JP7428891B2

JP7428891B2 - 光学センサ及び撮像装置

Info

Publication number: JP7428891B2
Application number: JP2020062431A
Authority: JP
Inventors: 僚鈴木
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2024-02-07
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: JP2021163820A

Description

本発明は、光学センサ及び撮像装置に関する。

光吸収層の上にｎ型コレクタ兼バリア層、ｐ型ベース層、ｎ型エミッタ層を順に積層し、フォトダイオードとヘテロバイポーラトランジスタとを積層した形のヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタが知られている。また、ｎ型バリア層と、ｎ型バリア層上に形成された活性層と、活性層上に形成されたｐ型バリア層とを備えた赤外線センサが知られている。

国際公開第２０１０／０９３０５８号パンフレット特開２０１８－０６０９１９号公報

例えば、ｐ型受光層とｎ型電極層が積層された構造を有し、接触抵抗低減の観点からｎ型電極層を比較的高不純物濃度に設定した光学センサを考える。ｐｎ接合界面は、ｐ型受光層とｎ型電極層との界面になる。このような光学センサでは、比較的高不純物濃度のｎ型電極層よりもｐ型受光層に空乏層が広がり易い。ｐ型受光層への空乏層の広がりは、熱的なキャリアの生成等を引き起こし、暗電流を増加させる要因となる。暗電流の増加は、雑音成分の増加、信号／雑音比の低下を招き、光学センサの性能を低下させる恐れがある。

これに対し、ｐ型受光層と比較的高不純物濃度のｎ型電極層との間にｐ型バリア層を設ける構造を採用し、ｐｎ接合界面をｐ型バリア層とｎ型電極層との界面にすることで、ｐ型受光層への空乏層の広がりを抑え、暗電流を抑えることも考えられる。

しかし、このような構造を採用した光学センサであっても、製造される個々のｐ型受光層の特性、動作時の印加電圧条件によっては、ｐ型受光層への空乏層の広がり、それによる暗電流の増加、信号／雑音比の低下を、効果的に抑えることができない場合がある。

尚、上記のｐ型受光層、ｐ型バリア層及びｎ型電極層とは極性の異なる光学センサ、即ち、ｎ型受光層、ｎ型バリア層及びｐ型電極層を有する光学センサでも、同様のことが起こり得る。

１つの側面では、本発明は、暗電流の増加を抑え、信号／雑音比の高い光学センサを実現することを目的とする。

１つの態様では、第１導電型の不純物を含む受光層と、前記受光層の第１面に設けられ、前記第１導電型の不純物を含む第１バリア層と、前記第１バリア層の、前記受光層とは反対側の第２面に設けられ、前記第１導電型とは異なる第２導電型の不純物を含む第２バリア層と、前記第２バリア層の、前記第１バリア層とは反対側の第３面に設けられ、前記第２バリア層よりも高濃度の前記第２導電型の不純物を含む電極層とを有し、前記第１バリア層と前記第２バリア層との接合界面において、前記第１バリア層の前記第１導電型の不純物の濃度は、前記第２バリア層の前記第２導電型の不純物の濃度よりも高い光学センサが提供される。

また、１つの態様では、上記のような光学センサを備える撮像装置が提供される。

１つの側面では、暗電流の増加を抑え、信号／雑音比の高い光学センサを実現することが可能になる。

光学センサ及びそれと接続される駆動回路の回路図の一例である。第１の実施の形態に係る光学センサの一例について説明する図である。第２の実施の形態に係る光学センサの一例について説明する図である。第２の実施の形態に係る光学センサの形成方法の一例について説明する図（その１）である。第２の実施の形態に係る光学センサの形成方法の一例について説明する図（その２）である。第２の実施の形態に係る光学センサの形成方法の一例について説明する図（その３）である。第２の実施の形態に係る光学センサの熱平衡状態でのエネルギーバンド図である。第２の実施の形態に係る光学センサの上部電極層側に正電圧を印加した時のエネルギーバンド図である。別の形態に係る光学センサの上部電極層側に正電圧を印加した時のエネルギーバンド図である。印加電圧と受光層の空乏層幅との関係の一例を示す図である。印加電圧と暗電流との関係の一例を示す図である。第３の実施の形態に係る光学センサの一例について説明する図である。第４の実施の形態に係る撮像素子の一例について説明する図（その１）である。第４の実施の形態に係る撮像素子の一例について説明する図（その２）である。第５の実施の形態に係る撮像システムの一例について説明する図である。

まず、光学センサについて述べる。
例えば、赤外線を吸収してキャリアを生成する受光層に、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）等のナローギャップ半導体のタイプＩＩ超格子（Type II Super-Lattice；Ｔ２ＳＬ）構造を用いた光学センサ（「検出器」とも言う）が知られている。また、そのような光学センサを１画素とし、画素群を２次元に配列した撮像素子（「撮像装置」とも言う）が知られている。

タイプＩＩ超格子は、水銀カドミウムテルル（Mercury Cadmium Telluride；ＭＣＴ）に変わる次世代の光学センサ材料として期待されており、現在盛んに研究されている。多くは、ＧａＳｂ基板上に、それと格子定数が近いＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、アルミニウムアンチモン（ＡｌＳｂ）等の材料を用いて超格子構造を形成する。これを受光層とすることにより、中赤外線（波長３μｍ～５μｍ）領域、遠赤外線（波長８μｍ～１２μｍ）領域の赤外線を検出することのできる光学センサが実現される。また、このような光学センサを１画素とし、複数の画素を２次元に配列した撮像素子により、２次元の像を取得することが可能になる。光学センサ及びそれを用いた撮像素子は、セキュリティ、インフラ点検分野等への応用が期待されている。

撮像素子では、画素となる光学センサの暗電流を低減することによって雑音を低減し、信号／雑音比（Ｓ／Ｎ比）を高めること、及び画素群の信号／雑音比のばらつきを抑えることが望ましい。

画素となる光学センサの暗電流を低減して雑音を低減し、信号／雑音比を高めることを目的とした構造の１つとして、従来、ｐ型下部電極層上のｐ型受光層の上にｐ型バリア層を介してｎ型上部電極層を積層した構造が開示されている（Superlattice and Microstructures, vol. 104, pp. 402-414 (2017)）。

例えば、この構造において、ｐ型バリア層を設けない場合、ｐ型下部電極層、ｐ型受光層、ｎ型上部電極層が積層されることになるので、ｐｎ接合界面は、ｐ型受光層とｎ型上部電極層との界面になる。ｐｎ接合界面では空乏層が形成される。ここで、ｐ型受光層側に形成される空乏層の幅をｗ_ｐ、ｎ型上部電極層側に形成される空乏層の幅をｗ_ｎとすると、ｗ_ｐ及びｗ_ｎは、それぞれ次の式（１）及び式（２）のように表される。

ｗ_ｐ＝√［｛２ε_Ｓ（Ｖ_ｂｉ－Ｖ）／ｑＮ_Ａ｝×Ｎ_Ｄ／（Ｎ_Ｄ＋Ｎ_Ａ）］・・・（１）
ｗ_ｎ＝√［｛２ε_Ｓ（Ｖ_ｂｉ－Ｖ）／ｑＮ_Ｄ｝×Ｎ_Ａ／（Ｎ_Ｄ＋Ｎ_Ａ）］・・・（２）
式（１）及び式（２）において、ε_Ｓは半導体の誘電率、Ｖ_ｂｉは拡散電位、Ｖは印加電圧、ｑは素電荷である。Ｎ_Ａはアクセプタ濃度、即ち、ｐ型不純物濃度であり、不純物濃度が高い場合、アクセプタ濃度はｐ型半導体のキャリア濃度に等しくなる。Ｎ_Ｄはドナー濃度、即ち、ｎ型不純物濃度であり、不純物濃度が高い場合、ドナー濃度はｎ型半導体のキャリア濃度に等しくなる。式（１）及び式（２）に示されるように、空乏層の幅は、接合されるｐ型半導体のアクセプタ濃度とｎ型半導体のドナー濃度との大小関係で決定され、不純物濃度の低い方へ空乏層が広がる。

通常、ｎ型上部電極層は、接触抵抗の低減のため、比較的高い不純物濃度に設定される。よって、ｎ型上部電極層の不純物濃度は、ｐ型受光層の不純物濃度よりも高くなる。これにより、空乏層は、不純物濃度の低いｐ型受光層側へ広がる。ｎ型上部電極層側に正電圧、ｐ型下部電極層側に負電圧を印加して光学センサを動作させる場合も、上記の式（１）及び式（２）で示されるように、空乏層は、不純物濃度の低いｐ型受光層側へ広がる。ｐ型受光層への空乏層の広がりは、熱的なキャリアの生成等を引き起こし、暗電流を増加させる要因となる。

