JP2011258817A - 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
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Abstract
【課題】 近赤外域に高い受光感度を持つ、受光素子アレイ、その製造方法等を提供することを目的とする。
【解決手段】 タイプ２型のＭＱＷからなる受光層３と、キャップ層５と、キャップ層表面から受光層へと届くｐ型領域６とを備え、タイプ２型のＭＱＷは、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）等であり、ｐ型領域６は、高濃度範囲６ｈと、傾斜濃度範囲６ｓとから構成され、高濃度範囲６ｈが受光層３内に入っており、該受光層内にｐｎ接合１５を形成していることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】 タイプ２型のＭＱＷからなる受光層３と、キャップ層５と、キャップ層表面から受光層へと届くｐ型領域６とを備え、タイプ２型のＭＱＷは、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）等であり、ｐ型領域６は、高濃度範囲６ｈと、傾斜濃度範囲６ｓとから構成され、高濃度範囲６ｈが受光層３内に入っており、該受光層内にｐｎ接合１５を形成していることを特徴とする。
【選択図】 図１
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、ｐｉｎ型フォトダイオードのｉ型受光層について、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、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。
また、ｐｉｎ型フォトダイオードのｉ型受光層について、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、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。
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。
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。
本発明の受光素子アレイは、ＩｎＰ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、ＩｎＰ基板の上に位置する、タイプ２型のＭＱＷからなる受光層と、受光層の上に位置するキャップ層と、受光素子ごとの、キャップ層表面から受光層へと届くｐ型領域とを備える。受光層を構成するタイプ２型のＭＱＷは、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）のうちのいずれか１つであり、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、ｐ型領域は、前記キャップ層表面から延在する高濃度範囲と、該高濃度範囲から深さ方向に、急峻に濃度が低下して緩い勾配になる傾斜濃度範囲とから構成され、高濃度範囲がキャップ層を経て受光層内に入っており、該受光層内において、傾斜濃度範囲と、受光層におけるｎ型不純物のバックグランド濃度との交差面が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ＧａＡｓＳｂは、他方のＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＮ等（以下、単にＩｎＧａＡｓと記す）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、ＧａＡｓＳｂの価電子帯よりはＩｎＧａＡｓ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、ＧａＡｓＳｂの価電子帯に位置する電子が入射光を吸収してＩｎＧａＡｓの伝導帯に励起される。この結果、ＧａＡｓＳｂの価電子帯に正孔が生じ、ＩｎＧａＡｓの伝導帯に当該励起された電子が位置する。このように、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の電子がＩｎＧａＡｓ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内で生じた正孔をキャップ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ＩｎＰ基板の裏面から入射して、ＩｎＰ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。正孔が、ＭＱＷ内の価電子帯を、ＧａＡｓＳｂからＩｎＧａＡｓへと移動するには、ＧａＡｓＳｂの価電子帯トップのエネルギと、ＩｎＧａＡｓ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ＧａＡｓＳｂからＩｎＧａＡｓ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、ＧａＡｓＳｂ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。
従来の受光素子アレイでは、各受光素子は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型領域のキャップ層／ｉ型（またはｎ−型）受光層／ｎ型バッファ層（またはｎ型ＩｎＰ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、ＧａＡｓＳｂの価電子帯とＩｎＧａＡｓの価電子帯とで形成されるＧａＡｓＳｂにおける正孔に対する量子井戸は、正孔にとってそのまま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。
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内で生じた正孔をキャップ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ＩｎＰ基板の裏面から入射して、ＩｎＰ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。正孔が、ＭＱＷ内の価電子帯を、ＧａＡｓＳｂからＩｎＧａＡｓへと移動するには、ＧａＡｓＳｂの価電子帯トップのエネルギと、ＩｎＧａＡｓ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ＧａＡｓＳｂからＩｎＧａＡｓ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、ＧａＡｓＳｂ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。
