JP2011253834A - 受光素子、光学センサ装置および受光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 短波長側から長波長側の近赤外域にわたって、受光感度の変動を抑制した、受光素子等を提供する。
【解決手段】この受光素子５０は近赤外域に感度を持ち、ペア数が５０以上の、タイプ２型のＭＱＷの受光層３と、受光層の中に位置し、または該受光層の外面に接して位置し、タイプ２型の遷移におけるバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２の受光層１３と、エピタキシャル積層体の表面から該エピタキシャル積層体内へと位置する、ｐ型領域６とを備え、そのｐ型領域は先端部にｐｎ接合１５を形成しており、そのｐｎ接合が、該第２の受光層１３よりもエピタキシャル積層体の表面に近い位置に位置することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、受光素子、光学センサ装置および受光素子の製造方法であって、より具体的には、近赤外の長波長域にまで受光感度を持つような構成を持つタイプ２型多重量子井戸構造（Multi-Quantum Well）を受光層に含む、受光素子、光学センサ装置および受光素子の製造方法に関するものである。

ＩｎＰ基板を用いたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、バンドギャップエネルギが近赤外域に対応することから、通信用、生体検査用、夜間撮像用などの受光素子の研究開発が行われている。
このなかで、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２型ＭＱＷの受光層を備えるフォトダイオードの試作例が開示されている（非特許文献１）。このフォトダイオードのカットオフ波長は２．３９μｍであり、波長１．７μｍから２．７μｍまでの感度特性が示されている。
また、他の例では、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２型ＭＱＷを備えるフォトダイオードについて、波長１μｍから３μｍまでの感度（温度：２００Ｋ、２５０Ｋ、２９５Ｋ）が開示されている（非特許文献２）。このフォトダイオードでは、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの厚みは、両方とも５ｎｍであり、１５０ペア積層しており、そのカットオフ波長は２．３μｍである。

R.Sidhu, et.al. "ALong-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.12(2005), pp.2715-2717 R.Sidhu, et.al.," A 2.3μm cutoff wavelength photodiode on InPusing lattice-matched GaInAs-GaAsSb type II quantum wells"2005 International Conference on Indium Phosphide and RelatedMaterials

上記のフォトダイオードについては、タイプ２型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのＭＱＷにより受光域の最長波長に研究開発が集中する傾向がある。このため、もっぱら、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の電子が、ＩｎＧａＡｓの伝導帯に遷移するタイプ２型の遷移に関心が集中する。ＧａＡｓＳｂの価電子帯の電子がＩｎＧａＡｓの伝導帯に遷移することから、このタイプ２型の遷移は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、の界面で生じる。
一方、タイプ２型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのＭＱＷにおいて、タイプ１型の遷移、すなわちそれぞれの層の価電子帯の電子が、同じ層の伝導帯へと遷移することも並行して生じる。この場合、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂのバンドギャップはほぼ同じで、タイプ２型の遷移におけるバンドギャップより相当大きいので、タイプ２型遷移による最長波長より相当短い短波長側が受光域となる。
上記の受光素子は、生体組織等の検査に用いられことが想定され、またその他の理由により、０．９μｍ以上の近赤外域で、所定以上の受光感度、とくにほぼ一定の受光感度を持つことが必須である。しかし、上記の非特許文献では、前者においては、波長１．８μｍから２．３μｍまでほぼ一定の受光感度を持つが、波長１．７μｍ以下で急激に高くなっている。また、後者のフォトダイオードでは、長波長側は一定であるが、波長１．５μｍ以下で受光感度は急激に低下している。
上述のように、タイプ２型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのＭＱＷにおいてもそれぞれの量子井戸内でタイプ１型の遷移（受光）が生じて短波長側の受光感度が向上してもよいはずであるが、実際は受光感度の波長依存性が大きく、短波長側で受光感度は低下する。このような、受光感度の変動は避けなければならない。すなわち受光感度の波長依存性は実用的に許容される範囲内に平坦化されるべきである。

本発明は、短波長側から長波長側の近赤外域にわたって、受光感度の変動を抑制した、受光素子、光学センサ装置および受光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の受光素子は、化合物半導体の基板、および該基板上に形成されたエピタキシャル積層体を備え、近赤外域に受光感度を持つ。この受光素子では、エピタキシャル積層体は、ペア数が５０以上の、タイプ２型のＭＱＷの受光層と、受光層の中に位置し、または該受光層の外面に接して位置し、タイプ２型の遷移におけるバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２の受光層と、エピタキシャル積層体の表面から該エピタキシャル積層体内へと位置する、ｐ型またはｎ型の不純物領域とを備える。その不純物領域は先端部にｐｎ接合を形成しており、そのｐｎ接合が、第２の受光層内か、または該第２の受光層よりもエピタキシャル積層体の表面に近い位置に位置することを特徴とする。

本発明の受光素子は、タイプ２型のＭＱＷを含む。このタイプ２型ＭＱＷでは、一方の化合物半導体層（ａ層、たとえばＧａＡｓＳｂ層）は、ＭＱＷの状態で、他方の化合物半導体層（ｂ層、たとえばＩｎＧａＡｓ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（ＧａＡｓＳｂ層）の価電子帯よりはｂ層（ＩｎＧａＡｓ層）の伝導帯のほうが高いエネルギ準位を有する。このａ層の価電子帯とｂ層の伝導帯とのエネルギ差は、ａ層内およびｂ層内の、価電子帯と伝導帯とのエネルギ差よりも相当小さい。タイプ２型の受光（遷移）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。これをタイプ２型の遷移（受光）といい、ａ層とｂ層との界面で生じる現象である。
上記のタイプ２型の遷移は、受光域の最長波長を決め、かつそのため、タイプ２型による受光域は、最長波長を上限とする長波長域、たとえばタイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの例では波長２．６μｍから３μｍのいずれかの波長を最長波長とする。また上記ＭＱＷのタイプ２型遷移では短い方は波長１．７μｍ以上に感度を持つ。
また、一般に、タイプ２型ＭＱＷでは、タイプ２型の遷移だけでなく、タイプ１型の遷移も生起する。タイプ１型の遷移は、上記の界面ではなく、ａ層内およびｂ層内で生じる。通常、タイプ２型ＭＱＷを形成する、ａ層およびｂ層は、ほとんど同じバンドギャップエネルギを有する。タイプ１型の受光が、ａ層内またはｂ層内で生じると、ａ層またはｂ層の価電子帯の電子が、それぞれの層の伝導帯に励起され、それぞれの層の価電子帯に正孔が生じる。このタイプ１型の遷移で受光される光は、当然、タイプ２型で受光される光よりも短波長である。正孔が価電子帯に生じ、また電子が伝導帯へと励起される点では、タイプ１型もタイプ２型も同じである。

