(57)【要約】【課題】  暗電流を抑制できるように良好な結晶性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。【解決手段】  本発明のエピタキシャルウエハは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板に形成されたエピタキシャルウエハであって、基板に接して位置する、リン（Ｐ）を含むバッファ層と、バッファ層の上に位置する受光層と、を備え、バッファ層の厚みｄが、バッファ層上面からエピタキシャル層の上面にいたる積層体の厚みｔの０．００２倍（０．００２ｔ）以上である。【選択図】          図１
2014216382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板に形成されたエピタキシャルウエハであって、
前記基板に接して位置する、リン（Ｐ）を含むバッファ層と、
前記バッファ層の上に位置する受光層と、を備え、
前記バッファ層の厚みｄが、前記バッファ層上面から前記エピタキシャル層の上面にいたる積層体の厚みｔの０．００２倍（０．００２ｔ）以上である、エピタキシャルウエハ。
【請求項２】
前記基板がＩｎＰ基板であり、前記バッファ層が、ＩｎＰ層または（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ）複合層である、請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項３】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板に形成されたエピタキシャルウエハであって、
前記基板に接して位置する、リン（Ｐ）を含まないバッファ層と、
前記バッファ層の上に位置する受光層と、を備え、
前記バッファ層の厚みｄが、前記バッファ層上面から前記エピタキシャル層の上面に至る積層体の厚みｔの０．２５倍（０．２５ｔ）以上である、エピタキシャルウエハ。
【請求項４】
前記基板がＩｎＰ基板であり、前記バッファ層が、ＩｎＧａＡｓ層である、請求項３に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項５】
前記受光層がタイプ２の（ＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ≦１）／ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１））多重量子井戸構造である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項６】
前記エピタキシャル層を平面的に見て、異物が平均密度０．５個ｃｍ−２以下で分散し、前記バッファ層が断面的に見て、該異物を、部分的もしくは完全に埋め込んでいる、請求項１〜５のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項７】
請求項１に記載されたエピタキシャルウエハにおけるＩＩＩ−Ｖ族半導体の積層構造を備える、受光素子。
【請求項８】
請求項７に記載の受光素子を備えた、光学センサ装置。
【請求項９】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板と、バッファ層と、受光層と、を備えるエピタキシャルウエハを製造する方法であって、
前記基板に接してリン（Ｐ）を含むバッファ層を成長する工程と、
前記バッファ層の上に前記受光層を成長する工程と、
前記バッファ層上面から前記エピタキシャル層の上面に至る積層体の厚みをｔとして、前記バッファ層の厚みｄを０．００２ｔ以上とする、エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項１０】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板と、バッファ層と、受光層と、を備えるエピタキシャルウエハを製造する方法であって、
前記基板に接してリン（Ｐ）を含まないバッファ層を成長する工程と、
前記バッファ層の上に前記受光層を成長する工程と、
前記バッファ層上面から前記エピタキシャル層の上面に至る積層体の厚みをｔとして、前記バッファ層の厚みｄを０．２５ｔ以上とする、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、受光素子、光学センサ装置、およびエピタキシャルウエハの製造方法であって、より具体的には、結晶性に優れた、エピタキシャルウエハ、受光素子、光学センサ装置、およびエピタキシャルウエハの製造方法、に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＰ基板を用いたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、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、生体検査用、夜間撮像用などの受光素子の研究開発が行われている。このなかで、近赤外〜赤外域の波長域は、生体や環境に関連する物質の吸収スペクトル等が位置するので、上記ＩｎＰ基板を用いた受光素子の長波長域への受光感度の拡大が重要なテーマとなっている。たとえば、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長したＩｎＧａＡｓ受光層を近赤外域の受光素子に用いる実用研究がなされている。また、より長波長域の感度を高めるため、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple  Quantum  Well）の受光層を備えるフォトダイオードの提案がなされている（非特許文献１）。このフォトダイオードのカットオフ波長は２．３９μｍであり、波長１．７μｍから２．７μｍまでの感度特性が示されている。
