(57)【要約】【課題】  短波長側の光に対する感度を向上させることができる半導体受光素子を提供する。【解決手段】  半導体受光素子１では、ｐ電極１２の延在部１２ａが絶縁膜１１を介して光入射孔８の側面８ａから底面８ｂの周縁部８ｃに至っている。これにより、延在部１２ａで光の進行が遮られるため、コンタクト層６、及びその一端面６ａに積層されたキャップ層７を介することなく、光が光入射孔８から光吸収層４に入射することになる。よって、分光感度のばらつきを抑制することができる。更に、ｐ電極１２の接続部１２ｂが絶縁膜１１及びキャップ層７を貫いてコンタクト層６の不純物拡散領域９に接続されている。これにより、光吸収層４の一端面４ａに積層されたキャップ層５を所定の厚さに薄型化することができる。以上により、半導体受光素子１によれば、短波長側の光に対する感度を向上させることが可能となる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の一方の側に積層された光吸収層と、
前記光吸収層の一方の側に積層された第１のキャップ層と、
前記第１のキャップ層の一方の側に積層されたコンタクト層と、
前記コンタクト層の一方の側に積層された第２のキャップ層と、
前記第２のキャップ層の一方の側に絶縁膜を介して形成された第１の電極と、
前記基板の他方の側に形成された第２の電極と、を備え、
前記コンタクト層及び前記第２のキャップ層は光入射孔を形成し、
少なくとも前記光吸収層、前記第１のキャップ層及び前記コンタクト層は、前記光入射孔に対応するように前記コンタクト層から前記光吸収層の一端部に至る不純物拡散領域を含み、
前記第１の電極は、前記絶縁膜を介して前記光入射孔の側面から前記光入射孔の底面の周縁部に至る延在部と、少なくとも前記絶縁膜を貫いて前記コンタクト層の前記不純物拡散領域に接続された接続部と、を有することを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記不純物拡散領域は、前記光入射孔の側面及び底面を包囲するように前記第２のキャップ層から前記光吸収層の一端部に至っており、
前記接続部は、前記絶縁膜及び前記第２のキャップ層を貫いて前記コンタクト層の前記不純物拡散領域に接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記不純物拡散領域は、前記光入射孔の底面に対向するように、前記光入射孔の底面の周縁部に残存する前記コンタクト層から前記光吸収層の一端部に至っており、
前記接続部は、前記絶縁膜を貫いて、前記光入射孔の底面の周縁部に残存する前記コンタクト層の前記不純物拡散領域に接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記コンタクト層における前記光入射孔の側面と、前記第２のキャップ層における前記光入射孔の側面とは、一面となるように連続していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体受光素子として、特許文献１には、基板と、基板の一端面に積層されたバッファ層と、バッファ層の一端面に積層された光吸収層と、光吸収層の一端面に積層された窓層と、窓層の一端面に積層されたコンタクト層と、コンタクト層の一端面に積層された表面層と、表面層の一端面に絶縁膜を介して形成されたｐ電極と、基板の他端面に形成されたｎ電極と、を備えるものが記載されている。特許文献１記載の半導体受光素子においては、コンタクト層及び表面層が形成する光入射孔を包囲するようにｐ型領域層が表面層から光吸収層の一端部に至っており、ｐ電極が光入射孔の側面から底面の周縁部に延在し、光入射孔に露出したコンタクト層のｐ型領域層に接続されている。
