(57)【要約】【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と、受光層上に設けられる第２電極と、を備える。受光層は、Ｉｎを含む第１半導体層と、Ｇａを含む第２半導体層とを有する単位構造が積層されてなるタイプＩＩの超格子構造を備え、第１半導体層は、ｐ型ドープ領域と、受光層の厚さ方向においてｐ型ドープ領域を挟む一対のノンドープ領域とを有する。【選択図】図３
2018190818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
前記第１電極上に設けられる受光層と、
前記受光層上に設けられる第２電極と、
を備え、
前記受光層は、Ｉｎを含む第１半導体層と、Ｇａを含む第２半導体層とを有する単位構造が積層されてなるタイプＩＩの超格子構造を備え、
前記第１半導体層は、ｐ型ドープ領域と、前記受光層の厚さ方向において前記ｐ型ドープ領域を挟む一対のノンドープ領域とを有する、
半導体受光素子。
【請求項２】
前記第２半導体層は、ｎ型ドープ領域と、前記受光層の厚さ方向において前記ｎ型ドープ領域を挟む一対のノンドープ領域とを有する、請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記ｎ型ドープ領域に含まれるｎ型ドーパントは、Ｓｉ、及びＴｅの少なくとも一つを含む、請求項２に記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記第２半導体層は、ノンドープ領域のみを有する、請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記ｐ型ドープ領域に含まれるｐ型ドーパントは、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、及びＺｎの少なくとも一つを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項６】
前記第１半導体層において、前記一対のノンドープ領域のそれぞれの厚さは略同一であり、
前記ｐ型ドープ領域の厚さは、前記一対のノンドープ領域のそれぞれの厚さよりも小さい、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項７】
前記単位構造は、前記受光層の格子ひずみを緩和するひずみ緩和層をさらに有し、
前記単位構造では、前記第２半導体層、前記第１半導体層、及び前記ひずみ緩和層が順に積層される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【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】
例えば下記非特許文献１には、赤外線用のフォトダイオードが記載されている。このフォトダイオードは、交互に積層されたＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とを含む超格子構造の受光層を有している。非特許文献１では、暗電流を低減して受光感度の向上を図るため、受光層内のＩｎＡｓ層の全体に所定量のＢｅをドーピングしている。このドーピングによって、残留不純物に起因してｎ型になったＩｎＡｓ層をｐ型に調整している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】D. Hoffman et.al.，“Beryllium compensation doping of InAs/GaSb infrared superlatticephotodiodes”,Appl. Phys. Lett., Volume 91, p.143507(2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したＩｎＡｓ層に含まれる残留不純物の濃度は、ＩｎＡｓ層の製造条件等によって容易に変化するので、当該濃度の制御は困難である。このため、残留不純物の濃度によっては、ＩｎＡｓ層に対してＢｅが過剰にドーピングされることがある。この場合、ＩｎＡｓ層におけるＧａＳｂ層との界面周辺に多量の正孔が拡散する。加えて、拡散した正孔がＧａＳｂ層に移動すると、ＧａＳｂ層とＩｎＡｓ層との界面及びその周辺に正孔が蓄積する。これにより、受光層に光が照射されたとき、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層との界面及びその周辺にて励起される価電子帯の電子の数が少なくなり、受光層の受光感度が低下してしまうことがある。
