红外线传感器ic、红外线传感器及其制造方法

专利名称：红外线传感器ic、红外线传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及红外线检测领域，特别涉及检测长波波段的辐射能的 红外线传感器，例如，人感传感器的技术领域。
背景技术：
一般，在红外线传感器中有利用由于吸收红外线能量产生的温度 变化的热型(热电元件及热电堆等)和利用由入射光能量激发的电子 产生的导电率的变化及电动势的量子型。热型可以在室温下工作，但 是具有没有波长依赖性、灵敏度低而响应慢的缺点。另一方面，量子 型具有的特征是必须冷却到低温，但是具有波长依赖性，灵敏度高而 响应速度也迅速。
红外线传感器的应用的代表性例子有通过检测人而使照明、空调 及TV等家用电器自动进行开和关的人感传感器及防范用的监视传感 器等等。最近，节能、家庭自动化及安全系统等方面的应用非常受到 注目。
作为人感传感器，现在使用的红外线传感器是利用热电效应的热 电型红外线传感器。热电型红外线传感器，如在非专利文献1中所示， 由于该热电元件的阻抗极高，容易受到电磁噪声及热波动的影响。因 此，金属Can (容器)封装等屏蔽是必需的。另外，I-V变换电路中 必须要有大的R和C，小型化困难。
另 一方面，作为量子型的红外线传感器，HgCdTe( MCT )及InSb 系列作为其代表性材料使用。在使用MCT及InSb系列时，必须使用
5液氮及液氦或利用珀尔帖效应的电子冷却等将传感器部分冷却。一
般，在冷却的量子型红外线传感器中可以达到热电传感器的100倍或 更高的高灵敏度。另外，元件电阻可小到数十 数百Q，很少受电磁噪 声及热波动的影响。但是，对于封装而言，由于必须冷却到低温，所 以使用牢固的金属封装。
此外，在量子型红外线传感器中也是MCT的灵敏度最高，其中 使用的Hg蒸气压高。因此，结晶成长时的組成控制及重复性困难， 难以获得均勻的膜。另外，在元件化工艺中机械强度也弱，存在Hg 扩散及抽出的问题。
对于InSb系列，根据要检测的波长研究InAsxSb^的混合晶。 例如，尝试使用InSb基板在其上将InSb的一部分置换为As的外延 生长法(参照专利文献l)等等。
此外，提出了在集成了读出及信号处理电路的基体之上使红外线 传感器部分成长的单片结构(参照专利文献2)。然而，在信号处理 电路上生长作为红外线传感器部分的化合物半导体薄膜的技术极为 困难，不容易得到可用作实用器件的膜质。另外，在信号处理电路动 作时产生的热成为对在其上以单片方式形成的红外线传感器部分的 热波动的噪声而出现产生错误信号的问题。所以，为了抑制这一热波 动的影响，必须利用液氮等使整个传感器冷却。这种冷却，不适合一 般家电及照明用的人感传感器的用途。
专利文献l:日本专利特开昭53-58791号公报
专利文献2:日本专利特开平2-502326号公报
非专利文献1:松井邦彦著"传感器活用的141种实践技术诀窍"， CQ出版，2001年5月20日，p56
非专利文献2: A. G, Thompson and J. C, Woolley， Can. J. Phys" 45,255 ( 1967)

发明内容
本发明的目的为提供一种可在室温下工作，不易受电磁噪声及热
6波动的影响的超小型红外线传感器IC、红外线传感器及其制造方法。
为解决上述课题，本发明人发现，通过使元件电阻小的化合物半导体 传感器部分和处理从该化合物半导体传感器部分输出的电信号的集 成电路部在同一封装内混合形成，可以在室温下进行检测而完成本发 明。此外还发现，本发明一实施方式的红外线传感器的特征为具有不 易受电磁噪声和热波动的影响。此外，本发明的一实施方式中的红外
线传感器IC的化合物半导体传感器部分，由于元件电阻小，从化合 物半导体传感器部分输出的信号处理电路中的R及C可以很小，从
而作为传感器模块时的IC可以小型化。
此外，本发明的一实施方式中的红外线传感器IC，因为红外线
传感器部分和集成电路部可以分别制作，器件工艺可以分别利用合适 的工艺。另外，由于红外钱传感器部分和集成电路部是以混合方式形 成的，不易受到单片结构中成为问题的集成电路部的发热的影响。所
以，本发明的一实施方式的红外线传感器ic具有不需要冷却这一重
要特征。
就是说，本发明的实施方式l的红外线传感器IC的特征在于 具有在基板上生长的作为薄膜的包含铟及锑的化合物半导体层，利用 该化合物半导体层检测红外线并输出表示该检测的电信号的化合物 半导体传感器部分、以及对从上述化合物半导体传感器部分输出的电 信号进行处理并进行规定的运算的集成电路部，且将上述化合物半导 体传感器部分及上述集成电路部在同一封装内以混合形态进行配置。
本发明的实施方式2的红外线传感器IC的特征在于在本发明 的实施方式1的红外线传感器IC中，上述化合物半导体传感器部分 包括基板、以及在该基板上夹着作为緩和晶格失配的层的緩冲层形成 的化合物半导体层。另外，上述緩冲层也可以是AlSb、 AlGaSb、 AlGaAsSb、 AlInSb、 GalnAsSb、 AlInAsSb中的任一种。
本发明的实施方式3的红外线传感器IC的特征在于在本发明 的实施方式1及实施方式2的红外线传感器IC中，上述化合物半导 体层由单层的第一化合物半导体层组成，并且该第 一化合物半导体层是InSb、 InAsSb、 InSbBi、 InAsSbBi、 InTlSb、 InTlAsSb、 InSbN、 InAsSbN中的任一种。其中，上述第一化合物半导体层也可以是p型 掺杂了的。
本发明的实施方式4的红外线传感器IC的特征在于在本发明 的实施方式1及实施方式2的红外线传感器IC中，上述化合物半导 体层，具备作为包含铟及锑的材料的第二化合物半导体层、以及在该 第二化合物半导体层上以与第二化合物半导体层形成异质结的方式 形成的包含锑并且是与上述第二化合物半导体层不同的材料的第三 化合物半导体层。其中，上述第三化合物半导体层/上述第二化合物半 导体层的组合也可以是GaSb/InSb、 GalnSb/InSb 、 InSb/InAsSb、 GaSb/InAsSb、 GalnSb/InAsSb中的任一种。另外，上述第二化合物 半导体层和上述第三化合物半导体层两者或只是上述第三化合物半 导体层也可以是p型掺杂了的。
本发明的实施方式5的红外线传感器IC的特征在于在本发明
的实施方式1及实施方式2的红外线传感器IC中，上述化合物半导 体层，具备作为包含铟及锑中的至少一种的材料的第四化合物半导体
层以及在该第四化合物半导体层上以与第四化合物半导体层形成异 质结的方式形成的包含铟及锑中的至少一种并且是与上述第四化合 物半导体层不同的材料的第五化合物半导体层，上述第四化合物半导 体层和上述第五化合物半导体层，是周期层叠的超晶格结构。其中上 述第五化合物半导体层/上述第四化合物半导体层的組合也可以是 InAs/GaSb 、 InAs/GalnSb 、 InAs/GaAsSb 、 InAsSb/GaSb 、 InAsSb/GaAsS、 InAsSb/GalnSb中的任一种。
本发明的实施方式6的红外线传感器IC的特征在于在本发明
的实施方式1及实施方式2的红外线传感器IC中，上述化合物半导 体层是具备包含铟及锑的n型掺杂了的材料的化合物半导体层、以及
包含铟及锑的p型掺杂了的材料的化合物半导体层的p-n结的层叠 体。其中，上述层叠体也可以是p型掺杂了的InSb/n型掺杂了的InSb、 p型掺杂了的InSb/p型掺杂了的InAsSb/n型掺杂了的InSb、 p型掺杂了的GalnSb/p型掺杂了的InAsSb/n型掺杂了的GalnSb、 p型掺 杂了的GalnSb/p型掺杂了的InSb/n型掺杂了的GalnSb中选择的任 一种p-n结。
本发明的实施方式7的红外线传感器IC的特征在于具备基板、 以及在该基板上形成的多个化合物半导体层层叠的化合物半导体的 层叠体，上述化合物半导体的层叠体，具备在该基板上形成的包含铟 及锑的n型掺杂了的材料的第六化合物半导体层，在该第六化合物半 导体层上形成的包含铟及锑且未掺杂或p型掺杂了的材料的第七化合 物半导体层以及在该第七化合物半导体层上形成的以比上述第七化 合物半导体层更高浓度进行p型掺杂并且具有比上述第六化合物半导 体层及上述第七化合物半导体层更大的能带隙的材料的第八化合物 半导体层。上述第六化合物半导体层是InSb，上述第七化合物半导体 层是InSb、 InAsSb、 InSbN中的任一种，上述第八化合物半导体层 也可以是AlInSb、 GalnSb、或AlAs、 InAs、 GaAs、 AlSb、 GaSb及 其混合晶中的任一种。另外，上述第六化合物半导体层的n型掺杂物 是Sn，上述第七化合物半导体层及上述笫八化合物半导体层的p型 掺杂物也可以是Zn。
另外，上述化合物半导体的层叠体还具备在上述第八化合物半导 体层上形成的包含锢及锑的与该第八化合物半导体层浓度相同或更 高的p型掺杂了的材料的第九化合物半导体层。上述第九化合物半导 体层也可以是InSb。
此外，上述基板是半绝缘性基板，或是上述基板和在该基板上形 成的第六化合物半导体层可以绝缘分离的基板，在上述第六化合物半 导体层之中，还可以具备在不形成上述第七化合物半导体层的区域中 形成的第一电极和在上述第八化合物半导体层上形成的第二电极。另 外，所谓"在上述第八化合物半导体层上形成的"指的是相对第八化合 物半导体层在空间上形成第二电极。就是说，第二电极并不限定于在 第八化合物半导体层的正上方形成，也包含在第八化合物半导体层上 形成其它的层(例如，第九化合物半导体层)，在该层上形成第二电极。此处，在上述基板上，也可以连续形成多个上述化合物半导体的 层叠体，以使在上述化合物半导体的层叠体上形成的第一电极和在与 形成该第一电极的化合物半导体的层叠体相邻的化合物半导体的层 叠体上形成的第二电极串联。
在本发明的实施方式7中，也可以在测定输出信号时，使上述第 一及第二电极间的偏置成为零偏置，使红外线入射时的信号作为开路 电压读出。
