受光元件、受光元件陣列、製造受光元件的方法以及製造受光元件陣列的方法

2023-06-09 04:44:41

專利名稱：受光元件、受光元件陣列、製造受光元件的方法以及製造受光元件陣列的方法
技術領域：
本發明涉及受光元件、受光元件陣列及其製造方法。更具體地，本發明涉及受光元件、受光元件陣列及其製造方法，所述受光元件在近紅外區域中具有靈敏度並能夠用於光通信、成像裝置、傳感器等中。
背景技術：
使用InP襯底的III-V族化合物半導體具有與近紅外區域相對應的帶隙能量，由此為了通信、生物檢驗、夜間成像等用途，已經對III-V族化合物半導體進行了大量研究。 在這些研究中，特別關注的研究是對如下的研究如何能夠在良好晶體品質下在InP襯底上形成具有更小帶隙能量的III-V族化合物半導體晶體層和排列在這些晶體層上以構成受光單元的多個受光元件。例如，已經公布了實驗製造受光元件的結果，在所述受光元件中通過使用 In0.82Ga0.18As作為吸收層將靈敏度區域轉換到長波長側(非專利文獻1)。在Ina82G^ll8As 中，通過在III族中降低鎵(Ga)的比例並提高銦(In)的比例來使得帶隙變窄(增大晶格常數)。當按上述增大^的比例時，InGaAs的晶格常數增大，並發生與InP襯底的晶格失配增大的問題。在上述受光元件中，通過在InP襯底與高h比例的InGaAs吸收層之間設置12 20個InAsP漸變層(graded layer)來試圖解決這種問題，在所述漸變層中比例 (As/P)在朝向吸收層的方向上逐漸變大。晶格失配的增大導致晶格缺陷密度增大，且不可避免地導致暗電流增大。通過插入上述漸變緩衝層，將暗電流降至20 35μΑ。然而，這種電流值是比光通信用光電二極體的暗電流大三個數量級的值，所述光電二極體包含InGaAs 吸收層。另外，難以外延生長多個漸變層且增大了製造成本。另外，已經提出了由feJnNAs構成的四元III-V族化合物半導體，在所述feJnNAs 中另外向MGaAs中的V族元素中添加氮(N)(專利文獻1)。這種四元III-V族化合物半導體利用因添加氮而使得帶隙變窄的功能。然而，生長fe^nNAs晶體在技術上非常困難。特別地，為了具有高達3 μ m波長的靈敏度並實現與InP襯底的晶格匹配，必須將氮的量增加至約10% (在V族元素中的原子百分比)。然而，在約10%的氮量下獲得良好的晶體品質非常困難。另外，為了實現受光元件的高靈敏度，必須將含高濃度氮的GahNAs層的厚度提高至2 μ m以上。然而，生長具有如此大厚度並同時具有良好晶體品質的含氮晶體層更加困難。另外，已經報導了製造光電二極體的結果，其中使用由InGaAs-GaAsSb構成的II 型量子阱結構，利用P型或η型外延層形成ρη結來將截止波長控制為2. 39 μ m(非專利文獻2)。該文獻描述了，為了將截止波長進一步移向長波長側，應變補償是必要的。由此，在該文獻中提出了具有2 5 μ m截止波長並具有由InGaAs-GaAsSb構成的應變補償量子阱結構的光檢測器。對多個受光元件進行二維或一維排列並將其用作成像裝置等。然而，除非將各個受光元件可靠地相互分離，否則會產生暗電流和串擾等，且不能獲得清晰的圖像。光電二極體包含Pn結。在上述光電二極體中，通過在ρ型半導體層或η型半導體層上外延生長極性與布置在其下的半導體層的極性相反的半導體層，可形成這種ρη結。在這種情況下，為了將作為平面而廣泛形成的Pn結分成各個受光元件的ρη結，設置用於分成各個受光元件的溝槽(trench)。將這種溝槽稱作元件分離溝槽且通過形成平面狀ρη結並然後實施臺面腐蝕來形成所述溝槽。在近紅外區域用光電二極體、包含InP襯底的光電二極體的元件分離溝槽的形成中，通過使用對^P和InGaAs具有選擇性的腐蝕劑能夠在各個層的邊界處終止溼式腐蝕(專利文獻2)。然而，在上述溼式腐蝕方法中，難以在高準確度下對相互分離的各個受光元件的形狀進行控制。例如，可在各個受光元件的縱向橫截面中形成梯形錐，可根據半導體層的類型在疊層體的側面上形成不規則(凹凸)，或者腐蝕劑可依次侵入到相鄰的受光元件之間， 因此，可在中途位置停止溝槽的形成且可不形成完整溝槽。消除元件分離溝槽的這種不完整性非常困難。另一方面，當使用乾式腐蝕方法時，在腐蝕期間發生損害，且難以穩定地製造具有低暗電流的光電二極體。因此，收率下降，從而增大了製造成本。至於多個上述受光元件的排列結構的形成，即陣列的形成，除了非專利文獻1之外，在P型外延層和η型外延層之間形成了上述文獻中提出的受光元件的ρη結，且通過形成元件分離溝槽對受光元件進行一維或二維排列。因此，在元件分離溝槽的形成中發生上述問題。# # ^lJ i K 1 :T. Murakami, H. Takahashi, Μ. Nakayama, Y. Miura, K. Takemoto, D. Hara, " In^a^^s/InASyP^y detector for near infrared (1-2. 6 μ m) " , Conference Proceedings of Indium Phosphide and Related Materials 1995, May, Sapporo, pp.528-531# # ^lJ i； K 2 :R. Sidhu, " A Long-ffavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 17，No.12 (2005)，pp.2715—2717專利文獻1 :日本特開平9-219563號公報專利文獻2 日本特開2001-144278號公報

發明內容
本發明要解決的問題如上所述，對於在近紅外區域的長波長側具有靈敏度的受光元件和受光元件陣列，存在一些候選。然而，考慮到實際使用，存在許多難以克服的問題如晶體品質低、暗電流高和製造工藝困難，因此一直在開發這種受光元件和受光元件陣列。在這些情況下，本發明的目的是提供一種受光元件，所述受光元件在近紅外區域中具有靈敏度且其中可容易地獲得良好的晶體品質，可在高準確度下容易地形成受光元件的一維或二維陣列，並能夠減小暗電流；排列有受光元件的受光元件陣列；及其製造方法。解決所述問題的手段本發明的受光元件是具有III-V族化合物半導體層疊結構的受光元件，所述層疊結構包含內部具有ρη結的吸收層。在這種受光元件中，所述吸收層具有由III-V族化合物半導體構成的多量子阱結構，通過將雜質元素選擇性擴散到所述吸收層中而形成所述Pn 結，且在所述吸收層中所述雜質元素的濃度為5 X IOlfVcm3 (5E16cm_3)以下。根據上述構造，通過將雜質元素的濃度降至5X1016/cm3以下，能夠在多量子阱結構不破裂即不損傷晶體品質的條件下形成具有與近紅外區域相對應的帶隙能量的多量子阱結構。此外，用於形成受光元件的pn結的雜質發生選擇性擴散，即通過擴散將雜質引入到受光元件外圍部分的內部中，從而對外圍部分內的擴散進行二維限制。由此，引入雜質， 使得受光元件相互分離。因此，能夠在高準確度下形成各個受光元件，且不需要設置元件分離溝槽。因此，能夠形成具有低暗電流的受光元件。應注意，應對上述pn結按如下進行廣泛解釋。在吸收層中，當在與通過選擇性擴散引入雜質元素的表面相反的表面側上的區域為其中雜質濃度低至足以認為雜質區域為本徵半導體的雜質區域(也稱作「i區域」)時， 在所述pn結中也包含在這種i區域與通過選擇性擴散形成的雜質區域之間形成的結。