(57)【要約】【課題】  長波長域に検出感度が広くあり、欠陥密度を小さくして暗電流を抑制することが可能な受光層を有する半導体受光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】  ＩｎＰ基板１１と、ＩｎＰ基板上に位置するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層１２（０≦ｘ≦１）と、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層１２上に位置する、窒素を含む化合物半導体の受光層１３とを備えることを特徴とする。【選択図】        図１
2008078261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板上に位置するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層（０≦ｘ≦１）と、
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層上に位置する、窒素を含む化合物半導体の受光層とを備えることを特徴とする、半導体受光素子。
【請求項２】
前記窒素を含む受光層が、ＧａｙＩｎ１−ｙＮｚＡｓｗＳｂ１−ｚ−ｗ（０＜ｚ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｗ＜１）またはＧａｙＩｎ１−ｙＮｚＡｓｗＰ１−ｚ−ｗ（０＜ｚ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｗ＜１）からなることを特徴とする、請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層の前記受光層の側が窒素を含有することを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層における組成比ｘが厚み方向で変化していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層の格子定数は、前記ＩｎＰ基板の格子定数の９９．９％以上で、かつ１００．１％以下になるように調整されていることを特徴とする、請求項４に記載の半導体受光素子。
【請求項６】
ＩｎＰ基板上に、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層（０≦ｘ≦１）を形成する工程と、
前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層上に、化合物半導体の受光層を形成する工程とを備えることを特徴とする、半導体受光素子の製造方法。
【請求項７】
前記受光層を窒素を含む化合物半導体層とし、前記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層を形成する工程中に、前記窒素を含む受光層を形成するために用意した窒素に、前記バッファ層を曝らすことを特徴とする、請求項６に記載の半導体受光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子およびその製造方法に関し、より具体的には光通信用の長波長域の半導体受光素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
夜間の監視カメラに用いるセンサ、食品の非破壊検査には近赤外光を感知できる受光素子が用いられる。このような受光素子としては、ＩｎＰ基板上に成長された格子整合ＩｎＧａＡｓ層を受光層に用いたものがあり、波長０．９〜１．７μｍの近赤外光を感知できる。しかし上述の用途にはより長波長域の近赤外光（波長２〜３μｍ）を感知できることが望ましい。これら長波長域用の受光素子の一つに、受光層に歪ＩｎＧａＡｓ層を用い、ＩｎＰ基板との格子不整合から発生する結晶欠陥を減らすために歪バッファ層を用いることが提案されている（特許文献１）。また、長波長の近赤外光を検出する受光素子として、受光層にＧａＩｎＮＡｓを用いたものが提案されている（特許文献２）。上記の受光素子によれば、長波長域の光を検出することが可能となる。
【特許文献１】特開２００２−３７３９９９号公報
