特開 2025-162851 受光素子およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025162851

(43)【公開日】2025-10-28

(54)【発明の名称】受光素子およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H10F 30/20 20250101AFI20251021BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20251021BHJP

   H01L 21/74 20060101ALI20251021BHJP

   H01L 21/76 20060101ALI20251021BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 A

H01L21/265 601J

H01L21/74

H01L21/265 Z

H01L21/76 N

H01L21/265 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024066314

(22)【出願日】2024-04-16

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２３年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、経済安全保障重要技術育成プログラム／高感度小型多波長赤外線センサ技術の開発／高感度小型多波長赤外線センサ開発およびフィールド実証委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004370

【氏名又は名称】弁理士法人片山特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】猪口 康博

(72)【発明者】

【氏名】稲田 博史

(72)【発明者】

【氏名】スンダララジャン バーラセカラン

【テーマコード（参考）】

5F032

5F149

【Ｆターム（参考）】

5F032AA28

5F032AA43

5F032AA44

5F032AA46

5F032BA01

5F032CA15

5F032DA60

5F149AA03

5F149AA04

5F149AB07

5F149AB17

5F149BA05

5F149BA30

5F149BB01

5F149BB03

5F149BB20

5F149CB04

5F149CB05

5F149CB06

5F149CB10

5F149CB15

5F149CB20

5F149DA21

5F149DA35

5F149EA04

5F149FA05

5F149GA06

5F149JA10

5F149LA01

5F149XB24

5F149XB37

5F149XB51

(57)【要約】

【課題】素子を外部から分離することが可能であり、かつリーク電流を低減することが可能な受光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】面内で互いに隣接する第１領域と第２領域とを有する受光素子であって、第１の導電型を有する第１半導体層と、受光層と、第２の導電型を有する第２半導体層と、を具備し、前記第２領域は前記第１領域の外に位置し、前記第１領域および前記第２領域において、前記第１半導体層、前記受光層、前記第２半導体層は順番に積層され、前記第２半導体層のうち前記第２領域に含まれる部分には、イオンが注入されている受光素子。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

面内で互いに隣接する第１領域と第２領域とを有する受光素子であって、
第１の導電型を有する第１半導体層と、
受光層と、
第２の導電型を有する第２半導体層と、を具備し、
前記第２領域は前記第１領域の外に位置し、
前記第１領域および前記第２領域において、前記第１半導体層、前記受光層、前記第２半導体層は順番に積層され、
前記第２半導体層のうち前記第２領域に含まれる部分には、イオンが注入されている受光素子。

【請求項2】

グリッド状に配置された複数の前記第１領域を有し、
前記第２領域は、互いに隣り合う２つの前記第１領域の間に設けられている請求項１に記載の受光素子。

【請求項3】

前記第２半導体層と前記受光層との間に設けられ、前記第１の導電型を有する第３半導体層を具備する請求項１または請求項２に記載の受光素子。

【請求項4】

前記第３半導体層と前記受光層との間に設けられ、前記第２の導電型を有する第４半導体層を具備し、
前記第４半導体層のうち前記第２領域に含まれる部分には、前記イオンが注入されている請求項３に記載の受光素子。

【請求項5】

前記第２半導体層のキャリア濃度は前記第４半導体層のキャリア濃度より高く、
前記第２半導体層のうち前記第２領域に含まれる部分に注入される前記イオンの濃度は、前記第４半導体層のうち前記第２領域に含まれる部分に注入される前記イオンの濃度より高い請求項４に記載の受光素子。

【請求項6】

前記第２半導体層のうち前記イオンが注入された部分の幅は、前記第４半導体層のうち前記イオンが注入された部分の幅よりも大きい請求項４に記載の受光素子。

【請求項7】

前記第３半導体層と前記受光層との間に設けられ、超格子構造を有する第５半導体層を具備する請求項３に記載の受光素子。

【請求項8】

前記受光層は多重量子井戸構造を有し、
前記第２領域における前記受光層の前記イオンの濃度は１×１０^１７ｃｍ^－３以下である請求項１または請求項２に記載の受光素子。

【請求項9】

面内で互いに隣接する第１領域と第２領域とを有する受光素子の製造方法であって、
前記第１領域および前記第２領域において、第１の導電型を有する第１半導体層に、受光層と、第２の導電型を有する第２半導体層とを順番に積層する工程と、
前記第２半導体層のうち前記第２領域に含まれる部分にイオンを注入する工程と、を有する受光素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は受光素子およびその製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を用いた受光素子が開発されている（特許文献１から特許文献４）。受光素子は、例えば近赤外域に感度を有し、通信、撮像装置、センサなどに用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－２１１１５５号公報

【特許文献2】特開２０１１－１０１０３２号公報

【特許文献3】特開２０１０－２３９１６６号公報

【特許文献4】特開２００６－２９５２１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

受光素子を外部から分離することが求められる。例えば複数の受光素子を１次元または２次元に並べたアレイセンサでは、複数の受光素子の間を分離することで、クロストークなどを低減することができる。受光素子をメサ形状とすることで、分離が可能である。しかし、メサの側面にリークパスが発生し、リーク電流が増加してしまう。そこで、素子を外部から分離することが可能であり、かつリーク電流を低減することが可能な受光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示に係る受光素子は、面内で互いに隣接する第１領域と第２領域とを有する受光素子であって、第１の導電型を有する第１半導体層と、受光層と、第２の導電型を有する第２半導体層と、を具備し、前記第２領域は前記第１領域の外に位置し、前記第１領域および前記第２領域において、前記第１半導体層、前記受光層、前記第２半導体層は順番に積層され、前記第２半導体層のうち前記第２領域に含まれる部分には、イオンが注入されている。