艮口， 上述pn結可以為pi結、ni結等。此外，所述pn結還包含在pi結中的ρ濃度或在ni結中的η濃度非常低的情況。所述III-V族化合物半導體層疊結構是在III-V族化合物半導體襯底上形成的且包括擴散濃度分布控制層，所述擴散濃度分布控制層由III-V族化合物半導體構成，並設置成和所述吸收層的與所述襯底相反的一側的表面相接觸。所述擴散濃度分布控制層的帶隙能量優選比所述III-V族化合物半導體襯底的帶隙能量小。在這種情況下，即使當在擴散濃度分布控制層的吸收層側在厚度範圍內雜質元素的濃度下降時，因為帶隙能量小，所以電阻能夠比使用具有III-V族化合物半導體襯底的帶隙能量的材料的情況中的電阻低。此處，具有比襯底的帶隙能量小的帶隙能量的擴散濃度分布控制層的更具體特性和特性的原因如下(1)當使用III-V族化合物半導體形成用於近紅外區域的吸收層時，在某些情況中將比吸收層的帶隙能量大的帶隙能量用於窗口層。在這種情況中，考慮到晶格匹配性等， 通常將與半導體襯底相同的材料用作窗口層。與近紅外區域中的截止波長相對應的帶隙能量為0. 7 0. SeV0據認為，擴散濃度分布控制層的帶隙能量比窗口層的帶隙能量小且比吸收層的帶隙能量大。這是因為，如果擴散濃度分布控制層的帶隙能量與吸收層的帶隙能量重疊或非常接近且採用外延層的頂面充當入射面的結構，則擴散濃度分布控制層吸收應被吸收層吸收的光，從而降低吸收層的靈敏度。(2)通過使用帶隙能量比通常用作窗口層的材料的大帶隙能量小的材料，即使當雜質濃度下降時，仍可降低電阻增大的程度或電導率下降的程度。結果，如上所述，能夠在電壓施加狀態中抑制響應時間的縮短。在擴散濃度分布控制層中，所述雜質元素的濃度可以從位於與所述吸收層相接觸的表面的相反側的表面側的約lX1018/cm3以上的高濃度降低至所述吸收層側的5X1016/ cm3以下。在這種情況下，能夠確保多量子阱結構的良好晶體品質，同時降低布置在頂面側上的電極的界面電阻或使得形成歐姆接觸。通過帶隙能量比與InP相對應的帶隙能量低， 能夠減少因在擴散濃度分布控制層的部分中雜質濃度低而造成的電阻增大或電導率下降的問題。所述多量子阱結構可以為II型量子阱結構。在這種情況下，通過選擇合適的兩種 III-V族化合物半導體材料，可容易地實現在近紅外區域的長波長側具有靈敏度的受光元件。可以在InP襯底上形成所述III-V族化合物半導體層疊結構，所述吸收層可具有 InGaAs/GaAsSb多量子阱結構或feJnNAs/GaAsSb多量子阱結構，且所述雜質元素可以為鋅 (Zn)。在這種情況下，通過使用已經積累至今的材料和技術，能夠容易地獲得具有良好晶體品質和低暗電流的受光元件。所述擴散濃度分布控制層可以由InGaAs構成。在這種情況下，使用電阻對雜質濃度的依賴性小的材料能夠形成擴散濃度分布控制層，所述材料具有即使在低雜質濃度下仍不會明顯下降的電阻。因此，為了防止在具有量子阱結構的吸收層中形成具有高雜質濃度的區域，可以防止電阻在擴散濃度分布控制層的下側上變大，同時在擴散濃度分布控制層中雜質濃度從高的上側即擴散引入側向下側即吸收層側下降。結果，在不降低響應度的條件下能夠獲得含具有良好晶體品質的多量子阱結構的受光元件。應注意，InGaAs的帶隙能量為 0. 75eV0在所述擴散濃度分布控制層上可以設有InP窗口層，且在所述擴散濃度分布控制層與所述MP窗口層之間的邊界處可不存在Sb聚集(堆積)。在這種情況下，獲得了具有平坦表面的擴散濃度分布控制層和窗口層，並能夠防止暗電流的增大。此外，可防止從由 InGaAs/GaAsSb等構成的多量子阱結構的Sb脫漏(omission)並形成吸收層，且可獲得具有良好晶體品質的吸收層。此外，能夠消除因Sb富集層而帶來的不期望的問題。在所述擴散濃度分布控制層上可設有InP窗口層，且在所述擴散濃度分布控制層和所述hP窗口層中Sb的濃度可以為lX1018/cm3以下。具體地，擴散濃度分布控制層和 InP窗口層的任意位置處Sb的濃度可為不超過1 X 1018/cm3。在這種情況下，能夠實現與Sb 不聚集(堆積)的上述情況中相同的功能，例如防止暗電流的增大。在所述擴散濃度分布控制層上可以設有InP窗口層，且在所述擴散濃度分布控制層與所述InP窗口層之間的邊界處可以存在異質成分聚集層(堆積層)，在所述異質成分聚集層中氧(0)、碳(C)、氫(H)和矽(Si)中的至少一種發生聚集(堆積)。在這種情況下，例如，在通過分子束外延(MBE)沉積法沉積擴散濃度分布控制層之後，可以將製得的疊層體從MBE生長室中取出而轉移至大氣中並能夠將其轉移至在適合在低溫範圍內沉積InP層的沉積法中所使用的生長室中。通常，難以通過MBE法沉積InP層。這是因為，具有高吸溼性的磷附著到生長室的內壁上，且即使非常少量的水汽仍能夠充當降低晶體純度的雜質。根據上述構造，能夠獲得hP窗口層並同時保持吸收層的良好晶體品質。上述異質成分為大氣中的成分，所述成分因暴露在大氣中而附著到表面上。另外，形成由InP構成的窗口層不會損害布置在內部的半導體層疊結構的晶體品質。因此，當採用在入射面側上布置外延層的結構時，所述^P窗口層也有效地抑制了暗電流並同時防止例如在比吸收層更接近入射側的位置處吸收近紅外光。此外，與在其他晶體表面上形成鈍化膜的情況中所使用的技術如在InGaAs表面上形成鈍化膜的技術相比，已經積累並在技術上建立了在InP 晶體表面上形成鈍化膜的技術。因此，能夠容易地抑制表面上的電流洩露。本發明的受光元件陣列包含多個上述任意受光元件，其中所述受光元件包含共同的所述半導體層疊結構，所述雜質元素通過選擇性擴散到各個受光元件的所述吸收層中而引入，且所述受光元件以一維或二維的方式排列。根據上述構造，由於在單獨的雜質擴散區域中形成受光元件，所以不必設置元件分離溝槽。因此，可形成受光元件陣列，其可在高準確度下容易地形成，且其中能夠降低暗電流。本發明製造受光元件的方法為製造具有III-V族化合物半導體層疊結構的受光元件的方法，所述III-V族化合物半導體層疊結構包含內部具有pn結的吸收層。這種方法包括如下步驟在InP襯底上形成所述吸收層以具有多量子阱結構；在所述吸收層上形成擴散濃度分布控制層，所述擴散濃度分布控制層的帶隙能量小於與^P的帶隙能量相對應的帶隙能量，從而將所述吸收層中的雜質元素的濃度控制在低水平上；以及通過所述擴散濃度分布控制層將所述雜質元素選擇性擴散到所述吸收層中，以將所述吸收層中的所述雜質元素的濃度控制在5X IOlfVcm3以下。根據通過降低雜質元素的濃度來製造受光元件的方法，能夠在多量子阱結構不破裂即不損害晶體品質的條件下形成具有與近紅外區域相對應的帶隙能量的多量子阱結構。 對形成受光元件Pn結的雜質進行選擇性擴散，即通過擴散將雜質引入到受光元件外圍部分的內部，從而對外圍部分中的擴散進行二維限制。由此，可引入雜質而使其與外圍分離。 因此，能夠在高準確度下容易地形成受光元件，由此能夠形成具有低暗電流的受光元件。此外，由於通過擴散濃度分布控制層來選擇性擴散雜質，所以能夠容易地將多量子阱結構中的雜質濃度控制在低水平上。所述擴散濃度分布控制層的帶隙能量小於與InP的帶隙能量相對應的帶隙能量。所以，即使在擴散濃度分布控制層的吸收層側在厚度範圍內產生具有低雜質濃度的部分時，仍能夠防止在電壓施加狀態中響應時間的下降。在將所述吸收層InP形成在襯底上以具有包含至少一個含有Sb的層的多量子阱結構之後，在形成擴散濃度分布控制層之前，可以將包含吸收層的所述層疊結構冷卻至 300°C以下。