(57)【要約】      （修正有）【課題】受光感度の安定的な向上が可能な半導体受光素子を提供する。【解決手段】半導体受光素子は、第１電極と、第１電極上に設けられる受光層５と、受光層５上に設けられる第２電極と、を備える。受光層５は、互いに重なる第１半導体領域と第２半導体領域とからなる単位構造２１が積層されてなるタイプＩＩの超格子構造を備える。第１半導体領域は、ＩｎＡｓ層２２からなり、第２半導体領域は、複数のＧａＳｂ層３１、３３と、一または複数のＩｎＳｂ層３２とからなり、第２半導体領域内では、ＩｎＳｂ層３２は、ＧａＳｂ層３１、３３によって挟まれる。【選択図】図３
2018207096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体受光素子であって、
第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、
第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、
前記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、タイプＩＩ超格子を構成するようにある軸の方向に積層された複数の単位構造を含む受光層と、
を備え、
各単位構造は、ＩｎＡｓ部と、第１ＧａＳｂ部と、ＩｎＳｂ部と、第２ＧａＳｂ部とを含み、前記ＩｎＡｓ部、前記第１ＧａＳｂ部、前記ＩｎＳｂ部、及び前記第２ＧａＳｂ部は、前記軸の方向に配列され、
前記ＩｎＡｓ部は、前記軸の方向に配列された複数のＩｎＡｓ分子層を有し、
前記第１ＧａＳｂ部は、ＧａＳｂ分子層を有し、前記第１ＧａＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの一方の原子面は、前記ＩｎＡｓ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの他方の原子面に結合を成し、
前記ＩｎＳｂ部は、ＩｎＳｂ分子層を有し、前記ＩｎＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの一方の原子面は、前記第１ＧａＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの他方の原子面に結合を成し、
前記第２ＧａＳｂ部は、ＧａＳｂ分子層を有し、前記第２ＧａＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの一方の原子面は、前記ＩｎＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの他方の原子面に結合を成す、半導体受光素子。
【請求項２】
前記第１ＧａＳｂ部は、前記ＩｎＡｓ部のＩＩＩ族原子面に結合を成すＶ族原子面を有し、
前記ＩｎＳｂ部は、前記第１ＧａＳｂ部のＩＩＩ族原子面に結合を成すＶ族原子面を有し、
前記第２ＧａＳｂ部は、前記ＩｎＳｂ部のＩＩＩ族原子面に結合を成すＶ族原子面を有する、請求項１に記載された半導体受光素子。
【請求項３】
前記第１ＧａＳｂ部は、前記ＩｎＡｓ部のＶ族原子面に結合を成すＩＩＩ族原子面を有し、
前記ＩｎＳｂ部は、前記第１ＧａＳｂ部のＶ族原子面に結合を成すＩＩＩ族原子面を有し、
前記第２ＧａＳｂ部は、前記ＩｎＳｂ部のＶ族原子面に結合を成すＩＩＩ族原子面を有する、請求項１に記載された半導体受光素子。
【請求項４】
前記第１ＧａＳｂ部は、前記第２ＧａＳｂ部のＩＩＩ族面と異なる層数のＩＩＩ族面を有する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体受光素子。
【請求項５】
前記第１ＧａＳｂ部は、前記第２ＧａＳｂ部のＩＩＩ族面と同じ数のＩＩＩ族面を有する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体受光素子。
【請求項６】
半導体受光素子であって、
第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、
第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、
前記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、タイプＩＩ超格子を構成するようにある軸の方向に積層された複数の単位構造を含む受光層と、
を備え、
各単位構造は、ＩｎＡｓの一又は複数の第１分子層、ＧａＳｂの一又は複数の第２分子層、ＩｎＳｂの一又は複数の第３分子層、及びＧａＳｂの一又は複数の第４分子層を含み、
各単位構造では、前記第１分子層、前記第２分子層、前記第３分子層、及び前記第４分子層は、順に前記軸の方向に配列される、半導体受光素子。
【請求項７】
各単位構造は、ＩｎＳｂの一又は複数の第５分子層、及びＧａＳｂの一又は複数の第６分子層を含み、
前記第１分子層、前記第２分子層、前記第３分子層、前記第４分子層、前記第５分子層、及び前記第６分子層は、順に前記軸の方向に配列される、請求項６に記載された半導体受光素子。
【請求項８】
半導体受光素子であって、
第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、
第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、
前記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、タイプＩＩ超格子を構成するようにある軸の方向に積層された複数の単位構造を含む受光層と、
を備え、
各単位構造は、一又は複数のＩｎＡｓ分子層の単一の第１群、一又は複数のＧａＳｂ分子層の単一の第２群、一又は複数のＧａＳｂ分子層の一又は複数の第３群、及び一又は複数のＩｎＳｂ分子層の一又は複数の第４群を含み、
前記単位構造において、前記第３群の内の任意の一第３群は、前記第２群と前記第４群の内の一の第４群との間にあり、
前記第２群は、前記第１群と前記第３群のすべてとの間にある、半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、フォトダイオードを開示する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】C.H.  Grein  et.al.，“Modeling  of  Very  Long  Infrared  Wavelength  InAs/GaInSb  Strained  Layer  Superlattice  Detectors”,  Proceedings  of  SPIE  Vol.4795,  Materials  for  Infrared  Detectors  II,  39  (2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記非特許文献１の超格子構造内において、ＩｎＡｓ層は、ＧａＩｎＳｂ混晶層に挟まれており、２つのヘテロ界面が存在する。一方のヘテロ界面にはＩｎ−Ｓｂ結合のみが存在し、他方のヘテロ界面にはＧａ−Ａｓ結合とＩｎ−Ａｓ結合とが混在する。他方のヘテロ界面において、Ｇａ−Ａｓ結合とＩｎ−Ａｓ結合との割合、及びＧａ−Ａｓ結合とＩｎ−Ａｓ結合との分布のそれぞれは、成長条件等により変化する。上記割合及び上記分布が変化すると、フォトダイオードの吸収端波長がばらつく傾向にある。このため、上記非特許文献１のようにＧａＩｎＳｂ混晶層が含まれるフォトダイオードでは、デバイス特性が不安定になるという問題がある。
