(57)【要約】【課題】受光感度の低下を防止できる受光素子を提供する。【解決手段】本発明に係る受光素子は、基板と、受光領域を有する半導体メサと、を備え、受光領域は、超格子構造を有する第一受光層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む第二受光層とを有し、第一受光層及び第二受光層は、基板上に積層され、半導体メサは、当該半導体メサの上面から第二受光層を貫通して第一受光層に到達するｐ型半導体領域を有し、第一受光層及び第二受光層は、当該第一受光層及び当該第二受光層とｐ型半導体領域との境界にＰＮ接合を有し、ＰＮ接合は、第一受光層及び第二受光層において、半導体メサの側面から離れている。【選択図】図１
2016213251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
受光領域を有する半導体メサと、
を備え、
前記受光領域は、半導体超格子構造を有する第一受光層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む第二受光層とを有し、
前記第一受光層及び前記第二受光層は、この順に前記基板上に配列され、
前記半導体メサは、当該半導体メサの上面から前記第二受光層を貫通して前記第一受光層に到達するｐ型半導体領域を有し、
前記半導体メサは、前記第一受光層及び前記第二受光層に設けられ前記ｐ型半導体領域に係るＰＮ接合を有し、
前記ＰＮ接合は、前記第一受光層において、前記半導体メサの側面から離れている、受光素子。
【請求項２】
前記ｐ型半導体領域のキャリア濃度が、前記第一受光層と前記第二受光層との界面において２×１０１６ｃｍ−３以下である、請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記受光領域上にコンタクト層を備え、
前記コンタクト層は、ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含み、
前記コンタクト層のキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上である、請求項１又は請求項２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記第一受光層が、タイプＩＩ型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造を有する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の受光素子。
【請求項５】
前記第二受光層が、ＩｎＧａＡｓを含む、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、受光素子アレイを開示する。この受光素子アレイは、半導体メサを有する受光素子の配列を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１４４２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
受光素子アレイの半導体メサは、基板上に積層された光吸収層及び窓層のための半導体層をエッチングして形成されるので、半導体メサ内の光吸収層のＰＮ接合が半導体メサの側面に到達する。これ故に、このＰＮ接合に係る空乏層も半導体メサの側面に到達する。この半導体メサでは、光吸収層における光吸収によって生成されたキャリアのうち一方（例えばホール）が、半導体メサの側面に移動して、表面準位にトラップされた電子と半導体メサの側面で再結合する。この再結合に伴って、光電流に係るホールが消失して、受光素子の受光感度が低下する。
【０００５】
本発明は、上記の事情を鑑みて為されたものであり、受光感度の低下を防止できる受光素子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】
本発明に係る受光素子は、（ａ）基板と、（ｂ）受光領域を有する半導体メサと、を備え、前記受光領域は、半導体超格子構造を有する第一受光層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む第二受光層とを有し、前記第一受光層及び前記第二受光層は、この順に前記基板上に配列され、前記半導体メサは、当該半導体メサの上面から前記第二受光層を貫通して前記第一受光層に到達するｐ型半導体領域を有し、前記半導体メサは、前記第一受光層及び前記第二受光層に設けられ前記ｐ型半導体領域に係るＰＮ接合を有し、前記ＰＮ接合は、前記第一受光層において、前記半導体メサの側面から離れている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、受光感度の低下を防止できる受光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る受光素子を模式的に示す図である。
【図２】第１実施形態に係る半導体メサ内においてバイアス電圧の印加によって拡大した空乏層を模式的に示した図である。
【図３】第１実施形態に係る受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図である。
