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JP6176585B2 - Light receiving element and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP6176585B2 JP2011233261A JP2011233261A JP6176585B2 JP 6176585 B2 JP6176585 B2 JP 6176585B2 JP 2011233261 A JP2011233261 A JP 2011233261A JP 2011233261 A JP2011233261 A JP 2011233261A JP 6176585 B2 JP6176585 B2 JP 6176585B2
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Description

本発明は、赤外域の光を受光対象とする、受光素子、およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a light receiving element that receives light in an infrared region and a method for manufacturing the same.

近赤外を含む赤外域の光は、動植物などの生体や環境に関連した吸収スペクトル域に対応するため、受光層にIII−V族化合物半導体を用いた赤外光の検出器の開発が行われている。とくに近赤外から受光感度の長波長化が推進されている。これら受光素子では、低い暗電流を重視して選択拡散によってpn接合を形成することで選択拡散していない領域で隔てられた画素を形成するプレーナ型フォトダイオードとすることが多い。しかしながら、プレーナ型フォトダイオードでは入射面に占める開口部、または選択拡散の領域の面積率、すなわちフィルファクタ(Fill Factor)が小さいため、感度向上に限界がある。
一方、プレーナ型フォトダイオードと対比されるメサ型フォトダイオードは、次の2つの利点を有する。一つはフィルファクタをプレーナ型フォトダイオードよりも大きく向上することができる点である。もう一つの利点はpn接合をエピタキシャル成長において作り込むのでpn接合位置の制御性に優れていることである。pn接合位置がずれると、感度や応答速度のバイアス電圧依存性が変化するため製品の特性の安定性に影響を及ぼす。逆にメサ型フォトダイオードの欠点は、pn接合がメサ構造の溝の壁面に露出することからリーク電流が増大する傾向がある。
Infrared light, including near infrared light, corresponds to the absorption spectrum region related to living organisms and environments such as animals and plants, and therefore, an infrared light detector using a III-V compound semiconductor in the light receiving layer has been developed. It has been broken. In particular, longer wavelengths of light receiving sensitivity are being promoted from near infrared. In many cases, these light receiving elements are planar photodiodes that form pixels separated by regions that are not selectively diffused by forming a pn junction by selective diffusion focusing on a low dark current. However, the planar photodiode has a limited improvement in sensitivity because the area ratio of the opening occupied by the incident surface or the selective diffusion region, that is, the fill factor is small.
On the other hand, the mesa photodiode compared with the planar photodiode has the following two advantages. One is that the fill factor can be improved more than that of a planar photodiode. Another advantage is that the controllability of the pn junction position is excellent because the pn junction is formed by epitaxial growth. When the pn junction position is shifted, the sensitivity and the response speed change in bias voltage, which affects the stability of product characteristics. On the other hand, the mesa photodiode has a drawback that the leakage current tends to increase because the pn junction is exposed on the wall surface of the groove of the mesa structure.

上記のメサ型受光素子の欠点を克服するため、メサ構造の溝の壁面を保護膜で覆うことでリーク電流を抑制しようとする試みが提唱されてきた。InP系受光素子については、たとえばメサエッチング面のパッシベーション膜としてシリコン窒化膜、または水素を含むシリコン窒化膜が提案された(特許文献1、2)。また、メサ構造の溝の壁面を、第1導電型、第2導電型、半絶縁型ないしノンドープ半導体層で被覆する方式が提案された(特許文献3)。さらにGaSb基板を用いたInAs/GaSbのタイプ2量子井戸受光層において、メサ構造の溝の壁面をAlGaInAsSbで被覆して保護する方式が提案されている(特許文献4)。
概念的には、上記のようにメサ構造の溝の壁面を保護膜で覆うことで、リーク電流の抑制をはかることは可能かもしれない。
In order to overcome the drawbacks of the mesa light receiving element described above, attempts have been proposed to suppress leakage current by covering the wall surface of the groove of the mesa structure with a protective film. As for the InP-based light receiving element, for example, a silicon nitride film or a silicon nitride film containing hydrogen has been proposed as a passivation film on the mesa etching surface (Patent Documents 1 and 2). In addition, a method has been proposed in which the wall surface of the groove of the mesa structure is covered with a first conductivity type, a second conductivity type, a semi-insulating type or a non-doped semiconductor layer (Patent Document 3). Furthermore, in the InAs / GaSb type 2 quantum well light-receiving layer using a GaSb substrate, a method is proposed in which the wall surface of the groove of the mesa structure is covered with AlGaInAsSb for protection (Patent Document 4).
Conceptually, it may be possible to suppress leakage current by covering the wall surface of the groove of the mesa structure with a protective film as described above.

特開2006−269978号公報JP 2006-269978 A WO2009/081585WO2009 / 081585 特開2011−35114号公報JP 2011-35114 A 特表2008−508700号公報Special table 2008-508700 gazette

しかし、実際にはメサ構造の溝の壁面を上述の保護膜で完全に被覆することはできず、リーク電流を防ぐことは難しい。メサ構造の溝の壁面を半導体層や絶縁膜で被覆するとき、メサエッチングのプロセス室から、半導体層の成膜室(OMVPE室、MBE室など)または絶縁膜の形成室(プラズマCVD室など)に移動する間にメサ壁面が酸化、および/または、不純物汚染、をこうむり、メサ構造の溝の壁面と保護膜との間に電流のリークパスが形成される。また、多くの場合、受光素子は複数の半導体層の積層構造からなり、メサエッチングするとき、各半導体層の材料の相違でエッチングされる量が異なるので、メサ構造の溝の壁面に凹凸ができる。凹凸のできた壁面を被覆することは難しく、微小な隙間ができる。この微小な隙間がリーク電流の原因となる。さらに、保護膜自体が応力を生じるおそれもあり、この応力も電流リークを助長する。これまでのところメサ構造の溝の壁面への保護膜被覆による方法では、確実にリーク電流を抑制することは難しい。   However, actually, the wall surface of the groove of the mesa structure cannot be completely covered with the above-described protective film, and it is difficult to prevent the leakage current. When coating the walls of the mesa groove with a semiconductor layer or insulating film, from the mesa etching process chamber to the semiconductor layer deposition chamber (OMVPE chamber, MBE chamber, etc.) or insulating film formation chamber (plasma CVD chamber, etc.) During the movement, the mesa wall surface is oxidized and / or contaminated with impurities, and a current leakage path is formed between the wall surface of the groove of the mesa structure and the protective film. Further, in many cases, the light receiving element has a laminated structure of a plurality of semiconductor layers, and when mesa etching is performed, the etching amount varies depending on the material of each semiconductor layer, so that the wall surface of the groove of the mesa structure can be uneven. . It is difficult to cover the uneven wall surface, and a minute gap is formed. This minute gap causes a leak current. Furthermore, the protective film itself may cause stress, and this stress also promotes current leakage. So far, it is difficult to reliably suppress the leakage current by the method of covering the wall surface of the groove of the mesa structure with the protective film.

本発明は、フィルファクタの大きいメサ構造を採用した上で、メサ構造の溝の壁面におけるリーク電流を抑制することができる受光素子、およびその受光素子の製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a light receiving element that can suppress a leakage current in a wall surface of a groove of a mesa structure after adopting a mesa structure having a large fill factor, and a method for manufacturing the light receiving element.

本発明の受光素子は、半導体基板上に画素が形成された受光素子であって、異なる組成の半導体層を積層した多重量子井戸構造を有し、光を受光するための受光層と、前記受光層内に位置するpn接合と、前記pn接合に対して前記半導体基板と反対側に設けられるとともに第1導電側電極を有する第1導電型領域と、前記受光層と半導体基板の間に配置された第2導電型のバッファ層と、前記画素と該画素の周囲とを溝によって隔てるメサ構造とを備え、前記メサ構造の壁面には前記積層した半導体層が露出することによる凹凸が形成されているとともに、前記メサ構造の溝の壁面にわたって、前記pn接合の端が該溝の壁面に露出しないように第1導電型の不純物が導入された不純物壁面層が形成されており、前記pn接合から前記半導体基板側の受光層の範囲における前記不純物壁面層の不純物の濃度が、前記第1導電型領域における前記第1導電側電極がオーミック接触している領域の前記第1導電型の不純物の濃度より小さく、前記バッファ層の第2導電型の不純物濃度が、前記不純物壁面層の不純物の濃度より大きく設定されている。 The light-receiving element of the present invention is a light-receiving element in which pixels are formed on a semiconductor substrate, and has a multiple quantum well structure in which semiconductor layers having different compositions are stacked. The light-receiving layer for receiving light; A pn junction located within the layer; a first conductivity type region provided on the opposite side of the pn junction from the semiconductor substrate and having a first conductive side electrode; and disposed between the light receiving layer and the semiconductor substrate. A buffer layer of the second conductivity type and a mesa structure that separates the pixel and the periphery of the pixel by a groove, and unevenness is formed on the wall surface of the mesa structure by exposing the stacked semiconductor layer. In addition, an impurity wall surface layer into which an impurity of the first conductivity type is introduced is formed over the wall surface of the groove of the mesa structure so that the end of the pn junction is not exposed to the wall surface of the groove. The semiconductor The impurity concentration of the impurity wall surface layer in the range of the light receiving layer on the substrate side is smaller than the concentration of the impurity of the first conductivity type in the region where the first conductivity side electrode in the first conductivity type region is in ohmic contact. The impurity concentration of the second conductivity type of the buffer layer is set higher than the impurity concentration of the impurity wall surface layer.

