(57)【要約】【課題】近赤外の波長域１．５μｍ〜１．８μｍに十分高い感度をもち、暗電流を低くできる受光素子等を提供する。【解決手段】  ＩｎＰ基板１上に接して位置するバッファ層２と、バッファ層上に接して位置する受光層３とを備え、受光層３が、バンドギャップエネルギ０．７３ｅＶ以下の第１の半導体層３ａと、それよりも大きいバンドギャップエネルギを持つ第２の半導体層３ｂとを１ペアとして、５０ペア以上を含み、第１の半導体層３ａおよび第２の半導体層３ｂが歪補償量子井戸構造を形成し、厚みが両方とも１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子であって、
前記ＩｎＰ基板上に接して位置するバッファ層と、
前記バッファ層上に接して位置する受光層とを備え、
前記受光層が、バンドギャップエネルギ０．７３ｅＶ以下の第１の半導体層と、該第１の半導体層のバンドギャップエネルギよりも大きいバンドギャップエネルギを持つ第２の半導体層とを交互に積層して５０ペア以上含み、
前記第１の半導体層および第２の半導体層が歪補償量子井戸構造を形成し、該第１の半導体層および第２の半導体層の厚みが両方とも１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする、受光素子。
【請求項２】
波長１．５μｍおよび１．７５μｍを含む波長域に受光感度を有する受光素子であって、波長１．５μｍの受光感度と波長１．７５μｍの受光感度との比が、０．８以上１．２以下であることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記第１の半導体層および第２の半導体層が、（１）タイプ２の多重量子井戸構造を形成するか、または（２）組成が異なる同じ化合物半導体であることを特徴とする、請求項１または２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記第１の半導体層の前記受光層における合計膜厚が、０．５μｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項５】
バッファ層のバンドギャップエネルギが、前記第１の半導体層および第２の半導体層のいずれのバンドギャップエネルギよりも大きいことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項６】
前記第１の半導体層がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．５６≦ｘ≦０．６８）であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項７】
前記第２の半導体層が、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０．３８≦ｙ≦０．５０）であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項８】
前記第２の半導体層がＧａＡｓｚＳｂ１−ｚ（０．５４≦ｚ≦０．６６）であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項９】
前記ＩｎＰ基板上の前記受光層を含むエピタキシャル層の表層にＩｎＰ窓層を備え、前記バッファ層の底面と前記ＩｎＰ窓層表面との間に、再成長界面を持たないことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項１０】
前記バッファ層がＰを含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項１１】
前記ＩｎＰ基板の裏面を入射面とするための基板裏面入射構造を備えることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項１２】
選択拡散によって導入された不純物の先端部にｐｎ接合を備え、前記受光層の前記ＩｎＰ基板と反対側の面である上面に接するＩＩＩ−Ｖ族半導体の拡散濃度分布調整層と、その拡散濃度分布調整層上に接するＰを含む窓層とを備え、前記拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギが前記窓層のバンドギャップエネルギがよりも小さいことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項１３】
ＩｎＰ基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子の製造方法であって、
前記ＩｎＰ基板上にバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層上に、バンドギャップ０．７３ｅＶ以下の第１の半導体層と、該第１の半導体層よりも大きいバンドギャップを持つ第２の半導体層とを、該第１および第２の半導体層の両方ともに厚み１ｎｍ以上１０ｎｍ以下で、交互に５０ペア以上積層して、多重量子井戸構造の受光層を形成する工程とを備え、
前記多重量子井戸構造の受光層の形成工程では、全有機金属気相成長法によって、成長温度または基板温度６００℃以下で成長することを特徴とする、受光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記受光層の上にＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成する工程を備え、前記受光層を形成し始めるときから前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成し終わるときまで、全有機金属気相成長法によって同じ成長槽内で成長することを特徴とする、請求項１３に記載の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、受光素子およびその製造方法であって、より具体的には、近赤外の波長域１．７μｍ〜１．８μｍにおける感度を確保した多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple-Quantum  Well）の受光層を含む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】
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基板上に、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２のＭＱＷを形成し、ｐ型またはｎ型のエピタキシャル層によるｐｎ接合によってカットオフ波長２．３９μｍのフォトダイオードが提案され、波長１．７μｍ〜２．７μｍの感度特性が示されている（非特許文献１）。
また、ＩｎＧａＡｓ５ｎｍとＧａＡｓＳｂ５ｎｍとを１ペアとして１５０ペア積層したタイプ２ＭＱＷの受光層を備える受光素子の波長１μｍ〜３μｍの感度特性（２００Ｋ、２５０Ｋ、２９５Ｋ）が示されている（非特許文献２）。
また、光通信用に、受光域の上限波長を少しだけ拡大するために、ＩｎＰ基板と、そのＩｎＰ基板上に形成された当該ＩｎＰ基板の格子定数より小さい格子定数を与える組成のＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ（第１吸収層）と、大きい格子定数を与える組成のＩｎ０．５５Ｇａ０．４５Ａｓ（第２吸収層）とを受光層に含むフォトダイオードが提案されている（特許文献１）。これによれば、受光域を波長１７００ｎｍ程度にまで長波長化することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】R.Sidhu, et.al. "ALong-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 WavelengthPhotodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells”, 2005 Intenational Conference on Indium Phosphide and RelatedMaterials, pp.148-151
