(57)【要約】      （修正有）【課題】実生産において高い結晶性を得ることを可能とする、多重量子井戸を含むエピタキシャルウエハ、その製造方法等を提供する。【解決手段】基板上に、多重量子井戸および表層を含むエピタキシャル積層体を、有機金属気相成長法で成長する工程を備え、基板上にエピタキシャル積層体を成長する工程では、該多重量子井戸の該基板に対する格子不整合度Δωを範囲の中心をゼロから偏倚させて、かつ該多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）を３０秒以下とする。【選択図】図４
2015008277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体のエピタキシャルウエハの製造方法であって、
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸および表層を含むエピタキシャル積層体を成長する工程を備え、
前記基板上にエピタキシャル積層体を成長する工程では、前記多重量子井戸の前記基板に対する格子不整合度Δωを、−０．１３％≦Δω＜０％、または、０％＜Δω≦＋０．１３％のように範囲の中心をゼロから偏倚させて、かつ前記多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）を３０秒以下とする、エピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項２】
前記格子不整合度Δωを、−０．１３％≦Δω＜−０．０１％、または、＋０．０１％＜Δω≦＋０．１３％とする、請求項１に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項３】
前記基板をＩｎＰ基板とし、前記多重量子井戸をタイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸とした、請求項１または２に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項４】
前記多重量子井戸が量子井戸を５０ペア以上含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項５】
前記エピタキシャルウエハを有機金属気相成長法で成長する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項６】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体が積層されたエピタキシャルウエハであって、
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板と、
前記基板の上に位置するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の多重量子井戸とを備え、
前記多重量子井戸の前記基板に対する格子不整合度Δωが、−０．１３％≦Δω＜０％、または、０％＜Δω≦＋０．１３％、であり、かつ、前記エピタキシャルウエハの前記多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が３０秒以下である、エピタキシャルウエハ。
【請求項７】
前記格子不整合度Δωが、−０．１３％≦Δω＜−０．０１％、または、＋０．０１％＜Δω≦＋０．１３％である、請求項６に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項８】
前記基板がＩｎＰ基板であり、前記多重量子井戸がタイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸である、請求項６または７に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項９】
前記多重量子井戸が量子井戸を５０ペア以上含む、請求項６〜８のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハの積層構造を備える、受光素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の受光素子と、読み出し回路とを備える、光学センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャルウエハ、その製造方法、受光素子、および光学センサ装置に関し、より具体的には、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により形成され、バンドギャップが近赤外〜遠赤外域に対応する多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple-Quantum  Well）を含むエピタキシャルウエハ、その製造方法、受光素子および光学センサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物のＩｎＰ系半導体は、バンドギャップエネルギが近赤外〜赤外域に対応することから、通信用、夜間撮像用などの受光素子の開発を目的に、多数の研究開発が行われている。たとえばＩｎＰ基板に、タイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＭＱＷを形成したフォトダイオードにおける近赤外域の感度特性が示されている（非特許文献１、２）。また、ＩｎＰ基板の上にタイプ２の（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷを形成し、選択拡散マスクパターンを用いてｐ型不純物の亜鉛（Ｚｎ）を選択拡散することで、選択拡散されていない領域で隔てられた画素を形成したプレーナ型フォトダイオードの提案がなされている（特許文献１）。ＭＱＷの上には、（ＩｎＰ窓層／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層）が配置される。このプレーナ型フォトダイオードは、メサ構造の形成に伴うエッチングを不要とし暗電流を低くしている。
