WO2023218698A1

WO2023218698A1 - 半導体受光素子

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Publication number: WO2023218698A1
Application number: PCT/JP2023/001523
Authority: WO
Inventors: 桂基田口; 兆石原
Original assignee: 浜松ホトニクス株式会社
Priority date: 2022-05-13
Filing date: 2023-01-19
Publication date: 2023-11-16
Also published as: JP2023167864A

Abstract

光の入射を受ける表面（１ａ）と、第１導電型の第１半導体層（２１）と、前記第１半導体層（２１）の前記表面（１ａ）側において前記第１半導体層（２１）に積層され、前記第１半導体層（２１）のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する前記第１導電型の第２半導体層（２２）と、前記表面（１ａ）から前記第２半導体層（２２）側に延在して少なくとも前記第２半導体層（２２）の内部に至るように形成され、前記第１導電型と異なる第２導電型を有するドーピング領域（３０）と、を備え、前記表面（１ａ）に交差する第１方向（Ｚ）における前記第２半導体層（２２）の厚さ（Ｔ２２）は、前記第１方向（Ｚ）における第１半導体層（２１）の厚さよりも薄く、前記ドーピング領域（３０）は、前記第１方向（Ｚ）からみて、間隙（３０ｇ）を介して対向する複数の部分（３１）を含み、前記間隙（３０ｇ）の幅（Ｇ３０）は、前記第１方向（Ｚ）における前記第２半導体層（２２）の厚さ（Ｔ２２）よりも大きい、半導体受光素子（１）。

Description

半導体受光素子

　本開示は、半導体受光素子に関する。

　特許文献１には、受光素子が記載されている。この受光素子は、入射光を吸収して電気信号に変換する光吸収層と、光吸収層の光入射側に形成され、光吸収層よりエネルギーバンドギャップの大きいキャップ層と、キャップ層の受光面の周辺に形成され、光吸収層と同じ材料からなると共にキャップ層よりも厚いコンタクト層と、を備えている。また、この受光素子では、光吸収層とキャップ層との界面近傍と、キャップ層及びコンタクト層と、に不純物が高濃度にドープされることにより、Ｐ⁺型の高濃度不純物領域が形成されている。

特開２００１－１７７１４２号公報

　特許文献１に記載された受光素子では、光吸収層及びキャップ層における受光面の全体にわたって高濃度不純物領域が形成されていると捉えられる。この場合、高濃度不純物領域で吸収される波長の光が信号して取り出されないため、損失が生じて感度が低下するおそれがある。

　本開示は、感度の低下を抑制可能な半導体受光素子を提供することを目的とする。

　本開示に係る半導体受光素子は、［１］「光の入射を受ける表面と、第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層の前記表面側において前記第１半導体層に積層され、前記第１半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する前記第１導電型の第２半導体層と、前記表面から前記第２半導体層側に延在して少なくとも前記第２半導体層の内部に至るように形成され、前記第１導電型と異なる第２導電型を有するドーピング領域と、を備え、前記表面に交差する第１方向における前記第２半導体層の厚さは、前記第１方向における第１半導体層の厚さよりも薄く、前記ドーピング領域は、前記第１方向からみて、間隙を介して対向する複数の部分を含み、前記間隙の幅は、前記第１方向における前記第２半導体層の厚さよりも大きい、半導体受光素子」である。

　上記［１］の半導体受光素子では、第１導電型の第１半導体層に、バンドギャップエネルギーの大きな第１導電型の第２半導体層が積層されており、光入射を受ける表面から第２半導体層側に延在する第２導電型のドーピング領域が形成されている。そして、ドーピング領域は、表面に交差する第１方向からみて、間隙を介して対向する複数の部分を含む。このため、ドーピング領域の間隙に入射した光について、ドーピング領域での吸収を経ることなく信号として取り出すことが可能となる。よって、感度の低下が抑制される。特に、本発明者の知見によれば、当該間隙の幅が、第２半導体層の厚さよりも大きいと、感度の低下をより抑制可能である。

　本開示に係る半導体受光素子は、［２］「前記ドーピング領域の前記複数の部分は、前記第１方向からみて同一方向に延在する少なくとも一対の延在部を含み、前記間隙の幅は、前記一対の延在部の間の間隔である、上記［１］に記載の半導体受光素子」であってもよい。当該［２］に係る半導体受光素子によれば、感度の低下を抑制可能な構造を容易かつ確実に構成できる。

　本開示に係る半導体受光素子は、［３］「前記ドーピング領域は、前記第２半導体層から前記第１半導体層側に延在して前記第１半導体層の内部に至っている、上記［１］又は［２］に記載の半導体受光素子」であってもよい。当該［３］に係る半導体受光素子によれば、ドーピング領域のこのように構成してもよい。

　本開示に係る半導体受光素子は、［４］「表面には、凹部が形成されており、第１方向からみて凹部の底面に重なる領域に受光部が形成されている、上記［１］～［３］のいずれかに記載の半導体受光素子」であってもよい。当該［４］に係る半導体受光素子によれば、凹部の底面に対応する領域が受光部とされる。これにより、受光部が接触から保護され、損傷を受けづらくなる。

