(57)【要約】【課題】  特性の改善を図ったエピタキシャルウェハおよび素子を得る。【解決手段】  エピタキシャルウェハは、基板３と、バッファ層９と、受光層１１と、窓層１３とを備える。バッファ層９は基板３上に形成される。受光層１１はバッファ層９上に形成される。受光層１１は、基板３を構成する材料の格子定数より大きな格子定数を有するエピタキシャル膜からなる。窓層１３は、受光層１１上に形成され、受光層１１と接触するように配置される１層または複数層からなる。窓層１３を構成する層のうち受光層１１と接触する層の格子定数は、受光層１１の格子定数およびバッファ層９の格子定数のうちのいずれか大きい格子定数より小さい。窓層１３の厚みは０．２μｍ以上２．０μｍ以下である。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、前記基板を構成する材料の格子定数より大きな格子定数を有するエピタキシャル膜からなる動作層と、
前記動作層上に形成され、前記動作層と接触するように配置される１層または複数層からなる被覆層とを備え、
前記被覆層を構成する層のうち前記動作層と接触する層の格子定数は、前記動作層の格子定数および前記バッファ層の格子定数のうちのいずれか大きい格子定数より小さく、
前記被覆層の厚みは０．２μｍ以上２．０μｍ以下である、エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
前記被覆層を構成する層のうち前記動作層と接触する層の格子定数は、前記動作層の格子定数および前記バッファ層の格子定数のうちのいずれか小さい格子定数より小さい、請求項１に記載のエピタキシャルウェハ。
【請求項３】
前記動作層は複数の層からなり、
前記被覆層を構成する層のうち前記動作層と接触する層の格子定数と比較される前記動作層の格子定数は、前記動作層を構成する複数の層のうち前記被服層と接触する層の格子定数である、請求項１または請求項２に記載のエピタキシャルウェハ。
【請求項４】
前記基板はインジウムリン基板であり、
前記バッファ層はインジウムヒ素リンからなり、
前記動作層はインジウムガリウムヒ素からなり、
前記被覆層はインジウムヒ素リンからなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェハ。
【請求項５】
前記被覆層を構成する層のうち前記動作層と接触する層と前記バッファ層との格子不整合度の差は０％超え１．０％以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェハ。
【請求項６】
前記被覆層を構成する層のうち前記動作層と接触する層と前記動作層との格子不整合度の差は０％超え１．０％以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェハ。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、前記基板を構成する材料の格子定数より大きな格子定数を有するエピタキシャル膜からなる動作層と、
前記動作層上に形成され、前記動作層と接触するように配置される１層または複数層からなる被覆層とを備え、
前記被覆層を構成する層のうち前記動作層と接触する層と前記バッファ層とは、互いに同じ構成元素により構成される材料からなり、かつ、前記構成元素に含まれる不純物元素は、前記不純物元素の含有率が増加するにつれて前記材料の格子定数が大きくなるものであり、
前記被覆層を構成する層のうち前記動作層と接触する層における前記不純物元素の含有率は、前記バッファ層における前記不純物元素の含有率より小さく、
前記被覆層の厚みは０．２μｍ以上２．０μｍ以下である、エピタキシャルウェハ。
【請求項８】
前記基板はインジウムリン基板であり、
前記バッファ層はインジウムヒ素リンからなり、
前記動作層はインジウムガリウムヒ素からなり、
前記被覆層はインジウムヒ素リンからなり、
前記不純物元素はヒ素である、請求項７に記載のエピタキシャルウェハ。
【請求項９】
基板と、
前記基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、前記基板を構成する材料の格子定数より大きな格子定数を有するエピタキシャル膜からなる動作層と、
前記動作層上に形成され、前記動作層と接触するように配置される１層または複数層からなる被覆層とを備え、
前記被覆層を構成する層のうち前記動作層と接触する層と前記バッファ層とは、互いに同じ構成元素により構成される材料からなり、かつ、前記構成元素に含まれる不純物元素は、前記不純物元素の含有率が増加するにつれて前記材料の格子定数が小さくなるものであり、
前記被覆層を構成する層のうち前記動作層と接触する層における前記不純物元素の含有率は、前記バッファ層における前記不純物元素の含有率より大きく、
前記被覆層の厚みは０．２μｍ以上２．０μｍ以下である、エピタキシャルウェハ。
【請求項１０】
前記基板はインジウムリン基板であり、
前記バッファ層はインジウムヒ素リンからなり、
前記動作層はインジウムガリウムヒ素からなり、
前記被覆層はインジウムヒ素リンからなり、
前記不純物元素はリンである、請求項９に記載のエピタキシャルウェハ。
【請求項１１】
