CN104576807A - 半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体器件。半导体器件包括其中层叠多个半导体层的半导体层层叠体，半导体层层叠体包括光接收层，光接收层通过金属有机气相外延方法生长，光接收层具有大于或等于3μm且小于或等于8μm的截止波长，在-140℃的温度下施加60mV的反向偏压时，半导体器件具有小于或等于1×10-1A/cm2的暗电流密度。由此，提供可以接收中红外范围内的光并具有低暗电流的半导体器件。

Description

半导体器件
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，并且更特别地涉及一种能接收中红外范围中的光的半导体器件。
背景技术
对于用于中红外范围的光接收器件(半导体器件)来说，众所周知的例如是通过层叠多个层叠体形成的InAs/GaSb II型多量子阱结构，多个层叠体每个包括作为一个周期的砷化铟(InAs)和锑化镓(GaSb)(J.B.Rodriguez,C.Cervera以及P.Christol的“A type II superlatticeperiod with a modified InAs to GaSb thickness ratio for midwavelengthinfrared photodiode performance improvement”，以及HaruyoshiKatayama的“Development of Type II Superlattice Infrared Detector atJAXA”，OPTRONICS，(2012)第5期，102至105页)。
而且，用于中红外范围的光接收器件(半导体器件)具有高暗电流值。因此，一般来说，用于中红外范围的光接收器件的操作温度被设定为低，并且这种光接收器件与冷却装置一起使用。
发明内容
但是，已经证实即使在用于中红外范围的光接收器件(半导体器件)在小于或等于-140℃的低温区域中使用时，其仍然具有高于理想值的暗电流值。
J.B.Rodriguez,C.Cervera以及P.Christol的“A type IIsuperlattice period with a modified InAs to GaSb thickness ratio formidwavelength infrared photodiode performance improvement”，以及Haruyoshi Katayama的“Development of Type II Superlattice InfraredDetector at JAXA”，OPTRONICS，(2012)第5期，102至105页描述了，在通过分子束外延(MBE)方法形成的InAs/GaSbII型多量子阱结构中，在小于或等于-140℃的低温区域中，暗电流展现出高于理想值的数值。
对于这种现象来说，J.B.Rodriguez,C.Cervera以及P.Christol的“A type II superlattice period with a modified InAs to GaSb thicknessratio for midwavelength infrared photodiode performance improvement”描述了在约室温下的高温区域中，扩散电流在暗电流中占主体，而在小于或等于-140℃的低温区域中，生成电流在暗电流中占主体。
已经提出本发明以解决上述问题。本发明的一个主要目的是提供一种半导体器件，其能接收中红外范围内的光并具有低暗电流。
根据本发明的一种半导体器件包括其中层叠多个半导体层的半导体层层叠体，半导体层层叠体包括光接收层，通过金属有机气相外延方法生长光接收层，光接收层具有大于或等于3μm且小于或等于8μm的截止波长，在-140℃的温度下施加60mV的反向偏压时，半导体器件具有小于或等于1×10-1A/cm2的暗电流密度。
