(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体層が積層した半導体層積層体を備え、
前記半導体層積層体は受光層を含み、
前記受光層のカットオフ波長が３μｍ以上８μｍ以下であり、
温度を−１４０℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度が１×１０−１Ａ／ｃｍ２以下であり、
前記受光層の炭素濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である、半導体素子。
【請求項２】
前記受光層は多重量子井戸構造を有している、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記受光層はタイプＩＩ型の多重量子井戸構造を有し、
前記多重量子井戸の１周期は、少なくともアンチモン化ガリウムとヒ化インジウムとを含む、請求項２に記載の半導体素子。
【請求項４】
複数の半導体層が積層した半導体層積層体を備え、
前記半導体層積層体は受光層を含み、
前記受光層のカットオフ波長が３μｍ以上８μｍ以下であり、
温度を−１４０℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度が１×１０−４Ａ／ｃｍ２以下であり、
前記受光層の炭素濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である、半導体素子。
【請求項５】
前記受光層のカットオフ波長が３μｍ以上５μｍ以下であり、
温度を−１４０℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度が５×１０−５Ａ／ｃｍ２以下である、請求項４に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記受光層のカットオフ波長が３μｍ以上６μｍ以下であり、
温度を−１９６℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度が１×１０−８Ａ／ｃｍ２以下である、請求項４に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記受光層のカットオフ波長が６μｍ以上８μｍ以下であり、
温度を−１９６℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度が１×１０−５Ａ／ｃｍ２以下である、請求項４に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記受光層は多重量子井戸構造を有している、請求項４〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記受光層はタイプＩＩ型の多重量子井戸構造を有し、
前記多重量子井戸の１周期は、少なくともアンチモン化ガリウムとヒ化インジウムとを含む、請求項８に記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子に関し、特に中赤外域の光を受光可能な半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
中赤外域を対象とした受光素子（半導体素子）について、たとえば、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）とアンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）とからなる積層体を１周期としてこれを複数積層させて構成される、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂのタイプＩＩ型の多重量子井戸構造が知られている（非特許文献１、非特許文献２）。
【０００３】
また、中赤外域を対象とした受光素子（半導体素子）は暗電流の値が高い。そのため、一般に中赤外域を対象とした受光素子は、動作温度が低く設けられており、冷却装置を伴って使用されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J. B. Rodriguez, C. Cervera, and P. Christol、「A type-II superlattice period with a modified InAs to GaSb thickness ratio for midwavelength infrared photodiode performance improvement」Appl. Phys. Lett. 97, 251113 (2010)
【非特許文献２】片山晴善「ＪＡＸＡにおけるＴｙｐｅＩＩ超格子赤外検出器の開発」OPTRONICS ，(2012) No.5,p102-105
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、中赤外域を対象とした受光素子（半導体素子）は、−１４０℃以下の低温領域で使用されても、暗電流が理想値よりも高い値を示すことが確認されている。