在這種情況下，終止了在沉積期間依次將多量子阱結構中的Sb轉移至表面的狀態，從而防止了由Sb的表面聚集而造成的擴散濃度分布控制層的表面粗糙化。結果，能夠防止因粗糙化的表面而造成的暗電流變大。所述層疊結構的冷卻溫度優選為200°C以下， 更優選100°C。在將所述吸收層形成在InP襯底上之後，在形成擴散濃度分布控制層之前，可以將已經形成了所述吸收層的所述層疊結構從生長室轉移至與所述生長室連接的等待室中， 以將所述層疊結構冷卻至300°C以下。在這種情況下，能夠獲得具有良好晶體品質的外延疊層體並同時防止在擴散濃度分布控制層與吸收層之間的邊界處Sb發生表面富集而不形成含有源自大氣的雜質的雜質附著層。所述層疊結構的冷卻溫度優選為200°C以下，更優選 100°C。在將所述吸收層形成在InP襯底上之後，在進行所述冷卻之前，可以將所述層疊結構在比所述吸收層的沉積溫度高10°c 50°C的溫度下保持10分鐘以上且30分鐘以下， 然後可以實施所述冷卻或實施所述轉移和冷卻。在這種情況下，通過熱脫附能夠將通過表面活性劑效果而堆積在吸收層表面上的Sb移除。在保持時間小於10分鐘時，熱處理的效果不足。在保持時間超過30分鐘時，晶體表面因熱損傷而劣化。可以通過分子束外延(MBE)法在550°C以下的溫度下在InP襯底上沉積所述吸收層和所述擴散濃度分布控制層，然後可以通過全金屬有機氣相外延(全M0VPE)法在所述擴散濃度分布控制層上在550°C以下的溫度下沉積hP窗口層。本文中，術語「全MOVPE法」 是指將有機材料用作III族材料和V族材料兩者即將有機磷材料三丁基膦(TBP)用作InP的磷源的MOVPE法。普通的MOVPE法還包括將膦(PH3)用作磷源的方法。然而，PH3的熱分解溫度高，且難以在550°C以下的低溫下生長hP。上述製造方法具有下列兩點優勢(1)在MBE法中，通過將布置在用於沉積的襯底與多個坩堝之間的擋板(shutter) 交替打開和關閉，能夠容易地獲得包含幾百對的多量子阱結構，同時在組成急劇變化處形成界面。由此，所述MBE法為特別適用於形成多量子阱結構的沉積方法。然而，通過MBE法難以沉積高純度的hP。這是因為，具有高吸溼性的磷附著到生長室的內壁上，且即使非常少量的水汽也能夠充當降低晶體純度的雜質。此外，在全MOVPE法中，在形成含磷的層如InP期間，磷(P)或P的化合物附著並沉積到生長室的內壁上。磷或這種P化合物與空氣中的氧發生反應並燃燒。然而，在通過 MBE法進行的沉積中，即使當補充材料時仍必須將生長室向大氣敞開，且在進行細小維修時也必須將生長室向大氣敞開。因此，附著到生長室內壁上的磷吸收大氣中的水汽(上述原因(1))或與氧發生反應且燃燒的概率增大。相反，在全MOVPE法(類似於普通MOVPE法) 中，很少將生長室向大氣敞開。由於使材料在關閉生長室的狀態下流動，所以理所當然地， 在補充材料時不將生長室暴露於大氣中。因此，與磷相關的吸收水汽的問題和燃燒的問題不易發生。此外，已知的是，通過TBP的熱分解而製造的磷或磷化合物即使在與大氣接觸時也不會非常容易地發生燃燒，儘管這是全MOVPE法所特有的。(2)此外，在全MOVPE法中，僅將有機化合物如TBP和三甲基銦(TMI)用作沉積InP 的材料。因此，這些材料易於發生熱分解，且能夠將沉積溫度降至550°C以下，特別是500°C 以下。因此，通過全MOVPE法僅沉積InP窗口層，能夠形成M5窗口層，同時保持具有良好晶體品質的多量子阱層(吸收層)/擴散濃度分布控制層。在通過所述MBE法在InP襯底上沉積所述吸收層和所述擴散濃度分布控制層之後，可以將包含吸收層和擴散濃度分布控制層的所述層疊結構暴露在大氣中，然後可以將所述層疊結構裝入到所述生長室內以通過MOVPE法沉積所述InP窗口層。在這種情況下， 能夠容易地將中間產物襯底從MBE沉積設備中轉移至外部空氣中並裝入到MOVPE沉積設備中而不需要準備真空運輸裝置等。在本發明製造受光元件陣列的方法中，為了製造排列有多個受光元件的受光元件陣列，共同使用III-V族化合物半導體層疊結構並將製造受光元件的任意一種方法應用於所述多個受光元件。在選擇性擴散所述雜質元素的步驟中，通過所述擴散濃度分布控制層將所述雜質元素選擇性擴散到各個受光元件的所述吸收層中，使得所述受光元件相互分離，以將各個受光元件的所述吸收層中的所述雜質元素的濃度控制在5X IOlfVcm3以下。根據製造受光元件陣列的上述方法，通過降低雜質元素的濃度，能夠形成具有與近紅外區域相對應的帶隙能量的多量子阱結構而不會造成多量子阱結構破裂即不會損傷晶體品質。用於形成各個受光元件的Pn結的雜質發生選擇性擴散，即通過擴散將雜質引入到各個受光元件外圍部分的內部，從而在二維上限制在外圍部分中的擴散。由此，引入雜質，使得受光元件相互分離。因此，能夠在高準確度下容易地形成各個受光元件，且不必設置元件分離溝槽，由此能夠形成具有低暗電流的受光元件陣列。此外，由於雜質通過擴散濃度分布控制層而發生選擇性擴散，所以能夠將多量子阱結構中的雜質濃度容易地控制在低水平上。所述擴散濃度分布控制層的帶隙能量小於與^P的帶隙能量相對應的帶隙能量。因此，即使在擴散濃度分布控制層的吸收層側在厚度範圍內產生具有低雜質濃度的部分時，仍能夠防止在電壓施加狀態中響應時間的縮短。發明優點根據本發明，可提供一種受光元件，所述受光元件在近紅外區域中具有靈敏度且其中易於獲得良好的晶體品質，易於在高準確度下形成受光元件的一維或二維陣列，且能夠降低暗電流；和排列有所述受光元件的受光元件陣列。


圖1為顯示根據本發明實施方案1的受光元件的橫截面圖。圖2為顯示在圖1中所示的受光元件中的Si濃度分布的圖。圖3為顯示根據本發明實施方案1的受光元件陣列的橫截面圖。圖4為與本發明不同的參考例1的受光元件的橫截面圖。圖5為顯示在圖4中所示的受光元件中的Si濃度分布的圖。圖6為與本發明不同的參考例2的受光元件的橫截面圖。圖7為顯示在圖6中所示的受光元件中的Si濃度分布的圖。圖8為說明根據本發明實施方案2製造受光元件陣列的外延疊層體的方法的圖。圖9為說明在深度方向上銻(Sb)的濃度分布的示意圖。圖10為顯示圖8中所示製造方法的變體的圖，其為本發明實施方案的實例。圖11包括說明根據本發明實施方案3製造受光元件陣列的外延疊層體的方法 (混合生長方法)的圖。圖12是顯示用於通過金屬有機氣相外延(MOVPE)法沉積MP窗口層的設備的總體結構的圖。圖13為用於實施例1中的受光元件陣列的部分橫截面圖。圖14為顯示在實施例1中測量的暗電流與受光元件之間的距離之間關係的圖。圖15為顯示在實施例1中Si在深度方向上的濃度分布的圖。圖16為顯示在實施例2中在本發明例Al中Sb在深度方向上的濃度分布的圖。圖17為顯示在實施例2中在比較例Bl中Sb在深度方向上的濃度分布的圖。圖18為顯示在實施例3中在本發明例A3中氧在深度方向上的濃度分布的圖。圖19為顯示在實施例3中在本發明例A3中碳在深度方向上的濃度分布的圖。圖20為顯示在實施例3中在本發明例A3中矽在深度方向上的濃度分布的圖。
