(57)【要約】【課題】赤外波長領域において光透過率の良好な波長依存性を有する半導体受光装置を提供する。【解決手段】半導体受光装置ＩＭＳは、半導体受光素子ＰＤＡと、半導体受光素子ＰＤＡにバンプ電極ＢＰを介して接続された読出回路３３を含む集積素子ＲＯＩＣとを備える。半導体受光素子ＰＤＡは、赤外線に感応する光吸収層１５ａを含み、フォトダイオードのための半導体積層１２と、半導体積層１２を搭載する主面１１ａと赤外線を含む光を受ける裏面１１ｂとを有するＧａＳｂ基板１１とを含む。ＧａＳｂ基板１１は、ｐ型ドーパントＤＰ及びｎ型ドーパントＤＮが共添加されたＧａＳｂを備える。光吸収層１５ａは、Ｖ族元素としてアンチモンを備えるＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備える。【選択図】図１
2016129225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体受光装置であって、
半導体受光素子と、
前記半導体受光素子にバンプ電極を介して接続され読出回路を含む集積素子と、
を備え、
前記半導体受光素子は、
赤外線に感応する光吸収層を含みフォトダイオードのための半導体積層と、
前記半導体積層を搭載する主面と前記赤外線を含む光を受ける裏面とを有するＧａＳｂ基板と、
を含み、
前記ＧａＳｂ基板は、ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントが共添加されたＧａＳｂを備え、
前記光吸収層は、Ｖ族元素としてアンチモンを備えるＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備える、半導体受光装置。
【請求項２】
前記ＧａＳｂの前記ｐ型ドーパントは亜鉛を含み、前記ＧａＳｂの前記ｎ型ドーパントはテルルを含む、請求項１に記載された半導体受光装置。
【請求項３】
前記集積素子はシリコン集積回路を含む、請求項１又は請求項２に記載された半導体受光装置。
【請求項４】
半導体受光素子であって、
赤外線に感応する光吸収層を含み、フォトダイオードのための半導体積層と、
前記半導体積層を搭載する主面と前記赤外線を含む光を受ける裏面とを有するＧａＳｂ基板と、
を備え、
前記ＧａＳｂ基板は、ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントが共添加されたＧａＳｂを備え、
前記光吸収層は、Ｖ族元素としてアンチモンを備えるＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備える、半導体受光素子。
【請求項５】
前記ＧａＳｂの前記ｐ型ドーパントは亜鉛を含み、前記ＧａＳｂの前記ｎ型ドーパントはテルルを含む、請求項４に記載された半導体受光素子。
【請求項６】
前記ＧａＳｂ基板の前記裏面上に設けられた反射防止膜を更に備える、請求項４又は請求項５に記載された半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光装置、及び半導体受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子を備える赤外線検知器を備える。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】F.  Rutz  et  al.,  “InAs/GaSb  superlattice  focal  plane  array  infrared  detectors：  manufacturing  aspects”,  Proc.  of  SPIE,  USA,  SPIE,  April  2009,  Vol.7298,  72981R.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＧａＳｂ基板は、Ｖ族元素としてアンチモンを含む半導体の成長において非常に魅力的な成長用基板である。しかし、ＧａＳｂ基板を用いる半導体受光素子では、ＧａＳｂ基板裏面から入射した光強度は、光吸収層のところではＧａＳｂ基板に起因した光吸収の影響により大きく減衰する。
【０００５】
本発明の一側面は、上記の事情を鑑みて為されたものであり、赤外波長領域において光透過率の良好な波長依存性を有する半導体受光装置を提供することを目的とし、また本発明の別の側面は、赤外波長領域において光透過率の良好な波長依存性を有する半導体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】
本発明の一側面に係る半導体受光装置は、半導体受光素子と、前記半導体受光素子にバンプ電極を介して接続された読出回路を含む集積素子と、を備え、前記半導体受光素子は、赤外線に感応する光吸収層を含みフォトダイオードのための半導体積層と、前記半導体積層を搭載する主面と前記赤外線を含む光を受ける裏面とを有するＧａＳｂ基板と、前記ＧａＳｂ基板は、ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントが共添加されたＧａＳｂを備え、前記光吸収層は、Ｖ族元素としてアンチモンを備えるＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備える。
