JP2012244124A - 受光素子アレイ、その製造方法および検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 近赤外の長波長領域まで受光でき、かつ画素ピッチを密にしても受光感度を確保できる、受光素子アレイ等を提供する。
【解決手段】 この受光素子アレイ１０は、近赤外波長領域に対応するバンドギャップエネルギを有する受光部Ｐが、複数、配列され、受光部は、選択拡散によって形成されたｐ型領域６の先端部にｐｎ接合１５を有し、受光部Ｐを区分けするように、ｎ型領域７が該受光部の間に位置することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、受光素子アレイ、その製造方法、および検出装置であって、より具体的には、複数の画素が密に配列され、近赤外の長波長領域にまで高い感度を持つ受光素子アレイ、その製造方法、および検出装置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波長領域に対応することから、通信用、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の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）の受光層を備え、選択拡散によって画素を形成するフォトダイオードが提案されている（特許文献１）。また、同じ積層構造を用いて、画素を一次元または二次元に配列して撮像装置等とした利用発明の提案もなされている（特許文献２）。
また、メサ側壁に起因する表面リーク電流を抑制するために、ＩｎＧａＡｓ受光層に形成されたｐ型領域の画素をバンドギャップの大きい半導体層で取り囲むフォトダイオードの提案もなされている（特許文献３）。このフォトダイオードでは、メサ側壁の内側において上記の画素をＦｅ−ＩｎＰブロック層で取り囲むことで、表面リーク電流を低くする。
上記のフォトダイオードでは、いずれも、暗電流に重大な関心が払われ暗電流を小さくしようとしている。しかし、複数の画素が高密度に配列されたカメラ等に使用される受光素子アレイにおいては、暗電流の抑制と並んで、または暗電流の抑制よりも重要な事項として、隣り合う受光素子の間の独立性を保ちながら個々の受光素子の感度を確保する課題がある。

特開２００９−２０６４９９号公報 特開２００９−２８３６０３号公報 特開２０１０−１４７１５８号公報

近赤外の長波長領域を対象とするフォトダイオード、例えば波長１．５μｍ〜３μｍを対象とするフォトダイオードでは、高密度に受光素子（受光部）が配列されると、実生産レベルで問題ない程度にまで十分な感度を確保することが難しくなる。本発明者らは次のような考察から、高密度に画素が配列された受光素子アレイにおいて十分高い感度を確保しうる構造について示唆を得た。すなわち、受光部の径が大きく、たとえば２００μｍ程度に大きい場合、受光待機中に逆バイアス電圧下で生じる空乏層が画素間で干渉を起こす問題は生じない。しかし、実用の撮像装置等のように、受光部の直径およびピッチが数十μｍレベル、あるいはそれよりも小さいレベルとなると、隣り合う空乏層間の干渉を無視することができなくなる。すなわち空乏層は受光層の縦方向（深さ方向）に広がるとともに、受光層の上の層から横方向にも広がる。このため受光部の直径およびピッチが数十μｍレベル、あるいはそれよりも小さいレベルとなると、高密度の画素配列では、空乏層の縦方向（深さ方向）の広がりだけでなく、その空乏層の横方向の広がりをも確実に制御することが、感度を低下させない上で非常に重要になる。感度低下を生じないことは、実用の撮像装置等の製造において高い製造歩留を得る上でも不可欠である。

本発明は、近赤外の長波長領域まで受光でき、かつ画素ピッチを密にしても受光感度を確保できる受光素子アレイ、その製造方法、および検出装置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、近赤外波長領域に受光感度を有し、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の積層体に形成される。この受光素子アレイは、近赤外波長領域に対応するバンドギャップエネルギを有する受光部が、複数、配列され、受光部は、選択拡散によって形成された第１導電型領域の先端部にｐｎ接合を有し、受光部を区分けするように、第２導電型領域が該受光部の間に位置することを特徴とする。
上記の構成によれば、第１導電型領域を有する画素が高密度に配列されても、画素を区分けするように第２導電型領域が配置されるので、逆バイアス下、空乏層が横方向に張り出しても第２導電型領域で止められる。このため、隣り合う空乏層が接触するなどして干渉することはなくなる。
その上で、受光層より表面側または基板と反対側に位置する層内に位置するｐｎ接合から空乏層を横方向に十分張り出させて、その層のバンドギャップに対応する波長（受光層より短波長）の受光感度をバックアップすることができる。さらに空乏層の干渉のおそれなく縦方向にも。十分、空乏層を張り出させて、受光層が対象とする近赤外の長波長側の感度を確保することができる。
この結果、どのような高密度配列がなされても、各受光素子は、近赤外域の長波長〜短波長にわたって高い感度を保持することができる。
なお、上記のｐｎ接合は、次のように、広く解釈されるべきである。受光層内において、不純物元素が選択拡散で導入される側と反対の面側の領域の不純物濃度が、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不純物領域と当該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接合またはｎｉ接合などであってもよく、さらに、これらｐｉ接合またはｎｉ接合におけるｐ濃度またはｎ濃度が非常に低い場合も含むものである。第１導電型はｐ型でもｎ型でもよく、また第２導電型がｎ型でもｐ型でもよい。
また、第１導電型領域の先端部は、上記の説明からも分かるように、深さ方向（縦方向）の先端部だけでなく横方向の先端部も含んでいる。本発明では、空乏層の横方向への広がりを確実に制御できる構造を備えた受光素子アレイを目標とするので、この点を明確にしておく必要がある。

