JP2013201219A - 受光素子、その製造方法、および検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】暗電流を小さくした上で、狭ピッチ化、量産性向上が可能な受光素子等を提供する。
【解決手段】 エピタキシャル積層体に含まれる受光層３と、受光層と該受光層に接する、受光層の上層４との界面に位置するｐｎ接合１５とを備え、画素Ｐは、エピタキシャル積層体の表面からｐｎ接合を貫通する、メサ構造の溝Ｋによって互いに分離され、メサ構造の溝Ｋは、画素Ｐにおいて、受光層の断面積がｐｎ接合１５へと向かって縮小するようにテーパが付き、上層は、ｐｎ接合を取り囲むように、メサ構造の溝に露出する庇状もしくは笠状部の下面部分を備える。
【選択図】 図１
【解決手段】 エピタキシャル積層体に含まれる受光層３と、受光層と該受光層に接する、受光層の上層４との界面に位置するｐｎ接合１５とを備え、画素Ｐは、エピタキシャル積層体の表面からｐｎ接合を貫通する、メサ構造の溝Ｋによって互いに分離され、メサ構造の溝Ｋは、画素Ｐにおいて、受光層の断面積がｐｎ接合１５へと向かって縮小するようにテーパが付き、上層は、ｐｎ接合を取り囲むように、メサ構造の溝に露出する庇状もしくは笠状部の下面部分を備える。
【選択図】 図１
Description
本発明は、赤外域の光を受光対象とする、受光素子、その製造方法、および検出装置に関するものである。
近赤外を含む赤外域の光は、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て、その赤外域の検出器の開発が行われている。とくに近赤外から長波長側へと受光感度の拡大が推進されている。これら受光素子では、画素の高密度化、量産性などを向上させるため、従来多用されたプレーナ型フォトダイオードからメサ型フォトダイオードを採用する傾向にある。近赤外域のメサ型フォトダイオードについては、ＩｎＧａＡｓ２次元イメージセンサについて開示がなされている（非特許文献１、特許文献１）。また、近赤外から長波長側に感度拡大をはかるためタイプ２量子井戸構造（多重量子井戸構造:Multi-Quantum Well）を受光層として、メサ構造を形成するのに、湿式エッチング（リン酸系エッチャント）を用いる提案がなされている（非特許文献２）。さらにメサ構造の素子分離溝の上に絶縁膜を設け、その上に反射膜を形成し、画素間のクロストークを防止する構造についての提案もなされている（特許文献２）
メサ型フォトダイオードは、その性能に関して、プレーナ型フォトダイオードに比べて次の利点を有する。
（１）フィルファクタを高くすることができる。逆に、小サイズで同じ受光感度を得ることができる（小型化）。そして、当然ながら狭ピッチ化ができる。
（２）ｐｎ接合をエピタキシャル成長のとき作り込むのでｐｎ接合位置の制御性に優れている。ｐｎ接合位置がずれると、感度や応答速度のバイアス電圧依存性が変化するため製品の特性の安定性に影響を及ぼす。
メサ型フォトダイオードは、その性能に関して、プレーナ型フォトダイオードに比べて次の利点を有する。
（１）フィルファクタを高くすることができる。逆に、小サイズで同じ受光感度を得ることができる（小型化）。そして、当然ながら狭ピッチ化ができる。
（２）ｐｎ接合をエピタキシャル成長のとき作り込むのでｐｎ接合位置の制御性に優れている。ｐｎ接合位置がずれると、感度や応答速度のバイアス電圧依存性が変化するため製品の特性の安定性に影響を及ぼす。
Marshall J.Cohen, Michael J. Lange, Martin H. Ettenberg, Peter Dixon, Gregory H. Olsen, "A Thin Film Indium Gallium Arsenide Focal Plane Array for Visibleand Near Infrared Hyperspectral Imaging",1999, IEEE,pp.744-745
Mark Itzler, "Low-Noise Abalanche Photodiodes for Midwave Infrared (2 to 5 μｍ) Applications", Princeton Lightwave Inc.Final Report, 14 August 2005
しかし、メサ型フォトダイオードは、ｐｎ接合がメサ構造の溝に露出するので、とくにドライエッチングによる結晶の損傷によってリーク電流が増大する傾向がある。一般に、近赤外〜遠赤外の波長域の受光においては、暗電流は極力下げる必要があり、このためにペルチエ素子等の冷却機構を設けるのが普通である。また、比較的波長が短い範囲の近赤外域において冷却機構を設けない構成は、それだけで、その受光素子の一つの大きな特徴となる。また、より長波長側において冷却機構を必要とする場合でも、暗電流が低ければ、冷却機構のレベルを低くでき、重量軽減、コスト削減等を得ることができる。
本発明は、暗電流を小さくした上で、狭ピッチ化、量産性向上が可能な受光素子、その受光素子の製造方法、および検出装置を提供することを目的とする。
本発明の受光素子は、半導体基板上のエピタキシャル積層体に形成され、画素が配列されている。この受光素子は、エピタキシャル積層体に含まれる受光層と、受光層と該受光層に接する上層との界面に位置するｐｎ接合とを備え、画素は、エピタキシャル積層体の表面から前記ｐｎ接合を貫通する、メサ構造の溝によって互いに分離され、メサ構造の溝は、画素において、受光層の断面積がｐｎ接合へと向かって縮小するようにテーパが付いており、上層は、ｐｎ接合を取り囲むように、メサ構造の溝に露出する庇状もしくは笠状部の下面部分を備えることを特徴とする。
メサ構造で分離された画素における暗電流は、一般に、ｐｎ接合の面積が大きければ大きいほど、もしくはｐｎ接合がメサ構造の溝に露出する部分（線長）が長ければ長いほど大きくなる。上記構成によれば、ｐｎ接合の面積は、画素における受光層の横断面積よりも縮小されている。このため、ｐｎ接合の溝に露出する部分も短くなり、暗電流は抑制され、Ｓ／Ｎ比に優れた受光素子を得ることができる。
また、メサ構造の画素分離によって画素分離ができると、小型化（狭ピッチ化）を推進することが容易となる。
さらに、選択拡散法よりも選択拡散領域の不純物濃度分布を均一に制御できるので、大口径化を推進することができる。この大口径化によって、受光素子の製造の量産性を高めることができる。
なお、上記の溝の形状は、エピタキシャル積層体の表面に開口部を有する溝を、ウエットエッチングによって形成した結果である。すなわちエピタキシャル積層体の表面からウエットエッチングにより溝を掘ってゆくとき、受光層の根元（半導体基板がわ）ほど溝の幅は狭くなり、画素における受光層は根元がわほど幅広になる。その結果、受光層の根元と反対がわの面に位置するｐｎ接合は受光層の断面積より小さい面積を有することになる。製造においてウエットエッチングを用いることが重要であるが、ウエットエッチングの結果、もたらされる形状を構成要件としている。したがって、上記受光素子の発明は、ウエットエッチングを構成要件に含むものではない。
また、ｐｎ接合を形成する上層は、該ｐｎ接合を取り囲むように、メサ構造の溝に露出する庇状もしくは笠状の下面部分を備えるのは、ウエットエッチングによってメサ構造の溝を形成することによる。この結果、受光層とその上層との間に段差ができる。段差は、上層の下面部分が笠のように張り出してｐｎ接合を取り囲むような形態をとる。このため、画素電極が配置されるコンタクト層は、当該上層そのものであるか、または当該上層の上の層であるので、画素電極は、ｐｎ接合の面積は小さいにもかかわらず、比較的大きい。この結果、画素電極の電気的な接触の抵抗を低くすることができる。
エピタキシャル積層体において、受光層を含む上部層は、受光層／上層／コンタクト層、または受光層／コンタクト層、である。後者の場合、受光層とｐｎ接合を形成する上層は、最表層のコンタクト層である。前者の場合は、コンタクト層の下地の受光層と接する層である。
受光素子は、複数の画素が、一次元配列されたものでも、二次元配列されたものでもよい。
また、メサ構造の画素分離によって画素分離ができると、小型化（狭ピッチ化）を推進することが容易となる。
さらに、選択拡散法よりも選択拡散領域の不純物濃度分布を均一に制御できるので、大口径化を推進することができる。この大口径化によって、受光素子の製造の量産性を高めることができる。
なお、上記の溝の形状は、エピタキシャル積層体の表面に開口部を有する溝を、ウエットエッチングによって形成した結果である。すなわちエピタキシャル積層体の表面からウエットエッチングにより溝を掘ってゆくとき、受光層の根元（半導体基板がわ）ほど溝の幅は狭くなり、画素における受光層は根元がわほど幅広になる。その結果、受光層の根元と反対がわの面に位置するｐｎ接合は受光層の断面積より小さい面積を有することになる。製造においてウエットエッチングを用いることが重要であるが、ウエットエッチングの結果、もたらされる形状を構成要件としている。したがって、上記受光素子の発明は、ウエットエッチングを構成要件に含むものではない。
