JP5593846B2 - Light receiving element, optical sensor device, and method for manufacturing light receiving element - Google Patents

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本発明は、受光素子、光学センサ装置および受光素子の製造方法であって、より具体的には、近赤外の長波長域にまで受光感度を持つような構成を持つタイプ２型多重量子井戸構造（Multi-Quantum Well）を受光層に含む、受光素子、光学センサ装置および受光素子の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a light receiving element, an optical sensor device, and a method for manufacturing the light receiving element, and more specifically, a type 2 type multiple quantum well having a structure that has light receiving sensitivity up to a long wavelength region in the near infrared. The present invention relates to a light receiving element, an optical sensor device, and a method for manufacturing the light receiving element that include a structure (Multi-Quantum Well) in a light receiving layer.

ＩｎＰ基板を用いたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、バンドギャップエネルギが近赤外域に対応することから、通信用、生体検査用、夜間撮像用などの受光素子の研究開発が行われている。
このなかで、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２型ＭＱＷの受光層を備えるフォトダイオードの試作例が開示されている（非特許文献１）。このフォトダイオードのカットオフ波長は２．３９μｍであり、波長１．７μｍから２．７μｍまでの感度特性が示されている。
また、他の例では、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２型ＭＱＷを備えるフォトダイオードについて、波長１μｍから３μｍまでの感度（温度：２００Ｋ、２５０Ｋ、２９５Ｋ）が開示されている（非特許文献２）。このフォトダイオードでは、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの厚みは、両方とも５ｎｍであり、１５０ペア積層しており、そのカットオフ波長は２．３μｍである。 Since III-V compound semiconductors using an InP substrate have a band gap energy corresponding to the near infrared region, research and development of light receiving elements for communication, biopsy, night imaging, and the like are being conducted.
Among these, a prototype of a photodiode including an InGaAs / GaAsSb type 2 type MQW light-receiving layer on an InP substrate is disclosed (Non-Patent Document 1). This photodiode has a cut-off wavelength of 2.39 μm, and shows a sensitivity characteristic from a wavelength of 1.7 μm to 2.7 μm.
In another example, sensitivity (temperature: 200K, 250K, 295K) from a wavelength of 1 μm to 3 μm is disclosed for a photodiode including an InGaAs / GaAsSb type 2 type MQW on an InP substrate (non-patent document). 2). In this photodiode, the thicknesses of InGaAs and GaAsSb are both 5 nm, 150 pairs are stacked, and the cutoff wavelength is 2.3 μm.

R.Sidhu, et.al. "A Long-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.12(2005), pp.2715-2717R. Sidhu, et.al. "A Long-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 17, No. 12 (2005), pp. 271-2717 R.Sidhu, et. al.," A 2.3μm cutoff wavelength photodiode on InP using lattice-matched GaInAs-GaAsSb type II quantum wells”2005 International Conference on Indium Phosphide and Related MaterialsR. Sidhu, et. Al., "A 2.3μm cutoff wavelength photodiode on InP using lattice-matched GaInAs-GaAsSb type II quantum wells” 2005 International Conference on Indium Phosphide and Related Materials

上記のフォトダイオードについては、タイプ２型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのＭＱＷにより受光域の最長波長に研究開発が集中する傾向がある。このため、もっぱら、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の電子が、ＩｎＧａＡｓの伝導帯に遷移するタイプ２型の遷移に関心が集中する。ＧａＡｓＳｂの価電子帯の電子がＩｎＧａＡｓの伝導帯に遷移することから、このタイプ２型の遷移は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、の界面で生じる。
一方、タイプ２型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのＭＱＷにおいて、タイプ１型の遷移、すなわちそれぞれの層の価電子帯の電子が、同じ層の伝導帯へと遷移することも並行して生じる。この場合、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂのバンドギャップはほぼ同じで、タイプ２型の遷移におけるバンドギャップより相当大きいので、タイプ２型遷移による最長波長より相当短い短波長側が受光域となる。
上記の受光素子は、生体組織等の検査に用いられことが想定され、またその他の理由により、０．９μｍ以上の近赤外域で、所定以上の受光感度、とくにほぼ一定の受光感度を持つことが必須である。しかし、上記の非特許文献では、前者においては、波長１．８μｍから２．３μｍまでほぼ一定の受光感度を持つが、波長１．７μｍ以下で急激に高くなっている。また、後者のフォトダイオードでは、長波長側は一定であるが、波長１．５μｍ以下で受光感度は急激に低下している。
上述のように、タイプ２型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのＭＱＷにおいてもそれぞれの量子井戸内でタイプ１型の遷移（受光）が生じて短波長側の受光感度が向上してもよいはずであるが、実際は受光感度の波長依存性が大きく、短波長側で受光感度は低下する。このような、受光感度の変動は避けなければならない。すなわち受光感度の波長依存性は実用的に許容される範囲内に平坦化されるべきである。 As for the photodiodes described above, research and development tend to concentrate on the longest wavelength in the light receiving region due to MQW of type 2 type InGaAs / GaAsSb. For this reason, the focus is on the type 2 type transition in which electrons in the valence band of GaAsSb transition to the conduction band of InGaAs. Since electrons in the valence band of GaAsSb transition to the conduction band of InGaAs, this type 2 type transition occurs at the InGaAs / GaAsSb interface.
On the other hand, in the type 2 type InGaAs / GaAsSb MQW, a type 1 type transition, that is, electrons in the valence band of each layer also transition to the conduction band of the same layer occurs in parallel. In this case, the band gaps of InGaAs and GaAsSb are substantially the same, and are considerably larger than the band gap in the type 2 type transition, so that the short wavelength side that is considerably shorter than the longest wavelength due to the type 2 type transition is the light receiving region.
The above light receiving element is assumed to be used for examination of living tissue and the like, and for other reasons, it has a light receiving sensitivity of a predetermined value or more, particularly a substantially constant light receiving sensitivity in the near infrared region of 0.9 μm or more. Is essential. However, in the above non-patent document, the former has a substantially constant light receiving sensitivity from a wavelength of 1.8 μm to 2.3 μm, but rapidly increases at a wavelength of 1.7 μm or less. In the latter photodiode, the long wavelength side is constant, but the light receiving sensitivity is drastically decreased at a wavelength of 1.5 μm or less.
As described above, in type 2 type InGaAs / GaAsSb MQW, type 1 transition (light reception) may occur in each quantum well, and the light reception sensitivity on the short wavelength side may be improved. The wavelength dependence of the light receiving sensitivity is large, and the light receiving sensitivity is lowered on the short wavelength side. Such fluctuations in the light receiving sensitivity must be avoided. That is, the wavelength dependence of the light receiving sensitivity should be flattened within a practically allowable range.

本発明は、短波長側から長波長側の近赤外域にわたって、受光感度の変動を抑制した、受光素子、光学センサ装置および受光素子の製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a light receiving element, an optical sensor device, and a method for manufacturing the light receiving element in which fluctuations in light receiving sensitivity are suppressed from the short wavelength side to the near infrared region from the long wavelength side.

本発明の受光素子は、化合物半導体の基板、および該基板上に形成されたエピタキシャル積層体を備え、近赤外域に受光感度を持つ。この受光素子では、エピタキシャル積層体は、ペア数が５０以上の、タイプ２型のＭＱＷの受光層と、受光層の中に位置し、タイプ２型の遷移におけるバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２の受光層と、エピタキシャル積層体の表面から該エピタキシャル積層体内へと位置する、ｐ型またはｎ型の不純物領域とを備える。その不純物領域は先端部にｐｎ接合を形成しており、そのｐｎ接合が、第２の受光層内か、または該第２の受光層よりもエピタキシャル積層体の表面に近い位置に位置することを特徴とする。 The light receiving element of the present invention includes a compound semiconductor substrate and an epitaxial multilayer formed on the substrate, and has light receiving sensitivity in the near infrared region. In this light-receiving element, an epitaxial stack, the number of 50 or more pairs, a light-receiving layer of the type 2 of MQW, located in the receiving layer, a band gap larger than the band gap in the transition of type Type 2 And a p-type or n-type impurity region located from the surface of the epitaxial multilayer body into the epitaxial multilayer body. The impurity region forms a pn junction at the tip, and the pn junction is located in the second light receiving layer or at a position closer to the surface of the epitaxial multilayer body than the second light receiving layer. Features.

本発明の受光素子は、タイプ２型のＭＱＷを含む。このタイプ２型ＭＱＷでは、一方の化合物半導体層（ａ層、たとえばＧａＡｓＳｂ層）は、ＭＱＷの状態で、他方の化合物半導体層（ｂ層、たとえばＩｎＧａＡｓ層）よりも、価電子帯および伝導帯が、高い。ただし、両方のフェルミ準位が一致することから、ａ層（ＧａＡｓＳｂ層）の価電子帯よりはｂ層（ＩｎＧａＡｓ層）の伝導帯のほうが高いエネルギ準位を有する。このａ層の価電子帯とｂ層の伝導帯とのエネルギ差は、ａ層内およびｂ層内の、価電子帯と伝導帯とのエネルギ差よりも相当小さい。タイプ２型の受光（遷移）のとき、ａ層の価電子帯に位置する電子が入射光を吸収してｂ層の伝導帯に励起される。この結果、ａ層の価電子帯に正孔が生じ、ｂ層の伝導帯に当該励起された電子が位置する。このように、ａ層の価電子帯の電子がｂ層の伝導帯に励起されることで、より低エネルギ（より長波長）の入射光を受光することができる。これをタイプ２型の遷移（受光）といい、ａ層とｂ層との界面で生じる現象である。
上記のタイプ２型の遷移は、受光域の最長波長を決め、かつそのため、タイプ２型による受光域は、最長波長を上限とする長波長域、たとえばタイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの例では波長２．６μｍから３μｍのいずれかの波長を最長波長とする。また上記ＭＱＷのタイプ２型遷移では短い方は波長１．７μｍ以上に感度を持つ。
また、一般に、タイプ２型ＭＱＷでは、タイプ２型の遷移だけでなく、タイプ１型の遷移も生起する。タイプ１型の遷移は、上記の界面ではなく、ａ層内およびｂ層内で生じる。通常、タイプ２型ＭＱＷを形成する、ａ層およびｂ層は、ほとんど同じバンドギャップエネルギを有する。タイプ１型の受光が、ａ層内またはｂ層内で生じると、ａ層またはｂ層の価電子帯の電子が、それぞれの層の伝導帯に励起され、それぞれの層の価電子帯に正孔が生じる。このタイプ１型の遷移で受光される光は、当然、タイプ２型で受光される光よりも短波長である。正孔が価電子帯に生じ、また電子が伝導帯へと励起される点では、タイプ１型もタイプ２型も同じである。 The light receiving element of the present invention includes a type 2 MQW. In this type 2 type MQW, one compound semiconductor layer (a layer, for example, GaAsSb layer) has a valence band and a conduction band in the MQW state than the other compound semiconductor layer (b layer, for example, InGaAs layer). ,high. However, since both Fermi levels coincide, the conduction band of the b layer (InGaAs layer) has a higher energy level than the valence band of the a layer (GaAsSb layer). The energy difference between the valence band of the a layer and the conduction band of the b layer is considerably smaller than the energy difference between the valence band and the conduction band in the a layer and the b layer. When receiving type 2 light (transition), electrons located in the valence band of the a layer absorb the incident light and are excited to the conduction band of the b layer. As a result, holes are generated in the valence band of the a layer, and the excited electrons are located in the conduction band of the b layer. As described above, electrons in the valence band of the a layer are excited to the conduction band of the b layer, so that incident light with lower energy (longer wavelength) can be received. This is called type 2 type transition (light reception) and is a phenomenon that occurs at the interface between the a layer and the b layer.
The type 2 type transition determines the longest wavelength of the light receiving area, and therefore the light receiving area of the type 2 type is an example of a long wavelength area whose upper limit is the longest wavelength, for example, type 2 type (InGaAs / GaAsSb) MQW. In this case, the longest wavelength is any wavelength from 2.6 μm to 3 μm. In the MQW type 2 type transition, the shorter one has sensitivity at a wavelength of 1.7 μm or more.
In general, in type 2 type MQW, not only type 2 type transition but also type 1 type transition occurs. Type 1 type transition occurs not in the above-mentioned interface but in the a layer and the b layer. Usually, the a layer and the b layer forming the type 2 MQW have almost the same band gap energy. When type 1 light reception occurs in the a layer or the b layer, electrons in the valence band of the a layer or b layer are excited in the conduction band of each layer, and positive in the valence band of each layer. A hole is formed. Of course, the light received by this type 1 transition has a shorter wavelength than the light received by the type 2 type. Type 1 and Type 2 are the same in that holes are generated in the valence band and electrons are excited to the conduction band.

ここで、タイプ２型の遷移におけるバンドギャップとは、上記のａ層の価電子帯と、ｂ層の伝導帯との差をいうこととする。実際の受光における電子の遷移では、価電子帯における正孔（電子）のエネルギ準位や、伝導帯における電子のエネルギ準位が、受光される光の波長に影響する。しかし、本発明では、価電子帯や伝導帯内での電子のエネルギ準位までは問題にしないで、ａ層の価電子帯とｂ層の伝導帯との差を対象とする。
また、受光層の外面とは、受光層を構成するＭＱＷが他の材料の層との間に面する面であり、表面（上面）、底面（下面）をいう。受光層の中とは、ＭＱＷを構成する多数のペアの中に割って入って位置することをいう。 Here, the band gap in the type 2 transition refers to the difference between the valence band of the a layer and the conduction band of the b layer. In the transition of electrons in actual light reception, the energy level of holes (electrons) in the valence band and the energy level of electrons in the conduction band affect the wavelength of received light. However, in the present invention, the difference between the valence band of the a layer and the conduction band of the b layer is targeted without considering the energy level of electrons in the valence band or the conduction band.
Further, the outer surface of the light receiving layer is a surface on which the MQW constituting the light receiving layer faces between layers of other materials, and refers to the surface (upper surface) and the bottom surface (lower surface). The term “in the light receiving layer” means that the light receiving layer is divided into a large number of pairs constituting the MQW.

