JP5691205B2 - 受光素子、受光素子アレイ、ハイブリッド型検出装置、光学センサ装置、および受光素子アレイの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、近赤外から赤外域に受光感度を有する、受光素子、受光素子アレイ、その受光素子アレイを用いた、ハイブリッド型検出装置、光学センサ装置、および受光素子アレイの製造方法に関するものである。

近赤外の波長域は、動植物などの生体や環境に関連した吸収スペクトルに対応するため、受光層にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた近赤外域の検出器の開発が盛んに行われている。たとえば受光層にExtended−InGaAsを用いることで波長２．６μｍまで感度を持たせた受光素子アレイに読み出し回路(ROIC:Read-out IC)であるＣＭＯＳ（Complementary Metal−Oxide Semiconductor）回路を接続して、光電流を出力信号に変換する検出器の例が発表されている（非特許文献１）。受光素子アレイでは、ｐｎ接合に入射した光によって発生する電子／正孔対のうち電子を共通のｎ側電極に集合的に集め、正孔を画素電極であるｐ側電極からＣＭＯＳへ読み出している。

また受光層にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ:Multi-Quantum Wells）を用いた受光素子について、波長２．５μｍまで感度を持つことが報告されている（非特許文献２）。
また、近赤外域ではなく、より短い波長域（可視域）の受光素子アレイにＣＭＯＳの読み出し回路を用いた例が開示されている（特許文献１，２）。この場合、半導体にはシリコンを用いてｎ型領域の画素から電子の信号電荷を読み出す。

特開平１１−３０７７５３号公報 特開２００２−２１７３９７号公報

高橋秀夫ら「近赤外用InGaAs光検出器」，OPTRONICS(1997),No.3, pp.107-113 R.Sidhu, N.Duan, J.C.Campbell, and A.L.Holmes, Jr.," 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

上記の非特許文献１の近赤外用ＩｎＧａＡｓ光検出器（イメージセンサ）では、ＩｎＰ基板に格子整合しない組成のＩｎＧａＡｓを受光層としているため、暗電流が大きくなりセンサのノイズが大きい。バッファ層によって徐々に歪みを緩和するなどの工夫をしているが限界がある。このノイズを低減してＳ／Ｎ比を実用可能なレベルまで改善しようとすると冷却装置が必要になり、大掛かりな装置となる。また、ＩｎＧａＡｓ受光層上にエピタキシャル成長させる窓層には、ＩｎＰ等を用いることができず、たとえばＩｎＧａＡｓ受光層に格子整合するＩｎＡｓＰ（Ａｓ／Ｐはほぼ０．６／０．４）を窓層に用いると、ＩｎＡｓＰ層は波長１〜１．５μｍに吸収帯があるため、表面入射でも裏面入射でも、この波長域の光に対する感度は小さくなる。
また、非特許文献２の受光素子については、これまで、アレイ化して検出装置としたことはなく、ましてアレイ化された検出装置の感度などの測定がなされた例はない。
また、半導体にシリコンを用いた特許文献１〜２における受光素子は近赤外域に感度を持たない。

本発明は、近赤外域に高い受光感度を持つ、受光素子、受光素子アレイ、その受光素子アレイを用いた、ハイブリッド型検出装置、光学センサ装置、および受光素子アレイの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の受光素子アレイは、受光素子が配列されている。この受光素子アレイは、ｐ型のＩｎＰ基板と、バンドギャップ波長１．６５μｍ〜３．０μｍを有してＩｎＰ基板の上に位置する受光層と、受光層上に位置する不純物濃度分布調整層と、不純物濃度分布調整層上に位置するキャップ層とを備える。受光層は、ＩｎＰ基板と格子整合する、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）、のうちのいずれか１つのタイプ２型のＭＱＷからなり、受光素子ごとにキャップ層上に位置する電極を備え、該電極は、当該受光素子ごとに設けられたｎ型領域においてキャップ層にオーミック接触しており、隣りの受光素子と、溝またはｎ型化されていない領域によって隔てられており、ｐｎ接合は、前記受光層内であって前記受光素子ごとのｎ型領域の先端部に位置し、傾斜型接合となっており、
（１）ｎ型領域のｎ型キャリア濃度の分布が、不純物濃度分布調整層内で１ｅ１６／ｃｍ ^３ 以下の低濃度に急に低下したあと緩やかな勾配になり、受光層へとその緩やかな勾配で傾斜して入っていて、前記ｐｎ接合は該受光層内に形成されている、または、
（２）前記受光層の底面に接して前記ＩｎＰ基板へとｐ型キャリア濃度がステップ状に高くなるｐ型半導体層を備え、前記ｎ型領域が前記受光層の底部にまで届き、前記ｐｎ接合は該ｎ型領域と前記ｐ型半導体層との界面に形成されていて、キャップ層が、ＩｎＰ層、またはＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ層との複合層、であることを特徴とする。ここで、受光素子アレイにおける受光素子は、一次元配列でも二次元配列でもよく、また、どちらの場合とも規則配列でも不規則配列でもよい。

上記の構成によれば、受光層はタイプ２型のＭＱＷで構成され、受光素子によって構成される画素の電極は、ｎ型領域にオーミック接触する。このため、ＭＱＷで受光して形成された電子正孔対のうち電子による電荷が画素情報として読み出される。
一般的に、半導体のバンド内のキャリア（電子および正孔）のうち、正孔は電子に比べて移動度が小さい傾向があった。タイプ２型のＭＱＷを受光層として、画素の読み出し部をｐ型領域としても、ＩｎＰ基板と反対側のキャップ層側からの光入射では、上記の近赤外域にわたって量子効率０．３〜０．９程度の感度を有していた。しかし、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射する場合、タイプ２型のＭＱＷを受光層として、画素の読み出し部をｐ型領域とした場合には、上記波長域の受光感度は大幅に低下する。この現象は、本発明者らによってごく最近知るところとなった現象である。この現象が起きる機構は次のように推測される。
「ＭＱＷの一つの量子井戸内に正孔がトラップされると、その量子井戸の障壁ポテンシャルを超えるのに所定のエネルギを要する。ＩｎＰ基板と反対側のキャップ層側からの光入射では、入射して直ぐにキャップ層に近い範囲のＭＱＷで光電変換しやすく、生成した電子正孔対のうち移動度が小さい正孔が位置する量子井戸から画素電極まで少数の量子井戸しかない。この場合、正孔は画素電極に比較的容易に到達して十分な感度を得ることができる。しかし、ＩｎＰ基板裏面からの入射の場合、入射して直ぐに受光する位置はＩｎＰ基板に近い範囲の量子井戸である。このため、ＩｎＰ基板の裏面入射では、正孔は、画素電極に到達するのに、多数の量子井戸を越える必要がある。しかし、正孔は移動度が小さいため相当の割合が、多数の量子井戸のポテンシャル障壁を超えて画素電極にまで到達することができなくなる。このため、タイプ２型のＭＱＷを受光層として画素をｐ型領域とする場合、キャップ層側入射では高い感度を示しながら、ＩｎＰ基板の裏面入射では、感度が大幅に低下する。この感度低下の度合いは、波長によって変動する受光層の光吸収率に影響される。」
これまでは、もっぱら、タイプ２型ＭＱＷの受光層を持つ１つの受光素子について、キャップ層側入射についてデータが採取されていた。しかし、受光素子を複数、二次元アレイ化すると、画素の配線が入射光に対して障害とならないようにするには、ＩｎＰ基板の裏面入射は避けられない。

ＩｎＰ系ＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体の画素をｐ型領域とするのは、不純物元素の取り扱いのし易さ、これまでに蓄積された技術などによる。亜鉛（Ｚｎ）は、ＩｎＰの不純物として非常に扱いやすいために広く用いられ、多くの蓄積データがあり、ＩｎＰの不純物の定番とされてきた。このためＺｎはＩｎＰに選択拡散されて、選択拡散領域（ｐ型領域）を画素とする技術等が蓄積されてきた。各画素は、選択拡散されていない領域によって隔絶される。ＩｎＰには、Ｚｎ以外に他の不純物をあえて用いない状況が続いてきた。Ｚｎは、それくらい、ＩｎＰにとって扱いやすい不純物である。ただし、ＺｎはＩｎＰのｐ型不純物なので、画素をｐ型領域とすることで、他の不都合な点についてはコストをかけて対応していた。たとえば、マルチプレクサを例にあげると、画素をｎ型領域とするシリコンによる受光素子アレイを用いた撮像装置では、ＣＭＯＳやＣＣＤの読み出し電極は電子による信号電荷を読み出す回路構成となっている。このため、正孔による信号電荷を読み出して処理するには、極性を変える対応が必要となる。