また、ｐｎ接合を形成する上層は、該ｐｎ接合を取り囲むように、メサ構造の溝に露出する庇状もしくは笠状の下面部分を備えるのは、ウエットエッチングによってメサ構造の溝を形成することによる。この結果、受光層とその上層との間に段差ができる。段差は、上層の下面部分が笠のように張り出してｐｎ接合を取り囲むような形態をとる。このため、画素電極が配置されるコンタクト層は、当該上層そのものであるか、または当該上層の上の層であるので、画素電極は、ｐｎ接合の面積は小さいにもかかわらず、比較的大きい。この結果、画素電極の電気的な接触の抵抗を低くすることができる。
エピタキシャル積層体において、受光層を含む上部層は、受光層／上層／コンタクト層、または受光層／コンタクト層、である。後者の場合、受光層とｐｎ接合を形成する上層は、最表層のコンタクト層である。前者の場合は、コンタクト層の下地の受光層と接する層である。
受光素子は、複数の画素が、一次元配列されたものでも、二次元配列されたものでもよい。
メサ構造の溝を、（受光層内に底を有する、受光層を貫通している、および、受光層の下層のエピタキシャル層内もしくは半導体基板内に底を有する）のいずれかとすることができる。
これによって、狭ピッチの程度と、メサ構造の溝の深さ（画素分離の程度などに影響）との均衡をとりながら、上記の多くの選択肢のうちから適切な構成を採ることができる。
これによって、狭ピッチの程度と、メサ構造の溝の深さ（画素分離の程度などに影響）との均衡をとりながら、上記の多くの選択肢のうちから適切な構成を採ることができる。
画素における受光層の、溝が並置する最も深い位置において、受光層の、積層方向に直交する断面積を、ｐｎ接合の面積の１．１倍以上１０倍以下とすることができる。
これによって、エピダウン実装を行う受光素子において入射面側（半導体基板側）の受光層の断面積を大きくすることで、画素に入射光を多く取り入れることができる。この結果、受光感度を高めることができる。
これによって、エピダウン実装を行う受光素子において入射面側（半導体基板側）の受光層の断面積を大きくすることで、画素に入射光を多く取り入れることができる。この結果、受光感度を高めることができる。
画素の表面の面積を、ｐｎ接合の面積よりも大きくすることができる。
これによって、画素電極を配置する部分（コンタクト層表面）を広くして、接触抵抗を低下させることができる。
これによって、画素電極を配置する部分（コンタクト層表面）を広くして、接触抵抗を低下させることができる。
メサ構造の溝の少なくとも側壁が、縦断面において、湾曲した凹状曲線を主体に構成される、ことができる。
ウエットエッチングのエッチャントや時間を調整することで、湾曲の形状を制御することができる。
ウエットエッチングのエッチャントや時間を調整することで、湾曲の形状を制御することができる。
エピタキシャル積層体は、該エピタキシャル積層体を保護するためのパッシベーション膜によって、メサ構造の壁面を含めて、表面が被覆されることができる。
これによって、エピタキシャル積層体の保護をしながら、上記の溝の壁面におけるテーパおよびパッシベーション膜の屈折率や構造に起因する反射機能により画素の受光層を漏れようとする光を戻すことができる。この結果、光を有効に活用することができ、受光感度を高めることができる。
これによって、エピタキシャル積層体の保護をしながら、上記の溝の壁面におけるテーパおよびパッシベーション膜の屈折率や構造に起因する反射機能により画素の受光層を漏れようとする光を戻すことができる。この結果、光を有効に活用することができ、受光感度を高めることができる。
パッシベーション膜を、｛単層絶縁膜、多層誘電体膜、（単層絶縁膜／多層誘電体膜）、（単層絶縁膜／金属膜）、（多層誘電体膜／金属膜）、および、（単層絶縁膜／多層誘電体膜／金属膜）｝のいずれかとすることができる。
これによって、メサ構造によって画素を分離しながら、そのメサ構造の溝がテーパを有することを、上記のパッシベーション膜の構成により確実に利用することで受光感度を高めることができる。
これによって、メサ構造によって画素を分離しながら、そのメサ構造の溝がテーパを有することを、上記のパッシベーション膜の構成により確実に利用することで受光感度を高めることができる。
受光層を多重量子井戸構造（多重量子井戸構造：Multi-Quantum Well）とすることができる。
一般に、多重量子井戸構造に対してメサ構造をとった場合、大きな暗電流が生じることが知られている。しかし、上記の構成によれば、ｐｎ接合の面積を小さくして、溝に露出する部分を短くできるので、その暗電流を抑制することができる。
一般に、多重量子井戸構造に対してメサ構造をとった場合、大きな暗電流が生じることが知られている。しかし、上記の構成によれば、ｐｎ接合の面積を小さくして、溝に露出する部分を短くできるので、その暗電流を抑制することができる。
半導体基板および受光層を、ＩｎＰ基板およびタイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造、または、ＧａＳｂ基板およびタイプ２（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）の多重量子井戸構造、とすることができる。
これによって、近赤外〜遠赤外域に受光感度をもち、暗電流が小さい、受光素子を得ることができる。
これによって、近赤外〜遠赤外域に受光感度をもち、暗電流が小さい、受光素子を得ることができる。
受光層のキャリア濃度を、１Ｅ１４ｃｍ−３以上１Ｅ１６ｃｍ−３以下とすることができる。
これによって、結晶性に優れた受光層を得ることができる。
また、逆バイアスをそれほど印加しなくても、受光層の全厚み方向に渡って
空乏化できるので、高い感度を保ったまま、逆バイアスが小さく従って暗電流も
小さい条件で使用することができる。
これによって、結晶性に優れた受光層を得ることができる。
また、逆バイアスをそれほど印加しなくても、受光層の全厚み方向に渡って
空乏化できるので、高い感度を保ったまま、逆バイアスが小さく従って暗電流も
小さい条件で使用することができる。
本発明の検出装置は、受光素子と、読み出し回路（ＲＯＩＣ:Read-Out IC）とを組み合わせたことを特徴とする。
これによって、暗電流が小さくＳＮ比が良好な、狭ピッチの画素配列の検出装置を得ることができる。
これによって、暗電流が小さくＳＮ比が良好な、狭ピッチの画素配列の検出装置を得ることができる。
本発明の受光素子の製造方法は、半導体基板上のエピタキシャル積層体に画素を配列した受光素子を製造するものである。この製造方法は、導体基板の上に受光層を形成する工程と、受光層に接して上層を形成する工程と、受光層および上層の形成工程では、受光層／上層の界面がｐｎ接合となるように不純物をドープして、画素を互いに分離するために、エピタキシャル積層体の表面からｐｎ接合を突き抜けて、少なくとも受光層内に達するメサ構造の溝を形成する工程とを備え、メサ構造の溝を形成する工程ではウエットエッチングによるエッチングを行うことで、画素において、受光層の断面積がｐｎ接合へと向かって縮小するようにテーパを付けることを特徴とする。
ウエットエッチングによるメサ構造の形成は簡単である。そして、このウエットエッチングにおいて、溝の深い位置ほど狭い幅でエッチングされることを利用してｐｎ接合の面積を小さくすることができる。その結果、ｐｎ接合がメサ構造の溝に露出するｐｎ接合の端の部分が短くなり、暗電流を抑制することができる。
ウエットエッチングによるメサ構造の形成は簡単である。そして、このウエットエッチングにおいて、溝の深い位置ほど狭い幅でエッチングされることを利用してｐｎ接合の面積を小さくすることができる。その結果、ｐｎ接合がメサ構造の溝に露出するｐｎ接合の端の部分が短くなり、暗電流を抑制することができる。
ウエットエッチングにおけるエッチャントに、ＨＢｒ系または酢酸系のエッチャントを用いることができる。
これによって、上記のテーパを確実に付けることができる。
これによって、上記のテーパを確実に付けることができる。
メサ構造の溝を設ける工程において、同じエッチャント内に、該受光素子の中間製品を浸漬することで、メサ構造の溝と、受光素子の端縁に位置し、受光層を突き抜けてグランド電極が接触する不純物層に届く一つの配線電極用溝とを、同じ機会に形成することができる。
一般に、ウエットエッチングにおいて、エッチング対象領域の隙間または溝の幅が大きい方が、エッチャントの拡散（循環）が容易なため、同じ時間当たりのエッチング深さを深くすることができる。メサ構造の溝は、グランド電極の配線電極用溝と比較して、その溝の幅は、相当小さい。このため、エッチング用のレジストパターンを設けた中間製品のウエハを、一つの容器に収納されたエッチャントに浸漬すると、メサ構造の溝は浅く、またグランド電極の配線電極用溝はそれより深く掘れる。このため、レジストパターンの開口幅の比（エッチング自体のために調整する調整代は小さい）、エッチャントの成分の調整、エッチング時間、温度等を調整することで、同じ機会の浸漬によって、メサ構造の溝と、グランド電極の配線電極用溝とを同時に形成することが可能になる。この結果、量産性を高めて製造コストを大きく低減することができる。