従来のタイプ２型ＭＱＷを備える受光素子では、上記のペア数を５０以上に多くして界面でのタイプ２型遷移を生じやすくすることでタイプ２型の受光感度を向上させてきた。しかし、タイプ１型の受光感度が低いためなのか、および／または、その他の理由によってか、短波長側の受光感度が低い受光素子が多くみられた。
上記の構成によって、ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加して空乏層を、該ｐｎ接合から、タイプ２型ＭＱＷの受光層および第２の受光層へと張り出して、各受光層において対応する波長域の光を受光することができる。このため、長波長側の光については、ＭＱＷのタイプ２型の遷移により受光し、短波長側の光については、ＭＱＷのタイプ１型の遷移により、および第２の受光層によって受光することができる。第２の受光層は、タイプ２型遷移はなく、タイプ１型の遷移だけが生じる。この結果、短波長域から長波長域にわたって受光感度の波長依存性が実用上問題ないレベルにまで平坦化された受光素子を得ることができる。
なお、上記の受光素子は、画素は一つでもよいし、複数の画素が一次元または二次元に配列したアレイであってもよい。光入射は、化合物半導体の基板側からでもよいし、エピタキシャル積層体の表面側からでもよい。ただし、画素が複数で二次元配列の場合は、画素電極をＣＭＯＳ等の読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read out IC）の読み出し電極に導電接続するために、基板側から光を入射するほうがよい。
また、上記第２の受光層は、一つだけでなく複数に分かれて位置していてもよい。複数に分かれて位置する場合、その材料は同じでなくてもよく、異なっていてもよい。すなわち、一つの層は同一材料で形成されているが、分かれて配置される場合は、分かれた層は、タイプ２型の遷移におけるバンドギャップよりも大きいバンドギャップを持てば、相互に異なる材料であってよい。
また、ｐｎ接合を先端部に持つ不純物領域は、たとえば選択拡散によって導入された不純物領域でもよいし、成長時に当該不純物と同型の不純物をドープして、周囲をメサエッチングによって除いたあとの不純物領域であってもよい。また、成長時に上記同型の不純物をドーピングしておいて、周囲に反対型の不純物を選択拡散して隔離した状態の不純物領域であってもよい。すなわち周囲と電気的または半導体的に隔離された状態の不純物領域であれば形態は問わない。 In a light receiving element having a conventional type 2 type MQW, the type 2 type light receiving sensitivity has been improved by increasing the number of pairs to 50 or more to facilitate the type 2 type transition at the interface. However, there are many light receiving elements with low light sensitivity on the short wavelength side because of the low light sensitivity of Type 1 and / or for other reasons.
With the above-described configuration, a reverse bias voltage is applied to the pn junction so that the depletion layer extends from the pn junction to the light receiving layer of the type 2 MQW and the second light receiving layer, and the corresponding wavelength region in each light receiving layer. Can receive light. For this reason, the light on the long wavelength side can be received by the MQW type 2 type transition, and the light on the short wavelength side can be received by the MQW type 1 type transition and by the second light receiving layer. it can. The second light receiving layer, Type 2 transition is not only a transition of type 1 type is arising. As a result, it is possible to obtain a light receiving element in which the wavelength dependency of the light receiving sensitivity is flattened to a level where there is no practical problem from a short wavelength region to a long wavelength region.
The light receiving element may have one pixel or an array in which a plurality of pixels are arranged one-dimensionally or two-dimensionally. Light incidence may be from the substrate side of the compound semiconductor or from the surface side of the epitaxial multilayer. However, in the case where a plurality of pixels are arranged in a two-dimensional array, it is preferable that light is incident from the substrate side in order to conductively connect the pixel electrode to a readout electrode of a readout circuit (ROIC: Read out IC) such as a CMOS.
Further, the second light receiving layer may be divided into a plurality of positions instead of only one. In the case of being divided into a plurality of positions, the materials may not be the same or different. That is, one layer is formed of the same material, but when arranged separately, the separated layers are made of different materials as long as they have a band gap larger than the band gap in the type 2 transition. It may be.
The impurity region having a pn junction at the tip may be, for example, an impurity region introduced by selective diffusion, or an impurity region after doping the same type of impurity as the impurity during growth and removing the periphery by mesa etching It may be. Further, the impurity region may be an impurity region in which the same type impurity is doped during growth and the opposite type impurity is selectively diffused and isolated in the periphery. That is, the form is not limited as long as it is an impurity region electrically or semi-conductively isolated from the surroundings.

基板をＩｎＰ基板とし、受光層を、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下ＩｎＧａＡｓと記す。）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２、以下ＧａＡｓＳｂと記す）とのＭＱＷとし、不純物領域をｐ型領域とすることができる。上記の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷのタイプ２型遷移は、最長波長を３．０μｍ〜２．６μｍ程度として、波長１．７μｍ以上をカバーする。上記本発明の受光素子では、ＭＱＷとは別に、タイプ２型の遷移でのバンドギャップより大きいバンドギャップを有する第２の受光層を備えるので、０．９μｍ〜１．７μｍの範囲の短波長側での低い受光感度は向上する。この受光感度の向上は、短波長側の受光による正孔の数が増えること、およびＭＱＷにおける量子井戸ポテンシャルがない部分の受光層の厚み比率が増えること、の両方による。このため、波長０．９μｍ程度から３．０μｍ〜２．６μｍ程度にかけて感度の波長依存性に優れた受光素子を得ることができる。 The substrate and the InP substrate, the absorption layer, In x Ga 1-x As (0.38 ≦ x ≦ 0.68, hereinafter referred to as InGaAs.) And GaAs 1-y Sb y (0.36 ≦ y ≦ 0. 62, hereinafter referred to as GaAsSb), and the impurity region can be a p-type region. The (InGaAs / GaAsSb) MQW type 2 transition described above covers a wavelength of 1.7 μm or more, with the longest wavelength being about 3.0 μm to 2.6 μm. The light receiving element of the present invention includes the second light receiving layer having a band gap larger than the band gap in the type 2 transition, apart from MQW, and thus has a short wavelength side in the range of 0.9 μm to 1.7 μm. The low light receiving sensitivity in the case is improved. This improvement in the light receiving sensitivity is due to both an increase in the number of holes due to light reception on the short wavelength side and an increase in the thickness ratio of the light receiving layer in the MQW where there is no quantum well potential. Therefore, it is possible to obtain a light receiving element having excellent wavelength dependency of sensitivity from a wavelength of about 0.9 μm to about 3.0 μm to 2.6 μm.

上記の受光素子では、ｐ型領域をエピタキシャル積層体の表面側に形成するので、ｐ側電極をＩｎＰ系エピタキシャル積層体の表面に配置する。対をなすｎ側電極は、受光層からみてＩｎＰ基板に近い位置の層（ＩｎＰ基板であってもよい）に配置する。ＩｎＰ基板を用いた場合、ｐ側電極をＩｎＰ系エピタキシャル層の表面に配置する理由は次のとおりである。ＩｎＰ系半導体のｐ型不純物であるＺｎは、これまでに膨大な技術蓄積がある。このＺｎを、ＩｎＰ系エピタキシャル層の表面から選択拡散によって導入して、画素領域を形成することが容易なためである。このため、ｐ側電極をＩｎＰ系エピタキシャル層の表面に配置する。画素領域は、一つまたは複数、形成され、複数の場合はｐ側電極は各画素領域に１つずつ配置される。このためｐ側電極を画素電極と呼ぶことがある。一方、ｎ側電極は共通のグランド電極となる。すなわち、ｐ側電極が、一つの場合および複数の場合、のいずれの場合でも、各画素に共通のグランド電極となる。
上記のｐ側電極およびｎ側電極の配置によって、受光現象が起きると、タイプ１とタイプ２とによらず、正孔はｐ側電極に、また電子はｎ側電極へと、逆バイアス電界によって誘導される。 In the above light receiving element, since the p-type region is formed on the surface side of the epitaxial multilayer body, the p-side electrode is disposed on the surface of the InP-based epitaxial multilayer body. The n-side electrodes forming a pair are arranged in a layer (may be an InP substrate) located near the InP substrate as viewed from the light receiving layer. When an InP substrate is used, the reason for disposing the p-side electrode on the surface of the InP-based epitaxial layer is as follows. Zn, which is a p-type impurity of an InP-based semiconductor, has accumulated enormous technology so far. This is because it is easy to form the pixel region by introducing Zn by selective diffusion from the surface of the InP-based epitaxial layer. For this reason, the p-side electrode is disposed on the surface of the InP-based epitaxial layer. One or a plurality of pixel regions are formed, and in the case of a plurality of pixel regions, one p-side electrode is arranged in each pixel region. For this reason, the p-side electrode may be referred to as a pixel electrode. On the other hand, the n-side electrode serves as a common ground electrode. That is, in either case where there is one p-side electrode or a plurality of p-side electrodes, it becomes a ground electrode common to each pixel.
When the light receiving phenomenon occurs due to the arrangement of the p-side electrode and the n-side electrode, holes are transferred to the p-side electrode and electrons are transferred to the n-side electrode regardless of the type 1 and type 2 by the reverse bias electric field. Be guided.

画素が複数で二次元配列になる場合、画素電極（ｐ側電極）から電荷を読み出す配線が複雑になり、光伝播の障害になるので、エピタキシャル層側を光入射面にすることはできない。このため、ＩｎＰ基板側から光入射を行う。ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等で形成された読み出し配線(ROIC:Read Out IC)の読み出し電極は、ｐ側電極に導電接続される。
光がＩｎＰ基板側から入射されると、ＩｎＰ基板に近い範囲のＭＱＷで受光が生じて正孔および電子が発生する。正孔は、電子に比べて移動度が小さいことが知られている。逆バイアス電界があるとはいえ、移動度が小さいうえに正孔は多くの量子井戸のポテンシャルを繰り返し越えてｐ側電極に到達しなければならない。このため、ｐ側電極に到達できない正孔が多く生じ、受光感度の低下を生じる。タイプ１型の遷移でもタイプ２型の遷移で生じた正孔は、どちらも、同じ程度にｐ側電極に到達しにくいはずである。しかし、従来の実際の結果は、上述のように、近赤外域の長波長側の受光感度は比較的高いのに比べて、短波長側では受光感度は低い。 When a plurality of pixels are two-dimensionally arranged, wiring for reading out charges from the pixel electrode (p-side electrode) becomes complicated and obstructs light propagation, so the epitaxial layer side cannot be a light incident surface. For this reason, light is incident from the InP substrate side. A readout electrode of a readout wiring (ROIC: Read Out IC) formed of CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) or the like is conductively connected to the p-side electrode.
When light is incident from the InP substrate side, light is received by MQW in a range close to the InP substrate, and holes and electrons are generated. It is known that holes have a lower mobility than electrons. Although there is a reverse bias electric field, the mobility is small, and the holes must reach the p-side electrode repeatedly over the potential of many quantum wells. For this reason, many holes that cannot reach the p-side electrode are generated, and the light receiving sensitivity is lowered. Both the holes generated in the type 1 transition and the type 2 transition should be less likely to reach the p-side electrode to the same extent. However, the actual result of the prior art is that, as described above, the light receiving sensitivity on the short wavelength side is lower than the light receiving sensitivity on the long wavelength side in the near infrared region is relatively high.

ＭＱＷにおいてＧａＡｓＳｂと対をなすＩｎＧａＡｓを、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＰおよびＩｎＧａＡｓＮＳｂのいずれか一つで置き換えることができる。これによって、より最長波長をより長波長側に拡大することが可能になる。   InGaAs paired with GaAsSb in MQW can be replaced with any one of InGaAsN, InGaAsNP, and InGaAsNSb. This makes it possible to expand the longest wavelength to the longer wavelength side.

第２の受光層を、全厚み０．１μｍ以上１μｍ以下のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下ＩｎＧａＡｓと記す。）層とすることができる。これによって波長０．９μｍ以上の範囲に、受光感度の波長依存性が良好な受光素子を得ることができる。通常、ＭＱＷの受光層は、全膜厚２μｍ〜５μｍなので、上記の第２の受光層は、厚み０．５μｍのとき、受光層全体の９％程度〜２０％程度の比率となる。 The second light receiving layer may be an In x Ga 1-x As (0.38 ≦ x ≦ 0.68, hereinafter referred to as InGaAs) layer having a total thickness of 0.1 μm to 1 μm. As a result, a light receiving element having good wavelength dependency of light receiving sensitivity can be obtained in a wavelength range of 0.9 μm or more. Normally, the MQW light receiving layer has a total film thickness of 2 μm to 5 μm. Therefore, when the thickness of the second light receiving layer is 0.5 μm, the ratio is about 9% to 20% of the entire light receiving layer.

受光素子において、波長１．３μｍの受光感度と波長２．０μｍの受光感度との比を、０．３以上１．２以下の範囲内とすることができる。これによって、実用上で問題ないレベルの受光感度の平坦性を有する受光素子を得ることができる。   In the light receiving element, the ratio of the light receiving sensitivity with a wavelength of 1.3 μm to the light receiving sensitivity with a wavelength of 2.0 μm can be in the range of 0.3 to 1.2. As a result, a light receiving element having flatness of light receiving sensitivity at a level that is not problematic in practical use can be obtained.