【０００３】
また、ＩｎＰ基板の上にタイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷを形成し、選択拡散マスクパターンを用いてｐ型不純物の亜鉛（Ｚｎ）を選択拡散することで、選択拡散されていない領域で隔てられた画素を形成したプレーナ型フォトダイオードの提案がなされている（特許文献１）。ＭＱＷの上には、（ＩｎＰ窓層／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層）が配置される。このプレーナ型フォトダイオードは、メサ構造の形成に伴うエッチングが不要なため、良好な結晶性を保ち、暗電流を低く抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２０６４９９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によって、タイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ、窓層等からなるエピタキシャルウエハを製造すると、原因を把握しきれていないが、基板の表面性状が原因で、結晶性が低下する場合がある。極端な場合は結晶性の低下に伴ってエピタキシャルウエハ表面に凸状部が発生する場合もある。一般に、上記のタイプのフォトダイオードに限定されず、所定のエピタキシャルウエハを能率よく製造でき、かつ優れた結晶性を確保できれば、受光素子に限らず各種半導体素子にとって有益である。
【０００７】
本発明は、暗電流を抑制できるように良好な結晶性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、該エピタキシャルウエハを用いた受光素子、および光学センサ装置を提供することを目的とする。なお、本発明の適用は、有機金属気相成長法に限定されず、そのほかの成長法に対しても有効である。したがって、本発明についてエピタキシャル成長法はとくにいずれかのエピタキシャル成長法に限定する必要はない。
【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族半導体の基板に形成されたエピタキシャルウエハであって、基板に接して位置する、リン（Ｐ）を含むバッファ層と、バッファ層の上に位置する受光層と、を備え、バッファ層の厚みｄが、バッファ層上面からエピタキシャル層の上面にいたる積層体の厚みｔの０．００２倍（０．００２ｔ）以上である。上記の本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、基板に接してリン（Ｐ）を含むバッファ層を成長する工程と、バッファ層の上に受光層を成長する工程と、バッファ層上面からエピタキシャル層の上面に至る積層体の厚みをｔとして、バッファ層の厚みｄを０．００２ｔ以上とする製造方法である。
【０００９】
本発明の別のエピタキシャルウエハは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板に形成されたエピタキシャルウエハであって、基板に接して位置する、リン（Ｐ）を含まないバッファ層と、バッファ層の上に位置する受光層と、を備え、バッファ層の厚みｄが、バッファ層上面からエピタキシャル層の上面に至る積層体の厚みｔの０．２５倍（０．２５ｔ）以上である。上記の本発明の別のエピタキシャルウエハの製造方法は、基板に接してリン（Ｐ）を含まないバッファ層を成長する工程と、バッファ層の上に受光層を成長する工程と、バッファ層上面からエピタキシャル層の上面に至る積層体の厚みをｔとして、バッファ層の厚みｄを０．２５ｔ以上とする製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のエピタキシャルウエハ等によれば、能率よく製造しながら、良好な結晶性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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から製造した受光素子を示す断面図である。
【図３Ａ】異物が起点となってエピタキシャルウエハ表面に凸状部が生成するときの断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａのエピタキシャルウエハの平面図である。
【図４】図１のエピタキシャルウエハの製造方法のフローチャートである。
