JP7347005B2 - 受光素子 - Google Patents

受光素子 Download PDF

Info

Publication number
JP7347005B2
JP7347005B2 JP2019155612A JP2019155612A JP7347005B2 JP 7347005 B2 JP7347005 B2 JP 7347005B2 JP 2019155612 A JP2019155612 A JP 2019155612A JP 2019155612 A JP2019155612 A JP 2019155612A JP 7347005 B2 JP7347005 B2 JP 7347005B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
light
receiving element
wide gap
light receiving
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
Application number
JP2019155612A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2021034644A (ja
Inventor
康博 猪口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP2019155612A priority Critical patent/JP7347005B2/ja
Priority to US16/999,421 priority patent/US11133427B2/en
Publication of JP2021034644A publication Critical patent/JP2021034644A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7347005B2 publication Critical patent/JP7347005B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • H01L31/0256—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 the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1443—Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1446—Devices controlled by radiation in a repetitive configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14601—Structural or functional details thereof
    • H01L27/1463—Pixel isolation structures
    • 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
    • H01L31/103—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier being of the PN homojunction type
    • H01L31/1035—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier being of the PN homojunction type the devices comprising active layers formed only by AIIIBV compounds
    • 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、受光素子に関するものである。
近赤外光を検出する受光素子として、近赤外光を吸収する受光層にIII－Ｖ族化合物半導体が用いられているフォトダイオードがあり、例えば、メサを形成したメサ型フォトダイオードが開示されている。
特開２０１１－３５１１４号公報 国際公開第２００９／０８１５８５号特開２０１１－３５１１４号公報
受光素子においては、主に暗電流を抑制することが求められていたが、近年は、更に、高速応答性が求められる場合がある。
本実施形態の一観点によれば、受光素子は、基板と、前記基板の一方の面に設けられた第１のコンタクト層と、前記第１のコンタクト層の上に設けられた受光層と、前記受光層の上に設けられた中間層と、前記中間層の上に設けられたｐｎ接合を有するワイドギャップ層と、前記ワイドギャップ層の上に設けられた第２のコンタクト層と、前記第２のコンタクト層及び前記ワイドギャップ層の一部が除去されて形成された溝と、を有し、前記溝によって互いに分離されたメサであって、それぞれが前記第２のコンタクト層及び前記ワイドギャップ層の一部を含む前記メサにより、各々の画素が形成され、前記受光層のバンドギャップよりも、前記中間層のバンドギャップが広く、前記中間層のバンドギャップよりも、前記ワイドギャップ層のバンドギャップが広く、前記ワイドギャップ層はｐ型ワイドギャップ層とｎ型ワイドギャップ層とを含み、前記溝の底面は、前記ｎ型ワイドギャップ層にある。
