンタクト層とオーミック接触を形成する、ことを特徴とする請求項１～８の何れか一項に記載の赤外検出器。

【請求項10】

前記第１コンタクト層及び前記バリア複合層は、メサトレンチにより、前記吸収層に設けられた複数のメサに仕切られ、前記メサトレンチは、前記第１コンタクト層の表面から、前記吸収層の表面まで延在し、
前記パッシベーション層は、前記第１コンタクト層の前記ブロック層とは反対側から、前記メサトレンチの側壁及び底部まで延在する、ことを特徴とする請求項９に記載の赤外検出器。

【請求項11】

請求項１に記載の赤外検出器の作製方法であって、
基板上に第２コンタクト層をエピタキシャル成長させることと、
前記第２コンタクト層上にＮ型ドープの狭バンドギャップ半導体材料をエピタキシャル成長させて、吸収層を形成することと、
前記吸収層上に真性層、電界制御層及びブロック層を順次エピタキシャル成長させて、バリア複合層を形成し、前記真性層が広バンドギャップ半導体材料層であり、前記電界制御層及び前記ブロック層が何れもＰ型ドープの広バンドギャップ半導体材料層であることと、
前記ブロック層上に第１コンタクト層をエピタキシャル成長させることとを含む、ことを特徴とする作製方法。

【請求項12】

上述の前記基板上に第２コンタクト層をエピタキシャル成長させることの前に、前記作製方法は、
前記基板上にバッファ層をエピタキシャル成長させることを更に含み、
前記基板上に第２コンタクト層をエピタキシャル成長させることは、
前記基板上のバッファ層上に第２コンタクト層をエピタキシャル成長させることを含み、
上述の前記ブロック層上に第１コンタクト層をエピタキシャル成長させることの後に、前記作製方法は、
前記第１コンタクト層及び前記バリア複合層をエッチングして、メサトレンチにより仕切られたメサを形成することと、
前記メサに表面パッシベーションプロセスを実行して、前記メサを被覆するパッシベーション層を形成することと、
前記パッシベーション層をエッチングして前記第２タイプの開口を形成し、前記第２タイプの開口を経由してエッチングして前記電極トレンチを形成することと、
前記パッシベーション層をエッチングして、前記第１タイプの開口を形成することと、
前記第１コンタクト層とオーミック接触を形成する第１電極、及び、前記第２コンタクト層とオーミック接触を形成する第２電極をそれぞれ形成することとを更に含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の作製方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、半導体技術の分野に関し、特に、赤外検出器及びその作製方法に関する。

【背景技術】

【0002】

短波赤外検出は、他の波長検出に比べて、可視光の反射型結像と同様に細部を分解可能な能力を持ちながら、不可視光の検出能力を持ち、はっきりでかけがえのない結像優位性を持っており、多くの分野で広く応用可能である。

【0003】

一般的な短波赤外検出器としては、主に、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）と、ＨｇＣｄＴｅ（水銀カドミウムテルル）との２種類の材料をベースとして作製された検出器がある。そのうち、ＩｎＧａＡｓ検出器は、１．７μｍ以下の波長でパフォーマンスが優れており、且つ材料の成熟度が継続的に向上するにつれて、拡張カットオフ波長（１．７μｍ≦λｃ≦２．５μｍ）の帯域範囲では、ＩｎＧａＡｓ検出器の性能は、既にＨｇＣｄＴｅ検出器の性能に匹敵するようになっている。また、Ｓｂ（アンチモン）化物をベースとした短波赤外タイプＩＩ超格子（ｔｙｐｅ－ＩＩ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ、Ｔ２ＳＬ）技術も近年急速に発展しており、特にＩｎＰベースのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ（インジウムガリウム砒素／ガリウム砒素アンチモン）系Ｔ２ＳＬは、２．５μｍ以下の帯域に応答できるだけでなく、その暗電流レベルが既に同じ動作温度でのＨｇＣｄＴｅよりも優れている。性能、コスト、製造可能性等の面から総合的に考慮すると、ＩｎＧａＡｓ検出器及びＩｎＰベースのＴ２ＳＬ検出器は、これから最も応用価値のある短波赤外検出器になる。

【0004】

既存技術では、ＩｎＧａＡｓ検出器は、ＰＩＮ構造（Ｐ型半導体層とＮ型半導体層との間に真性半導体層が挟まれた構造）を用いることが多いが、カットオフ波長の拡張という応用需要に伴い、吸収層内のＩｎの成分を増加させる必要がある。しかしながら、Ｉｎ成分の多いＩｎＧａＡｓ材料の欠陥は徐々に増加し、バルク暗電流の支配的なメカニズムが拡散から発生・再結合メカニズムに変わり、このとき、狭バンドギャップの吸収層が空乏化すると、検出器の暗電流が著しく増大してしまう。ＩｎＰベースのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩ超格子検出器にとっては、吸収層内の発生・再結合を抑制することも、暗電流レベルを低減する重要な手法である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

