JP2023006306A - 半導体受光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】暗電流の増加を抑制することが可能な半導体受光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】第１の導電型を有する第１半導体層と、第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、光吸収層の上に設けられ、第１の導電型を有する第２半導体層と、第２半導体層の上に設けられ、第２の導電型を有する第３半導体層と、第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、第３半導体層と電気的に接続された第２電極と、絶縁膜と、誘電体層と、を具備し、第２半導体層および第３半導体層は、上側に突出するメサを構成し、絶縁膜は、第２半導体層の上面、メサの側面、およびメサのうち第２半導体層の上面とメサの側面との間の部分であるエッジを覆い、誘電体層は、絶縁膜の上面に設けられ、エッジを覆い、誘電体層の比誘電率は、第２半導体層および第３半導体層の比誘電率以上である半導体受光素子。【選択図】 図１Ｂ
Description
本開示は半導体受光素子およびその製造方法に関するものである。
光を受光して電気信号を出力する半導体受光素子が知られている（例えば非特許文献１）。半導体受光素子は、光吸収層を含み、メサが設けられている。例えば光吸収層の下側にｎ型の半導体層を設け、当該ｎ型層にｎ型電極を接続する。光吸収層の上側にｎ型の半導体層とｐ型の半導体層とを設け、ｐ型層にｐ型電極を接続する。ｐ型電極に負電圧を印加し、ｎ型電極に正電圧を印加する。
"Ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ＯＭＶＰＥ" Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， Ｖｏｌｕｍｅ ９８， Ｉｓｓｕｅｓ １－２（１９８９）， ｐ９０－９７
メサの一部に局所的に高い電界がかかることで、暗電流が増加する恐れがある。そこで、暗電流の増加を抑制することが可能な半導体受光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
本開示に係る半導体受光素子は、基板の上に設けられ、第１の導電型を有する第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層の上に設けられ、前記第１の導電型を有する第２半導体層と、前記第２半導体層の上に設けられ、第２の導電型を有する第３半導体層と、前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、前記第３半導体層と電気的に接続された第２電極と、絶縁膜と、誘電体層と、を具備し、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、上側に突出するメサを構成し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記誘電体層は、前記絶縁膜の上面に設けられ、前記エッジを覆い、前記誘電体層の比誘電率は、前記第２半導体層および前記第３半導体層の比誘電率以上である。
本開示に係る半導体受光素子は、基板の上に設けられ、第１の導電型を有する第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層の上に設けられ、前記第１の導電型を有する第２半導体層と、前記第２半導体層の上に設けられ、第２の導電型を有する第３半導体層と、前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、前記第３半導体層と電気的に接続された第２電極と、絶縁膜と、を具備し、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、上側に突出するメサを構成し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分は、前記絶縁膜のうち前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分以外の部分よりも厚い。
本開示に係る半導体受光素子は、基板の上に設けられ、第１の導電型を有する第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層の上に設けられ、前記第１の導電型を有する第２半導体層と、前記第２半導体層の上に設けられ、第２の導電型を有する第３半導体層と、前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、前記第３半導体層と電気的に接続された第２電極と、絶縁膜と、を具備し、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、上側に突出するメサを構成し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記絶縁膜は、前記第３半導体層のうち厚さ方向の１／３以上の部分を覆う。
本開示に係る半導体受光素子の製造方法は、基板の上に、第１の導電型を有する第１半導体層、光吸収層、前記第１の導電型を有する第２半導体層、および第２の導電型を有する第３半導体層を、この順に積層する工程と、前記第２半導体層および前記第３半導体層をエッチングすることで、前記第２半導体層および前記第３半導体層を含み、上側に突出するメサを形成する工程と、前記第１半導体層と電気的に接続される第１電極を形成する工程と、前記第３半導体層と電気的に接続される第２電極を形成する工程と、絶縁膜を形成する工程と、誘電体層を形成する工程と、を有し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記誘電体層は、前記絶縁膜の上面に設けられ、前記エッジを覆い、前記誘電体層の比誘電率は、前記第２半導体層および前記第３半導体層の比誘電率以上である。
本開示に係る半導体受光素子の製造方法は、基板の上に、第１の導電型を有する第１半導体層、光吸収層、前記第１の導電型を有する第２半導体層、および第２の導電型を有する第３半導体層を、この順に積層する工程と、前記第２半導体層および前記第３半導体層をエッチングすることで、前記第２半導体層および前記第３半導体層を含み、上側に突出するメサを形成する工程と、前記第１半導体層と電気的に接続される第１電極を形成する工程と、前記第３半導体層と電気的に接続される第２電極を形成する工程と、絶縁膜を形成する工程と、を有し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分は、前記絶縁膜のうち前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分以外の部分よりも厚い。
本開示に係る半導体受光素子の製造方法は、基板の上に、第１の導電型を有する第１半導体層、光吸収層、前記第１の導電型を有する第２半導体層、および第２の導電型を有する第３半導体層を、この順に積層する工程と、前記第２半導体層および前記第３半導体層をエッチングすることで、前記第２半導体層および前記第３半導体層を含み、上側に突出するメサを形成する工程と、前記第１半導体層と電気的に接続される第１電極を形成する工程と、前記第３半導体層と電気的に接続される第２電極を形成する工程と、絶縁膜を形成する工程と、を有し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記絶縁膜は、前記第３半導体層のうち厚さ方向の１／３以上の部分を覆う。
本開示によれば暗電流の増加を抑制することが可能な半導体受光素子およびその製造方法を提供することが可能である。