上述のように、受光層をタイプ２型のＭＱＷとし、選択拡散領域（ｐ型領域）を画素とする受光素子アレイをＩｎＰ基板側からの裏面入射とすると、受光により生成した電子正孔対のうち正孔のかなりの割合がＭＱＷを通って画素電極に到達できなくなり、受光感度の低下をもたらす。そこで、ＩｎＰにおけるＺｎの使い易さに頼らずに、ｎ型不純物の選択拡散領域を画素とするのが本発明の基本的な考え方である。このためｎｉｐ型受光素子アレイとする。本発明は、タイプ２型のＭＱＷによる受光素子アレイをｐｉｎ型で構成することは、感度をいちじるしく低下させるという、このたび確認された現象に基づいている。本発明では、受光層をタイプ２型のＭＱＷとし、選択拡散領域（ｎ型領域）を画素とする受光素子アレイをＩｎＰ基板側からの裏面入射とすることで、次の作用を得ることができる。
（１）電子はホールに比べて移動度が大きいなどの理由から、多数の量子井戸を、比較的容易に超えて、効率（歩留まり）よく、画素電極に到達することができる。このため、波長による感度の変動を小さくすることができる。
（２）また、上記（１）の作用を得ることができるので、ＩｎＰ基板の裏面入射において、ｐｎ接合をＩｎＰ基板に近い範囲のＭＱＷ内に配置することができる。このような配置にすることで、ＩｎＰ基板裏面入射の場合に、入射して直ぐの光量が多い領域において、ｐｎ接合からの空乏層を広げることができる。このような光量が多い領域では、光吸収の程度が大きい。この結果、受光感度を向上させ、波長による感度の変動が小さい受光素子アレイを得ることができる。
なお、所定のエピタキシャル層が、ＩｎＰ基板と格子整合するとは、ＩｎＰの格子定数との相違が、０．００２以下であること、すなわち、ＩｎＰ基板の格子定数をａｏ、エピタキシャル層の格子定数をａとするとき、｜ａ−ａｏ｜／ａｏ≦０．００２、を満たすことをいう。

ｐｎ接合の位置を、受光層内〜ＭＱＷの底面の範囲に、配置する。たとえばｐｎ接合の位置がＩｎＰ基板に近い場合、空乏層を裏面の入射面に近づけて、入射して直ぐに光電変換することができる。電子はホールに比べて移動度が大きいので、多数の量子井戸を、比較的容易に超えて、効率（歩留まり）よく、画素電極に到達することができる。このため、波長による感度の変動を小さくすることができる。また、ＭＱＷの結晶性が劣化することが考えられるので、ＭＱＷの結晶性も考慮して上記のｎ型不純物を導入する深さを選択するのがよい。

キャップ層を、ＩｎＰ層、またはＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ層との複合層、とする。ＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓは、波長１μｍ〜１．５μｍの吸収が小さいので、波長１μｍ〜近赤外域の範囲全体の受光感度を高くすることができる。
またＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓは、ＩｎＰ基板と格子整合するため、キャップ層だけでなく、バッファ層に用いることで、上記の波長域の吸収が小さいので、ＩｎＰ基板裏面入射の場合に、受光層に届くまでの吸収を抑えることができ、感度を高くすることができる。
ここで、キャップ層を、ＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓ層との複合層として、ＩｎＰ層／ＩｎＧａＡｓ層／受光層、の積層構造をとる場合、ＩｎＧａＡｓ層を不純物濃度分布調整層と呼ぶ。キャップ層の語は、ＩｎＰ層のみをさす場合と、（ＩｎＰ層／ＩｎＧａＡｓ不純物濃度分布調整層）の複合層をさす場合とがあるが、とくに断らない限りは、両方の場合をさす。しかし、本発明の趣旨に沿って広く解釈されるべきである。
不純物濃度分布調整層は、画素におけるｎｉｐ型フォトダイオードを、多様な形態とするために、ｐｎ接合を多様な深さ位置に、逆バイアス電圧下で空乏層を受光層（低濃度キャリアとされる）に広く張り出すために配置することができる。不純物濃度分布調整層は、多様な製造方法に応じて、適切な形態のｎｉｐ型フォトダイオードを形成するために、配置してもよい。

受光素子を、選択拡散または選択イオン注入、によって形成されたｎ型領域を有し、前記選択拡散されずｎ型化されていない領域または選択イオン注入されずｎ型化されていない領域によって、他の受光素子と隔てられているようにできる。これによって、メサエッチングをすることなく、不純物濃度分布のみにより、受光素子アレイを形成することができる。このため、メサエッチングに伴う結晶損傷などを避けることができる。

参考的にこの段落に挙げるものであるが、受光素子が、ｎ型不純物をドーピングされたキャップ層、またはｎ型不純物をドーピングされたキャップ層および受光層、を有し、隣の受光素子と溝で隔てられているようにできる。これによれば、選択拡散によらず、エピタキシャル成膜の際にｎ型不純物をドープしておき、メサエッチングによって、隣り合う受光素子を隔離する。このため、ｎ型不純物の種類によっては選択拡散が難しい場合、受光素子の独立を保ちながらアレイ化することができる。

参考的にこの段落に挙げるものであるが、受光素子が、ｎ型不純物をドーピングされたキャップ層、またはｎ型不純物をドーピングされたキャップ層および受光層を有し、ｐ型不純物を選択拡散されたｐ型領域、またはｐ型不純物を選択イオン注入されたｐ型領域、によって隣の受光素子と隔てられているようにできる。これによって、メサエッチングすることなく、受光素子の間の領域に、成膜時のドーピングによるｎ型領域をｐ型領域化するほどのｐ型不純物を選択拡散または選択イオン注入して、受光素子を隣から隔離する。

受光層を、（１）ｎ⁻型層、（２）ｐ⁻型層、および（３）キャップ層側をｎ⁻型層としかつＩｎＰ基板側をｐ⁻型層とする不純物複合層、の（１）〜（３）のうちのいずれか１つであり、キャリア濃度をいずれも１ｅ１６／ｃｍ^３以下とすることができる。いずれの場合も、受光層のどの部分のキャリア濃度も１ｅ１６／ｃｍ^３以下とする。これによって、結晶性の良好なＭＱＷを得ることができる。また、ｐｎ接合から空乏層を受光層（ＭＱＷ）内に広く広げやすくなり、感度を高めることができる。

本発明のハイブリッド型検出装置は、上記のいずれかの受光素子アレイと、シリコン読み出し回路とを備え、受光素子アレイの受光素子ごとの電極と、シリコン読み出し回路の読み出し電極とが、接合バンプを介在させて導電接続しており、受光素子アレイにおけるＩｎＰ基板の裏面から光が入射することを特徴とする。これによって、近赤外域に高い受光感度を持つハイブリッド型検出装置を得ることができる。

受光素子アレイにおける受光素子に印加する逆バイアス電圧を０〜−１Ｖとすることができる。これによって、小さい電源を用いて近赤外光の受光することができる。このため、小型軽量化ができ、携行に便利なハイブリッド型検出装置を得ることができる。

本発明の光学センサ装置は、上記のいずれかの受光素子アレイ、またはいずれかのハイブリッド検出装置を用いることを特徴とする。これによって、近赤外域の長波長域まで高感度で受光できるので、たとえば所定の成分の特定に用いることができる波長を、複数本、用いて検査を遂行できる。このため、検査の精度を高めることができ、または本発明より前では不可能な検査を実施することができる。
ここで、光学センサ装置は、光学素子、たとえば分光器、レンズ等の光学系と組み合わせたものであり、波長分布測定を遂行したり、撮像装置として用いたり、多くの有用な実用製品を得ることができる。当然、マイコン等の制御装置等を含む場合が多い。上記の光学センサ装置の具体例として、（１）視界支援もしくは監視をするための撮像装置、（２）生体中の成分を検査するための生体成分検査装置、（３）水分濃度を検査するための水分検査装置、（４）食品の品質を検査するための食品品質検査装置、および（５）焼却装置等の気体中の成分をモニタするための環境モニタ装置等がをあげることができる。

本発明の受光素子は、ｐ型のＩｎＰ基板と、バンドギャップ波長１．６５μｍ〜３．０μｍを有し、ＩｎＰ基板の上に位置する受光層と、受光層上に位置する不純物濃度分布調整層と、不純物濃度分布調整層上に位置するキャップ層とを備え、受光層は、ＩｎＰ基板と格子整合する、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）、のうちのいずれか１つのタイプ２型の多重量子井戸構造からなり、キャップ層上に位置する電極を備え、該電極は、ｎ型領域においてキャップ層にオーミック接触しており、ｎ型領域は、周りとｎ型化されていない領域によって隔てられており、ｐｎ接合は、受光層内であって受光素子ごとのｎ型領域の先端部に位置し、傾斜型接合となっており、
（あ１）ｎ型領域のｎ型キャリア濃度の分布が、不純物濃度分布調整層内で１ｅ１６／ｃｍ ^３ 以下の低濃度に急に低下したあと緩やかな勾配になり、受光層へとその緩やかな勾配で傾斜して入っていて、ｐｎ接合は該受光層内に形成されている、または、
（２）受光層の底面に接してＩｎＰ基板へとｐ型キャリア濃度がステップ状に高くなるｐ型半導体層を備え、ｎ型領域が受光層の底部にまで届き、ｐｎ接合は該ｎ型領域とｐ型半導体層との界面に形成されていて、
キャップ層が、ＩｎＰ層、またはＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ層との複合層、であることを特徴とする。これによって、基板入射でもキャップ層入射でも、近赤外域の長波長範囲にまで高い受光感度を有する受光素子を得ることができる。この受光素子は、逆バイアス電圧も低くてよく、電源の小型化、軽量化などに貢献することができる。さらに、ＣＭＯＳ等の読み出し電極を正孔に対応する特殊仕様にする必要がなく安価な光学センサ装置を得ることができる。

