JP2014110380A - アレイ型受光素子、及びアレイ型受光素子を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】暗電流の増加を抑制し、歩留まりを向上したアレイ型受光素子を提供する。
【解決手段】アレイ型受光素子１０は、第１導電型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板１２を備える。受光層１４が、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の上に設けられている。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製の半導体領域１６が、受光層上に設けられている。半導体領域は、第１導電型の不純物を含む。複数の第２導電型の領域２４が、受光層の内部に境界を有するよう、第２導電型の不純物を半導体領域の表面から選択拡散させることにより形成される。半導体領域は、当該半導体領域の表面から当該半導体領域の中間まで延在する第１領域Ｒ１と、第１領域と受光層との間において延在する第２領域Ｒ２とを含む。第１領域における第１導電型の不純物の濃度が、選択拡散による複数の第２導電型の領域の電気的な接続を防止するよう、第２領域における第１導電型の不純物の濃度より高くなっている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、アレイ型受光素子、及びアレイ型受光素子を製造する方法に関するものである。

近赤外領域に受光感度を有するアレイ型受光素子として、ＩｎＰ基板を用いたアレイ型受光素子が、近年研究されている。このようなアレイ型受光素子は、例えば、特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載されたアレイ型受光素子は、ＩｎＰ基板、受光層、拡散濃度分布調整層、及び窓層を備えている。受光層は、多重量子井戸構造を有し、ｎ^＋型のＩｎＰ基板上に設けられている。拡散濃度分布調整層は、受光層上に設けられており、当該拡散濃度分布調整層上には、キャップ層が設けられている。窓層及び拡散濃度分布調整層はｉ型であるか、又は、当該窓層及び拡散濃度分布調整層には低濃度のｎ型不純物がドープされている。

特許文献１に記載されたアレイ型受光素子では、受光層内にｐｎ接合を設けるために、窓層の表面からｐ型の不純物が選択的に拡散されている。これにより、複数のｐ型領域がアレイ状に形成されている。また、多重量子井戸構造を損傷しないよう、即ち、多重量子井戸構造の結晶性を維持するために、受光層内に拡散されるｐ型不純物の濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３以下に設定されている。拡散濃度分布調整層は、かかるｐ型不純物濃度を再現性良く得ることに寄与している。なお、拡散濃度分布調整層によってｐ型不純物濃度を調整する構成は、特許文献２及び３にも記載されている。

また、特許文献１に記載されたアレイ型受光素子では、拡散濃度分布調整層は、ＩｎＰ基板のバンドギャップエネルギよりも小さいバンドギャップエネルギを有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いて、構成されている。拡散濃度分布調整層の受光層側のある厚みの範囲においては、ｐ型不純物濃度が低下して電気抵抗が増加するが、拡散濃度分布調整層は、かかるバンドギャップエネルギを有しているので、電圧印加状態における応答速度の低下を抑制することができている。

特許第４６６２１８８号明細書 特開昭６３−１０７９号公報 特開２０１１−６０８５５号公報

特許文献１に記載されているようなアレイ型受光素子では、高集積化を達成するためには、画素を狭いピッチで形成する必要がある。例えば、各ｐ型領域の幅は１８〜２０μｍに設定され、隣り合うｐ型領域間のピッチは３０μｍ程度に設定されることがある。このように狭いピッチで画素が形成されることにより、正常な画素では暗電流が１〜２ｐＡといった数値を有するが、一部の画素においては暗電流が１００ｐＡといった大きな数値を有するものとなることがある。その結果、アレイ型受光素子の歩留まりが低下し得る。

したがって、本技術分野においては、暗電流の増加を抑制し、アレイ型受光素子の歩留まりを向上することが要請されている。

一側面においては、アレイ型受光素子が提供される。一側面に係るアレイ型受光素子は、第１導電型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板、受光層、半導体領域、及び、複数の第２導電型の領域を備える。受光層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の上に設けられている。半導体領域は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製であり、受光層上に設けられている。この半導体領域は、第１導電型の不純物を含む。複数の第２導電型の領域は、受光層の内部に境界を有し、第２導電型の不純物を半導体領域の表面から選択拡散させることにより形成される。半導体領域は、当該半導体領域の表面から当該半導体領域の中間まで延在する第１領域と、第１領域と受光層との間において延在する第２領域とを含む。前記第１領域における第１導電型の不純物の濃度が、選択拡散による複数の第２導電型の領域の電気的な接続を防止するよう、前記第２領域における第１導電型の不純物の濃度より高くなっている。