【特許文献１】特開平７−２２６４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、半導体受光素子には、分析用途等として、短波長側の光（例えば、可視域の光）に対する感度の向上が要求される場合がある。しかしながら、特許文献１記載の半導体受光素子にあっては、短波長側の光に対する感度を向上させるために窓層を薄くすると、光入射孔内においてｐ電極が窓層を突き破るおそれがある。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、短波長側の光に対する感度を向上させることができる半導体受光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体受光素子は、基板と、基板の一方の側に積層された光吸収層と、光吸収層の一方の側に積層された第１のキャップ層と、第１のキャップ層の一方の側に積層されたコンタクト層と、コンタクト層の一方の側に積層された第２のキャップ層と、第２のキャップ層の一方の側に絶縁膜を介して形成された第１の電極と、基板の他方の側に形成された第２の電極と、を備え、コンタクト層及び第２のキャップ層は光入射孔を形成し、少なくとも光吸収層、第１のキャップ層及びコンタクト層は、光入射孔に対応するようにコンタクト層から光吸収層の一端部に至る不純物拡散領域を含み、第１の電極は、絶縁膜を介して光入射孔の側面から光入射孔の底面の周縁部に至る延在部と、少なくとも絶縁膜を貫いてコンタクト層の不純物拡散領域に接続された接続部と、を有することを特徴とする。
【０００６】
この半導体受光素子では、第１の電極の延在部が絶縁膜を介して光入射孔の側面から光入射孔の底面の周縁部に至っている。これにより、延在部で光の進行が遮られるため、コンタクト層及び第２のキャップ層を介することなく、光が光入射孔から光吸収層に入射することになる。よって、分光感度のばらつきを抑制することができる。更に、第１の電極の接続部が少なくとも絶縁膜を貫いてコンタクト層の不純物拡散領域に接続されている。これにより、第１のキャップ層を所定の厚さに薄型化することができる。以上により、この半導体受光素子によれば、短波長側の光に対する感度を向上させることが可能となる。
【０００７】
このとき、不純物拡散領域は、光入射孔の側面及び底面を包囲するように第２のキャップ層から光吸収層の一端部に至っており、接続部は、絶縁膜及び第２のキャップ層を貫いてコンタクト層の不純物拡散領域に接続されていることが好ましい。この構成によれば、光吸収層の一端部に至る不純物拡散領域の界面（例えば、ｐｎ接合の界面となる）と第１の電極とが少なくとも第１のキャップ層及びコンタクト層の厚さの分だけ離れることになるため、暗電流の発生を抑制することができる。
【０００８】
或いは、不純物拡散領域は、光入射孔の底面に対向するように、光入射孔の底面の周縁部に残存するコンタクト層から光吸収層の一端部に至っており、接続部は、絶縁膜を貫いて、光入射孔の底面の周縁部に残存するコンタクト層の不純物拡散領域に接続されていることが好ましい。この構成によれば、光入射孔の底面の周縁部に残存するコンタクト層から光入射孔の外側に第１の電極を延在させて、第１の電極の延在方向と交差する方向において複数の受光領域（すなわち、光入射孔の底面に対向する光吸収層の不純物拡散領域）を密に配置することができる。
【０００９】
更に、コンタクト層における光入射孔の側面と、第２のキャップ層における光入射孔の側面とは、一面となるように連続していることが好ましい。この構成によれば、絶縁膜を介して光入射孔の側面から光入射孔の底面の周縁部に至る延在部が精度良く形成されるため、光がコンタクト層及び第２のキャップ層を介して光吸収層に入射するのを確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、短波長側の光に対する感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１の実施形態］
【００１２】
図１は、本発明に係る半導体受光素子の第１の実施形態の平面図であり、図２は、図１のII−II線に沿っての端面図である。図１及び２に示されるように、半導体受光素子１は、矩形板状に形成されたＩｎＧａＡｓフォトダイオードであり、可視域から赤外域までの光に対して感度を有している。