本発明の受光素子アレイの製造方法は、受光素子が配列された受光素子アレイを製造する。この製造方法は、ｐ型ＩｎＰ基板上またはｐ型ＩｎＰ基板上のｐ型バッファ層上に、格子整合する、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）、のうちのいずれか１つのタイプ２型のＭＱＷの受光層を形成する工程と、受光層上に不純物濃度分布調整層を形成する工程と、不純物濃度分布調整層上にキャップ層を形成する工程と、キャップ層からｎ型不純物を導入してｎ型領域を形成して該ｎ型領域の先端にｐｎ接合を受光素子ごとに形成する工程と、ｎ型領域に受光素子ごとに電極を形成する工程とを備え、
（あ１）ｎ型領域のｎ型キャリア濃度の分布が、不純物濃度分布調整層内で１ｅ１６／ｃｍ ^３ 以下の低濃度に急に低下したあと緩やかな勾配になり、受光層へとその緩やかな勾配で傾斜して入るようにしてｐｎ接合を該受光層内に形成する、または、
（２）受光層を形成する前に、受光層とＩｎＰ基板との間に位置し、ＩｎＰ基板へとｐ型キャリア濃度がステップ状に高くなるようにｐ型バッファ層を形成し、ｎ型領域が受光層の底部にまで届き、ｐｎ接合が該ｎ型領域とｐ型バッファ層との界面に形成される、ことを特徴とする。
これによって、近赤外域に高い受光感度を有する受光素子アレイを比較的簡単に製造することができる。

受光素子ごとのｎ型領域の形成では、（１）キャップ層の表面から選択拡散または選択イオン注入することで該ｎ型領域を形成し、選択拡散されていない領域または選択イオン注入されていない領域によって他の受光素子と隔てる、ことができる。
これによって、選択肢のうちから不純物元素の特徴などに適した、隣と隔離された受光素子の配列を得ることができる。

本発明により、近赤外域に高い受光感度を持つ、受光素子アレイ等を得ることができる。

本発明の実施の形態１における近赤外域のハイブリッド型検出装置を示す断面図である。 図１の受光素子アレイを光入射側から見た平面図である。 図１の受光素子アレイ内の一つの受光素子におけるキャリア濃度の厚み方向分布を示す図である。 本発明の実施の形態２における近赤外域のハイブリッド検出装置を示す断面図である。 図４の受光素子アレイ内の一つの受光素子におけるキャリア濃度の厚み方向分布を示す図である。 参考例として挙げる実施の形態３における近赤外域のハイブリッド検出装置を示す断面図である。 図６の受光素子アレイ内の一つの受光素子におけるキャリア濃度の厚み方向分布を示す図である。 参考例として挙げる実施の形態４における近赤外域のハイブリッド検出装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態５における光学センサ装置である撮像装置または視界支援装置を示す図である。 夜間の後方の視界支援装置を示す図である。 本発明の実施の形態６における光学センサ装置である生体成分検出装置を示す図である。 本発明の実施の形態７における光学センサ装置である生体中の水分検出装置（眼の水分布像形成装置）を示す図である。 本発明の実施の形態８における光学センサ装置である食品品質検査装置である食味を検査する装置を示す図である。 異なる３つの銘柄の米の１２００ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲の吸収スペクトルを示す図である。 本発明の実施の形態９における光学センサ装置である、ごみの燃焼炉においてごみの温度分布を得るための温度分布測定装置である。 図１５における温度分布撮像装置２０ａを示す図である。 ごみ燃焼炉における近赤外スペクトルを示す図である。 水の吸収スペクトルを示す図である。 本発明より前の近赤外域のハイブリッド検出装置を示す断面図である。 図１９の受光素子アレイ内の一つの受光素子におけるキャリア濃度の厚み方向分布を示す図である。 本発明より前の受光素子アレイのＭＱＷにおける正孔の価電子帯における準位を示す図である。

＜本発明より前のハイブリッド型検出装置の問題＞
ここで説明する、近赤外域用のＭＱＷを受光層とする本発明より前のハイブリッド型検出装置についての問題は未だ知られていない。
図１９は、本発明より前の受光素子アレイ１５０と、読み出し回路（ＲＯＩＣ）を構成するＣＭＯＳ１７０と、を備えるハイブリッド型検出装置１１０を示す図である。受光素子アレイ１５０は次の積層構造を有する。
ｎ型ＩｎＰ基板１０１／ｎ型ＩｎＰ（またはＩｎＧａＡｓ）バッファ層１０２／ｎ⁻型受光層１０３（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のタイプ２型ＭＱＷ／ｎ⁻型ＩｎＧａＡｓ選択拡散濃度分布調整層１０４／ｎ⁻型ＩｎＰキャップ層１０５
受光素子またはフォトダイオードは、ｎ⁻型ＩｎＰキャップ層１０５の表面から選択拡散によって導入されたｐ型領域１０６の先端に位置するｐｎ接合１１５を備える。各受光素子は、選択拡散されていない領域によって隔てられている。選択拡散されるｐ型不純物はＺｎである。上述のように、ＩｎＰの不純物としてＺｎは非常に扱いやすく、これまでに蓄積された技術データが豊富にある。選択拡散に用いた選択拡散マスクパターン１３６はそのまま残され、その選択拡散マスクパターン１３６上に保護膜１３７が被覆される。
受光素子の電極または画素電極１１１は、ｐ型領域１０６にオーミック接触するように配置され、グランド電極１１２は、各受光素子に共通に、ｎ型ＩｎＰ基板１０１にオーミック接触するように配置される。ＣＭＯＳ１７０の読み出し電極を形成するパッド１７１は、接合バンプ１３１を介在させて画素電極１１１と導電接続される。ＣＭＯＳ１７０のグランド電極１７２および受光素子アレイ１５０のグランド電極１１２は、外部にアースされる。
図２０は、キャリア濃度分布を受光素子アレイ１５０の厚み方向に沿って示す図である。図２０では、Ｚｎの選択拡散の濃度分布に対応するｐ型キャリアは、選択拡散の導入層における高濃度のキャップ層１０５からＩｎＧａＡｓ選択拡散濃度分布調整層１０４を経て、受光層１０３において、ｐ型キャリア濃度は低いレベルになる。タイプ２型ＭＱＷにおけるフラットなｎ型キャリア濃度は、成膜時のドーピングによる。受光層トップ側（キャップ層側）で傾斜して低下するｐ型キャリア濃度と、フラットなｎ型キャリア濃度との交点（交面または界面）にｐｎ接合１１５が形成される。
受光の際には、ｐｎ接合１１５に逆バイアス電圧、すなわち画素電極１１１とグランド電極１１２との間に、グランド電極１１２の電圧が画素電極１１１より高くなるように電圧を印加する。空乏層はタイプ２型のＭＱＷの受光層１０３に拡がり、ここに到達した光によって電子正孔対が形成される。画素電極１１１はグランドより電圧が低いので正孔を集めて、正孔の電荷が画素情報を形成する。この画素の電荷を所定時間ピッチで読み出すことで、画像または測定信号の強度分布等を形成することができる。
受光層のタイプ２型ＭＱＷでは、正孔は、図２１に示すように、ＧａＡｓＳｂの価電子帯に形成される。図２１に示すバンド図は電子に対するバンド図なので、正孔については上下を逆に読む。最低準位にトラップされた正孔は、価電子帯における高い障壁を越えて、キャップ層１０５側にドリフトする。ＩｎＰ基板１０１の裏面から入射された光は、直ぐに空乏層内で受光され、正孔を生成する。このとき、正孔は、逆バイアスの電界による駆動は受けるものの、多数の高い障壁を越えて、ＭＱＷの受光層１０３を通って、ｐ型領域１０６に到達しなければならない。このため、ｐ型領域１０６または画素電極１１１に到達する正孔の数は相当の割合が減少する。この結果、受光感度が低下する。もともと、正孔は有効質量が電子に比べて大きく、移動度が小さいことは知られていた。しかし、上記の受光感度の低下は、そのような一般的な移動度の大小では説明がつかない。上記の受光感度が低下する現象については、その機構を究明中であるが、ともかくタイプ２型のＭＱＷの受光層１０３を備え、ｐ型領域１０６に画素電極１１１を配置して正孔を信号電荷とする受光素子アレイ１５０またはハイブリッド型検出装置１１０について次の実験事実を確認している。
１．タイプ２型のＭＱＷを受光層とする受光素子に対して、キャップ層１０５側から入射した場合、近赤外光の量子効率は、０．３〜０．９を示す。この量子効率は、良好である。
２．しかしながら、同じ受光素子アレイをＩｎＰ基板の裏面入射とすると、近赤外域の量子効率は、０．０５〜０．５という非常に低い値に低下してしまう。受光素子アレイを用いる場合、各画素に配線を設けるため、配線による光に対する妨害を避けるため、ＩｎＰ基板の裏面からの入射とせざるをえない。