本開示の受光素子によれば、受光素子の応答性を高くすることができる。
図１は、本開示の実施形態の受光素子の断面図である。 図２は、本開示の実施形態の受光素子の要部のバンド図である。 図３は、中間層が設けられていない受光素子の断面図である。 図４は、中間層が設けられていない受光素子の要部のバンド図である。 図５は、本開示の実施形態の受光素子の応答特性の説明図である。 図６は、中間層が設けられていない受光素子の応答特性の説明図である。 図７は、本開示の実施形態の受光素子の製造方法の工程図（１）である。 図８は、本開示の実施形態の受光素子の製造方法の工程図（２）である。 図９は、本開示の実施形態の受光素子の製造方法の工程図（３）である。 図１０は、本開示の実施形態の受光素子の製造方法の工程図（４）である。 図１１は、本開示の実施形態の受光素子の製造方法の工程図（５）である。 図１２は、本開示の実施形態の受光素子の製造方法の工程図（６）である。 図１３は、本開示の実施形態の受光素子の製造方法の工程図（７）である。 図１４は、本開示の実施形態の受光素子の製造方法の工程図（８）である。 図１５は、本開示の実施形態の２次元アレイ型受光素子の上面図である。 図１６は、本開示の実施形態の２次元アレイ型受光素子の断面図である。 図１７は、読み出し回路の上面図である。 図１８は、本実施の形態における光検出装置の製造工程の説明図（１）である。 図１９は、本実施の形態における光検出装置の製造工程の説明図（２）である。 図２０は、本実施の形態における光検出装置の製造工程の説明図（３）である。 図２１は、本実施の形態における光検出装置の要部断面図である。
実施するための形態について、以下に説明する。
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。
〔１〕 本開示の一態様に係る受光素子は、基板と、前記基板の一方の面に設けられた第１のコンタクト層と、前記第１のコンタクト層の上に設けられた受光層と、前記受光層の上に設けられた中間層と、前記中間層の上に設けられたｐｎ接合を有するワイドギャップ層と、前記ワイドギャップ層の上に設けられた第２のコンタクト層と、前記第２のコンタクト層及び前記ワイドギャップ層の一部が除去された画素を分離する溝と、を有し、前記受光層よりも、前記中間層はバンドギャップが広く、前記中間層よりも、前記ワイドギャップ層はバンドギャップが広い。
これにより、受光素子の応答性を高くすることができる。
〔２〕 前記中間層は、組成比の異なる複数の層により形成されており、前記受光層から前記ワイドギャップ層に向かって、バンドギャップが広くなる。
これにより、受光素子の応答性を更に高くすることができる。
〔３〕前記ワイドギャップ層はｐ型ワイドギャップ層とｎ型ワイドギャップ層を含み、前記溝の底面には、前記ｎ型ワイドギャップ層が露出している。
これにより、受光素子の画素分離を確実に行うことができる。
〔４〕 前記基板の他方の面より入射する赤外光を検出する。
本開示の受光素子は、裏面側から入射する赤外光を検出する受光素子である。
〔５〕 前記受光層は、ＩｎＧａＡｓを含む層であり、前記中間層は、ＩｎＧａＡｓＰを含む層であり、前記ワイドギャップ層は、ＩｎＰを含む層である。
本開示の受光素子は、近赤外光を検出する受光素子である。
〔６〕 前記溝におけるワイドギャップ層の側面には、ＳｉＮまたはＳｉＯＮによりパッシベーション膜が形成されている。
これにより、暗電流を増加させることなく、信頼性を高めることができる。
〔７〕 前記第１のコンタクト層はｎ型コンタクト層であり、前記第２のコンタクト層はｐ型コンタクト層である。
本開示の受光素子は、受光層からワイドギャップ層に向かってホールが移動するものであり、中間層を設けることにより、ホールの移動を円滑にして、受光素子の応答性を高くすることができる。
〔８〕 前記溝により分離された前記画素が、１次元または２次元に配列されている。
これにより、１次元または２次元のアレイ型受光素子にすることができる。
［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の一実施形態について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
近赤外光を検出するための受光素子については、暗電流を抑制することが主に求められていた。ところで、近年、受光素子の新たな用途として、自動運転等におけるセンサに用いることが考えられる。このような用途では、自動車等には、発光素子であるレーザと受光素子が搭載されており、自動車等の前方に物体が存在していると、発光素子から出射したレーザ光は物体において反射され、反射した光が受光素子により検出される。これにより、自動車等の前方に物体が存在していることを検知することができる。
自動運転等におけるセンサにおいては、発光素子からはレーザ光のパルスが出射されており、前方の物体により反射されたレーザ光のパルスは、受光素子に入射する。このため、受光素子の応答性が低いと、最初に入射した反射光による電気信号が完全に減衰してしまう前に、次のパルスの反射光が入射してしまい、物体の存在を正確に検知することができなくなる場合がある。
よって、自動運転等におけるセンサにおいては、近赤外光を検出する受光素子において、応答性の高い受光素子が求められている。
（受光素子）