具體實施例方式(實施方案1-半導體層疊結構和pn結的實施方案)圖1為顯示根據本發明實施方案的受光元件10的橫截面圖。參考圖1，受光元件 10包含InP襯底1和布置在InP襯底1上並具有下列結構的III-V族化合物半導體層疊結構(外延晶片)。(InP襯底1/緩衝層2/具有由InGaAs或feJnNAs和GaAsSb構成的多量子阱結構的吸收層3AnGaAs擴散濃度分布控制層4/InP窗口層5)通過從由SiN膜構成的選擇性擴散掩模圖案36的開口選擇性擴散ρ型雜質Si而形成從InP窗口層5延伸至具有多量子阱結構的吸收層3的ρ型區域6。由此，通過擴散將 P型雜質Si引入到受光元件10外圍部分的內部，從而在二維上限制在外圍部分中的擴散。 這通過使用由SiN膜構成的選擇性擴散掩模圖案36進行擴散來實現。在ρ型區域6和InP襯底1的背面上分別設置由AuSi製成的ρ側電極11和由 AuGeNi製成的η側電極12，從而形成歐姆接觸。在這種情況下，InP襯底1摻雜有η型雜質，從而確保將電導率保持在預定水平上。在InP襯底1的背面上還設置由SiON製成的抗反射膜35，從而在將受光元件10用作背部照明(rear-illuminated)型受光元件時可防止光的反射，在所述背部照明型受光元件中所述InP襯底的背面側充當入射面。在與ρ型區域6前面的邊界相對應的位置處在具有多量子阱結構的吸收層3中形成pn結15。通過在ρ側電極11和η側電極12之間施加反向偏壓，在η型雜質濃度低的一側上(η型雜質背景(background))更廣泛地產生耗盡層。具有多量子阱結構的吸收層 3中的背景具有約5 X IO15CnT3以下的η型雜質濃度(載流子濃度)。通過具有多量子阱結構的吸收層3的背景(η型載流子濃度)與ρ型雜質Si的濃度分布之間的交叉點來確定pn 結的位置15。S卩，pn結的位置15為圖2中所示的位置。在擴散濃度分布控制層4中，通過選擇性擴散而從InP窗口層5的表面fe引入的 P型雜質的濃度，從在MP窗口層側的高濃度區域到吸收層側急劇下降。因此，在吸收層3 中，能夠容易地實現5 X IO16CnT3以下的Si濃度，以作為雜質濃度。在圖2中，在吸收層3中實現了約IXlO16cnT3以下的更低的Si濃度。由於作為本發明目標的受光元件10的目的是在近紅外區域到其長波長側的範圍內具有靈敏度，所以所述窗口層優選由帶隙能量比吸收層3的帶隙能量大的材料構成。為此，通常將帶隙能量比吸收層的帶隙能量大且具有良好晶格匹配的材料InP用作窗口層。 或者，還可以使用帶隙能量基本上與hP的帶隙能量相等的InAlAs。本實施方案中的要點本實施方案的特徵在於，所述受光元件具有下列構造。1.當通過選擇性擴散將高濃度的雜質引入到多量子阱結構中時，多量子阱結構破裂。因此，必須將通過選擇性擴散而引入的雜質的量抑制在低水平上。通常，必須將通過擴散而引入的P型雜質的濃度控制在5X IOlfVcm3以下。2.為了在實際製造中在良好重複性下穩定地獲得上述ρ型雜質的低濃度，在吸收層3上設置由^GaAs構成的擴散濃度分布控制層4。如果擴散濃度分布控制層4具有與吸收層相鄰的部分，所述部分具有低的雜質濃度，則在所述部分中的導電性能下降或者在所述部分中的電阻上升。當在擴散濃度分布控制層4中具有低雜質濃度的部分的導電性能下降時，響應度下降，且例如，不能獲得良好的動畫。然而，在擴散濃度分布控制層4由帶隙能量比與^P的帶隙能量相對應的帶隙能量小的材料、具體為帶隙能量小於1. 34eV的III-V 族化合物半導體材料構成的情況中，即使雜質濃度低，導電性能也不會非常明顯地下降，因為在絕對零度下不使用受光元件。滿足所述擴散濃度分布控制層的要求的III-V族化合物半導體材料的實例為InGaAs。將對將吸收層的雜質濃度控制在5X IOlfVcm3以下的原因進行更詳細地說明。如果因為例如P型雜質(Zn)的選擇性擴散深度增大而導致吸收層3中的Si濃度超過IXlO17/ cm3,則在Si濃度超過1 X IO17CnT3的高濃度部分中，構成量子阱層的InGaAs和GaAsSb的原子相互擾亂，由此使超晶格結構破裂。破裂部分的晶體品質下降，由此降低了受光元件的特性，例如使暗電流增大。此處，通常通過次級離子質譜法(SIMQ測量Si的濃度。然而，難以對IO17CnT3或IO16CnT3數量級上的濃度進行分析，並產生相對大的測量誤差。上述詳細說明涉及關於Si的濃度值具有兩倍或一半準確度的討論，且這是由測量準確度的這種粗糙造成的。因此，例如，從測量準確度的觀點來看，對5 X IO1Vcm3與6 X 1016/cm3之間的不同進行討論很困難且是無意義的。通過將具有窄帶隙能量的材料用作擴散濃度分布控制層4，即使在低雜質濃度時仍能夠抑制電阻的增大。據認為，利用通過電容和電阻確定的CR時間常數來確定對反向偏壓的施加等的響應時間。因此，通過按如上所述來抑制電阻R的增大，能夠縮短響應時間。3.在本實施方案中，所述多量子阱結構具有II型結構。在I型量子阱結構中，在具有將具有小帶隙能量的半導體層夾在具有大帶隙能量的半導體層之間的結構從而在近紅外區域中具有靈敏度的受光元件的情況中，通過具有小帶隙能量的半導體層的帶隙來確定靈敏度波長的上限(截止波長)。即，在具有小帶隙能量的半導體層中進行因光造成的電子或空穴的躍遷(直接躍遷)。在這種情況下，將截止波長延伸至更長波長區域的材料為非常有限量的III-V族化合物半導體。相反，在II型多量子阱結構中，當將具有相同費米O^rmi)能量的兩種不同類型的半導體層交替層疊時，第一半導體的導帶與第二半導體的價帶之間的能差決定靈敏度波長的上限(截止波長)。即，在第二半導體的價帶與第一半導體的導帶之間進行由光造成的電子或空穴的躍遷(間接躍遷)。因此，通過將第二半導體的價帶能量控制為比第一半導體的價帶的能量高並將第一半導體的導帶能量控制為比第二半導體的導帶能量低，與在單一半導體中進行的直接躍遷的情況相比，能夠容易地將靈敏度延伸至長波長側。4.如上所述，通過擴散將ρ型雜質引入到受光元件外圍部分的內部，使得通過使用SiN選擇性擴散掩模圖案36進行選擇性擴散，對在外圍部分中的擴散進行二維限制。因此，未將上述pn結暴露在受光元件的端面上。結果，抑制了光電流的洩露。圖3為顯示受光元件陣列50的橫截面圖，在所述受光元件陣列50中在包含共同 InP襯底1的外延晶片上排列多個上述受光元件10。這種受光元件陣列50的特徵在於，可在不設置元件分離溝槽的條件下排列多個受光元件10。如上述項4中所述，將ρ型區域6 限制在各個受光元件內部，並將相鄰的受光元件可靠地相互分離。形成吸收層3以具有多量子阱結構，在吸收層3上布置擴散濃度分布控制層4，並將吸收層3中的ρ型雜質濃度控制為5X IO16CnT3以下。這些要點等與圖1中所示的受光元件10的那些相同。然後，對製造圖1中所示的受光元件10的方法進行說明。在η型InP襯底1上沉積緩衝層2。所述緩衝層2優選為具有2 μ m厚度的InP或InAlAs膜或具有0. 15 μ m厚度的hGaAs膜。隨後，形成具有多量子阱結構的吸收層3，所述多量子阱結構由(InGaAs/ GaAsSb)或(feJnNAs/GaAsSb)構成。形成單位量子阱結構的fe^nNAs層或GaAsSb層的厚度為5nm，且對的數目(單位量子阱的重複數)為300。隨後，作為用於通過擴散引入Si的擴散濃度分布控制層4，在吸收層3上外延生長具有1 μ m厚度的MGaAs層。最後，接著外延生長具有1 μ m厚度的InP窗口層5。優選通過分子束外延(MBE)法來外延生長吸收層3 和擴散濃度分布控制層4兩者。通過MBE法可外延生長所述InP窗口層5。或者，可以在生長擴散濃度控制層4之後，將InP襯底1從MBE設備中取出，並可通過金屬有機氣相外延(MOVPE)法來外延生長InP窗口層5。