既存の技術的問題を解決するために、本発明の実施例は、暗電流を低減可能な赤外検出器及びその作製方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の実施例の第１様態には、赤外検出器であって、第１コンタクト層と、第２コンタクト層と、前記第１コンタクト層と第２コンタクト層との間に位置する吸収層及びバリア複合層とを含み、
前記吸収層は、Ｎ型ドープの狭バンドギャップ半導体材料層であり、
前記バリア複合層は、順次隣接する真性層、電界制御層及びブロック層を含み、前記真性層は、前記吸収層に隣接し、且つ広バンドギャップ半導体材料層であり、前記電界制御層及び前記ブロック層は、何れもＰ型ドープの広バンドギャップ半導体材料層である、赤外検出器が提供されている。

【0007】

本発明の実施例の第２様態には、上記に記載の赤外検出器の作製方法であって、
基板上に第２コンタクト層をエピタキシャル成長させることと、
前記第２コンタクト層上にＮ型ドープの狭バンドギャップ半導体材料をエピタキシャル成長させて、吸収層を形成することと、
前記吸収層上に真性層、電界制御層及びブロック層を順次エピタキシャル成長させて、バリア複合層を形成し、前記真性層が広バンドギャップ半導体材料層であり、前記電界制御層及び前記ブロック層が何れもＰ型ドープの広バンドギャップ半導体材料層であることと、
前記ブロック層上に第１コンタクト層をエピタキシャル成長させることとを含む、作製方法が提供されている。

【発明の効果】

【0008】

上記実施例で提供された本願による赤外検出器及びその作製方法において、赤外検出器は、主に、第１コンタクト層と、第２コンタクト層と、前記第１コンタクト層と第２コンタクト層との間に位置する吸収層及びバリア複合層とを含む。そのうち、バリア複合層は、順次隣接するとともに、何れも広バンドギャップ半導体材料である真性層、電界制御層及びブロック層を含み、真性層は、狭バンドギャップ半導体材料である吸収層に隣接する。そして、吸収層のドープタイプは、Ｎ型ドープであり、電界制御層及びブロック層は、何れもＰ型ドープであるため、バリア複合層と吸収層とによってＰＩＮ構造を形成して、赤外検出器の空乏層を広バンドギャップの真性層内に移行させることができ、検出器の発生・再結合電流を効果的に抑制する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本願のいくつかの実施例による赤外検出器の模式図である。

【図2】図２は、本願のいくつかの実施例による赤外検出器の模式図である。

【図3】図３は、本願のいくつかの実施例による赤外検出器の模式図である。

【図4】図４は、本願のいくつかの実施例による赤外検出器のエネルギーバンドシーケンスの模式図である。

【図5】図５は、本願のいくつかの実施例による赤外検出器の模式図である。

【図6】図６は、本願のいくつかの実施例による赤外検出器の作製フローの模式図である。

【図7】図７は、本願のいくつかの実施例による赤外検出器の作製フローの模式図である。

【図8a-8e】図８ａ～８ｅは、本願のいくつかの実施例による赤外検出器の作製フロー中に形成される各中間構造の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付図面及び具体的な実施例を参照して、本願の技術態様を更に詳しく述べる。

【0011】

別段の定義がない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、当業者によって一般的に理解される意味と同じである。本願の説明において本願の明細書で使用される用語は、具体的な実施例を記述することのみを目的としており、本願の実現形態を制限することを意図するものではない。本明細書で使用される「及び／又は」という用語は、１つ又は複数の関連列挙項目的任意及び全部の組み合わせを含む。

【0012】

本願の記述において、理解すべきなのは、「中心」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「鉛直」、「水平」、「頂」、「底」、「内」、「外」等の用語により指し示された方位や位置関係は、図面に基づいて示された方位や位置関係であり、本願の記述の便宜及び記述の簡略化のためのものに過ぎず、言及された装置や素子が特定の方位を有し、特定の方位で構成及び操作されなければならないことを指示又は暗示するものではないため、本開示を制限するものとして理解されてはならない。本願の記述において、特に断りのない限り、「複数」の意味は、２つ又はそれ以上である。