選択拡散マスクパターンがＩＩＩ−Ｖ族半導体の積層体の表面に位置し、第２導電型領域は、選択拡散マスクパターンのマスク部において表面から受光部の底部と同じ深さにまで延びている構成をとることができる。
プレーナ型フォトダイオードを形成するために選択拡散に用いたマスクパターンは、第１導電型領域を形成したあと、保護膜として機能させることができる。また、第１導電型領域を形成した後、マスクパターンを除去するとエピタキシャル積層体の表面性状を劣化させて暗電流増大の要因となる。選択拡散マスクパターンを保護膜として残存させることで、暗電流の抑制などに役立てることができる。第１導電型領域はマスクパターンの開口部に形成されるが、第２導電型領域は、受光部を区分けするように、受光部間に配置される。このため、第２導電型領域は、マスク部に覆われるような位置に配置される。

平面的にみて、受光部は２０μｍ以上３０μｍ以下のピッチで配列され、第１導電型領域の径は７．５μｍ〜２０μｍであり、第２導電型領域は１μｍ〜７．５μｍの幅を有する構成をとるのがよい。
これによれば、ｐｎ接合から空乏層を縦方向にも横方向にも張り出させて、受光を待機させることができる。このとき、画素を微細にして高密度で配列しても、隣り合う画素の空乏層が接触などして干渉することが防止される。この第２導電型領域による空乏層の阻止作用によって、干渉のおそれなく、縦方向にも横方向にも十分空乏層を張り出すことができる。これにより受光層が対象とする波長域の感度を確保しながら、受光層の上層から張り出す空乏層によってそれより短い波長域の光の受光感度をバックアップすることができる。
この結果、各受光素子の感度を損なうことなく、受光層が対象とする波長域より短い波長側の感度を保ちながら、全体的に高い感度を得ることができる。

第２導電型領域を、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板上に形成された埋め込み用ＩＩＩ−Ｖ族半導体層、およびＩＩＩ−Ｖ族半導体層に導入された第２導電型不純物の領域、のうちのいずれかとすることができる。
これによって、画素を区分けする第２導電型領域の形成方法の選択肢が多くあり、経済性、性能などを考慮して適切なものを選ぶことができる。

受光部を、ＩｎＧａＡｓ層を備えたものとするのがよい。また、受光部を、タイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造とすることもできる。
ＩｎＧａＡｓ層はバンドギャップが小さいため単独でも近赤外域の光を受光できる。また、他の種類のＩＩＩ−Ｖ族半導体、たとえばＧａＡｓＳｂと多重量子井戸構造を組むことで、受光の際、電子はＧａＡｓＳｂの価電子帯からＩｎＧａＡｓの伝導帯へのタイプ２の遷移が可能になるので、より長波長域の受光が可能になる。またＩｎＧａＡｓは、Ｉｎ組成に応じて格子定数を容易に変えることができるので、格子整合度を高めることもできるし、また逆に歪補償量子井戸構造などを形成することもできる。

ＩＩＩ−Ｖ族半導体の積層体の表層をＩｎＰ窓層で形成し、受光部の底部からＩｎＰ窓層まで再成長界面を持たないようにできる。
これによって、一貫して同じ成長室において受光部を形成することができる。この結果、再成長界面における高濃度のＯ、Ｃなどによる汚染を防止することができる。この結果、暗電流を低くすることができる。また、一貫して同じ成長室で成長できるので、高い製造能率を得ることができる。