上記のエピタキシャル積層体の内部、または該エピタキシャル積層体と基板との間に、再成長界面がないようにできる。ここで、再成長界面とは、所定の成長法で第１結晶層を成長させたあと、一度、大気中に出して、別の成長法で、第１結晶層上に接して第２結晶層を成長させたときの第１結晶層と第２結晶層との界面をいう。通常、酸素、炭素、珪素が不純物として高濃度に混入する。これによって結晶性に優れ、かつ表面が平滑なエピタキシャル積層体を得ることができる。このため、暗電流を低くでき、高いＳ／Ｎ比の受光素子を得ることができる。
また、受光素子を能率よく製造することができる。すなわち、このあと説明するように、（バッファ層〜ＭＱＷ）からＰを含むＩｎＰ窓層まで、一貫して全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長するので、同じ成長槽内で、連続して製造を遂行することができる。また、たとえば燐を含むＩｎＰ窓層を形成しても、原料に固体の燐を用いないので、成長槽の内壁に燐が固着しない。このためメンテナンス時に発火などのおそれがなく、安全上も優れている。
これによって結晶性に優れ、かつ表面が平滑なエピタキシャル積層体を得ることができる。このため、暗電流を低くでき、高いＳ／Ｎ比の受光素子を得ることができる。 There can be no regrowth interface in the above-mentioned epitaxial laminated body or between the epitaxial laminated body and the substrate. Here, the regrowth interface means that after the first crystal layer is grown by a predetermined growth method, the second crystal layer is exposed to the first crystal layer and exposed to the first crystal layer by another growth method. Refers to the interface between the first crystal layer and the second crystal layer. Usually, oxygen, carbon, and silicon are mixed as impurities at a high concentration. As a result, an epitaxial laminated body having excellent crystallinity and a smooth surface can be obtained. For this reason, a dark current can be made low and the light receiving element of a high S / N ratio can be obtained.
In addition, the light receiving element can be efficiently manufactured. That is, as will be described later, since the growth is consistently performed by the all organic MOVPE method from (buffer layer to MQW) to the InP window layer containing P, manufacturing must be continuously performed in the same growth tank. Can do. For example, even if an InP window layer containing phosphorus is formed, solid phosphorus is not used as a raw material, so that phosphorus does not adhere to the inner wall of the growth tank. For this reason, there is no fear of ignition at the time of maintenance, and it is excellent in safety.
As a result, an epitaxial laminated body having excellent crystallinity and a smooth surface can be obtained. For this reason, a dark current can be made low and the light receiving element of a high S / N ratio can be obtained.

本発明の光学センサ装置は、上記のいずれかの受光素子を備えることを特徴とする。これによって、受光感度の波長依存性が問題ないレベルに平坦な光学センサ装置を得ることができる。この光学センサ装置は、半導体素子（受光素子）の各画素からの読み出し電極を備えたＣＭＯＳ、分光器（回折格子）、レンズなどの光学素子、マイコンなどの制御装置等を含むことができる。   The optical sensor device of the present invention includes any one of the light receiving elements described above. As a result, an optical sensor device that is flat at a level where the wavelength dependency of the light receiving sensitivity is satisfactory can be obtained. This optical sensor device can include a CMOS having a readout electrode from each pixel of a semiconductor element (light receiving element), a spectroscope (diffraction grating), an optical element such as a lens, a control device such as a microcomputer, and the like.

本発明の受光素子の製造方法は、ＩｎＰ基板の上にタイプ２型の、ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとのＭＱＷの受光層を備えた受光素子を製造する。この製造方法は、ＩｎＰ基板の上にＭＱＷを成長する工程を備え、該ＭＱＷの成長の途中で該ＭＱＷの成長を一時的に停止して、ＭＱＷのタイプ２型の遷移におけるバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２の受光層を形成することを特徴とする。
上記の構成によって、この結果、短波長域から長波長域にわたって受光感度の波長依存性が実用上問題ないレベルにまで平坦化された受光素子を得ることができる。 The light receiving element manufacturing method of the present invention manufactures a type 2 light receiving element having an MQW light receiving layer of InGaAs and GaAsSb on an InP substrate. This manufacturing method includes a step of growing MQW on an InP substrate , and temporarily stops the growth of the MQW during the growth of the MQW, and is larger than the band gap in the type 2 type transition of the MQW. A second light receiving layer having a band gap is formed.
With the above configuration, as a result, it is possible to obtain a light receiving element in which the wavelength dependency of the light receiving sensitivity is flattened to a level that does not cause any practical problem from a short wavelength region to a long wavelength region.

エピタキシャル積層体の表面をＩｎＰ窓層として、ＩｎＰ基板上に、ＭＱＷ、第２の受光層およびＩｎＰ窓層を含むエピタキシャル積層体を、一貫して、全有機金属気相成長法により成長することができる。ここで、全有機気相成長法は、気相成長に用いる原料のすべてに、有機物と金属との化合物で構成される有機金属原料を用いる成長方法のことをいい、全有機ＭＯＶＰＥ法と記す。
上記の方法によれば、上述の受光素子を能率よく製造することができる。すなわち、Ｐを含むＩｎＰ窓層まで、一貫して全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長するので、同じ成長槽内で、連続して製造を遂行することができる。このため再成長界面を持たないので結晶性のよいエピタキシャル層を得ることができ、暗電流の抑制等を実現することができる。また、燐を含むＩｎＰ窓層を形成しても、原料に固体の燐を用いないので、成長槽の内壁に燐が固着しない。このためメンテナンス時に発火などのおそれがなく、安全上も優れている。
全有機ＭＯＶＰＥ法におけるその他の利点は、各層間で急峻なヘテロ界面をもつＭＱＷを得ることができる。急峻なヘテロ界面をもつＭＱＷによって、高精度のスペクトル分光等を行うことができる。 Using the surface of the epitaxial multilayer as an InP window layer, an epitaxial multilayer including MQW, the second light receiving layer, and the InP window layer can be consistently grown on the InP substrate by an all-organic metal vapor phase epitaxy method. it can. Here, the all organic vapor phase growth method refers to a growth method using an organic metal raw material composed of a compound of an organic substance and a metal for all raw materials used for vapor phase growth, and is referred to as an all organic MOVPE method.
According to said method, the above-mentioned light receiving element can be manufactured efficiently. That is, since the InP window layer containing P is consistently grown by the all organic MOVPE method, it can be continuously manufactured in the same growth tank. For this reason, since there is no regrowth interface, an epitaxial layer with good crystallinity can be obtained, and suppression of dark current and the like can be realized. Even if an InP window layer containing phosphorus is formed, solid phosphorus is not used as a raw material, so that phosphorus does not adhere to the inner wall of the growth tank. For this reason, there is no fear of ignition at the time of maintenance, and it is excellent in safety.
Another advantage of the all organic MOVPE method is that MQWs with steep heterointerfaces between each layer can be obtained. With MQW having a steep hetero interface, high-accuracy spectrum spectroscopy or the like can be performed.

ＭＱＷの形成工程では、温度４００℃以上かつ５６０℃以下で、ＭＱＷを形成することができる。これによって、結晶性に優れたＭＱＷを得ることができ、暗電流をより一層低くすることができる。上記の温度は、基板表面温度を赤外線カメラおよび赤外線分光器を含むパイロメータでモニタしており、そのモニタされている基板表面温度をいう。したがって、基板表面温度ではあるが、厳密には、基板上に成膜がなされている状態の、エピタキシャル層表面の温度である。基板温度、成長温度、成膜温度など、呼称は各種あるが、いずれも上記のモニタされている温度をさす。   In the MQW formation step, the MQW can be formed at a temperature of 400 ° C. or higher and 560 ° C. or lower. Thereby, MQW excellent in crystallinity can be obtained, and the dark current can be further reduced. The above-mentioned temperature is a substrate surface temperature monitored by a pyrometer including an infrared camera and an infrared spectrometer, and the substrate surface temperature being monitored. Accordingly, although it is the substrate surface temperature, strictly speaking, it is the temperature of the epitaxial layer surface in a state where a film is formed on the substrate. There are various names such as a substrate temperature, a growth temperature, and a film formation temperature, and all refer to the monitored temperatures.

本発明の受光素子等によれば、短波長側から長波長側にわたって、受光感度の波長依存性を実用上問題ないレベルにまで平坦化することができる。とくにＩｎＰ基板、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層、およびＩｎＧａＡｓの第２の受光層を用いることで、波長０．９μｍ程度の短波長から波長３μｍ程度の長波長にわたって、受光感度が平坦な受光素子等を得ることができる。さらに、たとえば全有機ＭＯＶＰＥ法を適用することで、受光層のＭＱＷからＩｎＰ窓層まで一貫して成長するので、製造能率は高く、燐の成長槽内面への付着がないので、安全性でも優れている。   According to the light receiving element or the like of the present invention, the wavelength dependence of the light receiving sensitivity can be flattened to a level that does not cause a problem in practice from the short wavelength side to the long wavelength side. In particular, by using an InP substrate, an (InGaAs / GaAsSb) MQW light-receiving layer, and a second light-receiving layer of InGaAs, light receiving sensitivity is flat over a short wavelength of about 0.9 μm to a long wavelength of about 3 μm. An element or the like can be obtained. Furthermore, for example, by applying the all-organic MOVPE method, it grows consistently from the MQW of the light receiving layer to the InP window layer, so the production efficiency is high and there is no adhesion of phosphorus to the inner surface of the growth tank, so safety is also achieved. Are better.

本発明の実施の形態１における受光素子を示す図である。It is a figure which shows the light receiving element in Embodiment 1 of this invention. 図１の受光素子における受光域を説明するための図であり、（ａ）はタイプ２型ＭＱＷの受光層、（ｂ）は第２の受光層、のバンド構造を示す。2A and 2B are diagrams for explaining a light receiving area in the light receiving element of FIG. 1, in which FIG. 1A shows a band structure of a type 2 MQW light receiving layer and FIG. 2B shows a second light receiving layer; 全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置の配管系統等を示す図である。It is a figure which shows the piping system etc. of the film-forming apparatus of all the organic MOVPE method. （ａ）は有機金属分子の流れと温度の流れを示す図であり、（ｂ）は基板表面における有機金属分子の模式図である。(A) is a figure which shows the flow of an organometallic molecule | numerator, and the flow of temperature, (b) is a schematic diagram of the organometallic molecule | numerator in the board | substrate surface. 図１の受光素子５０の製造方法のフローチャートである。It is a flowchart of the manufacturing method of the light receiving element 50 of FIG. 参考例として挙げる、実施の形態１の変形例１の受光素子を示す図である。It is a figure which shows the light receiving element of the modification 1 of Embodiment 1 given as a reference example . 参考例として挙げる、実施の形態１の変形例２の受光素子を示す図である。It is a figure which shows the light receiving element of the modification 2 of Embodiment 1 given as a reference example . 本発明の実施の形態２における、受光素子（受光素子アレイ）を含む光学センサ装置である。It is an optical sensor apparatus containing the light receiving element (light receiving element array) in Embodiment 2 of this invention. 実施例における各試験体の受光感度の波長依存性を示す図である（エピタキシャル積層体表面入射の場合）。It is a figure which shows the wavelength dependence of the light reception sensitivity of each test body in an Example (in the case of epitaxial laminated body surface incidence). 実施例における各試験体の受光感度の波長依存性を示す図である（基板入射の場合）。It is a figure which shows the wavelength dependence of the light reception sensitivity of each test body in an Example (in the case of board | substrate incidence).

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子５０を示す図である。受光素子５０は、ＩｎＰ基板１の上に次のＩｎＰ系エピタキシャル積層体を有する。
（ｎ型ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＰバッファ層２／タイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３と、該受光層３の間に位置する第２の受光層１３であるＩｎＧａＡｓ層と、からなる複合受光層／拡散濃度分布調整のためのＩｎＧａＡｓ層４／ＩｎＰ窓層５）
ＩｎＰ窓層５からＩｎＧａＡｓ層４を経て受光層３内にわたって位置するｐ型領域６は、ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６の開口部から、ｐ型不純物のＺｎが選択拡散されることで形成される。選択拡散マスクパターンの開口部を調整することで、ｐ型領域６を側面から所定距離隔てられるように形成することができる。ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極１２が、それぞれオーミック接触するように設けられている。ＩｎＰ基板１にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a light receiving element 50 according to Embodiment 1 of the present invention. The light receiving element 50 has the following InP-based epitaxial multilayer on the InP substrate 1.
(N-type InP substrate 1 / n-type InP buffer layer 2 / type 2 type (InGaAs / GaAsSb) MQW light-receiving layer 3, and an InGaAs layer that is a second light-receiving layer 13 positioned between the light-receiving layers 3; Composite light receiving layer / InGaAs layer 4 / InP window layer 5 for adjusting the diffusion concentration distribution)
The p-type region 6 located from the InP window layer 5 to the light-receiving layer 3 through the InGaAs layer 4 is formed by selective diffusion of p-type impurity Zn from the opening of the selective diffusion mask pattern 36 of the SiN film. The By adjusting the opening of the selective diffusion mask pattern, the p-type region 6 can be formed to be separated from the side surface by a predetermined distance. A p-side electrode 11 made of AuZn is provided in the p-type region 6, and an n-side electrode 12 made of AuGeNi is provided in ohmic contact with the back surface of the InP substrate 1. The InP substrate 1 is doped with an n-type impurity to ensure a predetermined level of conductivity.