そこで、前述の従来構造のように、ｐ型受光層上にｐ型バリア層を介してｎ型上部電極層を設ける構造が採用される。
このようなｐ型バリア層を設ける構造では、ｐｎ接合界面が、ｐ型受光層から離され、ｐ型バリア層とｎ型上部電極層との界面になる。ｎ型上部電極層は、接触抵抗の低減のため、比較的高い不純物濃度に設定される。よって、ｎ型上部電極層の不純物濃度は、ｐ型バリア層の不純物濃度よりも高くなる。これにより、空乏層は、不純物濃度の低いｐ型バリア層側へ広がる。ｐ型バリア層側へ広がる空乏層の幅が、ｐ型バリア層の膜厚よりも薄ければ、ｐ型受光層に空乏領域が形成されないことになるので、ｐ型受光層の空乏領域における熱的なキャリアの生成等が抑えられる。また、ｐ型バリア層中に空乏領域が形成されることになるが、ｐ型バリア層のバンドギャップがｐ型受光層のバンドギャップの２倍以上であれば、ｐ型バリア層の空乏領域で熱的に生成される暗電流は十分無視することができるようになる。ｐ型バリア層を設けた光学センサによれば、暗電流を抑えることができ、ｎ型上部電極層側に正電圧、ｐ型下部電極層側に負電圧を印加して動作させる場合も、ｐ型受光層に空乏層が広がらない印加電圧条件（所定の電圧範囲）であれば高い信号／雑音比を得ることができる。

しかし、このような光学センサでは、製造される個々の光学センサの特性、その動作時の印加電圧条件によっては、ｐ型受光層への空乏層の広がり、それによる暗電流の増加、信号／雑音比の低下を、効果的に抑えることができない場合がある。

図１は光学センサ及びそれと接続される駆動回路の回路図の一例である。
駆動回路２００ａは、所定の電位のリセットレベルに一方の負荷端子が接続されたリセットスイッチ２１０と、リセットスイッチ２１０の他方の負荷端子に接続されたキャパシタ２２０とを含む。駆動回路２００ａは更に、リセットスイッチ２１０とキャパシタ２２０との接続ノードに一方の負荷端子が接続されたトランジスタ２３０を含む。このトランジスタ２３０の他方の負荷端子に光学センサ１ａが接続される。光学センサ１ａは、受光層１ａａを含み、受光層１ａａの一方の側に積層される上部電極層がトランジスタ２３０と接続され、受光層１ａａの他方の側に積層される下部電極層が所定の電位Ｖ_Ａに設定される。

光学センサ１ａを備える撮像素子では、リセットスイッチ２１０とトランジスタ２３０が共にＯＦＦ状態とされ、赤外線等の光の吸収により受光層１ａａに信号電荷が生成される。駆動回路２００ａのリセットスイッチ２１０がＯＮ状態とされてキャパシタ２２０の電位が初期値にリセットされる。リセットスイッチ２１０がＯＦＦ状態、トランジスタ２３０がＯＮ状態とされ、光学センサ１ａに逆バイアスが印加されると、受光層１ａａの信号電荷がキャパシタ２２０に転送される。これにより、キャパシタ２２０の電位が初期値から変化し、その変化が信号処理回路で読み出される。そして、リセットスイッチ２１０がＯＮ状態とされてキャパシタ２２０の電位がリセットされ、リセットスイッチ２１０とトランジスタ２３０が共にＯＦＦ状態とされて次の信号電荷の検出が準備される。

光学センサ１ａ及び駆動回路２００ａを備える撮像素子において、外部から任意に設定できる電位は、下部電極層側の電位Ｖ_Ａと、トランジスタ２３０のゲート端子の電位Ｖ_ＩＧである。光学センサ１ａにかかる電位差、即ち、印加電圧は、下部電極層側の電位Ｖ_Ａと、上部電極層側の電位Ｖ_Ｓとの差になる。電位Ｖ_Ｓは、駆動回路２００ａのトランジスタ２３０のゲート端子の電位Ｖ_ＩＧと、トランジスタ２３０を流れるドレイン電流とによって間接的に決まる。そのため、光学センサ１ａの上部電極層側に任意の電位を直接与えることはできない。

一般的に、個々の光学センサ１ａの受光層１ａａの特性は必ずしも同じではなく、光学センサ１ａ毎に多少の違いがあり得る。そのため、同じ方法を用いて製造された光学センサ１ａ群に対し、同じ電位Ｖ_Ａ及び電位Ｖ_ＩＧを与えても、受光層１ａａの特性の違いから流れる電流が異なり、電位Ｖ_Ｓが光学センサ１ａ毎に異なることが起こり得る。その結果、次のようなことが起こり得る。即ち、同じ電位Ｖ_Ａ及び電位Ｖ_ＩＧを与えて動作させても、電位Ｖ_Ｓが、或る光学センサ１ａでは受光層１ａａへの空乏層の広がりが抑えられる電圧範囲に収まる一方、別の光学センサ１ａでは受光層１ａａへの空乏層の広がりが抑えられる電圧範囲から外れることが起こり得る。電位Ｖ_Ｓが、受光層１ａａへの空乏層の広がりが抑えられる電圧範囲以下である場合、暗電流の増加が抑えられて雑音が低減されるものの、信号も低減されるため、信号/雑音比が低下してしまう。電位Ｖ_Ｓが、受光層１ａａへの空乏層の広がりが抑えられる電圧範囲以上である場合、信号は増大するものの、受光層１ａａに空乏領域が形成されるために暗電流が増加して雑音が増加し、信号/雑音比が低下してしまう。

光学センサ１ａとして、上記のようなバリア層を設けた構造、即ち、ｐ型受光層上にｐ型バリア層を介してｎ型上部電極層を設ける構造を採用する場合、この構造では、動作時に受光層１ａａへの空乏層の広がりが抑えられる電圧範囲がごく限られた範囲になる（例えば、下記図１１の電圧範囲Ｑ２）。そのため、異なる光学センサ１ａ間において、電位Ｖ_Ｓが異なることによる信号／雑音比のばらつきが生じ易い。個々の光学センサ１ａの性能のばらつきが、その製造性、歩留まりを低下させてしまう恐れがある。

また、光学センサ１ａを１画素とし、複数の画素を配列した撮像素子では、画素毎に電位Ｖ_Ｓが異なることで信号／雑音比にばらつきが生じ、画素群を受光層１ａａへの空乏層の広がりが抑えられる電圧範囲で動作させることができないことが起こり得る。各画素の性能のばらつきが、撮像素子の性能の低下を招き、その製造性、歩留まりを低下させてしまう恐れがある。

尚、上記のｐ型下部電極層、ｐ型受光層、ｐ型バリア層及びｎ型上部電極層とは極性の異なる光学センサ、即ち、ｎ型下部電極層、ｎ型受光層、ｎ型バリア層及びｐ型上部電極層を有する光学センサでも、同様のことが起こり得る。

また、光学センサの別の例として、特開２０１３－５８５８０号公報には、量子井戸型赤外線検出器（Quantum Well Infrared Photodetector；ＱＷＩＰ）が開示されている。このＱＷＩＰは、井戸層と、井戸層の両主面側に設けられた一対の第１の障壁層と、井戸層と第１の障壁層との間にそれぞれ設けられ井戸層に隣接する第２の障壁層とを有する多重量子井戸層を備える。第１及び第２の障壁層は、バンドギャップが異なり、共にｎ型とされ、キャリア濃度が同じとされる。

例えば、このような２種類の障壁層を、上記のようなｐ型受光層とｎ型上部電極層との間に設けるバリア層として用いる場合を考える。この場合、２種類の障壁層が共にｎ型であるとすると、ｐｎ接合界面は、ｐ型受光層とｎ型障壁層（バリア層）との界面になる。そのため、ｐ型受光層に空乏領域が形成され、暗電流の増加を招く。また、２種類の障壁層が共にｐ型であるとすると、ｐｎ接合界面は、ｐ型障壁層（バリア層）とｎ型上部電極層との界面になる。しかし、空乏層の形成は、バンドギャップによらず、キャリア濃度、即ち、不純物濃度の大小関係で決定されるため、２種類のｐ型障壁層のキャリア濃度が同じであれば、ｐ型受光層側に空乏層が広がり易くなる。従って、上記の光学センサ１ａ（図１）又はそれを１画素とする撮像素子において、このような２種類の障壁層を用いても、印加電圧が大きくなると、受光層１ａａに空乏層が広がり易くなる。そのため、光学センサ１ａ間又は撮像素子の画素群について、電位Ｖ_Ｓがばらつき、電位Ｖ_Ａとの差がばらついた時に、受光層１ａａへの空乏層の広がりを抑えて高い信号／雑音比を得ること、光学センサ１ａ又は撮像素子の製造性を高めることができないことが起こり得る。

以上のような点に鑑み、以下に実施の形態として示すような手法を用い、広い電圧範囲で受光層への空乏層の広がりを抑えて動作させることができ、暗電流、雑音の増加を抑え、高い信号／雑音比を得ることのできる光学センサ、それを用いた撮像素子を実現する。

［第１の実施の形態］
図２は第１の実施の形態に係る光学センサの一例について説明する図である。図２には、光学センサの一例の要部断面図を模式的に示している。

図２に示す光学センサ１は、受光層２、第１バリア層３、第２バリア層４及び電極層５を有する。
受光層２は、赤外線等の所定の波長の光を吸収してキャリアを生成する。受光層２には、所定の波長の光に応答する１種又は２種以上の半導体材料が用いられる。例えば、受光層２は、ｐ型不純物が導入されてｐ型受光層として設けられる。或いは、受光層２は、ｎ型不純物が導入されてｎ型受光層として設けられる。

