(57)【要約】【課題】  半導体基板のオフ角等を精密に制御することで、エピタキシャル積層体の良好な結晶性、およびその反映である良好な表面モフォロジを得ることができる、エピタキシャルウエハ等を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明のエピタキシャルウエハは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板と、基板の上に位置するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造の上に位置するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の表層とを備え、基板の面方位が（１００）であって、オフ角が０．００±０．０３°の範囲内であり、かつ表層の表面で、二乗平均面粗さ（ＲＭＳ：Root  Mean  Square）が１０ｎｍ未満である。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板と、
前記基板の上に位置するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の多重量子井戸構造と、
前記多重量子井戸構造の上に位置するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の表層とを備え、
前記基板の面方位が（１００）であって、オフ角が０．００±０．０３°の範囲内であり、
前記表層の表面で、二乗平均面粗さ（ＲＭＳ：Root  Mean  Square）が１０ｎｍ未満である、エピタキシャルウエハ。
【請求項２】
前記表層の表面で、凸部または凹部が１００個／ｃｍ２以上１×１０６個／ｃｍ２以下存在する、請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項３】
前記多重量子井戸構造が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２）とのペア、または、Ｇａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦０．８、０＜ｖ≦０．２）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２）とのペア、で構成されるタイプ２の多重量子井戸構造である、請求項１または２に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項４】
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の表層がＩｎＰ層である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項５】
請求項１に記載の前記エピタキシャルウエハにおける、前記基板と、前記多重量子井戸構造と、前記表層と、を備える、半導体素子。
【請求項６】
請求項５における前記多重量子井戸構造が受光層であり、受光素子として用いる、半導体素子。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体素子と、読み出し回路とを備える、光学センサ装置。
【請求項８】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板に形成するエピタキシャルウエハの製造方法であって、
前記基板の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum  Well）を成長する工程と、
前記多重量子井戸構造の上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の表層を形成する工程とを備え、
前記基板に、面方位が（１００）で、オフ角０．００±０．０３°の範囲内のものを用い、
前記多重量子井戸構造の形成工程では、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal  Organic  Vapor  Phase  Epitaxy）により、該多重量子井戸構造を、成長温度５００℃以下で成長し、前記表層の表面に、凸部または凹部を１００個／ｃｍ２以上１×１０６個／ｃｍ２以下形成し、かつ該表層の表面のＲＭＳ値を１０ｎｍ未満とする、エピタキシャルウエハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャルウエハ、その製造方法、半導体素子、および光学センサ装置であって、より具体的には、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により形成され、バンドギャップが近赤外〜遠赤外域に対応する多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple-Quantum  Well）を含むエピタキシャルウエハ、その製造方法、半導体素子および光学センサ装置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〜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、ＩｎＧａＡｓ層の厚みを変えて形成してバンドギャップエネルギの変化を、フォトルミネッセンス発光スペクトルで検出する実験が開示されている（非特許文献１）。また、ＩｎＰ基板に、タイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＭＱＷを形成し、エピタキシャル層成長時にドーピングでｐｎ接合を形成したフォトダイオードが開示されている。ここでは、波長１．７μｍ〜２．７μｍの感度特性が示されている（非特許文献２）。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３）。
【０００３】
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】
【０００４】
【非特許文献１】J.Hu, et.al. "Type II photoluminescence and conduction band offsets ofGaAsSb/InGaAs and GaAsSb/InP heterostructures grown by metalorganic vapor phaseepitaxy”, APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol. 73, No. 19 (1998), pp.2799-2801.
