(57)【要約】【課題】  実際の自動車の夜間視界支援装置、生体医療装置等では、単に長波長域での感度を高めるだけでは性能向上につながらず、実際の夜間視界支援装置、生体医療装置等において特に有用性を発揮できる半導体受光素子を提供する。【解決手段】  半導体基板１上に形成された半導体受光素子１０であって、単層の化合物半導体ＩｎＧａＡｓＮからなる第１の受光層３と、前記第１の受光層の吸収端より長波長の吸収端を持ち、量子井戸構造（ＩｎＰ／ＩｎＡｓＰ）からなる第２の受光層４とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された半導体受光素子であって、
単層の化合物半導体からなる第１の受光層と、
前記第１の受光層の吸収端より長波長の吸収端を持ち、量子井戸構造からなる第２の受光層とを備えることを特徴とする、半導体受光素子。
【請求項２】
前記第１の受光層は、前記第２の受光層より前記半導体基板から遠い位置に位置し、その第１の受光層に届くように、エピタキシャル層の表面から不純物が導入され、プレーナ構造のｐｎ接合が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記第２の受光層よりも光入射面に近い位置に、散乱させて光を透過する層を備えるか、または前記光入射面から前記第２の受光層よりも遠い位置に、光を散乱させて反射する層を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記半導体基板がＩｎＰ基板であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記第１の受光層の吸収端が、波長１．７μｍ〜３μｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項６】
前記第１の受光層の膜厚が０．１μｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項７】
前記第１の受光層が、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＳｂおよびＩｎＧａＡｓＮＰ、のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項８】
前記第２の受光層がバンド内遷移により受光することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項９】
前記第２の受光層が１層以上の井戸層を持つことを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項１０】
前記第２の受光層の吸収端が、波長３μｍ〜１０μｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項１１】
前記半導体基板、または前記第１および第２の受光層を前記半導体基板との間に挟むように位置する窓層が、除去されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項１２】
前記半導体受光素子の光入射面と反対側の裏面に、画素領域ごとに位置するアレイ配列の複数の電極を備えることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項１３】
前記半導体受光素子はｐｉｎダイオード構造からなり、前記第１および第２の受光層がアンドープ層であることを特徴とする、請求項１〜１２に記載の半導体受光素子。
【請求項１４】
前記半導体受光素子がアバランシェフォトダイオードであることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項１５】
前記請求項１〜１４のいずれかの半導体受光素子を用いたことを特徴とする、視界支援装置。
【請求項１６】
前記請求項１〜１４のいずれかの半導体受光素子を用いたことを特徴とする、生体医療装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の夜間視界支援装置、生体医療装置、異物混入検出装置等に用いられる半導体受光素子、さらにその視界支援装置および生体医療装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近赤外〜中赤外域の光は、宇宙光を用いた撮像、生体医療等に利用が始まっており、とくに自動車の夜間視界支援装置などにおいて発展が見込まれている。この分野で用いられる基本素子は、上記波長域に感度を持つ半導体受光素子であり、このような半導体受光素子の適用例として、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓ受光素子（Ｉｎ原子：Ｇａ原子＝０．５３：０．４７）を用いた暗視カメラの紹介（非特許文献１）などを挙げることができる。