＜本発明のポイント＞
本発明のポイントは次の点にある。ハイブリッド型検出装置は、受光層をタイプ２型のＭＱＷ（たとえば（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ））とした受光素子アレイと、読み出し回路（ＲＯＩＣ）とで構成される。とくに受光層にタイプ２型のＭＱＷが用いられる点が重要である。その受光素子アレイにおいて、個々の受光素子の電極配置部をｎ型領域として、グランド電極を各受光素子に共通のｐ型領域に配置する。波長１．６５μｍ〜３．０μｍの近赤外光は受光素子アレイのＩｎＰ基板の裏面から入射され、読み出し回路を構成するＣＭＯＳは、タイプ２型ＭＱＷで光電変換によって生じる電子正孔対のうちの電子による電荷を読み出す。
本発明では、正孔を信号電荷に用いず、電子を信号電荷とする。電子は、正孔に比べて移動度が高い。伝導帯に放出される電子を信号電荷にすることで、受光感度または量子効率を高めることができる。画素電極が配置されるｎ型領域の形成は、ｐ型不純物のＺｎほどの技術蓄積はないが、Ｓｎや、その他のｎ型不純物の選択拡散、またはこれまでにない他のｎ型領域形成方法もしくはｐｎ接合形成方法を用いる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるハイブリッド検出装置１０を示す断面図である。受光素子アレイ５０は、ｐ型ＩｎＰ基板１／ｐ型ＩｎＰバッファ層２／ｐ⁻型受光層（光吸収層）３／ｐ⁻型ＩｎＧａＡｓ不純物濃度分布調整層４／ｐ⁻型ＩｎＰキャップ層５、の積層体に形成されている。各受光素子では、ｎ型不純物の錫（Ｓｎ）が選択拡散されてｎ型領域６が形成され、ｎ型領域６の先端にｐｎ接合１５が形成されている。画素Ｐを構成する受光素子におけるｎ型領域６は、隣り合うｎ型領域とは選択拡散されていない領域によって隔てられている。このためメサ構造などを形成することなく簡単な構造で、暗電流の低い受光素子アレイ５０を得ることができる。各受光素子に共通のｐ型領域であるＩｎＰ基板１にグランド電極１２が配置される。
ハイブリッド検出装置１０の読み出し回路は、読み出し電極またはパッド７１を有するＣＭＯＳ７０によって構成される。ＣＭＯＳ７０にもグランド電極７２が設けられ、受光素子アレイ５０におけるグランド電極１２とともに外部にアースされる。

受光素子アレイ５０の受光素子または画素Ｐの電極１１と、ＣＭＯＳ７０の読み出し電極となるパッド７１とは、接合バンプ３１によって導電接続されている。接合バンプ３１を形成する金属材料は、インジウム合金を用いるのがよい。光が入射される入射面となるＩｎＰ基板１の裏面にはＳｉＯＮ膜の反射防止膜３５が配置されている。また、ｎ型領域６の形成のための選択拡散に用いられたＳｉＮの選択拡散マスクパターン３６は、そのまま残される。さらに、選択拡散マスクパターン３６の開口部またはＩｎＰキャップ層５の表面、および当該選択拡散マスクパターン３６を被覆するポリイミド樹脂等の保護膜３７が設けられている。

受光層３は、上述のようにタイプ２型のＭＱＷを用いる。ｎ型不純物である錫（Ｓｎ）等を選択拡散するときの不純物濃度、または、実施の形態２以降で説明するドーピングによるｎ型不純物濃度を調整するために、キャップ層をＩｎＰキャップ層５と不純物濃度分布調整層４との混合層とする。すなわち不純物濃度分布調整層４を、ＩｎＰキャップ層５と受光層３との間に挿入する。タイプ２型ＭＱＷの具体的構造については、あとで詳しく説明する。

本実施の形態では、ハイブリッド型検出装置１０として組み上げられる前、受光素子アレイ５０のｎ型領域６にオーミック接触する画素電極１１上に接合バンプ３１が設けられている。そして、接続または圧着のときに、その接合バンプ３１は、ＣＭＯＳ７０のパッド７１に圧着され、導電接続する。

図２は、受光素子アレイ５０を光入射側から見た平面図である。たとえば、全体サイズは横１０ｍｍ×縦９ｍｍであり、画素Ｐは３２０×２５６個（約８．２万画素）、ピッチ２５μｍである。

図３は、受光素子アレイ５０内の一つの受光素子におけるキャリア濃度の厚み方向分布を示す図である。図２０に示す本発明より前の受光素子のキャリア濃度分布と比較して分かるように、キャリアの担体である、正孔（ｐ型キャリア）と電子（ｎ型キャリア）とが入れ替わっている。すなわち、ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２／タイプ２型ＭＱＷの受光層３／ＩｎＧａＡｓ不純物濃度調整層４／ＩｎＰキャップ層５、はｐ型層とされている。なかでもグランド電極１２がオーミック接触するＩｎＰ基板１のｐ型キャリア濃度は高く設定される。受光素子または画素の形成のために、ＩｎＰキャップ層５の表面からｎ型不純物を選択拡散によって導入することで形成されたｎ型領域６では、ｎ型キャリア濃度は、図３に示すように高くなる。ｎ型領域６において、不純物濃度分布調整層４内では、キャップ層５側では、ｎ型キャリアは高濃度（１ｅ１８／ｃｍ^３程度）であるが、不純物濃度分布調整層４内で低濃度（１ｅ１６／ｃｍ^３以下）に急に低下したあと緩やかな勾配になり、受光層３へとその緩やかな勾配で傾斜して入っている。
受光層３内におけるフラットなｐ型キャリア濃度（約２ｅ１５／ｃｍ^３）は、ＭＱＷの成膜時にｐ型不純物をドーピングすることで形成されたものである。このフラットなｐ型キャリア濃度と、不純物濃度分布調整層４からの緩い傾斜のｎ型キャリア濃度とが、交差して形成される境界面がｐｎ接合１５となる。すなわちｐｎ接合１５は傾斜型接合となる。本実施の形態の場合、ｐｎ接合１５は、受光層３内のＩｎＧａＡｓ不純物濃度分布調整層４に近い位置、ほとんど（受光層３／不純物濃度分布調整層４）の界面に位置する。受光層３内で、ｐ型キャリア濃度は低くフラットであり、ｎ型キャリア濃度は高濃度から傾斜して受光層３に入ってくるので、ｐｎ接合への逆バイアス電圧印加で生じる空乏層は、受光層３内に大きく広がる。

受光待機の際、ｐｎ接合１５には逆バイアス電圧（好ましくは０〜−１Ｖの電圧）を印加して、空乏層をＩｎＰ基板１に向かうように受光層３内へと広げる。あとで説明するように、ＭＱＷでは、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂが数十ペア〜数百ペア積層されている。図１に示すように、ＩｎＰ基板１の裏面から入射された光は、ＩｎＰ基板１に近い空乏層内で受光される。受光によって、電子正孔対が形成される。本発明より前の受光素子アレイでは、正孔を画素電極に移動させていたが、本発明では、ｎ型キャリアである電子を画素電極１１へと集める。本実施の形態の特徴は次のとおりである。
（１）（ｉ）電子は、図２１に示す正孔のように、タイプ２型ＭＱＷにおける井戸の価電子帯の底部準位に束縛されない。電子は、伝導帯において伝導帯の障壁によって束縛力を受けるかもしれないが、下記（２）に示すように、正孔に比べて大きい移動度を持つ。このため伝導帯の電子は、価電子帯における正孔ほど、強く束縛されない。すなわち、個々の井戸は正孔に対してのみ大きな移動の障害として作用する。
（ｉｉ）入射光は、ＩｎＰ基板１に近い側ほど減衰しておらず、受光量（光電量）は大きい。そして、ＩｎＰ基板１に近い側で生成した担体ほど多数の井戸を越えて、不純物濃度調整層４／キャップ層５を経て画素電極１１まで到達しなければならない。担体を正孔から電子に代えることで、空乏層をＩｎＰ基板に近接する位置にまで広げても、信号担体のトラップ、消滅等は生じにくいので、量子効率をより大きくすることができる。
（２）また、バンド構造における伝導帯のエネルギ−波数（Ｅ−ｋ）曲面の曲率変化は、価電子帯の曲面のそれより大きいので、電子の有効質量は、正孔の有効質量より小さく、移動度は大きい。ＭＱＷによる移動障害は正孔に大きく作用するが、井戸構造がなくても、バンド構造の伝導帯と価電子帯のＥ−ｋ曲面の形状から電子のほうが正孔よりも移動しやすく、生成位置から画素電極１１へと容易に移動できる。
上記の理由（１）（ｉ）（ｉｉ）および（２）によって、本実施の形態におけるハイブリッド型検出装置１０では、受光素子アレイ５０において受光によって生成した電子は、画素電極１１に効率よく移動して、信号に寄与することができる。この結果、近赤外域における量子効率が高く受光感度が優れた、ハイブリッド型検出装置１０を得ることができる。