【０００６】
非特許文献１および非特許文献２には、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法で形成されたＩｎＡｓ／ＧａＳｂのタイプＩＩ型の多重量子井戸構造では、暗電流が−１４０℃以下の低温領域で理想値よりも高い値を示すことが記載されている。
【０００７】
これについて、非特許文献１には、室温程度の高温領域での暗電流においては拡散電流が支配的であるのに対し、−１４０℃以下の低温領域での暗電流においては、発生電流が支配的であることが記載されている。
【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、中赤外域の光を受光可能であって、暗電流の低い半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体素子は、複数の半導体層が積層した半導体層積層体を備え、前記半導体層積層体は受光層を含み、前記受光層は、有機金属気相成長法により成長されており、カットオフ波長が３μｍ以上８μｍ以下であり、温度を−１４０℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度が１×１０−１Ａ／ｃｍ２以下である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、中赤外域の光を受光可能であって、暗電流が低い半導体素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態に係る半導体素子の断面図である。
【図２】本実施の形態に係る半導体素子が形成されるエピタキシャル基板の断面図である。
【図３】本実施の形態に係る半導体素子の受光層を説明するための断面図である。
【図４】本実施の形態に係る半導体素子と読み出し回路とを組み合わせた光センサ装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００１３】
[本願発明の実施形態の説明]
はじめに、本発明の実施の形態の概要を列挙する。
【００１４】
（１）本実施の形態における一の局面に係る半導体素子１００は、複数の半導体層が積層した半導体層積層体２を備え、半導体層積層体２は受光層４を含み、受光層４は有機金属気相成長法により成長されており、受光層４のカットオフ波長が３μｍ以上８μｍ以下であり、温度を−１４０℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度が１×１０−１Ａ／ｃｍ２以下である。
【００１５】
有機金属気相成長法は一般的なＭＢＥ法に比べて成長温度が高いことに起因して、ベース基板１（たとえばＧａＳｂ基板）表面において原子のマイグレーションが促進されやすく、結晶欠陥を低減することができる。受光層４内に形成された結晶欠陥は、半導体素子１００を受光素子として動作させた際にトラップを介してキャリアを発生させ暗電流の原因になる。しかし、本実施の形態に係る半導体素子１００において、受光層４は結晶欠陥が少なくトラップ密度（Ｎｔ）が低く抑えられている。たとえば、受光層４中の不純物濃度を下げることができ、炭素濃度であれば、１×１０１６ｃｍ−３以下に抑制することができる。そのため、本実施の形態に係る半導体素子１００では、受光層４内において結晶欠陥を介して生じる発生電流を低減することができ、−１４０℃以下の低温領域において暗電流を低く抑えることができる。加えて、有機金属気相成長法は製造能率に優れるため、大量生産に適している。
【００１６】
ここで、受光層４の成長法に関して、構成元素の原料のすべてを有機金属としてもよい（以下、全有機ＭＯＶＰＥ法と記す）。
【００１７】
有機金属からなる原料ガスは、その分子量が大きいため分解しやすい。そのため、全有機ＭＯＶＰＥ法に用いられる有機金属原料ガスは、完全に分解された状態でベース基板１（たとえばＧａＳｂ基板）近傍に供給されることができる。その結果、未分解の原料ガスや分解の途中段階に生じる中間生成物などがベース基板１（たとえばＧａＳｂ基板）近傍に供給されて結晶中に取り込まれること（通常のＭＯＶＰＥ法において確認されている現象）を抑制することができる。よって、受光層４に取り込まれる炭素などの不純物濃度の低減に有利である。
【００１８】
つまり、全有機ＭＯＶＰＥ法により形成されている受光層４は、結晶品質が高く、結晶欠陥が少ない。このために、発生電流を低減することができ、−１４０℃以下の低温領域において暗電流を低く抑えることができる。
【００１９】
また、受光層４は、有機金属気相成長法を用いてカットオフ波長が３μｍ以上８μｍ以下となるように形成されている。
【００２０】
一般に半導体素子１００において、暗電流は受光層のタイプを問わず、その実効的なバンドギャップが狭くなるほど（つまり、受光層４のカットオフ波長が長いほど）増加する傾向にある。とくに暗電流の主成分である拡散電流および発生電流については、受光層の実効的なバンドギャップが狭くなるほど増大することが知られている。
【００２１】
