JP2017228628A - Infrared device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an infrared device capable of controlling at least either one of ingoing radiation of infrared ray from the plane direction relative to a composite substrate and outgoing radiation of infrared ray in the plane direction relative to the composite substrate without using a peripheral member.SOLUTION: An infrared device 1 includes: a first layer 111 which is formed from a first material and whose thickness is 0.1 μm to 100 μm inclusive; a composite substrate 11 having a second layer 113 formed from a second material whose refraction factor relative to infrared ray of 5 μm wavelength is lower than that of the first material; and at least one photoelectric conversion part 10 formed on the first layer 111 and having a semiconductor lamination part 13.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、赤外線を受光および発光の少なくとも一方を行う赤外線デバイスに関する。   The present invention relates to an infrared device that receives and / or emits infrared light.

赤外線デバイスのうち、受光した赤外線に応じた信号を出力する赤外線受光デバイスは、光通信分野、省エネルギー分野あるいはガスセンサ等の環境分野において用いられるようになってきている。   Among infrared devices, an infrared light receiving device that outputs a signal corresponding to received infrared light has been used in the optical communication field, the energy saving field, or the environmental field such as a gas sensor.

また、赤外線デバイスのうち、赤外線を発光する赤外線発光デバイスは、注入された電流によって発光する発光ダイオードの形態での開発が進められている。   Among infrared devices, an infrared light emitting device that emits infrared light has been developed in the form of a light emitting diode that emits light by an injected current.

特開平９−６１２３３号公報JP 9-61233 A 特開平６−２１５０７号公報JP-A-6-21507 特開平９−２３１８０６号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-231806

従来の赤外線デバイスでは、複合基板に対して垂直方向（便宜的に縦方向とも称する）から入射される赤外線の制御や、複合基板に対して縦方向に出射する赤外線の制御に着目して開発が進められている。しかし、従来の赤外線デバイスでは、複合基板に対して平面方向（便宜的に横方向とも称する）から入射する赤外線や、複合基板に対して横方向に出射する赤外線の制御はあまり着目されていないのが実情である。   Conventional infrared devices have been developed with a focus on control of infrared rays incident on the composite substrate from the vertical direction (also referred to as longitudinal direction for convenience) and control of infrared rays emitted in the vertical direction on the composite substrate. It is being advanced. However, in conventional infrared devices, control of infrared rays that are incident on the composite substrate from a plane direction (also referred to as a lateral direction for convenience) and infrared rays that are emitted laterally with respect to the composite substrate has not received much attention. Is the actual situation.

例えば特許文献１には、視野角を制御するための周辺部材として開口部を有するコールドシールドが開示されているが、横方向から到来する赤外線を受光部に入射させることは困難である。特許文献２には、発光した赤外線のうち、本来意図した出射方向とは逆の方向に発光した赤外線を意図した出射方向に出射させるための周辺部材として反射層を設ける技術が開示されている。しかし、特許文献２に開示された技術では、横方向に広がっていく赤外線には着目されていない。特許文献３には、赤外線を広い面積において均一に照射するために、周辺部材として拡散板を設ける技術が開示されている。この技術は、縦方向に出射した赤外線を横方向に広げるための技術であるが、周辺部材を必要とするため、赤外線デバイスの大型化が避けられない。また、特許文献３に開示された技術では、もともと横方向に出射した赤外線には着目されていない。   For example, Patent Document 1 discloses a cold shield having an opening as a peripheral member for controlling the viewing angle. However, it is difficult to cause infrared light coming from the lateral direction to enter the light receiving unit. Patent Document 2 discloses a technique in which a reflective layer is provided as a peripheral member for emitting an emitted infrared ray in a direction opposite to an originally intended emission direction among emitted infrared rays in an intended emission direction. However, in the technique disclosed in Patent Document 2, attention is not paid to infrared rays spreading in the lateral direction. Patent Document 3 discloses a technique of providing a diffusion plate as a peripheral member in order to uniformly irradiate infrared rays over a wide area. This technique is a technique for spreading infrared rays emitted in the vertical direction in the horizontal direction. However, since a peripheral member is required, an increase in the size of the infrared device is inevitable. Moreover, in the technique disclosed in Patent Document 3, attention is not paid to the infrared rays originally emitted in the lateral direction.

本発明は、周辺部材を用いることなく複合基板に対して平面方向からの赤外線の入射および複合基板に対して平面方向への赤外線の出射の少なくとも一方を制御することが可能な赤外線デバイスを提供することを目的とする。   The present invention provides an infrared device capable of controlling at least one of incidence of infrared rays from a planar direction on a composite substrate and emission of infrared rays from the planar direction on the composite substrate without using a peripheral member. For the purpose.

本発明の一態様による赤外線デバイスは、第１の材料で形成されて厚みが０．１μｍ以上１００μｍ以下の第１の層、および波長５μｍの赤外線に対する屈折率が第１の材料よりも小さい第２の材料で形成された第２の層を有する複合基板と、前記第１の層上に形成されて半導体積層部を有する少なくとも１つの光電変換部と、を備えることを特徴とする。   An infrared device according to one embodiment of the present invention includes a first layer formed of a first material and having a thickness of 0.1 μm or more and 100 μm or less, and a second refractive index smaller than that of the first material for infrared rays having a wavelength of 5 μm. And a composite substrate having a second layer formed of the above material and at least one photoelectric conversion portion formed on the first layer and having a semiconductor stacked portion.

本発明の一態様による赤外線デバイスによれば、周辺部材を用いることなく複合基板に対して平面方向からの赤外線の入射および複合基板に対して平面方向への赤外線の出射を制御することが可能になる。   According to the infrared device of one embodiment of the present invention, it is possible to control the incidence of infrared rays from the plane direction on the composite substrate and the emission of infrared rays from the plane direction to the composite substrate without using a peripheral member. Become.

本実施形態の第１構成例に係る赤外線デバイスの断面の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the cross section of the infrared device which concerns on the 1st structural example of this embodiment. 本実施形態の第２構成例に係る赤外線デバイスの断面の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the cross section of the infrared device which concerns on the 2nd structural example of this embodiment. 本実施形態の第３構成例に係る赤外線デバイスの断面の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the cross section of the infrared device which concerns on the 3rd structural example of this embodiment. 本実施形態の第４構成例に係る赤外線デバイスの断面の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the cross section of the infrared device which concerns on the 4th structural example of this embodiment. 本実施形態の第５構成例に係る赤外線デバイスの動作を説明するための断面の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the cross section for demonstrating operation | movement of the infrared device which concerns on the 5th structural example of this embodiment. 参考例としての赤外線デバイスの断面の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the cross section of the infrared device as a reference example.

以下、実施形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。   The present invention will be described below through embodiments, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the present invention.

＜赤外線デバイス＞
本発明の実施形態による赤外線デバイスは、第１の材料で形成されて厚みが０．１μｍ以上１００μｍ以下の第１の層、および波長５μｍの赤外線に対する屈折率が第１の材料よりも小さい第２の材料で形成された第２の層を有する複合基板と、第１の層上に形成された半導体積層部を有する少なくとも１つの光電変換部と、を備える。 <Infrared device>
An infrared device according to an embodiment of the present invention includes a first layer formed of a first material and having a thickness of 0.1 μm or more and 100 μm or less, and a second refractive index smaller than that of the first material for infrared rays having a wavelength of 5 μm. And a composite substrate having a second layer formed of the above material, and at least one photoelectric conversion portion having a semiconductor stacked portion formed on the first layer.

本実施形態による赤外線デバイスは、第１の材料で形成されて厚みが０．１μｍ以上１００μｍ以下の第１の層、および波長５μｍの赤外線に対する屈折率が第１の材料よりも小さい第２の材料で形成された第２の層を有する複合基板を用いることにより、複合基板に対して平面方向から入射した赤外線を効率的に光電変換部に到達させることが可能になる。また、本実施形態による赤外線デバイスは、このような複合基板を用いることにより、光電変換部から複合基板に対して平面方向に出射した赤外線を効率的に外部に出射することが可能になる。   The infrared device according to the present embodiment is formed of a first material, a first layer having a thickness of 0.1 μm or more and 100 μm or less, and a second material having a refractive index with respect to infrared rays having a wavelength of 5 μm smaller than that of the first material. By using the composite substrate having the second layer formed in (1), it is possible to efficiently cause the infrared rays incident on the composite substrate from the planar direction to reach the photoelectric conversion unit. Further, the infrared device according to the present embodiment can efficiently emit the infrared rays emitted from the photoelectric conversion unit to the composite substrate in the plane direction by using such a composite substrate.

