JP5991036B2 - 受光素子および光学装置 - Google Patents
受光素子および光学装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5991036B2 JP5991036B2 JP2012134142A JP2012134142A JP5991036B2 JP 5991036 B2 JP5991036 B2 JP 5991036B2 JP 2012134142 A JP2012134142 A JP 2012134142A JP 2012134142 A JP2012134142 A JP 2012134142A JP 5991036 B2 JP5991036 B2 JP 5991036B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- type
- layer
- light receiving
- wavelength
- receiving element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 10
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 85
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 69
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 65
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 62
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 40
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 35
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 21
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 15
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 13
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 206
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 29
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 16
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 12
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 12
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 6
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 5
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 5
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 4
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 4
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 4
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 3
- 238000005268 plasma chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 3
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 description 2
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000000611 regression analysis Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 238000000927 vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
- H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier being of the PIN type
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
- H01L31/109—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier being of the PN heterojunction type
Description
本発明は、近赤外〜赤外域で動作する受光素子および光学装置に関し、より具体的には、上記の波長域で、波長による変動がそれほど大きくない、波長依存性が緩やかな感度を有する受光素子およびそれを用いた光学装置に関するものである。
近赤外〜赤外域は、動植物などの生体や環境に関連した吸収スペクトル域に対応するため、受光層にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた近赤外光の検出器の開発が進行中である。たとえばＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩ多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）を受光層としたプレーナ型受光素子が開示されている（特許文献１）。このプレーナ型受光素子では、選択拡散によって多重量子井戸構造にｐｎ接合もしくはｐｉｎ構造を形成する際、不純物が高濃度に多重量子井戸構造に分布して結晶性を劣化させないように、拡散濃度分布調整層を配置している。
上記のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩの多重量子井戸構造を受光層とするセンサーは波長２．５μｍ程度まで感度があるが、波長２．５μｍも含めたこれより短波長側の対象波長域全体にわたって、感度は、波長に応じて大きく変動する。その理由は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩの多重量子井戸構造では、タイプＩＩの遷移とともにタイプＩの遷移も生じ、このタイプＩの遷移によって波長１μｍ〜１．７μｍにおいて高い受光感度が形成される。すなわち波長１μｍ〜１．７μｍがタイプＩ波長域である。
受光でのタイプＩ遷移では、多重量子井戸構造の同じ層内の価電子帯から伝導帯へと電子状態の遷移が生じる。ＩｎＧａＡｓよりもＧａＡｓＳｂのほうがエネルギバンドは伝導帯エネルギおよび価電子帯エネルギともに高いが、伝導帯エネルギと価電子帯エネルギとのエネルギ差（バンドギャップ）は、標準的な化学組成において、ＧａＡｓＳｂがＥｇ＝０．７５ｅＶ（λ＝１．６５μｍ）であり、ＩｎＧａＡｓがＥｇ＝０．７４ｅＶ（λ＝１．６７μｍ）である。両者はほぼ同じである。これに対応して、上記のタイプＩ波長域１μｍ〜１．７μｍの上限側が形成される。
一方、受光におけるタイプＩＩの遷移では、価電子帯エネルギの高いほうの層（ＧａＡｓＳｂ層）から伝導帯エネルギの低いほうの層（ＩｎＧａＡｓ層）に電子の遷移が起きる。遷移のエネルギ差が小さい分、受光感度を長波長側に拡大できる。しかし、隣り合う層の間での遷移となるため、遷移確率は、タイプＩよりも確実に低下する。この場合のタイプＩＩの遷移確率は、ＩｎＧａＡｓの伝導帯で量子井戸内に閉じ込められた電子の波動関数と、その隣のＧａＡｓＳｂの価電子帯で量子井戸内に閉じ込められた正孔の波動関数との重なり積分に比例する。この隣り合う場所での重なり積分（振幅の高い位置がずれている２つの波動関数の積分）は、タイプＩの遷移確率における同じ場所でのＩｎＧａＡｓ内またはＧａＡｓＳｂ内での積分（同一層内積分）に比べると、その値は確実に低くなる。
ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩの多重量子井戸構造では、上記のように、受光においてタイプＩとタイプＩＩの両方の遷移が生じ、タイプＩの遷移による受光が、タイプＩＩよりも高感度で生じる。この現象は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩの多重量子井戸構造では、避けることができない。すなわち波長１μｍ〜１．７μｍの感度が、それより長波長側の光に対する感度よりも相当大きくなる。
さらに、上記したように、プレーナ型受光素子の場合、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層を配置すると、このＩｎＧａＡｓ層が波長１μｍ〜１．７μｍの光を受光（吸収）する。このため、タイプＩ波長域の感度が、それより長波長側の波長域よりも、さらに一層、高い感度を有するようになる。なお、本発明は、プレーナ型受光素子に限定されず、メサ構造の受光素子も対象とする。
受光でのタイプＩ遷移では、多重量子井戸構造の同じ層内の価電子帯から伝導帯へと電子状態の遷移が生じる。ＩｎＧａＡｓよりもＧａＡｓＳｂのほうがエネルギバンドは伝導帯エネルギおよび価電子帯エネルギともに高いが、伝導帯エネルギと価電子帯エネルギとのエネルギ差（バンドギャップ）は、標準的な化学組成において、ＧａＡｓＳｂがＥｇ＝０．７５ｅＶ（λ＝１．６５μｍ）であり、ＩｎＧａＡｓがＥｇ＝０．７４ｅＶ（λ＝１．６７μｍ）である。両者はほぼ同じである。これに対応して、上記のタイプＩ波長域１μｍ〜１．７μｍの上限側が形成される。
一方、受光におけるタイプＩＩの遷移では、価電子帯エネルギの高いほうの層（ＧａＡｓＳｂ層）から伝導帯エネルギの低いほうの層（ＩｎＧａＡｓ層）に電子の遷移が起きる。遷移のエネルギ差が小さい分、受光感度を長波長側に拡大できる。しかし、隣り合う層の間での遷移となるため、遷移確率は、タイプＩよりも確実に低下する。この場合のタイプＩＩの遷移確率は、ＩｎＧａＡｓの伝導帯で量子井戸内に閉じ込められた電子の波動関数と、その隣のＧａＡｓＳｂの価電子帯で量子井戸内に閉じ込められた正孔の波動関数との重なり積分に比例する。この隣り合う場所での重なり積分（振幅の高い位置がずれている２つの波動関数の積分）は、タイプＩの遷移確率における同じ場所でのＩｎＧａＡｓ内またはＧａＡｓＳｂ内での積分（同一層内積分）に比べると、その値は確実に低くなる。
ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩの多重量子井戸構造では、上記のように、受光においてタイプＩとタイプＩＩの両方の遷移が生じ、タイプＩの遷移による受光が、タイプＩＩよりも高感度で生じる。この現象は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩの多重量子井戸構造では、避けることができない。すなわち波長１μｍ〜１．７μｍの感度が、それより長波長側の光に対する感度よりも相当大きくなる。
