(57)【要約】【課題】  感度上昇のためのコスト増大がほとんどない、高い感度を有する受光素子、その製造方法および光学装置を提供する。【解決手段】  受光素子１０は、半導体基板１の上に位置して、受光するための受光層３と、受光層３の上に位置するコンタクト層５と、コンタクト層にオーミック接触する画素電極１１とを備え、半導体基板の裏面が光入射面であり、コンタクト層と画素電極との化学反応を防止するための反応防止膜８が、該コンタクト層と該画素電極との間の限定領域に介在していることを特徴とする。【選択図】        図１
2013125847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成され、画素を備える受光素子であって、
前記半導体基板の上に位置して、受光するための受光層と、
前記受光層の上に位置するコンタクト層と、
前記コンタクト層にオーミック接触する画素電極とを備え、
前記半導体基板の裏面が光入射面であり、
前記コンタクト層と前記画素電極との化学反応を防止するための反応防止膜が、該コンタクト層と該画素電極との間の限定領域に介在していることを特徴とする、受光素子。
【請求項２】
前記画素電極の領域が、前記反応防止膜と接触している当該画素電極の領域を取り囲む周囲の全周、または当該周囲の部分、に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】
前記画素電極のまわりにおいて少なくとも前記コンタクト層を被覆している保護膜を有し、
前記反応防止膜は、その厚みが、前記保護膜、の厚みよりも薄いことを特徴とする、請求項１または２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記反応防止膜が、窒化珪素（ＳｉＮ）膜、酸窒化珪素（ＳｉＯＮ）膜、および酸化珪素（ＳｉＯ２）膜、のうちの少なくとも一つ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】
前記受光層内にｐｎ接合を有するか、または、前記受光層内に当該受光層の導電帯の底より高い導電帯の底をもつ挿入層を有する、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。
【請求項６】
前記受光層が、タイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi  Quantum  Well）を有す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】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の受光素子を備えることを特徴とする光学装置。
【請求項８】
半導体基板に形成され、画素を備える受光素子を製造する方法であって、
前記半導体基板の上に、受光層を形成する工程と、
前記受光層の上にコンタクト層を形成する工程と、
前記画素の表面となり、画素電極が設けられる領域の前記コンタクト層に接して、反応防止膜を限定的に設ける工程と、
前記反応防止膜を含みながら該反応防止膜の領域を超えて前記コンタクト層を被覆する画素電極層を堆積する工程と、
前記電極層と前記コンタクト層とが接する領域において化学反応してオーミック接触するように、熱処理する工程とを備えることを特徴とする、受光素子の製造方法。
【請求項９】
前記反応防止膜を設ける前に、少なくとも前記画素電極が設けられる領域以外の領域の前記コンタクト層、を被覆する保護膜を形成し、次いで、前記反射防止膜の層で全表面を被覆し、そのあとレジストパターンをマスクにしてエッチングによって前記反応防止膜を限定的に形成し、その後、前記反応防止膜および前記コンタクト層を被覆する電極層を堆積することを特徴とする、請求項８に記載の受光素子の製造方法。
【請求項１０】
プレーナ型の受光素子を製造する場合において、前記コンタクト層を形成したあと、前記反応防止膜を形成する前に、選択拡散マスクパターンを形成し、次いで、加熱をしながら不純物を該選択拡散マスクパターンの開口部から選択拡散し、その後で、前記反応防止膜を限定的に設けるとき、まず反応防止膜の層で全体を被覆したのち、レジストパターンを前記反応防止膜が形成される領域を該レジストパターンの被覆部が被覆するように形成して、次いでエッチングによって前記レジストパターンの被覆部以外の部分を除去することで、該反応防止膜を限定的に形成することを特徴とする、請求項８または９に記載の受光素子の製造方法。
【請求項１１】