当结合附图时，从本发明的以下详细说明将使本发明的上述和其他目的，特征，方面以及优点变得更加显而易见。
附图说明
图1是根据本实施例的半导体器件的截面图。
图2是其中形成根据本实施例的半导体器件的外延衬底的截面图。
图3是用于说明根据本实施例的半导体器件的光接收层的截面图。
图4是其中根据本实施例的半导体器件与读出电路组合的光学传感器装置的截面图。
具体实施方式
以下将参考附图说明本发明的一个实施例。注意到，在下述附图中，相同或相应的部分将由相同的参考数字指定，并且将不再赘述其说明。
[本申请的发明实施例的说明]
首先将列出本发明的实施例的概要。
(1)根据本实施例中一个方面的半导体器件100包括其中层叠多个半导体层的半导体层层叠体2，半导体层层叠体2包括光接收层4，通过金属有机气相外延方法生长光接收层4，光接收层4具有大于或等于3μm且小于或等于8μm的截止波长，当在-140℃的温度下施加60mV的反向偏压时，半导体器件具有小于或等于1×10-1A/cm2的暗电流密度。
在金属有机气相外延方法中，因为其生长温度高于常规MBE方法的生长温度，因此原子的迁移往往在基础衬底1(例如GaSb衬底)的表面中增强，并且会减少晶体缺陷。光接收层4内形成的晶体缺陷在半导体器件100作为光接收器件操作时通过陷阱而产生载流子，从而导致暗电流。然而，在根据本实施例的半导体器件100中，光接收层4具有较少的晶体缺陷，且具有被抑制为低的陷阱密度(Nt)。例如，可以降低光接收层4内的杂质浓度，并且可以将光接收层4内的碳浓度抑制为小于或等于1×1016cm-3。因此，在根据本实施例的半导体器件100中，可以降低通过晶体缺陷而产生在光接收层4内的生成电流，并且可以在小于或等于-140℃的低温区域中将暗电流抑制为低。此外，因为金属有机气相外延方法在制造效率方面表现优异，因此其适于大量生产。
这里，对于用于生长光接收层4的方法来说，用于组成元素的所有原料都可以是有机金属(以下称为全有机MOVPE方法)。
由有机金属制成的原料气体容易分解，因为其具有高分子量。因此，用于全有机MOVPE方法的有机金属原料气体可以在完全分解状态下供应至基础衬底1(例如GaSb衬底)附近。因此，可以抑制未分解原料气体、在分解过程中产生的中间产物等等供应至基础衬底1(例如GaSb衬底)附近并混入晶体中的现象(即在常规MOVPE方法中被证实的现象)。因此，采用有机金属原料气体有利于降低诸如混入光接收层4中的碳的杂质浓度。
即，通过全有机MOVPE方法形成的光接收层4具有高晶体质量和较少的晶体缺陷。因此，可以降低生成电流，并且可以在小于或等于-140℃的低温区域中将暗电流抑制为低。
而且，采用金属有机气相外延方法形成的光接收层4具有大于或等于3μm且小于或等于8μm的截止波长。
通常，在半导体器件100中，无论光接收层的类型如何，暗电流往往随其有效带隙减小(即，随光接收层4的截止波长增大)而增大。特别地，众所周知作为暗电流的主要成分的扩散电流和生成电流随光接收层的有效带隙减小而增大。
相反，在根据本实施例的半导体器件100中，如上所述，可以减小通过晶体缺陷而在光接收层4中产生的生成电流。因此，在半导体器件100的温度被设定为-140℃，60mV的反向偏压施加至p型电极和n型电极11，同时将光接收层4的截止波长设定为大于或等于3μm且小于或等于8μm的长波长时，可以实现小于或等于1×10-1A/cm2的暗电流密度。
即，通过采用金属有机气相外延方法形成光接收层4，可以控制光接收层4中的有效带隙，并且可以形成具有高晶体质量并能接收中红外范围中的光的光接收层4。光接收层4可以具有通过层叠具有不同带隙的多个化合物半导体层而形成的量子阱结构。当采用量子阱结构时，可以通过控制构成量子阱的材料的组成、膜厚等等来改变光接收层4中的有效带隙，并且光接收层4可以具有大范围的多种截止波长。例如，当采用II型量子阱结构时，光接收层4可以接收具有更长波长的光，因为构成量子阱的一个层的价带和另一层的导带之间的能量差可以被设定为小于构成量子阱结构的各层的带隙。这时，可以预期更低的暗电流，因为各层中载流子的有效质量大于与相等截止波长对应的体材料中的有效质量。量子阱结构的一个周期至少包括GaSb和InAs。这时，II型跃迁发生在GaSb的价带和InAs的导带之间。