【０００７】
本発明の別の側面に係る半導体受光素子は、赤外線に感応する光吸収層を含みフォトダイオードのための半導体積層と、前記半導体積層を搭載する主面と前記赤外線を含む光を受ける裏面とを有するＧａＳｂ基板と、を備え、前記ＧａＳｂ基板は、ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントが共添加されたＧａＳｂを備え、前記光吸収層は、Ｖ族元素としてアンチモンを備えるＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備える。
【０００８】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、赤外波長領域において光透過率の良好な波長依存性を有する半導体受光装置が提供される。また、本発明の別の側面によれば、赤外波長領域において光透過率の良好な波長依存性を有する半導体受光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施形態に係る半導体受光装置を模式的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施形態に係る半導体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面である。
【図３】図３は、本実施形態に係る半導体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面である。
【図４】図４は、本実施形態に係る半導体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面である。
【図５】図５は、本実施形態に係る半導体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面である。
【図６】図６は、共添加されたＧａＳｂ基板の作製に関連する事項を説明する図面である。
【図７】図７は、光波長と、共添加されたＧａＳｂ基板の光吸収係数との関係を示す図面である。
【図８】図８は、共添加されたＧａＳｂ基板厚と、光透過率との関係を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
引き続き、いくつかの具体例を説明する。
【００１２】
一形態に係る半導体受光装置は、(ａ)半導体受光素子と、（ｂ）前記半導体受光素子にバンプ電極を介して接続された読出回路を含む集積素子と、を備え、前記半導体受光素子は、赤外線に感応する光吸収層を含み、フォトダイオードのための半導体積層と、前記半導体積層を搭載する主面と前記赤外線を含む光を受ける裏面とを有するＧａＳｂ基板とを含み、前記ＧａＳｂ基板は、ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントが共添加されたＧａＳｂを備え、前記光吸収層は、Ｖ族元素としてアンチモンを備えるＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備える。
【００１３】
この半導体受光装置によれば、ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントがＧａＳｂ基板のＧａＳｂに共添加されるので、共添加されたｐ型及びｎ型ドーパントによってＧａＳｂではキャリア補償が生じて、このキャリア補償はＧａＳｂのキャリア濃度を小さくする。これ故に、半導体受光素子は、光吸収層によって検知されるべき赤外線を含む光をＧａＳｂ基板の裏面に受け、入射した波長域の赤外線は、共添加されたＧａＳｂを透過する。このＧａＳｂ基板を透過した赤外線は、ＧａＳｂ基板の主面上の光吸収層に入射して、光吸収層は光電流を生成する。半導体受光素子からの光電流は、半導体受光素子からバンプ電極を介して集積素子に提供され、集積素子の読出回路が光電流を処理する。
【００１４】
一形態に係る半導体受光装置では、前記ＧａＳｂのｐ型ドーパントは亜鉛を含み、前記ＧａＳｂのｎ型ドーパントはテルルを含むことができる。この半導体受光装置によれば、ｐ型ドーパントの亜鉛及びｎ型ドーパントのテルルが、ＧａＳｂ内で良好にキャリア補償を行う。このため、近赤外波長領域と遠赤外波長領域とを含む広い波長域において、ＧａＳｂ基板が光透過率の良好な波長依存性を示す。
【００１５】
一形態に係る半導体受光装置では、前記集積素子はシリコン集積回路を含むことができる。この半導体受光装置によれば、シリコン集積回路の利用は、高い信頼性を提供できる。
【００１６】