前記動作層は複数の層からなる、請求項７〜１０のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェハ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェハを用いて製造された素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エピタキシャルウェハおよび素子に関し、より特定的には、格子不整合系化合物半導体エピタキシャルウェハおよび当該エピタキシャルウェハを用いて製造された素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板と、当該基板上に形成され、基板と格子定数の異なるエピタキシャル層とを有するエピタキシャルウェハおよび当該エピタキシャルウェハを用いて製造された素子が知られている（たとえば、特許文献１および特許文献２参照）。上記特許文献１では、素子の特性を向上させるため、基板上に歪超格子層を多段に挿入したバッファ層を形成し、さらに、当該バッファ層上に動作層としてのＧａＩｎＡｓ吸収層を形成し、また、ＧａＩｎＡｓ吸収層の格子定数と−０．５〜０．５％で一致するようにした格子定数のＩｎＡｓＰ窓層を０．１μｍ以下の膜厚でＧａＩｎＡｓ吸収層上に形成した素子としてのフォトダイオードが開示されている。上記特許文献１では、当該バッファ層上に動作層としてのＧａＩｎＡｓ吸収層を形成することで当該ＧａＩｎＡｓ吸収層の格子定数不整合を緩和し、また、厚みの薄いＩｎＡｓＰ窓層を形成することで当該窓層での光の吸収や光の干渉を抑制するとしている。この結果、高い分光感度を有するフォトダイオードを実現できるとしている。
【０００３】
また、上記特許文献２では、ＩｎＰ基板またはＩｎＰバッファ層とＩｎＰ窓層との間にＩｎＧａＡｓ受光層が挟まれた形態の受光素子を開示している。当該受光素子では、受光層におけるＩｎＧａＡｓ混晶は一定の組成比を有しておらず、Ｉｎ組成比が層厚方向において変化している。つまり、動作層としてのＩｎＧａＡｓ受光層においては、ＩｎＰ基板またはＩｎＰバッファ層との界面またはＩｎＰ窓層との界面における格子整合性を高めるため、これら隣接層に近づくにしたがってＩｎ組成比が減少させられている。この結果、受光層と隣接層との間の界面における大きな格子定数差に起因する界面歪の発生を抑制できる。したがって、当該界面歪を緩和する格子欠陥が受光層に多数導入されることを抑制できるとしている。
【特許文献１】特開平６−１８８４４７号公報
【特許文献２】特開２００３−３０９２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、発明者が検討した結果、上述のように隣接層との格子定数不整合を緩和することで動作層への転位などの格子欠陥の導入を抑制することだけでは、動作層の結晶性を向上させることに限界があることが判明した。すなわち、動作層の結晶性を良否を決定する要因として、格子欠陥が少ないということは確かに重要な要因の１つであるが、さらに、素子を形成する製造プロセスにおける熱プロセス中に動作層において発生する機械的歪を抑制することも重要な要因であるという知見を発明者は得た。そして、従来はこのような機械的歪を抑制するという観点での動作層の結晶性の改善は図られていなかった。この結果、従来は、素子の動作層の結晶性を向上することによる特性の改善が不充分であった。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、特性の改善を図ったエピタキシャルウェハおよび素子を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に従ったエピタキシャルウェハは、基板と、バッファ層と、動作層と、被覆層とを備える。バッファ層は基板上に形成される。動作層はバッファ層上に形成される。動作層は、基板を構成する材料の格子定数より大きな格子定数を有するエピタキシャル膜からなる。被覆層は、動作層上に形成され、動作層と接触するように配置される１層または複数層からなる。被覆層を構成する層のうち動作層と接触する層の格子定数は、動作層の格子定数およびバッファ層の格子定数のうちのいずれか大きい格子定数より小さい。被覆層の厚みは０．２μｍ以上２．０μｍ以下である。
【０００７】
このようにすれば、たとえばバッファ層の格子定数が動作層の格子定数より大きい場合、被覆層において動作層と接触する層（以下、接触層とも言う）の格子定数は少なくともバッファ層の格子定数より小さい事になる。このため、エピタキシャルウェハの製造工程での熱処理などでバッファ層、動作層、接触層の温度が上昇しそれぞれ熱膨張するような場合、バッファ層における熱膨張の程度より被覆層の接触層における熱膨張の程度を小さくできる。このため、動作層においてバッファ層との接触部に発生する（バッファ層の熱膨張による）歪より、動作層において被覆層の接触層との接触部に発生する（接触層の熱膨張による）歪を小さくできる。この結果、接触層の格子定数がバッファ層の格子定数と同等以上である場合より、動作層における歪を小さくして、むしろバッファ層からの歪を打ち消す方向の力として接触層に起因する歪が作用するので、動作層の結晶性を向上させることができる。この結果、動作層の動作特性を向上させた（たとえば動作層が受光層であればノイズを低減して受光感度を高めた）、格子不整合系のエピタキシャルウェハを得ることができる。
【０００８】
また、被覆層の厚みを上記のように規定することで、当該動作層の感度を低下させることなく、バッファ層から動作層へ与えられる歪を打ち消す方向の力を十分に加えることができる。つまり、被覆層の厚みが０．２μｍ未満であれば、被覆層の厚みが薄すぎて十分な歪を動作層へ与えることができなくなる。また、被覆層の厚みが２．０μｍ超えであれば、被覆層の厚みが厚すぎて、動作層を受光層などとして用いた場合の動作層の感度が低下する。
【０００９】
上記エピタキシャルウェハにおいて、被覆層を構成する層のうち動作層と接触する層の格子定数は、動作層の格子定数およびバッファ層の格子定数のうちのいずれか小さい格子定数より小さいことが好ましい。
【００１０】