【０００３】
また、受光感度を近赤外域よりも長波長域で有するように、受光層に、Ｎを含むＩｎＧａＡｓＮを用いて波長１．７μｍ〜５μｍの近赤外光および中赤外光を検出するフォトダイオードの提案がなされている（特許文献１）。また、受光層に（ＩｎＰ／ＩｎＡｓＰ）量子井戸構造を用い、サブバンド間遷移を利用して中赤外から遠赤外（波長４μｍ〜１０μｍ）の光を検知するアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ：Avalanche
Photo Diode)の提案もなされている（特許文献２）。中赤外光よりも長波長域の遠赤外光は、体温を有する生体から発せられる光に対応し、近年、夜間の路上等の人の検知のために、自動車の夜間視界支援装置に用いられている。
【０００４】
上記の状況は、次のように要約することができる。近赤外域〜遠赤外域の光は、生体透過性、夜間における宇宙光の物体からの反射光による撮像、生体温度から出射される電磁波による撮像、という特性から注目を集めており、それに伴い、近赤外域からさらに遠赤外域に至る受光素子および発光素子の開発が進行している。
【非特許文献１】Marshall J.Cohen, "Near-IR imaging cameras operate at roomtemperature", LASER FOCUS WORLD June 1993 p.109(Sensors Unlimited)
【特許文献１】特開平９−２１９５６３号公報
【特許文献２】特開２００２−２１７４４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の半導体受光素子は、近赤外〜遠赤外域において、より長波長域の光にまで感度を持つようにするためには有効である。しかし、実際の自動車の夜間視界支援装置、生体医療装置等では、上記のような目標に向かって開発された半導体受光素子だけでは対応できない場合が多い。特許文献１におけるＧａＩｎＮＡｓを受光層とする受光素子は、ＧａＩｎＮＡｓそのものの結晶成長が技術的に難しいため、未だ実現されていない。とくにサイズ０．２μｍ以上のバルク結晶で良好な結晶性を実現することは難しく、その困難性は受光対象光の波長が２μｍを超えるあたりから特に顕著である。仮に、結晶性を上げるために、ＧａＩｎＮＡｓにＰやＳｂを含有させたとしてもせいぜい受光対象光は波長２μｍ〜３μｍが限界と考えられる。本発明は、実際の夜間視界支援装置、生体医療装置等において特に有用性を発揮することができる半導体受光素子、さらにその視界支援装置および生体医療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】
【０００６】
本発明の撮像装置は、半導体基板上に形成された半導体受光素子である。この半導体受光素子は、単層の化合物半導体からなる第１の受光層と、その第１の受光層の吸収端より長波長の吸収端を持ち、量子井戸構造からなる第２の受光層とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この構成により１つの受光層ではカバーできなかった広い波長域の光を１つの半導体受光素子によって受光することができるようになる。また、上記の半導体受光素子において、化合物半導体単層の第１の受光層と、量子井戸構造の第２の受光層とは、どちらが半導体基板より遠い位置に位置してもよい。また、上記２つの受光層を含むエピタキシャル層を実装基板側に配置して半導体基板の裏面を光入射面とするエピダウン実装としてもよいし、またエピタキシャル層を光入射面として半導体基板を実装基板側にするエピトップ実装としてもよい。
【０００８】
上記のように広い波長範囲を１つの半導体受光素子でカバーする試みはされたことがなく、その大きな有用性について認識されたことがなかった。上記の構成の半導体受光素子によれば、経済性に優れ、小型化された、有益な自動車用の夜間視界支援装置を提供することが可能になる。
【０００９】
