受光素子およびその製造方法
【課題】 暗電流を増大させることなく、近赤外の長波長側に受光感度を拡大することができる、受光素子等を提供する。
【解決手段】本発明の受光素子は、ＩｎＰ基板１の上に位置し、ＩｎＧａＡｓ層３ａとＧａＡｓＳｂ層３ｂとが交互に積層されたタイプ２の多重量子井戸構造の受光層３を備え、ＩｎＧａＡｓ層またはＧａＡｓＳｂ層の層内において上面または下面へと、そのＩｎＧａＡｓまたはＧａＡｓＳｂのバンドギャップエネルギが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配が付いていることを特徴とする。
【解決手段】本発明の受光素子は、ＩｎＰ基板１の上に位置し、ＩｎＧａＡｓ層３ａとＧａＡｓＳｂ層３ｂとが交互に積層されたタイプ２の多重量子井戸構造の受光層３を備え、ＩｎＧａＡｓ層またはＧａＡｓＳｂ層の層内において上面または下面へと、そのＩｎＧａＡｓまたはＧａＡｓＳｂのバンドギャップエネルギが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配が付いてい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、受光素子およびその製造方法であって、より具体的には、近赤外域に受光感度を持つタイプ２の多重量子井戸構造（Multi-Quantum Well）において、暗電流を増大させることなく、より一層長波長域にまで受光感度を拡大することができる受光素子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）。
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の半導体素子によるフォトダイオードでは、利用分野を広げるために、受光感度をできるだけ長波長側に拡大したい。しかしながら、タイプ１とタイプ２とを問わずバンドギャップエネルギが小さくなるほど暗電流は増大する傾向にある。とくに暗電流の主成分である拡散電流および生成再結合電流については、バンドギャップが小さくなるほど増大する解析解が得られている。このため、暗電流についてはバンドギャップエネルギ以外の要因を改良しながら、バンドギャップエネルギを小さくすることで受光感度の長波長化をはかる方針が追求されている。
【０００５】
本発明は、暗電流を増大させることなく、近赤外の長波長側に受光感度を拡大することができる、受光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の受光素子は、ＩＩＩ―Ｖ族半導体による受光素子である。この受光素子は、ＩＩＩ―Ｖ族半導体基板の上に位置し、第１の半導体層と第２の半導体層とが交互に積層されたタイプ２の多重量子井戸構造の受光層を備え、第１の半導体層の層内において上面または下面へと、その第１の半導体層のバンドギャップエネルギが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配が付いていることを特徴とする。
【０００７】
上記の構成では、バンドギャップエネルギが小さくなる組成勾配が付いた層の端面（上面または下面）で、そのバンドギャップエネルギは最も小さくなる。すなわち価電子帯は最も高いエネルギ位置をとり伝導帯は最も低いエネルギ位置をとる。このため、第１の半導体層が、タイプ２の多重量子井戸構造において価電子帯が高いほうの層か、または価電子帯が低いほうの層か、に関係なく、タイプ２の遷移における遷移巾（タイプ２遷移におけるエネルギ差）は小さくなる。
すなわち、（１）第１の半導体層が、価電子帯が高いほうの層の場合は、受光の時、当該第１の半導体層の価電子帯の電子は、第２の半導体層の伝導帯へとタイプ２の遷移を行う。このとき当該第１の半導体層の価電子帯は、上述の組成の勾配によってエネルギ位置が高くなっているので、タイプ２の遷移におけるエネルギ差は小さくなる。結果、長波長側への受光感度の拡大がなされる。
また、（２）第１の半導体層が、価電子帯が低いほうの層の場合は、受光の時、当該第２の半導体層の価電子帯の電子が、第１の半導体層の伝導帯へとタイプ２の遷移を行う。このとき当該第１の半導体層の伝導帯は、上述の組成の勾配によってエネルギ位置が低くなっているので、タイプ２の遷移におけるエネルギ差は小さくなる。結果、長波長側への受光感度の拡大がなされる。
要は、第１の半導体層が、価電子帯が高いほうの層でもまたは価電子帯が低いほうの層でも、タイプ２の遷移におけるエネルギ差は小さくなり、感度の長波長化が実現する。
【０００８】
暗電流については次のとおりである。上記の第１の半導体層で最もバンドギャップが小さくなる端面と逆側の端面では、バンドギャップは最も大きくなる。第１の半導体層の平均組成に対応するバンドギャップがこの第１の半導体層における平均的なバンドギャップである。暗電流は、この平均的なバンドギャップエネルギで決まるので、たとえば、第１の半導体層の平均組成を基準として、暗電流を一定基準に保持しながら、一方の端面でのバンドギャップの最小化によって長波長化を実現することができる。
なお、第１の半導体層や第２の半導体層における、第１、第２は積層の順序などとは関係ない。たとえば「第１の」を「一方の」に、「第２の」を「他方の」に置き換えてもよい。また、第１の半導体層は、タイプ２の多重量子井戸構造のバンド構造において価電子帯が高いほうの層でも低いほうの層でもよい。
【０００９】
第２の半導体層内において、第１の半導体層でバンドギャップが小さくなるように勾配が付された端の面に接する面へと当該第２の半導体層のバンドギャップが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配を付けることができる。
上記の構成によって、第２の半導体層においてもバンドギャップを小さくしてその最小化が実現する面を、第１の半導体層においてバンドギャップの最小化が実現している面と、接することができる。このバンドギャップ最小化が実現した面同士を接することで、当該界面では次のバンド構造が実現する。すなわち、価電子帯が高いほうの層におけるその価電子帯はエネルギ位置が高くなり、価電子帯が低いほうの層における伝導帯はエネルギ位置が低くなる。この結果、タイプ２の遷移を伴う受光が生じたとき、価電子帯が高いほうの層の価電子帯にいた電子は、価電子帯が低いほうの層の伝導帯に遷移して、エネルギ差の下限化が実現する。この界面をエネルギ差下限界面と呼ぶ。
第１および第２の半導体層において、上記下限界面と反対側の面では、組成勾配の付け方から、両方の層ともにバンドギャップは最大となる。この界面をエネルギ差上限界面と呼ぶ。エネルギ差下限界面とエネルギ差上限界面とは厚み方向に交互に位置する。
【００１０】
組成の勾配が付された、第１の半導体層および／または第２の半導体層において、バンドギャップが小さくなる極限位置の端面での組成は、それぞれの半導体層の平均組成に対して、格子定数の変化に換算して、格子不整合度が０．２％を超えるようにするのがよい。
これによって、受光素子の感度の範囲を長波長側に拡大しながら、暗電流を低く抑制することができる。
【００１１】
第１の半導体層および／または第２の半導体層における平均組成は、格子定数の変化に換算して、ＩＩＩ―Ｖ族半導体基板との格子不整合度が±１％以内であるようにするのがよい。
これによって、各半導体層のＩＩＩ―Ｖ族半導体基板に対する平均的な格子不整合度を一定の範囲内に制限することができ、厚み方向に組成勾配を付けながらミスフィット転位の発生を防ぐことができる。
【００１２】
第１の半導体層および第２の半導体層のうち、価電子帯のポテンシャルエネルギが高いほうの半導体層に、Ｇａ、ＡｓおよびＳｂのうち少なくとも一つを含むようにするのがよい。
これによって、タイプ２の多重量子井戸構造において、価電子帯の高いほうの半導体層にＧａＡｓＳｂなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。
【００１３】
第１の半導体層および第２の半導体層のうち、価電子帯のポテンシャルエネルギが低いほうの半導体層に、Ｉｎ、ＧａおよびＡｓのうち少なくとも一つを含むようにするのがよい。
これによって、タイプ２の多重量子井戸構造において、価電子帯の低いほうの半導体層にＩｎＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。
【００１４】
多重量子井戸構造において、ＩｎxＧａ１−xＡｓ層における平均組成ｘａｖｅを（０．３８≦ｘａｖｅ≦０．６８）とし、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層における平均組成ｙａｖｅを（０．３６≦ｙａｖｅ≦０．６２）となるように形成するのがよい。
これによって、タイプ２の多重量子井戸構造を形成する際、ＩｎＧａＡｓ層およびＧａＡｓＳｂ層の基板に対する平均的な格子不整合度を一定の範囲内に収めることが可能になり、ミスフィット転位を導入することなく容易に厚み方向に上述の組成勾配を付けることができる。
なお、ＩｎxＧａ１−xＡｓ層における平均組成ｘａｖｅが（０．３８≦ｘａｖｅ≦０．６８）とは、「ＩｎxＧａ１−xＡｓという化学式の表示を有する化合物半導体層において、その中のｘはその化合物半導体層内で厚み方向に勾配が付いていて、当然ながら、厚み方向にわたる平均値ｘａｖｅが存在するが、その平均値ｘａｖｅ
の範囲が、０．３８≦ｘａｖｅ≦０．６８、である。」ということを示している。ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層のｙａｖｅについても同様である。
上記のＩｎxＧａ１−xＡｓ層の平均組成範囲、およびＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層における平均組成範囲を、端から端まで全範囲を利用した場合、上記の端面において３元系の化合物半導体とならない場合が生じる。そのような場合、たとえば端面でＧａＡｓＳｂが形成されずにＧａＳｂが形成される場合であっても、端面においてＧａＳｂ層を積層することになったとしても、１原子層程度であればミスフィット転位を導入することなく半導体層を成長することができる。また、暗電流を増大させることもない。従って上記端面における半導体結晶については、幅広く柔軟に解釈すべきである。
【００１５】
ＩＩＩ―Ｖ族半導体基板をＩｎＰ基板とするのがよい。
これによって入手が容易な大口径のＩｎＰ基板を用いて、効率よく受光素子を大量生産することができる。
【００１６】
本発明の受光素子の製造方法では、ＩＩＩ―Ｖ族半導体による受光素子を製造する。この製造方法は、ＩｎＰ基板の上に、第１の半導体層と第２の半導体層とを交互に積層してタイプ２の多重量子井戸構造の受光層を形成する工程を備え、その多重量子井戸構造の形成工程では、第１の半導体層の層内において上面または下面へと、その第１の半導体層のバンドギャップエネルギが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配を付けることを特徴とする。
この方法によって、暗電流はそのままにして（増大させることなく）、受光域を長波長側に拡大することができる。
【００１７】
多重量子井戸構造の形成工程では、第２の半導体層内において、第１の半導体層でバンドギャップが小さくなるように勾配が付されている端に接する面へと当該第２の半導体層のバンドギャップが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配を付けるのがよい。
これによって、エネルギ差下限界面を簡単に形成することができ、タイプ２の遷移におけるエネルギ差を一層小さくすることができる。その場合、当然、エネルギ差上限界面も交互に形成される。このため平均組成は変化せず、実質的なバンドギャップエネルギも変化しないため、暗電流を低いままに維持することができる。
【００１８】
全有機金属気相成長法により多重量子井戸構造を形成し、第１の半導体層、もしくは第１の半導体層および第２の半導体層に、組成の勾配を付けるとき、全有機金属気相成長法の成長機構に組み込まれているマスフローコントローラ（ＭＦＣ：Mass Flow Controller）を調節することで、組成の勾配を付けるのがよい。