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２８２９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、波長１．５μｍ〜１．８μｍの範囲に物質の重要な吸収帯が集中するので、この波長１．５μｍ〜１．８μｍの範囲に十分高い感度を持ち鮮明な画像を得ることができれば、利用を促進することができる。
しかるに、上記のタイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＭＱＷでは、波長１．６μｍの少し長波長付近から急に感度が低くなる（図６参照）。これは、タイプ２遷移とタイプ１遷移の双方の光電変換によって、光電流が発生することによる。この影響で、波長１．６５μｍ付近からタイプ１遷移の寄与が小さくなる。また、温度２００Ｋ〜２９５Ｋで感度が測定された同じタイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＭＱＷによる受光素子においても、波長１．５μｍ〜１．７μｍの範囲の所定波長から感度が急に低下している（図６参照）。これについても、上記と同じ感度低下要因が働いていると考えられる。
また、光通信用に受光波長上限を少し高めた受光素子については、波長１．７μｍ〜１．８μｍでの感度は十分得られるが、暗電流が高い。
【０００６】
本発明は、近赤外の波長域１．５μｍ〜１．８μｍに安定して十分高い感度をもち、暗電流を低くできる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】
【０００７】
本発明の受光素子は、ＩｎＰ基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子である。この受光素子は、ＩｎＰ基板上に接して位置するバッファ層と、バッファ層上に接して位置する受光層とを備える。この受光層が、バンドギャップエネルギ０．７３ｅＶ以下の第１の半導体層と、該第１の半導体層のバンドギャップエネルギよりも大きいバンドギャップエネルギを持つ第２の半導体層とを交互に積層して５０ペア以上含み、第１の半導体層および第２の半導体層が歪補償量子井戸構造を形成し、該第１の半導体層および第２の半導体層の厚みが両方とも１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【０００８】
上記において第１の半導体層のバンドギャップエネルギを０．７３ｅＶ以下とすることによって、第１の半導体層内におけるタイプ１の遷移に基づいて波長１．７μｍ〜１．８μｍで高い受光感度を得ることができる。ここで、バンドギャップエネルギと格子定数との反比例の関係から、上記の第１の半導体層はＩｎＰ基板に比べて格子定数が大きく、一方第２の半導体層は格子定数が小さいため、前者には圧縮応力がまた後者には引張応力が分布して、両者は歪補償量子井戸構造を形成する。第１の半導体層／第２の半導体層を５０ペア以上として各半導体層の厚みを１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることで、格子不整合による圧縮歪と引張歪とを均衡させてマクロ的に歪の影響を小さくすることができる。この歪の蓄積が回避されることで、結晶性が向上して暗電流の増大を防止することができる。すなわち波長１．５μｍ〜１．８μｍ付近で高い受光感度を持ちながら暗電流を低く抑えることができる。
【０００９】
波長１．５μｍおよび１．７５μｍを含む波長域に受光感度を有する受光素子であって、波長１．５μｍの受光感度と波長１．７５μｍの受光感度との比を、０．８以上１．２以下とすることができる。
これによって、物質の重要な吸収帯が集中する波長域に十分大きな感度を持つ受光素子を得ることができる。この受光素子は、ＭＣＴ等のように冷却を前提とせず、室温使用を前提とするので、使いやすく小型なため通信用、夜間撮像用のみならず広い用途に手軽に使用できる。
【００１０】
第１の半導体層および第２の半導体層を、（１）タイプ２の多重量子井戸構造を形成するか、または（２）組成が異なる同じ化合物半導体とすることができる。
これによって、歪補償量子井戸構造を、（１）タイプ２の多重量子井戸構造としてもよいし、または（２）組成が異なる、たとえばＩｎＧａＡｓを用いてもよい。（１）前者の場合、タイプ１の遷移だけでなくタイプ２の遷移によっても波長１．７μｍ〜１．８μｍの光を受光することができる。（２）後者の場合は、タイプ１の多重量子井戸構造に限定して、物質にとって重要な吸収帯が集中する波長１．５μｍ〜１．８μｍ付近で高い受光感度を持ちながら暗電流を低く抑えることができる。この場合、タイプ２の遷移は生じないので、波長１．８μｍを超える範囲に受光感度はないが、反面、たとえば歪補償量子井戸構造内にＳｂなどの取り扱いが難しい元素を含まないことから良好な結晶性の薄膜を得ることができる。
【００１１】
第１の半導体層の受光層における合計膜厚を、０．５μｍ以上とするのがよい。
これによって、とくに波長１．７５μｍ付近の上限における感度を確保することができる。この波長１．７５μｍ付近の受光は、第１の半導体層のバルクでのタイプ１遷移によるので、合計膜厚を０．５μｍ以上とすることで感度を確保できる。
【００１２】
バッファ層のバンドギャップエネルギを、第１の半導体層および第２の半導体層のいずれのバンドギャップエネルギよりも大きくするのがよい。
これによって、基板裏面入射の場合（画素を二次元アレイ化では必須）、光がバッファ層で吸収されることを防ぐことができる。またＩｎＰ（基板）のバンドギャップエネルギは１．２７ｅＶであり、当然、今問題にしている波長域の光が吸収されるおそれはない。
【００１３】
第１の半導体層をＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．５６≦ｘ≦０．６８）とすることができる。
これによって、タイプ１の遷移で波長１．７μｍ〜１．８μｍまで確実に受光できる第１の半導体層を得ることができる。
【００１４】
第２の半導体層を、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０．３８≦ｙ≦０．５０）とすることができる。
これによって、第２の半導体層の格子定数をＩｎＰより小さくして、ＩｎＰより大きい格子定数の第１の半導体層との組み合わせにより、歪補償量子井戸構造を容易に形成することができる。この結果、窓層まで含めてエピタキシャル層全体の結晶性を良好にすることができ、暗電流を減らすことができる。この第２の半導体層も、当然、タイプ１遷移によって受光可能であるが、受光可能な波長上限は、１．７μｍよりも短い範囲となる。
【００１５】
第２の半導体層をＧａＡｓｚＳｂ１−ｚ（０．５４≦ｚ≦０．６６）とすることができる。
この場合も第２の半導体層の格子定数をＩｎＰより小さくして、ＩｎＰより大きい格子定数の第１の半導体層との組み合わせにより、歪補償量子井戸構造を容易に形成することができる。この場合、取り扱いの難しいＳｂを減らすことになるので、エピタキシャル層全体の結晶性を高め、かつ暗電流を抑制する上で好ましい。この場合、タイプ２の遷移が可能であり、波長１．８μｍ以上の長波長側だけでなく、焦点となっている波長１．７μｍ〜１．８μｍの波長域の光もタイプ２の遷移により受光することができる。すなわち、第１の半導体層によるタイプ１の遷移による波長１．７μｍ〜１．８μｍの光の受光だけでなく、タイプ２の遷移によっても波長１．７μｍ〜１．８μｍの光の受光ができる。
【００１６】
ＩｎＰ基板上の受光層を含むエピタキシャル層の表層にＩｎＰ窓層を備え、バッファ層の底面とＩｎＰ窓層表面との間に、再成長界面を持たないようにするのがよい。