本发明的实施方式8的红外线传感器IC的特征在于具备本发 明的实施方式7的红外线传感器和对从上述红外线传感器输出的电信 号进行处理并进行规定的运算的集成电路部，将上述红外线传感器及 上述集成电路部在同一封装内以混合形态进行配置。
本发明的实施方式9的红外线传感器的制造方法的特征在于具 有在基板上形成包含铟及锑的n型掺杂了的材料的第六化合物半导体 层的工序、在该第六化合物半导体层上形成包含铟及锑且未掺杂或p 型掺杂了的材料的第七化合物半导体层的工序、以及在该第七化合物
半导体层上形成以比上述第七化合物半导体层更高浓度进行p型掺杂 并且具有比上述第六化合层半导体层及上述第七化合物半导体层更 大的能带隙的材料的第八化合物半导体层的工序。上述第六化合物半 导体层是InSb，上述第七化合物半导体层是InSb、 InAsSb、 InSbN 中的任一种，上述第八化合物半导体层也可以是AlInSb、 GalnSb、 或AlAs、 InAs、 GaAs、 AlSb、 GaSb及其混合晶中的任一种。另夕卜， 上述第六化合物半导体层的n型掺杂物是Sn，上述第七化合物半导 体层及上述第八化合物半导体层的p型掺杂物也可以是Zn。
此外，还可以具有在上述第八化合物半导体层上形成包含铟及锑 的与该第八化合物半导体层浓度相同或更高的p型掺杂了的材料的第 九化合物半导体层的工序。此处，上述第九化合物半导体层也可以是 InSb。另外，上述第九化合物半导体层的p型掺杂物也可以是Zn。
如果使用本发明一实施方式的红外线传感器IC，由于可以实现 超小型的在室温下可以工作的人感传感器，可以很容易装设到迄今难
10以装设的家电等等之中。本发明的一实施方式的红外线传感器IC，通
过将迄今以冷却为前提的只应用于计测用途的使用化合物半导体的 量子型红外线传感器与集成电路混合化，可以在室温下工作。并且元 件电阻小的化合物半导体元件具有不易受到电磁噪声及热波动的影 响的特征，实现了小型低廉的人感传感器。如果使用本发明一实施方
式的红外线传感器IC，可以做到家用电子器件及办公用电子器件大幅
度节能，也许在能量和环境方面大有用途。


图l为示出本发明的实施方式1的红外线传感器IC的一例的立体图。
图2为示出本发明的实施方式3的红外线传感器IC的化合物半
导体传感器部分的剖面图。
图3为示出本发明的实施方式4的红外线传感器IC的化合物半
导体传感器部分的剖面图。
图4为示出本发明的实施方式5的红外线传感器IC的化合物半
导体传感器部分的剖面图。
图5为示出本发明的实施方式6的红外线传感器IC的化合物半
导体传感器部分的剖面图。
图6为示出本发明的实施方式2的红外线传感器IC的化合物半
导体传感器部分的剖面图。
图7为示出本发明的实施方式3的红外线传感器IC的化合物半
导体传感器部分的电极结构(光导电型)的剖面图。
图8为示出本发明的实施方式6的红外线传感器IC的化合物半
导体传感器部分的电极结构(光电动势型)的剖面图。
图9为示出本发明的实施方式1的红外线传感器IC的另一例的 立体图。
图10为示出本发明的实施方式7的红外线传感器IC的化合物 半导体传感器部分的剖面图。图11为示出本发明的实施方式7的化合物半导体红外线传感器 的能带图。
图12为示出本发明的实施方式7的红外线传感器IC的化合物 半导体传感器部分的另 一例的剖面图。
图13为示出本发明的实施方式7的红外线传感器IC的多个单 一元件串联的化合物半导体传感器部分的一部分的剖面图。
图14为示出本发明的实施方式7的红外线传感器IC的多个单 一元件串联的化合物半导体传感器部分的一例的上视图。
图15为示出本发明的实施例7的红外线传感器IC的化合物半 导体传感器部分的剖面图。
图16为示出本发明的实施例8的红外线传感器IC的化合物半 导体传感器部分的剖面图。
图17为示出本发明的实施例9的红外线传感器IC的化合物半 导体传感器部分的剖面图。
图18为示出本发明的实施例IO的红外线传感器IC的化合物半 导体传感器部分的一部分的剖面图。
图19为示出本发明的实施例11的红外线传感器IC的化合物半 导体传感器部分的一部分的剖面图。
图20为示出本发明的实施例12的红外线传感器IC的化合物半 导体传感器部分的剖面图。
图21为示出本发明的实施例13的红外线传感器IC的化合物半 导体传感器部分的剖面图。
图22为示出本发明的实施例7~9、 12及13的化合物半导体传感 器的输出电压的比较的示图。
图23为示出本发明的实施例9、 12及13的化合物半导体传感器 的饱和电流的比较的示图。
图24为示出本发明的实施例9、12及13的化合物半导体传感器 的光电流的比较的示图。
图25为示出本发明的实施例14的红外线传感器IC的化合物半
12导体传感器部分的一部分的剖面图。
图26为本发明的实施方式8,是实施例15的红外线传感器IC 的剖面图。
具体实施例方式
下面参照附图具体说明本发明。另外，在以下说明的附图中，对 具有同样功能的部件赋予同样的符号，重复的说明则省略。
图1为示出本发明的一实施方式的红外线传感器IC的示意图。 图1中，符号l表示印刷基板(或者引线框)，2表示化合物半导体 传感器部分，3表示集成电路部，4a表示在印刷基板l上形成的引线 电极。化合物半导体伶感器部分2及集成电路部3、以及集成电路部 3及引线电极4a,分别利用引线键合(丝焊)4b在各个电极间连接。 符号5表示封装盖。就是说，在印刷基板l上混合形成化合物半导体 传感器部分2及集成电路部3。
在本发明的一实施方式中，所谓"化合物半导体传感器部分"是检 测入射的红外线并将其检测结果作为电信号输出的单元，即红外线传 感器。另外，所谓"集成电路部"是在基板上或基板内形成多个电路元 件的电路，是处理从化合物半导体传感器部分输出的红外线的检测信 号(电信号)而进行规定的运算的单元。另外，所谓"混合形成(以 混合方式形成)"是在一个基板上将集成电路、化合物半导体传感器 部分等元件个别组合并将这些元件互相电连接而形成。
为形成本发明的一实施方式中的红外线传感器IC的化合物半导 体传感器部分而使用的基板， 一般只要是能生长单晶，哪一种都可以， 优选是使用GaAs基板、Si基板等单晶基板。另外，这些单晶基板也 可以利用施主杂质或受主杂质掺杂成为n型或p型。此外，在绝缘基 板上生长后，也可以利用粘接剂将化合物半导体传感器部分粘贴到其 他基板上而将绝缘基板剥离。
构成化合物半导体传感器部分的化合物半导体层可以使用各种 成膜方法形成。例如，分子束外延(MBE)法、有机金属汽相外延(MOVPE)法等是优选方法。利用上述生长方法形成所希望的化合 物半导体层。
作为构成化合物半导体传感器部分的化合物半导体层的材料，可 以使用具有满足Eg[eV]S1.24从[nm(红外线的波长人=10^11)的能带 隙(或称带隙)Eg的化合物半导体。例如，作为第一化合物半导体层， 只要是在该半导体层中包含铟(In)及锑(Sb)的材料，使用哪一种 都可以，其中优选使用InSb、 InAsSb、 InSbBi、 InAsSbBi、 InTlSb、 InTlAsSb、 InSbN、 InAsSbN等。InAs^b^混合晶的能带隙Eg以 0.58x、0.41x+0.18-Eg表示，存在非常大的非线性因子(参照非专利文 献2)。在As的组成比x为O的场合，即InSb在室温下在波长为约 7.3|nm或更短时可以得到灵敏度。另外，在0.1"幼.6的范围中， Eg《0.12eV，对于以10jLim波段作为峰值波长的红外线检测成为更合适 的化合物半导体层。更优选的x的范围为0.2^^0.5。在图2中示出在 GaAs基板6上形成的第一化合物半导体层7的一例的剖面图。
另外，化合物半导体层，也可以形成由第二化合物半导体层和第 三化合物半导体层构成的异质结构。作为本发明的一实施方式的第二 化合物半导体层，只要是在该半导体层中包含铟(In)及锑(Sb)的 材料，使用哪一种都可以，并且，作为第三化合物半导体层，只要是 在该半导体层中包含锑并且是与第二化合物半导体层不同的材料就 可以。其中第三化合物半导体层/第二化合物半导体层的优选組合是 GaSb/InSb 、 GalnSb/InSb 、 InSb/InAsSb 、 GaSb/InAsSb 、 GalnSb/InAsSb等。特别是InAsxSb^混合晶的x，如上所述，0.1《x^).6 的范围为优选，更优选的x范围为0.2《x《0.5。在图3中示出在GaAs 基板6上形成的由第二化合物半导体层8/第三化合物半导体层9构成 的化合物半导体传感器部分2的示例的剖面图(图中未示出电极13)。
另外，在本说明书中，在存在符号"/"的场合，表示在符号"/"的 左侧记栽的材料是在该符号"/，，的右侧记载的材料之上形成的。因此， 如上所述，在存在"第三化合物半导体层/第二化合物半导体层"的场 合，表示在第二化合物半导体层上形成第三化合物半导体层。本发明的 一 实施方式的第 一化合物半导体层、第二化合物半导体 层及第三化合物半导体层，也可以是进行了 p型掺杂。作为p型的掺
杂物，优选使用Be、 Zn、 C、 Mg、 Cd、 Ge等。其中，所谓掺杂浓 度是在化合物半导体中掺杂的杂质原子的浓度。作为p型掺杂浓度为 lxl0" lxl0"原子/cm3，更优选是2xl0" 5xl0"原子/cm3。
下面叙述使本发明的一实施方式的第一化合物半导体层、第二化 合物半导体层及第三化合物半导体层p型化的效果。在化合物半导体 传感器部分中使用笫 一化合物半导体层、第二化合物半导体层及第三 化合物半导体层的红外线传感器， 一般称为光导电型红外线传感器。 在光导电型红外线传感器的场合，灵敏度Rpe由式(1)表示。其中，
X是红外线波长，h是普朗克常数，C是光速，Tl是量子效率，l是传感 器元件的长度，W是传感器元件的宽度，Vb是偏压，T是载流子的寿
命，d是化合物半导体层的膜厚，N是传感器元件的载流子的浓度，q
是电子的电荷，ILl是电子迁移率，Rin是传感器元件的元件电阻。
根据式(1)，要使红外线传感器具有高灵敏度，作为化合物半 导体层的膜特性，要求电子迁移率大、元件电阻大及载流子浓度尽可 能小的膜特性。构成本发明的一实施方式中的红外线传感器ic的化
合物半导体传感器部分的第一化合物半导体层、第二化合物半导体层