【非特許文献２】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３】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】
【０００５】
【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】
【０００６】
上記の受光素子はいずれもＩｎＰ（１００）基板に設けられている。このＩｎＰ（１００）基板の表面性状については、通常の処理たとえばウエットエッチングを施していることは当然として、それ以上の詳細な表面の制御はしていないと思われる。しかしながら、受光素子のように基板上に分厚いエピタキシャル積層体を形成する場合、成膜開始時の基板の表面形態によって、成膜後のエピタキシャル積層体の表面モフォロジは大きく変わり、それに応じてエピタキシャル積層体の結晶性も変動する。すなわち表層の表面モフォロジが劣るときは積層体の結晶性も劣化する。
【０００７】
本発明は、半導体基板のオフ角等を精密に制御することで、エピタキシャル積層体の良好な結晶性、およびその反映である良好な表面モフォロジを得ることができる、エピタキシャルウエハ、その製造方法、半導体素子、および光学センサ装置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】
【０００８】
本発明のエピタキシャルウエハは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板と、基板の上に位置するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造の上に位置するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の表層とを備え、基板の面方位が（１００）であって、オフ角が０．００±０．０３°の範囲内であり、かつ表層の表面で、二乗平均面粗さ（ＲＭＳ：Root  Mean  Square）が１０ｎｍ未満である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エピタキシャル層の成長開始時の半導体基板のオフ角を精密に制御することで、エピタキシャル積層体を成膜したあと良好な表面モフォロジを確保して良好な結晶性のエピタキシャル層を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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２】図１のエピタキシャルウエハを用いて製造した受光素子の断面図である。
【図３】表面のＲＭＳを求めるための原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を示す図である。
【図４Ａ】（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のペア数５０の場合の表層の表面の凸部または凹部を示す図である。
【図４Ｂ】（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のペア数１５０の場合の表層の表面の凸部または凹部を示す図である。
【図４Ｃ】（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のペア数２５０の場合の表層の表面の凸部または凹部を示す図である。
【図４Ｄ】（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のペア数３５０の場合の表層の表面の凸部または凹部を示す図である。
【図５Ａ】成長温度４５０℃で（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のペア数２５０を成長した場合の表層の表面の凸部または凹部を示す図である。
【図５Ｂ】成長温度５００℃で（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のペア数２５０を成長した場合の表層の表面の凸部または凹部を示す図である。
【図５Ｃ】成長温度５２５℃で（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のペア数２５０を成長した場合の表層の表面の凸部または凹部を示す図である。
【図６】製造方法を示すフローチャートである。
【図７】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８Ａ】有機金属分子の流れと温度の流れを示す図である。
【図８Ｂ】基板表面における有機金属分子の模式図である。
【図９】実施例の各試験体の性能を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
１．エピタキシャルウエハ：
（１）本願発明の実施形態のエピタキシャルウエハは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板と、基板の上に位置するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造の上に位置するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の表層とを備え、基板の面方位が（１００）であって、オフ角が０．００±０．０３°の範囲内であり、表層の表面で、二乗平均面粗さ（ＲＭＳ：Root  Mean  Square）が１０ｎｍ未満である。通常、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の半導体素子の製造では、基板は（１００）面からのオフ角の絶対値が０．０５〜０．１°のものを用いる。