(57)【要約】【課題】ＳＮＲの高い赤外線検出素子を提供する。【解決手段】赤外線検出素子１００は、半導体基板１０と、半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層２０と、第１層上に形成された受光層３０と、受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層４０と、を備え、第１層は、Ａｌｘ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）Ｓｂを含む層と、膜厚がｔｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂを含む層と、Ａｌｘ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、ｔｙ（１）、ｘ（１）、ｘ（２）及びｙ（１）は、ｊ＝１、２として、０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（ｊ））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（ｊ）≦０．１９）、０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（ｊ））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（ｊ）≦０．３３）、および、０＜ｘ（ｊ）＜０．１８を満たす。【選択図】図２
2019153770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、
前記第１層上に形成された受光層と、
前記受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、
前記第１層は、Ａｌｘ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）Ｓｂを含む層と、膜厚がｔｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂを含む層と、Ａｌｘ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、
前記ｔｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）及び前記ｙ（１）は、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（１））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（１））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．３３）、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（２））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（２））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．３３）、
０＜ｘ（１）＜０．１８、および、
０＜ｘ（２）＜０．１８
を満たす赤外線検出素子。
【請求項２】
前記ｔｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）及び前記ｙ（１）は、
０＜ｔｙ（１）≦６９０１×（ｙ（１）−ｘ（１））−１０８７  （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−２６７３×（ｙ（１）−ｘ（１））＋６９９  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．２５）、
０＜ｔｙ（１）≦６９０１×（ｙ（１）−ｘ（２））−１０８７  （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、および、
０＜ｔｙ（１）≦−２６７３×（ｙ（１）−ｘ（２））＋６９９  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．２５）
を満たす請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
前記ｔｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）及び前記ｙ（１）は、
０＜ｔｙ（１）≦１９９３×（ｙ（１）−ｘ（１））−２４２  （０．１３≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（１）−ｘ（１））＋３２４  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．２９）、
０＜ｔｙ（１）≦１９９３×（ｙ（１）−ｘ（２））−２４２  （０．１３≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、および、
０＜ｔｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（１）−ｘ（２））＋３２４  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．２９）
を満たす請求項１または請求項２に記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
前記ｔｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）及び前記ｙ（１）は、
０＜ｔｙ（１）≦３０６７×（ｙ（１）−ｘ（１））−４７２  （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（１）−ｘ（１））＋３２２  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．２５）、
０＜ｔｙ（１）≦３０６７×（ｙ（１）−ｘ（２））−４７２  （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、および、
０＜ｔｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（１）−ｘ（２））＋３２２  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．２５）
を満たす請求項１〜３のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
前記第１層は、１からｎ（２≦ｎ≦６）までの整数ｉについて、Ａｌｘ（ｉ）Ｉｎ１−ｘ（ｉ）Ｓｂを含む層と、膜厚がｔｙ（ｉ）［ｎｍ］でありＡｌｙ（ｉ）Ｉｎ１−ｙ（ｉ）Ｓｂを含む層と、をこの順にｎ層ずつ順次積層された積層構造と、前記膜厚がｔｙ（ｎ）［ｎｍ］でありＡｌｙ（ｎ）Ｉｎ１−ｙ（ｎ）Ｓｂを含む層の直上にＡｌｘ（ｎ＋１）Ｉｎ１−ｘ（ｎ＋１）Ｓｂを含む層と、を有し、
前記ｔｙ（ｉ）、前記ｘ（ｉ）、前記ｘ（ｉ＋１）及び前記ｙ（ｉ）は、
０＜ｔｙ（ｉ）≦２３６０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−２４０  （０．１１≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−１２１５×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋４２７  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．３３）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦２３６０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−２４０  （０．１１≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−１２１５×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋４２７  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．３３）、
０＜ｘ（ｉ）＜０．１８、および、
０＜ｘ（ｉ＋１）＜０．１８
を満たす請求項１〜４のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
前記ｔｙ（ｉ）、前記ｘ（ｉ）、前記ｘ（ｉ＋１）及び前記ｙ（ｉ）は、
０＜ｔｙ（ｉ）≦６９０１×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−１０８７  （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−２６７３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋６９９  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２５）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦６９０１×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−１０８７  （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、および、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−２６７３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋６９９  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２５）
を満たす請求項５に記載の赤外線検出素子。
【請求項７】
前記ｔｙ（ｉ）、前記ｘ（ｉ）、前記ｘ（ｉ＋１）及び前記ｙ（ｉ）は、
０＜ｔｙ（ｉ）≦１９９３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−２４２  （０．１３≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−１０４０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋３２４  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２９）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦１９９３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−２４２  （０．１３≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、および、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−１０４０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋３２４  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２９）
を満たす請求項５または請求項６に記載の赤外線検出素子。
【請求項８】
前記ｔｙ（ｉ）、前記ｘ（ｉ）、前記ｘ（ｉ＋１）及び前記ｙ（ｉ）は、
０＜ｔｙ（ｉ）≦３０６７×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−４７２  （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−１１８８×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋３２２  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２５）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦３０６７×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−４７２  （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、および、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−１１８８×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋３２２  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２５）
を満たす請求項５〜７のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項９】
前記第１導電型がｎ型であり、前記第２導電型がｐ型である
請求項１〜８のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項１０】
