JP6633437B2 - 量子型赤外線センサ - Google Patents

Description

本発明は、量子型赤外線センサに関する。

一般に、赤外線センサは、熱型赤外線センサと量子型赤外線センサとに分けられる。熱型赤外線センサは、赤外線のエネルギーを熱として利用したセンサであり、赤外線の熱エネルギーによりセンサ自体の温度が上昇し、その温度上昇による効果（抵抗変化、容量変化、起電力、自発分極）を電気信号に変換する素子である。この熱型赤外線センサには、焦電型（ＰＺＴ、ＬｉＴａＯ_３）、熱起電力型（サーモパイル、熱電対）、導電型（ボロメータ、サーミスタ）などがあり、感度に波長依存性がなく、冷却は不要である。

しかし、応答速度が遅く、検出能力もあまり高くない。一方、量子型赤外線センサは、半導体に赤外線が照射されると、その光量子によって発生する電子や正孔を利用するセンサであり、光導電型（ＨｇＣｄＴｅなど）や光起電力型（ＩｎＡｓなど）がある。この量子型赤外線センサは、感度の波長依存性があり、高感度で、応答速度が速いという特長があるが、冷却する必要があり、ペルチェ素子やスターリングクーラーなどの冷却機構とともに用いるのが一般的であった。

量子型赤外線センサは、上述したように、光導電効果や光起電力効果等を利用し、赤外線を電気信号に変換する素子であり、一般に冷却して用いられるが、室温で動作可能な量子型赤外線センサも提案されている。例えば、特許文献１に記載の量子型赤外線センサは、基板上に設けられた化合物半導体層により赤外線を検知して電気信号を出力する化合物半導体センサ部と、この化合物半導体センサ部からの電気信号を演算する集積回路部とを備え、この化合物半導体センサ部と集積回路部とを同一パッケージ内に収納したものである。

これにより、電磁ノイズや熱ゆらぎの影響を受けにくくするとともに、室温での検知を可能とし、モジュールの小型化を可能にしたものである。ここで、化合物半導体センサ部の光吸収層の材料は、主としてＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＮなどである。
これらの量子型赤外線センサの応用例としては、人を検知することによって、照明やエアコン、ＴＶなどの家電機器の自動オンオフを行う人感センサや、防犯用の監視センサなどが代表的な例である。最近、省エネルギーや、ホームオートメーション、セキュリテイシステム等への応用面で非常に注目されてきている。

国際公開第２００５／０２７２２８号

特許文献１によれば、光吸収層の材料としてＩｎＡｓＳｂを用いた場合、その混晶組成を変えることで、赤外線検出のピーク波長を７．３μｍから１０μｍまで制御可能であることから、例えば１０μｍ帯に大きな感度をもつ赤外線センサとして、人感センサなどへの応用が期待されている。

しかしながら、ＩｎＡｓＳｂはＩｎＳｂと比較すると、良好な結晶を得るのが非常に難しく、赤外線センサにおいて、期待されているような良好な特性が得られていないのが実情である。特に、量子型赤外線センサにおいて、赤外線を吸収する光吸収層の結晶性は、赤外線センサの特性に非常に重要である。光吸収層の結晶性が低い（すなわち欠陥が多い）場合には、欠陥が、赤外線吸収で発生した電子、正孔が再結合してしまう要因となるため、キャリアのライフタイムの低下を招く。その結果、取り出せる光電流は減少してしまい、赤外線センサの特性が悪化する。従って、量子型の赤外線センサにおいては、光吸収層の結晶性を向上させることで、赤外線センサ自体の特性を向上させることが可能となる。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、良好な特性を有する量子型赤外線センサを実現することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の発明により上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明の一態様に係る量子型赤外線センサは、基板と、前記基板の一方の面上に形成され、ＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘ（０＜ｘ≦０．４４）からなる第１の層と、前記第１の層上に形成され、ＩｎＳｂからなる中間層と、前記中間層上に形成され、ＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０＜ｙ≦０．４４）からなる第２の層と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、良好な特性を有する量子型赤外線センサを実現することができる。