本発明の別の側面に係る半導体受光素子は、赤外線に感応する光吸収層を含みフォトダイオードのための半導体積層と、前記半導体積層を搭載する主面と前記赤外線を含む光を受ける裏面とを有するＧａＳｂ基板と、を備え、前記ＧａＳｂ基板は、ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントが共添加されたＧａＳｂを備え、前記光吸収層は、Ｖ族元素としてアンチモンを備えるＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備える。
【００１７】
この半導体受光素子によれば、ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントがＧａＳｂ基板のＧａＳｂに共添加されるので、共添加されたｐ型及びｎ型ドーパントをＧａＳｂではキャリア補償が生じて、このキャリア補償はＧａＳｂのキャリア濃度を小さくする。これ故に、半導体受光素子は、光吸収層によって検知されるべき赤外線を含む光をＧａＳｂ基板の裏面に受けるけれども、赤外線は、共添加されたＧａＳｂを透過する。このＧａＳｂ基板を透過した波長域の赤外線は、ＧａＳｂ基板の主面上の光吸収層に入射して、光吸収層は光電流を生成する。
【００１８】
一形態に係る半導体受光素子では、前記ＧａＳｂのｐ型ドーパントは亜鉛を含み、前記ＧａＳｂのｐ型ドーパントはテルルを含むことができる。この半導体受光素子によれば、ｐ型ドーパントの亜鉛及びｎ型ドーパントのテルルが、ＧａＳｂ内のキャリア濃度を良好に低減させる。このため、ＧａＳｂ基板が赤外波長領域で良好な光透過率を示す。
【００１９】
一形態に係る半導体受光素子は、前記ＧａＳｂ基板の前記裏面上に設けられた反射防止膜を更に備えることができる。この半導体受光素子によれば、ＧａＳｂ基板の裏面上に設けられた反射防止膜によって、ＧａＳｂ基板への赤外線の入射が容易になる。
【００２０】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、半導体受光装置、半導体受光素子、半導体受光装置を作製する方法、及び半導体受光素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る半導体受光装置を模式的に示す図面である。図１を参照すると、半導体受光装置ＩＭＳの構成物を斜めから模式的に示す図面が描かれている。この模式図には、Ｉ−Ｉ線及びＩＩ−ＩＩ線が示されている。図１には、Ｉ−Ｉ線にそって取られた半導体受光装置ＩＭＳの断面（ＳＥＣＴ１）及びＩＩ−ＩＩ線にそって取られた半導体受光装置ＩＭＳの断面（ＳＥＣＴ２）が示されている。これらの断面図には、図面の煩雑さを避けるためにハッチングが付されていない。また、図１には直交座標系Ｓが描かれており、Ｉ−Ｉ線にそって取られた断面はＸ−Ｚ面に平行に規定され、ＩＩ−ＩＩ線にそって取られた断面はＹ−Ｚ面に平行に規定される。
【００２２】
半導体受光装置ＩＭＳは、半導体受光素子ＰＤＡ及び集積素子ＲＯＩＣを含む。半導体受光素子ＰＤＡは、フォトダイオードのためのＧａＳｂ基板１１及び半導体積層１２を含む。ＧａＳｂ基板１１は、ｐ型ドーパントＤＰ及びｎ型ドーパントＤＮが共添加されたＧａＳｂを備える。ＧａＳｂ基板１１は、半導体積層１２を搭載する主面１１ａと、赤外線を含む光ＬＩＮを受ける裏面１１ｂとを有する。フォトダイオードのための半導体積層１２は、光ＬＩＮ内の赤外線に感応する光吸収層１５ａを含む。光吸収層１５ａは、Ｖ族元素としてアンチモンを備えるＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を含む。本実施例では、ＧａＳｂ基板の良好な光透過能に合わせて、共添加されたＧａＳｂ基板が２〜１５マイクロメートルの波長範囲に感度を有する半導体受光素子に適用可能である。半導体積層１２は、一又は複数のフォトダイオード３１ｂ〜３１ｅを含む。集積素子ＲＯＩＣは、バンプ電極ＢＰを介して半導体受光素子ＰＤＡに接続される。集積素子ＲＯＩＣの読出回路３３は、半導体受光素子ＰＤＡからの光電流ＩＰＤを処理する。半導体受光素子ＰＤＡにおける複数のフォトダイオード３１ｂ〜３１ｅのアレイに対応して、集積素子ＲＯＩＣは、読出回路３３のアレイを備える。
【００２３】
この半導体受光装置ＩＭＳによれば、ｐ型ドーパントＤＰ及びｎ型ドーパントＤＮがＧａＳｂ基板１１のＧａＳｂに共添加されるので、共添加されたｐ型ドーパントＤＰ及びｎ型ドーパントＤＮをＧａＳｂではキャリア補償が生じて、このキャリア補償はＧａＳｂのキャリア濃度を小さくする。これ故に、半導体受光素子ＰＤＡは、光吸収層１５ａによって検知されるべき赤外線を含む光ＬＩＮをＧａＳｂ基板１１の裏面１１ｂに受けて、光ＬＩＮ内の赤外線は、共添加されたＧａＳｂを透過する。ＧａＳｂ基板１１を透過した赤外線は、ＧａＳｂ基板１１の主面１１ａ上の光吸収層１５ａに入射して、入射光から光吸収層１５ａは光電流ＩＰＤを生成する。半導体受光素子ＰＤＡからの光電流ＩＰＤは、バンプ電極ＢＰを介して半導体受光素子ＰＤＡから集積素子ＲＯＩＣに提供され、集積素子ＲＯＩＣの読出回路３３は光電流ＩＰＤを処理する。集積素子ＲＯＩＣはシリコン集積回路を含むことができる。シリコン集積回路の利用は、高い信頼性を提供することができる。
【００２４】
