JP2010041011A - 光検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易な構成を有する複数の光検出素子を含む光検出装置を提供する。
【解決手段】化合物半導体基板２上において複数の分離溝５によって互に分離されて設けられており、電気的に直列接続された複数の光検出素子４を備え、光検出素子４は、所定の導電型の第１の領域８と他の導電型の第２の領域１０とを含むＩｎＳｂ化合物半導体層であり、この化合物半導体層の光検出領域６において入射光を光電変換し、複数の光検出素子４のうち分離溝５を挟んで互に隣接する二つの光検出素子４の一方に含まれる第１の領域８と、他方に含まれる第２の領域１０とは、電気的に接続され、光検出領域６、第１の領域８及び第２の領域１０は、光検出素子４の化合物半導体基板２との接合面と、この接合面の反対側にありこの接合面に沿って延びる光検出素子４の主面との間に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光検出装置に関する。

特許文献１には、複数の光検出素子を用いて入射光を検出するための光検出装置が記載されている。この光検出装置は赤外線を検出するための赤外線センサである。各光検出素子（単一センサ）は、入射光を光電変換する検出部と、光電流（又は電圧）を外部に取り出すための非検出部とを含む。検出部はメサ状に形成されており、非検出部に対し突出している。
特開２００７−８１２２５号公報

このように上記従来の光検出装置の光検出素子の検出部は複数の半導体層が積層されたメサ形状となっており、非検出部から突出している。このため、光検出素子の形状は複雑なものとなっており、光検出装置を製造する製造工程も複雑なものとなる。そこで本発明は、比較的簡易な構成を有する複数の光検出素子を含む光検出装置を提供することを目的とする。

本発明の光検出装置は、化合物半導体基板と、上記化合物半導体基板上において複数の分離溝によって互に分離されて設けられており、電気的に直列接続された複数の光検出素子と、上記複数の光検出素子上に設けられており、上記複数の光検出素子を電気的に接続するための複数の電極とを備え、上記光検出素子は、入射光を光電変換する光検出領域と、所定の導電型の第１不純物半導体領域と、上記所定の導電型と異なる他の導電型の第２不純物半導体領域とを含む化合物半導体層であり、上記複数の光検出素子のうち上記分離溝を挟んで互に隣接する二つの光検出素子の一方に含まれる上記第１不純物半導体領域と、他方に含まれる上記第２不純物半導体領域とは、上記電極によって電気的に接続され、上記光検出領域と上記第１及び第２不純物半導体領域とは、上記光検出素子の上記化合物半導体基板との接合面と、上記接合面の反対側にあり上記接合面に沿って延びる上記光検出素子の主面との間に設けられている、ことを特徴とする。このように、本発明の光検出装置は、光検出領域と第１及び第２不純物半導体領域とが化合物半導体層の二つの面（主面と接合面）の間に設けられ、第１及び第２不純物半導体領域にそれぞれ接続する複数の電極が複数の光検出素子上に設けられたプレーナ型の構成を有している。更に、複数の光検出素子（化合物半導体層）のそれぞれは、単に分離溝によって互に分離されている。従って、本発明の光検出装置は比較的簡易な構成を有する。

本発明の光検出装置は、上記第１不純物半導体領域又は上記第２不純物半導体領域は、上記分離溝に面していることを特徴とする。従って、低抵抗な不純物半導体領域に分離溝を形成するため、光検出領域からの拡散電流が低減される。

本発明の光検出装置は、上記電極は、上記分離溝の深さ以上の厚みを有していることを特徴とする。このように、電極が分離溝の深さに比較して十分な厚みを有するので、電極は、分離溝上において十分な強度を確保できる。よって、分離溝上や分離溝の近傍において生じ得る電極の破損等が回避できる。

