(57)【要約】【課題】  波長域１８００ｎｍ程度にまで受光感度を有し、微弱な光に対応して、暗電流を低くできる受光素子等を提供する。【解決手段】  選択拡散によってｐｎ接合１５が形成され、受光層３は、第１の組成のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ３ａと第２の組成のＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ３ｂとが交互に２対以上積層されてなり、第１の組成のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ３ａはその吸収端波長が１．８μｍ〜１．７５μｍの間にあり、かつ第２の組成のＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ３ｂはそれより短く、ＩｎＰ窓層５と受光層３との間に、該ＩｎＰ窓層および受光層に接してＩｎＰに格子整合するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓまたはＩｎＡｌ０．４８Ａｓ０．５２の中間層４が位置することを特徴とする。【選択図】        図１
2012243901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ基板に形成され、表面にＩｎＰ窓層を備える受光素子であって、
前記ＩｎＰ窓層からの亜鉛（Ｚｎ）の選択拡散によってｐｎ接合が形成され、
前記受光層は、第１の組成のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓと第２の組成のＩｎｙＧａ１−ｙＡｓとが交互に２対以上積層されてなり、
前記第１の組成のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓはその吸収端波長が１．８μｍ〜１．７５μｍの間にあり、かつ前記第２の組成のＩｎｙＧａ１−ｙＡｓはその吸収端波長が該第１の吸収端波長より短く、  
前記ＩｎＰ窓層と受光層との間に、該ＩｎＰ窓層および受光層に接して前記ＩｎＰに格子整合するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓまたはＩｎＡｌ０．４８Ａｓ０．５２の中間層が位置することを特徴とする、受光素子。
【請求項２】
前記第１の組成のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓにおけるＩｎ組成ｘ（モル比：以下同じ）は、０．５６以上０．５８以下、また前記第２の組成のＩｎｙＧａ１−ｙＡｓにおけるＩｎ組成ｙは、０．４８以上０．５０以下であ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ＩｎＰ基板と前記受光層との間に、該ＩｎＰ基板および受光層に接して前記ＩｎＰに格子整合する、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓまたはＩｎＡｌ０．４８Ａｓ０．５２のバッファ層が位置す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】
前記中間層の中で、前記選択拡散されたＺｎの濃度が、前記ＩｎＰ窓層側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から受光層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下へと減少す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ＩｎＰ窓層の中で、前記選択拡散されたＺｎの濃度が、表面側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から前記中間層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下へと減少す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６】
前記選択拡散に用いたマスクパターンが前記ＩｎＰ窓層上に接して残存していて、前記選択拡散に用いたマスクパターンの開口部の大きさが、該開口部間の隙間の０．６倍以上５倍以下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。
【請求項７】
前記受光層、中間層およびバッファ層の少なくとも一つが、Ｎ、ＰおよびＳｂの一種以上を含有す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子および検出装置に関し、より具体的には、生体観察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および検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信用のフォトダイオードの受光域を長波長化するために、ＩｎＰ基板の格子定数に対して、大きい格子定数となる組成のＩｎＧａＡｓと、小さい格子定数となる組成のＩｎＧａＡｓとを備える受光層のフォトダイオードの提案がなされている（特許文献１）。これによれば、受光域を波長１７００ｎｍ程度にまで長波長化することができる。