また、上記の第１の受光層は、第２の受光層より化合物半導体基板から遠い位置に位置し、その第１の受光層に届くように、エピタキシャル層の表面から不純物が導入され、プレーナ構造のｐｎ接合が形成されてもよい。この構成により、たとえば不純物導入の際にマスクとして用いたシリコン酸化膜をパッシベーション膜として残して用いることにより、暗電流の増加などを効率よく抑制して、信頼性の高い半導体受光素子を得ることができる。この構成の場合、第１の受光層は第２の受光より半導体基板より遠くに位置するが、エピアップ実装してもよいし、エピダウン実装してもよい。
【００１０】
上記の２の受光層よりも光入射面に近い位置に、散乱させて光を透過する層を備えるか、または光入射面から第２の受光層よりも遠い位置に、光を散乱させて反射する層を備えることができる。この構成により、量子井戸構造からなる第２の受光層における受光感度を向上させることができる。
【００１１】
上記の化合物半導体基板をＩｎＰ基板とすることができる。この構成により、ＩｎＰ基板に格子整合したＩｎＧａＡｓＮ系結晶（ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＳｂ、ＩｎＧａＡｓＮＰ等)を、第１の受光層に用いることができ、近赤外の巾広い範囲の光を受光することが可能になる。さらに、エピアップ実装では窓層の除去、またエピダウン実装ではＩｎＰ基板の除去などにより、可視光の吸収を防ぎ、可視域の感度も併せ持つことができる。
【００１２】
また、上記の第１の受光層の吸収端を、波長１．７μｍ〜３μｍの範囲内にあるようにできる。この構成により、第１の受光層の受光感度域を、中赤外域とその中赤外域よりも短波長域にわたる範囲とことができる。そして、たとえばこの半導体受光素子を自動車の夜間視界支援装置に用いた場合、第１の受光層のカバーする範囲である（宇宙光の反射光による撮像）に加えて、第２の受光層のカバーする範囲（たとえば宇宙光の受光および遠赤外域の受光）と合わせて、非常に幅広い波長域に感度を持つ夜間視界支援装置を、１つの半導体受光素子を用いて製作することができる。また、エピダウン実装またはエピアップ実装に応じて、ＩｎＰ基板または窓層を除去することで、第１の受光層で可視光｛信号灯（赤、黄、青）が発する光の検知｝までもカバーすることが可能である。上記のように広い波長範囲を１つの半導体受光素子でカバーする試みはされたことがなく、その大きな有用性について認識されたことがなかった。
【００１３】
上記の第１の受光層の膜厚を０．１μｍ以上とすることができる。この構成により、ｉ層である第１の受光層の厚みを厚くして、受光の機会を増やして受光感度を高めることができる。
【００１４】
上記の第１の受光層を、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＳｂおよびＩｎＧａＡｓＮＰ、のいずれかとすることができる。この構成により、第１の受光層に、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓＮ系結晶を用いることができ、容易に中赤外域の幅広い範囲に感度を有する受光層を得ることができる。上記の受光層はＮの含有により、バンドギャップが狭くなり、受光可能波長をより長波長域にすることができる。
【００１５】
また、上記の第２の受光層をバンド内遷移により受光するものとすることができる。この構成により、第１の受光層では検知できない長波長域の光を第２の受光層において容易に検知できることが可能となる。量子井戸構造においてはサブバンド構造が形成されるため、サブバンド間（バンド内）遷移でエネルギーの低い長波長域の光が受光される。
【００１６】
上記の第２の受光層が１層以上の井戸層を持つことができる。この構成により、上記の第１の受光層では検知できない長波長域の光の受光機会を高め、上記長波長域の受光感度を高めることができる。
【００１７】
上記の第２の受光層の吸収端を、波長３μｍ〜１０μｍの範囲内にあるようにできる。この構成により、中赤外〜遠赤外域の光を第２の受光層が分担し、第１の受光層と併せて、これまで考えられたことがないほど広い範囲の光を受光することが可能になる。たとえばこの半導体受光素子を自動車の夜間視界支援装置に用いた場合、（宇宙光の反射光による撮像）〜（人体温度の発する遠赤外光による撮像）という非常に幅広い波長域に感度を持つ夜間視界支援装置を、１つの半導体受光素子を用いて製作することができる。さらに、エピダウン実装またはエピアップ実装に応じて、ＩｎＰ基板または窓層を除去することで、第１の受光層で可視光｛信号灯（赤、黄、青）が発する光の検知｝までもカバーすることができる。上記のように広い波長範囲を１つの半導体受光素子でカバーする試みはされたことがなく、その大きな有用性について認識されたことがなかった。