【図４】第１実施形態に係る受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図である。
【図５】第１実施形態に係る受光素子の半導体メサにおけるＺｎプロファイルを示した図である。
【図６】第一受光層及び第二受光層との半導体層構造を示すバンドダイアグラムを示す図である。
【図７】半導体メサの側面に到達するｐ型半導体領域を有する受光素子を模式的に示す図である。
【図８】図７の受光素子における空乏層幅とバイアス電圧との関係のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】図７の受光素子における暗電流密度と周囲長／面積との関係を示す図である。
【図１０】選択拡散しない受光素子における空乏層幅とバイアス電圧との関係のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明に係る受光素子は、（ａ）基板と、（ｂ）受光領域を有する半導体メサと、を備え、前記受光領域は、半導体超格子構造を有する第一受光層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む第二受光層とを有し、前記第一受光層及び前記第二受光層は、この順に前記基板上に配列され、前記半導体メサは、当該半導体メサの上面から前記第二受光層を貫通して前記第一受光層に到達するｐ型半導体領域を有し、前記半導体メサは、前記第一受光層及び前記第二受光層に設けられ前記ｐ型半導体領域に係るＰＮ接合を有し、前記ＰＮ接合は、前記第一受光層において、前記半導体メサの側面から離れている。
【００１０】
この受光素子によれば、第一受光層及び第二受光層が光吸収に応答して光電流を生成する。半導体メサが、ｐ型半導体領域に係るＰＮ接合を第一受光層及び第二受光層内に有するので、光生成された電子・ホール対のうちホールは、空乏層に起因して半導体メサの側面に移動しない。半導体メサの側面から離れたＰＮ接合は、ホールが半導体メサ側面の表面トラップ準位の電子と再結合することを減少させる。キャリア再結合の低減によって受光感度の低下が避けられる。また、半導体メサ内のＰＮ接合は半導体メサの側面から離れて半導体メサ内に設けられるので、ＰＮ接合に係る空乏層は半導体メサの側面に到達しない。このため、空乏層に起因するリーク電流が半導体メサの側面において減少して、受光素子の暗電流が低減する。
【００１１】
上記の受光素子では、前記ｐ型半導体領域のキャリア濃度が、前記第一受光層と前記第二受光層との界面において２×１０１６ｃｍ−３以下であってもよい。この受光素子によれば、低バイアスの印加によっても第一受光層に空乏層が広がる。
【００１２】
上記の受光素子では、前記受光領域上にコンタクト層を備え、前記コンタクト層は、ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含み、前記コンタクト層のキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上であってもよい。この受光素子によれば、コンタクト層は、ｐ電極にオーミック接触を成すことができる。
【００１３】
上記の受光素子では、前記第一受光層が、タイプＩＩ型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造を有してもよい。この受光素子によれば、波長２μｍ近傍の赤外光が吸収されることができる。
【００１４】
上記の受光素子では、前記第二受光層が、ＩｎＧａＡｓを含んでもよい。この受光素子によれば、波長２μｍ近傍及び当該波長より短波長領域の光を吸収することができる。
【００１５】
いくつかの実施形態に係る受光素子を、以下に図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は、第１実施形態に係る受光素子を模式的に示す図である。受光素子アレイ２は、一次元又は二次元の受光素子１の配列を含む。図１の（ａ）部は、受光素子アレイ２の平面図を示し、本実施例では、９個の受光素子配列を示している。図１の（ｂ）部は、図１の（ａ）部に示されるＩｂ−Ｉｂ線に沿ってとられた断面図である。図１には直交座標系ＳＲが描かれている。
【００１７】
図１の（ｂ）部に示されるように、受光素子１は、基板１０と半導体メサ２０とを備える。基板１０は、例えば、半導体基板であることができ、半導体基板は、例えば、ＩｎＰ基板であることができる。半導体メサ２０は、受光領域３０を含み、この受光領域３０は、例えば、半導体超格子構造を有する第一受光層３１と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む第二受光層３２とを有する。第一受光層３１及び第二受光層３２は、基板１０の上に、この順で積層される。第一受光層３１は、例えば、タイプＩＩ型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造を有しており、ＩｎＧａＡｓ層３１ａ及びＧａＡｓＳｂ層３１ｂは、交互に積層されて、半導体超格子構造を成す。この半導体超格子構造は、波長２μｍ及びその近傍の波長領域（例えば、１．０〜２．３５μｍ）の赤外光吸収を可能にする。ＩｎＧａＡｓ層３１ａの厚さは、例えば、２ｎｍ〜６ｎｍであり、ＧａＡｓＳｂ層３１ｂの厚さは、例えば、２ｎｍ〜６ｎｍである。