JP6112472B2 - 受光デバイスの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、近赤外〜赤外域のうちのいずれかの波長域の光を受光対象とする、受光デバイス、その製造方法、およびセンシング装置に関するものである。
近赤外を含む赤外域の光は、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て、その赤外域のセンシング装置の開発が行われている。これら受光デバイスでは、選択拡散によってｐｎ接合を形成することで選択拡散していない領域で隔てられた画素を形成するプレーナ型フォトダイオードとする構造が多く用いられてきた。しかしながら、選択拡散によるプレーナ型フォトダイオードについては、次の問題がある。
（１）製造能率の向上を得ることができる大口径化ウエハを用いる場合、選択拡散を精度よく実施することが困難である。
（２）選択拡散されていない領域を十分確保しないと、画素分離が難しいため、入射面に占める開口部、または選択拡散の領域の面積率、すなわちフィルファクタ（Fill Factor）が小さくなる。このため、感度向上に限界がある。別の観点から見れば、画素ピッチの高密度化に大きな制約となる。
一方、プレーナ型フォトダイオードと対比されるメサ型フォトダイオードについては、近赤外ＩｎＧａＡｓ２次元イメージセンサについて提案がなされている（非特許文献１、特許文献１）。また、近赤外から長波長側に感度拡大をはかるためタイプＩＩ量子井戸構造（ＭＱＷ:Multi-Quantum Well）を受光層として、メサ構造を形成するのに、湿式エッチング（リン酸系エッチャント）を用いる提案がなされている（非特許文献２）。
フィルファクタを大きくできるメサ型フォトダイオードのもう一つの利点は、ｐｎ接合をエピタキシャル成長のとき作り込むのでｐｎ接合の位置の制御性に優れていることである。ｐｎ接合の位置がずれると、感度や応答速度のバイアス電圧依存性が変化するため製品の特性の安定性に影響を及ぼす。
特開２００１−１４４２７８号公報
Marshall J.Cohen, Michael J. Lange, Martin H. Ettenberg, Peter Dixon, Gregory H. Olsen, "A Thin Film Indium Gallium Arsenide Focal Plane Array for Visibleand Near Infrared Hyperspectral Imaging",1999, IEEE,pp.744-745 Mark Itzler, "Low-Noise Abalanche Photodiodes for Midwave Infrared (2 to 5 μｍ) Applications", Princeton Lightwave Inc.Final Report, 14 August 2005
しかし、メサ型フォトダイオードは、ｐｎ接合がメサ構造の溝の壁面に露出するので壁面で電流のリークが発生し易い。とくにドライエッチングによる結晶損傷によってリーク電流が増大する傾向がある。一般に、近赤外〜遠赤外の波長域の受光においては、暗電流は極力下げる必要があり、このためにペルチエ素子等の冷却機構を設けるのが普通である。また、比較的波長が短い範囲の近赤外域において冷却機構を設けない構成は、それだけで、その受光素子の一つの大きな特徴となる。また、より長波長側において冷却機構を必要とする場合でも、暗電流が低ければ、冷却機構のレベルを低くでき、重量軽減、コスト削減等を得ることができる。そのために、メサ型でｐｎ接合の端が大気に露出しない構造とすることが重要となる。
また、ｐｎ接合の端を露出させないことと並んで、ｐｎ接合の位置も重要である。一般に、暗電流は作動電圧（逆バイアス電圧の絶対値）に比例するので、作動電圧は低くするほど暗電流を抑制することができる。作動電圧は、ｐｎ接合から受光層内に空乏層を張り出させるために、画素電極とグランド電極との間に印加する。ｐｎ接合を受光層内、もしくは上層と受光層との界面に配置すれば、低い作動電圧で空乏層を受光層内に広く張り出すことが可能となる。
本発明は、低い作動電圧で暗電流を小さくしてフィルファクタを大きく保った上で、狭ピッチ化、製造能率向上等が可能なメサ型の受光デバイス、その製造方法、およびセンシング装置を提供することを目的とする。
本発明は、受光デバイスの製造方法に関するものである。本発明の受光デバイスは、ｐｎ接合を含む画素がメサ構造によって配列されている。この受光デバイスは、タイプＩＩの多重量子井戸構造の受光層と、受光層上に位置し、画素ごとに電極が配置される不純物を含むキャップ層とを備え、メサ構造の溝は、画素ごとに該画素の領域を取り囲むように、受光層の上端近傍まで到達しており、ｐｎ接合は、溝によって取り囲まれた画素ごとのキャップ層から連続する不純物の領域の先端として、画素ごとに分離されて受光層内、または受光層と当該受光層の上層との界面、に位置していることを特徴とする。
ここで、メサ構造の溝について「受光層の上端近傍まで突き抜けており」とは、その溝の底が、受光層と当該受光層の上層との境界を基準に、（受光層の厚み１／１０分だけ上層内）〜（受光層の厚み２／１０分だけ受光層内）の深さ範囲のいずれかに位置することを意味する。
また、「溝によって取り囲まれた画素ごとのキャップ層から連続する不純物の領域の先端」は、キャップ層は画素単位で相互に、メサ溝で分離されていて、その画素単位のキャップ層の底部から不純物が連続して分布していることをさす。その不純物の濃度は、キャップ層の底部から受光層側へと減少しながら先端に至っている。
これによって、つぎの作用を得ることができる。
（Ｆ１）：メサ構造と、メサ構造で分離されたコンタクト層（メサ周囲コンタクト領域）ごとの不純物拡散と、の協働作業によって、ｐｎ接合が画素単位で相互に分離して形成されるので、小型化（狭ピッチ化）を推進することが容易となる。さらに、選択拡散のみによって画素形成する従来の方法に比べて次の利点を有する。すなわち、上記の構成ではエピタキシャル成長のとき、導電型に応じた不純物をドープしておいてメサエッチングによって画素を機械構造的に分離しておき、その後で画素ごとにメサ溝で取り囲まれたコンタクト層（メサ周囲コンタクト領域）から不純物を拡散させて、最終的なｐｎ接合を形成する。このため、従来の選択拡散における横方向拡散によって難しかった狭ピッチ化が可能となる。
（Ｆ２）：さらに別の利点として、ｐｎ接合の端を製造開始から製品するまで、一瞬たりとも大気や成長槽の雰囲気にさらさないですむ、ことである。これによってｐｎ接合の端に、大気等に含まれる酸素等の不純物の付着がなく、暗電流の抑制に効果的に作用する。
（Ｆ３）：また、別の利点として、ｐｎ接合を受光層の近くに位置させることで、動作電圧を低くしても空乏層を受光層内に張り出させることが可能になる。低い動作電圧にすることで、暗電流を小さくすることが可能になる。
（Ｆ４）：さらに、選択拡散法よりも不純物濃度分布を均一に制御できるので、大口径化を推進することができる。この大口径化によって、受光デバイスの製造の量産性を高めることができる。
（Ｆ５）：画素分離のためのエッチングを多重量子井戸構造内深くまで行わないので、多重量子井戸構造の結晶性を損ねることがない。通常のメサ構造は受光層の厚み全部を突き抜ける深さを有する溝を設ける。多重量子井戸構造の受光層を貫通する溝の場合、その溝の壁面を完全に被覆することが難しい。すなわち多重量子井戸構造のような複雑なエピタキシャル積層体の端面、すなわち極端な場合、層単位の微細な凹凸が生じる端面、を、保護膜で確実性をもって被覆することが難しい。しかし、上記の構成では、多重量子井戸構造の奥深くまで、溝は入れない。このため、複雑な凹凸形状の多重量子井戸構造の端面を保護膜で被覆する必要がなくなる。保護膜が完全に被覆しないと、やはり漏れ電流（暗電流）の原因となる。本発明の構成の結果、暗電流が小さくＳ／Ｎ比に優れる受光素子を得ることができる。
