JP6881027B2 - 半導体受光素子、及び半導体受光素子の製造方法 - Google Patents

半導体受光素子、及び半導体受光素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体受光素子、及び半導体受光素子の製造方法に関する。
非特許文献１には、赤外光に感度を有する受光素子に関する技術が記載されている。この受光素子は、タイプIIのＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子構造を備える。
Nutan Gautam et al., "Band engineered HOT midwave infrared detectorsbased on type-II InAs/GaSb strained layer superlattices", ELSEVIER, InfraredPhysics & Technology (2013)
アンチモン（Ｓｂ）を構成元素として含む半導体、例えばＩｎＡｓとＧａＳｂとの超格子構造を含む光吸収層は、中赤外光に感応し、イメージセンサなどのフォトダイオードに利用される。このような光吸収層を備えるフォトダイオードでは、コンタクト層においても、超格子構造が用いられることがある。
また、イメージセンサなどのフォトダイオードアレイでは、各フォトダイオードを分離するために、メサ構造が形成される。このメサ構造はエッチングにより形成されるが、多くの場合、そのエッチングは超格子構造の下部コンタクト層において停止され、複数のフォトダイオードの下部コンタクト層は互いに繋がった状態で維持される。下部コンタクト層と接触する電極が、複数のフォトダイオードに対して共通に設けられるからである。エッチングを下部コンタクト層において停止するために、超格子構造の下部コンタクト層には充分な厚さが必要となる。しかしながら、厚い超格子構造の下部コンタクト層は、フォトダイオードの暗電流を増大させる。また、厚い超格子構造の下部コンタクト層は、キャリアの迅速な移動を妨げ、バイアス電圧を大きくする必要性を生じさせる。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、超格子構造の下部コンタクト層を薄くすることが可能な半導体受光素子、及び半導体受光素子の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、一実施形態に係る半導体受光素子は、アレイ状に配列された複数のフォトダイオードを含む半導体受光素子であって、複数のフォトダイオードそれぞれは、互いに分離している複数の半導体積層それぞれを有し、各半導体積層は、第１導電型のIII−Ｖ族化合物半導体を含むタイプIIの超格子構造を有する第１半導体層と、第２導電型のIII−V族化合物半導体を含む第２半導体層と、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられ、III−Ｖ族化合物半導体を含み赤外光に感応する光吸収層と、を有し、各フォトダイオードは、第１半導体層に接触する第１電極と、第２半導体層に接触する第２電極とを更に有する。
一実施形態に係る半導体受光素子の製造方法は、アレイ状に配列された複数のフォトダイオードを含む半導体受光素子を製造する方法であって、III−Ｖ族化合物半導体領域上に、第１導電型のIII−Ｖ族化合物半導体を含むタイプIIの超格子構造を有する第１半導体層、III−Ｖ族化合物半導体を含み赤外光に感応する光吸収層、及び第２導電型のIII−V族化合物半導体を含む第２半導体層を順に成長する工程と、第２半導体層上に仮基板を貼り付ける工程と、III−Ｖ族化合物半導体領域を除去して第１半導体層を露出させる工程と、第１半導体層に接触する複数の第１電極を形成する工程と、複数の第１電極と接する支持基板を貼り付ける工程と、仮基板を除去し、第２半導体層、光吸収層、及び第１半導体層をエッチングすることにより、互いに分離した複数の半導体積層を形成する工程と、複数の半導体積層の第２半導体層にそれぞれ接触する複数の第２電極を形成する工程と、を含む。
本発明による半導体受光素子、及び半導体受光素子の製造方法によれば、超格子構造の下部コンタクト層を薄くすることができる。
図１は、一実施形態に係る半導体受光素子を備える赤外光受光装置の構造を示す断面図である。 図２は、図１の一部を拡大して示す断面図である。 図３は、半導体積層の具体的な構成例を模式的に示す図である。 図４は、複数のカソード電極の平面形状及び配置を示す図であって、図１のＶ−Ｖ線に沿った断面を示している。 図５は、金属パターンの平面形状を示す図であって、図１のVI−VI線に沿った断面を示している。 図６は、一つの接合部と一つの各カソード電極とからなる金属体を示す斜視図である。 図７は、一実施形態の製造方法の各工程を示す図である。 図８は、一実施形態の製造方法の各工程を示す図である。 図９は、一実施形態の製造方法の各工程を示す図である。 図１０は、一実施形態の製造方法の各工程を示す図である。 図１１は、半導体受光素子のバイアス電圧と暗電流密度との関係の一例を示すグラフである。 図１２は、一変形例に係る赤外光受光装置の構成を拡大して示す断面図である。 図１３は、金属パターンの平面形状を示す図であって、図１２のXIV−XIV線に沿った断面を示している。
