(57)【要約】【課題】赤外域の透過率が大きい半導体基板を用いながら、受光層の欠陥密度を小さくできる受光デバイス、半導体ウエハ等を提供する。【解決手段】  半導体ウエハは、赤外域の光に透明な、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板と、基板に、直接または１層以上の中間層を介在させてエピタキシャル成長したＧａＳｂ主体のバッファ層と、バッファ層に接して位置するタイプＩＩ多重量子井戸構造の受光層とを備え、受光層はバッファ層に格子整合しており、カットオフ波長が３μｍ以上であり、ＧａＳｂ主体のバッファ層が、ＩｎＳｂからなる量子ドットと、該量子ドットを覆うＡｌＳｂ被覆層とを有することを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体により形成されたエピタキシャルウエハであって、
３μｍ以上１２μｍ以下の波長域の光に透明な、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板と、
前記基板に、直接または１層以上の中間層を介在させてエピタキシャル成長したＧａＳｂ主体のバッファ層と、
前記バッファ層に接して位置するタイプＩＩ多重量子井戸構造の受光層とを備え、
前記受光層は前記バッファ層に格子整合しており、カットオフ波長が３μｍ以上であり、
前記バッファ層が、ＧａＳｂ層と、ＩｎＳｂからなる量子ドットと、該量子ドットを覆うＡｌＳｂ被覆層とからなる基本積層構造を複数含むことを特徴とする、半導体ウエハ。
【請求項２】
前記バッファ層が、前記量子ドットと該量子ドットを覆う前記ＡｌＳｂ被覆層とからなる層を５０層以上含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体ウエハ。
【請求項３】
前記ＡｌＳｂ被覆層の前記基板側の面が、各々、１５ｎｍ以上隔てられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体ウエハ。
【請求項４】
前記量子ドットを覆うＡｌＳｂ被覆層は、いずれも厚み１０ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体ウエハ。
【請求項５】
前記受光層が、タイプＩＩの多重量子井戸構造の、｛（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ）および（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＧａＳｂ）のうちのいずれか１つであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体ウエハ。
【請求項６】
前記基板が、ＩｎＰ基板であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体ウエハ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体ウエハにおける、基板と、直接または１層以上の中間層を介在させたＧａＳｂ主体のバッファ層と、受光層とを備え、前記基板がＩｎＰ基板であり、前記受光層がタイプＩＩの多重量子井戸構造の、｛（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ）および（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＧａＳｂ）のうちのいずれか１つであることを特徴とする、受光デバイス。
【請求項８】
請求項７に記載の受光デバイスと、読み出し回路とを備えることを特徴とする、センシング装置。
【請求項９】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体により形成されたエピタキシャルウエハの製造方法であって、
３μｍ以上１２μｍ以下の波長域の光に透明な、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板を準備する工程と、
前記基板に、直接または１層以上の中間層を介在させて、ＧａＳｂ主体のバッファ層を成長する工程と、
前記バッファ層に接して、タイプＩＩの多重量子井戸構造の受光層を成長する工程とを備え、
前記受光層は前記バッファ層に格子整合しており、カットオフ波長を３μｍ以上とし、
前記ＧａＳｂを主成分とするバッファ層を成長する工程において、ＩｎＳｂからなる量子ドットを成長する工程と、該量子ドットを覆うＡｌＳｂ被覆層とを成長する工程とを含むことを特徴とする、半導体ウエハの製造方法。
【請求項１０】
前記バッファ層の形成工程において、前記量子ドットと該量子ドットを覆うＡｌＳｂ被覆層とからなる層を５０層以上成長させることを特徴とする、請求項９に記載の半導体ウエハの製造方法。
【請求項１１】
前記バッファ層の形成工程において、前記量子ドットを形成してから、次の前記量子ドットを形成するまで、該量子ドットを成長することなく１５ｎｍ以上該バッファ層を成長することを特徴とする、請求項９または１０に記載の半導体ウエハの製造方法。
【請求項１２】
