(57)【要約】      （修正有）【課題】画素の独立性を確保しながら、受光層における受光量を高めることができる受光素子アレイ等を提供する。【解決手段】受光素子アレイ１０は、受光層３と、受光層内に位置する、画素Ｐごとのｐｎ接合１５とを備え、半導体基板１の裏面側において、画素の領域が落ち窪んでおり、該画素領域の半導体基板１の厚みが、画素の間の領域の半導体基板１の厚みより小さい、か又は該画素の領域の半導体基板１がない。【選択図】図１
2014110391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に画素が配列された受光素子アレイであって、
前記半導体基板の上に形成された受光層と、
前記受光層内に位置する、前記画素ごとのｐｎ接合とを備え、
前記半導体基板の裏面側において、前記画素の領域が落ち窪んでおり、該画素領域の半導体基板の厚みが前記画素の間の領域の半導体基板の厚みより小さい、か又は該画素の領域の半導体基板がないことを特徴とする、受光素子アレイ。
【請求項２】
前記画素の間の領域の半導体基板の裏面に、少なくとも赤外域の光を反射する反射膜が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子アレイ。
【請求項３】
前記画素領域における前記半導体基板裏面の、少なくとも窪んだ領域底部に反射防止膜が配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の受光素子アレイ。
【請求項４】
前記窪んだ領域の壁面に前記反射防止膜が配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の受光素子アレイ。
【請求項５】
前記半導体基板と受光層との間にバッファ単層、または、バッファ層とエッチストップ層とのバッファ複合層、が挿入され、該バッファ単層またはバッファ複合層が、前記半導体基板の落ち窪んだ画素領域の底部に位置することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の受光素子アレイ。
【請求項６】
前記受光層がタイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）多重量子井戸構造であり、前記半導体基板が、ＧａＳｂ、ＧａＡｓおよびＩｎＰ、のうちのいずれかであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の受光素子アレイ。
【請求項７】
前記半導体基板がＧａＳｂであり、前記バッファ単層または前記バッファ複合層中のエッチストップ層が、ＩｎＡｓＳｂ層であることを特徴とする、請求項５または６に記載の受光素子アレイ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の受光素子アレイと、読み出し回路とを備えたことを特徴とする、センシング装置。
【請求項９】
半導体基板上に画素が配列された受光素子アレイの製造方法であって、
前記半導体基板の上に受光層を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面側において前記画素の領域ごとに該半導体基板を選択エッチングする工程とを備え、
前記選択エッチング工程では、前記画素領域の半導体基板の厚みを、該画素の間の領域の半導体基板の厚みより小さくする、かまたは該画素の領域の半導体基板を除去することを特徴とする、受光素子アレイの製造方法。
【請求項１０】
前記選択エッチングのマスクパターンの材料に、少なくとも赤外域の光を反射する膜を用い、該マスクパターンをそのまま反射膜として残すことを特徴とする、請求項９に記載の受光素子アレイの製造方法。
【請求項１１】
前記半導体基板上に、前記受光層を形成する前に、バッファ単層、または、バッファ層とエッチストップ層とのバッファ複合層を形成し、前記選択エッチングにおいて、前記バッファ単層またはバッファ複合層をエッチストップ層として用いることを特徴とする、請求項９または１０に記載の受光素子アレイの製造方法。
【請求項１２】
前記半導体基板をＧａＳｂとし、前記バッファ単層または前記バッファ複合層のエッチストッパ層をＩｎＡｓＳｂとし、前記選択エッチングにおけるエッチャントをＢＣｌ３とすることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の受光素子アレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外波長域に感度を有する受光素子アレイ、その製造方法、およびセンシング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近赤外を含む赤外域の光は、動植物などの生体や環境に関連した吸収スペクトル域に対応するため、受光層にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた赤外域の受光素子の開発が行われている。とくに多様な用途に適用できるように、複数の受光素子（画素）を配列した受光素子アレイの開発が推進されている。これら受光素子もしくは受光素子アレイでは、良好な感度、クロストーク等の抑制など画質の向上等を重視した開発が行われている。