及第三化合物半导体层为非掺杂的显示n型的薄膜材料。所以，为了 减小载流子浓度，对这些化合物半导体层进行p型掺杂是优选的。对 于膜厚，越薄越好，但因为量子效率是膜厚越厚则越大，所以存在最 佳值。另外，由于在元件电阻也过大时(kn以上)，易于受到电磁噪 声的影响，所以存在最佳值。
化合物半导体层形成第四化合物半导体层和第五化合物半导体 层交替层叠的超晶格结构也是优选的。本发明的一实施方式中的第四 化合物半导体层是包含铟(In)及锑(Sb)中的至少一个的材料，作 为第五化合物半导体层可以是包含铟(In)及锑(Sb)中的至少一个
15并且与第四化合物半导体层不同的材料。其中作为形成优选的超晶格 结构的第五化合物半导体层/第四化合物半导体层的组合，
InAs/GaSb 、 InAs/GalnSb 、 InAs/GaAsSb 、 InAsSb/GaSb 、 InAsSb/GaAsSb、 InAsSb/GalnSb等在实现高灵敏度的红外线传感器 上是非常优选的。另外，在上述化合物半导体中，InAsxSbi.x混合晶 中的x,如上所述，0.1Sx^).6的范围为优选，更优选的x范围为 0.2Sx幼.5。 在图4中示出在GaAs基板6上使第四化合物半导体层 10和第五化合物半导体层11交替层叠的超晶格结构的化合物半导体 传感器部分2的一例的剖面图(图中未示出电极13)。
超晶格结构是称为II类的能带结构。就是说，所谓超晶格结构， 是构成第五化合物半导体层的薄膜材料的传导带位于构成第四化合 物半导体层的薄膜材料的价电子带之下，能带隙分离的结构。在这种 能带结构中，价电子带的空穴和传导带的电子分别在空间上是分离 的。其结果，要复合的载流子的寿命变长，可以提高将红外线的能量 作为电信号取出的效率。所以，可以认为可达到红外线传感器的高灵 敏度化。
化合物半导体层也可以使用化合物半导体的层叠体，即层叠包含 铟(In)及锑(Sb)的n型掺杂了的化合物半导体层、以及包含铟(In) 及锑(Sb)的p型掺杂了的化合物半导体层的层叠体。作为该层叠体 的优选组合，优选使用p型掺杂了的InSb/p型掺杂了的InAsSb/n型 掺杂了的InSb、 p型掺杂了的GalnSb/p型掺杂了的InAsSb/n型掺杂 了的GalnSb、 p型掺杂了的GalnSb/p型摻杂了的InSb/n型掺杂了 的GalnSb等p-n结层叠体。另外，p型掺杂了的InSb/n型掺杂了的 InSb、高浓度p型掺杂了的InSb/低浓度p型掺杂了的InSb/n型掺杂 了的InSb、 n型掺杂了的InSb/低浓度p型掺杂了的InSb/高浓度p 型掺杂了的InSb的层叠体也是优选的。
另外，在本说明书中，在存在多个符号"/"的场合，也与一个符 号"/，，的场合一样，表示从多个符号"/，，之中的右侧的符号"/"向左侧的 符号"/"顺序形成各个材料。就是说，例如，p型掺杂了的InSb/p型 掺杂了的InAsSb/n型掺杂了的InSb的场合，表示在n型掺杂了的InSb之上形成p型掺杂了的InAsSb，在该p型掺杂了的InAsSb之 上形成p型掺杂了的InSb。
p型掺杂物可以使用与已经叙述过的掺杂物同样的元素。n型掺 杂物优选使用Si、 Sn、 Te、 S、 Se等。在图5中示出在n型的GaAs 基板6上形成化合物半导体的层叠体12的化合物半导体传感器部分2 的一例的剖面图(图中未示出电极13)。在图5中示出化合物半导体 的层叠体12是由高浓度n型掺杂层12a/低浓度p型掺杂层12b/高浓 度p型掺杂层12c三层构成的例子。
另外，在本发明的一实施方式中，所谓"层叠体"，是具有将多个 化合物半导体进行层叠的层叠结构的化合物半导体的膜。
化合物半导体的层叠体12， 一般由高浓度p型掺杂层/低浓度p 型掺杂层/高浓度n型掺杂层这三层结构构成为优选。高浓度p型掺杂 层的掺杂浓度是6xl0" 5xl0"原子/cm3，更优选是lxl0" 4x1018原 子/cm3。另外，低浓度p型掺杂层的掺杂浓度是lxlO" lxlO"原子 /cm3,更优选是lxl0" lxl0"原子/cm3。高浓度n型掺杂层的掺杂浓 度是6xl0" 5xl0"原子/cm3，更优选是Ixl018 4xl018原子/cm3的范 围。
一般使用p-n结层叠体的红外线传感器是光电动势型红外线传 感器，光电动势型红外线传感器的灵敏度Rpv由式(2)表示
根据式(2),要使红外线传感器具有高灵敏度，应使元件电阻 大和量子效率大，为此元件的膜厚越厚越好。另外，在p-n结层叠体 的场合，通过施加反偏压可以效率更高地将载流子作为电信号取出。 其结果，可以使红外线传感器达到更高的灵敏度。但是，就元件电阻 而言，当其变得太大时(kQ以上)，由于易于受到电磁噪声的影响， 存在最佳值。另外，在不施加反偏压的零偏压状态下测定元件的开路 电压的方法也是优选测定方法。关于这一点在下面予以详述。
另外，已经发现，在使构成到此为止所叙述的化合物半导体传感 器部分的化合物半导体层在基板6上生长时，如图6所示，通过插入 适当的緩冲层14，可以减少化合物半导体层(例如，第二化合物半导
17体层8)的缺陷，提高表面的平坦性及结晶性。作为緩冲层14，优选 使用AlSb、 AlGaSb、 AlGaAsSb、 AlInSb、 GalnAsSb、 AlInAsSb等。 另外，也可以是经过p型掺杂了的InSb。已经确认，这些緩沖层14， 与基板6的晶格常数有很大不同，在生长开始时非常迅速出现晶格緩 和，可以得到使化合物半导体层的表面平坦化且结晶性优异的薄膜。 緩冲层14的膜厚，只要可以緩和与基板6的晶格失配，可得到良好 的结晶性和平坦的表面即可， 一般为100nm~l|im，优选是 150nm 600nm左右。緩冲层14的组成，优选是选择晶格常数与在緩 冲层14上生长的化合物半导体层的材料尽可能接近的组成。由于此 晶格匹配效应，与直接在基板上生长相比较，可以大大提高化合物半 导体层的结晶性、平坦性以及界面的陡度。
另外，也可以将緩冲层14设置在GaAs基板6上和第一化合物 半导体层7之间。就是说，目的在于，通过将緩沖层"设置在GaAs 基板6和化合物半导体层之间，如上所述，緩和在GaAs基板6和在 其上形成的化合物半导体层的晶格失配，提高形成的化合物半导体层 的结晶性等。所以，在緩冲层14上形成的化合物半导体层既可以是 单层，也可以是多个层，也可以是多层的叠层。
这些结果，也可以改善作为红外线传感器的元件特性，可以实现 高灵敏度化及低噪声化。
构成化合物半导体传感器部分的化合物半导体层的膜厚，在单层 的场合是0.5nm 10nm，优选是0.7nm 5|um，更优选是l|im~4jam。
另外，在采用异质结构的场合，第二化合物半导体层及第三化合 物半导体层的总的膜厚是0.5pm 10jLim,优选是lpm 5pm,更优选是 2|tim~4(im。
此外，在超晶格结构的场合，第四化合物半导体层和第五化合物 半导体层的一周期的膜厚必须很薄，达到形成微能带的程度。其一个 周期的膜厚，优选是在lnm 15nm的范围内，更优选是2nm 10nm， 再更优选是3nm 7nm。另夕卜，超晶格结构的周期优选是10-100周期， 更优选是生长20-50周期左右。加工本发明的一实施方式中的红外线传感器ic的化合物半导体
传感器部分的工艺，首先利用台面型蚀刻，对利用上述生长方法形成 的化合物半导体层进行元件分离。随后，在基板及元件分离的化合物
半导体层的表面上形成SiN保护膜。随后，在SiN保护膜(钝化膜) 中开出电极用窗口之后，利用提离(liftoff)法形成电极13。优选是 使用Au/Ti作为电极13。此处，所谓Au/Ti，表示在应该形成电极的 底层上按照Ti、 Au的顺序形成。再进行切片，形成化合物半导体传 感器部分的芯片。上述的工艺是制作本发明的一实施方式中的化合物 半导体传感器部分的 一 系列的工艺流程的 一例。使用第 一化合物半导 体层7的化合物半导体传感器部分2 (光导电型红外线传感器)的一 例的剖面图示于图7。另外，使用p-n结层叠体12的化合物半导体传 感器部分2 (光电动势型红外线传感器)的一例的剖面图示于图8。
本发明的一实施方式的红外线传感器IC的集成电路部， 一般是 在Si基板上安装放大电路、斩波电路等，由通常的CMOS生产线形 成，但也并不限定于此。
此外，如图l所示，在玻璃环氧基板等印刷基板l上对化合物半 导体传感器部分2和集成电路部3进行管芯键合(diebonding)，并 将预定的电极13分别利用引线键合4b进行电连接是本发明的红外线 传感器IC的一例。
另外，如图9所示，在上述集成电路部3上设置上述化合物半导 体传感器部分2，利用引线键合将其分别电连接的形式是本发明的红 外线传感器IC的另一示例。如图9的示例所示，通过在集成电路部3 上叠置化合物半导体传感器部分2,可以使红外线传感器IC的尺寸更 加小型化。
至于封装，只要是波长大于等于5|iim的红外线，特别是l(Him 波段附近的红外线的透射率高的材料，哪一种都可以。另外，如果聚 乙烯等的树脂材料的膜厚也很薄时，可以用作封装盖。另外，也可以 优选使用在lOpm波段附近的透明性高并且散热性好的树脂等。本发 明的一实施方式的红外线传感器IC，因为不易受电磁噪声及热波动的影响，所以不需要金属Can (容器)封装等的牢固的昂贵封装。
另外，如在后述的实施例15中所示的一例，在由塑料及陶瓷等 形成的中空封装中配置传感器部分和IC部，通过引线键合及倒装芯 片(flip chip)键合，使传感器部分和IC部及封装的电极分别电连接， 并且还利用Si等的滤光片覆盖封装表面也是优选的。另外，红外线的 入射方向既可以是来自传感器部分的表面侧，也可以是来自里面的基 板侧，任何一种都可以。
此外，在本发明的一实施方式的红外线传感器IC中，在作为人 感传感器使用的场合，为了完全避免从人以外发出的光(小于等于 5pm的近红外及可见光等)的影响，也有安装将约5|um以下的光线 截断的滤光片的。另外，为了确定检测的距离及方向性、更进一步提 高聚光性而设置菲涅耳透镜也是优选的。