さらに、上記したように、プレーナ型受光素子の場合、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層を配置すると、このＩｎＧａＡｓ層が波長１μｍ〜１．７μｍの光を受光（吸収）する。このため、タイプＩ波長域の感度が、それより長波長側の波長域よりも、さらに一層、高い感度を有するようになる。なお、本発明は、プレーナ型受光素子に限定されず、メサ構造の受光素子も対象とする。
多重量子井戸構造を受光層とする場合に生じる上記の現象をより詳細に説明する。上記の現象により、受光感度は、波長１．７μｍ以下の短い波長域と１．７μｍを超える長波長域の２つの波長域に分かれ、波長１．７μｍ以下の波長域では、波長１．５μｍ付近にピークをもつ山なりの感度特性を示す。この波長１．５μｍ付近の感度は、長波長側、たとえば波長２μｍの感度の約２倍程度と、相当に大きい。
このようなタイプＩＩＭＱＷを受光層とする受光素子によってセンサーを構成した場合、次のような問題を生じる。センサーの信号は、増幅回路などを通して増幅して出力されるが、対象とする波長域にわたって感度の変動が大きいと、波長域に応じて最適な増幅率に変える必要がある。しかし、実際にはこれは容易ではない。このような感度の大きな変動を示す受光素子は、実用上、分光分析用の検出器には適用できない。
本発明は、タイプＩＩの多重量子井戸構造の受光層をもつ受光素子において、タイプＩの吸収が生じる波長域も含めて、対象とする波長域全体にわたって感度の変動が小さい受光素子および光学装置を提供することを目的とする。
本発明の受光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板に形成され、タイプＩＩ多重量子井戸構造からなる受光層を含む。この受光素子は、タイプＩＩ多重量子井戸構造においてタイプＩの吸収が生じる波長域の光を長波長側の波長域の光よりも大きく減少させるためのタイプＩ波長域減少手段が、受光層の位置よりも光入射側に位置していることを特徴とする。ここで、本発明の受光素子は、単一画素の受光素子でもよいし、一次元または二次元に画素が配列された受光素子でもよい。ここで、上記画素は、それぞれ上記受光層を含み、受光で発生した信号を、領域ごとに読み出すために設けられている。
これによって、タイプＩ波長域減少手段がない場合、タイプＩ波長域の感度が、それより長波長側の感度に比べて過度に大きかったのを、対象とする両方の波長域全体にわたってほぼ揃えることが可能になる。従来の受光素子では、読み出し回路等において、タイプＩ波長域の電気出力が飽和レベルを超えるためにゲインを増やす余地がなかった。しかし、本発明では、タイプＩ波長域減少手段によって均一化されるため（タイプＩ波長域は減らされるため）、対象波長全般においてゲインを増やす余地が生じる。この結果、読み出し回路のゲイン調整等によってタイプＩ波長域より長波長側も含めた対象波長域全体の感度を高めることができる。
なお、タイプＩ波長域減少手段は、タイプＩ波長域の光の光量もしくは光束を数十％（たとえば２５％〜７５％）減少させることができる構成（材料、厚みなど）であれば何でもよい。すなわち吸収率はたとえば２５％〜７５％、従って透過率は７５％〜２５％となる。
また、このタイプＩ波長域減少手段は、タイプＩ波長域より長波長側の光の照度に対しては、ほとんど減少させないか、減少させる場合でもタイプＩ波長域の減少割合の半分以下とするものである。
ここで、タイプＩ波長域より長波長側の波長域には、当然、タイプＩＩの遷移のみによって受光される波長域（タイプＩＩ波長域）の光も含まれる。
光の入射面は、半導体（たとえば半導体基板、エピタキシャル層）の表裏面の側に構成される。この場合、通常は、反射防止膜（ＡＲfilm：Anti-Reflection film）が配置され、この反射防止膜の表面が、狭義の光の入射面となる。また、タイプＩ波長域減少手段の表面が光の入射面となってもよい。入射面は、本発明の趣旨に反しないように、文言に拘泥しないで解釈されるべきである。
これによって、タイプＩ波長域減少手段がない場合、タイプＩ波長域の感度が、それより長波長側の感度に比べて過度に大きかったのを、対象とする両方の波長域全体にわたってほぼ揃えることが可能になる。従来の受光素子では、読み出し回路等において、タイプＩ波長域の電気出力が飽和レベルを超えるためにゲインを増やす余地がなかった。しかし、本発明では、タイプＩ波長域減少手段によって均一化されるため（タイプＩ波長域は減らされるため）、対象波長全般においてゲインを増やす余地が生じる。この結果、読み出し回路のゲイン調整等によってタイプＩ波長域より長波長側も含めた対象波長域全体の感度を高めることができる。
なお、タイプＩ波長域減少手段は、タイプＩ波長域の光の光量もしくは光束を数十％（たとえば２５％〜７５％）減少させることができる構成（材料、厚みなど）であれば何でもよい。すなわち吸収率はたとえば２５％〜７５％、従って透過率は７５％〜２５％となる。
また、このタイプＩ波長域減少手段は、タイプＩ波長域より長波長側の光の照度に対しては、ほとんど減少させないか、減少させる場合でもタイプＩ波長域の減少割合の半分以下とするものである。
ここで、タイプＩ波長域より長波長側の波長域には、当然、タイプＩＩの遷移のみによって受光される波長域（タイプＩＩ波長域）の光も含まれる。
光の入射面は、半導体（たとえば半導体基板、エピタキシャル層）の表裏面の側に構成される。この場合、通常は、反射防止膜（ＡＲfilm：Anti-Reflection film）が配置され、この反射防止膜の表面が、狭義の光の入射面となる。また、タイプＩ波長域減少手段の表面が光の入射面となってもよい。入射面は、本発明の趣旨に反しないように、文言に拘泥しないで解釈されるべきである。
タイプＩ波長域減少手段を、タイプＩ波長域の光を吸収する、エピタキシャル半導体層からなる吸収層とすることができる。
これによって、たとえばタイプＩＩ多重量子井戸構造を形成しているペアの一方の層を選択し、厚み等を調整することで、吸収層とすることができる。この一方の層では、受光感度が過度に大きくて問題となっているタイプＩ波長域の光を、正に、タイプＩの遷移により、受光層の入射面側で、吸収することになる。当然、この一方の層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板に格子整合するエピタキシャル層である。また、この場合、タイプＩ波長域より長波長側の光は、その吸収層（一方の層）のバンドギャップエネルギよりエネルギが小さいため、その吸収層では吸収されない。
なお、吸収層は単層膜でも多層膜でもよい。しかし、タイプＩＩの多重量子井戸構造の受光層を含む受光素子で、タイプＩ波長域の光を吸収してそれより長波長側の光をほとんど吸収しないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、上述の一方の層が、正に該当するので、厚みを調整することで、その単層膜を好適に用いることができる。
これによって、たとえばタイプＩＩ多重量子井戸構造を形成しているペアの一方の層を選択し、厚み等を調整することで、吸収層とすることができる。この一方の層では、受光感度が過度に大きくて問題となっているタイプＩ波長域の光を、正に、タイプＩの遷移により、受光層の入射面側で、吸収することになる。当然、この一方の層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板に格子整合するエピタキシャル層である。また、この場合、タイプＩ波長域より長波長側の光は、その吸収層（一方の層）のバンドギャップエネルギよりエネルギが小さいため、その吸収層では吸収されない。
なお、吸収層は単層膜でも多層膜でもよい。しかし、タイプＩＩの多重量子井戸構造の受光層を含む受光素子で、タイプＩ波長域の光を吸収してそれより長波長側の光をほとんど吸収しないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、上述の一方の層が、正に該当するので、厚みを調整することで、その単層膜を好適に用いることができる。
吸収層を、受光層から正孔の拡散長の５０％以上の距離、離すようにするのがよい。
吸収層での吸収（受光）によって生じる正孔／電子対のうち正孔は、画素電極がｐ側電極である場合、画素内の受光層側へと電場を受けて拡散する。仮に、この正孔が、受光層内に入ってしまうと、その正孔は受光層で受光されて生じた正孔と認識（カウント）されてしまう。この結果、対象波長にわたって感度を揃えることができず、吸収層は感度のアンバランスを、むしろ強調するようになる。上記のように、吸収層と受光層との間を、正孔の拡散長の５０％以上の距離、またはより好ましくは拡散長以上、離すことで、多くの正孔は消滅して受光層内に届かない。この結果、対象波長にわたって感度を揃えることが可能になる。
受光層に形成した空乏層内で正規（普通）に、受光により生じた正孔であっても、多重量子井戸構造の価電子帯を画素電極にまで到達するのは容易ではなく、途中で消滅してしまう正孔も多い。このため、吸収層を、受光層から離す距離は、正孔の拡散長の５０％程度以上でよい。
吸収層での吸収（受光）によって生じる正孔／電子対のうち正孔は、画素電極がｐ側電極である場合、画素内の受光層側へと電場を受けて拡散する。仮に、この正孔が、受光層内に入ってしまうと、その正孔は受光層で受光されて生じた正孔と認識（カウント）されてしまう。この結果、対象波長にわたって感度を揃えることができず、吸収層は感度のアンバランスを、むしろ強調するようになる。上記のように、吸収層と受光層との間を、正孔の拡散長の５０％以上の距離、またはより好ましくは拡散長以上、離すことで、多くの正孔は消滅して受光層内に届かない。この結果、対象波長にわたって感度を揃えることが可能になる。
受光層に形成した空乏層内で正規（普通）に、受光により生じた正孔であっても、多重量子井戸構造の価電子帯を画素電極にまで到達するのは容易ではなく、途中で消滅してしまう正孔も多い。このため、吸収層を、受光層から離す距離は、正孔の拡散長の５０％程度以上でよい。
吸収層をＩｎＧａＡｓ層またはＩｎＧａＡｓＰ層とすることができる。
これによって、タイプＩ波長域の光を数十パーセント吸収する現実的な厚みとしながら、それより長波長側の波長域の光をほとんど吸収しない吸収層を実現することができる。しかも、ＩｎＰ基板等の基板に格子整合するので結晶性のよいエピタキシャル積層体を形成するのに貢献することができる。
上記したように、吸収層は、タイプＩＩ多重量子井戸構造を形成するペアのうちの一方の層を構成する材料が好適であり、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰはこれに該当する。ＧａＡｓＳｂもバンドギャップエネルギは適切であるが、アンチモン（Ｓｂ）がサーファクタント効果などを生じるため、非常に適切であるといえない。しかし、使用できないわけではない。
これによって、タイプＩ波長域の光を数十パーセント吸収する現実的な厚みとしながら、それより長波長側の波長域の光をほとんど吸収しない吸収層を実現することができる。しかも、ＩｎＰ基板等の基板に格子整合するので結晶性のよいエピタキシャル積層体を形成するのに貢献することができる。
