(57)【要約】      （修正有）【課題】ＩｎＰ基板を用い、近赤外域において長波長側に感度を拡大し、かつ暗電流の低いＧａＩｎＮＡｓ受光層を備えた受光素子を提供する。【解決手段】ＩｎＰ基板１上に位置し、該ＩｎＰ基板から遠ざかる方向に段階的に砒素の組成を増やしたＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０と、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０上に位置するＧａＩｎＮＡｓ受光層３と、該ＧａＩｎＮＡｓ受光層３上に位置するＩｎＡｓＰ層を備える。【選択図】図１
2009027046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板上に位置し、該ＩｎＰ基板から遠ざかる方向に段階的に（Ａｓ／Ｐ）比率を増やしたＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層と、
前記ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層上に位置するＧａＩｎＮＡｓ受光層とを備えることを特徴とする、受光素子。
【請求項２】
前記ＧａＩｎＮＡｓ受光層上に位置するＩｎＡｓＰ窓層とを備え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ＧａＩｎＮＡｓ受光層に、ＳｂおよびＰの少なくとも一方が含まれ、その状態をＧａｘＩｎ(１−ｘ)ＮｙＡｓ(１−ｙ−ｍ−ｎ)ＳｂｍＰｎと表示したとき、組成ｍ、ｎ、またはｍ＋ｎが、０．０００１以上０．０２以下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ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層に、Ｓｉがドーピングされ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受光素子。
【請求項５】
前記ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層に、Ｓｂが含まれることを特徴とする、請求項１〜４のいいずれかに記載の受光素子。
【請求項６】
前記ＩｎＡｓＰ窓層は、前記ＩｎＰ基板から遠ざかる方向に（Ａｓ／Ｐ）比率を段階的に減らした複数のＩｎＡｓＰ層からなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子に関し、より具体的には、近赤外域に受光感度を有する受光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＰ基板を用いたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、バンドギャップエネルギが近赤外域に対応するため、通信用、生体検査用、夜間撮像用などを目的に、多くの研究が進行している。この中で特に注力されている一つは、ＩｎＰ基板上に、いかにバンドギャップエネルギがより小さいＩＩＩ−Ｖ族半導体を結晶性のよい状態で形成するかという研究である。たとえば、ＩＩＩ族中の、Ｇａの比率を下げてＩｎの比率を上げてバンドギャップをより狭くした（格子定数をより大きくした）Ｉｎ０．８２Ｇａ０．１８Ａｓを受光層に用いることで受光感度の長波長化をはかった受光素子の試作結果が発表された（非特許文献１）。Ｉｎ比率を上記のように高くするとＩｎＧａＡｓの格子定数は大きくなり、ＩｎＰ基板との格子不整合が拡大するという問題を、上記の試作受光素子では、ＩｎＰ基板と、高Ｉｎ比率ＩｎＧａＡｓ受光層との間に、（Ａｓ／Ｐ）比率を受光層に向けて段階的に増やしたＩｎＡｓＰグレーディッド層を１２〜２０層設けることで、解決しようとした。格子不整合の拡大は、格子欠陥密度の増大を伴い、必然的に暗電流の増大を招くが、上記のグレーディッドバッファ層を介在させることによって、暗電流は、２０μＡ〜３５μＡになったとしている。
【０００３】
また、上記の考え方と同様に、ＩＩＩ族組成比率を変えて、吸収端波長を２μｍ程度まで長波長化したＩｎＧａＡｓ受光層に対して、ＩｎＰ基板との格子不整合の緩和のために、ＩｎＡｓＰ／ＩｎＡｓＰ歪超格子層のグレーディッドバッファ層を介在させたフォトダイオードの提案がなされている（特許文献１）。上記歪超格子の挿入により、ＩｎＡｓＰグレーディッド層の薄肉化をはかることができると述べている。
【０００４】
また、ＩｎＧａＡｓにおいて、Ｖ族元素にさらにＮを加えてＧａＩｎＮＡｓとして、Ｎによるバンドギャップ狭小化作用を用いた４元系ＩＩＩ−Ｖ族半導体の提案がなされている（特許文献２）。