この場合、たとえばバッファ層の格子定数が動作層の格子定数より大きい場合を考えると、被覆層において動作層と接触する接触層の格子定数は動作層の格子定数より小さい事になる。このため、エピタキシャルウェハの製造工程での熱処理などでバッファ層、動作層、接触層の温度が上昇しそれぞれ熱膨張するような場合、動作層における熱膨張の程度はバッファ層における熱膨張の程度より小さく、また、動作層における熱膨張の程度より被覆層の接触層における熱膨張の程度が小さくなる。このため、動作層においてバッファ層との接触部に発生する（バッファ層の熱膨張による）歪の方向と、動作層において被覆層の接触層との接触部に発生する（接触層の熱膨張による）歪の方向とを逆向きにすることができる。この結果、動作層において、バッファ層の熱膨張による歪と接触部の熱膨張による歪とが、互いの影響を打消すような方向に作用することになる。したがって、結果的に当該歪に起因する動作層での結晶性の劣化を抑制できる。この結果、動作層の動作特性を向上させることができる。
【００１１】
上記エピタキシャルウェハにおいて、動作層は複数の層からなっていてもよい。被覆層を構成する層のうち動作層と接触する層の格子定数と比較される動作層の格子定数は、動作層を構成する複数の層のうち被覆層と接触する層の格子定数であってもよい。この場合、動作層を複数の層によって構成することで、エピタキシャルウェハの設計の自由度を大きくする事ができる。
【００１２】
上記エピタキシャルウェハにおいて、基板はインジウムリン（ＩｎＰ）基板であってもよく、バッファ層はインジウムヒ素リン（ＩｎＡｓXＰ1-X）からなっていてもよく、動作層はインジウムガリウムヒ素（ＩｎYＧａ1-YＡｓ）からなっていてもよく、被覆層はインジウムヒ素リン（ＩｎＡｓZＰ1-Z）からなっていてもよい。この場合、特に波長１．６〜２．６μｍ帯を受光する赤外受光素子を形成するのに適した格子不整合系の化合物半導体エピタキシャルウェハを得ることができる。
【００１３】
上記エピタキシャルウェハにおいて、被覆層を構成する層のうち動作層と接触する層とバッファ層との格子不整合度の差は０％超え１．０％以下であってもよい。また、好ましくは上記格子不整合度の差は０．０３％以上１．０％以下である。この場合、より確実に動作層の結晶性を向上させることができる。なお、格子不整合度の差が０％では、バッファ層の熱膨張に起因する動作層での歪を緩和するような歪を、被覆層の熱膨張により発生させることが難しくなる。また、格子不整合度の差が１．０％超えでは、逆に被覆層の熱膨張に起因する動作層での歪が大きくなりすぎて、動作層の結晶性に悪影響を与え、結果的に動作層において格子欠陥が大量に発生する。この結果、動作層の結晶性が劣化することにより動作層が正常に動作しなくなる恐れがある。また、格子不整合度の差を０．０３％以上とすれば、被覆層から動作層に対して、バッファ層の熱膨張に起因する歪を緩和する方向の歪を動作層に十分与えることができる。
【００１４】
上記エピタキシャルウェハにおいて、被覆層を構成する層のうち動作層と接触する層と動作層との格子不整合度の差は０％超え１．０％以下であってもよい。また、好ましくは上記格子不整合度の差は０．０３％以上１．０％以下である。
【００１５】
この場合、より確実に動作層の結晶性を向上させることができる。なお、格子不整合度の差が０％では、バッファ層の熱膨張に起因する動作層での歪を緩和するような歪を、被覆層の熱膨張により動作層にて発生させることが難しくなる。また、格子不整合度の差が１．０％超えでは、逆に被覆層の熱膨張に起因する動作層での歪が大きくなりすぎて、動作層の結晶性に悪影響を与える。この結果、動作層の結晶性が劣化することにより動作層が正常に動作しなくなる恐れがある。また、格子不整合度の差を０．０３％以上とすれば、被覆層から動作層に対して、バッファ層の熱膨張に起因する歪を緩和する方向の歪を動作層に十分与えることができる。
【００１６】
この発明に従ったエピタキシャルウェハは、基板と、バッファ層と、動作層と、被覆層とを備える。バッファ層は基板上に形成される。動作層は、バッファ層上に形成され、基板を構成する材料の格子定数より大きな格子定数を有するエピタキシャル膜からなる。被覆層は、前記動作層上に形成され、動作層と接触するように配置される１層または複数層からなる。被覆層を構成する層のうち動作層と接触する層とバッファ層とは、互いに同じ構成元素により構成される材料からなり、かつ、構成元素に含まれる不純物元素は、不純物元素の含有率が増加するにつれて材料の格子定数が大きくなるものである。被覆層を構成する層のうち動作層と接触する層における不純物元素の含有率は、バッファ層における不純物元素の含有率より小さい。被覆層の厚みは０．２μｍ以上２．０μｍ以下である。
【００１７】
このようにすれば、被覆層において動作層と接触する層（接触層）の格子定数はバッファ層の格子定数より小さくなる。このため、エピタキシャルウェハの製造工程での熱処理などでバッファ層、動作層、接触層の温度が上昇しそれぞれ熱膨張するような場合、バッファ層における熱膨張の程度より被覆層の接触層における熱膨張の程度を小さくできる。このため、動作層においてバッファ層との接触部に発生する（バッファ層の熱膨張による）歪より、動作層において被覆層の接触層との接触部に発生する（接触層の熱膨張による）歪を小さくできる。この結果、被覆層の接触層における不純物元素の含有率がバッファ層における不純物元素の含有率より大きい場合（つまり、接触層の格子定数がバッファ層の格子定数と同等以上である場合）より、動作層における歪を小さくして、むしろバッファ層からの歪を打ち消す方向の力として接触層に起因する歪が作用するので、動作層の結晶性を向上させることができる。この結果、動作層の動作特性を向上させた、格子不整合系のエピタキシャルウェハを得ることができる。
【００１８】