図１に示されるように、フリップチップボンディングにより、半導体受光素子ＰＤＡの電極（２９ａ、２９ｂ）が集積素子ＲＯＩＣの電極ＥＤにバンプ電極ＢＰを介して接合される。半導体受光素子ＰＤＡと読出回路３３との隙間にアンダーフィル樹脂体ＵＦが充填される。必要な場合には、ＧａＳｂ基板１１の裏面１１ｂには、反射防止膜３５を設けることができ、反射防止膜３５の材料は例えばＳｉＯ２であることができる。反射防止膜３５は、ＧａＳｂ基板への赤外線の入射を容易にする。ＧａＳｂ基板１１の厚さは、例えば２００μｍ以上であることができる。ＧａＳｂのｐ型ドーパントは亜鉛（Ｚｎ）を含み、ＧａＳｂのｎ型ドーパントはテルル（Ｔｅ）を含む。共添加により、ＧａＳｂにおいてキャリア補償が生じる。キャリア補償されたＧａＳｂ基板１１のキャリア濃度は、例えば１×１０１６ｃｍ−３以下であり、１×１０１３ｃｍ−３以上の範囲にあることができる。良好なキャリア補償のために、ｐ型ドーパント濃度は例えば１×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１８ｃｍ−３以下の範囲にあることができ、ｎ型ドーパント濃度は例えば１×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１８ｃｍ−３以下の範囲にあることができる。また、ＧａＳｂのｐ型ドーパントはＺｎに限定されることなく、例えばＢｅを含むことができる。また、ＧａＳｂのｎ型ドーパントはＴｅに限定されない。良好なキャリア補償のために、ｐ型ドーパント濃度とｎ型ドーパント濃度との比が例えば０．１〜１０程度となる範囲にあることができる。
【００２５】
半導体積層１２は、光吸収により光電流を生成する光吸収層１５ａに加えて、電気的な接続のための第１導電型化合物半導体層１７ａを含む。光吸収層１５ａは、第１導電型化合物半導体層１７ａ上に設けられる。第１導電型化合物半導体層１７ａは、ＩＩＩ−Ｖ化合物からなり、光吸収層１５ａとＧａＳｂ基板１１との間に位置し、第１導電型化合物半導体層１７ａは、ＧａＳｂ基板１１の主面１１ａ上に設けられる。本実施例では、第１導電型化合物半導体層１７ａは、ＧａＳｂ基板１１に主面１１ａで接合ＳＪ１を成し、光吸収層１５ａは第１導電型化合物半導体層１７ａに接合ＳＪ２を成す。
【００２６】
光吸収層１５ａは、例えば超格子構造２１を含み、超格子構造２１は、交互に配置された第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａ及び第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂを含む。第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａは、構成元素としてガリウム及びアンチモンを含むことができる。第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂは、第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａと異なる材料からなる。
【００２７】
必要な場合には、積層半導体領域１３は、ＩＩＩ−Ｖ化合物からなる第２導電型化合物半導体層１９ａを含むことができ、第２導電型化合物半導体層１９ａは光吸収層１５ａ上に設けられる。第１導電型化合物半導体層１７ａの導電性は第２導電型化合物半導体層１９ａの導電性と反対である。ＧａＳｂ基板１１及び半導体積層１２の一例は、以下の通りである。
ＧａＳｂ基板１１：共添加ＧａＳｂ基板。
第１導電型化合物半導体層１７ａ：ｐ型  ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子。
光吸収層１５ａの超格子構造２１（繰り返し数：５０層〜５００層）。
第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａ：ＧａＳｂ（厚さ１ｎｍ〜５ｎｍ）。
第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂ：ＩｎＡｓ（厚さ１ｎｍ〜５ｎｍ）。
第２導電型化合物半導体層１９ａ：ｎ型  ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子。
超格子構造２１は、上記の組み合わせのＧａＳｂ／ＩｎＡｓに限定されることなく、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ等であることができる。半導体積層１２の厚さは、例えば１〜６マイクロメートルである。
【００２８】