前記バッファ層の形成工程において、前記ＡｌＳｂ被覆層を、いずれも厚み１０ｎｍ以上で成長することを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の半導体ウエハの製造方法。
【請求項１３】
前記受光層の形成工程において、前記タイプＩＩの多重量子井戸構造を、｛（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ）および（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＧａＳｂ）のうちのいずれか１つとすることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の半導体ウエハの製造方法。
【請求項１４】
前記基板を、ＩｎＰ基板とすることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の半導体ウエハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外域に感度を有する受光デバイス、半導体ウエハ、センシング装置、および半導体ウエハの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
赤外光は、動植物などの生体や環境に関連した吸収スペクトル域に対応するため、受光層にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた赤外光用の受光デバイスの開発が行われている。とくに（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）多重量子井戸構造は、既存の水銀カドミウムテルル（ＨｇＣｄＴｅ：ＭＣＴ）に代わる赤外用受光デバイスの受光層として有望視され、画素を二次元配列したプレーナ型受光デバイスの提案例もある。この場合、実用上、基板裏面入射が必然となるが、基板にＧａＳｂ基板を用いると、ＧａＳｂは波長５μｍ以上の赤外光を吸収するという問題がある。基板は厚みが大きいため、大きな吸収が生じ、受光層での受光量が大幅に減少することになる。この問題を打開するために、基板に、赤外域に対して透過率が大きいＧａＡｓ基板を用いることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Binh-Minh Nguyen, et al., “Demonstration of midinfrared type-II InAs/GaSbsuperlattice photodiodes grown on GaAs substrate”,Appl.Phys.Lett.,Vol.94,223506(2009)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の方策にならって、赤外域において透過率が高いＩＩＩ−Ｖ族半導体、たとえばＧａＡｓ基板を用いた場合、そのＧａＡｓ基板等は、ＧａＳｂまたはＩｎＡｓ／ＧａＳｂ多重量子井戸構造との格子定数差が大きい。たとえばＧａＡｓとＧａＳｂとの格子不整合度は約７．８％であり、バッファ層をＧａＳｂ層にして当該ＧａＡｓ基板上に厚みを大きくとっても、成長初期に高密度の貫通転位が発生し、それが受光層にまで引き継がれる。この結果、貫通転位密度が高い受光層が形成され、暗電流の増大など受光デバイスの特性に大きな影響を及ぼす。上記はＧａＳｂとの格子不整合度が３．８％程度のＩｎＰ基板を用いた場合でも、バッファ層にＧａＳｂを用いて膜厚を厚くしても、実用レベルの貫通転位の密度以下にするのは、容易ではない。
【０００５】
本発明は、赤外域の透過率が大きい半導体基板を用いながら、その上方に形成した受光層の欠陥密度を小さくすることができる構成を有する受光デバイス、半導体ウエハ、その製造方法、およびセンシング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】
【０００６】
本発明の半導体ウエハは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体により形成されたエピタキシャルウエハである。この半導体ウエハは、３μｍ以上１２μｍ以下の波長域の光に透明な、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板と、基板に、直接または１層以上の中間層を介在させてエピタキシャル成長したＧａＳｂ主体のバッファ層と、バッファ層に接して位置するタイプＩＩ多重量子井戸構造の受光層とを備える。そして、受光層はバッファ層に格子整合しており、カットオフ波長が３μｍ以上であり、ＧａＳｂを主体とするバッファ層が、ＧａＳｂ層と、ＩｎＳｂからなる量子ドットと、該量子ドットを覆うＡｌＳｂ層とからなる基本積層構造を複数含むことを特徴とする。
ここで、ＧａＳｂ主体のバッファ層とは、ＧａＳｂ層の中にＩｎＳｂ量子ドットおよびＡｌＳｂ被覆層が複数もしくは多数存在することをいう。エピタキシャル成長するバッファ層のベースはあくまでＧａＳｂ層である。
【０００７】
