JP2011204920A - 受光素子、受光素子アレイ、ハイブリッド型検出装置、光学センサ装置、および受光素子アレイの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、近赤外域に高い受光感度を持つ、受光素子アレイ等、光学センサ装置、および受光素子アレイの製造方法を提供する。
【解決手段】 受光素子アレイ５５は、ＩｎＰ基板１上に位置するｎ型バッファ層２と、タイプ２型のＭＱＷからなる受光層３と、受光層の上に位置するコンタクト層５と、受光層３を経てｎ型バッファ層２に至るｐ型領域６とを備え、選択拡散によるｐ型領域は、隣の受光素子におけるｐ型領域とは、選択拡散されていない領域により隔てられており、ｎ型バッファ層内において、ｐ型領域のｐ型キャリア濃度と該バッファ層のｎ型キャリア濃度との交差面がｐｎ接合１５を形成していることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、近赤外域光を対象とする、受光素子、受光素子アレイ、ハイブリッド型検出装置、光学センサ装置、および受光素子アレイの製造方法に関するものである。

近赤外域は、動植物などの生体や環境に関連した吸収スペクトル域に対応するため、受光層にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた近赤外光の検出器の開発が盛んに行われている。たとえば受光層にExtended−InGaAsを用いることで波長２．６μｍまで感度を持たせた受光素子アレイに、読み出し回路(ROIC:Read-out IC)であるＣＭＯＳ（Complementary Metal−Oxide Semiconductor）を接続して、光電荷を出力信号に変換する検出器の例が発表されている（非特許文献１）。その受光素子アレイでは、入射光によって発生する電子／正孔対の電子を共通のｎ側電極に集合的に集め、正孔を画素電極であるｐ側電極からＣＭＯＳへ読み出している。

また受光層にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２型の多重量子井戸構造（ＭＱＷ:Multi-Quantum Wells）を用い、画素領域をｐ型としたｐｉｎ型フォトダイオードについて、波長２．５μｍまで感度を持つことが報告されている（非特許文献２）。また波長３μｍまでの近赤外光を受光するタイプ２型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのＭＱＷの結晶性を良好にするために、積層構造および製造方法について提案がなされている（特許文献１）。
また、上記のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２型ＭＱＷを、ドーピングしないで成長させると、ｎ導電型になることが報告されている（非特許文献３、４）。このような場合、ｐｉｎ型というよりはｎ型フォトダイオードと呼ぶべきかもしれないが、通常は、この場合もｐｉｎ型フォトダイオードの範疇に入れている。
上記のｐｉｎ型フォトダイオードは、豊富なデータ蓄積のあるｐ型不純物のＺｎを用いて、各受光素子に、容易にｐ型領域を形成して、上記のｐｉｎ型フォトダイオードを得ることができる。

特開２００９−２０６４９９号公報

高橋秀夫ら「近赤外用InGaAs光検出器」，OPTRONICS(1997),No.3, pp.107-113 R.Sidhu,N.Duan, J.C.Campbell, and A.L.Holmes, Jr.," A 2.3μmcutoff wavelength photodiode on InP using lattice-matched GaInAs-GaAsSb type IIquantum wells"2005 International Conference on IndiumPhosphide and Related Materials J.F.Klem, S.R.Kurtz,"Growth and properties of GaAsSb/InGaAs superlattices on InP", Journal of Crystal Growth, Vol.111,628(1991) T.Higashino,Y.Kawamura, M.Fujimoto, M.Amano, T.Yokoyama, N.Inoue,"Propertiesof In0.53Ga0.47As/GaAs0.5Sb0.5 type II multiple quantum well structures grownon (111)B InP substrates by molecular beam epitaxy",Journal of Crystal Growth, Vol.243,8(2002)

しかし、上記の非特許文献１の近赤外用ＩｎＧａＡｓ光検出器（イメージセンサ）では、ＩｎＰ基板に格子整合しない組成のＩｎＧａＡｓを受光層としているため、暗電流が大きくなりノイズが大きい。バッファ層によって徐々に歪みを緩和するなどの工夫をしているが、限界がある。このノイズを低減してＳ／Ｎ比を実用可能なレベルまで改善しようとすると冷却装置が必要になり、大掛かりとなる。また、ＩｎＧａＡｓ受光層上にエピタキシャル成長させる窓層には、ＩｎＰ等を用いることができず、たとえばＩｎＧａＡｓ受光層に格子整合するＩｎＡｓＰ（Ａｓ／Ｐはほぼ０．６／０．４）を窓層に用いると、ＩｎＡｓＰは波長１〜１．５μｍに吸収帯があるため、表面入射でも裏面入射でも、この波長域に対する感度は小さくなる。
また、特許文献１、非特許文献２〜４の受光素子については、これまで、アレイ化して検出装置とした例はなく、ましてアレイ化された検出装置の感度などの測定がなされた例はない。

本発明は、近赤外域に高い受光感度を持つ、受光素子、受光素子アレイ、ハイブリッド型検出装置、光学センサ装置、および受光素子アレイの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の受光素子では、化合物半導体の基板上に、複数の受光素子が配列されている。この受光素子アレイは、基板上に位置するｎ型バッファ層と、ｎ型バッファ層上に位置する、タイプ２型の多重量子井戸構造からなる受光層と、受光層の上に位置するコンタクト層と、受光素子ごとに位置する、コンタクト層表面から受光層を経てｎ型バッファ層に至るｐ型領域とを備える。ｐ型領域は、ｐ型不純物が深さ方向に選択拡散によって形成されており、隣の受光素子におけるｐ型領域とは、選択拡散されていない領域により隔てられており、ｎ型バッファ層内において、ｐ型領域のｐ型キャリア濃度と該バッファ層のｎ型キャリア濃度との交差面がｐｎ接合を形成していることを特徴とする。

ＭＱＷでは、対をなす２種類の化合物半導体層が、複数、積層されている。タイプ２型ＭＱＷでは、一方の化合物半導体層（ａ層）は、他方の化合物半導体層（ｂ層）よりも、価電子帯および伝導帯が、高い。ただし、両方のフェルミ準位が一致することから、ａ層の価電子帯よりはｂ層の伝導帯のほうが高いエネルギ準位を有する。タイプ２型ＭＱＷでは、受光のとき、ａ層の価電子帯に位置する電子が入射光を吸収してｂ層の伝導帯に励起される。この結果、ａ層の価電子帯に正孔が生じ、ｂ層の伝導帯に当該励起された電子が位置する。このように、ａ層の価電子帯の電子がｂ層の伝導帯に励起されることで、より低エネルギ（より長波長）の入射光を受光することができる。
本発明における受光素子アレイでは、電子をｎ側電極に集めながら上記の正孔をコンタクト層表面に設けられたｐ側電極に集めて受光情報を得る。このため、ＭＱＷ内で生じた正孔をコンタクト層表面まで移動させなければならない。しかし、ＭＱＷの価電子帯には多数の井戸障壁があるため、ｐ側電極に到達する前に、途中で消滅するものが多かった。このため、たとえば基板の裏面から入射して、基板に近い位置のＭＱＷ内での受光によって生じた正孔は、相当多くの割合がｐ側電極に到達せず、この結果、受光感度が低下していた。ＭＱＷ内の価電子帯を、ａ層からｂ層へと移動するには、ａ層の価電子帯トップのエネルギと、ｂ層の価電子帯トップのエネルギとの差ΔＥｖを上がる必要がある。このエネルギ障壁ΔＥｖを越えなければ、正孔はａ層からｂ層へと移動できない。
なお、バンド模型は電子に対して作成されるので、正孔については各帯（バンド）の上下は逆になる。したがって、ａ層の価電子帯トップは、正孔にとっては量子井戸内のボトムになる。
従来の受光素子等では、受光素子等はｐｉｎ型フォトダイオードとして構成されていた。すなわち、ｐ型領域のコンタクト層／ｉ型（またはｎ⁻型）受光層／ｎ型バッファ層（またはｎ型基板）、の積層構造を有していた。ｉ型受光層の場合、受光層には、正孔は存在しない。また、ｎ⁻型受光層の場合は、不純物由来の電子は受光層の伝導帯に存在するかもしれないが、正孔は存在しない。このため、ａ層の価電子帯とｂ層の価電子帯とで形成されるａ層における正孔に対する量子井戸は、そのまま正孔にとって正味の量子井戸障壁となっていた。この結果、逆バイアス電界による駆動力を加えられたとしても、正孔のＭＱＷ内の移動を難しくしていた。