本発明の実施形態に係る化合物半導体積層体の構成例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサの構成例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサの製造方法を工程順に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、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、種々の変更を加えることができる。

＜量子型赤外線センサ＞
図１は、本発明の実施形態に係る化合物半導体積層体の構成例を示す断面図である。図１に示す化合物半導体積層体は、本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサを作製するための積層体である。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る化合物半導体積層体は、基板１と、基板１の一方の面（以下、表面）上に形成された第１の層２と、第１の層２上に形成された中間層３と、中間層３上に形成された第２の層４と、第２の層４上に形成されたｐ型バリア層５と、ｐ型バリア層５上に形成されたｐ型コンタクト層６とを備える。すなわち、基板１の上に、第１の層２、中間層３、第２の層４、ｐ型バリア層５、ｐ型コンタクト層６が順次積層されている。

本発明の実施形態において、第１の層２は、ＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘ（０＜ｘ≦０．４４）からなる。また、第２の層４は、ＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０＜ｙ≦０．４４）からなる。
図１に示す化合物半導体積層体は、各種の成膜方法を用いて形成される。例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などは好ましい方法である。これらの方法により、化合物半導体積層体が形成される。

図２は、本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサの構成例を示す断面図である。図２に示すように、本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサは、図１を参照しながら説明した化合物半導体積層体を備える。
また、図２に示すように、この量子型赤外線センサは、基板１上に形成されて化合物半導体積層体を覆うパッシベーション層７と、このパッシベーション層７に形成された開口部を通して化合物半導体積層体に電気的に接続する電極８とを備える。

以下、本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサを構成する各構成部について、より具体的に説明する。
（１）基板
基板１は、一般に単結晶を成長できるものであれば特に制限されず、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板などの単結晶基板などが好ましく用いられる。また、それらの単結晶基板がドナー不純物やアクセプタ不純物によって、ｎ型やｐ型にドーピングされていても良い。

単結晶基板の面方位は、特に制限はないが、（１００）、（１１１）、（１１０）等が好ましい。また、これらの面方位に対して１°から５°傾けた面方位を用いることもある。
基板１の表面上に形成された複数個の量子型赤外線センサを、電極８で直列接続して用いる場合、各量子型赤外線センサは電極８以外の部分では絶縁分離されていることが好ましい。従って、基板１は単結晶を形成できるものであって、かつ、半絶縁性か、または化合物半導体積層体部分と基板１とが絶縁分離可能であるような基板を用いることが好ましい。

さらに、基板１として、赤外線を透過するような材料を用いることにより、赤外線を基板１の裏面側から入射させることが可能となる。この場合、電極８により赤外光が遮られることがないため、素子の受光面積をより広く取ることができて好ましい。このような基板１の材料としては、半絶縁性のＳｉやＧａＡｓ等が好ましく用いられる。
通常行われるように、基板の表面を平坦化させ、清浄化させる目的で、基板と同じ材質の半導体を形成したものを本発明の「基板」として使用しても良い。ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ層を形成したものを「基板」として使用することは、この最も代表的な例である。

（２）第１の層
第１の層２は、基板１の表面上に形成され、ＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘ（０＜ｘ≦０．４４）からなる。ここで「基板１上に形成され」とは、基板１上に直接第１の層２が形成されてもよく、また、基板１と第１の層２との間にその他の層が形成されていてもよい。本発明において、「〜上に形成され」という表現はすべてこの意味を表すものである。一般に、ＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘからなる化合物半導体層は、混晶系であること及びＧａＡｓ等の基板材料とは格子定数が大きく異なる場合が殆どであることから、結晶性は非常に悪い。

第１の層２のＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘ（０＜ｘ≦０．４４）におけるＡｓの組成比ｘは、赤外線検出のピーク波長を、７．３μｍから１０μｍの広範囲にわたり制御可能にすること、及び、第２の層４の結晶性改善の効果が得られることの観点から、０より大きいことが好ましく、０．０３８以上であることがより好ましい。また同様の観点から、上記Ａｓの組成比ｘは０．４４以下であることが好ましく、０．３１以下であることがより好ましい。