次に製造方法の一例について説明する（図１参照）。まずＩｎＰ基板１上に、０．１μｍ程度のｐ型ＩｎＰバッファ層２を成膜する。次いで、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）または（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のＭＱＷの受光層３を形成する。ＩｎＰと格子整合するようＩｎＧａＡｓの組成はＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓとし、ＧａＡｓＳｂの組成はＧａＡｓ_0.52Ｓｂ_0.48とする。これにより格子整合度（｜Δａ／ａ｜：ただし、ａはＩｎＰ基板の格子定数、Δａ＝ａｉ−ａ（ａｉは各層の格子定数）は、ＩｎＰ基板との間の格子定数差）を０．００２以下とすることができる。
単位量子井戸構造を構成する、ＩｎＧａＡｓ層の厚みは５ｎｍ、またＧａＡｓＳｂ層の厚みは５ｎｍであり、ペア数（単位量子井戸の繰り返し数）は２５０である。次いで、受光層３の上に、不純物濃度分布調整層４として、厚み０．３μｍ程度のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ層をエピタキシャル成長し、次いで、最後に厚み０．８μｍ程度のＩｎＰキャップ層５をエピタキシャル成長する。上記の受光層３、不純物濃度分布調整層４は、ともにＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法によってエピタキシャル成長するのがよい。また、ＩｎＰキャップ層５は、ＭＢＥ法でエピタキシャル成長してもよいし、不純物濃度調整層４を成長させた後、ＭＢＥ装置から取り出して、ＭＯＶＰＥ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によってエピタキシャル成長してもよい。
ＩｎＰキャップ層５からＭＱＷの受光層３にまで届くように位置するｎ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、Ｓｎ等のｎ型不純物が選択拡散されることで形成される。各画素の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されての選択拡散導入は、上記ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６を用いて拡散することによって実現される。周囲限定されるため、ｎ型領域６は選択拡散されていない領域によって隔てられる。
ｎ型領域６には、ＡｕＧｅＮｉ／Ｔｉ／Ａｕのｎ側電極１１が、オーミック接触するように設けられている。接合バンプ３１を形成するインジウム合金としては、たとえばＩｎ８５重量％〜９７．５重量％、Ｚｎ２．５重量％〜１５重量％のＩｎ−Ｚｎ合金などを用いるのがよい。Ｉｎ９６％−Ｚｎ４％の合金などがよい。この他に、ＩｎＰにオーミック接触する金属として、Ｉｎ９７％−Ａｇ３％、Ｉｎ１００％などを用いることができる。インジウム以外の金属としては、Ｓｎ９６．５％−Ａｇ３．５％、などを用いることができる。ｐ型のＩｎＰ基板１にオーミック接触するグランド電極１２は、ＡｕＺｎで形成するのがよい。

ＩｎＰ基板１は、裏面にｐ側電極１２をオーミック接触するので、Ｚｎ等のｐ型不純物を所定レベル以上含むものを用いるのがよい。たとえばＺｎなどｐ型ドーパントを１×１０^１７／ｃｍ^３程度またはそれ以上含むものがよい。
ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２型ＭＱＷの受光層３、ＩｎＧａＡｓ不純物濃度分布調整層４、ＩｎＰキャップ層５は、ノンドープでもよいし、または、Ｚｎなどｐ型ドーパントを極微量（たとえば２×１０^１５／ｃｍ^３程度）ドーピングしてもよい。
ｐｎ接合１５は、受光層３内において、ｎ型不純物元素が選択拡散で導入される側と反対の面側の領域のｐ型不純物濃度が、上述のように、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域（ｉ領域と呼ばれる）である。選択拡散により形成されたｎ型領域６と当該ｉ領域との間に形成される接合（ｐｎ接合）１５をも含むものである。すなわち上記のｐｎ接合は、ｎｉ接合などであってもよく、ｎｐ接合におけるｐ濃度が非常に低い場合も含むものである。

上述のように、ＩｎＰキャップ層５の表面に形成したＳｉＮ選択拡散マスクパターン３６を用いて、その開口部からＳｎなどのｎ型不純物を選択拡散してＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのＭＱＷの受光層３内に届くようにｎ型領域６を形成する。ｎ型領域６のフロント先端部がｐｎ接合１５を形成する。このとき、ｎ型不純物濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３程度以上の高濃度領域は、ＩｎＧａＡｓ不純物濃度分布調整層４内に限定されるようにするのがよい。すなわち、上記高濃度不純物分布は、ＩｎＰキャップ層５の表面から深さ方向に、ＩｎＧａＡｓ不純物濃度分布調整層４内にまで連続し、不純物濃度分布調整層４内のトップ側で大きく低下したあと、１×１０^１６／ｃｍ^３程度から緩やかな濃度勾配にするのがよい。受光層３には、その緩やかな勾配で入ってゆく。その結果、受光層３内のｐｎ接合１５の近傍におけるｎ型不純物濃度分布は、傾斜型接合を示すような分布になっている。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるハイブリッド検出装置１０を示す断面図である。また、図５は、受光素子アレイ５０内の一つの受光素子におけるキャリア濃度の厚み方向分布を示す図である。図４において、実施の形態１の受光素子アレイ５０とは、ｎ型領域６が受光層３の大部分を通りＩｎＰバッファ層２との境界に近い位置まで届いている点に相違がある。すなわちｎ型不純物の選択拡散によって形成されたｎ型領域６は、キャップ層５／不純物濃度分布調整層４、を通って、受光層３とバッファ層２との境界に近い位置まで届いている。ｎ型領域６の深さが深いという点で相違しており、その他の点では各部の符合も含めて実施の形態１と同じである。
数値的には、図５に示すように、ｎ型キャリア濃度は、受光層３において、不純物濃度分布調整層４との境界付近では１ｅ１８／ｃｍ^３程度であるが、０．２μｍの厚み範囲で急峻に１ｅ１６／ｃｍ^３程度に低下して、緩やかな勾配になる。上記境界から０．２５μｍ位置程度から底部に向かって、さらに緩やかな勾配になって低下する。ｐｎ接合１５はＩｎＰバッファ層２との境界付近に形成される。したがって、傾斜型接合といっても、実施の形態１における傾斜よりもｎ型キャリアの濃度勾配は小さく、かつそのｎ型キャリア濃度レベルは低い。逆に、ｐｎ接合１５のｐ型キャリア側のｐ型キャリア濃度はＩｎＰ基板側へとステップ状に高くなる。

図４には、ｐｎ接合１５に逆バイアス電圧を印加する電源を示している。本実施の形態に限らず、ｎ型不純物の選択拡散領域を画素とする場合、受光素子アレイにおける受光素子に印加する逆バイアス電圧を０〜−１Ｖ程度とすることができる。これによって、電源を小さくできることができ、小型化および軽量化を遂行することができる。この結果、携行に便利なハイブリッド型検出装置を得ることができる。図４の受光素子アレイについてのみ電源を例示したが、本発明のすべての受光素子アレイについて、上記の逆バイアス電圧の範囲は適用できる。したがって、すべての実施の形態において、小型化および軽量化を遂行することができる。

空乏層は、ｐ型領域側には、ステップ状の高濃度を有するＩｎＰバッファ層２に接するまでで止まり、ｎ型領域側には、ｎ型キャリア濃度が低い受光層３の側により大きく広がる。タイプ２型のＭＱＷの受光層３の厚みの大部分をｎ型とすることで、受光によって生成した電子を、逃がさずに画素電極１１に向かってｎ型領域６を経由させて確実に画素電極１１にまで移動させることができる。このため、より一層確実に受光で生成した電子を捕捉することができ、量子効率を向上させることができる。
製造方法については、ｎ型領域６以外の部分は、実施の形態１における方法による。また、本実施の形態におけるｎ型領域６は、実施の形態１におけるｎ型不純物の選択拡散の温度よりも高温にして時間を長めにとって選択拡散することで実現することができる。