第２導電型の不純物の横方向、即ち、画素の配列方向への拡散距離は、半導体領域の表面に近い程、大きくなる。上記アレイ型受光素子では、半導体領域の表面から当該半導体領域の中間まで延在する第１領域において第１導電型の不純物の濃度が高められている。したがって、第２導電型の不純物が、横方向、即ち、画素の配列方向に拡散しても、複数の第２導電型の領域同士が互いに接続することが抑制される。その結果、暗電流の増加が抑制され、アレイ型受光素子の歩留まりが向上され得る。

一形態においては、前記第１領域における第１導電型の不純物の濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３より大きく且つ５×１０^１７ｃｍ^−３以下である。第２導電型の不純物の一例であるＺｎを半導体領域の表面から当該半導体領域に拡散させると、半導体領域の表面から深さ方向においてある距離以降においてはＺｎの濃度は３×１０^１６ｃｍ^−３以下の値から距離の増加に伴い緩やかに低下する傾向がある。この傾向は、深さ方向に交差する横方向においても同様である。したがって、第１領域における第１導電型の不純物の濃度を、３×１０^１６ｃｍ^−３よりも高い濃度、即ち、５×１０^１６ｃｍ^−３より大きくすることにより、隣り合う第２導電型の領域の間に第１導電型を示す領域を維持することができ、これら第２導電型の領域同士の電気的な接続を防止することができる。一方、第１領域の第１導電型の不純物の濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３より大きい場合に、半導体領域に第２導電型の不純物を拡散すると、第１領域内においてｐｎ接合が形成されることが生じ得る。また、不純物濃度の低い受光層内部においてもｐｎ接合が形成される。これにより、受光素子の構造がｐｎｐｎ構造となり、受光素子としての特性が劣化することも発生し得る。第１領域の第１導電型の不純物の濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３以下であれば、このようなｐｎｐｎ構造の発生を防止することができる。

また、一形態においては、第２領域における第１導電型の不純物の濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３以下である。第２領域における第１導電型の不純物の濃度が５×１０^１６ｃｍ^−３より大きくなると、ｐｎ接合が第２領域内に形成されることが生じ得る。受光層内では無く、第２領域にｐｎ接合が形成されるとバイアス電圧を高くしないと受光層全体が空乏化せず感度が十分に得られなくなる。バイアス電圧を高くすると暗電流が増加する問題が発生する。第２領域における第１導電型の不純物の濃度が５×１０^１６ｃｍ^−３以下であれば、ｐｎ接合が第２領域内に形成されることを防止することができ、低バイアス電圧において十分な感度を得ることができる。

また、一形態においては、半導体領域の少なくとも一部、即ち、半導体領域において受光層との界面から厚み方向に延在する一部領域のバンドギャップエネルギは、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板のバンドギャップエネルギより小さくなっている。

一形態においては、受光層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製の多重量子井戸構造を有し、半導体領域は、受光層に接するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製の拡散濃度分布調整層と、当該拡散濃度分布調整層上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製のキャップ層と、を含む。この形態では、受光層における第２導電型の不純物の濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３以下である。この形態では、上述したバンドギャップエネルギが小さい一部領域は、拡散濃度分布調整層であってもよい。

一形態においては、多重量子井戸構造は、タイプ２の量子井戸構造であってもよい。タイプ２の量子井戸構造では、二つの半導体層の対における一方の半導体層の価電子帯と他方の半導体層の伝導帯との間において、光に基づく電子又は正孔の遷移が生じる。一方の半導体層の価電子帯のエネルギを他方の半導体層の価電子帯よりも高くし、他方の半導体層の伝導帯エネルギを一方の半導体層の伝導帯のエネルギよりも低くすることにより、受光感度の長波長化を容易に実現することが可能となる。

一形態においては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板は、ＩｎＰ基板であり、多重量子井戸構造は、ＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓＳｂ層が交互に積層された多重量子井戸構造、又は、ＧａＩｎＮＡｓ層とＧａＡｓＳｂ層とが交互に積層された多重量子井戸構造であり、第２導電型の不純物は、Ｚｎである。

一形態においては、キャップ層は、ＩｎＰ層又はＩｎＡｌＡｓ層であり、拡散濃度分布調整層は、ＩｎＧａＡｓ層である。ＩｎＧａＡｓ層では、ＩｎＰ層又はＩｎＡｌＡｓ層と比較して、第２導電型の不純物の拡散速度が小さくなる。したがって、拡散濃度分布調整層において、厚み方向における第２導電型の不純物の濃度分布を容易に調整することが可能となる。

