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JP4331386B2 - Manufacturing method of quantum well type infrared sensor - Google Patents
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JP4331386B2 JP2000180992A JP2000180992A JP4331386B2 JP 4331386 B2 JP4331386 B2 JP 4331386B2 JP 2000180992 A JP2000180992 A JP 2000180992A JP 2000180992 A JP2000180992 A JP 2000180992A JP 4331386 B2 JP4331386 B2 JP 4331386B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は量子井戸型赤外線センサの製造方法に関するものであり、特に、多重量子井戸に生じたサブレベルと伝導帯下端の連続帯との間の遷移による赤外線吸収を利用した赤外線センサにおけるエッチング加工性を向上するための多重量子井戸層に特徴のある量子井戸型赤外線センサの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、10μm帯近傍の赤外線を検知する赤外線検知装置としては、HgCdTeを用いたフォトダイオードアレイが用いられているが、近年この様なHgCdTe系赤外線検知装置に代わるものとして、結晶性の良好な大面積基板の入手が容易であるGaAs系半導体を用い、且つ、多重量子井戸におけるサブレベル間の遷移による光吸収を利用することにより10μm帯近傍の赤外線の検知を可能にした量子井戸型赤外線センサ(QWIP:Quantum Well Infrared Photodetector)が注目を集めている。
【0003】
ここで、図8を参照して従来の量子井戸型赤外線センサ(QWIP)を説明する。
図8(a)参照
図8(a)は、従来のQWIPの概略的断面図であり、まず、共通電極層となるn+ 型GaAs下部コンタクト層42上に、MQW層44を感光層とする複数の赤外線センサ素子を設けたもので、各赤外線センサ素子のn型GaAs上部コンタクト層45には乱反射構造を形成するための凹凸を形成し、部分的に設けたオーミック電極47を介してAu反射電極48を設けたものである。
【0004】
なお、n+ 型GaAs下部コンタクト層42の上下には、製造工程上の理由でエッチングストッパ層となるi型InGaP層41及びn型InGaP層43を設けており、i型InGaP層41の他方の面には反射防止膜52が設けられており、この反射防止膜を介して赤外線53を入射させるものである。
【0005】
各赤外線センサ素子にはn+ 型GaAs下部コンタクト層42側からほぼ垂直入射した入射赤外線がMQW層44において吸収されやすいように、凹凸及びAu反射電極48からなる乱反射構造が設けられており、この乱反射構造によって入射赤外線を斜め方向に偏向させる。
【0006】
この様な赤外線センサ素子を1次元アレイ状或いは2次元アレイ状に配置することによって赤外線検知アレイを構成しており、各赤外線センサ素子に対する共通バイアスはn型InGaP層43に接するオーミック電極47を介して印加することになり、また、各赤外線センサ素子からの出力は、各赤外線センサ素子に設けたInバンプ51から取り出すことになる。
【0007】
この様な量子井戸型赤外線センサにおいては、量子井戸内に閉じ込められたキャリア、この場合には、電子を赤外線53によって励起し、MQW層44を構成するi型AlGaAsバリア層の伝導帯側のバンド端を越えて外部に流出させて光誘起電流として検知しており、量子井戸での光吸収効率を高めるためには、MQW層33を構成するn型GaAsウエル層のドーピング濃度を大きくして量子井戸内のキャリア濃度、即ち、電子濃度を増加させれば良い。
【0008】
しかし、AlGaAs/GaAs量子井戸系を用いた場合には、5μm以下の短い波長の赤外線については、感度が落ちるという問題がある。
即ち、5μm以下の短波長を吸収するためには、量子井戸に形成された基底準位と伝導帯下端との間の遷移を利用することになるが、AlGaAsとGaAsの伝導帯のエネルギーギャップ、即ち、伝導帯下端の差ΔEC に上限があるため、吸収効率が落ちることになる。
【0009】
図8(b)参照
図8(b)は、MQW層44の伝導帯側のバンドダイヤグラムであり、AlGaAs/GaAs量子井戸系を用いた場合には、エネルギーギャップΔEC を0.25eV以上にすることができない。
【0010】
そこで、5μm以下の短波長を吸収するために、井戸層としてGaAsの代わりに電子親和力χの大きなInGaAsを用い、AlGaAsとの間の伝導帯下端の差ΔEC をより大きくすることが試みられている。
【0011】
図8(c)参照
図8(c)は、AlGaAs/InGaAs量子井戸系の伝導帯側のバンドダイヤグラムであり、伝導帯のエネルギーギャップΔEC はAlGaAs/GaAs量子井戸系を用いた場合よりも大きくすることができ、それによって、5μm以下の波長に対して充分な感度を持たせることができる。
【0012】
図9参照
図9は、ΔEC と検出波長の相関の説明図であり、Al0.25Ga0.75As/GaAs量子井戸の場合には、ΔEC ≒0.2eVとなり、検出波長は約8.4μmとなる。
また、図から明らかなように、5μm以下の短波長に対して感度を持たせるためには、ΔEC を0.3eV以上にする必要があることが理解される。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ウエル層としてInGaAsを用いた場合には、アレイ化のために素子分離溝49を形成する際のドライエッチング工程においてエッチング速度が非常に小さくなり、加工制御性が極端に悪くなるという問題がある。
【0014】