従来の受光素子アレイでは、各受光素子は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型領域のキャップ層／ｉ型（またはｎ−型）受光層／ｎ型バッファ層（またはｎ型ＩｎＰ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、ＧａＡｓＳｂの価電子帯とＩｎＧａＡｓの価電子帯とで形成されるＧａＡｓＳｂにおける正孔に対する量子井戸は、正孔にとってそのまま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（画素）を構成するｐ型領域は、その高濃度範囲がキャップ層を経て受光層内に届いている。ｐ型領域の先側の傾斜濃度範囲は、当然、受光層内に届いている。ｐ型領域の高濃度範囲内における受光層では、ＧａＡｓＳｂの価電子帯において、低エネルギレベルだけでなくより高いエネルギレベルの準位まで、ｐ型不純物由来の正孔に占有される。以下の説明では、高濃度範囲内の受光層を高濃度領域と記す。また、傾斜濃度範囲内の受光層では、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の、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。以下の説明で、傾斜濃度範囲内の受光層を傾斜濃度領域と記す。
上記の高濃度領域および傾斜濃度領域の存在によって、受光によって生じた正孔にとって、上記の２つの領域（高濃度領域および傾斜領域）においては、ＧａＡｓＳｂ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。高濃度領域では底上げ代は大きく、また傾斜濃度領域では底上げ代はこれより小さい。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、ＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓ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）。このとき、当然、高濃度領域ではエネルギ差ΔＥは、傾斜濃度領域でのそれより小さくなる。たとえばＩｎＰ基板側を入射面とした場合、受光はＩｎＰ基板に近い受光層で生じる。受光で生じた正孔がｐ側電極に移動するとき、まず傾斜濃度領域で上記の障害を容易に乗り越えてゆくことができる。そのあと、高濃度領域に到達すればさらに障害は小さく感じられて、移動は容易となる。このため、受光によってＧａＡｓＳｂに生じた正孔は、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。
上記の高濃度領域および傾斜濃度領域の存在によって、受光によって生じた正孔にとって、上記の２つの領域（高濃度領域および傾斜領域）においては、ＧａＡｓＳｂ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。高濃度領域では底上げ代は大きく、また傾斜濃度領域では底上げ代はこれより小さい。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、ＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓ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）。このとき、当然、高濃度領域ではエネルギ差ΔＥは、傾斜濃度領域でのそれより小さくなる。たとえばＩｎＰ基板側を入射面とした場合、受光はＩｎＰ基板に近い受光層で生じる。受光で生じた正孔がｐ側電極に移動するとき、まず傾斜濃度領域で上記の障害を容易に乗り越えてゆくことができる。そのあと、高濃度領域に到達すればさらに障害は小さく感じられて、移動は容易となる。このため、受光によってＧａＡｓＳｂに生じた正孔は、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。
受光層が受光対象とする光は、波長「１．６５〜３．０μｍ」以下の近赤外光である。タイプ２型ＭＱＷの受光層では、上記のように、受光可能な最長波長は、ＧａＡｓＳｂの価電子帯トップとＩｎＧａＡｓの伝導帯のボトムとのエネルギ差に対応している。ｐ型不純物由来の正孔が価電子帯トップ側の準位を占有するとき、受光可能な最長波長に対応するエネルギ差は少し大きくなる。したがって、受光可能な最長波長は少し短くなる。しかし、上記の傾斜濃度領域における程度のｐ型不純物濃度では、その変化は小さく、受光可能波長域を問題にする必要はない。また、ｐｎ接合は受光層内にあるので、逆バイアス電圧の印加で生じる空乏層はｐｎ接合からＩｎＰ基板側に広がり、空乏層での受光においてはまったく影響しない。
上記より、上記の高濃度領域は、長波長域の受光に関しては、受光層を薄くし、かつ正孔をｐ側電極へと導入しやすくした、とみることができる。短波長域の受光に関しては、ｐ型不純物濃度に影響されることなく、高い感度で受光することができる。
上記の受光素子アレイでは、バッファ層はなくてもよいがＩｎＰ基板と受光層との間にバッファ層を挿入してもよい。また、受光層とキャップ層との間に拡散濃度分布調整層を挿入してもよいが、必須ではない。
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。
上記より、上記の高濃度領域は、長波長域の受光に関しては、受光層を薄くし、かつ正孔をｐ側電極へと導入しやすくした、とみることができる。短波長域の受光に関しては、ｐ型不純物濃度に影響されることなく、高い感度で受光することができる。
上記の受光素子アレイでは、バッファ層はなくてもよいがＩｎＰ基板と受光層との間にバッファ層を挿入してもよい。また、受光層とキャップ層との間に拡散濃度分布調整層を挿入してもよいが、必須ではない。
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。
ｐ型領域の高濃度範囲が、受光層に電子の拡散長の厚み分以下だけ入っているようにできる。これによって、ｐｎ接合を受光層内にとどめながら、受光層内に高濃度領域を延在させて、正孔のキャップ層／ｐ側電極への移動を促進することができる。受光可能な波長については、傾斜領域、およびｐｎ接合〜ＩｎＰ基板に至る範囲の受光層、において受光するため、最長３．０μｍはそのまま変更することはない。そして、受光によって生じた正孔を円滑にｐ側電極に集めることができる。なお、電子の拡散長とは電子が正孔と再結合せずに進む距離をいう。すなわち高濃度のｐ型領域における少数過剰キャリアである電子が、多数キャリアの正孔と再結合して消滅するまでに移動する距離の平均値をいい、拡散距離とも呼ばれる。Ｄｎを電子の拡散係数とし、τｎを寿命として、電子の拡散長＝（Ｄｎ×τｎ）１／２の関係がある。通常、ＩｎＧａＡｓ系では１．０μｍ〜１．３μｍの程度である。
高濃度範囲の先端部のｐ型不純物濃度を、１Ｅ１７ｃｍ−３以上５Ｅ１８ｃｍ−３以下とすることができる。これによって、ＭＱＷにおけるＧａＡｓＳｂ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して、短波長域の受光に寄与させることができる。
ｐ型領域の高濃度範囲の先端部を、キャップ層表面から深さ０．４μｍ以上とし、画素の暗電流が１ｎＡ以下であるようにできる。これによって、高濃度範囲を受光層を構成するタイプ２型のＭＱＷ内へと深く入れながら、ＭＱＷの結晶性を良好に維持した結果として低い暗電流を得ることができる。高濃度範囲の先端部をキャップ層から深さ０．４μｍ以上とすると、通常、ＭＱＷの結晶性が劣化して暗電流が増大する。しかし、本発明では、ＭＱＷの結晶性の劣化を防止することができ、画素の暗電流を１ｎＡ以下とすることができる。高濃度範囲を受光層内にまで深く入れながらＭＱＷの結晶性を良好に保つ方法については、このあと説明する。
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ていて、受光素子アレイのｐ型領域に配置した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ＩｎＰ基板の裏面から光を入射することができる。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。