図１に示されるように、本実施例では、半導体積層１２は、半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅを備える。半導体メサ２５ａ〜２５ｅの各々は、本実施例では、第１導電型化合物半導体層１７ａ、光吸収層１５ａ及び第２導電型化合物半導体層１９ａを含む。半導体メサ２５ａ〜２５ｅの各々は、接合ＳＪ２を含むけれども、接合ＳＪ１を含まない。これ故に、半導体メサ２５ａ〜２５ｅの底は第１導電型化合物半導体層１７ａ内にあり、半導体メサ２５ａ〜２５ｅは第１導電型化合物半導体層１７ａを介して電気的に接続されている。第１導電型化合物半導体層１７ａは、第１部分２０ａ及び第２部分２０ｂを含む。第１部分２０ａは、半導体メサ２５ａ〜２５ｅの各々に含まれる。第２部分２０ｂは、ＧａＳｂ基板１１の主面１１ａに沿って延在して半導体メサ２５ａ〜２５ｅに共有される。第１導電型化合物半導体層１７ａ、例えば第２部分２０ｂのドーパント濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３以上であることができる。また、第１部分２０ａも第２部分と同じドーパント濃度を有することができる。第２部分２０ｂの厚さＤ１７は、例えば０．５マイクロメートル以上であることができ、３マイクロメートル以下であることができる。
【００２９】
半導体受光素子ＰＤＡは、半導体メサ２５ａ〜２５ｅ上に設けられるパッシベーション膜２７を含む。パッシベーション膜２７は半導体メサ２５ａ〜２５ｅの上面及び側面を覆う。半導体受光素子ＰＤＡでは、パッシベーション膜２７は、半導体メサ２５ｂ〜２５ｅの上面に位置する開口を有する。これらの開口には、半導体メサ２５ｂ〜２５ｅにそれぞれ対応してフォトダイオード３１ｂ〜３１ｅのための一電極２９ａ（例えばｎ側電極）が設けられる。一電極２９ａは、例えば半導体メサ２５ｂ〜２５ｅの上面上に順に形成された一又は複数の金属膜を有することができる。パッシベーション膜２７は、半導体メサ２５ａ〜２５ｅと異なる基板上の半導体領域上面に位置する別の開口を形成する。この別の開口には、フォトダイオード３１ｂ〜３１ｅのための他電極２９ｂ（例えばｐ側電極）が設けられる。この他電極２９ｂは、半導体メサ２５ａの上面までパッシベーション膜２７上を延在する。他電極２９ｂは、例えば半導体層上に順に形成された一又は複数の金属膜を有することができる。本実施例では、一電極２９ａは、下地の半導体、具体的には第２導電型化合物半導体層１９ａにオーミックコンタクトを成す。他電極２９ｂは、共に、下地の半導体、具体的には第１導電型化合物半導体層１７ａの第２部分２０ｂにオーミックコンタクトを成す。
【００３０】
バンプ電極ＢＰ（例えばＩｎバンプ）が一電極２９ａ及び他電極２９ｂ上に設けられる。本実施例では、半導体受光素子ＰＤＡは、直交座標系ＳのＸ軸方向及びＹ軸方向に二次元に配列されたフォトダイオード３１ｂ〜３１ｅのアレイを含む。フォトダイオード３１ｂ〜３１ｅは、半導体メサ２５ｂ〜２５ｅの配列に対応する。本実施例では、二次元のフォトダイオード配列を説明したが、本実施形態は、一次元のフォトダイオードにも適用できる。
【００３１】
次いで、半導体受光装置ＩＭＳ及び半導体受光素子ＰＤＡを作製する方法を概略的に説明する。以下の記述は、製造方法に係る技術について為されるけれども、理解を容易にするために、可能である場合には、その説明において半導体受光装置ＩＭＳ及び半導体受光素子ＰＤＡに対応する部分に半導体受光装置ＩＭＳ及び半導体受光素子ＰＤＡの構成物と同一の符合が参照される。
【００３２】
図２〜図５は、本実施形態に係る半導体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面である。半導体のエピタキシャル成長のためのＧａＳｂ基板を準備する。このＧａＳｂ基板の材料は、既に説明したようにｐ型ドーパントＤＰ及びｎ型ドーパントＤＮが共添加されたＧａＳｂである。共添加されたＧａＳｂ基板は、例えばチョクラルスキー法により成長されたＧａＳｂ結晶体から切り出されて、ウエハの形態を有する。キャリア補償されたＧａＳｂウエハは、ＧａＳｂ基板と同様の品質を有することができ、そのキャリア濃度は、例えば１×１０１３ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下の範囲にあることができる。引き続く説明では、理解を容易にするために、製造方法においてエピタキシャル成長に用いられる成長用支持体をＧａＳｂ基板１１として参照する。図２の（ａ）部に示されるように、成長炉に原料を供給して、半導体受光素子のための積層半導体領域１３をＧａＳｂ基板１１の主面１１ａ上に成長する。積層半導体領域１３の成長には、例えば分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等が適用される。積層半導体領域１３は、光吸収により光電流を生成する光吸収層１５ａのための半導体層１５、及び電気的な接続のための第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１７を含み、第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１７は半導体層１５とＧａＳｂ基板１１との間に設けられる。必要な場合には、積層半導体領域１３は、半導体層１５上に設けられる第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１９を含むことができる。半導体層１５は、例えば光吸収層１５ａのための超格子構造２１を含むことができる。超格子構造２１は、例えば、タイプＩＩのバンド構造を有する。