(57)【要約】      （修正有）【課題】有機金属気相成長法を利用して製造可能で、隣接層へのＺｎ拡散の少ない変調ドープ構造を有するエピタキシャル結晶及び受光素子を提供する。【解決手段】第１化合物半導体層１２と、第１化合物半導体層上に形成され、Ｚｎドープによりｐ型に制御された第２化合物半導体層１３と、この第２化合物半導体層上に形成された第３化合物半導体層１４とからなるエピタキシャル結晶において、第１化合物半導体層と第２化合物半導体層の界面、及び、第３化合物半導体層と第２化合物半導体層の界面が、タイプＩＩまたは価電子帯のみが不連続となるようなヘテロ接合構造をなすようにする。また、第２化合物半導体層の価電子帯の不連続量が、第１化合物半導体層及び第３化合物半導体層に対して、０．１ｅＶ以上となるようにする。【選択図】図３
2011119595.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１化合物半導体層と、
この第１化合物半導体層上に形成され、Ｚｎドープによりｐ型に制御された第２化合物半導体層と、
この第２化合物半導体層上に形成された第３化合物半導体層とからなるエピタキシャル結晶であって、
前記第１化合物半導体層と前記第２化合物半導体層の界面、及び、前記第３化合物半導体層と前記第２化合物半導体層の界面は、タイプＩＩまたは価電子帯のみが不連続となるようなヘテロ接合構造をなし、
前記第２化合物半導体層の価電子帯の不連続量は、前記第１化合物半導体層及び前記第３化合物半導体層に対して、０．１ｅＶ以上であることを特徴とするエピタキシャル結晶。
【請求項２】
前記第１及び第３化合物半導体層はＩｎＰで構成され、
前記第２化合物半導体層は（ＡｌxＧａ(1-x)）yＩｎ(1-y)Ａｓで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャル結晶。
【請求項３】
前記第２化合物半導体層は、前記第１及び前記第３化合物半導体層の伝導帯と連続する伝導帯を有するように組成が決定されていることを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャル結晶。
【請求項４】
基板上に、請求項１から３のいずれか一項に記載のエピタキシャル結晶を含む積層構造が形成されてなり、
前記第１化合物半導体層を電子増倍層、
前記第２化合物半導体層をｐ型電界制御層、
前記第３化合物半導体層を障壁層として備えることを特徴とする受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体層が積層されてなるエピタキシャル結晶及び受光素子に関し、特に、Ｚｎドープによりｐ型に制御された化合物半導体層を含むエピタキシャル結晶の積層構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバーを用いた光通信は、光電話、インターネット、ケーブルテレビの配信のため各家庭に引き込まれるようになってきた。光通信の伝送量が増加するとともに、ますます高速の光通信素子が必要となり、その受光素子においても、従来のＰＩＮ型のフォトダイオードに対し、雪崩降伏現象を用いたアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤと称する）の需要が増加している。
ＡＰＤには、主に図７のようにホールを増幅するタイプ（ホール増倍型）と図８のように電子を増幅するタイプ（電子増倍型）の２種類が考えられている（例えば、特許文献１）。ＡＰＤにおいて、受光層からキャリアを取り出すという点では、移動度の大きな電子の方が好ましいとされている。
【０００３】
図７に示すように、ホール増倍型ＡＰＤでは、ｎ型の電界制御層により受光層（光吸収層）とキャリア（ホール）増幅層に印加される電界を制御している。このｎ型電界制御層は、例えば、有機金属気相成長法により化合物半導体（例えば、ｎ型ＩｎＰ）をエピタキシャル成長させて形成される。このとき、ドーパントとしてＳやＳｉを用いることで、伝導型を容易にｎ型に制御することができる。そのため、比較的低速向けの用途には、このホール増倍型のＡＰＤが主に用いられている。
【０００４】