即ち、この様なドライエッチング工程においてはClを含む反応性ガスを用いるのが一般的であるが、Inを含む系ではInとClとが反応して、加工表面に蒸気圧の低いInClx が形成されるためである。
【0015】
したがって、本発明は、ドライエッチング工程における加工制御性を改善することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
ここで、図1を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図1(a)は、量子井戸型赤外線センサの要部断面図であり、また、図1(b)は量子井戸層の伝導帯側のバンドダイヤグラムである。
図1(a)及び(b)参照
上記の目的を達成するために、本発明においては、多重量子井戸層1を構成する井戸層2として、前記多重量子井戸層を構成する障壁層との間の伝導帯のエネルギーギャップΔE が0.3eV〜0.5eVになる組成のGaAsNSbを用いるとともに、多重量子井戸層1を分離してアレイ化する際に、Clを含む反応性ガスを用いたドライエッチングにより多重量子井戸層1をエッチングする工程を有することを特徴とする。
【0017】
この様に、井戸層2としてGaAsNまたGaAsNSbを用いることによって、井戸層2と障壁層3との間の伝導帯のエネルギーギャップΔEC を0.3〜0.5eVとすることができ、それによって、5μmより短い波長の赤外線8に対する感度を高めることができるとともに、多重量子井戸層1のドライエッチング工程において、Clを含む反応性ガスを用いることによって、GaAsと同程度のエッチング速度で加工することができる。
【0018】
特に、GaAsNSbを用いることによって、ほぼ同じΔEC を保ったままで、GaAsとの格子定数aの差Δaを0.1%以下に、即ち、Δa/aを0.1%以下にすることができ、それによって、井戸層2を成長基板或いは障壁層3に対して格子整合させることができる。
【0019】
また、本発明においては、多重量子井戸層1を構成する障壁層3として、Alx Ga1-x As(0≦x≦1)を用いたことを特徴とする。
【0020】
この様に、障壁層3として、Alx Ga1-x As(0≦x≦1)を用いることによって、GaAsNまたGaAsNSbからなる井戸層2に対するΔEC を大きくすることができる。
【0021】
また、本発明においては、多重量子井戸層1に接するコンタクト層6に乱反射構造を設けたことを特徴とする。
【0022】
この様に、乱反射構造、例えば、凹凸と反射電極7を利用した乱反射構造を設けることによって、乱反射した入射赤外線8が多重量子井戸層1に対して斜め方向から入射するので、サブレベル4間の遷移、或いは、サブレベル4と連続帯5との間の遷移を効率的に行うことができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
ここで、図2乃至図7を参照して、本発明の実施の形態のQWIPを説明するが、まず、図2乃至図5を参照してQWIPの製造工程を説明する。
図2(a)参照
まず、半絶縁性GaAs基板11上に、MOVPE法(有機金属気相成長法)によって、i型GaAsバッファ層12及びエッチングストッパ層となるi型InGaP層13を介して、厚さが、0.5〜3.0μm、例えば、2.0μmで、キャリア濃度が1×1017〜5×1018cm-3、例えば、1×1018cm-3のn+ 型GaAs下部コンタクト層14、エッチングストッパ層となるn型InGaP層15、GaAsNSb系MQW層16、及び、厚さが、1.0〜3.0μm、例えば、1.0μmで、キャリア濃度が1×1017〜5×1018cm-3、例えば、2×1017cm-3のn型GaAs上部コンタクト層17を順次エピタキシャル成長させる。
【0024】
なお、この場合のGaAsNSb系MQW層16は、例えば、厚さが50nmのi型Al0.25Ga0.75Asバリア層と、厚さが5.5nmでキャリア濃度が2×1017cm-3のn型GaAs0.950.01Sb0.04ウエル層とを、n型GaAs0.950.01Sb0.04ウエル層が20層になるように交互に堆積させて形成するものである。
また、この場合のi型Al0.25Ga0.75Asバリア層は、隣接するn型GaAs0.950.01Sb0.04ウエル層間において電子がトンネルしないように、且つ、量子井戸内に基底準位のみが形成されるように十分に厚く形成しておく。
【0025】
図2(b)参照
次いで、レジストパターン18をマスクとして、各赤外線センサ素子に乱反射構造を形成するために、深さが、例えば、0.6μmの凹部19をn型GaAs上部コンタクト層17に形成する。
【0026】
図3(c)参照
次いで、レジストパターン18を除去したのち、全面にSiON膜20を設け、通常のフォトリソグラフィー工程によって、共通電極を形成するための開口部をSiON膜20に形成し、このSiON膜20をマスクとしてウェット・エッチングを施すことによってn型InGaP層15に達するコンタクト用開口21を形成する。
【0027】
この場合、エッチャントとしてHF+H2 2 +H2 Oを用いることによって、n型InGaP層15がエッチングストッパ層となってGaAs、AlGaAs、及び、GaAsNSbが選択的にエッチングされ、n型InGaP層15の表面においてエッチングは自動的に停止する。
【0028】
図3(d)参照
次いで、SiON膜20を除去したのち、全面に新たにSiON膜22を設け、レジストパターン(図示せず)を用いて共通電極形成部及びセンサ電極形成部のSiON膜22を選択的に除去し、次いで、Au・Ge/Niからなるオーミック電極23を部分的に設けたのち、Au反射電極24を設けて共通電極及びセンサ電極を選択的に形成する。
【0029】
図4(e)参照
次いで、レジストパターン(図示せず)を除去したのち、新たにフォトレジストを塗布し、素子分離溝25に対応する開口部を有するレジストマスク(図示せず)を設け、このレジストマスクをマスクとしてドライエッチングを施すことによって、SiON膜22の一部を除去し、引き続いて、Cl系ガスを用いてドライエッチングを施すことによってn型GaAs上部コンタクト層17及びGaAsNSb系MQW層16を除去してn型InGaP層15に達する素子分離溝25を形成する。