InP緩衝層2、InAlAs緩衝層2或InGaAs緩衝層2可以為未摻雜的或者可以以約 1 X IO17CnT3的濃度摻雜有η型摻雜劑如矽(Si)。具有由feJnNAs/GaAsSb構成的多量子阱結構的吸收層3、由InGaAs構成的擴散濃度分布控制層4和InP窗口層5優選為未摻雜的。 然而，這些層可摻雜有痕量(例如，約2X1015CnT3)的η型摻雜劑如Si。此外，為了在緩衝層上形成η側電極，可以利用η型摻雜劑以約IX IO18CnT3的量對緩衝層2進行摻雜。在這種情況中，所述InP襯底1可以為!^e摻雜的半絕緣InP襯底。使用包含InP襯底1的層疊結構(外延晶片)來製造光學器件。從在InP窗口層 5的表面fe上形成的SiN選擇性擴散掩模圖案36的開口進行Si的選擇性擴散。由此，形成ρ型區域6，以在具有(feJnNAs/GaAsSb)多量子阱結構的吸收層3中延伸。ρ型區域6 的前端部分形成ρη結15。在這種情況下，將具有約IXlO18cnT3以上Si濃度的高濃度區域限制在InGaAs擴散濃度分布控制層4中。即，上述高濃度雜質分布在深度方向上，從InP 窗口層5的表面fe到InGaAs擴散濃度分布控制層4的內部連續，並在擴散濃度分布控制層4中的更深位置處降低到5X IO16CnT3以下。接近ρη結15的Si的濃度分布顯示了傾斜型接合。至於受光元件10的一維或二維排列，即圖3中所示的受光元件陣列，在不進行用於元件分離的臺面腐蝕的條件下通過進行ai的選擇性擴散(經受二維限制，使得擴散的部分位於各個受光元件 ο的外圍部分的內部的擴散)來使得相鄰的受光元件相互分離。具體地，Zn的選擇性擴散區域6構成一個受光元件10的主要部分並形成一個像素，且Si未擴散的區域使各像素相互分離。因此，受光元件陣列不會遭受例如因臺面腐蝕而造成的晶體損傷，由此能夠抑制暗電流。專利文獻2描述了一個擔憂，在通過選擇性擴散雜質而形成ρη結15的情況中，不能將受光元件之間的距離降低至特定尺度以下，因為雜質不僅在深度方向上擴散而且在橫向(與深度方向正交的方向)上擴散。然而，根據選擇性擴散ai的實驗結果可確認，在頂面上布置hP窗口層5並在hP窗口層5下方布置InGaAs擴散濃度分布控制層4的結構中，在橫向上的擴散面積與在深度方向上的擴散面積基本相同或比其小。即，在Si的選擇性擴散中，儘管Si在橫向上擴散而使得擴散區域的直徑比掩模圖案的開口直徑大，但是擴散程度小且所述區域僅從掩模圖案的開口稍微擴展，如在例如圖1和3中所示意性顯示的。圖4為與本發明不同的參考例1的受光元件110的橫截面圖。參考例1的受光元件110具有下列層疊結構。(InP 襯底 101/lnP、InAlAs 或 InGaAs 緩衝層 102/ 具有(GaInNAs/GaAsSb)多量子阱結構的吸收層103ΛηΡ窗口層105)這種層疊結構與本發明實施方案的層疊結構的不同之處在於未設置擴散濃度分布控制層。即，在InP窗口層105下方直接布置具有多量子阱結構的吸收層103。例如，當如圖5中所示不設置擴散濃度分布控制層時，至於Si的濃度分布，高濃度的雜質區域延伸至具有多量子阱結構的吸收層103。具體地，在多量子阱結構中，形成了 IXlO18cnT3的高濃度雜質區域，其超過了 5X1016cm_3。當在多量子阱結構中引入高濃度雜質時，所述結構破裂，且暗電流明顯增大。為了防止在多量子阱結構中形成這種高濃度雜質區域，形成擴散濃度分布控制層，然後進行選擇性擴散。
然而，關於S1的選擇性擴散，可實現下列想法。(1)將通過擴散而引入所需要的時間限制為短時間，從而高濃度區域不會到達多量子阱結構103。(2)增加InP窗口層105的厚度，使得InP窗口層105具有擴散濃度分布控制層的功能。圖6為顯示用於檢驗上述情況(1)和(2)的參考例2的受光元件110的橫截面圖。 參考例2的受光元件110具有基本與參考例1的受光元件110相同的層疊結構，但是InP窗口層105的厚度比參考例1的大。參考例2的受光元件110與上述情況(2)相對應，但是能夠將其用於檢驗上述情況(1)。在圖6中所示的層疊結構中，進行選擇性擴散，從而在多量子阱結構103中不形成Si的高濃度區域。結果，獲得了圖7中所示的Si濃度分布。在圖7中所示的Si濃度分布的情況中，在InP窗口層105中，Zn的濃度從高濃度急劇下降至低濃度，且在hP窗口層105的吸收層側形成具有約IX IO16CnT3濃度的低濃度雜質區域。當在hP窗口層105中形成具有約IX IO16CnT3濃度的低濃度雜質區域時，所述區域中的電阻增大，由此縮短了響應時間，如同上面所重複描述的。因此，不能為帶隙能量大得足以形成窗口層的材料提供擴散濃度分布控制層的功能，具體地，不能為作為所述材料典型實例的LP窗口層105提供所述功能。這適用於上述情況⑴和(2)兩者。因此，優選將帶隙能量與InP的帶隙能量相當或小於其的材料、具體為滿足帶隙能量小於1. 34eV的材料用作擴散濃度控制層。即，必須使用諸如InGaAs的材料，其中即使在低濃度雜質區域中電導率的下降仍比較小且電阻的增加也比較小。(實施方案2-防止Sb的表面堆積_)已知銻(Sb)為在半導體材料如矽中展示表面活性劑效果的元素。展示表面活性劑效果的這種元素具有在半導體材料表面上堆積的強烈趨勢，儘管原因仍不是完全清楚。實施方案1中所述的受光元件10包含具有由(InGaAs/GaAsSb)或(fe^nNAs/ GaAsSb)構成的多量子阱結構的吸收層3，由此吸收層3包含Sb。因此，如果在沉積吸收層 3之後的沉積擴散濃度分布控制層4期間未採取措施，則在生長過程中Sb依次堆積在所述擴散濃度分布控制層4的表面上，且在沉積完成之後仍堆積在表面上。這種情況中的問題在於，晶體表面變粗糙，且在具有粗糙表面的區域中洩漏電流增大，從而導致暗電流增大。 此外，當形成其上堆積Sb的InGaAs擴散濃度分布控制層4並然後在其上形成例如^P窗口層5時，擴散濃度分布控制層4中的Sb被吸引到InP窗口層5與擴散濃度分布控制層4 之間的界面處，從而形成Sb富集層。圖8為顯示形成本發明實施方案2中的吸收層3和InGaAs擴散濃度分布控制層 4的方法的圖，所述吸收層3具有由InGaAs (N)/GaAsSb構成的多量子阱結構。如上所述， 優選通過MBE法來沉積具有多量子阱結構的吸收層3，在所述MBE法中組成界面能夠急劇變化。在4500C 550°C範圍內的沉積溫度Tg下進行沉積。當在保持相同溫度的同時在吸收層3上形成InGaAs擴散濃度分布控制層4時，如上所述，Sb從吸收層3轉移並堆積(聚集)在擴散濃度分布控制層4上。在根據本實施方案製造受光元件的方法中，在形成吸收層3之後，暫且(once)冷卻至300°C以下，優選200°C以下，更優選100°C以下。結果，Sb不能保持Sb從內部進行擴散以堆積在表面上的擴散速率，且Sb被厚度正在增大的擴散濃度分布控制層4所覆蓋。相反，當連續沉積InGaAs擴散濃度分布控制層4並同時保持吸收層3的沉積溫度時，Sb依次堆積在生長表面上，如同其從生長層3中湧出的那樣。然而，據認為，當在形成吸收層3之後暫且冷卻至例如100°C時，Sb固定在GaAsSb的晶體結構中，原子力將Sb保持在穩定的位置處，且吸收層3的上層部分和InGaAs擴散濃度分布控制層4充
