CN103503165A - 光电探测器、外延晶片及其生产方法 - Google Patents

光电探测器、外延晶片及其生产方法 Download PDF

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Abstract

提供了以下内容：一种光电探测器，其中，在具有近红外区到远红外区中的灵敏度的III-V半导体中，可以以高精度来控制载流子浓度；一种外延晶片，其形成用于光电探测器的材料；以及，一种用于制作外延晶片的方法。本发明提供有：衬底，其包括III-V族化合物半导体；光接收层，其用于接收光；窗口层，其具有比光接收层大的带隙能量；以及，p-n结，其至少被定位在光接收层处；并且特征在于，窗口层表面的均方根表面粗糙度为10nm或更大且40nm或更小。

Description

光电探测器、外延晶片及其生产方法
技术领域
本发明涉及光电探测器、外延晶片和用于生产外延晶片的方法。具体地说，本发明涉及：光电探测器，该光电探测器包括作为吸收层的多量子阱结构（MQW），该多量子阱结构（MQW）包含III-V族化合物半导体，并且具有在近红外区到远红外区中的灵敏度；外延晶片；以及，用于生产外延晶片的方法。
背景技术
作为III-V化合物的InP基半导体具有对应于近红外区域的带隙能量，并且因此进行了大量的研究以开发用于通信、在夜间的图像捕获等的光电探测器。例如，非专利文献1提出了一种光电探测器，其中，在InP衬底上形成InGaAs/GaAsSb的II型MQW，并且利用p型或n型外延层来形成p-n结以实现2.39μm的截止波长，该光电探测器具有在1.7μm至2.7μm的波长范围内的特性灵敏度。此外，非专利文献2描述了一种光电检测器，其具有II型MQW吸收层，该吸收层具有150对，其被分层为使得5nm的InGaAs和5nm的GaAsSb构成单个对，该光电探测器具有在1μm至3μm的波长范围内的特性灵敏度（200K、250K和295K）。
另外，专利文献1中提出了以下技术：在包括包含作为V族元素的锑（Sb）的吸收层和InP窗口层的吸收层中，InP窗口层被形成为使得包含施主杂质；结果，抵消了锑进入InP窗口层中造成转换成p型窗口层，从而降低暗电流。
引用列表
非专利文献
NPL1:R.Sidhu,et.al."A Long-Wavelength Photodiode on InPUsing Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells",IEEEPhotonics Technology Letters,Vol.17,No.12(2005),pp.2715-2717
NPL2:R.Sidhu,et.al."A2.3μm Cutoff Wavelength Photodiode onInP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells",2005Intenational Conference on Indium Phosphide and Related Materials,pp.148-151
专利文献
PTL1:日本未审查专利申请公开No.2011-60853
发明内容
技术问题
然而，在NPL1中的具有2.39μm的截止波长的光电探测器具有高的暗电流，这可能是由使用InGaAs层作为窗口层并且在该InGaAs层上形成电极和钝化膜引起的。也就是说，相比使用InP层作为窗口层的情况，使用由InGaAs形成的窗口层导致高的暗电流。使用InP形成的窗口层除了与暗电流有关的优点之外进一步提供了另一个优点。具体地，当使用InP窗口层使得通过窗口层引入光时，也提供了在近红外区域中的低吸收的另一个优点。
另一方面，在PTL1中，当通过InP窗口层选择性地扩散p型杂质时，可能取决于条件导致高的暗电流。在形成含锑的外延层后，在生长室中，取决于形成条件，由未知的机制增加了锑结合效率或受主型缺陷的密度。其结果是，InP窗口层具有使得不被施主杂质增加抵消的受主浓度。这种高受主浓度导致在除了选择性地形成的阳极区以外的地区中形成p-n结。因此，例如，p-n结的面积的增加导致暗电流的增加。
此外，受主浓度的增加超出了预期的电平导致形成不期望的半导体元件。其结果是，灵敏度也大大劣化。
本发明的一个目的是提供：一种光电探测器，其中，可以在具有在近红外区到远红外区的灵敏度的III-V族化合物半导体中高精度地控制载流子浓度；一种外延晶片，其用作该光电探测器的材料；以及，一种用于生产外延晶片的方法。通过以高精度实现载流子浓度的控制，可以实现高灵敏度和低暗电流。
对于问题的解决方案
根据本发明的光电探测器包括：衬底，其由III-V族化合物半导体形成；吸收层，其被定位在衬底上并被配置为吸收光；窗口层，其被定位在吸收层上，并且具有比吸收层大的带隙能量；p-n结，其至少被定位在吸收层处，其中，窗口层包括具有10nm或更大且40nm或更小的均方根（RMS）表面粗糙度的表面。
在此，现有的光电探测器的RMS值小于10nm，大多数情况下例如是约7nm到约8nm。在本发明中，RMS值需要在10nm或更大且40nm或更小的范围内。即，与现有水平相比，需要提供更高的粗糙度。虽然下面将详细描述这样做的原因，但是当RMS值小于10nm时，窗口层趋于形成为p型层。换句话说，窗口层的受主浓度增加。其结果是，变得难以高精度地控制载流子浓度，并且不能稳定地执行具有高灵敏度和低暗电流的光电探测器的生产。
注意到，当RMS值增加至10nm或者更大时，窗口层的受主浓度不增加。这可能是因为受主型杂质元素和在窗口层中的点缺陷的密度不增加。也就是说，当RMS值小于10nm时，在窗口层中的受主型杂质元素和点缺陷的密度增加，并且受主浓度增加。此外，大量的实验已表明的是，当p型杂质材料被结合在窗口层内，使得p型杂质材料作为在半导体中的受主时，窗口层具有小于10nm的RMS值（即，平滑的层），并且变得难以以高精度来控制载流子浓度。当RMS值是10nm或更大时，受主浓度不增加。
因此，通过根据预定过程执行杂质控制，可以以高精度实现载流子浓度的控制。如下面，通过在衬底的取向方面满足预定条件，容易实现上述的特征。
另一方面，当RMS值大于40nm时，如例如在差的平整度的通常情况下已知的，变得难以形成电极。因此，也不能获得具有高灵敏度和低暗电流的光电探测器。
当RMS值是10nm或更大且40nm或更小时，该平整度在标准意义上根本不好。然而，该平整度并未差到使得不能形成电极和钝化膜等；可以在没有大困难的情况下形成电极和钝化膜。
本发明独特在它揭示出以下内容：在良好的或标准的平整度（小于10nm的RMS值）的情况下，不太可能以高精度实现杂质的控制。如上所述，当平整度过差（大于40nm的RMS值）时，不能获得具有高灵敏度和低暗电流的光电探测器，这是众所周知的。
