JP2007335753A - 半導体受光素子、その製造方法および受光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 暗電流を大きく抑制することができる半導体受光素子、その製造方法およびその半導体受光素子を用いた受光装置を提供する。
【解決手段】 受光層３を含むエピタキシャル積層構造のプレーナー型半導体受光素子１０であって、受光層３の上にエピタキシャル成長したＩｎＡｌＡｓの窓層４と、ＩｎＡｌＡｓ窓層４が酸化されてなり、窓層を被覆する酸化被膜５と、窓層から受光層に届くようにｐ型不純物が導入されたｐ型領域１５とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体受光素子、その製造方法および受光装置に関し、より具体的には暗電流を抑制した長波長域用の半導体受光素子、その製造方法および受光装置に関するものである。

長波長域の光の半導体受光素子には、ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓ受光層を含むエピタキシャル積層構造のフォトダイオードが用いられる。これらのフォトダイオードには形状的に２つの主要な型がある。一つは、エピタキシャル積層構造がエッチングなどによって損傷を受けにくく、高信頼性を確保しやすいという利点を生かすことができるプレーナー型フォトダイオード（ＰＤ:Photo-Diode)である。また他の一つは、断面積容量を抑制して動作速度を高めることができるメサ型ＰＤである。暗電流の抑制は、直ちに半導体受光素子の感度向上に有効に作用するので、プレーナー型ＰＤおよびメサ型ＰＤともに、暗電流の一層の抑制が求められている。とくに長波長域用の化合物半導体は、多くの技術蓄積がなされた単結晶シリコンほど良好な結晶性を確保できないために暗電流が大きく、暗電流を抑制することが、プレーナー型ＰＤおよびメサ型ＰＤともに強く望まれている。

プレーナー型ＰＤでは、たとえば受光層の上にＩｎＰ窓層を、またＩｎＰ窓層の上にＩｎＧａＡｓコンタクト層を設け、そのＩｎＧａＡｓコンタクト層の上にＳｉＮパッシベーション膜を設けて、暗電流の抑制を図っている（特許文献１参照）。また、メサ型ＰＤとしては、メサポスト側面に流れる暗電流を抑制するために、メサ側面に露出するＡｌ半導体層およびメサポストの周りの光閉じ込め層表面を酸化することにより形成したアルミ酸化膜で被覆する方法（特許文献２）が提案されている。
特開平８−８４５５号公報 特開平１１−３３０５３１号公報

上記のＰＤでは、つぎの（１）〜（３）の問題を生じる。
（１）上記特許文献１に開示の装置では、ＳｉＮパッシベーション膜下において、そのＳｉＮパッシベーション膜と、ｐ型領域のＺｎ含有ＩｎＧａＡｓコンタクト層およびＺｎを含有しないＩｎＧａＡｓコンタクト層との界面に、欠陥密度やキャリアトラップ準位の増大が生じ、このため暗電流が増大する。
（２）多結晶であるＳｉＮ_ｘやＳｉＯ_ｘ等をパッシベーション膜として用いた場合、単結晶とのボンド結合が完全でないため、表面リーク電流が発生し、また経時的な信頼性劣化の原因となる。
（３）メサ型ＰＤではメサポスト側面のエッチングによる損傷を避けることができないため、信頼性確保に欠ける。

また、上記の長波長域の導体受光素子を用いた受光装置では、感度を向上させるため、または暗電流を抑制するため、受光装置中の半導体受光素子を冷却装置で冷却することを余儀なくされている。すなわち長波長域用の分光器などでは、半導体受光素子の暗電流を抑制するため、フィンを設け冷却媒体を強制循環させる冷却装置を設けている。このような冷却装置は、受光装置を大型化して高価格の要因となる。また携行用の装置にはファンを設ける場合が多いが、利便性の低下をもたらしていた。

