(57)【要約】光導電特性を有する半導体材料とその半導体の製造方法について開示しており、基本材料は成長された後、４７５℃以下の温度でアニールされる。４７５℃以下の温度においてアニールすることにより、その材料のキャリア寿命と比抵抗とを最適化することができ、有用な光導電特性を有する半導体が得られることが判明した。
2005538561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体の特徴的特性を改善する方法であって、該半導体を形成するために４７５℃又はそれより低い温度で基本材料をアニールする段階から構成されることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記の改善された特徴的特性はキャリア寿命と比抵抗とを含む、ことを特徴とする方法。
【請求項３】
光導電特性を有する半導体材料を製造する方法であって、光導電対として用いる前記材料の比抵抗及び前記材料のキャリア寿命を改善するために、４７５℃又はそれより低い温度で基本材料をアニールする段階から構成されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれ一項に記載の方法であって、前記アニールは、２５０℃乃至４５０℃の範囲内の温度で行われる、ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれ一項に記載の方法であって、前記基本材料は分子線エピタキシャル方法を用いて成長される、ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれ一項に記載の方法であって、Ａｓイオン注入方法を用いて成長される、ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれ一項に記載の方法であって、前記基本材料は成長チャンバ内で形成され、アニールは成長チャンバ外で行われる、ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれ一項に記載の方法であって、前記半導体は、光導電特性を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である、ことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれ一項に記載の方法であって、前記半導体はＡｓから構成される、ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれ一項に記載の方法であって、前記基本材料はＧａＡｓである、ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、前記ＧａＡｓは、約２００℃乃至３００℃の範囲内の温度において分子線エピタキシャル成長器内で成長される、ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１乃至９のいずれ一項に記載の方法であって、前記基本材料はＩｎＧａＡｓである、ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、前記基本材料は、約３５０℃乃至４５０℃の範囲内の温度でアニールされる、ことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれ一項に記載の方法であって、前記アニールは１５分間又はそれより短い時間の間、実施される、ことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれ一項に記載の方法を用いて形成されることを特徴とする半導体材料。
【請求項１６】
ＩｎＧａＡｓを有する光導電素子であって、前記ＩｎＧａＡｓは殆ど１ｐｓｅｃのキャリア寿命を有することを特徴とする光導電素子
【請求項１７】
請求項１５に記載の半導体材料から構成されることを特徴とする光伝導エミッタ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のエミッタであって、テラヘルツ放射線を放射する、ことを特徴とするエミッタ。
【請求項１９】
請求項１５に記載の半導体材料から構成されることを特徴とする光伝導レシーバ。
【請求項２０】
請求項１９に記載のレシーバであって、テラヘルツ放射線を受信する、ことを特徴とするレシーバ。
【請求項２１】
光導電基板と該光導電基板の表面に備えられた２つの電極とから構成される光伝導アンテナであって、前記光導電基板は１ｐｓｅｃより短いキャリア寿命を有することを特徴とする光伝導アンテナ。
【請求項２２】
半導体材料のための最適なアニール条件を決定する方法であって：
複数のアニール温度に対して前記材料の比抵抗を表す第１の値の集合を得る段階；
複数のアニール温度に対して前記材料のキャリア寿命を表す第２の値の集合を得る段階；並びに
前記材料のキャリア寿命と比抵抗とを最適化するアニール温度又はアニール温度の範囲を決定するために前記の第１の値の集合と前記の第２の値の集合とを比較する段階；
から構成されることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法であって：
前記材料の最適なアニール持続時間を決定する段階；
から更に構成されることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって：
前記材料はＡｓを有し、前記最適化アニール持続時間は、少なくとも１つのアニール温度に対して及び複数のアニール持続時間に対して前記材料の砒素濃度を表す第３の値の集合を得ることにより決定され；
前記材料の比抵抗及びキャリア寿命を共に最適化するアニール温度とアニール持続時間とを決定するために前記の第１及び第２の値の集合と少なくとも１つの第３の値の集合を比較する；
ことを特徴とする方法。
【請求項２５】
３μｍ乃至１．５５μｍの範囲内の波長を有するポンプビームを放射するレーザ；
前記ポンプビームによる照射に応答して放射される放射線を放射するエミッタ；
及び
前記の放射された放射線を検出するための検出器；
を有し、
エミッタ又は検出器のどちらか又は両方はＩｎＧａＡｓを有する；
ことを特徴とする調査システム。
