(57)【要約】【課題】所望の受光特性を提供できる結晶性を有し赤外線に感応する光吸収層を有すると共に、裏面入射により該光吸収層に導入され赤外線の減少を低減できる赤外線受光装置を優れた量産性で提供する。【解決手段】光吸収層２９ｂは、Ｖ族としてアンチモンを含む化合物半導体を備える。フォトダイオード１７ａのための半導体積層２９はシリコン基板２７に接合３１を成す。ドーパントの選択的な添加によりシリコン基板２７には、高い導電性を付与できると共に、バンドギャップの点で赤外の波長帯域の光はシリコン半導体を透過可能である。透過光は、シリコン基板２７を介して個々のフォトダイオードの光吸収層２９ｂに入射する。シリコン基板２７の第１面２７ａは、第１比抵抗の第１半導体を備え、シリコン基板２７の第２面２７ｂは第２比抵抗の２半導体を備え、第１半導体からなる領域２７ｃの厚さは第２半導体からなる領域２７ｄの厚さより薄い。【選択図】  図１
2016066682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線受光装置であって、
アレイ状に配列された複数のフォトダイオードを含む半導体受光素子と、
前記半導体受光素子内の前記フォトダイオードからの信号を処理する処理回路を備えるシリコン集積素子と、
を備え、
前記シリコン集積素子はアレイ状に配列された複数の電極を含み、前記半導体受光素子内の前記フォトダイオードは、それぞれ、前記複数の電極に接続され、
前記半導体受光素子は、シリコン基板と、前記フォトダイオードのための半導体積層と、前記シリコン基板と前記半導体積層との接合とを含み、
前記半導体積層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え赤外線に感応する光吸収層を含み、
前記シリコン基板は、前記半導体積層に接合を成す第１面と、該第１面の反対側にあり光入射面を構成する第２面とを有し、前記シリコン基板の前記第１面は、第１比抵抗を有する第１半導体を備え、前記シリコン基板の前記第２面は、第２比抵抗を有する第２半導体を備え、前記第１比抵抗は前記第２比抵抗より低く、前記シリコン基板の厚さ方向に関して、前記第１半導体からなる領域の厚さは、前記第２半導体からなる領域の厚さより薄い、赤外線受光装置。
【請求項２】
前記半導体積層は、前記フォトダイオードのための複数の第１半導体メサと、複数の第２半導体メサとを備え、前記半導体受光素子は、第１領域と該第１領域を囲む第２領域とを有し、前記複数の第１半導体メサは前記第１領域に含まれ、前記第２半導体メサは前記第２領域に含まれ、
前記フォトダイオードは、前記第１半導体メサの上面上に設けられたカソード電極及びアノード電極のうちの一方となる第１電極を備え、前記半導体受光素子は、前記第２半導体メサ上に絶縁層を介して設けられたカソード電極及びアノード電極のうちの他方となる第２電極を備え、前記第２電極は、前記シリコン基板の前記第１面の前記第１半導体に接続され、前記第１電極及び前記第２電極は前記シリコン集積素子の前記電極に接続される、請求項１に記載された赤外線受光装置。
【請求項３】
前記光吸収層は超格子構造を有し、前記超格子構造は、ＩｎＡｓ層及びＧａＳｂ層、ＩｎＡｓ層及びＩｎＧａＳｂ層、ＩｎＡｓＳｂ層及びＧａＳｂ層、又はＩｎＡｓＳｂ層及びＩｎＧａＳｂ層を含む、請求項１又は請求項２に記載された赤外線受光装置。
【請求項４】
半導体受光素子であって、
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え赤外線に感応する光吸収層を含む半導体積層を備えアレイ状に配列された複数のフォトダイオードと、
前記半導体積層を搭載するシリコン基板と、
前記シリコン基板と前記半導体積層との接合と、
を備え、
前記シリコン基板は、前記半導体積層に前記接合を成す第１面と、該第１面の反対側にあり光入射面を構成する第２面とを有し、前記シリコン基板の前記第１面は第１半導体を備え、前記シリコン基板の前記第２面は第２半導体を備え、前記第１半導体は第１比抵抗を有し、前記第２半導体は第２比抵抗を有し、前記第１比抵抗は前記第２比抵抗より低く、前記シリコン基板の厚さ方向に関して、前記第１半導体からなる領域の厚さは、前記第２半導体からなる領域の厚さより薄い、半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線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、赤外光を画像化する素子として、２次元センサアレイ（Ｆｏｃａｌ  ｐｌａｎｅ  ａｒｒａｙ；ＦＰＡ）という光検出器を開示する。２次元センサアレイは、フォトダイオードが２次元に配列されたセンサチップと、フォトダイオードの信号を読み出すシリコン集積回路が接合された構造を有する。非特許文献２には、ＧａＳｂ基板上に形成されたタイプＩＩの（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）超格子からなる受光層を備えた赤外用フォトダイオードが開示されている。非特許文献３には、ＧａＳｂ基板上に形成されたタイプＩＩの（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）超格子を受光層に用いた２次元センサアレイが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Mohamed  Henini  &  Manijeh  Razeghi,  Handbook  of  Infrared  Detection  Technologies  (2000)
【非特許文献２】Binh-Minh  Nguyen,  Darin  Hoffman,  Yajun  Wei,  Pierre-Yves  Delaunay,  Andrew  Hood,  and  Manijeh  Razeghi,  ”Very  high  quantum  efficiency  in  type-II  InAs/GaSb  superlattice  photodiode  with  cutoff  of  12  μm”  Appl.  Phys.  Lett.,  Vol.90,  231108
【非特許文献３】M.  Walther,  J.  Schmitz,  R.  Rehm,  S.  Kopta,  F.  Fuchs,  J.  Fleissner,  W.  Cabanski,  J.  Ziegler,  “Growth  of  InAs/GaSb  short-period  superlattices  for  highresolution  mid-wavelength  infrared  focal  plane  array  detectors”  J.  of  Cryst.  Growth,  Vol.  278  (2005)  p156
