(57)【要約】      （修正有）【課題】近赤外域に受光感度を持つＮ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層を含み、かつ暗電流を抑制した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１と、ＩｎＰ基板１の上に位置する、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３とを備え、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３の上に位置する、ＩｎＰ又はＩｎＡｌＡｓでなる窓層５と、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３とＩｎＰ又はＩｎＡｌＡｓでなる窓層５との間に位置するＩｎＧａＡｓバッファ層４とを備える。【選択図】図１
2009010175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板の上に位置する、｛Ｇａ１−ｘＩｎｘＮｙＡｓ１−ｙ−ｚＳｂｚ受光層（０．４≦ｘ≦０．８、０．０００１≦ｙ≦０．１２、０＜ｚ≦０．１）、Ｇａ１−ｘＩｎｘＮｙＡｓ１−ｙ−ｚＰｚ受光層（０．４≦ｘ≦０．８、０．０００１≦ｙ≦０．１２、０．０００１≦ｚ≦０．０１）、およびＧａ１−ｘＩｎｘＮｙＡｓ１−ｙ受光層（０．４≦ｘ≦０．８、０．０００１≦ｙ≦０．１２）｝のうちのいずれかの受光層と、
前記受光層の上に位置する窓層と、
前記受光層と前記窓層との間に位置するＩｎＧａＡｓバッファ層とを備えることを特徴とする、受光素子。
【請求項２】
前記ＩｎＰ基板、受光層、ＩｎＧａＡｓバッファ層および窓層が、相互間において、格子定数の差をそれぞれの格子定数の０．２％以下とす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】
前記窓層が、ＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓでな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】
前記受光層における水素濃度が、２×１０１８個／ｃｍ３以下であ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】
前記受光層の厚みが１μｍを超え、かつ前記窓層の厚みが０．２μｍを超えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の受光素子。
【請求項６】
ＩｎＰ基板に、下地バッファ層、ならびに｛Ｇａ１−ｘＩｎｘＮｙＡｓ１−ｙ−ｚＳｂｚ受光層（０．４≦ｘ≦０．８、０．０００１≦ｙ≦０．１２、０＜ｚ≦０．１）、Ｇａ１−ｘＩｎｘＮｙＡｓ１−ｙ−ｚＰｚ受光層（０．４≦ｘ≦０．８、０．０００１≦ｙ≦０．１２、０．０００１≦ｚ≦０．０１）、およびＧａ１−ｘＩｎｘＮｙＡｓ１−ｙ受光層（０．４≦ｘ≦０．８、０．０００１≦ｙ≦０．１２）｝のうちのいずれかの受光層を、順次、ＭＢＥ法でエピタキシャル成長させる工程と、
前記受光層にＩｎＧａＡｓバッファ層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記ＩｎＧａＡｓバッファ層に窓層をＯＭＶＰＥ(Organometallic  Vapor  Phase  Deposition)法でエピタキシャル成長させる工程とを備えることを特徴とする、受光素子の製造方法。
【請求項７】
前記窓層を形成した後、前記ＩｎＰ基板を含む積層体を、リンを含む雰囲気またはリンと砒素とを含む雰囲気内で、前記受光層の成長温度より高温でかつ８００℃未満でアニールすること特徴とする、請求項６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およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＧａＡｓに窒素（Ｎ）を含有させたＧａＩｎＮＡｓはバンドギャップエネルギが近赤外域に対応するため、ＧａＩｎＮＡｓを用いた光学素子の研究開発が進められている。たとえば受光層にＧａＩｎＮＡｓを用いた、（ＩｎＰ基板／ＩｎＰ層／ＧａＩｎＮＡｓ受光層／ＩｎＰ層／ＧａＩｎＡｓキャップ層）の積層構造を持つ、エピダウン実装タイプのフォトダイオードの提案がなされている（特許文献１）。また、受光層にＧａＩｎＮＡｓ（Ｐ）を用い、波長１．８１μｍを長波長側限界とするフォトダイオードの試作例が発表されている（非特許文献１）。上記試作例のフォトダイオードでは、（ＩｎＰ基板／バッファ層／ＧａＩｎＮＡｓ（Ｐ）受光層／ＩｎＰ窓層）の積層構造を有している。