　本開示に係る半導体受光素子は、［５］「ドーピング領域は、凹部の側面に露出している、上記［４］に記載の半導体受光素子」であってもよい。当該［５］に係る半導体受光素子によれば、ドーピング領域における凹部の側面に露出した部分と、当該部分に対向する部分との間隙に入射した光も信号として取り出すことが可能となる。この結果、感度の低下をより確実に抑制可能となる。また、この場合には、ドーピング領域が、凹部の側面から凹部の頂面（表面における凹部を規定する領域）にわたって形成された部分を含むこととなる。当該部分は、ドーピング領域における凹部の底面側に形成される部分と比較して、より厚く、不純物濃度が高い部分を表面側に有する。したがって、当該部分で電極とのコンタクトを図ってコンタクト抵抗を低下させることが可能となる。

　本開示に係る半導体受光素子は、［６］「前記第２半導体層の前記表面側において前記第２半導体層に積層された前記第１導電型の第３半導体層を備える、上記［１］～［５］のいずれかに記載の半導体受光素子」であってもよい。当該［６］に係る半導体受光素子によれば、第２半導体層として、第１半導体層及び第３半導体層よりもバンドギャップエネルギーの大きい材料を用いることで、暗電流及び吸収を低減することにより、さらなる損失の低減を図ることが可能となる。

　本開示に係る半導体受光素子は、［７］「前記第３半導体層の前記表面側において前記第３半導体層に積層された前記第１導電型の第４半導体層を備える、上記［６］に記載の半導体受光素子」であってもよい。当該［７］に係る半導体受光素子によれば、第４半導体層が第３半導体層を保護する機能を有することから、第３半導体層の材料として、例えばアルミ等の比較的に酸化しやすい材料を含むものを選択することが可能となる等、第３半導体層の材料選択の自由度が向上する。

　本開示に係る半導体受光素子は、［８］「前記第１半導体層は、ＩｎＧａＡｓを含み、前記第２半導体層は、ＩｎＰ、又は、ＩｎＡｓＰを含む、上記［１］～［７］のいずれかに記載の半導体受光素子」であってもよい。

　本開示に係る半導体受光素子は、［９］「前記第１半導体層は、ＩｎＡｓＳｂ、又は、ＩｎＡｓを含み、前記第２半導体層は、ＡｌＩｎＡｓＳｂを含み、前記第３半導体層は、ＩｎＡｓＳｂ、又は、ＩｎＰＳｂを含む、上記［６］又は［７］に記載の半導体受光素子」であってもよい。

　本開示に係る半導体受光素子は、［１０］「前記第１半導体層は、ＩｎＧａＡｓを含み、前記第２半導体層は、ＩｎＰ、又は、ＩｎＡｓＰを含み、前記第３半導体層は、ＩｎＧａＡｓを含み、前記第４半導体層は、ＩｎＰ、又は、ＩｎＡｓＰを含む、上記［７］に記載の半導体受光素子」であってもよい。

　本開示によれば、感度の低下を抑制可能な半導体受光素子を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る半導体受光素子を示す模式図である。図２は、図１に示された半導体受光素子の動作を示す図である。図３は、半導体受光素子の製造方法の一工程を示す図である。図４は、半導体受光素子の製造方法の一工程を示す図である。図５は、半導体受光素子の製造方法の一工程を示す図である。図６は、変形例に係る半導体受光素子の概略断面図である。図７は、変形例に係る半導体受光素子の模式的な平面図である。図８は、変形例に係る半導体受光素子の模式的な平面図である。

　以下、一実施形態に係る半導体受光素子について、図面を参照しつつ説明する。各図の説明においては、互いに同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。また、各図には、Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸によって規定される直交座標系を図示する場合がある。

　図１は、本実施形態に係る半導体受光素子を示す模式図である。図１の（ａ）は平面図であり、図１の（ｂ）は、図１のIb－Ib線に沿った断面図である。図１に示されるように、半導体受光素子１は、第１半導体部１０と、第２半導体部２０と、電極４１，４２と、保護膜Ｆと、を備えている。半導体受光素子１は、表面１ａと表面１ａの反対側の裏面１ｂと、を有する。半導体受光素子１では、例えば表面１ａが光入射面とされる。第１半導体部１０は、裏面１ｂを含み、第２半導体部２０は、表面１ａを含む。すなわち、第２半導体部２０は、表面１ａ側において第１半導体部１０に積層されている。

　第１半導体部１０は、表面１ａに交差する第１方向（ここではＺ軸方向）に沿って積層された複数の半導体層を含む。複数の半導体層は、例えば、裏面１ｂ側から順に積層された基板（不図示）、バッファ層（不図示）、及び、光吸収層（第１半導体層）２１を含む。

　基板は、例えば、第１導電型（例えばｎ⁺型）のＩｎＰからなる。バッファ層は、例えば、第１導電型（例えばｎ⁺型又はｎ型）のＩｎＰからなる。一例として、バッファ層は、第１方向について０．５μｍ～２．０μｍ程度の厚さを有する。光吸収層２１は、例えば、第１導電型のＩｎＧａＡｓを含む（ＩｎＧａＡｓからなる）。一例として、光吸収層２１は、第１方向について１．５μｍ～５μｍ程度の厚さを有する。