第１の層２の膜厚は、薄すぎると第２の層４の結晶性改善の効果がなくなり、厚すぎると形成に時間がかかり、かつ、素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、第１の層２の膜厚は０．３μｍ以上１μｍ以下が好ましい。
赤外線が基板１の裏面側から入射する場合、第１の層２での光吸収を低減させる観点から、第１の層２にはｎ型ドーピングすることが好ましい。第１の層２にある程度の高濃度ドーピングをすると、バースタイン‐モス効果が生じ、第１の層２での赤外線の吸収を低減させることが可能になる。ドーピング量が多い程効果が得られるが、多すぎると結晶性の劣化を招くので、ドーピング量は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上１×１０^１９／ｃｍ^３以下が好ましい。ｎ型ドーパントは特に限定されないが、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇｅなどが挙げられる。ｎ型ドーパントとして、特にＳｎは活性化率が高く好ましい。

（３）中間層
中間層３は、第１の層２上に形成され、ＩｎＳｂからなる。中間層３は、第１の層２の形成時に発生した欠陥が、膜厚方向に伝搬するのを防ぐ役割を果たす。中間層３を形成することで、中間層３の上に形成される、第２の層４中の欠陥を低減し、結晶性を改善することが可能となる。結晶性改善の効果は、中間層３と第１の層２及び第２の層４の格子定数が異なり、且つ、中間層３の膜厚が臨界膜厚以上のとき、顕著となる。ここで、臨界膜厚とは、下地膜と格子整合した状態で成長できる最大膜厚のことである。

中間層３の材料は、第１の層２及び第２の層４と格子定数の異なる（すなわちＡｓ組成の異なる）ＩｎＡｓＳｂを用いた場合、混晶系であるＩｎＡｓＳｂは良好な結晶性を保つのが難しく、本発明の効果を十分に得るのが困難である。そのため、良好な結晶性を得るのが容易で、本発明の効果をより得ることのできるＩｎＳｂを中間層３に用いることが好ましい。

中間層３の膜厚は、薄すぎると第２の層４の結晶性改善の効果がなくなり、厚すぎると形成に時間がかかり、かつ、素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、中間層３の膜厚は０．１μｍ以上１μｍ以下が好ましい。
赤外線が基板１の裏面側から入射する場合、中間層３での光吸収を低減するために、中間層３にはｎ型ドーピングすることが好ましい。中間層３にある程度の高濃度ドーピングをすると、バースタイン‐モス効果が生じ、無駄な吸収を防ぐことが可能になる。

また、高濃度にｎ型ドーピングされた中間層３は、抵抗も小さいので、その上に形成される電極８との接触抵抗を小さくすることができる。このことから、中間層３を、量子型赤外線センサのｎ型コンタクト層に用いることが好ましい（ただし、本実施形態はこれに限定されるものではなく、第１の層２をｎ型コンタクト層として用いてもよい。）。
ドーピング量の多い方が、無駄な光吸収を低減する効果や、ｎ型コンタクト層と電極８との接触抵抗を低減する効果が得られるが、ドーピング量が多すぎると結晶性の劣化を招く。このため、ドーピング量は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上１×１０^１９／ｃｍ^３以下が好ましい。ｎ型ドーパントは特に限定されないが、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇｅなどが挙げられる。特にＳｎは活性化率が高く好ましい。

（４）第２の層
第２の層４、中間層３上に形成され、ＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０＜ｙ≦０．４４）からなる。第２の層４は、中間層３上に形成された層であり、中間層３の効果で欠陥が低減され、結晶性の改善された層となることが期待される。この結晶性の良い第２の層４を量子型赤外線センサの光吸収層として用いることが好ましい。欠陥は、赤外線吸収で発生した電子、正孔が再結合してしまう要因となるため、キャリアのライフタイムの低下を招く。その結果、取り出せる光電流は減少してしまい、赤外線センサの特性が悪化する。欠陥が十分に低減された第２の層４を量子型赤外線センサの光吸収層として用いることで、良好な特性を有する量子型赤外線センサの実現が可能となる。

