CN108369967B

CN108369967B - 光接收元件、光接收元件的制造方法、成像元件和电子设备

Info

Publication number: CN108369967B
Application number: CN201680074813.2A
Authority: CN
Inventors: 三成英树; 丸山俊介
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2021-12-14
Anticipated expiration: 2036-11-15
Also published as: US11205668B2; JPWO2017126204A1; US20190019830A1; CN108369967A; US20200203411A1; EP3407392A4; WO2017126204A1; JP6763406B2; US10622392B2; EP3407392B1; EP3407392A1

Abstract

本发明的光接收元件包括：光电转换层，所述光电转换层包含第一化合物半导体，并且吸收红外区域中的波长以产生电荷；多个接触层，所述多个接触层包含第二化合物半导体，并且在所述光电转换层上彼此间隙地间隔设置；和覆盖层，所述覆盖层形成为覆盖所述光电转换层的前表面中的对应于所述间隙的部分和所述各接触层的侧表面，并且包含IV族半导体。

Description

光接收元件、光接收元件的制造方法、成像元件和电子设备

技术领域

本公开涉及一种能够检测例如红外光的光接收元件和其制造方法，还涉及成像元件和电子设备。

背景技术

近年来，出于监视、军事用途等目的，已经对红外传感器进行了研究和开发。作为用于红外传感器的光接收元件，提出了在光电转换层中使用例如InGaAs(砷化铟镓)等任何化合物半导体(III-V族半导体)的光接收元件(例如，参照专利文献1)。

引用文献列表

专利文献

专利文献1：日本未审查专利申请公开No.2014-127499

发明内容

上述的使用化合物半导体的光接收元件具有p-n结或pin结，并且通过光照射在光电转换层中产生电子和空穴。读出伴随电子和空穴的产生所引起的电流或电压的变化使得能够获得信号，并且所谓的半导体光电二极管操作允许光电检测。此外，例如，通过在InP基板上的外延生长形成InGaAs；然而，由于带隙能量比硅(Si)的小，所以InGaAs允许检测短波长的红外光。

为了利用这种光接收元件的结构获得图像，将包括光电二极管的多个像素配置成阵列。为了从各像素独立地获得信号，希望邻接像素(邻接光电二极管)彼此电气分离。

将邻接像素彼此电气分离的方法包括例如蚀刻分离。在上述专利文献1中，p型半导体层形成在光电转换层上，此后在p型半导体层中的像素之间(在像素之间的边界附近)的区域通过蚀刻选择地去除。其后，以每个像素为单位分离的各p型半导体层被连接到电极。以这种方式，尝试将邻接像素彼此电气分离。此外，在光电转换层的表面中的像素之间的边界附近的区域用包含氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO₂)等的绝缘膜覆盖。

然而，在上述专利文献1中的器件结构使得光电转换层的表面和绝缘膜在像素之间的区域中彼此接触。这里，在化合物半导体和绝缘膜之间的界面处缺陷密度高，因此界面缺陷导致暗电流。暗电流成为不是由光入射产生的噪声成分。此外，较大的噪声导致较小的S/N比，从而导致所获得的图像的动态范围减小。如上所述，期望抑制由于界面缺陷起因的暗电流产生而引起的图像质量劣化的方法。

因此，期望提供一种允许抑制图像质量劣化的光接收元件、光接收元件的制造方法、成像元件和电子设备。

根据本公开实施方案的光接收元件包括：光电转换层，所述光电转换层包含第一化合物半导体，并且吸收红外区域中的波长以产生电荷；多个接触层，所述多个接触层包含第二化合物半导体，并且在所述光电转换层上彼此间隙地间隔设置；和覆盖层，所述覆盖层形成为覆盖所述光电转换层的前表面中的对应于所述间隙的部分和所述各接触层的侧表面，并且包含IV族半导体。

根据本公开实施方案的光接收元件的制造方法包括：形成光电转换层，所述光电转换层包含第一化合物半导体，并且吸收红外区域中的波长以产生电荷；形成多个接触层，所述多个接触层包含第二化合物半导体，并且在所述光电转换层上彼此间隙地间隔设置；和形成包含IV族半导体的覆盖层，所述覆盖层覆盖所述光电转换层的前表面中的对应于所述间隙的部分和所述各接触层的侧表面。

在根据本公开各实施方案的光接收元件和光接收元件的制造方法中，包含第二化合物半导体的多个接触层在包含第一化合物半导体的光电转换层上彼此间隙地间隔设置。在这样的构成中，包含IV族半导体的覆盖层形成为覆盖所述光电转换层的前表面中的对应于所述间隙的部分和所述各接触层的侧表面。换句话说，光电转换层中的对应于接触层之间的间隙的部分与包含IV族半导体的覆盖层接触。这里，在光电转换层和绝缘膜彼此接触的情况下，其间的界面处的缺陷密度变高。然而，光电转换层和覆盖层之间的接触使得界面缺陷密度比与绝缘膜接触的情况更小。这抑制了由界面缺陷引起的暗电流的产生。

根据本公开实施方案的成像元件包括：多个像素；光电转换层，所述光电转换层包含第一化合物半导体，并且吸收红外区域中的波长以产生电荷；多个接触层，所述多个接触层包含第二化合物半导体，并且以像素为单位在所述光电转换层上彼此间隙地间隔设置；和覆盖层，所述覆盖层形成为覆盖所述光电转换层的前表面中的对应于所述间隙的部分和所述各接触层的侧表面，并且包含IV族半导体。

根据本公开实施方案的电子设备包括根据本公开的上述实施方案的成像元件。

本公开各实施方案的光接收元件、光接收元件的制造方法、成像元件和电子设备，多个接触层在包含第一化合物半导体的光电转换层上彼此间隙地间隔设置，并且包含IV族半导体的覆盖层形成为覆盖所述光电转换层的前表面中的对应于所述间隙的部分和所述各接触层的侧表面。这使得能够减小光电转换层的界面缺陷密度并且抑制暗电流的产生。结果，这可以抑制图像质量的劣化。