【0013】

本願の発明者は、研究の過程では、従来のＰＩＮ構造を用いた拡張波長の短波赤外検出器に上記のような問題があることを見い出し、更に、ｎＢｎユニポーラバリア構造を用いてＩｎＧａＡｓ検出器及びＩｎＰベースのＴ２ＳＬ検出器の暗電流の問題を解決するような方式では、エネルギーバンドのタイプ及びバリア層の真性バックグラウンド濃度のレベルの制約により、理想的なユニポーラバリアを形成することが難しく、暗電流の低減効果が顕著ではないことを見い出した。そこで、本願の発明者は、短波赤外検出に応用可能であり、特に拡張カットオフ波長のＩｎＧａＡｓ検出器又はＩｎＰベースのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩ超格子検出器に適した新しい赤外検出構造を提供するようにした。無論、本発明による赤外検出器は、適切な材料を選択した上で、他の波長タイプの検出器にも応用可能である。

【0014】

図１～図３及び図５は、それぞれ、本願の異なる実施例による赤外検出器の模式図を示しており、図４は、本願による赤外検出器の構造のエネルギーバンドシーケンスの模式図であり、図６及び図７は、本願の異なる実施例による赤外検出器の作製フローの模式図であり、図８ａ～８ｅは、本願の実施例による赤外検出器の作製フロー中に形成される各中間構造の模式図である。以下、上記の各図面を参照して、本願による赤外検出器及びその作製方法を詳しく述べる。

【0015】

図１を参照して、いくつかの実施例において、赤外検出器は、第１コンタクト層８００と、第２コンタクト層３００と、第１コンタクト層８００と第２コンタクト層３００との間に位置する吸収層４００及びバリア複合層とを含む。そのうち、当該バリア複合層は、順次隣接する真性層５００、電界制御層６００及びブロック層７００を含む。

【0016】

真性層５００は、吸収層４００に隣接し、即ち吸収層４００の第１側に位置し、真性層５００は、広バンドギャップ半導体材料とされ、即ち、その禁制帯幅は、少なくとも入射エネルギーの禁制帯幅よりも大きいとされる。

【0017】

電界制御層６００は、真性層５００の吸収層４００とは反対側に位置し、真性層５００は、対向する第１側及び第２側を含み、その第２側が吸収層４００の第１側に接触し、その第１側が電界制御層６００に隣接する。電界制御層６００は、吸収層４００とは逆のドープタイプを有し、主に、吸収層４００内の少数キャリアが吸収層４００と真性層５００との境界面に蓄積されるのを阻止するために使用され、即ち電界制御層６００は、吸収層４００と真性層５００との境界面に存在するバリアであって、吸収層４００内の少数キャリアの輸送を遮断又は妨害する少数キャリアバリアを除去又は低減して、吸収層４００内の少数キャリアが吸収層４００と真性層５００との境界面付近に蓄積されることを回避するためのものである。

【0018】

ブロック層７００は、電界制御層６００とは同一のドープタイプを有し、且つそのドープ濃度が電界制御層６００のドープ濃度よりも大きく、即ちブロック層７００は、電界制御層６００に比べて高濃度ドープであり、電界制御層６００は、低濃度ドープである。吸収層４００のドープタイプは、Ｎ型ドープであり、電界制御層６００及びブロック層７００のドープタイプは、Ｐ型ドープである。ブロック層７００は、検出器の表面暗電流を低減するためのものであり、広禁制帯材料の選択が必要となる。

【0019】

説明すべきなのは、赤外検出器の入射光内の光子は、吸収層４００に進入した後、吸収層４００によって吸収されることで、光生成キャリアが発生される。したがって、吸収層４００の禁制帯幅は、入射光子のエネルギー以下とされる。吸収層４００は、真性層５００に比べて狭バンドギャップ半導体層であり、真性層５００は、吸収層４００に比べて広バンドギャップ半導体層である。即ち、吸収層４００は、狭バンドギャップ半導体材料層であり、真性層５００、電界制御層６００、ブロック層７００は、何れも広バンドギャップ半導体材料層である。また、本願において、多数キャリアとは、電子及び正孔の一方を指し、少数キャリアとは、電子及び正孔の他方を指す。例えば、Ｎ型ドープの吸収層にとっては、その多数キャリアが電子、少数キャリアが正孔となり、Ｐ型ドープの吸収層にとっては、その多数キャリアが正孔、少数キャリアが電子となる。