上記の本発明の構成によれば、受光素子アレイの画素を構成するｐ型領域は、受光層を経てバッファ層にまで届いている。すなわちＭＱＷはｐ型化されている。このため、ＭＱＷのａ層の価電子帯において、少なくとも低エネルギレベルの準位は、ｐ型不純物由来の正孔に占有される。正孔は、エネルギの低い準位から占めてゆくので、ａ層の価電子帯における正孔の基底準位（電子に対しては、価電子帯のトップの準位）から順に高いほうに準位を占めてゆく。ｐ型不純物を適切な範囲にすれば、正孔はａ層の価電子帯の低エネルギレベルの準位に限定されて該準位を占有する。このため、受光によって生じた正孔にとって、ａ層の価電子帯のボトムはｐ型不純物由来の正孔に埋められて底上げされることになる。すなわち受光によって生じた正孔にとって、ｐ型不純物由来の正孔は踏み台になり、ａ層とｂ層との価電子帯のエネルギ差ΔＥｖは小さく感じられる（実質的に小さくなる）。このため、受光によってａ層に生じた正孔は、比較的容易に隣のｂ層の価電子帯に移動することができる。そして、受光位置からｐ側電極まで、非常に多数の量子井戸を通る場合でも、正孔は消滅しないようになる。その結果、高い受光感度を確保することができる。
また、メサエッチング等をすることなく独立した受光素子を形成することができるので、暗電流を低くすることができる。また、生体成分等の吸収帯が位置する近赤外域において高い感度を確保できるので、これら生体成分等の検出精度を高くすることができる。
なお、電子に対するバンドを用いて正孔の状態を論じる場合、字義に拘泥すれば解釈が混乱する箇所が生じるかもしれないが、どのような場合においても、前後の文脈から明らかな本発明の趣旨に添って解釈すべきである。

受光層およびコンタクト層は、ｐ型領域以外はｎ型であり、ｐ型領域は周囲をｎ型領域で囲まれるようにできる。これによって、各画素の分離を確実にして、画素間で混信等が生じないようにできる。また、周囲をｉ型領域で囲まれる場合よりも画素分離のための画素間の距離を小さくすることができ、小型化に有益である。

多重量子井戸構造の受光層におけるｐ型領域のｐ型キャリア濃度を、５ｅ１５ｃｍ^−３以上、かつ１ｅ１７ｃｍ^−３以下とすることができる。ｐ型キャリア濃度が５ｅ１５ｃｍ^−３未満ではＭＱＷにおけるａ層の価電子帯への正孔の配置が不充分であり、ｐ型キャリア濃度が１ｅ１７ｃｍ^−３より大きいとＭＱＷの結晶性を損なう。ｐ型キャリア濃度を上記の範囲にすることによって、ＭＱＷにおけるａ層の価電子帯にｐ型不純物由来の正孔を配置して底上げしながら、ＭＱＷの結晶性を損なわないようにできる。

ｎ型バッファ層のｎ型キャリア濃度を、１ｅ１５ｃｍ^−３以上、５ｅ１５ｃｍ^−３以下とすることができる。これによって、ｐｎ接合をバッファ層内に設けながら、バッファ層の純度を保ってｐｉｎ型フォトダイオードを形成することができる。キャリア濃度が５ｅ１５ｃｍ^−３を超えると純度的にｐｉｎ型フォトダイオードを形成できない。また、ｐ型キャリア濃度が１ｅ１５ｃｍ^−３未満では、ｐｎ接合をバッファ層内に安定して配置することが難しくなり、バッファ層を突き抜けてＩｎＰ基板にｐｎ接合ができるリスクが増大する。
なお、バッファ層は、フォトダイオードの部分としてはｉ型部分とみることができる。以後の説明においても、バッファ層は、そのキャリア濃度が低いこともあり、フォトダイオードのｉ型部分として説明する。

ｎ型バッファ層の厚みを１μｍ以上、６μｍ以下とすることができる。バッファ層の厚みが１μｍ未満では、ｐｎ接合を安定してバッファ層にとどめて形成することが難しく、ＩｎＰ基板内に形成されてしまうリスクが高くなる。また、バッファ層の厚みが６μｍを超えると、バッファ層が厚くなり、バイアス電圧を通常のレベルにすると、ＭＱＷにおいて空乏層が広がらず、受光感度が低下する。

基板の裏面から光入射するように構成することができる。たとえば、基板の裏面に反射防止膜（ＡＲ膜）を配置して、基板裏面入射とすることができる。これによって、ハイブリッド型検出装置等を容易に組み立てることができる。

基板と逆側のコンタクト層側から光入射するように構成して、多重量子井戸構造の受光層の厚みを２μｍ以上とすることができる。これによって、コンタクト層入射の場合でも、大きな受光層厚みによって高い受光感度を得ながら、上記ｐ型不純物由来の正孔による底上げ効果によって、受光で生成した正孔の多くを信号形成に寄与させることができる。

化合物半導体の基板をＩｎＰ基板とし、かつ受光層を構成するタイプ２型のＭＱＷを、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）のうちのいずれか１つの繰り返しとすることができる。これによって、近赤外域の長波長に感度を持つ近赤外用受光素子アレイを得ることができる。とくにＩｎＧａＡｓに窒素を含むＩｎＧａＡｓＮ等を用いるか、または歪み補償型ＭＱＷを用いることで、波長３μｍ付近まで受光感度を持たせることができる。
上記の場合、上述のａ層がＧａＡｓＳｂ層であり、ｂ層がＩｎＧａＡｓ層となる。ｐ型不純物由来の正孔による底上げ効果がないと、ｐ側電極まで多くの量子井戸が介在する場合、受光で生成した正孔の多くは途中のＭＱＷ内で消滅する。

コンタクト層を被覆するように位置し、ｐ型領域に開口部を有する選択拡散マスクパターンを備えることができる。コンタクト層上に配置した上記の選択拡散マスクパターンを用いてｐ型不純物を選択拡散すると、ｐ型不純物は開口部から厚み方向に拡散するとともに、横方向にも少し広がる。すなわち平面的に見て、コンタクト層表面において開口部よりも広い範囲にｐ型領域が形成される。このため、ｐ型領域を選択拡散によって形成したあと、コンタクト層表面において、ｐ型領域と、選択拡散されない領域との境界は、マスク部の幅が上記の範囲内であれば、そのマスク部に被覆される。上記境界は、ひとたび選択拡散マスクパターンが除去され、マスク部の被覆が外されると、表面準位が形成され、暗電流増大の原因となる。上記の表面準位は、いちど形成されると、その部分を除去しながら被覆をするという曲芸のような処理をしないと当該表面準位のないものを形成することはできない。選択拡散マスクパターンをそのまま残すしか、事実上、表面準位のない受光素子アレイを製造する方策はないといってよい。
コンタクト層上の選択拡散マスクパターンは、ＳｉＮ等で形成されるが、単なるパッシベーション膜もＳｉＮで形成される場合もあるので、選択拡散マスクパターンとして用いられたものか否かは、（１）ｐ型領域のコンタクト表面での開口部縁からの広がり代、または、（２）そのキャップ層に接する膜にＺｎ等のｐ型不純物が含まれているか、を検査することで特定することができる）。