此外，暗电流的组成包括表面泄漏电流、隧穿电流等等。表面泄漏电流可以通过制造半导体器件100中的处理技术降低至足够低的水平，并且除大反向偏压施加至半导体器件100之外，隧穿电流可以被抑制到足够低的水平。
以此方式，因为根据本实施例的半导体器件100包括采用金属有机气相外延方法形成的光接收层4，因此半导体器件100可以接收中红外范围内的光，并能在小于或等于-140℃的低温区域中将暗电流抑制为低。
(2)根据本实施例中另一方面的半导体器件100包括其中层叠多个半导体层的半导体层层叠体2，半导体层层叠体2包括光接收层4，光接收层4具有大于或等于3μm且小于或等于8μm的截止波长，当在-140℃的温度下施加60mV的反向偏压时，半导体器件具有小于或等于1×10-4A/cm2的暗电流密度。
即，在根据本实施例中的另一方面的半导体器件100中，例如可采用金属有机气相外延方法形成具有高晶体质量以及较少晶体缺陷的光接收层4。由此可以减小生成电流，并且可以在小于或等于-140℃的低温区域中实现小于或等于1×10-4A/cm2的暗电流密度。
(3)在根据本实施例的半导体器件100中，光接收层4具有大于或等于3μm且小于或等于5μm的截止波长，并且在-140℃的温度下施加60mV的反向偏压时可以实现小于或等于5×10-5A/cm2的暗电流密度。
即，因为如上所述在根据本实施例的半导体器件100中可以减小在光接收层4内产生的生成电流，因此对于接收中红外范围内的短波长区的光来说，在小于或等于-140℃的低温区域中能实现小于或等于5×10-5A/cm2的暗电流密度。
(4)在根据本实施例的半导体器件100中，光接收层4具有大于或等于3μm且小于或等于6μm的截止波长，并且在-196℃的温度下施加60mV的反向偏压时可以实现小于或等于1×10-8A/cm2的暗电流密度。
即，因为如上所述在根据本实施例的半导体器件100中可以减小光接收层4中产生的生成电流，因此对于接收中红外范围内的短波长区的光来说，在小于或等于-196℃的低温区域中能实现小于或等于1×10-8A/cm2的暗电流密度。
(5)在根据本实施例的半导体器件100中，光接收层4具有大于或等于6μm且小于或等于8μm的截止波长，并且在-196℃的温度下施加60mV的反向偏压时可以实现小于或等于1×10-5A/cm2的暗电流密度。
即，因为如上所述在根据本实施例的半导体器件100中可以减小光接收层4中产生的生成电流，因此对于接收中红外范围内的长波长区的光来说，在小于或等于-196℃的低温区域中能实现小于或等于1×10-5A/cm2的暗电流密度。
(6)在根据本实施例的半导体器件100中，光接收层4具有多量子阱结构。借助这种结构，可以由半导体器件100接收的光的波长区可以根据构成光接收层4的材料的成分、组合以及膜厚被设定为广范围的值。因此，通过控制这些参数，当与采用单一材料形成光接收层的情况相比，在采用具有更大带隙的材料时可以接收中红外范围内的光。
(7)在根据本实施例的半导体器件100中，光接收层4可以具有II型多量子阱结构，并且多量子阱的一个周期可以包括至少GaSb和InAs。
即，因为光接收层4具有其中在InAs的导带和GaSb的价带之间发生跃迁的II型多量子阱结构，因此光接收层4具有比InAs和GaSb的带隙窄的带隙。因此，由于载流子的大有效质量而能预期低暗电流。此外，可以通过控制InAs和GaSb的组成以及膜厚来实现大于或等于3μm且小于或等于30μm的宽截止波长。
多量子阱结构中的周期数例如可以被设定为大于或等于80且小于或等于400。当周期数大于或等于80时，可以确保特定光吸收，并且可以获得对于中红外光的灵敏性。当层叠大于400个周期时，总厚度超过光接收所需的膜厚，并且因此灵敏性倾向于保持不变或降低，这会劣化结晶度和生产量。
