JP6035921B2

JP6035921B2 - 光検出器およびその製造方法

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Publication number: JP6035921B2
Application number: JP2012154625A
Authority: JP
Inventors: 哲也宮武
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: JP2014017403A

Description

本発明は、光検出器と、光検出器の製造方法に関する。

量子井戸型の赤外線検出器では、量子井戸内のキャリアが入射赤外光のエネルギーを吸収し、量子井戸内の基底準位から励起準位へサブバンド間遷移が起きる。これを利用して入射赤外光を検出することができる。一般的に、活性層（量子井戸層）を上部電極層と下部電極層で挟む構造となっており、上部電極層と下部電極層の間に電圧を印加することによって動作させる。

量子井戸の基底準位のキャリアは、入射光の積層方向の電界成分と相互作用してサブバンド間遷移を起こすため、赤外線検出器に垂直に入射した赤外光は吸収されない。垂直入射した赤外光から積層方向の電界成分を発生させるために、量子井戸型赤外線検出器の表面に、光結合構造（グレーティングカプラなど）を配置する。

１つの波長域に感度を有する量子井戸型赤外線検出器では、その光結合構造を、感知される波長に対して最適化すればよい。

異なる２つの波長域に感度を有する量子井戸型赤外線検出器が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。２波長の赤外線検出器では、共通電極層を間に挟んで、各波長域に対応する活性層を積層し、２つの活性層の上部と下部に上部電極層と下部電極層を配置する。上部電極層と共通電極層の間に電圧を印加して、上部の活性層を動作させる。下部電極層と共通電極層の間に電圧を印加して、下部の活性層を動作させる。

特開２０００−３２３７４４号公報

２つの異なる波長域の光を検出する場合、各活性層に対して最適化された光結合構造が望まれる。しかし、光結合構造の回折効率は光の波長に大きく依存するため、両方の波長域に対して最適化された光結合構造を素子表面に形成することは困難である。

そこで、２以上の波長を検出する光検出器において、それぞれの波長に対して良好な感度を有する光検出器を提供することを課題とする。

ひとつの観点では、光検出器は、
支持基板と、
前記支持基板上に形成される第１電極層と、
前記第１電極層上に形成され、第１の波長の光を吸収する第１光吸収層と、
前記第１光吸収層上に形成され、前記第１の波長の光に対して屈折率の異なる２種類の材料を交互に積層した多層反射膜を有する第２電極層と、
前記第２電極層上に形成され、第２の波長の光を吸収する第２光吸収層と、
前記第２光吸収層上に形成される第３電極層と、
を備える。

２以上の波長を検出する光検出器において、それぞれの波長域に対する感度を向上することができる。

実施例１の光検出器の原理を説明するための図である。実施例１の光検出器の素子構造を示す図である。実施例１の光検出器の製造工程図である。実施例１の光検出器の製造工程図である。実施例１の光検出器の製造工程図である。実施例１の光検出器の製造工程図である。実施例１の光検出器の製造工程図である。実施例１の光検出器の製造工程図である。実施例１の光検出器の効果を示す図である。実施例２の光検出器の原理を説明するための図である。共通電極内の屈折率周期構造の形成方法を示す図である。

以下で、図面を参照して発明の実施形態を説明する。実施形態では、光検出器として、異なる２以上の波長域に感度を有する赤外線検出器を提示する。一例として、積層方向に電界成分を持つ赤外線を吸収する量子井戸型の赤外線検出器（ＱＷＩＰ：Quantum Well Infrared Photodetector）において、各波長域に対して最適化された光結合構造を有する光検出器の構造と製造方法を説明する。

図１は、実施例１の光検出器の原理を説明するための図である。複数の光検出器１０Ａ〜１０Ｃ（適宜、「光検出器１０」と総称する）が支持基板３１上に配置されてイメージセンサ１を形成する。各光検出器１０は、第１の波長域の光を吸収する第１活性層（光吸収層）１１と、第２の波長域の光を吸収する第２活性層（光吸収層）１２を有し、２つの波長域の入射光を検出する。

