エピタキシャルウエハ、半導体素子、およびこれらの製造方法
【課題】 Ｓｂ含有層を備えながら、結晶性に優れたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャルウエハ、半導体素子、およびこれらの製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、気相成長法によって、基板１の上に、ＧａＡｓＳｂ層３ａとＩｎＧａＡｓ層３ｂとを交互に繰り返し成長する工程を備え、ＧａＡｓＳｂ層の成長の際、該ＧａＡｓＳｂ層のＶ族中のＳｂモル分率ｘ１と、供給している原料ガス（気相）のＶ族中のＳｂモル分率ｘ２とが、０．７５≦（ｘ１／ｘ２）≦１．２０、を満たすように、基板温度を設定し、かつ原料ガスを供給することを特徴とする。
【解決手段】 本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、気相成長法によって、基板１の上に、ＧａＡｓＳｂ層３ａとＩｎＧａＡｓ層３ｂとを交互に繰り返し成長する工程を備え、ＧａＡｓＳｂ層の成長の際、該ＧａＡｓＳｂ層のＶ族中のＳｂモル分率ｘ１と、供給している原料ガス（気相）のＶ族中のＳｂモル分率ｘ２とが、０．７５≦（ｘ１／ｘ２）≦１．２０、を満たすように、基板温度を設定し、かつ原料ガスを供給することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の、エピタキシャルウエハ、半導体素子、およびこれらの製造方法であって、より具体的には、近赤外の長波長域に対応するバンドギャップエネルギを有するタイプ２の多重量子井戸構造（Multiple-Quantum Well）を含む、エピタキシャルウエハ、半導体素子、およびこれらの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物のＩｎＰ系半導体は、バンドギャップエネルギが近赤外域に対応することから、通信用、夜間撮像用などの受光素子を対象に、多くの研究開発が行われている。
たとえばＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を形成することで、カットオフ波長２μｍ以上のフォトダイオードが提案されている（非特許文献１）。このＭＱＷは、ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法で成長している。
またＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２のＭＱＷを活性層として形成し、発光波長２．１４μｍのＬＥＤおよびレーザーダイオードの提案がなされている（非特許文献２）。このタイプ２のＭＱＷは、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法によって、温度５３０℃で成長している。ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの原料についても、それぞれの有機金属ガスが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】R.Sidhu, et.al. "ALong-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.12(2005), pp.2715-2717
【非特許文献２】M.Peter,et.al. “Light-emitting diodes and laser diodes based on a Ga1-xInxAs/GaAs1-ySbytype II superlattice on InP substrate” Appl. Phys. Lett., Vol.74,No.14 (5 April 1999), pp.1951-1953
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記フォトダイオードは、感度、暗電流などの性能のレベルが十分ではなく、また、エピタキシャルウエハ内の受光素子（チップ）間のばらつきが大きく、また、エピタキシャルウエハを安定して再現性よく製造することが難しい。これは、ＭＢＥ法による成長法に起因する。
また発光ダイオードについては、やはり性能レベルが良好ではなく、同一エピタキシャルウエハ内のチップ間のばらつき、およびエピタキシャルウエハを再現性よく製造することが難しい。これは、上記した成長方法に原因がある。とくにＳｂは、成長温度または基板温度が少し変化するだけで固相内に取り込まれる量が大きく変動する。Ｓｂを含む層のＳｂ組成は不安定であり、当該Ｓｂ含有層は所定温度以上で相分離等を生じ易く、良好な結晶を得ることが難しい。
【０００５】
本発明は、Ｓｂ含有層を備えながら、結晶性に優れたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャルウエハ、半導体素子、およびこれらの製造方法を提供することを目的とする。なお、結晶性に優れることには、半導体素子において良好な性能をもたらす結晶という意味だけでなく、製造歩留まりを低下させる表面欠陥等が抑制されたもの、という意味も含まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、基板上にＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体のエピタキシャルウエハを製造する。この方法は、気相成長法によって、基板の上に、Ｓｂを含む第１の層とＳｂを含まない第２の層とを交互に繰り返し成長する工程を備え、第１の層の成長の際、該第１の層（固相）のＶ族中のＳｂモル分率ｘ１と、供給している原料ガス（気相）のＶ族中のＳｂモル分率ｘ２とが、０．７５≦（ｘ１／ｘ２）≦１．２０、を満たすように、基板温度を設定し、かつ原料ガスを供給することを特徴とする。
【０００７】
上記の方法によれば、Ｓｂを含む第１の層が、当該第１の層の成長中も、その上の各層を成長中も、相分離しにくくなり、良好な結晶品質を得ることができる。この結果、このエピタキシャルウエハを用いて良好な性能の半導体素子を得ることができる。
また、温度のばらつきに対するＳｂ組成のばらつきが小さくなり、製造時の安定性が向上する。すなわち、同一エピタキシャルウエハ内における均一性の向上、エピタキシャルウエハまたは各ロットを再現性よく製造することができる。この結果、製造歩留まりを高めて、製造コストを下げることができる。
（ｘ１／ｘ２）をＳｂ固相濃化率と呼ぶこととするが、Ｓｂ固相濃化率が０．７５未満の場合は、Ａｓに比してＳｂは固相中に取り込まれにくい。このため、化学量論的に正常な範囲のＧａＡｓＳｂをＳｂ過少側に逸脱することになり、良好な結晶性のＧａＡｓＳｂを得ることができない。また、ＭＱＷより上層の成長の際または成長後に表面欠陥を生じやすい。一方、Ｓｂ固相濃化率が１．２０を超えると、固相中に過剰にＳｂが取り込まれやすくなる。このため、化学量論的に正常な範囲のＧａＡｓＳｂからＳｂ過剰側に逸脱することになり、良好な結晶性のＧａＡｓＳｂを得ることができない。
上記の基板温度は、基板表面温度を赤外線カメラおよび赤外線分光器を含むパイロメータでモニタしており、そのモニタされている基板表面温度をいう。したがって、基板表面温度ではあるが、厳密には、基板上に成膜がなされている状態の、エピタキシャル層表面の温度である。基板温度、成長温度、成膜温度など、呼称は各種あるが、いずれも上記のモニタされている温度をさす。
【０００８】
第１の層の成長時の基板温度を３９０℃以上４９０℃以下とすることができる。これによって、Ｓｂを含みながら結晶性に優れた第１の層を得ることができる。とくに原料ガスを、第１の層のＳｂ組成ｘ１に合わせて供給する場合、この基板温度の範囲をとることで、Ｓｂ固相濃化率を０．７５以上１．２０以下の範囲に入れることができる。
【０００９】
第１の層の成長時の基板温度を、第２の層の成長時の基板温度よりも低くすることができる。これによって、Ｓｂを含む第１の層とＳｂを含まない第２の層とを、両方とも結晶性に優れたものとできる。この結果、これら両方をペアとする、結晶性に優れたＭＱＷを得ることができる。
【００１０】
第２の層の成長時の基板温度を、第１の層の成長時の基板温度よりも２０℃以上高くすることができる。
これによって、Ｓｂを含む第１の層とＳｂを含まない第２の層とを、両方とも成長に適切な温度で成長することができ、製造上安定性に優れ、かつ高品質のＭＱＷを得ることができる。
【００１１】
第２の層の成長の後、基板温度が第１の層の成長時の温度に確実に降温するのを待って該第１の層の成長を行うことができる。
この場合、温度が降温して全体が均一に設定温度になるのを保証することができ、高品質を保持することができる。
【００１２】
第２の層の成長の後、第１の層の成長時の基板温度に降温している最中に第１の層を成長し始めることができる。
降温途中に成長を行う場合、基板温度が低いほど第１の層中のＳｂ組成は上昇する。このためＳｂの傾斜濃度部が形成される。すなわち第１の層では、基板から遠ざかる向きにＳｂ濃度が上昇する傾斜濃度部が形成される。一般にＳｂ濃度が上昇すると伝導帯のエネルギは低下し、価電子帯のエネルギは上昇する。したがって正孔の波動函数は、基板から遠ざかる向きにずれて位置する。タイプ２のＭＱＷでペアを組む相手の層（第２の層）のエネルギバンドは、組成に傾斜がなければ変化しないので、電子の波動函数は第２の層における量子井戸の中央に位置する。この結果、Ｓｂ含有層中の正孔の波動函数と、第２の層中の電子の波動函数との重なりが増し、タイプ２のＭＱＷにおいて両層の界面をクロスする遷移現象の量子効率が増すことになる。この結果、たとえば受光素子では近赤外域の長波長側の受光感度が向上する。このためＭＱＷのペア数を減らしても、上記長波長側の受光感度を保持することができる。
また、基板温度は降温するとき（昇温より）安定化まで時間がかかるので、降温途中に成長することで、製造時間を短縮して製造コストを低減することができる。
【００１３】
第１の層の成長の後、基板温度が第２の層の成長時の温度に確実に昇温するのを待って該第２の層の成長を行うか、または昇温途中に該第２の層を成長し始めることができる。
第２の層についても、成長時間短縮による利益は得ることができる。ただ、昇温は、降温に比べて、安定化まで時間がかからない。
【００１４】
第１の層を、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂおよびＩｎＡｓＳｂのうちのいずれか１つとすることができる。
これらの材料を用いることで、波長２μｍ以上にカットオフ波長を持つ受光素子や、波長２μｍ以上にピーク波長を持つ発光素子を得ることができる。
【００１５】
第１の層をＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ≦１）とし、第２の層をＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）とすることができる。
これによって、タイプ２のＭＱＷを得ることができる。この結果、波長２μｍ以上にカットオフ波長を持つ、暗電流の小さい受光素子、または、波長２μｍ以上にピーク波長を持つ、または発光効率の良い発光素子を得ることができる。
【００１６】
基板を、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、およびＡｌＡｓのうちのいずれか１つとすることができる。
これらの基板を用いて、各種の近赤外域の受光素子または発光素子に用いられる、高品質のエピタキシャルウエハを製造することができる。
【００１７】
気相成長法を、全有機金属気相成長法とすることができる。これによって、他の気相成長法に比べて、第１の層および第２の層の成長時の基板温度、および他の上層（たとえば窓層または拡散濃度調整層）の成長時の基板温度を、ともに低くすることができる。この結果、結晶性に優れたエピタキシャルウエハを得ることができる。とくにＳｂを含む第１の層については、当該第１の層の基板温度を下げることで高品質の結晶を得るだけでなく、第２の層、およびその他の上層の基板温度も低くすることで、後から高温にされて発生する相分離などの不具合をなくすことができる。
ここで、全有機気相成長法は、気相成長に用いる原料のすべてに、有機物と金属との化合物で構成される有機金属原料を用いる成長方法のことをいい、全有機ＭＯＶＰＥ法と記す。全有機ＭＯＶＰＥ法における利点は、このあと説明するように数多くあるが、最も広くは能率よく各層を成長できることである。
【００１８】
本発明の半導体素子の製造方法では、上記のいずれかの製造方法で製造されたエピタキシャルウエハを用いることができる。
これによって、Ｓｂ含有層を内蔵しながら高品質の結晶と高経済性とを備えたエピタキシャルウエハを用いて、高性能の半導体素子を得ることができる。半導体素子は、どのようなものでもよく、たとえば受光素子、発光素子がある。
【００１９】
本発明のエピタキシャルウエハは、基板とその上に位置するエピタキシャル層とを有するＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体のエピタキシャルウエハである。このエピタキシャルウエハは、基板の上に、Ｓｂを含む第１の層とＳｂを含まない第２の層とが交互に繰り返し位置し、第１の層に、基板から遠ざかる向きにＳｂの濃度が高くなる傾斜濃度部分があることを特徴とする。