前記半導体基板はＧａＡｓ基板であり、
前記第１層のうち、前記ＧａＡｓ基板と接する層はＩｎＳｂからなる層である請求項１〜９のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項１１】
前記受光層はＡｌｚＩｎ１-ｚＳｂ（０＜ｚ＜０．１８）を含む
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項１２】
前記ｘ（１）、前記ｘ（２）は
０＜ｘ（１）＜０．０９、および、
０＜ｘ（２）＜０．０９
を満たす請求項１〜１１のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項１３】
前記受光層はＡｌｚＩｎ１-ｚＳｂ（０＜ｚ＜０．０９）を含む請求項１〜１２のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項１４】
前記Ａｌｘ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）Ｓｂを含む層、前記Ａｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂを含む層及び前記Ａｌｘ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）Ｓｂを含む層の少なくともいずれかの層は、全Ｖ族元素に対する割合が３％以下のＡｓをさらに含む
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項１５】
前記ｔｙ（１）は臨界膜厚の６倍以下である請求項１〜１４のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項１６】
前記ｔｙ（１）は１００ｎｍ以下である請求項１〜１５のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項１７】
前記受光層の線欠陥密度が３．０×１０８［本／ｃｍ２］以下である
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
【請求項１８】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、
前記第１層上に形成された受光層と、
前記受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、
前記第１層は、Ａｌｘ（１）Ｇａｐ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）−ｐ（１）Ｓｂを含む層と、膜厚がｔｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌｙ（１）Ｇａｑ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）−ｑ（１）Ｓｂを含む層と、Ａｌｘ（２）Ｇａｐ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）−ｐ（２）Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、
前記ｔｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）、前記ｙ（１）、前記ｐ（１）、前記ｐ（２）、および前記ｑ（１）は、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．３３）、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．３３）、
０＜ｘ（１）＋ｐ（１）＜０．１８、
０＜ｘ（２）＋ｐ（２）＜０．１８、および
０＜ｑ（１）／（ｙ（１）＋ｑ（１））≦１
を満たす赤外線検出素子。
【請求項１９】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、
前記第１層上に形成された受光層と、
前記受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、
前記第１層は、Ａｌｘ（１）Ｇａｐ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）−ｐ（１）Ｓｂを含む層と、膜厚がｔｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌｙ（１）Ｇａｑ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）−ｑ（１）Ｓｂを含む層と、Ａｌｘ（２）Ｇａｐ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）−ｐ（２）Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、
前記ｔｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）、前記ｙ（１）、前記ｐ（１）、前記ｐ（２）、および前記ｑ（１）は、
０＜ｔｙ（１）≦１９９３×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））−２４２  （０．１３≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））＋３２４  （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．２９）、
０＜ｔｙ（１）≦１９９３×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））−２４２  （０．１３≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））＋３２４  （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．２９）、
を満たす請求項１８に記載の赤外線検出素子。
【請求項２０】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、
前記第１層上に形成された受光層と、
前記受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、
前記第１層は、Ａｌｘ（１）Ｇａｐ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）−ｐ（１）Ｓｂを含む層と、膜厚がｔｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌｙ（１）Ｇａｑ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）−ｑ（１）Ｓｂを含む層と、Ａｌｘ（２）Ｇａｐ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）−ｐ（２）Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、
前記ｔｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）、前記ｙ（１）、前記ｐ（１）、前記ｐ（２）、および前記ｑ（１）は、
０＜ｔｙ（１）≦３０６７×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））−４７２  （０．１６≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））＋３２２  （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．２５）、
０＜ｔｙ（１）≦３０６７×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））−４７２  （０．１６≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））＋３２２  （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．２５）、
を満たす請求項１８または請求項１９に記載の赤外線検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は赤外線検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に波長が２μｍ以上の長波長帯の赤外線は、その熱的効果やガスによる赤外線吸収の効果から、人体を検知する人感センサや非接触温度センサ、及びガスセンサ等に使用されている。例えばガスセンサは、大気環境の監視や保護、更には火災の早期検知などにも使用可能であり、近年注目されている。特に波長２．５μｍから波長１０．０μｍまでの領域においては各種ガスに固有の吸収帯が数多く存在し、ガスセンサに用いるのに適した波長帯である。
【０００３】
上記赤外線を使用したガスセンサの原理は以下のようなものである。例えば、赤外線の光源と赤外線検出素子の間の空間にガスが注入されると、特定のガスは特定の波長の赤外線を吸収する為、ガスの注入前と注入後の波長スペクトルを解析することでガスの種類や濃度を測定することが出来る。ここで、赤外線検出素子としては、例えば焦電センサやサーモパイルのような熱型の赤外線検出素子と、半導体受光素子を使用した量子型の赤外線検出素子があるが、熱型の赤外線検出素子に比べて、量子型の赤外線検出素子の方が、高ＳＮＲ、高速応答といった利点がある。
【０００４】
量子型の赤外線検出素子は、一般に波長が２μｍ以上の赤外線を検出可能である半導体中にＰＮ接合を形成し、受光層において、吸収した赤外線によって生成した電子及び正孔が、ＰＮ接合部分の空乏層における内部電界によって電荷分離されることで、電気信号に変換される。
【０００５】
しかしながら、波長が２μｍ以上の赤外線を吸収できる半導体のバンドギャップは、０．６２ｅＶ以下と小さい。このようなバンドギャップの小さな半導体では、熱励起キャリアのために室温での真性キャリア密度が大きくなり、素子の電気抵抗が小さくなるので十分なＰＮダイオードの特性が得られない。これは真性キャリア密度が大きい場合、拡散電流や暗電流の様な素子の漏れ電流が大きくなるためである。このため、量子型の赤外線検出素子は熱励起キャリアを抑制するために、冷却機構を備えた赤外線検出素子が従来使用されている。
【０００６】
この様な周辺温度の影響による問題を解決した赤外線検出素子としては、例えば、特許文献１に記載の量子型の赤外線検出素子がある。この特許文献１に記載の量子型の赤外線検出素子は、センサ部分の化合物半導体の積層構造および素子構造により拡散電流を抑制し、更に信号増幅用ＩＣとセンサのパッケージを改良することにより、室温動作が可能であり、かつ従来にない小型の赤外線検出素子を実現したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００５／０２７２２８号
【特許文献２】特開２０１５−９０９０１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｂ．  Ｃｏｒｂｅｔｔ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｓｕｒｆａｃｅ  ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｄｒｙ  ｅｔｃｈｅｄ  ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ  ｄｏｕｂｌｅ  ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｐ−ｉ−ｎ  ｍｅｓａ  ｄｉｏｄｅｓ”  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ６２（１），  ８７（１９９３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この様に、赤外線検出素子の特性改良のための研究開発が成されているが、さらなるＳＮＲ（シグナルノイズ比）特性の向上が望まれている。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ＳＮＲの高い赤外線検出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】
【００１１】
本発明の赤外線検出素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、前記第１層上に形成された受光層と、前記受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、前記第１層は、Ａｌｘ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）Ｓｂを含む層と、膜厚がｔｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂを含む層と、Ａｌｘ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、前記ｔｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）及び前記ｙ（１）は、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（１））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（１））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．３３）、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（２））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（２））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．３３）、