たとえば、中赤外域に感度をもつタイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple  Quantum  Well）の受光層を有する受光素子において、中赤外域に吸収をもつＧａＳｂ基板を完全に除去することで感度向上をはかる構造が提案されている（非特許文献１）。この提案では、エッチストップ層を用いてエッチングによって完全にＧａＳｂ基板を除き、中赤外域のＧａＳｂ基板による感度低下を克服するものである。
一方、エピタキシャル層の表面から光入射する受光素子アレイにおいて、画素の間をメサ溝で分離してクロストークを防止して画質の向上をはかる提案がなされている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１８５０３２号公報
【０００４】
【非特許文献１】Pierre-Yves Delaunay, et al.,“Substrate removal for high quantum efficiency backside illuminated type-II InAs/GaSb photodetectors”,APPLIED PHYSICS LETTERS 91,231106 (2007)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のＧａＳｂ基板を除去した受光素子では、複数の受光素子を配列した構成において、解像度が低下する問題がある。すなわち多画素化（１次元配列、２次元配列）したとき、クロストークによって隣り合う画素間に光が散乱してゆき、画素間の解像度が低下する。画素ピッチを小さくするほど、このクロストークの悪影響が顕著となるので、ファインピッチのアレイ化が困難になる。これを避けるために、画素ピッチを大きくすると画素数が同じレベルであればチップサイズが過大となり、また製造経費もかさむようになる。さらに製造上の重大な問題として、基板を完全に除去するとウエハの強度が非常に低下してウエハからチップ化する加工が困難となる。
一方、受光素子アレイの画素の間にメサ溝を入れてクロストークを防止する構造では、感度を向上することが難しい。すなわち、この受光素子アレイに基板裏面から入射した場合、クロストークはたしかに防止できる。しかし、基板が残っているので基板による赤外域の吸収が無視できないほど大きく、感度低下をもたらす。また表面入射により受光素子アレイを形成しても、画素に対応する読み出し回路の読み出し電極と、受光素子アレイの画素電極とを１対１に導電接続することは困難であり、現実的に不可能である。このような電極間の１対１接続の困難性は、画素数が増えるほど、また画素ピッチが狭小化するほど、増大する。
【０００６】
本発明は、画素の独立性を確保し、光クロストークを防止した上で、受光層における光量を高め、個片化等の加工処理が可能な、受光素子アレイ、その製造方法、およびセンシング装置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】
【０００７】
本発明の受光素子アレイは、半導体基板上に画素が配列された受光素子アレイである。この受光素子アレイは、半導体基板の上に形成された受光層と、受光層内に位置する、画素ごとのｐｎ接合とを備え、半導体基板の裏面側において、画素の領域が落ち窪んでおり、該画素領域の半導体基板の厚みが、画素の間の領域の半導体基板の厚みより小さい、か又は該画素の領域の半導体基板がないことを特徴とする。ここで受光素子アレイは、複数の画素が１次元もしくは２次元に配列された受光デバイスをいう。
【０００８】
これによって、つぎの３つの大きな作用を得ることができる。
（１）感度の向上（受光量の増大）：
読み出し回路に基板裏面アップ実装されるアレイ化された受光デバイスでは、基板裏面から光入射することが必然となり、半導体基板の受光対象域の光の吸収が問題となる。半導体基板は厚いため対象波長域に吸収があると、受光層に到達する光量が大幅に減少する。受光層に到達して受光がカウントされる光は、受光層内でも画素内の受光層に限定される。このため、上記のように画素領域に対応する半導体基板を裏面から減厚もしくは除くことで、半導体基板は薄くなり、または無くなり、半導体基板による吸収が問題にならなくなる。この結果、受光感度を向上することが可能になる。なお、減厚は、画素の間の領域の厚みより小さくなればよいが、１／２以下にすることがより好ましい。以後の説明で、光入射面を半導体基板裏面側として、画素間領域を「高い面領域」または「頂面」、画素領域を「低い面領域」または「底部」、「底面」と呼ぶ場合がある。
（２）光クロストークの抑制：