　第２半導体部２０は、第１方向に沿って第１半導体部１０側から順に積層された第１キャップ層（第２半導体層）２２、半導体層（第３半導体層）２３、及び、第２キャップ層（第４半導体層）２４を含む。第１キャップ層２２は、光吸収層２１の表面１ａ側において光吸収層２１に積層されており、光吸収層２１との界面を有する。半導体層２３は、第１キャップ層２２の表面１ａ側において第１キャップ層２２に積層されており、第１キャップ層２２との界面を有する。第２キャップ層２４は、半導体層２３の表面１ａ側において半導体層２３に積層されており、半導体層２３との界面を有する。

　第１キャップ層２２は、光吸収層２１及び半導体層２３のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する。第１キャップ層２２は、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＩｎＰを含む（ＩｎＰからなる）。一例として、第１キャップ層２２は、第１方向について、０．１μｍ程度の厚さＴ２２を有する。第１方向における第１キャップ層２２の厚さＴ２２は、第１方向における光吸収層２１の厚さよりも薄い。半導体層２３は、例えば第１導電型（例えばｎ型）のＩｎＧａＡｓを含む（ＩｎＧａＡｓからなる）。一例として、半導体層２３は、第１方向について０．０５μｍ～０．３μｍ程度の厚さを有する。第２キャップ層２４は、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＩｎＰを含む（ＩｎＰからなる）。一例として、第２キャップ層２４は、第１方向について０．２μｍ～２．０μｍ程度の厚さを有する。

　ここで、表面１ａには、凹部５０が形成されている。一例として、表面１ａは、第１方向からみて円形状であり（すなわち、半導体受光素子１の外形が円形状であり）、凹部５０は、第１方向からみて表面１ａと同心の円形状である。凹部５０は、底面５０ｉと、底面５０ｉと表面１ａとを接続する側面５０ｓと、を含む。凹部５０は、第２キャップ層２４及び半導体層２３を貫通している。したがって、凹部５０の底面５０ｉには、第１キャップ層２２が露出している（すなわち、第１キャップ層２２の表面が底面５０ｉを構成している）。

　換言すれば、第１半導体部１０及び第２半導体部２０は、第１方向からみて凹部５０の底面５０ｉに重なる第１領域Ａと、第１領域Ａの外側の第２領域Ｂと、を含み、半導体層２３及び第２キャップ層２４は凹部５０の外側の第２領域Ｂのみに形成されている。半導体受光素子１では、主に、第１方向からみて凹部５０の底面５０ｉに重なる第１領域Ａが相対的に薄く構成され、光の入射を受けて電気信号を生成する受光部５５とされている。

　保護膜Ｆは、表面１ａ、凹部５０の側面５０ｓ、及び、凹部５０の底面５０ｉを覆うように設けられている。保護膜Ｆは、反射防止膜としての機能を有してもよい。保護膜Ｆには、第２領域Ｂ上において貫通孔Ｆｈが形成されており、この貫通孔Ｆｈから第２キャップ層２４が露出されている。電極４１は、裏面１ｂ上に形成されて第１半導体部１０（例えば基板）に接触されている。電極４２は、保護膜Ｆ上に形成され、貫通孔Ｆｈを介して第２キャップ層２４に接触されている。

　半導体受光素子１は、ドーピング領域３０を備えている。ドーピング領域３０は、第２半導体部２０及び第１半導体部１０に不純物（例えばＺｎ）をドーピングすることにより、第２導電型（例えばｐ型）の領域とされている。ドーピング領域３０は、例えば、表面１ａ側から不純物を熱拡散によりドーピングすることで形成される拡散領域とされ得る。或いは、ドーピング領域３０は、イオン注入法によって不純物がドーピングされて形成されてもよい。ドーピング領域３０は、表面１ａから第１キャップ層２２側に延在して少なくとも第１キャップ層２２の内部に至るように形成されている。ここでは、ドーピング領域３０は、第１キャップ層２２から光吸収層２１側に延在して光吸収層２１の内部に至っている。

　より具体的には、ドーピング領域３０は、第１領域Ａでは、第１キャップ層２２及び光吸収層２１の第１キャップ層２２側の一部に形成され、第２領域Ｂでは、第２キャップ層２４、半導体層２３、第１キャップ層２２、及び、光吸収層２１の第１キャップ層２２側の一部に形成されている。保護膜Ｆの貫通孔Ｆｈはドーピング領域３０上に形成されており、電極４２は、第２キャップ層２４においてドーピング領域３０に接触している（ドーピング領域３０に電気的に接続されている）。

　ドーピング領域３０は、第１方向からみて互いに対向する複数の部分３１を含む。互いに対向する部分３１の間には、間隙３０ｇが介在されている。間隙３０ｇの幅Ｇ３０は、第１キャップ層２２の厚さＴ２２よりも大きい。複数の部分３１は、互いに同一方向に延在する一群（少なくとも一対）の第１延在部３１ａと、第１延在部３１ａとは異なる方向において同一方向に延在する別の一群（少なくとも一対）の第２延在部３１ｂと、を含む。ここでは、第１延在部３１ａはＸ軸方向に沿って延在しており、第２延在部３１ｂはＹ軸方向に沿って延在している。