本発明の検出装置は、上記のいずれかの受光素子アレイと、読み出し回路とを備えることを特徴とする。
上記の構成によって、感度良好で、暗電流が低い、高品質の受光信号を得て、精度の高い検出を遂行することができる。検出装置としては、何でもよい。一例をあげれば、撮像装置（カメラ）、近赤外波長領域に位置する油分の吸収スペクトルなどを利用した食品成分分析装置、近赤外波長領域に位置する水分の吸収スペクトルなどを利用した食品中の水分量の検査装置、夜間における近赤外光などを利用した夜間の視覚装置、など多様な分野がある。

本発明の受光素子アレイの製造方法は、近赤外波長領域に受光感度を有し、ＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子アレイを製造する。この製造方法は、近赤外波長領域に対応するバンドギャップエネルギを有する受光層を形成する工程と、受光層の上に窓層を形成する工程と、受光素子アレイにおける受光部間の区分け壁になるように、第２導電型領域を窓層の表面から受光層の底部にまで形成する工程と、窓層の表面に選択拡散マスクパターンを形成して、第２導電型領域の区分け壁で囲まれた中に第１導電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、受光素子の間に第２導電型領域の区分け壁を形成することで、高密度の画素配列であっても隣り合う画素のｐｎ接合から横方向に張り出す空乏層どうし干渉することが無くなる。この結果、十分高い感度を確保することができる。
なお、上記の第２導電型領域の形成の方法は、イオン注入でも、選択拡散でもよい。

本発明の受光素子アレイの別の製造方法は、近赤外波長領域に受光感度を有し、ＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子アレイを製造する。この製造方法は、第２導電型のＩＩＩ−Ｖ族半導体基板を準備する工程と、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板に、受光部に対応する位置に凹部を開口する工程と、凹部に、近赤外波長領域に対応するバンドギャップを有する受光層、および窓層、を形成する工程と、窓層上に前記凹部に合わせた開口部を有する選択拡散マスクパターンを形成し、該凹部内に第１導電型不純物を選択拡散することで第１導電型領域を窓層から受光層内に届くように形成する工程とを備えることを特徴とする。
この方法によって、ＩｎＰ基板を埋め込み層に用いて、簡単な工程により、ＩｎＰ基板の凹部内に受光部を形成することで、感度が高く、かつ暗電流が低い受光素子アレイを得ることができる。

本発明の受光素子アレイのさらに他の製造方法は、近赤外波長領域に受光感度を有し、ＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子アレイを製造する。この製造方法は、半導体基板上に、第２導電型の埋め込み用半導体層を形成する工程と、第２導電型埋め込み用半導体層に、受光部に対応する位置に凹部を開口する工程と、凹部に、近赤外波長領域に対応するバンドギャップを有する受光層、および窓層を形成する工程と、窓層上に凹部に合わせた開口部を有する選択拡散マスクパターンを形成し、該凹部内に第１導電型不純物を選択拡散することで第１導電型領域を窓層から受光層内に届くように形成する工程とを備えることを特徴とする。
この方法によれば、半導体基板に形成した埋め込み用半導体層の凹部内に受光部を形成することで、感度が十分高く、かつ暗電流の低い受光素子を得ることができる。

窓層をＩｎＰ層で形成し、受光層および該ＩｎＰ窓層を含むエピタキシャル積層体を形成する工程において、エピタキシャル層の成長開始からＩｎＰ窓層の成長を終了するまで、全有機金属気相成長法によって、一貫して同じ成膜室で成長させるのがよい。
これによって、一貫して全有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）による成長方法により受光素子の心臓部である半導体エピタキシャル層を形成することができる。この結果、再成長界面における高濃度のＯ、Ｃなどによる汚染を防止することができる。また、再成長界面における結晶欠陥発生を抑制することができ、再成長界面の結晶品質の劣化を防止することができる。この結果、感度を確保しながら暗電流を低くすることができる。また、一貫して同じ成長槽で成長できるので、高い製造能率を得ることができる。