なお、受光デバイスは、複数の画素が、一次元配列されたものでも、二次元配列されたものでもよい。
キャップ層は、（Ａ１）電極とオーミック接触する不純物濃度を有するコンタクト層と、該コンタクト層より低い濃度の不純物を含む濃度調整層とから構成される（以下（Ａ１）と記す）、か又は（Ａ２）電極とオーミック接触する不純物濃度を有するコンタクト層から構成される（以下（Ａ２）と記す）、ことができる。
これによって、用途等に応じて多様な構成の選択肢を持つことができる。なお、コンタクト層と濃度調整層とからなるキャップ層の場合（Ａ１）、コンタクト層と濃度調整層とは、同じ共通の材料で形成されていてもよいし、異なる材料で形成されていてもよい。
受光層と当該受光層の上層との界面における不純物のキャリア濃度が５Ｅ１６ｃｍ−３以下、であるようにしてもよい。
これによって、タイプＩＩの多重量子井戸構造の受光層が、所定レベル以上の濃度の不純物によって結晶性が害される場合、受光層の上層（キャップ層）において不純物濃度の分布を低下させて受光層内に所定レベル以上の濃度の不純物が入るのを防止することが可能となる。ここで、キャリア濃度が５Ｅ１６ｃｍ−３は、多重量子井戸構造の結晶性が劣化しない限界の濃度であり、かつ、受光層における反対の導電型不純物のバックグランド濃度（通常、５Ｅ１５ｃｍ−３程度）より大きく、受光層内もしくは受光層と上層との界面にｐｎ接合が形成されることを保証する濃度でもある。
ｐｎ接合は、キャップ層から連続して分布する不純物の濃度が、受光層内の反対導電型の不純物のバックグランド濃度と一致する箇所に形成される。受光の際は、ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加して、空乏層を受光層の基板側に張り出させて、その空乏層内で受光によって正孔・電子対を生じさせ、その正孔および電子を捕捉する。ｐｎ接合から空乏層が張り出す幅の大きさは、不純物濃度に逆比例する。空乏層を受光層内に大きく張り出させるためには、受光層をノンドープとすることで反対導電型の不純物濃度をバックグランド濃度５Ｅ１５ｃｍ−３程度と低くする。
画素ごとのキャップ層を取り囲む溝を、エッチングによるメサ溝とするか、または受光層上に設けられた選択成長マスクパターンの開口部に選択成長したキャップ層の壁面の間の隙間、としてもよい。
これによって画素分離を確実にする手段の選択肢を多くすることができる。たとえば画素領域ごとに選択成長させる場合には、暗電流を抑制することが可能になる。
選択成長マスクパターンをパッシベーション膜として残すことが多いので、それによって識別することができる。暗電流を抑制するために選択成長させる場合には、ほとんど例外なく選択成長マスクパターンを残す。
エッチングによって溝を形成する場合において、メサ構造の溝の少なくとも側壁が、断面において、（１）直線で構成されてもよいし、または（２）湾曲した凹状曲線を主体に構成されてもよい。
これによって、メサ構造を形成するときのエッチングをドライエッチング（（１）の形状となる）でもよいし、ウエットエッチング（（２）の形状となる）でもよい。ドライエッチングは微妙な条件設定を数多く設定可能であり、高精度のメサ構造の溝を形成できる。しかし、エッチング時に結晶の損傷が大きくなり易い。一方、ウエットエッチングは、エッチングによる結晶の損傷は小さく、高額な装置は不要である。しかし、精度の点で改良の余地がある。
受光デバイスはＩｎＰ基板上に結晶成長した化合物半導体により形成されており、受光層をタイプＩＩの多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）としてもよい。
これによって、波長３μｍ程度までの近赤外域に受光感度をもつ受光デバイスについて、小型化（狭ピッチ化）、大口径ウエハによる量産性の向上などを得た上で、暗電流を低くしＳ／Ｎ比に優れたものとすることができる。
コンタクト層を、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＰのいずれか一方の層からなるようにしてもよい。
また、（Ａ１）の場合、濃度調整層を、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＰの、いずれか一方または両方の層からなるようにしてもよい。
ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＰいずれの場合も比較的低い成長温度でＺｎのようなｐ型不純物を多く取り込むことができるので、所定のドーパント濃度のｐ型コンタクト層を、低い成長温度で容易に形成することができる。
受光デバイスがＩＩＩ−Ｖ族半導体基板上に形成されており、受光層を、タイプＩＩの多重量子井戸構造（ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ）としてもよい。
これによって、中赤外域に感度を持ち、暗電流が低く、画質のよい受光デバイスを得ることができる。
上記のいずれかの受光デバイスと、読み出し回路（ＲＯＩＣ:Read-Out IC ）とを組み合わせて、センシング装置を構成することができる。
これによって、暗電流が低く、量産性に優れた、近赤外〜赤外域のいずれかの波長域に感度をもつセンシング装置を得ることができる。
本発明の受光デバイスの製造方法は、ｐｎ接合を有する画素が配列された受光デバイスを形成する。この製造方法は、半導体基板の上に、受光層を形成する工程と、受光層の上に、キャップ層を、（Ａ１）コンタクト層とその下の濃度調整層との２層で、または（Ａ２）コンタクト層の１層で、形成し、該コンタクト層には画素ごとに電極がオーミック接触するように不純物をドープし、画素ごとに該画素の領域を取り囲んで、受光層の上端近傍まで到達するようにメサ構造の溝を設ける工程と、メサ構造形成工程の後、メサ構造を被覆する保護膜を形成する工程と、保護膜形成工程の後、アニールする工程を備える。そして、該アニール工程で、溝で取り囲まれた画素の領域ごとのコンタクト層から不純物を拡散させ、ｐｎ接合を、画素の領域ごとにコンタクト層から連続する不純物領域の先端として、受光層内もしくは受光層とその上層との界面に、位置させることを特徴とする。
これによって、（エピタキシャル成長中のドーピング、およびメサ構造の形成）によって、画素分離の骨格を形成しておく。その後、アニール工程で、キャップ層のコンタクト層（メサ溝が周回するコンタクト領域）から不純物を受光層側へと拡散させて受光層内もしくは受光層とその上層との界面にｐｎ接合を形成する。このメサ構造と、メサ周囲コンタクト領域からの不純物拡散との協働作業によって、上述の作用を得ることができる。
上記の製造方法は、比較的簡単であり、上述の（Ｆ１）〜（Ｆ５）の作用に加えて、製造コストを低減することが可能になる。
なお、選択拡散のように外部の気相からエピタキシャルウエハ中に不純物を導入する場合には、受光層内にいたる各ヘテロ界面においてその不純物のパイルアップが生じてスパイク状の局所的な濃度の変動が生じる。しかし、上記のように、エピタキシャル成長中にコンタクト層内に予めドープした不純物を、濃度勾配を駆動力として拡散させた場合、コンタクト層から受光層内にいたるヘテロ界面において不純物のパイルアップが生じることはない。本発明においてヘテロ界面においてこの不純物のパイルアップが無いことが、選択拡散によって画素分離をする従来のプレーナ型受光デバイスとの大きな相違点である。したがって、製造方法だけでなく、受光デバイスそれ自体の中に本発明の特徴が内在されている。