［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。一実施形態に係る半導体受光素子は、アレイ状に配列された複数のフォトダイオードを含む半導体受光素子であって、複数のフォトダイオードそれぞれは、互いに分離している複数の半導体積層それぞれを有し、各半導体積層は、第１導電型のIII−Ｖ族化合物半導体を含むタイプIIの超格子構造を有する第１半導体層と、第２導電型のIII−V族化合物半導体を含む第２半導体層と、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられ、III−Ｖ族化合物半導体を含み赤外光に感応する光吸収層と、を有し、各フォトダイオードは、第１半導体層に接触する第１電極と、第２半導体層に接触する第２電極とを更に有する。
この半導体受光素子では、複数の半導体積層が互いに分離しており、各半導体積層が第１半導体層を有する。第１半導体層は、第１電極と接触する下部コンタクト層であって、第１導電型のIII−Ｖ族化合物半導体を含むタイプIIの超格子構造を有する。そして、この半導体受光素子では、複数のフォトダイオードに対して共通の第１電極が設けられるのではなく、各フォトダイオードが第１電極を有している。従って、半導体積層を分離するためのエッチングを第１半導体層において停止する必要がない。故に、超格子構造の下部コンタクト層である第１半導体層を薄くできるので、フォトダイオードの暗電流を低減できる。また、キャリアの迅速な移動を妨げないので、バイアス電圧を小さくしても十分な受光感度を得ることができる。
上記の半導体受光素子は、複数の第１電極に固着され赤外光を透過する支持基板を更に備えてもよい。これにより、半導体積層への赤外光の入射を妨げることなく、複数のフォトダイオードを支持することができる。この場合、支持基板は、良好な赤外光透過性を有するＳｉ基板またはＩｎＰ基板であってもよい。
上記の半導体受光素子において、支持基板と第１半導体層との隙間は赤外光透過性の充填材によって埋められてもよい。これにより、第１半導体層の裏面における赤外光の反射を低減するとともに、複数のフォトダイオードの支持強度をさらに増すことができる。
上記の半導体受光素子において、第１電極は第１半導体層の側面と接触してもよい。これにより、半導体積層の光入射面の少なくとも一部を第１電極によって覆わないことが可能となり、半導体積層への赤外光の入射を妨げることなく、第１電極と第１半導体層との接触を得ることができる。この場合、半導体積層の積層方向における第１電極と第１半導体層との接触長さは０．１μｍ以上０．２μｍ以下であってもよい。これにより、第１電極と第１半導体層との十分な接触を得ることができる。
上記の半導体受光素子において、第１電極は第１半導体層の光吸収層側とは反対側の面の一部と接触してもよい。これにより、当該面（すなわち光入射面）の残部から赤外光の入射が可能となり、半導体積層への赤外光の入射を確保することができる。この場合、第１電極の平面形状が枠状であることにより、半導体積層への赤外光の入射を確保しつつ、第１電極と第１半導体層との十分な接触を得ることができる。
上記の半導体受光素子において、第１半導体層の厚さは３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であってもよい。上記の半導体受光素子によれば、このように薄い第１半導体層が実現可能である。
上記の半導体受光素子において、第１半導体層の超格子構造は、Ａｓを含む第１層と、Ｓｂを含み第１層とは組成が異なる第２層とを有してもよい。例えばこのような構成により、赤外光に感応する光吸収層に対するコンタクト層を実現できる。
一実施形態に係る半導体受光素子の製造方法は、アレイ状に配列された複数のフォトダイオードを含む半導体受光素子を製造する方法であって、III−Ｖ族化合物半導体領域上に、第１導電型のIII−Ｖ族化合物半導体を含むタイプIIの超格子構造を有する第１半導体層、III−Ｖ族化合物半導体を含み赤外光に感応する光吸収層、及び第２導電型のIII−V族化合物半導体を含む第２半導体層を順に成長する工程と、第２半導体層上に仮基板を貼り付ける工程と、III−Ｖ族化合物半導体領域を除去して第１半導体層を露出させる工程と、第１半導体層に接触する複数の第１電極を形成する工程と、複数の第１電極に支持基板を固着する工程と、仮基板を除去し、第２半導体層、光吸収層、及び第１半導体層をエッチングすることにより、互いに分離した複数の半導体積層を形成する工程と、複数の半導体積層の第２半導体層にそれぞれ接触する複数の第２電極を形成する工程と、を含む。例えばこのような方法により、超格子構造の下部コンタクト層を薄くすることができる半導体受光素子を提供できる。
