JP6287612B2 - 赤外線受光半導体素子 - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線受光半導体素子に関する。
特許文献は、裏面入射型受光装置を開示する。
特許文献１に示される裏面入射型受光装置は、半導体受光素子の半導体メサと、この半導体メサと別個に設けられた一又は複数の凹状の斜面反射部とを備える。基板の裏面から入射した信号光は、斜面反射部で反射されて、反射光は斜め方向から半導体受光素子に入射する。
発明者らの知見によれば、半導体メサ内の光吸収層の断面及び側面を小さくすることは、フォトダイオードの暗電流を低減するために有効である。しかしながら、光吸収層の断面を小さくすることは光入射断面を小さくすることになり、結果的に、このフォトダイオードの感度は、小さい光入射断面に起因して低い。
本発明の一側面は、上記の事情を鑑みて為されたものであり、暗電流を低減可能な赤外線受光半導体素子を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係るフォトダイオードは、第１エリアと該第１エリアを囲む第２エリアとを含む主面を有する基板と、赤外線に感応する光吸収層を有する半導体メサを含み前記基板の前記第１エリア上に設けられたポストと、前記ポストの側面に接触を成しており、前記基板の前記第２エリア上に設けられた樹脂体と、を備え、前記樹脂体は、前記第１エリア内の第１点から前記第２エリア内の第２点を通過して延在する半直線上において前記第２エリア内に位置する第２１点及び第２２点でそれぞれ第２１厚及び第２２厚を有しており、前記樹脂体の表面は、前記半直線を通過すると共に前記基板の前記主面の法線軸の方向に延在する基準面によって規定される断面において、前記第２１厚から前記第２２厚まで単調に変化しており、前記第２１厚は前記第２２厚より大きく、前記第１点から前記第２２点までの距離は、前記第１点から前記第２１点までの距離より大きい。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明の一側面によれば、暗電流を低減可能な赤外線受光半導体素子が提供される。
いくつかの具体例を説明する。
一形態に係るフォトダイオード及び赤外線受光半導体素子は、（ａ）第１エリアと該第１エリアを囲む第２エリアとを含む主面を有する基板と、（ｂ）赤外線に感応する光吸収層を有する半導体メサを含み前記基板の前記第１エリア上に設けられたポストと、（ｃ）前記ポストの側面に接触を成しており、前記基板の前記第２エリア上に設けられた樹脂体と、を備える。前記樹脂体は、前記第１エリア内の第１点から前記第２エリア内の第２点を通過して延在する半直線上において前記第２エリア内に位置する第２１点及び第２２点でそれぞれ第２１厚及び第２２厚を有しており、前記樹脂体の表面は、前記半直線を通過すると共に前記基板の前記主面の法線軸の方向に延在する基準面によって規定される断面において、前記第２１厚から前記第２２厚まで単調に変化しており、前記第２１厚は前記第２２厚より大きく、前記第１点から前記第２２点までの距離は、前記第１点から前記第２１点までの距離より大きい。
このフォトダイオード及び赤外線受光半導体素子によれば、半導体メサは第２エリアではなく第１エリアに設けられるので、半導体メサの表面積は、第１エリア及び第２エリア上に設けられる半導体メサの表面積に比べて低減される。一方で、ポストの側面に接触する樹脂体は、上記の基準面によって規定される断面において、第２エリア内における第２１点の第２１厚から第２エリア内における第２２点の第２２厚まで単調に変化する表面を有する。ここで、第１点から第２２点までの距離は第１点から第２１点までの距離より大きい。基板主面の第２エリアを通過した光の一部分は、樹脂体の表面によって反射されてポストの側面を介して光吸収層に入射する。これ故に、ポスト内の光吸収層は、基板主面の第１エリアを通過した光を受けると共に、主面の第２エリアを通過した光の一部を受けることができる。
一形態に係るフォトダイオード及び赤外線受光半導体素子では、前記樹脂体の上面上に設けられた金属層を更に備えることができる。フォトダイオード及び赤外線受光半導体素子によれば、金属層は、第２エリアを介して入射した光の反射率を高めることを可能にする。