(8)在根据本实施例的半导体器件100中，光接收层4可以具有小于或等于1×1016cm-3的碳杂质浓度。
即，对于光接收层4来说，例如可采用金属有机气相外延方法形成具有高晶体质量以及较少晶体缺陷的光接收层4。以此方式，可以降低混入光接收层4的杂质浓度，并且耗尽层容易扩展，并且因此可以提升半导体器件100的光接收灵敏性。
(9)在根据本实施例的半导体器件100中，通过金属有机气相外延方法生长光接收层4。光接收层4还可以通过全有机MOVPE方法形成。而且，可以通过金属有机气相外延方法或全有机MOVPE方法生长半导体层层叠体2。
通过全有机MOVPE方法形成，包括光接收层4的半导体层层叠体2整体具有高晶体质量以及较少晶体缺陷。因此，各层能以优良的水平发挥诸如光接收或导电的作用，并且可以提升器件特性。此外，全有机MOVPE方法具有以下特征：V族原料具有低于常规金属有机气相外延方法中采用的氰化物原料的分解温度。因此，当半导体层层叠体2包含Sb时，与常规金属有机气相外延方法相比时可以降低生长温度，并且包含不太可能在高温下混入的Sb的半导体层可以以良好结晶度生长。
[本申请的发明实施例的细节]
以下将说明本发明实施例的细节。
(实施例1)
参考图1至3，将说明根据实施例1的半导体器件100。根据本实施例的半导体器件100是平面型光接收器件，并且包括基础衬底1以及形成在基础衬底1的第一主表面1A上的半导体层层叠体2。
基础衬底1可以由锑化镓(GaSb)制成。基础衬底1具有由(001)面制成的第一主表面1A，以及位于与第一主表面1A相反的一侧上的第二主表面1B。基础衬底1在没有故意掺杂的状态下或在以诸如Zn的杂质掺杂的状态下可以具有p型导电性。这时，p型电极可以形成在基础衬底1的第二主表面1B上。
通过在基础衬底1的第一主表面1A上依次层叠缓冲层3，光接收层4，扩散浓度分布调整层5以及接触层6而构成半导体层层叠体2。通过全有机MOVPE方法生长半导体层层叠体2。
与基础衬底1相同，缓冲层3由GaSb制成。光接收层4在缓冲层3介于其间的情况下形成在第一主表面1A上方，并且具有多量子阱结构。具体地，光接收层4具有II型InAs/GaSb多量子阱结构，其中层叠约100对量子阱，各包括GaSb层4a以及InAs层4b。GaSb层4a例如具有约3nm的膜厚，并且InAs层4b例如具有约3nm的膜厚。这时，光接收层4具有约5μm的截止波长。GaSb层4a以及InAs层4b都是非故意掺杂的。光接收层4中Te的浓度小于或等于1×1016cm-3，并且优选小于或等于二次离子质谱法(SIMS)中的探测极限。当光接收层4中Te的浓度处于这个范围内时，可以抑制暗电流增大。此外，因为耗尽层容易扩展，可以提升半导体器件的光接收灵敏性。光接收层4具有小于或等于1×1016cm-3的碳浓度。由此，耗尽层容易在光接收层4中扩展，并且因此可以提升半导体器件100的光接收灵敏性。
而且，在光接收层4中，具有约大于或等于0.4单层(ML)且小于或等于2ML的锑化铟(InSb)层4c优选形成在量子阱对之间。仅需在GaSb层4a上以及InAs层4b下形成InSb层4c，或在InAs层4b上以及GaSb层4a下形成InSb层4c。InSb层4c还可以同时形成在GaSb层4a的上下侧上。即，在GaSb层4a和InAs层4b之间形成InSb层4c可以抑制由于InAs和由GaSb制成的基础衬底1或缓冲层3之间的晶格失配导致在光接收层4中出现错配位错。当InSb层4c具有大于或等于0.4ML的膜厚时，InSb层4c可以具有与应变补偿层相同的效果。当InSb层4c具有大于2ML的膜厚时，膜厚超过应力补偿所需的膜厚，并且因此会在光接收层4中出现位错。应力补偿层可以由诸如GaInSb或InAsSb的三元混合晶体制成，而不是由InSb制成。
因为构成光接收层4的GaSb层4a，InAs层4b以及InSb层4c由全有机MOVPE方法形成，因此所有这些层都具有高结晶度和较少晶体缺陷。