キャップ層におけるコンタクト層の成長工程において、成長開始から成長時間の経過に対して、不純物のドープ量を、徐々にまたはステップ状に、増やすようにしてもよい。
これによって、所定濃度を超える不純物がタイプＩＩ多重量子井戸構造内に拡散して結晶性を劣化させることを防止できる。キャップ層の構成が（Ａ１）の場合でも、また（Ａ２）の場合でもどちらでもよいが、（Ａ２）の場合に、濃度調整層がないので特に効果的に作用する。（Ａ２）の場合、濃度調整層がない分、電気抵抗を減らすことができ、作動電圧を減らすことで暗電流を抑制することが可能になる。
半導体基板上に受光層およびキャップ層を含む半導体積層体を、有機金属原料だけを用いたＯＭＶＰＥ法により成長温度４２５℃〜５７５℃で成長するようにしてもよい。
受光層を構成するＧａＡｓＳｂ層は、高温で相分離を生じ良質な結晶性を損なうおそれがある。しかし低温で分解し易い有機金属原料だけを用いて４２５℃〜５７５℃で成長することで良質な結晶性を得ることができるとともに、ＧａＡｓＳｂ層の結晶性劣化を防ぐことができる。
Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ａｓ（砒素）、Ｐ（燐）、Ｓｂ(アンチモン)の原料として、それぞれＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）、ＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）、ＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）を用いるのが望ましい。
Ｇａの原料としては、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）でもよく、Ｉｎの原料としては、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）でもよい。またＡｓの原料としては、ＴＭＡｓ(トリメチル砒素)でもよく、Ｓｂの原料としては、ＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）でもよい。
ｎ型のドーピングにはＴｅＥＳｉ（テトラエチルシラン）を、ｐ型のドーピングにはＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いることができる。
受光層がアンチモン（Ｓｂ）を含むタイプＩＩの多重量子井戸構造から構成され、メサ構造の溝を設ける工程において、ドライエッチングによるエッチングを行い、アンチモンをモニタすることで溝の底が受光層の上端に到達したとしてドライエッチングを止めるタイミングをとるようにしてもよい。
これによって、高精度でメサ構造を形成することができる。
受光層の形成工程の後からアニール工程までの間において、キャップ層の形成工程、メサ構造の形成工程、および保護膜形成工程に代えて、受光層の上に、選択成長マスクパターンを形成する工程と、該選択成長マスクパターンの開口部における受光層上に、キャップ層を、（Ａ１）コンタクト層とその下の濃度調整層との２層で、または（Ａ２）コンタクト層の１層で、形成し、該コンタクト層には画素ごとに電極がオーミック接触するように不純物をドープしながら選択成長する工程とを備える。また、選択成長したキャップ層および選択成長マスクパターンを保護膜で被覆する工程とを備えてもよい。
これによって、製造中から製品として完成した後もｐｎ接合の端が大気に露出されることがないこと、及び、選択成長によって画素分離を実現できメサ溝の壁面は損傷を受けないこと、の２点によって、暗電流を確実に抑制することができる。
本発明により、暗電流を抑制し、狭ピッチ化、製造能率向上等が可能な、受光デバイス、その製造方法、およびセンシング装置を提供することができる。
本発明の実施の形態１における受光デバイスおよびセンシング装置を示す断面図である。 （ａ）は図１に示す受光デバイスの画素の部分拡大図、（ｂ）は不純物の深さ方向の濃度分布図、である。 図１に示す受光デバイスの変形例を示し、（ａ）は画素の拡大図、（ｂ）は不純物の深さ方向の濃度分布図、である。 図１に示す受光デバイスの製造において、（ａ）はエピタキシャル積層体を絶縁膜で覆った後レジストパターンを形成しドライエッチングする状態、（ｂ）はドライエッチング中、（ｃ）はメサ溝を設けたあと絶縁膜で被覆し、チップの端縁部に開口を有するレジストパターンを形成しドライエッチングする状態、（ｄ）はレジストパターンおよびチップ端縁部の絶縁膜を除去した状態、と示す図である。 従来の選択拡散方法において得られた、Ｚｎの深さ方向分布、とくにヘテロ界面におけるパイルアップを示す図である。 本発明の実施の形態２における受光デバイスおよびセンシング装置を示す図である。 図６の受光デバイスの画素を示し、（ａ）は画素を部分拡大した断面図、（ｂ）は不純物の深さ方向の濃度分布図、である。 本発明の実施の形態３における受光デバイスおよびセンシング装置を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は画素を部分拡大した断面図、である。 本発明の実施の形態４における受光デバイスを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図、である。 図９の受光デバイスの製造方法を示し、（ａ）はバッファ層上に受光層を成長、（ｂ）は受光層上に選択拡散マスクパターンを形成、（ｃ）は不純物を選択拡散しながら選択成長層を成長、（ｄ）は選択成長層に画素電極を形成、した段階の図である。 図１０（ｂ）に示した絶縁層開口パターンの平面図である。 選択成長したコンタクト層を拡散源として拡散したｐ型領域およびｐｎ接合を示し、（ａ）は概要図、（ｂ）はｐｎ接合の端の部分拡大図、である。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における受光デバイス１０を読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read-Out IC）７０と結合したセンシング装置５０を示す図である。受光デバイス１０は次のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造を備える。
（ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＰバッファ層２／ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとのタイプＩＩ多重量子井戸構造の受光層３／キャップ層５）
キャップ層５は、画素電極１１がオーミック接触されるｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト５ａと、その下層のＩｎＧａＡｓ濃度調整層５ｂとから構成される。ＩｎＧａＡｓ濃度調整層５ｂには、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５ａから拡散してきたｐ型不純物の亜鉛（Ｚｎ）が受光層側に向かって低濃度となるように濃度勾配がついて分布している。濃度調整層５ｂは、上記のＩｎＧａＡｓ層でもよいし、ＩｎＰ層もしくは（ＩｎＧａＡｓ層／ＩｎＰ層）の複合層、によって形成されてもよい。また、ｐ型コンタクト層５ａは、やはり上記のＩｎＧａＡｓ層でもよいし、ＩｎＰ層もしくは（ＩｎＧａＡｓ層／ＩｎＰ層）からなる複合層、によって形成されてもよい。そしてｐ型コンタクト層５ａにおけるｐ型不純物、たとえば亜鉛（Ｚｎ）の濃度は、画素電極１１がオーミック接触するように１Ｅ１８ｃｍ−３以上とする。ｐ型コンタクト層５ａおよび濃度調整層５ｂの不純物濃度についてはｐｎ接合１５に関連して、このあと詳しく説明する。
