JP2008205001A - 受光素子、センサおよび撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長１．７μｍより長波長域に感度を拡大し、近赤外の短波長側で従来と同等の感度を有する受光素子、センサおよび撮像装置を提供する。
【解決手段】入射面側に位置するｎ型層５と、少なくともＩｎ、ＧａおよびＡｓを含み、ＩｎとＧａとの原子数比が（０．５３／０．４７）より大きい受光層６と、ＩｎＡｓＰ窓層７と、窓層内に位置するか、または窓層から受光層内に至るｐ型領域１２とを備え、ｎ型層５が、少なくともＩｎ、ＧａおよびＡｓを含む層であるか、またはｎ型ＩｎＡｓＰ層であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、受光素子、センサおよび撮像装置に関し、より具体的には、近赤外域の広い範囲にわたって受光感度を有する受光素子、センサおよび撮像装置に関するものである。

化合物半導体ＩｎＧａＡｓを用いた受光素子は、波長範囲０．９μｍ〜１．７μｍの近赤外域光に高い受光感度を有するため、使用が拡大している。とくにＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓを受光層とする受光素子は、光ファイバーの損失最小となる波長１．５５μｍで高感度を有するため、非常に多くの実績がある。また、光ファイバー通信以外のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ受光層の用途に、天候に左右されない、アイセーフの夜間の監視カメラ等の紹介がなされている（非特許文献１）。しかし、このカメラに用いられている、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ受光層は、上記のように、長波長側には波長１．６〜１．７μｍまでしか感度を持たず、たとえば利用価値が大きいと考えられる、宇宙光を完全にカバーして受光することが難しい。

波長１．７μｍ以上の長波長域について感度を高めるには、たとえば、従来の光ファイバー通信用Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓのバンドギャップを小さくするために、Ｉｎ組成をより高くする必要がある。しかし、Ｉｎ組成をより高くすると格子定数も変わり（大きくなり）、そのままではＩｎＰ基板を用いてエピタキシャル積層体を形成することはできない。ＩｎＰ基板上に、Ｉｎ組成を（０．５３／０．４７）よりも高めたＩｎＧａＡｓ（「高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ」と記す。）を格子整合した状態で成膜するために、ＩｎＰ基板上に、ＩｎＰの格子定数から高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓの格子定数へと格子定数をステップ状に変えたステップバッファ層を設け、そのステップバッファ層上に高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ受光層を形成する方法が提案された（特許文献１）。この方法によれば、理論上、格子整合がとれた（格子欠陥密度が低い）高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ受光層が形成されるはずである。
Marshall J.Cohen, "Near-IR imaging cameras operate at room temperature", LASER FOCUS WORLD JUNE1993 p.109 (Sensors Unlimited) 特開２００２−３７３９９９号公報

しかしながら、ＩｎＰ基板上にステップバッファ層を介在させて形成した高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ層は、ステップバッファ層においてステップ層相互の完全な格子整合が得られないため、ステップバッファ層自体、格子欠陥密度が高くなり、その上に形成される高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ受光層も格子欠陥密度が高くなる。このため、２次元アレイにして撮像装置を構成した場合、格子欠陥に起因した暗電流増加を避けることができず、十分なダイナミックレンジ（Ｓ／Ｎ比）を確保することができず、ノイズレベルが高い画像となる。また、物質の検出に用いる検出装置や分光分析装置等とした場合、上記と同様の理由により、解像度が低いデータしか得られず、十分な解像度を得ることを目的に冷却装置を用いている。また、上記の検出装置類（センサ）および撮像装置では、波長１．７μｍ以上の範囲だけでなく、近赤外の短波長側でも、従来のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ受光層を用いたものと同等の感度を備えることが当然に求められる。

本発明は、波長１．７μｍより長波長域に感度を拡大し、かつ近赤外の短波長側で従来と同等の感度を有する受光素子、それを用いたセンサおよび撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の受光素子は、化合物半導体の積層構造を含む受光素子である。この受光素子は、入射面側に位置するｎ型層と、ｎ型層に接して位置し、少なくともＩｎ、ＧａおよびＡｓを含み、ＩｎとＧａとの原子数比が（０．５３／０．４７）より大きい受光層と、受光層内に位置するｐ型領域とを備える。そして、ｎ型層が、少なくともＩｎ、ＧａおよびＡｓを含む層であるか、またはｎ型ＩｎＡｓＰ層であり、受光層は、該受光層の格子定数をａとし、該受光層の格子定数と前記ｎ型層の格子定数との差をΔａとして、｜Δａ／ａ｜≦０．００２となるような格子定数を有し、ｎ型層より入射側に、半導体層を備えないことを特徴とする。

この構成により、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ受光層の格子欠陥密度が低くできるため、暗電流を十分低く抑制でき、ノイズを低レベルにすることができる。このため、波長１．７μｍ以上の長波長域の感度を高めることができる。上記のｎ型層は、たとえば基板を含まない構成としてその厚みを薄くできるので、近赤外域の光の吸収は低く、短波長側の反射や吸収を小さくできる。このため、短波長側の感度を向上することができる。このため、低温になり、多少、受光波長が短波長化しても、鮮明な像を得ることができる。

