(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板上に形成された第１導電型の化合物半導体バッファ層と、
前記化合物半導体バッファ層上に形成されたアンドープ化合物半導体光吸収層と、
前記化合物半導体光吸収層上に形成された第１導電型の化合物半導体キャップ層とを備え、
前記化合物半導体光吸収層を構成する化合物半導体の成分の組成比は、この化合物半導体が前記化合物半導体基板を構成する化合物半導体に格子整合するような値に選ばれ、前記組成比は、バンドギャップの不連続かつ周期的な変化を伴わないように、前記選ばれた値を中心に、膜厚方向に正弦波状に周期的に変化している、化合物半導体積層膜構造。
【請求項２】
第１導電型のＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板上に形成された第１導電型のＩｎＰバッファ層と、
前記ＩｎＰバッファ層上に形成されたアンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層と、
前記ＩｎＧａＡｓ光吸収層上に形成された第１導電型のＩｎＰキャップ層とを備え、
前記ＩｎＧａＡｓ光吸収層を構成するＩｎおよびＧａの組成比は、ＩｎＧａＡｓが基板を構成するＩｎＰに格子整合するような値に選ばれ、前記組成比は、バンドギャップの不連続かつ周期的な変化を伴わないように、前記選ばれた値を中心に、膜厚方向に正弦波状に周期的に変化している、化合物半導体積層膜構造。
【請求項３】
前記第１導電型は、ｎ型である、請求項２に記載の化合物半導体積層膜構造。
【請求項４】
請求項３に記載の化合物半導体積層膜構造の上部に、Ｚｎ拡散領域を形成し、
このＺｎ拡散領域の上面にｐ型電極を形成し、前記ＩｎＰ基板の底面にｎ型電極を形成したｐｉｎ型受光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体エピタキシャル成長膜、特に半導体結晶膜内の欠陥の密度を低減した化合物半導体エピタキシャル成長膜に関し、さらにはこのような化合物半導体エピタキシャル成長膜を用いた化合物半導体積層膜構造に関する。また、本発明は、このような化合物半導体積層膜構造を用いた受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、化合物半導体単結晶基板には結晶欠陥が存在する。このような化合物半導体単結晶基板上に化合物半導体の多層膜を成長させるために、基板を結晶成長装置に導入する際には、基板表面を表面処理しているが、表面欠陥，表面酸化層，表面に付着・吸着した不純物を完全に除去することは困難である。
【０００３】
このため、従来から化合物半導体の多層膜を作製する際、化合物半導体単結晶基板上にバッファ層を１μｍ程度積層し、その後、目的の膜構造を作製している。これにより、基板表面の欠陥などが膜に及ぼす影響を低減することができる。また、このようなバッファ層は、基板内の格子欠陥の伝播を低減する働きもする。
【０００４】
また、化合物半導体では、一般に結晶の格子定数はその組成に依存して変化する。そのため、基板と同じ材料をバッファ層として基板上に積層し、続いて目的の膜構造を成膜することがある。
【０００５】
また、基板内の欠陥から発生する成長膜内の欠陥は、例えば異なった半導体材料からなる界面でその伝播が阻止されることもある。この現象を利用して、超格子をバッファ層として用いることもある。超格子は少なくとも２種類の異なった材料が交互に積層された構造で、それぞれの膜厚は２０ｎｍ以下に設定される場合が多い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術には次のような問題点があった。
【０００７】
問題点（１）
バッファ層を用いることで、基板内あるいは基板表面の欠陥や不純物に起因する膜特性の劣化を低減できるが、欠陥等の伝播を防ぐことができない。これは、以下の理由による。
【０００８】
すなわち、結晶成長では、基板あるいは下層の結晶状態を反映しつつ膜が形成されるが、界面では結晶成長の不連続性のために必ずしも下層あるいは基板の欠陥が伝播するとは限らない。ところが、界面での不連続性のために、界面で新たに欠陥が発生する場合があり、膜の連続性のために欠陥が残る。
【０００９】
問題点（２）
格子定数が組成比により変化する化合物半導体膜を作成する際、組成比の制御が膜質を決める要因の大きな部分を占めている。特に、厚膜を成膜するときには基板と膜の格子定数の差が、膜特性に大きく影響する。これは、膜の厚さは基板の厚さと比較して十分に小さいため、基板と膜の格子定数の差が膜中の歪となるからである。
【００１０】
問題点（３）
