(57)【要約】【課題】拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子のように格子定数を変化させるためのバッファ層を備えることなく、ＩｎＰ基板上に２μｍ付近の波長領域で動作可能な半導体受光素子を提供すること。【解決手段】半導体受光素子１００は、ＩｎＰ基板１０１と、ＩｎＰ基板１０１上に形成され、圧縮歪み構造を有するＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５と、共振器を形成するための反射鏡１０２，１０７とを備え、反射鏡１０２は、ＩｎＰ１０１基板とＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５との間に形成され、多層構造を有する。【選択図】図１
2014192488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を電気信号に変換する半導体受光素子であって、
ＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板上に形成され、圧縮歪み構造を有するＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層と、
共振器を形成するための第１反射鏡および第２反射鏡とを備え、
前記第１反射鏡は、前記ＩｎＰ基板と前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層との間に形成され、多層構造を有する
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層のＳｂ組成比をｘとすると、ｘは、０＜ｘ≦０．３の範囲にあり、
前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層の格子定数は、ＩｎＰの格子定数よりも大きく、
前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層のＩｎＰに対する格子不整合の比率をＰとすると、Ｐは、０％＜Ｐ≦１．５％の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記第１反射鏡の前記多層構造は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、ＡｓおよびＰのうちの２つ以上の元素を構成元素として含み、ＩｎＰに格子整合するように構成されている請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子に関し、特に、２μｍ付近の波長領域で動作する半導体受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護のため、例えば工場、発電所、ゴミ焼却施設、自動車などから排出されるガス量を削減する等、人的に発生する環境負荷を減らすことがますます重要になってきている。ガスの排出量を削減するためには、ガスの排出源や、大気中におけるガス濃度の高精度な計測が必要となる。ガス吸収線による光吸収を用いたガス計測は、リアルタイムでの計測、遠隔での計測ができ、さらにガスの同位体までも特定できるという特徴があり、様々なガス計測システムへ応用されている。
【０００３】
図７は、２μｍ付近の波長領域に吸収線を持つガス種とその強度とを示した図である。この波長領域には、地球の温室効果への影響が大きいＣＯ２、ＣＨ４、Ｎ２Ｏなどのガス種だけではなく、大気汚染を抑制するために工場や焼却施設等からの排出基準が設けられているＨＣｌ、ＮＨ３、ＣＯなどのガス種の吸収線が存在する。このため、ガス計測において重要な波長領域の１つである。
【０００４】
図７では、各ガス種ごとに、吸収線強度の大きな波長領域は、太線で囲んでいるが、この太線で囲まれた範囲には、複数の孤立した吸収線が含まれる。この一例として、図８にＣＯ２の２．０５μｍ付近の波長領域における吸収線を示している。図８では、わずか５ｎｍの波長領域に９本の強度の大きな吸収線が存在している。そして、これらの個々の吸収線は、ピーク半値幅が０．１ｎｍ以下と鋭いスペクトル形状を持っていることが分かる。
【０００５】
一般に、ガス吸収線を用いたガス計測では、図８で一例を示したような複数の吸収線のうち、１本の吸収線を採用し、その１本の吸収線による光吸収量の変化により濃度計測を行うことが知られている。
【０００６】
一方、光吸収量の変化を測定するためには、光源（単一波長光源）と受光素子とが必要となる。例えば、図８の例で説明したような１本の吸収線を用いてガス計測を行う場合、その光源と受光素子との動作波長域は、狭くてもよいので、例えば数ｎｍ程度で十分なことが多い。
【０００７】
このように２μｍ付近の波長領域は、ガスの吸収線による光吸収を利用したガス計測において重要な領域となっている。このため、この波長領域で動作する光源と受光素子は高性能であることが求められる。
【０００８】
２μｍm付近の波長領域で動作する光源に関しては、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層を含む多重量子井戸構造を活性層とする半導体レーザが実用化され、この半導体レーザによって、ガス種の波長に合わせたレーザを作製することができるようになっている。