【0030】
なお、この場合のCl系ガスとしては、SiCl4 +SF6 を用いるが、GaAsNSbはこの様なCl系ガスに対しGaAsと同程度のエッチング速度を有するので、加工制御性が劣化することがない。
【0031】
図4(f)参照
次いで、レジストパターンを除去したのち、新たに保護絶縁膜となるSiON膜26を堆積させ、通常のフォトリソグラフィー工程により共通電極部及びセンサ電極部のAu反射電極24の一部を露出させ、露出部にバリア層及び密着性改善層となるTi/Au膜27を介してInバンプ28を蒸着法により形成する。
【0032】
図5(g)参照
次いで、エッチャントとしてHF+H2 2 +H2 Oを用いて半絶縁性GaAs基板11及びi型GaAsバッファ層12を選択的に除去する。
この場合のi型InGaP層13がエッチングストッパ層となるので、エッチングはi型InGaP層13で自動的に停止する。
次いで、i型InGaP層13の表面に反射防止膜29を設けることによって、QWIPの基本構成が完成する。
【0033】
この様なQWIPにおいて、反射防止膜29に対し垂直に近い方向から入射した赤外線の大半はGaAsNSb系MQW層16で吸収されずに透過してしまうが、n型GaAs上部コンタクト層17の表面に設けた凹部19による凹凸構造及びAu反射電極24によって乱反射されて斜め方向に偏向されて、再びGaAsNSb系MQW層16に対して斜め方向に入射されることになり、斜め方向から入射することによって効果的に吸収される。
【0034】
また、GaAsNSb系MQW層16に吸収されずに透過した斜め方向の赤外線は、n型InGaP層15或いはi型InGaP層13の界面で全反射されてGaAsNSb系MQW層16に、再び斜め方向から入射して吸収されることになる。
なお、この場合のGaAsNSb系MQW層16における吸収波長帯は、約4μmとなる。
【0035】
図6(a)参照
図6(a)は、無バイアス状態のGaAsNSb系MQW層16における伝導帯側のバンドダイヤグラムであり、量子井戸に、基底準位33のみしか存在しないように、AlGaAsバリア層31の混晶比及び膜厚を制御している。
【0036】
図6(b)参照
図6(b)は、n+ 型GaAs下部コンタクト層14とn型GaAs上部コンタクト層17との間に、n型GaAs上部コンタクト層17が正になるように、例えば、5.0Vの電圧を印加した状態の伝導帯側のバンドダイヤグラムである。
【0037】
この状態で、赤外線35がGaAsNSb系MQW層に対し斜め方向から入射した場合、基底準位33と伝導帯側の連続帯36との間の遷移によって赤外線35が吸収され、連続帯36に励起された電子34は光誘起電流37としてn型GaAs上部コンタクト層17を介して取り出されることになる。
【0038】
図7参照
図7は、GaAsNSb組成と検出波長の相関の説明図であり、ウエル層としてGaAsNSbを用いることによって、Al0.25Ga0.75Asバリア層に対し、ΔEC を0.2〜0.65eVとすることができ、8.4〜3μmの赤外線に対応させることができる。
因に、AlGaAsバリア層31の混晶比をAl0.25Ga0.75As、GaAsNSbウエル層32の混晶比をGaAs0.950.01Sb0.04とした場合には、ΔEC ≒0.38eVとなり、約4μmの赤外線に対する感度を持たせることができる。
【0039】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は実施の形態に記載した構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、一個の凹凸によって乱反射構造を形成しているが、より多くの凹凸或いは複雑な形状の凹凸によって乱反射構造を形成しても良く、さらには、回折格子を利用しても良いものである。
【0040】
また、上記の実施の形態の説明においては、5μm帯より短波長に対する感度を問題としているため、量子井戸における量子準位を基底準位のみとして、基底準位−連続帯間の遷移を利用しているが、本発明はこの様な基底準位−連続帯間の遷移に限られるものではない。
即ち、量子井戸内に複数の量子準位(サブレベル)が形成されるよう多重量子井戸層を構成し、サブレベル間の遷移を利用しても良いし、或いは、上位の量子準位と−連続帯間の遷移を用いても良いものである。
【0041】
また、上記の実施の形態においては、ウエル層が基板或いはバリア層に格子整合するように、Sbの組成比を制御して、GaAsの格子定数aに対する差Δaを、Δa/a≦0.1%としているが、必ずしも格子整合する必要はなく、ウエル層をGaAsNによって形成しても良いものである。
【0042】
即ち、ΔEC はGaAsNSbのN組成比に大きく依存し、Sb組成比にはあまり依存しないので、GaAsN、例えば、GaAs0.990.01を用いても良いものである。
このGaAs0.990.01はGaAsに対し、Δa/a≒0.25%となるが、この様なGaAsNを用いて多重量子井戸を結晶成長させることは可能である。
【0043】
また、上記の実施の形態においては、バリア層としてAl0.25Ga0.75Asを用いているが、この様な混晶比に限られるものではなく、必要とする特性に応じて適宜変更されるものであり、極端な場合にはGaAsを用いても良いものである。
【0044】
また、上記の実施の形態においては、成長基板を最終的には除去しているが、必ずしも除去する必要はなく、成長基板を残存した状態で赤外線センサとして使用しても良いものである。
【0045】
ここで、再び、図1を参照して、本発明の付記を説明する。
図1(a)及び(b)参照
(付記1) 多重量子井戸層1を構成する井戸層2として、GaAsNSbを用いたことを特徴とする量子井戸型赤外線センサ。
(付記2) 上記GaAsNSbの組成比が、GaAsとの格子定数の差が0.1%以下になる組成比であることを特徴とする付記1記載の量子井戸型赤外線センサ。