すなわち本実施の形態における（１００）面からのオフ角が０．００±０．０３°の範囲は、通常のオフ角より、相当、小さい。いわゆるジャスト基板と呼んでもよい範囲である。通常、上記のように大きなオフ角をとるのは、オフ角の表面エネルギ等を考慮すると、熱力学的に、オフ角が大きいほうが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。しかし、エピタキシャル成長における成長速度等を重視しなければ、結晶性に関して、オフ角は本実施の形態のように小さいほうが好ましい。実績として、（１００）面からのオフ角が絶対値で０．０３°を超えると、表面の二乗平均面粗さＲＭＳが１０ｎｍ以上となり、各エピタキシャル層で良好な結晶性を確保することができない。また、この後説明する表層の表面に、凸部または凹部を適切な密度で形成することが難しくなる。このような実績を基に、本実施の形態では（１００）面からのオフ角が絶対値で０．０３°以内とする。このオフ角の範囲内であれば、オフの方向はどのような方向でもよい。
【００１２】
（２）表面のＲＭＳ：
（ｉ）表層の表面のＲＭＳを１０ｎｍ未満とするのは、表面のＲＭＳは内部の結晶性をあらわす指標とみることができるからである。現に、ＲＭＳが１０ｎｍ未満のエピタキシャルウエハを用いて受光素子を製造した場合、暗電流は低く抑えられるのに対して、ＲＭＳが１０ｎｍ以上になると暗電流は好ましくないレベルに増大する。ＲＭＳのより一層好ましい範囲は７．５ｎｍ以下である。
（ｉｉ）ＲＭＳ値の測定は、どのような装置を用いて測定してもよい。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。たとえば１０μｍ角の領域、もしくは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。
【００１３】
（３）表層の表面における凸部または凹部：
上記の凸部または凹部は、一つの単位が、直径３０μｍ程度以下であり、通常、直径１０μｍ〜２０μｍ程度である。高さもしくは深さは、詳細に測定していないが、数μｍ以下であり、高さもしくは深さは微小である。これらの凸部または凹部は、以下に説明する程度のあらわれ方であれば実害はないといってよい。むしろ結晶性は、実用上問題ないレベルにあることが担保される。一般的に、表面欠陥すなわち表面荒れや凹凸によって、エピタキシャル層の結晶性は劣化すると思われがちである。しかし、発明者らの調査によれば、これら凸部または凹部が所定の範囲で生じる限り、内部の結晶性の低下は生じない。すなわち凸部または凹部が所定の範囲で生じても、受光素子に用いた場合に暗電流は低いままであり、発光素子に用いた場合にも発光強度の低下を生じない。発光素子に用いた場合、凸部もしくは凹部の表面模様を形成することで、活性層から発光した光は、コンタクト層表面において全反射しにくくなり、エピタキシャル積層体もしくはコントクト層表面から外部へと放射しやすくなる。換言すると、光を取り出しやすくなり発光強度を向上させることができる。
【００１４】
このような凸部または凹部は、通常のＭＯＶＰＥ法を用いて、低めの成長温度を用い、かつ原料の分解効率を高めることで、再現性よく形成することができる。多重量子井戸構造のペア数の影響は確実にあり、ペア数が２５ペア以上で上記凸部または凹部は発生し、ペア数の増大にともないより顕著になる。この凸部または凹部を生じる再現性は、理由は明確ではないが、ペア数と成長温度の要件を満たす限り１００％であるといってよい。これら凸部または凹部は、しかしながら単位面積当たりの個数が、１０６個／ｃｍ２を超えると、ひしめき合って表面全体が埋め尽くされて、個々の凸部もしくは凹部を個別にカウントしにくくなる。このように表面全体が埋め尽くされるようになると、内部の結晶性も劣化して受光素子に用いた場合、暗電流は大きく増大する。この場合、「表面モフォロジが劣る」、もしくは「面荒れが生じる」、と記述する。凸部または凹部は、単位面積当たりの個数が、１０６個／ｃｍ２以下であればカウントすることが可能であり、上記のように内部の結晶性は問題ないレベルにある。
【００１５】
なお、凸部または凹部とは、「凸部または凹部」の語全体が表面性状を記述する一つの用語（表現）である。凸部かまたは凹部かの区別は意図していない。たとえば凸部が発生する場合があったり、または凹部が発生する場合があるという意味ではない。すなわち走査型電子顕微鏡で見て、一見して全体的に「凸部または凹部」と認められる表面性状について記述している。たとえば、凸部が、ある程度、密集してくると凸部に隣接する箇所は凹部に見えるという意味に捉えてもよい。この凸部または凹部は、個々の平面形状が、円状の場合が多いが、細長い矩形状や、楕円状の場合もあり、その場合は、「短い差し渡し長さ」を直径とみなす。直径の下限は、５μｍ以上程度である。
【００１６】
（４）多重量子井戸構造：
多重量子井戸構造は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２）とのペア、または、Ｇａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦０．８、０＜ｖ≦０．２）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２）とのペア、で構成されるタイプ２の多重量子井戸構造とするのがよい。この多重量子井戸構造によって、受光素子の場合、波長２μｍ〜１０μｍの近赤外〜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。また発光素子の場合、上記の波長域の光を放射する発光素子を得ることができる。
【００１７】
（５）ＩｎＰ表層：