【0020】

真性層５００の両側にそれぞれ位置する吸収層４００と電界制御層６００とのドープタイプが異なり、ブロック層７００のドープタイプと電界制御層のドープタイプとが同じであることで、ブロック層、電界制御層６００、真性層５００及び吸収層４００によって１つのＰＩＮ構造が構成されており、ＰＩＮ構造の原理から分かるように、当該構造の空乏層は、中間の真性層５００内に位置することになる。真性層５００は、その禁制帯幅が入射光子のエネルギーよりも大きく、吸収層４００に比べて広バンドギャップ材料であるため、赤外検出器の発生・再結合電流を効果的に低減することができ、即ち検出器の暗電流を低減する。その理由としては、発生・再結合メカニズムが主に空乏層（空間電荷層）内で起こり、空乏層内の発生・再結合電流が真性キャリアの濃度に正比例し、真性キャリアの濃度が禁制帯幅に反比例するため、本願では、バリア複合層と吸収層４００とによって形成されたＰＩＮ構造を通じて、空乏層を完全に広バンドギャップの真性層５００内に移行させることができ、その結果、発生・再結合電流を低減できる。そして、真性層５００に隣接する電界制御層は、低濃度ドープに設定されることで、そのドープ過程が真性層に悪影響をほとんど及ぼさなくなるとともに、真性層５００と吸収層４００との境界面に形成された少数キャリアバリアを除去するためにも使用され、真性層５００と吸収層４００との境界面における少数キャリアの蓄積が阻止され、吸収層４００内の少数キャリアの輸送の改善に有利となる。したがって、電界制御層６００は、真性層５００におけるブロック層７００に近い側の空乏層バリア幅を改善し、トンネル破壊の確率を低減することができる。一方、ブロック層７００は、電界制御層６００よりも真性層４００から遠いため、電界制御層６００に対して高濃度ドープであり、第１コンタクト層８００の表面でのリークを効果的に抑制できる。

【0021】

本願による赤外検出器において、吸収層４００のドープタイプは、Ｎ型ドープであり、電界制御層６００及びブロック層７００のドープタイプは、何れもＰ型ドープである。すると、本願による赤外検出器は、Ｐ－Ｂｐ－Ｂ２－Ｎ型赤外検出器となり、そのうち、Ｐ－Ｂｐ－Ｂ２－Ｎ内のＰとは、Ｐ型ドープの第１コンタクト層８００を指し、Ｐ－Ｂｐ－Ｂ２－Ｎ内のＢｐとは、Ｐ型ドープのブロック層７００を指し、Ｂ２とは、電界制御層６００と真性層５００とによって構成された二重バリア層を指し、Ｐ－Ｂｐ－Ｂ２－Ｎ内のＢｐ－Ｂ２とは、本願によるバリア複合層を指し、Ｐ－Ｂｐ－Ｂ２－Ｎ内のＮとは、Ｎドープタイプの吸収層４００を指す。したがって、本実施例において、吸収層４００内の多数キャリアが電子、少数キャリアが正孔となる。Ｂｐ－Ｂ２バリア複合層は、吸収層４００に隣接する真性層と、吸収層４００とはドープタイプが逆となる電界制御層６００及びブロック層７００とを含むことで、Ｐ－Ｂｐ－Ｂ２－Ｎ構造は、ＰＩＮ構造の機能を有することになり、即ち空乏層は、完全に真性層５００内に位置することになる。そして、Ｂｐ－Ｂ２バリア複合層が吸収層４００内の電子バリア層であるため、Ｐ－Ｂｐ－Ｂ２－Ｎ型赤外検出器は、ＰＢＮユニポーラバリア構造（Ｐ型コンタクト層とＮ型吸収層との間に電子バリアＢ層が設けられた構造）の機能も有する。

【0022】

上記から分かるように、本願による赤外検出器は、主に、第１コンタクト層と、第２コンタクト層と、前記第１コンタクト層と第２コンタクト層との間に位置する吸収層及びバリア複合層とを含む。そのうち、バリア複合層は、順次隣接するとともに、何れも広バンドギャップ半導体材料である真性層、電界制御層及びブロック層を含み、真性層は、狭バンドギャップ半導体材料である吸収層に隣接する。そして、吸収層のドープタイプは、Ｎ型ドープであり、電界制御層及びブロック層は、何れもＰ型ドープであるため、バリア複合層と吸収層とによってＰＩＮ構造を形成して、赤外検出器の空乏層を広バンドギャップの真性層内に移行させることができ、検出器内の発生・再結合電流を抑制して、赤外検出器の暗電流を効果的に減少した。また、電界制御層６００は、吸収層４００内の少数キャリアが真性層５００内に蓄積されるのを効果的に回避できるとともに、真性層５００内の電荷分布をコントロールできるため、赤外検出器の検出性能を更に向上させる。