上記の構成によれば、不純物壁面層がなければ受光層内のpn接合の端はメサ構造の溝壁面に露出するが、不純物壁面層がメサ構造の溝の壁面に形成されるので、pn接合の端が壁面に露出することはない。pn接合の端は、不純物壁面層の厚みだけ壁面から内側に位置することになる。すなわちpn接合の端から溝の壁面を経て電流がリークする経路が不純物層によって遮断される。このため、メサ構造によってフィルファクタを向上させながら、リーク電流を抑制することができる。上記の不純物壁面層によるpn接合の保護は、メサエッチングした後、その溝の壁面に不純物を導入するだけで、追加して膜を壁面に形成する必要がない。このため、別の半導体層や保護膜を壁面に形成する場合に比べて、隙間などを生じる余地はなく、確実に再現性よく電流リークを抑制することができる。不純物壁面層によるpn接合の端の露出の防止は、この隙間を生じる余地がないという点で画期的といってよい。   According to the above configuration, if there is no impurity wall surface layer, the end of the pn junction in the light receiving layer is exposed on the groove wall surface of the mesa structure, but the impurity wall surface layer is formed on the wall surface of the mesa structure groove. The end of the is not exposed to the wall. The end of the pn junction is located inward from the wall surface by the thickness of the impurity wall surface layer. That is, the path through which current leaks from the end of the pn junction through the wall surface of the groove is blocked by the impurity layer. For this reason, it is possible to suppress the leakage current while improving the fill factor by the mesa structure. To protect the pn junction by the impurity wall surface layer, it is not necessary to form an additional film on the wall surface simply by introducing impurities into the wall surface of the groove after mesa etching. For this reason, compared with the case where another semiconductor layer or a protective film is formed on the wall surface, there is no room for gaps and the like, and current leakage can be reliably suppressed with high reproducibility. The prevention of the exposure of the end of the pn junction by the impurity wall surface layer may be epoch-making in that there is no room for this gap.

さらに、メサ構造はプレーナ型フォトダイオードに対して次の点で優位性を有する。プレーナ型フォトダイオード作製のために選択拡散をしなければならないが、量産効率を高めるために大口径の半導体基板を用いる場合、その大口径の半導体基板(エピタキシャルウエハ)を収納するやはり径を大きくした石英管が必要となる。石英管内にマスクパターンを設けた半導体基板(エピタキシャルウエハ)とZn原料などの不純物原料とを封入して不純物を選択拡散し、その後、石英管を破壊してエピタキシャルウエハを取り出す。大きな径の石英管は高価であり、量産効率効能のメリットを帳消しにしてしまう。メサ構造における不純物の導入は、エピタキシャル成長中にドーピングによって行うので、石英管は不要であり、上記の問題は生じない。
また、メサ構造は、上述のように、pn接合をエピタキシャル成長において作り込むのでpn接合位置の制御性に優れている。pn接合位置がずれると、感度や応答速度のバイアス電圧依存性が変化するため製品の特性の安定性に影響を及ぼすので、pn接合位置を精度よく配置できることは製品のレベルアップに直結する。
Further, the mesa structure has an advantage over the planar photodiode in the following points. Although selective diffusion has to be performed to fabricate a planar photodiode, when a large-diameter semiconductor substrate is used to increase mass production efficiency, the diameter is also increased to accommodate the large-diameter semiconductor substrate (epitaxial wafer). A quartz tube is required. A semiconductor substrate (epitaxial wafer) provided with a mask pattern in a quartz tube and an impurity material such as a Zn material are sealed to selectively diffuse impurities, and then the quartz tube is broken to take out the epitaxial wafer. Large diameter quartz tubes are expensive and negate the benefits of mass production efficiency. Since introduction of impurities in the mesa structure is performed by doping during epitaxial growth, a quartz tube is unnecessary and the above problem does not occur.
In addition, the mesa structure is excellent in controllability of the pn junction position because the pn junction is formed by epitaxial growth as described above. If the pn junction position is shifted, the sensitivity and the response speed depend on the bias voltage, which affects the stability of the product characteristics. Therefore, the ability to accurately place the pn junction position directly leads to an improvement in the product level.

受光素子は単一の画素からなる場合、メサ構造の溝は、受光素子の周縁から画素を隔てるために設けられる。すなわち画素の周囲は受光素子の周縁である。また、複数の画素が配列される受光素子アレイの場合は、溝は隣合う画素との間に、画素相互を隔てるように設けられる。
なお、上記のpn接合は、次のように、広く解釈されるべきである。受光層内において、画素電極が設けられる不純物領域と接してpn接合を形成する反対導電型領域では、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域(i領域と呼ばれる)であってもよい。したがって、画素電極が設けられる領域がp型領域の場合は、pn接合もしくはpi接合でもよく、また画素電極が設けられる領域がn型領域の場合はnp接合もしくはni接合でもよい。すなわち上記のpn接合は、pi接合またはni接合などであってもよく、さらに、これらpi接合またはni接合におけるp濃度またはn濃度が、その接合の位置において非常に低い場合も含むものである。
When the light receiving element is composed of a single pixel, the mesa-structured groove is provided to separate the pixel from the periphery of the light receiving element. That is, the periphery of the pixel is the periphery of the light receiving element. In the case of a light receiving element array in which a plurality of pixels are arranged, the groove is provided between adjacent pixels so as to separate the pixels from each other.
The above pn junction should be interpreted broadly as follows. In the light-receiving layer, the opposite conductivity type region that forms a pn junction in contact with the impurity region provided with the pixel electrode may be an impurity region (referred to as an i region) that is low enough to be regarded as an intrinsic semiconductor. Accordingly, when the region where the pixel electrode is provided is a p-type region, it may be a pn junction or pi junction, and when the region where the pixel electrode is provided is an n-type region, it may be an np junction or ni junction. That is, the pn junction may be a pi junction or a ni junction, and further includes a case where the p concentration or the n concentration in the pi junction or ni junction is very low at the position of the junction.

前記画素は、前記pn接合に対して前記半導体基板と反対側に第1導電型領域を含み、該第1導電型領域に第1導電側電極が設けられており、メサ構造の溝の壁面に、第1導電型の不純物が導入された不純物壁面層が形成される。前記第1導電側電極は、前記第1導電型領域にオーミック接触させて設けることができる。
これによって、画素電極がオーミック接触する領域に大きな影響を及ぼすことなく不純物層を容易に形成することができる。
The pixel includes a first conductivity type region on a side opposite to the semiconductor substrate with respect to the pn junction, and a first conductivity side electrode is provided in the first conductivity type region, and is formed on a wall surface of the groove of the mesa structure. Then, an impurity wall surface layer into which the first conductivity type impurity is introduced is formed . The first conductive side electrode may be provided in ohmic contact with the first conductive type region.
Thus, the impurity layer can be easily formed without greatly affecting the region where the pixel electrode is in ohmic contact.

第1導電型不純物を導入して前記不純物壁面層が形成されている場合において、pn接合から半導体基板側の受光層の範囲における第1導電型壁面層の第1導電型不純物の濃度が、前記第1導電型領域における前記第1導電側電極がオーミック接触している領域の第1導電型不純物の濃度よりも小さいようにできる。
これによって、pn接合の端の露出を防止しながら、溝の壁面における結晶性の低下を防止し、かつ、たとえばバッファ層に画素電極と対をなすグランド電極を設けるときにそのグランド電極の導電性を阻害しないようにできる。
In the case where the impurity wall surface layer is formed by introducing the first conductivity type impurity, the concentration of the first conductivity type impurity of the first conductivity type wall surface layer in the range from the pn junction to the light receiving layer on the semiconductor substrate side is The concentration of the first conductivity type impurity in the region where the first conductivity side electrode in the first conductivity type region is in ohmic contact can be made smaller.
As a result, while preventing the end of the pn junction from being exposed, the deterioration of the crystallinity on the wall surface of the groove is prevented, and the conductivity of the ground electrode is provided when, for example, a ground electrode that is paired with the pixel electrode is provided in the buffer layer. Can be prevented.

pn接合から半導体基板側の受光層の範囲における前記不純物壁面層の第1導電型不純物の濃度を、5e15cm -3 以上、5e17cm-3以下とするのがよい。
受光層が、(InGaAs/GaAsSb)、(InAs/GaSb)などの多重量子井戸構造を有する場合、5e17cm-3よりも高い不純物濃度では、多重量子井戸が崩れて結晶性が劣化して、逆にリーク電流が増える。
The concentration of the first conductivity type impurity of the impurity wall surface layer in the range from the pn junction to the light receiving layer on the semiconductor substrate side is preferably 5e15 cm −3 or more and 5e17 cm −3 or less.
When the light-receiving layer has a multiple quantum well structure such as (InGaAs / GaAsSb) or (InAs / GaSb), at an impurity concentration higher than 5e17 cm −3 , the multiple quantum well collapses and the crystallinity deteriorates. Leakage current increases.