【０００３】
一方、受光素子に限定せずに、半導体レーザも含め、水素の混入防止を目的にＧａＩｎＮＡｓ層を、ＭＢＥ(Molecular  Beam  Epitaxy)で形成することの利点を開示した文献がある（特許文献２）。この特許文献２においては、水素を含まない原料を用いてＭＢＥ法によりＧａＩｎＮＡｓ層を成長させ、フォトルミネッセンス強度の半値幅で結晶性を評価して、水素を原料に用いないＭＢＥ法による結晶性向上を確認している。また、近赤外域の発光素子を得るために、ＯＭＶＰＥ(Organometallic  Vapor  Phase  Epitaxy)法によって、水素を含む原料ガスを用いて水素雰囲気中でＧａＩｎＮＡｓ層を成膜した後、窒素雰囲気中で結晶成長温度より高温でアニールする方法が開示されている（特許文献３）。この特許文献３では、上記の方法によって、結晶性に優れた近赤外域の面発光レーザが得られると開示している。
【特許文献１】特開平９−２１９５６３号公報
【特許文献２】特開２００１−２４２８２号公報
【特許文献３】特開２００４−１６５３４９号公報
【非特許文献１】Jian Wei et.al., "Gas Source Molecular Beam Epitaxy  Grown  InGaAs(P)N-InP  Long-Wavelength(λ＞1.65μm)  Photodetectors  Using  a  Solid  Arsenic  Source", IEEE  PHOTONICS  TECHNOLOGY  LETTERS,Vol.13,No.4,April 2001
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の積層構造を持つ受光素子では、しかしながら、いずれも暗電流が高く、実用化に際し大きな障害となる。たとえば非特許文献１では、ＰＤの面積６．５×１０−5ｃｍ2で、−１Ｖ印加時に１.２×１０−８Ａの暗電流を生じる。非特許文献１では、水素を含まない原料を用いたＭＢＥ法によりＧａＩｎＮＡｓＰ層の水素濃度レベルを低くしても、暗電流は抑制されないことを確認し、Ｎ−Ｈ結合形成以外に高い暗電流の原因があると推定している。
【０００５】
ＧａＩｎＮＡｓ系受光層を持つ、低い暗電流の受光素子は、広範な応用が見込まれる。本発明は、近赤外域に受光感度を持つＮを含むＩｎＧａＡｓ系の受光層を備え、かつ暗電流を抑制した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】
【０００６】
本発明の受光素子は、ＩｎＰ基板と、ＩｎＰ基板の上に位置する、｛Ｇａ１−ｘＩｎｘＮｙＡｓ１−ｙ−ｚＳｂｚ受光層（０．４≦ｘ≦０．８、０．０００１≦ｙ≦０．１２、０＜ｚ≦０．１）、Ｇａ１−ｘＩｎｘＮｙＡｓ１−ｙ−ｚＰｚ受光層（０．４≦ｘ≦０．８、０．０００１≦ｙ≦０．１２、０．０００１≦ｚ≦０．０１）、およびＧａ１−ｘＩｎｘＮｙＡｓ１−ｙ受光層（０．４≦ｘ≦０．８、０．０００１≦ｙ≦０．１２）｝のうちのいずれかの受光層とを備える。そして、受光層の上に位置する窓層と、受光層と窓層との間に位置するＩｎＧａＡｓバッファ層とを備えることを特徴とする。ここで、Ｇａ１−ｘＩｎｘＮｙＡｓ１−ｙ−ｚＳｂｚ受光層（０．４≦ｘ≦０．８、０．０００１≦ｙ≦０．１２、０＜ｚ≦０．１）、Ｇａ１−ｘＩｎｘＮｙＡｓ１−ｙ−ｚＰｚ受光層（０．４≦ｘ≦０．８、０．０００１≦ｙ≦０．１２、０．０００１≦ｚ≦０．０１）、およびＧａ１−ｘＩｎｘＮｙＡｓ１−ｙ受光層（０．４≦ｘ≦０．８、０．０００１≦ｙ≦０．１２）を、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系層と呼ぶ。
【０００７】
上記の構成によって、窓層を直接に受光層に成長させた場合と比べて、受光層における結晶性の劣化（欠陥発生等）を防ぎ、したがってそれに伴う暗電流の増大を防止することができる。より具体的には、窓層を構成する結晶がＰまたはＡｌを含む場合、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層に直接に接触すると、ＡｌＮやＰを含む中間生成物を（Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層／窓層）の界面に生じ、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層および窓層の結晶性を損ない、暗電流を増大する。ＩｎＧａＡｓバッファ層を、上記ＰまたはＡｌを含む窓層とＮ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層との間に介在させることにより、上記の中間生成物等の問題を防止することができる。