可以通过任何仪器来测量RMS值。例如，可以采用市售的原子力显微镜（AFM），并选择RMS测量以获得数据（平均值）。在该测量中，没有特别限制测量范围（长度和宽度、或面积等），并且可以采用任何范围；例如，优选地在诸如在像素电极和选择性扩散的掩膜图案之间的间隙区域、具有10μm的边的正方形区域或具有100μm的边的正方形区域的测量范围中确定RMS平均值。
在根据本发明的光电检测器中，可以通过经由窗口层的杂质的选择性扩散来形成p-n结。
在这种情况下，可以获得独立于周围环境的光电探测器单元。即，在单个光电探测器的情况下，可以减少周围边缘的影响；并且，在一或二维布置的多个光电检测器的情况下，可以确保独立于相邻的光电探测器。
但是，在p型像素区域的情况下，当窗口层的受主浓度增加时，p-n结的面积扩展到甚至除了选择性地形成的像素区域以外的区域。其结果是，增加了暗电流。此外，也不利地影响灵敏度。向像素区域内引入的p型杂质经常是锌（Zn）。
另一方面，即使在n型像素区域的情况下，p-型杂质（受主杂质）的浓度增加，并且过大量的施主杂质是必要的。因此，结晶度劣化，这也导致暗电流的增加和灵敏度的减少。在下文中，将主要描述像素区域是p型区域的情况。
在根据本发明的光电探测器中，衬底优选地相对于作为衬底的主表面的（001）面具有-0.05°或更大且+0.05°或更小的偏离角。
通过使用相对于（001）面具有-0.05°或更大且+0.05°或更小的偏离角的这种衬底（以下称为作为正角衬底（just-angle substrate）），容易实现上述RMS值的范围；具体地说，容易实现10nm或更大的RMS值。在一般情况下，在包含III-V族化合物半导体的光电探测器的生产中，不使用正角衬底，而是使用偏离角衬底（off-angle substrate）（偏离（001）面0.05°至0.1°）。这是因为，考虑到例如偏离角的表面能，在热力学上，容易实现在该表面上的层的外延生长。在本发明中，当使用其上趋向于进行外延生长的偏离角衬底时，趋向于引起p型杂质的结合，并且p型杂质作为在半导体中的受主。当使用其上不太可能进行外延生长的正角衬底时，结果，容易实现上述的RMS值的范围。
注意，相对于（001）面具有±0.05°的偏离角的衬底可以被分类为正角衬底或偏离角衬底。然而，在本发明中，±0.05°的偏离角被理解为相对于作为0°的中心值的误差。一般情况下，当指定偏离角衬底并且它具有±0.05°的偏离角时，可以明白，偏离角的中心值为±0.05°。
在根据本发明的光电探测器中，窗口层可以包含磷（P）。
当窗口层由包含P的化合物半导体形成并且RMS值不在上述范围中时，窗口层趋向于形成为p-型层。当包含P的化合物半导体用于形成窗口层时，包含P的材料本身或包含p型杂质的材料趋向于在外延生长期间进入窗口层。即使当这样的材料进入窗口层时，只要RMS值在上述范围内（10nm或更大且40nm或者更小），则在半导体的载流子浓度（受主浓度）在意欲的适当范围中。因此，如上所述，例如，在生长具有不能由其他化合物半导体提供的大量巨大优点的InP窗口层的情况下，提供了本发明的优点，从而允许高有用性。
在根据本发明的光电探测器中，吸收层可以包括包含锑（Sb）的III-V族化合物半导体层。
Sb趋向于分布在表面中，并且在表面层中引起大量的不利影响，诸如受主型缺陷的密度的增加。通过满足在本发明中的RMS值的范围，可以减少锑特有的不利影响。换句话说，当吸收层包含锑时，本发明的使用可以非常有效地减少由于锑导致的不利影响，以由此提供具有高质量的光电检测器。
在根据本发明的光电探测器中，窗口层可以包含锑（Sb）作为杂质元素。
当窗口层包括Sb作为杂质并且RMS值不在上述范围时，窗口层趋向于形成为p-型层。已经存在向在近红外光电探测器的吸收层中普遍使用Sb的趋势。因此，在使用Sb的情况下，通过将RMS值调整在上述范围内，可以以高精度控制载流子浓度，并且可以提供具有高灵敏度和低暗电流的近红外光电探测器。
在根据本发明的光电探测器中，吸收层可以具有由一对InxGa1-xAs（0.38≤x≤1.00）和GaAs1-ySby（0.36≤y≤1.00）或者一对Ga1-uInuNvAs1-v（0.4≤u≤1.0,0<v≤0.2）和GaAs1-wSbw（0.36≤w≤1.00）构成的多量子阱结构。
通过形成吸收层从而具有这种多量子阱结构（MQW），可以以高灵敏度和低暗电流实现具有在近红外区到远红外区的波长2μm至10μm的光的吸收。由于MQW包含Sb，所以重要的是，满足在RMS值等方面的上述特征。
在根据本发明的光电检测器中，衬底可以由GaAs、GaP、GaSb、InP、InAs、InSb、AlSb和AlAs的任何一种形成。
在这些材料方面选择衬底提高了对用于获得例如适合于在近红外区到远红外区中的预定波长范围的光电探测器的选择自由度。
根据本发明的光电探测器可以包括扩散浓度分布调整层，该扩散浓度分布调整层由III-V族化合物半导体形成，并且与吸收层的表面接触，该表面在与衬底相反的一侧上。
在这种情况下，可以以高精度将在吸收层中的杂质浓度控制得相对低。其结果是，吸收层可以形成为使得具有高结晶度。
在根据本发明的光电检测器中，吸收层优选地包含InxGa1-xAs（0.38≤x≤1.00），扩散浓度分布调整层优选地包含InzGa1-zAs（0.38≤z≤1.00），并且InxGa1-xAs和InzGa1-zAs的总膜厚度优选地为2.3μm或更大。
通过将总膜厚度调整为2.3μm或更大，可以实现高灵敏度和低暗电流。
根据本发明的外延晶片包括：衬底，其由III-V族化合物半导体形成；吸收层，其被定位在衬底上并被配置为吸收光；窗口层，其被定位在吸收层上，并且具有比吸收层更大的带隙能量，其中，窗口层包括具有10nm或更大且40nm或更小的均方根（RMS）表面粗糙度的表面。
如上所述，当均方根值小于10nm时，窗口层趋于形成为p型层。结果，变得难以高精度地控制杂质浓度，并且不能稳定地执行具有高灵敏度和低暗电流的光电探测器的生产。当RMS值大于40nm时，平整度在标准意义上很差，并且变得难以生产无缺陷的光电检测器。
根据本发明的外延晶片可以包括至少定位在吸收层中的p-n结。
在这种情况下，可以提供用于生产以高精度控制杂质的光电检测器的外延。
根据本发明的外延晶片可以包括通过经由窗口层的杂质的选择性扩散来形成p-n结。
在这种情况下，可以提供以高精度地控制杂质的外延晶片，以生产平面光电探测器。
在根据本发明的外延晶片中，衬底优选地相对于作为衬底的主表面的（001）面具有-0.05°或更大且0.05°或更小的偏离角。
作为使用这样的正角衬底的结果，容易实现上述的RMS值的范围，并且，可以高精度地控制受主浓度。
在根据本发明的外延晶片中，窗口层可以包含磷（P）。