半導体基板に接して第2導電型のバッファ層を備え、該バッファ層はメサ構造の溝に露出する部分を有し、該溝に露出する表面に第1導電型壁面層と同じ第1導電型不純物が導入されながら、第2導電型を維持することができる。
バッファ層には画素電極と対をなす電極(グランド電極)を形成する場合がある。グランド電極なので画素ごとに設ける必要はなく、すべての画素に共通に1つのグランド電極を設ける。少なくともこのグランド電極を形成する位置は、第2導電型を維持しておく必要がある。この場合、半導体基板は、第2導電型でも半絶縁性でも、どちらでもよい。
また、第2導電型とした半導体基板の裏面にグランド電極を設ける場合もあるが、この場合もバッファ層は第2導電型を維持しておかないと、pn接合に逆バイアス電圧をかけにくくなる。
A buffer layer of a second conductivity type is provided in contact with the semiconductor substrate, the buffer layer having a portion exposed in the groove of the mesa structure, and the same surface as the first conductivity type wall surface layer on the surface exposed in the groove The second conductivity type can be maintained while the impurities are introduced.
In some cases, an electrode (ground electrode) that forms a pair with the pixel electrode is formed in the buffer layer. Since it is a ground electrode, it is not necessary to provide it for each pixel, and one ground electrode is provided in common for all pixels. At least the position where the ground electrode is formed needs to maintain the second conductivity type. In this case, the semiconductor substrate may be either the second conductivity type or semi-insulating.
In some cases, a ground electrode is provided on the back surface of the semiconductor substrate of the second conductivity type. In this case, if the buffer layer does not maintain the second conductivity type, it is difficult to apply a reverse bias voltage to the pn junction. .

画素は、前記pn接合に対して前記半導体基板と反対側に第1導電型領域を含み、該第1導電型領域に第1導電側電極がオーミック接触しており、メサ構造の溝の壁面に、第2導電型の不純物が導入された第2導電型壁面層が形成されることができる。
上記の構成は、溝の壁面に画素領域と同じ導電型の不純物を導入してpn接合を保護する。しかし、pn接合の保護のためには、溝の壁面に、画素領域と反対導電型の不純物を導入してもよい。これによって、不純物層を形成する上での選択肢を増やすことができる。
The pixel includes a first conductivity type region on a side opposite to the semiconductor substrate with respect to the pn junction, and a first conductivity side electrode is in ohmic contact with the first conductivity type region, and is formed on the wall surface of the groove of the mesa structure. The second conductivity type wall surface layer into which the second conductivity type impurity is introduced may be formed.
The above configuration protects the pn junction by introducing impurities of the same conductivity type as the pixel region into the wall surface of the trench. However, in order to protect the pn junction, an impurity having a conductivity type opposite to that of the pixel region may be introduced into the wall surface of the trench. As a result, options for forming the impurity layer can be increased.

さらに、メサ構造の溝の壁面の不純物層を覆うように被覆層が形成されていてもよい。
不純物層を被覆する被覆層をさらに設けることで、保護の程度を高めることができる。
Furthermore, a coating layer may be formed so as to cover the impurity layer on the wall surface of the groove of the mesa structure.
By providing a coating layer that covers the impurity layer, the degree of protection can be increased.

受光素子はIII−V族半導体基板上における受光層を含むIII−V族半導体積層体によって形成されることができる。
これによって、InP基板等を用いて、近赤外〜赤外域を受光対象として、電流リークが少なく感度が高い受光素子を得ることができる。
The light receiving element can be formed of a group III-V semiconductor stack including a light receiving layer on a group III-V semiconductor substrate.
As a result, it is possible to obtain a light receiving element with low current leakage and high sensitivity with an InP substrate or the like as a light receiving target in the near infrared to infrared region.

第1導電型不純物を亜鉛(Zn)とすることができる。
これによって、使用実績が豊富で、多くの関連データが蓄積されているZnを用いて、高精度で能率良く、電流リークが少なく感度が高い受光素子を得ることができる。
The first conductivity type impurity may be zinc (Zn).
As a result, it is possible to obtain a light receiving element with high accuracy, high efficiency, low current leakage, and high sensitivity, using Zn, which has been used abundantly and has a lot of related data accumulated.

受光層がInGaAs/GaAsSbのタイプ2多重量子井戸構造を有することができる。
多重量子井戸構造ではメサエッチングによって形成された溝の壁面に微細な凹凸が顕著に生じやすい。半導体膜や保護膜などによって、壁面を被覆しようとしても微細な凹凸を完全に覆い切れるものではない。一方、本発明の不純物を壁面に導入して不純物壁面層を形成する場合、不純物は凹凸表面に侵入して、凹凸表面を被覆し、かつ、間違いなくpn接合の端の露出を防止することができる。このため、本発明の受光素子は、多重量子井戸構造の受光層を備える場合に非常に好適である。InGaAs/GaAsSbのタイプ2多重量子井戸構造の受光層は、水、生体、食品等の重要な吸収スペクトルが位置する近赤外域〜赤外域に良好な感度をもつ。要は、近赤外域〜赤外域に良好な感度をもち、かつ電流リークが小さい受光素子を得ることができる。また、上記の波長域は宇宙光などの波長域にも該当するので、夜間の視界支援装置にも有用である。
The light receiving layer may have an InGaAs / GaAsSb type 2 multiple quantum well structure.
In the multi-quantum well structure, fine irregularities tend to be remarkably generated on the wall surface of the groove formed by mesa etching. Even if an attempt is made to cover the wall surface with a semiconductor film or a protective film, the fine irregularities are not completely covered. On the other hand, when the impurity wall surface layer is formed by introducing the impurity of the present invention into the wall surface, the impurity penetrates into the uneven surface, covers the uneven surface, and definitely prevents the end of the pn junction from being exposed. it can. For this reason, the light receiving element of the present invention is very suitable when a light receiving layer having a multiple quantum well structure is provided. The light-receiving layer having an InGaAs / GaAsSb type 2 multiple quantum well structure has good sensitivity in the near-infrared to infrared regions where important absorption spectra of water, living organisms, foods and the like are located. In short, it is possible to obtain a light receiving element having good sensitivity in the near infrared region to the infrared region and having a small current leak. Further, since the above wavelength range corresponds to a wavelength range such as cosmic light, it is also useful for a night vision support device.

本発明の受光素子の製造方法は、画素を有する受光素子を製造する。この製造方法は、半導体基板上に、光を受光するための受光層を含む半導体積層体を形成する工程と、画素となる領域を周囲から隔てるように溝を設けてメサ構造を形成する工程と、メサ構造の溝の壁面に不純物を導入して不純物壁面層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
これによって、不純物壁面層を簡単にメサ構造の溝壁面に形成することができる。上記したように、不純物をメサ構造の壁面に導入するプロセスは、隙間などを生じる余地はなく、また、この不純物導入プロセス自体、半導体層や保護膜を溝の壁面に形成するプロセスよりも、非常に容易である。これにより、簡単なプロセスによって確実にpn接合の露出を防止して電流リークを抑制することができる。
上述のように、この受光素子は単一の画素からなる受光素子でもよいし、複数の画素がアレイ化された受光素子でもよい。メサ構造の溝の配置については、上記したとおりである。
The light receiving element manufacturing method of the present invention manufactures a light receiving element having pixels. The manufacturing method includes a step of forming a semiconductor stacked body including a light receiving layer for receiving light on a semiconductor substrate, and a step of forming a mesa structure by providing a groove so as to separate a region to be a pixel from the periphery. And a step of introducing an impurity into the wall surface of the groove of the mesa structure to form an impurity wall surface layer.
Thus, the impurity wall surface layer can be easily formed on the groove wall surface of the mesa structure. As described above, the process of introducing impurities into the wall surface of the mesa structure has no room for gaps, and the impurity introduction process itself is much more difficult than the process of forming a semiconductor layer or a protective film on the wall surface of the groove. Easy to. Thereby, it is possible to reliably prevent the pn junction from being exposed by a simple process and suppress current leakage.
As described above, the light receiving element may be a light receiving element including a single pixel or a light receiving element in which a plurality of pixels are arrayed. The arrangement of the grooves of the mesa structure is as described above.