ここで、タイプ２型の遷移におけるバンドギャップとは、上記のａ層の価電子帯と、ｂ層の伝導帯との差をいうこととする。実際の受光における電子の遷移では、価電子帯における正孔（電子）のエネルギ準位や、伝導帯における電子のエネルギ準位が、受光される光の波長に影響する。しかし、本発明では、価電子帯や伝導帯内での電子のエネルギ準位までは問題にしないで、ａ層の価電子帯とｂ層の伝導帯との差を対象とする。
また、受光層の外面とは、受光層を構成するＭＱＷが他の材料の層との間に面する面であり、表面（上面）、底面（下面）をいう。受光層の中とは、ＭＱＷを構成する多数のペアの中に割って入って位置することをいう。

従来のタイプ２型ＭＱＷを備える受光素子では、上記のペア数を５０以上に多くして界面でのタイプ２型遷移を生じやすくすることでタイプ２型の受光感度を向上させてきた。しかし、タイプ１型の受光感度が低いためなのか、および／または、その他の理由によってか、短波長側の受光感度が低い受光素子が多くみられた。
上記の構成によって、ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加して空乏層を、該ｐｎ接合から、タイプ２型ＭＱＷの受光層および第２の受光層へと張り出して、各受光層において対応する波長域の光を受光することができる。このため、長波長側の光については、ＭＱＷのタイプ２型の遷移により受光し、短波長側の光については、ＭＱＷのタイプ１型の遷移により、および第２の受光層によって受光することができる。第２の受光層は、タイプ２型遷移はなく、タイプ１型の遷移だけが生じるので、タイプ１型の遷移は不要であり、省略する。この結果、短波長域から長波長域にわたって受光感度の波長依存性が実用上問題ないレベルにまで平坦化された受光素子を得ることができる。
なお、上記の受光素子は、画素は一つでもよいし、複数の画素が一次元または二次元に配列したアレイであってもよい。光入射は、化合物半導体の基板側からでもよいし、エピタキシャル積層体の表面側からでもよい。ただし、画素が複数で二次元配列の場合は、画素電極をＣＭＯＳ等の読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read out IC）の読み出し電極に導電接続するために、基板側から光を入射するほうがよい。
また、上記第２の受光層は、一つだけでなく複数に分かれて位置していてもよい。複数に分かれて位置する場合、その材料は同じでなくてもよく、異なっていてもよい。すなわち、一つの層は同一材料で形成されているが、分かれて配置される場合は、分かれた層は、タイプ２型の遷移におけるバンドギャップよりも大きいバンドギャップを持てば、相互に異なる材料であってよい。
また、ｐｎ接合を先端部に持つ不純物領域は、たとえば選択拡散によって導入された不純物領域でもよいし、成長時に当該不純物と同型の不純物をドープして、周囲をメサエッチングによって除いたあとの不純物領域であってもよい。また、成長時に上記同型の不純物をドーピングしておいて、周囲に反対型の不純物を選択拡散して隔離した状態の不純物領域であってもよい。すなわち周囲と電気的または半導体的に隔離された状態の不純物領域であれば形態は問わない。

基板をＩｎＰ基板とし、受光層を、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下ＩｎＧａＡｓと記す。）とＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２、以下ＧａＡｓＳｂと記す）とのＭＱＷとし、不純物領域をｐ型領域とすることができる。上記の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷのタイプ２型遷移は、最長波長を３．０μｍ〜２．６μｍ程度として、波長１．７μｍ以上をカバーする。上記本発明の受光素子では、ＭＱＷとは別に、タイプ２型の遷移でのバンドギャップより大きいバンドギャップを有する第２の受光素子を備えるので、０．９μｍ〜１．７μｍの範囲の短波長側での低い受光感度は向上する。この受光感度の向上は、短波長側の受光による正孔の数が増えること、およびＭＱＷにおける量子井戸ポテンシャルがない部分の受光層の厚み比率が増えること、の両方による。このため、波長０．９μｍ程度から３．０μｍ〜２．６μｍ程度にかけて感度の波長依存性に優れた受光素子を得ることができる。

上記の受光素子では、ｐ型領域をエピタキシャル積層体の表面側に形成するので、ｐ側電極をＩｎＰ系エピタキシャル積層体の表面に配置する。対をなすｎ側電極は、受光層からみてＩｎＰ基板に近い位置の層（ＩｎＰ基板であってもよい）に配置する。ＩｎＰ基板を用いた場合、ｐ側電極をＩｎＰ系エピタキシャル層の表面に配置する理由は次のとおりである。ＩｎＰ系半導体のｐ型不純物であるＺｎは、これまでに膨大な技術蓄積がある。このＺｎを、ＩｎＰ系エピタキシャル層の表面から選択拡散によって導入して、画素領域を形成することが容易なためである。このため、ｐ側電極をＩｎＰ系エピタキシャル層の表面に配置する。画素領域は、一つまたは複数、形成され、複数の場合はｐ側電極は各画素領域に１つずつ配置される。このためｐ側電極を画素電極と呼ぶことがある。一方、ｎ側電極は共通のグランド電極となる。すなわち、ｐ側電極が、一つの場合および複数の場合、のいずれの場合でも、各画素に共通のグランド電極となる。
上記のｐ側電極およびｎ側電極の配置によって、受光現象が起きると、タイプ１とタイプ２とによらず、正孔はｐ側電極に、また電子はｎ側電極へと、逆バイアス電界によって誘導される。

画素が複数で二次元配列になる場合、画素電極（ｐ側電極）から電荷を読み出す配線が複雑になり、光伝播の障害になるので、エピタキシャル層側を光入射面にすることはできない。このため、ＩｎＰ基板側から光入射を行う。ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等で形成された読み出し配線(ROIC:Read Out IC)の読み出し電極は、ｐ側電極に導電接続される。
光がＩｎＰ基板側から入射されると、ＩｎＰ基板に近い範囲のＭＱＷで受光が生じて正孔および電子が発生する。正孔は、電子に比べて移動度が小さいことが知られている。逆バイアス電界があるとはいえ、移動度が小さいうえに正孔は多くの量子井戸のポテンシャルを繰り返し越えてｐ側電極に到達しなければならない。このため、ｐ側電極に到達できない正孔が多く生じ、受光感度の低下を生じる。タイプ１型の遷移でもタイプ２型の遷移で生じた正孔は、どちらも、同じ程度にｐ側電極に到達しにくいはずである。しかし、従来の実際の結果は、上述のように、近赤外域の長波長側の受光感度は比較的高いのに比べて、短波長側では受光感度は低い。

ＭＱＷにおいてＧａＡｓＳｂと対をなすＩｎＧａＡｓを、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＰおよびＩｎＧａＡｓＮＳｂのいずれか一つで置き換えることができる。これによって、より最長波長をより長波長側に拡大することが可能になる。

第２の受光層を、全厚み０．１μｍ以上１μｍ以下のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下ＩｎＧａＡｓと記す。）層とすることができる。これによって波長０．９μｍ以上の範囲に、受光感度の波長依存性が良好な受光素子を得ることができる。通常、ＭＱＷの受光層は、全膜厚２μｍ〜５μｍなので、上記の第２の受光層は、厚み０．５μｍのとき、受光層全体の９％程度〜２０％程度の比率となる。