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る半導体受光素子、及び半導体受光素子の製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本実施形態に係る半導体受光素子を備える赤外光受光装置の構造を示す断面図である。図２は、図１の一部を拡大して示す断面図である。図１及び図２には、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を含む直交座標系が示されている。図１及び図２に示す赤外光受光装置１Ａは、半導体受光素子２Ａ及びシリコン集積素子３４を備える。半導体受光素子２Ａは、アレイ状に配列された複数のフォトダイオード２を含む。複数のフォトダイオード２は、二次元アレイ、又は一次元アレイを構成するように配置される。本実施例では、フォトダイオード２はＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って並ぶ二次元アレイを構成するように配列されている。一例としてＱＶＧＡタイプの赤外光受光装置１Ａでは、Ｘ軸方向におけるフォトダイオード２の個数は３２０個であり、Ｙ軸方向におけるフォトダイオード２の個数は２５６個である。隣り合うフォトダイオード２間のピッチは例えば３０μｍであり、各フォトダイオード２の一辺の長さは例えば２４μｍである。また、ＶＧＡタイプの赤外光受光装置１Ａでは、Ｘ軸方向におけるフォトダイオード２の個数は６２０個であり、Ｙ軸方向におけるフォトダイオード２の個数は５１２個である。隣り合うフォトダイオード２間のピッチは例えば１５μｍであり、各フォトダイオード２の一辺の長さは例えば１３μｍである。
シリコン集積素子３４は、半導体受光素子２Ａからの信号を処理する処理回路を備える。この処理回路は、複数のフォトダイオード２にそれぞれ対応する複数の処理回路部を備える。複数の処理回路部もまた、フォトダイオード２のアレイに合わせてアレイ状に配置される。各処理回路部は、対応するフォトダイオード２のアノード電極２４に接続され、フォトダイオード２からの信号を処理する。すなわち、各処理回路部は、フォトダイオード２からの光電流を受けて、例えばこの電流信号を電圧信号に変換すると共に信号増幅を行う。シリコン集積素子３４は、シリコン集積回路の製造技術を適用して作製される。
半導体受光素子２Ａは、支持基板１０と、支持基板１０上に設けられた複数のフォトダイオード２とを備える。複数のフォトダイオード２それぞれは、互いに分離している複数の半導体積層１１それぞれを有する。各半導体積層１１は、ｎ型（第１導電型）コンタクト層１４、赤外光に感応する光吸収層１６、及びｐ型（第２導電型）コンタクト層１８を有する。ｎ型コンタクト層１４は支持基板１０上に設けられ、光吸収層１６はｎ型コンタクト層１４上に設けられ、ｐ型コンタクト層１８は光吸収層１６上に設けられている。また、各半導体積層１１は、シリコン系無機絶縁膜（例えばＳｉＯ２）といったパッシベーション膜３０によって覆われている。複数の半導体積層１１間の隙間は、樹脂（アンダーフィル）３２によって満たされている。
ｎ型コンタクト層１４は、本実施形態における第１半導体層である。ｎ型コンタクト層１４は、ｎ型のIII−Ｖ族化合物半導体を含むタイプIIの超格子構造を有する。ｐ型コンタクト層１８は、本実施形態における第２半導体層である。ｐ型コンタクト層１８は、ｐ型のIII−V族化合物半導体を含むタイプIIの超格子構造を有してもよい。
光吸収層１６は、ｎ型コンタクト層１４とｐ型コンタクト層１８との間に設けられ、III−Ｖ族化合物半導体を含み赤外光（特に中赤外光）に感応する。光吸収層１６は、例えば６μｍ〜１５μｍの赤外領域の光を受ける。本実施形態の光吸収層１６は、III−V族化合物半導体を含むタイプIIの超格子構造を有する。
ここで、ｎ型コンタクト層１４、光吸収層１６、及びｐ型コンタクト層１８を構成するIII−Ｖ族化合物半導体について説明する。これらのIII−Ｖ族化合物半導体は、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂといった二元混晶、並びにＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂといった三元混晶からなる群に含まれる少なくとも一つの組成を含むことができる。そして、タイプIIの超格子構造では、Ａｓを含む第１層（例えばＩｎＡｓ）と、Ｓｂを含み第１層とは組成が異なる第２層（例えばＧａＳｂ若しくはＩｎＳｂ）とを含む単位構造が周期的に積層される。第１層がＩｎＡｓである場合、第２層はＩｎＧａＳｂであってもよい。また、第２層がＧａＳｂである場合、第１層はＩｎＡｓＳｂであってもよい。或いは、第１層がＩｎＡｓＳｂであり、第２層がＩｎＧａＳｂであってもよい。また、単位構造には、第１層及び第２層とは組成が異なる一又は二以上のIII−Ｖ族化合物半導体層（例えば上記の二元混晶及び三元混晶のうちいずれか）が更に含まれてもよい。ｐ型ドーパントは例えばＢｅである。ｎ型ドーパントは例えばＳｉである。
図３は、半導体積層１１の具体的な構成例を模式的に示す図である。図３に示すように、ｎ型コンタクト層１４は、例えばＳｉがドープされたＧａＳｂ層、ＩｎＡｓ層、及びＩｎＳｂ層が５０周期にわたって積層された超格子構造を有する。ｎ型コンタクト層１４のドーパント濃度は例えば１×１０１７ｃｍ−３〜３×１０１７ｃｍ−３である。また、ｎ型コンタクト層１４の厚さは例えば３００ｎｍ〜５００ｎｍである。
光吸収層１６は、例えばＢｅがドープされたＧａＳｂ層、ＩｎＡｓ層、及びＩｎＳｂ層が２００周期にわたって積層された超格子構造を有する。光吸収層１６のドーパント濃度は例えば１×１０１５ｃｍ−３〜３×１０１６ｃｍ−３である。また、光吸収層１６の厚さは例えば１．０μｍ〜２．０μｍである。
