(57)【要約】【課題】スパイクの影響による感度低下を抑制したｐ−ｏｎ−ｎ構造の受光素子を提供を提供する。【解決手段】半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられたバッファ層と、前記バッファ層の上に積層された複数のｎ型超格子層と、前記ｎ型超格子層の上に設けられた受光層と、前記受光素子の上に設けられたｐ型超格子層と、前記バッファ層に電気的に接続されたｎ型電極と、前記ｐ型超格子層に電気的に接続されたｐ型電極と、を具備し、前記複数のｎ型超格子層のうち隣り合う層の間における電子親和力の差は、前記ｎ型超格子層の伝導帯を基準とするフェルミ準位の高さより小さい受光素子。【選択図】  図１
2019029624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に設けられたバッファ層と、
前記バッファ層の上に積層された複数のｎ型超格子層と、
前記ｎ型超格子層の上に設けられた受光層と、
前記受光素子の上に設けられたｐ型超格子層と、
前記バッファ層に電気的に接続されたｎ型電極と、
前記ｐ型超格子層に電気的に接続されたｐ型電極と、を具備し、
前記複数のｎ型超格子層のうち隣り合う層の間における電子親和力の差は、前記ｎ型超格子層の伝導帯を基準とするフェルミ準位の高さより小さい受光素子。
【請求項２】
前記複数のｎ型超格子層のバンドギャップは、前記受光層に近づくにつれ小さくなる請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記受光層は赤外光を受光し、光電変換を行う請求項１または２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記複数のｎ型超格子層のそれぞれは、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、およびＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子のいずれかで形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の受光素子。
【請求項５】
前記半導体基板および前記バッファ層はｎ型ＧａＳｂで形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の受光素子。
【請求項６】
前記受光層はＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、およびＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子のいずれかで形成されている請求項１から５のいずれか一項に記載の受光素子。
【請求項７】
前記複数のｎ型超格子層の電子親和力は、前記バッファ層に近づくにつれ小さくなる請求項１から６のいずれか一項に記載の受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は受光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
赤外光を受光して例えば画像情報などを生成する受光素子が知られている（例えば特許文献１および非特許文献１）。ＧａＳｂ基板上に成長されたＩｎＡｓ／Ｇａ１−ｘＩｎｘＳｂ超格子を受光層材料に使用する。素子全体をｐｉｎもしくはｐｎ構造とし、受光層は赤外光などの光を受光することでフォトキャリア（電子および正孔）を発生させる。フォトキャリアのうち電子がｎ型領域、正孔がｐ型領域に流入し、電極を介して受光素子のｎ型領域およびｐ型領域と電気的に接続された読み出し回路が検知することで、光は電気信号に変換される。受光素子は、読み出し回路との整合性によりｐ−ｏｎ−ｎ構造とすることがある。すなわち、受光素子は、基板の上にｎ型層、受光層、ｐ型層の順番に積層された構造を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６６０３１８４号明細書
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｍ．ワルザー（M. Walther）、外７名、「Growth of InAs/GaSb short-period superlattices for high-resolution mid-wavelength infrared focal plane array detectors」、ジャーナル・オブ・クリスタル・グロース（Journal of Crystal Growth）  ｖｏｌ．２７８、２００５年、ｐ．１５６−１６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
