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JP5327092B2 - Temperature sensor and method of manufacturing temperature sensor - Google Patents
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Description

本発明は、温度センサ及び温度センサの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a temperature sensor and a method for manufacturing the temperature sensor.

従来、温度によって物理量を検出するセンサの一例として特許文献1に示される温度センサ構造体がある。   Conventionally, there is a temperature sensor structure disclosed in Patent Document 1 as an example of a sensor that detects a physical quantity based on temperature.

特許文献1に示される温度センサ構造体は、基体と、基体によって担持され且つ温度に依存している抵抗を有するサーミスタ層と、そのサーミスタ層の第一の面にある第一の電気接触層及びサーミスタ層の第二の面にある第二の電気接触層とを有するものである。また、サーミスタ層は、交互に設けられた井戸層と障壁層(GaAs/AlGaAs)からなる量子井戸構造体を含むものである。   A temperature sensor structure shown in Patent Document 1 includes a base, a thermistor layer supported by the base and having a temperature-dependent resistance, a first electric contact layer on a first surface of the thermistor layer, and And a second electrical contact layer on the second side of the thermistor layer. The thermistor layer includes a quantum well structure composed of alternately provided well layers and barrier layers (GaAs / AlGaAs).

特許3573754号公報Japanese Patent No. 3573754

ところで、量子井戸構造体を用いた温度センサの感度を向上させるには、量子井戸構造体の抵抗温度係数(TCR:Temperature Coefficient of Resistance)の値を大きくさせることが必要である。   Incidentally, in order to improve the sensitivity of the temperature sensor using the quantum well structure, it is necessary to increase the value of the temperature coefficient of resistance (TCR) of the quantum well structure.

この量子井戸構造体のTCRは次式で表される。
TCR=−1/k×(3kT/2+V−E
:ボルツマン定数、T[K]:絶対温度、V(=E−E):障壁エネルギー、E:障壁層の価電子帯の底(または伝導帯の底)のエネルギー、E:井戸層の価電子帯の底(または伝導帯の底)のエネルギー、E:フェルミエネルギー
ここで井戸層がp型にドープされているときは、E、Eはそれぞれ価電子帯の底を意味し、井戸層がn型にドープされているときは、E、Eはそれぞれ伝導帯の底を意味する。
The TCR of this quantum well structure is expressed by the following equation.
TCR = −1 / k B T 2 × (3 k B T / 2 + V−E f )
k B : Boltzmann constant, T [K]: Absolute temperature, V (= E B −E W ): Barrier energy, E B : Energy at the bottom of the valence band (or bottom of the conduction band) of the barrier layer, E W : Energy at the bottom of the valence band of the well layer (or the bottom of the conduction band), E f : Fermi energy Here, when the well layer is doped p-type, E B and E W are the valence band When the well layer is doped n-type, E B and E W each mean the bottom of the conduction band.

この式に示されるように、|TCR|の値を大きくするためには、障壁高さ(V)を大きくするか、フェルミエネルギー(E)を小さくするしかない。ところが、障壁高さ(V)は、井戸層と障壁層の材料の組み合わせによって決まるため自由に制御できない。一方、フェルミエネルギー(E)を小さくするには、井戸層を薄くするか、キャリア密度を下げるしか方法がない。従って、|TCR|は、材料によって決まる限界値があった。 As shown in this equation, the only way to increase the value of | TCR | is to increase the barrier height (V) or decrease the Fermi energy (E f ). However, the barrier height (V) cannot be freely controlled because it is determined by the combination of the material of the well layer and the barrier layer. On the other hand, the only way to reduce Fermi energy (E f ) is to make the well layer thinner or lower the carrier density. Therefore, | TCR | has a limit value determined by the material.

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、量子井戸構造体を含む温度センサにおいて、感度を向上させることができる温度センサ及び温度センサの製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a temperature sensor that can improve sensitivity in a temperature sensor including a quantum well structure and a method for manufacturing the temperature sensor.

上記目的を達成するために請求項1に記載の温度センサは、基板に形成された検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサであって、
検出部は、
基板に形成されるものであり、複数の第1障壁層と複数の第1障壁層に挟まれた第1井戸層とを含む量子井戸構造部と、
量子井戸構造部の基板と対向する対向面側、及び、対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、複数の第2井戸層と複数の第2井戸層に挟まれた第2障壁層とを有する量子障壁構造部と、を備えることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the temperature sensor according to claim 1 is a temperature sensor that detects a current change due to a temperature change of a detection unit formed on a substrate, and
The detector
A quantum well structure formed on a substrate and including a plurality of first barrier layers and a first well layer sandwiched between the plurality of first barrier layers;
The quantum well structure is formed on at least one of a facing surface facing the substrate and a surface opposite to the facing surface, and is sandwiched between a plurality of second well layers and a plurality of second well layers. A quantum barrier structure having two barrier layers.

このように、量子井戸構造部の少なくとも一方の面側に量子障壁構造部を設けることによって、第1障壁層の障壁高さを仮想的に増加(ΔV)させることができる。障壁高さが仮想的に増加すると、TCR=−1/k×(×3kT/2+V−E+ΔV)にて示されるように、量子障壁構造部がない場合に対して|TCR|の値を大きくすることができる。従って、温度センサの感度を向上させることができる。 Thus, by providing the quantum barrier structure portion on at least one surface side of the quantum well structure portion, the barrier height of the first barrier layer can be virtually increased (ΔV). When the barrier height increases virtually, as shown by TCR = −1 / k B T 2 × (× 3 k B T / 2 + V−E f + ΔV), the case where there is no quantum barrier structure | The value of TCR | can be increased. Therefore, the sensitivity of the temperature sensor can be improved.

なお、k:ボルツマン定数、T[K]:絶対温度、V(=E−E):障壁エネルギー、E:障壁層の価電子帯の底(または伝導帯の底)のエネルギー、E:井戸層の価電子帯の底(または伝導帯の底)のエネルギー、E:フェルミエネルギー、ΔV:仮想障壁高さである。井戸層がp型にドープされているときは、E、Eはそれぞれ価電子帯の底を意味し、井戸層がn型にドープされているときは、E、Eはそれぞれ伝導帯の底を意味する。 K B : Boltzmann constant, T [K]: absolute temperature, V (= E B −E W ): barrier energy, E B : energy at the bottom of the valence band (or bottom of the conduction band) of the barrier layer, E W : energy at the bottom of the valence band (or the bottom of the conduction band) of the well layer, E f : Fermi energy, ΔV: virtual barrier height. When the well layer is doped p-type, E B and E W mean the bottom of the valence band, respectively, and when the well layer is doped n-type, E B and E W are conducted respectively. It means the bottom of the belt.

上記目的を達成するために請求項2に記載の温度センサは、基板に形成された検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサであって、
検出部は、
基板に形成されるものであり、複数の第1障壁層と複数の第1障壁層に挟まれた第1井戸層とを含む量子井戸構造部と、
量子井戸構造部の基板と対向する対向面側、及び、対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、第1障壁層上に設けられる第2井戸層と第2井戸層上に設けられる第2障壁層とを有する量子障壁構造部と、
を備えることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the temperature sensor according to claim 2 is a temperature sensor for detecting a current change due to a temperature change of a detection unit formed on the substrate,
The detector
A quantum well structure formed on a substrate and including a plurality of first barrier layers and a first well layer sandwiched between the plurality of first barrier layers;
On the second well layer and the second well layer provided on the first barrier layer and formed on at least one of the opposing surface side facing the substrate of the quantum well structure portion and the opposite surface side of the opposing surface A quantum barrier structure having a second barrier layer provided on
It is characterized by providing.

このようにすることによっても、上述の請求項1と同様に温度センサの感度を向上させることができる。   Also by doing this, the sensitivity of the temperature sensor can be improved as in the first aspect.

また、請求項3に示すように、量子障壁構造部は、複数の第2井戸層と複数の第2障壁層とが複数層重なった構造を有するようにしてもよい。   According to a third aspect of the present invention, the quantum barrier structure may have a structure in which a plurality of second well layers and a plurality of second barrier layers are overlapped.

このようにすることによって、複数の第2井戸層に第2障壁層が挟まれた、または、第2井戸層と第2井戸層上に設けられる第2障壁層とからなる一重の量子障壁構造部に比べて、仮想障壁高さを高くすることができる。従って、|TCR|の値も大きくすることができるので好ましい。   In this way, a single quantum barrier structure in which the second barrier layer is sandwiched between the plurality of second well layers, or includes the second well layer and the second barrier layer provided on the second well layer. Compared to the part, the height of the virtual barrier can be increased. Therefore, the value of | TCR | can be increased, which is preferable.

また、請求項4に示すように、量子障壁構造部は、第2井戸層と第2障壁層との組が、3組以上設けられるようにしてもよい。   According to a fourth aspect of the present invention, the quantum barrier structure may be provided with three or more pairs of the second well layer and the second barrier layer.

このようにすることによって、仮想的に増加する障壁高さを飽和状態とすることができるので好ましい。換言すると、1層の第2井戸層と1層の第2障壁層とを繰り返し積層する際の繰り返し回数を3回以上とすると、仮想的に増加する障壁高さを飽和状態とすることができるので好ましい。このことは、本願発明の発明者によって確認されている。   By doing so, the virtually increased barrier height can be saturated, which is preferable. In other words, if the number of repetitions when repeatedly laminating one second well layer and one second barrier layer is 3 or more, the virtually increased barrier height can be saturated. Therefore, it is preferable. This has been confirmed by the inventors of the present invention.

また、請求項5に示すように、第1井戸層と量子障壁構造部との間に配置される第1障壁層の膜厚は、第1井戸層、第2井戸層、及び第2障壁層の膜厚よりも厚く形成されるようにしてもよい。   The thickness of the first barrier layer disposed between the first well layer and the quantum barrier structure may be as follows: the first well layer, the second well layer, and the second barrier layer. It may be formed thicker than the film thickness.

このようにすることによって、第1井戸層から量子障壁構造部への電子のトンネリングを防ぐことができる。   By doing so, tunneling of electrons from the first well layer to the quantum barrier structure can be prevented.

また、請求項6に示すように、量子井戸構造部及び量子障壁構造部は、基板に形成されたメンブレン上に形成されるようにしてもよい。   According to a sixth aspect of the present invention, the quantum well structure portion and the quantum barrier structure portion may be formed on a membrane formed on the substrate.

このようにすることによって、熱コンダクタンスを小さくすることができるため、感度を向上させることができる。   By doing so, the thermal conductance can be reduced, so that the sensitivity can be improved.

また、請求項7に示すように、メンブレンと基板との間には、エピタキシャル層によって封止された真空の空洞部を備えるようにしてもよい。   According to a seventh aspect of the present invention, a vacuum cavity portion sealed with an epitaxial layer may be provided between the membrane and the substrate.

このようにすることによって、メンブレン下部が真空になるため熱コンダクタンスを下げることができ、感度を向上させることができる。   By doing so, since the lower part of the membrane is evacuated, the thermal conductance can be lowered and the sensitivity can be improved.

また、請求項8に示すように、第1井戸層及び第2井戸層はSiGeで構成され、第1障壁層及び第2障壁層はSiで構成されるようにしてもよい。   The first well layer and the second well layer may be made of SiGe, and the first barrier layer and the second barrier layer may be made of Si.

Si、SiGeは、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)と互換性がある材料である。従って、CMOSを製造している場合などは、製造コストを低く抑えることができる。   Si and SiGe are materials compatible with CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Therefore, when manufacturing a CMOS, the manufacturing cost can be kept low.

また、請求項9に示すように、第1井戸層及び第2井戸層はGaAsで構成され、第1障壁層及び第2障壁層はAlGaAsで構成されるようにしてもよい。   The first well layer and the second well layer may be made of GaAs, and the first barrier layer and the second barrier layer may be made of AlGaAs.

このように、GaAs、AlGaAsを用いることによって、|TCR|の値をより一層大きくすることができるので好ましい。   Thus, it is preferable to use GaAs or AlGaAs since the value of | TCR | can be further increased.

また、請求項10に示すように、赤外線の検出に適用されるようにしてもよい。   Further, as shown in claim 10, it may be applied to detection of infrared rays.

|TCR|が大きいため、赤外線の検出に適用することによって、非常に高感度に赤外線を検出することができるので好ましい。   Since | TCR | is large, it is preferable to apply infrared detection to detect infrared with very high sensitivity.

上述のように、複数の第2障壁層と複数の第2障壁層に挟まれた第2井戸層、もしくは、第2井戸層と第2井戸層上に設けられる第2障壁層を含む量子障壁構造部を設けることによって、障壁高さを仮想的に増加させることができる。一方、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さ(量子井戸構造部によって仮想的に増加した障壁高さ)が増加する割合は、第2障壁層の膜厚を100Å以上としても、第2障壁層の膜厚を100Åとした場合よりも高くなりにくいことがわかった。よって、第2障壁層の膜厚は、請求項11に示すように、0Åよりも厚く、100Å以下とすると好ましい。   As described above, the quantum barrier including the second well layer sandwiched between the plurality of second barrier layers and the plurality of second barrier layers, or the second barrier layer provided on the second well layer and the second well layer. By providing the structure portion, the barrier height can be virtually increased. On the other hand, the rate at which the virtual barrier height (the barrier height virtually increased by the quantum well structure) increases with respect to the barrier height when the quantum barrier structure is not provided, It was found that even when the film thickness was 100 mm or more, it was less likely to be higher than when the film thickness of the second barrier layer was 100 mm. Therefore, as shown in claim 11, the thickness of the second barrier layer is preferably greater than 0 mm and 100 mm or less.