　間隙３０ｇは、互いに隣り合う第１延在部３１ａの間の間隙、及び、互いに隣り合う第２延在部３１ｂの間の間隙である。なお、ここでは、第１延在部３１ａの間の間隙の幅と、第２延在部３１ｂの間の間隙の幅とは、略同一であるが、それらが互いに異なる場合には、それらのうちの小さい方を幅Ｇ３０として第１キャップ層２２の厚さＴ２２よりも大きくされ得る。また、幅Ｇ３０が第１延在部３１ａ又は第２延在部３１ｂの延在方向に沿って変化する場合には、その最小値又は平均値が厚さＴ２２よりも大きくされ得る。

　第１延在部３１ａと第２延在部３１ｂとは、互いに交差することにより格子状に配列されている。第１延在部３１ａ及び第２延在部３１ｂは、それぞれの延在方向の両端部においてドーピング領域３０の外縁部３２に接続されて一体化されている。ここでは、電極４２が外縁部３２に接触して設けられることにより、第１延在部３１ａ及び第２延在部３１ｂのそれぞれも電極４２に電気的に接続されている。

　外縁部３２は、第１領域Ａと第２領域Ｂとの境界を跨いで形成されている。すなわち、外縁部３２は、凹部５０の外側に位置する相対的に厚い部分と、凹部５０の内側に位置する相対的に薄い部分と、を含む。これにより、外縁部３２は、凹部５０の側面５０ｓに露出される（側面５０ｓを構成している）。すなわち、ドーピング領域３０は、凹部５０の側面５０ｓに露出している。

　このように、半導体受光素子１では、ドーピング領域３０が、第１方向からみて間隙３０ｇを介して互いに対向する第２導電型の複数の部分３１を含むことにより、複数の部分３１のそれぞれと、当該複数の部分３１のそれぞれに隣接する第１導電型の半導体領域（主に光吸収層２１及び第１キャップ層２２）との間にＰＤ（Photo　Diode）が形成される。したがって、半導体受光素子１では、複数の部分３１のそれぞれに対して、第１方向にＰＤが形成されると共に、第１方向に交差する面内にも複数のＰＤが形成されて分散配置されている。

　以上のような半導体受光素子１では、図２に示されるように、電極４１及び電極４２に電圧が印加されると、第１半導体部１０及び第２半導体部２０内に電界ＥＦが形成される。その状態において、ある光Ｌ１がドーピング領域３０の１つの部分３１に入射して吸収された場合、ドーピング領域３０には電界が掛かっていないため、当該光Ｌ１を信号として取り出すことはできない。一方、別の光Ｌ２がドーピング領域３０で吸収されずに光吸収層２１で吸収される場合、電界が掛かっているため信号として取り出される。

　さらに、別の光Ｌ３がドーピング領域３０の部分３１の間（例えば間隙３０ｇ）に入射した場合であって、第１キャップ層２２で吸収された場合には、当該部分３１と第１キャップ層２２とによって第１方向に交差する面内に形成されたＰＤにおいて吸収されて信号として取り出される。また、当該光Ｌ３がドーピング領域３０の部分３１の間に入射した場合であって、光吸収層２１で吸収された場合には、当該部分３１と光吸収層２１とによって第１方向に形成されたＰＤにおいて吸収されて信号として取り出される。このように、半導体受光素子１では、従来、信号として取り出されなかった第１キャップ層２２で吸収される光をも信号として取り出すことが可能となる。

　引き続いて、半導体受光素子１の製造方法について説明する。図３～５は、半導体受光素子の製造方法の一工程を示す図である。この製造方法では、図３の（ａ）に示されるように、まず、第１半導体部１０及び第２半導体部２０にドーピング領域３０を形成する。ドーピング領域３０を熱拡散により形成する場合には、まず、第２半導体部２０の表面１ａに、ドーピング領域３０のパターンに対応する開口を有する第１マスクを形成した後に不純物のドーピングを行うことにより、第１半導体部１０及び第２半導体部２０にドーピング領域３０を形成する。その後、第１マスクを除去する。

　続いて、図３の（ｂ）に示されるように、表面１ａにエッチングのための第２マスクＭを形成する。続いて、図４の（ａ）に示されるように、第２マスクＭを用いたエッチングにより、表面１ａに凹部５０を形成する。より具体的には、まず、第２マスクＭを用いて、第２キャップ層２４を選択的にエッチングして除去する。続いて、第２マスクＭを用いて、半導体層２３を選択的にエッチングして除去する。

　これにより、第２マスクＭから露出した領域において第１キャップ層２２が露出するように凹部５０が形成され、ドーピング領域３０の相対的に薄い部分３１が形成される。また、第２マスクＭにより覆われた領域において、半導体層２３、第２キャップ層２４、及び、ドーピング領域３０の相対的に厚い外縁部３２の一部が残存させられる。このように、半導体層２３は、光吸収層２１上のキャップ層として、凹部５０において薄い第１キャップ層２２のみを残存させるように選択的なエッチングを可能とする。その後、図４の（ｂ）に示されるように、第２マスクＭを除去する。