扩散浓度分布调整层5形成在光接收层4上。扩散浓度分布调整层5由InAs制成。扩散浓度分布调整层5没有故意掺杂。扩散浓度分布调整层5由GaSb制成。
接触层6形成在扩散浓度分布调整层5上。接触层6由InAs制成。接触层6具有位于与基础衬底1的第二主表面1B相反一侧上的第三主表面6A。接触层6是非故意掺杂的。
在第三主表面6A中的预定区域处，形成n型扩散区7。具体地，n型扩散区7形成在在半导体层层叠体2中作为平面型光接收器件布置像素的多个区域处。n型扩散区7包含作为n型杂质的碲(Te)，并且通过从第三主表面6A选择性扩散Te而形成。
n型扩散区7形成为在垂直于第三主表面6A的方向上(即，在半导体层层叠体2的层叠方向上)从接触层6延伸至扩散浓度分布调整层5中的预定区域。即，上述方向上的n型扩散区7的下端(即Te扩散前端)存在于扩散浓度分布调整层5内，并且不存在于光接收层4内。在n型扩散区7的下端处(Te扩散前端)，由n型扩散区7和扩散浓度分布调整层5形成pn结15。
n型扩散区7具有在垂直于第三主表面6A的方向上的Te的浓度分布。具体地，在扩散浓度分布调整层5上的n型扩散区7中的Te浓度例如是大于或等于4×1016cm-3且小于或等于1×1021cm-3，并且提供为从与接触层6的界面向下降低。而且，在接触层6上，n型扩散区7中的Te浓度例如是大于或等于1×1021cm-3且小于或等于3×1021cm-3。特别地，在具有与扩散浓度分布调整层5的界面的接触层6的下部(第一InAs层6a)处，n型扩散区7中的Te浓度例如是大于或等于2×1021cm-3且小于或等于3×1021cm-3，并且在包括第三主表面6A的接触层6的上部(第二InAs层6b)处例如是大于或等于1×1021cm-3且小于或等于3×1021cm-3。
p型电极(未示出)形成在基础衬底1的第二主表面1B上。此外，n型电极11在多个n型扩散区7的每一个上形成在接触层6的第三主表面6A上。p型电极与基础衬底1欧姆接触，并且n型电极11与接触层6中的n型扩散区7欧姆接触。p型电极仅需例如由Ti/Pt/Au合金等制成。n型电极11仅需例如由Au/Ge/Ni等制成。钝化膜12形成在第三主表面6A中没有形成n型电极11的区域处。钝化膜12例如可以由SiO2或SiN制成。
以下将说明制造根据本实施例的半导体器件的方法。
首先，制备基础衬底1(步骤(S10))。基础衬底1是GaSb衬底，并且通过以诸如锌(Zn)的p型杂质掺杂而具有p型导电性。
随后，将基础衬底1置于MOVPE生长室中以生长缓冲层3(步骤(S20))。具体地，由GaSb制成的缓冲层3形成在基础衬底1上。在被步骤(S20)中，通过全有机MOVPE方法生长缓冲层3。对于Ga的原料来说，可以采用TEGa(三乙基镓)，TMGa(三甲基镓)等等。对于Sb(锑)的原料来说，可以采用TMSb(三甲基锑)，TESb(三乙基锑)，TIPSb(三异丙基锑)，TDMASb(三二甲基胺基锑)，TTBSb(三叔丁基锑)等。
随后，生长光接收层4(步骤(S30))。具体地，通过全有机MOVPE方法形成包括InSb层4c的InAs/GaSb多量子阱结构。即，在步骤(S30)中，在不采用无机金属气体的情况下，采用有机金属气体作为原料气体生长光接收层4。对于In的原料来说，可以采用TEIn(三乙基铟)，TMIn(三甲基铟)等。对于As的原料来说，可以采用TBAs(叔丁基胂)，TMAs(三甲基胂)等。
优选地，InAs/GaSb多量子阱结构的生长温度被设定为大于或等于430℃且小于或等于550℃。当生长温度被设定为大于或等于430℃时，可以有效分解上述原料气体。此外，当生长温度被设定为大于或等于430℃时，已分解的原子完全迁移，并且因此光接收层4可以以良好结晶度生长。另一方面，当生长温度被设定为大于550℃时，会劣化混入的锑(Sb)的效率。而且，在InAs/GaSb多量子阱结构包括与根据本实施例的半导体器件相同的InSb层4c的情况下，希望将生长温度设定为小于或等于500℃。当生长温度大于500℃时，难以生长具有527℃的低熔点的InSb。通过将生长温度设定为小于或等于500℃，即，设定为足够低于InSb的熔点的温度，可以形成具有高结晶度的InSb层4c的光接收层4。因此，InSb层4c可以完全展现出应力补偿功能，并且可以抑制光接收层4内出现错配位错。