【０００３】
上記の受光素子はいずれもＩｎＰ（１００）基板の上にエピタキシャル成長した、タイプ２の（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）多重量子井戸を含んでいる。この多重量子井戸の中で、ＧａＡｓＳｂは制御しにくいアンチモン（Ｓｂ）を含むため、良好な結晶性を得るのが容易ではない。とくに大量生産に適した有機金属気相成長法によって、良好な結晶性のタイプ２の（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）多重量子井戸を高い歩留まりで安定して得ることは容易ではない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】R.Sidhu, et.al. "A Long-Wavelength  Photodiode  on  InP  Using  Lattice-Matched  GaInAs-GaAsSb Type-II  Quantum  Wells, IEEE  Photonics  Technology  Letters,  Vol.17, No.12(2005),  pp.2715-2717
【非特許文献２】R.Sidhu, et.al. "A 2.3μm Cutoff Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells”, 2005 Intenational Conference on Indium Phosphide and Related Materials, pp.148-151
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２０６４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
実用上、歩留まり良く安定して受光素子などの品質を保つために、エピタキシャル積層体の全体を管理することも重要である。しかし、結晶性が低下しやすい特定の部分のエピタキシャル層について重点的に管理を行うことのほうが、実生産上は効果が大きい。
【０００７】
本発明は、実生産において高い結晶性を得ることを可能とする、多重量子井戸を含むエピタキシャルウエハ、その製造方法、受光素子および光学センサ装置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】
本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、有機金属気相成長法によるエピタキシャルウエハの製造方法である。この製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の多重量子井戸および表層を含むエピタキシャル積層体を、有機金属気相成長法で成長する工程を備え、基板上にエピタキシャル積層体を成長する工程では、前記多重量子井戸の前記基板に対する格子不整合度Δω（％）を、−０．１３％≦Δω＜０％、または、０％＜Δω≦＋０．１３％のように範囲の中心をゼロから偏倚させて、かつ該多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）を３０秒以下とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のエピタキシャルウエハの製造方法等によれば、実生産において高い結晶性のエピタキシャルウエハ等を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態におけるエピタキシャルウエハを示す図である。
【図２】図１のエピタキシャルウエハを用いて製造した受光素子の断面図である。
【図３】図２の受光素子を組み込んだ光学センサ装置を示す図である。
【図４】図１に示すエピタキシャルウエハのＸ線回折ω−２θスキャンパターンの模式図である。
【図５】図４に示す多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブを示す図である。
【図６】本実施の形態のエピタキシャルウエハ及び受光素子の製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[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。
１．エピタキシャルウエハの製造方法：
（１）製造方法：
ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸および表層を含むエピタキシャル積層体を、有機金属気相成長法で成長する工程を備え、基板上にエピタキシャル積層体を成長する工程では、前記多重量子井戸の前記基板に対する格子不整合度Δωを、−０．１３％≦Δω＜０％、または、０％＜Δω≦＋０．１３％のように範囲の中心をゼロから偏倚させて、かつ該多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）を３０秒以下とする。
【００１２】
（２）Ｘ線ロッキングカーブ：
多重量子井戸に由来するＸＲＤ（Ｘray  Diffraction）の０次の回折ピークは、基板由来の０次の回折ピークからずれるようにする。回折ピークの位置のずれよりは、多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が小さいほうが重要である。半値幅が大きいことは結晶性が低く、格子欠陥密度が高く、したがって、受光素子を製造した場合には高い暗電流が生じることになる。このため、多重量子井戸を含むエピタキシャルウエハの実生産では、多重量子井戸由来の０次の回折ピークの位置の基板由来の回折ピークの位置からのずれよりは、半値幅（ＦＷＨＭ）が小さいことを確認しながら生産管理するのがよい。この場合、仮に基板の回折ピークの位置に多重量子井戸由来の０次の回折ピークの位置が重なると、基板の回折ピークは強度が大きいため、多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅の値を精度よく測定することが難しくなる。このため、両者の回折ピークの位置がずれるように、多重量子井戸の基板に対する格子不整合度を、範囲の中心をゼロから偏倚させることとする。このような位置のずれを利用しながら、多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が３０秒以下であることを精度よく確認することができる。これにより、受光素子を実生産した場合、十分低い暗電流となることを予測することができる。さらに当該半値幅をより小さく２７秒以下とすることで、一層抑制された暗電流の受光素子を得ることができる。ここで、Ｘ線ロッキングカーブは、Ｘ線の入射方向を＜０−１１＞とし、（４００）を反射面として測定を行った。
【００１３】
（３）格子不整合度：
多重量子井戸構造が、ａ層およびｂ層を１ペアとして、複数ペアで構成される場合、多重量子井戸の格子不整合度は、つぎのようにして求められる。ａ層の基板に対する格子不整合度をΔωａとし、ｂ層の基板に対する格子不整合度をΔωｂとするとき、多重量子井戸全体の格子不整合度Δω＝｛Σ（Δωａ×ａ層の厚み＋Δωｂ×ｂ層の厚み｝／｛Σ（ａ層の厚み＋ｂ層の厚み）｝で求められる。ここに、Δωａは、（ａ層の格子定数−基板の格子定数）／基板の格子定数、である。またΔωｂは、（ｂ層の格子定数−基板の格子定数）／基板の格子定数、である。Σは、ペア数についての和である。分母は、多重量子井戸の全体厚みとなる。ａ層およびｂ層の格子定数は組成によって決まるので、これらａ層およびｂ層の組成、ならびに、多重量子井戸におけるａ層およびｂ層の厚みを知ることで、格子不整合度Δωを求めることができる。言うまでもなく基板の格子定数は既知である。
【００１４】
格子不整合度Δωを、−０．１３％≦Δω＜０％、または、０％＜Δω≦＋０．１３％のように中心をゼロから偏倚させることで、例えば（４００）を反射面とする基板と多重量子井戸の回折ピークの位置の差ΔＨを、たとえば−３００秒≦ΔＨ＜０秒、または、０秒＜ΔＨ≦＋３００秒、のようにすることができる。すなわち両者の回折ピークを重ならないようにできる。これによって、多重量子井戸由来の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅を精度よく検出することが可能となる。この結果、製造の最終工程まで進んでから不良品が見つかる以前に、エピタキシャルウエハの段階で不良を検出して対策をとることが可能となる。
【００１５】
格子不整合度Δωを、−０．１３％≦Δω＜−０．０１％、または、＋０．０１％＜Δω≦＋０．１３％としてもよい。さらに回折ピークの分離を確実にしてＸ線ロッキングカーブの半値幅を精度よく測定するために、−０．１３％≦Δω＜−０．０２％、または、＋０．０２％＜Δω≦＋０．１３％としてもよい。通常、この分野では、格子整合条件を満たしたエピタキシャル層を規定するが、その格子整合条件は、上記の格子不整合度Δωが、−０．０１％≦Δω≦＋０．０１％、を満たすこととしている。上記の条件、−０．１３％≦Δω＜−０．０１％、または、＋０．０１％＜Δω≦＋０．１３％は、通常の格子整合条件から共通範囲がなく、完全に逸脱しており、この分野では非常にユニークな条件である。格子整合条件から確実に外すことによって、基板の回折ピークと多重量子井戸の回折ピークとが重なる可能性は排除され、多重量子井戸のＸ線ロッキングカーブの半値幅を精度よく検出することが可能になる。
【００１６】
（４）タイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸：