ｐ型コンタクト層１８は、ｐ型超格子層１８ａと、ｐ型キャップ層１８ｂとを含む。ｐ型超格子層１８ａは、例えばＢｅがドープされたＧａＳｂ層、ＩｎＡｓ層、及びＩｎＳｂ層が５０周期にわたって積層された超格子構造を有する。ｐ型超格子層１８ａのドーパント濃度は例えば１×１０１７ｃｍ−３〜３×１０１７ｃｍ−３である。また、ｐ型超格子層１８ａの厚さは例えば２５ｎｍ〜５０ｎｍである。ｐ型キャップ層１８ｂは、ｐ型超格子層１８ａ上に設けられ、例えばｐ型ＩｎＡｓ層である。ｐ型キャップ層１８ｂのドーパント濃度は例えば１×１０１８ｃｍ−３〜３×１０１８ｃｍ−３である。また、ｐ型キャップ層１８ｂの厚さは例えば２００ｎｍ〜３００ｎｍである。
図３に示すように、ｎ型コンタクト層１４と光吸収層１６との間には、ホールバリア層１５が設けられてもよい。ホールバリア層１５は、例えばＳｉがドープされたＧａＳｂ層、ＩｎＡｓ層、ＧａＳｂ層、ＩｎＡｓ層、及びＩｎＳｂ層が１６周期にわたって積層された超格子構造を有する。ホールバリア層１５のドーパント濃度は例えば１×１０１６ｃｍ−３〜３×１０１６ｃｍ−３である。また、ホールバリア層１５の厚さは例えば１５０ｎｍ〜３００ｎｍである。
また、光吸収層１６とｐ型コンタクト層１８との間には、電子バリア層１７が設けられてもよい。電子バリア層１７は、例えばアンドープのＧａＳｂ層、ＡｌＳｂ層、ＧａＳｂ層、ＩｎＡｓ層、及びＩｎＳｂ層が５０周期にわたって積層された超格子構造を有する。電子バリア層１７の厚さは例えば３５０ｎｍ〜５００ｎｍである。
各フォトダイオード２は、ｎ型コンタクト層１４に接触するカソード電極２２（第１電極）と、ｐ型コンタクト層１８に接触するアノード電極２４（第２電極）とを更に有する。すなわち、本実施形態の半導体受光素子２Ａは、複数のフォトダイオード２に対して共通のカソード電極を有するのではなく、各フォトダイオード２に対して個別にカソード電極２２を有する。なお、ここでいう「個別に」とは、各フォトダイオード２のカソード電極２２が、隣接するフォトダイオード２のｎ型コンタクト層１４に接触することを妨げるものではない。カソード電極２２は、各フォトダイオード２において、パッシベーション膜３０から露出したｎ型コンタクト層１４の側面と接触している。カソード電極２２は、例えばＡｌからなる。半導体積層１１の積層方向（すなわちＺ軸方向）におけるカソード電極２２とｎ型コンタクト層１４との接触長さは、例えば０．１μｍ以上０．２μｍ以下である。アノード電極２４は、各フォトダイオード２において、パッシベーション膜３０に形成された開口を介してｐ型コンタクト層１８の上面（光吸収層１６とは反対側の面）と接触している。アノード電極２４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる。
支持基板１０は、平坦な主面１０ａ及び裏面１０ｂを有する平板状の基板である。支持基板１０は、複数のカソード電極２２に固着され、半導体受光素子２Ａの機械的強度を保持する。支持基板１０は、赤外光透過性の良い材料からなることが望ましく、例えばＳｉ基板またはＩｎＰ基板である。本実施形態の支持基板１０は、金属パターン２１を主面１０ａ上に有する。金属パターン２１は例えばＡｕ膜によって構成される。
ここで、複数のカソード電極２２及び金属パターン２１の平面形状について説明する。図４は、複数のカソード電極２２の平面形状及び配置を示す図であって、図１のＶ−Ｖ線に沿った断面を示している。また、図５は、金属パターン２１の平面形状を示す図であって、図１のVI−VI線に沿った断面を示している。
図４に示すように、各カソード電極２２は、矩形状の平面形状を有し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って二次元状に並んでいる。また、各カソード電極２２は、Ｘ軸方向に並ぶ半導体積層１１（ｎ型コンタクト層１４）の間に挟まれており、Ｘ軸方向において、半導体積層１１（ｎ型コンタクト層１４）及びカソード電極２２が交互に配置されている。Ｙ軸方向に並ぶカソード電極２２の間、及びＹ軸方向に並ぶ半導体積層１１（ｎ型コンタクト層１４）の間には、アンダーフィル３２が充填されている。
また、図５に示すように、金属パターン２１は、複数の接合部２１ａと、複数の配線部２１ｂと、配線部２１ｃとを含んで構成される。複数の接合部２１ａは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って二次元状に並んでおり、複数のカソード電極２２それぞれの直下に設けられる。各接合部２１ａは、例えばフリップチップボンディング技術により、各フォトダイオード２のカソード電極２２と導電接合される。配線部２１ｂは、Ｙ軸方向に並ぶ接合部２１ａ間に設けられ、隣り合う接合部２１ａを相互に接続する。配線部２１ｃは、支持基板１０の主面１０ａ上におけるＹ軸方向の一端に設けられ、Ｘ軸方向に延びており、Ｙ軸方向に沿った接合部２１ａの複数の列同士を相互に接続する。図１に示すように、配線部２１ｃは、基板端部に設けられた半導体積層１１の側面に沿って配設された配線２０を介して、該半導体積層１１の上面に設けられた電極２６と電気的に接続される。電極２６は、シリコン集積素子３４の処理回路に接続される。