【0023】

いくつかの実施例において、図２に示すように、本願による赤外検出器は、基板１００と、バッファ層２００とを更に含む。そのうち、バッファ層２００は、基板１００と第２コンタクト層３００との間に位置し、具体的に、バッファ層２００は、基板１００の一方側に位置し、例えば、基板１００は、対向する第１側及び第２側を含み、バッファ層２００の第２側は、基板１００の第１側に接触し、バッファ層２００の基板１００の第１側とは反対側は、第２側となる。第２コンタクト層３００は、バッファ層２００の基板１００とは反対側に位置し、即ちバッファ層２００の第２側は、第２コンタクト層３００に接触する。

【0024】

第２コンタクト層３００は、そのドープタイプが吸収層４００のドープタイプと同じであり、且つそのドープ濃度が吸収層４００のドープ濃度よりも大きい。したがって、第２コンタクト層３００は、吸収層４００に比べて高濃度ドープ型半導体層であり、吸収層４００は、低濃度ドープ型半導体層である。また、いくつかの実施例において、基板１００の第２側は、入射光子の入射側であり、即ち対応する赤外検出器は、裏面照射型赤外検出器である。すると、入射光子が吸収層４００に入射される前に他の各半導体層によって吸収されてしまうことを回避するために、バッファ層２００及び第２コンタクト層３００の禁制帯幅は、何れも入射光子のエネルギーよりも大きくされる必要があり、即ちバッファ層２００及び第２コンタクト層３００は、何れも広バンドギャップ半導体材料層とされ、また、基板１００も、広バンドギャップ半導体材料とされ、その禁制帯幅も入射光子のエネルギーよりも大きくされる。

【0025】

図４は、本願によるＰ－Ｂｐ－Ｂ２－Ｎ型赤外検出器における第１コンタクト層８００、バリア複合層、吸収層及び第２コンタクト層のエネルギーバンドシーケンスの模式図である。図４において、縦座標は、価電子帯上端ＥＶ及び伝導帯下端ＥＣのポテンシャルエネルギーであり、横座標は、Ｐ－Ｂｐ－Ｂ２－Ｎ型赤外検出器の各機能層の厚さである。

【0026】

図４に示すように、いくつかの実施例において、真性層５００の伝導帯下端エネルギー、電界制御層６００の伝導帯下端エネルギー、ブロック層７００の伝導帯下端エネルギーは順次増加し、即ち真性層５００の伝導帯下端エネルギーと吸収層４００の伝導帯下端エネルギーとの差、電界制御層６００の伝導帯下端エネルギーと吸収層４００の伝導帯下端エネルギーとの差、ブロック層７００の伝導帯下端エネルギーと吸収層４００の伝導帯下端エネルギーとの差は順次増加し、バリア複合層の各機能層の機能をそれぞれ最適化できる。したがって、いくつかの実施例において、ブロック層７００の禁制帯幅は、電界制御層６００の禁制帯幅及び真性層５００の禁制帯幅のそれぞれよりも大きくなる。真性層５００、ブロック層６００は、吸収層４００に比べて、何れも広バンドギャップ材料であり、即ち真性層５００、ブロック層６００の禁制帯幅は、何れも入射光子のエネルギーよりも大きくされる必要がある。

【0027】

また、本願の実施例において、図４に示すように、吸収層４００内の少数キャリアは、真性層５００、電界制御層６００、ブロック層７００の価電子帯上端を順次経由して第１コンタクト層８００内に輸送される。その理由としては、電界制御層６００が真性層５００内の電界をコントロールできることで、真性層５００内の最も低い価電子帯上端エネルギーが吸収層４００の価電子帯下端エネルギーに比べて増加するため、吸収層４００と真性層５００との境界面領域における少数キャリアの蓄積を除去でき、その結果、吸収層４００内の少数キャリアは、スムーズに各層の価電子帯上端を通過して第１コンタクト層８００内に輸送される。

【0028】

さらに、いくつかの実施例において、第１コンタクト層８００は、狭バンドギャップ半導体材料層であり、例えば、第１コンタクト層８００の禁制帯幅は、真性層５００の禁制帯幅よりも小さく、即ち第１コンタクト層８００は、真性層５００に比べて狭バンドギャップ半導体材料層である。

【0029】

いくつかの実施例において、本願による赤外検出器の性能を更に最適化するために、ブロック層７００の厚さを真性層５００の厚さ以上に設計し、真性層５００の厚さを電界制御層６００の厚さ以上に設計してもよい。ただし、説明すべきなのは、他の実施例において、ブロック層７００と、電界制御層６００と、真性層５００との厚さ関係は限定されなく、実際の応用需要に応じて調整することが可能である。