また、受光感度の向上に加えて、半導体基板の画素領域の減厚または除去は、つぎの２つの理由により画素間の光クロストークによる解像度の低下を防止することが可能となる。
（ｒ１）画素領域と画素間領域（高い面領域）との境界に半導体基板の段差があるため、その段差の側面（窪み側面）から光入射は生じにくい。
（ｒ２）画素間領域（高い面領域）に入射した光は半導体基板に吸収されて画素領域へと滲んでゆくことが少なくなる。
（３）加工処理を可能にする機械的強度の確保：
また、前記画素の間の領域の半導体基板は、同じ厚みで連結している。半導体基板は、個片化もしくはチップに分離するとき加工を受けるが、所定の強度、剛性がないと加工をすることが困難になる。同じ厚み、たとえば製造開始時の半導体基板の厚みとして、格子のように連結状態にすれば、強度、剛性等の機械的強度を確保することができる。
【０００９】
画素の間の領域の半導体基板の裏面に、少なくとも赤外域の光を反射する反射膜が配置されているようにしてもよい。
これによって、画素間領域（高い面領域）に表面すれすれの、隣の画素もしくはそのまた隣の画素に目がけて入射するような光を反射して受光層から除くことができる。このような低角度入射の赤外光が入射しないため光クロストークを高い確度で防止できるようになる。この反射膜は、画素領域の半導体基板を減厚もしくは除去するときに用いた選択エッチング用マスクパターンをそのまま反射膜とできる材料とするのが好ましい。これによって製造コストを下げることができる。
【００１０】
画素領域における半導体基板裏面の、少なくとも窪んだ領域底部に反射防止膜を配置してもよい。
これによって、底部での部分反射等によるクロストークを防止しながら受光層にまで到達する光量を増やすことができる。
【００１１】
窪んだ領域の壁面に反射防止膜が配置されていてもよい。
反射防止膜の製法にもよるが、窪んだ領域底部に反射防止膜を形成する際に、
壁面にも底部より薄く反射防止膜が形成される。反射防止膜の効果は、膜の屈折率と厚みで決まるが、底部と壁面の厚みの違いによって底部の透過率を上げかつ壁面の反射率を上げることも可能である。これによってもクロストークを防止することができる。
【００１２】
半導体基板と受光層との間にバッファ単層、または、バッファ層とエッチストップ層とのバッファ複合層、が挿入され、該バッファ単層またはバッファ複合層が、半導体基板の落ち窪んだ画素領域の底部に位置するようにすることができる。
これによって半導体基板の画素領域の除去等において行われるエッチングにより、突き抜け等のおそれなく安定して処理を遂行することが可能になる。落ち窪んだ領域が貫通孔となっている場合は、バッファ単層またはバッファ複合層のエッチストップ層が貫通孔に露出されることになる。なお、バッファ単層がエッチストップ層を兼ねていてもよい。また、バッファ単層、または、バッファ複合層の１つの層（バッファ層）、はグランド電極がオーミック配置される場合がある。
【００１３】
受光層がタイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）多重量子井戸構造であり、半導体基板が、ＧａＳｂ、ＧａＡｓおよびＩｎＰ、のうちのいずれかであるようにしてもよい。
これによって、赤外域に高い感度をもつ受光素子アレイを得ることができる。とくにＧａＳｂ基板を用いた場合、ＧａＳｂは赤外域に吸収を有するので、本発明の構成は、有効に高い感度を保持することを可能にする。さらに、光クロストークの大幅な抑制、および加工処理を可能にする機械的強度、を得ることができる。
なお、ＧａＡｓ基板またはＩｎＰ基板を用いる場合、タイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）多重量子井戸構造との格子整合性を良くするためにバッファ層によって、当該ＧａＡｓ基板またはＩｎＰ基板を被覆する構成をとるのがよい。
【００１４】
半導体基板をＧａＳｂとし、バッファ単層またはバッファ複合層中のエッチストップ層を、ＩｎＡｓＳｂ層とすることができる。
これによって、ＧａＳｂ基板の画素領域をエッチングして、ＩｎＡｓＳｂ層でエッチングを確実に止めることができ、寸法精度を高めることができる。なお、エッチャントには、このあと説明するように、ＢＣｌ３等を用いることになる。
【００１５】
本発明のセンシング装置は、上記のいずれかの受光素子アレイと、読み出し回路とを備えたことを特徴とする。
これによって、クロストークが抑制され、感度が良好なセンシング装置を得ることができる。
【００１６】
本発明の受光素子アレイの製造方法は、半導体基板上に画素が配列された受光素子アレイを製造する。この製造方法は、半導体基板の上に受光層を形成する工程と、半導体基板の裏面側において画素の領域ごとに該半導体基板を選択エッチングする工程とを備え、選択エッチング工程では、画素領域の半導体基板の厚みを、該画素の間の領域の半導体基板の厚みより小さくする、か又は該画素の領域の半導体基板を除去することを特徴とする。
