(57)【要約】【課題】  基板裏面入射において、近赤外域の短波長側〜長波長側にわたって全体に高い受光感度を有する受光素子等を提供する。【解決手段】  受光層が（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＳｂ）タイプ２のＭＱＷであり、補助層４と、基板側から光を入射する構造とを備え、補助層４はｐ型不純物を含み、そのバンドギャップエネルギが、ＩｎＰ基板１のバンドギャップエネルギより小さく、厚みが受光層３の１／５以上あり、補助層内において、ｐ型不純物の濃度が、１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から受光層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下に低下しており、ｐ型不純物の分布が、拡散によって形成されたものか、またはエピタキシャル成長にて形成されたものであることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板に形成され、ｐｎ接合を受光層に含むＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子であって、
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸構造の受光層と、
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板と反対側の前記受光層面上に接して位置するＩＩＩ−Ｖ族半導体の補助層と、
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板裏面側から光を入射するための構造とを備え、
前記補助層は第１導電型不純物を含み、かつその補助層のバンドギャップエネルギが、前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板のバンドギャップエネルギより小さく、その厚みが前記受光層の厚みの１／５以上であり、
前記補助層内において、前記第１導電型不純物の濃度が、前記受光層と接する面と反対の面側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から前記受光層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下に低下しており、
前記受光層におけるｐｎ接合、および前記補助層における不純物の分布が、拡散によって形成されたものか、またはエピタキシャル成長にて形成されたものであることを特徴とする、受光素子。
【請求項２】
前記補助層と前記受光層との界面に前記不純物のパイルアップがあり、そのパイルアップのピークにおける前記受光層側で傾斜している濃度部に前記ｐｎ接合が位置することを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記受光素子における単位となる画素が、複数、配列され、隣り合う画素どうしメサ分離溝で隔てら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。
【請求項４】
前記多重量子井戸構造がタイプ２の量子井戸構造であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項５】
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板はＩｎＰ基板であり、前記受光層がＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造、またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造であ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。
【請求項６】
前記補助層がＩｎＧａＡｓから形成されてい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。
【請求項７】
前記補助層上に接して、前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板と同じバンドギャップエネルギを有する窓層を備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の受光素子と、読み出し回路とを備えることを特徴とする検出装置。
【請求項９】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板に形成され、ｐｎ接合を受光層に含むＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子の製造方法であって、
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板の上に、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸構造の受光層を形成する工程と、
前記受光層の上に、そのバンドギャップエネルギが、前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板のバンドギャップエネルギより小さいＩＩＩ−Ｖ族半導体の補助層を形成する工程と、
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板裏面側から光を入射する構造を形成する工程とを備え、
前記補助層における前記第１導電型不純物を、前記受光層と接する面と反対の面側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から前記受光層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下に低下するように分布させ、かつ前記受光層にｐｎ接合を形成するのに、前記受光層および補助層のエピタキシャル成長の際に、ドーピングにて形成することを特徴とする、受光素子の製造方法。