【０００５】
このような問題の発生を防止するためには、従前より知られている交互に積層されたＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とを含む超格子構造を有するフォトダイオードを用いることが挙げられる。このフォトダイオードは、混晶層を含んでいないこと  から、デバイス特性が不安定になりにくい。しかしながら、このフォトダイオードの場合、上記非特許文献１に記載の赤外線のフォトダイオードと比べて、吸収端波長が大きくなる（例えば、１５μｍ以上）ほどＩｎＡｓ層の厚さが大きくなり、結果として受光感度が低くなる傾向にあるという課題がある。したがって、安定したデバイス特性を有し、且つ、長波長の赤外線に対して良好な受光感度を示すフォトダイオードが望まれている。
【０００６】
ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子構造を有するフォトダイオードは、例えば吸収波長１５μｍといった長波長赤外領域において、低い受光感度を示す。長波長赤外町域において良好な受光感度が望まれる。
【０００７】
本発明の一側面は、長波長の赤外線に対する受光感度の向上を可能にする半導体受光素子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】
【０００８】
本発明の一側面に係る半導体受光素子は、第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、前記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、タイプＩＩ超格子を構成するようにある軸の方向に積層された複数の単位構造を含む受光層と、を備え、各単位構造は、ＩｎＡｓ部と、第１ＧａＳｂ部と、ＩｎＳｂ部と、第２ＧａＳｂ部とを含み、前記ＩｎＡｓ部、前記第１ＧａＳｂ部、前記ＩｎＳｂ部、及び前記第２ＧａＳｂ部は、前記軸の方向に配列され、前記ＩｎＡｓ部は、前記軸の方向に配列された複数のＩｎＡｓ分子層を有し、前記第１ＧａＳｂ部は、ＧａＳｂ分子層を有し、前記第１ＧａＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの一方の原子面は、前記ＩｎＡｓ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの他方の原子面に結合を成し、前記ＩｎＳｂ部は、ＩｎＳｂ分子層を有し、前記ＩｎＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの一方の原子面は、前記第１ＧａＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの他方の原子面に結合を成し、前記第２ＧａＳｂ部は、ＧａＳｂ分子層を有し、前記第２ＧａＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの一方の原子面は、前記ＩｎＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの他方の原子面に結合を成す。
【０００９】
本発明の別の側面に係る半導体受光素子は、第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、前記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、タイプＩＩ超格子を構成するようにある軸の方向に積層された複数の単位構造を含む受光層と、を備え、各単位構造は、ＩｎＡｓの一又は複数の第１分子層、ＧａＳｂの一又は複数の第２分子層、ＩｎＳｂの一又は複数の第３分子層、及びＧａＳｂの一又は複数の第４分子層を含み、各単位構造では、前記第１分子層、前記第２分子層、前記第３分子層、及び前記第４分子層は、順に前記軸の方向に配列される。
【００１０】
本発明の更なる別の側面に係る半導体受光素子は、第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、前記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、タイプＩＩ超格子を構成するようにある軸の方向に積層された複数の単位構造を含む受光層と、を備え、各単位構造は、一又は複数のＩｎＡｓ分子層の単一の第１群、一又は複数のＧａＳｂ分子層の単一の第２群、一又は複数のＧａＳｂ分子層の一又は複数の第３群、及び一又は複数のＩｎＳｂ分子層の一又は複数の第４群を含み、前記単位構造において、前記第３群の内の任意の一第３群は、前記第２群と前記第４群の内の一の第４群との間にあり、前記第２群は、前記第１群と前記第３群のすべてとの間にある。
【００１１】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、長波長の赤外線に対する受光感度の向上を可能にする半導体受光素子を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本実施形態に係る半導体受光素子を模式的に示す図面である。
【図２】図２は、タイプＩＩ超格子構造の単位構造の配列によって提供されるバンドダイアグラムを示す図面である。
【図３】図３は、デバイス軸の方向に積層された単位構造を含む受光層、及び受光層のための単位構造を示す図面である。
【図４】図４は、ＩｎＡｓ部及びＧａＳｂ部を有する単位構造の配列を含む受光層における電子の存在確率を示す図面である。
【図５】図５は、図４に示された単位構造の配列において電子の存在確率を示す図面である。
【図６】図６は、ＩｎＡｓ部、ＩｎＳｂ部、ＧａＳｂ部及びＩｎＳｂ部を有する単位構造の配列を含む受光層における電子の存在確率を示す図面である。
【図７】図７は、図６に示された単位構造の配列において電子の存在確率を示す図面である。
【図８】図８は、ＩｎＡｓ部、ＩｎＳｂ部、ＧａＳｂ部及びＩｎＳｂ部を有する単位構造の配列を含む受光層における電子の存在確率を示す図面である。
【図９】図９は、図８に示された単位構造の配列において電子の存在確率を示す図面である。
【図１０】図１０は、ＩｎＡｓ部、ＩｎＳｂ部、ＧａＳｂ部及びＩｎＳｂ部を有する単位構造の配列を含む受光層における電子の存在確率を示す図面である。
【図１１】図１１は、図１０に示された単位構造の配列において電子の存在確率を示す図面である。