一般に、ウエットエッチングにおいて、エッチング対象領域の隙間または溝の幅が大きい方が、エッチャントの拡散（循環）が容易なため、同じ時間当たりのエッチング深さを深くすることができる。メサ構造の溝は、グランド電極の配線電極用溝と比較して、その溝の幅は、相当小さい。このため、エッチング用のレジストパターンを設けた中間製品のウエハを、一つの容器に収納されたエッチャントに浸漬すると、メサ構造の溝は浅く、またグランド電極の配線電極用溝はそれより深く掘れる。このため、レジストパターンの開口幅の比（エッチング自体のために調整する調整代は小さい）、エッチャントの成分の調整、エッチング時間、温度等を調整することで、同じ機会の浸漬によって、メサ構造の溝と、グランド電極の配線電極用溝とを同時に形成することが可能になる。この結果、量産性を高めて製造コストを大きく低減することができる。
メサ構造の溝の壁面を含めてエピタキシャル積層体を保護するためのパッシベーション膜を、｛単層絶縁膜、多層誘電体膜、（単層絶縁膜／多層誘電体膜）、（単層絶縁膜／金属膜）、（多層誘電体膜／金属膜）、および、（単層絶縁膜／多層誘電体膜／金属膜）｝のいずれかで形成することができる。
これによって、簡単に受光感度を高めることができる。
これによって、簡単に受光感度を高めることができる。
本発明により、暗電流を小さくした上で、かつ狭ピッチ化、製造能率向上が可能な受光素子等を得ることができる。
（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１０を読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read-Out IC）７０と結合した検出装置５０を示す図である。図１によれば、受光素子１０は次のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造を備える。
（ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＰバッファ層２／ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとのタイプ２の多重量子井戸構造の受光層３／ｐ型ＩｎＧａＡｓの受光層の上層４／ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５）
ｎ型バッファ層２はＩｎＰなどで形成することができる。ｐ型ＩｎＧａＡｓの受光層の上層４／ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５は、図１に示すように、これら２つの層で構成してもよいし、いずれか一方の、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層単独でもよいし、ｐ型ＩｎＰ層単独でもよい。最表層には、画素電極がオーミック接触することから、最表層をコンタクト層と呼ぶ。このあとの説明は、図１に従って、（ｐ型ＩｎＧａＡｓの受光層の上層４／ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５）で構成される場合について説明する。
ｐ側の画素電極１１がオーミック接触するため、最表層におけるｐ型不純物、たとえば亜鉛（Ｚｎ）の濃度は、１Ｅ１８ｃｍ−３以上とする。
画素Ｐは、メサ構造の溝Ｋによって分離されている。メサ構造の溝Ｋおよびｐ型ＩｎＰのコンタクト層５、ならびにグランド電極１２が位置する端縁部を保護するために、パッシベーション膜である単層絶縁膜２５がこれら全体を連続して覆っている。単層絶縁膜２５は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などで形成することができる。
受光素子１０の画素電極１１にはバンプ下地金属１１ｅとバンプとが設けられ、読み出し回路７０の本体７０ａに設けられた読み出し電極上のバンプと、バンプ接合部５１を形成することで導電接続されている。また、ｎ型バッファ層２にオーミック接触するグランド電極１２は、ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５の表面へと端縁の壁を伝って延びる配線電極１３を伝って、読み出し回路本体７０ａのアース電極上でバンプ接合部５２を形成している。
ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５にはＡｕＺｎによるｐ側電極または画素電極１１が、またｎ型バッファ層２にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極またはグランド電極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。また、画素電極１１とバンプ接合部５１との間に介在するバンプ下地金属１１ｅは、ＴｉＮｉＡｕ等により形成される。
上述のように、ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５におけるキャリア濃度は１Ｅ１８ｃｍ−３以上とするのがよい。また、ｎ型バッファ層２には、やはりオーミック接触を実現するためｎ型不純物のＳｉを１Ｅ１８ｃｍ−３以上ドープするのがよい。
画素が一次元または二次元に配列される場合、ＩｎＰ基板１の裏面を入射面とする。受光感度を高めるため、ＩｎＰ基板１の裏面には、ＳｉＯＮ等の反射防止膜２７を設けるのがよい。
読み出し回路７０には、ＣＭＯＳ(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)によるマルチプレクサを用いている。
ＩｎＰ基板１は、近赤外域での透過率を低下させないためにＦｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板とするのがよい。しかし、状況に応じて、不純物をドープして導電性を高めたＩｎＰ基板を用いてもよい。
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子１０を読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read-Out IC）７０と結合した検出装置５０を示す図である。図１によれば、受光素子１０は次のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造を備える。
（ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＰバッファ層２／ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとのタイプ２の多重量子井戸構造の受光層３／ｐ型ＩｎＧａＡｓの受光層の上層４／ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５）
ｎ型バッファ層２はＩｎＰなどで形成することができる。ｐ型ＩｎＧａＡｓの受光層の上層４／ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５は、図１に示すように、これら２つの層で構成してもよいし、いずれか一方の、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層単独でもよいし、ｐ型ＩｎＰ層単独でもよい。最表層には、画素電極がオーミック接触することから、最表層をコンタクト層と呼ぶ。このあとの説明は、図１に従って、（ｐ型ＩｎＧａＡｓの受光層の上層４／ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５）で構成される場合について説明する。
ｐ側の画素電極１１がオーミック接触するため、最表層におけるｐ型不純物、たとえば亜鉛（Ｚｎ）の濃度は、１Ｅ１８ｃｍ−３以上とする。
画素Ｐは、メサ構造の溝Ｋによって分離されている。メサ構造の溝Ｋおよびｐ型ＩｎＰのコンタクト層５、ならびにグランド電極１２が位置する端縁部を保護するために、パッシベーション膜である単層絶縁膜２５がこれら全体を連続して覆っている。単層絶縁膜２５は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などで形成することができる。
受光素子１０の画素電極１１にはバンプ下地金属１１ｅとバンプとが設けられ、読み出し回路７０の本体７０ａに設けられた読み出し電極上のバンプと、バンプ接合部５１を形成することで導電接続されている。また、ｎ型バッファ層２にオーミック接触するグランド電極１２は、ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５の表面へと端縁の壁を伝って延びる配線電極１３を伝って、読み出し回路本体７０ａのアース電極上でバンプ接合部５２を形成している。
ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５にはＡｕＺｎによるｐ側電極または画素電極１１が、またｎ型バッファ層２にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極またはグランド電極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。また、画素電極１１とバンプ接合部５１との間に介在するバンプ下地金属１１ｅは、ＴｉＮｉＡｕ等により形成される。
上述のように、ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５におけるキャリア濃度は１Ｅ１８ｃｍ−３以上とするのがよい。また、ｎ型バッファ層２には、やはりオーミック接触を実現するためｎ型不純物のＳｉを１Ｅ１８ｃｍ−３以上ドープするのがよい。
画素が一次元または二次元に配列される場合、ＩｎＰ基板１の裏面を入射面とする。受光感度を高めるため、ＩｎＰ基板１の裏面には、ＳｉＯＮ等の反射防止膜２７を設けるのがよい。
読み出し回路７０には、ＣＭＯＳ(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)によるマルチプレクサを用いている。
ＩｎＰ基板１は、近赤外域での透過率を低下させないためにＦｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板とするのがよい。しかし、状況に応じて、不純物をドープして導電性を高めたＩｎＰ基板を用いてもよい。
＜本実施の形態におけるポイント＞
１．メサ構造の溝におけるテーパ：
図１に示すように、受光素子１０の画素Ｐを分離するメサ構造の溝Ｋは、エピタキシャル積層体の表面から受光層３内をＩｎＰ基板１側に向かって狭くなるテーパが付いている。これはウエットエッチングによってメサ構造の溝Ｋを形成することで、自然に生じるテーパである。ただ、正確なテーパ形状については、断面において直線的なテーパではなく、湾曲している。テーパについて重要な点は、直線的または湾曲状の別なく、ＩｎＰ基板１側に向かって、メサ構造の溝Ｋの幅が小さくなるような勾配が付いていることである。このテーパの作用は、次の点に現れる。
（Ｅ１）ｐｎ接合の小サイズ化による暗電流の抑制：
受光層３とｐ型ＩｎＧａＡｓの受光層の上層４との界面に位置するｐｎ接合１５は、受光層３の幅よりも小さい幅となる。面積としても、当然、受光層３の横断面積よりも小さくなる。一般に、メサ構造により画素分離をしてメサ構造の溝Ｋの壁面における結晶性が劣化して暗電流が増加するのは、メサ構造の溝Ｋに露出したｐｎ接合の劣化した結晶において漏れ電流が生じることが原因となる。メサ構造の溝Ｋに露出するｐｎ接合１５が小さくなれば、暗電流はそれに応じて少なくなる。とくに、本実施の形態のように、受光層３が、ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとのタイプ２の多重量子井戸構造で構成される場合、メサ構造の溝Ｋによる暗電流増大の感受性が高い。このメサ構造の溝Ｋによる暗電流増大の感受性は、ｐｎ接合１５の小サイズ化によって確実に抑制することができる。したがって多重量子井戸構造からなる受光層３に対して、ｐｎ接合１５の小サイズ化は暗電流の抑制に有効である。
図３は、ウエットエッチングによってメサ構造の溝Ｋを形成する状況を示す図である。ウエットエッチングの条件等については、このあと製造方法において、この図３を含む図面を用いて詳しく説明する。図３によれば、ｐｎ接合１５は、受光層３のどの部分よりも幅が小さい。これは、当然、ｐｎ接合１５の面積が、受光層３のどの部分の横断面積よりも小さいことを意味する。
たとえば画素を二次元配列した場合、メサ構造の溝Ｋの底に対応する位置の受光層３の幅Ｄｂはｐｎ接合１５の幅ｄの比は、（１．１）１／２以上（１０）１／２以下である。面積としては、１．１以上１０以下である。ｐｎ接合１５の幅ｄは小さいため、受光層３の上層４の下面は、ひさし庇の部分である笠状部４ｓを形成する。
また、図３に示すように、画素Ｐのコンタクト層であるｐ型ＩｎＰのコンタクト層５の表面の幅Ｄｅについても、ｐｎ接合１５の幅ｄよりも大きい。したがってｐ型ＩｎＰのコンタクト層５の表面の面積は、ｐｎ接合１５の面積より大きくなる。この結果、画素電極１１の配置する箇所の面積を大きくすることができ、画素電極１１の接触抵抗を小さくすることができる。
（Ｅ２）テーパ溝壁面での反射による受光感度向上：
図１において、受光時、ｐｎ接合１５には逆バイアス電圧を印加して、空乏層１７を受光層３内に拡げる。図１における、空乏層１７は、矩形の場合を例示しているが、入射面側に向かって受光層３の幅一杯に扇状に拡がるような形態であってもよい。光入射面であるＩｎＰ基板１裏面から入射した光は、画素Ｐ内の空乏層１７を通る際に受光される。受光されなかった光は、本実施の形態の場合、メサ構造の溝Ｋの壁面にテーパが付いているため、その壁面で反射して空乏層１７へと戻される（図１の矢印）。テーパがないストレート壁面で反射される反射光に比べて、上向き成分（半導体基板側に向く成分）が大きくなる。このため、テーパ付き壁面での反射光は、より長く空乏層内の経過路（軌跡）を通ることになる。この結果、受光素子１０内に入射された光を有効に効率的に利用でき、受光感度を高めることができる。
２．製造方法の利点：
本実施の形態のメサ構造の溝Ｋは、ウエットエッチングにより設けられる。このウエットエッチングにおける利点については、製造方法の説明において示す。
１．メサ構造の溝におけるテーパ：
図１に示すように、受光素子１０の画素Ｐを分離するメサ構造の溝Ｋは、エピタキシャル積層体の表面から受光層３内をＩｎＰ基板１側に向かって狭くなるテーパが付いている。これはウエットエッチングによってメサ構造の溝Ｋを形成することで、自然に生じるテーパである。ただ、正確なテーパ形状については、断面において直線的なテーパではなく、湾曲している。テーパについて重要な点は、直線的または湾曲状の別なく、ＩｎＰ基板１側に向かって、メサ構造の溝Ｋの幅が小さくなるような勾配が付いていることである。このテーパの作用は、次の点に現れる。
（Ｅ１）ｐｎ接合の小サイズ化による暗電流の抑制：
受光層３とｐ型ＩｎＧａＡｓの受光層の上層４との界面に位置するｐｎ接合１５は、受光層３の幅よりも小さい幅となる。面積としても、当然、受光層３の横断面積よりも小さくなる。一般に、メサ構造により画素分離をしてメサ構造の溝Ｋの壁面における結晶性が劣化して暗電流が増加するのは、メサ構造の溝Ｋに露出したｐｎ接合の劣化した結晶において漏れ電流が生じることが原因となる。メサ構造の溝Ｋに露出するｐｎ接合１５が小さくなれば、暗電流はそれに応じて少なくなる。とくに、本実施の形態のように、受光層３が、ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとのタイプ２の多重量子井戸構造で構成される場合、メサ構造の溝Ｋによる暗電流増大の感受性が高い。このメサ構造の溝Ｋによる暗電流増大の感受性は、ｐｎ接合１５の小サイズ化によって確実に抑制することができる。したがって多重量子井戸構造からなる受光層３に対して、ｐｎ接合１５の小サイズ化は暗電流の抑制に有効である。
図３は、ウエットエッチングによってメサ構造の溝Ｋを形成する状況を示す図である。ウエットエッチングの条件等については、このあと製造方法において、この図３を含む図面を用いて詳しく説明する。図３によれば、ｐｎ接合１５は、受光層３のどの部分よりも幅が小さい。これは、当然、ｐｎ接合１５の面積が、受光層３のどの部分の横断面積よりも小さいことを意味する。
たとえば画素を二次元配列した場合、メサ構造の溝Ｋの底に対応する位置の受光層３の幅Ｄｂはｐｎ接合１５の幅ｄの比は、（１．１）１／２以上（１０）１／２以下である。面積としては、１．１以上１０以下である。ｐｎ接合１５の幅ｄは小さいため、受光層３の上層４の下面は、ひさし庇の部分である笠状部４ｓを形成する。
また、図３に示すように、画素Ｐのコンタクト層であるｐ型ＩｎＰのコンタクト層５の表面の幅Ｄｅについても、ｐｎ接合１５の幅ｄよりも大きい。したがってｐ型ＩｎＰのコンタクト層５の表面の面積は、ｐｎ接合１５の面積より大きくなる。この結果、画素電極１１の配置する箇所の面積を大きくすることができ、画素電極１１の接触抵抗を小さくすることができる。
（Ｅ２）テーパ溝壁面での反射による受光感度向上：
図１において、受光時、ｐｎ接合１５には逆バイアス電圧を印加して、空乏層１７を受光層３内に拡げる。図１における、空乏層１７は、矩形の場合を例示しているが、入射面側に向かって受光層３の幅一杯に扇状に拡がるような形態であってもよい。光入射面であるＩｎＰ基板１裏面から入射した光は、画素Ｐ内の空乏層１７を通る際に受光される。受光されなかった光は、本実施の形態の場合、メサ構造の溝Ｋの壁面にテーパが付いているため、その壁面で反射して空乏層１７へと戻される（図１の矢印）。テーパがないストレート壁面で反射される反射光に比べて、上向き成分（半導体基板側に向く成分）が大きくなる。このため、テーパ付き壁面での反射光は、より長く空乏層内の経過路（軌跡）を通ることになる。この結果、受光素子１０内に入射された光を有効に効率的に利用でき、受光感度を高めることができる。