一形態に係るフォトダイオード及び赤外線受光半導体素子では、前記樹脂体は波長０．７μｍ〜３μｍの光を透過可能な材料を備えることができる。一形態に係るフォトダイオード及び赤外線受光半導体素子によれば、基板は、入射光が樹脂体及び半導体メサに入射する光を妨げない。
一形態に係るフォトダイオード及び赤外線受光半導体素子では、前記樹脂体がフッ素樹脂を備えることが好ましい。一形態に係るフォトダイオード及び赤外線受光半導体素子によれば、フッ素樹脂は近赤外領域の光に良好な透過率を提供できる。
一形態に係るフォトダイオード及び赤外線受光半導体素子では、前記ポストは、前記半導体メサの側面上に設けられた無機絶縁膜を備えることができる。一形態に係るフォトダイオード及び赤外線受光半導体素子によれば、無機絶縁膜は半導体メサの側面を保護するために役立つ。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、赤外線受光半導体素子、及び赤外線受光半導体素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図１は、本実施の形態に係る赤外線受光半導体素子の一構造を示す図面である。図１の（ａ）部を参照すると、赤外線受光半導体素子１１は、基板１３、ポスト１５及び樹脂体１７を備える。基板１３は主面１３ａを有する。主面１３ａは、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄを含み、第３エリア１３ｄは第２エリア１３ｃを囲み、第２エリア１３ｃは第１エリア１３ｂを囲む。主面１３ａにおいては、第２エリア１３ｃは境界１３ｅにおいて第３エリア１３ｄに接しており、第１エリア１３ｂは境界１３ｆにおいて第２エリア１３ｃに接する。第１エリア１３ｂの形状は凸図面であって、本実施例では円であり、他には正方形、ひし形、六角形、八角形などであることができる。第２エリア１３ｃは、第１エリア１３ｂの外縁に沿って第１エリア１３ｂを囲む連結の領域である。第２エリア１３ｃは、閉じた曲線に沿って延在する帯状の領域であり、第２エリア１３ｃの内縁は、本実施例では円により規定され、第２エリア１３ｃの外縁は、本実施例では円により規定される。赤外線受光半導体素子１１を適用可能な赤外線受光アレイでは、第１エリア１３ｂ及び第２エリア１３ｃは、図２に示されるようにアレイ状に配置されている。第１エリア１３ｂ及び第２エリア１３ｃは、フォトダイオードを設ける素子エリアである。第３エリア１３ｄは、素子分離エリアであり、アレイ状に配列された素子エリアの間に位置する。基板１３は波長０．７μｍ〜３μｍの光を透過可能な材料を備えることができる。この赤外線受光半導体素子によれば、基板１３は、入射光が樹脂体１７及び半導体メサ１９に入射する光を妨げない。
図１の（ｂ）部を参照すると、図１の（ａ）部に示された平面図における、例えばＩｂ−Ｉｂ線又はＩｃ−Ｉｃ線に沿ってとれた断面において赤外線受光半導体素子１１を示す。ポスト１５は、基板１３の第１エリア１３ｂ上に設けられる一方で、樹脂体１７は、基板１３の第２エリア１３ｃ上に設けられる。
ポスト１５は半導体メサ１９を含み、半導体メサ１９は、赤外線に感応する光吸収層２１を有する。半導体メサ１９内においては、光吸収層２１は第１導電型（例えばｎ型）を有する第１半導体層２３と第２導電型（例えばｐ型）を有する第２半導体層２５との間に設けられる。本実施例では、第１半導体層２３、光吸収層２１は及び第２半導体層２５は、この順に、基板１３の主面１３ａの法線軸の方向に配列されている。
樹脂体１７は、主要な構成面として、第１面１７ａ、第２面１７ｂ及び第３面１７ｃを備える。第１面１７ａはポスト１５の側面１５ａに接触を成すと共に、第２面１７ｂは第２エリア１３ｃに接触を成す。また、樹脂体１７の第３面１７ｃは、第１面１７ａの縁を第２面１７ｂの縁に接続する面に含まれる。第３面１７ｃは、第２エリア１３ｃを介して入射した光を半導体メサ１９に反射可能な形状を有する。第３面１７ｃの形状は、基板１３からポスト１５へ向かう上方向に関して凸形状を有する三次元図形であることができ、また例えば基板１３の主面１３ａの法線方向に延在する基準面と樹脂体１７との交差面において、基板１３からポスト１５へ向かう上方向に関して凸形状の二次元図形であることができる。