また、被覆層の厚みを上記のように規定することで、当該動作層の感度を低下させることなく、バッファ層から動作層へ与えられる歪を打ち消す方向の力を十分に加えることができる。つまり、被覆層の厚みが０．２μｍ未満であれば、被覆層の厚みが薄すぎて十分な歪を動作層へ与えることができなくなる。また、被覆層の厚みが２．０μｍ超えであれば、被覆層の厚みが厚すぎて、動作層を受光層などとして用いた場合の動作層の感度が低下する。
【００１９】
上記エピタキシャルウェハにおいて、基板はインジウムリン（ＩｎＰ）基板であり、バッファ層はインジウムヒ素リン（ＩｎＡｓXＰ1-X）からなり、動作層はインジウムガリウムヒ素（ＩｎYＧａ1-YＡｓ）からなり、被覆層はインジウムヒ素リン（ＩｎＡｓZＰ1-Z）からなっていてもよい。不純物元素はヒ素（Ａｓ）であってもよい。この場合、特に波長１．６〜２．６μｍ帯を受光する赤外受光素子を形成するのに適した格子不整合系の化合物半導体エピタキシャルウェハを得ることができる。
【００２０】
この発明に従ったエピタキシャルウェハは、基板と、バッファ層と、動作層と、被覆層とを備える。バッファ層は基板上に形成される。動作層は、バッファ層上に形成され、基板を構成する材料の格子定数より大きな格子定数を有するエピタキシャル膜からなる。被覆層は、動作層上に形成され、動作層と接触するように配置される１層または複数層からなる。被覆層を構成する層のうち動作層と接触する層とバッファ層とは、互いに同じ構成元素により構成される材料からなり、かつ、前記構成元素に含まれる不純物元素は、不純物元素の含有率が増加するにつれて材料の格子定数が小さくなるものである。被覆層を構成する層のうち動作層と接触する層における不純物元素の含有率は、バッファ層における不純物元素の含有率より大きい。被覆層の厚みは０．２μｍ以上２．０μｍ以下である。
【００２１】
このようにすれば、被覆層において動作層と接触する層（接触層）の格子定数はバッファ層の格子定数より小さくなる。このため、エピタキシャルウェハの製造工程での熱処理などでバッファ層、動作層、接触層の温度が上昇しそれぞれ熱膨張するような場合、バッファ層における熱膨張の程度より被覆層の接触層における熱膨張の程度を小さくできる。このため、動作層においてバッファ層との接触部に発生する（バッファ層の熱膨張による）歪より、動作層において被覆層の接触層との接触部に発生する（接触層の熱膨張による）歪を小さくできる。この結果、被覆層の接触層における不純物の含有率がバッファ層における不純物の含有率より小さい場合（つまり、接触層の格子定数がバッファ層の格子定数と同等以上である場合）より、動作層における歪を小さくして、むしろバッファ層からの歪を打ち消す方向の力として接触層に起因する歪が作用するので、動作層の結晶性を向上させることができる。この結果、動作層の動作特性を向上させた、格子不整合系のエピタキシャルウェハを得ることができる。
【００２２】
上記エピタキシャルウェハにおいて、基板はインジウムリン（ＩｎＰ）基板であり、バッファ層はインジウムヒ素リン（ＩｎＡｓXＰ1-X）からなり、動作層はインジウムガリウムヒ素（ＩｎYＧａ1-YＡｓ）からなり、被覆層はインジウムヒ素リン（ＩｎＡｓZＰ1-Z）からなっていてもよい。不純物はリン（Ｐ）であってもよい。この場合、特に波長１．６〜２．６μｍ帯を受光する赤外受光素子を形成するのに適した格子不整合系の化合物半導体エピタキシャルウェハを得ることができる。
【００２３】
上記エピタキシャルウェハにおいて、動作層は複数の層からなっていてもよい。この場合、エピタキシャルウェハの設計の自由度を大きくする事ができる。
【００２４】
この発明に従った素子は、上記エピタキシャルウェハを用いて製造される。このようにすれば、優れた結晶性を有する動作層を備えたエピタキシャルウェハを用いて素子を製造するので、動作層でのノイズレベルの低い、優れた特性の素子を得ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
このように、本発明によれば、被覆層の格子定数および厚みに着目することで、動作層の結晶性を向上させることができ、結果的に特性の改善を図ったエピタキシャルウェハおよび素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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。
【００２７】
図１は、本発明によるエピタキシャルウェハを示す斜視模式図である。図２は、図１に示したエピタキシャルウェハから製造される受光素子の断面模式図である。図１および図２を参照して、本発明によるエピタキシャルウェハおよび受光素子を説明する。
【００２８】
図１に示すように、本発明によるエピタキシャルウェハ１は、基板と格子定数の異なるエピタキシャル層を有する、いわゆる格子不整合系の化合物半導体エピタキシャルウェハであって、平面形状がほぼ円形状もしくは円形からカットした形状の基板であり、図２に示す受光素子の構造からもわかるように所定の組成の基板に複数のエピタキシャル層を形成した構造となっている。図２に示した受光素子は、図１に示したエピタキシャルウェハ１を所定のサイズに分割することにより得られる。なお、図２は、受光素子を構成する各層の横方向（矢印１９で示す方向）の幅が格子定数の大きさに対応するように描かれている。図２に示した受光素子は、特に波長１．６μｍ以上２．６μｍ以下の光（赤外線）を受光する赤外受光素子であって、基板３と、徐々に格子定数が大きくなるように構成される複数の層からなるステップ層７と、ステップ層７上に形成されたバッファ層９と、このバッファ層９上に形成された受光層１１と、この受光層１１上に形成された窓層１３とからなる。
【００２９】