受光素子アレイが一次元の場合は、キャップ層側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電極に到達するため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。
受光素子アレイが一次元の場合は、キャップ層側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電極に到達するため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。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環境モニタリング装置、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。
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。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環境モニタリング装置、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、ＩｎＰ基板上に形成されている。この受光素子は、ＩｎＰ基板の上に位置する、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キャップ層と、キャップ層表面から受光層へと届くｐ型領域とを備える。受光層を構成するタイプ２型の多重量子井戸構造は、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）のうちのいずれか１つであり、ｐ型領域は、深さ方向に選択拡散によって形成されており、選択拡散されていない領域により囲まれている。そして、ｐ型領域は、前記キャップ層表面から延在する高濃度範囲と、該高濃度範囲から深さ方向に、急峻に濃度が低下して緩い勾配になる傾斜濃度範囲とから構成され、高濃度範囲がキャップ層を経て受光層内にまで入っており、該受光層内において、傾斜濃度範囲と、受光層におけるｎ型不純物のバックグランド濃度との交差面がｐｎ接合を形成していることを特徴とする。
これによって、近赤外域に高い受光感度をもつ受光素子を得ることができる。
これによって、近赤外域に高い受光感度をもつ受光素子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では、ＩｎＰ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、ＩｎＰ基板の上に、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、受光層の上にキャップ層を成長する工程と、キャップ層から受光素子ごとに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キャップ層上に形成する工程と、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する工程とを備える。選択拡散工程では、ｐ型領域を、前記キャップ層表面から延在する高濃度範囲と、該高濃度範囲から深さ方向に、急峻に濃度が低下して緩い勾配になる傾斜濃度範囲とから構成して、高濃度範囲をキャップ層を経て前記受光層内に届くようにして、該受光層内において、傾斜濃度範囲と、受光層におけるｎ型不純物のバックグランド濃度との交差面をｐｎ接合とす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。
キャップ層をＩｎＰ層とし、受光層を、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）のうちのいずれか１つのタイプ２型のＭＱＷとして、ｐ型不純物に亜鉛を用い、選択拡散工程では、閉管法によって、温度４５０℃以上５３０℃以下、かつ拡散時間９０分以上３５０分以下、の条件で選択拡散することができる。この方法は、選択拡散温度が、通常の６００℃台よりも１００℃以上低い。また、選択拡散の時間も実用上成立する時間である。すなわち、高濃度不純物の存在下、ＭＱＷの結晶構造が損傷を受けない実用上成立する選択拡散条件を見出すことができた。上記の方法によって、Ｚｎの高濃度範囲を受光層内にまで入れながら、暗電流を上記のように低くできる。
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、基板入射でもキャップ層入射でも、良好な受光感度を持つことができる。
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、基板入射でもキャップ層入射でも、良好な受光感度を持つことができる。
＜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キャップ層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、キャップ層１０５の側からの入射をキャップ層入射と呼ぶ。受光素子１５０またはフォトダイオードは、ＩｎＰキャップ層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。
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キャップ層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、キャップ層１０５の側からの入射をキャップ層入射と呼ぶ。受光素子１５０またはフォトダイオードは、ＩｎＰキャップ層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、それとは反対側のキャップ層入射の場合である。基板入射の場合、光は、ＩｎＰ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、キャップ層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、キャップ層入射では、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。
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、キャップ層入射では、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、キャップ層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、キャップ層入射の場合、近赤外光の受光感度または量子効率は、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基板の裏面からの入射とせざるをえない。