ここで、「複合基板に対して平面方向」とは、複合基板の平面を基準にして４５度以下の角度の範囲の方向を意味する。   Here, the “plane direction with respect to the composite substrate” means a direction in an angle range of 45 degrees or less with respect to the plane of the composite substrate.

また、屈折率は、各々の大小関係が定まれば特に制限されず、実際に５μmの赤外線を適当な角度で透過させたときに進行する光線の挙動から求めてもよいし、各層の材料の屈折率の絶対値から求めてもよい。   Further, the refractive index is not particularly limited as long as the magnitude relationship is determined, and may be obtained from the behavior of the light beam that actually travels when 5 μm of infrared light is transmitted at an appropriate angle. You may obtain | require from the absolute value of a refractive index.

＜複合基板＞
複合基板は、第１の材料で形成されて厚みが０．１μｍ以上１００μｍ以下の第１の層と、波長５μｍの赤外線に対する屈折率が第１の材料よりも小さい第２の材料で形成された第２の層とを有していれば特に制限されない。第１の層の厚みが０．１μｍ以上１００μｍ以下であることにより、光電変換部へ入射した赤外線や、光電変換部から放出された赤外線の吸収が抑えられ、赤外線デバイスの性能向上が実現できる。赤外線の吸収を抑制することや、横方向に進行する赤外線を制御する観点から、光電変換部が形成される領域と光電変換部が形成されていない領域で、第１の層の厚みが異なっていても良い。 <Composite substrate>
The composite substrate is formed of a first material and is formed of a first layer having a thickness of 0.1 μm or more and 100 μm or less and a second material having a refractive index with respect to infrared rays having a wavelength of 5 μm smaller than that of the first material. If it has a 2nd layer, it will not restrict | limit in particular. When the thickness of the first layer is 0.1 μm or more and 100 μm or less, absorption of infrared rays incident on the photoelectric conversion unit and infrared rays emitted from the photoelectric conversion unit is suppressed, and the performance of the infrared device can be improved. From the viewpoint of suppressing the absorption of infrared rays and controlling the infrared rays traveling in the lateral direction, the thickness of the first layer is different between the region where the photoelectric conversion portion is formed and the region where the photoelectric conversion portion is not formed. May be.

第１の層は光電変換部と接する層である。詳細は後述するが、光電変換部は、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法、または、接着法を用いて形成することが出来る。光電変換部と第１の層との界面を高い品質にする観点から、ＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法は好ましい場合がある。光電変換部をＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法で形成する場合、光電変換部の結晶性を向上させる観点から、第１の材料は単結晶であってもよく、具体的にはＳｉ単結晶（屈折率約３．４）またはＧａＡｓ単結晶（屈折率約３．３）であってもよい。   The first layer is a layer in contact with the photoelectric conversion unit. Although details will be described later, the photoelectric conversion portion can be formed by using a molecular beam epitaxy (MBE) method, a metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) method, or an adhesion method. . The MBE method or the MOCVD method may be preferable from the viewpoint of improving the quality of the interface between the photoelectric conversion portion and the first layer. When the photoelectric conversion part is formed by MBE method or MOCVD method, from the viewpoint of improving the crystallinity of the photoelectric conversion part, the first material may be a single crystal, specifically, a Si single crystal (with a refractive index of about 3.4) or a GaAs single crystal (refractive index of about 3.3).

第２の材料は、第１の材料よりも屈折率が小さい材料である。第２の層の具体的な形成材料としては、ＳｉＯ２（屈折率は約１．４）やＡｌ２Ｏ３（屈折率は約１．７）などが挙げられる。複数の光電変換部を有する赤外線デバイスの場合、第１の層をエッチングすることで複合基板側の各々の光電変換部の電気的絶縁性を向上させる観点から、第２の層は絶縁性であってもよい。 The second material is a material having a refractive index smaller than that of the first material. Specific examples of the material for forming the second layer include SiO 2 (having a refractive index of about 1.4) and Al 2 O 3 (having a refractive index of about 1.7). In the case of an infrared device having a plurality of photoelectric conversion units, the second layer is insulative from the viewpoint of improving the electrical insulation of each photoelectric conversion unit on the composite substrate side by etching the first layer. May be.

特に制限はされないが、電気的絶縁性及び光学的な透過率を確保する観点から、第１の材料は、抵抗率が１０ｋΩ・ｃｍ以上１ＧΩ・ｃｍ以下の絶縁材料であってもよい。複合基板に対して平行方向の赤外線を制御する観点から、光電変換部が形成されている側の複合基板の表面において第１の層の一部が露出していてもよい。すなわち、複合基板に対して平行方向の赤外線を制御する観点から、複合基板の第１の層の表面のうち、光電変換部が形成されていない表面の少なくとも一部が固体で覆われていなくてもよい。   Although not particularly limited, from the viewpoint of ensuring electrical insulation and optical transmittance, the first material may be an insulating material having a resistivity of 10 kΩ · cm to 1 GΩ · cm. From the viewpoint of controlling infrared rays parallel to the composite substrate, a part of the first layer may be exposed on the surface of the composite substrate on which the photoelectric conversion unit is formed. That is, from the viewpoint of controlling the infrared rays parallel to the composite substrate, at least a part of the surface of the first layer of the composite substrate where the photoelectric conversion unit is not formed is not covered with a solid. Also good.

複合基板は、必要に応じて第１の層が存在しない側の面上に第３の材料で形成された第３の層をさらに有していてもよい。この場合、第３の層の厚みは、複合基板の強度を保つ観点から、５０μｍ以上１０００μｍ以下であってもよい。第３の材料としては、Ｓｉ、ガラスあるいはＧａＡｓなどが挙げられる。第３の材料がＳｉの場合、大口径のウエハーが一般的に使われるが、加工時のハンドリングの観点から、加工の段階では第３の層の厚みを５００μｍ以上８００μｍ以下としておき、加工工程の途中に、デバイスの最終厚みになるように薄くしても良い。また、加工の段階では第３の層を厚く（例えば８００μｍ）しておき、一部の工程を通ってから、加工の途中で研摩等によって第３の層を薄型化しても良い。   The composite substrate may further include a third layer formed of a third material on the surface on which the first layer does not exist, if necessary. In this case, the thickness of the third layer may be not less than 50 μm and not more than 1000 μm from the viewpoint of maintaining the strength of the composite substrate. Examples of the third material include Si, glass, and GaAs. When the third material is Si, a large-diameter wafer is generally used. From the viewpoint of handling at the time of processing, the thickness of the third layer is set to 500 μm or more and 800 μm or less at the processing stage. You may make it thin so that it may become the final thickness of a device in the middle. In addition, the third layer may be thickened (for example, 800 μm) at the stage of processing, and the third layer may be thinned by polishing or the like in the middle of processing after passing through some processes.

第３の層を有さない場合、複合基板の強度を保つ観点から、第１の層の厚みが、第２の層の厚みよりも薄くてもよい。一例としては、第２の層として十分な厚みを有するサファイア（Ａｌ２Ｏ３）上に第１の層としてシリコンが形成されたＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板が挙げられる。 When not having the third layer, the thickness of the first layer may be smaller than the thickness of the second layer from the viewpoint of maintaining the strength of the composite substrate. As an example, an SOS (Silicon on sapphire) substrate in which silicon is formed as the first layer on sapphire (Al 2 O 3 ) having a sufficient thickness as the second layer can be given.