樹脂体１７は、例えば波長０．７μｍ〜３μｍの光を透過可能な材料を備えることができる。本実施例では、樹脂体１７がフッ素樹脂を備えることが好ましい。この赤外線受光半導体素子１１によれば、フッ素樹脂は近赤外領域の光に良好な透過率を提供できる。フッ素樹脂としては、例えば構造式においてＣＨ結合を含まない樹脂等が例示されることができる。
本実施例では、ポスト１５は無機絶縁膜２７を備え、無機絶縁膜２７は半導体メサ１９の側面１９ａ上に設けられる。赤外線受光半導体素子１１によれば、無機絶縁膜２７は半導体メサ１９の側面１９ａを保護するために役立つ。無機絶縁膜２７は例えばシリコン系無機絶縁体を備えることができ、シリコン系無機絶縁体は例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２等を包含することができる。
赤外線受光半導体素子１１では、半導体メサ１９は、基板１３の裏面から第１エリア１３ｂを介して入射する光を受ける。また、半導体メサ１９は、基板１３の裏面から第２エリア１３ｃを介して樹脂体１７に入射した後に樹脂体１７の第３面１７ｃによって反射された光を受ける。
この赤外線受光半導体素子１１によれば、半導体メサ１９は第２エリア１３ｃではなく第１エリア１３ｂに設けられるので、半導体メサの表面積（例えば、横断面における半導体メサ１９の周囲長）は、第１エリア１３ｂ及び第２エリア１３ｃ上に設けられる半導体メサ１９の表面積に比べて低減される。したがって、赤外線受光半導体素子１１の半導体メサ１９のサイズに起因する暗電流が低減される。
図１の（ａ）部に示されるように、第１エリア１３ｂ内の第１点Ｐ１から第２エリア１３ｃ内の第２点Ｐ２を通過して延在する第１半直線ＲＡＹ１上において第２１点Ｐ２１及び第２２点Ｐ２２を規定する。第２１点Ｐ２１及び第２２点Ｐ２２は第２エリア１３ｃ内に位置する。第１点Ｐ１から第２２点Ｐ２２までの距離は、第１点Ｐ１から第２１点Ｐ２１までの距離より大きい。樹脂体１７は、第２１点Ｐ２１及び第２２点Ｐ２２において、それぞれ、第２１厚及び第２２厚を有する。樹脂体１７の第３面１７ｃは、第１半直線ＲＡＹ１を通過すると共に基板１３の主面１３ａの法線軸ＮＸの方向に延在する基準面によって規定される断面において、第２１厚から第２２厚まで単調に変化しており、ここで第２１厚は第２２厚より大きい。
この赤外線受光半導体素子１１によれば、既に説明したように、半導体メサ１９は第２エリア１３ｃではなく第１エリア１３ｂに設けられるので、半導体メサ１９の側面長は、第１エリア１３ｂ及び第２エリア１３ｃ上に設けられる仮想的な半導体メサの側面長に比べて低減される。一方で、ポスト１５の側面１５ａに接触する樹脂体１７は、上記の基準面によって規定される断面において、第２エリア１３ｃ内における第２１点Ｐ１１の第２１厚から第２エリア１３ｃ内における第２２点Ｐ２２の第２２厚まで単調に変化する表面を有する。基板の主面１３ａの第２エリア１３ｃを通過した光の一部分は、樹脂体１７の表面（例えば第３面１７ｃ）によって反射されてポスト１５の側面１５ａを介して光吸収層２１に入射する。これ故に、ポスト１５内の光吸収層２１は、主面１３ａの第１エリア１３ｂを通過した光を受けると共に、主面１３ａの第２エリア１３ｃを通過した光の一部を受けることができる。
赤外線受光半導体素子１１は、樹脂体１７の上面（第３面１７ｃ）上に設けられた金属層２９を更に備える。この赤外線受光半導体素子１１によれば、金属層２９は、第２エリア１３ｃを介して入射した光の反射率を高めることを可能にする。金属層２９は、例えば金、白金を備えることができる。
赤外線受光半導体素子１１は、第１電極２９ａ及び第２電極２９ｂを含む。第１電極２９ａは、半導体メサ１９の上面に設けられ、第２電極２９ｂは、基板１３の裏面１３ｇ、又は主面１３ａ上、例えば基板１３の主面１３ａの第３エリア１３ｄ上に設けられる。本実施例では、第２電極２９ｂは裏面１３ｇに設けられる。