但し、第２の層４の一部にｎ型ドーピングして、ｎ型コンタクト層として用いても良い。この場合には、第２の層４上に光吸収層を形成することで、量子型赤外線センサとして動作することが可能となる。光吸収層の材料としては、ＩｎＡｓＳｂなどを用いることが可能である。ｎ型コンタクト層である第２の層４の結晶性を向上させることで、その上に形成する光吸収層の結晶性を向上させることが可能となり、量子型赤外線センサの特性向上に寄与する。また、第２の層４へのドーピング量が多い方が、ｎ型コンタクトの接触抵抗を低減する効果が得られるが、多すぎると結晶性の劣化を招く。このため、ドーピング量は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上１×１０^１９／ｃｍ^３以下が好ましい。ｎ型ドーパントは特に限定されないが、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇｅなどが挙げられる。ｎ型ドーパントとして、特にＳｎは活性化率が高く、好ましい。また、第２の層４中の高濃度にｎ型ドーピングされた箇所は、バースタイン‐モス効果で、無駄な光吸収も防ぐことができる。

第２の層４のＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０＜ｙ≦０．４４）におけるＡｓの組成比ｙは、赤外線検出のピーク波長を、７．３μｍから１０μｍの広範囲にわたり制御可能にすることと、本発明により結晶性改善の効果が得られることの観点から、０より大きいことが好ましく、０．０３８以上であることがより好ましい。また同様の観点から、第２の層４における上記Ａｓの組成比ｙは０．４４以下であることが好ましく、０．３１以下であることがより好ましい。

また、第２の層４における上記Ａｓの組成比ｙは、第１の層２における上記Ａｓの組成比ｘに近い値である程、本発明の効果がより得られるため好ましい。特に、上記Ａｓの組成比ｘと、上記Ａｓの組成比ｙとが、−０．１≦ｘ−ｙ≦０．１の関係を満たす場合には、第２の層４の結晶性がより向上するため好ましい。また、上記Ａｓの組成比ｘと、上記Ａｓの組成比ｙとが同じ数値である場合（つまり、ｘ−ｙ＝０）がより好ましい。

第２の層４の膜厚は、光吸収量を増やすためには厚くした方が良いが、厚すぎるとその形成に時間がかかり、かつ、素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、第２の層４の膜厚は０．５μｍ以上３μｍ以下が好ましい。
ＩｎＡｓＳｂはバンドギャップが非常に小さいため、真性キャリア密度が非常に大きい。このことは、拡散電流の増大や、オージェ再結合過程の促進をもたらす。これらの影響を低減するために、第２の層４にｐ型ドーピングしても良い。ドーピング量は適宜選択することができる。ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられる。ｐ型ドーパントとして、特に、Ｚｎは活性化率が高く、毒性も低いため、より好ましく用いられる。

（５）ｐ型バリア層
本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサは、第２の層４上にｐ型バリア層５をさらに備えてもよい。第２の層４を光吸収層として用いる場合には、ｐ型バリア層５は拡散電流を防ぐための層として機能する。従って、基板１上から見た場合に、ｐ型バリア層５は光吸収層よりも上（すなわち、光吸収層よりも遠い側）に形成される。この場合、ｐ型バリア層５は、光吸収層である第２の層４に対し、十分な伝導帯のバンドオフセットが取れればよく、バンドギャップが広い材料を選択することが好ましい。

ｐ型バリア層５の材料としては、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂなどが挙げられるが特にこれには限定されない。光吸収層とｐ型バリア層５との格子定数が異なる場合、ｐ型バリア層５の膜厚が臨界膜厚を超えてしまうと、結晶性の劣化を招くので、材料選択の際には、伝導帯のバンドオフセット、結晶性の劣化の効果の両方を考慮の上、適宜選択される。

