JP2024046581A - Light receiving element and light detection device - Google Patents

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孝彦 河原
賢一 町長
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Abstract

【課題】暗電流を低減できる受光素子および光検出装置を提供する。【解決手段】受光素子は、第1主面を有する基板と、前記第1主面の上に設けられた受光層と、前記受光層の上に設けられたコンタクト層と、前記コンタクト層を画素ごとに分離する溝と、を有し、前記受光層は、前記第1主面の上に設けられた第1半導体層と、前記第1半導体層の上に設けられた第2半導体層と、を有し、前記第1半導体層は、InGaAs層およびGaAsSb層を含むタイプII型の量子井戸層を有し、前記第2半導体層は、AlxGayIn1-x-yAs層(0≦x<1、0≦y<1、0<x+y<1)を有し、前記溝の底面は前記第2半導体層内にあり、前記受光層は、前記底面に露出する部分にn型領域を有する。【選択図】図1[Problem] To provide a light receiving element and a light detection device capable of reducing dark current. [Solution] The light receiving element has a substrate having a first main surface, a light receiving layer provided on the first main surface, a contact layer provided on the light receiving layer, and a groove separating the contact layer for each pixel, the light receiving layer has a first semiconductor layer provided on the first main surface and a second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer, the first semiconductor layer has a type II quantum well layer including an InGaAs layer and a GaAsSb layer, the second semiconductor layer has an AlxGayIn1-x-yAs layer (0≦x<1, 0≦y<1, 0<x+y<1), the bottom surface of the groove is in the second semiconductor layer, and the light receiving layer has an n-type region in a portion exposed to the bottom surface. [Selected Figure] Figure 1

Description

本開示は、受光素子および光検出装置に関する。 The present disclosure relates to a light receiving element and a light detection device.

赤外線を検知する受光素子として、タイプII型の量子井戸層を受光層に有する受光素子が開示されている。受光素子においては、画素分離用の溝が形成され、画素毎にメサが設けられている。 A photodetector that detects infrared rays and has a type II quantum well layer in the light receiving layer is disclosed. In the photodetector, a groove for separating pixels is formed, and a mesa is provided for each pixel.

特開2001-144278号公報Japanese Patent Application Publication No. 2001-144278 特開2013-175686号公報Japanese Patent Application Publication No. 2013-175686 特開2015-149422号公報Japanese Patent Application Publication No. 2015-149422

従来の受光素子では、更なる暗電流の低減が困難である。 With conventional light receiving elements, it is difficult to further reduce dark current.

本開示は、暗電流を低減できる受光素子および光検出装置を提供することを目的とする。 The present disclosure aims to provide a light receiving element and a photodetecting device that can reduce dark current.

本開示の受光素子は、第1主面を有する基板と、前記第1主面の上に設けられた受光層と、前記受光層の上に設けられたコンタクト層と、前記コンタクト層を画素ごとに分離する溝と、を有し、前記受光層は、前記第1主面の上に設けられた第1半導体層と、前記第1半導体層の上に設けられた第2半導体層と、を有し、前記第1半導体層は、InGaAs層およびGaAsSb層を含むタイプII型の量子井戸層を有し、前記第2半導体層は、AlGaIn1-x-yAs層(0≦x<1、0≦y<1、0<x+y<1)を有し、前記溝の底面は前記第2半導体層内にあり、前記受光層は、前記底面に露出する部分にn型領域を有する。 The light-receiving element of the present disclosure comprises a substrate having a first major surface, an absorption layer provided on the first major surface, a contact layer provided on the absorption layer, and grooves separating the contact layer for each pixel, the absorption layer having a first semiconductor layer provided on the first major surface and a second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer, the first semiconductor layer having a type II quantum well layer including an InGaAs layer and a GaAsSb layer, the second semiconductor layer having an Al x Ga y In 1-x-y As layer (0≦x<1, 0≦y<1, 0<x+y<1), a bottom surface of the groove is in the second semiconductor layer, and the absorption layer has an n-type region in a portion exposed to the bottom surface.

本開示によれば、暗電流を低減できる。 According to the present disclosure, dark current can be reduced.

図1は、第1実施形態に係る受光素子を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a light receiving element according to the first embodiment. 図2は、第1実施形態に係る受光素子の製造方法を示す断面図(その1)である。FIG. 2 is a cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the light-receiving element according to the first embodiment. 図3は、第1実施形態に係る受光素子の製造方法を示す断面図(その2)である。FIG. 3 is a cross-sectional view (part 2) showing the method for manufacturing the light receiving element according to the first embodiment. 図4は、第1実施形態に係る受光素子の製造方法を示す断面図(その3)である。FIG. 4 is a cross-sectional view (part 3) showing the method for manufacturing the light-receiving element according to the first embodiment. 図5は、第1実施形態に係る受光素子の製造方法を示す断面図(その4)である。FIG. 5 is a cross-sectional view (part 4) showing the method for manufacturing the light-receiving element according to the first embodiment. 図6は、第1実施形態に係る受光素子の製造方法を示す断面図(その5)である。6A to 6C are cross-sectional views (part 5) illustrating the method for manufacturing the light-receiving element according to the first embodiment. 図7は、第1実施形態に係る受光素子の製造方法を示す断面図(その6)である。FIG. 7 is a cross-sectional view (Part 6) showing the method for manufacturing the light receiving element according to the first embodiment. 図8は、第1実施形態に係る受光素子の製造方法を示す断面図(その7)である。FIG. 8 is a cross-sectional view (part 7) showing the method for manufacturing the light-receiving element according to the first embodiment. 図9は、第1実施形態に係る受光素子の製造方法を示す断面図(その8)である。FIG. 9 is a cross-sectional view (part 8) showing the method for manufacturing the light-receiving element according to the first embodiment. 図10は、メサの詳細な構造の一例を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of a detailed structure of a mesa. 図11は、模擬試料を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing the simulated sample. 図12は、n型キャリアの濃度と暗電流との関係を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing the relationship between n-type carrier concentration and dark current. 図13は、水素原子の濃度プロファイルの測定結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the measurement results of the concentration profile of hydrogen atoms. 図14は、暗電流の測定結果を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing the measurement results of dark current. 図15は、第2実施形態に係る光検出装置を示す断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view showing a light detection device according to the second embodiment. 図16は、第3実施形態に係る受光素子を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing a light receiving element according to the third embodiment. 図17は、第4実施形態に係る受光素子を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing a light receiving element according to the fourth embodiment. 図18は、第5実施形態に係る受光素子を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing a light receiving element according to the fifth embodiment. 図19は、第6実施形態に係る受光素子を示す断面図である。FIG. 19 is a cross-sectional view showing a light receiving element according to the sixth embodiment. 図20は、寸法パラメータと暗電流密度との関係を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing the relationship between dimensional parameters and dark current density. 図21は、量子効率の測定に用いた測定システムを示す図である。FIG. 21 is a diagram showing a measurement system used for measuring quantum efficiency. 図22は、波長と量子効率との関係を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing the relationship between wavelength and quantum efficiency.

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
[Description of embodiments of the present disclosure]
First, embodiments of the present disclosure will be listed and described.

〔1〕 本開示の一態様に係る受光素子は、第1主面を有する基板と、前記第1主面の上に設けられた受光層と、前記受光層の上に設けられたコンタクト層と、前記コンタクト層を画素ごとに分離する溝と、を有し、前記受光層は、前記第1主面の上に設けられた第1半導体層と、前記第1半導体層の上に設けられた第2半導体層と、を有し、前記第1半導体層は、InGaAs層およびGaAsSb層を含むタイプII型の量子井戸層を有し、前記第2半導体層は、AlGaIn1-x-yAs層(0≦x<1、0≦y<1、0<x+y<1)を有し、前記溝の底面は前記第2半導体層内にあり、前記受光層は、前記底面に露出する部分にn型領域を有する。 [1] A light-receiving element according to one aspect of the present disclosure includes a substrate having a first main surface, an absorption layer provided on the first main surface, a contact layer provided on the absorption layer, and grooves separating the contact layer for each pixel, the absorption layer includes a first semiconductor layer provided on the first main surface and a second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer, the first semiconductor layer includes a type II quantum well layer including an InGaAs layer and a GaAsSb layer, the second semiconductor layer includes an Al x Ga y In 1-x-y As layer (0≦x<1, 0≦y<1, 0<x+y<1), a bottom surface of the groove is within the second semiconductor layer, and the absorption layer includes an n-type region in a portion exposed to the bottom surface.

後述のように、受光層が、溝の底面に露出する部分にn型領域を有することで、結晶リークが抑制され、暗電流を低減できる。また、第1半導体層は、例えば1.0μm以上2.5μm以下の波長範囲に高い感度を有する。 As will be described later, by having the n-type region in the portion of the light-receiving layer exposed at the bottom of the groove, crystal leakage can be suppressed and dark current can be reduced. Further, the first semiconductor layer has high sensitivity in a wavelength range of, for example, 1.0 μm or more and 2.5 μm or less.

〔2〕 〔1〕において、前記n型領域におけるn型キャリアの濃度は5×1017cm-3以上であってもよい。この場合、暗電流を低減しやすい。 [2] In [1], the concentration of n-type carriers in the n-type region may be 5×10 17 cm −3 or more. In this case, it is easy to reduce dark current.

〔3〕 〔1〕または〔2〕において、前記n型領域の厚さは0.05μm以上であってもよい。この場合、暗電流を低減しやすい。 [3] In [1] or [2], the thickness of the n-type region may be 0.05 μm or more. In this case, it is easy to reduce dark current.

〔4〕 〔1〕から〔3〕のいずれかにおいて、前記第1主面に垂直な平面視で、前記n型領域と前記コンタクト層との間の距離は1.0μm以上であってもよい。この場合、暗電流を低減しやすい。 [4] In any of [1] to [3], the distance between the n-type region and the contact layer may be 1.0 μm or more in a plan view perpendicular to the first main surface. In this case, it is easy to reduce dark current.

〔5〕 〔1〕から〔4〕のいずれかにおいて、前記基板は、n型のInP基板であってもよい。この場合、第1半導体層、第2半導体層およびコンタクト層を結晶成長させやすい。また、基板とコンタクト層との間で受光層に電圧を印加できる。 [5] In any one of [1] to [4], the substrate may be an n-type InP substrate. In this case, crystal growth of the first semiconductor layer, second semiconductor layer, and contact layer is facilitated. Further, a voltage can be applied to the light-receiving layer between the substrate and the contact layer.

〔6〕 〔1〕から〔5〕のいずれかにおいて、前記n型領域は、n型不純物として水素を含有してもよい。水素が用いられる場合、活性化アニールを行わずとも、n型キャリアが得られる。 [6] In any of [1] to [5], the n-type region may contain hydrogen as an n-type impurity. When hydrogen is used, n-type carriers can be obtained without performing activation annealing.

〔7〕 〔1〕から〔6〕のいずれかにおいて、前記基板は、前記第1主面とは反対の第2主面を有し、前記第2主面に設けられた反射防止膜を有してもよい。後述のように、反射防止膜の形成時に受光層に温度負荷がかかったとしても、n型領域があることで、結晶リークの増加が抑制される。 [7] In any of [1] to [6], the substrate may have a second main surface opposite to the first main surface and an anti-reflection film provided on the second main surface. As described below, even if a temperature load is applied to the light-receiving layer when the anti-reflection film is formed, the presence of the n-type region suppresses an increase in crystal leakage.

〔8〕 〔1〕から〔7〕のいずれかにおいて、前記第2半導体層は、GaIn1-yAs層(0<y<1)を有してもよい。この場合、第2半導体層は、例えば1.0μm以上1.6μm以下の波長範囲に高い感度を有する。 [8] In any one of [1] to [7], the second semiconductor layer may have a Ga y In 1-y As layer (0<y<1). In this case, the second semiconductor layer has high sensitivity in a wavelength range of, for example, 1.0 μm or more and 1.6 μm or less.