これに対し、本実施の形態に係る半導体素子１００では、上述のように、受光層４内において結晶欠陥を介して生じる発生電流を低減することができるため、受光層４のカットオフ波長を３μｍ以上８μｍ以下の長波長としながらも、半導体素子１００の温度を−１４０℃としてｐ型電極およびｎ型電極１１に逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度を１×１０−１Ａ／ｃｍ２以下とすることができる。
【００２２】
つまり、有機金属気相成長法を用いて受光層４を形成することにより受光層４における実効的なバンドギャップを制御することができ、結晶品質が高く、かつ、中赤外域の光を受光可能な受光層４を形成することができる。受光層４は、バンドギャップの異なる複数の化合物半導体層が積層してなる量子井戸構造を有していてもよい。量子井戸構造を採用すれば、量子井戸を構成する材料の組み合わせや膜厚等を制御することにより受光層４における実効的なバンドギャップを変化させることができ、幅広いカットオフ波長を受光層４にもたせることができる。たとえば、タイプＩＩ型の量子井戸構造とすれば、量子井戸を構成する一方の層の価電子帯と他方の層の伝導帯とのエネルギー差を、量子井戸構造を構成する各層のバンドギャップよりも小さくすることができるため、より長波長の光を受光することができる。このとき、各層におけるキャリアの有効質量は、同等のカットオフ波長に対応するバルク材料に比べて大きくなるため、より低い暗電流が期待できる。量子井戸構造の１周期は、少なくともＧａＳｂとＩｎＡｓとを含んでいてもよい。このとき、ＧａＳｂの価電子帯とＩｎＡｓの伝導帯との間でタイプＩＩ型の遷移が生じる。
【００２３】
また、暗電流の成分として表面リーク電流やトンネル電流等がある。表面リーク電流は半導体素子１００を製造する際のプロセス技術により十分低減することができ、トンネル電流は半導体素子１００に大きな逆バイアスを印加しなければ、十分に抑制することができる。
【００２４】
このように、本実施の形態に係る半導体素子１００は、有機金属気相成長法を用いて形成されている受光層４を備えるため、中赤外域の光を受光可能であるとともに、−１４０℃以下の低温領域において暗電流を低く抑えることができる。
【００２５】
（２）本実施の形態における他の局面に係る半導体素子１００は、複数の半導体層が積層した半導体層積層体２を備え、半導体層積層体２は受光層４を含み、受光層４のカットオフ波長が３μｍ以上８μｍ以下であり、温度を−１４０℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度が１×１０−４Ａ／ｃｍ２以下である。
【００２６】
つまり、本実施の形態における他の局面に係る半導体素子１００は、たとえば有機金属気相成長法を用いて、結晶品質が高く、結晶欠陥が少ない受光層４を形成することができる。これにより、発生電流を低減することができ、−１４０℃以下の低温領域において暗電流密度が１×１０−４Ａ／ｃｍ２以下とすることができる。
【００２７】
（３）本実施の形態に係る半導体素子１００は、受光層４のカットオフ波長が３μｍ以上５μｍ以下であり、温度を−１４０℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度が５×１０−５Ａ／ｃｍ２以下とすることができる。
【００２８】
つまり、本実施の形態に係る半導体素子１００は、上述のように受光層４内に生じる発生電流を低減することができるため、中赤外域にける短波長域の光の受光に関しては、−１４０℃以下の低温領域において暗電流密度を５×１０−５Ａ／ｃｍ２以下とすることができる。
【００２９】
（４）本実施の形態に係る半導体素子１００は、受光層４のカットオフ波長が３μｍ以上６μｍ以下であり、温度を−１９６℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度が１×１０−８Ａ／ｃｍ２以下することができる。
【００３０】
つまり、本実施の形態に係る半導体素子１００は、上述のように受光層４内に生じる発生電流を低減することができるため、中赤外域にける短波長域の光の受光に関して、−１９６℃以下の低温領域において暗電流密度を１×１０−８Ａ／ｃｍ２以下とすることができる。
【００３１】
（５）本実施の形態に係る半導体素子１００は、受光層４のカットオフ波長が６μｍ以上８μｍ以下であり、温度を−１９６℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度が１×１０−５Ａ／ｃｍ２以下することができる。
【００３２】
つまり、本実施の形態に係る半導体素子１００は、上述のように受光層４内に生じる発生電流を低減することができるため、中赤外域にける長波長域の光の受光に関して、−１９６℃以下の低温領域において暗電流密度を１×１０−５Ａ／ｃｍ２以下とすることができる。
【００３３】
（６）本実施の形態に係る半導体素子１００において、受光層４は多重量子井戸構造を有していてもよい。このようにすれば、半導体素子１００が受光可能な波長域は、受光層４を構成する材料の組成、組み合わせ、および膜厚によって幅広い値に決めることができる。そのため、これらのパラメータを制御することにより、単一の材料で受光層を形成した場合よりも大きなバンドギャップの材料を用いながら、中赤外域の光を受光可能とすることができる。