第１バリア層３は、受光層２の一方の面２ａに設けられる。第１バリア層３には、１種又は２種以上の半導体材料が用いられる。第１バリア層３は、受光層２がｐ型である場合、ｐ型不純物が導入されてｐ型バリア層として設けられる。第１バリア層３は、受光層２がｎ型である場合、ｎ型不純物が導入されてｎ型バリア層として設けられる。

第２バリア層４は、第１バリア層３の、受光層２とは反対側の面３ａに設けられる。第２バリア層４には、１種又は２種以上の半導体材料が用いられる。第２バリア層４は、受光層２及び第１バリア層３がｐ型である場合、ｎ型不純物が導入されてｎ型バリア層として設けられる。第２バリア層４は、受光層２及び第１バリア層３がｎ型である場合、ｐ型不純物が導入されてｐ型バリア層として設けられる。

電極層５は、第２バリア層４の、第１バリア層３とは反対側の面４ａに設けられる。電極層５には、１種又は２種以上の半導体材料が用いられる。電極層５は、受光層２及び第１バリア層３がｐ型であり、第２バリア層４がｎ型である場合、ｎ型不純物が導入されてｎ型電極層として設けられる。電極層５は、受光層２及び第１バリア層３がｎ型であり、第２バリア層４がｐ型である場合、ｐ型不純物が導入されてｐ型電極層として設けられる。電極層５は、接触抵抗の低減のため、比較的高い不純物濃度に設定され、第２バリア層４よりも高い不純物濃度とされる。

光学センサ１では、所定の導電型の受光層２と、受光層２とは異なる導電型であって比較的高い不純物濃度とされる電極層５とが隣接しない。光学センサ１では、受光層２と電極層５との間に、受光層２に隣接して受光層２と同じ導電型の第１バリア層３が設けられ、電極層５に隣接して電極層５と同じ導電型で且つ電極層５よりも不純物濃度の低い第２バリア層４が設けられる。

例えば、第１バリア層３及び第２バリア層４を設けずに、互いに異なる導電型の受光層２と電極層５とを隣接させる場合には、ｐｎ接合界面が、受光層２と電極層５との界面になる。これに対し、光学センサ１では、ｐｎ接合界面６が、互いに異なる導電型の第１バリア層３と第２バリア層４との界面になる。これにより、ｐｎ接合界面６が、受光層２から電極層５側の離れた位置に設けられ、受光層２と比較的不純物濃度の高い電極層５とを隣接させる場合に比べて、受光層２への空乏層の広がりが抑えられる。

また、互いに異なる導電型の第１バリア層３と電極層５とを隣接させた場合には、電極層５が比較的高い不純物濃度とされることで、空乏層が第１バリア層３側、受光層２側へ広がり易くなる。これに対し、光学センサ１では、互いに異なる導電型の第１バリア層３と電極層５との間に、電極層５と同じ導電型で電極層５よりも不純物濃度の低い第２バリア層４が設けられる。これにより、比較的不純物濃度の低い第２バリア層４が設けられない場合に比べて、即ち、第１バリア層３と比較的不純物濃度の高い電極層５とが隣接する場合に比べて、より第１バリア層３側、受光層２側に空乏層が広がり難くなる。

光学センサ１によれば、互いに異なる導電型の受光層２側と電極層５側とに逆バイアスが印加されて動作される際、その印加電圧が大きくなっても、受光層２への空乏層の広がりが抑えられる。光学センサ１では、第１バリア層３及び第２バリア層４を設けない場合や、第１バリア層３を設けて第２バリア層４を設けない場合に比べて、印加電圧を大きくしても、受光層２への空乏層の広がりが抑えられ、暗電流の増加、信号／雑音比の低減が抑えられる。

更に、光学センサ１では、第１バリア層３及び第２バリア層４を同じ導電型とする場合に比べて、印加電圧を大きくしても、受光層２への空乏層の広がりが抑えられ、暗電流の増加、信号／雑音比の低減が抑えられる。第１バリア層３及び第２バリア層４を同じ導電型とする場合には、上記ＱＷＩＰの２種類の障壁層に関して述べた通り、受光層２側に空乏層が広がり易くなるためである。

光学センサ１では、その動作時に受光層２への空乏層の広がりを抑えることのできる電圧範囲が広がるとも言える。従って、個々の光学センサ１の受光層２の特性の違いから、実際の受光層２の電圧が、当初の想定値よりも大きくなる方向にずれてしまったとしても、受光層２への空乏層の広がりが抑えられ、暗電流の増加、信号／雑音比の低減が抑えられる。また、光学センサ１では、受光層２への空乏層の広がりが抑えられる電圧範囲であれば、予め受光層２に印加される電圧が大きくなるように設定された動作条件が用いられても、空乏層の広がりが抑えられ、暗電流の増加、信号／雑音比の低減が抑えられる。即ち、第１バリア層３及び第２バリア層４を設けない場合や、第１バリア層３を設けて第２バリア層４を設けない場合に比べて、より大きな印加電圧条件、動作電圧条件で光学センサ１を使用することが可能になる。受光層２に特性のばらつきがあっても、所定の電圧範囲で印加電圧、動作電圧を大きくすれば、光学センサ１を問題なく使用することが可能になるとも言える。

このように光学センサ１では、広い電圧範囲に渡って、受光層２への空乏層の広がりを抑え、暗電流の増加、信号／雑音比の低減を抑えることが可能になる。また、このような光学センサ１を１画素として複数の画素を配列した撮像素子では、それら複数の画素について、広い電圧範囲に渡って、受光層２への空乏層の広がりを抑え、暗電流の増加、信号／雑音比の低減を抑えることが可能になる。上記構成によれば、製造される個々の光学センサ１の受光層２や、製造される撮像素子の画素として含まれる複数の光学センサ１の受光層２に特性のばらつきがあっても、各光学センサ１について、暗電流の増加を抑えて高い信号／雑音比を得ることが可能になる。これにより、高性能の光学センサ１、及びそのような光学センサ１を用いた高性能の撮像素子を実現することが可能になる。

尚、光学センサ１の受光層２には、赤外線のほか、可視光、紫外線といった、吸収させる光の波長領域に応答する各種材料を用いることができる。例えば、赤外線を吸収させる受光層２の材料には、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ等のナローギャップ半導体のタイプＩＩ超格子や、インジウムヒ素アンチモン（ＩｎＡｓＳｂ）等の混晶を用いることができる。また、可視光や紫外線を吸収させる受光層２の材料には、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素リン（ＧａＡｓＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系ワイドギャップ半導体、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の材料を用いることができる。受光層２に用いられる材料に基づき、受光層２上に設けられる第１バリア層３、第２バリア層４及び電極層５の材料が選択されるほか、受光層２の下地の材料が選択される。

［第２の実施の形態］
ここでは、光学センサの一実施例を、第２の実施の形態として説明する。
図３は第２の実施の形態に係る光学センサの一例について説明する図である。図３には、光学センサの一例の要部断面図を模式的に示している。

図３に示す光学センサ１Ａは、赤外線検出器の一例である。光学センサ１Ａは、基板１０、バッファー層２０、エッチングストッパー層３０、下部電極層４０、受光層５０、第１バリア層６０、第２バリア層７０、上部電極層８０、絶縁膜９０、並びに電極４１及び電極８１を有する。

基板１０には、例えば、ＧａＳｂ基板が用いられる。基板１０上に、バッファー層２０、エッチングストッパー層３０、下部電極層４０、受光層５０、第１バリア層６０、第２バリア層７０及び上部電極層８０が、例えば、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy；ＭＢＥ）法を用いて、エピタキシャル成長される。

即ち、基板１０の一方の面１０ａに、バッファー層２０が成長される。バッファー層２０の、基板１０とは反対側の面２０ａに、エッチングストッパー層３０が成長される。エッチングストッパー層３０の、バッファー層２０とは反対側の面３０ａに、ｐ型の下部電極層４０が成長される。下部電極層４０の、エッチングストッパー層３０とは反対側の面４０ａに、ｐ型の受光層５０が成長される。受光層５０の、下部電極層４０とは反対側の面５０ａに、ｐ型の第１バリア層６０が成長される。第１バリア層６０の、受光層５０とは反対側の面６０ａに、ｎ型の第２バリア層７０が成長される。第２バリア層７０の、第１バリア層６０とは反対側の面７０ａに、ｎ型の上部電極層８０が成長される。

成長された受光層５０、第１バリア層６０、第２バリア層７０及び上部電極層８０は、後述のようにエッチングされ、下部電極層４０上の所定の領域に設けられる。絶縁膜９０は、受光層５０、第１バリア層６０及び第２バリア層７０の側面、上部電極層８０の側面及び上面、並びにエッチングにより露出した下部電極層４０の上面に設けられる。絶縁膜９０には、上部電極層８０及び下部電極層４０にそれぞれ通じる開口部８１ａ及び開口部４１ａが設けられ、開口部８１ａ及び開口部４１ａにそれぞれ電極８１及び電極４１が設けられる。