【請求項１０】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板に形成され、ｐｎ接合を受光層に含むＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子の製造方法であって、
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板の上に、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸構造の受光層を形成する工程と、
前記受光層の上に、そのバンドギャップエネルギが、前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板のバンドギャップエネルギより小さいＩＩＩ−Ｖ族半導体の補助層を形成する工程と、
前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板裏面側から光を入射する構造を形成する工程とを備え、
前記補助層における前記第１導電型不純物を、前記受光層と接する面と反対の面側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から前記受光層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下に低下するように分布させ、かつ前記受光層にｐｎ接合を形成するのに、表面からの拡散によって形成する、ことを特徴とする、受光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記表面からの拡散によって不純物を導入するとき、前記補助層と前記受光層との界面に該不純物のパイルアップを生じ、そのパイルアップのピークにおける前記受光層側で傾斜している濃度部に前記ｐｎ接合を位置させることを特徴とする、請求項１０に記載の受光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記受光素子における単位となる画素がメサ構造を有するように、エッチング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の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子、その製造方法および検出装置に関し、より具体的には、光通信用、撮像装置、センサー等に用いることができる、近赤外域に受光感度を有する受光素子、その製造方法および検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＰ基板を用いたＩＩＩ−Ｖ族半導体は、バンドギャップエネルギが近赤外域に対応するため、通信用、生体検査用、夜間撮像用などを目的に、多くの研究が進行している。この中で特に注力されているのは、ＩｎＰ基板上に、バンドギャップエネルギがより小さいＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶層、およびこれら結晶層に受光単位となる画素が複数個配列された受光素子を、いかに結晶性のよい状態で形成し、広い波長範囲にわたって高い受光感度を得るかという研究である。
【０００３】
たとえば、ＩＩＩ族中の、Ｇａの比率を下げてＩｎの比率を上げてバンドギャップをより狭くした（格子定数をより大きくした）Ｉｎ０．８２Ｇａ０．１８Ａｓを受光層に用いることで受光感度域の長波長化をはかった受光素子の試作結果が発表された（非特許文献１）。Ｉｎ比率を上記のように高くするとＩｎＧａＡｓの格子定数は大きくなり、ＩｎＰ基板との格子不整合が拡大するという問題を、上記の受光素子では、ＩｎＰ基板と、高Ｉｎ比率ＩｎＧａＡｓ受光層との間に、（Ａｓ／Ｐ）比率を受光層に向けて段階的に増やしたＩｎＡｓＰグレーディッド層を１２〜２０層設けることで、解決しようとした。格子不整合の拡大は、格子欠陥密度の増大を伴い、必然的に暗電流の増大を招くが、上記のグレーディッドバッファ層を介在させることによって、暗電流は２０μＡ〜３５μＡになる。しかし、この電流値は、ＩｎＧａＡｓ受光層を備える光通信用のフォトダイオードの暗電流より３桁も高い値である。また、多数のグレーディッド層をエピタキシャル成長させることは容易ではなく、かつ製造コストも増大する。
【０００４】
また、ＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓＳｂのタイプ２量子井戸（ＭＱＷ:Multi  Quantum  Well）構造を用い、ｐ型またはｎ型のエピタキシャル層によるｐｎ接合の形成によってカットオフ波長２．３９μｍのフォトダイオードの作製結果の発表がなされた（非特許文献２）。このフォトダイオードは、メサ構造をもつ。エピタキシャル層表面入射の場合、近赤外域を中心に受光感度を有する。
【０００５】
また、ＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓＳｂのタイプ２量子井戸（ＭＱＷ:Multi  Quantum  Well）構造を用い、ノンドープのエピタキシャル層に表面からｐ型不純物を選択拡散することでｐｎ接合を形成した構造が発表された（特許文献１）。ＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓＳｂのタイプ２ＭＱＷは、不純物濃度が高くなると結晶性が劣化するため、上記ＭＱＷの上面に接して選択拡散の濃度を調整する選択拡散調整層を配置している。これによって、近赤外域を中心に所定の受光感度を有する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T.Murakami, H.Takahashi, M.Nakayama, Y.Miura, K.Takemoto, D.Hara,"InxGa1-xAs/InAsyP1-y  detector  for near infrared(1-2.6μm)", Conference Proceedings  of  Indium  Phosphide  and Related  Materials  1995, May, Sapporo, pp.528-531