【０００８】
上記のＩｎＰ基板、受光層、ＩｎＧａＡｓバッファ層および窓層が、相互間において、格子定数の差をそれぞれの格子定数の０．２％以下とすることができる。これによって、成長層間に歪が大きく発生せず、このため暗電流は抑制される。
【０００９】
上記の窓層を、ＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓとすることができる。ＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓは、近赤外光の透過率が高く、かつ受光層等と格子整合することができる。しかも上記のように当該窓層と受光層との間にＩｎＧａＡｓバッファ層を設けているので、ＰまたはＡｌによる受光層の結晶性劣化を生じない。この結果、暗電流を確実に低減することができる。
【００１０】
上記の受光層がＧａ１−ｘＩｎｘＮｙＡｓ１−ｙ−ｚＰｚ受光層でなる場合、Ｐの組成は、上述の範囲設定によって、０．０００１〜０．０１となる。この範囲のＰは微量であり、ＧａＩｎＮＡｓ受光層の良好な結晶性を確保し、またバンドギャップエネルギを大きくして受光限界を、大幅に短波長化することはない。
【００１１】
上記のＮ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層のＮについては、上述のようにｙは０．０００１〜０．１２である。これに応じて、Ｉｎ組成を大きくすることで、ＩｎＰ基板に格子整合し、かつ、バンドギャップ波長（最長検出波長）が１．６５μｍ〜３．０μｍの受光層を持つ受光素子を実現することができる。
【００１２】
上記の受光層における水素濃度を、２×１０１８個／ｃｍ３以下とすることができる。これによれば、水素の混入による受光素子の結晶性の劣化およびそれに伴う暗電流の増大を、防ぐことができる。上記の水素濃度を実現するための成膜方法はどのようなものでもよいが、たとえばＭＢＥ法によれば、化学式に水素を含まない原料を用いることで、容易に実現することができる。
【００１３】
上記の受光層の厚みを１μｍ超えとし、かつ窓層の厚みを０．２μｍ超えとすることができる。これによって、実用上十分な感度を有する受光素子を実現することができる。ここで受光層の厚みの上限は６μｍとし、窓層の厚みの上限は２μｍとするのがよい。
【００１４】
本発明の受光素子の製造方法は、ＩｎＰ基板に、下地バッファ層、およびＮ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層を、順次、ＭＢＥ法でエピタキシャル成長させる工程と、受光層にＩｎＧａＡｓバッファ層をエピタキシャル成長させる工程と、ＩｎＧａＡｓバッファ層に窓層をＯＭＶＰＥ法でエピタキシャル成長させる工程とを備えることを特徴とする。
【００１５】
上記の構成によって、成膜装置のメンテナンスコストを増大させず、また成膜能率を低下させずに、水素の影響が大きい重要な部分である受光層の水素濃度を低くすることができる。ＩｎＧａＡｓバッファ層は、ＭＢＥ法およびＯＭＶＰＥ法のどちらで成膜してもよく、また他の方法で成膜してもよい。
【００１６】
上記の窓層を形成した後、ＩｎＰ基板を含む積層体を、リンを含む雰囲気またはリンと砒素とを含む雰囲気内で、受光層の成長温度より高温でかつ８００℃未満でアニールすることができる。これによって、受光素子における脱リンおよび／または脱砒素を防止しながら、さらに水素濃度を低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、近赤外域に受光感度を持つＮ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層を含み、かつ暗電流を抑制した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】
図１は、本発明の実施の形態における受光素子１０を示す断面図である。図１の受光素子１０の積層構造は次のとおりである。この受光素子１０は、複数個の受光部がアレイされたものであるが、もとより単一の受光部からなる受光素子であってもよい。
（ｎ型ＩｎＰ基板１／ｎ型バッファ層２／Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３／ＩｎＧａＡｓバッファ層４／窓層５／Ｚｎ拡散導入用マスクパターン６／ＡＲ（Anti-Reflection）膜７）