次に、本実施形態における受光素子について、図１及び図２に基づき説明する。本実施の形態における受光素子は、近赤外光を検出する受光素子であって、いわゆる裏面入射型受光素子と呼ばれるものである。図１は、本実施の形態における受光素子の断面構造を模式的に示すものであり、図２は、本実施の形態における受光素子の受光層２２、中間層３０、ｎ型ワイドギャップ層４１、ｐ型ワイドギャップ層４２におけるバンド図を示す。
本実施の形態における受光素子は、基板１０の一方の面１０ａの上に、ｎ型コンタクト層２１、受光層２２、中間層３０、ワイドギャップ層４０、ｐ型コンタクト層４３が積層して形成されている。ワイドギャップ層４０は、中間層３０の上に、ｎ型ワイドギャップ層４１、ｐ型ワイドギャップ層４２の順に形成されており、ワイドギャップ層４０の内部のｎ型ワイドギャップ層４１とｐ型ワイドギャップ層４２との界面には、ｐｎ接合４０ａが形成されている。本願においては、ｎ型コンタクト層２１を第１のコンタクト層と記載し、ｐ型コンタクト層４３を第２のコンタクト層と記載する場合がある。
基板１０は、厚さが約３５０μｍであり、不純物元素としてＦｅ（鉄）がドープされており半絶縁化されている。ｎ型コンタクト層２１は、膜厚が約２μｍのｎ－ＩｎＰにより形成されており、ｎ型となる不純物元素としてＳｉが約２×１０１８ｃｍ－３の濃度でドープされている。受光層２２は、膜厚が約３．５μｍの不純物元素がドープされていないＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓにより形成されており、室温におけるバンドギャップは、０．７５ｅＶである。尚、受光層２２には不純物元素がドープされていないため、含まれる不純物元素の濃度が、１×１０１５ｃｍ－３以下である。
中間層３０は、組成比の異なるＩｎＧａＡｓＰの複数の層により形成されており、受光層２２の上の第１の中間層３１と、第１の中間層３１の上の第２の中間層３２とを有している。尚、第２の中間層３２の上には、ｎ型ワイドギャップ層４１が形成されている。第１の中間層３１は、膜厚が約３０ｎｍのＩｎ０．７２Ｇａ０．２８Ａｓ０．６１Ｐ０．３９により形成されており、室温におけるバンドギャップは、０．９５４ｅＶである。第２の中間層３２は、膜厚が約３０ｎｍのＩｎ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ０．３３Ｐ０．６７により形成されており、室温におけるバンドギャップは、１．１２７ｅＶである。第１の中間層３１及び第２の中間層３２には、不純物元素はドープされてはおらず、第１の中間層３１及び第２の中間層３２に含まれる不純物元素の濃度は、２×１０１５ｃｍ－３以下である。本実施の形態においては、第１の中間層３１及び第２の中間層３２のバンドギャップは、受光層２２とワイドギャップ層４０との間、即ち、受光層２２よりも広く、ワイドギャップ層４０よりも狭くなるように形成されている。また、第１の中間層３１よりも第２の中間層３２のバンドギャップが広くなっている。従って、中間層３０は、受光層２２からワイドギャップ層４０に向かって、段階的にバンドギャップが広くなる。
ｎ型ワイドギャップ層４１は、膜厚が約０．５μｍのｎ－ＩｎＰにより形成されており、ｎ型となる不純物元素としてＳｉが約２×１０１５ｃｍ－３の濃度でドープされている。ｐ型ワイドギャップ層４２は、膜厚が約０．２μｍのｐ－ＩｎＰにより形成されており、ｐ型となる不純物元素としてＺｎが約２×１０１５ｃｍ－３の濃度でドープされている。本実施の形態においては、ｎ型ワイドギャップ層４１とｐ型ワイドギャップ層４２との界面にはｐｎ接合４０ａが形成される。ｐ型コンタクト層４３は、膜厚が約０．１μｍのｐ－ＩｎＧａＡｓにより形成されており、ｐ型となる不純物元素としてＺｎが約１×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされている。
本実施の形態における受光素子においては、画素分離するための第１の溝７１と、ｎ型コンタクト層２１を露出させるための第２の溝７２が形成されている。第１の溝７１は、ｐ型コンタクト層４３、ｐ型ワイドギャップ層４２、ｎ型ワイドギャップ層４１の一部を除去することにより形成されており、底面においてｎ型ワイドギャップ層４１が露出している。ｐ型コンタクト層４３の上には、ｐ電極６２が形成されており、露出しているｐ型コンタクト層４３の上、及び、ｐ型コンタクト層４３、ｐ型ワイドギャップ層４２、ｎ型ワイドギャップ層４１の側面には、パッシベーション膜５０が形成されている。ｐｎ接合４０ａの側面は、パッシベーション膜５０と接触している。
第２の溝７２は、更に、ｎ型ワイドギャップ層４１、中間層３０、受光層２２を除去することにより形成されており、底面において、ｎ型コンタクト層２１が露出している。露出したｎ型コンタクト層２１の上には、ｎ電極６１が形成されている。本実施の形態においては、パッシベーション膜５０はＳｉＮにより形成されており、ｎ電極６１はＴｉＰｔＡｕにより形成されており、ｐ電極６２はＴｉＰｔＡｕにより形成されている。尚、ｎ電極６１とｐ電極６２との間には、バイアス電圧として－８Ｖの電圧が印加されており、近赤外光が、基板１０の他方の面１０ｂより入射すると、受光層２２において、入射した光によりホールと電子が生成される。