全有機金属気相成長法を用いることで、成長温度を下げることができ、良質のエピタキシャル積層体を得ることができる。また全有機金属気相成長法では、マスフローコントローラによって第１および第２の半導体層の各成分の供給量を調整して組成を意図するように変化させる。マスフローコントローラによる供給量の調整は高精度で正確なので、安定して再現性よく上述の勾配を付けることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の受光素子等によれば、暗電流を低く保ちながら、近赤外の長波長側に受光感度を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】ＭＱＷを構成するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層およびＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の組成の勾配（傾斜）を説明するための図であり、（ａ）は半導体層、（ｂ）はその半導体層内の組成の分布、を示す図である。
【図３】ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの両方ともに組成傾斜がついた場合のバンド構造を示す図である。
【図４】ＧａＡｓＳｂのみに組成傾斜がつきＩｎＧａＡｓ組成はフラットな場合のバンド構造を示す図である。
【図５】全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置の配管系統等を示す図である。
【図６】受光素子５０の製造方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態における受光素子１０を示す図である。受光素子１０は、ＩｎＰ基板１の上に次の構成のＩｎＰ系半導体積層構造（エピタキシャルウエハ）を有する。図１では、光はＩｎＰ基板側から入射されるが、エピタキシャル側から入射してもよい。なお、多重量子井戸構造をＭＱＷ（Multi Quantum Well）と略記する。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓバッファ層２／タイプ２（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から深さ方向に延びる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。受光素子１０の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入されるという形態は、上記ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６を用いて選択拡散することによって達せられる。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。この場合、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。ＩｎＰ基板１の裏面には、またＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射する構造となっている。タイプ２ＭＱＷの受光層３には、上記のｐ型領域６の境界フロントにｐｎ接合が形成され、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、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。ＭＱＷ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５Ｅ１５ｃｍ−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は、受光層３を構成するＭＱＷ内でのｐ型不純物の濃度分布を調整するために配置されるが、拡散濃度分布調整層４はなくてもよい。受光層３内では、Ｚｎ濃度は５Ｅ１６ｃｍ−３以下にするのがよい。
【００２２】
図２は、受光層３におけるタイプ２のＭＱＷを構成するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａおよびＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの組成の勾配（傾斜）を説明するための図である。図２（ａ）は半導体層３ａ，３ｂを示し、（ｂ）は半導体層３ａ，３ｂ内の組成ｘ，ｙの分布を示す図である。ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの組成ｘは、図２（ｂ）に示すように厚み中央で０．５３であり、また、平均組成ｘａｖｅは、０．５３であり、ＩｎＰと格子整合しているが、界面Ｋでは０．６３近くに上昇している。ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの逆側、すなわち界面Ｌではｘ＝０．４３付近に減少している。要するにＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの層内で組成ｘは、界面Ｌにおける０．４３付近から界面Ｋにおける０．６３付近にまで上昇している。
一方、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの組成ｙは、厚み中央でｙ＝０．４９付近であり、また、平均組成ｙａｖｅは、０．４９であり、ＩｎＰと格子整合しているが、界面Ｋに向かって組成ｙは０．５５付近にまで上昇する。ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの層内では、組成ｙは界面Ｌでの０．４３から界面Ｋにおける０．５５付近へと増大する。
なお、図２（ａ），（ｂ）では、組成ｘ，ｙともに厚み方向にリニアに変化するように描いており、厚み中央での組成と平均組成が一致しているが、組成勾配の線形性は必須ではなく、ステップ状に増大してもよいし、波打ちながらまたはリップルを伴いながらマクロ的に組成の勾配が認められればよい。よって、厚み中央での組成と平均組成は必ずしも一致する訳ではない。
【００２３】
図３は、図２に示す組成ｘ，ｙの勾配が付いたＭＱＷのバンド構造を示す。ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａは成長方向（上面に向かう厚み方向）にＩｎ組成ｘが減少している。これに対してＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂでは成長方向にＳｂ組成ｙが増大している。このような組成傾斜によって、図２および３に示すように、界面Ｋ，Ｌができる。界面Ｋでは、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの組成ｘも、またＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの組成ｙも、最大値をとる。この組成変化を受けて、図３に示すように、界面Ｋに向かって両側の半導体層のバンドギャップは減少する。タイプ２の遷移では、価電子帯が高いほうのＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯の電子が、光のエネルギを吸収してＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの伝導帯に遷移する。このタイプ２の遷移によって、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯には正孔が、またＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの伝導帯には電子が、対をなすように生成する（正孔・電子対の生成）。この界面ＫにおけるＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯と、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの伝導帯とのエネルギ差が最小エネルギΔＥｍｉｎであり、対応する光の波長は長波長の限界λｍａｘとなる。上記の界面Ｋを、エネルギ差下限界面と呼ぶことができる。また、これとは逆に界面Ｌをエネルギ差上限界面と呼ぶことができる。
【００２４】
上記したように、本発明の実施の形態におけるポイントをまとめると次のとおりである。
１．長波長化：
上記のＭＱＷでは、半導体層においてバンドギャップエネルギが小さくなる組成勾配が付いた層の端面（上面または下面）で、そのバンドギャップエネルギは最も小さくなる。すなわち、その端面では、半導体層内で価電子帯は最も高いエネルギ位置をとり、かつ伝導帯は最も低いエネルギ位置をとる。このため、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａおよびＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの両方のバンドギャップが小さくなる端面が接する界面Ｋでは、価電子帯と伝導帯とが最も接近する。ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの価電子帯よりも高いエネルギ位置にあるので、上限の長波長の光を受光するとき、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯の電子がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの伝導帯へとタイプ２の遷移をしてＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯には正孔が生じる。このときの最小エネルギ差ΔＥｍｉｎを図３に示す。ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂにおいて価電子帯が最も高くなる位置に正孔が存在する確率は、バンドのポテンシャル上（正孔に対しては上下逆のポテンシャルになる）、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの層内では大きく、かつＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの伝導帯では最も低くなる位置に電子が位置する確率は、ポテンシャル上、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの層内では大きい。このため、受光によって正孔／電子のペアが生成する確率は高くなる。換言すればこのタイプ２の受光効率は高い。
ＭＱＷを形成する半導体層の層内全体のバンドギャップが一様に小さくならなくても、図３に示すように半導体層の端の面付近でバンドギャップエネルギが小さくなれば、カットオフ波長は長波長側に確実に拡大される。言い換えれば、受光素子の受光域を長波長側に拡大することができる。
２．暗電流
図３に、半導体層３ａ，３ｂの平均組成に対応する価電子帯および伝導帯を破線で示す。この破線は、ＩｎＰに格子整合する組成の場合のバンド構造の価電子帯または伝導帯とみることができる。図３によれば、各半導体層で最もバンドギャップが小さくなる端面と逆側の端面（すなわち界面Ｌ）では、バンドギャップは最も大きくなる。上記のように界面Ｋではバンドギャップは最も小さくなる。半導体層の平均組成に対応するバンドギャップがこの半導体層における平均的なバンドギャップである。暗電流は、この平均的なバンドギャップエネルギに対応して決まる。このため、半導体層の平均組成を基準として、暗電流を一定基準に保持しながら、一方の端面（エネルギ差下限界面Ｋ）でのバンドギャップの最小化によって長波長化を実現することができる。
【００２５】
図４は、本発明の実施の形態１の受光層におけるバンド構造（図３）に対して変形した変形例を示す図である。この図４に示す変形例の受光層３を持つ受光素子も本発明の受光素子である。図３に示すバンド構造は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａおよびＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの両方の組成ｘ，ｙが共に、界面Ｋに向かって増大する傾斜組成を有していた。しかし、図４の変形例では、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの層内でのみ界面Ｋに向かって組成ｙが増大する傾斜組成をもち、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａは層内に傾斜組成はない。この図４の場合、界面Ｋにおいて、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯は高くなるが、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの伝導帯はフラットなので、エネルギ差ΔＥｍｉｎは、図３に示す場合ほど小さくならない。しかし、両方の層３ａ３ｂともに傾斜組成がない場合に比べて、確実にタイプ２の遷移におけるエネルギ差を小さくでき、受光域の長波長化に寄与することができる。