【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６Ａ】有機金属分子の流れと温度の流れを示す図である。
【図６Ｂ】基板表面における有機金属分子の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[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）バッファ層の厚み範囲：
バッファ層がリン（Ｐ）を含む場合、バッファ層の上面からエピタキシャルウエハの上面までの厚みをｔとして、バッファ層の厚みｄを、０．００２ｔ以上、より好ましくは０．０１ｔ以上さらに好ましくは０．０５ｔ以上とする。これにより、エピタキシャルウエハの結晶性を良好にして暗電流を抑制することができる。ＩｎＰ基板はエッチング等により表面性状を周到にクリーンにしたあとその基板上にバッファ層の成長がなされる。このとき原因を把握し切れていない不都合な表面性状、たとえば異物という用語で総称する表面部が存在する場合がある。これらの不都合な表面性状をバッファ層２によって文字通りカバーする。不都合な表面性状が存在すると、結晶性は劣化し、暗電流も増大する。上記のように結晶性の低下とともに表面に凸状部が発生する場合があり、製品歩留まり低下をもたらす場合がある。上記のバッファ層は、その異物を当該バッファ層のなかに完全にもしくは部分的に埋め込んで、結晶性の低下を防止し、かつ結晶欠陥が拡大してゆくのを抑止することができる。
【００１３】
バッファ層がＰを含まない場合、バッファ層の厚みｄを０．２５ｔ以上とする。より好ましくは０．３ｔ以上、さらに好ましくは０．５ｔ以上、とするのがよい。これにより同様に、エピタキシャルウエハの結晶性を良好にして暗電流を抑制することができる。また、不都合な表面性状、たとえば異物の結晶性の劣化への影響を食い止める点でも共通する。
【００１４】
通常、ｔ＝３．５μｍ〜６μｍ程度であり、平均４．７５μｍである。バッファ層がＰを含む場合、積層体の厚みｔの平均４．７５μｍとして、下限は０．０１μｍ（４．７５μｍ×０．００２）程度である。バッファ層の厚みが厚いほど、付着した異物を埋め込む作用が発揮されるので、より好ましくは０．０５μｍ以上、さらに好ましくは０．２５μｍ以上とするのがよい。Ｐを含まない場合は１．２μｍ（４．７５μｍ×０．２５）程度以上、より好ましくは１．４μｍ以上、さらには２．４μｍ以上とするのがよい。
【００１５】
バッファ層の厚みｄの上限はＰ含有の有無によらず、０．５ｔ程度とする。厚みｔの平均４．７５μｍとして、Ｐ含有の有無によらず、上限は２．４μｍ程度である。なお、バッファ層は基板に接して成長させるが、受光層はバッファ層に接していなくてもよいし接していてもよい。窓層の受光層に対する関係についても、同様である。
【００１６】
（２）基板およびバッファ層の材料：
（ｉ）基板がＩｎＰ基板であり、バッファ層がリン（Ｐ）を含む場合：
バッファ層は、ＩｎＰ単層、または（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ）複合層とするのがよい。これによって、ＩｎＰ基板との格子整合をとることが容易になり受光層の結晶性を向上させ、暗電流を低くすることができる。とくに（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ）複合層の場合は、ＩｎＰ基板との格子整合をとった上で、受光層に近赤外でよく用いられるＩｎＧａＡｓ層が含まれる場合、受光層との相性もよくなり受光層の結晶性を向上することができる。
（ｉｉ）基板がＩｎＰ基板であり、バッファ層がリン（Ｐ）を含まない場合：
バッファ層を、ＩｎＧａＡｓ単層とするのがよい。この場合、ＩｎＰ基板と上層の受光層との格子整合度を良くするために、上記のように厚みｄを厚くするのがよい。
【００１７】
（３）受光層：
受光層を、タイプ２の（ＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ≦１）／ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１））多重量子井戸構造とすることができる。これによって、良好な結晶性を確保しながら歩留まりよく製造することが難しい、多重量子井戸構造の受光層を備えたエピタキシャルウエハを、経済性を確保しながら得ることができる。
【００１８】
（４）バッファ層成長前に基板に分散している異物：
不都合な表面性状の一つに原因を十分に把握し切れていない異物がある。前記エピタキシャルウエハを平面的に見て、異物が平均密度０．５個ｃｍ−２以下で分散し、前記バッファ層が断面的に見て、該異物を、部分的もしくは完全に埋め込んでいるのがよい。ここで、異物は、バッファ層の成長の直前に、基板に付着している異物である。異物がその時点でそこにある原因は、いろいろなケースがあって、とくに特定できていなくてもよい。ただし、結晶性の劣化に伴ってエピタキシャルウエハ表面に凸状部が生成する極端な場合、同じ成長機会に基板の段階で撮像した基板上に分散する異物の分布と、上記の凸状部の分布とが重なることが知られている。たとえば、差し渡し平均径５μｍ以下の異物が、該基板に、平均密度０．０５個ｃｍ−２〜０．５個ｃｍ−２で分散している場合がある。基板上に分散した異物は、エピタキシャルウエハを、ＥＤＸ（エネルギー分散Ｘ線分光法）、ＡＥＳ（オージェ電子分光法）、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）、分析ＳＥＭ等で観察することができ、その密度を計量することができる。上記のようにバッファ層が、その異物を、部分的にもしくは完全に埋め込むことで、良好な結晶性を確保することができ、所定の場合、表面欠陥を抑制して歩留まりを高めることができる。