本発明のハイブリッド型検出装置は、上記のいずれかの受光素子アレイと、シリコンに形成された読み出し回路とを備える。このハイブリッド型検出装置では、受光素子アレイのｐ側電極ごとに、読み出し回路の読出電極とが導電接続されていることを特徴とする。
これによって、精度の高い検出装置を経済的に得ることができる。

上記のハイブリッド型検出装置では、受光素子アレイにおける基板の裏面から光を入射することができる。受光素子アレイが一次元の場合は、コンタクト層入射でも読み出し回路の電極等への配線を干渉なく設けることができるが、二次元アレイの場合は、基板入射が必然となる。基板入射の場合、基板裏面から入射された光はすぐに受光層内の基板に近い位置で受光され、生じた正孔は信号形成に寄与するには、ｐ側電極に到達するまでに多数の量子井戸を横断しなければならない。上記の受光素子アレイは、このような実装姿勢でも、受光で生じた正孔はＭＱＷを通って、ｐ側電極に到達して信号形成に寄与することができる。

本発明の光学センサ装置は、上記のいずれかの受光素子、いずれかの受光素子アレイ、またはいずれかのハイブリッド検出装置を用いたことを特徴とする。これによって、回折格子などの光学素子と組み合わせることで、近赤外域に高い感度を有する光学センサ装置を得ることができる。
上記の光学センサ装置は、光学素子、たとえば分光器、レンズ等の光学系と組み合わせたものであり、波長分布測定を遂行したり、撮像装置として用いたり、多くの有用な実用製品を得ることができる。また、当然、マイコンなど制御装置と組み合わせることが多くなる。上記の光学センサ装置の具体例としては、（ｉ）視界支援もしくは監視をするための撮像装置、（ｉｉ）生体成分検査装置、水分検査装置、食品品質検査装置、などの検査装置、（ｉｉｉ）燃焼ガスの成分把握などのためのモニタリング装置、などを挙げることができる。要は、上記の受光素子、受光素子アレイ、もしくはハイブリッド型検出装置と、レンズ、フィルタ、光ファイバ、回折格子、分光レンズなどの光学素子とを組み合わせた装置であれば何でもよい。画面表示や判定をする場合は、さらにマイコンや画面表示装置が加わる。

本発明の受光素子は、化合物半導体の基板上に形成されている。この受光素子は、基板上に位置するｎ型バッファ層と、ｎ型バッファ層上に位置する、タイプ２型の多重量子井戸構造からなる受光層と、受光層の上に位置するコンタクト層と、コンタクト層表面から受光層を経てｎ型バッファ層に至るｐ型領域とを備える。ｐ型領域は、コンタクト層表面からｐ型不純物が深さ方向に選択拡散によって形成されており、周囲とは選択拡散されていない領域により隔てられており、ｎ型バッファ層内において、ｐ型領域のｐ型キャリア濃度と該ｎ型バッファ層のｎ型キャリア濃度との交差面がｐｎ接合を形成していることを特徴とする。
上記の構成によって、受光素子アレイにおける上述の機構によって、近赤外域の長波長域に高い感度を有するフォトダイオードを得ることができる。

本発明の受光素子アレイの製造方法は、化合物半導体の基板上に、受光素子が配列された受光素子アレイを製造する。この製造方法は、化合物半導体基板上に、バッファ層を成長する工程と、バッファ層上に、タイプ２型のＭＱＷの受光層を成長する工程と、受光層の上にコンタクト層を成長する工程と、コンタクト層上に、受光素子ごとにｐ型不純物を選択的に拡散してｐ型領域を形成するために、開口部を有する選択拡散マスクパターンを形成する工程と、選択拡散マスクパターンの開口部からｐ型不純物を選択拡散して、コンタクト層表面から受光層を経てバッファ層に至るｐ型領域を形成する工程とを備えることを特徴とする。

上記の方法によって、基板入射としても受光感度を確保でき、暗電流の低い受光素子アレイを簡単に製造することができる。

上記の基板をＩｎＰ基板とし、タイプ２型の多重量子井戸構造を、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）のうちのいずれか１つの繰り返しとして、ｐ型不純物を選択拡散する工程では、容器中に、選択拡散マスクパターンを設けられた、製造途中の受光素子アレイと、固体状の亜鉛と、赤燐とを封入して、５００℃〜６５０℃の範囲に加熱することができる。これによって、ｐ型不純物のＺｎを簡単に選択拡散によって導入して、受光素子ごとにｐ型領域を形成することができる。赤燐を入れるのは、脱燐を防止するためであり、選択拡散を高温域で行うために、燐化亜鉛より脱燐作用が大きい赤燐を単独で用いる。亜鉛線は亜鉛の選択拡散のためである。

本発明の受光素子アレイ等によれば、タイプ２型のＭＱＷを受光層に用いて近赤外域の長波長域を対象に、受光で発生する電子／正孔対のうち電子はｎ側電極に集め、移動度が小さい正孔については、ＭＱＷの全厚みをｐ型化することで効率よくｐ側電極に到達させ、基板入射でもコンタクト層入射でも、良好な受光感度を持つことができる。

本発明の実施の形態１における受光素子の断面図である。 図１に示す受光素子が配列された受光素子アレイを示す断面図である。 図２に示す受光素子アレイの平面図である。 図２に示す受光素子アレイと、ＣＭＯＳとを組み合わせて形成したハイブリッド型検出装置を示す断面図である。 タイプ２型のＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＭＱＷで構成される受光層のバンド図であり、（ａ）は、ｐ型不純物の選択拡散によりｐ型化されたＭＱＷのバンド、（ｂ）は、真性半導体またはｎ⁻型半導体で構成されたＭＱＷのバンド、である。 本発明の実施の形態１におけるｐ型不純物の選択拡散方法を説明するための図である。 図２に示す受光素子アレイの変形例であり、本発明の一つの実施の形態である。 図４に示すハイブリッド型検出装置の変形例であり、本発明の一つの実施の形態である。 本発明の実施例における、選択拡散されたＺｎの深さ方向濃度分布を示す図である（本発明例および比較例）。 本発明の実施の形態２における光学センサ装置である撮像装置または視界支援装置を示す図である。 自動車の夜間後方の視界支援装置を示す図である。 本発明の実施の形態３における光学センサ装置である生体成分検出装置を示す図である。 本発明の実施の形態４における光学センサ装置である、生体中の水分検出装置（眼の水分布像形成装置）を示す図である。 本発明の実施の形態５における光学センサ装置である、ごみの燃焼炉においてごみの温度分布を得るための温度分布測定装置である。 図１４における温度分布撮像装置を示す図である。 ごみ燃焼炉における近赤外スペクトルを示す図である。 水の吸収スペクトルを示す図である。 本発明前の受光素子を示す図である。 本発明前のタイプ２型ＭＱＷを受光層とした受光素子のエネルギバンドを示し、（ａ）は基板入射、（ｂ）はコンタクト層入射、の場合である。