【００３４】
（７）本実施の形態に係る半導体素子１００において、受光層４は、タイプＩＩ型の多重量子井戸構造を有し、多重量子井戸の１周期は、少なくともＧａＳｂとＩｎＡｓとを含んでいてもよい。
【００３５】
つまり、受光層４は、ＩｎＡｓの伝導帯とＧａＳｂの価電子帯との間で遷移が生じるタイプＩＩ型の多重量子井戸構造を有しているため、ＩｎＡｓやＧａＳｂのバンドギャップより狭いバンドギャップを有している。このため、キャリアの有効質量が大きいことに起因して低い暗電流が期待できる。また、ＩｎＡｓとＧａＳｂの組成や膜厚を制御することにより、３μｍ以上３０μｍ以下という幅広いカットオフ波長を実現することができる。
【００３６】
多重量子井戸構造の周期数は、たとえば８０以上４００以下とすることができる。８０周期以上であれば、一定の光吸収を確保でき、中赤外光に対する感度が得られる。４００周期を超えて積層しても、受光に必要な膜厚以上となるため感度は横ばいか低下傾向となり、結晶性やスループットが悪化する恐れが生じる。
【００３７】
（８）本実施の本実施の形態に係る半導体素子１００において、受光層４の炭素不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下であることができる。
【００３８】
つまり、受光層４は、たとえば有機金属気相成長法を用いて、結晶品質が高く、結晶欠陥が少ない受光層４を形成することができる。このように、受光層４に取り込まれる不純物濃度を下げることができ、空乏層が広がりやすくなるため、半導体素子１００の受光感度を向上させることができる。
【００３９】
（９）本実施の形態に係る半導体素子１００において、受光層４は有機金属気相成長法により成長されている。また、受光層４を全有機ＭＯＶＰＥ法によって形成するようにしてもよい。さらに、半導体層積層体２を、有機金属気相成長法あるいは全有機ＭＯＶＰＥ法により成長するようにしてもよい。
【００４０】
全有機ＭＯＶＰＥ法によって形成されることにより、受光層４を含む半導体層積層体２は全体として結晶品質が高く、結晶欠陥が少ない。そのため、各層が担う受光や電気伝導といった役割を優れた水準で発揮させることができ、素子の特性を向上させることができる。また、全有機ＭＯＶＰＥ法ではＶ族原料の分解温度が一般的な有機金属気相成長法に用いられる水素化物原料の分解温度に比べて低いという特徴がある。このため、半導体層積層体２がＳｂを含む場合に成長温度を一般的な有機金属気相成長法に比べて下げることができ、高温では取り込まれにくいＳｂを含む半導体層を結晶性良く成長することが可能になる。
【００４１】
[本願発明の実施形態の詳細]
次に、本発明の実施の形態の詳細について説明する。
【００４２】
（実施の形態１）
図１〜図３を参照して、実施の形態１に係る半導体素子１００について説明する。本実施の形態に係る半導体素子１００は、プレナー型の受光素子であり、ベース基板１と、ベース基板１の第１の主面１Ａ上に形成された半導体層積層体２とを備える。
【００４３】
ベース基板１は、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）からなることができる。ベース基板１は、（００１）面からなる第１の主面１Ａと、第１の主面１Ａの反対側に位置する第２の主面１Ｂとを有している。ベース基板１は、意図的にドープされていない、あるいはＺｎなどの不純物がドープされた状態で、ｐ型の導電型としてもよい。このとき、ｐ型電極をベース基板１の第２の主面１Ｂに形成することができる。
【００４４】
半導体層積層体２は、ベース基板１の第１の主面１Ａ上に、バッファ層３、受光層４、拡散濃度分布調整層５、コンタクト層６が順に積層することにより構成されている。半導体層積層体２は、全有機ＭＯＶＰＥ法により成長されている。
【００４５】
バッファ層３は、ベース基板１同様にＧａＳｂで構成されている。
受光層４は、バッファ層３を介して第１の主面１Ａ上に形成されており、多重量子井戸構造を有している。具体的には、受光層４は、ＧａＳｂ層４ａとヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）層４ｂとで構成される一つの量子井戸が１００ペア程度積層された、タイプＩＩ型のＩｎＡｓ／ＧａＳｂ多重量子井戸構造を有している。ＧａＳｂ層４ａの膜厚はたとえば３ｎｍ程度であり、ＩｎＡｓ層４ｂの膜厚はたとえば３ｎｍ程度である。このときの受光層４のカットオフ波長は、５μｍ程度である。ＧａＳｂ層４ａおよびＩｎＡｓ層４ｂは、ともに意図的にドープされていない。受光層４中のＴｅの濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以下であり、好ましくはＳＩＭＳにおいて検出限界以下である。受光層４中のＴｅ濃度がこの範囲であれば、暗電流の増加を抑制することができる。さらに、空乏層が広がりやすくなるため、半導体素子の受光感度を向上させることができる。受光層４中の炭素の濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である。このようにすれば、受光層４において空乏層が広がりやすくなるため、半導体素子１００の受光感度を向上させることができる。