（１）タイプ２型ＭＱＷを受光層とする受光素子に対して、キャップ層入射の場合、近赤外光の受光感度または量子効率は、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。図１を参照して、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６の高濃度範囲６ｈを深く受光層３内にまで入れて、ｐｎ接合１５を受光層３内に配置したことがポイントである。画素電極はその受光層上のキャップ層のｐ型領域６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６の高濃度範囲６ｈをタイプ２型ＭＱＷ受光層３にまで深く配置することで、基板入射でもキャップ層入射でも、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（図６参照）。
本発明のポイントは次の点にある。図１を参照して、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６の高濃度範囲６ｈを深く受光層３内にまで入れて、ｐｎ接合１５を受光層３内に配置したことがポイントである。画素電極はその受光層上のキャップ層のｐ型領域６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６の高濃度範囲６ｈをタイプ２型ＭＱＷ受光層３にまで深く配置することで、基板入射でもキャップ層入射でも、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（図６参照）。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子アレイ５０を示す図である。受光素子アレイ５０は、ｎ型ＩｎＰ基板１／タイプ２型ＭＱＷ受光層３／ＩｎＰキャップ層５、の積層体に形成されている。ＩｎＰキャップ層をｎ型ＩｎＰ基板１と受光層３との間に挿入してもよい。タイプ２型ＭＱＷ受光層３は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを、繰り返し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、ＭＱＷ内の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をＩｎＰキャップ層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が表示されていない。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。
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子アレイ５０を示す図である。受光素子アレイ５０は、ｎ型ＩｎＰ基板１／タイプ２型ＭＱＷ受光層３／ＩｎＰキャップ層５、の積層体に形成されている。ＩｎＰキャップ層をｎ型ＩｎＰ基板１と受光層３との間に挿入してもよい。タイプ２型ＭＱＷ受光層３は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを、繰り返し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、ＭＱＷ内の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をＩｎＰキャップ層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が表示されていない。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の高濃度範囲６ｈがＩｎＰキャップ層５の表面からタイプ２型ＭＱＷ受光層３内にまで深く入っている点にある。そして、ｐ型領域６の傾斜濃度範囲６ｓの先端に位置するｐｎ接合１５は、受光層３内に位置する。ｐ型領域６の高濃度範囲６ｈが、電子の拡散長の厚み以下だけ入っている。
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キャップ層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。すなわち、ｐ型領域の傾斜濃度範囲に相当する部分が、ＭＱＷ受光層１０３の少し入った位置に設けられる。受光層３の大部分は、ｐ型化されておらず、アンドープ（ｉ型）か、または上記のように低濃度のｎ型である。
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キャップ層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。すなわち、ｐ型領域の傾斜濃度範囲に相当する部分が、ＭＱＷ受光層１０３の少し入った位置に設けられる。受光層３の大部分は、ｐ型化されておらず、アンドープ（ｉ型）か、または上記のように低濃度のｎ型である。
これに対して本実施の形態の受光素子５０では図1に示すように、画素Ｐまたは受光素子の間には、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キャップ層５の表面および当該選択拡散マスクパターン３６を被覆するポリイミド樹脂等の保護膜３７が設けられている。
受光素子アレイ５０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。
受光素子アレイ５０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２は、選択拡散マスクパターン３６と、ｐ型領域６との関係を説明するための断面図である。図２において、キャップ層５上に形成された選択拡散マスクパターン３６は、開口部平均径Ｑ、マスク部の幅Ｍ、を有している。開口部の平均径は、開口部が正方形の場合は辺の長さ、円形の場合は直径、長方形の場合は短辺と長辺との平均値などとする。ｐ型領域６の形成の際に、選択拡散マスクパターン３６を形成したあと、保護膜３７を形成する前に、ｐ型不純物とくに亜鉛（Ｚｎ）を拡散によって導入する。本発明においては、ｐ型領域６の高濃度範囲６ｈを深くして受光層３内にまで入れる。かつ、高濃度範囲６ｈの先側の傾斜濃度範囲６ｓの先端に形成されるｐｎ接合１５を、受光層３の下面に近い位置に配置する。
選択拡散においては、ｐ型不純物（Ｚｎ）は深さ方向にのみ拡散するのではなく、横方向にも広がる。ｐ型不純物は気化された状態で、開口部からキャップ層５に入ってくる。図２に示すように、平均径Ｄの開口部からキャップ層５に導入されたＺｎは、キャップ層５の表面で少し横方向に広がり、キャップ層５表面において平均径Ｄを持つ。すなわち、横方向にｔだけにじみ出す。ｔ＝（Ｄ−Ｑ）／２である。ｐ型領域６の平均径は、キャップ層５表面における平均径Ｄに代表させることができる。以後の説明において、ことわりなくｐ型領域の平均径Ｄと呼ぶ。
本実施の形態では、ｐ型領域の高濃度範囲６ｈを深く、受光層３内にまで選択拡散させながら、ｔをできるだけ抑制できる選択拡散条件を用いる。
選択拡散においては、ｐ型不純物（Ｚｎ）は深さ方向にのみ拡散するのではなく、横方向にも広がる。ｐ型不純物は気化された状態で、開口部からキャップ層５に入ってくる。図２に示すように、平均径Ｄの開口部からキャップ層５に導入されたＺｎは、キャップ層５の表面で少し横方向に広がり、キャップ層５表面において平均径Ｄを持つ。すなわち、横方向にｔだけにじみ出す。ｔ＝（Ｄ−Ｑ）／２である。ｐ型領域６の平均径は、キャップ層５表面における平均径Ｄに代表させることができる。以後の説明において、ことわりなくｐ型領域の平均径Ｄと呼ぶ。
本実施の形態では、ｐ型領域の高濃度範囲６ｈを深く、受光層３内にまで選択拡散させながら、ｔをできるだけ抑制できる選択拡散条件を用いる。
ｐ型領域の平均径Ｄは、受光素子アレイ５０の感度に直接的に影響し、平均径Ｄが大きいほうが受光感度は高くなる。一方、あまり平均径Ｄが大きくなると隣の受光素子と混信が生じ、各画素Ｐの独立性を保つことができない。このため、マスク部の幅Ｍは所定値以上必要となる。