メサ構造を有する受光素子を製造する場合において、前記コンタクト層を形成したあと、前記反応防止膜を形成する前に、エッチングによって前記画素電極が形成される領域を取り囲むように溝を設けてメサ構造を形成し、前記画素電極が設けられる領域以外の領域の前記コンタクト層、および前記メサ構造の溝の壁を被覆する保護膜を形成して、その後で、前記反応防止膜を限定的に設けるとき、まず反応防止膜の層で全体を被覆したのち、レジストパターンを前記反応防止膜が形成される領域を該レジストパターンの被覆部が被覆するように形成して、次いでエッチングによって前記レジストパターンの被覆部以外の部分を除去することで、該反応防止膜を限定的に形成することを特徴とする、請求項８または９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、および光学装置に関し、より具体的には、近赤外〜遠赤外域に高い感度を有する受光素子、その製造方法、および光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近赤外域〜遠赤外域の受光素子として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のタイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi  Quantum  Well）が技術の主流となってきている。たとえばタイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの場合、受光の際に、バンドエネルギが高いＧａＡｓＳｂの価電子帯からフェルミレベルを超えてＩｎＧａＡｓの伝導帯へと電子が遷移する。この結果、受光により、当該ＧａＡｓＳｂの価電子帯にできる正孔と、隣のＩｎＧａＡｓの伝導帯の電子とで、トータルとして電子−正孔対が生成する。受光時、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合に逆バイアス電圧を印加しているので、電子はｎ側電極、通常、グランド電極側へと流れ、正孔はｐ側電極、通常、画素電極側へと読み出される。画素が二次元アレイの場合、通常用いられるエピタキシャル層実装で基板の裏面入射の場合、受光は、入射面に近い受光層で行われるので、電子に比べて重い正孔が、画素電極へとＭＱＷの凹凸ポテンシャル中を長い距離にわたって移動することになる。このため正孔は途中で消滅して画素電極にたどり着けないものが多く生じる。この分、受光感度は低下する。もともとタイプ２ＭＱＷでは隣同士の層で電子の遷移が生じるので、もともと受光感度は低いのに、このような正孔の消滅によってさらに受光感度は低くなる。
上記の低感度を改善するため、光入射面に反射防止膜などを配置するが、問題を解消するほど大きな改善は得られない。また、イメージセンサでは、光の利用効率を高めるために、すなわち受光感度を高めるために、受光素子ごとにマイクロレンズを配列する構造が提案されている。たとえばセンサ上にレンズの下地となる樹脂層を形成し、その上に樹脂製マイクロレンズを、その表面に微細な凹凸が生じるように形成することで反射を抑制して集光効率を高める方法の提案もなされている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１１６０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、樹脂層を下地としたマイクロレンズアレイでは、樹脂による光吸収が生じて所定域の受光感度を劣化させる問題がある。また、マイクロレンズの形成自体、型を要し、製造コスト増大をもたらす。
【０００５】
本発明は、感度上昇のためのコスト増大がほとんどない、高い感度を有する、受光素子、その製造方法および光学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、半導体基板に形成され、画素を備える受光素子である。この受光素子は、半導体基板の上に位置して、受光するための受光層と、受光層の上に位置するコンタクト層と、コンタクト層にオーミック接触する画素電極とを備え、半導体基板の裏面が光入射面であり、コンタクト層と画素電極との化学反応を防止するための反応防止膜が、該コンタクト層と該画素電極との間の限定領域に介在していることを特徴とする。
【０００７】
上記の反応防止膜は、この受光素子が受光対象とする波長域の光に対して透明なものとするのが前提である。一般に、画素電極を、コンタクト層とオーミック接触させるとき、両者を接触した状態で熱処理すると、画素電極はコンタクト層と化学反応して凹凸形状を呈する。電極は、金属に特有の平滑な金属面とはかけ離れた凹凸形状を呈することで、オーミック接触を実現することができる。この結果、半導体基板裏面から入射された光は、このオーミック接触している面に到達しても乱反射などして反射光を受光に利用することはできない。これに対して、本発明において反応防止膜が介在する電極の領域では、コンタクト層との化学反応が防止されるので、平滑な、または平滑に近い金属面が保たれる。このため、反応防止膜を経て電極の裏面に到達した光は、この電極裏面を反射面として反射して、受光層へと戻される。この結果、反射後の復路において、光は受光層によって再び受光機会を与えられることになり、受光感度を向上することができる。
ここで、限定領域は、オーミック接触する領域を確保したあとの残りの領域、すなわち画素電極がコンタクト層と重なる全領域ではない、ことを意味する。
なお、反応防止膜は、画素電極とコンタクト層との化学反応を完全に防止する必要はなく、化学反応を抑制する程度のものであってもよい。要は、光を、何割かでも反射して受光層に戻すことができればよい。また、画素電極は、エピタキシャル層の上面（半導体基板から見てエピタキシャル層より遠くの面）に位置し、半導体基板を下部側とみて上部電極と言ってもよい。また、上記の受光素子は、画素が一つの受光素子でもよいし、複数の画素が、一次元または二次元に配列された受光素子アレイであってもよい。
【０００８】
