[发明专利]受光元件、受光元件阵列、制造受光元件的方法以及制造受光元件阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及受光元件、受光元件阵列及其制造方法。更具体地，本发明涉及受光元件、受光元件阵列及其制造方法，所述受光元件在近红外区域中具有灵敏度并能够用于光通信、成像装置、传感器等中。

背景技术

使用InP衬底的III-V族化合物半导体具有与近红外区域相对应的带隙能量，由此为了通信、生物检验、夜间成像等用途，已经对III-V族化合物半导体进行了大量研究。在这些研究中，特别关注的研究是对如下的研究：如何能够在良好晶体品质下在InP衬底上形成具有更小带隙能量的III-V族化合物半导体晶体层和排列在这些晶体层上以构成受光单元的多个受光元件。

例如，已经公布了实验制造受光元件的结果，在所述受光元件中通过使用In_0.82Ga_0.18As作为吸收层将灵敏度区域转换到长波长侧(非专利文献1)。在In_0.82Ga_0.18As中，通过在III族中降低镓(Ga)的比例并提高铟(In)的比例来使得带隙变窄(增大晶格常数)。当按上述增大In的比例时，InGaAs的晶格常数增大，并发生与InP衬底的晶格失配增大的问题。在上述受光元件中，通过在InP衬底与高In比例的InGaAs吸收层之间设置12～20个InAsP渐变层(graded layer)来试图解决这种问题，在所述渐变层中比例(As/P)在朝向吸收层的方向上逐渐变大。晶格失配的增大导致晶格缺陷密度增大，且不可避免地导致暗电流增大。通过插入上述渐变缓冲层，将暗电流降至20～35μA。然而，这种电流值是比光通信用光电二极管的暗电流大三个数量级的值，所述光电二极管包含InGaAs吸收层。另外，难以外延生长多个渐变层且增大了制造成本。

另外，已经提出了由GaInNAs构成的四元III-V族化合物半导体，在所述GaInNAs中另外向InGaAs中的V族元素中添加氮(N)(专利文献1)。这种四元III-V族化合物半导体利用因添加氮而使得带隙变窄的功能。然而，生长GaInNAs晶体在技术上非常困难。特别地，为了具有高达3μm波长的灵敏度并实现与InP衬底的晶格匹配，必须将氮的量增加至约10％(在V族元素中的原子百分比)。然而，在约10％的氮量下获得良好的晶体品质非常困难。另外，为了实现受光元件的高灵敏度，必须将含高浓度氮的GaInNAs层的厚度提高至2μm以上。然而，生长具有如此大厚度并同时具有良好晶体品质的含氮晶体层更加困难。

另外，已经报道了制造光电二极管的结果，其中使用由InGaAs-GaAsSb构成的II型量子阱结构，利用p型或n型外延层形成pn结来将截止波长控制为2.39μm(非专利文献2)。该文献描述了，为了将截止波长进一步移向长波长侧，应变补偿是必要的。由此，在该文献中提出了具有2～5μm截止波长并具有由InGaAs-GaAsSb构成的应变补偿量子阱结构的光检测器。

对多个受光元件进行二维或一维排列并将其用作成像装置等。然而，除非将各个受光元件可靠地相互分离，否则会产生暗电流和串扰等，且不能获得清晰的图像。光电二极管包含pn结。在上述光电二极管中，通过在p型半导体层或n型半导体层上外延生长极性与布置在其下的半导体层的极性相反的半导体层，可形成这种pn结。在这种情况下，为了将作为平面而广泛形成的pn结分成各个受光元件的pn结，设置用于分成各个受光元件的沟槽(trench)。将这种沟槽称作元件分离沟槽且通过形成平面状pn结并然后实施台面腐蚀来形成所述沟槽。在近红外区域用光电二极管、包含InP衬底的光电二极管的元件分离沟槽的形成中，通过使用对InP和InGaAs具有选择性的腐蚀剂能够在各个层的边界处终止湿式腐蚀(专利文献2)。

然而，在上述湿式腐蚀方法中，难以在高准确度下对相互分离的各个受光元件的形状进行控制。例如，可在各个受光元件的纵向横截面中形成梯形锥，可根据半导体层的类型在叠层体的侧面上形成不规则(凹凸)，或者腐蚀剂可依次侵入到相邻的受光元件之间，因此，可在中途位置停止沟槽的形成且可不形成完整沟槽。消除元件分离沟槽的这种不完整性非常困难。另一方面，当使用干式腐蚀方法时，在腐蚀期间发生损害，且难以稳定地制造具有低暗电流的光电二极管。因此，收率下降，从而增大了制造成本。

至于多个上述受光元件的排列结构的形成，即阵列的形成，除了非专利文献1之外，在p型外延层和n型外延层之间形成了上述文献中提出的受光元件的pn结，且通过形成元件分离沟槽对受光元件进行一维或二维排列。因此，在元件分离沟槽的形成中发生上述问题。