一般に光通信に用いられている波長１．３μｍあるいは１．５５μｍの光に対して感度を有する受光素子として、ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓを光吸収層とする構造が用いられている。この発光素子に光が入射しない環境下で逆バイアスを印加した際に流れる電流、いわゆる暗電流の値は、その構造だけでなく、ＩｎＧａＡｓ膜中の歪や欠陥密度に依存して変化する。特に受光素子のシャント抵抗は、結晶品質の良否で決まる。
【００１１】
問題点（４）
半導体エピタキシャル成長膜を利用したデバイス構造内には欠陥の伝播を抑える構造がない。デバイス構造内の欠陥の伝播を抑える構造は、デバイス構造そのものを変更する必要があるが、一方、デバイス構造そのものを変更すると、デバイス特性まで変化するので、簡単にはデバイス構造を変更できない。
【００１２】
問題点（５）
結晶欠陥は、半導体エピタキシャル成長膜をデバイスに応用したときの信頼性に悪影響を及ぼす。
【００１３】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、化合物半導体の結晶成長時、あるいはデバイスプロセスで発生する化合物半導体結晶膜内の欠陥の密度を低減することで、半導体エピタキシャル成長膜を用いたデバイスの特性を向上させることにある。
【００１４】
具体的には、本発明の目的は、欠陥密度を低減した化合物半導体エピタキシャル成長膜を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、このような化合物半導体エピタキシャル成長膜を用いた化合物半導体積層膜構造を提供することにある。
【００１６】
本発明のさらに他の目的は、このような化合物半導体積層膜構造を用いた受光素子を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、格子定数が組成比に依存して変化する化合物半導体膜の結晶成長において、組成比を膜厚方向に変化させることで膜に不連続性をもたせる。例えば、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓを形成する場合、ＩｎＧａＡｓ中におけるＩｎとＧａの組成比を変動させる。一般に、組成比の変化は、結晶の格子定数の周期的な変化となって現れる。
【００１８】
このように、周期的に結晶の格子定数を変化させることで、超格子に類似した構造が実現され、欠陥の伝播を防止することができる。さらに、この構造は超格子ではないので、バンドギャップは不連続的かつ周期的に変化しておらず、このような化合物半導体膜を用いてデバイスを作製する場合に、従来のデバイス構造をそのまま使用できる。
【００１９】
これにより、基板あるいは下層からの欠陥の伝播を制御するとともに、界面からの欠陥の伝播、さらに膜内で発生する欠陥の伝播を抑制できる。
【００２０】
本発明は以上のような考えに基づいてなされたものであり、本発明の第１の態様は、組成比が膜厚方向に周期的に変化している化合物半導体エピタキシャル成長膜である。この場合、前記組成比の膜厚方向への周期的な変化は、正弦波状とするのが好適である。
【００２１】
本発明の第２の態様は、このようなエピタキシャル成長膜を含む化合物半導体積層膜構造である。
【００２２】
このような化合物半導体積層膜構造の一例は、第１導電型の化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板上に形成された第１導電型の化合物半導体バッファ層と、前記化合物半導体バッファ層上に形成されたアンドープ化合物半導体光吸収層と、前記化合物半導体光吸収層上に形成された第１導電型の化合物半導体キャップ層とを備え、前記化合物半導体光吸収層を構成する化合物半導体の組成比は、この化合物半導体が前記化合物半導体基板を構成する化合物半導体に格子整合するような値に選ばれ、前記組成比は、前記選ばれた値を中心に、膜厚方向に周期的に変化している。
【００２３】
また、このような化合物半導体積層膜構造の他の例は、第１導電型のＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板上に形成された第１導電型のＩｎＰバッファ層と、前記ＩｎＰバッファ層上に形成されたアンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層と、前記ＩｎＧａＡｓ光吸収層上に形成された第１導電型のＩｎＰキャップ層とを備え、前記ＩｎＧａＡｓ光吸収層を構成するＩｎおよびＧａの組成比は、ＩｎＧａＡｓが基板を構成するＩｎＰに格子整合するような値に選ばれ、前記組成比は、前記選ばれた値を中心に、膜厚方向に周期的に変化している。
【００２４】