基板をＩｎＰ基板とし、多重量子井戸をタイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸としたエピタキシャルウエハの製造方法としてもよい。これによって、近赤外域に受光感度をもつ、暗電流の低い受光素子を、高い製造歩留まりで安定して実生産することが可能となる。このタイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸では、たとえば、ＩｎＰ基板と多重量子井戸との間にＩｎＧａＡｓを含むバッファ層を介在させるのが半値幅の小さい多重量子井戸を得る上で望ましい。また、プレーナ型受光素子とする場合には、表層と多重量子井戸との間にＩｎＧａＡｓ層を挿入するのがよい。多重量子井戸はＺｎ等の不純物に対して脆弱である。亜鉛（Ｚｎ）を選択拡散して画素を形成する場合、Ｚｎが多重量子井戸内に高濃度で侵入して結晶性を害さないように、ＩｎＧａＡｓ層を表層と多重量子井戸との間に配置するのがよい。ＩｎＧａＡｓ中では亜鉛の拡散速度は、たとえばＩｎＰで表層を形成した場合ＩｎＰ表層中よりも低くなり、表層の高濃度領域から低濃度領域へと急峻に低下する遷移領域が当該ＩｎＧａＡｓ内に配置しやすくなる。このため多重量子井戸へと低濃度領域を連続させるので、ＩｎＧａＡｓ層はＺｎの拡散濃度分布調整層として機能する。
【００１７】
基板をＩｎＰとし、その上にタイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多重量子井戸を成長する場合、格子不整合度Δωは次のようになる。多重量子井戸構造が、ＩｎＧａＡｓ層およびＧａＡｓＳｂ層を１ペアとして、複数ペア、通常５０ペア以上４００ペア以下で構成される場合、多重量子井戸の格子不整合度は、つぎのようにして求められる。ＩｎＧａＡｓ層のＩｎＰ基板に対する格子不整合度をΔωａとし、ＧａＡｓＳｂ層のＩｎＰ基板に対する格子不整合度をΔωｂとするとき、多重量子井戸全体の格子不整合度Δω＝｛Σ（Δωａ×ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋Δωｂ×ＧａＡｓＳｂ層の厚み｝／｛Σ（ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝で求められる。ここに、Δωａは、（ＩｎＧａＡｓ層の格子定数−ＩｎＰ基板の格子定数）／ＩｎＰ基板の格子定数、である。またΔωｂは、（ＧａＡｓＳｂ層の格子定数−ＩｎＰ基板の格子定数）／ＩｎＰ基板の格子定数、である。Σは、ペア数についての和である。分母は、多重量子井戸の全体厚みである。ＩｎＧａＡｓの格子定数およびＧａＡｓＳｂの格子定数は、組成によって決まるので、多重量子井戸におけるＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの厚みを知ることで、上記の格子不整合度を求めることができる。多重量子井戸におけるＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの組成は、受光波長域が決まればある範囲内で決まってくる。受光波長域は、一つの組成だけでは決まらず、また多重量子井戸の厚みも受光波長域に強く影響する。とくに受光波長域には、ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成および膜厚が強い影響を持つ。これらの因子によって決められた受光波長域を可能にした上で、その他の組成を調整することで、基板に対する格子不整合度を上記の範囲にずらすことができる。なおＩｎＰ基板の格子定数は０．５８６９ｎｍである。ＩｎＧａＡｓの格子定数（ｎｍ）はＧａ組成をｘとすると（Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓの格子定数）＝０．６０５８３−０．０４０５０ｘとなる。ＧａＡｓＳｂの格子定数（ｎｍ）はＳｂ組成をｙとすると（ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙの格子定数）＝０．５６５３３＋０．０４４２７ｙとなる。多重量子井戸の基板に対する格子不整合度を上記のように、ゼロからずらす場合、バッファ層の格子定数は、当該多重量子井戸と同じ格子定数にしておいても、基板と同じ格子定数にしておいてもよい。
【００１８】
（５）有機金属気相成長法：
（ｉ）半値幅と成長法：
通常、数ペアから１０ペア程度の比較的総膜厚の小さい多重量子井戸は分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular  Beam  Epitaxy）法や有機金属気相成長法で成長するが、その場合の格子不整合度Δωは−０．１％≦Δω≦＋０．１％程度であれば多重量子井戸の半値幅を実用レベルまで小さくすることが可能である。一方、５０ペアを超えるような総膜厚が大きい多重量子井戸は一般的にＭＢＥ法で成長するが、この場合には格子不整合度Δωは−０．０１％≦Δω≦＋０．０１％を満たさないと、多重量子井戸の半値幅を実用レベルまで小さくすることが難しい。これは、膜厚が大きくなると、同じ格子不整合度でも歪みが蓄積することで、結晶性が悪化しやすくなるためである。１００ペア、２００ペア、もしくはそれ以上といった多重量子井戸ではなおさらである。大きな格子不整合度と総膜厚の大きい多重量子井戸を両立することは困難であるが、発明者の検討によれば、多重量子井戸から表層の成長温度を通常より低い温度とすることで、比較的大きな格子不整合度でも当該多重量子井戸の半値幅を３０秒以内に小さくすることができる。この場合、有機金属気相成長法による、多重量子井戸から表層の成長温度は５２５℃以下、また５００℃以下、さらには４７５℃以下とするのがよい。成長温度を低温にすることで基板との格子不整合度が上記のような範囲にあっても、回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅を３０秒以下と小さくすることができる。