【非特許文献１】T.Murakami, H.Takahashi, M.Nakayama, Y.Miura, K.Takemoto, D.Hara,"ＩｎxＧａ1-xＡｓ/ＩｎＡｓyＰ1-y  detector  for  near  infrared  (1-2.6μm)",  Conference  Proceedings  of  Indium  Phosphide  and  Related  Materials
【特許文献１】特開平６−１８８４４７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】
【０００５】
ＩｎＰ基板上にグレーディッドバッファ層を介在させて形成した高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ層は、しかしながら、グレーディッドバッファ層間の相互の完全な格子整合が得られないため、グレーディッドバッファ層自体、格子欠陥密度が高くなり、その上に形成される高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓ受光層も格子欠陥密度が高くなる。したがって、暗電流は依然高いものとなる。たとえば２次元アレイにして撮像装置を構成した場合、格子欠陥に起因した暗電流増加を避けることができず、十分なダイナミックレンジ（Ｓ／Ｎ比）を確保することができず、ノイズレベルが高い画像となる。また、物質の検出に用いる検出装置や分光分析装置等とした場合、上記と同様の理由により、解像度が低いデータしか得られない。
【０００６】
また、受光層にＩｎＧａＡｓを用いる限り、吸収端波長は最長でも２．６μｍであり、それ以上の長波長に感度を拡大することはできない。このため、Ｎを用いたＧａＩｎＮＡｓが期待されるところであるが、ＩｎＰ基板上に良好な結晶性を有するＧａＩｎＮＡｓ受光層を成長させることが困難であり、未だに実用化されていない。特許文献２に開示の構成によれば、ＩｎＰ基板／ＩｎＰクラッド層の上に直接に格子整合するようにＧａＩｎＮＡｓ受光層を成長させる。このためそのＧａｘＩｎ(１−ｘ）ＮｙＡｓ(１−ｙ）受光層の吸収端波長を２．５μｍ以上にするには、窒素組成（ｙ）を０．０８以上にしなければならない。しかし、窒素組成（ｙ）が０．０２を超えると結晶品質が劣化する傾向が強く、０．０２を超えて０．０８程度にも達する窒素を含有させながら良好な結晶性を確保することは非常に難しい。
【０００７】
近赤外域のより長波長域に広く受光感度を持つ受光素子の需要は非常に高いものがあり、ＩｎＰ基板を用いて、近赤外域に受光感度を有する受光素子の開発が望まれている。本発明は、ＩｎＰ基板を用いて、近赤外域のより長波長側に受光感度を持つ、暗電流の小さい受光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】
【０００８】
本発明の受光素子は、ＩｎＰ基板と、ＩｎＰ基板上に位置し、該ＩｎＰ基板から遠ざかる方向に段階的に（Ａｓ／Ｐ）比率を増やしたＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層と、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層上に位置するＧａＩｎＮＡｓ受光層とを備えることを特徴とする。
【０００９】
高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓにＮを含有させたＧａＩｎＮＡｓ（以後、高Ｉｎ組成のＧａＩｎＮＡｓを、とくに断らない限り、単にＧａＩｎＮＡｓと記す）は、高Ｉｎ組成ＩｎＧａＡｓに比べて、格子定数は小さく、かつバンドギャップは狭くなって吸収端波長は長波長化する。Ｎによって格子定数は小さくなるが、Ｉｎ組成が高いため、ＧａＩｎＮＡｓの格子定数はＩｎＰ基板の格子定数より大きくなる。格子定数の大小関係を示すと、ＩｎＰ＜ＧａＩｎＮＡｓ＜高Ｉｎ組成ＩｎＧａＡｓのようになる。
【００１０】
このため上記のように、ＩｎＰ基板とＧａＩｎＮＡｓとの間にＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層を介在させて格子不整合を緩和し、良好な結晶性のＧａＩｎＮＡｓ受光層を成長することができる。また、ＧａｘＩｎ(１−ｘ)ＮｙＡｓ(１−ｙ)受光層の窒素組成（ｙ）が０．０８より少なくても下地（ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層）と格子整合させながら、ＧａＩｎＮＡｓ受光層の吸収端波長を３μｍにまで長波長化することができる。また、Ｎ組成に応じて吸収端波長を狭くできるので、設定する長波長側の感度限界に対応させて窒素組成を設定することができる。たとえば窒素組成が低めであっても、ＧａＩｎＮＡｓ受光層の吸収端波長を高Ｉｎ組成ＧａＡｓより長くでき、かつ結晶性を良好にできる。このため、より一層暗電流を減らす選択肢（Ｎ組成およびグレーディッドバッファ層の層数）を多様化することができる。