受光素子において、波長１．３μｍの受光感度と波長２．０μｍの受光感度との比を、０．３以上１．２以下の範囲内とすることができる。これによって、実用上で問題ないレベルの受光感度の平坦性を有する受光素子を得ることができる。

上記のエピタキシャル積層体の内部、または該エピタキシャル積層体と基板との間に、再成長界面がないようにできる。ここで、再成長界面とは、所定の成長法で第１結晶層を成長させたあと、一度、大気中に出して、別の成長法で、第１結晶層上に接して第２結晶層を成長させたときの第１結晶層と第２結晶層との界面をいう。通常、酸素、炭素、珪素が不純物として高濃度に混入する。これによって結晶性に優れ、かつ表面が平滑なエピタキシャル積層体を得ることができる。このため、暗電流を低くでき、高いＳ／Ｎ比の受光素子を得ることができる。
また、受光素子を能率よく製造することができる。すなわち、このあと説明するように、（バッファ層〜ＭＱＷ）からＰを含むＩｎＰ窓層まで、一貫して全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長するので、同じ成長槽内で、連続して製造を遂行することができる。また、たとえば燐を含むＩｎＰ窓層を形成しても、原料に固体の燐を用いないので、成長槽の内壁に燐が固着しない。このためメンテナンス時に発火などのおそれがなく、安全上も優れている。
これによって結晶性に優れ、かつ表面が平滑なエピタキシャル積層体を得ることができる。このため、暗電流を低くでき、高いＳ／Ｎ比の受光素子を得ることができる。

本発明の光学センサ装置は、上記のいずれかの受光素子を備えることを特徴とする。これによって、受光感度の波長依存性が問題ないレベルに平坦な光学センサ装置を得ることができる。この光学センサ装置は、半導体素子（受光素子）の各画素からの読み出し電極を備えたＣＭＯＳ、分光器（回折格子）、レンズなどの光学素子、マイコンなどの制御装置等を含むことができる。

本発明の受光素子の製造方法は、ＩｎＰ基板の上にタイプ２型の、ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとのＭＱＷの受光層を備えた受光素子を製造する。この製造方法は、ＩｎＰ基板の上にＭＱＷを成長する工程を備え、そのＭＱＷ成長工程の（１）前に、もしくは（２）後に、または（３）該ＭＱＷの成長の途中で該ＭＱＷの成長を一時的に停止して、ＭＱＷのタイプ２型の遷移におけるバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２の受光層を形成することを特徴とする。
上記の構成によって、この結果、短波長域から長波長域にわたって受光感度の波長依存性が実用上問題ないレベルにまで平坦化された受光素子を得ることができる。

エピタキシャル積層体の表面をＩｎＰ窓層として、ＩｎＰ基板上に、ＭＱＷ、第２の受光層およびＩｎＰ窓層を含むエピタキシャル積層体を、一貫して、全有機金属気相成長法により成長することができる。ここで、全有機気相成長法は、気相成長に用いる原料のすべてに、有機物と金属との化合物で構成される有機金属原料を用いる成長方法のことをいい、全有機ＭＯＶＰＥ法と記す。
上記の方法によれば、上述の受光素子を能率よく製造することができる。すなわち、Ｐを含むＩｎＰ窓層まで、一貫して全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長するので、同じ成長槽内で、連続して製造を遂行することができる。このため再成長界面を持たないので結晶性のよいエピタキシャル層を得ることができ、暗電流の抑制等を実現することができる。また、燐を含むＩｎＰ窓層を形成しても、原料に固体の燐を用いないので、成長槽の内壁に燐が固着しない。このためメンテナンス時に発火などのおそれがなく、安全上も優れている。
全有機ＭＯＶＰＥ法におけるその他の利点は、各層間で急峻なヘテロ界面をもつＭＱＷを得ることができる。急峻なヘテロ界面をもつＭＱＷによって、高精度のスペクトル分光等を行うことができる。

ＭＱＷの形成工程では、温度４００℃以上かつ５６０℃以下で、ＭＱＷを形成することができる。これによって、結晶性に優れたＭＱＷを得ることができ、暗電流をより一層低くすることができる。上記の温度は、基板表面温度を赤外線カメラおよび赤外線分光器を含むパイロメータでモニタしており、そのモニタされている基板表面温度をいう。したがって、基板表面温度ではあるが、厳密には、基板上に成膜がなされている状態の、エピタキシャル層表面の温度である。基板温度、成長温度、成膜温度など、呼称は各種あるが、いずれも上記のモニタされている温度をさす。

本発明の受光素子等によれば、短波長側から長波長側にわたって、受光感度の波長依存性を実用上問題ないレベルにまで平坦化することができる。とくにＩｎＰ基板、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層、およびＩｎＧａＡｓの第２の受光層を用いることで、波長０．９μｍ程度の短波長から波長３μｍ程度の長波長にわたって、受光感度が平坦な受光素子等を得ることができる。さらに、たとえば全有機ＭＯＶＰＥ法を適用することで、受光層のＭＱＷからＩｎＰ窓層まで一貫して成長するので、製造能率は高く、燐の成長槽内面への付着がないので、安全性でも優れている。

本発明の実施の形態１における受光素子を示す図である。 図１の受光素子における受光域を説明するための図であり、（ａ）はタイプ２型ＭＱＷの受光層、（ｂ）は第２の受光層、のバンド構造を示す。 全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置の配管系統等を示す図である。 （ａ）は有機金属分子の流れと温度の流れを示す図であり、（ｂ）は基板表面における有機金属分子の模式図である。 図１の受光素子５０の製造方法のフローチャートである。 実施の形態１の変形例１の受光素子を示す図である。 実施の形態１の変形例２の受光素子を示す図である。 本発明の実施の形態２における、受光素子（受光素子アレイ）を含む光学センサ装置である。 実施例における各試験体の受光感度の波長依存性を示す図である（エピタキシャル積層体表面入射の場合）。 実施例における各試験体の受光感度の波長依存性を示す図である（基板入射の場合）。

（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は、ＩｎＰ基板１の上に次のＩｎＰ系エピタキシャル積層体を有する。
（ｎ型ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＰバッファ層２／タイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３と、該受光層３の間に位置する第２の受光層１３であるＩｎＧａＡｓ層と、からなる複合受光層／拡散濃度分布調整のためのＩｎＧａＡｓ層４／ＩｎＰ窓層５）
ＩｎＰ窓層５からＩｎＧａＡｓ層４を経て受光層３内にわたって位置するｐ型領域６は、ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６の開口部から、ｐ型不純物のＺｎが選択拡散されることで形成される。選択拡散マスクパターンの開口部を調整することで、ｐ型領域６を側面から所定距離隔てられるように形成することができる。ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極１２が、それぞれオーミック接触するように設けられている。ＩｎＰ基板１にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。