ＭＱＷの受光層３および第２の受光層１３は、アンドープであり、意図して不純物をドープはしていない。このため真性半導体（イントリンシック：ｉ型）といえるが、意図しないで微量のｎ型不純物が含まれることが通例である。意図せずにｎ型不純物が含まれる場合にも、微量であることからｉ型もしくは真性またはアンドープという。ｐ型領域６の先端部のｐ型キャリア濃度分布と、受光層３における低濃度のｎ型キャリア濃度のバックグランドとが交差する面がｐｎ接合１５を決める。すなわち濃度勾配がついたｐ型キャリア濃度値が、ｎ型キャリアのバックグランド濃度値と一致する面がｐｎ接合１５を形成する。したがってｐｎ接合であるが、ｐｉ接合といってもよい。ｐｉｎ型フォトダイオードの由来である。
ＭＱＷの受光層３におけるｎ型キャリアのバックグラウンドは、ｎ型キャリア濃度で５Ｅ１５ｃｍ−３程度またはそれ以下である。ｐ型領域６はＭＱＷの受光層３に少し入るように形成されるが、そのＭＱＷの受光層３内では、Ｚｎ濃度は５Ｅ１６ｃｍ−３以下にするのがよい。
上記のｐｎ接合１５の近傍におけるＺｎ濃度分布は、傾斜型接合を示すような分布になっている。このため、ｐｎ接合１５に逆バイアス電圧を印加すると、低濃度のｎ型領域またはｉ型領域である受光層３側に空乏層はより大きく張り出す。空乏層を受光層３の側（受光層３および第２の受光層１３）に大きく張り出すことで、受光層３および第２の受光層での受光にそなえる。
ＩｎＧａＡｓ層４は、受光層３を構成するＭＱＷ内でのｐ型不純物の濃度分布を調整するために配置されるが、このＩｎＧａＡｓ層４はなくてもよい。また、図１では、ＩｎＰ基板１の裏面にＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射するようにして使用するようになっている。しかし、本発明の受光素子は、基板（裏面）入射でも、エピタキシャル積層体（表面）入射でもよい。 The MQW light-receiving layer 3 and the second light-receiving layer 13 are undoped, and are not intentionally doped with impurities. For this reason, although it can be said to be an intrinsic semiconductor (intrinsic: i-type), it is usual that a small amount of n-type impurities are included unintentionally. Even when an n-type impurity is included unintentionally, it is referred to as i-type, intrinsic, or undoped because it is a trace amount. The plane where the p-type carrier concentration distribution at the tip of the p-type region 6 intersects the background of the low-concentration n-type carrier concentration in the light receiving layer 3 determines the pn junction 15. That is, the surface where the p-type carrier concentration value with the concentration gradient matches the background concentration value of the n-type carrier forms the pn junction 15. Therefore, although it is a pn junction, it may be called a pi junction. This is the origin of the pin type photodiode.
The background of n-type carriers in the MQW light-receiving layer 3 is about 5E15 cm −3 or less in terms of n-type carrier concentration. The p-type region 6 is formed so as to slightly enter the MQW light-receiving layer 3, and the Zn concentration in the MQW light-receiving layer 3 is preferably 5E16 cm −3 or less.
The Zn concentration distribution in the vicinity of the pn junction 15 is a distribution that indicates an inclined junction. For this reason, when a reverse bias voltage is applied to the pn junction 15, the depletion layer protrudes further toward the light receiving layer 3 side, which is a low concentration n-type region or i-type region. By extending the depletion layer largely toward the light receiving layer 3 (the light receiving layer 3 and the second light receiving layer 13), the light receiving layer 3 and the second light receiving layer can receive light.
The InGaAs layer 4 is arranged for adjusting the concentration distribution of the p-type impurity in the MQW constituting the light receiving layer 3, but the InGaAs layer 4 may be omitted. Further, in FIG. 1, a SiON antireflection film 35 is provided on the back surface of the InP substrate 1, and light is incident from the back surface side of the InP substrate. However, the light receiving element of the present invention may be incident on a substrate (back surface) or an epitaxial layered body (front surface).

上述の空乏層は、受光待機のとき、ｐｎ接合１５から、上側のＭＱＷの受光層３／第２の受光層１３／下側のＭＱＷの受光層３、へと張り出される。光がＩｎＰ基板１側またはＩｎＰ窓層５側から入射されると、光は受光層３または第２の受光層１３で受光され、受光によって生じた電子／正孔対は、逆バイアス電界によって電子と正孔とに分離されるように互いに逆方向に誘導される。   The above-described depletion layer protrudes from the pn junction 15 to the upper MQW light-receiving layer 3 / the second light-receiving layer 13 / the lower MQW light-receiving layer 3 during standby for light reception. When light is incident from the InP substrate 1 side or the InP window layer 5 side, the light is received by the light receiving layer 3 or the second light receiving layer 13, and the electron / hole pair generated by the light reception is generated by the reverse bias electric field. Are induced in opposite directions so as to be separated into holes and holes.

本実施の形態における受光素子のポイントは次の点にある。
（１）ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂのペア数を５０以上とする。これによって、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂの界面において、タイプ２型の遷移（受光）を十分多く生じることができ、長波長側の受光感度を確保することができる。すなわち、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂに即して述べれば、波長１．７μｍ以上の近赤外域の長波長側の受光感度を確保することができる。この結果、本発明の対象とする受光素子は、近赤外域の長波長側に十分高い受光感度をもつ。長波長側の受光感度が過大にならないために、ペア数は５００以下にするのがよい。
（２）本発明では、タイプ２型ＭＱＷの受光層３に加えて、第２の受光層１３を備える点にポイントがある。この第２の受光層１３は、その伝導帯と価電子帯とのエネルギ差が、タイプ２型の遷移におけるバンドギャップ、すなわちＩｎＧａＡｓの伝導帯とＧａＡｓＳｂの価電子帯とのエネルギ差、よりも大きい。 The point of the light receiving element in the present embodiment is as follows.
(1) The number of pairs of InGaAs and GaAsSb is 50 or more. As a result, a sufficient amount of type 2 transition (light reception) can be generated at the InGaAs / GaAsSb interface, and light reception sensitivity on the long wavelength side can be ensured. That is, if described in the case of InGaAs / GaAsSb, it is possible to secure the light receiving sensitivity on the long wavelength side in the near infrared region having a wavelength of 1.7 μm or more. As a result, the light receiving element which is the subject of the present invention has sufficiently high light receiving sensitivity on the long wavelength side in the near infrared region. The number of pairs is preferably 500 or less so that the light receiving sensitivity on the long wavelength side does not become excessive.
(2) The present invention has a point in that the second light receiving layer 13 is provided in addition to the light receiving layer 3 of the type 2 type MQW. In the second light receiving layer 13, the energy difference between the conduction band and the valence band is larger than the band gap in the type 2 transition, that is, the energy difference between the conduction band of InGaAs and the valence band of GaAsSb. .

図２は、上記のポイント（１）および（２）を説明するための図である。図２（ａ）は、タイプ２型ＭＱＷの受光層３のバンド構造を示し、また図２（ｂ）は、第２の受光層１３のバンド構造を示す。図２（ａ）において、タイプ２型の遷移（受光）では、ＧａＡｓＳｂの価電子帯に位置する電子が、波長λ２（＞λ１）以下の光を吸収してＩｎＧａＡｓの伝導帯に励起される。上述したように、タイプ２型の遷移におけるバンドギャップは、ＩｎＧａＡｓの伝導帯ＥｃとＧａＡｓＳｂの価電子帯Ｅｖとの差ΔＥｔｙｐｅ２である。
また、タイプ１型の遷移では、ＧａＡｓＳｂまたはＩｎＧａＡｓの価電子帯に位置する電子が、波長λ１（＜λ２）以下の光を吸収して、同じ層内の伝導帯に励起される。タイプ２型の遷移は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ界面でおいてのみ生じ、一方、タイプ１型の遷移は、ＩｎＧａＡｓ層内またはＧａＡｓＳｂ層内において生じる。タイプ１型およびタイプ２型の遷移は、両方ともＭＱＷの価電子帯に正孔を生じ、伝導帯に電子を生じる。電子は移動度が大きいが、正孔は、電子に比べて、相当、移動度が小さい。
ＭＱＷの価電子帯には、量子井戸ポテンシャルが多数繰り返し形成されており、移動度が小さい正孔が多数の量子井戸ポテンシャルを超えてｐ型領域６に到達することは容易ではない。理由は不明であるが、タイプ２型の遷移による受光感度、したがって長波長の光の受光感度は、タイプ１型の遷移による受光感度より大きい。このため、図２（ａ）に示すＭＱＷの受光層３のみでは、波長１．７μｍ程度以上の長波長側の受光感度は良好ではあるが、それより短い短波長側の受光感度は実用レベルに達しない。このため、図１に示すように、ＭＱＷの中に割って入るように第２の受光層１３を設ける。第２の受光層１３では、図２（ｂ）に示すように、当該層では単一半導体材料（ＩｎＧａＡｓ）なので、もっぱら波長λ１以下の短波長側の光を受光する。第２の受光層１３のバンドギャップは、当該ＩｎＧａＡｓの伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖとの差ΔＥである。ΔＥはΔＥｔｙｐｅ２より大きい。このため、ＭＱＷのタイプ１型遷移による感度は高くなくても、第２の受光層１３によって、短波長域の受光感度を向上することができる。この結果、第２の受光層１３の配置によって、近赤外域の波長０．９μｍ〜３．０μｍにわたって、受光感度の波長依存性が良好な受光素子を実現することができる。 FIG. 2 is a diagram for explaining the points (1) and (2). FIG. 2A shows the band structure of the type 2 MQW light-receiving layer 3, and FIG. 2B shows the band structure of the second light-receiving layer 13. In FIG. 2A, in the type 2 type transition (light reception), electrons located in the valence band of GaAsSb absorb light having a wavelength of λ 2 (> λ 1 ) or less and are excited to the conduction band of InGaAs. The As described above, the band gap in the type 2 transition is the difference ΔE type2 between the conduction band Ec of InGaAs and the valence band Ev of GaAsSb.
In the type 1 transition, electrons located in the valence band of GaAsSb or InGaAs absorb light having a wavelength of λ 1 (<λ 2 ) or less and are excited to the conduction band in the same layer. Type 2 type transitions occur only at the InGaAs / GaAsSb interface, while type 1 type transitions occur in the InGaAs or GaAsSb layers. Type 1 and type 2 transitions both generate holes in the valence band of MQW and electrons in the conduction band. Electrons have high mobility, but holes have considerably lower mobility than electrons.
A large number of quantum well potentials are repeatedly formed in the MQW valence band, and it is not easy for holes with low mobility to reach the p-type region 6 beyond the many quantum well potentials. Although the reason is unknown, the light receiving sensitivity due to the type 2 type transition, and thus the light receiving sensitivity of long wavelength light, is greater than the light receiving sensitivity due to the type 1 type transition. For this reason, only the MQW light receiving layer 3 shown in FIG. 2A has good light sensitivity on the long wavelength side of about 1.7 μm or more, but the light sensitivity on the short wavelength side shorter than that is at a practical level. Not reach. For this reason, as shown in FIG. 1, the second light receiving layer 13 is provided so as to break into the MQW. As shown in FIG. 2B, the second light receiving layer 13 is made of a single semiconductor material (InGaAs), and therefore receives light on the short wavelength side having a wavelength λ 1 or less. The band gap of the second light receiving layer 13 is a difference ΔE between the conduction band Ec and the valence band Ev of the InGaAs. ΔE is greater than ΔE type2 . For this reason, even if the sensitivity due to the type 1 type transition of MQW is not high, the light receiving sensitivity in the short wavelength region can be improved by the second light receiving layer 13. As a result, the arrangement of the second light receiving layer 13 makes it possible to realize a light receiving element having good wavelength dependency of light receiving sensitivity over a wavelength range of 0.9 μm to 3.0 μm in the near infrared region.

＜ＭＱＷの受光層３および第２の受光層１３の成長方法＞
次に製造方法について説明する。ＩｎＰ基板１を準備して、その上に、ＩｎＰバッファ層２／タイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３と、ＩｎＧａＡｓからなる第２の受光層１３との複合受光層／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５、を全有機ＭＯＶＰＥ法で成長する。ここでは、とくにタイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３の成長方法を詳しく説明する。
図３に全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置６０の配管系統等を示す。反応室（チャンバ）６３内に石英管６５が配置され、その石英管６５に、原料ガスが導入される。石英管６５中には、基板テーブル６６が、回転自在に、かつ気密性を保つように配置される。基板テーブル６６には、基板加熱用のヒータ６６ｈが設けられる。成膜途中のウエハ５０ａの表面の温度は、反応室６３の天井部に設けられたウィンドウ６９を通して、赤外線温度モニタ装置６１によりモニタされる。このモニタされる温度が、成長するときの温度、または成膜温度もしくは基板温度等と呼ばれる温度である。本発明における製造方法における、温度４００℃以上かつ５６０℃以下でＭＱＷを形成する、というときの４００℃以上および５６０℃以下は、この温度モニタで計測される温度である。石英管６５からの強制排気は真空ポンプによって行われる。 <Growth Method of MQW Light-Receiving Layer 3 and Second Light-Receiving Layer 13>
Next, a manufacturing method will be described. An InP substrate 1 is prepared, on which an InP buffer layer 2 / type 2 type (InGaAs / GaAsSb) MQW light receiving layer 3 and a second light receiving layer 13 made of InGaAs are combined. The distribution adjusting layer 4 / InP window layer 5 is grown by the all organic MOVPE method. Here, the growth method of the light receiving layer 3 of type 2 type (InGaAs / GaAsSb) MQW will be described in detail.
FIG. 3 shows a piping system and the like of the all-organic MOVPE film forming apparatus 60. A quartz tube 65 is disposed in the reaction chamber (chamber) 63, and a raw material gas is introduced into the quartz tube 65. A substrate table 66 is disposed in the quartz tube 65 so as to be rotatable and airtight. The substrate table 66 is provided with a heater 66h for heating the substrate. The temperature of the surface of the wafer 50 a during film formation is monitored by the infrared temperature monitor device 61 through a window 69 provided in the ceiling of the reaction chamber 63. This monitored temperature is a temperature at the time of growth or a temperature called a film forming temperature or a substrate temperature. In the production method of the present invention, when MQW is formed at a temperature of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less, 400 ° C. or more and 560 ° C. or less are temperatures measured by this temperature monitor. The forced exhaust from the quartz tube 65 is performed by a vacuum pump.