２．製造方法の利点：
本実施の形態のメサ構造の溝Ｋは、ウエットエッチングにより設けられる。このウエットエッチングにおける利点については、製造方法の説明において示す。
上記の受光素子１０の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１上に、上述した（ｎ型ＩｎＰバッファ層２／ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとのタイプ２多重量子井戸構造の受光層３／ｐ型ＩｎＧａＡｓの受光層の上層４／ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５）の積層体をエピタキシャル成長する。ＩｎＰ基板１は、近赤外域での透過率を低下させないためにＦｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板とするのがよい。しかし、製造方法によっては、不純物をドープして導電性を高めたＩｎＰ基板を用いてもよい。エピタキシャル積層体の成長方法は、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法でも、ＯＭＶＰＥ(Organich Metal Vapor Phase Epitaxy)法でもよい。とくにＩｎＰのバッファ層２，ＩｎＰのコンタクト層５のようにＰを含む層の成長においても無機の燐原料ではなく、有機燐原料を用いた全有機ＯＭＶＰＥ法で成長するのが好ましい。成長温度は、４５０℃〜５５０℃の範囲とすることが、多重量子井戸構造にＳｂを含む場合、良好な結晶性を確保する上で重要である。ｐ型ＩｎＧａＡｓの受光層の上層４およびｐ型ＩｎＰのコンタクト層５では、そのエピタキシャル層の成長中にＭｇ、Ｚｎなどのｐ型不純物をドープするのがよい。これによって、ｐｎ接合を受光層の最表層に確実に形成することができる。別のｐ型不純物の導入法として、ｎ型のＩｎＧａＡｓの受光層の上層４およびＩｎＰのコンタクト層５をエピタキシャル成長しておき、そのあとで全面にＺｎを拡散することでｐ型化してもよい。
ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５におけるキャリア濃度は１Ｅ１８ｃｍ−３以上とするのがよい。また、ｎ型ＩｎＰのバッファ層２には、やはりオーミック接触を実現するためｎ型不純物のＳｉを１Ｅ１８ｃｍ−３以上ドープするのがよい。受光層３は、ｎ型もしくはｉ（intrinsic）型であるが、キャリア濃度は１Ｅ１４〜１Ｅ１５ｃｍ−３の範囲内にするのがよい。その受光層３との界面にｐｎ接合１５を形成するＩｎＧａＡｓの受光層の上層４は、ｎ型キャリア濃度は、１Ｅ１７ｃｍ−３以上とするのがよい。
次いで図２（ｂ）に示すように、絶縁膜２１により全面を被覆して、フォトリソグラフィによって、溝形成用パターンに加工する。このとき、メサ構造の溝を形成する場所の絶縁膜２１を、予めフッ酸系エッチャントで除く。画素配列の例を挙げれば、３０μｍピッチで、横３２０個×縦２５６個、並ぶ配列とする。
ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５におけるキャリア濃度は１Ｅ１８ｃｍ−３以上とするのがよい。また、ｎ型ＩｎＰのバッファ層２には、やはりオーミック接触を実現するためｎ型不純物のＳｉを１Ｅ１８ｃｍ−３以上ドープするのがよい。受光層３は、ｎ型もしくはｉ（intrinsic）型であるが、キャリア濃度は１Ｅ１４〜１Ｅ１５ｃｍ−３の範囲内にするのがよい。その受光層３との界面にｐｎ接合１５を形成するＩｎＧａＡｓの受光層の上層４は、ｎ型キャリア濃度は、１Ｅ１７ｃｍ−３以上とするのがよい。
次いで図２（ｂ）に示すように、絶縁膜２１により全面を被覆して、フォトリソグラフィによって、溝形成用パターンに加工する。このとき、メサ構造の溝を形成する場所の絶縁膜２１を、予めフッ酸系エッチャントで除く。画素配列の例を挙げれば、３０μｍピッチで、横３２０個×縦２５６個、並ぶ配列とする。
このあと、図３に示すように、ウエットエッチングによって所定の深さまでエッチングする。図１の場合は、メサ構造の溝Ｋの底は、受光層３の底、もしくは受光層３／ＩｎＰバッファ層２の界面、に対応する深さである。エッチャントは、ＨＢｒ系または酢酸系とするのがよい。この系のエッチャントを用いることで、滑らかな順テーパ形状のメサ構造の溝Ｋを得ることができる。順テーパとは、エッチング深さが深くなるほど溝幅が狭くなるようなテーパをいう。
各エッチャントの具体的内容は次のとおりである。
＜ＨＢｒ系エッチャント＞：臭化水素（ＨＢｒ）：水（Ｈ２Ｏ）：過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）＝４０：２００：１、＜エッチング時間＞：１００分間
＜酢酸系エッチャント＞：塩酸（ＨＣｌ）：酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）：過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）＝４０：１０５：１５、＜エッチング時間＞：３分間
とくにＩｎＰのコンタクト層５を塩酸により、またＩｎＧａＡｓの受光層の上層４および（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）タイプ２の多重量子井戸構造の受光層３をリン酸系エッチャントでエッチングしてもよい。この方法によれば、順テーパ形状を得ながらｎ型ＩｎＰバッファ層２においてエッチストップすることが容易となる。この後、所定のｐｎ接合１５の面積とするために、リン酸系エッチャントで所定時間、追加のウエットエッチングをするのがよい。
＜ＨＢｒ系エッチャント＞：臭化水素（ＨＢｒ）：水（Ｈ２Ｏ）：過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）＝４０：２００：１、＜エッチング時間＞：１００分間
＜酢酸系エッチャント＞：塩酸（ＨＣｌ）：酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）：過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）＝４０：１０５：１５、＜エッチング時間＞：３分間
とくにＩｎＰのコンタクト層５を塩酸により、またＩｎＧａＡｓの受光層の上層４および（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）タイプ２の多重量子井戸構造の受光層３をリン酸系エッチャントでエッチングしてもよい。この方法によれば、順テーパ形状を得ながらｎ型ＩｎＰバッファ層２においてエッチストップすることが容易となる。この後、所定のｐｎ接合１５の面積とするために、リン酸系エッチャントで所定時間、追加のウエットエッチングをするのがよい。
図３に示すように、ｐｎ接合の幅ｄ、ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５表面の幅Ｄｅ、メサ構造の溝Ｋの底に対応する深さの受光層３の幅Ｄｂ、の大きさを、ｄ＜Ｄｅ＜Ｄｂ、が満たされるようにするのがよい。これによって、次の効果を得ることができる。
（Ｅ１）ｐｎ接合１５の面積を小さくすることによる暗電流の抑制
（Ｅ２）溝の底に対応する深さでの幅Ｄｂと、ｐｎ接合１５の幅ｄとの差を大きくすることで、大きなテーパを確実に付けることによる、溝壁面での反射による受光感度の向上
（Ｅ３）画素電極１１が配置されるＩｎＰのコンタクト層５の大きさを大きくすることによる接触抵抗の抑制
（Ｅ４）一般的にウエットエッチングは、結晶を損傷しない。このようなウエットエッチングの一般的な作用によっても、暗電流を抑えることに貢献することができる。
（Ｅ５）ウエットエッチングは、装置が安価であり、かつプロセス費用は、ドライエッチングに比べて能率が良い。たとえばドライエッチング後に行う、損傷した結晶層を除去するための軽度のウエットエッチングなどは省くことができる。この結果、製造原価を低減することができる。
上記の（Ｅ４）および（Ｅ５）が、上述の２．製造方法の利点である。
具体的なサイズを挙げれば、つぎのとおりである。
＜ｐ型コンタクト層５の表面＞：ほぼ２０μｍφ、
＜ｐｎ接合１５＞：ほぼ１２μｍφ、
＜メサ構造の溝Ｋの底に対応する位置の受光層横断面＞：ほぼ２５μｍφ
（Ｅ１）ｐｎ接合１５の面積を小さくすることによる暗電流の抑制
（Ｅ２）溝の底に対応する深さでの幅Ｄｂと、ｐｎ接合１５の幅ｄとの差を大きくすることで、大きなテーパを確実に付けることによる、溝壁面での反射による受光感度の向上
（Ｅ３）画素電極１１が配置されるＩｎＰのコンタクト層５の大きさを大きくすることによる接触抵抗の抑制
（Ｅ４）一般的にウエットエッチングは、結晶を損傷しない。このようなウエットエッチングの一般的な作用によっても、暗電流を抑えることに貢献することができる。
（Ｅ５）ウエットエッチングは、装置が安価であり、かつプロセス費用は、ドライエッチングに比べて能率が良い。たとえばドライエッチング後に行う、損傷した結晶層を除去するための軽度のウエットエッチングなどは省くことができる。この結果、製造原価を低減することができる。