＜本発明前のハイブリッド型検出装置における問題＞
ここで説明する、近赤外域用のタイプ２型ＭＱＷを受光層とする本発明前の最新技術におけるハイブリッド型検出装置についての問題は未だ知られていない。
図１８は、本発明前の最新技術における受光素子１５０を示す図である。受光素子１５０は次の積層構造を有する。
ｎ型ＩｎＰ基板１０１／ｎ型ＩｎＰ（またはＩｎＧａＡｓ）バッファ層１０２／受光層１０３（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のタイプ２型ＭＱＷ／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層１０４／ＩｎＰコンタクト層１０５
光はＩｎＰ基板１０１側から入射される。以下、基板入射と呼ぶ。これに対して、コンタクト層１０５の側からの入射をコンタクト層入射と呼ぶ。受光素子１５０またはフォトダイオードは、ＩｎＰコンタクト層１０５の表面から選択拡散によって導入されたｐ型領域１０６の先端に位置するｐｎ接合１１５を備え、選択拡散されていない領域によって端面から隔てられている。
受光素子のｐ側電極または画素電極１１１は、ｐ型領域１０６にオーミック接触するように配置され、グランド電極１１２は、ｎ型ＩｎＰ基板１０１にオーミック接触するように配置される。
受光の際には、ｐｎ接合１１５に逆バイアス電圧、すなわち画素電極１１１とグランド電極１１２との間に、グランド電極１１２の電位が画素電極１１１より高くなるように電圧を印加する。空乏層はタイプ２型のＭＱＷの受光層１０３に拡がり、ここに到達した光によって電子正孔対が形成される。画素電極１１１はグランドより電位が低いので正孔を集めて、正孔の電荷が画素情報を形成する。この画素の電荷を所定時間ピッチで読み出すことで、画像または測定信号の強度分布等を形成することができる。

受光層１０３を構成するタイプ２型ＭＱＷでは、受光によって、図１９（ａ），（ｂ）に示すように、正孔ｈが、ＧａＡｓＳｂの価電子帯に生成する。電子ｅはＩｎＧａＡｓの伝導帯に励起される。以後、正孔ｈに注目する。図１９に示すバンド図は電子に対するバンド図なので、正孔ｈについては上下を逆に読む。図１９（ａ）は、図１８に示すように、基板入射の場合であり、図１９（ｂ）は、それとは反対側のコンタクト層入射の場合である。基板入射の場合、光は、基板に近い位置ですぐに空乏層内で受光され、正孔ｈを生成する。図１９（ａ）に示すように、正孔ｈは、逆バイアスの電界による駆動は受けるものの、多数の高い井戸障壁ΔＥｖを越えながらＭＱＷの受光層１０３を通って、コンタクト層１０５に到達しなければならない。
図１９（ａ）と（ｂ）とを比較して、基板入射の場合は、受光で生成した正孔ｈは、ＭＱＷの多数の障壁ΔＥｖを越えなければ画素電極１１１に到達できないが、コンタクト層入射では、受光は画素電極１１１に近いＭＱＷ内の位置で生じて、正孔ｈは画素電極１１１に到達するのに多くのＭＱＷを越える必要はない。

基板入射の場合、受光で生じた正孔ｈは光のエネルギを部分的に受けているが、多くの量子井戸を越えるうちに、多くの割合の正孔ｈは、基底状態が占有されていなければ基底状態に遷移して、基底状態にトラップされる。基底準位にトラップされた正孔ｈは、コンタクト層１０５側にドリフトするのに、価電子帯における高い井戸障壁ΔＥｖを越えなければならない。このため、ｐ型領域１０６または画素電極１１１に到達する正孔の数は、受光で生成した数から相当の割合が減少する。この結果、受光感度が低下する。もともと、正孔は有効質量が電子に比べて大きく、移動度が小さいことは知られていた。しかし、上記の受光感度の低下は、そのような一般的な移動度の大小では説明がつかない。上記の受光感度が低下する現象については、その機構を究明中であるが、ともかくタイプ２型ＭＱＷの受光層１０３を備え、ｐ型領域１０６に画素電極１１１を配置して正孔を信号電荷とする受光素子アレイ１５０またはハイブリッド型検出装置１１０について次の実験事実を確認している。
（１）タイプ２型ＭＱＷを受光層とする受光素子に対して、コンタクト層入射の場合、近赤外光の量子効率は、０．３〜０．９を示す。この量子効率は、良好といえる。
（２）しかしながら、同じ受光素子アレイを基板入射とすると、近赤外域の量子効率は、０．０５〜０．５という非常に低い値に低下してしまう。二次元の受光素子アレイを用いる場合、各画素に配線を設けるため、配線による光に対する妨害を避けるため、ＩｎＰ基板の裏面からの基板入射とせざるをえない。

＜本発明のポイント＞
本発明のポイントは次の点にある。受光素子または受光素子アレイは、タイプ２型ＭＱＷ（（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ））を受光層に含む。この受光素子または受光素子アレイにおいて、ｐ型領域をコンタクト層から受光層を経てバッファ層に至る領域として、ｐｎ接合をバッファ層内に設けることがポイントである。画素電極はその受光層上のｐ型コンタクト層にオーミック接触するように配置する。本発明では、正孔を信号電荷に用いながら、ｐ型領域を（コンタクト層／タイプ２型ＭＱＷ受光層／バッファ層の一部）に形成することで、基板入射でもコンタクト層入射でも、受光感度または量子効率を高めることができる。そのメカニズムについてはこのあと詳しく説明する。

（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５０を示す図である。受光素子５０またはフォトダイオードは、ｎ型ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＰバッファ層２／タイプ２型ＭＱＷ受光層３／拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰコンタクト層５、の積層体に形成されている。タイプ２型ＭＱＷ受光層３は、ＩｎＧａＡｓ（上述のｂ層）／ＧａＡｓＳｂ（上述のａ層）、を積層することで形成されている。ｐ型不純物の亜鉛（Ｚｎ）が選択拡散されてｐ型領域６が形成され、ｐ型領域６の先端部にｐｎ接合１５が形成されている。画素Ｐを構成する受光素子の主体をなすｐ型領域６は、端面とは選択拡散されていない領域によって隔てられているため、メサエッチングすることなく、簡単な構造で暗電流の低い受光素子５０を得ることができる。
受光層３が、上述のように、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂの積層体で形成される場合には、ｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）を拡散するとき、Ｚｎ濃度を所定レベル以下に抑制するために、拡散濃度分布調整層４をＩｎＰコンタクト層５とＭＱＷ受光層３との間に挿入してもよい。図１では、拡散濃度分布調整層４が表示されているが、この拡散濃度分布調整層４はなくてもよい。また、光が入射される入射面となるＩｎＰ基板１の裏面にはＳｉＯＮ膜の反射防止膜３５が配置されている。

本実施の形態の受光素子５０の特徴は、ｐ型領域６がＩｎＰコンタクト層５の表面からタイプ２型ＭＱＷ受光層３を経てバッファ層２に至っている点にある。ｐ型領域６は、ＭＱＷ受光層３の全量子井戸をｐ型化して、バッファ層２に至っており、ｐｎ接合１５はバッファ層２に位置する。端的にいえば、深い範囲にまで形成されている。
本発明前のｐｉｎ型フォトダイオードは、図１８に示すように、ｐ型領域１０６は、浅い範囲にとどまっており、ＩｎＰコンタクト層１０５の表面からタイプ２型ＭＱＷ受光層１０３に至る範囲に形成される。ｐｎ接合１１５はＭＱＷ受光層１０３内に位置する。