　続いて、図５の（ａ）に示されるように、表面１ａ、凹部５０の側面５０ｓ、及び、凹部５０の底面５０ｉを覆うように保護膜Ｆを形成する。その後、図５の（ｂ）に示されるように、保護膜Ｆに貫通孔Ｆｈを形成し、当該貫通孔Ｆｈを介してドーピング領域３０に接触するように電極４２を設ける。これと共に、裏面１ｂに電極４１を設ける。これにより、半導体受光素子１が得られる。

　以上説明したように、半導体受光素子１では、第１導電型の光吸収層２１に、バンドギャップエネルギーの大きな第１導電型の第１キャップ層２２が積層されており、光入射を受ける表面１ａから第１キャップ層２２側に第２導電型のドーピング領域３０が形成されている。そして、ドーピング領域３０は、表面１ａに交差する第１方向からみて、間隙３０ｇを介して対向する複数の部分３１を含む。このため、ドーピング領域３０の間隙３０ｇに入射した光について、ドーピング領域３０での吸収を経ることなく信号として取り出すことが可能となる。よって、感度の低下が抑制される。特に、本発明者の知見によれば、当該間隙３０ｇの幅が、第１キャップ層２２の厚さＴ２２よりも大きいと、感度の低下をより抑制可能である。

　また、半導体受光素子１では、ドーピング領域３０の複数の部分３１は、第１方向からみて同一方向に延在する少なくとも一対の第１延在部３１ａ（及び第２延在部３１ｂ（以下同様））を含み、間隙３０ｇの幅は、当該一対の第１延在部３１ａの間の間隔である。これにより、感度の低下を抑制可能な構造を容易かつ確実に構成できる。

　また、半導体受光素子１では、ドーピング領域３０は、第１キャップ層２２から光吸収層２１側に延在して光吸収層２１の内部に至っている。半導体受光素子１では、ドーピング領域３０のこのように構成してもよい。

　また、半導体受光素子１では、表面に１ａは、凹部５０が形成されており、第１方向からみて凹部５０の底面５０ｉに重なる領域に受光部５５が形成されている。これにより、受光部５５が接触から保護され、損傷を受けづらくなる。

　また、半導体受光素子１では、ドーピング領域３０は、凹部５０の側面５０ｓに露出しているこのため、ドーピング領域３０における凹部５０の側面５０ｓに露出した部分（ここでは外縁部３２）と、当該部分に対向する部分３１との間隙に入射した光も信号として取り出すことが可能となる。この結果、感度の低下をより確実に抑制可能となる。また、ドーピング領域３０が、凹部５０の側面５０ｓから凹部５０の頂面（表面１ａにおける凹部５０を規定する領域）にわたって形成された部分（外縁部３２における上記の相対的に厚い部分）を含むこととなる。当該部分は、ドーピング領域３０における凹部５０の底面５０ｉ側に形成される部分３１と比較して、より厚く、不純物濃度が高い部分を表面１ａ側に有する。したがって、当該部分で電極４２とのコンタクトをとることによりコンタクト抵抗を低下させることが可能となる。

　また、半導体受光素子１は、第１キャップ層２２の表面１ａ側において第１キャップ層２２に積層された第１導電型の半導体層２３を備える。このため、第１キャップ層２２として、光吸収層２１及び半導体層２３よりもバンドギャップエネルギーの大きい材料を用いることで、暗電流及び吸収を低減することにより、さらなる損失の低減を図ることが可能となる。

　また、半導体受光素子１は、半導体層２３の表面１ａ側において半導体層２３に積層された第１導電型の第２キャップ層２４を備える。このため、第２キャップ層２４が半導体層２３を保護する機能を有することから、半導体層２３の材料として、例えばアルミ等の比較的に酸化しやすい材料を含むものを選択することが可能となる等、半導体層２３の材料選択の自由度が向上する。

　以上の実施形態は、本開示の一側面を説明したものである。したがって、本開示に係る半導体受光素子は、上述した半導体受光素子１を任意に変形したものとされ得る。引き続いて、変形例について説明する。
［第１変形例］

　図６の（ａ）は、第１変形例に係る半導体受光素子１Ａを示す概略断面図である。図６の（ａ）に示される半導体受光素子１Ａは、第２半導体部２０に代えて第２半導体部２０Ａを備える点で半導体受光素子１と相違している。第２半導体部２０Ａは、単一のキャップ層（第２半導体層）２５のみを備える点で第２半導体部２０と相違している。

　キャップ層２５は、光吸収層２１の表面１ａ側において光吸収層２１に積層されており、光吸収層２１との間に界面を有する。キャップ層２５は、第１導電型（例えばｎ型）のＩｎＰを含む（ＩｎＰからなる）。半導体受光素子１Ａにおいても、ドーピング領域３０は、表面１ａからキャップ層２５側に延在して少なくともキャップ層２５の内部に至るように形成されている。より具体的には、ドーピング領域３０は、キャップ層２５から光吸収層２１側に延在して光吸収層２１の内部に至っている。このように、半導体受光素子１Ａでは、光吸収層２１上に半導体層２３及び第２キャップ層２４を有していなくてもよい。このような半導体受光素子１Ａによっても、半導体受光素子１と同様の効果を奏すると共に、光吸収層２１上の半導体積層構造が簡素化される。また、半導体受光素子１Ａによれば、時間制御などでエッチングを行うことによって、選択エッチングが難しい材料においてもエッチングが可能となり、材料を問わずに薄膜化が可能となる。なお、この場合、間隙３０ｇの幅Ｇ３０は、キャップ層２５のうち、凹部５０内に位置する相対的に薄い部分の厚さよりも大きくされ得る。
［第２変形例］