【００１８】
上記の半導体受光素子では、半導体基板、または第１および第２の受光層を半導体基板との間に挟むように位置する窓層が、除去されている構造とすることができる。この構造により、上述のように、半導体受光素子がエピダウン実装構造を備えるか、またはエピアップ実装構造を備えるかに応じて、可視光を吸収するＩｎＰ基板または窓層を除去して、可視光の受光感度を高めることができる。
【００１９】
上記の半導体受光素子の光入射面と反対側の裏面に、画素領域ごとに位置するアレイ配列の複数の電極を備えることができる。この構成により、アレイ配列された画素領域ごとの電極が受光によって生じた電流を集め、受光の二次元分布すなわち撮像が可能となる。上記の画素領域は、クロストーク防止のため縦横の溝で囲まれるような構造を有してもよい。
【００２０】
上記の半導体受光素子はｐｉｎダイオード構造からなり、第１および第２の受光層をアンドープ層とすることができる。この構成により、アンドープ層またはイントリンシック（ｉ層：intrinsic）の光吸収領域を厚く形成して、従来、認識されたことがない幅広い波長域の光吸収の感度を高めることができる。また、厚いｉ層全体にわたって厚い空乏層を形成して、非常に高い耐圧性能を得ることができる。この構成においても、本半導体受光素子は、エピダウン実装しても、またエピトップ実装してもよい。
【００２１】
上記の半導体受光素子をアバランシェフォトダイオード(ＡＰＤ:Avalanche
Photo Diode）とすることができる。この構成により、従来、認識されたことがないほど幅広い波長域の半導体受光素子の感度を、アバランシェ増幅に起因する電流利得により非常に高めることが可能になる。なお、プレーナ構造の場合でも、ガードリングを設ける等により同様の効果を得ることができる。
【００２２】
本発明の視界支援装置（自動車の夜間視界支援装置を含む）、または生体医療装置は、上記のいずれかの半導体受光素子を用いることを特徴とする。この構成により、たとえばこの半導体受光素子を生体医療装置に用いた場合、ＩｎＰ基板または窓層の除去などの処理を行うことにより、（人体の各臓器における血液が発する可視域に対する感度）〜（各臓器の透過近赤外光による撮像）〜（臓器各部位温度に起因する遠赤外光による撮像）という非常に幅広い波長域に感度を持つ生体医療検査装置を、１つの半導体受光素子を用いて製作することができる。視界支援装置についても同様であり、（宇宙光の反射光による撮像）〜（人体温度の発する遠赤外光による撮像）という非常に幅広い波長域に感度を持つ夜間視界支援装置を、１つの半導体受光素子を用いて製作することができる。さらに、エピダウン実装またはエピアップ実装に応じて、ＩｎＰ基板または窓層を除去することで、第１の受光層で可視光｛信号灯（赤、黄、青）が発する光の検知｝までもカバーすることができる。上記の機能を有する視界支援装置は、自動車の夜間視界支援においてとくに有用性を発揮することができる。上記のように広い波長範囲を１つの半導体受光素子でカバーすることは試みられたことがなく、その有用性について認識されたことがなかった。上記の構成の半導体受光素子によれば、経済性に優れ、小型化された、使用者に有益な生体医療装置を提供することが可能になる。何よりも、生体医療装置にとって役立つ情報を簡単に得ることが可能になり、生体医療装置の価値を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の半導体受光素子、視界支援装置および生体医療装置によれば、近赤外域を含む幅広い範囲に受光感度を有し、とくに大きな有用性を備えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体受光素子１０を示す断面図である。図１において、ｎ型ＩｎＰ基板１の上にｎ型不純物のＳｉを含むＩｎＰバッファ層２が配置されている。ＩｎＰバッファ層２の上には、第１の受光層であるアンドープＩｎＧａＡｓＮ層３が配置され、そのＩｎＧａＡｓ層３の上に第２の受光層である（アンドープＩｎＰ層／アンドープＩｎＡｓＰ層）を周期として繰り返す量子井戸層４が形成されている。量子井戸層４の上には、ｐ型不純物のＢｅを含むｐ型ＩｎＰ窓層５が配置されている。このｐ型ＩｎＰ窓層５の表面は、細かい凹凸構造を持つように処理されており、光を散乱させて反射する層９が設けられている。そして、ｎ型ＩｎＰ基板にはＡｕＧｅＮｉで形成されたｎ部電極１１がオーミックコンタクトされ、ｐ型ＩｎＰ窓層５にはＡｕＺｎで形成されたｐ部電極１２がオーミックコンタクトされている。