上記の（Ｅ４）および（Ｅ５）が、上述の２．製造方法の利点である。
具体的なサイズを挙げれば、つぎのとおりである。
＜ｐ型コンタクト層５の表面＞：ほぼ２０μｍφ、
＜ｐｎ接合１５＞：ほぼ１２μｍφ、
＜メサ構造の溝Ｋの底に対応する位置の受光層横断面＞：ほぼ２５μｍφ
次いで、図４に示すように、パッシベーション膜として、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる単層絶縁膜２５を厚み８０ｎｍでメサ構造の溝Ｋを含めて全表面を被覆する。パッシベーション膜については、エピタキシャル層を保護するのと、上述のメサ構造の溝Ｋの壁面での反射性能を高めるために、多くの変形例をこのあと説明する。
次いで、ｐ側電極である画素電極１１を形成するために、フォトリソグラフィ法により図示しない電極形成用レジストパターンを形成し、蒸着リフトオフ法によってＡｕＺｎＡｕ系電極を形成する。画素電極の大きさは、たとえば１２μｍφとするのがよい。次いで、読み出し回路の読み出し電極との導電接続を確実に行うために、バンプ下地金属１１ｅを形成する。バンプ下地金属１１ｅのためのレジストパターンを形成し、蒸着リフトオフ法によってＴｉＮｉＡｕ金属を形成する。バンプ下地金属１１ｅの形状は、たとえば１６μｍφとするのがよい。この上にさらに図示しないバンプを形成する。
このあと、各画素Ｐに共通のｎ側電極であるグランド電極１２を形成するために、画素が配列された領域の端縁部を、ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５からｎ型ＩｎＰバッファ層２の表層までウエットエッチングする。このグランド電極１２を形成するためのグランド電極用の溝Ｇは、深さがメサ構造の溝Ｋと同じなので、メサ構造の溝Ｋと同じ機会に形成してもよい。グランド電極１２は、画素電極１１の形成のときと同様にレジストパターンを形成し、蒸着リフトオフ法によってＡｕＧｅＮｉ系電極を形成する。このあと、ＩｎＰ基板１の裏面を研磨し、ＡＲ（Anti-Reflection）膜２７を形成し、上記のバンプ下地金属１１ｅ上にバンプ接合部５１を形成する。
次いで、ｐ側電極である画素電極１１を形成するために、フォトリソグラフィ法により図示しない電極形成用レジストパターンを形成し、蒸着リフトオフ法によってＡｕＺｎＡｕ系電極を形成する。画素電極の大きさは、たとえば１２μｍφとするのがよい。次いで、読み出し回路の読み出し電極との導電接続を確実に行うために、バンプ下地金属１１ｅを形成する。バンプ下地金属１１ｅのためのレジストパターンを形成し、蒸着リフトオフ法によってＴｉＮｉＡｕ金属を形成する。バンプ下地金属１１ｅの形状は、たとえば１６μｍφとするのがよい。この上にさらに図示しないバンプを形成する。
このあと、各画素Ｐに共通のｎ側電極であるグランド電極１２を形成するために、画素が配列された領域の端縁部を、ｐ型ＩｎＰのコンタクト層５からｎ型ＩｎＰバッファ層２の表層までウエットエッチングする。このグランド電極１２を形成するためのグランド電極用の溝Ｇは、深さがメサ構造の溝Ｋと同じなので、メサ構造の溝Ｋと同じ機会に形成してもよい。グランド電極１２は、画素電極１１の形成のときと同様にレジストパターンを形成し、蒸着リフトオフ法によってＡｕＧｅＮｉ系電極を形成する。このあと、ＩｎＰ基板１の裏面を研磨し、ＡＲ（Anti-Reflection）膜２７を形成し、上記のバンプ下地金属１１ｅ上にバンプ接合部５１を形成する。
（実施の形態１の変形例１）
図５は、実施の形態１の変形例１における受光素子１０を備える検出装置５０を示す図である。この変形例１も本発明の実施の形態に属する。図５に示す受光素子１０は、図１の受光素子１０と、パッシベーション膜の構成のみにおいて相違する。図５の受光素子では、シリコン（Ｓｉ）と酸化シリコン（ＳｉＯ２）との多層誘電体膜２６によってパッシベーション膜が構成される。エピタキシャル積層体に接する層を酸化シリコン層とし、その上にシリコン層を配置した。これによって、エピタキシャル層とくにｐｎ接合を保護しながら、メサ構造溝Ｋの壁面での反射率を高くして、入射光の受光感度を高めることができる。
各部分のサイズ、とくにｐｎ接合１５のサイズが小さいこと、エピタキシャル積層体の形成方法、ウエットエッチングなどについても、実施の形態１と同様である。すなわち、上記の効果（Ｅ１）〜（Ｅ５）の効果を得ることができる。
図５は、実施の形態１の変形例１における受光素子１０を備える検出装置５０を示す図である。この変形例１も本発明の実施の形態に属する。図５に示す受光素子１０は、図１の受光素子１０と、パッシベーション膜の構成のみにおいて相違する。図５の受光素子では、シリコン（Ｓｉ）と酸化シリコン（ＳｉＯ２）との多層誘電体膜２６によってパッシベーション膜が構成される。エピタキシャル積層体に接する層を酸化シリコン層とし、その上にシリコン層を配置した。これによって、エピタキシャル層とくにｐｎ接合を保護しながら、メサ構造溝Ｋの壁面での反射率を高くして、入射光の受光感度を高めることができる。
各部分のサイズ、とくにｐｎ接合１５のサイズが小さいこと、エピタキシャル積層体の形成方法、ウエットエッチングなどについても、実施の形態１と同様である。すなわち、上記の効果（Ｅ１）〜（Ｅ５）の効果を得ることができる。
（実施の形態１の変形例２）
図６は、実施の形態１の変形例２における受光素子１０を備える検出装置５０を示す図である。この変形例２も本発明の実施の形態に属する。図６に示すように、この変形例２も、図１の受光素子１０とは、パッシベーション膜の構成においてのみ相違する。
図６に示す受光素子１０では、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の単層絶縁膜２５が被覆され、メサ構造の溝Ｋの受光層３の壁面において、酸化ケイ素の単層絶縁膜５の上に接して、金属膜３１が被覆されている。この金属膜３１は酸化ケイ素の単層絶縁膜２５の上からであるが、漏れ出る光を完全に受光層３の空乏層１７側に戻すことができる。このため、受光感度を高めることができる。
上記の金属膜３１は、どのような金属でもよい。たとえば、バンプ下地金属１１ｅを形成するときに、レジストパターンを変形して、メサ構造の溝Ｋ内の受光層３の壁面に、バンプ下地金属用のＴｉＮｉＡｕ膜を金属膜３１として付着させることができる。また、グランド電極１２を形成するときに、やはりレジストパターンを変形させて、グランド電極用のＡｕＧｅＮｉ膜を金属膜３１としてもよい。
これによって、エピタキシャル層とくにｐｎ接合を保護しながら、メサ構造の溝Ｋの壁面での反射率を一層高くして、入射光の受光感度を高めることができる。すなわち上記の効果（Ｅ２）を高めることができる。その他の（Ｅ１）、（Ｅ３）、（Ｅ４）、（Ｅ５）についても利点を受けることができる。
図６は、実施の形態１の変形例２における受光素子１０を備える検出装置５０を示す図である。この変形例２も本発明の実施の形態に属する。図６に示すように、この変形例２も、図１の受光素子１０とは、パッシベーション膜の構成においてのみ相違する。
図６に示す受光素子１０では、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の単層絶縁膜２５が被覆され、メサ構造の溝Ｋの受光層３の壁面において、酸化ケイ素の単層絶縁膜５の上に接して、金属膜３１が被覆されている。この金属膜３１は酸化ケイ素の単層絶縁膜２５の上からであるが、漏れ出る光を完全に受光層３の空乏層１７側に戻すことができる。このため、受光感度を高めることができる。
上記の金属膜３１は、どのような金属でもよい。たとえば、バンプ下地金属１１ｅを形成するときに、レジストパターンを変形して、メサ構造の溝Ｋ内の受光層３の壁面に、バンプ下地金属用のＴｉＮｉＡｕ膜を金属膜３１として付着させることができる。また、グランド電極１２を形成するときに、やはりレジストパターンを変形させて、グランド電極用のＡｕＧｅＮｉ膜を金属膜３１としてもよい。
これによって、エピタキシャル層とくにｐｎ接合を保護しながら、メサ構造の溝Ｋの壁面での反射率を一層高くして、入射光の受光感度を高めることができる。すなわち上記の効果（Ｅ２）を高めることができる。その他の（Ｅ１）、（Ｅ３）、（Ｅ４）、（Ｅ５）についても利点を受けることができる。
（実施の形態１の変形例３）
図７は、実施の形態１の変形例３における受光素子１０を備える検出装置５０を示す図である。この変形例３も本発明の実施の形態に属する。図７に示すように、変形例３は、図１の受光素子１０とは、グランド電極１２の取り方の構成においてのみ相違する。
図７に示す受光素子１０では、ｎ型ＩｎＰ基板の裏面にオーミック接触する、ｎ側電極であるグランド電極１２から、ボンディングワイヤ１４により読み出し回路のアース電極とバンプ接合部５２により導電接続する。近赤外光の受光感度を非常に重視する場合、ＩｎＰ基板１は、近赤外域での透過率を低下させないためにＦｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板をとするのがよいが、図７の受光素子１０では、そのような選択肢をとることはできない。その代わり、ワイヤボンディングを用いて、ｎ型ＩｎＰ基板１と読み出し回路のアース電極とを簡単に導電接続できるので、図７の構造が好都合な場合、選択の対象とすることができる。