【００１９】
（ｉｉ）原料ガス：
ＧａＡｓＳｂの成膜では、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、ターシャリーブチルアルシン（ＴＢＡｓ）およびトリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）を用いるのがよい。また、ＩｎＧａＡｓについては、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、およびＴＢＡｓを用いることができる。これらの原料ガスは、すべて有機金属気体であり、化合物の分子量は大きい。このため、４００℃以上かつ５２５℃以下の比較的低温で完全に分解して、結晶成長に寄与することができる。Ｇａ（ガリウム）の原料としては、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）でもよいし、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）でもよい。Ｉｎ（インジウム）の原料としては、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）でもよいし、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）でもよい。Ａｓ（砒素）の原料としては、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）でもよいし、ＴＭＡｓ(トリメチル砒素)でもよい。Ｓｂ(アンチモン)の原料としては、ＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）でもよいし、ＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）でもよい、また、ＴＩＰＳｂ(トリイソプロピルアンチモン)、また、ＴＤＭＡＳｂ(トリジメチルアミノアンチモン)でもよい。表層にＩｎＰを用いる場合には、原料ガスには、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）およびＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）を用いるのがよい。分解温度が低く、５２５℃以下の低温成長が可能である。これらの原料を用いることによって、ＭＱＷの不純物濃度が小さく、その結晶性に優れた半値幅が小さいエピタキシャルウエハを得ることができる。この結果、たとえば受光素子等に用いた場合、暗電流の小さい、かつ、感度が大きい受光素子を得ることができる。さらには、その受光素子を用いて、より鮮明な像を撮像することが可能な光学センサ装置、たとえば撮像装置を得ることができる。
【００２０】
２．エピタキシャルウエハ：
本発明のエピタキシャルウエハは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体が積層されたエピタキシャルウエハである。このエピタキシャルウエハは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板と、基板の上に位置するＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸とを備え、多重量子井戸の基板に対する格子不整合度Δωが、−０．１３％≦Δω＜０％、または、０％＜Δω≦＋０．１３％、であり、かつ、エピタキシャルウエハの多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が３０秒以下である。
【００２１】
この構成により、多重量子井戸を含むエピタキシャルウエハの実生産で、多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）が小さいことを確認しながら実生産の管理をすることができる。基板由来の０次の回折ピークの位置に多重量子井戸由来の０次の回折ピークの位置が重なると、基板由来の回折ピークは強度が大きいため、多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅の値を確認することが困難となる。このため、両者の０次の回折ピークの位置がずれるように、多重量子井戸の基板に対する格子不整合度を、上記のようにその範囲の中心をゼロから偏倚させる。多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）を３０秒以下とすることで、たとえば受光素子を実生産した場合、十分低い暗電流とすることができる。さらに当該半値幅を２７秒以下とすることで、より抑制された暗電流の受光素子を得ることができる。
【００２２】
３．受光素子：
上記のエピタキシャルウエハの積層構造を備えた受光素子は、実生産において多重量子井戸の半値幅が十分小さいことが確認されている。このため、このエピタキシャルウエハから受光素子を製造した場合、暗電流の低い、高品質の受光素子を得ることができる。また、この受光素子と読み出し回路と組み合わせて撮像装置などの光学センサ装置を製造した場合、暗電流が小さく、Ｓ／Ｎの高い画像を得ることができる。