【特許文献２】特開平９−２１９５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に開示された受光素子は、歪緩和のために歪バッファ層を用いても、エピタキシャル成長中に格子定数を変えることになり、このため、歪バッファ層の成長中に結晶欠陥の発生を避けることができない。この結果、結晶欠陥密度が高いことに起因して、暗電流およびノイズが大きくなり、感度が劣化する。
【０００４】
一方、特許文献２に開示された受光素子には、次の問題が付随する。（１）；ＧａＩｎＮＡｓ系膜のエピタキシャル成長には、炭素などの不純物の混入の少ないＭＢＥ（Molecular
Beam Epitaxy：分子線エピタキシャル成長）法を用いることが望ましい。しかし、ＭＢＥ法では、排気系の問題からＰを含むエピタキシャル層の成長が難しくなる。すなわち成長ごとにＭＢＥ装置の内壁に付着するＰ化合物等を取り除かないと、エピタキシャル成長を繰り返し安定して実現するように制御することが困難となる。上記のＰ化合物等の取り除きのために、常にメンテナンスのコストが嵩むことになる。
【０００５】
（２）；上記の（１）の理由のために、ＩｎＰ基板とＧａＩｎＮＡｓ系受光層との間のバッファ層には、ＩｎＰ層ではなくＡｌＩｎＡｓ層が用いられる場合が多い。ＭＢＥ法を用いる場合、ＧａＩｎＮＡｓ受光層を形成するに際し、ＧａＩｎＮＡｓ系の原料の一つである窒素は、プラズマの形態で供給される。プラズマは発生に数分間程度の時間が必要であるため、ＧａＩｎＮＡｓ受光層の成長に先立って発生させておく必要がある。その理由は、ＧａＩｎＮＡｓ受光層の前に成膜させたエピタキシャル層たとえばバッファ層では、放置時間が数分間に及ぶと時間経過とともに表面が粗くなるからである。このため、ＧａＩｎＮＡｓ受光層の下地層となるバッファ層を成長させている間に励起用セル内で窒素プラズマを発生させておかなければならない。窒素プラズマを成長槽に連結されたセル内に封じ込めておこうとしても通常のゲートバルブなどでは微小なリークを防止することはできず、完全に閉じ込めるには大掛かりな装置になる。すなわち通常のＭＢＥ装置を用いる場合、励起された窒素が成長槽内に洩れ出ることになる。このためバッファ層は窒素雰囲気内で成長され、窒素の混入が避けられない。
【０００６】
またＧａＩｎＮＡｓ層の成膜にＭＯＶＰＥ(Metalorganic
Vapor Phase Epitaxy:有機金属気相成長）法を用いる場合においても、バッファ層の表面荒れを防ぐには、バッファ層を成膜後に時間をおかずにＧａＩｎＮＡｓ受光層の形成のため、アンモニア、ジメチルヒドラジン等の窒素原子を含む原料ガスを成長槽内に流すため、バッファ層内に窒素の混入が避けられない。他の成膜方法を用いた場合でも、バッファ層内に窒素が混入する点に関して類似している。
【０００７】
バッファ層にＡｌＩｎＡｓ層を用いた場合、上記の窒素の混入によりバッファ層中にアルミ窒化物（ＡｌＮ）などが形成され、エピタキシャル層に欠陥が導入され、欠陥密度が上昇する。その結果、バッファ層上に成膜されたＧａＩｎＮＡｓ層にも高密度の結晶欠陥が引き継がれて、暗電流を増大させる。
【０００８】
本発明は、まず結晶性の良好な受光層を歩留りよく形成することができるバッファ層を持つ半導体受光素子およびその製造方法を提供することを目的とし、とくに長波長域の光を受光するために窒素を含みながら、暗電流が小さい受光層を可能とするバッファ層を持つ半導体受光素子およびその製造方法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】
本発明の半導体受光素子は、ＩｎＰ基板と、ＩｎＰ基板上に位置するＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層（０≦ｘ≦１）と、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層上に位置する、窒素を含む化合物半導体の受光層とを備えることを特徴とする。
【００１０】
この構成により、長波長域の近赤外受光素子において大きな障害となっていた問題を解決することができる。その問題とは、（１）ＩｎＰ層の成長に伴う炉壁へのＰの付着、および（２）受光層の検出限界を長波長域に拡大するために用いる元素Ｎを用いる際のバッファ層の結晶欠陥密度の上昇、の２点である。（１）の問題とは、バッファ層にＩｎＰ層を用いた場合、ＭＢＥ装置の内壁（炉壁）にＰが付着して堆積し、メンテナンス等でＭＢＥ装置を大気開放したときにＰが自然発火するので、除去に大掛かりな設備を要することを指す。また（２）の問題とは、既述したように、窒素を含む化合物半導体受光層を形成する際に、バッファ層形成時に窒素を予め励起しておく必要があるが、たとえば窒素と結合力の強いＡｌなどを含むＡｌＩｎＡｓバッファ層の場合、窒素がそのＡｌＩｎＡｓバッファ層に混入して異物といえる結晶を生成してバッファ層の結晶性を大きく劣化させる品質劣化要因をさす。そのような結晶性の劣るバッファ層上にエピタキシャル成長した受光層は、高い結晶欠陥密度をバッファ層から引き継ぎ、暗電流が大きくなる。