　図６の（ｂ）は、第２変形例に係る半導体受光素子１Ｂを示す概略断面図である。図６の（ｂ）に示される半導体受光素子１Ｂは、第２半導体部２０に代えて第２半導体部２０Ｂを備える点、及び、各層の材料において半導体受光素子１と相違している。第２半導体部２０Ｂは、第１キャップ層２２に代えて単一のキャップ層（第２半導体層）２６を有する点、及び、半導体層２３に代えて半導体層（第３半導体層）２７を有する点において、第２半導体部２０と相違している。

　半導体受光素子１Ｂでは、第１半導体部１０の材料が、ＩｎＡｓＳｂを含む。より具体的には、半導体受光素子１Ｂでは、少なくとも光吸収層２１が、第１導電型（例えばｎ型及びｎ⁺型）のＩｎＡｓＳｂを含む（ＩｎＡｓＳｂからなる）。キャップ層２６は、表面１ａ側において光吸収層２１に積層されており、光吸収層２１との間に界面を有する。キャップ層２６は、第１導電型（例えばｎ型）のＡｌＩｎＡｓＳｂを含む（ＡｌＩｎＡｓＳｂからなる）。また、半導体層２７は、第１導電型（例えばｎ型）のＩｎＡｓＳｂを含む（ＩｎＡｓＳｂからなる）。

　半導体受光素子１Ｂにおいても、ドーピング領域３０は、表面１ａからキャップ層２６側に延在して少なくともキャップ層２６の内部に至るように形成されている。より具体的には、ドーピング領域３０は、キャップ層２６から光吸収層２１側に延在して光吸収層２１の内部に至っている。このように、半導体受光素子１Ｂでは、光吸収層２１上に第２キャップ層２４を有していなくてもよい。この場合、半導体受光素子１と同様の効果を奏すると共に、光吸収層２１上の半導体積層構造が簡素化される。このような半導体受光素子１Ｂによっても、半導体受光素子１と同様の効果を奏すると共に、光吸収層２１上の半導体積層構造が簡素化される。また、半導体受光素子１Ｂによれば、選択エッチング可能な材料かつバンドギャップが広い材料がある場合に関してはキャップ層自体を無くすことが可能となる。これにより、受光部での損失を減らすことが可能となり、キャップ層のコンタクト部はバンドギャップを狭い材料を用いることでコンタクト抵抗を下げることが可能となる。
［第３変形例］

　図７の（ａ）は、第３変形例に係る半導体受光素子１Ｃを示す模試的な平面図である。図７の（ａ）に示される半導体受光素子１Ｃは、第１方向からみたときのドーピング領域３０の形状において、半導体受光素子１と相違している。

　半導体受光素子１Ｃでは、ドーピング領域３０の複数の部分３１は、第１方向からみて円環状に延在する第３延在部３１ｃを含む。第３延在部３１ｃは、第１方向からみて、外縁部３２と同心の円環状を呈している。したがって、ここでは、第３延在部３１ｃと外縁部３２とが、同一方向（周方向）に沿って延在する一対の延在部を構成している。したがって、間隙３０ｇは、第３延在部３１ｃと外縁部３２の間に形成され、少なくともこの間隙３０ｇの幅Ｇ３０（径方向の寸法）が第１キャップ層２２の厚さＴ２２よりも大きくされている。

　また、半導体受光素子１Ｃでは、ドーピング領域３０の複数の部分３１は、第１方向に交差する一の方向（ここではＸ軸方向）に沿って延在する第４延在部３１ｄと、第１方向に交差する別の方向（ここではＹ軸方向）に沿って延在する第５延在部３１ｅと、を含む。第４延在部３１ｄと第５延在部３１ｅとは、互いに交差している。第４延在部３１ｄと第５延在部３１ｅとの交差点は、ここでは、第３延在部３１ｃ及び外縁部３２の中心に略一致している。第４延在部３１ｄ及び第５延在部３１ｅは、それぞれの延在方向の両端部において外縁部３２に接続されている。また、第３延在部３１ｃは、第４延在部３１ｄ及び第５延在部３１ｅに接続されることにより、それらを介して外縁部３２に接続されている。

　第４延在部３１ｄと第５延在部３１ｅとの間の間隙、すなわち、第４延在部３１ｄと第５延在部３１ｅと第３延在部３１ｃとによって囲われる領域の幅は、第１方向に交差する面内の各位置において異なるが、一例として、その平均値が厚さＴ２２よりも大きくされてもよい。このような半導体受光素子１Ｃによっても、半導体受光素子１と同様の効果を奏することが可能である。また、半導体受光素子１Ｃによれば、円形状おいても容易にギャップ（間隙３０ｇ）を有する設計が可能となり、また、組み合わせによってドーピング領域３０とギャップの関係を最大になるような設計も可能となる。
［第４変形例］