ここで、ｎ型バッファ層２にはＩｎＧａＡｓ等を、窓層５にはＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓを、それぞれ用いることができる。上記のＺｎ拡散導入用マスクパターン６を通してＺｎが、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３に届くように拡散注入され、ｐ型領域１５が形成されている。この積層構造のｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にｎ部電極１１が、またｐ型領域１５にｐ部電極１２が、それぞれオーミック接触するように形成されている。図１に示した構成で特徴的な点は、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３と窓層５との間に、ＩｎＧａＡｓバッファ層４が設けられていることである。
【００１９】
従来の受光素子１１０の構造では、図５に示すように、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層１０３と窓層１０５とを直接に接触させた場合、次の問題を生じていた。
（１）窓層をＩｎＰとした場合：ＩｎＰ窓層１０５成長の初期に、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層１０３の上面にＰが多く取り込まれる。このため、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層１０３とＩｎＰ窓層１０５との界面に中間生成物が生じ、界面性状および窓層の結晶性を害する原因となっていた。また、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層１０３の上面の組成が、その下層の内側部分と大きく変動して、歪発生の原因となる。この結果、たとえばプレーナ型ＰＩＮ型フォトダイオード１１０を製造した場合、ｐｎ接合における結晶性劣化（欠陥密度増大）により暗電流増大を招く。
（２）窓層をＡｌＩｎＡｓとした場合：この場合、窓層１０５のＡｌと、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層１０３中のＮとは、親和力が強くＡｌＮを形成する。このため、上記のＰの場合と同様に、窓層１０５およびＮ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層１０３の結晶性を害して、暗電流を増大させる。
【００２０】
上記の（１）および（２）ともに、暗電流の増大は、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層１０３上に直接に窓層１０５を設けたことに起因する。本発明の受光素子１０のように、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３と窓層５との間にＩｎＧａＡｓバッファ層４を設けることによって、上記の（１）および（２）ともに問題は解消され、暗電流を低くすることができる。上記のＩｎＧａＡｓバッファ層４の厚みは、１０ｎｍより厚く、５００ｎｍ以下とすることが望ましい。厚みを１０ｎｍより厚くするのは、直径２インチや３インチのウエハ全面にわたってＮ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３を確実に被覆するためである。特に撮像装置や二次元アレイセンサの場合チップ面積が大きいので、被覆状態がチップ歩留りに大きく影響する。また、厚みを５００ｎｍ以下にするのは、エピアップ実装の場合に光の吸収をできるだけ抑制するために必要である。波長１．７μｍ帯より短波長の光を吸収するので、近赤外域から可視光域にわたる撮像装置やセンサでは、厚くすると吸収の影響が出て好ましくないからである。
【００２１】
上記のようにＩｎＧａＡｓバッファ層４をＮ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３と窓層５との間に介在させることにより、さらに次のような製造上の利点を得ることができる。
（Ａ1）窓層をＩｎＰとする場合、ＭＢＥ法で成膜すると、ＭＢＥ成膜装置の内壁にリン化合物が付着し、不定期に脱落や再蒸発して製品中に混入して製品歩留りを大きく低下させる。このため、定期的にリン化合物を成膜装置の内壁から除去する必要があり、メンテナンス費用増大を招く。しかし、ＯＭＶＰＥでは、この問題はなく、安価にＩｎＰ窓層を形成することができる。ＯＭＶＰＥ法に起因するＩｎＰ窓層５中の高濃度の水素は、熱処理によって低くすることができる。