本発明の受光素子等によれば、近赤外の長波長領域まで受光でき、かつ画素ピッチを密にしても受光感度を確保できる。

本発明の実施の形態１における受光素子アレイを示す図である。 （ａ）は図１の受光素子アレイの平面図、（ｂ）はその中の画素の拡大図である。 図１の受光素子アレイでの空乏層を示す図である。 図１の受光素子アレイの製造方法を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態２における受光素子アレイを示す図である。 図５の受光素子アレイの製造において、ｎ型ＩｎＰ基板に凹部を設けた状態を示す図である。 凹部内にエピタキシャル積層体を形成した後、選択拡散マスクパターンを設けた状態を示す図である。 本発明の実施の形態２に属する、図５の受光素子アレイの変形例を示す図である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子アレイ１０を示す図である。受光素子アレイ１０は、ＩｎＰ基板１上にエピタキシャル成長した積層体に形成されている。その積層体は、ｎ型ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＰバッファ層２／ＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓＳｂによるタイプ２のＭＱＷ受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５、から構成される。
ＩｎＰ窓層５の表面からＭＱＷ受光層３内にまで延在する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３６ｈから、ｐ型不純物であるＺｎが選択拡散されることで形成される。ｐ型領域６の端（フロント）にｐｎ接合またはｐｉ接合が形成される。
ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極または画素電極１１がオーミック接触するように形成されている。ＩｎＰバッファ層２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。バッファ層２は、ＩｎＰではなくＩｎＧａＡｓで形成してもよい。ＩｎＰ基板１の裏面にグランド電極を設ける場合にはＩｎＰ基板１もｎ導電型とする。図１には示していないがＩｎＰ基板１の裏面には各受光部Ｐに共通にＡｕＧｅＮｉのグランド電極（ｎ側電極）が、オーミック接触するように設ける。
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。二次元アレイの場合は読み出し回路の読み出し電極との接続のために基板裏面入射がほぼ必然となる。

ＩｎＰ窓層５の表面には、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、コンタクト層表面の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。
また、（ＩｎＰバッファ層２／ＭＱＷ受光層３）の界面、および（ＭＱＷ受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）の界面はいずれも再成長界面ではない。このためこれら界面では、酸素および炭素の濃度がいずれも所定レベル以下であり、各界面おいても格子欠陥密度は低く抑えられる。このため暗電流を抑制することができる。

ＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓＳｂによるタイプ２のＭＱＷ受光層３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真性もしくはｉ型、またはアンドープである。ｐ型領域６の先端のｐ型キャリア濃度と、受光層３における低濃度のｎ型キャリアのバックグランド濃度とが交差する面がｐｎ接合またはｐｉ接合１５となる。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接合またはｐｉ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。なお、図１では、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としているが、広くは、ｐ型とｎ型とを入れ替えてもよい。
ＭＱＷ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は受光層３に少し入るように形成されるが、その受光層３内では、Ｚｎ濃度は５Ｅ１６ｃｍ^−３程度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接合またはｐｉ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の側に大きく張り出すことで、感度を所定以上に高めて受光層３での受光にそなえる。
ＭＱＷ受光層３は、たとえばＩｎＧａＡｓ厚み５ｎｍ−ＧａＡｓＳｂ厚み５ｎｍを一対として、２５０対〜５００対積層される。この結果、受光層３の厚みは合計２．５μｍ〜５μｍ程度となる。空乏層は、受光層３の厚み全体にわたって張り出すことで、受光層３としての機能を目一杯発揮して高い感度を確保することができる。

本実施の形態の受光素子アレイ１０の特徴は、隣り合う画素または受光部Ｐの境目に、これら受光部Ｐを区分けするようにｎ型領域７が設けられている点にある。このｎ型領域７は、ＩｎＰ窓層１の表面から受光層３の底面にまで届いている。すなわち図２（ａ）、（ｂ）に示すように、ｐ型領域７は、隣り合う画素Ｐの境界に位置して、画素を縦横に区分けしている。本実施の形態の受光素子アレイ１０では、画素Ｐは微小なサイズで高密度に配列されることを前提にしている。たとえば、画素または受光部Ｐの正方形の一辺の長さ（または画素ピッチ）は２０μｍ〜３０μｍであり、選択拡散マスクパターン３６の開口部３６ｈの直径は１５μｍ程度である。画素ピッチをより短くすることで画像の鮮鋭度を向上することができるので、より短くすることが常に求められる。

図３に示すように、受光待機のとき、空乏層Ｋが、ｐｎ接合１５から受光層３のＩｎＰ基板１側へと張り出される。光がＩｎＰ基板１側から入射されると、近赤外域の光は受光層３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。
空乏層Ｋは、ｐｎ接合１５からＩｎＰ基板１側へと縦方向に張り出すだけでなく、横方向にも張り出す。上述のように、画素Ｐの正方形の一辺の長さが２０μｍ〜３０μｍ程度の場合は、横方向へたとえば２．５μｍ〜７μｍ程度張り出すと、隣り合う画素Ｐの空乏層Ｋと接触することになる。したがって、受光層３の厚み全体に空乏層Ｋを張り出させるとき、大きい場合には５μｍ程度の張り出し長さとなる。このような場合には、仮にｎ型領域７がない場合、隣り合う画素の空乏層Ｋは接触することになり、感度低下をきたす。
また、たとえば受光層３の厚みが５μｍ未満であっても逆バイアス電圧を大きくしてしまう場合、または製造時のばらつきなどによって、横方向への空乏層Ｋの張り出し長さが過大になるおそれは除去しきれない。このため、仮にｎ型領域７がない場合には、隣り合う空乏層Ｋが接触し合って感度低下が生じるおそれがある。