【非特許文献２】R.Sidhu,"A Long-Wavelength Photodiode  on  InP Using  Lattice-Matched  GaInAs-GaAsSb Type-II  Quantum  Wells, IEEE  Photonics  Technology  Letters,  Vol.17, No.12(2005),  pp.2715-2717
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２０６４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
グレーディッドバッファ層を用いる受光素子は、性能的にもまた製造コスト的にも実用化には問題がある。また、タイプ２ＭＱＷを用いた受光素子はエピタキシャル層表面入射の場合は、近赤外域の短波長側〜長波長側（２．３９μｍまで）にわたって所定の受光感度が得られる。しかし、ＩｎＰ基板裏面入射の場合、波長１．７μｍより短波長側になるに従って感度が低下する傾向が認められる。波長１．５μｍ以下の波長域には、水の吸収帯や、その他の重要な吸収帯が位置しているので、ＩｎＰ基板裏面入射において短波長側の感度を高めることは重要である。もちろん長波長側の感度についても高いことは重要である。
【０００９】
本発明は、基板裏面入射において、近赤外域の短波長側〜長波長側にわたって全体に高い受光感度を有する受光素子、その製造方法、および検出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】
【００１０】
本発明の受光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板に形成され、ｐｎ接合を受光層に含むＩＩＩ−Ｖ族半導体によって形成される。この受光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体のＭＱＷの受光層と、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板と反対側の受光層面上に接して位置するＩＩＩ−Ｖ族半導体の補助層と、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板裏面側から光を入射する構造とを備え、補助層は第１導電型不純物を含み、かつその補助層のバンドギャップエネルギが、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板のバンドギャップエネルギより小さく、その厚みが受光層の厚みの１／５以上である。そして、補助層内において、第１導電型不純物の濃度が、受光層と接する面と反対の面側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から受光層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下に低下しており、受光層におけるｐｎ接合、および補助層における不純物の分布が、拡散によって形成されたものか、またはエピタキシャル成長にて形成されたものであることを特徴とする
ここで、基板裏面側から光を入射する構造とは、（１）エピタキシャル層表面側における画素電極に設けた接合用バンプ（読み出し回路がエピタキシャル層表面側を覆うことになる）、（２）基板裏面側に設けた反射防止用の膜（ＡＲ膜）、（３）基板裏面入射とせざるを得ない、基本単位となる受光素子（画素）の二次元配列の態様、などをいう（その他の構造例については後で言及する）。
【００１１】
上記の構成によって、基板の裏面から入射された光のうち、近赤外域の波長の光はＭＱＷによって吸収され、そのあと、ＭＱＷ受光層で受光されなかった短波長側の光は補助層（単層の受光層とみることができる）によって吸収される。補助層の厚みは、波長１．７μｍより短波長側の受光感度が波長１．７μｍより長波長側の受光感度と同等以上となるようにするために、ＭＱＷ全体の厚みの１／５以上の厚みとする。上記短波長側の光が補助層で吸収されたとき生成する正孔・電子対の一方は、画素電極に近い位置で発生するので、ＭＱＷの繰り返し障壁に妨げられることなく、画素電極で確実に捕捉され、感度に寄与することができる。この結果、逆バイアス電圧の電圧を低くしながら（大きくしなくても）、高い感度を、短波長側から長波長側まで全体にわたって確保することができる。
補助層は、上記の短波長側の感度向上だけでなく、補助層内の不純物濃度を低くしても、バンドギャップエネルギが小さいために電気抵抗がＩＩＩ−Ｖ族半導体基板のバンドギャップエネルギをもつ材料を用いた場合よりも大きくならないようにできる。この結果、応答速度の低下を防ぐことができる。
なお、第１導電型と対をなす第２導電型は、グランド側の導電型を形成する。第１導電型は、ｐ導電型でもｎ導電型でもよい。
【００１２】
また、補助層のバンドギャップエネルギの対応波長は、当然ながら、受光層ＭＱＷのカットオフ波長より、短いことを前提としている。
また、上記のｐｎ接合は、次のように、広く解釈されるべきである。受光層内において、第１導電型不純物が導入される補助層側と反対の面側の領域の不純物濃度が、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域（ｉ領域と呼ばれる）であり、上記第１導電型不純物の領域と当該ｉ領域との間に形成される接合をも含むものである。すなわち上記のｐｎ接合は、ｐｉ接合（第１導電型＝ｐ型の場合）またはｎｉ接合（第１導電型＝ｎ型の場合）などであってもよく、さらに、これらｐｉ接合またはｎｉ接合におけるｐ濃度またはｎ濃度が非常に低い場合も含むものである。
【００１３】
また、前記補助層内において、第１導電型不純物の濃度が、受光層と接する面と反対の面側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から受光層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下に低下するようにする。これによって、補助層のバンドギャップエネルギがＩＩＩ−Ｖ族半導体よりも小さいこと、および補助層の受光層側と反対側において第１導電型不純物の濃度を高くすること、の両方で、画素電極／グランド電極間の電気抵抗を低くすることができる。  