受光層３は、ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとのタイプＩＩ多重量子井戸構造によって構成される。ペアにおけるＩｎＧａＡｓの厚みは２ｎｍ〜６ｎｍ、ＧａＡｓＳｂの厚みは２ｎｍ〜６ｎｍであり、２５０ペア〜５００ペア程度のペア数とする。受光層３の厚みは、２μｍ〜５μｍの範囲にある。また、キャップ層５におけるｐ型コンタクト層５ａの厚みは、０．３μｍ〜３μｍの範囲にあり、濃度調整層５ｂの厚みは、０．０５μｍ〜２μｍの範囲にある。このあとの実施の形態２に例示するように、濃度分布調整層５ｂが無い場合もある。この意味で、濃度分布調整層５ｂの厚みは、薄いほうの限界はないといってよい。
画素Ｐは、機械構造的にメサ構造の溝Ｋによって分離されている。メサ構造の溝Ｋおよびｐ型コンタクト層５ａ、ならびにグランド電極１２が位置する端縁部を保護するために、保護膜２５がこれら全体を連続して覆っている。
受光デバイス１０の画素電極１１は、読み出し回路７０に設けられた読み出し電極７１と、図示しないバンプを介在させて導電接続されている。また、ｎ型バッファ層２にオーミック接触するグランド電極１２は、ｐ型コンタクト層５ａの表面側へと端縁の壁を伝って延びる配線電極１３を介在させて、読み出し回路７０のアース電極７２に対向し、図示しないバンプによりそのアース電極７２に導電接続している。
ｐ型コンタクト層５ａにはＡｕＺｎによる画素電極１１が、またｎ型バッファ層２にはＡｕＧｅＮｉによるグランド電極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。これらの電極は、画素電極１１およびグランド電極１２ともに、Ｐｔ−Ｔｉ−Ａｕによって形成してもよい。上述のように、ｐ型コンタクト層５ａにおけるキャリア濃度は１Ｅ１８ｃｍ−３以上とする。また、ｎ型バッファ層２には、やはりオーミック接触を実現するためｎ型不純物のＳｉを１Ｅ１８ｃｍ−３以上ドープするのがよい。
画素が二次元に配列される場合、実用上必然的に、ＩｎＰ基板１の裏面を入射面とすることになる。受光感度を高めるため、ＩｎＰ基板１の裏面には、ＳｉＯＮ等の反射防止膜２７を設けるのがよい。
読み出し回路７０には、ＣＭＯＳ(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)によるマルチプレクサを用いている。
＜本実施の形態におけるポイント＞
＜メサ構造と不純物拡散との協業による画素分離およびｐｎ接合の形成＞：
本実施の形態のポイントには、メサ構造と不純物拡散との協業をあげることができる。メサ構造と不純物拡散によって、高いフィルファクタの画素配列を実現し、かつｐｎ接合の端を、製造開始から製品完成までの間、一瞬も雰囲気にさらすことなく受光層内もしくは受光層上部界面（受光層上面）に配置することができる。ｐｎ接合１５の端を製造開始から製品にいたるまで一瞬たりとも大気の雰囲気にさらすことがないので、ｐｎ接合１５の端に酸素等の不純物が付着することがない。ｐｎ接合１５の端に酸素等が付着しないことは、暗電流の抑制に有効に作用する。また、ｐｎ接合の配置位置から分かるように、低い作動電圧によって空乏層を受光層３に張り出すことができる。この低い作動電圧も暗電流の抑制に確実に貢献する。
１．メサ構造：
メサ構造の溝Ｋは、図１に示すように、受光層の上端近傍まで到達している。上記のように、メサ構造の溝について「受光層の上端近傍まで到達している」とは、その溝の底が、受光層と当該受光層の上層（図１ではキャップ層５中の濃度調整層５ｂ）との境界を基準深さ位置にして、（受光層の厚み１／１０分だけ上層内）〜（受光層の厚み２／１０分だけ受光層内）の深さ範囲のいずれかに位置することを意味する。このため、溝Ｋの底は、キャップ層５の濃度調整層５ｂ内に受光層厚みの１０％以内の範囲でとどまるか、受光層３内にまで入る場合でも、受光層３の厚みの２０％以内の上部までに限られる。この結果、画素Ｐを、機械構造的に分離した上で、暗電流を低くし、Ｓ／Ｎ比の優れた、近赤外域の受光素子を得ることができる。従来のメサ構造による画素分離では、受光層をほぼ完全に突き抜けて溝が設けられるので、溝に露出する受光層の側壁が損傷を受けやすく、暗電流が増大するケースが多く見られた。
受光層厚みの１０％以内の上層内、または受光層３の上部２０％以内に限定された溝Ｋによって画素Ｐを分離し、かつｐｎ接合１５を一瞬たりとも外気の雰囲気にさらさないために、つぎの方策をとる。それは、メサ溝Ｋを形成し、保護膜２５でそのメサ構造を被覆した後、拡散によって最終的なｐｎ接合１５を形成する。具体的には、メサ溝Ｋを上記の深さ範囲で形成し、そのメサ構造を保護膜２５で被覆した後、ｐ型コンタクト層５ａに内在するｐ型不純物を拡散源としてｐ型不純物の拡散を生じさせる。
２．コンタクト層５ａからの不純物拡散によるｐｎ接合１５の形成：
従来の不純物の選択拡散によるプレーナ型受光デバイスの場合、選択拡散されていない領域によって各画素は隔てられる。しかし、選択拡散は開口部から深さ方向にのみ拡散するわけではなく、横方向にも少し広がるため、画素ピッチを小さくしてフィルファクタを大きくする上で、大きな障害となっていた。しかし、本実施の形態におけるように、画素の分離を機械構造的にメサ構造とすることで、狭ピッチ化が可能となる。
その上で、本発明の実施の形態１では、保護膜２５を形成した後、アニールして、ｐ型コンタクト層５ａ中のＺｎ等のｐ型不純物を、受光層３の上面もしくは受光層３内にまで拡散する。これによって、ｐｎ接合１５を受光層３の上面もしくは受光層３内の上部の所定位置に高精度で位置させることができる。
図２は、図１における画素Ｐの部分拡大図である。メサ構造の溝Ｋで機械構造的に分離された画素Ｐにおけるｐ型不純物Ｚｎの分布を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はその深さ方向のキャリア濃度分布図、である。画素電極１１がオーミック配置されたｐ型コンタクト層５ａから、ｐ型不純物の亜鉛（Ｚｎ）が受光層３に向かって、濃度勾配を駆動力にして拡散してｐ型領域６を形成している。ｐ型領域６の先端は受光層３内の上面付近に位置してｐｎ接合１５を形成している。
図２（ｂ）によれば、ｐ型コンタクト層５ａは、エピタキシャル成長した直後は、ｐ型コンタクト層５ａ内全体でフラットな高濃度分布（点線で示す）をしていたが、アニールによって、受光層３側に向かって拡散が生じて、受光層３側の高濃度領域のフラットな角部分がなだらかに減少している。濃度調整層５ｂでは、Ｚｎ濃度が減少する勾配（濃度／深さ方向の距離）は大きい。上記のように、受光層３の濃度調整層５ｂとの界面では、Ｚｎなどのｐ型不純物の濃度は５Ｅ１６ｃｍ−３以下にするのがよい。これによって、受光層３を構成するタイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の結晶性を劣化させないようにできる。
ｐｎ接合１５は、ｐ型領域６の先端のｐ型不純物濃度が、受光層３内のｎ型キャリアのバックグランド濃度に等しくなる位置（交差位置）に形成される。ｐｎ接合１５を基準位置にしてｐ型領域６の側のｐ型濃度は高く、基板１側のｎ型不純物の濃度はバックグランド濃度であり、５Ｅ１５ｃｍ−３程度に低位一定（局所的なノイズ状の不定性はあるが）である。
拡散源であるｐ型コンタクト層５ａのｐ型不純物は、エピタキシャル成長中にドーピングによって導入される。外部から気相を経由する不純物の選択拡散の工程が不要になるため、選択拡散を行う際に中間製品であるエピタキシャルウエハを収納して真空封入するための大径の石英管などが不要になる。この結果、半導体基板の大径化による量産性の向上、選択拡散のための消耗資材の省略によるコスト低減、を得ることができる。