【０００９】
一方、受光素子に関しては一般に、以前は１〜２．９μｍの広い波長領域で動作するＰｂＳを光吸収層とする光導電型受光素子を用いられていた。しかしながら、光導電型受光素子は、応答速度が遅いという問題があるため、近年では拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子と呼ばれる応答速度の速い光起電力型受光素子が用いられている。
【００１０】
図９は、一般的な拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子９００の層構成を模式的に示した図である。図９では、拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子９００の層構成は、ｎ型ＩｎＰ基板９０１の上にＡｓ組成を段階的に増加させたＩｎＡｓＰバッファ層９０２と、ＩｎＧａＡｓ光吸収層９０３と、ＩｎＡｓＰ窓層９０４とからなる。
【００１１】
ＩｎＧａＡｓの格子定数は、ＩｎＰの格子定数と一致する状態で、Ｉｎ組成比が０．５３であり、この場合のバンドギャップ波長は、１．６７μｍである。このため、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓを光吸収層に用いた受光素子では、１．７μｍ以上の波長光の検出は困難である。
【００１２】
ここで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層９０３によって１．７μｍ以上の波長光を検出できるようにするには、そのＩｎ組成比を増加させる必要がある。しかしながら、ＩｎＰ基板９０１上に、Ｉｎ組成比が大きく、しかも膜厚が大きいＩｎＧａＡｓ光吸収層９０３を直接結晶成長させた場合、格子不整合によるミスフィット転位（図９において、太線で示してある。）に起因する結晶欠陥が多数発生し、受光素子の受光感度が低下してしまう。
【００１３】
そのため、拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子９００では、ＩｎＧａＡｓ光吸収層９０３におけるミスフィット転位の発生を抑制するために、Ａｓ組成を段階的に増加させたＩｎＡｓＰバッファ層９０２を採用し、ＩｎＰ基板９０１から離れるにつれＩｎＡｓＰバッファ層９０２の格子定数が大きくなるようにしてある。Ｉｎ組成比が比較的大きいＩｎＧａＡｓ光吸収層９０３は、ＩｎＡｓＰバッファ層の最上層とほぼ格子整合するようになっている。すなわち、拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子９００では、ＩｎＧａＡｓ光吸収層９０３とＩｎＡｓＰバッファ層９０２との格子不整合によるミスフィット転位が発生しにくいように構成されている。
【００１４】
現在、ＩｎＧａＡｓ光吸収層のＩｎ組成比が０．８程度の拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子も市販されており、２．５μｍ付近の波長領域まで対応可能となっている。
【００１５】
このように拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子９００は、Ａｓ組成を段階的に増加させたＩｎＡｓＰバッファ層９０２を用い、その格子定数を増加させていき、その最上層にＩｎＧａＡｓ光吸収層９０３を格子整合条件に近い状態で結晶成長させることにより作製されている。その場合のＩｎＡｓＰバッファ層９０２における格子定数の増加は、ＩｎＡｓＰバッファ層９０２中に格子緩和を起こさせることで実現される。この場合、ＩｎＡｓＰバッファ層９０２には格子不整合によるミスフィット転位が発生するが、層構成や作製方法を工夫することで転位がＩｎＧａＡｓ吸収層に伝播することを抑制している。従来のＩｎＧａＡｓ光素子として、非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】K. Makita et al.,“Ga1-yInyAs/InAsxP1-x (y > 0.53, x >0) pin photodiodes for long wavelength regions (・ > 2 ・m) grown by hydride vapour phase epiytaxy,”Electronics Letters, Vol. 24, No. 7, 1988, 379-380.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
一般に、２μｍ付近の波長領域のガス吸収線による光吸収を利用したガス計測では、その受光器として拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子が用いられる。この拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子は、図９に示したように、格子不整合によるミスフィット転位をＩｎＡｓＰバッファ層中に発生させ、ＩｎＡｓＰ層中で格子定数を大きくすることを前提とした層構成となっている。しかしながら、このＩｎＡｓＰバッファ層で発生した転位のＩｎＧａＡｓ吸収層への伝播を完全に抑制することは難しい。その結果、ＩｎＧａＡｓ吸収層にも結晶欠陥が発生することになる。ＩｎＧａＡｓ吸収層における結晶欠陥により、非特許文献１に開示の受光素子では、暗電流が増加する。このため、拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子では、暗電流を低減することが難しい。
