JPH081949B2 - 赤外線撮像装置及びその製造方法 - Google Patents
赤外線撮像装置及びその製造方法Info
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- JPH081949B2 JPH081949B2 JP1138591A JP13859189A JPH081949B2 JP H081949 B2 JPH081949 B2 JP H081949B2 JP 1138591 A JP1138591 A JP 1138591A JP 13859189 A JP13859189 A JP 13859189A JP H081949 B2 JPH081949 B2 JP H081949B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
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- H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers
- H01L27/14649—Infrared imagers
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は赤外線撮像装置及びその製造方法に関し、
特に大気の窓となっている波長8〜12μm帯の赤外線撮
像素子及びその製造方法と、この撮像素子を用いた撮像
装置の構成に関するものである。
特に大気の窓となっている波長8〜12μm帯の赤外線撮
像素子及びその製造方法と、この撮像素子を用いた撮像
装置の構成に関するものである。
一般に光子1個のエネルギーとその波長との間には以
下のような関係があり、エネルギーバンドギャップEg
(eV)を有する半導体材料は次式で求められる波長λ
(μm)帯の光を感じることができる。
下のような関係があり、エネルギーバンドギャップEg
(eV)を有する半導体材料は次式で求められる波長λ
(μm)帯の光を感じることができる。
従来、波長8〜12μm帯の赤外線を吸収する半導体材
料としては、バンドギャップEgがおよそ0.1eVであるHg
0.8Cd0.2Teがあった。しかしこの材料はHgの蒸気圧が高
い揮発性の物質であるため100℃前後で蒸発してしま
い、結晶成長の面でも、又ウエハプロセスの面でも取り
扱いが難しく技術の発展が阻害され、このため、撮像素
子としては画素数が限られてくるなど依然としてその製
作上の困難性が解消されていない点で問題がある。
料としては、バンドギャップEgがおよそ0.1eVであるHg
0.8Cd0.2Teがあった。しかしこの材料はHgの蒸気圧が高
い揮発性の物質であるため100℃前後で蒸発してしま
い、結晶成長の面でも、又ウエハプロセスの面でも取り
扱いが難しく技術の発展が阻害され、このため、撮像素
子としては画素数が限られてくるなど依然としてその製
作上の困難性が解消されていない点で問題がある。
これに対して、近年III−V族の化合物半導体であるG
aAs材料を基盤とする材料の研究が進んでいる。そし
て、上述のHgCdTeの感度に対抗し得る感度を有するもの
として、多重量子井戸(Multi Quantum Well;以下、MQW
と称す)型の赤外線検出素子が新しい可能性を拓くもの
として期待されている。
aAs材料を基盤とする材料の研究が進んでいる。そし
て、上述のHgCdTeの感度に対抗し得る感度を有するもの
として、多重量子井戸(Multi Quantum Well;以下、MQW
と称す)型の赤外線検出素子が新しい可能性を拓くもの
として期待されている。
第8図は例えばアプライド フィジックス レター
ズ,50巻,16号,1987年4月,1092〜1094頁(Appl.Phys.Le
tt.;50巻,16号,April 1987年,p1092−1094)に示された
MQW型赤外線検出素子を示す断面図である。図におい
て、1は半絶縁性GaAs基板、2は半絶縁性GaAs基板1上
にエピタキシャル成長により1μm程度に形成されたn+
−GaAsコンタクト層、3はAlGaAs−GaAsMQW構造であ
る。ここで、AlGaAs−GaAsMQW構造3は例えば厚み40Å
のGaAs量子井戸層3aが厚み300ÅのAl0.31Ga0.69As障壁
層3bに挟まれた単一の量子井戸が50ケある多重量子井戸
構造と呼ばれているもので、その全体の厚みは1.73μm
である。これはn+−GaAs2上にMOCVD法,あるいはMBE法
により形成される。また、4はn+−GaAsコンタクト層、
12,14は電極、21は半絶縁性GaAs基板1を主面と45゜の
角度で斜め研磨して形成した赤外線入射窓、31は波長8
〜12μm帯の赤外線、27は赤外線検出素子である。
ズ,50巻,16号,1987年4月,1092〜1094頁(Appl.Phys.Le
tt.;50巻,16号,April 1987年,p1092−1094)に示された
MQW型赤外線検出素子を示す断面図である。図におい
て、1は半絶縁性GaAs基板、2は半絶縁性GaAs基板1上
にエピタキシャル成長により1μm程度に形成されたn+
−GaAsコンタクト層、3はAlGaAs−GaAsMQW構造であ
る。ここで、AlGaAs−GaAsMQW構造3は例えば厚み40Å
のGaAs量子井戸層3aが厚み300ÅのAl0.31Ga0.69As障壁
層3bに挟まれた単一の量子井戸が50ケある多重量子井戸
構造と呼ばれているもので、その全体の厚みは1.73μm
である。これはn+−GaAs2上にMOCVD法,あるいはMBE法
により形成される。また、4はn+−GaAsコンタクト層、
12,14は電極、21は半絶縁性GaAs基板1を主面と45゜の
角度で斜め研磨して形成した赤外線入射窓、31は波長8
〜12μm帯の赤外線、27は赤外線検出素子である。
ところで、n=1の基底状態はGaAs量子井戸3aの中央