【００１１】
上記の（１）および（２）は、バッファ層をＩｎｘＧａ１−ｘＡｓとすることにより、ともに解決することができる。また、上記の受光層を、窒素を含む化合物半導体とすることにより、赤外光の検出限界を長波長域に拡大することができる。上記ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層は、（１）のＰの問題を解決するためにだけ用いても、もちろん十分有益である。すなわち窒素を含む化合物半導体の受光層を用いない場合であっても、Ｐを用いないバッファ層の材料選択の自由度を拡大する意味において、十分有益である。
【００１２】
また上記の窒素を含む受光層を、ＧａｙＩｎ１−ｙＮｚＡｓｗＳｂ１−ｚ−ｗ（０＜ｚ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｗ＜１）またはＧａｙＩｎ１−ｙＮｚＡｓｗＰ１−ｚ−ｗ（０＜ｚ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｗ＜１）で形成してもよい。この構成により、検出可能な赤外光の長波長側の限界をさらに拡大することができる。とくにＳｂを含むＧａｙＩｎ１−ｙＮｚＡｓｗＳｂ１−ｚ−ｗ（０＜ｚ＜１、０≦ｙ≦１、０≦ｗ＜１）を用いた場合、受光層自身が表面平坦性に優れたものとなるため、エピタキシャル積層全体の結晶性を優れたものとすることができる。またＰを含むＧａｙＩｎ１−ｙＮｚＡｓｗＰ１−ｚ−ｗ（０＜ｚ＜１、０≦ｙ≦１、０≦ｗ＜１）の場合、Ｓｂを含む受光層ほどではないが、Ｐを含まないＧａＩｎＮＡｓ受光層に比べて、表面平坦性を改善することができる。
【００１３】
上記のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層の受光層側が窒素を含有していてもよい。ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層を用いることにより、たとえばＭＢＥ装置のセルのゲートバルブを大掛かりなものとせずに、窒素励起用のセルから窒素が洩れて、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層内の受光層側の部分が窒素混入されても、バッファ層にＡｌＩｎＡｓを用いた場合と比べてバッファ層および受光層の結晶欠陥密度の増大を抑制できる。ＭＯＶＰＥ法による成膜でも同様である。
【００１４】
上記のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層における組成比ｘを厚み方向に変化させてもよい。この構成により、窒素のバッファ層への混入によるバッファ層の格子定数の変動（望ましくない）を、組成比ｘの調整により吸収することにより、バッファ層の格子定数の変動を低く抑えることができる。組成比ｘの厚み方向の変化は、一段または複数段のステップ状でもよいし、一定の勾配をもって直線状でもよいし、曲線状でもよい。またこれらを組み合わせた変化の仕方であってもよい。
【００１５】
上記のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層の格子定数を、ＩｎＰ基板の格子定数の９９．９％以上で、かつ１００．１％以下になるように調整してもよい。これにより、バッファ層の格子定数は安定し、格子欠陥密度は低くなり、このため受光層の結晶性が向上し、暗電流を低くすることができる。
【００１６】
本発明の半導体受光素子の製造方法は、ＩｎＰ基板上に、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層（０≦ｘ≦１）を形成する工程と、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層上に、化合物半導体の受光層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００１７】