【発明の効果】

【0006】

本開示によれば、素子を外部から分離することが可能であり、かつリーク電流を低減することが可能な受光素子およびその製造方法を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は第１実施形態に係る受光素子を例示する断面図である。

【図2】図２はプロトンの濃度を例示する模式図である。

【図3】図３はプロトンの濃度を例示する模式図である。

【図4】図４は受光素子のバンド構造の計算結果を例示する模式図である。

【図5A】図５Ａは受光素子の製造方法を例示する断面図である。

【図5B】図５Ｂは受光素子の製造方法を例示する断面図である。

【図6A】図６Ａは受光素子の製造方法を例示する断面図である。

【図6B】図６Ｂは受光素子の製造方法を例示する断面図である。

【図7】図７は第２実施形態に係る受光素子を例示する平面図である。

【図8】図８は受光素子を例示する断面図である。

【図9】図９は光検出装置を例示する断面図である。

【図10】図１０は受光素子の製造方法を例示する断面図である。

【図11】図１１は受光素子の製造方法を例示する断面図である。

【図12】図１２は受光素子の製造方法を例示する断面図である。

【図13】図１３は受光素子の製造方法を例示する断面図である。

【図14】図１４は受光素子の製造方法を例示する断面図である。

【図15】図１５は受光素子の製造方法を例示する断面図である。

【図16】図１６は受光素子の製造方法を例示する断面図である。

【図17】図１７は第３実施形態に係る受光素子を例示する断面図である。

【図18】図１８は受光素子のバンド構造の計算結果を例示する模式図である。

【図19A】図１９Ａは受光素子の製造方法を例示する断面図である。

【図19B】図１９Ｂは受光素子の製造方法を例示する断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。

【0009】

本開示の一形態は、（１）面内で互いに隣接する第１領域と第２領域とを有する受光素子であって、第１の導電型を有する第１半導体層と、受光層と、第２の導電型を有する第２半導体層と、を具備し、前記第２領域は前記第１領域の外に位置し、前記第１領域および前記第２領域において、前記第１半導体層、前記受光層、前記第２半導体層は順番に積層され、前記第２半導体層のうち前記第２領域に含まれる部分には、イオンが注入されている受光素子である。イオンの注入により、第２半導体層のうち第２領域に含まれる部分において、キャリアが補償される。第２領域によって第１領域を外から分離することができる。第２領域が第１領域の外に位置しているため、第１領域のｐｎ接合は露出しない。リークパスが形成されにくく、リーク電流を低減することができる。
（２）上記（１）において、グリッド状に配置された複数の前記第１領域を有し、前記第２領域は、互いに隣り合う２つの前記第１領域の間に設けられてもよい。アレイ型の素子において、複数の第１領域の間を分離することができる。リーク電流を低減することができる。
（３）上記（１）または（２）において、前記第２半導体層と前記受光層との間に設けられ、前記第１の導電型を有する第３半導体層を具備してもよい。第１領域において、第２半導体層と第３半導体層とでｐｎ接合が形成される。第２領域が第１領域の外に位置しているため、第１領域のｐｎ接合は露出しない。リークパスが形成されにくく、リーク電流を低減することができる。
（４）上記（３）において、前記第３半導体層と前記受光層との間に設けられ、前記第２の導電型を有する第４半導体層を具備し、前記第４半導体層のうち前記第２領域に含まれる部分には、前記イオンが注入されてもよい。第４半導体層のうち第２領域に含まれる部分において、キャリアが補償される。第２領域によって第１領域を外から分離することができる。第１領域のｐｎ接合は露出しない。リークパスが形成されにくく、リーク電流を低減することができる。第４半導体層が設けられていることで、受光素子の感度が向上する。
（５）上記（４）において、前記第２半導体層のキャリア濃度は前記第４半導体層のキャリア濃度より高く、前記第２半導体層のうち前記第２領域に含まれる部分に注入される前記イオンの濃度は、前記第４半導体層のうち前記第２領域に含まれる部分に注入される前記イオンの濃度より高くてもよい。イオンの注入により、第２半導体層の第２領域に含まれる部分においてキャリアが補償される。第４半導体層の第２領域に含まれる部分においてキャリアが補償される。
（６）上記（４）または（５）において、前記第２半導体層のうち前記イオンが注入された部分の幅は、前記第４半導体層のうち前記イオンが注入された部分の幅よりも大きくてもよい。空乏層が第２領域に達しにくい。暗電流を低減することができる。
（７）上記（３）において、前記第３半導体層と前記受光層との間に設けられ、超格子構造を有する第５半導体層を具備してもよい。イオンを第２半導体層に注入すればよい。イオン注入の工程が１回でよいため、工程が簡略化される。第５半導体層が設けられていることで、受光素子の感度が向上する。
（８）上記（１）から（７）のいずれかにおいて、前記受光層は多重量子井戸構造を有し、前記第２領域における前記受光層の前記イオンの濃度は１×１０^１７ｃｍ^－３以下でもよい。受光層の多重量子井戸構造が破壊されにくい。
（９）面内で互いに隣接する第１領域と第２領域とを有する受光素子の製造方法であって、前記第１領域および前記第２領域において、第１の導電型を有する第１半導体層に、受光層と、第２の導電型を有する第２半導体層とを順番に積層する工程と、前記第２半導体層のうち前記第２領域に含まれる部分にイオンを注入する工程と、を有する受光素子の製造方法である。イオンの注入により、第２半導体層のうち第２領域に含まれる部分において、キャリアが補償される。第２領域によって第１領域を外から分離することができる。第２領域が第１領域の外に位置しているため、第１領域のｐｎ接合は露出しない。リークパスが形成されにくく、リーク電流を低減することができる。