〔9〕 〔8〕において、前記第2半導体層は、前記GaIn1-yAs層の上に設けられたAlIn1-xAs層(0<x<1)を有し、前記溝の底面は前記AlIn1-xAs層内にあってもよい。この場合、AlIn1-xAs層のバンドギャップがGaIn1-yAs層のバンドギャップよりも大きいため、表面リークを抑制しやすい。 [9] In [8], the second semiconductor layer may have an Al x In 1-x As layer (0<x<1) provided on the Ga y In 1-y As layer, and the bottom surface of the groove may be in the Al x In 1-x As layer. In this case, the band gap of the Al x In 1-x As layer is larger than the band gap of the Ga y In 1-y As layer, so that surface leakage is easily suppressed.

〔10〕 〔8〕において、前記第2半導体層は、前記GaIn1-yAs層の上に設けられたInP層を有し、前記溝の底面は前記InP層内にあってもよい。この場合、InP層のバンドギャップがGaIn1-yAs層のバンドギャップよりも大きく、また、InP層に含まれるPが酸化しにくいため、表面リークを更に抑制しやすい。 [10] In [8], the second semiconductor layer may include an InP layer provided on the Ga y In 1-y As layer, and the bottom surface of the groove may be within the InP layer. . In this case, the band gap of the InP layer is larger than the band gap of the Ga y In 1-y As layer, and P contained in the InP layer is difficult to oxidize, so surface leakage can be further suppressed.

〔11〕 〔1〕から〔7〕のいずれかにおいて、前記第2半導体層は、AlIn1-xAs層(0<x<1)を有してもよい。この場合、AlIn1-xAs層のバンドギャップがGaIn1-yAs層のバンドギャップよりも大きいため、表面リークを抑制しやすい。 [11] In any one of [1] to [7], the second semiconductor layer may have an Al x In 1-x As layer (0<x<1). In this case, the band gap of the Al x In 1-x As layer is larger than the band gap of the Ga y In 1-y As layer, so that surface leakage is easily suppressed.

〔12〕 本開示の他の一態様に係る受光素子は、第1主面と、前記第1主面とは反対の第2主面とを有するn型のInP基板と、前記第1主面の上に設けられた受光層と、前記受光層の上に設けられたコンタクト層と、前記コンタクト層を画素ごとに分離する溝と、前記第2主面に設けられた反射防止膜と、を有し、前記受光層は、前記第1主面の上に設けられた第1半導体層と、前記第1半導体層の上に設けられた第2半導体層と、を有し、前記第1半導体層は、InGaAs層およびGaAsSb層を含むタイプII型の量子井戸層を有し、前記第2半導体層は、AlGaIn1-x-yAs層(0≦x<1、0≦y<1、0<x+y<1)を有し、前記溝の底面は前記第2半導体層内にあり、前記受光層は、前記底面に露出する部分に、水素を含有し、n型キャリアの濃度が5×1017cm-3以上のn型領域を有し、前記n型領域の厚さは0.1μm以上であり、前記第1主面に垂直な平面視で、前記n型領域と前記コンタクト層との間の距離は1.0μm以上である。この場合、特に暗電流を低減しやすい。 [12] A light-receiving element according to another aspect of the present disclosure includes an n-type InP substrate having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface, an absorption layer provided on the first main surface, a contact layer provided on the absorption layer, grooves separating the contact layer for each pixel, and an antireflection film provided on the second main surface, the absorption layer includes a first semiconductor layer provided on the first main surface and a second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer, the first semiconductor layer includes a type II quantum well layer including an InGaAs layer and a GaAsSb layer, the second semiconductor layer includes an Al x Ga y In 1-x-y As layer (0≦x<1, 0≦y<1, 0<x+y<1), a bottom surface of the groove is in the second semiconductor layer, the absorption layer contains hydrogen in a portion exposed to the bottom surface, and an n-type carrier concentration is 5×10 17 cm The semiconductor device has an n-type region having an n-type conductivity of -3 or more, the thickness of the n-type region being 0.1 μm or more, and the distance between the n-type region and the contact layer being 1.0 μm or more in a plan view perpendicular to the first main surface. In this case, it is particularly easy to reduce dark current.

〔13〕 本開示の更に他の一態様に係る光検出装置は、〔1〕から〔12〕のいずれかの受光素子と、前記受光素子に接続された回路基板と、を有する。光検出装置が上記の受光素子を有することで、暗電流が低減され、良好なS/N比が得られる。 [13] A photodetection device according to still another aspect of the present disclosure includes the light receiving element according to any one of [1] to [12], and a circuit board connected to the light receiving element. When the photodetector includes the above-mentioned light receiving element, dark current is reduced and a good S/N ratio can be obtained.

[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の実施形態について詳細に説明するが、本開示はこれらに限定されるものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。
[Details of the embodiment of the present disclosure]
Hereinafter, the embodiments of the present disclosure will be described in detail, but the present disclosure is not limited thereto. In this specification and drawings, components having substantially the same functional configurations may be denoted by the same reference numerals to avoid redundant description.

まず、実施形態に想到した経緯について説明する。本願発明者らは、タイプII型の量子井戸層を受光層に有する従来の受光素子における暗電流の経路を解明すべく鋭意検討を行った。この結果、基板に反射防止膜を形成する前では結晶リークが抑えられているのに対して、反射防止膜の形成後には結晶リークが大きくなっていることが判明した。なお、タイプII型の量子井戸層に代えて砒化インジウムガリウム(InGaAs)の単層の受光層が用いられた場合には、このような結晶リークの増加が生じなかった。 First, the background to the invention will be described. The inventors of the present application conducted extensive research to clarify the path of dark current in a conventional light receiving element having a type II quantum well layer in the light receiving layer. As a result, it was found that the crystal leakage was suppressed before the anti-reflection film was formed on the substrate, whereas the crystal leakage increased after the anti-reflection film was formed. However, when a single-layer light receiving layer of indium gallium arsenide (InGaAs) was used instead of the type II quantum well layer, such an increase in crystal leakage did not occur.

本願発明者らは、タイプII型の量子井戸層が用いられた場合、反射防止膜の形成時の温度負荷が結晶リークの増加を引き起こしていると考え、温度負荷により変化する事項を特定すべく更に鋭意検討を行った。この結果、受光層に意図的には不純物が導入されていないが、不可避的なn型不純物である水素(H)の量が変化していることが判明した。すなわち、反射防止膜の後では前よりも水素の量が減少していることが判明した。なお、メサの形成と反射防止膜の形成との間にメサおよび画素分離用の溝を覆うように酸化シリコン(SiO)膜が形成されており、SiO膜の形成時に水素は受光層の表層部に混入し得る。そして、n型キャリアの濃度が高い領域を意図的に受光層に設けることで、反射防止膜の形成後においても結晶リークが低く抑えられ、暗電流を抑制できることが明らかになった。n型キャリアの濃度が高い領域が存在することで結晶リークが抑制される機構は明らかではないが、n型キャリアの存在により結晶リークが生じる経路のバンド構造が変化し、電荷のトンネルが抑制されるためであると考えられる。 The inventors of the present application believe that when a Type II quantum well layer is used, the temperature load during the formation of the anti-reflection film causes an increase in crystal leakage. We conducted further careful consideration. As a result, it was found that although no impurity was intentionally introduced into the light-receiving layer, the amount of hydrogen (H), which is an unavoidable n-type impurity, was changed. In other words, it was found that the amount of hydrogen was reduced after the antireflection film was applied compared to before. Note that between the formation of the mesa and the formation of the anti-reflection film, a silicon oxide (SiO 2 ) film is formed to cover the mesa and the pixel isolation groove, and during the formation of the SiO 2 film, hydrogen is absorbed into the light-receiving layer. May be mixed into the surface layer. It has also been revealed that by intentionally providing a region with a high concentration of n-type carriers in the light-receiving layer, crystal leakage can be suppressed to a low level even after the antireflection film is formed, and dark current can be suppressed. The mechanism by which crystal leakage is suppressed by the presence of a region with a high concentration of n-type carriers is not clear, but the presence of n-type carriers changes the band structure of the path where crystal leakage occurs, suppressing charge tunneling. This is thought to be due to the

(第1実施形態)
第1実施形態について説明する。第1実施形態は受光素子に関する。図1は、第1実施形態に係る受光素子を示す断面図である。
First Embodiment
A first embodiment will be described. The first embodiment relates to a light receiving element. Fig. 1 is a cross-sectional view showing a light receiving element according to the first embodiment.

第1実施形態に係る受光素子100には、例えば、30μmピッチで256×320画素が形成されている。画素ピッチが、例えば50μmまたは90μmであってもよい。受光素子100に、例えば、512×640画素が形成されていてもよく、32×128画素が形成されていてもよい。 In the light receiving element 100 according to the first embodiment, for example, 256×320 pixels are formed at a pitch of 30 μm. The pixel pitch may be, for example, 50 μm or 90 μm. For example, the light receiving element 100 may have 512×640 pixels or 32×128 pixels.

図1に示されるように、受光素子100は、基板10と、受光層20と、p型コンタクト層25と、パッシベーション膜31と、反射防止膜32と、p電極40と、第1n電極51と、第2n電極52と、配線53と、インジウム(In)バンプ61と、Inバンプ62とを有する。 As shown in FIG. 1, the light receiving element 100 includes a substrate 10, a light receiving layer 20, a p-type contact layer 25, a passivation film 31, an antireflection film 32, a p electrode 40, and a first n-electrode 51. , a second n-electrode 52, a wiring 53, an indium (In) bump 61, and an In bump 62.

基板10は、例えばn型のリン化インジウム(InP)基板である。基板10は、例えば硫黄(S)を5×1018cm-3程度の濃度で含有する。基板10は、第1主面10aと、第1主面10aとは反対の第2主面10bとを有する。基板10の厚さは、例えば300μm程度である。第1主面10aにn型のバッファ層が設けられていてもよい。バッファ層は、例えば厚さが0.5μm程度のInP層である。バッファ層は、例えばシリコン(Si)を1×1018cm-3程度の濃度で含有する。受光層20およびp型コンタクト層25は第1主面10aの上に積層されている。反射防止膜32は第2主面10bに設けられている。 The substrate 10 is, for example, an n-type indium phosphide (InP) substrate. The substrate 10 contains, for example, sulfur (S) at a concentration of about 5×10 18 cm −3 . The substrate 10 has a first main surface 10a and a second main surface 10b opposite to the first main surface 10a. The thickness of the substrate 10 is, for example, about 300 μm. An n-type buffer layer may be provided on the first main surface 10a. The buffer layer is, for example, an InP layer with a thickness of about 0.5 μm. The buffer layer contains, for example, silicon (Si) at a concentration of about 1×10 18 cm −3 . The light-receiving layer 20 and the p-type contact layer 25 are stacked on the first main surface 10a. The antireflection film 32 is provided on the second main surface 10b.