应该注意的是，以上描述仅仅是示例性的。本公开的效果不限于上述效果，并且可以是其他不同的效果，或者可以进一步包括其他效果。

附图说明

图1是根据本公开实施方案的光接收元件的构成的断面图。

图2是图1所示的光接收元件的平面构成的示意图。

图3A是用于说明图1所示的光接收元件的制造方法的过程的断面图。

图3B是继图3A所示的过程之后的过程的断面图。

图3C是继图3B所示的过程之后的过程的断面图。

图4A是用于说明图3B所示的光接收元件的制造方法的过程的断面图。

图4B是继图4A所示的过程之后的过程的断面图。

图4C是继图4B所示的过程之后的过程的断面图。

图5是图4A所示的过程的平面图。

图6是用于说明根据比较例的光接收元件的光电转换操作的示意图。

图7是用于说明根据比较例的光接收元件的作用的示意图。

图8是用于说明图1所示的光接收元件的作用的示意图。

图9是根据变形例1的光接收元件的构成的断面图。

图10是根据变形例2的光接收元件的构成的断面图。

图11是根据变形例3的光接收元件的构成的断面图。

图12是根据变形例4的光接收元件的构成的断面图。

图13是根据变形例5的光接收元件的构成的断面图。

图14是图13所示的光接收元件的平面构成的示意图。

图15是根据变形例6的光接收元件的构成的断面图。

图16是示出成像元件的构成的框图。

图17是层叠型成像元件的构成例的示意图。

图18是示出使用图16所示的成像元件的电子设备(相机)的示例的功能框图。

具体实施方式

在下文中，参照附图详细说明本公开的实施方案。应该注意的是，按以下顺序给出说明。

1.实施方案(包括覆盖光电转换层的表面和接触层的侧表面并且包含IV族半导体(Si)的覆盖层的光接收元件的示例)

2.变形例1(包括包含其他IV族半导体(Ge)的覆盖层的光接收元件的示例)

3.变形例3(包括包含其他IV族半导体(SiGe)的覆盖层的光接收元件的示例)

4.变形例4(包括包含n型Si的覆盖层的光接收元件的示例)

5.变形例5(包括包含在光电转换层中用作n型的杂质元素的覆盖层的光接收元件的示例)

6.变形例6(包括用于执行光电转换层的扩散区域的电位控制的电极的光接收元件的示例)

7.变形例7(包括在覆盖层上包括固定电荷的绝缘膜的光接收元件的示例)

8.应用例1(成像元件的示例)

9.应用例2(电子设备的示例)

<实施方案>

[构成]

图1示出了根据本公开实施方案的光接收元件(光接收元件1)的断面构成。图2以示意方式示出了光接收元件1的平面构成。光接收元件1例如适用于使用化合物半导体的红外传感器等，并且例如包括用作二维配置的多个光接收单位区域的像素10(与后述的成像元件的像素P相对应)。应该注意的是，图1示出了与两个像素P相对应的部分的断面构成。

例如，光接收元件1在基板11上依次包括光电转换层12和多个接触层13。电极(第一电极14)与多个接触层13中的每一个电气连接。依次形成覆盖层15和绝缘膜16(第一绝缘膜)以覆盖光电转换层12的前表面的一部分(表面12a)和各接触层13的侧表面(侧表面13a)。光电转换层12和接触层13中的邻近覆盖层15的区域中形成有包含杂质的扩散区域17。例如，在与基板11的光电转换层12相对侧的表面上形成有第二电极18。在光接收元件1中，例如，第二电极18的后表面用作光入射面S1(被构造成允许红外光IR从第二电极18所在的侧进入后表面)。在下文中，对各个部件的构成进行说明。

应该注意的是，在第二电极18的光入射面S1所在的侧上也可以设有片上透镜等(未示出)。此外，在不仅检测红外光而且检测可见光的情况下，可以设置滤色器。另外，在绝缘膜16和第一电极14上层叠有硅半导体基板。在硅半导体基板中形成有用于从各像素10读出信号的像素电路以及各种配线图案等。第一电极14和第二电极18例如通过凸块、通孔等与形成在硅半导体基板上的各种电路电气连接。

例如，基板11包括包含n型杂质的化合物半导体。用于基板11的化合物半导体的例子包括诸如InP等III-V族半导体中的任一种。这里，在基板11上形成有与基板11接触的光电转换层12；然而，可以在基板11和光电转换层12之间插入其他层。插在基板11和光电转换层12之间的层的材料的例子包括诸如InAlAs、Ge、Si、GaAs或InP等半导体材料。然而，期望选择在基板11和光电转换层12之间晶格匹配的材料。

光电转换层12包含例如吸收红外区域中的波长(以下称为红外光)以产生电荷(电子和空穴)的化合物半导体。这里，光电转换层12连续地设置在基板11上作为多个像素10(或多个接触层13)共有的层。

光电转换层12包含例如n型或p型化合物半导体(第一化合物半导体)。用于光电转换层12的化合物半导体的例子包括诸如InGaAs等III-V族半导体中的任一种。作为例子，与包含InP的基板11晶格匹配的用于光电转换层12的化合物半导体的组成是In_0.53Ga_0.47As。在光电转换层12为n型的情况下，期望掺杂密度例如为1.0×10¹⁸cm^-3以下，并且在光电转换层12为p型的情况下，期望掺杂密度例如为1.0×10¹⁶cm^-3以下。n型杂质的例子包括硅(Si)等，并且p型杂质的例子包括锌(Zn)等。

接触层13包含例如p型化合物半导体(第二化合物半导体)。用于接触层13的化合物半导体的例子包括诸如InP等III-V族半导体中的任一种。多个接触层13彼此间隙(间隙A)地间隔(彼此远离)设置在光电转换层12上。针对每个像素10，各接触层13形成为岛状。在制造过程中，多个接触层13例如通过利用蚀刻去除与间隙A相对应的选择部分(通过蚀刻分离)来形成。