横方向への空乏層Ｋの張り出し長さは、基本的に縦方向への空乏層Ｋの張り出し長さと同じである。空乏層が横方向に張り出すことは、たとえばＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内で空乏層Ｋが横方向に張り出すことを意味する。ＩｎＧａＡｓのバンドギャップは近赤外域よりも少し短波長側に対応する。このためＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内の横方向に張り出した空乏層において、この少し短波長側の光を受光することができる。この結果、近赤外域の受光感度はタイプ２ＭＱＷが確保し、それより短い波長域の光の受光感度をＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４がバックアップすることができる。ＩｎＰ窓層５についても同様の議論が成り立ち、ＩｎＰ窓層５は、ＩｎＧａＡｓ層４よりも短い波長域の受光感度のバックアップをすることができる。

図１または図３に示すように、画素Ｐの境目にｐ型領域７があれば、そのｐ型領域７は、上記逆バイアス下での空乏層Ｋの横方向への張り出しを確実に止めることができる。これによって横方向での隣り合う画素どうしの空乏層Ｋの接触を確実に防止することができる。この結果、現状における画素ピッチにおいて十分高い感度を確保できる。さらに将来、画素ピッチがさらに小さく密になったとき、感度の確保に貢献することができる。
それに加えて、上記のように、近赤外域より短い波長域の受光感度を、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４およびＩｎＰ窓層５が、横方向に張り出した空乏層Ｋによってバックアップすることができる。

図４は、図１に示す受光素子アレイ１０の製造方法を示すフローチャートである。受光素子アレイ１０は、基板の裏面にグランド電極を設けるタイプとする。まずｎ型ＩｎＰ基板１を準備する。ｎ型不純物はとくに限定しないが、たとえば５Ｅ１８ｃｍ^−３程度のＳがドープされたＩｎＰ基板を用いるのがよい。量産性を考慮して、たとえば２インチ径を用いるのがよい。
次いで、全有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法などを用いて、上述のエピタキシャル積層体を成長する。たとえばＩｎＰバッファ層２を厚み１μｍ程度に成長する。このときアンドープであるが、全有機金属気相成長法では、通常、ｎ型不純物が１Ｅ１５ｃｍ^−３程度混入する。次いで、タイプ２のＩｎＧａＡｓ厚み５ｎｍ／ＧａＡｓＳｂ厚み５ｎｍ、を３００対積層したＭＱＷ受光層３を成長する。このＭＱＷ受光層３もアンドープとするが、ｎ型不純物が１Ｅ１５ｃｍ^−３程度混入する。このあとアンドープ（ｎ型不純物が１Ｅ１５ｃｍ^−３程度）ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４を厚み１μｍ、およびその上のＩｎＰ窓層５を厚み１．５μｍにエピタキシャル成長する。これによってエピタキシャルウエハが完成する。

上記のエピタキシャル積層体の形成のとき、再成長界面を形成しない。すなわち、ＩｎＰバッファ層２を形成したあと、ＩｎＰ窓層５の形成まで、全有機金属気相成長法によって同じ成膜室の中で成長を続けることが、重要である。ＩｎＰ窓層５の形成の前に、成膜室からウエハを取り出して、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点が一つのポイントである。エピタキシャル積層体は連続して形成されるので、（ＩｎＰバッファ層２／ＭＱＷ受光層３）の界面、および（ＭＱＷ受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）の界面はいずれも再成長界面ではない。このため、酸素および炭素の濃度がいずれも所定レベル以下であり、各界面おいても格子欠陥密度は低く抑えられる。このため暗電流を抑制することができる。

このエピタキシャルウエハを用いて受光素子アレイを作製する。まずＳｉＮの選択拡散マスクパターン３６を形成する。選択拡散マスクパターン３６は開口部３６ｈを持つ。この開口部３６ｈからｐ型不純物の亜鉛（Ｚｎ）をＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプ２ＭＱＷ受光層３に届くように選択拡散することで、図１に示すように、ｐ型領域６を形成する。このあと、図１に示すように、ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１を、また図示しないＩｎＰ基板１の裏面には、各受光部Ｐに共通にＡｕＧｅＮｉのグランド電極（ｎ側電極）を、それぞれオーミック接触するように形成する。