メサ構造の形成工程において、溝の部分に開口を有するマスクパターンを設けてドライエッチングにより該溝を設け、次いで、不純物壁面層の形成工程において、マスクパターンをそのままにして溝が設けられた中間品を不純物を導入するための炉に入れて、マスクパターンをマスクとして不純物壁面層を形成することができる。
これによってメサ構造および不純物壁面層を効率的に設けることができる。マスクパターンはSiNなどで形成されるのがよい。
In the mesa structure forming step, a mask pattern having an opening is provided in the groove portion, and the groove is provided by dry etching. Next, in the impurity wall surface layer forming step, the intermediate pattern in which the mask pattern is left as it is and the groove is provided. Can be placed in a furnace for introducing impurities, and the impurity wall surface layer can be formed using the mask pattern as a mask.
Thereby, the mesa structure and the impurity wall surface layer can be provided efficiently. The mask pattern is preferably formed of SiN or the like.

本発明により、フィルファクタの大きいメサ構造を採用した上で、メサ構造の溝の壁面におけるリーク電流を、簡単な構造により抑制することができる受光素子を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a light receiving element that can suppress a leakage current in a wall surface of a groove of a mesa structure with a simple structure while adopting a mesa structure having a large fill factor.

本発明の実施の形態1における受光素子を示す図である。It is a figure which shows the light receiving element in Embodiment 1 of this invention. 図1に示す受光素子の溝の壁面を拡大した模式図であり、(a)はエピタキシャル積層体を、また(b)は溝壁面におけるMQW受光層の拡大図である。2A and 2B are schematic views in which a wall surface of a groove of the light receiving element shown in FIG. 1 is enlarged, in which FIG. 1A is an epitaxial laminate, and FIG. 2B is an enlarged view of an MQW light receiving layer on the groove wall surface. 図1に示した受光素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the manufacturing method of the light receiving element shown in FIG. メサエッチング後に、不純物壁面層を形成した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which formed the impurity wall surface layer after mesa etching. 本発明の実施の形態2における受光素子を示す図である。It is a figure which shows the light receiving element in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3における受光素子を示す図である。It is a figure which shows the light receiving element in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4における受光素子を示す図である。It is a figure which shows the light receiving element in Embodiment 4 of this invention. 図7に示す受光素子を説明するための、(a)はメサエッチング後に不純物壁面層を形成した状態、(b)は受光層のpi接合の端の部分、を示す図である。8A is a diagram illustrating a state in which an impurity wall surface layer is formed after mesa etching, and FIG. 8B is a diagram illustrating a pi-junction end portion of the light receiving layer for explaining the light receiving element illustrated in FIG. 7. 本発明の実施の形態5における受光素子を示す図である。It is a figure which shows the light receiving element in Embodiment 5 of this invention.

(実施の形態1−MQW受光層、p型画素と同じ導電型の壁面層の場合−)
図1は、本発明の実施の形態1における受光素子を示す図であり、複数の画素がアレイ化された受光素子10である。ただし本発明は、図1に示すような複数の画素がアレイ化された受光素子だけでなく、単一の画素(単一の受光素子部)からなる受光素子も含む。
図1によれば、受光素子10は次のIII−V族半導体積層構造を備える。
(InP基板1/InPバッファ層2/InGaAsとGaAsSbとのタイプ2MQW受光層3/InGaAs濃度分布調整層4/InP窓層5)
上記のエピタキシャル積層体を形成するとき、図1に示すような分布に合わせて不純物をドーピングしてpn接合15を受光層3に形成する。InP窓層5には、画素電極またはp側電極11をオーミック接触させるため1e18cm−3程度の高濃度(p)のZnを導入するのがよい。また、MQW受光層3にとって高濃度のp型不純物は結晶性劣化の原因になるので、5e16cm−3以下に低く抑えるのが望ましい。エピタキシャル成長中のドーピングにおいて、不純物はエピタキシャル成長中にもMQW受光層3内へ熱拡散して結晶性を低下させる。このため、低濃度不純物のMQW受光層3からその上のエピタキシャル層へと急峻に不純物濃度を高めることは好ましくない。ただし、エピタキシャル成長温度が500℃より低温では熱拡散を抑えることができるので、その場合には濃度分布調整層4は無しで済ますこともできる。
バッファ層2は、画素電極11と対をなすグランド電極を設けるためにn型領域とする。
(Embodiment 1-Case of MQW light-receiving layer, wall surface layer of same conductivity type as p-type pixel)
FIG. 1 is a diagram showing a light receiving element in Embodiment 1 of the present invention, which is a light receiving element 10 in which a plurality of pixels are arrayed. However, the present invention includes not only a light receiving element in which a plurality of pixels are arrayed as shown in FIG. 1 but also a light receiving element composed of a single pixel (single light receiving element portion).
According to FIG. 1, the light receiving element 10 has the following group III-V semiconductor stacked structure.
(InP substrate 1 / InP buffer layer 2 / InGaAs and GaAsSb type 2 MQW light receiving layer 3 / InGaAs concentration distribution adjusting layer 4 / InP window layer 5)
When the above epitaxial laminated body is formed, the pn junction 15 is formed in the light receiving layer 3 by doping impurities according to the distribution shown in FIG. In the InP window layer 5, Zn having a high concentration (p + ) of about 1e18 cm −3 is preferably introduced so that the pixel electrode or the p-side electrode 11 is in ohmic contact. In addition, since a high-concentration p-type impurity causes deterioration in crystallinity for the MQW light-receiving layer 3, it is desirable to keep it at 5e16 cm −3 or less. In doping during epitaxial growth, impurities are thermally diffused into the MQW light-receiving layer 3 during epitaxial growth to lower the crystallinity. For this reason, it is not preferable to sharply increase the impurity concentration from the low concentration impurity MQW light-receiving layer 3 to the epitaxial layer thereabove. However, since the thermal diffusion can be suppressed when the epitaxial growth temperature is lower than 500 ° C., the concentration distribution adjusting layer 4 can be dispensed with in that case.
The buffer layer 2 is an n + type region in order to provide a ground electrode that is paired with the pixel electrode 11.

上述したように、pn接合15を挟んで、画素電極11側と反対側にいる受光層3の基板1側の範囲では、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域(i領域と呼ばれる)であってもよい。pn接合とはいいながら、実質的にはpi接合となり、いわゆるpin型フォトダイオードとなる。したがって、MQW受光層3内のpn接合15は、低濃度のp型領域とi型領域とによって形成される。これは、このあと説明するように、p型壁面層8によってpn接合15の露出を防ぐ上で、非常に好都合である。 As described above, even in an area on the substrate 1 side of the light receiving layer 3 on the opposite side of the pixel electrode 11 with the pn junction 15 interposed therebetween, even an impurity region (called an i region) that is low enough to be regarded as an intrinsic semiconductor. Good. Although it is called a pn junction, it is essentially a pi junction, which is a so-called pin type photodiode. Therefore, the pn junction 15 in the MQW light receiving layer 3 is formed by the low concentration p type region and the i type region. This is very convenient in preventing the pn junction 15 from being exposed by the p-type wall layer 8 as will be described later.

型領域のInP窓層5にはAuZnによるp側電極11が、またn型領域InPバッファ層にはAuGeNiのn側電極(グランド電極)12が、それぞれオーミック接触するように設けられている。この場合、InP基板1にはn型不純物がドープされてもよいし、半絶縁性であってもよい。InP基板1の裏面には、またSiONの反射防止膜35を設け、光の反射を防止する。 A p-side electrode 11 made of AuZn is provided on the InP window layer 5 in the p + -type region, and an n-side electrode (ground electrode) 12 made of AuGeNi is provided in ohmic contact with the n + -type region InP buffer layer. Yes. In this case, the InP substrate 1 may be doped with n-type impurities or may be semi-insulating. An SiON antireflection film 35 is also provided on the back surface of the InP substrate 1 to prevent light reflection.