図３は、ｐ型領域６のｐ型不純物（Ｚｎ）の厚み方向濃度分布を示す図である。この例では、ＩｎＰバッファ層２およびＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が、挿入されている。本実施の形態例の濃度分布は太い実線で示し、従来例は破線で示している。選択拡散によって形成されたｐ型領域６の濃度分布は、高濃度範囲６ｈと、そこから傾斜して大きく濃度低下してゆく傾斜濃度範囲６ｓとで構成される。高濃度範囲６ｈの深さ方向先端が高濃度境界６ｍである。図３より、高濃度範囲６ｈでは濃度勾配は緩やかであり、Ｚｎ濃度は１Ｅ１８ｃｍ−３程度である。傾斜濃度範囲６ｓでは、Ｚｎ濃度は、１Ｅ１８ｃｍ−３程度から急激に１Ｅ１６ｃｍ−３程度に低下して、さらに深さとともに緩やかに１Ｅ１５ｃｍ−３程度に傾斜する。それから先の濃度勾配は非常に緩やかとなる。
ｎ型ＩｎＰ基板１にはｎ側電極が設けられるため、１Ｅ１８ｃｍ−３程度のｎ型不純物（Ｓｉ）を含んでいる。上記のように、タイプ２型ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓのＭＱＷを形成すると、アンドープでも低濃度のｎ型不純物を含むようになり、この受光層３はｎ型不純物のバックグランド濃度を持つ。ｐｎ接合１５は、ｐ型領域６の傾斜濃度範囲６ｓと、ｎ型不純物のバックグランド濃度とが、交差する面に形成される。図３では、受光層３におけるｎ型不純物のバックグランド濃度が１〜２Ｅ１５ｃｍ−３なので、ｐｎ接合１５におけるＺｎ濃度も同じ濃度となる。
ｎ型ＩｎＰ基板１にはｎ側電極が設けられるため、１Ｅ１８ｃｍ−３程度のｎ型不純物（Ｓｉ）を含んでいる。上記のように、タイプ２型ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓのＭＱＷを形成すると、アンドープでも低濃度のｎ型不純物を含むようになり、この受光層３はｎ型不純物のバックグランド濃度を持つ。ｐｎ接合１５は、ｐ型領域６の傾斜濃度範囲６ｓと、ｎ型不純物のバックグランド濃度とが、交差する面に形成される。図３では、受光層３におけるｎ型不純物のバックグランド濃度が１〜２Ｅ１５ｃｍ−３なので、ｐｎ接合１５におけるＺｎ濃度も同じ濃度となる。
これまで、タイプ２型ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＭＱＷは、結晶品質が劣化しやすく、高濃度のＺｎを導入すると、結晶品質が劣化すると言われてきた。たとえば、超格子構造の混晶化という用語があるように、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓのＭＱＷにＺｎを導入することで、超格子構造が消失して、混晶化することが説明されている（たとえば「フォトニクスシリース４ 超格子構造の光物性と応用、岡本紘 コロナ社、１９８８年１０月２５日発行）。超格子構造の機能を消失させる混晶化を利用して、素子の分離化を図る技術等が紹介されている。
しかし、本実施の形態では、このあと説明するように、これまでにない製造方法を開発することで、高濃度のＺｎをタイプ２型ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＭＱＷにまで導入しながら、良好な結晶性を確保することができる。
しかし、本実施の形態では、このあと説明するように、これまでにない製造方法を開発することで、高濃度のＺｎをタイプ２型ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＭＱＷにまで導入しながら、良好な結晶性を確保することができる。
図４は、図１に示す受光素子アレイ５０の平面図である。画素ピッチは２５μｍ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５は、図１に示す受光素子アレイ５０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５０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、画素ごとの受光情報は電子と正孔の両方が担うが、特に動きにくい正孔が問題となる。
図６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６（ａ）は、図１または図２に示すように、ｐ型領域６の高濃度範囲６ｈが、ＭＱＷ受光層３内にまで入ったフォトダイオード（画素）に対するバンドであり、図６（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６（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行く際に、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６（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が、ＧａＡｓＳｂの基底状態の正孔ｈに対する障壁として作用する。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６（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行く際に、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６（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が、ＧａＡｓＳｂの基底状態の正孔ｈに対する障壁として作用する。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６（ａ）に示すように、選択拡散によってｐ型領域６の高濃度範囲６ｈが配置されたＭＱＷのＧａＡｓＳｂでは、基底状態のみならずより高い準位まで多くの準位が、ｐ型不純物由来の正孔ｈに占有されている。このｐ型不純物由来の正孔ｈ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、高いエネルギレベルの準位を占める。このため、図６（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６（ａ）のＭＱＷでは、ｐ型不純物由来の正孔ｈ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５０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（Molecular Beam Epitaxy）法で、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キャップ層５）を形成する。本実施の形態では、ｐ型領域６の高濃度範囲６ｈを受光層３内へ電子の拡散長の厚み分以下だけ入れ、かつｐｎ接合１５をも受光層３内に配置して、ｐｉｎフォトダイオードを形成する。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。