本発明の受光素子は、画素電極の領域が、反応防止膜と接触している当該画素電極の領域を取り囲む周囲の全周、または当該周囲の部分、に位置するのがよい。
これによって、画素電極の中央付近を反射面として用いながら、オーミック接触する領域をその周囲として、領域の面積を大きくしやすいため電気抵抗を下げることができる。また画素電極の中央付近を反射面とすることで、反射光は無駄になる割合を減らしながら受光層へと戻される。
【０００９】
本発明の受光素子は、前記画素電極のまわりにおいて少なくとも前記コンタクト層を被覆している保護膜を有し、反応防止膜は、その厚みが、画素電極のまわりにおいて少なくともコンタクト層を被覆している保護膜、の厚みよりも薄いものとできる。
反応防止膜は、保護膜（パッシベーション膜）と同じか同類の材料で形成される場合が多い。保護膜は湿気などを遮断するため所定以上の厚みが必要であるのに対して、反応防止膜は化学反応を熱処理の時間のみ防止できればよいので、薄くするのがよい。反応防止層を薄くすることで、画素電極がコンタクト層に接触するために広げる部分の長さを狭くできるので、コンタクト層との最低限の接触を確保しやすくなる。
【００１０】
本発明の受光素子は、反応防止膜を、窒化珪素（ＳｉＮ）膜、酸窒化珪素（ＳｉＯＮ）膜、および酸化珪素（ＳｉＯ２）膜、のうちの少なくとも一つとするのがよい。
上記の材料は、保護膜（パッシベーション膜）にも使用されるが、画素電極とコンタクト層との間に介在することで、両者の化学反応を防止または抑制することができる。画素電極は、オーミック接触実現のための熱処理のとき、コンタクト層とは接触せず、反応防止膜に接触しているので、平滑または平滑に近い金属面を保つことができる。上記反応防止膜の材料は、近赤外〜遠赤外域の光に対して透明である。光入射面である半導体基板の裏面から入射した光は、受光層を通る際に受光されるものは受光され、受光されなかった光はコンタクト層から反応防止膜を透過して画素電極に到達する。上述のように、画素電極（裏面）は平滑な金属面を保っているので、反射面として機能して、上記の到達した光を反射して、受光層へと戻して、受光機会を高めることができる。反応防止膜の材料は、この分野で日常的に使用されているため、容易に形成することができる。
【００１１】
本発明の受光素子は、受光層内にｐｎ接合を有するか、または、受光層内に当該受光層の導電帯の底より高い導電帯の底をもつ挿入層を有する、ことができる。
これによって、ｐｉｎフォトダイオードについても、またｎＢｎ構造の受光層をもつ素子についても、反応防止膜を配置することで受光感度を向上させることができる。
【００１２】
本発明の受光素子は、受光層が、タイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi  Quantum  Well）を有することができる。
タイプ２ＭＱＷでは、受光のとき、ペアを組む、高いバンドを有する層の価電子帯から低いバンドのほうの伝導帯へとフェルミレベルを超えて電子が遷移する。このとき電子正孔対を生成する。遷移の際のエネルギ差は、その層内での価電子帯から伝導帯への遷移よりも小さくなり、長波長側、すなわち近赤外〜遠赤外域での受光が可能になる。タイプ２ＭＱＷは、このように長波長側に感度を拡大することができるが、隣の層への遷移なので、元来、感度は低く、短所となっている。上述の反応防止層を配置することで、往きの光だけでなく反射したあとのかえり（復）の光も受光機会を与えられることになり、感度が低いことが泣き所のタイプ２ＭＱＷに対して大きな貢献をすることができる。
【００１３】
本発明の光学装置は、上記のいずれかの受光素子を備えることを特徴とする。
これによって、高い受光感度、とくに近赤外〜遠赤外域において高い感度をもつ光学装置を提供することができる。
【００１４】
本発明の受光素子の製造方法は、半導体基板に形成され、画素を備える受光素子を製造する。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、受光層の上にコンタクト層を形成する工程と、画素の表面となり、画素電極が設けられる領域のコンタクト層に接して、反応防止膜を限定的に設ける工程と、反応防止膜を含みながら該反応防止膜の領域を超えてコンタクト層を被覆する画素電極層を堆積する工程と、電極層とコンタクト層とが接する領域において化学反応してオーミック接触するように、熱処理する工程とを備えることを特徴とする。
【００１５】
上記の方法によって、特別大きな工程を付加することなく、また使用する材料も通常のものを用いて、コンタクト層と画素電極との間の制限領域に反応防止膜を介在させることができる。ここで、反応防止膜を限定的に設けるとは、既に説明した「限定領域」と同じ趣旨であり、オーミック接触する領域を確保したあとの残りの領域、すなわち画素電極がコンタクト層と重なる全領域ではない領域、に設けることを意味する。
【００１６】
反応防止膜を設ける前に画素電極が設けられる領域以外の領域のコンタクト層を被覆する保護膜を形成し、次いで、反射防止膜の層で全表面を被覆し、そのあとレジストパターンをマスクにしてエッチングによって反応防止膜を限定的に形成し、その後、反応防止膜およびコンタクト層を被覆する電極層を堆積することができる。