これによって、一貫して同じ成長槽（全有機金属気相成長による成長槽）において受光素子の心臓部である半導体エピタキシャル層を形成することができる。この結果、再成長界面における高濃度のＯ、Ｃなどによる汚染を防止することができる。この結果、暗電流を低くすることができる。また、一貫して同じ成長槽で成長できるので、高い製造能率を得ることができる。
【００１７】
バッファ層がＰを含むことができる。
バッファ層にＰを含む場合としてＩｎＰバッファ層、ＩｎＧａＡｓＰバッファ層などがある。これらのバッファ層は良好な結晶性の薄膜を成長しやすい。このためこのバッファ層上に接して成長する受光層（第１および第２の半導体層）の結晶性も良好にでき、その結果、暗電流を低くすることができる。
【００１８】
ＩｎＰ基板の裏面を入射面とするための基板裏面入射構造を備えることができる。
ここで、基板裏面側から光を入射する構造、とは、（１）エピタキシャル層表面側における画素電極に設けた接合用バンプ（読み出し回路がエピタキシャル層表面側を覆うことになる）、（２）基板裏面側に設けた反射防止用の膜（ＡＲ膜）、（３）基板裏面入射とせざるを得ない、基本単位となる受光素子（画素）の二次元配列の態様、などをいう（その他の構造例については後で言及する）。
上記の基板裏面入射構造を備えることで、低い暗電流を維持し、高い感度を確保しながら二次元アレイ化された画素を有する受光素子を製造することができる。
【００１９】
選択拡散によって導入された不純物の先端部にｐｎ接合を備え、受光層のＩｎＰ基板と反対側の面である上面に接するＩＩＩ−Ｖ族半導体の拡散濃度分布調整層と、その拡散濃度分布調整層上に接するＰを含む窓層とを備え、拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギを窓層のバンドギャップエネルギよりも小さくするのがよい。
これによって、拡散濃度分布調整層の電気抵抗が大きいと感度の低下や画像形成の遅れ等が生じるが、バンドギャップエネルギが窓層よりも小さい材料を用いることで電気抵抗の増大を防ぐことができる。また、画素形成において、結晶性を良好にできる選択拡散を用いながら、選択拡散によって過度に高濃度の不純物を受光層内に導入して歪補償量子井戸構造の結晶性がその不純物で害されるのを防止することができる。この場合、拡散濃度分布調整層内で不純物濃度は急峻に低下する分布形態とするのがよい。
【００２０】
本発明の受光素子の製造方法では、ＩｎＰ基板上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子を製造する。この製造方法は、ＩｎＰ基板上にバッファ層を形成する工程と、バッファ層上に、バンドギャップ０．７３ｅＶ以下の第１の半導体層と、該第１の半導体層よりも大きいバンドギャップを持つ第２の半導体層とを、該第１および第２の半導体層の両方ともに厚み１ｎｍ以上１０ｎｍ以下で、交互に５０ペア以上積層して、多重量子井戸構造の受光層を形成する工程とを備える。そして、多重量子井戸構造の受光層の形成工程では、全有機金属気相成長法によって、成長温度または基板温度６００℃以下で成長することを特徴とする。
【００２１】
上述のように受光層は歪補償量子井戸構造であり、良好な結晶性を得られるか否かが重要である。全有機金属気相成長法では、成長温度または基板温度を低くできるので、成長後に冷却する際に温度差に起因する熱膨張によって結晶性が劣化する程度を低く抑えることができる。
上記の成長温度または基板温度は、基板表面温度を赤外線カメラおよび赤外線分光器を含むパイロメータでモニタしており、そのモニタされている基板表面温度をいう。したがって、基板表面温度ではあるが、厳密には、基板上に成膜がなされている状態の、エピタキシャル層表面の温度である。基板温度、成長温度、成膜温度など、呼称は各種あるが、いずれも上記のモニタされている温度をさす。
【００２２】
受光層の上にＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成する工程を備え、受光層を形成し始めるときからＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成し終わるときまで、全有機金属気相成長法によって同じ成長槽内で成長するのがよい。
これによって、一貫して全有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）による成長槽において受光素子の心臓部である半導体エピタキシャル層を形成することができる。この結果、再成長界面における高濃度のＯ、Ｃなどによる汚染を防止することができる。この結果、暗電流を低くすることができる。また、一貫して同じ成長槽で成長できるので、高い製造能率を得ることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の受光素子等によれば、近赤外の波長域１．５μｍ〜１．８μｍに安定して十分高い感度をもち、暗電流を低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１における受光素子を示す図である。
【図２】図１の受光素子の受光感度の波長依存性を示す図である。
【図３】全有機金属気相成長法の成膜装置の配管系統等を示す図である。
【図４】図１に示す受光素子の製造方法のフローチャートである。
【図５】参考例として挙げた受光素子を示す図である。
【図６】図５の受光素子の受光感度の波長依存性を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２における受光素子を示す図である。
【図８】図７の受光素子の受光感度の波長依存性を示す図である。
【図９】図７に示す受光素子の製造方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子１０を示す断面図である。図１によれば、受光素子１０は、ＩｎＰ基板１の上に次の構成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体積層構造を有する。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２／Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ（第１の半導体層）３ａとＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３（第２の半導体層）３ｂとの多重量子井戸構造による受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
ＩｎＰ窓層５から多重量子井戸構造の受光層３の近くにまでｐ型領域６が位置している。このｐ型領域６は、ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６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。受光素子１０の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入され、受光部が周縁部の内側に形成されることは、上記ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６を用いて拡散することによって実現される。
【００２６】
ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面には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。この場合、ＩｎＰ基板１にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。