にピークをもつ電子分布であるのに対し、n=2の励起
状態はAlGaAs障壁層3bとの界面付近にピークをもつ電子
分布に変化する。従って、光学的遷移により層と垂直な
方向に双極子モーメントが生じる。ここで、電磁波(赤
外線)の電界のうち、双極子モーメントと相互作用する
のはこの双極子モーメントと平行な電界成分のみであ
る。ところが、MQW構造3に垂直に入射した赤外線の電
界は入射方向と垂直な方向,すなわちMQW層3に対して
は平行となり、垂直な電界成分はないので双極子モーメ
ントと相互作用ぜず、光の吸収は生じない。従って、MQ
W層3で入射光の吸収を生じさせるためには赤外線は層
に対して平行あるいは斜めに入射させる必要がある。し
かしながら、MQW法3に対して赤外線を平行に入射させ
るためには基板1の側面から入射させなければならず、
素子を集積化する際に障害となり問題があった。この理
由のため第8図の素子では基板1を45゜に研磨して、赤
外線入射窓21より赤外線31を斜めより入射させるように
している。ところで、空気の屈折率n1が1であるのに対
し、半導体の屈折率n2は4程度と非常に高い。このた
め、入射窓21に対しあらゆる方向から入射した赤外線31
は屈折により研磨面に対してほぼ垂直に入射するように
なる。従って、MQW層3に対しては45゜で入射すること
となり、入射した光の約半分が層3の双極子モーメント
と平行な電界成分を持つことから、入射した光量の約半
分を吸収するようになる。
にピークをもつ電子分布であるのに対し、n=2の励起
状態はAlGaAs障壁層3bとの界面付近にピークをもつ電子
分布に変化する。従って、光学的遷移により層と垂直な
方向に双極子モーメントが生じる。ここで、電磁波(赤
外線)の電界のうち、双極子モーメントと相互作用する
のはこの双極子モーメントと平行な電界成分のみであ
る。ところが、MQW構造3に垂直に入射した赤外線の電
界は入射方向と垂直な方向,すなわちMQW層3に対して
は平行となり、垂直な電界成分はないので双極子モーメ
ントと相互作用ぜず、光の吸収は生じない。従って、MQ
W層3で入射光の吸収を生じさせるためには赤外線は層
に対して平行あるいは斜めに入射させる必要がある。し
かしながら、MQW法3に対して赤外線を平行に入射させ
るためには基板1の側面から入射させなければならず、
素子を集積化する際に障害となり問題があった。この理
由のため第8図の素子では基板1を45゜に研磨して、赤
外線入射窓21より赤外線31を斜めより入射させるように
している。ところで、空気の屈折率n1が1であるのに対
し、半導体の屈折率n2は4程度と非常に高い。このた
め、入射窓21に対しあらゆる方向から入射した赤外線31
は屈折により研磨面に対してほぼ垂直に入射するように
なる。従って、MQW層3に対しては45゜で入射すること
となり、入射した光の約半分が層3の双極子モーメント
と平行な電界成分を持つことから、入射した光量の約半
分を吸収するようになる。
次にこのMQW型赤外線検出素子の動作について説明す
る。
る。
第9図にAlGaAs−GaAsMQW構造3のエネルギーバンド
ダイヤグラムを示す。ここではMQW構造3に電界がかか
った状態を示している。電子はGaAs量子井戸3a付近に局
在し、そのエネルギーは量子化され、とびとびのエネル
ギーをもつようになる。そのエネルギーはGaAs伝導帯の
底を基準にして概略次の式で与えられる。
ダイヤグラムを示す。ここではMQW構造3に電界がかか
った状態を示している。電子はGaAs量子井戸3a付近に局
在し、そのエネルギーは量子化され、とびとびのエネル
ギーをもつようになる。そのエネルギーはGaAs伝導帯の
底を基準にして概略次の式で与えられる。
ここで、nは1,2,3,4,…の整数であり、hはプランク
の定数、m*は有効質量、LwはGaAs量子井戸層3aの厚み
である。n=1は基底状態であり、n=2の励起準位は
AlGaAs層3bの伝導帯と重なるようにGaAs量子井戸層の厚
みLwを選んである。n=1の状態からn=2の状態への
励起エネルギーΔEは約0.1eVである。即ち、波長10μ
m帯の赤外線の入射によりn=1からn=2への光学的
遷移が生じ、赤外線が吸収される。励起された電子は電
界によってAlGaAs−GaAsMQW構造3を動けるようになり
電気伝導に寄与する。第8図の赤外線検出素子は赤外線
吸収によるこの伝導度の変化を利用した光導電型赤外線
検出素子である。
の定数、m*は有効質量、LwはGaAs量子井戸層3aの厚み
である。n=1は基底状態であり、n=2の励起準位は
AlGaAs層3bの伝導帯と重なるようにGaAs量子井戸層の厚
みLwを選んである。n=1の状態からn=2の状態への
励起エネルギーΔEは約0.1eVである。即ち、波長10μ
m帯の赤外線の入射によりn=1からn=2への光学的
遷移が生じ、赤外線が吸収される。励起された電子は電
界によってAlGaAs−GaAsMQW構造3を動けるようになり
電気伝導に寄与する。第8図の赤外線検出素子は赤外線
吸収によるこの伝導度の変化を利用した光導電型赤外線
検出素子である。
ここで、第8図の赤外線検出素子の抵抗の変化を検知
するためのバイアス回路を第10図に示す。
するためのバイアス回路を第10図に示す。
上述のように赤外線検出素子27は光導電型の素子であ
り、光が入射すると結晶の抵抗率が変化する。そこで、
電圧源29と直列に素子27の抵抗に比べて充分に高い抵抗
28を接続して一定の電流を流し、端子30a,30b間の電位
の変化を測定することにより赤外線検出素子に入射した
光量を検知することができる。
り、光が入射すると結晶の抵抗率が変化する。そこで、
電圧源29と直列に素子27の抵抗に比べて充分に高い抵抗
28を接続して一定の電流を流し、端子30a,30b間の電位
の変化を測定することにより赤外線検出素子に入射した
光量を検知することができる。
従来のMQW型赤外線検出素子は以上のように構成され