複合基板の他の一例としては、第２の層としての絶縁層（例えばＳｉＯ２）の上に第１の層としてシリコンが形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であっても良い。ＳＯＩ基板の中で、ＳｉＯ２を絶縁層にした基板もあれば、γアルミナを絶縁層にした基板もある。ＳｉＯ２を絶縁層にしたＳＯＩ基板である場合、大口径が実現され、一般的なＬＳＩの製造に利用でき、高品質な複合基板が実現できる。第１の層は、高品質の結晶性が要求されると共に、前述のように、ターゲット波長帯に於いて、高い透過率を持つ必要がある。また、第３の層を有する場合は、第２の層と第３の層との界面が急峻であると好ましい場合がある。ＳＯＩ基板の製造方法としては、ＳＩＭＯＸ（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｘｉｇｅｎ）や貼り合わせ法（例えばｓｍａｒｔ ｃｕｔ ｐｒｏｃｅｓｓ）が挙げられる。第３の層を有するＳＯＩ基板の場合、第２の層と第３の層との界面を急峻にするため、貼り合わせ法を用いて造られるＳＯＩ複合基板であってもよい。 As another example of the composite substrate, an SOI (Silicon On Insulator) substrate in which silicon is formed as a first layer on an insulating layer (for example, SiO 2 ) as a second layer may be used. Among SOI substrates, some substrates have SiO 2 as an insulating layer, and others have γ alumina as an insulating layer. In the case of an SOI substrate having SiO 2 as an insulating layer, a large diameter is realized, which can be used for general LSI manufacturing, and a high-quality composite substrate can be realized. The first layer is required to have high quality crystallinity, and has a high transmittance in the target wavelength band as described above. In the case where the third layer is included, it may be preferable that the interface between the second layer and the third layer is steep. As a method for manufacturing an SOI substrate, there is a SIMOX (separation by imprint of oxygen) or a bonding method (for example, smart cut process). In the case of an SOI substrate having a third layer, an SOI composite substrate manufactured using a bonding method may be used in order to sharpen the interface between the second layer and the third layer.

＜光電変換部＞
光電変換部は、入射した赤外線に応じた電気信号を出力する又は入射した赤外線に応じた抵抗変化を示す受光部であってもよいし、注入された注入電流によって赤外線を発光する発光部であってもよい。本実施形態の赤外線デバイスは、受光部および発光部の少なくとも一方を備えていれば特に制限されない。発光部で生成される赤外線をモニタリングする観点や、受光部の温度特性を抑制する観点から、受光部および発光部の両方を備えていてもよい。受光部および発光部は、同じ積層構造を有し、且つ、同じ材料で形成されていてもよい。受光部および発光部の両方を備えている場合、発光部で生成される赤外線のモニタリング精度や温度特性の抑制精度を向上させる観点から、材料のうち第１の層に接する受光部および発光部の材料の波長５μmの赤外線に対する屈折率は、第１の材料の屈折率に対する比が０．８以上１．２以下であってよく、０．９以上１．１５以下であってもよい。 <Photoelectric conversion unit>
The photoelectric conversion unit may be a light receiving unit that outputs an electrical signal corresponding to incident infrared light or exhibits a resistance change according to incident infrared light, or is a light emitting unit that emits infrared light by an injected injection current. May be. The infrared device of the present embodiment is not particularly limited as long as it includes at least one of a light receiving unit and a light emitting unit. You may provide both the light-receiving part and the light-emitting part from a viewpoint which monitors the infrared rays produced | generated in a light-emitting part, or a viewpoint which suppresses the temperature characteristic of a light-receiving part. The light receiving part and the light emitting part may have the same laminated structure and may be formed of the same material. When both the light receiving unit and the light emitting unit are provided, from the viewpoint of improving the accuracy of monitoring infrared rays generated by the light emitting unit and the accuracy of suppressing the temperature characteristics, the light receiving unit and the light emitting unit in contact with the first layer of the material are used. As for the refractive index of the material with respect to infrared rays having a wavelength of 5 μm, the ratio of the first material to the refractive index may be 0.8 or more and 1.2 or less, or 0.9 or more and 1.15 or less.

また、複合基板に対して平面方向からの赤外線の入射および複合基板に対して平面方向への赤外線の出射の少なくとも一方を制御する観点から、第１の層に接する光電変換部の層材料の波長５μmの赤外線に対する屈折率が、第１の材料の屈折率よりも大くてもよい場合がある。   In addition, the wavelength of the layer material of the photoelectric conversion portion in contact with the first layer from the viewpoint of controlling at least one of the incidence of infrared rays from the planar direction to the composite substrate and the emission of infrared rays from the planar direction to the composite substrate In some cases, the refractive index for infrared rays of 5 μm may be larger than the refractive index of the first material.

受光部の種類としては熱型の光電変換部であってもよいし、量子型の光電変換部であってもよい。量子型の光電変換部の一例としては、光起電力型（具体的にはフォトダイオード等）や光導電型（具体的にはフォトコンダクター等）やフォトトランジスター等が挙げられる。異なる型の光電変換部を有していてもよい。また、光電変換部は、感度および発光効率が高められるという観点から、単結晶の半導体材料から形成されていてもよい。光電変換部が半導体材料から形成されている場合、光電変換部の構成として、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層を有する積層部を含むｐｎ接合を有する構成や、ｎ型半導体層およびp型半導体層の間にｉ型半導体層をさらに含むｐｉｎ接合を有する構成が挙げられる。光電変換部が半導体材料を有している場合、光電変換部は、ＩＩＩ族またはＶ族の元素から形成されてもよい。具体的な例としては１μｍから１２μｍ波長帯の赤外線を吸収または放出する光電変換部であっても良い。具体的な材料としてはＩｎＳｂ（屈折率は約４）、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＳｂおよびＩｎＡｓＳｂなどが挙げられる。これらの材料を利用した光電変換部は、発光波長帯及び受光波長帯を数μｍから十数μｍまで設定することができ、非分散型赤外線（Ｎｏｎ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ＩｎｆｒａＲｅｄ：ＮＤＩＲ）方式を使ったガスセンサに応用できる。   The type of the light receiving unit may be a thermal photoelectric conversion unit or a quantum photoelectric conversion unit. Examples of the quantum photoelectric conversion unit include a photovoltaic type (specifically, a photodiode), a photoconductive type (specifically, a photoconductor), a phototransistor, and the like. You may have a photoelectric conversion part of a different type. In addition, the photoelectric conversion unit may be formed of a single crystal semiconductor material from the viewpoint of improving sensitivity and light emission efficiency. When the photoelectric conversion part is formed of a semiconductor material, the structure of the photoelectric conversion part includes a structure having a pn junction including a stacked part having an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, and a p-type semiconductor. The structure which has a pin junction which further contains an i-type semiconductor layer between layers is mentioned. When the photoelectric conversion unit includes a semiconductor material, the photoelectric conversion unit may be formed of a group III or group V element. As a specific example, a photoelectric conversion unit that absorbs or emits infrared rays having a wavelength band of 1 μm to 12 μm may be used. Specific examples of the material include InSb (refractive index is about 4), AlGaSb, InAs, InAlSb, and InAsSb. A photoelectric conversion unit using these materials can set a light emission wavelength band and a light reception wavelength band from several μm to several tens of μm, and is applied to a gas sensor using a non-dispersive infrared (NDIR) method. it can.

制限はされないが、光電変換部は、単結晶成長法を利用して形成されてから、フォトリソグラフィ工程や酸によるウエットエッチング、または、反応性のドライエッチングを利用して形成することが出来る。   Although not limited, the photoelectric conversion portion can be formed by using a single crystal growth method and then using a photolithography process, wet etching with an acid, or reactive dry etching.

以下、図面を参酌しながら本実施形態に係る赤外線デバイスをより詳細に説明する。   Hereinafter, the infrared device according to the present embodiment will be described in more detail with reference to the drawings.

（第１構成例）
図１は、本実施形態の第１構成例に係る赤外線デバイス１の断面の構成例を示す。
図１に示すように、複合基板１１は、第１の層１１１、第２の層１１３および第３の層１１５の多層構造を有している。複合基板１１は上述の複合基板に相当し、第１の層１１１は上述の第１の層に相当し、第２の層１１３は上述の第２の層に相当し、第３の層１１５は上述の第３の層に相当する。 (First configuration example)
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration example of an infrared device 1 according to a first configuration example of the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the composite substrate 11 has a multilayer structure of a first layer 111, a second layer 113, and a third layer 115. The composite substrate 11 corresponds to the above-described composite substrate, the first layer 111 corresponds to the above-described first layer, the second layer 113 corresponds to the above-described second layer, and the third layer 115 includes This corresponds to the third layer described above.