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。このＩｎＰ基板１の裏面に配置されたＡＲ膜３５は、基板側から入射するための構造といってよい。さらに画素電極（ｐ側電極）１１を、半導体積層体の頂面の端ではなく中央寄りまたは中央付近に配置することは、半導体積層体の頂面から光を入射させないことを意味しており、半導体基板の裏面側から光を入射するための構造ということができる。さらに、図示はしていないが、読み出し回路の読み出し電極と接合するための接合バンプを画素電極に配置した構造も、半導体基板の裏面入射のための構造ということができる。読み出し回路が、画素側全体を覆うことになるからである。同じく図示はしていないが、グランド電極と画素電極の両方を、エピタキシャル層表面側に延在させる構造も、間違いなく、基板裏面入射のための構造である。これら例示した構造に限らず、基板裏面入射とされた受光素子では、半導体基板の裏面入射のための構造は、必ず存在する。
また画素Ｐの二次元配列自体、読み出し回路との接続に用いられるフリップフロップ接合方式のため、基板裏面入射は必然であり、上記の基板裏面から入射するための構造である。
【００２７】
上記のｐ型領域６の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合が形成され、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）により広く空乏層を生じる。多重量子井戸構造の受光層３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５×１０１５ｃｍ−３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合の位置は、多重量子井戸の受光層３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。
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窓層側における高濃度領域から受光層側にかけて急峻に低下している。このため、受光層３内では、Ｚｎ濃度は５×１０１６ｃｍ−３以下の不純物濃度を容易に実現することができる。
【００２８】
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のが好ましい。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。
【００２９】
（実施の形態１におけるポイント）
本実施の形態における特徴は、次の点にある。
（１）受光層３内の第１の半導体層３ａのＩｎＰ格子整合のＩｎ組成を、０．５３よりも大きく高めてＩｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓとすることで、バンドギャップエネルギを０．７３ｅＶ以下を実現した。このため、第１の半導体層３ａにおけるタイプ１の遷移によって、波長１．７μｍ〜１．８μｍにおける受光感度を高めることができる。
Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓは、ＩｎＰに格子整合する組成Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓに比べてＩｎ組成が格段に高く、従って、ＩｎＰよりも格子定数は大きい。このため、第１の半導体層３ａには圧縮応力が分布する。
（２）第２の半導体層３ｂをＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３とすることで、第２の半導体層３ｂの格子定数をＩｎＰより小さくすることができる。ＩｎＰに格子整合する組成は、ＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９であるので、これよりは、Ａｓ組成ｚが大きく、Ｓｂ組成（１−ｚ）が格段に小さい。この結果、第１の半導体層３ａとの組み合わせによって、第１の半導体層３ａに圧縮応力が、また第２の半導体層３ｂに引張応力が、分布して、歪補償量子井戸構造とすることができる。
この結果、歪が低い状態、すなわち格子欠陥密度の小さい状態を実現でき、暗電流を低くすることができる。
（３）Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ（第１の半導体層）３ａとＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３（第２の半導体層）３ｂとはタイプ２の多重量子井戸構造を構成する。格子整合するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓとＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９との多重量子井戸構造では、タイプ２の遷移によって波長２μｍ以上に受光感度を持つ。このタイプ２の遷移のエネルギ差は１．７μｍ〜１．８μｍ相当より小さいが、当然、このタイプ２の遷移において１．７μｍ〜１．８μｍ相当の光を受光することはできる。この結果、タイプ２の遷移によっても、波長１．５μｍ〜１．８μｍにおける受光感度は高められる。
【００３０】
図２は、図１に示す受光素子１０の感度の波長依存性を示す図である。上記の（１）〜（３）によって、波長１．５μｍ〜１．７５μｍにおける感度は、それより短波長側の感度から連続してほぼフラットに高いレベルにあることが分かる。本実施の形態では、タイプ２の遷移が生じる（Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ／ＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３）を用いるので、受光可能な波長上限が２．３μｍ程度まである。
【００３１】
図３に全有機気相金属成長法の成膜装置６０の配管系統等を示す。反応室（チャンバ）６３内に石英管６５が配置され、その石英管６５に、原料ガスが導入される。石英管６５中には、基板テーブル６６が、回転自在に、かつ気密性を保つように配置される。基板テーブル６６には、基板加熱用のヒータ６６ｈが設けられる。成膜途中のウエハ５０ａの表面の温度は、反応室６３の天井部に設けられたウィンドウ６９を通して、赤外線温度モニタ装置６１によりモニタされる。このモニタされる温度が、成長するときの温度、または成膜温度もしくは基板温度等と呼ばれる温度である。本発明における製造方法における、基板温度６００℃以下でＭＱＷを形成する、というときの６００℃以下は、この温度モニタで計測される温度である。石英管６５からの強制排気は真空ポンプによって行われる。
【００３２】
原料ガスは、石英管６５に連通する配管によって、供給される。全有機気相成長法は、原料ガスをすべて有機金属気体の形態で供給する点に特徴がある。図３では、不純物等の原料ガスは明記していないが、不純物も有機金属気体の形態で導入される。有機金属気体の原料は、恒温槽に入れられて一定温度に保持される。搬送ガスには、水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）が用いられる。有機金属気体は、搬送ガスによって搬送され、また真空ポンプで吸引されて石英管６５に導入される。搬送ガスの量は、ＭＦＣ（Mass  Flow  Controller:流量制御器）によって精度よく調節される。多数の、流量制御器、電磁弁等は、マイクロコンピュータによって自動制御される。
【００３３】