上記の構成によって、降温途中に第１の層を形成するプロセスを用いることができ、生産性の向上を得ることができる。さらに、降温途中の第１の層の成長時に、Ｖ族中のＳｂモル分率一定の原料ガスを供給することができるので、製造工程を簡単かつ容易にすることができる。
さらに、Ｓｂを含む第１の層は、その価電子帯のポテンシャル値が第２の層よりも高いのが普通である。タイプ２のＭＱＷでは、たとえば受光では、価電子帯のポテンシャル値が高いほうの第１の層に正孔が、また第２の層に電子が、対をなして生成する。第１の層のＳｂ濃度は、上の隣の第２の層に向けて高くなるので、第１の層の価電子帯の底（真空）のエネルギは上の隣の第２の層に向けて深くなる。このため、正孔の波動関数は、上の隣の第２の層における電子の波動関数に近づくようにずれる。第２の層が、昇温途中に成長されなければ、矩形の井戸ポテンシャルなので、電子の波動関数は、第２の層で中心部に位置する。この結果、正孔と電子との波動関数の重なりが大きくなり、受光の量子効率を向上させることができる。すなわち感度を高めることができる。
また、発光においても、伝導帯の電子が隣の価電子帯へと遷移する遷移確率が増加するので発光効率を向上させることができる。
【００２０】
第１の層を、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂおよびＩｎＡｓＳｂのうちのいずれか１つとすることができる。
このエピタキシャルウエハを用いることで、波長２μｍ以上にカットオフ波長を持つ受光素子、または波長２μｍ以上にピーク波長を持つ発光素子を得ることができる。
【００２１】
第１の層をＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ≦１）とし、第２の層をＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）とすることができる。
これによって、タイプ２のＭＱＷを得ることができる。このＭＱＷによれば、波長２μｍ以上にカットオフ波長を持つ、暗電流の小さい受光素子、または、波長２μｍ以上にピーク波長を持つ、発光効率の良い発光素子を得ることができる。
【００２２】
基板を、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、およびＡｌＡｓのうちのいずれか１つとすることができる。
これらの基板を用いて、良好な素子特性を持つ波長２μｍ以上にカットオフ波長を持つ受光素子や、波長２μｍ以上にピーク波長を持つ発光素子を、容易に得ることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のエピタキシャルウエハの製造方法等によれば、Ｓｂ含有層を備えながら、結晶性に優れたものを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１におけるエピタキシャルウエハの断面図、（ｂ）受光層を構成するＭＱＷの拡大図、である。
【図２】（ａ）図１のＭＱＷにおけるＧａＡｓＳｂの成長時の状況を説明する図、（ｂ）Ｓｂ固相濃化率の範囲を示す図、である。
【図３】Ｓｂ固相濃化率と成長温度との関係を示す図である。
【図４】ＭＱＷの成長シーケンスを示す図である。
【図５】（ａ）タイプ２のＭＱＷ内のＧａＡｓＳｂ層に濃度傾斜部がある場合のバンド図および電子と正孔の波動関数の位置を示す図、（ｂ）従来のタイプ２のＭＱＷのバンド図および電子と正孔の波動関数の位置を示す図、である。
【図６】全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置の配管系統等を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２における、受光素子アレイ（半導体素子）を示す図である。
【図８】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。
【図９】図７または８の受光素子５０の製造方法のフローチャートである。
【図１０】（ａ）は本発明の実施の形態３における発光素子（ＬＥＤ）を示す図であり、（ｂ）はＭＱＷの拡大図である。
【図１１】本発明の実施例３における、ＧａＡｓＳｂ中のＳｂモル比ｘ１と原料ガス中のＳｂモル比ｘ２との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（実施の形態１−エピタキシャルウエハ−）
図１は、本発明の実施の形態におけるエピタキシャルウエハ１ａを示し、（ａ）は全体の断面図、（ｂ）は、受光層３を構成するＧａＡｓＳｂ３ａとＩｎＧａＡｓ３ｂとをペアとする、タイプ２のＭＱＷの拡大断面図、である。エピタキシャルウエハ１ａは、ＩｎＰ基板１、バッファ層２と、その上に位置するエピタキシャル層７とからなる。エピタキシャル層７は、全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長されており、バッファ層２も含めるとその内容はつぎのとおりである。
（ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＰバッファ層２／タイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
図１（ｂ）に示すように、ＭＱＷ３は、Ｓｂを含むＧａＡｓＳｂ（第１の層）３ａと、Ｓｂを含まないＩｎＧａＡｓ（第２の層）３ｂとの繰り返しから形成される。ＧａＡｓＳｂは、Ｓｂを含むために、従来、良好な結晶性の膜を、同一ウエハ内でのばらつきなく、またウエハ間において再現性よく、成長することが難しかった。このＧａＡｓＳｂ３ａに良好な結晶性を持たせ、再現性よく成長するために、本実施の形態では、つぎの図２に示すような方策をとる。
【００２６】
図２（ａ）は、図１（ｂ）に示すＭＱＷ３におけるＧａＡｓＳｂ（第１の層）３ａを成長するときの原料ガス等の模式図であり、（ｂ）は、原料ガスおよびＧａＡｓＳｂ３ａにおけるＳｂモル比（モル分率）に課せられる条件を示す図である。全有機ＭＯＶＰＥ法では、原料ガスは、３族または５族の金属と炭化水素とが結びついた炭化水素金属の形態で供給される。炭化水素金属は、比較的低温で分解しやすいため、Ｓｂを含むＧａＡｓＳｂのように温度上昇で相分離しやすい化合物の成長に適している。アンチモンの原料ガスとして例示されるトリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）は、成長中のＧａＡｓＳｂ層３ａの表面または表面近くで分解しながら、Ｓｂを成長表面に供給する。ＧａおよびＡｓの原料ガスも同様に分解して、ＧａおよびＡｓを供給する。ここで、ＳｂとＡｓとは、同じＶ族元素であり、両方合わせて３族のＧａと同じ原子数（モル数）となってＧａＡｓＳｂを構成する。ＳｂまたはＡｓの原料ガスは、このあと詳細に説明するように、それぞれ独立に供給量をＭＦＣ（Mass Flow Controller）で制御しながらバルブ開閉によって成長室に位置する石英管６５へと導入される。このとき、原料ガス中のＳｂとＡｓとのモル比は、各原料ガスの供給の仕方によらずどのような場合でも、図２（ａ）に示すように、[Ｓｂ]／[Ａｓ]＝ｘ２／（１−ｘ２）と表すことができる。
成長するＧａＡｓＳｂ３ａについては、たとえば受光素子にとって望ましい組成範囲の具体例を表示すれば、ＧａＡｓ１−ｘ１Ｓｂｘ１（０．３６≦ｘ１≦０．６２）と表すことができる。また、ＩｎＧａＡｓについては、ＩｎｚＧａ１−ｚＡｓ（０．３８≦ｚ≦０．６８）である。以後の説明では、組成比を表示しないで、ＧａＡｓＳｂなどと表示する。
Ｓｂは制御が難しいほど移動性が高く、非常に扱い難い元素である。このため、原料ガス中のＳｂが成長中の固相に対して過剰な場合および過少な場合、それぞれの場合において、良好な結晶を得ることができない。すなわち、ＧａＡｓ１−ｘ１Ｓｂｘ１におけるｘ１に対して、原料ガス中の上記ｘ２は、次に示す範囲になければならない。
０．７５≦ｘ１／ｘ２≦１．２０・・・・・・（１）
上記（１）式における（固相中のＶ族中Ｓｂモル比）／気相中のＶ族中Ｓｂモル比）（＝ｘ１／ｘ２）を、Ｓｂ固相濃化率と呼ぶこととする。Ｓｂ固相濃化率が、０．７５未満の場合は、Ａｓに比してＳｂは固相中に取り込まれにくい。このため、化学量論的に正常な範囲のＧａＡｓ１−ｘ１Ｓｂｘ１を逸脱することになり、良好な結晶性のＧａＡｓＳｂ３ａを得ることができない。また、気相中のＳｂは過剰になる。あくまで推測であるが、気相における過剰なＳｂは、成長表面に固相化（結晶化）しないＳｂ濃化層を形成すると考えられる。この結果、ＭＱＷ３より上層の成長の際または成長後に表面欠陥を生じる原因となる。上記表面欠陥は、ＧａＡｓＳｂ成長時だけでなく、ＭＱＷ３の成長が終了して、ＩｎＰ窓層５を成長中または成長後に、そのＩｎＰ窓層を下から突き上げるように発生することが多い。この種の表面欠陥は高さが１０μｍ以上あり、大きいものは１００μｍの高さに達し、製造歩留まりを著しく低下させる。
一方、Ｓｂ固相濃化率が１．２０を超えると、固相中に過剰にＳｂが取り込まれやすくなる。このため、化学量論的に正常な範囲のＧａＡｓ１−ｘ１Ｓｂｘ１を逸脱することになり、この場合にも良好な結晶性のＧａＡｓＳｂ３ａを得ることができない。
要するに、Ｓｂ固相濃化率が（１）式の範囲を逸脱すると、優れた結晶性のエピタキシャルウエハ１ａを得ることができない。
【００２７】
それでは、Ｓｂ固相濃化率を（１）式の範囲に入れるためには、どうすればよいか。図３は、Ｓｂ固相濃化率（ｘ１／ｘ２）と基板温度（成長温度）との関係を示す図である。この図３のデータは、Ｓｂの原料ガス（ＴＭＳｂ）とＡｓの原料ガス（ＴＭＡｓ）とが、原料ガス中のＳｂのモル比ｘ２、Ａｓのモル比１−ｘ２として、そのｘ２を、ＧａＡｓＳｂにおける上記ｘ１の範囲、０．３８≦ｘ１≦０．６８、に合うように供給した場合にとられたものである。
図３によれば、Ｓｂ固相濃化率を（１）式の範囲にする場合、基板温度を３９０℃以上４９０℃以下とすればよいことが分かる。この温度範囲は、かなり低く、たとえばＩｎＧａＡｓ３ｂの成長温度から２０℃以上低くした、ＧａＡｓＳｂの成長用の特別の成長温度である。
【００２８】
図４は、ＧａＡｓＳｂ３ａとＩｎＧａＡｓ３ｂとの繰り返しからなるＭＱＷ３を成長するときの、成長温度および原料ガス供給のシーケンスを示す図である。ＩｎＧａＡｓ３ｂの成長時の基板温度（成長温度）Ｔｇは５００℃に、またＧａＡｓＳｂ３ａの成長時の基板温度Ｔｇは４５０℃に、設定している。したがって、ＩｎＧａＡｓ３ｂを成長した後、ＧａＡｓＳｂ３ａを成長する前に、基板温度Ｔｇを下げる必要がある。基板温度Ｔｇは上げる時よりも下げる時のほうが安定化に時間がかかる。ＩｎＧａＡｓ３ｂとＧａＡｓＳｂ３ａとを２５０ペア成長させる場合、成長時間の短縮は、製造能率上、重要であり、とくに温度降下に要する時間の短縮は重要である。このため、図４に示すように、ＧａＡｓＳｂ３ａの成長開始は、基板温度Ｔｇが４５０℃に安定化するのを待つのではなく、たとえば４５０℃に向かって温度低下している降温途中であってもよい。すなわち４５０℃から所定範囲高い温度の状態からＧａＡｓＳｂを成長してもよい。このような温度安定化前の降温中のＧａＡｓＳｂの成長によって、ＭＱＷ３の成長時間を短縮して製造能率を向上することができる。
【００２９】
成長温度が低くなるほどＧａＡｓＳｂ３ａ中のＳｂモル比は高くなる。このため、温度降下中のＧａＡｓＳｂ３ａの成長は、部分的に組成が傾斜する厚み部分を生じる。図５（ａ）に示すように、Ｓｂが高い濃度の厚み部分では、伝導帯のエネルギＥｃは電子に対して低下し、また、価電子帯のエネルギＥｖは電子に対して上昇する。正孔にとっては逆になる。ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２のＭＱＷでは、ＧａＡｓＳｂの価電子帯のエネルギがＩｎＧａＡｓのそれより高いので、ＧａＡｓＳｂ３ａに正孔が位置する。ＧａＡｓＳｂ３ａの価電子帯に位置する正孔は、その量子井戸内でポテンシャルエネルギＥｖが低いほうに位置する確率が高くなる。すなわち、ＧａＡｓＳｂの価電子帯Ｅｖ内の正孔の波動関数は、Ｓｂモル比が高いほうにその位置をシフトさせる。一方、ＩｎＧａＡｓ３ｂは、濃度の傾斜はないので、伝導帯の電子の波動関数は量子井戸の中心に位置する。この結果、Ｓｂ濃度傾斜部を持つＧａＡｓＳｂ３ａを備えたＭＱＷ３では、ＧａＡｓＳｂ３ａにおける正孔の波動函数と、ＩｎＧａＡｓ３ｂにおける電子の波動函数との重なりが大きくなり、量子効率を高めることができる。この結果、受光素子では受光感度が向上し、また発光素子では発光効率が向上する。
図５（ｂ）は、Ｓｂの濃度傾斜部分がないＭＱＷのバンド図であり、正孔および電子は、それぞれ価電子帯および伝導帯の量子井戸の中心に合わせて位置する。このため、従来のＭＱＷにおいては、バンド構造の変調によって量子効率が変化することはない。
【００３０】