ＭＱＷの受光層３および第２の受光層１３は、アンドープであり、意図して不純物をドープはしていない。このため真性半導体（イントリンシック：ｉ型）といえるが、意図しないで微量のｎ型不純物が含まれることが通例である。意図せずにｎ型不純物が含まれる場合にも、微量であることからｉ型もしくは真性またはアンドープという。ｐ型領域６の先端部のｐ型キャリア濃度分布と、受光層３における低濃度のｎ型キャリア濃度のバックグランドとが交差する面がｐｎ接合１５を決める。すなわち濃度勾配がついたｐ型キャリア濃度値が、ｎ型キャリアのバックグランド濃度値と一致する面がｐｎ接合１５を形成する。したがってｐｎ接合であるが、ｐｉ接合といってもよい。ｐｉｎ型フォトダイオードの由来である。
ＭＱＷの受光層３におけるｎ型キャリアのバックグラウンドは、ｎ型キャリア濃度で５Ｅ１５ｃｍ^−３程度またはそれ以下である。ｐ型領域６はＭＱＷの受光層３に少し入るように形成されるが、そのＭＱＷの受光層３内では、Ｚｎ濃度は５Ｅ１６ｃｍ^−３以下にするのがよい。
上記の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。このため、ｐｎ接合１５に逆バイアス電圧を印加すると、低濃度のｎ型領域またはｉ型領域である受光層３側に空乏層はより大きく張り出す。空乏層を受光層３の側（受光層３および第２の受光層１３）に大きく張り出すことで、受光層３および第２の受光層での受光にそなえる。
ＩｎＧａＡｓ層４は、受光層３を構成するＭＱＷ内でのｐ型不純物の濃度分布を調整するために配置されるが、このＩｎＧａＡｓ層４はなくてもよい。また、図１では、ＩｎＰ基板１の裏面にＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射するようにして使用するようになっている。しかし、本発明の受光素子は、基板（裏面）入射でも、エピタキシャル積層体（表面）入射でもよい。

上述の空乏層は、受光待機のとき、ｐｎ接合１５から、上側のＭＱＷの受光層３／第２の受光層１３／下側のＭＱＷの受光層３、へと張り出される。光がＩｎＰ基板１側またはＩｎＰ窓層５側から入射されると、光は受光層３または第２の受光層１３で受光され、受光によって生じた電子／正孔対は、逆バイアス電界によって電子と正孔とに分離されるように互いに逆方向に誘導される。

本実施の形態における受光素子のポイントは次の点にある。
（１）ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂのペア数を５０以上とする。これによって、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂの界面において、タイプ２型の遷移（受光）を十分多く生じることができ、長波長側の受光感度を確保することができる。すなわち、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂに即して述べれば、波長１．７μｍ以上の近赤外域の長波長側の受光感度を確保することができる。この結果、本発明の対象とする受光素子は、近赤外域の長波長側に十分高い受光感度をもつ。長波長側の受光感度が過大にならないために、ペア数は５００以下にするのがよい。
（２）本発明では、タイプ２型ＭＱＷの受光層３に加えて、第２の受光層１３を備える点にポイントがある。この第２の受光層１３は、その伝導帯と価電子帯とのエネルギ差が、タイプ２型の遷移におけるバンドギャップ、すなわちＩｎＧａＡｓの伝導帯とＧａＡｓＳｂの価電子帯とのエネルギ差、よりも大きい。

図２は、上記のポイント（１）および（２）を説明するための図である。図２（ａ）は、タイプ２型ＭＱＷの受光層３のバンド構造を示し、また図２（ｂ）は、第２の受光層１３のバンド構造を示す。図２（ａ）において、タイプ２型の遷移（受光）では、ＧａＡｓＳｂの価電子帯に位置する電子が、波長λ_２（＞λ_１）以下の光を吸収してＩｎＧａＡｓの伝導帯に励起される。上述したように、タイプ２型の遷移におけるバンドギャップは、ＩｎＧａＡｓの伝導帯ＥｃとＧａＡｓＳｂの価電子帯Ｅｖとの差ΔＥ_{ｔｙｐｅ２}である。
また、タイプ１型の遷移では、ＧａＡｓＳｂまたはＩｎＧａＡｓの価電子帯に位置する電子が、波長λ_１（＜λ_２）以下の光を吸収して、同じ層内の伝導帯に励起される。タイプ２型の遷移は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ界面でおいてのみ生じ、一方、タイプ１型の遷移は、ＩｎＧａＡｓ層内またはＧａＡｓＳｂ層内において生じる。タイプ１型およびタイプ２型の遷移は、両方ともＭＱＷの価電子帯に正孔を生じ、伝導帯に電子を生じる。電子は移動度が大きいが、正孔は、電子に比べて、相当、移動度が小さい。
ＭＱＷの価電子帯には、量子井戸ポテンシャルが多数繰り返し形成されており、移動度が小さい正孔が多数の量子井戸ポテンシャルを超えてｐ型領域６に到達することは容易ではない。理由は不明であるが、タイプ２型の遷移による受光感度、したがって長波長の光の受光感度は、タイプ１型の遷移による受光感度より大きい。このため、図２（ａ）に示すＭＱＷの受光層３のみでは、波長１．７μｍ程度以上の長波長泡の受光感度は良好ではあるが、それより短い短波長側の受光感度は実用レベルに達しない。このため、図１に示すように、ＭＱＷの中に割って入るように第２の受光層１３を設ける。第２の受光層１３では、図２（ｂ）に示すように、当該層では単一半導体材料（ＩｎＧａＡｓ）なので、もっぱら波長λ_１以下の短波長側の光を受光する。第２の受光層１３のバンドギャップは、当該ＩｎＧａＡｓの伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖとの差ΔＥである。ΔＥはΔＥ_{ｔｙｐｅ２}より大きい。このため、ＭＱＷのタイプ１型遷移による感度は高くなくても、第２の受光層１３によって、短波長域の受光感度を向上することができる。この結果、第２の受光層１３の配置によって、近赤外域の波長０．９μｍ〜３．０μｍにわたって、受光感度の波長依存性が良好な受光素子を実現することができる。

＜ＭＱＷの受光層３および第２の受光層１３の成長方法＞
次に製造方法について説明する。ＩｎＰ基板１を準備して、その上に、ＩｎＰバッファ層２／タイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３と、ＩｎＧａＡｓからなる第２の受光層１３との複合受光層／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５、を全有機ＭＯＶＰＥ法で成長する。ここでは、とくにタイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３の成長方法を詳しく説明する。
図３に全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置６０の配管系統等を示す。反応室（チャンバ）６３内に石英管６５が配置され、その石英管６５に、原料ガスが導入される。石英管６５中には、基板テーブル６６が、回転自在に、かつ気密性を保つように配置される。基板テーブル６６には、基板加熱用のヒータ６６ｈが設けられる。成膜途中のウエハ５０ａの表面の温度は、反応室６３の天井部に設けられたウィンドウ６９を通して、赤外線温度モニタ装置６１によりモニタされる。このモニタされる温度が、成長するときの温度、または成膜温度もしくは基板温度等と呼ばれる温度である。本発明における製造方法における、温度４００℃以上かつ５６０℃以下でＭＱＷを形成する、というときの４００℃以上および５６０℃以下は、この温度モニタで計測される温度である。石英管６５からの強制排気は真空ポンプによって行われる。