本発明によれば、比較的簡易な構成を有する複数の光検出素子を含む光検出装置を提供できる。

以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。図１は、実施形態に係る光検出装置１の断面構成を示す図である。光検出装置１は、化合物半導体基板２と、複数の光検出素子４とを備える。化合物半導体基板２は、例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板であり、０．３〜１ｍｍ程度の厚みを有する。複数の光検出素子４は、化合物半導体基板２の主面２ａに設けられている。光検出素子４は、ＩｎＳｂ化合物半導体層であり、１〜５μｍ程度の厚みを有する。複数の光検出素子４は、分離溝５によって互に分離（絶縁）されているが、複数の電極１６を介して電気的に直列接続されている。所定方向（複数の光検出素子４が直列接続されている方向）に延びる光検出素子４の長さは５〜２０μｍ程度であり、一の分離溝５を挟んでこの方向に隣接する二つの光検出素子４の間隔（分離溝５の幅）は１〜３μｍ程度である。光検出素子４は、第１の表面４ａ及び第２の表面４ｂを有し、第１の表面４ａが化合物半導体基板２の主面２ａに接合している。第２の表面４ｂは、第１の表面４ａの反対側にある。主面２ａと第１の表面４ａとは、化合物半導体基板２と光検出素子４との接合面であり、第２の表面４ｂは、光検出素子４の主面である。

光検出素子４は、光検出領域６、第１の領域８、第２の領域１０及び第３の領域１２を有する。光検出領域６は、光検出素子４内に埋め込まれている。光検出領域６は、第１の表面４ａと第２の表面４ｂとの間に設けられている。光検出領域６は、光検出素子４において第１の領域８及び第２の領域１０や第３の領域１２を含まない領域であり、入射光を光電変換する。光検出領域６は、例えば、ｉ型のＩｎＳｂ化合物半導体から成り、５×１０^１５〜１×１０^１７ｃｍ^−３程度のキャリア濃度を有する。第１の領域８は、光検出素子４内に埋め込まれている。第１の領域８は、第１の表面４ａと第２の表面４ｂとの間に設けられている。第１の領域８は、光検出素子４の第２の表面４ｂの一部から光検出素子４の内側に延びている（光検出素子４の内側に厚みを有する）。第１の領域８は、ｎ型不純物半導体領域（第１不純物半導体領域）であり、１×１０^１７〜１×１０^１９ｃｍ^−３程度のキャリア濃度を有する。

第２の領域１０は、光検出素子４内に埋め込まれている。第２の領域１０は、第１の表面４ａと第２の表面４ｂとの間に設けられている。第２の領域１０は、光検出素子４の第２の表面４ｂの一部から光検出素子４の内側に延びている（光検出素子４の内側に厚みを有する）。第２の領域１０は、ｐ型不純物半導体領域（第２不純物半導体領域）であり、１×１０^１７〜１×１０^１９ｃｍ^−３程度のキャリア濃度を有する。第１の領域８と第２の領域１０とは離隔して設けられている。

また、第２の領域１０は、分離溝５に面している。すなわち、分離溝５の側壁の一部又は全部は、第２の領域１０に属している。光検出素子４が複数（例えば二つ）の分離溝５に隣接している場合、光検出素子４は、隣接する複数の分離溝５のうち一の分離溝５に面する一の第２の領域１０を有していればよいが、複数の分離溝５の全てにそれぞれ面する複数の第２の領域１０を有していてもよい。なお、第１の領域８がｐ型不純物半導体領域（第２不純物半導体領域）であり、第２の領域１０がｎ型不純物半導体領域（第１不純物半導体領域）であってもよい。

第３の領域１２は、光検出素子４内に埋め込まれている。第３の領域１２は、光検出素子４の第１の表面４ａから光検出素子４の内側に延びている（光検出素子４の内側に厚みを有する）。すなわち、第３の領域１２は、化合物半導体基板２に接合している。第３の領域１２は、第１の表面４ａの全領域にわたって形成されている。第３の領域１２は、ｐ型不純物半導体領域であり、１×１０^１７〜１×１０^１９ｃｍ^−３程度のキャリア濃度を有する。第３の領域１２は、第１の領域８及び第２の領域１０と離隔して設けられている。半絶縁性ＧａＡｓを材料とする化合物半導体基板１２上に特性の良い高抵抗ＩｎＳｂ層を光吸収層として直接に設けるのは困難なので、まず不純物を含んだ低抵抗なＩｎＳｂ層から成る第３の領域１２をバッファ層として化合物半導体基板２上に直接設け、この第３の領域１２上に、特性の良い高抵抗のＩｎＳｂ層から成る光吸収層として光検出領域６を設けている。なお、第２の領域１０と第３の領域１２とはつながっていても（第２の領域１０と第３の領域１２とは連続した領域として形成されていても）よい。

