JP2018200915A - 化合物半導体装置、赤外線検知器及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画素の感度を向上することができる化合物半導体装置、赤外線検知器及び撮像装置を提供する。【解決手段】化合物半導体装置１００には、基板１０１と、基板１０１の表面に二次元に配列した複数の画素１と、が含まれる。基板１０１には当該基板１０１に照射された光に対してフォトニック効果を呈するフォトニック領域１０が含まれる。【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体装置、赤外線検知器及び撮像装置に関する。

赤外線撮像装置には、赤外線検知素子（受光素子）、読み出し集積回路（Read Out Integrated Circuit：ＲＯＩＣ）及び光学系等が備えられている。受光素子には赤外線の入射量に応じた電気信号を発生する画素を二次元状に配列した画素アレイが設けられおり、画素には、例えば量子井戸型赤外線センサー（Quantum Well Infrared Photodetector：ＱＷＩＰ）や量子ドット型赤外線センサー（Quantum Dot Infrared Photodetector：ＱＤＩＰ）が用いられている。ＱＷＩＰ及びＱＤＩＰには、バルク型の受光素子と比較して、高歩留まりで製造することが可能、多画素化に有利等の利点がある。

しかしながら、ＱＷＩＰ及びＱＤＩＰには、バルク型の受光素子と比較して感度の向上が困難であるという問題点がある。

特開平２−２４１０６４号公報 特開平５−３１５５７８号公報 特開２０００−１６４９１８号公報 特開２００７−７３５７１号公報

本発明の目的は、画素の感度を向上することができる化合物半導体装置、赤外線検知器及び撮像装置を提供することにある。

化合物半導体装置の一態様には、基板と、前記基板の表面に二次元に配列した複数の画素と、が含まれる。前記基板には当該基板に照射された光に対してフォトニック効果を呈するフォトニック領域が含まれる。

赤外線検知器の一態様には、上記の化合物半導体装置と、前記化合物半導体装置に接続された読み出し集積回路と、が含まれる。

撮像装置の一態様には、上記の赤外線検知器が含まれる。

化合物半導体装置の製造方法の一態様では、基板の表面に二次元に配列した複数の画素を形成し、前記基板に当該基板に照射された光に対してフォトニック効果を呈するフォトニック領域を形成する。

上記の化合物半導体装置等によれば、基板に適切なフォトニック領域が含まれるため、画素の感度を向上することができる。

第１の実施形態に係る化合物半導体装置を備えた赤外線検知器の構成を示す図である。 活性層の構成を示す断面図である。 第１の実施形態におけるフォトニック領域の構成を示す図である。 化合物半導体装置の作用を示す図である。 第１の実施形態に係る化合物半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図５Ａに引き続き、化合物半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 フォトニック領域を形成する方法を工程順に示す断面図である。 第２の実施形態におけるフォトニック領域の構成を示す図である。 第３の実施形態におけるフォトニック領域の構成を示す図である。 第１の実施形態の変形例を示す断面図である。 第４の実施形態に係る撮像装置を示す図である。

本願発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。この結果、従来のＱＷＩＰ及びＱＤＩＰを用いた受光素子には、入射光量を高めるために反射防止膜が用いられているが、従来の反射防止膜は緩やかな波長依存性を有しており、特定の波長の赤外線のみを取り込むことはできないことが明らかになった。また、受光素子に取り込まれた赤外線の吸収効率を高めるべく、受光素子内に反射構造を設けているが、ＱＷＩＰやＱＤＩＰに吸収されずに受光素子から放出される赤外線の割合が高いことも明らかになった。更に、これらの問題点は、基板にフォトニック領域を設けることで解消できることも判明した。

以下、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。

（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、裏面照射型赤外線検知素子として用いられる化合物半導体装置に関する。図１は、第１の実施形態に係る化合物半導体装置を備えた赤外線検知器の構成を示す図である。図１（ａ）は赤外線検知器の全体像を示し、図１（ｂ）は画素の構成を示す。