図５に示すように、金属パターン２１を除く支持基板１０の主面１０ａ上の領域は、赤外光透過性の充填材１２によって満たされている。このため、図１及び図２に示すように、支持基板１０と半導体積層１１のｎ型コンタクト層１４との隙間は、充填材１２によって埋められる。充填材１２は、例えば樹脂（アンダーフィル）、シリコン化合物（例えばＳｉＯ２）、或いは反射防止膜などによって構成される。充填材１２が設けられず、支持基板１０とｎ型コンタクト層１４との隙間が空隙になっていてもよい。
図６は、一つの接合部２１ａと一つの各カソード電極２２とからなる金属体２８を示す斜視図である。図６に示すように、この金属体２８は、直方体といった外観を有し、Ｘ軸方向における幅Ｗ１は例えば２μｍ〜６μｍであり、Ｙ軸方向における幅Ｗ２は例えば１３μｍ〜２４μｍであり、Ｚ軸方向における高さＨ１は例えば０．５μｍ〜１．０μｍである。なお、接合部２１ａの高さは、必要に応じ、ｎ型コンタクト層１４の厚さを調整することによって増減可能である。
この赤外光受光装置１Ａは、裏面入射型の構造を有する。図１に示す支持基板１０の裏面１０ｂから入射した赤外光Ｌは、支持基板１０及び充填材１２を透過した後に、ｎ型コンタクト層１４の裏面から半導体積層１１に入射する。そして、この赤外光Ｌは、光吸収層１６において光電変換される。光吸収層１６において生じた一方のキャリアは、ｎ型コンタクト層１４を介してカソード電極２２へ移動し、金属パターン２１、配線２０及び電極２６を経てシリコン集積素子３４の処理回路に達する。また、光吸収層１６において生じた他方のキャリアは、ｐ型コンタクト層１８を介してアノード電極２４へ移動し、シリコン集積素子３４の処理回路に達する。
以上の構成を備える本実施形態の半導体受光素子２Ａを製造する方法について説明する。図７〜図１０は、本実施形態の製造方法の各工程を示す図である。まず、図７（ａ）に示されるように、ｎ型コンタクト層１４、光吸収層１６、及びｐ型コンタクト層１８のエピタキシャル成長が可能な主面５０ａを有するIII−Ｖ族化合物半導体基板５０を用意する。III−Ｖ族化合物半導体基板５０としては、例えばＧａＳｂ基板が用いられる。このIII−Ｖ族化合物半導体基板５０の主面５０ａ上に、バッファ層５２をエピタキシャル成長させる。バッファ層５２は、III−Ｖ族化合物半導体層であり、例えばＧａＳｂ層である。バッファ層５２の厚さは、例えば１．０μｍである。III−Ｖ族化合物半導体基板５０及びバッファ層５２は、本実施形態におけるIII−Ｖ族化合物半導体領域を構成する。
次に、バッファ層５２上に、ｎ型コンタクト層１４、光吸収層１６、及びｐ型コンタクト層１８をこの順にエピタキシャル成長させて、基板生産物４を作製する。この工程では、ｎ型コンタクト層１４、光吸収層１６、及びｐ型コンタクト層１８を、例えば分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法といった成長方法を用いて成長させる。その後、仮基板５４をｐ型コンタクト層１８に貼り付ける。仮基板５４は、基板生産物４の機械的強度を維持できればどのような材料から成ってもよく、例えばシリコン基板である。この工程では、仮基板５４を例えばボンディングによってｐ型コンタクト層１８に貼り付ける。
続いて、III−Ｖ族化合物半導体領域（III−Ｖ族化合物半導体基板５０およびバッファ層５２）を除去して、図７（ｂ）に示されるように、ｎ型コンタクト層１４を露出させる。III−Ｖ族化合物半導体領域の除去は、例えば機械的研磨（ラッピング）、化学的研磨、化学的機械的研磨など様々な方法が用いられる。一例としては、機械的な研磨を行った後に、研磨面のエッチングが行われる。ウェットエッチング用溶液としては、水、リン酸、クエン酸、過酸化水素水を含む溶液が用いられる。
続いて、図８（ａ）に示されるように、カソード電極２２が形成されるｎ型コンタクト層１４の領域に対してエッチングを行うことにより、ｎ型コンタクト層１４に複数の凹部１４ａを形成する。各凹部１４ａの深さは、層厚方向（Ｚ方向）におけるカソード電極２２とｎ型コンタクト層１４との接触長さと同じであり、例えば０．１μｍ以上０．２μｍ以下である。このエッチングは、例えばドライエッチングまたはウェットエッチングである。
続いて、図８（ｂ）に示されるように、ｎ型コンタクト層１４に接触する複数のカソード電極２２を、複数の凹部１４ａ内にそれぞれ形成する。カソード電極２２の形成は、例えば次のようにして行われる。まず、ｎ型コンタクト層１４の表面上にレジストを形成し、複数の凹部１４ａ上のレジストを除去して開口を形成する。次に、カソード電極２２となる金属の蒸着を行う。これにより、複数の凹部１４ａ内及びレジスト上に金属膜が形成される。その後、レジスト上の金属膜とともにレジストを除去する。こうして、複数の凹部１４ａ内にカソード電極２２が形成される。