図８に示すように、電子増倍型ＡＰＤでは、ｐ型の電界制御層により受光層とキャリア（電子）増幅層に印加される電界を制御している。このｐ型電界制御層は、例えば、有機金属気相成長法により化合物半導体（例えば、ｐ型ＩｎＰやｐ型ＡｌＩｎＡｓ）をエピタキシャル成長させて形成される。このとき、ドーパントとしてＺｎを用いることで、伝導型がｐ型に制御される。また、ｐ型電界制御層の形成に際して、有機金属気相成長法よりも成長温度の低い分子線エピタキシー法を用いてＢｅやＺｎをドープする方法や、有機金属気相成長法を用いてＣをドープする方法等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２２３０２２号公報
【特許文献２】特開平５−１１０１３５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】S.M.Sze, Semiconductor Devices Physics and Technology,1986,p382-
【非特許文献２】Japanese Journal of Applied Physics 45（2006）7704,Kadoiwa et al.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、電子増倍型ＡＰＤを製造するにあたり、有機金属気相成長法によりＺｎをドープしてｐ型電界制御層を形成しようとすると、有機金属気相成長法では一般に成長温度が高く、隣接する層（受光層、電子増幅層）にＺｎが拡散してしまうため、急峻な電界制御層を形成できないという問題がある。逆に、Ｚｎ拡散を抑制するために成長温度を低くすると結晶性が低下してしまうという問題がある。
実際にＭＯＣＶＤ法にてＩｎＰ中にＺｎを添加した例を図１１に示す。文献等（例えば非特許文献２）からＩｎＰ中のＺｎの拡散係数は、２×１０−３２×［Ｚｎ濃度］ｃｍ２／秒程度と考えられており、本成長実験においても非常に良い一致を示している。本成長実験では、Ｚｎ添加層の上に約１μｍ程度しか成長していないが、ＡＰＤ構造においては受光層としてさらに３μｍ程度の厚い層を成長する必要であり、熱履歴としては３時間程度の熱履歴が追加される。そのような場合には、殆どのＺｎが拡散してしまい、ＡＰＤのデバイスとしては全く機能しないようになる。
一方で、分子線エピタキシー法によればｐ型電界制御層からｐ型不純物であるＣやＢｅが拡散するのを抑えることができる。しかしながら、ＭＢＥ法ではＰ系材料の取り扱いが難しいとか、厚膜層の形成に不向きであるなど技術的な難しさがあり、電子増倍型ＡＰＤを低コストで製造するのは困難となっている。
【０００８】
本発明は、有機金属気相成長法を利用して製造可能で、隣接層へのＺｎ拡散の少ない変調ドープ構造を有するエピタキシャル結晶及び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】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、第１化合物半導体層と、
この第１化合物半導体層上に形成され、Ｚｎドープによりｐ型に制御された第２化合物半導体層と、
この第２化合物半導体層上に形成された第３化合物半導体層とからなるエピタキシャル結晶であって、
前記第１化合物半導体層と前記第２化合物半導体層の界面、及び、前記第３化合物半導体層と前記第２化合物半導体層の界面は、タイプＩＩまたは価電子帯のみが不連続となるようなヘテロ接合構造をなし、
前記第２化合物半導体層の価電子帯の不連続量は、前記第１化合物半導体層及び前記第３化合物半導体層に対して、０．１ｅＶ以上であることを特徴とする。
ここで、タイプＩＩのヘテロ接合とは、伝導帯と価電子帯の不連続方向（＋，−）が同じ向きとなっているヘテロ接合であり、タイプＩのヘテロ接合とは、伝導帯と価電子帯の不連続方向（＋，−）が反対向きとなっているヘテロ接合である（図１２参照）。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のエピタキシャル結晶において、前記第１及び第３化合物半導体層はＩｎＰで構成され、
前記第２化合物半導体層は（ＡｌxＧａ(1-x)）yＩｎ(1-y)Ａｓで構成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のエピタキシャル結晶において、前記第２化合物半導体層は、前記第１及び前記第３化合物半導体層の伝導帯と連続する伝導帯を有するように組成が決定されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、基板上に、請求項１から３のいずれか一項に記載のエピタキシャル結晶を含む積層構造が形成されてなり、
