JP6774792B2 - 赤外線デバイス - Google Patents

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。

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。

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。

特開平９−６１２３３号公報 特開平６−２１５０７号公報 特開平９−２３１８０６号公報

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。

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。

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。

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、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ことを特徴とする。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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、ＳｉＯ_２（屈折率は約１．４）やＡｌ_２Ｏ_３（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。

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。

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。

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（Ａｌ_２Ｏ_３）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。

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ＳｉＯ_２）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、ＳｉＯ_２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。ＳｉＯ_２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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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ＳｉＯ_２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。

（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。

（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。

（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。

＜実施例と比較例１，２との性能比較＞

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。

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。

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。

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。

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

Claims (10)

1. 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、
   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
   赤外線デバイス。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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９のいずれか一項に記載の赤外線デバイス。

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