【００１９】
（５）基板の種類：
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。これによって、上記のＩＩＩ−Ｖ族半導体のうちから基板を選択することで、近赤外〜遠赤外域の広い範囲のなかの波長域に応じて適切な受光層およびエピタキシャルウエハを、歩留まりよく製造することが可能になる。
【００２０】
（６）バッファ層が異物を完全に埋め込まなくてもよい理由：
バッファ層が完全に異物を埋め込まなくてもよいのは、つぎの理由に基いている。
（ｉ）異物を完全に埋め込まなくても、暗電流を十分低く抑制できるほど良好な結晶性を得ることができる。その理由は完全に分かっていない。
（ｉｉ）基板に分散している異物が起点となってエピタキシャルウエハ表面に凸状部が生成する場合、結晶性も低下する。この場合、エピタキシャルウエハ表面の凸状部自体の影響に限定すれば、エピタキシャルウエハを平面的に見て平均直径３０μｍ程度にならないようにすればよい。平均直径３０μｍ程度という数値は、このエピタキシャルウエハを用いて製造する受光素子アレイの画素ピッチがほぼ３０μｍであることに基いている。表面にあらわれる平均直径３０μｍの凸状部は、画素Ｐのピッチとほぼ同じである。このため、この程度の凸状部によれば、１画素〜４画素程度が形成不能になる程度でおさまることができる。逆にいえば、エピタキシャルウエハを形成した後の凸状部の平均直径が３０μｍを超えないように、バッファ層の厚みを上記の範囲とする。この凸状部の成長抑制によって、結晶性の劣化も限定的とすることができる。凸状部に関して、まとまった１箇所において１画素〜４画素程度の欠落は、ソフトウエア（プログラム）により補償することができる。それ以上の平面サイズの欠陥になると、画素の欠落がはっきり認識できるようになる。なお、通常、エピタキシャルウエハの表面で、直径が３０μｍ以上の凸状部の密度を、０．０５個ｃｍ−２以上０．５個ｃｍ−２以下とするのがよい。このような凸状部の成長抑制によって、結晶性の低下をも小さくすることができる。
【００２１】
（７）受光素子および光学センサ装置：
本発明の受光素子は、上記のいずれかのエピタキシャルウエハにおける積層構造を備えている。これによって、暗電流が低く、かつ大きな画素欠落がなく良好な表示画像を有する受光素子を歩留まりよく低い製造コストで得ることができる。また、本発明の光学センサ装置は、上記の受光素子を備える。この光学センサ装置は、受光素子の各画素からの読み出し電極を備えたＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor ）、分光器（回折格子）、レンズなどの光学素子、マイコンなどの制御装置等を含み、分解能等の性能が優れた光学センサ装置を高い経済性で得ることができる。
【００２２】
２．エピタキシャルウエハの製造方法：
（１）本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板と、バッファ層と、受光層と、を備えるエピタキシャルウエハを製造する方法であって、基板に接してリン（Ｐ）を含むバッファ層を成長する工程と、バッファ層の上に受光層を成長する工程と、バッファ層上面からエピタキシャル層の上面に至る積層体の厚みをｔとして、バッファ層の厚みｄを０．００２ｔ以上とする製造方法である。Ｐを含むバッファ層の厚みｄを上記の範囲にする理由は、上記のエピタキシャルウエハで説明したとおりである。このような厚み範囲にすることで、良好な結晶性を確保して暗電流を抑えることができる。また、基板の表面に異物が分散している場合、その異物を部分的もしくは完全に埋め込むことで、良好な結晶性を確保し、またエピタキシャルウエハの表面での凸状部の成長拡大を抑制することができる。この場合、たとえば、基板をＩｎＰ基板として、Ｐを含むバッファ層として、ＩｎＰ層または（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ）複合層とすることができる。その理由についても上述のとおりである。エピタキシャル層の成長には、どのような成長法を用いてもよいが、ＭＯＶＰＥ法は能率よく結晶性の良好なエピタキシャル層を得ることができる。また、あとで詳しく説明する全有機金属気相成長法を用いてもよい。
【００２３】