【図１２】図１２は、本実施形態に係る受光層のための単位構造を示す図面である。
【図１３】図１３は、本実施形態に係る受光層のための単位構造における分子層の配列を示す図面である。
【図１４】図１４は、本実施形態に係る受光層のための単位構造における分子層の配列を示す図面である。
【図１５】図１５は、本実施形態に係る受光層のための単位構造における分子層の配列を示す図面である。
【図１６】図１６は、本実施形態に係る受光層のための単位構造における分子層の配列を示す図面である。
【図１７】図１７は、本実施形態に係る受光層のための単位構造における分子層群の配列を示す図面である。
【図１８】図１８は、本実施形態に係る受光層のための単位構造における分子層群の配列を示す図面である。
【図１９】図１９は、本実施形態に係る受光層のための単位構造における分子層群の配列を示す図面である。
【図２０】図２０は、本実施形態に係る受光層のための単位構造における分子層群の配列を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
いくつかの具体例を説明する。
【００１５】
具体例に係る半導体受光素子は、（ａ）第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、（ｂ）第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、（ｃ）前記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、タイプＩＩ超格子を構成するようにある軸の方向に積層された複数の単位構造を含む受光層と、を備え、各単位構造は、ＩｎＡｓ部と、第１ＧａＳｂ部と、ＩｎＳｂ部と、第２ＧａＳｂ部とを含み、前記ＩｎＡｓ部、前記第１ＧａＳｂ部、前記ＩｎＳｂ部、及び前記第２ＧａＳｂ部は、前記軸の方向に配列され、前記ＩｎＡｓ部は、前記軸の方向に配列された複数のＩｎＡｓ分子層を有し、前記第１ＧａＳｂ部は、ＧａＳｂ分子層を有し、前記第１ＧａＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの一方の原子面は、前記ＩｎＡｓ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの他方の原子面に結合を成し、前記ＩｎＳｂ部は、ＩｎＳｂ分子層を有し、前記ＩｎＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの一方の原子面は、前記第１ＧａＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの他方の原子面に結合を成し、前記第２ＧａＳｂ部は、ＧａＳｂ分子層を有し、前記第２ＧａＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの一方の原子面は、前記ＩｎＳｂ部のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面のうちの他方の原子面に結合を成す。
【００１６】
半導体受光素子によれば、各単位構造のＩｎＳｂ部は、ＩｎＡｓ部から隔置するように、第１ＧａＳｂ部と第２ＧａＳｂ部との間に設けられる。ＩｎＳｂ部は、所望の吸収端波長を実現するＩｎＡｓ部のＩｎＡｓ分子層の層数を減らすことができる。
【００１７】
具体例に係る半導体受光素子では、前記ＧａＳｂ分子層は、前記ＩｎＡｓ部の前記ＩｎＡｓ分子層のＩＩＩ族原子面に結合を成すＶ族原子面を有し、前記ＩｎＳｂ分子層は、前記第１ＧａＳｂ部の前記ＧａＳｂ分子層のＩＩＩ族原子面に結合を成すＶ族原子面を有し、前記ＧａＳｂ分子層は、前記ＩｎＳｂ部の前記ＩｎＳｂ分子層のＩＩＩ族原子面に結合を成すＶ族原子面を有する。
【００１８】
半導体受光素子によれば、単位構造は、ＧａＳｂ分子層のＶ族原子面がＩｎＡｓ分子層のＩＩＩ族原子面に結合を成すように配列された分子層を含む。
【００１９】
具体例に係る半導体受光素子では、前記第１ＧａＳｂ部は、前記ＩｎＡｓ部のＶ族原子面に結合を成すＩＩＩ族原子面を有し、前記ＩｎＳｂ部は、前記第１ＧａＳｂ部のＶ族原子面に結合を成すＩＩＩ族原子面を有し、前記第２ＧａＳｂ部は、前記ＩｎＳｂ部のＶ族原子面に結合を成すＩＩＩ族原子面を有する。
【００２０】
半導体受光素子によれば、単位構造は、ＧａＳｂ分子層のＩＩＩ族原子面がＩｎＡｓ分子層のＶ族原子面に結合を成すように配列された分子層を含む。
【００２１】
具体例に係る半導体受光素子では、前記第１ＧａＳｂ部は、前記第２ＧａＳｂ部のＶ族面と異なる層数のＶ族面を有する。
【００２２】
半導体受光素子によれば、単位構造では、第１ＧａＳｂ部のＧａＳｂ分子層の層数は、第２ＧａＳｂ部のＧａＳｂ分子層の層数と異なる。
【００２３】
具体例に係る半導体受光素子では、前記第１ＧａＳｂ部は、前記第２ＧａＳｂ部のＶ族面と同じ数のＶ族面を有する。
【００２４】
半導体受光素子によれば、単位構造では、第１ＧａＳｂ部のＧａＳｂ分子層の層数は、第２ＧａＳｂ部のＧａＳｂ分子層の層数と同じである。
【００２５】
具体例に係る半導体受光素子は、（ａ）第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、（ｂ）第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、（ｃ）前記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、タイプＩＩ超格子を構成するようにある軸の方向に積層された複数の単位構造を含む受光層と、を備え、各単位構造は、ＩｎＡｓの一又は複数の第１分子層、ＧａＳｂの一又は複数の第２分子層、ＩｎＳｂの一又は複数の第３分子層、及びＧａＳｂの一又は複数の第４分子層を含み、各単位構造では、前記第１分子層、前記第２分子層、前記第３分子層、及び前記第４分子層は、順に前記軸の方向に配列される。
【００２６】
半導体受光素子によれば、各単位構造において、ＧａＳｂの第２分子層とＧａＳｂの第４分子層との間に設けられて、ＩｎＳｂの第３分子層は、ＩｎＡｓの第１分子層の列から隔置する。ＩｎＳｂの第３分子層は、所望の吸収端波長を実現するＩｎＡｓの第１分子層の層数を減らすことを可能にする。
【００２７】
具体例に係る半導体受光素子では、各単位構造は、ＩｎＳｂの一又は複数の第５分子層、及びＧａＳｂの一又は複数の第６分子層を含み、前記第４分子層、前記第５分子層、及び前記第６分子層は、順に前記軸の方向に配列される。
【００２８】
半導体受光素子によれば、各単位構造が、第１分子層から第６分子層を含むことができる。
【００２９】