本実施の形態における受光素子アレイ１０の利点をまとめると次のとおりである。
（１）受光部Ｐに生成する空乏層の横方向の張り出しが、隣り合う受光部どうして干渉することを確実に防止することができる。
（２）ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４およびＩｎＰ窓層５での横方向への空乏層の張り出しによって、ＭＱＷ受光層が受光対象とする波長域より短い波長域の光の受光感度がバックアップされる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における受光素子アレイ１０を示す図である。受光素子アレイ１０は、ＩｎＰ基板１に設けた凹部Ｓの中に、次のエピタキシャル積層体の受光部または画素Ｐを有する。：（ｎ型ＩｎＰバッファ層２／ＩｎＧａＡｓ受光層３／ＩｎＰ窓層５）
本実施の形態の受光素子アレイ１０は、画素Ｐの境界にｐ型領域７が位置する点で実施の形態１と共通するが、そのｐ型領域７がＩｎＰ基板１で形成されている点で相違する。すなわち、画素または受光部は、ｎ型ＩｎＰ基板１の凹部Ｓ内に埋め込まれるように形成されている。埋め込まれた受光素子がアレイ化された点を除けば、空乏層の形成などについては実施の形態１と同じである。

ＩｎＰ窓層５の表面から受光層３内に延在する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３６ｈ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。開口部３６ｈの径は、凹部Ｓの径よりも小さくする。ｐ型領域の端（フロント）にｐｎ接合またはｐｉ接合が形成される。ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面には各受光部１０に共通にＡｕＧｅＮｉのグランド電極（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。

受光層３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。ｐ型領域６の先端のｐ型キャリア濃度と、受光層３における低濃度のｎ型キャリアのバックグランド濃度とが交差する面がｐｎ接合またはｐｉ接合１５となる。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接合またはｐｉ接合１５を形成する。本実施の形態のｐｎ接合またはｐｉ接合については、実施の形態１における説明がそのまま適用される。
ＩｎＧａＡｓ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は受光層３に少し入るように形成されるが、その受光層３内では、Ｚｎ濃度は５Ｅ１６ｃｍ^−３程度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接合またはｐｉ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の側に大きく張り出すことで、感度を所定以上に高めて受光層３での受光にそなえる。

受光待機のとき、上述の空乏層が、ｐｎ接合１５から受光層３のＩｎＰ基板１側へと張り出される。光がＩｎＰ基板１側から入射されると、光は受光層３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。
空乏層は、ｐｎ接合１５からＩｎＰ基板１側へと縦方向に張り出すだけでなく、横方向にも張り出すのは、実施の形態１と同じである。上述のように、画素Ｐのピッチが２０μｍ〜３０μｍ程度の場合は、横方向へたとえば２．５μｍ〜７μｍ程度張り出すと、隣り合う画素Ｐの空乏層Ｋと接触することになる。横方向への空乏層Ｋの張り出し長さは、基本的に縦方向への空乏層Ｋの張り出し長さと同じである。したがって、受光層３の厚み全体に空乏層Ｋを張り出させるとき、大きい場合には５μｍ程度の張り出し長さとなる。このような場合には、仮にｎ型領域７がない場合、隣り合う画素の空乏層Ｋは接触することになり、感度低下をきたす。
また、たとえば受光層３の厚みが５μｍ未満であっても逆バイアス電圧を大きくしてしまう場合、または製造時のばらつきなどによって、横方向への空乏層Ｋの張り出し長さが大きくなるおそれは除去しきれない。このため、仮にｎ型領域７がない場合には、隣り合う空乏層Ｋが接触し合って感度低下が生じるおそれがある。
しかし、図５に示すように、画素Ｐの境目にｐ型領域７があれば、そのｐ型領域７は、上記逆バイアス下での空乏層Ｋの横方向への張り出しを確実に止めることができる。その結果、横方向での隣り合う画素どうしの空乏層Ｋの接触を確実に防止することができる。この結果、現状における画素ピッチにおいて十分高い感度を確保できる。さらに将来、画素ピッチがさらに小さく密になったとき、感度の確保に貢献することができる。

さらに、上記のように、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内で空乏層Ｋが横方向に張り出す。ＩｎＧａＡｓのバンドギャップは近赤外域よりも少し短波長側に対応する。このためＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内の横方向に張り出した空乏層において、この少し短波長側の光を受光することができる。この結果、近赤外域の受光感度はタイプ２ＭＱＷが確保し、それより短い波長域の光の受光感度をＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４がバックアップすることができる。ＩｎＰ窓層５についても同様の議論が成り立ち、ＩｎＰ窓層５は、ＩｎＧａＡｓ層４よりも短い波長域の受光感度のバックアップをすることができる。

