(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持層と、
前記支持層上に形成され、素子分離構造により画成された第１のコンタクト層と、
前記第１のコンタクト層上に形成され、第１の波長の光を吸収する第１の光吸収層と、
前記第１のコンタクト層上に電気的にコンタクトする第１のオーミック電極と、
前記第１の光吸収層上に形成された第２のコンタクト層と、
前記第２のコンタクト層に電気的にコンタクトする第２のオーミック電極と、
前記第２のコンタクト層上に形成された第２の光吸収層と、
前記第２の光吸収層上に形成された第３のコンタクト層と、
前記第３のコンタクト層に電気的にコンタクトする第３のオーミック電極とを備え、
前記第２のオーミック電極と前記第３のオーミック電極は、前記第３のコンタクト層上に形成された高抵抗層上に設けられていることを特徴とするフォトセンサ。
【請求項２】
前記第２のオーミック電極は接地、もしくはバイアス源を介して接地されることを特徴とする請求項１記載のフォトセンサ。
【請求項３】
さらに、前記高抵抗層中に、前記第３のコンタクト層を露出するように形成された第１のコンタクトホールと、前記高抵抗層中に、前記第２の光吸収層を貫通し前記第２のコンタクト層を露出するように形成された第２のコンタクトホールと、前記高抵抗層中に、前記第２の光吸収層と前記第２のコンタクト層と前記第１の光吸収層を貫通し、前記第１のコンタクト層を露出するように形成された第３のコンタクトホールとを備え、前記第３のオーミック電極は、前記高抵抗層上に、前記第１のコンタクトホールにおいて前記第３のコンタクト層とコンタクトするように形成され、前記第２のオーミック電極は、前記高抵抗層上に、前記第２のコンタクト層のうち、前記第２のコンタクトホールにより露出された部分に、前記第２のコンタクトホールの側壁面上を延在する第１の導体パターンを介して電気的にコンタクトするように形成され、前記第３のオーミック電極は、前記高抵抗層上に、前記第１のコンタクト層のうち、前記第３のコンタクトホールにより露出された部分に、前記第３のコンタクトホールの側壁面上を延在する第２の導体パターンを介して電気的にコンタクトするように形成されたことを特徴とする請求項１または２記載のフォトセンサ。
【請求項４】
前記第２のコンタクトホールは、前記第１の導体パターンが延在する部分に第１の高抵抗領域が形成されており、前記第３のコンタクトホールは、前記第２の導体パターンが延在する部分に第２の高抵抗領域が形成されていることを特徴とする請求項３記載のフォトセンサ。
【請求項５】
請求項１〜３のうち、いずれか一項に記載した複数のフォトセンサを、前記支持層上に、前記素子分離構造により相互に分離して配列したことを特徴とするイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に光半導体装置に係り、特に複数の波長の入射光ビームを検出できるフォトセンサに関する。
フォトセンサは光情報通信等の分野において、光ファイバを経由して入来する光信号を検出するのに広く使われている。
【０００２】
一方、フォトセンサの重要な用途の一つに、イメージセンサがある。イメージセンサでは、フォトセンサをアレイ状に配列して、外部の光学系によりかかるアレイ上に結像された光学的イメージを検出する。イメージセンサは可視光領域から赤外光領域にわたる幅広い波長領域で使われるが、６〜９μｍ帯の赤外光領域で動作する赤外線イメージセンサは、熱源の探知や暗視装置等において重要である。特に、従来より、複数の波長において動作可能な赤外線イメージセンサが求められている。
【０００３】
【従来の技術】
図１は、二つの波長λ1 およびλ2 で動作可能な従来の赤外線イメージセンサ１０の構成を示す。
図１を参照するに、半絶縁性ＧａＡｓよりなる支持層１１上にはｎ型ＧａＡｓよりなる下側コンタクト層１２がエピタキシャルに形成され、前記下側コンタクト層１２上には共通電極１３がオーミックに形成される。
【０００４】
前記下側コンタクト層１２上において前記共通電極１３の一方の側の領域１２Ａ上にはフォトセンサ１４Ａが、また他方の領域１２Ｂ上には前記フォトセンサ１４Ａと実質的に同一の構成を有するフォトセンサ１４Ｂが形成される。その際、フォトセンサ１４Ａとフォトセンサ１４Ｂとは、前記赤外線イメージセンサ１０を構成するセンサアレイにおいて、それぞれ画素を形成する。
【０００５】