より具体的には、基板３はたとえばインジウムリン（以下、ＩｎＰと記す）からなる基板である。この基板３上に、基板３の格子定数とほぼ同等の格子定数を有する層５ａから、徐々に格子定数が大きくなる複数の層５ｂ〜５ｅを形成する。この層５ｂ〜５ｅはステップ層７を構成する。このステップ層７の各層５ａ〜５ｅを構成する材料としては、インジウムヒ素リン（ＩｎＡｓXＰ1-X：ＩｎＡｓＰとも記す）を用いることができる。そして、各層５ａ〜５ｅの厚みＴｓはたとえば０．５μｍとすることができる。また、ステップ層７における層５ａ〜５ｅの数は、図示したように５層でもよいが、６層以上、たとえば７層あるいはより多くの数の層を形成してもよい。また、層５ａ〜５ｅの数として、４層以下としてもよい。たとえば、ステップ層７の層数を３層以上１０層以下としてもよい。
【００３０】
ステップ層７の最上層を構成する層５ｅ上には、バッファ層９が形成されている。ここで、バッファ層９とは、ステップ層７上に位置し、動作層としての受光層に接触する層である。バッファ層９を構成する材料としては、たとえばステップ層７と同様のインジウムヒ素リン（ＩｎＡｓＰ）を用いることができる。また、図２からもわかるように、バッファ層９の格子定数ＣBはステップ層７の最上層を構成する層５ｅの格子定数よりも大きくなっている。このバッファ層９の厚みＴBはたとえば２μｍ以上３μｍ以下とすることができる。
【００３１】
次に、バッファ層９上に動作層としての受光層１１が形成されている。受光層１１は、図２から分かるように、基板３を構成する材料の格子定数より大きな格子定数ＣBを有するエピタキシャル膜からなる。この受光層１１を構成する材料としてはインジウムガリウムヒ素（ＩｎYＧａ1-YＡｓ：ＩｎＧａＡｓとも記す）を用いることができる。この受光層１１の厚みＴAは、たとえば２μｍ以上４μｍ以下とすることができる。この受光層１１の格子定数ＣAは、バッファ層９の格子定数ＣBよりも小さくなっている。この受光層１１上には、受光層１１と接触するように被覆層としての窓層１３が形成されている。この窓層１３を構成する材料としては、インジウムヒ素リン（ＩｎＡｓＰ）を用いることができる。また、窓層１３の厚みＴWはたとえば０．２μｍ以上２μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以上１．５μｍ以下とすることができる。そして、この窓層１３の格子定数ＣWは、受光層１１の格子定数ＣAおよびバッファ層９の格子定数ＣBのいずれか大きい格子定数よりも小さくなるように（図２では、受光層１１の格子定数ＣAおよびバッファ層９の格子定数ＣBのうちの小さい方である受光層１１の格子定数ＣAより小さくなるように）設定されている。
【００３２】
このような構成の受光素子では、受光層１１の結晶性を従来よりも向上させることができる。たとえば、受光層１１の結晶性の品質を示すＰＬ（Photo-Luminescence）強度を考えた場合、本発明によるエピタキシャルウェハの受光層１１のＰＬ強度を従来よりも向上させることができる。この結果、より特性の優れた受光素子を得ることができる。
【００３３】
つまり、図２に示すようにバッファ層９の格子定数ＣBが受光層１１の格子定数ＣAより大きい場合を考えると、被覆層としての窓層１３において受光層１１と接触する接触層（図２の場合は窓層１３が１層構造であるので窓層１３自体）の格子定数ＣWは受光層１１の格子定数ＣAより小さい。このため、エピタキシャルウェハ１の製造工程での熱処理などでバッファ層９、受光層１１、窓層１３の温度が上昇しそれぞれ熱膨張するような場合、受光層１１における熱膨張の程度はバッファ層９における熱膨張の程度より小さく、また、受光層１１における熱膨張の程度より窓層１３における熱膨張の程度が小さくなる。このため、受光層１１においてバッファ層９との接触部（受光層１１の下部領域）に発生する（バッファ層９の熱膨張による）歪の方向と、受光層１１において窓層１３との接触部（受光層１１の上部領域）に発生する（窓層１３の熱膨張による）歪の方向とを逆向きにすることができる。この結果、受光層１１において、バッファ層９の熱膨張による歪と窓層１３の熱膨張による歪とが、互いの影響を打消すような方向に作用することになる。したがって、結果的に当該歪に起因する受光層１１での結晶性の劣化を抑制できる。この結果、受光層１１のノイズレベルを低減するとともに、受光感度を向上させることができる。
【００３４】
また、窓層１３の厚みＴWを上記のように規定することで、受光層１１の感度を低下させることなく、バッファ層９から受光層１１へ与えられる歪を打ち消す方向の力を十分に加えることができる。つまり、窓層１３の厚みが０．２μｍ未満であれば、窓層１３の厚みが薄すぎて十分な歪を受光層１１へ与えることができなくなる。また、窓層１３の厚みＴWが２．０μｍ超えであれば、窓層１３の厚みが厚すぎて、受光層１１の感度が低下する。また、窓層１３の厚みＴWが０．３μｍ以上１．５μｍ以下であれば、上記のようなバッファ層９からの歪を打ち消す効果と受光層１１の感度の低下を抑制する効果とをより高いレベルでバランスさせることができる。さらに、窓層１３の厚みＴWの下限を０．３μｍ以上とした理由としては、窓層上に電極を配置したときに、当該電極と受光層１１とが直接接触することを防止するために窓層１３に必要な厚さが０．３μｍ程度であるという理由もある。
【００３５】
また、エピタキシャルウェハ１において、窓層１３のうち受光層１１と接触する層（図２の場合窓層１３自体）と受光層１１との格子不整合度の差は０％超え１．０％以下となっている。また、好ましくは上記格子不整合度の差は０．０３％以上１．０％以下である。このようにすれば、より確実に受光層１１の結晶性を向上させることができる。
【００３６】