また、別の側面においては、アレイ型受光素子を製造する方法が提供される。この方法は、（ａ）第１導電型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板上に設けられた受光層上に第１導電型の不純物を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製の半導体領域を形成する工程と、（ｂ）半導体領域の表面上に設けられたマスクの開口から選択的に第２導電型の不純物を拡散させる工程と、を含む。工程（ｂ）において形成される複数の第２導電型の領域が電気的に接続することを防止するよう、工程（ａ）では、前記半導体領域の表面から当該半導体領域の中間まで延在する第１領域における第１導電型の不純物の濃度を、当該第１領域と受光層との間において延在する第２領域における第１導電型の不純物の濃度より高くしている。

この方法では、工程（ａ）において、第２導電型の不純物の横方向における拡散距離が大きくなる第１領域において第１導電型の不純物の濃度を高くするように、半導体領域を形成している。この第１領域は、半導体領域の表面から当該半導体領域の中間まで延在する。したがって、第２導電型の不純物が、横方向、即ち、画素の配列方向に拡散しても、複数の第２導電型の領域同士が互いに電気的に接続することが抑制される。その結果、暗電流の増加が抑制され、アレイ型受光素子の歩留まりが向上され得る。

上記方法の一形態においては、第１領域における第１導電型の不純物の濃度を、５×１０^１６ｃｍ^−３より大きく且つ５×１０^１７ｃｍ^−３以下に設定する。上述したように、第２導電型の不純物の一例であるＺｎは、半導体領域の表面からある距離以降においては３×１０^１６ｃｍ^−３以下の濃度で距離の増加に伴い緩やかに低下する傾向がある。この傾向は横方向においても同様である。したがって、第１領域における第１導電型の不純物の濃度を、３×１０^１６ｃｍ^−３よりも高い濃度、即ち、５×１０^１６ｃｍ^−３より大きくすることにより、隣り合う第２導電型の領域の間に第１導電型を示す領域を維持することができ、これら第２導電型の領域同士の電気的な接続を防止することができる。また、上述したように、第１領域の第１導電型の不純物の濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３以下に設定することにより、ｐｎｐｎ構造の発生を防止することができ、受光素子としての特性劣化を防止することができる。

また、上記方法の一形態においては、複数の第２導電型の領域の受光層内における第２導電型の不純物の濃度を５×１０^１６ｃｍ^−３以下に設定する。上述したように、第２領域における第１導電型の不純物の濃度を５×１０^１６ｃｍ^−３以下に設定することにより、ｐｎ接合が第２領域内に形成されることを防止することができ、低バイアス電圧において十分な感度を得ることが可能となる。

また、一形態においては、半導体領域の少なくとも一部、即ち、半導体領域において受光層との界面から厚み方向に延在する一部領域には、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板のバンドギャップエネルギよりバンドギャップエネルギが小さいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が用いられる。

以上説明したように、本発明の種々の側面及び実施形態によれば、暗電流の増加が抑制され、歩留まりが向上されたアレイ型受光素子、及びその製造方法が提供される。

一実施形態に係るアレイ型受光素子の断面を概略的に示す図である。 Ｚｎの拡散距離と濃度の関係を示す図である。 第１領域及び第２領域における横方向の不純物濃度のプロファイルを示す図である。 別の実施形態に係るアレイ型受光素子の断面を概略的に示す図である。 一実施形態に係るアレイ型受光素子を製造する方法を示す流れ図である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。また、以下の説明においては、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型とするが、第１導電型はｐ型であってもよく、第２導電型はｎ型であってもよい。

図１は、一実施形態に係るアレイ型受光素子の断面を概略的に示す図である。図１に示すアレイ型受光素子１０は、基板１２、受光層１４、及び半導体領域１６を含んでいる。基板１２は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板であり、一実施形態では、ｎ^＋型のＩｎＰ半導体基板である。基板１２には、ｎ型不純物として、例えば、Ｓがドープされている。基板１２は、半絶縁性のＩｎＰ基板であってもよく、この場合の基板１２には、例えば、Ｆｅがドープされ得る。

基板１２の上には、受光層１４が設けられている。一実施形態においては、基板１２と受光層１４との間には、バッファ層１８が設けられていてもよい。バッファ層１８は、ｎ^＋型のＩｎＰ層であり、当該バッファ層１８には、ｎ型不純物として、例えば、Ｓｉがドープされている。バッファ層１８の厚みは、例えば、０．１５μｍである。

受光層１４は、一実施形態においては、多重量子井戸構造を有している。なお、別の実施形態では、受光層１４は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の単層、例えば、ＩｎＧａＡｓ層の単層であってもよい。