光学センサ１Ａの形成方法の一例を、図４～図６を参照して説明する。
図４～図６は第２の実施の形態に係る光学センサの形成方法の一例について説明する図である。図４（Ａ）～図４（Ｃ）、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）、並びに図６（Ａ）及び図６（Ｂ）にはそれぞれ、光学センサの形成工程の一例の要部断面図を模式的に示している。

基板１０として、例えばｎ型ＧａＳｂ（１００）基板が用いられる。基板１０は、ＭＢＥ装置の基板導入室の中に導入される。そして、基板１０は、準備室において脱ガス処理され、その後、超高真空に保持された成長室へと搬送される。成長室へ搬送された基板１０は、表面の酸化膜を除去するため、アンチモン（Ｓｂ）雰囲気下で加熱される。

酸化膜の除去後、基板１０の表面平坦性を高めるため、図４（Ａ）に示すように、基板１０上に、バッファー層２０が成長される。バッファー層２０として、例えば、ＧａＳｂバッファー層が、基板温度５００℃にて厚さ１００ｎｍで成長される。

バッファー層２０の成長後、図４（Ａ）に示すように、バッファー層２０上に、エッチングストッパー層３０が成長される。エッチングストッパー層３０として、例えば、ＩｎＡｓＳｂエッチングストッパー層が、厚さ３００ｎｍで成長される。この場合、ＩｎＡｓＳｂの混晶組成は、ＧａＳｂに格子整合するように設定されることが好ましい。例えば、エッチングストッパー層３０には、ＩｎＡｓ_０．９１Ｓｂ_０．０９が用いられる。

次いで、図４（Ｂ）に示すように、エッチングストッパー層３０上に、下部電極層４０が成長される。下部電極層４０として、例えば、ＩｎＡｓとＧａＳｂの超格子、例えば、厚さ２．２ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ２．１ｎｍのＧａＳｂとを備える超格子が、厚さ４５０ｎｍで成長される。光学センサ１Ａの下部電極層４０は、ｐ型不純物、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）がドーピングされて成長され、正孔濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３に設定される。

次いで、図４（Ｃ）に示すように、下部電極層４０上に、受光層５０が成長される。受光層５０として、例えば、ＩｎＡｓとＧａＳｂの超格子、例えば、厚さ４．２ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ２．１ｎｍのＧａＳｂとを備える超格子が、厚さ１２６０ｎｍで成長される。光学センサ１Ａの受光層５０は、ｐ型不純物、例えば、Ｂｅがドーピングされて成長され、正孔濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３に設定される。

次いで、図５（Ａ）に示すように、受光層５０上に、第１バリア層６０及び第２バリア層７０が成長される。
その際は、まず受光層５０上に、第１バリア層６０として、例えば、ＩｎＡｓとＡｌＳｂの超格子、例えば、厚さ４．６ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ１．２ｎｍのＡｌＳｂとを備える超格子が、厚さ９８ｎｍで成長される。光学センサ１Ａの第１バリア層６０は、ｐ型不純物、例えば、Ｂｅがドーピングされて成長され、正孔濃度が２×１０^１６ｃｍ^－３に設定される。

そして、第１バリア層６０上に、第２バリア層７０として、例えば、ＩｎＡｓとＡｌＳｂの超格子、例えば、厚さ４．６ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ１．２ｎｍのＡｌＳｂとを備える超格子が、厚さ３００ｎｍで成長される。光学センサ１Ａの第２バリア層７０は、ｎ型不純物、例えば、Ｓｉがドーピングされて成長され、電子濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３に設定される。

次いで、図５（Ｂ）に示すように、第２バリア層７０上に、上部電極層８０が成長される。上部電極層８０として、例えば、ＩｎＡｓとＡｌＳｂの超格子、例えば、厚さ４．６ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ１．２ｎｍのＡｌＳｂとを備える超格子が、厚さ１８８ｎｍで成長される。光学センサ１Ａの上部電極層８０は、ｎ型不純物、例えば、Ｓｉがドーピングされて成長され、電子濃度が１×１０^１７ｃｍ^－３に設定される。

以上のような工程による半導体積層構造の形成後、センサ構造の形成が行われる。
まず、図６（Ａ）に示すように、下部電極層４０の一部が露出するように、上部電極層８０、第２バリア層７０、第１バリア層６０及び受光層５０が、それぞれ選択的にエッチングされる。これにより、光学センサ１個分の、又は光学センサ群を備える撮像素子の１画素分の、上部電極層８０、第２バリア層７０、第１バリア層６０及び受光層５０の積層構造が、下部電極層４０上に島状に形成される。

次いで、図６（Ｂ）に示すように、エッチングされた上部電極層８０の上面及び側面、並びに第２バリア層７０、第１バリア層６０及び受光層５０の側面、更にエッチングにより露出した下部電極層４０の上面を覆うように、絶縁膜９０、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）が形成される。絶縁膜９０の酸化ケイ素は、例えば、化学気相堆積（Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ）法により、反応ガスとしてシラン（ＳｉＨ_４）及び一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）を用いて、厚さ５００ｎｍで形成される。

絶縁膜９０の形成後、マスクを用いて絶縁膜９０が選択的にエッチングされ、上記図３に示したような、上部電極層８０の一部に通じる開口部８１ａ、及び下部電極層４０の一部に通じる開口部４１ａが形成される。そして、形成された開口部８１ａ及び開口部４１ａにそれぞれ、上記図３に示したような、電極８１及び電極４１が形成される。例えば、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）の積層構造を有する電極８１及び電極４１が形成される。

以上のような工程により、上記図３に示したような光学センサ１Ａが形成される。
光学センサ１Ａでは、ｐ型の下部電極層４０上に設けられたｐ型の受光層５０の上に、ｐ型の第１バリア層６０及びｎ型の第２バリア層７０を介して、第２バリア層７０よりも高い不純物濃度とされるｎ型の上部電極層８０が設けられる。これにより、光学センサ１Ａでは、その動作時に、ｎ型の上部電極層８０側に印加される正電圧が大きくなっても、受光層５０に空乏領域が形成されることが抑えられ、暗電流の増加が抑えられる。或いは、光学センサ１Ａでは、受光層５０の空乏領域の形成による暗電流の増加が抑えられるように光学センサ１Ａを動作させることのできる電圧範囲が、広げられる。この点について、次の図７～図１１を参照して説明する。

図７は第２の実施の形態に係る光学センサの熱平衡状態でのエネルギーバンド図である。
光学センサ１Ａにおいて、下部電極層４０のバンドギャップＥ_Ｇ１は、約０．２９６ｅＶである。受光層５０のバンドギャップＥ_Ｇ２は、約０．１２７ｅＶであり、遠赤外線（波長８μｍ～１２μｍ）領域の赤外線が検出できるようになっている。第１バリア層６０、第２バリア層７０及び上部電極層８０のバンドギャップＥ_Ｇ３は、約０．４８５ｅＶである。第１バリア層６０及び第２バリア層７０のバンドギャップＥ_Ｇ３は、受光層５０のバンドギャップＥ_Ｇ２の２倍以上となっている。

下部電極層４０の価電子帯上端Ｅ_Ｖのエネルギー位置は、受光層５０の価電子帯上端Ｅ_Ｖのエネルギー位置とのオフセットが０ｅＶに近くなるように設計され、下部電極層４０は、受光層５０の電子に対するポテンシャル障壁となっている。一方で、第１バリア層６０、第２バリア層７０及び上部電極層８０の伝導帯下端Ｅ_Ｃのエネルギー位置は、受光層５０の伝導帯下端Ｅ_Ｃのエネルギー位置とのオフセットが０ｅＶに近くなるように設計され、第１バリア層６０、第２バリア層７０及び上部電極層８０は、受光層５０の正孔に対するポテンシャル障壁となっている。従って、受光層５０が赤外線を吸収することにより生じたキャリアの電子正孔対は、負電荷のキャリアである電子が上部電極層８０へ、正電荷のキャリアである正孔が下部電極層４０へ、それぞれ運ばれて引き出され、光学センサ１Ａで赤外線が検出される。

光学センサ１Ａにおいて、受光層５０及び第１バリア層６０はｐ型の導電型であり、第２バリア層７０及び上部電極層８０はｎ型の導電型であるため、ｐｎ接合界面１００は、第１バリア層６０と第２バリア層７０との界面になる。第１バリア層６０は、Ｂｅのドーピングによって正孔濃度が２×１０^１６ｃｍ^－３とされ、そのアクセプタ濃度は２×１０^１６ｃｍ^－３である。第２バリア層７０は、Ｓｉのドーピングによって電子濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３とされ、そのドナー濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３である。よって、第１バリア層６０の不純物濃度は、第２バリア層７０の不純物濃度よりも大きい。

図８は第２の実施の形態に係る光学センサの上部電極層側に正電圧を印加した時のエネルギーバンド図である。
図８には、光学センサ１Ａ（実施例）の上部電極層８０側に＋０．２Ｖを印加した時のエネルギーバンド図を示している。上部電極層８０側に＋０．２Ｖを印加すると、ｐｎ接合の逆バイアス動作となる。即ち、受光層５０で赤外線を吸収して生成された電子正孔対の電子を上部電極層８０側に引き出せる状態となる。この時、受光層５０の、第１バリア層６０に隣接する領域は、図８の点線枠Ｐ１の部分に見られるように、エネルギーバンドが左下に向かって傾斜していないことから、空乏化していないことが分かる。