この赤外線検知器３００には、図１（ａ）に示すように、第１の実施形態に係る化合物半導体装置１００及び読み出し集積回路（readout integrated circuit：ＲＯＩＣ）２００が含まれる。化合物半導体装置１００には、基板１０１及び複数の画素（受光セル）１が含まれる。画素１は基板１０１の表面に二次元に配列している。ＲＯＩＣ２００には、例えばシリコン基板及びその表面に形成されたトランジスタ等の素子が含まれる。化合物半導体装置１００の電極がバンプを介してＲＯＩＣ２００に接続されている。バンプとしては、例えばインジウム又はインジウム合金のバンプが用いられる。銅又は銅合金のバンプが用いられてもよい。

図１（ｂ）に示すように、基板１０１上にコンタクト層１０２、活性層１０３、コンタクト層１０４及び反射層１０５が形成されている。活性層１０３、コンタクト層１０４及び反射層１０５に、画素１を画定する素子分離領域として溝１０９が形成されている。基板１０１には、基板１０１に照射された光に対してフォトニック効果を呈するフォトニック領域１０が含まれる。基板１０１は、例えば表面のミラー指数が（１００）のＧａＡｓ基板である。コンタクト層１０２及び１０４は、例えば厚さが２００ｎｍ〜３００ｎｍで電子濃度が０．５×１０¹⁸ｃｍ^-3〜１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＧａＡｓ層である。コンタクト層１０２及び１０４は、例えばＳｉでドーピングされている。図２は、活性層の構成を示す断面図である。活性層１０３は、図２に示すように、例えば、ＧａＡｓの障壁層１１１及びＩｎＡｓの量子ドット層１１２が１０〜２０回程度繰り返し積層された超格子構造を有する。例えば、量子ドット層１１２に含まれるＩｎＡｓ量子ドットの密度は４．５×１０¹⁰ｃｍ^-2〜５．５×１０¹⁰ｃｍ^-2であり、直径は１５ｎｍ〜２５ｎｍであり、高さは３ｎｍ〜７ｎｍである。反射層１０５は、例えば、Ｔｉ膜及びその上のＡｕ膜を含む。基板１０１とコンタクト層１０２との間に、例えば厚さが５０ｎｍ〜１５０ｎｍのＧａＡｓ層がバッファ層として含まれていてもよい。

図３は、第１の実施形態におけるフォトニック領域の構成を示す図である。図３に示すように、フォトニック領域１０では、基板１０１に複数の円筒状の孔１１が周期的に形成されている。孔１１は基板１０１の厚さ方向から傾斜した方向に延びている。孔１１が延びる方向、すなわち孔１１の主軸と基板１０１の厚さ方向とのなす角の大きさθは、例えば４５°〜６０°である。優れたフォトニック効果を得るために、孔１１の周期ｆが、検出対象の光の波長の光学距離の０．２０〜０．３０倍であることが好ましく、０．２５倍（１／４倍）であることが特に好ましい。ここでいう孔１１の周期ｆとは、平面視で重なり合う複数の孔１１の周期をいう。例えば、基板１０１がＧａＡｓ基板であり、検出対象の光の波長が１０μｍであり、孔１１が延びる方向と基板１０１の厚さ方向とのなす角の大きさθが４５°である場合、ＧａＡｓの屈折率が３．３であるため、孔１１の周期ｆは、（１０／３．３）×０．２５／１．４１＝０．５４μｍであることが好ましい。