なお、上記の格子整合についての条件式｜Δａ／ａ｜≦０．００２、はＸ線回折測定などにより容易に検証することができる。また、上記のｎ型層は、上記の組成上の限定要件を満たす限り、いわゆる基板と呼ばれる材料またはそれを減厚したものであってもよいし、基板上にｎ型層をエピタキシャル成長した後、基板を除去したものであってもよい。

また、上記の受光層に接して位置するＩｎＡｓＰ窓層を備え、ｐ型領域はＩｎＡｓＰ窓層の全厚みを通り受光層内に至るように位置するｐ型領域であり、ＩｎＡｓＰ窓層は、該ＩｎＡｓＰ窓層の格子定数をｂとするとき、｜（ａ−ｂ）／ｂ｜≦０．００２となるようなＡｓとＰの比とすることができる。これにより、さらに格子歪等を減らすことができ、暗電流をさらに抑制し、ノイズをさらに低レベルにすることができる。

また、上記のｎ型層の厚みを１００ｎｍ以上１０μｍ以下とすることができる。
上記のｎ型層の厚みとすることにより、近赤外域の光の吸収を低く、短波長側の反射や吸収を小さくできるので、短波長側の感度を向上することができる。このため、低温になり、多少、受光波長が短波長化しても、鮮明な像を得ることができる。上記のｎ型層の厚みは、受光層に至る光を吸収で減らさないために２μｍ以下とすることが、より望ましい。

また、上記の受光層が、Ｉｎ、ＧａおよびＡｓに加えて、Ｎを含む層であってもよい。この構成によれば、高Ｉｎ組成の受光層は格子定数をほとんど大きくすることなく長波長域の感度を高めることができる。すなわちＮを含む高Ｉｎ組成の受光層は格子定数をほとんど大きくすることなくバンドギャップを小さくすることができる。このため、たとえばｎ型層にｎ型ＩｎＡｓＰ層を用いた場合、Ａｓ組成を低く抑えることができるので、長波長域でのｎ型ＩｎＡｓＰ層の吸収をさらに減らして長波長域の感度を向上することができる。

また、上記の受光層が、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓに加えて、Ｎ、ならびにＳｂおよびＰの一方または両方を含む構成とすることができる。これにより、結晶性に優れ、暗電流に小さい受光層を得ることができる。

また、上記のエピタキシャル構造における格子欠陥密度より高い格子欠陥密度を有する領域が、エピタキシャル構造の領域に、平面的に見て、隣接している構成をとってもよい。これにより、格子欠陥密度の低い受光層を確実に得ることができる。

本発明のセンサは、受光層で生じた光電流の量を検知して所定量に変換する変換部を備えるセンサであって、上記のいずれかに記載の受光素子を１つ配置し、または複数個を１次元または２次元アレイ配列したことを特徴とする。

上記の構成によれば、近赤外域の２．５μｍ以下でノイズレベルが低く、室温でも十分高い分解能を持つことができる検査装置等のラインセンサを実現することができる。これにより、たとえばグルコース、蛋白質、脂質、澱粉等について感度のよい分析が可能となる。

また、上記の複数の受光素子を１次元または２次元アレイ配列した場合、受光素子間に受光素子の領域より格子欠陥密度が高い領域が配置される構成とすることができる。この構成によれば、高い格子欠陥密度の領域が光を吸収するため、光のクロストークを防止することができ、素子間分解能に優れたセンサを実現することができる。

本発明の撮像装置は、画像を形成するための撮像装置であって、上記のいずれかの受光素子を複数個、２次元アレイ配列したことを特徴とする。

上記の構成によれば、近赤外域の波長２．５μｍ以下程度でノイズレベルが低く、室温でも十分高い分解能を持つ撮像装置を実現することができる。

また、受光素子間に受光素子の領域より格子欠陥密度が高い領域が配置される構成としてもよい。この構成によれば、受光素子に隣接する高格子欠陥密度の領域が光を吸収するため、光のクロストークを防止することができ、像がぼやけたり、にじむことを防止することができ、鮮明な像を得ることができる。

本発明の受光素子の製造方法は、化合物半導体のエピタキシャル積層構造を含む受光素子の製造方法である。この製造方法は、化合物半導体基板上にｎ型層を形成する工程と、ｎ型層に接して、少なくともＩｎ、ＧａおよびＡｓを含み、ＩｎとＧａとの原子数比が（０．５３／０．４７）より大きい受光層を形成する工程と、受光層内にｐ型領域を形成する工程と、ｎ型層を露出させる工程とを備える。そして、ｎ型層を、少なくともＩｎ、ＧａおよびＡｓを含む層とするか、またはｎ型ＩｎＡｓＰ層とし、受光層を、該受光層の格子定数をａとし、該受光層の格子定数と前記ｎ型層の格子定数との差をΔａとして、｜Δａ／ａ｜≦０．００２となるようにすることを特徴とする。