【0010】

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る受光素子およびそ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、本開示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およ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。

【0011】

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態に係る受光素子１００を例示する断面図である。受光素子１００は光を吸収し、電気信号を出力する。受光素子１００は、例えば波長が０．８μｍから２．５μｍまでの近赤外域に感度を有する。受光素子１００は、上面入射型の素子であり、図１における上方向から入射する光を検知する。受光素子１００は、メサを有しておらず、例えば平面状である。Ｚ軸は、受光素子１００の半導体層が積層される方向を表す。ＸＹ平面は、半導体層の主面に平行である。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向は互いに直交する。

【0012】

図１に示すように、受光素子１００は基板２０、バッファ層２２、受光層２４、半導体層２６（第４半導体層）、半導体層２８（第３半導体層）、およびコンタクト層３０（第２半導体層）を有する。基板２０の上に、バッファ層２２、受光層２４、半導体層２６、半導体層２８、およびコンタクト層３０が、この順番で積層されている。基板２０とバッファ層２２とは第１半導体層に対応する。図１の例ではｎ型が第１の導電型に対応する。ｐ型が第２の導電型に対応する。

【0013】

受光素子１００は領域１０（第１領域）と領域１２（第２領域）とを有する。図１において、領域１２には交差した斜線が付されている。ＸＹ平面内において、領域１０は受光素子１００の中央に位置する。領域１０の平面形状は例えば円形である。ＸＹ平面内で、領域１２は領域１０に隣接し、領域１０を囲み、受光素子１００の端部に位置する。領域１０は素子として機能する部分である。領域１２は素子を外から分離する機能を有する。

【0014】

コンタクト層３０の受光層２４とは反対の面に、絶縁膜３２が設けられている。絶縁膜３２はコンタクト層３０の上面を覆い、かつ開口部を有する。電極３６は絶縁膜３２の開口部に設けられ、コンタクト層３０の上面に接触する。領域１０に光が入射されるように、領域１０の中央に電極３６は設けられていない。電極３６の一部は領域１０の上に位置し、別の一部は領域１２の上に位置する。基板２０の下面に電極３４が設けられている。

【0015】

基板２０は例えばｎ＋型インジウムリン（（ｎ＋）－ＩｎＰ）で形成されている。基板２０の厚さは例えば６５０μｍである。基板２０のバンドギャップエネルギーは例えば１．３５ｅＶである。基板２０には例えば硫黄（Ｓ）がドープされている。基板２０のキャリア濃度は例えば２×１０^１８ｃｍ^－３である。バッファ層２２は例えばｎ－型アルミニウムインジウム砒素（（ｎ－）－ＡｌＩｎＡｓ）で形成されている。バッファ層２２の厚さは例えば２０００ｎｍである。バッファ層２２のバンドギャップエネルギーは例えば１．５１ｅＶである。バッファ層２２には例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。バッファ層２２のキャリア濃度は基板２０のキャリア濃度より低く、例えば２×１０^１５ｃｍ^－３である。

【0016】

受光層２４は多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を有し、複数のインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）層と複数のガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）層とを有する。ＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓＳｂ層とはノンドープの半導体層であり、交互に積層されている。ＩｎＧａＡｓ層の層数およびＧａＡｓＳｂ層の層数は、それぞれ例えば２５０層である。ＩｎＧａＡｓ層の厚さおよびＧａＡｓＳｂ層の厚さは、例えば５ｎｍである。

【0017】

半導体層２６は、例えばｐ－型インジウムガリウム砒素（（ｐ－）－ＩｎＧａＡｓ）で形成されている。半導体層２６の厚さは例えば１００ｎｍである。半導体層２６には例えばベリリウム（Ｂｅ）がドープされている。キャリア濃度は例えば２×１０^１６ｃｍ^－３である。半導体層２８は、例えばｎ－型ＩｎＧａＡｓ（（ｎ－）－ＩｎＧａＡｓ）で形成されている。半導体層２８の厚さは例えば７００ｎｍである。半導体層２８はノンドープである。キャリア濃度は例えば１×１０^１５ｃｍ^－３である。コンタクト層３０は、例えばｐ＋型ＩｎＧａＡｓ（（ｐ＋）－ＩｎＧａＡｓ）で形成されている。コンタクト層３０の厚さは例えば２００ｎｍである。コンタクト層３０には例えばＢｅがドープされている。キャリア濃度は例えば１×１０^１９ｃｍ^－３である。半導体層２６、半導体層２８およびコンタクト層３０それぞれのバンドギャップエネルギーは、基板２０のバンドギャップエネルギーより小さく、例えば０．７５ｅＶである。受光素子１００の半導体層は、上記以外の化合物半導体層などで形成されてもよい。

【0018】

絶縁膜３２は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、および酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）などの絶縁体で形成されている。電極３４および電極３６は金属で形成されている。

【0019】

受光素子１００のうち領域１０にはイオンが注入されていない。コンタクト層３０および半導体層２６のうち領域１０に含まれる部分は、ｐ型の導電型を示す。受光層２４のコンタクト層３０とは反対に、ｎ型のバッファ層２２と基板２０とが設けられている。Ｚ軸方向において、領域１０にｐｉｎ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ－ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ－ｎｅｇａｔｉｖｅ）接合が形成されている。領域１０の直径Ｄ１は例えば５００μｍ以上であり、１０００μｍ以上でもよい。領域１０の直径Ｄ１が、受光素子１００の受光径である。領域１２にはプロトンなどのイオンが注入されているため、ｐｉｎ接合が形成されにくい。