上記したように、吸収層は、タイプＩＩ多重量子井戸構造を形成するペアのうちの一方の層を構成する材料が好適であり、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰはこれに該当する。ＧａＡｓＳｂもバンドギャップエネルギは適切であるが、アンチモン（Ｓｂ）がサーファクタント効果などを生じるため、非常に適切であるといえない。しかし、使用できないわけではない。
吸収層が前記基板と前記受光層との間に位置し、該吸収層と該受光層との間に、厚みが正孔の拡散長の５０％以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる正孔消去層が配置されているのがよい。
これによって、吸収層で生じた正孔が受光層に至って受光としてカウントされないようにできる。正孔消去層の厚みは、正孔の拡散長の半分以上であればよいが、好ましくは正孔の拡散長以上である。
これによって、吸収層で生じた正孔が受光層に至って受光としてカウントされないようにできる。正孔消去層の厚みは、正孔の拡散長の半分以上であればよいが、好ましくは正孔の拡散長以上である。
正孔消去層をＩｎＰ層および／またはＡｌＩｎＡｓ層から構成するのがよい。
これによって、良好な格子整合を実現しながら、正孔を確実に消去する層を含ませながら良好な結晶性のエピタキシャル積層体を得ることができる。
これによって、良好な格子整合を実現しながら、正孔を確実に消去する層を含ませながら良好な結晶性のエピタキシャル積層体を得ることができる。
タイプＩ波長域減少手段を、光入射面に付帯された、タイプＩ波長域の透過率をタイプＩ波長域より長波長側の波長域の透過率に比べて低くするコーティング膜とすることができる。
これによって、タイプＩ波長域およびそれより長波長側の光の感度を均一にすることができる。上記のコーティング層は、非エピタキシャル層である。
これによって、タイプＩ波長域およびそれより長波長側の光の感度を均一にすることができる。上記のコーティング層は、非エピタキシャル層である。
コーティング膜を、誘電体多層膜とすることができる。
たとえば、酸化珪素（ＳｉＯ２）、窒化珪素（ＳｉＮ）、酸窒化珪素（ＳｉＯＮ）等の多層膜によって、任意の適切な透過率の波長依存性を容易に設計することができる。とくにプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法による酸化珪素（ＳｉＯ２）および酸窒化珪素（ＳｉＯＮ）を用いることで、５００ＭＰａ以下という低応力で、かつ低ダメージの誘電体多層膜を形成することができる。
たとえば、酸化珪素（ＳｉＯ２）、窒化珪素（ＳｉＮ）、酸窒化珪素（ＳｉＯＮ）等の多層膜によって、任意の適切な透過率の波長依存性を容易に設計することができる。とくにプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法による酸化珪素（ＳｉＯ２）および酸窒化珪素（ＳｉＯＮ）を用いることで、５００ＭＰａ以下という低応力で、かつ低ダメージの誘電体多層膜を形成することができる。
基板がＩｎＰ基板であり、受光層がタイプＩＩのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造、またはタイプＩＩのＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造であるようにできる。
これによって、波長２．５μｍ程度にまで感度の波長依存性をほぼ平坦にした、赤外受光素子を得ることができる。
これによって、波長２．５μｍ程度にまで感度の波長依存性をほぼ平坦にした、赤外受光素子を得ることができる。
ＩｎＰ基板がＦｅドープまたはノンドープであり、吸収層または正孔消去層に接して配置されるグランド電極を有するのがよい。
ＩｎＰ基板をＦｅドープまたはノンドープとすることで、タイプＩ波長域よりも長波長側での透明性を向上させることができる。基板は、エピタキシャル層に比べて厚みが格段に大きいので、この透明性の向上は長波長側の光の感度を向上させる上で貴重である。また、タイプＩ波長域の透明性も高めることができる。しかし、ＦｅドープまたはノンドープのＩｎＰ基板は、半絶縁性なので、グランド電極をオーミック接触することは難しい。このため、高濃度に不純物をドープした吸収層または正孔消去層に、グランド電極を配置（オーミック接触）するのがよい。
ＩｎＰ基板をＦｅドープまたはノンドープとすることで、タイプＩ波長域よりも長波長側での透明性を向上させることができる。基板は、エピタキシャル層に比べて厚みが格段に大きいので、この透明性の向上は長波長側の光の感度を向上させる上で貴重である。また、タイプＩ波長域の透明性も高めることができる。しかし、ＦｅドープまたはノンドープのＩｎＰ基板は、半絶縁性なので、グランド電極をオーミック接触することは難しい。このため、高濃度に不純物をドープした吸収層または正孔消去層に、グランド電極を配置（オーミック接触）するのがよい。
受光層においてタイプＩ波長域より長波長側の波長域の感度と、該タイプＩ波長域の感度との比がＡ（Ａ＜１）の場合、吸収層もしくはコーティング膜は、タイプＩ波長域の光の透過率がタイプＩ波長域より長波長側の波長域の透過率に対して０．８Ａ以上１．２Ａ以下となるように、材料および厚みを設定することができる。
これによって、対象とする全波長域にわたって、感度をほぼ±２０％の範囲内に揃えることができる。
これによって、対象とする全波長域にわたって、感度をほぼ±２０％の範囲内に揃えることができる。
タイプＩ波長域の代表波長を１．５μｍとし、タイプＩ波長域より長波長側の波長域の代表波長を２．１μｍとして、該波長２．１μｍと１．５μｍとの感度の比がＡ（Ａ＜１）の場合、吸収層もしくはコーティング膜は、波長１．５μｍの透過率を波長２．１μｍの透過率に比べて、０．８Ａ以上１．２Ａ以下となるように、材料および厚みを設定することができる。
これによって、対象となる波長域全体にわたって、たとえば近赤外域の波長１．０μｍ程度から波長２．５μｍ程度における感度をほぼ均されたものにすることができる。この結果、波長１．８μｍを超える波長域での感度を向上することができ、たとえば微量たんぱく質等の有機物の物質同定ができるハイパースペクトルイメージングシステムの形成が可能になる。その他、波長１．０μｍ〜２．５μｍの帯域を使用するハイパースペクトルイメージングにおいて、スペクトルの出力補正が簡便となり、ＰＬＳ（Partial Least Squares）回帰分析が容易となる。
これによって、対象となる波長域全体にわたって、たとえば近赤外域の波長１．０μｍ程度から波長２．５μｍ程度における感度をほぼ均されたものにすることができる。この結果、波長１．８μｍを超える波長域での感度を向上することができ、たとえば微量たんぱく質等の有機物の物質同定ができるハイパースペクトルイメージングシステムの形成が可能になる。その他、波長１．０μｍ〜２．５μｍの帯域を使用するハイパースペクトルイメージングにおいて、スペクトルの出力補正が簡便となり、ＰＬＳ（Partial Least Squares）回帰分析が容易となる。
吸収層もしくは前記コーティング膜を基板の裏面に位置させることができる。
これによって、吸収層の場合、基板は厚みが、正孔の拡散長以上、確実にあるので、正孔消去層を配置しなくてよい。ちなみに正孔の拡散長はほぼ１．６μｍ程度であり、基板はこの数十倍以上は確実にある。
吸収層は、上記したように単層膜でも多層膜でもよいが、吸収層を基板の裏面に配置する場合、エピタキシャル成長をあまり気にしなくてよいので、とくに多層膜とすることが容易である。
コーティング膜の場合、ほとんど受光素子の本体の製造手順に変更を加えることなく、最終的な工程で、コーティング層を形成すればよいという利点を得ることができる。さらに、製造し終わった受光素子に対してもコーティング膜を形成することができる。
これによって、吸収層の場合、基板は厚みが、正孔の拡散長以上、確実にあるので、正孔消去層を配置しなくてよい。ちなみに正孔の拡散長はほぼ１．６μｍ程度であり、基板はこの数十倍以上は確実にある。
吸収層は、上記したように単層膜でも多層膜でもよいが、吸収層を基板の裏面に配置する場合、エピタキシャル成長をあまり気にしなくてよいので、とくに多層膜とすることが容易である。
コーティング膜の場合、ほとんど受光素子の本体の製造手順に変更を加えることなく、最終的な工程で、コーティング層を形成すればよいという利点を得ることができる。さらに、製造し終わった受光素子に対してもコーティング膜を形成することができる。
本発明の光学装置は、上記のいずれかの受光素子を用いたことを特徴とする。
これによって、対象とする波長域にわたって感度の変動が小さい受光素子を用いて高精度の光学装置を得ることができる。
これによって、対象とする波長域にわたって感度の変動が小さい受光素子を用いて高精度の光学装置を得ることができる。
本発明によれば、タイプＩＩの多重量子井戸構造の受光層をもつ受光素子において、タイプＩの吸収が生じる波長域も含めて、対象とする波長域全体にわたって感度の変動が小さい受光素子を得ることができる。
（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１０を示す図である。図１には、単一の画素のみが示されているが、一次元もしくは二次元に画素が配列されたなかの一つが示されているとみてもよく、むしろそのように見るべきである。すなわち、図１は、単一画素の受光素子１０とみてもよいし、一次元もしくは二次元に画素が配列された受光素子１０の一部分を例示しているとみてもよい。このあとのすべての実施の形態に示されるすべての受光素子に対して、このことは共通する（以後、繰り返さない）。
受光素子１０におけるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル積層構造は次のとおりである。
（ｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５／硫黄（Ｓ）ドープｎ型ＩｎＰ基板１／タイプＩＩ多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の受光層３／ＩｎＰ窓層５）
受光層３は、多重量子井戸構造により形成されるので、以後の説明では、受光層３とともに、多重量子井戸構造３のように符合を用いる。ＩｎＰ基板１についても、導電性の異なるＩｎＰ基板が示されるが、共通に符合「１」を用いる。
タイプＩＩ多重量子井戸構造３は、ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）／ＧａＡｓＳｂ（５ｎｍ）のペア数２５０であり、全厚み２．５μｍである。またＩｎＰ窓層５は厚み０．６μｍである。ＩｎＧａＡｓ吸収層１５の厚みについては、このあと図４を用いて詳細に説明する。
ＩｎＰ窓層５には選択拡散マスクパターン３６の開口部から選択拡散された亜鉛（Ｚｎ）によるｐ型領域６が形成されている。ｐ型領域６は、ＩｎＰ窓層５から受光層３内に届くように亜鉛が選択拡散されることで形成される。ｐ型領域６にオーミック接触する画素電極であるｐ側電極１１の周囲は、選択拡散マスクパターン３６を含めてＳｉＮパッシベーション膜３７によって被覆されている。一方、ｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５にオーミック接触するグランド電極１２は、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に配置されている。ｐ側電極１１はＡｕＺｎなどで形成し、ｐ側電極１１が接触する部分のｐ型領域６のｐ型キャリア濃度は１Ｅ１８ｃｍ−３以上にするのがよい。また、ｎ側電極１２はＡｕＧｅＮｉなどで形成し、このｎ側電極１２が接触するｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５のｎ型キャリア濃度は、やはり１Ｅ１８ｃｍ−３以上にするのがよい。