上記の方法によって、画素電極のオーミック接触の確保、および画素電極の裏面の平滑な金属面の保持、の両方を、大きな工程付加を行うことなく、また通常の材料を用いて簡単に実現することができる。
【００１７】
プレーナ型の受光素子を製造する場合において、コンタクト層を形成したあと、反応防止膜を形成する前に、選択拡散マスクパターンを形成し、次いで、加熱をしながら不純物を該選択拡散マスクパターンの開口部から選択拡散し、その後で、反応防止膜を限定的に設けるとき、まず反応防止膜の層で全体を被覆したのち、レジストパターンを反応防止膜が形成される領域を該レジストパターンの被覆部が被覆するように形成して、次いでエッチングによってレジストパターンの被覆部以外の部分を除去することで、該反応防止膜を限定的に形成することができる。
上記の選択拡散マスクパターンを形成する材料は、通常の場合、選択拡散の際の加熱によってエッチングされにくい材質に変質する。すなわち選択拡散を加熱しながら行うことで、その選択拡散マスクパターンはエッチングされにくくなっている。このため、反応防止層に対するエッチングにより不要部を除去するとき、選択拡散マスクパターンを被覆している反応防止層のみを容易に除去することができる。この結果、比較的簡単に反応防止層を限定的に形成することができる。なお、上記の選択拡散マスクパターンは、そのまま残されて保護膜（パッシベーション膜）として用いられる。
【００１８】
メサ構造を有する受光素子を製造する場合において、コンタクト層を形成したあと、反応防止膜を形成する前に、エッチングによって画素電極が形成される領域を取り囲むように溝を設けてメサ構造を形成し、画素電極が設けられる領域以外の領域のコンタクト層、およびメサ構造の溝の壁を被覆する保護膜を形成して、その後で、反応防止膜を限定的に設けるとき、まず反応防止膜の層で全体を被覆したのち、レジストパターンを反応防止膜が形成される領域を該レジストパターンの被覆部が被覆するように形成して、次いでエッチングによってレジストパターンの被覆部以外の部分を除去することで、該反応防止膜を限定的に形成することができる。  
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、感度上昇のためのコスト増大がほとんどない、高い感度を有する受光素子、その製造方法および光学装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１における受光素子を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はコンタクト層／反応防止膜／画素電極の部分拡大図、である。
【図２】図１の受光素子のタイプ２ＭＱＷのエネルギバンドを示す図である。
【図３】製造方法を示し、（ａ）は選択拡散マスクパターン３６の開口部からＺｎを選択拡散した段階、（ｂ）は反応防止膜の層８ａを堆積した段階、（ｃ）は選択エッチングにより反応防止膜８を形成した段階、（ｄ）は画素電極１１の金属層を堆積し、オーミック接触を実現するための熱処理を施した段階、（ｅ）は基板裏面にグランド電極１２と反射防止膜３５を形成した段階、を示す図である。
【図４】図１の受光素子の画素電極の裏面の平面図である。
【図５】本発明の実施の形態２における受光素子を示し、（ａ）は受光層３の下層３ｃおよびバッファ層２がともにある場合、（ｂ）は受光層３の下層３ｃのみがあり、バッファ層２がない場合、を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態３における受光素子を示し、（ａ）は受光層の下層３ｃおよびバッファ層がともにある場合、（ｂ）は受光層の下層３ｃのみがあり、バッファ層２がない場合、を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態４における受光素子および光学装置を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は部分拡大図、（ｃ）は画素電極の裏面の平面図、である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における受光素子１０を示し、（ａ）は受光素子１０の断面図、（ｂ）はコンタクト層５／反応防止膜８／画素電極１１／選択拡散マスクパターン３６、が交差する部分の拡大図である。ＩｎＰの基板１には、バッファ層２／タイプ２（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）ＭＱＷの受光層３／拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰコンタクト層５、からなるエピタキシャル積層体が形成されている。本実施の形態における受光素子１０は、プレーナ型ｐｉｎフォトダイオードであり、選択拡散マスクパターン３６の開口部から選択拡散されたｐ型不純物であるＺｎによって、ｐ型領域６が形成され、そのフロントにｐｎ接合１５が形成されている。選択拡散に用いられたマスクパターン３６は、そのまま残されて保護膜３６となっている。画素電極１１はコンタクト層５のｐ型領域にオーミック接触している。また、対をなすグランド電極１２はｎ型ＩｎＰの基板１の裏面にオーミック接触している。光入射面はＩｎＰの基板１の裏面であり、その裏面に反射防止（ＡＲ:Anti  Reflection）膜３５が配置されている。