【００１１】
上述のように、ＧａＩｎＮＡｓの格子定数は、ＩｎＰより大きいが、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＡｓよりは小さい。このため、ＩｎＰ基板と受光層との間に介在させるＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層の層数は、本発明におけるＧａＩｎＮＡｓ受光層の場合のほうが、少なくてすむ。また、グレーディッドバッファ層を形成するＩｎＡｓＰにおいて、（Ａｓ／Ｐ）比率が高くなると格子定数は増大し、バンドギャップは狭くなって吸収端波長が長波長化する。当然のことであるが、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層の（Ａｓ／Ｐ）比率は、ＩｎＰ基板側では低く、ＧａＩｎＮＡｓ受光層側で高くする。この結果、本発明の受光素子におけるＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層では、長波長側の近赤外光の吸収が小さくなる。このため、たとえば、ＩｎＰ基板の裏面側から信号光を入射させる裏面入射型受光素子の場合、高Ｉｎ組成ＩｎＧａＡｓにＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層を設けたものと比べて、上記受光素子は近赤外域の長波長側の受光感度を向上させることができる。
【００１２】
上記のＧａＩｎＮＡｓ受光層上に位置するＩｎＡｓＰ窓層を備えることができる。このＩｎＡｓＰ窓層によって、暗電流を低くすることができる。
【００１３】
上記のＧａＩｎＮＡｓ受光層は、ＳｂおよびＰの少なくとも一方を含み、その状態をＧａｘＩｎ(１−ｘ)ＮｙＡｓ(１−ｙ−ｍ−ｎ）ＳｂｍＰｎと表示したとき、組成ｍ、ｎまたはｍ＋ｎを、０．０００１以上０．０２以下とすることができる。これによって、ＧａＩｎＮＡｓ受光層の結晶性が向上し、暗電流を一層に抑制することができる。
【００１４】
上記のＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層に、Ｓｉをドーピングすることができる。Ｓｉは結晶中で格子欠陥をピンニングするので、格子欠陥の増殖が抑えられて、格子欠陥密度を抑えることができる。
【００１５】
また、上記のＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層に、Ｓｂが含まれることができる。Ｓｂは結晶中でグレーディッドバッファ層のＩｎＡｓＰ／ＩｎＡｓＰ界面の平坦性を良くするので、界面における格子欠陥の発生を抑制するので低い格子欠陥密度を維持するのに有効である。
【００１６】
上記のＩｎＡｓＰ窓層は、ＩｎＰ基板から遠ざかる方向に（Ａｓ／Ｐ）比率を段階的に減らした複数のＩｎＡｓＰ層からなる構成とできる。これによって、上述したＩｎＡｓＰのＡｓ組成の吸収端波長への作用に基づき、エピタキシャル層上面から信号光を入射させる上面入射型受光素子の場合、窓層における光信号の吸収を減らすことができる。この結果、波長１．７μｍ付近またはそれ以下の波長域の感度低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＩｎＰ基板を用い、近赤外域において長波長側へと受光感度を拡大して、暗電流の小さい受光素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（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、ＳドープＩｎＰ基板１の上に次の構成の積層半導体層を成長させている。
（ＳドープＩｎＰ基板１／ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０／ＧａＩｎＮＡｓ受光層３／ＩｎＡｓＰ窓層４／選択拡散マスク５）
ＩｎＡｓＰ窓層４からＧａＩｎＮＡｓ受光層３にまで届くように位置するｐ型領域１５は、厚み１００ｎｍのＳｉＮ膜の選択拡散マスク５の開口部から、Ｚｎが拡散導入されることで形成される。ｐ型領域１５にはＡｕＺｎによるｐ部電極１２が、ＩｎＰ基板１の裏面にはＡｕＧｅＮｉのｎ部電極１１が、それぞれオーミック接触するように設けられている。ＧａＩｎＮＡｓ受光層３には、上記のｐ型領域１５の境界に対応する位置にｐｎ接合が形成され、上記のｐ部電極１２およびｎ部電極１１間に逆バイアス電圧を印加することにより空乏層を生じる。信号光が、図１に示すようにＩｎＡｓＰ窓層４側から入射されたとき、近赤外域の光は、ＧａＩｎＮＡｓ受光層の空乏層の価電子帯に位置する電子を伝導帯に励起して、上記両電極間に光電流を生成する。