発光素子の場合、少なくともＩｎＰという広いバンドギャップの層を表層に配置し、またボトム側に同様に広いバンドギャップのボトム層を設け、多重量子井戸構造を挟むことができる。発光素子の場合、これによってキャリアの漏れ出しを防止してＬＥＤ（light  Emitting  diode）などの発光を促進することができる。また受光素子の場合、画素を形成するための電極、絶縁膜等を設ける場合の技術蓄積、もしくはプレーナ型受光素子の場合の選択拡散などのデータ、が豊富にあるので、受光素子および発光素子を安定して歩留まりよく製造することができる。
【００１８】
（６）プレーナ型受光素子：
本発明の実施の形態例のエピタキシャルウエハを、プレーナ型受光素子の製造に用いる場合、多重量子井戸構造と、表層との間に、拡散濃度分布調整層を配置するのがよい。拡散濃度分布調整層は、必須ではないが、ｐｎ接合を多重量子井戸構造内に設けるために、表層から選択拡散によって不純物たとえばｐ型不純物の亜鉛（Ｚｎ）を導入する場合、過度に高濃度のＺｎが多重量子井戸構造内に導入されると多重量子井戸構造の結晶性が劣化する。このため、表層（窓層）の直下、多重量子井戸構造との間に拡散濃度分布調整層を配置する。そして、この拡散濃度分布調整層内で、選択拡散の入口である表層から続く高濃度が、多重量子井戸構造側の低濃度へと急峻に低下する遷移領域を配置するようにする。この拡散濃度分布調整層には、ＩｎＰよりもバンドギャップが小さいＩｎＧａＡｓ等を用いるのがよい。
【００１９】
（７）エピタキシャルウエハが用いられる半導体素子：
上記のエピタキシャルウエハは、どのような半導体素子に用いてもよい。この半導体素子は、当然、エピタキシャルウエハにおける、基板と、多重量子井戸構造と、表層とを備えている。上述のＬＥＤ等の発光素子もしくは受光素子に用いることができる。受光素子に用いた場合、その受光素子と読み出し回路とを組み合わせた光学センサ装置も対象となる。
【００２０】
２．エピタキシャルウエハの製造方法：
本発明の実施の形態のエピタキシャルウエハの製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の多重量子井戸構造を成長する工程と、多重量子井戸構造の上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の表層を形成する工程とを備え、基板に、面方位が（１００）で、オフ角０．００±０．０３°の範囲内のものを用い、多重量子井戸構造の形成工程では、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により、該多重量子井戸構造を、成長温度５００℃以下で成長し、表層の表面に、凸部もしくは凹部を１００個／ｃｍ２以上１×１０６個／ｃｍ２以下形成し、かつ該表層の表面のＲＭＳ値を１０ｎｍ未満とする。これによって、上記のとおり、結晶性の良好な、多重量子井戸構造を含むエピタキシャル積層体を再現性よく、形成することができる。なお、成長温度は、基板表面温度を赤外線カメラおよび赤外線分光器を含むパイロメータでモニタしており、そのモニタされている基板表面温度をいう。したがって、基板表面温度ではあるが、厳密には、基板上に成膜がなされている状態の、エピタキシャル層表面の温度である。基板温度、成長温度、成膜温度など、呼称は各種あるが、いずれも上記のモニタされている温度をさす。
【００２１】
[本願発明の実施形態の詳細]
次に、本願発明の実施形態のエピタキシャルウエハ等の具体例を、図面を参照しながら説明する。なお、本願発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図されている。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態におけるエピタキシャルウエハ１ａを示す断面図である。図１によれば、エピタキシャルウエハ１ａは、ＩｎＰ基板１の上に次の構成のＩＩＩ−Ｖ族化合物のエピタキシャル積層体を有する。
（ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２／（ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂ）とのタイプ２のＭＱＷによる受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ｐ型ＩｎＰ窓層５）
（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のペアからなるタイプ２のＭＱＷは、組成はたとえばＩｎ０．５９Ｇａ０．４１ＡｓとＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３とするが、目標とする波長域に応じて変えることができる。膜厚の組み合わせはとくに限定しないが、各層の厚み２ｎｍ〜６ｎｍの範囲から適宜選ぶことができる。たとえば、（５ｎｍ／５ｎｍ）とするのがよい。ペア数は、タイプ２のＭＱＷの受光層３とする場合、受光はＭＱＷの各界面での電子の遷移により起きるので界面数すなわちペア数を多くしなければならず、１５０ぺア以上、たとえば２５０ペアとする。
【００２３】
図２は、図１に示すエピタキシャルウエハ１ａを用いて形成した受光素子１０を示す断面図である。図２に示すように、受光素子１０における構成は次のとおりである。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２／Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１ＡｓとＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３とのタイプ２のＭＱＷ受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