また、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが増加する割合は、特に、第2障壁層の膜厚が60Å以下の場合に高くなる傾向にある。よって、第2障壁層の膜厚は、より好ましくは、請求項12に示すように、0Åよりも厚く、60Å以下とするとよい。   In addition, the rate at which the virtual barrier height increases with respect to the barrier height when the quantum barrier structure is not provided tends to increase particularly when the thickness of the second barrier layer is 60 mm or less. . Therefore, more preferably, the thickness of the second barrier layer is greater than 0 mm and 60 mm or less as shown in claim 12.

さらに、第2障壁層の膜厚が25Å以下の場合、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが50%増し以上になりやすくなる。よって、第2障壁層の膜厚は、より好ましくは、請求項13に示すように、0Åよりも厚く、25Å以下とするとよい。   Furthermore, when the film thickness of the second barrier layer is 25 mm or less, the virtual barrier height tends to increase by 50% or more with respect to the barrier height when the quantum barrier structure is not provided. Therefore, more preferably, the thickness of the second barrier layer is greater than 0 mm and not more than 25 mm as shown in claim 13.

また、第2障壁層の膜厚が9Å以上であり、25Å以下の場合、第2障壁層を構成する材料の組成比によらず仮想的な障壁高さが50%増し以上になりやすくなる。よって、第2障壁層の膜厚は、より好ましくは、請求項14に示すように、9Åよりも厚く、25Å以下とするとよい。   Further, when the thickness of the second barrier layer is 9 mm or more and 25 mm or less, the virtual barrier height is likely to increase by 50% or more regardless of the composition ratio of the material constituting the second barrier layer. Therefore, the thickness of the second barrier layer is more preferably set to be thicker than 9 mm and 25 mm or smaller, as shown in claim 14.

また、請求項15に示すように、第2障壁層の膜厚は、仮想的に増加した第1障壁層の障壁高さが1次ピークになるときの膜厚とすることによって、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが50%増し以上になりやすくなるので好ましい。   Further, according to the present invention, the film thickness of the second barrier layer is set to a film thickness at which the virtually increased barrier height of the first barrier layer becomes the primary peak, whereby the quantum barrier structure This is preferable because the virtual barrier height tends to increase by 50% or more with respect to the barrier height when no portion is provided.

また、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さ(量子井戸構造部によって仮想的に増加した障壁高さ)が増加する割合は、第2井戸層の膜厚を200Å以上としても、第2井戸層の膜厚を200Å以上とした場合よりも高くなりにくいことがわかった。よって、第2井戸層の膜厚は、請求項16に示すように、0Åよりも厚く、200Å以下とすると好ましい。   Further, the rate of increase in the virtual barrier height (barrier height virtually increased by the quantum well structure portion) with respect to the barrier height in the case where the quantum barrier structure portion is not provided is as follows. It was found that even when the film thickness was 200 mm or more, it was less likely to be higher than when the thickness of the second well layer was 200 mm or more. Therefore, as shown in claim 16, it is preferable that the thickness of the second well layer is larger than 0 mm and not more than 200 mm.

また、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが増加する割合は、特に、第2井戸層の膜厚が100Å以下の場合に高くなる傾向にある。よって、第2井戸層の膜厚は、より好ましくは、請求項17に示すように、0Åよりも厚く、100Å以下とするとよい。   In addition, the rate at which the virtual barrier height increases with respect to the barrier height when the quantum barrier structure portion is not provided tends to increase particularly when the thickness of the second well layer is 100 mm or less. . Therefore, more preferably, the thickness of the second well layer is greater than 0 mm and 100 mm or less as shown in claim 17.

さらに、第2井戸層の膜厚が36Å以下の場合、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが50%増し以上になりやすくなる。よって、第2井戸層の膜厚は、より好ましくは、請求項18に示すように、0Åよりも厚く、36Å以下とするとよい。   Furthermore, when the thickness of the second well layer is 36 mm or less, the virtual barrier height is likely to increase by 50% or more with respect to the barrier height when the quantum barrier structure is not provided. Therefore, the thickness of the second well layer is more preferably set to be larger than 0 mm and not more than 36 mm as shown in claim 18.

また、第2井戸層の膜厚が6Å以上であり、36Å以下の場合、第2井戸層を構成する材料の組成比よらず仮想的な障壁高さが50%増し以上になりやすくなる。よって、第2井戸層の膜厚は、より好ましくは、請求項19に示すように、6Åよりも厚く、36Å以下とするとよい。   Further, when the thickness of the second well layer is 6 mm or more and 36 mm or less, the virtual barrier height is likely to increase by 50% or more regardless of the composition ratio of the material constituting the second well layer. Therefore, more preferably, the thickness of the second well layer is greater than 6 mm and not more than 36 mm as shown in claim 19.

また、請求項20に示すように、第2井戸層の膜厚は、仮想的に増加した第1障壁層の障壁高さが1次ピークになるときの膜厚とすることによって、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが50%増し以上になりやすくなるので好ましい。   In addition, as shown in claim 20, the second well layer has a quantum barrier structure by setting the film thickness of the first barrier layer to the primary peak when the virtually increased barrier height of the first barrier layer is reached. This is preferable because the virtual barrier height tends to increase by 50% or more with respect to the barrier height when no portion is provided.

また、請求項21に示すように、第2井戸層の膜厚は、仮想的に増加した第1障壁層の障壁高さが2次ピークになるときの膜厚とすることによっても、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが50%増し以上になりやすくなるので好ましい。   In addition, as shown in claim 21, the film thickness of the second well layer is also set to a film thickness when the barrier height of the virtually increased first barrier layer becomes a secondary peak, so that the quantum barrier is also obtained. The virtual barrier height is preferably increased by 50% or more with respect to the barrier height when the structure portion is not provided, which is preferable.

また、請求項22に示すように、第1障壁層の膜厚は、300Å以上とすると好ましい。このようにすることによって、広いエネルギー範囲(例えば、340meV程度まで)で第1井戸層と第1障壁層との界面における反射率(ホールの反射率)を95%以上とでき、量子井戸構造部における第1井戸層から量子障壁構造部へのトンネリングをほぼ完全にストップすることができる。このようにトンネリングをほぼ完全にストップすることができると、TCRの低下を抑制できるので好ましい。   Further, as shown in claim 22, it is preferable that the thickness of the first barrier layer is 300 mm or more. By doing so, the reflectivity (hole reflectivity) at the interface between the first well layer and the first barrier layer can be 95% or more in a wide energy range (for example, up to about 340 meV). The tunneling from the first well layer to the quantum barrier structure in can be stopped almost completely. Thus, it is preferable that the tunneling can be stopped almost completely, since the decrease in TCR can be suppressed.

上記目的を達成するために請求項23に記載の温度センサの製造方法は、
支持基板上に絶縁膜を介してSiからなる活性層を有するSOI基板と、
SOI基板に形成されるものであり、複数の第1障壁層と複数の第1障壁層に挟まれた第1井戸層とを含む量子井戸構造部と、量子井戸構造部のSOI基板と対向する対向面側、及び、対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、複数の第2井戸層と複数の第2井戸層に挟まれた第2障壁層とを有する量子障壁構造部とを有する検出部とを備え、検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサの製造方法であって、
検出部に対応する活性層に達する開口部を有するマスクを形成するマスク形成工程と、
開口部に対して、検出部を構成する各層を選択的に成膜する成膜工程と、
を備えることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the method of manufacturing a temperature sensor according to claim 23,
An SOI substrate having an active layer made of Si via an insulating film on a support substrate;
A quantum well structure including a plurality of first barrier layers and a first well layer sandwiched between the plurality of first barrier layers, and facing the SOI substrate of the quantum well structure. A quantum barrier structure formed on at least one of the opposing surface side and the opposite surface side of the opposing surface and having a plurality of second well layers and a second barrier layer sandwiched between the plurality of second well layers A temperature sensor for detecting a current change due to a temperature change of the detection unit,
A mask forming step of forming a mask having an opening reaching the active layer corresponding to the detection unit;
A film forming step of selectively forming each layer constituting the detection unit with respect to the opening;
It is characterized by providing.

このようにすることによって、量子障壁構造部がない場合に対して|TCR|の値が大きく、感度を向上させることができる温度センサを簡易なプロセスで製造することができる。   By doing so, it is possible to manufacture a temperature sensor that has a large value of | TCR | and can improve the sensitivity in a simple process as compared with the case where there is no quantum barrier structure.

上記目的を達成するために請求項24に記載の温度センサの製造方法は、
支持基板上に絶縁膜を介してSiからなる活性層を有するSOI基板と、
SOI基板に形成されるものであり、複数の第1障壁層と複数の第1障壁層に挟まれた第1井戸層とを含む量子井戸構造部と、量子井戸構造部のSOI基板と対向する対向面側、及び、対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、複数の第2井戸層と複数の第2井戸層に挟まれた第2障壁層とを有する量子障壁構造部とを有する検出部とを備え、検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサの製造方法であって、
活性層に前記絶縁膜に達する開口部を形成する開口部形成工程と、
絶縁膜における検出部に対応する領域を開口部からエッチングするエッチング工程と、
エッチング工程終了後に、活性層上にエピタキシャル層を成膜して開口部を塞ぐことによって、エッチングされた領域を封止する封止工程と、
エピタキシャル層上に検出部を構成する各層を成膜する成膜工程と、
を備えることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, a manufacturing method of a temperature sensor according to claim 24,
An SOI substrate having an active layer made of Si via an insulating film on a support substrate;
A quantum well structure including a plurality of first barrier layers and a first well layer sandwiched between the plurality of first barrier layers, and facing the SOI substrate of the quantum well structure. A quantum barrier structure formed on at least one of the opposing surface side and the opposite surface side of the opposing surface and having a plurality of second well layers and a second barrier layer sandwiched between the plurality of second well layers A temperature sensor for detecting a current change due to a temperature change of the detection unit,
An opening forming step of forming an opening reaching the insulating film in the active layer;
An etching step of etching a region corresponding to the detection portion in the insulating film from the opening;
A sealing step of sealing the etched region by forming an epitaxial layer on the active layer and closing the opening after completion of the etching step;
A film forming step of forming each layer constituting the detection unit on the epitaxial layer;
It is characterized by providing.

このようにすることによって、検出部をエピタキシャル層上に形成できると共に、検出部の下部に真空となる空間(空洞部)を構成することができるため、熱コンダクタンスを下げることができ、温度センサの感度を向上させることができる。   By doing so, the detection part can be formed on the epitaxial layer, and a space (cavity part) that becomes a vacuum can be formed below the detection part, so that the thermal conductance can be lowered, and the temperature sensor Sensitivity can be improved.

本発明の第1の実施の形態における温度センサ100の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the temperature sensor 100 in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における温度センサ100の検出部50の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the detection part 50 of the temperature sensor 100 in the 1st Embodiment of this invention. MQB構造部、QW構造部にSiGe/Si(Ge=35%)を用いた場合の量子井戸のTCRの温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of TCR of a quantum well at the time of using SiGe / Si (Ge = 35%) for a MQB structure part and a QW structure part. MQB構造部、QW構造部にGaAs/AlGaAs(Al=43%)を用いた場合の量子井戸のTCRの温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of TCR of a quantum well at the time of using GaAs / AlGaAs (Al = 43%) for a MQB structure part and a QW structure part. 本発明の第1の実施の形態における温度センサ100の検出部(MQB構造部、QW構造部)50のエネルギーバンドを示す図面である。It is drawing which shows the energy band of the detection part (MQB structure part, QW structure part) 50 of the temperature sensor 100 in the 1st Embodiment of this invention. 比較例における温度センサの検出部(QW構造部)のエネルギーバンドを示す図面である。It is drawing which shows the energy band of the detection part (QW structure part) of the temperature sensor in a comparative example. MQB構造部、QW構造部にSiGe/Si(Ge=30%)を用いた場合の各SiGe膜厚における障壁高さとSi膜厚との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the barrier height and Si film thickness in each SiGe film thickness at the time of using SiGe / Si (Ge = 30%) for a MQB structure part and a QW structure part. MQB構造部、QW構造部にSiGe/Si(Ge=50%)を用いた場合の各SiGe膜厚における障壁高さとSi膜厚との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the barrier height and Si film thickness in each SiGe film thickness at the time of using SiGe / Si (Ge = 50%) for a MQB structure part and a QW structure part. MQB構造部、QW構造部にSiGe/Si(Ge=100%)を用いた場合の各SiGe膜厚における障壁高さとSi膜厚との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the barrier height and Si film thickness in each SiGe film thickness at the time of using SiGe / Si (Ge = 100%) for a MQB structure part and a QW structure part. 図7〜図9の各グラフにおける包絡線を示すものであり、あり、MQB構造部を設けない場合の障壁高さに対する仮想障壁高さの増加率とSi膜厚との関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing an envelope in each graph of FIG. 7 to FIG. 9 and showing a relationship between an increase rate of the virtual barrier height with respect to the barrier height and the Si film thickness when the MQB structure portion is not provided. . MQB構造部、QW構造部にSiGe/Si(Ge=30%)を用いた場合の各Si膜厚における障壁高さとSiGe膜厚との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the barrier height and SiGe film thickness in each Si film thickness at the time of using SiGe / Si (Ge = 30%) for a MQB structure part and a QW structure part. MQB構造部、QW構造部にSiGe/Si(Ge=50%)を用いた場合の各Si膜厚における障壁高さとSiGe膜厚との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the barrier height and SiGe film thickness in each Si film thickness at the time of using SiGe / Si (Ge = 50%) for a MQB structure part and a QW structure part. MQB構造部、QW構造部にSiGe/Si(Ge=100%)を用いた場合の各Si膜厚における障壁高さとSiGe膜厚との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the barrier height and SiGe film thickness in each Si film thickness at the time of using SiGe / Si (Ge = 100%) for a MQB structure part and a QW structure part. 図11〜図13の各グラフにおける包絡線を示すものであり、あり、MQB構造部を設けない場合の障壁高さに対する仮想障壁高さの増加率とSiGe膜厚との関係を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing envelopes in the respective graphs of FIGS. 11 to 13 and showing a relationship between an increase rate of the virtual barrier height with respect to the barrier height and the SiGe film thickness when the MQB structure portion is not provided. . MQB構造部における繰り返し数毎の反射率とエネルギーとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the reflectance and energy for every repetition number in a MQB structure part. MQB構造部における繰り返し数と障壁高さとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the repetition number in an MQB structure part, and barrier height. QW構造部の障壁層の膜厚毎の反射率とエネルギーとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the reflectance for every film thickness of the barrier layer of a QW structure part, and energy. 図17を部分的に拡大したグラフである。It is the graph which expanded FIG. 17 partially. 本発明の第1の実施の形態における温度センサ100の製造工程を示すものであり、SOI基板の準備工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the temperature sensor 100 according to the first embodiment of the present invention and illustrating a preparation process of an SOI substrate. 本発明の第1の実施の形態における温度センサ100の製造工程を示すものであり、熱酸化膜のパターンニング工程を示す断面図である。It is a sectional view showing a manufacturing process of temperature sensor 100 in a 1st embodiment of the present invention, and showing a patterning process of a thermal oxide film. 本発明の第1の実施の形態における温度センサ100の製造工程を示すものであり、検出部の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the temperature sensor 100 in the 1st Embodiment of this invention, and shows the manufacturing process of a detection part. 本発明の第1の実施の形態における温度センサ100の製造工程を示すものであり、シリコン層形成工程を示す断面図である。It is a sectional view showing a manufacturing process of temperature sensor 100 in the 1st embodiment of the present invention, and showing a silicon layer formation process. 本発明の第1の実施の形態における温度センサ100の製造工程を示すものであり、酸化膜形成工程を示す断面図である。It is a sectional view showing the manufacturing process of temperature sensor 100 in the first embodiment of the present invention and showing the oxide film forming process. 本発明の第1の実施の形態における温度センサ100の製造工程を示すものであり、電極形成工程を示す断面図である。It is a sectional view showing the manufacturing process of temperature sensor 100 in the 1st embodiment of the present invention, and showing an electrode formation process. 本発明の第2の実施の形態における温度センサ200の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the temperature sensor 200 in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態における温度センサ200の製造工程を示すものであり、SOI基板の準備工程を示す断面図である。It is a sectional view showing the manufacturing process of the temperature sensor 200 in the second embodiment of the present invention and showing the preparation process of the SOI substrate. 本発明の第2の実施の形態における温度センサ200の製造工程を示すものであり、犠牲層エッチング工程を示す断面図である。It is a sectional view showing a manufacturing process of temperature sensor 200 in a 2nd embodiment of the present invention, and showing a sacrifice layer etching process. 本発明の第2の実施の形態における温度センサ200の製造工程を示すものであり、封止工程を示す断面図である。It is a sectional view showing a manufacturing process of temperature sensor 200 in a 2nd embodiment of the present invention, and showing a sealing process. 本発明の第2の実施の形態における温度センサ200の製造工程を示すものであり、熱酸化膜形成工程を示す断面図である。It is a sectional view showing a manufacturing process of temperature sensor 200 in a 2nd embodiment of the present invention, and showing a thermal oxide film formation process. 本発明の第2の実施の形態における温度センサ200の製造工程を示すものであり、検出部形成工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the temperature sensor 200 in the 2nd Embodiment of this invention, and shows a detection part formation process. 本発明の第2の実施の形態における温度センサ200の製造工程を示すものであり、電極形成工程を示す断面図である。It is a sectional view showing a manufacturing process of temperature sensor 200 in a 2nd embodiment of the present invention, and showing an electrode formation process.