原料ガスは、石英管６５に連通する配管によって、供給される。全有機ＭＯＶＰＥ法は、原料ガスをすべて有機金属気体の形態で供給する点に特徴がある。図７では、不純物等の原料ガスは明記していないが、不純物も有機金属気体の形態で導入される。有機金属気体の原料は、恒温槽に入れられて一定温度に保持される。搬送ガスには、水素（Ｈ_２）および窒素（Ｎ_２）が用いられる。有機金属気体は、搬送ガスによって搬送され、また真空ポンプで吸引されて石英管６５に導入される。搬送ガスの量は、ＭＦＣ（Mass Flow Controller:流量制御器）によって精度よく調節される。多数の、流量制御器、電磁弁等は、マイクロコンピュータによって自動制御される。

ウエハ５０ａの製造方法について説明する。まず、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板１に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を、たとえば膜厚１５０ｎｍ程度に、エピタキシャル成長させる。ｎ型のドーピングには、ＴｅＥＳｉ（テトラエチルシラン）を用いるのがよい。このときの原料ガスには、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）およびＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）を用いる。このＩｎＰバッファ層２の成長には、無機原料のＰＨ_３（ホスフィン）を用いて行っても良い。このＩｎＰバッファ層２の成長では、成長温度を６００℃程度あるいは６００℃程度以下で行っても、下層に位置するＩｎＰ基板の結晶性は６００℃程度の加熱で劣化することはない。しかし、ＩｎＰ窓層を形成するときには、下層にＧａＡｓＳｂを含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ５６０℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃程度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化する点、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰ窓層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰ層内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰ窓層を得られない点があげられる。

次いで、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを量子井戸のペアとするタイプ２型のＭＱＷの受光層３を形成する。量子井戸におけるＧａＡｓＳｂは、膜厚はたとえば５ｎｍとし、またＩｎＧａＡｓ３ｂの膜厚もたとえば５ｎｍとする。図１では、第２の受光層のＩｎＧａＡｓ層１３を挟んで、上下で２００ペアの量子井戸を積層してＭＱＷの受光層３を形成している。ＧａＡｓＳｂの成膜では、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）およびＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）を用いる。また、ＩｎＧａＡｓについては、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、およびＴＢＡｓを用いることができる。これらの原料ガスは、すべて有機金属気体であり、化合物の分子量は大きい。このため、４００℃以上かつ５６０℃以下の比較的低温で完全に分解して、結晶成長に寄与することができる。ＭＱＷの受光層３を全有機ＭＯＶＰＥによって、量子井戸の界面の組成変化を急峻にするすることができる。この結果、高精度の分光測光をすることができる。

Ｇａ（ガリウム）の原料としては、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）でもよいし、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）でもよい。Ｉｎ（インジウム）の原料としては、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）でもよいし、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）でもよい。Ａｓ（砒素）の原料としては、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）でもよいし、ＴＭＡｓ(トリメチル砒素)でもよい。
上記のＧａ、Ｉｎ、およびＡｓの原料は、ＭＱＷのＩｎＧａＡｓを形成するときに用いることができるが、第２の受光層１３をＩｎＧａＡｓで形成するときにも用いることができる。以下では、ＭＱＷの成長について詳しく説明するが、ＭＱＷの中に割って入って第２の受光層１３をＩｎＧａＡｓによって形成する場合、ＭＱＷの中のＩｎＧａＡｓ層の膜厚を厚くする点が相違するだけである（図５参照）。

Ｓｂ(アンチモン)の原料としては、ＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）でもよいし、ＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）でもよい。また、ＴＩＰＳｂ(トリイソプロピルアンチモン)、また、ＴＤＭＡＳｂ(トリスジメチルアミノアンチモン)でもよい。これらの原料を用いることによって、ＭＱＷの結晶品質が優れた半導体素子を得ることができる。この結果、たとえば受光素子等に用いた場合、暗電流の小さい、かつ、感度が大きい受光素子を得ることができる。さらには、その受光素子を用いて、より鮮明な像を撮像するこが可能となる光学センサ装置、たとえば撮像装置を得ることができる。

次に、全有機ＭＯＶＰＥ法によって、ＭＱＷ３を形成するときの原料ガスの流れ状態について説明する。原料ガスは、配管を搬送されて、石英管６５に導入されて排気される。原料ガスは、何種類でも配管を増やして石英管６５に練通させることができる。たとえば十数種類の原料ガスであっても、電磁バルブの開閉によって制御される。
原料ガスは、流量の制御は、図３に示す流量制御器（ＭＦＣ）によって制御された上で、石英管６５への流入を電磁バルブの開閉によってオンオフされる。そして、石英管６５からは、真空ポンプによって強制的に排気される。原料ガスの流れに停滞が生じる部分はなく、円滑に自動的に行われる。よって、量子井戸のペアを形成するときの組成の切り替えは、迅速に行われる。
図３に示すように、基板テーブル６６は回転するので、原料ガスの温度分布は、原料ガスの流入側または出口側のような方向性をもたない。また、ウエハ５０ａは、基板テーブル６６上を公転するので、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスの流れは、乱流状態にあり、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスであっても、ウエハ５０ａに接する原料ガスを除いて導入側から排気側への大きな流れ方向の速度成分を有する。したがって、基板テーブル６６からウエハ５０ａを経て、原料ガスへと流れる熱は、大部分、常時、排気ガスと共に排熱される。このため、ウエハ５０ａから表面を経て原料ガス空間へと、垂直方向に大きな温度勾配または温度段差が発生する。
さらに、本発明の実施の形態では、基板温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という低温域に加熱される。このような低温域の基板表面温度でＴＢＡｓなどを原料とした全有機ＭＯＶＰＥ法を用いる場合、その原料の分解効率が良いので、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスで多重量子井戸構造の成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られる。