ｎ部電極１１は、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面が光入射面Ｓとなるため、すなわちエピダウン実装となるため、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面への被覆面積は限定的とされ、環状とされている。なお、上記の凹凸構造の光を散乱させて反射する層９は、量子井戸層４ではエピタキシャル層を垂直に通る光の受光感度が非常に低く、斜め入射の光に対して受光感度を向上することができるために、設けられる。量子井戸層４の後方に位置する凹凸構造の光を散乱させて反射する層９の代わりに、量子井戸層４より光入射面側に、透過光を散乱光とする、散乱させて光を透過する層を設けてもよい。
【００２５】
第１の受光層３は、ＩｎＧａＡｓＮ層で形成されているため、長波長側の近赤外域、およびさらに長波長域側の中波長域に受光感度を持ち、さらに所定の処理を施すことにより可視域の感度も持つことができる。すなわち窒素を含むＩｎＧａＡｓ層を形成することにより、受光感度を長波長域に広げて、可視域（所定の処理を伴う）から、所定の赤外域（波長２μｍ〜５μｍ）にまで、受光感度を持つことが可能となる。ＩｎＧａＡｓＮ層は、ＩｎＧａＡｓＮＳｂ層であってもよいし、ＩｎＧａＡｓＮＰ層であってもよい。ＩｎＧａＡｓＮ系化合物半導体層は、可視域から上記の赤外域にまで受光感度を持つからである。ただし、可視光を対象にする場合、受光層に可視光が十分到達するように、エピダウン実装またはエピアップ実装に応じて、ＩｎＰ基板または窓層を除く必要がある。
【００２６】
また、第２の受光層である量子井戸層４は、波長３μｍ〜１０μｍに吸収端を有し、この波長域（中赤外域〜遠赤外域）から短波長側の光に対して受光感度を有する。第２の受光層４は、量子井戸構造のバンド内遷移により光を吸収するため、化合物半導体単層のバンド間遷移よりも長波長域の光を受光することができる。このため、第２の受光層４は、上述のように、波長３μｍ〜１０μｍに至るまでの長波長域の光に対する受光感度を持つことが可能になる。
【００２７】
第１および第２の受光層を配置することにより、可視域（受光層への可視光の十分な到達を妨げる可視光吸収層の除去が必要）〜遠赤外域の光に対する受光感度を１つの半導体受光素子が持つことになる。上記のような２つの受光層を備える半導体受光素子は、これまで、一般的にも、また用途を限定した特定用途用にも、提案されたことはない。なお、図１の半導体受素子の場合、半導体基板１から見て、第１の受光層３よりも遠くに、第２の受光層４が位置する構造であり、ＩｎＰ窓層５に、光を散乱させて反射する層９が設けられ、エピダウン実装されている。
【００２８】
次に、上記の半導体受光素子１０の製造方法について説明する。ｎ型ＩｎＰ基板１の上にエピタキシャル膜を積層するのに、ＭＢＥ（Molecular
Beam Epitaxy：分子線エピタキシャル成長)法を用いた。原料は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｉ、Ｂｅを、それぞれ固体ソースから供給した。図２に示す各エピタキシャル層の層厚およびキャリア濃度等は、つぎのとおりである。
（ｎ型ＩｎＰバッファ層２）：
層厚１．５μｍ、キャリア濃度５ｅ１５ｃｍ−３
（アンドープＩｎＧａＡｓＮ層３）：
層厚２．５μｍ、キャリア濃度１ｅ１５ｃｍ−３
上記のアンドープＩｎＧａＡｓＮ層３は、アンドープではあるが、上記のようにゼロより高いキャリア濃度を有する。
（アンドープ量子井戸層４）：
（アンドープＩｎＰ層厚１０ｎｍ／ＩｎＡｓＰ層厚６ｎｍ）×５０周期
（ＩｎＰ窓層５）：
層厚０．６μｍ、キャリア濃度５ｅ１５ｃｍ−３
【００２９】
上記エピタキシャル層を形成して図２のエピタキシャル基板を得た後、次の手順で図１に示す半導体受光素子を製作した。まず、ｐ型ＩｎＰ窓層５の表面にウエットエッチングを施し、凹凸構造の光を散乱させて反射する層９を形成した。ウエットエッチングのエッチャントには、リン酸、過酸化水素水、水の混合液を用いた。次いで、凹凸構造の光を散乱させて反射する層９が付されたｐ型ＩｎＰ窓層５の表面に、ＡｕＺｎからなるｐ部電極１２を形成した。また、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に、その裏面が光入射面Ｓになることを考慮して円環状としたｎ部電極１１を形成した。
【００３０】