【０００５】
本発明は、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】
本発明の一側面に係る半導体受光素子は、第１電極と、第１電極上に設けられる受光層と、受光層上に設けられる第２電極と、を備え、受光層は、Ｉｎを含む第１半導体層と、Ｇａを含む第２半導体層とを有する単位構造が積層されてなるタイプＩＩの超格子構造を備え、第１半導体層は、ｐ型ドープ領域と、受光層の厚さ方向においてｐ型ドープ領域を挟む一対のノンドープ領域とを有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、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できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態に係る半導体受光素子を示す断面図である。
【図２】図２は、タイプＩＩの超格子構造を構成する単位構造の一例のバンド図である。
【図３】図３（ａ）は、受光層の拡大断面図であり、図３（ｂ）は受光層を構成する単位構造の拡大断面図である。
【図４】図４は、第１比較例に係る受光層の一部のバンド構造及び波動関数を示す図である。
【図５】図５は、第２比較例に係る受光層の一部のバンド構造及び波動関数を示す図である。
【図６】図６は、本実施形態に係る受光層内の半導体層のバンド構造を示す図である。
【図７】図７は、本実施形態に係る受光層の一部のバンド構造及び波動関数を示す図である。
【図８】図８は、上記実施形態の変形例に係る半導体受光素子の受光層の単位構造を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
【００１０】
本発明の一実施形態は、第１電極と、第１電極上に設けられる受光層と、受光層上に設けられる第２電極と、を備え、受光層は、Ｉｎを含む第１半導体層と、Ｇａを含む第２半導体層とを有する単位構造が積層されてなるタイプＩＩの超格子構造を備え、第１半導体層は、ｐ型ドープ領域と、受光層の厚さ方向においてｐ型ドープ領域を挟む一対のノンドープ領域とを有する半導体受光素子である。
【００１１】
この半導体受光素子では、上記厚さ方向において第１半導体層の中央にｐ型ドープ領域が設けられ、且つ、第１半導体層における第２半導体層との界面にノンドープ領域が位置する。この場合、第１半導体層内の正孔は、第１半導体層の全体にドーピングが施された場合と比較して、第２半導体層との界面まで拡散しにくくなる。このため、第１及び第２半導体層の界面とその周辺に正孔が蓄積されにくくなる。加えて第１半導体層においては、ｐ型ドープ領域のポテンシャルエネルギーが高くなる。このため、第１半導体層における伝導帯端の波動関数は、ノンドープ領域側へ押し出される。これにより、第１半導体層内の電子は、第１及び第２半導体層の界面とその付近に分布する傾向にある。したがって、受光層の光吸収時に上記界面とその付近における光学遷移が発生しやすくなる。よって上記半導体受光素子によれば、受光感度の安定的な向上が可能になる。
【００１２】
第２半導体層は、ｎ型ドープ領域と、受光層の厚さ方向においてｎ型ドープ領域を挟む一対のノンドープ領域とを有してもよい。この場合、第２半導体層においては、ｎ型ドープ領域のポテンシャルエネルギーが低くなる。このため、第２半導体層における価電子帯端の波動関数は、ノンドープ領域側へ押し出される。したがって、受光層の光吸収時に上記界面とその付近における光学遷移が好適に発生しやすくなるので、半導体受光素子の受光感度をより安定的に向上できる。
【００１３】
ｎ型ドープ領域に含まれるｎ型ドーパントは、Ｓｉ、及びＴｅの少なくとも一つを含んでもよい。
【００１４】
第２半導体層は、ノンドープ領域のみを有してもよい。Ｇａを含む第２半導体層を形成する際に含まれる残留不純物は、通常ｐ型を示す。このため、第１及び第２半導体層の両方がｐ型を示し、受光層における少数キャリアは電子になる。電子の移動度は正孔の移動度より大きいため、光吸収で生じる電流（生成されたキャリアが単位時間当たりに流れる量）が増加し、受光感度を向上できる。
【００１５】
ｐ型ドープ領域に含まれるｎ型ドーパントは、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、及びＺｎの少なくとも一つを含んでもよい。
【００１６】