本発明は、暗電流を大きく抑制することができる半導体受光素子、その製造方法およびその半導体受光素子を用いた受光装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体受光素子は、受光層を含むエピタキシャル積層構造のプレーナー型半導体受光素子である。この半導体受光素子は、受光層の上にエピタキシャル成長したＡｌを含むＡｌ含有半導体の窓層と、Ａｌ含有半導体層が酸化されてなり、窓層を被覆する酸化被膜と、窓層から受光層に届くようにｐ型不純物が導入されたｐ型領域とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、パッシベーション膜を形成するとき、エピタキシャル積層構造の表面を大気にさらすことなく当該パッシベーション膜を形成することができる。また、パッシベーション膜と、ｐ型領域（ｐ型不純物導入領域またはＺｎ拡散領域）およびｐ型不純物非導入領域との界面が、同じＡｌ含有半導体エピタキシャル成長層内にあるので、欠陥密度の減少やキャリアトラップ準位の低減を実現することができる。この欠陥密度の減少やキャリアトラップ準位の低減を通じて暗電流を低減することができる。

また、パッシベーション膜にＳｉＮ_ｘやＳｉＯ_ｘ等の多結晶を用いずに、Ａｌ含有半導体、たとえばＩｎＡｌＡｓを酸化して形成した酸化被膜（以後、Ａｌ系酸化被膜と記す）をパッシベーション膜とするため、下層すなわち窓層とのボンド結合が良好なため、表面リーク電流の発生を抑えることができる。この表面リーク電流の発生抑制を通じて、暗電流を低減させることができる。

上記の窓層を形成するＡｌ含有半導体に、ＩｎＡｌＡｓを用いることができる。ＩｎＡｌＡｓはＩｎＰに格子整合することができ、また波長１．５５μｍ〜３μｍの光に対して透明であり、好ましい。また、このあと説明する各種の酸化処理に対して緻密なＡｌ系酸化被膜を形成することができる。

また、ｐ型領域の窓層の上にエピタキシャル成長したＩｎＧａＡｓコンタクト部を備え、酸化被膜はＩｎＧａＡｓコンタクト部の周りに設けられている構造とすることができる。

Ａｌ含有半導体（窓層）のｐ型領域上に、直接、ｐ側電極を設けて、接触抵抗を低くできる適当な材料が存在しない。Ａｌ含有半導体のｐ型領域上に、接触抵抗が高くなるのをかまわずｐ側電極を直接設けた場合、動作電圧が高く、消費電力が増大してしまう。上記のように、Ａｌ含有半導体のｐ型領域上にＩｎＧａＡｓコンタクト部を設けた場合には、電極材料としてに一般的なＡｕＺｎ系金属やＴｉＰｔ系金属を用いることにより低抵抗接続を実現することができる。

また、ＩｎＧａＡｓコンタクト部がパターニングして形成される前は、ＩｎＧａＡｓ層がＡｌ含有半導体層（窓層）上にエピタキシャル成長してＡｌ含有半導体層を被覆している。そして、Ａｌ含有半導体層を酸化してパッシベーション膜を形成する直前に、上記のＩｎＧａＡｓ層に対してパターニング処理を行いＩｎＧａＡｓコンタクト部の周りのＩｎＧａＡｓ層をエッチングして、Ａｌ含有半導体層を露出する。このため、Ａｌ含有半導体層において不安定要因となるＡｌの自然酸化を防ぐことができる。

上記のｐ型不純物はＩｎＧａＡｓコンタクト部の表面から受光層に届くように導入されているような構造とできる。この構造によれば、プレーナー型受光素子においてとくに重要なｐ型不純物導入によるｐｎ接合の形成処理を、つぎの手順で行うことができる。「受光層上へのＡｌ含有半導体層のエピタキシャル膜形成→ＩｎＧａＡｓコンタクト層のエピタキシャル膜形成→ｐ型不純物導入（ｐｎ接合の形成：前後にマスクパターンの形成および除去）→ＩｎＧａＡｓコンタクト層のメサ構造形成→Ａｌ含有半導体層の酸化処理による酸化被膜の形成」の処理工程。上記の工程では、ＩｎＧａＡｓコンタクト部は酸化処理される前のＩｎＡｌＡｓ層（窓層）に直接エピタキシャル成長されるため接触抵抗を低くできる。また、下方のｐｎ接合に至る経路において、一度でも酸化性雰囲気にさらされる箇所はなく、高い導電性の経路が連続するため、ｐｎ接合に高い電圧を効率よくかけることができる。

また、上記の受光層のバンドギャップ波長を１．５５μｍ〜３μｍの範囲内にすることができる。波長１．５５μｍ〜３μｍの長波長域用の受光素子は、感度向上のために暗電流の抑制を非常に強く必要としている。上記の構成により、暗電流が非常に小さくなり、感度が良好な長波長域用の受光素子を提供することができる。