【請求項２６】
いずれの添付図面を参照して明細書において十分に説明した半導体の特性を改善する方法。
【請求項２７】
いずれの添付図面を参照して明細書において十分に説明した半導体を製造する方法。
【請求項２８】
いずれの添付図面を参照して明細書において十分に説明した半導体に対する最適なアニール温度を決定する方法。
【請求項２９】
添付図１０を参照して明細書において十分に説明した調査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の分野に関し、特に、光導電性を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体に関する。それらの半導体は、光通信にとって重要である光検出を含む多様な用途を有する。本発明は、２５ＧＨｚ乃至１００ＴＨｚであり、詳細には、５０ＧＨｚ乃至８４ＴＨｚであり、更に詳細には、９０ＧＨｚ乃至５０ＴＨｚであり、その上に詳細には、１００ＧＨｚ乃至２０ＴＨｚの範囲内のテラヘルツ（ＴＨｚ）周波数領域と呼ばれる周波数領域における放射線の生成及び検出分野における用途に特に関する。
【背景技術】
【０００２】
高純度の結晶性半導体は、多様な技術により成長させることが可能である。それらの技術としては、分子線エピタキシャル成長方法（ＭＢＥ）、有機金属化学的気相成長方法（ＭＯＣＶＤ）、化学ビームエピタキシャル成長方法（ＣＢＥ）及び超高真空化学的気相成長方法（ＵＨＶ−ＣＶＤ）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。ＭＢＥは、最も高純度の成長材料を提供し、例えば、膜厚、ドーピング密度及び結晶品質等のパラメータの最良の制御を提供するとされる。ＭＢＥは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物及び他の半導体系に亘って使用されることができるが、特に、最も開発が進んでいる例としては、ＧａＡｓが挙げられる。本発明は、ＭＢＥにより成長されるＧａＡｓを基本とする結晶に関連して示すが、他の材料系及び成長技術に適用されることが可能である。
【０００３】
光導電性半導体は、低温成長ＭＢＥ方法を用いて製造されることができる。その低温成長ＭＢＥ方法は、基板材料に結晶学的に位置合わせされた単結晶材料を生成する。その方法は、結晶構造中に欠陥、及び、典型的には１ｐｓｅｃより短い、非常に短いキャリア寿命を実現するようにされる格子歪を導入する。一般に、成長温度が低くなる程、欠陥密度は大きくなるが、過剰な結晶欠陥及び歪が多結晶成長に導き、従って、キャリア寿命を長くする成長温度の下限が存在する。低温成長に対しては、典型的には、２００℃乃至３００℃の温度範囲が用いられる。
【０００４】
ＧａＡｓのような材料に対しては、ＭＢＥによるそのような低温における成長は、結晶中に過剰な砒素を含有させると考えられている。典型的には、２％以上の過剰な砒素が含有され得る。このような低温成長材料は、ＬＴ−ＧａＡｓと呼ばれる。
【０００５】
過剰砒素は又、結晶格子に過剰砒素を導入するために標準的なＧａＡｓ結晶へのＡｓイオン注入を用いて、導入されることが可能である。この方法により生成された材料は、Ａｓ−ＧａＡｓと呼ばれる。
【０００６】
一旦、過剰砒素を含有するように又は導入するように処理されると、ＬＴ−ＧaＡｓ又はＡｓ−ＧａＡｓは極端に短いキャリア寿命を有する。そのキャリア寿命は１００ｆｓｅｃより短い。これは、電子（電子はこれらの材料における多数電荷キャリアである）捕獲に対する広い断面積を有する点欠陥としての過剰Ａｓの導入によるものである。光導電性素子の認識から、そのような低キャリア寿命は非常に速い応答時間と同等とみなされる。
【０００７】
そのような材料が光導電性エミッタ及びレシーバにいいて使用される場合、その材料波高抵抗を有することが好ましい。低抵抗は、２つの理由により好ましくない。第１に、光導電性素子においては、暗電流（即ち、発光がない状態における残留電流）が多数キャリアの移動が容易であることにより増加し、明らかに大きい暗電流はいずれの検出器の感度を制限する。第２に、ＴＨｚエミッタに対して、有害な電流を引き込むことなく、素子に非常に大きいバイアスを印加できることが必要である。
【０００８】
より高い抵抗を達成するための１つの方法は、成長後にＡｓ過剰ＧａＡｓをアニールすることである。アニールの効果は、点欠陥としての過剰砒素の含有を変化させるようにし、その凝集がＧａＡｓ結晶全体に亘って分布する砒素の凝結物になってしまう。ＬＴ−ＧａＡｓに対しては、成長後、即座にＭＢＥチャンバ内でアニールを実施することが可能であり、又は、適切なアニールチャンバにおいて“外部（ｅｘ−ｓｉｔｕ）”で実行することができる。典型的には、アニールプロセスは、５００乃至６００℃の配意以内の温度で１０ないし５分の持続時間の間、実施され、そのような温度（及び、エネルギー）は、結晶格子内の元素種を移動させるために必要とされる。そのようなアニールプロセスは、キャリア捕獲のためのメカニズムを基本的に変化させることが理解されており、光導電性素子で有効になるポイントに対して比抵抗を著しく増加させるが、キャリア寿命が又、増加される不都合を伴う。
【０００９】
それ故、短いキャリア寿命特性及び高比抵抗の両方の要求をより満足する半導体材料に対する要求が存在している。
【００１０】
比抵抗及びキャリア寿命特性の改善を伴う光導電性材料を生成するプロセスに対する要求が又、存在している。
【００１１】
比抵抗及びキャリア寿命特性の改善を伴う光導電性材料を有する放射エミッタに対する要求が更に存在している。
【００１２】
比抵抗及びキャリア寿命特性の改善を伴う光導電性材料を有する放射レシーバに対する要求が又、存在している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、少なくとも１つの従来技術の問題点に対処することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１の特徴に従って、本発明は、半導体の特徴的な特性をエンハンスする方法、即ち、半導体を形成するために４７５℃より低い温度で基本材料をアニールする段階を有する。好適には、エンハンスされた特徴的特性はキャリア寿命と比抵抗とを有する。
【００１５】