【００２２】
＜本発明のポイント＞
本発明の特徴は、画素電極１１をコンタクト層５のｐ型領域６にオーミック接触させながら、コンタクト層５と画素電極１１との間の限定領域に、反応防止膜８を配置した点にある。図１（ｂ）に示すように、画素電極１１とコンタクト層５のｐ型領域６とのオーミック接触は、両者の界面Ｊによって実現される。この界面Ｊは、画素電極１１をＡｕＺｎまたはＴｉＰｔなどで形成したあと、オーミック接触を実現するための熱処理（たとえば窒素雰囲気中で３４０℃×１分間）によって形成される。界面Ｊでは、熱処理によって、化学反応が進行し、ｐ型領域６内にアンカー状もしくは樹枝状に突起が出て、いちじるしい凹凸面を呈する。逆にこのような凹凸面ができることで、はじめてオーミック接触が実現する。このようなアンカー状突起または樹枝状突起などが形成された激しい凹凸面Ｊは、粗面となり、光を反射する反射面として機能することはない。
図１（ｂ）には、画素電極１１の裏面Ｋもあわせて示されている。裏面Ｋは、反応防止膜８が配置されることで、画素電極１１が、コンタクト層５のｐ型領域６ではなく反応防止膜８に接触する。反応防止膜８は、窒化珪素（ＳｉＮ）膜、酸窒化珪素（ＳｉＯＮ）膜、および酸化珪素（ＳｉＯ２）膜、のうちの少なくとも一つで形成されていて、画素電極１１を構成するＡｕＺｎやＰｔＴｉなどとはほとんど化学反応しない。または化学反応を抑えて、凹凸を抑制する。このため、画素電極１１の裏面Ｋは、平滑な、または平滑に近い金属面を保持することができる。この平滑な金属面Ｋは、光に対して反射面として働く。また、上記のＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜もしくはＳｉＯ２膜は、近赤外〜遠赤外域の光に対して透明である。
光入射面であるＩｎＰ基板の裏面に入射された光は、受光層３中で、まず受光される。受光層３で受光された分、光の強度は低下するが、比較的大きな割合で受光されない光が残り、そのまま受光層３から拡散濃度分布調整層４を通り抜けてコンタクト層５から、上記した透明な反応防止膜８を透過して金属面Ｋに到達する。金属面Ｋは反射面として機能するので、到達した光は金属面Ｋで反射して、受光層３へと戻される。このため往路だけでなく、反射後の復路において受光層３を通る。この復路においても受光される機会は往路と同じ割合である。したがって、本発明では、画素電極１１の領域の一定割合（限定領域）を平滑な金属面Ｋとすることで、この金属面Ｋを反射面として利用して、往路だけの一方通行で通り過ぎてしまうのではなく、反射後の復路においても受光層３で受光機会を得ることができる。この結果、受光感度を向上させることができる。
上記の画素電極１１の裏面における反射面または金属面Ｋは、画素電極１１の中央を含む領域に設けて、オーミック接触を確保する凹凸の領域Ｊは、画素電極１１の周縁部に設けるのがよい。画素電極１１は、平面的に見て画素領域の中心に配置されるので、金属面Ｋがその中央に位置することで、反射された光が無駄になる割合を低くして受光層３を通ることができる。その上で、画素電極１１の周縁部は長さがあり面積を取りやすいので電気抵抗を下げることが容易となる。
上記の反応防止膜８の材料である、ＳｉＮ膜などは日常的に使用される安価な材料であり、かつ反応防止膜８の形成もしくは金属面Ｋの形成には、このあと製造方法において説明するように、大きな工程変更または追加は必要ない。このため、良好な経済性の下、簡単に感度を向上させることができる。
【００２３】
つぎに、本実施の形態での受光素子１０の受光層３が、タイプ２（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）ＭＱＷで構成される場合、上記の金属面Ｋからなる反射面がどれほど重要か、その位置付けについて説明する。
受光素子１０に入射した光は、受光層３で吸収されて電子正孔対を生成して電流として出力される。感度を上げるには、吸収の機会を増やすために受光層３の厚みを厚くする必要がある。とくに受光層３がタイプ２ＭＱＷ、たとえば上記の（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）ＭＱＷで構成されている場合、タイプ２の遷移に基づく光吸収確率は、上記のように低いため、高感度を得るためには、ＭＱＷのペア数を２００ペア以上にする必要がある。しかし、受光層３を厚く、またはＭＱＷのペア数を多くすると結晶品質が低下しやすくなり、高品質のエピタキシャル成長が難しくなる。また、図２に示すように、受光層３がＭＱＷで構成される場合、光吸収によって生成した電子および正孔がそれぞれの電極に到達するまでにＭＱＷのエネルギの凹凸を乗り越えなければならない。ＭＱＷのペア数が増えると乗り越えなければならないエネルギの凹凸が増え、途中で消滅して感度に寄与しなくなる。
【００２４】
この点を、図２により詳しく説明する。ＩｎＰの基板１の裏面から入射した光は、受光層３で吸収されて、電子（図２でマイナス符合）と正孔（図２でプラス符合）とを生成する。ＩｎＰの基板１に近い部分で生成した正孔は画素電極（ｐ側電極）１１に到達するまでにＭＱＷのバンドエネルギの凹凸を乗り越えなければならず、途中で消滅するものが多くある。特に正孔は電子に比べて有効質量が大きいのでＭＱＷを抜け出せない割合が大きい。途中での消滅を防ぐにはＭＱＷのペア数は少ないほど有利であるが、ペア数が少ないと受光層３での受光そのものが減るので感度が低下する。