(付記3) 多重量子井戸層1を構成する井戸層2として、GaAsNを用いたことを特徴とする量子井戸型赤外線センサ。
(付記4) 上記多重量子井戸層1を構成する障壁層3として、Alx Ga1-x As(0≦x≦1)を用いたことを特徴とする付記1乃至3のいずれか1に記載の量子井戸型赤外線センサ。
(付記5) 上記多重量子井戸層1に接するコンタクト層6に、乱反射構造を設けたことを特徴とする付記1乃至4のいずれか1に記載の量子井戸型赤外線センサ。
(付記6) 上記多重量子井戸層1における、サブレベル4間の遷移、或いは、サブレベル4と連続帯5との間の遷移のいずれかを用いたことを特徴とする付記1乃至5のいずれか1に記載の量子井戸型赤外線センサ。
【0046】
【発明の効果】
本発明によれば、多重量子井戸層を構成する井戸層としてGaAsNSb或いはGaAsNを用いているので、ΔEC を大きくした状態で、エッチング工程の加工制御性を高めることができ、それによって、5μmより短い波長の赤外線に感度を有する量子井戸型赤外線センサを精度良く形成することができ、ひいては、大面積の高集積度で且つ高解像度の赤外線固体撮像装置の実用化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。
【図2】本発明の実施の形態のQWIPの途中までの製造工程の説明図である。
【図3】本発明の実施の形態のQWIPの図2以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図4】本発明の実施の形態のQWIPの図3以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図5】本発明の実施の形態のQWIPの図4以降の製造工程の説明図である。
【図6】本発明の実施の形態のQWIPの検出動作の説明図である。
【図7】GaAsNSb組成と検出波長の相関の説明図である。
【図8】従来のQWIPの説明図である。
【図9】ΔEC と検出波長の相関の説明図である。
【符号の説明】
1 多重量子井戸層
2 井戸層
3 障壁層
4 サブレベル
5 連続帯
6 コンタクト層
7 反射電極
8 赤外線
11 半絶縁性GaAs基板
12 i型GaAsバッファ層
13 i型InGaP層
14 n+ 型GaAs下部コンタクト層
15 n型InGaP層
16 GaAsNSb系MQW層
17 n型GaAs上部コンタクト層
18 レジストパターン
19 凹部
20 SiON膜
21 コンタクト用開口
22 SiON膜
23 オーミック電極
24 Au反射電極
25 素子分離溝
26 SiON膜
27 Ti/Au膜
28 Inバンプ
29 反射防止膜
31 AlGaAsバリア層
32 GaAsNSbウエル層
33 基底準位
34 電子
35 赤外線
36 連続帯
37 光誘起電流
41 i型InGaP層
42 n+ 型GaAs下部コンタクト層
43 n型InGaP層
44 MQW層
45 n型GaAs上部コンタクト層
46 SiON膜
47 オーミック電極
48 Au反射電極
49 素子分離溝
50 Ti/Au膜
51 Inバンプ
52 反射防止膜
53 赤外線
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a manufacturing method of a quantum well type infrared sensor, and more particularly, etching processability in an infrared sensor using infrared absorption by a transition between a sub-level generated in a multiple quantum well and a continuous band at the bottom of a conduction band. It is related with the manufacturing method of the quantum well type | mold infrared sensor characterized by the multiple quantum well layer for improving this.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, photodiode arrays using HgCdTe have been used as infrared detectors for detecting infrared rays in the vicinity of the 10 μm band, but in recent years, as an alternative to such HgCdTe-based infrared detectors, large crystallinity with good crystallinity has been used. Quantum well-type infrared sensor that uses a GaAs-based semiconductor, which is easy to obtain an area substrate, and makes it possible to detect infrared rays in the vicinity of the 10 μm band by utilizing light absorption by transition between sub-levels in multiple quantum wells ( QWIP: Quantum Well Infrared Photodetector has attracted attention.
[0003]
Here, a conventional quantum well infrared sensor (QWIP) will be described with reference to FIG.