【００４６】
さらに、受光層４には、各量子井戸のペア間にアンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）層４ｃが０．４モノレイヤ（ＭＬ）以上２ＭＬ以下程度形成されているのが好ましい。ＩｎＳｂ層４ｃは、ＧａＳｂ層４ａ上であってＩｎＡｓ層４ｂ下に形成されているか、あるいはＩｎＡｓ層４ｂ上であってＧａＳｂ層４ａ下に形成されていればよい。また、ＩｎＳｂ層４ｃをＧａＳｂ層４ａの上下両側に形成してもよい。ＩｎＳｂ層４ｃは、受光層４において歪補償層として形成される。つまり、ＧａＳｂ層４ａとＩｎＡｓ層４ｂとの間にＩｎＳｂ層４ｃを成長させることで、ＧａＳｂから成るベース基板１あるいはバッファ層３とＩｎＡｓとの格子不整合により受光層４内にミスフィット転位が生じることを抑制することができる。ＩｎＳｂ層４ｃの膜厚は、０．４ＭＬ以上であれば歪補償層としての効果が得られる。２ＭＬより厚くすると歪補償に必要な膜厚を超えているために、受光層４に転位が発生する恐れが生じる。歪補償層は、ＩｎＳｂの他、ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂといった３元混晶としてもよい。
【００４７】
受光層４を構成するＧａＳｂ層４ａ、ＩｎＡｓ層４ｂ、およびＩｎＳｂ層４ｃは、全有機ＭＯＶＰＥ法により形成されているため、いずれも高い結晶性を有しており結晶欠陥が少ない。
【００４８】
拡散濃度分布調整層５は、受光層４上に形成されている。拡散濃度分布調整層５は、ＩｎＡｓで構成されている。拡散濃度分布調整層５は、意図的にドープされていない。拡散濃度分布調整層５は、ＧａＳｂで構成されていてもよい。
【００４９】
コンタクト層６は、拡散濃度分布調整層５上に形成されている。コンタクト層６は、ＩｎＡｓで構成されている。コンタクト層６は、ベース基板１の第２の主面１Ｂの反対側に位置する第３の主面６Ａを有している。コンタクト層６は、意図的にドープされていない。
【００５０】
第３の主面６Ａにおいて所定の領域には、ｎ型拡散領域７が形成されている。具体的には、半導体層積層体２上においてプレナー型受光素子として画素が配置される複数の領域にｎ型拡散領域７が形成されている。ｎ型拡散領域７は、ｎ型不純物としてテルル（Ｔｅ）を含み、第３の主面６ＡからＴｅを選択拡散することにより形成されている。
【００５１】
ｎ型拡散領域７は、コンタクト層６から拡散濃度分布調整層５中において第３の主面６Ａに対して垂直な方向（半導体層積層体２の積層方向）に所定の領域まで延びるように形成されている。つまり、ｎ型拡散領域７の上記方向での下端（Ｔｅ拡散フロント）は、拡散濃度分布調整層５の内部に存在し、受光層４内には存在しない。ｎ型拡散領域７の下端（Ｔｅ拡散フロント）では、ｎ型拡散領域７と拡散濃度分布調整層５とによりｐｎ接合１５が形成されている。
【００５２】
ｎ型拡散領域７は、第３の主面６Ａに対して垂直な方向においてＴｅの濃度分布を有している。具体的には、ｎ型拡散領域７中のＴｅの濃度は、拡散濃度分布調整層５上においてたとえば４×１０１６ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下であり、コンタクト層６との界面から下方に向かって低下するように設けられている。さらに、ｎ型拡散領域７中のＴｅの濃度は、コンタクト層６上ではたとえば１×１０２１ｃｍ−３以上３×１０２１ｃｍ−３以下である。特に拡散濃度分布調整層５との界面を有するコンタクト層６の下部（第１のＩｎＡｓ層６ａ）では、たとえば２×１０２１ｃｍ−３以上３×１０２１ｃｍ−３以下であり、第３の主面６Ａを含むコンタクト層６の上部（第２のＩｎＡｓ層６ｂ）では、たとえば１×１０２１ｃｍ−３以上３×１０２１ｃｍ−３以下である。
【００５３】
ベース基板１の第２の主面１Ｂ上にはｐ型電極（図示しない）が形成されている。また、コンタクト層６の第３の主面６Ａ上において複数のｎ型拡散領域７上には、それぞれｎ型電極１１が形成されている。ｐ型電極はベース基板１と、ｎ型電極１１はコンタクト層６におけるｎ型拡散領域７とそれぞれオーミック接触している。ｐ型電極は、たとえばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ合金等で形成されていればよい。ｎ型電極１１は、たとえばＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ等で形成されていればよい。第３の主面６Ａ上において、ｎ型電極１１が形成されていない領域にはパッシベーション膜１２が形成されている。パッシベーション膜１２は、たとえばＳｉＯ２、ＳｉＮから成ることができる。
【００５４】
次に、本実施の形態に係る半導体素子の製造方法について説明する。