第１半導体層において、一対のノンドープ領域のそれぞれの厚さは略同一であり、ｐ型ドープ領域の厚さは、一対のノンドープ領域のそれぞれの厚さよりも小さくてもよい。この場合、第１及び第２半導体層の界面及びその周辺に正孔がより蓄積しにくくなる。
【００１７】
単位構造は、受光層の格子ひずみを緩和するひずみ緩和層をさらに有し、単位構造では、第２半導体層、第１半導体層、及びひずみ緩和層が順に積層されてもよい。この場合、受光層の結晶品質を向上できる。
［本願発明の実施形態の詳細］
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１９】
図１は、本実施形態に係る半導体受光素子を示す断面図である。図１に示される半導体受光素子１は、例えば中赤外波長領域の光を検知する素子である。半導体受光素子１は、第１電極２と、基板３と、第１超格子層４と、受光層５と、第２超格子層６と、コンタクト層７と、第２電極８とを備えている。以下では、半導体受光素子１を構成する層（例えば受光層５）の厚さ方向を、方向Ｔと定義する。この場合、第１電極２と、基板３と、第１超格子層４と、受光層５と、第２超格子層６と、コンタクト層７と、第２電極８とは、方向Ｔに沿って順に配列されている。したがって、基板３と、第１超格子層４と、受光層５と、第２超格子層６と、コンタクト層７と、第２電極８とは、第１電極２上に設けられる。また、第２電極８は、第１電極２と、基板３と、第１超格子層４と、受光層５と、第２超格子層６と、コンタクト層７との上に設けられる。なお、本明細書において中赤外波長領域に含まれる波長は、２．５μｍ〜２５μｍとする。
【００２０】
第１電極２は、基板３における一方の主面３ａ上に設けられる導電層である。第１電極２は、例えば金属（例えばＡｕ（金）、Ｔｉ（チタン）、Ｐｔ（白金）等）または合金等を含む。第１電極２は単層構造を有してもよいし、多層構造を有してもよい。
【００２１】
基板３は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板であり、例えばｎ型のＧａＳｂ基板である。このため、基板３には、例えばｎ型ドーパントであるＳｉ（ケイ素）、Ｔｅ（テルル）等が含まれている。以下では、ｎ型ドーパントは、Ｓｉ、及びＴｅの少なくとも一つを含むものとする。なお、ＩＩＩ族元素は例えばＧａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）等であり、Ｖ族元素は例えばＡｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）等である。
【００２２】
第１超格子層４は、正孔ブロック層として機能するｎ型のＩＩＩ−Ｖ族半導体層であり、基板３の他方の主面３ｂ上にエピタキシャル成長した半導体層である。第１超格子層４は、複数の異なる半導体層を含む単位構造が積層されてなるタイプＩＩの超格子構造を有する。第１超格子層４においては、例えばＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層を含む単位構造が積層されることによって超格子構造を構成する。第１超格子層４において、１つあたりのＧａＳｂ層の厚さは２ｎｍ〜６ｎｍであり、１つあたりのＩｎＡｓ層の厚さは１ｎｍ〜６ｎｍである。１つあたりの単位構造の厚さは４ｎｍ〜１２ｎｍである。また、第１超格子層４内の単位構造の数（周期）は、例えば５０〜２００である。したがって、第１超格子層４の厚さは、例えば０．２μｍ〜２．４μｍである。第１超格子層４は、例えば分子線エピキタシー法（Molecular Beam Epitaxy法、以下単にＭＢＥ法とする）によって形成される。例えば、ＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層のそれぞれは、成長温度：４００℃〜６００℃、成長速度：０．３Å／ｓ〜１．０Å／ｓの条件にてエピタキシャル成長する。なお、第１超格子層４はｎ型を呈するため、例えばＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層の少なくともいずれかにｎ型ドーパントが含まれてもよい。
【００２３】