【0030】

図４を参照して、電界制御層及び真性層における一点鎖線である破線は、バリア複合層にブロック層及び真性層のみが含まれて電界制御層が含まれない構造に対応する真性層のエネルギーバンドであり、電界制御層がある場合の真性層のエネルギーバンド（実線）に比べて大きく凹んでいることが明らかであり、これによって、吸収層内の少数キャリアの全てがこの凹みに蓄積されることになり、少数キャリアキャリアの輸送に不利であり、また、もし電界制御層を追加しないと、逆バイアスの場合は、真性層におけるブロック層に近い側にも、トンネル破壊現象が発生し易くなる。図４には、同図における一点鎖線ではない別の破線により、本願によるＰ－Ｂｐ－Ｂ２－Ｎ型赤外検出器に逆バイアス電圧が印加された場合の真性層のエネルギーバンド構造も模式的に示されている。

【0031】

図３に示すように、いくつかの実施例において、本願による赤外検出器は、基板から第１コンタクト層に向かって、ＩｎＰ基板１００、広バンドギャップバッファ層２００、Ｎ^＋型第２コンタクト層３００、Ｎ^－型吸収層４００、広バンドギャップの真性層５００、Ｐ^－型電界制御層６００、Ｐ^＋型ブロック層７００及びＰ^＋型第１コンタクト層８００を順次含む。そのうち、本願において、Ｎ^－は、Ｎ^＋に比べて低濃度ドープであり、Ｎ^＋は、Ｎ^－に比べて高濃度ドープであり、Ｐ^－は、Ｐ^＋に比べて低濃度ドープであり、Ｐ^＋は、Ｐ^－に比べて高濃度ドープである。

【0032】

本願によるＰ－Ｂｐ－Ｂ２－Ｎ型赤外検出器は、ＩｎＧａＡｓ短波赤外検出器又はＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩ超格子短波赤外検出器に適し、特に拡張波長のＩｎＧａＡｓ短波赤外検出器又はＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩ超格子短波赤外検出器に適しており、即ち吸収層内のＩｎの成分が比較的高い。

【0033】

いくつかの実施例において、真性層５００及び電界制御層６００は、何れも広バンドギャップアンチモン（Ｓｂ）化物半導体材料層であり、前記真性層内のアンチモン成分は、前記吸収層の格子に整合するものとされる。

【0034】

具体的に、いくつかの実施例において、吸収層４００は、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ層であり、そのうち、０．４７≦ｘ≦０．８２である。吸収層４００は、Ｎ型Ｓｉ（シリコン）又はＳ（イオウ）を低濃度ドープしたＮ^－吸収層であり、ドープされたドナー濃度は、０．５～５Ｅ＋１７ｃｍ^－３であり、Ｎ^－型のＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ吸収層の厚さは、２．０～３．０μｍである。

【0035】

いくつかの実施例において、吸収層４００は、Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ／ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙタイプＩＩ超格子層であり、そのうち、Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ井戸層の厚さは、４～７ｎｍであり、ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙバリア層の厚さは、４～７ｎｍであり、成分ｙの範囲は、０．４７≦ｙ≦０．５１であり、周期数は、１５０～３００である。

【0036】

いくつかの実施例において、真性層５００及び電界制御層６００は、何れも禁制帯幅が所定値よりも大きくなるＳｂ含有化合物半導体層であり、即ち真性層は、Ｓｂを含む広バンドギャップ半導体層である。

【0037】

具体的に、真性層５００は、Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層であり、そのうち、Ａｌ成分ｚの範囲は、０．２≦ｚ≦０．５であり、真性層５００の厚さは、０．３～１．０μｍであり、且つそのバックグラウンドキャリア濃度は、１～１０Ｅ＋１５ｃｍ^－３である。吸収層が上記Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ層である場合、真性層５００内のＳｂ成分は、吸収層との間で格子が整合するように、即ち真性層と吸収層との間の格子不整合率が最大許容不整合率よりも低くなることを確保されるように所定成分に調節される。

【0038】

具体的に、いくつかの実施例において、電界制御層６００は、低濃度ドープのＰ^－型Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層であり、その成分がＮ^－型Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ真性層と同じであり、その厚さが０．２～０．８μｍであり、ドープされたアクセプタ濃度が０．５～５Ｅ＋１７ｃｍ^－３である。他の実施例において、電界制御層は、広バンドギャップのＩｎＰ層であってもよい。

【0039】

いくつかの実施例において、ブロック層７００は、ＡｌＡｓＳｂ層、ＩｎＡｌＡｓ層、ＩｎＰ層、ＩｎＡｓＰ層のうち、少なくとも１つであり、具体的に、本実施例において、ブロック層７００は、Ｐ^＋型ＡｌＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層であり、その厚さが０．５～２．０μｍであり、ドープされたアクセプタ濃度が０．５～２Ｅ＋１８ｃｍ^－３である。