原料ガスは、石英管６５に連通する配管によって、供給される。全有機ＭＯＶＰＥ法は、原料ガスをすべて有機金属気体の形態で供給する点に特徴がある。図７では、不純物等の原料ガスは明記していないが、不純物も有機金属気体の形態で導入される。有機金属気体の原料は、恒温槽に入れられて一定温度に保持される。搬送ガスには、水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）が用いられる。有機金属気体は、搬送ガスによって搬送され、また真空ポンプで吸引されて石英管６５に導入される。搬送ガスの量は、ＭＦＣ（Mass Flow Controller:流量制御器）によって精度よく調節される。多数の、流量制御器、電磁弁等は、マイクロコンピュータによって自動制御される。 The source gas is supplied by a pipe communicating with the quartz tube 65. The all organic MOVPE method is characterized in that all raw material gases are supplied in the form of an organometallic gas. In FIG. 7, source gases such as impurities are not specified, but impurities are also introduced in the form of an organometallic gas. The raw material of the organometallic gas is put in a thermostat and kept at a constant temperature. Hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) are used as the carrier gas. The organometallic gas is transported by a transport gas, and is sucked by a vacuum pump and introduced into the quartz tube 65. The amount of carrier gas is accurately adjusted by an MFC (Mass Flow Controller). Many flow controllers, solenoid valves, and the like are automatically controlled by a microcomputer.

ウエハ５０ａの製造方法について説明する。まず、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板１に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を、たとえば膜厚１５０ｎｍ程度に、エピタキシャル成長させる。ｎ型のドーピングには、ＴｅＥＳｉ（テトラエチルシラン）を用いるのがよい。このときの原料ガスには、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）およびＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）を用いる。このＩｎＰバッファ層２の成長には、無機原料のＰＨ３（ホスフィン）を用いて行っても良い。このＩｎＰバッファ層２の成長では、成長温度を６００℃程度あるいは６００℃程度以下で行っても、下層に位置するＩｎＰ基板の結晶性は６００℃程度の加熱で劣化することはない。しかし、ＩｎＰ窓層を形成するときには、下層にＧａＡｓＳｂを含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ５６０℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃程度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化する点、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰ窓層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰ層内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰ窓層を得られない点があげられる。 A method for manufacturing the wafer 50a will be described. First, the n-type InP buffer layer 2 is epitaxially grown on the S-doped n-type InP substrate 1 to a thickness of, for example, about 150 nm. TeESi (tetraethylsilane) is preferably used for n-type doping. At this time, TMIn (trimethylindium) and TBP (tertiary butylphosphine) are used as the source gas. The InP buffer layer 2 may be grown using an inorganic raw material PH 3 (phosphine). In the growth of the InP buffer layer 2, even if the growth temperature is about 600 ° C. or less than about 600 ° C., the crystallinity of the InP substrate located in the lower layer is not deteriorated by heating at about 600 ° C. However, when forming the InP window layer, since the MQW containing GaAsSb is formed in the lower layer, it is necessary to strictly maintain the substrate temperature within a range of, for example, a temperature of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less. The reason is that when heated to about 600 ° C., the crystallinity of GaAsSb is greatly deteriorated due to heat damage, and when the InP window layer is formed at a temperature lower than 400 ° C., the decomposition efficiency of the source gas is greatly increased. Therefore, the impurity concentration in the InP layer increases, and a high-quality InP window layer cannot be obtained.

次いで、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを量子井戸のペアとするタイプ２型のＭＱＷの受光層３を形成する。量子井戸におけるＧａＡｓＳｂは、膜厚はたとえば５ｎｍとし、またＩｎＧａＡｓ３ｂの膜厚もたとえば５ｎｍとする。図１では、第２の受光層のＩｎＧａＡｓ層１３を挟んで、上下で２００ペアの量子井戸を積層してＭＱＷの受光層３を形成している。ＧａＡｓＳｂの成膜では、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）およびＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）を用いる。また、ＩｎＧａＡｓについては、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、およびＴＢＡｓを用いることができる。これらの原料ガスは、すべて有機金属気体であり、化合物の分子量は大きい。このため、４００℃以上かつ５６０℃以下の比較的低温で完全に分解して、結晶成長に寄与することができる。ＭＱＷの受光層３を全有機ＭＯＶＰＥによって、量子井戸の界面の組成変化を急峻にするすることができる。この結果、高精度の分光測光をすることができる。   Next, a type 2 MQW light-receiving layer 3 having InGaAs / GaAsSb as a pair of quantum wells is formed. The thickness of GaAsSb in the quantum well is 5 nm, for example, and the thickness of InGaAs 3b is also 5 nm, for example. In FIG. 1, the MQW light receiving layer 3 is formed by stacking 200 pairs of quantum wells on the upper and lower sides of the InGaAs layer 13 as the second light receiving layer. In the film formation of GaAsSb, TEGa (triethylgallium), TBAs (tertiary butylarsine), and TMSb (trimethylantimony) are used. For InGaAs, TEGa, TMIn, and TBAs can be used. These source gases are all organometallic gases, and the molecular weight of the compound is large. Therefore, it can be completely decomposed at a relatively low temperature of 400 ° C. or higher and 560 ° C. or lower and contribute to crystal growth. The MQW light-receiving layer 3 can be made abrupt in composition change at the interface of the quantum well by using all organic MOVPE. As a result, highly accurate spectrophotometry can be performed.

Ｇａ（ガリウム）の原料としては、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）でもよいし、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）でもよい。Ｉｎ（インジウム）の原料としては、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）でもよいし、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）でもよい。Ａｓ（砒素）の原料としては、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）でもよいし、ＴＭＡｓ(トリメチル砒素)でもよい。
上記のＧａ、Ｉｎ、およびＡｓの原料は、ＭＱＷのＩｎＧａＡｓを形成するときに用いることができるが、第２の受光層１３をＩｎＧａＡｓで形成するときにも用いることができる。以下では、ＭＱＷの成長について詳しく説明するが、ＭＱＷの中に割って入って第２の受光層１３をＩｎＧａＡｓによって形成する場合、ＭＱＷの中のＩｎＧａＡｓ層の膜厚を厚くする点が相違するだけである（図５参照）。 As a raw material for Ga (gallium), TEGa (triethylgallium) or TMGa (trimethylgallium) may be used. The raw material for In (indium) may be TMIn (trimethylindium) or TEIn (triethylindium). As a raw material of As (arsenic), TBAs (tertiary butylarsine) or TMAs (trimethylarsenic) may be used.
The Ga, In, and As materials described above can be used when forming MQW InGaAs, but can also be used when forming the second light receiving layer 13 with InGaAs. In the following, the growth of MQW will be described in detail, but when the second light receiving layer 13 is formed of InGaAs by dividing into MQW, the only difference is that the thickness of the InGaAs layer in MQW is increased. (See FIG. 5).

Ｓｂ(アンチモン)の原料としては、ＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）でもよいし、ＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）でもよい。また、ＴＩＰＳｂ(トリイソプロピルアンチモン)、また、ＴＤＭＡＳｂ(トリスジメチルアミノアンチモン)でもよい。これらの原料を用いることによって、ＭＱＷの結晶品質が優れた半導体素子を得ることができる。この結果、たとえば受光素子等に用いた場合、暗電流の小さい、かつ、感度が大きい受光素子を得ることができる。さらには、その受光素子を用いて、より鮮明な像を撮像するこが可能となる光学センサ装置、たとえば撮像装置を得ることができる。   The raw material for Sb (antimony) may be TMSb (trimethylantimony) or TESb (triethylantimony). Further, TIPSb (triisopropylantimony) or TDMASb (trisdimethylaminoantimony) may be used. By using these raw materials, a semiconductor element having excellent MQW crystal quality can be obtained. As a result, for example, when used in a light receiving element, a light receiving element with a small dark current and a high sensitivity can be obtained. Furthermore, using the light receiving element, an optical sensor device capable of capturing a clearer image, such as an imaging device, can be obtained.

次に、全有機ＭＯＶＰＥ法によって、ＭＱＷ３を形成するときの原料ガスの流れ状態について説明する。原料ガスは、配管を搬送されて、石英管６５に導入されて排気される。原料ガスは、何種類でも配管を増やして石英管６５に練通させることができる。たとえば十数種類の原料ガスであっても、電磁バルブの開閉によって制御される。
原料ガスは、流量の制御は、図３に示す流量制御器（ＭＦＣ）によって制御された上で、石英管６５への流入を電磁バルブの開閉によってオンオフされる。そして、石英管６５からは、真空ポンプによって強制的に排気される。原料ガスの流れに停滞が生じる部分はなく、円滑に自動的に行われる。よって、量子井戸のペアを形成するときの組成の切り替えは、迅速に行われる。
図３に示すように、基板テーブル６６は回転するので、原料ガスの温度分布は、原料ガスの流入側または出口側のような方向性をもたない。また、ウエハ５０ａは、基板テーブル６６上を公転するので、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスの流れは、乱流状態にあり、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスであっても、ウエハ５０ａに接する原料ガスを除いて導入側から排気側への大きな流れ方向の速度成分を有する。したがって、基板テーブル６６からウエハ５０ａを経て、原料ガスへと流れる熱は、大部分、常時、排気ガスと共に排熱される。このため、ウエハ５０ａから表面を経て原料ガス空間へと、垂直方向に大きな温度勾配または温度段差が発生する。
さらに、本発明の実施の形態では、基板温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という低温域に加熱される。このような低温域の基板表面温度でＴＢＡｓなどを原料とした全有機ＭＯＶＰＥ法を用いる場合、その原料の分解効率が良いので、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスで多重量子井戸構造の成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られる。 Next, the flow state of the source gas when forming MQW3 by the all organic MOVPE method will be described. The source gas is transported through the piping, introduced into the quartz tube 65, and exhausted. Any number of source gases can be added to the quartz tube 65 by increasing the number of pipes. For example, even a dozen kinds of source gases are controlled by opening and closing the electromagnetic valve.
The flow rate of the source gas is controlled by a flow rate controller (MFC) shown in FIG. 3, and the flow into the quartz tube 65 is turned on and off by opening and closing the electromagnetic valve. The quartz tube 65 is forcibly exhausted by a vacuum pump. There is no stagnation in the flow of the source gas, and it is performed smoothly and automatically. Therefore, the composition is switched quickly when forming the quantum well pair.
As shown in FIG. 3, since the substrate table 66 rotates, the temperature distribution of the source gas does not have the directivity as on the inflow side or the outlet side of the source gas. Further, since the wafer 50a revolves on the substrate table 66, the flow of the source gas near the surface of the wafer 50a is in a turbulent state, and even the source gas near the surface of the wafer 50a contacts the wafer 50a. Except for the raw material gas, it has a large velocity component in the flow direction from the introduction side to the exhaust side. Therefore, most of the heat flowing from the substrate table 66 to the source gas through the wafer 50a is always exhausted together with the exhaust gas. For this reason, a large temperature gradient or temperature step is generated in the vertical direction from the wafer 50a through the surface to the source gas space.
Furthermore, in the embodiment of the present invention, the substrate temperature is heated to a low temperature range of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less. In the case of using the all organic MOVPE method using TBAs or the like as a raw material at the substrate surface temperature in such a low temperature region, the decomposition efficiency of the raw material is good. The source gas that contributes to is limited to those efficiently decomposed into the form necessary for growth.