ＩｎＧａＡｓ層３１ａとＧａＡｓＳｂ層３１ｂとの超格子構造の繰り返し数は、例えば１００層〜３５０層である。第一受光層３１の全体の厚さは、例えば２．５μｍである。半導体超格子構造は、上記の材料に限定されることなく、ＩｎＧａＡｓＳｂ層等であることができる。第二受光層３２は、例えば、ＩｎＧａＡｓ層であることができる。受光素子１は、ＩｎＧａＡｓ層を有するので、波長２μｍ近傍及び当該波長より短波長領域（例えば、１．０〜１．７μｍ）の光を吸収することができる。第二受光層３２の厚さは、例えば０．１μｍ以上であり、本実施例では、例えば０．５μｍであることができる。第二受光層３２は、ＩｎＧａＡｓに限定されることなく、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂを含むことができる。
【００１８】
半導体メサ２０は、ｐ型半導体領域２１を有する。このｐ型半導体領域２１のｐ型ドーパントは、例えばＺｎを含む。半導体メサ２０において、ｐ型半導体領域２１は、半導体メサ２０の上面２０Ａから第二受光層３２を貫通して第一受光層３１に到達する。半導体メサ２０は、第一受光層３１及び第二受光層３２とｐ型半導体領域２１との境界にＰＮ接合２２を有する。ＰＮ接合２２は、第一受光層３１及び第二受光層３２において、半導体メサ２０の側面２０Ｂから離れている。
【００１９】
第一受光層３１及び第二受光層３２の構造を具体的に説明する。第一受光層３１及び第二受光層３２は、それぞれ第１領域３１ｐ及び第２領域３２ｐを有する。また、第一受光層３１及び第二受光層３２は、それぞれ第３領域３１ｑ及び第４領域３２ｑを有する。第１領域３１ｐ及び第２領域３２ｐは、ＰＮ接合２２の内側に位置する。第１領域３１ｐは、第２領域３２ｐと界面３４ｐを成している。第３領域３１ｑ及び第４領域３２ｑは、ＰＮ接合２２の外側に位置し、半導体メサ２０の側面２０Ｂに到達している。第３領域３１ｑは、第４領域３２ｑと界面３４ｑを成している。第１領域３１ｐは第３領域３１ｑと接合して、ＰＮ接合２２の一部を成し、第２領域３２ｐは第４領域３２ｑと接合して、ＰＮ接合２２の一部を構成する。第一受光層３１において、第１領域３１ｐは、第３領域３１ｑに囲まれることによって、半導体メサ２０の側面２０Ｂから離されている。第３領域３１ｑは、第１領域３１ｐの側面だけでなく底面にも接して、ＰＮ接合２２の一部を構成している。第二受光層３２において、第２領域３２ｐは、第４領域３２ｑに囲まれることによって、半導体メサ２０の側面２０Ｂから離されている。
【００２０】
受光素子１では、受光領域３０は、必要に応じて、第二受光層３２の上にコンタクト層３３を更に有する。コンタクト層３３は、ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含み、例えば、ｐ型ＩｎＧａＡｓ、ｐ型ＧａＡｓＳｂ等であることができる。
【００２１】
半導体メサ２０内の第一受光層３１、第二受光層３２、及びコンタクト層３３の厚さの範囲をまとめると、以下の通りである。
各層の名称、厚さの範囲。
第一受光層、０．４〜４．２μｍ。
第二受光層、０．１〜１．５μｍ。
コンタクト層、０．１〜１．０μｍ。
【００２２】
図１の（ｂ）部は、Ｚｎプロファイルを図示している。具体的には、図１の（ｂ）部は、半導体メサ２０のｐ型半導体領域２１におけるＺｎプロファイルＣ１、及び半導体メサ２０のｐ型半導体領域２１の外側におけるＺｎプロファイルＣ２を示している。ＺｎプロファイルＣ１は、コンタクト層３３から、半導体メサ２０の深さ方向に、第２領域３２ｐ、界面３４ｐ、及び第１領域３１ｐを含む領域におけるＺｎ濃度を示す。ＺｎプロファイルＣ２は、コンタクト層３３から、半導体メサ２０の深さ方向に、第４領域３２ｑ、界面３４ｑ、及び第３領域３１ｑを含む領域におけるＺｎ濃度を示す。
【００２３】
ＺｎプロファイルＣ１では、Ｚｎ濃度は、コンタクト層３３から第二受光層３２への方向に急激に減少し、その後、第二受光層３２内において、ほぼ一定である。界面３４ｐ及びその近傍において、第二受光層３２のＺｎ濃度が、第二受光層３２内の他の領域におけるＺｎ濃度より大きくなっている。ＰＮ接合２２を超えて深い第一受光層３１内では、Ｚｎ濃度は実質的にゼロである。ＺｎプロファイルＣ２では、コンタクト層３３を超えて深くなると、Ｚｎ濃度は、急激に減少する。Ｚｎ濃度は、ＳＩＭＳ法の検出限界以下にまで減少して、実質的にゼロである。図１の（ｂ）部には、バックグラウンドレベルＢＧＣが示されており、ＺｎプロファイルＣ１及びＺｎプロファイルＣ２と、バックグラウンドレベルＢＧＣとの交差がＰＮ接合２２を表す。
【００２４】
半導体メサ２０内の各領域の名称と、各領域での少数キャリアの濃度とをまとめると、以下の通りである。
各領域の名称、キャリア名、キャリア濃度。
第１領域３１ｐ、ホール、１×１０１５ｃｍ−３〜２×１０１５ｃｍ−３。
第２領域３２ｐ、ホール、１×１０１５ｃｍ−３〜２×１０１５ｃｍ−３。
第３領域３１ｑ、電子、５×１０１３ｃｍ−３〜５×１０１４ｃｍ−３。
第４領域３２ｑ、電子、５×１０１３ｃｍ−３〜５×１０１４ｃｍ−３。
【００２５】