应该注意的是，用于光电转换层12和接触层13的III-V族半导体不限于上述材料(InGaAs和InP)。例如，包含铟(In)、镓(Ga)、铝(Al)、砷(As)、磷(P)、锑(Sb)、氮(N)等中的一种或多种的化合物半导体可以用于光电转换层12和接触层13。InGaAs和InP以外的材料的例子包括InGaAsP、InGaP、InAsSb、GaAsSb、InAlAs等。可选择地，例如，不仅上述III-V族半导体而且诸如II-VI族半导体等化合物半导体也可以用于光电转换层12和接触层13。此外，本征半导体也可以用于光电转换层12。

使基板11、光电转换层12和接触层13层叠，由此针对光接收元件1中的每个像素10形成p-n结或pin结。

第一电极14是供给有用于读出光电转换层12中产生的电荷(例如，空穴)的电压的电极，并且针对每个像素10设置。这里，在接触层13上设有例如具有开口H的掩模层19，并且第一电极14经由掩模层19的开口H与接触层13电气连接。用于第一电极14的构成材料的例子包括钛(Ti)、钨(W)、氮化钛(TiN)、铂(Pt)、金(Au)、锗(Ge)、镍(Ni)和铝(Al)中的任一种单质，或包括这些材料中的一种或多种的合金。可选择地，例如，第一电极14可以包括诸如ITO(氧化铟锡)等透明导电膜。第一电极14对应于本公开中的“电极”的具体例子。

覆盖层15形成为覆盖光电转换层12的前表面中的对应于间隙A的表面12a和各接触层13的侧表面13a。覆盖层15包含IV族半导体(IV族元素的单质或化合物)。在本实施方案中，覆盖层15例如包含硅(Si)(作为主要成分)。从平面图看，覆盖层15理想地覆盖除了第一电极14和掩模层19之外的整个区域。覆盖层15的厚度例如为0.25nm以上和100nm以下，并且理想地厚度为1nm以上和10nm以下。1nm以上的厚度便于确保良好的覆盖率。覆盖率差可能会引起暗电流；然而，1nm以上的厚度使得能够抑制由这种覆盖率引起的暗电流的产生。此外，通过覆盖层15可能在邻接接触层13之间产生电流泄漏。然而，如果覆盖层15具有10nm以下的厚度，则可以抑制这种电流泄漏的发生。

绝缘膜16用作光接收元件1的保护膜，并且例如是包含硅、氮(N)、铝(Al)、铪(Hf)等中的任一种的绝缘膜。具体地，绝缘膜16包含氧化硅(SiO₂)。然而，除此之外，例如，绝缘膜16还可以包含氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、氮氧化铝(AlON)、SiAlN、氧化铝(Al₂O₃)、AlSiO、氧化铪(HfO₂)、HfAlO等。绝缘膜16可以是单层膜或层叠膜。

扩散区域17形成在光电转换层12和接触层13中的一部分(邻近覆盖层15的部分)中。扩散区域17是其中覆盖层15中包含的元素在光电转换层12或接触层13的一部分中扩散的区域。例如，在覆盖层15是包含Si的膜的情况下，Si在扩散区域17中(扩散区域17包含硅)扩散。在制造过程(如下文将详细说明的，通过在覆盖层15的成膜之后执行退火处理)中，覆盖层15中包含的元素(例如，Si)扩散到光电转换层12和接触层13中的每一个中，这使得能够形成扩散区域17。扩散区域17变成掺杂密度比光电转换层12内的周围区域更高的区域。

例如，第二电极18设置在基板11的后表面(光入射面S1)上，作为各像素P共有的电极。应该注意的是，例如，在通过第一电极14将光电转换层12中产生的电荷中的空穴作为信号电荷读出的情况下，例如可以通过第二电极18排出电子。此外，只要第二电极18与基板11电气连接，第二电极18就可以不必形成在基板11的整个后表面上。可选择地，可以不设置第二电极18。

例如，第二电极18包括对于波长至少1.6μm的光具有50％以上的透过率的导电膜。

掩模层19是包含绝缘材料的硬掩模或抗蚀剂掩模。在硬掩模的情况下，掩模层19例如是包含硅、氮(N)、铝(Al)、铪(Hf)等中的任一种的绝缘膜。材料的例子包括氧化硅(SiO₂)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、氮氧化铝(AlON)、SiAlN、氧化铝(Al₂O₃)、AlSiO、氧化铪(HfO₂)、HfAlO等。

[制造方法]

例如，可以按照以下方式制造光接收元件1。图3A～图4C以与过程相对应的顺序示出了光接收元件1的主要部分的制造过程。

首先，如图3A所示，在包含例如n型InP的基板11的一个表面上依次外延生长包含例如n型(或p型)InGaAs的光电转换层12和包含例如p型InP的接触层13b。在InGaAs的生长过程中，引入包含例如n型(或p型)杂质的气体等，由此使光电转换层12形成为n型(或p型)层。在InP的生长过程中，引入包含例如p型杂质的气体等，由此使接触层13b形成为p型层。

接着，如图3B所示，针对每个像素10，在接触层13b上形成包含上述材料中的任一种(例如，SiN)的掩模层19。

此后，如图3C所示，通过例如干法蚀刻或湿法蚀刻去除接触层13b的选择区域(像素10之间的边界附近的区域)，以形成间隙A(接触层13b经受蚀刻分离)。换句话说，多个接触层13彼此间隙A地间隔形成。

接着，如图4A所示，形成覆盖层15。具体地，例如，使用诸如溅射沉积、电子束沉积、电阻加热沉积、CVD(化学气相沉积)或ALD(原子层沉积)等方法来形成包含上述IV族半导体(例如，Si)的膜，其后进行图案化。此时，覆盖层15形成为覆盖光电转换层12的前表面中的从接触层13露出的表面12a和接触层13的侧表面13a。

图5以示意方式示出了在覆盖层15形成后该覆盖层的平面构成。如图5所示，从平面图看，覆盖层15期望形成为覆盖多个像素10中除了掩模层19之外的整个区域。

接着，如图4B所示，在覆盖层15上形成绝缘膜16。具体地，例如，使用诸如热氧化、CVD或ALD等方法形成包含上述绝缘材料(例如，SiO₂)的绝缘膜16，其后进行图案化。