ところで、受光層２２を形成しているＩｎＧａＡｓのバンドギャップは０．７５ｅＶであり、ｎ型ワイドギャップ層４１を形成しているＩｎＰのバンドギャップは１．３５ｅＶであり、受光層２２とｎ型ワイドギャップ層４１とのバンドギャップの差が大きい。このため、本実施の形態における受光素子では、受光層２２とｎ型ワイドギャップ層４１との間に、受光層２２を形成しているＩｎＧａＡｓと、ｎ型ワイドギャップ層４１を形成しているＩｎＰとの中間のバンドギャップを有する中間層３０を設けている。即ち、中間層３０は、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップである０．７５ｅＶと、ＩｎＰのバンドギャップである１．３５ｅＶとの間のバンドギャップを有する材料であるＩｎＧａＡｓＰにより形成されている。中間層３０は一層であってもよいが、組成比を変えた２以上の層により形成することにより、層と層との間のバンドギャップの差を小さくすることができる。
ここで、比較のため図３に示されるような中間層が設けられていない受光素子について考える。図４は、図３に示される受光素子の受光層２２、ｎ型ワイドギャップ層４１、ｐ型ワイドギャップ層４２におけるバンド図を示す。図４に示されるように、基板１０の他方の面１０ｂより近赤外光が入射すると、受光層２２においてホールと電子が生成され、電子はｎ型コンタクト層２１に向かって流れ、ホールはｐ型コンタクト層４３に向かって流れる。しかしながら、受光層２２とｎ型ワイドギャップ層４１とのバンドギャップの差が０．６０ｅＶと大きいため、ホールが受光層２２とｎ型ワイドギャップ層４１との間の障壁を乗り越えることは容易ではなく、ホールの移動が妨げられている。
これに対し、本実施の形態における受光素子では、図２に示されるように、受光層２２とｎ型ワイドギャップ層４１との間に、バンドギャップが受光層２２とｎ型ワイドギャップ層４１との間となる中間層３０を設けている。中間層３０は、バンドギャップの異なる第１の中間層３１、第２の中間層３２とにより形成されているため、受光層２２において生成されたホールを受光層２２からｎ型ワイドギャップ層４１に向かって円滑に移動することができる。
即ち、受光層２２を形成しているＩｎＧａＡｓのバンドギャップは０．７５ｅＶであり、第１の中間層３１を形成しているＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップは、０．９５４ｅＶであり、受光層２２と第１の中間層３１とのバンドギャップの差は、０．２０４ｅＶである。また、第２の中間層３２を形成しているＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップは、１．１２７ｅＶであり、第１の中間層３１と第２の中間層３２とのバンドギャップの差は、０．１７３ｅＶである。また、ｎ型ワイドギャップ層４１を形成しているＩｎＰのバンドギャップは、１．３５ｅＶであり、第２の中間層３２とｎ型ワイドギャップ層４１とのバンドギャップの差は、０．２２３ｅＶである。
従って、受光層２２、第１の中間層３１、第２の中間層３２、ｎ型ワイドギャップ層４１の順にバンドギャップが徐々に段階的に広くなっており、各々の層の間におけるバンドギャップの差は、図４に示される場合のバンドギャップの０．６０ｅＶよりも小さい。このため、受光層２２と第１の中間層３１との間、第１の中間層３１と第２の中間層３２との間、第２の中間層３２とｎ型ワイドギャップ層４１との間の障壁は低く、容易に乗り越えることができ、ホールが容易に移動することができる。従って、受光素子の応答性を高くすることができる。
次に、図１に示される本実施の形態における受光素子と図３に示される受光素子に、波長１．０６４μｍのＹＡＧレーザのパルス幅が２０ｎｓのレーザ光が入射した場合の応答特性について説明する。図５は、図１に示される本実施の形態における受光素子において、レーザ光を受光した場合に検出される強度の変化を示し、図６は、図３に示される受光素子において、レーザ光を受光した場合に検出される強度の変化を示す。
図６に示されるように、図３に示される受光素子では、受光素子にレーザ光のパルスが入射すると検出される強度は高くなるが、レーザ光のパルスの入射が停止した後においても検出される強度は徐々に低下し、応答性はあまりよくない。これに対し、図５に示されるように、本実施の形態における受光素子では、受光素子にレーザ光のパルスが入射すると検出される強度は高くなるが、レーザ光のパルスの入射が停止すると、略１０ｎｓ以内に検出される強度が０になる。従って、本実施の形態における受光素子は、図３に示される受光素子よりも応答性が高い。
尚、上記においては、中間層３０を組成比の異なる２層の膜により形成した場合について説明したが、組成比の異なる３層以上の膜により形成してもよく、更には、組成比が連続的に変化するように組成傾斜した膜により形成してもよい。また、中間層３０の厚さは、６０ｎｍと薄いため、必ずしもＩｎＰに格子整合する必要がない。
本実施の形態においては、画素を分離するための第１の溝７１は、ｐ型コンタクト層４３、ｐ型ワイドギャップ層４２、ｎ型ワイドギャップ層４１の一部を除去することにより形成されている。従って、受光層２２には、第１の溝７１が形成されておらず、第１の溝７１により受光層２２の側面は露出してはいない。よって、パッシベーション膜５０としてＳｉＮを用いることができる。具体的には、第１の溝７１においてワイドギャップ層４０の側面が露出しているが、ワイドギャップ層４０は、ＩｎＰにより形成されているため、ワイドギャップ層４０のｐｎ接合４０ａの側面を覆うパッシベーション膜５０にＳｉＮを用いても、暗電流が増加することはない。