已知利用化合物半导体的量子型的红外线传感器具有高速、高灵 敏度这样的优异性质。例如，将具有PN结的光电二极管型的红外线 传感器及具有在PN结之间插入不掺杂层或浓度非常低的掺杂层的 PIN结构的光电二极管型的红外线传感器等用作本发明中的红外线传 感器IC的化合物半导体传感器部分是优选的。在使用这些量子型的 红外线传感器在室温下检测波长大于等于5pm的红外线时，为了进一 步提高灵敏度，抑制红外线传感器的漏电流^f艮重要。例如，在具有PN 结的光电二极管型的元件中，其漏电流的主要原因是扩散电流。扩散 电流与构成红外线传感器的半导体的本征载流子密度ni的二次方成 比例。另外，ni2以式(3)表示
<formula>formula see original document page 20</formula>...(3)
其中，k是波耳兹曼常数，T是绝对温度。另外，Nc、 Nv分别是 传导带以及价电子带的有效状态密度。另外，Eg是能带隙。Ne、 Nv、 Eg是半导体物质的固有值。
就是说，为了使半导体吸收波长大于等于5pm的红外线，其能 带隙必须非常小，约为小于等于0.25[eV。因此，在室温下其本征载流子密度大到大于等于6xl015[cm3，结果扩散电流也变大。从而，漏 电流增大。因此，在室温下为了使光电二极管型的化合物半导体红外 线传感器的灵敏度进一步提高，必须采用液氮及斯特林(Sterling) 冷却器等机械式冷冻机或利用珀尔帖效应的电子冷却等对红外线检
测元件部分进行冷却来抑制本征载流子密度。
根据本发明的一实施方式的化合物半导体红外线传感器结构，可 以抑制扩散电流。其结果，本发明的一实施方式的化合物半导体红外 线传感器，在室温下在没有冷却机构的情况下，可以实现更高的灵敏 度。在图10中示出本发明的一实施方式的化合物半导体红外线传感 器的剖面图。下面参照图IO对其结构和动作的特征予以说明。
在图10中，在基板15上形成作为n型掺杂层(也称为n层) 的第六化合物半导体层16。在第六化合物半导体层16的预定区域中， 形成作为不掺杂层或p型掺杂层的第七化合物半导体层17。在第七化 合物半导体层17之上是浓度比第七化合物半导体层17高的p型掺杂 层(也称其为P层)，并且形成能带隙比第七化合物半导体层17大 的第八化合物半导体层18。在第八化合物半导体层18及第六化合物 半导体层16之中的不形成第七化合物半导体层17的区域中形成电极 19。为了保护这种结构的化合物半导体红外线传感器的表面，形成钝 化膜20。此时，钝化膜20不在电极19上形成。
在使红外线入射到图10所示的红外线传感器的场合，红外线在 作为光吸收层的第七化合物半导体层17中受到吸收，生成电子空穴 对。生成的电子空穴对，根据作为n层的第六化合物半导体层16和 作为p层的第八化合物半导体层18的电位差，即内部电位进行分离， 电子向n层一侧移动，空穴向p层一侧移动而成为光电流。此时，在 产生的电子向PIN二极管的顺方向，即p层侧扩散时，不能作为光电 流取出。向着此PIN 二极管顺方向的载流子的扩散是扩散电流。此处， 通过使作为p层的第八化合物半导体层是能带隙更大的材料，如式(3) 所示，可以使p层部分的本征载流子密度ni减小。从而可以抑制从第 七化合物半导体层17向第八化合物半导体层18扩散的扩散电流。在图ll中示出在图IO中说明的化合物半导体红外线传感器的能 带图。在图11中，E表示电子的能量，Ep表示费米能量，Ec表示传 导带能级，Ev表示价电子带能级。另外，图中的箭头表示由于红外线 入射生成的电子的移动方向，分别示出成为光电流的移动方向(箭头 A)和成为扩散电流的移动方向(箭头B)。就是说，从图ll所示的 化合物半导体红外线传感器能带图可知，第八化合物半导体层18本 身成为电子向p层一侧扩散的阻挡层。另一方面，不阻挡由于红外线 入射而生成的空穴的流动。由于这一效应，可以大幅度减小漏电流。 此外，由红外线入射产生的电子容易向光电流方向A流动，因此取出 的光电流变大。就是说，传感器的外部量子效率提高。其结果，可以 使元件的灵敏度飞跃提高。
另外，各化合物半导体层的层叠的顺序在本发明的一实施方式中 非常重要。下面对在基板上首先生长n型掺杂了的第六化合物半导体 层，在该第六化合物半导体层上生长p型掺杂了的第七化合物半导体 层，且在第七化合物半导体层上生长进行了浓度比第七化合物半导体 层高的p型掺杂并且具有比第七化合物半导体层更大的能带隙的第八 化合物半导体层的理由进行说明。首先，第六化合物半导体层16，在 充当用来在基板上结晶性良好地生长将成为光吸收层的第七化合物 半导体层17的緩冲层的同时，成为与电极的接触层。此处，由于第 六化合物半导体层16的表面积在元件中最大，其表面电阻(薄膜电 阻)成为传感器的电阻主要因素。另一方面，传感器的电阻R成为作 为热噪声的约翰逊噪声的原因。就是说，传感器的电阻越大，噪声越 大。此处，在噪声电压为v、放大传感器信号时的放大器的带宽为f 时，约翰逊噪声可表示如式(4):
所以，第六化合物半导体层16优选为表面电阻小的层。由于一 般化合物半导体的电子迁移率比空穴的迁移率大，可以使ii型掺杂的 表面电阻比p型掺杂小。所以，在第六化合物半导体层16中进行n 型掺杂为优选。另外，在首先生长作为阻挡层的弟八化合物半导体层18，之后 生长作为光吸收层的第七化合物半导体层17的场合，因为抑制扩散 电流的效果不会变成如图10所示的层叠结构，作为化合物半导体红 外线传感器的结构是优选的。然而，第七化合物半导体层17在晶体 的晶格常数不同的第八化合物半导体层18上生长成为具有晶格失配 的异质生长。所以，在作为光吸收层的第七化合物半导体层17中易 于发生晶体缺陷。易于引起由于吸收红外线而产生的电子空穴对的湮 没。就是说，易于使传感器的量子效率下降。所以，作为阻挡层的第 八化合物半导体层18在作为光吸收层的第七化合物半导体层17之后 生长更为优选。
由于上述理由，上述化合物半导体红外线传感器结构是使n型掺 杂了的第六化合物半导体层16在基板15上生长。随后，在该第六化 合物半导体层16上的预定区域上使p型掺杂了的第七化合物半导体 层17生长。此外，在第七化合物半导体层17上生长进行了浓度比第 七化合物半导体层17高的p型掺杂并且具有比笫七化合物半导体层 17更大的能带隙的第八化合物半导体层18。在本发明的一实施方式 中，以这种顺序的生长方法形成化合物半导体红外线传感器是优选 的。
另外，也可以在第八化合物半导体层18上还继续生长以与第八 化合物半导体层18相同或更大的浓度进行p型掺杂了的第九化合物 半导体层。关于这一点见后述。
另外，第八化合物半导体层18必须具有在室温下可以充分阻止 扩散的电子的大的能带隙。 一般，为了使能带隙更大，第八化合物半 导体层18必须使用晶格常数更小的材料。其结果，与能带隙小的第 七化合物半导体层17的晶格常数差易于变大，在作为阻挡层的第八 化合物半导体层18上容易产生异质生长引起的晶体缺陷。这一晶体 缺陷就成为由于缺陷引起的漏电流的原因。所以，该能带隙的大小， 由抑制扩散电流的效果和第八化合物半导体层18的结晶性决定。这 可以随着所使用的化合物半导体层的材料的组合而改变。另外，在第七化合物半导体层17和第八化合物半导体层18结界面上，由于材料 的能带结构的差异，发生如图11所示的价电子带的跃迁(也称为尖 峰)。在此尖峰的前端比第七化合物半导体层的价电子带突出时，就 会妨碍由于红外线的吸收而产生的空穴的流动。为了防止这一点，第 八化合物半导体层18必须进行充分的p型掺杂。
作为构成上述红外线传感器的各化合物半导体层的材料，就第六 化合物半导体层16的材料而言，在该半导体层中，只要是包含铟(In) 及锑(Sb )的材料，使用任何一种都可以，但作为优选材料是使用InSb。 InSb在化合物半导体中特别是其载流子的迁移率大，可使表面电阻减 小。另外，作为第七化合物半导体层17的材料，在该半导体层中， 只要是包含铟(In)及锑(Sb)的材料，使用任何一种都可以，作为 优选材料可以使用InSb、 InAsSb、 InSbN等等。如上所述，InAsxSb^ 混合晶的能带隙Eg以0.58x、0.41x+0.18-Eg表示，存在非常大的非线 性因子。在As的组成比x为0的场合，即InSb在室温下在波长为约 7.3jiin或更短时可以得到灵敏度。另外，在0.1"幼.6的范围中， Eg《0.12eV,对于以10pm带作为峰值波长的红外线检测成为更合适的 化合物半导体层。更优选的x的范围为0.2《x《0.5。另外，已知， InSlh.yNy混合晶(0<y<0.01)的能带隙，存在更大的非线性因子，氮 N的组成y仅为0.01，能带隙基本上接近0。所以，InSb^Ny是和InSb (第六化合物半导体层)在晶格匹配上接近的系列，与InSb可以吸 收的波长相比，可以吸收波长更长的红外线。
另外，在将InAsSb和InSbN作为第七化合物半导体层17在作 为第六化合物半导体层16的InSb层上生长的场合，为了抑制由于异 质生长引起的晶体缺陷的产生，优选采用使組成从O到x或从O到y 阶梯式改变的生长方法等。
作为第八化合物半导体层18的材料，可使用能带隙比第七化合 物半导体层17更大的材料，优选使用AlInSb、 GalnSb、 AlAs、 GaAs、 InAs、 AlSb、 GaSb、 AlAsSb、 GaAsSb、 AlGaSb、 AlGaAs、 AlInAs、 GalnAs、 AlGaAsSb、 AlInAsSb、 GalnAsSb、 AlGalnSb、 AlGalnSb( ) 、 AlGalnAsSb中的任一种。特别是，AlJiikSb混合晶的能带 隙Eg，以Eg，-0.172+1.621z+0.43z2表示，可以利用极小的Al组成得到 很大的能带隙。因此，可以得到晶格常数接近成为光吸收层的第七化 合物半导体层17的InSb及InAsSb等材料并且具有大能带隙的阻挡 层。此处，优选的z的范围是0.01《z《0.7，更优选是0.1^^0.5。
第六化合物半导体层16的膜厚，为使表面电阻下降，尽可能地 厚为优选。不过，在第六化合物半导体层16的膜厚变厚时，膜的生 长需要很多时间，并且用来进行元件分离的台面型蚀刻等变得困难。 因此，第六化合物半导体层16的膜厚优选是大于等于0.3pm小于等 于2^im,更优选是大于等于0.5|nm小于等于lpm。