超格子構造２１は、交互に配置された第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａ及び第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂを含む。第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａは、構成元素としてガリウム材料からなり、この材料はアンチモンを更に含み、第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ｂは、該第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層２１ａと異なる材料からなる。これらの工程により、ＧａＳｂ基板１１及び積層半導体領域１３を含むエピタキシャル基板ＥＰが形成される。
【００３３】
本実施例で作製される半導体受光素子は、メサ型構造を有する。しかし、半導体受光素子は、プレーナー型構造を有することができ、プレーナー型構造の受光素子の作製では、半導体メサの形成は行われず、フォトダイオードのアレイに合わせて、一電極のアレイが形成される。また、フォトダイオードのアレイに共通の他電極が形成される。
【００３４】
エピタキシャル基板ＥＰを成長炉から取り出した後に、半導体メサを作製するためのマスクを積層半導体領域１３上に形成する。まず、積層半導体領域１３の主面１３ａ上に、無機絶縁膜を成長する。この成長には、化学的気相成長（ＣＶＤ）法といった気相成長法が用いられる。本実施例では、無機絶縁膜として窒化シリコン（ＳｉＮ）を成長する。窒化シリコンの厚さは例えば３００ｎｍ〜８００ｎｍである。この無機絶縁膜にフォトリソグラフィ及びエッチングによりパターンを転写して、図２の（ｂ）部に示されるように、半導体メサのためのマスク２３を形成する。マスク２３は、半導体メサの配置に対応して、一次元又は二次元のパターン（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ）の配列を含む。マスク２３は、無機絶縁膜の材料、例えば窒化シリコンを備える。この工程により作製される基板生産物は、エピタキシャル基板ＥＰ及びマスク２３を備える。
【００３５】
マスク２３を形成した後に、エピタキシャル基板ＥＰをエッチング装置に配置する。マスク２３を用いてエピタキシャル基板ＥＰをエッチングして、図３の（ａ）部に示されるように基板生産物ＳＰ１を形成する。光吸収層のための半導体層１５の超格子構造２１のエッチングには、例えばドライエッチングを適用できる。ドライエッチングでは、例えばハロゲン系ガス（例えば塩素ガス等）及び／又は炭化水素（例えばメタン等）と水素との混合ガスがエッチャントとして用いられる。
【００３６】
図３の（ａ）部を参照すると、基板生産物ＳＰ１は、積層半導体領域１３からドライエッチングにより作製された半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃを備える。半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃは、それぞれ、マスク２３のパターン２３ａ、２３ｂ、２３ｃに対応する。半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの各々は、第１導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１７からの第１導電型化合物半導体層１７ａ、半導体層１５からの光吸収層１５ａ、及び第２導電型ＩＩＩ−Ｖ族半導体層１９からの第２導電型化合物半導体層１９ａを含む。光吸収層１５ａは、受光層のための半導体層１５と同様の超格子構造２１を有しており、光吸収層１５ａは第１導電型化合物半導体層１７ａと第２導電型化合物半導体層１９ａとの間に設けられる。半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃの高さは、積層半導体領域１３の厚さに応じて、例えば１〜５μｍである。
【００３７】
基板生産物ＳＰ１をエッチング装置から取り出した後に、マスク２３を除去する。例えば窒化シリコン製のマスク２３の除去には、バッファードフッ酸が用いられる。基板生産物ＳＰ１からマスク２３を除去して、基板生産物ＳＰ２が作製される。
【００３８】
マスク２３を除去した後に、図３の（ｂ）部に示されるように、成膜装置において基板生産物ＳＰ２上にパッシベーション膜２７を形成する。パッシベーション膜２７の膜厚は例えば１００ｎｍ〜５００ｎｍであることができる。パッシベーション膜は酸化物を備えることができる。成膜用の原料ガスとして、シラン及び亜酸化窒素を用いることができる。本実施例では、このパッシベーション膜２７はシリコン酸化物からなるけれども、パッシベーション膜２７の材料は、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）に限定されることなく、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）、及びアルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）を備えることができる。