そこで、本実施の形態では、受光層３の厚みがある程度薄くても、吸収されずに通過した光を、光入射面と対向するように位置する画素電極１１の裏面に形成した平滑な金属面Ｋで反射させて受光層３に戻すようにする。これによって、反射した光は、受光層３へと戻され、再び受光機会を得ることができる。すなわち往路の一方通行だけでなく、さらに復路において受光機会を得ることで感度を高めることができる。
【００２５】
つぎに図３（ａ）〜（ｅ）により製造方法について説明する。図３（ａ）は、図１（ａ）に示すプレーナ型ｐｉｎフォトダイオードの製造において、ｐｎ接合などを形成するために、選択拡散マスクパターン３６の開口部からｐ型不純物であるＺｎを選択拡散してｐ型領域６を形成した段階を示す図である。選択拡散マスクパターン３６は、ＳｉＮなどにより厚み１００ｎｍ程度に、プラズマＣＶＤ(Chemical  Vapor  Deposition)法などで形成される。
なお、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３内において、不純物元素が選択拡散で導入される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、上記拡散導入された不純物領域と当該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接合またはｎｉ接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。
受光層３は、タイプ２（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）ＭＱＷであり、厚みは、ＧａＡｓＳｂ５ｎｍ、ＩｎＧａＡｓ５ｎｍである。ペアの総数は１４５ペアであり、上述のように従来のペア数（２００ペア以上）よりもペア数を少なくすることができる。この結果、結晶品質を良好にでき、さらに消滅する正孔の割合を小さくすることができる。この結果、厚みの最適化条件を薄いほうにしながら、全体として感度を高めることができる。また、製造時に、工数を減らすなどのメリットを得ることができる。
次に、図３（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法などで厚み２０ｎｍ程度のＳｉＮ層の反応防止膜の層８ａを堆積する。選択拡散マスクパターン３６と同じ材料であるが、厚みはその１／５程度と薄い。反応防止膜を形成するために、図示しないレジストパターン被覆部を反応防止膜の領域に重なるように配置して、図３（ｃ）に示すように選択エッチングにより、反応防止膜８となる部分を残すように、残余を除去する。Ｚｎの選択拡散には４８０℃から５２０℃で３０分から４０分間の加熱が必須である。この選択拡散における程度の加熱を経たＳｉＮ（選択拡散マスクパターン３６）はエッチングされにくくなる。このため、バッファードフッ酸によりエッチングすることで、選択拡散マスクパターン３６はエッチングされず、選択拡散の熱処理のあとに堆積したＳｉＮ層の反応防止膜の層８ａのみがエッチングされる。この段階で、コンタクト層５のｐ型領域６の表面に反応防止膜８が形成される。
次いで、画素電極１１を形成するために、図３（ｄ）に示すように、ＡｕＺｎを電子ビーム蒸着によって蒸着し、そのあと、オーミック接触を実現するために窒素雰囲気中で３９０℃×１分間の熱処理を施す。この熱処理によって、画素電極１１は、反応防止膜８と接する裏面では金属面Ｋが形成されて反射面となる。また、画素電極１１がコンタクト層５のｐ型領域６と接する領域では、化学反応が進行して凹凸面の領域Ｊが形成されて、オーミック接触を実現する。このあと、図３（ｅ）に示すように、光入射面となるＩｎＰの基板１の裏面に、ＳｉＯＮなどからなるＡＲ膜３５をプラズマＣＶＤ法により配置する。さらに、ｐ側電極である画素電極１１と対をなすｎ側電極であるグランド電極１２を、ＩｎＰの基板１裏面の周縁部にＡｕＧｅＮｉを蒸着することで形成する。このあと、グランド電極１２のオーミック接触を実現ずるために、３４０℃×１分間の熱処理を施す。選択拡散マスクパターン３６は、このままの状態で残して、保護膜またはパッシベーション膜として利用する。
なお、画素電極１１の裏面における凹凸領域Ｊは、厳密には、グランド電極１２のオーミック接触実現のために行う熱処理の熱履歴も影響する。しかし、画素電極１１では、３９０℃の熱処理であり、グランド電極１２に対する熱処理よりも約５０℃高いので、凹凸領域Ｊはほとんど画素電極１１に対する熱処理によって形成される。
上記の製造により、図４に示すように、画素電極１１の裏面には、周縁部はオーミック接触を実現する凹凸領域Ｊ、それに囲まれる中央部は平滑または平滑に近い金属面Ｋ、が形成される。
【００２６】
（実施の形態２）
図５（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態２における受光素子１０を示す図である。画素電極１１の下部に反応防止膜８を有している。凹凸領域Ｊでオーミック接触を実現しながら、平滑または平滑に近い金属面Ｋを反射面として感度を向上させる点で、実施の形態１と共通する。この結果、比較的、タイプ２（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）ＭＱＷの受光層３のペア数を比較的少なくしながら、感度向上の最適化のペア数を選ぶことができる。