０＜ｘ（１）＜０．１８、および、
０＜ｘ（２）＜０．１８
を満たすものである。
【００１２】
また、本発明の赤外線検出素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、前記第１層上に形成された受光層と、前記受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、前記第１層は、Ａｌｘ（１）Ｇａｐ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）−ｐ（１）Ｓｂを含む層と、膜厚がｔｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌｙ（１）Ｇａｑ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）−ｑ（１）Ｓｂを含む層と、Ａｌｘ（２）Ｇａｐ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）−ｐ（２）Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、前記ｔｙ（１）、前記ｘ（１）、前記ｘ（２）、前記ｙ（１）、前記ｐ（１）、前記ｐ（２）、および前記ｑ（１）は、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．３３）、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．３３）、
０＜ｘ（１）＋ｐ（１）＜０．１８、
０＜ｘ（２）＋ｐ（２）＜０．１８、および
０＜ｑ（１）／（ｙ（１）＋ｑ（１））≦１
を満たすものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＳＮＲの高い赤外線検出素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】組成差および膜厚の関係を示す図である。
【図２】第一実施形態の赤外線検出素子の構成を示す断面図である。
【図３】第二実施形態の赤外線検出素子の構成を示す断面図である。
【図４】第三実施形態の赤外線検出素子の構成を示す断面図である。
【図５】Ａｌ組成と臨界膜厚の相関図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。
【００１６】
＜赤外線検出素子＞
本実施形態に係る赤外線検出素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、第１層上に形成された受光層と、受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、第１層は、Ａｌｘ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）Ｓｂを含む層と、膜厚がｔｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂを含む層と、Ａｌｘ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、ｔｙ（１）、ｘ（１）、ｘ（２）及びｙ（１）は、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（１））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（１））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．３３）、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（２））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（２））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．３３）、
０＜ｘ（１）＜０．１８、および、
０＜ｘ（２）＜０．１８
を満たすものである。
【００１７】
ここで赤外線検出素子のＳＮＲは、赤外線が入射したときに発生する光電流Ｉｐと赤外線検出素子の素子抵抗Ｒ０の平方根の積に比例する。すなわち、式（１）の様に表される。
【００１８】
【数１】
2019153770.tif 000003
【００１９】
従って、Ｉｐを低下させることなく、素子抵抗Ｒ０を大きくすることで、赤外線検出素子のＳＮＲ特性の向上が実現する。
【００２０】
赤外線検出素子を形成するダイオードを通る電流成分は、素子の内部を通る電流成分と、素子の側面を通る電流成分とに分けられる。これら両電流成分の大きさは、例えば非特許文献１に示すように素子のメサ形状のサイズの異なる複数の素子を作製し、電流密度の素子サイズおよび周囲長依存性から求めることができる。
【００２１】
同様に赤外線検出素子の素子抵抗Ｒ０は、素子の内部を通る電流に対する抵抗成分Ｒｄと、素子の側面を通る電流に対する抵抗成分ＲＳとに分けられる（式（２）参照）。非特許文献１と同様の手法を用いて、式（３）より１／（Ｒ０・Ｓ）をＬ／Ｓに対してプロットすることで、切片と傾きから、赤外線検出素子の内部を通る電流に対するメサ形状の単位面積当たり抵抗率Ｒａと、赤外線検出素子の側面を通る電流に対するメサ形状の単位長さ当たり抵抗率αを求めることができる。
【００２２】
【数２】
2019153770.tif 000004
【００２３】
【数３】
2019153770.tif 000005
【００２４】
上記のように、Ｒ０は赤外線検出素子の抵抗である。また、Ｒｄは赤外線検出素子の内部を通る電流に対する抵抗成分である。また、ＲＳは赤外線検出素子の側面を通る電流に対する抵抗成分である。また、Ｒａは赤外線検出素子の内部を通る電流に対するメサ形状の単位面積当たり抵抗率である。また、αは赤外線検出素子の側面を通る電流に対するメサ形状の単位長さ当たり抵抗率である。ここで、Ｓは赤外線検出素子のメサ形状の面積である。また、Ｌは赤外線検出素子のメサ形状の周囲長である。
【００２５】
このうち赤外線検出素子の内部を通る電流に対する単位面積当たり抵抗率Ｒａ（以下、Ｒａとだけ表記することもある）は、拡散電流が十分に抑制されている場合、受光層でのキャリアの再結合電流の大きさによって決まる。再結合電流の大きさは、受光層内部に存在する欠陥を介したキャリア再結合電流に大きく依存しており、受光層の欠陥密度を低減することでキャリア再結合電流を抑制できる。したがって受光層の欠陥密度を低減することでＲａを向上し、結果として赤外線検出素子のＳＮＲを向上することができる。
【００２６】
受光層に含まれる欠陥のうち主なものとしては、半導体基板と基板上に積層する化合物半導体材料との間の格子定数差により発生する線欠陥すなわち転位が挙げられる。ここで積層する化合物半導体材料の厚さを厚くすればするほど、転位密度が小さくなることが知られている。これは主に転位が互いにぶつかり消滅するためである。しかしながら、膜厚を厚くすることは、成膜時間の増加や、素子形成プロセスの難度を上げることに繋がり、好ましくない。
【００２７】
線欠陥すなわち転位の密度の低減に効果的な手法として、転位フィルタ層（例えば第一実施形態では、膜厚がｔｙ（１）でありＡｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂを含む層）の導入が挙げられる。転位フィルタ層とは、線欠陥すなわち転位の密度低減を目的に母材に導入される、母材と格子定数が大きく異なる薄い層のことである。母材との転位フィルタ層との格子定数差により発生するミスフィット応力が、薄い転位フィルタ層に集中することで、転位が横方向に曲折する。複数の曲折した転位同士が衝突することで消滅するため、上層への転位の伝播が抑制される。転位フィルタ層は厚さが比較的薄いにもかかわらず転位を低減でき、成膜時間や素子形成プロセスの難度の増加が比較的小さい、好んで用いられる。
【００２８】
転位フィルタ層において重要な設計要素は母材との格子定数差と転位フィルタ層の厚さおよびポアソン比などの弾性定数である。母材との格子定数差が大きくなるほど、また転位フィルタ層が厚くなるほどミスフィット応力が大きくなるため転位が曲折しやすくなるが、一定以上ミスフィット応力が大きくなると結晶が応力に耐えられず逆に転位を発生してしまう。このときの厚さを臨界膜厚と呼ぶ。臨界膜厚には理論式が存在するものの、理論値よりも厚い膜厚の場合においても転位を新たに発生することなく、転位を低減する例が報告されており（特許文献２）、転位の曲折に必要な厚さや転位が発生してしまう厚さは材料系に大きく依存する。このとき、ある条件における検討において、仮に新たな転位を発生していない場合には、次の検討においては転位フィルタ層を厚くする検討を行うことが一般的である。これは上述のように転位フィルタ層が厚くなるほど転位が曲折しやすくなるためである。
【００２９】
赤外線検出素子の材料としては、比較的良好な質の結晶が得られるＩｎＳｂやＡｌＩｎＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂなどを用いることができる。例えばＡｌＩｎＳｂからなる母材に転位フィルタ層を導入する場合、素子形成プロセスの容易性の観点から、同一元素種であるＡｌＩｎＳｂを含む転位フィルタ層を導入することが好ましい。
【００３０】
また、Ａｌの代わりにＧａを用いることができ、ＧａＩｎＳｂやＡｌＧａＩｎＳｂも母材や転位フィルタ層として好ましく用いることができる。二元系結晶であるＡｌＳｂとＧａＳｂの格子定数や弾性定数は互いに近い値をとるために、これらとＩｎＳｂとの混晶であるＡｌＩｎＳｂ混晶やＧａＩｎＳｂ混晶における格子定数や弾性定数についても、Ａｌ組成とＧａ組成とが同じ場合には互いに近い値をとる。したがって、ＡｌＩｎＳｂの「Ａｌ組成」の値を、ＧａＩｎＳｂにおける「Ｇａ組成」、もしくはＡｌＧａＩｎＳｂにおける「Ａｌ組成とＧａ組成の和」と置き換えることで、所望のＡｌＩｎＳｂに対して格子定数や弾性定数が極めて近い層を設計することが可能である。
【００３１】
なお、母材と転位フィルタ層が何れもＡｌＩｎＳｂである場合、母材のＡｌＩｎＳｂ層とはＡｌ組成が異なるＡｌＩｎＳｂ層を転位フィルタ層として導入することで、格子定数差およびミスフィット応力を生じ転位を曲折することが可能になる。
【００３２】
なお、本明細書において各々の層の「Ａｌ組成」とは、各々の層に含まれる全てのＩＩＩ族元素に対するＡｌ元素の数の割合を示す。同様に各々の層の「Ｇａ組成」「Ｉｎ組成」についても、各々の層に含まれる全てのＩＩＩ族元素に対するＧａ元素、Ｉｎ元素の数の割合を示す。
【００３３】
本実施形態の赤外線検出素子によれば、第１層中で転位すなわち線欠陥が横方向に曲折するために第１層の上に位置する受光層の線欠陥密度が低減する。そして、受光層内における転位を介した欠陥性再結合が抑制されることによりＲａの向上が可能となる。
【００３４】
なおここで、「半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層」という表現における「上に」という文言は、半導体基板の上に第１層が形成されていることを意味するが、半導体基板と第１層の間に別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。その他の層同士の関係を表現する場合に「上の」という文言を使用する場合にも、同様の意味を有するものとする。
【００３５】
またここで、「Ａｌｘ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）Ｓｂを含む層」という表現における「含む」という文言は、ＡｌとＩｎとＳｂを主に層内に含むことを意味するが、その他の元素を含む場合もこの表現に含まれる。具体的には、他の元素を少量（例えばＡｓ、Ｐ、Ｇａ、Ｎなどの元素を数％以下）加えるなどしてこの層の組成に軽微な変更を加える場合についてもこの表現に含まれることは当然である。その他の層の組成を表現する場合に「含む」という文言を使用する場合にも、同様の意味を有するものとする。
【００３６】
以下、本実施形態に係る赤外線検出素子の各構成部について、例を挙げて説明する。
【００３７】
＜半導体基板＞
本実施形態に係る赤外線検出素子における半導体基板は、この半導体基板上に後述の第１層を積層することができれば特に制限されない。一例としては、半導体基板としてＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板、ＩｎＰ基板、ＩｎＳｂ基板が挙げられるがこの限りではない。化合物半導体の結晶成長が容易であるという観点から、ＧａＡｓ基板が好ましい。
【００３８】