各層の成長は、上述のように、成長能率が高い全有機ＭＯＶＰＥ法によって行う。図６に全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置６０の配管系統等を示す。反応室（チャンバ）６３内に石英管６５が配置され、その石英管６５に、原料ガスが導入される。石英管６５中には、基板テーブル６６が、回転自在に、かつ気密性を保つように配置される。基板テーブル６６には、基板加熱用のヒータ６６ｈが設けられる。成膜途中のエピタキシャルウエハ１ａの表面の温度は、反応室６３の天井部に設けられたウィンドウ６９を通して、赤外線温度モニタ装置６１によりモニタされる。このモニタされる温度が、成長するときの温度、または成膜温度もしくは基板温度等と呼ばれる温度である。本発明における製造方法における、成長温度または基板温度３９０℃以上４９０℃以下でＧａＡｓＳｂ３ａを成長する、というときの３９０℃以上および４９０℃以下は、この温度モニタで計測される温度である。石英管６５からの強制排気は真空ポンプによって行われる。
原料ガスは、石英管６５に連通する配管によって、供給される。全有機ＭＯＶＰＥ法は、原料ガスをすべて有機金属気体の形態で供給する点に特徴がある。すなわち原料ガスは、各種の炭化水素と結合した金属の形態をとる。図６では、導電型を決める不純物等の原料ガスは明記していないが、不純物も有機金属気体の形態で導入される。有機金属気体の原料ガスは、恒温槽に入れられて一定温度に保持される。搬送ガスには、水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）が用いられる。有機金属気体は、搬送ガスによって搬送され、また真空ポンプで吸引されて石英管６５に導入される。搬送ガスの量は、ＭＦＣ（流量制御器）によって精度よく調節される。多数の、流量制御器、電磁弁等は、マイクロコンピュータによって自動制御される。
【００３１】
Ｇａ（ガリウム）の原料としては、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）でもよいし、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）でもよい。Ｉｎ（インジウム）の原料としては、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）でもよいし、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）でもよい。Ａｓ（砒素）の原料としては、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）でもよいし、ＴＭＡｓ(トリメチル砒素)でもよい。
Ｓｂ(アンチモン)の原料としては、ＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）でもよいし、ＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）でもよい。また、ＴＩＰＳｂ(トリイソプロピルアンチモン)、また、ＴＤＭＡＳｂ(トリジメチルアミノアンチモン)でもよい。これらの原料を用いることによって、ＭＱＷの結晶品質が優れたエピタキシャルウエハ１ａを得ることができる。この結果、たとえば受光素子等に用いた場合、暗電流の小さい、かつ、感度が大きい受光素子を得ることができる。さらには、その受光素子を用いて、より鮮明な像を撮像することが可能となる光学センサ装置、たとえば撮像装置を得ることができる。
【００３２】
次に、ＭＱＷ３を形成するときの原料ガスの流れ状態について説明する。原料ガスは、配管を搬送されて、石英管６５に導入されて排気される。原料ガスは、何種類でも配管を増やして石英管６５に練通させることができる。たとえば十数種類の原料ガスであっても、電磁バルブの開閉によって制御される。
原料ガスは、流量の制御は、図６に示す流量制御器（ＭＦＣ）によって制御された上で、石英管６５への流入を電磁バルブの開閉によってオンオフされる。そして、石英管６５からは、真空ポンプによって強制的に排気される。原料ガスの流れに停滞が生じる部分はなく、円滑に自動的に行われる。よって、量子井戸のペアを形成するときの組成の切り替えは、迅速に行われる。
図６に示すように、基板テーブル６６は回転するので、原料ガスの温度分布は、原料ガスの流入側または出口側のような方向性をもたない。また、エピタキシャルウエハ１ａは、基板テーブル６６上を公転するので、エピタキシャルウエハ１ａの表面近傍の原料ガスの流れは、乱流状態にある。しかし、エピタキシャルウエハ１ａの表面近傍の原料ガスであっても、エピタキシャルウエハ１ａに接する原料ガスを除いて導入側から排気側への大きな流れ方向の速度成分を有する。したがって、基板テーブル６６からエピタキシャルウエハ１ａを経て、原料ガスへと流れる熱は、大部分、常時、排気ガスと共に排熱される。
【００３３】
図１（ａ）に示したエピタキシャルウエハ１ａでは、タイプ２のＭＱＷ３の上には、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が位置し、そのＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上にＩｎＰ窓層５が位置している。ＭＱＷ３の形成からＩｎＰ窓層５の形成まで、全有機ＭＯＶＰＥ法によって同じ成膜室または石英管６５の中で成長を続けることが、一つのポイントになる。すなわち、ＩｎＰ窓層５の形成の前に、成膜室からエピタキシャルウエハ１ａを取り出して、別の成膜法によってＩｎＰ窓層５を形成することがないために、再成長界面を持たない。ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＩｎＰ窓層５とは、石英管６５内において連続して形成されるので、界面１６，１７は再成長界面ではない。再成長界面では、酸素濃度１Ｅ１７ｃｍ−３以上、および炭素濃度１Ｅ１７ｃｍ−３以上、となり、結晶性は劣化し、エピタキシャル積層体の表面は平滑になりにくい。本発明では、酸素および炭素の濃度がいずれも所定レベル以下であり、とくにこのあと説明する受光素子におけるｐ型領域６と界面１７との交差線において電荷リークが生じることはない。
【００３４】
本実施の形態では、ＭＱＷ３の上に、たとえば膜厚０．３μｍ程度のノンドープＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布層４を形成する。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布層４は、ＩｎＰ窓層５を形成したあと、選択拡散法によってＩｎＰ窓層５からｐ型不純物のＺｎをＭＱＷの受光層３に届くように導入するとき、高濃度のＺｎがＭＱＷに進入すると、結晶性を害するので、その調整のために設ける。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、上記のように配置してもよいが、なくてもよい。
ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４を挿入した場合であっても、ＩｎＧａＡｓはバンドギャップが小さいのでノンドープであっても受光素子の電気抵抗を低くすることができる。電気抵抗を低くすることで、応答性を高めて良好な画質の動画を得ることができる。
ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上に、同じ石英管６５内にエピタキシャルウエハ１ａを配置したまま連続して、アンドープのＩｎＰ窓層５を、全有機ＭＯＶＰＥ法によってたとえば膜厚０．８μｍ程度にエピタキシャル成長するのがよい。原料ガスには、上述のように、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）およびターシャリーブチルホスフィン（ＴＢＰ）を用いる。この原料ガスの使用によって、ＩｎＰ窓層５の成長温度を低めにすることができる。この結果、ＩｎＰ窓層５の下に位置するＭＱＷのＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けることがなく、表面欠陥の密度を実用上許容できるレベルに低下できる。
【００３５】
ＭＢＥ法によってＩｎＰ窓層を成長するには、燐原料に固体の原料を用いる必要があり、安全性などの点で問題があった。また製造能率という点でも改良の余地があった。ＭＢＥ法以外の方法によってＩｎＰ窓層５を成長する場合、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＩｎＰ窓層５との界面１７は、いったん大気に露出された再成長界面であった。再成長界面は、二次イオン質量分析によって、酸素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上および炭素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上、のうち、少なくとも一つを満たすことによって特定することができる。再成長界面は、ｐ型領域と交差線を形成し、交差線で電荷リークを生じて、画質を著しく劣化させる。
また、たとえばＩｎＰ窓層を単なる全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長すると、燐の原料にホスフィン（ＰＨ３）を用いるため、分解温度が高く、下層に位置するＧａＡｓＳｂの熱によるダメージの発生を誘起してＭＱＷの結晶性を害するおそれが高い。
【００３６】
（実施の形態２−受光素子（半導体素子）−）
図７は、本発明の実施の形態２における受光素子５０を示す図である。受光素子５０は、ＩｎＰ基板１の上に次のＩｎＰ系エピタキシャル積層体を有する。
（ｎ型ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＰバッファ層２／タイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
ＩｎＰ窓層５からＩｎＧａＡｓ層４を経て受光層３内にわたって位置するｐ型領域６は、ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６の開口部から、ｐ型不純物のＺｎが選択拡散されることで形成される。ｐ型領域６は、選択拡散されていない領域で隔てられており、画素Ｐの主要部となる。選択拡散マスクパターンの開口部を調整することで、ｐ型領域６を側面から所定距離隔てられるように形成することができる。ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極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。ＩｎＰ基板１にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。
画素Ｐは、３０μｍピッチで縦横に配置されている。受光素子アレイと呼ぶこともある。この受光素子５０は、図１に示すエピタキシャルウエハ１ａに選択拡散、電極形成等の所定の加工処理を施したあと、個片化されたものである。２インチ径のエピタキシャルウエハ１ａから１１個の受光素子５０を得ることができる。
図８は、単一の画素を含む受光素子５０を示す図であり、このような受光素子も当然、本発明に該当する。このあと説明する実施例では、図８に示す受光素子５０によって、暗電流などを評価した。
図９は、図７または図８に示す受光素子５０の製造方法を示すフローチャートである。工程Ｓ１では、実施の形態１で説明した方法によってＭＱＷ３中のＧａＡｓＳｂ３ａを成長する。また、工程Ｓ２〜Ｓ３についても、実施の形態１におけるエピタキシャルウエハ１ａの製造方法と同じである。選択拡散による画素Ｐの形成、および電極の製造については、上記のとおりである。
実施の形態１におけるエピタキシャルウエハ１ａを用いて、受光素子５０を製造することで、能率よく、高い製造歩留まりで、高品質の結晶性を得て、低い暗電流など優れた性能の受光素子５０を得ることができる。
【００３７】
（実施の形態３−発光ダイオード（半導体素子）−）
図１０は、本発明の実施の形態３における発光ダイオード（ＬＥＤ）５０ｅを示す図である。ＬＥＤ５０ｅは、ＩｎＰ基板１の上に次のＩｎＰ系エピタキシャル積層体を有する。
（ｎ型ＩｎＰ基板１／厚み１０００ｎｍのｎ型ＩｎＰバッファ層２／タイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ３／厚み８００ｎｍのｐ型ＩｎＰ窓層５）
ｐ型ＩｎＰ窓層５に図示しないｐ側電極を、ｎ型ＩｎＰ基板１に図示しないｎ側電極を、それぞれオーミック接触するように設ける。電極材料は、実施の形態２の受光素子５０と同種の材料を用いることができる。両電極間に電流を流すことで、波長２μｍ〜３μｍの近赤外域の光を発光することができる。
図１０に示すＬＥＤ５０ｅのエピタキシャル層のＭＱＷ３は、実施の形態１または２で説明した方法によってＭＱＷ３中のＧａＡｓＳｂ３ａを成長する。受光素子５０の場合、ＭＱＷ３はＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを２５０ペア繰り返したが、ＬＥＤ５０ｅでは、２ペアの繰り返しでよい。また、ｐ型ＩｎＰ窓層５については、選択拡散ではなく、ｐ型不純物を成長時にドープする点が相違するだけで、その他の点では、実施の形態１における方法と同じである。