一方、近赤外域のフォトダイオードの利用分野の研究も進行している。たとえば、近赤外光を用いて血管内部を高解像度で観察できる方法の提案がなされた（特許文献２）。この方法では、波長１４００ｎｍ、１７００〜１８００ｎｍ、および１９００ｎｍ付近の近赤外光の吸収スペクトルを利用する。また、内視鏡によって血管の位置を高解像度で観察する方法の提案もなされている（特許文献３）。この方法では、波長１４５０ｎｍ、１７００ｎｍ付近、１９００ｎｍの吸収帯を用いる。これらの方法は、光ファイバを経由させて、光を血管内部に照射してその反射光を分光するため、光は微弱であり、上記方法はその点も考慮して複数の吸収帯を用いて高解像度で観察しようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２８２９２７号公報
【特許文献２】特表２００７−５０３２２４号公報
【特許文献３】特開２００１−９５７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
複数の波長帯で観察することで分解能および解像度は向上するが、上記の波長域全体にわたって検出できて、小型で経済性に富むセンサは見あたらない。上記のＩｎＰ基板の格子定数に対して、大きな格子定数の組成のＩｎＧａＡｓと小さい格子定数の組成のＩｎＧａＡｓとを備える受光素子の場合、アレイ化するために選択拡散によって複数の受光素子を形成した場合、横方向に拡散が促進されて（異常拡散）隣り合う画素間の短絡のリスクが増大する。また、ＩｎＧａＡｓの組成をＩｎＰ基板の格子定数から外すため、格子欠陥密度が高くなり、窓層の結晶性が劣化して、暗電流を抑えることが難しい。光量が微小な場合、暗電流の増大要因は検出感度を大きく劣化させるので確実に除く必要がある。さらに、上記のように格子不整合度を大きくしても、１７００ｎｍ付近まで長波長化するのが限界であり、わずかの差であるが、それ以上の長波長帯１８００ｎｍ程度にまで感度を拡大することはできない。
波長１７００ｎｍ以上の長い波長域では、赤外や遠赤外を主受光域とするＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）やＰｂＳなどを用いた受光素子とせざるをえない。血管の内視鏡のようにファイバを介して観察するような用途では、上述のように、得られる光量が非常に少ないため、高解像度を得るために暗電流を低く抑えて高いＳ／Ｎ比とすることが求められる。このため、ＭＣＴやＰｂＳを用いた受光素子では冷却が必須となる。冷却が必要な受光素子は、装置が大掛かりで高価にならざるをえない。
【０００５】
本発明は、波長域１８００ｎｍ程度にまで受光感度を有し、微弱な光に対応して、暗電流を低くできる受光素子およびこれを用いた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】
【０００６】
本発明の受光素子は、ＩｎＰ基板に形成され、表面にＩｎＰ窓層を備える。この受光素子では、ＩｎＰ窓層からの亜鉛（Ｚｎ）の選択拡散によってｐｎ接合が形成され、受光層は、第１の組成のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓと第２の組成のＩｎｙＧａ１−ｙＡｓとが交互に２対以上積層されてなり、第１の組成のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓはその吸収端波長が１．８μｍ〜１．７５μｍの間にあり、かつ第２の組成のＩｎｙＧａ１−ｙＡｓはその吸収端波長が該第１の吸収端波長より短く、ＩｎＰ窓層と受光層との間に、該ＩｎＰ窓層および受光層に接してＩｎＰに格子整合するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓまたはＩｎＡｌ０．４８Ａｓ０．５２の中間層が位置することを特徴とする。
【０００７】
上記の構成によれば、第１の組成のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓをＩｎＰの格子定数より相当大きくても、第２の組成のＩｎｙＧａ１−ｙＡｓをＩｎＰの格子定数より相当小さくするので歪補償がなされ、全体としては整合性がとれて格子欠陥密度は所定レベルに抑えられる。このため、第１の組成のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓを長波長化しても（格子定数を大きくしてバンドギャップを小さくしても）、十分低い暗電流とすることができる。非常に大雑把な言い方をすれば、第２の組成のＩｎｙＧａ１−ｙＡｓは、受光域の上限の拡大には貢献しないが、受光層全体の格子定数の均衡をとるために配置している、という見方もできる。この結果、受光層の格子定数が原因で暗電流を大きくすることなく、受光域の長波長化が実現して波長１７５０ｎｍ〜１８００ｎｍ帯にまで感度を広げることができる。
また、受光層上に接してＩｎＰに格子整合する中間層（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓまたはＩｎＡｌ０．４８Ａｓ０．５２）が配置される。このため、平坦性および結晶性に優れたＩｎＰ窓層を成長することができるので、表面起因の暗電流を低く抑えて高Ｓ／Ｎの信号を得ることができる。
さらにＩｎＰ窓層と中間層との界面は整合性が良いので、選択拡散時にＺｎの異常拡散（とくに横方向に広がる拡散）を防止することができる。このため、高集積（高密度）の二次元アレイの場合において、画素間の短絡、ノイズの増大を防止することができる。
上記により、光量が限られる血管内視鏡などの用途にとくに適した受光素子を得ることができる。
【０００８】
第１の組成のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓにおけるＩｎ組成ｘ（モル比：以下同じ）を、０．５６以上０．５８以下、また第２の組成のＩｎｙＧａ１−ｙＡｓにおけるＩｎ組成ｙを、０．４８以上０．５０以下とするのがよい。