　図７の（ｂ）は、第４変形例に係る半導体受光素子１Ｄを示す模式的な平面図である。図７の（ｂ）に示される半導体受光素子１Ｄは、第１方向からみて矩形状の外形を有する点、及び、第１方向からみたときのドーピング領域３０の形状において、半導体受光素子１と相違している。

　半導体受光素子１Ｄでは、ドーピング領域３０の複数の部分３１は、第１方向に交差する一の方向（ここではＹ軸方向）に沿って延びる一対の第６延在部３１ｆを含む。第６延在部３１ｆは、互いに同一の方向に沿って延在している。したがって、間隙３０ｇは、第６延在部３１ｆの間に形成され、少なくともこの間隙３０ｇの幅Ｇ３０が、第１キャップ層２２の厚さＴ２２よりも大きくされている。なお、半導体受光素子１Ｄでは、一対の外縁部３２も、第６延在部３１ｆと同一の方向に沿って延在している。したがって、一の外縁部３２と当該一の外縁部３２に隣接する第６延在部３１ｆとの間の間隙が、間隙３０ｇとして厚さＴ２２よりも大きくされてもよい。

　また、半導体受光素子１Ｄでは、ドーピング領域３０は、別の方向（ここではＸ軸方向）に沿って延びる単一の第７延在部３１ｈを含んでいる。第７延在部３１ｈは、その延在方向の両端において外縁部３２に接続されている。第６延在部３１ｆは、第７延在部３１ｈに接続されることにより、第７延在部３１ｈを介して外縁部３２に接続されている。このような半導体受光素子１Ｄによっても、半導体受光素子１と同様の効果を奏することが可能である。また、半導体受光素子１Ｄでは、図８に示されるように、アレイ状に複数配列して設けることが容易である。

　図８に示されるように、複数の半導体受光素子１Ｄがアレイ状に配列された構造を形成する場合には、一例として、半導体受光素子１Ｄのそれぞれに対応する位置において図３に示されるようにドーピング領域３０を形成した後であって、図４に示されるように凹部５０を形成する際に、複数の半導体受光素子１Ｄにわたって一体的にエッチングを行うことができる（すなわち、隣り合う半導体受光素子１Ｄの間に第２マスクＭを配置しなくてもよい）。この場合、隣り合う半導体受光素子１Ｄの間で、互いに対向する凹部５０が一体的に形成される。なお、図８では、保護膜Ｆの図示を省略し、凹部５０の底面５０ｉ（第１キャップ層２２の表面）を図示している。

　一方、凹部５０を形成するためのエッチングの際に、隣り合う半導体受光素子１Ｄの間に第２マスクＭを設けることによって、複数の半導体受光素子１Ｄの間で個別に凹部５０を形成してもよい。この場合、隣り合う半導体受光素子１Ｄの間において、互いに対向する凹部５０は、互いの間にエッチングされずに残存した表面１ａ（第２半導体部２０の相対的に厚い部分）が介在し、互いに離間することとなる。
［他の変形例］

　以上、実施形態及び複数の変形例について説明したが、本開示に係る半導体受光素子は、上述した半導体受光素子１～１Ｄに限定されず、さらなる変形が適用され得る。例えば、上記実施形態及び変形例では、光吸収層２１の材料としては、ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＡｓＳｂに限らず、他にも、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ等、Ｉｎ、Ｐ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｇａを含む各種の半導体が用いられ得る。

　また、第１キャップ層２２、第２キャップ層２４、及び、キャップ層２５，２６の材料としては、ＩｎＰ及びＡｌＩｎＡｓＳｂに限らず、他にも、ＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌｌｎＡｓＰ、ＩｎＰＳｂ、ＧａＮ等、Ｉｎ、Ｐ、Ａｌ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｇを含む各種の半導体が用いられ得る。

　また、上記実施形態では、ドーピング領域３０が、光吸収層２１の内部に至る場合について説明したが、ドーピング領域３０は、光吸収層２１の内部に至っていなくてもよい。

　また、第３変形例に係る半導体受光素子１Ｃでは、ドーピング領域３０が、互いに径の異なる（同心の）複数の第３延在部３１ｃを含むと共に、それらの間に厚さＴ２２よりも大きな間隙３０ｇが規定されてもよい。さらに、半導体受光素子１Ｃでは、円環状の第３延在部３１ｃ及び外縁部３２を複数の円弧状の部分に分割するように、ドーピングされていない領域（換言すればドーピング領域３０以外の領域（以下同様））が設けられていてもよい。この場合、一例として、第４延在部３１ｄ上に延びる１つのドーピングされていない直線状の領域と、第５延在部３１ｅ上に延びる別の１つのドーピングされていない直線状の領域と、を設けることにより、第３延在部３１ｃ及び外縁部３２を４つの円弧状の部分に等分割してもよい。