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
本開示の一形態は、（１）基板の上に設けられ、第１の導電型を有する第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層の上に設けられ、前記第１の導電型を有する第２半導体層と、前記第２半導体層の上に設けられ、第２の導電型を有する第３半導体層と、前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、前記第３半導体層と電気的に接続された第２電極と、絶縁膜と、誘電体層と、を具備し、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、上側に突出するメサを構成し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記誘電体層は、前記絶縁膜の上面に設けられ、前記エッジを覆い、前記誘電体層の比誘電率は、前記第２半導体層および前記第３半導体層の比誘電率以上である半導体受光素子である。電気力線は誘電体層を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。電気力線の集中による界面準位の変化を抑制する。暗電流の増加を抑制することができる。
（２）前記誘電体層は、五酸化タンタル、ジルコニア、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、および酸化ハフニウムの少なくとも１つを含む。誘電体層の比誘電率が高くなる。電気力線が誘電体層を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。暗電流の増加を抑制することができる。
（３）前記第１半導体層、前記第２半導体層、および前記第３半導体層は、インジウムリンで形成されてもよい。誘電体層の比誘電率はインジウムリンの比誘電率以上である。電気力線が誘電体層を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。暗電流の増加を抑制することができる。
（４）前記絶縁膜は窒化シリコン膜でもよい。誘電体層の比誘電率は窒化シリコンの比誘電率以上である。電気力線が誘電体層を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。暗電流の増加を抑制することができる。
（５）前記光吸収層は、インジウムガリウム砒素で形成されてもよい。光吸収層は、光を吸収することでキャリアを発生させる。半導体受光素子は光を検知することができる。
（６）前記誘電体層は、前記第３半導体層の平面内において前記メサを囲んでもよい。メサの周囲において電気力線の集中を抑制することで、暗電流の増加を効果的に抑制することができる。
（７）前記第３半導体層の平面内において、前記メサの形状は円形であり、前記第３半導体層の平面内において、前記誘電体層の形状は前記メサと同心円形状でもよい。メサの周囲において電気力線の集中を抑制することで、暗電流の増加を効果的に抑制することができる。
（８）前記誘電体層は、前記第３半導体層のうち厚さ方向の１／３以上を覆ってもよい。電気力線の集中を抑制することで、暗電流の増加を効果的に抑制することができる。
（９）基板の上に設けられ、第１の導電型を有する第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層の上に設けられ、前記第１の導電型を有する第２半導体層と、前記第２半導体層の上に設けられ、第２の導電型を有する第３半導体層と、前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、前記第３半導体層と電気的に接続された第２電極と、絶縁膜と、を具備し、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、上側に突出するメサを構成し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分は、前記絶縁膜のうち前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分以外の部分よりも厚い半導体受光素子である。電気力線は絶縁膜を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。電気力線の集中による界面準位の変化を抑制する。暗電流の増加を抑制することができる。
（１０）基板の上に設けられ、第１の導電型を有する第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層の上に設けられ、前記第１の導電型を有する第２半導体層と、前記第２半導体層の上に設けられ、第２の導電型を有する第３半導体層と、前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、前記第３半導体層と電気的に接続された第２電極と、絶縁膜と、を具備し、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、上側に突出するメサを構成し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記絶縁膜は、前記第３半導体層のうち厚さ方向の１／３以上の部分を覆う半導体受光素子である。電気力線は絶縁膜を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。電気力線の集中による界面準位の変化を抑制する。暗電流の増加を抑制することができる。
（１１）基板の上に、第１の導電型を有する第１半導体層、光吸収層、前記第１の導電型を有する第２半導体層、および第２の導電型を有する第３半導体層を、この順に積層する工程と、前記第２半導体層および前記第３半導体層をエッチングすることで、前記第２半導体層および前記第３半導体層を含み、上側に突出するメサを形成する工程と、前記第１半導体層と電気的に接続される第１電極を形成する工程と、前記第３半導体層と電気的に接続される第２電極を形成する工程と、絶縁膜を形成する工程と、誘電体層を形成する工程と、を有し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記誘電体層は、前記絶縁膜の上面に設けられ、前記エッジを覆い、前記誘電体層の比誘電率は、前記第２半導体層および前記第３半導体層の比誘電率以上である半導体受光素子の製造方法である。電気力線は誘電体層を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。電気力線の集中による界面準位の変化を抑制する。暗電流の増加を抑制することができる。
（１２）基板の上に、第１の導電型を有する第１半導体層、光吸収層、前記第１の導電型を有する第２半導体層、および第２の導電型を有する第３半導体層を、この順に積層する工程と、前記第２半導体層および前記第３半導体層をエッチングすることで、前記第２半導体層および前記第３半導体層を含み、上側に突出するメサを形成する工程と、前記第１半導体層と電気的に接続される第１電極を形成する工程と、前記第３半導体層と電気的に接続される第２電極を形成する工程と、絶縁膜を形成する工程と、を有し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分は、前記絶縁膜のうち前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分以外の部分よりも厚い半導体受光素子の製造方法である。電気力線は絶縁膜を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。電気力線の集中による界面準位の変化を抑制する。暗電流の増加を抑制することができる。