これによって、クロストークが抑制され、かつ感度が高い受光素子アレイを、比較的簡単な構造で形成することができる。
【００１７】
選択エッチングのマスクパターンの材料に、少なくとも赤外域の光を反射する膜を用い、該マスクパターンをそのまま反射膜として残すのがよい。
これによって、より効果的にクロストークを抑制した上で、製造コストを抑制することが可能となる。上記の少なくとも赤外域の光を反射する膜として、金属膜、各種絶縁膜などをあげることができる。
【００１８】
半導体基板上に、受光層を形成する前に、バッファ単層、または、バッファ層とエッチストップ層との複合層を形成し、選択エッチングにおいて、バッファ単層または複合層をエッチストップ層として用いる方法をとってもよい。
これによって、選択エッチングによる深さを、エッチング条件の多少の変動があっても、所望の位置に確実に実現することが可能となる。
また、選択エッチングを行った後、少なくとも選択エッチングした領域の底部を、反射防止膜で被覆するのがよい。これによって、画素領域に対応する窪み底部での部分反射等によるクロストークを防止しながら受光層に到達する光量を増やすことができる。
【００１９】
半導体基板をＧａＳｂとし、バッファ単層または複合層のエッチストッパ層をＩｎＡｓＳｂとし、選択エッチングにおけるエッチャントをＢＣｌ３とする方法をとってもよい。
これによって、エッチャントにＢＣｌ３を用いてＧａＳｂ基板の画素領域を選択エッチングして、ＩｎＡｓＳｂ層でエッチングを確実に止めることができる。これによって、エッチングの突き抜け等による製造歩留まりの低下を防止した上で、寸法精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、クロストーク等を抑制した上で、画素における受光量を高めることができる受光素子アレイ等を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１における受光素子アレイの断面図、（ｂ）は受光層の部分拡大図である。
【図２】図１（ａ）の受光素子アレイの平面図である。
【図３】ＧａＳｂ基板（厚み５００μｍ）の透過率の波長依存性を示す図である。
【図４】図１の受光素子アレイと読み出し回路とを組み合わせたセンシング装置を示す図である。
【図５】半導体基板に設けた凹部および反射層等によって光のクロストークが防止されることを説明するための図である。
【図６】凹部の壁面に形成した反射防止膜の一態様を示す図である。
【図７】図１（ａ）に示す受光素子アレイの製造方法を示す図である。
【図８】図７の製造方法の半導体基板の選択エッチングにおいて、エッチストップ層の作用を説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態２における受光素子アレイを示す図である。
【図１０】図９の受光素子アレイと読み出し回路とを組み合わせたセンシング装置、およびクロストークが防止されるのを説明するための図である。
【図１１】図１０のセンシング装置で凹部の壁面に反射防止膜を配置した場合のクロストーク防止の作用を説明するための図である。
【図１２】図９に示す受光素子アレイの製造方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１における受光素子アレイの断面図であり、図１（ｂ）は、受光層３を構成する、ＩｎＡｓ層３ａとＧａＳｂ層３ｂとの多重量子井戸構造を示す部分拡大図である。複数の画素Ｐが、ＧａＳｂ基板１上に形成され、受光信号を相互に独立に検出できるように、メサ構造で分離されている。受光素子アレイ１０は次のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造を備える。
（半導体基板１／サブバッファ層２ａとエッチストップ層２ｓからなる複合バッファ層２／タイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷ受光層３／ｎ型ＧａＳｂキャップ層１４）
タイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷ受光層３は、少数キャリアの寿命がｎ型よりもｐ型のほうが長いのでｐ型で使用することが望ましい。このため、受光層３の上のキャップ層１４をｎ導電型とする。ｐｎ接合１５は、受光層３およびキャップ層１４のエピタキシャル成長中に不純物のドーピングにより、受光層３の上面付近に形成するのがよい。タイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷ受光層３の大部分がノンドープで成長するが、キャップ層１４の成長の直前にｐ型不純物をドープすることでｐｎ接合１５を形成する。
タイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷ受光層３は、たとえば厚み３．６ｎｍのＩｎＡｓ層３ａと、厚み２．１ｎｍのＧａＳｂ層３ｂとをペアとしてペア数２００により形成される。成長法は、製造方法の項で説明するが、どのような成長法で成長してもよい。その一例として、たとえば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）で成長するのが、結晶性、膜質、製造能率、ウエハの大口径化などの点で好ましい。
このタイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷ受光層３により、近赤外〜中赤外（波長３μｍ〜１２μｍ）に感度を有する受光層を得ることができる。
【００２３】
半導体基板１には、ＧａＳｂ基板（１００）を用いるのがよい。ただし、ＧａＳｂ基板の代わりにＧａＡｓ基板およびＩｎＰ基板、のうちのいずれかを用いてもよい。ＧａＳｂ基板は基板それ自体をそのまま用いることができるが、ＧａＡｓ基板およびＩｎＰ基板については格子定数の整合性を調整するため、バッファ層２と半導体基板１との間にＩｎＧａＡｓ層またはＧａＡｓＳｂ層などの格子調整層を介在させるのがよい。格子調整層の厚みは０．０５μｍ以上、たとえば０．１５μｍ程度とするのがよい。この格子調整層の介在によって、バッファ層２以降のエピタキシャル層の結晶性を良好にすることが可能となる。
半導体基板１の導電型は、ｐ側電極をその半導体基板に配置する場合にはｐ型不純物が導入されたｐ型半導体基板とする。
【００２４】
複合バッファ層２において、エッチストップ層２ｓはＩｎＡｓＳｂで、またサブバッファ層２ａはＩｎＡｓ層、ＧａＳｂ層、ＩｎＧａＳｂ層などで、形成するのがよい。エッチストップ層２ｓは半導体基板のエッチングの際のエッチストップ層であり、本実施の形態の重要ポイントであり、このあと説明する。この複合バッファ層２は、単層バッファ層としてもよい。この場合、単層バッファ層はＩｎＡｓＳｂなどで形成するのがよい。複合バッファ層２にｐ側電極を配置する場合は、少なくともサブバッファ層２ａはｐ型とする。単層バッファ層にｐ側電極を配置する場合も、同様にｐ型単層バッファ層とする。なお、受光層３中のＩｎＡｓの格子定数６．０５８Å、ＧａＳｂの格子定数６．０９５Åであり、これ以外の材料のバッファ層はＩｎＧａＳｂ（Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｓｂ）の格子定数６．１７２Å、ＩｎＡｓＳｂ（ＩｎＡｓ０．９２Ｓｂ０．０８）の格子定数６．０９２Åである。
【００２５】
図１（ａ）において、半導体基板１は、画素領域Ｐに対応する領域では除去され凹部Ｈとなっており、画素間の領域Ｓに対応する領域は、凹部Ｈを囲む領域１ｋとなっている。ＧａＳｂ基板は、赤外域に吸収帯を有するので、ＧａＳｂによる吸収ができるだけ生じないように画素Ｐに対応する領域に限定して、当該領域のＧａＳｂ基板を除去する。
ここで凹部Ｈは、実質的には半導体基板１を貫通する貫通孔であるが、バッファ層を底部にもち、凹部ということもでき、むしろ受光素子アレイ全体からみれば凹部のほうが適正に見えるので、凹部の語を用いる。
凹部Ｈを囲む周囲１ｋ（１）の頂面にその半導体基板１を選択エッチングする開口パターン２５がそのまま残されている。開口パターン２５の材料は、反射膜であることが望ましく、図１（ａ）では金属膜を用いている。ただし反射膜であれば金属膜に限定されず、その他の材料を用いてもよい。凹部Ｈの底部には反射防止膜２３が配置されている。反射膜２５および反射防止膜２３については、このあと詳しく説明する。
【００２６】
図２は、図１（ａ）の受光素子アレイ１０を半導体基板１の側から概括的にみた平面図である。凹部Ｈは画素Ｐに対応しており、縦方向２５６個×横方向３２０個が、配列されている。凹部Ｈを囲む領域１ｋは、最初の半導体基板１が残された部分であり、格子状に連結していて、機械的強度（剛性、圧縮強度、引張強度など）を担保することができる。受光素子アレイ（チップ）が本格生産されるようになると、半導体基板を大径化させて、受光素子アレイ（チップ）を１枚の半導体基板から数個〜十数個採取することになる。このとき大径の半導体エピタキシャルウエハからチップに個片化する処理が必要となるが、エピタキシャルウエハにある程度以上の機械的強度がないと取り扱いはほとんど不可能となる。個片化以外の処理においても、エピタキシャルウエハの機械的強度が必要とされる処理は多くある。ＧａＳｂ基板１をすべて除去しないで、画素間に対応する領域１ｋを元の厚みのまま連結した状態で残すのは、上記の機械的強度を確保するために実用上、きわめて重要である。
【００２７】
ＧａＳｂのような格子定数の大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、赤外域に吸収帯を持つ場合が多い。たとえば、ＧａＳｂは、図３に示すように中赤外域に自由キャリアによる吸収を持つ。図３は、厚み５００μｍのＧａＳｂ基板の透過率（室温）をＦＴ−ＩＲで測定した結果を示す図である。図３によれば、アンドープＧａＳｂ基板は、波長５μｍ以上で透過率はほとんどゼロである。また、アンドープＧａＳｂ基板よりも少し透過率が高いＴｅドープＧａＳｂ基板についても、透過率は、波長５μｍ付近の７０％程度から徐々に低下し、波長６．５μｍ付近で５０％程度になり、波長８μｍ以上で２５％以下に低下している。このような透過率を示すＧａＳｂ基板を、そのまま赤外域を対象とする受光素子に用いることは受光感度の大きな低下に直結する。このため図１（ａ）に示すように画素Ｐに対応するＧａＳｂ基板１の領域に限って当該ＧａＳｂを除去するのがよく、この方策によって機械的強度の確保および光クロストークの抑制を得ることができる。
ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板の場合でも、ＧａＳｂ基板ほどではないものの、不純物の量や種類によっては赤外光を少なからず吸収する場合がある。また、可視域にも吸収を持つので、画素に対応する領域は除いておいたほうがよい。
ＩｎＰ基板の場合は、赤外域にＧａＳｂ基板ほど大きな吸収はない。しかし、可視域に吸収を持つので、画素に対応する領域は除いておいたほうがよい。
【００２８】
図４は、図１（ａ）に示す受光素子アレイ１０を、読み出し回路７０と組み合わせた、センシング装置５０を示す図である。受光素子アレイ１０のグランド電極１２をバッファ層２に配置し、配線電極１３をパッシベーション膜３９上を伝わせて画素電極１１と同じ高さにすることで、読み出し回路のグランド電極上のバンプ７２に対向させることができる。配線電極１３は、読み出し回路７０のグランド電極とバンプ７２により導電接続することができる。バンプ７２は、読み出し回路７０のグランド電極上および受光素子アレイ１０の配線電極１３の両方にともに前もって配置しておくのがよい。画素電極１１と読み出し回路７０の読み出し電極との導電接続にもバンプ７１が用いられる。この場合も両方の電極にバンプを配置しておいて周知の方法で接続するのがよい。読み出し回路７０には、ＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor）によるマルチプレクサなどを用いるのがよい。
センシング装置５０の受光素子アレイ１０では、上記のようにＧａＳｂ基板１の画素Ｐ対応領域に、ＧａＳｂが除去された凹部Ｈが配置されるため、赤外域の感度が高いセンシングを遂行することができる。
なお、図４では、バッファ単層２を用いているが、このバッファ単層２をエッチストップの機能を有するエピタキシャル成長層で形成するのがよい。ＧａＳｂ基板１のとき、たとえばＩｎＡｓＳｂエピタキシャル成長層を用いることができる。
【００２９】
半導体基板１の画素Ｐに対応する領域に凹部Ｈを設けることで、受光感度の向上に加えて、上記のように光クロストークの抑制の作用を得ることができる。その理由はつぎの（ｒ１）および（ｒ２）に基づく。
（ｒ１）画素領域と画素間領域（高い面領域）との境界に半導体基板の段差があるため、その段差の側面（窪み側面）から光入射は生じにくい。
（ｒ２）画素間領域（高い面領域または頂面）に入射した光は半導体基板に吸収されて画素領域へと滲んでゆくことが少なくなる。
上記の（ｒ１）の作用を強化するものとして、高い面領域に配置する反射膜２５がある。反射膜２５を配置したとき、（ｒ２）の作用は少し減るが、（ｒ１）作用の強化は、その減少を補って余りある。
図５は、図４に示すセンシング装置５０の受光素子アレイ１０の入射面における光の挙動を示す図である。エッチングされずに残った半導体基板１ｋの裏面の高い面領域または頂面に位置する金属膜２５が反射膜として機能する。金属膜は、基板エッチング開口パターン２５を構成する材料の一形態である。図５によれば、隣の画素Ｐの空乏層（図示せず）を目がけて低い角度で入射してきた光は、頂面に位置する金属膜２５によって反射されて受光層３に到達しない。受光層３に到達しないだけでなく、受光素子アレイ１０内にさえ入ることができない。受光素子アレイ１０内に入ると、予期せぬ反射や乱反射によって受光層３に形成された空乏層（図示せず）に到達して光のクロストークを生じる可能性があるが、その可能性を無くすことができる。基板エッチング開口パターン２５を形成する材料は、反射率が高ければ金属膜に限定されず、絶縁膜であってもよい。
一方、凹部Ｈの底部に位置する反射防止膜２３は、凹部Ｈの底面等から反射して隣の画素Ｐに到達する光の可能性を無くすことができる。このため光クロストークの抑制に貢献する。
上記の頂面における金属膜２５および底部における反射防止膜２３によって、光クロストークは大きく抑制され、品位の高い画像をうることが可能となる。
【００３０】
さらに、反射防止膜２３を凹部Ｈの壁面に配置してもよい。半導体基板に凹部Ｈを設けた後、反射防止膜２３を底面に形成するとき、その反射防止膜２３は、頂面にも壁面にも自然に形成される。壁面に形成される反射防止膜２３を光クロストーク防止に用いることができる。図６は、凹部Ｈの壁面に反射防止膜２３を形成した状態を示す図である。