コンタクト層１０２上に電極１０６が形成され、反射層１０５上に電極１０７が形成されている。電極１０６及び電極１０７は、例えば、ＡｕＧｅ膜及びその上のＡｕ膜を含む。

次に、化合物半導体装置１００の作用について説明する。図４は、化合物半導体装置１００の作用を示す図である。化合物半導体装置１００では、図４に示すように、基板１０１の裏面１０１ａに赤外線が照射される。基板１０１の裏面に照射された赤外線ＩＲ１には、図４（ｂ）に示すように、種々の波長成分が含まれるが、図４（ｃ）に示すように、フォトニック領域１０の共鳴条件を満たす特定の波長成分を有する赤外線のみがフォトニック領域１０を透過する。つまり、フォトニック領域１０が波長選択フィルタとして機能し、共鳴条件を満たす特定波長の赤外線ＩＲ２のみが活性層１０３に到達する。活性層１０３は赤外線ＩＲ２を吸収し、電荷を発生させる。赤外線ＩＲ２の一部は活性層１０３に吸収されず、反射層１０５に到達し、反射層１０５により反射される。反射層１０５により反射された赤外線ＩＲ２の一部は活性層１０３に吸収され、一部はフォトニック領域１０に到達する。反射層１０５の活性層１０３側の面は完全な平坦ではないため、反射層１０５により反射された赤外線ＩＲ２は、多くの場合、フォトニック領域１０の活性層１０３側の面の法線方向から少なからず傾斜する。また、フォトニック領域１０は強い角度依存性を有する透過特性を示し、活性層１０３側の面の法線方向から入射してきた赤外線ＩＲ２を透過させるが、法線方向から傾斜した方向から入射してきた赤外線ＩＲ２は反射する。このため、フォトニック領域１０に到達した赤外線ＩＲ２のほとんどはフォトニック領域１０を透過できず、反射される。従って、化合物半導体装置１００では、反射層１０５及びフォトニック領域１０により赤外線ＩＲ２が閉じ込められやすく、活性層１０３による赤外線ＩＲ２の吸収量が著しく向上する。

活性層１０３で発生した電荷は電流として、電極１０６や電極１０７に接続されたバンプを通じてＲＯＩＣ２００に出力され、電極１０６及び１０７の間を流れる電流に応じた出力電圧がＲＯＩＣ２００により計測される。

このような第１の実施形態に係る化合物半導体装置１００によれば、活性層１０３に到達する赤外線の波長選択性が優れ、活性層１０３による赤外線の吸収量が大きいため、高感度で赤外線を検出することができる。

次に、第１の実施形態に係る化合物半導体装置１００の製造方法について説明する。図５Ａ乃至図５Ｂは、第１の実施形態に係る化合物半導体装置１００の製造方法を工程順に示す断面図である。

先ず、図５Ａ（ａ）に示すように、基板１０１上にコンタクト層１０２、活性層１０３、コンタクト層１０４及び反射層１０５を形成する。コンタクト層１０２、活性層１０３及びコンタクト層１０４は、例えば、分子線エピタキシー（molecular beam epitaxy：ＭＢＥ）法等の結晶成長法により形成することができる。反射層１０５は、例えば、蒸着法により形成することができる。

次いで、図５Ａ（ｂ）に示すように、画素１を画定する素子分離領域として溝１０９を形成する。溝１０９はコンタクト層１０２まで到達するように形成する。

その後、図５Ｂ（ｃ）に示すように、コンタクト層１０２上に電極１０６を形成し、反射層１０５上に電極１０７を形成する。電極１０６及び１０７は、例えば蒸着法により形成することができる。

続いて、図５Ｂ（ｄ）に示すように、基板１０１にフォトニック領域１０を形成する。図６は、フォトニック領域を形成する方法を工程順に示す断面図である。

先ず、図６（ａ）に示すように、基板１０１の裏面にＳｉ含有レジスト１５１を形成する。次いで、図６（ｂ）に示すように、電子線露光装置を用いて、Ｓｉ含有レジスト１５１に一定の間隔で円形の開口部１５２を形成する。その後、異方性プラズマエッチング装置を用いて基板１０１をエッチングする。このとき、エッチング方向に対して基板１０１を傾斜させる。この結果、図６（ｃ）に示すように、主軸が基板１０１の厚さ方向から傾斜した円筒状の孔１１が形成される。