受光素子１では、第１領域３１ｐ及び第２領域３２ｐは、共にｐ型導電性を有する。第１領域３１ｐと第２領域３２ｐとの界面３４ｐ及びその近傍では、キャリア濃度が１×１０１６ｃｍ−３〜２×１０１６ｃｍ−３である。界面３４ｐ及びその近傍において、２×１０１６ｃｍ−３以下のキャリア濃度（ホール濃度）の範囲によれば、受光素子１の暗電流が低減される。これは、第１領域と第２領域との界面に適度な高さのエネルギー障壁があるためである。第３領域３１ｑ及び第４領域３２ｑは、共にアンドープ半導体から成るので、第３領域３１ｑと第４領域３２ｑとの界面３４ｑ及びその近傍では、キャリア濃度（電子濃度）の大きな変化はない。本実施例では、第３領域３１ｑ及び第４領域３２ｑは、共にｎ型導電性を有する。
【００２６】
半導体メサ２０は、第一受光層３１内に空乏層２３を有する。この空乏層２３は、バイアスの印加によって第一受光層３１に広がり、空乏層２３の広がりによって、第一受光層３１に良好な光吸収特性が実現する。第一受光層３１内では、ＰＮ接合２２が半導体メサ２０の側面２０Ｂの全体にわたって離れているので、半導体メサ２０の側面２０Ｂ近傍から半導体メサ２０の中央部の方向に、キャリア（ホール）を加速する電界が生じる。この電界によって、ホールは側面から中央部の方向に流れる。
【００２７】
受光素子１では、受光領域３０がコンタクト層３３を有すると、ｐ電極５１がコンタクト層３３の上に設けられる。コンタクト層３３のｐ型ドーパントは、例えばＺｎを含み、ｐ型ドーパント濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上であることができる。このため、ｐ型ドーパント濃度によって、コンタクト層３３は、ｐ電極５１にオーミック接触を成す。コンタクト層３３は、その高いドーパント濃度故に空乏化しないので、実質的に光電流を生成しない。受光領域３０は、必要に応じて、基板１０と第一受光層３１との間に、バッファー層を有することができる。バッファー層は、例えばｎ型ＩｎＰを含む。
【００２８】
本実施例では、半導体メサ２０は、基板１０の一部を含んでおり、また、例えば、円柱形状を有することができる。受光素子１は、パッシベーションのための誘電体膜４０を備え、この誘電体膜４０によって、基板１０の表面１０Ａ及び半導体メサ２０の上面２０Ａ及び側面２０Ｂが覆われる。誘電体膜４０は、例えばＳｉ系無機絶縁層を備え、より具体的には、例えばＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜、及びＳｉＯＮ膜からなる。本実施例では、誘電体膜としてＳｉＯ２膜が用いられる。誘電体膜４０は、半導体メサ２０の上面２０Ａに窓４１を有し、この窓４１には、コンタクト層３３が現れている。窓４１を介して、コンタクト層３３にｐ電極５１が接続される。ｐ電極５１は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを含む。基板１０の裏面１０Ｂには、反射防止膜５３が設けられる。この反射防止膜５３を通して、外部からの光が、受光素子１の裏面に入射する。ｎ電極５２は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを含む。本実施例では、ｎ電極５２は、基板１０の裏面１０Ｂ又はｎ型半導体領域に接触する。
【００２９】
図２は、第１実施形態に係る半導体メサ内においてバイアス電圧の印加によって拡大した空乏層を模式的に示した図である。空乏層２３は、逆バイアス電圧の印加に応答して広がり、１Ｖ程度の低バイアス電圧が印加されると、例えば、第一受光層３１内の破線２３Ａに到達することができる。受光素子１では、実用的なバイアス電圧の範囲において、空乏層２３が第一受光層３１内において半導体メサ２０の側面２０Ｂに到達しないように、ＰＮ接合２２が側面２０Ｂから離れている。
【００３０】
第一受光層３１内では、空乏層２３が半導体メサ２０の側面２０Ｂに到達しない一方で、第二受光層３２とコンタクト層３３との界面３５が側面２０Ｂに到達するので、第二受光層３２内では、空乏層２３が界面３５の縁において側面２０Ｂに到達する。しかし、第二受光層のバンドギャプは０．７５ｅＶであり、第一受光層３１のバンドギャップ０．４９ｅＶより大きいので、第二受光層３２（ＩｎＧａＡｓ結晶）の表面を漏れる暗電流は、第一受光層３１の暗電流に比べて１／１０程度である。また、空乏層２３が界面３５において半導体メサ２０の側面２０Ｂに到達しても、第一受光層３１内の空乏層２３の形状に大きな影響がなく、ＰＮ接合２２と側面２０Ｂとの距離は、第一受光層３１内において２μｍ〜５μｍである。この離間により、第一受光層３１内におけるリーク電流は低くなり、受光素子１は暗電流を低減できる。
【００３１】
受光素子１では、半導体メサ２０が、ｐ型半導体領域２１に係るＰＮ接合２２を第一受光層３１及び第二受光層３２内に有する。第一受光層３１及び第二受光層３２は光吸収に応答して光電流を生成し、また、光生成された電子・ホール対のうちホールは、空乏層２３の形状に係る電界の向きに起因して半導体メサ２０の側面２０Ｂに移動しない。半導体メサ２０の側面２０Ｂから離れたＰＮ接合２２は、ホールが半導体メサ側面の表面トラップ準位の電子と再結合することを減少させる。キャリア再結合の低減によって受光感度の低下が避けられる。また、半導体メサ２０内のＰＮ接合２２は半導体メサ２０の側面２０Ｂから離れて半導体メサ２０内に設けられるので、ＰＮ接合２２に係る空乏層２３は半導体メサ２０の側面２０Ｂに到達しない。このため、空乏層２３に起因するリーク電流が半導体メサ２０の側面２０Ｂにおいて減少して、受光素子１の暗電流が低減する。