図２は、図１に示す受光素子が、複数、配列された受光素子アレイ５５を示す図である。各受光素子または画素Ｐは、上述のバッファ層２にまで届く深いｐ型領域６を有している。このｐ型領域６は、ｐ型不純物とくにＺｎの選択拡散によって形成されたものである。各受光素子の間には選択拡散されていない領域が介在しており、各受光素子は、電気的または半導体的に分離されている。ｐ型領域６の形成のための選択拡散に用いられたＳｉＮの選択拡散マスクパターン３６は、そのまま残される。さらに、選択拡散マスクパターン３６の開口部またはＩｎＰコンタクト層５の表面および当該選択拡散マスクパターン３６を被覆するＳｉＯＮ等の保護膜３７が設けられている。
受光素子アレイ５５において、各ｐ型領域６は画素Ｐの主部分に対応しており、ｐ側電極１１は画素電極となる。すべての画素電極１１に対するｎ側電極（グランド電極）１２は、共通の接地電位に保持される。
図３は、図２に示す受光素子アレイ５５の平面図である。画素ピッチは３０μｍであり、画素（受光素子）は３２０×２５６であり、チップサイズは横１０ｍｍ×縦９ｍｍである。

図４は、図２に示す受光素子アレイ５５と、シリコンに形成されたＲＯＩＣのＣＭＯＳ７０とを組み合わせて形成したハイブリッド型検出装置１０を示す断面図である。受光素子アレイ５５の画素電極（ｐ側電極）１１と、ＣＭＯＳ７０の読み出し電極パッド７１とが、接合バンプ３１を介在させて導電接続されている。反射防止（ＡＲ）膜３５がＩｎＰ基板１の裏面に被覆される。光は、基板入射とされ、入射した近赤外光は、ＩｎＰ基板１およびＩｎＰバッファ層２を透過して、空乏層が広がる受光層３において受光されて、電子正孔ペアを形成する。空乏層に生成した電子正孔ペアは、逆バイアス電圧によって分離され、本発明の実施の形態では、正孔はＩｎＰ基板１に近い受光層３内の位置からｐ側電極１１に向かう勾配の電界に置かれる。すなわち図１９（ａ）に示すように、受光で生じた正孔はＭＱＷにおける数百の価電子帯の井戸障壁を越えて画素電極に到達する。

図５は、タイプ２型のＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＭＱＷで構成される受光層３のバンド図である。図５（ａ）は、図１または図２に示すように、ｐ型領域６がＭＱＷ受光層の全厚みをｐ型化したフォトダイオード（画素）に対するバンドであり、図５（ｂ）は、本発明前の真性半導体またはｎ⁻型半導体のＭＱＷ受光層を有するフォトダイオードのバンドである。
図５（ｂ）に示すように、本発明前のＭＱＷ受光層では、真性半導体またはｎ⁻型半導体なので、受光されなければ正孔が存在せず、価電子帯における正孔の各準位はほとんど占有されていない。このため、価電子帯における基底状態の準位も、空席である。このような状態において、受光によって正孔ｈがＧａＡｓＳｂの価電子帯に生成する（電子の挙動は今の議論に関係ないので省略する）。受光によって生じた正孔ｈは、逆バイアス電圧下、ドリフトしながら多数の量子井戸を越えてゆくうちに、価電子帯における正孔の準位を低い方から占めてゆく。基底状態の準位はエネルギ的に低く安定なので、優先的に占有される。上述のように、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の正孔ｈの準位は、量子井戸の底近いレベルに位置する。図５（ｂ）に示すように、ＧａＡｓＳｂの価電子帯トップとＩｎＧａＡｓの価電子帯トップとの差ΔＥｖが、ＧａＡｓＳｂの基底状態の正孔ｈに対する障壁として作用する。重い正孔ｈは、この障壁が高いために、井戸を抜け出して画素電極１１に到達することが容易ではなくなる。量子井戸は数百ある。このため画素電極１１に到達する前に、生成した正孔の多くが消滅すると考えられる。この結果、受光感度は低下する。

図５（ａ）に示すように、選択拡散によってｐ型領域化されたＭＱＷのＧａＡｓＳｂでは、少なくとも基底状態は、ｐ型不純物由来の正孔ｈｐに占有されている。すなわち受光前からｐ型不純物由来の正孔ｈｐが基底状態を既に占めている。このｐ型不純物由来の正孔ｈｐが、受光で生じた正孔ｈの踏み台になる。受光で生じた正孔ｈは、ＧａＡｓＳｂの価電子帯において基底状態より高いエネルギレベルの準位を占める。このため、図５（ｂ）のＭＱＷの価電子帯における正孔ｈに比べて、ドリフトする際、より小さい障壁を越えればよい。図５（ａ）のＭＱＷでは、ｐ型不純物由来の正孔ｈｐがＧａＡｓＳｂの価電子帯の底上げをしているので、受光で生じた正孔ｈは井戸障壁ΔＥｖは比較的越えやすく、移動の大きな障害にはならない。この結果、本実施の形態の受光素子アレイでは、正孔ｈは、逆バイアス電圧下、その電界に駆動されて、数百の井戸を比較的容易に越えて画素電極（ｐ側電極）１１に到達することができる。この結果、基板入射であっても受光感度は低下せず、良好な感度を保つことができる。すなわち、図１９（ａ）のような基板入射であっても、図１９（ｂ）と同様の、またはこれに近い感度を得ることができる。

次に、上記の本実施の形態の受光素子アレイ５５の製造方法について説明する。たとえばＳドープの（１００）ＩｎＰ基板を用い、そのＩｎＰ基板１上にＯＭＶＰＥ(Organometallic Vapor Phase Epitaxy)法またはＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy）で、エピタキシャル積層体：（バッファ層２／タイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰコンタクト層５）を形成する。本実施の形態では、ｐｎ接合１５はバッファ層２内に配置して、ｐｉｎフォトダイオードを形成するので、バッファ層２中の不純物濃度は抑えたものとする。各受光素子に共通のｎ側電極であるグランド電極１２はｎ型ＩｎＰ基板１にオーミック接触するように配置する。

受光層３には、たとえばＩｎＧａＡｓ（厚み５ｎｍ）／ＧａＡｓＳｂ（厚み５ｎｍ）を交互に５０〜３００ペア成長したタイプ２型のＭＱＷを用いる。ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの組成は、ＩｎＰ基板１に格子整合するように設定する。たとえばＩｎＧａＡｓはＩｎ組成を５３．１ａｔ％程度とし、ＧａＡｓＳｂはＳｂ組成を４８．７ａｔ％程度とするのがよい。このあとＩｎＰからなるコンタクト層５を成長する。膜厚はたとえば０．８μｍとするのがよい。このあと説明するｐ型不純物とくにＺｎの選択拡散濃度分布を調整するために、ＩｎＧａＡｓの拡散濃度分布調整層４を、ＭＱＷ受光層３とＩｎＰコンタクト層５との間に挿入してもよい。図１および図３では、拡散濃度分布調整層４を用いている。拡散濃度分布調整層４を挿入する場合、バンドギャップエネルギが比較的低いために不純物濃度が低い厚み部分（受光層側の所定厚み部分）があっても電気抵抗が大きくなりにくいＩｎＧａＡｓで形成するのがよい。
本発明が対象とする受光素子アレイ５５は、近赤外域からその長波長側に受光感度を有することを追求するので、コンタクト層５には、ＭＱＷ受光層３のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギの材料を用いるのが好ましい。このため、コンタクト層５には、通常、受光層よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合がとりやすいＩｎＰを用いるのがよい。また、コンタクト層５には、ＩｎＰとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。