比較として、別の形態に係る光学センサの上部電極層側に正電圧を印加した時のエネルギーバンド図を図９に示す。
図９には、下部電極層上の受光層の上に、第１バリア層を介して、上部電極層を設けた構造とした光学センサ（比較例）の、その上部電極層側に＋０．２Ｖを印加した時のエネルギーバンド図を示している。この図９の光学センサは、上記の第２バリア層７０が設けられず、正孔濃度が１×１０^１８ｃｍ^－３のｐ型の下部電極層、正孔濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３のｐ型の受光層、正孔濃度が２×１０^１６ｃｍ^－３のｐ型の第１バリア層、電子濃度が１×１０^１７ｃｍ^－３のｎ型の上部電極層が順に積層された構造となっている。ｐｎ接合界面は、第１バリア層と上部電極層との界面になる。このような構造の光学センサの上部電極層側に＋０．２Ｖを印加すると、ｐｎ接合の逆バイアス動作となる。即ち、受光層で赤外線を吸収して生成された電子正孔対の電子を上部電極層側に引き出せる状態となる。この時、受光層の、第１バリア層に隣接する領域は、図９の点線枠Ｐ２の部分に見られるように、エネルギーバンドが左下に向かって傾斜していることから、空乏化していることが分かる。

図１０は印加電圧と受光層の空乏層幅との関係の一例を示す図である。図１０において、横軸は印加電圧［Ｖ］を表し、縦軸は空乏層幅［μｍ］を表している。
図１０には、下部電極層４０上の受光層５０の上に第１バリア層６０及び第２バリア層７０を介して上部電極層８０を設けた光学センサ１Ａに関し、印加電圧に対して、受光層５０の第１バリア層６０に隣接する領域が半導体積層方向に空乏化する膜厚を算出した結果（実施例）を示している。図１０には比較として、下部電極層上の受光層の上に第１バリア層を介して上部電極層を設けた光学センサに関し、同様に、印加電圧に対して、受光層の第１バリア層に隣接する領域が半導体積層方向に空乏化する膜厚を算出した結果（比較例）を併せて示している。

図１０より、第２バリア層７０を設けない比較例の光学センサでは、＋０．１Ｖ以上で受光層に空乏層が形成されるのに対し、第２バリア層７０を設ける実施例の光学センサ１Ａでは、＋０．４Ｖ以上で受光層５０に空乏層が形成される。実施例の光学センサ１Ａでは、比較例の光学センサで空乏層が形成される＋０．１Ｖや＋０．２Ｖにおいては受光層５０に空乏層が形成されない。

図１１は印加電圧と暗電流との関係の一例を示す図である。図１１において、横軸は印加電圧［Ｖ］を表し、縦軸は暗電流［Ａ］を表している。
図１１には、下部電極層４０上の受光層５０の上に第１バリア層６０及び第２バリア層７０を介して上部電極層８０を設けた光学センサ１Ａに関し、暗電流の印加電圧依存性をシミュレーションによって求めた結果（実施例）を示している。図１１には比較として、下部電極層上の受光層の上に第１バリア層を介して上部電極層を設けた光学センサに関し、同様に、暗電流の印加電圧依存性をシミュレーションによって求めた結果（比較例）を併せて示している。

図１１より、上記図１０に示した空乏層幅と対応するように、第２バリア層７０を設けない比較例の光学センサでは、＋０．１Ｖ付近から暗電流が増加するのに対し、第２バリア層７０を設ける実施例の光学センサ１Ａでは、＋０．４Ｖ付近まで暗電流の増加が抑えられる。

第２バリア層７０を設けない比較例の光学センサは、受光層への空乏層の広がりによる暗電流の増加を抑えて動作させることのできる電圧範囲Ｑ２がごく限られた範囲になる。第２バリア層７０を設ける実施例の光学センサ１Ａでは、暗電流の増加を抑えて動作させることのできる電圧範囲Ｑ１が、第２バリア層７０を設けない比較例の光学センサの電圧範囲Ｑ２に比べて、広くなる。尚、図１１に示した電圧範囲Ｑ１，Ｑ２は、説明の便宜上図示したものであり、動作電圧がこの電圧範囲Ｑ１，Ｑ２に限定されるというものではない。

光学センサ１Ａについて得られた上記のような結果は、以下のような理由によるものと考えられる。
光学センサ１Ａでは、受光層５０及び第１バリア層６０がｐ型の導電型であり、第２バリア層７０及び上部電極層８０がｎ型の導電型である。よって、ｐｎ接合界面１００は、第１バリア層６０と第２バリア層７０との界面になる。ｐｎ接合界面１００が、受光層５０から上部電極層８０側の離れた位置に設けられ、受光層５０への空乏層の広がりが抑えられる。光学センサ１Ａでは、上部電極層８０よりも不純物濃度の低い第２バリア層７０が第１バリア層６０と隣接される。第２バリア層７０を介さずに第１バリア層６０と比較的不純物濃度の高い上部電極層８０とが隣接される場合に比べて、より第１バリア層６０側、受光層５０側に空乏層が広がり難くなる。

また、光学センサ１Ａにおいて、第１バリア層６０のアクセプタ濃度は２×１０^１６ｃｍ^－３であり、一方、第２バリア層７０のドナー濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３である。即ち、第１バリア層６０の不純物濃度は、第２バリア層７０の不純物濃度よりも大きい。これにより、上部電極層８０側に正電圧が印加されると、第１バリア層６０と第２バリア層７０のｐｎ接合界面１００で電圧降下が起こり、また、印加電圧が大きくなる時、空乏層は、比較的不純物濃度の低い第２バリア層７０側に広がり易くなる。つまり、受光層５０に隣接する第１バリア層６０側には空乏層が広がり難くなり、更にその下の受光層５０に空乏層が広がり難くなる。

光学センサ１Ａでは、第１バリア層６０及び第２バリア層７０に空乏領域が形成されることになるが、第１バリア層６０及び第２バリア層７０のバンドギャップ（Ｅ_Ｇ３≒０．４８５ｅＶ；図７）は、受光層５０のバンドギャップ（Ｅ_Ｇ２≒０．１２７ｅＶ；図７）の２倍以上とされる。これにより、ｐ型バリア層の空乏領域で熱的に生成される暗電流は十分無視することができるようになる。

光学センサ１Ａによれば、印加電圧が大きくなっても、受光層５０への空乏層の広がりが抑えられ、暗電流の増加が抑えられる。換言すれば、光学センサ１Ａでは、受光層５０への空乏層の広がりによる暗電流の増加を抑えて動作させることのできる電圧範囲が、広げられる。個々の光学センサ１Ａの受光層５０の特性の違いから、実際の受光層５０の電圧が、当初の想定値よりも大きくなる方向にずれてしまったとしても、受光層５０への空乏層の広がりが抑えられる。光学センサ１Ａでは、受光層５０への空乏層の広がりが抑えられることで、暗電流の増加、信号／雑音比の低減が抑えられる。

光学センサ１Ａでは、印加電圧が小さくなると、暗電流の増加が抑えられて雑音が低減されるものの、信号も低減されるため、信号／雑音比が低くなる。従って、一定レベル以上の信号を検出するためには、一定レベル以上の大きさの電圧が印加されることが望ましい。しかし、受光層５０に隣接して、又は受光層５０上の第１バリア層６０に隣接して、比較的高不純物濃度の上部電極層８０を設ける構造とすると、受光層５０に空乏層が広がり易くなり、受光層５０への空乏層の広がりを抑えることのできる電圧範囲が比較的狭くなる。そのため、受光層５０の特性の違いから、実際の印加電圧が大きくなってしまうと、受光層５０への空乏層の広がりを抑えることのできるその比較的狭い電圧範囲から外れてしまうことが起こり易くなる。

これに対し、光学センサ１Ａでは、受光層５０と上部電極層８０との間に上記のような第１バリア層６０及び第２バリア層７０を設ける構成により、受光層５０への空乏層の広がりを抑えることのできる電圧範囲が比較的広くなる。これにより、実際の印加電圧が大きくなったとしても、その比較的広い電圧範囲に収まり易く、空乏層の広がりを抑え、暗電流の増加を抑えて、高い信号／雑音比を得ることができる。また、光学センサ１Ａでは、その比較的広い電圧範囲であれば、予め印加電圧が大きくなるように設定された動作条件を用いても、空乏層の広がりを抑え、暗電流の増加を抑えて、高い信号／雑音比を得ることができる。即ち、第１バリア層６０及び第２バリア層７０を設けない場合や、第１バリア層６０を設けて第２バリア層７０を設けない場合に比べて、より大きな印加電圧条件、動作電圧条件で光学センサ１Ａを使用することが可能になる。受光層５０に特性のばらつきがあっても、所定の電圧範囲で印加電圧、動作電圧を大きくすれば、光学センサ１Ａを問題なく使用することが可能になるとも言える。