【００２６】
図５に全有機気相金属成長法の成膜装置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。成膜途中のウエハ５０ａ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５６０℃以下でＭＱＷを形成する、というときの４００℃以上および５６０℃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。
【００２７】
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。このため傾斜組成を高い精度で形成することができる。図３では、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。このためＩｎＧａＡｓ層３ａおよびＧａＡｓＳｂ層３ｂの傾斜組成の形成を精度良く行うことができる。
【００２８】
ＩｎＰ基板１上に受光層３を含む半導体積層構造を形成する方法について説明する。まず、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板１に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を、膜厚１５０ｎｍ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。しかし、同じくＰを含むＩｎＰ窓層５を形成するときには、下層にＧａＡｓ０．５７Ｓｂ．４３を含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ５６０℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃程度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化すること、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰ窓層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰ層内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰ窓層５を得られないこと、をあげることができる。
バッファ層２は、ＩｎＰ層だけでもよいが、所定の場合には、そのＩｎＰバッファ層の上に、ｎ型ドープしたＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層を、膜厚０．１５μｍ（１５０ｎｍ）に成長してもよい。このＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層も図１中ではバッファ層２に含まれる。
【００２９】
次いで、傾斜組成の付いたＩｎＧａＡｓ３ａ／ＧａＡｓＳｂ３ｂ、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ＩｎＧａＡｓ３ａおよびＧａＡｓＳｂ３ｂの膜厚は、たとえば３ｎｍ以上１０ｎｍ以下とするのがよい。図１では、５０ペア〜３００ペアと表示してあるが、タイプ２の遷移を重視するので２００〜２５０ペア程度とするのがよい。ＧａＡｓＳｂ３ｂの成膜では、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、ターシャリーブチルアルシン（ＴＢＡｓ）およびトリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）を用いる。組成ｙの勾配は、当該ＧａＡｓＳｂ３ｂの成長につれて、ＴＢＡｓを減少させつつＴＭＳｂを補うように増やすことで付けることができる。ＭＦＣによって流量を時間に沿って精度よく調整できるので組成勾配の形成は容易である。
また、ＩｎＧａＡｓ３ａについては、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、およびＴＢＡｓを用いることができる。Ｉｎ組成ｘの勾配付与は、ＴＥＧａとＴＭＩｎとを相補的に経時的に増減させて行うことができる。
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５６０℃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。この結果、成膜温度から室温までの温度差を小さくすることができ、受光素子１０内の各材料の熱膨張差に起因する歪を小さくでき、格子欠陥密度を小さく抑えることができる。これは暗電流の抑制に有効である。
【００３０】
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の不純物濃度が小さく、その結晶性に優れた半導体素子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。
【００３１】
次に、全有機金属気相成長法によって、多重量子井戸構造３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に供給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。
【００３２】
傾斜組成を付ける場合、ＭＦＣを、成長途中の膜厚に応じて制御することで容易に実現できる。たとえばＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ３ａの成長では、ＭＦＣの制御は、たとえば、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）と、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）とを、一方のＴＥＩｎは時間当たり一定割合で減らしながら、他方のＴＥＧａはそれに応じて増やしながら、両者の和は一定を保つようにしてもよいし、一方の原料のみを増加または減少させるようにしてもよい。また、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ３ｂの成長では、たとえば、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）と、ＴＩＰＳｂ(トリイソプロピルアンチモン)とを、一方のＴＩＰＳｂは時間当たり一定割合で増やしながら、他方のＴＢＡｓはそれに応じて減らしながら、両者の和は一定を保つように、ＭＦＣを制御してもよいし、一方の原料のみを増加または減少させるように制御してもよい。
【００３３】
図５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、ウエハ５０ａは、基板テーブル６６上を公転するので、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスの流れは、乱流状態にあり、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスであっても、ウエハ５０ａ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からウエハ５０ａ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。このため、ウエハ５０ａから表面を経て原料ガス空間へと、垂直方向に大きな温度勾配または温度段差が発生する。
さらに、本発明の実施の形態では、基板温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という低温域に加熱される。このような低温域の基板表面温度でＴＢＡｓなどを原料とした全有機金属気相成長法を用いる場合、その原料の分解効率が良いので、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスで多重量子井戸構造の成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られる。
【００３４】
ウエハ５０ａの表面はモニタされる温度とされているが、ウエハ表面から少し原料ガス空間に入ると、上述のように、急激に温度低下または大きな温度段差が生じる。このため分解温度がＴ１℃の原料ガスの場合、基板表面温度は、（Ｔ１＋α）に設定し、このαは、温度分布のばらつき等を考慮して決める。ウエハ５０ａ表面から原料ガス空間にかけて急激で大きな温度降下または温度段差がある状況において、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。したがって、ウエハ表面に接する範囲の有機金属分子、および、ウエハ表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲以内に位置する分子、が、主として、結晶成長に寄与して、それより外側の有機金属分子は、ほとんど分解せずに石英管６５の外に排出される、と考えられる。ウエハ５０ａの表面付近の有機金属分子が分解して結晶成長したとき、外側に位置する有機金属分子が補充に入る。
逆に考えると、ウエハ表面温度を有機金属分子が分解する温度よりほんのわずかに高くすることで、結晶成長に参加できる有機金属分子の範囲をウエハ５０ａ表面上の薄い原料ガス層に限定することができる。
【００３５】
上記のことから、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電磁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おり、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスで多重量子井戸構造の成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られることに起因する。すなわち、量子井戸の一方の層を形成させたあと、真空ポンプで強制排気しながら電磁バルブを開閉して、他方の層を形成する原料ガスを導入したとき、少しの慣性をもって結晶成長に参加する有機金属分子はいるが、その補充をする一方の層の分子はほとんど排気されて、なくなっている。ウエハ表面温度を、有機金属分子の分解温度に近づけるほど、結晶成長に参加する有機金属分子の範囲（ウエハ表面からの範囲）は小さくなる。
この多重量子井戸構造を形成する場合、６００℃程度の温度範囲で成長すると多重量子井戸構造のＧａＡｓＳｂ層に相分離が起こり、清浄で平坦性に優れた多重量子井戸構造の結晶成長表面、および、優れた周期性と結晶性を有する多重量子井戸構造を得ることができない。このことから、成長温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という温度範囲にするが、この成膜法を全有機金属気相成長法にして、原料ガスすべてを分解効率の良い有機金属気体にすることが重要である。
【００３６】
＜受光素子の製造方法＞
図６は、受光素子の製造方法のフローチャートである。図１に示した受光素子１０では、タイプ２ＭＱＷの受光層３の上には、ＩｎＰに格子整合するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４が位置し、そのＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４の上にＩｎＰ窓層５が位置している。ＩｎＰ窓層５の表面に設けた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が選択拡散されてｐ型領域６が設けられる。そのｐ型領域６の先端部にｐｎ接合またはｐｉ接合が形成される。このｐｎ接合またはｐｉ接合に、逆バイアス電圧を印加して空乏層を形成して、光電子変換による電荷を捕捉して、電荷量に画素の明るさを対応させる。ｐ型領域６またはｐｎ接合もしくはｐｉ接合は、画素を構成する主要部である。ｐ型領域６にオーミック接触するｐ側電極１１は画素電極であり、接地電位にされるｎ側電極１２との間で、上記の電荷を画素ごとに読み出す。ｐ型領域６の周囲の、ＩｎＰ窓層表面には、上記の選択拡散マスクパターン３６がそのまま残される。さらに図示しないＳｉＯＮ等の保護膜が被覆される。選択拡散マスクパターン３６をそのまま残すのは、ｐ型領域６を形成したあと、これを除いて大気中に暴露すると、コンタクト層表面のｐ型領域との境界に表面準位が形成され、暗電流が増大するからである。