【非特許文献４】赤崎勇編著,  アドバンスト  エレクトロニクス  I-1  III-V族化合物半導体  (1994)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子からなる受光層を備える２次元センサアレイでは、暗電流を低減し、受光感度を向上させるために、一般的に冷却して使用される。波長数μｍ〜１０μｍ程度に受光感度を有するセンサでは摂氏マイナス１９６度といった低温において使用されることがある。
【０００５】
また、非引用文献２及び３の赤外用フォトダイオード或いは２次元センサアレイでは、受光層を搭載するＧａＳｂ基板を通過して該受光層に入射する。これらの赤外用フォトダイオード又は２次元センサアレイの作製では、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子がＧａＳｂ基板上に成長される。通常の基板は受光層等のエピタキシャル層に比べて厚いので、基板の品質及び物性に依存して、受光層で検知されるべき赤外線の一部が基板の透過中に吸収される可能性がある。特に、ＧａＳｂ基板では、ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板に比べて欠陥等に由来するフリーキャリア密度が高く、このフリーキャリアによる光吸収が無視できない。このＧａＳｂ基板による赤外光の吸収は、受光層の感度を大幅に低下させる原因となる。
【０００６】
非引用文献２及び３の赤外用フォトダイオード或いは２次元センサアレイでは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＧａＳｂ基板上に受光層が作製されている。受光層及び基板のＧａＳｂのバンドギャップエネルギーは０．７０ｅＶであり、また受光層のＩｎＡｓのバンドギャップエネルギーは０．３６ｅＶである。しかし、厚さ数ｎｍのＩｎＡｓとＧａＳｂを交互に積層したＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子では、ＧａＳｂの価電子帯がＩｎＡｓの価電子帯より高く、かつＧａＳｂの伝導帯がＩｎＡｓの伝導帯より高い。このためＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子は、タイプＩＩのバンド構造を有し価電子帯および伝導帯にミニバンドが形成される。このミニバンドの働きにより、数マイクロメートル（下限）の波長を検知できる。一例として、波長３μｍの光はエレクトロンボルト単位で約０．３ｅＶに対応しており、中赤外の波長範囲は２．５μｍ〜４μｍである。ＩｎＡｓのバンドギャップは０．３６ｅＶで、波長３．４μｍに相当し、中赤外の波長範囲内にある。受光波長範囲に依っては、バンドギャップの点で厚いＩｎＡｓ（例えば基板）は入射光の透過を低減させる可能性がある。
【０００７】
上記で述べた２次元センサアレイ等において、ＧａＳｂ基板による赤外光の吸収を低減するため、このＧａＳｂ基板を研磨やエッチング等の方法で厚さ数１０μｍまで薄層化することが考えられる。しかし基板の均一な研磨やエッチングによる除去は困難なうえ、薄層化処理中に基板或いはセンサチップが割れる等の不具合が生じる恐れがある。このような課題を避けるために、ＧａＳｂ基板以外の半導体基板を準備し、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子を当該基板上に結晶成長する方法が考えられる。非特許文献４によれば、ＧａＳｂは０．６０９４ｎｍの格子定数を有し、ＩｎＡｓは０．６０５８ｎｍの格子定数（ＧａＳｂに対する格子定数差：０．５９％）を有する。これに対して、ＩｎＰは０．５８６９４ｎｍの格子定数（ＧａＳｂに対する格子定数差：３．８３％）を有し、Ｓｉは０．５４３０９ｎｍの格子定数（ＧａＳｂに対する格子定数差：１２．２１％）を有する。上記の諸元によれば、Ｖ族元素としてアンチモンを備える受光層を含むセンサアレイの作製では、エピタキシャル成長のための基板としてはＧａＳｂ基板又はＩｎＡｓ基板が適している一方で、ＧａＳｂのバンドギャップは、ＩｎＰに比べてＩｎＡｓのバンドギャップに近い。既に記載したように、ＩｎＰの格子定数は０．５８６９４ｎｍであり、格子定数差（ａ（ＩｎＰ）／ａ（ＧａＳｂ））はＧａＳｂの格子定数に対して３．８３％である。この格子定数差はシリコンに係る格子定数差に比べて小さいけれども、ＧａＳｂ及びＩｎＡｓに係る格子定数差に比べて大きい。
【０００８】
発明者の知見によれば、また、２次元センサアレイは、ＩｎＰ基板やＧａＡｓ基板上にも作製可能である。基板のＩｎＰのバンドギャップは１．２９ｅＶである。このようにＩｎＰ基板上にＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子を成長できる。しかし、ＩｎＰ基板よりも大きな格子定数差を有するＳｉ基板上に、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子を良好に結晶成長することの困難度は高い。
【０００９】
求められていることは、裏面入射の２次元センサアレイにおいて、受光層の結晶成長からの基板への技術的要求を考慮しつつ、赤外線透過性に係る支持体としての基板への技術的要求を考慮することである。
【００１０】
本発明は、上記の背景を鑑みて為されたものであり、赤外線の波長域において所望の受光特性を提供できる光吸収層を有すると共に、裏面入射により該光吸収層に導入された赤外線の減少を低減できる赤外線受光装置を提供することにあり、また、該赤外線受光装置のための半導体受光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一側面に係る赤外線受光装置は、アレイ状に配列された複数のフォトダイオードを含む半導体受光素子と、前記半導体受光素子内の前記フォトダイオードからの信号を処理する処理回路を備えるシリコン集積素子と、を備え、前記シリコン集積素子はアレイ状に配列された複数の電極を含み、前記半導体受光素子内の前記フォトダイオードは、それぞれ、前記複数の電極に接続され、前記半導体受光素子は、シリコン基板と、前記フォトダイオードのための半導体積層と、前記シリコン基板と半導体積層との接合とを含み、前記半導体積層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え赤外線に感応する光吸収層を含み、前記シリコン基板は、前記半導体積層に接合を成す第１面と、該第１面の反対側にあり光入射面を構成する第２面とを有し、前記シリコン基板の前記第１面は、第１比抵抗を有する第１半導体を備え、前記シリコン基板の前記第２面は、第２比抵抗を有する第２半導体を備え、前記第１比抵抗は前記第２比抵抗より低く、前記シリコン基板の厚さ方向に関して、前記第１半導体からなる領域の厚さは、前記第２半導体からなる領域の厚さより薄い。