図１の（ａ）部を参照すると、第１エリア１３ｂ内の第１点Ｐ１から第２エリア１３ｃ内の第３点Ｐ３を通過して延在する第２半直線ＲＡＹ２上において第２３点Ｐ２３及び第２４点Ｐ２４を規定する。第２３点Ｐ２３及び第２４点Ｐ２４は第２エリア１３ｃ内に位置する。第１点Ｐ１から第２３点Ｐ２３までの距離は、第１点Ｐ１から第２４点Ｐ２４までの距離より大きい。樹脂体１７は、第２３点Ｐ２３及び第２４点Ｐ２４において、それぞれ、第２３厚及び第２４厚を有する。
図１の（ｃ）部は、第１半直線ＲＡＹ１と第１点Ｐ１における主面１３ａの法線とにより規定される基準面Ｒ１及び第２半直線ＲＡＹ２と第１点Ｐ１における主面１３ａの法線ＮＸ１とにより規定される基準面Ｒ２における断面を示す。第２半直線ＲＡＹ２は第１半直線ＲＡＹ１と異なる方向に延びるけれども、第２半直線ＲＡＹ２上においては、第２３厚から第２４厚まで単調に変化しており、ここで第２３厚は第２４厚より大きい。このように、第１エリア１３ｂ内に基点（本実施例では第１点Ｐ１）を規定すると共に、この基点から第２エリア１３ｃ内の追加点（第２点Ｐ２或いは第３点Ｐ３）を通過して延在する第１半直線ＲＡＹ１（第２半直線ＲＡＹ２）上の２点においてそれぞれの樹脂厚を比較すると、基点に近い追加点の樹脂厚Ｔ２１（Ｔ２３）は基点に遠い追加点Ｔ２２（Ｔ２４）の樹脂厚より大きい。上記の説明から理解されるように、第１エリア１３ｂ内に基点の位置は任意であり、第２エリア１３ｃ内の追加点の位置も任意である。個々の半直線上の２つの追加点に係る樹脂厚は、追加点の一方から他方に単調に変化する。図１の（ｃ）部に示される断面において、樹脂体１７の上面（第３面）の形状は、第２エリア１３ｃを通過して樹脂体１７に入射した光が半導体メサ１９に向かうように該光の一部又は全部を反射させることを可能にする。
発明者の知見によれば、半導体受光素子の受光面積を小さくすることによって、暗電流を低減できる。小さい受光面積の半導体受光素子の感度は、大きい受光面積の半導体受光素子の感度に比べて小さい。あるアレイピッチの半導体受光素子では、小さい受光面積の半導体メサ１９を半導体受光素子に提供するとき、受光層に入射しない光は、光電流の生成に寄与できず、有効に利用されない。しかい、本実施の形態に係る半導体受光素子では、半導体メサ１９に係る受光面積が小さいけれども、受光面積に低下割合に比例して感度が低下するわけではない。本実施の形態に係る半導体受光素子の構造は、受光面積を小さくすることによって半導体受光素子の暗電流を低減できると共に、受光面積の縮小に起因する受光感度の低下を低減できる。一形態では、樹脂体１７の上縁はポスト１５の側面又は上面に接しており、樹脂体１７の下縁は第２エリア１３ｃ内の基板表面に接する。例えば第１エリア１３ｂのサイズは、直径５μｍ〜１０μｍの円により規定され、ポスト１５の下縁はこのエリアの外縁を越えない。例えば第２エリア１３ｃのサイズは、直径２５μｍ〜３０μｍの円により規定され、樹脂体１７の下縁はこのエリアの外縁を越えない。
（実施例１）
図３及び図４は、本実施の形態に係る半導体受光素子を作製する方法に係る実施例を模式的に示す図面である。ｎ型ＩｎＰ基板を準備する。エピ成長工程では、ｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層、受光層、アンドープのＩｎＧａＡｓ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ 層、及びｐ＋型ＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャルに成長して、エピタキシャル基板Ｅを形成する。この成長は、有機金属気相成長法、或いは分子線エピタキシー法が適用される。
ｎ型ＩｎＰバッファ層：厚み０．５μｍ。
光吸収層：アンドープのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂの多重量子井戸構造、厚み５ｎｍ／５ｎｍ×２５０ペア。
アンドープのＩｎＧａＡｓ層：厚み０．２μｍ。
ｐ型ＩｎＧａＡｓ 層：厚み０．５μｍ、キャリア濃度 １〜３×１０１８ｃｍ−３。
ｐ＋型ＩｎＧａＡｓ層：厚み０．２μｍ、キャリア濃度 １〜３×１０１９ｃｍ−３。