半導体基板はドナー不純物やアクセプター不純物によるドーピングの制限はないが、導体基板上に形成した独立の複数の赤外検出素子を直列または並列に接続可能にする観点から、半絶縁性であることまたは化合物半導体層とは絶縁分離可能であることが望ましい。
【００３９】
また半導体基板は化合物半導体単結晶を積層する観点から単結晶基板であることが望ましい。半導体基板の面方位は特に制限はないが、（００１）、（１１１）、（１０１）等が望ましい。また、これらの面方位に対して１°から５°程度傾けた面方位を用いることも好ましい。
【００４０】
半導体基板の表面は、真空中で加熱して酸化膜を除去しても良いし、有機物や金属等の汚染物質を除去したのち、酸やアルカリによる洗浄処理を行ってもよい。
【００４１】
＜第１層＞
本実施形態に係る赤外線検出素子における第１層は、半導体基板上に形成され、第１導電型（ｎ型、ｉ型及びｐ型のいずれか）を有するものである。また第１層は、Ａｌｘ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）Ｓｂ（０＜ｘ（１）＜１）を含む層と、膜厚がｔｙ（１）でありＡｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂ（０＜ｙ（１）＜１）を含む層と、Ａｌｘ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）Ｓｂ（０＜ｘ（２）＜１）を含む層と、をこの順に有し、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（１））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（１））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．３３）、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）−ｘ（２））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）−ｘ（２））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．３３）、
を満たすものである。
【００４２】
（各層のＡｌ組成の測定方法）
第１層が有する各層のＡｌ組成は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法により以下のように求めた。測定にはＣＡＭＥＣＡ社製磁場型ＳＩＭＳ装置ＩＭＳ  ７ｆを用いた。この手法は、固体表面にビーム状の一次イオン種を照射することで、スパッタリング現象により深さ方向に掘り進めながら、同時に発生する二次イオンを検出することで、組成分析を行う手法である。なおここで、Ａｌ組成とは、各層に含まれる全１３族元素に対するＡｌ元素の比率を指す。
【００４３】
具体的には、一次イオン種をセシウムイオン（Ｃｓ＋）、一次イオンエネルギーを２．５ｋｅＶ、ビーム入射角を６７．２°とし、検出二次イオン種としてマトリックス効果が小さいＭＣｓ＋（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂなど）を検出した。
【００４４】
この際、上述のような一定条件でスパッタリングを行い、目的とする層の深さまでスパッタリングを所定の時間行うことで、目的とする層の組成分析を行った。なお、目的とする層の深さは、後述の断面ＴＥＭ測定により各層の厚さから求めることができる。ＳＩＭＳ分析のスパッタリング時間―深さの変換は、分析と同条件での一定時間スパッタリング深さを、例えば触針式の段差計を用いて測定しスパッタレートを求め、これを使って試料測定時のスパッタリング時間を深さに変換することで求めた。
【００４５】
そして、各層におけるＭＣｓ＋の信号強度から、Ａｌ組成を求めた。例えばＡｌＩｎＳｂ層の場合、Ａｌ組成は（ＡｌＣｓ＋の信号強度）÷（（ＡｌＣｓ＋の信号強度）＋（ＩｎＣｓ＋の信号強度））から求めた。
【００４６】
なお、各層が深さ方向に均一な組成であっても、スパッタリングの影響により信号強度が深さ方向に分布を生じる場合があるが、この場合は最大の信号強度を各層の信号強度の代表値とする。
【００４７】
なお、分析で求められるＡｌ組成定量値は真値からのずれを伴い得る。この真値からのずれを補正するために、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｎ）法から得られる格子定数値を求めた別サンプルを用意し、Ａｌ組成値が既知である標準試料として用いて、第１層が有する各層のＡｌ組成についての測定条件を用いてＳＩＭＳ分析を行うことで、信号強度に対するＡｌ組成の感度係数を求めた。第１層が有する各層のＡｌ組成を、第１層が有する各層におけるＳＩＭＳ信号強度に上記感度係数をかけることで求めた。
【００４８】
ここで、別サンプルとしてはＧａＡｓ基板上に積層された膜厚８００ｎｍのＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂを用いた。このサンプルについて、格子定数をスペクトリス株式会社製Ｘ線回折装置Ｘ’Ｐｅｒｔ  ＭＰＤを用いてＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ  Ｄｉｆｆａｃｔｉｏｎ）法により以下のように求め、標準試料としてのＡｌ組成xを求めた。
【００４９】
Ｘ線回折による２θ−ωスキャンを行うことにより、基板表面の面方位に対応する面の面指数の２θ−ωスキャンにおけるピーク位置から、ＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂを含む層の基板表面に対する法線方向の格子定数を求め、該法線方向の格子定数からベガード則を用いてＡｌ組成ｘを決定した。ここでは、ＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂ層の異方的な歪みはないものとした。ベガード則は具体的には以下の式（４）で表される。
【００５０】
【数４】
2019153770.tif 000006
【００５１】
ここでａＡｌＳｂはＡｌＳｂ、ａＩｎＳｂはＩｎＳｂの格子定数であり、ａＡｌＩｎＳｂは上記のＸ線回折により求まるＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂの格子定数である。ａＡｌＳｂには６．１３５５Åを、ａＩｎＳｂには６．４７９４Åを使用した。ＳＩＭＳ測定に対する標準試料としては、０．１０＜ｘ＜０．１５のものを用いた。
【００５２】
第１の層が有する各層のＡｌ以外の元素の組成についても、上記と同様の手法を用いることで測定可能である。
【００５３】
例えば、Ｇａを含む場合のＧａ組成についても上記と同様の手法を用いることで測定可能である。
【００５４】
この際には、別サンプルとしてＧａＡｓ基板上に積層された膜厚８００ｎｍのＧａｇＩｎ１−ｇＳｂを用いる。ＧａｇＩｎ１−ｇＳｂを用い、ベガード則は具体的には以下の式（５）で表される。
【００５５】
【数５】
2019153770.tif 000007
【００５６】
ここで、ａＧａＳｂはＧａＳｂ、ａＩｎＳｂはＩｎＳｂの格子定数であり、ａＧａＩｎＳｂは上記のＸ線回折により求まるＡｌｇＩｎ１−ｇＳｂの格子定数である。ａＧａＳｂには６．０９５９Åを、ａＩｎＳｂには６．４７９４Åを使用した。ＳＩＭＳ測定に対する標準試料としては、０．１０＜ｇ＜０．１５のものを用いた。
【００５７】
（各層の膜厚の測定方法）
第１層が有する各層の膜厚は断面ＴＥＭ（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法により測定することが可能である。具体的には、およそ５００ｎｍ以下の厚みの試料作成を日立ハイテクノロジーズ社製ＦＩＢ装置（ＦＢ−２１００）を用いてＦＩＢ法により行い、日立製ＳＴＥＭ装置（ＨＤ−２３００Ａ）を用いて加速電圧２００ｋＶにて透過像で断面観察を行い各層の厚さを測定した。第１層以外の層の膜厚についても、同様の測定方法を用いることで測定可能である。
【００５８】
線欠陥の曲折のために必要な応力を導入する観点から、Ａｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂを含む層の膜厚ｔｙ（１）［ｎｍ］の下限値は２ｎｍ以上であることが好ましく、５ｎｍ以上であることがより好ましい。
【００５９】
三元系以上の混晶においては混晶比が小さいほど良好な質の結晶が得られることを鑑み、比較的良好な質の結晶が得られるという観点からや素子形成プロセスの容易性の観点から、０＜ｘ（１）＜０．２５が好ましく、０＜ｘ（１）＜０．１８がより好ましい。さらに好ましくは０＜ｘ（１）＜０．０９が望ましく、ｘ（２）についても同様の範囲が好ましい。
【００６０】
また第１層はＶ族元素としてＡｓを含んでも構わないが、結晶成長中に過剰なＡｓ元素を照射する必要があり結晶成長中の表面原子の拡散を阻害し結晶性の悪化につながることから、全Ｖ族元素に対するＡｓ原子の割合は３％以下であることが好ましい。
【００６１】
また、Ａｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂを含む層に均一に応力をかけるという観点から、｜ｘ（１）−ｘ（２）｜＜０．１０であることが好ましく、｜ｘ（１）−ｘ（２）｜＜０．０３であることがより好ましい。
【００６２】
またＡｌｘ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）Ｓｂを含む層の膜厚ｔｘ（１）としては、ミスフィット応力の吸収の観点からｔｘ（１）≧２００ｎｍであることが好ましく、ｔｘ（１）≧３００ｎｍであることがより好ましい。Ａｌｘ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）Ｓｂを含む層の膜厚ｔｘ（２）についても同様の範囲が好ましい。
【００６３】
また成膜時間の増加や、素子形成プロセスの容易性の観点から、ｔｘ（１）≦７００ｎｍであることが好ましく、より好ましくはｔｘ（１）≦６００ｎｍであることが特に好ましい。ｔｘ（２）についても同様の範囲が好ましい。
【００６４】
上述のように、転位フィルタ層Ａｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂが厚くなるほど、また転位フィルタ層Ａｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂと母材層Ａｌｘ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）Ｓｂとの格子定数差が大きくなるほど転位が曲折しやすくなる。しかしながら、赤外線検出素子に用いられる転位フィルタ層としては、転位フィルタ層Ａｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂが厚くなることは好ましくない。これは、成膜時間の増加や、赤外線検出素子形成プロセスの難度を上げることに繋がるためである。以上の観点から、赤外線検出素子に用いられる転位フィルタ層としては、母材との格子定数差を大きくとったうえで、膜厚が薄いことが好ましい。
【００６５】
例えば膜厚ｔｙ（１）［ｎｍ］は２００ｎｍ以下であることが好ましく、１００ｎｍ以下であることがより好ましい。また、膜厚ｔｙ（１）［ｎｍ］臨界膜厚の６倍以下であることが好ましく、４倍以下であることがより好ましい（後述の図５）。
【００６６】
ここで、臨界膜厚はｙ（１）−ｘ（１）の関数であり、以下の式（６）〜式（８）で与えられるものである。以下では臨界膜厚ｈｃを求める方法について説明する。
【００６７】
式（６）はダブルヘテロ構造の中間層の臨界膜厚に関するＭａｔｔｈｅｗｓの式を示している（特許文献２）。
【００６８】
式（６）において、ｈｃは中間層に相当するＡｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂの臨界膜厚、ｆは格子不整合度、νはポアソン比、ｂはバーガーズベクトルの大きさ、αは転位線の方向とバーガーズベクトルの角度、λは転位フィルタ層とバッファ層との界面とすべり面とがなす角を示す。
【００６９】
これらのパラメータは考慮する転位の種類により異なるが、ここではＡｌＩｎＳｂを含む閃亜鉛鉱構造に一般的な６０°転位を考え、ｂ＝ａ／√２、ｃｏｓα＝１／２、ｃｏｓλ＝１／２を用いる。これらを式（６）に代入して整理することで、式（７）が得られる。ポアソン比は０．３５を用いた。格子定数ａは転位フィルタ層に相当するＡｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂの格子定数を用いた。
【００７０】
転位フィルタ層に相当するＡｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂの組成ｙ（１）、バッファ層に相当するＡｌｘ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）Ｓｂの組成ｘ（１）、を用いると、べガード則（式（４））を用いることにより、各々の層の格子定数を求めることができ、さらに格子不整合度ｆを求めることができる（式（８））。これらの式により、臨界膜厚ｈｃを求めることができる。このときのＡｌ組成差と臨界膜厚ｈｃの関係を図５に示す。
【００７１】
【数６】
2019153770.tif 000008
【数７】
2019153770.tif 000009
【数８】
2019153770.tif 000010
【００７２】