【００１８】
本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたもので、拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子のように格子定数を変化させるためのバッファ層を備えることなく、ＩｎＰ基板上に２μｍ付近の波長領域で動作可能な半導体受光素子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】
【００１９】
上記問題を解決するための本発明は、光信号を電気信号に変換する半導体受光素子であって、ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板上に形成され、圧縮歪み構造を有するＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層と、共振器を形成するための第１反射鏡および第２反射鏡とを備え、前記第１反射鏡は、前記ＩｎＰ基板と前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層との間に形成され、多層構造を有するものである。
【００２０】
ここで、前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層のＳｂ組成比をｘとすると、ｘは、０＜ｘ≦０．３の範囲にあり、前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層の格子定数は、ＩｎＰの格子定数よりも大きく、前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層のＩｎＰに対する格子不整合の比率をＰとすると、Ｐは、０％＜Ｐ≦１．５％の範囲にあるようにしてもよい。
【００２１】
前記第１反射鏡の前記多層構造は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、ＡｓおよびＰのうちの２つ以上の元素を構成元素として含み、ＩｎＰに格子整合するように構成するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の本導体受光素子によれば、拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子のように格子定数を変化させるためのバッファ層を備えることなく、ＩｎＰ基板上に２μｍ付近の波長領域で動作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体受光素子の構成例を示す図である。
【図２】Ｓｂ組成比を変化させた場合のＩｎＧａＡｓＳｂのバンドギャップ波長の変化一例を説明するための図である。
【図３】ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＳｂについて、Ｓｂ組成比を変化させた場合のバンドギャップ波長の変化を格子歪によるバンド端のシフトを考慮して説明するための図である。
【図４】Ｉｎｐ基板上のＩｎＧａＡｓについてＩｎＰに対する格子不整合を変化させた場合において、格子緩和が生じる膜厚の一例をＩｎＰに対する格子不整合の割合と関連付けて説明するための図である。
【図５】ＩｎＰ基板上に成長させたＩｎＰに対する格子不整合が+０．４％のＩｎＧａＡｓＳｂに関して、成長膜厚を変化させた場合の室温でのホトルミネセンススペクトルの変化一例を説明するための特性図である。
【図６】本発明の実施の形態２における半導体受光素子の構成例を示す図である。
【図７】２μｍ付近の波長領域に吸収線が存在するガス種をその強度と関連付けて説明するための図である。
【図８】ＣＯ２の波長が２．０５μｍ付近における吸収線を説明するための図である。
【図９】一般的な拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子の層構造を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の半導体受光素子の実施の形態１について説明する。この実施の形態の半導体受光素子は、光信号を電気信号に変換するように構成されている。
【００２５】
［半導体受光素子の構成］
先ず、本実施の形態の半導体受光素子１００の構成例について図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１における半導体受光素子１００の構成例を示す図である。
【００２６】