尚、画素を分離する溝を受光層まで形成した場合には、受光層であるＩｎＧａＡｓの側面が露出するが、この受光層の側面を覆うためにＳｉＮによりパッシベーション膜を形成すると、暗電流が増加するため好ましくない。暗電流が増加しないようにするためには、ＩｎＧａＡｓの側面を覆うパッシベーション膜をＩｎＰにより形成する必要があるが、この場合には、パッシベーション膜を形成するためのエピタキシャル成長を行う工程が必要となり、工程が複雑となる。ＳｉＮは、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により容易に成膜をすることができ、被覆性に優れるため、パッシベーション膜として好ましい材料である。パッシベーション膜には、ＳｉＮ以外には、ＳｉＯＮを用いてもよい。
（受光素子の製造方法）
次に、本実施の形態における受光素子の製造方法について、図７から図１４に基づき説明する。
最初に、図７に示されるように、基板１０の一方の面１０ａに、エピタキシャル成長により、ｎ型コンタクト層２１、受光層２２、中間層３０、ｎ型ワイドギャップ層４１、ｐ型ワイドギャップ層４２、ｐ型コンタクト層４３を順に形成する。中間層３０は、受光層２２の上に、第１の中間層３１、第２の中間層３２の順に形成されており、第２の中間層３２の上には、ｎ型ワイドギャップ層４１が形成されている。上記の化合物半導体のエピタキシャル成長には、ＭＯＶＰＥ（Metalorganic vapor phase epitaxy：有機金属気相エピタキシャル成長）法が用いられる。尚、ｎ型ワイドギャップ層４１、ｐ型ワイドギャップ層４２により、ワイドギャップ層４０が形成されている。
基板１０は、厚さが約３５０μｍであり、不純物元素としてＦｅがドープされており半絶縁化されている。ｎ型コンタクト層２１は、膜厚が約２μｍのｎ－ＩｎＰにより形成されており、ｎ型となる不純物元素としてＳｉが約２×１０１８ｃｍ－３の濃度でドープされている。受光層２２は、膜厚が約３．５μｍのノンドープのＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓにより形成されており、バンドギャップは、０．７５ｅＶである。
第１の中間層３１は、膜厚が約３０ｎｍのノンドープのＩｎ０．７２Ｇａ０．２８Ａｓ０．６１Ｐ０．３９により形成されており、バンドギャップは、０．９５４ｅＶである。第２の中間層３２は、膜厚が約３０ｎｍのノンドープのＩｎ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ０．３３Ｐ０．６７により形成されており、バンドギャップは、１．１２７ｅＶである。
ｎ型ワイドギャップ層４１は、膜厚が約０．５μｍのｎ－ＩｎＰにより形成されており、ｎ型となる不純物元素としてＳｉが約２×１０１５ｃｍ－３の濃度でドープされている。ｐ型ワイドギャップ層４２は、膜厚が約０．２μｍのｐ－ＩｎＰにより形成されており、ｐ型となる不純物元素としてＺｎが約５×１０１８ｃｍ－３の濃度でドープされている。ｐ型コンタクト層４３は、膜厚が約０．１μｍのｐ－ＩｎＧａＡｓにより形成されており、ｐ型となる不純物元素としてＺｎが約１×１０１９ｃｍ－３の濃度でドープされている。
次に、図８に示されるように、画素分離のための第１の溝７１を形成する。具体的には、ｐ型コンタクト層４３の上に、プラズマＣＶＤにより膜厚が１００ｎｍの不図示のＳｉＮ膜を成膜し、成膜されたＳｉＮ膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、不図示のレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、第１の溝７１が形成される領域に開口部を有しており、レジストパターンの開口部におけるＳｉＮ膜をバッファードフッ酸を用いたウェットエッチングにより除去することにより、ＳｉＮ膜によりマスクを形成する。この後、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去する。この後、ＳｉＮ膜が除去された領域のｐ型コンタクト層４３、ｐ型ワイドギャップ層４２、ｎ型ワイドギャップ層４１の一部をＲＩＥ等のドライエッチングにより除去することにより、画素分離するための第１の溝７１を形成する。この後、不図示のＳｉＮ膜はバッファードフッ酸により除去する。
第１の溝７１の深さは約０．６μｍであり、幅Ｗは約５μｍであり、底面においてｎ型ワイドギャップ層４１が露出している。このように、第１の溝７１を形成することにより、第１の溝７１により分離されたメサ７０により、各々の画素が形成される。各々の画素は、例えば、縦方向に９０μｍピッチで１２８個、横方向に９０μｍピッチで３２個、計４０９６個形成されている。
次に、図９に示されるように、外周に沿って第２の溝７２を形成する。具体的には、ｐ型コンタクト層４３等の上に、プラズマＣＶＤにより膜厚が１００ｎｍの不図示のＳｉＮ膜を成膜し、成膜されたＳｉＮ膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、不図示のレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、第２の溝７２が形成される領域に開口部を有しており、レジストパターンの開口部におけるＳｉＮ膜をバッファードフッ酸を用いたウェットエッチングにより除去することにより、ＳｉＮ膜によりマスクを形成する。この後、不図示のレジストパターンを有機溶剤等により除去し、更に、ＳｉＮ膜が除去された領域のｎ型ワイドギャップ層４１、中間層３０、受光層２２をＲＩＥ等のドライエッチングにより除去することにより、ｎ型コンタクト層２１の表面を露出させる。この後、不図示のＳｉＮ膜はバッファードフッ酸により除去する。