【００１２】
本発明の別の側面に係る、半導体受光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え赤外線に感応する光吸収層を含む半導体積層を備えると共にアレイ状に配列された複数のフォトダイオードと、前記半導体積層を搭載するシリコン基板と、前記シリコン基板と前記半導体積層との接合と、を備え、前記シリコン基板は、前記半導体積層に前記接合を成す第１面と、該第１面の反対側にあり光入射面を構成する第２面とを有し、前記シリコン基板の前記第１面は第１半導体を備え、前記シリコン基板の前記第２面は第２半導体を備え、前記第１半導体は第１比抵抗を有し、前記第２半導体は第２比抵抗を有し、前記第１比抵抗は前記第２比抵抗より低く、前記シリコン基板の厚さ方向に関して、前記第１半導体からなる領域の厚さは、前記第２半導体からなる領域の厚さより薄い。
【００１３】
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】
【００１４】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、赤外線の波長域において所望の受光特性を提供できる光吸収層を有すると共に、裏面入射により該光吸収層に導入された赤外線の減少を低減できる赤外線受光装置を優れた量産性で提供することにあり、また、該赤外線受光装置のための半導体受光素子を提供でき、また、該赤外線受光装置のための半導体受光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本実施形態に係る赤外線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模式的に示す図面である。
【図３】図３は、本実施形態に係る赤外線受光装置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、本実施形態に係る赤外線受光装置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、本実施形態に係る赤外線受光装置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、別の実施形態に係る赤外線受光装置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７】図７は、本実施形態に係る赤外線受光装置のための第１光検出器と異なる構造の第２光検出器及び第３光検出器を模式的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
引き続きいくつかの形態を説明する。
【００１７】
一形態に係る半導体受光素子は、赤外線受光装置のための半導体受光素子であって、（ａ）ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え赤外線に感応する光吸収層を含む半導体積層を備えアレイ状に配列された複数のフォトダイオードと、（ｂ）前記半導体積層を搭載するシリコン基板と、（ｃ）前記シリコン基板と半導体積層との接合と、を備え、前記シリコン基板は、前記半導体積層に前記接合を成す第１面と、該第１面の反対側にあり光入射面を構成する第２面とを有し、前記シリコン基板の前記第１面は第１半導体を備え、前記シリコン基板の前記第２面は第２半導体を備え、前記第１半導体は第１比抵抗を有し、前記第２半導体は第２比抵抗を有し、前記第１比抵抗は前記第２比抵抗より低く、前記シリコン基板の厚さ方向に関して、前記第１半導体からなる領域の厚さは、前記第２半導体からなる領域の厚さより薄い。
【００１８】
また、一形態に係る赤外線受光装置は、（ａ）アレイ状に配列された複数のフォトダイオードを含む半導体受光素子と、（ｂ）前記半導体受光素子内の前記フォトダイオードからの信号を処理する処理回路を備えるシリコン集積素子と、を備え、前記シリコン集積素子はアレイ状に配列された複数の電極を含み、前記半導体受光素子内の前記フォトダイオードは、それぞれ、前記複数の電極に接続され、前記半導体受光素子は、シリコン基板と、前記フォトダイオードのための半導体積層と、前記シリコン基板と前記半導体積層との接合とを含み、前記半導体積層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え赤外線に感応する光吸収層を含み、前記シリコン基板は、前記半導体積層に接合を成す第１面と、該第１面の反対側にあり光入射面を構成する第２面とを有し、前記シリコン基板の前記第１面は、第１比抵抗を有する第１半導体を備え、前記シリコン基板の前記第２面は、第２比抵抗を有する第２半導体を備え、前記第１比抵抗は前記第２比抵抗より低く、前記シリコン基板の厚さ方向に関して、前記第１半導体からなる領域の厚さは、前記第２半導体からなる領域の厚さより薄い。
【００１９】
この赤外線受光装置によれば、フォトダイオードは、Ｖ族としてアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備える光吸収層を含む。このフォトダイオードのための半導体積層はシリコン基板に接合を成す。シリコン基板には、ドーパントの選択的な添加により半導体積層との接合近傍で高い導電性を付与できる。この透過光は、シリコン基板を介して個々のフォトダイオードの受光層に入射する。また、シリコン基板の第１面は第１半導体を備え、シリコン基板の第２面は第２半導体を備え、第１半導体からなる領域の厚さは第２半導体からなる領域の厚さより薄い。第１半導体の第１比抵抗は第２半導体の第２比抵抗より低いので、第２半導体のキャリア濃度は第１半導体のキャリア濃度より低くなる。これ故に、シリコン基板の第２半導体中のキャリアによる赤外光の吸収が低いので、シリコン基板全体として赤外光の吸収が低減される。フォトダイオードのための半導体積層はシリコン基板に接合を成すので、フォトダイオードアレイを搭載するシリコン基板とは独立した成長用基板を用いて、フォトダイオードのための半導体積層の結晶成長を行うことができ、成長用基板の選択に応じて、所望の受光特性を提供できる結晶性を半導体積層に提供できる。
【００２０】
一形態に係る赤外線受光装置では、前記半導体積層は、前記フォトダイオードのための複数の第１半導体メサと、複数の第２半導体メサとを備え、前記半導体受光素子は、第１領域と該第１領域を囲む第２領域とを有し、前記複数の第１半導体メサは前記第１領域に含まれ、前記第２半導体メサは前記第２領域に含まれ、前記フォトダイオードは、前記第１半導体メサの上面上に設けられたカソード電極及びアノード電極のうちの一方となる第１電極を備え、前記フォトダイオードは、前記第２半導体メサ上に絶縁層を介して設けられたカソード電極及びアノード電極のうちの他方となる第２電極を備え、前記第２電極は、前記シリコン基板の前記第１面の前記第１半導体に接続され、前記第１電極及び第２電極は前記シリコン集積素子の前記電極に接続される。