これによって、第１の組成のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓによって受光域を１８００ｎｍ程度にまで長波長した上で、第２の組成のＩｎｙＧａ１−ｙＡｓと組み合わせることで、暗電流を低くすることができる。
【０００９】
ＩｎＰ基板と受光層との間に、該ＩｎＰ基板および受光層に接してＩｎＰに格子整合する、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓのバッファ層を位置させることができる。
上記のバッファ層はＩｎＰに格子整合するので、ヘテロ界面での格子欠陥密度の増大を防止することができる。このため、その上に積層する受光層の結晶性を良好にすることができ、高Ｓ／Ｎ信号を得ることができる。
【００１０】
中間層の中で、選択拡散されたＺｎの濃度を、ＩｎＰ窓層側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から受光層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下へと減少させることができる。
上記のＺｎ濃度分布では、中間層と受光層との界面付近には高い格子欠陥密度の箇所は生じないので、この領域において、Ｚｎを高濃度から低濃度とすることによって、Ｚｎの異常拡散を防止することができる。この結果、画素間の短絡やノイズ増大を防ぐことができる。
【００１１】
ＩｎＰ窓層の中で、選択拡散されたＺｎの濃度を、表面側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から中間層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下へと減少させることができる。
ＩｎＰ窓層内でＺｎ濃度を低いレベルに低下するので、より安全サイドでＺｎの異常拡散を防止することができる。
【００１２】
選択拡散に用いたマスクパターンがＩｎＰ窓層上に接して残存させて、選択拡散に用いたマスクパターンの開口部の大きさを、該開口部間の隙間の０．６倍以上５倍以下、とすることができる。
選択拡散マスクパターンを残すことで除去する場合に比べて表面の結晶性を良好に維持することができ、暗電流を低くすることができる。また、格子整合するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓなどの中間層を配置するため選択拡散における異常拡散が防止され、開口部の大きさを、対画素ピッチ比で相当大きくしてもクロストークなどを防止することができる。このため、開口部の大きさを、開口部間の隙間の０．６倍以上５倍以下、とすることができ、感度を確保することができる。開口部の形状は何でもよく、○状でも、□状でもよい。画素ピッチが３０μｍのとき、開口部の大きさはおよそ１１．２μｍ以上２５μｍ以下となる。開口部の大きさは、○の場合は直径、□の場合は一辺の長さをさし、上記の場合、○の場合直径１１．２μｍ以上２５μｍ以下であり、正方形の場合一辺の長さ１１．２μｍ以上２５μｍ以下となる。開口部の隙間は、１８．８μｍ〜５μｍである。隙間１８．８μｍのとき開口部の大きさは１１．２μｍ以上３０μｍ以下の所定範囲内にあり、隙間５μｍのとき開口部の大きさは２５μｍ以上３０μｍ以下の所定範囲内にある。
【００１３】
受光層、中間層およびバッファ層の少なくとも一つが、Ｎ、ＰおよびＳｂの一種以上を含有するようにできる。
たとえばＮを含有させると、第１および第２の組成のＩｎＧａＡｓのバンドギャップは小さくなって、受光域をより長波長側に拡大することができる。また、このようなＮの作用を利用すれば、第１の組成のＩｎＧａＡｓの格子定数をそれほど大きくしないで済むので、格子欠陥密度をより一層低くすることができる。この結果、暗電流を低下させることができる。
ＳｂまたはＰの場合は、含有させることで、結晶性に優れた第１および第２のＩｎＧａＡｓを得ることができる。
【００１４】
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、暗電流が低く、受光域を波長１．８μｍ程度まで拡大した受光素子を用いて、高解像度の検出を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、波長域１８００ｎｍ程度にまで受光感度を有し、良好な結晶性を得やすく、暗電流を低くできる受光素子等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態の受光素子における半導体の積構造を示す図である。
【図２】選択拡散されたＺｎの濃度分布を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の受光素子と読み出し回路とを結合した検出装置を示す図である。
【図４】図３に示す受光素子の平面図である（画素電極等は省略）。
【図５】画素における開口直径および画素サイズ（ピッチ）を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、上記の受光素子１０における半導体積層構造を示す図であり、次の積層構造を有する。
（ＩｎＰ基板１／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓバッファ層２／（Ｉｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ）３ａと（Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓ）３ｂとの交互積層体からなる受光層３／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ中間層４／ＩｎＰ窓層５）
ここでＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ中間層４およびＩｎＰ窓層５はｎ−型であってもよい。ＩｎＰ窓層５の表面５ａからｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）が選択拡散されて画素が形成されている。選択拡散されたＺｎの分布は、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ中間層４内において、ＩｎＰ窓層５の側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から受光層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下へと急減している（図２参照）。
上記の積層構造は、つぎの考え方に基づいて構成されている。
１．受光層３におけるＩｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ３ａ（第１の組成）：
バンドギャップをできるだけ小さくして長波長の光を受光できるように、Ｉｎ組成ｘを０．５８としている。この結果、波長１８００ｎｍ程度まで受光域の上限を拡大することができる。しかし、Ｉｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ３ａの格子定数は大きく、単独ではＩｎＰに格子整合しにくい。その結果、格子欠陥密度が高くなると暗電流が増大するため、微弱な光を十分な解像度で検出することが難しくなる。
２．受光層３におけるＩｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓ３ｂ（第２の組成）：
（１）第２の組成のＩｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓ３ｂはＩｎ組成ｙを、第１の組成におけるＩｎ組成ｘよりも０．１も小さくしている。第１組成のＩｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ３ａは格子定数が大きいため、格子定数の小さい第２の組成のＩｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓ３ｂによって格子整合上の均衡をとる。
第１組成と第２組成との組み合わせによって、Ｉｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ３ａには圧縮歪が、またＩｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓ３ｂには引張歪が分布して、両者によって歪補償された積層体が形成される。この結果、受光層３の厚み範囲に、Ｉｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ３ａおよびＩｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓ３ｂの平均の格子定数の受光層３が配置されたとみることができる。この結果、受光層３上に接して成長される中間層４および窓層５における格子欠陥密度は大きくならず、表面性状の良好な、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ中間層４／ＩｎＰ窓層５、が形成され、暗電流は増大しない。
（２）受光波長域の上限波長（１８００ｎｍ）付近は、上記の第１組成のＩｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ３ａに任せて、それよりバンドギャップの大きいエネルギに対応する光を受光する。もちろん、第１組成のＩｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ３ａ自体、長波長上限付近の光だけでなく、それより短波長側の光をも受光する。
３．ＩｎＰに格子整合する、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓバッファ層２、およびＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ中間層４：
Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓは、ＩｎＰに格子整合する組成であり、上記の（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓバッファ層２、およびＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ中間層４）によって、界面（ヘテロ界面）での格子欠陥密度の上昇を抑えることができる。このため、その界面上に接して形成される受光層３や窓層５の結晶性を良好にすることができる。この結果、暗電流を低く保つことができる。
４．また、ＩｎＰ窓層５／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ中間層４のヘテロ界面の深さ位置には、Ｚｎの選択拡散による高濃度のＺｎが分布するが、格子整合界面であるため、横方向に異常拡散することがない。この結果、各受光部（画素）は隣の画素とある程度の距離を持てば独立性を維持することができ、クロストークなどのおそれは生じない。このため、クロストークを防止するために過剰に大きな画素ピッチをとる必要はない。この結果、選択拡散マスクパターンの開口直径Ｄ１５μｍに対して、画素Ｐの間隔３０μｍ程度に抑えることができる。このため無駄な光の通過を抑えることができ、所定レベル以上の感度を確保することができる。