具体例に係る半導体受光素子は、（ａ）第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、（ｂ）第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、（ｃ）前記第１導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層との間に設けられ、タイプＩＩ超格子を構成するように軸の方向に積層された複数の単位構造を含む受光層と、を備え、各単位構造は、一又は複数のＩｎＡｓ分子層の単一の第１群、一又は複数のＧａＳｂ分子層の単一の第２群、一又は複数のＧａＳｂ分子層の一又は複数の第３群、及び一又は複数のＩｎＳｂ分子層の一又は複数の第４群を含み、前記単位構造において、前記第３群の内の任意の一第３群は、前記第２群と前記第４群の内の一の第４群との間にあり、前記第２群は、前記第１群と前記第３群のすべてとの間にある。
【００３０】
半導体受光素子によれば、各単位構造において、ＩｎＳｂ分子層を含む第４群は、ＩｎＡｓ分子層を含む第１群から隔置されるように、ＧａＳｂ分子層を含む第２群とＧａＳｂ分子層を含む第３群との間に設けられる。第４群は、所望の吸収端波長を実現するために必要な第１群のＩｎＡｓ分子層の層数を減らすことを可能にする。
【００３１】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、半導体受光素子に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３２】
図１は、本実施形態に係る半導体受光素子を模式的に示す図面である。半導体受光素子１は、赤外波長領域の光を検知できる。半導体受光素子１は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の第１導電型半導体層４、受光層５、及びＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の第２導電型半導体層６を含む。受光層５は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の第１導電型半導体層４と第２導電型半導体層６との間に設けられる。ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の第１導電型半導体層４、受光層５、及び第２導電型半導体層６は、デバイス軸Ｔの方向に配列される。第１導電型半導体層４、受光層５、及び第２導電型半導体層６は、例えば分子線エピキタシー法（Molecular Beam Epitaxy法、以下単にＭＢＥ法と記す）によって成長される。
【００３３】
図２は、タイプＩＩ超格子構造の単位構造の配列によって提供されるバンドダイアグラムを示す図面である。図３の（ａ）部は、デバイス軸Ｔの方向に積層された単位構造を含む受光層を示す図面である。図３の（ｂ）部は、受光層のための単位構造を示す図面である。
【００３４】
図２では、理解を容易にするために、超格子構造は、互いに異なるＩＩＩ−Ｖ化合物半導体材料の２つの半導体薄層１２，１３を含む単位構造１１の配列を含む。単位構造１１を参照しながら、赤外線に感応する超格子構造を有する受光層を説明する。超格子構造のための単位構造１１の配列は、価電子帯Ｖ１及び伝導帯Ｃ１を形成し、並びに価電子帯Ｖ１の端と伝導帯Ｃ１の端とによって提供されるバンドギャップＥｇ１を有する。図２は、また、半導体薄層１２の半導体材料のバルクおける価電子帯端１２ａ及び伝導帯端１２ｂ、及び半導体薄層１３の半導体材料のバルクおける価電子帯端１３ａ及び伝導帯端１３ｂを示す。超格子構造の価電子帯Ｖ１及び伝導帯Ｃ１は、バルク半導体の価電子帯端１２ａ及び伝導帯端１２ｂ、及びバルク半導体の価電子帯端１３ａ及び伝導帯端１３ｂとは異なるものである。
【００３５】
タイプＩＩの超格子構造では、半導体薄層１２及び半導体薄層１３が交互に、また周期的に配列される。超格子構造の伝導帯Ｃ１の電子は、各半導体薄層１２において大きな存在確率を示し、超格子構造の価電子帯Ｖ１の電子は、各半導体薄層１３において大きな存在確率を示す。伝導帯Ｃ１の電子の空間的分布は、価電子帯Ｖ１の電子の空間的分布と大きく異なる。この分布の違いが、タイプＩＩＩ超格子構造において受光感度の高めにくくしている。
【００３６】
半導体薄層１２のＩＩＩ族構成原子及びＶ族構成原子の一方が、半導体薄層１３のＩＩＩ族構成原子及びＶ族構成原子の他方に結合して、半導体薄層１２及び半導体薄層１３の界面を形成する。引き続く記述から理解されるように、半導体薄層１２は、単一の種類の分子層を含み、半導体薄層１３は、複数の種類の分子層を含む。具体的には、半導体薄層１２は、複数のＩｎＡｓ分子層を含む。半導体薄層１３は、複数のＧａＳｂ分子層、及び一又は複数のＩｎＳｂ分子層を含む。
【００３７】
図３を参照すると、受光層５の単位構造２１は、デバイス軸Ｔの方向に積層されて、図２に示されるようなタイプＩＩ超格子構造のバンド構造を形成する。単位構造２１は、ＩｎＡｓ部２２、第１ＧａＳｂ部３１、ＩｎＳｂ部３２、及び第２ＧａＳｂ部３３で形成される。受光層５の単位構造２１の数は、例えば２００である。ＩｎＡｓ部２２、第１ＧａＳｂ部３１、ＩｎＳｂ部３２、及び第２ＧａＳｂ部３３の分子層は、例えば分子線エピタキシーによって成長されることができる。
【００３８】
ＩｎＡｓ部２２は、一又は複数のＩｎＡｓ分子層で形成されＩｎＡｓ分子層は、デバイス軸Ｔの方向に配列される。
ＩｎＡｓ分子層の数；１〜２０、例えば１０層。
ＩｎＡｓ部２２の層厚：０．３ｎｍ〜２ｎｍ。
一ＩｎＡｓ分子層は、単一のＩｎ面及び単一のＡｓ面を備え、０．３ｎｍ厚を有する。ＩｎＡｓ分子層の増加は、長波長の吸収端波長を大きくする。
【００３９】
第１ＧａＳｂ部３１及び第２ＧａＳｂ部３３の各々は、一ＧａＳｂ分子層、又はデバイス軸Ｔの方向に配列された複数のＧａＳｂ分子層を有している。
第１ＧａＳｂ部３１におけるＧａＳｂ分子層の数：例えば１〜１０、例えば２層。
第２ＧａＳｂ部３３におけるＧａＳｂ分子層の数：例えば１〜１０、例えば２層。
第１ＧａＳｂ部３１におけるＧａＳｂの層厚：例えば０．３〜３ｎｍ。
第２ＧａＳｂ部３３におけるＧａＳｂの層厚：例えば０．３〜３ｎｍ。
一ＧａＳｂ分子層は、単一のＧａ面及び単一のＳｂ面を備え、０．３ｎｍ厚を有する。第１ＧａＳｂ部３１におけるＧａＳｂ分子層の数は、第２ＧａＳｂ部３３におけるＧａＳｂ分子層の数と同じであることができる。或いは、第１ＧａＳｂ部３１におけるＧａＳｂ分子層の数は、第２ＧａＳｂ部３３におけるＧａＳｂ分子層の数と異なることができ、分子層の数における差は、価電子帯の電子分布を偏らせる。
【００４０】
ＩｎＳｂ部３２は、一ＩｎＳｂ分子層、又はデバイス軸Ｔの方向に配列された複数のＩｎＳｂ分子層を有している。
ＩｎＳｂ分子層の数：例えば１〜３。
ＩｎＳｂ部３２の層厚：例えば０．３ｎｍ〜０．９ｎｍ。
一ＩｎＳｂ分子層は、単一のＩｎ面及び単一のＳｂ面を備え、０．３ｎｍ厚を有する。第１ＧａＳｂ部３１と第２ＧａＳｂ部３３との間のＩｎＳｂ部３２は、第１ＧａＳｂ部３１及び第２ＧａＳｂ部３３から圧縮応力を受ける。
【００４１】