此后，如图4C所示，形成扩散区域17。具体地，实施退火处理。期望的是，此时的退火温度被设定为覆盖层15中包含的IV族半导体原子被活化作为掺杂剂的温度。在活化覆盖层15中包含的Si原子时，可以将退火温度设定为至少400℃但不超过800℃。这使得能够使覆盖层15中包含的IV族半导体原子(例如，Si原子)扩散到相邻位置的光电转换层12和接触层13中。以这种方式，形成包含例如Si作为杂质的扩散区域17。扩散区域17变为掺杂密度比光电转换层12中的周围区域更高的区域(这里，n型区域)，并且在光电转换层12中的对应于间隙A的区域(像素10之间的边界附近的区域)中形成势垒。

应该注意的是，这里，在形成绝缘膜16之后进行退火处理，以从覆盖层15扩散IV族半导体原子，由此形成扩散区域17。然而，形成扩散区域17的时机不限于此，并且扩散区域17可以在形成覆盖层15之后的任何时间形成。例如，在使用热氧化等形成绝缘膜16的情况下，可以在成膜温度下扩散IV族半导体原子。如上所述，也可以在形成绝缘膜16的同时形成扩散区域17。

随后，形成各自包含上述材料的第一电极14和第二电极18，并且应该注意的是，在形成第一电极14时，在掩模层19中形成开口H，此后，第一电极14形成为经由开口H与接触层13接触。通过至此所描述的过程来完成图1所示的光接收元件1。

[作用和效果]

在本实施方案的光接收元件1中，在红外光IR经由第二电极18和基板11进入光电转换层12的情况下，红外光IR被光电转换层12吸收。结果，在光电转换层12中产生空穴和电子对(对红外光IR进行光电转换)。此时，例如，通过第一电极14和第二电极18将预定电压施加到光电转换层12(形成电位梯度)，这导致所产生的电荷中的一种电荷(这里，空穴)被收集为朝向第一电极14所在的侧的信号电荷。这种信号电荷通过第一电极14由未示出的像素电路读出。

应该注意的是，在未设置第二电极18的情况下，可以将电压施加到第一电极14以在第一电极14和基板11之间形成电位梯度。然而，设置第二电极18有利于形成更大的电位梯度，并且可以通过第二电极18从光电转换层12排出利用光电转换所产生的电荷中的另一种电荷(这里，电子)。

这里，在光接收元件1中，在光电转换层12上彼此间隙A地间隔配置多个接触层13。多个接触层13之间的间隙A通过蚀刻来形成。

图6示出了根据本实施方案的比较例的光接收元件(光接收元件100)的断面构成。与本实施方案的光接收元件1一样，在根据该比较例的光接收元件100中，在基板112上也依次形成有各自包含化合物半导体的n型光电转换层113和p型接触层114。在光电转换层113上，通过蚀刻形成分离(间隔间隙A)的多个接触层114。在接触层114上形成有第一电极115，并且在基板112的光入射侧的表面上形成有第二电极111。在这种构成中，包含SiN的绝缘膜116形成为覆盖光电转换层113的前表面中的对应于间隙A的部分和接触层114的侧表面。在光接收元件100中，通过红外光IR的进入，在光电转换层113中产生空穴e1和电子e2，并且空穴e1朝向第一电极115所在的侧迁移(D1)，而电子e2朝向第二电极111所在的侧迁移(D2)。

然而，比较例的光接收元件100采用其中在接触层114之间的间隙A(像素110之间的边界附近的区域)中光电转换层113和绝缘膜116彼此接触的结构。这里，如图7示意性示出的，化合物半导体与绝缘膜之间的界面的缺陷密度高；因此，这种界面缺陷导致产生暗电流(B1)。暗电流成为不是由光入射产生的电流的噪声成分。此外，较大的噪声导致较小的S/N比，从而导致所获得的图像的动态范围也减小。如上所述，由于界面缺陷起因的暗电流产生，导致图像质量劣化。

此外，在比较例的光接收元件100中，各个第一电极115在邻接像素110中电气分离；然而，在一些情况下，在光电转换层113中产生的空穴e1和电子e2流入相邻像素110中。因此，通过一个像素110内的光电转换产生的空穴e1流入相邻像素110中(B2)，并且通过接触层114作为相邻像素110的信号读出。结果，在邻接像素110之间发生信号串扰。

应该注意的是，在使用硅的光接收元件中，例如，通常利用离子注入进行像素间分离以防止像素之间的上述信号串扰。然而，化合物半导体是具有离子结合性的晶体，其晶体结构比IV族半导体更脆弱，导致因离子注入而受到严重破坏，并且不可能从破坏中恢复。因此，使用化合物半导体的光接收元件难以利用离子注入实现分离。此外，除离子注入之外，使用硅的光接收元件使得能够形成以例如形成沟槽而将绝缘膜埋入沟槽中的方式进行元件分离的结构，即，所谓的STI(浅沟槽隔离)结构。然而，使用化合物半导体的光接收元件难以形成STI结构，原因是由化合物半导体与绝缘膜之间的界面缺陷引起的暗电流变大。

相反，在本实施方案的光接收元件1中，在包含化合物半导体的光电转换层12上彼此间隙A地间隔配置有多个接触层13的构成中(在通过蚀刻使接触层13分离的构成中)，包含IV族半导体(例如，Si)的覆盖层15形成为覆盖光电转换层12的前表面中的对应于间隙A的部分(表面12a)和各接触层13的侧面13a。换句话说，光电转换层12的前表面中的对应于间隙A的表面12a与覆盖层15而不是绝缘膜16接触。在光电转换层12和覆盖层15之间的界面处，与同绝缘膜16接触的情况相比，缺陷密度变低。这抑制了由界面缺陷引起的暗电流的产生。