図１に示す半導体受光素子１０では、ｎ部電極１１にプラス電位が、またｐ部電極１２に、プラス電位より低いマイナス電位が印加され、すなわち逆バイアス電圧が印加され、ｐ型ＩｎＰ窓層５とｎ型ＩｎＰバッファ層２との間のアンドープ領域（ＩｎＧａＡｓ層３および量子井戸層４）に空乏層が形成された状態で、光の入射を待機する。この状態は、ｐｉｎダイオードのｉ型領域に空乏層が形成された状態と言い換えることができる。この待機状態に光が光入射面から入射すると、光電効果により伝導帯にキャリアを励起して空乏層に電子正孔対を形成し、衝突イオン化に起因するアバランシェ増幅の電流利得を得ることができる。
【００３１】
上記のアンドープ層（またはｉ層）は、第１の受光層であるアンドープＩｎＧａＡｓＮ層３が層厚２．５μｍであり、０．１μｍより十分厚く、また第２の受光層であるアンドープ量子井戸層４の層数（周期数）が５０周期であり、３層（３周期）より十分大きい。上記のような、十分厚いアンドープ層３，４のために、半導体受光素子１０に入射された光は、受光される可能性のある領域を長く通ることとなり（すなわち受光機会の増大により）、受光効率すなわち受光感度を高めることができる。
【００３２】
図３は、図１に示す半導体受光素子を基本単位（画素）として、撮像が可能なようにｐ部電極１２をアレイ配列した構成（このようなアレイ配列構成の電極を含むものも半導体受光素子と呼ぶ）を示す図である。このアレイ配列では、光出射側に縦横に溝３３が設けられ、溝３３で囲まれた領域を画素領域とし、各画素領域にｐ部電極１２が配列され、各画素におけるアバランシェ電流を集め、画素の輝度を形成する。これら画素の輝度が、像を形成する。なお、図３においては、ｐ部電極１２が配列される面に対向する光入射面Ｓに、各画素に対応して環状にｎ部電極１１を設けた構造を示したが、ｎ部電極１１は、各画素ごとに対応させて１つずつ設ける必要はなく、共通の１つのｎ部電極を設けた構造であってもよい。上記の画素は、たとえば２５μｍピッチで縦横の溝３３を設けた場合、１０ｍｍ×１０ｍｍ内に１６万画素を形成することになる。
【００３３】
上記のように、第１の受光層３をＩｎＧａＡｓＮ層で構成し、第２の受光層４を量子井戸構造としてバンド内遷移を用いることにより、可視域（所定の処理が必要）〜遠赤外域に受光感度を持つことができる。この結果、図４に示すように、たとえば自動車の夜間視界支援装置に用いた場合、１つの半導体受光素子により、信号の色（赤、青、黄）、宇宙光の反射による撮像、および生体から出射される遠赤外光による撮像、が可能になる。この結果、雨天の場合、ゴム引きレインコートを着込んだヒトの遠赤外光による撮像は不可能になるが宇宙光の反射による撮像は可能であり、事故が生じやすい雨天でもヒトの撮像が妨げられない。また、逆にトンネル内など宇宙光が到達しにくい場所では、生体が発する遠赤外光による撮像が可能になる。このような多くの状況に適合できる高い融通性は、安全を確保することが至上の自動車用の夜間視界支援装置のような場合、非常に有益であり、その装置の価値を大きく高めることができる。
【００３４】
また、たとえば生体医療装置に用いた場合（内視鏡等）、臓器の色や出血状況を可視域（所定の処理が必要）の光の受光により判別し、近赤外域の生体透過光（反射光または外部光源透過光）により内視鏡挿入部位に隣接する臓器の形態を把握し、さらに遠赤外光により臓器の温度分布を把握することができる。本発明の半導体受光素子を生体医療の内視鏡等に用いた場合、一度の検診または一度の内視鏡手術において、患者の臓器について多くの情報を得ることができ、検診または手術を成功させるのに大きな武器を与えることができる。
【００３５】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における半導体受光素子１０を示す断面図である。本実施の形態における半導体受光素子１０では、（１）化合物半導体単層の第１の受光層３が、半導体基板１から、量子井戸構造の第２の受光層４より遠くに位置していること、および（２）エピタキシャル層側を光入射面Ｓとするエピアップ実装がなされていること、に特徴がある。量子井戸構造の第２の受光層４では、垂直に入射される光の受光感度は低いため、光を散乱させて透過する層１９を設けている。
【００３６】
上記のエピタキシャル層の作製条件等は、実施の形態１と同じ条件で行うことができる。光を散乱させて透過する層１９は、市販の材料等を利用して形成することができる。上記の構成により、実施の形態１と同様に、可視域（所定処理を要する）〜遠赤外域の光に対する受光感度を１つの半導体受光素子が持つことになる。この結果、多くの状況に適合できる高い融通性を用いられる装置に付与することができ、たとえば、安全を確保することが至上の自動車用の夜間視界支援装置のような場合、非常に有益であり、その装置の価値を大きく高めることができる。生体医療装置に用いられた場合についても同様である。