反射防止膜２３の製法にもよるが、窪んだ領域底部に反射防止膜を形成する際に、壁面にも底部より薄く反射防止膜が形成される。反射防止膜の効果は、膜の屈折率と厚みで決まるが、底部と壁面の厚みの違いによって底部の透過率を上げかつ壁面の反射率を上げることも可能である。このため、光クロストークを防止し、画質を向上することができる。なお、反射防止膜２３は底部、頂部および壁面の全体に対して一回の処理によって形成するのがよいが、壁面だけ別に処理してもよい。
【００３１】
つぎに図１（ａ）に示す受光素子アレイ１０の製造方法を説明する。まず、半導体基板１の表面に、ｐ型不純物をドープしながらバッファ単層またはバッファ複合層２をエピタキシャル成長する。成長法は、どのような成長法を用いてもよい。なかでも有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法は、低い成長温度、膜質、成長速度（能率）、エピタキシャルウエハ径の制限、などの点で優れている。以後の説明では、有機金属気相成長法による成長を前提として説明する。
バッファ単層もしくはバッファ複合層上にタイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）多重量子井戸構造を形成する。ＩｎＡｓ層の厚み２．５ｎｍ〜５．５ｎｍ、ＧａＳｂ層の厚み１．５ｎｍ〜４．５ｎｍで、１ペアの厚み４．５ｎｍ〜７ｎｍとして、１５０ペア〜４５０ペアで形成するのがよい。ノンドープとするが希薄なｐ型不純物をドープしてもよい。
１つの例としてつぎの導電型構成を挙げることができる。受光層３全体の多重量子井戸構造のうち、半導体基板１の側の数十ペアのＧａＳｂにはｐ型不純物たとえばＢｅをドープするのがよい。また、全体の多重量子井戸構造のうちキャップ層１４の側の数十ペアをｎ型層とするためにＩｎＡｓにＳｉなどのｎ型不純物をドープするのがよい。両方の中間の層は、ｉ（intrinsic）型とするためにノンドープとする。ｐｎ接合１５またはｐｉｎ接合は、上記の不純物ドープまたはノンドープにより、受光層３内に形成される。各画素Ｐの独立性は、このあと説明するメサ構造によって確保される。
受光層３上にｎ型キャップ層１４を成長する。画素Ｐの電極１１は、ｎ型キャップ層１４にオーミック接触するようにＴｉ／Ｐｔ／Ｔｉ合金等で形成するのがよい。またグランド電極１２は、ｐ型ＧａＳｂバッファ層２にオーミック接触するようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ合金等で形成するのがよい。この際、バッファ層２にはＢｅ等をドープして１Ｅ１８ｃｍ−３以上のキャリア濃度を有するのが望ましい。
電極形成の後、画素Ｐを分離するためにメサエッチング用開口パターン（図示せず）を形成してメサエッチングを行う。メサエッチング用開口パターンにおける開口は、図２に示す平面図で、ちょうど１ｋ（１）の符合が付された領域、すなわち格子の桟の領域、を開口とする。メサエッチングによって格子状のメサ溝が画素を隔てる溝として設けられる。
メサエッチング用開口パターンの形成、メサエッチング、電極の形成などの順序は、製造方法、製造設備の都合により、変動してもよい。メサ構造は保護膜３９で被覆される。
【００３２】
次いで、半導体基板１の裏面において選択エッチングマスクパターン２５を形成して、選択エッチングを行う。この選択エッチングのとき、半導体基板１の表面側にエピタキシャル成長しておいた、バッファ複合層２中のエッチストップ層２ｓ、もしくはバッファ単層２が、選択エッチングを過度に行ってしまう安全装置の役割を果たす。図８は、選択エッチングの際、バッファ複合層２中のエッチストップ層の役割を説明するための図である。選択エッチングは、エッチャントにＢＣｌ３を用い、ＧａＳｂ基板１をエッチングする。選択エッチングのエッチャントは、たとえばバッファ層にＧａＳｂを用いて、エッチングの進行にまかせた場合、そのＧａＳｂバッファ層を突き抜けて受光層にまで進行する。しかも格子定数の相違がないことなど格子整合度のみに重点をおけば、バッファ層にＧａＳｂ層を用いる可能性は大きい。しかし、このような受光層３内に至る過度のエッチングが好ましくないことは言うまでもない。ＢＣｌ３液によるエッチングは、エッチストップ層２ｓにＩｎＡｓＳｂ層を用いることで、そのＩｎＡｓＳｂ層で完全に進行を止めることができる。この結果、自動化によるエッチング処理によっても過不足無く、ちょうど良い位置でエッチングを止めることができ、エッチング停止に気をとられることがなくなる。
半導体基板１の画素Ｐに対応する領域を選択エッチングして凹部Ｈを設けた後、反射防止膜２３を形成する。
【００３３】