このように光学センサ１Ａでは、広い電圧範囲に渡って、受光層５０への空乏層の広がりを抑え、暗電流の増加、信号／雑音比の低減を抑えることが可能になる。また、このような光学センサ１Ａを１画素として複数の画素を配列した撮像素子では、それら複数の画素について、広い電圧範囲に渡って、受光層５０への空乏層の広がりを抑え、暗電流の増加、信号／雑音比の低減を抑えることが可能になる。上記構成によれば、製造される個々の光学センサ１Ａの受光層５０、製造される撮像素子の画素として含まれる複数の光学センサ１Ａの受光層５０に特性のばらつきがあっても、各光学センサ１Ａについて、暗電流の増加を抑えて高い信号／雑音比を得ることが可能になる。これにより、高性能の光学センサ１Ａ、及びそのような光学センサ１Ａを用いた高性能の撮像素子を実現することが可能になる。

尚、上記の特許文献１には、ｎ型基板上の光吸収層の上にｎ型コレクタ兼バリア層、ｐ型ベース層、ｎ型エミッタ層を順に積層し、フォトダイオードとヘテロバイポーラトランジスタとを積層した形のヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタが開示されている。開示の構造では、ｐｎ接合界面が、ｎ型エミッタ層とｐ型ベース層、ｐ型ベース層とｎ型コレクタ兼バリア層の２つ存在する。このようなｐｎ接合を複数含む構造に電圧が印加されると、それぞれのｐｎ接合界面に電圧降下が起こる。特許文献１によれば、ｐ型ベース層とｎ型コレクタ兼バリア層のｐｎ接合界面において、例えばｐ型ベース層のキャリア濃度は１×１０^１７ｃｍ^－３であって、ｎ型コレクタ兼バリア層のキャリア濃度は１×１０^１５ｃｍ^－３であり、ｐ型ベース層のキャリア濃度が、光吸収層に隣接するｎ型コレクタ兼バリア層のキャリア濃度に比べて大きい。従って、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ兼バリア層に形成される空乏層は、それらのｐｎ接合界面から光吸収層側に位置するｎ型コレクタ兼バリア層に向かって広がり易い。

従って、受光層５０と上部電極層８０との間に、第１，第２バリア層６０，７０に代えて、特許文献１のような、互いの導電型が異なる２種類の層で受光層５０側を低不純物濃度とする構造を採用しても、印加電圧が増えると受光層５０側に空乏層が広がり易くなる。よって、広い電圧範囲に渡って、受光層５０への空乏層の広がりを抑え、暗電流の増加、信号／雑音比の低減を抑える、という上記光学センサ１Ａのような効果は得られないものと考えられる。

以上、第２の実施の形態に係る光学センサ１Ａについて説明した。
尚、以上第２の実施の形態で述べた光学センサ１Ａに関し、その構成は上記のものには限定されず、同様の効果が得られる範囲であれば、適宜変更しても構わない。

例えば、上記の例では、受光層５０をＩｎＡｓとＧａＳｂの超格子としたが、ＩｎＡｓとＧａＳｂの各々の厚さは、受光層５０で吸収する光の波長に基づき、適宜設定することができる。超格子のＩｎＡｓとＧａＳｂとの間には、ＧａＳｂ基板に格子整合するようにインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）が設けられてもよい。超格子は、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ及びＡｌＳｂのうちのいずれか２種以上を用いて実現されてもよい。受光層５０には、吸収する光の波長領域に応答する材料であれば、超格子に限らず、混晶が用いられてもよい。例えば、赤外領域に応答する材料として、ＩｎＡｓ_１－ａＳｂ_ａ（０≦ａ≦１）を用いることもできる。

また、上記の例では、ｐ型不純物としてＢｅを用いたが、その他のｐ型不純物、例えば亜鉛（Ｚｎ）等を用いることもできる。上記の例では、ｎ型の不純物としてＳｉを用いたが、その他のｎ型不純物、例えばテルル（Ｔｅ）等を用いることもできる。

また、上記の例では、半導体積層構造のエピタキシャル成長にＭＢＥ法を用いたが、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ、若しくはMetal Organic Vaper Phase Epitaxy；ＭＯＶＰＥ）法等、他の半導体結晶成長技術を用いることもできる。

また、上記の例では、エッチングストッパー層３０を設けたが、エッチングストッパー層３０は必ずしも設けることを要しない。また、受光層５０による光の吸収感度を高める観点から、上記の例に従って図３に示したような光学センサ１Ａを形成した後に、基板１０、バッファー層２０及びエッチングストッパー層３０、又は基板１０及びバッファー層２０を除去することもできる。

［第３の実施の形態］
ここでは、光学センサの別の実施例を、第３の実施の形態として説明する。
図１２は第３の実施の形態に係る光学センサの一例について説明する図である。図１２には、光学センサの一例の要部断面図を模式的に示している。

図１２に示す光学センサ１Ｂは、赤外線検出器の一例である。光学センサ１Ｂは、下部電極層４０、受光層５０、第１バリア層６０、第２バリア層７０及び上部電極層８０の材料及び極性を変更している点で、上記第２の実施の形態で述べた光学センサ１Ａと相違する。

光学センサ１Ｂにおいて、基板１０には、例えば、ＧａＳｂ基板が用いられる。基板１０上に、バッファー層２０、エッチングストッパー層３０、下部電極層４０、受光層５０、第１バリア層６０、第２バリア層７０及び上部電極層８０が、例えばＭＢＥ法を用いて、エピタキシャル成長される。

即ち、基板１０の一方の面１０ａに、バッファー層２０が成長される。バッファー層２０の、基板１０とは反対側の面２０ａに、エッチングストッパー層３０が成長される。エッチングストッパー層３０の、バッファー層２０とは反対側の面３０ａに、ｎ型の下部電極層４０が成長される。下部電極層４０の、エッチングストッパー層３０とは反対側の面４０ａに、ｎ型の受光層５０が成長される。受光層５０の、下部電極層４０とは反対側の面５０ａに、ｎ型の第１バリア層６０が成長される。第１バリア層６０の、受光層５０とは反対側の面６０ａに、ｐ型の第２バリア層７０が成長される。第２バリア層７０の、第１バリア層６０とは反対側の面７０ａに、ｐ型の上部電極層８０が成長される。

光学センサ１Ｂは、上記第２の実施の形態で述べた光学センサ１Ａの形成（図４～図６）と同様の手順で形成することができる。
光学センサ１Ｂの形成では、基板１０として、例えばｎ型ＧａＳｂ（１００）基板が用いられる。基板１０は、例えばＭＢＥ装置の基板導入室の中に導入される。そして、基板１０は、準備室において脱ガス処理され、その後、超高真空に保持された成長室へと搬送される。成長室へ搬送された基板１０は、表面の酸化膜を除去するため、Ｓｂ雰囲気下で加熱される。

酸化膜の除去後、基板１０の表面平坦性を高めるため、基板１０上に、バッファー層２０が成長される（図４（Ａ））。バッファー層２０として、例えば、ＧａＳｂバッファー層が、基板温度５００℃にて厚さ１００ｎｍで成長される。

バッファー層２０の成長後、バッファー層２０上に、エッチングストッパー層３０が成長される（図４（Ａ））。エッチングストッパー層３０として、例えば、ＩｎＡｓＳｂエッチングストッパー層が、厚さ３００ｎｍで成長される。この場合、ＩｎＡｓＳｂの混晶組成は、ＧａＳｂに格子整合するように設定されることが好ましい。例えば、エッチングストッパー層３０には、ＩｎＡｓ_０．９１Ｓｂ_０．０９が用いられる。

次いで、エッチングストッパー層３０上に、下部電極層４０が成長される（図４（Ｂ））。下部電極層４０として、例えば、ＩｎＡｓとＡｌＳｂの超格子、例えば、厚さ４．６ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ１．２ｎｍのＡｌＳｂとを備える超格子が、厚さ４５０ｎｍで成長される。光学センサ１Ｂの下部電極層４０は、ｎ型不純物、例えば、Ｓｉがドーピングされて成長され、電子濃度が１×１０^１７ｃｍ^－３に設定される。

次いで、下部電極層４０上に、受光層５０が成長される（図４（Ｃ））。受光層５０として、例えば、ＩｎＡｓとＧａＳｂの超格子、例えば、厚さ４．２ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ２．１ｎｍのＧａＳｂとを備える超格子が、厚さ１２６０ｎｍで成長される。光学センサ１Ｂの受光層５０は、ｎ型不純物、例えば、Ｓｉがドーピングされて成長され、電子濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３に設定される。

次いで、受光層５０上に、第１バリア層６０及び第２バリア層７０が成長される（図５（Ａ））。
その際は、まず受光層５０上に、第１バリア層６０として、例えば、アルミニウムガリウムアンチモン（ＡｌＧａＳｂ）、一例としてＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｓｂが、厚さ９８ｎｍで成長される。光学センサ１Ｂの第１バリア層６０は、ｎ型不純物、例えば、Ｔｅがドーピングされて成長され、電子濃度が２×１０^１６ｃｍ^－３に設定される。

そして、第１バリア層６０上に、第２バリア層７０として、例えば、ＡｌＧａＳｂ、一例としてＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｓｂが、厚さ３００ｎｍで成長される。光学センサ１Ｂの第２バリア層７０は、ｐ型不純物、例えば、Ｂｅがドーピングされて成長され、正孔濃度が１×１０^１６ｃｍ^－３に設定される。