【００１９】
ＧａＩｎＮＡｓ受光層３の結晶性が良くない場合、不純物準位等を生じて、光が入射しない場合であっても、熱的に励起された電流、すなわち暗電流を生じる。上記したように、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３は、（Ｉｎ原子数／Ｇａ原子数）＝（０．８２／０．１８）程度の高Ｉｎ組成であるため、Ｎを含有して高Ｉｎ組成ＩｎＧａＡｓより格子定数が小さくなっても、なおＩｎＰ基板の格子定数より大きい格子定数を有する。この格子定数の相違を緩和するために、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０が配置される。
【００２０】
上述の非特許文献１では、ＩｎＰ基板と高Ｉｎ組成ＩｎＧａＡｓ受光層３との間に、１２層〜２０層のグレーディッドバッファ層を介在させている。本実施の形態におけるＧａＩｎＮＡｓ受光層３はＮを含有して格子定数は高Ｉｎ組成ＩｎＧａＡｓより小さいものの、結晶性を良好にするために格子定数の刻み、すなわち（Ａｓ／Ｐ）比率の刻みを小さくするので、１７層としている。ＩｎＰ基板１からの刻みは、エピタキシャル成長可能な、または格子整合範囲内のものとする。格子整合範囲とは、各層の格子定数をａとして、その上下のグレーディッド層の格子定数との差をΔａとしたとき、｜Δａ／ａ｜≦０．００２となる範囲である。
【００２１】
非特許文献１におけるグレーディッドバッファ層の刻みは０．０５であるのに比べて、本実施形態の刻みは０．０３である。つまり、非特許文献１ではＩｎＡｓｘＰ１−ｘのｘ値は、０（ゼロ）→０．０５→０．１０→０．１５・・・と変化する。それに対して本願実施例では、上記ｘ値は、０（ゼロ）→０．０３→０．０６→０．０９・・・と変化する。この時、非特許文献１では｜Δａ／ａ｜＝０．００１６になるのに対して、本願実施例では｜Δａ／ａ｜＝０．０００９と非常に小さく、したがって格子整合のレベルが高くなる。この結果、グレーディッドバッファ層２０の各層界面で生成して上層へ引き継がれて累積される格子欠陥密度は、本実施の形態におけるフォトダイオード１０において、低く、したがって暗電流をより小さくすることができる。
【００２２】
また、高ＩｎＧａＡｓ受光層に比べて、Ｎを含むＧａＩｎＮＡｓ受光層３は、上記のように格子定数は小さくなりながら、バンドギャップエネルギも小さくなるというＮ特有の作用のために、高ＩｎＧａＡｓ受光層に比べて、より長波長域まで受光感度を持つことができる。高ＩｎＧａＡｓ受光層は波長２．６μｍが受光感度の限界である。また、Ｎ組成を８％程度まで増大させずに、それより低い場合でも、上記の格子定数の減少およびバンドギャップエネルギの減少というＮ特有の作用は得られるので、目標性能と製造のし易さとを考慮して、８％より低い適当なＮ組成を選択することができる。
【００２３】
図２は、図１のＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０における各層、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３およびＩｎＡｓＰ窓層４の膜厚、組成等を示す図である。ＩｎＰ基板１には、Ｓドープの２インチ基板で、面方位は（１００）±３°のものを用いるのがよい。上記ＩｎＰ基板１上にエピタキシャル成長する成膜法は、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３の形成には、ＭＢＥ（Molecular  Beam  Epitaxy）法を用いるのが、水素濃度を低減する上で好ましい。ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０およびＩｎＡｓＰ窓層４の成膜には、ＭＢＥ法でも良いし、ＯＭＶＰＥ(Organometallic  Vapor  Phase  Deposition)法またはクロライドＶＰＥ法を用いても良い。
【００２４】
ＧａＩｎＮＡｓ受光層３の成長において、Ｎは吸収端波長λcut-offが、たとえば２．９μｍとなるようにＮ組成（ｙ）で０．０２、すなわちＶ族原子内で２ａｔ％程度含有させる。Ｎ組成に従って格子定数は変化するので、Ｎ組成に応じてＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０の層数を適切なものに変える。その際、上述のように、ＩｎＰ基板１からの刻みは、エピタキシャル成長可能な、または格子整合範囲内のものとする。
【００２５】