本発明の第３の態様は、受光素子である。このような受光素子の一例は、ｎ型のＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板上に形成されたｎ型のＩｎＰバッファ層と、前記ＩｎＰバッファ層上に形成されたアンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層と、前記ＩｎＧａＡｓ光吸収層上に形成されたｎ型のＩｎＰキャップ層とを備え、前記ＩｎＧａＡｓ光吸収層を構成するＩｎおよびＧａの組成比は、ＩｎＧａＡｓが基板を構成するＩｎＰに格子整合するような値に選ばれ、前記組成比は、前記選ばれた値を中心に、膜厚方向に周期的に変化している。そして、前記化合物半導体積層膜構造の上部に、Ｚｎ拡散領域を形成し、このＺｎ拡散領域の上面にｐ型電極を形成し、前記ｎ型ＩｎＰ基板の底面にｎ型電極を形成している。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例として、一般に光通信に用いられている波長１．３μｍあるいは１．５５μｍの光に対して感度を有するｐｉｎ型受光素子について説明する。
【００２６】
図１に、このｐｉｎ型受光素子を形成する積層膜構造を模式的に示す。図１に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１０上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層１４、ｎ型ＩｎＰキャップ層１６をＭＯＣＶＤ法により結晶成長した。この際、ＩｎＧａＡｓ層１４に対して本発明を適用した。ＩｎＰ基板１０に対して、組成比がＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓの材料が格子整合する。本実施例では膜厚方向に対し周期８０ｎｍで、組成比を格子整合条件から±２％、すなわちＩｎ0.54Ｇａ0.46ＡｓからＩｎ0.52Ｇａ0.48Ａｓ間を周期的に変化させた。本実施例では組成比の変化は正弦波状となるように結晶成長条件を選択した。
【００２７】
成膜した材料のＸ線回折パターンを図２に示す。回折パターンに周期構造に由来する明瞭なサテライトピークが現れており、目的の構造が得られていることがわかる。一方、低温フォトルミネッセンスの測定から量子準位は形成されておらず、この構造は量子井戸構造ではないことが分かっている。
【００２８】
次に、図３に示すように、図１の積層膜構造にＺｎ拡散を行いＺｎ拡散領域１８を形成し、ｐｉｎ接合を形成した。なお、周期構造の有無によるＩｎＰキャップ層１６への拡散への影響は測定限界以下であった。
【００２９】
Ｚｎ拡散領域１８にｐ型電極２０を、ＩｎＰ基板の底面にｎ型電極２２を形成して、ｐｉｎ型受光素子を完成した。
【００３０】
このようなｐｉｎ型受光素子の暗所における電流電圧特性を評価した結果を図４に示す。図４には、比較のために、ＩｎＧａＡｓ層の組成比を周期構造としなかったｐｉｎ型受光素子を従来例として示している。本発明の構造を採用することで、暗電流は１／２程度に低減できた。なお光感度特性の測定からは、本発明と均一な組成のＩｎＧａＡｓを持つ従来のｐｉｎ受光素子間で差異はなかった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の受光素子によれば、暗電流を低減できる。これは結晶中の欠陥密度の低減によると考えられる。その結果、高温動作での信頼性が向上できる。
【００３２】
従来のデバイス構造に、超格子構造を用いると、本発明のように欠陥は低減できるが、バンドギャップが変わってしまうので、例えば、光感度特性などのデバイス特性も変わってしまう。
【００３３】
これに対し、本発明によれば、従来のデバイス構造で、ＩｎＧａＡｓ層に組成比が周期的に変化する構造を持たせるだけであり、従来のデバイス構造を変更させる必要がない。したがって、デバイス特性が変化するおそれはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】ｐｉｎ型受光素子を形成する積層膜構造を模式的に示す図である。
【図２】成膜した材料のＸ線回折パターンを示す図である。
【図３】ｐｉｎ型受光素子の模式断面図である。
【図４】ｐｉｎ型受光素子の暗所における電流電圧特性を評価した結果を示す図である。
【符号の説明】
１０  ｎ型ＩｎＰ基板
１２  ｎ型ＩｎＰバッファ層
１４  アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層
１６  ｎ型ＩｎＰキャップ層
１８  Ｚｎ拡散領域
２０  ｐ型電極
２２  ｎ型電極
【図１】
0004170004.tif 000002
【図２】
0004170004.tif 000003
【図３】
0004170004.tif 000004
【図４】
0004170004.tif 000005