另一方面，在光接收元件1中，覆盖层15插在绝缘膜16与光电转换层12和接触层13之间；因此，包括覆盖层15和绝缘膜16的层叠膜增加了有效绝缘膜厚度。然而，在光接收元件1中，覆盖层15和绝缘膜16形成为覆盖光电转换层12的表面12a和接触层13的侧表面13a。换句话说，上述层叠膜未插在接触层13和第一电极14之间(未进行经由层叠膜的电场控制)，因此有效膜厚度的增加没有问题。

此外，在本实施方案的光接收元件1中，在光电转换层12和接触层13的邻近覆盖层15的部分中形成有扩散区域17。换句话说，因形成覆盖层15之后的退火处理而包含在覆盖层15中的IV族半导体元素在光电转换层12和接触层13内扩散。IV族半导体充当用于III-V族半导体的供体；因此，从光电转换层12的表面12a扩散的IV族半导体原子在光电转换层12内变成n型掺杂剂。结果，扩散区域17变成掺杂密度比光电转换层12中的周围区域高的n+区域，使得像素10之间的边界附近的区域(区域21)中的p-n结增强(例如，p+n结变成p+n+结)。换句话说，实现了有利于将邻接像素10彼此电气分离的构成。此外，在光电转换层12的表面12a的附近形成有高密度n型区域，其形成相对于空穴e1的内置势垒E，如图8示意性示出的。这使得能够抑制邻接像素10之间的信号串扰的发生并且抑制图像质量的劣化。

如上所述，在本实施方案中，在包含化合物半导体的光电转换层12上彼此间隙A地间隔设有多个接触层13，并且第一电极14与各接触层13电气连接。包含IV族半导体(Si)的覆盖层15形成为覆盖光电转换层12的前表面中的对应于间隙A的部分(表面12a)和各接触层13的侧表面13a。与光电转换层12和绝缘膜16彼此接触的情况下的界面相比，这使得能够减小光电转换层12和覆盖层15之间的界面处的界面缺陷密度，由此抑制暗电流的产生。这允许抑制图像质量的劣化。

接着，对上述实施方案的变形例进行说明。在下文中，与上述实施方案中的那些部件基本相同的部件用相同的附图标记表示，并且适宜地省略相关说明。

<变形例1>

图9示出了根据变形例1的光接收元件(光接收元件1A)的断面构成。与上述实施方案一样，例如，光接收元件1A包括依次在基板11上的光电转换层12和多个接触层13，并且在光电转换层12上彼此间隙A地间隔设有多个接触层13。第一电极14经由掩模层19的开口H与多个接触层13中的每一个电气连接。依次形成覆盖层(覆盖层15A)和绝缘膜(绝缘膜16A和16)以覆盖光电转换层12的前表面的一部分(表面12a)和各接触层13的侧表面13a。光电转换层12和接触层13中的邻近覆盖层15A的区域中形成有包含杂质的扩散区域(扩散区域17A)。例如，在与基板11的光电转换层12相对侧的表面上形成有第二电极18。在光接收元件1中，例如，第二电极18的后表面用作光入射面S1。

然而，在本变形例中，覆盖层15A包含作为IV族半导体元素的锗(Ge)。此外，对于形成在覆盖层15A上的绝缘膜16A，可以使用与上述实施方案的绝缘膜16相似的构成材料；然而，期望使用氧化锗(GeO₂)。绝缘膜16A包含氧化锗，其在绝缘膜16A与包含Ge的覆盖层15A之间产生优良的界面特性。在绝缘膜16A上设置绝缘膜16允许抑制绝缘膜16A的劣化。

此外，通过如上所述的退火处理，包含在覆盖层15A中的Ge扩散到光电转换层12和接触层13的一部分中，由此形成扩散区域17A。因此，扩散区域17A在光电转换层12中包含Ge作为n型掺杂剂，并形成高密度n型区域。

在本变型例的光接收元件1A中，包含IV族半导体元素(Ge)的覆盖层15A也与光电转换层12的表面12a接触，与接触绝缘膜的情况相比，这减小了界面缺陷密度。此外，通过扩散区域17A在光电转换层12内形成势垒。这使得能够获得与在上述实施方案中实现的效果类似的效果。

<变形例2>

图10示出了根据变形例2的光接收元件(光接收元件1B)的断面构成。与上述实施方案一样，例如，光接收元件1B包括依次在基板11上的光电转换层12和多个接触层13，并且在光电转换层12上彼此间隙A地间隔设有多个接触层13。第一电极14经由掩模层19的开口H与多个接触层13中的每一个电气连接。依次形成覆盖层(覆盖层15B)和绝缘膜16以覆盖光电转换层12的前表面的一部分(表面12a)和各接触层13的侧表面13a。光电转换层12和接触层13中的邻近覆盖层15B的区域中形成有包含杂质的扩散区域(扩散区域17B)。例如，在与基板11的光电转换层12相对侧的表面上形成有第二电极18。在光接收元件1中，例如，第二电极18的后表面用作光入射面S1。

然而，在本变形例中，覆盖层15B包含作为IV族半导体的硅锗(SiGe)。此外，通过如上所述的退火处理，包含在覆盖层15B中的Si和Ge扩散到光电转换层12和接触层13的一部分中，由此形成扩散区域17B。因此，扩散区域17B在光电转换层12中包含Si和Ge作为n型掺杂剂，并形成高密度n型区域。

在本变型例的光接收元件1B中，包含IV族半导体(SiGe)的覆盖层15B也与光电转换层12的表面12a接触，与接触绝缘膜的情况相比，这减小了界面缺陷密度。此外，通过扩散区域17B在光电转换层12内形成势垒。这使得能够获得与在上述实施方案中实现的效果类似的效果。