ｎ型ＩｎＰ基板１は、硫黄（Ｓ）ドープＩｎＰ（１００）基板である。光はこのＩｎＰ基板１の裏面側から入射される。このため、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に積層されたｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５の表面に、反射防止膜（ＡＲ：Anti-Reflection Film）３５が配置される。
図１は、本発明の実施の形態１における、受光素子１０を示す図である。図１には、単一の画素のみが示されているが、一次元もしくは二次元に画素が配列されたなかの一つが示されているとみてもよく、むしろそのように見るべきである。すなわち、図１は、単一画素の受光素子１０とみてもよいし、一次元もしくは二次元に画素が配列された受光素子１０の一部分を例示しているとみてもよい。このあとのすべての実施の形態に示されるすべての受光素子に対して、このことは共通する（以後、繰り返さない）。
受光素子１０におけるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル積層構造は次のとおりである。
（ｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５／硫黄（Ｓ）ドープｎ型ＩｎＰ基板１／タイプＩＩ多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の受光層３／ＩｎＰ窓層５）
受光層３は、多重量子井戸構造により形成されるので、以後の説明では、受光層３とともに、多重量子井戸構造３のように符合を用いる。ＩｎＰ基板１についても、導電性の異なるＩｎＰ基板が示されるが、共通に符合「１」を用いる。
タイプＩＩ多重量子井戸構造３は、ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）／ＧａＡｓＳｂ（５ｎｍ）のペア数２５０であり、全厚み２．５μｍである。またＩｎＰ窓層５は厚み０．６μｍである。ＩｎＧａＡｓ吸収層１５の厚みについては、このあと図４を用いて詳細に説明する。
ＩｎＰ窓層５には選択拡散マスクパターン３６の開口部から選択拡散された亜鉛（Ｚｎ）によるｐ型領域６が形成されている。ｐ型領域６は、ＩｎＰ窓層５から受光層３内に届くように亜鉛が選択拡散されることで形成される。ｐ型領域６にオーミック接触する画素電極であるｐ側電極１１の周囲は、選択拡散マスクパターン３６を含めてＳｉＮパッシベーション膜３７によって被覆されている。一方、ｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５にオーミック接触するグランド電極１２は、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に配置されている。ｐ側電極１１はＡｕＺｎなどで形成し、ｐ側電極１１が接触する部分のｐ型領域６のｐ型キャリア濃度は１Ｅ１８ｃｍ−３以上にするのがよい。また、ｎ側電極１２はＡｕＧｅＮｉなどで形成し、このｎ側電極１２が接触するｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５のｎ型キャリア濃度は、やはり１Ｅ１８ｃｍ−３以上にするのがよい。
ｎ型ＩｎＰ基板１は、硫黄（Ｓ）ドープＩｎＰ（１００）基板である。光はこのＩｎＰ基板１の裏面側から入射される。このため、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に積層されたｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５の表面に、反射防止膜（ＡＲ：Anti-Reflection Film）３５が配置される。
受光の際には、ｐｎ接合９に逆バイアス電圧、すなわち画素電極１１とグランド電極１２との間に、グランド電極１２の電位が画素電極１１より高くなるように電圧を印加する。空乏層はタイプＩＩ多重量子井戸構造の受光層３内に広く拡がり、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１１はグランド電極１２より電位が低いので正孔を集めるように正孔に電磁気力が作用して、画素電極１１に集められ、読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read-Out IC）に読み出された正孔の電荷量が画素における受光の情報を形成する。読み出し回路において、画素の電荷を所定の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。
なお、上記のｐｎ接合は、次のように、広く解釈されるべきである。受光層内において、受光層３内のｐｎ接合９より基板側の領域（受光層の大部分を占める）における不純物濃度が、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域（ｉ領域）であってもよい。すなわち上記のｐｎ接合は、ｐｉ接合またはｎｉ接合などであってもよく、さらに、これらｐｉ接合またはｎｉ接合におけるｐ型不純物濃度またはｎ型不純物濃度が非常に低い場合も含むものである。このことは、選択拡散によって上記のｐｎ接合が形成される場合だけでなく、このあとの実施の形態で説明するドーピングによってｐｎ接合を形成する場合にも当てはまることである。
受光素子１０は、タイプＩＩの多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）を受光層３としている。タイプＩＩの多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）３は、何も対策をとらなければ、感度は、図２の太い実線に示すように、波長１．７μｍ以下のタイプＩ波長域と１．７μｍを超える長波長域の２つの波長域に分かれ、タイプＩ波長域では、波長１．５μｍ付近にピークをもつ山なりの感度特性を示す。この波長１．５μｍ付近の感度は、波長２μｍの感度の約２倍程度に達する。
その理由は、図３に示すように、多重量子井戸構造３を形成する、ＩｎＧａＡｓにおける電子の波動関数ψｅと、ＧａＡｓＳｂにおける正孔の波動関数ψｈとの重なり積分値が、その位置がずれているため、小さいからである。図３に示すように、タイプＩＩの遷移（吸収）Ｔ２は隣り合うＧａＡｓＳｂ層とＩｎＧａＡｓ層との間で生じる。一方、タイプＩの遷移Ｔ１は、同じ層内で生じるので、重なり積分はタイプＩＩのそれより大きい値となる。この結果、タイプＩの遷移Ｔ１の吸収は、タイプＩＩの吸収より相当に大きくなる。図３に示す遷移Ｔ１とＴ２とは、バンドの端どうしを結んでいるので、各遷移Ｔ１およびＴ２において生じる状態間のエネルギ差最低、または最長の波長、を表す。波長２．５μｍ以下のすべての光は、タイプＩＩの遷移Ｔ２を生じることができる。同様に、波長１．７μｍ程度以下のすべての光は、タイプＩの遷移Ｔ１を生じることができる。
その理由は、図３に示すように、多重量子井戸構造３を形成する、ＩｎＧａＡｓにおける電子の波動関数ψｅと、ＧａＡｓＳｂにおける正孔の波動関数ψｈとの重なり積分値が、その位置がずれているため、小さいからである。図３に示すように、タイプＩＩの遷移（吸収）Ｔ２は隣り合うＧａＡｓＳｂ層とＩｎＧａＡｓ層との間で生じる。一方、タイプＩの遷移Ｔ１は、同じ層内で生じるので、重なり積分はタイプＩＩのそれより大きい値となる。この結果、タイプＩの遷移Ｔ１の吸収は、タイプＩＩの吸収より相当に大きくなる。図３に示す遷移Ｔ１とＴ２とは、バンドの端どうしを結んでいるので、各遷移Ｔ１およびＴ２において生じる状態間のエネルギ差最低、または最長の波長、を表す。波長２．５μｍ以下のすべての光は、タイプＩＩの遷移Ｔ２を生じることができる。同様に、波長１．７μｍ程度以下のすべての光は、タイプＩの遷移Ｔ１を生じることができる。
受光素子が組み込まれたセンサーでは、センサー信号は、増幅回路などを通して増幅して出力される。対象とする波長域にわたって感度が大きく変動する場合には、波長域に応じて最適な増幅率を変える必要がある。しかし、実際にはこれは容易ではなく、このような波長域による感度の変動がある受光素子は、分光分析用の検出器には適用できない。増幅率を、波長１．７μｍを超える波長域の感度に合わせて大きくすると、波長１．５μｍ付近の出力は振り切れて飽和してしまう。一方、その逆に、波長１．７μｍ以下の感度に増幅率を合わせると、波長１．７μｍを超える波長域の出力が弱くなってしまう。
＜本発明のポイント＞
本発明のポイントは次の点にある。すなわち、ｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５を、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に配置した点にある。この吸収層１５は、タイプＩＩの多重量子井戸構造の対をなす一方の層にする必要はなく、タイプＩ波長域に吸収帯をもち、格子整合の条件を満たすＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であれば何でもよい。しかし、タイプＩＩの多重量子井戸構造の対をなす一方の層にすれば、その一方の層のみで形成された吸収層１５は、厚みさえ適当に設定すれば、感度の変動における波長域に正確に合わせて吸収をすることができる。すなわち吸収すべき波長域については、当該一方の層が感度の波長変動を生じていた物自体であるので、正確にその波長域の吸収を行う。
格子整合性については、図１の受光素子１０の場合、ＩｎＰ基板１の裏面に配置する吸収層１５なので、吸収層１５の上にはＡＲ膜３５を配置するだけであり、エピタキシャル層を形成しないので、あまり重要ではない。しかし、グランド電極１２を配置するので、ｎ型ＩｎＰ基板１と格子整合しているほうが、バイアス電圧の印加などにおいて必要な外部電圧を小さくする点で好ましい。
本発明のポイントは次の点にある。すなわち、ｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５を、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に配置した点にある。この吸収層１５は、タイプＩＩの多重量子井戸構造の対をなす一方の層にする必要はなく、タイプＩ波長域に吸収帯をもち、格子整合の条件を満たすＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であれば何でもよい。しかし、タイプＩＩの多重量子井戸構造の対をなす一方の層にすれば、その一方の層のみで形成された吸収層１５は、厚みさえ適当に設定すれば、感度の変動における波長域に正確に合わせて吸収をすることができる。すなわち吸収すべき波長域については、当該一方の層が感度の波長変動を生じていた物自体であるので、正確にその波長域の吸収を行う。
格子整合性については、図１の受光素子１０の場合、ＩｎＰ基板１の裏面に配置する吸収層１５なので、吸収層１５の上にはＡＲ膜３５を配置するだけであり、エピタキシャル層を形成しないので、あまり重要ではない。しかし、グランド電極１２を配置するので、ｎ型ＩｎＰ基板１と格子整合しているほうが、バイアス電圧の印加などにおいて必要な外部電圧を小さくする点で好ましい。