図２を参照した説明から理解されるように、二元ＩｎＡｓ部２２は、超格子構造の伝導帯の電子の確率振幅が大きく、第１ＧａＳｂ部３１、ＩｎＳｂ部３２及び第２ＧａＳｂ部３３を含む二元ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ部２３は、超格子構造の価電子帯の電子の確率振幅が大きい。
【００４２】
受光層５は、２〜２０マイクロメートルの赤外波長領域内の光に感応する。
【００４３】
単位構造２１は、ＩｎＡｓ部２２、第１ＧａＳｂ部３１、ＩｎＳｂ部３２、及び第２ＧａＳｂ部３３を含み、これらはデバイス軸Ｔの方向に配列される。或いは、単位構造２１は、ＩｎＡｓ部２２、交互に配列される複数の第１ＧａＳｂ部３１及び複数のＩｎＳｂ部３２、並びに第２ＧａＳｂ部３３を含み、これらはデバイス軸Ｔの方向に配列される。
【００４４】
再び図１を参照しながら、半導体受光素子１の第１導電型半導体層４及び第２導電型半導体層６を説明する。
【００４５】
第１導電型半導体層４は、本実施例では、タイプＩＩの超格子構造を有する。この超格子構造は、単位構造の配列を有しており、例えば、交互に積層された複数の半導体層を含む。これらの半導体層は、タイプＩＩの超格子構造が正孔ブロック層として機能するように選ばれる。具体的には、第１導電型半導体層４は、受光層５より大きなバンドギャップエネルギーを有する。第１導電型半導体層４の超格子構造は、本実施例では、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族半導体を備える。
第１導電型半導体層４の具体例。
超格子の単位構造：ＧａＳｂ層（２ｎｍ〜６ｎｍ厚）及びＩｎＡｓ層（１ｎｍ〜６ｎｍ厚）。
単位構造の厚さ：４ｎｍ〜１２ｎｍ。
積層数：例えば５０〜２００。
第１導電型半導体層４の厚さ：例えば０．２〜２．４μｍ。
ＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層の成長条件。
成長法：ＭＢＥ法。
成長温度：摂氏４００度〜摂氏６００度。
成長速度：０．０３ｎｍ／ｓ〜０．１ｎｍ／ｓ。
ＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層の少なくともいずれかには、Ｓｉ（シリコン）、Ｔｅ（テルル）といったｎ型ドーパントが添加されることができる。
【００４６】
第２導電型半導体層６は、本実施例では、タイプＩＩの超格子構造を有する。この超格子構造は、単位構造の配列を有しており、例えば、交互に積層された複数の半導体層を含む。これらの半導体層は、タイプＩＩの超格子構造が電子ブロック層として機能するように選ばれる。具体的には、第２導電型半導体層６は、受光層５より大きなバンドギャップエネルギーを有する。第２導電型半導体層６の超格子構造は、本実施例では、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族半導体を備える。
【００４７】
第２導電型半導体層６の具体例。
超格子の単位構造：ＧａＳｂ層（２ｎｍ〜６ｎｍ厚）及びＩｎＡｓ層（１ｎｍ〜６ｎｍ厚）。
単位構造の厚さ：４ｎｍ〜１２ｎｍ。
積層数：例えば５０〜２００。
第１導電型半導体層４の厚さ：例えば０．２〜２．４μｍ。
ＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層の成長条件。
成長法：ＭＢＥ法。
成長温度：摂氏４００度〜摂氏６００度。
成長速度：０．０３ｎｍ／ｓ〜０．１ｎｍ／ｓ。
ＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層の少なくともいずれかには、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｂ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）といったｐ型ドーパントが添加されることができる。
【００４８】
半導体受光素子１は、更に、第１電極２、基板３、コンタクト層７、及び第２電極８を備える。
【００４９】
基板３は、本実施例では、ｎ型のＩＩＩ−Ｖ族半導体からなり、基板３には、ｎ型ドーパントが添加される。ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、ＧａＳｂを備える。基板３は、主面３ａ及び裏面３ｂを有する。基板のＧａＳｂは、ＩｎＡｓ部における残留歪量（単位構造当たりの残留歪量）を小さくできる。これは、受光層内の単位構造の積層数の上限を大きくでき、半導体受光素子１の受光感度を向上できる。
【００５０】
コンタクト層７は、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族半導体を備え、第２導電型半導体層６上に設けられる。ＩＩＩ−Ｖ族半導体には、ｐ型ドーパントが添加される。コンタクト層７は、例えば５０ｎｍの厚さを有する。コンタクト層７は、バルク半導体層を備えることができ、或いはＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層を含む超格子構造を有することができる。超格子構造では、ＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層の少なくともいずれかにドーパントが添加されるようにしてもよい。
【００５１】
基板３、第１導電型半導体層４、受光層５、及び第２導電型半導体層６、及びコンタクト層７は、デバイス軸Ｔの方向に配列される。第１電極２は、基板３の裏面３ｂに接触を成し、第２電極８は、コンタクト層７に接触を成す。
【００５２】
第１電極２は、基板３又は第１導電型半導体層４に接触を成しており、本実施例では、基板３の裏面３ｂに接触を成す。第１電極２は、例えばＡｕ（金）、Ｔｉ（チタン）、Ｐｔ（白金）といった単層金属層、又はこれらの多層金属を含むことができる。
【００５３】
第２電極８は、第２導電型半導体層６又はコンタクト層７に接触を成しており、本実施例では、コンタクト層７に接触を成す。第２電極８は、第２電極８は、Ａｕ、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｂｅ（ベリリウム）といった金属、又はこれらの合金を備えることができる。
【００５４】
第１電極２及び第２電極８は、蒸着又はスパッタといった金属の成膜、並びにリフトオフ又はエッチングといった金属膜のパターン形成によって形成されることができる。
【００５５】
本実施例では、表面入射の光を受けるために、半導体受光素子１の第２電極８は、受光層５への光に提供される光学窓ａ１を有する。半導体受光素子１は、裏面入射型を有することができる。
【００５６】
半導体受光素子１に入射した光Ｌは、第１導電型半導体層４又は第２導電型半導体層６を透過して、受光層５に入射する。受光層５のための超格子構造の吸収端波長は、受光層５が検知できる光波長の上限（例えば、１５マイクロメートル）を規定する。
【００５７】
引き続きいくつかの実施例を説明する。
【００５８】