各部分のサイズ、とくにｐｎ接合１５のサイズが小さいこと、エピタキシャル積層体の形成方法、ウエットエッチングなどについても、実施の形態１と同様である。すなわち、上記の効果（Ｅ１）〜（Ｅ５）の効果を得ることができる。
図７は、実施の形態１の変形例３における受光素子１０を備える検出装置５０を示す図である。この変形例３も本発明の実施の形態に属する。図７に示すように、変形例３は、図１の受光素子１０とは、グランド電極１２の取り方の構成においてのみ相違する。
図７に示す受光素子１０では、ｎ型ＩｎＰ基板の裏面にオーミック接触する、ｎ側電極であるグランド電極１２から、ボンディングワイヤ１４により読み出し回路のアース電極とバンプ接合部５２により導電接続する。近赤外光の受光感度を非常に重視する場合、ＩｎＰ基板１は、近赤外域での透過率を低下させないためにＦｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板をとするのがよいが、図７の受光素子１０では、そのような選択肢をとることはできない。その代わり、ワイヤボンディングを用いて、ｎ型ＩｎＰ基板１と読み出し回路のアース電極とを簡単に導電接続できるので、図７の構造が好都合な場合、選択の対象とすることができる。
各部分のサイズ、とくにｐｎ接合１５のサイズが小さいこと、エピタキシャル積層体の形成方法、ウエットエッチングなどについても、実施の形態１と同様である。すなわち、上記の効果（Ｅ１）〜（Ｅ５）の効果を得ることができる。
（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１０を読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read-Out IC）７０と結合した検出装置５０を示す図である。図８によれば、受光素子１０は次のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造を備える。
（ＧａＳｂ基板１／ｐ型バッファ層２／ＩｎＡｓとＧａＳｂとのタイプ２の多重量子井戸構造の受光層３／ｎ型のコンタクト層５）
ｐ型バッファ層２は例えばｐ型ＧａＳｂで形成し、ｎ型のコンタクト層５は例えばｎ型ＩｎＡｓで形成することができる。（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）タイプ２の多重量子井戸構造の受光層３は、ｐ−型か又はｉ型とするのがよい。受光する波長域は、実施の形態１のそれより長波長側の中赤外光を対象とする。
図８は、本発明の実施の形態２における受光素子１０を読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read-Out IC）７０と結合した検出装置５０を示す図である。図８によれば、受光素子１０は次のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造を備える。
（ＧａＳｂ基板１／ｐ型バッファ層２／ＩｎＡｓとＧａＳｂとのタイプ２の多重量子井戸構造の受光層３／ｎ型のコンタクト層５）
ｐ型バッファ層２は例えばｐ型ＧａＳｂで形成し、ｎ型のコンタクト層５は例えばｎ型ＩｎＡｓで形成することができる。（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）タイプ２の多重量子井戸構造の受光層３は、ｐ−型か又はｉ型とするのがよい。受光する波長域は、実施の形態１のそれより長波長側の中赤外光を対象とする。
本実施の形態における受光素子１０および検出装置５０は、受光対象の光が長波長側になり、暗電流やその他の雑音の影響を大きく受ける。このため、受光素子１０を冷却する冷却機構（図示せず）は、近赤外域を対象とする実施の形態１の各種の受光素子１０よりも強化される。実施の形態１における効果（Ｅ１）〜（Ｅ４）は、実施の形態２でも、同様に得られるので、（Ｅ１）における暗電流の抑制は、本実施の形態において、より高い位置を占め、品質向上に貢献する。
実施の形態１における受光素子および検出装置を作製して、比較例と特性の比較を行った。試験体は、つぎの４体である。
（本発明例１）：実施の形態１における図１に示す構造を有する。とくに、画素ピッチは３０μｍとし、ｐ型のコンタクト層５の表面のＤｅ＝２０μｍφ、ｐｎ接合１５のｄ＝１２μｍφ、メサ構造の溝Ｋの底に対応する位置の受光層横断面Ｄｂ＝２５μｍφ、とした。また、パッシベーション膜は厚み８０ｎｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜からなる単層絶縁膜２５とした。
（本発明例２）：実施の形態１の変形例１における図５に示す構造を有する。画素ピッチは３０μｍ、ｐ型のコンタクト層５の表面のＤｅ＝２０μｍφ、ｐｎ接合１５のｄ＝１２μｍφ、メサ構造の溝Ｋの底に対応する位置の受光層横断面Ｄｂ＝２５μｍφ、とした。また、パッシベーション膜は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜／シリコン（Ｓｉ）膜、からなる多層誘電体膜２６とした。酸化ケイ素膜がエピタキシャル層に接触する。
（本発明例３）：実施の形態１の変形例２における図６に示す構造を有する。画素ピッチ：３０μｍ、メサ構造のｐ型コンタクト層５の表面のＤｅ：２０μｍφ、ｐｎ接合１５のｄ：１２μｍφ、溝Ｋの底に対応する位置の受光層横断面Ｄｂ：２５μｍφ、とした。また、パッシベーション膜は、全体を酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜２５で被覆し、受光層３のメサ構造の溝Ｋの壁面の部分は、全面を覆う酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜に接して金属膜３１を被覆した。金属膜３１はバンプ下地金属膜１１ｅと同じ形成機会に、同じ材料ＴｉＮｉＡｕ層により形成した。
（本発明例１）：実施の形態１における図１に示す構造を有する。とくに、画素ピッチは３０μｍとし、ｐ型のコンタクト層５の表面のＤｅ＝２０μｍφ、ｐｎ接合１５のｄ＝１２μｍφ、メサ構造の溝Ｋの底に対応する位置の受光層横断面Ｄｂ＝２５μｍφ、とした。また、パッシベーション膜は厚み８０ｎｍの酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜からなる単層絶縁膜２５とした。
（本発明例２）：実施の形態１の変形例１における図５に示す構造を有する。画素ピッチは３０μｍ、ｐ型のコンタクト層５の表面のＤｅ＝２０μｍφ、ｐｎ接合１５のｄ＝１２μｍφ、メサ構造の溝Ｋの底に対応する位置の受光層横断面Ｄｂ＝２５μｍφ、とした。また、パッシベーション膜は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜／シリコン（Ｓｉ）膜、からなる多層誘電体膜２６とした。酸化ケイ素膜がエピタキシャル層に接触する。
（本発明例３）：実施の形態１の変形例２における図６に示す構造を有する。画素ピッチ：３０μｍ、メサ構造のｐ型コンタクト層５の表面のＤｅ：２０μｍφ、ｐｎ接合１５のｄ：１２μｍφ、溝Ｋの底に対応する位置の受光層横断面Ｄｂ：２５μｍφ、とした。また、パッシベーション膜は、全体を酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜２５で被覆し、受光層３のメサ構造の溝Ｋの壁面の部分は、全面を覆う酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜に接して金属膜３１を被覆した。金属膜３１はバンプ下地金属膜１１ｅと同じ形成機会に、同じ材料ＴｉＮｉＡｕ層により形成した。
（比較例）：比較例とした受光素子１１０および検出装置１５０を図９に示す。比較例の受光素子１１０では、メサ構造の溝Ｋｂおよびグランド電極１１２，１１３の溝Ｇｂ、はドライエッチングによって行い、メサ構造の溝Ｋｂ，Ｇｂは、共にテーパが無いストレートの壁面を有する。パッシベーション膜１２５は、単層絶縁膜の酸化ケイ素である。テーパが無いため、ｐｎ接合１１５から拡がる空乏層１１７は矩形である。このため、ｐｎ接合１１５は受光層１０３のどの深さ位置での横断面積とも同じ面積を有する。これは、ｐｎ接合１１５の暗電流に及ぼすサイズ要因としては、暗電流抑制には作用しないことを意味する。
また、テーパが無いので入射面側から空乏層１１７を通った光は、メサ構造の溝Ｋｂの壁面で反射して空乏層１１７へと戻されることはなく、画素電極１１の側に進行する。すなわち反射光の上向き成分を強化されることなく反射する。
また、テーパが無いので入射面側から空乏層１１７を通った光は、メサ構造の溝Ｋｂの壁面で反射して空乏層１１７へと戻されることはなく、画素電極１１の側に進行する。すなわち反射光の上向き成分を強化されることなく反射する。