受光層20は、第1半導体層21と、第2半導体層22とを有する。第1半導体層21は基板10の上に設けられ、第2半導体層22は第1半導体層21の上に設けられている。第1半導体層21は、例えば砒化インジウムガリウム(InGaAs)とヒ素アンチモン化ガリウム(GaAsSb)とが交互に積層されたタイプII型の量子井戸層である。例えば、InGaAs層の厚さは2nm以上6nm以下であり、GaAsSb層の厚さは2nm以上6nm以下である。InGaAs層およびGaAsSb層のペア数は、例えば100以上350以下である。例えば、第1半導体層21に含まれるInGaAs層の組成はIn0.53Ga0.47Asであり、GaAsSb層の組成はGaAs0.51Sb0.49である。In0.53Ga0.47AsおよびGaAs0.51Sb0.49はInPに格子整合する。第2半導体層22は、例えばInGaAs層である。第2半導体層22の厚さは、例えば1μm程度である。例えば、第2半導体層22に含まれるInGaAs層の組成はIn0.53Ga0.47Asである。第2半導体層22に含まれるInGaAs層の組成がIn1-yGaAs(0.454≦y≦0.499)であっても、第2半導体層22とInPとの間の格子歪を特に小さく抑制できる。 The light receiving layer 20 has a first semiconductor layer 21 and a second semiconductor layer 22. The first semiconductor layer 21 is provided on the substrate 10, and the second semiconductor layer 22 is provided on the first semiconductor layer 21. The first semiconductor layer 21 is, for example, a type II quantum well layer in which indium gallium arsenide (InGaAs) and gallium arsenic antimonide (GaAsSb) are alternately stacked. For example, the thickness of the InGaAs layer is 2 nm or more and 6 nm or less, and the thickness of the GaAsSb layer is 2 nm or more and 6 nm or less. The number of pairs of the InGaAs layer and the GaAsSb layer is, for example, 100 or more and 350 or less. For example, the composition of the InGaAs layer included in the first semiconductor layer 21 is In 0.53 Ga 0.47 As, and the composition of the GaAsSb layer is GaAs 0.51 Sb 0.49 . In 0.53 Ga 0.47 As and GaAs 0.51 Sb 0.49 are lattice-matched to InP. The second semiconductor layer 22 is, for example, an InGaAs layer. The thickness of the second semiconductor layer 22 is, for example, about 1 μm. For example, the composition of the InGaAs layer included in the second semiconductor layer 22 is In 0.53 Ga 0.47 As. Even if the composition of the InGaAs layer included in the second semiconductor layer 22 is In 1-y Ga y As (0.454≦y≦0.499), the lattice distortion between the second semiconductor layer 22 and InP can be suppressed to be particularly small.

p型コンタクト層25は、例えばp型のInGaAs層である。p型コンタクト層25は、例えば亜鉛(Zn)を1×1019cm-3程度の濃度で含有する。p型コンタクト層25の厚さは、例えば0.2μmである。第2半導体層22に意図的な不純物の注入は行われていないが、不可避的不純物の混入等により第2半導体層22は弱いn型の導電型を有する。従って、第2半導体層22とp型コンタクト層25との間にpn接合が存在する。 The p-type contact layer 25 is, for example, a p-type InGaAs layer. The p-type contact layer 25 contains, for example, zinc (Zn) at a concentration of about 1×10 19 cm −3 . The thickness of the p-type contact layer 25 is, for example, 0.2 μm. Although no impurity is intentionally implanted into the second semiconductor layer 22, the second semiconductor layer 22 has a weak n-type conductivity type due to the unavoidable mixing of impurities. Therefore, a pn junction exists between the second semiconductor layer 22 and the p-type contact layer 25.

p型コンタクト層25および第2半導体層22に、画素分離するための第1溝71と、基板10を露出させるための第2溝72とが形成されている。 A first groove 71 for separating pixels and a second groove 72 for exposing the substrate 10 are formed in the p-type contact layer 25 and the second semiconductor layer 22.

第1溝71は、p型コンタクト層25および第2半導体層22の一部に形成されており、第1溝71の底面に第2半導体層22が露出している。すなわち、第1溝71の底面は第2半導体層22にある。第1溝71により、画素ごとにメサ70が形成され、画素分離されている。第1溝71の深さは0.5μm程度であり、幅は5μm程度である。メサ70の平面形状は、例えば一辺の長さが20μmの正方形状である。第2溝72は、p型コンタクト層25、第2半導体層22、第1半導体層21および基板10の一部に形成されており、第2溝72の底面において、基板10が露出している。第2溝72により、画素領域11と電極接続領域12とが互いから分離されている。メサ70は画素領域11に形成されている。電極接続領域12にメサ73が形成されている。 The first groove 71 is formed in part of the p-type contact layer 25 and the second semiconductor layer 22, and the second semiconductor layer 22 is exposed at the bottom of the first groove 71. That is, the bottom surface of the first groove 71 is located in the second semiconductor layer 22. A mesa 70 is formed for each pixel by the first groove 71, and the pixels are separated. The depth of the first groove 71 is about 0.5 μm, and the width is about 5 μm. The planar shape of the mesa 70 is, for example, a square with a side length of 20 μm. The second groove 72 is formed in the p-type contact layer 25, the second semiconductor layer 22, the first semiconductor layer 21, and a part of the substrate 10, and the substrate 10 is exposed at the bottom of the second groove 72. . The second groove 72 separates the pixel region 11 and the electrode connection region 12 from each other. Mesa 70 is formed in pixel region 11 . A mesa 73 is formed in the electrode connection region 12 .

パッシベーション膜31は、p型コンタクト層25、受光層20および基板10を覆う。パッシベーション膜31は、例えば酸化シリコン(SiO)膜である。パッシベーション膜31の厚さは、例えば0.3μm程度である。パッシベーション膜31に、メサ70のp型コンタクト層25を露出する開口部31aと、画素領域11と電極接続領域12との間で基板10を露出する開口部31bとが形成されている。 Passivation film 31 covers p-type contact layer 25, light-receiving layer 20, and substrate 10. The passivation film 31 is, for example, a silicon oxide (SiO 2 ) film. The thickness of the passivation film 31 is, for example, about 0.3 μm. An opening 31 a that exposes the p-type contact layer 25 of the mesa 70 and an opening 31 b that exposes the substrate 10 between the pixel region 11 and the electrode connection region 12 are formed in the passivation film 31 .

メサ70の各々においてp型コンタクト層25の上にp電極40が形成されている。p電極40は開口部31aを通じてp型コンタクト層25に接する。p電極40は、例えばチタン(Ti)層、白金(Pt)層および金(Au)層を順に積層した金属積層膜により構成されている。 A p-electrode 40 is formed on the p-type contact layer 25 in each mesa 70. The p-electrode 40 contacts the p-type contact layer 25 through the opening 31a. The p-electrode 40 is made of a metal laminate film in which, for example, a titanium (Ti) layer, a platinum (Pt) layer, and a gold (Au) layer are laminated in this order.

画素領域11と電極接続領域12との間で基板10の上に第1n電極51が形成されている。第1n電極51は開口部31bを通じて基板10に接する。メサ73の上においてp型コンタクト層25の上に第2n電極52が形成されている。第1n電極51および第2n電極52は、例えばTi層、Pt層およびAu層を順に積層した金属積層膜により構成されている。 A first n-electrode 51 is formed on the substrate 10 between the pixel region 11 and the electrode connection region 12. The first n-electrode 51 contacts the substrate 10 through the opening 31b. A second n-electrode 52 is formed on the p-type contact layer 25 on the mesa 73 . The first n-electrode 51 and the second n-electrode 52 are made of a metal laminated film in which, for example, a Ti layer, a Pt layer, and an Au layer are laminated in this order.

配線53は、第1n電極51と第2n電極52とを接続する。配線53はパッシベーション膜31の上に形成されている。配線53は、例えばニッケル(Ni)層およびAu層を順に積層した金属積層膜により構成されている。 The wiring 53 connects the first n-electrode 51 and the second n-electrode 52. The wiring 53 is formed on the passivation film 31. The wiring 53 is constituted by a metal laminated film in which, for example, a nickel (Ni) layer and an Au layer are laminated in this order.

p電極40の上にInバンプ61が設けられている。画素領域11における画素の各々においては、メサ70の上面に平面形状が円形状のp電極40が形成されており、p電極40の上に平面形状が円形状のInバンプ61が形成されている。 An In bump 61 is provided on the p-electrode 40. In each pixel in the pixel region 11, a p-electrode 40 having a circular planar shape is formed on the upper surface of the mesa 70, and an In bump 61 having a circular planar shape is formed on the p-electrode 40. .

電極接続領域12においては、第2n電極52の上にInバンプ62が設けられている。第2n電極52の上に平面形状が円形状のInバンプ62が形成されている。 In the electrode connection region 12, an In bump 62 is provided on the second n-electrode 52. The In bump 62 has a circular planar shape and is formed on the second n-electrode 52.

p電極40および第2n電極52は、それぞれInバンプ61および62を介して、読み出し回路基板300(図15参照)に設けられた電極に接続される。Inバンプ61および62の高さは、例えば10μm程度である。 The p-electrode 40 and the second n-electrode 52 are connected to electrodes provided on the readout circuit board 300 (see FIG. 15) via In bumps 61 and 62, respectively. The height of the In bumps 61 and 62 is, for example, about 10 μm.

受光層20は、第1溝71の底面に露出する部分に、n型の導電型を備えたn型領域24を有する。n型領域24の上面は第1溝71の底面の少なくとも一部である。n型領域24は、平面視で、メサ70を囲むように環状に形成されている。n型領域24はn型不純物を含有し、例えば型キャリアを含有する。n型不純物は、例えば水素(H)である。n型領域24は第2半導体層22のみにあってもよく、第1半導体層21および第2半導体層22の両方にあってもよい。n型領域24の厚さは、例えば0.05μm以上である。平面視で、n型領域24はメサ70から離れている。なお、n型領域24は、例えば受光層20へのイオン注入により形成され、受光層20の他の領域には意図的な不純物の注入は行われていないが、受光層20の表層部にパッシベーション膜31の形成時等に不可避的に不純物が混入してもよい。不可避的に混入する不純物の深さは深くても0.1μm程度である。また、受光層20のn型領域24以外の領域におけるn型キャリアの濃度は、例えば1×1015cm-3未満である。 The light receiving layer 20 has an n-type region 24 having an n-type conductivity type in a portion exposed to the bottom surface of the first groove 71. The upper surface of the n-type region 24 is at least a part of the bottom surface of the first groove 71. The n-type region 24 is formed in a ring shape so as to surround the mesa 70 in a plan view. The n-type region 24 contains an n-type impurity, for example, a type carrier. The n-type impurity is, for example, hydrogen (H). The n-type region 24 may be present only in the second semiconductor layer 22, or may be present in both the first semiconductor layer 21 and the second semiconductor layer 22. The thickness of the n-type region 24 is, for example, 0.05 μm or more. In a plan view, the n-type region 24 is separated from the mesa 70. Note that the n-type region 24 is formed, for example, by ion implantation into the light receiving layer 20, and no intentional implantation of impurities is performed in other regions of the light receiving layer 20, but impurities may be inevitably mixed into the surface layer portion of the light receiving layer 20 when the passivation film 31 is formed, etc. The depth of the impurities that are inevitably mixed in is at most about 0.1 μm. The concentration of n-type carriers in the regions of the absorption layer 20 other than the n-type region 24 is, for example, less than 1×10 15 cm −3 .

反射防止膜32は、例えば酸窒化シリコン(SiON)膜である。例えば、反射防止膜32の屈折率は1.8程度であり、膜厚は148nm程度である。 The antireflection film 32 is, for example, a silicon oxynitride (SiON) film. For example, the refractive index of the antireflection film 32 is about 1.8, and the film thickness is about 148 nm.

次に、第1実施形態に係る受光素子100の製造方法について説明する。図2から図9は、第1実施形態に係る受光素子の製造方法を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the light receiving element 100 according to the first embodiment will be described. 2 to 9 are cross-sectional views showing a method of manufacturing the light receiving element according to the first embodiment.

まず、図2に示されるように、基板10の第1主面10aに、エピタキシャル成長により、第1半導体層21、第2半導体層22およびp型コンタクト層25を順に形成する。上記の化合物半導体層のエピタキシャル成長には、有機金属気相エピタキシャル成長(metal organic vapor phase epitaxy:MOVPE)法が用いられる。基板10の厚さは、例えば350μm程度である。第1半導体層21の形成前に、基板10の第1主面10aにn型のバッファ層を形成してもよい。 First, as shown in FIG. 2, the first semiconductor layer 21, the second semiconductor layer 22, and the p-type contact layer 25 are formed in this order by epitaxial growth on the first major surface 10a of the substrate 10. Metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is used for the epitaxial growth of the compound semiconductor layers. The thickness of the substrate 10 is, for example, about 350 μm. Before the formation of the first semiconductor layer 21, an n-type buffer layer may be formed on the first major surface 10a of the substrate 10.