図４（ａ）は有機金属分子の流れと温度の流れを示す図であり、図４（ｂ）は基板表面における有機金属分子の模式図である。これらの図は、多重量子井戸構造のヘテロ界面で急峻な組成変化を得るために、表面温度の設定が重要であることを説明するための図である。
ウエハ５０ａの表面はモニタされる温度とされているが、ウエハ表面から少し原料ガス空間に入ると、上述のように、急激に温度低下または大きな温度段差が生じる。このため分解温度がＴ１℃の原料ガスの場合、基板表面温度は、（Ｔ１＋α）に設定し、このαは、温度分布のばらつき等を考慮して決める。ウエハ５０ａ表面から原料ガス空間にかけて急激で大きな温度降下または温度段差がある状況において、図４（ｂ）に示すような、大サイズの有機金属分子がウエハ表面をかすめて流れるとき、分解して結晶成長に寄与する化合物分子は表面に接触する範囲、および表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲、のものに限られると考えられる。したがって、図４（ｂ）に示すように、ウエハ表面に接する範囲の有機金属分子、および、ウエハ表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲以内に位置する分子、が、主として、結晶成長に寄与して、それより外側の有機金属分子は、ほとんど分解せずに石英管６５の外に排出される、と考えられる。ウエハ５０ａの表面付近の有機金属分子が分解して結晶成長したとき、外側に位置する有機金属分子が補充に入る。
逆に考えると、ウエハ表面温度を有機金属分子が分解する温度よりほんのわずかに高くすることで、結晶成長に参加できる有機金属分子の範囲をウエハ５０ａ表面上の薄い原料ガス層に限定することができる。 FIG. 4A is a diagram showing the flow of organometallic molecules and the flow of temperature, and FIG. 4B is a schematic diagram of organometallic molecules on the substrate surface. These diagrams are used to explain the importance of setting the surface temperature in order to obtain a steep composition change at the heterointerface of the multiple quantum well structure.
The surface of the wafer 50a is set to a monitored temperature. However, when the material gas space is slightly entered from the wafer surface, the temperature suddenly decreases or a large temperature step is generated as described above. Therefore, in the case of a raw material gas having a decomposition temperature of T1 ° C., the substrate surface temperature is set to (T1 + α), and α is determined in consideration of variations in temperature distribution and the like. In a situation where there is a sudden large temperature drop or temperature step from the surface of the wafer 50a to the source gas space, when large-sized organometallic molecules flow through the wafer surface as shown in FIG. It is considered that the compound molecules that contribute to the growth are limited to those in the range in contact with the surface and the film thickness range of several organometallic molecules from the surface. Therefore, as shown in FIG. 4B, the organic metal molecules in the range in contact with the wafer surface and the molecules located within the film thickness range of several organometallic molecules from the wafer surface are mainly crystal growth. It is considered that the organometallic molecules outside it are discharged out of the quartz tube 65 with almost no decomposition. When the organometallic molecules near the surface of the wafer 50a are decomposed and crystal growth occurs, the organometallic molecules located outside enter the replenishment.
In other words, the range of the organometallic molecules that can participate in crystal growth is limited to a thin source gas layer on the surface of the wafer 50a by making the wafer surface temperature slightly higher than the temperature at which the organometallic molecules decompose. it can.

上記のことから、真空ポンプで強制排気しながら上記ペアの化学組成に適合した原料ガスを電磁バルブで切り替えて導入するとき、わずかの慣性をもって先の化学組成の結晶を成長させたあとは、先の原料ガスの影響を受けず、切り替えられた化学組成の結晶を成長させることができる。その結果、ヘテロ界面での組成変化を急峻にすることができる。これは、先の原料ガスが、石英管６５内に実質的に残留しないことを意味しており、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスで多重量子井戸構造の成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られる（成膜要因１）ことに起因する。すなわち、図３から分かるように、量子井戸の一方の層を形成させたあと、真空ポンプで強制排気しながら電磁バルブを開閉して、他方の層を形成する原料ガスを導入したとき、少しの慣性をもって結晶成長に参加する有機金属分子はいるが、その補充をする一方の層の分子はほとんど排気されて、なくなっている。ウエハ表面温度を、有機金属分子の分解温度に近づけるほど、結晶成長に参加する有機金属分子の範囲（ウエハ表面からの範囲）は小さくなる。
このＭＱＷを形成する場合、６００℃程度の温度範囲で成長するとＭＱＷのＧａＡｓＳｂ層に相分離が起こり、清浄で平坦性に優れたＭＱＷの結晶成長表面、および、優れた周期性と結晶性を有するＭＱＷを得ることができない。このことから、成長温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という温度範囲にする（成膜要因２）が、この成膜法を全有機ＭＯＶＰＥ法にして、原料ガスすべてを分解効率の良い有機金属気体にすること（成膜要因３）に、成膜要因１が強く依拠している。 From the above, when the source gas suitable for the chemical composition of the pair is switched by the electromagnetic valve and forcedly evacuated by the vacuum pump, after the crystal of the previous chemical composition is grown with slight inertia, Thus, it is possible to grow a crystal having a switched chemical composition without being affected by the source gas. As a result, the composition change at the hetero interface can be made steep. This means that the previous source gas does not substantially remain in the quartz tube 65, and the source gas that contributes to the growth of the multiple quantum well structure with the source gas flowing in a range very close to the wafer 50a is: This is because it is limited to those efficiently decomposed into a shape necessary for growth (film formation factor 1). That is, as can be seen from FIG. 3, when one layer of the quantum well is formed, the electromagnetic valve is opened and closed while forcibly evacuating with a vacuum pump, and when the source gas for forming the other layer is introduced, a little Although there are organometallic molecules that participate in crystal growth with inertia, the molecules in one layer that replenishes them are almost exhausted and gone. The closer the wafer surface temperature is to the decomposition temperature of the organometallic molecule, the smaller the range of organometallic molecules participating in crystal growth (range from the wafer surface).
When forming this MQW, if it grows in a temperature range of about 600 ° C., phase separation occurs in the GaAsSb layer of MQW, and it has a clean and flat MQW crystal growth surface, and has excellent periodicity and crystallinity. MQW cannot be obtained. For this reason, the growth temperature is set to a temperature range of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less (deposition factor 2). This film formation method is an all-organic MOVPE method, and all the source gases are organometallic gases with high decomposition efficiency. (Film formation factor 3) strongly depends on film formation factor 1.

＜半導体素子の製造方法＞
図１に示した半導体素子５０では、タイプ２型ＭＱＷの受光層３の上には、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が位置し、そのＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上にＩｎＰ窓層５が位置している。ＩｎＰ窓層５の表面に設けた選択拡散マスクパターン３６の開口部からｐ型不純物のＺｎが選択拡散されてｐ型領域６が設けられる。そのｐ型領域６の先端部にｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５が形成される。このｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５に、逆バイアス電圧を印加して空乏層を形成して、光電子変換による電荷を捕捉して、電荷量に画素の明るさを対応させる。ｐ型領域６またはｐｎ接合１５もしくはｐｉ接合１５は、画素を構成する主要部である。ｐ型領域６にオーミック接触するｐ側電極１１は画素電極であり、接地電位にされるｎ側電極１２との間で、上記の電荷を画素ごとに読み出す。ｐ型領域６の周囲の、ＩｎＰ窓層表面には、上記の選択拡散マスクパターン３６がそのまま残される。さらに図示しないＳｉＯＮ等の保護膜が被覆される。選択拡散マスクパターン３６をそのまま残すのは、ｐ型領域６を形成したあと、これを除いて大気中に暴露すると、窓層表面のｐ型領域との境界に表面準位が形成され、暗電流が増大するからである。
図５に示すようにＭＱＷの形成からＩｎＰ窓層５の形成まで、全有機ＭＯＶＰＥ法によって同じ成膜室または石英管６５の中で成長を続けることが、一つのポイントになる。すなわち、ＩｎＰ窓層５の形成の前に、成膜室からウエハ５０ａを取り出して、別の成膜法によってＩｎＰ窓層５を形成することがないために、再成長界面を持たない。ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＩｎＰ窓層５とは、石英管６５内において連続して形成されるので、界面１６，１７は再成長界面ではない。再成長界面では、酸素濃度１Ｅ１７ｃｍ−３以上、炭素濃度１Ｅ１７ｃｍ−３以上、珪素濃度１Ｅ１７ｃｍ−３以上、となり、結晶性は劣化し、エピタキシャル積層体の表面は平滑になりにくい。本発明では、酸素、炭素および珪素の濃度がいずれも所定レベル以下であり、とくにｐ型領域６と界面１７との交差線において電荷リークが生じることはない。 <Method for Manufacturing Semiconductor Device>
In the semiconductor element 50 shown in FIG. 1, an InGaAs diffusion concentration distribution adjustment layer 4 is located on the type 2 MQW light-receiving layer 3, and an InP window layer 5 is formed on the InGaAs diffusion concentration distribution adjustment layer 4. positioned. The p-type region 6 is provided by selectively diffusing Zn of the p-type impurity from the opening of the selective diffusion mask pattern 36 provided on the surface of the InP window layer 5. A pn junction 15 or a pi junction 15 is formed at the tip of the p-type region 6. A depletion layer is formed by applying a reverse bias voltage to the pn junction 15 or the pi junction 15 to capture charges due to photoelectron conversion, and to make the brightness of the pixel correspond to the amount of charges. The p-type region 6 or the pn junction 15 or the pi junction 15 is a main part constituting the pixel. The p-side electrode 11 that is in ohmic contact with the p-type region 6 is a pixel electrode, and reads the above charges for each pixel with the n-side electrode 12 that is set to the ground potential. The selective diffusion mask pattern 36 is left as it is on the surface of the InP window layer around the p-type region 6. Further, a protective film such as SiON not shown is coated. The selective diffusion mask pattern 36 is left as it is. When the p-type region 6 is formed and then exposed to the atmosphere except for this, a surface level is formed at the boundary with the p-type region on the surface of the window layer. This is because of the increase.
As shown in FIG. 5, from the formation of MQW to the formation of InP window layer 5, it is one point to continue the growth in the same film forming chamber or quartz tube 65 by the all organic MOVPE method. That is, before the InP window layer 5 is formed, the wafer 50a is not taken out from the film forming chamber, and the InP window layer 5 is not formed by another film forming method. Since the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4 and the InP window layer 5 are continuously formed in the quartz tube 65, the interfaces 16 and 17 are not regrowth interfaces. At the regrowth interface, the oxygen concentration is 1E17 cm −3 or more, the carbon concentration is 1E17 cm −3 or more, and the silicon concentration is 1E17 cm −3 or more, the crystallinity is deteriorated, and the surface of the epitaxial laminate is difficult to be smooth. In the present invention, the concentrations of oxygen, carbon, and silicon are all lower than a predetermined level, and charge leakage does not occur particularly at the intersection line between the p-type region 6 and the interface 17.

本実施の形態では、ＭＱＷの受光層３の上に、たとえば膜厚０．３μｍ程度のノンドープＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布層４を形成する。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布層４は、ＩｎＰ窓層５を形成したあと、選択拡散法によってＩｎＰ窓層５からｐ型不純物のＺｎをＭＱＷの受光層３に届くように導入するとき、高濃度のＺｎがＭＱＷに進入すると、結晶性を害するので、その調整のために設ける。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、上記のように配置してもよいが、なくてもよい。
上記の選択拡散によってｐ型領域６が形成され、その先端部にｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５が形成される。ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４を挿入した場合であっても、ＩｎＧａＡｓはバンドギャップが小さいのでノンドープであっても受光素子の電気抵抗を低くすることができる。電気抵抗を低くすることで、応答性を高めて良好な画質の動画を得ることができる。
ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上に、同じ石英管６５内にウエハ５０ａを配置したまま連続して、アンドープのＩｎＰ窓層５を、全有機ＭＯＶＰＥ法によってたとえば膜厚０．８μｍ程度にエピタキシャル成長するのがよい。原料ガスには、上述のように、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）およびターシャリーブチルホスフィン（ＴＢＰ）を用いる。この原料ガスの使用によって、ＩｎＰ窓層５の成長温度を４００℃以上かつ５６０℃以下に、さらには５３５℃以下にすることができる。この結果、ＩｎＰ窓層５の下に位置するＭＱＷのＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けることがなく、ＭＱＷの結晶性が害されることがない。ＩｎＰ窓層５を形成するときには、下層にＧａＡｓＳｂを含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ５６０℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃程度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化する点、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰ窓層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰ窓層５内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰ窓層５を得られない点があげられる。 In this embodiment, a non-doped InGaAs diffusion concentration distribution layer 4 having a thickness of, for example, about 0.3 μm is formed on the MQW light-receiving layer 3. After the InP window layer 5 is formed, the InGaAs diffusion concentration distribution layer 4 has a high concentration of Zn when the p-type impurity Zn is introduced from the InP window layer 5 to reach the MQW light receiving layer 3 by a selective diffusion method. When it enters MQW, the crystallinity is damaged, so it is provided for the adjustment. The InGaAs diffusion concentration distribution adjustment layer 4 may be arranged as described above, but may not be provided.
The p-type region 6 is formed by the selective diffusion described above, and the pn junction 15 or the pi junction 15 is formed at the tip thereof. Even when the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4 is inserted, since the InGaAs has a small band gap, the electric resistance of the light receiving element can be lowered even if it is non-doped. By reducing the electrical resistance, it is possible to improve the responsiveness and obtain a moving image with good image quality.
On the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4, the undoped InP window layer 5 is epitaxially grown to a thickness of, for example, about 0.8 μm by the all-organic MOVPE method continuously with the wafer 50a placed in the same quartz tube 65. It is good. As described above, trimethylindium (TMIn) and tertiary butylphosphine (TBP) are used for the source gas. By using this source gas, the growth temperature of the InP window layer 5 can be made 400 ° C. or more and 560 ° C. or less, and further 535 ° C. or less. As a result, the MQW GaAsSb located under the InP window layer 5 is not damaged by heat, and the MQW crystallinity is not impaired. When the InP window layer 5 is formed, since the MQW containing GaAsSb is formed in the lower layer, it is necessary to strictly maintain the substrate temperature within a range of, for example, a temperature of 400 ° C. or higher and 560 ° C. or lower. The reason is that when heated to about 600 ° C., the crystallinity of GaAsSb is greatly deteriorated due to heat damage, and when the InP window layer is formed at a temperature lower than 400 ° C., the decomposition efficiency of the source gas is greatly increased. Therefore, the impurity concentration in the InP window layer 5 increases, and a high quality InP window layer 5 cannot be obtained.