以後、受光素子アレイ５５の場合について説明するが、基本的な製造方法は受光素子についても変更する必要はない。上述のように、選択拡散マスクパターン３６を用いて選択拡散により、受光素子の周縁部より内側に、平面的に周囲限定してｐ型不純物を拡散導入する。本発明前の受光素子アレイの場合よりもｐ型領域６を深い範囲に形成する必要がある。このために、原料には、金属の亜鉛と、赤燐とを用いて、選択拡散温度を５００℃〜６５０℃の範囲にするのがよい。選択拡散を行ったあと、保護膜３７を選択拡散マスクパターン３６、コンタクト層５を被覆するように配置する。詳細は実施例において説明する。

この後、ＳｉＯＮなどからなる保護膜３７、ｐ側電極である画素電極１１、およびｎ側電極であるグランド電極１２、を蒸着法、フォトリソグラフィ法、エッチングによって所定の位置に形成する。画素電極１１はＡｕＺｎにより、またグランド電極１２はＡｕＧｅＮｉにより、それぞれの半導体領域にオーミック接触するように形成する。また、ＩｎＰ基板１の裏面には全面に、ＳｉＯＮのＡＲ膜３５を形成する。

（実施の形態１の変形例）
図７は、図２に示す受光素子アレイ５５の変形例であり、本発明の一つの実施の形態である。この受光素子アレイ５５では、各画素に共通のグランド電極であるｎ側電極１２が、ｎ型ＩｎＰ基板１のおもて面側（エピタキシャル層側）に設けられている。このｎ側電極１２の位置であっても、各画素のｐ側電極１１との間に電圧を印加してｐｎ接合１５から空乏層を広げることができる。
図８は、図７に示す受光素子アレイ５５を用いたハイブリッド型検出装置１０を示す図であり、図４のハイブリッド型検出装置１０の変形例である。言うまでもなく、図８に示すハイブリッド型検出装置１０も本発明の一つの実施の形態である。ＣＭＯＳ７０に対面するように位置するｎ側電極１２から、接続電極１２ｂが、エピタキシャル層側面を被覆する保護膜３７ｅの上を伝ってＣＭＯＳ側に延び出している。この接続電極１２ｂと、ＣＭＯＳ７０のグランド電極７２との間に、接合バンプ３１ｂが介在して、両者を導電接続している。
図７に示すようなｎ側電極１２の配置をとることで、ハイブリッド型検出装置１０に組み上げたとき、図８に示すようなコンパクトな配線構造を実現することができる。

実施例によって、本発明の実施の形態１におけるｐ型領域６をバッファ層２に至る範囲に形成する方法について検証した。試験体は、本発明例および比較例（本発明前の受光素子アレイ）の２体である。
＜本発明例＞
図６に示すように、石英管２９中に、選択拡散マスクパターン３６を形成した半導体ウエハ５０ａと、赤燐６ｓと、亜鉛線６ｗとを真空封入した。真空封入では、１×１０^−６ｔｏｒｒ程度に真空排気した。真空封入した石英管２９を、６００℃×３０分間加熱した。
＜比較例＞
本発明前の受光素子では、石英管の中に、選択拡散マスクパターンを形成したＩｎＰウエハと、Ｚｎ_３Ｐ_２とを封入して、１×１０^−６ｔｏｒｒ程度に真空排気した。このあと、４８０℃×５０分加熱して受光層に届くように選択拡散させた。

図９に、上記の方法で選択拡散した本発明例および比較例のＺｎの深さ方向の濃度分布を示す。本発明例では、ｐｎ接合１５は、バッファ層２内に位置している。深い位置にまでＺｎを拡散しながら、タイプ２型ＭＱＷ受光層３内におけるＺｎ濃度は、５ｅ１５ｃｍ^−３以上を確保しながら１ｅ１７ｃｍ^−３以下に抑えられている。すなわち受光層３では、Ｚｎ濃度は、５ｅ１５ｃｍ^−３以上、かつ１ｅ１７ｃｍ^−３以下の範囲にある。比較例では、Ｚｎの濃度分布は浅い範囲にあり、ｐｎ接合は受光層の上端に位置している。

本発明例と比較例との選択拡散方法の相違は、つぎのとおりである。
（１）選択拡散の加熱パターンが、本発明例では６００℃×３０分間であるのに比して、比較例では４８０℃×５０分間である。
（２）選択拡散のｐ型不純物の原料が、本発明例では亜鉛線（線材）と、赤燐と、であるのに比して、比較例ではＺｎ_３Ｐ_２である。本発明例における亜鉛線は、亜鉛片などでもかまわない。

図９を参照して、本発明例においてｐｎ接合１５は、次のように、広く解釈されるべきである。受光層３内において、ｐ型不純物元素Ｚｎが選択拡散で導入される側と反対側の領域（バッファ層２）の不純物濃度が、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域（ｉ領域と呼ばれる）であり、上記拡散導入されたｐ型領域６と当該ｉ領域との間に形成される接合をも含むものである。すなわち上記のｐｎ接合は、ｐｉ接合などであってもよく、さらに、これらｐｉ接合におけるｐ濃度が非常に低い場合も含むものである。
上述のように、ＩｎＰコンタクト層５の表面に形成したＳｉＮ選択拡散マスクパターン３６を用いて、その開口部からＺｎを選択拡散してＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ（またはＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ受光層３を経てバッファ層２に届くようにｐ型領域６を形成する。ｐ型領域６のフロント先端部がバッファ層２内においてｐｎ接合１５を形成する。そして、ｐｎ接合１５の近傍におけるＺｎ濃度分布は、傾斜型接合を示すような分布になっている。

上記の製造方法によれば、深さ方向に深い位置にまで、ｐ型不純物を到達させながら、従来と同様に、素子分離用のメサエッチングをすることなくＺｎの選択拡散（受光素子の周縁部の内側になるように平面的に周囲限定した拡散）によって、隣り合う受光素子どうしが分離される。すなわち、Ｚｎ選択拡散領域６が１つの画素部Ｐの主要部となるが、Ｚｎが拡散していない領域が、各画素を分離する。このため、メサエッチングに付随する結晶の損傷などを受けることがなく、暗電流を抑制することができる。

不純物の選択拡散によってｐｎ接合１５を形成する場合、拡散が深さ方向だけでなく横方向（深さ直交方向）にも進行するので、素子間隔を一定以上、狭くすることができない懸念があるが、実際にＺｎの選択拡散を行ってみると、最表面にＩｎＰコンタクト層５があり、その下にＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が配置された構造では、横方向の拡散は、深さ方向と同程度またはそれ以下に収まることが確認された。すなわち、Ｚｎの選択拡散において、Ｚｎは選択拡散マスクパターン３６の開口径よりも横方向に広がるが、その程度は小さく、図３などに模式的に示すように、選択拡散マスクパターン３６の開口部よりも少し広がるだけである。選択拡散マスクパターン３６およびＩｎＰコンタクト層５は、ＳｉＯＮなどからなる保護膜３７で被覆される。

（実施の形態２−光学センサ装置（１）−）
図１０は、本発明の実施の形態２における光学センサ装置２０である撮像装置または視界支援装置を示す図である。本視界支援装置は、自動車の夜間運転における運転者の前方の視界を支援するために、車両に搭載される。車両には、実施の形態１において説明した受光素子アレイ５５と、図示しない、ＣＭＯＳやレンズなど光学素子等とを含むハイブリッド型検出装置１０と、撮像された画像を表示する表示モニタ６１と、これらを駆動制御する制御装置６０とが搭載される。また、図１１は、自動車の夜間運転における運転者の後方の視界を支援するために、車両に搭載される、夜間後方の視界支援装置を示す図である。自動車の後部に後ろ向きに取り付けられた、実施の形態１の受光素子アレイ５５、ＣＭＯＳ、レンズなど光学素子等を含むハイブリッド型検出装置１０で撮像した画像は、運転者の上部前方の表示装置６１に表示される。ハイブリッド型検出装置１０（または受光素子アレイ５５）および表示装置６１は、制御装置６０によって駆動制御される。