受光の際、ｐｎ接合１５に所定の作動電圧（逆バイアス電圧の絶対値）を印加して、空乏層を受光層３内に拡げる必要がある。ｐｎ接合１５は、図２に示すように、受光層３内もしくは受光層３とキャップ層５の濃度調整層５ｂとの界面に形成されるので、低い逆バイアス電圧により、空乏層を受光層３内に広げることができる。
上記したように、一般に、暗電流は作動電圧（逆バイアス電圧の絶対値）に比例するので、作動電圧は低くするほど暗電流を抑制することができる。図２（ｂ）に示すように、ｐｎ接合１５を基準位置にして、受光層３内のｎ型バックグランド濃度は低く、濃度調整層５ｂ側のｐ型不純物濃度は高い。このため、低い作動電圧によって空乏層は、受光層３内に大きく張り出すことができる。作動電圧は、画素電極１１と各画素に共通のグランド電極１２との間に印加する。本実施の形態では、この作動電圧の低下によって、暗電流を抑制することに貢献する。
（変形例）：
図３は、図１に示す構造の受光デバイス１０の変形例を示し、（ａ）は画素Ｐの断面の部分拡大図、（ｂ）はｐ型不純物であるＺｎの深さ方向の濃度分布図、である。この変形例が、図１および図２に示す受光デバイス１０と相違する点は、メサ溝Ｋの底を、受光層３内の位置３ｂにまで深くした点にある。受光層３内にまで深くした場合の深さ範囲は、濃度調整層５ｂとの界面を基準に、最大、受光層厚みの２／１０だけ受光層３に入った位置である。このような深いメサ溝Ｋによって、図３（ａ）に示すようにｐｎ接合１５の深さ位置は、メサ溝の底の深さ位置よりも浅くなる場合が多くなる。このような場合、画素Ｐは、一層確実に、隣の画素から分離することができる。
つぎに、上記の受光デバイス１０の製造方法について説明する。まず、図４（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１上に、上述した（ｎ型ＩｎＰバッファ層２／ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとのタイプＩＩ多重量子井戸構造の受光層３／ＩｎＰ層、及び又は、ＩｎＧａＡｓ層、からなる濃度調整層５ｂ／ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５ａ）をエピタキシャル成長する。成長法はどのような成長法でもよい。その一例として、たとえば全有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）は、原料の有機金属気体が低温で分解するので、低温で成長することが可能である。このため、タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の熱分解等が生じにくく、良好な結晶性の受光層を得るのに有利である。その他、膜質、製造能率、ウエハの大口径化などの点でも好ましい。有機金属気相成長法では、ｐ型不純物原料なども有機金属材料を用いる。たとえばＺｎの原料に有機金属のＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）などを用いる。成長温度は４２５℃以上５７５℃以下とするのがよい。この成長温度を用いることで、タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの結晶性が劣化することはない。
ＩｎＰ基板１は、近赤外域での透過率を低下させないためにＦｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板とするのがよい。しかし、製造方法によっては、不純物をドープして導電性を高めたＩｎＰ基板を用いてもよい。
ｐ型コンタクト層５ａにおけるキャリア濃度は１Ｅ１８ｃｍ−３以上とするのがよい。また、ｎ型バッファ層２には、やはりオーミック接触を実現するためｎ型不純物のＳｉを１Ｅ１８ｃｍ−３以上ドープするのがよい。さらに、ｐ型不純物が拡散してゆく分離調整層５ｂは、バックグランドのｎ型キャリア濃度１Ｅ１６ｃｍ−３以下とするのがよい。
画素領域において各画素Ｐの分離をするために、メサ構造の溝を形成する。このため、上記のエピタキシャル積層体を絶縁膜２１により被覆し、その絶縁膜２１に接してレジストパターンＲ１を形成する。図４（ａ），（ｂ）に示す矢印は、エッチング箇所を表示する矢印である。レジストパターンを利用してバッファード弗酸で絶縁膜をエッチングする。このあと、図４（ｂ）に示すように、ドライエッチングにより、画素領域におけるメサ構造の溝Ｋを設ける。このあと、絶縁膜２１は役割を終了したので、除去する。メサ構造の溝Ｋの深さは、上記のように、受光層と当該受光層の上層（本実施の形態では濃度調整層５ｂ）との境界を基準位置にして、（受光層の厚み１／１０分だけ上層内）〜（受光層の厚み２／１０分だけ受光層内）の深さ範囲とする。その後、軽度のウェットエッチングで損傷層を除去する。
このあと、グランド電極１２のための溝Ｇを端縁部に設ける。本実施の形態では、グランド電極の溝Ｇと、画素分離のための溝Ｋとが、深さが大きく相違するので、２回に分けてドライエッチングしなければならない。受光デバイス１０の端縁に設けるグランド電極用の溝Ｇを設ける。まず、図４（ｃ）に示すように、絶縁膜２２を全面に形成する。画素分離用に溝Ｋについても、エピタキシャル層の壁面（端面）を確実に被覆して、保護する。この保護によって、ドライエッチングによるエピタキシャル層の壁面の損傷を防止し、低い暗電流を実現する。このあと、受光デバイス１０の端縁に開口を有するように、レジストパターンＲ２を形成する。次いで、図４（ｄ）に示すように、ドライエッチングによって、グランド電極１２を形成するためのグランド電極用溝Ｇを設ける。図４（ｄ）ではレジストパターンＲ２は省略してある。
図１等において、メサ溝Ｋの底面、内壁、およびエピタキシャル積層体の表面は、保護膜２５によって保護されているが、この保護膜２５は、図４（ｄ）の絶縁膜２２がそのまま保護膜２５として用いられてもよい。むしろ通常は、図４（ｄ）の保護膜２２が残されて保護膜２５とされる場合が多い。
上記保護膜２５によって被覆された状態で、４００℃〜５５０℃の温度域に加熱してアニールすることで、ｐ型コンタクト層５ａにドープしてあったｐ型不純物を受光層３に向けて拡散させる。これによって、メサ構造を保護膜により被覆した後、ｐ型不純物の移動を起こし、受光層３の上面もしくは受光層３内にｐｎ接合１５を形成するので、ｐｎ接合１５は一瞬たりとも成長槽の雰囲気にさらされることはない。このためｐｎ接合１５の端に酸素等の不純物は付着しないので、電荷リークは発生せず、暗電流の抑制に貢献することができる。
このあと、画素電極１１を配置するためのレジストパターンを設け、ｐ側電極である画素電極１１をオーミック接触するようにＡｕＺｎ等によって形成する。さらに各画素に共通のグランド電極１２となるｎ側電極を、オーミック接触するように、ＡｕＧｅＮｉなどによって形成し、そのグランド電極１２から配線電極１３を、ｎ型ＩｎＰバッファ層２から、エピタキシャル層の壁面を伝わせて保護膜２５上にまで延ばす。
次いで、ＩｎＰ基板１の裏面を研磨して、その裏面に、図１に示すように反射防止（ＡＲ）膜２７を形成する。
本発明では、ｐｎ接合１５を形成するためのｐ型領域６等の不純物領域を設けるのに、外部の気相から不純物を導入しない。代わりに、ｐ型コンタクト層５ａなどのエピタキシャル成長中にドーピングされた不純物層の不純物を、拡散させる。その結果、外部の気相から不純物を導入する場合の不純物濃度分布と識別可能な、濃度分布の特徴の相違が生じる。