（２）本発明のエピタキシャルウエハの別の製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板と、バッファ層と、受光層と、を備えるエピタキシャルウエハを製造する方法であって、基板に接してリン（Ｐ）を含まないバッファ層を成長する工程と、バッファ層の上に受光層を成長する工程と、バッファ層上面からエピタキシャル層の上面に至る積層体の厚みをｔとして、バッファ層の厚みｄを０．２５ｔ以上とする製造方法である。Ｐを含まないバッファ層の厚みｄを上記の範囲にする理由は、上記のエピタキシャルウエハの項で説明したとおりである。このような厚み範囲にすることで、良好な結晶性を確保して暗電流を抑えることができる。また、基板の表面に異物が分散している場合、その異物をほぼ完全に埋め込むことで、良好な結晶性を確保し、またエピタキシャルウエハの表面での凸状部の発生を抑制することができる。この場合、たとえば、基板をＩｎＰ基板として、Ｐを含まないバッファ層としてＩｎＧａＡｓ層とすることができる。その理由についても上述のとおりである。
【００２４】
（３）異物：
異物については上述のとおりである。上記のようにバッファ層が、その異物を、部分的にもしくは完全に埋め込むことで、良好な結晶性を確保することができる。また、これらバッファ層によって、表面欠陥の拡大成長を抑制して歩留まりの低下を防ぐことができる。
【００２５】
（４）バッファ層の成長温度：
バッファ層の成長温度は４００℃以上６００℃以下とすることができる。バッファ層の成長温度を４００℃以上６００℃以下とすることで異物中の欠陥を促進する特定の元素、たとえばアンチモン（Ｓｂ）などの元素は活性化されにくくなる。ただし受光層にアンチモン（Ｓｂ）を含む場合、４００℃以上４８０℃以下で成長することが好ましい。
【００２６】
（５）エピタキシャル層の成長温度：
バッファ層に接する上層から窓層にいたる各エピタキシャル層の成長温度を４００℃以上５２５℃以下とするのがよい。これによって、たとえば受光層にＳｂが含まれる場合Ｓｂのサーファクタント作用を比較的小さくして、窓層にあらわれる凸状部のサイズを抑制することができる。
【００２７】
（６）受光層：
受光層を、タイプ２の（ＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（０＜ｘ≦１）／ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１））多重量子井戸構造とすることができる。これによって、良好な結晶性を確保しながら歩留まりよく製造することが難しい、上記アンチモン含有多重量子井戸構造の受光層を備えたエピタキシャルウエハを、経済性を確保しながら得ることができる。
【００２８】
[本願発明の実施の形態の詳細]
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。
【００２９】
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。エピタキシャルウエハ１ａは、ＩｎＰ基板１、ＩｎＰ基板１に接してエピタキシャル成長したバッファ層２と、その上に位置するエピタキシャル積層体７とからなる。エピタキシャル積層体７の厚みをｔ（μｍ）とする。バッファ層２も含めるとその内容はつぎのとおりである。
（ＩｎＰ基板１／ｎ型バッファ層２／タイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum  Well）の受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
上記のうち、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４はなくてもよい。またバッファ層２は、次のようにするのがよい。
【００３０】
バッファ層２は、Ｐを含むバッファ層の場合、ＩｎＰ単層もしくは（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ）複合層とする。この場合、バッファ層２のトータルの厚みｄは、エピタキシャルウエハの積層体７の厚みｔの０．００２倍（０．００２ｔ）以上とする。これによって、比較的厚みが小さくてもＩｎＰ基板１との格子整合度を高くすることができる、また、とくに（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ）複合層とする場合、基板１との格子整合度のみならず、タイプ２多重量子井戸構造のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂとの格子整合度をも高めることができる。とくに原因が特定できない異物が、薄膜成長室内でバッファ層２を成長する直前の基板に分散している場合、その異物を部分的にもしくは完全に埋め込むことで、上層のタイプ２多重量子井戸構造の受光層３の結晶性を保持することができる。とくに窓層５の表面に生成する場合がある凸状部の粗大な成長を抑制することができる。また、Ｐを含まないバッファ層の場合、ＩｎＧａＡｓバッファ層２として、厚みを０．２５ｔ以上、たとえば１．２μｍ（４．７５μｍ×０．２５）程度以上、より好ましくは１．４μｍ以上、さらには２．４μｍ以上とするのがよい。
【００３１】
バッファ層２の成長の直前に、上述のように十分把握し切れていない原因によってＩｎＰ基板１の表面に異物が散乱している場合がある。この場合、上記のいずれかのバッファ層２を、上記のように厚く成長すると、バッファ層２は異物を自身の中に埋め込むように成長する。この結果、異物はバッファ層２の表面に多少の凸状部Ｋを形成することはあるかもしれないが、表面欠陥として大きく成長しない。異物はバッファ層２に埋め込まれて、その上の受光層３にＳｂを含む層が含まれても、大サイズの欠陥にまで成長しない。