図１の例では、支持基板３１上に下部電極層２１、第１活性層１１、共通電極層２３、第２活性層１２、上部電極層２５がこの順に積層されている。第１活性層１１は、たとえば中波長（たとえば３〜５μｍ）の赤外光ＭＷを吸収する。第２活性層１２は長波長（たとえば７．８〜１０μｍ）の赤外光ＬＷを吸収する。

上部電極層２５の表面に、金属膜２６で被覆されたグレーティングカプラ２９が形成されている。グレーティングカプラ２９は、長波長の赤外光ＬＷを反射するように、格子間隔と格子サイズなどが設定されている。

共通電極層２３は、中波長の光に対して屈折率の異なる２種類の層を交互に配置した積層構造を有する。この積層構造は、中波長赤外光ＭＷを反射回折するように、各層の組成や膜厚が選択されている。屈折率の異なる層を交互に配置することで、屈折率が周期的に変化する多層反射膜（光結合構造）２３ａとして機能させる。

赤外線検出器の場合、垂直に入射する赤外光は積層方向への電界成分を有しないため、活性層で吸収されない。そこで、光結合構造を設けることによって、被検出光に活性層の積層方向の電界成分を生じさせる。

支持基板３１から光検出器１０ｂに垂直入射した長波長赤外光ＬＷは、共通電極層２３を透過し、グレーティングカプラ２９で積層方向と異なる方向に反射される。反射光は、積層方向の電界成分を有し、第２活性層１２で吸収される。他方、支持基板３１から光検出器１０ｂに垂直入射した中波長赤外光ＭＷは、共通電極層２３で、第１活性層１１へと反射回折される。共通電極層２３からの反射光は積層方向の電界成分を有し、中波長赤外光ＭＷは第１活性層１１で吸収される。

多層反射膜２３ａを有する共通電極層２３を設けることにより、第２活性層１２への中波長赤外光ＭＷの進入を防止し、中波長赤外光ＭＷが第２活性層１２を往復することによる減衰を抑制することができる。この構成により、異なる波長域の光を対応する活性層１１、１２で高効率に吸収することができる。

なお、図１の模式図では、下部電極層２１上に複数の積層構造が形成されているが、下部電極層２１を支持基板３１まで掘り下げて、光検出器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを電気的に分離してもよい。

図２は、実施例１の赤外線検出器１０の概略構成図である。支持基板３１上に、下部電極層２１、下部活性層１１、周期的な屈折率変化構造の共通電極層２３、上部活性層１２、上部電極層２５、グレーティングカプラ２９が、この順に積層されている。下部活性層１１は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し、第１の波長域の光、たとえば波長が３〜５μｍの赤外光を吸収する。上部活性層１２は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し、第２の波長域の光、たとえば７．８〜１０μｍの波長の赤外光を吸収する。共通電極層２３は、第２の波長域の光に対して透明であるが、第１の波長の光を反射回折する。

赤外線検出器１０は、その側面及び上面に絶縁性の保護膜３２を有する。赤外線検出器１０の側面は、隣接する赤外線検出器との間を電気的に分離する画素分離溝の内壁に相当する。保護膜３２の一部に、共通電極層２３に連絡するコンタクトホール４２が形成されている。共通電極層２３は、引き出し配線３４を介して、バンプ電極３６ａと電気的に接続されている。また、保護膜３２に形成されたコンタクトホール４３により、引き出し配線３５を介して、下部電極層２１とバンプ電極３６ｂが電気的に接続されている。さらにコンタクトホール４４によって、上部電極層２５とバンプ電極３６ｃが電気的に接続されている。