次に、図１０に示されるように、パッシベーション膜５０を形成する。具体的には、全面に、プラズマＣＶＤにより膜厚が１００ｎｍの不図示のＳｉＮ膜を成膜し、成膜されたＳｉＮ膜の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、不図示のレジストパターンを形成する。このレジストパターンは、ｎ電極６１及びｐ電極６２が形成される領域に開口部を有しており、レジストパターンの開口部におけるＳｉＮ膜をＲＩＥ等のドライエッチングにより除去し、ｐ型コンタクト層４３の表面及びｎ型コンタクト層２１の表面を露出させる。
次に、図１１に示されるように、ｎ型コンタクト層２１の上にｎ電極６１を形成し、ｐ型コンタクト層４３の上にｐ電極６２を形成し、外周のメサ７３の上に、パッシベーション膜５０を介し配線電極６３を形成する。ｎ電極６１、ｐ電極６２、配線電極６３は、リフトオフ法により形成する。具体的には、各々の電極が形成される領域に開口部を有するレジストパターンを形成し、ＥＢ蒸着により金属膜を成膜した後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンとともにレジストパターンの上の金属膜を除去することにより形成する。
次に、図１２に示されるように、ｎ電極６１と配線電極６３とを接続する配線６４をリフトオフ法により形成する。配線６４は、膜厚が約５０ｎｍのＴｉ膜と、膜厚が約６００ｎｍのＡｕ膜の積層膜により形成されている。
次に、図１３に示されるように、ｐ電極６２及び配線電極６３の上に、高さが約９μｍのＩｎバンプ６５をリフトオフ法により形成する。
次に、図１４に示されるように、基板１０の他方の面１０ｂにＳｉＯＮ膜により反射防止膜８０を形成する。反射防止膜８０は、プラズマＣＶＤにより、ＳｉＯＮ膜を成膜することにより形成されており、屈折率が約１．８であり、膜厚が１４８ｎｍである。
図１５は、上記の製造方法により製造た後、チップに分割された２次元アレイ型受光素子１００の上面図であり、図１６は断面図である。図１５及び図１６に示される２次元アレイ型受光素子１００では、室温において、バイアス電圧を－８Ｖ印加した場合における１画素あたりの暗電流は、約０．１ｎＡと低い値であった。図１５に示される２次元アレイ型受光素子１００は、第１の溝７１により分離された画素が２次元に配列されているものであるが、本実施の形態における受光素子は、第１の溝７１により分離された画素が１次元に配列されているものであってもよい。
（光検出装置）
次に、本実施の形態における光検出装置について説明する。本実施の形態における光検出装置は、図１５に示される本実施の形態における２次元アレイ型受光素子１００と、図１７に示される読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read-Out IC）２００とをＩｎバンプにより接合したものである。このため、読み出し回路２００には、２次元アレイ型受光素子１００におけるＩｎバンプ６５に対応するＩｎバンプ２６５が設けられている。尚、読み出し回路２００には、ＣＭＯＳ(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)によるマルチプレクサを用いている。
具体的には、最初に、図１８に示されるように、本実施の形態における２次元アレイ型受光素子１００と、読み出し回路２００とを準備する。次に、図１９に示されるように、２次元アレイ型受光素子１００のＩｎバンプ６５の設けられている面と、読み出し回路２００のＩｎバンプ２６５が設けられている面とを対向させて、対応するＩｎバンプ６５とＩｎバンプ２６５とを接合する。これにより、図２０に示されるように、２次元アレイ型受光素子１００と読み出し回路２００とを一体化させることにより、本実施の形態における光検出装置を作製することができる。図２１は、本実施の形態における光検出装置の断面図である。尚、２次元アレイ型受光素子１００と読み出し回路２００とを接合することにより、Ｉｎバンプ６５とＩｎバンプ２６５とは一体化し、Ｉｎバンプ接続部３６５となる。本実施の形態における光検出装置では、検出対象となる近赤外光は、読み出し回路２００が接合されていない基板１０の他方の面１０ｂ側より反射防止膜８０を介し入射する。
以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
１０ 基板
１０ａ 一方の面
１０ｂ 他方の面
２１ ｎ型コンタクト層
２２ 受光層
３０ 中間層
３１ 第１の中間層
３２ 第２の中間層
４１ ｎ型ワイドギャップ層
４２ ｐ型ワイドギャップ層
４３ ｐ型コンタクト層
５０ パッシベーション膜
６１ ｎ電極
６２ ｐ電極
６３ 配線電極
６４ 配線
６５ Ｉｎバンプ
７１ 第１の溝
７２ 第２の溝
８０ 反射防止膜
１００ ２次元アレイ型受光素子
１６５ Ｉｎバンプ接続
２００ 読み出し回路
２６５ Ｉｎバンプ