ＩｎＰ基板１上に受光層３を含む半導体積層構造を形成する方法について説明する。まず、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板１に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を、膜厚１５０ｎｍに、エピタキシャル成長させる。ｎ型のドーピングには、ＴｅＥＳｉ（テトラエチルシラン）を用いるのがよい。このときの原料ガスには、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。このＩｎＰバッファ層２の成長には、無機原料のＰＨ３（ホスフィン）を用いて行っても良い。このＩｎＰバッファ層２の成長では、成長温度を６００℃程度あるいは６００℃程度以下で行っても、下層に位置するＩｎＰ基板の結晶性は６００℃程度の加熱で劣化することはない。しかし、ＩｎＰ窓層５を形成するときには、下層にＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３を含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ６００℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃を超えて加熱すると、ＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３が熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化する点、および、４００℃未満の温度でＩｎＰ窓層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰ層内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰ窓層５を得られない点があげられる。
バッファ層２は、ＩｎＰ層だけでもよいが、所定の場合には、そのＩｎＰバッファ層の上に、ｎ型ドープしたＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層を、膜厚０．１５μｍ（１５０ｎｍ）に成長してもよい。このＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層も図１中ではバッファ層２に含まれる。
【００３４】
次いで、Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ３ａ／ＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３３ｂを量子井戸のペアとするタイプ２のＭＱＷの受光層３を形成する。量子井戸におけるＩｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ３ａおよびＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３３ｂの膜厚は５ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。図１では、２００ペアの量子井戸を積層してＭＱＷの受光層３を形成している。ＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３３ｂ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。また、Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ３ａ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６００℃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。この結果、成膜温度から室温までの温度差を小さくすることができ、受光素子１０内の各材料の熱膨張差に起因する歪を小さくでき、格子欠陥密度を小さく抑えることができる。これは暗電流の抑制に有効である。
【００３５】
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。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導体素子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、微弱な光についても鮮明な像を撮像することが可能となる。
【００３６】
次に、全有機金属気相成長法によって、多重量子井戸構造３を形成するときの原料ガスの流れ状態について説明する。原料ガスは、配管を搬送されて、石英管６５に導入されて排気される。原料ガスは、何種類でも配管を増やして石英管６５に供給させることができる。たとえば十数種類の原料ガスであっても、電磁バルブの開閉によって制御される。
原料ガスは、流量の制御は、図３に示す流量制御器（ＭＦＣ）によって制御された上で、石英管６５への流入を電磁バルブの開閉によってオンオフされる。そして、石英管６５からは、真空ポンプによって強制的に排気される。原料ガスの流れに停滞が生じる部分はなく、円滑に自動的に行われる。よって、量子井戸のペアを形成するときの組成の切り替えは、迅速に行われる。
図３に示すように、基板テーブル６６は回転するので、原料ガスの温度分布は、原料ガスの流入側または出口側のような方向性をもたない。また、ウエハ５０ａは、基板テーブル６６上を公転するので、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスの流れは、乱流状態にあり、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスであっても、ウエハ５０ａに接する原料ガスを除いて導入側から排気側への大きな流れ方向の速度成分を有する。したがって、基板テーブル６６からウエハ５０ａを経て、原料ガスへと流れる熱は、大部分、常時、排気ガスと共に排熱される。このため、ウエハ５０ａから表面を経て原料ガス空間へと、垂直方向に大きな温度勾配または温度段差が発生する。
さらに、本発明の実施の形態では、基板温度を４００℃以上かつ６００℃以下という低温域に加熱される。このような低温域の基板表面温度でＴＢＡｓなどを原料とした全有機金属気相成長法を用いる場合、その原料の分解効率が良いので、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスで多重量子井戸構造の成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られる。
【００３７】
ウエハ５０ａの表面はモニタされる温度とされているが、ウエハ表面から少し原料ガス空間に入ると、上述のように、急激に温度低下または大きな温度段差が生じる。このため分解温度がＴ１℃の原料ガスの場合、基板表面温度は、（Ｔ１＋α）に設定し、このαは、温度分布のばらつき等を考慮して決める。ウエハ５０ａ表面から原料ガス空間にかけて急激で大きな温度降下または温度段差がある状況において、大サイズの有機金属分子がウエハ表面をかすめて流れるとき、分解して結晶成長に寄与する化合物分子は表面に接触する範囲、および表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲、のものに限られると考えられる。したがって、ウエハ表面に接する範囲の有機金属分子、および、ウエハ表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲以内に位置する分子、が、主として、結晶成長に寄与して、それより外側の有機金属分子は、ほとんど分解せずに石英管６５の外に排出される、と考えられる。ウエハ５０ａの表面付近の有機金属分子が分解して結晶成長したとき、外側に位置する有機金属分子が補充に入る。
逆に考えると、ウエハ表面温度を有機金属分子が分解する温度よりほんのわずかに高くすることで、結晶成長に参加できる有機金属分子の範囲をウエハ５０ａ表面上の薄い原料ガス層に限定することができる。
【００３８】