赤外線デバイス１は、複合基板１１の第１の層１１１上に形成された光電変換部１０を有している。光電変換部１０は、段差を有するメサ状の半導体積層部１３と、光電変換部１０の接続端子として用いられる電極１５及び電極１７とを有している。電極１５および電極１７は半導体積層部１３に配置されている。電極１５は、電極１７よりも第１の層１１１から離れた位置に配置されている。   The infrared device 1 has a photoelectric conversion unit 10 formed on the first layer 111 of the composite substrate 11. The photoelectric conversion unit 10 includes a mesa-shaped semiconductor stacked unit 13 having a step, and an electrode 15 and an electrode 17 that are used as connection terminals of the photoelectric conversion unit 10. The electrode 15 and the electrode 17 are disposed in the semiconductor stacked portion 13. The electrode 15 is disposed at a position farther from the first layer 111 than the electrode 17.

電極１５，１７を経由して電流を入力したり光起電力を取り出したりすることができる。光電変換部１０は、ＰＮやＰＩＮフォトダイオード構造を有していても良いし、同一型の半導体で形成されるフォトコンダクター構造を有していても良い。光電変換部１０がフォトコンダクター構造を有している場合、光によって起電力が発生しないため、印加バイアスが必要となる。この場合、光導電型（フォトコンダクター）タイプでは、入力電流が複合基板１１の表面に対して垂直および斜めの少なくとも一方に流れることとなる。光デバイスの設計によって、光電変換部１０は、いずれかまたは両方のフォトコンダクター構造を有しても良い。   A current can be input or a photovoltaic power can be taken out via the electrodes 15 and 17. The photoelectric conversion unit 10 may have a PN or PIN photodiode structure, or may have a photoconductor structure formed of the same type of semiconductor. When the photoelectric conversion unit 10 has a photoconductor structure, an electromotive force is not generated by light, so that an applied bias is necessary. In this case, in the photoconductive type (photoconductor) type, the input current flows in at least one of the vertical and oblique directions with respect to the surface of the composite substrate 11. Depending on the design of the optical device, the photoelectric conversion unit 10 may have either or both photoconductor structures.

（第２構成例）
図２は、本実施形態の第２構成例に係る赤外線デバイス２の断面の構成例を示す。なお、第１構成例による赤外線デバイス１と同様の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。 (Second configuration example)
FIG. 2 shows a cross-sectional configuration example of the infrared device 2 according to the second configuration example of the present embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component which show | plays the effect | action and function similar to the infrared device 1 by a 1st structural example, The description is abbreviate | omitted.

図２に示すように、第２構成例による赤外線デバイス２では、光電変換部２０として、複合基板１１の表面に対して電流が主に水平方向に流れる光導電型の受光部が採用されている。光電変換部２０は、複合基板１１を構成する第１の層１１１の表面にほぼ平行に形成された平板状の半導体積層部１９を有している。電極１５及び電極１７は、半導体積層部１９の平坦な面上に第１の層１１１とほぼ平行に配置されている。赤外線デバイス２において、電極１５および電極１７を通してバイアスを印加すると、入射光強度によって光電変換部２０（より具体的には半導体積層部１９）の抵抗が変化する。このため、赤外線デバイス２は、このバイアスによる電圧または電流の変化を光電変換信号として取り出すことができる。   As shown in FIG. 2, in the infrared device 2 according to the second configuration example, as the photoelectric conversion unit 20, a photoconductive light receiving unit in which current flows mainly in the horizontal direction with respect to the surface of the composite substrate 11 is employed. . The photoelectric conversion unit 20 includes a flat-plate-shaped semiconductor stacked unit 19 formed substantially in parallel with the surface of the first layer 111 constituting the composite substrate 11. The electrode 15 and the electrode 17 are disposed on the flat surface of the semiconductor stacked portion 19 in substantially parallel to the first layer 111. In the infrared device 2, when a bias is applied through the electrode 15 and the electrode 17, the resistance of the photoelectric conversion unit 20 (more specifically, the semiconductor stacked unit 19) changes depending on the incident light intensity. For this reason, the infrared device 2 can extract a change in voltage or current due to this bias as a photoelectric conversion signal.

（第３構成例）
図３は、本実施形態の第３構成例に係る赤外線デバイス３の断面の構成例を示す。なお、第１構成例による赤外線デバイス１と同様の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。 (Third configuration example)
FIG. 3 shows a cross-sectional configuration example of the infrared device 3 according to the third configuration example of the present embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component which show | plays the effect | action and function similar to the infrared device 1 by a 1st structural example, The description is abbreviate | omitted.

図３に示すように、第３構成例に係る赤外線デバイス３は、２つの光電変換部３０ａ，３０ｂを備えている。光電変換部３０ａは、段差を有するメサ形状の半導体積層部１３ａと、光電変換部３０ａの接続端子として用いられる電極１５ａ及び電極１７ａとを有している。電極１５ａおよび電極１７ａは半導体積層部１３ａに配置されている。電極１５ａは、電極１７ａよりも第１の層１１１から離れた位置に配置されている。光電変換部３０ｂは、段差を有するメサ形状の半導体積層部１３ｂと、光電変換部３０ｂの接続端子として用いられる電極１５ｂ及び電極１７ｂとを有している。電極１５ｂおよび電極１７ｂは半導体積層部１３ｂに配置されている。電極１５ｂは、電極１７ｂよりも第１の層１１１から離れた位置に配置されている。電極１５ａ，１５ｂは、上記第１構成例における電極１５と同様の作用・機能を奏し、電極１７ａ，１７ｂは、上記第１構成例における電極１７と同様の作用・機能を奏する。   As shown in FIG. 3, the infrared device 3 according to the third configuration example includes two photoelectric conversion units 30a and 30b. The photoelectric conversion unit 30a includes a mesa-shaped semiconductor stacked unit 13a having a step, and an electrode 15a and an electrode 17a used as connection terminals of the photoelectric conversion unit 30a. Electrode 15a and electrode 17a are arranged in semiconductor lamination part 13a. The electrode 15a is disposed at a position farther from the first layer 111 than the electrode 17a. The photoelectric conversion unit 30b includes a mesa-shaped semiconductor stacked unit 13b having a step, and an electrode 15b and an electrode 17b used as connection terminals of the photoelectric conversion unit 30b. The electrode 15b and the electrode 17b are disposed in the semiconductor stacked portion 13b. The electrode 15b is disposed at a position farther from the first layer 111 than the electrode 17b. The electrodes 15a and 15b have the same functions and functions as the electrode 15 in the first configuration example, and the electrodes 17a and 17b have the same functions and functions as the electrode 17 in the first configuration example.

光電変換部３０ａと光電変換部３０ｂとの間には、エッチング部１１７が設けられている。エッチング部１１７を設けることで、光電変換部３０ａと光電変換部３０ｂとの間の電気的絶縁を向上することができる。そうすることで、光電変換部３０ａおよび光電変換部３０ｂ同士の直列または並列接続が容易となる。また、発光部と受光部の両方と、これらの間に設けられたエッチング部とを備える赤外線デバイスは、エッチング部を有しない場合と比較して、発光部に導入される電流の一部がリーク電流として複合基板を介して受光部に流入してしまうのを大幅に抑制できる。これにより、この赤外線デバイスは、このリーク電流によるノイズが発光部で生じることを防ぐことができる。例えば光電変換部３０ａが発光部であり、光電変換部３０ｂが受光部である場合、赤外線デバイス３は、電極１５ａおよび電極１７ａの一方から導入される電流の一部がリーク電流として複合基板１１を介して光電変換部３０ｂに流入するのをエッチング部１１７によって大幅に抑制できる。これにより、赤外線デバイス３は、このリーク電流によるノイズが光電変換部３０ａに生じることを防ぐことができる。   An etching unit 117 is provided between the photoelectric conversion unit 30a and the photoelectric conversion unit 30b. By providing the etching unit 117, electrical insulation between the photoelectric conversion unit 30a and the photoelectric conversion unit 30b can be improved. By doing so, the photoelectric conversion unit 30a and the photoelectric conversion unit 30b can be easily connected in series or in parallel. In addition, in an infrared device including both a light emitting part and a light receiving part and an etching part provided between them, part of the current introduced into the light emitting part leaks compared to the case where the etching part is not provided. It is possible to greatly suppress the current flowing into the light receiving unit through the composite substrate. Thereby, this infrared device can prevent the noise due to the leak current from occurring in the light emitting section. For example, when the photoelectric conversion unit 30a is a light emitting unit and the photoelectric conversion unit 30b is a light receiving unit, the infrared device 3 causes the composite substrate 11 to have a part of current introduced from one of the electrode 15a and the electrode 17a as a leakage current. The etching unit 117 can significantly suppress the flow into the photoelectric conversion unit 30b. Thereby, the infrared device 3 can prevent noise due to the leakage current from being generated in the photoelectric conversion unit 30a.