光検出装置１は、保護膜１４と、複数の電極１６とを更に備える。保護膜１４は、ＳｉＮやＳｉＯ等を含む。保護膜１４は、光検出素子４の第２の表面４ｂを覆い、分離溝５の内側（分離溝５の側壁及び底壁）を覆う。複数の光検出素子４のそれぞれに対し、二つのコンタクトホール（コンタクトホール１４ａ及びコンタクトホール１４ｂ）が保護膜１４に設けられている。コンタクトホール１４ａは、第１の領域８上に設けられており、コンタクトホール１４ｂは、第２の領域１０上に設けられている。複数の電極１６は、複数の光検出素子４を電気的に直列接続するためのものであり、互に分離されている。電極１６は、保護膜１４上等に設けられている。電極１６は、Ｔｉ／Ａｕ又はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを含み、分離溝５の深さ（又は、上記の光検出素子４の厚み）以上の厚みを有し、保護膜１４を除く分離溝５内を満たしている（分離溝５内は電極１６によって充填されている）。電極１６は、コンタクトホール１４ａを介して第１の領域８に電気的に接続している。電極１６は、コンタクトホール１４ｂを介して第２の領域１０に電気的に接続している。そして、電極１６は、分離溝５を挟んで互に隣接する二つの光検出素子４の一方の第１の領域８（コンタクトホール１４ａ）から、この分離溝５を介して他方の第２の領域１０（コンタクトホール１４ｂ）に延びている。すなわち、電極１６は、分離溝５を挟んで隣接している二つの光検出素子４のうち一方の光検出素子４の第１の領域８と、他方の光検出素子４の第２の領域１０とを電気的に接続する。このように、電極１６が、分離溝５を挟んで隣接している二つの光検出素子４のうち一方の光検出素子４の第１の領域８と、他方の光検出素子４の第２の領域１０とを電気的に接続することによって、複数の光検出素子４を電気的に直列接続している。

以上説明したように、光検出素子４は、第１の表面４ａと第２の表面４ｂとの間に、ｉ型の光検出領域６と、例えばｐ型の第１の領域８と、例えばｎ型の第２の領域１０とを有する。このように、光検出装置１は、ｉ型の光検出領域６と、ｐ型の第１の領域８と、ｎ型の第２の領域１０とが光検出素子４の二つの面の間に設けられており、ｐ型の第１の領域８に接続された電極１６とｎ型の第２の領域１０に接続された電極１６とが共に光検出素子４の主面である第２の表面４ｂに設けられたプレーナ型の構成を有している。更に、複数の光検出素子４のそれぞれは、単に分離溝５によって互に分離されている。以上のように、光検出装置１は比較的簡易な構成を有する。また、第２の領域１０（第１又は第２不純物半導体領域）は、分離溝５に面しているので、低抵抗な不純物半導体領域に分離溝を形成するため、光検出領域６からの拡散電流が低減される。また、電極１６は、分離溝５の深さ以上の厚みを有しているので、分離溝５上において十分な強度を確保できる。従って、分離溝５上や分離溝５の近傍における電極１６の破損等の発生が低減される。また、電極１６は、保護膜１４を除く分離溝５内を満たしている（分離溝５内は電極１６によって充填されている）。従って、分離溝５上や分離溝５の近傍における電極１６の破損等の発生が十分に低減される。

次に、光検出装置１の製造方法について説明する。まず、化合物半導体基板２を用意し、化合物半導体基板２の主面２ａ上に、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法やＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシー）法等を用いて第３の領域１２となる１×１０^１７〜１×１０^１９ｃｍ^−３程度のキャリア濃度を有するＩｎＳｂ層を０．５〜１μｍ程度形成し、更にその上に光吸収層６となるように０．５〜２μｍ程度の厚みとなるまでＩｎＳｂ化合物半導体層（５×１０^１５〜１×１０^１７ｃｍ^−３程度のキャリア濃度）をエピタキシャル成長させる（第１工程）。第１工程の次に、このＩｎＳｂ化合物半導体層内に、複数の第１及び第２不純物半導体領域を、拡散法やイオン注入法等を用いて形成する（第２工程）。具体的に説明すると、第１及び第２不純物半導体領域は、拡散法やイオン注入法等を用いて、ｎ型ドーパント又はｐ型ドーパントを、ＩｎＳｂ化合物半導体層の主面（化合物半導体基板２に接合する面の反対側にあるＩｎＳｂ化合物半導体層の面）からＩｎＳｂ化合物半導体層内に注入することにって得られる。第１及び第２不純物半導体領域は、所定の方向（具体的には、複数の光検出素子４が後に直列接続される方向）に交互に配置されるように形成される。