【００１８】
図２は、選択拡散されたＺｎの濃度分布を示す図である。図２には、２つのＺｎ分布Ｆ１およびＦ２を示す。どちらのＺｎ分布であってもよい。分布Ｆ１に比べて、分布Ｆ２は浅い範囲にＺｎを分布させている。どちらのＺｎ分布Ｆ１，Ｆ２であっても、高濃度のＺｎが分布するＩｎＰ窓層５／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ中間層４のヘテロ界面は、格子整合界面なので、Ｚｎが異常拡散にして横方向に広がることはない。
Ｚｎ分布Ｆ１ではｐｎ接合１５は受光層３内に位置するが、他方のＺｎ分布Ｆ２ではｐｎ接合１５はＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ中間層４内に位置する。どちらの場合も、Ｚｎ濃度はＩｎＰ窓層５側から受光層３側へと減少する傾斜勾配が付いているので、逆バイアス電圧下、空乏層は受光層３の下面に向かって広く広げることができ、受光感度を確保することができる。
【００１９】
図３は、本発明の実施の形態における受光素子１０を含む検出装置５０を示す断面図である。光はＩｎＰ基板１の裏面から入射される。光量が少ないことは上述のとおりである。図３において、この検出装置５０では、受光素子１０と読み出し回路７０とが組み合わされて形成される。読み出し回路７０はマルチプレクサによって構成される。
ＩｎＰ基板１の上に形成された受光素子１０は、エピタキシャル層側を、実装基板の機能を有するマルチプレクサ７０に向けて、いわゆるエピダウン実装されている。各画素Ｐのエピタキシャル層のｐ型領域６に接続するｐ部電極１１と、共通のｎ型ＩｎＰ基板１に設けられるｎ部電極（グランド電極）１２とは、それぞれ、読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read-Out  IC）７０の読み出し電極パッド７１とグランド電極パッド７２とに接続されている。受光素子１０のグランド電極１２は配線電極１２ｅによって対向する読み出し回路７０に対面するように配置されている。これら受光素子１０の各電極１１，１２ｅおよび読み出し回路７０の電極パッド７１，７２には、被覆メタル１１ｍ，７１ｍが取り付けられている。受光素子１０の電極１１，１２と、読み出し回路７０の電極パッド７１，７２との接続には接合バンプが用いられる。接合前には、受光素子の電極には接合バンプ９が、また読み出し回路７０の電極パッド７１，７２には接合バンプ７９が配置され、接合されて接合部９（７９）を形成する。画素電極１１からの受光信号である電気信号はマルチプレクサに送られ、マルチプレクサでは各画素Ｐにおける電気信号を受けて、対象物の全体像を形成する処理を行う。入射光は、ＩｎＰ基板１の裏面に形成したＡＲ(Anti-Reflection)膜３５を通して導入され、ｐ型領域６の先端に位置するｐｎ接合１５に印加された逆バイアス電圧によって張り出す空乏層において受光される。
【００２０】
ｐ型領域６に含まれるｐ型不純物であるＺｎは、選択拡散マスクパターン３６の開口から拡散導入される。この選択拡散マスクパターン３６はＳｉＮ膜から形成されており、選択拡散処理を行った後も、そのまま受光素子１０に残される。その理由は、選択拡散マスクパターン３６を除去するとき、ＩｎＰ窓層５の結晶性を損ね、また表面５ａの平坦性を損ねて暗電流増大の原因を生じるからである。このため選択拡散マスクパターン３６は、そのまま残して保護膜として機能させるのがよい。保護膜としては、この選択拡散マスクパターン３６を覆うように、さらにＳｉＯＮのパッシベーション膜４３を配置するのがよい。
【００２１】
図３において、画素または単位となる受光素子が二次元配列された受光素子１０は、共通のＩｎＰ基板１に設けられている。図４は、図３に示す二次元に画素Ｐが配列された受光素子１０を示す平面図である。画素Ｐは３２０×２５６個（約８．２万画素）、ピッチ３０μｍである。また図５は、画素Ｐにおける選択拡散マスクパターン３６の開口部３６ｈまたは開口直径Ｄを説明するための図であり、図５（ａ）は平面図、また図５（ｂ）は断面図である。
選択拡散においては、横方向（各層の面に平行な方向）に拡散が生じて、正常拡散の場合ΔＤは小さいがその場合でもゼロではない。格子不整合のヘテロ界面等において異常拡散が生じると隣の画素とクロストークを生じる程度にΔＤは拡大する。本実施の形態では、受光層３を歪補償された積層体３ａ，３ｂによって構成し、その歪補償された積層体３ａ，３ｂの平均格子定数に合致する格子定数を持つＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ中間層をエピタキシャル成長する。さらにその上にやはり中間層４に格子整合するＩｎＰ窓層５を配置する。このため、格子欠陥密度を低くできて暗電流を小さくできるだけでなく、選択拡散における異常な横方向拡散を防止することができる。
開口部の大きさを、開口部間の隙間の０．６倍以上５倍以下、として感度を確保しながら画素ピッチＰを小さくすることができる。画素ピッチＰが３０μｍのとき、開口部の大きさは１１．２μｍ以上２５μｍとし、開口部の隙間は、上記の開口部との比率を保ちながら、５μｍ〜１８．８μｍとするのがよい。
【００２２】