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
まず、第1の実施の形態について説明する。本実施の形態における温度センサ100は、検出部50の温度の変化による電流変化を検出するものであり、特に赤外線センサに適用して好適なものである。換言すると、温度の変化によって抵抗値が変化する検出部50を備えた温度センサである。つまり、本実施の形態における温度センサ100は、|TCR|が大きいため、赤外線の検出に適用することによって、非常に高感度に赤外線を検出することができるので好ましい。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. The temperature sensor 100 in the present embodiment detects a change in current due to a change in temperature of the detection unit 50, and is particularly suitable for application to an infrared sensor. In other words, the temperature sensor includes the detection unit 50 whose resistance value changes with changes in temperature. That is, the temperature sensor 100 in the present embodiment is preferable because it has a large | TCR | and can detect infrared rays with extremely high sensitivity when applied to infrared detection.

図1に示されるように、本実施の形態における温度センサ100は、基板(例えば、シリコン基板であり、以下、シリコン基板とも称する)10をベースに形成されている。このシリコン基板10には、開口部11が形成されており、この開口部11が形成された部位においてメンブレンが構成される。   As shown in FIG. 1, temperature sensor 100 in the present embodiment is formed based on a substrate 10 (for example, a silicon substrate, hereinafter also referred to as a silicon substrate). An opening 11 is formed in the silicon substrate 10, and a membrane is formed at a portion where the opening 11 is formed.

開口部11は、シリコン基板10の表面と裏面を貫通するように形成されている。具体的には、開口部11は、シリコン基板10の裏面側から表面に向かって開口面積が狭くなるように構成されている。   The opening 11 is formed so as to penetrate the front surface and the back surface of the silicon substrate 10. Specifically, the opening 11 is configured such that the opening area becomes narrower from the back surface side of the silicon substrate 10 toward the front surface.

また、シリコン基板10の表面上には、絶縁膜(例えば、SiOなどの酸化膜、以下、酸化膜とも称する)20が形成されている。この酸化膜20の表面には、例えば、シリコン層に不純物を熱拡散させたことによって形成されたシリコン層31(例えば、Si(P))がパターニングされて形成されている。つまり、上述のメンブレンは、開口部11上に形成される絶縁膜20の部分である。 An insulating film (for example, an oxide film such as SiO 2 , hereinafter also referred to as an oxide film) 20 is formed on the surface of the silicon substrate 10. On the surface of the oxide film 20, for example, a silicon layer 31 (for example, Si (P + )) formed by thermally diffusing impurities in the silicon layer is formed by patterning. That is, the above-described membrane is a portion of the insulating film 20 formed on the opening 11.

このように構成されたシリコン基板10と酸化膜20およびシリコン層31は、シリコン基板10を支持基板、酸化膜20を埋め込み層、シリコン層31をSOI(silicon on insulator)層(活性層)とするSOI基板を用いて形成されたものである。なお、高濃度SOI基板を購入して用いても良いし、上述のように活性層が低濃度のシリコン基板を購入し、その活性層に不純物(ボロン等)をドープして高濃度化しても良い。ドープの方法は、例えば、イオン注入後に活性化アニールするなどがある。   The silicon substrate 10, the oxide film 20, and the silicon layer 31 thus configured have the silicon substrate 10 as a supporting substrate, the oxide film 20 as a buried layer, and the silicon layer 31 as an SOI (silicon on insulator) layer (active layer). It is formed using an SOI substrate. A high-concentration SOI substrate may be purchased and used, or a silicon substrate having a low active layer concentration as described above may be purchased and the active layer may be doped with impurities (such as boron) to increase the concentration. good. The doping method includes, for example, activation annealing after ion implantation.

さらに、シリコン層31は、熱酸化膜40によって覆われ、この熱酸化膜40の所定部位に形成された開口部(コンタクト用の開口部)を通じて、例えば、アルミニウムなどで構成された電極72に電気的に接続されている。また、シリコン層31は、熱酸化膜40の所定部位に形成された開口部(検出部用の開口部)41を通じて、検出部50が形成されている。また、検出部50の表面(シリコン層31と接する面の反対面)には、上述のシリコン層31と同様のシリコン層32(例えば、Si(P))が形成されている。そして、シリコン層32は、例えば、アルミニウムなどで構成された電極71に電気的に接続されている。なお、この検出部50に関しては、後ほど詳しく説明する。 Further, the silicon layer 31 is covered with a thermal oxide film 40, and an electrode 72 made of, for example, aluminum is electrically connected through an opening (contact opening) formed at a predetermined portion of the thermal oxide film 40. Connected. In the silicon layer 31, a detection unit 50 is formed through an opening (opening for detection unit) 41 formed in a predetermined portion of the thermal oxide film 40. In addition, a silicon layer 32 (for example, Si (P + )) similar to the above-described silicon layer 31 is formed on the surface of the detection unit 50 (the surface opposite to the surface in contact with the silicon layer 31). The silicon layer 32 is electrically connected to an electrode 71 made of, for example, aluminum. The detection unit 50 will be described in detail later.

また、酸化膜20、シリコン層32、熱酸化膜40、検出部50を覆うように酸化膜(例えば、SiO)60が形成され、検出部50が保護されている。この酸化膜60は、シリコン層31、検出部50、シリコン層32を積層した厚みよりも厚く形成されており、熱酸化膜40に形成された開口部に対応する部位に、電極71、72が配置される開口部61、62が形成されている(図23参照)。なお、電極71、72は、シリコン層32、31から熱酸化膜40の開口部(電極72の場合)、酸化膜60の開口部、及び酸化膜60の表面(酸化膜20と接する面の反対面)に形成される。 An oxide film (for example, SiO 2 ) 60 is formed so as to cover the oxide film 20, the silicon layer 32, the thermal oxide film 40, and the detection unit 50, thereby protecting the detection unit 50. The oxide film 60 is formed to be thicker than the stacked thickness of the silicon layer 31, the detection unit 50, and the silicon layer 32, and the electrodes 71 and 72 are provided at portions corresponding to the openings formed in the thermal oxide film 40. Openings 61 and 62 to be disposed are formed (see FIG. 23). The electrodes 71 and 72 are opposite to the openings from the silicon layers 32 and 31 to the thermal oxide film 40 (in the case of the electrode 72), the opening of the oxide film 60, and the surface of the oxide film 60 (the surface in contact with the oxide film 20). Surface).

この酸化膜60に形成された電極71、72の表面には、窒化膜(SiN)81が形成されている。この窒化膜81は、電極71、72におけるパッド部を構成するための開口部81a、81bが形成されている。温度センサ100は、この開口部81a、81bを通じてパッド部に対してワイヤボンディングなどがなされることで、外部に備えられる処理回路(図示省略)に電気的に接続されるようになっている。また、窒化膜81における検出部50に対応する位置には、カーボンペーストなどからなる赤外線吸収膜90が形成されている。   A nitride film (SiN) 81 is formed on the surfaces of the electrodes 71 and 72 formed on the oxide film 60. In the nitride film 81, openings 81a and 81b for forming pad portions in the electrodes 71 and 72 are formed. The temperature sensor 100 is electrically connected to a processing circuit (not shown) provided outside by wire bonding or the like to the pad portion through the openings 81a and 81b. An infrared absorption film 90 made of carbon paste or the like is formed at a position corresponding to the detection unit 50 in the nitride film 81.

そして、シリコン基板10における裏面側には、窒化膜(PE−SiN)82が形成されている。この窒化膜82には開口部82aが形成されており、この開口部を通じてシリコン基板10の開口部11が形成されている。   A nitride film (PE-SiN) 82 is formed on the back side of the silicon substrate 10. An opening 82a is formed in the nitride film 82, and the opening 11 of the silicon substrate 10 is formed through the opening.

次に、本発明の特徴部分である検出部50の構造に関して説明する。図2に示すように、本実施の形態における温度センサ100の検出部50は、QW構造部(Quantum well構造部、量子井戸構造部)53と、QW構造部53を挟むように設けられたMQB構造部(Multi Quantum Barrier構造部、量子障壁構造部)51、52とを備える。この検出部50は、シリコン基板10に開口部11を設けることによって、SOI基板に形成されたメンブレン上に形成される。このように、検出部50をメンブレン上に設けることによって、熱コンダクタンスを小さくすることができるため感度を向上させることができる。   Next, the structure of the detection unit 50 which is a characteristic part of the present invention will be described. As shown in FIG. 2, the detection unit 50 of the temperature sensor 100 in the present embodiment includes a QW structure unit (Quantum well structure unit, quantum well structure unit) 53 and an MQB provided so as to sandwich the QW structure unit 53. Structure parts (Multi Quantum Barrier structure part, quantum barrier structure part) 51, 52. The detection unit 50 is formed on the membrane formed on the SOI substrate by providing the opening 11 in the silicon substrate 10. Thus, by providing the detection unit 50 on the membrane, the thermal conductance can be reduced, so that the sensitivity can be improved.

QW構造部53は、複数(本実施の形態では二つ)の障壁層(第1障壁層)53aと障壁層(第1障壁層)53c、複数の障壁層53aと障壁層53cとに挟まれた井戸層53b(第1井戸層)とを備える。換言すると、障壁層53a、53c、井戸層53bは、シリコン基板10の表面に垂直な方向に、障壁層53a、井戸層53b、障壁層53cの順番で積層されている。   The QW structure portion 53 is sandwiched between a plurality (two in this embodiment) of barrier layers (first barrier layers) 53a and barrier layers (first barrier layers) 53c, and a plurality of barrier layers 53a and barrier layers 53c. Well layer 53b (first well layer). In other words, the barrier layers 53a and 53c and the well layer 53b are stacked in the order of the barrier layer 53a, the well layer 53b, and the barrier layer 53c in a direction perpendicular to the surface of the silicon substrate 10.

また、障壁層53a、53cは、井戸層53bを構成する材料のバンドギャップよりもバンドギャップが大きな材料によって構成される。よって、井戸層53bは、障壁層53a、53cを構成する材料のバンドギャップよりもバンドギャップが小さな材料によって構成される。例えば、障壁層53a、53cはSiで構成され、井戸層53bはSiGeで構成することができる。   The barrier layers 53a and 53c are made of a material having a larger band gap than that of the material constituting the well layer 53b. Therefore, the well layer 53b is made of a material having a band gap smaller than that of the material constituting the barrier layers 53a and 53c. For example, the barrier layers 53a and 53c can be made of Si, and the well layer 53b can be made of SiGe.