当包含P的化合物半导体被用于形成窗口层时，包含P的材料本身或包含p型杂质的材料趋向于在外延生长期间进入窗口层。但是，只要RMS值在上述范围内（10nm或更大且40nm或者更小），则在半导体中的载流子浓度（受主浓度）在意欲的正确范围中。
在根据本发明的外延晶片中，吸收层可以包括包含锑（Sb）的III-V族化合物半导体层。
Sb在表面层中引起大量的不利影响，诸如受主型缺陷的密度的增加。通过满足在本发明中的RMS值的范围，可以减少锑特有的不利影响。
在根据本发明的外延晶片中，窗口层可以包含锑（Sb）作为杂质元素。
当窗口层包括Sb作为杂质并且RMS值不在上述范围时，窗口层趋向于形成为p-型层。因此，在使用Sb的情况下，通过将RMS值调整在上述范围内，可以以高精度控制载流子浓度，并且可以提供具有高灵敏度和低暗电流的近红外光电探测器。
在根据本发明的外延晶片中，吸收层可以具有由一对InxGa1-xAs（0.38≤x≤1.00）和GaAs1-ySby（0.36≤y≤1.00）或者一对Ga1-uInuNvAs1-v（0.4≤u≤1.0,0<v≤0.2）和GaAs1-wSbw（0.36≤w≤1.00）构成的多量子阱结构。
通过形成吸收层从而具有这种MQW，可以以高灵敏度和低暗电流实现具有在近红外区到远红外区中的波长2μm至10μm的光的吸收。虽然MQW包含Sb，但是通过满足根据本发明的在RMS值等方面的上述特征，可以提供具有高品质的光电探测器。
在根据本发明的外延晶片中，衬底可以由GaAs、GaP、GaSb、InP、InAs、InSb、AlSb和AlAs的任何一种形成。
在这些材料方面选择衬底提高了在近红外区到远红外区中的选择自由度。
根据本发明的外延晶片可以包括扩散浓度分布调整层，其由III-V族化合物半导体形成，并且与吸收层的表面接触，该表面在与衬底相反的一侧上。
在这种情况下，可以以高精度将在吸收层中的杂质浓度控制得相对低。其结果是，吸收层可以形成为使得具有高结晶度。
在根据本发明的外延晶片中，吸收层优选地包含InxGa1-xAs（0.38≤x≤1.00），扩散浓度分布调整层优选地包含InzGa1-zAs（0.38≤z≤1.00），并且InxGa1-xAs和InzGa1-zAs的总膜厚度优选地为2.3μm或更大。
通过将总膜厚度调整为2.3μm或更大，可以实现高灵敏度和低暗电流。
根据本发明的用于生产外延晶片的方法包括通过仅使用金属有机源的金属有机气相外延来至少生长上述外延晶片的吸收层和窗口层。
在这里，仅使用金属有机源的金属有机气相外延表示其中仅由金属有机化合物构成的金属有机源被用作用于气相外延的源的外延。通过采用仅使用金属有机源的金属有机气相外延，可以以高效率来生产在结晶质量方面具有高品质的外延晶片。具体地说，当未通过仅使用金属有机源的金属有机气相外延来生产具有由包含P的化合物半导体形成的窗口层的外延晶片时，从磷源衍生的磷化合物附着到生长室内壁。因此，除非肯定地执行维护（清洗或更换），否则引起诸如点火的问题。然而，在仅使用金属有机源的金属有机气相外延中，由于源是气相有机磷化合物，不太可能引起这样的问题。
在根据本发明的用于生产外延晶片的方法中，扩散浓度分布调整层优选地被生长在吸收层上，并接触吸收层，使得扩散浓度分布调节层的生长温度等于或低于吸收层的生长温度。
在该情况下，容易将RMS值调整得在10nm或更大且40nm或更小的范围中。
本发明的有益效果
根据本发明，以高精度来控制载流子浓度，并且结果，例如，可以获得具有高灵敏度和低暗电流并且用于近红外区到远红外区的光电探测器。
附图说明
图1图示根据本发明的实施例的光电探测器。
图2图示在图1中的光电探测器的特征（点）。
图3图示根据本发明的实施例的外延晶片。
图4是生产方法的流程图。
图5图示用于仅使用金属有机源的金属有机气相外延的沉积设备的管道系统等。
图6A图示金属有机分子的流和热流。
图6B是在衬底表面上的金属有机分子的示意图。
图7是用于生产在图1中所示的光电探测器的方法的后一部分的流程图。
图8图示根据本发明的另一实施例的光电探测器。
附图标记列表
1：InP衬底，1a：外延晶片，2：InP缓冲层，3：MQW吸收层，4：InGaAs层（扩散浓度分布调整层），5：InP窗口层，6：p型区，7：通过仅使用金属有机源的金属有机气相外延形成的外延层（外延层结构），10：光电探测器，11：p电极（像素电极），12：接地电极（n电极），15：p-n结，16：在MQW和InGaAs层之间的界面，17：在InGaAs层和InP窗口层之间的界面，35：防反射（AR）膜，36：选择性扩散掩膜图案，60：用于仅使用金属有机源的金属有机气相外延的沉积设备，61：红外测温仪，63：反应室，65：石英管，66：衬底台，66h：加热器，69：反应室的窗口，70：原子力显微镜（AFM），71：悬臂，72：悬臂支架，73：探头，75：激光束
具体实施方式
图1是图示根据本发明的第一实施例的光电探测器10的截面图。图1指示光电探测器10在InP衬底1上具有III-V族化合物半导体层结构，该III-V族化合物半导体层结构具有下面的配置：
（InP衬底1/InP缓冲层2/具有In0.59Ga0.41As和GaAs0.57Sb0.43的多量子阱结构（MQW）的吸收层3/InGaAs扩散浓度分布调整层4/InP窗口层5）
在上述层中，优选地通过仅使用金属有机源的金属有机气相外延来至少形成由吸收层3/InGaAs扩散浓度分布调整层4/InP窗口层5构成的外延层结构7。
p型区域6被定位为从InP窗口层5到具有多量子阱结构的吸收层3。通过作为p型杂质的Zn经SiN膜的选择性扩散掩膜图案36的开口的选择性扩散来形成这样的p型区域6。每一个p型区域6通过未经受选择性扩散的区域而与其相邻的p型区域6隔开。结果，像素P的每一个可以独立地输出吸收数据。
在p型区域6中，设置由AuZn构成的p电极11，以便与p型区域6形成欧姆接触。在被设置为使得与InP衬底1接触的缓冲层2的表面的暴露端部上，设置了由AuGeNi构成的n电极12，以便与该暴露端部形成欧姆接触。缓冲层2被掺杂有n型杂质，以便具有预定的导电水平。在该情况下，InP衬底1可以是n型导电性的或半绝缘的衬底。
光通过InP衬底1的背表面进入InP衬底1。为了抑制入射光的反射，由SiON等形成的AR（防反射）膜35覆盖InP衬底1的背表面。
p-n结15形成在与p型区域6的边界前部对应的位置处。通过在p电极11和n电极12之间施加反向偏压，在吸收层3中，在其中n型杂质的浓度（n型杂质背景浓度）较低的一侧上的较大区域中形成耗尽层。在具有多量子阱结构的吸收层3中的背景杂质浓度在n-型杂质浓度（载流子浓度）方面为约1×1016cm-3或更小。从背景杂质浓度（n型载流子浓度）和在具有多量子阱的吸收层3中的p型杂质Zn的浓度分布（concentration profile）的交点确定p-n结的位置。