【００３７】
図６は、光を散乱させて透過する層を用いずに、半導体基板１の裏面に凹凸構造の光を散乱させて反射する層９を設けた半導体受光素子１０を示す断面図であり、図５に示す半導体受光素子の変形例である。第１の受光層３で受光されずに透過する垂直入射または垂直入射に近い光は、量子井戸構造の受光層による受光感度が低いため、大部分が受光されずに量子井戸構造の第２の受光層４を透過する。透過した後、半導体基板１の裏面の光を散乱させて反射する層９により反射され散乱光となって、量子井戸構造の第２の受光層４に戻ってゆく。反射戻り光は散乱光なので、量子井戸構造の第２の受光層４で受光される。反射戻り光の場合、量子井戸構造の第２の受光層で受光されずに透過した光のうちに、第１の受光層３で受光可能な光が含まれていれば、もう一度、反射戻り光で受光することができる。このため受光効率を高めることが可能である。図６の構造の半導体受光素子１０においても、図５に示した半導体受光素子と同様の作用効果を得ることが可能となる。
【００３８】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における半導体受光素子を示す図である。図７に示す半導体受光素子１０では、（１）化合物半導体単層の第１の受光層３に窓層５側からｐ型不純物が拡散導入され、ｐ型拡散領域１５が形成されて、プレーナ構造のｐｎ接合が形成されていることに特徴がある。また、実施の形態２と同様に、化合物半導体単層の第１の受光層３が、半導体基板１から、量子井戸構造の第２の受光層４より遠くに位置していること、およびエピタキシャル層側を光入射面Ｓとするエピアップ実装がなされていること、にも特徴がある。
【００３９】
上記のプレーナ構造のｐｎ接合が形成されている場合、通常、シリコン酸化膜をマスクとして用いて、マスク開口部からｐ型不純物を拡散導入する。シリコン酸化膜は安定性に優れるため、所定の部分を残しながら、また所定の部分以外の除いた箇所は新たにシリコン酸化膜を補いながら、半導体受光素子の全体のパッシベーション膜１７をシリコン酸化膜で形成する。この結果、プレーナ構造のｐｎ接合を有する半導体受光素子以外の、たとえばメサ構造の半導体受光素子に比較して、暗電流が低く、耐久性を含め信頼性に優れた半導体受光素子を得ることができる。
【００４０】
図７では、単一画素の半導体受光素子１０を示すが、図３に示したように、縦横の溝を設けて多くの画素領域を形成した半導体受光素子に適用してもよく、むしろその方が適用機会は多い。この場合、半導体受光素子のエピタキシャル層の端面が露出せずにシリコン酸化膜に被覆されるため、信頼性の高い高密度画素領域を備える半導体受光素子を得ることが可能になる。
【００４１】
プレーナ構造のｐｎ接合を持つ第１の受光層を備える半導体受光素子であっても、ｐ型拡散領域１５は第１の受光層１５の薄い層を占めるに過ぎず、残りの大部分の第１の受光層３はアンドープの状態である。このため、逆バイアス電圧の印加により、空乏層はｐｎ接合からアンドープ領域に張り出し、第２の受光層も含む状態となり、受光を待機する。したがって、図７に示す構造の半導体受光素子１０であっても、アバランシェフォトダイオードを構成し、実施の形態１等に説明した高い電流利得を得ることができる。そして、第１および第２の受光層を備えることにより、実施の形態１に説明した作用効果と同様の作用効果を得ることが可能となる。
【００４２】
上記本発明の実施の形態１〜３では、可視域（所定処理を要する）〜遠赤外域の検出に用いられる場合について説明したが、本発明の半導体受光素子は、必ずしも可視域から遠赤外域の光を検出するためにのみ用いられる必要はない。可視域または遠赤外域は含まず、赤外域の光を広い範囲（近赤外域〜中赤外域）で検出するために用いられてもよい。
【実施例】
【００４３】
次に実施例により本発明の作用効果を検証した。本発明例としては、図１に示した半導体受光素子１０を用いた。また、比較のために、単層の化合物半導体を受光層とする、図８の構成の半導体受光素子を比較例Ａとし、量子井戸構造の受光層とする、図９の構成の半導体受光素子を比較例Ｂとした。以下に、本発明例および比較例の積層構造を示す。