【００３２】
図３及び図４は、第１実施形態に係る受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図である。以下、受光素子１を作製する方法を概略的に説明する。この説明において、理解を容易にするために、可能な場合には、図１に示された受光素子１の構成物の参照符号を用いる。
【００３３】
第１工程では、初めに、例えば、結晶成長用ＩｎＰウエハの半導体基板（引き続く説明では、「基板１０」と記す）を準備する。基板１０上に、受光領域３０を成長する。この成長には、例えば、有機金属気相エピタキシャル（ＯＭＶＰＥ）法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法が適用される。この成長では、図３の（ａ）部に示されるように、基板１０の主面上に、受光領域３０の第一受光層３１を成長する。第一受光層３１の成長では、ｎドープ又はアンドープのＩｎＧａＡｓ層３１ａとｎドープ又はアンドープのＧａＡｓＳｂ層３１ｂとを交互に成長して超格子構造を形成する。第一受光層３１の上には、第二受光層３２を成長する。第二受光層３２は、例えばｎドープ又はアンドープのＩｎＧａＡｓを含む。必要な場合には、第１工程では、第二受光層３２の上に、コンタクト層３３を成長する。コンタクト層３３は、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓを含む。第１工程では、更に必要に応じて、第一受光層３１の成長前に、基板１０の主面上に、バッファー層を成長してもよい。バッファー層は、例えばｎ型ＩｎＰを含む。これらの工程により、半導体積層が形成される。
【００３４】
第２工程では、図３の（ｂ）部に示されるように、半導体メサ２０を形成するためのマスク４２を受光領域３０上に形成する。初めに、コンタクト層３３上に、誘電体層が成長される。誘電体層は、例えばＳｉ系無機絶縁層を含み、より具体的には、例えばＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜、又はＳｉＯＮ膜を備える。本実施例では、誘電体層としてＳｉＯ２膜が用いられ、このＳｉＯ２膜は、例えばプラズマＣＶＤ法によって形成される。ＳｉＯ２膜の厚さは、例えば５００ｎｍである。次に、誘電体層上にレジストを塗布して、例えば、フォトリソグラフィー法によってレジストマスクを形成する。レジストマスクは、半導体メサ２０のメサ形成を規定する二次元配列パターンを有することができる。このパターンは、例えば、エッチングによって誘電体層に転写されて、誘電体層からマスク４２が形成される。これらの工程により、半導体積層上にマスク４２が形成される。
【００３５】
第３工程では、図３の（ｃ）部に示されるように、マスク４２を用いたエッチング（ウエットエッチング及び／又はドライエッチング）によって、半導体積層から半導体メサ２０を形成する。半導体メサ２０は、例えば誘導結合型反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）装置を用いたドライエッチングによって形成されることができる。エッチングガスとしては、例えばＳｉＣｌ４、ＨＣｌ、ＨＩ、Ｃｌ２、又はＢＣｌ３などのハロゲンガスが用いられる。このエッチングでは、第一受光層３１及び第二受光層３２に加えて、第一受光層３１の下に位置する半導体領域もエッチングされる。本実施例では、第一受光層３１の下の基板１０の上部もエッチングされて、この結果、半導体メサ２０は基板１０の一部を含む。半導体メサ２０の高さ２０Ｈは、０．７μｍ〜６．８μｍであることができ、例えば５μｍである。半導体メサ２０が円柱形状を有するとき、その円柱の直径２０Ｄは、例えば２５μｍである。これらの工程により、半導体基板生産物が形成される。
【００３６】
第４工程では、図３の（ｄ）部に示されるように、半導体メサ２０の形成の後に、マスク４２を除去する。本実施例では、マスク４２は、例えばフッ酸によって除去される。この後に、ダメージ層を除去する後処理（例えば、ウエットエッチング）が行われる。ダメージ層は、第３工程のドライエッチングによって半導体メサ２０の側面２０Ｂに形成される。ウエットエッチングのエッチャントは、例えば、リン酸過水（容積比、リン酸／過酸化水素水／水＝５０／１０／４００）であることができる。エッチング時間は、例えば３０秒である。
【００３７】
第５工程では、図４の（ａ）部に示されるように、ダメージ層を除去した後に、半導体基板生産物上に保護膜を成長する。保護膜は、例えば誘電体膜４０を含む。誘電体膜４０は、半導体メサ２０の上面２０Ａ及び側面２０Ｂと、基板１０の表面１０Ａとを覆う。誘電体膜４０は、例えばＳｉ系無機絶縁層を備える。本実施例では、例えば、誘電体膜４０はＳｉＯ２膜を含み、このＳｉＯ２膜が、例えばプラズマ化学気相成長（プラズマＣＶＤ）法によって形成される。ＳｉＯ２膜の厚さは、例えば５００ｎｍである。次に、例えばフォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて、選択拡散用の窓４１を誘電体膜４０に形成する。窓４１は、半導体メサ２０の上面２０Ａの上に位置し、窓４１の縁と、半導体メサ２０の側面２０Ｂの上縁との間隔４１Ｗは、例えば２μｍ以上である。窓４１の形状は、例えば、円形の二次元形状であることができる。窓４１の形状は、円形に限定されず、例えば正方形あるいは長方形などであることができる。