【００１３】
半導体受光素子１は、基板２と、基板２の一端面２ａに積層されたバッファ層３と、バッファ層３の一端面３ａに積層された光吸収層４と、光吸収層４の一端面４ａに積層されたキャップ層（第１のキャップ層）５と、キャップ層５の一端面５ａに積層されたコンタクト層６と、コンタクト層６の一端面６ａに積層されたキャップ層（第２のキャップ層）７と、を備えている。
【００１４】
コンタクト層６及びキャップ層７は、一方の側に向かって末広がりとなる円錐台状の光入射孔８を形成している。コンタクト層６における光入射孔８の側面８ａと、キャップ層７における光入射孔８の側面８ａとは、一面となるようにスムースに連続している。
【００１５】
光吸収層４、キャップ層５、コンタクト層６及びキャップ層７は、ｐ型の不純物が拡散された領域である不純物拡散領域９を含んでいる。不純物拡散領域９は、光入射孔８の側面８ａ及び底面８ｂを包囲するように、キャップ層７の一端面７ａから光吸収層４の一端部（一端面４ａから内側の所定の部分）に至っており、光吸収層４内の界面でｐｎ接合を達成している。
【００１６】
一例として、基板２及びバッファ層３並びにキャップ層５，７は、ｎ型のＩｎＰからなり、光吸収層４及びコンタクト層６は、ｎ型のＩｎＧａＡｓからなる。また、不純物拡散領域９は、光吸収層４、キャップ層５、コンタクト層６及びキャップ層７にｐ型のＺｎが拡散されることで形成されている。
【００１７】
キャップ層７の一端面７ａ並びに光入射孔８の側面８ａ及び底面８ｂには、例えばＳｉＮからなる絶縁膜１１が連続するように積層されており、絶縁膜１１上には、例えばＡｕからなるｐ電極（第１の電極）１２が形成されている。つまり、ｐ電極１２は、キャップ層７の一端面７ａに絶縁膜１１を介して形成されている。また、基板２の他端面２ｂには、不純物拡散領域９に対向するように、例えばＡｕからなるｎ電極１３が形成されている。
【００１８】
ｐ電極１２は、絶縁膜１１を介して光入射孔８の側面８ａから底面８ｂの周縁部（底面８ｂの外縁の所定の部分）８ｃに至る延在部１２ａと、絶縁膜１１及びキャップ層７を貫いてコンタクト層６の不純物拡散領域９に接続された接続部１２ｂと、ワイヤ（図示せず）がボンディングされるパッド部１２ｃと、を有している。延在部１２ａは、絶縁膜１１を介して光入射孔８の側面８ａ及び底面８ｂの周縁部８ｃに沿うように円錐台筒状に形成されている。接続部１２ｂは、光入射孔８の側面８ａを包囲するように円筒状に形成されている。
【００１９】
次に、上述した半導体受光素子１の製造方法について説明する。図３〜６は、図１の半導体受光素子の製造方法を説明するための工程図である。
【００２０】
まず、図３（ａ）に示されるように、ｎ型のＩｎＰからなる基板２上に、ｎ型のＩｎＰからなるバッファ層３、ｎ型のＩｎＧａＡｓからなる光吸収層４、ｎ型のＩｎＰからなるキャップ層５、ｎ型のＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層６、及びｎ型のＩｎＰからなるキャップ層７がこの順序で積層された構造を有するエピタキシャルウェハを用意する。
【００２１】
続いて、図３（ｂ）に示されるように、ＳｉＮからなる拡散マスク１１ａをキャップ層７の一端面７ａに堆積し、拡散マスク１１ａにおいて不純物拡散領域９に対応する部分をエッチングにより除去する。そして、図４（ａ）に示されるように、ＺｎとＰとの混合ガス中において高温で熱処理することにより、光吸収層４、キャップ層５、コンタクト層６及びキャップ層７にｐ型のＺｎを拡散して不純物拡散領域９形成する。
【００２２】
続いて、図４（ｂ）に示されるように、拡散マスク１１ａ、及び拡散マスク１１ａから露出するキャップ層７の一端面７ａにおいて光入射部分（光入射孔８に対応する部分）を除く部分を、ＳｉＮからなるレジスト１１ｂにて覆う。そして、図５（ａ）に示されるように、選択エッチング液にてキャップ層７を除去し、更に、別の選択エッチング液にてコンタクト層６を除去する。これにより、光入射孔８が形成されることになる。