シリコン層31上に形成されるMQB構造部52は、複数の井戸層(第2井戸層)52aと複数の井戸層52aに挟まれた障壁層(第2障壁層)52bを複数備える。換言すると、井戸層52aと障壁層52bは、シリコン基板10の表面に垂直な方向に、井戸層52a、障壁層52bの順番で繰り返し積層されている。つまり、複数の井戸層52aと複数の障壁層52bとが複数層重なった構造を有する。換言すると、井戸層52aと障壁層52bとが交互の複数回繰り返し積層された構造を有する。さらに言い換えると、一つの井戸層52aと一つの井戸層52aに挟まれた一層の障壁層52bからなる単層のQB構造(Quantum Barrier構造)が複数回繰り返し積層された構造である。このとき、二つの障壁層間に挟まれた井戸層は、二つの単層のQB構造部で兼用されることになる。例えば、本実施の形態においては、シリコン基板10側から井戸層52a、障壁層52b、井戸層52a、障壁層52b、井戸層52a、障壁層52b、井戸層52aの順番で多重に積層されている。従って、MQB構造部52における井戸層52a、障壁層52b、QW構造部53における障壁層53a、井戸層53b、障壁層53cは同一の積層方向に積層される。このようにすることによって、複数の井戸層52aに障壁層52bが挟まれた一重のQB構造(Quantum Barrier構造)に比べて、仮想障壁高さを高くすることができる。従って、|TCR|の値も大きくすることができるので好ましい。   The MQB structure portion 52 formed on the silicon layer 31 includes a plurality of well layers (second well layers) 52a and a plurality of barrier layers (second barrier layers) 52b sandwiched between the plurality of well layers 52a. In other words, the well layer 52a and the barrier layer 52b are repeatedly stacked in the order of the well layer 52a and the barrier layer 52b in the direction perpendicular to the surface of the silicon substrate 10. That is, a plurality of well layers 52a and a plurality of barrier layers 52b are stacked. In other words, it has a structure in which the well layers 52a and the barrier layers 52b are alternately stacked a plurality of times. In other words, a single-layer QB structure (Quantum Barrier structure) composed of one well layer 52a and one barrier layer 52b sandwiched between one well layer 52a is repeatedly stacked a plurality of times. At this time, the well layer sandwiched between the two barrier layers is shared by two single-layer QB structures. For example, in this embodiment, the well layer 52a, the barrier layer 52b, the well layer 52a, the barrier layer 52b, the well layer 52a, the barrier layer 52b, and the well layer 52a are stacked in this order from the silicon substrate 10 side. . Therefore, the well layer 52a and the barrier layer 52b in the MQB structure 52, and the barrier layer 53a, the well layer 53b, and the barrier layer 53c in the QW structure 53 are stacked in the same stacking direction. By doing so, the height of the virtual barrier can be increased as compared with a single QB structure (Quantum Barrier structure) in which the barrier layer 52b is sandwiched between the plurality of well layers 52a. Therefore, the value of | TCR | can be increased, which is preferable.

また、障壁層52bは、井戸層52aを構成する材料のバンドギャップよりもバンドギャップが大きな材料によって構成される。よって、井戸層52aは、障壁層52bを構成する材料のバンドギャップよりもバンドギャップが小さな材料によって構成される。例えば、障壁層52bはSiで構成され、井戸層52aはSiGeで構成することができる。   The barrier layer 52b is made of a material having a larger band gap than that of the material constituting the well layer 52a. Therefore, the well layer 52a is made of a material having a band gap smaller than that of the material constituting the barrier layer 52b. For example, the barrier layer 52b can be made of Si, and the well layer 52a can be made of SiGe.

なお、MQB構造部51は、MQB構造部52と同様の構成を有するため説明を省略する。つまり、MQB構造部51における障壁層51bは、MQB構造部52の障壁層52bに対応し、MQB構造部51における井戸層51aは、MQB構造部52の井戸層52aに対応する。また、MQB構造部51における障壁層51b、井戸層51aは、MQB構造部52における井戸層52a、障壁層52b、QW構造部53における障壁層53a、井戸層53b、障壁層53cと同一の積層方向に積層される。   The MQB structure unit 51 has the same configuration as that of the MQB structure unit 52, and thus the description thereof is omitted. That is, the barrier layer 51 b in the MQB structure portion 51 corresponds to the barrier layer 52 b in the MQB structure portion 52, and the well layer 51 a in the MQB structure portion 51 corresponds to the well layer 52 a in the MQB structure portion 52. Further, the barrier layer 51b and the well layer 51a in the MQB structure part 51 are formed in the same stacking direction as the well layer 52a and the barrier layer 52b in the MQB structure part 52 and the barrier layer 53a, the well layer 53b, and the barrier layer 53c in the QW structure part 53. Is laminated.

このように、QW構造部53の少なくとも一方の面側にMQB構造部51、52を設ける(つまり、QW構造部53にMQB構造部51のみを設けるか、QW構造部53にMQB構造部52のみを設けるか、QW構造部53にMQB構造部51とMQB構造部52の両方を設ける)ことによって、MQB構造部51、52がない場合(図6参照)に対して、図5に示すようにQW構造部53の障壁層53a、53cの障壁高さを仮想的に増加(ΔV)させることができる。障壁高さが仮想的に増加すると、TCR=−1/k×(3kT/2+V−E+ΔV)にて示されるように、MQB構造部51、52がない場合に対して|TCR|の値を大きくすることができる。従って、温度センサ100の感度を向上させることができる。なお、k:ボルツマン定数、T[K]:絶対温度、V(=E−E):障壁エネルギー、E:障壁層の価電子帯の底(または伝導帯の底)のエネルギー、E:井戸層の価電子帯の底(または伝導帯の底)のエネルギー、E:フェルミエネルギー、ΔV:仮想障壁高さである。 As described above, the MQB structure portions 51 and 52 are provided on at least one surface side of the QW structure portion 53 (that is, only the MQB structure portion 51 is provided in the QW structure portion 53 or only the MQB structure portion 52 is provided in the QW structure portion 53. As shown in FIG. 5, when there is no MQB structure 51, 52 (see FIG. 6), the QW structure 53 is provided with both the MQB structure 51 and the MQB structure 52). The barrier heights of the barrier layers 53a and 53c of the QW structure portion 53 can be virtually increased (ΔV). When the barrier height increases virtually, as shown by TCR = −1 / k B T 2 × (3 k B T / 2 + V−E f + ΔV), the case where there is no MQB structure 51, 52 The value of | TCR | can be increased. Therefore, the sensitivity of the temperature sensor 100 can be improved. K B : Boltzmann constant, T [K]: absolute temperature, V (= E B −E W ): barrier energy, E B : energy at the bottom of the valence band (or bottom of the conduction band) of the barrier layer, E W : energy at the bottom of the valence band (or the bottom of the conduction band) of the well layer, E f : Fermi energy, ΔV: virtual barrier height.

ここで、図7〜図10を用いて、MQB構造部51及びMQB構造部52における障壁層51b及び障壁層52bの膜厚に関して説明する。なお、ここでは、一例として、MQB構造部51、MQB構造部52及びQW構造部53における障壁層51b、障壁層52b、障壁層53a、障壁層53cにSi、井戸層51a、井戸層52a、井戸層53bにSiGeを採用した。図7〜図9は、SiGeの組成比を変えた場合の井戸層51a、52aの膜厚(SiGe膜厚)における、障壁高さと障壁層51b、52bの膜厚(Si膜厚(Si層厚))との関係を示すグラフである。図7はGe=30%の場合、図8はGe=50%の場合、図9はGe=100%の場合のグラフである。また、図11〜図13は、井戸層51a、52aの膜厚を5Å、10Å、20Å、30Å、40Å、50Åとした場合のグラフである。また、図10は、図7〜図9の各グラフにおける包絡線を示すものであり、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さに対する仮想障壁高さの増加率と障壁層52b、52bの膜厚(Si膜厚(Si層厚))との関係を示すグラフである。なお、図10に記載している古典障壁高さとは、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さ(QW構造部53の障壁層53a、53cの障壁高さ)を示すものである。また、図10は、この古典障壁高さで規格化したものである。   Here, the thicknesses of the barrier layer 51b and the barrier layer 52b in the MQB structure 51 and the MQB structure 52 will be described with reference to FIGS. Here, as an example, the barrier layer 51b, the barrier layer 52b, the barrier layer 53a, and the barrier layer 53c in the MQB structure 51, the MQB structure 52, and the QW structure 53 are Si, the well layer 51a, the well layer 52a, the well SiGe was used for the layer 53b. 7 to 9 show the barrier height and the thicknesses of the barrier layers 51b and 52b (Si thickness (Si layer thickness) in the thicknesses (SiGe thickness) of the well layers 51a and 52a when the composition ratio of SiGe is changed. It is a graph which shows the relationship with)). 7 is a graph when Ge = 30%, FIG. 8 is a graph when Ge = 50%, and FIG. 9 is a graph when Ge = 100%. FIGS. 11 to 13 are graphs when the thicknesses of the well layers 51a and 52a are 5 mm, 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, and 50 mm. FIG. 10 shows envelopes in the graphs of FIGS. 7 to 9, and the increase rate of the virtual barrier height with respect to the barrier height and the barrier when the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52 are not provided. It is a graph which shows the relationship with the film thickness (Si film thickness (Si layer thickness)) of layers 52b and 52b. Note that the classical barrier height described in FIG. 10 indicates the barrier height when the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52 are not provided (the barrier heights of the barrier layers 53a and 53c of the QW structure portion 53). Is. FIG. 10 is normalized by this classical barrier height.

上述のように、QW構造部53にMQB構造部51やMQB構造部52を設けることによって、障壁高さを仮想的に増加させることができる。一方、図10に示すように、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さ(MQB構造部51やMQB構造部52によって仮想的に増加した障壁高さ)が増加する割合は、MQB構造部51やMQB構造部52における障壁層51b、52bの膜厚を100Å以上としても、障壁層51b、52bの膜厚を100Åとした場合よりも高くなりにくいことがわかった。よって、障壁層51b、52bの膜厚は、0Åよりも厚く、100Å以下とすると|TCR|の値が大きくなり温度センサとしての感度が高くなるので好ましい。また、このようにすることによって、必要以上に障壁層52bを厚く形成することを抑制でき、コストアップを抑制することもできる。   As described above, by providing the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52 in the QW structure portion 53, the barrier height can be virtually increased. On the other hand, as shown in FIG. 10, the barrier height when the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52 are not provided is virtually increased by the virtual barrier height (the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52). The rate of increase of the increased barrier height) is higher than the case where the thickness of the barrier layers 51b and 52b is 100 mm even when the thickness of the barrier layers 51b and 52b in the MQB structure 51 and the MQB structure 52 is 100 mm or more. It was found that it was difficult to get higher. Therefore, it is preferable that the thickness of the barrier layers 51b and 52b is greater than 0 mm and less than 100 mm because the value of | TCR | is increased and the sensitivity as the temperature sensor is increased. Moreover, by doing in this way, it can suppress forming the barrier layer 52b thickly more than necessary, and can also suppress a cost increase.

また、図10のグラフからわかるように、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが増加する割合は、特に、障壁層51b、52bの膜厚が60Å以下の場合に高くなる傾向にある。よって、障壁層51b、52bの膜厚は、より好ましくは、0Åよりも厚く、60Å以下とするとよい。   Further, as can be seen from the graph of FIG. 10, the rate of increase in the virtual barrier height with respect to the barrier height when the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52 are not provided is, in particular, the barrier layer 51b, When the film thickness of 52b is 60 mm or less, it tends to be high. Therefore, the film thickness of the barrier layers 51b and 52b is more preferably set to be thicker than 0 mm and 60 mm or smaller.

さらに、図10のグラフからわかるように、障壁層51b、52bの膜厚が25Å以下の場合、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが50%増し(つまり、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さの1.5倍)以上になりやすくなる(つまり、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さの1.5倍)。よって、障壁層51b、52bの膜厚は、より好ましくは、0Åよりも厚く、25Å以下とするとよい。   Further, as can be seen from the graph of FIG. 10, when the barrier layers 51b and 52b have a film thickness of 25 mm or less, a virtual barrier is provided for the barrier height when the MQB structure 51 and the MQB structure 52 are not provided. The height tends to increase by 50% (that is, 1.5 times the barrier height when the MQB structure 51 and the MQB structure 52 are not provided) (that is, the MQB structure 51 and the MQB structure 52 are 1.5 times the barrier height when not provided). Therefore, the thicknesses of the barrier layers 51b and 52b are more preferably set to be greater than 0 mm and 25 mm or less.

また、図10のグラフからわかるように、障壁層51b、52bの膜厚が9Å以上であり、25Å以下の場合、障壁層51b、52bを構成する材料の組成比よらず仮想的な障壁高さが50%増し以上になりやすくなる。よって、第2障壁層の膜厚は、より好ましくは、9Åよりも厚く、25Å以下とするとよい。   As can be seen from the graph of FIG. 10, when the film thickness of the barrier layers 51b and 52b is 9 mm or more and 25 mm or less, the virtual barrier height regardless of the composition ratio of the material constituting the barrier layers 51b and 52b. Tends to increase by more than 50%. Therefore, the thickness of the second barrier layer is more preferably greater than 9 mm and 25 mm or less.

また、図7〜図9のグラフのピークは仮想的な障壁高さが最も高くなりやすい1次ピークである。   Moreover, the peak of the graph of FIGS. 7-9 is a primary peak in which the virtual barrier height tends to become the highest.