次に図５に示す受光素子アレイ１０の製造方法を説明する。まずｎ型ＩｎＰ基板１を準備する。ｎ型不純物はとくに限定しないが、たとえば５Ｅ１８ｃｍ^−３程度のＳがドープされたＩｎＰ基板を用いるのがよい。量産性を考慮して、たとえば２インチ径を用いるのがよい。このＩｎＰ基板１に、たとえばシリコン窒化膜などの絶縁膜（図示せず）を堆積する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いてこの絶縁膜に所定の形状となるパターニング処理を施す。次に、この絶縁膜をマスクとしてドライエッチング技術およびウエットエッチング技術を、単独または組み合わせて、図６に示すように凹部Ｓを備えるメサ構造を形成する。凹部Ｓの深さは４．５μｍ程度にするのがよい。凹部Ｓの表面での直径は、このあと説明する選択拡散マスクパターンの開口部３６ｈの直径Ｄより少し大きい程度にする。
次いで、全有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法などを用いて、凹部Ｓに、上述のエピタキシャル積層体を選択成長する。まず、ＩｎＰバッファ層２を厚み１μｍ程度に選択成長する。このときアンドープであるが、全有機金属気相成長法では、通常、ｎ型不純物が１Ｅ１５ｃｍ^−３程度混入する。次いでＩｎＧａＡｓ受光層３を厚み３μｍに選択成長する。このＩｎＧａＡｓ受光層３もアンドープとするが、ｎ型不純物が１Ｅ１５ｃｍ^−３程度混入する。このあとアンドープ（ｎ型不純物が１Ｅ１５ｃｍ^−３程度）ＩｎＰ窓層５を厚み１．５μｍにエピタキシャル成長する。このあと絶縁膜を除去してエピタキシャルウエハが完成する。

上記のエピタキシャル積層体の形成のとき、再成長界面を形成しない。すなわち、ＩｎＰバッファ層２を形成したあと、ＩｎＰ窓層５の形成まで、全有機金属気相成長法によって同じ成膜室または石英管の中で成長を続けることが、重要である。ＩｎＰ窓層５の形成の前に、成膜室からウエハを取り出して、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点が一つのポイントである。凹部Ｋ内の各層は、成膜室において連続して形成されるので、（ＩｎＰバッファ層２／ＩｎＧａＡｓ受光層３）の界面、および（ＩｎＧａＡｓ受光層３／ＩｎＰ窓層５）の界面はいずれも再成長界面ではない。このため、酸素および炭素の濃度がいずれも所定レベル以下であり、各界面おいても格子欠陥密度は低く抑えられる。このため暗電流を抑制することができる。

このエピタキシャルウエハを用いて受光素子を作製する。まず図７に示すように、ＳｉＮの選択拡散マスクパターン３６を形成する。選択拡散マスクパターン３６は、凹部Ｓの直径より少し小さい直径の開口部３６ｈを持つ。この開口部３６ｈからｐ型不純物の亜鉛（Ｚｎ）をＩｎＧａＡｓ受光層３に届くように選択拡散することで、図５に示すように、ｐ型領域６を形成する。このあと、図５に示すように、ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１を、またＩｎＰ基板１の裏面には、各受光部１０に共通にＡｕＧｅＮｉのグランド電極（ｎ側電極）１２を、それぞれオーミック接触するように形成する。

図８は、本発明の実施の形態の一例である、実施の形態２の変形例を示す図である。この変形例の受光素子アレイ１０において、受光部Ｐは図５と同様に埋め込まれている。しかし、図５の受光素子アレイ１０がＩｎＰ基板１内に埋め込まれていたのに対して、この変形例では、ＩｎＰ基板１上にｎ型バッファ層２２を介在させて成長した埋め込み層２３の凹部Ｓ内に埋め込まれる点で相違する。また、グランド電極１２は、ＩｎＰ基板１の裏面ではなく、ｎ型バッファ層２２にオーミック接触しており、電極配線１２ｅにより、図示しない読み出し回路の読み出し電極に対面する配置をとっている。
受光部Ｐの間のｎ型領域７の作用効果については、実施の形態２における受光素子アレイ１０の説明がそのまま当てはめることができる。

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。

本発明の受光素子アレイ等によれば、近赤外の長波長域にまで受光でき、かつ画素ピッチを密にしても受光感度を確保でき、とくに受光層がカバーする波長域よりも短い波長域の受光感度をＩｎＰ窓層などによってバックアップすることができる。このため、様々な検査・検出装置、宇宙光による夜間視認装置などに大きな貢献をすることが期待される。