次いで、第２バリア層７０上に、上部電極層８０が成長される（図５（Ｂ））。上部電極層８０として、例えば、ＩｎＡｓとＧａＳｂの超格子、例えば、厚さ４．２ｎｍのＩｎＡｓと、厚さ２．１ｎｍのＧａＳｂとを備える超格子が、厚さ１８８ｎｍで成長される。光学センサ１Ｂの上部電極層８０は、ｐ型不純物、例えば、Ｂｅがドーピングされて成長され、正孔濃度が１×１０^１７ｃｍ^－３に設定される。

以上のような工程による半導体積層構造の形成後、センサ構造の形成が行われる。
まず、下部電極層４０の一部が露出するように、上部電極層８０、第２バリア層７０、第１バリア層６０及び受光層５０が、それぞれ選択的にエッチングされる（図６（Ａ））。次いで、上部電極層８０の上面及び側面、並びに第２バリア層７０、第１バリア層６０及び受光層５０の側面、更にエッチングにより露出した下部電極層４０の上面を覆うように、絶縁膜９０、例えば、酸化ケイ素が形成される（図６（Ｂ））。エッチングにより、上部電極層８０及び下部電極層４０の各々の一部に通じる開口部８１ａ及び開口部４１ａが形成され、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕの積層構造を有する電極８１及び電極４１が形成される。

以上のような工程により、上記図１２に示したような光学センサ１Ｂが形成される。
光学センサ１Ｂを動作させる場合は、上記第１の実施の形態で述べた光学センサ１Ａとは導電型が反転しているので、上部電極層８０側に負電圧が印加される。上部電極層８０側に負電圧が印加されることで、受光層５０が赤外線を吸収することにより生じた電子正孔対は、正孔が上部電極層８０へ、電子が下部電極層４０へ、それぞれ引き出され、光学センサ１Ｂで赤外線が検出される。

光学センサ１Ｂでは、受光層５０及び第１バリア層６０がｎ型の導電型であり、第２バリア層７０及び上部電極層８０がｐ型の導電型である。よって、ｐｎ接合界面１００は、第１バリア層６０と第２バリア層７０との界面になる。ｐｎ接合界面１００が、受光層５０から上部電極層８０側の離れた位置に設けられ、受光層５０への空乏層の広がりが抑えられる。光学センサ１Ｂでは、上部電極層８０よりも不純物濃度の低い第２バリア層７０が第１バリア層６０と隣接される。第２バリア層７０を介さずに第１バリア層６０と比較的不純物濃度の高い上部電極層８０とが隣接される場合に比べて、より第１バリア層６０側、受光層５０側に空乏層が広がり難くなる。

また、光学センサ１Ｂにおいて、第１バリア層６０のドナー濃度は２×１０^１６ｃｍ^－３であり、一方、第２バリア層７０のアクセプタ濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３である。即ち、第１バリア層６０の不純物濃度は、第２バリア層７０の不純物濃度よりも大きい。これにより、空乏層は、不純物濃度の低い第２バリア層７０側に広がり易くなり、受光層５０に隣接する第１バリア層６０側には空乏層が広がり難くなるので、受光層５０に空乏層が広がることが抑えられる。

光学センサ１Ｂによれば、負電圧が大きくなっても、受光層５０への空乏層の広がりが抑えられ、暗電流の増加が抑えられる。換言すれば、光学センサ１Ｂでは、受光層５０への空乏層の広がりによる暗電流の増加を抑えて動作させることのできる電圧範囲が、広げられる。個々の光学センサ１Ｂの受光層５０の特性の違いから、実際の受光層５０の電圧が、当初の想定値よりも大きくなる方向にずれてしまったとしても、受光層５０への空乏層の広がりが抑えられる。光学センサ１Ｂでは、受光層５０への空乏層の広がりが抑えられることで、暗電流の増加、信号／雑音比の低減が抑えられる。

光学センサ１Ｂでは、印加電圧が小さくなると、信号／雑音比が低くなるため、一定レベル以上の大きさの電圧が印加されることが望ましい。光学センサ１Ｂでは、受光層５０と上部電極層８０との間に上記のような第１バリア層６０及び第２バリア層７０を設ける構成により、受光層５０への空乏層の広がりを抑えることのできる電圧範囲が比較的広くなる。これにより、印加電圧が大きくなったとしても、その比較的広い電圧範囲に収まり易く、受光層５０への空乏層の広がりを抑え、暗電流の増加を抑えて、高い信号／雑音比を得ることができる。また、光学センサ１Ｂでは、その比較的広い電圧範囲であれば、予め印加電圧が大きくなるように設定された動作条件を用いても、空乏層の広がりを抑え、暗電流の増加を抑えて、高い信号／雑音比を得ることができる。即ち、第１バリア層６０及び第２バリア層７０を設けない場合や、第１バリア層６０を設けて第２バリア層７０を設けない場合に比べて、より大きな印加電圧条件、動作電圧条件で光学センサ１Ｂを使用することが可能になる。受光層５０に特性のばらつきがあっても、所定の電圧範囲で印加電圧、動作電圧を大きくすれば、光学センサ１Ｂを問題なく使用することが可能になるとも言える。

このように光学センサ１Ｂでは、広い電圧範囲に渡って、受光層５０への空乏層の広がりを抑え、暗電流の増加、信号／雑音比の低減を抑えることが可能になる。また、このような光学センサ１Ｂを１画素として複数の画素を配列した撮像素子では、それら複数の画素について、広い電圧範囲に渡って、受光層５０への空乏層の広がりを抑え、暗電流の増加、信号／雑音比の低減を抑えることが可能になる。上記構成によれば、製造される個々の光学センサ１Ｂの受光層５０、製造される撮像素子の画素として含まれる複数の光学センサ１Ｂの受光層５０に特性のばらつきがあっても、各光学センサ１Ｂについて、暗電流の増加を抑えて高い信号／雑音比を得ることが可能になる。これにより、高性能の光学センサ１Ｂ、及びそのような光学センサ１Ｂを用いた高性能の撮像素子を実現することが可能になる。

［第４の実施の形態］
ここでは、光学センサを用いた撮像素子（「撮像装置」とも言う）の一実施例を、第４の実施の形態として説明する。

図１３及び図１４は第４の実施の形態に係る撮像素子の一例について説明する図である。図１３には、撮像素子の一例の要部斜視図を模式的に示している。図１４には、撮像素子の一例の要部断面図を模式的に示している。図１４は、図１３のＸＩＶ－ＸＩＶ矢視断面図を模式的に示したものである。

図１３に示すように、撮像素子３００は、１つの光学センサ４１０を１画素として複数の光学センサ４１０が２次元に配列された光学センサ基板４００、及び光学センサ基板４００と貼り合わせられた駆動回路基板２００とを備える。光学センサ基板４００と駆動回路基板２００とは、Ｉｎ等のバンプ３１０を用いて機械的及び電気的に接続される。光学センサ基板４００の光学センサ４１０には、例えば、上記第２の実施の形態で述べたような光学センサ１Ａ（図３）、或いは上記第３の実施の形態で述べたような光学センサ１Ｂ（図１２）を用いることができる。

光学センサ基板４００は、例えば、図１４に示すように、基板１０と、基板１０上に設けられたバッファー層２０と、バッファー層２０上に設けられたエッチングストッパー層３０と、エッチングストッパー層３０上に設けられた下部電極層４０とを備える。下部電極層４０は、複数の光学センサ４１０で共通とされる。共通の下部電極層４０上の、光学センサ基板４００の各画素の位置に、受光層５０、第１バリア層６０、第２バリア層７０及び上部電極層８０が順に積層されたセンサ構造４２０が設けられる。画素となるセンサ構造４２０が配列された領域の周辺部には、同様に受光層５０、第１バリア層６０、第２バリア層７０及び上部電極層８０が順に積層された構造を有するが光を検出する画素としては使用されないダミー構造４３０が設けられる。共通の下部電極層４０上に設けられたセンサ構造４２０及びダミー構造４３０を覆うように絶縁膜９０が設けられる。各センサ構造４２０の上部電極層８０に接続される電極８１、及び共通の下部電極層４０に接続される電極４１が、絶縁膜９０を貫通して設けられる。各センサ構造４２０の絶縁膜９０上には、上部電極層８０上の電極８１に接続される表面配線４４０が設けられ、ダミー構造４３０の絶縁膜９０上には、共通の下部電極層４０上の電極４１に接続される表面配線４５０が設けられる。このような構成を有する光学センサ基板４００の表面配線４４０及び表面配線４５０が、バンプ３１０を介して駆動回路基板２００と接続される。

駆動回路基板２００は、例えば、図１４に示すように、光学センサ基板４００のセンサ構造４２０とバンプ３１０及び表面配線４４０を通じて接続されるトランジスタ２３０を有する駆動回路２００ａを備える。図１４では図示を省略するが、駆動回路２００ａには、トランジスタ２３０のほか、例えば上記図１に示したような、リセットレベルに接続されたリセットスイッチ２１０、リセットスイッチ２１０及びトランジスタ２３０に接続されたキャパシタ２２０等が含まれる。光学センサ基板４００の共通の下部電極層４０は、表面配線４５０及びバンプ３１０を通じて駆動回路基板２００内の電位Ｖ_Ａと接続される。電位Ｖ_ＩＧによってトランジスタ２３０がＯＮ状態とされ、光学センサ４１０の上部電極層８０と下部電極層４０との間に逆バイアスが印加される。