前記受光層が、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂおよびＧａＩｎＮＡｓＰのいずれかで形成されるようにしてもよい。上記の化合物半導体はいずれもバンドギャップ波長が１．５５μｍ〜３μｍの範囲内にあり、上記の感度を飛躍的に向上させた長波長域用の受光素子を実現することができる。

また、上記の酸化被膜は、酸素を含む雰囲気内での熱処理、ドライエッチング処理、液相酸化処理および熱水蒸気処理のいずれかで生成されることができる。ここで、ドライエッチング処理は、ＩｎＧａＡｓ層をパターニングしてＩｎＧａＡｓコンタクト部を形成する際に行うドライエッチング処理をさし、少し処理時間を延長するなどして、露出したＡｌ含有半導体層を酸化する処理をさす。この場合、効率的に酸化被膜を形成することができる。また、既存の装置のうち適切な装置を用いて、上記のような多様な手段を用いて酸化被膜の形成を行うことができる。

本発明の半導体受光素子の製造方法は、受光層を含むエピタキシャル積層構造のプレーナー型半導体受光素子の製造方法である。この製造方法は、受光層の上にＡｌを含むＡｌ含有半導体の窓層をエピタキシャル成長する工程と、窓層の上にＩｎＧａＡｓコンタクト層をエピタキシャル成長する工程と、ＩｎＧａＡｓコンタクト層表面から受光層にまで届くようにｐ型不純物を拡散導入してｐ型領域を形成する工程とを備える。そして、ＩｎＧａＡｓコンタクト層のメサ構造であるＩｎＧａＡｓコンタクト部をドライエッチングまたはウエットエッチングにより形成して、ＩｎＧａＡｓコンタクト部を囲むようにＡｌ含有半導体の窓層を露出させる工程と、露出したＡｌ含有半導体の窓層を酸化して、その窓層を被覆する酸化被膜を形成する工程とを備えることを特徴とする。

上記の構成によれば、パッシベーション膜を形成するとき、エピタキシャル積層構造の表面を大気にさらすことなく当該パッシベーション膜を形成することができる。また、パッシベーション膜と、その下層の窓層（ｐ型領域およびｐ型不純物非導入領域）との界面が、同じＡｌ含有半導体エピタキシャル成長層内にあるので、欠陥密度の減少やキャリアトラップ準位の低減を実現することができる。この欠陥密度の減少やキャリアトラップ準位の低減を通じて暗電流を低減することができる。

また、パッシベーション膜にＳｉＮ_ｘやＳｉＯ_ｘ等の多結晶を用いずに、Ａｌ含有半導体、たとえばＩｎＡｌＡｓを酸化して形成した酸化被膜（以後、Ａｌ系酸化被膜と記す）をパッシベーション膜とするため、下層すなわち窓層とのボンド結合が良好なため、表面リーク電流の発生を抑えることができる。この表面リーク電流の発生抑制を通じて、暗電流を低減させることができる。

上記の窓層を形成するＡｌ含有半導体に、ＩｎＡｌＡｓを用いることができる。ＩｎＡｌＡｓはＩｎＰに格子整合することができ、また波長１．５５μｍ〜３μｍの光に対して透明であり、好ましい。また、このあと説明する各種の酸化処理に対して緻密なＡｌ系酸化被膜を形成することができる。

また、ｐ型領域の窓層の上にエピタキシャル成長したＩｎＧａＡｓコンタクト部を備え、酸化被膜はＩｎＧａＡｓコンタクト部の周りに設けられている構造とすることができる。

上述のように、Ａｌ含有半導体（窓層）のｐ型領域上にｐ側電極を直接設けて、接触抵抗を低くできる適当な材料が存在しない。Ａｌ含有半導体のｐ型領域上に、接触抵抗が高くなるのをかまわずｐ側電極を直接設けた場合、動作電圧が高く、消費電力が増大してしまう。上記のように、Ａｌ含有半導体のｐ型領域上にＩｎＧａＡｓコンタクト部を設けた場合には、電極材料として一般的なＡｕＺｎ系金属やＴｉＰｔ系金属を用いても低抵抗接続を実現することができる。