前記第１化合物半導体層を電子増倍層、
前記第２化合物半導体層をｐ型電界制御層、
前記第３化合物半導体層を障壁層として備えることを特徴とする受光素子である。
【００１３】
以下、本発明を完成するに至った経緯について説明する。
化合物半導体中のＺｎの拡散については、すでに多くの文献で議論されている。例えば、荒巻らによる特許文献２やその他多くの半導体テキスト（例えば、非特許文献１）に見られるように、Ｆｉｃｋの法則に従うＺｎ拡散が考慮される。これは、単純にＺｎの濃度の高いところから低いところへ拡散するというものである。拡散メカニズムとして、格子間拡散や空孔拡散といったいくつかの現象も見受けられるが、基本的には、これらの拡散メカニズムは、拡散定数の違いとしてあらわすことができる。
【００１４】
ここで、Ｚｎドープによるｐ型半導体層が、ｐ型半導体層又はアンドープ層と接合している場合、Ｚｎの拡散はＦｉｃｋの法則に従うといって支障ない。しかしながら、Ｚｎドープによるｐ型半導体層が、ｐｎ接合を形成する場合やヘテロ接合を形成する場合は、界面のバンド構造が湾曲したり不連続になったりするため、Ｆｉｃｋの法則では説明が出来なくなる。
【００１５】
このような場合、バンド構造によるドーパントの再分布の考え方により説明できる。具体的には、化合物半導体の積層構造をエピタキシャル成長により形成する場合、各層の成長温度において、ドーパントのＺｎはＦｉｃｋの法則に従って拡散により結晶中を移動するが、同時に、Ｚｎはｐ型半導体層中ではアクセプタとしてイオン化しており、ホールが存在しているところではホール濃度を補償するように再分布するという考え方である。このようなＺｎの拡散メカニズムは文献等で明確になっているものではなく、本発明者らが実験的に見出したものである。
【００１６】
図９，１０は、有機金属気相成長法により形成された化合物半導体の積層構造を二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ：Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer）により分析したときのＺｎプロファイルを示す図である。
図９に示すエピタキシャル結晶は、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、基板側から第１層としてｐ−ＧａＡｓ層、第２層としてｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層（バンドギャップ２．４ｅＶ）、第３層としてｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層（バンドギャップ２．２ｅＶ）、第４層としてｎ−ＧａＡｓ層（バンドギャップ１．４ｅＶ）を順次形成した構造を有している。
なお、各層の成長温度は６６０℃である。第１層〜第３層はＺｎをドープすることにより伝導型をｐ型に制御されている。第４層はＳｉをドープすることにより伝導型をｎ型に制御されている。
図９より、第１から第３層のＺｎ濃度は、価電子帯の不連続に伴うフェルミ準位から計算されるようなホール濃度に近い値となっている。また、第１層と第２層の界面（ヘテロ界面）には、Ｚｎの蓄積が観察される。これより、６５０℃以上の成長温度ではＺｎ拡散が起こりやすく、ドープしたＺｎはホールを補償するように再分布すると考えられる。
【００１７】
図１０に示すエピタキシャル結晶は、ｎ−ＩｎＰ基板上に、基板側から第１層としてｎ−ＩｎＰ層、第２層としてｐ−ＩｎＰ層、第３層としてｎ−ＧａＩｎＡｓＰ層（バンドギャップ１．０ｅＶ）を順次形成した構造を有している。
なお、各層の成長温度は６４０℃である。第２層はＺｎをドープすることにより伝導型をｐ型に制御されている。