【００３２】
バッファ層２上に、タイプ２の（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）ＭＱＷの受光層３を、厚み５ｎｍのＧａＡｓＳｂと厚み５ｎｍのＩｎＧａＡｓとを１ペアとして２５０ペア成長し、次いで、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４をたとえば厚み０．３μｍ程度成長し、その上にＩｎＰ窓層５をたとえば厚み０．８μｍ程度成長している。バッファ層２を厚くすることで、窓層５にあらわれる大部分の凸状部Ｋを、直径が３０μｍ以下とすることができる。
【００３３】
図２は、本発明の実施の形態における受光素子５０を示す図である。受光素子５０は、図１のエピタキシャルウエハ１ａを用いて形成されている。エピタキシャルウエハ１ａに対して、画素Ｐおよび電極１１，１２が形成されている。この受光素子５０はプレーナ型受光素子であるが、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハはプレーナ型フォトダイオードに限定されず、メサ型フォトダイオードに用いてもよい。図２Ａに示すように、プレーナ型フォトダイオードの特徴的な点は、画素Ｐの配列構造にある。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。
【００３４】
ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１を、またＩｎＰ基板１の裏面には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は絶縁性または半絶縁性でもよく、その場合には、ｎ型バッファ層にｎ側電極１２をオーミック接触するように配置する。
【００３５】
画素Ｐは３０μｍピッチで配列されている。本実施の形態では、結晶性の低下を防ぐためにかつ歩留まり低下を抑えるために、異物を起点として窓層５にあらわれる大部分の凸状部の直径（平面視）を、３０μｍ以下にする。窓層５にあらわれる凸状部は、何も対策をとらなければ粗大になり、画素Ｐを欠落させる場合も生じる。窓層５にあらわれる大部分の凸状部の平面直径（縦横平均）を３０μｍ以下にすれば、欠落する画素Ｐは多く見積もって４個程度である。この程度の画素の欠落であれば、ソフトウエア（プログラム）によって補償することができ、画像の質を劣化することにならない。本実施の形態では、このような理由に基いて、異物を起点にしてＳｂを含む受光層３によって欠陥が拡大されたとしても、窓層５にあらわれる大部分の凸状部の平面直径Ｄを３０μｍ以下にすることを指針にした。
【００３６】
窓層５にあらわれる場合がある凸状部について、その直径（縦横平均）Ｄを３０μｍ以下にするために、次の手段（Ａ１）〜（Ａ３）を用いる。
（Ａ１）受光層がＳｂを含む場合、バッファ層２の厚みを、エピタキシャル積層体７の厚みをｔとして、バッファ層２がＰ含有の場合は、下限は０．０２μｍさらには下限０．０５μｍ程度、さらには下限０．５μｍ程度とするのがよく、下限１．０μｍ〜１．２５μｍであってもかまわない。また、バッファ層がＰを含有しない場合、１．２μｍ（４．７５μｍ×０．２５）程度以上、より好ましくは１．５μｍ以上、さらには２μｍ以上とするのがよい。図３Ａは、異物Ｇを完全に埋め込むようにバッファ層２を成長させた場合のエピタキシャルウエハ１ａを示す。
【００３７】
（Ａ２）バッファ層２の成長温度を原則４００℃以上６００℃以下とするが、より好ましくは４００℃以上４８０℃以下とするのがよい。バッファ層２の成長温度が４８０℃を超えると受光層３中のＳｂのサーファクタント作用が発揮されてしまい、バッファ層２による異物の埋め込み効果が作用しにくくなる。４８０℃以下にすることによって、バッファ層２によって完全にもしくは部分的に異物を活性化させることなく埋め込むことができる。
【００３８】
（Ａ３）窓層５にあらわれる大部分の凸状部Ｋの平面直径を３０μｍ以下にするのに、バッファ層２より上の各層の成長温度を、４００℃以上５２５℃以下で成長することは、有効に作用する。とくに、成長温度５００℃以下にするのが好ましい。すなわち、受光層３／窓層５、もしくは受光層３／拡散濃度分布調整層４／窓層５、における各層の成長温度を４００℃以上５２５℃以下もしくは４００℃以上５００℃以下とするのがよい。
上記の（Ａ１）〜（Ａ３）によって、図３Ｂに示すように、窓層５にあらわれる大部分の凸状部Ｋの直径（縦横平均）Ｄを３０μｍ以下にすることができる。
【００３９】