図４〜図１１では、縦軸は電子の存在確率を示し、横軸は、単位構造内の分子層のＩＩＩ族原子面及びＶ族原子面の位置を示す。図４、図６、図８及び図１０では、白丸４２、４３、４４、及び４５は、ＩＩＩ族原子面における伝導帯の電子の確率振幅を示し、グラフ６２、６３、６４、及び６５の各々は、単位構造における伝導帯の電子の存在確率を表す。黒丸５２、５３、５４、及び５５は、Ｖ族原子面における価電子帯の電子の確率振幅を示し、グラフ７２、７３、７４、及び７５の各々は、単位構造における価電子帯の電子の存在確率を表す。電子の確率振幅は、波動関数の絶対値の二乗値である。グラフ８２、９３、８４、及び８５の各々は、あるＩＩＩ族原子面における伝導帯の電子の波動関数と、該ＩＩＩ族原子面の直近に位置するＶ族原子面における電子の波動関数（具体的には、波動関数の複素共役）との積を示し、この積は、これらの原子面に係る価電子帯と伝導帯との間の電子のバンド間遷移確率に関連付けられる。受光層５の単位構造２１における光学遷移確率は、単位構造内の価電子帯における電子と光との相互作用の確率とバンド間遷移確率との積に関連付けられる。本件実施例に係る単位構造では、光学遷移が実質的に一体の相互作用であると仮定する。グラフ８２、８３、８４、及び８５は、斜線領域Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びＲ５を規定しており、斜線領域Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びＲ５の各々は、受光層（単位構造）における光学遷移確率に対応する。半導体受光素子に高い受光感度を与える単位構造は、大きな斜線領域の面積を示す。
【００５９】
（構造１Ｓ）
図４は、ＩｎＡｓ部及びＧａＳｂ部を有する単位構造の配列を含む受光層における電子の存在確率を示す。図５は、図４に示された単位構造の配列において電子の存在確率を示す。図４に示された単位構造は、２３層のＩｎＡｓ分子層及び５層のＧａＳｂ分子層で作られる。この単位構造の吸収端波長は、１５マイクロメートルである。
【００６０】
図５を参照すると、ＩｎＡｓ部は、２３個のＩｎＡｓ分子層ＭＬＩＮＡＳを含み、ＧａＳｂ部は、５個のＧａＳｂ分子層ＭＬＧＡＳＢを含む。各ＩｎＡｓ分子層ＭＬＩＮＡＳは、単一のＶ族面（ヒ素面）及び単一のＩＩＩ族面（インジウム面）を含む。各ＧａＳｂ分子層ＭＬＩＮＡＳは、単一のＶ族面（アンチモン面）及び単一のＩＩＩ族面（ガリウム面）を含む。本件の単位格子では、ＩｎＡｓ部とＧａＳｂ部との界面では、Ｖ族元素のヒ素原子がＩＩＩ族元素のガリウム原子に結合している。
【００６１】
（構造２Ｓ）
図６は、ＩｎＡｓ部、ＩｎＳｂ部、ＧａＳｂ部及びＩｎＳｂ部を有する単位構造の配列を含む受光層における電子の存在確率を示す。図７は、図６に示された単位構造の配列において電子の存在確率を示す。図６に示された単位構造は、１０層のＩｎＡｓ分子層、２層のＩｎＳｂ分子層、２層のＧａＳｂ分子層及び２層のＩｎＳｂ分子層で作られる。この単位構造の吸収端波長は、１５マイクロメートルである。
【００６２】
図７を参照すると、二周期分の単位構造２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが示されている。単位構造２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは、デバイス軸Ｔの方向に配列される。各単位構造２１において、ＩｎＡｓ部２２は、１３個のＩｎＡｓ分子層ＭＬＩＮＡＳを含み、この数は、構造１ＳにおけるＩｎＡｓ部２２のＩｎＡｓ分子層ＭＬＩＮＡＳの２３個より少ない。第１ＧａＳｂ部３１は、２個のＧａＳｂ分子層ＭＬＧＡＳＢを含む。ＩｎＳｂ部３２は、２個のＩｎＳｂ分子層ＭＬＩＮＳＢを含む。第２ＧａＳｂ部３３は、２個のＧａＳｂ分子層ＭＬＧＡＳＢを含む。ＩｎＡｓ分子層ＭＬＩＮＡＳの各々は、単一のＩｎ面ＰＩＮ及び単一のＡｓ面ＰＡＳを含む。ＧａＳｂ分子層ＭＬＧＡＳＢの各々は、単一のＧａ面ＰＧＡ及び単一のＳｂ面ＰＳＢを含む。ＩｎＳｂ分子層ＭＬＩＮＳＢの各々は、単一のＩｎ面ＰＩＮ及び単一のＳｂ面ＰＳＢを含む。各単位構造は、１９層を含む。
【００６３】
二周期分の単位構造２１ｂ、２１ｃ、２１ｄにおけるＧａＳｂ部３１、ＩｎＳｂ部３２、ＧａＳｂ部３３、ＩｎＡｓ部２２、ＧａＳｂ部３１、ＩｎＳｂ部３２、ＧａＳｂ部３３、及びＩｎＡｓ部２２の配列は、いくつかの典型的な接合（Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５）を有する。
【００６４】
具体的には、単位構造２１ｂの第２ＧａＳｂ部３３内のＶ族元素のアンチモン面（Ｓｂ面ＰＳＢ）は、接合Ｊ１において、単位構造２１ｃのＩｎＡｓ部２２内のＩＩＩ族元素のインジウム面（Ｉｎ面ＰＩＮ）に結合を成す。単位構造２１ｃのＩｎＡｓ部２２内のＶ族元素のヒ素面（Ａｓ面ＰＡＳ）は、接合Ｊ２において、単位構造２１ｃの第２ＧａＳｂ部３３内のＩＩＩ族元素のガリウム面（Ｇａ面ＰＧＡ）に結合を成す。単位構造２１ｃの第２ＧａＳｂ部３３内のＶ族元素のアンチモン面（Ｓｂ面ＰＳＢ）は、接合Ｊ３において、単位構造２１ｄのＩｎＡｓ部２２内のＩＩＩ族元素のインジウム面（Ｉｎ面ＰＩＮ）に結合を成す。
【００６５】
単位構造２１ｃの第１ＧａＳｂ部３１内のＶ族元素のＳｂ面ＰＳＢは、接合Ｊ４において、単位構造２１ｃのＩｎＳｂ部３２内のＩＩＩ族元素のＩｎ面ＰＩＮに結合を成す。単位構造２１ｃのＩｎＳｂ部３２内のＶ族元素のＳｂ面ＰＳＢは、単位構造２１ｃの第２ＧａＳｂ部３３内のＩＩＩ族元素のＧａ面ＰＧＡに結合を成す。
（構造３Ｓ）
図８は、ＩｎＡｓ部、ＩｎＳｂ部、ＧａＳｂ部及びＩｎＳｂ部を有する単位構造の配列を含む受光層における電子の存在確率を示す。図９は、図８に示された単位構造の配列において電子の存在確率を示す。図８に示された単位構造は、９層のＩｎＡｓ分子層、１層のＩｎＳｂ分子層、２層のＧａＳｂ分子層及び２層のＩｎＳｂ分子層で作られる。この単位構造の吸収端波長は、１５マイクロメートルである。
【００６６】
図９を参照すると、二周期分の単位構造２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが示されている。単位構造２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは、デバイス軸Ｔの方向に配列される。各単位構造２１において、ＩｎＡｓ部２２は、９個のＩｎＡｓ分子層ＭＬＩＮＡＳを含み、この数は、構造１ＳにおけるＩｎＡｓ部２２のＩｎＡｓ分子層ＭＬＩＮＡＳの２３個より少ない。第１ＧａＳｂ部３１は、１個のＧａＳｂ分子層ＭＬＧＡＳＢを含む。ＩｎＳｂ部３２は、２個のＩｎＳｂ分子層ＭＬＩＮＳＢを含む。第２ＧａＳｂ部３３は、２個のＧａＳｂ分子層ＭＬＧＡＳＢを含む。各単位構造は、１４層を含む。
【００６７】
二周期分の単位構造２１ｂ、２１ｃ、２１ｄにおけるＧａＳｂ部３１、ＩｎＳｂ部３２、ＧａＳｂ部３３、ＩｎＡｓ部２２、ＧａＳｂ部３１、ＩｎＳｂ部３２、ＧａＳｂ部３３、及びＩｎＡｓ部２２の配列は、いくつかの典型的な接合（Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５）を有する。