この方法により、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ受光層の格子欠陥密度が低くできるため、暗電流を十分低く抑制でき、ノイズを低レベルにすることができる。このため、波長１．７μｍ以上の長波長域の感度を高めることができる。ｎ型層は、たとえば基板を含まない構成としてその厚みを薄くできるので、近赤外域の光の吸収は低く、短波長側の反射や吸収を小さくできる。このため、短波長側の感度を向上することができる。このため、低温になり、多少、受光波長が短波長化しても、鮮明な像を得ることができる。なお、上記のｎ型層を露出させる工程は、化合物半導体基板上にバッファ層を介在させ、またはバッファ層なしに直接、化合物半導体基板上にｎ型層を形成した場合には、その化合物半導体基板を除去することを含む。また、ｎ型層の底部に他の層を配置せずにエピタキシャル積層構造を形成した場合には、ｎ型層の底部を固定部等から解放させるだけでもよい。

本発明のセンサの製造方法は、上記の受光素子の製造方法の後、ｎ型層を入射面側にして、１つの受光素子を配置または複数個の受光素子を１次元または２次元アレイ配列したことを特徴とする。この方法によれば、近赤外域の２．５μｍ以下でノイズレベルが低く、室温でも十分高い分解能を持つことができる検査装置等のセンサを実現することができる。

本発明の撮像装置の製造方法は、上記の受光素子の製造方法の後、前記受光素子を画素として、前記ｎ型層を入射面側にして複数個の受光素子を２次元アレイ配列することを特徴とする。この方法によれば、近赤外域の波長２．５μｍ以下程度でノイズレベルが低く、室温でも十分高い分解能を持つ撮像装置を実現することができる。

本発明によれば、波長１．７μｍより長波長域に感度を拡大し、かつ近赤外の短波長側で従来と同等の感度を有する受光素子、それを用いたセンサおよび撮像装置を得ることができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子１０を示す断面図である。図１によれば、受光素子１０は、光の入射側にｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５を、その下にＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層６を、そしてその下にＩｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層７を、順次、配置した積層構造を備えている。Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層７の所定領域には全厚みにわたってｐ型不純物であるＺｎが分布し、Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層６にまで届き、ｐ型領域１２を形成している。ＺｎをＩｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層７から拡散導入させた際に用いたＳｉＮからなるマスクパターン１４を保護膜として残している。

ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５を被覆するＡＲコート層１３を部分的にエッチングにより除去して露出したｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５にｎ部電極１５をオーミック接触するように配置している。ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５の厚みは、１００ｎｍ以上１０μｍ以下とするが、より好ましくは受光層に至る光を吸収で減らさないために２μｍ以下とするのがよい。また、ｐ型領域１２にオーミック接触するようにｐ部電極１７を配置している。ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５の前面およびＩｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層７の後面に、ＡＲコート層１３が設けられ光の反射を防止している。ＡＲコート層１３にはＳｉＯＮ膜を用いるのがよいが、他の材質であってもよい。なお、上記の構成は、ｎ型層より入射側に、ＡＲ(Anti
Reflection)コート層を除いて、ｎ型層に接して位置する半導体層を備えない、と言うことができる。

上記の（ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５／Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層６／Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層７）は、相互に格子整合しており、後で製造方法において説明するように製造時に下層側に位置するｎ型層５の側から順にエピタキシャル成長させた積層構造となっている。（０．５３／０．４７）よりもＩｎ組成比が高い、高Ｉｎ組成のＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層６は、良好な結晶性を有し、波長１．７μｍよりも長波長側に感度を持っている。このため、上記の長波長域に感度を拡大した上で、室温で用いても暗電流を実用レベルにまで低くすることができる。

ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５の前面には、ＡＲコート層１３などが位置して、ある場合にはＡＲコート層が半導体層を含む場合もあるが、このような半導体層を含む場合のＡＲコート層を除いて、半導体層は位置していない。図１に示す受光素子１０の積層構造は、たとえば半導体基板にエピタキシャル成長させた積層体をエピダウン実装して、半導体基板を除去した構造を有している。このため半導体基板が、近赤外域の短波長側、たとえば波長１．４μｍ付近に、有限の反射率や吸収率を有している場合、その波長域に対応して受光素子の感度は低下するが、図１の受光素子では、そのような半導体基板が除去されているため、たとえば近赤外の短波長域１．４μｍ付近の感度を低下させないという利点を有する。

図１に示す受光素子の第１の特徴は、受光層６を（０．５３／０．４７）よりもＩｎ組成比が高い、高Ｉｎ組成のＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓで形成した点にあるが、そのような組成の受光層６を持つエピタキシャル積層体の作製方法は、いくつかある。図２は、エピタキシャル成長の基になる基板１に、Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ基板またはＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ基板を用いて、図１に示す受光素子１０を作製する方法を例示する図である。Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７ＰおよびＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓは格子定数が同じで、相互に格子整合するＩｎＡｓＰ系結晶およびＩｎＧａＡｓ系結晶である。このようなＩｎ_０．６３Ａｓ_０．３７ＰまたはＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓの基板を用いることにより、高Ｉｎ組成のＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層６を含むエピタキシャル積層体を、通常用いられる方法により作製することができる。