（参考例として挙げる実施の形態３）
図６は、参考例として挙げる実施の形態３におけるハイブリッド検出装置１０を示す断面図である。また、図７は、受光素子アレイ５０内の一つの受光素子におけるキャリア濃度の厚み方向分布を示す図である。実施の形態１，２では、ｎ型不純物の選択拡散によって隣の画素と隔てていた。本実施の形態では、受光素子または画素の間に、溝１９を設けることで隣の画素と隔てている点で、相違する。このため、本実施の形態では、選択拡散に用いる選択拡散用マスクパターン３６は不要である。溝１９は、エピタキシャル層をメサエッチングすることで設けられるが、露出したエピタキシャル層の端面等は保護する必要があり、図６に示すように、保護膜３７によって被覆される。
本実施の形態では、ｐｎ接合１５は、タイプ２型ＭＱＷの受光層３とＩｎＰバッファ層２との界面に位置する。すべてのエピタキシャル層の不純物は、成膜の際、ドーピングによって導入される。このため、図７に示すように、各エピタキシャル層におけるキャリア濃度は厚み方向にフラットな分布となる。

本実施の形態では、ｐｎ接合がｎ ⁻型受光層３とｐ ^＋型バッファ層２との境界に位置し、逆バイアス電圧の印加によって、空乏層は主に受光層３内に広がる。このため、ＩｎＰ基板１の裏面から入射された光は、電界がかかった空乏層において受光されて有効に電子を生成する。その電子は、ｎ型領域６内のＭＱＷの伝導帯を経由して、ｎ側電極１１に歩留まりよく、到達することができる。すなわち、実施の形態２とほぼ同様の効果を得ることができる。
しかし、本実施の形態では、ｐｎ接合１５が、溝１９の底面で囲まれた画素全体に広いフラットな面で形成される。このため空乏層は、画素にわたって均一な厚みの偏平直方体のようになる。この結果、光の入射角度によらず、各画素は光を同じような空乏層の形状で受けるようになる。この結果、斜めに角度がついた光も正面入射の光と同様な位置で受光することができる。実施の形態１，２では、ｎ型領域は先細りの凸状曲面であり、空乏層はその凸状曲面に沿って形成される。入射光線の角度によって、凸状曲面の斜面位置で受光し、または凸状曲面の頂上で受光することになる。このため、実施の形態１，２では、受光感度の、入射角度依存性は大きくなるが、本実施の形態では、入射角度依存性は小さくなる。

製造方法は、次の点で実施の形態１，２と相違する。ｐ^＋ＩｎＰ基板上に、つぎのように、順次、エピタキシャル層を成長してゆく。不純物は、成膜時にドーピングする。
ｐ^＋ＩｎＰ基板１／ｐ^＋ＩｎＰバッファ層２／ｎ⁻タイプ２型ＭＱＷ受光層３／ｎ^＋ＩｎＧａＡｓ不純物濃度分布調整層４／ｎ^＋ＩｎＰキャップ層
上記のエピタキシャル層を形成したあと、画素領域の間に選択エッチングによって溝１９を設ける。選択エッチングは、ＩｎＰ系ＩＩＩ−Ｖ族半導体に用いられる既存の選択エッチング法を用いて行うことができる。溝１９を形成した後、ポリイミドなどの保護膜３７で上述のように被覆する。電極１１，１２の形成等は、実施の形態１，２と同様に行うことができる。

（参考例として挙げる実施の形態４）
図８は、参考例として挙げる実施の形態４におけるハイブリッド検出装置１０を示す断面図である。本実施の形態では、不純物は、実施の形態３と同様に、エピタキシャル層の成膜時にドーピングによって導入する。このため、受光素子におけるキャリア濃度の厚み方向分布は、実施の形態３と同じ図７に示すとおりである。ｐｎ接合１５の位置も、受光層３とバッファ層２との境界である。しかし、受光素子を分離する手段は、本実施の形態では、受光素子の間にｐ型不純物を選択拡散することで行う。すなわちドーピングによるｎ型領域６ｄは、選択拡散によるｐ型領域６ｐに取り囲まれる。実施の形態３では、溝によって分離していた。

溝を用いないで、ｐ型不純物の選択拡散によって受光素子を分離することで、メサエッチングに伴う結晶性の劣化、それに伴う暗電流の増大などを除くことができる。ただ、ｐ型不純物の選択拡散で形成されるｐ型領域６ｐの先端形状が重要になり、確実にバッファ層２内にまで届かせないと、ｐｎ接合１５が隣同士の受光素子に連続して形成されるので配慮が必要である。

（実施の形態５：光学センサ装置（１）−撮像装置または視界支援装置−）
図９は、本発明の実施の形態５における光学センサ装置２０である撮像装置または視界支援装置を示す図である。本視界支援装置は、自動車の夜間運転における運転者の前方の視界を支援するために、車両に搭載される。車両には、実施の形態１〜２において説明した受光素子アレイ５０と、図示しない、ＣＭＯＳやレンズなど光学素子等とを含むハイブリッド型検出装置１０と、撮像された画像を表示する表示モニター６１と、これらを駆動制御する制御装置６０とが搭載される。また、図１０は、自動車の夜間運転における運転者の後方の視界を支援するために、車両に搭載される、夜間後方の視界支援装置を示す図である。自動車の後部に後ろ向きに取り付けられた、実施の形態１〜４の受光素子アレイ５０、ＣＭＯＳ、レンズなど光学素子等を含むハイブリッド型検出装置１０で撮像した画像は、運転者の上部前方の表示装置６１に表示される。ハイブリッド型検出装置１０もしくは受光素子アレイ５０および表示装置６１は、制御装置６０によって駆動制御される。

本発明より前の車両用視界支援装置では、物体からの赤外域の反射光または放出光を受光して画像とするため、次のような問題があった。反射光を利用する場合、光源が必要であり、搭載スペースを要し、またコスト増となる。また、物体の放射熱を利用する場合、人以外の非発熱体や防寒具を着た歩行者等は認識が難しいため、赤外カメラ以外の認識手段と併用する必要がある。また、光源を使う場合、使用する波長域によっては人体への影響、すなわちアイセーフ対策を講じる必要がある。

本実施の形態における視界支援装置では、上記のような余分の光源やアイセーフ対策は不要である。また、撮像対象の発熱、非発熱を問わない。さらに霧中など水分を含む環境中でも、対象物の鮮明な画像を得ることができる。このため夜間における優れた車両用の視界支援装置を提供することができる。これは、物体からのＳＷＩＲ（Short Wavelength Infra-Red）帯の宇宙光の反射光を利用して、かつ暗電流が十分少なく、優れたダイナミックレンジ（Ｓ／Ｎ）を持つ受光素子を用いているからである。
上記は自動車の視界支援装置であるが、その他、暗視装置、航海支援装置、侵入者監視装置、室内監視装置、高い位置に配置した都市火災監視装置等に利用することができる。

（実施の形態６：光学センサ装置（２）−生体成分検出装置−）
図１１は、本発明の実施の形態６における光学センサ装置２０である生体成分検出装置を示す図である。図１１において、受光部に上述のハイブリッド型検出装置１０を用い、グルコースの近赤外域の長波長域に位置する吸収帯を用いて濃度測定を行う。本実施の形態では、生体を透過した近赤外光を測定してグルコース濃度を求める。人体の反射光を用いてもよい。光は次の経路を通る。
光源６３→照射用ファイバ６４→検出部位（ユビ）→情報搭載光ファイバ６５→回折格子（分光器）９１→ハイブリッド型検出装置１０→制御部８５
なお分光器は光源と照射用ファイバの間においてもよい。
検出部位において血液成分の吸収スペクトルを得ることで、制御部８５において血糖値の絶対値、またはその相対値もしくは大小を検出することができる。図１１に示す例は、ヒトの指の透過光を受光するが、皮膚、筋肉、血液など多くの生体組織の情報を得ることができる。

レファレンス信号の測定は、生体（指）の装入時には退き、生体が退いた時に装入されるように、アクチュエータ６７によって駆動される基準板の透過光によって行う。基準板の厚みは、基準板の材料にもよるが透過光の光量が十分あるように薄くしておくのがよい。基準板の移動は、アクチュエータ６７によって行うことで、位置や姿勢（角度）のばらつきが生じないようにする。
上記は、ハイブリッド型検出装置１０を、人体透過光による血糖値の測定に用いた例であるが、その他、人体反射光による血糖値、体脂肪、眼の角膜のコラーゲン、顔面のコラーゲン分布像などの測定に用いることができる。