【００６８】
（構造４Ｓ）
図１０は、ＩｎＡｓ部、ＩｎＳｂ部、ＧａＳｂ部及びＩｎＳｂ部を有する単位構造の配列を含む受光層における電子の存在確率を示す。図１１は、図１０に示された単位構造の配列において電子の存在確率を示す。図１０に示された単位構造は、８層のＩｎＡｓ分子層、２層のＩｎＳｂ分子層、２層のＧａＳｂ分子層及び１層のＩｎＳｂ分子層で作られる。この単位構造の吸収端波長は、１５マイクロメートルである。
【００６９】
図１１を参照すると、二周期分の単位構造２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが示されている。単位構造２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは、デバイス軸Ｔの方向に配列される。各単位構造２１において、ＩｎＡｓ部２２は、８個のＩｎＡｓ分子層ＭＬＩＮＡＳを含み、この数は、構造１ＳにおけるＩｎＡｓ部２２のＩｎＡｓ分子層ＭＬＩＮＡＳの２３個より少ない。第１ＧａＳｂ部３１は、２個のＧａＳｂ分子層ＭＬＧＡＳＢを含む。ＩｎＳｂ部３２は、２個のＩｎＳｂ分子層ＭＬＩＮＳＢを含む。第２ＧａＳｂ部３３は、１個のＧａＳｂ分子層ＭＬＧＡＳＢを含む。各単位構造２１は、１３層の分子層を含む。
【００７０】
二周期分の単位構造２１ｂ、２１ｃ、２１ｄにおけるＧａＳｂ部３１、ＩｎＳｂ部３２、ＧａＳｂ部３３、ＩｎＡｓ部２２、ＧａＳｂ部３１、ＩｎＳｂ部３２、ＧａＳｂ部３３、及びＩｎＡｓ部２２の配列は、いくつかの典型的な接合（Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５）を有する。
【００７１】
構造１ＳのＩｎＡｓ部は、２３層のＩｎＡｓ分子層を含み、約７ｎｍの厚さを有する。受光層の吸収端波長は１５マイクロメートルである。
【００７２】
構造１Ｓは、受光層の吸収端波長を大きくするために、ＩｎＡｓ部に大きな層数のＩｎＡｓ分子層を必要とする。発明者の知見によれば、単位構造における伝導帯の電子は、ＩｎＡｓ部に局在するようになる。大きな層数のＩｎＡｓ分子層の配列が伝導帯端のエネルギーレベルを下げて、この結果、ＧａＳｂ部の電子障壁が大きくなる。この大きな電子障壁は、単位構造内のＩｎＡｓ部の電子が隣の単位構造内のＩｎＡｓ部にトンネリングにより移る確率を低くする。低いトンネリング確率は、ＩｎＡｓ部に電子を閉じ込めて局在させる。また、価電子帯端近傍に位置する電子は、大きな有効質量を有しており、この結果、ＧａＳｂ部に局在する。これらの局在は、価電子帯端近傍の電子が伝導帯端に励起されにくくする。
【００７３】
ＩｎＡｓ分子層及びＧａＳｂ分子層を用いる単位構造の配列を含む受光層（構造１Ｓの受光層）では、吸収端波長を可能にする大きな数のＩｎＡｓ分子層の配列は、ＩｎＡｓ部に主に分布する伝導帯の電子の波動関数と、ＧａＳｂ部に主に分布する価電子帯の電子の波動関数との重なりを小さくする。
【００７４】
構造２Ｓ〜構造４Ｓの各々におけるＩｎＡｓ部は、８〜１３層のＩｎＡｂ分子層を含み、約３ｎｍの厚さを有する。構造２Ｓ〜構造４Ｓの各々における超格子構造は、二元分子層を用いる。具体的には、ＧａＳｂ部（３１、３３）は、１又は２層のＧａＳｂ分子層を含み、またＩｎＳｂ部（３２）は、２層ＩｎＳｂ分子層を含む。これらの構造における受光層の吸収端波長は１５マイクロメートルである。
【００７５】
構造２Ｓ〜構造４Ｓの各々における単位構造は、第１ＧａＳｂ部３１と第２ＧａＳｂ部３３との間にＩｎＳｂ層３２を含む。ＩｎＳｂバルク層のバンドギャップは、ＧａＳｂバルク層のバンドギャップより小さく、ＩｎＳｂ部３２の追加は、大きな数のＩｎＡｓ分子層の配列より少ない配列を用いて、大きな吸収端波長、例えば１５マイクロメートルを可能にする。少ない数のＩｎＡｓ分子層のＩｎＡｓ部によれば、ＩｎＡｓ部における伝導帯の電子の局在を弱める。これは、半導体受光素子１に、長波長の赤外線に対する受光感度の向上を提供できる。例えば、斜線領域Ｒ３は、斜線領域Ｒ２よりも大きい。
【００７６】
構造２Ｓ〜構造４Ｓの各々は、二元ＩｎＡｓ部、二元ＧａＳｂ部、及び二元ＩｎＳｂ部を含む。二元ＩｎＡｓ部と二元ＧａＳｂ部との境界において、二元ＩｎＡｓ部内のＩＩＩ族原子のボンドは、二元ＧａＳｂ部内の単一種類のＶ族原子に結合でき、二元ＩｎＡｓ部内のＶ族原子のボンドは、二元ＧａＳｂ部内の単一種類のＩＩＩ族原子に結合できる。二元ＧａＳｂ部と二元ＩｎＳｂ部との境界において、二元ＩｎＳｂ部内のＩＩＩ族原子のボンドは、二元ＧａＳｂ部内の単一種類のＶ族原子に結合でき、二元ＩｎＳｂ部内のＶ族原子のボンドは、二元ＧａＳｂ部内の単一種類のＩＩＩ族原子に結合できる。二元超格子は、ボンドの種類における不規則性に起因するデバイス特性のばらつきを無くして、半導体受光素子１にデバイス特性の安定性をもたらす。具体的には、所望の吸収端波長を再現性よく半導体受光素子１に与える。
【００７７】
構造３Ｓの単位構造（ＩｎＡｓ分子層／ＧａＳｂ分子層／ＩｎＳｂ分子層／ＧａＳｂ分子層＝９層／１層／２層／２層）は、ＩｎＡｓ部のＡｓ面とＧａＳｂ部のＧａ面との結合を含む。ある単位構造内のＩｎＡｓ部におけるＩｎＡｓ分子層の配列と当該単位構造内のＩｎＳｂ部におけるＩｎＳｂ分子層の配列との間のＧａＳｂ分子層の層数は、当該単位構造内のＩｎＳｂ部におけるＩｎＳｂ分子層の配列と当該単位構造に隣接する単位構造内のＩｎＡｓ部のＩｎＡｓ分子層の配列との間のＧａＳｂ分子層の層数より小さい。斜線領域Ｒ４の面積は斜線領域Ｒ３よりも大きい。
【００７８】
また、構造４Ｓの単位構造（ＩｎＡｓ分子層／ＧａＳｂ分子層／ＩｎＳｂ分子層／ＧａＳｂ分子層＝８層／２層／２層／１層）は、単位構造内に、ＩｎＡｓ部のＡｓ面とＧａＳｂ部のＧａ面との結合を含む。ある単位構造内のＩｎＡｓ部におけるＩｎＡｓ分子層の配列と当該単位構造内のＩｎＳｂ部におけるＩｎＳｂ分子層の配列との間のＧａＳｂ分子層の層数は、当該単位構造内のＩｎＡｓ部のＩｎＳｂ部におけるＩｎＳｂ分子層の配列と当該単位構造に隣接するＩｎＡｓ部のＩｎＡｓ分子層の配列との間のＧａＳｂ分子層の層数より大きい。斜線領域Ｒ５の面積は斜線領域Ｒ３よりも大きい。
【００７９】
構造４Ｓの単位構造におけるＩｎＡｓ分子層の層数は、構造３Ｓの単位構造におけるＩｎＡｓ分子層の層数より少ない。
【００８０】
構造２Ｓ、構造３Ｓ及び構造４Ｓの各々は、単位構造２１内に、ＩｎＡｓ部２２、第１ＧａＳｂ部３１，ＩｎＳｂ部３２、及び第２ＧａＳｂ部３３を備える。図１２は、本実施形態に係る受光層のための単位構造を示す図面である。本実施形態に係る受光層５は、単位構造２１Ａを含むことができる。単位構造２１Ａは、ＩｎＡｓ部２２、第１ＧａＳｂ部３１，ＩｎＳｂ部３２、第２ＧａＳｂ部３３、ＩｎＳｂ部３４、及びＧａＳｂ部３５を含み、これらは、デバイス軸Ｔの方向に順に配列される。ＩｎＳｂ部３４は、一又は複数のＩｎＳｂ分子層を含むことができ、ＧａＳｂ部３５は、一又は複数のＧａＳｂ分子層を含むことができる。単位構造２１は、所望の吸収端波長を提供できるＩｎＡｓ部のＩｎＡｓ分子層の層数を低減できる。二元ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ部２３Ａは、３つ以上のＧａＳｂ部と二つ以上のＩｎＳｂ部を含むことができる。