また後述の実施例で示すように、第１層におけるｔｙ（１）、ｘ（１）、ｘ（２）及びｙ（１）は、
０＜ｔｙ（１）≦６９０１×（ｙ（１）−ｘ（１））−１０８７  （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−２６７３×（ｙ（１）−ｘ（１））＋６９９  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．２５）、
０＜ｔｙ（１）≦６９０１×（ｙ（１）−ｘ（２））−１０８７  （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、および、
０＜ｔｙ（１）≦−２６７３×（ｙ（１）−ｘ（２））＋６９９  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．２５）
を満たすことが好ましく、
より好ましくは
０＜ｔｙ（１）≦１９９３×（ｙ（１）−ｘ（１））−２４２  （０．１３≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（１）−ｘ（１））＋３２４  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．２９）、
０＜ｔｙ（１）≦１９９３×（ｙ（１）−ｘ（２））−２４２  （０．１３≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、および、
０＜ｔｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（１）−ｘ（２））＋３２４  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．２９）
を満たすことが好ましく、
さらに好ましくは    ０＜ｔｙ（１）≦３０６７×（ｙ（１）−ｘ（１））−４７２  （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（１）−ｘ（１））＋３２２  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（１）≦０．２５）、
０＜ｔｙ（１）≦３０６７×（ｙ（１）−ｘ（２））−４７２  （０．１６≦ｙ（１）−ｘ（２）≦０．１９）、および、
０＜ｔｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（１）−ｘ（２））＋３２２  （０．１９＜ｙ（１）−ｘ（２）≦０．２５）
を満たすことがより好ましい。
【００７３】
また第１層は、Ａｌｘ（ｉ）Ｉｎ１−ｘ（ｉ）Ｓｂ（０≦ｘ（ｉ）≦１）を含む層と、膜厚がｔｙ（ｉ）［ｎｍ］でありＡｌｙ（ｉ）Ｉｎ１−ｙ（ｉ）Ｓｂ（０≦ｙ（ｉ）≦１）を含む層と、をこの順にｎ層ずつ順次積層された積層構造を有することが好ましい。
【００７４】
ここで繰り返し回数ｎについては、線欠陥密度低減の観点からｎ≧２であることが好ましく、ｎ≧３であることがより好ましい。
【００７５】
また成膜時間の増加や素子形成プロセスの容易性の観点から、ｎ≦６であることが好ましく、ｎ≦５であることがより好ましい。
【００７６】
また後述の実施例で示すように、第１層は、１からｎ（２≦ｎ≦６）までの整数ｉについて、Ａｌｘ（ｉ）Ｉｎ１−ｘ（ｉ）Ｓｂを含む層と、膜厚がｔｙ（ｉ）［ｎｍ］でありＡｌｙ（ｉ）Ｉｎ１−ｙ（ｉ）Ｓｂを含む層と、をこの順にｎ層ずつ順次積層された積層構造と、膜厚がｔｙ（ｎ）［ｎｍ］でありＡｌｙ（ｎ）Ｉｎ１−ｙ（ｎ）Ｓｂを含む層の直上にＡｌｘ（ｎ＋１）Ｉｎ１−ｘ（ｎ＋１）Ｓｂを含む層と、を有し、ｔｙ（ｉ）、ｘ（ｉ）、ｘ（ｉ＋１）及びｙ（ｉ）は、
０＜ｔｙ（ｉ）≦２３６０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−２４０  （０．１１≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−１２１５×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋４２７  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．３３）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦２３６０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−２４０  （０．１１≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−１２１５×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋４２７  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．３３）、
０＜ｘ（ｉ）＜０．１８、および、
０＜ｘ（ｉ＋１）＜０．１８
を満たすことが好ましい。
【００７７】
ここでｔｙ（ｉ）については上述のｔｙ（１）と同様の範囲が好ましく、ｘ（ｉ）、ｘ（ｉ＋１）については、上述のｘ（１）と同様の範囲が好ましい。
【００７８】
また後述の実施例で示すように、第１層のｔｙ（ｉ）、ｘ（ｉ）、ｘ（ｉ＋１）及びｙ（ｉ）は、
０＜ｔｙ（ｉ）≦６９０１×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−１０８７  （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−２６７３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋６９９  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２５）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦６９０１×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−１０８７  （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、および、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−２６７３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋６９９  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２５）
を満たすことが好ましく、
より好ましくは、
０＜ｔｙ（ｉ）≦１９９３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−２４２  （０．１３≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−１０４０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋３２４  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２９）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦１９９３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−２４２  （０．１３≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、および、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−１０４０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋３２４  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２９）
を満たすことがより好ましく、
さらに好ましくは
０＜ｔｙ（ｉ）≦３０６７×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−４７２  （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−１１８８×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋３２２  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２５）、
０＜ｔｙ（ｉ）≦３０６７×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−４７２  （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）、および、
０＜ｔｙ（ｉ）≦−１１８８×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋３２２  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２５）
を満たすことがより好ましい。このとき、互いに異なる層のＡｌｙ（ｉ）Ｉｎ１−ｙ（ｉ）Ｓｂについて、Ａｌ組成ｙ（ｉ）の値は同一の値をとることもできるし、異なる値をとることもできる。
【００７９】
第１層の材料としては、上述のＡｌｘ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）Ｓｂを含む層と、膜厚がｔｙ（１）でありＡｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂを含む層と、Ａｌｘ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）Ｓｂを含む層と、をこの順に有する積層構造の他に、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰの単体もしくは混晶の単層もしくは積層構造などを有してもよい。
【００８０】
また前述の半導体基板がＧａＡｓ基板である場合、第１層のうち、ＧａＡｓ基板と接する層は良好な質の結晶性の確保の観点からＩｎＳｂからなる層であることが好ましい。
【００８１】
第１層はドナー不純物やアクセプター不純物によりｎ型やｐ型にドーピングされていることが好ましいが、第１導電型を有するのであれば必ずしもドープされていなくてもよい。第１層がドープされている場合、ドープ濃度は金属との接触抵抗の低減の観点から１×１０１８［ｃｍ−３］以上が好ましく、また結晶性確保の観点から１×１０１９［ｃｍ−３］以下であることが望ましい。
【００８２】
第１導電型は、赤外検出素子のバーシュタインモス効果による赤外線透過率の向上の観点から、ｎ型の導電型であることが好ましい。
【００８３】
第１層と受光層が直接接する場合には、拡散電流低減の観点から、第１層のうち受光層と接する層の材料は、受光層よりもバンドギャップの大きいものであることが好ましい。
【００８４】
＜受光層＞
本実施形態に係る赤外線検出素子における受光層は、第１層上に形成される層である。受光層の材料は、波長が２μｍ以上の赤外線に相当するバンドギャップを有する化合物半導体であれば特に制限されない。例えば、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰの単体もしくは混晶の単層またはそれらの積層構造などが挙げられる。
【００８５】
特に比較的良好な質の結晶が得られるという観点から、受光層の材料としてはＡｌｚＩｎ１−ｚＳｂが好ましい。この場合Ａｌ組成ｚは、２．０μｍから７．０μｍまでの波長に対応可能という観点から、０より大きく０．２５より小さいことが好ましく、特にＡｌ組成ｚが小さい方が良好な結晶性が得られるという観点から、０より大きく、０．１８より小さいことがより好ましい。さらに好ましくは０．０９より小さいことが好ましい。また良好な質の結晶を得る観点から、第１層のうちＡｌｘ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）Ｓｂを含む層と格子定数が近いことが好ましい。
【００８６】
受光層の導電型はｎ型、ｉ型及びｐ型のいずれでもよい。また受光層へのドーピングとしては、ノンドープ（不純物を含まないこと）でもよく、ドナー不純物やアクセプター不純物によりｎ型やｐ型にドーピングされていてもよい。
【００８７】
また欠陥による欠陥性再結合の抑制の観点から、受光層の線欠陥密度が３．０×１０８［本／ｃｍ２］以下であることが好ましい。受光層の線欠陥密度については、平面ＴＥＭによる観察を行うことで測定可能である。具体的には、試料作成を日立製ＦＩＢ装置（ＦＢ−２１００）を用いてＦＩＢ法により加工を行い、日立製ＳＴＥＭ装置（ＨＤ−２３００Ａ）を用いて平面ＴＥＭ像観察を行い、３０μｍ２以上の面積の連続した視野の線欠陥の本数を計測し、単位面積当たりの線欠陥の本数を求めることで、線欠陥密度の算出を行うことができる。
【００８８】
入射された赤外線を十分に吸収するという観点から、受光層の膜厚［ｎｍ］の下限値は１００ｎｍ以上であることが好ましく、２００ｎｍ以上であることがより好ましい。また、成膜時間の増加や、素子形成プロセスの容易性の観点から、受光層の膜厚の上限値は４０００ｎｍ以下であることが好ましく、３０００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００８９】