本発明より前の車両用視界支援装置では、物体からの赤外域の反射光または放出光を受光して画像とするため、次のような問題があった。反射光を利用する場合、光源が必要であり、搭載スペースを要し、またコスト増となる。また、物体の放射熱を利用する場合、人以外の非発熱体や防寒具を着た歩行者等は認識が難しいため、赤外カメラ以外の認識手段と併用する必要がある。また、光源を使う場合、使用する波長域によっては人体への影響、すなわちアイセーフ対策を講じる必要がある。

本実施の形態における視界支援装置では、上記のような余分の光源やアイセーフ対策は不要である。また、撮像対象の発熱、非発熱を問わない。さらに霧中など水分を含む環境中でも、対象物の鮮明な画像を得ることができる。このため夜間における優れた車両用の視界支援装置を提供することができる。これは、物体からのＳＷＩＲ（Short Wavelength Infra-Red）帯の宇宙光の反射光を利用して、かつ暗電流が十分少なく、優れたダイナミックレンジ（Ｓ／Ｎ）を持つ受光素子を用いているからである。
上記は自動車の視界支援装置であるが、その他、暗視装置、航海支援装置、侵入者監視装置、室内監視装置、高い位置に配置した都市火災監視装置等に利用することができる。

（実施の形態３−光学センサ装置（２）−）
図１２は、本発明の実施の形態３における光学センサ装置２０である生体成分検出装置を示す図である。図１２において、受光部に上述のハイブリッド型検出装置１０を用い、グルコースの近赤外域の長波長域に位置する吸収帯を用いて濃度測定を行う。本実施の形態では、生体を透過した近赤外光を測定してグルコース濃度を求める。人体の反射光を用いてもよい。光は次の経路を通る。
光源６３→照射用ファイバ６４→検出部位（ユビ）→情報搭載光ファイバ６５→回折格子（分光器）９１→ハイブリッド型検出装置１０→制御部８５
上記の経路において、分光器９１は、光源６３と照明用ファイバ６４との間に配置してもよい。
上記の構成により検出部位において血液成分の吸収スペクトルを得ることで、制御部８５において血糖値の絶対値、またはその相対値もしくは大小を検出することができる。図１２に示す例は、ヒトの指の透過光を受光するが、皮膚、筋肉、血液など多くの生体組織の情報を得ることができる。

レファレンス信号の測定は、生体（指）の装入時には退き、生体が退いた時に装入されるように、アクチュエータ６７によって駆動される基準板の透過光によって行う。基準板の厚みは、基準板の材料にもよるが透過光の光量が十分あるように薄くしておくのがよい。基準板の移動は、アクチュエータ６７によって行うことで、位置や姿勢（角度）のばらつきが生じないようにする。
上記は、ハイブリッド型検出装置１０を光学センサ装置２０に組み込み、人体透過光による血糖値の測定に用いた例であるが、その他、人体反射光による血糖値、体脂肪、眼の角膜のコラーゲン、顔面のコラーゲン分布像などの測定に用いることができる。

（実施の形態４−光学センサ装置（３）−）
図１３は、本発明の実施の形態４における光学センサ装置である、生体中の水分検出装置（眼の水分布像形成装置）を示す図である。眼の不具合には、乾き眼、なみだ眼、など水分と関連した症状が多い。このような症状が出たとき、図１３に示すように、角膜Ｃだけでなく、眼Ｅの前面すべての水分布イメージをとることで、その症状を評価することができる。たとえば涙腺に対応する箇所で、水濃度が異常に高いなどを検出することが可能である。凹面鏡６８は近赤外光に対する反射率が大きいものを用いるのがよく、たとえば金（Ａｕ）で形成したものを用いる。凹面鏡６８は、眼の正面ではなく傍らに位置して、光源６３から発して眼の各部からの光を反射して、眼の各部の像をハイブリッド型検出装置１０による撮像装置に結像させるようにする。フィルタ６９は、水の吸収帯に属する１．４μｍ付近の光または１．９μｍの付近の光を透過させるものがよい。制御部８５のマイクロコンピュータ８５ｂは、ハイブリッド型検出装置１０の画素の出力信号に基づいて、眼Ｅにおける水分布像を形成し、表示装置８５ｃに表示する。本発明に係る撮像装置１０は、暗電流が低く、長波長側にまで感度が高いため、Ｓ／Ｎ比の高い、鮮明な水分布像を得ることができる。このため、眼における水の果たす作用、水の動きなどの理解に役立つ。

眼は光に対して非常に敏感に反応するので、できれば光源６３は使用しないことが好ましい。ＳＷＩＲ宇宙光のスペクトルの発光ピークを、光源に用いることができる。たとえばＳＷＩＲの所定の発光ピークの波長は、１．４μｍ付近にあり、水の吸収帯に属する波長である。このため、光源６３を除いて、ＳＷＩＲ宇宙光で代用することができる。または、人工の光源６３を用いるにしても、光を近赤外域に限定して、しかもそのピーク値をＳＷＩＲ宇宙光のピーク強度のたとえば２倍とすることでもよい。上記ＳＷＩＲ宇宙光を光源にすることでアイセーフが確実に実現される。上記のように、ＳＷＩＲ宇宙光を用いたり、強度レベルの低い光源を用いることができるのは、本実施の形態に係る撮像装置を構成するハイブリッド型検出装置１０の暗電流を低くできるからである。すなわち微弱な信号でも、鮮明な画像を形成することができるからである。
上記は生体の部分である眼の水分検出装置の例であるが、このほか、自然産物の水分測定（メロンの水分測定（品質検定）、水分による籾混入率の測定、他の果物、海苔、魚介類、乳製品など）、角膜矯正手術における角膜水分測定、顔面肌など生体の水分測定、紙製品の水分測定、自動排油装置中の油中の水分測定、汚泥の脱水ケーキの水分測定、石炭の水分測定、衣類乾燥機における衣類の水分測定などに用いることができる。

（実施の形態５：光学センサ装置（４））
図１４は、本発明の実施の形態５における光学センサ装置２０である、ごみの燃焼炉においてごみの温度分布を得るための温度分布測定装置である。気体中の成分濃度を検出するための環境モニタ装置の一具体例である。また図１５は温度分布撮像装置２０ａを示す図である。ごみ燃焼炉では、炭素または炭化水素は塊状であり燃料に適した形態で存在するわけではないので、すすは少なく、また水分が多量に存在する。図１６は、ごみ燃焼炉における近赤外スペクトルを示すが、水の発光スペクトル波長λ_２，λ_３が顕著である。本実施の形態においては、水の発光スペクトルが温度によって変化することを利用して、図１７に示す水の吸収スペクトルと合わせて、水の濃度と温度とをモニタリングする。図１７中、（Ｋ１）および（Ｋ２）は、それぞれ１０ｍｍおよび１ｍｍのキュベットセルを用いて測定したものである。発光スペクトルの強度は、水の濃度にも比例するので、２つの発光ピーク波長だけでは、精度のよい測定が難しいので、吸収スペクトルも用いる。
温度分布撮像装置２０ａでは、干渉フィルタ１０ａが重要である。干渉フィルタ１０ａは、上記の水の発光ピーク波長λ_２，λ_３、および複数の吸収ピーク波長のそれぞれに透過波長をもつフィルタとする。たとえば吸収ピーク波長は、図１７に示すように、近赤外域に２つの鋭いピークＭ２，Ｍ３をもつが、干渉フィルタ１０ａは、これらの波長の光を通すようにする。したがって、干渉フィルタ１０ａは、上記の２つの発光ピーク波長と合わせて全部で４種類、または４つの透過波長のフィルタを配置することになる。外部の操作によって自動的に、これら４種類の干渉フィルタを選択する自動選択機構を設けることが望ましい。レンズ等の光学系１０ｃについても自動的にピントを合わせる自動焦点機構を設けるのがよい。たとえば、上記４種類の干渉フィルタに対応して、４つの波長の光について、ごみまたはその少し上方の撮像を行う。これによって４つの波長の像を得ることができる。
予め、水蒸気温度および水蒸気濃度を変えた空気について、上記の波長における光の強度を求め、温度の回帰式を求めておくことができる。この温度回帰式を制御部のマイコン８５ｂに記憶させておく。上記の撮像によって、各位置において、波長ごとの強度を得ることができる。上記の温度回帰式を用いれば、各位置において、温度を求めることができる。このように、水の温度および濃度を両方ともモニタすることで、ごみの燃焼状態を精度よく検知することができる。
従来は、多くの温度センサをごみ焼却装置内に配置していたが、本実施の形態の装置を、焼却炉の上方部または頂部に配置することで、温度センサの数を削減することができる。