その作製方法では、まずＩｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ基板またはＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ基板１上にＩｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐバッファ層２をエピタキシャル成膜し、次いでその上に、ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５／Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層６／Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層７の順にエピタキシャル成膜する。ＳｉＮのマスクパターン１４を形成した後、マスクパターン１４の受光開口部からｐ型不純物であるＺｎをＩｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層７に拡散導入して、Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層７を経てＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層６内にまで届くｐ型領域１２を形成する。このｐ型領域１２の形成により、ｐ型領域１２／Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層６／ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５にわたってｐｉｎ型ダイオードが形成される。ｐ型領域１２にオーミック接触するようにｐ部電極１７を設け、このｐ部電極１７と、保護膜として残されたＳｉＮ膜（マスクパターン）１４と、露出したＩｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層７の部分とを覆うように、反射防止のＡＲコート層１３が形成される。このＡＲコート層１３は、受光層６の後側に位置しており、受光層で受光された後の光の反射を防止するためであり、光のクロストークを防止して鮮明な信号を得るためのものである。

この後、積層体１０ａの部分を残して、基板１およびバッファ層２は除去される。除去の方法は、研磨、選択エッチング、レーザ照射などを挙げることができる。選択エッチングのエッチャントとしては、Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ基板１を用いた場合には、Ｈ_３ＰＯ_４系の（ＨＣｌ＋Ｈ_３ＰＯ_４＋Ｈ_２Ｏ）液でエッチングした後、ＨＣｌ系の（ＨＣｌ＋Ｈ_２Ｏ）液でエッチングするのがよい。また、Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ基板などの場合には、ＨＢｒ系の（ＨＢｒ＋Ｈ_２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ）液などを用いてもよい。基板１およびバッファ層２を除去した後、ＡＲコート層１３を形成し、入射光の入射光量を減少させないようにし、さらに、ＡＲコート層１３を部分的にエッチングして、ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５を部分的に露出させる。その露出したｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５の部分に、ｎ部電極１５をオーミック接触するように形成して受光素子１０を完成に導く。なお、受光素子１０は、１つの受光素子１０で構成されるセンサと考えてもよい。このセンサには、受光層６で生じる光電流の量を所定量に変換する変換部（図示せず）を備えることができる。この変換部は、光電流を単に増幅する増幅器であってもよい。

上記の受光素子１０の作製方法では、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ系受光層６に格子整合する基板を用いたが、そのような基板を用いないで作製する方法もある。図３は、そのうちの１つの方法を例示する図である。この作製方法では、基板に高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ系受光層６とは格子整合関係にないＩｎＰ基板３１を用い、バッファ層に傾斜組成バッファ層３２を用いる点に特徴がある。傾斜組成ＩｎＡｓＰバッファ層３２では、ＩｎＰ基板３１の側ではＩｎＰ組成とし、ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５に近づくにつれＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ組成になるように、Ｐ組成をゼロに近づけながら、Ｇａを加えてＩｎ組成比を高めるように組成傾斜を構成する。そして、傾斜組成ＩｎＡｓＰバッファ層３２の最上層をＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ組成とするのであるが、この最上層において格子欠陥密度は小さいことが望ましい。また、傾斜組成ＩｎＡｓＰバッファ層３２では、格子欠陥密度は不可避的に有限値をとるので、積層面交差方向に沿って見て、高密度の格子欠陥の分布位置をｐ型領域１２に重ならないような位置にずらす等の措置を、予めとっておくことが望ましい。傾斜組成ＩｎＡｓＰバッファ層の上に形成されるｎ型層５、受光層６等は、格子欠陥を下層から順に引き継ぐので、格子欠陥密度が高い領域が受光層６内に形成されても、ｐｉｎ型ダイオードを形成する部分の格子欠陥密度が高くなければ、暗電流には大きな影響を及ぼさないからである。

図１〜図３に示す受光層６の材料は、Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓに限定されず、上述のように、Ｎの濃度が０．０１ａｔ％〜１２ａｔ％のＧａＩｎＮＡｓであってもよいし、Ｎ濃度０．０１ａｔ％〜１２ａｔ％およびＰ濃度０．０１ａｔ％〜１ａｔ％のＧａＩｎＮＡｓＰ、またはＮ濃度０．０１ａｔ％〜１２ａｔ％およびＳｂ濃度０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％のＧａＩｎＮＡｓＳｂであってもよい。このとき、ｐ型領域を含むＩｎＡｓＰ窓層の格子定数ｂと、上記のＧａＩｎＮＡｓ受光層、ＧａＩｎＮＡｓＰ受光層、またはＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層の格子定数ａの差｜ｂ−ａ｜とは、｜（ｂ−ａ）／ｂ｜が０．００２以下、たとえば０．００１以下となるようにするのがよい。これにより、確実に歪や格子欠陥密度を低くでき、暗電流を十分低く抑制でき、ノイズを低レベルにすることができるからである。これから後で説明する受光素子１０、または撮像装置もしくはセンサを構成する受光素子１０において、受光層６の材料はＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓに限定されず、上記の組成範囲内のＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＰまたはＧａＩｎＮＡｓＳｂで置き換えることができる。