図５は、従来の選択拡散方法において得られた、Ｚｎの深さ方向分布を示す図である。このＺｎの深さ方向分布は、「ＩｎＰ窓層／ＩｎＧａＡｓ層／タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造／ＩｎＰバッファ層／ＩｎＰ基板」の積層体において、ＩｎＰ窓層上に選択拡散マスクパターンを形成し、石英管内に、その中間製品（エピタキシャルウエハ）を真空封入し、固体の亜鉛原料を昇華させて得られたものである。石英管内で、昇華した気相のＺｎは、上記のエピタキシャルウエハ内に、気相から開口を通して、所望の領域（画素領域）に拡散してＺｎ領域を形成する。すなわち、外部の気相を経由させて、エピタキシャルウエハの選択拡散用マスクパターンの開口から亜鉛（Ｚｎ）を選択拡散させた場合の深さ方向の濃度分布を示す。
このように、エピタキシャルウエハまたは受光デバイスから見て、気相中に拡散原料が多量に存在する場合、図５中に「Ｚｎのパイルアップ」と記すように、ＩｎＧａＡｓと（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）受光層３とのヘテロ界面に、スパイク状のＺｎの小ピーク値が生じる。これをＺｎのパイルアップと呼ぶ。
しかしながら、Ｚｎのパイルアップは、本発明の実施の形態のように、拡散源となるｐ型不純物が内在しているｐ型コンタクト層５ａの場合、濃度調整層５ｂと受光層３であるタイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造とのヘテロ界面に、図５に示すようなＺｎのパイルアップは生じない。
したがって、Ｚｎもしくは不純物のヘテロ界面におけるパイルアップが無いことにより、本発明における不純物の拡散源がｐ型コンタクト層５ａであることが特定される。
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における受光デバイス１０を読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read-Out IC）７０と結合したセンシング装置５０を示す図である。実施の形態１における受光デバイス１０との相違点は、本実施の形態ではキャップ層５がｐ型コンタクト層５ａのみで構成され、濃度調整層が無い点である。メサ構造の溝Ｋの底は、受光層３の上面から受光層厚みの２０％以内に位置している。
図７は、図６における画素Ｐの部分拡大図である。メサ構造の溝Ｋで機械構造的に分離された画素Ｐ内のｐ型不純物Ｚｎの分布を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はその深さ方向の濃度分布図、である。画素Ｐでは、画素電極１１がオーミック配置されたｐ型コンタクト層５ａから、亜鉛（Ｚｎ）が濃度調整層無しで、直接、受光層３内に、濃度勾配を駆動力にして拡散している。ｐ型領域６は、受光層３内に入っていて、その先端にｐｎ接合１５が形成されている。受光層３とその上層であるｐ型コンタクト層５ａとの界面で、ｐ型キャリア濃度は５Ｅ１６ｃｍ−３以下とするのが、タイプＩＩのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造の良好な結晶性を維持する上で好ましい。しかし、ｐ型コンタクト層５ａは画素電極１１がオーミック接触する領域なので、少なくとも表層はｐ型キャリア濃度１Ｅ１８ｃｍ−３以上が必要である。不純物濃度に関するこの２点を両立させるために、ｐ型コンタクト層５ａをエピタキシャル成長するとき、成長開始から成長時間の経過に対して、ｐ型不純物のドープ量を、ノンドープもしくは微量ドープから、徐々にまたはステップ状に増やすようにするのがよい。このようなドープの方法によって、たとえば図７（ｂ）に示すように、ｐ型コンタクト層５ａの成長直後は、点線で示す階段状の濃度分布をとることができる。この成長直後の濃度分布において、受光層３とｐ型コンタクト層５ａとの界面の不純物濃度は５Ｅ１６ｃｍ−３以下にしておくのがよい。
このあと、アニールによって、この階段状のｐ型不純物の濃度分布から受光層３内に向かって拡散が生じる。拡散によって、成長直後の階段状の濃度分布は、矩形からなめらかな形状にくずれてゆくが、受光層３とｐ型コンタクト層５ａとの界面の不純物濃度が、５Ｅ１６ｃｍ−３を超えることはないようにできる。このため、タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の結晶性が不純物の濃度が高いという要因で劣化することはない。
製造方法については、ｐ型コンタクト層５ａのエピタキシャル成長中のドーピング方法が異なるだけであり、そのドーピング方法も周知の方法に従って行うことができる。
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３の受光デバイス１０およびそれを組み込んだセンシング装置５０を示す図である。（ａ）はセンシング装置の断面図、（ｂ）は画素Ｐの部分拡大図である。本実施の形態における積層構造は、実施の形態１の図１等に示す受光デバイス１０および検出装置５０と、つぎの点で異なっている。
（１）メサ構造の溝Ｋの壁面にテーパが付いている。これは、メサ構造を、ウエットエッチングによって形成したことを、図面上、模式的に示すものである。このテーパは、より詳しくは湾曲した曲線状であり、ウエットエッチングによって形成されたメサ溝は、ドライエッチングによって形成されたメサ溝と識別容易である。
（２）メサ構造の溝Ｋの底が、キャップ層５の濃度調整層５ｂ内にとどまっている。溝Ｋの底は、受光層３の上面を基準に、受光層厚み１０％分以内の濃度調整層５ｂ内に位置する。
（３）ｐｎ接合１５は、受光層３と濃度調整層５ｂとの界面に形成されている。
上記の相違点は、上記した実施の形態１における作用（Ｆ１）〜（Ｆ５）を実現する上で、影響を及ぼさず、本実施の形態の受光デバイス１０は、作用（Ｆ１）〜（Ｆ５）を得ることができる。製造方法についても、メサ構造のエッチングにウエットエッチングを用いる点が相違するだけである。
ウエットエッチングによって溝ＫおよびＧを形成した場合、結晶の損傷はほとんど生じないので、軽度のウエットエッチングによる損傷層除去は、しなくてもよいし、また行ってもよい。
（実施の形態４）
図９（ａ）は、本発明の実施の形態４における受光デバイスの断面図であり、図９（ｂ）は、平面図である。複数の画素Ｐが、ＩｎＰ基板１上に形成され、受光信号を相互に独立に検出できるように離されて配列されている。図９によれば、受光デバイス１０は次のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造を備える。
（ＩｎＰ基板１／バッファ層２／タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ受光層３／選択成長マスクパターン２５の開口２５ｈに限定された選択成長層であるキャップ層５）
バッファ層２は、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、またはＩｎＧａＡｓで形成することができる。光は、ＩｎＰ基板１の裏面から入射され、そのＩｎＰ基板１の裏面に、受光量増大のためＳｉＯＮや多層膜からなる反射防止膜２７を配置しておくのがよい。