（第４構成例）
図４は、本実施形態の第４構成例に係る赤外線デバイス４の断面の構成例を示す。なお、第１構成例による赤外線デバイス１と同様の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。 (Fourth configuration example)
FIG. 4 shows a cross-sectional configuration example of the infrared device 4 according to the fourth configuration example of the present embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component which show | plays the effect | action and function similar to the infrared device 1 by a 1st structural example, The description is abbreviate | omitted.

図４に示すように、赤外線デバイス４は、材料および組成の少なくとも一方やドーパントが異なる半導体層が積層された光電変換部４０を備えている。光電変換部４０は、ＰＩＮ構造の半導体積層部２１を有している。半導体積層部２１は、段差を有するメサ状に形成されている。半導体積層部２１は、複合基板１１の第１の層１１１上に形成されたｎ層２１９と、ｎ層２１９上に形成されたｎバリア層２１７と、ｎバリア層２１７上に形成された活性層２１５と、活性層２１５上に形成されたｐバリア層２１３と、ｐバリア層２１３上に形成されたｐ層２１１とを有している。   As shown in FIG. 4, the infrared device 4 includes a photoelectric conversion unit 40 in which semiconductor layers having different materials and / or compositions and different dopants are stacked. The photoelectric conversion unit 40 includes a semiconductor stacked unit 21 having a PIN structure. The semiconductor stacked portion 21 is formed in a mesa shape having a step. The semiconductor stacked unit 21 includes an n layer 219 formed on the first layer 111 of the composite substrate 11, an n barrier layer 217 formed on the n layer 219, and an active layer formed on the n barrier layer 217. 215, a p barrier layer 213 formed on the active layer 215, and a p layer 211 formed on the p barrier layer 213.

活性層２１５は、赤外線を吸収または放出する層である。光電変換部４０が例えば受光部である場合には、活性層２１５は赤外線を吸収する層として機能する。一方、光電変換部４０が例えば発光部である場合には、活性層２１５は赤外線を放出する層として機能する。活性層２１５は、バンドギャップを変えることで、発光波長帯と受光波長帯を変えることができる。一例としては活性層２１５がＩｎＳｂで形成されている場合、発光波長帯と受光波長帯のピーク波長は５μｍ付近となる。   The active layer 215 is a layer that absorbs or emits infrared rays. When the photoelectric conversion unit 40 is, for example, a light receiving unit, the active layer 215 functions as a layer that absorbs infrared rays. On the other hand, when the photoelectric conversion unit 40 is, for example, a light emitting unit, the active layer 215 functions as a layer that emits infrared rays. The active layer 215 can change the light emission wavelength band and the light reception wavelength band by changing the band gap. As an example, when the active layer 215 is made of InSb, the peak wavelength of the light emission wavelength band and the light reception wavelength band is around 5 μm.

ｎバリア層２１７及びｐバリア層２１３は、活性層２１５よりもバンドギャップが大きく設定されても良い。そうすると、光電変換部４０が受光部として動作される場合、キャリアの拡散防止効果による高Ｓ／Ｎ比が実現でき、光電変換部４０が発光部として動作される場合、キャリアの閉じこみによる効果によって発光効率が改善できる。また、ｐバリア層２１３およびｎバリア層２１７は異なるバンドオフセットを有しても良い。一般的に、ｐバリア層２１３およびｎバリア層２１７のバンドオフセットは、半導体積層部２１の発光効率（光電変換部４０が発光部として動作する場合）や受光効率（光電変換部４０が受光部として動作する場合）が最適になるように活性層２１５の形成材料によって設定される。   The n barrier layer 217 and the p barrier layer 213 may have a band gap larger than that of the active layer 215. Then, when the photoelectric conversion unit 40 is operated as a light receiving unit, a high S / N ratio due to the carrier diffusion preventing effect can be realized, and when the photoelectric conversion unit 40 is operated as a light emitting unit, the effect due to carrier confinement is achieved. Luminous efficiency can be improved. Further, the p barrier layer 213 and the n barrier layer 217 may have different band offsets. In general, the band offsets of the p barrier layer 213 and the n barrier layer 217 are the light emission efficiency (when the photoelectric conversion unit 40 operates as a light emission unit) or the light reception efficiency (the photoelectric conversion unit 40 serves as a light reception unit) of the semiconductor stacked unit 21. Is set by the material for forming the active layer 215 so as to be optimal.

ｐ層２１１はｐ型半導体で形成された層である。ｐ層２１１は、光電変換部４０が受光部として動作する場合にはホールの取り出し層として動作する。一方、ｐ層２１１は、光電変換部４０が発光部として動作する場合にはホール注入層として利用される。   The p layer 211 is a layer formed of a p-type semiconductor. The p layer 211 operates as a hole extraction layer when the photoelectric conversion unit 40 operates as a light receiving unit. On the other hand, the p layer 211 is used as a hole injection layer when the photoelectric conversion unit 40 operates as a light emitting unit.

ｎ層２１９はｎ型半導体で形成されている。ｎ層２１９は、光電変換部４０が受光部として動作する場合には電子の取り出し層として動作する。一方、ｎ層２１９は、光電変換部４０が発光部として動作する場合には電子注入層として利用される。   The n layer 219 is formed of an n-type semiconductor. The n layer 219 operates as an electron extraction layer when the photoelectric conversion unit 40 operates as a light receiving unit. On the other hand, the n layer 219 is used as an electron injection layer when the photoelectric conversion unit 40 operates as a light emitting unit.

光電変換部４０は、半導体積層部２１の一部を覆って設けられた絶縁層（パッシベーション層）２３を有している。絶縁層２３は、光電変換部４０の側面、すなわち半導体積層部２１の側面の絶縁性を確保する役割を持つ。絶縁層２３を形成するために使用できる具体的な材料として、例えば窒化ケイ素、酸化ケイ素およびアルミナなどが挙げられる。   The photoelectric conversion unit 40 includes an insulating layer (passivation layer) 23 provided so as to cover a part of the semiconductor stacked unit 21. The insulating layer 23 has a role of ensuring insulation of the side surface of the photoelectric conversion unit 40, that is, the side surface of the semiconductor stacked unit 21. Specific examples of materials that can be used to form the insulating layer 23 include silicon nitride, silicon oxide, and alumina.

光電変換部４０は、メタル層２５を有している。メタル層２５の一部は、ｐ層２１１上の絶縁層２３の一部に形成されてｐ層２１１の少なくとも一部を露出するコンタクトホール２５１に埋め込まれている。これにより、メタル層２５はｐ層２１１に接続される。また、メタル層２５の他の一部は、ｎ層２１９上の絶縁層２３の一部に形成されてｎ層２１９の一部を露出するコンタクトホール２５２に埋め込まれている。これにより、メタル層２５は、ｎ層２１９に接続される。このように、メタル層２５は、ｎ層２１９及びｐ層２１１とを接続するために設けられる。但し、メタル層２５は、一の半導体積層部２１を構成するｎ層２１９と、ｐ層２１１とを接続するのではない。メタル層２５は、一の半導体積層部２１を構成するｎ層２１９（またはｐ層２１１）と、他の半導体積層部２１を構成するｐ層２１１（またはｎ層２１９）とを接続するため、および外界（赤外線デバイス４以外のデバイスまたは回路）との電気的接続のための少なくとも一方の目的のために設けられている。   The photoelectric conversion unit 40 has a metal layer 25. A part of the metal layer 25 is embedded in a contact hole 251 which is formed in a part of the insulating layer 23 on the p layer 211 and exposes at least a part of the p layer 211. Thereby, the metal layer 25 is connected to the p layer 211. Another part of the metal layer 25 is embedded in a contact hole 252 that is formed in a part of the insulating layer 23 on the n layer 219 and exposes a part of the n layer 219. Thereby, the metal layer 25 is connected to the n layer 219. Thus, the metal layer 25 is provided to connect the n layer 219 and the p layer 211. However, the metal layer 25 does not connect the n layer 219 and the p layer 211 constituting one semiconductor stacked portion 21. The metal layer 25 connects the n layer 219 (or p layer 211) constituting one semiconductor stacked portion 21 and the p layer 211 (or n layer 219) forming another semiconductor stacked portion 21, and It is provided for at least one purpose for electrical connection with the outside world (device or circuit other than the infrared device 4).