電極３６ａと３６ｃに電圧を印加することで、上部活性層１２を動作させる。電極３６ａと３６ｂに電圧を印加することで、下部活性層１１を動作させる。

図３〜図８は、図２の赤外線検出器１０の製造工程図である。

図３において、半導体層の積層構造を形成する。具体的には、アンドープの半絶縁性ＧａＡｓ（i-GaAs）基板３１上に、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）または有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤにより、下部電極層２１、下部活性層１１、共通電極層２３、上部活性層１２、上部電極層２４、グレーティングカプラ層２８をこの順に形成する。

下部電極層２１として、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のＳｉをドーピングしたｎ−ＧａＡｓ層を１．５μｍの膜厚に成長する。支持基板３１と下部電極層２１の間に、ＧａＡｓバッファ層（不図示）を介してストッパ層（不図示）を挿入してもよい。

下部活性層１１は、この例では、ＡｌＧａＡｓ層と、ＧａＡｓ層と、ＳｉをドープしたＩｎＡｓＧａ層の積層（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）を１０〜５０周期繰り返して成長したものである。各層の膜厚とＩｎの組成、及びＡｌの組成は、感度波長（たとえば、５μｍの中波長）に応じて、最適に設計されている。ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層をＡｌＧａＡｓバリア層で挟み込むことによってキャリアの閉じ込めを行う。下部活性層１１の膜厚は、たとえば１．５μｍである。

共通電極層２３は、下部活性層１１の感度ピーク波長（５μｍ）に対して屈折率の異なる２種類の材料ＧａＡｓ、ＡｌＡｓを用いる。ＧａＡｓとＡｌＡｓを、ドーピングしながらそれぞれλ／４の膜厚（ＧａＡｓは０．４μｍ、ＡｌＡｓは０．４５μｍ）に成長し、これを１０〜３０周期繰り返す。

上部活性層１２は、この例では、ＡｌＧａＡｓ層と、ＳｉをドープしたＡｓＧａ層の積層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）を１０〜５０周期繰り返して１．５μｍの膜厚に成長したものである。ＡｌＧａＡｓ層の膜厚とＡｌの組成、及びＡｓＧａ層の膜厚は、感度波長（たとえば、８〜１０μｍの長波長）に応じて、最適に設計されている。ＧａＡｓ量子井戸層をＡｌＧａＡｓバリア層で挟み込むことによってキャリアの閉じ込めを行う。

上部電極層２５として、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のＳｉをドーピングしたｎ−ＧａＡｓ層を０．１〜０．５μｍの膜厚に成長する。

グレーティングカプラ層２８は、たとえばアンドープのＧａＡｓ層である。上記構成において、下部電極層２１上、共通電極層２３上、上部電極層２５上に、それぞれエッチングストッパ層（不図示）を挿入してもよい。

図４において、グレーティングカプラ層２８を加工して、上部活性層１２に対して最適化したグレーティングカプラ２９を形成する。具体的には、フォトリソグラフィーにより図示しないレジストパターンを形成し、ドライエッチング又はウェットエッチングによりグレーティングカプラ２９の格子パターンを形成する。上部電極層２５とグレーティングカプラ層２８の間にエッチングストッパ層（不図示）が挿入されている場合はエッチングの制御が容易になる。

格子パターンの形成後、光をデバイス内部に効率よく反射させるために格子表面に金属膜（たとえばＡｕ）２６を形成する。金属膜２６は、真空蒸着法、真空スパッタ法など、一般的な方法で形成される。グレーティングカプラ２９は、金属膜２６を含めたグレーティング全体が所定のデューティーとなるように、凸部と凹部の間隔が設計されている。

図５において、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより、画素分離するための深溝を形成する。各画素の下部電極層２１の形状に対応する形状のレジストマスク（不図示）を形成し、画素（デバイス）表面から半絶縁性基板３１まで掘り下げる。レジストマスクを除去し、別のレジストマスクを形成して、各画素の一部をドライエッチングまたはウェットエッチングにより、デバイス表面から共通電極層２３まで掘り下げる。使用したレジストマスクを除去してさらに別のレジストマスクを形成し、各画素の一部を、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより、デバイス表面から下部電極層２１まで掘り下げる。これにより、図５のような画素の断面形状が得られる。