本実施の形態では、受光素子１０はプレーナ型ではなく、メサ構造を有し、さらに受光層の構成が異なっている。メサ構造では、メサ壁面にｐｎ接合が露出するとリーク電流の原因となるので、パッシベーション膜３７で壁面および画素電極１１の周りのコンタクト層５を被覆することが重要である。
【００２７】
本実施の形態における受光層の構造はつぎのとおりである。
＜半導体基板１＞：Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板
＜バッファ層２＞（ｎ＋型）：バッファ層２は、受光層の下層３ｃがある場合は、あってもよいし、又は、なくてもよい。バッファ層２を設ける場合は、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰ、いずれも厚みは０．５μｍからなるバッファ層２とする。
＜受光層３＞：受光層の下層３ｃ（ｎ＋型）：（ＧａＡｓＳｂ（５ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ））ＭＱＷ、３０ペア
図５（ａ）は、受光層の下層３ｃおよびバッファ層２がともにある場合を示し、また図５（ｂ）は受光層の下層３ｃのみがあり、バッファ層２がない場合を示す。図５（ａ）において、受光層の下層３ｃがなくて、受光層３は中層３ｂと上層３ａだけで構成される場合もある。
受光層の中層３ｂ（ｉ型）：（ＧａＡｓＳｂ（５ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ））ＭＱＷ、９０ペア
受光層の上層３ａ（ｐ＋型）：（ＧａＡｓＳｂ（５ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ））ＭＱＷ、２５ペア
＜コンタクト層５＞：（ｐ＋型）：ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰ、いずれも厚み０．６μｍ
＜グランド電極１２＞：半導体基板１をＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板としたので、ｎ側電極であるグランド電極１２は、ｎ＋型バッファ層２または受光層の下層３ｃに設けられ、オーミック接触を実現している。
＜パッシベーション膜３７＞：ＳｉＯ２で厚みは０．３μｍ。プラズマＣＶＤ法により形成する。
ＡＲ膜３５はＳｉＯＮで形成されている。画素電極１１およびグランド電極１２の材料は、実施の形態１と同じである。
【００２８】
画素電極１１と受光層３との距離は短いほど、画素電極１１で反射した光が無駄を少なくして受光層３へと戻されやすい。メサ構造のほうが、選択拡散で画素間を分離するプレーナ型よりも、画素電極１１と受光層３との距離を短くできる。このため、反射した光を、無駄を少なく使用できるという点でメサ構造のほうが好ましい。
【００２９】
（実施の形態３）
図６（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態３における受光素子１０を示す図である。画素電極１１の下部に反応防止膜８を有し、凹凸領域Ｊでオーミック接触を実現しながら、平滑または平滑に近い金属面Ｋを反射面として感度を向上させる点で、実施の形態１および２と共通する。また、本実施の形態では、受光素子１０はプレーナ型ではなく、メサ構造を有する点で実施の形態２と共通する。本実施の形態では受光層３を構成するＭＱＷの材料が異なっている。
【００３０】
本実施の形態における受光層の構造はつぎのとおりである。
＜半導体基板１＞：ノンドープＧａＳｂ基板（ｐ型）
とくに不純物をドープしないがｐ型となる。
＜バッファ層２＞（ｐ＋型）：バッファ層２は、受光層の下層３ｃがある場合は、あってもよいし、又は、なくてもよい。バッファ層２を設ける場合は、ＧａＳｂ層、いずれも厚み０．５μｍからなるバッファ層２とする。
＜受光層３＞：
受光層の下層３ｃ（ｐ＋型）：（ＩｎＡｓ（３．６ｎｍ）／ＧａＳｂ（２．１ｎｍ））ＭＱＷ、３０ペア
図６（ａ）は、受光層の下層３ｃおよびバッファ層がともにある場合を示し、また図６（ｂ）は受光層の下層３ｃのみがあり、バッファ層２がない場合を示す。図６（ａ）において、受光層の下層３ｃがなくて、受光層３は受光層の中層３ｂと受光層の上層３ａだけで構成される場合もある。
受光層の中層３ｂ（ｉ型）：（ＩｎＡｓ（３．６ｎｍ）／ＧａＳｂ（２．１ｎｍ））ＭＱＷ、１９０ペア
受光層の上層３ａ（ｎ＋型）：（ＩｎＡｓ（３．６ｎｍ）／ＧａＳｂ（２．１ｎｍ））ＭＱＷ、３０ペア
＜コンタクト層５＞：（ｎ＋型）：ＩｎＡｓ層、厚み０．０２μｍ
＜画素電極１１＞：Ｔｉ／Ｐｔを蒸着したあと、２００℃×１分間の熱処理を施して、周縁部Ｊにおいてオーミック接触を実現する。画素電極はｎ側電極である。
＜グランド電極１２＞：ｐ側電極であるグランド電極１２は、ｐ＋型バッファ層２または受光層の下層３ｃに設けられ、オーミック接触を実現している。Ｔｉ／Ｐｔを蒸着したあと、２００℃×１分間の熱処理を施して、オーミック接触を実現する。