撮像素子３００において、外部から任意に設定できる電位は、下部電極層４０側の電位Ｖ_Ａと、トランジスタ２３０のゲート端子の電位Ｖ_ＩＧである。光学センサ４１０にかかる電位差は、トランジスタ２３０のゲート端子の電位Ｖ_ＩＧとそのトランジスタ２３０を流れるドレイン電流とによって間接的に決まる上部電極層８０側の電位（上記の電位Ｖ_Ｓ）と、共通の下部電極層４０側の電位Ｖ_Ａとの差になる。ここで、光学センサ４１０の受光層５０に特性のばらつきがあると、光学センサ４１０群に同じ電位Ｖ_Ａ及び電位Ｖ_ＩＧを与えても、上部電極層８０側の電位が光学センサ４１０毎に異なることが起こり得る。

これに対し、光学センサ４１０では、受光層５０及び第１バリア層６０が第１導電型とされ、第２バリア層７０及び上部電極層８０が第１導電型とは異なる第２導電型とされ、第１バリア層６０と第２バリア層７０との間がｐｎ接合界面１００とされる。更に、光学センサ４１０では、第２バリア層７０が上部電極層８０よりも低不純物濃度とされる。これにより、受光層５０への空乏層の広がりが抑えられる。また、光学センサ４１０において、第２バリア層７０が第１バリア層６０よりも低不純物濃度とされることで、受光層５０への空乏層の広がりが、より一層抑えられる。

光学センサ４１０によれば、受光層５０の特性の違いに起因して、実際の受光層５０の電圧が当初の想定値よりも大きくなる方向にずれてしまったとしても、受光層５０への空乏層の広がりが抑えられる。これにより、受光層５０に空乏領域が形成されて暗電流が生じることが抑えられ、暗電流の増加による信号／雑音比の低減が抑えられる。換言すれば、光学センサ４１０では、受光層５０への空乏層の広がりによる暗電流の増加を抑えて動作させることのできる電圧範囲が、広げられる。撮像素子３００では、光学センサ４１０を配列して形成される画素群について、広い電圧範囲に渡って、受光層５０への空乏層の広がりを抑え、暗電流の増加、信号／雑音比の低減を抑えることが可能になる。これにより、高性能の撮像素子３００が実現される。

撮像素子３００は、光学センサ基板４００と駆動回路基板２００とを、バンプ３１０を介して貼り合わせることで形成される。
ここで、光学センサ基板４００は、上記第２又は第３の実施の形態で述べたような方法の例に従って形成される。即ち、基板１０上にバッファー層２０、エッチングストッパー層３０、下部電極層４０、受光層５０、第１バリア層６０、第２バリア層７０及び上部電極層８０が順に成長され、エッチングによりセンサ構造４２０及びダミー構造４３０が形成される。そして、これらを覆うように絶縁膜９０が形成され、各センサ構造４２０の上部電極層８０に接続される電極８１、及び共通の下部電極層４０に接続される電極４１が形成される。次いで、電極８１及び電極４１にそれぞれ接続される表面配線４４０及び表面配線４５０が形成され、各々の上にバンプ３１０が形成される。

また、駆動回路基板２００には、回路基板上にトランジスタ２３０等として機能する半導体装置が実装されたものや、半導体基板にトランジスタ２３０等として機能する半導体素子が形成、集積されたものを用いることができる。

予め準備された光学センサ基板４００と駆動回路基板２００とが、互いのバンプ３１０とトランジスタ２３０等に繋がる端子（パッド）とが接続されるように貼り合わされ、撮像素子３００が形成される。

尚、図１４には、基板１０、バッファー層２０及びエッチングストッパー層３０を備える光学センサ基板４００を例示している。このほか、受光層５０による光の吸収感度を高める観点から、駆動回路基板２００との貼り合わせ後又は貼り合わせ前に、基板１０、バッファー層２０及びエッチングストッパー層３０、又は基板１０及びバッファー層２０を除去することもできる。

［第５の実施の形態］
ここでは、光学センサを用いた撮像システム（「撮像装置」とも言う）の一実施例を、第５の実施の形態として説明する。

図１５は第５の実施の形態に係る撮像システムの一例について説明する図である。
図１５に示す撮像システム５００は、センサ部５１０、制御演算部５２０及び表示部５３０を備える。センサ部５１０には、例えば、上記第４の実施の形態で述べたような撮像素子３００が含まれる。制御演算部５２０は、センサ部５１０の撮像素子３００の動作（上記図１及び図１４に示したような駆動回路２００ａに含まれるトランジスタ２３０及びリセットスイッチ２１０のスイッチング等）を制御する。制御演算部５２０は更に、センサ部５１０の撮像素子３００で取得されるデータ（画素データ）を用いて、光学センサ４１０に入射した光の強度（画素データの階調）を演算し、画像データを生成する。制御演算部５２０には、このような処理を実行する信号処理回路が含まれる。また、表示部５３０は、制御演算部５２０によって生成された画像データを表示する。

撮像システム５００では、制御演算部５２０によってセンサ部５１０の撮像素子３００が駆動される。センサ部５１０では、撮像素子３００（光学センサ基板４００）に光が入射し、各画素（光学センサ４１０）に入射した光の強度に基づいて検出される画素データの集合が取得される。撮像素子３００で検出された画素データの集合は、制御演算部５２０に送られ、制御演算部５２０では、撮像素子３００で検出された画素データの集合の階調（濃淡）が演算されて画像データが生成される。制御演算部５２０で生成された画像データは、表示部５３０に表示される。撮像システム５００では、例えばこのような処理によって、センサ部５１０を通した像の取得が行われる。

上記のように、撮像素子３００（図１４）では、光学センサ４１０を配列して形成される画素群について、広い電圧範囲に渡って、受光層５０への空乏層の広がりが抑えられ、暗電流の増加、信号／雑音比の低減が抑えられる。これにより、各画素（光学センサ４１０）に入射した光の強度を高い精度で反映した画素データの集合が得られ、それを基に良好な画像データが生成され、表示される。このような撮像素子３００が用いられ、高性能の撮像システム５００が実現される。

１ａ，１，１Ａ，１Ｂ，４１０光学センサ
１ａａ，２，５０受光層
２ａ，３ａ，４ａ面
３，６０第１バリア層
４，７０第２バリア層
５電極層
６，１００ｐｎ接合界面
１０基板
１０ａ，２０ａ，３０ａ，４０ａ，５０ａ，６０ａ，７０ａ面
２０バッファー層
３０エッチングストッパー層
４０下部電極層
４１，８１電極
４１ａ，８１ａ開口部
８０上部電極層
９０絶縁膜
２００駆動回路基板
２００ａ駆動回路
２１０リセットスイッチ
２２０キャパシタ
２３０トランジスタ
３００撮像素子
３１０バンプ
４００光学センサ基板
４２０センサ構造
４３０ダミー構造
４４０，４５０表面配線
５００撮像システム
５１０センサ部
５２０制御演算部
５３０表示部

Claims

第１導電型の不純物を含む受光層と、
前記受光層の第１面に設けられ、前記第１導電型の不純物を含む第１バリア層と、
前記第１バリア層の、前記受光層とは反対側の第２面に設けられ、前記第１導電型とは異なる第２導電型の不純物を含む第２バリア層と、
前記第２バリア層の、前記第１バリア層とは反対側の第３面に設けられ、前記第２バリア層よりも高濃度の前記第２導電型の不純物を含む電極層と
を有し、
前記第１バリア層と前記第２バリア層との接合界面において、前記第１バリア層の前記第１導電型の不純物の濃度は、前記第２バリア層の前記第２導電型の不純物の濃度よりも高いことを特徴とする光学センサ。
前記第１バリア層及び前記第２バリア層のバンドギャップは、前記受光層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光学センサ。
前記第１バリア層及び前記第２バリア層は、前記受光層から前記電極層へ運ばれるキャリアとは反対電荷のキャリアに対してポテンシャル障壁となることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学センサ。
複数の光学センサと、
前記複数の光学センサと接続された駆動回路と
を備え、
前記複数の光学センサはそれぞれ、
第１導電型の不純物を含む受光層と、
前記受光層の第１面に設けられ、前記第１導電型の不純物を含む第１バリア層と、
前記第１バリア層の、前記受光層とは反対側の第２面に設けられ、前記第１導電型とは異なる第２導電型の不純物を含む第２バリア層と、
前記第２バリア層の、前記第１バリア層とは反対側の第３面に設けられ、前記第２バリア層よりも高濃度の前記第２導電型の不純物を含む電極層と
を有し、
前記第１バリア層と前記第２バリア層との接合界面において、前記第１バリア層の前記第１導電型の不純物の濃度は、前記第２バリア層の前記第２導電型の不純物の濃度よりも高く、
前記駆動回路は、前記電極層と接続されたトランジスタを有する
ことを特徴とする撮像装置。