【手続補正書】
【提出日】平成16年12月20日(2004.12.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】  受光素子用エピタキシャルウェーハ、その製造方法および受光素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】  ＩｎＰ基板上にＩｎＰバッファ層を形成し、その上にＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＰ増倍層の少なくとも３層を順に積層させてなる受光素子用エピタキシャルウェーハの製造方法において、
前記ＩｎＰバッファ層および前記ＩｎＰ増倍層の各々に添加するＳｉの原料にＳｉ2Ｈ6を用いてそれらの層のキャリア濃度制御を行ない、
前記ＩｎＧａＡｓ層および前記ＩｎＧａＡｓＰ層の各々に添加するＳｉの原料にＳｉＨ4を用いてそれらの層のキャリア濃度制御を行なう、
ことを特徴とする受光素子用エピタキシャルウェーハの製造方法。
【請求項２】  前記ＩｎＰバッファ層および前記ＩｎＰ増倍層の各々に添加するＳｉの原料に用いるＳｉ2Ｈ6を、それらの層の所望のキャリア濃度に応じて希釈して供給する、
ことを特徴とする請求項１に記載の受光素子用エピタキシャルウェーハの製造方法。
【請求項３】  ＩｎＰ増倍層に添加するＳｉの原料にＳｉＨ4を用いない、ことを特徴とする請求項１または２に記載の受光素子用エピタキシャルウェーハの製造方法。
【請求項４】  ＩｎＰ基板上にＩｎＰバッファ層を形成し、その上にＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＰ増倍層の少なくとも３層を順に積層させてなる受光素子用エピタキシャルウェーハにおいて、
前記ＩｎＰバッファ層および前記ＩｎＰ増倍層は、各々に添加するＳｉの原料にＳｉ2Ｈ6を用いてそれらの層のキャリア濃度制御を行なうことで形成され、
前記ＩｎＧａＡｓ層および前記ＩｎＧａＡｓＰ層は、各々に添加するＳｉの原料にＳｉＨ4を用いてそれらの層のキャリア濃度制御を行なうことで形成されている、
ことを特徴とする受光素子用エピタキシャルウェーハ。
【請求項５】  請求項４に記載の受光素子用エピタキシャルウェーハを用いて製造した、ことを特徴とする受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信等に使用される、化合物半導体を用いた受光素子の改良に係り、特にＩｎＰ基板上にＩｎＰバッファ層を形成し、その上にＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＰ増倍層の少なくとも３層を順に積層させてなる受光素子用エピタキシャルウェーハ、受光素子用エピタキシャルウェーハの製造方法および受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信用光の検出にアバランシェ型受光素子が用いられている。このアバランシェ型受光素子は、降伏電圧以上の逆バイアス電圧で動作するｐｎ接合ホトダイオードであり、電磁放射によって生成される電子・正孔対はアバランシェ過程によって増倍され、この電子・正孔対が光電流を形成する。
【０００３】
ところで、アバランシェ型受光素子のＩｎＰ増倍層では、そのドーパントとしてＳｉやＳが使用されている。特にＳｉを添加する際のドーパントガスとしてはＳｉＨ4（モノシラン）が使用されているが、近年、そのＳｉ添加のための原料として、Ｓｉ2Ｈ6（ジシラン）を使うことが検討されている。
【０００４】
例えば特許第２９３７３４２号公報においては、ＩｎＰバッファ層に添加するＳｉの原料にＳｉ2Ｈ6を用い、ＩｎＧａＡｓＰ層およびＩｎＰ増倍層に添加するＳｉの原料にＳｉＨ4を用いている。
【０００５】
また、特開平６−２０９７４号公報では、Ｓｉをｎ型ドーパントとするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長する気相成長法において、ドーピング原料ガスにＳｉ2Ｈ6とＳｉＨ4の混合ガスを用いている。