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（Molecular Beam Epitaxy）法で、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キャップ層５）を形成する。本実施の形態では、ｐ型領域６の高濃度範囲６ｈを受光層３内へ電子の拡散長の厚み分以下だけ入れ、かつｐｎ接合１５をも受光層３内に配置して、ｐｉｎフォトダイオードを形成する。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からなるキャップ層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キャップ層５との間に挿入してもよい（図３および図５参照）。図１および図２に示すように、拡散濃度分布調整層をとくに用いなくてもよい。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５０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、キャップ層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、キャップ層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、キャップ層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。
本発明が対象とする受光素子アレイ５０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、キャップ層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、キャップ層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、キャップ層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５０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、開口部に周囲限定して（すなわち選択拡散して）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の高濃度範囲６ｈをタイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ内に、そのＭＱＷ内に電子の拡散長の厚み分以下だけ入れるので、ＭＱＷの結晶構造が損傷されないようにする必要がある。上述のように、ＭＱＷにＺｎを高濃度に導入して混晶化してその本来の機能を消失させる技術さえも開発されている。本実施の形態では、Ｚｎを高濃度にＭＱＷ内に導入しながら、その本来の機能を発揮させるために結晶構造を損傷させない必要がある。
Ｚｎの選択拡散には、図７に示すように閉管法を用いる。すなわち石英管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、リン化亜鉛（Ｚｎ３Ｐ２）を真空封入して、加熱してＺｎを気化させる。その気化したＺｎを選択拡散マスクパターン３６の開口部からキャップ層／受光層へと拡散させる。同時にリン圧をかけることによりキャップ層を形成するＩｎＰの脱燐を防止するために配置する。真空封入では、１×１０−５ｔｏｒｒ程度以上の高真空、たとえば１×１０−６ｔｏｒｒ程度に排気するのがよい。問題は温度である。真空封入した石英管２９を、所定の温度に加熱する。
従来、受光層が単一相であろうと、ＭＱＷであろうと、Ｚｎを選択拡散するときは、６００℃台の温度、または広く見積もって５５０℃〜６５０℃の範囲に加熱して選択拡散していた。しかし、タイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの結晶構造は脆弱であり、とくにＧａＡｓＳｂは分解しやすい。本発明の実施の形態では、上記の加熱温度を４５０℃〜５３０℃という極めて低い温度にする。従来、このような低い温度域でＺｎをＩｎＰ系受光素子に選択拡散することはなかった。本発明者らは、高濃度の不純物の存在下で、６００℃を超える温度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが損傷されることを確認した。選択拡散が実用上成立しながら、高濃度Ｚｎの存在下でも、ＧａＡｓＳｂが損傷されない選択拡散の温度域および時間を設定することができたのである。
Ｚｎの選択拡散には、図７に示すように閉管法を用いる。すなわち石英管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、リン化亜鉛（Ｚｎ３Ｐ２）を真空封入して、加熱してＺｎを気化させる。その気化したＺｎを選択拡散マスクパターン３６の開口部からキャップ層／受光層へと拡散させる。同時にリン圧をかけることによりキャップ層を形成するＩｎＰの脱燐を防止するために配置する。真空封入では、１×１０−５ｔｏｒｒ程度以上の高真空、たとえば１×１０−６ｔｏｒｒ程度に排気するのがよい。問題は温度である。真空封入した石英管２９を、所定の温度に加熱する。
従来、受光層が単一相であろうと、ＭＱＷであろうと、Ｚｎを選択拡散するときは、６００℃台の温度、または広く見積もって５５０℃〜６５０℃の範囲に加熱して選択拡散していた。しかし、タイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの結晶構造は脆弱であり、とくにＧａＡｓＳｂは分解しやすい。本発明の実施の形態では、上記の加熱温度を４５０℃〜５３０℃という極めて低い温度にする。従来、このような低い温度域でＺｎをＩｎＰ系受光素子に選択拡散することはなかった。本発明者らは、高濃度の不純物の存在下で、６００℃を超える温度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが損傷されることを確認した。選択拡散が実用上成立しながら、高濃度Ｚｎの存在下でも、ＧａＡｓＳｂが損傷されない選択拡散の温度域および時間を設定することができたのである。
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、キャップ層５を被覆するように配置する。保護膜３７には、ＳｉＯＮ等を用いることができる。さらに、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。
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。もちろん上述したように、アンドープＭＱＷが意図することなく低濃度のｎ型不純物を含んでｎ型化していてもよい。
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。
図８は、図１に示す受光素子アレイの受光素子版（単一フォトダイオード版）を示す。これまでの受光素子アレイについての説明をそのまま適用することができる。
（実施の形態２−光学センサ装置（１）−）
図９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５０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１０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５０、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（もしくは受光素子アレイ５０）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。