第２の特徴に従って、本発明は、光導電性特性を有する半導体を製造する方法、即ち、光導電対として用いられる基本材料の比抵抗とその材料のキャリア寿命とをエンハンスするために、４７５℃以下の温度で基本材料をアニールする段階を有する。
【００１６】
本発明の重要な優位点は、アニール段階が最適化するために又は少なくとも材料をエンハンスするために操作されることである。それ故、成長後すぐに基本材料を特徴付けることと、次いで特定のアプリケーションに適するように調節されるアニールレジームを規定することと、が可能である。
【００１７】
更に、基本材料はアニールの前にへき開することが可能であり、それ故、異なるアニールレジームを基本材料の異なる部分に適用することが可能であり、基本材料の異なる個々の部分は複数の異なる最終的使用のために最適化されることが可能である。
【００１８】
このことは、基本材料のウェーハが第１の成長段階に従って特徴付けられることが可能であり、次の外部の特定のアニールの適用を可能にし、又は中間的特徴付けのない内部要求が実行される特定のアニールの適用に対する十分信頼性高い成長を伴っている。
【００１９】
本発明の上記の特徴は、ＬＴ成長又はＡｓ注入による基本材料の成長に対する特定の適用を有する。それらは、成長後にアニールされる光導電性の結晶性半導体に付加的に適用される。最も好適には、基本材料は分子線エピタキシャル成長方法（ＭＢＥ）を用いて成長され、２５０℃乃至４５０℃の範囲内の温度でアニールが行われる。
【００２０】
上記の説明は、一般に、ＧａＡｓに関連してなされたが、本発明はいずれの半導体に適用されることが可能である。好適には、本発明の方法は、光導電特定を有する、Ａｓを有する半導体、ＩＩＩ−Ｖ族半導体又はＩＩ−Ｖ族半導体であって、最も好ましくは、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓにおいて実行される。
【００２１】
３成分化合物に対しては、その化合物のモル分率に拘らず、低温アニールを実行することが可能である。例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓの場合に、モル分率は０乃至１の範囲内のいずれの値、それ故、ＩｎＡｓ乃至ＧａＡｓの範囲内であることが可能である。更に、アニールは、ＩｎＧａＡｓが成長されることが可能である基板材料に拘らず、実行されることが可能である。
【００２２】
半導体がＧａＡｓである場合、好適には、約２００℃乃至３００℃の範囲内の温度で分子線エピタキシャル成長反応器において成長される。好適な構成においては、分子線エピタキシャル成長方法は成長チャンバ内で実施され、アニールは成長チャンバの外側で行われる。
【００２３】
好適には、アニールが１５分間又はそれより短い時間だけ、２５０℃乃至４００℃の温度範囲において実行される。半導体がＩｎＧａＡｓである場合、好適には、約３５０℃乃至４５０℃の範囲内の温度において行われる。
【００２４】
アニールは、好適には、いずれのコンタクト又はゲートメタライゼーションがその材料に適用される前に、その材料において実行される。アニールは又、好適には、少なくとも３０秒間、実行される。
【００２５】
第３の特徴に従って、本発明は、半導体材料に対する最適なアニール条件を決定する方法であって：複数のアニール温度に対して材料の比抵抗を指示する値の第１集合を得る段階と；複数のアニール温度に対して材料のキャリア寿命を指示する値の第２集合を得る段階と；材料のキャリア寿命と比抵抗を最適化するアニール温度又はアニール温度範囲を決定するために第１の値の集合と第２の値の集合とを比較する段階と；を有する方法を提供する。
【００２６】
第４、第５及び第６の特徴において、本発明は、半導体材料、半導体材料を有する光伝導エミッタ又は光伝導レシーバであって提供し、ここで、その材料は、本発明の第１、第２及び／又は第３の特徴のいずれに従って形成される。
【００２７】
好適には、光伝導エミッタ又は光伝導レシーバは、それぞれ、テラヘルツエミッタ及びテラヘルツレシーバである。更に好適には、光伝導エミッタ又は光伝導レシーバは、光導電基板と前記基板の表面に与えられた間隔を置いた電極の対とを有する種類の光伝導アンテナであり、その基板は本発明の第１の特徴及び／又は第２の特徴に従って形成された材料を有する。
【００２８】
光伝導エミッタ及び光伝導レシーバに対しては、最も短い有効キャリア寿命と最大比抵抗を有することが好ましい。例えば、ＧａＡｓのような一部の材料の場合、アニール温度が高くなるにつれて、比抵抗は大きくなり、キャリア寿命は長くなる。それ故、比抵抗とキャリア寿命のデータのみを比較することによって、更なる案内を伴わずに、最適なアニール温度を選択することは困難である。良好な光伝導エミッタを製造するためには、比抵抗を最大化することが好ましい。それ故、好適には、エミッタのために光導電材料を製造するとき、比較的短いキャリア寿命を維持する一方、最大の比抵抗を与えるアニール条件が用いられる必要がある。例えば、ＧａＡｓに対しては、３００ｆｓｅｃより短いキャリア寿命が好ましい。
【００２９】
逆に、光導電検出器に対しては、比較的高い抵抗を維持する一方、最短の有効なキャリア寿命を用いることが好ましい。用いられることが可能である抵抗の値は、アンテナ設計及び検出エレクトロニクスに依存する。当業者は、最小の許容可能な抵抗を決定することができる。
【００３０】
ＩｎＧａＡｓのような他の材料に対しは、キャリア寿命は、アニール温度を高くするにつれ、減少及び増加すると考えられており、抵抗は、温度が高くなるにつれて、増加し、次いで減少すると考えられている。キャリア寿命における最小及び抵抗における最大は、互いに略一致すると考えられており、それ故、検出器及びエミッタの両方に対する最適な材料は、同じアニール条件を用いて製造されることが可能である。
【００３１】
それ故、第７の特徴において、本発明は、光導電基盤と前記費怒り導電基盤の表面に備えられた２つの電極とを有する光伝導アンテナであって、前記光導電基板は１ｐｓｅｃより短いキャリア寿命を有するＩｎＧａＡｓを有する、光伝導アンテナを提供する。
【００３２】
そのような短いキャリア寿命を有するＩｎＧａＡｓは広範な多様な分野で有用である。それ故、第８の特徴において、本発明は、ＩｎＧａＡｓを有する光導電素子であって、前記ＩｎＧａＡｓは１ｐｓｅｃより短いキャリア寿命を有する、光導電素子を提供する。