また、ＩｎＧａＡｓコンタクト部がパターニングして形成される前は、ＩｎＧａＡｓ層がＡｌ含有半導体層（窓層）上にエピタキシャル成長してＡｌ含有半導体層を被覆している。そして、Ａｌ含有半導体層を酸化してパッシベーション膜を形成する直前に、上記のＩｎＧａＡｓ層に対してパターニング処理を行いＩｎＧａＡｓコンタクト部の周りのＩｎＧａＡｓ層をエッチングして、Ａｌ含有半導体層を露出する。このため、Ａｌ含有半導体層において不安定要因となるＡｌの自然酸化を防ぐことができる。

また、酸化被膜を形成する工程では、酸素を含む雰囲気内での熱処理、メサ構造を形成するために行なうドライエッチング処理、液相酸化処理および熱水蒸気処理のいずれかを用いることができる。この構成により、既存の装置のうち適切な装置を用いて、上記のような多様な手段を用いて酸化被膜形成を行うことができる。

また、エピタキシャル積層構造の各層を、分子線エピタキシャル成長法(Molecular
Beam Epitaxy）および有機金属気相エピタキシャル成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)のいずれかを用いて成膜することができる。これにより、高品質のエピタキシャル積層構造を容易に形成することができる。

本発明の受光装置は、上記のいずれかの半導体受光素子を用いて、波長１．５５μｍ〜３μｍの光を受光する受光装置であって、半導体受光素子を冷却するための冷却装置を備えないことを特徴とする。

波長１．５５μｍ〜３μｍの光を受光する受光装置は、通常、暗電流を抑制して感度を向上させるために、冷却装置、たとえばドライアイス冷却を行なう。このため、装置は大型化、高重量化、高価格化をもたらし、またファンを備える携行用装置においても携行に不便をきたしていた。上記のいずれかの半導体受光素子を用いることにより暗電流を大幅に抑制でき、感度向上を得ることができ、そのため上記の冷却装置を不要とすることができる。この結果、小型化、軽量化した安価な長波長域用の受光装置を提供することができ、また携行に便利なタイプも容易に提供可能となる。

また、本発明の別の受光装置では、上記のいずれかの半導体受光素子を用いて、波長１．５５μｍ〜３μｍの光を受光する受光装置であり、半導体受光素子を冷却するためのフィン構造を備えないことを特徴とする。このため、上記と同様に、小型、軽量で安価な受光装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態における半導体受光素子を示す図である。ＩｎＰ基板１の上にＩｎＡｌＡｓバッファ層２がエピタキシャル成長しており、そのＩｎＡｌＡｓバッファ層２の上にＧａＩｎＮＡｓ受光層３がエピタキシャル成長している。ここで受光層３は、ＧａＩｎＮＡｓに限定されず、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰなど、波長域１．５５μｍ〜３μｍに感度のある化合物半導体を用いることができる。ＧａＩｎＮＡｓ受光層３の上にはＡｌ含有半導体層であるＩｎＡｌＡｓ窓層４がエピタキシャル成長しており、そのＩｎＡｌＡｓ窓層４を被覆するようにＡｌ系酸化被膜５が位置している。

ＩｎＧａＡｓコンタクト部７はＡｌ系酸化被膜５を介在させずに直接ＩｎＡｌＡｓ窓層４の上にエピタキシャル成長している。ＩｎＧａＡｓコンタクト部７の上には、ＡｕＺｎ系またはＴｉＰｔ系のｐ側電極８が形成されている。ＩｎＧａＡｓコンタクト部７の周りのＡｌ系酸化被膜５を、ＳｉＯＮで形成されたＡＯ（Anti-Reflection）膜６が被覆している。窓層４を経て、受光層３に届くようにＺｎが拡散導入されたｐ型領域１５が形成され、受光層３内にｐｎ接合１７ができている。このあと分かるようにＺｎ拡散は、ＩｎＧａＡｓコンタクト部７の表面からＩｎＡｌＡｓ窓層４を経由してＧａＩｎＮＡｓ受光層３に至るようになされている。そして、ＩｎＰ基板１の裏面にｎ側電極１８が形成されている。