另外，第七化合物半导体层17的膜厚，为使红外线的吸收增加， 尽可能地厚为优选。不过，在第七化合物半导体层17的膜厚变厚时， 与第六化合物半导体层16 —样，膜的生长需要很多时间，并且用来 进行元件分离的蚀刻等变得困难。因此，第七化合物半导体层17的 膜厚优选是大于等于0.5pm小于等于3pm，更优选是大于等于l|xm 小于等于2pm。
另外，第八化合物半导体层18的膜厚，为使元件电阻下降，尽 可能地薄为优选。不过，需要在电极19和第七化合物半导体层17之 间不发生隧穿泄漏的一定的膜厚。因此，第八化合物半导体层18的 膜厚优选是大于等于O.Olnm，更优选是大于等于0.02|im。另外，在 假设是矩形的势垒的场合，电子的隧穿几率P由式(5)及式(6)表 示。在假定势垒的高度V为0.2eV，势垒的厚度W为0.02nm，电子 的能量E为0.1eV，电子质量m为在InSb中的有效质量时，隧穿几 率P足够小，约为0.002。其中，n是普朗克常数h除以2ti。
为了加大与第七化合物半导体层17的势差并减小表面电阻，第 六化合物半导体层16的n型掺杂的浓度越大越好，优选是大于等于 lxl0"原子/cm3。另外，第七化合物半导体层17,既可以是原样不变 的不掺杂的本征半导体，也可以是p型掺杂了的。在p型掺杂的场合， 调整第七化合物半导体层17的p型掺杂浓度，以便得到与第六化合 物半导体层16及第八化合物半导体层18各自的传导带有足够大的传 导带的带偏移。此处，第七化合物半导体层17的p型掺杂浓度优选 是大于等于lxlO"原子/ci^小于1.0xl0"原子/cm3。另外，第八化合 物半导体层18的p型掺杂浓度，为了第七化合物半导体层17和第八 化合物半导体层18的结界面中的价电子带的尖峰不妨碍由于红外线 的吸收而产生的空穴的流动，优选是大于等于lxl0"原子/cm3。
另外，作为n型摻杂物可以使用Si、 Te、 Sn、 S、 Se、 Ge等。 其中，由于Sn在InSb中激活率更高，可以使表面电阻更低，更优选 使用。另外，作为p型掺杂物可以使用Be、 Zn、 Cd、 C、 Mg等。其 中，由于Zn在InSb中激活率更高，并且毒性也低，更优选使用。
另外，在成为阻挡层的第八化合物半导体层18上还形成成为接 触层的第九化合物半导体层的元件结构是更为优选的方式。此处，在 图12中示出上述元件结构的剖面图。下面参照图12对上述化合物半 导体红外线传感器结构的特征予以叙述。
成为阻挡层的第八化合物半导体层18是能带隙大的材料， 一般 栽流子迁移率小。因此，与电极19的接触电阻增加，此电阻就成为 上述的约翰逊噪声的原因。此处，如图12所示，通过对在第八化合 物半导体层18上形成的第九化合物半导体层21使用电阻比第八化合 物半导体层18更低的材料，可以抑制此电阻的增加。另外，第九化 合物半导体层21 ，为了使其电阻减小，优选是进行足够大的p型摻杂。
作为这种第九化合物半导体层21的材科，只要是在该半导体层 中包含铟(In)及锑(Sb)的材料，使用任何一种都可以，但作为优 选材料可以使用载流子迁移率大的InSb。第九化合物半导体层21的膜厚，为了减小接触电阻，膜厚充分 大为佳，优选是使用大于等于O.lium小于等于2|nm的膜厚。
另外，作为第九化合物半导体层21的p型掺杂物优选使用Be、 Zn、 Cd、 C、 Mg等。其中，由于Zn在InSb中激活率更高，并且毒 性也低，更优选使用。另外，p型掺杂浓度，由于必须使膜的电阻足 够小，优选是大于等于lxl0"原子/cm3。
此外，更优选是还将多个以上述的元件结构为特征的化合物半导 体红外线传感器在基板15上串联的结构。在图13中示出以这种方式 将多个单一元件串联的化合物半导体传感器部分的一部分的剖面图。
另外，图14为图13所示的结构的上视图。在图14中，在基板15上 由电极19连续串联作为元件分离的单一元件的化合物半导体红外线 传感器。就是说，在着眼于在基板15上的连续串联的化合物半导体 红外线传感器之中的某一传感器时，在该传感器的一个之中，由电极 19串联电连接该传感器的第六化合物半导体层16和与该传感器相邻 配置的传感器的笫九化合物半导体层21，并且在该传感器的另一个之 中，由电极19串联电连接该传感器的第九化合物半导体层21和与该 传感器相邻配置的传感器的第六化合物半导体层16。另外，位于串联 的两端的化合物半导体红外线传感器分别与电极22相连接。另外， 在图14中，虚线表示在上述结构中各传感器连续地重复连接。另外， 在图14中，为了易于了解各元件间的电极的连接结构，省略钝化膜 20。
通过将本发明的一实施方式的多个化合物半导体红外线传感器 制作成为图13及图14所示的结构，可以使从各单一元件的输出相加， 可以大幅提高输出。在此场合，各元件在除了电极19以外的部分必 须进行绝缘分离。所以，基板15必须是可以使化合物半导体薄膜的 单晶生长，且必须是半绝缘性的或化合物半导体薄膜部分和基板部分 是可以绝缘分离的基板。另外，作为这种基板，通过使用红外线可以 透过的材料，还可以使红外光从基板的里面入射。在此场合，由于红 外光不会受到电极的遮挡，元件的受光面积可以加大，是更优选的。作为这样的基板材料，优选使用半绝缘性的Si及GaAs等。
另外，构成本发明的一实施方式的红外线传感器的各化合物半导 体层可以使用各种成膜方法形成。例如，分子束外延(MBE)法、有 机金属汽相外延(MOVPE)法等是优选方法。所以，利用上述各方 法根据要求使各个化合物半导体层生长。另外，作为元件的加工方法， 没有特别的限制。例如，对利用上述各生长方法形成的化合物半导体 层，使用酸或离子铣削等形成台阶用来与第六化合物半导体层16取 得接触。随后，对形成台阶的化合物半导体层，进行用于元件分离的 台面型蚀刻。随后，在以SiN及SiO2等钝化膜20覆盖基板15及元件 分离的化合物半导体层的表面之后，只对电极19部分开出窗口，利 用提离法等形成Au/Ti及Au/Cr等的电极。这样一来，就形成化合物 半导体传感器部分的芯片。
另外，作为使用如上述图10、图12所示的单一元件的红外线传 感器和如图13及图14所示的串联多个单一元件而成的红外线传感器 来感测红外线的测定方法，在电极间施加反偏压，将信号作为电流取 出的测定是可以提高灵敏度的优选方法。
另一方面，在此测定方法中存在的问题是，由于电流流动，1/f 噪声增大。人感传感器必需的频率区域是10Hz左右，根据上述方法， 在将化合物半导体红外线传感器用作人感传感器时就存在问题。
于是，本发明人在上述化合物半导体红外线传感器中，采用使电 极间偏压为零，将信号作为开路电压读出的光电动势型的测定方法。 在此光电动势型的测定方法的场合，由于在元件中没有电流，其噪声 只是约翰逊噪声。所以，可以使用于低频。另外，根据此方法，由于 不存在由于焦耳热引起的元件本身的发热，测定误差可以极小。另夕卜， 在现有的光电动势型的测定方法中信号很小。然而，通过使用本发明 的实施方式7的化合物半导体红外线传感器，可以得到足够大的信号。
另外，通过将本发明的实施方式7的化合物半导体红外线传感器 与处理从传感器输出的电信号的集成电路部以混合方式在同一封装 内形成，可以得到超小型的、抗噪声及抗温度波动能力强，在室温下具有高灵敏度的划时代的化合物半导体红外线传感器IC。
下面根据实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不限定于下 述实施例，在不脱离本发明的主旨的范围内，当然可以有种种改变。 (实施例1)
利用MBE法，在GaAs基板上生长2jam的不掺杂的 InAs。.23Sb。.77 InAsSb薄膜的膜特性，在利用van der Pauw法测定时， 在室温下的电子迁移率为35000cmVVs,表面电阻(元件电阻)为20Q, 载流子浓度为lxl0"原子/cm3。使用这一化合物半导体薄膜制作化合 物半导体传感器部分。首先，为了元件分离对在GaAs基板上形成的 化合物半导体膜进行台面型蚀刻之后，在整个表面(GaAs基板及在 该基板上形成的化合物半导体膜)上覆盖SiN保护膜。随后，在形成 的SiN保护膜上只在电极部分上开窗，对Au/Ti进行EB蒸镀，利用 提离法形成电极。受光面积设计为35nmxll5|Lim。实施例1的化合物 半导体传感器部分的剖面图如图7所示。
安装了放大电路和斩波电路等的集成电路部，利用通常的CMOS 生产线制作。其后，在同一基板上将上述化合物半导体传感器部分和 上述集成电路部进行管芯键合，利用引线键合进行电连接。加上封装 盖而完成实施例1的红外线传感器IC。
利用500K的黑体炉、光斩波频率lHz、噪声频带宽度1Hz测定 室温下的灵敏度时，为D*=lxl07cmHz1/2/W。其中，。*是表示比检测 能力的指标，用为使S/N比为1所必需的输入光强度(W/Hz172)的倒 数上乘以检测元件的受光面积的1/2次方的值表示。可以确认，实施 例1中的红外线传感器IC，具有尽管封装简易但不易受电磁噪声及热 波动的影响的特征。 (实施例2)
利用MBE法，在GaAs基板上生长l|xm的不掺杂的InSb, 2|iim 的不掺杂的InAs。.23Sb。.77。化合物半导体层的膜特性，在利用van der Pauw法测定时，在室温下的电子迁移率为51000cm"Vs，表面电阻(元 件电阻)为20Q，载流子浓度为9xl0"原子/cm3。使用这一化合物半
29导体薄膜制作化合物半导体传感器部分。首先，为了元件分离对在
GaAs基板上形成的化合物半导体膜进行台面型蚀刻之后，在整个表 面(GaAs基板及在该基板上形成的化合物半导体膜)上覆盖SiN保 护膜。随后，在形成的SiN保护膜上只在电极部分上开窗，对Au/Ti 进行EB蒸镀，利用提离法形成电极。受光面积设计为35pmxll5jLim。
安装了放大电路和斩波电路等的集成电路部，利用通常的CMOS 生产线制作。其后，在同一基板上将上述化合物半导体传感器部分和 上述集成电路部进行管芯键合，利用引线键合进行电连接。加上封装 盖而完成实施例2的红外线传感器IC。