【0040】

引き続き図３を参照して、具体的に、いくつかの実施例において、第１コンタクト層は、Ｐ^＋型Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ層又はＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層であり、成分ｙの範囲は、０．４７≦ｙ≦０．５１であり、そのドープされたアクセプタ濃度は、２Ｅ＋１８ｃｍ^－３以上であり、その厚さは、０．０５～０．２μｍである。第２コンタクト層３００は、Ｎ^＋型の広バンドギャップのＩｎＰ層又はＩｎＡｌＡｓ層であり、Ｓｉ又はＳを高濃度ドープしたものとされ、ドープされたドナー濃度は、２～８Ｅ＋１８ｃｍ^－３であり、その厚さは、０．２～１．０μｍである。また、基板１００は、単結晶のＮ型又は半絶縁型ＩｎＰ基板である。バッファ層２００は、広バンドギャップ半導体材料層であり、例えば、ＩｎＡｓＰ層、ＩｎＰ層、ＩｎＡｌＡｓ層のうち、少なくとも１つから選択されたものであってもよい。

【0041】

図５に示すように、いくつかの実施例において、本願による赤外検出器は、パッシベーション層９０１２と、第１電極９０３と、第２電極９０２とを更に含む。パッシベーション層９０１２は、その一部が第１コンタクト層８００のブロック層７００とは反対側に位置し、且つ第１タイプの開口（例えば、図８ｅにおけるＴ４）及び第２タイプの開口（例えば、図８ｄにおけるＴ３）を有する。第１タイプの開口により、第１コンタクト層８００が露出され、第２タイプの開口により、第１コンタクト層８００、バリア複合層、吸収層４００を順次通過して第２コンタクト層３００で止まる電極トレンチ（例えば、図８ｅにおける右側の深トレンチ）が露出される。第１電極９０３は、第１タイプの開口を通過して第１コンタクト層８００とオーミック接触を形成し、第２電極９０２は、電極トレンチを通過して第２コンタクト層３００とオーミック接触を形成する。そのうち、パッシベーション層は、ＳｉＮ_ｘ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２のうち、少なくとも１つから選択されたものであり、第１電極及び第２電極は、何れもＣｒ／Ａｕ又はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属電極である。

【0042】

引き続き図５を参照して、いくつかの実施例において、第１コンタクト層８００及び前記バリア複合層は、メサトレンチ（例えば、図８ｂにおけるＴ２）により、吸収層４００に設けられた複数のメサに仕切られ、メサトレンチは、第１コンタクト層８００の表面から、吸収層４００の表面まで延在し、且つパッシベーション層９０１２は、第１コンタクト層８００のブロック層７００とは反対側から、メサトレンチの側壁及び底部まで延在することで、メサの露出部分が被覆され、第１電極及び第２電極のみが露出される。

【0043】

上記から分かるように、本願の各実施例による赤外検出器は、以下の有益な効果を奏することができる。
１、広バンドギャップのＳｂ化合物をバリアとして用いるとともに、真性層と、電界制御層との二重のＳｂ化合物をバリアとして導入することで、空乏領域を狭バンドギャップ吸収層から広バンドギャップバリア領域に移行させることができるため、吸収層が拡散メカニズムによって支配され、バルク内の発生・再結合暗電流が大幅に低減される。
２、バリア複合層内に電界制御層を設けることで、構造の配置自由度が向上されており、キャリアの収集効率を改善できるだけでなく、空乏領域としての真性層のトンネル破壊暗電流を効果的に制御することもできる。
３、広バンドギャップのバリア複合層の設計により、表面暗電流を効果的に抑制できる。

【0044】

また、本願は、本願の一実施例による赤外検出器の作製方法を更に提供しており、その作製方法のフロー模式図が図６に示されるようになり、本実施例において、前記作製方法は、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４を含む。

【0045】

Ｓ１：基板上に第２コンタクト層をエピタキシャル成長させる。

【0046】

Ｓ２：前記第２コンタクト層上にＮ型ドープの狭バンドギャップ半導体材料をエピタキシャル成長させて、吸収層を形成する。

【0047】

Ｓ３：前記吸収層上に真性層、電界制御層及びブロック層を順次エピタキシャル成長させて、バリア複合層を形成し、前記真性層が広バンドギャップ半導体材料層であり、前記電界制御層及び前記ブロック層が何れもＰ型ドープの広バンドギャップ半導体材料層である。