FIG. 8A is a schematic cross-sectional view of a conventional QWIP. First, an MQW layer 44 is used as a photosensitive layer on an n + -type GaAs lower contact layer 42 serving as a common electrode layer. A plurality of infrared sensor elements are provided, and the n-type GaAs upper contact layer 45 of each infrared sensor element is provided with irregularities for forming an irregular reflection structure, and Au is reflected through a partially provided ohmic electrode 47. An electrode 48 is provided.
[0004]
Note that an i-type InGaP layer 41 and an n-type InGaP layer 43 serving as etching stopper layers are provided above and below the n + -type GaAs lower contact layer 42 for reasons of the manufacturing process, and the other of the i-type InGaP layer 41 is provided. An antireflection film 52 is provided on the surface, and infrared rays 53 are incident through the antireflection film.
[0005]
Each infrared sensor element is provided with an irregular reflection structure composed of irregularities and an Au reflecting electrode 48 so that incident infrared rays incident substantially perpendicularly from the n + -type GaAs lower contact layer 42 side are easily absorbed by the MQW layer 44. Incident infrared rays are deflected in an oblique direction by the irregular reflection structure.
[0006]
An infrared detection array is configured by arranging such infrared sensor elements in a one-dimensional array or a two-dimensional array, and a common bias for each infrared sensor element is passed through an ohmic electrode 47 in contact with the n-type InGaP layer 43. In addition, the output from each infrared sensor element is taken out from the In bump 51 provided in each infrared sensor element.
[0007]
In such a quantum well-type infrared sensor, carriers confined in the quantum well, in this case, electrons are excited by infrared rays 53, and the band on the conduction band side of the i-type AlGaAs barrier layer constituting the MQW layer 44 is obtained. In order to increase the light absorption efficiency in the quantum well, the n-type GaAs well layer constituting the MQW layer 33 is increased in doping concentration to increase the light absorption efficiency in the quantum well. The carrier concentration in the well, that is, the electron concentration may be increased.
[0008]
However, when an AlGaAs / GaAs quantum well system is used, there is a problem that the sensitivity of infrared rays having a short wavelength of 5 μm or less is lowered.
That is, in order to absorb a short wavelength of 5 μm or less, a transition between the ground level formed in the quantum well and the lower end of the conduction band is used, but the energy gap between the conduction bands of AlGaAs and GaAs, That is, since there is an upper limit in the difference ΔE C at the lower end of the conduction band, the absorption efficiency is lowered.
[0009]
FIG. 8B is a band diagram on the conduction band side of the MQW layer 44. When an AlGaAs / GaAs quantum well system is used, the energy gap ΔE C is set to 0.25 eV or more. I can't.
[0010]
Therefore, in order to absorb a short wavelength of 5 μm or less, an attempt is made to use InGaAs having a large electron affinity χ instead of GaAs as the well layer, and to further increase the difference ΔE C at the lower end of the conduction band with AlGaAs. Yes.
[0011]
FIG. 8C is a band diagram on the conduction band side of the AlGaAs / InGaAs quantum well system, and the conduction band energy gap ΔE C is larger than that in the case of using the AlGaAs / GaAs quantum well system. Thereby, sufficient sensitivity can be given to a wavelength of 5 μm or less.
[0012]
9 is an explanatory diagram of the correlation between ΔE C and the detection wavelength. In the case of an Al 0.25 Ga 0.75 As / GaAs quantum well, ΔE C ≈0.2 eV, and the detection wavelength is about 8.4 μm. Become.
Further, as is apparent from the figure, it is understood that ΔE C needs to be 0.3 eV or more in order to provide sensitivity to a short wavelength of 5 μm or less.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, when InGaAs is used as the well layer, there is a problem that the etching rate becomes very low in the dry etching process when forming the element isolation grooves 49 for arraying, and the process controllability is extremely deteriorated. is there.
[0014]
That is, in such a dry etching process, a reactive gas containing Cl is generally used, but in a system containing In, In and Cl react with each other, and InCl x having a low vapor pressure is formed on the processing surface. This is because it is formed.
[0015]
Therefore, an object of the present invention is to improve the process controllability in the dry etching process.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
Here, means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
1A is a cross-sectional view of the main part of the quantum well infrared sensor, and FIG. 1B is a band diagram on the conduction band side of the quantum well layer.
1A and 1B, in order to achieve the above object, in the present invention, the well layer 2 constituting the multiple quantum well layer 1 is provided as a barrier layer constituting the multiple quantum well layer. dry the energy gap Delta] E c of the conduction band with used GaAsNSb composition comprising a 0.3EV~0.5EV, that when the array of separating the multiple quantum well layer 1, using a reactive gas containing Cl of It has the process of etching the multiple quantum well layer 1 by an etching.
[0017]
In this way, by using GaAsN or GaAsNSb as the well layer 2, the energy gap ΔE C in the conduction band between the well layer 2 and the barrier layer 3 can be set to 0.3 to 0.5 eV. The sensitivity to infrared rays 8 having a wavelength shorter than 5 μm can be increased, and in the dry etching process of the multiple quantum well layer 1, the reactive gas containing Cl is used to process at the same etching rate as GaAs. Can do.
[0018]
In particular, by using GaAs NSb, the difference Δa of the lattice constant a from GaAs can be made 0.1% or less, that is, Δa / a can be made 0.1% or less, while maintaining substantially the same ΔE C. Thereby, the well layer 2 can be lattice-matched to the growth substrate or the barrier layer 3.