前記フォトセンサ１４Ａおよび１４Ｂは、いずれも前記コンタクト層１２上に形成されたエピタキシャル層よりなる下側多重量子井戸構造１５と、前記多重量子井戸構造１５上にエピタキシャルに形成されたｎ型ＧａＡｓよりなる中間コンタクト層１６と、前記中間コンタクト層１６上にエピタキシャルに形成された上側多重量子井戸構造１７と、前記上側多重量子井戸構造１７上にエピタキシャルに形成されたｎ型ＧａＡｓよりなる上側コンタクト層１８とよりなる積層構造体よりなり、前記積層構造体の上面および側壁面は薄い絶縁膜１９により覆われる。さらに、前記絶縁膜１９のうち、前記上側コンタクト層１８を覆う部分の上にはオーミック電極２０Ａおよび２０Ｂが形成される。このうち、電極２０Ａは前記絶縁膜１９に形成されたコンタクトホールを介して前記上側コンタクト層１８にオーミックコンタクトし、また前記電極２０Ｂは前記絶縁膜１９上を延在する導体パターン２１を介して前記中間コンタクト層１６にオーミックコンタクトする。
【０００６】
前記ＧａＡｓ支持層１１は、実際には図示しないＧａＡｓ基板上にエピタキシャルに形成されるが、図１の構造が形成された後、前記ＧａＡｓ基板は適当なエッチングストッパ膜を使ったウェットエッチングにより、選択的に除去される。図１の構造では、前記フォトセンサ１４Ａ，１４Ｂに下方から、前記支持層１１を介して波長がλ1 およびλ2 の光ビームが入来し、波長λ1 の光ビーム成分は下側ＭＱＷ構造１５により、また波長λ2 の光ビーム成分は上側ＭＱＷ構造１７により検出される。前記下側ＭＱＷ構造１５および前記上側ＭＱＷ構造１７は、いずれもＧａＡｓ量子井戸層とＡｌＧａＡｓバリア層を交互に繰り返し積層した構造を有するが、前記下側ＭＱＷ構造１５では、ＭＱＷ構造中の前記量子井戸層の厚さおよび前記バリア層のＡｌ組成が、ＭＱＷ構造１５中に形成される量子準位が前記波長λ1 の光ビーム成分に共鳴するように設定され、また前記上側ＭＱＷ構造１７は、ＭＱＷ構造中の前記量子井戸層の厚さおよび前記バリア層のＡｌ組成が、ＭＱＷ構造１７中に形成される量子準位が前記波長λ2 の光ビーム成分に共鳴するように設定される。また、前記支持層１１に略垂直に入来する光ビームと量子井戸層との光学的な相互作用を促進するために、前記上側コンタクト層１８には回折格子１８Ａが形成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１の赤外線イメージセンサ１０において、前記フォトセンサ１４Ａあるいは１４Ｂ中のＭＱＷ構造１５あるいはＭＱＷ構造１７を使って波長がλ1 あるいはλ2 の入来光ビームを検出する場合には、前記ＭＱＷ構造１５あるいは１７をバイアス電圧を印加することにより駆動する必要がある。
【０００８】
図２（Ａ）は、図１のフォトセンサ１４Ａあるいは１４Ｂにおいて、前記上側ＭＱＷ構造１７を駆動する場合を示す。ただし、図２（Ａ）の構成は図１よりも簡素化して示してあり、前記オーミック電極２０Ｂは前記中間コンタクト層１６上に直接に形成されている。
図２（Ａ）を参照するに、前記共通電極１３は接地され、前記オーミック電極２０Ａに所定の駆動電圧＋Ｖ1 が印加される。かかる構成では、前記波長がλ2 の光ビームの入来に応じて前記上側ＭＱＷ層１７中において光電流が発生し、かかる光電流が前記電極２０Ａにおいて検出される。
【０００９】
一方、図２（Ａ）よりわかるように、このような構成では、前記下側ＭＱＷ構造１５にもある程度の電圧＋Ｖ（＜Ｖ1 ）が必然的に印加されるため、下側ＭＱＷ構造１５も同時に活性化されてしまう問題が生じる。このように下側ＭＱＷ構造１５が同時に活性化されてしまうと、前記オーミック電極２０Ａにおいて検出されるＭＱＷ構造１７で形成された光電流に、下側ＭＱＷ構造１５において形成された光電流が混入してしまう。
【００１０】
図２（Ｂ）は、前記下側ＭＱＷ構造１５を所定の電圧Ｖ2 で駆動する場合を示す。このように下側ＭＱＷ構造１５を電圧Ｖ2 で駆動した場合、上側ＭＱＷ構造１７を同時に駆動しようとすると、前記駆動電圧Ｖ1 として非常に高い電圧（Ｖ1 ＞Ｖ2 ）が必要になってしまう。また、図２（Ｂ）の構成においても、前記オーミック電極２０Ａに得られる光電流には、下側ＭＱＷ構造１５の光電流の効果が含まれており、波長λ1 の光ビームの検出と波長λ2 の光ビームの検出とを分離するのが困難である。
【００１１】
さらに、図１に示す従来の赤外線イメージセンサ１０では、フォトセンサ１４Ａ，１４Ｂを駆動するのにＶ1 およびＶ2 の二種類の駆動電圧が必要になるが、かかる赤外線イメージセンサ１０の駆動を信号処理系を含むＳｉ集積回路で行なう場合には、このような複数の駆動電圧を供給するのは、回路構成が複雑になるため費用上好ましくない。
【００１２】
そこで本発明は上記の課題を解決した新規で有用なフォトセンサ、およびかかるフォトセンサを使ったイメージセンサを提供することを概括的課題とする。