続いて、図９（ａ）に示されるように、ｎ型コンタクト層１４及び複数のカソード電極２２に支持基板１０を固着させる。この支持基板１０は、前述した金属パターン２１を主面１０ａ上に有するものである。この工程では、金属パターン２１が形成された主面１０ａがｎ型コンタクト層１４及び複数のカソード電極２２と対向するように、支持基板１０をｎ型コンタクト層１４及び複数のカソード電極２２に固着させる。具体的には、支持基板１０上の金属パターン２１の複数の接合部２１ａそれぞれを、複数のカソード電極２２それぞれに対してフリップチップボンディング技術により導電接合する。複数のカソード電極２２と複数の接合部２１ａとの間には、インジウムバンプ等の導電性接合部材が介在してもよい。また、金属パターン２１が設けられていない支持基板１０の主面１０ａ上の領域とｎ型コンタクト層１４との間に充填材１２を充填し、充填材１２を硬化させる。充填材１２は、硬化することにより支持基板１０とｎ型コンタクト層１４とを相互に接合する。
続いて、図９（ｂ）に示されるように、ｐ型コンタクト層１８上から仮基板５４を除去する。仮基板５４の除去は、例えば機械的研磨（ラッピング）、化学的研磨、化学的機械的研磨など様々な方法が用いられる。その後、図１０（ａ）に示されるように、ｐ型コンタクト層１８、光吸収層１６、及びｎ型コンタクト層１４をエッチングすることにより、互いに分離したメサ状の複数の半導体積層１１を形成する。具体的には、仮基板５４の除去により露出したｐ型コンタクト層１８上に、半導体積層１１となる領域のみを覆うエッチングマスクを形成する。そして、エッチングマスクから露出した領域のｐ型コンタクト層１８、光吸収層１６、及びｎ型コンタクト層１４に対してドライエッチングまたはウェットエッチングを行う。このエッチングは、カソード電極２２が露出するまで行われる。従って、複数の半導体積層１１は互いに完全に分離することとなる。
続いて、図１０（ｂ）に示されるように、複数の半導体積層１１の表面上にパッシベーション膜３０を成膜する。パッシベーション膜３０がシリコン系無機絶縁膜（例えばＳｉＯ２）である場合、成膜方法としては例えばプラズマ気相成長法が用いられる。その後、ｐ型コンタクト層１８上のパッシベーション膜３０に開口を形成し、該開口を塞ぐように、ｐ型コンタクト層１８と接触するアノード電極２４を形成する。同時に、図１に示された配線２０及び電極２６を形成する。アノード電極２４、配線２０及び電極２６は、例えば前述したカソード電極２２と同様の方法（リフトオフ法）により形成される。その後、複数のアノード電極２４および電極２６とシリコン集積素子３４の複数の電極とを導電接合する。すなわち、シリコン集積素子３４の複数の電極それぞれを、複数のアノード電極２４および電極２６それぞれに対してフリップチップボンディング技術により導電接合する。複数のアノード電極２４および電極２６とシリコン集積素子３４の複数の電極との間には、インジウムバンプ等の導電性接合部材が介在してもよい。その後、複数の半導体積層１１間の隙間、及び複数のアノード電極２４間の隙間にアンダーフィル３２を充填し、アンダーフィル３２を硬化させる。以上の工程を経て、本実施形態の半導体受光素子２Ａが完成する。
以上に説明した本実施形態の半導体受光素子２Ａ及びその製造方法によって得られる効果について説明する。この半導体受光素子２Ａでは、複数の半導体積層１１が互いに分離しており、各半導体積層１１がｎ型コンタクト層１４を有する。ｎ型コンタクト層１４は、カソード電極２２と接触する下部コンタクト層であって、ｎ型III−Ｖ族化合物半導体を含むタイプIIの超格子構造を有する。そして、この半導体受光素子２Ａでは、複数のフォトダイオード２に対して共通の電極が設けられるのではなく、各フォトダイオード２がカソード電極２２を有している。従って、半導体積層１１を分離するためのエッチング（図１０（ａ）参照）をｎ型コンタクト層１４において停止する必要がない。故に、超格子構造の下部コンタクト層であるｎ型コンタクト層１４を薄くできるので、フォトダイオード２の暗電流を低減して光検出精度を高めることができる。また、キャリアの迅速な移動を妨げないので、カソード電極２２とアノード電極２４との間に印加するバイアス電圧を小さくしても十分な受光感度を得ることができる。
図１１は、半導体受光素子のバイアス電圧と暗電流密度との関係の一例を示すグラフである。横軸は、カソード電極とアノード電極との間に印加されるバイアス電圧の大きさを示す。縦軸は、半導体受光素子に生じる暗電流密度の大きさを示す。グラフＧ１は本実施形態の特性を示し、グラフＧ２は従来の半導体受光素子（複数のフォトダイオードに対して共通の電極が設けられたもの。ｎ型コンタクト層の厚さは３μｍ）の特性を示す。図１１に示されるように、従来の半導体受光素子（グラフＧ２）と比較して、本実施形態の半導体受光素子２Ａでは暗電流密度が格段に小さくなっていることがわかる。このように、本実施形態の半導体受光素子２Ａによれば、フォトダイオード２の暗電流を効果的に低減できる。
また、本実施形態のように、半導体受光素子２Ａは、複数のカソード電極２２に固着され赤外光Ｌを透過する支持基板１０を備えてもよい。これにより、半導体積層１１への赤外光Ｌの入射を妨げることなく、複数のフォトダイオード２を支持することができる。従って、半導体受光素子２Ａの信頼性を高めることができる。
また、本実施形態のように、支持基板１０とｎ型コンタクト層１４との隙間は赤外光透過性の充填材１２によって埋められてもよい。これにより、ｎ型コンタクト層１４の裏面における赤外光Ｌの反射を低減するとともに、複数のフォトダイオード２の支持強度を更に増し、半導体受光素子２Ａの信頼性をより高めることができる。