ｎ型層５を形成する材料については、図１〜図３では、ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓを示しているが、ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓに限定されず、たとえば図４に示す受光素子１０のように、ｎ型層５をｎ型Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐで形成してもよい。ｎ型層５を形成する材料については、図４に示す受光素子以外は、ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓを例示するが、このｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓをｎ型Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐで置き換えてもよいことは言うまでもない。そして、ｎ型層５を、ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓで形成しても、またｎ型Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐで形成しても、受光層６を形成する上記各種の結晶層の格子定数ａと、上記ｎ型層５の格子定数との差Δａは、｜Δａ／ａ｜が０．００２以下となるようにするのがよい。

図５は、上記の受光素子１０を２次元アレイ配列して形成した撮像装置５０を示す断面図である。撮像装置５０を受光素子１０を２次元アレイ配列して形成したセンサと考えることもできる。また図６は、マルチプレクサ５１に２次元アレイ配列された画素（受光素子）１０をマクロ的に示す平面図であり、図７は、画素（受光素子）１０の平面図である。図５において、入射面側のｎ型層５は、ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層またはｎ型Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ層で形成されており、その前面にＡＲコート層１３が設けられている。ｎ部電極１５はｎ部電極接続部１５ａにより延長され、そのｎ部電極接続部１５ａにはんだバンプ１５ｂが設けられ、そのはんだバンプ１５ｂは、マルチプレクサ５１側のはんだバンプ１５ｃに接合されている。ＡＲコート層１３は、入射面側のｎ部側にも、また実装側のｐ部側にも設けられている。さらに、実装側には、ＡＲコート層１３を被覆するポリイミド保護膜１９が配置される。

ｐ型領域１２にオーミック接触するｐ部電極１７は、エピタキシャル積層体側のはんだバンプ１７ｂに被覆されており、そのはんだバンプ１７ｂはマルチプレクサ５１側の電極（図示せず）に設けたはんだバンプ１７ｃに接合されて電気的に接続され、マルチプレクサ５１の入力信号経路を形成している。各画素（受光素子）のマルチプレクサ５１への入力信号を発信する部分は、図７に示すように構成されている。ｐ部電極１７は、ＳｉＮのマスクパターン兼保護膜１４に囲まれた開口部にｐ型不純物を拡散導入して形成されたｐ型領域１２に接続している。マルチプレクサ５１は、各位置の受光素子１０から入力信号を受け、画像等を形成することになる。撮像装置５０をセンサとみる場合、マルチプレクサ５１に、各受光素子１０からの信号を所定量の値に変換する変換部（図示せず）を備えている。変換部は、入力信号の単なる増幅部であってもよい。

上記の受光素子１０、センサおよび撮像装置は、波長１．７μｍ以上の長波長域に感度を有し、結晶性も高いために暗電流が少ない。その上、入射面側において、ｎ型半導体層５の前面に、ＡＲコート層を除いて、半導体層を備えないので、入射面側で、受光する光の反射や吸収が抑えられ、近赤外域の短波長側の受光感度を低下させない。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における受光素子１０を示す断面図である。本実施の形態における特徴は、受光素子１０を構成するエピタキシャル積層体の側壁に高格子欠陥密度の歪緩和領域３５を備える点にある。歪緩和領域３５の表面（積層体の側面に対応する）は、スクライブドされたへき開面を呈している。その他の部分の構造は、実施の形態１における図１の受光素子と同じである。すなわちエピタキシャル積層体（ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５／Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層６／Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層７）およびｐ型領域１２を備え、ＡＲコート層１３および保護膜謙マスクパターン１４で被覆されている。ｐ型領域１２にオーミック接触するｐ部電極１７と、ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５にオーミック接触するｎ部電極１５とが、配置される位置も同じである。また、上記の受光素子１０をセンサと考えてもよく、実施の形態１の説明がそのままあてはまる。

図９は、図８の受光素子１０の作製方法を説明するための断面図である。エピタキシャル積層体を形成するための半導体基板にはＩｎＰ基板３１を用いる。ＩｎＰ基板３１の格子定数は、上記の高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ受光層６より小さく、ＩｎＰ基板３１上に直接的にエピタキシャル積層体を積み上げたのでは格子整合した状態の高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ受光層６は形成されない。このため、ＩｎＰ基板３１の上に、直接、ＳｉＮ等で形成される調整パターン３３を設ける。この調整パターン３３は、ＩｎＰ基板３１上に、格子定数がＩｎＰと所定範囲異なる結晶膜をエピタキシャル成膜する際、成膜条件を調整することにより、格子欠陥密度の高い結晶を調整パターン３３の領域（非開口部）上に集中させ、その他の領域（開口部）上には低格子欠陥密度の結晶層を形成させる機能を有する。成膜条件によっては、調整パターン３３の領域上に低格子欠陥密度の結晶層を、また開口部に高格子欠陥密度の結晶層を形成する場合もある。調整パターン３３を形成する材料には、ＳｉＮ膜など絶縁膜が通常用いられる。