ているので、光の吸収を生じさせるためには赤外線31を
基板1を斜めに研磨した赤外線入射窓21から入射させね
ばならず、赤外線入射を半導体主面又は裏面から行なう
ことができず、たくさんの素子を集積して撮像素子を構
成するには極めて不便である。また、従来の赤外線検出
素子は光導電型素子であるため、検知するためはバイア
ス回路などを必要とし、回路が複雑となり、撮像回路を
構成するには不向きであるという問題点があった。
ているので、光の吸収を生じさせるためには赤外線31を
基板1を斜めに研磨した赤外線入射窓21から入射させね
ばならず、赤外線入射を半導体主面又は裏面から行なう
ことができず、たくさんの素子を集積して撮像素子を構
成するには極めて不便である。また、従来の赤外線検出
素子は光導電型素子であるため、検知するためはバイア
ス回路などを必要とし、回路が複雑となり、撮像回路を
構成するには不向きであるという問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、赤外線入射を半導体主面又は裏面より行な
うことができるとともに、pin構造の光起電力型素子と
して撮像回路との整合性に優れた赤外線撮像装置及びそ
の製造方法を得ることを目的とする。
れたもので、赤外線入射を半導体主面又は裏面より行な
うことができるとともに、pin構造の光起電力型素子と
して撮像回路との整合性に優れた赤外線撮像装置及びそ
の製造方法を得ることを目的とする。
本発明に係る赤外線撮像装置は、波長が8〜12μm帯
の赤外線を検出するAlGaAs−MQW構造をi層としたpinダ
イオードとGaAsFETのソースをn型のイオン注入層で結
合して集積化したものを一つの画像ユニットとして含む
ものである。
の赤外線を検出するAlGaAs−MQW構造をi層としたpinダ
イオードとGaAsFETのソースをn型のイオン注入層で結
合して集積化したものを一つの画像ユニットとして含む
ものである。
また、本発明に係る赤外線撮像装置は、GaAs基板表面
に形成した主面とは45゜±15゜の角度をなしている複数
のファセット面上に、波長が8〜12μm帯の赤外線を検
出するAlGaAs−MQW構造をi層としたpinダイオードを構
成し、基板の表面あるいは裏面から赤外線を入射させる
ようにしたものである。
に形成した主面とは45゜±15゜の角度をなしている複数
のファセット面上に、波長が8〜12μm帯の赤外線を検
出するAlGaAs−MQW構造をi層としたpinダイオードを構
成し、基板の表面あるいは裏面から赤外線を入射させる
ようにしたものである。
また、本発明に係る赤外線撮像装置の製造方法は、Ga
As(100)基板表面上に〔01〕方向にのびた断面がV
字形の複数の溝をエッチングして形成し、主面とは45゜
±15゜の角度をなす複数のファセット面上にMBEやMOCVD
法によりエピタキシャル成長してファセット面上沿って
波長が8〜12μm帯の赤外線を検出するAlGaAs−MQW構
造をi層としたpin構造を形成してなる赤外線検出素子
の製造方法を含むものである。
As(100)基板表面上に〔01〕方向にのびた断面がV
字形の複数の溝をエッチングして形成し、主面とは45゜
±15゜の角度をなす複数のファセット面上にMBEやMOCVD
法によりエピタキシャル成長してファセット面上沿って
波長が8〜12μm帯の赤外線を検出するAlGaAs−MQW構
造をi層としたpin構造を形成してなる赤外線検出素子
の製造方法を含むものである。
また,本発明に係る赤外線撮像装置は、GaAs基板表面
に形成した主面とは45゜±15゜の角度をなしている複数
のファセット面上に、波長が8〜12μm帯の赤外線を検
出するAlGaAs−MQW構造をi層としたpinダイオードを構
成するとともに、pinダイオードのn層とGaAsFETのソー
スをn型のイオン注入層とを結合して集積化したものを
一つの画像ユニットとし、基板の表面または裏面から赤
外線を入射させるようにしたものである。
に形成した主面とは45゜±15゜の角度をなしている複数
のファセット面上に、波長が8〜12μm帯の赤外線を検
出するAlGaAs−MQW構造をi層としたpinダイオードを構
成するとともに、pinダイオードのn層とGaAsFETのソー
スをn型のイオン注入層とを結合して集積化したものを
一つの画像ユニットとし、基板の表面または裏面から赤
外線を入射させるようにしたものである。
また、さらに本発明に係る赤外線撮像装置は、波長が
8〜12μm帯の赤外線を検出するAlGaAs−MQW構造をi
層としたpinダイオードとGaAsFETのソースをn型のイオ
ン注入層で結合して集積化したものを一つの画像ユニッ
トとして形成するとともに、GaAs基板の裏面に主面とは
45゜±15゜の角度をなす複数のファセット面を形成し、
裏面斜めより赤外線を入射させるようにしたものであ
る。
8〜12μm帯の赤外線を検出するAlGaAs−MQW構造をi
層としたpinダイオードとGaAsFETのソースをn型のイオ
ン注入層で結合して集積化したものを一つの画像ユニッ
トとして形成するとともに、GaAs基板の裏面に主面とは
45゜±15゜の角度をなす複数のファセット面を形成し、
裏面斜めより赤外線を入射させるようにしたものであ
る。
この発明の赤外線撮像装置の赤外線検出素子は、GaAs
半導体基板の主面に形成した主面とは45゜±15゜の角度
をもつ斜めのファセット面上にAlGaAs−MQW構造の層を
設けた構成では、赤外線を主面又は裏面から垂直に入射
させることができるとともに、GaAs半導体基板の主面に
AlGaAs−MQW構造の層を形成し、かつ基板の裏面に主面
とは45゜±15゜の角度をなす複数のファセット面を形成
した構成では、裏面斜めより赤外線を入射させることが
できるようになり、両構造ともに基板の表面あるいは裏
面から赤外線を入射できるので、素子を集積化して撮像
素子を構成するのが極めて容易となる。又、AlGaAs−MQ