赤外域に透明なＩＩＩ−Ｖ族半導体基板であって、同じ赤外域の受光層となりうるＩＩＩ−Ｖ族半導体に格子整合するものは種類が多くない。というより無いといってよい。基板と受光層とが、格子定数で数パーセント相違する場合、基板と受光層との間に厚いバッファ層を配置して格子定数の相違を緩和するのが通例である。それでも、受光層に格子整合するバッファ層を形成した場合、基板側を起点として高密度の貫通転位が発生し、バッファ層中を伸びて受光層内に伝播して受光層の結晶性を劣化させる。
上記本発明によって、基板の格子定数と、バッファ層の格子定数とが、数パーセント相違して、貫通転位等がバッファ層に生成しても、ＩｎＳｂ量子ドットによって、貫通転位の上層への伝播を効果的に止めることができる。すなわち従来のように、バッファ層を非常に厚くしなくても貫通転位の受光層への伝播を止めることができる。これによって受光層の結晶性を良好にした上で、赤外域に透明な基板（格子定数は受光層と数パーセント異なる）を用いることができる。
ＩｎＳｂ量子ドットを１原子層相当の厚みで成長させた場合、ＩｎＳｂは格子定数が６．４７９ÅでありＧａＳｂとの格子不整合度が６．３％と大きいため、格子緩和して半球状の量子ドットとなる。格子緩和は、結晶配列がくずれることを意味する。貫通転位は結晶配列の中のずれであり、結晶配列が存在することを前提に、そのずれの形成が容易なために伝播が可能となる。結晶配列がくずれた部分である量子ドットに遭遇した貫通転位は、ずれを簡単に伝播させることができず、量子ドットによって終端させられる。
しかしバッファ層において、ＩｎＳｂ量子ドットを、仮にそのままＧａＳｂで被覆した場合、ＩｎＳｂ量子ドット自体が赤外光を吸収するという新たな問題が発生する。ＧａＳｂで被覆されたＩｎＳｂ量子ドットのように、バンドギャップが周囲より小さく、かつ空間的に十分に狭い領域を作製した場合、一般的に、その領域（ＩｎＳｂ量子ドット）中に電子および正孔の準位が形成される。準位の高さは領域の大きさと、周囲のエネルギ障壁の高さで決まる。その結果、ＧａＳｂで被覆されたＩｎＳｂ量子ドット中の電子と正孔との準位間のバンドギャップは、波長数μｍの赤外光のエネルギに相当することになる。貫通転位低減のためにはＩｎＳｂ量子ドットの密度を多くする必要があるが、それに比例して赤外光の吸収が増加してしまう。赤外域で透過率が高いＩＩＩ−Ｖ族半導体基板を使用しても、代わりにＧａＳｂ主体のバッファ層が赤外光を吸収することになり、効果は低減されてしまう。すなわち受光デバイスの感度はそれほど向上しないことになる。
この問題の解決策として、ＩｎＳｂ量子ドットを被覆するのにＡｌＳｂ被覆層を使用する。ＡｌＳｂはＧａＳｂと比べてバンドギャップが大きいため、ＡｌＳｂ被覆層を用いるとＩｎＳｂ量子ドットを囲むエネルギ障壁は高くなる。このためＩｎＳｂ量子ドット中の電子および正孔の準位間が大きくなり、吸収される光が短波長化する。ＩｎＳｂ量子ドットをＡｌＳｂで被覆することで、ＩｎＳｂ量子ドットがＧａＳｂと接触する面積を量子ドット底面の最小限にとどめることができ、赤外光の吸収を低減し、受光デバイスの感度低下を防ぐことができる。
なお、基本積層構造は、ＧａＳｂ層とＩｎＳｂ量子ドットとＡｌＳｂ被覆層が積層されている構造をさし、結果的に周期構造等になってもよいが、周期性にはこだわらない。概略的には、主体となるＧａＳｂ層の中に、ＩｎＳｂ量子ドットとＡｌＳｂ被覆層とが、ほぼある程度決まった間隔をあけて繰り返し配置されている構造をいう。このため、ＧａＳｂ層はベース材として存在することを前提にして、量子ドットとＡｌＳｂ被覆層とからなる層に着目して、この層に関して特徴を記述することもある。
【０００８】
バッファ層が、量子ドットと該量子ドットを覆うＡｌＳｂ被覆層とからなる層を５０層以上含むようにしてもよい。
これによって、バッファ層と基板との間の格子不整合によって生じた貫通転位等を、上記の層数の制止機構を設けることで確実に止めることができる。量子ドット層にはＡｌＳｂ被覆層が伴うので、ＡｌＳｂ被覆層も量子ドット形成のために成長した層と同じ層数あることになる。
【０００９】
バッファ層において、ＡｌＳｂ被覆層の基板側の面（下面）が、各々、１５ｎｍ以上隔てられていてもよい。
これによって、量子ドットの成長で一旦悪化した表面平坦性を十分に回復させ、貫通転位を効果的に止めることができる。
バッファ層はＧａＳｂが主体であるが、上記のように、量子ドットによる赤外光の吸収を低減するため、ＡｌＳｂ被覆層を配置する。ただし、ＡｌＳｂはＧａＳｂに対して＋０．７％の格子不整合があり、ＡｌＳｂを連続で厚く成長すると格子緩和により新たな貫通転位を発生させる可能性がある。量子ドットを覆うＡｌＳｂ被覆層は、繰り返すと、結果的に、ＡｌＳｂ被覆層をバッファ層の主体であるＧａＳｂで挟んだ構造となる。このような構造とすることでＡｌＳｂの格子緩和を防止することができる。ＩｎＳｂ量子ドット２２を形成した後、次のＩｎＳｂ量子ドット２２を形成するまで、その間に、バッファ層である、ＡｌＳｂ被覆層を含むＧａＳｂを１５ｎｍ以上成長させるのがよい。なお、バッファ層は、ＧａＳｂを主体に、上記の量子ドットおよび当該量子ドットを覆うＡｌＳｂ被覆層を含むことは言うまでもない。
【００１０】
量子ドットを覆うＡｌＳｂ層は、いずれも厚み１０ｎｍ以上としてもよい。
これによって、確実にＩｎＳｂ量子ドットを被覆し、ＩｎＳｂ量子ドットとＧａＳｂが接触する面積を最小限にとどめることができる。