上記したように、従来は、ＭＱＷをＭＢＥ法によって形成する必要があった。ところが、ＭＢＥ法によってＩｎＰ窓層を成長するには、燐原料に固体の原料を用いる必要があり、安全性などの点で問題があった。また製造能率という点でも改良の余地があった。
本発明前は、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＩｎＰ窓層５との界面１７は、いったん大気に露出された再成長界面であった。再成長界面は、二次イオン質量分析によって、酸素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上、炭素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上、および、珪素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上のうち、少なくとも一つを満たすことによって特定することができる。再成長界面は、ｐ型領域と交差線を形成し、交差線で電荷リークを生じて、画質を著しく劣化させる。
また、たとえばＩｎＰ窓層を単なるＭＯＶＰＥ法によって成長すると、燐の原料にホスフィン（ＰＨ３）を用いるため、分解温度が高く、下層に位置するＧａＡｓＳｂの熱によるダメージの発生を誘起してＭＱＷの結晶性を害することとなる。 As described above, conventionally, it has been necessary to form the MQW by the MBE method. However, in order to grow an InP window layer by the MBE method, it is necessary to use a solid raw material as a phosphorus raw material, which has a problem in terms of safety. There was also room for improvement in terms of manufacturing efficiency.
Prior to the present invention, the interface 17 between the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4 and the InP window layer 5 was a regrowth interface once exposed to the atmosphere. The regrowth interface is specified by satisfying at least one of oxygen concentration of 1E17 cm −3 or more, carbon concentration of 1E17 cm −3 or more, and silicon concentration of 1E17 cm −3 or more by secondary ion mass spectrometry. Can do. The regrowth interface forms a crossing line with the p-type region, and a charge leak occurs at the crossing line, thereby significantly degrading the image quality.
Further, for example, when an InP window layer is grown by a simple MOVPE method, phosphine (PH 3 ) is used as a raw material of phosphorus, so that the decomposition temperature is high, and the occurrence of damage due to the heat of GaAsSb located in the lower layer is induced, thereby causing It will be harmful to sex.

図５は、図１の受光素子５０の製造方法のフローチャートである。この製造方法によれば、原料ガスに有機金属気体のみを用いて（成膜要因３）成長温度を低下させること（成膜要因２）、および、ＩｎＰ窓層５の形成が終了するまで、一貫して同じ成膜室または石英管６５の中で形成するので、再結晶界面を持たないこと（成膜要因４）が重要である。これによって、電荷リークが少ない、結晶性に優れた、２μｍ〜５μｍの波長領域に受光感度を持つフォトダイオードを能率良く、大量に製造することができる。   FIG. 5 is a flowchart of a manufacturing method of the light receiving element 50 of FIG. According to this manufacturing method, only the organometallic gas is used as the source gas (deposition factor 3) until the growth temperature is lowered (deposition factor 2) and the formation of the InP window layer 5 is completed. Therefore, it is important to have no recrystallization interface (deposition factor 4). As a result, it is possible to efficiently manufacture a large number of photodiodes having a light receiving sensitivity in a wavelength region of 2 μm to 5 μm, which has less charge leakage and excellent crystallinity.

（参考例として挙げる、実施の形態１の変形例１および変形例２）
図６は、実施の形態１の変形例１であって、参考例として挙げる、受光素子を示す図である。本変形例１では、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＭＱＷ受光層３との間に、ＩｎＧａＡｓからなる第２の受光層１３を配置している。第２の受光層を形成するＩｎＧａＡｓの膜厚は０．５μｍである。ｐｎ接合１５は、第２の受光層１３内に少し入っている。この第２の受光層１３によって、近赤外域の短波長側の受光感度を向上させて、受光感度の波長依存性が全波長域にわたって良好な受光素子を得ることができる。 (Modification 1 and Modification 2 of Embodiment 1 given as reference examples )
FIG. 6 is a diagram showing a light receiving element, which is a first modification of the first embodiment and is given as a reference example . In the first modification, a second light receiving layer 13 made of InGaAs is disposed between the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4 and the MQW light receiving layer 3. The film thickness of InGaAs forming the second light receiving layer is 0.5 μm. The pn junction 15 is slightly in the second light receiving layer 13. The second light receiving layer 13 can improve the light receiving sensitivity on the short wavelength side in the near infrared region, and a light receiving element in which the wavelength dependency of the light receiving sensitivity is good over the entire wavelength region can be obtained.

図７は、実施の形態１の変形例２であって、参考例として挙げる、受光素子を示す図である。本変形例２では、ＭＱＷ受光層３と、ＩｎＰバッファ層２との間に、０．５μｍ厚みのＩｎＧａＡｓからなる第２の受光層１３を配置している。ｐｎ接合１５は、第２の受光層１３よりも大きく上側、すなわちＩｎＰ窓層５側に位置している。この第２の受光層１３によって、近赤外域の短波長側の受光感度を向上させて、受光感度の波長依存性が全波長域にわたって良好な受光素子を得ることができる。
図１、図６、および図７に示す受光素子５０は、第２の受光層１３と、ＭＱＷの受光層３との相対的な位置が違うだけで、他の構成は同じである。ｐｎ接合１５に逆バイアス電圧を印加するとき、逆バイアス電圧の大きさによって、空乏層の広がる程度が異なる。たとえば、図７に示す受光素子（変形例２）では、逆バイアス電圧の絶対値が小さいとき、空乏層が第２の受光層に届かない可能性がある。また、図７の受光素子（変形例２）では、第２の受光層１３で受光によって生じた正孔は、全ての量子井戸ポテンシャルを越えなければｐ型領域６に到達しない。このため、第２の受光層に起因する受光感度の向上が得られない場合がある。 FIG. 7 is a diagram showing a light receiving element as a reference example , which is a second modification of the first embodiment. In the second modification, a second light receiving layer 13 made of InGaAs having a thickness of 0.5 μm is disposed between the MQW light receiving layer 3 and the InP buffer layer 2. The pn junction 15 is located larger than the second light receiving layer 13, that is, on the InP window layer 5 side. The second light receiving layer 13 can improve the light receiving sensitivity on the short wavelength side in the near infrared region, and a light receiving element in which the wavelength dependency of the light receiving sensitivity is good over the entire wavelength region can be obtained.
The light receiving element 50 shown in FIGS. 1, 6, and 7 has the same configuration except that the relative position between the second light receiving layer 13 and the MQW light receiving layer 3 is different. When a reverse bias voltage is applied to the pn junction 15, the extent to which the depletion layer spreads varies depending on the magnitude of the reverse bias voltage. For example, in the light receiving element shown in FIG. 7 (Modification 2), when the absolute value of the reverse bias voltage is small, the depletion layer may not reach the second light receiving layer. Further, in the light receiving element of FIG. 7 (Modification 2), holes generated by light reception in the second light receiving layer 13 do not reach the p-type region 6 unless all quantum well potentials are exceeded. For this reason, the improvement of the light reception sensitivity resulting from the 2nd light reception layer may not be acquired.

（実施の形態２）
図８は本発明の実施の形態２における、受光素子（受光素子アレイ）５０を含む光学センサ装置１０である。レンズなどの光学部品は省略してある。ＳｉＯＮ膜からなる保護膜４３が、図８では示されているが、実際には図１にも配置されている。受光素子５０は、図１に示す受光素子と積層構造は同じであり、異なる点は、複数の受光素子または画素Ｐが配列されていることである。また、界面１６，１７が、再成長界面ではなく、酸素、炭素、珪素等の不純物濃度がいずれも低いことなども図１の受光素子と同じである。 (Embodiment 2)
FIG. 8 shows an optical sensor device 10 including a light receiving element (light receiving element array) 50 according to Embodiment 2 of the present invention. Optical parts such as lenses are omitted. Although a protective film 43 made of a SiON film is shown in FIG. 8, it is actually also arranged in FIG. The light receiving element 50 has the same laminated structure as that of the light receiving element shown in FIG. 1, and is different in that a plurality of light receiving elements or pixels P are arranged. Also, the interfaces 16 and 17 are not regrowth interfaces, and the impurity concentrations of oxygen, carbon, silicon, etc. are all low, and the same as the light receiving element of FIG.

図８では、この受光素子アレイ５０と、読み出し回路（Read-Out IC）を構成するＣＭＯＳ７０とが、接続されている。ＣＭＯＳ７０の読み出し電極（図示せず）と、受光素子アレイ５０の画素電極（ｐ側電極）１１とは、接合バンプ３９を介在させて接合されている。また、受光素子アレイ５０の各画素に共通のグランド電極（ｎ側電極）１２と、ＣＭＯＳ７０の図示しない接地電極とが、バンプ１２ｂを介在させて接合されている。ＣＭＯＳ７０と受光素子アレイ５０とを組み合わせて、画素ごとに受光情報を集積して、撮像装置等を得ることができる。
上述のように、本発明の受光素子アレイ（半導体素子）５０は、短波長側〜長波長側の近赤外域に、波長依存性が良好な受光感度を有している。また、全有機ＭＯＶＰＥで一貫して成長されて再成長界面を持たない。このため、暗電流（リーク電流）が小さいので、動植物等の生体の検査、環境モニタ等に用いることで、高精度の検査を遂行することができる。 In FIG. 8, the light receiving element array 50 and a CMOS 70 constituting a read circuit (Read-Out IC) are connected. The readout electrode (not shown) of the CMOS 70 and the pixel electrode (p-side electrode) 11 of the light receiving element array 50 are bonded with the bonding bump 39 interposed. Further, a common ground electrode (n-side electrode) 12 for each pixel of the light receiving element array 50 and a ground electrode (not shown) of the CMOS 70 are joined via bumps 12b. An imaging device or the like can be obtained by combining the CMOS 70 and the light receiving element array 50 and integrating light reception information for each pixel.
As described above, the light-receiving element array (semiconductor element) 50 of the present invention has a light-receiving sensitivity with good wavelength dependency in the near-infrared region from the short wavelength side to the long wavelength side. Also, it is grown consistently with all organic MOVPE and has no regrowth interface. For this reason, since dark current (leakage current) is small, it can be used for inspection of living organisms such as animals and plants, environmental monitoring, and the like, so that highly accurate inspection can be performed.

４つの試験体（受光素子）を製造して受光感度を測定した。試験体は次のとおりである。
（参考例Ａ（試験体Ａ））：図７に示す、参考例として挙げる、実施の形態１の変形例２の受光素子と同じ構造とした。第２の受光層は、ＩｎＰバッファ層とＭＱＷ受光層との間に位置する。
（本発明例Ｂ（試験体Ｂ））：図１に示す実施の形態１の受光素子と同じ構造とした。第２の受光層は、ＭＱＷの中に割って入っている。
（参考例Ｃ（試験体Ｃ））：図６に示す、参考例として挙げる、実施の形態１の変形例１の受光素子と同じ構造とした。第２の受光層は、ＭＱＷ受光層とＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層との間に位置する。
（比較例Ｄ）：図１に示す受光素子から第２の受光層を除き、ＭＱＷのペア数を２５０とした構造とした。第２の受光層はない。
上記の４つの試験体の製造にあたり、共通して次の成長方法を用いた。
ＳドープしたＩｎＰ基板上に、上記各図に示した積層構造を有する半導体ウエハを全有機ＭＯＶＰＥを用いて成長した。すなわち、ＩｎＰ基板／ＩｎＰバッファ層／タイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層と第２の受光層ＩｎＧａＡｓとを有する複合の受光層／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層／ＩｎＰ窓層、の積層構造を成長した。ただし、比較例Ｄは、第２の受光層を含まない。
ＳドープＩｎＰ基板上に、ｎ型不純物ドープＩｎＰバッファ層を厚み０．１５μｍ成長し、その上に、タイプ２型（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）受光層と、第２の受光層とを、両方の受光層の位置関係に応じて、前後して、または間に割って入って、成長した。試験体Ａ〜ＣのＭＱＷは、厚み５ｎｍのＩｎＧａＡｓと、厚み５ｎｍのＧａＡｓＳｂとの２００ペアの積層体とした。第２の受光層は、厚み０．５μｍのアンドープＩｎＧａＡｓとした。比較例Ｄでは、上述のように、第２の受光層を設けずに、２５０ペアのＭＱＷとした。
拡散濃度分布調整層にはアンドープの厚み０．３μｍＩｎＧａＡｓ層を用い。このＩｎＧａＡｓ層上に厚み０．８μｍのアンドープＩｎＰ窓層を成長した。
上記の受光層、ＩｎＰ窓層等の成長には、実施の形態において説明した方法を用いた。 Four test bodies (light receiving elements) were manufactured and the light receiving sensitivity was measured. The test specimens are as follows.
( Reference Example A (Test Body A) ): The same structure as the light receiving element of Modification 2 of Embodiment 1 shown in FIG. The second light receiving layer is located between the InP buffer layer and the MQW light receiving layer.
(Invention Sample B (Specimen B) ): The same structure as that of the light receiving element of the first embodiment shown in FIG. The second light receiving layer is divided into the MQW.
( Reference Example C (Test Body C) ): The same structure as that of the light receiving element of Modification 1 of Embodiment 1 shown in FIG. The second light receiving layer is located between the MQW light receiving layer and the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer.
(Comparative Example D): A structure was adopted in which the number of MQW pairs was 250 except for the second light receiving layer from the light receiving element shown in FIG. There is no second light receiving layer.
In the production of the above four test specimens, the following growth method was commonly used.
On the S-doped InP substrate, a semiconductor wafer having the laminated structure shown in the above figures was grown using all organic MOVPE. That is, a laminated structure of InP substrate / InP buffer layer / type 2 type (InGaAs / GaAsSb) MQW light receiving layer and second light receiving layer InGaAs composite light receiving layer / InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer / InP window layer Grew up. However, Comparative Example D does not include the second light receiving layer.
An n-type impurity-doped InP buffer layer is grown on an S-doped InP substrate to a thickness of 0.15 μm, and a type 2 (InGaAs / GaAsSb) light-receiving layer and a second light-receiving layer are formed on both layers. Depending on the positional relationship, it was grown back and forth or in between. The MQWs of the test bodies A to C were 200 pairs of laminates of 5 nm thick InGaAs and 5 nm thick GaAsSb. The second light receiving layer was made of undoped InGaAs having a thickness of 0.5 μm. In Comparative Example D, as described above, 250 pairs of MQWs were formed without providing the second light receiving layer.
An undoped 0.3 μm thick InGaAs layer is used for the diffusion concentration distribution adjusting layer. An undoped InP window layer having a thickness of 0.8 μm was grown on the InGaAs layer.
The method described in the embodiment was used for the growth of the light receiving layer, the InP window layer, and the like.