虽然在本步骤(S30)中通过重复生长InAs层4b，GaSb层4a以及InSb层4c形成具有多量子阱结构的光接收层4，但是优选的是在预定定时中断生长。
具体地，优选的是在InAs层4b生长之后并且在GaSb层4a生长之前，通过停止用于生长InAs层4b的原料气体的供应，同时持续对生长室抽真空而提供第一生长间断时段。在第一生长间断时段经过之后，开始生长GaSb层4a。这可以抑制用于生长InAs层4b的包含砷(As)的原料气体在生长InAs层4b的步骤之后执行生长GaSb层4a或InSb层4c的步骤中残留在生长室中，并导致As结合进GaSb层4a或InSb层4c。由此，可以防止GaSb层4a或InSb层4c经受非故意应力，并且可以降低光接收层4中的晶体缺陷。第一生长间断时段优选被设定为大于或等于3秒并且小于或等于25秒。当第一生长间断时段被设定为大于或等于3秒时，可以抑制As结合进GaSb层4a或InSb层4c。当第一生长间断时段被设定为小于或等于25秒时，可以抑制As从InAs层4b分解。注意到用于生长GaSb层4a的包含Sb的原料气体可以在第一生长间断时段的至少一部分中供应进生长室。由此，可以更有效抑制As结合进GaSb层4a。
此外，优选在生长InSb层4c之后并且在生长InAs层4b之前，通过停止用于生长InSb层4c的原料气体的供应，同时持续对生长室抽真空而提供第二生长间断时段。这时，优选的是在第二生长间断时段的至少一部分中通入用于生长InAs层4b的包含As的原料气体。这里，Sb往往由于表面活化效应而在InSb层4c的表面或界面上分离。因此，为了保护InSb层4c或GaSb层4a的表面或界面，不可或缺的是在第二生长间断时段中在InSb层4c上提供包含Sb的原料气体。另一方面，通过在第二生长间断时段的至少一部分中供应包含As的原料气体，可以平稳地切换原料气体，并且可以在InSb层4c和InAs层4b之间的结界面处突然地改变成分。由此，可以增强光接收层4的结晶度。第二生长间断时段优选地例如被设定为大于或等于3秒且小于或等于25秒。当第二生长间断时段被设定为大于或等于3秒时，可以在InSb层4c和InAs层4b之间的结界面处突然地改变成分。此外，即使第二生长间断时段被设定为大于25秒时，时间上的增加对进一步提升结界面处成分的突变效果较小，并且因此考虑到生产量等，第二生长间断时段优选被设定为小于或等于25秒。
以此方式，可以形成具有II型InAs/GaSb多量子阱结构的光接收层4，其中层叠约100对量子阱，各为包括InSb层4c的InAs层4b/GaSb层4a。
随后，生长扩散浓度分布调整层5(步骤(S40))。具体地，由InAs制成的扩散浓度分布调整层5形成在光接收层4上。在本步骤(S40)中，通过全有机MOVPE方法生长扩散浓度分布调整层5。
随后，生长接触层6(步骤(S50))。具体地，由InAs制成的接触层6形成在扩散浓度分布调整层5上。在本步骤(S40)中，通过全有机MOVPE方法生长接触层6。
随后，形成n型扩散区7(步骤(S60))。具体地，作为n型杂质的Te经由扩散掩膜(未示出)选择性扩散进接触层6的第三主表面6A中。扩散掩膜例如是氮化硅(SiN)膜，并在第三主表面6A中将要形成n型扩散区7的区域上面具有开口(从不同观点来看，将要设置像素P的区域)。由此，多个n型扩散区7以预定间隔形成在半导体层层叠体2中。各个n型扩散区7形成为使得n型扩散区7的下端(即Te扩散前端)到达扩散浓度分布调整层5，而没有到达光接收层4，并且pn结形成在扩散浓度分布调整层5中。以此方式，形成包括了基础衬底1和半导体层层叠体2的半导体衬底10。