図１０より、第３層のｎ−ＩｎＧａＡｓＰは第２層のｐ−ＩｎＰよりもバンドギャップが狭いが、第３層側へは殆どＺｎの拡散がなく、ｐ−ＩｎＰ層内にＺｎはほぼ閉じ込められている。つまり、第３層のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層によりフェルミ準位が伝導帯側に近づき、ヘテロ界面付近のバンドは大きく曲げられる。このとき、ｐ−ＩｎＰ層のＺｎイオンはマイナスにチャージしておりホールに引き寄せられるため、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層側には拡散していないと考えられる。
【００１８】
Ｚｎの拡散メカニズムを解明する上で、図９，１０を参照して２つの事象について説明したが、発明者のこれまでの実験により同等の事象がさらに複数あることが確認されている。これらの結果を総合すると、Ｚｎドープによるｐ型半導体層が価電子帯に不連続があるヘテロ接合を形成する場合やｐｎ接合を形成する場合には、Ｚｎは価電子帯の不連続量やバンド構造の湾曲に従ってホールに引き寄せられるかのごとく再分布するように拡散するといえる。
【００１９】
すなわち、電子の濃度、ホールの濃度、Ｚｎの濃度を各々、［ｅ−］、［ｐ＋］、［Ｚｎ−］とし、結晶中のキャリアについて電気的中性条件を考えると、
［ｅ−］＋［Ｚｎ−］＝［ｐ＋］
となる。ポアソン方程式において、［ｅ−］、［ｐ＋］、［Ｚｎ−］の３つを用い、Ｚｎは自由に動けるとすると、バンド図およびＺｎの再分布の様子を導くことができる。
電子が容易に動けるのに対し、Ｚｎは拡散で相対的にゆっくりと移動するが、一方で、ホールがヘテロ界面等で束縛されている場合には、それを補償するようにＺｎ濃度が再分布すると考えられ、
［Ｚｎ−］＝［ｐ＋］
となる。
【００２０】
ところで、電子増倍型ＡＰＤにおいては、受光層からｐ型電界制御層、キャリア増幅層へかけて伝導帯のバンド構造はなだらかである必要がある。受光層で光吸収により励起された電子とホールは拡散又は電界により移動するが、通常、受光層のバンドギャップは受光層を狭持する２層よりも狭いため、ヘテロ界面における障壁を乗り越える必要があるためである。一方で、電界制御を行うｐ型電界制御層は、価電子帯のバンド図が凸凹していてもよい。
本発明者は、電子増倍型ＡＰＤに要求されるこのようなバンド構造と、上述した新たなＺｎ拡散メカニズムに基づいて、電子増倍型ＡＰＤの電界制御層に好適で、Ｚｎ拡散を効果的に抑制しうる変調ドープ構造を検討した。そして、ＩｎＰに対してタイプＩＩのヘテロ接合となるＡｌＩｎＡｓ、タイプＩのヘテロ接合となるＧａＩｎＡｓに着目することにより、Ｚｎ拡散を効果的に抑制できる変調ドープ構造を実現した。
【００２１】
上述したように、本発明は、Ｚｎドープによるｐ型電界制御層を含むＡＰＤの積層構造を、従来と同様に有機金属気相成長法によりを形成することを前提として、急峻なｐ型電界制御層を実現すべく鋭意検討した結果、見出されたものである。具体的には、ｐ型電界制御層にドープされたＺｎの拡散は、接合界面におけるバンド構造に依存することを発見し、これに基づき価電子帯のバンド不連続量を規定することで、Ｚｎ拡散を抑制するというものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、有機金属気相成長法を利用して製造可能で、隣接層へのＺｎ拡散の少ない変調ドープ構造を有するエピタキシャル結晶及び受光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ＡｌＧａＩｎＡｓの組成依存性を示す図である。
【図２】実施形態に係るエピタキシャル結晶のバンド構造の一例を示す図である。
【図３】実施例に係るＡＰＤの積層構造について示す図である。
【図４】実施例に係るＡＰＤの積層構造をＳＩＭＳにより分析したときのＺｎプロファイルを示す図である。
【図５】実施例に係るＡＰＤのＩ−Ｖ特性の評価結果を示す図である。
【図６】価電子体の不連続量に対する閉じ込め係数をボルツマン分布に従って計算した結果を示す図である。
【図７】ホール増幅型ＡＰＤのバンド構造を示す図である。
【図８】電子増幅型ＡＰＤのバンド構造を示す図である。
【図９】有機金属気相成長法により形成された化合物半導体の積層構造をＳＩＭＳにより分析したときのＺｎプロファイルを示す説明図である。
【図１０】有機金属気相成長法により形成された化合物半導体の積層構造をＳＩＭＳにより分析したときのＺｎプロファイルを示す説明図である。
【図１１】有機金属気相成長法によりＩｎＰ中にＺｎを添加したときのＺｎプロファイルを示す図である。