[0019]
In the present invention, Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 1) is used as the barrier layer 3 constituting the multiple quantum well layer 1.
[0020]
In this way, by using Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 1) as the barrier layer 3, ΔE C for the well layer 2 made of GaAsN or GaAsNSb can be increased.
[0021]
The present invention is characterized in that an irregular reflection structure is provided in the contact layer 6 in contact with the multiple quantum well layer 1.
[0022]
In this way, by providing an irregular reflection structure, for example, an irregular reflection structure using the unevenness and the reflection electrode 7, the irregularly reflected incident infrared ray 8 is incident on the multiple quantum well layer 1 from an oblique direction. A transition or a transition between the sub-level 4 and the continuous band 5 can be efficiently performed.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Here, the QWIP of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 7. First, the manufacturing process of the QWIP will be described with reference to FIGS.
2A. First, on the semi-insulating GaAs substrate 11, by an MOVPE method (metal organic vapor phase epitaxy), an i-type GaAs buffer layer 12 and an i-type InGaP layer 13 serving as an etching stopper layer are used. Lower n + -type GaAs having a thickness of 0.5 to 3.0 μm, for example, 2.0 μm and a carrier concentration of 1 × 10 17 to 5 × 10 18 cm −3 , for example, 1 × 10 18 cm −3 Contact layer 14, n-type InGaP layer 15 serving as an etching stopper layer, GaAs NSb-based MQW layer 16, and a thickness of 1.0 to 3.0 μm, for example, 1.0 μm, and a carrier concentration of 1 × 10 17 to An n-type GaAs upper contact layer 17 of 5 × 10 18 cm −3 , for example, 2 × 10 17 cm −3 is epitaxially grown sequentially.
[0024]
In this case, the GaAs NSb-based MQW layer 16 includes, for example, an i-type Al 0.25 Ga 0.75 As barrier layer having a thickness of 50 nm and an n-type having a thickness of 5.5 nm and a carrier concentration of 2 × 10 17 cm −3 . GaAs 0.95 N 0.01 Sb 0.04 well layers are alternately deposited so that there are 20 n-type GaAs 0.95 N 0.01 Sb 0.04 well layers.
In this case, the i-type Al 0.25 Ga 0.75 As barrier layer does not tunnel electrons between adjacent n-type GaAs 0.95 N 0.01 Sb 0.04 well layers, and only the ground level is formed in the quantum well. So that it is sufficiently thick.
[0025]
2B. Next, using the resist pattern 18 as a mask, a recess 19 having a depth of, for example, 0.6 μm is formed in the n-type GaAs upper contact layer 17 in order to form an irregular reflection structure in each infrared sensor element. To do.
[0026]
Next, referring to FIG. 3C, after removing the resist pattern 18, an SiON film 20 is provided on the entire surface, and an opening for forming a common electrode is formed in the SiON film 20 by an ordinary photolithography process. A contact opening 21 reaching the n-type InGaP layer 15 is formed by performing wet etching using the film 20 as a mask.
[0027]
In this case, by using HF + H 2 O 2 + H 2 O as an etchant, the n-type InGaP layer 15 serves as an etching stopper layer to selectively etch GaAs, AlGaAs, and GaAsNSb, and the surface of the n-type InGaP layer 15 The etching stops automatically at.
[0028]
Next, referring to FIG. 3D, after removing the SiON film 20, a new SiON film 22 is provided on the entire surface, and the SiON film 22 of the common electrode forming part and sensor electrode forming part is formed using a resist pattern (not shown). After selectively removing and then partially providing an ohmic electrode 23 made of Au.Ge/Ni, an Au reflective electrode 24 is provided to selectively form a common electrode and a sensor electrode.
[0029]
Next, referring to FIG. 4E, after removing the resist pattern (not shown), a new photoresist is applied, and a resist mask (not shown) having an opening corresponding to the element isolation trench 25 is provided. By performing dry etching using the resist mask as a mask, a part of the SiON film 22 is removed, and subsequently dry etching is performed using a Cl-based gas to thereby form the n-type GaAs upper contact layer 17 and the GaAs NSb-based MQW layer 16. Then, an element isolation trench 25 reaching the n-type InGaP layer 15 is formed.
[0030]
Note that SiCl 4 + SF 6 is used as the Cl-based gas in this case, but GaAsNSb has an etching rate comparable to that of GaAs with respect to such a Cl-based gas, so that the process controllability does not deteriorate.
[0031]
Next, after removing the resist pattern, a new SiON film 26 serving as a protective insulating film is deposited, and a part of the Au reflecting electrode 24 of the common electrode portion and sensor electrode portion is formed by a normal photolithography process. Then, an In bump 28 is formed by vapor deposition on the exposed portion through a Ti / Au film 27 that becomes a barrier layer and an adhesion improving layer.
[0032]
Next, referring to FIG. 5G, the semi-insulating GaAs substrate 11 and the i-type GaAs buffer layer 12 are selectively removed using HF + H 2 O 2 + H 2 O as an etchant.
Since the i-type InGaP layer 13 in this case serves as an etching stopper layer, the etching automatically stops at the i-type InGaP layer 13.
Next, by providing the antireflection film 29 on the surface of the i-type InGaP layer 13, the basic configuration of QWIP is completed.