【0020】

半導体層２６、半導体層２８およびコンタクト層３０のうち領域１２に含まれる部分には、イオンが注入されている。注入されるイオンは例えば水素イオン（プロトン、Ｈ^＋）である。コンタクト層３０のうち領域１２に含まれる部分の幅Ｗ１は、例えば５０μｍである。半導体層２８および半導体層２６のうち領域１２に含まれる部分の幅Ｗ２は、幅Ｗ１より小さく、例えば４０μｍである。

【0021】

図２および図３はプロトンの濃度を例示する模式図である。縦軸は絶縁膜３２の表面からの深さを表す。深さ０は絶縁膜３２の表面の位置を表す。深さの数値が大きいほど、表面から図１の下方向の位置を表す。横軸は注入されるプロトンの濃度を表す。図２と図３とではプロトンの注入深さが異なる。

【0022】

図２の例では、深さが０．７５μｍから１．０μｍの間の位置に、プロトン濃度のピークがある。濃度のピークは、コンタクト層３０中のｐ型キャリア濃度以上であり、例えば１×１０^１８ｃｍ^－３以上、２×１０^１９ｃｍ^－３以下である。ピークより深い位置ではプロトン濃度が低下する。深さ約１．２μｍにおけるプロトン濃度は、半導体層２６のキャリア濃度と同程度であり、１×１０^１６ｃｍ^－３のオーダーである。

【0023】

領域１２における受光層２４、バッファ層２２および基板２０には、意図的にはプロトンが注入されない。ピークの位置から受光層２４に近づくほど、プロトン濃度は低下する。プロトンの注入エネルギーなどに応じて、プロトンが受光層２４まで達する可能性はある。受光層２４に注入されるプロトンの濃度は１×１０^１７ｃｍ^－３以下である。受光層２４におけるプロトン濃度はゼロでもよい。

【0024】

図３の例では深さが約０．５μｍの位置に、プロトンの濃度のピークがある。濃度のピークは、コンタクト層３０のｐ型キャリア濃度と同程度であり、例えば１×１０^１９ｃｍ^－３以上、３×１０^１９ｃｍ^－３以下である。

【0025】

領域１２におけるコンタクト層３０および半導体層２６のｐ型キャリアは、プロトンによって補償される。コンタクト層３０のうち領域１２に含まれる部分のｐ型キャリア濃度は、コンタクト層３０のうち領域１０に含まれる部分のｐ型キャリア濃度より低い。半導体層２６のうち領域１２に含まれる部分のｐ型キャリア濃度は、半導体層２６のうち領域１０に含まれる部分のｐ型キャリア濃度より低い。コンタクト層３０および半導体層２６のうち領域１２に含まれる部分は、ｎ型の導電型を有してもよいし、高抵抗になってもよい。領域１２におけるコンタクト層３０のｐ型またはｎ型のキャリア濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３以下である。領域１０に比べて、領域１２にはｐｉｎ接合が形成されにくい。

【0026】

受光素子１００の動作時、受光素子１００に逆バイアス電圧を印加する。電極３４に正の電圧を入力し、電極３６に負の電圧を入力する。逆バイアス電圧を印加することで、領域１０に空乏層が広がる。上面から受光素子１００に入射する光は、絶縁膜３２、コンタクト層３０などを透過し、受光層２４に入射する。絶縁膜３２は反射防止膜としても機能し、光を透過させる。受光層２４は、光を吸収し、キャリア（ホールおよび電子）を発生させる。キャリアは空乏層にかかる電界によってドリフトし、光電流として出力される。

【0027】

図４は受光素子１００のバンド構造の計算結果を例示する模式図であり、領域１０におけるバンド構造を表す。横軸は深さ方向の位置を表す。縦軸はエネルギーを表す。図４中の下側の線は価電子帯のエネルギーＥｖを表す。上側の線は伝導帯のエネルギーＥｃを表す。＋記号はホールを表す。－記号は電子を表す。図４は、温度が２５０Ｋ、印加電圧が－１Ｖのときの計算結果である。受光層２４で発生した電子は基板２０に向かって流れ、ホールはコンタクト層３０に向かって流れる。受光層２４と半導体層２８との間にｐ－型の半導体層２６を設けることで、価電子帯における受光層２４と半導体層２８との層の間のエネルギー障壁が低くなり、ホールが流れやすくなる。受光素子１００の感度が向上する。

【0028】

上記のように、領域１０は光を検出する素子として機能する。領域１２にはｐｉｎ接合が形成されにくいため、素子として機能しにくい。領域１２は領域１０を外部から分離する機能を有する。領域１０において、コンタクト層３０と半導体層２８とでｐｎ接合が形成される。半導体層２８と半導体層２６とでｐｎ接合が形成される。半導体層２６と受光層２４との間にもｐｎ接合が形成されるが、領域１２が存在するため、ｐｎ接合は受光素子１００の両側の端面には到達しない。このためリーク電流が発生しない。ｐｎ接合が露出すると、リークパスが形成され、リーク電流が増加しやすい。図１に示すように、領域１２が領域１０の外に位置するため、ｐｎ接合が露出しない。リークパスが形成されにくく、リーク電流が低減される。