W構造をi層としたpin型の光起電力型の赤外線検出素子
としたので、半絶縁性GaAs基板上に、該出力素子とGaAs
FETとをFETのソースと素子のn型のイオン注入層とを結
合して一画素としてモノリシックに集積化することがで
き、検出素子とGaAsFETよりなる走査回路を簡単に構成
することができる。また、本発明の赤外線撮像装置の製
造方法によれば、GaAs(100)基板表面上に〔01〕方
向にのびた断面がV字形の複数の溝をエッチングにより
形成し、主面とは45゜±15゜の角度をなす複数のファセ
ット面上にMBEやMOCVD法によりエピタキシャル成長して
AlGaAs−MQW構造を含むpin構造を形成するようにしたの
で、ファセット面に沿って平行度のすぐれたGaAs−MQW
構造が形成できるとともに、赤外線を基板の表面あるい
は裏面から入射させることができる素子構造を提供でき
る。
半導体基板の主面に形成した主面とは45゜±15゜の角度
をもつ斜めのファセット面上にAlGaAs−MQW構造の層を
設けた構成では、赤外線を主面又は裏面から垂直に入射
させることができるとともに、GaAs半導体基板の主面に
AlGaAs−MQW構造の層を形成し、かつ基板の裏面に主面
とは45゜±15゜の角度をなす複数のファセット面を形成
した構成では、裏面斜めより赤外線を入射させることが
できるようになり、両構造ともに基板の表面あるいは裏
面から赤外線を入射できるので、素子を集積化して撮像
素子を構成するのが極めて容易となる。又、AlGaAs−MQ
W構造をi層としたpin型の光起電力型の赤外線検出素子
としたので、半絶縁性GaAs基板上に、該出力素子とGaAs
FETとをFETのソースと素子のn型のイオン注入層とを結
合して一画素としてモノリシックに集積化することがで
き、検出素子とGaAsFETよりなる走査回路を簡単に構成
することができる。また、本発明の赤外線撮像装置の製
造方法によれば、GaAs(100)基板表面上に〔01〕方
向にのびた断面がV字形の複数の溝をエッチングにより
形成し、主面とは45゜±15゜の角度をなす複数のファセ
ット面上にMBEやMOCVD法によりエピタキシャル成長して
AlGaAs−MQW構造を含むpin構造を形成するようにしたの
で、ファセット面に沿って平行度のすぐれたGaAs−MQW
構造が形成できるとともに、赤外線を基板の表面あるい
は裏面から入射させることができる素子構造を提供でき
る。
以下、この発明の一実施例を図について説明する。
第1図(a),(b)はこの発明の一実施例による赤
外線撮像装置の赤外線検出部を示す断面図である。第1
図(b)において、1は半絶縁性GaAs基板、101は半絶
縁性GaAs基板1上に形成した主面とは45゜の角度をもっ
た複数の斜めの面(以下、ファセット面と称す)、2は
ファセット面101を含むGaAs基板1にn型不純物をイオ
ン注入して形成したn+−GaAs層、3′はファセット面10
1上にMBEやMOCVDなどのエピタキシャル法で形成したGaA
s−AlGaAs量子井戸構造を含むpin構造部、5はこの上に
さらにエピタキシャル成長させたp+−GaAsオーミック
層、15はp型オーミック電極、31は波長8〜12μm帯の
赤外線である。
外線撮像装置の赤外線検出部を示す断面図である。第1
図(b)において、1は半絶縁性GaAs基板、101は半絶
縁性GaAs基板1上に形成した主面とは45゜の角度をもっ
た複数の斜めの面(以下、ファセット面と称す)、2は
ファセット面101を含むGaAs基板1にn型不純物をイオ
ン注入して形成したn+−GaAs層、3′はファセット面10
1上にMBEやMOCVDなどのエピタキシャル法で形成したGaA
s−AlGaAs量子井戸構造を含むpin構造部、5はこの上に
さらにエピタキシャル成長させたp+−GaAsオーミック
層、15はp型オーミック電極、31は波長8〜12μm帯の
赤外線である。
また、第1図(a)は第1図(b)のpin構造部3′
を詳細に示した図であり、301はn−Al0.3Ga0.7As層、3
03はp−Al0.3Ga0.7As層、302は40ÅのGaAs層と300Åの
Al0.3Ga0.7As層が交互に50周期繰り返されたMQW層であ
る。このような構造が作製可能であることは第2図に示
す実験で明らかとなった。
を詳細に示した図であり、301はn−Al0.3Ga0.7As層、3
03はp−Al0.3Ga0.7As層、302は40ÅのGaAs層と300Åの
Al0.3Ga0.7As層が交互に50周期繰り返されたMQW層であ
る。このような構造が作製可能であることは第2図に示
す実験で明らかとなった。
即ち、第2図(a)〜(d)は第1図の赤外線検出部
の製造方法を示す各主要工程の図であり、図において、
第1図と同一符号は同一部分を示し、1aは半導体基板1
の(100)主面、20は窒化シリコンのマスクである。
の製造方法を示す各主要工程の図であり、図において、
第1図と同一符号は同一部分を示し、1aは半導体基板1
の(100)主面、20は窒化シリコンのマスクである。
まず、第2図(a)に示すように、半絶縁性GaAs基板
1の(100)主面1a上にCVD法により窒化シリコンを0.2
μm程度堆積し、この膜を写真製版,プラズマエッチン
グし、〔01〕方向に10μm幅のストライプ状に窓開け
されたエッチングマスク20を形成する。
1の(100)主面1a上にCVD法により窒化シリコンを0.2
μm程度堆積し、この膜を写真製版,プラズマエッチン
グし、〔01〕方向に10μm幅のストライプ状に窓開け
されたエッチングマスク20を形成する。
次に第2図(b)に示すようにH2SO4:H2O2:H2O=5:1:
1の硫酸系のエッチング液でGaAs基板1をエッチングす
るとV字状の溝が形成される。溝の側面は〔111〕A面
となり、(100)主面と側面のなす角はおよそ54.7゜と
なる。
1の硫酸系のエッチング液でGaAs基板1をエッチングす