随后，形成p型电极和n型电极11(步骤(S70))。具体地，p型电极形成在基础衬底1的第二主表面1B上。此外，n型电极11在n型扩散区7上形成在接触层6的第三主表面6A上。可以通过任意膜沉积方法(例如光刻和真空蒸发或溅射膜沉积)形成各个电极。p型电极与基础衬底1欧姆接触，并且n型电极11与接触区6中的n型扩散区7欧姆接触。随后，钝化膜12形成为覆盖第三主表面6A上的其中没有形成n型电极11的区域。这里，可以在不移除扩散掩膜的情况下形成钝化膜12，以避免额外的表面污染。因此，可以获得根据本实施例的用作光接收器件的半导体器件100。
随后，将参考图4说明包括了根据本实施例的半导体器件100的光学传感器装置200。通过接合半导体器件100和用作读出电路(读出集成电路：ROIC)的CMOS(互补金属氧化物半导体)110而构成光学传感器装置200。具体地，半导体器件100的n型电极11经由凸块51与CMOS 110的读出电极111电连接。在光学传感器装置200中，半导体器件100构成一个像素P。根据本实施例的光学传感器装置200例如如上所述操作。通过对半导体器件100的p型电极和n型电极11施加反向偏压，从pn结15延伸的耗尽层形成在光接收层4内。当具有比光接收层4的带隙能量高的能量的光从基础衬底1一侧入射在光接收层4上时，产生电子空穴对，并且空穴漂移至p型电极，而电子漂移至n型电极11。已经到达n型电极11的电极经由读出电极111由CMOS 110读出，并且根据其电荷量确定光强度。由此可以获得图像。
随后，将说明根据本实施例的半导体器件100的功能和效果。
根据本实施例的半导体器件100包括具有由GaSb层4a，InAs层4b以及InSb层4c构成的II型量子阱结构的光接收层4，并且光接收层4通过全有机MOVPE方法形成。因此，光接收层4具有高结晶度和较少晶体缺陷。因此，在根据本实施例的半导体器件100中，可以降低经由晶体缺陷而在光接收层4中产生生成电流。此外，在根据本实施例的半导体器件100中，因为通过全有机MOVPE方法精确控制构成光接收层4的GaSb层4a，InAs层4b以及InSb层4c的膜厚，因此光接收层4可以具有预定截止波长。
由此，在根据本实施例的半导体器件100中，可以在半导体器件100的温度被设定为-140℃，在60mV的反向偏压施加至p型电极和n型电极11，同时将光接收层4的截止波长设定为约5μm时实现小于或等于1×10-4A/cm2的暗电流密度。而且，在根据本实施例的半导体器件100中，可以在-196℃的温度下施加60mV的反向偏压时实现小于或等于1×10-8A/cm2的暗电流密度。
而且，在光接收层4中，将InSb(晶格常数：0.646nm)层4c的膜厚控制为约大于或等于0.4ML且小于或等于2ML。这可以防止由于包括GaSb(晶格常数：0.609nm)层4a和InAs(晶格常数：0.606nm)层4b的光接收层4和由GaSb制成的基础衬底1或缓冲层3之间的晶格常数差异造成的应变松弛。因此，可以有效抑制将诸如位错的晶体缺陷引入GaSb层4a和InAs层4b。
虽然光接收层4的截止波长在本实施例中被设定为约5μm，但是光接收层4的截止波长不限于此。例如，当光接收层4具有多量子阱结构时，光接收层4的截止波长可以通过控制半导体层的组合、膜厚、组成等被设定为预定值。例如，通过将GaSb层4a的膜厚设定为2nm并且将InAs层4b的膜厚设定为2nm而将光接收层4的截止波长设定为约3μm。而且在这种情况下，光接收层4具有较少晶体缺陷，并且因此可以抑制生成电流。因此，可以在-140℃的温度下施加60mV的反向偏压时实现小于或等于5×10-5A/cm2的暗电流密度，并且在-196℃的温度下施加60mV的反向偏压时实现小于或等于1×10-8A/cm2的暗电流密度。
此外，例如，通过将GaSb层4a的膜厚设定为4nm并且将InAs层4b的膜厚设定为4nm而将光接收层4的截止波长设定为约8μm。同样在这种情况下，光接收层4具有较少晶体缺陷，并且因此可以抑制生成电流。因此，可以在-140℃的温度下施加60mV的反向偏压时实现小于或等于1×10-1A/cm2的暗电流密度，并且在-196℃的温度下施加60mV的反向偏压时实现小于或等于1×10-5A/cm2的暗电流密度。