【0029】

（製造方法）
図５Ａから図６Ｂは受光素子１００の製造方法を例示する断面図である。図５Ａに示すように、例えば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｔｉｏｎ）により、基板２０、バッファ層２２、受光層２４、半導体層２６、半導体層２８、およびコンタクト層３０を順番にエピタキシャル成長する。

【0030】

図５Ｂに示すように、例えばプラズマＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｓｅｄ ＣＶＤ）により、コンタクト層３０の上面に絶縁膜４０を形成する。絶縁膜４０はＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどの絶縁体で形成されている。絶縁膜４０の上面に、例えば厚さが１μｍのフォトレジスト４２を形成する。フォトリソグラフィにより、フォトレジスト４２のうち領域１２上の部分を取り除く。領域１２はフォトレジスト４２に覆われていない。フォトレジスト４２から露出する部分の幅はＷ２である。領域１０はフォトレジスト４２および絶縁膜４０に覆われている。

【0031】

領域１２の半導体層２６にプロトンを注入する。プロトンの注入エネルギーは例えば１３５ｋｅＶである。プロトンの注入量は例えば１ｅ１４／ｃｍ^２以上、３ｅ１４／ｃｍ^２以下である。図２の例のように、深い位置にプロトンが注入され、半導体層２６のｐ型キャリアが補償される。プロトン注入後、絶縁膜４０およびフォトレジスト４２を除去する。

【0032】

図６Ａに示すように、コンタクト層３０の上面に絶縁膜４６を形成する。絶縁膜４６の上面にフォトレジスト４８を形成する。フォトリソグラフィを行い、フォトレジスト４８のうち領域１２上の部分を取り除く。フォトレジスト４８から露出する部分の幅はＷ１である。領域１０はフォトレジスト４８および絶縁膜４６に覆われている。

【0033】

領域１２のコンタクト層３０にプロトンを注入する。この工程では、３回連続でプロトンの注入を行う。３回の注入の条件の例を以下に示す。
プロトンの注入エネルギー２５ｋｅＶ、プロトンの注入量１ｅ１４／ｃｍ^２
プロトンの注入エネルギー４０ｋｅＶ、プロトンの注入量１ｅ１４／ｃｍ^２
プロトンの注入エネルギー５５ｋｅＶ、プロトンの注入量１ｅ１４／ｃｍ^２
上記３回のプロトン注入はどの順番で行ってもよい。この工程により、図３の例のように、浅い位置にプロトンが注入され、コンタクト層３０のｐ型キャリアが補償される。プロトン注入後、絶縁膜４６およびフォトレジスト４８を除去する。

【0034】

図６Ｂに示すように、ＰＥＣＶＤ法などにより、コンタクト層３０の上面に絶縁膜３２を形成する。エッチングなどにより、絶縁膜３２に開口部を形成する。開口部から、コンタクト層３０のうち領域１０に含まれる部分が露出する。真空蒸着およびリフトオフにより、開口部に電極３６を形成する。電極３６はコンタクト層３０のうち領域１０に含まれる部分に接触する。基板２０の下面に電極３４を形成する。電極３４は基板２０に接触する。以上の工程で受光素子１００が形成される。

【0035】

第１実施形態によれば、受光素子１００は領域１０と領域１２とを有する。領域１２は領域１０の外に位置する。領域１０にイオンは注入されていない。領域１０はｐｉｎ接合を有し、光を検出する。領域１２にはプロトンなどのイオンが注入されている。プロトンの注入によって、コンタクト層３０および半導体層２６のうち領域１２に含まれる部分のｐ型キャリアが補償される。コンタクト層３０および半導体層２６のうち領域１２に含まれる部分は、例えばｎ型または高抵抗となる。領域１０は領域１２に囲まれており、領域１２によって外部から分離される。

【0036】

領域１０において、ｐ＋型のコンタクト層３０とｎ－型の半導体層２８とがｐｎ接合を形成する。ｎ－型の半導体層２８とｐ－型の半導体層２６とがｐｎ接合を形成する。第１実施形態によれば、図１に示すように、領域１２が領域１０の外に位置しているため、領域１０中のｐｎ接合は露出しない。リーク電流を低減することができる。

【0037】

図５Ａに示すように、基板２０の上に、バッファ層２２、受光層２４、半導体層２６、半導体層２８、およびコンタクト層３０を順番にエピタキシャル成長する。基板２０は例えば４インチ以上の大口径ウェハとしてもよい。ウェハから複数の受光素子１００を低コストで製造することができる。

【0038】

受光層２４の上に、ｐ－型の半導体層２６、ｎ－型の半導体層２８、ｐ＋型のコンタクト層３０が順番に積層されている。受光素子１００の感度が向上する。図４に示したように、受光層２４と半導体層２８との間に半導体層２６が設けられていることで、受光層２４と半導体層２８との間のエネルギー障壁が低くなる。ホールが受光層２４からコンタクト層３０まで流れやすくなることで、感度が向上する。例えば逆バイアス電圧の大きさが１Ｖ以下でも、光の検出が可能である。領域１０における半導体層２６のｐ型キャリア濃度は例えば５×１０^１５ｃｍ^－３以上、５×１０^１６ｃｍ^－３以下とする。暗電流が低減される。

【0039】

コンタクト層３０のｐ型キャリア濃度は半導体層２６のｐ型キャリア濃度よりも高い。キャリア濃度に応じて、これらの層に注入されるプロトンの濃度を制御する。コンタクト層３０に注入されるプロトンの濃度は、半導体層２６に注入されるプロトンの濃度よりも高い。プロトンの注入によって、コンタクト層３０および半導体層２６のｐ型キャリアを補償することができる。