（１３）基板の上に、第１の導電型を有する第１半導体層、光吸収層、前記第１の導電型を有する第２半導体層、および第２の導電型を有する第３半導体層を、この順に積層する工程と、前記第２半導体層および前記第３半導体層をエッチングすることで、前記第２半導体層および前記第３半導体層を含み、上側に突出するメサを形成する工程と、前記第１半導体層と電気的に接続される第１電極を形成する工程と、前記第３半導体層と電気的に接続される第２電極を形成する工程と、絶縁膜を形成する工程と、を有し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記絶縁膜は、前記第３半導体層のうち厚さ方向の１／３以上の部分を覆う半導体受光素子の製造方法である。電気力線は絶縁膜を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。電気力線の集中による界面準位の変化を抑制する。暗電流の増加を抑制することができる。
（２）前記誘電体層は、五酸化タンタル、ジルコニア、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、および酸化ハフニウムの少なくとも１つを含む。誘電体層の比誘電率が高くなる。電気力線が誘電体層を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。暗電流の増加を抑制することができる。
（３）前記第１半導体層、前記第２半導体層、および前記第３半導体層は、インジウムリンで形成されてもよい。誘電体層の比誘電率はインジウムリンの比誘電率以上である。電気力線が誘電体層を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。暗電流の増加を抑制することができる。
（４）前記絶縁膜は窒化シリコン膜でもよい。誘電体層の比誘電率は窒化シリコンの比誘電率以上である。電気力線が誘電体層を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。暗電流の増加を抑制することができる。
（５）前記光吸収層は、インジウムガリウム砒素で形成されてもよい。光吸収層は、光を吸収することでキャリアを発生させる。半導体受光素子は光を検知することができる。
（６）前記誘電体層は、前記第３半導体層の平面内において前記メサを囲んでもよい。メサの周囲において電気力線の集中を抑制することで、暗電流の増加を効果的に抑制することができる。
（７）前記第３半導体層の平面内において、前記メサの形状は円形であり、前記第３半導体層の平面内において、前記誘電体層の形状は前記メサと同心円形状でもよい。メサの周囲において電気力線の集中を抑制することで、暗電流の増加を効果的に抑制することができる。
（８）前記誘電体層は、前記第３半導体層のうち厚さ方向の１／３以上を覆ってもよい。電気力線の集中を抑制することで、暗電流の増加を効果的に抑制することができる。
（９）基板の上に設けられ、第１の導電型を有する第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層の上に設けられ、前記第１の導電型を有する第２半導体層と、前記第２半導体層の上に設けられ、第２の導電型を有する第３半導体層と、前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、前記第３半導体層と電気的に接続された第２電極と、絶縁膜と、を具備し、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、上側に突出するメサを構成し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分は、前記絶縁膜のうち前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分以外の部分よりも厚い半導体受光素子である。電気力線は絶縁膜を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。電気力線の集中による界面準位の変化を抑制する。暗電流の増加を抑制することができる。
（１０）基板の上に設けられ、第１の導電型を有する第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層の上に設けられ、前記第１の導電型を有する第２半導体層と、前記第２半導体層の上に設けられ、第２の導電型を有する第３半導体層と、前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、前記第３半導体層と電気的に接続された第２電極と、絶縁膜と、を具備し、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、上側に突出するメサを構成し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記絶縁膜は、前記第３半導体層のうち厚さ方向の１／３以上の部分を覆う半導体受光素子である。電気力線は絶縁膜を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。電気力線の集中による界面準位の変化を抑制する。暗電流の増加を抑制することができる。
（１１）基板の上に、第１の導電型を有する第１半導体層、光吸収層、前記第１の導電型を有する第２半導体層、および第２の導電型を有する第３半導体層を、この順に積層する工程と、前記第２半導体層および前記第３半導体層をエッチングすることで、前記第２半導体層および前記第３半導体層を含み、上側に突出するメサを形成する工程と、前記第１半導体層と電気的に接続される第１電極を形成する工程と、前記第３半導体層と電気的に接続される第２電極を形成する工程と、絶縁膜を形成する工程と、誘電体層を形成する工程と、を有し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記誘電体層は、前記絶縁膜の上面に設けられ、前記エッジを覆い、前記誘電体層の比誘電率は、前記第２半導体層および前記第３半導体層の比誘電率以上である半導体受光素子の製造方法である。電気力線は誘電体層を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。電気力線の集中による界面準位の変化を抑制する。暗電流の増加を抑制することができる。
（１２）基板の上に、第１の導電型を有する第１半導体層、光吸収層、前記第１の導電型を有する第２半導体層、および第２の導電型を有する第３半導体層を、この順に積層する工程と、前記第２半導体層および前記第３半導体層をエッチングすることで、前記第２半導体層および前記第３半導体層を含み、上側に突出するメサを形成する工程と、前記第１半導体層と電気的に接続される第１電極を形成する工程と、前記第３半導体層と電気的に接続される第２電極を形成する工程と、絶縁膜を形成する工程と、を有し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分は、前記絶縁膜のうち前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分以外の部分よりも厚い半導体受光素子の製造方法である。電気力線は絶縁膜を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。電気力線の集中による界面準位の変化を抑制する。暗電流の増加を抑制することができる。