【００３３】
上記のような実験的に最適化された方法を実行するとき、キャリア寿命又は抵抗に関する効果が観測される可能性が高いアニール条件のみを用いて実験することが好ましい。このようなアニール条件を決定するためには、アニール条件が過剰砒素濃度における減少をもたらすのに十分であるとき、抵抗又はキャリア寿命の変化のみが観測される可能性があるため、過剰砒素濃度に関する測定を実行することが可能である。過剰砒素濃度は結晶格子に歪を導入するようにするため、過剰砒素濃度はＸ線解説により測定することが可能である。
【００３４】
過剰砒素濃度の測定は又、好適なアニール時間、即ち、基本材料の構造に対して更なる変化が起こることのないアニール時間を割り当てる。
【００３５】
好適には、本発明の第３の特徴は、材料に対する好適なアニール持続時間を決定する段階を更に有する。例えば、材料がＡｓを含む場合、この増しアニール持続時間は、複数のアニール持続時間及び少なくとも１つのアニール温度に対して材料の砒素濃度を表す値の第３集合を得ること；並びに、材料のキャリア寿命と比抵抗を共に最適化するアニール持続時間及びアニール温度を決定するために少なくとも１つの第３の値の集合を第１及び第２の値の集合と比較すること、により決定される。
【００３６】
標準的なＴＨｚパルス化撮像システムの場合、エミッタ及びレシーバのための光導電材料としてＧａＡｓを用いることは一般的であり、この材料は、Ｔｉ：サファイアレーザを用いて光励起される。しかしながら、１μｍ領域の波長を用いるパルス化レーザを使用することにより良好なコストパフォーマンスがもたらされるが、これらの波長はＧａＡｓのバンドギャップより短いため、同じエミッタ及びレシーバを直接、使用することはできない。
【００３７】
ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓはＧａＡｓより狭いバンドギャップを有し、そのバンドギャップは組成の変化により変化する。それ故、適切な組成を選択することにより、所謂１ミクロンレーザに対してばかりでなく、光通信及び光ファイバに対してしばしば利用される１．３μｍ及び１．５５μｍを含む、いずれの長い波長を必要とするアプリケーションに対しても利用し易い材料を製造することが可能である。
【００３８】
しかしながら、ＴＨｚアプリケーションに対して、ＩｎＧａＡｓ及びＬＴ−ＩｎＧａＡｓは、十分に短いキャリア寿命及び／又は十分に大きい抵抗を備える材料を提供していない。本発明は、１ミクロンレーザを用いるＬＴ−ＩｎＧａＡｓを使用することにより、ＧａＡｓ及びＴｉ：サファイアレーザに基づいて、良好なコストパフォーマンスを有するＴＨｚシステムを提供することを可能にする。
【００３９】
第９の特徴に従って、本発明は、１．３乃至１．５５μｍの領域の波長を有するポンプビームを放射するレーザを有する調査システムであって、エミッタは前記放射された放射線を検出するための検出器と前記ポンプビームによる照射に応答して放射線を放射し、
エミッタ又は検出器の両方又はどちらかはＩｎＧａＡｓを有する、調査システムを提供する。好適には、ポンプビームは、１０４０乃至１０７０ｎｍの範囲内の波長を有する。
【００４０】
本発明の第９の特徴においては、ＩｎＧａＡｓは調査システムのエミッタか又は検出器のどちらかとして用いられる。そのようなシステムは、構造から組成情報を決定する又は撮像するために用いられることが可能である。
【００４１】
ＩｎＧａＡｓエミッタ及び検出器の両方が備えられる場合、これらは、１０４０乃至１０７０ｎｍの範囲内の波長を有するレーザと共に直接使用されることが可能であるこのような波長範囲において動作する、比較的安価なレーザが利用可能である。
【００４２】
１つのエミッタ又は検出器のみがＩｎＧａＡｓを有する場合、周波数変換手段は、レーザから放射される放射線の経路に備えられることが可能である。本発明のこの特徴の優位点は、短い波長を生成する既存の成熟したＴＨｚエミッタ又は検出器の技術をいまだに使用する一方、安価なレーザが放射／検出システムにおいて利用されることができることである。
【００４３】
本発明の特徴について、ＴＨｚ放射線の放射及び検出におけるそれらの使用に関連して主に説明した。しかしながら、上記の本発明の特徴は、高速スイッチング及び光エレクトロニクス、マイクロ波エレクトロニクス、量子演算及び集積回路設計有する、種々の分野において有用である。
【００４４】
本発明は、ここでは、以下の非制限の実施形態に関して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
図１は、本発明の実施形態に従った光伝導アンテナ１の模式図である。光伝導アンテナは、本発明の実施形態に従って製造された光導電材料を有する。
【００４６】
アンテナ１は、エミッタか又は検出器のどちらかを有することが可能である。
【００４７】
光伝導アンテナは光導電基板を有する。２つの電極５、７が前記基板３の表面上に備えられている。電極５、７は、一般に、形状が三角形であり、対向するそれらの尖端がミラー関係であるように配列されている。それらの尖端は光導電ギャップ９だけ離れた空間を有している。対抗している尖端は鈍角になっている又は丸くなっている。
【００４８】
特にテラヘルツの放射線の生成及び検出の両方は、本質的に広帯域であり超高速レーザに依存する、短いキャリア寿命のパルスを用いて、又は、連続波長レーザに依存する及び単色である連続波長（ＣＷ）放射線を用いて、発効されることができる。
【００４９】
前者の放射線の放射の場合、適用可能な波長のサブピコ秒光／ＮＩＲレーザパルスは、図１の光伝導アンテナの方に方向付けられる。
【００５０】
適切な波長のパルスに基板３を露出するとき、基板の導電性は、電極間に印加されるバイアス電界の存在により、電流が電極５及び７の間の材料を流れるような大きい係数まで増加する。過渡的な光生成電流はテラヘルツ領域までの周波数を広帯域において放射する。電流は、バイアス電界が維持される場合に、材料中の光生成電荷キャリアの“寿命”に対応する時間の間、持続する。
【００５１】