在扩散浓度分布调整层4中，通过InP窗口层5的表面选择性地扩散的p型杂质的浓度从在InP窗口层侧上的高浓度区域向吸收层侧急剧下降。因此，在吸收层3中，可以很容易地实现杂质浓度，也就是说，5×1016cm-3或者更小的锌浓度。
根据本发明的光电探测器10意欲具有从近红外区到更长的波长范围的灵敏度。因此，窗口层优选地由具有比吸收层3的带隙能量大的带隙能量的材料形成。出于这个原因，窗口层通常由InP形成，这是一种具有比吸收层大的带隙能量并且高度晶格匹配的材料。替代地，可以使用具有与InP基本上相同的带隙能量的InAlAs。
（在本实施例中的点）
在本实施例的特征在于以下的点：
（1）InP窗口层5有包括具有10nm或更大且40nm或更小的RMS值的表面。图2是图示在图1中的光电探测器10的InP窗口层5的表面的示意图，使用原子力显微镜（AFM）70测量该表面。在AFM70中，探针73附接到由悬臂支架72保持的悬臂71的尖端；悬臂71的倾斜根据样品表面的不规则性而急剧改变。利用激光束75来检测悬臂71的倾斜的这种变化，从而在纳米数量级上获得在不规则方面的样品表面数据。测量作为InP窗口层5的表面的样品表面的不规则性，将其计算为RMS值，并且在设备上自动地指示它。此RMS值在本发明中需要为10nm或更大且40nm或更小。
大量的实验研究已表明的是，当p型杂质材料被结合到窗口层内，使得p型杂质材料起半导体中的受主的作用时，窗口层具有小于10nm的RMS值（即，平滑的层），并且变得难以以高精度来控制载流子浓度。当RMS值是10nm或更大时，受主浓度不增加。因此，通过根据预定过程来执行杂质控制，可以以高精度来实现载流子浓度的控制。另一方面，当RMS值大于40nm时，如在平整度差的通常情况下已知的，例如，变得难以形成电极。因此，也不能获得具有高灵敏度和低暗电流的光电探测器。
当RMS值是10nm或更大且40nm或更小时，该平整度在现有的光电探测器的平整度的范围之外。然而，这种平坦度并未差到使得不能形成电极和钝化膜等。当RMS值在该范围内时，可以没有大的困难地形成电极和钝化膜。
本发明独特在它揭示出以下内容：在良好的或标准的平整度（小于10nm的RMS值）的情况下，不太可能以高精度实现载流子浓度的控制。如上所述，当平整度过差（大于40nm的RMS值）时，不能获得具有高灵敏度和低暗电流的光电探测器，这是众所周知的。
（2）注意到，为了容易地实现上述（1）中的现象，衬底的取向是重要的。传统上，偏离角衬底已被用作由III-V族化合物半导体构成的衬底。即，已使用相对于（001）面具有0.05°至0.1°的偏离角的面取向。这是因为，考虑到例如偏离角表面能和不可避免的表面缺陷，在热力学上，很容易实现在该表面上的层的外延生长。
然而，在本实施例中，优选地不使用偏离角衬底，而是使用正角衬底。
通过使用正角衬底，容易实现10nm≤RMS值≤40nm。结果，促进了以高精度控制载流子浓度。
在本实施例中，当在使得外延生长进行的条件下从气氛结合p型杂质（即，偏离角衬底）时，如上所述，在材料中的p型杂质起半导体中的受体的作用。当使用其上不太可能进行外延生长的正角衬底时，解决了在生产中的该不利因素，并且结果，实现了上述的RMS值范围。
在下文中，在利用正角衬底生产在图1中所示的光电探测器10中，将描述所使用的外延晶片的RMS值。在本实施例中，InP窗口层5的表面不具有非常好的平整度：平均RMS值为23.4nm，并且高度差（平均值）为90nm。在这种RMS值是10nm或更大的情况下，p型杂质不进入InP窗口层5，以便增加受主浓度。因此，可以高精度地实现载流子浓度的控制。其结果是，例如，可以避免以下问题：p-n结的面积增加，导致泄漏暗电流的增加。
与此相反，用于生产现有光电探测器的外延晶片的表面具有比实施例的对应方的表面更高的平整度：RMS值是8.3nm，并且高度差为30nm。显然，与现有的外延晶片作比较，在本发明中的外延晶片具有其表面具有低平坦度的InP窗口层5。
在RMS值测量中的试验样品是外延晶片，并且RMS值是通过对于外延晶片的100μm×100μm区域的测量而获得的平均值。在光电检测器的情况下，优选地在像素电极和选择性扩散掩膜图案之间的间隙中测量InP窗口层5的表面，并且计算平均值。替代地，例如，在通过例如湿蚀刻来去除p电极11后，可以测量InP窗口层5的表面的10μm×10μm区域，并且计算平均值。
图3示出在本实施例中的外延晶片1a。在本发明中的外延晶片1a包括：其中要形成选择性扩散掩膜图案并且已经形成InP窗口层5的外延晶片；以及，其中已经形成选择性扩散掩膜图案36并且已经随后执行了Zn等的选择性扩散的外延晶片。
在本实施例中的外延晶片1a中，InP窗口层5的表面需要有10nm或更大且40nm或更小的RMS值。这样的RMS值允许高精度地控制载流子浓度。因此，可以提供允许生产具有高灵敏度和低暗电流的光电检测器的外延晶片。如上所述，这很容易通过使用正角衬底而实现。
在图3中，外延晶片1a有2英寸的直径，并且是（001）正角衬底。
在下文中，将参照图4描述生产方法。首先准备InP衬底1。在InP衬底1上，外延生长n型InP缓冲层2，以便具有例如约150nm的厚度。优选地利用四乙基硅烷（TeESi）执行n型掺杂。此时，所使用的源气体是三甲基铟（TMIn）和叔丁基膦（TBP）。可以利用作为无机材料的磷化氢（PH3）来生长InP缓冲层2。即使当在约600℃或者在约600℃或更小的生长温度下生长InP缓冲层2时，通过在大约600℃下加热使得下面的InP衬底的结晶度不劣化。
通过可以在低生长温度下并且以高生长效率执行的仅使用金属有机源的金属有机气相外延来生长覆盖在缓冲层2上的层。显然，通过作为正常过程的仅使用金属有机源的金属有机气相外延来生长InP缓冲层2。通过仅使用金属有机源的金属有机气相外延来在相同的生长室中连续生长至少II型（InGaAs/GaAsSb）MQW3、InGaAs扩散浓度分布调整层4和InP窗口层5。此时，生长温度或衬底温度需要被严格保持在400℃或更大和550℃或更小的温度范围内。这是因为，当采用高于这个温度范围内的生长温度时，GaAsSb被热损坏以经历相分离，导致粗糙凸状表面缺陷的密度增加。以高密度产生这种粗糙凸状表面缺陷造成生产成品率的相当大的下降。
当采用小于400℃的生长温度时，凸状表面缺陷的密度减小或变为零；但是，用于仅使用金属有机源的金属有机气相外延的源气体未被充分分解，并且碳被结合到外延层内。从在源气体中的键合到金属的碳氢化合物得到碳。碳结合到外延层内导致形成不期望的p型区域，并且结果产生的半导体元件具有差的性能。例如，这样的光电探测器具有大的暗电流和并且实际上不能用作产品。注意，由于结合碳导致的p型区域的扩展是与上面多次描述的与RMS值相关的载流子浓度的改变不同的现象。