るとV字状の溝が形成される。溝の側面は〔111〕A面
となり、(100)主面と側面のなす角はおよそ54.7゜と
なる。
次に第2図(c)に示すように残りのSi3N4膜を除去
し、結晶成長装置の中に入れる。実際の成長の前の加熱
で溝の形状は変化し、(100)主面となす角が45゜±15
゜の平らな側面が形成される。
し、結晶成長装置の中に入れる。実際の成長の前の加熱
で溝の形状は変化し、(100)主面となす角が45゜±15
゜の平らな側面が形成される。
この上に第2図(d)に示すように、MOCVD(Metal−
Organic CVD)の典型的な成長条件、例えば気体原料に
トリメチルGa(TMG),アルシン(AsH3),トリメチルA
l(TMAl)を用い、0.1気圧,750℃で、順次n−Al0.3Ga
0.7As層301,40ÅのGaAs層と300ÅAl0.3Ga0.7As層を交互
に50周期繰り返して形成したMQW構造の層302,及びp−A
l0.3Ga0.7As層303を成長させ、基板1の面に沿った形
で、即ち、(100)主面と溝の側面の〔111〕A面上の成
長速度が同一となるように各層を形成する。この方法で
はMQW構造302のように極めて薄い層を含む場合でも異常
成長が生じることなく、各層は平行度良く形成される。
Organic CVD)の典型的な成長条件、例えば気体原料に
トリメチルGa(TMG),アルシン(AsH3),トリメチルA
l(TMAl)を用い、0.1気圧,750℃で、順次n−Al0.3Ga
0.7As層301,40ÅのGaAs層と300ÅAl0.3Ga0.7As層を交互
に50周期繰り返して形成したMQW構造の層302,及びp−A
l0.3Ga0.7As層303を成長させ、基板1の面に沿った形
で、即ち、(100)主面と溝の側面の〔111〕A面上の成
長速度が同一となるように各層を形成する。この方法で
はMQW構造302のように極めて薄い層を含む場合でも異常
成長が生じることなく、各層は平行度良く形成される。
なお、上記の各層の成長にはMBE(Molecular Beam Ep
itaxy)法を用いてもよく、この場合には例えば、基板
の加熱温度600℃で10-10TorrAs/Ca=10の条件で形成す
ると上記MOCVD法と同様に平行度の良い層が形成され
る。
itaxy)法を用いてもよく、この場合には例えば、基板
の加熱温度600℃で10-10TorrAs/Ca=10の条件で形成す
ると上記MOCVD法と同様に平行度の良い層が形成され
る。
次に動作について説明する。
第3図は本発明によるpin光起電力形赤外線検出素子
のバンドダイヤグラムを示す。赤外線入射によって量子
井戸のn=1の基底状態にある電子はn=2の連続的な
励起状態に光学的遷移が生じ、励起された電子はMQW層3
02から成るi層にかけられた電界によってn−AlGaAs層
301の方向に移動する。このことによりpinダイオードに
光起電力が生じ、光電流が流れる。
のバンドダイヤグラムを示す。赤外線入射によって量子
井戸のn=1の基底状態にある電子はn=2の連続的な
励起状態に光学的遷移が生じ、励起された電子はMQW層3
02から成るi層にかけられた電界によってn−AlGaAs層
301の方向に移動する。このことによりpinダイオードに
光起電力が生じ、光電流が流れる。
このようにpinダイオードをGaAs基板1の主面とは45
゜±15゜の角度をなすファセット面上に平行度よく形成
するようにしたので、赤外線入射を半導体主面又は裏面
より行なうことができるようになる。また、赤外線検出
素子をpin構造の光起電力型素子としたので、赤外線撮
像回路との整合性を図ることができる。
゜±15゜の角度をなすファセット面上に平行度よく形成
するようにしたので、赤外線入射を半導体主面又は裏面
より行なうことができるようになる。また、赤外線検出
素子をpin構造の光起電力型素子としたので、赤外線撮
像回路との整合性を図ることができる。
次に上記pin構造の光起電力素子を用いた赤外線撮像
装置の構成を第4図に示す。図において、21は水平シフ
トレジスタ、22は垂直シフトレジスタ、23は電池、24は
信号出力端子、25は一画素、40はpinフォトダイオー
ド、50はGaAsMES電界効果トランジスタである。1画素2
5は1つのpinフォトダイオード40と1つのGaAsMESFET50
で構成され、赤外線入射により発生したキャリアをpin
ダイオード40に蓄積し、GaAsFET50のスイッチングトラ
ンジスタとして各画素の情報を順次読み取ることで赤外
線画像が得られる。
装置の構成を第4図に示す。図において、21は水平シフ
トレジスタ、22は垂直シフトレジスタ、23は電池、24は
信号出力端子、25は一画素、40はpinフォトダイオー
ド、50はGaAsMES電界効果トランジスタである。1画素2
5は1つのpinフォトダイオード40と1つのGaAsMESFET50
で構成され、赤外線入射により発生したキャリアをpin
ダイオード40に蓄積し、GaAsFET50のスイッチングトラ
ンジスタとして各画素の情報を順次読み取ることで赤外
線画像が得られる。
次に、このpinダイオード40とGaAsMESFET50とを集積
した一画素の構成例を第5図に示す。図において、1は
半絶縁性GaAs基板、2はn型イオン注入層、3′はMQW
層を含むpinダイオード部、5はp−GaAs層、15はp型
電極、8はショットキ接触型のゲート電極、9はオーミ
ック性のドレイン電極、11は反射防止膜、31は赤外線で
ある。
した一画素の構成例を第5図に示す。図において、1は
半絶縁性GaAs基板、2はn型イオン注入層、3′はMQW
層を含むpinダイオード部、5はp−GaAs層、15はp型
電極、8はショットキ接触型のゲート電極、9はオーミ
ック性のドレイン電極、11は反射防止膜、31は赤外線で
ある。
この製造方法は、まず、第6図(a)に示すように0.