【0040】

コンタクト層３０に注入されるプロトンの濃度が高すぎると、コンタクト層３０のうちプロトン注入された部分のｎ型キャリア濃度が高くなる。コンタクト層３０のうち領域１０に含まれる部分と、コンタクト層３０のうち領域１２に含まれる部分との間でｐｎ接合が形成される。ｐｎ接合が表面に露出し、リークパスが形成される。コンタクト層３０に注入されるプロトンの濃度が低すぎると、領域１２においてもコンタクト層３０がｐ型となる。コンタクト層３０と半導体層２８とでｐｎ接合が形成される。ｐｎ接合が側面に露出し、リークパスが形成される。

【0041】

コンタクト層３０に注入されるプロトンの濃度は、プロトン注入前のコンタクト層３０のｐ型キャリア濃度と同程度である。プロトンによってｐ型キャリアが補償され、表面および側面にリークパスが形成されにくくなる。コンタクト層３０のｐ型キャリア濃度は例えば１×１０^１９ｃｍ^－３である。この場合、コンタクト層３０に注入するプロトンの濃度の最大値は、例えば１×１０^１９ｃｍ^－３以上、３×１０^１９ｃｍ^－３以下とする。

【0042】

半導体層２６に注入されるプロトンの濃度は、半導体層２６のｐ型キャリア濃度と同程度である。半導体層２６より深い位置におけるプロトンの濃度は、半導体層２６およびコンタクト層３０における濃度より低い。受光層２４にプロトンが注入されると、受光層２４の量子井戸構造が破壊される恐れがある。受光層２４に注入されるプロトンの濃度は１×１０^１７ｃｍ^－３以下である。受光層２４にはプロトンが注入されなくてもよい。受光層２４に注入されるプロトン濃度が低いことで、量子井戸構造が壊れにくくなる。

【0043】

図５Ｂおよび図６Ａに示すように、プロトンは図中の上から下に向けて注入される。注入エネルギーを制御することで、プロトンの注入深さを変化させる。注入エネルギーが高いほど、プロトンの注入深さが大きくなる。注入エネルギーを変えて、２回の注入を行えばよい。例えば注入エネルギーを１３５ｋｅＶとすることで、半導体層２６にプロトンを注入する。例えば注入エネルギーを４５ｋｅＶとすることで、コンタクト層３０にプロトンを注入する。

【0044】

コンタクト層３０のうちプロトンが注入された部分の幅Ｗ１は、半導体層２６のうちプロトンが注入された部分の幅Ｗ２より大きい。領域１０の幅はコンタクト層３０と同じ位置では狭く、半導体層２６と同じ位置では広い。領域１０に空乏層が発生する。空乏層はＺ軸方向にも、ＸＹ平面内にも広がる。領域１０は半導体層２６と同じ位置では広いため、空乏層が半導体層２６のうちプロトンが注入された部分に達しにくい。暗電流を低減することができる。

【0045】

＜第２実施形態＞
図７は第２実施形態に係る受光素子２００を例示する平面図である。図８は受光素子２００を例示する断面図であり、図７の線Ａ－Ａに沿った断面を図示している。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。受光素子２００は、受光素子アレイであり、例えばイメージセンサとして機能する。受光素子２００は、裏面入射型の素子であり、図８における下方向から入射する光を検知する。

【0046】

図７に示すように、受光素子２００は中央部５０と外周部５２とを有する。ＸＹ平面において、中央部５０は受光素子２００の中央に位置する。外周部５２は、受光素子２００の外周に位置し、中央部５０を囲む。中央部５０と外周部５２との間に凹部５４が設けられている。凹部５４は中央部５０を囲む。

【0047】

複数の領域１０は、中央部５０に設けられ、２次元グリッド状に配置されている。複数の領域１０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に周期的に配置されている。１つの領域１０が１つの画素に対応する。画素数は例えば３２０×２５６個である。領域１２は、中央部５０に設けられ、互いに隣り合う２つの領域１０の間に位置し、領域１０の間を分離する。

【0048】

図８に示すように、中央部５０および外周部５２は凹部５４よりもＺ軸方向に突出している。中央部５０および外周部５２では、基板２０の上にバッファ層２２、受光層２４、半導体層２６、半導体層２８およびコンタクト層３０が、この順番で積層されている。凹部５４にバッファ層２２、受光層２４、半導体層２６、半導体層２８およびコンタクト層３０は設けられていない。基板２０が凹部５４の底面を形成する。外周部５２および凹部５４にはプロトンが注入されていない。

【0049】

コンタクト層３０のうち領域１２に含まれる部分の幅Ｗ３は、例えば８μｍである。半導体層２８および半導体層２６のうち領域１２に含まれる部分の幅Ｗ４は、幅Ｗ３より小さく、例えば４μｍである。

【0050】

外周部５２の幅Ｗ５は例えば５０μｍである。凹部５４の幅Ｗ６は例えば２０μｍである。複数の領域１２のうち最も外に位置するものから、凹部５４の側面までの距離Ｄ２は例えば３０μｍである。領域１０のピッチＰは、１つの領域１２から隣の領域１２までの距離に等しく、例えば３０μｍである。

【0051】

絶縁膜３２は、中央部５０の上面および側面、凹部５４の底面、外周部５２の側面および上面を覆う。絶縁膜３２は中央部５０の複数の領域１０と重なる位置に開口部を有し、かつ凹部５４に開口部を有する。複数の領域１０のそれぞれに電極３６が設けられている。電極３６にはバンプ３８が設けられている。電極３６およびバンプ３８は、領域１０のコンタクト層３０に電気的に接続されている。