[0033]
In such QWIP, most of the infrared light incident from the direction perpendicular to the antireflection film 29 is transmitted without being absorbed by the GaAs NSb-based MQW layer 16, but provided on the surface of the n-type GaAs upper contact layer 17. The concave and convex structure formed by the concave portion 19 and the Au reflecting electrode 24 are irregularly reflected and deflected in an oblique direction, and again enter the GaAs NSb-based MQW layer 16 in an oblique direction. To be absorbed.
[0034]
Further, the oblique infrared rays transmitted without being absorbed by the GaAs NSb-based MQW layer 16 are totally reflected at the interface of the n-type InGaP layer 15 or the i-type InGaP layer 13 and enter the GaAs NSb-based MQW layer 16 again from the oblique direction. Will be absorbed.
In this case, the absorption wavelength band in the GaAs NSb-based MQW layer 16 is about 4 μm.
[0035]
FIG. 6A is a band diagram on the conduction band side in the GaAs NSb-based MQW layer 16 in an unbiased state, and the AlGaAs barrier layer so that only the ground level 33 exists in the quantum well. The mixed crystal ratio and film thickness of 31 are controlled.
[0036]
6B, FIG. 6B shows that the n-type GaAs upper contact layer 17 becomes positive between the n + -type GaAs lower contact layer 14 and the n-type GaAs upper contact layer 17, for example, It is a band diagram by the side of the conduction band in the state where the voltage of 5.0V was applied.
[0037]
In this state, when the infrared ray 35 is incident on the GaAs NSb-based MQW layer from an oblique direction, the infrared ray 35 is absorbed by the transition between the ground level 33 and the continuous band 36 on the conduction band side, and excited by the continuous band 36. The electrons 34 are taken out through the n-type GaAs upper contact layer 17 as a photoinduced current 37.
[0038]
FIG. 7 is a diagram for explaining the correlation between the GaAs NSb composition and the detection wavelength. By using GaAs NSb as the well layer, ΔE C is 0.2 to 0.65 eV with respect to the Al 0.25 Ga 0.75 As barrier layer. And can correspond to infrared rays of 8.4 to 3 μm.
For example, when the mixed crystal ratio of the AlGaAs barrier layer 31 is Al 0.25 Ga 0.75 As and the mixed crystal ratio of the GaAs NSb well layer 32 is GaAs 0.95 N 0.01 Sb 0.04 , ΔE C ≈0.38 eV, which is about 4 μm. Sensitivity to infrared rays can be given.
[0039]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications can be made.
For example, in the above embodiment, the irregular reflection structure is formed by one irregularity, but the irregular reflection structure may be formed by more irregularities or complex irregularities, and further using a diffraction grating. You can do it.
[0040]
In the description of the above embodiment, since sensitivity to wavelengths shorter than the 5 μm band is a problem, the quantum level in the quantum well is assumed to be only the ground level, and the transition between the ground level and the continuous band is used. However, the present invention is not limited to the transition between the ground level and the continuous band.
That is, a multiple quantum well layer may be configured so that a plurality of quantum levels (sublevels) are formed in the quantum well, and a transition between sublevels may be used, or a higher quantum level and − Transitions between continuous bands may be used.
[0041]
In the above embodiment, the composition ratio of Sb is controlled so that the well layer is lattice-matched to the substrate or the barrier layer, and the difference Δa with respect to the lattice constant a of GaAs is Δa / a ≦ 0.1. However, the lattice matching is not necessarily required, and the well layer may be formed of GaAsN.
[0042]
That is, ΔE C greatly depends on the N composition ratio of GaAsNSb and does not depend much on the Sb composition ratio. Therefore, GaAsN, for example, GaAs 0.99 N 0.01 may be used.
This GaAs 0.99 N 0.01 is Δa / a≈0.25% with respect to GaAs, but it is possible to grow a multiple quantum well crystal using such GaAsN.
[0043]
In the above embodiment, Al 0.25 Ga 0.75 As is used as the barrier layer. However, the barrier layer is not limited to such a mixed crystal ratio, and may be appropriately changed according to required characteristics. In extreme cases, GaAs may be used.
[0044]
In the above embodiment, the growth substrate is finally removed. However, it is not always necessary to remove the growth substrate, and the growth substrate may be used as an infrared sensor with the growth substrate remaining.
[0045]
Here, referring to FIG. 1 again, the supplementary note of the present invention will be described.
1A and 1B (Appendix 1) A quantum well infrared sensor using GaAsNSb as the well layer 2 constituting the multiple quantum well layer 1.
(Supplementary note 2) The quantum well infrared sensor according to supplementary note 1, wherein the composition ratio of the GaAs NSb is such that the difference in lattice constant from GaAs is 0.1% or less.
(Additional remark 3) The quantum well type infrared sensor characterized by using GaAsN as the well layer 2 which comprises the multiple quantum well layer 1. FIG.
(Supplementary Note 4) as a barrier layer 3 constituting the multiple quantum well layer 1, according to any one of Al x Ga 1-x As ( 0 ≦ x ≦ 1) Appendix 1 to 3, characterized in that using the Quantum well type infrared sensor.
(Supplementary note 5) The quantum well infrared sensor according to any one of supplementary notes 1 to 4, wherein an irregular reflection structure is provided in the contact layer 6 in contact with the multiple quantum well layer 1.