上記のことから、真空ポンプで強制排気しながら上記ペアの化学組成に適合した原料ガスを電磁バルブで切り替えて導入するとき、わずかの慣性をもって先の化学組成の結晶を成長させたあとは、先の原料ガスの影響を受けず、切り替えられた化学組成の結晶を成長させることができる。その結果、ヘテロ界面での組成変化を急峻にすることができる。これは、先の原料ガスが、石英管６５内に実質的に残留しないことを意味しており、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスで多重量子井戸構造の成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られることに起因する。すなわち、量子井戸の一方の層を形成させたあと、真空ポンプで強制排気しながら電磁バルブを開閉して、他方の層を形成する原料ガスを導入したとき、少しの慣性をもって結晶成長に参加する有機金属分子はいるが、その補充をする一方の層の分子はほとんど排気されて、なくなっている。ウエハ表面温度を、有機金属分子の分解温度に近づけるほど、結晶成長に参加する有機金属分子の範囲（ウエハ表面からの範囲）は小さくなる。
この多重量子井戸構造を形成する場合、６００℃を超える温度範囲で成長すると多重量子井戸構造のＧａＡｓＳｂ層に相分離が起こり、清浄で平坦性に優れた多重量子井戸構造の結晶成長表面、および、優れた周期性と結晶性を有する多重量子井戸構造を得ることができない。このことから、成長温度を４００℃以上かつ６００℃以下という温度範囲にするが、この成膜法を全有機ＭＯＶＰＥ法にして、原料ガスすべてを分解効率の良い有機金属気体にすることが重要である。
【００３９】
＜受光素子の製造方法＞
図４は、受光素子の製造方法のフローチャートである。図１に示した受光素子１０では、タイプ２ＭＱＷの受光層３の上には、ＩｎＰに格子整合するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４が位置し、そのＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４の上にＩｎＰ窓層５が位置している。ＩｎＰ窓層５の表面に設けた選択拡散マスクパターン３６の開口部からｐ型不純物のＺｎが選択拡散されてｐ型領域６が設けられる。そのｐ型領域６の先端部にｐｎ接合またはｐｉ接合が形成される。このｐｎ接合またはｐｉ接合に、逆バイアス電圧を印加して空乏層を形成して、光電子変換による電荷を捕捉して、電荷量に画素の明るさを対応させる。ｐ型領域６またはｐｎ接合もしくはｐｉ接合は、画素を構成する主要部である。ｐ型領域６にオーミック接触するｐ側電極１１は画素電極であり、接地電位にされるｎ側電極１２との間で、上記の電荷を画素ごとに読み出す。ｐ型領域６の周囲の、ＩｎＰ窓層表面には、上記の選択拡散マスクパターン３６がそのまま残される。さらに図示しないＳｉＯＮ等の保護膜が被覆される。選択拡散マスクパターン３６をそのまま残すのは、ｐ型領域６を形成したあと、これを除いて大気中に暴露すると、コンタクト層表面のｐ型領域との境界に表面準位が形成され、暗電流が増大するからである。
上述のようにＭＱＷを形成したあと、ＩｎＰ窓層５の形成まで、全有機金属気相成長法によって同じ成膜室または石英管６５の中で成長を続けることが、一つのポイントになる。すなわち、ＩｎＰ窓層５の形成の前に、成膜室からウエハ５０ａを取り出して、別の成膜法によってＩｎＰ窓層５を形成することがないために、再成長界面を持たない点が一つのポイントである。すなわち、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＩｎＰ窓層５とは、石英管６５内において連続して形成されるので、界面１６，１７は再成長界面ではない。このため、酸素および炭素の濃度がいずれも所定レベル以下であり、とくにｐ型領域６と界面１７との交差線において電荷リークが生じることはない。また界面１６においても格子欠陥密度は低く抑えられる。
【００４０】
本実施の形態では、ＭＱＷの受光層３の上に、たとえば膜厚１．０μｍのノンドープＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布層４を形成する。このＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布層４は、ＩｎＰ窓層５を形成したあと、選択拡散法によってＩｎＰ窓層５からｐ型不純物のＺｎをＭＱＷの受光層３に届くように導入するとき、高濃度のＺｎがＭＱＷに進入すると、結晶性を害するので、その調整のために設ける。このＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４は、上記のように配置してもよいが、なくてもよい。
上記の選択拡散によってｐ型領域６が形成され、その先端部にｐｎ接合またはｐｉ接合が形成される。Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４を挿入した場合であっても、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓはバンドギャップが小さいのでノンドープであっても受光素子の電気抵抗を低くすることができる。電気抵抗を低くすることで、応答性を高めて良好な画質の動画を得ることができる。
Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４の上に、同じ石英管６５内にウエハ５０ａを配置したまま連続して、アンドープのＩｎＰ窓層５を、全有機金属気相成長法によってたとえば膜厚０．８μｍにエピタキシャル成長するのがよい。原料ガスには、上述のように、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）およびターシャリーブチルホスフィン（ＴＢＰ）を用いる。この原料ガスの使用によって、ＩｎＰ窓層５の成長温度を４００℃以上かつ６００℃以下に、さらには５５０℃以下にすることができる。この結果、ＩｎＰ窓層５の下に位置するＭＱＷのＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けることがなく、ＭＱＷの結晶性が害されることがない。ＩｎＰ窓層５を形成するときには、下層にＧａＡｓＳｂを含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ６００℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃を超えて加熱すると、ＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３が熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化する点、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰ窓層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰ窓層５内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰ窓層５を得られない点があげられる。
【００４１】
上記したように、従来は、ＭＱＷをＭＢＥ法によって形成する必要があった。ところが、ＭＢＥ法によってＩｎＰ窓層を成長するには、燐原料に固体の原料を用いる必要があり、安全性などの点で問題があった。また製造能率という点でも改良の余地があった。
本発明前は、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層とＩｎＰ窓層との界面は、いったん大気に露出された再成長界面であった。再成長界面は、二次イオン質量分析によって、酸素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上、および、炭素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上のうち、少なくとも一つを満たすことによって特定することができる。再成長界面は、ｐ型領域と交差線を形成し、交差線で電荷リークを生じて、画質を著しく劣化させる。