この半導体受光素子１００は、ｎ型ＩｎＰ基板１０１と、ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に形成された反射鏡（第１の反射鏡）１０２と、反射鏡１０２上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０３と、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０３上に形成されたアンドープのＩｎＧａＡｓＰ層１０４と、ＩｎＧａＡｓＰ層１０４上に形成されたアンドープのＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５と、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５上に形成されたｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０６と、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０６上に形成されたｐ型ＩｎＧａＡｓ層１０７とを備える。
【００２７】
図１において、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０３、ＩｎＧａＡｓＰ層１０４およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１０６の各バンドギャップ波長はともに、例えば１．５μｍである。
【００２８】
ＩｎＧａＡｓＳｂ層１０５は、例えば、Ｓｂ組成比＝０．０４、Ｉｎ組成比＝０．５５、ＩｎＰに対する格子不整合＝＋０．４％、バンドギャップ波長＝１．８３μｍ、および、膜厚＝０．３５μｍで与えられる。なお、この実施の形態の説明において示される値は単なる例示であり、適宜変更してもよい。
【００２９】
反射鏡１０２は、半導体の多層構造で構成される。この多層構造は、例えば、バンドギャップ波長が１．５μｍで膜厚が１３０ｎｍとなるｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層と、バンドギャップ波長が１．５μｍで膜厚が１４１ｎｍとなるｎ型ＩｎＰ層とが１つのペアとして与えられ、反射鏡１０２内に例えば１０ペア分が積層される。この場合、反射鏡１０２では、例えば１．７８μｍの波長を有する光に対する反射率が８１％となるようにしてある。なお、１．７８μｍの波長は、図７で示したように、ＨＣｌのガス吸収線が存在する波長に相当する。
【００３０】
ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１０７は、空気との境界で信号光を反射させる反射鏡（第２の反射鏡）として機能する。この実施形態の場合の反射率は、例えば３０％となる。
【００３１】
図１において、上記構成要素１０１〜１０７以外の窒化シリコン膜１０８、ｐ型電極１０９およびｎ型電極１１０は、後述する作製方法の説明において参照される。
【００３２】
［半導体受光素子の作製方法］
次に、本実施の形態の半導体受光素子１００の作製方法について再度図１を参照して説明する。
【００３３】
エピタキシャルウェハの成長には、例えば、有機金属分子線エピタキシー法を用いる。この場合の原料として、例えば、III族原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、V族原料としてアルシン（ＡｓＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）およびトリスジメチルアミノアンチモン(ＴＤＭＡＳｂ)、ドーパント原料としてスズ（Ｓｎ）およびベリリウム（Ｂｅ）を用いる。結晶成長時の基板温度は、すべての層において、例えば５００℃とする。
【００３４】
図１において、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５以外の層では、ＩｎＰに対する格子定数差が０．１％未満になるように原料供給量を調整される。
【００３５】
上述したエピタキシャルウェハを用いて、直径が例えば１１３０μｍの円形メサ（図１を参照）を形成した後、窒素シリコン膜１０８を蒸着する。
【００３６】
このメサ部中央部の窒素シリコン膜１０８を除去した後、例えば、外径＝１１００ｍｍ、内径＝１０００ｍｍのリング状のｐ型電極１０９を形成する。
【００３７】
最後に、ＩｎＰ基板１１０を研磨により、所定の厚さに調整した後、ｎ型電極１１０を形成する。
【００３８】
ここで、本実施の形態の半導体受光素子１００において、例えば、動作温度＝２０℃、および、バイアス電圧＝−５Ｖの場合、光電流のピーク波長は、１．７８μｍとなる。そして、そのピーク波長における量子効率は、６２％となるが、これらの特性は、反射鏡１０２を備えない半導体受光素子（反射鏡１０２以外の構成要素１０１、１０３〜１１０を含む）よりも良くなる。
【００３９】
反射鏡１０２を備えない半導体受光素子の場合、例えば、光電流のピーク波長＝１．７５μｍが与えられたときの量子効率は２１％となり、波長＝１．７８μｍが与えられたときの量子効率は２０％となる。つまり、半導体受光素子１００では、反射鏡１０２を備えないものよりも、量子効率が約３倍向上している。これは、反射鏡１０２面と、ｐ型ドープＩｎＧａＡｓ層１０７の反射鏡面（空気との境界面）との間で、ＩｎＧａＡｓＳｂ吸収層１０５を含む領域が共振器として機能するためである。
【００４０】
半導体受光素子１００では、例えば、量子効率がピーク値の半分である３１％以上となるのは、波長領域が１．７２μｍから１．８２μｍまでの場合である。
【００４１】
一般に、ガスの個々の吸収線は、図７および図８で説明したように、ピーク半値幅が０．１ｎｍ以下の鋭いスペクトル形状を持つことが知られており、ガス計測時には、複数本の吸収線の内の１本の吸収線を測定対象として用いられることが知られている。