（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２における受光素子アレイを示す断面図である。選択拡散で形成されたｎ型領域６を画素Ｐの主要部として、複数の画素Ｐが、ＧａＳｂ基板１上に形成されている。画素Ｐにおいて受光信号を相互に独立に検出できるように、選択拡散によるｎ型領域６の間には、非拡散領域が配置され、画素間の領域Ｓが形成される。図９に示す受光素子アレイ１０は、プレーナ型受光素子アレイと呼ばれる。選択拡散によって形成されたｎ型領域６の間の非拡散領域が、画素間の領域Ｓに対応する。選択拡散では、選択拡散用マスクパターン３５の開口からＳｉ、Ｔｅなどのいずれか一種のｎ型不純物が選択拡散されてｎ型領域６を形成し、先端にｐｎ接合１５を形成する。この選択拡散において、ｎ型不純物は、主として深さ方向（縦方向）に拡散するが、表面に沿う方向（横方向）にも少し拡散する。このためｎ型領域６は、平面的に見て選択拡散用開口パターン３５の開口よりも少し広がる。選択拡散に用いたマスクパターン３５は、そのまま製品に残される。選択拡散によって形成されたｐｎ接合１５の端は、半導体基板１の表面に現れるが、平面的に見て開口より広がるので、非開口のマスク下に位置し、大気や成長室の雰囲気に接することはない。このため大気や雰囲気中の酸素等がｐｎ接合１５の端に付着することはない。ｐｎ接合の１５の端が、製造中、一瞬たりとも大気等に触れて酸素等の不純物が付着すると電荷リークの原因となる。この点、プレーナ型受光素子アレイ１０は、ｐｎ接合１５は形成のときから非開口のマスク下に位置するので一瞬も大気等に露出することはなく、暗電流の抑制された受光素子アレイ１０となる。
【００３４】
図９に示す受光素子アレイ１０においても、実施の形態１と同様に、画素Ｐに対応する領域の半導体基板を除去して凹部Ｈが設けられている。凹部Ｈを設ける理由、その作用等については実施の形態１に述べた内容がそのまま当てはまる。すなわち、たとえばタイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）多重量子井戸構造と半導体基板１との格子整合度を優先させて、半導体基板１にＧａＳｂ基板を用いた場合、ＧａＳｂ基板は、図３に示すように赤外域に大きな吸収帯をもち、入射光に対して吸収をし、受光層に到達する赤外域の光量を大きく減少させる。画素Ｐに対応する領域のＧａＳｂ基板を除くことで、上記の吸収を避けて入射光のうち赤外域の光の大部分を受光層３に到達させることができる。光クロストークの抑制、および機械的強度の確保、についても、実施の形態１と同様に得ることができる。
【００３５】
図１０は、図９に示す受光素子アレイ１０と、読み出し回路７０とを結合して形成したセンシング装置５０を示す図である。半導体基板１に設けられた凹部Ｈの周囲１ｋの頂面には、半導体基板１の選択エッチングに用いた金属膜２５が残っているので、反射膜として機能する。このため、図５で説明したように、隣の画素に向かう光を反射して受光素子アレイ１０内に入れない。この結果、光のクロストークを防止することができる。
さらに光反射防止膜２３を、凹部Ｈの底部に配置することで、底部からの反射によって隣の画素等に紛れ込む経路をなくすことができる。凹部Ｈのまわりの頂面に配置された反射防止膜２３は、とくに作用はないが、製造時に不可避的に形成されるもので、とくに悪影響は及ぼさない。
図１１に示すように、凹部Ｈの壁面に形成された反射防止膜２３もクロストーク防止に有効に作用する。たとえば反射防止膜２３が図６に示す構成をとることで、凹部Ｈの壁面に形成された当該反射防止膜２３は、隣の画素に紛れ込む光は減少させ、凹部Ｈの真下に位置する画素Ｐの空乏層に向かう光の量を多くすることができる。このため、クロストークを防止した上で、画素における感度を向上することができる。
【００３６】
図１２は、実施の形態２における受光素子アレイ１０の製造方法を示す図である。製造方法の基本は、実施の形態１の製造方法と共通するが、受光素子がメサ型ではなくプレーナ型になった点が相違する。プレーナ型は、上記のように画素Ｐの主要部分をｎ型拡散領域６として、非拡散領域で各拡散領域が隔てられることで画素の独立性を確保することができる。
【００３７】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の受光素子アレイ等によれば、クロストーク等を抑制した上で、画素における受光量を高めて、とくに赤外域の感度を確保することが可能となる。
【符号の説明】
【００３９】
１  半導体基板、２，２ａ  バッファ層、２ｓ  エッチストップ層、３  受光層、４  キャップ層、６  ｎ型領域、１０  受光素子、１１  画素電極、１２  グランド電極、１３  配線電極、１４  ｎ型キャップ層、１５  ｐｎ接合、２３  反射防止膜、２５  反射膜兼選択エッチング用マスクパターン、３５  選択拡散マスクパターン（パッシベーション膜）、３９  パッシベーション膜、５０  センシング装置、７０  読み出し回路、７１  読み出し電極上のバンプ、７２  グランド電極上のバンプ、Ｐ  画素。
【図１】
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【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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