次に、図3に示されるように、画素分離のための第1溝71を形成する。具体的には、p型コンタクト層25の上に、プラズマ化学気相成長(chemical vapor deposition:CVD)法により膜厚が0.5μmの不図示の窒化シリコン(SiN)膜を成膜し、成膜されたSiN膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、不図示のレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、第1溝71が形成される領域に開口部を有しており、レジストパターンの開口部におけるSiN膜を、バッファードフッ酸を用いたウェットエッチングにより除去することにより、SiN膜によりマスクを形成する。この後、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去する。この後、SiN膜が除去された領域のp型コンタクト層25および第2半導体層22の一部を反応性イオンエッチング(reactive ion etching:RIE)等のドライエッチングにより除去する。このRIEでは、例えば四塩化ケイ素(SiCl)ガスおよびアルゴン(Ar)ガスの混合ガスを用いる。このようにして、画素分離するための第1溝71が形成される。第1溝71の形成に伴ってメサ70が形成され、各々の画素が分離される。なお、この工程において、後述する第2溝72が形成される領域の化合物半導体層も同様に除去される。この後、不図示のSiN膜はバッファードフッ酸により除去する。 Next, as shown in FIG. 3, a first groove 71 for pixel separation is formed. Specifically, a silicon nitride (SiN) film (not shown) having a thickness of 0.5 μm is formed on the p-type contact layer 25 by plasma chemical vapor deposition (CVD) method, a photoresist is applied on the formed SiN film, and a resist pattern (not shown) is formed by performing exposure and development using an exposure device. This resist pattern has an opening in the area where the first groove 71 is formed, and the SiN film in the opening of the resist pattern is removed by wet etching using buffered hydrofluoric acid to form a mask with the SiN film. After that, the resist pattern (not shown) is removed by an organic solvent or the like. After that, the p-type contact layer 25 and a part of the second semiconductor layer 22 in the area where the SiN film has been removed are removed by dry etching such as reactive ion etching (RIE). In this RIE, for example, a mixed gas of silicon tetrachloride (SiCl 4 ) gas and argon (Ar) gas is used. In this manner, a first groove 71 for isolating pixels is formed. Along with the formation of the first groove 71, a mesa 70 is formed, and each pixel is separated. In this process, the compound semiconductor layer in the region where a second groove 72 (described later) is formed is also removed in the same manner. Thereafter, the SiN film (not shown) is removed with buffered hydrofluoric acid.

次に、図4に示されるように、基板10の外周に沿って第2溝72を形成する。具体的には、p型コンタクト層25等の上に、プラズマCVD法により膜厚が0.5μmの不図示のSiN膜を成膜し、成膜されたSiN膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、不図示のレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、第2溝72が形成される領域に開口部を有しており、レジストパターンの開口部におけるSiN膜を、バッファードフッ酸を用いたウェットエッチングにより除去することにより、SiN膜によりマスクを形成する。この後、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去し、更に、SiN膜が除去された領域の第2半導体層22、第1半導体層21および基板10の一部をRIE等のドライエッチングにより除去することにより、基板10の表面を露出させる。この後、不図示のSiN膜はバッファードフッ酸により除去する。このようにして、第2溝72が形成され、メサ70からみて、第2溝72の外側にメサ73が形成される。 Next, as shown in FIG. 4, a second groove 72 is formed along the outer periphery of the substrate 10. Specifically, a SiN film (not shown) with a thickness of 0.5 μm is formed on the p-type contact layer 25 etc. by plasma CVD method, and a photoresist is applied on the formed SiN film. Then, a resist pattern (not shown) is formed by performing exposure and development using an exposure device. This resist pattern has an opening in the region where the second groove 72 is formed, and by removing the SiN film in the opening of the resist pattern by wet etching using buffered hydrofluoric acid, the SiN film is removed. to form a mask. Thereafter, the resist pattern (not shown) is removed using an organic solvent or the like, and then the second semiconductor layer 22, the first semiconductor layer 21, and a part of the substrate 10 in the area where the SiN film has been removed are subjected to dry etching such as RIE. By removing, the surface of the substrate 10 is exposed. Thereafter, the SiN film (not shown) is removed using buffered hydrofluoric acid. In this way, the second groove 72 is formed, and a mesa 73 is formed outside the second groove 72 when viewed from the mesa 70.

ドライエッチングでは、化合物半導体層にダメージが生じる。このため、第2溝72の形成の後、ダメージが生じた部分を除去するためのドライエッチングを行う。このドライエッチングでは、例えば質量比が硫酸:過酸化水素水:水=1:1:60の混合溶液を用いる。 Dry etching causes damage to the compound semiconductor layer. For this reason, after forming the second groove 72, dry etching is performed to remove the damaged portion. For this dry etching, a mixed solution with a mass ratio of sulfuric acid:hydrogen peroxide:water=1:1:60 is used, for example.

次に、図5に示されるように、p型コンタクト層25、受光層20および基板10を覆うように、膜厚が0.3μmのSiO膜81を成膜する。次に、SiO膜81の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、レジストパターン82を形成する。レジストパターン82の厚さは、例えば3μm程度である。レジストパターン82は、n型領域24が形成される領域に開口部83を有している。 5, a SiO2 film 81 having a thickness of 0.3 μm is formed so as to cover the p-type contact layer 25, the absorption layer 20, and the substrate 10. Next, a photoresist is applied onto the SiO2 film 81, and a resist pattern 82 is formed by performing exposure and development using an exposure device. The thickness of the resist pattern 82 is, for example, about 3 μm. The resist pattern 82 has an opening 83 in the region where the n-type region 24 is to be formed.

次に、レジストパターン82を選択イオン注入用マスクとして用いて、水素イオンのイオン注入を行い、受光層20にn型領域24を形成する。例えば、水素イオンのドーズ量は3×1015cm-2とし、加速電圧は46keVとする。SiO膜81はイオン注入時のp型コンタクト層25、第2半導体層22および基板10の表面荒れを抑制する。 Next, using the resist pattern 82 as a selective ion implantation mask, hydrogen ions are implanted to form the n-type region 24 in the absorption layer 20. For example, the dose of hydrogen ions is 3×10 15 cm -2 and the acceleration voltage is 46 keV. The SiO 2 film 81 suppresses surface roughness of the p-type contact layer 25, the second semiconductor layer 22, and the substrate 10 during ion implantation.

次に、図6に示されるように、レジストパターン82およびSiO膜81を除去する。次に、パッシベーション膜31を形成する。具体的には、全面に、プラズマCVD法により不図示のSiO膜を成膜し、成膜されたSiO膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、不図示のレジストパターンを形成する。SiO膜は、例えば150℃の基板温度で形成する。このレジストパターンは、p電極40が形成される領域と、第1n電極51が形成される領域とに開口部を有しており、レジストパターンの開口部におけるSiO膜をRIE等のドライエッチングにより除去する。この結果、メサ70のp型コンタクト層25の表面を露出する開口部31aと、基板10の表面を露出する開口部31bとを備えたパッシベーション膜31が形成される。 Next, as shown in FIG. 6, the resist pattern 82 and the SiO 2 film 81 are removed. Next, the passivation film 31 is formed. Specifically, a SiO 2 film (not shown) is formed on the entire surface by plasma CVD, a photoresist is applied on the formed SiO 2 film, and a resist pattern (not shown) is formed by performing exposure and development using an exposure device. The SiO 2 film is formed at a substrate temperature of, for example, 150° C. This resist pattern has openings in the region where the p-electrode 40 is formed and the region where the first n-electrode 51 is formed, and the SiO 2 film in the openings of the resist pattern is removed by dry etching such as RIE. As a result, the passivation film 31 is formed, which has an opening 31a that exposes the surface of the p-type contact layer 25 of the mesa 70 and an opening 31b that exposes the surface of the substrate 10.

次に、図7に示されるように、p型コンタクト層25の上にp電極40を形成し、基板10の上に第1n電極51を形成し、メサ73の上にパッシベーション膜31を介して第2n電極52を形成する。p電極40、第1n電極51および第2n電極52は、リフトオフ法により形成する。具体的には、p電極40が形成される領域と、第1n電極51が形成される領域と、第2n電極52が形成される領域とに開口部を有する不図示のレジストパターンを形成し、電子線(electron beam:EB)蒸着によりTi層、Pt層およびAu層が順に積層された金属積層膜を成膜し、その後に有機溶剤等に浸漬させる。この結果、レジストパターンとともにレジストパターンの上の金属積層膜が除去され、残存している金属積層膜からp電極40、第1n電極51および第2n電極52が形成される。 Next, as shown in FIG. 7, a p-electrode 40 is formed on the p-type contact layer 25, a first n-electrode 51 is formed on the substrate 10, and a passivation film 31 is formed on the mesa 73. A second n-electrode 52 is formed. The p-electrode 40, the first n-electrode 51, and the second n-electrode 52 are formed by a lift-off method. Specifically, a resist pattern (not shown) having openings in a region where the p-electrode 40 is formed, a region where the first n-electrode 51 is formed, and a region where the second n-electrode 52 is formed is formed, A metal laminated film in which a Ti layer, a Pt layer, and an Au layer are sequentially laminated is formed by electron beam (EB) evaporation, and then immersed in an organic solvent or the like. As a result, the metal laminated film on the resist pattern is removed together with the resist pattern, and the p-electrode 40, the first n-electrode 51, and the second n-electrode 52 are formed from the remaining metal laminated film.

更に、第1n電極51と第2n電極52とを接続する配線53をリフトオフ法により形成する。具体的には、配線53が形成される領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成し、EB蒸着によりNi層およびAu層が順に積層された金属積層膜を成膜し、その後に有機溶剤等に浸漬させる。この結果、レジストパターンとともにレジストパターンの上の金属積層膜が除去され、残存している金属積層膜から配線53が形成される。 Further, a wiring 53 connecting the first n-electrode 51 and the second n-electrode 52 is formed by a lift-off method. Specifically, a resist pattern (not shown) having an opening in the region where the wiring 53 is to be formed is formed, a metal laminated film in which a Ni layer and an Au layer are sequentially laminated by EB evaporation is formed, and then an organic layer is formed. Immerse it in a solvent, etc. As a result, the metal laminated film on the resist pattern is removed together with the resist pattern, and the wiring 53 is formed from the remaining metal laminated film.

次に、図8に示されるように、基板10の第2主面10bを研磨により鏡面にする。次に、第2主面10bに反射防止膜32を形成する。反射防止膜32はプラズマCVD法により形成する。反射防止膜32は、例えば200℃の基板温度で形成する。反射防止膜32の形成にかかる時間は、例えば40分間程度である。 Next, as shown in FIG. 8, the second main surface 10b of the substrate 10 is polished to a mirror surface. Next, an antireflection film 32 is formed on the second main surface 10b. The antireflection film 32 is formed by plasma CVD. The antireflection film 32 is formed at a substrate temperature of, for example, 200°C. The time required to form the antireflection film 32 is, for example, about 40 minutes.

次に、図9に示されるように、p電極40の上にInバンプ61を形成し、第2n電極52の上にInバンプ62を形成する。Inバンプ61および62はリフトオフ法により形成する。この後、チップに分割することにより受光素子100を形成する。 Next, as shown in FIG. 9, an In bump 61 is formed on the p-electrode 40, and an In bump 62 is formed on the second n-electrode 52. The In bumps 61 and 62 are formed by a lift-off method. After this, the light receiving element 100 is formed by dividing it into chips.

このようにして、第1実施形態に係る受光素子100を製造することができる。 In this way, the light receiving element 100 according to the first embodiment can be manufactured.

第1実施形態に係る受光素子100では、受光層20が第1溝71の底面に露出する部分に、n型の導電型を備えたn型領域24を有する。このため、受光層20に不可避的に含まれるn型不純物が反射防止膜32の形成時に減少したとしても、受光層20に十分なn型不純物が存在し、結晶リークを抑制できる。従って、第1実施形態によれば、暗電流を低減できる。 In the light receiving element 100 according to the first embodiment, the portion of the light receiving layer 20 exposed at the bottom surface of the first groove 71 has an n-type region 24 with n-type conductivity. Therefore, even if the n-type impurities inevitably contained in the light receiving layer 20 are reduced during the formation of the anti-reflection film 32, sufficient n-type impurities are present in the light receiving layer 20, and crystal leakage can be suppressed. Therefore, according to the first embodiment, dark current can be reduced.

また、第1半導体層21は、例えば1.0μm以上2.5μm以下の波長範囲に高い感度を有し、第2半導体層22は、例えば1.0μm以上1.6μm以下の波長範囲に高い感度を有する。 In addition, the first semiconductor layer 21 has high sensitivity in the wavelength range of, for example, 1.0 μm or more and 2.5 μm or less, and the second semiconductor layer 22 has high sensitivity in the wavelength range of, for example, 1.0 μm or more and 1.6 μm or less.