ＩｎＰ基板１は、Ｆｅドープの半絶縁性でありグランド電極１２はｎ＋型バッファ層２に部分にオーミック接続されている。タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ受光層３は、ノンドープで成長させる。しかしｎ型不純物のＳｉ等が１Ｅ１６ｃｍ−３以下のレベルで混入する。キャップ層５は、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰで形成するのがよい。選択成長マスクパターン２５の開口２５ｈに限定されてエピタキシャル成長した選択成長層はｐ＋型であり、画素電極であるｐ側電極１１がコンタクト層５ａに配置されている。キャップ層５は、コンタクト層５ａと濃度調整層５ｂとで構成される。キャップ層５のｐ＋型コンタクト層５ａにはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またｎ＋型であるバッファ層にはグランド電極としての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。
図９（ｂ）の平面図によれば、画素Ｐは、平面的に見て選択成長マスクパターン２５の開口２５ｈに合わせて開口２５ｈごとに形成されている。画素Ｐの配列は、たとえば画素ピッチは３０μｍであり、正方形の開口２５ｈの一辺の長さ２０μｍ〜２５μｍとするのがよい。画素Ｐは受光素子の一単位であり、図９（ｂ）に示すように画素Ｐが縦横に面状に配列することで、撮像等をすることが可能になる。上記の例では、開口２５ｈは矩形もしくは正方形であるが、円形などでもよい。
＜本実施の形態におけるポイント＞
＜１＞画素Ｐの骨格：
本実施の形態では、選択成長マスクパターン２５の開口２５ｈ内に限定して選択成長された選択成長層であるキャップ層５によって、画素Ｐの機械的な骨格が形成される。選択成長マスクパターン２５を受光層３に接して形成した後、ｐ型選択成長層であるキャップ層５（５ｂ，５ａ）を成長させる。選択成長マスクパターン２５の絶縁膜にはＩｎＧａＡｓ等は成長しない。このため、開口２５ｈに合わせてキャップ層５（５ｂ，５ａ）が成長する。本実施の形態ではメサ構造の形成またはメサエッチング等は一切しないが、キャップ層５の間の間隙が、メサ溝となる。この開口２５ｈに限定されたキャップ層５（５ｂ，５ａ）によって画素Ｐの骨格が決まる。しかし、画素Ｐは骨格だけでは形成されない。
＜２＞ｐｎ接合の形成：
画素Ｐには、受光層３に空乏層を張るためのｐｎ接合もしくはｐｉ接合が必要である。しかも画素Ｐごとにｐｎ接合は分離されていなければならない。本実施の形態では、キャップ層５（５ｂ，５ａ）を成長温度４５０℃以上でエピタキシャル成長させるときｐ型（第１導電型）不純物である亜鉛（Ｚｎ）をドープする。このＺｎが、キャップ層５の成長中に、濃度勾配を駆動力として、受光層３の側へと熱拡散する。受光層３は、上記のように希薄なｎ型不純物を含む。このため、Ｚｎは、キャップ層５の底部からｐ型領域６を形成しながら受光層３に入り、受光層３の上面に近い位置、もしくはキャップ層との界面にｐｎ接合１５を形成する。
ｐｎ接合１５に、ｎ側電極１２とｐ側電極１１との間に逆バイアス電圧を印加すると、ｐｎ接合１５から低濃度の不純物領域、すなわち希薄なｎ型不純物の領域へと大きく、不純物濃度に逆比例して、空乏層が張られる。すなわち受光層３の下面に向けて空乏層が張り出される。光がＩｎＰ基板１の裏面から入射して空乏層で受光が生じると、電子・正孔対が形成されて、ｎ側電極１２へ電子が、ｐ側電極１１へ正孔が引かれて受光量に比例した電荷が蓄積される。空乏層があってはじめて受光現象を捉えることができる。画素Ｐごとの空乏層によって受光の強度分布が得られて撮像等が可能になる。
隣の画素Ｐのｐｎ接合１５からの分離は、製造方法で詳細に説明する。その説明の際、本発明の最大の目的の一つである暗電流の抑制について合わせて説明する。
図１０（ａ）〜（ｄ）は、図９の受光デバイス１０の製造方法の概略を示す図である。エピタキシャル積層体を成長する成長法は、成長温度をある程度低くできれば何でもよいが、全有機気相成長法は原料の有機金属気体の分子が大きく、低温で分解して成膜しやすいので、全有機気相成長法で成長するのがよい。
まず、図１０（ａ）に示すように、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１上に接してｎ＋型バッファ層２を、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、またはＩｎＧａＡｓによりエピタキシャル成長する。次いでバッファ層２上に、タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ受光層３をノンドープで形成する。ＭＱＷにおけるＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂのペア数は、５０〜５００程度とするのがよい。この受光層３上に接して選択成長マスクパターン２５をＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２等のいずれかで形成する。図１１に選択成長マスクパターン２５を示す。上記のように開口２５ｈの正方形の一辺は２０μｍ〜２５μｍ、開口２５ｈの縦横ピッチは３０μｍ程度とするのがよい。図１１と図９（ｂ）とを比較して、開口２５ｈが平面的に見て画素Ｐの中心領域に対応することが分かる。図１０（ｂ）は、選択成長マスクパターン２５を形成した状態を示す図である。
このあとｐ型不純物原料に有機金属のＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）などを用いてキャップ層５ｂ，５ａを、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、またはＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの複合層、の中のいずれかにより形成する。コンタクト層５ａと濃度調整層５ｂとを同じ材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。ただし成長時、コンタクト層５ａのｐ型キャリア濃度は高濃度にする。濃度調整層５ｂは低濃度もしくはノンドープとして、コンタクト層５ａからのｐ型キャリアの受光層３への拡散濃度を調整する。
濃度調整層５ｂは受光層３からエピタキシャル成長し、非開口領域の絶縁膜からは何も成長しない。濃度調整層５ｂおよびコンタクト層５ａの成長温度は４５０℃以上５５０℃以下とするのがよい。この成長温度を用いることで、タイプＩＩ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの結晶性が劣化せず、また濃度調整層５ｂ等の選択成長層の結晶性を良好に保つことができる。さらに、この成長温度は、上記のＤＥＺｎがｐ型不純物のＺｎに分解して、Ｚｎの濃度勾配を駆動力にして、コンタクト層５ａの底部から濃度調整層５ｂをｐ型領域としながら受光層３内に拡散するのに十分な温度である。
逆に、濃度調整層５ｂの厚みを調整することによって、上記の成長温度の下、受光層３内の上面近くにおいてＺｎ濃度が受光層３のｎ型不純物のバックグランド濃度である５Ｅ１５ｃｍ−３程度になるようにするのがよい。これによって成膜能率が高く、基板サイズが制約を受けにくい全有機金属気相成長法を用いて、受光層３内の所望の位置にｐｎ接合１５は配置させることが可能となる。ｐｎ接合１５を受光層３内に形成した状態が、図１０（ｃ）に示す状態である。ここでｐｎ接合の端Ｍが受光層３の表面に位置することに注意する必要がある。ｐ型不純物はコンタクト層５ａから濃度調整層５ｂを経て厚み方向（深さ方向もしくは縦方向）に拡散するが、横方向（層の面に沿う方向）にも少し拡散する。このためｐ型領域９は、平面的に見て開口２５ｈよりも少し広がる。