此外，与Si相比，SiGe具有更接近于化合物半导体(InP和InGaAs)的晶格常数，这使得能够进一步减小与化合物半导体的界面缺陷。

<变形例3>

图11示出了根据变形例3的光接收元件(光接收元件1C)的断面构成。与上述实施方案一样，例如，光接收元件1C包括依次在基板11上的光电转换层12和多个接触层13，并且在光电转换层12上彼此间隙A地间隔设有多个接触层13。第一电极14经由掩模层19的开口H与多个接触层13中的每一个电气连接。依次形成覆盖层(覆盖层15C)和绝缘膜16以覆盖光电转换层12的前表面的一部分(表面12a)和各接触层13的侧表面13a。光电转换层12和接触层13中的邻近覆盖层15C的区域中形成有扩散区域17，并且包含在覆盖层15C中的Si在扩散区域17中扩散。例如，在与基板11的光电转换层12相对侧的表面上形成有第二电极18。在光接收元件1中，例如，第二电极18的后表面用作光入射面S1。

然而，在本变形例中，覆盖层15C包含n型IV族半导体(包含IV族半导体和用作针对IV族半导体的n型掺杂剂的元素)。例如，覆盖层15C包含n型Si(包含Si和用作针对Si的n型掺杂剂的元素)。用作针对Si的n型掺杂剂的元素的例子包括砷(As)、磷(P)等。

在本变型例的光接收元件1C中，包含IV族半导体(n型Si)的覆盖层15C也与光电转换层12的表面12a接触，与接触绝缘膜的情况相比，这减小了界面缺陷密度。此外，通过扩散区域17在光电转换层12内形成势垒。这使得能够获得与在上述实施方案中实现的效果类似的效果。

此外，覆盖层15C包含n型掺杂剂，其提高了与绝缘膜16接触的IV族半导体中的电子密度。这里，较高的电子密度确保了与绝缘膜16的界面形成的再结合概率更小，由此改善了暗电流的减小效果。另外，IV族半导体和化合物半导体之间的界面附近的区域作为n型区域被增强，这允许增高势垒。这对抑制像素之间的信号串扰也是有益的。

<变形例4>

图12示出了根据变形例4的光接收元件(光接收元件1D)的断面构成。与上述实施方案一样，例如，光接收元件1D包括依次在基板11上的光电转换层12和多个接触层13，并且在光电转换层12上以彼此间隙A间隔形成有多个接触层13。第一电极14经由掩模层19的开口H与多个接触层13中的每一个电气连接。依次形成覆盖层(覆盖层15D)和绝缘膜16以覆盖光电转换层12的前表面的一部分(表面12a)和各接触层13的侧表面13a。光电转换层12和接触层13中的邻近覆盖层15D的区域中形成有包含杂质的扩散区域(扩散区域17D)。例如，在与基板11的光电转换层12相对侧的表面上形成有第二电极18。在光接收元件1中，例如，第二电极18的后表面用作光入射面S1。

然而，在本变形例中，覆盖层15D包含IV族半导体(例如，Si)和用作针对化合物半导体(光电转换层12)的n型掺杂剂的杂质元素。例如，用作针对InGaAs的n型掺杂剂的元素的例子包括碳(C)、锡(Sn)、铅(Pb)、硫(S)、碲(Te)等中的一种或多种。通过如上所述的退火处理，包含在覆盖层15D中的C、Sn、Pb、S和Te中的一种或多种扩散到光电转换层12和接触层13的一部分中，由此形成扩散区域17D。因此，扩散区域17D在光电转换层12中包含C、Sn、Pb、S和Te中的一种或多种作为n型掺杂剂，并形成高密度n型区域。

在本变型例的光接收元件1D中，包含IV族半导体的覆盖层15D也与光电转换层12的表面12a接触，与接触绝缘膜的情况相比，这减小了界面缺陷密度。这使得能够获得与在上述实施方案中实现的效果类似的效果。此外，在扩散区域17D中，包含Si并且用作n型掺杂剂的元素从覆盖层15D扩散。这使得能够在扩散区域17D中形成具有较高掺杂密度的n型区域，并且在光电转换层12内形成高势垒。

<变形例5>

图13示出了根据变形例5的光接收元件(光接收元件1E)的断面构成。图14以示意方式示出了光接收元件1E的平面构成。与上述实施方案一样，例如，光接收元件1E包括依次在基板11上的光电转换层12和多个接触层13，并且在光电转换层12上彼此间隙A地间隔设有多个接触层13。第一电极14经由掩模层19的开口H与多个接触层13中的每一个电气连接。依次形成覆盖层15和绝缘膜16以覆盖光电转换层12的前表面的一部分(表面12a)和各接触层13的侧表面13a。光电转换层12和接触层13中的邻近覆盖层15的区域中形成有扩散区域17。例如，在与基板11的光电转换层12相对侧的表面上形成有第二电极18。在光接收元件1中，例如，第二电极18的后表面用作光入射面S1。

然而，在本变形例中，配置有与光电转换层12的扩散区域17电气连接的接触电极(电极14A)。电极14A只需要与扩散区域17电气连接，并且在光电转换层12上的任意位置都可以形成有电极14A。此外，针对光接收元件1E，可以仅配置一个电极14A或多个电极14A。

在本变形例的光接收元件1E中，覆盖层15也与光电转换层12的表面12a接触，与接触绝缘膜的情况相比，这减小了界面缺陷密度。此外，通过扩散区域17在光电转换层12内形成势垒。这使得能够获得与在上述实施方案中实现的效果类似的效果。

此外，包括与扩散区域17电气连接的电极14A允许对扩散区域17进行电位控制。例如，向电极14A施加正偏压允许增加光电转换层12的表面12a附近的电子密度。利用电极14A的这种电位控制能够降低界面形成的再结合概率，并且增强与邻接像素的电气分离。这有助于抑制暗电流。

<变形例6>

图15示出了根据变形例6的光接收元件(光接收元件1F)的断面构成。与上述实施方案一样，例如，光接收元件1F包括依次在基板11上的光电转换层12和多个接触层13，并且在光电转换层12上彼此间隙A地间隔设有多个接触层13。第一电极14经由掩模层19的开口H与多个接触层13中的每一个电气连接。依次形成覆盖层15和绝缘膜(绝缘膜16和16B)以覆盖光电转换层12的前表面的一部分(表面12a)和各接触层13的侧表面13a。光电转换层12和接触层13中的邻近覆盖层15的区域中形成有扩散区域17。例如，在与基板11的光电转换层12相对侧的表面上形成有第二电极18。在光接收元件1中，例如，第二电极18的后表面用作光入射面S1。