＜受光感度の評価＞
上記の受光素子に対して室温で受光感度の測定を行った。測定に用いた光の波長は、１．３１μｍ、１．５５μｍ、１．６５μｍ、２．０μｍである。入射は、各受光素子ともに、エピタキシャル積層体側入射（表面入射）と、ＩｎＰ基板入射の２通り行った。感度評価の際の逆バイアス電圧Ｖｒは−５Ｖとした。
受光感度の測定結果を図９および図１０に示す。図９は表面入射の場合を示し、図１０は基板側入射の場合を示す。
比較例Ｄでは、表面入射、および基板入射の場合、のいずれの場合でも、波長２．０μｍの受光感度が０．５５〜０．６（Ａ／Ｗ）であるのに比して、波長１．３１μｍの受光感度は０．０５Ａ／Ｗ程度であり、極端に小さい。波長２．０μｍの受光感度が大きいのは、ＭＱＷのペア数を２５０として、試験体Ａ〜Ｃのペア数２００よりも大きくしたためである。
本発明例Ｂは、表面入射および基板入射の両方において、波長１．３１μｍにおける受光感度の低下を抑制している。ＭＱＷの中に割って入って第２の受光層を配置させることで、波長１．３１μｍでの受光感度の低下を抑制可能なことが分かる。
また、参考例Ｃは、第２の受光層（ＩｎＧａＡｓ）をＭＱＷの上、表面近くに配置した構造であるが、表面入射の場合に限って、波長１．３１μｍでの受光感度の低下を抑制可能である。しかし、基板入射では、波長１．３１μｍでの受光感度の抑制効果は認められない。
また、参考例Ａでは、表面入射および基板入射の両方の場合ともに、受光感度の低下を抑制する効果がわすかに認められるが、十分とはいえない。
上記のように、試験体Ａ〜Ｃにおいて、波長１．３１μｍでの受光感度の低下の抑制効果は、第２の受光層の位置によって変動する。その理由については、ここで推測をすることは控えたい。 <Evaluation of photosensitivity>
The light receiving sensitivity of the above light receiving element was measured at room temperature. The wavelengths of light used for measurement are 1.31 μm, 1.55 μm, 1.65 μm, and 2.0 μm. Incidence was performed in two ways for each light receiving element: incident on the epitaxial laminate (front surface incidence) and incidence on the InP substrate. The reverse bias voltage Vr at the time of sensitivity evaluation was set to -5V.
The measurement results of the light receiving sensitivity are shown in FIG. 9 and FIG. FIG. 9 shows the case of surface incidence, and FIG. 10 shows the case of substrate side incidence.
In Comparative Example D, in either case of surface incidence and substrate incidence, the wavelength 1 is smaller than the light receiving sensitivity of wavelength 2.0 μm is 0.55 to 0.6 (A / W). The light receiving sensitivity of .31 μm is about 0.05 A / W, which is extremely small. The reason why the light receiving sensitivity at the wavelength of 2.0 μm is large is that the number of MQW pairs is 250, which is larger than the number of pairs 200 of the specimens A to C.
Inventive Example B, in both front-illuminated and substrate incident, and suppressing a decrease in light receiving sensitivity at a wavelength of 1.31 .mu.m. It can be seen that a decrease in the light receiving sensitivity at a wavelength of 1.31 μm can be suppressed by dividing the MQW and placing the second light receiving layer.
Reference Example C has a structure in which the second light receiving layer (InGaAs) is arranged near the surface on the MQW. However, only in the case of surface incidence, the decrease in light receiving sensitivity at a wavelength of 1.31 μm is suppressed. Is possible. However, when the substrate is incident, the effect of suppressing the light receiving sensitivity at a wavelength of 1.31 μm is not recognized.
Further, in Reference Example A, the effect of suppressing the decrease in the light receiving sensitivity is clearly observed in both cases of surface incidence and substrate incidence, but this is not sufficient.
As described above, in the test bodies A to C, the effect of suppressing the decrease in light receiving sensitivity at the wavelength of 1.31 μm varies depending on the position of the second light receiving layer. I don't want to make any speculations about why.

上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明の受光素子によれば、近赤外の受光域、１μｍ程度の短波長側から３．０μｍ程度の長波長側にわたって、実用上、問題のないレベルの受光感度の平坦性を得ることができる。とくにＭＱＷの成長を全有機ＭＯＶＰＥで行うことによって、ＩｎＰ窓層を含むエピタキシャル層を能率良く積層できるだけでなく、受光感度の平坦性の一層の向上にも資することができる。   According to the light receiving element of the present invention, it is possible to obtain a level of light receiving sensitivity that is practically satisfactory from the near-infrared light receiving region from the short wavelength side of about 1 μm to the long wavelength side of about 3.0 μm. it can. In particular, by performing MQW growth with all organic MOVPE, it is possible not only to efficiently stack an epitaxial layer including an InP window layer, but also to further improve the flatness of light receiving sensitivity.

１ ＩｎＰ基板、２ バッファ層（ＩｎＰおよび／またはＩｎＧａＡｓ）、３タイプ２型ＭＱＷ受光層、４ ＩｎＧａＡｓ層（拡散濃度分布調整層）、５ ＩｎＰ窓層、６ ｐ型領域、１０ 光学センサ装置（検出装置）、１１ ｐ側電極（画素電極）、１２ グランド電極（ｎ側電極）、１２ｂ バンプ、１３ 第２の受光層、１５ ｐｎ接合、１６ ＭＱＷとＩｎＧａＡｓ層との界面、１７ ＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ窓層との界面、２０ 赤外線温度モニタ装置、２１ 反応室の窓、３０ 反応室、３５ ＡＲ（反射防止）膜、３６ 選択拡散マスクパターン、３９ 接合バンプ、４３ 保護膜（ＳｉＯＮ膜）、５０ 受光素子（受光素子アレイ）、５０ａ ウエハ（中間製品）、６０ 全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置、６１ 赤外線温度モニタ装置、６３ 反応室、６５ 石英管、６９ 反応室の窓、６６ 基板テーブル、６６ｈ ヒータ、７０ ＣＭＯＳ、Ｐ 画素。   1 InP substrate, 2 buffer layer (InP and / or InGaAs), 3 type 2 type MQW light receiving layer, 4 InGaAs layer (diffusion concentration distribution adjusting layer), 5 InP window layer, 6 p type region, 10 optical sensor device (detection) Device), 11 p-side electrode (pixel electrode), 12 ground electrode (n-side electrode), 12b bump, 13 second light receiving layer, 15 pn junction, 16 interface between MQW and InGaAs layer, 17 InGaAs layer and InP window Interface with layers, 20 Infrared temperature monitoring device, 21 Reaction chamber window, 30 Reaction chamber, 35 AR (antireflection) film, 36 Selective diffusion mask pattern, 39 Bond bump, 43 Protective film (SiON film), 50 Light receiving element (Light receiving element array), 50a wafer (intermediate product), 60 all-organic MOVPE film forming device, 61 infrared temperature monitoring device, 6 The reaction chamber, 65 a quartz tube, 69 the reaction chamber of the window, 66 the substrate table, 66h heater, 70 CMOS, P pixels.

Claims (10)

化合物半導体の基板、および該基板上に形成されたエピタキシャル積層体を備え、近赤外域に受光感度をもつ受光素子であって、
前記エピタキシャル積層体は、
ペア数が５０以上の、タイプ２型の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）の受光層と、
前記受光層の中に位置し、前記タイプ２型の遷移におけるバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２の受光層と、
前記エピタキシャル積層体の表面から該エピタキシャル積層体内へと位置する、ｐ型またはｎ型の不純物領域とを備え、
前記不純物領域は先端部にｐｎ接合を形成しており、
前記ｐｎ接合が、前記第２の受光層内か、または該第２の受光層よりも前記エピタキシャル積層体の表面に近い位置に位置することを特徴とする、受光素子。 A light-receiving element comprising a compound semiconductor substrate, and an epitaxial laminate formed on the substrate, and having light reception sensitivity in the near infrared region,
The epitaxial laminate is
A type 2 type multi-quantum well (MQW) light-receiving layer having 50 or more pairs;
A second light receiving layer having a band gap larger than the band gap at the position, and the transition of pre-Symbol type 2 in the light receiving layer,
A p-type or n-type impurity region located from the surface of the epitaxial multilayer to the epitaxial multilayer;
The impurity region forms a pn junction at the tip,
The light receiving element, wherein the pn junction is located in the second light receiving layer or at a position closer to the surface of the epitaxial multilayer body than the second light receiving layer. 前記基板がＩｎＰ基板であり、前記受光層が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下ＩｎＧａＡｓと記す。）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２、以下ＧａＡｓＳｂと記す）とのＭＱＷであり、前記不純物領域がｐ型領域であることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。 Wherein the substrate is a InP substrate, the absorption layer, In x Ga 1-x As (0.38 ≦ x ≦ 0.68, hereinafter referred to as InGaAs.) And GaAs 1-y Sb y (0.36 ≦ y The light receiving element according to claim 1, wherein the impurity region is a p-type region, and the MQW is ≦ 0.62, hereinafter referred to as GaAsSb. 前記ＭＱＷにおいてＧａＡｓＳｂと対をなすＩｎＧａＡｓを、ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮＰおよびＩｎＧａＡｓＮＳｂのいずれか一つで置き換えたことを特徴とする、請求項２に記載の受光素子。   3. The light receiving element according to claim 2, wherein InGaAs paired with GaAsSb in the MQW is replaced with any one of InGaAsN, InGaAsNP, and InGaAsNSb. 前記第２の受光層が、厚み０．１μｍ以上１μｍ以下のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下ＩｎＧａＡｓと記す。）層であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子。 The second light receiving layer is an In x Ga 1-x As (0.38 ≦ x ≦ 0.68, hereinafter referred to as InGaAs) layer having a thickness of 0.1 μm or more and 1 μm or less. Item 4. The light receiving element according to any one of Items 1 to 3. 前記受光素子において、波長１．３μｍの受光感度と波長２．０μｍの受光感度との比が、０．３以上１．２以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の受光素子。   5. The light receiving element according to claim 1, wherein a ratio of a light receiving sensitivity with a wavelength of 1.3 μm to a light receiving sensitivity with a wavelength of 2.0 μm is 0.3 or more and 1.2 or less. The light receiving element according to item. 前記エピタキシャル積層体の内部、または該エピタキシャル積層体と前記基板との間に、再成長界面がないことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の受光素子。   The light receiving element according to claim 1, wherein there is no regrowth interface inside the epitaxial multilayer body or between the epitaxial multilayer body and the substrate. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の受光素子を備えることを特徴とする、光学センサ装置。   An optical sensor device comprising the light receiving element according to claim 1. ＩｎＰ基板の上にタイプ２型の、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下「ＩｎＧａＡｓ」と記す）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２、以下「ＧａＡｓＳｂ」と記す）との多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）の受光層を備えた受光素子の製造方法であって、
前記ＩｎＰ基板の上に前記ＭＱＷを成長する工程を備え、
該ＭＱＷの成長の途中で該ＭＱＷの成長を一時的に停止して、前記ＭＱＷのタイプ２型の遷移におけるバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する第２の受光層を形成することを特徴とする、受光素子の製造方法。 Type 2 In x Ga 1-x As (0.38 ≦ x ≦ 0.68, hereinafter referred to as “InGaAs”) and GaAs 1-y Sb y (0.36 ≦ y ≦ 0) on the InP substrate. .62, hereinafter referred to as “GaAsSb”), and a method of manufacturing a light receiving element having a light receiving layer having a multi-quantum well (MQW) structure,
Growing the MQW on the InP substrate;
Temporarily stopped in the middle growth of the MQW growth of the MQW, and forming a second light-receiving layer having a band gap larger than the band gap in the transition of the type 2 of the MQW And manufacturing method of light receiving element. 前記エピタキシャル積層体の表面をＩｎＰ窓層として、前記ＩｎＰ基板上に、前記ＭＱＷ、第２の受光層および前記ＩｎＰ窓層を含むエピタキシャル積層体を、一貫して、全有機金属気相成長法により成長することを特徴とする、請求項８に記載の受光素子の製造方法。   Using the surface of the epitaxial multilayer as an InP window layer, the epitaxial multilayer including the MQW, the second light-receiving layer, and the InP window layer is consistently formed on the InP substrate by an all-organic metal vapor deposition method. The method for manufacturing a light receiving element according to claim 8, wherein the light receiving element is grown. 前記ＭＱＷの形成工程では、温度４００℃以上かつ５６０℃以下で、前記ＭＱＷを形成することを特徴とする、請求項８または９に記載の半導体素子の製造方法。   10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein, in the MQW formation step, the MQW is formed at a temperature of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less.
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