図６において、全面に絶縁性の保護膜３２を形成する。保護膜３２は、たとえばシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）である。各電極層と電気的コンタクトをとるために、保護巻く３２の所定の箇所にコンタクトホール４２、４３、４４を形成する。コンタクトホール４２は、共通電極層２３の一部を露出する。コンタクトホール４３は、下部電極層２１の一部を露出する。コンタクトホール４４は、上部電極層２５の一部を露出する。コンタクトホール４２、４３、４４の形成は、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよい。

図７において、保護膜３２上に、共通電極層２３からデバイス上面まで引き出し配線３４を形成する。同様に、保護膜３２上に、下部電極層２１からデバイス上面まで引き出し線３５を形成する。引き出し線３４、３５は、共通電極層２３、下部電極層２１にそれぞれオーミック接触し、半導体に対して接触抵抗の低い材料で形成される。一例として、Ａｕ／Ｔｉ、Ａｕ／ＡｕＮｉＡｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉなど、適切な材料を選択することができる。

図８において、下部電極層２１、共通電極層２３、上部電極層２５と電気的に接続するバンプ電極３６ｂ、３６ａ、３６ｃを形成する。バンプ電極３６ａ〜３６ｃはたとえばＩｎ電極である。これにより、光検出器１０が得られる。

バンプ電極３６ａと３６ｂにより共通電極層２３と下部電極層２１の間に適切なバイアス電圧が印加された状態で、下部活性層１１の量子井戸構造に応じた波長（たとえば５μｍの波長）の光が入射すると、量子井戸内のキャリアが励起され、光吸収が起きる。励起されたキャリアの走行による光電流を検出することで、特定波長の入射光を検出することができる。

バンプ電極３６ａと３６ｃにより共通電極層２３と上部電極層２５の間に適切なバイアス電圧が印加された状態で、上部活性層１２の量子井戸構造に応じた波長（たとえば９μｍの波長）の光が入射すると、量子井戸内のキャリアが励起され、光吸収が起きる。励起されたキャリアの走行による光電流を検出することで、別の波長の入射光を検出することができる。

図９は、実施例１の構成の効果を示す図である。共通電極層２３を、ＧａＡｓ（０．４μｍ）／ＡｌＡｓ（０．４５μｍ）を１周期として１０周期で構成し、支持基板３１側から波長５μｍの光を入射したときの、素子内部における光の電界強度分布の計算結果である。

下部活性層１１に対応する波長５μｍの光は、上部活性層（ＬＷ−ＭＱＷ）１２と比較して、下部活性層（ＭＷ−ＭＱＷ）１１の内部に集中していることがわかる。この計算例では、上部活性層１２に侵入する波長５μｍの電界強度を１／３に低減できる。これは、波長５μｍの光を下部活性層１１で高効率に検出できることを意味する。

実施例１では、長波長赤外光（ＬＷ）を吸収する層を上部活性層１２、中波長赤外光（ＭＷ）を吸収する層を下部活性層１１として配置したが、逆であってもよい。逆にした場合は、グレーティングカプラ２９を中波長赤外光に対して最適化するように格子パターンを設計し、共通電極層２３の屈折率周期構造を、長波長赤外光に対して最大の反射回折を与えるように材料、組成、膜厚、周期を設計する。

実施例１では２つの異なる波長の入射光を検出する構成としたが、３以上の波長の光の検出器に適用することも可能である。この場合、３つの活性層を共通電極を間に挟んで積層し、各共通電極を、対応する波長の光に適合する屈折率周期構成を有するように形成すればよい。