ここで、タイプＩＩの超格子構造について図２を用いながら説明する。図２は、タイプＩＩの超格子構造を構成する単位構造の一例のバンド図である。図２では、単位構造１１内に含まれる異なる２つの半導体層１２，１３が互いにヘテロ接合しているときのバンド図が示されている。図２には、半導体層１２の価電子帯端１２ａ及び伝導帯端１２ｂと、半導体層１３の価電子帯端１３ａ及び伝導帯端１３ｂとが示されている。加えて図２には、超格子構造の価電子帯端Ｖ１、伝導帯端Ｃ１、及びバンドギャップＥｇ１が示されている。この単位構造１１では、半導体層１２の伝導帯端１２ｂが位置するエネルギーは、半導体層１３の価電子帯端１３ａが位置するエネルギーよりも低くなっている。本実施形態では、半導体層１２，１３の関係となっている単位構造１１が積層されてなる超格子構造は、タイプＩＩの超格子構造であるとする。
【００２４】
図１に戻って、受光層５は、方向Ｔにおいて第２電極８側から入射した光Ｌを検知する光吸収層であり、第１超格子層４上にエピタキシャル成長したＩＩＩ−Ｖ族半導体層である。受光層５は、第１超格子層４と同様に、タイプＩＩの超格子構造を有する。受光層５の詳細な説明については、後述する。
【００２５】
第２超格子層６は、電子ブロック層として機能するｐ型のＩＩＩ−Ｖ族半導体層であり、受光層５上にエピタキシャル成長した半導体層である。第２超格子層６は、第１超格子層４及び受光層５と同様に、タイプＩＩの超格子構造を有する。第２超格子層６においては、例えばＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層を含む単位構造が積層されることによって超格子構造を構成する。第２超格子層６において、受光層５よりバンドギャップエネルギーが大きくなるように超格子層の層構造が決められるが、１つあたりのＧａＳｂ層の厚さは２ｎｍ〜６ｎｍであり、１つあたりのＩｎＡｓ層の厚さは１ｎｍ〜６ｎｍである。１つあたりの単位構造の厚さは４ｎｍ〜１２ｎｍである。また、第２超格子層６内の単位構造の数（周期）は、例えば５０〜２００である。したがって、第２超格子層６の厚さは、例えば０．２μｍ〜２．４μｍである。第２超格子層６は、第１超格子層４及び受光層５と同様に、ＭＢＥ法によって形成される。なお、第２超格子層６はｐ型を呈するため、例えばＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層の少なくともいずれかにｐ型ドーパントであるＢｅ（ベリリウム）、Ｂ（ホウ素）、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）等が含まれてもよい。以下では、ｐ型ドーパントは、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、及びＺｎの少なくとも一つを含むものとする。
【００２６】
コンタクト層７は、ｐ型のＩＩＩ−Ｖ族半導体層であり、第２超格子層６上にエピタキシャル成長した半導体層である。コンタクト層７は、第２超格子層６と同様に、ＧａＳｂ層とＩｎＡｓ層とが交互に積層されることによって形成される層である。コンタクト層７の厚さは、例えば５０ｎｍである。コンタクト層７はｐ型を呈するため、第２超格子層６と同様に、ＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層の少なくともいずれかにｐ型ドーパントが含まれてもよい。
【００２７】
第２電極８は、コンタクト層７上に設けられている導電層である。第２電極８は、例えば金属（例えば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）等）または合金等を含む。第２電極８は単層構造を有してもよいし、多層構造を有してもよい。
【００２８】
半導体受光素子１においては、第２電極８の一部とコンタクト層７の一部とが例えばリフトオフ又はエッチングされることによって、第２超格子層６を露出する窓部１ａが設けられている。半導体受光素子１に向かって照射される光Ｌは、窓部１ａ及び第２超格子層６を介して受光層５に入射する。
【００２９】
次に、図３（ａ），（ｂ）を用いながら受光層５の構造について詳細に説明する。図３（ａ）は、受光層の拡大断面図であり、図３（ｂ）は受光層を構成する単位構造の拡大断面図である。図３（ａ），（ｂ）に示されるように、受光層５は、複数の単位構造２１が方向Ｔに沿って積層されることによって超格子構造を構成する。受光層５内の単位構造２１の数（周期）は、例えば２００である。受光層５の単位構造２１のそれぞれは、互いに異なる半導体層２２，２３を有している。
【００３０】