而且，虽然在本实施例中通过全有机MOVPE方法形成光接收层4，但是光接收层4例如可以通过原料中包含氢化物的常规金属有机气相外延方法或MBE方法形成，尽管致使更高质量的生长条件受到限制。而且在这种情况下，可以减少光接收层4中的晶体缺陷，并且因此可以抑制生成电流并可以降低暗电流。
而且，虽然在本实施例中的半导体器件100构成为平面型光接收器件，但是半导体器件100不限于此。例如通过采用干蚀刻或湿蚀刻执行器件分离而将半导体器件100构成为平台型光接收器件。当半导体器件100构成为平台型光接收器件时，例如可以通过在平面型光接收器件中扩散Te或通过在生长过程中掺杂诸如Te或Si的杂质而形成n型层(例如InAs)。
虽然已经说明了本发明的实施例，但是应当理解本文公开的实施例在各个方面都是说明性而非限制性的。本发明的范围由权利要求的范围定义，并且旨在涵盖处于等效于权利要求范围的范围和含义下的任何变型。

Claims (12)

1.一种半导体器件，所述半导体器件包括半导体层层叠体，所述半导体层层叠体中层叠有多个半导体层，
所述半导体层层叠体包括光接收层，
所述光接收层通过金属有机气相外延方法生长，
所述光接收层具有大于或等于3μm且小于或等于8μm的截止波长，
当在-140℃的温度下施加60mV的反向偏压时，所述半导体器件具有小于或等于1×10-1A/cm2的暗电流密度。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述光接收层具有多量子阱结构。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中
所述光接收层具有II型多量子阱结构，并且
所述多量子阱的一个周期包括至少锑化镓和砷化铟。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的半导体器件，其中，所述光接收层具有小于或等于1×1016cm-3的碳浓度。
5.一种半导体器件，所述半导体器件包括半导体层层叠体，所述半导体层层叠体中层叠有多个半导体层，
所述半导体层层叠体包括光接收层，
所述光接收层具有大于或等于3μm且小于或等于8μm的截止波长，
当在-140℃的温度下施加60mV的反向偏压时，所述半导体器件具有小于或等于1×10-4A/cm2的暗电流密度。
6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中
所述光接收层具有大于或等于3μm且小于或等于5μm的截止波长，并且
当在-140℃的温度下施加60mV的反向偏压时，所述半导体器件具有小于或等于5×10-5A/cm2的暗电流密度。
7.根据权利要求5所述的半导体器件，其中
所述光接收层具有大于或等于3μm且小于或等于6μm的截止波长，并且
当在-196℃的温度下施加60mV的反向偏压时，所述半导体器件具有小于或等于1×10-8A/cm2的暗电流密度。
8.根据权利要求5所述的半导体器件，其中
所述光接收层具有大于或等于6μm且小于或等于8μm的截止波长，以及
当在-196℃的温度下施加60mV的反向偏压时，所述半导体器件具有小于或等于1×10-5A/cm2的暗电流密度。
9.根据权利要求5至8中的任一项所述的半导体器件，其中，所述光接收层具有多量子阱结构。
10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中
所述光接收层具有II型多量子阱结构，并且
所述多量子阱的一个周期包括至少锑化镓和砷化铟。
11.根据权利要求5至8中的任一项所述的半导体器件，其中，所述光接收层具有小于或等于1×1016cm-3的碳浓度。
12.根据权利要求5至8中的任一项所述的半导体器件，其中，所述光接收层通过金属有机气相外延方法生长。
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