【図１２】タイプＩ及びタイプＩＩのヘテロ接合のバンド構造を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態では、Ｚｎを閉じ込めやすい構造として、ＩｎＰとＡｌＩｎＡｓによるタイプＩＩのヘテロ接合と、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓによるタイプＩのヘテロ接合を組み合わせて応用している。
ＡｌＩｎＡｓはＩｎＰに対して伝導帯のエネルギーが高く（障壁になる）、価電子帯のエネルギーも高いので、これらはタイプＩＩのヘテロ接合を形成する。一方、ＧａＩｎＡｓはＩｎＰに対して伝導帯のエネルギーが低いが、価電子帯のエネルギーは高いので、これらはタイプＩのヘテロ接合を形成する。したがって、ＡｌＩｎＡｓとＧａＩｎＡｓの中間であるＡｌＧａＩｎＡｓの組成を最適化することで、伝導帯のエネルギーはＩｎＰと同じで、価電子帯のエネルギーのみ高くすることができる。
【００２５】
図１は、ＡｌＧａＩｎＡｓの組成依存性を示す図である。図１に示すように、ＩｎＰとＡｌＧａＩｎＡｓとのヘテロ接合は、Ａｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）が０（すなわちＧａＩｎＡｓ）〜０．５の範囲でタイプＩとなり、０．５〜１（すなわちＡｌＩｎＡｓ）の範囲でタイプＩＩとなる。また、Ａｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）が０．５となるようにＡｌＧａＩｎＡｓの組成を選択することで、価電子帯のみが凹み、伝導帯は一致（連続）するようなバンド図（図２）を描くことができる。
そして、このＡｌＧａＩｎＡｓ層にＺｎをドープすることで、Ｚｎを効果的に閉じ込めることが可能となり、両隣のＩｎＰ層へのＺｎ拡散を抑制することができる。
【００２６】
［実施例］
図３は、実施例に係るＡＰＤの積層構造について示す図である。
実施例では、横型ＭＯＣＶＤ装置を用いて、図３に示すＡＰＤの積層構造を成長させた。なお、各層成長時の成長温度は６００℃、圧力は０．００８ＭＰａとした。また、原料ガスとしてＴＭＡｌ，ＴＭＧａ，ＴＭＩｎ，ＰＨ3，ＡｓＨ3を用い、ｎ型半導体層のドーパントにはＳｉＨ4、ｐ型半導体層のドーパントにはＤＥＺｎを用いた。
【００２７】
図３に示すように、ＡＰＤ１は、ＩｎＰ基板１０上に、ｎ−ＩｎＰ層１１（３００ｎｍ、１×１０18ｃｍ-3）、ｉ−ＩｎＰ層１２（２００ｎｍ、＜１×１０15ｃｍ-3）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層１３（１３０ｎｍ、２．５×１０17cm-3）、アンドープＩｎＰ層１４（５０ｎｍ、＜１×１０15ｃｍ-3）、アンドープＧａＩｎＡｓＰ層１５（組成勾配層、５０ｎｍ、＜１×１０15ｃｍ-3）、アンドープＧａＩｎＡｓ層１６（１５００ｎｍ、＜１×１０15ｃｍ-3）、ｐ−ＩｎＰ層１７（１００ｎｍ、１×１０18ｃｍ-3）、ｐ−ＧａＩｎＡｓ層１８（１００ｎｍ、１×１０18ｃｍ-3）が順に成膜された構造となっている。なお、各層の厚さ、キャリア濃度は（）内に示すとおりである。
【００２８】
図３において、ｎ−ＩｎＰ層１１は基板の影響を取り除くためのバッファ層（緩衝層）で、ｉ−ＩｎＰ層１２は印加された電界によりキャリアである電子を加速して増幅させる電子増倍層である。ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層１３はｉ−ＩｎＰ層１２及びアンドープＧａＩｎＡｓ層１６に印加される電界を制御するためにＺｎをドープした電界制御層で、アンドープＩｎＰ層１４はｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層１３にＺｎを閉じ込めるための障壁層である。
アンドープＧａＩｎＡｓＰ層１５は、バンド構造を緩やかに傾斜させるための組成勾配層であり、この組成勾配層１５によりアンドープＧａＩｎＡｓ層１６で発生したキャリア（電子）は増倍層１２までスムーズに移動することができる。アンドープＧａＩｎＡｓ層１６は受光層（光吸収層）で、ＩｎＰより波長の長い光を受光可能となっている。ｐ−ＩｎＰ層１７及びｐ−ＧａＩｎＡｓ層１８は、ｐ型電極を形成するためのコンタクト層である。