當覆蓋物。圖9為顯示Sb的濃度分布的示意圖，並將詳細測量的數據示於實施例2中。在通過根據圖8中所示的本實施方案的製造方法獲得的Sb濃度分布(圖9的(a))中，在擴散濃度分布控制層4和hP窗口層5中將Sb的濃度保持為1 X IO1Vcm3以下。相反，當在保持吸收層(b)的沉積溫度的同時形成擴散濃度分布控制層4時，擴散濃度分布控制層4的 Sb濃度變高，約為lX1018/cm3 (圖9的(b))。一旦在擴散濃度分布控制層4中形成高的Sb 濃度分布，則即使當通過暴露在外部空氣中來對這種擴散濃度分布控制層4進行冷卻時， 在通過全MOVPE法沉積InP窗口層5的情況(c)中，在InP窗口層5和InGaAs擴散濃度分布控制層4之間的界面處形成Sb堆積層(聚集層)(圖9的(C))。通過從InGaAs擴散濃度分布控制層4轉移的Sb來形成這種Sb堆積層。此外，Sb也似乎是移動自含GaAsSb的多量子阱結構3。如上所述，與連續沉積吸收層3和擴散濃度分布控制層4並同時保持吸收層的沉積溫度的情況相比，通過使用圖8中所示的方法，能夠降低擴散濃度分布控制層4中Sb的濃度。另外，當形成hP窗口層5時，在InP窗口層5和InGaAs擴散濃度分布控制層4之間的邊界處不形成Sb堆積層。當將Sb從吸收層3轉移至擴散濃度分布控制層4時，表面變粗糙且晶體品質下降。據認為，這是由於形成了從中除去Sb的空穴。因此，洩漏電流增大，從而導致暗電流增大。根據圖8中所示的方法，防止了晶體表面的粗糙化，還防止了暗電流的增加。另外，通過防止Sb脫漏，能夠抑制吸收層3中Sb的比例的偏差。圖10為顯示本發明實施方案的實例的圖，其為圖8中所示方法的變體。在圖10 中所示的方法中，在形成含GaAsSb的多量子阱結構3之後並在冷卻之前，通過加熱將含 GaAsSb的多量子阱結構3保持在比沉積溫度Tg高10°C 50°C的溫度範圍內並持續10 30分鐘。實施這種加熱，以通過熱脫附將堆積在多量子阱結構表面上的Sb除去。在這種加熱之後，將含GaAsSb的多量子阱結構3冷卻至300°C以下，如100°C以下，從而使得將Sb固定在其中存在吸收層的GaAsSb晶體結構中。圖10中所示的方法還提供圖9中所示的(a) 的Sb濃度分布。(實施方案3-混合生長方法(沉積MP窗口層)-)為了提高在具有II型InGaAs (N)/GaAsSb多量子阱結構的吸收層3中的受光效率，必要的是，InGaAs(N)和GaAsSb的對的數目為100以上。如果通過MOVPE法形成這種多量子阱結構，則形成所述對並同時轉換源氣體。然而，由於源氣體保留在生長室內，所以不能獲得組成在層界面處急劇變化的對。相反，在MBE法中，通過轉換擋板能夠將組成在界面處急劇變化的對進行層疊，如上所述。鑑於此，優選通過MBE法形成具有多量子阱結構的吸收層3。另一方面，當通過MBE法生長hP窗口層5時，發生下列問題。(問題1)通過MBE法難以沉積具有高純度的hP。這是因為具有高吸溼性的磷附著到生長室的內壁上，且即使非常少量的水汽仍可充當降低晶體純度的雜質。(問題2)在形成含磷的層如LP層時，磷⑵或磷⑵的化合物附著到生長室的內壁上並發生沉積。磷或這種P化合物可與空氣中的氧發生反應並燃燒。在通過MBE法進行的沉積中，即使在補充材料時也必須將生長室向大氣敞開，且在進行細小維修時也必須將生長室向大氣敞開。因此，不僅附著到生長室內壁上的磷按如上所述吸收水汽，而且磷與氧發生反應並燃燒的問題的發生概率增大。全MOVPE法能夠避免上述問題(問題1)和(問題2)兩者。通過全MOVPE法生長 MP窗口層5的優勢如下(1)在全MOVPE法(類似於普通MOVPE法)中，很少將生長室61向大氣敞開。當然，在補充材料時不會將生長室61暴露在大氣中。因此，與磷相關的吸收水汽和燃燒等的問題不易發生。此外，已知的是，通過三丁基膦(TBP)的熱分解製造的磷或磷化合物即使在與大氣接觸時也不會非常容易地發生燃燒，儘管這是全MOVPE法所特有的。(2)在全MOVPE法中，僅將有機化合物TBP和三甲基銦(TMI)用作沉積InP的材料。因此，這些材料易於發生熱分解，且能夠將沉積溫度降至550°C以下，特別是500°C以下。當使用充當磷源的無機物質PH3時，不能將熱分解溫度降低至期望的低溫。通過利用全MOVPE法沉積MP窗口層5，能夠在保持具有良好晶體品質的多量子阱層(吸收層)/擴散濃度分布控制層的同時形成InP窗口層5。當將襯底加熱至600°C以上以形成hP窗口層5時，產生使InGaAs (N)/GaAsSb多量子阱結構的晶體品質下降的問題。當通過全MOVPE 法形成InP窗口層5時，僅將有機化合物用作材料，如上所述。因此，所述材料可在低溫如在500°C以下的溫度下發生熱分解，並能夠在熱分解溫度下生長InP層。與其他方法相比， 全MOVPE法的卓越之處在於，在低溫下生長InP窗口層5。圖11包括說明根據本發明實施方案3製造受光元件的方法的圖。在圖11中，通過MBE法生長由(InP襯底1/InGaAs、InAlAs或hP緩衝層2/具有InGaAs (N)的吸收層 3/GaAsSb多量子阱結構/InGaAs擴散濃度分布控制層4)構成的疊層體。沉積溫度Tg在 450°C 550°C的範圍內。在形成吸收層3之後並在形成InGaAs擴散濃度分布控制層4之前，優選暫且將疊層體冷卻至300°C以下，優選100°C以下(實施方案幻。利用MBE設備通過實施方案2中所述的方法來沉積擴散濃度分布控制層4，然後將中間產物晶片或襯底(疊層體)從MBE設備中取出並裝入到MOVPE設備中。在這種步驟中，將擴散濃度分布控制層4 的表面如暴露在外部空氣中，隨後，在550°C以下、更優選500°C以下的中間產物晶片或襯底(疊層體)的溫度下在全MOVPE設備中沉積InP窗口層5。由此，在通過MBE法沉積之後，通過全MOVPE法沉積InP層，因此，在本說明書中將圖11中所示的沉積方法稱作「混合生長法」。圖12為顯示在通過全MOVPE法形成InP層5時所用設備的總體結構的圖。在全 MOVPE法中的生長室61為由石英管或不鏽鋼管形成的生長室61，如上所述。將中間產物的晶片或襯底60附著到襯底支架62上。生長具有良好晶體品質的InP窗口層5，同時利用加熱器63對中間產物襯底60和襯底支架62 —起進行加熱，從而將沉積溫度或襯底溫度保持在550°C以下，優選500°C以下。在所述全MOVPE法中，用於生長MP的材料為通過氫載氣傳輸的充當銦源的TMI和充當磷源的TBP，利用質量流量控制器(MFC)來控制其流量。不使用膦(PH3),因為其分解溫度高。以固體形式將TMI用作原料，但將其在恆溫槽67中保持在恆定溫度下，從而保持升華壓力恆定。這些原料為有機化合物，被運載到生長室61中，並通過使其與中間產物襯底60上的襯底溫度接觸而將其分解。由此，在中間產物襯底60上生長hP。將圖12中所示的全MOVPE設備的要點總結為下列兩點(1)儘管將磷或磷化合物69附著到生長室61的內壁上，但是所述生長室61很少向大氣敞開。因此，不易發生因磷或磷化合物而造成的水汽吸收和與氧發生反應(燃燒) 的問題。(2)至於hP的原料，銦(III族)源和磷(V族)源兩者都為有機化合物，因此能夠在550°C以下、特別是500°C以下的襯底60溫度下生長InP層5。根據本實施方案的混合生長方法，通過MBE法獲得具有其中組成在界面處發生急劇變化的多量子阱結構的吸收層 3，然後在保持具有多量子阱結構的吸收層3的良好晶體品質的溫度範圍內通過全MOVPE法可獲得具有良好晶體品質的MP窗口層5，並同時避免由附著到生長室內壁上的磷等造成的問題。