まず、ベース基板１を準備する（工程（Ｓ１０））。ベース基板１は、ＧａＳｂ基板であり、たとえば亜鉛（Ｚｎ）などのｐ型不純物がドープされてｐ型の導電型を有している。
【００５５】
次に、ベース基板１をＭＯＶＰＥ成長室に配置して、バッファ層３を成長させる（工程（Ｓ２０））。具体的には、ベース基板１上に、ＧａＳｂからなるバッファ層３を形成する。本工程（Ｓ２０）では、全有機ＭＯＶＰＥ法によりバッファ層３を成長させる。Ｇａの原料としては、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）などを用いることができる。Ｓｂ（アンチモン）の原料としては、ＴＭＳｂ（ トリメチルアンチモン）、ＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）、ＴＩＰＳｂ（トリイソプロピルアンチモン）、ＴＤＭＡＳｂ（トリジメチルアミノアンチモン）、ＴＴＢＳｂ（トリターシャリーブチルアンチモン）などを用いることができる。
【００５６】
次いで、受光層４を成長させる（工程（Ｓ３０））。具体的には、全有機ＭＯＶＰＥ法により、ＩｎＳｂ層４ｃを含むＩｎＡｓ／ＧａＳｂ多重量子井戸構造を形成する。つまり、本工程（Ｓ３０）では、原料ガスに無機金属ガスを用いずに、有機金属ガスを用いて成長させる。Ｉｎの原料としては、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）などを用いることができる。Ａｓの原料としては、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）、ＴＭＡｓ（トリメチル砒素）などを用いることができる。
【００５７】
ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ多重量子井戸構造の成長温度は、４３０℃以上５５０℃以下とするのが好ましい。成長温度を４３０℃以上とすることにより、上記のような原料ガスを効率よく分解することができる。また、成長温度を４３０℃以上とすることにより、分解された原子が十分にマイグレーションするため、受光層４を結晶性よく成長させることができる。一方、成長温度を５５０℃超えとした場合には、アンチモン（Ｓｂ）の取り込み効率が悪化する。また、本実施の形態に係る半導体素子のようにＩｎＳｂ層４ｃを含む場合は、成長温度を５００℃以下とすることが望ましい。成長温度が５００℃を超えると、融点が５２７℃と低いＩｎＳｂを成長させることが困難になる。成長温度を５００℃以下、つまりＩｎＳｂの融点より十分に低い温度とすることにより、高い結晶性を有するＩｎＳｂ層４ｃを有する受光層４を形成することができる。この結果、ＩｎＳｂ層４ｃは歪補償作用を十分に発揮することができ、受光層４内にミスフィット転位が生じることを抑制することができる。
【００５８】
また、本工程（Ｓ３０）において、ＩｎＡｓ層４ｂ、ＧａＳｂ層４ａおよびＩｎＳｂ層４ｃを繰り返し成長させることにより多重量子井戸構造を有する受光層４を形成するが、このとき、所定のタイミングで成長を中断するのが好ましい。
【００５９】
具体的には、ＩｎＡｓ層４ｂを成長させた後であってＧａＳｂ層４ａを成長させる前に、成長室内の排気を継続しながらＩｎＡｓ層４ｂの成長に用いた原料ガスの供給を止めることにより第１の成長中断期間を設けるのが好ましい。該第１の成長中断期間が経過した後、ＧａＳｂ層４ａの成長を開始する。これにより、ＩｎＡｓ層４ｂの成長工程の後に行われるＧａＳｂ層４ａまたはＩｎＳｂ層４ｃの成長工程において、ＩｎＡｓ層４ｂの成長に用いたヒ素（Ａｓ）を含む原料ガスが成長室内に残存して、ＧａＳｂ層４ａやＩｎＳｂ層４ｃへのＡｓの混入を抑制することができる。これにより、ＧａＳｂ層４ａまたはＩｎＳｂ層４ｃに意図しない歪みがかかることを防ぐことができ、受光層４の結晶欠陥を低減することができる。上記第１の成長中断期間は、たとえば３秒以上２５秒以下とするのが好ましい。３秒以上とすることによりＧａＳｂ層４ａやＩｎＳｂ層４ｃへのＡｓの混入を抑制することができ、かつ、２５秒以下とすることによりＩｎＡｓ層４ｂからのＡｓ抜けを抑制することができる。なお、上記第１の成長中断期間の少なくとも一部の期間において、ＧａＳｂ層４ａの成長に用いるＳｂを含む原料ガスを成長室内に供給してもよい。このようにすれば、ＧａＳｂ層４ａへのＡｓの混入をより効果的に抑制することができる。
【００６０】
さらに、ＩｎＳｂ層４ｃを成長させた後であってＩｎＡｓ層４ｂを成長させる前に、成長室内の排気を継続しながらＩｎＳｂ層４ｃの成長に用いた原料ガスの供給を止めることにより第２の成長中断期間を設けるのが好ましい。このとき、該第２の成長中断期間の少なくとも一部の期間に、ＩｎＡｓ層４ｂの成長に用いるＡｓを含む原料ガスを流通させるのが好ましい。ここで、Ｓｂは、ＩｎＳｂ層４ｃの表面もしくは界面においてサーファクタント効果により偏析しやすい。そのため、上記第２の成長中断期間においてＩｎＳｂ層４ｃやＧａＳｂ層４ａの表面もしくは界面を保護することを目的としてＳｂを含む原料ガスをＩｎＳｂ層４ｃ上に供給することは必ずしも必要ではない。一方で、上記第２の成長中断期間の少なくとも一部の期間において、Ａｓを含む原料ガスを供給することにより、原料ガスの切り替えを円滑に行うことができ、ＩｎＳｂ層４ｃとＩｎＡｓ層４ｂとの接合界面において組成を急峻に変化させることができる。これにより、受光層４の結晶性を高めることができる。上記第２の成長中断期間は、たとえば３秒以上２５秒以下とするのが好ましい。上記第２の成長中断期間を３秒以上とすることによりＩｎＳｂ層４ｃとＩｎＡｓ層４ｂとの接合界面において組成変化を急峻化させることができる。また、上記第２の成長中断期間を２５秒超えとしても、当該接合界面において組成変化を急峻化するさらなる改善効果は小さく、スループット等の観点から２５秒以下とするのが好ましい。