ＩｎＰ基板１の直上のエピタキシャル成長層は、図２に示すように、ＩｎＡｓ０．０３Ｐ０．９７であり、Ａｓ組成の刻みは０．０３である。上記のＮ組成のＧａＩｎＮＡｓに対して、ＩｎＡｓ０．５１Ｐ０．４９が格子整合範囲にあるので、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０の最上層がＩｎＡｓ０．５１Ｐ０．４９となるようにグレーディッド層の層数を設定する。図２の場合は、１７層である。非特許文献１に示す場合よりも、ＩｎＰ基板と受光層との格子定数の差は小さいにも拘わらず、このように十分な層数をとることによって、格子欠陥密度を減らすことができ、暗電流の減少を実現することができる。
【００２６】
上記ＩｎＡｓＰ窓層４まで、常用される上記成膜法でエピタキシャル成長を行って、半導体積層構造を形成する。その後、上記したように、ＳｉＮ膜のマスクパターン５の開口部より、ｐ型不純物であるＺｎを、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３にまで届くように導入してｐｎ接合、またはｐ型領域１５を形成する。さらにＡｕＺｎのｐ部電極１２およびＡｕＺｅＮｉのｎ部電極１１を設ける。
【００２７】
（実施の形態１の変形例（１））
図３は本発明の実施の形態１の変形例（１）における半導体積層構造を示す図である。本実施の形態１の変形例（１）では、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０に、Ｓｉドープした点に特徴を有する。Ｓｉドープ濃度は２×１０１７／ｃｍ３である。ただし、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３の直下に、厚み１μｍのノンドープＩｎＡｓＰバッファ層９を設ける。
【００２８】
ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０にＳｉをドープすると、格子欠陥がＳｉによってピニングされて、格子欠陥の増殖等が生じずに格子欠陥密度を減らすことができる。このために、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０にＳｉをドープするが、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３の直下ではｐｉｎフォトダイオードとするため１０１７／ｃｍ３程度以下のＳｉをドープするか、またはノンドープとする。図３に示すように、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０にＳｉをドープすることによって、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０の各層の格子欠陥密度を減らし、積層につれて引き継がれて累積する格子欠陥密度を、最上層において大幅に減少させることができる。その結果、ノンドープＩｎＡｓＰバッファ層９およびＧａＩｎＮＡｓ受光層３の格子欠陥密度を減らして、暗電流を大幅に抑制することができる。
【００２９】
（実施の形態１の変形例（２））
図４は本発明の実施の形態１の変形例（２）における半導体積層構造を示す図である。本実施の形態１の変形例（２）では、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０に、Ｓｂを添加した点に特徴を有する。Ｓｂ添加量は、Ｖ族原子内で０．１ａｔ％以上１ａｔ％以下である。すなわち、ＩｎＡｓｘＰ(１−ｘ−ｍ)Ｓｂｍ（（０．００１≦ｍ≦０．０１）である。また、Ｓｂはキャリア密度やキャリア導電型に影響しないので、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３の直下に設けた、厚み１μｍのＩｎＡｓＰバッファ最上層９にもＳｂを添加する。図４において、Ｓｂ添加ＩｎＡｓ（０．０３）Ｐ（０．９７）と表示してあるが、この意味するところは、成長操作において、（Ａｓ／Ｐ）＝（０．０３／０．９７）を目標にＩｎＡｓＰ膜を成長させながら、Ｓｂを添加することを意味する。成長の結果、得られるＩｎＡｓＰ膜の組成は、ＳｂはＶ族元素なので、ＡｓやＰと置換し、図４に表示のＶ族組成から少しずれる．Ｓｂ組成は、ＩｎＡｓ０．０３−ｘＰ０．９７−ｙＳｂｘ＋ｙとした時、ｘ＋ｙ＝０．００５程度である。
【００３０】
Ｓｂは、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０の各層の界面の平坦性を良くする。このため界面を起点とする格子欠陥の生成を抑制することができる。このため、Ｓｂ添加ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０の最上層またはＳｂ添加ＩｎＡｓＰバッファ層９に、各界面起点の格子欠陥からの引継ぎを累積させず、この結果、これら最上層における格子欠陥密度を抑制することができ、最終的に、暗電流を減少させることができる。
【００３１】
（実施の形態１の変形例（３））