この構成により、Ｐ化合物を原料に用いないため、歩留りを向上することができる。また窒素を含む化合物半導体の受光層を用いる場合に、結晶性に優れたバッファ層および受光層を確保できるので、暗電流を低くすることができる。また成膜方法または成膜装置の構成要素などはどのようなものであってもよい。たとえば成膜方法は、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などどのような方法を用いてもよいし、その成膜方法に応じて成膜装置を変えることができる。
【００１８】
上記の受光層を窒素を含む化合物半導体層とし、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓバッファ層を形成する工程中に、窒素を含む受光層を形成するために用意した窒素に、バッファ層を曝してもよい。これにより、受光層の検出限界波長を長波長側に拡大した上で、結晶性を良好にして暗電流を抑制することができる。すなわち、バッファ層の成膜後に時間をおかずに励起された窒素を用いて窒素を含む受光層を形成することができ、バッファ層からの特定元素の蒸発に起因する表面欠陥密度の上昇または表面性状の劣化を防止することができる。そして上記の励起された窒素のバッファ層への混入に対しては、窒素に対して安定性の高い（異物形成反応性の低い）ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓをバッファ層に用いることで、良好な結晶性を確保することができる。上記のバッファ層および受光層は、連続して同じ成膜装置（炉）内で行われることを前提としているが、上述のように、成膜法、成膜装置についてはどのようなものを用いてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、結晶性の良好な受光層を歩留りよく形成可能にする半導体受光素子を提供することができ、とくに長波長域の光を受光するために窒素を含みながら、暗電流が小さい受光層を持つ半導体受光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に図面を用いて本発明の実施の形態および実施例について説明する。図１は、本発明の実施の形態における半導体受光素子を説明するためのエピタキシャル積層構造を示す図である。ＩｎＰ基板１１上に、ＩｎＧａＡｓバッファ層１２が用いられ、その上に受光層１３が形成され、受光層１３上に窓層１４が設けられている。バッファ層にＩｎＧａＡｓ層１２を用いることにより、炉壁に付着して問題を生じやすいＰ（バッファ層にＩｎＰ等を用いる場合）を用いなくてすみ、Ｎを含む化合物半導体の受光層を形成する場合に結晶欠陥を生じやすいＡｌ（バッファ層にＡｌＩｎＡｓ等を用いる場合）を用いないですむ。このため、高品質の半導体受光素子を高歩留りで提供するために、バッファ層の材料選択の自由度を拡大することができる。この場合、エピタキシャル成長方法は、ＭＢＥ法、ＭＯＶＰＥ法など任意の方法を用いることができる。
【００２１】
図２は、本発明の別の実施の形態の半導体受光素子を説明するためのエピタキシャル積層構造を示す図である。図１と比較して、バッファ層１２に窒素を含有する層１２ａがある点が相違する。上述のように、ＩｎＧａＡｓ層は、窒素との異物形成反応性が比較的低い。すなわち窒素は、結晶構造を組んでいるＩｎＧａＡｓの中から特定の元素を選択して反応して、ＩｎＧａＡｓ結晶中に異結晶を形成する傾向が低い。このため、ＭＢＥ法の場合、ＩｎＧａＡｓバッファ層を形成しているとき、Ｎを励起するセルからの洩れを気にすることなくＮの励起をＮセル内で始めておくことができる。ＩｎＧａＡｓバッファ層内にＮセルから洩れた励起状態のＮが混入しても、ＩｎＧａＡｓバッファ層の格子定数を小さくするだけである（バッファ層の格子定数を一定にするための対策はこのあと説明する）。また、ＭＯＶＰＥ法の場合に、ＩｎＧａＡｓバッファ層を形成している段階で、原料供給バルブを切り換えてＮ原料を流し始め、その結果、窒素がＩｎＧａＡｓバッファ層に混入しても、ＭＢＥ法と同様の現象が生じるだけである。
【００２２】
図２に示すように、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓバッファ層１２ａをもつことは、すなわちバッファ層１２の上にバッファ層形成後に時間をあけずに（表面から特定元素が蒸発する間をおかずに）Ｎを含む受光層１３を形成したことを意味する。これは、表面平坦性に優れた状態のバッファ層１２上にＮを含む受光層１３を形成したことを意味し、平坦性および結晶性に優れた受光層１３が得られることを意味する。この結果、赤外光の長波長側の検出限界を拡大し、かつ暗電流を抑制することが可能となる。次に上記本発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００２３】