利用500K的黑体炉、光斩波频率lHz、噪声频带宽度lHz测定 室温下的灵敏度时，为D*=2xl07cmHz1/2/W。可以确认，实施例2中 的红外线传感器IC，具有尽管封装简易但不易受电磁噪声及热波动的 影响的特征。
(实施例3 )
利用MBE法，在GaAs基板上把5nm的InAs和3nm的GaSb 交替生长50个周期，形成超晶格结构。实施例3的超晶格结构的膜 特性，在利用van der Pauw法测定时，在室温下的电子迁移率为 8000cmVVs，表面电阻(元件电阻)为90Q,表面载流子浓度为2.6x1013 原子/cm2。使用这一化合物半导体薄膜制作化合物半导体传感器部分。 首先，为了元件分离对在GaAs基板上形成的化合物半导体膜进行台 面型蚀刻之后，在整个表面(GaAs基板及在该基板上形成的化合物 半导体膜)上覆盖SiN保护膜。随后，在形成的SiN保护膜上只在电 极部分上开窗，对Au/Ti进行EB蒸镀，利用提离法形成电极。受光 面积设计为35^imxll5拜。
安装了放大电路和斩波电路等的集成电路部，利用通常的CMOS 生产线制作。其后，如图9所示在同一基板上将上述集成电路部进行 管芯键合之后，在上述集成电路部上对化合物半导体传感器部分进行 管芯键合，利用引线键合进行电连接。此外，加上封装盖而完成实施 例3的红外线传感器IC。利用500K的黑体炉、光斩波频率lHz、噪声频带宽度lHz测定 室温下的灵敏度时，显示D*=lxl08cinHz1/2/W和高灵敏度。可以确认， 实施例3中的红外线传感器IC,具有尽管封装简易但不易受电磁噪声 及热波动的影响的特征。 (实施例4 )
利用MBE法，在n型GaAs基板上生长l|am的n型掺杂了的 InSb (n型掺杂浓度-3xl0"原子/cm3)，接着生长2pm的p型掺杂 了的InAS().23SW77( p型掺杂浓度-3.5xl0"原子/cm3 )，随后生长0,5jLim 的p型掺杂了的InSb (p型掺杂浓度-3xl0"原子/cm3)。使用此化 合物半导体薄膜，制作化合物半导体传感器部分。首先，为了元件分 离对在n型GaAs基板上形成的化合物半导体膜进行台面型蚀刻之 后，在整个表面(n型GaAs基板及在该基板上形成的化合物半导体 膜)上覆盖SiN保护膜。随后，在形成的SiN保护膜上只在电极部分 上开窗，对Au/Ti进行EB蒸镀，利用提离法形成电极。受光面积设 计为35jimxll5jam。实施例4的化合物半导体传感器部分的剖面图如 图8所示。
安装了放大电路和斩波电路等的集成电路部，利用通常的CMOS 生产线制作。其后，在同一基板上将上述化合物半导体传感器部分和 上述集成电路部进行管芯键合，利用引线键合进行电连接。此外，加 上封装盖而完成实施例4的红外线传感器IC。
利用500K的黑体炉、光斩波频率lHz、噪声频带宽度lHz测定 室温下的灵敏度时，显示1>*=2乂108 111^1/2/\￥和高灵敏度。可以确认， 实施例4中的红外线传感器IC，具有尽管封装简易但不易受电磁噪声 及热波动的影响的特征。 (实施例5)
利用MBE法，在GaAs基板上生长150nm的Al。.5Ga。.sSb作为 緩冲层之后，接着生长0.5jam的不掺杂的InSb和2nm的InAsn.23Sb0.77。 InAsSb薄膜的膜特性，在利用vanderPauw法测定时，在室温下的 电子迁移率为45000cm2/Vs，表面电阻(元件电阻)为40Q，栽流子浓度为5xl0"原子/cm3。使用此化合物半导体薄膜，制作化合物半导 体传感器部分。首先，为了元件分离对在GaAs基板上形成的化合物 半导体薄膜进行台面型蚀刻之后，在整个表面(GaAs基板及在该基 板上形成的化合物半导体膜)上覆盖SiN保护膜。随后，在形成的SiN 保护膜上只在电极部分上开窗，对Au/Ti进行EB蒸镀，利用提离法 形成电才及。受光面积^殳计为35pmxll5|im。
安装了放大电路和斩波电路等的集成电路部，利用通常的CMOS 生产线制作。其后，在同一基板上将上述化合物半导体传感器部分和 上述集成电路部进行管芯键合，利用引线键合进行电连接。加上封装 盖而完成实施例5的红外线传感器IC。
利用500K的黑体炉、光斩波频率lHz、噪声频带宽度1Hz测定 室温下的灵敏度时，显示DA-3.5xl(fcmHz"Vw和高灵敏度。可以确 认，实施例5中的红外线传感器IC,具有尽管封装简易但不易受电磁 噪声及热波动的影响的特征。 (实施例6)
利用MBE法，在GaAs基板上顺序生长l|Lim的不掺杂的InSb、 2|ain的p型掺杂了的InAsn.23Sbo.77。 InAsSb薄膜的膜特性，在利用 vanderPauw法测定时，在室温下的电子迁移率为41000cmVVs，表 面电阻(元件电阻)为150Q,载流子浓度为1.5xl0"原子/cm3。实施 例6的p型掺杂的目的是补偿InAsSb层中的电子的栽流子，减小载 流子的浓度。与实施例2比较，电子迁移率降低，而通过p型掺杂可 以减小电子的载流子浓度，并且也可以增大表面电阻。另外，通过对 GaAs基板上的不掺杂的InSb层进行p型掺杂可以得到同样的效果。
使用这一化合物半导体薄膜，与实施例2 —样制作化合物半导体 传感器部分。集成电路部也与实施例2—样制作，完成实施例6的红 外线传感器IC。
利用500K的黑体炉、光斩波频率lHz、噪声频带宽度lHz测定 室温下的灵敏度时，表现出0*=1.2乂108 111121/2/\￥和高灵敏度。可以 确认，实施例6中的红外线传感器IC，具有尽管封装简易但不易受电
32磁噪声及热波动的影响的特征。
(实施例7)
利用MBE法，在半绝缘性的GaAs单晶基板上生长2.0pm的以 3.5xl0"原子/cm3进行Zn掺杂的InSb层，在其上生长0.5pm的以 1,8xl0"原子/cn^进行Si掺杂的InSb层。使用这一化合物半导体薄 膜制作化合物半导体红外线传感器部分。首先，对上述形成的化合物 半导体薄膜，使用酸或离子铣削等形成用来与p型掺杂了的InSb层 取得接触的台阶。随后，对形成台阶的化合物半导体薄膜，进行用于 元件分离的台面型蚀刻。其后，在整个表面(GaAs基板及在该基板 上形成的化合物半导体膜)上覆盖SiN钝化膜。随后，在形成的SiN 保护膜上只在电极部分上开窗，对Au/Ti进行EB蒸镀，利用提离法 形成电极。受光面积i殳计为225|imxl50|am。实施例7的化合物半导 体红外线传感器部分的剖面图如图15所示。从图15可知，实施例7 的化合物半导体红外线传感器是所谓的PN结二极管的结构。在图15 中，符号23是半绝缘性的GaAs单晶基板，24是p型掺杂了的InSb 层，25是n型掺杂了的InSb层，26是SiN钝化膜，而27是Au/Ti 电极。
将对上述化合物半导体红外线传感器照射红外线时的元件的开 路电压作为输出电压进行测定。另外，测定中的传感器温度是室温 (27°C)。入射的红外线是使用500K的黑体炉产生的，黑体炉设置 在与传感器10cm的距离处。利用这样的配置，从传感器的基板一侧 使红外线入射。入射的红外线的能量为1.2mW/cm2。光斩波频率为 10Hz，使用Si作为截断可见光等的光的滤光片。
输出电压的测定结果示于图22。可以确认，输出电压是54nV, 在室温下可以进行红外线检测。 (实施例8)
利用MBE法，在半绝缘性的GaAs单晶基板上生长l,Ojim的以 3.5xl0"原子/cm3进行Zn掺杂的InSb层，在其上生长1.0|im的以 6xl0"原子/cm3进行Zn掺杂的InSb层，再在其上生长0.5jum的以1.8xl0"原子/ci^进行Si掺杂的InSb层。使用这一化合物半导体薄膜制作化合物半导体红外线传感器部分。首先，对上述形成的化合物半导体薄膜，使用酸或离子铣削等形成用来与高浓度p型掺杂了的InSb层取得接触的台阶。随后，对形成台阶的化合物半导体薄膜，进行用于元件分离的台面型蚀刻。其后，在整个表面(GaAs基板及在该基板上形成的化合物半导体膜)上覆盖SiN钝化膜。随后，在形成的SiN保护膜上只在电极部分上开窗，对Au/Ti进行EB蒸镀，利用提离法形成电极。受光面积设计为225pmxl50jLim。实施例8的化合物半导体红外线传感器部分的剖面图如图16所示。从图16可知，实施例8的化合物半导体红外线传感器是所谓的PIN结二极管的结构。在图16中，符号28是高浓度p型掺杂了的InSb层，29是低浓度p型掺杂了的InSb层，而30是n型掺杂了的InSb层。
将对上述化合物半导体红外线传感器照射红外线时的元件的开路电压作为输出电压进行测定。另外，测定中的传感器温度是室温(27。C)。入射的红外线是使用500K的黑体炉产生的，黑体炉设置在与传感器10cm的距离处。利用这样的配置，从传感器的基板一側使红外线入射。入射的红外线的能量为1.2mW/cm2。光斩波频率为10Hz，使用Si作为截断可见光等的光的滤光片。
输出电压的测定结果与实施例7—样示于图22。可以确认，输出电压是117nV，与PN结的场合相比输出电压更增加了。(实施例9 )
利用MBE法，在半绝缘性的GaAs单晶基板上生长l.Opm的以1.0xl0"原子/cn^进行Sn掺杂的InSb层，在其上生长LOpm的以6xl0"原子/cii^进行Zn掺杂的InSb层，再在其上生长0.5nm的以7.0xlO"原子/ci^进行Zn掺杂的InSb层。使用这一化合物半导体薄膜制作化合物半导体红外线传感器部分。首先，对上述形成的化合物半导体薄膜，使用酸或离子铣削等形成用来与高浓度n型掺杂了的InSb层取得接触的台阶。随后，对形成台阶的化合物半导体薄膜，进行用于元件分离的台面型蚀刻。其后，在整个表面(GaAs基板及在该基板上形成的化合物半导体膜)上覆盖SiN钝化膜。随后，在形成的SiN保护膜上只在电极部分上开窗，对Au/Ti进行EB蒸镀，利用提离法形成电极。受光面积设计为225pmxl50nm。实施例9的化合物半导体红外线传感器部分的剖面图如图17所示。从图17可知，实施例9的结构，是对实施例8的结构将p型掺杂层28和n型掺杂层30进行互换的结构。