<本実施の形態におけるポイント>
画素Pの独立性を得るために、画素Pの間に溝7を設けたメサ構造を有する。その上で、溝7の壁面にわたってZnを導入したp型壁面層8を形成する。p型壁面層8における不純物は、言うまでもなく、画素電極11がオーミック接触するInP窓層5の導電型と同じである。しかも、上述のようにpn接合15は、低濃度のp型領域3aとi型領域3bとで形成される。このi型領域3bでは、不純物を導入しないにも関わらず、n型キャリアが2e15cm−3程度分布するのが普通である。p型壁面層8は、このi型領域3bのn型キャリア2e15cm−3程度を相殺してp型領域とするのに必要なp型不純物濃度を持たなければならない。このために、p型壁面層8は、たとえば5e15cm−3以上、またより確実には1e16cm−3程度以上のp型不純物濃度とするのがよい。一方、p型壁面層8のp型不純物濃度が5e17cm−3を超えると多重量子井戸構造の結晶性が劣化してかえって電流リークが増大するおそれを生じる。このため、p型壁面層8のp型不純物濃度は5e15cm−3以上もしくは1e16cm−3程度以上で、5e17cm−3以下とするのがよい。また、p型壁面層8は、厚みは0.1μm〜1μm程度とすることで、確実に、pn接合15の端が溝の壁面に露出することを防止することができる。
p型不純物を溝7の壁面に導入するだけなので、別の半導体膜や保護膜などで被覆しようとする場合に比べて、隙間などを生じる余地はない。これによって、メサ構造によってフィルファクタを向上させながら、電流リークを簡単な構造によって確実に抑制することができる。フィルファクタは、たとえば画素ピッチ30μmの場合、従来のプレーナ型では半径9μm程度の円(面積254μm)でフィルファクタ28%であったのに対して、メサ構造では24μm×24μmの正方形(面積576μm)でフィルファクタ64%と画期的に向上させることができる。
なお、図1に示すように、InPバッファ層2はn導電型であり、n型キャリア濃度が1e18cm−3程度とされている。このため、上記のp型壁面層8のp型不純物濃度5e17cm−3以上もしくは1e16cm−3程度以上で、5e17cm−3以下が導入されても、バッファ層2の導電型が反転したり、導電性に大きな変化が生じることはない。
本実施の形態における受光素子10では、画素電極11が配置される窓層5の領域はp導電型であり、不純物壁面層8はp導電型であり、両者が同じ導電型の場合である。
<Points in this embodiment>
In order to obtain the independence of the pixel P, a mesa structure in which a groove 7 is provided between the pixels P is provided. Then, a p-type wall surface layer 8 in which Zn is introduced over the wall surface of the groove 7 is formed. Needless to say, the impurity in the p-type wall layer 8 is the same as the conductivity type of the InP window layer 5 in which the pixel electrode 11 is in ohmic contact. Moreover, as described above, the pn junction 15 is formed of the low concentration p type region 3a and the i type region 3b. In this i-type region 3b, n-type carriers are generally distributed by about 2e15 cm −3 even though no impurity is introduced. The p-type wall surface layer 8 must have a p-type impurity concentration necessary for offsetting the n-type carrier 2e15 cm −3 of the i-type region 3b to form a p-type region. For this reason, the p-type wall surface layer 8 should have a p-type impurity concentration of, for example, 5e15 cm −3 or more, and more certainly about 1e16 cm −3 or more. On the other hand, if the p-type impurity concentration of the p-type wall layer 8 exceeds 5e17 cm −3 , the crystallinity of the multiple quantum well structure is deteriorated, which may increase current leakage. For this reason, the p-type impurity concentration of the p-type wall surface layer 8 is preferably 5e15 cm −3 or more or about 1e16 cm −3 or more and 5e17 cm −3 or less. Moreover, the p-type wall surface layer 8 can prevent the end of the pn junction 15 from being exposed to the wall surface of the groove by setting the thickness to about 0.1 μm to 1 μm.
Since the p-type impurity is simply introduced into the wall surface of the groove 7, there is no room for a gap as compared with a case where the p-type impurity is to be covered with another semiconductor film or a protective film. This makes it possible to reliably suppress current leakage with a simple structure while improving the fill factor with the mesa structure. For example, in the case of a pixel pitch of 30 μm, the fill factor is a circle having a radius of about 9 μm (area 254 μm 2 ) in the conventional planar type and a fill factor of 28%, whereas the mesa structure has a square of 24 μm × 24 μm (area 576 μm). 2 ), the fill factor can be dramatically improved to 64%.
As shown in FIG. 1, the InP buffer layer 2 is of n conductivity type, and the n-type carrier concentration is about 1e18 cm −3 . For this reason, even if the p-type impurity concentration of the p-type wall layer 8 is 5e17 cm −3 or more or about 1e16 cm −3 or more and 5e17 cm −3 or less is introduced, the conductivity type of the buffer layer 2 is reversed, There will be no major changes.
In the light receiving element 10 in the present embodiment, the region of the window layer 5 in which the pixel electrode 11 is disposed is p conductivity type, the impurity wall surface layer 8 is p conductivity type, and both are the same conductivity type.

図2(a)および(b)は、図1に示す受光素子10の溝7の壁面を拡大した模式図である。図2(a)に示すように、InGaAs/GaAsSbのタイプ2MQW受光層3では、InGaAsとGaAsSbとで、メサエッチング(ドライエッチング)におけるエッチング速度が異なるので、壁面に凹凸が生じる。MQW受光層3の各層の厚みは5nm程度であるので、非常に微細な凹凸ができる。従来のように、別の半導体膜や酸化膜や窒化膜によってこのような微細な凹凸を完全に被覆することは不可能である。別の半導体膜と壁面との間に、上記凹凸に起因する隙間が発生することは避けられず、電流リークを減らすことはできない。
しかし、微細な凹凸があっても、不純物の導入では、図2(b)に示すように凹凸の凹状角部や凹壁面からも不純物が拡散してMQW受光層3内に侵入する。このため不純物侵入のフロントラインは、凸部と凹部とがあっても平均化されて滑らかになり、どこの表面からも必ず所定深さ侵入することになる。このため、凹凸があっても不純物壁面層8は問題なく所定深さ形成することができ、隙間が発生する余地はない。
2A and 2B are schematic views in which the wall surface of the groove 7 of the light receiving element 10 shown in FIG. 1 is enlarged. As shown in FIG. 2A, in the InGaAs / GaAsSb type 2 MQW light-receiving layer 3, unevenness occurs on the wall surface because InGaAs and GaAsSb have different etching rates in mesa etching (dry etching). Since the thickness of each layer of the MQW light-receiving layer 3 is about 5 nm, very fine irregularities can be formed. As in the prior art, it is impossible to completely cover such fine irregularities with another semiconductor film, oxide film or nitride film. It is inevitable that a gap due to the unevenness is generated between another semiconductor film and the wall surface, and current leakage cannot be reduced.
However, even if there are fine irregularities, when impurities are introduced, impurities diffuse from the concave corners and concave wall surfaces of the irregularities and enter the MQW light receiving layer 3 as shown in FIG. For this reason, even if there is a convex part and a concave part, the front line for intrusion of impurities is averaged and smoothed, and it always enters a predetermined depth from any surface. For this reason, even if there are irregularities, the impurity wall surface layer 8 can be formed to a predetermined depth without any problem, and there is no room for gaps.

図2(a)において、pn接合またはpi接合15は、受光層3において、p型層(上部)3aとi型層(下部)3bとの境界に形成される。ドーピングしないi型層(下部)3bは、上述のようにn型キャリア濃度を2e15cm−3程度有するが、p型壁面層8のp型不純物濃度を、5e15cm−3以上もしくは1e16cm−3以上で、5e17cm−3以下とすることで、余裕をもって相殺して壁面の所定深さをp型とすることができる。p型層(上部)3aはもともとp型である。そして、p型壁面層8は、壁面に厚み0.1μm〜1μmで形成される。このため、pn接合またはpi接合の端は、p型壁面層8の厚み分だけ内部に、壁面全体にわたって、押し込まれる。したがってpn接合15が、溝7の壁面に露出することはない。 2A, the pn junction or the pi junction 15 is formed in the light receiving layer 3 at the boundary between the p type layer (upper part) 3a and the i type layer (lower part) 3b. The undoped i-type layer (lower part) 3b has an n-type carrier concentration of about 2e15 cm −3 as described above, but the p-type impurity concentration of the p-type wall layer 8 is 5e15 cm −3 or more or 1e16 cm −3 or more. By setting it to 5e17 cm −3 or less, the predetermined depth of the wall surface can be made p-type by offsetting with a margin. The p - type layer (upper part) 3a is originally p-type. The p-type wall surface layer 8 is formed on the wall surface with a thickness of 0.1 μm to 1 μm. For this reason, the end of the pn junction or the pi junction is pushed inside the entire wall surface by the thickness of the p-type wall surface layer 8. Therefore, the pn junction 15 is not exposed on the wall surface of the groove 7.