【００４２】
この観点から、動作波長が狭くて量子効率が高い本実施の形態の半導体受光素子１００では、ガス吸収線による光吸収を用いたガス計測に適用するのに好適である。
【００４３】
半導体受光素子１００において、暗電流は、動作温度＝２０℃、バイアス電圧＝−０．５Ｖが与えられた場合、反射鏡１０２の有無にかかわらず、０．１１±０．０３μＡ（１４±４μＡ／ｃｍ２）となる。すなわち、一般的な拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子よりも低くなる（例えば、K. R. Linga et al., “Dark current analysis and characterization of InxGa1-xAs/InAsyP1-y graded photodiodes with x > 0.53 for response to longer wavelengths  (>1.7 μm),” IEEE Journal of Lightwave Technology,” Vol. 10, No. 8, 1992, 1050-1055  を参照）。これは、後述するが、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５は、ＩｎＰ基板１０１と格子不整合があるものの、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５の膜厚が薄く、ミスフィット転位による結晶欠陥が少なくなるためである。
【００４４】
ここで、半導体受光素子１００では、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５の膜厚は例えば、０．３５μｍとなっているが、これは、図９に示した一般的な受光素子の光吸収層に比べて薄い。
【００４５】
本実施の形態の半導体受光素子１００では、光吸収層１０５を薄くしても受光感度が高くなるように、反射鏡１０２を備えている。このような受光素子は一般に、Resonant Cavity Enhanced（RCE）Photodetectorと呼ばれている（例えば、K. Kishino et al., “Resonant cavity-enhanced (RCE) photodetectors,”IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 27, No. 8, 1991, 2025-2034を参照）。反射鏡１０２の構成によって、反射率が高い波長領域の受光感度だけを選択的に増加させることができる。
【００４６】
なお、図１に示した反射鏡１０２において、ＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓＰ層とを含む多層構造で形成される場合を例示しているが、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、ＡｓおよびＰのうち２つ以上の元素を構成元素として含み、かつ、ＩｎＰ基板１０１に格子整合可能な材料でドーピングが可能な半導体材料であれば、これに限られない。反射鏡１０２の多層構造として、例えば、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓとで構成される多層膜、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓとで構成さえる多層膜、ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとで構成される多層膜など考えられる。このようにしても、反射鏡１０２の膜厚を調整するようにすれば、本実施の形態の半導体受光素子１０と同様の効果が得られることは明らかである。
【００４７】
本実施の形態の半導体受光素子１００では、光吸収層１０５として、ＩｎＰと格子整合しないＩｎＧａＡｓＳｂ層を用いており、このＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５のバンドギャップ波長が格子整合するＩｎＧａＡｓ層よりも長くなっている点に特徴がある。
【００４８】
次に、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５のバンドギャップ波長について図２を参照して説明する。図２は、Ｓｂ組成比を変化させた場合のＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５のバンドギャップ波長の変化一例を説明するための図である。
【００４９】
図２に示すように、ＩｎＧａＡｓＳｂのＩｎＰに対する格子不整合は、０％、＋０．２％、＋０．５％、＋１．０％、＋１．５％となる値が与えられる。この場合、ＩｎＧａＡｓＳｂが完全に格子緩和した場合のバンドギャップ波長は、図２に示すような値をとる。Ｓｂ組成比が０の場合、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップ波長となる。
【００５０】