【００３９】
引き続き、半導体受光素子を作製する方法を説明する。図４に示されるように、半導体メサ２５ｂ、２５ｃの上面のパッシベーション膜２７に開口を形成する。この開口に、半導体メサ２５ｂ、２５ｃにそれぞれ対応してフォトダイオード３１ｂ、３１ｃのための一電極２９ａ（アノード電極及びカソード電極の一方）を形成する。この一電極２９ａは、半導体層上に順に形成された、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕの５層構造を有することができる。一電極２９ａの形成には、例えばリフトオフ法が用いられる。半導体メサ２５ａ、２５ｂ、２５ｃと異なる基板上の半導体領域上面のパッシベーション膜２７に別の開口を形成する。この別の開口に、フォトダイオード３１ｂ、３１ｃのための他電極２９ｂ（アノード電極及びカソード電極の他方）を形成する。この他電極２９ｂは、半導体メサ２５ａの上面まで延在する。他電極２９ｂは、半導体層上に順に形成された、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの層構造を有することができる。他電極２９ｂの形成には、例えばリフトオフ法が用いられる。
【００４０】
これらの工程の後に、必要な場合には、一電極２９ａ及び他電極２９ｂ上に、バンプ電極ＢＰ（例えばＩｎバンプ）が形成される。Ｉｎバンプ電極は例えばリフトオフ法により形成される。この後に、基板生産物からダイシングによりチップを切り出して、図５の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、フォトダイオードアレイを含む半導体受光素子ＰＤＡを形成する。半導体受光素子ＰＤＡは、直交座標系ＳのＸ軸方向及びＹ軸方向に二次元に配列されたフォトダイオード３１ｂ〜３１ｅのアレイを含む。フォトダイオード３１ｂ〜３１ｅは、半導体メサ２５ｂ〜２５ｅの配列に対応する。フリップチップボンディングの適用により、半導体受光素子ＰＤＡの電極（２９ａ、２９ｂ）を集積素子ＲＯＩＣの電極ＥＤ(図１を参照)にバンプ電極ＢＰを介して接合する。半導体受光素子ＰＤＡと読出回路３３の隙間にアンダーフィル樹脂を充填する。このアンダーフィル樹脂を加熱により硬化させてアンダーフィル樹脂体ＵＦ(図１を参照)を形成する。以上説明した作製工程では、薄膜化によって同一透過率をもつ従来の共添加されていないＧａＳｂ基板に比べて、共添加されたＧａＳｂ基板（ＧａＳｂウエハ）の取り扱いが容易である。共添加されたＧａＳｂ基板では、研磨又は研削といった薄膜化のための加工をせずに、そのままの厚さでも、半導体受光素子の基板として構成することができる。しかし、必要な場合には、入射光の吸収を、さらに抑制するために、研磨又は研削といった加工をＧａＳｂ基板に適用して、ＧａＳｂ基板の厚さを薄くする。例えばＧａＳｂ基板では、ＧａＳｂ基板を薄くするために基板の裏面の加工（研磨、研削）を行って、赤外線入射面を形成する。ＧａＳｂ基板の厚さは、例えば２００μｍ以上である。
【００４１】
図６は、共添加されたＧａＳｂ基板の作製に関連する事項を説明する図面である。共添加されたＧａＳｂ基板は、例えばチョクラルスキー法といった溶融成長法によって作製される。チョクラルスキー法では、ＧａＳｂ種結晶４１及びるつぼ４２を準備する。このるつぼ４２の中にＧａＳｂ原料を投入する。ＧａＳｂ原料は、その融点である摂氏７１２度より高い温度で加熱されてＧａＳｂが溶融する。るつぼ４２内には、共添加のために、例えば、ｐ型ドーパントとしてのＺｎ、及びｎ型ドーパントとしてのＴｅが加えられる。るつぼ４２の上方にＧａＳｂ種結晶４１を配置する。Ｚｎ及びＴｅを含むＧａＳｂ溶融液４３に、ＧａＳｂ種結晶を接触させる。るつぼを回転しながら、ＧａＳｂ種結晶を徐々に上方に引き上げて、ＧａＳｂ溶融液４３の凝固物を種結晶に結晶成長していく。これにより、ｐ型及びｎ型のドーパントが共添加されたＧａＳｂ単結晶インゴットが得られる。ＧａＳｂ単結晶インゴットをスライスして作製されたウエハを研磨することによって、共添加されたＧａＳｂ基板が得られる。ＧａＳｂ単結晶の成長は、例えば液体封止引き上げ法（ＬＥＣ法）によっても行われることができる。
【００４２】
図７は、光波長と、共添加されたＧａＳｂ基板の光吸収係数との関係を示す図面である。理解を容易にするために、図７に、光波長と、ノンドープＧａＳｂ基板の光吸収係数との関係を示す。図７には、光波長２マイクロメートルから２０マイクロメートルの範囲において、共添加されたＧａＳｂ基板の光吸収特性「ＡＢ１ＣＯＤ」及び「ＡＢ２ＣＯＤ」並びにノンドープＧａＳｂ基板の光吸収特性「ＡＢ１ＮＮＤ」及び「ＡＢ２ＮＮＤ」が示されている。これらの光吸収特性は、厚さ６５０μｍの共添加された２枚のＧａＳｂ基板及び厚さ６５０μｍの２枚のノンドープＧａＳｂ基板の測定値である。
【００４３】