ｎ導電性を付与するために、ｎ型ドーパントとして例えばシリコン（Ｓｉ）が利用される。ｐ導電性を付与するために、ｐ型ドーパントとして例えば亜鉛（Ｚｎ）または炭素（Ｃ）が利用される。
図３及び図４は、本実施の形態に係る半導体受光素子を作製する方法に係る実施例を模式的に示す図面である。ｎ型ＩｎＰ基板を準備する。エピ成長工程では、ｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層、受光層、アンドープのＩｎＧａＡｓ層、ｐ型ＩｎＧａＡｓ 層、及びｐ＋型ＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャルに成長して、エピタキシャル基板Ｅを形成する。この成長は、有機金属気相成長法、或いは分子線エピタキシー法が適用される。
ｎ型ＩｎＰバッファ層：厚み０．５μｍ。
光吸収層：アンドープのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂの多重量子井戸構造、厚み５ｎｍ／５ｎｍ×２５０ペア。
アンドープのＩｎＧａＡｓ層：厚み０．２μｍ。
ｐ型ＩｎＧａＡｓ 層：厚み０．５μｍ、キャリア濃度 １〜３×１０１８ｃｍ−３。
ｐ＋型ＩｎＧａＡｓ層：厚み０．２μｍ、キャリア濃度 １〜３×１０１９ｃｍ−３。
ｎ導電性を付与するために、ｎ型ドーパントとして例えばシリコン（Ｓｉ）が利用される。ｐ導電性を付与するために、ｐ型ドーパントとして例えば亜鉛（Ｚｎ）または炭素（Ｃ）が利用される。
半導体メサ形成工程では、図３の（ａ）部に示されるように、半導体メサを規定するためのパターンを有するＳｉＮマスクをエピタキシャル基板上に形成する。パターンは、例えば画素ピッチ３０μｍ及び３２０×２５６の画素数による２次元画素アレイを規定する。半導体メサのためのパターンの直径は例えば８μｍであり、ＳｉＮパターンの中心間距離による規定では、メサパターンは３０μｍピッチで配列される。
次いで、ＳｉＮマスクを用いてエピタキシャル基板Ｅのドライエッチングにより画素のための半導体メサを形成して、図３の（ｂ）部に示されるように、画素のための半導体メサを含む基板生産物Ｐを形成する。エッチングは、少なくとも半導体メサの底がエピタキシャル基板のｎ型ＩｎＰバッファ層に到達する深さで行われる（基板に到達するまでエッチングしても良い）。エッチングを完了した後に、ＳｉＮマスクを除去する。
樹脂体形成工程では、アレイ状の半導体メサに位置を合わせて、樹脂のポッティングを行う。樹脂体の形成には、例えばインクジェット方式又はマイクロポッティング方式が適用可能である。一例を示せば、マイクロノズルを用いて、インクジェットまたはマイクロポッティングによって滴状体を画素ごとに形成する。
樹脂として、例えばフッ素樹脂ポリマーを用いることができる。滴状体の形成のためには、希釈溶剤としてエタノール、イソプロピルアルコール／ 酢酸イソブチル、水といった溶媒を用いることができる。フッ素樹脂としては、ある波長範囲の光が実質的に透過可能な（簡易な表現によれば、透明な）、ＣＨ結合を有しない脂環式のフッ素樹脂を主成分とする非晶性フッ素樹脂を用いることが良い。フッ素樹脂としては、例えば旭硝子製サイトップ、ルミフロン（商品名） が例示される。このようなフッ素樹脂では、波長０．７μｍ〜３μｍの光に対する透過率が７０％以上であると共に該透過率の変動幅が２５％以下である。図５は、フッ素樹脂の透過率と光波長との関係を示す図面である。図５の透過率を示すフッ素樹脂は、例えば旭硝子製サイトップ、ルミフロン（商品名）である。図５に示されるように、フッ素樹脂は、０．７μｍ〜２．０μｍ、２．０μｍ〜３．５μｍの波長域において、それぞれ、９５％、９３％の透過率を示す。これらの波長帯域では、フッ素樹脂の透過率の変動が実質的になく、透過率の波長依存性は波長に対してほとんど平坦である。
必要な場合には、樹脂のポッティングに先立って、基板上にＳｉＮ膜又はＳｉＯ２膜をＣＶＤ法で成長して、半導体メサ及び半導体基板を覆うようにＳｉＮ膜、ＳｉＯ２膜（保護膜）を形成することができる。その後、シランカップリング剤を塗布する。フォトレジストで半導体メサ上面のみを開口させて、バファードフッ酸で上面のＳｉＮ膜、シランカップリング剤を除去する。