図５は、本発明の実施の形態１の変形例（３）における半導体積層構造を示す図である。本実施の形態１の変形例（３）では、受光層３にＧａＩｎＮＡｓでなくＧａＩｎＮＡｓＳｂを用いた点に特徴を有する。ＧａＩｎＮＡｓＳｂは、ＧａＩｎＮＡｓに比べて、良好な結晶性を得やすい。このため、良好な結晶性のＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層を得て、暗電流を抑制することができる。上記のように、ＧａＩｎＮＡｓにＳｂを添加して結晶性を向上させるのと同様に、ＧａＩｎＮＡｓにＰを添加することによっても結晶性を向上することができる。したがって、受光層にＧａＩｎＮＡｓＰを受光層に用いてもよい。
【００３２】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２におけるフォトダイオード１０を示す図である。本実施の形態では、エピダウン実装した点に特徴を有する。エピダウン実装する場合、ＩｎＰ基板１の裏面から光が入射されるので、ｎ部電極１１は、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０の上に環状に設けるのがよい。ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０には、ｎ型不純物、たとえばＳｉをドーピングしておくのがよい。またＩｎＰ基板にはＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１を用い、そのＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１に、光が入射される開口部を限定するために保護膜３７を設けるのがよい。Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板は、ＳドープＩｎＰ基板に比べて自由電子吸収が無く、信号光の減衰は軽微となる。このため、受光される前にＩｎＰ基板１を通過する裏面入射型受光素子（図６参照）では、信号光の減衰が軽微なＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板のほうが高感度を実現することができる。半導体積層構造には、図２〜図５の任意のものを用いることができるが、その場合、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０のｎ部電極１１が配置する層には、ｎ型不純物たとえば上述のように転位等のピニング作用を持つＳｉをドープするのがオーミック接触を実現する上でも、また格子欠陥を増殖させない上でも好ましい。
【００３３】
図６に示すエピダウン実装の受光素子１０によれば、非特許文献１におけるＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層に比べて、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０のＡｓ組成または（Ａｓ／Ｐ）比率が比較的低い値までで止まっている。このため、ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０の吸収端波長の最長波長もそれに応じて、非特許文献１におけるＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層に比べて、小さくなる。この結果、図６に示す受光素子１０のＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層２０は、所定の波長より長波長側では吸収がなくなり、その結果、本発明の受光素子が対象とする近赤外の長波長域での感度を高めることができる。すなわち、グレーディッドバッファ層の層数を減らすことによって、受光層の結晶性を向上できるばかりでなく、エピダウン実装した場合に、本発明において重要な近赤外域の長波長域での感度を高めることができる。なお、上記の吸収を減らすために、グレーディッドバッファ層２０の各層の厚みを２０ｎｍ程度に薄くするのがよい。
【００３４】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３におけるフォトダイオード１０を示す図である。本実施の形態における特徴は、図８に示すように、窓層が、Ａｓ組成を受光層３から遠ざかる方向に段階的に減少させたグレーディッドＩｎＡｓＰ層でなる点にある。グレーディッドＩｎＡｓＰ窓層４０では、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３にエピタキシャル成長するＩｎＡｓ０．５１Ｐ０．４９から段階的にＡｓ組成または（Ａｓ／Ｐ）比を減じて、ＩｎＡｓ０．０３Ｐ０．９７層を経て、最上層のＩｎＰ層に至る各エピタキシャル成長層の積層構造をとっている。グレーディッドＩｎＡｓＰ窓層４０において、ＩｎＰ最上層は３００ｎｍであるが、それより下の層は、各層とも２０ｎｍ厚と薄くする。他の部分は、図１に示すフォトダイオード１０と同じである。