（実施例１）
図３は、実施例１における本発明例の半導体受光素子を説明するためのエピタキシャル積層構造を示す図である。ＭＢＥ成長により図３のようなフォトダイオード用エピタキシャル積層結晶を形成した。基板は、（００１）面を有する２インチのＳドープＩｎＰ基板１１を用いた。エピタキシャル成長の原料には、固体Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ，Ａｓ，Ｓｉと、ＥＣＲ窒素ラジカルを用いた。各層の成長温度は４７０℃で、成長速度は１．４μｍ／時間とした。バッファ層には、上記したようにＩｎＧａＡｓ層１２を使用した。ＩｎＧａＡｓ層１２の膜厚は１．５μｍであり、成長時にＳｉを供給してｎ導電型とした。キャリア濃度は５×１０１６ｃｍ−３とした。組成については、このあと説明する。
【００２４】
次に、ＧａＩｎＮＡｓ（ＧａｙＩｎ１−ｙＮｚＡｓｗ）からなる受光層１３を成長した。受光層１３の膜厚は２．５μｍとした。Ｇａ組成は１７％（ｙ＝０．１７）、Ｉｎ組成は８３％（１−ｙ＝０．８３）、Ｎ組成は１０％（ｚ＝０．１）、Ａｓ組成は９０％（ｗ＝０．９）とし、ＩｎＰ基板に格子整合させている。ドーピングは行っていない。次に、（ＡｌｘＩｎ１−ｘＡｓ）からなる窓層１４を成長した。膜厚は０．６μｍとし、Ｉｎ組成は５２％（１−ｘ＝０．５２）で、ＩｎＰ基板に格子整合させている。ＩｎＧａＡｓバッファ層１２には表面側にＮ含有ＩｎＧａＡｓ層１２ａが形成される。
【００２５】
次に、ＩｎＧａＡｓバッファ層１２において、表面側（受光層側）にＮ含有ＩｎＧａＡｓ層１２ａが形成される原因について説明する。ＩｎＧａＡｓバッファ層１２とＧａＩｎＮＡｓ受光層１３は、ＩｎＧａＡｓバッファ層１２のエピタキシャル層表面の荒れを防ぐために、バッファ層１２から受光層１３への成長切り換え時に中断はおかず、連続して成長する。このため、ＩｎＧａＡｓバッファ層１２の成長途中でＧａＩｎＮＡｓ層１３の成長時に使用するＥＣＲ窒素ラジカルを発生させておく必要がある。その際、ＭＢＥ装置に窒素ガスが流入するため、ＩｎＧａＡｓバッファ層１２の中でＧａＩｎＮＡｓ受光層１３に接する領域は窒素雰囲気で成長されることになり、結晶に窒素が混入してＮ含有ＩｎＧａＡｓ層１２ａが生じる。本例では、図４に示すようにＩｎＧａＡｓバッファ層において、受光層１３との界面から０．２μｍ以内の領域にＮが混入している。Ｎの混入密度は約１．８×１０２０ｃｍ−３で、組成にして約０．９２％に相当する。なお、Ｎ混入密度の単位は、個数／ｃｍ３である。
【００２６】
ＩｎＧａＡｓ（ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ）中に窒素が０．９２％混入すると、ＩｎＰ基板との格子定数差は約０．２１％小さくなる。これを相殺するために、ＩｎＧａＡｓ（ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ）バッファ層１２のＩｎおよびＧａの組成を図５に示すように、厚さ方向に変化させた。ＩｎＧａＡｓバッファ層１２ａにおいて、窒素を含有していない領域ではＩｎ組成を５３％（ｘ＝０．５３）、Ｇａ組成を４７％（１−ｘ＝０．４７）とし、窒素を含有する領域ではＩｎ組成を５５．５％（ｘ＝０．５５５）、Ｇａ組成を４４．５％（１−ｘ＝０．４４５）とした。
【００２７】
ＩｎＧａＡｓバッファ層１２のＩｎＰ基板１１との格子定数差Δａ／ａを計算した。Δａ／ａの計算方法の概要は以下のとおりである。（１）各層の組成からベガード則に従い格子定数を計算する、（２）バッファ層の格子定数とＩｎＰ基板の格子定数から格子定数差Δａ／ａを計算する。本実施例におけるＩｎＧａＡｓバッファ層のΔａ／ａは、図５に示すとおり±０．１％以内であった。
【００２８】
また上記の製作の流れと並行させて別に、ＩｎＰ基板１１の上に，ＩｎＧａＡｓバッファ層１２（Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ層１２ａを含む）、およびＧａＩｎＮＡｓ受光層１３を成長させた段階で成長を中断したものを製作した。そして、そのエピタキシャル積層構造についてフォトルミネッセンスを調べた。フォトルミネッセンススペクトルは波長３．０μｍにピークがあった。これにより上記の受光層は、３．０μｍまで検出感度があることを確認できた。