また、不純物を拡散導入する場合、受光層側の第１導電型不純物の濃度を低めにすることで、受光層内の第１導電型不純物の濃度を低くすることができ、受光層ＭＱＷの結晶性を良好に保持することができる。
【００１４】
さらに受光層におけるｐｎ接合、および補助層における不純物の分布を、エピタキシャル成長にて形成したものか、または受光層におけるｐｎ接合、および補助層における不純物の分布を、拡散によって形成されたものとする。ここで、上記の拡散は非選択の拡散、いわゆる全面拡散またはベタ拡散をいう。
エピタキシャル成長にて形成する場合、拡散等によらずに第１導電型不純物をエピタキシャル成長の際に、第１導電型不純物をドープして所望の濃度分布にすることができる。この結果、拡散処理を行わないので工程省略が可能となる。
一方、拡散によって不純物を導入する場合、上記の補助層は、第１導電型不純物の拡散における濃度分布を調整する層の役割を兼ねることになる。このため、両電極間の電気抵抗の増大を防ぎながら、受光層ＭＱＷ内の第１導電型不純物の濃度を５Ｅ１６ｃｍ−３以下に容易にすることができる。また、繰り返しになるが、波長１．７μｍ以下の短波長側の受光感度を確保することができる。
【００１５】
補助層と受光層との界面に不純物のパイルアップがあり、そのピークにおける受光層側で傾斜している濃度部（深くなるにつれて減少する濃度勾配の裾部）にｐｎ接合が位置することができる。
ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加したとき、低濃度の不純物側に大きく空乏層が張り出す。上記の構成によって、空乏層を受光層内に広く張り出すことで受光感度を高めることができる。
上記のパイルアップのピーク濃度は、１Ｅ１７ｃｍ−３以下にできる。このため、界面でのパイルアップがあったとしても、受光層の結晶性を害するほど大規模かつ高濃度のパイルアップではない。このため、パイルアップがあっても低い暗電流の受光素子とすることができる。
【００１６】
受光素子における単位となる画素が、複数、配列され、隣り合う画素どうしメサ分離溝で隔てられるのがよい。
これによって、受光素子の受光可能な平面サイズが、選択拡散による構造に比べて大きくでき、すなわちメサ分離溝で隔てられたＩＩＩ−Ｖ族半導体を目一杯に受光部とすることができる。この結果、波長域によらず波長域全体の受光感度を高めることができる。
【００１７】
上記の多重量子井戸構造をタイプ２の量子井戸構造とすることができる。これにより、近赤外域の長波長側に受光感度を持つ受光素子を、適切な２つのＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を選ぶことによって、実現することができる。
【００１８】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板はＩｎＰ基板であり、受光層がＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造、またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造、とするのがよい。
これにより、これまで蓄積した材料および技術を用いて、容易に、結晶性に優れ、暗電流の低い受光素子を得ることができる。なお、ＩｎＰのバンドギャップエネルギは、１．３５ｅＶである。
【００１９】
補助層をＩｎＧａＡｓから形成するのがよい。
これにより、電気抵抗の不純物濃度依存性が小さく、不純物濃度が低くても電気抵抗はそれほど高くならない材料で、補助層を形成することができる。このため量子井戸構造を有する受光層内に、高い不純物濃度の領域を形成しないようにするために、補助層内で、拡散導入側の上側で高い濃度の不純物を、受光層側の下側で低い濃度としながら、その下側での電気抵抗を高めないようにできる。この結果、応答速度を低下させずに、結晶性の良好な量子井戸構造の受光素子を得ることができる。なお、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップエネルギは０．７５ｅＶである。
【００２０】
補助層上に接して、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板と同じバンドギャップエネルギを有する窓層を備えることができる。
狭いバンドギャップエネルギの受光層および補助層を広いバンドギャップエネルギの層で挟むことによって、暗電流の増大を防止することができる。たとえばＩｎＰ窓層を用いることができる。また、受光層を形成するＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ等のＭＱＷからのＳｂの脱漏を防止して、結晶性の良好な受光層を得ることができる。さらに、Ｓｂ富化層に起因する予期せぬトラブルを排除することができる。
【００２１】
本発明の検出装置は、上記のいずれかの受光素子と、読み出し回路とを備えることを特徴とする。
これによって、近赤外域の全波長域にわたって、とくに波長１．７μｍ以下の短波長側にまで良好な感度を有する、基板裏面入射型の受光素子を得ることができる。
【００２２】