次に、図11〜図14を用いて、MQB構造部51及びMQB構造部52における井戸層51a及び井戸層52aの膜厚に関して説明する。なお、ここでは、一例として、MQB構造部51、MQB構造部52及びQW構造部53における障壁層51b、障壁層52b、障壁層53a、障壁層53cにSi、井戸層51a、井戸層52a、井戸層53bにSiGeを採用した。図11〜図13は、SiGeの組成比を変えた場合の障壁層51b、52bの膜厚(Si膜厚)における、障壁高さと井戸層51a、52aの膜厚(SiGe膜厚(SiGe層厚))との関係を示すグラフである。図11はGe=30%の場合、図12はGe=50%の場合、図13はGe=100%の場合のグラフである。また、図11〜図13は、障壁層51b、52bの膜厚を5Å、10Å、20Å、30Å、40Å、50Åとした場合のグラフである。また、図14は、図11〜図13の各グラフにおける包絡線を示すものであり、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さに対する仮想障壁高さの増加率と井戸層51a、52aの膜厚(SiGe膜厚(SiGe層厚))との関係を示すグラフである。なお、図14に記載している古典障壁高さとは、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さ(QW構造部53の障壁層53a、53cの障壁高さ)を示すものである。また、図14は、この古典障壁高さで規格化したものである。   Next, the film thicknesses of the well layer 51a and the well layer 52a in the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52 will be described with reference to FIGS. Here, as an example, the barrier layer 51b, the barrier layer 52b, the barrier layer 53a, and the barrier layer 53c in the MQB structure 51, the MQB structure 52, and the QW structure 53 are Si, the well layer 51a, the well layer 52a, the well SiGe was used for the layer 53b. 11 to 13 show the barrier height and the thickness of the well layers 51a and 52a (SiGe thickness (SiGe layer thickness) in the thickness (Si thickness) of the barrier layers 51b and 52b when the composition ratio of SiGe is changed. It is a graph which shows the relationship with)). 11 is a graph when Ge = 30%, FIG. 12 is a graph when Ge = 50%, and FIG. 13 is a graph when Ge = 100%. 11 to 13 are graphs in the case where the thicknesses of the barrier layers 51b and 52b are 5 mm, 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, and 50 mm. FIG. 14 shows envelopes in the respective graphs of FIGS. 11 to 13, and the increase rate of the virtual barrier height with respect to the barrier height when the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52 are not provided and the wells. It is a graph which shows the relationship with the film thickness (SiGe film thickness (SiGe layer thickness)) of layers 51a and 52a. The classical barrier height described in FIG. 14 indicates the barrier height when the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52 are not provided (the barrier heights of the barrier layers 53a and 53c of the QW structure portion 53). Is. Further, FIG. 14 is normalized by this classical barrier height.

井戸層51a及び井戸層52aに関しては、図14に示すように、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さ(MQB構造部51やMQB構造部52によって仮想的に増加した障壁高さ)が増加する割合は、MQB構造部51やMQB構造部52における井戸層51a、52aの膜厚を200Å以上としても、井戸層51a、52aの膜厚を200Åとした場合よりも高くなりにくいことがわかった。よって、井戸層51a、52aの膜厚は、0Åよりも厚く、200Å以下とすると|TCR|の値が大きくなり温度センサとしての感度が高くなるので好ましい。また、このようにすることによって、必要以上に障壁層52bを厚く形成することを抑制でき、コストアップを抑制することもできる。   Regarding the well layer 51a and the well layer 52a, as shown in FIG. 14, the virtual barrier height (the MQB structure portion 51 and the barrier height when the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52 are not provided) is provided. The rate of increase in the barrier height virtually increased by the MQB structure 52 is such that even if the film thickness of the well layers 51a and 52a in the MQB structure 51 and the MQB structure 52 is 200 mm or more, the well layers 51a and 52a It was found that the film thickness was less likely to be higher than when the film thickness was 200 mm. Therefore, it is preferable that the thickness of the well layers 51a and 52a is larger than 0 mm and less than 200 mm because the value of | TCR | is increased and the sensitivity as the temperature sensor is increased. Moreover, by doing in this way, it can suppress forming the barrier layer 52b thickly more than necessary, and can also suppress a cost increase.

また、図14のグラフからわかるように、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが増加する割合は、特に、井戸層51a、52aの膜厚が100Å以下の場合に高くなる傾向にある。よって、井戸層51a、52aの膜厚は、より好ましくは、0Åよりも厚く、100Å以下とするとよい。   Further, as can be seen from the graph of FIG. 14, the ratio of the increase in the virtual barrier height to the barrier height in the case where the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52 are not provided is, in particular, the well layer 51a, When the film thickness of 52a is 100 mm or less, it tends to be high. Therefore, the thickness of the well layers 51a and 52a is more preferably set to be thicker than 0 mm and 100 mm or smaller.

さらに、図14のグラフからわかるように、井戸層51a、52aの膜厚が36Å以下の場合、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが50%増し以上になりやすくなる。よって、井戸層51a、52aの膜厚は、より好ましくは、0Åよりも厚く、36Å以下とするとよい。   Further, as can be seen from the graph of FIG. 14, when the film thickness of the well layers 51a and 52a is 36 mm or less, a virtual barrier with respect to the barrier height when the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52 are not provided. The height tends to increase by 50% or more. Therefore, the thickness of the well layers 51a and 52a is more preferably set to be thicker than 0 mm and 36 mm or smaller.

また、図14のグラフからわかるように、井戸層51a、52aの膜厚が6Å以上であり、36Å以下の場合、井戸層51a、52aを構成する材料の組成比よらず仮想的な障壁高さが50%増し以上になりやすくなる。よって、井戸層51a、52aの膜厚は、より好ましくは、6Åよりも厚く、36Å以下とするとよい。   Further, as can be seen from the graph of FIG. 14, when the thickness of the well layers 51a and 52a is 6 mm or more and 36 mm or less, the virtual barrier height regardless of the composition ratio of the materials constituting the well layers 51a and 52a. Tends to increase by more than 50%. Therefore, the film thickness of the well layers 51a and 52a is more preferably thicker than 6 mm and not larger than 36 mm.

また、図11〜図14のグラフからわかるように、井戸層51a、52aの膜厚は、仮想的に増加した障壁高さが1次ピークになるときの膜厚とすることによって、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが50%増し以上になりやすくなるので好ましい。さらに、井戸層51a、52aの膜厚は、仮想的に増加した障壁高さが2次ピークになるときの膜厚とすることによっても、MQB構造部51及びMQB構造部52を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが50%増し以上になりやすくなるので好ましい。   Further, as can be seen from the graphs of FIGS. 11 to 14, the thickness of the well layers 51 a and 52 a is set to the thickness at which the virtually increased barrier height becomes the primary peak, so that the MQB structure portion is formed. Since the virtual barrier height tends to increase by 50% or more with respect to the barrier height when the 51 and the MQB structure portion 52 are not provided, it is preferable. Furthermore, the thickness of the well layers 51a and 52a is set to a thickness when the virtually increased barrier height becomes the secondary peak, and the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52 are not provided. The virtual barrier height is preferably increased by 50% or more with respect to the barrier height, which is preferable.

次に、図15、16を用いて、MQB構造部51、MQB構造部52における井戸層51aと障壁層51b、井戸層52aと障壁層52bの繰り返し数に関して説明する。図15は、図2に示すような構造を有し(つまり、QW構造部53の両方にMQB構造部51及びMQB構造部52を備える)、MQB構造部51、MQB構造部52及びQW構造部53における障壁層51b、障壁層52b、障壁層53a、障壁層53cにSi、井戸層51a、井戸層52a、井戸層53bにSiGeを採用したものをモデルとしてシミュレーションした場合の、繰り返し数(n)毎の反射率(井戸層53bと障壁層53a、及び井戸層53bと障壁層53cとの界面における反射率)とエネルギーとの関係をすグラフである。なお、このモデルの構造パラメータ、物性値などは、Ge組成は30%、障壁層51b及び障壁層52bの膜厚は30Å、井戸層51a及び井戸層52aの膜厚は30Å、障壁層51b及び障壁層52bの層数は各5、障壁層53a及び障壁層53cの膜厚は300Å、ホール有効質量は0.257m0(SiGe),0.291m0(Si)である。ただし、m0は電子質量。なお、障壁高さの定義は、反射率が始めて50%未満となるエネルギーとする。また、図16は、このシミュレーション結果に基づく、障壁高さと繰り返し数との関係を示すグラフである。   Next, the number of repetitions of the well layer 51a and the barrier layer 51b and the well layer 52a and the barrier layer 52b in the MQB structure portion 51 and the MQB structure portion 52 will be described with reference to FIGS. FIG. 15 has the structure shown in FIG. 2 (that is, both the MQW structure 51 and the MQB structure 52 are provided in both of the QW structure 53), and the MQB structure 51, MQB structure 52, and QW structure. 53, the number of repetitions (n) when simulation is performed using a model in which the barrier layer 51b, the barrier layer 52b, the barrier layer 53a, and the barrier layer 53c adopt Si and the well layer 51a, the well layer 52a, and the well layer 53b adopt SiGe. It is a graph which shows the relationship between the reflectance (The reflectance in the interface of the well layer 53b and the barrier layer 53a, and the well layer 53b and the barrier layer 53c) and energy for every. The structural parameters, physical properties, etc. of this model are as follows: Ge composition is 30%, barrier layer 51b and barrier layer 52b are 30 mm thick, well layer 51a and well layer 52a are 30 mm thick, barrier layer 51b and barrier layer The number of layers 52b is 5, the thicknesses of the barrier layer 53a and the barrier layer 53c are 300 mm, and the effective hole masses are 0.257 m0 (SiGe) and 0.291 m0 (Si). However, m0 is an electron mass. The definition of the barrier height is the energy at which the reflectance is less than 50% for the first time. FIG. 16 is a graph showing the relationship between the barrier height and the number of repetitions based on this simulation result.

なお、この繰り返し数は、井戸層51aと障壁層51b、又は、井戸層52aと障壁層52bを一組とした場合、何組積層したかを示すものである。なお、ここでは、MQB構造部51とMQB構造部52における繰り返し数は同数とする。つまり、1組の場合(井戸層51aと障壁層51b、及び井戸層52aと障壁層52bだけ積層されている場合)は、繰り返し数は1となる。また、3組の場合(井戸層51aと障壁層51bが3層ずつ交互に積層され、井戸層52aと障壁層52bが3層ずつ交互に積層されている場合)は、繰り返し数は3となる。   This number of repetitions indicates how many layers are stacked when the well layer 51a and the barrier layer 51b or the well layer 52a and the barrier layer 52b are combined. Here, the number of repetitions in MQB structure 51 and MQB structure 52 is the same. That is, in the case of one set (when the well layer 51a and the barrier layer 51b and only the well layer 52a and the barrier layer 52b are stacked), the number of repetitions is one. In the case of three sets (when the well layers 51a and the barrier layers 51b are alternately stacked three by three, and the well layers 52a and the barrier layers 52b are alternately stacked three by three), the number of repetitions is three. .

図15、図16のグラフから分かるように、繰り返し数が3以上の場合は、反射率が初めて50%未満となるエネルギーが350meVとなる。よって、繰り返し数を3以上にすると、仮想的に増加する障壁高さを飽和状態とすることができるので好ましい。換言すると、MQB構造部51では、井戸層51aと障壁層51bの組が3組以上、MQB構造部52では、井戸層52aと障壁層52bの組が3組以上にすると仮想的に増加する障壁高さを飽和状態とすることができるので好ましい。   As can be seen from the graphs of FIGS. 15 and 16, when the number of repetitions is 3 or more, the energy at which the reflectance becomes less than 50% for the first time is 350 meV. Therefore, it is preferable to set the number of repetitions to 3 or more because the virtually increasing barrier height can be saturated. In other words, in the MQB structure portion 51, there are three or more pairs of the well layers 51a and the barrier layers 51b, and in the MQB structure portion 52, the barriers increase virtually when the number of the pairs of the well layers 52a and the barrier layers 52b is three or more. It is preferable because the height can be saturated.

次に、図17、18を用いて、QW構造部53における障壁層53a、障壁層53cの膜厚に関して説明する。図17は、図2に示すような構造を有し(つまり、QW構造部53の両方にMQB構造部51及びMQB構造部52を備える)、MQB構造部51、MQB構造部52及びQW構造部53における障壁層51b、障壁層52b、障壁層53a、障壁層53cにSi、井戸層51a、井戸層52a、井戸層53bにSiGeを採用したものをモデルとしてシミュレーションした場合の、繰り返し数(n)毎の反射率(井戸層53bと障壁層53a、及び井戸層53bと障壁層53cとの界面における反射率)とエネルギーとの関係を示すグラフである。なお、このモデルの構造パラメータ、物性値などは、Ge組成は30%、障壁層51b及び障壁層52bの膜厚は10Å、井戸層51a及び井戸層52aの膜厚は13Å、障壁層51b及び障壁層52bの層数は各5、障壁層53a及び障壁層53cの膜厚は0〜400Å(0Å、50Å、100Å、200Å、300Å、400Å)、ホール有効質量は0.257m0(SiGe),0.291m0(Si)である。また、図18は、図17のグラフの囲った部分の拡大図である。   Next, the thicknesses of the barrier layer 53a and the barrier layer 53c in the QW structure portion 53 will be described with reference to FIGS. 17 has a structure as shown in FIG. 2 (that is, both the QW structure part 53 includes the MQB structure part 51 and the MQB structure part 52), and the MQB structure part 51, the MQB structure part 52, and the QW structure part. 53, the number of repetitions (n) when simulation is performed using a model in which the barrier layer 51b, the barrier layer 52b, the barrier layer 53a, and the barrier layer 53c adopt Si and the well layer 51a, the well layer 52a, and the well layer 53b adopt SiGe. It is a graph which shows the relationship between the reflectance (The reflectance in the interface of the well layer 53b and the barrier layer 53a, and the well layer 53b and the barrier layer 53c) and energy for every. The structural parameters and physical properties of this model are as follows: Ge composition is 30%, barrier layer 51b and barrier layer 52b are 10 mm thick, well layer 51a and well layer 52a are 13 mm thick, barrier layer 51b and barrier The number of layers 52b is 5, the thickness of the barrier layer 53a and the barrier layer 53c is 0 to 400 mm (0 mm, 50 mm, 100 mm, 200 mm, 300 mm, 400 mm), the effective hole mass is 0.257 m0 (SiGe),. 291 m0 (Si). FIG. 18 is an enlarged view of a portion surrounded by the graph of FIG.