第２工程の次に、ウエットエッチングまたは、ドライエッチング等を用いて、上記所定の方向に沿って等間隔に複数の分離溝５をＩｎＳｂ化合物半導体層に設ける（第３工程）。これによって、ＩｎＳｂ化合物半導体層が複数の光検出素子４に分割される。よって、複数の光検出素子４のそれぞれは、分離溝５によって互に分離される。第３工程の次に、光検出素子４上等に保護膜１４を形成する（第４工程）。具体的に説明すると、保護膜１４は、光検出素子４の第２の表面４ｂと、分離溝５の内側（分離溝５の側壁及び底壁）とを覆うように形成される。

第４工程の次に、クエン酸＋過酸化水素や塩酸＋過酸化水素等の酸によるウエットエッチング又はＩＣＰエッチングやイオンミリングなどのドライエッチング等を用いて、複数のコンタクトホール１４ａ及びコンタクトホール１４ｂを、保護膜１４に形成する（第５工程）。具体的に説明すると、第１の領域８上にコンタクトホール１４ａを形成し、第２の領域１０上にコンタクトホール１４ｂを形成する。コンタクトホール１４ａ及びコンタクトホール１４ｂが形成されたことによって、第１の領域８の表面の一部と、第２の領域１０の表面の一部とが露出される。

第５工程の次に、電極１６を保護膜１４上等に形成する（第６工程）。具体的に説明すると、保護膜１４上（分離溝５内を含む）と、コンタクトホール１４ａ内及びコンタクトホール１４ｂ内とに、Ｔｉ／Ａｕ又はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の金属材料の金属膜を抵抗加熱やＥＢなどで蒸着する。コンタクトホール１４ａ内、コンタクトホール１４ｂ内及び分離溝５内は、この金属膜の金属材料によって充填される。このようにして形成された金属膜は、コンタクトホール１４ａ及びコンタクトホール１４ｂを介して、第１の領域８及び第２の領域１０に電気的に接続される。このような抵抗加熱やＥＢなどの蒸着の後、リフトオフ法等を用いて、上記金属膜を複数の電極１６に分割する。

上記の実施例においては、光吸収領域（光検出領域６）としてＩｎＳｂを用いた５μｍ程度前後の波長帯の光検出素子について述べているが、これに限らない。例えば、この光吸収領域（光検出領域６）としてＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘを用いることにより、１０μｍ程度前後の波長帯の光検出素子としてもよい。

実施形態に係る光検出装置の構成を説明するための図である。

符号の説明

１…光検出装置、１０…第２の領域、１２…第３の領域、１４…保護膜、１４ａ…コンタクトホール、１４ｂ…コンタクトホール、１６…電極、２…化合物半導体基板、２ａ…主面、４…光検出素子、４ａ…第１の表面、４ｂ…第２の表面、５…分離溝、６…光検出領域、８…第１の領域

Claims (3)

1. 化合物半導体基板と、
   前記化合物半導体基板上において複数の分離溝によって互に分離されて設けられており、電気的に直列接続された複数の光検出素子と、
   前記複数の光検出素子上に設けられており、前記複数の光検出素子を電気的に接続するための複数の電極と
   を備え、
   前記光検出素子は、入射光を光電変換する光検出領域と、所定の導電型の第１不純物半導体領域と、前記所定の導電型と異なる他の導電型の第２不純物半導体領域とを含む化合物半導体層であり、
   前記複数の光検出素子のうち前記分離溝を挟んで互に隣接する二つの光検出素子の一方に含まれる前記第１不純物半導体領域と、他方に含まれる前記第２不純物半導体領域とは、前記電極によって電気的に接続され、
   前記光検出領域と前記第１及び第２不純物半導体領域とは、前記光検出素子の前記化合物半導体基板との接合面と、前記接合面の反対側にあり前記接合面に沿って延びる前記光検出素子の主面との間に設けられている、ことを特徴とする光検出装置。
2. 前記第１不純物半導体領域又は前記第２不純物半導体領域は、前記分離溝に面している、ことを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記電極は、前記分離溝の深さ以上の厚みを有している、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出装置。
   

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