半導体層２２は、Ｇａを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層である。半導体層２２には、ＧａＳｂ結晶が存在してもよいし、ＧａＩｎＳｂ混晶が存在してもよい。本実施形態の半導体層２２は、ＭＢＥ法によって形成されるＧａＳｂ層である（第２半導体層とも呼称される）。半導体層２２は、互いに積層された複数のＧａＳｂ分子層を有している。このＧａＳｂ分子層の数は、例えば５〜１５である。ＭＢＥ法によって成長する分子層１つあたりの厚さは約３Åであるので、半導体層２２の厚さは、例えば１５Å〜４５Å（１．５ｎｍ〜４．５ｎｍ）である。半導体層２２は、ドープ領域２２ａと、方向Ｔにおいてドープ領域２２ａを挟む一対のノンドープ領域２２ｂとを有する。
【００３１】
ドープ領域２２ａは、ＭＢＥ法による半導体層２２の結晶成長時にｎ型ドーパントが加えられた領域である。ドープ領域２２ａのドーパント濃度は、例えば１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３である。ドープ領域２２ａ内のドーパント濃度は、均一でもよいし、不均一でもよい。不均一である場合、方向Ｔにおけるドープ領域２２ａの中央部のドーパント濃度が最も高くてもよい。半導体層２２においてドープ領域２２ａを構成するＧａＳｂ分子層の数は、例えば１〜１３である。
【００３２】
それぞれのノンドープ領域２２ｂは、ＭＢＥ法による半導体層２２の結晶成長時にｎ型ドーパントが加えられていない領域である。ノンドープ領域２２ｂのドーパント濃度は、測定下限値（バックグラウンド）以下であり、例えば１×１０１６ｃｍ−３未満である。一対のノンドープ領域２２ｂのそれぞれの厚さは略同一である。このため、半導体層２２においてそれぞれのノンドープ領域２２ｂを構成するＧａＳｂ分子層の数は、例えば１〜６である。
【００３３】
本実施形態では、方向Ｔに交差する半導体層２２の表面に電子が蓄積することを抑制する観点から、ドープ領域２２ａの厚さは、一対のノンドープ領域２２ｂのそれぞれの厚さよりも小さくてもよい。しかしながら、ドープ領域２２ａの厚さと、一対のノンドープ領域２２ｂのそれぞれの厚さとは、互いに同一でもよい。また、ドープ領域２２ａの厚さは、一対のノンドープ領域２２ｂのそれぞれの厚さより大きくてもよい。
【００３４】
ＭＢＥ法によってドープ領域２２ａを好適に形成する観点から、当該ドープ領域２２ａを構成するＧａＳｂ分子層の成長条件は、第１超格子層４におけるＧａＳｂ層の成長条件と異なってもよい。例えば、ドープ領域２２ａの成長時に、ドーパントのフラックスを調整すること、成長速度を０．３Å未満にすると共に成長中断期間を設けること等が挙げられる。もしくは、成長温度を４００℃未満と設定してドープ領域２２ａを成長した後、アニーリングによってドープ領域２２ａ内のドーパントを活性化させてもよい。
【００３５】
半導体層２３は、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層である。半導体層２３には、ＩｎＡｓ結晶が存在してもよいし、ＩｎＡｓＳｂ混晶が存在してもよい。本実施形態の半導体層２３は、ＭＢＥ法によって形成されるＩｎＡｓ層である（第１半導体層とも呼称される）。半導体層２３は、互いに積層された複数のＩｎＡｓ分子層を有している。このＩｎＡｓ分子層の数は、例えば１０〜２０である。このため、半導体層２３の厚さは、例えば３０Å〜６０Å（３ｎｍ〜６ｎｍ）である。半導体層２３の厚さが大きいほど、半導体受光素子１は長波長の光を吸収する傾向にある。半導体層２３は、ドープ領域２３ａと、方向Ｔにおいてドープ領域２３ａを挟む一対のノンドープ領域２３ｂとを有する。
【００３６】
ドープ領域２３ａは、ＭＢＥ法による半導体層２３の結晶成長時にｐ型ドーパントが加えられた領域である。ドープ領域２３ａのドーパント濃度は、例えば１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３である。ドープ領域２３ａ内のドーパント濃度は、均一でもよいし、不均一でもよい。不均一である場合、方向Ｔにおけるドープ領域２３ａの中央部のドーパント濃度が最も高くてもよい。半導体層２３においてドープ領域２３ａを構成するＩｎＡｓ分子層の数は、例えば１〜１８である。
【００３７】
それぞれのノンドープ領域２３ｂは、ＭＢＥ法による半導体層２３の結晶成長時にｐ型ドーパントが加えられていない領域である。換言すると、ノンドープ領域２３ｂは、半導体層２３において意図的にｐ型ドーパントが加えられていない領域である。ノンドープ領域２３ｂのドーパント濃度は、測定下限値（バックグラウンド）以下であり、例えば１×１０１６ｃｍ−３未満である。一対のノンドープ領域２３ｂのそれぞれの厚さは略同一である。このため、半導体層２３においてそれぞれのノンドープ領域２３ｂを構成するＩｎＡｓ分子層の数は、例えば１〜９である。