＜第２層＞
本実施形態に係る赤外線検出素子における第２層は、受光層上に形成され、第２導電型（ｎ型、ｉ型及びｐ型のいずれか）を有する層である。
【００９０】
第２層は、第１層が有する第１導電型とは反対の導電型であることが好ましい。例えば第１層がｎ型であれば第２層はｐ型であることが好ましく、第１層がｐ型であれば第２層はｎ型であることが好ましい。
【００９１】
また前述の通り、第１層はｎ型であることが好ましいため、第２層はｐ型であることが好ましい。
【００９２】
第２層はドナー不純物やアクセプター不純物によりｎ型やｐ型にドーピングされていることが好ましいが、第２導電型を有するのであれば必ずしもドープされていなくてもよい。
【００９３】
第２層がドープされている場合、そのドープ濃度は金属との接触抵抗の低減の観点から１×１０１８［ｃｍ−３］以上が好ましく、また結晶性確保の観点から１×１０１９［ｃｍ−３］以下であることが好ましい。
【００９４】
第２層の材料は化合物半導体であれば特に制限されない。例えば、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰの単体もしくは混晶の単層もしくは積層構造などが挙げられる。
【００９５】
第２層と受光層が直接接する場合には、拡散電流低減の観点から、第２層のうち受光層と接する層の材料は、受光層よりもバンドギャップの大きいものであることが好ましい。
【００９６】
本発明の実施形態において、各化合物半導体層（第１層、受光層及び第２層等）は各種の成膜方法を用いて形成することが可能である。例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などが好ましい方法である。これらの方法を用いて、半導体基板上に各化合物半導体層を形成することができる。各化合物半導体層の形成工程では、各化合物半導体層を構成する各層の形成途中で半導体基板を成膜装置から一旦、大気中に取り出してもよい。
【００９７】
素子形成プロセス時のダメージを防ぐ観点から、第２層の膜厚［ｎｍ］の下限値は３０ｎｍ以上であることが好ましく、５０ｎｍ以上であることがより好ましい。成膜時間の増加や、素子形成プロセスの容易性の観点から、第２層の膜厚の上限値［ｎｍ］は２０００ｎｍ以下であることが好ましく、１０００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００９８】
＜積層構造＞
本発明の実施形態において、赤外線検出素子は次のような積層構造を有する。
【００９９】
第１層２０は、１からｎまでの整数ｉについて、厚さｔｘ（ｉ）でありＡｌｘ（ｉ）Ｉｎ１−ｘ（ｉ）Ｓｂを含むバッファ層Ｘ（ｉ）と、厚さｔｙ（ｉ）でありＡｌｙ（ｉ）Ｉｎ１−ｙ（ｉ）Ｓｂを含む転位フィルタ層Ｙ（ｉ）と、をこの順にｎ層ずつ順次積層された構造を有し、その直上に厚さｔｘ（ｎ＋１）でありＡｌｘ（ｎ＋１）Ｉｎ１−ｘ（ｎ＋１）Ｓｂを含むバッファ層Ｘ（ｎ＋１）が積層されてなる構造を含む。ここで述べた「順次積層された」とは、「Ｘ（ｉ）層の直上にＹ（ｉ）層が積層されてなり、Ｙ（ｉ）層の直上にＸ（ｉ＋１）層が積層されてなる」ことを示す。
【０１００】
ここで、Ｙ（ｉ）層は転位フィルタ層としての機能を、Ｘ（ｉ）層はミスフィット応力を吸収するバッファ層としての機能を果たし、Ｙ（ｉ）層にミスフィット応力を与えることでＸ（ｉ）層とＹ（ｉ）層の界面およびＹ（ｉ）層とＸ（ｉ＋１）層との界面において転位を曲折する。
【０１０１】
したがってＹ（ｉ）層は、Ｘ（ｉ）およびＸ（ｉ＋１）層との組成差が大きくなるほど、ミスフィット応力が大きくなるため転位が曲折しやすくなる。一方で、Ｙ（ｉ）層のＸ（ｉ）およびＸ（ｉ＋１）層との組成差が大きくなりすぎると、大きくなりすぎたミスフィット応力に結晶が耐えられず逆に転位を発生してしまう。
【０１０２】
またＹ（ｉ）層の厚さｔｙ（ｉ）が厚くなるほどミスフィット応力が大きくなるため転位が曲折しやすくなる。一方、Ｙ（ｉ）層の厚さｔｙ（ｉ）が厚くなりすぎると一定以上ミスフィット応力が大きくなり結晶が応力に耐えられず逆に転位を発生してしまう。上記、Ｙ（ｉ）層のＸ（ｉ）との組成差、Ｙ（ｉ）層とＸ（ｉ＋１）層との組成差、およびＹ（ｉ）層の厚さｔｙ（ｉ）は互いに独立ではなく、前述の通り好適な範囲が存在する。
【０１０３】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、本発明の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。また、本発明の実施形態は、以下で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【０１０４】
図２は、本発明に係る赤外線検出素子１００の第一実施形態の構成を示す断面図である。赤外線検出素子１００は、半導体基板１０の上に化合物半導体層５０が積層された構造を有する。化合物半導体層５０は、第１層２０、受光層３０および第２層４０がこの順に積層された構造を有する。第一実施形態において、第１層２０は、厚さｔｘ（１）でありＡｌｘ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）Ｓｂを含む層Ｘ（１）であるバッファ層２３を有する。また、第１層２０は、厚さｔｙ（１）でありＡｌｙ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）Ｓｂを含む層Ｙ（１）である転位フィルタ層２４を有する。また、第１層２０は、厚さｔｘ（２）でありＡｌｘ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）Ｓｂを含む層Ｘ（２）であるバッファ層２５を有する。第一実施形態において、第１層２０は、バッファ層２３および転位フィルタ層２４をこの順に１層（一組）積層された構造を有し、その直上にバッファ層２５が積層されてなる構造を含む。
【０１０５】
ここで、第１層２０は、更にＩｎＳｂを含むバッファ層（ＩｎＳｂ層２１）と、バリア層２２と、を有する。図２に示すように、第１層２０は、ＩｎＳｂ層２１の直上にバッファ層２３が積層される構造を有する。また、第１層２０は、バッファ層２５の直上にバリア層２２が積層される構造を有する。
【０１０６】
図３は、本発明に係る赤外線検出素子１００の第二実施形態の構成を示す断面図である。第二実施形態において、第１層２０は、上記の積層構造の繰り返し回数ｎを２とした場合の構造を有する。図３において、第一実施形態の赤外線検出素子１００と同じ要素には同じ符号が付されており、説明を省略する。
【０１０７】
第二実施形態において、第１層２０は、厚さｔｙ（２）でありＡｌｙ（２）Ｉｎ１−ｙ（２）Ｓｂを含む層Ｙ（２）である転位フィルタ層２６を有する。また、第１層２０は、厚さｔｘ（３）でありＡｌｘ（３）Ｉｎ１−ｘ（３）Ｓｂを含む層Ｘ（３）であるバッファ層２７を有する。第１層２０は、バッファ層２３および転位フィルタ層２４と、バッファ層２５および転位フィルタ層２６と、をこの順に２層（二組）順次積層された構造を有し、その直上にバッファ層２７が積層されてなる構造を含む。また、第二実施形態において、第１層２０は、バッファ層２７の直上にバリア層２２が積層される構造を有する。
【０１０８】
図４は、本発明に係る赤外線検出素子１００の第三実施形態の構成を示す断面図である。第三実施形態において、第１層２０は、上記の積層構造の繰り返し回数ｎを３とした場合の構造を有する。図４において、第二実施形態の赤外線検出素子１００と同じ要素には同じ符号が付されており、説明を省略する
【０１０９】
第三実施形態において、第１層２０は、厚さｔｙ（３）でありＡｌｙ（３）Ｉｎ１−ｙ（３）Ｓｂを含む層Ｙ（３）である転位フィルタ層２８を有する。また、第１層２０は、厚さｔｘ（４）でありＡｌｘ（４）Ｉｎ１−ｘ（４）Ｓｂを含む層Ｘ（４）であるバッファ層２９を有する。第１層２０は、バッファ層２３および転位フィルタ層２４と、バッファ層２５および転位フィルタ層２６と、バッファ層２７および転位フィルタ層２８と、をこの順に３層（三組）順次積層された構造を有し、その直上にバッファ層２９が積層されてなる構造を含む。また、第三実施形態において、第１層２０は、バッファ層２９の直上にバリア層２２が積層される構造を有する。
【０１１０】
以上、本発明の第一実施形態、第二実施形態および第三実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。例えば、積層構造の繰り返し回数ｎは２または３に限定されるものではなく、４〜６の範囲で選択されてもよい。また、上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【０１１１】
またＡｌの代わりにＧａを用いても、上述の通り、ＡｌＳｂと近い格子定数を取るＧａＳｂを形成でき、層内に応力を発生することができるため、本発明に係る赤外線検出素子のその他の実施形態として、
半導体基板と、
半導体基板上に形成され、第１導電型を有する第１層と、
第１層上に形成された受光層と、
受光層上に形成され、第２導電型を有する第２層と、を備え、
第１層は、Ａｌｘ（１）Ｇａｐ（１）Ｉｎ１−ｘ（１）−ｐ（１）Ｓｂを含む層と、膜厚がｔｙ（１）［ｎｍ］でありＡｌｙ（１）Ｇａｑ（１）Ｉｎ１−ｙ（１）−ｑ（１）Ｓｂを含む層と、Ａｌｘ（２）Ｇａｐ（２）Ｉｎ１−ｘ（２）−ｐ（２）Ｓｂを含む層と、をこの順に有し、
ｔｙ（１）、ｘ（１）、ｘ（２）、ｙ（１）ｐ（１）、ｐ（２）、およびｑ（１）は、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（１）−ｐ（１）≦０．３３）、
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））−２４０  （０．１１≦ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．１９）、
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２））＋４２７  （０．１９＜ｙ（１）＋ｑ（１）−ｘ（２）−ｐ（２）≦０．３３）、
０＜ｘ（１）＋ｐ（１）＜０．１８、
０＜ｘ（２）＋ｐ（２）＜０．１８、および
０＜ｑ（１）／（ｙ（１）＋ｑ（１））≦１    
を満たす層を含む形態をとることができる。
【０１１２】
この実施形態に係る赤外線検出素子においても、第１層中で転位すなわち線欠陥が横方向に曲折するために第１層の上に位置する受光層の線欠陥密度が低減する。そして、受光層内における転位を介した欠陥性再結合が抑制されることによりＲａの向上が可能となる。この効果は後述の実施例２１及び２２で確認することができており、母材及び転位フィルタ層がＡｌＩｎＳｂを含む形態と同様のＲａが実現されている。なお、母材及び転位フィルタ層がＡｌＩｎＳｂを含む形態に関して上記で説明されている種々の好ましい形態などについては、「Ａｌ組成」を「Ａｌ組成及びＧａ組成の和」と読み替えることで、本実施形態の赤外線検出素子にも適用可能である。
【実施例】
【０１１３】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
【０１１４】
＜実施例１＞
例えば図３に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）上に、ＭＢＥ装置を用いて
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２４）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２５）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２６）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２７）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２）、
ノンドープのＡｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層（受光層３０）を１μｍと、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型ｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層）、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０を形成した。
【０１１５】
次いで、化合物半導体層５０上にレジストパターンを形成し、エッチングを施すことで、メサ構造を作製した。さらに各検出素子が電気的に独立となるように、メサ構造どうしの間に、酸化ケイ素からなる絶縁溝を形成し、メサ構造及び絶縁溝を含む化合物半導体層５０全面に、絶縁層として窒化ケイ素を形成した。この絶縁層の一部にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを覆うように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）をこの順に堆積して電極部を形成し、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を得た。同様の手法により、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を、各々の赤外線検出素子の１つ当たりのメサ構造の面積および周囲長が異なるようにして複数独立に作製した。