図17、18から明らかなように、障壁層53a及び障壁層53cの膜厚が0Å、50Å、100Å、200Åなどの場合は、例えば260meV以下においても反射率が95%より小さくなることがある。一方、障壁層53a及び障壁層53cの膜厚が300Å、400Åの場合は、340meV程度までは反射率が95%以上である。このように、障壁層53a、障壁層53cの膜厚は、300Å以上とすることによって、広いエネルギー範囲(例えば、340meV程度まで)で井戸層53bと障壁層53a、及び井戸層53bと障壁層53cとの界面における反射率(ホールの反射率)を95%以上とでき、QW構造部53における井戸層53bからMQB構造部51及びMQB構造部52へのトンネリングをほぼ完全にストップすることができる。このようにトンネリングをほぼ完全にストップすることができると、トンネリングによる障壁高さの低減を抑制することができ、その結果|TCR|の低下を抑制できるので好ましい。   As is apparent from FIGS. 17 and 18, when the thickness of the barrier layer 53a and the barrier layer 53c is 0 mm, 50 mm, 100 mm, 200 mm, etc., the reflectance may be smaller than 95% even at 260 meV or less, for example. On the other hand, when the thicknesses of the barrier layer 53a and the barrier layer 53c are 300 mm and 400 mm, the reflectance is 95% or more up to about 340 meV. Thus, by setting the film thickness of the barrier layer 53a and the barrier layer 53c to 300 mm or more, the well layer 53b and the barrier layer 53a, and the well layer 53b and the barrier layer 53c can be formed in a wide energy range (for example, up to about 340 meV). Therefore, the tunneling from the well layer 53b to the MQB structure 51 and the MQB structure 52 in the QW structure 53 can be almost completely stopped. Thus, it is preferable that the tunneling can be stopped almost completely, since the reduction of the barrier height due to the tunneling can be suppressed, and as a result, the decrease of | TCR | can be suppressed.

なお、本実施の形態におけるQW構造部53は、障壁層53a、53cに挟まれた一層の井戸層53bからなる単層のQW構造を例として採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、障壁層と井戸層とがそれぞれ複数層重なったMQW構造(Multi Quantum well構造)を採用するようにしてもよい。   The QW structure portion 53 in the present embodiment employs a single-layer QW structure including a single well layer 53b sandwiched between barrier layers 53a and 53c as an example, but the present invention is not limited to this. It is not something. For example, an MQW structure (Multi Quantum well structure) in which a plurality of barrier layers and well layers overlap each other may be employed.

また、本実施の形態においては、複数の井戸層52aと複数の障壁層52bとが複数層重なったMQB構造部51、52を例として採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。複数の障壁層52bと複数の障壁層52bに挟まれた一層の井戸層52aからなる単層のQB構造(Quantum Barrier構造)を採用するようにしてもよい。   In the present embodiment, the MQB structure portions 51 and 52 in which a plurality of well layers 52a and a plurality of barrier layers 52b are overlapped are used as an example, but the present invention is not limited to this. is not. A single-layer QB structure (Quantum Barrier structure) composed of a plurality of barrier layers 52b and a single well layer 52a sandwiched between the plurality of barrier layers 52b may be employed.

また、本実施の形態においては、QW構造部53を挟むように二つのMQB構造部51、52を設ける例を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。二つのMQB構造部51、52のうち少なくとも一方を設ければ本発明の目的は達成できるものである。つまり、MQB構造部は、QW構造部53のSOI基板と対向する対向面側、及び、対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されていれば、本発明の目的は達成できるものである。   In the present embodiment, an example in which two MQB structure portions 51 and 52 are provided so as to sandwich the QW structure portion 53 is employed, but the present invention is not limited to this. The object of the present invention can be achieved if at least one of the two MQB structures 51 and 52 is provided. That is, the object of the present invention can be achieved if the MQB structure portion is formed on at least one of the opposite surface side of the QW structure portion 53 facing the SOI substrate and the opposite surface side of the opposite surface.

また、QB構造は、QW構造部53における障壁層(第1障壁層)53a上に設けられる一層の井戸層52aと、この井戸層52a上に設けられる一層の障壁層52bからなるもの、もしくは、QW構造部53における障壁層(第1障壁層)53c上に設けられる一層の井戸層51aと、この井戸層51a上に設けられる一層の障壁層51bからなるものであってもよい。つまり、MQB構造部51は、井戸層51aと障壁層51bからなる単層のQB構造が複数回繰り返し積層された構造であり、MQB構造部52は、井戸層52aと障壁層52bからなる単層のQB構造が複数回繰り返し積層された構造であっても、本発明の目的は達成できるものである。よって、QW構造部53のSOI基板と対向する対向面側、及び、対向面の反対面側の少なくとも一方に、一層の井戸層52a(井戸層51a)と、この井戸層52a(井戸層51a)上に設けられる一層の障壁層52b(障壁層51b)とが形成されていれば、本発明の目的は達成できるものである。   The QB structure includes a single well layer 52a provided on the barrier layer (first barrier layer) 53a in the QW structure portion 53 and a single barrier layer 52b provided on the well layer 52a, or The QW structure portion 53 may include a single well layer 51a provided on the barrier layer (first barrier layer) 53c and a single barrier layer 51b provided on the well layer 51a. That is, the MQB structure portion 51 is a structure in which a single layer QB structure including a well layer 51a and a barrier layer 51b is repeatedly stacked a plurality of times, and the MQB structure portion 52 is a single layer including a well layer 52a and a barrier layer 52b. The object of the present invention can be achieved even when the QB structure is repeatedly laminated a plurality of times. Therefore, one layer of the well layer 52a (well layer 51a) and the well layer 52a (well layer 51a) are provided on at least one of the opposing surface side facing the SOI substrate of the QW structure portion 53 and the opposite surface side of the opposing surface. The object of the present invention can be achieved if a single barrier layer 52b (barrier layer 51b) is formed.

また、上述のように、井戸層52a、53bを構成する材料として採用したSiGe、障壁層52b、53a、53cを構成する材料として採用したSiは、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)と互換性がある材料である。従って、CMOSを製造している場合などは、製造コストを低く抑えることができる。   Further, as described above, SiGe adopted as a material constituting the well layers 52a, 53b and Si adopted as a material constituting the barrier layers 52b, 53a, 53c are compatible with CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Material. Therefore, when manufacturing a CMOS, the manufacturing cost can be kept low.

ただし、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、井戸層52a、53bを構成する材料としてGaAs、障壁層52b、53a、53cを構成する材料としてAlGaAsを採用するようにしてもよい。図3は、MQB構造部51、52、QW構造部53にSiGe/Si(Ge=35%)を用いた場合の量子井戸の温度依存性を示すグラフである。図4は、MQB構造部51、52、QW構造部53にGaAs/AlGaAs(Al=43%)を用いた場合の量子井戸の温度依存性を示すグラフである。この図3、図4からわかるように、GaAs、AlGaAsを用いることによって、|TCR|の値をより一層大きくすることができるので好ましい。   However, the present invention is not limited to this. For example, GaAs may be adopted as the material constituting the well layers 52a and 53b, and AlGaAs may be adopted as the material constituting the barrier layers 52b, 53a and 53c. FIG. 3 is a graph showing the temperature dependence of the quantum well when SiGe / Si (Ge = 35%) is used for the MQB structure portions 51 and 52 and the QW structure portion 53. FIG. 4 is a graph showing the temperature dependence of the quantum well when GaAs / AlGaAs (Al = 43%) is used for the MQB structure portions 51 and 52 and the QW structure portion 53. As can be seen from FIGS. 3 and 4, it is preferable to use GaAs or AlGaAs because the value of | TCR | can be further increased.

また、QW構造部53の井戸層53bとMQB構造部51、52との間に配置される障壁層53a、53cの膜厚は、井戸層53b、井戸層51a、52a、及び障壁層51b、52bの各層の膜厚よりも厚く形成されるようにしてもよい。このようにすることによって、井戸層53bからMQB51、52への電子のトンネリングを防ぐことができる。   The film thickness of the barrier layers 53a and 53c disposed between the well layer 53b of the QW structure portion 53 and the MQB structure portions 51 and 52 is such that the well layer 53b, the well layers 51a and 52a, and the barrier layers 51b and 52b It may be formed thicker than the film thickness of each layer. By doing so, tunneling of electrons from the well layer 53b to the MQBs 51 and 52 can be prevented.

このような構成の温度センサ100においては、上部から入射した赤外線を赤外線吸収膜90で吸収する。この赤外線の吸収によって、メンブレンの温度が上昇する。2つの電極71、72に直流電圧を与え、検出部50を流れる電流変化で上昇した温度を検出する。   In the temperature sensor 100 having such a configuration, infrared rays incident from above are absorbed by the infrared absorption film 90. This infrared absorption increases the temperature of the membrane. A DC voltage is applied to the two electrodes 71 and 72 to detect the temperature that has risen due to a change in the current flowing through the detection unit 50.

ここで、図19から図24を用いて、温度センサ100の製造方法に関して説明する。   Here, the manufacturing method of the temperature sensor 100 will be described with reference to FIGS.

まず、図19に示すように、シリコン基板(支持基板)10、酸化膜(絶縁膜)20、シリコン層(活性層)31からなるSOI基板を準備する。このSOI基板は、高濃度SOI基板を購入しても良いし、活性層が低濃度のシリコン基板を購入しその活性層に不純物(ボロン等)をドープして高濃度化しても良い。ドープの方法は、例えば、イオン注入→活性化アニールがある。   First, as shown in FIG. 19, an SOI substrate including a silicon substrate (support substrate) 10, an oxide film (insulating film) 20, and a silicon layer (active layer) 31 is prepared. As this SOI substrate, a high concentration SOI substrate may be purchased, or a silicon substrate having a low active layer concentration may be purchased, and the active layer may be doped with an impurity (such as boron) to increase the concentration. The doping method includes, for example, ion implantation → activation annealing.

次に、図20に示すように、検出部50に対応するシリコン層31に達する開口部41を有する熱酸化膜(マスク)40を形成する(マスク形成工程)。換言すると、シリコン層31の表面に形成されるものであり、検出部50及び電極72を形成する位置に、シリコン層31まで達する開口部41を有するマスク40を形成する。具体的には、少なくとも検出部50及び電極72が電気的に接続される部位を残してシリコン層31をパターンニングする。その後、シリコン層31を熱酸化して熱酸化膜40を形成する。そして、その熱酸化膜40をパターンニングして、検出部50を形成する領域に開口部41を形成する。   Next, as shown in FIG. 20, a thermal oxide film (mask) 40 having an opening 41 reaching the silicon layer 31 corresponding to the detection unit 50 is formed (mask formation step). In other words, the mask 40 that is formed on the surface of the silicon layer 31 and has the opening 41 reaching the silicon layer 31 is formed at a position where the detection unit 50 and the electrode 72 are formed. Specifically, the silicon layer 31 is patterned leaving at least a portion where the detection unit 50 and the electrode 72 are electrically connected. Thereafter, the silicon layer 31 is thermally oxidized to form a thermal oxide film 40. Then, the thermal oxide film 40 is patterned to form an opening 41 in a region where the detection unit 50 is to be formed.

次に、図21に示すように、開口部41に対して、検出部50(QW構造部53、MQB構造部51、52)を構成する各層を選択的に成膜(選択エピ成長)する(成膜工程)。つまり、開口部41によって露出したシリコン層31の表面に、検出部50を構成する各層を選択的に成膜する。具体的には、開口部41にて露出したシリコン層31上に、MQB構造部52を構成する井戸層52a、障壁層52bを、この順番でそれぞれ複数層成長させる。つまり、井戸層52aを構成するSiGeやGaAs、障壁層52bを構成するSiやAlGaAs、井戸層52aを構成するSiGeやGaAs、障壁層52bを構成するSiやAlGaAs、井戸層52aを構成するSiGeやGaAs、障壁層52bを構成するSiやAlGaAs、井戸層52aを構成するSiGeやGaAsを、この順番で成長させる。   Next, as shown in FIG. 21, each layer constituting the detection unit 50 (QW structure unit 53, MQB structure unit 51, 52) is selectively deposited (selective epi growth) on the opening 41 (see FIG. 21). Film forming step). That is, each layer constituting the detection unit 50 is selectively formed on the surface of the silicon layer 31 exposed through the opening 41. Specifically, a plurality of well layers 52a and barrier layers 52b constituting the MQB structure 52 are grown on the silicon layer 31 exposed in the opening 41 in this order. That is, SiGe or GaAs constituting the well layer 52a, Si or AlGaAs constituting the barrier layer 52b, SiGe or GaAs constituting the well layer 52a, Si or AlGaAs constituting the barrier layer 52b, SiGe constituting the well layer 52a, GaAs, Si and AlGaAs constituting the barrier layer 52b, and SiGe and GaAs constituting the well layer 52a are grown in this order.

次に、MQB構造部52上に、QW構造部53を構成する障壁層53a、井戸層53b、障壁層53cを、MQB構造部52側からこの順番で成長させる。つまり、障壁層53aを構成するSiやAlGaAs、井戸層53bを構成するSiGeやGaAs、障壁層53cを構成するSiやAlGaAsを、この順番で成長させる。   Next, the barrier layer 53a, the well layer 53b, and the barrier layer 53c constituting the QW structure portion 53 are grown on the MQB structure portion 52 in this order from the MQB structure portion 52 side. That is, Si and AlGaAs constituting the barrier layer 53a, SiGe and GaAs constituting the well layer 53b, and Si and AlGaAs constituting the barrier layer 53c are grown in this order.