実施の形態１におけるＭＱＷ３中のＧａＡｓＳｂ３ａの成長方法を用いることで、能率よく、高い製造歩留まりで、高品質の結晶性を得て、優れた性能の発光ダイオード５０ｅを得ることができる。
【実施例】
【００３８】
（実施例１−受光素子（半導体素子）−）
図８に示す受光素子５０を作製して、暗電流、表面性状等を測定した。表面性状は、エピタキシャルウエハの表面を目視するなどして判断した。試験体は、本発明例Ａ１〜Ａ６、および、比較例Ｂ１、Ｃ１、である。本発明例Ａ１〜Ａ６は、ＧａＡｓＳｂの成長温度が４８０℃〜３９０℃の範囲内にあり、ＩｎＧａＡｓの成長温度は、同じかまたは２０℃以上高くしたものである。本発明例Ａ４は、ＩｎＧａＡｓの成長温度５００℃であり、ＧａＡｓＳｂの成長温度４５０℃に温度降下中にＧａＡｓＳｂの成長を開始したものである。したがって、本発明例Ａ４のＭＱＷ内のＧａＡｓＳｂ層３ａはＳｂ濃度傾斜部を有する。
また、上記本発明例Ａ１〜Ａ６のＳｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２は、０．８〜１．１の範囲にあり、本発明の範囲０．７５以上１．２０以下の範囲内にある。
比較例Ｂ１は、ＭＱＷ３内のＧａＡｓＳｂの成長温度が５００℃と高すぎ、またＳｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２が０．７と低すぎる場合の試験体である。また比較例Ｃ１は、上記のＧａＡｓＳｂの成長温度が３８０℃と低すぎるが、Ｓｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２が１．０の場合である。Ｓｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２が０．７５以上１．２０以下の範囲にあっても成長温度が３９０℃以上４９０℃以下の範囲内にない試験体は比較例として扱った。すなわちＳｂ固相濃化比だけでなく成長温度も含めて、本発明例か否かの基準とした。受光素子の特性は、暗電流、表面性状等を総合的に評価した。特性の評価については、非常に良好（◎）、良好（○）、普通（△）、劣る（×）に４区分した。結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
表１によれば、本発明例Ａ１〜Ａ６は、いずれも特性は普通（△）以上であり、劣るものはなかった。とくに本発明例Ａ４は、暗電流および感度ともに非常に良好であった。また、本発明例Ａ４は、ＩｎＧａＡｓの成長温度５００℃から４５０℃へと温度降下中にＧａＡｓＳｂの成長を開始したもので製造時間の短縮をはかることができた。この表１の結果から判断して、ＭＱＷ内のＧａＡｓＳｂの成長温度を３９０℃〜４９０℃にすれば結晶性に優れ、受光素子において良好な性能を得ることができる。
これに比べて、比較例Ｂ１は、ＭＱＷ３内のＧａＡｓＳｂの成長温度が５００℃と高すぎたために、良好な特性を得ることができなかった。また、比較例Ｃ１は、上記のＧａＡｓＳｂの成長温度が３８０℃と低すぎたために、同様に、良好な特性を得ることができなかった。
【００４１】
（実施例２−発光ダイオード（半導体素子）−）
図１０に示すＬＥＤ５０ｅを作製して、発光スペクトル、表面性状等を測定した。表面性状は、エピタキシャルウエハの表面を目視するなどして判断した。試験体は、本発明例Ａ７〜Ａ１０、および、比較例Ｂ２、Ｃ２、の６体である。本発明例Ａ７〜Ａ１０は、ＧａＡｓＳｂの成長温度が４８０℃〜３９０℃の範囲内にあり、ＩｎＧａＡｓの成長温度は、同じかまたは２０℃以上高くしたものである。また、上記本発明例Ａ７〜Ａ１０のＳｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２は、０．８〜１．１の範囲にあり、本発明の範囲０．７５以上１．２０以下の範囲内にある。しかし、実施例１に説明したように、本発明例と比較例との区別は、Ｓｂ固相濃化率および成長温度の両方を満たすか否かによって判断した。
比較例Ｂ２は、ＭＱＷ３内のＧａＡｓＳｂの成長温度が５００℃と高すぎ、またＳｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２が０．７と低すぎる場合の試験体である。また比較例Ｃ２は、上記のＧａＡｓＳｂの成長温度が３８０℃と低すぎるが、Ｓｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２が１．０の場合である。発光ダイオードの特性は、スペクトル、表面性状等を総合的に判断した。特性の総合判断については、非常に良好（◎）、良好（○）、普通（△）、劣る（×）に４区分した。結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
【００４３】
表２によれば、本発明例Ａ７〜Ａ１０は、いずれも特性は普通（△）以上であり、劣るものはなかった。この表２の結果から、ＭＱＷ内のＧａＡｓＳｂの成長温度を３９０℃〜４９０℃にすれば結晶性に優れ、発光ダイオードにおいて良好な性能を得ることができる。
これに比べて、比較例Ｂ２は、ＭＱＷ３内のＧａＡｓＳｂの成長温度が５００℃と高すぎたために、良好な特性を得ることができなかった。また、比較例Ｃ２は、上記のＧａＡｓＳｂの成長温度が３８０℃と低すぎたために、同様に、良好な特性を得ることができなかった。
【００４４】
（実施例３−固相中Ｖ族内のＳｂモル分率ｘ１と原料ガス中Ｖ族内のＳｂモル分率ｘ２との関係−）
成長温度を変えて、固相（ＧａＡｓＳｂ）中のＳｂモル比（ｘ１）と、原料ガス中のＳｂモル比（ｘ２）との関係を求めた。結果を図１１に示す。この試験では、成長温度が４５０℃〜５２５℃と、比較的高いほうにずれた範囲であるため、Ｓｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２は０．７より低い範囲に分布している。図３は、この実施例３の結果を基にして作成したものである。
図１１または図３は、本発明の製造方法を実施する場合に前もって知っておくべき情報である。このような予備知識がないと、本発明におけるＳｂ固相濃化率を所定範囲内に実現することはできない。ただし、この場合も、原料ガス中のｘ２は、固相（ＧａＡｓＳｂ）中のｘ１に合わせるように、原料ガスを供給する。図１１または図３を予備知識として、Ｓｂ固相濃化率を０．７５〜１．２０の範囲に、または成長温度を３９０℃〜４９０℃の範囲にすることで、結晶性に優れ、素子性能に優れた半導体素子（受光素子、発光素子等）を得ることができる。
【００４５】
上記において、本発明の実施の形態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。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のエピタキシャルウエハ等によれば、Ｓｂ含有層を備えながら、結晶性に優れたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を得ることができ、良好な性能の半導体素子を作製することができる。また、結晶性が良好なことは異常な表面欠陥が生じにくいことに通じ、製造歩留まりを向上させて製造コスト低減に有効である。
【符号の説明】
【００４７】
１ ＩｎＰ基板、１ａ エピタキシャルウエハ（中間製品）、２ バッファ層（ＩｎＰおよび／またはＩｎＧａＡｓ）、３タイプＩＩＭＱＷ受光層、３ａ ＧａＡｓＳｂ層、３ｂ ＩｎＧａＡｓ層、４ ＩｎＧａＡｓ層（拡散濃度分布調整層）、５ ＩｎＰ窓層、６ ｐ型領域、１１ ｐ側電極（画素電極）、１２ グランド電極（ｎ側電極）、１２ｂ バンプ、１５ ｐｎ接合、１６ ＭＱＷとＩｎＧａＡｓ層との界面、１７ ＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ窓層との界面、３５ ＡＲ（反射防止）膜、３６ 選択拡散マスクパターン、５０ 受光素子（受光素子アレイ）、６０ 全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置、６１ 赤外線温度モニタ装置、６３ 反応室、６５ 石英管、６９ 反応室の窓、６６ 基板テーブル、６６ｈ ヒータ、Ｐ 画素。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の、エピタキシャルウエハ、半導体素子、およびこれらの製造方法であって、より具体的には、近赤外の長波長域に対応するバンドギャップエネルギを有するタイプ２の多重量子井戸構造（Multiple-Quantum Well）を含む、エピタキシャルウエハ、半導体素子、およびこれらの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物のＩｎＰ系半導体は、バンドギャップエネルギが近赤外域に対応することから、通信用、夜間撮像用などの受光素子を対象に、多くの研究開発が行われている。
たとえばＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を形成することで、カットオフ波長２μｍ以上のフォトダイオードが提案されている（非特許文献１）。このＭＱＷは、ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法で成長している。
またＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２のＭＱＷを活性層として形成し、発光波長２．１４μｍのＬＥＤおよびレーザーダイオードの提案がなされている（非特許文献２）。このタイプ２のＭＱＷは、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法によって、温度５３０℃で成長している。ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの原料についても、それぞれの有機金属ガスが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】R.Sidhu, et.al. "ALong-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.12(2005), pp.2715-2717
【非特許文献２】M.Peter,et.al. “Light-emitting diodes and laser diodes based on a Ga1-xInxAs/GaAs1-ySbytype II superlattice on InP substrate” Appl. Phys. Lett., Vol.74,No.14 (5 April 1999), pp.1951-1953
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記フォトダイオードは、感度、暗電流などの性能のレベルが十分ではなく、また、エピタキシャルウエハ内の受光素子（チップ）間のばらつきが大きく、また、エピタキシャルウエハを安定して再現性よく製造することが難しい。これは、ＭＢＥ法による成長法に起因する。
また発光ダイオードについては、やはり性能レベルが良好ではなく、同一エピタキシャルウエハ内のチップ間のばらつき、およびエピタキシャルウエハを再現性よく製造することが難しい。これは、上記した成長方法に原因がある。とくにＳｂは、成長温度または基板温度が少し変化するだけで固相内に取り込まれる量が大きく変動する。Ｓｂを含む層のＳｂ組成は不安定であり、当該Ｓｂ含有層は所定温度以上で相分離等を生じ易く、良好な結晶を得ることが難しい。
【０００５】
本発明は、Ｓｂ含有層を備えながら、結晶性に優れたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャルウエハ、半導体素子、およびこれらの製造方法を提供することを目的とする。なお、結晶性に優れることには、半導体素子において良好な性能をもたらす結晶という意味だけでなく、製造歩留まりを低下させる表面欠陥等が抑制されたもの、という意味も含まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、基板上にＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体のエピタキシャルウエハを製造する。この方法は、気相成長法によって、基板の上に、Ｓｂを含む第１の層とＳｂを含まない第２の層とを交互に繰り返し成長する工程を備え、第１の層の成長の際、該第１の層（固相）のＶ族中のＳｂモル分率ｘ１と、供給している原料ガス（気相）のＶ族中のＳｂモル分率ｘ２とが、０．７５≦（ｘ１／ｘ２）≦１．２０、を満たすように、基板温度を設定し、かつ原料ガスを供給することを特徴とする。
【０００７】
上記の方法によれば、Ｓｂを含む第１の層が、当該第１の層の成長中も、その上の各層を成長中も、相分離しにくくなり、良好な結晶品質を得ることができる。この結果、このエピタキシャルウエハを用いて良好な性能の半導体素子を得ることができる。
また、温度のばらつきに対するＳｂ組成のばらつきが小さくなり、製造時の安定性が向上する。すなわち、同一エピタキシャルウエハ内における均一性の向上、エピタキシャルウエハまたは各ロットを再現性よく製造することができる。この結果、製造歩留まりを高めて、製造コストを下げることができる。
（ｘ１／ｘ２）をＳｂ固相濃化率と呼ぶこととするが、Ｓｂ固相濃化率が０．７５未満の場合は、Ａｓに比してＳｂは固相中に取り込まれにくい。このため、化学量論的に正常な範囲のＧａＡｓＳｂをＳｂ過少側に逸脱することになり、良好な結晶性のＧａＡｓＳｂを得ることができない。また、ＭＱＷより上層の成長の際または成長後に表面欠陥を生じやすい。一方、Ｓｂ固相濃化率が１．２０を超えると、固相中に過剰にＳｂが取り込まれやすくなる。このため、化学量論的に正常な範囲のＧａＡｓＳｂからＳｂ過剰側に逸脱することになり、良好な結晶性のＧａＡｓＳｂを得ることができない。
上記の基板温度は、基板表面温度を赤外線カメラおよび赤外線分光器を含むパイロメータでモニタしており、そのモニタされている基板表面温度をいう。したがって、基板表面温度ではあるが、厳密には、基板上に成膜がなされている状態の、エピタキシャル層表面の温度である。基板温度、成長温度、成膜温度など、呼称は各種あるが、いずれも上記のモニタされている温度をさす。
【０００８】
第１の層の成長時の基板温度を３９０℃以上４９０℃以下とすることができる。これによって、Ｓｂを含みながら結晶性に優れた第１の層を得ることができる。とくに原料ガスを、第１の層のＳｂ組成ｘ１に合わせて供給する場合、この基板温度の範囲をとることで、Ｓｂ固相濃化率を０．７５以上１．２０以下の範囲に入れることができる。
【０００９】
第１の層の成長時の基板温度を、第２の層の成長時の基板温度よりも低くすることができる。これによって、Ｓｂを含む第１の層とＳｂを含まない第２の層とを、両方とも結晶性に優れたものとできる。この結果、これら両方をペアとする、結晶性に優れたＭＱＷを得ることができる。
【００１０】
第２の層の成長時の基板温度を、第１の層の成長時の基板温度よりも２０℃以上高くすることができる。
これによって、Ｓｂを含む第１の層とＳｂを含まない第２の層とを、両方とも成長に適切な温度で成長することができ、製造上安定性に優れ、かつ高品質のＭＱＷを得ることができる。
【００１１】
第２の層の成長の後、基板温度が第１の層の成長時の温度に確実に降温するのを待って該第１の層の成長を行うことができる。
この場合、温度が降温して全体が均一に設定温度になるのを保証することができ、高品質を保持することができる。
【００１２】
第２の層の成長の後、第１の層の成長時の基板温度に降温している最中に第１の層を成長し始めることができる。
降温途中に成長を行う場合、基板温度が低いほど第１の層中のＳｂ組成は上昇する。このためＳｂの傾斜濃度部が形成される。すなわち第１の層では、基板から遠ざかる向きにＳｂ濃度が上昇する傾斜濃度部が形成される。一般にＳｂ濃度が上昇すると伝導帯のエネルギは低下し、価電子帯のエネルギは上昇する。したがって正孔の波動函数は、基板から遠ざかる向きにずれて位置する。タイプ２のＭＱＷでペアを組む相手の層（第２の層）のエネルギバンドは、組成に傾斜がなければ変化しないので、電子の波動函数は第２の層における量子井戸の中央に位置する。この結果、Ｓｂ含有層中の正孔の波動函数と、第２の層中の電子の波動函数との重なりが増し、タイプ２のＭＱＷにおいて両層の界面をクロスする遷移現象の量子効率が増すことになる。この結果、たとえば受光素子では近赤外域の長波長側の受光感度が向上する。このためＭＱＷのペア数を減らしても、上記長波長側の受光感度を保持することができる。
また、基板温度は降温するとき（昇温より）安定化まで時間がかかるので、降温途中に成長することで、製造時間を短縮して製造コストを低減することができる。
【００１３】
第１の層の成長の後、基板温度が第２の層の成長時の温度に確実に昇温するのを待って該第２の層の成長を行うか、または昇温途中に該第２の層を成長し始めることができる。
第２の層についても、成長時間短縮による利益は得ることができる。ただ、昇温は、降温に比べて、安定化まで時間がかからない。
【００１４】
第１の層を、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂおよびＩｎＡｓＳｂのうちのいずれか１つとすることができる。
これらの材料を用いることで、波長２μｍ以上にカットオフ波長を持つ受光素子や、波長２μｍ以上にピーク波長を持つ発光素子を得ることができる。
【００１５】
第１の層をＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ≦１）とし、第２の層をＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）とすることができる。
これによって、タイプ２のＭＱＷを得ることができる。この結果、波長２μｍ以上にカットオフ波長を持つ、暗電流の小さい受光素子、または、波長２μｍ以上にピーク波長を持つ、または発光効率の良い発光素子を得ることができる。
【００１６】
基板を、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、およびＡｌＡｓのうちのいずれか１つとすることができる。
これらの基板を用いて、各種の近赤外域の受光素子または発光素子に用いられる、高品質のエピタキシャルウエハを製造することができる。
【００１７】
気相成長法を、全有機金属気相成長法とすることができる。これによって、他の気相成長法に比べて、第１の層および第２の層の成長時の基板温度、および他の上層（たとえば窓層または拡散濃度調整層）の成長時の基板温度を、ともに低くすることができる。この結果、結晶性に優れたエピタキシャルウエハを得ることができる。とくにＳｂを含む第１の層については、当該第１の層の基板温度を下げることで高品質の結晶を得るだけでなく、第２の層、およびその他の上層の基板温度も低くすることで、後から高温にされて発生する相分離などの不具合をなくすことができる。
ここで、全有機気相成長法は、気相成長に用いる原料のすべてに、有機物と金属との化合物で構成される有機金属原料を用いる成長方法のことをいい、全有機ＭＯＶＰＥ法と記す。全有機ＭＯＶＰＥ法における利点は、このあと説明するように数多くあるが、最も広くは能率よく各層を成長できることである。
【００１８】
本発明の半導体素子の製造方法では、上記のいずれかの製造方法で製造されたエピタキシャルウエハを用いることができる。
これによって、Ｓｂ含有層を内蔵しながら高品質の結晶と高経済性とを備えたエピタキシャルウエハを用いて、高性能の半導体素子を得ることができる。半導体素子は、どのようなものでもよく、たとえば受光素子、発光素子がある。
【００１９】
本発明のエピタキシャルウエハは、基板とその上に位置するエピタキシャル層とを有するＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体のエピタキシャルウエハである。このエピタキシャルウエハは、基板の上に、Ｓｂを含む第１の層とＳｂを含まない第２の層とが交互に繰り返し位置し、第１の層に、基板から遠ざかる向きにＳｂの濃度が高くなる傾斜濃度部分があることを特徴とする。
上記の構成によって、降温途中に第１の層を形成するプロセスを用いることができ、生産性の向上を得ることができる。さらに、降温途中の第１の層の成長時に、Ｖ族中のＳｂモル分率一定の原料ガスを供給することができるので、製造工程を簡単かつ容易にすることができる。
さらに、Ｓｂを含む第１の層は、その価電子帯のポテンシャル値が第２の層よりも高いのが普通である。タイプ２のＭＱＷでは、たとえば受光では、価電子帯のポテンシャル値が高いほうの第１の層に正孔が、また第２の層に電子が、対をなして生成する。第１の層のＳｂ濃度は、上の隣の第２の層に向けて高くなるので、第１の層の価電子帯の底（真空）のエネルギは上の隣の第２の層に向けて深くなる。このため、正孔の波動関数は、上の隣の第２の層における電子の波動関数に近づくようにずれる。第２の層が、昇温途中に成長されなければ、矩形の井戸ポテンシャルなので、電子の波動関数は、第２の層で中心部に位置する。この結果、正孔と電子との波動関数の重なりが大きくなり、受光の量子効率を向上させることができる。すなわち感度を高めることができる。
また、発光においても、伝導帯の電子が隣の価電子帯へと遷移する遷移確率が増加するので発光効率を向上させることができる。
【００２０】
第１の層を、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂおよびＩｎＡｓＳｂのうちのいずれか１つとすることができる。
このエピタキシャルウエハを用いることで、波長２μｍ以上にカットオフ波長を持つ受光素子、または波長２μｍ以上にピーク波長を持つ発光素子を得ることができる。
【００２１】
第１の層をＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ≦１）とし、第２の層をＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）とすることができる。
これによって、タイプ２のＭＱＷを得ることができる。このＭＱＷによれば、波長２μｍ以上にカットオフ波長を持つ、暗電流の小さい受光素子、または、波長２μｍ以上にピーク波長を持つ、発光効率の良い発光素子を得ることができる。
【００２２】
基板を、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、およびＡｌＡｓのうちのいずれか１つとすることができる。
これらの基板を用いて、良好な素子特性を持つ波長２μｍ以上にカットオフ波長を持つ受光素子や、波長２μｍ以上にピーク波長を持つ発光素子を、容易に得ることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のエピタキシャルウエハの製造方法等によれば、Ｓｂ含有層を備えながら、結晶性に優れたものを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１におけるエピタキシャルウエハの断面図、（ｂ）受光層を構成するＭＱＷの拡大図、である。
【図２】（ａ）図１のＭＱＷにおけるＧａＡｓＳｂの成長時の状況を説明する図、（ｂ）Ｓｂ固相濃化率の範囲を示す図、である。
【図３】Ｓｂ固相濃化率と成長温度との関係を示す図である。
【図４】ＭＱＷの成長シーケンスを示す図である。
【図５】（ａ）タイプ２のＭＱＷ内のＧａＡｓＳｂ層に濃度傾斜部がある場合のバンド図および電子と正孔の波動関数の位置を示す図、（ｂ）従来のタイプ２のＭＱＷのバンド図および電子と正孔の波動関数の位置を示す図、である。
【図６】全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置の配管系統等を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２における、受光素子アレイ（半導体素子）を示す図である。
【図８】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。
【図９】図７または８の受光素子５０の製造方法のフローチャートである。
【図１０】（ａ）は本発明の実施の形態３における発光素子（ＬＥＤ）を示す図であり、（ｂ）はＭＱＷの拡大図である。
【図１１】本発明の実施例３における、ＧａＡｓＳｂ中のＳｂモル比ｘ１と原料ガス中のＳｂモル比ｘ２との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（実施の形態１−エピタキシャルウエハ−）
図１は、本発明の実施の形態におけるエピタキシャルウエハ１ａを示し、（ａ）は全体の断面図、（ｂ）は、受光層３を構成するＧａＡｓＳｂ３ａとＩｎＧａＡｓ３ｂとをペアとする、タイプ２のＭＱＷの拡大断面図、である。エピタキシャルウエハ１ａは、ＩｎＰ基板１、バッファ層２と、その上に位置するエピタキシャル層７とからなる。エピタキシャル層７は、全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長されており、バッファ層２も含めるとその内容はつぎのとおりである。
（ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＰバッファ層２／タイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
図１（ｂ）に示すように、ＭＱＷ３は、Ｓｂを含むＧａＡｓＳｂ（第１の層）３ａと、Ｓｂを含まないＩｎＧａＡｓ（第２の層）３ｂとの繰り返しから形成される。ＧａＡｓＳｂは、Ｓｂを含むために、従来、良好な結晶性の膜を、同一ウエハ内でのばらつきなく、またウエハ間において再現性よく、成長することが難しかった。このＧａＡｓＳｂ３ａに良好な結晶性を持たせ、再現性よく成長するために、本実施の形態では、つぎの図２に示すような方策をとる。
【００２６】