図４（ａ）は有機金属分子の流れと温度の流れを示す図であり、図４（ｂ）は基板表面における有機金属分子の模式図である。これらの図は、多重量子井戸構造のヘテロ界面で急峻な組成変化を得るために、表面温度の設定が重要であることを説明するための図である。
ウエハ５０ａの表面はモニタされる温度とされているが、ウエハ表面から少し原料ガス空間に入ると、上述のように、急激に温度低下または大きな温度段差が生じる。このため分解温度がＴ１℃の原料ガスの場合、基板表面温度は、（Ｔ１＋α）に設定し、このαは、温度分布のばらつき等を考慮して決める。ウエハ５０ａ表面から原料ガス空間にかけて急激で大きな温度降下または温度段差がある状況において、図４（ｂ）に示すような、大サイズの有機金属分子がウエハ表面をかすめて流れるとき、分解して結晶成長に寄与する化合物分子は表面に接触する範囲、および表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲、のものに限られると考えられる。したがって、図４（ｂ）に示すように、ウエハ表面に接する範囲の有機金属分子、および、ウエハ表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲以内に位置する分子、が、主として、結晶成長に寄与して、それより外側の有機金属分子は、ほとんど分解せずに石英管６５の外に排出される、と考えられる。ウエハ５０ａの表面付近の有機金属分子が分解して結晶成長したとき、外側に位置する有機金属分子が補充に入る。
逆に考えると、ウエハ表面温度を有機金属分子が分解する温度よりほんのわずかに高くすることで、結晶成長に参加できる有機金属分子の範囲をウエハ５０ａ表面上の薄い原料ガス層に限定することができる。

上記のことから、真空ポンプで強制排気しながら上記ペアの化学組成に適合した原料ガスを電磁バルブで切り替えて導入するとき、わずかの慣性をもって先の化学組成の結晶を成長させたあとは、先の原料ガスの影響を受けず、切り替えられた化学組成の結晶を成長させることができる。その結果、ヘテロ界面での組成変化を急峻にすることができる。これは、先の原料ガスが、石英管６５内に実質的に残留しないことを意味しており、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスで多重量子井戸構造の成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られる（成膜要因１）ことに起因する。すなわち、図３から分かるように、量子井戸の一方の層を形成させたあと、真空ポンプで強制排気しながら電磁バルブを開閉して、他方の層を形成する原料ガスを導入したとき、少しの慣性をもって結晶成長に参加する有機金属分子はいるが、その補充をする一方の層の分子はほとんど排気されて、なくなっている。ウエハ表面温度を、有機金属分子の分解温度に近づけるほど、結晶成長に参加する有機金属分子の範囲（ウエハ表面からの範囲）は小さくなる。
このＭＱＷを形成する場合、６００℃程度の温度範囲で成長するとＭＱＷのＧａＡｓＳｂ層に相分離が起こり、清浄で平坦性に優れたＭＱＷの結晶成長表面、および、優れた周期性と結晶性を有するＭＱＷを得ることができない。このことから、成長温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という温度範囲にする（成膜要因２）が、この成膜法を全有機ＭＯＶＰＥ法にして、原料ガスすべてを分解効率の良い有機金属気体にすること（成膜要因３）に、成膜要因１が強く依拠している。

＜半導体素子の製造方法＞
図１に示した半導体素子５０では、タイプ２型ＭＱＷの受光層３の上には、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が位置し、そのＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上にＩｎＰ窓層５が位置している。ＩｎＰ窓層５の表面に設けた選択拡散マスクパターン３６の開口部からｐ型不純物のＺｎが選択拡散されてｐ型領域６が設けられる。そのｐ型領域６の先端部にｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５が形成される。このｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５に、逆バイアス電圧を印加して空乏層を形成して、光電子変換による電荷を捕捉して、電荷量に画素の明るさを対応させる。ｐ型領域６またはｐｎ接合１５もしくはｐｉ接合１５は、画素を構成する主要部である。ｐ型領域６にオーミック接触するｐ側電極１１は画素電極であり、接地電位にされるｎ側電極１２との間で、上記の電荷を画素ごとに読み出す。ｐ型領域６の周囲の、ＩｎＰ窓層表面には、上記の選択拡散マスクパターン３６がそのまま残される。さらに図示しないＳｉＯＮ等の保護膜が被覆される。選択拡散マスクパターン３６をそのまま残すのは、ｐ型領域６を形成したあと、これを除いて大気中に暴露すると、窓層表面のｐ型領域との境界に表面準位が形成され、暗電流が増大するからである。
図５に示すようにＭＱＷの形成からＩｎＰ窓層５の形成まで、全有機ＭＯＶＰＥ法によって同じ成膜室または石英管６５の中で成長を続けることが、一つのポイントになる。すなわち、ＩｎＰ窓層５の形成の前に、成膜室からウエハ５０ａを取り出して、別の成膜法によってＩｎＰ窓層５を形成することがないために、再成長界面を持たない。ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＩｎＰ窓層５とは、石英管６５内において連続して形成されるので、界面１６，１７は再成長界面ではない。再成長界面では、酸素濃度１Ｅ１７ｃｍ^−３以上、炭素濃度１Ｅ１７ｃｍ^−３以上、珪素濃度１Ｅ１７ｃｍ^−３以上、となり、結晶性は劣化し、エピタキシャル積層体の表面は平滑になりにくい。本発明では、酸素、炭素および珪素の濃度がいずれも所定レベル以下であり、とくにｐ型領域６と界面１７との交差線において電荷リークが生じることはない。

本実施の形態では、ＭＱＷの受光層３の上に、たとえば膜厚０．３μｍ程度のノンドープＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布層４を形成する。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布層４は、ＩｎＰ窓層５を形成したあと、選択拡散法によってＩｎＰ窓層５からｐ型不純物のＺｎをＭＱＷの受光層３に届くように導入するとき、高濃度のＺｎがＭＱＷに進入すると、結晶性を害するので、その調整のために設ける。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、上記のように配置してもよいが、なくてもよい。
上記の選択拡散によってｐ型領域６が形成され、その先端部にｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５が形成される。ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４を挿入した場合であっても、ＩｎＧａＡｓはバンドギャップが小さいのでノンドープであっても受光素子の電気抵抗を低くすることができる。電気抵抗を低くすることで、応答性を高めて良好な画質の動画を得ることができる。
ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上に、同じ石英管６５内にウエハ５０ａを配置したまま連続して、アンドープのＩｎＰ窓層５を、全有機ＭＯＶＰＥ法によってたとえば膜厚０．８μｍ程度にエピタキシャル成長するのがよい。原料ガスには、上述のように、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）およびターシャリーブチルホスフィン（ＴＢＰ）を用いる。この原料ガスの使用によって、ＩｎＰ窓層５の成長温度を４００℃以上かつ５６０℃以下に、さらには５３５℃以下にすることができる。この結果、ＩｎＰ窓層５の下に位置するＭＱＷのＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けることがなく、ＭＱＷの結晶性が害されることがない。ＩｎＰ窓層５を形成するときには、下層にＧａＡｓＳｂを含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ５６０℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃程度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化する点、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰ窓層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰ窓層５内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰ窓層５を得られない点があげられる。