そして、QW構造部53上に、MQB構造部51を構成する井戸層51a、障壁層51bを、この順番でそれぞれ複数層成長させる。つまり、井戸層51aを構成するSiGeやGaAs、障壁層51bを構成するSiやAlGaAs、井戸層51aを構成するSiGeやGaAs、障壁層51bを構成するSiやAlGaAs、井戸層51aを構成するSiGeやGaAs、障壁層51bを構成するSiやAlGaAs、井戸層51aを構成するSiGeやGaAsを、この順番で成長させる。   Then, a plurality of well layers 51a and barrier layers 51b constituting the MQB structure portion 51 are grown on the QW structure portion 53 in this order. That is, SiGe or GaAs constituting the well layer 51a, Si or AlGaAs constituting the barrier layer 51b, SiGe or GaAs constituting the well layer 51a, Si or AlGaAs constituting the barrier layer 51b, SiGe constituting the well layer 51a, GaAs, Si and AlGaAs constituting the barrier layer 51b, and SiGe and GaAs constituting the well layer 51a are grown in this order.

このようにすることによって、MQB構造部51、52がない場合に対して|TCR|の値が大きく、感度を向上させることができる温度センサ100を簡易なプロセスで製造することができる。   By doing in this way, the temperature sensor 100 which has a larger value of | TCR | and can improve the sensitivity compared with the case where there is no MQB structure 51, 52 can be manufactured by a simple process.

次に、図22に示すように、検出部50の表面(上面、シリコン層31と対向する面の反対面)に例えばSi(P)のシリコン層32を形成する。そして、図23に示すように、酸化膜60を成膜する。そして、その酸化膜60と熱酸化膜40をパターンニングして、電極71、72を形成するための開口部61、62を形成することによってシリコン層31、シリコン層32を部分的に露出させる。 Next, as shown in FIG. 22, for example, a silicon layer 32 of Si (P + ) is formed on the surface of the detection unit 50 (the upper surface, the surface opposite to the surface facing the silicon layer 31). Then, as shown in FIG. 23, an oxide film 60 is formed. Then, the silicon film 31 and the silicon layer 32 are partially exposed by patterning the oxide film 60 and the thermal oxide film 40 to form openings 61 and 62 for forming the electrodes 71 and 72.

次に、図24に示すように、上述の工程で形成した開口部61、62が形成された酸化膜60上に電極71、72を構成する例えばアルミニウムを成膜する。そして、成膜した電極71、72を構成する材料をパターンニングして、電極71、72を形成する。これによって、電極71、72は、開口部61、62、及び酸化膜60の表面(上面)に形成され、シリコン層31、32に電気的に接続する。その後、酸化膜60の表面(上面)に形成された電極71、72上に窒化膜(SiN)81を成膜して、窒化膜81をパターンニングして電極71、72におけるパッド部を構成するための開口部81a、81bを形成する。さらに、シリコン基板10の裏面を研削・研磨して、窒化膜(PE−SiN)82を成膜する。   Next, as shown in FIG. 24, for example, aluminum constituting the electrodes 71 and 72 is formed on the oxide film 60 in which the openings 61 and 62 formed in the above-described steps are formed. Then, the electrodes 71 and 72 are formed by patterning the material constituting the deposited electrodes 71 and 72. Accordingly, the electrodes 71 and 72 are formed on the openings 61 and 62 and the surface (upper surface) of the oxide film 60 and are electrically connected to the silicon layers 31 and 32. Thereafter, a nitride film (SiN) 81 is formed on the electrodes 71 and 72 formed on the surface (upper surface) of the oxide film 60, and the nitride film 81 is patterned to form pad portions in the electrodes 71 and 72. Openings 81a and 81b are formed. Further, the back surface of the silicon substrate 10 is ground and polished to form a nitride film (PE-SiN) 82.

その後、検出部50がメンブレン上に配置されるようにするために、シリコン基板10及び窒化膜82に開口部11を形成する。具体的には、シリコン基板10の裏面に形成された窒化膜82をパターンニングして、シリコン基板10をウェットエッチングして開口部11を形成する。そして、窒化膜81における検出部50に対応する位置に、カーボンペーストなどからなる赤外線吸収膜90を形成する。   Thereafter, the opening 11 is formed in the silicon substrate 10 and the nitride film 82 so that the detection unit 50 is disposed on the membrane. Specifically, the nitride film 82 formed on the back surface of the silicon substrate 10 is patterned, and the silicon substrate 10 is wet-etched to form the opening 11. Then, an infrared absorption film 90 made of carbon paste or the like is formed at a position corresponding to the detection unit 50 in the nitride film 81.

(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態について説明する。本実施の形態における温度センサ200は、上述の実施の形態における温度センサ100と同等な箇所が多いため、本実施の形態においては、上述の実施の形態との相違点を中心的に説明する。また、上述の実施の形態と同等な箇所に関しては、図面において同じ符号を付与して詳しい説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. Since the temperature sensor 200 in the present embodiment has many parts that are equivalent to the temperature sensor 100 in the above-described embodiment, in the present embodiment, differences from the above-described embodiment will be mainly described. Further, portions equivalent to those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals in the drawings, and detailed description thereof is omitted.

図25に示されるように、本実施の形態における温度センサ100は、基板(例えば、シリコン基板であり、以下、シリコン基板とも称する)10aをベースに形成されている。このシリコン基板10aの表面には、真空の空洞部60a1が形成されている。また、シリコン基板10a上には、メンブレンを構成するものであり、空洞部60a1を形成するためのエッチング用の開口部33a、33bを有するシリコン層33が酸化膜60aを介して形成されている。   As shown in FIG. 25, temperature sensor 100 in the present embodiment is formed based on a substrate 10a (for example, a silicon substrate, hereinafter also referred to as a silicon substrate). A vacuum cavity 60a1 is formed on the surface of the silicon substrate 10a. Further, on the silicon substrate 10a, a silicon layer 33 which constitutes a membrane and has etching openings 33a and 33b for forming the cavity 60a1 is formed via the oxide film 60a.

また、シリコン層33上には、空洞部60a1を封止するための例えばSiGeからなるエピタキシャル層が形成されている。つまり、空洞部60a1は、エピシール技術によって形成される。ここで用いているエピシールとはエピタキシャル反応容器を使用したシールすなわち封止のことである。なお、エピタキシャル層は、SiGe(N)層34a、SiGe(P)層34b、SiGe(N)層34cからなるものである。SiGe(P)層34bは、検出部50、電極72が接続される部分であり、SiGe(N)層に部分的にボロンをイオン注入するなどして形成されている。そして、空洞部60a1上には、シリコン層33、SiGe(P)層34bを介して検出部50が形成されている。 On the silicon layer 33, an epitaxial layer made of, for example, SiGe for sealing the cavity 60a1 is formed. That is, the cavity 60a1 is formed by an episeal technique. The epi-seal used here is a seal using an epitaxial reaction vessel, that is, sealing. The epitaxial layer includes a SiGe (N) layer 34a, a SiGe (P + ) layer 34b, and a SiGe (N) layer 34c. The SiGe (P + ) layer 34b is a portion to which the detection unit 50 and the electrode 72 are connected, and is formed by, for example, partially implanting boron ions into the SiGe (N) layer. And the detection part 50 is formed on the cavity part 60a1 through the silicon layer 33 and the SiGe (P + ) layer 34b.

このように、検出部50が形成されるシリコン層33(メンブレン)とシリコン基板33との間に、エピタキシャル層(SiGe(N)層34a、SiGe(P)層34b、SiGe(N)層34c)によって封止された真空の空洞部60a1を備えることによって、シリコン層33下部が真空になるため熱コンダクタンスを下げることができ、感度を向上させることができる。 As described above, the epitaxial layer (SiGe (N) layer 34a, SiGe (P + ) layer 34b, SiGe (N) layer 34c is provided between the silicon layer 33 (membrane) on which the detection unit 50 is formed and the silicon substrate 33. ), The lower part of the silicon layer 33 becomes a vacuum, so that the thermal conductance can be lowered and the sensitivity can be improved.

ここで、図26から図31を用いて、温度センサ200の製造方法に関して説明する。   Here, a manufacturing method of the temperature sensor 200 will be described with reference to FIGS.

まず、図26に示すように、シリコン基板(支持基板)10a、酸化膜(絶縁膜)60a、例えばSi(P)からなるシリコン層(活性層)33からなるSOI基板を準備する。このSOI基板は、高濃度SOI基板を購入しても良いし、活性層が低濃度のシリコン基板を購入しその活性層に不純物(ボロン等)をドープして高濃度化しても良い。ドープの方法は、例えば、イオン注入→活性化アニールがある。そして、シリコン層33をパターンニングして、空洞部60a1をエッチングで形成するための酸化膜60aに達する開口部33a、33bを形成する(開口部形成工程)。 First, as shown in FIG. 26, a silicon substrate (support substrate) 10a, an oxide film (insulating film) 60a, for example, an SOI substrate made of a silicon layer (active layer) 33 made of Si (P + ) is prepared. As this SOI substrate, a high concentration SOI substrate may be purchased, or a silicon substrate having a low active layer concentration may be purchased, and the active layer may be doped with an impurity (such as boron) to increase the concentration. The doping method includes, for example, ion implantation → activation annealing. Then, the silicon layer 33 is patterned to form openings 33a and 33b reaching the oxide film 60a for forming the cavity 60a1 by etching (opening forming step).

次に、図27に示すように、酸化膜60を部分的(検出部50に対応する領域)に、フッ酸を用いて、開口部33a、33bから犠牲層エッチングを行ない、空洞部60a1となる空間を形成する(エッチング工程)。つまり、検出部50が真空の空洞部60a1上に配置されるように、検出部50を形成する位置に対応する領域に空間を形成する。   Next, as shown in FIG. 27, sacrificial layer etching is performed from the openings 33 a and 33 b by partially using the hydrofluoric acid in the oxide film 60 (region corresponding to the detection unit 50) to form the cavity 60 a 1. A space is formed (etching process). That is, a space is formed in a region corresponding to a position where the detection unit 50 is formed so that the detection unit 50 is disposed on the vacuum cavity 60a1.

次に、図28に示すように、エッチング工程終了後に、シリコン層33上にエピタキシャル層(ここでは、SiGe(N)層)34を成膜して開口部33a、33bを塞ぐことによって、エッチングされた領域(空間)を真空封止する(封止工程)。このようにして、真空の空洞部60a1を形成する。   Next, as shown in FIG. 28, after the etching process is completed, an epitaxial layer (here, SiGe (N) layer) 34 is formed on the silicon layer 33 to close the openings 33a and 33b. The region (space) is vacuum-sealed (sealing step). In this way, a vacuum cavity 60a1 is formed.

次に、図29に示すように、エピタキシャル層であるSiGe(N)層における検出部50、電極72が接続される部分に、ボロンをイオン注入するなどしてSiGe(P)層34bを形成する。これによって、エピタキシャル層は、SiGe(N)層34a、SiGe(P)層34b、SiGe(N)層34cとなる。そして、SiGe(N)層34a、SiGe(N)層34cをパターンニングする。例えば、空洞部60a1上にのみに、SiGe(N)層34a、SiGe(P)層34b、SiGe(N)層34cが配置され、少なくとも検出部50及び電極72が電気的に接続される部位を残してパターンニングする。 Next, as shown in FIG. 29, a SiGe (P + ) layer 34b is formed by ion-implanting boron into a portion where the detection unit 50 and the electrode 72 in the SiGe (N) layer that is an epitaxial layer are connected. To do. As a result, the epitaxial layers become the SiGe (N) layer 34a, the SiGe (P + ) layer 34b, and the SiGe (N) layer 34c. Then, the SiGe (N) layer 34a and the SiGe (N) layer 34c are patterned. For example, the SiGe (N) layer 34a, the SiGe (P + ) layer 34b, and the SiGe (N) layer 34c are disposed only on the cavity 60a1, and at least the detection unit 50 and the electrode 72 are electrically connected to each other. Leave the pattern.

その後、シリコン層33とSiGe(N)層34a、SiGe(P)層34b、SiGe(N)層34cとを熱酸化して熱酸化膜(マスク)40を形成し、検出部50を形成する領域にSiGe(P)層34bに達する開口部41を形成する(マスク形成工程)。 Thereafter, the silicon layer 33, the SiGe (N) layer 34a, the SiGe (P + ) layer 34b, and the SiGe (N) layer 34c are thermally oxidized to form a thermal oxide film (mask) 40, and the detection unit 50 is formed. An opening 41 reaching the SiGe (P + ) layer 34b is formed in the region (mask formation process).

次に、図30に示すように、開口部41に対して、検出部50(QW構造部53、MQB構造部51、52)を構成する各層を選択的に成膜(選択エピ成長)する(成膜工程)。そして、検出部50の表面(上面、シリコン層31と対向する面の反対面)に例えばSi(P)のシリコン層32を形成する。なお、この成膜工程に関しては、上述の実施の形態と同等であるため詳しい説明は省略する。 Next, as shown in FIG. 30, each layer constituting the detection unit 50 (QW structure unit 53, MQB structure unit 51, 52) is selectively deposited (selective epi growth) on the opening 41 (see FIG. 30). Film forming step). Then, a silicon layer 32 of, for example, Si (P + ) is formed on the surface of the detection unit 50 (upper surface, the surface opposite to the surface facing the silicon layer 31). Since this film forming step is the same as that in the above-described embodiment, detailed description is omitted.