到此为止已经基于图4示意性地描述了用于生产外延晶片的方法。在下文中，将详细说明层的生长方法。
图5示出用于仅使用金属有机源的金属有机气相外延的沉积设备60的管道系统等。石英管65被设置在反应室（室）63中。源气体被引入到石英管65内。在石英管65中，可转动地和密封地设置衬底台66。衬底台66配备有用于加热衬底的加热器66h。利用红外温度计61通过设置在该反应室63的顶板部分中的窗口69来监测在沉积期间的外延晶片1a的表面温度。此监测温度被称为例如生长温度、沉积温度或衬底温度。关于在根据本发明的生产方法中的、在400℃或更大和550℃或更小的温度下形成MQW，400℃或更大和550℃或更小是在温度监测中测量的温度。利用真空泵执行石英管65的强制抽空。
通过连接到石英管65的管道来供应源气体。仅使用金属有机源的金属有机气相外延具有以金属有机气体的形式来供应所有源气体的特征。即，在源气体中，金属键合到各种碳氢化合物。尽管图5未描述例如控制导电类型的杂质的源气体，但是也以金属有机气体的形式引入杂质。金属有机源气体被包含在恒温浴中，并被保持在恒温下。所使用的载气是氢气（H2）和氮气（N2）。利用载气承载并且利用真空泵吸入金属有机气体，从而将其引入到石英管65内。利用质量流量控制器（MFC）精确地控制载气的流量。利用微计算机来自动控制大量的质量流量控制器和电磁阀等。
在生长缓冲层2后，形成具有II型MQW的吸收层3，其中，通过InGaAs/GaAsSb对构成量子阱。在量子阱中，GaAsSb膜具有例如5nm的厚度；并且，InGaAs膜具有例如5nm的厚度。在GaAsSb的沉积中，使用三乙基镓（TEGa）、叔丁基胂（TBAs）和三甲基锑（TMSb）被使用。关于InGaAs，可以使用TEGa、TMIn和TBAs。这些源气体都是金属有机气体，并且化合物具有高分子量。因此，可以在400℃或更大且550℃或更小的相对低的温度下完全分解气体，以有助于晶体生长。可以通过仅使用金属有机源的金属有机气相外延来形成具有MQW的吸收层3，以便在量子阱中的界面处具有剧烈的组分变化。其结果，可以高精度地执行分光光度法。
Ga（镓）源可以是TEGa（三乙基镓）或三甲基镓（TMGa）。In（铟）源可以是TMIn（三甲基铟）或三乙基铟（TEIn）。As（砷）源可能是TBAs（叔丁基胂）或三甲基砷（TMAs）。
Sb（锑）源可以是TMSb（三甲基锑）、三乙基锑（TESb）、三异丙基锑（TIPSb）或三二甲氨基锑（TDMASb）。
源气体被通过管道承载，被引入石英管65并被排出。可以通过增加管道数来向石英管65供应任何数目的源气体。例如，可以通过电磁阀的打开/关闭来控制甚至多于10个的源气体。
使用在图5中所示的质量流量控制器（MFC）来控制源气体的流量，并且，通过空气驱动阀的打开/关闭来接通/断开源气体向石英管65中的引入。利用真空泵来强制抽空石英管65。源气体不停滞在任何地方，并且平滑地自动控制其流量。因此，迅速实现在形成构成量子阱的对期间在组分之间的转换。
图6A示出了金属有机分子的流和热流。图6B是在衬底表面上的金属有机分子的示意图。监测外延晶片1a的表面温度。表面温度是400℃或更大和550℃或更小。当在图6B中所示的具有大尺寸的金属有机分子在晶片表面上流动时，被分解以有助于晶体生长的化合物分子可能限于与表面接触的分子和在从表面延伸到几个金属有机分子的长度的厚度范围内存在的分子。
然而，当外延晶片表面的温度或衬底温度过低或小于400℃时，源气体的大分子未被充分分解：特别是，碳未被充分去除，并被包括在外延晶片1a内。结合到III-V半导体的碳用作p型杂质，并且形成不期望的半导体元件。因此，半导体的固有的功能劣化，导致所生产的半导体元件的性能劣化。
当利用空气驱动阀选择源气体以便对应于对的化学组分，并且在利用真空泵的强制抽空下引入源气体时，在因为惯性而导致略微生长具有旧的化学组分的晶体后，可以生长具有新的化学组分的晶体，而不被旧的源气体影响。结果，可以在异质结界面出实现剧烈的组分改变。这意味着旧的源气体基本上不留在石英管65中。
当通过在大于550℃的温度范围内的生长形成MQW3时，MQW的GaAsSb层相当大地经历相分离，导致凸状表面缺陷的密度K的增加。另一方面，如上所述，当采用小于400℃的生长温度时，可以使凸状表面缺陷的密度减小或为零；然而，在源气体中必然包括的碳被结合到外延晶片内。结合的碳起p型杂质的作用。因此，所得到的半导体元件具有差的性能，并且不能被用作产品。
如图4中所示，另一点是，通过仅使用金属有机源的金属有机气相外延的生长在相同的生长室或相同的石英管65内从MQW的形成继续到InP窗口层5的形成。
具体而言，在形成InP窗口层5之前，不从生长室取出外延晶片1a，并且不通过另一种沉积方法来形成InP窗口层5；因此，不形成再生长界面。因为InGaAs扩散浓度分布调整层4和InP窗口层5连续地在石英管65中形成，所以界面16和17不是再生长界面。在再生长界面中，满足1×1017cm-3或者更大氧浓度和1×1017cm-3或更大的碳浓度的至少一个；并且，结晶度变差，并且在外延层结构的表面不太可能变得平滑。在本发明中，氧浓度和碳浓度两者都小于1×1017cm-3。
在本实施例中，在具有MQW的吸收层3上，形成具有例如约0.3μm的厚度的非掺杂的InGaAs扩散浓度分布调整层4。在光电探测器的形成中，Zn以高浓度向MQW内的扩散导致结晶度的劣化。因此，为了调整Zn的扩散浓度分布，形成InGaAs扩散浓度分布调整层4。在形成InP窗口层5后，通过从InP窗口层5的选择性扩散方法来选择性地扩散p型杂质Zn，以便达到具有MQW的吸收层3。虽然可以如上所述形成InGaAs扩散浓度分布调整层4，但是可以消除其形成。
即使当插入InGaAs扩散浓度分布调整层4并且它是非掺杂层时，InGaAs也具有窄的带隙，并且因此，可以使得光电探测器具有低电阻。通过减小电阻，可以提高响应性，并且可以得到良好的器件特性。
在将外延晶片1a留在相同的石英管65中的同时，在InGaAs扩散浓度分布调整层4上，优选的是，通过仅使用金属有机源的金属有机气相外延来连续地外延生长未掺杂的InP窗口层5，以便具有例如大约0.8μm的厚度。如上所述，源气体是三甲基铟（TMIn）和叔丁基胂（TBP）。通过使用这些源气体，可以使得InP窗口层5的生长温度为400℃或更大和550℃或更小。其结果是，在InP窗口层5下面的MQW的GaAsSb不经受或经受相对小的热损伤。因此，凸状表面缺陷的密度K可以降低到实用上允许的水平，并且可以减小碳浓度。