【００６１】
このようにして、ＩｎＳｂ層４ｃを含むＩｎＡｓ層４ｂ／ＧａＳｂ層４ａの量子井戸が１００ペア程度積層された、タイプＩＩ型のＩｎＡｓ／ＧａＳｂ多重量子井戸構造を有する受光層４を形成する。
【００６２】
次に、拡散濃度分布調整層５を成長させる（工程（Ｓ４０））。具体的には、受光層４上に、ＩｎＡｓからなる拡散濃度分布調整層５を形成する。本工程（Ｓ４０）では、全有機ＭＯＶＰＥ法により拡散濃度分布調整層５を成長させる。
【００６３】
次に、コンタクト層６を成長させる（工程（Ｓ５０））。具体的には、拡散濃度分布調整層５上に、ＩｎＡｓからなるコンタクト層６を形成する。本工程（Ｓ４０）では、全有機ＭＯＶＰＥ法によりコンタクト層６を成長させる。
【００６４】
次に、ｎ型拡散領域７を形成する（工程（Ｓ６０））。具体的には、コンタクト層６の第３の主面６Ａ上に拡散マスク（図示しない）を介してｎ型不純物であるＴｅを選択拡散する。拡散マスクは、たとえば窒化珪素（ＳｉＮ）膜であり、第３の主面６Ａ上においてｎ型拡散領域７が形成される領域（異なる観点から言えば、画素Ｐが配置される領域）上に開口部を有している。これにより、半導体層積層体２には、所定の間隔を隔てて複数のｎ型拡散領域７が形成される。ｎ型拡散領域７は、ｎ型拡散領域７の下端（Ｔｅ拡散フロント）が、拡散濃度分布調整層５まで達するとともに、受光層４にまで達しないように形成され、拡散濃度分布調整層５においてｐｎ接合が形成される。このようにして、ベース基板１と半導体層積層体２とからなる半導体基板１０が形成される。
【００６５】
次に、ｐ型電極とｎ型電極１１とを形成する（工程（Ｓ７０））。具体的には、ベース基板１の第２の主面１Ｂ上にｐ型電極を形成する。さらに、コンタクト層６の第３の主面６Ａ上であってｎ型拡散領域７上には、ｎ型電極１１を形成する。各電極の形成は、任意の成膜方法（たとえばフォトリソグラフィと真空蒸着、あるいはスパッタ成膜）により行うことができる。ｐ型電極はベース基板１と、ｎ型電極１１はコンタクト層６におけるｎ型拡散領域７とそれぞれオーミック接触される。次に、第３の主面６Ａ上において、ｎ型電極１１が形成されていない領域を覆うようにパッシベーション膜１２を形成する。ここで、パッシベーション膜１２を拡散マスクを除去することなく形成し、余分な表面汚染を回避するようにしてもよい。以上のようにして、本実施の形態に係る受光素子としての半導体素子１００を得ることができる。
【００６６】
次に、図４を参照して、本実施の形態に係る半導体素子１００を備える光学センサ装置２００について説明する。光学センサ装置２００は、半導体素子１００と、読み出し回路（ＲＯＩＣ：Ｒｅａｄ−Ｏｕｔ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）であるＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）１１０とが接合されて構成されている。具体的には、半導体素子１００のｎ型電極１１とＣＭＯＳ１１０の読み出し電極１１１とが、バンプ５１を介して電気的に接続されている。光学センサ装置２００において半導体素子１００は１つの画素Ｐを構成している。本実施の形態に係る光学センサ装置２００は、たとえば以下のように動作する。半導体素子１００のｐ型電極とｎ型電極１１に逆バイアスを印加することにより、受光層４内にｐｎ接合１５から張り出す空乏層を形成する。ベース基板１側から受光層４にそのバンドギャップエネルギーより大きいエネルギーを持つ光が入射されると、電子−正孔対が生成され、正孔はｐ型電極へ、電子はｎ型電極１１へとドリフトする。ｎ型電極１１に達した電子は読み出し電極１１１を介してＣＭＯＳ１１０に読み出されて、その電荷量に応じて明暗が付けられることにより像を得ることができる。
【００６７】
次に、本実施の形態に係る半導体素子１００の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る半導体素子１００は、ＧａＳｂ層４ａ、ＩｎＡｓ層４ｂ、およびＩｎＳｂ層４ｃで構成されたタイプＩＩ型の量子井戸構造を有する受光層４を備えており、受光層４は全有機ＭＯＶＰＥ法により形成されている。そのため、受光層４は高い結晶性を有し、結晶欠陥が少ない。その結果、本実施の形態に係る半導体素子１００では、受光層４内において結晶欠陥を介して生じる発生電流を低減することができる。また、本実施の形態に係る半導体素子１００において、受光層４を構成するＧａＳｂ層４ａ、ＩｎＡｓ層４ｂ、およびＩｎＳｂ層４ｃの各膜厚が全有機ＭＯＶＰＥ法によって正確に制御されているため、所定のカットオフ波長を有することができる。