【０００６】
一方、受光素子用エピタキシャルウェーハから素子を取り出す際の素子化歩留まりを向上させることで、受光素子の低コスト化が図られているが、この素子化歩留まりの向上には、ＩｎＰ増倍層のキャリア濃度におけるウェーハ面内分布の均一化が必要である。
【０００７】
このＩｎＰ増倍層を成長させる際に、ドーパントガスにＳｉＨ4を使用すると、その成長温度の分布バラツキの影響を受けてキャリア濃度の均一な制御が困難となり、これに対してＳｉ2Ｈ6を使用すると、ＳｉＨ4よりも分解温度が低いため、成長温度の分布バラツキの影響が緩和され、それだけキャリア濃度の均一な制御が容易となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許第２９３７３４２号公報では、上記のように、ＩｎＰバッファ層のみにＳｉ2Ｈ6をＳｉ添加原料ガスとして用いており、ＩｎＰ増倍層には、成長温度の分布バラツキの影響を受けやすくなるＳｉＨ4が使用されている。
【０００９】
また、特開平６−２０９７４号公報においては、上記のように、ＳｉＨ4とＳｉ2Ｈ6との混合ガスを使用しており、ドーパントガス濃度と混合比を適正に調整することは困難であり、したがって、キャリア濃度の制御およびウェーハ面内分布の均一化が難しくなる。
【００１０】
このように、従来手法では、ＩｎＰ増倍層のキャリア濃度におけるウェーハ面内分布の均一化が困難であり、このため素子化歩留まりが悪く受光素子のコスト高の一因となっていた。
【００１１】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、素子化歩留まりを改善し、受光素子の低コスト化を行うことができる受光素子用エピタキシャルウェーハ、受光素子用エピタキシャルウェーハの製造方法および受光素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ＩｎＰ基板上にＩｎＰバッファ層を形成し、その上にＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＰ増倍層の少なくとも３層を順に積層させてなる受光素子用エピタキシャルウェーハの製造方法において、前記ＩｎＰバッファ層および前記ＩｎＰ増倍層の各々に添加するＳｉの原料にＳｉ2Ｈ6を用いてそれらの層のキャリア濃度制御を行ない、前記ＩｎＧａＡｓ層および前記ＩｎＧａＡｓＰ層の各々に添加するＳｉの原料にＳｉＨ4を用いてそれらの層のキャリア濃度制御を行なう、ことを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、上記した請求項１に記載の発明の構成に加えて、前記ＩｎＰバッファ層および前記ＩｎＰ増倍層の各々に添加するＳｉの原料に用いるＳｉ2Ｈ6を、それらの層の所望のキャリア濃度に応じて希釈して供給する、ことを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、上記した請求項１または２に記載の発明の構成に加えて、ＩｎＰ増倍層に添加するＳｉの原料にＳｉＨ4を用いない、ことを特徴としている。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、ＩｎＰ基板上にＩｎＰバッファ層を形成し、その上にＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＰ増倍層の少なくとも３層を順に積層させてなる受光素子用エピタキシャルウェーハにおいて、前記ＩｎＰバッファ層および前記ＩｎＰ増倍層は、各々に添加するＳｉの原料にＳｉ2Ｈ6を用いてそれらの層のキャリア濃度制御を行なうことで形成され、前記ＩｎＧａＡｓ層および前記ＩｎＧａＡｓＰ層は、各々に添加するＳｉの原料にＳｉＨ4を用いてそれらの層のキャリア濃度制御を行なうことで形成されている、ことを特徴としている。