吸収の程度は、材料と厚みで決まる。材料については上記のとおりであるが、厚みについては次のように設定する。図４は、ＩｎＰに格子整合した厚み４．０μｍのＩｎＧａＡｓ層の透過率を示す図である。縦軸の透過率の単位は、透過率１００％を１としたときの割合であり、従って０．１は１０％である。図４によれば、波長１．５μｍの透過率は０．０２６４（２．６４％）である。これより、α：吸収係数（ｃｍ−１）、ｔ：厚み（ｃｍ）、（Ｐ／Ｐｏ）：透過率、として、（Ｐ／Ｐｏ）＝ｅｘｐ（−αｔ）、の（１）式に、厚みｔ＝４Ｅ−４ｃｍ、（Ｐ／Ｐｏ）＝０．０２６４を代入すると、波長１．５μｍでのα＝９０８６ｃｍ−１と求めることできる。波長１．７μｍ以下、またはタイプＩ波長域の光の、受光層３に入る前の光量（光束）を、入射面での光量の４０％〜６０％に低下するには、上記のα＝９０８６ｃｍ−１を用いて、上記の（１）式を用いればよい。厳密には、波長１．５μｍでの吸収率αは、波長１．７μｍ以下のタイプＩ波長域にわたって同一ではないが、近似的に同じであるとみて概算してよい。４０％の透過率の場合、０．４＝ｅｘｐ（−９０８６ｔ）より、厚みｔ＝１．０μｍと求めることができる。また６０％の透過率の場合、０．６＝ｅｘｐ（−９０８６ｔ）より、厚みｔ＝０．５６μｍと求めることができる。この結果より、ＩｎＧａＡｓ吸収層１５の厚みｔを０．５６μｍ以上１．０μｍ以下の厚みとすることで、タイプＩ波長域の光量を、受光層３に入る前の段階で、入射面での光量から４０％以上６０％以下だけ減少させることができる。
ここで、一つの注意点がある。吸収層で吸収されると、上記のように正孔・電子対が生成し、正孔は、逆バイアス電圧が印加されているので、受光層３の側へとドリフトする。仮にＩｎＧａＡｓ吸収層１５で発生した正孔が受光層３に届くと、ＩｎＧａＡｓ吸収層１５で吸収されたにも拘わらず、受光層３で受光されたものとしてカウントされる。このような正孔は、読み出し回路に読み出されることで、タイプＩ波長域の受光感度を高めこそすれ、低下させることはない。これでは、意図したことに反する。このような吸収層で生成した正孔のカウントを防止するために、吸収層１５と受光層３との間の距離を、正孔の拡散長の１／２もしくは拡散長だけ、あければよい。
本実施の形態においては、ＩｎＧａＡｓ吸収層１５と受光層３との間には、正孔の拡散長の数十倍〜数百倍以上の厚みのＩｎＰ基板１がある。このため、対策をとらなくても、上記の条件は、問題なく満たされている。
本実施の形態においては、ＩｎＧａＡｓ吸収層１５と受光層３との間には、正孔の拡散長の数十倍〜数百倍以上の厚みのＩｎＰ基板１がある。このため、対策をとらなくても、上記の条件は、問題なく満たされている。
上記のＩｎＧａＡｓ吸収層１５を配置することで、図２に示すように、タイプＩ波長域の感度は、破線で示すように低下して、タイプＩ波長域より長い波長域の感度とほぼ同一の高さに揃えることができる。この結果、分光分析用の検出器に用いることが可能になる。その結果、対象波長全般においてゲインを増やす余地が生じる。この結果、読み出し回路のゲイン調整等によってタイプＩ波長域より長波長側も含めた対象波長域全体の感度を高めることができる。これは、本実施の形態に限らずすべての実施の形態に当てはまることである。この点について、このあと図１０（実施の形態５）により詳しく説明する。
図５は、図１に示す受光素子１０を製造する方法を説明するための図である。まず図５（ａ）に示すように、両面ミラーのＩｎＰ基板１の一方の主面にＳｉＮなどの保護膜４１を形成し、他方の主面にｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５をエピタキシャル成長する。成長法は何でもよいが、たとえば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）で成長することができる。次いで、図５（ｂ）に示すように、一方の主面のＳｉＮ保護膜４１をフッ酸等で除去する。そのＳｉＮ保護膜４１を除去したあとの面に、タイプＩＩの多重量子井戸構造の受光層３を含むエピタキシャル積層体を形成する。このあとは、ＩｎＰ窓層５に選択拡散マスクパターン３６を形成し、既知の製造方法に従って製造すればよい。
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における受光素子１０を示す図である。この受光素子１０は、次のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の積層構造を有する。
（硫黄（Ｓ）ドープｎ型ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５／ｎ型正孔消去層２５／タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
この受光素子１０は、図１に示す実施の形態１の受光素子と比べると、つぎの点で相違する。
（１）ＩｎＧａＡｓ吸収層１５がＩｎＰ基板１の受光層３側に配置されている。（２）ＩｎＧａＡｓ吸収層１５と受光層３との間に、正孔消去層２５が挿入されている。
（３）ＩｎＰ窓層５とタイプＩＩ多重量子井戸構造３との間に、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が配置されている。
上記の（１）ＩｎＧａＡｓ吸収層１５がＩｎＰ基板１の受光層３側にあるため、そのＩｎＧａＡｓ吸収層１５で生成した正孔が受光層３に届かないように、距離をとる必要がある。本実施の形態では、ＩｎＧａＡｓ吸収層１５と受光層３との間に、厚みが正孔の拡散長の１／２以上の正孔消去層２５を配置する。正孔の拡散長は、ほぼ１．６μｍなので、厚み０．８μｍ以上とするのがよい。また、正孔消去層２５の厚みは正孔の拡散長以上であってもよく、このほうが正孔を消去する上では好ましい。この場合、正孔消去層２５の厚みは１．６μｍ以上とする。正孔消去層２５には、格子整合性からＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓを用いるのがよい。
図６は、本発明の実施の形態２における受光素子１０を示す図である。この受光素子１０は、次のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の積層構造を有する。
（硫黄（Ｓ）ドープｎ型ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５／ｎ型正孔消去層２５／タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
この受光素子１０は、図１に示す実施の形態１の受光素子と比べると、つぎの点で相違する。
（１）ＩｎＧａＡｓ吸収層１５がＩｎＰ基板１の受光層３側に配置されている。（２）ＩｎＧａＡｓ吸収層１５と受光層３との間に、正孔消去層２５が挿入されている。
（３）ＩｎＰ窓層５とタイプＩＩ多重量子井戸構造３との間に、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が配置されている。
上記の（１）ＩｎＧａＡｓ吸収層１５がＩｎＰ基板１の受光層３側にあるため、そのＩｎＧａＡｓ吸収層１５で生成した正孔が受光層３に届かないように、距離をとる必要がある。本実施の形態では、ＩｎＧａＡｓ吸収層１５と受光層３との間に、厚みが正孔の拡散長の１／２以上の正孔消去層２５を配置する。正孔の拡散長は、ほぼ１．６μｍなので、厚み０．８μｍ以上とするのがよい。また、正孔消去層２５の厚みは正孔の拡散長以上であってもよく、このほうが正孔を消去する上では好ましい。この場合、正孔消去層２５の厚みは１．６μｍ以上とする。正孔消去層２５には、格子整合性からＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓを用いるのがよい。
ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、選択拡散によって、過剰に高濃度の不純物が多重量子井戸構造３に導入されないように設けられている。当該ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の中で、不純物が高濃度の領域（ＩｎＰ窓層側）から低濃度の領域（多重量子井戸構造側）へと急峻に濃度が変化する。このため、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、大別して、不純物の高濃度領域、急峻に変化する領域、および低濃度領域を含んでいる。低濃度領域は電気抵抗が高くなるが、ＩｎＧａＡｓは、窓層に通常用いられるＩｎＰよりも小さいバンドギャップエネルギを有するので、不純物濃度を低くしても電気抵抗増大の程度、または電気伝導度の低下の程度を小さくすることができる。この結果、上記のように電圧印加状態において応答速度の低下を抑制できる。ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の厚み１．０μｍ程度とするのがよい。ただし、このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、必須ではない。
他の、実施の形態２の受光素子１０に備えられる層は、材料、厚み等について、実施の形態１の場合と同様にすることができる。
図２で説明した吸収層１５による感度の補正、図３で説明したタイプＩＩ多重量子井戸構造からなる受光層３で生じる遷移、図４を基にした吸収層の厚みの算出、などはそのまま、本実施の形態にも適用される。図５に説明した製造方法については、少し変更する必要があるが、修正をしながら既知の方法をアレンジして製造することができる。
図２で説明した吸収層１５による感度の補正、図３で説明したタイプＩＩ多重量子井戸構造からなる受光層３で生じる遷移、図４を基にした吸収層の厚みの算出、などはそのまま、本実施の形態にも適用される。図５に説明した製造方法については、少し変更する必要があるが、修正をしながら既知の方法をアレンジして製造することができる。
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における受光素子１０を示す図である。この受光素子１０は、次のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の積層構造を有する。
（鉄（Ｆｅ）ドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５／ｎ型正孔消去層２５／タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
ＩｎＰ窓層５の表面から選択拡散マスクパターン３６の開口部を通して選択拡散された亜鉛（Ｚｎ）がｐ型領域６を形成して先端部に、上述した意味でのｐｎ接合９が形成されている。
図７は、本発明の実施の形態３における受光素子１０を示す図である。この受光素子１０は、次のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の積層構造を有する。
（鉄（Ｆｅ）ドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５／ｎ型正孔消去層２５／タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