【００１１】
受光層が、タイプＩＩの多重量子井戸構造の、｛（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ）および（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＧａＳｂ）のうちのいずれか１つとしてもよい。
これによって、赤外域に感度を有し、かつ結晶性の良好な受光層を形成することが可能となる。
【００１２】
基板を、ＩｎＰ基板としてもよい。
これによって、赤外域で透明で、上記のタイプＩＩ多重量子井戸構造の格子定数と数パーセント異なるもののその中で比較的小さい相違範囲の基板とすることができる。ＩｎＰ基板は、これまでの技術蓄積が多大にあり、また市販される基板の口径も大きいので量産性を向上することができる。
【００１３】
本発明の受光デバイスは、上記のいずれかに記載の半導体ウエハにおける、基板と、直接または１層以上の中間層を介在させたバッファ層と、受光層と、を備え、基板がＩｎＰ基板であり、受光層がタイプＩＩの多重量子井戸構造の、｛（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ）および（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＧａＳｂ）のうちのいずれか１つであることを特徴とする。
これによって、赤外域に高い受光感度を持ち、受光層における良好な結晶性のために暗電流が抑制された、受光デバイスを提供することが可能となる。
【００１４】
本発明のセンシング装置は、上記の受光デバイスと、読み出し回路とを備えることを特徴とする。
これによって、高感度の赤外域センシングを遂行する装置を提供することができる。
【００１５】
本発明の半導体ウエハの製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体により形成されたエピタキシャルウエハを製造する。この製造方法は、３μｍ以上１２μｍ以下の波長域の光に透明な、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板を準備する工程と、基板に、直接または１層以上の中間層を介在させて、ＧａＳｂ主体のバッファ層を成長する工程と、バッファ層に接して、タイプＩＩの多重量子井戸構造の受光層を成長する工程とを備える。そして、受光層はバッファ層に格子整合しており、カットオフ波長を３μｍ以上とし、ＧａＳｂを主成分とするバッファ層を成長する工程において、ＩｎＳｂからなる量子ドットを成長する工程と、該量子ドットを覆うＡｌＳｂ被覆層とを成長する工程とを含むことを特徴とする。
これによって、受光対象の赤外光に透明な基板を用いて、結晶性の良好なタイプＩＩ多重量子井戸構造の受光層を製造することができる。赤外光に透明な基板に、これまでの技術蓄積が多くかつ大口径のものを用いれば、量産性、経済性を向上させることができる。
【００１６】
バッファ層の形成工程において、量子ドットと該量子ドットを覆うＡｌＳｂ被覆層とからなる層を５０層以上成長させてもよい。
これによって、貫通転位等をバッファ層で確実に止めて結晶性に優れたタイプＩＩ多重量子井戸構造の受光層を含む半導体ウエハを製造することができる。
【００１７】
バッファ層の形成工程において、量子ドットを形成してから、次の量子ドットを形成するまで、該量子ドットを成長することなく１５ｎｍ以上該バッファ層を成長してもよい。
これによって、量子ドット／ＡｌＳｂ被覆層の密度が過大になることによる、バッファ層自体の結晶性の劣化、を防ぎながら貫通転位を効果的に止めて、良好な結晶性の受光層を含む半導体ウエハを製造することができる。
【００１８】
バッファ層の形成工程において、ＡｌＳｂ層を、いずれも厚み１０ｎｍ以上で成長してもよい。
これによって、バッファ層内で確実に貫通転位を止めたることができ、良好な結晶性の受光層を含む半導体ウエハを製造することができる。
【００１９】
受光層の形成工程において、タイプＩＩの多重量子井戸構造を、｛（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ）および（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＧａＳｂ）のうちのいずれか１つとしてもよい。
これによって、赤外域に高い感度を有し、かつ結晶性の良好な受光層を形成することができる。
【００２０】
基板を、ＩｎＰ基板としてもよい。
ＩｎＰ基板を用いることで、基板とＧａＳｂおよび受光層との格子定数差を比較的小さく抑えられ、かつ量産性を向上させ、赤外域の受光感度が高く暗電流が低い受光デバイスの元となる半導体ウエハを、優れた経済性で提供することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、赤外域の透過率が大きい半導体基板を用いながら、その上方に形成した受光層の欠陥密度を小さくすることができる受光デバイス、半導体ウエハ等を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態における半導体ウエハを示す図である。
【図２】ＧａＳｂ基板の赤外域の透過率を示す図である。