（１３）基板の上に、第１の導電型を有する第１半導体層、光吸収層、前記第１の導電型を有する第２半導体層、および第２の導電型を有する第３半導体層を、この順に積層する工程と、前記第２半導体層および前記第３半導体層をエッチングすることで、前記第２半導体層および前記第３半導体層を含み、上側に突出するメサを形成する工程と、前記第１半導体層と電気的に接続される第１電極を形成する工程と、前記第３半導体層と電気的に接続される第２電極を形成する工程と、絶縁膜を形成する工程と、を有し、前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、前記絶縁膜は、前記第３半導体層のうち厚さ方向の１／３以上の部分を覆う半導体受光素子の製造方法である。電気力線は絶縁膜を通るため、エッジ付近での電気力線の集中が抑制される。電気力線の集中による界面準位の変化を抑制する。暗電流の増加を抑制することができる。
［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る半導体受光素子およびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本開示の実施形態に係る半導体受光素子およびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
＜第１実施形態＞
（半導体受光素子）
図１Ａは、第１実施形態に係る半導体受光素子１００を例示する平面図である。図１Ｂは、図１Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。
（半導体受光素子）
図１Ａは、第１実施形態に係る半導体受光素子１００を例示する平面図である。図１Ｂは、図１Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。
図１Ａに示すように、ＸＹ平面内における半導体受光素子１００の形状は矩形である。半導体受光素子１００の２つの辺は、Ｘ軸方向に延伸する。別の２つの辺は、Ｙ軸方向に延伸する。Ｚ軸方向は、半導体受光素子１００の半導体層の積層方向である。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向は、互いに直交する。
図１Ａに示すように、半導体受光素子１００は、１つのメサ２２および１つの凹部２５を有する。ＸＹ平面におけるメサ２２の形状は円形である。凹部２５の形状は矩形である。凹部２５の１辺の長さＬ１は例えば１００μｍである。メサ２２と凹部２５とは離間している。
半導体受光素子１００は、基板１０、ｎ型半導体層１２（第１半導体層）、光吸収層１４、ｎ型半導体層１６（第２半導体層）、ｐ型半導体層１８（第３半導体層）、およびコンタクト層２０を有する。基板１０の下面には反射防止膜２１が設けられている。Ｚ軸方向に沿って、基板１０の上面に、ｎ型半導体層１２、光吸収層１４およびｎ型半導体層１６が、この順に積層されている。ｎ型半導体層１２は、基板１０の上面の全体に設けられている。凹部２５は、Ｚ軸方向においてｎ型半導体層１６の上面よりも窪んだ部分である。凹部２５には光吸収層１４、ｎ型半導体層１６、ｐ型半導体層１８およびコンタクト層２０が設けられておらず、ｎ型半導体層１２が設けられている。
ｎ型半導体層１６の一部はＺ軸方向の上側に突出し、当該突出した部分にｐ型半導体層１８およびコンタクト層２０が、順に積層されている。ｎ型半導体層１６、ｐ型半導体層１８、およびコンタクト層２０は、メサ２２を形成する。ｎ型半導体層１６とｐ型半導体層１８との接合界面は、メサ２２に含まれる。コンタクト層２０の上面が、メサ２２の上面になる。ｎ型半導体層１６の上面がメサ２２の底面になる。メサ２２の側面はＺ軸方向から傾斜してもよいし、Ｚ軸方向に平行でもよい。側面とＸ軸方向との間の角度θは、例えば６０°以上、９０°以下である。メサ２２の側面と底面との間においてメサ２２が立ち上がる部分を、エッジ２３とする。具体的には、メサ２２の側面と、ｎ型半導体層１６の上面との境界をエッジ２３とする。図１Ｂの点線Ｐは、ｎ型半導体層１６とｐ型半導体層１８との接合界面からｐ型半導体層１８の厚さの１／３だけ上側の位置である。つまり、点線Ｐは、ｐ型半導体層１８の下側１／３の位置を示す。
図１Ｂに示すメサ２２の上面の直径Ｄ１は例えば１００μｍである。メサ２２のエッジ２３から凹部２５の端部までの最短の距離Ｄ２は例えば２００μｍである。絶縁膜２４の表面を基準とするメサ２２の高さは、例えば０．６μｍである。
絶縁膜２４は、ｎ型半導体層１２の上面、光吸収層１４およびｎ型半導体層１６の側面、ｎ型半導体層１６の上面（メサ２２の底面）、ならびにメサ２２の側面および上面に連続的に設けられ、これらの面を覆う。絶縁膜２４は、ｎ型半導体層１２の上面およびメサ２２の上面に開口部を有する。
電極２６（第１電極）は、凹部２５の内側に位置し、ｎ型半導体層１２の上面に設けられ、ｎ型半導体層１２と電気的に接続される。電極２８（第２電極）は、メサ２２の上に位置し、コンタクト層２０の上面に設けられ、コンタクト層２０と電気的に接続される。電極２６および２８は、ボンディングワイヤなどを通じて、例えば読み出し回路などと電気的に接続される。
誘電体層３０は、絶縁膜２４の上面に設けられ、メサ２２の底面の一部、メサ２２のエッジ２３、およびメサ２２の側面の一部を覆う。メサ２２の底面上における誘電体層３０の幅Ｗ１は、例えば６μｍである。メサ２２の底面を基準とする誘電体層３０のＺ軸方向の厚さＴ１は例えば０．５μｍである。誘電体層３０の上面は、例えば厚さ方向におけるｐ型半導体層１８の下側１／３（点線Ｐの位置）よりも上側に位置する。誘電体層３０は、ｐ型半導体層１８の下側１／３の周囲を覆う。図１Ａに示すように、ＸＹ平面内でのメサ２２の形状および電極２８の形状は円形である。ＸＹ平面内での誘電体層３０の形状は、メサ２２と同心円状の円環である。誘電体層３０は、メサ２２を完全に囲む。
基板１０、ｎ型半導体層１２および１６は、例えばｎ型のインジウムリン（ｎ－ＩｎＰ）で形成されている。ｎ型半導体層１２の厚さは例えば３μｍである。ｎ型半導体層１２のキャリア濃度は例えば２×１０１８ｃｍ－３である。ｎ型半導体層１６の厚さは例えば０．５μｍである。ｎ型半導体層１６のキャリア濃度は例えば１×１０１５ｃｍ－３である。ｎ型のドーパントとしては例えばシリコン（Ｓｉ）が用いられる。ＩｎＰの比誘電率は、１２から１４である。
光吸収層１４は、例えば厚さが３μｍでアンドープのインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）で形成されている。ｐ型半導体層１８は、例えばｐ－ＩｎＰで形成されている。ｐ型半導体層１８の厚さは例えば０．３μｍである。ｐ型半導体層１８のキャリア濃度は例えば１×１０１８ｃｍ－３である。コンタクト層２０は、例えばｐ型インジウムガリウム砒素（ｐ－ＩｎＧａＡｓ）で形成されている。コンタクト層２０の厚さは例えば０．３μｍである。コンタクト層２０のキャリア濃度は例えば１×１０１９ｃｍ－３である。ｐ型のドーパントとしては例えば亜鉛（Ｚｎ）が用いられる。半導体受光素子１００の半導体層は、上記以外の化合物半導体で形成されてもよい。
基板１０のバンドギャップ、ｎ型半導体層１２および１６のバンドギャップ、ｐ型半導体層１８のバンドギャップは、光吸収層１４のバンドギャップよりも大きい。光吸収層１４のバンドギャップは、例えば波長が１．６μｍの光のエネルギーに対応する。半導体受光素子１００は、波長が１．６μｍの光に感受性を有する。
電極２６は、例えばｎ型半導体層１２の上に順に設けられた、金とゲルマニウムとの合金、ニッケルおよび金を積層した積層体（Ａｕ－Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ）などの金属で形成されている。電極２８は、例えばコンタクト層２０の上に順にチタン、白金および金を積層した積層体（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）などの金属で形成されている。
絶縁膜２４はパッシベーション膜であり、半導体層の表面を保護する。絶縁膜２４は、例えば厚さ０．３μｍの窒化シリコン（ＳｉＮ）などの絶縁体で形成されている。ＳｉＮの比誘電率は６から７である。