【０１１６】
受光層３０のうち、第２層４０を構成するｐ層に近い側の０．３μｍの中から測定試料を作成し、平面ＴＥＭにより線欠陥密度観察を行ったところ、線欠陥密度は１．１×１０８［本／ｃｍ２］であった。後述の比較例と比べて、欠陥密度が低減していることがわかる。
【０１１７】
＜実施例２〜１２、１８〜２０＞
表１および表２に従って、転位フィルタ層２４（Ｙ（１）層）と転位フィルタ層２６（Ｙ（２）層）のＡｌ組成ｙ（ｉ）等を変えた。
【０１１８】
＜実施例１３、１４＞
表２に従って、受光層３０のＡｌ組成ｚとバッファ層２３（Ｘ（１）層）、２５（Ｘ（２）層）、２７（Ｘ（３）層）のＡｌ組成等を変えた。バリア層のＡｌ組成は０．２６とした。
【０１１９】
＜実施例１５＞
表２に従って、受光層３０のＡｌ組成ｚとバッファ層２３（Ｘ（１）層）、２５（Ｘ（２）層）、２７（Ｘ（３）層）のＡｌ組成等を変えた。バリア層のＡｌ組成は０．３３とした。
【０１２０】
＜実施例１６＞
例えば図２に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）上に、ＭＢＥ装置を用いて
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．７５μｍと（バッファ層２３）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２４）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．７５μｍと（バッファ層２５）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２）、
ノンドープのＡｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層（受光層３０）を１μｍと、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型ｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層）、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０を形成した。
【０１２１】
このとき、Ａｌｘ（ｉ）Ｉｎ１−ｘ（ｉ）Ｓｂ（０＜ｘ（ｉ）＜１）を含む層と、膜厚がｔｙ（ｉ）［ｎｍ］でありＡｌｙ（ｉ）Ｉｎ１−ｙ（ｉ）Ｓｂ（０＜ｙ（ｉ）＜１）を含む層との積層構造繰り返し数回数ｎは１に相当する。
【０１２２】
次いで、化合物半導体層５０上にレジストパターンを形成し、エッチングを施すことで、メサ構造を作製した。さらに各検出素子が電気的に独立となるように、メサ構造どうしの間に、酸化ケイ素からなる絶縁溝を形成し、メサ構造及び絶縁溝を含む化合物半導体層５０全面に、絶縁層として窒化ケイ素を形成した。この絶縁層の一部にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを覆うように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）をこの順に堆積して電極部を形成し、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を得た。同様の手法により、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を、各々の赤外線検出素子の１つ当たりのメサ構造の面積および周囲長が異なるようにして複数独立に作製した。
【０１２３】
＜実施例１７＞
例えば図４示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）上に、ＭＢＥ装置を用いて
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２４）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．３３３μｍと（バッファ層２５）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２６）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．３３３μｍと（バッファ層２７）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２８）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．３３３μｍと（バッファ層２９）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２）、
ノンドープのＡｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層（受光層３０）を１μｍと、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型ｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層）、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０を形成した。
【０１２４】
このとき、Ａｌｘ（ｉ）Ｉｎ１−ｘ（ｉ）Ｓｂ（０＜ｘ（ｉ）＜１）を含む層と、膜厚がｔｙ（ｉ）［ｎｍ］でありＡｌｙ（ｉ）Ｉｎ１−ｙ（ｉ）Ｓｂ（０＜ｙ（ｉ）＜１）を含む層との積層構造繰り返し数回数ｎは３に相当する。
【０１２５】
次いで、化合物半導体層５０上にレジストパターンを形成し、エッチングを施すことで、メサ構造を作製した。さらに各検出素子が電気的に独立となるように、メサ構造どうしの間に、酸化ケイ素からなる絶縁溝を形成し、メサ構造及び絶縁溝を含む化合物半導体層５０全面に、絶縁層として窒化ケイ素を形成した。この絶縁層の一部にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを覆うように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）をこの順に堆積して電極部を形成し、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を得た。同様の手法により、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を、各々の赤外線検出素子の１つ当たりのメサ構造の面積および周囲長が異なるようにして複数独立に作製した。
【０１２６】
＜実施例２１＞
例えば図３に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）上に、ＭＢＥ装置を用いて
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ｇａ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２４）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２５）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ｇａ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２６）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２７）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２）、
ノンドープのＡｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層（受光層３０）を１μｍと、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型ｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層）、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０を形成した。
【０１２７】
次いで、化合物半導体層５０上にレジストパターンを形成し、エッチングを施すことで、メサ構造を作製した。さらに各検出素子が電気的に独立となるように、メサ構造どうしの間に、酸化ケイ素からなる絶縁溝を形成し、メサ構造及び絶縁溝を含む化合物半導体層５０全面に、絶縁層として窒化ケイ素を形成した。この絶縁層の一部にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを覆うように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）をこの順に堆積して電極部を形成し、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を得た。同様の手法により、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を、各々の赤外線検出素子の１つ当たりのメサ構造の面積および周囲長が異なるようにして複数独立に作製した。
【０１２８】
＜実施例２２＞
例えば図３に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）上に、ＭＢＥ装置を用いて
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．１４Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２４）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２５）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．１４Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（転位フィルタ層２６）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２７）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２）、
ノンドープのＡｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層（受光層３０）を１μｍと、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型ｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層）、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０を形成した。
【０１２９】
次いで、化合物半導体層５０上にレジストパターンを形成し、エッチングを施すことで、メサ構造を作製した。さらに各検出素子が電気的に独立となるように、メサ構造どうしの間に、酸化ケイ素からなる絶縁溝を形成し、メサ構造及び絶縁溝を含む化合物半導体層５０全面に、絶縁層として窒化ケイ素を形成した。この絶縁層の一部にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを覆うように、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）をこの順に堆積して電極部を形成し、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を得た。同様の手法により、同一面積および同一の周囲長のメサ構造を有するダイオードが複数個直列接続された赤外線検出素子を、各々の赤外線検出素子の１つ当たりのメサ構造の面積および周囲長が異なるようにして複数独立に作製した。
【０１３０】
【表１】
2019153770.tif 000011
【０１３１】
【表２】
2019153770.tif 000012
【０１３２】
＜比較例１＞
比較例は、ダブルバリアの構造を有する。比較例１では、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３相当）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２相当）、
ノンドープのＡｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層（受光層３０相当）を２μｍと、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型ｌ０．２７Ｉｎ０．７３Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層相当）、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ０．０８Ｉｎ０．９２Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層相当）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０に対応する構造を形成した。
【０１３３】
＜比較例２＞