この受光素子１０は隣の画素Ｐとの間が不純物の拡散されていない領域で隔絶されるプレーナ型受光素子である。しかし、本実施の形態のエピタキシャルウエハ１ａは機械的に溝で区切られたメサ型に用いてもよい。プレーナ型受光素子では、ＩｎＰ窓層５から拡散濃度分布調整層４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。
【００２４】
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が確保されている。この場合、ＩｎＰ基板１は、ｎ型導電性であっても、また半絶縁性たとえば鉄（Ｆｅ）ドープのＩｎＰ基板であってもよい。図２の受光素子の基板には、鉄（Ｆｅ）ドープのＩｎＰ基板を用いている。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。
【００２５】
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側）により広く空乏層を生じる。タイプ２の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１５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。ＩｎＧａＡｓ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１側における（１〜５）×１０１８ｃｍ−３程度の高濃度領域からＭＱＷ３側にかけて急峻に低下している。このため、ＭＱＷ３内に入る付近で、Ｚｎ濃度５×１０１６ｃｍ−３以下を容易に実現することができる。このように、拡散濃度分布調整層４は、不純物濃度に対して結晶性が劣化しやすいタイプ２の多重量子井戸構造３内にｐｎ接合１５を形成しながら、高濃度の不純物が多重量子井戸構造３内に入らないように不純物濃度を調整する目的で配置されている。しかし、拡散濃度分布調整層４はなくてもよい。
【００２６】
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。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。また、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、ＩｎＰよりもバンドギャップは小さいが、Ｚｎの拡散速度がＩｎＰより遅く、Ｚｎの不純物濃度を調整するのに適している。
【００２７】
次に、エピタキシャルウエハの表面性状（ＲＭＳ、荒れなど）について説明する。以後の説明で、ＲＭＳ、荒れ性などの表面性状は、受光素子１０を作製する前の時点でのエピタキシャルウエハ１ａについて述べている。
（本実施の形態におけるポイント）
（１）エピタキシャルウエハ１ａのＩｎＰ窓層１の表面におけるＲＭＳ値が、１０ｎｍ未満であること。
測定には、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ:Atomic  Force  Microscopy）などを用いるのがよい。図３は、図１に示すエピタキシャルウエハ１ａ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未満でなければならない。ＲＭＳ値は、このあと説明する凸部または凹部と異なり、内部の結晶性を鋭敏に反映する。実際、凸部または凹部が１００個／ｃｍ２以上１×１０６個／ｃｍ２以下の範囲内にあれば、ＲＭＳ値は１０ｎｍ未満の範囲にあり、結晶性は良好であり、暗電流は低く保たれる。
【００２８】
（２）ＩｎＰ基板の面方位：
ただし、基板の方位が重要である。ＩｎＰ基板１の面方位は（１００）で、オフ角が０．００±０．０３°の範囲内でなければならない。従来から、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の基板には、（１００）面から０．０５〜０．１°オフしたオフ基板を用いてきた。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、大きなオフ角の表面には、熱力学的にエピタキシャル層を成長させやすいからである。しかし、大きな成長速度を保持しながらエピタキシャル層を成長することを重視するのでなければ、大きなオフ角は、結晶性低下の要因となるので用いるべきではない。本実施の形態では、大きなオフ角のオフ基板ではなく、面方位は（１００）でオフ角が０．００±０．０３°の範囲内の基板を用いる。オフ角の非常に小さい基板を用いることで、ＲＭＳ値１０ｎｍ未満を実現しやすくなる。その結果、結晶性の良好なエピタキシャル積層体を得ることが容易になる。
【００２９】
（３）表面の凸部または凹部：
所定の条件が満たされると、エピタキシャル積層体の表層を構成するＩｎＰ窓層５の表面に、直径３０μｍ以下の、凸部または凹部が形成される。この凸部または凹部が１００個／ｃｍ２以上１×１０６個／ｃｍ２以下の範囲内にあれば、エピタキシャル積層体の各層、たとえばタイプ２のＭＱＷ等の結晶性は良好である。むしろエピタキシャル積層体内の各層の結晶性が良好であることの証明のようにさえ見える。このような凸部もしくは凹部が形成される条件は、本実施の形態の繰り返しにより、はじめて把握された。しかし発生のメカニズムは不明であり、十分把握されているとはいえない。ＩｎＰ窓層５の表面における凸部または凹部について、現象的に分かっていることをまとめると次のようになる。
【００３０】
（ａ１）成長温度を５００℃と一定にして、タイプ２多重量子井戸構造のペア数を変えると、ペア数の増大につれて、凸部または凹部の密度が大きくなる。図４Ａ〜４Ｄに、タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷのペア数を増大した場合の凸部または凹部の発生頻度を示す。ペア数は、図４Ａ（ペア数５０）、図４Ｂ（ペア数１５０）、図４Ｃ（ペア数２５０）、図４Ｄ（ペア数３５０）、である。ペア数の増大につれて凸部または凹部の密度は増大し、ペア数３５０の図４Ｄでは、ほぼ全面を埋め尽くす。図４Ｃに示すペア数が２５０程度において、凸部または凹部の密度は１０６個ｃｍ−２である。図４Ｄでは凸部または凹部は過大（過密）であり、暗電流は大きく増大する。