【００２３】
４．本発明の根幹：
本発明の根幹は、（１）基板に対する多重量子井戸の格子不整合度Δωをゼロから偏倚させながら、（２）当該多重量子井戸由来の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）を３０秒以下にする、という従来の常識から外れた構成要件を満たす点にある。この２つの構成要件を同時に満たすことで、エピタキシャルウエハもしくは受光素子に含まれる多重量子井戸の結晶性を精度よく管理することができる。
【００２４】
[本願発明の実施形態の詳細]
次に、本願発明の実施形態のエピタキシャルウエハ等の具体例を、図面を参照しながら説明する。なお、本願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ている。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態におけるエピタキシャルウエハ１０を示す断面図である。図１によれば、エピタキシャルウエハ１０は、ＩｎＰ基板１の上に次の構成のＩＩＩ−Ｖ族化合物のエピタキシャル積層体を有する。
（ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２／（ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂ）とのタイプ２の多重量子井戸による受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層（表層）５）
（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のペアからなるタイプ２の多重量子井戸は、組成はたとえばＩｎ０．５９Ｇａ０．４１ＡｓとＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３とするが、目標とする格子不整合度Δωに応じて変えることができる。膜厚の組み合わせはとくに限定しないが、各層の厚み２ｎｍ〜６ｎｍの範囲から適宜選ぶことができる。たとえば、（５ｎｍ／５ｎｍ）とするのがよい。ペア数は、タイプ２の多重量子井戸の受光層３とする場合、受光は多重量子井戸の各界面での電子の遷移により起きるので界面数すなわちペア数を多くしなければならず、１５０ぺア以上、たとえば２５０ペアとする。バッファ層２は、ＩｎＧａＡｓでもＩｎＰでも、またこれらの複合層であってもよい。
【００２６】
図２は、図１に示すエピタキシャルウエハ１０を用いて形成した受光素子５０を示す断面図である。図２に示すように、受光素子５０における構成は次のとおりである。
（ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２／Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１ＡｓとＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３とのタイプ２の多重量子井戸の受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
この受光素子５０は隣の画素Ｐとの間が不純物の拡散されていない領域で隔絶されるプレーナ型受光素子である。しかし、本実施の形態のエピタキシャルウエハ１０は機械的に溝で区切られたメサ型に用いてもよい。プレーナ型受光素子では、ＩｎＰ窓層５から拡散濃度分布調整層４にまでｐ型領域９が位置している。このｐ型領域９は、ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン２７の開口部から、ｐ型不純物のＺｎが選択拡散されることで形成される。隣のｐ型領域９とは、選択拡散されていない領域によって隔てられており、これによって、各画素Ｐは、互いに独立に受光情報を出力することができる。
【００２７】
ｐ型領域９にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１に接して位置するバッファ層２の端において露出する表面にＡｕＧｅＮｉのｎ側電極１２が、それぞれオーミック接触するように設けられている。バッファ層２にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性が確保されている。この場合、ＩｎＰ基板１は、ｎ型導電性であっても、また半絶縁性たとえば鉄（Ｆｅ）ドープのＩｎＰ基板であってもよい。図２の受光素子の基板には、鉄（Ｆｅ）ドープのＩｎＰ基板を用いている。光は、ＩｎＰ基板１の裏面から入射される。入射光の反射を防止するためにＳｉＯＮ等によるＡＲ（Anti-reflection）膜３５がＩｎＰ基板１の裏面を被覆する。
【００２８】