フッ素樹脂のポッティングにより滴状体を形成した後に、摂氏１２０度の温度で３０分間の熱処理を滴状体の配列に適用する。熱処理の適用により、図３の（ｃ）部に示されるように、滴状体から熱処理された樹脂（固化樹脂体）のアレイを形成する。個々の固化樹脂体は、半導体メサの上面及び側面を覆うと共に半導体メサの位置に合わせて設けられている。個々のポストに滴下する樹脂量を調整することによって、メサ高とほぼ同じ高さの樹脂体を形成できる。この樹脂体は、メサ中心から任意の方向に向けてメサ側面より外側において緩やかに傾斜する表面を有する。熱処理された樹脂がドーム状であって半導体メサの上面が露出するように形成できるように、シランカップリング剤の残るメサ側面及び底面１３ｃとフッ素樹脂の密着力は強いが、上面の密着力は弱い。超音波洗浄処理を行うなどすれば、上面を露出することができる。
次いで、図３の（ｃ）部に示されるように、フッ素樹脂からなる樹脂体上に金属製のコーティング膜を形成する。コーティング膜は、例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等を備えることができ、コーティング膜の厚さは、例えば１０ｎｍまたはそれ以上であることができる。
コーティング膜の形成により、半導体受光素子生産物が完成される。半導体受光素子生産物は、二次元的に配列された多数の受光素子アレイ素子を含む。半導体受光素子生産物を分割して、図４の（ａ）部に示されるように、個々の受光素子アレイ素子のチップを形成する。受光素子アレイ素子は、図４の（ｂ）部に示されるように、バンプを介してＣＭＯＳ読出回路に接続される。このように作製された受光装置はパッケージに実装されて、上記の工程により、センサ装置が完成される。このセンサ装置では、個々のフォトダイオードにおいて、図４の（ｃ）部に示されるように、樹脂体の反射により受光量が増加する。
センサ装置では、半導体メサの直径は８μｍである。このセンサ装置とは別に、直径２０μｍの半導体メサを有する受光素子アレイ素子を準備した。これら２種類の受光素子アレイ素子の個々において、暗電流を測定した。直径８μｍの半導体メサを有する受光素子アレイ素子は、直径２０μｍの半導体メサを有する受光素子アレイ素子に比べてメサの周囲長さに比例して約６割低減された暗電流を示した。受光感度に関しては、各画素の半導体メサの受光面積から外れて樹脂体に入射した光は、Ａｕコーティング膜により反射されて半導体メサの光吸収層に届く。この寄与により、受光感度は、期待されたレベル（例えば波長１．５μｍの光に対する感度０．９Ａ／Ｗ程度）に維持された。樹脂体が、近赤外光に対する小さい吸収率のフッ素樹脂を備えるので、樹脂体による吸収量が非常に小さい。また、Ａｕコーティング膜の表面により反射した信号光が受光層に届く。
この実施例では、受光層がタイプＩＩのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸構造を含む。しかしながら、受光層の材料が、ＩｎＧａＡｓバルク材料であることもできる。この受光層のためのエピタキシャル積層は、例えばｎ型ＩｎＰバッファ層（厚み０．５μｍ）、アンドープのＩｎＧａＡｓ受光層（厚み３μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層（厚み０．５μｍ）、及びｐ＋型ＩｎＧaＡｓ層（厚み０．２μｍ）を備え、これらのＩＩＩ−Ｖ半導体層は、例えばＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＩｎＰ基板上に成長される。
本実施の形態に係る裏面入射型の赤外受光装置は、半導体基板上に成長された受光層を含むエピタキシャル積層層から形成された半導体メサと、この半導体メサの周囲を取り囲むように樹脂製のドームを含む。必要な場合には、赤外受光装置は、ドーム表面にＡｕコーティングを含むことができる。赤外受光装置では、樹脂体に入射した光がＡｕコーティングによる一度の反射の後に受光層により光電変換されなくても、二度又はそれより多い回数の反射により受光層により光電変換される。この多数回の反射に入り、受光素子の感度が向上する可能性がある。この赤外受光装置では、樹脂製のドームは、半導体メサの底から上面への方向に湾曲している。