また、上記のように窓層１３の格子定数ＣWをバッファ層９の格子定数ＣBまたは受光層１１の格子定数ＣAより小さく設定することは、図２に示したような系においては、以下のように実現できる。つまり、図２に示した受光素子では、窓層１３を構成する層のうち受光層１１と接触する層（図２の場合窓層１３自体）とバッファ層９とは、互いに同じ構成元素（インジウム（Ｉｎ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ））により構成される材料からなる。また、上記構成元素に含まれる不純物元素であるヒ素は、当該不純物元素（ヒ素）の含有率が増加するにつれてバッファ層９および受光層１１を構成する材料の格子定数が大きくなるものである。さらに、窓層１３を構成する層のうち受光層１１と接触する層（図２の場合窓層１３自体）における不純物元素（ヒ素）の含有率は、バッファ層９における不純物元素（ヒ素）の含有率より小さくなっている。
【００３７】
また、前記構成元素に含まれる不純物元素をリン（Ｐ）と考えると、当該不純物元素としてのリンは、その含有率が増加するにつれてバッファ層９および窓層１３を構成する材料の格子定数が小さくなるものである。そして、窓層１３を構成する層のうち受光層１１と接触する層（図２の場合窓層１３）における不純物元素としてのリンの含有率は、バッファ層９における不純物元素としてのリンの含有率より大きくなるように設定される。
【００３８】
このように、窓層１３およびバッファ層９での不純物元素としてのリンまたはヒ素の含有率を設定すれば、窓層１３の格子定数ＣWをバッファ層９の格子定数ＣBより小さくできる。
【００３９】
図３は、図２に示した本発明による受光素子の第１の変形例を示す模式図である。図３を参照して、本発明による受光素子の第１の変形例を説明する。
【００４０】
図３に示した受光素子は、基本的には図２に示した受光素子と同様の構造を備えるが、バッファ層９および受光層１１の格子定数ＣB、ＣAと、窓層１３の格子定数ＣWとの大小関係が異なる。すなわち、図３に示した受光素子は、受光層１１の格子定数ＣAよりも大きく、かつバッファ層９の格子定数ＣBよりも小さな値を示す格子定数ＣWを有する窓層１３が受光層１１上に形成されている。この場合も、図２に示した受光素子と同様の効果を得ることができる。つまり、窓層１３の格子定数ＣWはバッファ層９の格子定数ＣBより小さい。このため、エピタキシャルウェハ１の製造工程での熱処理などでバッファ層９、受光層１１、窓層１３の温度が上昇しそれぞれ熱膨張するような場合、バッファ層９における熱膨張の程度より窓層１３における熱膨張の程度を小さくできる。このため、受光層１１においてバッファ層９との接触部に発生する歪より、受光層１１において窓層１３との接触部に発生する歪を小さくできる。この結果、窓層１３の格子定数がバッファ層９の格子定数と同等以上である場合より、受光層１１における歪を小さくして、むしろバッファ層９からの歪を打ち消す方向の力として窓層１３に起因する歪が作用する。したがって、受光層１１の結晶性を向上させることができる。
【００４１】
また、図３に示した受光素子および当該受光素子を形成するエピタキシャルウェハ１において、窓層１３を構成する層のうち受光層１１と接触する層（図３では窓層１３自体）とバッファ層９との格子不整合度の差は０％超え１．０％以下である。また、好ましくは上記格子不整合度の差は０．０３％以上１．０％以下である。この場合、より確実に受光層１１の結晶性を向上させることができる。なお、格子不整合度の差が０％では、バッファ層９の熱膨張に起因する受光層１１での歪を緩和するような歪を、窓層１３の熱膨張により発生させることが難しくなる。また、格子不整合度の差が１．０％超えでは、逆に窓層１３の熱膨張に起因する受光層１１での歪が大きくなりすぎて、受光層１１の結晶性に悪影響を与え、結果的に受光層１１において格子欠陥が大量に発生する。また、格子不整合度の差を０．０３％以上とすれば、窓層１３から受光層１１に対して、バッファ層９の熱膨張に起因する歪を緩和する方向の歪を十分与えることができる。
【００４２】
図４は、図２に示した本発明による受光素子の第２の変形例を示す模式図である。図４を参照して本発明による受光素子の第２の変形例を説明する。
【００４３】
図４に示すように、受光素子は基本的には図２に示した受光素子と同様の構造を備えるが、窓層１３が層１５ａ、１５ｂという２つの層からなる点が異なる。層１５ａの厚みはＴW1であり、層１５ｂの厚みはＴW2である。なお、窓層１３の格子定数としては、受光層１１の表面に接触している層１５ａの格子定数ＣWを用いる。この層１５ａの格子定数ＣWは、図２に示した受光素子と同様にバッファ層９の格子定数ＣBおよび受光層１１の格子定数ＣAのいずれよりも小さくなっている。この場合、図２に示した受光素子と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
なお、図４に示した受光素子においては、窓層１３を構成する層１５ａ、１５ｂが２層である場合を示しているが、窓層１３を構成する層の数は３層以上であってもよい。この場合も、窓層１３の格子定数としては、受光層１１に接触した層１５ａについての格子定数を用いることが好ましい。
【００４５】
図５は、図２に示した本発明による受光素子の第３の変形例を示す模式図である。図５を参照して、本発明による受光素子の第３の変形例を説明する。
【００４６】
図５に示した受光素子は、基本的には図４に示した受光素子と同様の構造を備えるが、受光層１１が層１７ａ、１７ｂという２つの層により構成されている。層１７ａの厚みはＴA1であり、層１７ｂの厚みはＴA2である。ここで、受光層１１の格子定数としては、受光層１１において窓層１３と接触し、最上層に位置する層１７ｂの格子定数を用いる。このような構成の受光素子によっても、図２に示した受光素子と同様の効果を得ることができる。さらに、受光層１１の構成として、層１７ａ、１７ｂの組成や厚みに変化をつけるといった設計が可能になるため、素子の設計の自由度を大きくできる。
【００４７】