次に、図31に示すように、酸化膜60bを成膜する。そして、その酸化膜60と熱酸化膜40をパターンニングして、電極71、72を形成するための開口部61、62を形成することによってSiGe(P)層34b、シリコン層32を部分的に露出させる。次に、上述の工程で形成した開口部61、62が形成された酸化膜60上に電極71、72を構成する例えばアルミニウムを成膜する。そして、成膜した電極71、72を構成する材料をパターンニングして、電極71、72を形成する。これによって、電極71、72は、開口部61、62、及び酸化膜60の表面(上面)に形成され、SiGe(P)層34b、シリコン層32に電気的に接続する。その後、酸化膜60の表面(上面)に形成された電極71、72上に窒化膜(SiN)81を成膜して、窒化膜81をパターンニングして電極71、72におけるパッド部を構成するための開口部81a、81bを形成する。その後、窒化膜81における検出部50に対応する位置に、カーボンペーストなどからなる赤外線吸収膜90を形成する。 Next, as shown in FIG. 31, an oxide film 60b is formed. Then, the oxide film 60 and the thermal oxide film 40 are patterned to form openings 61 and 62 for forming the electrodes 71 and 72, whereby the SiGe (P + ) layer 34b and the silicon layer 32 are partially formed. To expose. Next, for example, aluminum constituting the electrodes 71 and 72 is formed on the oxide film 60 in which the openings 61 and 62 formed in the above-described steps are formed. Then, the electrodes 71 and 72 are formed by patterning the material constituting the deposited electrodes 71 and 72. As a result, the electrodes 71 and 72 are formed on the openings 61 and 62 and the surface (upper surface) of the oxide film 60 and are electrically connected to the SiGe (P + ) layer 34 b and the silicon layer 32. Thereafter, a nitride film (SiN) 81 is formed on the electrodes 71 and 72 formed on the surface (upper surface) of the oxide film 60, and the nitride film 81 is patterned to form pad portions in the electrodes 71 and 72. Openings 81a and 81b are formed. Thereafter, an infrared absorption film 90 made of carbon paste or the like is formed at a position corresponding to the detection unit 50 in the nitride film 81.

このようにすることによって、検出部50をエピタキシャル層上に形成できると共に、検出部の下部に真空となる空間(空洞部)を構成することができるため、熱コンダクタンスを下げることができ、温度センサの感度を向上させることができる。   By doing so, the detection unit 50 can be formed on the epitaxial layer, and a space (cavity) that becomes a vacuum can be formed below the detection unit. Therefore, the thermal conductance can be lowered, and the temperature sensor The sensitivity can be improved.

10,10a シリコン基板、11 開口部、20 酸化膜、31,32,33 シリコン層、33a,33b 開口部、34 SiGe層、40 熱酸化膜、41 開口部、50 検出部、51,52 MQB構造部、53 QW構造部、53a 障壁層、53b 井戸層、53c 障壁層、60,60a,60 酸化膜、60a1 空洞部、61,62,61a,62a 開口部、71,72 電極、81 窒化膜、81a,81b 開口部、82 窒化膜、90 赤外線吸収膜、100,200 温度センサ 10, 10a Silicon substrate, 11 opening, 20 oxide film, 31, 32, 33 silicon layer, 33a, 33b opening, 34 SiGe layer, 40 thermal oxide film, 41 opening, 50 detector, 51, 52 MQB structure Part, 53 QW structure part, 53a barrier layer, 53b well layer, 53c barrier layer, 60, 60a, 60 oxide film, 60a1 cavity part, 61, 62, 61a, 62a opening part, 71, 72 electrode, 81 nitride film, 81a, 81b opening, 82 nitride film, 90 infrared absorption film, 100, 200 temperature sensor

Claims (24)

基板に形成された検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサであって、
前記検出部は、
前記基板に形成されるものであり、複数の第1障壁層と複数の前記第1障壁層に挟まれた第1井戸層とを含む量子井戸構造部と、
前記量子井戸構造部の前記基板と対向する対向面側、及び、当該対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、複数の第2井戸層と複数の前記第2井戸層に挟まれた第2障壁層とを有する量子障壁構造部と、
を備えることを特徴とする温度センサ。
A temperature sensor that detects a change in current due to a change in temperature of a detection unit formed on a substrate,
The detector is
A quantum well structure formed on the substrate and including a plurality of first barrier layers and a first well layer sandwiched between the plurality of first barrier layers;
The quantum well structure portion is formed on at least one of an opposing surface side facing the substrate and an opposite surface side of the opposing surface, and includes a plurality of second well layers and a plurality of second well layers. A quantum barrier structure having a sandwiched second barrier layer;
A temperature sensor comprising:
基板に形成された検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサであって、
前記検出部は、
前記基板に形成されるものであり、複数の第1障壁層と複数の前記第1障壁層に挟まれた第1井戸層とを含む量子井戸構造部と、
前記量子井戸構造部の前記基板と対向する対向面側、及び、当該対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、前記第1障壁層上に設けられる第2井戸層と当該第2井戸層上に設けられる第2障壁層とを有する量子障壁構造部と、
を備えることを特徴とする温度センサ。
A temperature sensor that detects a change in current due to a change in temperature of a detection unit formed on a substrate,
The detector is
A quantum well structure formed on the substrate and including a plurality of first barrier layers and a first well layer sandwiched between the plurality of first barrier layers;
A second well layer provided on the first barrier layer; and a second well layer formed on at least one of a facing surface side of the quantum well structure portion facing the substrate and a surface opposite to the facing surface. A quantum barrier structure having a second barrier layer provided on the second well layer;
A temperature sensor comprising:
前記量子障壁構造部は、複数の前記第2井戸層と複数の前記第2障壁層とが複数層重なった構造を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の温度センサ。   3. The temperature sensor according to claim 1, wherein the quantum barrier structure has a structure in which a plurality of the second well layers and a plurality of the second barrier layers overlap each other. 前記量子障壁構造部は、前記第2井戸層と前記第2障壁層との組が、3組以上設けられることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の温度センサ。   4. The temperature sensor according to claim 1, wherein the quantum barrier structure portion includes three or more pairs of the second well layer and the second barrier layer. 5. 前記第1井戸層と前記量子障壁構造部との間に配置される前記第1障壁層の膜厚は、前記第1井戸層、前記第2井戸層、及び第2障壁層の膜厚よりも厚く形成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の温度センサ。   The film thickness of the first barrier layer disposed between the first well layer and the quantum barrier structure is larger than the film thicknesses of the first well layer, the second well layer, and the second barrier layer. 5. The temperature sensor according to claim 1, wherein the temperature sensor is formed thick. 前記量子井戸構造部及び前記量子障壁構造部は、前記基板に形成されたメンブレン上に形成されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の温度センサ。   The temperature sensor according to claim 1, wherein the quantum well structure portion and the quantum barrier structure portion are formed on a membrane formed on the substrate. 前記メンブレンと前記基板との間には、エピタキシャル層によって封止された真空の空洞部を備えることを特徴とする請求項6に記載の温度センサ。   The temperature sensor according to claim 6, further comprising a vacuum cavity sealed by an epitaxial layer between the membrane and the substrate. 前記第1井戸層及び前記第2井戸層はSiGeで構成され、前記第1障壁層及び前記第2障壁層はSiで構成されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の温度センサ。   The first well layer and the second well layer are made of SiGe, and the first barrier layer and the second barrier layer are made of Si. The temperature sensor described. 前記第1井戸層及び前記第2井戸層はGaAsで構成され、前記第1障壁層及び前記第2障壁層はAlGaAsで構成されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の温度センサ。   The first well layer and the second well layer are made of GaAs, and the first barrier layer and the second barrier layer are made of AlGaAs. The temperature sensor described. 赤外線の検出に適用されることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の温度センサ。   The temperature sensor according to claim 1, wherein the temperature sensor is applied to infrared detection. 前記第2障壁層の膜厚は、0Åよりも厚く、100Å以下であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載の温度センサ。   11. The temperature sensor according to claim 1, wherein the thickness of the second barrier layer is greater than 0 mm and equal to or less than 100 mm. 前記第2障壁層の膜厚は、60Å以下であることを特徴とする請求項11に記載の温度センサ。   The temperature sensor according to claim 11, wherein the thickness of the second barrier layer is 60 mm or less. 前記第2障壁層の膜厚は、25Å以下であることを特徴とする請求項12に記載の温度センサ。   The temperature sensor according to claim 12, wherein the thickness of the second barrier layer is 25 mm or less. 前記第2障壁層の膜厚は、9Å以上であり、25Å以下であることを特徴とする請求項13に記載の温度センサ。   The temperature sensor according to claim 13, wherein the thickness of the second barrier layer is 9 mm or more and 25 mm or less. 前記第2障壁層の膜厚は仮想的に増加した第1障壁層の障壁高さが1次ピークになるときの膜厚であることを特徴とする請求項11に記載の温度センサ。   The temperature sensor according to claim 11, wherein the film thickness of the second barrier layer is a film thickness when the barrier height of the first barrier layer increased virtually reaches a primary peak. 前記第2井戸層の膜厚は、0Åよりも厚く、200Å以下であることを特徴とする請求項1乃至15のいずれか一項に記載の温度センサ。   The temperature sensor according to any one of claims 1 to 15, wherein the thickness of the second well layer is greater than 0 mm and equal to or less than 200 mm. 前記第2井戸層の膜厚は、100Å以下であることを特徴とする請求項14に記載の温度センサ。   The temperature sensor according to claim 14, wherein the thickness of the second well layer is 100mm or less. 前記第2井戸層の膜厚は、36Å以下であることを特徴とする請求項15に記載の温度センサ。   The temperature sensor according to claim 15, wherein the thickness of the second well layer is 36 mm or less. 前記第2井戸層の膜厚は、6Å以上であり、36Å以下であることを特徴とする請求項18に記載の温度センサ。   The temperature sensor according to claim 18, wherein the thickness of the second well layer is 6 mm or more and 36 mm or less. 前記第2井戸層の膜厚は、仮想的に増加した第1障壁層の障壁高さが1次ピークになるときの膜厚であることを特徴とする請求項17に記載の温度センサ。   18. The temperature sensor according to claim 17, wherein the thickness of the second well layer is a thickness when the virtually increased barrier height of the first barrier layer becomes a primary peak. 前記第2井戸層の膜厚は、仮想的に増加した第1障壁層の障壁高さが2次ピークになるときの膜厚とすることを特徴とする請求項17に記載の温度センサ。   18. The temperature sensor according to claim 17, wherein the thickness of the second well layer is a thickness at which the virtually increased barrier height of the first barrier layer becomes a secondary peak. 前記第1障壁層の膜厚は、300Å以上とすることを特徴とする請求項1乃至21のいずれか一項に記載の温度センサ。   The temperature sensor according to any one of claims 1 to 21, wherein the film thickness of the first barrier layer is 300 mm or more. 支持基板上に絶縁膜を介してSiからなる活性層を有するSOI基板と、前記SOI基板に形成されるものであり、複数の第1障壁層と複数の前記第1障壁層に挟まれた第1井戸層とを含む量子井戸構造部と、前記量子井戸構造部の前記SOI基板と対向する対向面側、及び、当該対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、複数の第2井戸層と複数の前記第2井戸層に挟まれた第2障壁層とを有する量子障壁構造部とを有する検出部とを備え、前記検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサの製造方法であって、
前記検出部に対応する前記活性層に達する開口部を有するマスクを形成するマスク形成工程と、
前記開口部に対して、前記検出部を構成する各層を選択的に成膜する成膜工程と、
を備えることを特徴とする温度センサの製造方法。
An SOI substrate having an active layer made of Si on an insulating film on a support substrate, and a first substrate sandwiched between a plurality of first barrier layers and a plurality of first barrier layers. A quantum well structure portion including one well layer, a facing surface side of the quantum well structure portion facing the SOI substrate, and at least one of a surface opposite to the facing surface, A temperature detection unit including a detection unit having a quantum barrier structure having a second well layer and a second barrier layer sandwiched between the plurality of second well layers, and detecting a current change due to a change in temperature of the detection unit. A method for manufacturing a sensor, comprising:
A mask forming step of forming a mask having an opening reaching the active layer corresponding to the detection unit;
A film forming step of selectively forming each layer constituting the detection unit with respect to the opening;
A method for manufacturing a temperature sensor, comprising:
支持基板上に絶縁膜を介してSiからなる活性層を有するSOI基板と、前記SOI基板に形成されるものであり、複数の第1障壁層と複数の前記第1障壁層に挟まれた第1井戸層とを含む量子井戸構造部と、前記量子井戸構造部の前記SOI基板と対向する対向面側、及び、当該対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、複数の第2井戸層と複数の前記第2井戸層に挟まれた第2障壁層とを有する量子障壁構造部とを有する検出部とを備え、前記検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサの製造方法であって、
前記活性層に前記絶縁膜に達する開口部を形成する開口部形成工程と、
前記絶縁膜における前記検出部に対応する領域を前記開口部からエッチングするエッチング工程と、
前記エッチング工程終了後に、前記活性層上にエピタキシャル層を成膜して前記開口部を塞ぐことによって、エッチングされた領域を封止する封止工程と、
前記エピタキシャル層上に前記検出部を構成する各層を成膜する成膜工程と、
を備えることを特徴とする温度センサの製造方法。
An SOI substrate having an active layer made of Si on an insulating film on a support substrate, and a first substrate sandwiched between a plurality of first barrier layers and a plurality of first barrier layers. A quantum well structure portion including one well layer, a facing surface side of the quantum well structure portion facing the SOI substrate, and at least one of a surface opposite to the facing surface, A temperature detection unit including a detection unit having a quantum barrier structure having a second well layer and a second barrier layer sandwiched between the plurality of second well layers, and detecting a current change due to a change in temperature of the detection unit. A method for manufacturing a sensor, comprising:
An opening forming step of forming an opening reaching the insulating film in the active layer;
An etching step of etching a region corresponding to the detection portion in the insulating film from the opening;
A sealing step of sealing the etched region by forming an epitaxial layer on the active layer and closing the opening after completion of the etching step;
A film forming step of forming each layer constituting the detection unit on the epitaxial layer;
A method for manufacturing a temperature sensor, comprising:
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