本発明の受光素子の製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板に形成され、ｐｎ接合を受光層に含むＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子を製造する。この製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板の上に、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸構造の受光層を形成する工程と、受光層の上に、そのバンドギャップエネルギが、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板のバンドギャップエネルギより小さいＩＩＩ−Ｖ族半導体の補助層を前記受光層の厚みの１／５以上の厚みに形成する工程と、前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板裏面側から光を入射するための構造を形成する工程とを備える。そして、補助層における第１導電型不純物を、受光層と接する面と反対の面側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から受光層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下に低下するように分布させ、かつ受光層にｐｎ接合を形成するのに、（Ｍ１）受光層および補助層のエピタキシャル成長の際に、ドーピングにて形成する、か、または（Ｍ２）拡散によって形成する、ことを特徴とする。
上記の方法によって、両電極間への逆バイアス電圧を大きくしなくても、波長１．７μｍ以下において感度が大きく低下しない受光素子を、再現性よく簡単に製造することができる。
【００２３】
上記の（Ｍ２）の製造方法において、表面からの拡散によって不純物を導入するとき、補助層と受光層との界面に該不純物のパイルアップを生じ、そのパイルアップのピークにおける受光層側で傾斜している濃度部（深くなるにつれて減少する濃度勾配の裾部）にｐｎ接合を位置させることができる。
これによって、拡散に伴う自然現象を利用して、空乏層を受光層内に広く張り出すことで受光感度を高めた受光素子を簡単に製造することができる。
【００２４】
受光素子における単位となる画素がメサ構造を有するように、エッチングするのがよい。
これによって、画素または受光部の平面サイズを大きくして受光感度を高めた受光素子を簡単に形成することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、基板裏面入射において、近赤外域の短波長側〜長波長側にわたって全体に高い受光感度を有する受光素子等を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態における受光素子を示し、（ａ）は画素が二次元配列された受光素子、（ｂ）は単一画素の受光素子、を示す図である。
【図２】ｐｎ接合が、受光層バックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、Ｚｎ濃度プロファイルとの交点で決まることを説明するための図である。
【図３】図１の受光素子と、シリコン（Ｓｉ）に形成された読み出し回路とを接続したハイブリッド検出装置を示す図である。
【図４】図１の受光素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図５】Ｚｎの深さ方向濃度分布（補助層と受光層との界面におけるＺｎのパイルアップを含む）をＳＩＭＳ分析によって結果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２の受光素子１０の製造方法のフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態３における受光素子を示し、（ａ）は画素が二次元配列された受光素子、（ｂ）は単一画素の受光素子、を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子１０を示す図であり、（ａ）は画素が二次元配列された受光素子、（ｂ）は単一画素の受光素子、を示す図である。どちらも本発明の受光素子であるが、二次元配列された画素をもつ受光素子の説明は、単一画素の受光素子の説明を包含するので、以下では、二次元配列された画素をもつ受光素子について説明する。
図１（ａ）によれば、受光素子１０は次のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層体（以下、「半導体積層体」と記す）を備える。
＜ＩｎＰ基板１／ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓバッファ層２／タイプ２（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷ３／ＩｎＧａＡｓ補助層４／ＩｎＰ窓層５＞
各画素Ｐは、メサ構造を有しており、溝Ｇで囲まれている。ＩＩＩ−Ｖ族半導体積層体はＳｉＯＮ等の保護膜４３で被覆されている。溝Ｇで囲まれた半導体積層体は、平面的にみて全体に、かつ均等に、ｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）が拡散導入されて、ｐ型領域６が形成されている。拡散導入されたＺｎは受光層ＭＱＷ３にまで届いており、ｐｎ接合１５を形成している。
【００２８】
ＩｎＰ窓層５および補助層４は、ＩｎＰ窓層表面５ａからの拡散によってｐ型領域になっている。ＩｎＰ窓層５にはＡｕＺｎによるｐ部電極（画素電極）１１が、またｎ＋型バッファ層２にはＡｕＧｅＮｉのｎ部電極１２が、それぞれオーミック接触するように設けられている。ｎ部電極１２は、ｎ型不純物が高濃度にドープされたＩｎＰ基板１にオーミック接触させてもよい。ｎ部電極１２は、画素電極１１に対して共通のグランド電極である。
【００２９】
光は、ＩｎＰ基板１の裏面から入射される。入射光の反射を防止するためにＳｉＯＮ等によるＡＲ（Anti-reflection）膜３５がＩｎＰ基板１の裏面を被覆する。このＩｎＰ基板１の裏面に配置されたＡＲ膜３５は、基板側から入射するための構造といってよい。さらに画素電極（ｐ部電極）１１を、半導体積層体の頂面の端ではなく中央寄りまたは中央付近に配置することは、半導体積層体の頂面から光を入射させないことを意味しており、半導体基板の裏面側から光を入射するための構造ということができる。さらに、このあと説明するように、読み出し回路の読み出し電極と接合するための接合バンプを画素電極に配置した構造も、半導体基板の裏面入射のための構造ということができる。読み出し回路が、画素側全体を覆うことになるからである。グランド電極と画素電極の両方を、エピタキシャル層表面側に延在させる構造も、間違いなく、基板裏面入射のための構造である。これら例示した構造に限らず、基板裏面入射とされた受光素子では、半導体基板の裏面入射のための構造は、必ず存在する。