本発明例（図１）：ｐ部電極１２／光を散乱させて反射する層９／ｐ型窓層５／アンドープＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとの量子井戸構造４／アンドープＩｎＧａＡｓＮ受光層３／ｎ型ＩｎＰバッファ層２／ｎ部電極１１（エピダウン実装）
比較例Ａ（図８）：ｐ部電極１１２／ｐ型窓層１０５／アンドープＩｎＧａＡｓＮ受光層１０３／ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２／ｎ型ＩｎＰ基板１０１／ｎ部電極１１１（エピダウン実装）
比較例Ｂ（図９）：ｐ部電極１１２／光を散乱させて反射する層１０９／ｐ型窓層１０５／アンドープＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとの量子井戸構造／ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２／ｎ型ＩｎＰ基板１０１／ｎ部電極１１１（エピダウン実装）
【００４４】
（実験１：−波長２．５μｍ、３．５μｍに対する受光感度−）
実験１では、赤外光源を分光して、波長２．５μｍ、３．５μｍで感度の比較を行った。その結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
表１によれば、比較例Ａは波長２．５μｍの赤外光には十分高い検出感度を有し、また可視域にも検出感度を有するが、波長３．５μｍの赤外光に対してほとんど検出感度を有しない。また、比較例Ｂでは、波長３．５μｍの赤外光には十分高い検出感度を有するが、波長２．５μｍの赤外光に対してほとんど検出感度を有しない。これに対して、本発明例の半導体受光素子では、波長２．５μｍおよび３．５μｍの光に対して、高い検出感度を有する。
【００４７】
（実験２：−近赤外域〜赤外域の感度スペクトル−）
上記の本発明例、比較例Ａおよび比較例Ｂの半導体受光素子の近赤外域〜赤外域における感度スペクトルを測定した。測定結果を、図１０に示す。図１０によれば、比較例Ａは波長２．５μｍまで、また比較例Ｂは波長３．５μｍ近傍にしか、各々感度を有しない。これに対して、本発明例は、短波長域から波長３．５μｍまで、途絶えることなく連続的に高い検出感度を有する。このため、上述のように広い範囲の赤外域および可視域に高い検出感度を持つことができ、自動車の夜間視界支援装置、生体医療装置等に強力な有用性を与えることができる。
【００４８】
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】
【００４９】
本発明の半導体受光素子は、赤外域の広い波長域および所定の処理により可視域に、十分高い検出感度を持つため、自動車の夜間視界支援装置、生体医療装置等に用いることにより、これら装置の有用性を大きく高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体受光素子を示す図である。
【図２】図１の半導体受光素子のエピタキシャル積層構造を示す図である。
【図３】図１の半導体受光素子のアレイ配列を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における半導体受光素子の作用効果を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態２における半導体受光素子を示す図である。
【図６】図５の半導体受光素子の変形例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３における半導体受光素子を示す図である。
【図８】実施例の比較例Ａの半導体受光素子を示す図である。
【図９】実施例の比較例Ｂの半導体受光素子を示す図である。
【図１０】本発明例、比較例Ａ、比較例Ｂの半導体受光素子の感度スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  ＩｎＰ基板、２  ＩｎＰバッファ層、３  第１の受光層（化合物半導体単層）、４  第２の受光層（量子井戸構造）、５  ＩｎＰ窓層、９  光を散乱させて反射する層、１０  半導体受光素子、１１  ｎ部電極、１２  ｐ部電極、１５  ｐ型拡散領域、１７  パッシベーション膜、１９  散乱させて光を透過する層、３３  溝、Ｓ  光入射面。
【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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