後者のＣＷ放射の場合、僅かに周波数が異なる２つのＣＷレーザにより照射される、図１に示す種類の光伝導アンテナが又、採用される。バイアスが２つの電極５及７の間に印加されるとき、素子の非線形Ｉ−Ｖ特性は２つのＣＷレーザの光混合、及それらの異なる周波数における（即ち、単色性）再放射に繋がる。この周波数は、ＴＨｚ生成が必要とされるＴＨｚ領域まで拡張されることができる。
【００５２】
これらの技術の生成機構は異なる一方、それらの技術は、レーザ励起及び適切に製造された光導電素子の両方に依存する。本質的に、このような素子は、適切な波長の光にさらされたとき、それらの電気導電性における増加を表す。
【００５３】
検出に対して、光伝導アンテナ１は、上記の方式と類似する方式で動作される。光伝導アンテナ１は又、適切な波長のサブピコ秒光／ＮＩＲレーザパルスか又は僅かに異なる周波数の２つのＣＷレーザかどちらかにより照射される。更に、検出される放射線は、アンテナ１の裏側に導かれる。検出される放射線が存在する存在する場合、検出される放射線の存在及び強度を示すように測定されることが可能である電極間を電流が流れる。
【００５４】
そのようなエミッタ及び検出器のための光導電材料の選択は、一般に、レーザ励起源に依存する。ＧａＡｓは、そのバンドギャップがＴｉ：サファイアレーザ波長と又、レーザダイオード波長とに対してうまく適合するために、特に有用である。Ｔｉ：サファイアレーザは、一般に、パルス化システム及びＣＷシステムの両方において使用され、レーザダイオードは、一般に、ＣＷシステムにおいて使用される。それ故、光導電材料は、その材料がレーザの波長に対して適切であるバンドギャップを有するように、選択される。
【００５５】
成長後に高温で材料をアニールすることにより、結晶歪を緩和し、格子を縮ませ、過剰な砒素を六方晶系のクラスタに析出させ、これにより比抵抗が増加する。しかしながら、高温のアニールプロセスはキャリア寿命に対して逆効果を有し、キャリア寿命を長くする。しかしながら、温度を制御することにより及びより小さい領域に対して、成長後のアニールが実行される時間は材料がその特定なアプリケーションに対して最適化されるようにすることを、本発明は認識した。
【００５６】
従来の知識は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体に関連するＡｓが対象になる場合、点欠陥として含有される過剰砒素濃度は、そのような点欠陥は材料の比抵抗を減少させるため、結晶内で再構成される必要があるとしている。今日、このことは高温におけるアニールにより達成されており、砒素の最大の脱離が起こる高温においてなされ、結晶性構造エネルギーを最小化するために砒素原子の移動に対して必要とされる高品質のＭＢＥ成長技術により確立される。
【００５７】
図２は、光導電材料を製造するために使用される典型的な成長チャンバ１０１の模式図である。光導電材料が成長される基板１０３は、ウェーハホルダ１０５上に取り付けられている。ウェーハホルダ１０５は、光導電材料の成分材料を有するセル１０７、１０９及び１１１に対向するように位置付けられている。例えば、光導電材料がＩｎＧａＡｓである場合、それらのセル１０７、１０９及び１１１は、元素携帯でＩｎ、Ｇａ及びＡｓを有する。
【００５８】
成長中、材料が一様に成長することを確実にするように、ウェーハホルダ１０３は回転する。一旦、材料が成長すると、次いで、その材料は成長チャンバ１０１から取り外され、図３に示すアニール装置に移される。
【００５９】
図４に関連して説明する結果に対して、サンプルは、図２の装置を用いて成長されたものである。このサンプルは、分子線エピタキシャル成長方法（ＭＢＥ）により（約６００℃において成長された）５００ｎｍのＡｌＡｓ上に成長された（名目上、２３０℃において成長された）１μｍのＬＴ−ＧａＡｓより成る“ウェーハＡ”と呼ばれ、全て、ＧａＡｓバッファ基板（ウェーハＡ）上に成長されている。挙げられたＬＴ成長温度は、低温において、ＭＢＥ成長の温度較正のために使用されるパイロメータが正確に動作しなくなるとき、それ故、ＬＴ成長温度が、より高温においてヒータ電力対パイロメータ読み出しのグラフを外挿することにより決定されるため、“名目上”と表されている。
【００６０】
図３の装置は、接触アニールのために使用されることが可能である装置の例である。その装置派アニールチャンバ１１３を有する。アニールチャンバ１１３内で、サンプル１０３は、半絶縁性ＧａＡｓ１１５及び１１７の２つのウェーハの間に挟まれている。挟む構成の目的は、結晶からの過剰砒素の脱離を回避するために、同様の半導体材料を用いてサンプルの表面を不動態化することである。サンプルの側面はこのような方法では不動態化されない−それ故、過剰砒素はこのルートを通して脱離し得る−が、側面の表面積は、他の２つの表面の面積より非常に小さい。
【００６１】
装置は又、ＧａＡｓウェーハ１１５及び１１７の少なくとも１つと熱的に接触した状態で備えられている加熱要素１１９を有する。装置は、できるだけ速く目的の温度まで加熱要素１１９を昇温することにより速い熱的アニーリングを実行し、その目的の度は、サンプル自体に非常に接近させて設けられた正確に較正された熱電対により測定される。昇温は約１０秒以内で完了する。この場合は、１０分間である、適切なアニールの持続時間の後、温度は、約３０秒以内で２００℃以下に降温される。アニール手順は、ゲート接触又はオーミック接触のようないずれのメタライゼーションが適用される前に、行われることを理解されたい。
【００６２】
更に、更なる脱離を回避するために、アニールは窒素ガス雰囲気下で実施されるが、フォーミングガス（水素及び窒素の混合ガス）のような他の混合ガスを同様に採用することが可能である。このために、アニールチャンバ１３は、ガス入口２１及びガス出口２３を備えている。
【００６３】
原理的に、他のアニールスケジュールを採用することが可能であり、そのスケジュールの全ては、サンプルの表面を不動態化する何らかの方式で実行される。このような技術は、付加的方法を用いることなく、あるガス（窒素、アルゴンのような希ガス、水素及び窒素又は酸素の混合ガスであるフォーミングガスを有する一般ガスであって、これらに限定されない、ガス）雰囲気下におけるアニールの実行を有することが可能である。特定な砒素を含む半導体の場合、アニールは、砒素の過剰圧力環境下で実施されることが可能である。代替として、サンプル表面は、例として窒化シリコンである適切なキャップで、アニールの前にコーティングされることが可能である。