これのようにして化合物半導体装置１００を製造することができる。

例えば、孔１１の主軸と基板１０１の厚さ方向とのなす角の大きさθが４５°、フォトニック領域１０の厚さが１μｍの化合物半導体装置１００では、フォトニック領域１０を含まず、基板の裏面上に反射防止膜が設けられた参考例と比較してＳ／Ｎ比が５０％程度向上する。

（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、フォトニック領域の構成の点で第１の実施形態と相違している。図７は、第２の実施形態におけるフォトニック領域の構成を示す図である。

第２の実施形態に係る化合物半導体装置の基板１０１には、フォトニック領域１０に代えて、基板１０１の厚さ方向に並んだ３つのサブ領域２０ａ、２０ｂ及び２０ｃを含むフォトニック領域２０が含まれる。サブ領域２０ａでは、ＧａＡｓ膜に複数の円筒状の孔２１ａが周期的に形成されている。孔２１ａは基板１０１の厚さ方向から傾斜した方向に延びている。孔２１ａが延びる方向、すなわち孔２１ａの主軸と基板１０１の厚さ方向とのなす角の大きさθａは、例えば４５°〜６０°である。サブ領域２０ｂでは、ＧａＡｓ膜に複数の円筒状の孔２１ｂが周期的に形成されている。孔２１ｂは基板１０１の厚さ方向から傾斜した方向に延びている。孔２１ｂが延びる方向、すなわち孔２１ｂの主軸と基板１０１の厚さ方向とのなす角の大きさθｂは、例えば４５°〜６０°である。サブ領域２０ｃでは、ＧａＡｓ膜に複数の円筒状の孔２１ｃが周期的に形成されている。孔２１ｃは基板１０１の厚さ方向から傾斜した方向に延びている。孔２１ｃが延びる方向、すなわち孔２１ｃの主軸と基板１０１の厚さ方向とのなす角の大きさθｃは、例えば４５°〜６０°である。平面視で、孔２１ａが延びる方向と孔２１ｃが延びる方向とは平行であり、孔２１ｂが延びる方向はこれらに直交する。第１の実施形態と同様に、優れたフォトニック効果を得るために、孔２１ａの周期、孔２１ｂの周期及び孔２１ｃの周期は、検出対象の光の波長の光学距離の０．２０〜０．３０倍であることが好ましく、０．２５倍（１／４倍）であることが特に好ましい。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態のフォトニック領域２０は、フォトニック領域１０と比較して、より優れた、透過させる赤外線の選択性及び活性層１０３を透過してきた赤外線に対する反射性を示す。従って、第２の実施形態に係る化合物半導体装置によれば、より高感度で赤外線を検出することができる。

フォトニック領域２０は、例えば、次のようにして形成することができる。第１の実施形態と同様に、ＧａＡｓ基板に孔２１ａを形成することでサブ領域２０ａを形成する。別途、ＧａＡｓ膜に孔２１ｂを形成することでサブ領域２０ｂを準備し、他のＧａＡｓ膜に孔２１ｃを形成することでサブ領域２０ｃを準備する。そして、サブ領域２０ａ上にサブ領域２０ｂを設け、サブ領域２０ｂ上にサブ領域２０ｃを設ける。このようにして、フォトニック領域２０を含む基板が得られる。

（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、フォトニック領域の構成の点で第１の実施形態と相違している。図８は、第３の実施形態におけるフォトニック領域の構成を示す図である。