将对上述化合物半导体红外线传感器照射红外线时的元件的开路电压作为输出电压进行测定。另外，测定中的传感器温度是室温(27。C)。入射的红外线是使用500K的黑体炉产生的，黑体炉设置在与传感器10cm的距离处。利用这样的配置，从传感器的基板一侧使红外线入射。入射的红外线的能量为1.2mW/cm2。光斩波频率为10Hz，使用Si作为截断可见光等的光的滤光片。
输出电压的测定结果同样示于图22。可以确认，输出电压是155nV，与实施例8的场合相比输出电压更增加了。这是使用Sn作为n型掺杂物产生的效果。就是说，在InSb中，Sn具有比Si高的激活率。因此，可以进行更高浓度的n型掺杂，可以得到更大的PN结的内部电位。输出电压V。ut是越过由内部电位Vd引起的电位壁垒产生扩散电流所必需的电压。因此，内部电位越高，输出电压越高。所以，可以确认在实施例9中使用Sn进行n型掺杂产生的输出增加的效果。(实施例10)
使用具有与实施例8同样的结构的化合物半导体薄膜，制作将多个元件串联的化合物半导体传感器部分。首先，对与实施例8—样形成的化合物半导体薄膜，使用酸或离子铣削等形成用来与高浓度p型掺杂了的InSb层取得接触的台阶。随后，对形成台阶的化合物半导体薄膜，进行用于元件分离的台面型蚀刻。其后，在整个表面(GaAs基板及在该基板上形成的化合物半导体膜)上覆盖SiN钝化膜。随后，在形成的SiN保护膜上只在电极部分上开窗，对Au/Ti进行EB蒸镀，利用提离法形成电极。此时，某一元件的以3.5xlO"原子/cmS进行Zn掺杂的InSb层和作为与该元件邻接的元件并在该元件的形成台阶的一侧的元件的以1.8xlO"原子/cmS进行Si掺杂的InSb层进行电连接 地形成电极。制作的单一元件的受光面积为18pmxl8nm，制成在 GaAs基板上将单一元件串联125个的部件。示出制成的传感器部的 一部分的剖面图示于图18中。
将对上述化合物半导体红外线传感器照射红外线时的元件的开 路电压作为输出电压进行测定。另外，测定中的传感器温度是室温 (27°C)。入射的红外线是使用500K的黑体炉产生的，黑体炉设置 在与传感器10cm的距离处。利用这样的配置，从传感器的基板一侧 使红外线入射。入射的红外线的能量为1.2mW/cm2。光斩波频率为 10Hz，使用Si作为截断可见光等的光的滤光片。
在上述125个连接的元件中得到了 12.5pV的输出电压。就是说， 可以确认，在上述化合物半导体膜结构和测定开路电压的测定方法的 本发明的组合中，通过增加连接元件数可以使输出增加。这一点对于 从单一元件得到的信号小的、在室温下的量子型红外线传感器而言是 极大的优点。
另外，将125个连接的传感器连接到信号放大器，对其噪声在室 温(27。C)的暗室中利用高速傅里叶变换(FFT)分析器进行测定。 在除去信号放大器的噪声只剩下传感器的噪声时，即使是在频率小于 等于10Hz时也未发现1/f噪声。此外，利用测试器测定红外线传感器 部的电阻的结果为该值为12.75kQ。将此值代入到式(4)求出约翰逊 噪声时，了解到与测定的传感器的噪声一致。
就是说，可以确认本发明的特征为传感器的噪声只是由其电阻决 定的约翰逊噪声，即使是在小于等于10Hz的低频区域中也是噪声极 小的传感器。
(实施例11)
使用具有与实施例9同样的结构的化合物半导体薄膜，使用与实 施例10同样的掩模组(set),制作将多个元件串联的化合物半导体 传感器部分。首先，对与实施例9一样形成的化合物半导体薄膜，使 用酸或离子铣削等形成用来与高浓度n型掺杂了的InSb层取得接触的台阶。随后，对形成台阶的化合物半导体薄膜，进行用于元件分离
的台面型蚀刻。其后，在整个表面(GaAs基板及在该基板上形成的 化合物半导体膜)上覆盖SiN钝化膜。随后，在形成的SiN保护膜上 只在电极部分上开窗，对Au/Ti进行EB蒸镀，利用提离法形成电极。 此时，某一元件的以1.0xl0"原子/cii^进行Sn掺杂的InSb层和作为 与该元件邻接的元件并在该元件的形成台阶的一側的元件的以 7.0xlO"原子/cmS进行Zn掺杂的InSb层进行电连接地形成电极。制 作的单一元件的受光面积为18|amxl8|am,制成在GaAs基板上将单 一元件串联125个的部件。示出制成的传感器部的一部分的剖面图示 于图19中。
将对上述化合物半导体红外线传感器照射红外线时的元件的开 路电压作为输出电压进行测定。其结果为22.5pV，得到与实施例10 的相同连接元件数的输出电压相比约为1.8倍的输出。另外，测定中 的传感器温度是室温(27°C)，入射的红外线是使用500K的黑体炉 产生的，黑体炉设置在与传感器10cm的距离处。利用这样的配置， 从传感器的基板一侧使红外线入射。入射的红外线的能量为 1.2mW/cm2。光斩波频率为10Hz，使用Si作为截断可见光等的光的 滤光片。
另外，利用测试器测定上述化合物半导体红外线传感器的元件电 阻的结果为9.6kn。就是说，可以确认，与实施例10中的同样的连接 个数的电阻相比为小。这一点是因为电阻率低的n型掺杂了的层配置 在最下层使得元件的电阻降低。其结果确认传感器的噪声可以进一步 减小为实施例10的传感器的噪声的约0.87倍。 (实施例12)
利用MBE法，在半绝缘性的GaAs单晶基板上生长l.(Him的以 5xl0"原子/cm3进行Zn掺杂的InSb层，在其上生长0.02jim的以 5xl0"原子/cm3进行Zn掺杂的Alo.2In。.8Sb层，再在其上生长l.Ojnm 的以lxl0"原子/cm3进行Zn掺杂的InSb层，再在其上生长0.5nm 的以1.0xlO"原子/cm"进行Sn掺杂的InSb层。使用这一化合物半导
37体薄膜制作化合物半导体传感器部。首先，使用酸或离子铣削等形成
用来与p型掺杂了的InSb层取得接触的台阶。随后，对形成台阶的 化合物半导体薄膜，进行用于元件分离的台面型蚀刻。其后，在整个 表面(GaAs基板及在该基板上形成的化合物半导体膜)上覆盖SiN 钝化膜。随后，在形成的SiN保护膜上只在电极部分上开窗，对Au/Ti 进行EB蒸镀，利用提离法形成电极。受光面积设计为225fxmxl50pm。 实施例12的化合物半导体红外线传感器部分的剖面图如图20所示。 在图20中，符号31表示以高浓度进行p型掺杂了的Ak2lnoSb层。
将照射红外线时的元件的开路电压作为输出电压进行测定。另 外，测定中的传感器温度是室温(27。C)。入射的红外线是使用500K 的黑体炉产生的，黑体炉设置在与传感器10cm的距离处。利用这样 的配置，从传感器的基板一侧使红外线入射。入射的红外线的能量为 1.2mW/cm2。光斩波频率为10Hz，使用Si作为滤光片。
利用上述结构得到的输出电压是242nV。将此测定结果与其他实 施例一样示于图22。可以确i/v，与PIN二极管结构的实施例9相比， 输出增加为约1.6倍。
另夕卜，在施加0.01V正偏压的场合和施加0.01 V负偏压的场合测 定了元件的电阻，将两个测定结果的平均值作为零偏压的元件电阻 Ro来进行测定。此外，对于实施例9的红外线传感器也进行了同样的 Ro测定。利用式(7)可从测定的R。求出饱和电流L。
其中，k是波耳兹曼常数，T是绝对温度，q是元电荷。饱和电 流Is与扩散电流Id、输出电压V自的关系如式(8)所示。
因此，饱和电流Is表示元件的扩散电流的大小。 在图23中示出得到的实施例12和实施例9的饱和电流Is的结 果。如图23所示，可以确认，形成AlInSb的阻挡层的红外线传感器
...(8)的饱和电流Is与不使用AlInSb的阻挡层的PIN二极管结构的元件相 比，减小约一位。
就是说，可以确认利用AlInSb阻挡层抑制扩散电流的特征。根 据这一效应4吏输出增加。 (实施例13)
利用MBE法，在半绝缘性的GaAs单晶基板上生长l.Ojim的以 1.0xl0"原子/cii^进行Sn掺杂的InSb层，在其上生长LOpm的以 lxl0"原子/cm3进行Zn掺杂的InSb层，再在其上生长0.02jiun的以 5xl0"原子/cm3进行Zn掺杂的AlQ.2In。.8Sb层，再在其上生长0.5pm 的以5xl0"原子/cm3进行Zn掺杂的InSb层。使用这一化合物半导 体薄膜制作化合物半导体传感器部。首先，使用酸或离子铣削等形成 用来与n型掺杂了的InSb层取得接触的台阶。随后，对形成台阶的 化合物半导体薄膜，进行用于元件分离的台面型蚀刻。其后，在整个 表面(GaAs基板及在该基板上形成的化合物半导体膜)上覆盖SiN 钝化膜。随后，在形成的SiN保护膜上只在电极部分上开窗，对Au/Ti 进行EB蒸镀，利用提离法形成电极。受光面积设计为225jxinxl50nm。 实施例13的化合物半导体红外线传感器部分的剖面图如图21所示。
将照射红外线时的元件的开路电压作为输出电压进行测定。另 外，测定中的传感器温度是室温(27。C)。入射的红外线是使用500K 的黑体炉产生的，黑体炉设置在与传感器10cm的距离处。利用这样 的配置，从传感器的基板一侧使红外线入射。入射的红外线的能量为 1.2mW/cm2。光斩波频率为10Hz，使用Si作为滤光片。
利用上述结构得到的输出电压是765nV。将此输出电压的测定结 果与其他实施例一样示于图22。可以确认，与实施例12的结果相比， 输出更飞跃增加为约3.2倍。
另夕卜，在元件上施加0.01 V正偏压的场合和施加0.01 V负偏压的 场合测定了元件的零偏压电阻。将两个测定结果的平均值作为零偏压 的元件电阻Rn进4亍测定，与实施例12的场合一样求出饱和电流Is。 此结果，与实施例12、实施例9的场合一样示于图23。如图23所示，在实施例13中，也与实施例12 —样，可以确认，形成AlInSb的阻 挡层的红外线传感器的饱和电流Is与不使用AlInSb的阻挡层的PIN 二极管结构的元件相比，减小约一位。就是说，与实施例12 —样， 可以确认利用AlInSb阻挡层抑制扩散电流的特征。
此外，在测定开路电压的本发明的测定方法中，因为光电流Iph 和扩散电流Id相等，利用饱和电流L和输出V。ut，利用式(9)所示 的关系可以求出在元件内部产生的光电流Iph。