読み出し回路と接続するためのｎ型領域の電極をｎ型ＧａＳｂ上に形成すると、ＧａＳｂとＩｎＡｓ／Ｇａ１−ｘＩｎｘＳｂ超格子の界面では、電子親和力の違いに応じて、層の界面に大きなスパイクが発生する。電子はトンネリングによりスパイクを透過することができる。しかしスパイクが高くなると電子が透過しにくくなる。すなわち電子の電極への移動がスパイクにより阻害され、受光層から電極まで到達する電子が少なくなる。この結果、受光素子の感度が低下する。
【０００６】
そこで、スパイクの影響による感度低下を抑制したｐ−ｏｎ−ｎ構造の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】
【０００７】
本発明に係る受光素子は、半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられたバッファ層と、前記バッファ層の上に積層された複数のｎ型超格子層と、前記ｎ型超格子層の上に設けられた受光層と、前記受光素子の上に設けられたｐ型超格子層と、前記バッファ層に電気的に接続されたｎ型電極と、前記ｐ型超格子層に電気的に接続されたｐ型電極と、を具備し、前記複数のｎ型超格子層のうち隣り合う層の間における電子親和力の差は、前記ｎ型超格子層の伝導帯を基準とするフェルミ準位の高さより小さいものである。
【発明の効果】
【０００８】
上記発明によれば、スパイクの影響による感度低下を抑制したｐ−ｏｎ−ｎ構造の受光素子の提供が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は実施形態に係る受光素子を例示する断面図である。
【図２】図２は比較例に係る受光素子を例示する断面図である。
【図３】図３（ａ）から図３（ｃ）はヘテロ接合におけるエネルギー準位の例を示す模式図である。
【図４】図４は実施形態におけるエネルギー準位を例示する模式図である。
【図５】図５は受光素子の電流密度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
【００１１】
本願発明の一形態は、（１）半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられたバッファ層と、前記バッファ層の上に積層された複数のｎ型超格子層と、前記ｎ型超格子層の上に設けられた受光層と、前記受光素子の上に設けられたｐ型超格子層と、前記バッファ層に電気的に接続されたｎ型電極と、前記ｐ型超格子層に電気的に接続されたｐ型電極と、を具備し、前記複数のｎ型超格子層のうち隣り合う層の間における電子親和力の差は、前記ｎ型超格子層の伝導帯を基準とするフェルミ準位の高さより小さい受光素子である。ｎ型超格子層間の界面に形成されるスパイクの高さは、いずれもフェルミ準位の高さよりも小さくなる。このため、スパイクにより電子の移動は阻害されにくく、電子はトンネリングせずにスパイクを通過し、ｎ型超格子層間を移動することができる。これにより受光素子の感度が向上する。
（２）前記複数のｎ型超格子層のバンドギャップは、前記受光層に近づくにつれ小さくなってもよい。
（３）前記受光層は赤外光を受光し、光電変換を行ってもよい。複数のｎ型超格子層を設けることで、半導体基板と受光層との間において大きなスパイクの発生を抑制することができる。
（４）前記複数のｎ型超格子層のそれぞれは、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、およびＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子のいずれかで形成されてもよい。複数のｎ型超格子層が互いに格子整合し、結晶欠陥および暗電流が抑制される。
（５）前記半導体基板および前記バッファ層はｎ型ＧａＳｂで形成されてもよい。これにより、ｎ型超格子層が半導体基板およびバッファ層に格子整合する。
（６）前記受光層はＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、およびＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子のいずれかで形成されてもよい。これにより、受光層とｎ型超格子層とが格子整合し、受光層の結晶性が向上する。
（７）前記複数のｎ型超格子層の電子親和力は、前記バッファ層に近づくにつれ小さくなってもよい。層を接合することで形成されるスパイクが小さいため、受光素子の感度が向上する。
【００１２】
［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る受光素子および受光装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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。