【００６４】
図４は、上記のＧａＡｓのサンプルのためのアニール温度に対する過剰砒素濃度についてのグラフである。
【００６５】
図４のグラフを得るために、Ｘ線回折技術を用いた。この技術は、他にＧａ原子により占められている結晶サイトに過剰Ａｓ原子を組み込むことによりもたらされる結晶歪（欠陥は正電荷に関連するため、ＡｓＧａ＋という）に敏感である。
【００６６】
個々のＸ線回折曲線は、２７５℃のアニール温度において測定された、図４の右上に示す挿入グラフに示すように、２つの区別可能なピークを示している。０ａｒｃｓｅｃの角度における優勢なピークは、光導電層が形成された下地のＧａＡｓ基板に対応する一方、約−５３ａｒｃｓｅｃにおける弱い方のピークはＬＴ−ＧａＡｓ層のピークであり、歪により優勢なピークからシフトする。そのようなピークのシフトはＡｓＧａ＋サイトの濃度に関連し、このようにして導かれる値について、図４の主グラフにおいてアニール温度に対してプロットして示している。過剰Ａｓは、凝集を生成するようにしてＧａサイトから取り除かれるため、ＡｓＧａ＋濃度は減少する。
【００６７】
このようにして、そのグラフは、ガリウムサイトを示す砒素原子の濃度が高温で最小となり、その飽和は、５００℃以上であって砒素全てが脱離されるとき、起こる。図４の最後の５つのデータポイント（４００、４２５、４５０、４７５及び５００℃）におけるエラーバーは、これらの温度においてＸ線回折の２つのピークが明瞭に分離できないため、それ故、曲線フィッティングルーチンが正確なそれらピーク位置に用いられる必要があるため、だんだん大きくなっている。
【００６８】
しかしながら、本発明にとって重要であるこのグラフの他の特徴は、過剰砒素濃度は約２５０℃から減少し始めることであり、このことは、このような低い温度においてさえ、砒素は結晶内を動き回ることを示している。それ故、ＧａＡｓ対して、このグラフは、約２５０℃からのアニール温度は過剰砒素を凝集するために利用されることが可能であることを示している。
【００６９】
図５は、ｘ軸におけるアニール温度とｙ軸における抵抗及びキャリア寿命との間の関係をプロットしたグラフである。
【００７０】
上の曲線は異なるアニール温度に対する抵抗の測定値であり、下の曲線は異なるアニール温度に対するキャリア寿命の測定値である。後者は、約１００ｆｓｅｃの最小分解能を有する、時間分解光反射と呼ばれる方法により決定される。それ故、その１００ｆｓｅｃの領域におけるデータポイントはキャリア寿命における最大値を定める。実際のキャリア寿命はこの値より小さくなり得るが、これは、実験のエラーから識別可能ではない。このデータは、１０分のアニール持続時間により、上記の図２及び３に関連して説明した材料（ウェーハＡ）から得られる。用いている抵抗のスケールは対数スケールであることを理解されたい。
【００７１】
更に、そのグラフは、後者の計算が正確なアンテナ設計の詳細により複雑であるため、比抵抗ではなく抵抗を示している。私たちはこの値を最大化することにのみであって、特定のサンプルに対して適切な抵抗を達成することに興味があるため、ここで行うように、測定抵抗のみに関してサンプルを評価することは十分である。このような測定を標準化するために、この明細書において見積もられる抵抗全ては、５μｍのギャップを有する鈍角のボウタイアンテナ（図１に示す種類）を参照する（この種のアンテナの中央部分の顕微鏡写真は図５に挿入されて示されている）。このグラフは、それ故、２２５℃乃至３７５℃の温度範囲において、抵抗が約１０ＭΩに増加したことを示している。この温度範囲においては、又、約１００ｆｓｅｃ乃至２００ｆｓｅｃのキャリア寿命において僅かな増加のみが存在することが理解できる。これらの抵抗は、特に、レシーバにおいてそれらを使用する場合に、使用可能であり、キャリア寿命はレシーバにおける使用に対して優れている。
【００７２】
３７５℃乃至４７５℃の範囲内で、大幅な抵抗の急激な増加が起こり、これは好ましい位。この温度領域におけるキャリア寿命は又、約２００乃至３００ｆｓｅｃの範囲内まで増加する。しかしながら、キャリア寿命の値は増加する一方、特にエミッタにとっては、それらの値はいまだに全く使用可能ではなく、ここでは短いキャリア寿命が必要であるが、レシーバにとってはキャリア寿命の短いことが決定的ではない。更に、エミッタにとっては、流れる電流を限定する一方、アンテナに適用できる電界を最大化するために非常に大きい抵抗を有することは有利である。それ故、エミッタにおいて用いられるＬＴ−ＧａＡｓに対する約４００℃乃至４７５℃の範囲内のアニール温度は最も好ましい。
【００７３】
５００℃以上においては、キャリア寿命は実質的に劣化し、短いキャリア寿命が必要とされる使用のためのＬＴ−ＧａＡｓに対しては、そのような温度は好ましくないものとなる。
【００７４】
４００℃において、データポイントがキャリア寿命における見せかけの増加を示すことに留意する必要がある。これは、恐らく、統計的なばらつきであり、全体的には、そのグラフは、説明したような一般的な傾向をもっている。全体的には、このグラフから、用いられるＬＴ−ＧａＡｓに対する最適なアニール温度は、エミッタにおいては約４２５℃であり、レシーバに対しては３２５℃であると結論付けられる。
【００７５】
図６は、図１を参照して説明した種類の光伝導アンテナにより構成された２つのレシーバについての周波数に対する受信されたＴＨｚパワーのプロットを示している。
【００７６】
上側のトレースは、ウェーハＡから作製されたレシーバに対応する。光導電材料は、１０分の期間の間、３２５℃のアニール温度を用いて製造されたものである。
【００７７】
下側のトレースは、既知の技術を用いて作製された他のレシーバからの結果を示している。このグラフは、周波数の関数として、各々のレシーバにより受信されたＴＨｚパワーを比較している。
【００７８】
このグラフは、本発明の実施形態に従って構成されたＬＴ−ＧａＡｓレシーバは、特に感度に関して、及び、帯域幅における僅かな改善を伴って、他のレシーバより性能が優れていることを示している。本発明の実施形態に従って構成されたＬＴ−ＧａＡｓレシーバを、現在、一般的に用いられているＡｓ−ＧａＡｓレシーバと直接比較すると、その感度における改善が略１桁の大きさであることは注目に値する。