上記の構造において、窓層４をＡｌ含有半導体層のＩｎＡｌＡｓ層とし、そのＩｎＡｌＡｓ層の表層部を酸化して、酸化被膜５のパッシベーション膜を形成している点が第１のポイントである。パッシベーション膜５は、下地となるエピタキシャル積層構造の表面を大気にさらすことなく下地の上に形成される。また、パッシベーション膜５とｐ型領域１７との界面、およびパッシベーション膜５とｐ型不純物非導入領域との界面が、いずれも酸化処理前のＡｌ含有半導体エピタキシャル成長層内にできるので、欠陥密度の減少やキャリアトラップ準位の低減を実現することができる。この欠陥密度の減少やキャリアトラップ準位の低減を通じて暗電流を低減することができる。

また、パッシベーション膜にＳｉＮ_ｘやＳｉＯ_ｘ等の多結晶を用いずに、Ａｌ系酸化被膜をパッシベーション膜５とするため、下層すなわち窓層４とのボンド結合は良好であり、表面リーク電流の発生を抑えることができる。この表面リーク電流の発生抑制を通じて、暗電流を低減させることができる。

図１の半導体受光素子の第２のポイントは、ｐ型領域の窓層の上にエピタキシャル成長したＩｎＧａＡｓコンタクト部を備え、酸化被膜をＩｎＧａＡｓコンタクト部の周りに設けた点にある。ＩｎＡｌＡｓ窓層４のｐ型領域１７上にＩｎＧａＡｓコンタクト部７を設けた場合には、電極材料としてに一般的なＡｕＺｎ系金属やＴｉＰｔ系金属を用いることにより低抵抗を実現することができる。しかし、ＩｎＡｌＡｓ窓層４のｐ型領域１７上に直接、ｐ側電極を設ける場合には、接触抵抗を低くできる適当な材料が存在せず、接触抵抗が高くなるのをかまわずｐ側電極を直接設けた場合には、動作電圧が高くなり、その結果、消費電力が増大する。上記のようにＩｎＧａＡｓコンタクト部７を介在させてｐ側電極８を設けることにより、既存の原料を用いて接触抵抗の低い電極を形成することができる。

また、ＩｎＧａＡｓコンタクト部がパターニングして形成される前は、ＩｎＧａＡｓ層がＡｌ含有半導体層（窓層）上にエピタキシャル成長してＡｌ含有半導体層を被覆している。そして、Ａｌ含有半導体層を酸化してパッシベーション膜を形成する直前に、上記のＩｎＧａＡｓ層に対してパターニング処理を行いＩｎＧａＡｓコンタクト部の周りのＩｎＧａＡｓ層をエッチングして、Ａｌ含有半導体層を露出する。このため、Ａｌ含有半導体層において不安定要因となるＡｌの自然酸化を防ぐことができる。

次に、図１に示す半導体受光素子１０の製造方法を説明する。成膜装置には、どのような装置を用いてもよいが、ＭＯＶＰＥ装置またはＭＢＥ装置のいずれかを用いるのがよい。まず、図２に示すように、ＩｎＰ基板１上に、バッファ層２をＩｎＧａＡｓ層で形成してもよいし、ＩｎＡｌＡｓ層で形成してもよい。次いで、受光層３をＩｎＧａＡｓ層、ＧａＩｎＮＡｓ層、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ層およびＧａＩｎＮＡｓＰ層のいずれかで形成することができる。受光層３の上の窓層４は、ＩｎＡｌＡｓ層またはその他のＡｌ含有半導体層、たとえばＩｎＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓＳｂなどで形成することができる。Ａｌ含有半導体の窓層４の上にコンタクト部を形成するためのＩｎＧａＡｓ層７を形成する。図２に示す、ＩｎＰ基板１からＩｎＧａＡｓコンタクト層７に至る各エピタキシャル層の組成、厚み、ドーパント濃度などの典型例をまとめて表１に示す。ＩｎＧａＡｓコンタクト層７は、他の層に比べて薄いが、ｐ部電極との接触抵抗を低下させる上で有効である。表１の組成やドーパント濃度は、あくまで例示であって、表１の範囲外のドーパント濃度であってもよい。