【図３】ＩｎＰ基板の赤外域の透透過率を示す図である。
【図４】バッファ層内の量子ドットの貫通転位への影響を説明するための図であり、（ａ）はバッファ層の成長開始の状態、（ｂ）は量子ドットを形成した状態、（ｃ）は量子ドットを覆うＡｌＳｂ被覆層を成長した状態、（ｄ）はさらにバッファ層を成長させた状態、を示す図である。
【図５】貫通転位密度に及ぼす（量子ドット／ＡｌＳｂ被覆層）数の影響を示す図である。
【図６】図１の半導体ウエハを用いて製造した受光デバイスと、読み出し回路とを組み合わせたセンシング装置を示す図である。
【図７】本発明の実施例における貫通転位密度とバッファ層膜厚との関係を、本発明例と比較例について示す図である。
【図８】本発明の実施例におけるセンシング装置の暗電流を、本発明例と比較例について示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は本発明の実施の形態における半導体ウエハを示す断面図である。半導体ウエハ３０におけるエピタキシャル積層体の構成はつぎのとおりである。
（ＩｎＰ基板１／中間層２１／ｐ型バッファ層２／タイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３／ｎ型コンタクト層５）
上記のエピタキシャル積層体の中で、バッファ層２がとくに重要である。バッファ層２は、ＧａＳｂ層２６がエピタキシャル成長されて形成されているが、その中に、半球状の量子ドット２２が形成されている。エピタキシャル成長時に１原子層程度の厚みで量子ドット２２として形成されるが、格子定数の大きな相違のため格子緩和して半球状になるので、成長後に実体として残るのは量子ドット２２である。また、量子ドット２２を被覆するＡｌＳｂ被覆層２５が成長されている。ＩｎＳｂ量子ドット２２のもととなる１原子層程度のＩｎＳｂ層自体はなくなるが、このＡｌＳｂ被覆層２５によって、その１原子層程度の層があった位置を、間接的に了知することができる。
【００２４】
ＩｎＰ基板１の格子定数ａ１は５．８６９Åであり、タイプＩＩの（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３の平均格子定数ａ２はＧａＳｂと同じ６．０９５Åである。したがって|ａ１−ａ２|／ａ１＝０．０３８（３．８％）の格子不整合度であり、不整合度が大きい。ＩｎＰ基板１上に直接、受光層３を成長させた場合、高密度の貫通転位が生成し、実用レベルを大きく超える暗電流が生じることになる。ただし上記の３．８％程度の格子不整合度であれば、格子欠陥密度は高いがエピタキシャル成長することは可能である。通常の受光デバイス用の半導体ウエハでは、基板と受光層との格子不整合度は０．００３（０．３％）以下である。ＩｎＰ基板１と受光層３との格子不整合度は、その１０倍強ある。
【００２５】
通常の方策をとった場合、この大きい格子不整合度を緩和するために、バッファ層を厚くした上に受光層３を形成して、貫通転位密度の減少をはかる。格子不整合度が大きい場合、成長開始時に貫通転位が高密度で発生し、その後のバッファ層の成長過程で、貫通転位は互いに打ち消し合うことで密度を減らす。バッファ層２の成長開始位置から厚み（高さ）ｔでの貫通転位密度をＮ（ｔ）とおく。単位厚み当たりに打ち消し合う貫通転位の数は密度に比例するので、−αＮ（ｔ）（α；比例定数）と書ける。微小な厚みΔｔで打ち消し合う貫通転位の数に基づき、つぎの微分方程式（１）が得られる。
Ｎ（ｔ＋Δｔ）−Ｎ（ｔ）＝−αＮ（ｔ）Δｔ・・・・・・（１）
（１）の微分方程式の解は指数関数（２）で与えられる。
Ｎ（ｔ）＝Ｎ０ｅｘｐ（−αｔ）・・・・・・・・・・・・（２）
（ここに、Ｎ０＝バッファ層の成長開始時の貫通転位密度）
解（２）によれば、バッファ層２中の貫通転位密度は、バッファ層の厚みに対して指数関数的に減少する。このため、上記のようにバッファ層２を厚くすることは一定の効果がある。
そのほかの方策として、グレーディッドバッファ層といって、基板から受光層にかけて格子定数を数段階に分けて近づけてゆく方策もある。しかし、上記のいずれの方策も、受光層での高密度の貫通転位を実用レベルで使用可能なレベルまで減少するに至らない。
【００２６】
ＧａＳｂ基板を用いれば、このように高い格子不整合度は完全に解消されるが、ＧａＳｂ基板を用いることができない理由を、図２により具体的に説明する。
図２は、ＧａＳｂ基板の透過率を波長に対して示す図である。現在市販されているＧａＳｂ基板はキャリア濃度が高く、中赤外域に自由キャリアによる吸収を持つ。図２は、厚み５００μｍのＧａＳｂ基板の透過率（室温）をフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）で測定した結果を示す図である。図２によれば、アンドープＧａＳｂ基板は、波長５μｍ以上で透過率はほとんどゼロである。また、アンドープＧａＳｂ基板よりも少し透過率が高いＴｅドープＧａＳｂ基板についても、透過率は、波長５μｍ付近の７０％程度から徐々に低下し、波長６．５μｍ付近で５０％程度になり、波長８μｍ以上で２５％以下に低下している。このような透過率を示すＧａＳｂ基板を赤外域を対象とする受光デバイスに用いることは難しい。たとえば、エピタキシャルウエハを製造したあと、ＧａＳｂ基板を削除するか、大幅に減厚する必要があり、工数の増大および品質劣化を招く。