【００１３】
（実施形態）
図１は実施形態に係る受光素子１００を例示する断面図である。
【００１４】
（受光素子１００）
図１に示すように、受光素子１００は、半導体基板１０、バッファ層１２、ｎ型超格子層１４、受光層１６、ｐ型超格子層１８、ｐ＋型キャップ層１９、および絶縁膜２０を備える。バッファ層１２、ｎ型超格子層１４、受光層１６、ｐ型超格子層１８、ｐ＋型キャップ層１９は、順に半導体基板１０の上に積層され、メサ１３を形成する。１つのメサ１３が図示されているが、例えば複数のメサ１３が２次元アレイ状に形成されてもよい。メサ１３の数を増やすことで、例えば６４０×５１２以上など、受光素子１００の高画素化が可能である。受光素子１００はｐ−ｏｎ−ｎ構造を有する。
【００１５】
ｎ型超格子層１４は２３の層（ｎ型超格子層１４ａ〜１４ｗ）を積層したものである。バッファ層１２は半導体基板１０に接触する。ｎ型超格子層１４ａはバッファ層１２に接触する。ｎ型超格子層１４のうち隣り合う層は互いに接触する。受光層１６はｎ型超格子層１４ｗに接触する。ｐ型超格子層１８は受光層１６に接触し、ｐ＋型キャップ層１９はｐ型超格子層１８に接触する。ｎ型超格子層１４、受光層１６およびｐ型超格子層１８は超格子構造を有する化合物半導体層である。半導体基板１０およびｐ＋型キャップ層１９は例えば化合物半導体で形成されている。組成については後述する。
【００１６】
絶縁膜２０は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）または窒化シリコン（ＳｉＮ）などの絶縁体で形成され、メサ１３の表面および半導体基板１０の上面を覆う。絶縁膜２０には開口部２０ａおよび２０ｂが設けられている。開口部２０ａはバッファ層１２の上に位置し、開口部２０ｂはメサ１３の上に位置する。
【００１７】
電極２２は開口部２０ａに設けられ、バッファ層１２に接触する。半導体基板１０、バッファ層１２、ｎ型超格子層１４および電極２２は電気的に接続され、電極２２は基準電位（例えばグランド電位）を有するｎ型電極として機能する。電極２４は開口部２０ｂに設けられ、ｐ＋型キャップ層１９に接触する。ｐ型超格子層１８、ｐ＋型キャップ層１９および電極２４は電気的に接続され、電極２４はｐ型電極として機能する。電極２２および２４は、例えばチタン、白金および金を順に積層した積層体（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）などの金属で形成されている。電極２２および２４の上にバンプを形成してもよい。
【００１８】
半導体基板１０、バッファ層１２、ｎ型超格子層１４、ｐ型超格子層１８、ｐ＋型キャップ層１９は赤外光に対して高い透過率（例えば９０％以上）を有し、赤外光を透過させる。受光層１６は、例えば波長３〜１５μｍの赤外光を吸収し、フォトキャリア（電子および正孔）を発生させる。すなわち受光素子１００はフォトダイオードとして機能する。電子はｎ型超格子層１４およびバッファ層１２を通じて電極２２に流れ、正孔はｐ型超格子層１８およびｐ＋型キャップ層１９を通じて電極２４に流れる。
【００１９】
受光素子１００の層の構造を表１に示す。
【表１】
2019029624.tif 000003
【００２０】
ＧａＳｂはガリウムアンチモン、ＩｎＡｓはインジウム砒素、ＩｎＳｂはインジウムアンチモンを表す。表１の組成中のＭＬは単原子層（monolayer、各材料の格子定数の半分に相当する層）を表す。また、「×１０」などは括弧内の層が積層される数を表す。例えばｎ型超格子層１４ａの組成である（ＧａＳｂ（２８ＭＬ）／ＩｎＡｓ（１ＭＬ））×１０とは、２８単原子層のＧａＳｂと１単原子層のＩｎＡｓとを積層し、そのＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子層を１０層重ねたことを意味する。
【００２１】
表１に示すように、半導体基板１０は例えば厚さ１００μｍのＧａＳｂで形成されている。バッファ層１２は例えば厚さ１．５μｍのＧａＳｂで形成されている。半導体基板１０およびバッファ層１２のカットオフ波長は例えば６μｍであり、表面は（１００）面である。
【００２２】