ｐ型バリア層５の膜厚は、センサの抵抗を下げるために、なるべく薄い方が良いが、電極８と光吸収層との間にトンネルリークが発生しないだけの膜厚が必要である。このため、ｐ型バリア層５の膜厚は０．０１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．０２μｍ以上である。なお、ｐ型バリア層５の膜厚の上限については、光吸収層とｐ型バリア層５との格子定数との差によって決まる臨界膜厚によって制限される。

ｐ型バリア層５では、拡散電流を防ぐことの他、光吸収層で発生した正孔が、ｐ型バリア層５側へ流れ込むことも重要である。そのため、ｐ型バリア層５には十分なｐ型ドーピングをする必要があり、ドーピング濃度は１×１０^１８／ｃｍ^３以上が好ましい。ｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられる。ｐ型ドーパントとして、特に、Ｚｎは活性化率が高く、毒性も低いため、より好ましく用いられる。

（６）ｐ型コンタクト層
本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサは、ｐ型バリア層５上にｐ型コンタクト層６をさらに備えてもよい。ｐ型コンタクト層６は、光吸収層が赤外線を吸収することにより発生した光電流を取り出すための、電極８とのコンタクト層として機能する。ｐ型コンタクト層６の材料としては、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂなどが挙げられる。ｐ型コンタクト層６のシート抵抗は、熱ノイズであるジョンソンノイズの原因となるため、シート抵抗はできるだけ小さい方が良い。その観点からは、ｐ型コンタクト層６の材料は、ＩｎＳｂ及びＩｎＡｓＳｂであることが好ましい。

ｐ型コンタクト層６の膜厚は、シート抵抗を下げるために、なるべく厚い方が好ましい。しかし、厚すぎると形成に時間がかかり、かつ、素子分離のためのメサエッチング工程が困難になる。このため、ｐ型コンタクト層６の膜厚は０．１μｍ以上１μｍ以下が好ましい範囲として挙げられる。
ｐ型コンタクト層６には、コンタクト抵抗を下げるために十分なｐ型ドーピングがされることが必要である。そのため、ｐ型コンタクト層６におけるｐ型ドーピング濃度としては、１×１０^１８／ｃｍ^３以上が好ましい。またｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ、Ｍｇ、Ｇｅなどが好ましく用いられる。ｐ型ドーパントとして、特に、Ｚｎは活性化率が高く、毒性も低いため、より好ましく用いられる。

（７）パッシベーション層
パッシベーション層７は、絶縁性の膜であればよい。パッシベーション層として、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）又はシリコン酸化窒化膜（ＳｉＯＮ）などが挙げられる。
（８）電極
電極８は、例えば、ｐ型コンタクト層６に電気的に接続する第１の電極と、中間層３に電気的に接続する第２の電極とを有する。電極８は、導電性の膜で構成されていればよい。電極８を構成する導電性の膜として、Ａｕ／Ｔｉや、Ａｕ／Ｃｒ等の積層膜などが挙げられる。なお、上記の積層膜では、Ａｕが上層の膜で、Ｔｉ又はＣｒが下層の膜である。

＜量子型赤外線センサの製造方法＞
本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサの製造方法を説明する。本発明の実施形態では、図１に示した化合物半導体積層体を用いて、図２に示した量子型赤外線センサを作製することが可能である。
図３は、本発明の実施形態に係る量子型赤外線センサの製造方法を工程順に示す断面図である。図３（ａ）に示すように、まずは、基板１の表面上に、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法を用いて化合物半導体積層体を形成後、酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などを用いて、ｐ型コンタクト層６と、ｐ型バリア層５と、第２の層４とを順次、部分的に除去して、中間層３とコンタクトを取るための段差形成を行う。