然而，在本变形例中，在绝缘膜16上进一步层叠有绝缘膜16B(第二绝缘膜)，并且绝缘膜16B包含正的固定电荷。例如，通过CVD使用用于成膜的SiN、SiO₂和HfO₂，可以形成这种包含正的固定电荷的绝缘膜16B。

在本变形例的光接收元件1F中，覆盖层15也与光电转换层12的表面12a接触，与接触绝缘膜的情况相比，这减小了界面缺陷密度。此外，通过扩散区域17在光电转换层12内形成势垒。这使得能够获得与在上述实施方案中实现的效果类似的效果。

此外，在覆盖层15上层叠包括正的固定电荷的绝缘膜16B在IV族半导体(覆盖层15)和绝缘膜16之间的界面处诱导电子，由此能够实现降低界面形成的再结合概率并改善分离性的效果。

<应用例1>

图16示出了使用上述实施方案等中所说明的光接收元件1(光接收元件1A～1F中的任何一个也适用)的元件结构的成像元件2的功能构成。成像元件2例如是红外图像传感器，并且例如包括像素部10A和驱动像素部10A的电路部20。电路部20例如包括行扫描部131、水平选择部133、列扫描部134和系统控制部132。

例如，像素部10A包括以矩阵状二维配置的多个像素P。例如，针对各像素行用像素驱动线Lread(例如，行选择线和复位控制线)对像素P进行配线，并且针对各像素列用垂直信号线Lsig对像素进行配线。像素驱动线Lread传输用于读出来自像素P的信号的驱动信号。像素驱动线Lread各自具有与行扫描部131的对应于各行的相应输出端子连接的一端。

行扫描部131是包括移位寄存器、地址解码器等并且例如以行为单位驱动像素部10A中的各像素P的像素驱动部。从由行扫描部131选择性扫描的像素行的各像素P输出的信号通过各条垂直信号线Lsig供给到水平选择部133。水平选择部133包括针对各条垂直信号线Lsig设置的放大器、水平选择开关等。

列扫描部134包括移位寄存器、地址解码器等，并且在扫描那些水平选择开关的同时顺次地驱动水平选择部133的相应水平选择开关。通过由列扫描部134进行的选择性扫描，将通过各条垂直信号线Lsig传输的各像素的信号顺次地输出到水平信号线135，并且通过水平信号线135输入到未示出的信号处理部等。

在成像元件2中，例如，如图17所示，使包括像素部10A的基板2A和包括电路部20的基板2B层叠。然而，成像元件2的构成不限于此，并且电路部20可以形成在与包括像素部10A的基板2A相同的基板上，或者可以形成在外部控制IC上。可选择地，电路部20可以形成在通过线缆等连接的另一个基板上。

系统控制部132接收从外部给予的时钟、关于操作模式的指令的数据等，并且输出诸如成像元件2的内部信息等的数据。系统控制部132还包括定时发生器，其生成多种定时信号并且基于定时发生器所生成的各种定时信号来进行行扫描部131、水平选择部133、列扫描部134等的驱动控制。

<应用例2>

例如，上述成像元件2可适用于诸如具有对红外区域进行成像的能力的相机等各种类型的电子设备。作为其例子，图18示出了电子设备3(相机)的简化构成。电子设备3是能够拍摄例如静止图像或运动图像的相机，并且包括成像元件2、光学系统(光学透镜)310、快门装置311、驱动成像元件2和快门装置311的驱动部313以及信号处理部312。

光学系统310将来自被摄体的图像光(入射光)引导到成像元件2。光学系统310可以包括多个光学透镜。快门装置311控制成像元件2的光照射期间和光遮蔽期间。驱动部313控制成像元件2的传输操作和快门装置311的快门操作。信号处理器312对从成像元件2输出的信号进行各种信号处理。已经过信号处理的图像信号Dout存储在诸如存储器等存储介质上，或者输出到监视器等。

至此参照实施方案、变形例和应用例对本公开进行了说明；然而，本公开的内容不限于上述实施方案等，并且可以以各种方式进行变形。例如，在上述实施方案中说明的光接收元件的层构成仅是说明性的，并且光接收元件还可以包括任何其他层。此外，各层的材料和厚度也仅是说明性的，并不限于上述那些。

此外，在上述实施方案等中，例示了接触层13包含p型化合物半导体并且光电转换层12包含n型化合物半导体的情况；然而，接触层13和光电转换层12的导电类型不限于此。取决于化合物半导体和用作掺杂剂的杂质元素的组合，接触层13可以包含n型化合物半导体，并且光电转换层12可以包含p型化合物半导体。