ｎ型超格子層１４ａ〜１４ｍはＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子構造を有する。ｎ型超格子層１４ｎ〜１４ｗはＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子構造を有する。受光層１６はＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子構造を有する。ｐ型超格子層１８はＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子構造を有する。バッファ層１２、ｎ型超格子層１４ａ〜１４ｗにはテルル（Ｔｅ）がドープされている。ドーピング濃度は例えば３ｅ１８ｃｍ−３（３×１０１８ｃｍ−３）であり、層が縮退する程度に高いことが好ましい。受光層１６、ｐ型超格子層１８およびｐ＋型キャップ層１９にはベリリウム（Ｂｅ）がドープされている。受光層１６のドーピング濃度は１ｅ１５ｃｍ−３である。ｐ型超格子層１８のドーピング濃度は１ｅ１７ｃｍ−３である。ｐ＋型キャップ層１９のドーピング濃度は１ｅ１８ｃｍ−３である。ｎ型超格子層１４、ｐ型超格子層１８および受光層１６はタイプＩＩのバンド構造を有する。ｐ＋型キャップ層１９は例えば厚さ２００ｎｍのｐ＋型ＧａＳｂで形成されている。
【００２３】
（受光素子１００の製造方法）
受光素子１００の製造方法を説明する。ウェハ状態の半導体基板１０の上に、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法により、半導体層（バッファ層１２、ｎ型超格子層１４、受光層１６、ｐ型超格子層１８およびｐ＋型キャップ層１９）をエピタキシャル成長する。例えば、ヨウ化水素および塩化シリコンガスを用いたドライエッチング、またはリン酸、過酸化水素水および水の溶液を用いたウェットエッチングなどにより、メサ１３を形成する。例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより、絶縁膜２０を形成する。エッチングにより、絶縁膜２０に開口部２０ａおよび２０ｂを形成する。真空蒸着法およびリフトオフ法により、電極２２および２４を形成する。ウェハをダイシングすることで受光素子１００を形成する。
【００２４】
（比較例）
図２は比較例に係る受光素子１００Ｒを例示する断面図である。受光素子１００と同じ構成については説明を省略する。受光素子１００Ｒは１つのｎ型超格子層１４ｘを有する。ｎ型超格子層１４ｘは例えば（ＧａＳｂ（７ＭＬ）／ＩｎＡｓ（９ＭＬ）／ＩｎＳｂ（１ＭＬ））×１０で形成され、Ｔｅのドーピング濃度は３ｅ１８ｃｍ−３である。つまりｎ型超格子層１４ｘは、表１に示した実施形態のｎ型超格子層１４ｗと同じ組成を有する。
【００２５】
（エネルギー準位）
次にエネルギー準位について説明する。図３（ａ）から図３（ｃ）はヘテロ接合におけるエネルギー準位の例を示す模式図である。Ｅｖは価電子帯のエネルギー、Ｅｃは伝導帯のエネルギー、Ｅｆはフェルミエネルギーである。真空準位と伝導帯の底とのエネルギーの差が電子親和力である。伝導帯を基準としたフェルミ準位の高さＥｆ−Ｅｃは次の数１で算出される。
【数１】
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Ｅｇはバンドギャップ、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｎｉは真性キャリア濃度、ＮＤはドナー密度、Ｎｖは正孔の有効状態密度を表す。実施形態におけるｎ型超格子層１４のフェルミエネルギーＥｆは例えば３４ｍｅＶである。
【００２６】
図３（ａ）に示すように、半導体層Ｌ１の価電子帯のエネルギーＥｖは半導体層Ｌ２より低く、半導体層Ｌ１のフェルミエネルギーＥｆは半導体層Ｌ２のＥｆより高い。半導体層Ｌ１の伝導帯のエネルギーＥｃは半導体層Ｌ２のＥｃより高い。半導体層Ｌ１の電子親和力ＥＡ１は半導体層Ｌ２の電子親和力ＥＡ２よりも小さい。
【００２７】
図３（ｂ）に示すように、半導体層Ｌ１およびＬ２を接合すると、フェルミエネルギーＥｆの高い半導体層Ｌ１から半導体層Ｌ２へと電子が移動する。フェルミエネルギーＥｆは等しくなり、伝導帯のエネルギー準位が半導体層Ｌ１およびＬ２の界面において曲がる。この結果、界面にスパイクＳ（エネルギー障壁）が発生する。電子はトンネリングによりスパイクＳを透過し、ｎ型電極に到達する。
【００２８】
半導体層Ｌ１のＥｃが半導体層Ｌ２のＥｃよりも大幅に高い場合、図３（ｃ）のように大きなスパイクＳが形成される。電子は、トンネリングによる大きなスパイクＳの透過をしにくくなる。つまり、電子のｎ型電極への移動がスパイクＳによって阻害され、受光素子の感度が低下する。
【００２９】
比較例において、バッファ層１２とｎ型超格子層１４ｘとの電子親和力の差は６１５ｍｅＶであり、伝導帯の底を基準とするフェルミ準位の高さＥｆ−Ｅｃ（例えば３４ｍｅＶ）よりもはるかに大きい。このため、バッファ層１２とｎ型超格子層１４との間に形成されるスパイクの高さは、６００ｍｅＶ程度になり、フェルミ準位の高さＥｆ−Ｅｃを大幅に上回る（図３（ｃ）参照）。この結果、電子の電極２２への移動がスパイクＳによって阻害され、受光素子１００Ｒの感度が低下する。例えば、温度が７７Ｋ、バイアス電圧が−２０ｍＶ、入射光の波長が４．１μｍの条件において、受光素子１００Ｒの感度は０．００１３Ａ／Ｗである。バッファ層１２を例えばｎ型ＩｎＡｓＳｂ層などとすることもできる。しかしＩｎＡｓＳｂは、ＧａＳｂの半導体基板１０上で格子緩和が発生しない範囲内の組成で、かつ電極の作成に十分な厚みで結晶成長させることが難しく、結晶欠陥および暗電流が増大してしまう。