つぎに本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ１ａの製造方法を、図４に従って説明する。成長法は、ＭＯＶＰＥ法を用いる。まずＩｎＰ基板１を準備し、成長室内に配置する。ＩｎＰ基板１は、エッチング等により表面性状を周到にクリーンにした状態で基板テーブルに配置される。このとき原因を把握し切れていない不都合な表面性状、たとえば異物という用語で総称する表面部が存在する場合がある。これらの不都合な表面性状をバッファ層２によって文字通りカバーする。すなわちＩｎＰ基板１に、上記の厚み範囲のバッファ層２をＭＯＶＰＥ法により成長する。たとえばｎ型ＩｎＰバッファ層２を、たとえば厚み０．５μｍ（５００ｎｍ）以上にエピタキシャル成長させる。バッファ層２の厚みは、０．５μｍ〜１．５μｍ（５００ｎｍ〜１５００ｎｍ）程度もしくはそれ以上であってもよい。バッファ層２の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ＰＨ３（ホスフィン）を用いる。ＰＨ３の代わりにＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）を用いてもよい。このＩｎＰバッファ層２の成長では、成長温度を４００℃以上６００℃以下を原則とするが、上記のように４８０℃以下とするのが好ましい。バッファ層の厚みも厚くするが、成長温度も異例の低い温度とするのが好ましい。その理由は、上記（Ａ２）で説明したとおりである。
【００４０】
バッファ層２より上の各層の成長についても、ＭＯＶＰＥ法を用いることで、低い成長温度で能率よく良好な結晶性を確保することができる。バッファ層２のあと、タイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷ受光層３、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長室で成長する。このとき、上記（Ａ３）で述べたように、成長温度または基板温度は、温度４００℃以上かつ５２５℃以下の範囲に維持するのがよい。この温度範囲より高い成長温度にすると、結晶性を低下させ、欠陥のサイズを増大させるおそれが高くなること、および、受光層３中のＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて相分離を生じるおそれが増大する。
【００４１】
４００℃未満の成長温度とすると、発生する場合がある凸状部Ｋの直径は小さくなるか、また当該凸状部Ｋの密度も疎になるが、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。
【００４２】
上記の半導体素子もしくは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）を用いるかに端的にあらわれる。
【００４３】
図５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。成長室（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、成長室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４８０℃以下でＩｎＰバッファ層２などを形成する、というときの４００℃以上および４８０℃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。
【００４４】
エピタキシャルウエハなどを成長するたびに、有機金属気体などが成長室６３の内壁に付着して累積してゆく。基板テーブル６６にＩｎＰ基板１を配置して昇温すると熱膨張の差などの熱衝撃によって付着物が落下して石英管６５の中に入り込み、ＩｎＰ基板１の表面に散乱し付着する場合がある。このような現象は全有機金属気相成長法に限らずＭＯＶＰＥ法でも共通して起こることである。本実施の形態では、仮に偶然的に異物がＩｎＰ基板１に散乱することがあったとしても、上記手段（Ａ１）〜（Ａ３）によって、結晶性が低い部分を局所にとどめ、凸状部の平面的な直径を３０μｍ以下にすることで、歩留まり低下を生じることなく、製造することが可能となる。
【００４５】
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。全有機金属気相成長法法は、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。
【００４６】
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ＩｎＧａＡｓ３ｂ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５２５℃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を全有機金属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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
図６Ａは有機金属分子の流れと温度の流れを示す図であり、図６Ｂ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６Ｂ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。
【００５０】
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いる。
【００５１】