【００２２】
図２は、本発明の受光素子の製造方法の一例を説明するための図である。ｎ型ＩｎＰ基板１にｎ型バッファ層２をＭＢＥ法でエピタキシャル成長させる。ｎ型バッファ層２としては、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ等を用いるのがよい。ＭＢＥ法でＩｎＰを成長する場合、ＭＢＥ成膜室の内壁にリン化合物が付着し、脱落して製品中に混入するのを防ぐため、リン化合物の除去を定期的に行う必要がある。ＩｎＰバッファ層でもよいが、その点を考慮するとＩｎＧａＡｓバッファ層２とするのがよい。
【００２３】
上記のｎ型バッファ層２の形成を終了する前から、Ｎを含む受光層３の形成の準備のために、ＭＢＥ装置のチェンバ内にＮを含むガスを流し続ける。その理由は、上述のように、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系層３の形成においてはＮプラズマを用いるが、Ｎプラズマの形成にはＮを含むガス、たとえばＮ２ガスを流し始めて数分間かかるため、その間、形成が終了したバッファ層２を放置するとバッファ層２の表面に凹凸が生じるからである。バッファ層２を形成している間にＮ２ガスを流し始め、バッファ層２の形成終了後、直ちにＮプラズマを生じさせ、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３の形成の開始を迅速に行う必要がある。
【００２４】
上記のようにＮを含むガスをＭＢＥ装置のチェンバ内に流すことにより、バッファ層２にはＮが混入する。このＮ混入の時期に合わせて、ＭＢＥ装置のＳｂ照射用セルからＳｂ分子線を生成し、バッファ層２にＳｂの分子線を照射する。この結果、バッファ層２の上層部には、ＮおよびＳｂをともに含む部分層が形成される。バッファ層２を、ＩｎＧａＡｓで形成した場合には、ＮおよびＳｂをともに含む部分層として、ＧａＩｎＮＡｓＳｂが形成される。またバッファ層２をＩｎＰで形成した場合には、ＮおよびＳｂをともに含む部分層として、ＩｎＰＮＳｂが形成される。そして、いずれの場合でもＮおよびＳｂをともに含む部分層では、Ｎ組成は受光層のＮ組成よりも小さくなる。これにより、ＩｎＰ基板に格子整合するＮ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層を容易に作製することができる。
【００２５】
ＮおよびＳｂをともに含むバッファ層の格子定数は、ＩｎＰ基板の格子定数の９９．９％以上で、かつ１００．１％以下の範囲内にするのがよい。この実現のためには、格子定数に大きな影響を持つ、Ｓｂの組成をＮの組成に応じて調整する必要がある。Ｎの組成は、Ｎを含むガスの流量、プラズマの電力の結晶成長条件で決まるので、格子定数が上記の範囲に入るようＳｂの組成を調整する。Ｓｂの組成は、分子線の供給源であるＳｂ照射用セルの温度およびシャッタの開口角の加減により調整することができる。また、Ｓｂ照射用セルのシャッタの開閉を短い周期で行い、開時間の合計と、閉時間の合計との比を変えることによっても、Ｓｂの混入量を調整することができる。
【００２６】
Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３には、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、またはＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰが該当する。すなわちＮを含む受光層として、ＧａＩｎＮＡｓ層、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ層、ＧａＩｎＮＡｓＰ層またはＧａＩｎＮＳｂＰ層を用いることができる。バッファ層上にエピタキシャル成長するＮを含む受光層３は、ＩｎＰ基板の格子定数に合うように組成を選ぶので、そのためＩｎの組成をバッファ層のそれより高くすることになる。この結果、ＧａＩｎＮＡｓ層、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ層、ＧａＩｎＮＡｓＰ層またはＧａＩｎＮＳｂＰ層では、バンドギャップエネルギが狭くなり、長波長域へと感度を拡大する。上記のように、ＮおよびＳｂを含むバッファ層と、ＧａＩｎＮＡｓ層、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ層、ＧａＩｎＮＡｓＰ層またはＧａＩｎＮＳｂＰ層等の受光層３との組み合わせにより、波長１．７μｍ以上の長波長域に感度を有し、暗電流の小さいフォトダイオードを得ることができる。