図１０は、実施例２の光検出器２０の原理を説明するための図である。複数の光検出器２０Ａ〜２０Ｃ（適宜、「光検出器２０」と総称する）が支持基板３１上に配置されてイメージセンサ２を形成する。光検出器２０は、下部電極層２１、第１活性層（下部活性層）１１、共通電極層５３、第２活性層（上部活性層）１２、上部電極層２５、グレーティングカプラ２９を有する。実施例１と同様に、第１活性層１１は、第１の波長域の光を吸収し、第２活性層１２は、第２の波長域の光を吸収する。

共通電極層５３は、多層反射膜２３ａと、多層反射膜２３ａに形成された屈折率周期構造３９を有する。この構成によって、下部活性層１１への回折効率がさらに向上する。

図１１は、屈折率周期構造３９の形成方法を示す図である。実施例１と同様に、図３〜図５の工程により、支持基板３１上に、下部電極層２１、下部活性層１１、多層反射膜２３ａ、上部活性層１２、上部電極層２５、金属膜２６が形成されたグレーティングカプラ２９の積層構造を作製し、積層構造を所定の断面形状に加工する。その後、全面に絶縁性の保護膜３２を形成する。

この状態で、多層反射膜２３ａにフェムト秒レーザ光Ｌを照射して、一部分をアモルファス化することにより、基板３１と平行な方向に屈折率が周期的に変化する屈折率周期構造３９を形成する。屈折率周期構造３９が形成された多層反射膜２３ａは、共通電極層５３として機能するとともに、下部活性層１１への光結合部として機能する。

フェムト秒レーザ加工は、超短パルスを用いた加工方法であり、焦点位置のみを加工することができる。多層反射膜２３ａの屈折率周期構造３９を形成したい部分に焦点を合わせてレーザを走査する。

フェムト秒レーザが照射された領域は、結晶がアモルファス化して屈折率が変化する。フェムト秒レーザの照射を周期的に行うことで、屈折率周期構造３９を形成することができる。レーザパワーが強すぎると、共通電極層５３の内部にボイド（空孔）が形成される場合があるので、共通電極層５３の材料をアモルファス化するのに適したレベルにレーザパワーを設定する。一例として、５μｍに感度ピークを有する共通電極層５３（λ／４の膜厚のＧａＡｓとＡｌＡｓを繰り返し積層）に屈折率周期構造３９を形成する場合、波長８００ｎｍのフェムト秒レーザを用い、レーザパワー０．１〜１ｍＷ、パルス幅１００ｆｓ以下で加工する。

屈折率周期構造３９が形成された後、図６〜図８のように保護膜３２の所定の箇所にコンタクトホール４２、４３、４４を形成して、共通電極層５３、下部電極層２１、上部電極層２５と電気的なコンタクトをとる。

実施例２の構成では、下部活性層１１と上部活性層１２のそれぞれに対して最適化された光結合構造を配置することにより、２つの異なる波長域の光を効率的に検出することができる。

３つ以上の波長域の光を検出する場合は、それぞれの波長の光を吸収する量子井戸構造の活性層の間に多層反射膜の共通電極層を挟んで積層し、フェムト秒レーザの焦点をそれぞれの共通電極層に合わせて照射する。フェムト秒レーザを走査して周期的に照射することで、各共通電極層に検出波長に応じた屈折率周期構造を形成することができる。

実施例１、２では、量子井戸型の赤外線検出器の例を説明したが、本発明はたとえば量子ドットを用いた赤外線検出器にも適用することができる。この場合は、活性層を構成する多重量子井戸（ＭＱＷ）を量子ドット層とバッファ層を繰り返し形成する。たとえば、ＡｌＧａＡｓあるいはＧａＡｓのバッファ層と、ＩｎＡｓあるいはＩｎＧａＡｓの量子ドット層を１０〜５０周期積層する。共通電極を多層反射膜、あるいは屈折率周期構造が形成された多層反射膜で構成することにより、実施例１，２の量子井戸型赤外線検出器と同等の効果が得られる。