バッファ層２を形成する場合、４８０℃を超える温度範囲で成長すると、異物をそのまま埋め込むことが難しくなる。異物を埋め込むためには、４８０℃以下というバッファ層２としては異例の低温でエピタキシャル成長させることが重要である。全有機金属気相成長法が、そのような異例な低温でのバッファ層２の成長を余裕をもって可能にする。その理由は、上記のとおりである。バッファ層２を４００℃以上で成長する理由は、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、性能劣化の原因になるからである。ただし６００℃以下であれば、異物の性状によっては問題なく埋め込むことができる。
【００５２】
タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３を形成する場合、５２５℃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、上述の凸状部Ｋのサイズ拡大および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、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。
【００５３】
図５に示すようにバッファ層２の形成から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、もう一つのポイントになる。すなわち、本実施の形態のエピタキシャルウエハ１ａは再成長界面を持たない。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。
【００５４】
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が上記のＭＱＷ受光層３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。
【００５５】
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画質の動画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、全有機金属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５２５℃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、発生する場合がある直径３０μｍ以上の凸状部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。
【００５６】
たとえばＭＢＥ（分子線エピタキシー）法によってＩｎＰ窓層５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。上記組成が小刻みに変わるＭＱＷの受光層３の成長に適したＭＢＥ法によって当該ＭＱＷの受光層３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が多い。この場合、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＩｎＰ窓層５との界面は、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５を、全有機金属気相成長法ではなく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。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明のエピタキシャルウエハ、受光素子等によれば、良好な結晶性のものを能率よく製造することができる。また、原因を特定できない異物が基板表面に位置する場合には、その異物を起点として結晶欠陥を拡大成長させずに、結晶性を保ちかつ欠陥の大きさを、実用上、歩留まり低下につなげないようにできる。この結果、近赤外〜赤外域に感度を持つ暗電流の低い受光素子を低い製造コストで製造することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  ＩｎＰ基板、１ａ  ウエハ、２  バッファ層（ＩｎＰおよび／またはＩｎＧａＡｓ）、３  タイプ２の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、１１  ｐ側電極（画素電極）、１２  ｎ側電極、１５  ｐｎ接合、３５  ＡＲ（反射防止）膜、３６  選択拡散マスクパターン、５０  受光素子（受光素子アレイ）、６０  全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置、６１  赤外線温度モニタ装置、６３  成長室、６５  石英管、６９  成長室の窓、６６  基板テーブル、６６ｈ  ヒータ、ｄ  バッファ層の厚み、Ｄ  凸状部の平均直径、Ｇ  異物、Ｋ  凸状部、Ｐ  画素、ｔ  受光層〜窓層の積層体の厚み。
【図１】
2014216382.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
2014216382.tif 000007
【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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