【００２７】
Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３は、水素を含む原料を用いずにＭＢＥ法で成長された場合、図３に示すように下面から０．５μｍ以下の狭い厚み範囲に水素高濃度層を有するが、それより上層では１〜２×１０１７／ｃｍ３程度の低い水素濃度とすることができる。水素高濃度層におけるピーク濃度は２×１０１８／ｃｍ３を少し超える。しかし、図４に示すように６８０℃×２分程度の熱処理により、ピーク水素濃度を２×１０１８／ｃｍ３未満にすることができる。また、後で説明するが（図７参照）、ＯＭＶＰＥで成長させた場合、水素濃度は全体的に高く、１×１０１９／ｃｍ３に近い値となる。
【００２８】
上記のＮ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３にＩｎＧａＡｓバッファ層４をエピタキシャル成長する。成長温度は４８０℃程度である。このＩｎＧａＡｓバッファ層４の膜厚は、上述したように、１０ｎｍ超え、５００ｎｍ以下とするのがよい。エピダウン実装する場合には、ＩｎＧａＡｓバッファ層４の厚みを薄くする必要性はなくなる。
【００２９】
また、ＩｎＧａＡｓバッファ層４、ＩｎＰ基板１、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３、および当該ＩｎＧａＡｓバッファ層４にエピタキシャル成長される窓層５において、相互間の格子定数の差が、各層の格子定数の０．２％以下として、格子欠陥密度の低いエピタキシャル成長を実現するようにするのがよい。このことは、上記の任意のある層の格子定数をａとして、他の任意の層の格子定数との差をΔａとしたとき、｜Δａ／ａ｜≦０．００２を満たすことを意味する。
【００３０】
次に、ＩｎＧａＡｓバッファ層４に窓層５をエピタキシャル成長させる。窓層５はＩｎＰでもＩｎＡｌＡｓでもよいが、ＩｎＰの場合、上記の理由により、ＭＢＥ法でなく、ＯＭＶＰＥ法で形成するのがよい。ＩｎＰをＯＭＶＰＥ法で形成するとき、原料ガスとして、フォスフィンＰＨ３およびトリメチルインジウムＴＭＩｎを用いるのがよい。成長温度は６２０℃程度とし、厚みは、たとえば１．６μｍとする。ＩｎＡｌＡｓを窓層５に用いる場合には、ＯＭＶＰＥ法でもよいが、ＭＢＥ法で形成することもできる。
【００３１】
この後、リンを含む気体またはリンおよび砒素を含む気体を流した雰囲気中で６６０℃×３０分の熱処理を施す。上記の雰囲気で、リンを含む気体を流すのは、ＩｎＰ基板１またはＩｎＰ窓層５から脱リンが生じるのを防ぐためである。また、窓層５をＩｎＡｌＡｓとする場合には、リンおよび砒素を含む気体を用いて、ＩｎＰ基板１からの脱リン防止、ＩｎＡｌＡｓ窓層５からの脱砒素防止をはかる。６６０℃×３０分の熱処理によって、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３の水素濃度は低減される。Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３の水素高濃度層における水素濃度ピーク値は２×１０１８／ｃｍ３より低くなり、ほぼ１×１０１８／ｃｍ３程度となる（図９参照）。この結果、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３における結晶性が向上して、暗電流を抑えることができる。
【００３２】
図１を参照して、この後、フォトダイオードの構造を形成するために、Ｚｎ拡散マスクパターン６を設け、このＺｎ拡散マスクパターン６をマスクにしてＺｎをＮ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層３に届くように注入する。Ｚｎの注入によりｐ型領域１５が形成される。次いで、ｐ部電極１２をｐ型領域１５に、またｎ部電極１１をｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に、それぞれオーミック接触させる。また、エピアップ実装の場合、受光感度を高めるためにＡＲ膜を、ｐ型領域１５の表面およびマスクパターン６を被覆するように形成する。
【実施例】
【００３３】
（実施例１）