ｐｎ接合１５の端Ｍは受光層３の表面に位置するが、選択成長マスクパターン２５の非開口領域すなわち絶縁膜で被覆されるため、大気中の酸素等の不純物がｐｎ接合の端Ｍに付着することはない。図１０（ｃ）において、太い破線が画素Ｐの範囲を画定する。平面的に見てｐ型領域６の範囲が画素Ｐに対応する。このあと、ｐ＋型コンタクト層５ａ上にｐ側電極１１を形成し、グランド電極は図示していないが、図９の受光デバイス１０の完成に至る。選択成長マスクパターン２５は、パッシベーション膜として機能させるために、このまま製品中に残す。
本実施の形態における最大の目標の一つである暗電流の抑制は、上記の製造方法によって実現される。
＜３＞：暗電流の抑制：
ｐｎ接合１５の端Ｍが大気に触れると大気中の酸素等が付着して暗電流増大の原因となる。このため、製品になった段階でｐｎ接合１５の端Ｍが大気に露出しないようにするだけは足りない。製造中に一瞬でも大気や成長室の雰囲気に露出させても酸素等の不純物の付着は生じるので、製造途中のどの段階でも大気や成長室雰囲気に露出しないようにする構造でなければならない。本実施の形態では、図１０（ｃ）に示すように、ｐ＋型コンタクト層５ａからＺｎを濃度調整層５ｂを経由させて受光層３にまで拡散させる。受光層３にｐｎ接合１５を形成した段階で端Ｍは、図１２（ｂ）に示すように、受光層３の表面に現れる。この時点でｐｎ接合１５の端Ｍはすでに選択成長マスクパターン２５の非開口領域または絶縁膜に覆われている。選択成長マスクパターン２５は、このままパッシベーション膜として製品に残されるので、このあと一瞬たりともｐｎ接合１５の端Ｍが大気等にさらされることはない。この結果、ｐｎ接合１５の端Ｍは、大気や成長室の雰囲気にさらされることはなく、低い暗電流を保つことが可能となる。
画素Ｐの独立性は、骨格が上記のように離散的なキャップ層５により形成されるので、あとはｐｎ接合１５が隣の画素Ｐのｐｎ接合１５とどれだけ確実に分離されるかによる。図１２（ｂ）に示すように、横方向へのｐ型不純物の拡散はほとんど無視することができ、キャップ層５のピッチまたは開口２５ｈのピッチを一定以上確保することで、確実に分離することが可能である。
＜４＞：受光層の結晶性の確保：
受光層がタイプＩＩＭＱＷの場合、結晶性がそれほど安定ではなく、所定温度以上の高温、不純物濃度の影響を受けて、結晶性が劣化する。結晶性劣化の態様は、分解や結晶配列の乱れなどである。このうち、温度については、低温でも良好な結晶膜を成長可能な成長法を選択することで、キャップ層５ａ，５ｂを成長する温度を、たとえば６００℃以下さらには５５０℃以下にすることができる。
一方、不純物濃度については、キャップ層５なかでもコンタクト層５ａの成長中にｐ型（第１導電型）不純物が、受光層３に過度に流入しないように、一つの方策として低濃度もしくはノンドープの濃度調整層５ｂの厚みを調整するのがよい。換言すれば、低濃度もしくはノンドープ濃度調整層５ｂをｐ型不純物の拡散濃度分布の調整層として利用する。その場合、当然、濃度調整層５ｂ内に、コンタクト層（拡散源）５ａ側から受光層３側に向かって、Ｚｎ濃度は単調に減少する。また、ヘテロ界面において、Ｚｎのパイルアップは生じない。
上記のタイプＩＩＭＱＷとしては、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）、（ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ）などが対象となる。（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）タイプＩＩＭＱＷはＩｎＰ基板に形成される。また、（ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ）タイプＩＩＭＱＷは、（ＧａＡｓＳｂ基板、ＧａＡｓ基板、およびＩｎＰ基板）の中のいずれか１つに形成される。
濃度調整層５ｂを配置する場合（Ｓ２）、上記の構造によって、受光層３内のｐ型不純物濃度を低くできる。また、本実施の形態の構成と異なり、濃度調整層５ｂを設けない場合（Ｓ１）であっても、コンタクト層５ａの形成工程において、成長時間の経過に対して、ｐ型不純物のドープ量をノンドープもしくは微量ドープから、徐々にまたはステップ状に増やす方策を用いることができる。
上記のドープ量調整方法によれば、とくに濃度調整層がない場合（Ｓ１）において、受光層３へのｐ型不純物の拡散量を調節して低くできる。このため、濃度調整層がない場合（Ｓ１）でもタイプＩＩＭＱＷの受光層３を良好な結晶性の状態で形成可能となる。もちろん、濃度調整層５ｂがある場合（Ｓ２）において、上記のドープ方法を用いてもよい。選択成長層を希薄濃度でも比較的、電気伝導性が高い半導体材料（たとえばＩｎＧａＡｓ）で形成することで、ｐ型不純物が低い厚み範囲があっても電気抵抗が高くなるなどの不都合は抑制することができる。
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。
本発明によれば、低い作動電圧で暗電流を小さくした上で、狭ピッチ化、製造能率向上が可能な受光デバイス等を得ることができる。
１ ＩｎＰ基板など）、２ バッファ層、３ 受光層、３ｂ 受光層内のメサ溝の底の位置、５ キャップ層、５ａコンタクト層、５ｂ 濃度調整層、６ ｐ型領域、１０ 受光素子、１１ 画素電極、１２ グランド電極、１３ 配線電極、１５ ｐｎ接合、２１，２２，２３ 絶縁膜、２５ 保護膜、２７ 反射防止膜、５０ 検出装置、７０ 読み出し回路、７１ 読み出し電極、７２ アース電極、Ｇ グランド電極用の溝、Ｋ 画素分離のメサ溝、Ｍ ｐｎ接合の端、Ｐ 画素、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ レジストパターン、Ｇ メサ構造のチップ端の溝、Ｐ 画素。

Claims (4)

  1. ｐｎ接合を有する画素が配列された受光デバイスを製造する方法であって、
    半導体基板の上に、受光層を形成する工程と、
    前記受光層の上に、キャップ層を、（Ａ１）コンタクト層とその下の濃度調整層との２層で、または（Ａ２）コンタクト層の１層で、形成し、該コンタクト層には前記画素ごとに電極がオーミック接触するように不純物をドープし、
    前記画素ごとに該画素の領域を取り囲んで、前記受光層の上端近傍まで到達するようにメサ構造の溝を設ける工程と、
    前記メサ構造形成工程の後、前記メサ構造を被覆する保護膜を形成する工程と、
    前記保護膜形成工程の後、アニールする工程を備え、
    該アニール工程で、前記溝で取り囲まれた前記画素の領域ごとの前記コンタクト層から不純物を拡散させ、前記ｐｎ接合を、前記画素の領域ごとに前記コンタクト層から連続する不純物領域の先端として、前記受光層内もしくは受光層とその上層との界面に、位置させることを特徴とする、受光デバイスの製造方法。
  2. 前記キャップ層におけるコンタクト層の成長工程において、成長開始から成長時間の経過に対して、前記不純物のドープ量を、徐々にまたはステップ状に、増やすことを特徴とする、請求項１に記載の受光デバイスの製造方法。
  3. 前記半導体基板上に前記受光層およびキャップ層を含む半導体積層体を、有機金属原料だけを用いたＯＭＶＰＥ法により成長温度４２５℃〜５７５℃で成長することを特徴とする、請求項１または２に記載の受光デバイスの製造方法。
  4. 前記受光層がアンチモン（Ｓｂ）を含むタイプＩＩの多重量子井戸構造から構成され、前記メサ構造の溝を設ける工程において、ドライエッチングによるエッチングを行い、前記アンチモンをモニタすることで前記溝の底が前記受光層の上端に到達したとして前記ドライエッチングを止めるタイミングをとることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光デバイスの製造方法。
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