ｐ層２１１およびｎ層２１９がインジウム（Ｉｎ）およびアンチモン（Ｓｂ）の少なくとも一方で形成された層の場合、メタル層２５は、金（Ａｕ）で形成されても良い。また、メタル層２５がＡｕで形成されている場合、メタル層２５とｐ層２１１およびｎ層２１９との間の界面にチタン（Ｔｉ）層が設けられていても良い。この場合、ｐ層２１１およびｎ層２１９とメタル層２５との密着性が改善でき、信頼性の良い赤外線デバイス４を実現することができる。   When the p layer 211 and the n layer 219 are layers formed of at least one of indium (In) and antimony (Sb), the metal layer 25 may be formed of gold (Au). When the metal layer 25 is made of Au, a titanium (Ti) layer may be provided at the interface between the metal layer 25 and the p layer 211 and the n layer 219. In this case, the adhesion between the p layer 211 and the n layer 219 and the metal layer 25 can be improved, and the infrared device 4 with high reliability can be realized.

（第５構成例）
図５は、本実施形態の第５構成例に係る赤外線デバイス５の断面の構成例を示す。図５は、図４で示した光電変換部４０を利用した赤外線デバイス５の一例を示している。なお、第１構成例による赤外線デバイス１と同様の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。また、図５では、理解を容易にするため、赤外線デバイス５を構成する構成要素のハッチングの図示が省略されている。 (Fifth configuration example)
FIG. 5 shows a cross-sectional configuration example of the infrared device 5 according to the fifth configuration example of the present embodiment. FIG. 5 shows an example of an infrared device 5 using the photoelectric conversion unit 40 shown in FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component which show | plays the effect | action and function similar to the infrared device 1 by a 1st structural example, The description is abbreviate | omitted. Further, in FIG. 5, for easy understanding, the illustration of hatching of the components constituting the infrared device 5 is omitted.

図５に示すように、赤外線デバイス５は、光電変換部４０に隣接して設けられた開口部２７を備えている。第１の層１１１の一部は、光電変換部４０が形成されている側の複合基板１１の表面において露出している。第１の層１１１の一部が複合基板１１の表面において露出している領域が開口部２７となる。   As shown in FIG. 5, the infrared device 5 includes an opening 27 provided adjacent to the photoelectric conversion unit 40. A part of the first layer 111 is exposed on the surface of the composite substrate 11 on the side where the photoelectric conversion unit 40 is formed. A region where a part of the first layer 111 is exposed on the surface of the composite substrate 11 becomes the opening 27.

赤外線デバイス５のように開口部２７を備える構造は、光、すなわち赤外線の入射や放出の方位を複合基板１１の第１の層１１１側で行いたい場合に有利である。その理由として、光電変換部４０が受光部の場合は、次の（１）から（３）が挙げられる。
（１）メタル層２５によって入射光が遮光されずに広い感知面積が実現される。
（２）広い面積で検出した光を小さい感知部に導くことができる。または、用途の必要性に応じて、狭い面積で検知した光を広い感知部に導くこともできる。
（３）感知平面形状と異なる平面形状を持った感知部へと光を導くことができる。 The structure including the opening 27 as in the infrared device 5 is advantageous when the direction of incidence of light, that is, infrared light, or emission is desired to be performed on the first layer 111 side of the composite substrate 11. As the reason, when the photoelectric conversion part 40 is a light-receiving part, the following (1) to (3) are mentioned.
(1) The metal layer 25 realizes a wide sensing area without blocking incident light.
(2) Light detected over a wide area can be guided to a small sensing unit. Or according to the necessity of an application, the light detected in the narrow area can also be guide | induced to a wide sensing part.
(3) Light can be guided to a sensing unit having a planar shape different from the sensing planar shape.

また、光電変換部４０が発光部の場合、発光した光がメタル層２５に遮光されず、複合基板１１の平面方向に広い発光面積が実現される。   When the photoelectric conversion unit 40 is a light emitting unit, the emitted light is not shielded by the metal layer 25, and a wide light emitting area is realized in the planar direction of the composite substrate 11.

複合基板１１の第１の層１１１の表面のうち、光電変換部４０が形成されていない表面が外界と接する面積が自由に設計できるため、赤外線デバイス５を備える光センサの設計の自由度が高められる。   Of the surface of the first layer 111 of the composite substrate 11, the area where the surface where the photoelectric conversion unit 40 is not formed can be freely designed, so that the degree of freedom in designing the optical sensor including the infrared device 5 is increased. It is done.

本実施形態に係る赤外線デバイス５の光デバイス構造を利用することで、光電変換部４０が形成されている面側へ光を入射または出射させることができる。図５に示すように、赤外線デバイス５は、光電変換部４０が受光部として機能する場合には、開口部２７を介して第１の層１１１に入射する赤外線ＩＬを第２の層１１３で反射させて半導体積層部２１に導くことができる。また、赤外線デバイス５は、光電変換部４０が発光部として機能する場合には、半導体積層部２１から出射する赤外線ＯＬを第２の層１１３で反射させて第１の層１１１および開口部２７を介して外界に導くことができる。このため、光デバイスの設計の自由度が大幅に広げられるため、多くの用途では設計の自由度や発光効率若しくは受光感度といった効果を発揮できる。また、第１の層１１１が十分に薄ければ、第１の層１１１での光の吸収も少なく、光吸収による損失が抑えられ、高性能の赤外線デバイス５が実現できる。   By using the optical device structure of the infrared device 5 according to the present embodiment, light can be incident on or emitted from the surface on which the photoelectric conversion unit 40 is formed. As shown in FIG. 5, when the photoelectric conversion unit 40 functions as a light receiving unit, the infrared device 5 reflects the infrared IL incident on the first layer 111 through the opening 27 by the second layer 113. It can be made to lead to the semiconductor lamination part 21. Further, when the photoelectric conversion unit 40 functions as a light emitting unit, the infrared device 5 reflects the infrared OL emitted from the semiconductor stacked unit 21 by the second layer 113 so that the first layer 111 and the opening 27 are formed. Can lead to the outside world. For this reason, the degree of freedom of design of the optical device is greatly expanded, and in many applications, effects such as the degree of freedom of design, light emission efficiency, or light receiving sensitivity can be exhibited. Moreover, if the first layer 111 is sufficiently thin, light absorption by the first layer 111 is small, loss due to light absorption is suppressed, and a high-performance infrared device 5 can be realized.