ＩｎＧａＡｓＳｂのバンドギャップ波長は、図２に示すように、ＩｎＰに対する格子不整合が０〜＋１．５％のいずれの場合でも、Ｓｂ組成比が０〜０．３の範囲であれば、Ｓｂ組成比の増加に伴って長波長になることが分かる。すなわち、ＩｎＧａＡｓＳｂおよびＩｎＧａＡｓにおいてともに、ＩｎＰに対する格子不整合が等しい場合、ＩｎＧａＡｓＳｂの組成比ｘが０＜ｘ≦０．３の範囲では、ＩｎＧａＡｓＳｂの方がＩｎＧａＡｓよりもバンドギャップ波長は長くなることが分かる。換言すると、ＩｎＧａＡｓに代えて、ＩｎＧａＡｓＳｂを用いる場合には、バンドギャップ波長が容易に長波長化できることが分かる。
【００５１】
ここで、本実施形態の半導体受光素子１００において、ＩｎＰ基板１０１上にＩｎＧａＡｓＳｂを成長させた場合、ＩｎＰ基板１０１の影響により、ＩｎＧａＡｓＳｂの結晶格子が変形することになるが、この影響により、格子歪による伝導帯と、価電子帯のバンド端シフトが発生することになる。この場合のバンドギャップ波長の変化一例について図３を参照して説明する。
【００５２】
図３は、ＩｎＰ基板１０１上のＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５について、Ｓｂ組成比を変化させた場合のバンドギャップ波長の変化を格子歪によるバンド端のシフトを考慮して説明するための図である。
【００５３】
図３に示すように、ＩｎＧａＡｓＳｂのＩｎＰに対する格子不整合は、０％、＋０．２％、＋０．５％、＋１．０％、＋１．５％となる値が与えられる。この場合、ＩｎＧａＡｓＳｂが完全に格子緩和していない場合のバンドギャップ波長は、図３に示すような値をとる。図３に示したバンドギャップ波長は、格子歪によりバンド端がシフトするので、図２で示した格子歪を考慮しない場合よりも短くなる。しかしながら、この格子歪によるバンド端のシフトを考慮した場合でも、格子歪の影響を考慮せずに値を例示した図２のものと同様に、ＩｎＰに対する格子不整合が０〜＋１．５％のいずれの範囲において、Ｓｂ組成比が０〜０．３の範囲であれば、Ｓｂ組成比の増加に伴って長波長になることが分かる。すなわち、ＩｎＰ基板１０１上に成長したＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５のように、格子歪によるバンド端のシフトがある場合でも、ＩｎＧａＡｓＳｂの組成比ｘが０＜ｘ≦０．３の範囲であれば、ＩｎＧａＡｓに代えてＩｎＧａＡｓＳｂを光吸収層として採用することで、バンドギャップ波長が容易に長波長化する。
【００５４】
例えば、ＩｎＰ基板１０１上に形成されるＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５の膜厚が薄い場合、格子緩和が起こらないようになるため、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５のバンドギャップ波長は、例えば図３に示したような値に近くなる。
【００５５】
一方、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５の膜厚が十分に厚い場合には、ミスフィット転位により、完全に格子緩和した状態になるので、例えば図２に示したバンドギャップ波長の値に近くなる。
【００５６】
本実施の形態のＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５では、上述した格子緩和の割合に応じて、図２で示した値と図３に示した値の中間に位置するバンドギャップ波長をとる。
【００５７】
なお、一般的には、上述した格子緩和が生じうる膜厚は、臨界膜厚と呼ばれている。ＩｎＧａＡｓＳｂの臨界膜厚については報告例がないが、ＩｎＧａＡｓの臨界膜厚については多くの報告例がある。
【００５８】
本実施の形態の半導体受光素子１００において、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５のＳｂ組成比を０．３以下とすれば、ＩｎＧａＡｓＳｂの組成がＩｎＧａＡｓのものと近似し、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５がＩｎＧａＡｓとほぼ同じ特性を有すると考えられる。この点について、以下説明する。
【００５９】
図４は、ＩｎＰ基板１０１上のＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５において、ＩｎＰに対する格子不整合を変化させた場合において、格子緩和が生じる臨界膜厚の一例をＩｎＰに対する格子不整合の割合と関連付けて説明するための図である。
【００６０】
図４に示した臨界膜厚の値は、一般に知られているＩｎＰ上のＩｎＧａＡｓの膜厚（例えば、M. Gendry et al.,“Critical thicknesses of highly strained InGaAs layers on InP by molecular beam epitaxy,”Applied Physics Letters, Vol. 60, No. 18, 1992, 2249-2251を参照）の記載内容を考慮したものである。
【００６１】
図４から、ＩｎＰに対する格子不整合が０から＋１．５％までの間では、結晶成長が２次元的に進むために臨界膜厚が比較的大きくなる。一方、格子不整合が＋１．５％よりも大きくなると、結晶成長が３次元的に進むために臨界膜厚が急激に小さくなることが分かる。このことから、ＩｎＰに対する格子不整合の割合Ｐが０％よりも大きく＋１．５％以下（０＜Ｐ≦１．５）であれば、格子不整合に起因した結晶欠陥の導入が緩やかになる。このことについて、ＩｎＰ基板１０１上に成長した格子不整合のあるＩｎＧａＡｓＳｂのホトルミネセンス測定結果を用いて図５を参照して説明する。