図９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５０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１０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５０、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（もしくは受光素子アレイ５０）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。
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１１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１１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
なお分光器は光源と照射用ファイバの間においても良い。
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１１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。
図１１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１１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
なお分光器は光源と照射用ファイバの間においても良い。
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１１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。
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１２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１２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。
図１２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１２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。たとえば、このＳＷＩＲ宇宙光のスペクトルのピークＩを、光源に用いることができる。ピークＩ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。
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１３は、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２０である。また図１４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１５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λ２，λ３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１６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１６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λ２，λ３、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１６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。
図１３は、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２０である。また図１４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１５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λ２，λ３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１６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１６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λ２，λ３、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１６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。
（実施の形態６−光学センサ装置（５）−）
図１７は、本発明の実施の形態６の光学センサ装置である気体モニタリング装置２０を示す。この気体モニタリング装置２０は、ガス中の不純物をモニタリングする。光源６３に発振波長１３７１μｍ付近（図１６のＭ２に対応）の半導体レーザを用い、ビームスプリッタ９３や鏡９４を用いて、２ビームに分け、一方を測定対象のプロセスガスが導入されるサンプルセルを通し、他はキャンセル用ビームとする。光強度測定には、直流ノイズ成分を除去するため、ロックイン検波を行う。
２つの光検出器（受光素子）５０の内容が重要である。従来はプリアンプ付きのゲルマニウムフォトダイオードが用いられていたが、本実施の形態では、２つの受光素子５０，５０に、図１または図８に示す受光素子アレイまたは受光素子を用いる。このため、暗電流が低く、感度の良い近赤外域での分光測定が可能となる。また、１つの波長だけでなく、図１６に示した吸収ピーク波長のどれも選択することができる。したがって、図１６のＭ１，Ｍ３に対応する半導体レーザ装置を準備することにより、３つの波長で水分濃度をモニタリングすることができる。これによって、プロセスガス中、最も望ましくない不純物である水分の濃度を、より高精度でモニタすることが可能になる。
図１７は、本発明の実施の形態６の光学センサ装置である気体モニタリング装置２０を示す。この気体モニタリング装置２０は、ガス中の不純物をモニタリングする。光源６３に発振波長１３７１μｍ付近（図１６のＭ２に対応）の半導体レーザを用い、ビームスプリッタ９３や鏡９４を用いて、２ビームに分け、一方を測定対象のプロセスガスが導入されるサンプルセルを通し、他はキャンセル用ビームとする。光強度測定には、直流ノイズ成分を除去するため、ロックイン検波を行う。
２つの光検出器（受光素子）５０の内容が重要である。従来はプリアンプ付きのゲルマニウムフォトダイオードが用いられていたが、本実施の形態では、２つの受光素子５０，５０に、図１または図８に示す受光素子アレイまたは受光素子を用いる。このため、暗電流が低く、感度の良い近赤外域での分光測定が可能となる。また、１つの波長だけでなく、図１６に示した吸収ピーク波長のどれも選択することができる。したがって、図１６のＭ１，Ｍ３に対応する半導体レーザ装置を準備することにより、３つの波長で水分濃度をモニタリングすることができる。これによって、プロセスガス中、最も望ましくない不純物である水分の濃度を、より高精度でモニタすることが可能になる。
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。