上述のようにＭＱＷを形成したあと、ＩｎＰ窓層５の形成まで、全有機金属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、一つのポイントになる。すなわち、ＩｎＰ窓層５の形成の前に、成膜室からウエハ５０ａ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点が一つのポイントである。すなわち、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。このため、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。また界面１６においても格子欠陥密度は低く抑えられる。
【００３７】
本実施の形態では、ＭＱＷの受光層３の上に、たとえば膜厚１．０μｍのノンドープＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布層４を形成する。このＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ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Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ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。
上記の選択拡散によってｐ型領域６が形成され、その先端部にｐｎ接合またはｐｉ接合が形成される。Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４を挿入した場合であっても、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ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。
Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４の上に、同じ石英管６５内にウエハ５０ａを配置したまま連続して、アンドープのＩｎＰ窓層５を、全有機金属気相成長法によってたとえば膜厚０．８μｍ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５６０℃以下に、さらには５３５℃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が熱のダメージを受けることがなく、ＭＱＷの結晶性が害されることがない。ＩｎＰ窓層５を形成するときには、下層にＧａＡｓＳｂを含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ５６０℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃程度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化する点、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰ窓層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰ窓層５内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰ窓層５を得られない点があげられる。
【００３８】
上記したように、従来は、ＭＱＷをＭＢＥ法によって形成する必要があった。ところが、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。
本発明前は、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層とＩｎＰ窓層との界面は、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ＭＯＶＰＥ法（全有機ではない有機金属気相成長法）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の結晶性を害することとなる。
【実施例】
【００３９】
バンド構造の計算機シミュレーションによって、図２〜図４に示す傾斜組成によって、どの程度の長波長化が実現されるか検証した。検証したケースは、表１に示すように、次の３つのケースである。
（ケース１：表１の最上段）：
ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂに傾斜組成、しかし、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａはＩｎＰに格子整合するフラットな組成。本発明の実施の形態の説明における図４の構成に相当する。Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓが、格子不整合度ゼロの組成である。
（ケース２：表１の中段）：
ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂおよびＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの両方に傾斜組成。ただしＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの層内におけるｘのレンジは、０．４８／０．５８と控えめとした。このときのＩｎＧａＡｓの格子不整合度は±０．４０％である。
（ケース３：表１の最下段）：
ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂおよびＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの両方に傾斜組成。ただしＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの層内におけるｘのレンジは、０．４３／０．６３と大きくした。このときのＩｎＧａＡｓの格子不整合度は±０．６６％である。
上記の３つのケースについて、受光域の波長上限（カットオフ波長＝λｍａｘ）の長波長化の度合いを求めた。
結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１によれば、上記実施の形態の図４に対応するバンド構造を有するケース１において、受光域が１００ｎｍ程度長波長側に拡大する。また、ケース３では、受光域は２００ｎｍ程度長波長側に拡大する。たとえば、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２のＭＱＷによって上限波長２μｍまで受光できていたものを、本発明に属するケース３の適用によって、上限波長２．２μｍまで拡大することができる。このような上限波長の拡大は、検査対象における吸収帯の波長によっては有用性を飛躍的に増大することができる。
【００４２】
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】
【００４３】
本発明の受光素子によれば、暗電流を増大させることなく、近赤外の長波長側に受光感度を拡大することができ、検査対象によっては有用性の飛躍的な増大の原動力になりうる。
【符号の説明】
【００４４】
１ ＩｎＰ基板、２ バッファ層（ＩｎＰおよび／またはＩｎＧａＡｓ）、３タイプ２ＭＱＷ受光層、３ａ ＩｎＧａＡｓ層、３ｂ ＧａＡｓＳｂ層、４ ＩｎＧａＡｓ層（拡散濃度分布調整層）、５ ＩｎＰ窓層、６ ｐ型領域、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、２０ 赤外線温度モニタ装置、２１ 反応室の窓、３０ 反応室、３５ ＡＲ（反射防止）膜、３６ 選択拡散マスクパターン、３９ 接合バンプ、４３ 保護膜（ＳｉＯＮ膜）、５０ 受光素子（受光素子アレイ）、５０ａ ウエハ（中間製品）、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、６９ 反応室の窓、６６ 基板テーブル、６６ｈ ヒータ、Ｋ エネルギ差下限（最小）界面、Ｌ エネルギ差上限（最大）界面。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子およびその製造方法であって、より具体的には、近赤外域に受光感度を持つタイプ２の多重量子井戸構造（Multi-Quantum Well）において、暗電流を増大させることなく、より一層長波長域にまで受光感度を拡大することができる受光素子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）。
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の半導体素子によるフォトダイオードでは、利用分野を広げるために、受光感度をできるだけ長波長側に拡大したい。しかしながら、タイプ１とタイプ２とを問わずバンドギャップエネルギが小さくなるほど暗電流は増大する傾向にある。とくに暗電流の主成分である拡散電流および生成再結合電流については、バンドギャップが小さくなるほど増大する解析解が得られている。このため、暗電流についてはバンドギャップエネルギ以外の要因を改良しながら、バンドギャップエネルギを小さくすることで受光感度の長波長化をはかる方針が追求されている。
【０００５】
本発明は、暗電流を増大させることなく、近赤外の長波長側に受光感度を拡大することができる、受光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の受光素子は、ＩＩＩ―Ｖ族半導体による受光素子である。この受光素子は、ＩＩＩ―Ｖ族半導体基板の上に位置し、第１の半導体層と第２の半導体層とが交互に積層されたタイプ２の多重量子井戸構造の受光層を備え、第１の半導体層の層内において上面または下面へと、その第１の半導体層のバンドギャップエネルギが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配が付いていることを特徴とする。
【０００７】
上記の構成では、バンドギャップエネルギが小さくなる組成勾配が付いた層の端面（上面または下面）で、そのバンドギャップエネルギは最も小さくなる。すなわち価電子帯は最も高いエネルギ位置をとり伝導帯は最も低いエネルギ位置をとる。このため、第１の半導体層が、タイプ２の多重量子井戸構造において価電子帯が高いほうの層か、または価電子帯が低いほうの層か、に関係なく、タイプ２の遷移における遷移巾（タイプ２遷移におけるエネルギ差）は小さくなる。
すなわち、（１）第１の半導体層が、価電子帯が高いほうの層の場合は、受光の時、当該第１の半導体層の価電子帯の電子は、第２の半導体層の伝導帯へとタイプ２の遷移を行う。このとき当該第１の半導体層の価電子帯は、上述の組成の勾配によってエネルギ位置が高くなっているので、タイプ２の遷移におけるエネルギ差は小さくなる。結果、長波長側への受光感度の拡大がなされる。
また、（２）第１の半導体層が、価電子帯が低いほうの層の場合は、受光の時、当該第２の半導体層の価電子帯の電子が、第１の半導体層の伝導帯へとタイプ２の遷移を行う。このとき当該第１の半導体層の伝導帯は、上述の組成の勾配によってエネルギ位置が低くなっているので、タイプ２の遷移におけるエネルギ差は小さくなる。結果、長波長側への受光感度の拡大がなされる。
要は、第１の半導体層が、価電子帯が高いほうの層でもまたは価電子帯が低いほうの層でも、タイプ２の遷移におけるエネルギ差は小さくなり、感度の長波長化が実現する。
【０００８】
暗電流については次のとおりである。上記の第１の半導体層で最もバンドギャップが小さくなる端面と逆側の端面では、バンドギャップは最も大きくなる。第１の半導体層の平均組成に対応するバンドギャップがこの第１の半導体層における平均的なバンドギャップである。暗電流は、この平均的なバンドギャップエネルギで決まるので、たとえば、第１の半導体層の平均組成を基準として、暗電流を一定基準に保持しながら、一方の端面でのバンドギャップの最小化によって長波長化を実現することができる。
なお、第１の半導体層や第２の半導体層における、第１、第２は積層の順序などとは関係ない。たとえば「第１の」を「一方の」に、「第２の」を「他方の」に置き換えてもよい。また、第１の半導体層は、タイプ２の多重量子井戸構造のバンド構造において価電子帯が高いほうの層でも低いほうの層でもよい。