基板１の裏面に設けられたＡＲ膜はＤＬＣ（Diamond  Like  Carbon）で形成されている。
【００３１】
本実施の形態では、ＧａＳｂの基板１を用い、タイプ２（ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ）ＭＱＷを受光層３とする。タイプ２（ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ）ＭＱＷは、実施の形態１および２のタイプ２（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）よりも長波長側に感度をもち、中赤外域の光を受光することができる。この場合、実施の形態１において詳細に説明した画素電極１１の下に設けた反応防止膜８に起因する金属面Ｋにより、中赤外域の光に対して高い感度を確保することができる。
【００３２】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４における光学装置５０を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は部分拡大図、（ｃ）は受光素子１０における画素電極１１の裏面の平面図、である。本実施の形態の受光素子１０では、画素Ｐが複数、アレイ状に配置されている。このように複数の画素が配列（一次元または二次元）されている場合でも、上記の金属面Ｋによる反射の作用は、受光素子１０において確実に発揮される。
実施の形態１〜３は、画素が一つの例の場合を図示したが、上記実施の形態１〜３において画素が、図７（ａ）に示すように、複数、配列されていると解釈してもよい。
【００３３】
光学装置５０は、受光素子１０と読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read  Out  IC）７０とから構成される。画素Ｐごとに画素電極１１は、バンプ１９／バンプ７９、を介在させて、読み出し回路７０の読み出し電極７１に接続されている。受光素子１０におけるエピタキシャル層構造は、図１に示す実施の形態１の受光素子１０と同じであり、また、ＩｎＰの基板１の裏面を光入射面としている。
図７（ｂ）に示すように、画素電極１１とコンタクト層５のｐ型領域６との間の限定領域に反応防止膜８が配置され、平滑な、または平滑に近い金属面Ｋが形成されている。この金属面Ｋを取り囲むように円周状に凹凸領域Ｊが位置している。凹凸領域Ｊによって画素電極１１のコンタクト層５へのオーミック接触を実現しながら、金属面Ｋにより、受光層３を一度通ってきた光を反射して受光層３へと戻すことで受光機会を与えて感度を高めることができる。
【００３４】
図７（ｃ）は、画素Ｐが二次元配列した場合の画素電極１１の裏面を示す平面図である。簡単な製造工程の変更によって、画素Ｐごとに感度を向上させる金属面Ｋ、および画素Ｐごとにオーミック接触を実現する凹凸領域Ｊを形成することができる。オーミック接触を実現する凹凸領域Ｊを確実に確保することがポイントになるが、画素Ｐピッチ３０μｍ程度であれば現状の寸法精度上、確実に所定の面積の凹凸領域Ｊを形成することができる。
【００３５】
（その他の実施の形態）
受光素子は、ｐｉｎフォトダイオードのみを示したが、受光層内に当該受光層の導電帯の底より高い導電帯の底をもつ挿入層を有する、いわゆるｎＢｎ構造の受光層であってもよい。すなわちｎＢｎ構造の受光層を有していても、本発明における金属面Ｋおよび凹凸領域Ｊの効果は問題なく発揮することができる。したがってｎＢｎ構造の受光層を備える受光素子を含む。
また、受光層はタイプ２ＭＱＷのみを例示したが、ＭＱＷに限定されず、単一層の受光層に対しても有効である。
【００３６】
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】
【００３７】
本発明の受光素子等によれば、反応防止膜を画素電極の下の限定領域に配置することで、該画素電極のオーミック接触を確保しながら反射面による感度向上を得ることができる。この構造を形成する製造方法はとくに大掛かりな工程変更は必要なく、また使用する材料も既存の材料である。上記の反射面による感度向上により、たとえば受光層をタイプ２ＭＱＷで構成した場合、従来の最適ペア数より少ないペア数によって、より高い受光感度を得るとともに、結晶品質の向上によって暗電流等も減らすことができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  基板、２  バッファ層、３  受光層、３ａ  受光層の上層、３ｂ  受光層の中層、３ｃ  受光層の下層、４  拡散濃度分布調整層、５  コンタクト層、６  ｐ型領域、８  反応防止膜、８ａ  反応防止膜の層、１０  受光素子、１１  画素電極、１２  グランド電極、１５  ｐｎ接合、１９  バンプ、３５  反射防止膜、３６  選択拡散マスクパターン、３７  パッシベーション膜、５０  光学装置、７０  読み出し回路、７１  読み出し電極、７９  バンプ、Ｊ  凹凸領域、Ｋ  金属面（反射面）、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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