次いで、図３（ｂ）に示すように、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行う。ここでは、段差の底部に現れている中間層３と、第１の層２とを順次、部分的に除去する。これにより、素子分離領域では、基板１の表面が露出する。
次いで、ＳｉＮやＳｉＯ_２などのパッシベーション層７を形成して、基板１の表面及び素子分離された化合物半導体積層体の表面及び側面を覆う。次いで、図３（ｃ）に示すように、パッシベーション層７のうち電極を形成する部分をエッチングして除去し、貫通穴１１を形成する。（すなわち、窓開けする）。そして、この貫通穴１１を埋め込むように、Ａｕ／ＴｉやＡｕ／Ｃｒ等の電極を形成する。電極はリフトオフ法などで形成する。このようにして、図２に示した量子型赤外線センサを作製する。

本発明の実施形態では、基板１上に作製した複数の量子型赤外線センサを、電気的に直列接続する構造とすることも好ましい。このような構造とすることで、単一の量子型赤外線センサの出力を足し合わせることが可能となり、出力を飛躍的に向上させることができる。
量子型赤外線センサは、この量子型赤外線センサから出力される電気信号を処理する集積回路部と、同一パッケージ内にハイブリッドに形成しても良い。量子型赤外線センサと集積回路部との電気的な接続法は特に限定されない。パッケージに関しても、赤外線の透過率が高い材料であれば特に制限はなく、中空パッケージなどを用いても良い。また、特定の光の影響を完全に避けるため、量子型赤外線センサの受光面（例えば、基板１の裏面側）にフィルタを取り付けてもよい。さらに、検知する距離や方向性を定め、集光性をより高めるため、量子型赤外線センサの受光面（例えば、基板１の裏面側）にフレネルレンズを設けてもよい。

＜実施形態の効果＞
本発明の実施形態によれば、ＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘ（０＜ｘ≦０．４４）からなる第１の層２と、ＩｎＳｂからなる中間層３と、ＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０＜ｙ≦０．４４）からなる第２の層４とを備える。第１の層２と、光第２の層４との間に、ＩｎＳｂからなる中間層３が配置されていることにより、第２の層４の結晶性を良好なものとすることができる。これにより、第２の層４が光吸収層として用いられる量子型赤外線センサでは、光吸収層の欠陥が少なく、赤外線吸収で発生した電子、正孔の再結合を抑制することができる。それゆえ、キャリアのライフタイムの低下を防ぐことができ、取り出せる光電流の減少を抑制することができる。したがって、良好な特性を有する量子型赤外線センサを実現することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
（実施例１）
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、第１の層と、中間層と、第２の層と、ｐ型バリア層と、ｐ型コンタクト層とを順次積層した。この積層工程では、第１の層として、Ｓｎを７×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＡｓ_{０．０３８}Ｓｂ_{０．９６２}層を０．５μｍ形成した。また、中間層として、Ｓｎを７×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．５μｍ形成した。また、第２の層として、ノンドープのＩｎＡｓ_{０．０３８}Ｓｂ_{０．９６２}層を２μｍ形成した。また、ｐ型バリア層として、Ｚｎを３×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＡｌ_０．２Ｉｎ_０．８Ｓｂ層を０．０２μｍ形成した。また、ｐ型コンタクト層として、Ｚｎを３×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．５μｍ形成した。

光吸収層として用いる第２の層のＸ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、４５０ａｒｃｓｅｃであった。
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。
ここでは、中間層であるＩｎＳｂ層をｎ型コンタクト層として用い、第２の層であるノンドープのＩｎＡｓ_{０．０３８}Ｓｂ_{０．９６２}層を光吸収層として用いた。

まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトをとるための段差形成を酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板上に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション層で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極形成部分のみ窓開けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ（電子ビーム）蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。

（比較例１）
比較例１では、実施例１の中間層を省略し、第１の層の膜厚を２倍、すなわち１μｍにした以外は、実施例１と同様の条件で、化合物半導体積層体及び量子型赤外線センサを作製した。
光吸収層として用いる第２の層（ノンドープのＩｎＡｓ_{０．０３８}Ｓｂ_{０．９６２}層）のＸ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、５９０ａｒｃｓｅｃであった。比較例１は、実施例１と比較して、結晶性が悪いことがわかる。すなわち、中間層としてＩｎＳｂを用いることで、結晶性改善の効果が得られることが理解される。