図３は、厚み３５０μｍのＩｎＰ基板の透過率（室温）を、ＦＴ−ＩＲで測定した結果を示す図である。ＩｎＰ基板１は、バンドギャップエネルギが１．３５ｅＶであり、赤外域の光のエネルギよりも大きい。このバンドギャップは波長１μｍ弱に対応する。そのうえ光を吸収する自由キャリアが少ないため、受光層３が受光対象とする光を吸収しない。Ｆｅドープ（高抵抗）ＩｎＰ基板は波長２μｍ〜１２μｍの波長域で透明であり、吸収帯がない。なお、ＩｎＰ基板には硫黄ドープＩｎＰ基板（図示せず）もあるが、自由キャリアによる吸収が大きく、波長５μｍ以上ではほとんど透過率はゼロである。波長５μｍ以上で透過率がゼロであるため、硫黄含有ＩｎＰ基板は、本発明が対象とする赤外域の受光素子の基板には使用することはできない。
なお、ＩｎＧａＡｓ中間層２１は、ＩｎＰ基板１に格子整合するので、バンドギャップは、タイプＩＩのＭＱＷが受光する光を吸収するほど小さくない。近赤外〜中赤外域の光に対して、ＩｎＧａＡｓ中間層２１は、ＩｎＰ基板１と同等であるとみてよい。
【００２７】
ＩｎＰ基板１を用いた上で、良好な結晶性の受光層３を確保するための、本発明の実施の形態におけるポイントは、バッファ層２にある。図１を参照して、ＧａＳｂ主体のバッファ層２は、ＩｎＰ基板１上にＩｎＧａＡｓ中間層２１を介在させてＩｎＧａＡｓ中間層２１上にエピタキシャル成長している。ＩｎＧａＡｓ中間層２１の格子定数はＩｎＰと同じ大きさに揃えるか、格子不整合度はあってもせいぜい０．００２〜０．００３（０．２％〜０．３％）である。したがって、ＩｎＧａＡｓ中間層２１は格子不整合度の解消ではなく、表面の平坦性を良好にするために配置する。ＩｎＧａＡｓ中間層２１とＧａＳｂ主体のバッファ層２との格子不整合度は、上記のように３．８％程度ある。
【００２８】
図４は、バッファ層２の成長中の貫通転位ｄ１，ｄ２の挙動を示す図である。バッファ層２は、ＩｎＧａＡｓ中間層２１上に、または中間層を用いない場合はＩｎＰ基板１上に、ＧａＳｂを主体として成長する。図４（ａ）はバッファ層成長初期（貫通転位ｄ１，ｄ２はすでに発生している）、（ｂ）は貫通転位を含む（ａ）の状態のバッファ層２上にＩｎＳｂ量子ドット２２を形成した状態（貫通転位ｄ２の上に量子ドット２２が形成されている）、（ｃ）はＩｎＳｂ量子ドット２２を覆うＡｌＳｂ被覆層２５を成長した状態、（ｄ）はさらにバッファ層を成長して、貫通転位ｄ２がＩｎＳｂ量子ドット２２によって終端したことが確定した状態、を示す。図４（ｂ）において、ＩｎＳｂを厚み３Å（１原子層に相当）程度成長すると大きな格子定数差のために格子緩和し、半球状の量子ドット２２となる。貫通転位が量子ドット２２の下に位置する場合、量子ドット２２は格子緩和しているため、貫通転位は承継されず、量子ドット２２において終端する。量子ドット２２は密度２．５Ｅ９ｃｍ−２、量子ドット１個の面積１．０６Ｅ−１１ｃｍ２である。１層の量子ドットによる表面被覆率は２．６％となるので、貫通転位は、量子ドットの成長前の９７．４％に低減される。量子ドット２２を覆うように、ＧａＳｂを成長させることで表面の平坦性を得ることができる。この工程を繰り返すことで、貫通転位密度を、量子ドットと該量子ドット２２を覆うＡｌＳｂ被覆層２５とからなる層数に対して指数関数的に減少させることができる。シミュレーションによって求めた相対貫通転位密度と量子ドットと該量子ドット２２を覆うＡｌＳｂ被覆層２５とからなる層の数との関係を、図５に示す。図５のシミュレーションには、貫通転位密度どうしの打ち消し合いは考慮していない。現実にこのような構造を作製した場合、貫通転位同士の打ち消し合いの作用にこの量子ドットによる終端作用による減少が加わることになるので、貫通転位同士の打ち消し合いのみの減少より貫通転位をさらに低減することができる。
【００２９】
ＧａＳｂ主体のバッファ層２中にＩｎＳｂ量子ドット２２およびＡｌＳｂ被覆層２５を配置することで、バッファ層による赤外吸収を防ぎつつ受光層３中の結晶性を良好にすることができ、ＩｎＰ基板１による受光対象域の吸収がないので、受光感度を高めることができる。
しかしバッファ層２において、ＩｎＳｂ量子ドット２２を、仮にバッファ層であるＧａＳｂでそのまま被覆した場合、ＩｎＳｂ量子ドット自体が赤外光を吸収するという新たな問題が発生する。すなわちＧａＳｂで被覆されたＩｎＳｂ量子ドットのように、バンドギャップが周囲より小さく、かつ空間的に十分に狭い領域を作製した場合、一般的に、その領域（ＩｎＳｂ量子ドット）中に電子および正孔の準位が形成される。準位の高さは領域の大きさと、周囲のエネルギ障壁の高さとで決まる。ＧａＳｂで被覆されたＩｎＳｂ量子ドット中の電子と正孔との準位間のバンドギャップは、波長数μｍの赤外光のエネルギに相当する。このため、貫通転位低減のためにはＩｎＳｂ量子ドットの密度を多くする必要があるが、それに比例して赤外光の吸収が増加してしまう。赤外域で透過率が高いＩＩＩ−Ｖ族半導体基板を使用しても、代わりにＧａＳｂ主体のバッファ層が赤外光を吸収することになり、効果は低減されてしまう。すなわち受光デバイスの感度はそれほど向上しないことになる。