例如，通过分子束外延（MBE）来生长InP窗口层需要固体磷源，并且因此在安全性等方面有问题；另外，需要增强生产效率。在通过适合于生长MQW3的MBE来生长MQW3和InGaAs扩散浓度分布调整层4，并且随后鉴于安全性而通过除了MBE之外的方法来生长InP窗口层5的情况下，在InGaAs扩散浓度分布调整层4和InP窗口层5之间的界面17因为暴露到空气而是再生长界面。可以通过二次离子质谱分析来识别再生长界面，因为它满足1×1017cm-3或更大的氧浓度和1×1017cm-3或更大的碳浓度的至少一个。再生长界面形成通过p型区的交叉线；在交叉线中出现漏电流，并且器件特性相当大地劣化。
替代地，例如，在未通过仅采用金属有机源的金属有机气相外延而是通过简单地采用磷化氢（PH3）作为磷源的金属有机气相外延（MOVPE）来生长InP窗口层的情况下，分解温度高，并且因此热损坏下面的GaAsSb的可能性高。
到此为止已经详细描述了在图1中所示的光电探测器的层的外延生长。在下文中，将描述选择性地扩散诸如Zn的p型杂质的步骤与形成电极11和12的步骤。图7是用于生产在图1所示的光电探测器10的方法的流程图。步骤S1至S3与如上所述的那些相同。特别是，InGaAs扩散浓度分布调整层4的生长温度为400℃或者更大，并且优选地等于或低于吸收层3的生长温度。这是因为可以很容易地将RMS值调整到10nm或更大且40nm或更小的范围内。随后，在步骤S4和S5中，通过Zn的选择性的扩散来形成像素P，并且形成电极。
通过经SiN膜的选择性扩散掩膜图案36的开口来选择性地扩散用作p-型杂质的Zn，形成从InP窗口层5通过InGaAs层4延伸到吸收层3的p型区6。p型区6被不经受选择性扩散的区域分开，并用作像素P的主要部分。通过调整选择性扩散掩膜图案36的开口的节距，可以在离相邻像素或侧表面预定距离处形成这样的p型区6。
由AuZn构成的p电极11被设置为使得与p型区6形成欧姆接触。由AuGeNi构成的n电极12被设置为使得与InP缓冲层的上表面的暴露的端部形成欧姆接触。
InP衬底1可以是n型导电性的或半绝缘的衬底。注意，可以采用在InP衬底1的后表面上设置n电极12的结构。在这种情况下，需要InP衬底1是n型导电性衬底。
图1示出了布置了多个像素P的光电检测器。图8示出了具有单个像素的光电检测器10。这样的光检测器自然被包括在本发明的范围内。在下面描述的示例中，使用在图8中的光电探测器10用于在暗电流等方面的评估。
示例
作为本发明的示例，制备了满足InP窗口层的表面具有10nm或更大且40nm或更小的RMS值的要求的测试样品，并且作为比较示例，制备了RMS值小于10nm的测试样品。由测试样品生产了光电探测器，并且在2μm的波长下，在暗电流和灵敏度方面测量了该光电探测器。
测试样品的属性（（1）衬底（括号中描述了偏离角）、（2）InGaAs扩散浓度分布调整层的生长温度、（3）InGaAs膜的总厚度和（4）InP窗口层的表面的RMS值）。
<发明示例A1>：（1）正角衬底（0°），（2）500℃，（3）2.3μm，（4）23.4nm
<发明示例A2>：（1）正角衬底（0.05°），（2）500℃，（3）2.3μm，（4）12.0nm
<发明示例A3>：（1）正角衬底（-0.05°），（2）500℃，（3）2.3μm，（4）10.5nm
<发明示例A4>：（1）正角衬底（0°），（2）480℃，（3）2.3μm，（4）29.5nm
<发明示例A5>：（1）正角衬底（0°），（2）460℃，（3）2.3μm，（4）38.5nm
<发明示例A6>：（1）刚刚角度衬底（0°），（2）500℃，（3）2.1μm，（4）12.0nm
在发明示例A1到A6中的RMS值是在10.5nm至38.5nm的范围内。
另一方面，在比较示例B1至B4中的RMS值在7.5nm至9.5nm的范围内，它们在与现有的光电探测器相同的水平上。
<比较示例B1>：（1）偏离角衬底（0.07°），（2）500℃，（3）2.3μm，（4）8.3nm
<比较示例B2>：（1）偏离角衬底（-0.07°），（2）500℃，（3）2.3μm，（4）7.5nm
<比较示例B3>：（1）正角衬底（0°），（2）520℃，（3）2.3μm，（4）9.5nm
<比较示例B4>：（1）偏离角衬底（0.07°），（2）500℃，（3）2.1（4）8.0
由具有上述属性的外延晶片的每一个生产了在图8中所示的光电探测器。在波长2μm下，在暗电流（213K,-1.2V）和灵敏度方面测量了该光电探测器。在表I中描述了结果。
[表1]
Figure BDA0000407053380000241
Figure BDA0000407053380000242
表I表明，在发明示例A4中，RMS值为29.5nm，暗电流为1pA，这是最好的，并且灵敏度良好。第二好的暗电流是在发明示例A1中的3pA（RMS值：23.4nm）。在其他发明示例A2（RMS值：12.0nm）、A3（RMS值：10.5nm）、A5（RMS值：38.5nm）和A6（RMS值：12.0nm），发现暗电流是相同值5pA。因此，当RMS值在20nm至30nm的范围内时实现最小的暗电流。灵敏度也是良好的，除了发明示例A6之外，其中InGaAs膜的总厚度为2.1μm的小值。即使在发明示例A6中，灵敏度也不是非常低。
相反，在如现有的光电探测器那样具有小于10nm的RMS值的比较示例B1至B3中，暗电流为1000pA至3000pA，这是非常差的。敏感度也差到使得它不可测量。比较示例B4提供了比比较示例B1至B3更好的结果；然而，与本发明的示例A1至A6作比较，特性（暗电流和灵敏度）明显差。
到此为止已经描述了本发明的实施例。然而，通过例示给出上面公开的本发明的实施例，并且本发明的范围不限定于这些实施例。本发明的范围由权利要求指示，并且涵盖在权利要求的含义和等同内容的范围内的所有修改。
工业适用性
根据本发明，可以高精度地控制载流子浓度，并且可以获得具有在近红外区到远红外区中的高灵敏度并且具有低暗电流的光电探测器。在这种光电检测器中，窗口层的表面的平整度不是非常高；但是，该平整度并未低到使得变得难以进行后续生产步骤。可以以高效率提供该光电检测器。

Claims (23)

1.一种光电探测器，包括：
衬底，所述衬底由III-V族化合物半导体形成；
吸收层，所述吸收层被定位在所述衬底上，并且被配置为吸收光；
窗口层，所述窗口层被定位在所述吸收层上，并且具有比所述吸收层大的带隙能量；以及
p-n结，所述p-n结至少被定位在所述吸收层中，
其中，所述窗口层具有下述表面，所述表面具有10nm或更大且40nm或更小的均方根表面粗糙度。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其中，通过经所述窗口层的杂质的选择性扩散来形成所述p-n结。
3.根据权利要求1或2所述的光电探测器，其中，所述衬底相对于用作所述衬底的主表面的（001）面具有-0.05°或更大且+0.05°或更小的偏离角。
4.根据权利要求1至3的任何一项所述的光电探测器，其中，所述窗口层包含磷。