【００２１】
赤外線受光装置によれば、メサエッチングによる素子分離により個々のフォトダイオードが互いに分離される。
【００２２】
一形態に係る赤外線受光装置では、前記光吸収層は超格子構造を有し、前記超格子構造は、ＩｎＡｓ層及びＧａＳｂ層、ＩｎＡｓ層及びＩｎＧａＳｂ層、ＩｎＡｓＳｂ層及びＧａＳｂ層、又はＩｎＡｓＳｂ層及びＩｎＧａＳｂ層を含む。
【００２３】
この赤外線受光装置によれば、光吸収層はＩｎＡｓ層及びＧａＳｂ層を備える超格子構造を有することができ、光吸収層はＩｎＡｓ層及びＩｎＧａＳｂ層を備える超格子構造を有することができ、光吸収層はＩｎＡｓＳｂ層及びＧａＳｂ層を備える超格子構造を有することができ、或いは光吸収層はＩｎＡｓＳｂ層及びＩｎＧａＳｂ層を備える超格子構造を有することができる。また、赤外線受光装置では、光吸収層のための材料として上記の組み合わせが適用される。
【００２４】
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、本発明の赤外線受光装置及び半導体受光素子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。
【００２５】
図１は、本実施形態に係る赤外線受光装置を模式的に示す図面である。図２は、本実施形態に係る半導体受光素子を模式的に示す図面である。図１及び図２には、直交座標系Ｓが示されている。直交座標系Ｓにおいては、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸が示されている。図１を参照すると、赤外線受光装置１１が示されている。赤外線受光装置１１は、半導体受光素子１３及びシリコン集積素子１５を備える。半導体受光素子１３は、アレイ状に配列された複数のフォトダイオード１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆを含む。フォトダイオード１７ａ〜１７ｆは、二次元アレイ、又は一次元アレイを構成するように配置されることができる。本実施例では、図１の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、フォトダイオード１７ａ〜１７ｆは二次元的なアレイ（図１の（ａ）部においてはＸ軸の方向、及び図１の（ｂ）部においてはＹ軸の方向）を構成するように配列されている。シリコン集積素子１５は、半導体受光素子１３からの信号を処理する処理回路１９を備える。処理回路１９は、処理回路部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆを備える。処理回路部２１ａ〜２１ｆも、フォトダイオード１７ａ〜１７ｆのアレイに合わせてアレイ状に配置される。処理回路部２１ａ〜２１ｆは、それぞれ、半導体受光素子１３内のフォトダイオード１７ａ〜１７ｆからの信号を処理する。フォトダイオード１７ａ〜１７ｆが実質的に同じ構造を有することができるので、引き続く説明では、代表的にフォトダイオード１７ａを参照する。また、処理回路部２１ａ〜２１ｆは実質的に同じ構造を有することができるので、引き続く説明では、代表的に処理回路部２１ａを参照する。処理回路部２１ａは、フォトダイオード１７ａからの光電流を受けて、例えばこの電流信号を電圧信号に変換すると共に信号増幅を行う。シリコン集積素子１５は、シリコン集積回路の製造技術を適用して作製される。
【００２６】
具体的には、シリコン集積素子１５は、処理回路部２１ａ（２１ａ〜２１ｆ）毎に設けられた複数の電極２３ａ（２３ａ〜２３ｆ）を含み、複数の電極２３ａ（２３ａ〜２３ｆ）は、フォトダイオード１７ａ（１７ａ〜１７ｆ）のアレイに合わせてアレイ状に配列される。処理回路部２１ａ（２１ａ〜２１ｆ）は、半導体受光素子１３内のフォトダイオード１７ａ（１７ａ〜１７ｆ）に接続される。シリコン集積素子１５の電極２３ａ（２３ａ〜２３ｆ）は、半導体受光素子内のフォトダイオード１７ａ（１７ａ〜１７ｆ）の電極２５ａ（２５ａ〜２５ｆ）に接続される。
【００２７】
半導体受光素子１３は、シリコン基板２７と、フォトダイオード１７ａのための半導体積層２９と、接合３１とを備える。接合３１は、シリコン基板２７と半導体積層２９とによって構成される。半導体積層２９は、コンタクト層２９ａ、赤外線に感応する光吸収層２９ｂ、及びドープ半導体層２９ｃを含む。光吸収層２９ｂは、Ｖ族としてアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、例えばＧａＳｂ等であり、またＩｎＡｓ、ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂを包含する。光吸収層２９ｂは、例えば互いに異なる材料からなる第１半導体層及び第２半導体層を含む超格子構造を有することができる。超格子構造３３は、以下の組み合わせの少なくともいずれか一つを備えることができる。この赤外線受光装置１１によれば、光吸収層２９ｂはＩｎＡｓ層及びＧａＳｂ層を備える超格子構造３３を有することができ、光吸収層２９ｂはＩｎＡｓ層及びＩｎＧａＳｂ層を備える超格子構造３３を有することができる。さらに、光吸収層２９ｂはＩｎＡｓＳｂ層及びＧａＳｂ層を備える超格子構造３３を有することができ、或いは光吸収層２９ｂはＩｎＡｓＳｂ層及びＩｎＧａＳｂ層を備える超格子構造３３を有することができる。赤外線受光装置１１では、光吸収層２９ｂのための材料として上記の組み合わせが適用される。超格子構造はタイプＩＩのバンド構造を有する。光吸収層２９ｂは、例えば３〜１５μｍの赤外領域の光を受ける。
【００２８】
半導体積層２９の一例。
コンタクト層２９ａ：Ｂｅドープｐ型ＧａＳｂ、ドーパント濃度２×１０１８ｃｍ−３。
光吸収層２９ｂ：アンドープＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子構造。
ドープ半導体層２９ｃ；Ｓｉドープｎ型ＩｎＡｓ、ドーパント濃度２×１０１８ｃｍ−３。
本実施例では、コンタクト層２９ａ、光吸収層２９ｂ及びドープ半導体層２９ｃは、シリコン基板２７の第１面２７ａに交差する軸（例えば、法線軸）の方向に配列されている。ドープ半導体層２９ｃ（フォトダイオードの上側）は例えばＩｎＡｓである。コンタクト層２９ａ（フォトダイオードの下側）は例えばＧａＳｂである。
【００２９】