（参考例）
図６は、参考例としての赤外線デバイス５０の断面の構成例を示す。
図６に示すように、赤外線デバイス５０は、光電変換部４０が形成されている面側で赤外線を入射・出射できるように、複合基板３１の反対の面に反射板３３が形成されている。しかしながら、例えば光電変換部４０から出射された赤外線ＯＬは、反射板３３で反射されるまでに複合基板３１によって吸収される。このため、開口部２９から出射される赤外線の強度は小さくなる。図示は省略するが、開口部２９を介して光電変換部４０に入射する入射光も同様に、反射板３３で反射されるまでに複合基板３１によって吸収される。このため、赤外線デバイス５０の性能を十分に向上させることは困難である。複合基板３１での赤外線ＯＬや入射光の吸収を最小限に抑制するために、複合基板３１を薄くすると、赤外線デバイス５０のハンドリングが難しくなる。このため、赤外線デバイス５０の製造段階で複合基板３１が割れたり欠けたりしてしまい、赤外線デバイス５０の生産効率が下がる。このため、複合基板３１を薄くすることは望ましくなく、その結果、赤外線デバイス５０の性能を十分に向上させることは困難である。 (Reference example)
FIG. 6 shows a configuration example of a cross section of an infrared device 50 as a reference example.
As shown in FIG. 6, the infrared device 50 has a reflecting plate 33 formed on the opposite surface of the composite substrate 31 so that infrared light can be incident and emitted on the surface side on which the photoelectric conversion unit 40 is formed. However, for example, the infrared ray OL emitted from the photoelectric conversion unit 40 is absorbed by the composite substrate 31 before being reflected by the reflection plate 33. For this reason, the intensity | strength of the infrared rays radiate | emitted from the opening part 29 becomes small. Although not shown, the incident light that enters the photoelectric conversion unit 40 through the opening 29 is similarly absorbed by the composite substrate 31 before being reflected by the reflection plate 33. For this reason, it is difficult to sufficiently improve the performance of the infrared device 50. If the composite substrate 31 is made thin in order to minimize the absorption of infrared rays OL and incident light in the composite substrate 31, handling of the infrared device 50 becomes difficult. For this reason, the composite substrate 31 is cracked or chipped at the manufacturing stage of the infrared device 50, and the production efficiency of the infrared device 50 is lowered. For this reason, it is not desirable to make the composite substrate 31 thin, and as a result, it is difficult to sufficiently improve the performance of the infrared device 50.

これに対し、図５に示すように、第５構成例に係る赤外線デバイス５は、第１の層１１１に接する第２の層１１３の表面で赤外線ＩＬや赤外線ＯＬを反射できる。第１の層１１１での赤外線ＩＬや赤外線ＯＬの吸収を抑制するために、第１の層１１１を薄くしても、第２の層１１３および第３の層１１５を厚くすることによって複合基板１１の全体の厚みを確保できる。このため、赤外線デバイス５は、赤外線デバイス５のハンドリングを容易にするとともに、赤外線ＩＬや赤外線ＯＬの光量の低下を防止して光電変換部４０としての性能を向上させることができる。このように、赤外線デバイス５は、参考例としての赤外線デバイス５０が有する問題を改善できる。   On the other hand, as shown in FIG. 5, the infrared device 5 according to the fifth configuration example can reflect infrared IL and infrared OL on the surface of the second layer 113 in contact with the first layer 111. In order to suppress absorption of infrared IL and infrared OL in the first layer 111, even if the first layer 111 is made thin, the second substrate 113 and the third layer 115 are made thick so that the composite substrate 11 becomes thicker. The overall thickness of the can be secured. For this reason, the infrared device 5 can improve the performance as the photoelectric conversion unit 40 by facilitating the handling of the infrared device 5 and preventing a decrease in the light amount of the infrared IL and the infrared OL. Thus, the infrared device 5 can improve the problems of the infrared device 50 as a reference example.

また、本発明の赤外線デバイスでは、ＳＯＩ構造の複合基板を利用することで、斜め方向から入射した赤外線を光電変換部に取り込みやすくなる。つまり、光電変換部が発光部の場合、横方向の発光強度を強められるし、メタル配線などで光電変換部の上面も覆えば横方向に選択的に光を出射することができる。さらに、１つの複合基板上に受光部としての光電変換部と発光部としての光電変換部とが形成される場合、発光部からの光が外乱ノイズを受けずに、受光部に一定量入射される。この効果を利用して形成された赤外線デバイスは、受光部の出力信号をモニターしながら、発光部の光量を安定化することができ、極めて小型且つ安定な光源が実現できる。   In addition, in the infrared device of the present invention, by using the SOI structure composite substrate, it is easy to capture infrared rays incident from an oblique direction into the photoelectric conversion unit. That is, when the photoelectric conversion unit is a light emitting unit, the light emission intensity in the horizontal direction can be increased, and light can be selectively emitted in the horizontal direction if the upper surface of the photoelectric conversion unit is covered with a metal wiring or the like. Furthermore, when a photoelectric conversion unit as a light receiving unit and a photoelectric conversion unit as a light emitting unit are formed on one composite substrate, a certain amount of light from the light emitting unit is incident on the light receiving unit without receiving disturbance noise. The An infrared device formed by utilizing this effect can stabilize the light amount of the light emitting part while monitoring the output signal of the light receiving part, and can realize an extremely small and stable light source.

（実施例）
本実施形態の実施例に係る赤外線デバイスは、第５構成例に係る赤外線デバイス５と同様の形状を有している。このため、本実施例に係る赤外線デバイスについて、図５を参照して説明する。本実施形態の実施例に係る赤外線デバイス５は、複合基板１１としてＳｉＯ２を絶縁層（すなわち第２の層１１３）にしたＳＯＩ基板と、このＳＯＩ基板上に形成された光電変換部４０とを備えている。このＳＯＩ基板の基板直径は１００ｍｍであり、第１の層１１１の厚みは１５μｍであり、第２の層１１３の厚みは５μｍであり、第３の層１１５の厚みは６００μｍである。また、光電変換部４０は、錫（Ｓｎ）を７×１０18ｃｍ-3ドープしたＩｎＳｂで形成された厚み１μｍのｎ層２１９と、錫（Ｓｎ）を３×１０18ｃｍ-3ドープしたＡｌＩｎＳｂで形成された厚み０．０２μｍのｎバリア層２１７と、亜鉛（Ｚｎ）を６×１０16ｃｍ-3ドープしたＩｎＳｂで形成された厚み２μｍの活性層２１５と、亜鉛（Ｚｎ）を３×１０18ｃｍ-3ドープしたＡｌＩｎＳｂで形成された厚み０．０２μｍのｐバリア層２１３と、Ｚｎを２×１０18ｃｍ-3ドープしたＩｎＳｂで形成された厚み０．５μｍのｐ層２１１とを有している。ｎ層２１９、ｎバリア層２１７、活性層２１５、ｐバリア層２１３およびｐ層２１１は、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法により積層した。光電変換部４０を段差を有するメサ状に形成するために、塩酸過水（ＨＣｌ＋Ｈ2Ｏ2＋Ｈ2Ｏ）を用いて選択的ウエットエッチングを実施した。その後、窒化シリコンをＰ−ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置を用いて絶縁層２３を形成し、赤外線デバイス５を作製した。さらに、電子ビーム蒸着装置を用いてＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ（Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの順で積層）構造を有するメタル層２５を形成した。 (Example)
The infrared device according to the example of the present embodiment has the same shape as the infrared device 5 according to the fifth configuration example. For this reason, the infrared device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The infrared device 5 according to the example of the present embodiment includes an SOI substrate having SiO 2 as an insulating layer (that is, the second layer 113) as the composite substrate 11, and a photoelectric conversion unit 40 formed on the SOI substrate. I have. The substrate diameter of this SOI substrate is 100 mm, the thickness of the first layer 111 is 15 μm, the thickness of the second layer 113 is 5 μm, and the thickness of the third layer 115 is 600 μm. The photoelectric conversion unit 40 includes an n layer 219 having a thickness of 1 μm formed of InSb doped with tin (Sn) 7 × 10 18 cm −3, and AlInSb doped with tin (Sn) 3 × 10 18 cm −3. An n barrier layer 217 having a thickness of 0.02 μm, an active layer 215 having a thickness of 2 μm formed of InSb doped with 6 × 10 16 cm −3 of zinc (Zn), and 3 × 10 3 of zinc (Zn). A p barrier layer 213 having a thickness of 0.02 μm formed of AlInSb doped with 18 cm −3 and a p layer 211 having a thickness of 0.5 μm formed of InSb doped with 2 × 10 18 cm −3 of Zn ing. The n layer 219, the n barrier layer 217, the active layer 215, the p barrier layer 213, and the p layer 211 were stacked by a molecular beam epitaxial growth (MBE) method. In order to form the photoelectric conversion part 40 in a mesa shape having a step, selective wet etching was performed using hydrochloric acid perwater (HCl + H 2 O 2 + H 2 O). Thereafter, an insulating layer 23 was formed from silicon nitride using a P-CVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) apparatus, and the infrared device 5 was manufactured. Furthermore, a metal layer 25 having an Au / Pt / Ti (Ti, Pt, Au stacked in this order) structure was formed using an electron beam evaporation apparatus.