比較例は、ダブルバリアの構造を有する。比較例２では、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．０４Ｉｎ０．９６Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３相当）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．２６Ｉｎ０．７４Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２相当）、
ノンドープのＡｌ０．０４Ｉｎ０．９６Ｓｂ層（受光層３０相当）を２μｍと、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型ｌ０．２６Ｉｎ０．７４Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層相当）、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ０．０４Ｉｎ０．９６Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層相当）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０に対応する構造を形成した。
【０１３４】
＜比較例３＞
比較例は、ダブルバリアの構造を有する。比較例３では、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層２１を０．５μｍと、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．１３Ｉｎ０．８７Ｓｂ層を０．５μｍと（バッファ層２３相当）、
Ｓｎを７×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｎ型Ａｌ０．３３Ｉｎ０．６７Ｓｂ層を０．０２μｍと（バリア層２２相当）、
ノンドープのＡｌ０．１３Ｉｎ０．８７Ｓｂ層（受光層３０相当）を２μｍと、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型ｌ０．３３Ｉｎ０．６７Ｓｂ層を０．０２μｍと（第２層４０を構成するバリア層相当）、
Ｚｎを３×１０１８［ｃｍ−３］ドーピングしたｐ型Ａｌ０．１３Ｉｎ０．８７Ｓｂ層を０．５μｍと（第２層４０を構成するｐ層相当）、
を半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板１０）側からこの順に積層し、化合物半導体層５０に対応する構造を形成した。
【０１３５】
比較例１について、受光層のうち、ｐ層に近い側の０．３μｍの中から測定試料を作成し、平面ＴＥＭにより線欠陥密度観察を行ったところ、線欠陥密度は３．５×１０８［本／ｃｍ２］であった。
【０１３６】
＜Ｒａの比較＞
上記実施例１〜２２及び比較例１〜３により形成した赤外線検出素子について、赤外線検出素子の内部を通る電流に対するメサ形状の単位面積当たり抵抗率Ｒａを比較した。具体的には構成するメサ構造の面積および周囲長が異なる複数の赤外線検出素子について、順方向に５ｎＶの電圧を印加した際に流れる電流値を測定し、続いて逆方向に５ｎＶの電圧を印加した際に流れる電流値を測定し、両者の電流値の絶対値が互いに１０％以上差を含まないことを確認した。これらの電流値を基に、順方向の素子抵抗と逆方向の素子抵抗を求め、これらの平均値をダイオードの段数で割り返すことで、ダイオード1段当たりの素子抵抗Ｒ０を得た。各々のサイズおよび周囲長のダイオードについて得られたＲ０を、各々の素子のメサ面積Ｓと周囲長Ｌを用いて、１／（Ｒ０・Ｓ）をＬ／Ｓに対してプロットし、切片からＲａを求めた。ここで、Ｒａは比較例１により形成した赤外線検出素子のＲａを１としている。
【０１３７】
転位フィルタ層を含みｔｙ（ｉ）、ｙ（ｉ）、ｘ（ｉ）、ｘ（ｉ＋１）が下記の関係式（Ａ）〜（Ｄ）を満たす実施例１〜１２および１８〜２０の構造では、比較例１の構造と比べて３．０倍以上の大きいＲａを得ることができることが確認された。
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−２４０  （０．１１≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）  …  式（Ａ）
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋４２７  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．３３）  …  式（Ｂ）
０＜ｔｙ（１）≦２３６０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−２４０  （０．１１≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）  …  式（Ｃ）
０＜ｔｙ（１）≦−１２１５×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋４２７  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．３３）  …  式（Ｄ）
【０１３８】
ここで、図１は実施例１〜９および１８〜２０の組成および膜厚と線欠陥密度との関係を示す。図１の横軸はｙ（ｉ）とｘ（ｉ）との差分を示す。ここで、実施例１〜９および１８〜２０のｘ（ｉ）とｘ（ｉ＋１）とは同じ組成である。そのため、図１の横軸はｙ（ｉ）とｘ（ｉ＋１）との差分でもある。また、図１の縦軸は転位フィルタ層Ｙ（ｉ）の膜厚を示す。実施例１〜９および１８〜２０のいくつかは、黒い四角形で図１にプロットされている。上記の式（Ａ）〜式（Ｄ）は図１に示される関係から算出されたものである。上記の式（Ａ）および式（Ｃ）は、図１の直線１００１に対応する。また、上記の式（Ｂ）および式（Ｄ）は、図１の直線１００２に対応する。
【０１３９】
なお、前述のように、積層する化合物半導体材料の厚さを厚くすればするほど、転位密度が小さくなることが知られている。したがって積層した化合物半導体層の厚さの異なる実施例１０、１１、１２については他の実施例１〜９、１８〜２０とは単純にＲａの比較ができない。
【０１４０】
ここで、実施例１、３、４、５、７、８、９、１８、１９、２０においては、比較例１と比べて４．０倍以上の大きいＲａを得ることができる。このとき、下記の関係式（Ｉ）〜（Ｌ）が満たされる。
０＜ｔｙ（１）≦６９０１×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−１０８７  （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）  …  式（Ｉ）
０＜ｔｙ（１）≦−２６７３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋６９９  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２５）  …  式（Ｊ）
０＜ｔｙ（１）≦６９０１×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−１０８７  （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）  …  式（Ｋ）
０＜ｔｙ（１）≦−２６７３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋６９９  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２５）  …  式（Ｌ）
【０１４１】
上記の式（Ｉ）〜式（Ｌ）は図１に示される関係から算出されたものである。上記の式（Ｉ）および式（Ｋ）は、図１の直線１０２１に対応する。また、上記の式（Ｊ）および式（Ｌ）は、図１の直線１０２２に対応する。
【０１４２】
下記の関係式（Ｍ）〜（Ｐ）を満たす実施例１、３、４、５、７、８、１８、１９、２０については、比較例１と比べて５．０倍以上の大きいＲａを得ることができることが確認された。
０＜ｔｙ（１）≦１９９３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−２４２  （０．１３≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）  …  式（Ｍ）
０＜ｔｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋３２４  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２９）  …  式（Ｎ）
０＜ｔｙ（１）≦１９９３×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−２４２  （０．１３≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）  …  式（Ｏ）
０＜ｔｙ（１）≦−１０４０×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋３２４  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２９）  …  式（Ｐ）
【０１４３】
上記の式（Ｍ）〜式（Ｐ）は図１に示される関係から算出されたものである。上記の式（Ｍ）および式（Ｏ）は、図１の直線１０３１に対応する。また、上記の式（Ｎ）および式（Ｐ）は、図１の直線１０３２に対応する。
【０１４４】
下記の関係式（Ｅ）〜（Ｈ）を満たす実施例１、３、４、５、７、８については、比較例１と比べて５．２倍以上の大きいＲａを得ることができることが確認された。
０＜ｔｙ（１）≦３０６７×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））−４７２  （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．１９）  …  式（Ｅ）
０＜ｔｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ））＋３２２  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ）≦０．２５）  …  式（Ｆ）
０＜ｔｙ（１）≦３０６７×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））−４７２  （０．１６≦ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．１９）  …  式（Ｇ）
０＜ｔｙ（１）≦−１１８８×（ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１））＋３２２  （０．１９＜ｙ（ｉ）−ｘ（ｉ＋１）≦０．２５）  …  式（Ｈ）
【０１４５】
上記の式（Ｅ）〜式（Ｈ）は図１に示される関係から算出されたものである。上記の式（Ｅ）および式（Ｇ）は、図１の直線１０１１に対応する。また、上記の式（Ｆ）および式（Ｈ）は、図１の直線１０１２に対応する。
【０１４６】
実施例１、１６、１７は、第１層の厚さが同じであり、転位フィルタ構造の繰り返し数のみが異なるものである。このとき、繰り返し数が増加するにつれて、Ｒａが大きくなることがわかる。
【０１４７】
実施例２１、２２は転位フィルタ層にＧａを含む例であり、これらにおいても比較例１に対してそれぞれ６．３倍、６．４倍と大きいＲａが得られていることがわかる。
【０１４８】
＜Ｒａの比較＞
上記実施例１３、１４及び比較例２により形成した赤外線検出素子について、上記実施例１〜１２及び比較例１と同様にしてＲａを求めた。ここで、Ｒａは比較例２により形成した赤外線検出素子のＲａを１としている。ここで、実施例１〜１２、１８〜２０及び比較例１と、実施例１３、１４及び比較例２とでは、受光層のＡｌ組成、すなわち受光層のバンドギャップが異なり、受光層のキャリア濃度が異なるため、単純に比較することができない。したがって、実施例１３、１４については、比較例２をＲａの比較対象としている。
【０１４９】
同様に、上記実施例１５及び比較例３により形成した赤外線検出素子について、上記実施例１〜１２及び比較例１と同様にしてＲａを求めた。
【０１５０】
実施例１３、１４においては、比較例２と比べてそれぞれ３．６倍、２．６倍と大きいＲａが得られている。同様に、実施例１５においては、比較例３と比べて５．０倍と大きいＲａが得られている。実施例１３は転位フィルタ層を含みｔｙ（ｉ）、ｙ（ｉ）、ｘ（ｉ）、ｘ（ｉ＋１）が上記の関係式（Ａ）〜（Ｐ）を満たすものであり、このとき受光層のＡｌ組成ｚが変わってもＲａが増加することが示された。
【符号の説明】
【０１５１】
１０  半導体基板
２０  第１層
２１  ＩｎＳｂ層
２２  バリア層
２３  バッファ層（Ｘ（１）層）
２４  転位フィルタ層（Ｙ（１）層）
２５  バッファ層（Ｘ（２）層）
２６  転位フィルタ層（Ｙ（２）層）
２７  バッファ層（Ｘ（３）層）
３０  受光層
４０  第２層
５０  化合物半導体層
１００  赤外線検出素子
【図１】
2019153770.tif 000013
【図２】
2019153770.tif 000014
【図３】
2019153770.tif 000015
【図４】
2019153770.tif 000016
【図５】
2019153770.tif 000017