5mmの厚さを有する半絶縁性GaAs基板1の(100)主面上
のうち、pinフォトダイオード40の形成部分に上述の第
2図(a),(b)で示した方法で〔111〕A面を側面
とするV字型の溝を形成する。その後、基板全面にSiイ
オンを注入することにより0.2μmのn型の活性層2′
を形成し、GaAsFET50形成部の所定の部分に例えばタン
グステンシリサイド(WSi)等の高融点金属、あるいはA
l,Au/Mo等の金属を0.5μm程度蒸着し、ショットキー接
合型のゲート電極8を形成する。
5mmの厚さを有する半絶縁性GaAs基板1の(100)主面上
のうち、pinフォトダイオード40の形成部分に上述の第
2図(a),(b)で示した方法で〔111〕A面を側面
とするV字型の溝を形成する。その後、基板全面にSiイ
オンを注入することにより0.2μmのn型の活性層2′
を形成し、GaAsFET50形成部の所定の部分に例えばタン
グステンシリサイド(WSi)等の高融点金属、あるいはA
l,Au/Mo等の金属を0.5μm程度蒸着し、ショットキー接
合型のゲート電極8を形成する。
次にゲート電極8の側壁にサイドウオールとしてSiO2
等の絶縁膜を形成し、さらにゲート電極8とサイドウォ
ールをマスクとしてSiイオンを基板全面に注入してn型
イオン注入層2を形成し、その後、サイドウォールを除
去し、pinフォトダイオード形成部40を残す基板の表面
を覆うように絶縁膜26を形成する。
等の絶縁膜を形成し、さらにゲート電極8とサイドウォ
ールをマスクとしてSiイオンを基板全面に注入してn型
イオン注入層2を形成し、その後、サイドウォールを除
去し、pinフォトダイオード形成部40を残す基板の表面
を覆うように絶縁膜26を形成する。
そして、上述の第2図(d)に示した方法と同様に、
MOCVD法あるいはMBE法によりV字型の溝に順次、n−Al
0.3Ga0.7As層301,40ÅのGaAs層と300ÅのAl0.3Ga0.7As
層を交互に50周期繰り返して形成したMQW構造の層302,
及びp−Al0.3Ga0.7As層303からなるpin構造部3′とp+
−GaAs層5を順次平行度よく成長させ、基板1の面に沿
った形で各層を形成する。
MOCVD法あるいはMBE法によりV字型の溝に順次、n−Al
0.3Ga0.7As層301,40ÅのGaAs層と300ÅのAl0.3Ga0.7As
層を交互に50周期繰り返して形成したMQW構造の層302,
及びp−Al0.3Ga0.7As層303からなるpin構造部3′とp+
−GaAs層5を順次平行度よく成長させ、基板1の面に沿
った形で各層を形成する。
次に、絶縁膜26を除去したのち、p+−GaAs層5上に例
えば、Au/Tiよりなるp型電極15を形成するとともに、G
aAsFET形成部50のn型活性層2上の所定の部分に例え
ば、Au(5000Å)/Au−Ge(1000Å)/Ni(200Å)から
なるドレイン電極9を形成し、その後アニールを施すこ
とによりオーミック性の電極とする。そして、基板1の
裏面にその屈折率をnとした場合、λ/4nの膜厚を有す
る、即ち最小の反射率を有するZnSeなどからなる反射防
止膜11を形成する。
えば、Au/Tiよりなるp型電極15を形成するとともに、G
aAsFET形成部50のn型活性層2上の所定の部分に例え
ば、Au(5000Å)/Au−Ge(1000Å)/Ni(200Å)から
なるドレイン電極9を形成し、その後アニールを施すこ
とによりオーミック性の電極とする。そして、基板1の
裏面にその屈折率をnとした場合、λ/4nの膜厚を有す
る、即ち最小の反射率を有するZnSeなどからなる反射防
止膜11を形成する。
このような構成では、pinダイオード40のn+−GaAs層
がGaAsFET50のソースにn型イオン注入層で結ばれてい
る構造をとなっているので、ソース電極は不要である。
がGaAsFET50のソースにn型イオン注入層で結ばれてい
る構造をとなっているので、ソース電極は不要である。
なお、このように集積化された一画素を第4図に示し
た回路構成で動作させ、赤外線撮像装置として使用する
場合、pinフォトダイオードに逆バイアスをかけて低温
動作をさせているが、長時間の使用によりMQW層302の電
子がなくなると光の吸収が起こらなくなり、pin型光起
電力素子は動作しなくなる。しかし、この問題は第4図
に示した電池23を動作時と逆方向に接続し、pinフォト
ダイオードを順バイアスとして、同期的に初期化を行な
うことで解消されるので問題はない。また、この初期化
の方法は他にもあり、pinフォトダイオードにレーザ光
等の光を照射し、価電子帯から導電帯に電子を供給する
ようにしてもよい。
た回路構成で動作させ、赤外線撮像装置として使用する
場合、pinフォトダイオードに逆バイアスをかけて低温
動作をさせているが、長時間の使用によりMQW層302の電
子がなくなると光の吸収が起こらなくなり、pin型光起
電力素子は動作しなくなる。しかし、この問題は第4図
に示した電池23を動作時と逆方向に接続し、pinフォト
ダイオードを順バイアスとして、同期的に初期化を行な
うことで解消されるので問題はない。また、この初期化
の方法は他にもあり、pinフォトダイオードにレーザ光
等の光を照射し、価電子帯から導電帯に電子を供給する
ようにしてもよい。
このような上記実施例では、半絶縁性GaAs基板1上に
MQW層302をi層とするpinフォトダイオードを選択的に
エピタキシャル成長させて形成するとともに、GaAsFET
を形成し、これを赤外線撮像装置を構成する一画素とし
たので、赤外線検出素子と駆動回路をGaAs基板1上にモ
ノリシックに集積化することができるようになり、画素
数を多くできるとともに解像度の良い赤外線撮像装置を
形成できる。
MQW層302をi層とするpinフォトダイオードを選択的に
エピタキシャル成長させて形成するとともに、GaAsFET
を形成し、これを赤外線撮像装置を構成する一画素とし
たので、赤外線検出素子と駆動回路をGaAs基板1上にモ
ノリシックに集積化することができるようになり、画素
数を多くできるとともに解像度の良い赤外線撮像装置を
形成できる。
また、上記実施例ではpinダイオード40をGaAs基板1
の主面とは45゜±15゜の角度をなすファセット面上に形
成した場合について説明したが、これは本発明の他の実
施例として第7図に示すように基板裏面に45゜±15゜の