次に、図3および図4に基づいて、本実施の形態における受光素子の製造方法を説明する。まず、InP基板1上に、InPバッファ層2/タイプ2MQW受光層3/InGaAs濃度分布調整層4/InP窓層5、からなるエピタキシャル積層体を形成する。エピタキシャル成長しながら、図1に示す不純物濃度分布になるように、不純物をドーピングする。次いで、図4に示すように、溝7に対応する領域に開口を設けたメサエッチング用マスクパターン36を形成する。次いで、ドライエッチングによって溝7を設けるようにしてメサ構造を形成する。溝7の形成では、SiCl(四塩化ケイ素)を用いてドライエッチングし、このとき生じたドライエッチングによるダメージ層をHBr(臭化水素酸)によって除去するのがよい。このあとp型壁面層8を形成する工程に入る。メサ構造が形成された中間製品を、不純物導入のためにOMVPE(Organic Metal Vapor Phase Epitaxy)炉に装入して、アルシン(AsH3)、ホスフィン(PH3)とともに、ジエチル亜鉛(DEZn)やジメチル亜鉛(DMZn)を流す。これによって、p型不純物が溝7の壁面に所定深さ導入されることで、p型壁面層8が形成される。 Next, based on FIG. 3 and FIG. 4, the manufacturing method of the light receiving element in this Embodiment is demonstrated. First, on the InP substrate 1, an epitaxial laminated body composed of InP buffer layer 2 / type 2 MQW light receiving layer 3 / InGaAs concentration distribution adjusting layer 4 / InP window layer 5 is formed. During the epitaxial growth, impurities are doped so that the impurity concentration distribution shown in FIG. 1 is obtained. Next, as shown in FIG. 4, a mesa etching mask pattern 36 having an opening in a region corresponding to the groove 7 is formed. Next, a mesa structure is formed so as to provide the groove 7 by dry etching. In forming the groove 7, dry etching is preferably performed using SiCl 4 (silicon tetrachloride), and a damage layer caused by dry etching generated at this time is preferably removed by HBr (hydrobromic acid). Thereafter, the process of forming the p-type wall surface layer 8 is started. The intermediate product with the mesa structure is introduced into an OMVPE (Organic Metal Vapor Phase Epitaxy) furnace to introduce impurities, and together with arsine (AsH3) and phosphine (PH3), diethylzinc (DEZn) and dimethylzinc ( DMZn). As a result, p-type impurities are introduced into the wall surface of the groove 7 at a predetermined depth, whereby the p-type wall surface layer 8 is formed.

上記のMQW受光層3における壁面の凹凸だけでなく、実施の形態2において説明するように、狭隘なメサ構造の溝の壁面に、別の半導体膜等を形成する際に困難性もある。実施の形態2で説明する別の保護膜を形成する困難性、および本発明における不純物壁面層を形成する容易性については、この実施の形態1にもそのまま当てはまる。   In addition to the unevenness of the wall surface in the MQW light-receiving layer 3 described above, as described in the second embodiment, there is a difficulty in forming another semiconductor film or the like on the wall surface of a narrow mesa structure groove. The difficulty of forming another protective film described in the second embodiment and the ease of forming the impurity wall surface layer in the present invention also apply to this first embodiment.

さらに、プレーナ型フォトダイオード作製のために選択拡散をしなければならないが、量産効率を高めるために大口径の半導体基板を用いる場合、その大口径の半導体基板(エピタキシャルウエハ)を収納するやはり径を大きくした石英管が必要となる。石英管内にマスクパターンを設けた半導体基板(エピタキシャルウエハ)とZn原料などの不純物原料とを封入して不純物を選択拡散し、その後、石英管を破壊してエピタキシャルウエハを取り出す。すなわちこの石英管は消耗品であり、選択拡散ごとに新品を用いる。大きな径の石英管は高価であり、量産効能向上のメリットを帳消しにしてしまう。一方、本発明におけるメサ構造における不純物の導入は、エピタキシャル成長中にドーピングによって行うので、石英管は不要であり、上記の問題は生じない。   In addition, selective diffusion must be performed to fabricate a planar photodiode, but when a large-diameter semiconductor substrate is used to increase mass production efficiency, the diameter of the large-diameter semiconductor substrate (epitaxial wafer) is also reduced. A large quartz tube is required. A semiconductor substrate (epitaxial wafer) provided with a mask pattern in a quartz tube and an impurity material such as a Zn material are sealed to selectively diffuse impurities, and then the quartz tube is broken to take out the epitaxial wafer. That is, this quartz tube is a consumable item, and a new one is used for each selective diffusion. Large diameter quartz tubes are expensive and negate the benefits of improving mass production effectiveness. On the other hand, since the introduction of impurities in the mesa structure in the present invention is performed by doping during epitaxial growth, a quartz tube is unnecessary and the above problem does not occur.

図2(a)および図4に示すように、p型不純物は、このときInPバッファ層2が溝7に露出する部分にも導入される。しかし、上記したように、p型壁面層8の形成において導入されるp型不純物の濃度は、5e15cm−3以上もしくは1e16cm−3以上で5e17cm−3以下なので、グランド電極12がオーミック接触するために1e18cm−3程度の高濃度のn型不純物を含むバッファ層の導電型には影響しないし、導電性にも大きな変化は生じない。 As shown in FIGS. 2A and 4, the p-type impurity is also introduced into the portion where the InP buffer layer 2 is exposed to the groove 7 at this time. However, as described above, since the concentration of the p-type impurity introduced in the formation of the p-type wall surface layer 8 is 5e15 cm −3 or more or 1e16 cm −3 or more and 5e17 cm −3 or less, the ground electrode 12 is in ohmic contact. It does not affect the conductivity type of the buffer layer containing an n-type impurity with a high concentration of about 1e18 cm −3 , and the conductivity is not significantly changed.

(実施の形態2−単一層の受光層、p型画素と同じ導電型の壁面層の場合−)
図5は、本発明の実施の形態2における受光素子を示す図であり、複数の画素がアレイ化された受光素子10である。本実施の形態は、受光層3は単一のIII−V族化合物半導体で形成される。受光層3が単一の半導体層であっても、メサ構造の壁面に、別の半導体膜等を被覆しても完全に覆うことは難しい。それは、溝7という狭隘な箇所なので、被覆膜となる物質の流れにおいて死角となる場所が生じるのは避けられず、また物質流自体が干渉等を生じるからである。これは、半導体膜が形成され厚みを増すほど深刻な問題となる。このため、隙間等は避けられない。この点、上記のように不純物の導入は隙間など生じる余地はなく、p型不純物の導入が進行しても溝7の空間は変化しない。このため容易にp型壁面層8を形成することができ、pn接合またはpi接合15の端の露出を防止することができる。p型壁面層8のp型不純物濃度および厚みについては、実施の形態1と同じである。ただし、受光層3においてMQWに起因する凹凸がないので、深さまたは厚みは少し小さくしてもよい。また、濃度分布調整層4についても、受光層3がMQWではないので必要性は小さくなる。製造方法については、受光層3以外は実施の形態1と同じである。
(Embodiment 2-Case of single-layer light-receiving layer and wall surface layer of same conductivity type as p-type pixel)
FIG. 5 is a diagram showing a light receiving element according to Embodiment 2 of the present invention, which is a light receiving element 10 in which a plurality of pixels are arrayed. In the present embodiment, the light receiving layer 3 is formed of a single group III-V compound semiconductor. Even if the light receiving layer 3 is a single semiconductor layer, it is difficult to completely cover the wall surface of the mesa structure even if another semiconductor film or the like is covered. The reason is that since the groove 7 is a narrow part, it is unavoidable that a spot that becomes a blind spot occurs in the flow of the material to be the coating film, and the material flow itself causes interference and the like. This becomes a serious problem as the semiconductor film is formed and the thickness is increased. For this reason, gaps are inevitable. In this respect, there is no room for the introduction of impurities as described above, and the space of the groove 7 does not change even when the introduction of p-type impurities proceeds. For this reason, the p-type wall surface layer 8 can be formed easily, and exposure of the end of the pn junction or the pi junction 15 can be prevented. The p-type impurity concentration and thickness of the p-type wall surface layer 8 are the same as those in the first embodiment. However, since there is no unevenness due to MQW in the light receiving layer 3, the depth or thickness may be slightly reduced. Also, the necessity for the density distribution adjusting layer 4 is reduced because the light receiving layer 3 is not MQW. The manufacturing method is the same as that of the first embodiment except for the light receiving layer 3.