【０００９】
第２の半導体層内において、第１の半導体層でバンドギャップが小さくなるように勾配が付された端の面に接する面へと当該第２の半導体層のバンドギャップが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配を付けることができる。
上記の構成によって、第２の半導体層においてもバンドギャップを小さくしてその最小化が実現する面を、第１の半導体層においてバンドギャップの最小化が実現している面と、接することができる。このバンドギャップ最小化が実現した面同士を接することで、当該界面では次のバンド構造が実現する。すなわち、価電子帯が高いほうの層におけるその価電子帯はエネルギ位置が高くなり、価電子帯が低いほうの層における伝導帯はエネルギ位置が低くなる。この結果、タイプ２の遷移を伴う受光が生じたとき、価電子帯が高いほうの層の価電子帯にいた電子は、価電子帯が低いほうの層の伝導帯に遷移して、エネルギ差の下限化が実現する。この界面をエネルギ差下限界面と呼ぶ。
第１および第２の半導体層において、上記下限界面と反対側の面では、組成勾配の付け方から、両方の層ともにバンドギャップは最大となる。この界面をエネルギ差上限界面と呼ぶ。エネルギ差下限界面とエネルギ差上限界面とは厚み方向に交互に位置する。
【００１０】
組成の勾配が付された、第１の半導体層および／または第２の半導体層において、バンドギャップが小さくなる極限位置の端面での組成は、それぞれの半導体層の平均組成に対して、格子定数の変化に換算して、格子不整合度が０．２％を超えるようにするのがよい。
これによって、受光素子の感度の範囲を長波長側に拡大しながら、暗電流を低く抑制することができる。
【００１１】
第１の半導体層および／または第２の半導体層における平均組成は、格子定数の変化に換算して、ＩＩＩ―Ｖ族半導体基板との格子不整合度が±１％以内であるようにするのがよい。
これによって、各半導体層のＩＩＩ―Ｖ族半導体基板に対する平均的な格子不整合度を一定の範囲内に制限することができ、厚み方向に組成勾配を付けながらミスフィット転位の発生を防ぐことができる。
【００１２】
第１の半導体層および第２の半導体層のうち、価電子帯のポテンシャルエネルギが高いほうの半導体層に、Ｇａ、ＡｓおよびＳｂのうち少なくとも一つを含むようにするのがよい。
これによって、タイプ２の多重量子井戸構造において、価電子帯の高いほうの半導体層にＧａＡｓＳｂなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。
【００１３】
第１の半導体層および第２の半導体層のうち、価電子帯のポテンシャルエネルギが低いほうの半導体層に、Ｉｎ、ＧａおよびＡｓのうち少なくとも一つを含むようにするのがよい。
これによって、タイプ２の多重量子井戸構造において、価電子帯の低いほうの半導体層にＩｎＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることができる。
【００１４】
多重量子井戸構造において、ＩｎxＧａ１−xＡｓ層における平均組成ｘａｖｅを（０．３８≦ｘａｖｅ≦０．６８）とし、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層における平均組成ｙａｖｅを（０．３６≦ｙａｖｅ≦０．６２）となるように形成するのがよい。
これによって、タイプ２の多重量子井戸構造を形成する際、ＩｎＧａＡｓ層およびＧａＡｓＳｂ層の基板に対する平均的な格子不整合度を一定の範囲内に収めることが可能になり、ミスフィット転位を導入することなく容易に厚み方向に上述の組成勾配を付けることができる。
なお、ＩｎxＧａ１−xＡｓ層における平均組成ｘａｖｅが（０．３８≦ｘａｖｅ≦０．６８）とは、「ＩｎxＧａ１−xＡｓという化学式の表示を有する化合物半導体層において、その中のｘはその化合物半導体層内で厚み方向に勾配が付いていて、当然ながら、厚み方向にわたる平均値ｘａｖｅが存在するが、その平均値ｘａｖｅ
の範囲が、０．３８≦ｘａｖｅ≦０．６８、である。」ということを示している。ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層のｙａｖｅについても同様である。
上記のＩｎxＧａ１−xＡｓ層の平均組成範囲、およびＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層における平均組成範囲を、端から端まで全範囲を利用した場合、上記の端面において３元系の化合物半導体とならない場合が生じる。そのような場合、たとえば端面でＧａＡｓＳｂが形成されずにＧａＳｂが形成される場合であっても、端面においてＧａＳｂ層を積層することになったとしても、１原子層程度であればミスフィット転位を導入することなく半導体層を成長することができる。また、暗電流を増大させることもない。従って上記端面における半導体結晶については、幅広く柔軟に解釈すべきである。
【００１５】
ＩＩＩ―Ｖ族半導体基板をＩｎＰ基板とするのがよい。
これによって入手が容易な大口径のＩｎＰ基板を用いて、効率よく受光素子を大量生産することができる。
【００１６】
本発明の受光素子の製造方法では、ＩＩＩ―Ｖ族半導体による受光素子を製造する。この製造方法は、ＩｎＰ基板の上に、第１の半導体層と第２の半導体層とを交互に積層してタイプ２の多重量子井戸構造の受光層を形成する工程を備え、その多重量子井戸構造の形成工程では、第１の半導体層の層内において上面または下面へと、その第１の半導体層のバンドギャップエネルギが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配を付けることを特徴とする。
この方法によって、暗電流はそのままにして（増大させることなく）、受光域を長波長側に拡大することができる。
【００１７】
多重量子井戸構造の形成工程では、第２の半導体層内において、第１の半導体層でバンドギャップが小さくなるように勾配が付されている端に接する面へと当該第２の半導体層のバンドギャップが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配を付けるのがよい。
これによって、エネルギ差下限界面を簡単に形成することができ、タイプ２の遷移におけるエネルギ差を一層小さくすることができる。その場合、当然、エネルギ差上限界面も交互に形成される。このため平均組成は変化せず、実質的なバンドギャップエネルギも変化しないため、暗電流を低いままに維持することができる。
【００１８】
全有機金属気相成長法により多重量子井戸構造を形成し、第１の半導体層、もしくは第１の半導体層および第２の半導体層に、組成の勾配を付けるとき、全有機金属気相成長法の成長機構に組み込まれているマスフローコントローラ（ＭＦＣ：Mass Flow Controller）を調節することで、組成の勾配を付けるのがよい。
全有機金属気相成長法を用いることで、成長温度を下げることができ、良質のエピタキシャル積層体を得ることができる。また全有機金属気相成長法では、マスフローコントローラによって第１および第２の半導体層の各成分の供給量を調整して組成を意図するように変化させる。マスフローコントローラによる供給量の調整は高精度で正確なので、安定して再現性よく上述の勾配を付けることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の受光素子等によれば、暗電流を低く保ちながら、近赤外の長波長側に受光感度を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】ＭＱＷを構成するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層およびＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層の組成の勾配（傾斜）を説明するための図であり、（ａ）は半導体層、（ｂ）はその半導体層内の組成の分布、を示す図である。
【図３】ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの両方ともに組成傾斜がついた場合のバンド構造を示す図である。
【図４】ＧａＡｓＳｂのみに組成傾斜がつきＩｎＧａＡｓ組成はフラットな場合のバンド構造を示す図である。
【図５】全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置の配管系統等を示す図である。
【図６】受光素子５０の製造方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態における受光素子１０を示す図である。受光素子１０は、ＩｎＰ基板１の上に次の構成のＩｎＰ系半導体積層構造（エピタキシャルウエハ）を有する。図１では、光はＩｎＰ基板側から入射されるが、エピタキシャル側から入射してもよい。なお、多重量子井戸構造をＭＱＷ（Multi Quantum Well）と略記する。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓバッファ層２／タイプ２（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から深さ方向に延びる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。受光素子１０の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入されるという形態は、上記ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６を用いて選択拡散することによって達せられる。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。この場合、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。ＩｎＰ基板１の裏面には、またＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射する構造となっている。タイプ２ＭＱＷの受光層３には、上記のｐ型領域６の境界フロントにｐｎ接合が形成され、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、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。ＭＱＷ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５Ｅ１５ｃｍ−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は、受光層３を構成するＭＱＷ内でのｐ型不純物の濃度分布を調整するために配置されるが、拡散濃度分布調整層４はなくてもよい。受光層３内では、Ｚｎ濃度は５Ｅ１６ｃｍ−３以下にするのがよい。
【００２２】
図２は、受光層３におけるタイプ２のＭＱＷを構成するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａおよびＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの組成の勾配（傾斜）を説明するための図である。図２（ａ）は半導体層３ａ，３ｂを示し、（ｂ）は半導体層３ａ，３ｂ内の組成ｘ，ｙの分布を示す図である。ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの組成ｘは、図２（ｂ）に示すように厚み中央で０．５３であり、また、平均組成ｘａｖｅは、０．５３であり、ＩｎＰと格子整合しているが、界面Ｋでは０．６３近くに上昇している。ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの逆側、すなわち界面Ｌではｘ＝０．４３付近に減少している。要するにＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの層内で組成ｘは、界面Ｌにおける０．４３付近から界面Ｋにおける０．６３付近にまで上昇している。
一方、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの組成ｙは、厚み中央でｙ＝０．４９付近であり、また、平均組成ｙａｖｅは、０．４９であり、ＩｎＰと格子整合しているが、界面Ｋに向かって組成ｙは０．５５付近にまで上昇する。ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの層内では、組成ｙは界面Ｌでの０．４３から界面Ｋにおける０．５５付近へと増大する。