【００３０】
これに対し、実施形態ではスパイクを小さくすることができる。実施形態におけるｎ型超格子層１４ａ〜１４ｗの電子親和力、および下の層との電子親和力の差を表２に示す。ｎ型超格子層１４ａの、下の層との電子親和力との差とは、ｎ型超格子層１４ａとバッファ層１２との電子親和力の差である。
【表２】
2019029624.tif 000005
表２に示すように、ｎ型超格子層１４のうち、バッファ層１２に近い層ほど電子親和力が小さい。ｎ型超格子層１４ａ〜１４ｗのうち隣接する層間の電子親和力の差は１８〜３３ｍｅＶ程度であり、数１により算出したフェルミ準位の高さＥｆ−Ｅｃ（３４ｍｅＶ）よりも小さい。ｎ型超格子層１４ａとバッファ層１２との電子親和力の差は６７．９ｍｅＶである。
【００３１】
図４は実施形態におけるエネルギー準位を例示する模式図であり、バッファ層１２からｐ型超格子層１８までのエネルギー準位を図示している。層を接合することでフェルミエネルギーＥｆは等しくなる。また真空準位はフェルミ準位より上に位置し、電子親和力はＥＡである。
【００３２】
層の界面には、電子親和力の差に応じたスパイクＳ１〜Ｓ２３が形成される。例えば、バッファ層１２とｎ型超格子層１４ａとの界面にスパイクＳ１が形成され、ｎ型超格子層１４ａとｎ型超格子層１４ｂとの界面にスパイクＳ２が形成され、ｎ型超格子層１４ｂとｎ型超格子層１４ｃとの界面にスパイクＳ３が形成される。ｎ型超格子層１４ｕとｎ型超格子層１４ｖとの界面にスパイクＳ２２が形成され、ｎ型超格子層１４ｖとｎ型超格子層１４ｗとの界面にスパイクＳ２３が形成される。ｎ型超格子層１４ｃ〜１４ｕの各層の界面にもスパイクが形成される。
【００３３】
ｎ型超格子層１４ａ〜１４ｗのうち隣接する層間の電子親和力の差は、伝導帯の底を基準としたフェルミ準位の高さＥｆ−Ｅｃよりも小さい。ｎ型超格子層間の界面に形成されるスパイクＳ２〜Ｓ２３の高さは、層間の電子親和力の差よりも小さいため、フェルミ準位の高さＥｆ−Ｅｃよりも小さくなる。このため、電子の移動は、スパイクＳ２〜Ｓ２３に阻害されにくい。すなわち、電子はトンネリングせずにスパイクＳ２〜Ｓ２３を通過し、複数のｎ型超格子層１４ａ〜１４ｗ間を移動することができる。したがって電極２２に到達する電子の数が増加し、受光素子１００の感度が向上する。例えば、温度が７７Ｋ、バイアス電圧が−２０ｍＶ、入射光の波長が４．１μｍの条件において、受光素子１００の感度は１．１Ａ／Ｗであり、比較例の約１００倍である。
【００３４】
バッファ層１２とｎ型超格子層１４ａとの界面のスパイクＳ１は６７．９ｍｅＶであり、フェルミ準位の高さＥｆ−Ｅｃ（３４ｍｅＶ）より大きいが、比較例におけるスパイクＳ（約６００ｍｅＶ）より大幅に小さい。したがって電子はスパイクＳ１をトンネリングしやすく、容易に電極２２に到達することができる。スパイクＳ１の高さは、例えば１００ｍｅＶ以下が好ましい。受光素子１００には例えば１００ｍｅＶ以下のバイアス電圧を印加するため、実用的な感度を得るためにはスパイクの高さの上限はバイアス電圧と同程度であることが好ましい。スパイクＳ１の高さはフェルミ準位の高さＥｆ−Ｅｃの２倍以下が好ましく、Ｅｆ−Ｅｃより小さくてもよい。
【００３５】
図５は受光素子の電流密度を示す図である。横軸はバイアス電圧、縦軸は電極間の電流密度である。破線で示す比較例と、実線で示す実施形態とを比べると、実施形態の電流密度は１０００倍〜１ｅ８倍程度大きい。実施形態の高い電流密度は、前述のように電子の移動がスパイクにより阻害されにくいことに起因する。このように実施形態によれば、受光素子の感度が大きく上昇する。
【００３６】
図４に示すように、バッファ層１２のバンドギャップは受光層１６よりも大きい。比較例のように、（ＧａＳｂ（７ＭＬ）／ＩｎＡｓ（９ＭＬ）／ＩｎＳｂ（１ＭＬ））×１０の組成を有し、バンドギャップの小さなｎ型超格子層１４ｗをバッファ層１２および受光層１６に接合すると、バッファ層１２とｎ型超格子層１４ｗとの界面に約６００ｍｅＶの大きなスパイクが形成される。実施形態において、ｎ型超格子層１４のバンドギャップは、受光層１６に近づくほど小さくなる。このため、バンドギャップの異なるバッファ層１２と受光層１６とを、ｎ型超格子層１４を介して接合することができる。
【００３７】
受光層１６は、例えば波長３〜１５μｍの赤外光を吸収し、フォトキャリアを発生させる。赤外光を吸収して光電変換を行う受光層１６のバンドギャップは小さい。一方、バッファ層１２のバンドギャップは大きい。バンドギャップの異なるバッファ層１２と受光層１６とを、ｎ型超格子層１４を介して接合することができる。