また、たとえばＩｎＰコンタクト層を単なるＭＯＶＰＥ法（全有機ではない有機金属気相成長法）によって成長すると、燐の原料にホスフィン（ＰＨ３）を用いるため、分解温度が高く、下層に位置するＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３の熱によるダメージの発生を誘起してＭＱＷの結晶性を害することとなる。
【００４２】
上記の製造方法によれば、原料ガスに有機金属気体のみを用いて、成長温度を低下させること、および、ＩｎＰ窓層５の形成が終了するまで、一貫して同じ成膜室または石英管６５の中で形成するので、再結晶界面を持たない。これによって、電荷リークが少ない、結晶性に優れた、１．５μｍ〜１．８μｍの波長領域に受光感度を持つフォトダイオードを能率良く、大量に製造することができる。
【００４３】
＜参考例＞
図５は、参考例として示す受光素子１１０の断面図である。積層構造は、図１に示す本発明の実施の形態の受光素子１０と類似している。すなわち、（ＩｎＰ基板１０１／ＩｎＰバッファ層１０２／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓとＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９との多重量子井戸構造の受光層３／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層１０４／ＩｎＰ窓層１０５）の積層構造を有する。最大の相違点は、この参考例では、受光層３を構成するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層１０３ａおよびＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９層１０３ｂが、ともにＩｎＰに格子整合する組成を有することである。これまではＩｎＰに格子整合する組成の（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層１０３ａ／ＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９層１０３ｂ）によって、多重量子井戸構造を形成する。これまでのＩｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓとＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９とのタイプ２の多重量子井戸構造は、例外なく、図５に示すような格子整合する組成の多重量子井戸構造を用いていた。
【００４４】
図６は、図５に示す受光素子１１０の感度の波長依存性を示す図である。受光感度の波長上限は、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓとＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９とのタイプ２の多重量子井戸構造であることを反映して２．３μｍまである。しかし、物質において重要な吸収帯が集中する波長１．５μｍ〜１．７５μｍでは、長波長側で感度が急激に低下する。これでは、波長１．５μｍ〜１．７５μｍに集中する複数の吸収帯を用いて信頼性の高い解析を行うのに支障を生じる。
【００４５】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における受光素子１０を示す図である。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２／（Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ）３ａと（Ｉｎ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ）３ｃとの積層体からなる受光層３／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
ＩｎＰ窓層５からｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）が選択拡散されて画素が形成されている。選択拡散されたＺｎの分布は、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４内において、ＩｎＰ窓層５の側における１Ｅ１８ｃｍ−３〜１Ｅ１９ｃｍ−３から受光層側における５Ｅ１６ｃｍ−３以下へと急減している。
上記の積層構造は、つぎの考え方に基づいて構成されている。
１．受光層３におけるＩｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ３ａ（第１の半導体層）
バンドギャップをできるだけ小さくして長波長の光を受光できるように、Ｉｎ組成ｘを０．５９としている。この結果、波長１８００ｎｍ程度まで受光域の上限を拡大することができる。しかし、Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ３ａの格子定数は大きく、単独ではＩｎＰに格子整合しにくい。その結果、格子欠陥密度が高くなると暗電流が増大するため、微弱な光を十分な解像度で検出することが難しくなる。
【００４６】
２．受光層３におけるＩｎ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ３ｃ（第２の半導体層）：
（１）第２の半導体のＩｎ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ３ｃはＩｎ組成ｙを、第１の半導体におけるＩｎ組成ｘよりも０．１２も小さくしている。第１の半導体のＩｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ３ａは格子定数が大きいため、格子定数の小さい第２の半導体のＩｎ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ３ｃによって格子整合上の均衡をとる。
すなわちＩｎＰの格子定数ａｏ、第１の半導体層の格子定数ａ１、第２の半導体層の格子定数ａ２としたとき、ＩｎＰのバンドギャップエネルギは１．２７ｅＶであり、第１の半導体層のバンドギャップエネルギは０．７３ｅＶ以下なので、第１の半導体層の格子定数（ａ１）はＩｎＰの格子定数（ａｏ）より大きい。すなわち、ａ１＞ａｏが成り立つ。そして、第２の半導体層を、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０．３８≦ｙ≦０．５０）とすると、ａｏ＞ａ２が成り立ち、ａ１−ａｏ（＞０）と、ａｏ−ａ２（＞０）とがおよそ同じ正値となる。
上記のような第１の半導体層３ａと第２の半導体層３ｃとの組み合わせによって、Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ３ａには圧縮歪が、またＩｎ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ３ｃには引張歪が分布して、両者によって歪補償ＭＱＷが形成される。この結果、受光層３の厚み範囲に、Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ３ａおよびＩｎ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ３ｃの平均の格子定数の受光層３が配置されたとみることができる。この結果、受光層３上に接して成長される拡散濃度分布調整層４および窓層５における格子欠陥密度は大きくならず、表面性状の良好な、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５、が形成され、暗電流は増大しない。