受光層１４は、一実施形態においては、タイプ２の多重量子井戸構造を有し得る。タイプ２の量子井戸構造では、二つの半導体層の対における一方の半導体層の価電子帯と他方の半導体層の伝導帯との間において、光に基づく電子又は正孔の遷移が生じる。タイプ２の多重量子井戸構造では、一方の半導体層の価電子帯のエネルギを他方の半導体層の価電子帯よりも高くし、他方の半導体層の伝導帯エネルギを一方の半導体層の伝導帯のエネルギよりも低くすることにより、受光感度の長波長化を容易に実現することが可能となる。

このように、多重量子井戸構造を有する受光層１４は、二つの半導体層、即ち、第１層と第２層とが交互に積層されることによって形成される。第１層及び第２層はそれぞれ、ＩｎＧａＡｓ層及びＧａＡｓＳｂ層であり得る。或いは、第１層及び第２層はそれぞれ、ＧａＩｎＮＡｓ層及びＧａＡｓＳｂ層であってもよい。第１層及び第２層はそれぞれ、例えば、５ｎｍの厚みを有し得る。この多重量子井戸構造における第１層及び第２層のペア数は、例えば３００であり得る。

この受光層１４上には、半導体領域１６が形成されている。半導体領域１６は、一実施形態においては、拡散濃度分布調整層２０及びキャップ層２２を含み得る。拡散濃度分布調整層２０は、受光層１４上に設けられており、受光層１４に接している。キャップ層２２は、拡散濃度分布調整層２０上に設けられている。キャップ層２２は、ＩｎＰ層又はＩｎＡｌＡｓ層である。拡散濃度分布調整層２０の厚みは、例えば、１μｍである。また、キャップ層２２の厚みは、例えば、０．５μｍである。

半導体領域１６の全厚みのうち一部の厚み範囲、即ち、受光層１４に接する半導体領域１６の一部の厚み範囲は、基板１２のバンドギャップエネルギよりも小さいバンドギャップエネルギを有する。一実施形態においては、拡散濃度分布調整層２０が、基板１２のバンドギャップエネルギよりも小さいバンドギャップエネルギを有する。一実施形態においては、基板１２は、上述したようにＩｎＰ基板であり、この場合において、拡散濃度分布調整層２０は、ＩｎＧａＡｓ層である。後述するように、受光層１４に接する半導体領域１６の一部の厚み範囲においては、ｐ型の不純物濃度が小さくなっている。しかしながら、当該一部の厚み範囲において、半導体領域１６は、基板１２のバンドギャップエネルギよりも小さいバンドギャップエネルギを有する。したがって、当該一部の厚み範囲において、半導体領域１６の不純物濃度が低くても、電気伝導性の低下を抑制することができ、電圧印加状態における応答速度の低下を抑制することができる。また、受光感度の低下を抑制することも可能である。

また、一実施形態においては、キャップ層２２は、ＩｎＰ層であり、この場合において、拡散濃度分布調整層２０は、ＩｎＧａＡｓ層である。後述するように、アレイ型受光素子１０では、ｐ型領域２４の境界が受光層１４内に位置するようにｐ型の不純物が選択拡散されるが、受光層１４内では、多重量子井戸構造を損傷しないよう、即ち、結晶構造を乱さないよう、ｐ型の不純物の濃度は低く抑えられる。このようなｐ型不純物の濃度調整を実現するために、拡散濃度分布調整層２０は、受光層１４とキャップ層２２との間に介在している。具体的に、ＩｎＧａＡｓ製の拡散濃度分布調整層２０では、ＩｎＰ製のキャップ層２２における拡散速度よりも、ｐ型の不純物の拡散速度が小さくなる。したがって、受光層１４内でのｐ型不純物の濃度調整が容易となる。

図１に示すように、半導体領域１６は、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２を含んでいる。第１領域Ｒ１は、半導体領域１６の表面、即ち、キャップ層２２の表面から厚み方向において所定の深さの領域であり、半導体領域１６の厚み方向における中間まで延在している。第１領域Ｒ１の厚みは、例えば、０．５μｍである。第２領域Ｒ２は、第１領域Ｒ１と受光層１４との間において延在している。図１に示す実施形態では、第１領域Ｒ１は、キャップ層２２と、拡散濃度分布調整層２０の上側領域ＵＲによって構成されている。また、第２領域Ｒ２は、拡散濃度分布調整層２０の上側領域ＵＲ以外の部分、即ち、下側領域ＬＲによって構成されている。

第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２には、ｎ型の不純物、例えば、Ｓｉが含まれている。第１領域Ｒ１におけるｎ型の不純物濃度は、第２領域Ｒ２におけるｎ型の不純物の濃度よりも高くなっている。第１領域Ｒ１のｎ型の不純物濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３より大きく且つ５×１０^１７ｃｍ^−３以下である。また、第２領域Ｒ２のｎ型の不純物濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３以下である。