【００６２】
図５は、ＩｎＰ基板１０１上に成長させたＩｎＰに対する格子不整合が+０．４％のＩｎＧａＡｓＳｂに関して、成長膜厚を変化させた場合の室温でのホトルミネセンススペクトルの変化一例を説明するための特性図である。なお、試料は、前述した有機金属分子線エピタキシー法にしたがって作製した。作製時において、各試料につき、ＩｎＧａＡｓＳｂ成長時の原料供給量は一定とした。
【００６３】
図５から分かるように、ＩｎＧａＡｓＳｂの膜厚が例えば０．２２μｍから０．３５μｍに増加すれば、ホトルミネセンスの発光ピーク波長は、１．８０μｍから１．８４μｍに変化し、ピーク強度は７０％程度に低下する。この膜厚の増加に伴う発光ピーク波長の長波長化は、ＩｎＧａＡｓＳｂの膜厚が増加したことにより、格子緩和が起こり、格子歪によるバンド端のシフトが抑制されたからである。
【００６４】
発光ピーク強度の低下は、格子緩和により結晶欠陥が発生したためであるが、強度低下は３０％程度の減少に過ぎない。
【００６５】
そして、ＩｎＧａＡｓＳｂの膜厚が０．３５μｍから０．４２μｍに増加しても、発光ピーク波長は、１．８４μｍの状態のままとなり、ピーク強度もほぼ一定となる。これは、図４で説明したように、ＩｎＰに対する格子不整合の割合Ｐが０％＜Ｐ≦＋１．５％以下の比較的小さい場合、格子不整合に起因した結晶欠陥の導入が緩やかであることを示している。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態の半導体受光素子１００によれば、ＩｎＰ基板１０１上の光吸収層にＩｎＰよりも格子定数が大きいＩｎＧａＡｓＳｂを用いることで、従来用いられてきたＩｎＧａＡｓを光吸収層とする受光素子よりも、動作波長を容易に長波長化させることができる。ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５は、ミスフィット転位による結晶欠陥の素子特性に与える影響が顕著にならない程度に薄くする必要があるが、受光素子１００に入射した信号光が、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５と、ＩｎＰ基板１０１の間に設けられた反射鏡１０２と、信号光の入射側に設置された反射鏡１０７との間で多重反射される。このため、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層１０５の膜厚が薄くても大きな受光感度を得ることができる。これにより、前述した拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子におけるＩｎＡｓＰバッファ層のような格子緩和を起こさせるための層（図９参照）を必要とせず、ＩｎＰ基板１０１上で波長が２μｍ付近の信号光を高感度に検知することができる。
【００６７】
また、光吸収層１０５にＩｎＰとは格子整合しないＩｎＧａＡｓＳｂ層を用いても、ＩｎＰに対する格子不整合の割合が０％よりも大きく＋１．５％以下であれば、格子不整合に起因した結晶欠陥が急激に導入されることはなく、その結果、暗電流を小さく抑えることができる。
【００６８】
本実施の形態では、ＩｎＰに対する格子不整合の割合が例えば＋０．４％のＩｎＧａＡｓＳｂを光吸収層１０５に用いた半導体受光素子１００を例にとって説明したが、格子不整合が０％よりも大きく＋１．５％以下の範囲内であれば、格子不整合に起因した結晶欠陥が急激に導入されることはないため、光吸収層１０５として適用できる。
【００６９】
上記実施の形態では、作製方法として有機金属分子線エピタキシー法を用いた場合について説明したが、ＩｎＧａＡｓＳｂ層が作製可能な成長方法であれば良く、例えば、分子線エピタキシー法、ガスソース分子線エピタキシー法、有機金属気相エピタキシー法等の成長方法でも同様の効果が得られることは明らかである。
【００７０】
＜第２実施形態＞
以下、本発明の半導体受光素子の実施の形態２について図６を参照して説明する。
【００７１】
［半導体受光素子の構成］
先ず、本実施の形態の半導体受光素子６００の構成例について図６を参照して説明する。図６は、実施の形態２における半導体受光素子６００の構成例を示す図である。
【００７２】
図６に示すように、半導体受光素子６００は、ｎ型ＩｎＰ基板６０１と、ｎ型ＩｎＰ基板６０１上に形成された反射鏡（第１の反射鏡）６０２と、反射鏡６０２上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層６０３と、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層６０３上に形成されたアンドープＩｎＧａＡｓＰ層６０４と、ＩｎＧａＡｓＰ層６０４上に形成されたアンドープＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層６０５と、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層６０５上に形成されたアンドープＩｎＧａＡｓＰ層６０６と、ＩｎＧａＡｓＰ層６０６上に形成されアンドープＩｎＰ層６０７とを備える。これらの構成要素６０１〜６０７は、図１に示した構成要素１０１〜１０７と同様の機能を有する。