5.根据权利要求1至4的任何一项所述的光电探测器，其中，所述吸收层包括包含锑的III-V族化合物半导体层。
6.根据权利要求1至5的任何一项所述的光电探测器，其中，所述窗口层包含锑作为杂质元素。
7.根据权利要求1至6的任何一项所述的光电探测器，其中，所述吸收层具有由一对InxGa1-xAs（0.38≤x≤1.00）和GaAs1-ySby（0.36≤y≤1.00）或者一对Ga1-uInuNvAs1-v（0.4≤u≤1.0,0<v≤0.2）和GaAs1-wSbw（0.36≤w≤1.00）构成的多量子阱结构。
8.根据权利要求1至7的任何一项所述的光电探测器，其中，所述衬底由GaAs、GaP、GaSb、InP、InAs、InSb、AlSb和AlAs中的任何一种形成。
9.根据权利要求1至8的任何一项所述的光电探测器，包括扩散浓度分布调整层，所述扩散浓度分布调整层由III-V族化合物半导体形成，并且与所述吸收层的表面接触，该表面在与所述衬底相反的一侧上。
10.根据权利要求9所述的光电探测器，其中，所述吸收层包含InxGa1-xAs（0.38≤x≤1.00），所述扩散浓度分布调整层包含InzGa1-zAs（0.38≤z≤1.00），并且InxGa1-xAs和InzGa1-zAs的总膜厚度为2.3μm或更大。
11.一种外延晶片，包括：
衬底，所述衬底由III-V族化合物半导体形成；
吸收层，所述吸收层被定位在所述衬底上，并且被配置为吸收光；以及
窗口层，所述窗口层被定位在所述吸收层上，并且具有比所述吸收层大的带隙能量，
其中，所述窗口层具有下述表面，所述表面具有10nm或更大且40nm或更小的均方根表面粗糙度。
12.根据权利要求11所述的外延晶片，包括至少被定位在所述吸收层中的p-n结。
13.根据权利要求11或12所述的外延晶片，包括通过经所述窗口层的杂质的选择性扩散来形成的所述p-n结。
14.根据权利要求11至13的任何一项所述的外延晶片，其中，所述衬底相对于用作所述衬底的主表面的（001）面具有-0.05°或更大且+0.05°或更小的偏离角。
15.根据权利要求11至14的任何一项所述的外延晶片，其中，所述窗口层包含磷。
16.根据权利要求11至15的任何一项所述的外延晶片，其中，所述吸收层包括包含锑的III-V族化合物半导体层。
17.根据权利要求11至16的任何一项所述的外延晶片，其中，所述窗口层包含锑作为杂质元素。
18.根据权利要求11至17的任何一项所述的外延晶片，其中，所述吸收层具有由一对InxGa1-xAs（0.38≤x≤1.00）和GaAs1-ySby（0.36≤y≤1.00）或者一对Ga1-uInuNvAs1-v（0.4≤u≤1.0,0<v≤0.2）和GaAs1-wSbw（0.36≤w≤1.00）构成的多量子阱结构。
19.根据权利要求11至18的任何一项所述的外延晶片，其中，所述衬底由GaAs、GaP、GaSb、InP、InAs、InSb、AlSb和AlAs中的任何一种形成。
20.根据权利要求11至19的任何一项所述的外延晶片，包括扩散浓度分布调整层，所述扩散浓度分布调整层由III-V族化合物半导体形成，并且与所述吸收层的表面接触，该表面在与所述衬底相反的一侧上。
21.根据权利要求20所述的外延晶片，其中，所述吸收层包含InxGa1-xAs（0.38≤x≤1.00），所述扩散浓度分布调整层包含InzGa1-zAs（0.38≤z≤1.00），并且InxGa1-xAs和InzGa1-zAs的总膜厚度为2.3μm或更大。
22.一种用于生产外延晶片的方法，包括通过仅使用金属有机源的金属有机气相外延来至少生长根据权利要求11至21的任何一项所述的外延晶片的所述吸收层和所述窗口层。
23.根据权利要求22所述的用于生产外延晶片的方法，其中，扩散浓度分布调整层被生长在所述吸收层上并且与所述吸收层接触，使得所述扩散浓度分布调节层的生长温度等于或低于所述吸收层的生长温度。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110061076A (zh) * 2018-12-25 2019-07-26 深圳市芯思杰智慧传感技术有限公司 背入射式共面电极多单元芯片及其制备方法

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014216624A (ja) * 2013-04-30 2014-11-17 住友電気工業株式会社 エピタキシャルウエハ、その製造方法、半導体素子、および光学センサ装置
JP5842894B2 (ja) * 2013-10-25 2016-01-13 住友電気工業株式会社 半導体素子
JP6233070B2 (ja) * 2014-02-05 2017-11-22 住友電気工業株式会社 半導体積層体および半導体装置、ならびにそれらの製造方法
JP6454981B2 (ja) * 2014-04-24 2019-01-23 住友電気工業株式会社 半導体積層体および受光素子
US10158035B2 (en) * 2015-04-22 2018-12-18 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Semiconductor stack, light-receiving device, and method for producing semiconductor stack
JP6488855B2 (ja) * 2015-04-22 2019-03-27 住友電気工業株式会社 半導体積層体、受光素子および半導体積層体の製造方法
CN105242390B (zh) * 2015-10-27 2017-12-15 西安交通大学 一种多环带形mems共焦针孔探测器及测量方法
US20210104638A1 (en) 2019-10-04 2021-04-08 Sensors Unlimited, Inc. Visible-swir hyper spectral photodetectors with reduced dark current
TWI835924B (zh) * 2019-11-18 2024-03-21 晶元光電股份有限公司 光偵測元件
CN112382687A (zh) * 2020-11-11 2021-02-19 苏州镓港半导体有限公司 一种平面型光电探测器及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5886360A (en) * 1995-11-24 1999-03-23 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor device