【００３８】
第６工程では、図４の（ｂ）部に示されるように、ｐ型半導体領域２１を形成する。ｐ型半導体領域２１は、例えば、リン化亜鉛を用いた気相拡散法によって形成される。気相拡散法では、Ｚｎが、窓４１から導入され、コンタクト層３３及び第二受光層３２を介して第一受光層３１に到達するように拡散される。このＺｎ拡散によって、半導体メサ２０の上面２０Ａから第一受光層３１まで連続したｐ型半導体領域２１が形成される。ｐ型半導体領域２１は、エピ成長された第一受光層３１及び第二受光層３２内にＰＮ接合２２を形成する。第一受光層３１内において、ＰＮ接合２２と半導体メサ２０の側面２０Ｂとの間隔は、窓４１の縁と、半導体メサ２０の側面２０Ｂの上縁との間隔４１Ｗに関連している。窓４１の縁の位置を半導体メサ２０の上面２０Ａの上縁から離すと、ｐ型半導体領域２１の側面が、半導体メサ２０の側面２０Ｂから離される。
【００３９】
第７工程では、図４の（ｃ）部に示されるように、電極及び反射防止膜の形成が行われる。フォトリソグラフィー技術と蒸着とを用いたリフトオフプロセスによってｐ電極５１が形成される。半導体メサ２０の上面２０Ａにｐ電極５１のためのレジストマスクを作成し、レジストマスク上にｐ電極５１のための金属膜を真空蒸着装置において蒸着する。金属膜をレジストマスクを用いてリフトオフすることにより、金属膜からｐ電極５１が形成される。また、ｎ電極５２が基板１０の裏面１０Ｂ又は半導体領域上に形成される。本実施例では、基板１０の裏面１０Ｂを鏡面研磨した後に、裏面１０Ｂ上にｎ電極５２が形成される。研磨後の基板１０の厚さは、例えば３５０μｍである。ｎ電極５２は、フォトリソグラフィー技術及び蒸着を用いたリフトオフプロセスにより形成されることができる。ｐ電極５１及びｎ電極５２は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕであることができる。鏡面研磨後の裏面１０Ｂ上には、反射防止膜５３が更に形成される。反射防止膜５３は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＭｇＦ２を含む。これらの工程により、半導体メサ２０を有する基板生産物３が形成される。基板生産物３をダイシング又はヘキ開などによって分割すると、受光素子１を含む受光素子アレイ２の作製が完了する。
【００４０】
図５は、第１実施形態に係る受光素子の半導体メサにおけるＺｎプロファイルを示す図である。図５の（ａ）部は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法によって測定された選択拡散後のＺｎプロファイルを示し、図５の（ｂ）部は、ＳＩＭＳ法によって測定された選択拡散前のＺｎプロファイルを示す図である。図５の（ａ）部のプロファイルは、図１の（ｂ）部に示したＺｎプロファイルＣ１に相当し、図５の（ｂ）部のプロファイルは、図１の（ｂ）部に示したＺｎプロファイルＣ２に相当する。
【００４１】
図５の（ａ）部及び（ｂ）部では、縦軸はＺｎ濃度を示し、横軸は半導体メサ２０の上面２０Ａからの距離を示す。半導体メサ２０内の各層について、その名称と、半導体メサ２０の上面２０Ａからの距離は、以下に示される。
各層の名称、上面２０Ａからの距離。
コンタクト層、  ０μｍから０．２μｍまで。
第二受光層、０．２μｍから０．７μｍまで。
第一受光層、０．７μｍから３．２μｍまで。
【００４２】
図５の（ａ）部に示されるように、選択拡散後において、コンタクト層３３内のＺｎ濃度の最大値は２×１０１９ｃｍ−３程度の値を示す。Ｚｎ濃度のプロファイルは、コンタクト層３３から第二受光層３２への方向に急激に減少し、その後、プロファイルはほぼ一定となる。この平坦なＺｎ濃度は、例えば１×１０１５ｃｍ−３〜２×１０１５ｃｍ−３であって、この領域は薄いｐ型を示す。第一受光層３１と第二受光層３２との界面３４、本実施例では上面２０Ａから０．７μｍ付近、及びその近傍においてＺｎのパイルアップが生じており、界面３４及びその近傍における第二受光層３２のＺｎ濃度が、第二受光層３２の他の領域におけるＺｎ濃度より大きく、そのＺｎ濃度は、１×１０１６ｃｍ−３〜２×１０１６ｃｍ−３の範囲の値を示す。このＺｎ濃度のピークは、上面２０Ａからの距離、例えば、０．２μｍ〜２．５μｍの範囲に位置する。界面３４付近におけるＺｎ濃度のピークの位置を超えて深くなると、第一受光層３１内のＺｎ濃度は、１×１０１５ｃｍ−３〜２×１０１５ｃｍ−３の値を示し、Ｚｎ拡散の限界の深さにおいて減少して実質的にゼロになる。ＳＩＭＳ測定におけるバックグラウンドの影響により、このＺｎ濃度の減少は測定されない。界面３４におけるＺｎ濃度のピークは、Ｚｎの選択拡散によって、第一受光層３１と第二受光層３２との界面３４及びその近傍でＺｎ濃度が高くなっていることを示す。受光素子１では、第一受光層と第二受光層の界面はヘテロ界面である。このため、選択拡散によって、Ｚｎ濃度が、界面３４及びその近傍において増大する。本実施例では、界面３４において、Ｚｎ濃度が２×１０１６ｃｍ−３以下であるので、例えば１Ｖ程度の低バイアス電圧の印加に応答して、第二受光層３２に空乏層２３が広がって、第二受光層３２は良好な光吸収を示す。