(実施の形態3−MQW受光層、n型画素と同じ導電型の壁面層の場合−)
図6は、本発明の実施の形態3における受光素子を示す図であり、複数の画素がアレイ化された受光素子10である。本実施の形態における積層構造は次のとおりである。
(p型GaSb基板1/pGaSbバッファ層2/InAsとGaSbとのタイプ2MQW受光層3/n型InAs窓層5)
タイプ2(InAs/GaSb)MQW受光層3は、カットオフ波長3μm以上であり、近赤外〜中赤外(たとえば波長3μm〜12μm)の光に受光感度をもつ。このMQWは、たとえば単一の(InAs/GaSb)を1ペアとして、100〜300ペア程度形成されるのがよい。InAsおよびGaSbの厚みは、1nm〜10nmの範囲、たとえば3nm程度とするのがよい。全体のMQW3のうち、InAs窓層5側の数十ペア3aをn型層とするためにSiなどのn型不純物をInAsにドープするのがよい。また、GaSb基板1側の数十ペア3cのGaSbにはp型不純物たとえばBeをドープするのがよい。両方の中間の層3bは、i(intrinsic)型とするために不純物をドープしない。すなわちMQW受光層3を、上から順にn型3a/i型3b/p型3cとする。このようなMQW中の導電型分布の形成によって、nipフォトダイオードを得ることができる。pn接合またはni接合は、上記の不純物ドープまたはアンドープにより、MQW3内に形成される。すなわち上記のpn接合またはni接合は、成膜中の不純物ドープの有無または不純物種の切り換え、の界面により形成される。
(Embodiment 3-MQW light receiving layer, in the case of wall surface layer of the same conductivity type as the n-type pixel)
FIG. 6 is a diagram showing a light receiving element according to the third embodiment of the present invention, which is a light receiving element 10 in which a plurality of pixels are arrayed. The laminated structure in the present embodiment is as follows.
(P + type GaSb substrate 1 / p + GaSb buffer layer 2 / InAs and GaSb type 2 MQW light receiving layer 3 / n + type InAs window layer 5)
The type 2 (InAs / GaSb) MQW light receiving layer 3 has a cutoff wavelength of 3 μm or more, and has light receiving sensitivity to light in the near infrared to mid infrared (for example, wavelength 3 μm to 12 μm). This MQW is preferably formed, for example, by a single (InAs / GaSb) as one pair and about 100 to 300 pairs. The thickness of InAs and GaSb is preferably in the range of 1 nm to 10 nm, for example, about 3 nm. In order to make tens of pairs 3a on the InAs window layer 5 side of the whole MQW3 into an n type layer, it is preferable to dope InAs with an n type impurity such as Si. Further, it is preferable to dope p-type impurities such as Be into GaSb of several tens of pairs 3c on the GaSb substrate 1 side. Both intermediate layers 3b are not doped with impurities to be i (intrinsic) type. That is, the MQW light-receiving layer 3 is an n type 3a / i type 3b / p type 3c in order from the top. By forming such a conductivity type distribution in MQW, a nip photodiode can be obtained. The pn junction or ni junction is formed in the MQW 3 by the impurity doping or undoping described above. That is, the above pn junction or ni junction is formed by the interface of presence / absence of impurity doping during film formation or switching of impurity species.

画素Pの電極(画素電極)11は、n型窓層5にオーミック接触するようにAu/Ge/Ni合金等で形成するのがよい。またグランド電極12は、p型GaSb基板1にオーミック接触するようにTi/Pt/Au合金、AuZn合金等で形成するのがよい。また、図5では、GaSbバッファ層2のn型不純物を1e18cm−3程度の高濃度にして、グランド電極12をGaSbバッファ層2にオーミック接触させている。しかし、GaSb基板1のn型不純物濃度を1e18cm−3程度の高濃度にして、グランド電極12をGaSb基板1にオーミック接触させてもよい。
また、窓層5にはInAs層を用い、n型不純物濃度は、上記の画素電極11がオーミック接触するように1e18cm−3程度の高濃度にするのがよい。
光は、GaSb基板1の裏面から入射される。GaSb基板1は赤外光を吸収しやすいので、吸収を減らすためにGaSb基板1を数十μm程度の厚みになるように研磨等で薄くする。次いで入射光の反射を防止するためにAR(Anti-reflection)膜35で研磨したGaSb基板1の裏面を被覆する。
本実施の形態における特徴は、実施の形態において示した<本実施の形態におけるポイント>がそのまま当てはまる。図2(a)および(b)で説明したことも適用される。
The electrode (pixel electrode) 11 of the pixel P is preferably formed of an Au / Ge / Ni alloy or the like so as to make ohmic contact with the n + type window layer 5. The ground electrode 12 is preferably formed of a Ti / Pt / Au alloy, an AuZn alloy or the like so as to be in ohmic contact with the p + type GaSb substrate 1. In FIG. 5, the n-type impurity of the GaSb buffer layer 2 is set to a high concentration of about 1e18 cm −3 so that the ground electrode 12 is in ohmic contact with the GaSb buffer layer 2. However, the n-type impurity concentration of the GaSb substrate 1 may be set to a high concentration of about 1e18 cm −3 so that the ground electrode 12 is in ohmic contact with the GaSb substrate 1.
Further, an InAs layer is used for the window layer 5, and the n-type impurity concentration is preferably set to a high concentration of about 1e18 cm −3 so that the pixel electrode 11 is in ohmic contact.
Light enters from the back surface of the GaSb substrate 1. Since the GaSb substrate 1 easily absorbs infrared light, the GaSb substrate 1 is thinned by polishing or the like so as to have a thickness of about several tens of μm in order to reduce absorption. Next, the back surface of the GaSb substrate 1 polished with an AR (Anti-reflection) film 35 is covered to prevent reflection of incident light.
As features of the present embodiment, the <point in the present embodiment> shown in the embodiment is applied as it is. What has been described with reference to FIGS. 2A and 2B also applies.

(実施の形態4−MQW受光層、p型画素と逆導電型の壁面層の場合−)
図7は、本発明の実施の形態4における受光素子を示す図であり、複数の画素がアレイ化された受光素子10である。この受光素子10では、実施の形態1と、導電型も含めて同じエピタキシャル積層構造を有した上で、壁面層の導電型が画素領域のp導電型と逆のn型である点で相違する。すなわち、エピタキシャル積層構造は次のとおりである。
(InP基板1/InPバッファ層2/InGaAsとGaAsSbとのタイプ2MQW受光層3/InGaAs濃度分布調整層4/InP窓層5)
電極などの配置および材料についても実施の形態1と同じである。
(Embodiment 4-MQW light-receiving layer, p-type pixel and reverse conductivity type wall surface layer-)
FIG. 7 is a diagram showing a light receiving element according to Embodiment 4 of the present invention, which is a light receiving element 10 in which a plurality of pixels are arrayed. This light receiving element 10 is different from the first embodiment in that it has the same epitaxial laminated structure including the conductivity type, and that the conductivity type of the wall surface layer is an n type opposite to the p conductivity type of the pixel region. . That is, the epitaxial multilayer structure is as follows.
(InP substrate 1 / InP buffer layer 2 / InGaAs and GaAsSb type 2 MQW light receiving layer 3 / InGaAs concentration distribution adjusting layer 4 / InP window layer 5)
The arrangement and materials of the electrodes and the like are the same as in the first embodiment.

<本実施の形態におけるポイント>
図8(a)および(b)は、本発明のポイントを説明するための図である。(a)はマスクパターン36の配置下でn型不純物を導入した状態を示す図であり、(b)はpn接合またはpi接合15の端の部分の拡大図である。本実施の形態では、メサ構造の溝7の壁面にわたって、画素領域またはInP窓層5のp導電型と逆のシリコン(Si)などのn型不純物を導入して、n型壁面層8を形成する。
上述のようにpn接合15は、低濃度のp型領域3aとi型領域3bとの界面に形成される。このp型領域3aでは、p型不純物濃度は5e16cm−3以下、通常1e16cm−3以下とする。これは、InGaAs/GaAsSbタイプ2MQWの結晶性を良好に保つために必要である。n型壁面層8は、このp型領域3aのp型不純物濃度5e16cm−3程度を相殺してn型領域とするのに必要なn型不純物濃度を持たなければならない。このために、n型壁面層8は、たとえば5e16cm−3程度以上のn型不純物濃度とするのがよい。また、n型壁面層8のn型不純物濃度が5e17cm−3を超えると結晶性が劣化してかえって電流リークが増大するおそれを生じる。このため、n型壁面層8のn型不純物濃度は5e16cm−3以上5e17cm−3以下とするのがよい。そしてn型壁面層8は、厚みは0.1μm〜1μm程度とすることで、確実に、pn接合15の端が溝の壁面に露出することを防止することができる。
<Points in this embodiment>
FIGS. 8A and 8B are diagrams for explaining the points of the present invention. (A) is a figure which shows the state which introduce | transduced the n-type impurity under arrangement | positioning of the mask pattern 36, (b) is an enlarged view of the edge part of the pn junction or the pi junction 15. FIG. In this embodiment, an n-type wall layer 8 is formed by introducing an n-type impurity such as silicon (Si) opposite to the p conductivity type of the pixel region or InP window layer 5 over the wall surface of the groove 7 having a mesa structure. To do.
As described above, the pn junction 15 is formed at the interface between the low concentration p -type region 3a and the i-type region 3b. In this p -type region 3a, the p-type impurity concentration is 5e16 cm −3 or less, usually 1e16 cm −3 or less. This is necessary to keep the crystallinity of InGaAs / GaAsSb type 2 MQW good. The n-type wall surface layer 8 must have an n-type impurity concentration necessary to offset the p-type impurity concentration of about 5e16 cm −3 of the p -type region 3a to make an n-type region. For this purpose, the n-type wall surface layer 8 should have an n-type impurity concentration of, for example, about 5e16 cm −3 or more. Further, when the n-type impurity concentration of the n-type wall surface layer 8 exceeds 5e17 cm −3 , the crystallinity deteriorates and current leakage may increase. Therefore, the n-type impurity concentration of the n-type wall surface layer 8 is preferably 5e16 cm −3 or more and 5e17 cm −3 or less. And the n-type wall surface layer 8 can prevent the end of the pn junction 15 from being exposed to the wall surface of the groove by setting the thickness to about 0.1 μm to 1 μm.