なお、上述したエピタキシャルウェハおよび素子において、基板として用いることができる材料はＩｎＰ以外に例えばＧａＡｓなどがある。また、ステップ層７およびバッファ層９を構成する材料としては、たとえばＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなども用いることができる。また、受光層１１を構成する材料としては、たとえばＩｎＧａＡｓＰなども用いることができる。また、窓層１３を構成する材料として、たとえばＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓなども用いることができる。
【実施例１】
【００４８】
本発明の効果を確認するため、以下のようなサンプルを準備し、それぞれのサンプルについてその断面のＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）分析およびＰＬ（Photo-Luminescence）発光強度の測定を行なった。以下、具体的に説明する。
【００４９】
発明者は、受光感度２．２μｍ対応のサンプルとして、以下のような本発明の実施品であるサンプル１と、比較例としてのサンプル２とを準備した。具体的には、図２に示したような構造の受光素子であって、基板３としてのＩｎＰ基板上に、ステップ層７として７層のＩｎＡｓＰ層を形成した。各ＩｎＡｓＰ層の厚みはそれぞれ０．７５μｍである。各ＩｎＡｓＰ層では、ＩｎＰ側から上層に向かうにつれて、その格子定数が大きくなるようにＡｓおよびＰの含有率が変更されている。また、バッファ層９としてＩｎＡｓＰ層を形成した。バッファ層９の厚みは２．７μｍとした。受光層１１としてＩｎＧａＡｓ層を形成した。当該受光層１１の厚みは３．４μｍとした。また、窓層１３としてＩｎＡｓＰ層を形成した。当該窓層１３の厚みは１．２μｍとした。サンプル１とサンプル２とは、ＩｎＰ基板から受光層１１までは互いに同じ組成の層が積層された、同様の構造となっているが、窓層１３の組成（具体的にはリン（Ｐ）とヒ素（Ａｓ）との含有率）が異なっている。つまり、本発明の実施品であるサンプル１では、後述するようにバッファ層９におけるヒ素（Ａｓ）の含有率より窓層１３におけるヒ素（Ａｓ）の含有率が小さくなっている。この結果、後で説明するように、サンプル１の窓層１３の格子定数ＣWはバッファ層９の格子定数ＣBより（さらに図２から分かるように受光層１１の格子定数ＣAより）小さくなっている。一方、比較例としてのサンプル２では、後述するようにバッファ層９におけるヒ素（Ａｓ）の含有率より窓層１３におけるヒ素（Ａｓ）の含有率が大きくなっている。この結果、サンプル２の窓層１３の格子定数ＣWはバッファ層９の格子定数ＣBより（さらに受光層１１の格子定数ＣAより）大きくなっている。なお、このようなサンプルは、通常のエピタキシャル膜成長方法を用いて製造することができる。
【００５０】
上述のようなサンプル１およびサンプル２についてＳＩＭＳ分析を行なった。その結果を図６および図７に示す。図６は、本発明の実施品であるサンプル１についてのＳＩＭＳ分析結果を示す図である。図７は、比較例としてのサンプル２についてのＳＩＭＳ分析結果を示す図である。図６および図７からもわかるように、本発明の実施品であるサンプル１においては、バッファ層９中のヒ素（Ａｓ）のモル分率よりも窓層１３中のヒ素（Ａｓ）のモル分率の方が小さくなっている。また、バッファ層９中のリン（Ｐ）のモル分率よりも窓層１３中のリン（Ｐ）のモル分率の方が大きくなっている。一方、比較例としてのサンプル２においては、バッファ層９中のＡｓのモル分率よりも窓層１３におけるＡｓのモル分率の方が大きくなっている。また、バッファ層９中のＰのモル分率よりも窓層１３におけるＰのモル分率の方が小さくなっている。ここで、窓層およびバッファ層を構成するＩｎＡｓＰ中においては、Ａｓのモル分率が高くなるほど（Ｐのモル分率が低くなるほど）ＩｎＡｓＰの格子定数が大きくなる傾向がある。すなわち、本発明の実施品においては、窓層１３でのＡｓのモル分率がバッファ層９におけるＡｓのモル分率よりも低くなっていることにより（窓層１３でのＰのモル分率がバッファ層９におけるＰのモル分率よりも高くなっていることにより）、窓層１３の格子定数ＣWがバッファ層９の格子定数ＣBよりも小さくなっている。一方、図７から分かるように、比較例としてのサンプル２においては、窓層におけるＡｓのモル分率はバッファ層９におけるＡｓのモル分率よりも高くなっている（窓層におけるＰのモル分率はバッファ層９におけるＰのモル分率よりも低くなっている）ことに対応して、窓層１３の格子定数がバッファ層９の格子定数よりも大きくなっている。
【００５１】
また、これらのサンプル１、２について、ＰＬ発光強度を測定した。上述したＳＩＭＳ分析結果とともに、ＰＬ発光強度の測定結果を表１に示す。
【００５２】
【表１】
2006080448.tif 000003
【００５３】
表１からもわかるように、比較例としてのサンプル２についてはＰＬ発光強度を測定することができなかった（測定限界以下であった）のに対して、本発明の実施品であるサンプル１については十分大きなＰＬ発光強度を得ることができた。なお、ＰＬ発光強度は、発光部位（ここでは受光層１１）の結晶性を反映するものであって、結晶性が高い部位ほどＰＬ発光強度が高くなる。つまり、本発明の実施品に対応するサンプル１では、受光層１１を構成するＩｎＧａＡｓ層の結晶性が、比較例としてのサンプル２の受光層を構成するＩｎＧａＡｓ層よりも良好であることがわかる。この結果、本発明の実施品であるサンプル１を用いれば、より特性の優れた受光素子を得ることが可能であることが示される。
【実施例２】
【００５４】