次に、図３に示すように、ＩｎＧａＡｓ層７の上にｐ型不純物であるＺｎを拡散導入するためのマスクパターン３１を形成し、Ｚｎを拡散導入してｐ型領域１５を形成する。したがって、ｐ型不純物のＺｎは、ＩｎＧａＡｓ層７の表面からＩｎＡｌＡｓ窓層４を経由して受光層３に至るように導入される。このため、コンタクト部が形成されるＩｎＧａＡｓ層７の下部のｐｎ接合１７に至る経路において、製造工程中に一度でも酸化性雰囲気にさらされる箇所はなく、高い導電性の経路が連続するため、ｐｎ接合１７に高い電圧を効率よくかけることができる。

次いでマスクパターンを除去して、図４に示す状態を得る。このあと図５に示すように、ＩｎＧａＡｓ層をメサ構造へとドライエッチングしてＩｎＧａＡｓコンタクト部７を形成して、当該ＩｎＧａＡｓコンタクト部７の周りのＩｎＡｌＡｓ窓層４を露出させる。そして、図６に示すように、露出したＩｎＡｌＡｓ窓層４の表層部を酸化処理してＡｌ系酸化被膜のパッシベーション膜５を形成する。酸化処理は次に示すどの方法を用いてもよい。

（１）酸素を含む雰囲気での熱処理：既存の通常の処理装置を用いて行なうことができる。
（２）上記のメサ構造を形成するために行うドライエッチング処理の延長工程：処理工程を新たに加えることなく、効率よく酸化被膜を形成することができる。とくに酸化傾向の強いＡｌを含有するＡｌ含有半導体層を酸化するのに有効な方法である。
（３）液相酸化処理：確実な酸化被膜形成が可能となる。
（４）熱水蒸気処理：短時間で厚みのある酸化被膜を形成することができる。
上記の（１）〜（４）の酸化処理方法に限らず、その他の酸化処理方法を用いてもよい。

このあと、図７に示すように、パッシベーション膜５およびＩｎＧａＡｓコンタクト部７を被覆するようにＳｉＯＮ膜からなるＡＲ膜６を成膜する。次いでＩｎＧａＡｓコンタクト部７の上のＡＲ膜６を部分的に除去して、図８に示すようにｐ側電極８をＩｎＧａＡｓコンタクト部７の上に形成する。ｐ側電極８は、上述のように、ＡｕＺｎ系金属またはＴｉＰｔ系金属で形成することができる。図８に示す状態に対して、ＩｎＰ基板１の裏面にｎ側電極を形成することにより、図１に示す半導体受光素子１０を得ることができる。

図１に示す半導体受光素子１０は、エピアップ受光素子であり、エピタキシャル積層構造の表面側から光が入射する配置をとる。本発明の半導体受光素子は、図９に示すように、エピダウン受光素子すなわちフリップチップ方式の受光素子として、ＩｎＰ基板１の裏面側から光が入射する配置をとることができる。エピダウン受光素子では、図９に示すように、光入射面に電極を設ける必要がない利点を得ることができる。

上記の本発明のいずれかの半導体受光素子を組み込んだ、科学技術用の分光装置などにおいては暗電流を低減して感度向上を確保するため、半導体受光素子を冷却するために冷却装置を組み込むことが普通に行われている。これは、１．５５μｍ〜３．０μｍという長波長域に感度を有する化合物半導体（ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓなど）では、膨大な技術蓄積を持つ単結晶Ｓｉほど良質の結晶を得ることが未だできないからである。このため、分光装置などの静置する装置では、たとえばドライアイスによる冷却が行われる。また夜間移動時の視界を確保するための携帯用視界支援装置にも、ファンが備えられる。これら静置装置および携帯用装置には、当然、冷却を促進するためにフィン構造が設けられる。

これに対して、上記の半導体受光素子は、上記のパッシベーション膜を備えることにより暗電流を低くできるため、上記冷却装置を廃止することができる。その結果、たとえば携帯用夜間視界支援装置の利便性（小型化、軽量化、低価格）を飛躍的に向上させることができる。そして、より重要なことは、上記冷却装置を必要とするために搭載されずにいた用途が拓けることであり、たとえば夜間視界支援装置の自動車への利用拡大などもはかられ、自動車の安全性をより一層向上させることが可能となる。