基板10としてn型のInP基板が用いられることで、第1半導体層21、第2半導体層22およびp型コンタクト層25を結晶成長させやすい。また、基板10とp型コンタクト層25との間で受光層20に電圧を印加できる。 By using an n-type InP substrate as the substrate 10, it is easy to grow the crystals of the first semiconductor layer 21, the second semiconductor layer 22, and the p-type contact layer 25. In addition, a voltage can be applied to the light receiving layer 20 between the substrate 10 and the p-type contact layer 25.

なお、n型領域24におけるn型キャリアの濃度は、5×1017cm-3以上であってもよく、1×1018cm-3以上であってもよく、1×1019cm-3以上であってもよい。n型キャリアの濃度が低すぎる場合、暗電流を抑制する効果が得にくいおそれがある。例えば、n型キャリアの濃度が5×1017cm-3以上である場合、暗電流を5pA以下に抑制しやすい。n型キャリアの濃度は、例えばCV測定により測定できる。 Note that the concentration of n-type carriers in the n-type region 24 may be 5×10 17 cm −3 or higher, 1×10 18 cm −3 or higher, or 1×10 19 cm −3 or higher. It may be. If the concentration of n-type carriers is too low, it may be difficult to obtain the effect of suppressing dark current. For example, when the concentration of n-type carriers is 5×10 17 cm −3 or more, the dark current can be easily suppressed to 5 pA or less. The concentration of n-type carriers can be measured, for example, by CV measurement.

n型領域24の厚さは、0.05μm以上であってもよく、0.1μm以上であってもよく、0.4μm以上であってもよい。n型領域24が薄すぎる場合、暗電流を抑制する効果が得にくいおそれがある。ここでいうn型領域24の厚さとは、n型キャリアの濃度が1×1015cm-3以上の領域の厚さである。 The thickness of the n-type region 24 may be 0.05 μm or more, 0.1 μm or more, or 0.4 μm or more. If the n-type region 24 is too thin, it may be difficult to obtain the effect of suppressing dark current. The thickness of the n-type region 24 herein refers to the thickness of the region where the concentration of n-type carriers is 1×10 15 cm −3 or more.

第1主面10aに垂直な平面視で、n型領域24とp型コンタクト層25との間の距離L1は、1.0μm以上であってもよく、1.2μm以上であってもよく、1.5μm以上であってもよい。n型領域24とp型コンタクト層25との間の距離L1が短すぎる場合、暗電流を抑制する効果が得にくいおそれがある。なお、図10に示されるように、メサ70の側面は曲面となっていてもよい。図10は、メサ70の詳細な構造の一例を示す断面図である。 In a plan view perpendicular to the first main surface 10a, the distance L1 between the n-type region 24 and the p-type contact layer 25 may be 1.0 μm or more, or 1.2 μm or more, It may be 1.5 μm or more. If the distance L1 between the n-type region 24 and the p-type contact layer 25 is too short, it may be difficult to obtain the effect of suppressing dark current. Note that, as shown in FIG. 10, the side surface of the mesa 70 may be a curved surface. FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of a detailed structure of the mesa 70.

ここで、本願発明者らが行った種々の試験について説明する。 Here, we will explain the various tests that the inventors conducted.

(第1試験)
第1試験では、n型キャリアの濃度と暗電流との関係について調査した。第1試験では、パッシベーション膜31となるSiO膜の形成条件の変更と、メサ70の形成後の熱処理の有無とにより受光層20中のn型キャリアの濃度が異なる複数の試料を作製した。熱処理の温度は200℃、時間は4分間とした。ただし、n型領域24は形成しなかった。そして、各試料について、213Kの温度下で、p電極40と第2n電極52との間に-1.2Vの電圧を印加したときの暗電流を測定した。なお、n型キャリアの濃度は、各試料について直接測定するのではなく、図11に示される模擬試料を、各試料と同じSiO膜の形成条件、熱処理の有無で作製し、模擬試料のCV測定を行うことで測定した。模擬試料は、基板10に相当する基板510と、基板10の上のInGaAs層520と、InGaAs層520の上のパッシベーション膜531と、パッシベーション膜531の上の電極540とを有する。n型キャリアの濃度は、InGaAs層520のパッシベーション膜531との界面から0.1μmまでの領域521でのn型キャリアの濃度である。この結果を図12に示す。図11は、模擬試料を示す断面図である。図12は、n型キャリアの濃度と暗電流との関係を示す図である。
(First test)
In the first test, the relationship between the concentration of n-type carriers and the dark current was investigated. In the first test, a plurality of samples with different concentrations of n-type carriers in the absorption layer 20 were prepared by changing the forming conditions of the SiO 2 film that becomes the passivation film 31 and by the presence or absence of heat treatment after the formation of the mesa 70. The heat treatment temperature was 200° C. and the time was 4 minutes. However, the n-type region 24 was not formed. Then, for each sample, the dark current was measured when a voltage of −1.2 V was applied between the p-electrode 40 and the second n-electrode 52 at a temperature of 213 K. The concentration of n-type carriers was not measured directly for each sample, but was measured by preparing a simulated sample shown in FIG. 11 under the same forming conditions of the SiO 2 film as each sample and with or without heat treatment, and performing a CV measurement of the simulated sample. The simulated sample has a substrate 510 equivalent to the substrate 10, an InGaAs layer 520 on the substrate 10, a passivation film 531 on the InGaAs layer 520, and an electrode 540 on the passivation film 531. The n-type carrier concentration is the n-type carrier concentration in a region 521 from the interface between the InGaAs layer 520 and the passivation film 531 to 0.1 μm. The results are shown in FIG. 12. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the simulated sample. FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the n-type carrier concentration and dark current.

図12に示されるように、n型キャリアの濃度が低くなるほど、暗電流が大きくなった。第1試験では、n型キャリアの濃度が5×1017cm-3以上の場合に、暗電流が5pAとなった。 As shown in FIG. 12, the lower the concentration of n-type carriers, the larger the dark current. In the first test, the dark current was 5 pA when the n-type carrier concentration was 5×10 17 cm −3 or more.

(第2試験)
第2試験では、第1実施形態に倣って試料を作製し、反射防止膜32の形成前と形成後とで、n型領域24における水素原子の濃度プロファイルの測定と、暗電流の測定とを行った。第2半導体層22の厚さは0.8μmとし、p型コンタクト層25の厚さは0.2μmとし、n型領域24の厚さは0.5μmとし、パッシベーション膜31の厚さは0.3μmとした。n型領域24の形成に際しては、ドーズ量は3×1015cm-2とし、加速電圧は46keVとした。水素原子の濃度プロファイルは、二次イオン質量分析法(secondary ion mass spectrometry:SIMS)により測定した。暗電流は、213Kの温度下で測定した。これらの結果を図13および図14に示す。図13は、水素原子の濃度プロファイルの測定結果を示す図である。図14は、暗電流の測定結果を示す図である。
(Second exam)
In the second test, a sample was prepared according to the first embodiment, and the concentration profile of hydrogen atoms in the n-type region 24 and the dark current were measured before and after the formation of the antireflection film 32. went. The thickness of the second semiconductor layer 22 is 0.8 μm, the thickness of the p-type contact layer 25 is 0.2 μm, the thickness of the n-type region 24 is 0.5 μm, and the thickness of the passivation film 31 is 0.8 μm. It was set to 3 μm. When forming the n-type region 24, the dose was 3×10 15 cm −2 and the acceleration voltage was 46 keV. The concentration profile of hydrogen atoms was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). Dark current was measured at a temperature of 213K. These results are shown in FIGS. 13 and 14. FIG. 13 is a diagram showing the measurement results of the concentration profile of hydrogen atoms. FIG. 14 is a diagram showing the measurement results of dark current.

図13に示されるように、反射防止膜32の形成前と形成後との間で、水素原子の濃度プロファイルが変化したが、反射防止膜32の形成後においてもn型領域24に高濃度で水素原子が存在した。また、図14に示されるように、反射防止膜32の形成前と形成後との間で暗電流の大きさはほとんど変化しなかった。 As shown in FIG. 13, the concentration profile of hydrogen atoms changed before and after the formation of the anti-reflection film 32, but hydrogen atoms were still present in high concentration in the n-type region 24 even after the formation of the anti-reflection film 32. Also, as shown in FIG. 14, the magnitude of the dark current hardly changed before and after the formation of the anti-reflection film 32.

第1試験および第2試験の結果から、第1実施形態により暗電流が抑制されることが確認できる。 The results of the first and second tests confirm that the first embodiment suppresses dark current.

なお、n型領域24の形成に用いられる不純物は水素に限定されない。例えば、硫黄(S)またはシリコン(Si)が用いられてもよい。ただし、水素が用いられる場合は活性化アニールを行わずとも、n型キャリアが得られるが、硫黄またはシリコンが用いられる場合は活性化アニールを行わなければn型キャリアが得られない。活性化アニールを行うことで、表面リークが増加するおそれがあるため、例えばn型領域24の形成に用いられる不純物は水素である。 The impurity used to form the n-type region 24 is not limited to hydrogen. For example, sulfur (S) or silicon (Si) may be used. However, when hydrogen is used, n-type carriers can be obtained without performing activation annealing, but when sulfur or silicon is used, n-type carriers cannot be obtained without performing activation annealing. Since performing activation annealing may increase surface leakage, for example, the impurity used to form the n-type region 24 is hydrogen.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態は、第1実施形態に係る受光素子100を含む光検出装置に関する。図15は、第2実施形態に係る光検出装置を示す断面図である。
Second Embodiment
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment relates to a light detection device including the light receiving element 100 according to the first embodiment. Fig. 15 is a cross-sectional view showing the light detection device according to the second embodiment.

第2実施形態に係る光検出装置200は、受光素子100と、読み出し回路基板(read out integrated circuit:ROIC)300とを有する。読み出し回路基板300は、配線基板320と、画素電極340と、共通電極350とを有する。画素電極340および共通電極350は、配線基板320の一方の面に配列している。読み出し回路基板300は、受光素子100から出力された信号を読み出す回路、例えばマルチプレクサを含む。読み出し回路基板300は回路基板の一例である。 The photodetector 200 according to the second embodiment has a light receiving element 100 and a read out integrated circuit (ROIC) 300. The read out circuit 300 has a wiring board 320, a pixel electrode 340, and a common electrode 350. The pixel electrode 340 and the common electrode 350 are arranged on one side of the wiring board 320. The read out circuit 300 includes a circuit, such as a multiplexer, that reads out a signal output from the light receiving element 100. The read out circuit 300 is an example of a circuit board.

光検出装置200は、更に、p電極40と画素電極340とを接続する接続部材240と、第2n電極52と共通電極350とを接続する接続部材250とを有する。接続部材240は、Inバンプ61と、接合前に読み出し回路基板300の画素電極340上に設けられていたInバンプとを含んで構成されている。接続部材250は、Inバンプ62と、接合前に読み出し回路基板300の共通電極350上に設けられていたInバンプとを含んで構成されている。 The photodetecting device 200 further includes a connecting member 240 that connects the p-electrode 40 and the pixel electrode 340, and a connecting member 250 that connects the second n-electrode 52 and the common electrode 350. The connection member 240 includes the In bump 61 and the In bump that was provided on the pixel electrode 340 of the readout circuit board 300 before bonding. The connection member 250 includes the In bump 62 and the In bump that was provided on the common electrode 350 of the readout circuit board 300 before bonding.

第2実施形態によれば、受光素子100における暗電流を抑制し、優れたS/N比が得られる。 According to the second embodiment, the dark current in the light receiving element 100 is suppressed, and an excellent S/N ratio is obtained.

(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。第3実施形態は、主として、受光層の構成の点で第1実施形態と相違する。図16は、第3実施形態に係る受光素子を示す断面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. The third embodiment differs from the first embodiment mainly in the configuration of the light-receiving layer. FIG. 16 is a sectional view showing a light receiving element according to the third embodiment.