（２）受光波長域の上限波長（１８００ｎｍ）付近は、上記の第１の半導体のＩｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ３ａに任せて、それよりバンドギャップの大きいエネルギに対応する光を受光する。もちろん、第１の半導体のＩｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ３ａ自体、長波長上限付近の光だけでなく、それより短波長側の光をも受光する。
【００４７】
図８は、図７に示す受光素子１０の感度の波長依存性を示す図である。上記の（１）〜（２）によって、波長１．５μｍ〜１．７５μｍにおける感度は、それより短波長側の感度から連続してほぼフラットに高いレベルにあることが分かる。本実施の形態では、タイプ２の遷移は生じることはなく、受光可能な波長の上限は、第１の半導体Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ３ａのタイプ１の遷移によって決まる。
【００４８】
図９は、図７に示す受光素子１０の製造方法のフローチャートを示す図である。多重量子井戸構造を、Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ３ａおよびＩｎ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ３ｃによって形成する点が、実施の形態１と異なるだけで、他は実施の形態１と同じである。
【実施例】
【００４９】
（実施例１）
実施の形態１に対応する受光素子を試作して、波長１．５μｍ、１．７５μｍにおける受光感度、および暗電流の評価を行った。試験体は、表１に示す８つの試験体Ａ１〜Ａ８である。これらの試験体のうち、試験体Ａ３〜Ａ７が本発明例であり、試験体Ａ１、Ａ２、Ａ８が比較例である。どの試験体も、第１の半導体層３ａはＩｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓであり、第２の半導体層３ｂはＧａＡｓ０．５７Ｓｂ０．４３で構成した。厚み構成は次のとおりである。
本発明例Ａ３：（１ｎｍ／１ｎｍ）×２５０ペア：受光層厚０．５μｍ
本発明例Ａ４：（５ｎｍ／５ｎｍ）×５０ペア：受光層厚０．５μｍ
本発明例Ａ５：（５ｎｍ／５ｎｍ）×１００ペア：受光層厚１．０μｍ
本発明例Ａ６：（５ｎｍ／５ｎｍ）×２００ペア：受光層厚２．０μｍ
本発明例Ａ７：（１０ｎｍ／１０ｎｍ）×１００ペア：受光層厚２．０μｍ
比較例Ａ１：（５ｎｍ／５ｎｍ）×４０ペア：受光層厚０．４μｍ
比較例Ａ２：（０．５ｎｍ／０．５ｎｍ）×５００ペア：受光層厚０．５μｍ
比較例Ａ８：（２０ｎｍ／２０ｍ）×５０ペア：受光層厚２．０μｍ
試験は、波長１．５μｍおよび１．７５μｍでの受光感度（Ａ／Ｗ）および暗電流を測定した。各波長における受光感度は室温で、白色光を各波長に対応するバンドパスフィルタを通して基板裏面より入射したときに発生した光電流により測定した。暗電流は室温で、光を照射しないときに流れる電流より測定した。暗電流は、１０ｍＡ／ｃｍ２以上を×とし、１０ｍＡ／ｃｍ２未満を○とした。また感度については、波長１．５μｍの感度と１．７５μｍの感度との比が０．８以上であって、各感度自体が０．２０Ａ／Ｗ以上の場合を○とした。上記の感度比が０．８未満の場合を×とした。暗電流および感度の両方において×を含まない試験体を総合評価○とした。とくに感度自体が１．０Ａ／Ｗ以上の場合を◎とした。
【００５０】
【表１】
2012174977.tif 000003
【００５１】
表１に示すように、本発明例Ａ３〜Ａ７では、上記の感度比は０．８以上であり、暗電流の評価も良好であった。とくに、本発明例Ａ６は、感度および暗電流ともに優れた評価が得られ、総合的に◎が得られた。これに対して、比較例Ａ１では感度比が不良であった。比較例Ａ２は感度自体が低く、また暗電流も大きかった。また比較例Ａ８では、波長１．５μｍおよび１．７５μｍにおける感度は良好であったが、暗電流が非常に大きかった。
【００５２】
（実施例２）
実施の形態２に対応する受光素子を試作して、波長１．５μｍ、１．７５μｍにおける受光感度、および暗電流の評価を行った。試験体は、表２に示す８つの試験体Ｂ１〜Ｂ８である。これらの試験体のうち、試験体Ｂ３〜Ｂ７が本発明例であり、試験体Ｂ１、Ｂ２、Ｂ８が比較例である。どの試験体も、第１の半導体層３ａはＩｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓであり、第２の半導体層３ｃはＩｎ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓで構成した。厚み構成は次のとおりである。
本発明例Ｂ３：（１ｎｍ／１ｎｍ）×２５０ペア：受光層厚０．５μｍ
本発明例Ｂ４：（５ｎｍ／５ｎｍ）×５０ペア：受光層厚０．５μｍ
本発明例Ｂ５：（５ｎｍ／５ｎｍ）×１００ペア：受光層厚１．０μｍ
本発明例Ｂ６：（５ｎｍ／５ｎｍ）×２００ペア：受光層厚２．０μｍ
本発明例Ｂ７：（１０ｎｍ／１０ｎｍ）×１００ペア：受光層厚２．０μｍ
比較例Ｂ１：（５ｎｍ／５ｎｍ）×４０ペア：受光層厚０．４μｍ
比較例Ｂ２：（０．５ｎｍ／０．５ｎｍ）×５００ペア：受光層厚０．５μｍ
比較例Ｂ８：（２０ｎｍ／２０ｍ）×５０ペア：受光層厚２．０μｍ
試験は、波長１．５μｍおよび１．７５μｍでの受光感度（Ａ／Ｗ）および暗電流を測定した。暗電流は、１０ｍＡ／ｃｍ２以上を×とし、１０ｍＡ／ｃｍ２未満を○とした。また感度については、波長１．５μｍの感度と１．７５μｍの感度との比が０．８以上であって、各感度自体が０．２０Ａ／Ｗ以上の場合を○とした。上記の感度比が０．８未満の場合を×とした。暗電流および感度の両方において×を含まない試験体を総合評価○とした。とくに感度自体が１．０Ａ／Ｗ以上の場合を◎とした。
【００５３】
【表２】
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【００５４】
表２によれば、本発明例Ｂ３〜Ｂ７における上記の感度比は０．８以上であり、暗電流の評価も良好であった。とくに、本発明例Ｂ６では、感度および暗電流ともに優れた評価が得られ、総合的に◎が得られた。これに対して、比較例Ｂ１では感度比が不良であった。比較例Ｂ２は感度自体が不良であり、また暗電流も大きかった。また比較例Ｂ８では、波長１．５μｍおよび１．７５μｍにおける感度は良好であったが、暗電流が非常に大きかった。
【００５５】
上記において、本発明の実施の形態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】
【００５６】
本発明の受光素子等によれば、近赤外の波長域１．５μｍ〜１．８μｍにおいて十分高い感度をフラットにもち、暗電流を低くできる。このため、少ない光量にもかかわらず鮮明な画像を得ることができ、通信用、夜間撮像用のみならず幅広い用途に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１  ＩｎＰ基板、２  ＩｎＰバッファ層、３ＭＱＷ受光層、３ａ  Ｉｎ０．５９Ｇａ０．４１Ａｓ（第１の半導体層）、３ｂ  ＧａＡｓ０．５７Ｓｂ．４３（第２の半導体層）、３ｃ  Ｉｎ０．４７Ｇａ０．５３Ａｓ（第２の半導体層）、４  ＩｎＧａＡｓ層（拡散濃度分布調整層）、５  ＩｎＰ窓層、６  ｐ型領域、１０  受光素子、１１  ｐ側電極（画素電極）、１２  グランド電極（ｎ側電極）、１６  ＭＱＷとＩｎＧａＡｓ層との界面、１７  ＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ窓層との界面、３５  ＡＲ（反射防止）膜、３６  選択拡散マスクパターン、６０  全有機金属気相成長法の成膜装置、６１  赤外線温度モニタ装置、６３  反応室、６５  石英管、６６  基板テーブル、６６ｈ  ヒータ、６９  反応室の窓。
【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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