発明者は、受光感度２．６μｍ対応の受光素子についても、上述した実施例１と同様に２つのサンプル（サンプル３およびサンプル４）を準備した。なお、サンプル３は本発明の実施品に対応し、サンプル４は比較例に対応する。具体的には、サンプル３、サンプル４の基本的な構成は上述した実施例１のサンプル１、サンプル２と同様である。つまり、図２に示すように、基板３としてのＩｎＰ基板上に、ステップ層７として１１層のＩｎＡｓＰ層を形成した。ＩｎＡｓＰ層の厚みはそれぞれ０．５μｍである。各ＩｎＡｓＰ層では、ＩｎＰ側から上層に向かうにつれて、その格子定数が大きくなるようにＡｓおよびＰの含有率が変更されている。また、バッファ層９としてＩｎＡｓＰ層を形成した。バッファ層９の厚みは２．８μｍとした。受光層１１としてＩｎＧａＡｓ層を形成した。当該受光層１１の厚みは３．３μｍとした。また、窓層１３としてＩｎＡｓＰ層を形成した。当該窓層１３の厚みは１．０μｍとした。サンプル３とサンプル４とは、ＩｎＰ基板から受光層１１までは互いに同じ組成の層が積層された、同様の構造となっているが、窓層１３の組成（具体的にはリン（Ｐ）とヒ素（Ａｓ）との含有率）が異なっている。つまり、本発明の実施品であるサンプル３では、後述するようにバッファ層９におけるヒ素（Ａｓ）の含有率より窓層１３におけるヒ素（Ａｓ）の含有率が低く（バッファ層９におけるリン（Ｐ）の含有率より窓層１３におけるＰ（Ｐ）の含有率が高く）なっている。この結果、サンプル１の窓層１３の格子定数ＣWはバッファ層９の格子定数ＣBより（さらに図２から分かるように受光層１１の格子定数ＣAより）小さくなっている。一方、比較例としてのサンプル４では、後述するようにバッファ層９におけるヒ素（Ａｓ）の含有率より窓層１３におけるヒ素（Ａｓ）の含有率が高く（バッファ層９におけるリン（Ｐ）の含有率より窓層１３におけるリン（Ｐ）の含有率が低く）なっている。この結果、サンプル２の窓層１３の格子定数ＣWはバッファ層９の格子定数ＣBより（さらに受光層１１の格子定数ＣAより）大きくなっている。
【００５５】
上述したサンプル３、サンプル４について、実施例１と同様にＳＩＭＳ分析およびＰＬ発光強度の測定を行なった。図８は、本発明の実施品であるサンプル３についてのＳＩＭＳ分析結果を示す図である。図９は、比較例としてのサンプル４についてのＳＩＭＳ分析結果を示す図である。図８および図９からもわかるように、本発明の実施品であるサンプル３においては、図６に示したサンプル１と同様に窓層１３のＡｓのモル分率がバッファ層９におけるＡｓのモル分率よりも小さくなっている。一方、比較例であるサンプル４については、窓層１３におけるＡｓのモル分率がバッファ層９におけるＡｓのモル分率よりも高く（大きく）なっている。これは、上述した実施例１の場合と同様に、本発明の実施例であるサンプル３においては窓層の格子定数がバッファ層９の格子定数よりも低くなっているのに対して、比較例であるサンプル４においては窓層１３の格子定数がバッファ層９の格子定数よりも高くなっていることに対応する。
【００５６】
そして、このサンプル３およびサンプル４の受光層１１について実施例１と同様にＰＬ発光強度の測定を行なった。上述したＳＩＭＳ分析の結果と併せて、ＰＬ発光強度の測定結果を表２に示す。
【００５７】
【表２】
2006080448.tif 000004
【００５８】
表２からもわかるように、サンプル３のＰＬ発光強度の方が、サンプル４のＰＬ発光強度よりも８倍以上大きくなっていることがわかる。この結果、本発明の実施品であるサンプル３における受光層１１の結晶性が、比較例であるサンプル４の受光層１１の結晶性よりも優れていることがわかる。したがって、本発明の実施品であるサンプル３の受光素子としての特性は比較例であるサンプル４の特性よりも優れていることがわかる。
【００５９】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなくて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る。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明によるエピタキシャルウェハを示す斜視模式図である。
【図２】図１に示したエピタキシャルウェハから製造される受光素子の断面模式図である。
【図３】図２に示した本発明による受光素子の第１の変形例を示す模式図である。
【図４】図２に示した本発明による受光素子の第２の変形例を示す模式図である。
【図５】図２に示した本発明による受光素子の第３の変形例を示す模式図である。
【図６】本発明の実施品であるサンプル１についてのＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図７】比較例としてのサンプル２についてのＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図８】本発明の実施品であるサンプル３についてのＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【図９】比較例としてのサンプル４についてのＳＩＭＳ分析結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  エピタキシャルウェハ、３  基板、５ａ〜５ｅ，１５ａ，１５ｂ，１７ａ，１７ｂ  層、７  ステップ層、９  バッファ層、１１  受光層、１３  窓層、１９  矢印。
【図１】
2006080448.tif 000005
【図２】
2006080448.tif 000006
【図３】
2006080448.tif 000007
【図４】
2006080448.tif 000008
【図５】
2006080448.tif 000009
【図６】
2006080448.tif 000010
【図７】
2006080448.tif 000011
【図８】
2006080448.tif 000012
【図９】
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