【0052】

配線３７は、絶縁膜３２のうち外周部５２を覆う部分から、凹部５４内部の絶縁膜３２の開口部まで設けられている。電極３６は、絶縁膜３２の開口部において基板２０に接触している。電極３６のうち外周部５２の上の部分にバンプ３８が設けられている。凹部５４に設けられた電極３６と外周部５２上に設けられた電極３６とは、配線３７によって接続される。外周部５２上の電極３６およびバンプ３８は、基板２０に電気的に接続されている。基板２０のバッファ層２２とは反対の面に絶縁膜３３が設けられている。

【0053】

バンプ３８は、インジウム（Ｉｎ）などの金属で形成されている。絶縁膜３２および絶縁膜３３は酸化シリコンなどの絶縁体で形成されている。絶縁膜３３は反射防止膜（ＡＲ）であり、入射される赤外光の例えば９０％以上を透過させる。

【0054】

（光検出装置２１０）
図９は光検出装置２１０を例示する断面図である。光検出装置２１０は受光素子２００とＩＣ（集積回路）チップ２０１とを有する。ＩＣチップ２０１は読み出し回路（Ｒｅａｄ ｏｕｔ ＩＣ）を備える。ＩＣチップ２０１の１つの面に、複数の電極５６が設けられている。受光素子２００はＩＣチップ２０１にフリップチップボンディングされている。受光素子２００の電極３６が設けられた面が、ＩＣチップ２０１の電極５６が設けられた面に対向する。複数の電極３６は、バンプ３８によって電極５６に接続されている。

【0055】

受光素子２００は、絶縁膜３３を透過する光を吸収し、光電流を出力する。光電流はＩＣチップ２０１によって読み出される。

【0056】

（製造方法）
図１０から図１６は受光素子２００の製造方法を例示する断面図である。図１０に示すように、例えばＭＯＣＶＤ法により、基板２０、バッファ層２２、受光層２４、半導体層２６、半導体層２８、およびコンタクト層３０を順番にエピタキシャル成長する。

【0057】

図１１に示すように、例えばＰＥＣＶＤ法により、コンタクト層３０の上面に絶縁膜６０を形成する。絶縁膜６０はＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどの絶縁体で形成されている。絶縁膜６０の上面に、例えば厚さが１μｍのフォトレジスト６２を形成する。フォトリソグラフィにより、フォトレジスト６２のうち領域１２上の部分を取り除く。領域１０はフォトレジスト６２および絶縁膜６０に覆われている。

【0058】

領域１２の半導体層２６にプロトンを注入する。プロトンの注入エネルギーは例えば１３５ｋｅＶである。プロトンの注入量は例えば１ｅ１４／ｃｍ^２以上、３ｅ１４／ｃｍ^２以下である。図２の例のように、深い位置にプロトンが注入され、半導体層２６のｐ型キャリアが補償される。プロトン注入後、絶縁膜６０およびフォトレジスト６２を除去する。

【0059】

図１２に示すように、コンタクト層３０の上面に絶縁膜６４を形成する。絶縁膜６４の上面にフォトレジスト６６を形成する。フォトリソグラフィを行い、フォトレジスト６６のうち領域１２上の部分を取り除く。領域１０はフォトレジスト６６および絶縁膜６４に覆われている。

【0060】

領域１２のコンタクト層３０にプロトンを注入する。注入エネルギーおよび注入量を変えて、３回連続でプロトン注入を行う。図３の例のように、浅い位置にプロトンが注入され、コンタクト層３０のｐ型キャリアが補償される。プロトン注入後、絶縁膜６４およびフォトレジスト６６を除去する。

【0061】

図１３に示すように、ＰＥＣＶＤ法などにより、コンタクト層３０の上面に
絶縁膜６７を形成する。絶縁膜６７の上面にフォトレジスト６８を形成する。フォトリソグラフィにより、フォトレジスト６８に開口部を形成する。開口部からは絶縁膜６７が露出する。

【0062】

図１４に示すように、フォトレジスト６８に覆われていない部分において、コンタクト層３０、半導体層２８、半導体層２６、受光層２４およびバッファ層２２をエッチングすることで、凹部５４を形成する。フォトレジスト６８および絶縁膜６７は除去する。

【0063】

図１５に示すように、ＰＥＣＶＤ法などにより、絶縁膜３２を形成する。基板２０の下面には絶縁膜３３を形成する。図１６に示すように、絶縁膜３２のうちコンタクト層３０の上および凹部５４の内部に開口部を形成する。真空蒸着およびリフトオフにより、電極３６および配線３７を形成する。絶縁膜３２のうち外周部５２を覆う部分に電極３６を設け、かつ凹部５４内に別の電極３６を設ける。これらの電極が配線３７によって接続される。電極３６上にバンプ３８を設ける。以上の工程で受光素子２００が形成される。受光素子２００をＩＣチップ２０１にフリップチップボンディングすることで、光検出装置２１０が製造される。

【0064】

第２実施形態によれば、受光素子２００は受光素子アレイであり、複数の領域１０と、領域１２とを有する。複数の領域１０は中央部５０にグリッド状に配置されている。領域１０は光を検知する素子として機能する。領域１２は互いに隣り合う２つの領域１０の間に設けられ、プロトンが注入されている。領域１２によって複数の領域１０の間が分離される。領域１２は領域１０の外に位置しており、領域１０中のｐｎ接合は露出しない。リーク電流を低減することができる。

【0065】

受光素子２００の領域１０は、２次元グリッド状に配置されてもよいし、１次元グリッド状に配置されてもよい。領域１０の個数は３２０×２５６個以下でもよいし、３２０×２５６個以上でもよい。