【００２３】
続いて、図５（ｂ）に示されるように、レジスト１１ｂ並びに光入射孔８の側面８ａ及び底面８ｂに、ＳｉＮからなる反射防止膜１１ｃを堆積する。反射防止膜１１ｃは、表面保護膜を兼ねている。そして、反射防止膜１１ｃにおいてコンタクトホール部分（絶縁膜１１及びキャップ層７がｐ電極１２の接続部１２ｂによって貫かれる部分）を除く部分をレジストにて覆い、図６（ａ）に示されるように、選択エッチング液にて絶縁膜１１及びキャップ層７を除去する。これにより、コンタクトホール部分にコンタクト層６の不純物拡散領域９が露出することになる。
【００２４】
続いて、図６（ｂ）に示されるように、ｐ電極１２を蒸着にて形成すると共に、基板２が所望の厚さとなるように基板２の他端面２ｂを研磨した後、ｎ電極１３を蒸着にて形成し、半導体受光素子１を完成させる。なお、拡散マスク１１ａ、レジスト１１ｂ及び反射防止膜１１ｃによって絶縁膜１１が形成される。
【００２５】
以上のように構成された半導体受光素子１においては、ｐ電極１２の延在部１２ａが絶縁膜１１を介して光入射孔８の側面８ａから底面８ｂの周縁部８ｃに至っている。これにより、延在部１２ａで光の進行が遮られるため、コンタクト層６、及びその一端面６ａに積層されたキャップ層７を介することなく、光が光入射孔８から光吸収層４に入射することになる。よって、分光感度のばらつきを抑制することができる。更に、ｐ電極１２の接続部１２ｂが絶縁膜１１及びキャップ層７を貫いてコンタクト層６の不純物拡散領域９に接続されている。これにより、光吸収層４の一端面４ａに積層されたキャップ層５を所定の厚さに薄型化することができる。以上により、半導体受光素子１によれば、短波長側の光に対する感度を向上させることが可能となる。
【００２６】
また、半導体受光素子１においては、不純物拡散領域９が光入射孔８の側面８ａ及び底面８ｂを包囲するようにキャップ層７の一端面７ａから光吸収層４の一端部に至っており、ｐ電極１２の接続部１２ｂが絶縁膜１１及びキャップ層７を貫いてコンタクト層６の不純物拡散領域９に接続されている。これにより、光吸収層４の一端部に至る不純物拡散領域９の界面（ｐｎ接合の界面）とｐ電極１２とがキャップ層５及びコンタクト層６の厚さの分だけ離れることになるため、暗電流の発生を抑制することができる。
【００２７】
この点について、より詳細に説明する。一般的に、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードにおいてｐ電極を形成する場合、バンドギャップが小さいほど、そして、キャリヤ濃度が高いほど、ｐ電極のコンタクト部分での接触抵抗を下げることができる。通常、ｐ型の不純物としてＺｎが拡散された不純物拡散領域のキャリヤ濃度は、ＩｎＰで１〜２×１０１８ｃｍ−３程度となるのに対し、ＩｎＧａＡｓで１〜２×１０１９ｃｍ−３程度となり、ＩｎＧａＡｓのほうが高くなる。また、バンドギャップは、ＩｎＰで１．３１ｅＶとなるのに対し、ＩｎＧａＡｓで０．７６ｅＶとなり、ＩｎＧａＡｓのほうが小さくなる。従って、ｐ電極のコンタクト部分での接触抵抗を下げるためには、ｐ電極のコンタクトをＩｎＧａＡｓで取ることが必要になる。
【００２８】
上述した半導体受光素子１では、ＩｎＧａＡｓからなる層が光吸収層４及びコンタクト層６の２層存在するが、光吸収層４の不純物拡散領域９は薄いため、ｐ電極１２のコンタクトをここで取ると、Ａｕからなるｐ電極１２のスパイクによって暗電流が増加するおそれがある。そこで、ｐ電極１２のコンタクトをコンタクト層６で取ることにより、キャップ層５及びコンタクト層６の厚さの分だけ距離を稼ぐことができ、また、ヘテロ構造とすることができるため、Ａｕからなるｐ電極１２のスパイクを有効にブロックし、暗電流の発生を防止することが可能となる。そして、ｐ電極１２のコンタクトをコンタクト層６で取ることにより、低い順方向電圧も実現することができる。
【００２９】