本発明のより具体的な課題は、複数の波長に対応した複数の光吸収層を備え、前記光吸収層を同一の駆動電圧により、それぞれ同時に、あるいは独立に駆動でき、それぞれの光吸収層において生じた光電流が混合することのないフォトセンサ、およびかかるフォトセンサを使ったイメージセンサを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を、請求項１に記載したように、
支持層と、前記支持層上に形成され、素子分離構造により画成された第１のコンタクト層と、前記第１のコンタクト層上に形成され、第１の波長の光を吸収する第１の光吸収層と、前記第１のコンタクト層上に電気的にコンタクトする第１のオーミック電極と、前記第１の光吸収層上に形成された第２のコンタクト層と、前記第２のコンタクト層に電気的にコンタクトする第２のオーミック電極と、前記第２のコンタクト層上に形成された第２の光吸収層と、前記第２の光吸収層上に形成された第３のコンタクト層と、前記第３のコンタクト層に電気的にコンタクトする第３のオーミック電極とを備え、前記第２のオーミック電極と前記第３のオーミック電極は、前記第３のコンタクト層上に形成された高抵抗層上に設けられていることを特徴とするフォトセンサにより解決する。
【００１４】
請求項１記載の本発明の特徴によれば、前記第１のコンタクト層が素子分離構造により画成されているため、前記第２のオーミック電極を共通電極として使い、前記第１のコンタクト層に形成した第１のオーミック電極により前記第１の光吸収層で形成された光電流を検出することが可能になる。その際、前記第１のオーミック電極に現れる光電流は、前記第２の光吸収層における光吸収の結果形成され前記第３のオーミック電極に現れる光電流と混合することがない。また、前記第２のオーミック電極を共通電極として使うことにより、前記第１の光吸収層と第２の光吸収層とを同一の駆動電圧により駆動することが可能になり、かかるフォトセンサを駆動する駆動集積回路の構成が簡素化される。
【００１５】
特に、請求項２記載の本発明の特徴によれば、前記第２のオーミック電極を接地することにより、フォトセンサは、前記第１のオーミック電極および第３のオーミック電極に同一の駆動電圧を供給することで駆動され、駆動集積回路の構成が非常に簡単になる。
前記素子分離構造は、前記支持層を露出する素子分離溝より構成しても、また前記第１のコンタクト層中に形成された、電気的に不活性な領域より構成してもよい。特に前記素子分離構造を前記第１のコンタクト層中に形成された深い不純物を含む領域より構成することにより、前記電気的不活性領域の形成をフォトセンサ中の別の電気的不活性領域の形成と同じに実行することが可能になり、フォトセンサの製造工程が簡素化される。
【００１６】
請求項３記載の本発明の特徴によれば、さらに、前記高抵抗層中に、前記第３のコンタクト層を露出するように第１のコンタクトホールを形成し、前記高抵抗層中に、前記第２の光吸収層を貫通し前記第２のコンタクト層を露出するように第２のコンタクトホールを形成し、前記高抵抗層中に、前記第２の光吸収層と前記第２のコンタクト層と前記第１の光吸収層を貫通し、前記第１のコンタクト層を露出するように第３のコンタクトホールを形成し、前記第３のオーミック電極を、前記高抵抗層上に、前記第１のコンタクトホールにおいて前記第３のコンタクト層とコンタクトするように形成し、前記第２のオーミック電極を、前記高抵抗層上に、前記第２のコンタクト層のうち、前記第２のコンタクトホールにより露出された部分に、前記第２のコンタクトホールの側壁面上を延在する第１の導体パターンを介して電気的にコンタクトするように形成し、前記第３のオーミック電極を、前記高抵抗層上に、前記第１のコンタクト層のうち、前記第３のコンタクトホールにより露出された部分に、前記第３のコンタクトホールの側壁面上を延在する第２の導体パターンを介して電気的にコンタクトするように形成したことにより、前記第１〜第３のオーミック電極が実質的に一平面上に配列し、フォトセンサを表面実装に適した形状に形成することができる。
【００１７】
特に前記第１〜第３のオーミック電極を前記高抵抗層上において相互に分離して形成し、各々にバンプ電極を設けることにより、かかるバンプ電極を介して前記フォトセンサを剛性の高い駆動集積回路あるいは配線基板上に実装することが可能になるが、かかる構成によれば、フォトセンサの製造工程の始めに前記支持層の下に存在する半導体基板を、前記フォトセンサが剛性基板上に実装された状態でエッチング除去することが可能になり、入射光ビームが前記第１あるいは第２の光吸収層に到達するまでに通過しなければならない半導体層の厚さが最小化され、これに伴いかかる半導体層による光吸収の問題が軽減される。
【００１８】
前記第２のコンタクトホールでは、請求項４に記載したように、前記第１の導体パターンが延在する部分に第１の高抵抗領域が形成されており、また前記第３のコンタクトホールでは、前記第２の導体パターンが延在する部分に第２の高抵抗領域が形成されており、これにより配線に使われる第１あるいは第２の導体パターンからコンタクトホールを構成する半導体層へのリーク電流の発生が回避される。