【0066】

＜第３実施形態＞
図１７は第３実施形態に係る受光素子３００を例示する断面図である。第１実施形態または第２実施形態と同じ構成については説明を省略する。

【0067】

受光素子３００は、ｐ－型の半導体層２６を有しておらず、超格子層２７（第５半導体層）を有している。超格子層２７は、受光層２４と半導体層２８との間に設けられている。超格子層２７は複数のインジウムガリウム砒素層（ＩｎＧａＡｓ層）と複数のガリウム砒素アンチモン層（ＧａＡｓＳｂ層）とを含み、超格子構造を有する。ＩｎＧａＡｓ層およびＧａＡｓＳｂ層はノンドープの層であり、交互に積層されている。

【0068】

受光素子３００は領域１０と領域１２とを有する。領域１２は領域１０の外に位置し、領域１０を囲む。領域１２の幅は例えば８μｍである。コンタクト層３０のうち領域１２に含まれる部分には、プロトンが注入されている。半導体層２８および超格子層２７には、プロトンが意図的には注入されない。すなわち、領域１２において、コンタクト層３０のｐ型キャリア濃度がプロトンによって補償され、例えばコンタクト層３０がｎ型または高抵抗となればよい。領域１０にプロトンは注入されていない。半導体層２８は領域１０および領域１２においてｎ－型である。超格子層２７は領域１０および領域１２において超格子構造を有する。

【0069】

図１８は受光素子３００のバンド構造の計算結果を例示する模式図であり、領域１０におけるバンド構造を表す。図１８は、温度が２５０Ｋ、印加電圧が－１Ｖのときの計算結果である。受光層２４と半導体層２８との間に超格子構造の超格子層２７を設けることで、価電子帯における受光層２４と半導体層２８との間のエネルギー障壁が低くなる。ホールが流れやすくなる。受光素子３００の感度が向上する。

【0070】

（製造方法）
図１９Ａおよび図１９Ｂは受光素子３００の製造方法を例示する断面図である。図１９Ａに示すように、基板２０の上面に、バッファ層２２、受光層２４、超格子層２７、半導体層２８、およびコンタクト層３０をエピタキシャル成長する。

【0071】

図１９Ｂに示すように、コンタクト層３０の上面に絶縁膜７０を形成する。絶縁膜７０の上面にフォトレジスト７２を形成する。フォトリソグラフィを行い、フォトレジスト７２のうち領域１２上の部分を取り除く。領域１０はフォトレジスト７２および絶縁膜７０に覆われている。

【0072】

領域１２のコンタクト層３０にプロトンを注入する。プロトンの注入エネルギーは例えば４５ｋｅＶである。プロトンの注入量は例えば１ｅ１４／ｃｍ^２以上、３ｅ１４／ｃｍ^２以下である。図３の例のように、浅い位置にプロトンが注入され、コンタクト層３０のｐ型キャリアが補償される。プロトン注入後、絶縁膜７０およびフォトレジスト７２を除去する。プロトンの注入を１回行えばよく、２回目の注入は実施しない。

【0073】

ＰＥＣＶＤ法などにより、コンタクト層３０の上面に絶縁膜３２を形成する。真空蒸着およびリフトオフにより、電極３６および電極３４を形成する。以上の工程で受光素子３００が形成される。

【0074】

第３実施形態によれば、領域１０にはプロトンが注入されていない。領域１０は素子として機能し、光を検出する。領域１２にはプロトンが注入されている。プロトンの注入によって、コンタクト層３０のうち領域１２に含まれる部分のｐ型キャリアが補償される。領域１０は領域１２に囲まれており、領域１２によって外部から分離される。

【0075】

領域１０において、ｐ＋型のコンタクト層３０とｎ－型の半導体層２８とがｐｎ接合を形成する。領域１２が領域１０の外に位置しているため、領域１０中のｐｎ接合は露出しない。リーク電流を低減することができる。

【0076】

受光層２４の上に、超格子層２７、ｎ－型の半導体層２８、ｐ＋型のコンタクト層３０が順番に積層されている。図１８に示したように、受光層２４と半導体層２８との間のエネルギー障壁が低くなる。ホールが受光層２４からコンタクト層３０まで流れやすくなることで、感度が向上する。例えば逆バイアス電圧の大きさが１Ｖ以下でも、光の検出が可能である。

【0077】

領域１２のコンタクト層３０にプロトンを注入すればよいため、工程が簡略化される。半導体層２８および超格子層２７には、意図的なプロトン注入は行わない。プロトン注入された部分に、空乏層が達しにくい。暗電流を低減することができる。

【0078】

受光素子２００のようなアレイ型センサにおいて、受光層２４と半導体層２８との間に超格子構造の超格子層２７を設けてもよい。超格子層２７を有するアレイ型センサを、ＩＣチップ２０１に実装することで、光検出装置を製造してもよい。

【0079】

以上、本開示の実施形態について詳述したが、本開示は係る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本開示の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0080】

１０、１２ 領域
２０ 基板
２２ バッファ層
２４ 受光層
２６、２８ 半導体層
２７ 超格子層
３０ コンタクト層
３２、３３、４０、４６、６０、６４、６７、７０ 絶縁膜
３４、３６、５６ 電極
３７ 配線
３８ バンプ
４２、４８、６２、６６、６８、７２ フォトレジスト
５０ 中央部
５２ 外周部
５４ 凹部
１００、２００、３００ 受光素子
２０１ ＩＣチップ
２１０ 光検出装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19A】

【図19B】