次に上記本発明の実施例について説明する。実施例１では、本発明例Ａおよび比較例Ｂについて暗電流を測定した結果について説明する。両方の試験体ともにＭＢＥ法により積層構造体を形成し、脱水素の熱処理は施していない。本発明例Ａは、図１に示すように、ＩｎＧａＡｓバッファ層４を、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３とＩｎＰ窓層５との間に介在させた積層構造を持つ。また、比較例Ｂのフォトダイオード１１０は、図５に示すように、ＧａＩｎＮＡｓ受光層１０３に、直接、ＩｎＰ窓層５をエピタキシャル成長している。その他の部分の構成に相違はない。ＧａＩｎＮＡｓ受光層３，１０３のＮ濃度は、ともにＶ族原子内で１．０ａｔ％（ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙの表示において、ｙ＝０．０１）であり、フォトルミネッセンスのピーク波長は１．８μｍであった。
【００３４】
本発明例Ａおよび比較例Ｂのフォトダイオード５０，１１０に、それぞれ−１Ｖの電圧を印加して受光径１００μｍで、暗電流を測定した。結果を表１に示す。表１によれば、比較例Ｂの暗電流１×１０−８Ａであるのに比して、本発明例Ａでは暗電流１×１０−９Ａと、一桁低い値が得られた。これは、ＩｎＧａＡｓバッファ層４を、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３とＩｎＰ窓層５との間に介在させ、ＧａＩｎＮＡｓ受光層に直接ＩｎＰ窓層５を成長させた場合に生じるＧａＩｎＮＡｓＰの析出物、ＰとＮとの中間生成物などによる表面性状の劣化、およびそれに起因する結晶性の劣化を防止したためである。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
また、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３は、ＭＢＥ法で成膜することにより水素濃度を低くすることができる。図６に、本発明例ＡのＧａＩｎＮＡｓ受光層３における水素濃度の厚み方向分布を示す。ＧａＩｎＮＡｓ受光層３の下面付近に局所的に水素高濃度層が形成されているが、それより上層では、１×１０１７／ｃｍ３程度となっており、実用上問題がない程度に十分低い水素濃度である。一方、ＩｎＰ窓層５はＯＭＶＰＥ法で成膜することによって成膜能率を向上しながら、ＩｎＰ窓層５の高濃度の水素は、６００℃〜８００℃程度の熱処理によって対処することができる。
【００３７】
（実施例２）
次に、本発明例Ｃ1〜Ｃ4のフォトダイオードについて暗電流を測定した結果について説明する。本発明例Ｃ1〜Ｃ4は、本発明に従う積層構造を持つが、その製造方法が、次に示すように、異なっている。
（本発明例Ｃ1）：ＩｎＰ基板１に、ＩｎＧａＡｓバッファ層２、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３、ＩｎＧａＡｓバッファ層４およびＩｎＰ窓層５を、順次、すべてＯＭＶＰＥ法で成長させた。この後、熱処理はしない。
（本発明例Ｃ2）：本発明例Ｃ1のように、すべてＯＭＶＰＥ法で積層構造を形成した後、６６０℃×３０分の熱処理を施した。
（本発明例Ｃ3）：ＩｎＰ基板１に、ＩｎＧａＡｓバッファ層２、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３、ＩｎＧａＡｓバッファ層４およびＩｎＰ窓層５を、順次、すべてＭＢＥ法で成長させた。この後、６６０℃×３０分の熱処理を施した。
（本発明例Ｃ4）：ＩｎＰ基板１に、ＩｎＧａＡｓバッファ層２、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３およびＩｎＧａＡｓバッファ層４を、順次、ＭＢＥ法で成長させ、次いで、ＩｎＰ窓層５をＯＭＶＰＥ法で成長させた。この後、６６０℃×３０分の熱処理を施した。
【００３８】
上記の試験体Ｃ1〜Ｃ4におけるフォトルミネッセンスのピーク波長は、本発明例Ｃ1は２．０μｍ、本発明例Ｃ2は１．９μｍ、本発明例Ｃ3は１．９μｍ、また本発明例Ｃ4は１．９μｍであった。Ｎ濃度は、本発明例Ｃ1〜Ｃ4について同じであり、Ｖ族原子内で２．０ａｔ％（ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙの表示において、ｙ＝０．０２）であった。また、各試験体のＧａＩｎＮＡｓ受光層３における水素濃度は、本発明例Ｃ1では図７に示すように７×１０１８／ｃｍ３であり、これに熱処理を施した本発明例Ｃ2では図８に示すように５×１０１８／ｃｍ３であった。また、本発明例Ｃ3では図９に示すように検出限界未満の１×１０１７／ｃｍ３未満であり、本発明例Ｃ4では図１０に示すように１×１０１８／ｃｍ３であった。図７に示すように、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３をＯＭＶＰＥ法で成長させることは、ＭＢＥ法による場合の水素濃度より、フラットな濃度部分で大略二桁増大させる。また、ＭＢＥ法でＧａＩｎＮＡｓ受光層を成長させた後、熱処理を施すことによって、図９に示すように、フラット濃度部分の水素濃度を検出限界未満の１×１０１７／ｃｍ３未満とできる。したがって、水素濃度のみを問題とする場合は、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３はＭＢＥ法で形成するのがよい。