なお、図２（ａ），（ｂ）では、組成ｘ，ｙともに厚み方向にリニアに変化するように描いており、厚み中央での組成と平均組成が一致しているが、組成勾配の線形性は必須ではなく、ステップ状に増大してもよいし、波打ちながらまたはリップルを伴いながらマクロ的に組成の勾配が認められればよい。よって、厚み中央での組成と平均組成は必ずしも一致する訳ではない。
【００２３】
図３は、図２に示す組成ｘ，ｙの勾配が付いたＭＱＷのバンド構造を示す。ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａは成長方向（上面に向かう厚み方向）にＩｎ組成ｘが減少している。これに対してＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂでは成長方向にＳｂ組成ｙが増大している。このような組成傾斜によって、図２および３に示すように、界面Ｋ，Ｌができる。界面Ｋでは、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの組成ｘも、またＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの組成ｙも、最大値をとる。この組成変化を受けて、図３に示すように、界面Ｋに向かって両側の半導体層のバンドギャップは減少する。タイプ２の遷移では、価電子帯が高いほうのＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯の電子が、光のエネルギを吸収してＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの伝導帯に遷移する。このタイプ２の遷移によって、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯には正孔が、またＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの伝導帯には電子が、対をなすように生成する（正孔・電子対の生成）。この界面ＫにおけるＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯と、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの伝導帯とのエネルギ差が最小エネルギΔＥｍｉｎであり、対応する光の波長は長波長の限界λｍａｘとなる。上記の界面Ｋを、エネルギ差下限界面と呼ぶことができる。また、これとは逆に界面Ｌをエネルギ差上限界面と呼ぶことができる。
【００２４】
上記したように、本発明の実施の形態におけるポイントをまとめると次のとおりである。
１．長波長化：
上記のＭＱＷでは、半導体層においてバンドギャップエネルギが小さくなる組成勾配が付いた層の端面（上面または下面）で、そのバンドギャップエネルギは最も小さくなる。すなわち、その端面では、半導体層内で価電子帯は最も高いエネルギ位置をとり、かつ伝導帯は最も低いエネルギ位置をとる。このため、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａおよびＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの両方のバンドギャップが小さくなる端面が接する界面Ｋでは、価電子帯と伝導帯とが最も接近する。ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの価電子帯よりも高いエネルギ位置にあるので、上限の長波長の光を受光するとき、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯の電子がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの伝導帯へとタイプ２の遷移をしてＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯には正孔が生じる。このときの最小エネルギ差ΔＥｍｉｎを図３に示す。ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂにおいて価電子帯が最も高くなる位置に正孔が存在する確率は、バンドのポテンシャル上（正孔に対しては上下逆のポテンシャルになる）、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの層内では大きく、かつＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの伝導帯では最も低くなる位置に電子が位置する確率は、ポテンシャル上、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの層内では大きい。このため、受光によって正孔／電子のペアが生成する確率は高くなる。換言すればこのタイプ２の受光効率は高い。
ＭＱＷを形成する半導体層の層内全体のバンドギャップが一様に小さくならなくても、図３に示すように半導体層の端の面付近でバンドギャップエネルギが小さくなれば、カットオフ波長は長波長側に確実に拡大される。言い換えれば、受光素子の受光域を長波長側に拡大することができる。
２．暗電流
図３に、半導体層３ａ，３ｂの平均組成に対応する価電子帯および伝導帯を破線で示す。この破線は、ＩｎＰに格子整合する組成の場合のバンド構造の価電子帯または伝導帯とみることができる。図３によれば、各半導体層で最もバンドギャップが小さくなる端面と逆側の端面（すなわち界面Ｌ）では、バンドギャップは最も大きくなる。上記のように界面Ｋではバンドギャップは最も小さくなる。半導体層の平均組成に対応するバンドギャップがこの半導体層における平均的なバンドギャップである。暗電流は、この平均的なバンドギャップエネルギに対応して決まる。このため、半導体層の平均組成を基準として、暗電流を一定基準に保持しながら、一方の端面（エネルギ差下限界面Ｋ）でのバンドギャップの最小化によって長波長化を実現することができる。
【００２５】
図４は、本発明の実施の形態１の受光層におけるバンド構造（図３）に対して変形した変形例を示す図である。この図４に示す変形例の受光層３を持つ受光素子も本発明の受光素子である。図３に示すバンド構造は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａおよびＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの両方の組成ｘ，ｙが共に、界面Ｋに向かって増大する傾斜組成を有していた。しかし、図４の変形例では、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの層内でのみ界面Ｋに向かって組成ｙが増大する傾斜組成をもち、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａは層内に傾斜組成はない。この図４の場合、界面Ｋにおいて、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂの価電子帯は高くなるが、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの伝導帯はフラットなので、エネルギ差ΔＥｍｉｎは、図３に示す場合ほど小さくならない。しかし、両方の層３ａ３ｂともに傾斜組成がない場合に比べて、確実にタイプ２の遷移におけるエネルギ差を小さくでき、受光域の長波長化に寄与することができる。
【００２６】
図５に全有機気相金属成長法の成膜装置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。成膜途中のウエハ５０ａ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５６０℃以下でＭＱＷを形成する、というときの４００℃以上および５６０℃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。
【００２７】
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。このため傾斜組成を高い精度で形成することができる。図３では、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。このためＩｎＧａＡｓ層３ａおよびＧａＡｓＳｂ層３ｂの傾斜組成の形成を精度良く行うことができる。
【００２８】
ＩｎＰ基板１上に受光層３を含む半導体積層構造を形成する方法について説明する。まず、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板１に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を、膜厚１５０ｎｍ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。しかし、同じくＰを含むＩｎＰ窓層５を形成するときには、下層にＧａＡｓ０．５７Ｓｂ．４３を含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ５６０℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃程度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化すること、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰ窓層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰ層内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰ窓層５を得られないこと、をあげることができる。
バッファ層２は、ＩｎＰ層だけでもよいが、所定の場合には、そのＩｎＰバッファ層の上に、ｎ型ドープしたＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層を、膜厚０．１５μｍ（１５０ｎｍ）に成長してもよい。このＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層も図１中ではバッファ層２に含まれる。
【００２９】
次いで、傾斜組成の付いたＩｎＧａＡｓ３ａ／ＧａＡｓＳｂ３ｂ、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ＩｎＧａＡｓ３ａおよびＧａＡｓＳｂ３ｂの膜厚は、たとえば３ｎｍ以上１０ｎｍ以下とするのがよい。図１では、５０ペア〜３００ペアと表示してあるが、タイプ２の遷移を重視するので２００〜２５０ペア程度とするのがよい。ＧａＡｓＳｂ３ｂの成膜では、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、ターシャリーブチルアルシン（ＴＢＡｓ）およびトリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）を用いる。組成ｙの勾配は、当該ＧａＡｓＳｂ３ｂの成長につれて、ＴＢＡｓを減少させつつＴＭＳｂを補うように増やすことで付けることができる。ＭＦＣによって流量を時間に沿って精度よく調整できるので組成勾配の形成は容易である。
また、ＩｎＧａＡｓ３ａについては、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、およびＴＢＡｓを用いることができる。Ｉｎ組成ｘの勾配付与は、ＴＥＧａとＴＭＩｎとを相補的に経時的に増減させて行うことができる。
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５６０℃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。この結果、成膜温度から室温までの温度差を小さくすることができ、受光素子１０内の各材料の熱膨張差に起因する歪を小さくでき、格子欠陥密度を小さく抑えることができる。これは暗電流の抑制に有効である。
【００３０】
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の不純物濃度が小さく、その結晶性に優れた半導体素子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。
【００３１】