【００３８】
本実施形態では、方向Ｔに交差する半導体層２３の表面に正孔が蓄積することを抑制する観点から、ドープ領域２３ａの厚さは、一対のノンドープ領域２３ｂのそれぞれの厚さよりも小さくてもよい。しかしながら、ドープ領域２３ａの厚さと、一対のノンドープ領域２３ｂのそれぞれの厚さとは、互いに同一でもよい。また、ドープ領域２３ａの厚さは、一対のノンドープ領域２３ｂのそれぞれの厚さより大きくてもよい。なお、ＭＢＥ法によってドープ領域２３ａを好適に形成する観点から、当該ドープ領域２３ａを構成するＩｎＡｓ分子層の成長条件は、ドープ領域２２ａの成長条件と同様に、第１超格子層４におけるＩｎＡｓ層の成長条件と異なってもよい。例えば、ドープ領域２３ａの成長時に、ドーパントのフラックスを調整すること、成長速度を０．３Å未満にすると共に成長中断期間を設けること等が挙げられる。もしくは、成長温度を４００℃未満と設定してドープ領域２３ａを成長した後、アニーリングによってドープ領域２３ａ内のドーパントを活性化させてもよい。
【００３９】
以下では、図４，５に示す比較例に係る受光層のバンド図及び波動関数と、図６，７に示す本実施形態に係る受光層５のバンド図及び波動関数とを参照しながら、本実施形態に係る半導体受光素子１の作用効果を説明する。図４は、第１比較例に係る受光層の一部のバンド構造及び波動関数を示す図である。図５は、第２比較例に係る受光層の一部のバンド構造及び波動関数を示す図である。図６は、本実施形態に係る受光層内の半導体層のバンド構造を示す図である。図７は、本実施形態に係る受光層の一部のバンド構造及び波動関数を示す図である。なお、図４〜図７に示される方向αはエネルギーを示し、方向βは受光層の厚さ方向を示す。
【００４０】
第１比較例の受光層の単位構造は、ドーピングがなされていないＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層を有している。図４においては、ＧａＳｂ層の価電子帯端１０１と、ＧａＳｂ層の伝導帯端１０２と、ＩｎＡｓ層の価電子帯端１０３と、ＩｎＡｓ層の伝導帯端１０４とが示されている。また、第１比較例の受光層はタイプＩＩの超格子構造を有しており、図４には、受光層の価電子帯端Ｖ、伝導帯端Ｃ、及びバンドギャップＥｇと、受光層の価電子帯端Ｖの波動関数を示すグラフ１１１と、受光層の伝導帯端Ｃの波動関数を示すグラフ１１２とを示している。グラフ１１１に示される波動関数は、価電子帯端Ｖにおける電子の存在確率を示しており、グラフ１１２に示される波動関数は、伝導帯端Ｃにおける電子の存在確率を示している。なお、図４において１対の一点鎖線にて挟まれた領域を、各グラフ１１１，１１２の１周期を周期Ｐとする。
【００４１】
このような第１比較例においては、ＩｎＡｓ層及びＧａＳｂ層の厚さが薄い場合（受光層が短波長を吸収する場合）、受光層の伝導帯の電子は、トンネル効果によってＩｎＡｓ層及びＧａＳｂ層の両方に広く分布される。このため、価電子帯端Ｖ近傍の電子は、その有効質量が大きいので主にＧａＳｂ層に局在して分布しているにもかかわらず、バンドギャップＥｇより大きいエネルギーの光を吸収して伝導帯端Ｃに励起されやすくなる。しかしながら、例えば受光層に長波長を検知させるためにＩｎＡｓ層の厚さを大きくすると、伝導帯端Ｃの電子はＩｎＡｓ層に局在する傾向にある。これは、ＩｎＡｓ層の厚さが大きくなる（すなわち、ＩｎＡｓ分子層の数が多くなる）と、伝導帯端Ｃの電子のエネルギーが小さくなり、且つ、ＧａＳｂ層の電子障壁が大きくなり、トンネル効果が発生しにくくなるからである。これにより、ＩｎＡｓ層に電子が閉じ込められやすくなり、価電子帯端Ｖ近傍の電子が伝導帯端Ｃに励起されにくくなる。このため、受光層の光吸収は、グラフ１１１，１１２が重なるＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層との界面及びその近傍の狭い領域で生じる。すなわち、受光層において光学遷移に有効な領域が小さくなってしまう。これにより、半導体受光素子の受光感度が低下する傾向にある。なお、グラフ１１１，１１２がある位置で重なるとは、グラフ１１１，１１２のいずれもその位置で０ではないことを示す。図４の周期Ｐ内においては、網掛けされた領域１１１ａ，１１２ａが、グラフ１１１，１１２が重なる領域（光学遷移に有効な領域）に相当する。グラフ１１１が０である状態は、グラフ１１１と価電子帯端Ｖとが互いに重なる状態に相当し、価電子帯端Ｖにおける正孔の存在確率が０になる状態である。グラフ１１２が０である状態は、グラフ１１２と伝導帯端Ｃとが互いに重なる状態に相当し、伝導帯端Ｃにおける電子の存在確率が０になる状態である。
【００４２】
第２比較例の受光層の単位構造は、ドーピングがなされていないＧａＳｂ層と、ｐ型ドーピングがなされたＩｎＡｓ層（ｐ−ＩｎＡｓ）とを有している。図５においては、ＧａＳｂ層の価電子帯端２０１と、ＧａＳｂ層の伝導帯端２０２と、ＩｎＡｓ層の価電子帯端２０３と、ＩｎＡｓ層の伝導帯端２０４とが示されている。図５には、図４と同様に、受光層の価電子帯端Ｖ、伝導帯端Ｃ、及びバンドギャップＥｇと、グラフ１１１，１１２とが示されている。このような第２比較例においては、残留不純物の影響によってｎ型となりやすいＩｎＡｓ層がｐ型になっている。このため、受光層内の電子が少数キャリアになる。電子の有効質量は正孔の有効質量と比較して小さいので、受光層の移動度を向上させ、受光感度が向上する可能性がある。しかしながら上述したように、ＩｎＡｓ層に対してｐ型ドーパントが過剰にドーピングされると、ＩｎＡｓ層におけるＧａＳｂ層との界面周辺に多量の正孔Ｈが拡散する。加えて、拡散した正孔ＨがＧａＳｂ層に移動すると、ＧａＳｂ層とＩｎＡｓ層との界面及びその周辺に正孔Ｈが蓄積する。これにより、受光層に光が照射されたとき、ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層との界面及びその周辺にて励起される電子が少なくなる。ここで上述したように、ＩｎＡｓ層に含まれる残留不純物の濃度は、ＩｎＡｓ層の製造条件等によって容易に変化するので、当該濃度の制御は困難である。したがって第２比較例においては、励起される価電子帯の電子の数が少なくなり、受光層の受光感度は低下してしまう可能性が高い。
【００４３】
これに対して本実施形態に係る半導体受光素子１の受光層５に含まれる単位構造２１は、一対のノンドープ領域２３ｂに挟まれたドープ領域２３ａを有する半導体層２３を有する。半導体層２３はＩｎＡｓ層であり、且つ、ドープ領域２３ａにはｐ型ドーパントが含まれる。このため、半導体層２３の中央部分でバンド曲がりが生じる。具体的には、図６に示される半導体層２３の価電子帯端３３及び伝導帯端３４の通り、半導体層２３の中央部分のポテンシャルエネルギーが最も高くなるように、バンド曲がりが生じている。加えて、方向Ｔにおける半導体層２３の両端面側のバンド曲がりは抑えられている。このような半導体層２３のバンド曲がりが生じることによって、受光層５における伝導帯端Ｃの波動関数は、半導体層２２との界面側（ノンドープ領域２３ｂ側）へ押し出される。このため図７に示されるように、受光層５（図１を参照）における伝導帯端Ｃの波動関数を示すグラフ４２は、グラフ１１２と異なる形状を示す。具体的には、グラフ４２の形状は、グラフ１１２の形状と比較して、伝導帯端Ｃの波動関数が半導体層２２，２３の界面及びその付近に分布する傾向を示す。換言すると、グラフ４２は、グラフ１１２よりも、半導体層２３における半導体層２２との界面側（すなわち、ノンドープ領域２３ｂ）に正孔が蓄積されにくく、むしろ多くの電子が存在し得ることを示す。
【００４４】
このように半導体層２３の中央部分（ドープ領域２３ａ）のバンドを意図的に曲げつつ、且つ、半導体層２３の各界面部分（各ノンドープ領域２３ｂ）のバンド曲がりを抑えることによって、上記界面及びその付近における電子の存在確率を上げることができる。これによって、受光層５の光吸収時に上記界面及びその付近における光学遷移が発生しやすくなる。よって半導体受光素子１によれば、受光感度の安定的な向上が可能になる。
【００４５】
さらに本実施形態では、単位構造２１に含まれる半導体層２２はＧａＳｂ層であり、且つ、ドープ領域２２ａにはｎ型ドーパントが含まれる。このため、半導体層２３だけでなく半導体層２２においてもバンド曲がりが生じている。具体的には、図６に示される半導体層２２の価電子帯端３１及び半導体層２２の伝導帯端３２の通り、半導体層２２の中央部分のポテンシャルエネルギーが最も低くなるように、バンド曲がりが生じている。加えて、方向Ｔにおける半導体層２２の両端面側のバンド曲がりは抑えられている。このような半導体層２２のバンド曲がりが生じることによって、受光層５における価電子帯端Ｖの波動関数は、半導体層２３との界面側（ノンドープ領域２２ｂ側）へ押し出される。このため図７に示されるように、受光層５（図１を参照）における価電子帯端Ｖの波動関数を示すグラフ４１は、グラフ１１１と異なる形状を示す。グラフ４１の形状は、グラフ１１１の形状と比較して、価電子帯端Ｖの波動関数が半導体層２２，２３の界面及びその付近に分布することを示す。換言すると、グラフ４１は、グラフ１１１よりも、半導体層２２における半導体層２３との界面側（すなわち、ノンドープ領域２２ｂ）に電子が存在する傾向を示す。このように半導体層２２を形成することによって、半導体層２２，２３の界面及びその付近における光学遷移がより発生しやすくなるので、受光感度のより安定的な向上が可能になる。