ＩｎＰ窓層５の表面から選択拡散マスクパターン３６の開口部を通して選択拡散された亜鉛（Ｚｎ）がｐ型領域６を形成して先端部に、上述した意味でのｐｎ接合９が形成されている。
図６に示す実施の形態２の受光素子と比べると、次の点で相違する。
（１）ＩｎＰ基板１が鉄（Ｆｅ）ドープの半絶縁性ＩｎＰ基板である。ＩｎＰ基板は、不純物の変更は別にして、共通して（１００）基板である。
（２）グランド電極のｎ側電極１２が、ｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５上に配置されている。
（３）受光素子の側部をメサエッチングすることで形成されたメサ構造を有する。
上記の（１）における鉄（Ｆｅ）ドープの半絶縁性ＩｎＰ基板１は、近赤外域における透明性が高い。このため、近赤外域の受光感度を全体的に向上させることができる。上記の（２）は、ＩｎＰ基板がＦｅドープの半絶縁性としたため、ｎ側電極１２を、そのＦｅドープＩｎＰ基板１の裏面に配置できないための措置である。すなわち、ｎ側電極１２は、ｎ型不純物濃度を高めたｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５上にオーミック接触される。そして、この（２）における構造を実現するために、上記（３）メサ構造が用いられている。メサ構造については、他の大きな働きがあるが、そのことについては、次の実施の形態４において説明する。
（１）ＩｎＰ基板１が鉄（Ｆｅ）ドープの半絶縁性ＩｎＰ基板である。ＩｎＰ基板は、不純物の変更は別にして、共通して（１００）基板である。
（２）グランド電極のｎ側電極１２が、ｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５上に配置されている。
（３）受光素子の側部をメサエッチングすることで形成されたメサ構造を有する。
上記の（１）における鉄（Ｆｅ）ドープの半絶縁性ＩｎＰ基板１は、近赤外域における透明性が高い。このため、近赤外域の受光感度を全体的に向上させることができる。上記の（２）は、ＩｎＰ基板がＦｅドープの半絶縁性としたため、ｎ側電極１２を、そのＦｅドープＩｎＰ基板１の裏面に配置できないための措置である。すなわち、ｎ側電極１２は、ｎ型不純物濃度を高めたｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層１５上にオーミック接触される。そして、この（２）における構造を実現するために、上記（３）メサ構造が用いられている。メサ構造については、他の大きな働きがあるが、そのことについては、次の実施の形態４において説明する。
その他の、実施の形態１または２における受光素子１０に備えられる層は、材料、厚み等について、実施の形態３においても実施の形態１または２の場合と同様にすることができる。
図２で説明した吸収層１５による感度の補正、図３で説明したタイプＩＩ多重量子井戸構造からなる受光層３で生じる遷移、図４を基にした吸収層の厚みの算出、などはそのまま、本実施の形態にも適用される。製造方法についても、既知の方法をアレンジして製造することができる。
図２で説明した吸収層１５による感度の補正、図３で説明したタイプＩＩ多重量子井戸構造からなる受光層３で生じる遷移、図４を基にした吸収層の厚みの算出、などはそのまま、本実施の形態にも適用される。製造方法についても、既知の方法をアレンジして製造することができる。
（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４における、受光素子１０を示す図である。この受光素子１０は、次のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の積層構造を有する。
（鉄（Ｆｅ）ドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１／ＩｎＧａＡｓ吸収層１５／ｎ型正孔消去層２５／タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３／ｐ型ＩｎＧａＡｓ中間層４／ｐ型ＩｎＰ窓層５）
図８では、図が分かりにくくなるので、ｐｎ接合は図示していないが、上述の意味のｐｎ接合は存在する。しかし、本実施の形態では、選択拡散によってｐ型領域を形成してｐｎ接合を形成するのではなく、エピタキシャル成長中にドーピングによって不純物を導入して、ｐｎ接合を形成する。ｐｎ接合は、いうまでもなく、上述した意味でのｐｎ接合である。したがってｐｉ接合なども含まれる。
図８は、本発明の実施の形態４における、受光素子１０を示す図である。この受光素子１０は、次のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の積層構造を有する。
（鉄（Ｆｅ）ドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１／ＩｎＧａＡｓ吸収層１５／ｎ型正孔消去層２５／タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３／ｐ型ＩｎＧａＡｓ中間層４／ｐ型ＩｎＰ窓層５）
図８では、図が分かりにくくなるので、ｐｎ接合は図示していないが、上述の意味のｐｎ接合は存在する。しかし、本実施の形態では、選択拡散によってｐ型領域を形成してｐｎ接合を形成するのではなく、エピタキシャル成長中にドーピングによって不純物を導入して、ｐｎ接合を形成する。ｐｎ接合は、いうまでもなく、上述した意味でのｐｎ接合である。したがってｐｉ接合なども含まれる。
図８のｐ型ＩｎＧａＡｓ中間層４については、大別して、不純物の高濃度領域（ＩｎＰ窓層側）、急峻に変化する領域、および低濃度領域（多重量子井戸構造側）の３つの領域を含むように、ドーピングを行う。この結果、多重量子井戸構造３の中に高濃度の不純物が拡散してゆく危険を除きながら、ＩｎＧａＡｓにおける小さいバンドギャップエネルギによって、電気抵抗増大の程度、または電気伝導度の低下の程度を小さくすることができる。
本実施の形態では、ドーピングによって各画素のｐｎ接合を形成するので、メサ構造によって、各画素の独立性を確保することが必須となる。実施の形態１の説明の最初に述べたように、図８の受光素子を、一次元もしくは二次元に画素が配列されたなかの一つの画素とみれば、このメサ構造とすることで、より高密度な画素配列を実現することができる。さらに、選択拡散による製造よりも、製造歩留まりを高め、製造コストを低減することなどが可能になる。
また、ｎ側電極１２は、ｎ型正孔消去層２５上にオーミック配置されるので、ｎ型不純物の濃度は５Ｅ１８ｃｍ−３以上の高濃度とするのがよい。ｎ型正孔消去層２５をＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓなどで形成すること、その厚みを０．８μｍ以上、より好ましくは１．６μｍ以上とすること、などは、実施の形態３と同様である。ｎ側電極１２が、ｎ型正孔消去層２５上に配置されるので、ＩｎＧａＡｓ吸収層１５は、ノンドープでもよい。
その他の、実施の形態４の受光素子１０に備えられる層は、材料、厚み等について、実施の形態１または２の場合と同様にすることができる。
図２で説明した吸収層１５による感度の補正、図３で説明したタイプＩＩ多重量子井戸構造からなる受光層３で生じる遷移、図４を基にした吸収層の厚みの算出、などはそのまま、本実施の形態にも適用される。製造方法についても、既知の方法をアレンジして製造することができる。
図２で説明した吸収層１５による感度の補正、図３で説明したタイプＩＩ多重量子井戸構造からなる受光層３で生じる遷移、図４を基にした吸収層の厚みの算出、などはそのまま、本実施の形態にも適用される。製造方法についても、既知の方法をアレンジして製造することができる。
（実施の形態５）
図９（ａ）は、本発明の実施の形態５における、受光素子１０を用いた光学装置（撮像装置など）５０を示す。受光素子１０の画素電極（図示せず）は、読み出し回路４０の読み出し電極（図示せず）と、バンプ１９を介して導電接続されている。図９（ｂ）は、受光素子１０における単一画素の部分を示す図である。受光素子１０におけるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル積層構造は、次のとおりである。
（硫黄（Ｓ）ドープｎ型ＩｎＰ基板１／受光層３（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のタイプＩＩ多重量子井戸構造／ＩｎＰ窓層５）
本実施の形態では、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に、コーティング膜である誘電体多層膜１８が配置されている点で、他の実施の形態と相違する。この誘電体多層膜１８は、タイプＩ波長域の光を強く反射して透過率を低下させ、それより長波長側の光はほとんど反射しないでほとんど透過させるため透過率は高い。この誘電体多層膜１８を、硫黄（Ｓ）ドープｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に付帯させることで、図２に示すように、波長域１．０μｍ〜２．２μｍの全域で感度が均される。
図９（ａ）は、本発明の実施の形態５における、受光素子１０を用いた光学装置（撮像装置など）５０を示す。受光素子１０の画素電極（図示せず）は、読み出し回路４０の読み出し電極（図示せず）と、バンプ１９を介して導電接続されている。図９（ｂ）は、受光素子１０における単一画素の部分を示す図である。受光素子１０におけるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル積層構造は、次のとおりである。
（硫黄（Ｓ）ドープｎ型ＩｎＰ基板１／受光層３（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のタイプＩＩ多重量子井戸構造／ＩｎＰ窓層５）
本実施の形態では、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に、コーティング膜である誘電体多層膜１８が配置されている点で、他の実施の形態と相違する。この誘電体多層膜１８は、タイプＩ波長域の光を強く反射して透過率を低下させ、それより長波長側の光はほとんど反射しないでほとんど透過させるため透過率は高い。この誘電体多層膜１８を、硫黄（Ｓ）ドープｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に付帯させることで、図２に示すように、波長域１．０μｍ〜２．２μｍの全域で感度が均される。
上記の感度の平準化は、図９（ａ）に示すように、読み出し回路４０と組み合わせて光学装置５０を組み上げた場合、読み出し回路４０における電気出力の飽和レベルに対して、ゲインの余地を生じる。図１０は、本発明の実施の形態において得られる効果を示すための、入射光の照度と読み出し回路等の出力との関係を示す図である。ただし、図１０（ａ）〜（ｃ）に関する説明は、実施の形態５に限定されず、実施の形態１〜４にも当てはまる。まず、図１０（ａ）は、タイプＩ波長域（波長１．８μｍ未満帯）の感度が、波長１．８μｍ以上帯に比べて過度に大きい、従来の受光素子における入射光の照度と出力との関係を示す図である。図１０（ａ）において、２つの直線は、その波長域の光を示し、その光の照度の増大につれて電気出力が増大する傾向を示す。従来の受光素子では、直線が２本あることが問題である。すなわち波長１．８μｍ未満帯の電気出力が過度に高く、電気出力飽和レベルＫに近い。これに比べて波長１．８μｍ以上帯の電気出力は、波長１．８μｍ未満帯より相当低く、電気出力飽和レベルＫにはほど遠い。波長１．８μｍ未満帯の電気出力が、電気出力飽和レベルＫに近いため、波長１．８μｍ以上帯の電気出力を上げたくても上げることができない。