【００１９】
請求項５に記載したように、請求項１〜４のフォトセンサを複数個、前記支持層上に、前記素子分離構造により相互に分離して配列することにより、前記フォトセンサを画素とするイメージセンサが形成される。特に前記第１および第２の光吸収層の吸収光波長を赤外光領域に設定することにより、熱源の探知や暗視装置等に適した赤外線イメージセンサが得られる。
［作用］
図３および図４は本発明の原理を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００２０】
図３を参照するに、本発明のフォトセンサ１４は図１に示したフォトセンサ１４Ａ，１４Ｂと実質的に同様な構成を有するが、ｎ型ＧａＡｓよりなる前記下側コンタクト層１２が、その下側の半絶縁性ＧａＡｓよりなる前記支持層１１を露出する素子分離溝１２Ａ，１２Ｂにより画成されている点で異なっている。すなわち、本発明ではフォトセンサ１４は、前記支持層１１上において隣接するフォトセンサから電気的に分離して形成されている。
【００２１】
図４は図３のフォトセンサ１４の動作を示す。ただし、図２と同様に、図４は図３のフォトセンサ１４を簡素化して示している。
図４を参照するに、本発明のフォトセンサ１４では前記下側コンタクト層１２が素子分離溝１２Ａ，１２Ｂにより画成されているため、他のフォトセンサと共用されることがなく、従って前記下側コンタクト層１２上の下側オーミック電極１３において前記下側ＭＱＷ構造１５により形成された光電流のみを取り出すように構成することができる。このために、図４の構成では、前記中間コンタクト層１６を下側ＭＱＷ構造１５と上側ＭＱＷ構造１７と共用し、前記中間コンタクト層１６を前記オーミック電極２０Ｂにより接地する。さらに、前記オーミック電極１３およびオーミック電極２０Ａに＋Ｖ1 の駆動電圧を印加する。
【００２２】
かかる構成により、前記ＭＱＷ構造１５，１７に波長がλ1 およびλ2 の入射光が入来しても、対応する光電流を、それぞれ電極２０Ａおよび１３から、別々に、相互に干渉を生じることなく取り出すことが可能になる。
これに対し、図１に示す従来のフォトセンサ１４Ａでは、前記下側コンタクト層１２が隣接するフォトセンサ１４Ｂと共用されているため、前記オーミック電極１３からフォトセンサ１４ＡのＭＱＷ構造１５で形成された光電流のみを取り出すことはできない。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図５（Ａ），（Ｂ）は、本発明の一実施例によるフォトセンサ４０の構成を示すそれぞれ平面図、および図５（Ａ）の平面図中、線Ａ−Ａ’に沿った断面図を示す。ただし、図５（Ｂ）の断面図は図５（Ａ）中、前記線Ａ−Ａ’に沿った断面を矢印の方向から見たものであり、前記断面の向こう側に透視される部分を破線で示してある。
【００２４】
最初に図５（Ｂ）の断面図を参照するに、非ドープＧａＡｓよりなる支持層４１上にｎ+ 型ＧａＡｓよりなる下側コンタクト層４２がエピタキシャルに形成され、前記下側コンタクト層４２上には後で図６を参照しながら説明するＭＱＷ構造４３が形成される。
前記ＭＱＷ構造４３上にはさらにｎ+ 型ＧａＡｓよりなる第２のコンタクト層４４が形成され、前記第２のコンタクト層４４上にはさらに別のＭＱＷ構造４５が形成される。
【００２５】
前記別のＭＱＷ構造４５上にはｎ+ 型ＧａＡｓよりなる第３のコンタクト層４６が形成され、さらに前記コンタクト層４６は非ドープＧａＡｓよりなる高抵抗光結合層４７により覆われる。また、前記光結合層４７中には回折格子４７Ａが形成される。前記ＭＱＷ構造４３および４５は、本実施例においては６〜９μｍ帯においてそれぞれの波長の赤外光を吸収するが、本発明はかかる特定の波長に限定されるものではない。
【００２６】
本発明実施例によるフォトセンサ４０は、図５（Ａ）の平面図よりわかるように、矩形形状の外形を有し、図５（Ｂ）の断面図に示すように深い素子分離溝４０Ｘにより囲まれている。前記素子分離溝４０Ｘは前記フォトセンサ４０の回りを連続的に包囲し、図示の例では前記第１のコンタクト層４２をその底部において露出する。また、前記第１のコンタクト層４２のうち、前記素子分離溝４０Ｘの底部に対応する部分には、Ｏ+ にイオン注入により、高抵抗素子分離領域４０Ｙが、前記素子分離溝４０Ｘに沿って形成される。図５（Ａ）の平面図において、前記フォトセンサ４０は隣接する同様な構成のフォトセンサと、前記素子分離溝４０Ｘおよびその底部の高抵抗領域４０Ｙにより、電気的に分離される。
【００２７】