（実施例２）
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、第１の層と、中間層と、第２の層と、ｐ型バリア層と、ｐ型コンタクト層とを順次積層した。この積層工程では、第１の層として、Ｓｎを７×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＡｓ_０．１５Ｓｂ_０．８５層を０．５μｍ形成した。また、中間層として、Ｓｎを７×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．５μｍ形成した。また、第２の層として、ノンドープのＩｎＡｓ_０．１５Ｓｂ_０．８５層を２μｍ形成した。また、ｐ型バリア層として、Ｚｎを３×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＡｌ_０．２Ｉｎ_０．８Ｓｂ層を０．０２μｍ形成した。また、ｐ型コンタクト層として、Ｚｎを３×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．５μｍ形成した。

光吸収層として用いる第２の層のＸ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、７５０ａｒｃｓｅｃであった。
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。ここでは、中間層であるＩｎＳｂ層をｎ型コンタクト層、第２の層であるノンドープのＩｎＡｓ_０．１５Ｓｂ_０．８５層を光吸収層として用いた。

まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトをとるための段差形成を酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板上に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション層で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極形成部分のみ窓開けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。

（比較例２）
比較例２では、実施例２の中間層を省略し、第１のＩｎＡｓＳｂの膜厚を２倍、すなわち１μｍにした以外は、実施例２と同様の条件で、化合物半導体積層体及び量子型赤外線センサを作製した。
光吸収層として用いる第２の層のＸ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、１０４０ａｒｃｓｅｃであった。比較例２は、実施例２と比較して、結晶性が悪いことがわかる。すなわち、中間層としてＩｎＳｂを用いることで、結晶性改善の効果が得られることが理解される。

（実施例３）
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、第１の層と、中間層と、第２の層と、ｐ型バリア層と、ｐ型コンタクト層とを順次積層した。この積層工程では、第１の層として、Ｓｎを７×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＡｓ_０．３１Ｓｂ_０．６９層を０．５μｍ形成した。また、中間層として、Ｓｎを７×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．５μｍ形成した。また、第２の層として、ノンドープのＩｎＡｓ_０．３１Ｓｂ_０．６９層を２μｍ形成した。また、ｐ型バリア層として、Ｚｎを３×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＡｌ_０．２Ｉｎ_０．８Ｓｂ層を０．０２μｍ形成した。また、ｐ型コンタクト層として、Ｚｎを３×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．５μｍ形成した。

光吸収層として用いる第２の層のＸ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、１０５０ａｒｃｓｅｃであった。
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。ここでは、中間層であるＩｎＳｂ層をｎ型コンタクト層、第２の層であるノンドープのＩｎＡｓ_０．３１Ｓｂ_０．６９層を光吸収層として用いた。

まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトをとるための段差形成を酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板上に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション層で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極形成部分のみ窓開けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。

（比較例３）
比較例３では、実施例３の中間層を省略し、第１のＩｎＡｓＳｂの膜厚を２倍、すなわち１μｍにした以外は、実施例３と同様の条件で、化合物半導体積層体及び量子型赤外線センサを作製した。
光吸収層として用いる第２の層のＸ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、１２００ａｒｃｓｅｃであった。比較例３は、実施例３と比較して、結晶性が悪いことがわかる。すなわち、中間層としてＩｎＳｂを用いることで、結晶性改善の効果が得られることが理解される。

（実施例４）
ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、第１の層と、中間層と、第２の層と、ｐ型バリア層と、ｐ型コンタクト層とを順次積層した。この積層工程では、第１の層として、Ｓｎを７×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＡｓ_０．４４Ｓｂ_０．５６層を０．５μｍ形成した。また、中間層として、Ｓｎを７×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．５μｍ形成した。また、第２の層として、ノンドープのＩｎＡｓ_０．４４Ｓｂ_０．５６層を２μｍ形成した。また、ｐ型バリア層として、Ｚｎを３×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＡｌ_０．２Ｉｎ_０．８Ｓｂ層を０．０２μｍ形成した。また、ｐ型コンタクト層として、Ｚｎを３×１０^１８／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＳｂ層を０．５μｍ形成した。