ＩｎＰ基板１は、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に５度〜２０度傾斜したオフアングル基板とするのがよい。より望ましくは、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に１０度〜１５度傾斜させる。このような大きなオフ角基板を用いることにより、欠陥密度が小さく結晶性に優れた、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓバッファ層２、（Ｉｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ）３ａ／（Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓ）３ｂの交互積層体からなる受光層３、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ中間層４、およびＩｎＰ窓層５、を得ることができる。この結果、暗電流が抑制された受光素子１０や検出装置５０を得ることができる。このため、微弱な近赤外光を受光して撮像する装置の性能を大きく向上させる受光層を得ることができる。すなわち上記オフアングル基板を用いて形成された受光素子の有する作用は、血管内からの反射光を受光して撮像する撮像装置の品質向上にとくに有用である。
【００２３】
上記のＩｎＰ基板のオフ角は、ＩｎＰ基板１上に良好な結晶性のエピタキシャル膜を成長させる場合の重要な要素である。とくに本実施の形態の変形例に位置付けられるＮを含有するＧａＩｎＮＡｓ層を含む受光層の場合、重要である。すなわち上記の受光層３中に、Ｎを含む化合物半導体、たとえばＧａＩｎＮＡｓが含まれる場合、上記のような大きなオフ角のＩｎＰ基板を用いない限り、実際には、実用に耐える、良好なエピタキシャル層として形成されることは不可能である。すなわち、上記のような大きなオフ角のＩｎＰ基板を用いない限り、Ｎを含む化合物半導体、たとえばＧａＩｎＮＡｓは暗電流を抑制し、暗点を減らした受光層になることはない。微弱な血管内視鏡の光を用いて鮮明な画像を得ることができない。上記例としてあげたＧａＩｎＮＡｓだけでなく、ＧａＩｎＮＡｓＰおよびＧａＩｎＮＡｓＳｂにおいてもＩｎＰ基板のオフ角は、上記のような大きい角度範囲が、良好な結晶性を得るのに必要であるという点で同じである。
【００２４】
上記の受光素子１０における半導体積層構造は、どのような成長法で成長してもよい。とくにＭＢＥ（分子線エピタキシ：Molecular  Beam  Epitaxy）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長:Meal  Organic  Vapor  Phase  Epitaxy）法などを用いるのがよい。まず、ＩｎＰ基板１上に、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓバッファ層２、（Ｉｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ）３ａと（Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓ）３ｂとの交互積層体からなる受光層３、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ中間層４、およびＩｎＰ窓層５を成膜する。次いで、ＩｎＰ窓層５上に、ＳｉＮの選択拡散マスクパターン３６を形成する。開口直径Ｄは１５μｍとし、画素ピッチＰは３０μｍとするのがよい。このあと、選択拡散によってＺｎを拡散導入して、受光層３または中間層４内にｐｎ接合１５を形成する。次いで、ＳｉＯＮのパッシベーション膜４３を形成する。このあと、ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ部電極１１を、またｎ＋型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓバッファ層２にはＡｕＧｅＮｉのｎ部電極１２を、それぞれオーミック接触するように設ける。ＩｎＰ基板１の裏面には、またＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板裏面側を入射面とする裏面入射型で使う場合に、光の反射を防止する。
【００２５】
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】
【００２６】
本発明の受光素子等によれば、波長域１８００ｎｍ程度にまで受光感度を有し、微弱な光に対応して、暗電流を低くできる。このため、光量が限られる血管内視鏡などに用いることで精度よく形状や組成を検出し解析することが可能になる。
【符号の説明】
【００２７】
１  ＩｎＰ基板、２  Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓバッファ層（格子整合）、３  受光層、３ａ  Ｉｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ層（第１の組成）、３ｂ  Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓ層（第２の組成）、４  Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ中間層（格子整合）、５  ＩｎＰ窓層、５ａ  窓層の表面、６  ｐ型領域、９  接合バンプ、１０  受光素子、１１  ｐ部電極、１１ｅ  被覆メタル、１２  ｎ部電極、１２ｅ  配線電極、１５  ｐｎ接合、３５  反射防止膜、３６  選択拡散マスクパターン、３６ｈ  開口、４３  パッシベーション膜、７０  読み出し回路、７１  読み出し電極パッド、７１ｅ  被覆メタル、７２  グランド電極パッド、７９  接合バンプ、Ｄ  開口直径、Ｐ  画素または画素ピッチ。
【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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