角度をなすファセット面101を形成し、赤外線31を斜め
より入射させるようにした赤外線撮像装置であってもよ
く、この場合においても上記実施例と同様にMQW層302に
は光は約45度の角度で入射するようになるので、光の吸
収が有効に生じ、上記実施例と同様の効果を奏する。
の主面とは45゜±15゜の角度をなすファセット面上に形
成した場合について説明したが、これは本発明の他の実
施例として第7図に示すように基板裏面に45゜±15゜の
角度をなすファセット面101を形成し、赤外線31を斜め
より入射させるようにした赤外線撮像装置であってもよ
く、この場合においても上記実施例と同様にMQW層302に
は光は約45度の角度で入射するようになるので、光の吸
収が有効に生じ、上記実施例と同様の効果を奏する。
なお、上記実施例はIII−V族化合物半導体として、A
lGaAs/GaAs系をものを用いて説明を行ったが、これはIn
GaAsP/InP系のもの、またはInGaAlAs/InP系のもの等、
他のIII−V族化合物半導体を用いるようにしてもよ
く、この場合においても上記実施例と同様の効果を奏す
る。
lGaAs/GaAs系をものを用いて説明を行ったが、これはIn
GaAsP/InP系のもの、またはInGaAlAs/InP系のもの等、
他のIII−V族化合物半導体を用いるようにしてもよ
く、この場合においても上記実施例と同様の効果を奏す
る。
以上のように、この発明によれば、赤外線検出部分は
半絶縁性GaAs基板の主面に主面とは45度±15゜の角度を
持つ断面がV字型のファセット面を多数形成し、その面
上にAlGaAs−MQW構造を形成した構成としたので、赤外
線を基板の表面あるいは裏面から垂直に入射させること
ができるようになり、多数の素子を集積化して撮像素子
を形成するのが極めて容易となる。また、この発明によ
れば、半絶縁性GaAs基板表面にAlGaAs−MQW構造の層を
形成し、かつ基板の裏面に主面とは45゜±15゜の角度を
なす複数のファセット面を形成するようにしたので、裏
面斜めより赤外線を入射させることができるようにな
り、上記の構成と同様に素子を集積化して撮像素子を構
成するのが容易となる効果がある。また、この発明の赤
外線撮像装置の製造方法によれば、GaAs(100)基板表
面上に〔01〕方向にのびた断面がV字形の複数の溝を
エッチングにより形成し、主面とは45゜±15゜の角度を
なす複数のファセット面を設け、この面上に沿ってMBE
やMOCVD法によりエピタキシャル成長してAlGaAs−MQW構
造を含むpin構造を形成するようにしたので、平行度の
高いMQW層を精度よく形成できるとともに赤外線を基板
に対して垂直に入射させることができる赤外線検出素子
の構造を提供できる効果がある。また、この発明によれ
ば、GaAs基板上にMQW構造をi層としたpinフォトダイオ
ードと、該pinフォトダイオードのn層をそのソース領
域とするGaAsFETとを形成し、これを赤外線撮像装置を
構成する一画素としたので赤外線検出素子と駆動回路を
GaAs上にモノリシックに集積化することができ、画素数
が多く、解像度の良い8〜10μm帯の赤外線撮像装置を
安価に得られる効果がある。
半絶縁性GaAs基板の主面に主面とは45度±15゜の角度を
持つ断面がV字型のファセット面を多数形成し、その面
上にAlGaAs−MQW構造を形成した構成としたので、赤外
線を基板の表面あるいは裏面から垂直に入射させること
ができるようになり、多数の素子を集積化して撮像素子
を形成するのが極めて容易となる。また、この発明によ
れば、半絶縁性GaAs基板表面にAlGaAs−MQW構造の層を
形成し、かつ基板の裏面に主面とは45゜±15゜の角度を
なす複数のファセット面を形成するようにしたので、裏
面斜めより赤外線を入射させることができるようにな
り、上記の構成と同様に素子を集積化して撮像素子を構
成するのが容易となる効果がある。また、この発明の赤
外線撮像装置の製造方法によれば、GaAs(100)基板表
面上に〔01〕方向にのびた断面がV字形の複数の溝を
エッチングにより形成し、主面とは45゜±15゜の角度を
なす複数のファセット面を設け、この面上に沿ってMBE
やMOCVD法によりエピタキシャル成長してAlGaAs−MQW構
造を含むpin構造を形成するようにしたので、平行度の
高いMQW層を精度よく形成できるとともに赤外線を基板
に対して垂直に入射させることができる赤外線検出素子
の構造を提供できる効果がある。また、この発明によれ
ば、GaAs基板上にMQW構造をi層としたpinフォトダイオ
ードと、該pinフォトダイオードのn層をそのソース領
域とするGaAsFETとを形成し、これを赤外線撮像装置を
構成する一画素としたので赤外線検出素子と駆動回路を
GaAs上にモノリシックに集積化することができ、画素数
が多く、解像度の良い8〜10μm帯の赤外線撮像装置を
安価に得られる効果がある。
第1図は本発明の一実施例による赤外線撮像装置の光起
電力型赤外線検出素子の断面図、第2図(a)〜(d)
は第1図の素子の製作に要する結晶成長プロセスの各主
要工程を示す図、第3図は本発明の一実施例による赤外
線撮像装置のpin型光起電力素子の動作原理を説明する
バンドダイヤグラムを示す図、第4図は本発明の一実施
例による赤外線撮像装置の回路構成を示す図、第5図は
本発明の一実施例による赤外線撮像装置のpinダイオー
ドとGaAsFETを集積化した一画素の構成を示す図、第6
図(a)〜(d)は第5図のpinダイオードとGaAsFETを
集積化した一画素の製造方法を示す各主要工程を示す
図、第7図は本発明の他の実施例による赤外線撮像装置
の一画素の構成を示す図、第8図は従来の多重量子井戸
を用いた光導電型赤外線検出素子の断面図、第9図は従
来の赤外線検出素子の動作原理を説明するバンドダイヤ
グラムを示す図、第10図は従来の赤外線検出素子を用い
て撮像回路を構成した時の簡単な回路図である。 図中、1は半絶縁性GaAs基板、1aはGaAsの(100)主
面、2′2はn型イオン注入層、101はファセット面、
3′はpinダイオード部、301はn−AlGaAs層、302はMQW
層、3aはGaAs量子井戸層、3bはAlGaAs障壁層、303はp
−AlGaAs層、5はp+−GaAs層、8はゲート電極、9はド
レイン電極、11は反射防止膜、15はp型オーミック電
極、20は窒化シリコン膜、21は水平シフトレジスタ、22