此外，上述实施方案等中说明的效果仅仅是示例性的。本公开的效果可以是其他效果，或者可以进一步包括其他效果。

应该注意的是，本公开可以如下构成。

(1)一种光接收元件，包括：

光电转换层，所述光电转换层包含第一化合物半导体，并且吸收红外区域中的波长以产生电荷；

多个接触层，所述多个接触层包含第二化合物半导体，并且在所述光电转换层上彼此间隙地间隔设置；和

覆盖层，所述覆盖层形成为覆盖所述光电转换层的前表面中的对应于所述间隙的部分和所述各接触层的侧表面，并且包含IV族半导体。

(2)根据(1)所述的光接收元件，其中所述覆盖层包含硅(Si)或锗(Ge)。

(3)根据(1)或(2)所述的光接收元件，其中所述覆盖层包含硅锗(SiGe)。

(4)根据(1)～(3)中任一项所述的光接收元件，其中所述覆盖层包含所述IV族半导体和用作针对所述IV族半导体的n型掺杂剂的元素。

(5)根据(1)～(4)中任一项所述的光接收元件，其中所述覆盖层包含所述IV族半导体和用作针对所述光电转换层的n型掺杂剂的元素。

(6)根据(1)～(5)中任一项所述的光接收元件，其中在所述光电转换层和所述接触层中的邻近所述覆盖层的选择区域中包括所述覆盖层中包含的元素在其中扩散的扩散区域。

(7)根据(6)所述的光接收元件，还包括与所述光电转换层的所述扩散区域电气连接的接触电极。

(8)根据(1)～(7)中任一项所述的光接收元件，还包括在所述覆盖层上的第一绝缘膜。

(9)根据(8)所述的光接收元件，其中第一绝缘膜包含硅(Si)、氮(N)、铝(Al)和铪(Hf)中的任一种。

(10)根据(8)或(9)所述的光接收元件，其中

所述覆盖层包含锗，和

在所述覆盖层上其间经由包含氧化锗(GeO₂)的绝缘膜而形成第一绝缘膜。

(11)根据(8)～(10)中任一项所述的光接收元件，还包括在第一绝缘膜上的包含正的固定电荷的第二绝缘膜。

(12)根据(1)～(11)中任一项所述的光接收元件，其中第一和第二化合物半导体是III-V族半导体。

(13)根据(1)～(12)中任一项所述的光接收元件，其中所述覆盖层的厚度为0.25nm以上和100nm以下。

(14)根据(1)～(13)中任一项所述的光接收元件，其中所述光电转换层是掺杂密度为1.0×10¹⁸cm^-3以下的n型或掺杂密度为1.0×10¹⁶cm^-3以下的p型。

(15)根据(1)～(14)中任一项所述的光接收元件，其中所述光电转换层和所述接触层依次设置在基板上，所述光接收元件还包括：

电气连接到所述接触层的第一电极，和

电气连接到所述基板的第二电极。

(16)一种光接收元件的制造方法，所述方法包括：

形成光电转换层，所述光电转换层包含第一化合物半导体，并且吸收红外区域中的波长以产生电荷；

形成多个接触层，所述多个接触层包含第二化合物半导体，并且在所述光电转换层上彼此间隙地间隔设置；和

形成包含IV族半导体的覆盖层，所述覆盖层覆盖所述光电转换层的前表面中的对应于所述间隙的部分和所述各接触层的侧表面。

(17)根据(16)所述的光接收元件的制造方法，其中通过蚀刻形成所述多个接触层之间的所述间隙。

(18)根据(16)或(17)所述的光接收元件的制造方法，其中在形成所述覆盖层之后执行退火处理，从而在所述光电转换层和所述接触层中的邻近所述覆盖层的选择区域中形成所述覆盖层中包含的元素在其中扩散的扩散区域。

(19)一种包括多个像素的成像元件，所述成像元件包括：

多个接触层，所述多个接触层包含第二化合物半导体，并且以像素为单位在所述光电转换层上彼此间隙地间隔设置；和

(20)一种设置有成像元件的电子设备，所述成像元件包括多个像素，所述电子设备包括：

本申请要求于2016年1月20日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2016-008460的权益，其全部内容通过引用结合于此。

本领域技术人员应该理解，取决于设计要求和其他因素，可以出现各种修改、组合、子组合和变更，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims

1.一种光接收元件，包括：

覆盖层，所述覆盖层形成为覆盖所述光电转换层的前表面中的对应于所述间隙的部分和所述各接触层的侧表面，并且包含IV族半导体，

其中，所述光电转换层和所述接触层依次设置在基板上。

2.根据权利要求1所述的光接收元件，其中所述覆盖层包含硅(Si)或锗(Ge)。

3.根据权利要求1所述的光接收元件，其中所述覆盖层包含硅锗(SiGe)。

4.根据权利要求1所述的光接收元件，其中所述覆盖层包含所述IV族半导体和用作针对所述IV族半导体的n型掺杂剂的元素。

5.根据权利要求1所述的光接收元件，其中所述覆盖层包含所述IV族半导体和用作针对所述光电转换层的n型掺杂剂的元素。

6.根据权利要求1所述的光接收元件，其中在所述光电转换层和所述接触层中的邻近所述覆盖层的选择区域中包括所述覆盖层中包含的元素在其中扩散的扩散区域。

7.根据权利要求6所述的光接收元件，还包括与所述光电转换层的所述扩散区域电气连接的接触电极。

8.根据权利要求1所述的光接收元件，还包括在所述覆盖层上的第一绝缘膜。

9.根据权利要求8所述的光接收元件，其中第一绝缘膜包含硅(Si)、氮(N)、铝(Al)和铪(Hf)中的任一种。

10.根据权利要求8所述的光接收元件，其中

所述覆盖层包含锗，和

11.根据权利要求8所述的光接收元件，还包括在第一绝缘膜上的包含正的固定电荷的第二绝缘膜。

12.根据权利要求1所述的光接收元件，其中第一和第二化合物半导体是III-V族半导体。

13.根据权利要求1所述的光接收元件，其中所述覆盖层的厚度为0.25nm以上和100nm以下。

14.根据权利要求1所述的光接收元件，其中所述光电转换层是掺杂密度为1.0×10¹⁸cm^-3以下的n型或掺杂密度为1.0×10¹⁶cm^-3以下的p型。

15.根据权利要求1所述的光接收元件，其中所述光接收元件还包括：

电气连接到所述接触层的第一电极，和

电气连接到所述基板的第二电极。

16.一种光接收元件的制造方法，所述方法包括：

17.根据权利要求16所述的光接收元件的制造方法，其中通过蚀刻形成所述多个接触层之间的所述间隙。

18.根据权利要求16所述的光接收元件的制造方法，其中在形成所述覆盖层之后执行退火处理，从而在所述光电转换层和所述接触层中的邻近所述覆盖层的选择区域中形成所述覆盖层中包含的元素在其中扩散的扩散区域。

19.一种包括多个像素的成像元件，所述成像元件包括：

20.一种设置有成像元件的电子设备，所述成像元件包括多个像素，所述电子设备包括：

其中，所述光电转换层和所述接触层依次设置在基板上。