図１０（ｂ）は、本実施の形態のように（実施の形態１〜４でも同様である）、波長１．８μｍ未満帯の照度を減少させて対象波長域を均一の感度とした場合の、照度と電気出力との関係を示す。過度に高い電気出力を示す波長帯がないため、全体的に、電気出力飽和レベルＫに対して上げ代の余裕がある。このため、図１０（ｃ）に示すように、読み出し回路４０の制御部は、この電気素子１０から読み出した信号の電気出力を波長１．８μｍ以上帯の光も含めて全対象波長域にわたって向上させて、感度を向上させることができる。
図１０（ｂ）は、本実施の形態のように（実施の形態１〜４でも同様である）、波長１．８μｍ未満帯の照度を減少させて対象波長域を均一の感度とした場合の、照度と電気出力との関係を示す。過度に高い電気出力を示す波長帯がないため、全体的に、電気出力飽和レベルＫに対して上げ代の余裕がある。このため、図１０（ｃ）に示すように、読み出し回路４０の制御部は、この電気素子１０から読み出した信号の電気出力を波長１．８μｍ以上帯の光も含めて全対象波長域にわたって向上させて、感度を向上させることができる。
実施の形態５における受光素子の誘電体多層膜１８の一例を製作した。この誘電体多層膜１８は、つぎの構成を備える。
（１）構造：ＩｎＰ基板１の裏面／ＳｉＯ２（厚み１７２．５ｎｍ）／ＳｉＮ（厚み６０３．２ｎｍ）／ＳｉＯ２（厚み３４．６ｎｍ）
（２）製造方法：プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法によって、基板温度２５０℃で堆積した。
（３）性能（透過率の波長依存性）：
図１１は、実施の形態５における誘電体多層膜の一例の、透過率の波長依存性を示す図である。上記したように、波長１．５μｍにおいて透過率５０％であり、波長２．１μｍにおいて透過率１００％である。これらの間の波長域では、透過率は滑らかに連続している。この間の波長域での透過率−波長の曲線の形状は、誘電体多層１８の構成を変えることで、どのようにも変えることが可能である。その結果、図２に示すような感度の波長依存性の平準化を実現することができる。そして、その結果、図１０（ｃ）に示すように、長波長側を含む全対象域のゲインを向上させることができる。
（１）構造：ＩｎＰ基板１の裏面／ＳｉＯ２（厚み１７２．５ｎｍ）／ＳｉＮ（厚み６０３．２ｎｍ）／ＳｉＯ２（厚み３４．６ｎｍ）
（２）製造方法：プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法によって、基板温度２５０℃で堆積した。
（３）性能（透過率の波長依存性）：
図１１は、実施の形態５における誘電体多層膜の一例の、透過率の波長依存性を示す図である。上記したように、波長１．５μｍにおいて透過率５０％であり、波長２．１μｍにおいて透過率１００％である。これらの間の波長域では、透過率は滑らかに連続している。この間の波長域での透過率−波長の曲線の形状は、誘電体多層１８の構成を変えることで、どのようにも変えることが可能である。その結果、図２に示すような感度の波長依存性の平準化を実現することができる。そして、その結果、図１０（ｃ）に示すように、長波長側を含む全対象域のゲインを向上させることができる。
さらに、受光素子の誘電体多層膜１８の他の例を製作した。この誘電体多層膜１８は、つぎの構成を備える。
（１）構造：ＩｎＰ基板１の裏面／ＳｉＮ（厚み３９４．５ｎｍ）／ＳｉＯ２（厚み２３８．６ｎｍ）／ＳｉＮ（厚み１３５．３ｎｍ）
（２）製造方法：プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法によって、基板温度２５０℃で堆積した。
（３）性能（透過率の波長依存性）：
図１２は、実施の形態５における別の誘電体多層膜の例における、透過率の波長依存性を示す図である。透過率が極小を示す波長は、やや短いほうにずれて波長１．４μｍであり、その極小値は５０％と図１１のそれと同等である。極大値の波長２．１μｍ、およびその極大値１００％も図１１のそれと同等である。これによって感度の波長依存性の平準化、および全体の感度の向上（ゲインの増大）を実現できる点においては図１１に示した誘電体多層膜１８と同じである。
（１）構造：ＩｎＰ基板１の裏面／ＳｉＮ（厚み３９４．５ｎｍ）／ＳｉＯ２（厚み２３８．６ｎｍ）／ＳｉＮ（厚み１３５．３ｎｍ）
（２）製造方法：プラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法によって、基板温度２５０℃で堆積した。
（３）性能（透過率の波長依存性）：
図１２は、実施の形態５における別の誘電体多層膜の例における、透過率の波長依存性を示す図である。透過率が極小を示す波長は、やや短いほうにずれて波長１．４μｍであり、その極小値は５０％と図１１のそれと同等である。極大値の波長２．１μｍ、およびその極大値１００％も図１１のそれと同等である。これによって感度の波長依存性の平準化、および全体の感度の向上（ゲインの増大）を実現できる点においては図１１に示した誘電体多層膜１８と同じである。
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。
本発明によれば、タイプＩＩの多重量子井戸構造の受光層をもつ近赤外〜赤外域用の受光素子の感度を対象波長にわたって同じレベルに揃えることで、高精度の分光分析用を実現することができる。
１ ＩｎＰ基板、３ タイプＩＩ多重量子井戸構造の受光層、４ ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層またはＩｎＧａＡｓ中間層、５ ＩｎＰ窓層、６ ｐ型領域、９ ｐｎ接合、１０ 受光素子、１１ 画素電極、１２ グランド電極、１５ 吸収層、１８ 誘電体多層膜、１９ バンプ、２５ 正孔消去層、３５ 反射防止膜、３６ 選択拡散マスクパターン、３７ パッシベーション膜、４０ 読み出し回路、４１ ＳｉＮ保護膜、Ｃｂ 伝導帯、Ｋ 電気出力の飽和レベル、Ｖｂ 価電子帯、Ｔ１ タイプＩのエネルギ差最少の遷移、Ｔ２ タイプＩＩのエネルギ差最少の遷移。
Claims (14)
- ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板に形成され、タイプＩＩ多重量子井戸構造からなる受光層を含む受光素子であって、
前記タイプＩＩ多重量子井戸構造においてタイプＩの吸収が生じる波長域（タイプＩ波長域）の光を長波長側の波長域の光よりも大きく減少させるためのタイプＩ波長域減少手段が、前記受光層の位置よりも光入射側に位置しており、
前記タイプＩ波長域減少手段が、
タイプＩ波長域の光を吸収するエピタキシャル半導体層からなり、前記受光層から正孔の拡散長の５０％以上の距離を離れて配置される吸収層、
または、
光入射面に付帯された、タイプＩ波長域の透過率を前記タイプＩ波長域より長波長側の波長域の透過率に比べて低くするコーティング膜、
であることを特徴とする、受光素子。 - 前記吸収層がＩｎＧａＡｓ層またはＩｎＧａＡｓＰ層であることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
- 前記吸収層が前記基板と前記受光層との間に位置し、該吸収層と該受光層との間に、厚みが正孔の拡散長の５０％以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる正孔消去層が配置されていることを特徴とする、請求項１又は２のいずれか１項に記載の受光素子。
- 前記正孔消去層がＩｎＰ層および／またはＡｌＩｎＡｓ層からなることを特徴とする、請求項３に記載の受光素子。
- 前記コーティング膜が、誘電体多層膜であることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
- 前記基板がＩｎＰ基板であり、前記受光層がタイプＩＩのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造、またはタイプＩＩのＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の受光素子。
- 前記ＩｎＰ基板がＦｅドープまたはノンドープであり、前記吸収層に接して配置されるグランド電極を有することを特徴とする、請求項６に記載の受光素子。
- 前記受光層において前記タイプＩ波長域より長波長側の波長域の感度と、該タイプＩ波長域の感度との比がＡ（Ａ＜１）の場合、前記吸収層もしくは前記コーティング膜は、タイプＩ波長域の光の透過率が前記タイプＩ波長域より長波長側の波長域の透過率に対して０．８Ａ以上１．２Ａ以下となるように、材料および厚みが設定されていることを特徴とする、請求項６または７に記載の受光素子。
- 前記タイプＩ波長域の代表波長を１．５μｍとし、前記タイプＩ波長域より長波長側の波長域の代表波長を２．１μｍとして、該波長２．１μｍと１．５μｍとの感度の比がＡ（Ａ＜１）であり、前記吸収層もしくは前記コーティング膜は、前記波長１．５μｍの透過率を前記波長２．１μｍの透過率に比べて、０．８Ａ以上１．２Ａ以下となるように、材料および厚みが設定されていることを特徴とする、請求項８に記載の受光素子。
- 前記吸収層もしくは前記コーティング膜が前記基板の裏面に位置していることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の受光素子。
- ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板に形成され、タイプＩＩ多重量子井戸構造からなる受光層を含む受光素子であって、
前記タイプＩＩ多重量子井戸構造においてタイプＩの吸収が生じる波長域（タイプＩ波長域）の光を長波長側の波長域の光よりも大きく減少させるためのタイプＩ波長域減少手段が、前記受光層の位置よりも光入射側に位置しており、
前記タイプＩ波長域減少手段がタイプＩ波長域の光を吸収する、エピタキシャル半導体層からなる吸収層であるとともに、
前記吸収層が前記基板と前記受光層との間に位置し、該吸収層と該受光層との間に、厚みが正孔の拡散長の５０％以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる正孔消去層が配置されていることを特徴とする、受光素子。 - 前記基板がＩｎＰ基板であり、前記受光層がタイプＩＩのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造、またはタイプＩＩのＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造であることを特徴とする、請求項１１に記載の受光素子。
- 前記ＩｎＰ基板がＦｅドープまたはノンドープであり、前記吸収層に接して配置されるグランド電極を有することを特徴とする、請求項１２に記載の受光素子。
- 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の受光素子を用いたことを特徴とする光学装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012134142A JP5991036B2 (ja) | 2012-06-13 | 2012-06-13 | 受光素子および光学装置 |