【００２９】
ここで、電界制御層１３を構成するｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓの組成は、Ａｌ／（Ａｌ＋Ｇａ）が０．５となるようにした。すなわち、ｉ−ＩｎＰ層１２、ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層１３、アンドープＩｎＰ層１４のバンド構造が、図２に示すように、伝導帯は連続し、価電子帯だけが凹む構造となるようにした。
また、ｉ−ＩｎＰ層１２とｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層１３の価電子帯の不連続量、ｉ−ＩｎＰ層１４とｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層１３の価電子帯の不連続量は、ともに０．２６ｅＶとなっている。
【００３０】
図４は、図３に示すＡＰＤの積層構造をＳＩＭＳにより分析したときのＺｎプロファイルを示す図である。図４に示すように、ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層１３にドープしたＺｎは、ｉ−ＩｎＰ層１２、アンドープＩｎＰ層１４に拡散することなく、所望の分布となることを確認した。
図５は、ＡＰＤ１のＩ−Ｖ特性の評価結果を示す図である。図５に示すように４２Ｖでブレークダウンが起こり、ほぼ設計通りの値となり、ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層１３からｉ−ＩｎＰ層１２へのＺｎ拡散が十分に少なかったことを示している。
【００３１】
このように、ＡＰＤ１の積層構造は、第１化合物半導体層（ｉ−ＩｎＰ層１２）と、この第１化合物半導体層上に形成され、Ｚｎドープによりｐ型に制御された第２化合物半導体層（ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層１３）と、この第２化合物半導体層上に形成された第３化合物半導体層（アンドープＩｎＰ層１４）とからなるエピタキシャル結晶を含んで構成されている。
そして、第１化合物半導体層（１２）と第２化合物半導体層（１３）の界面、及び、第３化合物半導体層（１４）と第２化合物半導体層（１３）の界面は、価電子帯のみが不連続となるようなヘテロ接合構造をなしている。また、第２化合物半導体層の価電子帯の不連続量は、第１化合物半導体層及び第３化合物半導体層に対して、０．１ｅＶ以上となっている。
これにより、化合物半導体層の接合界面におけるバンド構造によってある程度Ｚｎ拡散が抑制されるため、その他の層の成長温度を従来よりも上げることができ、結晶性の向上を図ることができる。
【００３２】
ここで、Ｚｎ拡散を抑制するために、バンド不連続量をどの程度にすれば良いかについては、バンド不連続に伴うホール濃度の分布を仮定し、閉じ込め係数をΓとするとき、
Γ＝ｅｘｐ(ΔＥ/ｋＴ)
のようにボルツマン分布を仮定することで計算できる。ここに、ΔＥは価電子帯の不連続量で、ｋはボルツマン定数（８．６１７１×１０-5ｅＶ／Ｋ）、Ｔは成長温度（Ｋ）である。
例えば、ＩｎＰとＡｌＧａＩｎＡｓの価電子帯の不連続量が０．３ｅＶとなるようにすれば、６００℃（＝８７３Ｋ）では、
Γ＝ｅｘｐ（０．３／（８．６１７１×１０-5×８７３））＝５４．６
となるので、１／５０程度の濃度の違いが確保される。
また、６００℃において、価電子帯が連続している場合に比較して３倍以上の抑止効果を得るためには、
ｅｘｐ（ΔＥ／（８．６１７１×１０-5×８７３）)≧３
より、不連続量ΔＥを０．０８２以上とすればよいことになる。
【００３３】
図６は、価電子帯の不連続量に対する閉じ込め係数をボルツマン分布に従って計算した結果を示す図である。
図６より、化合物半導体層の成長温度が５５０℃（８２３Ｋ）〜６５０℃（９２３Ｋ）のとき、閉じ込め係数Γを３以上にするためには、不連続量ΔＥを０．１ｅＶ以上にすればよい。また、閉じ込め係数Γが３以上であればＺｎ拡散を抑制できるが、１０以上とすればさらに効果的にＺｎ拡散を抑制することができる。
【００３４】