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、受光素子であって、請求項４に記載の受光素子用エピタキシャルウェーハを用いて製造した、ことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１はこの発明の受光素子用エピタキシャルウェーハの断面構造を模式的に示す図である。図において、受光素子用エピタキシャルウェーハ１０は、アバランジェ受光素子用のものであり、ＩｎＰからなる基板１上に、ＩｎＰからなるバッファー層２、ＩｎＧａＡｓからなる受光層３、ＩｎＧａＡｓＰからなる加速層４およびＩｎＰからなる増倍層５を順次積層して構成されている。
【００１９】
各層１〜５はすべてｎ型半導体であり、その膜厚等は概略次の通りである。すなわち、ＩｎＰバッファー層２については、膜厚０．１〜１０μｍ、キャリア濃度は５×１０13〜８×１０18個／ｃｍ3である。
【００２０】
ＩｎＧａＡｓ受光層３については、膜厚０．１〜１０μｍであり、キャリア濃度は１×１０14〜５×１０17個／ｃｍ3、格子不整合度は±３×１０-3である。ここで格子不整合度は、ＩｎＰバッファ層２の格子定数をａ、ＩｎＧａＡｓ受光層３の格子定数をｂとすると、（ｂ−ａ）／ａで表される。
【００２１】
ＩｎＧａＡｓＰ加速層４の膜厚は０．０５〜０．５μｍであり、キャリア濃度は５×１０13〜８×１０18個／ｃｍ3である。
【００２２】
ＩｎＰ増倍層５の膜厚は０．００５〜２．０μｍであり、キャリア濃度は１×１０16〜１×１０18個／ｃｍ3である。ドーパントしては層中でｎ型を示すＳ（硫黄）、Ｓｎ（錫）、Ｓｉ（珪素）などが使用できるが、本発明ではＳｉを用いる。
【００２３】
本発明において用いられる原材料は、一般的な有機金属およびハイドライドガスが利用でき、例えば、有機金属ではＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ハイドライドガスではＰＨ3（ホスフィン）、ＡｓＨ3（アルシン）、ＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）を挙げることができる。有機金属は水素をキャリアーガスとして飽和蒸気を使うことで反応管へ供給する。
【００２４】
エピタキシャルウェーハ１０は、ＭＯＣＶＤ法やＶＰＥ法、ＭＢＥ法等で製造することができる。ＭＯＣＶＤ法で製造した場合、反応温度は４５０〜７５０℃の範囲であり、反応管圧力は約１３〜１０１３ｈＰａである。
【００２５】
そして、この発明の実施形態では、ＩｎＰバッファ層２およびＩｎＰ増倍層５へのＳｉの添加原料ガスに分解温度の低いＳｉ2Ｈ6を用いて、またＩｎＧａＡｓ受光層３およびＩｎＧａＡｓＰ加速層４へのＳｉの添加原料ガスにはＳｉＨ4を用いて成長させるので、各層２〜５のキャリア濃度におけるウェーハ面内分布をより均一化できる。特にＩｎＰ増倍層５のキャリア濃度におけるウェーハ面内分布をより均一化できるので、それにより素子化歩留まりを改善することができ、受光素子の低コスト化を実現することができる。
【００２６】
また、アバランシェ型受光素子では、ＩｎＰ増倍層のキャリア濃度によりｐ型不純物の拡散深さが決められ、それがブレークダウン電圧特性に影響を与えるようになるが、この発明の実施形態では、ＩｎＰ増倍層５に要求される高キャリア濃度領域であっても、安定的にキャリア濃度を制御でき、かつそのキャリア濃度の面内均一性を向上させることができるので、ｐ型不純物の拡散深さ制御を良好に行うことができる。したがって、ｐｎ接合を再現性良く制御でき、設計通りのブレークダウン電圧を有する受光素子を安定して製造することができる。
【００２７】
さらに、この発明の実施形態では、Ｓｉ2Ｈ6の希釈率と、層内キャリア濃度との関係を求め、その関係から所望のキャリア濃度に対するＳｉ2Ｈ6の希釈率を求めその希釈率のＳｉ2Ｈ6を供給するようにしたので、ＩｎＰ増倍層に要求される高キャリア濃度領域（１０16〜１０18個／ｃｍ3）であっても、安定的にキャリア濃度を制御でき、この点からもＩｎＰ増倍層５のキャリア濃度におけるウェーハ面内分布を均一なものとすることができる。