| US13/830,433 US8927965B2 (en) | 2012-06-13 | 2013-03-14 | Light receiving element and optical device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012134142A JP5991036B2 (ja) | 2012-06-13 | 2012-06-13 | 受光素子および光学装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2013258328A JP2013258328A (ja) | 2013-12-26 |
| JP5991036B2 true JP5991036B2 (ja) | 2016-09-14 |
Family
ID=49755051
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2012134142A Active JP5991036B2 (ja) | 2012-06-13 | 2012-06-13 | 受光素子および光学装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8927965B2 (ja) |
| JP (1) | JP5991036B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015193875A1 (en) * | 2014-06-16 | 2015-12-23 | B. G. Negev Technologies And Applications Ltd., At Ben-Gurion University | Swir to visible image up-conversion integrated device |
| JP2018182261A (ja) * | 2017-04-21 | 2018-11-15 | 住友電気工業株式会社 | 半導体受光デバイス |
| JP2018190798A (ja) * | 2017-04-28 | 2018-11-29 | 住友電気工業株式会社 | 赤外線検知半導体デバイス |
| CN112838122A (zh) | 2017-05-26 | 2021-05-25 | 住友电气工业株式会社 | Iii-v族化合物半导体基板和带有外延层的iii-v族化合物半导体基板 |
| WO2023127110A1 (ja) * | 2021-12-28 | 2023-07-06 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 光検出装置及び電子機器 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08250759A (ja) * | 1995-03-15 | 1996-09-27 | Toshiba Corp | 半導体受光素子 |
| JP2002289904A (ja) * | 2001-03-23 | 2002-10-04 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体受光素子とその製造方法 |
| JP2003234494A (ja) * | 2002-02-08 | 2003-08-22 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体受光素子 |
| JP2006344681A (ja) * | 2005-06-07 | 2006-12-21 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 受光素子及び受光素子モジュール |
| JP4662188B2 (ja) * | 2008-02-01 | 2011-03-30 | 住友電気工業株式会社 | 受光素子、受光素子アレイおよびそれらの製造方法 |
| MX2010008146A (es) | 2009-02-04 | 2010-09-30 | Panasonic Corp | Medio de grabacion, dispositivo de reproduccion y circuito integrado. |
| US8426845B2 (en) * | 2010-05-07 | 2013-04-23 | Svt Associates, Inc. | Long wavelength infrared superlattice |
| JP2012015170A (ja) * | 2010-06-29 | 2012-01-19 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 受光素子およびその製造方法 |
-
2012
- 2012-06-13 JP JP2012134142A patent/JP5991036B2/ja active Active
-
2013
- 2013-03-14 US US13/830,433 patent/US8927965B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20130334492A1 (en) | 2013-12-19 |
| US8927965B2 (en) | 2015-01-06 |
| JP2013258328A (ja) | 2013-12-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jiang et al. | Demonstration of a 256× 256 middle-wavelength infrared focal plane array based on InGaAs/InGaP quantum dot infrared photodetectors | |
| US9541450B2 (en) | Radiation detector having a bandgap engineered absorber | |
| JP6080092B2 (ja) | 受光素子、半導体エピタキシャルウエハ、検出装置および受光素子の製造方法 | |
| US7271405B2 (en) | Intersubband detector with avalanche multiplier region | |
| US10886325B2 (en) | Infrared detector devices and focal plane arrays having a transparent common ground structure and methods of fabricating the same | |
| US8293566B1 (en) | Strained layer superlattice focal plane array having a planar structure | |
| US8772729B1 (en) | APDs using nano-plasmonic metamaterials | |
| JP5991036B2 (ja) | 受光素子および光学装置 | |
| WO2011089949A1 (ja) | 化合物半導体受光素子アレイ | |
| WO2012073539A1 (ja) | 受光素子、検出装置、半導体エピタキシャルウエハ、およびこれらの製造方法 | |
| JP5975417B2 (ja) | 受光素子の製造方法 | |
| US8829452B1 (en) | VIS-NIR plasmonic APD detectors | |
| US10128386B2 (en) | Semiconductor structure comprising an absorbing area placed in a focusing cavity | |
| JP4856031B2 (ja) | アバランシェフォトダイオード | |
| US9165967B2 (en) | Semiconductor structure able to receive electromagnetic radiation, semiconductor component and process for fabricating such a semiconductor structure | |
| JP6038177B2 (ja) | 半導体構造体、構造体を含むデバイス、および半導体構造体を製造する方法 | |
| JP2012216727A (ja) | 受光素子、その製造方法および検出装置 | |
| WO2015079763A1 (ja) | 受光素子 | |
| Kaldirim et al. | Lattice-matched AlInAs–InGaAs mid-wavelength infrared QWIPs: characteristics and focal plane array performance | |
| US9698286B2 (en) | Quantum well infrared photodetectors using II-VI material systems | |
| Gustafsson et al. | A performance assessment of type-II interband In0. 5Ga0. 5Sb QD photodetectors | |
| JP2018182261A (ja) | 半導体受光デバイス | |
| WO2012073934A1 (ja) | 受光素子、半導体エピタキシャルウエハ、これらの製造方法および検出装置 | |
| Boisvert et al. | Characterization of InAlAs/InGaAs APD arrays for SWIR imaging applications | |
| Boisvert et al. | Characterization of InGaAsP/InP APD arrays for SWIR imaging applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150521 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160229 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160322 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160510 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20160719 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20160801 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5991036 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |