受光素子、エピタキシャルウエハおよびその製造方法
【課題】近赤外〜遠赤外域に受光感度を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体において、キャリア濃度を高精度で制御できる受光素子、およびその受光素子の素材となるエピタキシャルウエハ、およびそのエピタキシャルウエハの製造方法を提供する。
【解決手段】 ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、光を受光するための受光層と、該受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する窓層と、少なくとも受光層に位置するｐｎ接合とを備え、窓層の表面において、二乗平均面粗さが１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【解決手段】 ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、光を受光するための受光層と、該受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する窓層と、少なくとも受光層に位置するｐｎ接合とを備え、窓層の表面において、二乗平均面粗さが１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であ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、受光素子、エピタキシャルウエハおよびその製造方法であって、より具体的には、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に形成され、近赤外〜遠赤外域に受光感度を有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）を受光層として含む受光素子、エピタキシャルウエハおよびそ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の開発を目的に、多数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ＭＱＷを形成し、ｐ型またはｎ型のエピタキシャル層によるｐｎ接合によってカットオフ波長２．３９μｍのフォトダイオードが提案され、波長１．７μｍ〜２．７μｍの感度特性が示されている（非特許文献１）。また、ＩｎＧａＡｓ５ｎｍとＧａＡｓＳｂ５ｎｍとを１ペアとして１５０ペア積層したタイプ２ＭＱＷの受光層を備える受光素子の波長１μｍ〜３μｍの感度特性（２００Ｋ、２５０Ｋ、２９５Ｋ）が示されている（非特許文献２）。
また、Ｖ族元素としてアンチモン（Ｓｂ）を含む受光層とＩｎＰ窓層を含む受光層において、ＩｎＰ窓層にドナー不純物を含有させることによって、ＩｎＰ窓層へのアンチモン混入によるｐ型化を補償し、暗電流を低減する方策が提案されている（特許文献１）。
【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】R.Sidhu, et.al. "A 2.3μm Cutoff WavelengthPhotodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells”, 2005 Intenational Conference on Indium Phosphide and RelatedMaterials, pp.148-151
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−６０８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１のカットオフ波長２．３９μｍのフォトダイオードでは、ＩｎＧａＡｓ層を窓層として、このＩｎＧａＡｓ層に電極、パッシベーション膜を形成したことが原因と考えられる、高い暗電流が生じている。すなわちＩｎＰ層を窓層にした場合に比較して、窓層にＩｎＧａＡｓを用いると高い暗電流となる。窓層にＩｎＰを用いることの利点は、暗電流に限定されない。すなわちＩｎＰ窓層として、窓層を光の入射側にした場合、近赤外域での吸収が小さい利点も得られる。
一方、特許文献１において、ＩｎＰ窓層を通してｐ型不純物を選択拡散させる場合、条件によっては高い暗電流が生じる場合がある。アンチモンを含むエピタキシャル層を成膜した後、その成膜室において作製条件によって未だ確定できない経路をへてアンチモンの取り込み効率やアクセプタ型の欠陥密度が増大し、ＩｎＰ窓層にドナー不純物を添加しても補償されないほどのアクセプタ濃度となる。このアクセプタ濃度が高くなることが原因で、選択的に形成したアノード領域以外の領域でもｐｎ接合が形成されるため、ｐｎ接合面積が拡大すること等が原因で暗電流が増大する。
また、アクセプタ濃度が意図したレベルを超えて増大することで、意図しない半導体素子が形成され、その結果、受光感度についても大きな劣化をもたらす。
【０００６】
本発明は、近赤外〜遠赤外域に受光感度を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体において、キャリア濃度を高精度で制御できる受光素子、およびその受光素子の素材となるエピタキシャルウエハ、およびそのエピタキシャルウエハの製造方法を提供することを目的とする。この高精度のキャリア濃度制御を実現することで、高感度かつ低暗電流を実現することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の受光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、基板の上に位置し、光を受光するための受光層と、受光層の上に位置し、該受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する窓層と、少なくとも受光層に位置するｐｎ接合とを備え、窓層の表面における二乗平均面粗さ（ＲＭＳ：Root Mean Square）が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【０００８】
ここで、従来の受光素子におけるＲＭＳ値は、１０ｎｍ未満が普通であり、たとえば７ｎｍ〜８ｎｍ程度が多い。本発明においては、このＲＭＳ値を１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲にしなければならない。すなわち従来より粗いレベルにしなければならない。その詳しい理由については、このあと説明してゆくが、ＲＭＳ値が１０ｎｍ未満の場合、窓層においてｐ型化の傾向が強くなる。換言すれば窓層のアクセプタ濃度が増加する。このため、キャリア濃度制御を高精度で行うことが困難になり、安定して高感度かつ低暗電流の受光素子を製造することができなくなる。
なお、ＲＭＳ値が１０ｎｍ以上で増加したとき窓層のアクセプタ濃度が増加しないのは、窓層中のアクセプタ型の不純物元素や点欠陥の密度が増加しないためと考えられる。すなわちＲＭＳ値が１０ｎｍ未満のときは窓層中のアクセプタ型の不純物元素や点欠陥の密度が増加し、アクセプタ濃度が増加する。また、多くの実験から、ｐ型不純物の原料が、半導体内でアクセプタとして機能するような形態で窓層に取り込まれると、ＲＭＳ値は１０ｎｍ未満となり（すなわち滑らかになり）、キャリア濃度制御を高精度で遂行することが困難になる。また、ＲＭＳ値が１０ｎｍ以上になると、アクセプタ濃度は上昇しない。このため不純物制御を既定の方針に従って行うことで、高精度のキャリア濃度制御を達成することができる。上記のことが生じる上で、このあと説明するが、基板の方位について所定の条件があるとその傾向が助長される。
一方、ＲＭＳ値が４０ｎｍを超えると、通常の場合において平坦性が劣化したときに知られるように、電極の配置などに支障をきたし、やはり高感度で低暗電流の受光素子を得ることができない。
ＲＭＳ値が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の場合、平坦性は通常の意味では、とても良好とはいえないが、電極やパッシベーション膜等の形成において、手に負えないほどの平坦性ではない。それほど困難なく、電極やパッシベーション膜を形成することができる。
本発明の独自性は、平坦性が良好または普通の場合（ＲＭＳ値が１０ｎｍ未満の場合）、高精度の不純物制御ができにくくなることを、明確にした点にある。上述のように平坦性が過度に不良な場合（ＲＭＳ値が４０ｎｍ超の場合）、高感度で低暗電流の受光素子が得られないことは周知である。
ＲＭＳ値の測定は、何を用いてもよい。たとえば市販のＡＦＭ（原子間力顕微鏡：ＡＦＭ：Atomic Force Microscopy）を用いて、そのＲＭＳ測定を指定してデータ（平均値）を得ることができる。この測定では、測定の範囲（縦横の長さ、面積など）はとくに限定せず、どのような範囲でもよいが、たとえば画素電極と選択拡散マスクパターンとの隙間の領域、または１０μｍ角の領域、１００μｍ角の領域などの測定範囲での平均的なＲＭＳを求めるのがよい。
【０００９】
本発明の受光素子は、窓層からの不純物の選択拡散によって形成されたｐｎ接合を備えることができる。
これによって、周囲から独立した受光素子の単位を得ることができる。すなわち単一の受光素子の場合、周囲の縁の影響を小さくでき、また複数の受光素子が一次元または二次元的に配列される場合、隣の受光素子との間に独立性を確保することができる。
しかし、画素領域をｐ型とする場合、窓層のアクセプタ濃度が増加すると選択的に形成した画素領域以外の領域にもｐｎ接合面積が拡大する。この結果、暗電流が増大する。画素領域に導入するｐ型不純物としては亜鉛（Ｚｎ）が用いられる場合が多い。また、感度についても悪影響を及ぼす。
一方、画素領域がｎ型の場合でも、ｐ型不純物（アクセプタ不純物）が濃化するので、過大なドナー不純物を要するので、結晶性が劣化して、やはり暗電流が増大し、感度が低下する。以下では、画素領域がｐ型領域である場合を主体に説明を行う。
【００１０】
本発明の受光素子は、基板において、該基板の主面である（００１）面からのオフ角がマイナス０．０５°以上プラス０．０５°以下であるのがよい。
上記の（００１）面にジャストな基板（以下、ジャスト基板と呼ぶ）を用いることで、上記のＲＭＳ値の範囲にしやすく、とくにＲＭＳ値１０ｎｍ以上を得ることが容易になる。通常、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の受光素子の製造においては、ジャスト基板ではなく、オフ基板（（００１）面から０．０５〜０．１°オフ）を用いる。これは、オフ角の表面エネルギ等を考慮すると、熱力学的に、その上に他の層をエピタキシャル成長させやすいことに理由がある。本発明においては、エピタキシャル成長させやすいオフ基板を用いると、ｐ型不純物の取り込みが行われ易く、ｐ型不純物は半導体内でアクセプタとして機能する。エピタキシャル成長させにくいジャスト基板を用いることで、結果的に上記のＲＭＳ値の範囲の実現が助長される。
なお、（００１）面からのオフ角が±０．０５°の基板は、ジャスト基板にもまたオフ基板にも入るが、本発明におけるオフ角が±０．０５°は中心値０°に対する誤差と判断することができる。通常、オフ基板と断った上でオフ角が±０．０５°というとき、オフ角の中心値が±０．０５°と解釈するのがよい。
【００１１】
本発明の受光素子は、窓層が燐（Ｐ）を含むことができる。
窓層がＰを含む化合物半導体であり、ＲＭＳ値が上記の範囲内にない場合、窓層はｐ型化しやすい。Ｐを含む化合物半導体を窓層とする場合、そのＰを含む材料自体、またはｐ型不純物を含む材料がエピタキシャル成長中の窓層に入りやすい。材料が窓層に入っても、ＲＭＳ値が上記の範囲内（１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下）である限り、半導体内におけるキャリア濃度（アクセプタ濃度）は意図した正常な範囲にある。したがって、上述のように、たとえば他の化合物半導体では代替できない多くの卓越した利点を有するＩｎＰ窓層を成長した場合、本発明の作用を得ることで高い有用性を得ることができる。
【００１２】
本発明の受光素子は、受光層が、アンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えることができる。
Ｓｂは表面に引き寄せられやすく、表層においてアクセプタ型欠陥密度の増大など多くの悪影響を生じる。本発明におけるＲＭＳ値の範囲にすることで、アンチモン特有の悪影響を緩和することができる。換言すれば、本発明はアンチモンを受光層に含む場合に、非常に効果的にアンチモンの悪影響を緩和して高品質の受光素子をもたらすことができる。
【００１３】
本発明の受光素子は、窓層が、不純物元素としてアンチモン（Ｓｂ）を含むことができる。
窓層が不純物としてＳｂを含み、ＲＭＳ値が上記の範囲内にない場合、窓層はｐ型化しやすい。Ｓｂは近赤外域の受光素子の受光層に多用される趨勢にある。このため、Ｓｂを用いながら、ＲＭＳ値を上記の範囲内に入れることで、キャリア濃度を精度良く制御した上で、高感度で低暗電流の近赤外域の受光素子を得ることができる。
【００１４】
本発明の受光素子は、受光層が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１．００）とのペア、または、Ｇａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦１．０、０＜ｖ≦０．２）とＧａＡｓ１−ｗＳｂｗ（０．３６≦ｗ≦１．００）とのペア、からなるようにできる。
受光層を上記の多重量子井戸構造（ＭＱＷ:Multi-Quantum Well）によって形成することで、波長２μｍ〜１０μｍの近赤外域〜遠赤外域の光を、高感度でかつ低暗電流で受光することができる。上記のＭＱＷではＳｂを含むので、上述のＲＭＳ値などの構成要件を備えることが重要である。
【００１５】
本発明の受光素子は、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。
上記の中から選んで基板を用いることで、近赤外域〜遠赤外域のなかでも所定の波長域に適切な受光素子などを得る上で、選択肢が増える。
【００１６】
本発明の受光素子は、受光層の基板と反対側の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる拡散濃度分布調整層を備えることができる。
これによって、受光層内の不純物濃度を低めに高精度で制御することが可能になり、その結果、結晶性に優れた受光層を得ることができる。
【００１７】
本発明の受光素子は、受光層がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）を含み、かつ拡散濃度分布調整層がＩｎｚＧａ１−ｚＡｓ（０．３８≦ｚ≦１．００）を含み、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓと前記ＩｎｚＧａ１−ｚＡｓの合計膜厚が、２．３μｍ以上であるようにするのがよい。
上記の合計膜厚を２．３μｍ以上とすることによって、良好な感度および低暗電流を得ることができる。
【００１８】
本発明のエピタキシャルウエハは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、基板の上に位置し、光を受光するための受光層と、受光層の上に位置し、該受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する窓層とを備え、窓層の表面における二乗平均面粗さ（ＲＭＳ：Root Mean Square）が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする。
上述したようにＲＭＳの値が１０ｎｍ未満の場合、窓層においてｐ型化の傾向が強くなる。このため、不純物制御を高精度で行うことが困難になり、安定して高感度かつ低暗電流の受光素子を製造することができなくなる。ＲＭＳの値が４０ｎｍ超では、通常の意味で平坦性が劣悪であり、正常な受光素子を製造することが困難になる。
【００１９】
本発明のエピタキシャルウエハは、少なくとも受光層に位置するｐｎ接合を備えることができる。
これによって、高精度に不純物を制御した受光素子を製造するためのエピタキシャルを提供することができる。
【００２０】
本発明のエピタキシャルウエハは、窓層からの不純物の選択拡散によって形成されたｐｎ接合を備えることができる。
これによって、プレーナ型受光素子を作製するための、高精度に不純物を制御されたエピタキシャルウエハを提供することができる。
【００２１】
本発明のエピタキシャルウエハは、基板において、該基板の主面である（００１）面からのオフ角をマイナス０．０５°以上プラス０．０５°以下とするのがよい。
上記のジャスト基板を用いることで、結果的に上記のＲＭＳ値の範囲の実現を助長し、アクセプタ濃度を精度良く制御することができる。
【００２２】
本発明のエピタキシャルウエハは、窓層が燐（Ｐ）を含むことができる。
Ｐを含む化合物半導体を窓層とする場合、そのＰを含む材料自体、またはｐ型不純物を含む材料がエピタキシャル成長中の窓層に入りやすい。しかしＲＭＳ値が上記の範囲内（１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下）である限り、半導体内におけるキャリア濃度（アクセプタ濃度）は意図した正常な範囲にある。
【００２３】
本発明のエピタキシャルウエハは、受光層が、アンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えることができる。
Ｓｂは表層においてアクセプタ型欠陥密度の増大など多くの悪影響を生じる。本発明におけるＲＭＳ値の範囲にすることで、アンチモン特有の悪影響を緩和することができる。
【００２４】
本発明のエピタキシャルウエハは、窓層が、不純物元素としてアンチモン（Ｓｂ）を含むことができる。
窓層が不純物としてＳｂを含み、ＲＭＳ値が上記の範囲内にない場合、窓層はｐ型化しやすい。このため、Ｓｂを用いながら、ＲＭＳ値を上記の範囲内に入れることで、キャリア濃度を精度良く制御した上で、高感度で低暗電流の近赤外域の受光素子を得ることができる。
【００２５】
本発明のエピタキシャルウエハは、受光層が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１．００）とのペア、または、Ｇａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦１．０、０＜ｖ≦０．２）とＧａＡｓ１−ｗＳｂｗ（０．３６≦ｗ≦１．００）とのペア、からなるようにできる。
受光層を上記のＭＱＷによって形成することで、波長２μｍ〜１０μｍの近赤外域〜遠赤外域の光を、高感度でかつ低暗電流で受光することができる。上記のＭＱＷではＳｂを含むが、本発明のＲＭＳ値などの構成要件を備えることで高品質の受光素子をもたらす。
【００２６】
本発明のエピタキシャルウエハは、基板が、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂおよびＡｌＡｓのうちのいずれか１つとするのがよい。
上記の中から選んで基板を用いることで、近赤外域〜遠赤外域における選択肢が増える。
【００２７】
本発明のエピタキシャルウエハは、受光層の基板と反対側の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる拡散濃度分布調整層を備えることができる。
これによって、受光層内の不純物濃度を低めに高精度で制御することが可能になり、その結果、結晶性に優れた受光層を得ることができる。
【００２８】
本発明のエピタキシャルウエハは、受光層がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）を含み、かつ拡散濃度分布調整層がＩｎｚＧａ１−ｚＡｓ（０．３８≦ｚ≦１．００）を含み、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓと前記ＩｎｚＧａ１−ｚＡｓの合計膜厚が、２．３μｍ以上であるようにするのがよい。
上記の合計膜厚を２．３μｍ以上とすることによって、良好な感度および低暗電流を得ることができる。
【００２９】
本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、上記のエピタキシャルウエハにおける、少なくとも受光層および窓層を、全有機気相成長法で成長することを特徴とする。
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う。全有機気相成長法によれば、結晶品質において高品質のエピタキシャルウエハを、高能率で、製造することができる。とくに窓層にＰを含む化合物半導体を用いるエピタキシャルウエハでは、全有機気相成長法によらない場合、燐原料に起因する成長室内壁への燐化合物の付着が生じるので、メンテナンス（クリーニングまたは取り換え）を確実に行わないと発火等の問題を生じる。しかし、全有機気相成長法では、原料が気相の有機燐化合物なので、このような問題は生じにくい。
【００３０】
本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、受光層上に接して拡散濃度分布調整層を成長し、該拡散濃度分布調整層の成長温度を、受光層の成長温度以下とするのがよい。
これによって、ＲＭＳ値の範囲を１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下にしやすくなる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、キャリア濃度が精度良く制御されることで、高感度かつ低暗電流の、近赤外域〜遠赤外域の受光素子等を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態における受光素子を示す図である。
【図２】図１の受光素子の発明上の特徴（ポイント）を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるエピタキシャルウエハを示す図である。
【図４】製造方法を示すフローチャートである。
【図５】全有機気相成長法の成膜装置の配管系統等を示す図である。
【図６】（ａ）は有機金属分子の流れと温度の流れを示す図であり、（ｂ）は基板表面における有機金属分子の模式図である。
【図７】図１に示す受光素子の製造方法の後半のフローチャートである。
【図８】本発明の受光素子の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子１０を示す断面図である。図１によれば、受光素子１０は、ＩｎＰ基板１の上に次の構成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体積層構造を有する。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２／Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１ＡｓとＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３との多重量子井戸構造（ＭＱＷ）による受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
上記の層のうち、少なくとも受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５からなるエピタキシャル積層体７は、全有機気相成長法で成長するのがよい。
ＩｎＰ窓層５から多重量子井戸構造の受光層３にまでｐ型領域６が位置している。この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。隣のｐ型領域６とは、選択拡散されていない領域によって隔てられており、これによって、各画素Ｐは、互いに独立に受光情報を出力することができる。
【００３４】
ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１に接して位置するバッファ層２の端において露出する表面に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。バッファ層２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。この場合、ＩｎＰ基板１は、ｎ型導電性であっても、また半絶縁性であってもよい。
光は、ＩｎＰ基板１の裏面から入射される。入射光の反射を防止するためにＳｉＯＮ等によるＡＲ（Anti-reflection）膜３５がＩｎＰ基板１の裏面を被覆する。
【００３５】
上記のｐ型領域６の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合１５が形成され、上記のｐ側電極１１およびｎ側電極１２間に逆バイアス電圧を印加することにより、受光層３のｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド）により広く空乏層を生じる。多重量子井戸構造の受光層３におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で１×１０１６ｃｍ−３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合の位置は、多重量子井戸の受光層３のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点で決まる。
拡散濃度分布調整層４内では、ＩｎＰ窓層５の表面から選択拡散されたｐ型不純物の濃度が、ＩｎＰ窓層側における高濃度領域から受光層側にかけて急峻に低下している。このため、受光層３内では、Ｚｎ濃度は５×１０１６ｃｍ−３以下の不純物濃度を容易に実現することができる。
【００３６】
本発明が対象とする受光素子１０は、近赤外域からその長波長側に受光感度を有することを追求するので、窓層には、受光層３のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギの材料を用いるのが好ましい。このため、窓層には、通常、受光層よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合の良い材料であるＩｎＰが用いられる。ＩｎＰとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。
【００３７】
（本実施の形態におけるポイント）
本実施の形態における特徴は、次の点にある。
（１）ＩｎＰ窓層１の表面におけるＲＭＳ値が、１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であること。図２は、図１における受光素子１０のＩｎＰ窓層５の表面を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ:Atomic Force Microscopy）７０によって測定する状況を示す模式図である。ＡＦＭ７０では、カンチレバーホルダー７２に保持されたカンチレバー７１の先端に探針７３が取り付けられ、試料表面の凹凸に応じてカンチレバー７１の傾きを鋭敏に変化させる。このカンチレバー７１の傾きの変化をレーザ光７５によって探知することで、試料表面の凹凸情報をナノオーダーで検知することができる。試料表面のＩｎＰ窓層５の表面の凹凸が測定され、ＲＭＳ値として算出され、装置に自動表示される。このＲＭＳ値は、本発明では、１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下になければならない。
多くの実験から、ｐ型不純物の原料が、半導体内でアクセプタとして機能するような形態で窓層に取り込まれると、ＲＭＳ値は１０ｎｍ未満となり（すなわち滑らかになり）、キャリア濃度を精度良く制御することが難しくなる。またＲＭＳ値が１０ｎｍ以上になると、アクセプタ濃度は上昇しない。このため不純物制御を既定の方針に従って行うことで、高精度のキャリア濃度制御を達成することができる。一方、ＲＭＳ値が４０ｎｍを超えると、通常の場合において平坦性が劣化したときに知られるように、電極の配置などに支障をきたし、やはり高感度で低暗電流の受光素子を得ることができない。
ＲＭＳ値が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の場合、平坦性は従来の受光素子では通常の範囲を逸脱しており、不良の部類にいれてもよい値である。しかしながら、電極やパッシベーション膜等の形成において、手に負えないほどの平坦性ではない。この程度のＲＭＳ値であれば、それほど困難なく、電極やパッシベーション膜を形成することができる。
本発明の独自性は、平坦性が良好または従来の場合（ＲＭＳ値が１０ｎｍ未満の場合）、高精度のキャリア濃度制御ができにくくなることを、明確にした点にある。上述のように平坦性が過度に不良な場合（ＲＭＳ値が４０ｎｍ超の場合）、高感度で低暗電流の受光素子が得られないことは周知である。
（２）ただし、上記（１）の現象を助長するには、基板の方位が重要である。従来から、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板には、オフ基板を用いる。すなわち（００１）面から０．０５〜０．１°オフした面方位の基板を用いる。この理由は、オフ角の表面エネルギ、不可避的な表面欠陥等を考慮すると、熱力学的に、その上に他の層をエピタキシャル成長させやすいからである。
本実施の形態では、しかしながら、オフ基板ではなくジャスト基板を用いるのがよい。ジャスト基板を用いることで、１０ｎｍ≦ＲＭＳ値≦４０ｎｍを実現することが助長され、その結果、キャリア濃度を高い精度で制御することが容易になる。
本実施の形態においては、雰囲気からのｐ型不純物の取り込みが行われるとき、エピタキシャル成長しやすい条件（すなわちオフ基板）であると、上述のように材料中のｐ型不純物は半導体内でアクセプタとして機能する。エピタキシャル成長しにくいジャスト基板を用いることで、製造にともなう不利益要因を克服して、結果的に上記のＲＭＳ値の範囲をもたらす。
【００３８】
次にジャスト基板を用いて図１に示す受光素子１０を製造するとき用いるエピタキシャルウエハのＲＭＳ値について説明する。本実施の形態におけるＩｎＰ窓層１の表面は平坦性が良好とは言い難く、ＲＭＳ値の平均値は２３．４ｎｍであり、また段差（平均値）は９０ｎｍある。このように、ＲＭＳ値が１０ｎｍ以上のとき、ｐ型不純物はアクセプタ濃度を増加させる形態でＩｎＰ窓層１に侵入せず、高精度のキャリア濃度制御ができる。この結果、ｐｎ接合面積が拡大してリーク暗電流が増大するなどの問題を回避することができる。
これに対して、従来の受光素子を製造するときのエピタキシャルウエハは、本実施の形態における対応物の表面に比べて表面の平坦性が良好である。上述のＲＭＳ値は８．３ｎｍであり、かつ段差は３０ｎｍである。明らかに従来のエピタキシャルウエハに比べて、本発明におけるエピタキシャルウエハは平坦性が良くないＩｎＰ窓層１の表面を有する。
上記のＲＭＳ値測定の試験体はエピタキシャルウエハであり、その１００μｍ×１００μｍの領域で測定した平均値である。受光素子の場合には、画素電極と選択拡散マスクパターンとの隙間のＩｎＰ窓層５の表面を測定して平均値を出すのがよい。もしくは、たとえばｐ側電極１１を湿式エッチングにより除去したあと、ＩｎＰ窓層５の表面を、たとえば１０μｍ×１０μｍの領域で測定して平均値を出してもよい。
【００３９】
図３は、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ１ａを示す図である。エピタキシャルウエハ１ａは、本発明においては、選択拡散マスクパターンが形成される前であって、ＩｎＰ窓層１を形成した後の状態であっても該当する。また、選択拡散マスクパターン３６を形成した後、さらにその後Ｚｎ等の選択拡散を行った後であっても該当する。
本実施の形態のエピタキシャルウエハ１ａでは、ＩｎＰ窓層５の表面におけるＲＭＳ値が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下でなければならない。このＲＭＳ値であることで、高精度のキャリア濃度制御を担保することができ、高感度で、かつ低暗電流の受光素子が製造できるエピタキシャルウエハを提供することができる。これは上述のようにジャスト基板を用いることで助長される。
図３に示すエピタキシャルウエハ１ａは、直径２インチであり、（００１）ジャスト基板である。
【００４０】
つぎに製造方法を、図４に従って説明する。まずＩｎＰ基板１を準備し、そのＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰバッファ層２を、たとえば膜厚１５０ｎｍ程度に、エピタキシャル成長させる。ｎ型のドーピングには、ＴｅＥＳｉ（テトラエチルシラン）を用いるのがよい。このときの原料ガスには、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）およびＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）を用いる。このＩｎＰバッファ層２の成長には、無機原料のＰＨ３（ホスフィン）を用いて行っても良い。このＩｎＰバッファ層２の成長では、成長温度を６００℃程度あるいは６００℃程度以下で行っても、下層に位置するＩｎＰ基板の結晶性は６００℃程度の加熱で劣化することはない。
【００４１】
バッファ層２より上の各層の成長は、成長温度を低くでき、成長能率が高い全有機気相成長法によって行う。もちろん、ＩｎＰバッファ層２を全有機気相成長法によって成長してもよく、そのほうが普通である。少なくとも、タイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ３、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４およびＩｎＰ窓層５を、全有機気相成長法によって一貫して同じ成膜室で成長する。このとき、成長温度または基板温度は、温度４００℃以上かつ６００℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。温度４００℃以上かつ５５０℃以下がさらに望ましい。その理由として、この温度範囲より高い成長温度にすると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて相分離を生じ、粗大な凸状表面欠陥の密度が増大するからである。このような粗大な凸状表面欠陥が高密度で発生すると、製造歩留まりを著しく低下する。
４００℃未満の成長温度とすると、凸状表面欠陥の密度は減少するか、またはゼロになるが、全有機気相成長の原料ガスが十分に分解せず、炭素がエピタキシャル層に取り込まれる。原料ガスにおいて金属と結合している炭化水素の炭素である。炭素がエピタキシャル層に混入すると、意図しないｐ型領域が形成され、半導体素子にまで仕上げた状態で、性能劣化を生じる。たとえば受光素子の状態で、暗電流が多く、実用レベルの製品にならない。なお、炭素の取り込みに起因するｐ型領域の拡大は、これまで度々説明してきた、ＲＭＳ値と関係するキャリア濃度の変動とは別の現象である。
ここまでエピタキシャルウエハの製造方法を、図４に基づいて概括的に説明した。このあと各層の成長法について詳細に説明する。
【００４２】
図５に全有機気相成長法の成膜装置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、温度４００℃以上かつ５５０℃以下でＭＱＷを形成する、というときの４００℃以上および５５０℃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。全有機気相成長法は、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５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（Mass Flow Controller: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。
【００４３】
バッファ層２の成長のあと、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを量子井戸のペアとするタイプ２のＭＱＷの受光層３を形成する。量子井戸におけるＧａＡｓＳｂは、膜厚はたとえば５ｎｍ、またＩｎＧａＡｓの膜厚もたとえば５ｎｍとする。ＧａＡｓＳｂの成膜では、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）およびＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）を用いる。また、ＩｎＧａＡｓについては、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、およびＴＢＡｓを用いることができる。これらの原料ガスは、すべて有機金属気体であり、化合物の分子量は大きい。このため、４００℃以上かつ５５０℃以下の比較的低温で完全に分解して、結晶成長に寄与することができる。ＭＱＷの受光層３を全有機気相成長法によって、量子井戸の界面の組成変化を急峻にするすることができる。この結果、高精度の分光測光をすることができる。
【００４４】
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(トリスジメチルアミノアンチモン)でもよい。
【００４５】
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５に示す流量制御器（ＭＦＣ）によって制御された上で、石英管６５への流入をエア駆動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。
【００４６】
図６（ａ）は有機金属分子の流れと温度の流れを示す図であり、図６（ｂ）は基板表面における有機金属分子の模式図である。エピタキシャルウエハ１ａの表面はモニタされる温度とされている。図６（ｂ）に示すような、大サイズの有機金属分子がウエハ表面をかすめて流れるとき、分解して結晶成長に寄与する化合物分子は表面に接触する範囲、および表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲、のものに限られると考えられる。
しかし、エピタキシャルウエハ表面温度または基板温度が、４００℃未満のような過度に低い場合、原料ガスの巨大な分子、とくに炭素が十分に分解・除去されないで、エピタキシャルウエハ１ａに取り込まれる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体中に混入した炭素はｐ型不純物となり、意図しない半導体素子を形成することになる。このため、半導体の本来の機能を低下させ、半導体素子に製造された状態で性能劣化をもたらす。
【００４７】
真空ポンプで強制排気しながら上記ペアの化学組成に適合した原料ガスをエア駆動バルブで切り替えて導入するとき、わずかの慣性をもって先の化学組成の結晶を成長させたあとは、先の原料ガスの影響を受けず、切り替えられた化学組成の結晶を成長させることができる。その結果、ヘテロ界面での組成変化を急峻にすることができる。これは、先の原料ガスが、石英管６５内に実質的に残留しないことを意味している。
ＭＱＷ３を形成する場合、５５０℃を超える温度範囲で成長するとＭＱＷのＧａＡｓＳｂ層に相分離が大規模で起こり、上述の凸状表面欠陥Ｋの密度増加を助長させる。しかし一方で、上記のように、４００℃未満の成長温度とすると、凸状表面欠陥の密度は低くできるか、またはゼロにできるかもしれないが、原料ガスに必然的に含まれる炭素がエピタキシャルウエハ内に取り込まれる。混入した炭素はｐ型不純物として機能するので、半導体素子に仕上げた状態で、製品にならないほどの性能劣化の原因になる。
【００４８】
図４に示すようにＭＱＷの形成からＩｎＰ窓層５の形成まで、全有機気相成長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、もう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、炭素濃度１ｅ１７ｃｍ−３以上、のうちの少なくとも１つが満たされ、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１ｅ１７ｃｍ−３未満である。
【００４９】
本実施の形態では、ＭＱＷの受光層３の上に、たとえば膜厚０．３μｍ程度のノンドープＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４を形成する。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、受光素子の形成の際、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。ｐ型不純物のＺｎ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ＭＱＷの受光層３に届くように選択拡散される。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素子特性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、全有機気相成長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４００℃以上かつ５５０℃以下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は、熱のダメージを受けないか、または比較的小さい熱のダメージのみを受ける。このため、凸状表面欠陥Ｋの密度を実用上許容できるレベルに低下させ、また炭素濃度を低くすることができる。
【００５０】
たとえば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。ＭＱＷ３の成長に適したＭＢＥ法によって当該ＭＱＷ３およびＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４を成長した後、安全性の問題からＩｎＰ窓層５をＭＢＥ法以外の方法によって成長する場合、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となる。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、素子特性を著しく劣化させる。
また、たとえばＩｎＰ窓層を単なる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するおそれが高い。
【００５１】
ここまで図１に示す受光素子の各層のエピタキシャル成長について詳細に説明した。このあと、Ｚｎ等のｐ型不純物の選択拡散工程および電極１１，１２の形成工程について説明する。図７は、図１に示す受光素子１０の製造方法を示すフローチャートである。工程Ｓ１〜Ｓ３は、上述のとおりである。とくにＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の成長温度は、４００℃以上という条件の下、受光層３の成長温度以下とするのがよい。ＲＭＳ値を１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下に入れやすくなるからである。次いで工程Ｓ４〜Ｓ５によって、Ｚｎの選択拡散による画素Ｐの形成、および電極の形成を行う。
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を選択拡散することで形成する。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３６の開口部の間隔を調整することで、ｐ型領域６を隣の画素または側面から所定距離隔てられる。
ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１を、またＩｎＰバッファ層の端の露出している上面にＡｕＧｅＮｉのｎ側電極１２を、それぞれオーミック接触するように設ける。ＩｎＰ基板１はｎ導電型でも、または半絶縁性であってもよい。ただし、ＩｎＰ基板１の裏面にｎ側電極１２を設ける構造であってもよく、この場合はＩｎＰ基板１はｎ導電型でなければならない。
【００５２】
図１には、複数の画素Ｐが配列された受光素子を示した。図８は、単一の画素を含む受光素子１０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示す受光素子１０によって、暗電流などを評価した。
【実施例】
【００５３】
ＲＭＳ値が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下という要件を満たすものを本発明例の試験体とし、また、ＲＭＳ値が１０ｎｍ未満の試験体を比較例として、受光素子を作製して暗電流および波長２μｍにおける受光感度を測定した。
各試験体の条件（（１）基板、（２）ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層の成長温度、（３）ＩｎＧａＡｓ合計膜厚、（４）ＲＭＳ値
＜本発明例Ａ１＞：（１）ジャスト基板（０°）、（２）５００℃、（３）２．３μｍ、（４）２３．４ｎｍ
＜本発明例Ａ２＞：（１）ジャスト基板（０．０５°）、（２）５００℃、（３）２．３μｍ、（４）１２．０ｎｍ
＜本発明例Ａ３＞：（１）ジャスト基板（−０．０５°）、（２）５００℃、（３）２．３μｍ、（４）１０．５ｎｍ
＜本発明例Ａ４＞：（１）ジャスト基板（０°）、（２）４８０℃、（３）２．３μｍ、（４）２９．５ｎｍ
＜本発明例Ａ５＞：（１）ジャスト基板（０°）、（２）４６０℃、（３）２．３μｍ、（４）３８．５ｎｍ
＜本発明例Ａ６＞：（１）ジャスト基板（０°）、（２）５００℃、（３）２．１μｍ、（４）１２．０ｎｍ
本発明例Ａ１〜Ａ６におけるＲＭＳ値は、１０．５ｎｍ〜３８．５ｎｍの範囲にある。一方、比較例Ｂ１〜Ｂ４においてはＲＭＳ値は７．５ｎｍ〜９．５ｎｍと従来の受光素子と同じレベルにある。
＜比較例Ｂ１＞：（１）オフ基板（０．０７°）、（２）５００℃、（３）２．３μｍ、（４）８．３ｎｍ
＜比較例Ｂ２＞：（１）オフ基板（−０．０７°）、（２）５００℃、（３）２．３μｍ、（４）７．５ｎｍ
＜比較例Ｂ３＞：（１）ジャスト基板（０°）、（２）５２０℃、（３）２．３μｍ、（４）９．５ｎｍ
＜比較例Ｂ４＞：（１）オフ基板（０．０７°）、（２）５００℃、（３）２．１、（４）８．０
上記の要件を有するエピタキシャルウエハから図８に示す受光素子を作製して、暗電流（２１３Ｋ、−１．２Ｖ）および波長２μｍにおける感度を測定した。結果を表１に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
表１によれば、本発明例Ａ４では、ＲＭＳ値が２９．５ｎｍであり、暗電流は１ｐＡと最良であり、感度も良好であった。暗電流が、その次に良かったのは、本発明例Ａ１の３ｐＡであった（ＲＭＳ値２３．４ｎｍ）。その他の本発明例Ａ２（ＲＭＳ値１２．０ｎｍ）、Ａ３（ＲＭＳ値１０．５ｎｍ）、Ａ５（ＲＭＳ値３８．５ｎｍ）、Ａ６（ＲＭＳ値１２．０ｎｍ）は、暗電流５ｐＡと同一であった。これより、最も低い暗電流は、ＲＭＳ値が２０ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内で実現される。また、受光感度についても、ＩｎＧａＡｓ合計膜厚が２．１μｍと低い本発明例Ａ６を除いて良好であった。本発明例Ａ６についても、感度はそれほど低くない。
これに対して、従来の受光素子のように１０ｎｍ未満のＲＭＳ値を有する比較例Ｂ１〜Ｂ３の場合、暗電流は１０００ｐＡ〜３０００ｐＡであり、非常に悪い。感度についても、測定不能なほど良くない。また、比較例Ｂ４については、比較例Ｂ１〜Ｂ３よりは好ましい結果であるが、本発明例Ａ１〜Ａ６に比べると、その特性（暗電流および感度）が不良であることは明白である。
【００５６】
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】
【００５７】
本発明によれば、キャリア濃度を高精度に制御することができ、近赤外〜遠赤外域に高い受光感度を持ち、かつ低暗電流を実現する受光素子を得ることができる。この受光素子は窓層表面の平坦性はそれほど良好ではないが、以後の製造工程に支障をきたすほどではなく、高い経済性のもと供給することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１ ＩｎＰ基板、１ａ エピタキシャルウエハ、２ ＩｎＰバッファ層、３ ＭＱＷ受光層、４ ＩｎＧａＡｓ層（拡散濃度分布調整層）、５ ＩｎＰ窓層、６ ｐ型領域、７ 全有機気相成長法で成膜するエピタキシャル層、１０ 受光素子、１１ ｐ側電極（画素電極）、１２ グランド電極（ｎ側電極）、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、６０ 全有機金属気相成長法の成膜装置、６１ 赤外線温度モニタ装置、６３ 反応室、６５ 石英管、６６ 基板テーブル、６６ｈ ヒータ、６９ 反応室の窓、７０ 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、７１ カンチレバ、７２ カンシレバホルダ、７３ 探針、７５ レーザ光。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子、エピタキシャルウエハおよびその製造方法であって、より具体的には、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に形成され、近赤外〜遠赤外域に受光感度を有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）を受光層として含む受光素子、エピタキシャルウエハおよびそ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の開発を目的に、多数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ＭＱＷを形成し、ｐ型またはｎ型のエピタキシャル層によるｐｎ接合によってカットオフ波長２．３９μｍのフォトダイオードが提案され、波長１．７μｍ〜２．７μｍの感度特性が示されている（非特許文献１）。また、ＩｎＧａＡｓ５ｎｍとＧａＡｓＳｂ５ｎｍとを１ペアとして１５０ペア積層したタイプ２ＭＱＷの受光層を備える受光素子の波長１μｍ〜３μｍの感度特性（２００Ｋ、２５０Ｋ、２９５Ｋ）が示されている（非特許文献２）。
また、Ｖ族元素としてアンチモン（Ｓｂ）を含む受光層とＩｎＰ窓層を含む受光層において、ＩｎＰ窓層にドナー不純物を含有させることによって、ＩｎＰ窓層へのアンチモン混入によるｐ型化を補償し、暗電流を低減する方策が提案されている（特許文献１）。
【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】R.Sidhu, et.al. "A 2.3μm Cutoff WavelengthPhotodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells”, 2005 Intenational Conference on Indium Phosphide and RelatedMaterials, pp.148-151
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−６０８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１のカットオフ波長２．３９μｍのフォトダイオードでは、ＩｎＧａＡｓ層を窓層として、このＩｎＧａＡｓ層に電極、パッシベーション膜を形成したことが原因と考えられる、高い暗電流が生じている。すなわちＩｎＰ層を窓層にした場合に比較して、窓層にＩｎＧａＡｓを用いると高い暗電流となる。窓層にＩｎＰを用いることの利点は、暗電流に限定されない。すなわちＩｎＰ窓層として、窓層を光の入射側にした場合、近赤外域での吸収が小さい利点も得られる。
一方、特許文献１において、ＩｎＰ窓層を通してｐ型不純物を選択拡散させる場合、条件によっては高い暗電流が生じる場合がある。アンチモンを含むエピタキシャル層を成膜した後、その成膜室において作製条件によって未だ確定できない経路をへてアンチモンの取り込み効率やアクセプタ型の欠陥密度が増大し、ＩｎＰ窓層にドナー不純物を添加しても補償されないほどのアクセプタ濃度となる。このアクセプタ濃度が高くなることが原因で、選択的に形成したアノード領域以外の領域でもｐｎ接合が形成されるため、ｐｎ接合面積が拡大すること等が原因で暗電流が増大する。
また、アクセプタ濃度が意図したレベルを超えて増大することで、意図しない半導体素子が形成され、その結果、受光感度についても大きな劣化をもたらす。
【０００６】
本発明は、近赤外〜遠赤外域に受光感度を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体において、キャリア濃度を高精度で制御できる受光素子、およびその受光素子の素材となるエピタキシャルウエハ、およびそのエピタキシャルウエハの製造方法を提供することを目的とする。この高精度のキャリア濃度制御を実現することで、高感度かつ低暗電流を実現することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の受光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、基板の上に位置し、光を受光するための受光層と、受光層の上に位置し、該受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する窓層と、少なくとも受光層に位置するｐｎ接合とを備え、窓層の表面における二乗平均面粗さ（ＲＭＳ：Root Mean Square）が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【０００８】
ここで、従来の受光素子におけるＲＭＳ値は、１０ｎｍ未満が普通であり、たとえば７ｎｍ〜８ｎｍ程度が多い。本発明においては、このＲＭＳ値を１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲にしなければならない。すなわち従来より粗いレベルにしなければならない。その詳しい理由については、このあと説明してゆくが、ＲＭＳ値が１０ｎｍ未満の場合、窓層においてｐ型化の傾向が強くなる。換言すれば窓層のアクセプタ濃度が増加する。このため、キャリア濃度制御を高精度で行うことが困難になり、安定して高感度かつ低暗電流の受光素子を製造することができなくなる。
なお、ＲＭＳ値が１０ｎｍ以上で増加したとき窓層のアクセプタ濃度が増加しないのは、窓層中のアクセプタ型の不純物元素や点欠陥の密度が増加しないためと考えられる。すなわちＲＭＳ値が１０ｎｍ未満のときは窓層中のアクセプタ型の不純物元素や点欠陥の密度が増加し、アクセプタ濃度が増加する。また、多くの実験から、ｐ型不純物の原料が、半導体内でアクセプタとして機能するような形態で窓層に取り込まれると、ＲＭＳ値は１０ｎｍ未満となり（すなわち滑らかになり）、キャリア濃度制御を高精度で遂行することが困難になる。また、ＲＭＳ値が１０ｎｍ以上になると、アクセプタ濃度は上昇しない。このため不純物制御を既定の方針に従って行うことで、高精度のキャリア濃度制御を達成することができる。上記のことが生じる上で、このあと説明するが、基板の方位について所定の条件があるとその傾向が助長される。
一方、ＲＭＳ値が４０ｎｍを超えると、通常の場合において平坦性が劣化したときに知られるように、電極の配置などに支障をきたし、やはり高感度で低暗電流の受光素子を得ることができない。
ＲＭＳ値が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の場合、平坦性は通常の意味では、とても良好とはいえないが、電極やパッシベーション膜等の形成において、手に負えないほどの平坦性ではない。それほど困難なく、電極やパッシベーション膜を形成することができる。
本発明の独自性は、平坦性が良好または普通の場合（ＲＭＳ値が１０ｎｍ未満の場合）、高精度の不純物制御ができにくくなることを、明確にした点にある。上述のように平坦性が過度に不良な場合（ＲＭＳ値が４０ｎｍ超の場合）、高感度で低暗電流の受光素子が得られないことは周知である。
ＲＭＳ値の測定は、何を用いてもよい。たとえば市販のＡＦＭ（原子間力顕微鏡：ＡＦＭ：Atomic Force Microscopy）を用いて、そのＲＭＳ測定を指定してデータ（平均値）を得ることができる。この測定では、測定の範囲（縦横の長さ、面積など）はとくに限定せず、どのような範囲でもよいが、たとえば画素電極と選択拡散マスクパターンとの隙間の領域、または１０μｍ角の領域、１００μｍ角の領域などの測定範囲での平均的なＲＭＳを求めるのがよい。
【０００９】
本発明の受光素子は、窓層からの不純物の選択拡散によって形成されたｐｎ接合を備えることができる。
これによって、周囲から独立した受光素子の単位を得ることができる。すなわち単一の受光素子の場合、周囲の縁の影響を小さくでき、また複数の受光素子が一次元または二次元的に配列される場合、隣の受光素子との間に独立性を確保することができる。
しかし、画素領域をｐ型とする場合、窓層のアクセプタ濃度が増加すると選択的に形成した画素領域以外の領域にもｐｎ接合面積が拡大する。この結果、暗電流が増大する。画素領域に導入するｐ型不純物としては亜鉛（Ｚｎ）が用いられる場合が多い。また、感度についても悪影響を及ぼす。
一方、画素領域がｎ型の場合でも、ｐ型不純物（アクセプタ不純物）が濃化するので、過大なドナー不純物を要するので、結晶性が劣化して、やはり暗電流が増大し、感度が低下する。以下では、画素領域がｐ型領域である場合を主体に説明を行う。
【００１０】
本発明の受光素子は、基板において、該基板の主面である（００１）面からのオフ角がマイナス０．０５°以上プラス０．０５°以下であるのがよい。
上記の（００１）面にジャストな基板（以下、ジャスト基板と呼ぶ）を用いることで、上記のＲＭＳ値の範囲にしやすく、とくにＲＭＳ値１０ｎｍ以上を得ることが容易になる。通常、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の受光素子の製造においては、ジャスト基板ではなく、オフ基板（（００１）面から０．０５〜０．１°オフ）を用いる。これは、オフ角の表面エネルギ等を考慮すると、熱力学的に、その上に他の層をエピタキシャル成長させやすいことに理由がある。本発明においては、エピタキシャル成長させやすいオフ基板を用いると、ｐ型不純物の取り込みが行われ易く、ｐ型不純物は半導体内でアクセプタとして機能する。エピタキシャル成長させにくいジャスト基板を用いることで、結果的に上記のＲＭＳ値の範囲の実現が助長される。
なお、（００１）面からのオフ角が±０．０５°の基板は、ジャスト基板にもまたオフ基板にも入るが、本発明におけるオフ角が±０．０５°は中心値０°に対する誤差と判断することができる。通常、オフ基板と断った上でオフ角が±０．０５°というとき、オフ角の中心値が±０．０５°と解釈するのがよい。
【００１１】
本発明の受光素子は、窓層が燐（Ｐ）を含むことができる。
窓層がＰを含む化合物半導体であり、ＲＭＳ値が上記の範囲内にない場合、窓層はｐ型化しやすい。Ｐを含む化合物半導体を窓層とする場合、そのＰを含む材料自体、またはｐ型不純物を含む材料がエピタキシャル成長中の窓層に入りやすい。材料が窓層に入っても、ＲＭＳ値が上記の範囲内（１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下）である限り、半導体内におけるキャリア濃度（アクセプタ濃度）は意図した正常な範囲にある。したがって、上述のように、たとえば他の化合物半導体では代替できない多くの卓越した利点を有するＩｎＰ窓層を成長した場合、本発明の作用を得ることで高い有用性を得ることができる。
【００１２】
本発明の受光素子は、受光層が、アンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えることができる。
Ｓｂは表面に引き寄せられやすく、表層においてアクセプタ型欠陥密度の増大など多くの悪影響を生じる。本発明におけるＲＭＳ値の範囲にすることで、アンチモン特有の悪影響を緩和することができる。換言すれば、本発明はアンチモンを受光層に含む場合に、非常に効果的にアンチモンの悪影響を緩和して高品質の受光素子をもたらすことができる。
【００１３】
本発明の受光素子は、窓層が、不純物元素としてアンチモン（Ｓｂ）を含むことができる。
窓層が不純物としてＳｂを含み、ＲＭＳ値が上記の範囲内にない場合、窓層はｐ型化しやすい。Ｓｂは近赤外域の受光素子の受光層に多用される趨勢にある。このため、Ｓｂを用いながら、ＲＭＳ値を上記の範囲内に入れることで、キャリア濃度を精度良く制御した上で、高感度で低暗電流の近赤外域の受光素子を得ることができる。
【００１４】
本発明の受光素子は、受光層が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１．００）とのペア、または、Ｇａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦１．０、０＜ｖ≦０．２）とＧａＡｓ１−ｗＳｂｗ（０．３６≦ｗ≦１．００）とのペア、からなるようにできる。
受光層を上記の多重量子井戸構造（ＭＱＷ:Multi-Quantum Well）によって形成することで、波長２μｍ〜１０μｍの近赤外域〜遠赤外域の光を、高感度でかつ低暗電流で受光することができる。上記のＭＱＷではＳｂを含むので、上述のＲＭＳ値などの構成要件を備えることが重要である。
【００１５】
本発明の受光素子は、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。
上記の中から選んで基板を用いることで、近赤外域〜遠赤外域のなかでも所定の波長域に適切な受光素子などを得る上で、選択肢が増える。
【００１６】
本発明の受光素子は、受光層の基板と反対側の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる拡散濃度分布調整層を備えることができる。
これによって、受光層内の不純物濃度を低めに高精度で制御することが可能になり、その結果、結晶性に優れた受光層を得ることができる。
【００１７】
本発明の受光素子は、受光層がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）を含み、かつ拡散濃度分布調整層がＩｎｚＧａ１−ｚＡｓ（０．３８≦ｚ≦１．００）を含み、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓと前記ＩｎｚＧａ１−ｚＡｓの合計膜厚が、２．３μｍ以上であるようにするのがよい。
上記の合計膜厚を２．３μｍ以上とすることによって、良好な感度および低暗電流を得ることができる。
【００１８】
本発明のエピタキシャルウエハは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、基板の上に位置し、光を受光するための受光層と、受光層の上に位置し、該受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する窓層とを備え、窓層の表面における二乗平均面粗さ（ＲＭＳ：Root Mean Square）が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする。
上述したようにＲＭＳの値が１０ｎｍ未満の場合、窓層においてｐ型化の傾向が強くなる。このため、不純物制御を高精度で行うことが困難になり、安定して高感度かつ低暗電流の受光素子を製造することができなくなる。ＲＭＳの値が４０ｎｍ超では、通常の意味で平坦性が劣悪であり、正常な受光素子を製造することが困難になる。
【００１９】
本発明のエピタキシャルウエハは、少なくとも受光層に位置するｐｎ接合を備えることができる。
これによって、高精度に不純物を制御した受光素子を製造するためのエピタキシャルを提供することができる。
【００２０】
本発明のエピタキシャルウエハは、窓層からの不純物の選択拡散によって形成されたｐｎ接合を備えることができる。
これによって、プレーナ型受光素子を作製するための、高精度に不純物を制御されたエピタキシャルウエハを提供することができる。
【００２１】
本発明のエピタキシャルウエハは、基板において、該基板の主面である（００１）面からのオフ角をマイナス０．０５°以上プラス０．０５°以下とするのがよい。
上記のジャスト基板を用いることで、結果的に上記のＲＭＳ値の範囲の実現を助長し、アクセプタ濃度を精度良く制御することができる。
【００２２】
本発明のエピタキシャルウエハは、窓層が燐（Ｐ）を含むことができる。
Ｐを含む化合物半導体を窓層とする場合、そのＰを含む材料自体、またはｐ型不純物を含む材料がエピタキシャル成長中の窓層に入りやすい。しかしＲＭＳ値が上記の範囲内（１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下）である限り、半導体内におけるキャリア濃度（アクセプタ濃度）は意図した正常な範囲にある。
【００２３】
本発明のエピタキシャルウエハは、受光層が、アンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えることができる。
Ｓｂは表層においてアクセプタ型欠陥密度の増大など多くの悪影響を生じる。本発明におけるＲＭＳ値の範囲にすることで、アンチモン特有の悪影響を緩和することができる。
【００２４】
本発明のエピタキシャルウエハは、窓層が、不純物元素としてアンチモン（Ｓｂ）を含むことができる。
窓層が不純物としてＳｂを含み、ＲＭＳ値が上記の範囲内にない場合、窓層はｐ型化しやすい。このため、Ｓｂを用いながら、ＲＭＳ値を上記の範囲内に入れることで、キャリア濃度を精度良く制御した上で、高感度で低暗電流の近赤外域の受光素子を得ることができる。
【００２５】
本発明のエピタキシャルウエハは、受光層が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１．００）とのペア、または、Ｇａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦１．０、０＜ｖ≦０．２）とＧａＡｓ１−ｗＳｂｗ（０．３６≦ｗ≦１．００）とのペア、からなるようにできる。
受光層を上記のＭＱＷによって形成することで、波長２μｍ〜１０μｍの近赤外域〜遠赤外域の光を、高感度でかつ低暗電流で受光することができる。上記のＭＱＷではＳｂを含むが、本発明のＲＭＳ値などの構成要件を備えることで高品質の受光素子をもたらす。
【００２６】
本発明のエピタキシャルウエハは、基板が、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂおよびＡｌＡｓのうちのいずれか１つとするのがよい。
上記の中から選んで基板を用いることで、近赤外域〜遠赤外域における選択肢が増える。
【００２７】
本発明のエピタキシャルウエハは、受光層の基板と反対側の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる拡散濃度分布調整層を備えることができる。
これによって、受光層内の不純物濃度を低めに高精度で制御することが可能になり、その結果、結晶性に優れた受光層を得ることができる。
【００２８】
本発明のエピタキシャルウエハは、受光層がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）を含み、かつ拡散濃度分布調整層がＩｎｚＧａ１−ｚＡｓ（０．３８≦ｚ≦１．００）を含み、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓと前記ＩｎｚＧａ１−ｚＡｓの合計膜厚が、２．３μｍ以上であるようにするのがよい。
上記の合計膜厚を２．３μｍ以上とすることによって、良好な感度および低暗電流を得ることができる。
【００２９】
本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、上記のエピタキシャルウエハにおける、少なくとも受光層および窓層を、全有機気相成長法で成長することを特徴とする。
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う。全有機気相成長法によれば、結晶品質において高品質のエピタキシャルウエハを、高能率で、製造することができる。とくに窓層にＰを含む化合物半導体を用いるエピタキシャルウエハでは、全有機気相成長法によらない場合、燐原料に起因する成長室内壁への燐化合物の付着が生じるので、メンテナンス（クリーニングまたは取り換え）を確実に行わないと発火等の問題を生じる。しかし、全有機気相成長法では、原料が気相の有機燐化合物なので、このような問題は生じにくい。
【００３０】
本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、受光層上に接して拡散濃度分布調整層を成長し、該拡散濃度分布調整層の成長温度を、受光層の成長温度以下とするのがよい。
これによって、ＲＭＳ値の範囲を１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下にしやすくなる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、キャリア濃度が精度良く制御されることで、高感度かつ低暗電流の、近赤外域〜遠赤外域の受光素子等を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態における受光素子を示す図である。
【図２】図１の受光素子の発明上の特徴（ポイント）を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるエピタキシャルウエハを示す図である。
【図４】製造方法を示すフローチャートである。
【図５】全有機気相成長法の成膜装置の配管系統等を示す図である。
【図６】（ａ）は有機金属分子の流れと温度の流れを示す図であり、（ｂ）は基板表面における有機金属分子の模式図である。
【図７】図１に示す受光素子の製造方法の後半のフローチャートである。
【図８】本発明の受光素子の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子１０を示す断面図である。図１によれば、受光素子１０は、ＩｎＰ基板１の上に次の構成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体積層構造を有する。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２／Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１ＡｓとＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３との多重量子井戸構造（ＭＱＷ）による受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
上記の層のうち、少なくとも受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５からなるエピタキシャル積層体７は、全有機気相成長法で成長するのがよい。
ＩｎＰ窓層５から多重量子井戸構造の受光層３にまでｐ型領域６が位置している。この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。隣のｐ型領域６とは、選択拡散されていない領域によって隔てられており、これによって、各画素Ｐは、互いに独立に受光情報を出力することができる。
【００３４】
ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１に接して位置するバッファ層２の端において露出する表面に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。バッファ層２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。この場合、ＩｎＰ基板１は、ｎ型導電性であっても、また半絶縁性であってもよい。
光は、ＩｎＰ基板１の裏面から入射される。入射光の反射を防止するためにＳｉＯＮ等によるＡＲ（Anti-reflection）膜３５がＩｎＰ基板１の裏面を被覆する。
【００３５】
上記のｐ型領域６の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合１５が形成され、上記のｐ側電極１１およびｎ側電極１２間に逆バイアス電圧を印加することにより、受光層３のｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド）により広く空乏層を生じる。多重量子井戸構造の受光層３におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で１×１０１６ｃｍ−３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合の位置は、多重量子井戸の受光層３のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点で決まる。
拡散濃度分布調整層４内では、ＩｎＰ窓層５の表面から選択拡散されたｐ型不純物の濃度が、ＩｎＰ窓層側における高濃度領域から受光層側にかけて急峻に低下している。このため、受光層３内では、Ｚｎ濃度は５×１０１６ｃｍ−３以下の不純物濃度を容易に実現することができる。
【００３６】
本発明が対象とする受光素子１０は、近赤外域からその長波長側に受光感度を有することを追求するので、窓層には、受光層３のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギの材料を用いるのが好ましい。このため、窓層には、通常、受光層よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合の良い材料であるＩｎＰが用いられる。ＩｎＰとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。
【００３７】
（本実施の形態におけるポイント）
本実施の形態における特徴は、次の点にある。
（１）ＩｎＰ窓層１の表面におけるＲＭＳ値が、１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であること。図２は、図１における受光素子１０のＩｎＰ窓層５の表面を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ:Atomic Force Microscopy）７０によって測定する状況を示す模式図である。ＡＦＭ７０では、カンチレバーホルダー７２に保持されたカンチレバー７１の先端に探針７３が取り付けられ、試料表面の凹凸に応じてカンチレバー７１の傾きを鋭敏に変化させる。このカンチレバー７１の傾きの変化をレーザ光７５によって探知することで、試料表面の凹凸情報をナノオーダーで検知することができる。試料表面のＩｎＰ窓層５の表面の凹凸が測定され、ＲＭＳ値として算出され、装置に自動表示される。このＲＭＳ値は、本発明では、１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下になければならない。
多くの実験から、ｐ型不純物の原料が、半導体内でアクセプタとして機能するような形態で窓層に取り込まれると、ＲＭＳ値は１０ｎｍ未満となり（すなわち滑らかになり）、キャリア濃度を精度良く制御することが難しくなる。またＲＭＳ値が１０ｎｍ以上になると、アクセプタ濃度は上昇しない。このため不純物制御を既定の方針に従って行うことで、高精度のキャリア濃度制御を達成することができる。一方、ＲＭＳ値が４０ｎｍを超えると、通常の場合において平坦性が劣化したときに知られるように、電極の配置などに支障をきたし、やはり高感度で低暗電流の受光素子を得ることができない。
ＲＭＳ値が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の場合、平坦性は従来の受光素子では通常の範囲を逸脱しており、不良の部類にいれてもよい値である。しかしながら、電極やパッシベーション膜等の形成において、手に負えないほどの平坦性ではない。この程度のＲＭＳ値であれば、それほど困難なく、電極やパッシベーション膜を形成することができる。
本発明の独自性は、平坦性が良好または従来の場合（ＲＭＳ値が１０ｎｍ未満の場合）、高精度のキャリア濃度制御ができにくくなることを、明確にした点にある。上述のように平坦性が過度に不良な場合（ＲＭＳ値が４０ｎｍ超の場合）、高感度で低暗電流の受光素子が得られないことは周知である。
（２）ただし、上記（１）の現象を助長するには、基板の方位が重要である。従来から、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板には、オフ基板を用いる。すなわち（００１）面から０．０５〜０．１°オフした面方位の基板を用いる。この理由は、オフ角の表面エネルギ、不可避的な表面欠陥等を考慮すると、熱力学的に、その上に他の層をエピタキシャル成長させやすいからである。
本実施の形態では、しかしながら、オフ基板ではなくジャスト基板を用いるのがよい。ジャスト基板を用いることで、１０ｎｍ≦ＲＭＳ値≦４０ｎｍを実現することが助長され、その結果、キャリア濃度を高い精度で制御することが容易になる。
本実施の形態においては、雰囲気からのｐ型不純物の取り込みが行われるとき、エピタキシャル成長しやすい条件（すなわちオフ基板）であると、上述のように材料中のｐ型不純物は半導体内でアクセプタとして機能する。エピタキシャル成長しにくいジャスト基板を用いることで、製造にともなう不利益要因を克服して、結果的に上記のＲＭＳ値の範囲をもたらす。
【００３８】
次にジャスト基板を用いて図１に示す受光素子１０を製造するとき用いるエピタキシャルウエハのＲＭＳ値について説明する。本実施の形態におけるＩｎＰ窓層１の表面は平坦性が良好とは言い難く、ＲＭＳ値の平均値は２３．４ｎｍであり、また段差（平均値）は９０ｎｍある。このように、ＲＭＳ値が１０ｎｍ以上のとき、ｐ型不純物はアクセプタ濃度を増加させる形態でＩｎＰ窓層１に侵入せず、高精度のキャリア濃度制御ができる。この結果、ｐｎ接合面積が拡大してリーク暗電流が増大するなどの問題を回避することができる。
これに対して、従来の受光素子を製造するときのエピタキシャルウエハは、本実施の形態における対応物の表面に比べて表面の平坦性が良好である。上述のＲＭＳ値は８．３ｎｍであり、かつ段差は３０ｎｍである。明らかに従来のエピタキシャルウエハに比べて、本発明におけるエピタキシャルウエハは平坦性が良くないＩｎＰ窓層１の表面を有する。
上記のＲＭＳ値測定の試験体はエピタキシャルウエハであり、その１００μｍ×１００μｍの領域で測定した平均値である。受光素子の場合には、画素電極と選択拡散マスクパターンとの隙間のＩｎＰ窓層５の表面を測定して平均値を出すのがよい。もしくは、たとえばｐ側電極１１を湿式エッチングにより除去したあと、ＩｎＰ窓層５の表面を、たとえば１０μｍ×１０μｍの領域で測定して平均値を出してもよい。
【００３９】
図３は、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ１ａを示す図である。エピタキシャルウエハ１ａは、本発明においては、選択拡散マスクパターンが形成される前であって、ＩｎＰ窓層１を形成した後の状態であっても該当する。また、選択拡散マスクパターン３６を形成した後、さらにその後Ｚｎ等の選択拡散を行った後であっても該当する。
本実施の形態のエピタキシャルウエハ１ａでは、ＩｎＰ窓層５の表面におけるＲＭＳ値が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下でなければならない。このＲＭＳ値であることで、高精度のキャリア濃度制御を担保することができ、高感度で、かつ低暗電流の受光素子が製造できるエピタキシャルウエハを提供することができる。これは上述のようにジャスト基板を用いることで助長される。
図３に示すエピタキシャルウエハ１ａは、直径２インチであり、（００１）ジャスト基板である。
【００４０】
つぎに製造方法を、図４に従って説明する。まずＩｎＰ基板１を準備し、そのＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰバッファ層２を、たとえば膜厚１５０ｎｍ程度に、エピタキシャル成長させる。ｎ型のドーピングには、ＴｅＥＳｉ（テトラエチルシラン）を用いるのがよい。このときの原料ガスには、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）およびＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）を用いる。このＩｎＰバッファ層２の成長には、無機原料のＰＨ３（ホスフィン）を用いて行っても良い。このＩｎＰバッファ層２の成長では、成長温度を６００℃程度あるいは６００℃程度以下で行っても、下層に位置するＩｎＰ基板の結晶性は６００℃程度の加熱で劣化することはない。
【００４１】
バッファ層２より上の各層の成長は、成長温度を低くでき、成長能率が高い全有機気相成長法によって行う。もちろん、ＩｎＰバッファ層２を全有機気相成長法によって成長してもよく、そのほうが普通である。少なくとも、タイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ３、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４およびＩｎＰ窓層５を、全有機気相成長法によって一貫して同じ成膜室で成長する。このとき、成長温度または基板温度は、温度４００℃以上かつ６００℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。温度４００℃以上かつ５５０℃以下がさらに望ましい。その理由として、この温度範囲より高い成長温度にすると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて相分離を生じ、粗大な凸状表面欠陥の密度が増大するからである。このような粗大な凸状表面欠陥が高密度で発生すると、製造歩留まりを著しく低下する。
４００℃未満の成長温度とすると、凸状表面欠陥の密度は減少するか、またはゼロになるが、全有機気相成長の原料ガスが十分に分解せず、炭素がエピタキシャル層に取り込まれる。原料ガスにおいて金属と結合している炭化水素の炭素である。炭素がエピタキシャル層に混入すると、意図しないｐ型領域が形成され、半導体素子にまで仕上げた状態で、性能劣化を生じる。たとえば受光素子の状態で、暗電流が多く、実用レベルの製品にならない。なお、炭素の取り込みに起因するｐ型領域の拡大は、これまで度々説明してきた、ＲＭＳ値と関係するキャリア濃度の変動とは別の現象である。
ここまでエピタキシャルウエハの製造方法を、図４に基づいて概括的に説明した。このあと各層の成長法について詳細に説明する。
【００４２】
図５に全有機気相成長法の成膜装置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、温度４００℃以上かつ５５０℃以下でＭＱＷを形成する、というときの４００℃以上および５５０℃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。全有機気相成長法は、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５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（Mass Flow Controller: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。
【００４３】
バッファ層２の成長のあと、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを量子井戸のペアとするタイプ２のＭＱＷの受光層３を形成する。量子井戸におけるＧａＡｓＳｂは、膜厚はたとえば５ｎｍ、またＩｎＧａＡｓの膜厚もたとえば５ｎｍとする。ＧａＡｓＳｂの成膜では、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）およびＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）を用いる。また、ＩｎＧａＡｓについては、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、およびＴＢＡｓを用いることができる。これらの原料ガスは、すべて有機金属気体であり、化合物の分子量は大きい。このため、４００℃以上かつ５５０℃以下の比較的低温で完全に分解して、結晶成長に寄与することができる。ＭＱＷの受光層３を全有機気相成長法によって、量子井戸の界面の組成変化を急峻にするすることができる。この結果、高精度の分光測光をすることができる。
【００４４】
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(トリスジメチルアミノアンチモン)でもよい。
【００４５】
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５に示す流量制御器（ＭＦＣ）によって制御された上で、石英管６５への流入をエア駆動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。
【００４６】
図６（ａ）は有機金属分子の流れと温度の流れを示す図であり、図６（ｂ）は基板表面における有機金属分子の模式図である。エピタキシャルウエハ１ａの表面はモニタされる温度とされている。図６（ｂ）に示すような、大サイズの有機金属分子がウエハ表面をかすめて流れるとき、分解して結晶成長に寄与する化合物分子は表面に接触する範囲、および表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲、のものに限られると考えられる。
しかし、エピタキシャルウエハ表面温度または基板温度が、４００℃未満のような過度に低い場合、原料ガスの巨大な分子、とくに炭素が十分に分解・除去されないで、エピタキシャルウエハ１ａに取り込まれる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体中に混入した炭素はｐ型不純物となり、意図しない半導体素子を形成することになる。このため、半導体の本来の機能を低下させ、半導体素子に製造された状態で性能劣化をもたらす。
【００４７】
真空ポンプで強制排気しながら上記ペアの化学組成に適合した原料ガスをエア駆動バルブで切り替えて導入するとき、わずかの慣性をもって先の化学組成の結晶を成長させたあとは、先の原料ガスの影響を受けず、切り替えられた化学組成の結晶を成長させることができる。その結果、ヘテロ界面での組成変化を急峻にすることができる。これは、先の原料ガスが、石英管６５内に実質的に残留しないことを意味している。
ＭＱＷ３を形成する場合、５５０℃を超える温度範囲で成長するとＭＱＷのＧａＡｓＳｂ層に相分離が大規模で起こり、上述の凸状表面欠陥Ｋの密度増加を助長させる。しかし一方で、上記のように、４００℃未満の成長温度とすると、凸状表面欠陥の密度は低くできるか、またはゼロにできるかもしれないが、原料ガスに必然的に含まれる炭素がエピタキシャルウエハ内に取り込まれる。混入した炭素はｐ型不純物として機能するので、半導体素子に仕上げた状態で、製品にならないほどの性能劣化の原因になる。
【００４８】
図４に示すようにＭＱＷの形成からＩｎＰ窓層５の形成まで、全有機気相成長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、もう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、炭素濃度１ｅ１７ｃｍ−３以上、のうちの少なくとも１つが満たされ、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１ｅ１７ｃｍ−３未満である。
【００４９】
本実施の形態では、ＭＱＷの受光層３の上に、たとえば膜厚０．３μｍ程度のノンドープＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４を形成する。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、受光素子の形成の際、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。ｐ型不純物のＺｎ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ＭＱＷの受光層３に届くように選択拡散される。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素子特性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、全有機気相成長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４００℃以上かつ５５０℃以下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は、熱のダメージを受けないか、または比較的小さい熱のダメージのみを受ける。このため、凸状表面欠陥Ｋの密度を実用上許容できるレベルに低下させ、また炭素濃度を低くすることができる。
【００５０】
たとえば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。ＭＱＷ３の成長に適したＭＢＥ法によって当該ＭＱＷ３およびＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４を成長した後、安全性の問題からＩｎＰ窓層５をＭＢＥ法以外の方法によって成長する場合、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となる。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、素子特性を著しく劣化させる。
また、たとえばＩｎＰ窓層を単なる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するおそれが高い。
【００５１】
ここまで図１に示す受光素子の各層のエピタキシャル成長について詳細に説明した。このあと、Ｚｎ等のｐ型不純物の選択拡散工程および電極１１，１２の形成工程について説明する。図７は、図１に示す受光素子１０の製造方法を示すフローチャートである。工程Ｓ１〜Ｓ３は、上述のとおりである。とくにＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の成長温度は、４００℃以上という条件の下、受光層３の成長温度以下とするのがよい。ＲＭＳ値を１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下に入れやすくなるからである。次いで工程Ｓ４〜Ｓ５によって、Ｚｎの選択拡散による画素Ｐの形成、および電極の形成を行う。
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を選択拡散することで形成する。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３６の開口部の間隔を調整することで、ｐ型領域６を隣の画素または側面から所定距離隔てられる。
ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１を、またＩｎＰバッファ層の端の露出している上面にＡｕＧｅＮｉのｎ側電極１２を、それぞれオーミック接触するように設ける。ＩｎＰ基板１はｎ導電型でも、または半絶縁性であってもよい。ただし、ＩｎＰ基板１の裏面にｎ側電極１２を設ける構造であってもよく、この場合はＩｎＰ基板１はｎ導電型でなければならない。
【００５２】
図１には、複数の画素Ｐが配列された受光素子を示した。図８は、単一の画素を含む受光素子１０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示す受光素子１０によって、暗電流などを評価した。
【実施例】
【００５３】
ＲＭＳ値が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下という要件を満たすものを本発明例の試験体とし、また、ＲＭＳ値が１０ｎｍ未満の試験体を比較例として、受光素子を作製して暗電流および波長２μｍにおける受光感度を測定した。
各試験体の条件（（１）基板、（２）ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層の成長温度、（３）ＩｎＧａＡｓ合計膜厚、（４）ＲＭＳ値
＜本発明例Ａ１＞：（１）ジャスト基板（０°）、（２）５００℃、（３）２．３μｍ、（４）２３．４ｎｍ
＜本発明例Ａ２＞：（１）ジャスト基板（０．０５°）、（２）５００℃、（３）２．３μｍ、（４）１２．０ｎｍ
＜本発明例Ａ３＞：（１）ジャスト基板（−０．０５°）、（２）５００℃、（３）２．３μｍ、（４）１０．５ｎｍ
＜本発明例Ａ４＞：（１）ジャスト基板（０°）、（２）４８０℃、（３）２．３μｍ、（４）２９．５ｎｍ
＜本発明例Ａ５＞：（１）ジャスト基板（０°）、（２）４６０℃、（３）２．３μｍ、（４）３８．５ｎｍ
＜本発明例Ａ６＞：（１）ジャスト基板（０°）、（２）５００℃、（３）２．１μｍ、（４）１２．０ｎｍ
本発明例Ａ１〜Ａ６におけるＲＭＳ値は、１０．５ｎｍ〜３８．５ｎｍの範囲にある。一方、比較例Ｂ１〜Ｂ４においてはＲＭＳ値は７．５ｎｍ〜９．５ｎｍと従来の受光素子と同じレベルにある。
＜比較例Ｂ１＞：（１）オフ基板（０．０７°）、（２）５００℃、（３）２．３μｍ、（４）８．３ｎｍ
＜比較例Ｂ２＞：（１）オフ基板（−０．０７°）、（２）５００℃、（３）２．３μｍ、（４）７．５ｎｍ
＜比較例Ｂ３＞：（１）ジャスト基板（０°）、（２）５２０℃、（３）２．３μｍ、（４）９．５ｎｍ
＜比較例Ｂ４＞：（１）オフ基板（０．０７°）、（２）５００℃、（３）２．１、（４）８．０
上記の要件を有するエピタキシャルウエハから図８に示す受光素子を作製して、暗電流（２１３Ｋ、−１．２Ｖ）および波長２μｍにおける感度を測定した。結果を表１に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
表１によれば、本発明例Ａ４では、ＲＭＳ値が２９．５ｎｍであり、暗電流は１ｐＡと最良であり、感度も良好であった。暗電流が、その次に良かったのは、本発明例Ａ１の３ｐＡであった（ＲＭＳ値２３．４ｎｍ）。その他の本発明例Ａ２（ＲＭＳ値１２．０ｎｍ）、Ａ３（ＲＭＳ値１０．５ｎｍ）、Ａ５（ＲＭＳ値３８．５ｎｍ）、Ａ６（ＲＭＳ値１２．０ｎｍ）は、暗電流５ｐＡと同一であった。これより、最も低い暗電流は、ＲＭＳ値が２０ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内で実現される。また、受光感度についても、ＩｎＧａＡｓ合計膜厚が２．１μｍと低い本発明例Ａ６を除いて良好であった。本発明例Ａ６についても、感度はそれほど低くない。
これに対して、従来の受光素子のように１０ｎｍ未満のＲＭＳ値を有する比較例Ｂ１〜Ｂ３の場合、暗電流は１０００ｐＡ〜３０００ｐＡであり、非常に悪い。感度についても、測定不能なほど良くない。また、比較例Ｂ４については、比較例Ｂ１〜Ｂ３よりは好ましい結果であるが、本発明例Ａ１〜Ａ６に比べると、その特性（暗電流および感度）が不良であることは明白である。
【００５６】
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】
【００５７】
本発明によれば、キャリア濃度を高精度に制御することができ、近赤外〜遠赤外域に高い受光感度を持ち、かつ低暗電流を実現する受光素子を得ることができる。この受光素子は窓層表面の平坦性はそれほど良好ではないが、以後の製造工程に支障をきたすほどではなく、高い経済性のもと供給することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１ ＩｎＰ基板、１ａ エピタキシャルウエハ、２ ＩｎＰバッファ層、３ ＭＱＷ受光層、４ ＩｎＧａＡｓ層（拡散濃度分布調整層）、５ ＩｎＰ窓層、６ ｐ型領域、７ 全有機気相成長法で成膜するエピタキシャル層、１０ 受光素子、１１ ｐ側電極（画素電極）、１２ グランド電極（ｎ側電極）、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、６０ 全有機金属気相成長法の成膜装置、６１ 赤外線温度モニタ装置、６３ 反応室、６５ 石英管、６６ 基板テーブル、６６ｈ ヒータ、６９ 反応室の窓、７０ 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、７１ カンチレバ、７２ カンシレバホルダ、７３ 探針、７５ レーザ光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、
前記基板の上に位置し、光を受光するための受光層と、
前記受光層の上に位置し、該受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する窓層と、
少なくとも前記受光層に位置するｐｎ接合とを備え、
前記窓層の表面における二乗平均面粗さ（ＲＭＳ：Root Mean Square）が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする、受光素子。
【請求項２】
前記窓層からの不純物の選択拡散によって形成されたｐｎ接合を備えることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記基板において、該基板の主面である（００１）面からのオフ角がマイナス０．０５°以上プラス０．０５°以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記窓層が燐（Ｐ）を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項５】
前記受光層が、アンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備え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。
【請求項６】
前記窓層が、不純物元素としてアンチモン（Ｓｂ）を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項７】
前記受光層が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１．００）とのペア、または、Ｇａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦１．０、０＜ｖ≦０．２）とＧａＡｓ１−ｗＳｂｗ（０．３６≦ｗ≦１．００）とのペア、からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項８】
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１〜７のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項９】
前記受光層の前記基板と反対側の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる拡散濃度分布調整層を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項１０】
前記受光層がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）を含み、かつ前記拡散濃度分布調整層がＩｎｚＧａ１−ｚＡｓ（０．３８≦ｚ≦１．００）を含み、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓと前記ＩｎｚＧａ１−ｚＡｓの合計膜厚が、２．３μｍ以上であることを特徴とする、請求項９に記載の受光素子。
【請求項１１】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、
前記基板の上に位置し、光を受光するための受光層と、
前記受光層の上に位置し、該受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する窓層とを備え、
前記窓層の表面における二乗平均面粗さ（ＲＭＳ：Root Mean Square）が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする、エピタキシャルウエハ。
【請求項１２】
少なくとも前記受光層に位置するｐｎ接合とを備えることを特徴とする、請求項１１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１３】
前記窓層からの不純物の選択拡散によって形成されたｐｎ接合を備えることを特徴とする、請求項１１または１２に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１４】
前記基板において、該基板の主面である（００１）面からのオフ角が−０．０５°以上＋０．０５°以下であることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１５】
前記窓層が燐（Ｐ）を含むことを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１６】
前記受光層が、アンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えることを特徴とする、請求項１１〜１５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】
前記窓層が、不純物元素としてアンチモン（Ｓｂ）を含むことを特徴とする、請求項１１〜１６のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１８】
前記受光層が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１．００）とのペア、または、Ｇａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦１．０、０＜ｖ≦０．２）とＧａＡｓ１−ｗＳｂｗ（０．３６≦ｗ≦１．００）とのペア、からなることを特徴とする、請求項１１〜１７のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１９】
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１１〜１８のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項２０】
前記受光層の前記基板と反対側の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる拡散濃度分布調整層を備えることを特徴とする、請求項１１〜１９のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項２１】
前記受光層がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）を含み、かつ前記拡散濃度分布調整層がＩｎｚＧａ１−ｚＡｓ（０．３８≦ｚ≦１．００）を含み、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓと前記ＩｎｚＧａ１−ｚＡｓの合計膜厚が、２．３μｍ以上であることを特徴とする、請求項２０に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項２２】
請求項１１〜２１のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハにおける、少なくとも前記受光層および窓層を、全有機気相成長法で成長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２３】
前記受光層上に接して拡散濃度分布調整層を成長し、該拡散濃度分布調整層の成長温度を、前記受光層の成長温度以下とすることを特徴とする、請求項２２に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、
前記基板の上に位置し、光を受光するための受光層と、
前記受光層の上に位置し、該受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する窓層と、
少なくとも前記受光層に位置するｐｎ接合とを備え、
前記窓層の表面における二乗平均面粗さ（ＲＭＳ：Root Mean Square）が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする、受光素子。
【請求項２】
前記窓層からの不純物の選択拡散によって形成されたｐｎ接合を備えることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記基板において、該基板の主面である（００１）面からのオフ角がマイナス０．０５°以上プラス０．０５°以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記窓層が燐（Ｐ）を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項５】
前記受光層が、アンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備え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。
【請求項６】
前記窓層が、不純物元素としてアンチモン（Ｓｂ）を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項７】
前記受光層が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１．００）とのペア、または、Ｇａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦１．０、０＜ｖ≦０．２）とＧａＡｓ１−ｗＳｂｗ（０．３６≦ｗ≦１．００）とのペア、からなることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項８】
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１〜７のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項９】
前記受光層の前記基板と反対側の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる拡散濃度分布調整層を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項１０】
前記受光層がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）を含み、かつ前記拡散濃度分布調整層がＩｎｚＧａ１−ｚＡｓ（０．３８≦ｚ≦１．００）を含み、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓと前記ＩｎｚＧａ１−ｚＡｓの合計膜厚が、２．３μｍ以上であることを特徴とする、請求項９に記載の受光素子。
【請求項１１】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、
前記基板の上に位置し、光を受光するための受光層と、
前記受光層の上に位置し、該受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを有する窓層とを備え、
前記窓層の表面における二乗平均面粗さ（ＲＭＳ：Root Mean Square）が１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする、エピタキシャルウエハ。
【請求項１２】
少なくとも前記受光層に位置するｐｎ接合とを備えることを特徴とする、請求項１１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１３】
前記窓層からの不純物の選択拡散によって形成されたｐｎ接合を備えることを特徴とする、請求項１１または１２に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１４】
前記基板において、該基板の主面である（００１）面からのオフ角が−０．０５°以上＋０．０５°以下であることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１５】
前記窓層が燐（Ｐ）を含むことを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１６】
前記受光層が、アンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えることを特徴とする、請求項１１〜１５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】
前記窓層が、不純物元素としてアンチモン（Ｓｂ）を含むことを特徴とする、請求項１１〜１６のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１８】
前記受光層が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１．００）とのペア、または、Ｇａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦１．０、０＜ｖ≦０．２）とＧａＡｓ１−ｗＳｂｗ（０．３６≦ｗ≦１．００）とのペア、からなることを特徴とする、請求項１１〜１７のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１９】
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１１〜１８のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項２０】
前記受光層の前記基板と反対側の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる拡散濃度分布調整層を備えることを特徴とする、請求項１１〜１９のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項２１】
前記受光層がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１．００）を含み、かつ前記拡散濃度分布調整層がＩｎｚＧａ１−ｚＡｓ（０．３８≦ｚ≦１．００）を含み、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓと前記ＩｎｚＧａ１−ｚＡｓの合計膜厚が、２．３μｍ以上であることを特徴とする、請求項２０に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項２２】
請求項１１〜２１のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハにおける、少なくとも前記受光層および窓層を、全有機気相成長法で成長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２３】
前記受光層上に接して拡散濃度分布調整層を成長し、該拡散濃度分布調整層の成長温度を、前記受光層の成長温度以下とすることを特徴とする、請求項２２に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−９８３８５（Ｐ２０１３−９８３８５Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４０３９６（Ｐ２０１１−２４０３９６）
【出願日】平成２３年１１月１日（２０１１．１１．１）
【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２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１日（２０１１．１１．１）
【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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