アレイ型受光素子１０では、複数のｐ型領域２４が半導体領域１６の表面から厚み方向に延在しており、当該複数のｐ型領域２４の境界は、受光層１４の内部に位置している。これにより、受光層１４内にｐｎ接合又はｐｉ接合が提供されている。これら複数のｐ型領域２４は、半導体領域１６の表面から、ｐ型の不純物を選択拡散することにより形成される。ｐ型の不純物は、例えば、Ｚｎである。ｐ型の不純物を選択拡散するために、半導体領域１６の表面上には、ｐ型領域２４上に開口を有するマスク２６が形成されている。マスク２６は、例えば、ＳｉＮ膜から作成される。

マスク２６の開口の下方において半導体領域１６中では、当該半導体領域１６内のｎ型の不純物濃度より高い濃度でｐ型の不純物がドープされている。したがって、マスク２６の開口の下方において、半導体領域１６は、ｐ型領域２４となる。また、マスク２６の開口の下方において半導体領域１６に連続する受光層１４の一部もｐ型領域２４の一部となる。受光層１４内においてｐ型領域２４のｐ型の不純物の濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３以下となっている。このように、受光層１４内においてはｐ型の不純物濃度が低濃度であるので、受光層１４の多重量子井戸構造の損傷が防止される。

図１に示すように、アレイ型受光素子１０は、更に、反射防止膜２８、電極３０及び３２、絶縁膜３４、並びに、配線電極３６を備え得る。反射防止膜２８は、例えば、ＳｉＯＮ製の膜である。

また、バッファ層１８の上面の一部領域上には、受光層１４が設けられていない。アレイ型受光素子１０は、裏面入射型の受光素子として構成されており、基板１２の下面ではなく、当該バッファ層１８の上面の一部領域上に、電極３２が設けられている。この電極３２は、例えば、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ製であり、バッファ層１８に対して、オーミック接触を形成している。また、複数のｐ型領域２４上、即ち、半導体領域１６上には、電極３０が設けられている。電極３０は、Ａｕ／Ｚｎ製であり、半導体領域１６に対してオーミック接触を形成している。

また、上述したバッファ層１８の上面の一部領域、並びに、これに連続する受光層１４及び半導体領域１６の側面には、絶縁膜３４が設けられている。この絶縁膜３４は、例えば、ＳｉＯＮ製である。また、この絶縁膜３４の表面には、配線電極３６が設けられている。配線電極３６は、電極３２に接しており、絶縁膜３４に沿って延在しており、当該絶縁膜３４に連続しているマスク２６の表面まで延在している。

以下、このアレイ型受光素子１０の特徴について、図１と共に、図２及び図３を参照して説明する。図２は、Ｚｎの拡散距離と濃度の関係を示す図である。図２は、ＳＩＭＳ分析(Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によるＺｎ濃度の深さ方向の濃度プロファイルの一例を示している。図３は、第１領域及び第２領域における横方向の不純物濃度のプロファイルを示す図である。図３の（ａ）には、第１領域における横方向の不純物濃度のプロファイルが示されており、図３の（ｂ）には、第２領域における横方向の不純物濃度のプロファイルが示されている。

ｐ型の不純物、例えばＺｎを熱拡散によってＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体内に拡散させると、図２に示すように、当該半導体内の表面から深さ方向に一定の範囲では、略一定の濃度でｐ型の不純物が拡散される。また、深さ方向に一定の範囲を超えると、拡散されるｐ型の不純物の濃度は急激に小さくなる。この濃度は約３×１０^１６ｃｍ^−３である。これ以降の距離では、ｐ型の不純物は３×１０^１６ｃｍ^−３以下の濃度で緩やかな濃度勾配をもって奥深くまで拡散する傾向がある。この傾向は、深さ方向に交差する横方向、即ち、アレイ型受光素子の画素の配列方向においても同様である。また、横方向へのｐ型不純物の拡散距離は、ｐ型不純物元素が導入される表面に近い領域において大きくなる。したがって、画素が狭ピッで設けられると、隣り合うｐ型領域が電気的に接続して、暗電流が増加する現象が生じ得る。

これに対処するために、アレイ型受光素子１０では、第１領域Ｒ１においては、高濃度にｎ型の不純物がドープされている。一実施形態では、第１領域Ｒ１では、ｎ型不純物の濃度が、５×１０^１６ｃｍ^−３より大きくなっている。第１領域Ｒ１におけるｎ型不純物の濃度を、３×１０^１６ｃｍ^−３よりも高い濃度、即ち、５×１０^１６ｃｍ^−３より大きくすることにより、隣り合うｐ型領域２４の間にｎ型を示す領域を維持することができ、これらｐ型領域２４同士の電気的な接続を防止することができる。