【００３５】
上記のグレーディッドＩｎＡｓＰ窓層４０によれば、Ａｓ組成（（Ａｓ／Ｐ）比率）の高いＩｎＡｓＰの厚みが薄くされており、とくにＩｎＡｓ０．５１Ｐ０．４９層の厚みは２０ｎｍ（０．０２μｍ）と薄い。このため、波長１．７μｍ付近またはそれより長波長域の光の吸収が減り、本発明が対象とする受光素子において重要な近赤外の長波長域での感度を、図１〜図６に示す各受光素子よりも高めることができる。図１〜図６に示す受光素子では、窓層は０．５μｍ厚みのＩｎＡｓ０．５１Ｐ０．４９でなるので、波長１．７μｍ付近またはそれより長波長域の光の吸収が大きい。
【００３６】
（実施の形態３の変形例（１））
図９は本発明の実施の形態３の変形例（１）における半導体積層構造を示す図である。本実施の形態３の変形例（１）では、ＩｎＡｓＰグレーディッド窓層４０に、Ｓｂを添加した点に特徴を有する。Ｖ族元素のＡｓとＰの組成の図中の表示については、実施の形態１の変形例（２）において述べたことがそのまま該当する。最上層のＩｎＰ窓層には、Ｓｂを添加してもよいし、また添加しなくてもよい。
【００３７】
上述のように、Ｓｂは、ＩｎＡｓＰグレーディッド窓層４０の各層の界面の平坦性を良くする。このため界面を起点とする格子欠陥の生成を抑制することができる。このため、Ｓｂ添加ＩｎＡｓＰグレーディッド窓層４０の最上層またはＩｎＰ層９に、各界面起点の格子欠陥からの引継ぎを累積させない。この結果、これら最上層における格子欠陥密度を抑制することができる。この結果、光の散乱等を減少させて、感度を向上することができる。
【００３８】
上記の実施の形態では、単一の受光層を有する受光素子について説明したが、本発明の受光素子は、受光層を一次元または二次元配列したセンサー等、二次元配列した撮像装置等を含むことは言うまでもない。また、暗電流を改善する要因、たとえばＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層へのＳｉドーピングまたはＳｂ添加は、単独に限定されず、これらを組み合わせたものも含まれる。
【００３９】
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】
【００４０】
本発明によれば、ＩｎＰ基板を用いて、近赤外域の長波長域まで感度を拡大し、かつ暗電流を抑制した受光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態１における受光素子（フォトダイオード）を示す断面図である。
【図２】図１の受光素子の半導体積層構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１の変形例（１）における受光素子の半導体積層構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１の変形例（２）における受光素子の半導体積層構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１の変形例（３）における受光素子の半導体積層構造を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２における受光素子（フォトダイオード）を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態３における受光素子（フォトダイオード）を示す断面図である。
【図８】図７の受光素子の半導体積層構造を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３の変形例（１）における受光素子の半導体積層構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  ＩｎＰ基板、３  Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層、４  ＩｎＡｓＰ窓層（単層）、５  拡散マスクパターン、９  Ｓｂ添加ＩｎＡｓＰバッファ最上層、１０  受光素子（フォトダイオード）、１１  ｎ部電極、１２  ｐ部電極、１５  ｐ型領域、２０  ＩｎＡｓＰグレーディッドバッファ層、３７  保護膜、４０  ＩｎＡｓＰグレーディッド窓層。
【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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