（比較例１）
基板として厚さ５００μｍのＳｉ基板を用いた以外は、実施例と同様の方法で赤外線デバイスを作製した。 (Comparative Example 1)
An infrared device was produced in the same manner as in the example except that a Si substrate having a thickness of 500 μm was used as the substrate.

（比較例２）
基板裏面に厚さ１００ｎｍのアルミ反射層を形成した以外は、比較例１と同様の方法で赤外線デバイスを作製した。 (Comparative Example 2)
An infrared device was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that an aluminum reflective layer having a thickness of 100 nm was formed on the back surface of the substrate.

（比較例３）
絶縁層を形成した後にＳｉを厚さが４０μｍになるようにエッチングし、次いで光電変換部を形成しようとしたが、ＭＢＥ法による結晶成長の工程中に基板が割れてしまい、赤外線デバイスを作製することはできなかった。 (Comparative Example 3)
After forming the insulating layer, Si was etched to a thickness of 40 μm, and then an attempt was made to form a photoelectric conversion portion. However, the substrate was broken during the crystal growth step by the MBE method, and an infrared device was manufactured. I couldn't.

＜実施例と比較例１，２との性能比較＞   <Performance comparison between Example and Comparative Examples 1 and 2>

実施例に係る赤外線デバイス５では、外界から活性層２１５へ効率よく光を導入したり、活性層２１５から外界へ効率よく光を導出することができた。これに対し、比較例１に係る赤外線デバイスでは、光が基板に吸収されてしまい、実施例に係る赤外線デバイス５と比較して、光の導出および導入効率が低下した。また、比較例２に係る赤外線デバイスでは、一部の光が反射板によって反射され、基板厚み１０００μｍ相当（５００μｍの往復）の吸収が生じて光が減衰され、実施例に係る赤外線デバイス５と比較して性能が大幅に衰えた。   In the infrared device 5 according to the example, light could be efficiently introduced from the outside to the active layer 215, or light could be efficiently led from the active layer 215 to the outside. On the other hand, in the infrared device according to Comparative Example 1, the light was absorbed by the substrate, and the light derivation and introduction efficiency decreased compared to the infrared device 5 according to the example. In addition, in the infrared device according to Comparative Example 2, a part of the light is reflected by the reflector, and absorption corresponding to the substrate thickness of 1000 μm (reciprocation of 500 μm) is generated to attenuate the light. Compared with the infrared device 5 according to the example. As a result, the performance declined significantly.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。   The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.

本発明の赤外線デバイスは、フォトカプラー、人感センサ、液体物質濃度測定装置、ガスセンサ等の赤外光の受光および発光の少なくとも一方を行う装置等に好適に用いることが出来る。   The infrared device of the present invention can be suitably used for a device that performs at least one of infrared light reception and light emission, such as a photocoupler, a human sensor, a liquid substance concentration measurement device, and a gas sensor.

１，２，３，４，５，５０ 赤外線デバイス
１０，２０，３０ａ，３０ｂ，４０ 光電変換部
１１，３１ 複合基板
１３，１３ａ，１３ｂ，１９，２１ 半導体積層部
１５，１５ａ，１５ｂ，１７，１７ａ，１７ｂ 電極
２３ 絶縁層
２５ メタル層
２７，２９ 開口部
３３ 反射板
１１１ 第１の層
１１３ 第２の層
１１５ 第３の層
１１７ エッチング部
２１１ ｐ層
２１３ ｐバリア層
２１５ 活性層
２１７ ｎバリア層
２１９ ｎ層
２５１，２５２ コンタクトホール 1, 2, 3, 4, 5, 50 Infrared devices 10, 20, 30a, 30b, 40 Photoelectric conversion units 11, 31 Composite substrates 13, 13a, 13b, 19, 21 Semiconductor stacked units 15, 15a, 15b, 17, 17a, 17b Electrode 23 Insulating layer 25 Metal layer 27, 29 Opening 33 Reflector 111 First layer 113 Second layer 115 Third layer 117 Etching part 211 p layer 213 p barrier layer 215 Active layer 217 n barrier layer 219 n layer 251 252 contact hole

Claims (11)

第１の材料で形成されて厚みが０．１μｍ以上１００μｍ以下の第１の層、および波長５μｍの赤外線に対する屈折率が第１の材料よりも小さい第２の材料で形成された第２の層を有する複合基板と、
前記第１の層上に形成されて半導体積層部を有する少なくとも１つの光電変換部と、
を備える赤外線デバイス。 A first layer formed of a first material and having a thickness of 0.1 μm or more and 100 μm or less, and a second layer formed of a second material having a refractive index with respect to infrared rays having a wavelength of 5 μm smaller than that of the first material A composite substrate having
At least one photoelectric conversion unit formed on the first layer and having a semiconductor stacked unit;
Infrared device comprising. 前記第１の材料は、Ｓｉ単結晶またはＧａＡｓ単結晶である
請求項１に記載の赤外線デバイス。 The infrared device according to claim 1, wherein the first material is a Si single crystal or a GaAs single crystal. 前記複合基板は、前記第１の層が存在しない側の面上に第３の材料で形成された第３の層をさらに有し、
前記第３の層の厚みは５０μｍ以上１０００μｍ以下である
請求項１または２に記載の赤外線デバイス。 The composite substrate further includes a third layer formed of a third material on a surface on which the first layer does not exist,
The infrared device according to claim 1, wherein a thickness of the third layer is 50 μm or more and 1000 μm or less. 前記第１の層の厚みは、前記第２の層の厚みよりも薄い
請求項１または２に記載の赤外線デバイス。 The infrared device according to claim 1, wherein a thickness of the first layer is thinner than a thickness of the second layer. 前記第１の層に接する前記光電変換部の層材料は、波長５μmの赤外線に対する屈折率が前記第１の材料の屈折率よりも大きい
請求項１から４のいずれか一項に記載の赤外線デバイス。 5. The infrared device according to claim 1, wherein a layer material of the photoelectric conversion unit in contact with the first layer has a refractive index with respect to infrared rays having a wavelength of 5 μm larger than a refractive index of the first material. . 前記光電変換部は、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層を有する
請求項１から５のいずれか一項に記載の赤外線デバイス。 The infrared device according to any one of claims 1 to 5, wherein the photoelectric conversion unit includes an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer. 前記光電変換部は、前記ｎ型半導体層および前記ｐ型半導体層の間に、ｉ型半導体層をさらに有する
請求項６に記載の赤外線デバイス。 The infrared device according to claim 6, wherein the photoelectric conversion unit further includes an i-type semiconductor layer between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer. 前記光電変換部は、注入電流によって赤外線を発光する発光部、および、入射した赤外線に応じた信号を出力する又は入射した赤外線に応じた抵抗変化を示す受光部の少なくとも一方を有する
請求項１から７のいずれか一項に記載の赤外線デバイス。 The photoelectric conversion unit includes at least one of a light emitting unit that emits infrared light by an injection current and a light receiving unit that outputs a signal corresponding to incident infrared light or exhibits a resistance change corresponding to incident infrared light. The infrared device according to any one of 7. 前記受光部および前記発光部は、同じ材料で形成され且つ同じ積層構造を有し、
前記材料のうち前記第１の層に接する前記受光部および前記発光部の材料の波長５μmの赤外線に対する屈折率は、前記第１の材料の屈折率に対する比が０．８以上１．２以下である
請求項８に記載の赤外線デバイス。 The light receiving portion and the light emitting portion are formed of the same material and have the same stacked structure,
Of the materials, the refractive index of the light receiving portion and the light emitting portion in contact with the first layer with respect to infrared rays having a wavelength of 5 μm is 0.8 to 1.2 in terms of the refractive index of the first material. The infrared device according to claim 8. 前記第１の層の一部は、前記光電変換部が形成されている側の前記複合基板の表面において露出している
請求項１から９のいずれか一項に記載の赤外線デバイス。 The infrared device according to any one of claims 1 to 9, wherein a part of the first layer is exposed on a surface of the composite substrate on a side where the photoelectric conversion unit is formed. 前記第１の材料は、抵抗率が１０ｋΩ・ｃｍ以上１ＧΩ・ｃｍ以下の絶縁材料である
請求項１から１０のいずれか一項に記載の赤外線デバイス。 The infrared device according to claim 1, wherein the first material is an insulating material having a resistivity of 10 kΩ · cm to 1 GΩ · cm.
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