實施例1(實施例1-驗證像素節距和Si的擴散濃度分布_)經由使用圖3中所示受光元件陣列的實例，對本發明受光元件之間的距離或受光元件陣列的像素節距的可下降程度進行了驗證。受光元件之間的距離或像素節距為SiN選擇性擴散掩模圖案36的掩蔽部分的寬度，如圖13中所示。在選擇性擴散Si之後，形成由 AuZn製成的ρ側電極11和由AuGeNi製成的η側電極12。在圖3的情況中，將!^e摻雜的半絕緣襯底用作InP襯底1，並在含高濃度雜質的緩衝層2上設置η側電極12。在按圖1 中所示使用η型InP襯底1的情況中，可以在襯底背面上設置η側電極12，或者可以在襯底頂面側上與襯底相鄰的η型半導體層(例如緩衝層幻上設置η側電極。在本實施例中，在圖3中所示的受光元件陣列的ρ側電極11和η側電極12之間施加5V的反向偏壓以測量暗電流。製造了受光元件陣列以測量暗電流，所述受光元件陣列具有0.6μπι和1.6μπι兩種厚度的MP窗口層5和在3 20 μ m範圍內的七種受光元件之間的距離。所述擴散濃度分布控制層4的厚度為1 μ m。將結果示於圖14中。參考圖14，在hP窗口層5具有0. 6 μ m的小厚度的情況中，即使在將受光元件之間的距離或像素節距降至5 μ m時，仍能夠將暗電流抑制為1 X ΙΟ,Α (安培)。在InP窗口層5具有1.6μπι厚度的情況中，Si的擴散按如上所述在橫向上擴展。因此，除非受光元件之間的距離超過7 μ m，否則不能將暗電流抑制為ΙΧΙΟ,Α。然而，在本實施例中可確認，通過將InP窗口層5的厚度降低至0. 6 μ m並布置擴散濃度分布控制層4可將受光元件之間的距離降低至5 μ m。通過SIMS對Si在深度方向上的濃度分布進行分析，可驗證擴散濃度分布控制層4 的功能。圖15顯示了在深度方向上的濃度分布。參考圖15，在^iGaAs擴散濃度分布控制層4與吸收層3之間的界面處，將Si聚集的峰值抑制為5X IO16CnT3以下。因此，在吸收層 3的η型載流子濃度的背景和Si濃度的交叉位置處(圖中的圓形標記)形成的pn結中，能夠可靠地降低Si的濃度並能夠防止晶體品質等的下降。另外，布置這種擴散濃度分布控制層4，可使得吸收層的多量子阱結構實現其原始功能。實施例2(實施例2-對防止Sb的表面堆積進行驗證_)利用實施例對本發明實施方案2中所述的圖8中所示方法的優勢進行驗證。試樣為發明例Al和比較例Bi。發明例Al 通過MBE法在S摻雜的InP襯底1上沉積Si摻雜的InGaAs緩衝層2 (η 型載流子濃度為1\1017八!113，厚度為0.14111)。隨後，將具有包含(未摻雜的hGaAs/未摻雜的GaAsSb)對的多量子阱結構的吸收層3在480°C的襯底溫度下進行層疊。各個層具有 5nm的厚度，且各個對的厚度為lOnm。對的數目為250。至於晶格常數，InGaAs和GaAsSb 兩者在-0. 3% +0. 3%的範圍內與hP晶格匹配。在形成具有多量子阱結構的吸收層3 之後，中斷晶體的生長，將晶片冷卻並通過閘閥將其轉移至與MBE生長室連續的等待室中。 在此處將晶片冷卻至室溫。然後，將晶片返回至MBE生長室，並沉積未摻雜的InGaAs擴散濃度分布控制層4 (具有1 μ m的厚度)。隨後，將晶片從MBE設備中取出並裝入到全MOVPE 設備中。通過全MOVPE法來沉積InP窗口層5。比較例Bl 形成了具有與發明例Al相同的多量子阱結構(未摻雜的InGaAs/未摻雜的GaAsSb 對的厚度為10nm，250對)的吸收層。在保持480°C襯底溫度的同時，連續沉積具有Iym厚度的未摻雜的InGaAs擴散濃度分布控制層4。在該階段處，測量一次Sb 的濃度分布。然後，將製得的晶片裝入到全MOVPE設備中並沉積InP窗口層5。通過利用SIMS測量Sb在厚度方向上的濃度來進行評價。圖16顯示了發明例Al的測量結果，且圖17顯示了比較例Bl的測量結果。在比較例Bl中，在未對InP窗口層進行層疊的狀態中，在^GaAs擴散濃度分布控制層4中顯示了超過5 X IO1Vcm3並達到1 X IO1Vcm3的高Sb濃度。在通過MOVPE法形成InP窗口層5之後，在hP窗口層5與InGaAs擴散濃度分布控制層4之間的邊界處出現具有達到IX IO19/ cm3峰值的Sb富集層。作為對從InGaAs擴散濃度分布控制層4吸引的Sb進行堆積的結果， 製造了這種Sb富集層。看起來也從多量子阱結構3中吸引Sb。此外，應該特別強調的是， 在比較例Bl中InP窗口層5的晶體表面變粗糙。根據通過掃描電子顯微鏡等進行的檢驗， 在InGaAs擴散濃度分布控制層4的表面上形成大量空穴。據認為，這些空穴與已經移除了 Sb的位置相對應。在已經移除Sb以形成空穴的位置處，發生電流的洩露且暗電流增大。相反，如圖16中所示，在發明例Al中，在^iGaAs擴散濃度分布控制層4和InP窗口層5兩者中Sb的濃度為約IX IO1Vcm3，且防止了 Sb的表面堆積。InP窗口層5的表面 fe平滑且未變粗糙。根據實施方案2中所述的方法，可防止因Sb的表面堆積或Sb的除去而造成的暗電流的增大。實施例3實施例3-混合生長方法據驗證，通過使用混合生長方法，多量子阱結構3保持良好的晶體品質，獲得了由良好晶體構成的^p窗口層5，且在擴散濃度分布控制層4的表面如上形成了因外部空氣而形成的異質成分堆積層。所使用的試樣為下述發明例A2和A3。發明例A2 通過MBE法在S摻雜的(OOl) InP襯底1上形成了圖11的俯視圖中所示的外延疊層體。所述外延疊層體包含InP襯底1、緩衝層2、吸收層3和擴散濃度分布控制層4。將Si摻雜的^ixGahAs用作緩衝層2。所述緩衝層2具有0. 15 μ m的厚度，並在生長期間在供應Si的同時形成所述緩衝層2，以具有5X IOlfVcm3的η傳導型載流子濃度。 緩衝層2中銦(In)的比例χ為0. 531。所述吸收層3具有包含hx(iai_xAS/GaASl_ySby對的 II型量子阱結構。各個LxGivxAs層和GaASl_ySby.層具有5nm的厚度，且各個對的厚度為10nm。對的數目為250。多量子阱的Inx^ihAs中In的比例χ為0. 531，且其GaASl_ySby中 Sb的比例為0. 487。在具有多量子阱結構的這種吸收層3上生長具有1 μ m厚度的未摻雜的hz(iai_zAS擴散濃度分布控制層4。In的比例ζ為0. 531。通過MBE法實施從生長緩衝層2的步驟到生長擴散濃度分布控制層4的步驟，然後將中間產物襯底60從MBE設備中轉移到外部空氣中，並裝入到MOVPE設備中。在MOVPE設備中生長Si摻雜的MP窗口層5。 將TMI和TBP用作原料，並將氫用作載氣。襯底溫度Tg為480°C。InP窗口層5的厚度為 0. 8ym, Si 的摻雜密度為 3X1015/cm3。比較例B2 製造了具有與發明例A2相同結構的外延疊層體。然而，當通過MOVPE 法沉積InP窗口層5時，將PH3和TMI用作原料。在MOVPE沉積期間的襯底溫度為620°C。 比較例B2與發明例A2的差別在於，膦的沉積溫度比TBP的沉積溫度高。通過利用SIMS測量了雜質在厚度方向上的分布，對比較例B2進行了評價。另外， 根據過去加熱實驗的結果，以MOVPE沉積期間的襯底溫度為基礎，能夠確定具有多量子阱結構的吸收層3的狀態。即，根據在620°C下進行沉積的結果，InP窗口層5的表面如粗糙，並難以保持吸收層等的良好晶體品質。發明例A2的結果顯示，通過使用TBP作為磷源能夠在480°C的低溫下沉積hP。