次に実施例により本発明の効果を検証した結果について説明する。本発明例および比較例の半導体受光素子の構造を図１０〜図１２に示す。

（本発明例（図１０の半導体受光素子））：ｎ側電極１８／ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２／ＩｎＧａＡｓ受光層３／ＩｎＡｌＡｓ窓層４／Ａｌ系酸化被膜（パッシベーション膜）５／／上記エピタキシャル積層構造にＺｎ拡散導入されたｐ型領域１５／ＩｎＧａＡｓコンタクト部７／ｐ側電極８が形成されている。ＩｎＧａＡｓ受光層３の中にｐｎ接合１７が形成される。製造方法は、上述の方法にしたがい、ＺｎはＩｎＧａＡｓ層の表面から受光層３に届くように拡散導入し、そのあとＩｎＧａＡｓ部７のメサ構造を形成し、Ａｌ系酸化被膜５は、酸化性雰囲気内での熱処理により形成した。

（比較例１（図１１の半導体受光素子））：ｎ側電極１１８／ＩｎＰ基板１０１／ＩｎＰバッファ層１０２／ＩｎＧａＡｓ受光層１０３／ＩｎＰ窓層１０４／ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７／パッシベーション膜ＳｉＮ１０５／／このエピタキシャル積層構造にＺｎ拡散導入されたｐ型領域１１５／ｐ側電極１０８が形成されている。ＩｎＧａＡｓ受光層３の中にｐｎ接合１１７が形成される。ＳｉＮパッシベーション膜１０５は、ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７の表面からＺｎを拡散導入するマスクパターンとして用いたものを残存させている。

（比較例２（図１２の半導体受光素子））：ｎ側電極１１８／ＩｎＰ基板１０１／ＩｎＰバッファ層１０２／ＩｎＧａＡｓ受光層１０３／ＩｎＰ窓層１０４／ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０７／／このエピタキシャル積層構造にＺｎ拡散導入されたｐ型領域１１５／ｐ側電極１０８が形成されている。ＩｎＧａＡｓ受光層３の中にｐｎ接合１１７が形成される。比較例２では、パッシベーション膜は設けていない。

上記の３種類の試験体に逆方向電圧を０〜１０Ｖの範囲で印加して、暗電流を測定した。結果を図１３に示す。比較例１および比較例２とを対比させると、パッシベーション膜を設けない比較例の暗電流は、比較例１に比べて格段に小さく、パッシベーション膜が暗電流の発生に大きく影響することを示す。また、パッシベーション膜を設けた受光素子であっても、本発明例は、Ａｌ系酸化被膜５によって形成したパッシベーション膜を持つため、暗電流はパッシベーション膜を持たない比較例２よりも歴然と低くなる。逆方向電圧の全範囲にわたって暗電流が比較例２より小さくなるが、とくに低い逆方向電圧の範囲で暗電流抑制の効果が著しい。これは、（Ｅ1）パッシベーション膜と、その下層の窓層（ｐ型領域およびｐ型不純物非導入領域）との界面が、同じＡｌ含有半導体エピタキシャル成長層内にあるので、欠陥密度が減少し、キャリアトラップ準位が低減することに起因する暗電流の抑制効果、および（Ｅ2）下層すなわち窓層とのボンド結合が良好なため、表面リーク電流の発生減少を通じた、暗電流の抑制効果、の２つの効果によって得られる。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の半導体受光素子では、受光層の上にエピタキシャル成長させたＡｌ含有窓層を酸化してＡｌ系酸化被膜によってパッシベーション膜を形成するので、当該パッシベーション膜の下層との界面に高密度の欠陥やキャリアトラップ準位が形成されず、また窓層とのボンド結合が強固なために表面リーク電流が抑制されるため、暗電流を大幅に低減することができ、現行の受光装置における冷却装置を廃止することができる。これにより利便性（小型化、軽量化、低価格）が向上してこれまでなかった用途分野を拓くことが可能となり、たとえば自動車の夜間視界支援などに用いられ、安全性の向上に寄与することができる。