上記したように、従来は、ＭＱＷをＭＢＥ法によって形成する必要があった。ところが、ＭＢＥ法によってＩｎＰ窓層を成長するには、燐原料に固体の原料を用いる必要があり、安全性などの点で問題があった。また製造能率という点でも改良の余地があった。
本発明前は、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＩｎＰ窓層５との界面１７は、いったん大気に露出された再成長界面であった。再成長界面は、二次イオン質量分析によって、酸素濃度が１Ｅ１７ｃｍ^−３以上、炭素濃度が１Ｅ１７ｃｍ^−３以上、および、珪素濃度が１Ｅ１７ｃｍ^−３以上のうち、少なくとも一つを満たすことによって特定することができる。再成長界面は、ｐ型領域と交差線を形成し、交差線で電荷リークを生じて、画質を著しく劣化させる。
また、たとえばＩｎＰ窓層を単なるＭＯＶＰＥ法によって成長すると、燐の原料にホスフィン（ＰＨ_３）を用いるため、分解温度が高く、下層に位置するＧａＡｓＳｂの熱によるダメージの発生を誘起してＭＱＷの結晶性を害することとなる。

図５は、図１の受光素子５０の製造方法のフローチャートである。この製造方法によれば、原料ガスに有機金属気体のみを用いて（成膜要因３）成長温度を低下させること（成膜要因２）、および、ＩｎＰ窓層５の形成が終了するまで、一貫して同じ成膜室または石英管６５の中で形成するので、再結晶界面を持たないこと（成膜要因４）が重要である。これによって、電荷リークが少ない、結晶性に優れた、２μｍ〜５μｍの波長領域に受光感度を持つフォトダイオードを能率良く、大量に製造することができる。

（実施の形態１の変形例１および変形例２）
図６は、実施の形態１の変形例１であって、本発明の一実施例である受光素子を示す図である。本変形例１では、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＭＱＷ受光層３との間に、ＩｎＧａＡｓからなる第２の受光層１３を配置している。第２の受光層を形成するＩｎＧａＡｓの膜厚は０．５μｍである。ｐｎ接合１５は、第２の受光層１３内に少し入っている。この第２の受光層１３によって、近赤外域の短波長側の受光感度を向上させて、受光感度の波長依存性が全波長域にわたって良好な受光素子を得ることができる。

図７は、実施の形態１の変形例２であって、本発明の一実施例である受光素子を示す図である。本変形例２では、ＭＱＷ受光層３と、ＩｎＰバッファ層２との間に、０．５μｍ厚みのＩｎＧａＡｓからなる第２の受光層１３を配置している。ｐｎ接合１５は、第２の受光層１３よりも大きく上側、すなわちＩｎＰ窓層５側に位置している。この第２の受光層１３によって、近赤外域の短波長側の受光感度を向上させて、受光感度の波長依存性が全波長域にわたって良好な受光素子を得ることができる。
図１、図６、および図７に示す受光素子５０は、第２の受光層１３と、ＭＱＷの受光層３との相対的な位置が違うだけで、他の構成は同じである。ｐｎ接合１５に逆バイアス電圧を印加するとき、逆バイアス電圧の大きさによって、空乏層の広がる程度が異なる。たとえば、図７に示す受光素子（変形例２）では、逆バイアス電圧の絶対値が小さいとき、空乏層が第２の受光層に届かない可能性がある。また、図７の受光素子（変形例２）では、第２の受光層１３で受光によって生じた正孔は、全ての量子井戸ポテンシャルを越えなければｐ型領域６に到達しない。このため、第２の受光層に起因する受光感度の向上が得られない場合がある。

（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（受光素子アレイ）５０を含む光学センサ装置１０である。レンズなどの光学部品は省略してある。ＳｉＯＮ膜からなる保護膜４３が、図８では示されているが、実際には図１にも配置されている。受光素子５０は、図１に示す受光素子と積層構造は同じであり、異なる点は、複数の受光素子または画素Ｐが配列されていることである。また、界面１６，１７が、再成長界面ではなく、酸素、炭素、珪素等の不純物濃度がいずれも低いことなども図１の受光素子と同じである。

図８では、この受光素子アレイ５０と、読み出し回路（Read-Out IC）を構成するＣＭＯＳ７０とが、接続されている。ＣＭＯＳ７０の読み出し電極（図示せず）と、受光素子アレイ５０の画素電極（ｐ側電極）１１とは、接合バンプ３９を介在させて接合されている。また、受光素子アレイ５０の各画素に共通のグランド電極（ｎ側電極）１２と、ＣＭＯＳ７０の図示しない接地電極とが、バンプ１２ｂを介在させて接合されている。ＣＭＯＳ７０と受光素子アレイ５０とを組み合わせて、画素ごとに受光情報を集積して、撮像装置等を得ることができる。
上述のように、本発明の受光素子アレイ（半導体素子）５０は、短波長側〜長波長側の近赤外域に、波長依存性が良好な受光感度を有している。また、全有機ＭＯＶＰＥで一貫して成長されて再成長界面を持たない。このため、暗電流（リーク電流）が小さいので、動植物等の生体の検査、環境モニタ等に用いることで、高精度の検査を遂行することができる。

４つの試験体（受光素子）を製造して受光感度を測定した。試験体は次のとおりである。
（本発明例Ａ）：図７に示す実施の形態１の変形例２の受光素子と同じ構造とした。第２の受光層は、ＩｎＰバッファ層とＭＱＷ受光層との間に位置する。
（本発明例Ｂ）：図１に示す実施の形態１の受光素子と同じ構造とした。第２の受光層は、ＭＱＷの中に割って入っている。
（本発明例Ｃ）：図６に示す実施の形態１の変形例１の受光素子と同じ構造とした。第２の受光層は、ＭＱＷ受光層とＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層との間に位置する。
（比較例Ｄ）：図１に示す受光素子から第２の受光層を除き、ＭＱＷのペア数を２５０とした構造とした。第２の受光層はない。
上記の４つの試験体の製造にあたり、共通して次の成長方法を用いた。
ＳドープしたＩｎＰ基板上に、上記各図に示した積層構造を有する半導体ウエハを全有機ＭＯＶＰＥを用いて成長した。すなわち、ＩｎＰ基板／ＩｎＰバッファ層／タイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層と第２の受光層ＩｎＧａＡｓとを有する複合の受光層／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層／ＩｎＰ窓層、の積層構造を成長した。ただし、比較例Ｄは、第２の受光層を含まない。
ＳドープＩｎＰ基板上に、ｎ型不純物ドープＩｎＰバッファ層を厚み０．１５μｍ成長し、その上に、タイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）受光層と、第２の受光層とを、両方の受光層の位置関係に応じて、前後して、または間に割って入って、成長した。本発明例Ａ〜ＣのＭＱＷは、厚み５ｎｍのＩｎＧａＡｓと、厚み５ｎｍのＧａＡｓＳｂとの２００ペアの積層体とした。第２の受光層は、厚み０．５μｍのアンドープＩｎＧａＡｓとした。比較例Ｄでは、上述のように、第２の受光層を設けずに、２５０ペアのＭＱＷとした。
拡散濃度分布調整層にはアンドープの厚み０．３μｍＩｎＧａＡｓ層を用い。このＩｎＧａＡｓ層上に厚み０．８μｍのアンドープＩｎＰ窓層を成長した。
上記の受光層、ＩｎＰ窓層等の成長には、実施の形態において説明した方法を用いた。