【００７３】
図６において、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層６０３、ＩｎＧａＡｓＰ層６０４およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層６０６の各バンドギャップ波長はともに、例えば１．６μｍである。
【００７４】
ＩｎＧａＡｓＳｂ層６０５は、例えば、Ｓｂ組成比＝０．０８、Ｉｎ組成比＝０．６１、ＩｎＰに対する格子不整合＝＋１．１％、バンドギャップ波長＝２．０７μｍ、および、膜厚＝８０ｎｍで与えられる。
【００７５】
反射鏡（第１の反射鏡）６０２は、半導体の多層構造で構成される。この多層構造は、例えば、バンドギャップ波長が１．６μｍで膜厚が１４９ｎｍとなるｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層と、バンドギャップ波長が０．９２μｍで膜厚が１６４ｎｍとなるｎ型ＩｎＰ層とが１つのペアとして与えられ、反射鏡６０２内に例えば１５ペア分が積層される。この場合、反射鏡６０２では、例えば２．０５μｍの波長を有する光に対する反射率が約９２％となるようにしてある。なお、２．０５μｍの波長は、図７で示したように、ＣＯ２のガス吸収線が存在する波長に相当する。
【００７６】
図６において、上記構成要素６０１〜６０７以外のＳｉ／ＳｉＯ２反射鏡（第２の反射鏡）６０８、ｐ型電極６０９、ｎ型電極６１０およびＺｎ拡散領域６１１は、後述する作製方法の説明において参照される。
【００７７】
［半導体受光素子の作製方法］
次に、本実施の形態の半導体受光素子６００の作製方法について再度図６を参照して説明する。
【００７８】
エピタキシャルウェハの成長には、実施の形態１のものと同様に、例えば、前述の有機金属分子線エピタキシー法を用いてエピタキシャルウェハを形成した。
【００７９】
そして、このエピタキシャルウェハ上面において、直径が１１００μｍの円形領域に、図６に示すような亜鉛（Ｚｎ）の熱拡散プロセスを行なう（図６のＺｎ拡散領域６１１を参照）。
【００８０】
次に、エピタキシャルウェハ表面に対して、例えば電子ビーム蒸着法を用い、波長が２．０５μｍの光に対する反射率が約７５％となるような酸化シリコン（ＳｉＯ２)とシリコン（Ｓｉ）とから構成される反射鏡６０８を形成した。その後、外径＝１１００μｍ、内径＝１０００μｍのリング状の領域において反射鏡６０８を除去し、この領域にｐ型電極６０９を形成した。最後に、ＩｎＰ基板６０１を研磨し、ｎ型電極６１０を形成することにより、本実施の形態のプレーナ型の半導体受光素子６００を作製した。
【００８１】
このようにして作製した半導体受光素子６００は、動作温度＝２０℃、バイアス電圧＝−５Ｖの状態において、光電流のピーク波長が２．０５μｍとなり、ピーク波長における量子効率は３０％となった。この場合の量子効率は、反射鏡６０２がないもので８％であるのに対し、反射鏡６０２を有する半導体受光素子６００の場合は、３５％となった。このことから、ほぼ設計通りの量子効率が得られていることが確認できた。
【００８２】
信号光がピーク波長から離れると、急激に量子効率は低下するものの、波長が２．０２μｍから２．０６μｍの波長範囲では、２０％以上の量子効率が確認できた。
【００８３】
以上から、本実施の形態の半導体受光素子６００によれば、反射率を高くすることで量子効率の増大が見られる波長範囲は減少するものの、反射率の高い波長領域では高い量子効率が得られる。暗電流は、例えば、動作温度＝２０℃、バイアス電圧＝−０．５Ｖの場合において、１．０５±０．２１μＡ（１３４±２７μＡ／ｃｍ２）となる。半導体受光素子６００では、２μｍ以上の波長領域で動作する受光素子としては良好な特性が得られた。
【００８４】
なお、本実施の形態では、反射鏡６０８として、酸化シリコンとシリコンから構成されるＳｉ／ＳｉＯ２膜を６０８としてを用いた半導体受光素子６００を例にとって説明したが、高い反射率が得られる反射鏡ならば、他の種類の誘電体を用いた多層膜や半導体を用いた多層膜でも良い。このようにしても、本実施の形態の半導体受光素子６００と同様の効果が得られるのは明らかである。
【符号の説明】
【００８５】
１０１，６０１  ｎ−ＩｎＰ基板
１０２，６０２  半導体多層膜反射鏡（ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ／ｎ−ＩｎＰ）
１０３，６０３  ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ
１０４，６０４  ＩｎＧａＡｓＰ
１０５，６０５  ＩｎＧａＡｓＳｂ
１０６，６０６  ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ
１０７  ｐ−ＩｎＧａＡｓ
１０８  窒化シリコン
１０９，６０９  ｐ型電極
１１０，６１０  ｎ型電極
６０７  アンドープＩｎＰ層
６０８  Ｓｉ／ＳｉＯ２反射鏡
９００  受光素子
９０１  ｎ型ＩｎＰ基板
９０２  ＩｎＡｓＰバッファ層
９０３  ＩｎＧａＡｓ光吸収層
９０４  ＩｎＡｓＰ窓層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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