シリコン基板２７は第１面２７ａ及び第２面２７ｂを有する。第１面２７ａは、半導体積層２９に貼り合わせの接合３１を成す。第２面２７ｂは、第１面２７ａの反対側にあり光入射面を構成する。シリコン基板２７の第１面２７ａは第１半導体を備え、この第１半導体は第１比抵抗ρ１を有する。シリコン基板２７の第２面２７ｂは第２半導体を備え、この第２半導体は第２比抵抗ρ２を有する。第１比抵抗ρ１は第２比抵抗ρ２より低い。また、シリコン基板２７は、シリコン基板２７の厚さ方向に配列された、第１半導体からなる領域２７ｃ及び第２半導体からなる領域２７ｄを含む。第１半導体からなる領域２７ｃの厚さＤ１は、第２半導体からなる領域２７ｄの厚さＤ２より薄い。領域２７ｃにはｎ型ドーパントが添加されており、一実施例ではｎ型ドーパント（例えば、燐）が添加されている。第２半導体からなる領域２７ｄのキャリア濃度は、第１半導体からなる領域２７ｃのキャリア濃度より小さい。領域２７ｃのキャリア濃度は例えば１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下の範囲にあり、例えば３×１０１８ｃｍ−３である。領域２７ｄのキャリア濃度は例えば４×１０１３ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下の範囲にあり、例えば１×１０１５ｃｍ−３である。第１比抵抗ρ１は例えば０．０００７〜０．０２Ωｃｍの範囲にあり、第２比抵抗ρ２は例えば０．５〜１００Ωｃｍの範囲にある。第１半導体からなる領域２７ｃの厚さＤ１は例えば３〜１００μｍの範囲にあり、例えば１０μｍである。
【００３０】
赤外線受光装置１１は裏面入射型の構造を有するので、シリコン基板２７の第２面２７ｂから入射した赤外光は、シリコン基板２７の領域２７ｃ及び領域２７ｄを透過した後に、光吸収層２９ｂにおいて光電変換される。第２比抵抗ρ２を有する第２半導体からなる領域２７ｄは、赤外領域において大きな光吸収を示さないので、領域２７ｄの厚さＤ２は、シリコン基板２７が支持体としての役割を提供できる程度の値であることができる。
【００３１】
赤外線受光装置１１によれば、フォトダイオード１７ａは、Ｖ族としてアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備える光吸収層２９ｂを含む。このフォトダイオード１７ａのための半導体積層２９はシリコン基板２７に接合３１を成す。シリコン基板２７には、ドーパントの選択的な添加により高い導電性を付与できると共に、キャリアが少ない領域が大きいために赤外の波長帯域の光はシリコン半導体を透過可能である。この透過光は、シリコン基板２７を介して個々のフォトダイオード１７ａの光吸収層２９ｂに入射する。また、シリコン基板２７の第１面２７ａは、第１比抵抗の第１半導体を備え、シリコン基板２７の第２面２７ｂは、第２比抵抗の第２半導体を備え、第１半導体からなる領域２７ｃの厚さＤ１は第２半導体からなる領域２７ｄの厚さＤ２より薄い。また、第１半導体の第１比抵抗は第２半導体の第２比抵抗より低いので、第２半導体のキャリア濃度は第１半導体のキャリア濃度より低くでき、またシリコン基板２７の第２半導体中のキャリアによる赤外光の吸収が低い。これ故に、多数のフォトダイオード１７ａの相互接続を導電性シリコン領域で構成すると共に、シリコン基板全体として赤外光の吸収が低減される。導電性シリコン領域はエピ成長に依ることなく形成される。フォトダイオードのための半導体積層２９がシリコン基板２７に接合３１を成すので、フォトダイオードアレイを搭載するシリコン基板２７に限定されることなくシリコンとは独立した材料の成長用基板を用いて、フォトダイオードのための半導体積層２９の結晶成長を行うことができ、所望の受光特性を提供できる結晶性を成長用基板の選択に応じて半導体積層２９（より具体的には光吸収層２９ｂ）に提供できる。
【００３２】
赤外線受光装置１１では、半導体受光素子１３は、第１領域１３ａ及び第２領域１３ｂを有し、第２領域１３ｂは第１領域を囲むことができる。半導体受光素子１３は、フォトダイオード１７ａのための複数の第１半導体メサ３７ａ（３７ａ〜３７ｆ）と、複数の第２半導体メサ３７ｇとを備える。第１半導体メサ３７ａ（３７ａ〜３７ｆ）は第１領域１３ａに含まれ、第２半導体メサ３７ｇは第２領域１３ｂに含まれる。フォトダイオード１７ａは、第１半導体メサ３７ａ（３７ａ〜３７ｆ）の上面上に設けられたカソード電極及びアノード電極のうちの一方となる電極２５ａ（２５ａ〜２５ｆ）を第１電極として備え、この電極２５ａは、例えばバンプ電極といった接続金属体３９を介してシリコン集積素子１５の電極２３ａに接続される。フォトダイオード１７ａ（１７ａ〜１７ｆ）は、第２半導体メサ３７ｇ上に絶縁層４１を介して設けられたカソード電極及びアノード電極のうちの他方となる電極２５ｇを第２電極として備える。この電極２５ｇは、シリコン基板２７の第１面２７ａの領域２７ｃの高ドープ半導体領域（第１半導体）に接続される。領域２７ｃ（高ドープ半導体領域）はシリコン基板２７の第１面２７ａに沿って延在して、アレイ状のフォトダイオード１７ａ（１７ａ〜１７ｆ）を互いに接続する。また、多数のフォトダイオード１７ａからの光電流は、共通の高ドープ半導体領域及び電極２５ｇを介してシリコン集積素子１５に流れ込む。
【００３３】
赤外線受光装置１１によれば、メサエッチングによる素子分離により個々のフォトダイオードが互いに分離される。この実施例では、第１半導体メサ３７ａ（３７ａ〜３７ｆ）及び第２半導体メサ３７ｇの各々は、領域２７ｃ（高ドープ半導体領域）の一部を含み、領域２７ｃ（高ドープ半導体領域）の残りがシリコン基板２７の第１面２７ａに沿って延在する。これ故に、半導体メサとして分離されるフォトダイオード１７ａ（１７ａ〜１７ｆ）のアレイに、素子分離のためのメサを利用して、シリコン集積素子１５に接続される電極２５ｇ（共通の第２電極）を提供できる。
【００３４】
本実施例では、化合物半導体とシリコン半導体との接合３１が、第１半導体メサ３７ａ（３７ａ〜３７ｆ）及び第２半導体メサ３７ｇの側面に到達している。これ故に、メサを用いた素子分離により、化合物半導体とシリコン半導体との貼り合わせによる大きな物理的な接合は、個々のフォトダイオード１７ａ（１７ａ〜１７ｆ）毎に分離されて、比較的小さい接合面積を有する多数の接合３１を備え、これらの接合３１はアレイ状に配列されている。シリコンの熱膨張係数はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の熱膨張係数と異なるけれども、アレイ状の接合３１の寄与により半導体受光素子１３及びシリコン集積素子１５は互いにしっかりと固定されて、一体の赤外線受光装置１１を構成できる。さらに、化合物半導体とシリコン半導体との接合３１が、個々のフォトダイオード１７ａ（１７ａ〜１７ｆ）毎に分離されて形成されているので、シリコンの熱膨張係数とＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の熱膨張係数との差に起因して生じる応力は、各半導体メサに分散されるので、応力による特性や素子の信頼性への影響を低減することができる。