この湾曲面上に薄いＡｕ層が設けられて、このＡｕ層により反射された光が受光層に入射する。ドーム形状の部材を構成する樹脂は、光波長０．７μｍ〜３μｍの範囲内の光に対する透過率の変動幅が２５％以下であることが好ましく、これによって、変動幅が２５％以下であるとき、どの波長の光も均等に光吸収層に届き、感度の波長依存性を小さくできる。ドームの材料である樹脂は、該透過率が７０％以上であることが好ましく、これによって、透過率が７０％以上であるとき、樹脂の吸収が小さいので、Ａｕコーティングで反射した光の多くが光吸収層に届き、高感度になる。このような特性は、フッ素樹脂により満たされる。赤外受光装置では、樹脂製のドームと半導体メサとの間にシリコン系無機絶縁膜を設けることが良い。シリコン系無機絶縁膜は、シリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、シリコン酸窒化物（例えばＳｉＯＮ）、又はシリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）を包含する。このシリコン系無機絶縁膜は、メサ側面に到達するｐｎ接合を保護する保護膜として役立つ。このｐｎ接合がＳｉＮ等の無機膜に覆われるとき、より暗電流の低減に有効であり、半導体受光素子の信頼性の向上の点においても有効である。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
以上説明したように、本実施の形態によれば、暗電流を低減可能なフォトダイオード及び赤外線受光半導体素子が提供される。
１１…赤外線受光半導体素子、１３…基板、１３ａ…主面、１３ｂ…第１エリア、１３ｃ…第２エリア、１３ｄ…第３エリア、１５…ポスト、１７…樹脂体、１７ａ…第１面、１７ｂ…第２面、１７ｃ…第３面、１９…半導体メサ、２１…光吸収層、２３…第１半導体層、２５…第２半導体層、２７…無機絶縁膜。
Claims (6)
- 赤外線受光半導体素子であって、
複数の素子エリアの配列を有しており各素子エリアの第１エリア及び第２エリアを含む主面を有する基板と、
赤外線に感応する光吸収層を有し画素のための半導体メサを含み前記基板の前記第１エリア上に設けられたポストと、
前記ポストの側面に接触を成す第１面を有しており、前記基板の前記第２エリア上に設けられ、前記第２エリアに接触を成す第２面を有する樹脂体と、
を備え、
前記第２エリアは該第１エリアを囲み、
前記樹脂体は、前記第１エリア内の第１点から前記第２エリア内の第２点を通過して延在する半直線上において前記第２エリア内に位置する第２１点及び第２２点でそれぞれ第２１厚及び第２２厚を有しており、前記樹脂体の表面は、前記半直線を通過すると共に前記基板の前記主面の法線軸の方向に延在する基準面によって規定される断面において、前記基板から前記ポストへ向かう方向への凸形状の第３面を前記第２エリア上に有して前記第２１厚から前記第２２厚まで単調に変化しており、前記第２１厚は前記第２２厚より大きく、前記第１点から前記第２２点までの距離は、前記第１点から前記第２１点までの距離より大きい、赤外線受光半導体素子。 - 前記樹脂体の前記表面上に設けられた金属層を更に備える、請求項１に記載された赤外線受光半導体素子。
- 前記樹脂体は波長０．７μｍ〜３μｍの光を透過可能な材料を備える、請求項１又は請求項２に記載された赤外線受光半導体素子。
- 前記樹脂体がフッ素樹脂を備える、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された赤外線受光半導体素子。
- 前記ポストは、前記半導体メサの側面上に設けられた無機絶縁膜を備える、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された赤外線受光半導体素子。
- 前記半導体メサの上面上に設けられた電極を更に備え、
前記樹脂体は、前記半導体メサの前記上面に開口を有する、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された赤外線受光半導体素子。
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