【００８１】
また、構造２Ｓ、構造３Ｓ及び構造４Ｓの各々は、単位構造２１内に、ＩｎＡｓ部のＡｓ面とＧａＳｂ部のＧａ面との結合を含む。本実施形態に係る単位構造は、これらの限定されることなく、構造２Ｓ、構造３Ｓ及び構造４Ｓの各々は、単位構造内に、第２ＧａＳｂ部３３のＳｂ面とＩｎＡｓ部２２のＩｎ面との結合を含むように、第１ＧａＳｂ部３１、ＩｎＳｂ部３２、第２ＧａＳｂ部３３、及びＩｎＡｓ部２２内の分子層が配列されることができる。
【００８２】
更に、単位構造２１Ａは、ＩｎＡｓ部２２のＡｓ面とＧａＳｂ部３１のＧａ面との結合を含む。本実施形態に係る単位構造は、この限定されることなく、ＧａＳｂ部３５のＳｂ面とＩｎＡｓ部２２のＩｎ面との結合を含むように、ＩｎＡｓ部２２、第１ＧａＳｂ部３１，ＩｎＳｂ部３２、第２ＧａＳｂ部３３、ＩｎＳｂ部３４、及びＧａＳｂ部３５が配列されることができる。
【００８３】
二元ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ部２３及び二元ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ部２３Ａは、三元混晶（ＧａＩｎＳｂ）とは異なる。
【００８４】
半導体受光素子１の受光層５では、図７、図９、及び図１１に示されるように、各単位構造２１（２１Ａ）は、ＩｎＡｓ部２２と、第１ＧａＳｂ部３１と、ＩｎＳｂ部３２と、第２ＧａＳｂ部３３を含む。ＩｎＡｓ部２２は、複数のＩｎＡｓ分子層ＭＬＩＮＡＳを含み、ＩｎＡｓ分子層ＭＬＩＮＡＳは、デバイス軸Ｔの方向に配列される。第１ＧａＳｂ部３１は、ＧａＳｂ分子層ＭＬＧＡＳＢを有し、このＧａＳｂ分子層ＭＬＧＡＳＢは、ＩｎＡｓ部２２の一方の原子面（具体的には、Ｖ族原子面及びＩＩＩ族原子面のうちの一方の原子面）に結合を成す原子面（具体的には、Ｖ族原子面及びＩＩＩ族原子面のうちの他方の原子面）を含む。ＩｎＳｂ部３２は、ＩｎＳｂ分子層ＭＬＩＮＳＢを有し、このＩｎＳｂ分子層ＭＬＩＮＳＢは、第１ＧａＳｂ部３１の一方の原子面（具体的には、Ｖ族原子面及びＩＩＩ族原子面のうちの一方の原子面）に結合を成す原子面（具体的には、Ｖ族原子面及びＩＩＩ族原子面のうちの他方の原子面）を含む。第２ＧａＳｂ部３３は、ＧａＳｂ分子層ＭＬＧＡＳＢを有し、このＧａＳｂ分子層ＭＬＧＡＳＢは、ＩｎＳｂ部３２の一方の原子面（具体的には、Ｖ族原子面及びＩＩＩ族原子面のうちの一方の原子面）に結合を成す原子面（具体的には、Ｖ族原子面及びＩＩＩ族原子面のうちの他方の原子面）を含む。
【００８５】
例証の単位構造２１（２１Ａ）では、第１ＧａＳｂ部３１は、ＩｎＡｓ部２２のヒ素面（又はインジウム面）に結合を成すガリウム面（又はアンチモン面）を含むＧａＳｂ分子層を有する。ＩｎＳｂ部３２は、第１ＧａＳｂ部のアンチモン面（又はガリウム面）に結合を成すインジウム面（アンチモン面）を含むＩｎＳｂ分子層を有する。第２ＧａＳｂ部３３は、ＩｎＳｂ部のアンチモン面（インジウム面）に結合を成すガリウム面（アンチモン面）を含むＧａＳｂ分子層を有する。
【００８６】
半導体受光素子１の受光層５では、図１３、図１４、及び図１５に示されるように、各単位構造２１（２１Ａ）は、ＩｎＡｓの一又は複数の第１分子層Ｍ１Ｌ、ＧａＳｂの一又は複数の第２分子層Ｍ２Ｌ、ＩｎＳｂの一又は複数の第３分子層Ｍ３Ｌ、及びＧａＳｂの一又は複数の第４分子層Ｍ４Ｌを含む。第１分子層Ｍ１Ｌ、第２分子層Ｍ２Ｌ、第３分子層Ｍ３Ｌ、及び第４分子層Ｍ４Ｌは、順にデバイス軸Ｔの方向に配列される。
【００８７】
半導体受光素子１の受光層５では、図１６に示されるように、各単位構造２１Ａは、ＩｎＳｂの一又は複数の第５分子層Ｍ５Ｌ、及びＧａＳｂの一又は複数の第６分子層Ｍ６Ｌを含む。第１分子層Ｍ１Ｌ、第２分子層Ｍ２Ｌ、第３分子層Ｍ３Ｌ、第４分子層Ｍ４Ｌ、第５分子層Ｍ５Ｌ、及び第６分子層Ｍ６Ｌは、順にデバイス軸Ｔの方向に配列される。
【００８８】
ＩｎＡｓの第１分子層Ｍ１Ｌの各々は、単一のＩｎ面ＰＩＮ及び単一のＡｓ面ＰＡＳを含む。ＧａＳｂの第２分子層Ｍ２Ｌ、ＧａＳｂの第４分子層Ｍ４Ｌ、及びＧａＳｂの第６分子層Ｍ６Ｌの各々は、単一のＧａ面ＰＧＡ及び単一のＳｂ面ＰＳＢを含む。ＩｎＳｂの第３分子層Ｍ３Ｌ及びＩｎＳｂの第５分子層Ｍ５Ｌの各々は、単一のＩｎ面ＰＩＮ及び単一のＳｂ面ＰＳＢを含む。
【００８９】
半導体受光素子１の受光層５では、図１７、図１８、及び図１９に示されるように、各単位構造２１（２１Ａ）は、一又は複数のＩｎＡｓの第１分子層Ｍ１Ｌの単一の第１群ＭＧ１、一又は複数のＧａＳｂの第２分子層Ｍ２Ｌの単一の第２群Ｍ２Ｇ、一又は複数のＧａＳｂの第３分子層Ｍ３Ｌの一又は複数の第３群ＭＧ３、及び一又は複数のＩｎＳｂの第４分子層Ｍ４Ｌの一又は複数の第４群ＭＧ４を含む。第１群ＭＧは、単一のＩｎＡｓ分子層、或いは連続して並ぶＩｎＡｓ分子層を含む。第２群Ｍ２Ｇでは、単一のＧａＳｂ分子層、又は連続して並ぶＧａＳｂ分子層を含む。第３群ＭＧ３の各々は、単一のＧａＳｂ分子層、又は連続して並ぶＧａＳｂ分子層を含む。第４群ＭＧ４の各々は、単一のＩｎＳｂ分子層、又は連続して並ぶＩｎＳｂ分子層を含む。
【００９０】
各単位構造２１（２１Ａ）は、図１７、図１８、図１９、及び図２０に示されるように、各単位構造２１（２１Ａ）において、第３群ＭＧ３の内の任意の一第３群は、第２群ＭＧ２と第４群ＭＧ４の内の一第４群との間にある。第２群ＭＧ２は、第１群ＭＧ１と第３群ＭＧ３のすべてとの間にある。第４群ＭＧ４の内の任意の一第４群は、第３群の内の二つの第３群の間にある。
【００９１】
単位構造２１（２１Ａ）における典型的な配列は、第１群ＭＧ１、第２群Ｍ２Ｇ、単一の第４群ＭＧ４、及び単一の第３群ＭＧ３の配列、並びに第１群ＭＧ１、第２群Ｍ２Ｇ、単一の第４群ＭＧ４、単一の第３群ＭＧ３、単一の第４群ＭＧ４、及び単一の第３群ＭＧ３の配列を包含する。
【００９２】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
以上説明したように、本実施形態によれば、デバイス特性の安定性と、長波長の赤外線に対する受光感度の向上とを両立可能な半導体受光素子を提供する。
【符号の説明】
【００９４】
１…半導体受光素子、２…第１電極、３…基板、４…第１導電型半導体層、５…受光層、６…第２導電型半導体層、７…コンタクト層、８…第２電極、２１，２１Ａ…単位構造、２２…ＩｎＡｓ部、３１…第１ＧａＳｂ部、３２…ＩｎＳｂ部、３３…第２ＧａＳｂ部、３４…ＩｎＳｂ部、Ｃ１…伝導帯、Ｅｇ１…バンドギャップ、Ｖ１…価電子帯。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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