接合３１の面積は例えば２２５〜２５００μｍ２程度であり、接合３１のサイズ（例えば一辺の長さ）は例えば１５〜５０μｍ程度である。アレイ数は、第１半導体メサ３７ａ（３７ａ〜３７ｆ）及び第２半導体メサ３７ｇの総数であり、例えば５００００以上である。半導体受光素子１３がシリコン基板２７を含み、シリコン基板２７はシリコン集積素子１５と同じ熱膨張係数を有する。半導体受光素子１３とシリコン集積素子１５とをバンプを介して接続した際に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層は、シリコン基板２７とシリコン集積素子１５とで挟まれた構成を有することになる。この構造により、シリコンとＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体との熱膨張係数差に起因した応力を更に低減できる。
【００３５】
半導体受光素子１３は、必要な場合には、シリコン基板２７の第２面２７ｂ上に設けられた反射防止膜４３を更に含むことができる。
【００３６】
図３〜図５を参照しながら、赤外線受光装置１１を作製する方法及び半導体受光素子１３を作製する方法を説明する。引き続く説明において、赤外線受光装置１１及び半導体受光素子１３に対応した構成物が製造工程において現れる。可能である場合には、製造工程において現れる構成物に、赤外線受光装置１１及び半導体受光素子１３に係る上記の説明における参照符合を付する。
【００３７】
半導体受光素子１３のフォトダイオード１７ａのためのエピタキシャル積層を形成するための成長用の半導体基板を準備する。この半導体基板の材料は、光収集層に所望の受光特性を提供でき、また半導体積層に所望の結晶品質を提要できるように決定される。この半導体基板は、図３の（ａ）部において半導体基板５１として示されている。図３の（ａ）部に示されるように、エピ成長工程では、ｐ導電性のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（ドープ半導体層２９ｃ）、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子構造（光吸収層２９ｂ）及びｎ導電性のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（コンタクト層２９ａ）を成長して、エピタキシャル基板ＥＰを形成する。半導体基板５１は、例えばアンドープＧａＳｂウエハであり、入手可能なアンドープＧａＳｂ基板は例えばｐ導電性を示す。成長方法は、例えば分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法であることができる。ｐ導電性のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ベリリウムドープＧａＳｂであることができ、ｎ導電性のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、シリコンドープＩｎＡｓであることができる。
【００３８】
図３の（ｂ）部に示されるように、シリコン基板準備工程では、高比抵抗のシリコンウエハを準備する。このシリコンウエハは、全体が実質的な均一な不純物分布であって、半導体受光素子１３の受光波長範囲において９０％程度の光透過率（波長：１５μｍでの値）を示す。このシリコンウエハの主面に、層状の高濃度ドープ領域を形成して、半導体受光素子１３のためのシリコン基板５３を準備する。このために、例えば不純物拡散及び／又はイオン注入を用いることができる。添加されるドーパント種は、例えば燐であることができる。この不純物導入により、シリコンウエハからシリコン基板５３が形成される。シリコン基板５３は、主面５３ｃに沿って設けられた層状で低比抵抗の高濃度ドープ領域５３ａと、高比抵抗の基体領域５３ｂとを含む。
シリコンウエハの一例。
シリコンウエハ：燐ドープＳｉ基板（ｎ型）。
ウエハ厚；３５０μｍ。
キャリア濃度：１×１０１６ｃｍ−３以下。
高ドープ領域の一例。
ドーパント種：燐（Ｐ）。
ドーパント濃度：１×１０１８ｃｍ−３以上。
比抵抗：０．５Ω・ｃｍ以下。
拡散深さ；１０μｍ。
【００３９】
貼り合わせ工程においては、まず、エピタキシャル基板ＥＰ及びシリコン基板５３を準備して、貼り合わせのための前処理を行うと共に、前処理されたエピタキシャル基板ＥＰ及びシリコン基板５３を互いに接触させる。次いで、互いに接触したエピタキシャル基板ＥＰ及びシリコン基板５３に貼り合わせ処理を行って、エピタキシャル基板ＥＰ及びシリコン基板５３を接合させる。
エピタキシャル基板ＥＰとシリコン基板５３との接合形成の一例。
前処理として以下の工程を行う。例えば、エピタキシャル基板ＥＰ及びシリコン基板５３に、アセトンを用いた超音波洗浄、メタノールを用いた超音波洗浄、超純水を用いた洗浄を順に適用する。これらの洗浄の後に、シリコン基板５３にはバッファードフッ酸処理を施して、シリコン基板の表面の自然酸化膜を除去する。上記の洗浄の後に、エピタキシャル基板ＥＰには、その表面の親水化のために有機アルカリ処理を施す。これらの処理の後に、必要な場合には貼り合わせのためのアライメントを行って、エピタキシャル基板ＥＰ及びシリコン基板５３の表面を互いに接触させる。具体的には、図３の（ｃ）部に示されるように、アライメント及び密着のための装置５５ａを用いて純水中においてエピタキシャル基板ＥＰ及びシリコン基板５３を密着される。密着されたエピタキシャル基板ＥＰ及びシリコン基板５３を純水中から取り出した後に、図３の（ｄ）部に示されるように、処理装置５５ｂを用いて、密着されて成る一体物５７の熱処理を行う。
熱処理の条件の一例。
熱処理温度：摂氏６００度。
熱処理時間：１時間。
熱処理の雰囲気：水素。
熱処理の圧力：１パスカル。
貼り合わせ処理の加圧力：１×１０５パスカル。
一体物５７は、貼り合わせ処理によるエピタキシャル基板ＥＰ及びシリコン基板５３並びに単一の大きな接合５９を備える。
【００４０】
図３の（ｅ）部に示されるように、成長用の半導体基板５１を一体物５７から除去して、基板生産物ＳＰ１を形成する。半導体基板５１の除去は例えば研磨及びエッチングにより行われる。ＧａＳｂ基板の除去の一例としては、機械的な研磨を行った後に、研磨面のエッチングが行われる。ウェットエッチング用溶液としては、水、リン酸、クエン酸、過酸化水素水を含む溶液が用いられる。
【００４１】