共添加されたＧａＳｂ基板におけるドーパント種は、Ｚｎ（ｐ型ドーパント）及びＴｅ（ｎ型ドーパント）である。共添加されたＧａＳｂ基板におけるドーパント種及びドーパント濃度を以下に示す。
ドーパント種：        ドーパント濃度。
Ｚｎ（ｐ型ドーパント）：１×１０１６ｃｍ−３。
Ｔｅ（ｎ型ドーパント）：１×１０１７ｃｍ−３。
共添加されたＧａＳｂ基板におけるキャリア濃度及びノンドープＧａＳｂ基板におけるキャリア濃度を以下に示す。
基板の種類：            キャリア濃度。
共添加ＧａＳｂ基板：    １×１０１４ｃｍ−３。
ノンドープＧａＳｂ基板：１×１０１７ｃｍ−３。
【００４４】
図７に示されるように、共添加されたＧａＳｂ基板の光吸収係数は、２〜２０マイクロメートルの波長範囲において、ノンドープＧａＳｂ基板に比べて、２桁程度小さい。共添加されたＧａＳｂ基板は、ｐ型及びｎ型ドーパントの働きによるＧａＳｂ内のキャリア補償に起因して、近赤外と遠赤外とを含む広い波長域において、光吸収の波長依存性を考慮しても十分小さい光吸収係数を示す。図７のグラフの縦軸は、対数スケールであるので、共添加されたＧａＳｂ基板の光吸収の波長依存性は、光波長２マイクロメートルから２０マイクロメートルの範囲において、ノンドープＧａＳｂ基板の光吸収の波長依存性に比べて０．１倍程度にまで縮小される。共添加されたＧａＳｂ基板では、光吸収係数の波長依存性が極めて小さいので、例えば、共添加されたＧａＳｂ基板を用いた半導体受光素子ＰＤＡ内に入射される赤外線量の波長依存性も小さくなる。
【００４５】
図８は、共添加されたＧａＳｂ基板厚と、光透過率との関係を示す図面である。理解を容易にするために、図８に、ｎ型ＧａＳｂ基板の厚さと、光透過率との関係を示す。図８では、基板の厚さ５００マイクロメートルから１０００マイクロメートルの範囲において、共添加されたＧａＳｂ基板の光透過特性「ＴＣＯＤ」及びｎ型ＧａＳｂ基板の光透過特性「ＴＰＤＰ」が示されている。光透過特性「ＴＣＯＤ」及び光透過特性「ＴＰＤＰ」は、光波長６マイクロメートルの光を用いて測定される。この特性は例えばフーリエ変換型赤外分光法（ＦＴＩＲ法）を用いて測定される。また、ドーパント濃度の測定には、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ法）を用い、キャリア濃度の測定には、ホール測定法を用いる。
【００４６】
共添加されたＧａＳｂ基板及びｎ型ＧａＳｂ基板におけるキャリア濃度を以下に示す。
基板の種類：        キャリア濃度。
共添加ＧａＳｂ基板：１×１０１４ｃｍ−３。
ｎ型ＧａＳｂ基板：１×１０１７ｃｍ−３。
共添加されたＧａＳｂ基板のドーパント種及びドーパント濃度を以下に示す。
ドーパント種：        ドーパント濃度。
Ｚｎ（ｐ型ドーパント）：１×１０１６ｃｍ−３。
Ｔｅ（ｎ型ドーパント）：１×１０１７ｃｍ−３。
ｎ型ＧａＳｂ基板におけるドーパント種及びドーパント濃度を以下に示す。
ドーパント種：ドーパント濃度。
Ｔｅ（ｎ型ドーパント）：１×１０１７ｃｍ−３。
【００４７】
図８に示されるように、ｎ型ＧａＳｂ基板は、基板の厚さに対して単調に減少する光透過特性を有する。共添加されたＧａＳｂ基板は、基板の厚さに対する依存性を実質的に示さない光透過特性を有する。共添加されたＧａＳｂ基板では、例えば、基板の厚みが５００マイクロメートルから１０００マイクロメートルまで２倍に増加しても、光透過率ＴＣＯＤは大きく変化しない。共添加されたＧａＳｂ基板では、ｐ型及びｎ型のドーパントの共添加に基づくキャリア補償によってＧａＳｂ半導体内のキャリアの濃度が少ない。ＧａＳｂ内のキャリアによる光吸収が少ないので、共添加されたＧａＳｂの吸収係数が大幅に低減し、共添加されたＧａＳｂ基板の光透過率は、基板の厚みに依存して大きく変化しない。
【００４８】
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およ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、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上説明したように、本実施形態によれば、赤外波長領域において光透過率の良好な波長依存性を有する半導体受光装置が提供され、また赤外波長領域において光透過率の良好な波長依存性を有する半導体受光素子が提供される。
【符号の説明】
【００５０】
１１…ＧａＳｂ基板、１２…半導体積層、１７ａ…第１導電型化合物半導体層、１９ａ…第２導電型化合物半導体層、１５ａ…光吸収層、ＰＤＡ…半導体受光素子、ＲＯＩＣ…集積素子、２１…超格子構造。
【図１】
2016129225.tif 000003
【図２】
2016129225.tif 000004
【図３】
2016129225.tif 000005
【図４】
2016129225.tif 000006
【図５】
2016129225.tif 000007
【図６】
2016129225.tif 000008
【図７】
2016129225.tif 000009
【図８】
2016129225.tif 000010