結果可確認，通過混合生長方法能夠防止由InGaAs (N)/GaAsSb構成的II型量子阱結構的品質的劣化，並同時克服諸如磷化合物附著到生長室內壁上的問題。在這種混合生長方法中，在製得的疊層體中留下了這種生長方法的特徵的痕跡。 在hP窗口層5與InGaAs擴散濃度分布控制層4之間的界面處檢測了具有4X 1017/Cm3峰值的氧(O)(圖18)、具有2. 8X 1(^6/Cm3峰值的碳(C)(圖19)和具有2. 7 X IO1Vcm3峰值的矽(Si)(圖20)的富集層。這是因為，在利用MBE設備生長InGaAs擴散濃度分布控制層4 之後，在將襯底放在外部空氣中時雜質附著到晶體表面上。這是規定使用混合生長方法的特徵。(關於其他實施方案)在上述實施方案中，已經對包含擴散濃度分布控制層的受光元件或受光元件陣列進行了說明。然而，在最廣泛的意義上，即使受光元件不包含擴散濃度分布控制層，也足以使多量子阱結構中雜質的濃度為5X1016cm_3以下，且通過選擇性擴散來引入所述雜質。上面已經對本發明的實施方案和實施例進行了說明。上面公開的本發明的實施方案和實施例僅是示例性的，且本發明的範圍不限於本發明的這些實施方案。應理解，本發明的範圍由權利要求書的說明限定，且所述範圍包括權利要求書中說明的等價物和權利要求書範圍內的所有修改。工業實用性根據本發明，可獲得一種受光元件，其在近紅外區域中具有靈敏度且其中易於獲得良好的晶體品質，並在高準確度下容易地形成受光元件的一維或二維陣列，且能夠降低暗電流；和排列受光元件的受光元件陣列。
權利要求
1.一種包含III-V族化合物半導體層疊結構的受光元件，所述層疊結構包含內部具有 pn結的吸收層，其中所述吸收層具有由III-V族化合物半導體構成的多量子阱結構，通過將雜質元素選擇性擴散到所述吸收層中而形成所述pn結，以及在所述吸收層中所述雜質元素的濃度為5X IOlfVcm3以下。
2.如權利要求1所述的受光元件，其中所述III-V族化合物半導體層疊結構形成在 III-V族化合物半導體襯底上，並包括擴散濃度分布控制層，所述擴散濃度分布控制層由III-V族化合物半導體構成，並設置成和所述吸收層的與所述襯底相反的一側的表面相接觸，且所述擴散濃度分布控制層的帶隙能量比所述III-V 族化合物半導體襯底的帶隙能量小。
3.如權利要求2所述的受光元件，其中，在所述擴散濃度分布控制層中，所述雜質元素的濃度從位於與所述吸收層相接觸的表面的相反側的表面側的約lX1018/cm3以上的高濃度降低至所述吸收層側的5X IOlfVcm3以下。
4.如權利要求1 3中任一項所述的受光元件，其中所述多量子阱結構為II型量子阱結構。
5.如權利要求4所述的受光元件，其中在InP襯底上形成有所述III-V族化合物半導體層疊結構，所述吸收層具有InGaAs/GaAsSb多量子阱結構或feJnNAs/GaAsSb多量子阱結構，且所述雜質元素為Si。
6.如權利要求2 5中任一項所述的受光元件，其中所述擴散濃度分布控制層由 InGaAs 構成。
7.如權利要求5或6所述的受光元件，其中在所述擴散濃度分布控制層上設有InP窗口層，且在所述擴散濃度分布控制層與所述InP窗口層之間的邊界處不存在Sb聚集。
8.如權利要求5 7中任一項所述的受光元件，其中在所述擴散濃度分布控制層上設有InP窗口層，且在所述擴散濃度分布控制層和所述hP窗口層中Sb的濃度為IX 1018/cm3 以下。
9.如權利要求5 8中任一項所述的受光元件，其中在所述擴散濃度分布控制層上設有InP窗口層，且在所述擴散濃度分布控制層與所述InP窗口層之間的邊界處存在異質成分聚集層，在所述異質成分聚集中氧(0)、碳⑴)、氫(H)和矽(Si)中的至少一種發生聚集。
10.一種受光元件陣列，其包含多個如權利要求1 9中任一項所述的受光元件，其中所述受光元件包含共同的所述半導體層疊結構，所述雜質元素通過選擇性擴散到各個受光元件的所述吸收層中而引入，且所述受光元件以一維或二維的方式排列。
11.一種製造具有III-V族化合物半導體層疊結構的受光元件的方法，所述III-V族化合物半導體層疊結構包含內部具有pn結的吸收層，所述方法包括如下步驟在InP襯底上形成所述吸收層以具有多量子阱結構；在所述吸收層上形成擴散濃度分布控制層，所述擴散濃度分布控制層的帶隙能量小於與^P的帶隙能量相對應的帶隙能量，從而將所述吸收層中的雜質元素的濃度控制在低水平上；以及通過所述擴散濃度分布控制層將所述雜質元素選擇性擴散到所述吸收層中，以將所述吸收層中的所述雜質元素的濃度控制在5X IOlfVcm3以下。
12.如權利要求11所述的製造受光元件的方法，其中，在將所述吸收層形成在InP襯底上以具有包含至少一個含有Sb的層的多量子阱結構之後，在形成擴散濃度分布控制層之前，將所述層疊結構冷卻至300°C以下。
13.如權利要求11或12所述的製造受光元件的方法，其中，在將所述吸收層形成在 InP襯底上之後，在形成擴散濃度分布控制層之前，將已經形成了所述吸收層的所述層疊結構從生長室轉移至與所述生長室連接的等待室中，以將所述層疊結構冷卻至300°C以下。
14.如權利要求12或13所述的製造受光元件的方法，其中，在將所述吸收層形成在InP襯底上之後，在進行所述冷卻之前，將所述層疊結構在比所述吸收層的沉積溫度高 10°C 50°C的溫度下保持10分鐘以上且30分鐘以下，然後實施所述冷卻或實施所述轉移和冷卻。
15.如權利要求11 14中任一項所述的製造受光元件的方法，其中通過分子束外延 (MBE)法在550°C以下的溫度下在InP襯底上沉積所述吸收層和所述擴散濃度分布控制層， 然後通過全金屬有機氣相外延(全M0VPE)法在所述擴散濃度分布控制層上在550°C以下的溫度下沉積化？窗口層。
16.如權利要求15所述的製造受光元件的方法，其中，在通過所述MBE法在InP襯底上沉積所述吸收層和所述擴散濃度分布控制層之後，將所述層疊結構暴露在大氣中，然後將所述層疊結構裝入所述生長室內以通過MOVPE法沉積所述InP窗口層。
17.—種製造受光元件陣列的方法，其中，為了製造排列有多個受光元件的受光元件陣列，共同使用III-V族化合物半導體層疊結構，以及將權利要求11 16中任一項的製造受光元件的方法應用於所述多個受光元件，在選擇性擴散所述雜質元素的步驟中，通過所述擴散濃度分布控制層將所述雜質元素選擇性擴散到各個受光元件的所述吸收層中，使得所述受光元件相互分離，以將各個受光元件的所述吸收層中的所述雜質元素的濃度控制在5X IOlfVcm3以下。
全文摘要
本發明提供一種受光元件，其在近紅外區域中具有靈敏度且其中易於獲得良好的晶體品質，可在高準確度下容易地形成受光元件的一維或二維陣列，並能夠降低暗電流；受光元件陣列；及其製造方法。所述受光元件包含III-V族化合物半導體層疊結構，所述層疊結構包含內部具有pn結15的吸收層3，其中所述吸收層具有由III-V族化合物半導體構成的多量子阱結構，所述pn結15通過將雜質元素選擇性擴散到所述吸收層中而形成，且在所述吸收層中所述雜質元素的濃度為5×1016/cm3以下。
文檔編號H01L21/203GK102265411SQ20098015216
公開日2011年11月30日 申請日期2009年7月24日 優先權日2008年12月26日
發明者三浦廣平, 永井陽一, 豬口康博, 稻田博史 申請人:住友電氣工業株式會社