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。

本発明の受光素子アレイ等によれば、タイプ２型ＭＱＷの受光層に生じた電子／正孔対の電子はｎ側電極に集め、移動度が小さい正孔についてはＭＱＷをｐ型化することで効率よく画素電極に移動させながら、基板入射でもコンタクト層入射でも、近赤外域に良好な感度を持つことができる。このため、工業、医学、生活物資等の分野において、高品質の製品を得ることができるようになる。

１ ＩｎＰ基板、２ バッファ層、３ 受光層、４ 拡散濃度分布調整層、５ コンタクト層、６ ｐ型領域、６ｓ 赤燐、６ｗ 亜鉛線、１０ ハイブリッド型検出装置、１１ ｐ側電極（画素電極）、１２ ｎ側電極（グランド電極）、１２ｂ 接続電極、１５ ｐｎ接合、２０ 光学センサ装置、２９ 石英管、３１，３１ｂ 接合バンプ、３５ 反射防止膜、３６ 選択拡散マスクパターン、３７，３７ｅ 保護膜、５０ 受光素子、５５ 受光素子アレイ、５０ａ ＩｎＰウエハ、６０ 制御装置、６１ 表示装置、６３ 光源、６４ 照射用光ファイバ、６５ 情報搭載光ファイバ、６７ アクチュエータ、６９ フィルタ、７０ ＣＭＯＳ（読み出し回路）、７１ パッド（読み出し電極）、７２ グランド電極、７６ 凹面鏡、８５ 制御部、８５ｂ マイコン、８５ｃ 表示部、９１ 回折格子（分光器）、Ｐ 画素。

Claims (15)

1. 化合物半導体の基板上に、複数の受光素子が配列された受光素子アレイであって、
   前記基板上に位置するｎ型バッファ層と、
   前記ｎ型バッファ層上に位置する、タイプ２型の多重量子井戸構造からなる受光層と、
   前記受光層の上に位置するコンタクト層と、
   前記受光素子ごとに位置する、前記コンタクト層表面から前記受光層を経て前記ｎ型バッファ層に至るｐ型領域とを備え、
   前記ｐ型領域は、ｐ型不純物が深さ方向に選択拡散によって形成されており、隣の受光素子における前記ｐ型領域とは、選択拡散されていない領域により隔てられており、
   前記ｎ型バッファ層内において、前記ｐ型領域のｐ型キャリア濃度と該ｎ型バッファ層のｎ型キャリア濃度との交差面がｐｎ接合を形成していることを特徴とする、受光素子アレイ。
2. 前記受光層、および前記コンタクト層は、前記ｐ型領域以外はｎ型であり、前記ｐ型領域は周囲をｎ型領域で囲まれていることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子アレイ。
3. 前記多重量子井戸構造の受光層における前記ｐ型領域のｐ型キャリア濃度は、５ｅ１５ｃｍ^−３以上、かつ１ｅ１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の受光素子アレイ。
4. 前記ｎ型バッファ層のｎ型キャリア濃度は、１ｅ１５ｃｍ^−３以上、５ｅ１５ｃｍ^−３以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子アレイ。
5. 前記ｎ型バッファ層の厚みが１μｍ以上、６μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の受光素子アレイ。
6. 前記基板の裏面から光入射するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の受光素子アレイ。
7. 前記基板と逆側の前記コンタクト層側から光入射するように構成され、前記多重量子井戸構造の受光層の厚みが２μｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の受光素子アレイ。
8. 前記化合物半導体の基板がＩｎＰ基板であり、かつ前記受光層を構成するタイプ２型の多重量子井戸構造が、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）のうちのいずれか１つの繰り返しであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の受光素子アレイ。
9. 前記コンタクト層を被覆するように位置し、前記ｐ型領域に開口部を有する選択拡散マスクパターンを備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の受光素子アレイ。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の受光素子アレイと、シリコンに形成された読み出し回路とを備えたハイブリッド型検出装置であって、前記受光素子アレイのｐ側電極ごとに、前記読み出し回路の読出電極とが導電接続されていることを特徴とする、ハイブリッド型検出装置。
11. 前記受光素子アレイにおける基板の裏面から光を入射することを特徴とする、請求項１０に記載のハイブリッド型検出装置。
12. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の受光素子アレイ、請求項１０〜１１のいずれか１項に記載のハイブリッド検出装置を用いたことを特徴とする、光学センサ装置。
13. 化合物半導体の基板上に形成された受光素子であって、
    前記基板上に位置するｎ型バッファ層と、
    前記ｎ型バッファ層上に位置する、タイプ２型の多重量子井戸構造からなる受光層と、
    前記受光層の上に位置するコンタクト層と、
    前記コンタクト層表面から前記受光層を経て前記ｎ型バッファ層に至るｐ型領域と、
    前記ｐ型領域は、前記コンタクト層表面からｐ型不純物が深さ方向に選択拡散によって形成されており、周囲とは選択拡散されていない領域により隔てられており、
    前記ｎ型バッファ層内において、前記ｐ型領域のｐ型キャリア濃度と該ｎ型バッファ層のｎ型キャリア濃度との交差面がｐｎ接合を形成していることを特徴とする、受光素子。
14. 化合物半導体の基板上に、受光素子が配列された受光素子アレイを製造する方法であって、
    前記基板上に、バッファ層を成長する工程と、
    前記バッファ層上に、タイプ２型の多重量子井戸構造の受光層を成長する工程と、
    前記受光層の上にコンタクト層を成長する工程と、
    前記コンタクト層から前記受光素子ごとにｐ型不純物を選択的に拡散してｐ型領域を形成するために、開口部を有する選択拡散マスクパターンを該コンタクト層上に形成する工程と、
    前記選択拡散マスクパターンの開口部からｐ型不純物を選択拡散して、前記コンタクト層表面から前記受光層を経て前記バッファ層に至る前記ｐ型領域を形成する工程とを備えることを特徴とする、受光素子アレイの製造方法。
15. 前記基板をＩｎＰ基板とし、前記タイプ２型の多重量子井戸構造を、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）のうちのいずれか１つの繰り返しとして、前記ｐ型不純物を選択拡散する工程では、容器中に、前記選択拡散マスクパターンを設けられた、製造途中の前記受光素子アレイと、固体状の亜鉛と、赤燐とを封入して、５００℃〜６５０℃の範囲に加熱することを特徴とする請求項１４に記載の受光素子アレイの製造方法。
    
    

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