【００２８】
次に、より具体的な実施例を挙げて説明する。
【００２９】
図２は試料（受光素子用エピタキシャルウェーハ）の測定位置を示す図である。以下の各実施例では、試料の測定位置を反オリフラ（反ＯＦ）側から約８ｍｍを位置１とし、約５ｍｍ間隔でオリフラ（ＯＦ）側から約８ｍｍの位置７までの７箇所でキャリア濃度測定を行ない、ウェーハ面内分布を求めた。なお、位置１〜７は図２、図３、図４では丸付きの数字で表されている。
【００３０】
先ず第１実施例として、ＩｎＰ増倍層へのＳｉの添加原料ガスのみを変更し、それ以外は同一の条件で２つの試料（受光素子用エピタキシャルウェーハ）を作製した。すなわち、ＩｎＰ増倍層へのＳｉの添加原料ガスとして、一方はＳｉＨ4を、他方はＳｉ2Ｈ6を用いてそれぞれＩｎＰ増倍層の成長を行ない、両者のＩｎＰ増倍層でのキャリア濃度を電解ＣＶ装置を用いて測定し比較した。
【００３１】
図３は各試料のＩｎＰ増倍層におけるキャリア濃度のウェーハ面内分布のグラフである。横軸は電解ＣＶ装置での測定位置であり、図２の位置１〜７に対応している。縦軸はキャリア濃度である。○はドーパントガスとしてＳｉＨ4を、●はドーパントガスとしてＳｉ2Ｈ6を使用した場合のＩｎＰ増倍層のキャリア濃度である。図から分かるように、ＩｎＰ増倍層ではＳｉＨ4を用いた場合に比べてＳｉ2Ｈ6を用いた場合の方が、キャリア濃度のウェーハ面内分布のバラツキが小さくなっている。
【００３２】
次に第２実施例として、ＩｎＧａＡｓ受光層へのＳｉの添加原料ガスのみを変更し、それ以外は同一の条件で２つの試料（受光素子用エピタキシャルウェーハ）を作製した。すなわち、ＩｎＧａＡｓ受光層へのＳｉの添加原料ガスとして、一方はＳｉＨ4を、他方はＳｉ2Ｈ6を用いてそれぞれＩｎＧａＡｓ受光層の成長を行ない、両者のＩｎＧａＡｓ受光層でのキャリア濃度を電解ＣＶ装置を用いて測定し比較した。
【００３３】
図４は各試料のＩｎＧａＡｓ受光層におけるキャリア濃度のウェーハ面内分布のグラフである。横軸は電解ＣＶ装置での測定位置であり、図２の位置１〜７に対応している。縦軸はキャリア濃度である。□はドーパントガスとしてＳｉＨ4を、■はドーパントガスとしてＳｉ2Ｈ6を使用した場合のＩｎＧａＡｓ受光層のキャリア濃度である。図から分かるように、ＩｎＧａＡｓ受光層では、上記のＩｎＰ増倍層の場合とは逆に、Ｓｉ2Ｈ6を用いた場合に比べてＳｉＨ4を用いた場合の方が、キャリア濃度のウェーハ面内分布のバラツキが小さくなっている。
【００３４】
また、発光波長が０．９５〜１．５５μｍであるＩｎＧａＡｓＰ加速層においても、ＩｎＧａＡｓ層と同様の結果が得られた。
【００３５】
以上の結果の原因を調べるために、さらにエピタキシャル膜成長温度を変化させて試料（受光素子用エピタキシャルウェーハ）を作製し、ＩｎＰ増倍層およびＩｎＧａＡｓ受光層における一定流量のＳｉＨ4とＳｉ2Ｈ6とによるキャリア濃度の変化を調べた。
【００３６】
図５はＩｎＰ増倍層における成長温度依存性のグラフである。横軸は成長温度（水準１〜３）であり、縦軸はＩｎＰ増倍層のキャリア濃度である。測定位置はウェーハの同一位置である。○はＩｎＰ増倍層へのドーパントガスとしてＳｉＨ4を使用した場合、●はＩｎＰ増倍層へのドーパントガスとしてＳｉ2Ｈ6を使用した場合である。この結果より、ＩｎＰ増倍層におけるＳｉＨ4とＳｉ2Ｈ6との成長温度によるキャリア濃度の変化度合いはＳｉ2Ｈ6の方が小さいことがわかる。このことは、ＩｎＰ増倍層においてＳｉをドーパントとして使用する際に、ウェーハ面内分布をより均一にするためには、温度依存性の小さいドーパントガス、つまりＳｉ2Ｈ6を使用することが有効であることを示しており、この結果から、図３のキャリア濃度の面内分布グラフが得られた原因が明確に説明できる。
【００３７】