１ ＩｎＰ基板、２ ＩｎＰバッファ層、３ 受光層、５ ＩｎＰ窓層、６ ｐ型領域、７ ｎ型領域、１０ 受光素子アレイ、１１ ｐ側電極（画素電極）、１２ グランド電極（ｎ側電極）、１２ｅ 電極配線、１５ ｐｎ接合、２２ バッファ層、２３ 埋め込み層、３５ ＡＲ（反射防止）膜、３６ 選択拡散マスクパターン、３６ｈ 選択拡散マスクパターンの開口部、Ｋ 空乏層、Ｓ 凹部、Ｐ 画素または受光部。

Claims (12)

1. 近赤外波長領域に受光感度を有し、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の積層体に形成された受光素子アレイであって、
   前記近赤外波長領域に対応するバンドギャップエネルギを有する受光部が、複数、配列され、
   前記受光部は、選択拡散によって形成された第１導電型領域の先端部にｐｎ接合を有し、
   前記受光部を区分けするように、第２導電型領域が該受光部の間に位置することを特徴とする、受光素子アレイ。
2. 前記選択拡散のマスクパターンが前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体の積層体の表面に位置し、前記第２導電型領域は、前記選択拡散のマスクパターンのマスク部において前記表面から前記受光部の底部と同じ深さにまで延び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. 平面的にみて、前記受光部は２０μｍ以上３０μｍ以下のピッチで配列され、前記第１導電型領域の径は７．５μｍ〜２０μｍであり、前記第２導電型領域は１μｍ〜７．５μｍの幅を有す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. 前記第２導電型領域が、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板上に形成された埋め込み用ＩＩＩ−Ｖ族半導体層、およびＩＩＩ−Ｖ族半導体層に導入された第２導電型不純物の領域、のうちのいずれか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. 前記受光部が、ＩｎＧａＡｓ層を備え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. 前記受光部が、タイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造を備え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ＩＩＩ−Ｖ族半導体の積層体の表層がＩｎＰ窓層で形成され、前記受光部の底部から前記ＩｎＰ窓層まで再成長界面を持たないことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の受光素子アレイ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の受光素子アレイと、読み出し回路とを備えることを特徴とする検出装置。
9. 近赤外波長領域に受光感度を有し、ＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子アレイの製造方法であって、
   前記近赤外波長領域に対応するバンドギャップエネルギを有する受光層を形成する工程と、
   前記受光層の上に窓層を形成する工程と、
   前記受光素子アレイにおける受光部間の区分け壁になるように、第２導電型領域を前記窓層の表面から前記受光層の底部にまで形成する工程と、
   前記窓層の表面に選択拡散マスクパターンを形成して、前記第２導電型領域の区分け壁で囲まれた中に第１導電型不純物を選択拡散することにより第１導電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。
10. 近赤外波長領域に受光感度を有し、ＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子アレイの製造方法であって、
    第２導電型のＩＩＩ−Ｖ族半導体基板を準備する工程と、
    前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板に、受光部に対応する位置に凹部を開口する工程と、
    前記凹部に、前記近赤外波長領域に対応するバンドギャップを有する受光層、および窓層、を形成する工程と、
    前記窓層上に前記凹部に合わせた開口部を有する選択拡散マスクパターンを形成し、該凹部内に第１導電型不純物を選択拡散することで第１導電型領域を前記窓層から前記受光層内に届くように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。
11. 近赤外波長領域に受光感度を有し、ＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子アレイの製造方法であって、
    半導体基板上に、第２導電型の埋め込み用半導体層を形成する工程と、
    前記第２導電型埋め込み用半導体層に、受光部に対応する位置に凹部を開口する工程と、
    前記凹部に、前記近赤外波長領域に対応するバンドギャップを有する受光層、および窓層を形成する工程と、
    前記窓層上に前記凹部に合わせた開口部を有する選択拡散マスクパターンを形成し、該凹部内に第１導電型不純物を選択拡散することで第１導電型領域を前記窓層から前記受光層内に届くように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。
12. 前記窓層をＩｎＰ層で形成し、前記受光層および該ＩｎＰ窓層を含むエピタキシャル積層体を形成する工程において、前記エピタキシャル層の成長開始から前記ＩｎＰ窓層の成長を終了するまで、全有機金属気相成長法によって、一貫して同じ成膜室で成長させることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の受光素子アレイの製造方法。
    

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