【００４３】
図５の（ｂ）部に示されるように、選択拡散前では、コンタクト層３３において、Ｚｎ濃度は５×１０１８ｃｍ−３程度の値を示す。コンタクト層３３から第二受光層３２に向かう方向にＺｎ濃度は急激に減少する。最上層のコンタクト層３３を越えて深くなると、Ｚｎ濃度は、ＳＩＭＳ法の検出限界以下にまで減少して、実質的にゼロである。
【００４４】
図５の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、コンタクト層３３におけるＺｎ濃度は、選択拡散後に増加している。コンタクト層３３のＺｎ濃度は、エピタキシャル成長の際の添加量及び選択拡散による添付量の合計である。一方、第二受光層３２内のＺｎは、気相拡散法によって窓４１から導入されたＺｎに由来する。また、選択拡散されたコンタクト層３３は、深さ方向に直交する方向においてＺｎの濃度変化が見られる。例えば、コンタクト層３３の中央部におけるＺｎ濃度は上記の合計値であり、コンタクト層３３の側面におけるＺｎ濃度は実質的にエピタキシャル成長時の添加量である。更なる実験結果によれば、エピタキシャル成長により形成されたコンタクト層３３内のＺｎは、選択拡散の際に大きく移動することがなく、これ故に、選択拡散により所望のｐ型半導体領域が形成される。
【００４５】
図６は、第一受光層及び第二受光層の半導体層構造を示すバンドダイアグラムを示す図である。図６では、半導体材料に固有のバンド構造に基づくバンドダイアグラムが示されており、ドーパント添加に伴うフェルミ準位の変化は考慮されていない。この例では、第一受光層３１として、タイプＩＩ型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造が描かれており、第二受光層３２として、ＩｎＧａＡｓ層が描かれている。第一受光層３１内では、ＩｎＧａＡｓ層３１ａ及びＧａＡｓＳｂ層３１ｂの各々の厚さは、例えば、２ｎｍ〜６ｎｍである。この超格子構造において、例えば、光吸収によって生成された電子・ホール対のうち、ＧａＡｓＳｂ層３１ｂ内のホールは、トンネル効果によってＩｎＧａＡｓ層３１ａのエネルギー障壁を順に抜けて、第二受光層３２に最も近い第一受光層３１のＧａＡｓＳｂ層３１ｂに到達する。この超格子構造は、第一受光層３１と第二受光層３２との界面３４は、第一受光層３１のＧａＡｓＳｂの価電子帯Ｅｖと、第二受光層３２のＩｎＧａＡｓの価電子帯Ｅｖとの間のエネルギー障壁△Ｅｖを有する。このエネルギー障壁△Ｅｖがホールのトラップを引き起こす可能性がある。
【００４６】
ＳＩＭＳ測定によれば、受光素子１では、第一受光層３１と第二受光層３２との界面３４及びその近傍において、Ｚｎ選択拡散によるＺｎ濃度が高くなっている。このＺｎ濃度の増大によって、第二受光層３２の価電子帯Ｅｖが大きく曲がってエネルギー障壁△Ｅｖを実効的に薄くする。界面３４におけるエネルギー障壁の実効的な厚さが薄くなるので、ホールが、例えばトンネル効果によって第一受光層３１から第二受光層３２に移動できるようになる。また、界面３４及びその近傍の第一受光層３１及び第二受光層３２がｐ型導電性を有するので、電気抵抗も小さくなる。
【００４７】
既に説明したように、本実施例の受光素子１では、半導体メサ２０の深さ方向のＺｎプロファイルは、第一受光層３１と第二受光層３２との界面３４及びその近傍の第二受光層３２（バルクＩｎＧａＡｓ層）に突出形状を有する。この受光素子１は、速やかな立ち上がりを示す逆方向特性を有しており、この特性は、低いバイアス電圧において空乏層２３が第一受光層３１及び第二受光層３２に広がることと、光生成キャリアに対する大きなバリアが受光層内にないことを示唆している。発明者の検討によれば、界面３４におけるＺｎ濃度の突出は、本実施例の良好な電気特性の発現に寄与している。これを検証するためのシミュレーションを行った。
【００４８】
図７は、半導体メサの側面に到達するｐ型半導体層を有する受光素子を模式的に示す図である。図７に示される受光素子１Ｑは、基板１０と、受光領域３０Ｑを有する半導体メサ２０Ｑとを備える。受光素子１Ｑでは、ｐ型半導体層２１Ｑと、第一受光層３１Ｑ及び第二受光層３２Ｑとの間にＰＮ接合２２Ｑが形成され、このＰＮ接合２２Ｑは、半導体メサ２０Ｑの側面２０Ｂに接している。本実施例では、第一受光層３１Ｑの厚さは、例えば２．５μｍであり、第二受光層３２Ｑの厚さは、例えば０．５μｍである。また、ｐ型半導体層２１Ｑの厚さは、例えば１０ｎｍである。
【００４９】
図８は、図７の受光素子における空乏層幅とバイアス電圧との関係のシミュレーション結果を示す図である。図８では、縦軸が空乏層幅を表し、横軸が逆バイアス電圧を表す。図８において、空乏層幅０．５μｍは、空乏層２３Ｑが第二受光層３２Ｑ（０．５μｍ厚）の下面、即ち、界面３４Ｑにまで広がることを意味する。空乏層幅３．０μｍは、空乏層が第二受光層３２Ｑ（０．５μｍ厚）を越えて第一受光層３１Ｑ（２．５μｍ厚）の下面にまで広がることを意味する。
【００５０】
図８に示されるように、受光素子１Ｑでは、例えば、ゼロバイアスにおいても、空乏層２３Ｑが、第二受光層３２Ｑ（０．５μｍ厚）を超えて、第一受光層３１Ｑ（２．５μｍ厚）に広がっている。また、逆バイアス電圧の印加に応じて、空乏層幅は速やかに広がり、例えば１Ｖの逆バイアス電圧の印加において、空乏層幅がほぼ３．０μｍになる。