また、一実施形態では、第１領域Ｒ１のｎ型の不純物の濃度は、５×１０^１７ｃｍ^−３以下となっている。第１領域Ｒ１のｎ型の不純物の濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３より大きい場合には、半導体領域１６にｐ型の不純物を拡散すると、第１領域Ｒ１内においてｐｎ接合が形成されることが生じ得る。また、ｐ型不純物濃度の低い受光層内部においてもｐｎ接合が形成される。これにより、受光素子の構造がｐｎｐｎ構造となり、受光素子としての特性が劣化することが発生し得る。しかしながら、第１領域Ｒ１のｎ型の不純物の濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３以下であれば、このようなｐｎｐｎ構造の発生を防止することができる。

一方、第２領域Ｒ２では、ｐ型の不純物の濃度が小さくなるので、ｎ型の不純物の濃度も小さくなっている。一実施形態では、第２領域Ｒ２におけるｎ型の不純物の濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３以下である。第２領域Ｒ２におけるｎ型の不純物の濃度が５×１０^１６ｃｍ^−３より大きくなると、ｐｎ接合が第２領域Ｒ２内に形成されることが生じ得る。受光層１４内では無く、第２領域Ｒ２にｐｎ接合が形成されるとバイアス電圧を高くしないと受光層１４全体が空乏化せず感度が十分に得られなくなる。バイアス電圧を高くすると暗電流が増加する問題が発生する。第２領域Ｒ２におけるｎ型不純物の濃度が５×１０^１６ｃｍ^−３以下であれば、ｐｎ接合が第２領域Ｒ２内に形成されることを防止することができ、低バイアス電圧において十分な感度を得ることができる。このように構成された半導体領域１６にｐ型の不純物が熱拡散によって導入されると、横方向のｐ型の不純物濃度のプロファイルは、図３に示すようになる。

即ち、図３の（ａ）に示すように、マスク２６の開口の下方の第１領域Ｒ１では、ｎ型の不純物の濃度よりｐ型の不純物の濃度が高くなる。したがって、マスク２６の開口の下方にｐ型領域２４が形成される。一方、マスク２６の下方の第１領域Ｒ１では、ｐ型の不純物が横方向に拡散しても、当該第１領域Ｒ１のｎ型の不純物濃度が高いので、ｎ型の不純物の濃度がｐ型の不純物の濃度よりも大きくなる。その結果、マスク２６の下方、即ち、隣り合うｐ型領域２４の間にｎ型を示す領域が維持される。これにより、隣り合うｐ型領域２４同士の電気的な接続が防止される。また、第２領域Ｒ２においても、図３の（ｂ）に示すように、ｎ型の不純物の濃度は第１領域Ｒ１のｎ型の不純物の濃度よりも低いが、ｐ型の不純物の濃度も低くなるので、隣り合うｐ型領域２４の間にｎ型を示す領域が維持される。これにより、隣り合うｐ型領域２４同士の接続が防止される。したがって、アレイ型受光素子１０によれば、暗電流の増加が抑制され、その歩留まりが向上される。

以下、別の実施形態に係るアレイ型受光素子について説明する。図４は、別の実施形態に係るアレイ型受光素子の断面を概略的に示す図である。図４に示すアレイ型受光素子１０Ａでは、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の構成がアレイ型受光素子１０とは異なっている。具体的に、アレイ型受光素子１０Ａでは、半導体領域１６は、第１のキャップ層２２１及び第２のキャップ層２２２から構成されている。第１のキャップ層２２１及び第２のキャップ層２２２は共に、ＩｎＰから構成され得る。第１のキャップ層２２１は、受光層１４上に、当該受光層１４に接して設けられている。また、第２のキャップ層２２２は、第１のキャップ層２２１上に設けられている。第１のキャップ層２２１の厚みは、例えば０．５μｍであり、第２のキャップ層２２２の厚みは、例えば１．０μｍである。

アレイ型受光素子１０Ａでは、第１のキャップ層２２１が第２領域Ｒ２を構成しており、第２のキャップ層２２２が第１領域Ｒ１を構成している。即ち、第２のキャップ層２２２には、高濃度にｎ型の不純物がドープされており、第１のキャップ層２２１には、第２のキャップ層２２２のｎ型の不純物の濃度よりも低い濃度で、ｎ型の不純物がドープされている。第１のキャップ層２２１のｎ型の不純物の濃度は、例えば、５×１０^１６ｃｍ^−３以下であり、第２のキャップ層２２２のｎ型の不純物の濃度は、例えば、５×１０^１６ｃｍ^−３より大きく且つ５×１０^１７ｃｍ^−３以下である。