(Supplementary note 6) Any one of Supplementary notes 1 to 5, characterized in that either the transition between the sublevels 4 or the transition between the sublevel 4 and the continuous band 5 in the multiple quantum well layer 1 is used. The quantum well type infrared sensor according to claim 1.
[0046]
【The invention's effect】
According to the present invention, GaAsNSb or GaAsN is used as the well layer constituting the multiple quantum well layer, so that the process controllability of the etching process can be improved in a state where ΔE C is increased. A quantum well infrared sensor having sensitivity to short-wave infrared light can be formed with high accuracy, and thus contributes to the practical application of a large-area highly integrated and high-resolution infrared solid-state imaging device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a manufacturing process up to the middle of QWIP according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of the manufacturing process up to the middle of FIG. 2 and subsequent drawings of the QWIP according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a manufacturing process up to the middle of FIG. 3 and subsequent drawings of the QWIP according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of the manufacturing process of the QWIP according to the embodiment of the present invention after FIG. 4;
FIG. 6 is an explanatory diagram of QWIP detection operation according to the embodiment of this invention;
FIG. 7 is an explanatory diagram of a correlation between a GaAs NSb composition and a detection wavelength.
FIG. 8 is an explanatory diagram of conventional QWIP.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a correlation between ΔE C and a detection wavelength.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Multiple quantum well layer 2 Well layer 3 Barrier layer 4 Sublevel 5 Continuous band 6 Contact layer 7 Reflective electrode 8 Infrared 11 Semi-insulating GaAs substrate 12 i-type GaAs buffer layer 13 i-type InGaP layer 14 n + type GaAs lower contact layer 15 n-type InGaP layer 16 GaAs NSb-based MQW layer 17 n-type GaAs upper contact layer 18 resist pattern 19 recess 20 SiON film 21 contact opening 22 SiON film 23 ohmic electrode 24 Au reflective electrode 25 element isolation groove 26 SiON film 27 Ti / Au Film 28 In bump 29 Antireflection film 31 AlGaAs barrier layer 32 GaAs NSb well layer 33 Ground level 34 Electron 35 Infrared 36 Continuous band 37 Photo-induced current 41 i-type InGaP layer 42 n + -type GaAs lower contact layer 43 n-type InGaP layer 44 MQW layer 4 n-type GaAs upper contact layer 46 SiON film 47 ohmic electrode 48 Au reflective electrode 49 element isolation trenches 50 Ti / Au film 51 an In bump 52 antireflection film 53 infrared

Claims (5)

多重量子井戸層を構成する井戸層として、前記多重量子井戸層を構成する障壁層との間の伝導帯のエネルギーギャップΔE が0.3eV〜0.5eVになる組成のGaAsNSbを用いるとともに、前記多重量子井戸層を分離してアレイ化する際に、Clを含む反応性ガスを用いたドライエッチングにより前記多重量子井戸層をエッチングする工程を有することを特徴とする量子井戸型赤外線センサの製造方法。As the well layer constituting the multiple quantum well layer, GaAsNSb having a composition such that the energy gap ΔE c of the conduction band with the barrier layer constituting the multiple quantum well layer is 0.3 eV to 0.5 eV is used. A method of manufacturing a quantum well infrared sensor, comprising: a step of etching the multiple quantum well layer by dry etching using a reactive gas containing Cl when separating the multiple quantum well layer into an array . 上記GaAsNSbの組成比が、GaAsとの格子定数の差が0.1%以下になる組成比であることを特徴とする請求項1記載の量子井戸型赤外線センサの製造方法。  2. The method of manufacturing a quantum well infrared sensor according to claim 1, wherein the composition ratio of GaAs NSb is such that the difference in lattice constant with GaAs is 0.1% or less. 多重量子井戸層を構成する井戸層として、前記多重量子井戸層を構成する障壁層との間の伝導帯のエネルギーギャップΔE が0.3eV〜0.5eVになる組成のGaAsNを用いるとともに、前記多重量子井戸層を分離してアレイ化する際に、Clを含む反応性ガスを用いたドライエッチングにより前記多重量子井戸層をエッチングする工程を有することを特徴とする量子井戸型赤外線センサの製造方法。As the well layer constituting the multiple quantum well layer , GaAsN having a composition such that the energy gap ΔE c of the conduction band with the barrier layer constituting the multiple quantum well layer is 0.3 eV to 0.5 eV is used. A method of manufacturing a quantum well infrared sensor, comprising: a step of etching the multiple quantum well layer by dry etching using a reactive gas containing Cl when separating the multiple quantum well layer into an array . 上記多重量子井戸層を構成する障壁層として、AlGa1−xAs(0≦x≦1)を用いたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の量子井戸型赤外線センサの製造方法。4. The quantum well type according to claim 1 , wherein Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 1) is used as a barrier layer constituting the multiple quantum well layer. 5. Infrared sensor manufacturing method. 上記多重量子井戸層に接するコンタクト層に、乱反射構造を設けたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の量子井戸型赤外線センサの製造方法。  5. The method for manufacturing a quantum well infrared sensor according to claim 1, wherein a diffuse reflection structure is provided in a contact layer in contact with the multiple quantum well layer.
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