また、ＡＰＤ１の積層構造において、第１及び第３化合物半導体層（１２，１４）はＩｎＰで構成され、第２化合物半導体層（１３）は（ＡｌxＧａ(1-x)）yＩｎ(1-y)Ａｓで構成されている。第１〜第３化合物半導体層をこのような構成とすることで、所望のバンド構造を比較的容易に実現することができる。
さらに、第２化合物半導体層（１３）は、第１及び第３化合物半導体層（１２，１４）の伝導帯と連続する伝導帯を有するように組成が決定されている（図２参照）。これにより、伝導帯での不連続における抵抗成分を低減できる。
【００３５】
受光素子としてのＡＰＤ１は、基板１０上に、上述したエピタキシャル結晶を含む積層構造が形成されてなり、第１化合物半導体層（１２）を電子増倍層、第２化合物半導体層（１３）をｐ型電界制御層、第３化合物半導体層（１４）を障壁層として備えている。
ＡＰＤ１によれば、結晶性に優れた化合物半導体の積層構造により構成されているので、デバイス特性の向上を図ることができる。
【００３６】
従来は、有機金属気相成長法によりＡＰＤの積層構造を成長させる場合、ｐ型電界制御層にドープされたＺｎの拡散を低減するために５５０℃以下の成長温度を用いる必要があった。そして、成長温度を十分に高くできない結果、有機金属からのＣの混入や、表面マイグレーションが十分でないために結晶性や表面モフォロジーが向上しないなどの幾つかの問題があった。
これに対して、実施例では、ｐ型電界制御層を含む積層構造を、図２に示すようなバンド構造となる化合物半導体の組合せで構成している。これにより、ｐ型電界制御層からのＺｎ拡散を効果的に抑制できるので、その他の層の成長温度を従来よりも高い６００℃とすることができ、結晶性の向上を図ることができる。
また、成長温度を上げて化合物半導体層の結晶性を向上させることと、Ｚｎ拡散の抑制をヘテロ構造を用いて改善する方法を組み合わせることで、製造条件の幅を広げる事ができ、さらにデバイス特性にあった成長条件を導くことが可能となる。
【００３７】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
上記実施形態では、ＩｎＰとＡｌＧａＩｎＡｓとのヘテロ接合において、伝導帯は連続して、価電子帯のみが不連続となる場合について説明したが、タイプＩＩのヘテロ接合構造となる場合も同様に、Ｚｎ拡散を抑制することができる。
上記実施形態では、本発明に係るエピタキシャル結晶を、ＡＰＤの積層構造に適用した場合について説明したが、他の半導体素子における積層構造に適用することもできる。例えば、Ｚｎドープによるｐ型半導体層を構成として含むトランジスタやサイリスタのような構造などにも適用可能である。
また、Ｚｎの代わりにＭｇをドープして伝導型をｐ型に制御する場合にも応用できる可能性がある。
【００３８】
今回開示された実施の形態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説明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。
【符号の説明】
【００３９】
１  アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
１０  基板
１１  ｎ−ＩｎＰ層（バッファ層）
１２  ｉ−ＩｎＰ層（電子増倍層）
１３  ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層（電界制御層）
１４  アンドープＩｎＰ層（障壁層）
１５  アンドープＧａＩｎＡｓＰ層（組成勾配層）
１６  アンドープＧａＩｎＡｓ層（受光層）
１７  ｐ−ＩｎＰ層（コンタクト層）
１８  ｐ−ＧａＩｎＡｓ層（コンタクト層）
【図１】
2011119595.tif 000003
【図２】
2011119595.tif 000004
【図３】
2011119595.tif 000005
【図４】
2011119595.tif 000006
【図５】
2011119595.tif 000007
【図６】
2011119595.tif 000008
【図７】
2011119595.tif 000009
【図８】
2011119595.tif 000010
【図９】
2011119595.tif 000011
【図１０】
2011119595.tif 000012
【図１１】
2011119595.tif 000013
【図１２】
2011119595.tif 000014