このアレイ型受光素子１０Ａにおいても、ｐ型の不純物の横方向の拡散があっても、隣り合うｐ型領域２４の間に、ｎ型を示す領域が確保され、隣り合うｐ型領域２４同士の電気的な接続が防止される。したがって、アレイ型受光素子１０Ａによれば、暗電流の増加が抑制され、その歩留まりが向上される。

以下、一実施形態に係るアレイ型受光素子を製造する方法について説明する。図５は、一実施形態に係るアレイ型受光素子を製造する方法を示す流れ図である。この方法においては、まず、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板１２が準備される（工程Ｓ１）。基板１２は、例えば、ｎ^＋型のＩｎＰ基板であり、当該基板１２には、ｎ型の不純物としてＳがドープされている。基板１２は、半絶縁性のＩｎＰ基板であってもよく、当該基板１２には、例えば、Ｆｅがドープされていてもよい。

次いで、工程Ｓ２において、基板１２上にバッファ層１８が形成される。バッファ層１８は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により形成される。工程Ｓ２では、原料ガスとして、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＴＢＰ（ターシャリブチルホスフィン）、及び、ＴｅＥＳｉ（テトラエチルシラン）が用いられ得る。

次いで、工程Ｓ３において、バッファ層１８上に受光層１４が形成される。受光層１４は、例えば、ＭＯＣＶＤ法により形成される。工程Ｓ３では、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｂの原料ガスとして、ＴＭＩｎ、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）、ＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）がそれぞれ用いられ得る。

次いで、工程Ｓ４において、受光層１４上に半導体領域１６が形成される。アレイ型受光素子１０を製造する場合には、工程Ｓ４において、拡散濃度分布調整層２０が受光層１４上に形成され、次いで、キャップ層２２が拡散濃度分布調整層２０上に形成される。拡散濃度分布調整層２０は、原料ガスとしてＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、及びＴＢＡｓを用いるＭＯＣＶＤ法により形成され得る。拡散濃度分布調整層２０の形成においては、下側領域ＬＲの形成時にｎ型の不純物の原料ガスの流量を低くし、上側領域ＵＲの形成時にｎ型の不純物の原料ガスの流量を高くすることができる。なお、ｎ型の不純物の原料ガスとしては、例えば、ＴｅＥＳｉ（テトラエチルシラン）を用いることができる。また、キャップ層２２は、原料ガスとして、ＴＭＩｎ、ＴＭＰ、及びＴｅＥＳｉを用いるＭＯＣＶＤ法により形成され得る。

また、アレイ型受光素子１０Ａを製造する場合には、工程Ｓ４において、第１のキャップ層２２１及び第２のキャップ層２２２が順に形成される。第１のキャップ層２２１及び第２のキャップ層２２２は、ＴＭＩｎ、ＴＭＰ、及びＴｅＥＳｉを用いるＭＯＣＶＤ法により形成され得る。第１のキャップ層２２１の形成時には、ｎ型の不純物の原料ガスであるＴｅＥＳｉの流量が低く設定され、第２のキャップ層２２の形成時には、ＴｅＥＳｉの流量が高く設定される。

次いで、工程Ｓ５において、半導体領域１６上にマスク２６が形成される。マスク２６は、例えば、プラズマＣＶＤ法により形成したＳｉＮ膜から作成され、当該ＳｉＮ膜をフォトリソグラフィ法によって作成したレジストマスクを用いてエッチングすることで得られる。

次いで、工程Ｓ６において、マスク２６の開口からｐ型の不純物を選択的に拡散させることにより、ｐ型領域２４が形成される。工程Ｓ６では、例えば、Ｚｎの熱拡散法が実施される。熱拡散法においては、Ｚｎの原料としてＺｎ_３Ｐ_２を配置した石英製のアンプル内に、工程Ｓ５までに作成した被処理体を配置する。このアンプル内を４５０〜５５０℃の温度に設定し、４０〜５０分間、被処理体をアンプル内に収容しておくことで、ｐ型の不純物が、マスク２６の開口から半導体領域１６及び受光層１４の一部にまで拡散する。

その後、絶縁膜３４が形成され、電極３０及び３２、並びに、配線電極３６が形成される。更に、反射防止膜２８が基板１２の裏面に形成されるこれにより、上述した実施形態のアレイ型受光素子が作成される。

この実施形態に係る方法によれば、半導体領域１６の第１領域Ｒ１にｎ型の不純物が高濃度にドープされる。したがって、工程Ｓ６において、ｐ型不純物を拡散させても、隣り合うｐ型領域２４間にｎ型を示す領域が維持される。その結果、隣り合うｐ型領域２４同士の電気的な接続が防止される。故に、この実施形態に係る方法によれば、暗電流の増加が抑制され、その歩留まりが向上されたアレイ型受光素子が作成され得る。