更に、半導体受光素子１においては、コンタクト層６における光入射孔８の側面８ａとキャップ層７における光入射孔８の側面８ａとが一面となるようにスムースに連続している。これにより、絶縁膜１１を介して光入射孔８の側面８ａから底面８ｂの周縁部８ｃに至る延在部１２ａが精度良く形成されるため、光がコンタクト層６及びキャップ層７を介して光吸収層４に入射するのを確実に防止することができる。
【００３０】
次に、上述した半導体受光素子１のキャップ層５、コンタクト層６及びキャップ層７の厚さについて説明する。
【００３１】
キャップ層５は、光吸収層４のキャップ層としての機能を有している。キャップ層５が厚いと短波長側の光に対する感度が下がり、その一方で、キャップ層５が薄すぎても短波長側の光に対する感度が下がってしまう。そのため、キャップ層５の厚さは、０．０５μｍ〜０．２μｍが好ましい。
【００３２】
コンタクト層６は、良好なオーミックコンタクトを得るという機能、及び光入射部分においてキャップ層７をエッチングする際のエッチングストップ層としての機能を有している。コンタクト層６が薄すぎるとエッチングをストップすることができず、コンタクト層６が厚すぎるとコンタクト層６の選択エッチングの際に庇が生じてしまう。そこで、コンタクト層６の厚さは、０．１μｍ前後が好ましい。
【００３３】
キャップ層７は、パッシベーション膜である絶縁膜１１に接するｐｎ接合部を安定化させるという機能を有している。そのため、ある程度以上の厚さが必要となるが、キャップ層７が厚すぎると選択エッチングの際の段差が大きくなり、ｐ電極１２の段切れ等の不具合を生じるおそれがある。そこで、キャップ層７は、０．４μｍ〜１．５μｍが好ましい。暗電流が所望のスペックに収まるのであれば、製造の容易化の観点から、キャップ層７は、できる限り薄くすることが望ましい。
【００３４】
最後に、発明品（上述した半導体受光素子１に相当するＩｎＧａＡｓフォトダイオード）、従来品１（いわゆるスタンダード品と称されるＩｎＧａＡｓフォトダイオード）、従来品２（短波長側の光に対する感度の向上を謳ったＩｎＧａＡｓフォトダイオード）の分光感度の比較結果について説明する。図７は、分光感度を示すグラフである。
【００３５】
図７に示されるように、従来品２は、従来品１よりも波長０．８μｍで３倍程度の感度アップとなっている。それに対し、発明品は、従来品２よりも波長０．８μｍで１．５倍程度の感度アップとなっており、透過型シリコンフォトダイオードの感度に匹敵する感度が得られている。ピーク値の１０％以上を感度波長域とした場合には、発明品の感度波長域は、０．４５μｍ〜１．７μｍとなり、発明品は、可視域から赤外域まで良好な感度を有している。
［第２の実施形態］
【００３６】
図８は、本発明に係る半導体受光素子の第２の実施形態の平面図であり、図８のIX−IX線に沿っての端面図を図９に示し、図８のX−X線に沿っての端面図を図１０に示す。図９〜１０に示されるように、半導体受光素子１０は、アレイ化されている点で、単素子である半導体受光素子１と異なっている。以下、単素子である半導体受光素子１との相違点を中心に、アレイ化された半導体受光素子１０について説明する。
【００３７】
半導体受光素子１０においては、光の入射方向から見て矩形状に形成された複数の不純物拡散領域９が１次元に配列されている。光入射孔８は、光の入射方向から見て全ての不純物拡散領域９をその底面８ｂ内に含むように、一方の側に向かって末広がりとなる四角錘台状に形成されている。
【００３８】
光入射孔８の底面８ｂの周縁部８ｃには、各不純物拡散領域９に対応するようにコンタクト層６が島状に残存している。各不純物拡散領域９は、光入射孔８の底面８ｂに対向しており、底面８ｂの周縁部８ｃに残存するコンタクト層６から光吸収層４の一端部に至っている。
【００３９】
ｐ電極１２は、不純物拡散領域９毎に設けられており、不純物拡散領域９の配列方向と略直交する方向に沿って、光入射孔８の底面８ｂの周縁部８ｃに残存するコンタクト層６から光入射孔８の外側に延在している。なお、不純物拡散領域９の配列方向と略直交する方向においてｐ電極１２と対向する光入射孔８の段差部は、遮光電極１４によって覆われている。
【００４０】