上記のｐ型領域９の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合１５が形成され、上記のｐ側電極１１およびｎ側電極１２間に逆バイアス電圧を印加することにより、受光層３のｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド側）により広く空乏層を生じる。タイプ２の多重量子井戸の受光層３またはＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で１×１０１６ｃｍ−３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合１５の位置は、多重量子井戸の受光層３もしくはＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点で決まる。ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内では、ＩｎＰ窓層５の表面から選択拡散されたｐ型不純物の濃度が、ＩｎＰ窓層５側における（１〜５）×１０１８ｃｍ−３程度の高濃度領域から受光層３側にかけて急峻に低下している。このため、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内において、Ｚｎ濃度５×１０１６ｃｍ−３以下を容易に実現することができる。このように、拡散濃度分布調整層４は、不純物濃度に対して結晶性が劣化しやすいタイプ２の多重量子井戸３の上面もしくは当該多重量子井戸３の上面付近においてｐｎ接合１５を形成しながら、高濃度の不純物が多重量子井戸３内に入らないように不純物濃度を調整する目的で配置されている。しかし、拡散濃度分布調整層４はなくてもよい。
【００２９】
本発明が対象とする受光素子１０は、近赤外域からその長波長側に受光感度を有することを追求するので、窓層（表層）５には、受光層３のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギの材料を用いる。このため、窓層には、通常、受光層よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合の良い材料であるＩｎＰが用いられる。ＩｎＰとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。また、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、ＩｎＰよりもバンドギャップは小さいが、Ｚｎの拡散速度がＩｎＰより遅く、Ｚｎの不純物濃度を調整するのに適している。
【００３０】
図３は図２の受光素子５０を含む光学センサ装置９０である。レンズなどの光学部品は省略してある。受光素子５０と、読み出し回路（Read-Out  IC）を構成するＣＭＯＳ７０とが、接続されている。ＣＭＯＳ７０の読み出し電極７１と、受光素子５０の画素電極（ｐ側電極）１１とは、接合バンプ３１を介在させて接合されている。また、図示は省略するが、受光素子５０の各画素に共通のグランド電極（ｎ側電極）と、ＣＭＯＳ７０の図示しない接地電極とが、やはりバンプを介在させて接合されている。ＣＭＯＳ７０と受光素子５０とを組み合わせて、画素ごとに受光情報を集積して、撮像装置等の光学センサ装置９０を得ることができる。上述のように、本発明のエピタキシャルウエハを用いた受光素子５０は、近赤外〜赤外域にまで感度を有しており、暗電流（リーク電流）が小さいので、動植物等の生体の検査、環境モニタ等に用いることで、高精度の検査を遂行することができる。
【００３１】
図４は、図１に示すエピタキシャルウエハ１０のＸ線回折(ω-2θスキャン) パターンの模式図である。図４において、角度ω０に基板１由来の回折ピークＰ０が、また、角度ω１に多重量子井戸３由来の０次の回折ピークＰ１が、ある。図５は、図４の角度ω１における多重量子井戸３由来の０次の回折ピークＰ１についてのＸ線ロッキングカーブパターンの模式図である。図４において、角度ω０における基板１由来の回折ピークＰ０と、角度ω１における多重量子井戸３由来の０次の回折ピークＰ１とは、ΔＨだけ離れている。このため、図５のＸ線ロッキングカーブパターンにおいて多重量子井戸３由来の０次の回折ピークＰ１のみの半値幅Ｇを精度よく測定することができる。仮にΔＨがゼロで２つの回折ピークＰ０とＰ１とが重なった場合、基板１由来の回折ピークＰ０は回折強度が多重量子井戸３由来の０次の回折ピークＰ１に比べて非常に強いので、隠されてしまい、図５のＸ線ロッキングカーブパターンにおいて多重量子井戸３由来の０次の回折ピークＰ１の半値幅Ｇを精度よく測定することは難しい。このため、基板１由来の回折ピークＰ０と、多重量子井戸３由来の０次の回折ピークＰ１とを、離すようにする。
【００３２】
ただし、Ｘ線回折（ω−２θスキャンパターン）での位置の差ΔＨは、測定を行う反射面等の条件によって大きく変化するため、Ｘ線回折（ω−２θスキャンパターン）での位置の差ΔＨに等価な、基板に対する格子不整合度Δωによって、ΔＨを代理する。ΔωとΔＨとは等価であると考えられる。Δωは測定を行う反射面には影響を受けず、上記のように、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの組成、ＩｎＰ基板の格子定数、および多重量子井戸３におけるＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの厚みを知ることによって、求めることができる。
【００３３】