図２（ａ）は、図１（ｂ）に示すＭＱＷ３におけるＧａＡｓＳｂ（第１の層）３ａを成長するときの原料ガス等の模式図であり、（ｂ）は、原料ガスおよびＧａＡｓＳｂ３ａにおけるＳｂモル比（モル分率）に課せられる条件を示す図である。全有機ＭＯＶＰＥ法では、原料ガスは、３族または５族の金属と炭化水素とが結びついた炭化水素金属の形態で供給される。炭化水素金属は、比較的低温で分解しやすいため、Ｓｂを含むＧａＡｓＳｂのように温度上昇で相分離しやすい化合物の成長に適している。アンチモンの原料ガスとして例示されるトリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）は、成長中のＧａＡｓＳｂ層３ａの表面または表面近くで分解しながら、Ｓｂを成長表面に供給する。ＧａおよびＡｓの原料ガスも同様に分解して、ＧａおよびＡｓを供給する。ここで、ＳｂとＡｓとは、同じＶ族元素であり、両方合わせて３族のＧａと同じ原子数（モル数）となってＧａＡｓＳｂを構成する。ＳｂまたはＡｓの原料ガスは、このあと詳細に説明するように、それぞれ独立に供給量をＭＦＣ（Mass Flow Controller）で制御しながらバルブ開閉によって成長室に位置する石英管６５へと導入される。このとき、原料ガス中のＳｂとＡｓとのモル比は、各原料ガスの供給の仕方によらずどのような場合でも、図２（ａ）に示すように、[Ｓｂ]／[Ａｓ]＝ｘ２／（１−ｘ２）と表すことができる。
成長するＧａＡｓＳｂ３ａについては、たとえば受光素子にとって望ましい組成範囲の具体例を表示すれば、ＧａＡｓ１−ｘ１Ｓｂｘ１（０．３６≦ｘ１≦０．６２）と表すことができる。また、ＩｎＧａＡｓについては、ＩｎｚＧａ１−ｚＡｓ（０．３８≦ｚ≦０．６８）である。以後の説明では、組成比を表示しないで、ＧａＡｓＳｂなどと表示する。
Ｓｂは制御が難しいほど移動性が高く、非常に扱い難い元素である。このため、原料ガス中のＳｂが成長中の固相に対して過剰な場合および過少な場合、それぞれの場合において、良好な結晶を得ることができない。すなわち、ＧａＡｓ１−ｘ１Ｓｂｘ１におけるｘ１に対して、原料ガス中の上記ｘ２は、次に示す範囲になければならない。
０．７５≦ｘ１／ｘ２≦１．２０・・・・・・（１）
上記（１）式における（固相中のＶ族中Ｓｂモル比）／気相中のＶ族中Ｓｂモル比）（＝ｘ１／ｘ２）を、Ｓｂ固相濃化率と呼ぶこととする。Ｓｂ固相濃化率が、０．７５未満の場合は、Ａｓに比してＳｂは固相中に取り込まれにくい。このため、化学量論的に正常な範囲のＧａＡｓ１−ｘ１Ｓｂｘ１を逸脱することになり、良好な結晶性のＧａＡｓＳｂ３ａを得ることができない。また、気相中のＳｂは過剰になる。あくまで推測であるが、気相における過剰なＳｂは、成長表面に固相化（結晶化）しないＳｂ濃化層を形成すると考えられる。この結果、ＭＱＷ３より上層の成長の際または成長後に表面欠陥を生じる原因となる。上記表面欠陥は、ＧａＡｓＳｂ成長時だけでなく、ＭＱＷ３の成長が終了して、ＩｎＰ窓層５を成長中または成長後に、そのＩｎＰ窓層を下から突き上げるように発生することが多い。この種の表面欠陥は高さが１０μｍ以上あり、大きいものは１００μｍの高さに達し、製造歩留まりを著しく低下させる。
一方、Ｓｂ固相濃化率が１．２０を超えると、固相中に過剰にＳｂが取り込まれやすくなる。このため、化学量論的に正常な範囲のＧａＡｓ１−ｘ１Ｓｂｘ１を逸脱することになり、この場合にも良好な結晶性のＧａＡｓＳｂ３ａを得ることができない。
要するに、Ｓｂ固相濃化率が（１）式の範囲を逸脱すると、優れた結晶性のエピタキシャルウエハ１ａを得ることができない。
【００２７】
それでは、Ｓｂ固相濃化率を（１）式の範囲に入れるためには、どうすればよいか。図３は、Ｓｂ固相濃化率（ｘ１／ｘ２）と基板温度（成長温度）との関係を示す図である。この図３のデータは、Ｓｂの原料ガス（ＴＭＳｂ）とＡｓの原料ガス（ＴＭＡｓ）とが、原料ガス中のＳｂのモル比ｘ２、Ａｓのモル比１−ｘ２として、そのｘ２を、ＧａＡｓＳｂにおける上記ｘ１の範囲、０．３８≦ｘ１≦０．６８、に合うように供給した場合にとられたものである。
図３によれば、Ｓｂ固相濃化率を（１）式の範囲にする場合、基板温度を３９０℃以上４９０℃以下とすればよいことが分かる。この温度範囲は、かなり低く、たとえばＩｎＧａＡｓ３ｂの成長温度から２０℃以上低くした、ＧａＡｓＳｂの成長用の特別の成長温度である。
【００２８】
図４は、ＧａＡｓＳｂ３ａとＩｎＧａＡｓ３ｂとの繰り返しからなるＭＱＷ３を成長するときの、成長温度および原料ガス供給のシーケンスを示す図である。ＩｎＧａＡｓ３ｂの成長時の基板温度（成長温度）Ｔｇは５００℃に、またＧａＡｓＳｂ３ａの成長時の基板温度Ｔｇは４５０℃に、設定している。したがって、ＩｎＧａＡｓ３ｂを成長した後、ＧａＡｓＳｂ３ａを成長する前に、基板温度Ｔｇを下げる必要がある。基板温度Ｔｇは上げる時よりも下げる時のほうが安定化に時間がかかる。ＩｎＧａＡｓ３ｂとＧａＡｓＳｂ３ａとを２５０ペア成長させる場合、成長時間の短縮は、製造能率上、重要であり、とくに温度降下に要する時間の短縮は重要である。このため、図４に示すように、ＧａＡｓＳｂ３ａの成長開始は、基板温度Ｔｇが４５０℃に安定化するのを待つのではなく、たとえば４５０℃に向かって温度低下している降温途中であってもよい。すなわち４５０℃から所定範囲高い温度の状態からＧａＡｓＳｂを成長してもよい。このような温度安定化前の降温中のＧａＡｓＳｂの成長によって、ＭＱＷ３の成長時間を短縮して製造能率を向上することができる。
【００２９】
成長温度が低くなるほどＧａＡｓＳｂ３ａ中のＳｂモル比は高くなる。このため、温度降下中のＧａＡｓＳｂ３ａの成長は、部分的に組成が傾斜する厚み部分を生じる。図５（ａ）に示すように、Ｓｂが高い濃度の厚み部分では、伝導帯のエネルギＥｃは電子に対して低下し、また、価電子帯のエネルギＥｖは電子に対して上昇する。正孔にとっては逆になる。ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２のＭＱＷでは、ＧａＡｓＳｂの価電子帯のエネルギがＩｎＧａＡｓのそれより高いので、ＧａＡｓＳｂ３ａに正孔が位置する。ＧａＡｓＳｂ３ａの価電子帯に位置する正孔は、その量子井戸内でポテンシャルエネルギＥｖが低いほうに位置する確率が高くなる。すなわち、ＧａＡｓＳｂの価電子帯Ｅｖ内の正孔の波動関数は、Ｓｂモル比が高いほうにその位置をシフトさせる。一方、ＩｎＧａＡｓ３ｂは、濃度の傾斜はないので、伝導帯の電子の波動関数は量子井戸の中心に位置する。この結果、Ｓｂ濃度傾斜部を持つＧａＡｓＳｂ３ａを備えたＭＱＷ３では、ＧａＡｓＳｂ３ａにおける正孔の波動函数と、ＩｎＧａＡｓ３ｂにおける電子の波動函数との重なりが大きくなり、量子効率を高めることができる。この結果、受光素子では受光感度が向上し、また発光素子では発光効率が向上する。
図５（ｂ）は、Ｓｂの濃度傾斜部分がないＭＱＷのバンド図であり、正孔および電子は、それぞれ価電子帯および伝導帯の量子井戸の中心に合わせて位置する。このため、従来のＭＱＷにおいては、バンド構造の変調によって量子効率が変化することはない。
【００３０】
各層の成長は、上述のように、成長能率が高い全有機ＭＯＶＰＥ法によって行う。図６に全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置６０の配管系統等を示す。反応室（チャンバ）６３内に石英管６５が配置され、その石英管６５に、原料ガスが導入される。石英管６５中には、基板テーブル６６が、回転自在に、かつ気密性を保つように配置される。基板テーブル６６には、基板加熱用のヒータ６６ｈが設けられる。成膜途中のエピタキシャルウエハ１ａの表面の温度は、反応室６３の天井部に設けられたウィンドウ６９を通して、赤外線温度モニタ装置６１によりモニタされる。このモニタされる温度が、成長するときの温度、または成膜温度もしくは基板温度等と呼ばれる温度である。本発明における製造方法における、成長温度または基板温度３９０℃以上４９０℃以下でＧａＡｓＳｂ３ａを成長する、というときの３９０℃以上および４９０℃以下は、この温度モニタで計測される温度である。石英管６５からの強制排気は真空ポンプによって行われる。
原料ガスは、石英管６５に連通する配管によって、供給される。全有機ＭＯＶＰＥ法は、原料ガスをすべて有機金属気体の形態で供給する点に特徴がある。すなわち原料ガスは、各種の炭化水素と結合した金属の形態をとる。図６では、導電型を決める不純物等の原料ガスは明記していないが、不純物も有機金属気体の形態で導入される。有機金属気体の原料ガスは、恒温槽に入れられて一定温度に保持される。搬送ガスには、水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）が用いられる。有機金属気体は、搬送ガスによって搬送され、また真空ポンプで吸引されて石英管６５に導入される。搬送ガスの量は、ＭＦＣ（流量制御器）によって精度よく調節される。多数の、流量制御器、電磁弁等は、マイクロコンピュータによって自動制御される。
【００３１】
Ｇａ（ガリウム）の原料としては、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）でもよいし、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）でもよい。Ｉｎ（インジウム）の原料としては、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）でもよいし、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）でもよい。Ａｓ（砒素）の原料としては、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）でもよいし、ＴＭＡｓ(トリメチル砒素)でもよい。
Ｓｂ(アンチモン)の原料としては、ＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）でもよいし、ＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）でもよい。また、ＴＩＰＳｂ(トリイソプロピルアンチモン)、また、ＴＤＭＡＳｂ(トリジメチルアミノアンチモン)でもよい。これらの原料を用いることによって、ＭＱＷの結晶品質が優れたエピタキシャルウエハ１ａを得ることができる。この結果、たとえば受光素子等に用いた場合、暗電流の小さい、かつ、感度が大きい受光素子を得ることができる。さらには、その受光素子を用いて、より鮮明な像を撮像することが可能となる光学センサ装置、たとえば撮像装置を得ることができる。
【００３２】
次に、ＭＱＷ３を形成するときの原料ガスの流れ状態について説明する。原料ガスは、配管を搬送されて、石英管６５に導入されて排気される。原料ガスは、何種類でも配管を増やして石英管６５に練通させることができる。たとえば十数種類の原料ガスであっても、電磁バルブの開閉によって制御される。
原料ガスは、流量の制御は、図６に示す流量制御器（ＭＦＣ）によって制御された上で、石英管６５への流入を電磁バルブの開閉によってオンオフされる。そして、石英管６５からは、真空ポンプによって強制的に排気される。原料ガスの流れに停滞が生じる部分はなく、円滑に自動的に行われる。よって、量子井戸のペアを形成するときの組成の切り替えは、迅速に行われる。
図６に示すように、基板テーブル６６は回転するので、原料ガスの温度分布は、原料ガスの流入側または出口側のような方向性をもたない。また、エピタキシャルウエハ１ａは、基板テーブル６６上を公転するので、エピタキシャルウエハ１ａの表面近傍の原料ガスの流れは、乱流状態にある。しかし、エピタキシャルウエハ１ａの表面近傍の原料ガスであっても、エピタキシャルウエハ１ａに接する原料ガスを除いて導入側から排気側への大きな流れ方向の速度成分を有する。したがって、基板テーブル６６からエピタキシャルウエハ１ａを経て、原料ガスへと流れる熱は、大部分、常時、排気ガスと共に排熱される。
【００３３】
図１（ａ）に示したエピタキシャルウエハ１ａでは、タイプ２のＭＱＷ３の上には、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が位置し、そのＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上にＩｎＰ窓層５が位置している。ＭＱＷ３の形成からＩｎＰ窓層５の形成まで、全有機ＭＯＶＰＥ法によって同じ成膜室または石英管６５の中で成長を続けることが、一つのポイントになる。すなわち、ＩｎＰ窓層５の形成の前に、成膜室からエピタキシャルウエハ１ａを取り出して、別の成膜法によってＩｎＰ窓層５を形成することがないために、再成長界面を持たない。ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＩｎＰ窓層５とは、石英管６５内において連続して形成されるので、界面１６，１７は再成長界面ではない。再成長界面では、酸素濃度１Ｅ１７ｃｍ−３以上、および炭素濃度１Ｅ１７ｃｍ−３以上、となり、結晶性は劣化し、エピタキシャル積層体の表面は平滑になりにくい。本発明では、酸素および炭素の濃度がいずれも所定レベル以下であり、とくにこのあと説明する受光素子におけるｐ型領域６と界面１７との交差線において電荷リークが生じることはない。
【００３４】
本実施の形態では、ＭＱＷ３の上に、たとえば膜厚０．３μｍ程度のノンドープＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布層４を形成する。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布層４は、ＩｎＰ窓層５を形成したあと、選択拡散法によってＩｎＰ窓層５からｐ型不純物のＺｎをＭＱＷの受光層３に届くように導入するとき、高濃度のＺｎがＭＱＷに進入すると、結晶性を害するので、その調整のために設ける。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、上記のように配置してもよいが、なくてもよい。
ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４を挿入した場合であっても、ＩｎＧａＡｓはバンドギャップが小さいのでノンドープであっても受光素子の電気抵抗を低くすることができる。電気抵抗を低くすることで、応答性を高めて良好な画質の動画を得ることができる。
ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上に、同じ石英管６５内にエピタキシャルウエハ１ａを配置したまま連続して、アンドープのＩｎＰ窓層５を、全有機ＭＯＶＰＥ法によってたとえば膜厚０．８μｍ程度にエピタキシャル成長するのがよい。原料ガスには、上述のように、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）およびターシャリーブチルホスフィン（ＴＢＰ）を用いる。この原料ガスの使用によって、ＩｎＰ窓層５の成長温度を低めにすることができる。この結果、ＩｎＰ窓層５の下に位置するＭＱＷのＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けることがなく、表面欠陥の密度を実用上許容できるレベルに低下できる。
【００３５】
ＭＢＥ法によってＩｎＰ窓層を成長するには、燐原料に固体の原料を用いる必要があり、安全性などの点で問題があった。また製造能率という点でも改良の余地があった。ＭＢＥ法以外の方法によってＩｎＰ窓層５を成長する場合、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＩｎＰ窓層５との界面１７は、いったん大気に露出された再成長界面であった。再成長界面は、二次イオン質量分析によって、酸素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上および炭素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上、のうち、少なくとも一つを満たすことによって特定することができる。再成長界面は、ｐ型領域と交差線を形成し、交差線で電荷リークを生じて、画質を著しく劣化させる。
また、たとえばＩｎＰ窓層を単なる全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長すると、燐の原料にホスフィン（ＰＨ３）を用いるため、分解温度が高く、下層に位置するＧａＡｓＳｂの熱によるダメージの発生を誘起してＭＱＷの結晶性を害するおそれが高い。
【００３６】
（実施の形態２−受光素子（半導体素子）−）
図７は、本発明の実施の形態２における受光素子５０を示す図である。受光素子５０は、ＩｎＰ基板１の上に次のＩｎＰ系エピタキシャル積層体を有する。
（ｎ型ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＰバッファ層２／タイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
ＩｎＰ窓層５からＩｎＧａＡｓ層４を経て受光層３内にわたって位置するｐ型領域６は、ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６の開口部から、ｐ型不純物のＺｎが選択拡散されることで形成される。ｐ型領域６は、選択拡散されていない領域で隔てられており、画素Ｐの主要部となる。選択拡散マスクパターンの開口部を調整することで、ｐ型領域６を側面から所定距離隔てられるように形成することができる。ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極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。ＩｎＰ基板１にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。
画素Ｐは、３０μｍピッチで縦横に配置されている。受光素子アレイと呼ぶこともある。この受光素子５０は、図１に示すエピタキシャルウエハ１ａに選択拡散、電極形成等の所定の加工処理を施したあと、個片化されたものである。２インチ径のエピタキシャルウエハ１ａから１１個の受光素子５０を得ることができる。
図８は、単一の画素を含む受光素子５０を示す図であり、このような受光素子も当然、本発明に該当する。このあと説明する実施例では、図８に示す受光素子５０によって、暗電流などを評価した。
図９は、図７または図８に示す受光素子５０の製造方法を示すフローチャートである。工程Ｓ１では、実施の形態１で説明した方法によってＭＱＷ３中のＧａＡｓＳｂ３ａを成長する。また、工程Ｓ２〜Ｓ３についても、実施の形態１におけるエピタキシャルウエハ１ａの製造方法と同じである。選択拡散による画素Ｐの形成、および電極の製造については、上記のとおりである。
実施の形態１におけるエピタキシャルウエハ１ａを用いて、受光素子５０を製造することで、能率よく、高い製造歩留まりで、高品質の結晶性を得て、低い暗電流など優れた性能の受光素子５０を得ることができる。
【００３７】
（実施の形態３−発光ダイオード（半導体素子）−）
図１０は、本発明の実施の形態３における発光ダイオード（ＬＥＤ）５０ｅを示す図である。ＬＥＤ５０ｅは、ＩｎＰ基板１の上に次のＩｎＰ系エピタキシャル積層体を有する。
（ｎ型ＩｎＰ基板１／厚み１０００ｎｍのｎ型ＩｎＰバッファ層２／タイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ３／厚み８００ｎｍのｐ型ＩｎＰ窓層５）
ｐ型ＩｎＰ窓層５に図示しないｐ側電極を、ｎ型ＩｎＰ基板１に図示しないｎ側電極を、それぞれオーミック接触するように設ける。電極材料は、実施の形態２の受光素子５０と同種の材料を用いることができる。両電極間に電流を流すことで、波長２μｍ〜３μｍの近赤外域の光を発光することができる。
図１０に示すＬＥＤ５０ｅのエピタキシャル層のＭＱＷ３は、実施の形態１または２で説明した方法によってＭＱＷ３中のＧａＡｓＳｂ３ａを成長する。受光素子５０の場合、ＭＱＷ３はＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを２５０ペア繰り返したが、ＬＥＤ５０ｅでは、２ペアの繰り返しでよい。また、ｐ型ＩｎＰ窓層５については、選択拡散ではなく、ｐ型不純物を成長時にドープする点が相違するだけで、その他の点では、実施の形態１における方法と同じである。
実施の形態１におけるＭＱＷ３中のＧａＡｓＳｂ３ａの成長方法を用いることで、能率よく、高い製造歩留まりで、高品質の結晶性を得て、優れた性能の発光ダイオード５０ｅを得ることができる。
【実施例】
【００３８】
（実施例１−受光素子（半導体素子）−）
図８に示す受光素子５０を作製して、暗電流、表面性状等を測定した。表面性状は、エピタキシャルウエハの表面を目視するなどして判断した。試験体は、本発明例Ａ１〜Ａ６、および、比較例Ｂ１、Ｃ１、である。本発明例Ａ１〜Ａ６は、ＧａＡｓＳｂの成長温度が４８０℃〜３９０℃の範囲内にあり、ＩｎＧａＡｓの成長温度は、同じかまたは２０℃以上高くしたものである。本発明例Ａ４は、ＩｎＧａＡｓの成長温度５００℃であり、ＧａＡｓＳｂの成長温度４５０℃に温度降下中にＧａＡｓＳｂの成長を開始したものである。したがって、本発明例Ａ４のＭＱＷ内のＧａＡｓＳｂ層３ａはＳｂ濃度傾斜部を有する。
また、上記本発明例Ａ１〜Ａ６のＳｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２は、０．８〜１．１の範囲にあり、本発明の範囲０．７５以上１．２０以下の範囲内にある。
比較例Ｂ１は、ＭＱＷ３内のＧａＡｓＳｂの成長温度が５００℃と高すぎ、またＳｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２が０．７と低すぎる場合の試験体である。また比較例Ｃ１は、上記のＧａＡｓＳｂの成長温度が３８０℃と低すぎるが、Ｓｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２が１．０の場合である。Ｓｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２が０．７５以上１．２０以下の範囲にあっても成長温度が３９０℃以上４９０℃以下の範囲内にない試験体は比較例として扱った。すなわちＳｂ固相濃化比だけでなく成長温度も含めて、本発明例か否かの基準とした。受光素子の特性は、暗電流、表面性状等を総合的に評価した。特性の評価については、非常に良好（◎）、良好（○）、普通（△）、劣る（×）に４区分した。結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
表１によれば、本発明例Ａ１〜Ａ６は、いずれも特性は普通（△）以上であり、劣るものはなかった。とくに本発明例Ａ４は、暗電流および感度ともに非常に良好であった。また、本発明例Ａ４は、ＩｎＧａＡｓの成長温度５００℃から４５０℃へと温度降下中にＧａＡｓＳｂの成長を開始したもので製造時間の短縮をはかることができた。この表１の結果から判断して、ＭＱＷ内のＧａＡｓＳｂの成長温度を３９０℃〜４９０℃にすれば結晶性に優れ、受光素子において良好な性能を得ることができる。
これに比べて、比較例Ｂ１は、ＭＱＷ３内のＧａＡｓＳｂの成長温度が５００℃と高すぎたために、良好な特性を得ることができなかった。また、比較例Ｃ１は、上記のＧａＡｓＳｂの成長温度が３８０℃と低すぎたために、同様に、良好な特性を得ることができなかった。
【００４１】
（実施例２−発光ダイオード（半導体素子）−）
図１０に示すＬＥＤ５０ｅを作製して、発光スペクトル、表面性状等を測定した。表面性状は、エピタキシャルウエハの表面を目視するなどして判断した。試験体は、本発明例Ａ７〜Ａ１０、および、比較例Ｂ２、Ｃ２、の６体である。本発明例Ａ７〜Ａ１０は、ＧａＡｓＳｂの成長温度が４８０℃〜３９０℃の範囲内にあり、ＩｎＧａＡｓの成長温度は、同じかまたは２０℃以上高くしたものである。また、上記本発明例Ａ７〜Ａ１０のＳｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２は、０．８〜１．１の範囲にあり、本発明の範囲０．７５以上１．２０以下の範囲内にある。しかし、実施例１に説明したように、本発明例と比較例との区別は、Ｓｂ固相濃化率および成長温度の両方を満たすか否かによって判断した。
比較例Ｂ２は、ＭＱＷ３内のＧａＡｓＳｂの成長温度が５００℃と高すぎ、またＳｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２が０．７と低すぎる場合の試験体である。また比較例Ｃ２は、上記のＧａＡｓＳｂの成長温度が３８０℃と低すぎるが、Ｓｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２が１．０の場合である。発光ダイオードの特性は、スペクトル、表面性状等を総合的に判断した。特性の総合判断については、非常に良好（◎）、良好（○）、普通（△）、劣る（×）に４区分した。結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
【００４３】
表２によれば、本発明例Ａ７〜Ａ１０は、いずれも特性は普通（△）以上であり、劣るものはなかった。この表２の結果から、ＭＱＷ内のＧａＡｓＳｂの成長温度を３９０℃〜４９０℃にすれば結晶性に優れ、発光ダイオードにおいて良好な性能を得ることができる。
これに比べて、比較例Ｂ２は、ＭＱＷ３内のＧａＡｓＳｂの成長温度が５００℃と高すぎたために、良好な特性を得ることができなかった。また、比較例Ｃ２は、上記のＧａＡｓＳｂの成長温度が３８０℃と低すぎたために、同様に、良好な特性を得ることができなかった。
【００４４】
（実施例３−固相中Ｖ族内のＳｂモル分率ｘ１と原料ガス中Ｖ族内のＳｂモル分率ｘ２との関係−）
成長温度を変えて、固相（ＧａＡｓＳｂ）中のＳｂモル比（ｘ１）と、原料ガス中のＳｂモル比（ｘ２）との関係を求めた。結果を図１１に示す。この試験では、成長温度が４５０℃〜５２５℃と、比較的高いほうにずれた範囲であるため、Ｓｂ固相濃化率ｘ１／ｘ２は０．７より低い範囲に分布している。図３は、この実施例３の結果を基にして作成したものである。
図１１または図３は、本発明の製造方法を実施する場合に前もって知っておくべき情報である。このような予備知識がないと、本発明におけるＳｂ固相濃化率を所定範囲内に実現することはできない。ただし、この場合も、原料ガス中のｘ２は、固相（ＧａＡｓＳｂ）中のｘ１に合わせるように、原料ガスを供給する。図１１または図３を予備知識として、Ｓｂ固相濃化率を０．７５〜１．２０の範囲に、または成長温度を３９０℃〜４９０℃の範囲にすることで、結晶性に優れ、素子性能に優れた半導体素子（受光素子、発光素子等）を得ることができる。
【００４５】