【００３９】
上記の試験体について、図１に示すフォトダイオードを作製して、暗電流を測定した結果を表２に示す。暗電流測定の条件は、実施例１と同じである。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
表２によれば、本発明例Ｃ1では、高濃度の水素に起因する結晶性の劣化を反映して、暗電流は１×１０−６Ａと非常に高い値となった。したがって、ＩｎＧａＡｓバッファ層４を積層構造内に設けさえすればよいというわけでなく、受光層における水素濃度を低減することが重要であることを示している。
【００４２】
表２には製造コストの評価○または△を示すが、暗電流の低減という観点から見ると本発明例Ｃ3がベストであるが、ＩｎＰ窓層４をＭＢＥ法で成長させることに伴うメンテナンスコスト増大が大きな負担となる。このため本発明例Ｃ3の製造コストは良好の○ではなく、やや問題ありの△となる。製造コストおよび暗電流の低減の両方をバランスよく満たす試験体は、本発明例Ｃ4である。本発明例Ｃ4は、図２に示すプロセスにしたがっており、ＧａＩｎＮＡｓ受光層３はＭＢＥ法により、またＩｎＰ窓層４はＯＭＶＰＥ法で成長させ、リン化合物の成長室内壁への付着の問題を回避している。総合的に考えて、本発明例Ｃ4が本発明のベストモードとして推奨される。
【００４３】
上記の実施の形態ではフォトダイオードについて例示したが、本発明の受光素子はフォトダイオードに限定されない。本発明の受光素子は、Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層と窓層との間にＩｎＧａＡｓバッファ層を含むものであれば、どのような用途に用いられてもよく、単一の受光部を持つセンサ、二次元配列の撮像装置、一次元配列および二次元配列の各種センサ等に用いることができる。また、暗電流を低くするための要素が、単一でなく組み合わせた場合であっても本発明の対象となる。
【００４４】
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】
【００４５】
本発明によれば、暗電流を抑制し、近赤外域に受光感度を持つ受光素子を能率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態における受光素子を示す断面図である。
【図２】図１の受光素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図３】Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層をＭＢＥ法で成長させた場合の水素濃度の深さ方向分布を説明する模式図である。
【図４】Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層をＭＢＥ法で成長させ、次いで熱処理を施した場合の水素濃度の深さ方向分布を説明する模式図である。
【図５】比較例のフォトダイオードの構造を示す断面図である。
【図６】実施例における本発明例ＡのＧａＩｎＮＡｓ受光層の水素濃度分布（測定データ）を示す図である。
【図７】実施例における本発明例Ｃ1（熱処理前）のＧａＩｎＮＡｓ受光層の水素濃度分布（測定データ）を示す図である。
【図８】実施例における本発明例Ｃ1（熱処理後）のＧａＩｎＮＡｓ受光層の水素濃度分布（測定データ）を示す図である。
【図９】実施例における本発明例Ｃ3のＧａＩｎＮＡｓ受光層の水素濃度分布（測定データ）を示す図である。
【図１０】実施例における本発明例Ｃ4のＧａＩｎＮＡｓ受光層の水素濃度分布（測定データ）を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  ＩｎＰ基板、２  ｎ型バッファ層、３  Ｎ含有ＩｎＧａＡｓ系受光層、４  ＩｎＧａＡｓバッファ層、５  窓層、６  Ｚｎ拡散マスクパターン、７  ＡＲコート、１０  フォトダイオード、１１  ｎ部電極、１２  ｐ部電極、１５  ｐ型領域。
【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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