メサ形成工程では、個々の素子区画内においてアレイ状の配列される半導体メサを規定するマスクを基板生産物ＳＰ１上に形成した後に、このマスクを用いたエッチングにより半導体メサのアレイを形成する。このエッチングにより、図４の（ａ）部に示されるように、アレイ状の配列される半導体メサを含む基板生産物ＳＰ２が形成される。本実施例においては、基板生産物ＳＰ２は、シリコン基板５３に到達するように深さの第１半導体メサ３７ａ、３７ｂ及び第２半導体メサ３７ｇを含む。これ故に、シリコン基板５３の主面５３ｃに沿って設けられた層状の高濃度ドープ領域５３ａを維持しながら、個々の半導体メサ内に接合３１が含まれる。第１半導体メサ３７ａ、３７ｂ、第２半導体メサ３７ｇの間の領域には高濃度ドープ領域５３ａが現れている。一実施例では、隣り合う素子区画の境界には、第１半導体メサ３７ａ、３７ｂ及び第２半導体メサ３７ｇ間の領域より幅広のエリアに高濃度ドープ領域５３ａが現れている。このエリアは、後の工程においてカソード電極の接触のために用いられる。第１半導体メサ３７ａ、３７ｂ及び第２半導体メサ３７ｇにおいて、接合５９は、第１半導体メサ３７ａ、３７ｂ及び第２半導体メサ３７ｇ毎の接合３１として区分けされる。理解を容易にするために、図４は、一素子区画のサイズの一部分の素子製造工程を示す。
【００４２】
保護膜形成工程では、図４の（ｂ）部に示されるように、基板生産物ＳＰ２の第１半導体メサ３７ａ、３７ｂ、及び第２半導体メサ３７ｇ並びに高濃度ドープ領域５３ａを覆うように、パッシベーション膜６１を形成して、基板生産物ＳＰ３を作製する。第１半導体メサ３７ａ、３７ｂ、第２半導体メサ３７ｇの側面及び上面はパッシベーション膜６１により覆われている。
パッシベーション膜６１の形成の一例。
成膜方法：プラズマ（ＣＶＤ）気相成長法。
絶縁膜の材料シリコン系無機絶縁膜（例えばＳｉＯ２）。
厚さ：３００ｎｍ。
【００４３】
アノード電極形成工程では、図４の（ｃ）部に示されるように、第１半導体メサ３７ａ、３７ｂの上面上のパッシベーション膜６１に開口を形成した後に、第１半導体メサ３７ａ、３７ｂの上面に接触を成す電極２５ａ、２５ｂ（アノード電極）を形成して、基板生産物ＳＰ４を作製する。第２半導体メサ３７ｇの側面及び上面はパッシベーション膜６１により覆われている。
センサ用電極の形成の一例。
金属膜の作成方法：蒸着。
電極材料：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ。
電極の厚さ；５０ｎｍ／８０ｎｍ／４５０ｎｍ。
【００４４】
カソード電極形成工程では、図４の（ｄ）部に示されるように、第２半導体メサ３７ｇに隣接する高濃度ドープ領域５３ａ上のパッシベーション膜６１に開口を形成した後に、高濃度ドープ領域５３ａの表面に接触を成す電極２５ｇ（カソード電極）を形成して、基板生産物ＳＰ５を作製する。電極２５ｇ（カソード電極）は、高濃度ドープ領域５３ａの表面に接触を成す接触部、該接触部に接続され第２半導体メサ３７ｇの側面を延在する配線部、及び配線部に接続され第２半導体メサ３７ｇの上面を位置する電極部を含む。
カソード電極の形成の一例。
金属膜の作成方法：蒸着。
電極材料：Ａｌ。
電極の厚さ；５００ｎｍ（成膜時）。
【００４５】
反射防止（ＡＲ）膜の形成工程では、シリコン基板５３の裏面が鏡面になるようにシリコン基板５３を研磨する。この後に、図５の（ａ）部に示されるように、シリコン基板５３の研磨面５３ｄ上に反射防止膜６３を形成して、基板生産物ＳＰ６を作製する。
ＡＲ膜の形成の一例。
前処理：研磨で鏡面の形成。
成膜の方法：プラズマ化学的気相成長法。
ＡＲ膜の材料；シリコン系無機絶縁膜（例えばＳｉＯＮ）。
【００４６】
バンプ形成工程では、図５の（ｂ）部に示されるように、第１半導体メサ３７ａ上の電極２５ａ（アノード電極）、第１半導体メサ３７ｂ上の電極２５ｂ（アノード電極）、及び第２半導体メサ３７ｇ上の電極２５ｇ（カソード電極）上にバンプ電極６５を形成して、基板生産物ＳＰ７を作製する。
バンプ電極の形成の一例。
金属膜の形成方法：蒸着。
バンプの材料：インジウム（Ｉｎ）。
これまでの工程により、半導体受光素子１３のための基板生産物ＳＰ７が作製された。基板生産物ＳＰ７を分離して、半導体チップとしての半導体受光素子１３を作製する。これにより、センサチップが完成された。
【００４７】
シリコン集積素子１５を準備する。シリコン集積素子１５は、半導体受光素子１３のアレイ状のフォトダイオードの各々からの信号を上記のバンプ電極６５を介して受ける読み出し回路を含む。図５の（ｃ）部に示されるように、半導体受光素子１３とシリコン集積素子１５とのマイクロ接合を形成するためのバンプ電極６７を、シリコン集積素子１５の処理回路部２１ａ、２１ｂ毎の電極２３ａ、２３ｂ上及び電極２５ｇ（カソード電極）に接続される電極２３ｇ上に形成する。
シリコン集積素子の準備工程の一例。
金属膜の形成方法：蒸着。
バンプの材料：インジウム（Ｉｎ）。
【００４８】
接合工程においては、図５の（ｄ）部に示されるように、半導体受光素子１３とシリコン集積素子１５とのマイクロ接合を形成するために、半導体受光素子１３及びシリコン集積素子１５のアライメントを行う。アライメントの後に、図５の（ｅ）部に示されるように、半導体受光素子１３のバンプ電極６５とシリコン集積素子１５のバンプ電極６７との接触させた後に、圧力を加えて半導体受光素子１３とシリコン集積素子１５とのマイクロ接合を形成する。バンプ電極６５とバンプ電極６７とは接合６９を形成する。
【００４９】
図６を参照しながら、別の半導体受光素子を作製する方法を説明する。図６の（ａ）部を参照すると、既に説明された手順に従って形成されたエピタキシャル基板ＥＰが示されている。接合の形成に先立って、図６の（ｂ）部に示されるように、エピタキシャル基板ＥＰ上に非結晶性シリコン層７１を堆積して、積層生産物ＥＰ１を形成する。非結晶性シリコン層７１は、例えばアモルファスシリコン膜、又はポリシリコン膜として化学的気相成長法で成膜される。非結晶性シリコン層７１は例えば０．３〜１０μｍの厚さであることができる。
多結晶あるいは非晶質シリコン膜の堆積の例示。
作製方法；プラズマ化学的気相成長法。
厚さ：１μｍ。
成膜の温度；摂氏２５０度。
【００５０】
エピタキシャル基板ＥＰ上に非結晶性シリコン層７１を形成した後に、貼り合わせ工程として既に説明したように、図６の（ｃ）部に示されるように、前処理、アライメント等を行う。図６の（ｄ）部に示されるように、積層生産物ＥＰ１をシリコン基板５３に貼り合わせて、接合７３を形成する。
積層生産物ＥＰ１とシリコン基板５３との貼り合わせの一例。
表面前処理：イオンビーム照射により活性化処理。
貼り合わせの温度：室温（例えば、２７℃）。
貼り合わせの雰囲気：上記の前処理から接合まで高真空（例えば、真空度１×１０−４パスカル）。
貼り合わせのための印加圧力：１×１０５パスカル。
引き続く工程として、図３の（ｅ）部に示されるように、半導体基板５１の除去に進む。
【００５１】
（実施例）
以下のような工程で光検出器を作製した。