【００７９】
アニール温度の最適化に加えて、アニール持続時間を最適化することが又、可能である。図７は、アニール時間に対するＸ線解説測定により得られたピーク分割シフトについてのグラフを示している。このデータを得るために、平坦なＧａＡｓ基板（ウェーハＢ）上に、標準的に２００℃において成長されたＬＴ−ＧａＡｓのウェーハが検査された。Ｘ線分割シフトにおける変化の増加は、過剰砒素濃度における減少に対応する。
【００８０】
図７は、それ故、アニール効果の飽和が、３４０℃、３９０℃及び４４０℃の温度に対して１５分間の後、達するが、より低い曲線である２９０℃のアニールに対しては僅かに長く、その温度についての最初の１５分間においては、かなり大きいシフトの割合が存在する。
【００８１】
このグラフから、３４０℃以上のアニール温度に対しては、１０乃至１５分間のアニール時間は、過剰砒素における変化の大きい部分を与えるために十分であると、結論付けることができる。
【００８２】
この結論は、更に、図８を参照することにより支持される。図８は、ウェーハＡについて、アニール時間に対する過剰砒素濃度のプロットを示している。そのデータは、３５０℃の温度においてＭＢＥを用いてＡｌＡｓ上に成長させたＬＴ−ＧａＡｓについて得られたものである。このグラフは、砒素濃度が、アニールの最初の１０分間に著しく減少し、その後はほんの僅か減少することを示している。
【００８３】
アニールプロセスの最適化における原理は、Ａｓが注入された材料のいずれの種類であって、特に、砒素を用いるＩＩＩ−Ｖ族半導体の群、例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＬＴ−ＡｌＧａＡｓ、Ａｓ−ＧａＡｓ及びドープされたＧａＡｓ等に適応されることが可能である。
【００８４】
ＬＴ−ＧａＡｓについて考慮するに、この材料は、特に、短いキャリア寿命を保つ一方で、比抵抗を増加させることが困難であると考えられるため、放射線放射および検出システムにおいて都合よく使用できる材料ではない。これは、典型的にＩｎＧａＡｓにおいて使用される高アニール温度は、結晶品質の低下をもたらすためである。
【００８５】
ＩｎＧａＡｓは、典型的には、４５０℃においてＭＢＥチャンバにおいてその材料を最初に成長させることにより生成される。このような従来の温度の選択は、成長中、非常に高い温度において表面からＩｎ種が脱離し、それ故、結晶中に含有されなくなるという事実に関連する。ＬＴ−ＩｎＧａＡｓのアニールは、従来、６００℃で行われ、それは、残念ながら、過剰Ａｓのみというより、それら自体の原子種の周りを動き回る十分なエネルギーをＩｎＧａＡｓ結晶に与える。
【００８６】
しかしながら、ＬＴ−ＧａＡｓは、それに代えて、５００℃又はそれ以下の温度でアニールされることが可能である。この利点は、過剰Ａｓを好適に調節することができるようになることである一方、ＩｎＧａＡｓ結晶は変わらずにそのまま保たれることである。
【００８７】
図９は、本発明の実施形態に従って形成されたＬＴ−ＩｎＧａＡｓの特性を示している。このグラフは、キャリア寿命とアニール温度及び抵抗とアニール温度との間の関係を示している。
【００８８】
この場合、ウェーハは、ＧａＡｓバッファ基板（ウェーハＣ）上に、約６００℃において成長された５００ｎｍの膜厚のＡｌＡｓ上に成長された、一般的に２３０℃において成長された１μｍのＬＴ−Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓより成る。正確なアロイ組成は又、低温ＭＢＥ成長においてＩｎ種がどれ位優先的に含有されるかが十分認識されていないため、名目的である。
【００８９】
図９は、アニール温度の関数としての抵抗及びキャリア寿命の変化についての散布図である。測定は、幾つかの名目上同一のサンプルにおいて及び同じサンプルの異なる領域において実施されたため、一部の温度に対しては、キャリア寿命の測定値にバラツキがあることが理解できる。これは、ＧａＡｓ上にＩｎＧａＡｓを成長させる困難性としてのファセットであると考えられる。ＩｎＧａＡｓは、格子定数の不整合のためにＧａＡｓ基板上に成長されるとき、著しく歪が導入されるとして理解される。このような歪は、結晶構造における欠陥及び転移の形成と共に緩和され、それ故、原理的には、顕微鏡的に異なる特性を有する領域を形成する。
【００９０】
本発明の発明者は、その散乱はそのような小さい変化の結果であると考えている。即ち、材料特性における傾向は、それにも拘らず、その散布図により十分に確立されている。キャリア寿命は、２００℃乃至４００℃の温度範囲内のアニール温度において初期的に改善されることが理解される。２００℃においては、キャリア寿命は２．２ｐｓｅｃのオーダーであり、４００℃においては、０．６ｐｓｅｃに減少する。このキャリア寿命における減少は、従来の知識とは完全に反対であり、低温におけるアニールスケジュールは、ＩｎＧａＡｓ層内に存在し得るいずれの結晶欠陥を初期的に減少させるため、その後の異なる成長のために生じると考えられる。４００℃のアニール温度領域において５３２ｆｓｅｃであると記録された最小値を有する、明瞭なキャリア寿命における最小値が存在する。４５０℃以上においては、キャリア寿命は長くなることが理解される。
【００９１】
本発明の発明者は、アニール温度が次のようにＬＴ−ＩｎＧａＡｓに影響すると結論付けている。即ち、２００乃至４００℃の温度範囲においては、過剰Ａｓの析出のプロセスは、ＧａＡｓに対する析出と類似する様式で開始するため、この効果は、キャリア寿命を著しく減少させる結晶品質の改善により上回っている。
【００９２】
３５０乃至４５０℃の温度範囲においては、Ａｓ析出の形成のために比抵抗は明瞭に増加し、キャリア寿命の最小は５００乃至６００ｆｓｅｃであることが理解される。４５０℃以上では、状況は、キャリア寿命が長くなるにつれて、抵抗が著しく減少するとともに、逆転する。その材料が高温でアニールされるとき、電子顕微鏡による観測により明らかになるように、表面モルフォロジーにおける変化に関連する異なるアピアランスをとる。このような温度は、ＩｎＧａＡｓがＭＢＥ反応器において成長する温度に適合し、その後その温度を上回ることに留意して、本発明の発明者は、このような高いアニール温度において、ＩｎＧａＡｓ組成自体は、顕微鏡スケールで影響されると結論付けている。