誘電体層３０の材料の例は、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５、比誘電率：２０から２５）、ジルコニア（ＺｒＯ２、比誘電率：２５から４５）、酸化チタン（ＴｉＯ２、比誘電率：８０から１８０）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３、比誘電率：２９２０）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３、比誘電率：２０００）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２、比誘電率：２５）である。上記の材料で形成される誘電体層３０の比誘電率は、絶縁膜２４の比誘電率、ｎ型半導体層１６およびｐ型半導体層１８の比誘電率以上であり、空気の比誘電率より高い。誘電体層３０の比誘電率は、例えばｎ型半導体層１６およびｐ型半導体層１８の比誘電率の２倍以上、５倍以上、１０倍以上でもよい。
半導体受光素子１００には、例えば１０Ｖ以上、２０Ｖ以下の逆バイアス電圧が印加される。電極２８には負電圧が印加される。電極２６には正電圧が印加される。基板１０の下面側から入射する光は、バンドギャップの大きい基板１０およびｎ型半導体層１２を透過し、光吸収層１４に吸収される。光吸収層１４では、光の強度に応じた量のキャリア（正孔電子対）が生成する。光の強度に応じた電流が、半導体受光素子１００から外部の機器に出力される。
半導体受光素子１００に逆バイアス電圧が印加されると、ｎ型半導体層１６およびｐ型半導体層１８のｐｎ接合界面に大きな電界がかかる。一般に、大きな電界がかかる部分でキャリアが生成すると、側面（絶縁膜との界面）に形成される界面準位を通じて、暗電流が発生する恐れがある。本実施形態では、ｎ型半導体層１６およびｐ型半導体層１８のバンドギャップは、光吸収層１４のバンドギャップよりも大きいため、ｐｎ接合界面ではキャリアが発生しにくい。したがってメサ２２と絶縁膜２４との界面におけるリーク電流が抑制される。光吸収層１４は、ｎ型半導体層１６およびｐ型半導体層１８より小さなバンドギャップを有するが、メサ２２よりも広く延伸しており、大きな電界がかかりにくい。具体的には、光吸収層１４と絶縁膜２４との界面（光吸収層１４の側面）は、ｐｎ接合界面からは離れている。このため、光吸収層１４の側面に形成される界面準位には、大きな電界がかかりにくい。これにより、光吸収層１４と絶縁膜２４との界面におけるリーク電流は抑制される。暗電流の増加を抑制することができる。
誘電体層３０の比誘電率は、ｎ型半導体層１６およびｐ型半導体層１８の比誘電率以上である。後述のように、電気力線は誘電体層３０を通りやすく、エッジ２３付近に集中しにくい。暗電流を抑制することができる。
（製造方法）
図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａおよび図８Ａは、半導体受光素子１００の製造方法を例示する平面図である。図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂおよび図８Ｂは、対応する平面図の線Ａ－Ａに沿った断面図である。
図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａおよび図８Ａは、半導体受光素子１００の製造方法を例示する平面図である。図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂおよび図８Ｂは、対応する平面図の線Ａ－Ａに沿った断面図である。
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ－ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）などにより、基板１０の上面に、ｎ型半導体層１２、光吸収層１４、ｎ型半導体層１６、ｐ型半導体層１８、およびコンタクト層２０を、この順にエピタキシャル成長する。
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、コンタクト層２０の上に円形のマスク３３を設ける。例えばプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｎ）法などで厚さ０．３μｍのＳｉＯ２層を設け、フォトリソグラフィおよびバッファードフッ酸によるエッチングを行うことで、マスク３３を形成する。マスク３３の直径は例えば１００μｍである。コンタクト層２０の上面のうちマスク３３で覆われない部分は、露出する。
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、例えば、ガスを用いたドライエッチングや、ケミカルエッチング液を用いたウェットエッチングを行い、メサ２２を形成する。コンタクト層２０、ｐ型半導体層１８およびｎ型半導体層１６のうち、マスク３３で覆われた部分はエッチングされず、メサ２２が残存する。コンタクト層２０およびｐ型半導体層１８のうちマスク３３から露出する部分は、取り除かれる。ウェットエッチングの深さは、例えば厚さ方向にｎ型半導体層１６の途中まででもよいし、ｎ型半導体層１６とｐ型半導体層１８との界面まででもよい。ｎ型半導体層１６の表面は、マスク３３から露出し、メサ２２の底面となる。メサ２２を形成した後、バッファードフッ酸によるエッチングでマスク３３を取り除く。
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、例えばＳｉＯ２などの絶縁膜を形成し、フォトリソグラフィおよびバッファードフッ酸によるエッチングなどで、マスク３４を形成する。マスク３４は、例えば厚さ０．３μｍのＳｉＯ２などの絶縁体で形成されている。マスク３４は、メサ２２から離間した位置に開口部３５を有する。開口部３５のＸＹ平面内での形状は、例えば１辺が１００μｍの矩形である。開口部３５からｎ型半導体層１６が露出する。
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、ガスを用いたドライエッチングや、ケミカルエッチング液を用いたウェットエッチングを行い、開口部３５内のｎ型半導体層１６および光吸収層１４を取り除き、凹部２５を形成する。凹部２５からはｎ型半導体層１２の上面が露出する。ウェットエッチングにより凹部２５が形成される。マスク３４で覆われる部分は、エッチングされない。ウェットエッチング後、バッファードフッ酸によるエッチングでマスク３４は取り除く。
図７Ａおよび図７Ｂに示すように、例えばプラズマＣＶＤ法などで、ＳｉＮの絶縁膜２４を形成する。図８Ａおよび図８Ｂに示すように、例えばスパッタリング法により誘電体層３０を上面全体に形成する。フォトリソグラフィにより不図示のマスクを誘電体層３０の上に形成し、ドライエッチングを行うことで、エッジ２３近傍以外の誘電体層３０を取り除く。図１Ａおよび図１Ｂに示したように、エッジ２３の近傍に誘電体層３０が残存する。バッファードフッ酸によるエッチングで、絶縁膜２４のうちメサ２２の上および凹部２５の内側に開口部を設ける。真空蒸着およびリフトオフにより、凹部２５内のｎ型半導体層１２の上面に電極２６を設け、メサ２２の上面に電極２８を設ける。基板１０の裏面を研磨した後に反射防止膜２１を設ける。以上の工程で半導体受光素子１００が形成される。
図９Ａは、比較例に係る半導体受光素子１００Ｒを例示する断面図であり、ハッチングの一部を省略している。図９Ａに示すように、半導体受光素子１００Ｒは誘電体層３０を有さない。他の構成は、半導体受光素子１００と同じである。