【００２９】
（比較例）
上記本発明例と同じように、ＭＢＥ成長により図６に示すエピタキシャル構造を持つフォトダイオード用結晶を成長した。成長の詳細な、ＩｎＧａＡｓバッファ層１２をＡｌＩｎＡｓバッファ層１１２に代えただけで（その結果、バッファ層１１２はＮ含有ＡｌＩｎＡｓ１１２ａを含む）、ほかの条件は本発明例と同様である。基板にＩｎＰ基板１１１を用い、バッファ層１１２には、上述のように、ＡｌｘＩｎ１−ｘＡｓを使用した。Ｉｎ組成は５２％（１−ｘ＝０．５２）とした。膜厚は１．５μｍであり、成長時にＳｉを供給してｎ導電型としている。キャリア濃度は５×１０１６ｃｍ−３とした。本発明例と同様に、ＡｌＩｎＡｓバッファ層１１２には、図６および図７に示すように、受光層１１３との界面から０．３μｍ以内の領域に窒素原子が混入している。Ｎ混入密度は約３．０×１０２０ｃｍ−３で、組成にして約１．５％に相当する。Ｎ含有ＡｌＩｎＡｓ層１１２ａのＩｎＰ基板１１１との格子定数差Δａ／ａは、上述の計算に従うと、−０．３４％となる。受光層１１３およびその受光層１１３の上に形成した窓層１１４の材料、組成、作製方法等の条件は、本発明例と同じとした。
【００３０】
（暗電流の測定）
本発明例および比較例のエピタキシャル積層結晶を用いて、ともに図８に示すようなＰＩＮ型フォトダイオード１０を作製した。簡単にＰＩＮ型フォトダイオード１０の作製方法を説明する。図３（本発明例）および図６（比較例）のエピタキシャル積層構造を作製したあと、窓層上にＳｉＮ膜１８をプラズマＣＶＤ（ＰＣＶＤ）法により形成し、通常の写真製版、エッチング技術により、ｐ型不純物を導入するための拡散窓または受光部領域を開孔する。次いで、このＳｉＮ膜１８のパターンをマスクとして、受光部からｐ型不純物のＺｎを、窓層１４を通りＧａＩｎＮＡｓ受光層１３にまで導入することにより、ｐ型領域１５を形成する。ｐ型領域１５の形成により、ＧａＩｎＮＡｓ受光層１３の中にｐｎ接合が形成される。
【００３１】
次いで、ＳｉＮ膜１８の受光部領域およびＳｉＮ膜１８を被覆するように、ＳｉＯＮなどのＡＲ(Anti-Reflection)コート膜１７を形成する。そして、レジスト膜パターン（図示せず）を用いて、ｐ型領域の窓層１４をエッチングして、ＧａＩｎＮＡｓ受光層１３にいたるコンタクトホール（図示せず）を開孔する。ついで蒸着法により、コンタクトホールを含むレジスト膜パターン上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極用膜を形成する。ついでレジスト膜パターンとその上に堆積した電極用膜を除くことにより（リフトオフ）、ｐ部電極３２を得ることができる。上記のようにＩｎＰ基板の第１の主面にエピタキシャル膜を積層したあと、第１の主面の反対側の第２の主面上にｎ部電極３１を、ＡｕＧｅＮｉにより形成する。上記の方法により、図８に示したＰＩＮ型フォトダイオード１０を形成することができる。上記の受光部の受光径は３０μｍとした。
【００３２】
本発明例および比較例について作製した上記のフォトダイオード１０について暗電流を測定した。測定結果を、図９に示す。図９によれば、本発明例のフォトダイオードは、比較例のフォトダイオードに比べて、暗電流が約二桁低減されている。以上を総合すると、本実施例における本発明例の半導体受光素子は、その検出感度範囲を３．０μｍという長波長域まで確実に拡大できた上で、さらに暗電流を大幅に抑制できることが確認された。
【００３３】
（実施例２−ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層−）
実施例２では、実施例１の本発明例のＧａＩｎＮＡｓ受光層を、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層に代えた点に特徴がある。まず、ＭＢＥ成長により図１０に示すようなエピタキシャル構造を持つフォトダイオード用結晶を成長した。ＩｎＰ基板１１上にＩｎＧａＡｓバッファ層１２を配置している点で、実施例１の本発明例と同様である。膜厚、ドーピング濃度についても実施例１と同様である。図１１に示すとおり、ＩｎＧａＡｓバッファ層１２において、受光層１３との界面から０．３５μｍの領域は、実施例１の本発明例と同様に、Ｎの混入によりＮ含有ＩｎＧａＡｓ層１２ａが形成されている。Ｎを含有しないＩｎＧａＡｓ層の組成はＩｎ５３％（ｘ＝０．５３）、Ｇａ４７％（１−ｘ＝０．４７）とし、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ層１２ａでは、Ｉｎ５５．９％（ｘ＝０．５５９）、Ｇａ４４．１％（１−ｘ＝０．４４１）とした。ＩｎＰ基板とのΔａ／ａの計算値は、図１１に示すとおり±０．１％以内であった。