さらに、図５（Ｂ）の断面図よりわかるように、前記フォトセンサ４０を構成する半導体層中には、前記第２のコンタクト層４４を露出する第１の凹部４０Ａが前記半導体層４７〜４５を貫いて形成され、また、前記第１のコンタクト層４２を露出する第２の凹部４０Ｂが前記半導体層４７〜４３を貫いて形成される。その際、前記凹部４０Ａの底部において露出された前記コンタクト層４４中にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ積層構造を有するオーミック電極４４Ａが形成され、また前記凹部４０Ｂにより露出されたコンタクト層４２中にも、同様にしてオーミック電極４２Ａが形成される。
【００２８】
さらに、図５（Ａ）の平面図に示すように、前記高抵抗光結合層４７上にはＴｉ／Ａｕ積層構造を有する電極パッド４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃが、相互に分離して形成され、前記電極パッド４８Ａは、前記凹部４０Ａの底部において露出されたｎ+ 型コンタクト層４４と、前記凹部４０Ａの側壁面を延在する導体パターン４０ａにより電気的に接続される。前記導体パターン４０ａが前記凹部４０Ａの側壁面上を延在するため、前記側壁面のうち、前記導体パターン４０ａが形成される部分には、Ｏ+ のイオン注入により、高抵抗領域４０ｂが形成されている。
【００２９】
同様に、前記電極パッド４８Ｂは、前記凹部４０Ｂの底部において露出されたｎ+ 型コンタクト層４２と、前記凹部４０Ｂの側壁面を延在する導体パターン４０ｃにより電気的に接続される。図５（Ａ）の平面図を参照。その際、前記導体パターン４０ｃが凹部４０Ｂの側壁面上を延在するため、前記側壁面のうち、前記導体パターン４０ｃが形成される部分にも、Ｏ+ のイオン注入により、高抵抗領域４０ｄが形成される。
【００３０】
一方、前記電極パッド４８Ｃは、前記光結合層４７中に形成されたコンタクトホール４７Ｂ（図５（Ａ））を介してその下のコンタクト層４６にコンタクトする。前記電極パッド４８Ａ〜４８Ｃは、前記光結合層４７上において、入射光を反射するミラーとしても作用する。
さらに、前記電極パッド４８Ａ〜４８Ｃ上にはＩｎよりなる電極バンプ４９Ａ〜４９Ｃがそれぞれ形成され、このようにして得られた構造のうち、露出部がＳｉＯＮ等の絶縁膜５０により覆われる。
【００３１】
かかる構成のフォトセンサ４０は、前記ＧａＡｓ支持層４１上に多数配列されて赤外線イメージセンサを形成するが、各々のフォトセンサ４０において前記バンプ電極４９Ａ〜４９Ｃは実質的に同一平面上に形成されるため、こうして得られた赤外線イメージセンサは、プリント配線基板やフォトセンサアレイを駆動する集積回路上に、表面実装技術により容易に実装することができる。その際、フォトセンサ４０を相互に結合するＧａＡｓ支持層４１は次に説明するように非常に薄く、実質的な機械的強度は有さないが、個々のフォトセンサ４０を剛性を有する前記プリント回路基板や集積回路上に実装することにより、前記赤外線イメージセンサは機械的に安定に保持される。前記支持層４１の厚さが薄いため、図５（Ｂ）に矢印で示すように前記ＭＱＷ層４３あるいは４５に前記支持層４１を通って入来する光ビームが支持層４１により吸収される問題は効果的に軽減される。
【００３２】
前記非ドープＧａＡｓ支持層４１は、実際には図５（Ａ），（Ｂ）に示されないＧａＡｓ基板上にエピタキシャル層として形成されるが、図５（Ａ），（Ｂ）の完成したフォトセンサ４０においては、前記基板はエッチングにより除去されている。
以下、図５（Ａ），（Ｂ）のフォトセンサ４０の製造工程について説明する。
【００３３】
前記フォトセンサ４０あるいはフォトセンサ４０を多数一体的に配列した赤外線イメージセンサの製造に当たっては、最初に図６に示す半導体層構造が形成される。
図６を参照するに、前記ＧａＡｓ支持層４１は半絶縁性ＧａＡｓ基板６１の（１００）面上に、間に厚さが約１００ｎｍのＧａＡｓバッファ層６２と非ドープＩｎＧａＰよりなるエッチングストッパ層６３とを介して、約９００ｎｍの厚さにエピタキシャルに形成され、前記ＧａＡｓ支持層４１上にはｎ+ 型ＧａＡｓよりなる前記下側コンタクト層４２が、典型的には１００ｎｍの厚さにエピタキシャルに形成される。
【００３４】
前記下側コンタクト層４２上にはｎ型ＩｎＧａＰよりなるエッチングストッパ膜６４とｎ型ＧａＡｓよりなるバッファ層６５とが、それぞれの厚さで順次エピタキシャルに形成され、前記ＭＱＷ構造４３は、このようにして形成された前記バッファ層６５上に形成される。