＜受光感度の評価＞
上記の受光素子に対して室温で受光感度の測定を行った。測定に用いた光の波長は、１．３１μｍ、１．５５μｍ、１．６５μｍ、２．０μｍである。入射は、各受光素子ともに、エピタキシャル積層体側入射（表面入射）と、ＩｎＰ基板入射の２通り行った。感度評価の際の逆バイアス電圧Ｖｒは−５Ｖとした。
受光感度の測定結果を図９および図１０に示す。図９は表面入射の場合を示し、図１０は基板側入射の場合を示す。
比較例Ｄでは、表面入射、および基板入射の場合、のいずれの場合でも、波長２．０μｍの受光感度が０．５５〜０．６（Ａ／Ｗ）であるのに比して、波長１．３１μｍの受光感度は０．０５Ａ／Ｗ程度であり、極端に小さい。波長２．０μｍの受光感度が大きいのは、ＭＱＷのペア数を２５０として、本発明例Ａ〜Ｃのペア数２００よりも大きくしたためである。
本発明例のうち、本発明例Ｂは、表面入射および基板入射の両方において、波長１．３１μｍにおける受光感度の低下を抑制している。ＭＱＷの中に割って入って第２の受光層を配置させることで、波長１．３１μｍでの受光感度の低下を抑制可能なことが分かる。
また、本発明例Ｃは、第２の受光層（ＩｎＧａＡｓ）をＭＱＷの上、表面近くに配置した構造であるが、表面入射の場合に限って、波長１．３１μｍでの受光感度の低下を抑制可能である。しかし、基板入射では、波長１．３１μｍでの受光感度の抑制効果は認められない。
また、本発明例Ａでは、表面入射および基板入射の両方の場合ともに、受光感度の低下を抑制する効果がわすかに認められるが、十分とはいえない。
上記のように、本発明例Ａ〜Ｃにおいて、波長１．３１μｍでの受光感度の低下の抑制効果は、第２の受光層の位置によって変動する。その理由については、ここで推測をすることは控えたい。

上記において、本発明の実施の形態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。

本発明の受光素子によれば、近赤外の受光域、１μｍ程度の短波長側から３．０μｍ程度の長波長側にわたって、実用上、問題のないレベルの受光感度の平坦性を得ることができる。とくにＭＱＷの成長を全有機ＭＯＶＰＥで行うことによって、ＩｎＰ窓層を含むエピタキシャル層を能率良く積層できるだけでなく、受光感度の平坦性の一層の向上にも資することができる。

１ ＩｎＰ基板、２ バッファ層（ＩｎＰおよび／またはＩｎＧａＡｓ）、３タイプ２型ＭＱＷ受光層、４ ＩｎＧａＡｓ層（拡散濃度分布調整層）、５ ＩｎＰ窓層、６ ｐ型領域、１０ 光学センサ装置（検出装置）、１１ ｐ側電極（画素電極）、１２ グランド電極（ｎ側電極）、１２ｂ バンプ、１３ 第２の受光層、１５ ｐｎ接合、１６ ＭＱＷとＩｎＧａＡｓ層との界面、１７ ＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ窓層との界面、２０ 赤外線温度モニタ装置、２１ 反応室の窓、３０ 反応室、３５ ＡＲ（反射防止）膜、３６ 選択拡散マスクパターン、３９ 接合バンプ、４３ 保護膜（ＳｉＯＮ膜）、５０ 受光素子（受光素子アレイ）、５０ａ ウエハ（中間製品）、６０ 全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置、６１ 赤外線温度モニタ装置、６３ 反応室、６５ 石英管、６９ 反応室の窓、６６ 基板テーブル、６６ｈ ヒータ、７０ ＣＭＯＳ、Ｐ 画素。

Claims (10)

1. 化合物半導体の基板、および該基板上に形成されたエピタキシャル積層体を備え、近赤外域に受光感度をもつ受光素子であって、
   前記エピタキシャル積層体は、
   ペア数が５０以上の、タイプ２型の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）の受光層と、
   前記受光層の中に位置し、または該受光層の外面に接して位置し、前記タイプ２型の遷移におけるバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２の受光層と、
   前記エピタキシャル積層体の表面から該エピタキシャル積層体内へと位置する、ｐ型またはｎ型の不純物領域とを備え、
   前記不純物領域は先端部にｐｎ接合を形成しており、
   前記ｐｎ接合が、前記第２の受光層内か、または該第２の受光層よりも前記エピタキシャル積層体の表面に近い位置に位置することを特徴とする、受光素子。
2. 前記基板がＩｎＰ基板であり、前記受光層が、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下ＩｎＧａＡｓと記す。）とＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２、以下ＧａＡｓＳｂと記す）とのＭＱＷであり、前記不純物領域がｐ型領域であることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
3. 前記ＭＱＷにおいてＧａＡｓＳｂと対をなすＩｎＧａＡｓを、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＰおよびＩｎＧａＡｓＮＳｂのいずれか一つで置き換えたことを特徴とする、請求項２に記載の受光素子。
4. 前記第２の受光層が、厚み０．１μｍ以上１μｍ以下のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下ＩｎＧａＡｓと記す。）層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。
5. 前記受光素子において、波長１．３μｍの受光感度と波長２．０μｍの受光感度との比が、０．３以上１．２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。
6. 前記エピタキシャル積層体の内部、または該エピタキシャル積層体と前記基板との間に、再成長界面がないことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の受光素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の受光素子を備えることを特徴とする、光学センサ装置。
8. ＩｎＰ基板の上にタイプ２型の、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下「ＩｎＧａＡｓ」と記す）とＧａＡｓ_１−ｙＳｂ_ｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２、以下「ＧａＡｓＳｂ」と記す）との多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）の受光層を備えた受光素子の製造方法であって、
   前記ＩｎＰ基板の上に前記ＭＱＷを成長する工程を備え、
   前記ＭＱＷ成長工程の（１）前に、もしくは（２）後に、または（３）該ＭＱＷの成長の途中で該ＭＱＷの成長を一時的に停止して、前記ＭＱＷのタイプ２型の遷移におけるバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２の受光層を形成することを特徴とする、受光素子の製造方法。
9. 前記エピタキシャル積層体の表面をＩｎＰ窓層として、前記ＩｎＰ基板上に、前記ＭＱＷ、第２の受光層および前記ＩｎＰ窓層を含むエピタキシャル積層体を、一貫して、全有機金属気相成長法により成長することを特徴とする、請求項８に記載の受光素子の製造方法。
10. 前記ＭＱＷの形成工程では、温度４００℃以上かつ５６０℃以下で、前記ＭＱＷを形成することを特徴とする、請求項８または９に記載の半導体素子の製造方法。

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