【００３４】
次に、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層（ＧａｙＩｎ１−ｙＮｚＡｓｗＳｂ１−ｚ−ｗ）１３を成長した。Ｓｂは原料に固体Ｓｂを用い、組成は３％（１−ｚ−ｗ＝０．０３）とし、ＩｎＰ基板に格子整合するようＩＩＩ族の組成を調整した。膜厚は２．５μｍとした。ドーピングは行わない。次に、ＡｌＩｎＡｓ窓層１４を成長した。組成、膜厚は実施例１の本発明例と同様である。表面の１μｍ□のＲＭＳラフネスは、実施例１における本発明例（ＧａＩｎＮＡｓ受光層）のフォトダイオード用エピタキシャル積層膜の４．５オングストロームと比べて２．０オングストロームと平坦性が向上した。これは、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層１３を用いたために、受光層の表面性状が良好になり、受光層を下地とする窓層のラフネスが改善されたことを意味する。
【００３５】
この結晶を用いて図８に示すようなＰＩＮ型フォトダイオードを作製した。構造は実施例および比較例と同じであるので省略する。ＰＩＮ型フォトダイオードについて暗電流を比較すると、図１２に示すように、実施例１の本発明例の約１／５程度にまで暗電流が低減されていることが分かった。これは、上記したように、Ｓｂを加えたことによって表面平坦性が改善をされ、それを反映した暗電流低減の効果である。
【００３６】
また上記と並行させて別途、ＩｎＰ基板１１の上にＩｎＧａＡｓバッファ層１２（Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ層１２ａを含む）、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層１３を成長させた段階で成長を中断したエピタキシャル積層構造を作製した。このエピタキシャル積層構造についてフォトルミネッセンスを調べたところ、フォトルミネッセンススペクトルは波長３．０μｍにピークがあった。これにより、波長３．０μｍまで検出感度があり、しかも暗電流も充分に小さい受光素子を実現することを確認することができた。
【００３７】
（実施例３−ＧａＩｎＮＡｓＰ受光層−）
実施例３では、実施例１の本発明例のＧａＩｎＮＡｓ受光層を、ＧａＩｎＮＡｓＰ受光層に代えた点に特徴がある。まず、ＭＢＥ成長により図１３に示すようなエピタキシャル構造を持つフォトダイオード用結晶を成長した。原料には、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、ターシャリブチルアルシン（ＴＢＡｓ）、ターシャリブチルホスフィン（ＴＢＰ）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）、テトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）を用いた。
【００３８】
２インチ角のＳドープｎ導電型ＩｎＰ基板１１に、Ｓｉを微量ドープしたＩｎＧａＡｓバッファ層１２を形成し、次いでＳｉを微量ドープしたＧａＩｎＮＡｓＰ受光層１３（キャリア濃度１×１０１６ｃｍ−３、２μｍ厚み）、ノンドープＩｎＰ窓層１４（１．５μｍ厚み）をＭＯＶＰＥ法でエピタキシャル成長した。エピタキシャル成長温度は５２０℃である。
【００３９】
ＩｎＰ基板１１は、（１００）から（１１１）方向に１３°傾斜したオフアングル基板を用いた。またＩＮＧａＡｓバッファ層１２の受光層側には、図１４に示すように、Ｎが徐々に増えていくＮ含有ＩｎＧａＡｓ層１２ａを設けた。このときＮ含有ＩｎＧａＡｓ層１２ａ内のＩｎ組成も、ＩｎＰ基板１１およびＩｎＧａＡｓバッファ層１２と格子整合するように、Ｎ含有量の増加傾向に合わせて徐々に増加させた。すなわち、厚さ方向に沿って、Ｎ含有バッファ層１２ａ内で、一定勾配で直線的にｘを増加させた。これは、同じ方向に沿ったＮ含有率の増加に合わせたものである。上述の計算によれば、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ層１２ａも含めたＩｎＧａＡｓバッファ層１２格子定数は、ＩｎＰ基板１１との格子定数差Δａ／ａが、±０．１％以内であった。すなわち、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ層１２ａも含めたＩｎＧａＡｓバッファ層１２格子定数は、ＩｎＰ基板の格子定数の９９．９％以下であり、かつ１００．１％以下の範囲であった。