各ｐ電極１２の延在部１２ａは、絶縁膜１１を介して光入射孔８の側面８ａからコンタクト層６の不純物拡散領域９（すなわち、光入射孔８の底面８ｂの周縁部８ｃに残存するコンタクト層６）上に至っている。各ｐ電極１２の接続部１２ｂは、延在部１２ａから絶縁膜１１を貫くように立設されており、光入射孔８の底面８ｂの周縁部８ｃに残存するコンタクト層６の不純物拡散領域９に接続されている。
【００４１】
以上のように構成された半導体受光素子１０によれば、ｐ電極１２の延在方向と略直交する方向において複数の受光領域（すなわち、光入射孔８の底面８ｂに対向する光吸収層４の不純物拡散領域９）を密に配置することができる。
【００４２】
このような構成は、画素間のピッチが小さいイメージセンサに好適である。イメージセンサは、ｐｎ接合にバイアス電圧が印加されずに使用されるため、光吸収層４の一端部に至る不純物拡散領域９の界面（ｐｎ接合の界面）と絶縁膜１１とが薄いキャップ層５を介して近接することによる暗電流の増加については許容可能である。
【００４３】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００４４】
例えば、画素間のピッチを大きくとることができる場合には、第１の実施形態の半導体受光素子１の構成を用いて、アレイ化された半導体受光素子を構成してもよい。図１１は、本発明に係る半導体受光素子の他の実施形態の平面図であり、図１１のXII−XII線に沿っての端面図を図１２に示し、図１１のXIII−XIII線に沿っての端面図を図１３に示す。図１１〜１３に示されるように、半導体受光素子２０においては、ｐ電極１２の接続部１２ｂが絶縁膜１１及びキャップ層７を貫いてコンタクト層６の不純物拡散領域９に接続されているため、暗電流の発生を抑制することができる。なお、ｐ電極１２の延在部１２ａによって覆われない光入射孔８の段差部は、画素間のクロストークの低減及び分光感度のばらつきの抑制の観点から、遮光電極１４によって覆われている。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る半導体受光素子の第１の実施形態の平面図である。
【図２】図１のII−II線に沿っての端面図である。
【図３】図１の半導体受光素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図４】図１の半導体受光素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図５】図１の半導体受光素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図６】図１の半導体受光素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図７】分光感度を示すグラフである。
【図８】本発明に係る半導体受光素子の第２の実施形態の平面図である。
【図９】図８のIX−IX線に沿っての端面図である。
【図１０】図８のX−X線に沿っての端面図である。
【図１１】本発明に係る半導体受光素子の他の実施形態の平面図である。
【図１２】図１１のXII−XII線に沿っての端面図である。
【図１３】図１１のXIII−XIII線に沿っての端面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１，１０，２０…半導体受光素子、２…基板、４…光吸収層、５…キャップ層（第１のキャップ層）、６…コンタクト層、７…キャップ層（第２のキャップ層）、８…光入射孔、８ａ…側面、８ｂ…底面、８ｃ…周縁部、９…不純物拡散領域、１１…絶縁膜、１２…ｐ電極（第１の電極）、１２ａ…延在部、１２ｂ…接続部、１３…ｎ電極（第２の電極）。
【図１】
2010056147.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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