Claims (7)

  1. 基板と、
    前記基板の一方の面に設けられた第１のコンタクト層と、
    前記第１のコンタクト層の上に設けられた受光層と、
    前記受光層の上に設けられた中間層と、
    前記中間層の上に設けられたｐｎ接合を有するワイドギャップ層と、
    前記ワイドギャップ層の上に設けられた第２のコンタクト層と、
    前記第２のコンタクト層及び前記ワイドギャップ層の一部が除去されて形成された溝と、
    を有し、
    前記溝によって互いに分離されたメサであって、それぞれが前記第２のコンタクト層及び前記ワイドギャップ層の一部を含む前記メサにより、各々の画素が形成され、
    前記受光層のバンドギャップよりも、前記中間層のバンドギャップが広く、
    前記中間層のバンドギャップよりも、前記ワイドギャップ層のバンドギャップが広く、
    前記ワイドギャップ層はｐ型ワイドギャップ層とｎ型ワイドギャップ層とを含み、
    前記溝の底面は、前記ｎ型ワイドギャップ層にある、
    受光素子。
  2. 前記中間層は、組成比の異なる複数の層により形成されており、
    前記受光層から前記ワイドギャップ層に向かって、バンドギャップが広くなる請求項１に記載の受光素子。
  3. 前記基板の他方の面より入射する赤外光を検出する請求項１又は請求項２に記載の受光素子。
  4. 前記受光層は、ＩｎＧａＡｓを含む層であり、
    前記中間層は、ＩｎＧａＡｓＰを含む層であり、
    前記ワイドギャップ層は、ＩｎＰを含む層である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の受光素子。
  5. 前記溝における前記ワイドギャップ層の前記一部の側面には、ＳｉＮまたはＳｉＯＮによりパッシベーション膜が形成されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の受光素子。
  6. 前記第１のコンタクト層はｎ型コンタクト層であり、
    前記第２のコンタクト層はｐ型コンタクト層である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の受光素子。
  7. 前記溝により分離された前記画素が、１次元または２次元に配列されている請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の受光素子。
JP2019155612A 2019-08-28 2019-08-28 受光素子 Active JP7347005B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019155612A JP7347005B2 (ja) 2019-08-28 2019-08-28 受光素子
US16/999,421 US11133427B2 (en) 2019-08-28 2020-08-21 Light receiving device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019155612A JP7347005B2 (ja) 2019-08-28 2019-08-28 受光素子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021034644A JP2021034644A (ja) 2021-03-01
JP7347005B2 true JP7347005B2 (ja) 2023-09-20