由式(9)分别求出实施例9、实施例12和实施例13的光电流。 其结果示于图24。如图24所示，可以确认，在实施例12中，光电流 Iph与实施例9的PIN 二极管结构的元件相比减小约一半。这是由于 作为光吸收层的p型掺杂了的InSb层在AlInSb层上异质生长的结 果，光吸收层的结晶性降低，量子效率减小。
另一方面，可以确认，实施例13的光电流，与实施例9的PIN 二极管结构的元件相比，光电流Iph提高为约1.8倍。这是因为在由于 红外线的吸收而产生的电子空穴对中向p层方向扩散的电子减少，导 致光电流增加。就是说，可以确认外部量子效率提高的效应。就是说， 实施例13的结构，作为化合物半导体红外线传感器的单一元件的结 构，可以说是更优选的结构。
(实施例14)
利用MBE法，在半绝缘性的GaAs单晶基板上生长LOpm的以 1.0xl0"原子/cii^进行Sn掺杂的InSb层，在其上生长1.0|Lun的以 lxlO"原子/cmS进行Zn掺杂的InSb层，再在其上生长0.02|im的以 5xl0"原子/cm3进行Zn掺杂的Al。.2ln。.8Sb层，再在其上生长0.5jim 的以5xlO"原子/cm3进行Zn掺杂的InSb层。使用与实施例13同样 结构的化合物半导体薄膜制作使多个元件串联的化合物半导体传感 器部。首先，使用酸或离子铣削等形成用来与n型掺杂了的InSb层 取得接触的台阶。随后，对形成台阶的化合物半导体薄膜，进行用于元件分离的台面型蚀刻。其后，在整个表面(GaAs基板及在该基板
上形成的化合物半导体膜)上覆盖SiN钝化膜。随后，在形成的SiN
保护膜上只在电极部分上开窗，对Au/Ti进行EB蒸镀，利用提离法
形成电极。此时，某一元件的以1.0xl0"原子/cm3进行Sn掺杂的InSb 层和作为与该元件邻接的元件并在该元件的形成台阶的一侧的元件
的以5.0xlO"原子/cm3进行Zn掺杂的InSb层进行电连接而形成电极。 生成的单一元件的受光面积为9pmx9nm，在GaAs基板上串联260 个。示出制成的传感器部的一部分的剖面图示于图25中。
将照射红外线时的元件的开路电压作为输出电压进行测定。另 外，测定中的传感器温度是室温(27。C)。入射的红外线是使用500K 的黑体炉产生的，黑体炉设置在与传感器10cm的距离处。利用这样 的配置，从传感器的基板一侧使红外线入射。入射的红外线的能量为 1.2mW/cm2。光斩波频率为10Hz，使用Si作为滤光片。
可以确认，得到的输出V。ut是91pV，在室温下可得到接近lOO^V 的输出电压。输出与只使用单一元件的场合相比有飞跃的提高。这些 结果表明，对利用IC的信号处理可以有足够的输出，并且通过将该 化合物半导体红外线传感器和红外线传感器IC以混合方式进行组合， 可以实现在室温下不需要冷却机构而灵敏度更高的超小型的红外线 传感器。
(实施例15)
使用以与实施例14相同的结构生成的化合物半导体红外线传感 器，制作与安装了放大电路和斩波电路等的集成电路部以混合方式在 同一封装内形成的红外线传感器IC。
安装了放大电路和斩波电路等的集成电路部(IC)，利用通常 的CMOS生产线制作。其后，在上述集成电路部的基板上将实施例 14中的化合物半导体红外线传感器部，以传感器的基板部分为上地在 IC上通过倒装芯片键合相接合，使得传感器的化合物半导体薄膜上的 电极部分和IC的电极部分接合。此外，封装内部的电极部分(焊盘) 和集成电路部通过引线键合进行电连接。此外，在上述封装的红外线入射部上附加Si滤光片而完成实施例15的红外线传感器IC。在图 26中示出其剖面图。在图26中，符号32是化合物半导体红外线传感 器部，33是集成电路部，34是引线键合，35是封装，36是Si滤光片， 37是凸点、38是焊盘、39是封装电极。
完成的红外线传感器IC，是其面积为3mmx3mm，厚度为1.2mm 的以往没有的超小型的红外线传感器IC。另外，在本结构中，红外线 是通过Si滤光片36从化合物半导体红外线传感器部分32的基板一侧 入射。由于基板使用半绝缘性的GaAs基板，波长大于等于5pm的红 外线可以充分地透过基板部分而被化合物半导体薄膜层吸收。所以， 入射的红外线不会受到化合物半导体红外线传感器部分32的电极及 布线部分的遮挡，可以高效地作为信号取出。
另外，可以确认，实施例15中的红外线传感器IC,具有尽管封 装简易，但不易受到电磁噪声及热波动的影响的特征。
如上所述，本发明的一实施方式的红外线传感器IC，适合作为 检测人辐射的热能的人感传感器使用。具有IC芯片程度的超小型和 不易受到电磁噪声及热波动的影响的特征，可以对照明及家电自动进 行开和关，可以期待在节能方面获得巨大的效果。
权利要求
1. 一种红外线传感器，其特征在于包括基板，以及在该基板上形成的、由多个化合物半导体层层叠而成的化合物半导体的层叠体，上述化合物半导体的层叠体包括在该基板上形成的、作为包含铟及锑且n型掺杂了的材料的第六化合物半导体层，在该第六化合物半导体层上形成的、作为包含铟及锑且未掺杂或p型掺杂了的材料的第七化合物半导体层，以及在该第七化合物半导体层上形成的、作为以比上述第七化合物半导体层更高的浓度进行了p型掺杂、且具有比上述第六化合物半导体层及上述第七化合物半导体层更大的带隙的材料的第八化合物半导体层。
2. 如权利要求1所述的红外线传感器，其特征在于 上述第六化合物半导体层是InSb，上述第七化合物半导体层是InSb、 InAsSb、 InSbN中的任一种，上述第八化合物半导体层是 AlInSb、 GalnSb、或AlAs、 InAs、 GaAs、 AlSb、 GaSb及其混合晶 中的任一种。
3. 如权利要求1或2所述的红外线传感器，其特征在于 上述第六化合物半导体层的n型掺杂物是Sn,上述第七化合物半导体层及上述第八化合物半导体层的p型掺杂物是Zn。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的红外线传感器，其特征在于， 上述化合物半导体的层叠体还包括在上述第八化合物半导体层上形成的、作为包含铟及锑且以与该 第八化合物半导体层相同或比它更高的浓度p型掺杂了的材料的第九 化合物半导体层。
5. 如权利要求4所述的红外线传感器，其特征在于上述第九化合物半导体层是InSb。
6. 如权利要求4或5所述的红外线传感器，其特征在于 上述第九化合物半导体层的p型掺杂物是Zn。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的红外线传感器，其特征在于 上述基板是半绝缘性基板，或是能使上述基板和在该基板上形成的笫六化合物半导体层绝缘分离的基板，且 还包括在上述第六化合物半导体层中的、未形成上述第七化合物半导体 层的区域中形成的第1电极；和在上述第八化合物半导体层上形成的第2电极。
8. 如权利要求7所述的红外线传感器，其特征在于 在上述基板上连续形成多个上述化合物半导体的层叠体，以使得在上述化合物半导体的层叠体中形成的第1电极、和在与形成该第1 电极的化合物半导体的层叠体相邻的化合物半导体的层叠体中形成 的第2电极串联连接。
9. 如权利要求7或8所述的红外线传感器，其特征在于 在测定输出信号时，使上述第l及第2电极间的偏置为零偏置，使红外线入射时的信号作为开路电压读出。
10. —种红外线传感器IC，其特征在于包括 权利要求1至9中任一项所述的红外线传感器；以及 对从上述红外线传感器输出的电信号进行处理并进行规定的运算的集成电路部分，将上述红外线传感器及上述集成电路部分在同一封装内以混合 形态进行配置。
11. 一种红外线传感器的制造方法，其特征在于包括 在基板上形成作为包含铟及锑且n型掺杂了的材料的第六化合物半导体层的工序，在该第六化合物半导体层上形成作为包含铟及锑且未掺杂或p 型掺杂了的材料的第七化合物半导体层的工序，以及在该第七化合物半导体层上形成作为以比上述第七化合物半导 体层更高的浓度进行p型掺杂、且具有比上述第六化合物半导体层及 上述第七化合物半导体层更大的带隙的材料的第八化合物半导体层 的工序。
12. 如权利要求11所述的红外线传感器的制造方法，其特征在于 上述第六化合物半导体层是InSb，上述第七化合物半导体层是InSb、 InAsSb、 InSbN中的任一种，上述第八化合物半导体层是 AlInSb、 GalnSb、或AlAs、 InAs、 GaAs、 AlSb、 GaSb及其混合晶 中的任一种。
13. 如权利要求11或12所述的红外线传感器的制造方法，其特 征在于上述第六化合物半导体层的n型掺杂物是Sn，上述第七化合物 半导体层及上述第八化合物半导体层的p型掺杂物是Zn。
14. 如权利要求11至13中任一项所述的红外线传感器的制造方 法，其特征在于还具有在上述第八化合物半导体层上形成作为包含铟及锑且以与该第八化合物半导体层相同或比它更高的浓度p型掺杂了的材料的第九化 合物半导体层的工序。
15. 如权利要求14所述的红外线传感器的制造方法，其特征在于 上述第九化合物半导体层是InSb。
16. 如权利要求14或15所述的红外线传感器的制造方法，其特 征在于上述第九化合物半导体层的p型掺杂物是Zn。
全文摘要
本发明提供一种红外线传感器，其包括基板以及在该基板上形成的、由多个化合物半导体层层叠而成的化合物半导体的层叠体，上述化合物半导体的层叠体包括在该基板上形成的、作为包含铟及锑且n型掺杂了的材料的第六化合物半导体层；在该第六化合物半导体层上形成的、作为包含铟及锑且未掺杂或p型掺杂了的材料的第七化合物半导体层；以及在该第七化合物半导体层上形成的、作为以比上述第七化合物半导体层更高的浓度进行了p型掺杂、且具有比上述第六化合物半导体层及上述第七化合物半导体层更大的带隙的材料的第八化合物半导体层。
文档编号H01L31/0352GK101459203SQ20081017958
公开日2009年6月17日 申请日期2004年9月9日 优先权日2003年9月9日
发明者上之康一郎, 久世直洋, 森安嘉贵, 永濑和宏 申请人:旭化成电子材料元件株式会社