これを打開するため、ＩｎＳｂ量子ドット２２を、ＧａＳｂではなくＡｌＳｂ被覆層２５によって被覆する。ＡｌＳｂはＧａＳｂと比べてバンドギャップが大きいため、ＡｌＳｂ被覆層２５を用いるとＩｎＳｂ量子ドット２２を囲むエネルギ障壁は高くなる。このためＩｎＳｂ量子ドット２２中の電子および正孔の準位間が大きくなり、吸収される光が短波長化する。ＡｌＳｂ被覆層２５を用いることで、ＩｎＳｂ量子ドット２２がＧａＳｂと接触する面積を量子ドット底面の最小限にとどめることができ、赤外光の吸収を低減し、受光デバイスの感度向上を確実に実現することができる。
また、ＡｌＳｂ被覆層２５を成長した後、次のＩｎＳｂ量子ドット２２を成長するまでの間、バッファ層の主体であるＧａＳｂを成長することとなる。ＡｌＳｂはＧａＳｂに対して＋０．７％の格子不整合があり、ＡｌＳｂを連続して厚く成長すると格子緩和により新たな貫通転位を発生させる可能性がある。ＡｌＳｂ被覆層をＧａＳｂで挟んだ構造とすることでＡｌＳｂの格子緩和を防止することができる。本実施の形態では、ＩｎＳｂ量子ドット２２を覆うＡｌＳｂ被覆層２５の基板側の平坦面と、その上のＩｎＳｂ量子ドット２２を覆うＡｌＳｂ被覆層２５の基板側の平坦面との間を、ＧａＳｂ主体のバッファ層で隔てるので、結果的に、ＡｌＳｂ被覆層２５をＧａＳｂで挟んだ構造となる。
【００３０】
ＧａＳｂ基板に代えてＩｎＰ基板１を用いる利点は他にもある。たとえば、ＩｎＰ基板はＧａＳｂ基板に比べて良好な結晶性であり、そのような良好な結晶性のＩｎＰ基板を市場を通して安定して得ることができる。さらにＩｎＰ基板１はＧａＳｂ基板に比べて、大口径のものを得られるので量産性に優れている。さらに、ＩｎＰ基板１はＧａＳｂ基板に比べて安価であるので、経済性に優れた受光デバイス１０、ひいてはセンシング装置５０を提供することができる。
【００３１】
図６は、受光デバイス１０と、読み出し回路７０とを組み合わせたセンシング装置７０の構造を示す図である。以後の説明では、受光デバイスの構造と製造方法とを合わせて説明する。
ＦｅドープＩｎＰ（１００）基板の上に、ＭＢＥ（Molecular  Beam  Epitaxy）法にてＩｎＧａＡｓからなる中間層２１、ＧａＳｂからなるバッファ層２、タイプＩＩ多重量子井戸構造の（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）の受光層３、ｎ型コンタクト層５を成長する。バッファ層２には、ＩｎＳｂからなる量子ドット２２が周期的に挿入されている。中間層２１は表面を平坦化するために成長しており、厚さはたとえば０．１５μｍとするのがよい。バッファ層２の厚みは、たとえば３μｍとするのがよい。バッファ層２はｐ型不純物のＢｅ等をドープしてｐ型とする。また、量子ドット２２の成長方向（厚み方向）の周期は、たとえば１５ｎｍとするのがよい。なお、上記の周期は、厳密な意味での周期ではなく、不定期に繰り返される構造であってもよい。不定期な繰り返しであっても、量子ドット２２もしくはＡｌＳｂ被覆層２５の厚み方向の間隔は１５ｎｍ以上あることが望ましい。
【００３２】
受光層３はカットオフ波長３μｍ以上であり、近赤外〜中赤外（たとえば波長３μｍ以上１２μｍ以下）の光に受光感度を持つ。この多重量子井戸構造は、（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）を１ペアとして１００以上４００以下のペア数、たとえば２００ペアとするのがよい。ペアの一方（ＩｎＡｓまたはＧａＳｂ）の厚みは、２ｎｍ以上７ｎｍ以下の範囲、たとえば５ｎｍとするのがよい。タイプＩＩ多重量子井戸構造全体のうち、バッファ層２の側の数十ペアのＧａＳｂにはｐ型不純物たとえばＢｅをドープする。またコンタクト層５の側の数十ペアのＩｎＡｓにはｎ型層とするためにＳｉなどのｐ型不純物をドープする。両方の中間の層は、ｉ（intrinsic）型とするために不純物をドープしない。このようなタイプＩＩの多重量子井戸構造における導電型領域の構成に基づいてｐｉｎフォトダイオードができあがる。ｐｎ接合またはｐｉｎ接合は、上記の不純物ドープまたはアンドープにより、多重量子井戸構造内に形成される。
【００３３】
画素Ｐの電極１１は、ｎ型コンタクト層５にオーミック接触するようにＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ合金等で形成するのがよい。またグランド電極１２は、エッチングによりｐ型バッファ層（ＧａＳｂ主体）２を露出して、その露出したｐ型バッファ層２にオーミック接触するようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ合金等でグランド電極１２を形成する。
【００３４】
光はＩｎＰ基板１裏面から入射される。入射光の反射を防止するためにＡＲ（Anti-reflection）膜３５がその裏面を被覆する。受光されて発生した電子・正孔対の電子が引き込まれる画素電極１１はマイクロバンプ方式により読み出し回路７０の読み出し電極７１に導電接続される。読み出し回路７０は、ＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor）のマルチプレクサ等を用いるのがよい。画素電極１１と読み出し電極７１とは、またグランド電極１２，１３とアース電極７２とは、それぞれのバンプ９，７９を介在させて導電接続されている。グランド電極１２は、配線電極１３を保護膜４３に沿って伝わらせて画素電極１１の高さに揃えて、読み出し回路７０のアース電極７２と接続することができる。