より具体的には、前記ＭＱＷ構造４３は組成がＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓで厚さが４０ｎｍの非ドープＡｌＧａＡｓバリア層と厚さが４ｎｍの非ドープＧａＡｓ量子井戸層とを２０回繰り返しエピタキシャルに堆積した構成を有し、前記量子井戸層中には７μｍの波長に対応する量子準位が、電子について形成されている。すなわち、適当なバイアス下において前記ＭＱＷ構造４３に前記波長の光が入射すると、前記量子井戸において電子が励起され、光吸収が生じる。また励起された電子は、前記入射光の検出を示す光電流を形成する。
【００３５】
前記ＭＱＷ構造４３上には前記ｎ型ＧａＡｓよりなる第２のコンタクト層４４が約４００ｎｍの厚さでエピタキシャルに形成され、さらに前記コンタクト層４４上には、いずれもエピタキシャルに形成されたＩｎＧａＰエッチングストッパ層６６と厚さが５０ｎｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層６７とを介して前記量子磯層４５が、組成がＡｌ0.24Ｇａ0.76Ａｓで厚さが４０ｎｍの非ドープＡｌＧａＡｓバリア層と厚さが５ｎｍの非ドープＧａＡｓ量子井戸層とを２０回繰り返しエピタキシャルに堆積することにより形成される。前記ＭＱＷ構造４５の量子井戸層中には、９μｍの波長に対応する量子準位が、電子について形成されている。前記ＭＱＷ構造４５においても、前記ＭＱＷ構造４３と同様に、波長が９μｍの入射光の入来に応じて前記量子井戸中において電子が励起され、光吸収が発生すると同時に、これに伴う光電流が形成される。
【００３６】
前記ＭＱＷ構造４５上には、さらにｎ型ＧａＡｓよりなる上側コンタクト層４６が約４００ｎｍの厚さでエピタキシャルに形成され、前記上側コンタクト層４６上には組成がＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓの非ドープＡｌＧａＡｓエッチングストッパ層６８を介して、厚さが約５００ｎｍの非ドープＧａＡｓ高抵抗層６９がエピタキシャルに形成される。さらに、前記ＧａＡｓ高抵抗層６９上には、組成がＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓの非ドープＡｌＧａＡｓエッチングストッパ層７０が形成され、前記エッチングストッパ層７０上には前記光結合層４７が、非ドープＧａＡｓ膜のエピタキシャル成長により、典型的には７００ｎｍの厚さに形成される。
【００３７】
図６の層構造において、前記ｎ型コンタクト層４２，４４および４６、また前記ｎ型ＧａＡｓバッファ層６５および６７、さらに前記ｎ型ＩｎＧａＰエッチングストッパ層６４および６６は、典型的には５×１０17ｃｍ-3のキャリア濃度にドープされている。
図７（Ａ）〜図８（Ｊ）は、図６の層構造から出発して、図５（Ａ），（Ｂ）に示すフォトセンサ４０を形成するまでの工程を示す。ただし、図７（Ａ）〜８（Ｊ）は簡略化して示してあり、したがって、これらの図には図６の全ての半導体層が示されているわけではない。
【００３８】
図７（Ａ）を参照するに、前記ＧａＡｓ光結合層４７上にレジストパターン７１が形成され、レジスト開口部７１Ａに対応して、アラインメントマークが前記光結合層４７中に形成される。
次に、図７（Ｂ）の工程において前記レジストパターン７１は除去され、新たなレジストパターン７２をマスクに前記光結合層４７をドライエッチングによりパターニングすることにより、前記光結合層４７中に回折格子パターン４７Ａが形成される。図７（Ｂ）では簡単のため、回折格子パターン４７Ａは単一の溝しか図示されていないが、実際には前記溝４７Ａは光結合層４７中に繰り返し形成される。前記溝４７Ａをドライエッチングにより形成する際に、図６のＡｌＧａＡｓ層７０がエッチングストッパとして作用する。
【００３９】
さらに、図７（Ｂ）の工程では、前記回折格子４７Ａの他に、前記上側コンタクト層４６を露出するコンタクトホール４７Ｂが、前記レジストパターン７２を使ったドライエッチングにより、前記光結合層４７中に形成される。図７（Ｂ）の工程では、前記コンタクトホール４７Ｂは、まだ前記上側コンタクト層４６までは到達していない。回折格子４７Ａおよびコンタクトホール４７Ｂの形成の後、露出しているＡｌＧａＡｓ層７０はウェットエッチングにより除去される。
【００４０】
次に、図７（Ｃ）の工程において、図７（Ｂ）の構造上に開口部７３Ａを有するレジストパターン７３が形成され、前記レジストパターン７３をマスクに、前記光結合層４７〜前記ＧａＡｓバッファ層６７までを、前記ＩｎＧａＰ層６６をエッチングストッパとしてウェットエッチングすることにより、前記ＭＱＷ構造４５中に図５（Ａ），（Ｂ）の前記凹部４０Ｂに対応した凹部４０Ｂ’を形成する。
【００４１】