また画素Ｐの二次元配列自体、読み出し回路との接続に用いられるフリップチップ接合方式のため、基板裏面入射は必然であり、上記の基板裏面から入射するための構造である。
【００３０】
ＭＱＷ受光層３には、上記のｐ型不純物の先端に対応する位置にｐｎ接合１５が形成される。上記のｐ部電極１１およびｎ部電極１２間に逆バイアス電圧を印加することにより、ｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド）により広く空乏層を生じる。ＭＱＷ受光層３におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で５Ｅ１５ｃｍ−３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合の位置１５は、ＭＱＷ受光層３のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点で決まる。すなわち図２に示す位置となる。
あとで説明するが（図５参照）、補助層４と受光層３との界面にＺｎのパイルアップが生じる場合、ｐｎ接合１５が、そのパイルアップ部の受光層３側の裾部（深さ方向に減少する濃度勾配の部分の裾部に）に形成されやすい。すなわち界面近く（受光層の上面近く）にｐｎ接合１５が形成され、しかもｐ型領域の不純物濃度は高濃度である。この結果、逆バイアス電圧下、受光層の上面から下方の受光層全体に大きく空乏層を広げることができ、受光感度を高めることができる。また、見方を変えると、低い絶対値の逆バイアス電圧でも、実用レベルの空乏層を形成することができる。
【００３１】
図２において、補助層４内では、ＩｎＰ窓層５の表面５ａから拡散されたｐ型不純物（Ｚｎ）の濃度が、ＩｎＰ窓層側における高濃度領域から受光層側にかけて急峻に低下している。このため、受光層３内では、Ｚｎ濃度は５Ｅ１６ｃｍ−３以下の不純物濃度を容易に実現することができる。図２では、受光層３内のＺｎ濃度は、より低い１Ｅ１６ｃｍ−３程度以下が実現されている。
【００３２】
本発明が対象とする受光素子１０は、波長１μｍ程度から近赤外域の長波長側にわたって受光感度を有することを追求するので、窓層には、ＭＱＷ受光層３のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギの材料を用いるのが好ましい。このため、窓層には、通常、受光層よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合の良い材料であるＩｎＰが用いられる。ＩｎＰとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。
【００３３】
（実施の形態におけるポイント）
本実施の形態における特徴は、次の（ポイント１）〜（ポイント４）にある。
（ポイント１）：補助層４を配置する。補助層４のバンドギャップエネルギは、ＩｎＰ基板１よりも小さく、かつＭＱＷ受光層３よりも大きい。すなわち補助層４は、ＭＱＷ受光層３のカットオフ波長よりも短いバンドギャップ波長（大きなバンドギャップ）をもつ。その位置は、ＭＱＷ受光層３の上面側すなわち画素電極１１に近い側である。また、補助層４の厚みはＭＱＷ受光層３の総厚みの１／５以上とする。基板裏面から入射した光は、近赤外域の長波長側の光をＭＱＷ受光層で受光された後、補助層４において、波長１．７μｍ以下とくに１．５μｍ以下の範囲の光を受光される。この補助層４での受光によって生成する正孔・電子対のうち、正孔は、有効質量が大きく、移動度が小さいが、補助層４およびＩｎＰ窓層５を経て画素電極１１から読み出される。この経路では、正孔は、たとえばＭＱＷの周期的な妨害を受けることなく、ほとんどが画素電極１１から読み出される。一方、電子は、有効質量が小さく、移動度が正孔よりも格段に大きいので、ＭＱＷの周期的な妨害的なポテンシャルがあっても簡単にグランド電極１２に到達して受光感度に寄与することができる。
ここで、波長１．７μｍ以下とくに１．５μｍ以下の光が、ＭＱＷ受光層３よりもＩｎＰ基板に近い位置で受光されないことが重要である。ＭＱＷ受光層３よりもＩｎＰ基板に近い位置で受光が実現しても、生成した正孔・電子対のうちの正孔がＭＱＷ受光層３を経て画素電極１１にいたる間に、その多くの割合が消滅してしまう。この結果、観測にかからず感度に寄与することができない。
繰り返しになるが、本実施の形態では、補助層４をつぎのように構成する。
（１）バンドギャップエネルギ：ＩｎＰ基板１より小さく、ＭＱＷ受光層３より大きくして、波長１．７μｍ以下とくに１．５μｍ以下の光を受光できるようにする。受光感度は、単層の補助層４なので、比較的高いが、ＭＱＷ受光層３の総厚みの１／５以上の厚みを持たせることで、十分高い受光感度を得ることができる。
（２）ｐ型不純物（Ｚｎ）の濃度を補助層４内で、Ｚｎの濃度が、ＭＱＷ受光層３と接する面と反対の面側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜９．９Ｅ１８ｃｍ−３からＭＱＷ受光層３側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下に低下する。Ｚｎの濃度は、狭い深さの間で大きく変化する。最も急峻に変化する部分では、０．０３μｍ深くなる間に３Ｅ１８ｃｍ−３から２Ｅ１６ｃｍ−３にまで低下している。このような、不純物濃度の分布は、次の２点で貢献する。
（ｉ）ＭＱＷ受光層３における良好な結晶性
（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷや（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷでは、不純物濃度が高くなると、結晶性が劣化する。上記のような不純物の濃度分布によれば、ＭＱＷ受光層３内の不純物濃度は５Ｅ１６ｃｍ−３以下に抑えられる。この結果、ＭＱＷ受光層３における欠陥密度は低く保たれ、その結果、暗電流を低くすることができる。