測定項目は次の４項目である。
１．パッシベーション膜の反射率
２．暗電流（温度２１３Ｋ、Ｖｒ＝−１Ｖ）
３．波長２．０μｍにおける受光感度
４．センサにおける波長２．０μｍでのＳ／Ｎ比（光電流／暗電流）
測定結果を表１に示す。
１．パッシベーション膜の反射率
２．暗電流（温度２１３Ｋ、Ｖｒ＝−１Ｖ）
３．波長２．０μｍにおける受光感度
４．センサにおける波長２．０μｍでのＳ／Ｎ比（光電流／暗電流）
測定結果を表１に示す。
表１によれば、本発明例１〜３は、比較例に比べてｐｎ接合の小サイズ化を反映して、暗電流が比較例の１／３に抑制されている。すなわち比較例の暗電流９ｎＡに対して３ｎＡに減少している。これは顕著な効果であり、たとえば冷却機構の簡素化などを可能にして、検出装置全体の小型化、軽量化をもたらすことができる。
また、受光感度については、本発明例１〜３は、ｐｎ接合の面積が比較例より小さいことを反映して、比較例に比べて小さくなっている。しかし、暗電流低下の効果が顕著であるため、実用上重要な、Ｓ／Ｎ比については、本発明例１では比較例のほぼ２倍、本発明例２では２．７倍、本発明例３では２．４倍と、顕著な改善が得られた。
また、受光感度については、本発明例１〜３は、ｐｎ接合の面積が比較例より小さいことを反映して、比較例に比べて小さくなっている。しかし、暗電流低下の効果が顕著であるため、実用上重要な、Ｓ／Ｎ比については、本発明例１では比較例のほぼ２倍、本発明例２では２．７倍、本発明例３では２．４倍と、顕著な改善が得られた。
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、ｐｎ接合のサイズを小型化することで暗電流を小さくした上で、ウエットエッチング特有のテーパ付き画素分離溝の壁面からの反射により受光感度を高めることができる。そして、メサ構造による狭ピッチ化、製造能率の向上を得ることができる。さらにウエットエッチングを、上記の溝の形成に用いることで、製造コストの低減等を得ることができる。
１ ＩｎＰ基板など）、２ バッファ層、３ 受光層、４ 受光層の上層、４ｓ 笠状部、５ コンタクト層、１０ 受光素子、１１ 画素電極、１１ｅ バンプ下地金属膜、１２ グランド電極、１３ 配線電極、１５ ｐｎ接合、１７ 空乏層、２１ 絶縁膜、２５ 単層絶縁膜、２６ 多層誘電体膜、２７ ＡＲ膜、３１ 金属膜、５０ 検出装置、５１，５２ バンプ接合部、７０ 読み出し回路、７０ａ 読み出し回路本体、Ｇ グランド電極用の溝、Ｋ メサ構造の溝、Ｐ 画素。
Claims (15)
- 半導体基板上のエピタキシャル積層体に形成され、画素が配列された受光素子であって、
前記エピタキシャル積層体に含まれる受光層と、
前記受光層と該受光層に接する上層との界面に位置するｐｎ接合とを備え、
前記画素は、前記エピタキシャル積層体の表面から前記ｐｎ接合を貫通する、メサ構造の溝によって互いに分離され、
前記メサ構造の溝は、前記画素において、前記受光層の断面積が前記ｐｎ接合へと向かって縮小するようにテーパが付いており、
前記上層は、前記ｐｎ接合を取り囲むように、前記メサ構造の溝に露出する庇状もしくは笠状部の下面部分を備えることを特徴とする、受光素子。 - 前記メサ構造の溝は、（前記受光層内に底を有する、前記受光層を貫通している、および、前記受光層の下層のエピタキシャル層内もしくは前記半導体基板内に底を有する）のいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
- 前記画素における前記受光層の、前記溝が並置する最も深い位置において、前記受光層の、積層方向に直交する断面積は、前記ｐｎ接合の面積の１．１倍以上１０倍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。
- 前記画素の表面の面積が、前記ｐｎ接合の面積よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子。
- 前記メサ構造の溝の少なくとも側壁が、縦断面において、湾曲した凹状曲線を主体に構成される、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。
- 前記エピタキシャル積層体は、該エピタキシャル積層体を保護するためのパッシベーション膜によって、前記メサ構造の壁面を含めて、表面が被覆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。
- 前記パッシベーション膜が、｛単層絶縁膜、多層誘電体膜、（単層絶縁膜／多層誘電体膜）、（単層絶縁膜／金属膜）、（多層誘電体膜／金属膜）、および、（単層絶縁膜／多層誘電体膜／金属膜）｝のいずれかであることを特徴とする、請求項６に記載の受光素子。
- 前記受光層が多重量子井戸構造（多重量子井戸構造：Multi-Quantum Well）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。
- 前記半導体基板および受光層が、ＩｎＰ基板およびタイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造、または、ＧａＳｂ基板およびタイプ２（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）多重量子井戸構造、であ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。
- 前記受光層のキャリア濃度が１Ｅ１４ｃｍ−３以上１Ｅ１６ｃｍ−３以下であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の受光素子。
- 請求項１に記載の受光素子と、読み出し回路（ＲＯＩＣ:Read-Out IC）とを組み合わせたことを特徴とする、検出装置。
- 半導体基板上のエピタキシャル積層体に画素を配列した受光素子の製造方法であって、
前記半導体基板の上に受光層を形成する工程と、
前記受光層に接して上層を形成する工程と、
前記受光層および上層の形成工程では、受光層／上層の界面がｐｎ接合となるように不純物をドープして、
前記画素を互いに分離するために、前記エピタキシャル積層体の表面から前記ｐｎ接合を突き抜けて、少なくとも前記受光層内に達するメサ構造の溝を形成する工程とを備え、
前記メサ構造の溝を形成する工程ではウエットエッチングによるエッチングを行うことで、前記画素において、前記受光層の断面積が前記ｐｎ接合へと向かって縮小するようにテーパを付けることを特徴とする、受光素子の製造方法。 - 前記ウエットエッチングにおけるエッチャントに、ＨＢｒ系または酢酸系のエッチャントを用いることを特徴とする、請求項１２に記載の受光素子の製造方法。
- 前記メサ構造の溝を設ける工程において、同じエッチャント内に、該受光素子の中間製品を浸漬することで、前記メサ構造の溝と、前記受光素子の端縁に位置し、前記受光層を突き抜けてグランド電極が接触する不純物層に届く一つの配線電極用溝とを、同じ機会に形成することを特徴とする、請求項１２または１３に記載の受光素子の製造方法。
- 前記メサ構造の溝の壁面を含めて前記エピタキシャル積層体を保護するためのパッシベーション膜を、｛単層絶縁膜、多層誘電体膜、（単層絶縁膜／多層誘電体膜）、（単層絶縁膜／金属膜）、（多層誘電体膜／金属膜）、および、（単層絶縁膜／多層誘電体膜／金属膜）｝のいずれかで形成することを特徴とする、請求項１２〜１４に記載の受光素子の製造方法。
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|---|---|---|---|---|
| JP2015084361A (ja) * | 2013-10-25 | 2015-04-30 | 住友電気工業株式会社 | 半導体素子 |
| JP2016004867A (ja) * | 2014-06-16 | 2016-01-12 | 住友電気工業株式会社 | 赤外線受光半導体素子 |
| JP2016111294A (ja) * | 2014-12-10 | 2016-06-20 | 住友電気工業株式会社 | 半導体受光素子を作製する方法 |
| US9696205B2 (en) | 2014-06-04 | 2017-07-04 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Array type light-receiving device and hyperspectral spectrometer including array type light-receiving device |
| JP2021108403A (ja) * | 2015-06-22 | 2021-07-29 | アイキューイー ピーエルシーＩＱＥ ｐｌｃ | ＧａＡｓにほぼ合致する格子パラメータを有する基板上に希薄窒化物層を有する光電子検出器 |
-
2012
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