上記において、本発明の実施の形態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。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のエピタキシャルウエハ等によれば、Ｓｂ含有層を備えながら、結晶性に優れたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を得ることができ、良好な性能の半導体素子を作製することができる。また、結晶性が良好なことは異常な表面欠陥が生じにくいことに通じ、製造歩留まりを向上させて製造コスト低減に有効である。
【符号の説明】
【００４７】
１ ＩｎＰ基板、１ａ エピタキシャルウエハ（中間製品）、２ バッファ層（ＩｎＰおよび／またはＩｎＧａＡｓ）、３タイプＩＩＭＱＷ受光層、３ａ ＧａＡｓＳｂ層、３ｂ ＩｎＧａＡｓ層、４ ＩｎＧａＡｓ層（拡散濃度分布調整層）、５ ＩｎＰ窓層、６ ｐ型領域、１１ ｐ側電極（画素電極）、１２ グランド電極（ｎ側電極）、１２ｂ バンプ、１５ ｐｎ接合、１６ ＭＱＷとＩｎＧａＡｓ層との界面、１７ ＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ窓層との界面、３５ ＡＲ（反射防止）膜、３６ 選択拡散マスクパターン、５０ 受光素子（受光素子アレイ）、６０ 全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置、６１ 赤外線温度モニタ装置、６３ 反応室、６５ 石英管、６９ 反応室の窓、６６ 基板テーブル、６６ｈ ヒータ、Ｐ 画素。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体のエピタキシャルウエハを製造する方法であって、
気相成長法によって、前記基板の上に、Ｓｂを含む第１の層とＳｂを含まない第２の層とを交互に繰り返し成長する工程を備え、
前記第１の層の成長の際、該第１の層（固相）のＶ族中のＳｂモル分率ｘ１と、供給している原料ガス（気相）のＶ族中のＳｂモル分率ｘ２とが、０．７５≦（ｘ１／ｘ２）≦１．２０、を満たすように、基板温度を設定し、かつ原料ガスを供給することを特徴とする、エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項２】
前記第１の層の成長時の基板温度を３９０℃以上４９０℃以下とすることを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項３】
前記第１の層の成長時の基板温度を、前記第２の層の成長時の基板温度よりも低くすることを特徴とする、請求項１または２に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項４】
前記第２の層の成長時の基板温度を、前記第１の層の成長時の基板温度よりも２０℃以上高くすることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項５】
前記第２の層の成長の後、前記基板温度が第１の層の成長時の温度に確実に降温するのを待って該第１の層の成長を行うことを特徴とする、請求項３また４に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項６】
前記第２の層の成長の後、前記第１の層の成長時の基板温度に降温している最中に前記第１の層を成長し始めることを特徴とする、請求項３または４に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項７】
前記第１の層の成長の後、前記基板温度が第２の層の成長時の温度に確実に昇温するのを待って該第２の層の成長を行うか、または昇温途中に該第２の層を成長し始めることを特徴とする、請求項３〜６のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項８】
前記第１の層を、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂおよびＩｎＡｓＳｂのうちのいずれか１つとすることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項９】
前記第１の層をＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ≦１）とし、前記第２の層をＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）とすることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１０】
前記基板が、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、およびＡｌＡｓのうちのいずれか１つであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１１】
前記気相成長法を、全有機金属気相成長法とすることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の製造方法で製造されたエピタキシャルウエハを用いることを特徴とする、半導体素子の製造方法。
【請求項１３】
基板とその上に位置するエピタキシャル層とを有するＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体のエピタキシャルウエハであって、
記基板の上に、Ｓｂを含む第１の層とＳｂを含まない第２の層とが交互に繰り返し位置し、
前記第１の層に、前記基板から遠ざかる向きに前記Ｓｂの濃度が高くなる傾斜濃度部分があることを特徴とする、エピタキシャルウエハ。
【請求項１４】
前記第１の層が、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂおよびＩｎＡｓＳｂのうちのいずれか１つであることを特徴とする、請求項１３に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１５】
前記第１の層がＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ≦１）であり、前記第２の層がＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）であることを特徴とする、請求項１３または１４に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１６】
前記基板が、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、およびＡｌＡｓのうちのいずれか１つであることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１７】
請求項１３〜１６のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハを備えることを特徴とする、半導体素子。
【請求項１】
基板上にＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体のエピタキシャルウエハを製造する方法であって、
気相成長法によって、前記基板の上に、Ｓｂを含む第１の層とＳｂを含まない第２の層とを交互に繰り返し成長する工程を備え、
前記第１の層の成長の際、該第１の層（固相）のＶ族中のＳｂモル分率ｘ１と、供給している原料ガス（気相）のＶ族中のＳｂモル分率ｘ２とが、０．７５≦（ｘ１／ｘ２）≦１．２０、を満たすように、基板温度を設定し、かつ原料ガスを供給することを特徴とする、エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項２】
前記第１の層の成長時の基板温度を３９０℃以上４９０℃以下とすることを特徴とする、請求項１に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項３】
前記第１の層の成長時の基板温度を、前記第２の層の成長時の基板温度よりも低くすることを特徴とする、請求項１または２に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項４】
前記第２の層の成長時の基板温度を、前記第１の層の成長時の基板温度よりも２０℃以上高くすることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項５】
前記第２の層の成長の後、前記基板温度が第１の層の成長時の温度に確実に降温するのを待って該第１の層の成長を行うことを特徴とする、請求項３また４に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項６】
前記第２の層の成長の後、前記第１の層の成長時の基板温度に降温している最中に前記第１の層を成長し始めることを特徴とする、請求項３または４に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項７】
前記第１の層の成長の後、前記基板温度が第２の層の成長時の温度に確実に昇温するのを待って該第２の層の成長を行うか、または昇温途中に該第２の層を成長し始めることを特徴とする、請求項３〜６のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項８】
前記第１の層を、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂおよびＩｎＡｓＳｂのうちのいずれか１つとすることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項９】
前記第１の層をＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ≦１）とし、前記第２の層をＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）とすることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１０】
前記基板が、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、およびＡｌＡｓのうちのいずれか１つであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１１】
前記気相成長法を、全有機金属気相成長法とすることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の製造方法で製造されたエピタキシャルウエハを用いることを特徴とする、半導体素子の製造方法。
【請求項１３】
基板とその上に位置するエピタキシャル層とを有するＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体のエピタキシャルウエハであって、
記基板の上に、Ｓｂを含む第１の層とＳｂを含まない第２の層とが交互に繰り返し位置し、
前記第１の層に、前記基板から遠ざかる向きに前記Ｓｂの濃度が高くなる傾斜濃度部分があることを特徴とする、エピタキシャルウエハ。
【請求項１４】
前記第１の層が、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＡｓＳｂおよびＩｎＡｓＳｂのうちのいずれか１つであることを特徴とする、請求項１３に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１５】
前記第１の層がＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ≦１）であり、前記第２の層がＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）であることを特徴とする、請求項１３または１４に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１６】
前記基板が、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、およびＡｌＡｓのうちのいずれか１つであることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１７】
請求項１３〜１６のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハを備えることを特徴とする、半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−８００１０（Ｐ２０１２−８００１０Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２５９０８（Ｐ２０１０−２２５９０８）
【出願日】平成２２年１０月５日（２０１０．１０．５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月５日（２０１０．１０．５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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