【００６８】
これにより、本実施の形態に係る半導体素子１００は、受光層４のカットオフ波長を５μｍ程度としながらも、半導体素子１００の温度を−１４０℃としてｐ型電極およびｎ型電極１１に逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度を１×１０−４Ａ／ｃｍ２以下とすることができる。また、本実施の形態に係る半導体素子１００は、温度を−１９６℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度を１×１０−８Ａ／ｃｍ２以下とすることができる。
【００６９】
さらに、受光層４において、ＩｎＳｂ（格子定数０．６４６ｎｍ）層４ｃの膜厚が０．４ＭＬ以上２ＭＬ以下程度に制御されている。そのため、ＧａＳｂ（格子定数０．６０９ｎｍ）層４ａとＩｎＡｓ（格子定数０．６０６ｎｍ）層４ｂとから成る受光層４とＧａＳｂから成るベース基板１あるいはバッファ層３との格子定数の差に起因して生じる歪みが緩和されることを防止することができる。この結果、ＧａＳｂ層４ａやＩｎＡｓ層４ｂに転位等の結晶欠陥が導入されることを効果的に抑制することができる。
【００７０】
本実施の形態において、受光層４のカットオフ波長は５μｍ程度に設けられているが、これに限られるものではない。たとえば、受光層４が多重量子井戸構造を有している場合には、各半導体層の組み合わせ、膜厚、および組成等を制御することにより、受光層４のカットオフ波長を所定の値に設定することができる。たとえば、ＧａＳｂ層４ａの膜厚を２ｎｍ、ＩｎＡｓ層４ｂの膜厚を２ｎｍ、とすることにより、受光層４のカットオフ波長を３μｍ程度とすることができる。この場合も、受光層４には結晶欠陥が少ないため発生電流を抑制することができ、温度を−１４０℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度を５×１０−５Ａ／ｃｍ２以下、温度を−１９６℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度を１×１０−８Ａ／ｃｍ２以下とすることができる。
【００７１】
また、たとえば、ＧａＳｂ層４ａの膜厚を４ｎｍ、ＩｎＡｓ層４ｂの膜厚を４ｎｍ、とすることにより、受光層４のカットオフ波長を８μｍ程度とすることができる。この場合も、受光層４には結晶欠陥が少ないため発生電流を抑制することができ、温度を−１４０℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度を１×１０−１Ａ／ｃｍ２以下、温度を−１９６℃として逆バイアス電圧を６０ｍＶ印加したときの暗電流密度を１×１０−５Ａ／ｃｍ２以下とすることができる。
【００７２】
また、本実施の形態において、受光層４は全有機ＭＯＶＰＥ法により形成されているが、受光層４は、たとえば原料に水素化物を含む通常の有機金属気相成長法や、高品質化につながる成長条件は限られるもののＭＢＥ法により形成されていてもよい。このようにしても、受光層４における結晶欠陥を少なくすることができるため、発生電流を抑制することができ、暗電流を低減することができる。
【００７３】
また、本実施の形態において、半導体素子１００はプレナー型の受光素子として構成されているが、これに限られるものではない。半導体素子１００は、たとえばドライエッチングかウェットエッチングを用いて素子分離を行い、メサ型受光素子として構成されていてもよい。メサ型受光素子とする場合、ｎ型層（たとえばＩｎＡｓ）はプレナー型と同様にたとえばＴｅの拡散によって形成してもよいし、成長時にＴｅやＳｉといった不純物をドープすることで形成してもよい。
【００７４】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではない。本発明の範囲は、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を含むことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、中赤外域の光に高い感度を有する半導体素子に特に有利に適用される。
【符号の説明】
【００７６】
１  ベース基板
１Ａ  第１の主面
１Ｂ  第２の主面
２  半導体層積層体
３  バッファ層
４  受光層
４ａ  ＧａＳｂ層
４ｂ  ＩｎＡｓ層
４ｃ  ＩｎＳｂ層
５  拡散濃度分布調整層
６  コンタクト層
６Ａ  第３の主面
７  ｎ型拡散領域
１１  ｎ型電極
１２  パッシベーション膜
５１  バンプ
１００  半導体素子
１１０  ＣＭＯＳ
１１１  読み出し電極
２００  光学センサ装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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