半導体受光素子１００Ｒに逆バイアス電圧が印加されると、例えばｎ型半導体層１６とｐ型半導体層１８とのｐｎ接合界面から、メサ２２の外側に位置するｎ型半導体層１６および光吸収層１４まで、空乏層４０が広がる。空乏層４０のうち、ｐ型半導体層１８の近傍にはマイナス（－）の電荷が発生する。空乏層４０のうち、ｎ型半導体層１６および光吸収層１４の中で正電圧がかかるｎ型半導体層１２に近い場所には、プラス（＋）の電荷が発生する。プラスの電荷から電気力線が発生し、マイナス（－）の電荷で終端する。
電気力線は、比誘電率の高い物質中を通りやすく、比誘電率の低い物質中を通りにくい。空気の比誘電率はおよそ１である。ＳｉＮの比誘電率は、およそ６から７である。ＩｎＰの比誘電率は、およそ１２から１４である。電気力線は、半導体受光素子１００Ｒの外側の空気に比べて、ＩｎＰで形成されたｎ型半導体層１６およびＳｉＮで形成された絶縁膜２４を通りやすい。電気力線は、メサ２２の形状の影響を受け、メサ２２の底面から側面に沿って延伸する。このため、メサ２２のエッジ２３付近に電気力線が集中する。エッジ２３の近傍における、ｎ型半導体層１６の表層部分および絶縁膜２４における電界強度が局所的に大きくなる。
局所的に高い電界がかかることで、ｎ型半導体層１６と絶縁膜２４との界面における界面準位の様態が変化する。例えば高温・高電圧などのストレス環境下で、再結合準位密度および再結合速度が増加する。界面にキャリアが多く生成され、暗電流が増加する。
図９Ｂは、半導体受光素子１００を例示する断面図であり、図９Ａと同様にハッチングの一部を省略している。半導体受光素子１００に逆バイアス電圧が印加されることで、半導体受光素子１００においても空乏層４０が広がる。
第１実施形態によれば、誘電体層３０は、絶縁膜２４の表面に設けられ、メサ２２のエッジ２３を覆う。誘電体層３０の比誘電率は、ｎ型半導体層１６およびｐ型半導体層１８の比誘電率以上である。図９Ｂに矢印で示すように、電気力線の分布が比較例から変化し、電気力線の一部は誘電体層３０を通る。すなわち、誘電体層３０が、電気力線を引き込み、電気力線の経路となる。エッジ２３の近傍における電気力線の経路が広くなるため、電気力線の集中が抑制され、電界を低下させることができる。高温および高電圧下においても界面準位の変化を抑制し、暗電流の増加を抑制することができる。
誘電体層３０がエッジ２３を覆い、電気力線の経路として機能する。エッジ２３の近傍に電気力線の経路が形成されることで、電気力線の集中を抑制することができ、暗電流の増加を抑制することができる。空乏層４０の広がり、およびメサ２２の角度θに応じて、電気力線の分布が定まる。空乏層４０の広がる範囲は、逆バイアス電圧の大きさ、半導体層のキャリア濃度などに依存し、変化しうる。例えば角度θが９０°に近いほど、電気力線はエッジ２３付近に集中しやすい。誘電体層３０の大きさは、逆バイアス電圧の大きさ、半導体層のキャリア濃度、角度θなどに応じて定める。逆バイアス電圧が１０Ｖから２０Ｖ、キャリア濃度を上記の値とし、角度θを例えば６０°以上、９０°以下とする場合、誘電体層３０の幅Ｗ１を６μｍとする。電気力線の経路を広くするために、誘電体層３０の厚さは、誘電体層３０の上面が図１Ｂの点線Ｐより上側に位置する程度であればよい。
ｎ型半導体層１２および１６は、ｎ－ＩｎＰで形成されている。ｐ型半導体層１８は、ｐ－ＩｎＰで形成されている。絶縁膜２４はＳｉＮ膜である。ＩｎＰおよびＳｉＮの比誘電率は、空気よりも高い。電気力線は空気中に飛び出しにくく、ｎ型半導体層１６および絶縁膜２４を通りやすい。第１実施形態によれば、誘電体層３０の比誘電率は、ＩｎＰの比誘電率およびＳｉＮの比誘電率以上である。電気力線は誘電体層３０を通りやすいため、エッジ２３への電気力線の集中を抑制することができる。
誘電体層３０の比誘電率は、ｎ型半導体層１６およびｐ型半導体層１８の比誘電率以上であればよく、ｎ型半導体層１６およびｐ型半導体層１８の比誘電率の２倍以上、５倍以上、１０倍以上などでもよい。誘電体層３０は、例えば五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）の少なくとも１つを含んでもよいし、これら以外の高い比誘電率を有する材料で形成されてもよい。
ｎ型半導体層１２および１６、ｐ型半導体層１８は、ＩｎＰなど光吸収層１４よりもバンドギャップの大きな半導体で形成される。光吸収層１４はＩｎＧａＡｓで形成されている。基板１０の下面から入射する光は、ｎ型半導体層１２を透過し、光吸収層１４に吸収される。半導体受光素子１００が光を検知することができる。
バンドギャップの大きいｎ型半導体層１６とｐ型半導体層１８とがメサ２２を形成し、光吸収層１４はメサ２２に含まれない。バンドギャップの小さい光吸収層１４に大きな電界がかかりにくいため、光吸収層１４と絶縁膜２４との界面準位に起因する暗電流の増加を抑制することができる。光吸収層１４はＩｎＧａＡｓ以外の半導体で形成されてもよい。基板１０、ｎ型半導体層１２および１６、ｐ型半導体層１８はＩｎＰ以外の半導体で形成されてもよく、光吸収層１４よりも大きなバンドギャップを有していればよい。基板１０上に積層する半導体層のｎ型とｐ型とは入れ替えてもよい。つまり、光吸収層１４と基板１０との間にｐ型半導体層を設け、光吸収層１４の上にｐ型半導体層とｎ型半導体層とを順に積層してもよい。
図１Ａに示すように、ＸＹ平面内で、誘電体層３０はメサ２２と同心円状の円環形状であり、メサ２２を囲む。誘電体層３０がメサ２２の周囲全体を囲むことで、周囲全体において電気力線を終端させる。暗電流を効果的に抑制することができる。誘電体層３０は、例えば円環以外のリング形状でもよい。誘電体層３０はメサ２２の周囲のうち一部（例えば周囲の５０％以上、８０％以上、９０％以上など）を囲み、残りの部分を囲まなくてもよい。
＜第２実施形態＞
第２実施形態は、アレイセンサの例である。図１０Ａは、第２実施形態に係る半導体受光素子２００を例示する平面図である。図１０Ｂは、図１０Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。
第２実施形態は、アレイセンサの例である。図１０Ａは、第２実施形態に係る半導体受光素子２００を例示する平面図である。図１０Ｂは、図１０Ａの線Ｂ－Ｂに沿った断面図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。
図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、半導体受光素子２００は例えば４つのメサ２２、および４つの誘電体層３０を有する。１つの誘電体層３０は、１つのメサ２２の周囲に設けられている。４つのメサ２２は互いに離間する。４つの誘電体層３０は互いに離間する。電極２６は、４つのメサ２２に共通の電極である。半導体受光素子２００を動作させる際には、４つのメサ２２の上の電極２８、電極２６から逆バイアス電圧を印加する。
第２実施形態によれば、４つの誘電体層３０が４つのメサ２２のエッジ２３を覆う。エッジ２３近傍での電気力線の集中を抑制することで、暗電流の増加を抑制することができる。メサ２２の数および誘電体層３０の数は、４つ以下でもよいし、４つ以上でもよい。誘電体層３０の数はメサ２２の数に等しい。言い換えれば、１つのメサ２２に対して１つの誘電体層３０を設ける。
＜第３実施形態＞
図１１Ａは、第３実施形態に係る半導体受光素子３００を例示する平面図である。図１１Ｂは、図１１Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、誘電体層３０は、メサ２２の底面の一部、および側面の全体に設けられている。図１０Ｂに示すように、誘電体層３０の上面はメサ２２の上面と同じ高さに位置する。
図１１Ａは、第３実施形態に係る半導体受光素子３００を例示する平面図である。図１１Ｂは、図１１Ａの線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、誘電体層３０は、メサ２２の底面の一部、および側面の全体に設けられている。図１０Ｂに示すように、誘電体層３０の上面はメサ２２の上面と同じ高さに位置する。