（ｉｉ）補助層４は、もともとＩｎＰ基板１よりもバンドギャップエネルギが小さいので、電気抵抗は抑制されている。その上で、不純物濃度が、上記の分布を持つことで、電気抵抗はさらに低く抑えられる。この結果、逆バイアス電圧の電圧を大きくしなくても応答速度の低下を防ぐことができる。
【００３４】
（ポイント２）：上記（ポイント１）の補助層４において説明済みであるが、受光素子１０は半導体基板１の裏面入射である。基板裏面入射のための構造または基板裏面入射に付随する構造については、上述のとおりである。
（ポイント３）：受光素子はメサ構造を持つ。このメサ構造は、複数の画素が配列される場合に受光感度に大きな影響を持つ。従来、画素間の独立性を確保するために選択拡散によってｐｎ接合を形成していた。このとき、選択拡散マスクパターンの開口径は１５μｍ程度であり、画素ピッチはせいぜい３０μｍが下限である。この場合、受光可能な平面領域の画素Ｐにおける平面占有率は、２０％程度である。換言すれば、平行光線またはほぼ平行な光線がＩｎＰ基板に到達したあと、反射する分はゼロとして、約２０％程度が受光する可能性を持つにすぎない。
一般に、選択拡散による受光可能領域または画素Ｐの形成は、隣り合う画素Ｐ間でクロストークなどの干渉が生じないように、十分な間隔をとる必要がある。また、選択拡散では、深さ方向だけでなく、開口部から導入された不純物が、わずかであるが横方向に拡散することも考慮する必要がある。このため、平面的に見て、受光可能領域の直径と同程度の間隔（受光可能領域の間の選択拡散されていない領域の最小幅）をあけているのが実情である。この結果、受光可能領域は、上記のように２０％程度の平面占有率となる。
これに対して、本実施の形態のように、メサ構造によって画素間の独立性を確保する構成では、平面占有率を８０％以上にまで向上することができる。
【００３５】
（ポイント４）：ＩｎＰ窓層表面５ａから全面に拡散によって、ｐ型不純物のＺｎを導入している。理由は不明であるが、拡散によって不純物を導入して、その後、画素間の独立性を確保するためにメサ構造を採用することで、基板裏面入射の受光素子の感度を高めることができる。詳しい解析は今後の課題であるが、エピタキシャル成長中に不純物をドープした場合、基板裏面入射の場合、波長１．７μｍ以下で受光感度がやや低くなる傾向が認められる。
上記（ポイント１〜４）が本実施の形態の受光素子の特徴である。
【００３６】
図３は、図１の受光素子１０と、シリコン（Ｓｉ）に形成された読み出し回路７０とを接続したハイブリッド検出装置を示す図である。読み出し回路はＣＭＯＳ（Complimentary  Metal  Oxide  Semiconductor）である。画素電極１１と読み出し電極７１とは、それぞれのバンプ９，７９を介在させて導電接続されている。またグランド電極１２は、配線電極１２ｅを保護膜４３に沿って伝わらせて画素電極１１の高さに揃えて、ＣＭＯＳのグランド電極７２と、バンプを介在させて導電接続させている。
上記のようなバンプを介在させたフリップチップ接合方式の接続によれば、画素ピッチを小さくして高密度の画素としても、コンパクトな小型化した検出装置を得ることができる。また、画素（受光素子）Ｐ間をメサ構造の溝Ｇで区切っているので、各画素Ｐの平面サイズを目一杯（溝に接するまで）大きくでき、画素サイズ要因からも感度を高めることができる。
【００３７】
図４は、図１の受光素子の製造方法を示すフローチャートである。ＩｎＰ基板１を準備して、バッファ層２を成膜する。バッファ層２は、２μｍ厚みのＩｎＰもしくはＩｎＡｌＡｓもしくはＩｎＧａＡｓとするのがよい。ＩｎＰバッファ層２もしくはＩｎＡｌＡｓバッファ層２もしくはＩｎＧａＡｓバッファ層２は、ノンドープでもよいし、Ｓｉなどｎ型ドーパントを１Ｅ１７ｃｍ−３程度ドーピングしてもよい。
次いで、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）または（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のＭＱＷ受光層３を形成する。単位量子井戸構造を形成するＧａＩｎＮＡｓ層またはＧａＡｓＳｂ層の厚みは５ｎｍであり、ペア数（単位量子井戸の繰り返し数）は１００以上、通常は３００程度である。従ってＭＱＷ受光層３の総厚みは１μｍ〜３μｍである。
次いで、ＭＱＷ受光層３の上に、補助層４として、厚み１μｍ程度のＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長する。ＭＱＷ受光層３の総厚みの１／３あるいはそれ以上である。次いで、最後に厚み１μｍのＩｎＰ窓層５をエピタキシャル成長する。上記のＭＱＷ受光層３、補助層４およびＩｎＰ窓層５は、ともにＭＢＥ(Molecular
Beam Epitaxy)法、またはＭＯＶＰＥ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によって、エピタキシャル成長することができる。
ＭＱＷ受光層３、ＩｎＧａＡｓ補助層４は、ノンドープが望ましいが、Ｓｉなどｎ型ドーパントを極微量（たとえば２Ｅ１５ｃｍ−３程度）ドーピングしてもよい。ＩｎＰ窓層５はノンドープではｐ型化し易いため、Ｓｉなどｎ型ドーパントを微量（例えば２Ｅ１６ｃｍ−３程度）ドーピングして確実にｎ型になるようにする。また、ＩｎＰ窓層とＩｎＧａＡｓ補助層の界面もｐ型化し易いため、確実にｎ型になるようにするためにはｎ型ドーパントを界面でパイルアップさせるのがよい。
また、ＩｎＰ基板１とバッファ層２との間に、ｎ型ドーパントを１Ｅ１８ｃｍ−３程度ドープしたｎ側電極を形成するための高濃度のｎ側電極形成層を挿入してもよい。高濃度のｎ型電極形成層がバッファ層を兼ねる場合もある。また、ＩｎＰ基板１は、Ｆｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板であってもよい。この場合は、その半絶縁性ＩｎＰ基板１とバッファ層２との間に、ｎ型ドーパントを１Ｅ１８ｃｍ−３程度ドープしたｎ側電極形成層を挿入する。この時も、高濃度のｎ型電極形成層がバッファ層を兼ねる場合がある。
【００３８】