【００４６】
図７に示されるように、領域４１ａ，４２ａの面積は、図４に示される領域１１２ａ，１１２ｂの面積よりも大きくなっている。このことからも、本実施形態では、例えば第１比較例よりも、光学遷移に有効な領域が大きくなっていることがわかる。
【００４７】
半導体層２３において、一対のノンドープ領域２３ｂのそれぞれの厚さは略同一であり、ドープ領域２３ａの厚さは、一対のノンドープ領域２３ｂのそれぞれの厚さよりも小さくてもよい。このとき、半導体層２２，２３の界面及びその周辺に正孔がより蓄積しにくくなる。
【００４８】
図８は、上記実施形態の変形例に係る半導体受光素子の受光層の単位構造を示す拡大断面図である。図８に示されるように、単位構造２１Ａは、半導体層２２，２３と、半導体層２３上に設けられる半導体層２４とを有する。このため、単位構造２１Ａでは、半導体層２２〜２４が順に積層される。半導体層２４は、受光層の格子ひずみを緩和する機能を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体層である。例えば、半導体層２２がＧａＳｂ層であり、半導体層２３がＩｎＡｓ層である場合、半導体層２４は、ＧａＳｂ層よりも長い格子定数を有するＩｎＳｂ層である。半導体層２４は、１又は２の分子層から構成される。このため、半導体層２４は、半導体層２２，２３よりも薄い。このような変形例に係る半導体受光素子は、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。加えて、単位構造２１Ａに半導体層２４が設けられることによって、受光層の結晶品質を向上できる。
【００４９】
本発明による半導体受光素子は、上述した実施形態及びその変形例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば上記実施形態においては、半導体層２２，２３の両方にドープ領域が設けられているが、いずれか片方のみにドープ領域が設けられてもよい。換言すると、半導体層２２，２３のいずれか一方は、ノンドープ領域のみを有してもよい。このとき、半導体層２３のみにドープ領域が設けられてもよい。Ｇａを含む半導体層２２を形成する際に含まれる残留不純物は、通常ｐ型を示す。このため、半導体層２２と、ドープ領域２３ａを含む半導体層２３との両方がｐ型を示し、受光層５における少数キャリアは電子になる。この場合、電子の移動度は正孔の移動度より大きいため、受光層５の受光感度を向上できる。
【００５０】
上記実施形態及び上記変形例において、第１超格子層４、第２超格子層６、及びコンタクト層７の少なくともいずれかの単位構造に、ゆがみ緩和層が設けられてもよい。この場合、半導体受光素子全体の結晶品質を向上できる。
【００５１】
上記実施形態及び上記変形例において、半導体層２２は、ＧａＳｂ結晶及びＧａＩｎＳｂ混晶の両方を含んでもよいし、ＧａＳｂ結晶及びＧａＩｎＳｂ混晶以外の結晶、もしくは不純物を含んでもよい。また、半導体層２３は、ＩｎＡｓ結晶及びＩｎＡｓＳｂ混晶の両方を含んでもよいし、ＩｎＡｓ結晶及びＩｎＡｓＳｂ混晶以外の結晶、もしくは不純物を含んでもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…半導体受光素子、２…第１電極、３…基板、４…第１超格子層、５…受光層、６…第２超格子層、７…コンタクト層、８…第２電極、２１，２１Ａ…単位構造、２２…半導体層（第２半導体層）、２２ａ…ドープ領域、２２ｂ…ノンドープ領域、２３…半導体層（第１半導体層）、２３ａ…ドープ領域、２３ｂ…ノンドープ領域、２４…半導体層、３１…価電子帯端、３２…伝導帯端、３３…価電子帯端、３４…伝導帯端、Ｃ…伝導帯端、Ｃ１…伝導帯端、Ｅｇ…バンドギャップ、Ｖ…価電子帯端。
【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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