図９において、調整パターン３３を配置したＩｎＰ基板３１上に、Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２ＡｓまたはＩｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐの結晶層３２を成膜する。このとき、調整パターン３３の領域上には、格子欠陥密度の高い歪緩和領域３５が形成される。歪緩和領域３５は、その隣接する領域の格子欠陥を吸収して、隣接領域の歪を少なくするという趣旨で、このように呼ばれる。歪緩和領域３５が形成されることにより、それに隣接する結晶層３２の格子欠陥密度は小さくなる。図９においては、調整パターン層３３が位置する領域上に高格子欠陥密度の歪緩和領域３５が形成されているが、上述のように、調整パターン層３３と、結晶層３２の成膜条件とによっては、調整パターン層３３の隣接領域に高格子欠陥密度の層、すなわち歪緩和領域３５を形成する場合もあり、一概に、調整パターン層３３の上に歪緩和領域３５が形成されると言い切れない。本説明では、図９に従って、調整パターン層（非開口部）３３の上に歪緩和領域３５が形成されるとして説明する。

次いで、図１０に示すように、ＩｎＰ基板３１を削除して、結晶層３２および調整パターン層３３を主体とする基材３４を形成し、その基材３４の上に、Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層またはＩｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ層により、バッファ層３７を成膜する。ＩｎＰ基板３１の削除には、研磨、選択エッチング、レーザ処理などどのような方法を用いてもよい。選択エッチングのエッチャントとしては、Ｈ_３ＰＯ_４系の（ＨＣｌ＋Ｈ_３ＰＯ_４＋Ｈ_２Ｏ）液、ＨＣｌ系の（ＨＣｌ＋Ｈ_２Ｏ）液などを用いることができる。また、ＨＢｒ系の（ＨＢｒ＋Ｈ_２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ）液などを用いてもよい。格子欠陥は、結晶層３２からバッファ層３７に引き継がれて、バッファ層中にも高格子欠陥密度の歪緩和領域３５が形成される。図９に示すような位置関係で歪緩和領域３５が形成される場合には、平面的に見て、ｐｉｎ型ダイオードが形成される領域と重複する領域には、調整パターンの層３３は配置しないようにされている。

図１０に示すように、Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２ＡｓまたはＩｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐでバッファ層３７を成膜した後、そのバッファ層３７の上にｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層またはｎ型Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ層によりｎ型半導体層５をエピタキシャル成膜する。このとき、歪緩和領域３５の格子欠陥、主として転位は、ｎ型半導体層５にも引き継がれ、やはりｎ型半導体層５内に歪緩和領域３５が形成される。次いで、Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層６をｎ型半導体層５の上にエピタキシャル成膜させ、さらにＩｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層７を形成するが、これら受光層６および窓層７にも、同様に歪緩和領域３５は引き継がれる。

ｐ型不純物であるＺｎを拡散導入するために用いるＳｉＮ等によるマスクパターン１４、ｐ型領域１２およびｐ部電極１７の作製については、実施の形態１と同様である。次いで、図１１に示すように、基材３４およびバッファ層３７を削除して、ｎ型半導体層５を露出させる。このｎ型半導体層５に対してＡＲコート層１３を被覆して、図８に示すように、メサエッチして露出したｎ型半導体層５にオーミック接触するようにｎ部電極１５を形成して、受光素子１０を完成させる。

本実施の形態における受光素子は、ＩｎＰ基板という汎用の半導体基板を用いて、ＩｎＰより格子定数の大きい結晶膜を成長させる場合において、デバイス特性に影響しない領域に格子欠陥を集中させることにより、ｐｉｎ型ダイオードの領域には格子欠陥密度を十分低くすることができる。このため、波長１．７μｍ以上の長波長域に感度を拡大した上で、暗電流の小さい受光素子を安価に提供することが可能となる。さらに受光層６の入射面側にはｎ型半導体層５しか配置せずに、その前面にはＡＲコート層を除いて、半導体層を設けないので、上記波長域より短波長域における吸収や反射を少なくして、上記短波長域の感度を向上させることができる。

図１２は、上記の受光素子１０を２次元アレイ配列して形成した撮像装置５０を示す断面図である。また図１３は、画素（受光素子）１０の平面図である。図１２において、入射面側のｎ型層５は、ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層またはｎ型Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ層で形成されており、その前面にＡＲコート層１３が設けられている。ｎ部電極１５はｎ部電極接続部１５ａにより延長され、そのｎ部電極接続部１５ａにはんだバンプ１５ｂを設けられ、そのはんだバンプ１５ｂは、マルチプレクサ５１側のはんだバンプ１５ｃに接合されている。

ｐ型領域１２にオーミック接触するｐ部電極１７は、エピタキシャル積層構造側のはんだバンプ１７ｂに被覆されており、そのはんだバンプ１７ｂはマルチプレクサ５１側の電極（図示せず）に設けたはんだバンプ１７ｃに接合されて電気的に接続され、マルチプレクサ５１の入力信号経路を形成している。各画素（受光素子）のマルチプレクサ５１への入力信号を発信する部分は、図１３に示すように構成されている。ｐ部電極１７は、ＳｉＮのマスクパターン兼保護膜１４に囲まれた開口部にｐ型不純物を拡散導入して形成されたｐ型領域１２に接続している。マルチプレクサ５１は、各位置の受光素子１０から入力信号を受け、画像等を形成することになる。上記の撮像装置５０を受光素子１０を２次元アレイ配列して形成したセンサとみることができることは、実施の形態１で説明したとおりである。