（実施の形態７：光学センサ装置（３）−水分検出装置−）
図１２は、本発明の実施の形態７における光学センサ装置２０である生体中の水分検出装置（眼の水分布像形成装置）を示す図である。眼の不具合には、乾き眼、なみだ眼、など水分と関連した症状が多い。このような症状が出たとき、図１２に示すように、角膜Ｃだけでなく、眼Ｅの前面すべての水分布イメージをとることで、その症状を評価することができる。たとえば涙腺に対応する箇所で、水濃度が異常に高いなどを検出することが可能である。凹面鏡６８は近赤外光に対する反射率が大きいものを用いるのがよく、たとえば金（Ａｕ）で形成したものを用いる。凹面鏡６８は、眼の正面ではなく傍らに位置して、光源６３から発して眼の各部からの光を反射して、眼の各部の像をハイブリッド検出装置１０による撮像装置に結像させるようにする。フィルタ６９は、水の吸収帯に属する１．４μｍ付近の光または１．９μｍの付近の光を透過させるものがよい。制御部８５のマイクロコンピュータ８５ｂは、撮像装置（ハイブリッド型検出装置）１０の画素の出力信号に基づいて、眼Ｅにおける水分布像を形成し、表示装置８５ｃに表示する。本発明に係る撮像装置１０は、暗電流が低く、長波長側にまで感度が高いため、Ｓ／Ｎ比の高い、鮮明な水分布像を得ることができる。このため、眼における水の果たす作用、水の動きなどの理解に役立つ。

眼は光に対して非常に敏感に反応するので、できれば光源６３は使用しないことが好ましい。たとえば、このＳＷＩＲ宇宙光のスペクトルのピークＩを、光源に用いることができる。ピークＩの波長は、１．４μｍ付近にあり、水の吸収帯に属する波長である、このため、光源６３を除いて、ＳＷＩＲ宇宙光で代用することができる。または、人工の光源６３を用いるにしても、光を近赤外域に限定して、しかもそのピーク値をＳＷＩＲ宇宙光のピーク強度のたとえば２倍とすることでもよい。上記ＳＷＩＲ宇宙光を光源にすることでアイセーフが確実に実現される。上記のように、ＳＷＩＲ宇宙光を用いたり、強度レベルの低い光源を用いることができるのは、本実施の形態に係る撮像装置を構成するハイブリッド型検出装置１０の暗電流を低くできるからである。すなわち微弱な信号でも、鮮明な画像を形成することができるからである。
上記は生体の部分である眼の水分検出装置の例であるが、このほか、自然産物の水分測定（メロンの水分測定（品質検定）、水分による籾混入率の測定、他の果物、海苔、魚介類、乳製品など）、角膜矯正手術における角膜水分測定、顔面肌など生体の水分測定、紙製品の水分測定、自動排油装置中の油中の水分測定、汚泥の脱水ケーキの水分測定、石炭の水分測定、衣類乾燥機における衣類の水分測定などに用いることができる。

（実施の形態８：光学センサ装置（４）−食品品質検査装置−）
図１３は、本発明の実施の形態８における光学センサ装置２０である食品品質検査装置である食味を検査する装置を示す図である。図１３において、検査対象の米Ｓは、米粒のままでもよいが、破砕して粉体であってもよい。光源６３から出射された近赤外光は、米Ｓを透過した後、回折格子９１で回折されて分光され、受光素子アレイ５０を含むハイブリッド型検出装置１０で受光され、吸収スペクトルの電気信号となる。マイコン８５ｂ、表示部８５ｃ、入力キーボード８５ｄ、プリンタ８５ｐなどを備える制御部８５では、吸収スペクトルの解析等を行って、表示する。上述のように、実施の形態１〜４のいずれかの受光素子アレイ５０を含むハイブリッド型検出装置１０を用いることで、波長３０００ｎｍまで高いＳ／Ｎ比の信号を得ることができる。

一般に、食味のようなヒトの五感に依存する品質は、単一の成分ではなく複数の成分が寄与することで成り立っている。このため、近赤外域での当該食品の吸収スペクトルの採取を行う。そして、別途、当該食品について、パネラーによる試食官能試験を行い、食品の官能評価値を求めておく。その官能評価値と、食品の吸収スペクトルの特定波長の吸光度、その一次微分値、または二次微分値と、の間に相関関数を設定しておく。この相関関数に基づいて、検査対象の近赤外光の吸収スペクトルから官能評価値を求め、食味を検査する。吸収スペクトルのどの波長を相関関数にとり入れるかは、次の要素に依存する。
（１）食品の種類
（２）食味検査装置の受光可能範囲、とくにＳ／Ｎ比が高い範囲
上記の（１）および（２）は、食品に依存して、吸収スペクトルのどの波長を採用するか決まるが、それだけでなく、食味検査装置の受光波長域にも依存することを示す。食味検査について、つぎのアプローチが可能である。

図１４は、異なる３つの銘柄Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３の米の１２００ｎｍ〜２５００ｎｍの範囲の吸収スペクトルを示す。波長１９００ｎｍ以上には、アミロースをはじめ蛋白質、水分など米を構成する各成分の吸光度が大きく、各成分の吸光度を特定することができる。食味についての官能試験の評価と、各成分の濃度との相関をとると、米の食味（官能試験の評価）は、米中の蛋白質、アミロース、水分が主要なファクタであることが判明した。上記の蛋白質、アミロース、水分の含有率は、波長２１００ｎｍ，２１３０ｎｍ，２２７０ｎｍ，２３７０ｎｍの吸光度から求められる。したがって、これらの波長における吸光度から、蛋白質、アミロース、水分を求めること、上記の相関関数に基づいて食味値を求めることができる。すなわち、食味指数＝ｆ_１（ｘ_１）・ｆ_２（ｘ_２）・ｆ_３（ｘ_３）で表すことができる。ここに、ｘ_１はアミロース濃度、ｘ_２は蛋白質濃度、ｘ_３は水分濃度であり、ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３は、関数を表す。このアプローチは、米の食味と、米の各成分とを結びつけた上で、近赤外分光データから食味を検査する。

米の食味検査は、上記アプローチに従って、近赤外分光スペクトルから、十分な精度で可能になった。採用する波長域は、その装置の光電変換装置などに応じて、適宜、選ぶことができる。米については、今後の課題は、できるだけ広い範囲の波長を利用して、統計手法を駆使して多くの情報を得ることにより、ブランド米の特定を可能にすることである。ブランド米の特定を可能にすることで、たとえば商標権の不正目的の取得などを意味のないものにすることができる。その実現のために、高Ｓ／Ｎ比の信号を得られる上記の受光素子アレイ５０またはハイブリッド型検出装置を用いることができる。
上記は食味を検査するための食品品質検査装置の例を示したが、このほか、成育中または出荷中の果物、野菜等の成分検査、牛肉枝肉の脂肪分の検出、異常肉の検出、脂肪中のＰＣＢ等の検出、食品の加熱履歴検査などに用いることができる。

（実施の形態９：光学センサ装置（５）−環境モニタ装置−）
図１５は、本発明の実施の形態９における光学センサ装置２０である、ごみの燃焼炉においてごみの温度分布を得るための温度分布測定装置である。気体中の成分濃度を検出するための環境モニタ装置の一具体例である。また図１６は温度分布撮像装置２０ａを示す図である。ごみ燃焼炉では、炭素または炭化水素は塊状であり燃料に適した形態で存在するわけではないので、すすは少なく、また水分が多量に存在する。図１７は、ごみ燃焼炉における近赤外スペクトルを示すが、水の発光スペクトル波長λ_２，λ_３が顕著である。本実施の形態においては、水の発光スペクトルが温度によって変化することを利用して、図１８に示す水の吸収スペクトルと合わせて、水の濃度と温度とをモニタリングする。図１８中、（Ｋ１）および（Ｋ２）は、それぞれ１０ｍｍおよび１ｍｍのキュベットセルを用いて測定したものである。発光スペクトルの強度は、水の濃度にも比例するので、２つの発光ピーク波長だけでは、精度のよい測定が難しいので、吸収スペクトルも用いる。
温度分布撮像装置２０ａでは、干渉フィルタ１０ａが重要である。干渉フィルタ１０ａは、上記の水の発光ピーク波長λ_２，λ_３、および複数の吸収ピーク波長のそれぞれに透過波長をもつフィルタとする。たとえば吸収ピーク波長は、図１８に示すように、近赤外域に２つの鋭いピークＭ２，Ｍ３をもつが、干渉フィルタ１０ａは、これらの波長の光を通すようにする。したがって、干渉フィルタ１０ａは、上記の２つの発光ピーク波長と合わせて全部で４種類、または４つの透過波長のフィルタを配置することになる。外部の操作によって自動的に、これら４種類の干渉フィルタを選択する自動選択機構を設けることが望ましい。レンズ等の光学系１０ｃについても自動的にピントを合わせる自動焦点機構を設けるのがよい。たとえば、上記４種類の干渉フィルタに対応して、４つの波長の光について、ごみまたはその少し上方の撮像を行う。これによって４つの波長の像を得ることができる。
予め、水蒸気温度および水蒸気濃度を変えた空気について、上記の波長における光の強度を求め、温度の回帰式を求めておくことができる。この温度回帰式を制御部のマイコン８５ｂに記憶させておく。上記の撮像によって、各位置において、波長ごとの強度を得ることができる。上記の温度回帰式を用いれば、各位置において、温度を求めることができる。このように、水の温度および濃度を両方ともモニタすることで、ごみの燃焼状態を精度よく検知することができる。
従来は、多くの温度センサをごみ焼却装置内に配置していたが、本実施の形態の装置を、焼却炉の上方部または頂部に配置することで、温度センサの数を削減することができる。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の受光素子アレイ、ハイブリッド型検出装置等によれば、タイプ２型ＭＱＷを用いて、ｎ型不純物の選択拡散領域を画素とし、ＩｎＰ基板の裏面入射によって、近赤外域に高い受光感度を持つ、受光素子アレイ、およびハイブリッド型検出装置等を得ることができる。