【００５１】
受光素子１Ｑは、ｐ型半導体層２１Ｑを有し、その一方で、ｐ型半導体層２１Ｑを除いて、アンドープの第一受光層３１Ｑ内及び第二受光層３２内には、ｐ型半導体層を有さない。このため、受光素子１Ｑでは、第一受光層３１Ｑの最上層のｐ型半導体層２１Ｑが、例えば１Ｖ程度の低バイアス電圧によって、空乏層２３Ｑを第一受光層３１の下面にまで拡大できる。受光素子１Ｑは、図８に示されるように、良好な電気特性を示し、その電気特性は本実施例の特性と類似している。
【００５２】
図１の受光素子１では、図５の（ａ）部に示したように、第一受光層３１と第二受光層３２との界面３４及びその近傍を除いて、第一受光層３１内のＺｎ濃度が非常に低く、また第二受光層３２内のＺｎ濃度も非常に低い。このため、受光素子１では、第一受光層３１と第二受光層３２との界面３４における大きなＺｎ濃度は、界面３４におけるエネルギー障壁△Ｅｖを実質的に小さくすることに寄与する。また、この大きなＺｎ濃度は、空乏層２３が小さいバイアス電圧の印加によって第一受光層３１内に広がることを可能にしている。
【００５３】
受光感度および暗電流の観点において、図７の受光素子１Ｑでは、空乏層２３Ｑが半導体メサ２０Ｑの側面２０Ｂまで広がるので、空乏層２３Ｑの電界が半導体メサ２０Ｑの側面２０Ｂにかかる。このため、第一受光層３１内で光励起により発生した電子・ホール対のうちのホールが、半導体メサ２０Ｑの側面２０Ｂの方向にドリフト及び／又は拡散する。その拡散したホールが、半導体メサ２０Ｑの側面２０Ｂにおいて、表面準位の電子との再結合によって消失して、受光素子１Ｑの受光感度が低下する。また、半導体メサ２０Ｑの側面２０Ｂでのリーク電流が大きくなるので、暗電流が増加する。一方、図１の受光素子１では、空乏層２３が半導体メサ２０の側面２０Ｂに到達しないので、ホールと表面準位の電子との再結合が減少して、このキャリア再結合に伴う受光感度の低下が避けられる。また、半導体メサ２０の側面２０Ｂに空乏層２３が到達しないので、暗電流が低減する。
【００５４】
図９は、図７の受光素子における暗電流密度と周囲長／面積との関係を示す図である。リーク電流に基づく暗電流成分のうち、半導体メサの周囲長Ｌに比例する成分を表す電流密度ＩＬと、半導体メサの断面積Ｓに比例する成分を表す電流密度ＩＳとを用いて、暗電流ＩＴは、ＩＴ＝ＩＬ×Ｌ＋ＩＳ×Ｓで表されると仮定する。この式を書き換えて、暗電流密度は、ＩＴ／Ｓ＝ＩＬ×（Ｌ／Ｓ）＋ＩＳで表され、図９の測定値を近似式で表すと、その近似式を表すグラフの傾きは、電流密度ＩＬに対応し、グラフと縦軸との交点が、電流密度ＩＳに対応する。別の実験においては、図７の受光素子１Ｑでの暗電流は２００ｐＡ程度と高い。暗電流を減少させるには、暗電流密度（ＩＴ／Ｓ）の式から、半導体メサの周囲長Ｌに比例する電流密度ＩＬと、半導体メサの断面積Ｓに比例する電流密度ＩＳとを小さくすればよいことが分かる。図１の受光素子１に基づくとき、空乏層２３が第一受光層３１内において半導体メサ２０の側面２０Ｂから離れているので、電流密度ＩＬと電流密度ＩＳとが共に減少できて、暗電流が５ｐＡ程度以下になる受光素子を実現できる。
【００５５】
図１０は、選択拡散によりｐ型半導体領域を形成しない受光素子内における空乏層幅とバイアス電圧との関係のシミュレーション結果を示す図である。具体的には、この受光素子では、第一受光層と第二受光層は、アンドープ材料である一方で、選択拡散によるｐ型半導体領域を備えず、また、第一受光層と第二受光層との界面及びその近傍に、Ｚｎの高濃度領域を有さない。図１０に示されるように、この受光素子に逆バイアス電圧を印加していくと、例えば１Ｖ近傍の逆バイアス電圧の印加によって、空乏層幅が広がり始めるけれども、逆バイアス電圧において、例えば７．５Ｖ程度の高い値になったときに、空乏層幅がほぼ３．０μｍに達するようになる。この結果は、ｐ型半導体領域を有さない受光素子は、第一受光層と第二受光層との界面及びその近傍に、Ｚｎの高濃度領域を有さないので、第一受光層を空乏化するためには、高バイアス電圧（例えば７．５Ｖ）の印加を必要とすることを示す。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態によれば、受光感度の低下を防止できるとともに、半導体メサの側面での暗電流を低減できる受光素子を提供することができる。
【００５７】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来る全ての修正及び変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本実施形態によれば、受光感度の低下を防止できる受光素子を提供することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１…受光素子、１０…基板、２０…半導体メサ、２０Ａ…上面、２０Ｂ…側面、２１…ｐ型半導体領域、２２…ＰＮ接合、３０…受光領域、３１…第一受光層、３２…第二受光層、３３…コンタクト層、３４…界面。
【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５】
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