光吸収層として用いる第２の層のＸ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、１３００ａｒｃｓｅｃであった。
この化合物半導体積層体を用いて、量子型赤外線センサを作製した。ここでは、中間層であるＩｎＳｂ層をｎ型コンタクト層、第２の層を光吸収層として用いた。
まず、ｎ型コンタクト層とのコンタクトをとるための段差形成を酸によるウェットエッチングまたはイオンミリング法などを用いて行った。次いで、段差形成がされた化合物半導体積層体に対して、素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、全面（ＧａＡｓ基板及びＧａＡｓ基板上に形成された化合物半導体積層体）をＳｉＮパッシベーション層で覆った。次いで、形成されたＳｉＮ保護膜上で、電極形成部分のみ窓開けを行った。次いで、ｎ型コンタクト層の段差部分上及びｐ型コンタクト層上の２箇所に、Ａｕ／ＴｉをＥＢ蒸着し、リフトオフ法により電極を形成した。

（比較例４）
比較例４では、実施例４の中間層を省略し、第１の層の膜厚を２倍、すなわち１μｍにした以外は、実施例４と同様の条件で、化合物半導体積層体及び量子型赤外線センサを作製した。
光吸収層として用いる第２の層のＸ線回折ピークのロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ値）を評価したところ、１３２０ａｒｃｓｅｃであった。比較例４は、実施例４と比較して、結晶性が悪いことがわかる。すなわち、中間層としてＩｎＳｂを用いることで、結晶性改善の効果が得られることが理解される。

（対比）
実施例１〜４及び比較例１〜４について、第１の層におけるＡｓの組成比ｘ、中間層の有無、第２の層におけるＡｓの組成比ｙ、ロッキングカーブの半値幅をそれぞれ表１に示す。

表１から、例えば実施例１と比較例１とのように、化合物半導体積層体を構成する各層が中間層を除いて互いに同一組成の場合、中間層（ＩｎＳｂ）が存在することによって、第２の層（ＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層）の結晶性が改善されていることがわかる。

（付記）
以上、本発明について実施形態及び実施例を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態及び実施例に記載の範囲には限定されない。上記実施形態及び実施例に多様な変更または改良を加えることが可能であり、また、上記実施形態及び実施例を任意に組み合わせてもよい。その様な変更等が加えられた態様も本発明の技術的範囲に含まれ得る。

１ 基板
２ 第１の層
３ 中間層
４ 第２の層
５ ｐ型バリア層
６ ｐ型コンタクト層
７ パッシベーション層
８ 電極
１１ 貫通穴

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板の一方の面上に形成され、ＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘ（０＜ｘ≦０．４４）からなる第１の層と、
   前記第１の層上に形成され、ＩｎＳｂからなる中間層と、
   前記中間層上に形成され、ＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０＜ｙ≦０．４４）からなる第２の層と、を備える量子型赤外線センサ。
2. 前記第２の層上に形成されたｐ型バリア層と、
   前記ｐ型バリア層上に形成されたｐ型コンタクト層とをさらに備える請求項１に記載の量子型赤外線センサ。
3. 前記ＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘ（０＜ｘ≦０．４４）におけるＡｓの組成比ｘと、
   前記ＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０＜ｙ≦０．４４）におけるＡｓの組成比ｙとが、
   −０．１≦ｘ−ｙ≦０．１
   の関係を満たす請求項１または請求項２に記載の量子型赤外線センサ。
4. 前記ＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘ（０＜ｘ≦０．４４）におけるＡｓの組成比ｘと、
   前記ＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ（０＜ｙ≦０．４４）におけるＡｓの組成比ｙとが、同じ数値である請求項１または請求項２に記載の量子型赤外線センサ。

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