次いで、ＩｎＰ窓層５の表面５ａから全面に、Ｚｎを拡散導入する。このＺｎの全面への拡散導入によって、（ｉ）ＭＱＷ受光層３の上部にｐｎ接合またはｐｉ接合１５を形成することができる。さらに（ｉｉ）補助層４内に、Ｚｎの濃度が、ＭＱＷ受光層３と接する面と反対の面側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜９．９Ｅ１８ｃｍ−３からＭＱＷ受光層３側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下に低下する、濃度分布を形成することができる。これによって、ＭＱＷ受光層３内のＺｎ濃度を５Ｅ１６ｃｍ−３以下にすることができ、さらにｐｎ接合１５の近傍におけるＺｎ濃度分布は、傾斜型接合を示すような分布になっている。
【００３９】
図５は、Ｚｎの深さ方向濃度分布のＳＩＭＳ分析による結果を示す図である。図５によれば、ＩｎＧａＡｓ補助層４と受光層３との界面において、Ｚｎのパイルアップのピーク値は５Ｅ１６ｃｍ−３以下に抑制されている。このため、受光層３のｎ型キャリア濃度のバックグラウンドと、Ｚｎ濃度との交差位置（図中○印）に形成されるｐｎ接合において、Ｚｎ濃度は確実に低くすることができ、結晶性等の劣化を防止することができる。非常に重要なことであるが、ｐｎ接合またはｐｉ接合が、Ｚｎのパイルアップのピークにおける受光層３側へと傾斜している濃度部の裾に位置することである。これによって、Ｚｎの補助層４／ＭＱＷ受光層３との界面でのパイルアップという自然現象を利用して、逆バイアス電圧を大きくすることなく、空乏層をＭＱＷ受光層３内に大きく張り出させて、受光可能位置を拡大することができる。この結果、受光感度を高めることができる。
【００４０】
次いで、画素の独立性を得るために、エッチングによって、画素Ｐの間にトレンチを入れたメサ構造を形成する。エッチングはウエットエッチングでもドライエッチングでもよいが、溝を垂直に設ける上では、ドライエッチングのほうが優れており、画素または受光部の平面サイズを大きくして感度を向上させるにはドライエッチングを用いるのがよい。これによって、各画素Ｐは周りの画素から独立して、クロストークなどを防ぐことができる。
次いで、図１に示すように、メサ構造の表面を保護するパッシベーション膜４３によって表面を被覆する。パッシベーション膜４３には、ＳｉＯＮ膜などを用いるのがよい。
このあと、フォトリソグラフィによって画素電極１１およびグランド電極１２を形成する。
【００４１】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２の受光素子１０の製造方法のフローチャートである。受光素子１０そのものは、実施の形態１の図１に示すものと不純物の分布形態を除いて同じである。本実施の形態では、不純物をエピタキシャル成長中のドーピングによって導入する点で、全面拡散で導入する実施の形態１の受光素子と相違する。
まず、ＩｎＰ基板１上に、ＩｎＡｌＡｓ層またはＩｎＰバッファ層２またはＩｎＧａＡｓバッファ層２を成長する。１Ｅ１８ｃｍ−３程度のＺｎをドープする。次いで、ＭＱＷ受光層３を成長する。ＭＱＷ受光層３の下層〜上層途中まではノンドープとする。ただ、このとき不可避的に微量のｎ型不純物が含まれてもよい。ＭＱＷ受光層３の上層途中から５Ｅ１６ｃｍ−３以下のＺｎをドープする。このとき、上層ほど高濃度になるように緩やかな傾斜勾配を付けるのがよい。
緩やかな上昇濃度勾配を保ちながら、ＩｎＧａＡｓ補助層４を途中まで成長する。ＩｎＧａＡｓ補助層４の中層から上層に入る厚み位置において、Ｚｎ濃度を１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３程度になるようにドープする。これによって、ＩｎＧａＡｓ補助層４内において、Ｚｎ濃度が、ＭＱＷ受光層３と接する面と反対の面側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から受光層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下に低下する濃度分布を得ることができる。この高濃度ドープの状態を維持してＩｎＰ窓層５を成長する。
このあとの製造工程は、実施の形態１と同じである。
【００４２】
拡散による不純物の導入と、エピタキシャル成長中のドーピングによる不純物の導入とでは、微妙な点で異なる。まず、不純物の深さ方向への濃度勾配は、拡散によれば自然に付けることができる。また、亜鉛のパイルアップ等はエピタキシャル成長中のドーピングでは生じない。
【００４３】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における受光素子１０を示す図であり、（ａ）は画素が二次元配列された受光素子、（ｂ）は単一画素の受光素子、を示す図である。図１等に示した受光素子１０と、不純物の導電型が異なるだけでその他の点では同じである。すなわちｎ型不純物が全面拡散されてｎ型領域７が形成されている。または、ｎ型領域７はエピタキシャル成長にて形成されてもよい。
【００４４】
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】
【００４５】
本発明によれば、基板裏面入射において、近赤外域の短波長側〜長波長側にわたって全体に高い受光感度を有する受光素子等を得ることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１  ＩｎＰ基板、２  バッファ層、３  ＭＱＷ受光層、４  補助層、５  ＩｎＰ窓層、５ａ  窓層の表面、６  ｐ型領域、７  ｎ型領域、９  接合バンプ、１０  受光素子、１１  ｐ部電極（画素電極）、１２  ｎ部電極（グランド電極）、１２ｅ  配線電極、１５  ｐｎ接合、３５  反射防止膜、４３  保護膜、７０  読み出し回路（ＲＯＩＣ）、７１  読み出し電極、７２  グランド電極、７９  接合バンプ、Ｇ  メサ構造（溝）、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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