ＭＢＥ法にてＢｅドープＧａＳｂバッファ層、（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）超格子からなる受光層、ＳｉドープＩｎＡｓコンタクト層を順に成長して、エピタキシャル基板を作製した。このエピタキシャル基板中の超格子は、ＩｎＡｓ層／ＧａＳｂ層を一対として、３００対からなる。超格子の全体のうち、ＧａＳｂ基板に近い３０対内のＧａＳｂ層にベリリウムを添加して、ｐ型導電性を付与している。また、コンタクト層に近い３０対内のＧａＳｂ層にシリコンを添加して、ｎ型導電性を付与している。これらの間の（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）超格子は、アンドープとして成長されて、ｉ型を有する。このような成長により、ｐｎ接合、又はｐｉｎ接合が超格子構造の受光層内に形成される。
【００５２】
エピタキシャル基板のコンタクト層表面にウェハボンディング技術を用いてシリコン基板を貼り合わせて、貼り合わせ一体物を形成する。この後に、ＧａＳｂ基板を研磨又はウェットエッチングにより除去する。これらの工程により、センサチップ用ウエハ生産物を作製した。貼り合わせに先だって、低いキャリア濃度を有するシリコン基板を準備すると共に、該シリコン基板の表面近傍にイオン注入により、コンタクト層と同じ導電型（例えばｎ型）の高ドープ領域を形成する。このように作製されたシリコン基板の大部分では、そのキャリア濃度が低いので、赤外光の透過率が高く、コンタクト層と接触する基板表面には、高キャリア濃度を有するドープされたシリコン領域を形成して個々のフォトダイオードに接地経路を提供している。
【００５３】
センサチップ用ウエハ生産物にプロセスを施して、一次元又は二次元に配列された複数の微細な赤外線センサ（フォトダイオード）のアレイを複数の素子区画に一括して形成して、センサチップ生産物を作製する。センサチップ生産物を適当な大きさにダイシングして、センサチップを作製できる。
【００５４】
プロセスは以下のような手順で行った。ＢｅドープＧａＳｂバッファ層、超格子構造の受光層、ＳｉドープＩｎＡｓコンタクト層を含む半導体積層にフォトリソグラフィ及びエッチングを適用して、半導体メサ構造のアレイを形成した。エッチングの深さはシリコン基板の表層をエッチングする程度に設定され、またシリコン基板表面の高ドープ領域の深さより浅くなるように設定される。次いで、個々の半導体メサの側面及び上面にパッシベーション膜（例えばシリコン酸化膜）を形成した。各半導体メサの上面（ＧａＳｂバッファ層）にオーミック接触するように、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ合金を用いてアノード電極を形成した。シリコン基板の高ドープ領域にオーミック接触するようにＡｌを用いてカソード電極を形成した。接地電極用の専用半導体メサを素子の外周領域に準備して、専用半導体メサの側面上のパッシベーション膜に沿って専用半導体メサの上面まで接地電極を延在させて、フォトダイオードのオーミック電極と同じ高さに、接地電極を設けている。これにより、アノード電極及び接地電極の高さが一致する。研磨又はウェットエッチングによりシリコン基板の裏面に鏡面を形成した。しかしながら、不要な量の研磨・エッチングにより基板の厚さが薄くなることを避けた。鏡面を形成した後に、鏡面状の裏面上に反射防止（ＡＲ）膜を形成して、入射光の反射を防止する。
【００５５】
このように作製されたセンサチップをシリコン集積素子と接合して、センサチップのフォトダイオードをシリコン集積素子内の読み出し回路に接続した。センサのアノード電極は、読み出し回路の電極にバンプを介在させて接続される。また、センサチップのフォトダイオードのカソードは、読み出し回路の接地電極とバンプを介在させて接続させる。これらの工程により、中赤外領域に感度を有する第１光検出器を作製した。第１光検出器は、実質的に、図１に示される構造を有する。
【００５６】
上記の第１光検出器とは別の構造を有し図７に示されるような第２光検出器を作製した。この構造では、シリコン基板に貼り合わせを行わずＧａＳｂ基板を残すこと、半導体メサ形成に際してＢｅドープＧａＳｂバッファ層の一部をアノード領域として使用すること、において、先の作製された第１光検出器の構造と異なる。貼り合わせを行わないので、シリコン集積素子の読み出し回路に接続される半導体メサの上部にｎ型半導体を配置すると共に、ＧａＳｂ基板に近い半導体メサの下部にｐ型半導体を配置する。この導電性の変更に合わせて、電極材料も変更する。センサチップと読み出し回路との接合を形成した後に、十分な光透過を得るために、５０μｍの厚さにまでＧａＳｂ基板の裏面を研磨した。研磨後のＧａＳｂ基板の裏面にＡＲ膜を形成した。
【００５７】
第１光検出器、第２光検出器をそれぞれ複数作製し、作製後のセンサチップに割れが発生しているかを調べると、第１光検出器は割れの発生率が０％だったのに対し、第２光検出器は約５０％であった。また、第１光検出器、及び第２光検出器をパッケージに実装して、第１組立物、及び第２組立物を形成した。第１組立物、及び第２組立物に対して、温度７７Ｋへの冷却、及び室温（例えば、２７℃）に戻すという１０回の温度サイクルを行った。この温度サイクルの後に、第１組立物、及び第２組立物内の光検出器を観察した。第２光検出器のセンサチップが割れていた。第１組立物のセンサチップが割れていない。
【００５８】
また、暗電流を評価するために、第１光検出器及び第２光検出器のＩ−Ｖ特性を測定した。第１光検出器は、第２光検出器と同様に、印可電圧が−０．５Ｖで１ｍＡ／ｃｍ２以下の小さい暗電流を有することが確かめられた。
【００５９】
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】
【００６０】
本実施の形態によれば、所望の受光特性を提供できる結晶性を有し赤外線に感応する光吸収層を有すると共に、裏面入射により該光吸収層に導入され赤外線の減少を低減できる赤外線受光装置を優れた量産性で提供でき、また、該赤外線受光装置のための半導体受光素子を提供できる。
【符号の説明】
【００６１】
１１…赤外線受光装置、１３…半導体受光素子、１５…シリコン集積素子、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆ…フォトダイオード、１９…処理回路、２７…シリコン基板、２９ａ…コンタクト層、２９ｂ…光吸収層、２９ｃ…ドープ半導体層、２９…半導体積層、３１…接合、３３…超格子構造。
【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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