また、本実施形態のように、カソード電極２２はｎ型コンタクト層１４の側面と接触してもよい。これにより、ｎ型コンタクト層１４の裏面すなわち半導体積層１１の光入射面の少なくとも一部をカソード電極２２によって覆わないことが可能となり、半導体積層１１への赤外光Ｌの入射を妨げることなく、カソード電極２２とｎ型コンタクト層１４との接触を得ることができる。この場合、半導体積層１１の積層方向におけるカソード電極２２とｎ型コンタクト層１４との接触長さは０．１μｍ以上０．２μｍ以下であってもよい。これにより、カソード電極２２とｎ型コンタクト層１４との十分な接触を得ることができる。
また、本実施形態のように、ｎ型コンタクト層１４の厚さは３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であってもよい。本実施形態の半導体受光素子２Ａによれば、このように薄いｎ型コンタクト層１４を実現することができる。
また、本実施形態のように、ｎ型コンタクト層１４の超格子構造は、Ａｓを含む第１層と、Ｓｂを含み第１層とは組成が異なる第２層とを有してもよい。例えばこのような構成により、赤外光に感応する光吸収層１６に対するコンタクト層を実現できる。
（変形例）
図１２は、上記実施形態の一変形例に係る赤外光受光装置１Ｂの構成を拡大して示す断面図である。図１２に示されるように、本変形例の赤外光受光装置１Ｂは、上記実施形態の複数のカソード電極２２に代えて、複数のカソード電極２７を備えている。複数のカソード電極２７は、複数のフォトダイオード２のｎ型コンタクト層１４の直下にそれぞれ配置されている。各カソード電極２７は、各ｎ型コンタクト層１４の光吸収層１６側とは反対側の面（すなわち裏面）の一部と接触している。具体的には、カソード電極２７の平面形状（Ｚ方向から見た形状）は四角形の枠状であり、カソード電極２７はｎ型コンタクト層１４の裏面の外周部分上に設けられている。カソード電極２７は枠の内側に開口２７ａを有しており、開口２７ａからｎ型コンタクト層１４の裏面が露出している。赤外光受光装置１Ｂの裏面側から入射した赤外光Ｌは、開口２７ａを通過して半導体積層１１に入射する。なお、カソード電極２７の構成材料は上記実施形態のカソード電極２２と同じである。また、赤外光受光装置１Ｂを製造する際には、凹部１４ａ（図８（ａ）参照）を形成することなく、カソード電極２７をｎ型コンタクト層１４の裏面上に形成する。
また、本変形例の赤外光受光装置１Ｂでは、支持基板１０の主面１０ａ上に、上記実施形態の金属パターン２１に代えて金属パターン２１Ａが設けられている。図１３は、金属パターン２１Ａの平面形状を示す図であって、図１２のXIV−XIV線に沿った断面を示している。図１３に示すように、金属パターン２１Ａは、複数の接合部２１ｄと、複数の配線部２１ｅと、２つの配線部２１ｆとを含んで構成される。複数の接合部２１ｄは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って二次元状に並んでおり、複数のカソード電極２７それぞれの直下に設けられる。各接合部２１ｄは、例えばフリップチップボンディング技術により、各フォトダイオード２のカソード電極２７と導電接合される。接合部２１ｄは、カソード電極２７と同様の平面形状（例えば四角形の枠状）を有している。接合部２１ｄの枠線の太さＷ３（すなわちカソード電極２７の枠線の太さ）は、例えば２μｍである。接合部２１ｄの一辺の幅Ｗ４（すなわちカソード電極２７の一辺の幅）は、例えば１３μｍ〜２４μｍである。配線部２１ｅは、Ｘ軸方向に並ぶ接合部２１ｄ間、及びＹ軸方向に並ぶ接合部２１ｄ間に設けられ、隣り合う接合部２１ｄを相互に接続する。
１つの配線部２１ｆは、支持基板１０の主面１０ａ上におけるＸ軸方向の一端に設けられ、Ｙ軸方向に延びており、Ｘ軸方向に沿った接合部２１ｄの複数の列同士を相互に接続する。他の１つの配線部２１ｆは、支持基板１０の主面１０ａ上におけるＹ軸方向の一端に設けられ、Ｘ軸方向に延びており、Ｙ軸方向に沿った接合部２１ｄの複数の列同士を相互に接続する。これらの配線部２１ｆは、基板端部に設けられた半導体積層１１の側面に沿って配設された配線２０（図１参照）を介して、該半導体積層１１の上面に設けられた電極２６（図１参照）と電気的に接続される。
支持基板１０の主面１０ａ上における接合部２１ｄの内側領域は、赤外光透過性の充填材１２によって満たされている。このため、図１２に示すように、支持基板１０と半導体積層１１のｎ型コンタクト層１４との隙間は、充填材１２によって埋められる。なお、本変形例においても、充填材１２は、例えば樹脂（アンダーフィル）、シリコン化合物（例えばＳｉＯ２）、或いは反射防止膜などによって構成される。充填材１２が設けられず、支持基板１０とｎ型コンタクト層１４との隙間が空隙になっていてもよい。また、支持基板１０の主面１０ａ上における接合部２１ｄの外側領域には、アンダーフィル３２が充填されている。
本変形例の赤外光受光装置１Ｂによれば、上記実施形態の赤外光受光装置１Ａと同様に、ｎ型コンタクト層１４を薄くできるので、フォトダイオード２の暗電流を低減して光検出精度を高めることができる。また、キャリアの迅速な移動を妨げないので、カソード電極２７とアノード電極２４との間に印加するバイアス電圧を小さくしても十分な受光感度を得ることができる。