さらに、前記レジストパターン７３および露出したＩｎＧａＰ層６６を除去した後、図７（Ｄ）の工程において前記凹部４０Ｂ’に対応した開口部７４Ｂおよび図５（Ａ），（Ｂ）の凹部４０Ａに対応した開口部７４Ａを有するレジストパターン７４をマスクにウェットエッチングを行ない、前記ＭＱＷ構造４５中に前記凹部４０Ａを、また前記ＭＱＷ構造４３中に凹部４０Ｂを形成する。その際、前記ＩｎＧａＰ層６６が前記凹部４０Ａ形成の際のエッチングストッパとして使われ、また前記ＩｎＧａＰ層６４が凹部４０Ｂ形成の際のエッチングストッパとして使われる。
【００４２】
次に、図７（Ｅ）の工程において、前記レジストパターン７４が除去され、前記凹部４０Ａの一部に対応した開口部７５Ａおよび前記凹部４０Ｂの一部に対応した開口部７５Ｂを有するレジストパターン７５を形成する。さらに前記レジストパターン７５をマスクにＯ+ のイオン注入を行なうことにより、前記凹部４０Ａの側壁面に前記高抵抗領域４０ｂが、また前記凹部４０Ｂの側壁面に高抵抗領域４０ｄが形成される。
【００４３】
さらに、図８（Ｆ）の工程において、前記コンタクトホール４７Ｂに対応した開口部を有する図示を省略したレジストパターンを使ってドライエッチングを行ない、前記コンタクトホール４７Ｂにおいて前記上側コンタクト層６８を露出する。さらに、前記レジストパターン上にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ構造の導体膜７６を一様に堆積した後、前記導電膜７６をリフトオフ除去することで前記凹部４０Ａ，４０Ｂの底部においてそれぞれオーミック電極４４Ａあるいは４２Ａを形成する。同様なオーミック電極は、前記コンタクトホール４７Ｂにおいても形成される。
【００４４】
次に、図８（Ｇ）の工程において、前記凹部４０Ａおよび４０Ｂの側壁面上に、Ａｕ／Ｔｉ構造の高反射率導体パターン４０ａおよび４０ｃを、それぞれレジストパターン７７を用いたリフトオフ法により形成する。前記導体パターン４０ａは前記オーミック電極パッド４８Ａの一部を形成し、同様に前記導体パターン４０ｃは前記オーミック電極パッド４８Ｂの一部を形成する。さらに、前記コンタクトホール４７Ｂに対応して、前記上側コンタクト層４６にコンタクトしたオーミック電極パッド４８Ｃが形成される。
【００４５】
次に、図８（Ｈ）の工程において、レジストパターン７７が除去され、前記素子分離溝４０Ｘに対応した開口部７８Ａ，７８Ｂを有するレジストパターン７８が代わりに形成される。さらに、前記レジストパターン７８をマスクに、前記半導体層を、前記ＩｎＧａＰ層６５が露出するまでドライエッチングとＩｎＧａＰを除去するウェットエッチングとを繰り返し行ない、前記素子分離溝４０Ｘを形成する。さらに、前記素子分離溝４０Ｘの形成の後、前記溝４０Ｘの底部において露出している前記ＩｎＧａＰ層６５をウェットエッチングにより除去し、さらに前記同じレジストパターン７８をマスクにＯ+ をイオン注入することにより、前記溝４０Ｘ底部において露出された前記下側コンタクト層４２中に高抵抗素子分離領域４０Ｙを形成する。
【００４６】
さらに、図８（Ｉ）の工程において、前記レジストパターン７８が除去され、前記ＳｉＯＮ絶縁膜５０が図８（Ｈ）の構造上に一様に堆積される。さらに、前記絶縁膜５０をパターニングして前記オーミック電極パッド４８Ａ〜４８Ｃを露出した後、前記露出されたオーミック電極パッド４８Ａ〜４８Ｃ上にそれぞれＴｉ／Ａｕ膜４８ａ〜４８ｃをそれぞれ形成する。
【００４７】
次に図８（Ｊ）の工程において前記オーミック電極パッド４８Ａ〜４８Ｃ上に前記Ｉｎ電極バンプ４９Ａ〜４９Ｃがそれぞれリフトオフにより形成され、これにより赤外線フォトセンサ４０が形成される。かかる工程では、多数の赤外線フォトセンサ４０が同一のＧａＡｓ基板６１上に形成され、赤外線イメージセンサが形成される。
【００４８】
このようにして得られた赤外線イメージセンサは、前記Ｉｎ電極パッド４９Ａ〜４９Ｃを使って剛性を有する基板上に実装され、その状態で前記ＧａＡｓ基板６１を、前記ＧａＩｎＰ層６３をエッチングストッパとしてウェットエッチングすることにより除去する。さらに前記ＧａＩｎＰ層６３を別のエッチャントによりエッチング除去することにより、図５（Ａ），（Ｂ）に示した構成の、受光面を形成する底面においてＧａＡｓ支持層４１が露出したフォトセンサ４０あるいはかかるフォトセンサ４０を１次元あるいは２次元配列した赤外線イメージセンサが得られる。
【００４９】
上記本実施例の構成において、勿論前記素子分離溝を前記支持層４１に到達するように形成し、その代わりに前記高抵抗領域４０Ｙの形成を省略することも可能である。この場合には、前記溝４０Ｘの底部において露出したＩｎＧａＰエッチングストッパ層６４をウェットエッチングにより除去し、さらに前記ＧａＡｓコンタクト層４２に対してドライエッチングを行なう。
【００５０】