上記の受光素子１０、センサおよび撮像装置は、波長１．７μｍ以上の長波長域に感度を有し、結晶性も高いために暗電流が少ない。その上、入射面側において、ｎ型半導体層５の前面に、ＡＲコート層を除いて（半導体層を含む場合もある）、半導体層を備えないので、入射面側で、受光する光の反射や吸収が抑えられ、受光感度を向上させることができる。

次に、受光素子について、受光感度の波長依存性および暗電流を測定した結果について説明する。用いた試験体は、次の３種類である。
（本発明例）：図１に示す受光素子（ｎ部電極１５／ｎ型Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層５／Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層６／Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層７／ｐ型領域１２／ｐ部電極１７）
本発明例では、基板を持たず、受光層に高Ｉｎ組成のＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層を用いている。
（比較例Ａ）：（ｎ部電極（バック電極）／ｎ型ＩｎＰ基板／ｎ型ＩｎＰバッファ層／Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ受光層／ＩｎＰ窓層／ｐ型領域／ｐ部電極）
比較例Ａは、受光層にＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓを用い、ＩｎＰ基板をそのまま配置して受光素子としている点で、本発明例と相違する。
（比較例Ｂ）：（ｎ部電極（バック電極）／ｎ型ＩｎＰ基板／傾斜組成ＩｎＡｓＰバッファ層／Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層／Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層／ｐ型領域／ｐ部電極）
比較例Ｂは、受光層に本発明例と同様にＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓを用いているものの、ＩｎＰ基板をそのまま配置して受光素子としている点で、本発明例と相違する。

（実験１：暗電流の測定）
温度３００Ｋ（室温）にて、電圧２Ｖを印加した状態での暗電流を測定した。結果を表１に示す。

表１によれば、比較例Ａは、結晶性に優れるため暗電流は１ｎＡ以下と、非常に低い値を示すのに対して、比較例Ｂは、格子定数が異なるＩｎＰ基板を用い、傾斜バッファ層により高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ受光層を形成したために結晶性が劣ることを反映して、２００００ｎＡ〜３００００ｎＡという非常に大きな暗電流が生じていて、室温での実用化は不可能なことを示している。これに対して、本発明例は、１ｎＡという暗電流となっており、室温にて使用可能であることを示している。

（実験２：近赤外域の感度スペクトル）
上記の本発明例、比較例Ａおよび比較例Ｂの受光素子に対して、近赤外域における感度スペクトルを測定した。比較例Ｂについては、室温で暗電流が大きすぎて感度測定が不可能なため、冷却して測定した。測定結果を、図１４に、宇宙自然光の放射輝度の波長依存性と合わせて示す。図１４によれば、比較例Ａの受光素子では、波長１．７μｍ以下波長１．１μｍ以上の波長域に感度を有することが分かる。また、暗電流が非常に大きかった比較例Ｂの受光素子は、冷却されているので波長２．０μｍを超える範囲にまで感度を有するが、波長１．８μｍ以下では感度は急減している。これらに比べて、本発明例の受光素子は、波長１．１μｍ以上２．４μｍ程度にまで感度を拡大していることが確認された。

上記の実験１および２によれば、本発明例は、感度を波長２．４μｍ程度にまで拡大した上で、室温の暗電流が低く実用レベルにあることが確認できた。短波長側でもＩｎＰ基板を用いたＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ受光層と同等の感度を有することが確認された。また、図１４に合わせて示す宇宙自然光の放射輝度スペクトルと比較すると、宇宙自然光の近赤外域のピーク波長１．６５μｍおよび１．４μｍを含む近赤外範囲をカバーしていることが分かる。このため、本発明例の受光素子およびこの受光素子を含む撮像装置は、宇宙自然光を利用した夜間視界支援装置などに用いて、闇夜にも十分大きな信号または明るい像を得ることが可能となる。

また、図１５は、上記の３種類の試験体が受光感度を有する波長域を、各種の動物または植物の構成物質の吸収波長域と合わせて示す図である。本発明例の受光素子を、１次元または２次元配列して生体等のセンサに用いることにより、その受光感度の広さより、多くの生体物質の吸収に感度を持つセンサを構成できることが分かる。本発明例では、Ｉｎ／Ｇａの組成比は（０．８／０．２）であったが、Ｉｎ／Ｇａの組成比をさらに高めることにより、波長３．０μｍ程度まで感度を有するセンサを形成することが可能となり、アミン類のセンシングが可能となる。

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。

本発明の受光素子、撮像装置およびセンサは、近赤外域の長波長域まで感度を有し、暗電流を室温で実用レベルにまで抑制することができる。

本発明の実施の形態１における受光素子を示す断面図である。 図１の受光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１の受光素子の別の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の実施の形態１における受光素子の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における撮像装置を示す断面図である。 撮像装置における受光素子の配置をマクロ的に示す平面図である。 撮像装置における受光素子を示す平面図である。 本発明の実施の形態２における受光素子を示す断面図である。 図８の受光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 図９の後の製造プロセスを説明するための断面図である。 図１０の後の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の実施の形態２おける撮像装置を示す断面図である。 撮像装置における受光素子を示す平面図である。 実施例における各試験体の近赤外域の感度の波長依存性を、宇宙自然光の放射輝度の波長依存性と合わせて示す図である。 実施例における各試験体の感度の波長範囲を、生体物質の吸収帯の波長範囲と合わせて示す図である。