【0048】

Ｓ４：前記ブロック層上に第１コンタクト層をエピタキシャル成長させる。

【0049】

図７は、本願の別の実施例による赤外検出器の作製方法フローの模式図であり、その各ステップで形成される中間構造については、図８ａ～８ｅを参照可能である。本実施例において、Ｓ１の前に、前記作製方法は、前記基板上にバッファ層をエピタキシャル成長させるステップＳ０を更に含み、この点で図６と相違する。すると、本実施例において、Ｓ１は、具体的に、前記基板上のバッファ層上に第２コンタクト層をエピタキシャル成長させることになる。

【0050】

具体的に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ－ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、金属有機化合物化学気相堆積）又はＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ、分子線エピタキシー）技術を用いて、Ｎ型又は半絶縁型ＩｎＰ単結晶基板上に各機能層を順次エピタキシャル成長させ、即ち前記基板上にバッファ層、第２コンタクト層、吸収層、バリア複合層及び第２コンタクト層を順次エピタキシャル成長させろと、図２に示すような構造が形成される。

【0051】

また、引き続き図７を参照して、本実施例において、Ｓ０及び図６におけるＳ１～Ｓ４の他に、前記作製方法は、Ｓ４の後に実行されるＳ５～Ｓ９を更に含み、各ステップは、具体的に以下の通りである。
Ｓ５：第１コンタクト層及びバリア複合層を順次エッチングして、メサトレンチにより仕切られたメサを形成する。

【0052】

具体的に、図８ａに示すように、まず、第１コンタクト層８００の表面にエッチングマスク層９０１１を形成し、例えばフォトレジスト又はＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ誘電体膜を利用して、開口Ｔ１を有するエッチングマスク層９０１１を製作し、前記開口Ｔ１は、メサトレンチの位置する領域を露出させる。ウェットやドライエッチング方法で、メサトレンチの位置する領域における第１コンタクト層８００及びバリア複合層（ブロック層７００、電界制御層６００、真性層５００）を順次エッチングして除去するとともに、エッチングを吸収層４００の表面で停止することで、図８ｂに示すようなメサトレンチＴ２を形成し、Ｓ１で形成された第１コンタクト層８００及びバリア複合層は、メサトレンチＴ２により、吸収層４００の表面に位置する複数のメサとして仕切られる。

【0053】

Ｓ６：メサに表面パッシベーションプロセスを実行して、メサを被覆するパッシベーション層を形成する。

【0054】

図８ｃに示すように、メサが形成された赤外検出器の中間構造の表面にＳｉＮ_ｘ又はＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２誘電体膜を堆積して、メサを被覆するパッシベーション層９０１２を形成し、且つパッシベーション層が、メサトレンチＴ２によって露出された吸収層４００上にも覆われるため、赤外検出器の中間構造の表面を、酸化されること等がないように保護できる。

【0055】

Ｓ７：パッシベーション層をエッチングして第２タイプの開口を形成し、第２タイプの開口を経由してエッチングして電極トレンチを形成する。

【0056】

図８ｄに示すように、ウェットやドライエッチングプロセスを利用して、Ｓ３で形成されたパッシベーション層９０１２上に第２タイプの開口Ｔ３を形成し、第２タイプの開口により、第２電極９０２の製作を必要とされる領域を露出させ、その後、当該領域をエッチングし、当該領域に対応する第１コンタクト層８００、バリア複合層、吸収層４００を順次エッチングして除去し、エッチングを第２コンタクト層３００内で停止させて、電極トレンチを形成する。

【0057】

Ｓ８：パッシベーション層をエッチングして、第１タイプの開口を形成する。

【0058】

図８ｅに示すように、フォトリソグラフィ及びウェットやドライエッチングを利用して、パッシベーション層９０１２上に第１タイプの開口Ｔ４を形成して、第１電極９０３の製作を必要とされる領域を露出させる。

【0059】

Ｓ９：第１コンタクト層とオーミック接触を形成する第１電極、及び、第２コンタクト層とオーミック接触を形成する第２電極をそれぞれ形成する。

【0060】

Ｃｒ／Ａｕ又はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属を用いて、金による半オーミック接触となる第１電極９０３及び第２電極９０２を製作することで、図５に示すような赤外検出器が形成される。

【0061】

上述したのは、本願の具体的な実施形態に過ぎず、本願の保護範囲は、これに限定されない。当業者であれば、本願に開示の技術的範囲内で、変形や置換を容易に想到できるが、これらの変形や置換の全ては、本願の保護範囲内とされるべきである。したがって、本願の保護範囲は、添付された特許請求の範囲に準じるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8a】

【図8b】

【図8c】

【図8d】

【図8e】

【国際調査報告】