また、本実施例では、前記凹部４０Ａあるいは４０Ｂの側壁面を延在する導体パターン４０ａ，４０ｃの絶縁を、前記側壁面上に深い不純物元素のイオン注入により高抵抗領域４０ｂあるいは４０ｄを形成することにより実現したが、勿論ＳｉＯ2 やＳｉＮ、あるいはＳｉＯＮ等の絶縁膜を介在させることにより絶縁を確保してもよい。
【００５１】
さらに、本実施例によるフォトセンサ４０では、図８（Ｉ）の工程においてポリイミド膜等の塗布により平坦化を行なってもよい。このような平坦化を行なう場合には、Ａｌ等の配線パターンによりコンタクト層４２あるいは４４からの配線を、電極パッドが形成された平坦化膜上に引き出すようにすればよい。
さらに、本実施例によるフォトセンサ４０あるいはイメージセンサは、決して赤外線波長における光検出に限定されるものではなく、可視光波長の光検出にも適用可能である。さらに、前記フォトセンサ４０において光吸収を行ない光電流を発生するのに、前記ＭＱＷ構造以外の構造あるいは半導体層を使うことも可能である。
【００５２】
さらに、本実施例によるフォトセンサは二つの波長の光のみを検出するように構成されているが、かかるフォトセンサを組み合わせることにより、あるいは層構造を増やすことにより、三つの波長あるいはそれ以上の波長の光を検出するように本実施例を変形することも可能である。
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の特徴によれば、二つの活性層を積層した構成のフォトセンサにおいて、中間のコンタクト層を共通電極層として使うことにより、単一の電源を使って、それぞれ異なった二つの波長に対応した活性層を同時に、あるいは切替えて駆動することが可能になる。その際、前記二つの波長に対応した光電流が混合してしまう問題も、回避される。また、前記フォトセンサを同一支持層上において隣接する別のフォトセンサと、素子分離構造により分離しておくことにより、隣接のフォトセンサとの干渉を効果的に抑止できる。また、本発明によるフォトセンサ、あるいはイメージセンサは表面実装技術によりプリント配線基板や他の集積回路上に実装するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の二波長フォトセンサを使った赤外線イメージセンサの構成を示す図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は、図１の従来の装置の問題点を説明する図である。
【図３】本発明の原理を説明する図（その１）である。
【図４】本発明の原理を説明する図（その２）である。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の一実施例によるフォトセンサの構成を示す図である。
【図６】図５のフォトセンサにおいて使われる半導体層構造を説明する図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｅ）は、図５のフォトセンサの製造工程を説明する図（その１）である。
【図８】（Ｆ）〜（Ｊ）は、図５のフォトセンサの製造工程を説明する図（その２）である。
【符号の説明】
１０  フォトセンサおよびイメージセンサ
１１  支持層
１２  共通コンタクト層
１３  共通電極
１４，１４Ａ，１４Ｂ  フォトセンサ
１５，１７  ＭＱＷ構造
１６  中間コンタクト層
１８  光結合層
１８Ａ  回折格子
１９  絶縁膜
２０Ａ，２０Ｂ  オーミック電極
４０  フォトセンサ
４０Ａ，４０Ｂ  凹部
４０ａ，４０ｃ  導体パターン
４０ｃ，４０ｄ  高抵抗領域
４０Ｘ  素子分離溝
４０Ｙ  高抵抗領域
４１  支持層
４２  下側コンタクト層
４２Ａ  オーミックコンタクト
４３，４５  ＭＱＷ構造
４４  共通コンタクト層
４６  上側コンタクト層
４７  光結合層
４７Ａ  回折格子
４７Ｂ  コンタクトホール
４８Ａ〜４８Ｃ  オーミック電極パッド
４９Ａ〜４９Ｃ  Ｉｎバンプ電極
６１  基板
６２，６５，６７  バッファ層
６３，６４，６６  ＩｎＧａＰエッチングストッパ層
６８，７０  ＡｌＧａＡｓエッチングストッパ層
７１，７２，７３，７４，７５，７７，７８  レジスト
７６  導体膜
【図１】
0003778406.tif 000002
【図２】
0003778406.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003778406.tif 000007
【図７】
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【図８】
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