図６は、本実施の形態における製造方法を示すフローチャートである。まず、有機金属気相成長法により、ＩｎＰ基板１にバッファ層２をＩｎＧａＡｓ層もしくはＩｎＰ層またはこれらの複合層により形成する。次いで、連続して同じ成長室内で、格子不整合度Δωが上記の範囲に収まるように、タイプ２の多重量子井戸ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを成長する。原料および成長温度は、１．エピタキシャルウエハの製造方法、（５）有機金属気相成長法、で説明したようにするのがよい。これにより、格子不整合度Δωの条件を満たしながらタイプ２の多重量子井戸ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂの回折ピークの半値幅を３０秒以下にすることができる。多重量子井戸３の上に接してＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５を成長する。これによって図１に示すエピタキシャルウエハ１０が製造される。多重量子井戸３の成長開始からＩｎＰ窓層５の成長終了まで、一貫して同じ成長室で連続して成長する。このため、図２に示す界面１６，１７は再成長界面とはならず、したがって、これら界面１６，１７に１×１０１７ｃｍ−３以上の高濃度の酸素および炭素の残留は生じず、暗電流の抑制に有効に作用する。
【００３４】
このあと、エピタキシャルウエハ１０に対してＸ線ロッキングカーブを採取する。Ｘ線ロッキングカーブで多重量子井戸３由来の０次の回折ピークにおいて、半値幅を測定して、３０秒以下の結果が得られた場合、受光素子の製造のための選択拡散、電極形成の工程へと進むことができる。半値幅が３０秒を超える場合、どのようにするか、適宜、決めることができる。
【実施例】
【００３５】
図１に示すエピタキシャルウエハを４種類製造した。いずれの試験体も、ＩｎＰ基板１／ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２／ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）とＧａＡｓＳｂ（５ｎｍ）とのタイプ２多重量子井戸２５０ペア３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５、の積層体からなるものとした。有機金属気相成長法による成長温度は、５２５℃以下として、とくに多重量子井戸の成長温度は５００℃とした。試験体は、次のとおりであり、格子不整合度は上記したＧａＡｓＳｂ中のＳｂ組成によって調整した。
・（試験体Ａ１）格子不整合度Δω＝０．０６％：
・（試験体Ａ２）格子不整合度Δω＝−０．０３％：
・（試験体Ａ３）格子不整合度Δω＝０．１１％：
・（試験体Ｂ１）格子不整合度Δω＝−０．１４％：
また、これら４つのエピタキシャルウエハの試験体について（４００）面のＸ線ロッキングカーブを採取し半値幅を測定した。さらに４種類のエピタキシャルウエハから図２に示すプレーナ型受光素子であって、単一の画素からなる受光素子を作製して暗電流を測定した。結果を表１に示す。暗電流の測定条件は、測定温度−５０℃、測定電圧−１Ｖとした。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
表１によれば、多重量子井戸由来の０次の回折ピークの半値幅が３０秒以下である本発明例の試験体Ａ１〜Ａ３は、いずれも受光素子での暗電流が低い値となった。とくに半値幅が小さい試験体Ａ１の暗電流は非常に低い値となった。これに対して、半値幅が３０秒を超えた試験体Ｂ１は、暗電流は大きく実用レベルに到達しない結果となった。本実施例より、エピタキシャルウエハに対して行うＸ線ロッキングカーブの測定の重要性を理解することができる。すなわち、多重量子井戸由来の０次の回折ピークを、基板由来の０次の回折ピークからずらして多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブの半値幅を精度よく測定することで、受光素子での暗電流を十分高い精度で予測することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によれば、エピタキシャルウエハの多重量子井戸由来の０次の回折ピークにおけるＸ線ロッキングカーブを採取して、半値幅を精度よく測定することで受光素子における暗電流を精度よく予測することができる。このために、多重量子井戸由来の０次の回折ピークの位置を基板由来の０次の回折ピークからずらすことが肝要である。今後の近赤外〜赤外域の受光素子の利用が一般的になったとき、高い製造歩留まりの下、安定して量産するのに貢献することが期待される。
【符号の説明】
【００３９】
１  ＩｎＰ基板、２  バッファ層、３  タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸（受光層）、４  ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層、５  ＩｎＰ表層（窓層）、９  ｐ型領域、１０  エピタキシャルウエハ、１１  ｐ側電極（画素電極）、１２  グランド電極（ｎ側電極）、１５  ｐｎ接合、１６  ＭＱＷとＩｎＧａＡｓ層との界面、１７  ＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ窓層との界面、２７  選択拡散マスクパターン、３１  接合バンプ、３５  ＡＲ（反射防止）膜、５０  受光素子、７０  読み出し回路（ＣＭＯＳ），７１  読み出し電極、９０  光学センサ装置。
【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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