Family

ID=74677692

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019155612A Active JP7347005B2 (ja) 2019-08-28 2019-08-28 受光素子

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11133427B2 (ja)
JP (1) JP7347005B2 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11476382B2 (en) * 2021-01-26 2022-10-18 Lumentum Japan, Inc. Semiconductor light-receiving element
CN114792738A (zh) 2021-01-26 2022-07-26 朗美通日本株式会社 半导体光接收元件
US20220413101A1 (en) * 2021-06-23 2022-12-29 Aeluma, Inc. Lidar sensor for mobile device
US20220415950A1 (en) * 2021-06-23 2022-12-29 Aeluma, Inc. Lidar sensor for mobile device
US20230010538A1 (en) * 2021-06-23 2023-01-12 Aeluma, Inc. Photodetector module comprising emitter and receiver

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006123410A1 (ja) 2005-05-18 2006-11-23 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha アバランシェフォトダイオード
JP2006339413A (ja) 2005-06-02 2006-12-14 Fujitsu Ltd 半導体受光装置及びその製造方法
JP2013175686A (ja) 2012-02-27 2013-09-05 Sumitomo Electric Ind Ltd 受光素子、その製造方法、および検出装置
US20170033253A1 (en) 2015-07-30 2017-02-02 Voxtel, Inc. Doped multiplier avalanche photodiode
CN108022985A (zh) 2017-11-02 2018-05-11 天津大学 延伸波长台面型雪崩光电二极管及其制备方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5718372A (en) * 1980-07-08 1982-01-30 Fujitsu Ltd Semiconductor photoreceiving element
JPS5783069A (en) * 1980-11-11 1982-05-24 Fujitsu Ltd Manufacture of photoreceiving device
JPS60241276A (ja) * 1984-05-16 1985-11-30 Nec Corp 半導体素子
US4761680A (en) * 1986-09-29 1988-08-02 General Electric Company Photodetector
JPH04167565A (ja) * 1990-10-31 1992-06-15 Fujitsu Ltd フリップチップ型受光素子
JPH05102517A (ja) * 1991-05-30 1993-04-23 Fujitsu Ltd アバランシエフオトダイオードとその製造方法
JPH11330529A (ja) * 1998-05-08 1999-11-30 Fujitsu Ltd 半導体受光装置及びその製造方法
US6740908B1 (en) * 2003-03-18 2004-05-25 Agilent Technologies, Inc. Extended drift heterostructure photodiode having enhanced electron response
IL156744A (en) * 2003-07-02 2011-02-28 Semi Conductor Devices An Elbit Systems Rafael Partnership Depletion-less photodiode with suppressed dark current
EP2398049A3 (en) * 2003-08-22 2012-12-19 The Kansai Electric Power Co., Inc. Semiconductor device and method of producing the same, and power conversion apparatus incorporating this semiconductor device
JP5218427B2 (ja) 2007-12-26 2013-06-26 日本電気株式会社 半導体受光素子
JP2011035114A (ja) 2009-07-31 2011-02-17 Renesas Electronics Corp メサ型フォトダイオード及びその製造方法
WO2012073539A1 (ja) * 2010-12-01 2012-06-07 住友電気工業株式会社 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
US9633998B2 (en) * 2012-09-13 2017-04-25 General Electric Company Semiconductor device and method for making the same
JP6720710B2 (ja) * 2016-06-14 2020-07-08 住友電気工業株式会社 赤外線検知素子

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006123410A1 (ja) 2005-05-18 2006-11-23 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha アバランシェフォトダイオード
JP2006339413A (ja) 2005-06-02 2006-12-14 Fujitsu Ltd 半導体受光装置及びその製造方法
JP2013175686A (ja) 2012-02-27 2013-09-05 Sumitomo Electric Ind Ltd 受光素子、その製造方法、および検出装置
US20170033253A1 (en) 2015-07-30 2017-02-02 Voxtel, Inc. Doped multiplier avalanche photodiode
CN108022985A (zh) 2017-11-02 2018-05-11 天津大学 延伸波长台面型雪崩光电二极管及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
US11133427B2 (en) 2021-09-28
JP2021034644A (ja) 2021-03-01
US20210066521A1 (en) 2021-03-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7347005B2 (ja) 受光素子
US10886325B2 (en) Infrared detector devices and focal plane arrays having a transparent common ground structure and methods of fabricating the same
JP6112472B2 (ja) 受光デバイスの製造方法
US8610170B2 (en) Compound semiconductor light-receiving element array
JP5983076B2 (ja) フォトダイオードアレイ
JP2942285B2 (ja) 半導体受光素子
JP2011501415A (ja) フォトディテクタアレイおよび半導体イメージインテンシファイア
US8105866B2 (en) Method of making PIN-type photo detecting element with a controlled thickness of window semiconductor layer
US10312390B2 (en) Light receiving device and method of producing light receiving device
JP2014521216A (ja) ＩｎＧａＡｓフォトダイオード・アレイ
US20110101483A1 (en) Two colour photon detector
JP5501814B2 (ja) アバランシェフォトダイオード
JP3828982B2 (ja) 半導体受光素子
WO2002007226A1 (fr) Reseau de photo-dectecteurs
US7968963B2 (en) Photodiode array and image pickup device using the same
JP2013201219A (ja) 受光素子、その製造方法、および検出装置
US8963274B2 (en) Epitaxial structure for vertically integrated charge transfer gate technology in optoelectronic materials
US9899549B2 (en) Infrared-ray sensing device
US8558339B1 (en) Photo diode array
JP7109718B2 (ja) 化合物半導体フォトダイオードアレイ
US20100295141A1 (en) Two colour photon detector
JP4486603B2 (ja) 半導体受光素子
JP2023097802A (ja) 受光素子及び受光素子の製造方法
JPH02105584A (ja) 半導体受光素子
JPH11274545A (ja) 半導体受光装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220321

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20221221

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230207

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230403

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230704

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230725

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: 20230808

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230821

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7347005

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150