第３実施形態によれば、誘電体層３０は、絶縁膜２４の表面であって、メサ２２の底面の一部、エッジ２３、およびメサ２２の側面を覆う。電気力線は誘電体層３０を通るため、エッジ２３の近傍における電気力線の集中が抑制される。暗電流の増加を抑制することができる。
＜第４実施形態＞
図１２Ａは、第４実施形態に係る半導体受光素子４００を例示する平面図である。図１２Ｂは、図１２Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、誘電体層３０は、メサ２２の底面の一部、側面および上面を覆い、電極２８に接触する。
図１２Ａは、第４実施形態に係る半導体受光素子４００を例示する平面図である。図１２Ｂは、図１２Ａの線Ｄ－Ｄに沿った断面図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、誘電体層３０は、メサ２２の底面の一部、側面および上面を覆い、電極２８に接触する。
第４実施形態によれば、誘電体層３０は、絶縁膜２４の表面であって、メサ２２の底面の一部、エッジ２３、メサ２２の側面、および上面の一部を覆う。電気力線は誘電体層３０を通るため、エッジ２３の近傍における電気力線の集中が抑制される。暗電流の増加を抑制することができる。
＜第５実施形態＞
図１３Ａは、第５実施形態に係る半導体受光素子５００を例示する平面図である。図１３Ｂは、図１３Ａの線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、メサ２２の上面のうち中央部において、電極２８およびコンタクト層２０は開口部２９を有する。ＸＹ平面において開口部２９は例えば円形であり、メサ２２と同心円状である。開口部２９の直径は、メサ２２の上面の直径より小さく、例えば７０μｍである。開口部２９からｐ型半導体層１８が露出する。誘電体層３０は、絶縁膜２４の表面であって、メサ２２の底面の一部、エッジ２３、メサ２２の側面の一部を覆う。誘電体層３０は、メサ２２の側面全体を覆ってもよいし、上面まで達してもよい。反射防止膜２１は設けられていない。
図１３Ａは、第５実施形態に係る半導体受光素子５００を例示する平面図である。図１３Ｂは、図１３Ａの線Ｅ－Ｅに沿った断面図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、メサ２２の上面のうち中央部において、電極２８およびコンタクト層２０は開口部２９を有する。ＸＹ平面において開口部２９は例えば円形であり、メサ２２と同心円状である。開口部２９の直径は、メサ２２の上面の直径より小さく、例えば７０μｍである。開口部２９からｐ型半導体層１８が露出する。誘電体層３０は、絶縁膜２４の表面であって、メサ２２の底面の一部、エッジ２３、メサ２２の側面の一部を覆う。誘電体層３０は、メサ２２の側面全体を覆ってもよいし、上面まで達してもよい。反射防止膜２１は設けられていない。
Ｚ軸方向上側から照射される光は、開口部２９から入射する。半導体受光素子５００は、光を受光し電気信号を出力する、表面入射型の受光素子である。
第５実施形態によれば、電気力線は誘電体層３０を通るため、エッジ２３の近傍における電気力線の集中が抑制される。暗電流の増加を抑制することができる。
＜第６実施形態＞
第６実施形態においては、誘電体層３０を設けず、絶縁膜２４を局所的に厚くする。図１４Ａは、第６実施形態に係る半導体受光素子６００を例示する断面図である。図１４Ａに示すように、絶縁膜２４のうちエッジ２３を覆う部分２４ａの厚さＴ２は、絶縁膜２４のうち部分２４ａ以外における厚さＴ３より大きい。厚さＴ３は例えば０．３μｍである。厚さＴ２は例えば厚さＴ３の１．５倍以上、２倍以上などである。絶縁膜２４の部分２４ａは、ｐ型半導体層１８の厚さ方向の下側１／３以上の周囲を覆う。部分２４ａの上面は、ｐ型半導体層１８の下側１／３の位置（点線Ｐの位置）より上側に位置する。絶縁膜２４は例えばＳｉＮなどの絶縁体で形成されており、空気よりも高い比誘電率を有する。
第６実施形態においては、誘電体層３０を設けず、絶縁膜２４を局所的に厚くする。図１４Ａは、第６実施形態に係る半導体受光素子６００を例示する断面図である。図１４Ａに示すように、絶縁膜２４のうちエッジ２３を覆う部分２４ａの厚さＴ２は、絶縁膜２４のうち部分２４ａ以外における厚さＴ３より大きい。厚さＴ３は例えば０．３μｍである。厚さＴ２は例えば厚さＴ３の１．５倍以上、２倍以上などである。絶縁膜２４の部分２４ａは、ｐ型半導体層１８の厚さ方向の下側１／３以上の周囲を覆う。部分２４ａの上面は、ｐ型半導体層１８の下側１／３の位置（点線Ｐの位置）より上側に位置する。絶縁膜２４は例えばＳｉＮなどの絶縁体で形成されており、空気よりも高い比誘電率を有する。
第６実施形態においては、図２Ａから図６Ｂまでの工程を行い、図７Ａおよび図７Ｂに対応する工程において、厚い絶縁膜２４を設ける。絶縁膜２４のうち部分２４ａは厚いままとし、例えばエッチングなどで他の部分を薄くする。絶縁膜２４に開口部を形成し、電極２６および２８を設ける。
第６実施形態によれば、絶縁膜２４のうちエッジ２３を覆う部分２４ａが、他の部分よりも厚い。電気力線は絶縁膜２４の部分２４ａを通るため、エッジ２３付近での電気力線の集中が抑制される。暗電流を抑制することができる。
絶縁膜２４の部分２４ａが厚いほど、電気力線の経路が広くなり、集中を抑制することができる。厚さＴ２は、例えば厚さＴ３の１．５倍以上、２倍以上などでもよい。部分２４ａの上面が、ｐ型半導体層１８の厚さ方向の下側１／３よりも上に位置することが好ましく、厚さ方向の下側１／２より上に位置してもよい。
＜第７実施形態＞
第７実施形態においては、誘電体層３０を設けず、絶縁膜２４全体を厚くする。図１４Ｂは、第７実施形態に係る半導体受光素子７００を例示する断面図である。図１４Ｂに示す絶縁膜２４の厚さＴ４は、例えば図１４Ａの厚さＴ３と同程度である。絶縁膜２４は、ｐ型半導体層１８の厚さ方向の下側１／３以上の周囲を覆う。絶縁膜２４の上面は、ｐ型半導体層１８の下側１／３の位置（点線Ｐの位置）より上側に位置する。絶縁膜２４は例えばＳｉＮなどの絶縁体で形成されており、空気よりも高い比誘電率を有する。
第７実施形態においては、誘電体層３０を設けず、絶縁膜２４全体を厚くする。図１４Ｂは、第７実施形態に係る半導体受光素子７００を例示する断面図である。図１４Ｂに示す絶縁膜２４の厚さＴ４は、例えば図１４Ａの厚さＴ３と同程度である。絶縁膜２４は、ｐ型半導体層１８の厚さ方向の下側１／３以上の周囲を覆う。絶縁膜２４の上面は、ｐ型半導体層１８の下側１／３の位置（点線Ｐの位置）より上側に位置する。絶縁膜２４は例えばＳｉＮなどの絶縁体で形成されており、空気よりも高い比誘電率を有する。
第７実施形態においては、図２Ａから図６Ｂまでの工程を行い、図７Ａおよび図７Ｂに対応する工程において、厚い絶縁膜２４を設ける。絶縁膜２４に開口部を形成し、電極２６および２８を設ける。
第７実施形態によれば、絶縁膜２４がｐ型半導体層１８の厚さ方向の下側１／３以上の周囲を覆う。電気力線は絶縁膜２４を通るため、エッジ２３付近での電気力線の集中が抑制される。暗電流を抑制することができる。
第６実施形態および第７実施形態における絶縁膜２４を、例えば第１実施形態の誘電体層３０と同様に、ｎ型半導体層１６およびｐ型半導体層１８と同等以上の比誘電率を有する材料で形成してもよい。電気力線が絶縁膜２４を通るため、集中しにくくなる。第３実施形態から第７実施形態において、メサ２２を複数配置し、第２実施形態と同様にアレイセンサとしてもよい。
以上、本開示の実施形態について詳述したが、本開示は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０ 基板
１２、１６ ｎ型半導体層
１４ 光吸収層
１８ ｐ型半導体層
２０ コンタクト層