【００９３】
従って、ＩｎＧａＡｓに対しては、最適なアニール温度範囲は約３５０℃及び４５０℃である。これらの温度は、使用可能な比抵抗と非常に改善されたキャリア寿命とを有する
ＬＴ−ＩｎＧａＡｓを提供する。そのような材料は、放射線エミッタ及びレシーバにおける光導電材料として用いられることが可能である。
【００９４】
当業者に理解されるであろうように、一般的な本発明の概念の範囲内で、変更及び付加が可能である。正確なアニール条件は半導体材料に依存して変化する一方、本発明の広範な発明概念は、化学的成分に拘らず、同様な特性を有するいずれの半導体材料に適用されることが可能であり、それ故、上記の的確な実施形態は単なる例示であって、限定的なものではないことが理解されるであろう。
【００９５】
図１０は、本発明の実施形態に従った調査システムの模式図である。
【００９６】
図１０の調査システムにおいては、ＩｎＧａＡｓが、エミッタ及び検出器の両方に対する光導電材料として用いられている。この調査システムは、構造から組成情報を決定する又は撮像するために用いられることが可能である。
【００９７】
この調査システムにおいて、レーザ２０１は、プローブビーム２０７と基準ビーム２０９とを形成するためにビームスプリッタ２０５により分割される放射線２０３の１μｍのパルスビームを生成する。例として、レーザはＮｄ：ＹＡＧ又はＮＤ：ＹＬＦレーザであることが可能である。
【００９８】
プローブビーム２０７は、ＴＨｚ放射２１３のビームを生成するためにエミッタ２１１を照射する。エミッタ２１１は、図１を参照して説明した一般的な種類の光伝導アンテナである。光導電材料は、図９を参照して説明した、発見した内容に従って、低温においてアニールされたＩｎＧａＡｓである。
【００９９】
ＴＨｚ放射線２１３のビームは、次いで、サンプル２１７に一連のミラー２１５により導かれ、サンプルが２つの直交する方向に走査されるようにするステージに供給される。サンプルから反射されたＴＨｚ放射線は、次いで、一連のミラーにより検出器２２１に導かれる。
【０１００】
検出器２２１は又、光伝導アンテナであり、光導電材料はＩｎＧａＡｓである。検出器がサンプルから反射されたＴＨｚ放射線を検出するように、検出器は、基準ビーム２０９からもたらされた１μｍ放射線のパルスにより照射される。検出器２２１に達する基準ビーム２０９の位相を変えるために、基準ビームは、連続的に増加するように機能し、基準ビームの経路を減少させ、それにより検出器２２１に到達するときに規準ビームの位相を変化させる、走査遅延線２２３に導かれる。走査遅延線２２１はコンピュータ制御２２５下で動作する。
【０１０１】
上記の非限定の実施形態においては、エミッタ及び検出器の両方はＬＴ−ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓから製造される。それ故、エミッタ及び検出器の両方は、一般的に利用可能である１μｍレーザを用いて励起されることができる有利点を有する。この場合、組成ｘは、１０４０乃至１０７０の領域における的確なレーザ波長に適合され、０．２乃至０．３の範囲内にある。
【０１０２】
ビームスプリッタ２０５は、エミッタ及び検出器の両方が個別の光学システムにより光励起されるように、レーザパルスを分割するために用いられる。このようにして、上記のＴＨｚパルス化撮像システム（ＴＩＰ）の実施形態における更なる変形は、ビームスプリッタ２０５の前若しくは基準ビーム２０７又はプローブビーム２０９の経路内に備えられた周波数倍化光学系の使用を含むことが可能である。これらの光学系は、レーザパルスの周波数（エネルギー）を倍加し、従って、それら光学系が、ＧａＡｓのような高バンドギャップ半導体を光励起することが可能であるようにする。それ故、１μｍレーザを組み込むＴＨｚシステムとＬＴ−ＩｎＧａＡｓエミッタ及びレシーバとに加えて、ハイブリッドシステムが、異なる光導電材料から構成されるエミッタ及び／又はレシーバに入射する周波数倍加レーザパルスを有する、ＩｎＧａＡｓエミッタ及び／レシーバの他の組み合せと共に想定される。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の実施形態に従って備えられた光導電材料と用いて使用されることが可能である光伝導アンテナの模式図である。
【図２】ＭＢＥチャンバ内のウェーハの模式図である。
【図３】接触アニール装置の模式図である。
【図４】ＬＴ−ＧａＡｓについての過剰砒素濃度対アニール温度の測定値についてのグラフである。
【図５】ＬＴ−ＧａＡｓについての比抵抗対アニール温度及びキャリア寿命対アニール温度の間の関係を示すグラフである。
【図６】１０分の持続時間の間、３２５℃のアニール温度を用いて形成されたＬＴ−ＧａＡｓレシーバを既知の技術を用いて形成された他のレシーバとの比較について示す図である。このグラフは、周波数の関数としての各々のレシーバにより受信されたＴＨｚパワーを比較している。
【図７】ＬＴ−ＧａＡｓについてのＸ線回折測定により得られたピーク分割シフト対アニール時間についてのグラフである。
【図８】ＬＴ−ＧａＡｓについての過剰砒素濃度対アニール時間について示す図である。
【図９】ＬＴ−ＧａＡｓについての比抵抗対アニール温度及びキャリア寿命対アニール温度の間の関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施形態に従ったエミッタ及び検出器を有する撮像システムの模式図である。
【図１】
2005538561.tif 000003
【図２】
2005538561.tif 000004
【図３】
2005538561.tif 000005
【図４】
2005538561.tif 000006
【図５】
2005538561.tif 000007
【図６】
2005538561.tif 000008
【図７】
2005538561.tif 000009
【図８】
2005538561.tif 000010
【図９】
2005538561.tif 000011
【図１０】
2005538561.tif 000012
【国際調査報告】
2005538561.tif 000013
2005538561.tif 000014
2005538561.tif 000015