【実施例】
【００３５】
図６に示すセンシング装置を、本発明例および比較例について製造して、暗電流を測定した。またバッファ層の上面における貫通転位密度を測定し、シミュレーション結果と比較した。
本発明例は、図６に示す構造のセンシング装置５０であり、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の構成はつぎのとおりとした。
（Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１／ｐ型ＩｎＧａＡｓ中間層２１／（量子ドット２２と該量子ドットを覆うＡｌＳｂ被覆層２５とからなる層）を含むＧａＳｂバッファ層２／タイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３／ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５）
ｐ型ＩｎＧａＡｓ中間層２１の厚みは０．１５μｍとし、ＧａＳｂバッファ層２の厚みは３μｍとした。ＧａＳｂバッファ層２には、ｐ型不純物のＢｅをドープした。量子ドット２２もしくはＡｌＳｂ被覆層２５の下面の成長方向（厚み方向）の間隔は２０ｎｍとした。タイプＩＩの多重量子井戸構造のペア数は２００とした。
比較のために比較例のセンシング装置を製造した。ＩＩＩ−Ｖ族半導体の構成はつぎのとおりである。
（Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１／ｐ型ＩｎＧａＡｓ中間層２１／ＧａＳｂバッファ層２／タイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３／ｎ型ＩｎＡｓコンタクト層５）
比較例のＧａＳｂバッファ層は、量子ドットおよび被覆層を含まないで、厚みを４．５μｍと厚くした。その他の部分については本発明例と同じである。製造方法も同じ条件に揃えた。
図７は、本発明例と比較例における貫通転位密度の測定値をプロットした図である。本発明例は黒四角印であり、比較例は黒三角印である。図７には、バッファ層膜厚に対してシミュレーションした計算値も合わせて示している。比較例のプロット黒三角印がのる線は、貫通転位どうしの打ち消し合いのみで貫通転位がバッファ層の厚みにつれて減少する程度を示すシミュレーション結果である。また本発明例のプロット黒四角印が近接する線は、転位同士の打ち消し合いに加えて量子ドットによる貫通転位の制止による作用も含めたシミュレーション結果である。量子ドットによる制止作用を含めることで、バッファ層の膜厚が薄いにもかかわらず、貫通転位密度が、１桁以上低減される。また、比較例は、貫通転位の打ち消し合いの作用のみを入れたシミュレーション結果にほぼ一致しているが、本発明例は、量子ドットの制止作用を追加したシミュレーション結果よりも低くなっている。これはＩｎＳｂ量子ドットが貫通転位の存在する核付近に優先的に核発生しやすいことにより、シミュレーションではこの効果を取り入れていなかったからと考えられる。
図８は、７７Ｋでの暗電流の測定結果を示す図である。本発明例は、同じ逆バイアス電圧−０．３Ｖ程度で、比較例に比べて一桁以上暗電流が小さくなっている。これは、図７に示すように、比較例では、バッファ層における高い密度の貫通転位がタイプＩＩ（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３に引き継がれ、受光層３の結晶性が劣化したことによる。
【００３６】
上記において、本発明の実施の形態および実施例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および実施例は、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】
【００３７】
本発明の受光デバイス等によれば、赤外域の透過率が大きい半導体基板を用いながら、その上方に形成した受光層の欠陥密度を小さくすることができ、暗電流の低い品位の高い画像を得ることができる。ＩｎＰ基板は大口径化も進んでおり、量産性に優れ、経済性の高いセンシング装置を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００３８】
１  半導体基板、２  バッファ層、３  受光層、５  コンタクト層、
９  バンプ、１０  受光デバイス、１１  画素電極、１２  グランド電極、１３  配線電極、２１  中間層、２２  ＩｎＳｂ量子ドット、２５  ＡｌＳｂ被覆層、２６  ＧａＳｂ層、３０  半導体ウエハ、３５  反射防止膜、４３  保護膜、７０  読み出し回路、７１  読み出し電極、７２  アース電極、ｄ１，ｄ２  貫通転位、Ｐ  画素。
【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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