【００３１】
（ａ２）図５Ａ〜図５Ｃに、凸部または凹部の発生に及ぼすタイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの成長温度の影響を示す。凸部または凹部は、タイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）３の成長温度を５００℃近傍以下にすることで発生する。図５Ｃに示す成長温度５２５℃ではほとんど発生しない（ＭＱＷのペア数２５０の場合）。図５Ｂは成長温度５００℃の場合であり、図５Ａは、成長温度４５０℃の場合である。成長温度を５００℃程度から下げてゆき、たとえば図５Ａのように成長温度４５０℃になると、凸部または凹部の密度（単位面積当たりの個数）は低下する。成長温度５２５℃では凸部または凹部はほとんど発生しないが、ＭＱＷ内のＧａＡｓＳｂの相分離が生じて暗電流は大きく増大する。
【００３２】
（ａ３）タイプ２のＭＱＷ３のペア数が過大になり過ぎると、凸部または凹部は１０６個ｃｍ−２を超えて、表面を覆い尽くすようになる。このとき、タイプ２のＭＱＷ３等の結晶性も、ペア数の過大によって劣化する。タイプ２のＭＱＷ３のペア数の増大は、結晶性劣化要因であるので、ペア数がたとえば３００以上で受光素子の暗電流が増大する直接の原因は、ＭＱＷ自体の結晶性の劣化が原因である。凸部または凹部の表面全体の稠密被覆の形態は、その内部の結晶性劣化と関係していると思われる。
【００３３】
つぎに製造方法を、図６に従って説明する。成長法は、ＭＯＶＰＥ法を用いるのがよいが、ＭＯＶＰＥ法に準じる方法であればどのような方法であってもよい。たとえば原料ガスをすべて有機金属ガスとする全有機金属気相成長法であってもよい。まず面方位（１００）、オフ角０．００±０．０３°（（１００）ジャスト基板と言ってもよい。）のＩｎＰ基板１を準備する。ウエットエッチングなど通常なされる処理は当然施されているものとする。そのＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＧａＡｓ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する。ＩｎＰバッファ層であってもよい。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。
【００３４】
バッファ層２より上の各層の成長は、成長能率が高く、成長温度を低くできるＭＯＶＰＥ法によって行うのがよい。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、ＭＯＶＰＥ法によって一貫して同じ成膜室で成長する。このとき、とくにタイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ３の成長温度は、５５０℃以下４００℃以上とするのがよい。より好ましくは５００℃以下で４００℃以上の範囲内とするのがよい。その理由として、５００℃より高い成長温度にすると、理由は不明であるが、表層における凸部または凹部が好ましい形態で生成しなくなるからである。また、凸部または凹部との関係について不明であるが、成長温度が５５０℃を超えるとＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて相分離を生じる。ＧａＡｓＳｂが相分離を生じると、製造歩留まりが著しく低下する。４００℃未満の成長温度とすると、ＭＯＶＰＥ法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。ここまでエピタキシャルウエハの製造方法を、図６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。
【００３５】
上記のエピタキシャルウエハは、上述のように、通常のＭＯＶＰＥ法により製造することができる。すなわち市販の有機金属気相成長装置を用いて、そこで常用されている原料ガスを用いて上記の半導体素子等を製造することができる。しかし、全有機金属気相成長法を用いることでより一層結晶性に優れたものを製造することができる。全有機金属気相成長法は、すべての成膜材料に有機金属ガスを用いる方法であり、通常の有機金属気相成長法との相違は、リンを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層の成長の原料にあらわれる。全有機金属気相成長法（全有機ＭＯＶＰＥ）と、普通のＭＯＶＰＥとの相違は、このリン原料にターシャリーブチルホスフィン（ＴＢＰ）を用いるか、または無機材料のホスフィン（ＰＨ３）を用いるかにあらわれる。しかしながら、この相違は、本実施の形態のエピタキシャルウエハの製造にそれほど大きな意味を持たない。
【００３６】
図７に全有機金属気相成長法の成膜装置６０の配管系統等を示す。全有機金属気相成長法の成膜装置であるが、ＭＯＶＰＥ法でもほぼ同じ成膜装置を用いる。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。
【００３７】
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。図７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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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７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。