本発明の実施の形態における半導体受光素子を示す図である。 図１の半導体受光素子の製造方法においてエピタキシャル積層構造を形成した状態を示す図である。 マスクパターンを用いてｐ型不純物（Ｚｎ）を拡散導入した状態を示す図である。 マスクパターンを除去した状態を示す図である。 ＩｎＧａＡｓコンタクト層のメサ構造をドライエッチングにより形成した状態を示す図である。 ＩｎＧａＡｓコンタクト部の周りの窓層を酸化して酸化被膜を形成した状態を示す図である。 ＡＲ膜のＳｉＯＮ膜を成膜した状態を示す図である。 ＩｎＧａＡｓコンタクト部の上にｐ側電極を形成した状態を示す図である。 本発明の実施の形態のその他の半導体受光素子（エピダウン型）を示す図である。 本発明の実施例における本発明例の半導体受光素子を示す図である。 本発明の実施例における比較例１の半導体受光素子を示す図である。 本発明の実施例における比較例２の半導体受光素子を示す図である。 本発明の実施例の暗電流測定結果を示す図である。

符号の説明

１ ＩｎＰ基板、２ バッファ層、３ 受光層、４ 窓層、５ Ａｌ系酸化被膜、６ ＡＲ膜（ＳｉＯＮ膜）、７ ＩｎＧａＡｓコンタクト部、８ ｐ側電極、１０ 半導体受光素子、１５ ｐ型領域、１７ ｐｎ接合、１８ ｎ側電極、３１ 不純物拡散用マスクパターン。

Claims (10)

1. 受光層を含むエピタキシャル積層構造のプレーナー型半導体受光素子において、
   前記受光層の上にエピタキシャル成長したＡｌを含むＡｌ含有半導体の窓層と、
   前記Ａｌ含有半導体層が酸化されてなり、前記窓層を被覆する酸化被膜と、
   前記窓層から受光層に届くようにｐ型不純物が導入されたｐ型領域とを備えることを特徴とする、半導体受光素子。
2. 前記ｐ型領域の窓層の上にエピタキシャル成長したＩｎＧａＡｓコンタクト部を備え、前記酸化被膜は前記ＩｎＧａＡｓコンタクト部の周りに設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体受光素子。
3. 前記ｐ型不純物は前記ＩｎＧａＡｓコンタクト部の表面から前記受光層に届くように導入されていることを特徴とする、請求項２に記載の半導体受光素子。
4. 前記受光層のバンドギャップ波長が１．５５μｍ〜３μｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体受光素子。
5. 前記受光層が、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂおよびＧａＩｎＮＡｓＰのいずれかで形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体受光素子。
6. 受光層を含むエピタキシャル積層構造のプレーナー型半導体受光素子の製造方法であって、
   前記受光層の上にＡｌを含むＡｌ含有半導体の窓層をエピタキシャル成長する工程と、
   前記窓層の上にＩｎＧａＡｓコンタクト層をエピタキシャル成長する工程と、
   前記ＩｎＧａＡｓコンタクト層表面から前記受光層にまで届くようにｐ型不純物を拡散導入してｐ型領域を形成する工程と、
   前記ＩｎＧａＡｓコンタクト層のメサ構造であるＩｎＧａＡｓコンタクト部をドライエッチングまたはウエットエッチングにより形成して、前記ＩｎＧａＡｓコンタクト部を囲むように前記Ａｌ含有半導体の窓層を露出させる工程と、
   前記露出したＡｌ含有半導体の窓層を酸化して該窓層を被覆する酸化被膜を形成する工程とを備えることを特徴とする、半導体受光素子の製造方法。
7. 前記酸化被膜を形成する工程では、酸素を含む雰囲気内での熱処理、前記メサ構造を形成するために行なうドライエッチング処理、液相酸化処理および熱水蒸気処理のいずれかを用いることを特徴とする、請求項６に記載の半導体受光素子の製造方法。
8. 前記エピタキシャル積層構造の各層を、分子線エピタキシャル成長法(Molecular
   Beam Epitaxy）および有機金属気相エピタキシャル成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)のいずれかを用いて成膜することを特徴とする、６または７に記載の半導体受光素子の製造方法。
9. 前記請求項１〜８のいずれかに記載の半導体受光素子を用いて、波長１．５５μｍ〜３μｍの光を受光する受光装置であって、前記半導体受光素子を冷却するための冷却装置を備えないことを特徴とする、受光装置。
10. 前記請求項１〜８のいずれかに記載の半導体受光素子を用いて、波長１．５５μｍ〜３μｍの光を受光する受光装置であって、前記半導体受光素子を冷却するためのフィン構造を備えないことを特徴とする、受光装置。

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