　また、第４変形例に係る半導体受光素子１Ｄでは、ドーピング領域３０が、３つ以上の第６延在部３１ｆを含んでもよいし、第６延在部３１ｆの数が１つであってもよい。第６延在部３１ｆの数が１つの場合、当該第６延在部３１ｆと外縁部３２との間に間隙３０ｇが形成され、その幅が厚さＴ２２よりも大きくされればよい。また、半導体受光素子１Ｄでは、ドーピング領域３０が第６延在部３１ｆを含まなくてもよい。この場合、一対の外縁部３２の間の間隙を間隙３０ｇとして、その幅が厚さＴ２２よりも大きくされればよい。さらには、半導体受光素子１Ｄでは、ドーピング領域３０が２つ以上の第７延在部３１ｈを含んでもよい。なお、半導体受光素子１Ｄでは、外縁部３２が１つのみであってもよい。

　そして、半導体受光素子１Ｄでは、以上の変形を含む種々の変形を任意に組み合わせて適用可能であり、その際には、第６延在部３１ｆ及び第７延在部３１ｈの位置等についても任意に設定され得る。例えば、半導体受光素子１Ｄのドーピング領域３０が、第６延在部３１ｆを含まない場合であって、２つの第７延在部３１ｈを含む場合には、当該２つの第７延在部３１ｈのそれぞれを、外縁部３２の延在方向（ここではＹ軸方向）の端部同士を接続するように配置し、全体として、第１方向からみて矩形環状のドーピング領域３０を構成するようにしてもよい。或いは、第６延在部３１ｆを含まない場合であって、１つの第７延在部３１ｈを含む場合には、当該１つの第７延在部３１ｈを、外縁部３２の延在方向の中心同士を接続するように配置し、全体として、第１方向からみてＨ形状のドーピング領域３０を構成するようにしてもよい。

　さらに、半導体受光素子１～１Ｄの各構成については、一部を交換して採用することが可能である。例えば、半導体受光素子１Ｃ，１Ｄのドーピング領域３０のパターンを、半導体受光素子１Ａや半導体受光素子１Ｂのドーピング領域３０として採用してもよい。

　１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…半導体受光素子、１ａ…表面、２１…光吸収層（第１半導体層）、２２…第１キャップ層（第２半導体層）、２３，２７…半導体層（第３半導体層）、２４…第２キャップ層（第４半導体層）、２５，２６…キャップ層（第２半導体層）、３０…ドーピング領域、３０ｇ…間隙、３１…部分、３１ａ…第１延在部（延在部）、３１ｂ…第２延在部（延在部）、３１ｃ…第３延在部（延在部）、３１ｆ…第６延在部（延在部）、５０…凹部、５０ｉ…底面、５０ｓ…側面、５５…受光部。

Claims

　光の入射を受ける表面と、
　第１導電型の第１半導体層と、
　前記第１半導体層の前記表面側において前記第１半導体層に積層され、前記第１半導体層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する前記第１導電型の第２半導体層と、
　前記表面から前記第２半導体層側に延在して少なくとも前記第２半導体層の内部に至るように形成され、前記第１導電型と異なる第２導電型を有するドーピング領域と、
　を備え、
　前記表面に交差する第１方向における前記第２半導体層の厚さは、前記第１方向における第１半導体層の厚さよりも薄く、
　前記ドーピング領域は、前記第１方向からみて、間隙を介して対向する複数の部分を含み、
　前記間隙の幅は、前記第１方向における前記第２半導体層の厚さよりも大きい、
　半導体受光素子。
　前記ドーピング領域の前記複数の部分は、前記第１方向からみて同一方向に延在する少なくとも一対の延在部を含み、
　前記間隙の幅は、前記一対の延在部の間の間隔である、
　請求項１に記載の半導体受光素子。
　前記ドーピング領域は、前記第２半導体層から前記第１半導体層側に延在して前記第１半導体層の内部に至っている、
　請求項１に記載の半導体受光素子。
　前記表面には、凹部が形成されており、
　前記第１方向からみて前記凹部の底面に重なる領域に受光部が形成されている、
　請求項１に記載の半導体受光素子。
　前記ドーピング領域は、前記凹部の側面に露出している、
　請求項４に記載の半導体受光素子。
　前記第２半導体層の前記表面側において前記第２半導体層に積層された前記第１導電型の第３半導体層を備える、
　請求項１に記載の半導体受光素子。
　前記第３半導体層の前記表面側において前記第３半導体層に積層された前記第１導電型の第４半導体層を備える、
　請求項６に記載の半導体受光素子。
　前記第１半導体層は、ＩｎＧａＡｓを含み、
　前記第２半導体層は、ＩｎＰ、又は、ＩｎＡｓＰを含む、
　請求項１に記載の半導体受光素子。
　前記第１半導体層は、ＩｎＡｓＳｂ、又は、ＩｎＡｓを含み、
　前記第２半導体層は、ＡｌＩｎＡｓＳｂを含み、
　前記第３半導体層は、ＩｎＡｓＳｂ、又は、ＩｎＰＳｂを含む、
　請求項６に記載の半導体受光素子。
　前記第１半導体層は、ＩｎＧａＡｓを含み、
　前記第２半導体層は、ＩｎＰ、又は、ＩｎＡｓＰを含み、
　前記第３半導体層は、ＩｎＧａＡｓを含み、
　前記第４半導体層は、ＩｎＰ、又は、ＩｎＡｓＰを含む、
　請求項７に記載の半導体受光素子。