また、本変形例のように、カソード電極２７はｎ型コンタクト層１４の光吸収層１６側とは反対側の面の一部と接触してもよい。これにより、当該面（すなわち光入射面）の残部から赤外光Ｌの入射が可能となり、半導体積層１１への赤外光Ｌの入射を確保することができる。この場合、カソード電極２７の平面形状が枠状であることにより、半導体積層１１への赤外光Ｌの入射を確保しつつ、カソード電極２７とｎ型コンタクト層１４との十分な接触を得ることができる。
本発明による半導体受光素子、及び半導体受光素子の製造方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び変形例では第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である場合を説明したが、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型であってもよい。また、上記実施形態では隣り合う半導体積層のｎ型コンタクト層の双方に第１電極が接触している場合を例示したが、第１電極は、一つの半導体積層のｎ型コンタクト層にのみ接触してもよい。また、上記変形例では第１電極の平面形状が枠状である場合を例示したが、第１電極は、ｎ型コンタクト層の裏面の一部に接触する形状であれば他に様々な形状を有することができる。
１Ａ，１Ｂ…赤外光受光装置、２…フォトダイオード、２Ａ…半導体受光素子、４…基板生産物、１０…支持基板、１０ａ…主面、１０ｂ…裏面、１１…半導体積層、１２…充填材、１４…ｎ型コンタクト層、１４ａ…凹部、１５…ホールバリア層、１６…光吸収層、１７…電子バリア層、１８…ｐ型コンタクト層、２０…配線、２１，２１Ａ…金属パターン、２１ａ，２１ｄ…接合部、２１ｂ，２１ｅ…配線部、２１ｃ，２１ｆ…配線部、２２，２７…カソード電極、２４…アノード電極、２６…電極、２８…金属体、３０…パッシベーション膜、３２…アンダーフィル、３４…シリコン集積素子、５０…III−Ｖ族化合物半導体基板、５２…バッファ層、５４…仮基板、Ｌ…赤外光。

Claims (8)

  1. アレイ状に配列された複数のフォトダイオードを含む半導体受光素子であって、
    前記複数のフォトダイオードそれぞれは、互いに分離している複数の半導体積層それぞれを有し、
    各半導体積層は、
    第１導電型のIII−Ｖ族化合物半導体を含むタイプIIの超格子構造を有する第１半導体層と、
    第２導電型のIII−V族化合物半導体を含む第２半導体層と、
    前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ、III−Ｖ族化合物半導体を含み赤外光に感応する光吸収層と、を有し、
    各フォトダイオードは、前記第１半導体層の側面に接触する第１電極と、前記第２半導体層に接触する第２電極とを更に有する、半導体受光素子。
  2. 複数の前記第１電極に固着され赤外光を透過する支持基板を更に備える、請求項１に記載の半導体受光素子。
  3. 前記支持基板はＳｉ基板またはＩｎＰ基板である、請求項２に記載の半導体受光素子。
  4. 前記支持基板と前記第１半導体層との隙間が赤外光透過性の充填材によって埋められている、請求項２または３に記載の半導体受光素子。
  5. 前記半導体積層の積層方向における前記第１電極と前記第１半導体層との接触長さが０．１μｍ以上０．２μｍ以下である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
  6. 前記第１半導体層の厚さが３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
  7. 前記第１半導体層の前記超格子構造は、Ａｓを含む第１層と、Ｓｂを含み前記第１層とは組成が異なる第２層とを有する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
  8. アレイ状に配列された複数のフォトダイオードを含む半導体受光素子を製造する方法であって、
    III−Ｖ族化合物半導体領域上に、第１導電型のIII−Ｖ族化合物半導体を含むタイプIIの超格子構造を有する第１半導体層、III−Ｖ族化合物半導体を含み赤外光に感応する光吸収層、及び第２導電型のIII−V族化合物半導体を含む第２半導体層を順に成長する工程と、
    前記第２半導体層上に仮基板を貼り付ける工程と、
    前記III−Ｖ族化合物半導体領域を除去して前記第１半導体層を露出させる工程と、
    前記第１半導体層の側面に接触する複数の第１電極を形成する工程と、
    前記複数の第１電極に支持基板を固着する工程と、
    前記仮基板を除去し、前記第２半導体層、前記光吸収層、及び前記第１半導体層をエッチングすることにより、互いに分離した複数の半導体積層を形成する工程と、
    前記複数の半導体積層の前記第２半導体層にそれぞれ接触する複数の第２電極を形成する工程と、
    を含む、半導体受光素子の製造方法。
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