【００３８】
ｎ型超格子層１４、ｐ型超格子層１８およびｐ＋型キャップ層１９は、赤外光に対して透明であり、赤外光を透過させる。透過率は例えば９０％以上である。受光層１６は赤外光帯域とは異なる波長の光を吸収し、バッファ層１２、ｎ型超格子層１４、ｐ型超格子層１８およびｐ＋型キャップ層１９が当該波長の光に対して高い透過率（例えば９０％以上）を有してもよい。
【００３９】
複数のｎ型超格子層１４のうち、最も下のｎ型超格子層１４ａはバッファ層１２に接触し、かつ隣り合う層は互いに接触する。図４に示したようにエネルギー準位が曲がり、スパイクＳ１〜Ｓ２３が発生する。スパイクの高さを小さくすることで、前述のように電子の電極２２への移動が容易になる。また、ｎ型超格子層１４とバッファ層１２とが格子整合し、ｎ型超格子層同士が格子整合する。この結果、ｎ型超格子層１４に結晶欠陥が発生しにくく、暗電流が抑制される。
【００４０】
ｎ型超格子層１４はＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子層およびＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子層で形成されている。複数のｎ型超格子層１４ａ〜１４ｗは、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、およびＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子のいずれかで形成されてもよい。層間の界面に形成されるスパイクがフェルミ準位の高さＥｆ−Ｅｃより小さくなる。また、ｎ型超格子層同士が格子整合し、結晶欠陥および暗電流が抑制される。
【００４１】
本実施形態のｎ型超格子層１４は２３の層を含むが、層の数は変更してもよい。積層するｎ型超格子層の数は２２以下でもよいし、２４以上でもよい。層の数が少ないと、電子親和力の差が大きくなる恐れがある。また、層の数が多いと結晶欠陥が生じる恐れがある。このため、電子親和力の差がフェルミ準位の高さＥｆ−Ｅｃより小さく、かつ結晶欠陥が生じないように、ｎ型超格子層１４に含まれる層の数を定めればよい。
【００４２】
受光層１６は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、およびＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子のいずれかで形成されてもよい。受光層１６は例えば赤外光など一定の範囲の波長の光を受光してフォトキャリアを発生させる。受光層１６とｎ型超格子層１４とが格子整合し、受光層１６の結晶性が向上する。
【００４３】
ｐ型超格子層１８は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ超格子およびＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ超格子のいずれかで形成されてもよい。受光層１６とｐ型超格子層１８とが格子整合し、ｐ型超格子層１８の結晶性が向上する。
【００４４】
表２に示すように、複数のｎ型超格子層１４ａ〜１４ｗの電子親和力はバッファ層１２に近づくにつれ小さくなる。層を接合することで伝導帯の準位が曲がり、界面にスパイクが形成されるが、前述のようにスパイクの高さはＥｆ−Ｅｃより小さい。これにより受光素子１００の感度が向上する。
【００４５】
絶縁膜２０は、メサ１３の上面および側面を覆う。これにより受光素子１００を異物および水分などから保護することができる。絶縁膜２０の開口部２０ａにおいて、電極２２とｐ型超格子層１８とが接触し、開口部２０ｂにおいて電極２４とバッファ層１２とが接触する。電極２２はｐ型電極、電極２４はｎ型電極として機能する。
【符号の説明】
【００４６】
１０                      半導体基板
１２                      バッファ層
１３                      メサ
１４、１４ａ〜１４ｗ      ｎ型超格子層
１６                      受光層
１８                      ｐ型超格子層
１９                      ｐ＋型キャップ層
２０                      絶縁膜
２０ａ、２０ｂ            開口部
２２、２４                電極
１００                    受光素子
Ｓ１〜Ｓ２３              スパイク
【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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