実施例１の光検出器１０、又は実施例２の光検出器２０を基板上に多数配置することでイメージセンサを形成することができる。

光情報通信、医療の分野、非接触測定、生体検知、イメージセンサ等、広い分野にわたって適用することができる。

１、２イメージセンサ
１０、２０赤外線検出器（光検出器）
１１第１活性層（第１光吸収層）
１２第２活性層（第２光吸収層）
２１下部電極層（第１電極層）
２３、５３共通電極層
２３ａ多層反射膜
２５上部電極層（第３電極層）
２９グレーティングカプラ
３９屈折率周期構造

Claims

支持基板と、
前記支持基板上に形成される第１電極層と、
前記第１電極層上に形成され、第１の波長の光を吸収する第１光吸収層と、
前記第１光吸収層上に形成され、前記第１の波長の光に対して屈折率の異なる２種類の材料を交互に積層した多層反射膜を有する第２電極層と、
前記第２電極層上に、前記多層反射膜の上面と接して形成され、第２の波長の光を吸収する第２光吸収層と、
前記第２光吸収層上に形成される第３電極層と、
を備えた光検出器。
支持基板と、
前記支持基板上に形成される第１電極層と、
前記第１電極層上に形成され、第１の波長の光を吸収する第１光吸収層と、
前記第１光吸収層上に形成され、前記第１の波長の光に対して屈折率の異なる２種類の材料を交互に積層した多層反射膜を有する第２電極層と、
前記第２電極層上に形成され、第２の波長の光を吸収する第２光吸収層と、
前記第２光吸収層上に形成される第３電極層と、
を備え、
前記第２電極層は、前記多層反射膜に形成された屈折率が前記支持基板と平行な方向に周期的に変化する屈折率周期構造を有することを特徴とする光検出器。
前記第２電極層の前記多層反射膜は、前記２種類の材料のそれぞれが前記第１の波長の１／４の膜厚で配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出器。
前記第２光吸収層上に配置され、前記第２の波長の光を反射、回折する光結合部、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出器。
前記支持基板上に、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光検出器を複数配置したイメージセンサ。
支持基板上に、第１電極層、第１の波長の光を吸収する第１光吸収層、第２電極層、第２の波長の光を吸収する第２光吸収層、及び第３電極層をこの順で積層し、
前記積層を所定の形状に加工した後、全体を保護膜で被覆し、
前記第１電極層と電気的に接続する第１外部電極、前記第２電極層と電気的に接続する第２外部電極、及び前記第３電極層と電気的に接続する第３外部電極を形成する
工程を含み、
前記第２電極層の形成は、前記第１の波長の光に対して屈折率の異なる２種類の材料を、不純物をドープしながら交互に積層して多層反射膜を形成する工程を含み、
前記第２光吸収層を、前記第２電極層上に、前記多層反射膜の上面に接して形成する
ことを特徴とする光検出器の製造方法。
支持基板上に、第１電極層、第１の波長の光を吸収する第１光吸収層、第２電極層、第２の波長の光を吸収する第２光吸収層、及び第３電極層をこの順で積層し、
前記積層を所定の形状に加工した後、全体を保護膜で被覆し、
前記第１電極層と電気的に接続する第１外部電極、前記第２電極層と電気的に接続する第２外部電極、及び前記第３電極層と電気的に接続する第３外部電極を形成する
工程を含み、
前記第２電極層の形成は、前記第１の波長の光に対して屈折率の異なる２種類の材料を、不純物をドープしながら交互に積層して多層反射膜を形成する工程を含み、
前記保護膜の形成後に、前記多層反射膜にフェムト秒レーザを照射して、前記多層反射膜の一部を周期的にアモルファス化する工程、
をさらに含むことを特徴とする光検出器の製造方法。