【００４０】
またＧａＩｎＮＡｓＰ受光層（ＧａｙＩｎ１−ｙＮｚＡｓｗＰ１−ｚ−ｗ層）のＮ組成は５％（ｚ＝０．０５）、Ｐ組成は４％（１−ｚ−ｗ＝０．０４）として、ＩｎＰ基板１１に格子整合するようにＩＩＩ族の組成を調整した。表面の１μｍ□のＲＭＳラフネスは、実施例１の本発明例（ＧａＩｎＮＡｓ受光層）のフォトダイオード用エピタキシャル積層膜の４．５オングストロームと比べて、３．７オングストロームと平坦性が向上した。
【００４１】
上記のエピタキシャル積層膜を用いて図８に示すようなＰＩＮ型フォトダイオードを作製した。受光径は３０μｍとした。ＰＩＮ型フォトダイオードの構造は実施例１の本発明例と同じである。暗電流を比較すると、図１５のように、実施例２には及ばないが実施例１よりも暗電流が低減されていることが分かった。これは、Ｐを加えたことによる表面平坦性改善の効果である。
【００４２】
また別途、ＩｎＰ基板の上にＩｎＧａＡｓバッファ層１２（Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ層１２ａを含む）およびＧａＩｎＮＡｓＰ受光層１３を成長させた段階で成長を中断し、フォトルミネッセンスを調べた。フォトルミネッセンススペクトルは波長２．５μｍにピークがあった。これにより、波長２．５μｍまで検出感度があることが確認された。上記を総合して、実施例３において、検出感度が長波長側に拡大し、なおかつ暗電流も充分に小さい受光素子を実現できることを確認できた。
【００４３】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の半導体受光素子およびその製造方法を用いることにより、ＩｎＧａＡｓバッファ層を用いることにより、ＩｎＰなどにおけるＰの使用を避けることができ、また所定の場合バッファ層を下地とする受光層の結晶性を向上させることができる。このためバッファ層の材料選択の範囲を拡大させることができる。とくにＮを含む化合物半導体を受光層に用いた場合、Ｎとの異物形成反応性が低いために結晶性に優れた受光層を容易に形成することができる。このため、今後、通信分野等を中心に大きな貢献が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態における半導体受光素子を説明するための図である。
【図２】本発明の別の実施の形態における半導体受光素子を説明するための図である。
【図３】実施例１における本発明例のエピタキシャル積層構造を示す図である。
【図４】図３のバッファ層および受光層の深さ方向のＮ混入密度を示す図である。
【図５】図３のバッファ層および受光層の深さ方向の元素組成および格子定数を示す図である。
【図６】本発明の実施例１における比較例のエピタキシャル積層構造を示す図である。
【図７】図６のバッファ層および受光層の深さ方向のＮ混入密度を示す図である。
【図８】暗電流を測定するために用いたＰＩＮ型フォトダイオードを示す図である。
【図９】実施例１における暗電流測定結果を示す図である。
【図１０】実施例２における本発明例のエピタキシャル積層構造を示す図である。
【図１１】図１０のバッファ層および受光層の深さ方向の元素組成および格子定数を示す図である。
【図１２】実施例２における暗電流測定結果を示す図である。
【図１３】実施例３における本発明例のエピタキシャル積層構造を示す図である。
【図１４】図１３のバッファ層および受光層の深さ方向の元素組成および格子定数を示す図である。
【図１５】実施例３における暗電流測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  フォトダイオード、１１  ＩｎＰ基板、１２  ＩｎＧａＡｓバッファ層、１２ａ  Ｎ含有ＩｎＧａＡｓバッファ層、１３  受光層、１４  窓層、１５  ｐ型領域、１７  ＡＲ膜または保護膜、１８  ＳｉＮ膜、３１  ｎ部電極、３２  ｐ部電極、１１１  ＩｎＰ基板、１１２  ＡｌＩｎＡｓバッファ層、１１２ａ  Ｎ含有ＡｌＩｎＡｓバッファ層、１１３  受光層、１１４  窓層。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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