本発明の受光素子等によれば、受光で生じた電子正孔対について、特にタイプ２型の量子井戸において移動度の小さい正孔を動きやすくすることで、基板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 キャップ層、６ ｐ型領域、６ｈ 高濃度範囲、６ｍ 高濃度範囲の端、６ｓ 傾斜濃度範囲、９ キャップ層表面でのｐ型領域と周囲との境界、１０ ハイブリッド型検出装置、１０ａ、１０ｃ 検出装置に付加される光学部品（干渉フィルタ、レンズ等）、１１ ｐ側電極（画素電極）、１２ ｎ側電極（グランド電極）、１５ ｐｎ接合、２０ 光学センサ装置、２０ａ 温度分布撮像装置、２９ 石英管、３１ 接合バンプ、３５ 反射防止膜、３６ 選択拡散マスクパターン、３７ 保護膜、５０ 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）、Ｄ キャップ層表面でのｐ型領域の平均径、ｆ キャップ層表面から高濃度範囲の端までの距離、Ｍ マスク部の幅、Ｑ 開口部の平均径、Ｐ 画素、ｔ キャップ層表面における開口部端からｐ型領域の端までの距離（横方向にじみ距離）。
Claims (10)
- ＩｎＰ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ＩｎＰ基板の上に位置する、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キャップ層と、
前記受光素子ごとの、前記キャップ層表面から前記受光層へと届くｐ型領域とを備え、
前記受光層を構成するタイプ２型の多重量子井戸構造は、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）のうちのいずれか１つであり、
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ｐ型領域は、前記キャップ層表面から延在する高濃度範囲と、該高濃度範囲から深さ方向に急峻に濃度が低下して緩い勾配になる傾斜濃度範囲とから構成され、前記高濃度範囲が前記キャップ層を経て前記受光層内に入っており、該受光層内において、前記傾斜濃度範囲と、前記受光層におけるｎ型不純物のバックグランド濃度との交差面が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。 - 前記ｐ型領域の高濃度範囲は、前記受光層に電子の拡散長の厚み分以下だけ入っ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。
- 前記高濃度範囲の先端部のｐ型不純物濃度が、１Ｅ１７ｃｍ−３以上５Ｅ１８ｃｍ−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。
- 前記ｐ型領域の高濃度範囲の先端部が、前記キャップ層表面から深さ０．４μｍ以上にあり、画素の暗電流が１ｎＡ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。
- 請求項１〜４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型領域に配置した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。
- 前記受光素子アレイにおけるＩｎＰ基板の裏面から光を入射することを特徴とする、請求項５に記載のハイブリッド型検出装置。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の受光素子アレイ、または請求項５〜６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。
- ＩｎＰ基板上に形成された受光素子であって、
前記ＩｎＰ基板の上に位置する、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キャップ層と、
前記キャップ層表面から前記受光層へと届くｐ型領域とを備え、
前記受光層を構成するタイプ２型の多重量子井戸構造は、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）のうちのいずれか１つであり、
前記ｐ型領域は、深さ方向に選択拡散によって形成されており、選択拡散されていない領域により囲まれており、
前記ｐ型領域は、前記キャップ層表面から延在する高濃度範囲と、該高濃度範囲から深さ方向に、急峻に濃度が低下して緩い勾配になる傾斜濃度範囲とから構成され、前記高濃度範囲が前記キャップ層を経て前記受光層内にまで入っており、該受光層内において、前記傾斜濃度範囲と、前記受光層におけるｎ型不純物のバックグランド濃度との交差面がｐｎ接合を形成していることを特徴とする、受光素子。 - ＩｎＰ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ＩｎＰ基板の上に、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、
前記受光層の上にキャップ層を成長する工程と、
前記キャップ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キャップ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する工程とを備え、
前記選択拡散工程では、前記ｐ型領域を、前記キャップ層表面から延在する高濃度範囲と、該高濃度範囲から深さ方向に、急峻に濃度が低下して緩い勾配になる傾斜濃度範囲とから構成して、前記高濃度範囲を前記キャップ層を経て前記受光層内に届くようにして、該受光層内において、前記傾斜濃度範囲と、前記受光層におけるｎ型不純物のバックグランド濃度との交差面をｐｎ接合とすることを特徴とする、受光素子アレイの製造方法。 - 前記キャップ層をＩｎＰ層とし、前記受光層を、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）のうちのいずれか１つのタイプ２型の多重量子井戸構造として、前記ｐ型不純物に亜鉛を用い、前記選択拡散工程では、閉管法によって、温度４５０℃以上５３０℃以下、かつ拡散時間９０分以上３５０分以下、の条件で選択拡散することを特徴とする、請求項９に記載の受光素子アレイの製造方法。
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| JP2016225359A (ja) * | 2015-05-27 | 2016-12-28 | 住友電気工業株式会社 | 受光素子 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2009206499A (ja) * | 2008-02-01 | 2009-09-10 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 受光素子、受光素子アレイおよびそれらの製造方法 |
| JP2010054457A (ja) * | 2008-08-29 | 2010-03-11 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 水分検出装置、生体中水分検出装置、自然産物中水分検出装置、および製品・材料中水分検出装置 |
| JP2011204920A (ja) * | 2010-03-25 | 2011-10-13 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 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 |
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