は垂直シフトレジスタ、23は電池、24は信号出力端子、
25は一画素、26は絶縁膜、31は赤外線、40はpinフォト
ダイオード、50はGaAs電界効果トランジスタである。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
電力型赤外線検出素子の断面図、第2図(a)〜(d)
は第1図の素子の製作に要する結晶成長プロセスの各主
要工程を示す図、第3図は本発明の一実施例による赤外
線撮像装置のpin型光起電力素子の動作原理を説明する
バンドダイヤグラムを示す図、第4図は本発明の一実施
例による赤外線撮像装置の回路構成を示す図、第5図は
本発明の一実施例による赤外線撮像装置のpinダイオー
ドとGaAsFETを集積化した一画素の構成を示す図、第6
図(a)〜(d)は第5図のpinダイオードとGaAsFETを
集積化した一画素の製造方法を示す各主要工程を示す
図、第7図は本発明の他の実施例による赤外線撮像装置
の一画素の構成を示す図、第8図は従来の多重量子井戸
を用いた光導電型赤外線検出素子の断面図、第9図は従
来の赤外線検出素子の動作原理を説明するバンドダイヤ
グラムを示す図、第10図は従来の赤外線検出素子を用い
て撮像回路を構成した時の簡単な回路図である。 図中、1は半絶縁性GaAs基板、1aはGaAsの(100)主
面、2′2はn型イオン注入層、101はファセット面、
3′はpinダイオード部、301はn−AlGaAs層、302はMQW
層、3aはGaAs量子井戸層、3bはAlGaAs障壁層、303はp
−AlGaAs層、5はp+−GaAs層、8はゲート電極、9はド
レイン電極、11は反射防止膜、15はp型オーミック電
極、20は窒化シリコン膜、21は水平シフトレジスタ、22
は垂直シフトレジスタ、23は電池、24は信号出力端子、
25は一画素、26は絶縁膜、31は赤外線、40はpinフォト
ダイオード、50はGaAs電界効果トランジスタである。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
Claims (5)
- 【請求項1】波長が8〜12μm帯の赤外線を検出する複
数の画像ユニットを含む赤外線撮像装置において、 半絶縁性GaAs基板上に上記複数の画像ユニットの個々の
画像ユニットを、pin型構造の赤外線検出素子と、該素
子のn層をそのソース領域として同一基板上に形成し
た、上記素子に蓄積された電荷を転送するGaAs電界効果
トランジスタとから構成するとともに、 上記pin型構造を、 AlxGa1-xAs層に挟まれた複数のAlyGa1-yAs量子井戸層
(但し、x>y)からなる上記i層としての多重量子井
戸層と、 該i層を挟むように設けたp型AlxGa1-xAs層およびn型
AlxGa1-xAs層とから構成したことを特徴とする赤外線撮
像装置。 - 【請求項2】基板上に構成した、波長が8〜12μm帯の
赤外線を検出する赤外線検出素子を有する赤外線撮像装
置において、 上記赤外線検出素子を、 上記基板の表面に該表面と45゜±15゜の角度をなす複数
のファセット面を有し、該ファセット面に沿ってpin型
構造を配置してなるものとし、 該pin型構造を、 AlxGa1-xAs層に挟まれた複数のAlyGa1-yAs量子井戸層
(但し、x>y)からなる上記i層としての多重量子井
戸層と、 該i層を挟むように設けたp型AlxGa1-xAs層およびn型
AlxGa1-xAs層とから構成し、 上記基板の表面または裏面から赤外線を入射させるよう
にしたことを特徴とする赤外線撮像装置。 - 【請求項3】半絶縁性GaAs基板上に、波長が8〜12μm
帯の赤外線を検出するpin型構造を配置してなる赤外線
検出素子の製造工程を含む赤外線撮像装置の製造方法に
おいて、 上記赤外線検出素子の製造工程は、 エッチングにより上記基板の(100)主面上に〔011〕方
向にのびた、上記主面とは45゜±15゜の角度をなすV字
形の断面を有し、そのファセット面を〔111〕A面とす
る複数の溝を形成する工程と、 上記複数のファセット面上に、MOCVD法,あるいはMBE法
により、n型AlxGa1-xAs層,AlxGa1-xAs層に挟まれた複
数のAlyGa1-yAs量子井戸層(但し、x>y)からなる上
記i層としての多重量子井戸層、及びp型AlxGa1-xAs層
を順次平行度よくエピタキシャル成長させ、上記pin形
構造を形成する工程とからなることを特徴とする赤外線
撮像装置の製造方法。 - 【請求項4】波長が8〜12μm帯の赤外線を検出する複
数の画素ユニットを含む赤外線撮像装置において、 上記複数の画素ユニットの個々の画像ユニットを、その
表面に該表面と45゜±15゜の角度をなす複数のファセッ
ト面を有する半絶縁性GaAs基板上に、該ファセット面に
沿ってpin型構造を形成してなる赤外線検出素子と、該
素子のn層をそのソース領域として同一基板上に形成さ
れ、上記素子に蓄積された電荷を転送するGaAs電界効果
トランジスタとから構成するとともに、 上記pin型構造を、 AlxGa1-xAs層に挟まれた複数のAlyGa1-yAs量子井戸層
(但し、x>y)からなる上記i層としての多重量子井
戸層と、 該i層を挟むように設けたp型AlxGa1-xAs層およびn型
AlxGa1-xAs層とから構成し、 さらに上記基板の表面あるいは裏面から赤外線を入射さ
せるようにしたことを特徴とする赤外線撮像装置。 - 【請求項5】波長が8〜12μm帯の赤外線を検出する複
数の画素ユニットを含む赤外線撮像装置において、 上記複数の画素ユニットの個々の画像ユニットを、半絶
縁性GaAs基板の表面にpin型構造を形成してなる赤外線
検出素子と、該素子のn層をそのソース領域として同一
基板上に形成され、上記素子に蓄積された電荷を転送す
るGaAs電界効果トランジスタとから構成するとともに、 上記pin型構造を、 AlxGa1-xAs層に挟まれた複数のAlyGa1-yAs量子井戸層
(但し、x>y)からなる上記i層としての多重量子井
戸層と、 該i層を挟むように設けたp型AlxGa1-xAs層およびn型
AlxGa1-xAs層とから構成し、 さらに上記基板の裏面に主面とは45゜±15゜の角度をな
す複数のファセット面を設け、 上記基板の裏面に斜めより赤外線を入射させるようにし
たことを特徴とする赤外線撮像装置。
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