符号の説明

５ ｎ型半導体（Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ，Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ）層、６ Ｉｎ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ受光層、７ Ｉｎ_０．６３Ａｓ_０．３７Ｐ窓層、１０ 受光素子、１０ａ 受光素子を形成する積層体、１２ ｐ型領域、１３ ＡＲコート層、１４ マスクパターン兼保護膜、１５ ｎ部電極、１５ａ 電極接続部、１５ｂ，１５ｃ はんだバンプ、１７ ｐ部電極、１７ｂ，１７ｃ はんだバンプ、１９ ポリイミド保護膜、３１ ＩｎＰ基板、３２ 結晶層、３３ 調整パターン層、３４ 基材、３５ 歪緩和領域、３７ バッファ層、５０ 撮像装置、５１ マルチプレクサ。

Claims (13)

1. 化合物半導体の積層構造を含む受光素子であって、
   入射面側に位置するｎ型層と、
   前記ｎ型層に接して位置し、少なくともＩｎ、ＧａおよびＡｓを含み、ＩｎとＧａとの原子数比が（０．５３／０．４７）より大きい受光層と、
   前記受光層内に位置するｐ型領域とを備え、
   前記ｎ型層が、少なくともＩｎ、ＧａおよびＡｓを含む層であるか、またはｎ型ＩｎＡｓＰ層であり、
   前記受光層は、該受光層の格子定数をａとし、該受光層の格子定数と前記ｎ型層の格子定数との差をΔａとして、｜Δａ／ａ｜≦０．００２となるような格子定数を有し、
   前記ｎ型層より入射側に、半導体層を備えないことを特徴とする、受光素子。
2. 前記受光層に接して位置するＩｎＡｓＰ窓層を備え、前記ｐ型領域は前記ＩｎＡｓＰ窓層の全厚みを通り前記受光層内に至るように位置するｐ型領域であり、前記ＩｎＡｓＰ窓層は、該ＩｎＡｓＰ窓層の格子定数をｂとするとき、｜（ａ−ｂ）／ｂ｜≦０．００２となるようなＡｓとＰの比とされていることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
3. 前記ｎ型層の厚みが１００ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の受光素子。
4. 前記受光層が、Ｉｎ、ＧａおよびＡｓに加えて、Ｎを含む層であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の受光素子。
5. 前記受光層が、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓに加えて、Ｎ、ならびにＳｂおよびＰの一方または両方を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の受光素子。
6. 前記エピタキシャル構造における格子欠陥密度より高い格子欠陥密度を有する領域が、前記エピタキシャル構造の領域に、平面的に見て、隣接していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の受光素子。
7. 前記受光層で生じた光電流の量を検知して所定量に変換する変換部を備えるセンサであって、前記請求項１〜５にいずれかに記載の受光素子を１つ配置し、または複数個を１次元または２次元アレイ配列したことを特徴とする、センサ。
8. 前記複数の受光素子を１次元または２次元アレイ配列した場合、前記受光素子間に受光素子の領域より格子欠陥密度が高い領域が配置されていることを特徴とする、請求項７に記載のセンサ。
9. 画像を形成するための撮像装置であって、前記請求項１〜５のいずれかに記載の受光素子を複数個、２次元アレイ配列したことを特徴とする、撮像装置。
10. 前記受光素子間に受光素子の領域より格子欠陥密度が高い領域が配置されていることを特徴とする、請求項９に記載の撮像装置。
11. 化合物半導体のエピタキシャル積層構造を含む受光素子の製造方法であって、
    化合物半導体基板上にｎ型層を形成する工程と、
    前記ｎ型層に接して、少なくともＩｎ、ＧａおよびＡｓを含み、ＩｎとＧａとの原子数比が（０．５３／０．４７）より大きい受光層を形成する工程と、
    前記受光層内にｐ型領域を形成する工程と、
    前記ｎ型層を露出させる工程とを備え、
    前記ｎ型層を、少なくともＩｎ、ＧａおよびＡｓを含む層とするか、またはｎ型ＩｎＡｓＰ層とし、
    前記受光層を、該受光層の格子定数をａとし、該受光層の格子定数と前記ｎ型層の格子定数との差をΔａとして、｜Δａ／ａ｜≦０．００２となるようにすることを特徴とする、受光素子の製造方法。
12. 前記請求項１１の受光素子の製造方法の後、前記ｎ型層を入射面側にして、１つの受光素子を配置または複数個の受光素子を１次元または２次元アレイ配列したことを特徴とする、センサの製造方法。
13. 前記請求項１１の受光素子の製造方法の後、前記受光素子を画素として、前記ｎ型層を入射面側にして複数個の受光素子を２次元アレイ配列することを特徴とする、撮像装置の製造方法。

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