２１ 反射防止膜
２４ 絶縁膜
２４ａ 部分
２６、２８ 電極
２２ メサ
２５ 凹部
２９、３５ 開口部
３０ 誘電体層
３３、３４ マスク
１００、１００Ｒ、２００、３００、４００、５００、６００、７００ 半導体受光素子
１２、１６ ｎ型半導体層
１４ 光吸収層
１８ ｐ型半導体層
２０ コンタクト層
２１ 反射防止膜
２４ 絶縁膜
２４ａ 部分
２６、２８ 電極
２２ メサ
２５ 凹部
２９、３５ 開口部
３０ 誘電体層
３３、３４ マスク
１００、１００Ｒ、２００、３００、４００、５００、６００、７００ 半導体受光素子
Claims (13)
- 基板の上に設けられ、第１の導電型を有する第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、
前記光吸収層の上に設けられ、前記第１の導電型を有する第２半導体層と、
前記第２半導体層の上に設けられ、第２の導電型を有する第３半導体層と、
前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、
前記第３半導体層と電気的に接続された第２電極と、
絶縁膜と、
誘電体層と、を具備し、
前記第２半導体層および前記第３半導体層は、上側に突出するメサを構成し、
前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、
前記誘電体層は、前記絶縁膜の上面に設けられ、前記エッジを覆い、
前記誘電体層の比誘電率は、前記第２半導体層および前記第３半導体層の比誘電率以上である半導体受光素子。 - 前記誘電体層は、五酸化タンタル、ジルコニア、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、および酸化ハフニウムの少なくとも１つを含む請求項１に記載の半導体受光素子。
- 前記第１半導体層、前記第２半導体層、および前記第３半導体層は、インジウムリンで形成されている請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
- 前記絶縁膜は窒化シリコン膜である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
- 前記光吸収層は、インジウムガリウム砒素で形成されている請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
- 前記誘電体層は、前記第３半導体層の平面内において前記メサを囲む請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
- 前記第３半導体層の平面内において、前記メサの形状は円形であり、
前記第３半導体層の平面内において、前記誘電体層の形状は前記メサと同心円形状である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体受光素子。 - 前記誘電体層は、前記第３半導体層のうち厚さ方向の１／３以上を覆う請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
- 基板の上に設けられ、第１の導電型を有する第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、
前記光吸収層の上に設けられ、前記第１の導電型を有する第２半導体層と、
前記第２半導体層の上に設けられ、第２の導電型を有する第３半導体層と、
前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、
前記第３半導体層と電気的に接続された第２電極と、
絶縁膜と、を具備し、
前記第２半導体層および前記第３半導体層は、上側に突出するメサを構成し、
前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、
前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分は、前記絶縁膜のうち前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分以外の部分よりも厚い半導体受光素子。 - 基板の上に設けられ、第１の導電型を有する第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、
前記光吸収層の上に設けられ、前記第１の導電型を有する第２半導体層と、
前記第２半導体層の上に設けられ、第２の導電型を有する第３半導体層と、
前記第１半導体層と電気的に接続された第１電極と、
前記第３半導体層と電気的に接続された第２電極と、
絶縁膜と、を具備し、
前記第２半導体層および前記第３半導体層は、上側に突出するメサを構成し、
前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、
前記絶縁膜は、前記第３半導体層のうち厚さ方向の１／３以上の部分を覆う半導体受光素子。 - 基板の上に、第１の導電型を有する第１半導体層、光吸収層、前記第１の導電型を有する第２半導体層、および第２の導電型を有する第３半導体層を、この順に積層する工程と、
前記第２半導体層および前記第３半導体層をエッチングすることで、前記第２半導体層および前記第３半導体層を含み、上側に突出するメサを形成する工程と、
前記第１半導体層と電気的に接続される第１電極を形成する工程と、
前記第３半導体層と電気的に接続される第２電極を形成する工程と、
絶縁膜を形成する工程と、
誘電体層を形成する工程と、を有し、
前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、
前記誘電体層は、前記絶縁膜の上面に設けられ、前記エッジを覆い、
前記誘電体層の比誘電率は、前記第２半導体層および前記第３半導体層の比誘電率以上である半導体受光素子の製造方法。 - 基板の上に、第１の導電型を有する第１半導体層、光吸収層、前記第１の導電型を有する第２半導体層、および第２の導電型を有する第３半導体層を、この順に積層する工程と、
前記第２半導体層および前記第３半導体層をエッチングすることで、前記第２半導体層および前記第３半導体層を含み、上側に突出するメサを形成する工程と、
前記第１半導体層と電気的に接続される第１電極を形成する工程と、
前記第３半導体層と電気的に接続される第２電極を形成する工程と、
絶縁膜を形成する工程と、を有し、
前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、
前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分は、前記絶縁膜のうち前記絶縁膜の前記エッジを覆う部分以外の部分よりも厚い半導体受光素子の製造方法。 - 基板の上に、第１の導電型を有する第１半導体層、光吸収層、前記第１の導電型を有する第２半導体層、および第２の導電型を有する第３半導体層を、この順に積層する工程と、
前記第２半導体層および前記第３半導体層をエッチングすることで、前記第２半導体層および前記第３半導体層を含み、上側に突出するメサを形成する工程と、
前記第１半導体層と電気的に接続される第１電極を形成する工程と、
前記第３半導体層と電気的に接続される第２電極を形成する工程と、
絶縁膜を形成する工程と、を有し、
前記絶縁膜は、前記第２半導体層の上面、前記メサの側面、および前記メサのうち前記第２半導体層の上面と前記メサの側面との間の部分であるエッジを覆い、
前記絶縁膜は、前記第３半導体層のうち厚さ方向の１／３以上の部分を覆う半導体受光素子の製造方法。
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2021
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