１ ＩｎＰ基板、２ ＩｎＰバッファ層、３ タイプ２型ＭＱＷの受光層、４ 不純物濃度分布調整層、５ ＩｎＰキャップ層、６ 選択拡散によるｎ型領域、６ｄ ドーピングによるｎ型領域、６ｐ 選択拡散によるｐ型領域、１０ ハイブリッド型検出装置、１０ａ，１０ｃ 検出装置に付加される光学部品、１１ ｎ側電極（画素電極）、１２ ｐ側電極（グランド電極）、１５ ｐｎ接合、１９ 溝、２０ 光学センサ装置、２０ａ 温度分布撮像装置、３１ 接合バンプ、３５ 反射防止膜、３６ 選択拡散マスクパターン、３７ 保護膜、５０ 受光素子アレイ、６０ 制御装置、６１ 表示装置、６３ 光源、６４ 照射用光ファイバ、６５ 情報搭載光ファイバ、６７ アクチュエータ、６９ フィルタ、７０ ＣＭＯＳ（読み出し回路）、７１ パッド（読み出し電極）、７２ グランド電極、７６ 凹面鏡、８５ 制御部、８５ｂ マイコン、８５ｃ 表示部、８５ｄ キーボード（入力部）、８５ｐ プリンタ、９１ 回折格子（分光器）。

Claims (9)

1. 受光素子が配列された受光素子アレイであって、
   ｐ型のＩｎＰ基板と、
   バンドギャップ波長１．６５μｍ〜３．０μｍを有し、前記ＩｎＰ基板の上に位置する受光層と、
   前記受光層上に位置する不純物濃度分布調整層と、
   前記不純物濃度分布調整層上に位置するキャップ層とを備え、
   前記受光層は、前記ＩｎＰ基板と格子整合する、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）、のうちのいずれか１つのタイプ２型の多重量子井戸構造からなり、
   前記受光素子ごとに前記キャップ層上に位置する電極を備え、該電極は、当該受光素子ごとに設けられたｎ型領域において前記キャップ層にオーミック接触しており、隣りの受光素子と、溝またはｎ型化されていない領域によって隔てられており、
   ｐｎ接合は、前記受光層内であって前記受光素子ごとのｎ型領域の先端部に位置し、傾斜型接合となっており、
   （１）前記ｎ型領域のｎ型キャリア濃度の分布が、前記不純物濃度分布調整層内で１ｅ１６／ｃｍ ^３ 以下の低濃度に急に低下したあと緩やかな勾配になり、前記受光層へとその緩やかな勾配で傾斜して入っていて、前記ｐｎ接合は該受光層内に形成されている、または、
   （２）前記受光層の底面に接して前記ＩｎＰ基板へとｐ型キャリア濃度がステップ状に高くなるｐ型半導体層を備え、前記ｎ型領域が前記受光層の底部にまで届き、前記ｐｎ接合は該ｎ型領域と前記ｐ型半導体層との界面に形成されていて、
   前記キャップ層が、ＩｎＰ層、またはＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ層との複合層、であることを特徴とする、受光素子アレイ。
2. 前記受光素子が、選択拡散または選択イオン注入、によって形成されたｎ型領域を有し、前記選択拡散されずｎ型化されていない領域または選択イオン注入されずｎ型化されていない領域によって、他の受光素子と隔てられていることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子アレイ。
3. 前記受光層は、（１）ｎ⁻型層、（２）ｐ⁻型層、および（３）キャップ層側をｎ⁻型層としかつＩｎＰ基板側をｐ⁻型層とする不純物複合層、の（１）〜（３）のうちのいずれか１つであり、いずれの場合もキャリア濃度が１ｅ１６／ｃｍ^３以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の受光素子アレイ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子アレイと、シリコン読み出し回路とを備え、前記受光素子アレイの受光素子ごとの電極と、前記シリコン読み出し回路の読み出し電極とが、接合バンプを介在させて導電接続しており、前記受光素子アレイにおけるＩｎＰ基板の裏面から光が入射することを特徴とする、ハイブリッド型検出装置。
5. 前記受光素子アレイにおける受光素子に印加する逆バイアス電圧が０〜−１Ｖであることを特徴とする、請求項４に記載のハイブリッド型検出装置。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子アレイ、または請求項４もしくは５に記載のハイブリッド検出装置を用いたことを特徴とする、光学センサ装置。
7. ｐ型のＩｎＰ基板と、
   バンドギャップ波長１．６５μｍ〜３．０μｍを有し、前記ＩｎＰ基板の上に位置する受光層と、
   前記受光層上に位置する不純物濃度分布調整層と、
   前記不純物濃度分布調整層上に位置するキャップ層とを備え、
   前記受光層は、前記ＩｎＰ基板と格子整合する、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）、のうちのいずれか１つのタイプ２型の多重量子井戸構造からなり、
   前記キャップ層上に位置する電極を備え、該電極は、前記ｎ型領域において前記キャップ層にオーミック接触しており、
   前記ｎ型領域は、周りとｎ型化されていない領域によって隔てられており、
   ｐｎ接合は、前記受光層内であって前記受光素子ごとのｎ型領域の先端部に位置し、傾斜型接合となっており、
   （１）前記ｎ型領域のｎ型キャリア濃度の分布が、前記不純物濃度分布調整層内で１ｅ１６／ｃｍ ^３ 以下の低濃度に急に低下したあと緩やかな勾配になり、前記受光層へとその緩やかな勾配で傾斜して入っていて、前記ｐｎ接合は該受光層内に形成されている、または、
   （２）前記受光層の底面に接して前記ＩｎＰ基板へとｐ型キャリア濃度がステップ状に高くなるｐ型半導体層を備え、前記ｎ型領域が前記受光層の底部にまで届き、前記ｐｎ接合は該ｎ型領域と前記ｐ型半導体層との界面に形成されていて、
   前記キャップ層が、ＩｎＰ層、またはＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ層との複合層、であることを特徴とする、受光素子。
8. 受光素子が配列された受光素子アレイの製造方法であって、
   ｐ型ＩｎＰ基板上またはｐ型ＩｎＰ基板上のｐ型バッファ層上に、格子整合する、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮ）、（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＰ）、および（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＮＳｂ）、のうちのいずれか１つのタイプ２型の多重量子井戸構造の受光層を形成する工程と、
   前記受光層上に不純物濃度分布調整層を形成する工程と、
   前記不純物濃度分布調整層上にキャップ層を形成する工程と、
   前記キャップ層からｎ型不純物を導入してｎ型領域を形成して該ｎ型領域の先端にｐｎ接合を前記受光素子ごとに形成する工程と、
   前記ｎ型領域に前記受光素子ごとに電極を形成する工程とを備え、
   （１）前記ｎ型領域のｎ型キャリア濃度の分布が、前記不純物濃度分布調整層内で１ｅ１６／ｃｍ ^３ 以下の低濃度に急に低下したあと緩やかな勾配になり、受光層へとその緩やかな勾配で傾斜して入るようにしてｐｎ接合を該受光層内に形成する、または、
   （２）前記受光層を形成する前に、前記受光層と前記ＩｎＰ基板との間に位置し、前記ＩｎＰ基板へとｐ型キャリア濃度がステップ状に高くなるように前記ｐ型バッファ層を形成し、前記ｎ型領域が前記受光層の底部にまで届き、前記ｐｎ接合が該ｎ型領域と前記ｐ型バッファ層との界面に形成される、ことを特徴とする、受光素子アレイの製造方法。
9. 前記受光素子ごとのｎ型領域の形成では、（１）前記キャップ層の表面から選択拡散または選択イオン注入することで該ｎ型領域を形成し、選択拡散されていない領域または選択イオン注入されていない領域によって他の受光素子と隔てる、ことを特徴とする、請求項８に記載の受光素子アレイの製造方法。

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