第3実施形態に係る受光素子600は、受光層20に代えて受光層620を有する。受光層620は、第1半導体層21と、第2半導体層622とを有する。第2半導体層622は、例えばAlInAs層である。第2半導体層622の厚さは、例えば1μm程度である。例えば、第2半導体層622に含まれるAlInAs層の組成はAl0.47In0.53Asである。第2半導体層622に含まれるAlInAs層の組成がAlIn1-xAs(0.464≦x≦0.509)であっても、第2半導体層622とInPとの間の格子歪を特に小さく抑制できる。 The light receiving element 600 according to the third embodiment has a light receiving layer 620 instead of the light receiving layer 20. The light receiving layer 620 has a first semiconductor layer 21 and a second semiconductor layer 622. The second semiconductor layer 622 is, for example, an AlInAs layer. The thickness of the second semiconductor layer 622 is, for example, about 1 μm. For example, the composition of the AlInAs layer included in the second semiconductor layer 622 is Al 0.47 In 0.53 As. Even if the composition of the AlInAs layer included in the second semiconductor layer 622 is Al x In 1-x As (0.464≦x≦0.509), the lattice distortion between the second semiconductor layer 622 and InP can be suppressed to be particularly small.

第1溝71は、p型コンタクト層25および第2半導体層622の一部に形成されており、第1溝71の底面に第2半導体層622、例えばAlInAs層が露出している。すなわち、第1溝71の底面が第2半導体層622にある。n型領域24は第2半導体層622のみにあってもよく、第1半導体層21および第2半導体層622の両方にあってもよい。 The first groove 71 is formed in a part of the p-type contact layer 25 and the second semiconductor layer 622, and the second semiconductor layer 622, for example an AlInAs layer, is exposed at the bottom surface of the first groove 71. That is, the bottom surface of the first groove 71 is in the second semiconductor layer 622. The n-type region 24 may be present only in the second semiconductor layer 622, or may be present in both the first semiconductor layer 21 and the second semiconductor layer 622.

第2半導体層622に意図的な不純物の注入は行われていないが、不可避的不純物の混入等により第2半導体層622は弱いn型の導電型を有する。従って、第2半導体層622とp型コンタクト層25との間にpn接合が存在する。 Although no impurity is intentionally implanted into the second semiconductor layer 622, the second semiconductor layer 622 has weak n-type conductivity due to unavoidable mixing of impurities. Therefore, a pn junction exists between the second semiconductor layer 622 and the p-type contact layer 25.

第3実施形態の他の構成は第1実施形態と同一である。 The other configurations of the third embodiment are the same as those of the first embodiment.

第3実施形態に係る受光素子600では、受光層620が第1溝71の底面に露出する部分に、n型の導電型を備えたn型領域24を有し、n型領域24の上面は第1溝71の底面の少なくとも一部である。このため、受光層620に不可避的に含まれるn型不純物が反射防止膜32の形成時に減少したとしても、受光層620に十分なn型不純物が存在し、結晶リークを抑制できる。従って、第3実施形態によっても、暗電流を低減できる。 In the light receiving element 600 according to the third embodiment, the light receiving layer 620 has an n-type region 24 with n-type conductivity in the portion exposed to the bottom surface of the first groove 71, and the upper surface of the n-type region 24 is at least a part of the bottom surface of the first groove 71. Therefore, even if the n-type impurities inevitably contained in the light receiving layer 620 are reduced during the formation of the anti-reflection film 32, there is sufficient n-type impurity in the light receiving layer 620, and crystal leakage can be suppressed. Therefore, the dark current can be reduced according to the third embodiment.

更に、第3実施形態では、第2半導体層622がAlInAs層を有し、AlInAsのバンドギャップはInGaAsのバンドギャップよりも大きい。例えば、InPに格子整合する組成で比較すると、In0.53Ga0.47Asのバンドギャップが0.73eVであるのに対し、Al0.47In0.53Asのバンドギャップは1.42eVである。このため、第3実施形態によれば、第1実施形態よりも表面リークを抑制できる。暗電流に占める表面リークの割合は、画素が小さいほど高くなる。従って、第3実施形態の効果は、画素が小さくなるほど顕著となる。 Furthermore, in the third embodiment, the second semiconductor layer 622 includes an AlInAs layer, and the band gap of AlInAs is larger than that of InGaAs. For example, when comparing compositions that are lattice matched to InP, the band gap of In 0.53 Ga 0.47 As is 0.73 eV, while the band gap of Al 0.47 In 0.53 As is 1.42 eV. It is. Therefore, according to the third embodiment, surface leakage can be suppressed more than in the first embodiment. The smaller the pixel, the higher the proportion of surface leakage in the dark current. Therefore, the effect of the third embodiment becomes more pronounced as the pixel becomes smaller.

(第4実施形態)
次に、第4実施形態について説明する。第4実施形態は、主として、受光層の構成の点で第1実施形態と相違する。図17は、第4実施形態に係る受光素子を示す断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. The fourth embodiment differs from the first embodiment mainly in the configuration of the light-receiving layer. FIG. 17 is a cross-sectional view showing a light receiving element according to the fourth embodiment.

第4実施形態に係る受光素子700は、受光層620に代えて受光層720を有する。受光層720は、第1半導体層21と、第2半導体層722とを有する。第2半導体層722は、例えば、InGaAs層722Aと、AlInAs層722Bとを有する。AlInAs層722BはInGaAs層722Aの上に設けられている。InGaAs層722AおよびAlInAs層722Bの厚さは、例えばいずれも1μm程度である。例えば、InGaAs層722Aの組成はIn0.53Ga0.47Asであり、AlInAs層722Bの組成はAl0.47In0.53Asである。InGaAs層722Aの組成がIn1-yGaAs(0.454≦y≦0.499)であっても、InGaAs層722AとInPとの間の格子歪を特に小さく抑制できる。AlInAs層722Bの組成がAlIn1-xAs(0.464≦x≦0.509)であっても、AlInAs層722BとInPとの間の格子歪を特に小さく抑制できる。 The light receiving element 700 according to the fourth embodiment has a light receiving layer 720 instead of the light receiving layer 620. The light receiving layer 720 has a first semiconductor layer 21 and a second semiconductor layer 722. The second semiconductor layer 722 has, for example, an InGaAs layer 722A and an AlInAs layer 722B. The AlInAs layer 722B is provided on the InGaAs layer 722A. The thicknesses of the InGaAs layer 722A and the AlInAs layer 722B are, for example, about 1 μm each. For example, the composition of the InGaAs layer 722A is In 0.53 Ga 0.47 As, and the composition of the AlInAs layer 722B is Al 0.47 In 0.53 As. Even if the composition of the InGaAs layer 722A is In1-yGayAs ( 0.454≦y≦0.499), the lattice distortion between the InGaAs layer 722A and InP can be suppressed to be particularly small. Even if the composition of the AlInAs layer 722B is AlxIn1 -xAs (0.464≦x≦0.509), the lattice distortion between the AlInAs layer 722B and InP can be suppressed to be particularly small.

第1溝71は、p型コンタクト層25およびAlInAs層722Bの一部に形成されており、第1溝71の底面にAlInAs層722Bが露出している。すなわち、第1溝71の底面はAlInAs層722Bにある。n型領域24の上面は第1溝71の底面の少なくとも一部である。n型領域24は、AlInAs層722Bのみにあってもよく、InGaAs層722AおよびAlInAs層722Bにあってもよく、第1半導体層21および第2半導体層722にあってもよい。 The first groove 71 is formed in the p-type contact layer 25 and part of the AlInAs layer 722B, and the AlInAs layer 722B is exposed at the bottom surface of the first groove 71. That is, the bottom surface of the first groove 71 is in the AlInAs layer 722B. The top surface of the n-type region 24 is at least a part of the bottom surface of the first groove 71. The n-type region 24 may be only in the AlInAs layer 722B, or may be in the InGaAs layer 722A and the AlInAs layer 722B, or may be in the first semiconductor layer 21 and the second semiconductor layer 722.

AlInAs層722Bに意図的な不純物の注入は行われていないが、不可避的不純物の混入等によりAlInAs層722Bは弱いn型の導電型を有する。従って、AlInAs層722Bとp型コンタクト層25との間にpn接合が存在する。 Although no impurities are intentionally implanted into the AlInAs layer 722B, the AlInAs layer 722B has a weak n-type conductivity due to the unavoidable inclusion of impurities. Therefore, a pn junction exists between the AlInAs layer 722B and the p-type contact layer 25.

第4実施形態の他の構成は第1実施形態と同一である。 The other configurations of the fourth embodiment are the same as those of the first embodiment.

第4実施形態に係る受光素子700では、受光層720が第1溝71の底面に露出する部分に、n型の導電型を備えたn型領域24を有し、n型領域24の上面は第1溝71の底面の少なくとも一部である。このため、受光層720に不可避的に含まれるn型不純物が反射防止膜32の形成時に減少したとしても、受光層720に十分なn型不純物が存在し、結晶リークを抑制できる。従って、第4実施形態によっても、暗電流を低減できる。 In the light-receiving element 700 according to the fourth embodiment, the light-receiving layer 720 has an n-type region 24 having an n-type conductivity in a portion exposed to the bottom surface of the first groove 71, and the upper surface of the n-type region 24 is This is at least a portion of the bottom surface of the first groove 71 . Therefore, even if the n-type impurity inevitably included in the light-receiving layer 720 is reduced during the formation of the antireflection film 32, a sufficient amount of n-type impurity exists in the light-receiving layer 720, and crystal leakage can be suppressed. Therefore, the fourth embodiment can also reduce dark current.

更に、第4実施形態では、第2半導体層622がAlInAs層722Bを有するため、第3実施形態と同じく、第1実施形態よりも表面リークを抑制できる。 Furthermore, in the fourth embodiment, the second semiconductor layer 622 has an AlInAs layer 722B, so that, like the third embodiment, surface leakage can be suppressed more than in the first embodiment.

また、AlInAs層722Bは、例えば0.9μm以下の波長範囲に高い感度を有するが、1.0μm以上1.6μm以下の波長範囲の光を吸収しない。このため、第3実施形態では、1.0μm以上1.6μm以下の波長範囲での感度が第1実施形態よりも低くなるおそれがある。一方、第4実施形態では、第2半導体層622がAlInAs層722BだけでなくInGaAs層722Aを有するため、1.0μm以上1.6μm以下の波長範囲に第1実施形態と同程度の感度が得られる。 AlInAs layer 722B has high sensitivity in the wavelength range of, for example, 0.9 μm or less, but does not absorb light in the wavelength range of 1.0 μm or more and 1.6 μm or less. Therefore, in the third embodiment, the sensitivity in the wavelength range of 1.0 μm or more and 1.6 μm or less may be lower than in the first embodiment. On the other hand, in the fourth embodiment, the second semiconductor layer 622 has not only the AlInAs layer 722B but also the InGaAs layer 722A, so that the same level of sensitivity as in the first embodiment can be obtained in the wavelength range of 1.0 μm or more and 1.6 μm or less.

(第5実施形態)
次に、第5実施形態について説明する。第5実施形態は、主として、受光層の構成の点で第4実施形態と相違する。図18は、第5実施形態に係る受光素子を示す断面図である。
Fifth Embodiment
Next, a fifth embodiment will be described. The fifth embodiment differs from the fourth embodiment mainly in the configuration of the light receiving layer. Fig. 18 is a cross-sectional view showing a light receiving element according to the fifth embodiment.

第5実施形態に係る受光素子701では、受光層720がInGaAs層722AおよびAlInAs層722Bに加えて、p型AlInAs層722Cを有する。p型AlInAs層722CはAlInAs層722Bの上に設けられている。p型AlInAs層722Cは、例えばZnを1×1019cm-3程度の濃度で含有する。p型AlInAs層722Cの厚さは、例えば0.1μm程度である。p型AlInAs層722Cの組成はAl0.47In0.53Asである。p型AlInAs層722Cの組成がAlIn1-xAs(0.464≦x≦0.509)であっても、p型AlInAs層722CとInPとの間の格子歪を特に小さく抑制できる。第5実施形態では、AlInAs層722Bとp型AlInAs層722Cとの間にpn接合が存在する。 In the light receiving element 701 according to the fifth embodiment, the light receiving layer 720 has a p-type AlInAs layer 722C in addition to the InGaAs layer 722A and the AlInAs layer 722B. The p-type AlInAs layer 722C is provided on the AlInAs layer 722B. The p-type AlInAs layer 722C contains, for example, Zn at a concentration of about 1×10 19 cm −3 . The thickness of the p-type AlInAs layer 722C is, for example, about 0.1 μm. The composition of the p-type AlInAs layer 722C is Al 0.47 In 0.53 As. Even if the composition of the p-type AlInAs layer 722C is Al x In 1-x As (0.464≦x≦0.509), the lattice distortion between the p-type AlInAs layer 722C and InP can be suppressed to be particularly small. In the fifth embodiment, a pn junction exists between the AlInAs layer 722B and the p-type AlInAs layer 722C.