US20100261304A1 (en) * 2009-04-09 2010-10-14 State of Oregon acting by and through the State Board of Higher Education on behalf of Oregon Solution-based process for making inorganic materials
JP2011060853A (ja) * 2009-09-07 2011-03-24 Sumitomo Electric Ind Ltd Ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体受光素子、及びｉｉｉ−ｖ族化合物半導体受光素子を作製する方法
US20110164136A1 (en) * 2008-09-11 2011-07-07 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Image pickup device, visibility support apparatus, night vision device, navigation support apparatus, and monitoring device
CN102203960A (zh) * 2009-08-01 2011-09-28 住友电气工业株式会社 半导体器件及其制造方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1126801A (ja) * 1997-07-01 1999-01-29 Fujitsu Ltd 半導体受光装置の製造方法
JP2000208806A (ja) * 1999-01-14 2000-07-28 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体エピタキシャルウェハおよび半導体装置
JP2002083993A (ja) * 2000-09-06 2002-03-22 Toshiba Corp 光半導体受光素子およびその製造方法
JP2004363265A (ja) * 2003-06-04 2004-12-24 Sony Corp 化合物半導体積層構造及びその製造方法
JP5008874B2 (ja) * 2005-02-23 2012-08-22 住友電気工業株式会社 受光素子と受光素子を用いた光通信用受信モジュールおよび受光素子を用いた計測器
JP2008153311A (ja) * 2006-12-14 2008-07-03 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体受光素子、視界支援装置および生体医療装置
JP5515162B2 (ja) * 2007-03-23 2014-06-11 住友電気工業株式会社 半導体ウエハの製造方法
EP2477234B1 (en) * 2009-09-07 2021-06-23 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Group iii-v compound semiconductor light receiving element, method for manufacturing group iii-v compound semiconductor light receiving element, light receiving element, and epitaxial wafer
JP5402972B2 (ja) * 2011-04-01 2014-01-29 住友電気工業株式会社 気体モニタリング装置、燃焼状態モニタリング装置、経年変化モニタリング装置、および不純物濃度モニタリング装置
JP6080092B2 (ja) * 2012-05-30 2017-02-15 住友電気工業株式会社 受光素子、半導体エピタキシャルウエハ、検出装置および受光素子の製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5886360A (en) * 1995-11-24 1999-03-23 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor device
US20110164136A1 (en) * 2008-09-11 2011-07-07 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Image pickup device, visibility support apparatus, night vision device, navigation support apparatus, and monitoring device
US20100261304A1 (en) * 2009-04-09 2010-10-14 State of Oregon acting by and through the State Board of Higher Education on behalf of Oregon Solution-based process for making inorganic materials
CN102203960A (zh) * 2009-08-01 2011-09-28 住友电气工业株式会社 半导体器件及其制造方法
JP2011060853A (ja) * 2009-09-07 2011-03-24 Sumitomo Electric Ind Ltd Ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体受光素子、及びｉｉｉ−ｖ族化合物半導体受光素子を作製する方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110061076A (zh) * 2018-12-25 2019-07-26 深圳市芯思杰智慧传感技术有限公司 背入射式共面电极多单元芯片及其制备方法
CN110061076B (zh) * 2018-12-25 2024-05-24 芯思杰技术(深圳)股份有限公司 背入射式共面电极多单元芯片及其制备方法

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Publication number Publication date
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