第３の実施形態に係る化合物半導体装置の基板１０１には、フォトニック領域１０に代えて、フォトニック領域３０が含まれる。フォトニック領域３０では、ＧａＡｓ膜に複数の円筒状の孔３１ａ及び孔３１ｂがそれぞれ周期的に形成されている。孔３１ａ及び孔３１ｂは基板１０１の厚さ方向から傾斜した方向に延びている。孔３１ａが延びる方向、すなわち孔３１ａの主軸と基板１０１の厚さ方向とのなす角の大きさθａは、例えば４５°〜６０°であり、孔３１ｂが延びる方向、すなわち孔３１ｂの主軸と基板１０１の厚さ方向とのなす角の大きさθｂは、例えば４５°〜６０°である。平面視で、孔３１ａが延びる方向と孔３１ｃが延びる方向とが直交する。第１の実施形態と同様に、優れたフォトニック効果を得るために、孔３１ａの周期及び孔３１ｂの周期及び孔２１ｃの周期は、検出対象の光の波長の光学距離の０．２０〜０．３０倍であることが好ましく、０．２５倍（１／４倍）であることが特に好ましい。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第３の実施形態のフォトニック領域３０は、フォトニック領域１０と比較して、より優れた、透過させる赤外線の選択性及び活性層１０３を透過してきた赤外線に対する反射性を示す。従って、第３の実施形態に係る化合物半導体装置によっても、より高感度で赤外線を検出することができる。

フォトニック領域３０は、例えば、ＧａＡｓ基板に孔３１ａの形成する前又は形成した後に孔３１ｂを形成することで得ることができる。

第２の実施形態及び第３の実施形態において、２種又は３種の特定波長を検出できるように活性層１０３を構成し、これら特定波長に対応するように孔２１ａ〜２１ｃの間で周期を異ならせたり、孔３１ａ〜３１ｂの間で周期を異ならせたりしてもよい。この場合、多波長の赤外線の検出が可能となる。

図９に示すように、活性層１０３と反射層１０５との間に光の進行方向を変化させる光学部品１０８、例えば回折格子が設けられていることが好ましい。反射層１０５により反射され、活性層１０３が吸収しきれなかった光がフォトニック領域を透過しにくくするためである。第２、第３の実施形態にも、回折格子等の光学部品１０８が含まれていることが好ましい。

基板表面の単位面積あたりの孔の数が一定であれば、フォトニック領域の孔の主軸と基板の厚さ方向とのなす角が大きいほど、フォトニック領域の単位厚さあたりの孔の数が多い。従って、フォトニック領域の厚さ及び光学距離が一定の場合、孔の主軸と基板の厚さ方向とのなす角が大きいほど、孔が少なくすむ。この点で、孔の主軸と基板の厚さ方向とのなす角は４５°以上であることが好ましい。その一方で、孔の主軸と基板の厚さ方向とのなす角が大きすぎると、孔を形成しにくいことがある。この点で、孔の主軸と基板の厚さ方向とのなす角は６０°以下であることが好ましい。なお、フォトニック領域は基板の一部を占めていてもよく、基板の全体を占めていてもよい。検出対象の特定波長及び角の大きさにも依存するが、孔の周期は１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがより好ましい。

基板としては、ＧａＡｓ基板の他に、ＩｎＰ基板、ＩｎＳｂ基板、ＧａＳｂ基板、ＣｄＴｅ基板及びＣｄＺｎＴｅ基板が挙げられる。

（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、受光素子を含む撮像装置に関する。図１０は、第４の実施形態に係る撮像装置を示す図である。

第４の実施形態に係る撮像装置４００には、図１０に示すように、略円筒状の容器４１３が含まれ、容器４１３内に冷却ヘッド４１１が配置されている。冷却ヘッド４１１には、受光素子４０１及びＲＯＩＣ４０２を含む赤外線検知器４０３が搭載されている。受光素子４０１に、第１〜第３の実施形態の化合物半導体装置のいずれかが用いられ、受光素子４０１の電極がバンプを介してＲＯＩＣ４０２に接続されている。冷却ヘッド４１１は、例えば冷凍機又はペルチェ素子等の冷却装置にコールドフィンガ４１２を介して熱的に接続されており、冷却装置により冷却される。容器４１３の端部に赤外線透過窓４１４が設けられており、赤外線透過窓４１４を介して容器４１３内に赤外線が入射し、受光素子４０１に受光される。冷却ヘッド４１１の赤外線検知器４０３が搭載された面は、コールドシールド４１５により覆われている。撮像装置４００は、レンズ４２１の後方に配置して使用される。バンプとしては、例えばインジウム又はインジウム合金のバンプが用いられる。銅又は銅合金のバンプが用いられてもよい。