第1溝71は、p型コンタクト層25、p型AlInAs層722CおよびAlInAs層722Bの一部に形成されており、第1溝71の底面にAlInAs層722Bが露出している。すなわち、第4実施形態と同じく、第1溝71の底面はAlInAs層722Bにある。n型領域24の上面は第1溝71の底面の少なくとも一部である。 The first groove 71 is formed in part of the p-type contact layer 25, the p-type AlInAs layer 722C, and the AlInAs layer 722B, and the AlInAs layer 722B is exposed at the bottom of the first groove 71. That is, as in the fourth embodiment, the bottom surface of the first groove 71 is in the AlInAs layer 722B. The upper surface of the n-type region 24 is at least a portion of the bottom surface of the first groove 71.

第5実施形態の他の構成は第4実施形態と同一である。 The other configurations of the fifth embodiment are the same as those of the fourth embodiment.

第5実施形態によっても第4実施形態と同じ効果が得られる。 The fifth embodiment also provides the same effects as the fourth embodiment.

第3実施形態において、第2半導体層622とp型コンタクト層25との間にp型AlInAs層722Cに相当するp型AlInAs層が設けられていてもよい。 In the third embodiment, a p-type AlInAs layer corresponding to the p-type AlInAs layer 722C may be provided between the second semiconductor layer 622 and the p-type contact layer 25.

(第6実施形態)
次に、第6実施形態について説明する。第6実施形態は、主として、受光層の構成の点で第5実施形態と相違する。図19は、第6実施形態に係る受光素子を示す断面図である。
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment will be described. The sixth embodiment differs from the fifth embodiment mainly in the configuration of the light-receiving layer. FIG. 19 is a sectional view showing a light receiving element according to the sixth embodiment.

第6実施形態に係る受光素子800は、受光層720に代えて受光層820を有する。受光層820は、第1半導体層21と、第2半導体層822とを有する。第2半導体層822は、例えば、InGaAs層722Aと、InP層822Bと、p型InP層822Cとを有する。InP層822BはInGaAs層722Aの上に設けられている。p型InP層822CはInP層822Bの上に設けられている。InP層822Bの厚さは、例えば1μm程度である。p型InP層822Cは、例えばZnを1×1018cm-3程度の濃度で含有する。p型InP層822Cの厚さは、例えば0.1μm程度である。 The light receiving element 800 according to the sixth embodiment includes a light receiving layer 820 instead of the light receiving layer 720. The light-receiving layer 820 includes a first semiconductor layer 21 and a second semiconductor layer 822. The second semiconductor layer 822 includes, for example, an InGaAs layer 722A, an InP layer 822B, and a p-type InP layer 822C. InP layer 822B is provided on InGaAs layer 722A. The p-type InP layer 822C is provided on the InP layer 822B. The thickness of the InP layer 822B is, for example, about 1 μm. The p-type InP layer 822C contains, for example, Zn at a concentration of about 1×10 18 cm −3 . The thickness of the p-type InP layer 822C is, for example, about 0.1 μm.

第1溝71は、p型コンタクト層25、p型InP層822CおよびInP層822Bの一部に形成されており、第1溝71の底面にInP層822Bが露出している。すなわち、第1溝71の底面はInP層822Bにある。n型領域24の上面は第1溝71の底面の少なくとも一部である。n型領域24は、InP層822Bのみにあってもよく、InGaAs層722AおよびInP層822Bにあってもよく、第1半導体層21および第2半導体層822にあってもよい。 The first groove 71 is formed in part of the p-type contact layer 25, the p-type InP layer 822C, and the InP layer 822B, and the InP layer 822B is exposed at the bottom of the first groove 71. That is, the bottom surface of the first groove 71 is in the InP layer 822B. The upper surface of the n-type region 24 is at least a portion of the bottom surface of the first groove 71. The n-type region 24 may be present only in the InP layer 822B, may be present in the InGaAs layer 722A and the InP layer 822B, or may be present in the first semiconductor layer 21 and the second semiconductor layer 822.

InP層822Bに意図的な不純物の注入は行われていないが、不可避的不純物の混入等によりInP層822Bは弱いn型の導電型を有する。従って、InP層822Bとp型InP層822Cとの間にpn接合が存在する。 Although no impurity is intentionally implanted into the InP layer 822B, the InP layer 822B has weak n-type conductivity due to the unavoidable mixing of impurities. Therefore, a pn junction exists between the InP layer 822B and the p-type InP layer 822C.

第6実施形態の他の構成は第5実施形態と同一である。 The other configurations of the sixth embodiment are the same as those of the fifth embodiment.

第6実施形態に係る受光素子800では、受光層820が第1溝71の底面に露出する部分に、n型の導電型を備えたn型領域24を有し、n型領域24の上面は第1溝71の底面の少なくとも一部である。このため、受光層820に不可避的に含まれるn型不純物が反射防止膜32の形成時に減少したとしても、受光層820に十分なn型不純物が存在し、結晶リークを抑制できる。従って、第6実施形態によっても、暗電流を低減できる。 In the light-receiving element 800 according to the sixth embodiment, the light-receiving layer 820 has an n-type region 24 with n-type conductivity in a portion exposed to the bottom surface of the first groove 71, and the upper surface of the n-type region 24 is at least a part of the bottom surface of the first groove 71. Therefore, even if the n-type impurities inevitably contained in the light-receiving layer 820 are reduced during the formation of the anti-reflection film 32, there is sufficient n-type impurity in the light-receiving layer 820, and crystal leakage can be suppressed. Therefore, the sixth embodiment can also reduce dark current.

更に、第6実施形態では、第2半導体層822がInP層822Bを有し、InPのバンドギャップはInGaAsのバンドギャップよりも大きい。例えば、InPに格子整合する組成で比較すると、In0.53Ga0.47Asのバンドギャップが0.73eVであるのに対し、InPのバンドギャップは1.35eVである。このため、第6実施形態によれば、第1実施形態よりも表面リークを抑制できる。 Further, in the sixth embodiment, the second semiconductor layer 822 includes an InP layer 822B, and the band gap of InP is larger than the band gap of InGaAs. For example, when comparing compositions that are lattice matched to InP, the band gap of In 0.53 Ga 0.47 As is 0.73 eV, while the band gap of InP is 1.35 eV. Therefore, according to the sixth embodiment, surface leakage can be suppressed more than in the first embodiment.

また、InPのバンドギャップはAlInAsのバンドギャップより小さいものの、InPに含まれるPは、AlInAsに含まれるAsよりも酸化しにくい。このため、第5実施形態よりも表面リークを抑制できる。 Furthermore, although the bandgap of InP is smaller than that of AlInAs, P contained in InP is more difficult to oxidize than As contained in AlInAs. Therefore, surface leakage can be suppressed more than in the fifth embodiment.

第3実施形態、第4実施形態、第5実施形態および第6実施形態は、第1実施形態と同じく、第2実施形態のような光検出装置に用いることができる。つまり、第2実施形態に係る光検出装置200が受光素子100に代えて、受光素子600、700、701または800を有してもよい。 The third embodiment, the fourth embodiment, the fifth embodiment, and the sixth embodiment can be used in a photodetection device like the second embodiment, like the first embodiment. That is, the photodetecting device 200 according to the second embodiment may include a light receiving element 600, 700, 701, or 800 instead of the light receiving element 100.

本開示において、第2半導体層は、InGaAs層またはAlInAs層に限定されない。第2半導体層がAlGaIn1-x-yAs層(0≦x<1、0≦y<1、0<x+y<1)を有していてもよい。 In the present disclosure, the second semiconductor layer is not limited to an InGaAs layer or an AlInAs layer, and may include an Al x Ga y In 1-x-y As layer (0≦x<1, 0≦y<1, 0<x+y<1).

次に、本願発明者らが行った他の試験について説明する。 Next, we will explain other tests conducted by the inventors.

(第3試験)
第3試験では、メサ70の寸法と暗電流密度との関係について調査した。第3試験では、第1実施形態、第3実施形態、第5実施形態または第6実施形態を模した複数の試料を準備した。また、第1実施形態、第3実施形態、第5実施形態または第6実施形態のそれぞれについて、メサ70の寸法が異なる4種類の試料を作製した。具体的には、各辺の長さが20μm、40μm、80μmまたは160μmである正方形状の平面形状を有するメサ70を第1実施形態、第3実施形態、第5実施形態または第6実施形態毎に作製した。そして、各試料について暗電流Idを測定した。この結果を図20に示す。図20に示されるグラフにおいて、横軸は平面視でのメサ70の周囲長Pを面積Aで除して得られる寸法パラメータ(P/A)であり、縦軸は暗電流Idの密度(Id/A)である。図20は、寸法パラメータと暗電流密度との関係を示す図である。
(Third exam)
In the third test, the relationship between the dimensions of the mesa 70 and the dark current density was investigated. In the third test, a plurality of samples imitating the first embodiment, third embodiment, fifth embodiment, or sixth embodiment were prepared. Furthermore, four types of samples having different mesa 70 dimensions were prepared for each of the first embodiment, the third embodiment, the fifth embodiment, and the sixth embodiment. Specifically, the mesa 70 having a square planar shape with each side length of 20 μm, 40 μm, 80 μm, or 160 μm is used in each of the first, third, fifth, and sixth embodiments. It was created in The dark current Id was then measured for each sample. The results are shown in FIG. In the graph shown in FIG. 20, the horizontal axis is the dimensional parameter (P/A) obtained by dividing the perimeter P of the mesa 70 in plan view by the area A, and the vertical axis is the density of dark current Id (Id /A). FIG. 20 is a diagram showing the relationship between dimensional parameters and dark current density.

図20に示されるグラフでは、傾きが表面リークを反映する。そして、第3実施形態および第5実施形態では、グラフの傾きが同程度であり、第3実施形態および第5実施形態では、第1実施形態よりもグラフの傾きが小さく、第6実施形態では、第3実施形態および第5実施形態よりもグラフの傾きが小さい。この結果は、第3実施形態と第5実施形態との間では、表面リークが同程度であり、第3実施形態および第5実施形態では、第1実施形態よりも表面リークが抑制され、第6実施形態では、第3実施形態および第5実施形態よりも表面リークが抑制されることを示している。 In the graph shown in FIG. 20, the slope reflects surface leakage. In the third embodiment and the fifth embodiment, the slopes of the graphs are the same, the slopes of the graphs in the third embodiment and the fifth embodiment are smaller than those in the first embodiment, and the slopes of the graphs in the sixth embodiment are smaller than those in the first embodiment. , the slope of the graph is smaller than that of the third embodiment and the fifth embodiment. This result shows that the surface leakage is the same in the third embodiment and the fifth embodiment, and the surface leakage is suppressed in the third embodiment and the fifth embodiment more than in the first embodiment. The sixth embodiment shows that surface leakage is more suppressed than the third and fifth embodiments.

(第4試験)
第4試験では、第1実施形態または第3実施形態を模した試料を作製し、波長と量子効率との関係について調査した。
(4th exam)
In the fourth test, samples imitating the first embodiment or the third embodiment were prepared, and the relationship between wavelength and quantum efficiency was investigated.