次に、全有機金属気相成長法によって、多重量子井戸構造３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に供給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。
【００３２】
傾斜組成を付ける場合、ＭＦＣを、成長途中の膜厚に応じて制御することで容易に実現できる。たとえばＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ３ａの成長では、ＭＦＣの制御は、たとえば、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）と、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）とを、一方のＴＥＩｎは時間当たり一定割合で減らしながら、他方のＴＥＧａはそれに応じて増やしながら、両者の和は一定を保つようにしてもよいし、一方の原料のみを増加または減少させるようにしてもよい。また、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ３ｂの成長では、たとえば、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）と、ＴＩＰＳｂ(トリイソプロピルアンチモン)とを、一方のＴＩＰＳｂは時間当たり一定割合で増やしながら、他方のＴＢＡｓはそれに応じて減らしながら、両者の和は一定を保つように、ＭＦＣを制御してもよいし、一方の原料のみを増加または減少させるように制御してもよい。
【００３３】
図５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、ウエハ５０ａは、基板テーブル６６上を公転するので、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスの流れは、乱流状態にあり、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスであっても、ウエハ５０ａ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からウエハ５０ａ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。このため、ウエハ５０ａから表面を経て原料ガス空間へと、垂直方向に大きな温度勾配または温度段差が発生する。
さらに、本発明の実施の形態では、基板温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という低温域に加熱される。このような低温域の基板表面温度でＴＢＡｓなどを原料とした全有機金属気相成長法を用いる場合、その原料の分解効率が良いので、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスで多重量子井戸構造の成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られる。
【００３４】
ウエハ５０ａの表面はモニタされる温度とされているが、ウエハ表面から少し原料ガス空間に入ると、上述のように、急激に温度低下または大きな温度段差が生じる。このため分解温度がＴ１℃の原料ガスの場合、基板表面温度は、（Ｔ１＋α）に設定し、このαは、温度分布のばらつき等を考慮して決める。ウエハ５０ａ表面から原料ガス空間にかけて急激で大きな温度降下または温度段差がある状況において、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。したがって、ウエハ表面に接する範囲の有機金属分子、および、ウエハ表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲以内に位置する分子、が、主として、結晶成長に寄与して、それより外側の有機金属分子は、ほとんど分解せずに石英管６５の外に排出される、と考えられる。ウエハ５０ａの表面付近の有機金属分子が分解して結晶成長したとき、外側に位置する有機金属分子が補充に入る。
逆に考えると、ウエハ表面温度を有機金属分子が分解する温度よりほんのわずかに高くすることで、結晶成長に参加できる有機金属分子の範囲をウエハ５０ａ表面上の薄い原料ガス層に限定することができる。
【００３５】
上記のことから、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電磁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おり、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスで多重量子井戸構造の成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られることに起因する。すなわち、量子井戸の一方の層を形成させたあと、真空ポンプで強制排気しながら電磁バルブを開閉して、他方の層を形成する原料ガスを導入したとき、少しの慣性をもって結晶成長に参加する有機金属分子はいるが、その補充をする一方の層の分子はほとんど排気されて、なくなっている。ウエハ表面温度を、有機金属分子の分解温度に近づけるほど、結晶成長に参加する有機金属分子の範囲（ウエハ表面からの範囲）は小さくなる。
この多重量子井戸構造を形成する場合、６００℃程度の温度範囲で成長すると多重量子井戸構造のＧａＡｓＳｂ層に相分離が起こり、清浄で平坦性に優れた多重量子井戸構造の結晶成長表面、および、優れた周期性と結晶性を有する多重量子井戸構造を得ることができない。このことから、成長温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という温度範囲にするが、この成膜法を全有機金属気相成長法にして、原料ガスすべてを分解効率の良い有機金属気体にすることが重要である。
【００３６】
＜受光素子の製造方法＞
図６は、受光素子の製造方法のフローチャートである。図１に示した受光素子１０では、タイプ２ＭＱＷの受光層３の上には、ＩｎＰに格子整合するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４が位置し、そのＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４の上にＩｎＰ窓層５が位置している。ＩｎＰ窓層５の表面に設けた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が選択拡散されてｐ型領域６が設けられる。そのｐ型領域６の先端部にｐｎ接合またはｐｉ接合が形成される。このｐｎ接合またはｐｉ接合に、逆バイアス電圧を印加して空乏層を形成して、光電子変換による電荷を捕捉して、電荷量に画素の明るさを対応させる。ｐ型領域６またはｐｎ接合もしくはｐｉ接合は、画素を構成する主要部である。ｐ型領域６にオーミック接触するｐ側電極１１は画素電極であり、接地電位にされるｎ側電極１２との間で、上記の電荷を画素ごとに読み出す。ｐ型領域６の周囲の、ＩｎＰ窓層表面には、上記の選択拡散マスクパターン３６がそのまま残される。さらに図示しないＳｉＯＮ等の保護膜が被覆される。選択拡散マスクパターン３６をそのまま残すのは、ｐ型領域６を形成したあと、これを除いて大気中に暴露すると、コンタクト層表面のｐ型領域との境界に表面準位が形成され、暗電流が増大するからである。
上述のようにＭＱＷを形成したあと、ＩｎＰ窓層５の形成まで、全有機金属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、一つのポイントになる。すなわち、ＩｎＰ窓層５の形成の前に、成膜室からウエハ５０ａ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点が一つのポイントである。すなわち、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。このため、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。また界面１６においても格子欠陥密度は低く抑えられる。
【００３７】
本実施の形態では、ＭＱＷの受光層３の上に、たとえば膜厚１．０μｍのノンドープＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布層４を形成する。このＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ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Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ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。
上記の選択拡散によってｐ型領域６が形成され、その先端部にｐｎ接合またはｐｉ接合が形成される。Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４を挿入した場合であっても、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ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。
Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４の上に、同じ石英管６５内にウエハ５０ａを配置したまま連続して、アンドープのＩｎＰ窓層５を、全有機金属気相成長法によってたとえば膜厚０．８μｍ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５６０℃以下に、さらには５３５℃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が熱のダメージを受けることがなく、ＭＱＷの結晶性が害されることがない。ＩｎＰ窓層５を形成するときには、下層にＧａＡｓＳｂを含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ５６０℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃程度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化する点、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰ窓層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰ窓層５内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰ窓層５を得られない点があげられる。
【００３８】
上記したように、従来は、ＭＱＷをＭＢＥ法によって形成する必要があった。ところが、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。
本発明前は、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層とＩｎＰ窓層との界面は、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ＭＯＶＰＥ法（全有機ではない有機金属気相成長法）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の結晶性を害することとなる。
【実施例】
【００３９】
バンド構造の計算機シミュレーションによって、図２〜図４に示す傾斜組成によって、どの程度の長波長化が実現されるか検証した。検証したケースは、表１に示すように、次の３つのケースである。
（ケース１：表１の最上段）：
ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂに傾斜組成、しかし、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａはＩｎＰに格子整合するフラットな組成。本発明の実施の形態の説明における図４の構成に相当する。Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓが、格子不整合度ゼロの組成である。
（ケース２：表１の中段）：
ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂおよびＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの両方に傾斜組成。ただしＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの層内におけるｘのレンジは、０．４８／０．５８と控えめとした。このときのＩｎＧａＡｓの格子不整合度は±０．４０％である。
（ケース３：表１の最下段）：
ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層３ｂおよびＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの両方に傾斜組成。ただしＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層３ａの層内におけるｘのレンジは、０．４３／０．６３と大きくした。このときのＩｎＧａＡｓの格子不整合度は±０．６６％である。
上記の３つのケースについて、受光域の波長上限（カットオフ波長＝λｍａｘ）の長波長化の度合いを求めた。
結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表１によれば、上記実施の形態の図４に対応するバンド構造を有するケース１において、受光域が１００ｎｍ程度長波長側に拡大する。また、ケース３では、受光域は２００ｎｍ程度長波長側に拡大する。たとえば、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２のＭＱＷによって上限波長２μｍまで受光できていたものを、本発明に属するケース３の適用によって、上限波長２．２μｍまで拡大することができる。このような上限波長の拡大は、検査対象における吸収帯の波長によっては有用性を飛躍的に増大することができる。
【００４２】
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】
【００４３】
本発明の受光素子によれば、暗電流を増大させることなく、近赤外の長波長側に受光感度を拡大することができ、検査対象によっては有用性の飛躍的な増大の原動力になりうる。
【符号の説明】
【００４４】
１ ＩｎＰ基板、２ バッファ層（ＩｎＰおよび／またはＩｎＧａＡｓ）、３タイプ２ＭＱＷ受光層、３ａ ＩｎＧａＡｓ層、３ｂ ＧａＡｓＳｂ層、４ ＩｎＧａＡｓ層（拡散濃度分布調整層）、５ ＩｎＰ窓層、６ ｐ型領域、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、２０ 赤外線温度モニタ装置、２１ 反応室の窓、３０ 反応室、３５ ＡＲ（反射防止）膜、３６ 選択拡散マスクパターン、３９ 接合バンプ、４３ 保護膜（ＳｉＯＮ膜）、５０ 受光素子（受光素子アレイ）、５０ａ ウエハ（中間製品）、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、６９ 反応室の窓、６６ 基板テーブル、６６ｈ ヒータ、Ｋ エネルギ差下限（最小）界面、Ｌ エネルギ差上限（最大）界面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ―Ｖ族半導体による受光素子であって、
ＩＩＩ―Ｖ族半導体基板の上に位置し、第１の半導体層と第２の半導体層とが交互に積層されたタイプ２の多重量子井戸構造の受光層を備え、
前記第１の半導体層の層内において上面または下面へと、その第１の半導体層のバンドギャップエネルギが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配が付いていることを特徴とする、受光素子。
【請求項２】
前記第２の半導体層内において、前記第１の半導体層でバンドギャップが小さくなるように勾配が付された端の面に接する面へと当該第２の半導体層のバンドギャップが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配が付いてい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】
前記組成の勾配が付された、第１の半導体層および／または第２の半導体層において、前記バンドギャップが小さくなる極限位置の端面での組成は、それぞれの半導体層の平均組成に対して、格子定数の変化に換算して、格子不整合度が０．２％を超え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】
前記第１の半導体層および／または第２の半導体層における平均組成は、格子定数の変化に換算して、前記ＩＩＩ―Ｖ族半導体基板との格子不整合度が±１％以内であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項５】
前記第１の半導体層および第２の半導体層のうち、価電子帯のポテンシャルエネルギが高いほうの半導体層に、Ｇａ、ＡｓおよびＳｂのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項６】
前記第１の半導体層および第２の半導体層のうち、価電子帯のポテンシャルエネルギが低いほうの半導体層に、Ｉｎ、ＧａおよびＡｓのうち少なくとも一つ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】
前記多重量子井戸構造が、ＩｎxＧａ１−xＡｓとＧａＡｓ１−ｙＳｂｙとで形成されており、前記ＩｎxＧａ１−xＡｓ層における平均組成ｘａｖｅは（０．３８≦ｘａｖｅ≦０．６８）であり、前記ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層における平均組成ｙａｖｅは（０．３６≦ｙａｖｅ≦０．６２）であ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ＩＩＩ―Ｖ族半導体基板がＩｎＰ基板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】
ＩＩＩ―Ｖ族半導体による受光素子の製造方法であって、
ＩｎＰ基板の上に、第１の半導体層と第２の半導体層とを交互に積層してタイプ２の多重量子井戸構造の受光層を形成する工程を備え、
前記多重量子井戸構造の形成工程では、前記第１の半導体層の層内において上面または下面へと、その第１の半導体層のバンドギャップエネルギが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配を付けることを特徴とする、受光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記多重量子井戸構造の形成工程では、前記第２の半導体層内において、前記第１の半導体層でバンドギャップが小さくなるように勾配が付されている端に接する面へと当該第２の半導体層のバンドギャップが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配を付けることを特徴とする、請求項９に記載の受光素子の製造方法。
【請求項１１】
全有機金属気相成長法により前記多重量子井戸構造を形成し、前記第１の半導体層、もしくは第１の半導体層および第２の半導体層に、前記組成の勾配を付けるとき、前記全有機金属気相成長法の成長機構に組み込まれているマスフローコントローラ（ＭＦＣ：Mass Flow Controller）を調節することで、前記組成の勾配を付けることを特徴とする、請求項９または１０に記載の受光素子の製造方法。
【請求項１】
ＩＩＩ―Ｖ族半導体による受光素子であって、
ＩＩＩ―Ｖ族半導体基板の上に位置し、第１の半導体層と第２の半導体層とが交互に積層されたタイプ２の多重量子井戸構造の受光層を備え、
前記第１の半導体層の層内において上面または下面へと、その第１の半導体層のバンドギャップエネルギが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配が付いていることを特徴とする、受光素子。
【請求項２】
前記第２の半導体層内において、前記第１の半導体層でバンドギャップが小さくなるように勾配が付された端の面に接する面へと当該第２の半導体層のバンドギャップが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配が付いてい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】
前記組成の勾配が付された、第１の半導体層および／または第２の半導体層において、前記バンドギャップが小さくなる極限位置の端面での組成は、それぞれの半導体層の平均組成に対して、格子定数の変化に換算して、格子不整合度が０．２％を超え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】
前記第１の半導体層および／または第２の半導体層における平均組成は、格子定数の変化に換算して、前記ＩＩＩ―Ｖ族半導体基板との格子不整合度が±１％以内であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項５】
前記第１の半導体層および第２の半導体層のうち、価電子帯のポテンシャルエネルギが高いほうの半導体層に、Ｇａ、ＡｓおよびＳｂのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項６】
前記第１の半導体層および第２の半導体層のうち、価電子帯のポテンシャルエネルギが低いほうの半導体層に、Ｉｎ、ＧａおよびＡｓのうち少なくとも一つ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】
前記多重量子井戸構造が、ＩｎxＧａ１−xＡｓとＧａＡｓ１−ｙＳｂｙとで形成されており、前記ＩｎxＧａ１−xＡｓ層における平均組成ｘａｖｅは（０．３８≦ｘａｖｅ≦０．６８）であり、前記ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ層における平均組成ｙａｖｅは（０．３６≦ｙａｖｅ≦０．６２）であ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ＩＩＩ―Ｖ族半導体基板がＩｎＰ基板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】
ＩＩＩ―Ｖ族半導体による受光素子の製造方法であって、
ＩｎＰ基板の上に、第１の半導体層と第２の半導体層とを交互に積層してタイプ２の多重量子井戸構造の受光層を形成する工程を備え、
前記多重量子井戸構造の形成工程では、前記第１の半導体層の層内において上面または下面へと、その第１の半導体層のバンドギャップエネルギが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配を付けることを特徴とする、受光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記多重量子井戸構造の形成工程では、前記第２の半導体層内において、前記第１の半導体層でバンドギャップが小さくなるように勾配が付されている端に接する面へと当該第２の半導体層のバンドギャップが小さくなるように、厚み方向に組成の勾配を付けることを特徴とする、請求項９に記載の受光素子の製造方法。
【請求項１１】
全有機金属気相成長法により前記多重量子井戸構造を形成し、前記第１の半導体層、もしくは第１の半導体層および第２の半導体層に、前記組成の勾配を付けるとき、前記全有機金属気相成長法の成長機構に組み込まれているマスフローコントローラ（ＭＦＣ：Mass Flow Controller）を調節することで、前記組成の勾配を付けることを特徴とする、請求項９または１０に記載の受光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２２２１５４（Ｐ２０１２−２２２１５４Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８６６１５（Ｐ２０１１−８６６１５）
【出願日】平成２３年４月８日（２０１１．４．８）
【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１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月８日（２０１１．４．８）
【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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