図６はＩｎＧａＡｓ受光層における成長温度依存性のグラフである。横軸は成長温度（水準１〜３）であり、縦軸はＩｎＧａＡｓ受光層のキャリア濃度である。測定位置はウェーハの同一位置である。□はＩｎＧａＡｓ受光層へのドーパントガスとしてＳｉＨ4を使用した場合、■はＩｎＧａＡｓ受光層へのドーパントガスとしてＳｉ2Ｈ6を使用した場合である。この結果より、ＩｎＧａＡｓ受光層におけるＳｉＨ4とＳｉ2Ｈ6との成長温度によるキャリア濃度の変化度合いはＳｉＨ4の方が小さいことがわかる。このことは、ＩｎＧａＡｓ受光層においてＳｉをドーパントとして使用する際に、ウェーハ面内分布をより均一にするためには、温度依存性の小さいドーパントガス、つまりＳｉＨ4を使用することが有効であることを示しており、この結果から、図４のキャリア濃度の面内分布グラフが得られた原因が明確に説明できる。
【００３８】
次に第３実施例として、ドーパントガスとしてのＳｉ2Ｈ6の希釈率を変化させて、それぞれの希釈率でＩｎＰ増倍層の成長を行ない、試料（受光素子用エピタキシャルウェーハ）を作製した。そして、その各試料のＩｎＰ増倍層におけるキャリア濃度を測定し、Ｓｉ2Ｈ6の希釈率とキャリア濃度との関係を求めた。その結果を図７に示す。
【００３９】
図７はＳｉ2Ｈ6の希釈率を変化させたときのＩｎＰ増倍層のキャリア濃度の測定結果を示す図である。図において、Ｓｉ2Ｈ6の任意の希釈率に対して、ＩｎＰ増倍層のキャリア濃度は、高キャリア濃度領域である１０16〜１０18個／ｃｍ3の範囲の何れかの値をとっている。すなわち、この発明では、ＩｎＰ増倍層に対する所望のキャリア濃度は、Ｓｉ2Ｈ6を図７の結果に基づき希釈して供給することで実現することができ、キャリア濃度を精度良く制御できるようになっている。
【００４０】
なお、上記の第１実施例および第３実施例では、ＩｎＰ増倍層の成長時にＳｉ2Ｈ6を用いる場合について説明したが、ＩｎＰバッファ層の成長時にＳｉ2Ｈ6を用いた場合も同様の結果が得られた。
【００４１】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００４２】
この発明では、ＩｎＰバッファ層およびＩｎＰ増倍層へのＳｉの添加原料ガスに分解温度の低いＳｉ2Ｈ6を用いて、またＩｎＧａＡｓ受光層およびＩｎＧａＡｓＰ加速層へのＳｉの添加原料ガスにはＳｉＨ4を用いて成長させるので、各層のキャリア濃度におけるウェーハ面内分布をより均一化できる。特にＩｎＰ増倍層のキャリア濃度におけるウェーハ面内分布をより均一化できるので、それにより素子化歩留まりを改善することができ、受光素子の低コスト化を実現することができる。
【００４３】
また、この発明では、Ｓｉ2Ｈ6の希釈率と、層内キャリア濃度との関係を求め、その関係から所望のキャリア濃度に対するＳｉ2Ｈ6の希釈率を求めその希釈率のＳｉ2Ｈ6を供給するようにしたので、ＩｎＰ増倍層に要求される高キャリア濃度領域（１０16〜１０18個／ｃｍ3）であっても、安定的にキャリア濃度を制御でき、この点からもＩｎＰ増倍層のキャリア濃度におけるウェーハ面内分布を均一なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
この発明の受光素子用エピタキシャルウェーハの断面構造を模式的に示す図である。
【図２】
試料（受光素子用エピタキシャルウェーハ）の測定位置を示す図である。
【図３】
各試料のＩｎＰ増倍層におけるキャリア濃度のウェーハ面内分布のグラフである。
【図４】
各試料のＩｎＧａＡｓ受光層におけるキャリア濃度のウェーハ面内分布のグラフである。
【図５】
ＩｎＰ増倍層における成長温度依存性のグラフである。
【図６】
ＩｎＧａＡｓ受光層における成長温度依存性のグラフである。
【図７】
Ｓｉ2Ｈ6の希釈率を変化させたときのＩｎＰ増倍層のキャリア濃度の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１  ＩｎＰ基板
２  ＩｎＰバッファー層
３  ＩｎＧａＡｓ受光層
４  ＩｎＧａＡｓＰ加速層
５  ＩｎＰ増倍層
１０  受光素子用エピタキシャルウェーハ