ここで、量子効率の測定方法について説明する。図21は、量子効率の測定に用いた測定システムを示す図である。図21に示されるように、測定システムは、ハロゲンランプ90と、積分球91と、ミラー92と、チョッパー93と、ローパスフィルタ94と、分光器95と、デュワー96と、プリアンプ97と、ロックインアンプ98と、コンピュータ99とを有する。ハロゲンランプ90は、波長が350nm以上3500nm以下の光束を放出する。積分球91は、ハロゲンランプ90から放出された光束を集光し、ミラー92に向けて出射する。ミラー92は積分球91から出射された光を分光器95に向けて反射する。チョッパー93はミラー92と分光器95との間に配置されており、ローパスフィルタ94はチョッパー93と分光器95との間に配置されている。試料9はデュワー96に取り付けられ、デュワー96により冷却される。分光器95はチョッパー93およびローパスフィルタ94を通過した光を分光し、試料9に照射する。プリアンプ97は試料9からの出力信号を増幅する。ロックインアンプ98はチョッパー93とともに、プリアンプ97からの出力信号に含まれるノイズを低減した電流を測定する。コンピュータ99は、ロックインアンプ98から出力信号(電流値)を分析して量子効率を算出する。 Here, a method for measuring quantum efficiency will be explained. FIG. 21 is a diagram showing a measurement system used for measuring quantum efficiency. As shown in FIG. 21, the measurement system includes a halogen lamp 90, an integrating sphere 91, a mirror 92, a chopper 93, a low-pass filter 94, a spectrometer 95, a dewar 96, a preamplifier 97, and a lock-in It has an amplifier 98 and a computer 99. The halogen lamp 90 emits light having a wavelength of 350 nm or more and 3500 nm or less. Integrating sphere 91 collects the light beam emitted from halogen lamp 90 and emits it toward mirror 92 . Mirror 92 reflects the light emitted from integrating sphere 91 toward spectroscope 95 . The chopper 93 is arranged between the mirror 92 and the spectrometer 95, and the low-pass filter 94 is arranged between the chopper 93 and the spectrometer 95. The sample 9 is attached to a dewar 96 and is cooled by the dewar 96. The spectrometer 95 separates the light that has passed through the chopper 93 and the low-pass filter 94 and irradiates it onto the sample 9 . Preamplifier 97 amplifies the output signal from sample 9. The lock-in amplifier 98, together with the chopper 93, measures the current with noise contained in the output signal from the preamplifier 97 reduced. The computer 99 analyzes the output signal (current value) from the lock-in amplifier 98 and calculates the quantum efficiency.

量子効率の測定の際には、デュワー96により試料9を-60℃の温度に冷却し、試料9には-2Vの電圧を印加した。また、校正試料を用いて入射光量を測定し、波長と入射光量との関係を取得した。そして、コンピュータ99により波長および電流値のデータを収集し、波長毎の量子効率を算出した。この結果を図22に示す。図22は、波長と量子効率との関係を示す図である。 When measuring the quantum efficiency, the sample 9 was cooled to a temperature of -60° C. by a Dewar 96, and a voltage of -2V was applied to the sample 9. In addition, the amount of incident light was measured using a calibration sample, and the relationship between the wavelength and the amount of incident light was obtained. The computer 99 collected data on wavelengths and current values, and calculated the quantum efficiency for each wavelength. The results are shown in FIG. 22. FIG. 22 is a diagram showing the relationship between wavelength and quantum efficiency.

図22に示されるように、第3実施形態では、1.0μm以上1.6μm以下の波長帯域において、第1実施形態よりも量子効率が低くなった。これは、第2半導体層622に含まれるAlInAs層が1.0μm以上1.6μm以下の波長範囲に感度を有しないためである。一方、第4実施形態、第5実施形態および第6実施形態では、第1実施形態と同程度の量子効率が得られると考えられる。 As shown in FIG. 22, in the third embodiment, the quantum efficiency is lower than that of the first embodiment in the wavelength band of 1.0 μm or more and 1.6 μm or less. This is because the AlInAs layer included in the second semiconductor layer 622 does not have sensitivity in the wavelength range of 1.0 μm or more and 1.6 μm or less. On the other hand, in the fourth, fifth, and sixth embodiments, it is considered that the same quantum efficiency as the first embodiment can be obtained.

以上、実施形態について詳述したが、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範囲内において、種々の変形および変更が可能である。 Although the embodiments have been described in detail above, they are not limited to specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims.

9:試料
10:基板
10a:第1主面
10b:第2主面
11:画素領域
12:電極接続領域
20、620、720、820:受光層
21:第1半導体層
22、622、722、822:第2半導体層
24:n型領域
25:p型コンタクト層
31:パッシベーション膜
31a、31b:開口部
32:反射防止膜
40:p電極
51:第1n電極
52:第2n電極
53:配線
61、62:Inバンプ
70、73:メサ
71:第1溝
72:第2溝
81:SiO
82:レジストパターン
83:開口部
90:ハロゲンランプ
91:積分球
92:ミラー
93:チョッパー
94:ローパスフィルタ
95:分光器
96:デュワー
97:プリアンプ
98:ロックインアンプ
99:コンピュータ
100、600、700、701、800:受光素子
200:光検出装置
240、250:接続部材
300:読み出し回路基板
320:配線基板
340:画素電極
350:共通電極
510:基板
520:InGaAs層
521:領域
531:パッシベーション膜
540:電極
722A:InGaAs層
722B:AlInAs層
722C:p型AlInAs層
822B:InP層
822C:p型InP層
L1:距離
9: Sample 10: Substrate 10a: First main surface 10b: Second main surface 11: Pixel region 12: Electrode connection region 20, 620, 720, 820: Light receiving layer 21: First semiconductor layer 22, 622, 722, 822: Second semiconductor layer 24: N-type region 25: P-type contact layer 31: Passivation films 31a, 31b: Opening 32: Anti-reflection film 40: P-electrode 51: First n-electrode 52: Second n-electrode 53: Wiring 61, 62: In bump 70, 73: Mesa 71: First groove 72: Second groove 81: SiO 2 film 82: resist pattern 83: opening 90: halogen lamp 91: integrating sphere 92: mirror 93: chopper 94: low pass filter 95: spectrometer 96: dewar 97: preamplifier 98: lock-in amplifier 99: computer 100, 600, 700, 701, 800: light receiving element 200: photodetector 240, 250: connection member 300: readout circuit board 320: wiring board 340: pixel electrode 350: common electrode 510: substrate 520: InGaAs layer 521: region 531: passivation film 540: electrode 722A: InGaAs layer 722B: AlInAs layer 722C: p-type AlInAs layer 822B: InP layer 822C: p-type InP layer L1: distance

Claims (13)

第1主面を有する基板と、
前記第1主面の上に設けられた受光層と、
前記受光層の上に設けられたコンタクト層と、
前記コンタクト層を画素ごとに分離する溝と、
を有し、
前記受光層は、
前記第1主面の上に設けられた第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に設けられた第2半導体層と、
を有し、
前記第1半導体層は、InGaAs層およびGaAsSb層を含むタイプII型の量子井戸層を有し、
前記第2半導体層は、AlGaIn1-x-yAs層(0≦x<1、0≦y<1、0<x+y<1)を有し、
前記溝の底面は前記第2半導体層内にあり、
前記受光層は、前記底面に露出する部分にn型領域を有する、受光素子。
a substrate having a first main surface;
a light-receiving layer provided on the first main surface;
a contact layer provided on the light-receiving layer;
a groove that separates the contact layer for each pixel;
has
The light-receiving layer is
a first semiconductor layer provided on the first main surface;
a second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer;
has
The first semiconductor layer has a type II quantum well layer including an InGaAs layer and a GaAsSb layer,
The second semiconductor layer has an Al x Ga y In 1-xy As layer (0≦x<1, 0≦y<1, 0<x+y<1),
a bottom surface of the trench is within the second semiconductor layer;
The light receiving layer is a light receiving element, wherein the light receiving layer has an n-type region in a portion exposed to the bottom surface.
前記n型領域におけるn型キャリアの濃度は5×1017cm-3以上である、請求項1に記載の受光素子。 The light-receiving element according to claim 1, wherein the concentration of n-type carriers in the n-type region is 5×10 17 cm −3 or more. 前記n型領域の厚さは0.05μm以上である、請求項1または請求項2に記載の受光素子。 The light receiving element according to claim 1 or 2, wherein the thickness of the n-type region is 0.05 μm or more. 前記第1主面に垂直な平面視で、前記n型領域と前記コンタクト層との間の距離は1.0μm以上である、請求項1または請求項2に記載の受光素子。 The light receiving element according to claim 1 or 2, wherein the distance between the n-type region and the contact layer is 1.0 μm or more in a plan view perpendicular to the first main surface. 前記基板は、n型のInP基板である、請求項1または請求項2に記載の受光素子。 The light receiving element according to claim 1 or 2, wherein the substrate is an n-type InP substrate. 前記n型領域は、n型不純物として水素を含有する、請求項1または請求項2に記載の受光素子。 3. The light receiving element according to claim 1, wherein the n-type region contains hydrogen as an n-type impurity. 前記基板は、前記第1主面とは反対の第2主面を有し、
前記第2主面に設けられた反射防止膜を有する、請求項1または請求項2に記載の受光素子。
The substrate has a second main surface opposite to the first main surface,
The light receiving element according to claim 1 or 2, further comprising an antireflection film provided on the second main surface.
前記第2半導体層は、InGaAs層を有する、請求項1または請求項2に記載の受光素子。 3. The light receiving element according to claim 1, wherein the second semiconductor layer includes an InGaAs layer. 前記第2半導体層は、前記InGaAs層の上に設けられたAlInAs層を有し、
前記溝の底面は前記AlInAs層内にある、請求項8に記載の受光素子。
the second semiconductor layer has an AlInAs layer provided on the InGaAs layer,
9. The photodiode according to claim 8, wherein the bottom surface of the groove is located within the AlInAs layer.
前記第2半導体層は、前記InGaAs層の上に設けられたInP層を有し、
前記溝の底面は前記InP層内にある、請求項8に記載の受光素子。
the second semiconductor layer has an InP layer provided on the InGaAs layer,
9. The photodiode according to claim 8, wherein the bottom surface of the groove is located within the InP layer.
前記第2半導体層は、AlInAs層を有する、請求項1または請求項2に記載の受光素子。 The light receiving element according to claim 1 or 2, wherein the second semiconductor layer includes an AlInAs layer. 第1主面と、前記第1主面とは反対の第2主面とを有するn型のInP基板と、
前記第1主面の上に設けられた受光層と、
前記受光層の上に設けられたコンタクト層と、
前記コンタクト層を画素ごとに分離する溝と、
前記第2主面に設けられた反射防止膜と、
を有し、
前記受光層は、
前記第1主面の上に設けられた第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に設けられた第2半導体層と、
を有し、
前記第1半導体層は、InGaAs層およびGaAsSb層を含むタイプII型の量子井戸層を有し、
前記第2半導体層は、AlGaIn1-x-yAs層(0≦x<1、0≦y<1、0<x+y<1)を有し、
前記溝の底面は前記第2半導体層内にあり、
前記受光層は、前記底面に露出する部分に、水素を含有し、n型キャリアの濃度が5×1017cm-3以上のn型領域を有し、
前記n型領域の厚さは0.1μm以上であり、
前記第1主面に垂直な平面視で、前記n型領域と前記コンタクト層との間の距離は1.0μm以上である、受光素子。
an n-type InP substrate having a first major surface and a second major surface opposite to the first major surface;
a light receiving layer provided on the first main surface;
a contact layer provided on the absorption layer;
A groove separating the contact layer for each pixel;
an anti-reflection film provided on the second main surface;
having
The light receiving layer is
a first semiconductor layer provided on the first major surface;
a second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer;
having
the first semiconductor layer has a type II quantum well layer including an InGaAs layer and a GaAsSb layer;
the second semiconductor layer has an Al x Ga y In 1-x-y As layer (0≦x<1, 0≦y<1, 0<x+y<1);
a bottom surface of the groove is in the second semiconductor layer;
the absorption layer has an n-type region that contains hydrogen and has an n-type carrier concentration of 5×10 17 cm −3 or more in a portion exposed to the bottom surface,
The thickness of the n-type region is 0.1 μm or more,
a distance between the n-type region and the contact layer is 1.0 μm or more in a plan view perpendicular to the first main surface.
請求項1、請求項2または請求項12に記載の受光素子と、
前記受光素子に接続された回路基板と、
を有する、光検出装置。
A light receiving element according to claim 1, claim 2 or claim 12;
A circuit board connected to the light receiving element;
A light detection device comprising:
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