【００４１】
図８Ａは有機金属分子の流れと温度の流れを示す図であり、図８Ｂ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８Ｂ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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、製造歩留まりを低下させる。しかし一方で、上記のように、４００℃未満の成長温度とすると、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。
【００４４】
ＭＱＷの形成からＩｎＰ窓層５の形成まで、ＭＯＶＰＥ法または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、図１または図２に示す界面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。
【００４５】
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、上記したように、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ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４まで選択拡散される。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、上記のように配置するのがよいが、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。
【００４６】
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、ＭＯＶＰＥ法または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、好ましくは４００℃以上かつ５００℃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。
【００４７】
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。
【実施例】
【００４８】
ＩｎＰ基板について面方位（１００）からのオフ角を変えてＩｎＰ窓層のＲＭＳ値を変えた試験体４体について性能を測定した。試験体Ａ１およびＡ２のＭＱＷの成長温度は５００℃とし、試験体４体のＭＱＷの成長温度は５００℃とした。ＭＱＷのペア数はいずれも２５０とした。測定項目は、図１に示す（１）エピタキシャルウエハの表面モフォロジおよび（２）ＲＭＳ値の測定、並びに、（３）当該エピタキシャルウエハを用いた図２に示す受光素子の暗電流の測定、を行った。試験体４体のうち、試験体Ａ１、Ａ２が本発明例であり、試験体Ａ３、Ａ４は、比較例である。測定結果を図９に示す。
【００４９】
図９によれば、試験体Ａ２は、オフ角度が０．０２０°、ＲＭＳ値が５．３ｎｍであり、暗電流はランクＡ（５ｐＡ以下）であった。また、試験体Ａ１については、オフ角０．００５°、ＲＭＳ値２．４ｎｍであり、表面モフォロジは凸部または凹部は図４Ｃの程度にあった（図９では凸部または凹部が現れていない箇所を撮影している）。そして肝心の暗電流はランクＡ（５ｐＡ以下）であった。試験体Ａ１およびＡ２は、本発明例であり、優劣をつけ難く、両方とも良好な特性を示した。一方、試験体Ａ３およびＡ４は、オフ角０．０３３°および０．０４６°と大きいことを反映して、表面モフォロジは面荒れといえるほど密に凸部または凹部が発生した。ＲＭＳ値は、それぞれ１３ｎｍおよび１５ｎｍであった。表面の面荒れといえるほど凸部または凹部が発生すると、暗電流はやはり不良であり、ランクＣ（１０００ｐＡ〜３０００ｐＡ）であった。比較例Ａ３、Ａ４の性能は、本発明例Ａ１、Ａ２に比べると、その特性（暗電流）が不良であることは明白である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明によれば、基板の面方位からのオフ角および多重量子井戸構造の成長温度等を制御することで、良好な結晶性を確保し、その反映である表面モフォロジにおける面荒れ等を防止して、たとえば受光素子における暗電流を低くすることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１  ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板、１ａ  エピタキシャルウエハ、２  バッファ層、３  多重量子井戸構造、４  拡散濃度分布調整層、５  表層（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、３５  ＡＲ（反射防止）膜、３６  選択拡散マスクパターン、６０  成長装置、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。
【図１】
2014216624.tif 000003
【図２】
2014216624.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2014216624.tif 000011
【図５Ｃ】
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【図６】
2014216624.tif 000013
【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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