n型不純物を溝7の壁面に導入するだけなので、別の半導体膜や保護膜などで被覆しようとする場合に比べて、隙間などを生じる余地はない。これによって、メサ構造によってフィルファクタを向上させながら、電流リークを簡単な構造によって確実に抑制することができる。
図7および図8(a)に示すように、InPバッファ層2はn導電型であり、溝7に露出している部分にn型不純物が導入されても、まったく影響はない。
実施の形態1と実施の形態4とは、不純物壁面層8の導電型が相違するだけで、その他の部分はまったく同じである。本実施の形態によって、不純物壁面層8の導電型の選択肢を広げることができる。
Since the n-type impurity is simply introduced into the wall surface of the groove 7, there is no room for a gap as compared with a case where the n-type impurity is covered with another semiconductor film or a protective film. This makes it possible to reliably suppress current leakage with a simple structure while improving the fill factor with the mesa structure.
As shown in FIGS. 7 and 8A, the InP buffer layer 2 is of the n conductivity type, and even if an n-type impurity is introduced into the portion exposed in the trench 7, there is no influence.
The first embodiment and the fourth embodiment are exactly the same except for the conductivity type of the impurity wall surface layer 8. According to the present embodiment, options of the conductivity type of the impurity wall surface layer 8 can be expanded.

(実施の形態5−単一層の受光層、p型画素と同じ導電型の壁面層、保護膜プラスの場合−)
図9は、本発明の実施の形態5における受光素子を示す図であり、複数の画素がアレイ化された受光素子10である。この受光素子10では、実施の形態2と保護膜9がプラスされている点でのみ相違する。実施の形態2において説明した不純物壁面層8による保護に加えて、プラスされた保護膜9によって、より手厚い保護を得ることができる。保護膜9は、半導体膜でもSiN、SiOxなどの絶縁膜であってもよい。厚みは0.1μm〜0.5μm程度とするのがよい。
(Embodiment 5: a single-layer light-receiving layer, a wall surface layer of the same conductivity type as a p-type pixel, and a protective film plus)
FIG. 9 is a diagram showing a light receiving element according to the fifth embodiment of the present invention, which is a light receiving element 10 in which a plurality of pixels are arrayed. The light receiving element 10 is different from the second embodiment only in that the protective film 9 is added. In addition to the protection by the impurity wall surface layer 8 described in the second embodiment, a thicker protection can be obtained by the added protective film 9. The protective film 9 may be a semiconductor film or an insulating film such as SiN or SiOx. The thickness is preferably about 0.1 μm to 0.5 μm.

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the embodiments and examples of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is the implementation of these inventions. It is not limited to the form. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明の受光素子等によれば、高いフィルファクタを得ることができるメサ構造を持ちながら、メサ構造特有の高い電流リークという欠点をこれまでにない簡単かつ確実な機構で抑制することができる。このため、高感度で高画質の受光素子、とくに近赤外〜中赤外域の受光素子を提供することができる。   According to the light receiving element or the like of the present invention, while having a mesa structure capable of obtaining a high fill factor, it is possible to suppress the disadvantage of a high current leak peculiar to the mesa structure with an unprecedented simple and reliable mechanism. For this reason, it is possible to provide a light-receiving element with high sensitivity and high image quality, particularly a light-receiving element in the near infrared to mid-infrared region.

1 半導体基板(InP、GaSb基板など)、2 バッファ層、3 受光層、3a p型またはn型、3b i型、3c p型、4 濃度分布調整層、5 窓層、7 メサ構造の溝、8 不純物壁面層(p型、n型)、9 保護膜、10 受光素子、11 画素電極(p側またはn側電極)、12 グランド電極(n側またはp側電極)、15 pn接合(pi接合)、35 反射防止膜、36 メサエッチング用マスクパターン、P 画素。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate (InP, GaSb substrate, etc.), 2 buffer layer, 3 light receiving layer, 3a p type or n type, 3b i type, 3c p type, 4 concentration distribution adjustment layer, 5 window layer, 7 mesa structure Groove, 8 impurity wall surface layer (p type, n type), 9 protective film, 10 light receiving element, 11 pixel electrode (p side or n side electrode), 12 ground electrode (n side or p side electrode), 15 pn junction (Pi junction), 35 antireflection film, 36 mask pattern for mesa etching, P pixel.

Claims (6)

半導体基板上に画素が形成された受光素子であって、
異なる組成の半導体層を積層した多重量子井戸構造を有し、光を受光するための受光層と、
前記受光層内に位置するpn接合と、
前記pn接合に対して前記半導体基板と反対側に設けられるとともに第1導電側電極を有する第1導電型領域と、
前記受光層と半導体基板の間に配置された第2導電型のバッファ層と、
前記画素と該画素の周囲とを溝によって隔てるメサ構造とを備え、
前記メサ構造の壁面には前記積層した半導体層が露出することによる凹凸が形成されているとともに、前記メサ構造の溝の壁面にわたって、前記pn接合の端が該溝の壁面に露出しないように第1導電型の不純物が導入された不純物壁面層が形成されており、
前記pn接合から前記半導体基板側の受光層の範囲における前記不純物壁面層の不純物の濃度が、前記第1導電型領域における前記第1導電側電極がオーミック接触している領域の前記第1導電型の不純物の濃度より小さく、
前記バッファ層の第2導電型の不純物濃度が、前記不純物壁面層の不純物の濃度より大きい、受光素子。
A light receiving element having pixels formed on a semiconductor substrate,
A multi-quantum well structure in which semiconductor layers of different compositions are stacked, and a light-receiving layer for receiving light;
A pn junction located in the light receiving layer;
A first conductivity type region provided on a side opposite to the semiconductor substrate with respect to the pn junction and having a first conductivity side electrode;
A buffer layer of a second conductivity type disposed between the light receiving layer and the semiconductor substrate;
A mesa structure separating the pixel and the periphery of the pixel by a groove;
Concavities and convexities are formed on the wall surface of the mesa structure by exposing the laminated semiconductor layer , and the end of the pn junction is not exposed to the wall surface of the groove over the wall surface of the groove of the mesa structure. An impurity wall surface layer into which an impurity of one conductivity type is introduced is formed,
The impurity concentration of the impurity wall surface layer in the range of the light receiving layer on the semiconductor substrate side from the pn junction is such that the first conductivity type in the region where the first conductivity side electrode in the first conductivity type region is in ohmic contact. Less than the impurity concentration of
The light receiving element, wherein an impurity concentration of the second conductivity type of the buffer layer is greater than an impurity concentration of the impurity wall surface layer.
前記pn接合から前記半導体基板側の受光層の範囲における前記不純物壁面層の第1導電型不純物の濃度が、5e15cm-3以上、5e17cm-3以下であることを特徴とする、請求項1に記載の受光素子。 The concentration of the first conductivity type impurity of the impurity wall surface layer in the range of the light receiving layer on the semiconductor substrate side from the pn junction is 5e15 cm -3 or more and 5e17 cm -3 or less. Light receiving element. 前記メサ構造の溝の不純物壁面層を覆うように被覆層が形成されていることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の受光素子。   The light receiving element according to claim 1, wherein a covering layer is formed so as to cover the impurity wall surface layer of the groove having the mesa structure. 前記受光素子はIII−V族半導体基板上における前記受光層を含むIII−V族半導体積層体によって形成されることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の受光素子。   The light receiving element according to claim 1, wherein the light receiving element is formed of a group III-V semiconductor stack including the light receiving layer on a group III-V semiconductor substrate. 前記第1導電型不純物が亜鉛(Zn)であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の受光素子。   The light receiving element according to claim 1, wherein the first conductivity type impurity is zinc (Zn). 前記受光層が、InGaAs/GaAsSbのタイプ2多重量子井戸構造を有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の受光素子。   6. The light receiving element according to claim 1, wherein the light receiving layer has an InGaAs / GaAsSb type 2 multiple quantum well structure. 7.
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