なお、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、基板１２がｎ^＋型の基板である場合には、電極３２は、当該基板の裏面上に設けられていてもよい。また、ｎ型不純物及びｐ型不純物、並びにＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、上述した実施形態のｎ型不純物及びｐ型不純物、並びにＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に限定されるものではない。さらに、ＭＯＣＶＤ法に用いられる原料ガスも上述した実施形態の原料ガスに限定されるものではない。

１０，１０Ａ…アレイ型受光素子、１２…ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板、１４…受光層、１６…半導体領域、１８…バッファ層、２０…拡散濃度分布調整層、２２…キャップ層、２４…ｐ型領域、２６…マスク、２８…反射防止膜、３０…電極、３２…電極、３４…絶縁膜、３６…配線電極、２０１…拡散濃度分布調整層、２２１…第１のキャップ層、２２２…第２のキャップ層、２２３…第１のキャップ層、２２４…第２のキャップ層、Ｒ１…第１領域、Ｒ２…第２領域、ＵＲ…上側領域、ＬＲ…下側領域。

Claims (10)

1. 第１導電型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板と、
   前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の上に設けられた受光層と、
   前記受光層上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製の半導体領域であり、第１導電型の不純物を含む、該半導体領域と、
   前記受光層の内部に境界を有し、第２導電型の不純物を前記半導体領域の表面から選択拡散させることにより形成される複数の第２導電型の領域と、
   を備え、
   前記半導体領域は、該半導体領域の表面から該半導体領域の中間まで延在する第１領域と、前記第１領域と前記受光層との間において延在する第２領域と、を含み、
   前記第１領域における前記第１導電型の不純物の濃度が、前記選択拡散による前記複数の第２導電型の領域の電気的な接続を防止するよう、前記第２領域における前記第１導電型の不純物の濃度より、高い、
   アレイ型受光素子。
2. 前記第１領域における前記第１導電型の不純物の濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３より大きく且つ５×１０^１７ｃｍ^−３以下である、請求項１に記載のアレイ型受光素子。
3. 前記第２領域における前記第１導電型の不純物の濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３以下である、請求項２に記載のアレイ型受光素子。
4. 前記受光層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製の多重量子井戸構造を有し、
   前記半導体領域は、前記受光層に接するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製の拡散濃度分布調整層と、該拡散濃度分布調整層上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製のキャップ層と、を含み、
   前記受光層における前記第２導電型の不純物の濃度は、５×１０^１６ｃｍ^−３以下である、請求項１〜３の何れか一項に記載のアレイ型受光素子。
5. 前記多重量子井戸構造は、タイプ２の量子井戸構造である、請求項４に記載のアレイ型受光素子。
6. 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板は、ＩｎＰ基板であり、
   前記多重量子井戸構造は、ＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓＳｂ層が交互に積層された多重量子井戸構造、又は、ＧａＩｎＮＡｓ層とＧａＡｓＳｂ層とが交互に積層された多重量子井戸構造であり、
   前記第２導電型の不純物は、Ｚｎである、
   請求項５に記載のアレイ型受光素子。
7. 前記キャップ層は、ＩｎＰ層又はＩｎＡｌＡｓ層であり、
   前記拡散濃度分布調整層は、ＩｎＧａＡｓ層である、
   請求項６に記載のアレイ型受光素子。
8. アレイ型受光素子を製造する方法であって、
   第１導電型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板上に設けられた受光層上に第１導電型の不純物を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体製の半導体領域を形成する工程と、
   前記半導体領域の表面上に設けられたマスクの開口から選択的に第２導電型の不純物を拡散させる工程と、
   を含み、
   前記第２導電型の不純物を拡散させる工程において形成される複数の第２導電型の領域が電気的に接続することを防止するよう、前記半導体領域を形成する工程において、前記半導体領域の表面から該半導体領域の中間まで延在する第１領域における第１導電型の不純物の濃度を、前記第１領域と前記受光層との間において延在する第２領域における第１導電型の不純物の濃度より高くする、
   方法。
9. 前記第１領域における前記第１導電型の不純物の濃度を、５×１０^１６ｃｍ^−３より大きく且つ５×１０^１７ｃｍ^−３以下に設定する、請求項８に記載の方法。
10. 前記複数の第２導電型の領域の前記受光層内における前記第２導電型の不純物の濃度を５×１０^１６ｃｍ^−３以下に設定する、請求項９に記載の方法。

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