本実施形態では、レンズ４２１及び赤外線透過窓４１４を透過して受光素子４０１に入射した赤外線が受光素子４０１の活性層１０３により十分に吸収される。従って、高感度で鮮明な赤外線画像を得ることができる。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
基板と、
前記基板の表面に二次元に配列した複数の画素と、
を有し、
前記基板は当該基板に照射された光に対してフォトニック効果を呈するフォトニック領域を有することを特徴とする化合物半導体装置。

（付記２）
前記フォトニック領域は、前記基板の厚さ方向から傾斜した方向に延びる複数の孔を有し、
前記孔は周期的に配列していることを特徴とする付記１に記載の化合物半導体装置。

（付記３）
前記孔が延びる方向が２以上であることを特徴とする付記２に記載の化合物半導体装置。

（付記４）
前記孔が延びる方向と前記基板の厚さ方向とのなす角の大きさが４５°以上であることを特徴とする付記２又は３に記載の化合物半導体装置。

（付記５）
前記画素は、
光を吸収し、吸収した光に応じて電荷を発生させる活性層と、
前記活性層を透過した光を前記活性層に向けて反射する反射層と、
を有することを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の化合物半導体装置。

（付記６）
前記画素は、前記活性層と前記反射層との間に設けられ、前記活性層を透過した光の進行方向を変化させる光学部品を有することを特徴とする付記５に記載の化合物半導体装置。

（付記７）
前記基板は、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＩｎＳｂ基板、ＧａＳｂ基板、ＣｄＴｅ基板又はＣｄＺｎＴｅ基板であることを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の化合物半導体装置。

（付記８）
付記１乃至７のいずれか１項に記載の化合物半導体装置と、
前記化合物半導体装置に接続された読み出し集積回路と、
を有することを特徴とする赤外線検知器。

（付記９）
付記８に記載の赤外線検知器を有することを特徴とする撮像装置。

（付記１０）
基板の表面に二次元に配列した複数の画素を形成する工程と、
前記基板に当該基板に照射された光に対してフォトニック効果を呈するフォトニック領域を形成する工程と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。

１：画素
１０、２０、３０：フォトニック領域
１１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、３１ａ、３１ｂ：孔
１００：化合物半導体装置
１０１：基板
１０３：活性層
１０５：反射層
１０８：光学部品
２００：ＲＯＩＣ
３００：赤外線検知器
４００：撮像装置
４０１：受光素子（化合物半導体装置）
４０２：ＲＯＩＣ
４０３：赤外線検知器

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板の表面に二次元に配列した複数の画素と、
   を有し、
   前記基板は当該基板に照射された光に対してフォトニック効果を呈するフォトニック領域を有することを特徴とする化合物半導体装置。
2. 前記フォトニック領域は、前記基板の厚さ方向から傾斜した方向に延びる複数の孔を有し、
   前記孔は周期的に配列していることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体装置。
3. 前記孔が延びる方向が２以上であることを特徴とする請求項２に記載の化合物半導体装置。
4. 前記画素は、
   光を吸収し、吸収した光に応じて電荷を発生させる活性層と、
   前記活性層を透過した光を前記活性層に向けて反射する反射層と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の化合物半導体装置。
5. 前記画素は、前記活性層と前記反射層との間に設けられ、前記活性層を透過した光の進行方向を変化させる光学部品を有することを特徴とする請求項４に記載の化合物半導体装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の化合物半導体装置と、
   前記化合物半導体装置に接続された読み出し集積回路と、
   を有することを特徴とする赤外線検知器。
7. 請求項６に記載の赤外線検知器を有することを特徴とする撮像装置。
8. 基板の表面に二次元に配列した複数の画素を形成する工程と、
   前記基板に当該基板に照射された光に対してフォトニック効果を呈するフォトニック領域を形成する工程と、
   を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。

Images