JP2008078261A - Semiconductor photodetector and manufacturing method therefor - Google Patents

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Kohei Miura
広平 三浦
Nobuyuki Mitsui
伸行 光井
Hiroshi Inada
博史 稲田
Yoichi Nagai
陽一 永井
Yasuhiro Inoguchi
康博 猪口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor photodetector, having a light-receiving layer which provides a wide detecting sensitivity in the long-wavelength zone and suppresses dark current by reducing defect density, and to provide its manufacturing method. <P>SOLUTION: The semiconductor photodetector is provided with an InP substrate 11, an In<SB>x</SB>Ga<SB>1-x</SB>As buffer layer 12 (0≤x≤1) and a light-receiving layer 13 which is positioned on the In<SB>x</SB>Ga<SB>1-x</SB>As buffer layer 12 and contains nitrogen. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体受光素子およびその製造方法に関し、より具体的には光通信用の長波長域の半導体受光素子およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor light-receiving element and a method for manufacturing the same, and more specifically to a long-wavelength semiconductor light-receiving element for optical communication and a method for manufacturing the same.

夜間の監視カメラに用いるセンサ、食品の非破壊検査には近赤外光を感知できる受光素子が用いられる。このような受光素子としては、InP基板上に成長された格子整合InGaAs層を受光層に用いたものがあり、波長0.9〜1.7μmの近赤外光を感知できる。しかし上述の用途にはより長波長域の近赤外光(波長2〜3μm)を感知できることが望ましい。これら長波長域用の受光素子の一つに、受光層に歪InGaAs層を用い、InP基板との格子不整合から発生する結晶欠陥を減らすために歪バッファ層を用いることが提案されている(特許文献1)。また、長波長の近赤外光を検出する受光素子として、受光層にGaInNAsを用いたものが提案されている(特許文献2)。上記の受光素子によれば、長波長域の光を検出することが可能となる。
特開2002−373999号公報 特開平9−219563号公報
Sensors used for night surveillance cameras and non-destructive inspection of foods use light-receiving elements that can detect near-infrared light. As such a light receiving element, there is one using a lattice-matched InGaAs layer grown on an InP substrate as a light receiving layer, and can detect near infrared light having a wavelength of 0.9 to 1.7 μm. However, it is desirable to detect near-infrared light (wavelength: 2 to 3 μm) in a longer wavelength region for the above-mentioned application. One of these long-wavelength light-receiving elements has been proposed to use a strained InGaAs layer as the light-receiving layer and a strain buffer layer to reduce crystal defects caused by lattice mismatch with the InP substrate ( Patent Document 1). As a light receiving element for detecting long-wavelength near-infrared light, a light receiving layer using GaInNAs has been proposed (Patent Document 2). According to the light receiving element, it is possible to detect light in a long wavelength region.
JP 2002-373999 A JP-A-9-219563

しかしながら、上記特許文献1に開示された受光素子は、歪緩和のために歪バッファ層を用いても、エピタキシャル成長中に格子定数を変えることになり、このため、歪バッファ層の成長中に結晶欠陥の発生を避けることができない。この結果、結晶欠陥密度が高いことに起因して、暗電流およびノイズが大きくなり、感度が劣化する。   However, the light receiving element disclosed in Patent Document 1 changes the lattice constant during epitaxial growth even if a strain buffer layer is used for strain relaxation. Therefore, crystal defects are generated during the growth of the strain buffer layer. Can not be avoided. As a result, the dark current and noise increase due to the high crystal defect density, and the sensitivity deteriorates.

一方、特許文献2に開示された受光素子には、次の問題が付随する。(1);GaInNAs系膜のエピタキシャル成長には、炭素などの不純物の混入の少ないMBE(Molecular
Beam Epitaxy:分子線エピタキシャル成長)法を用いることが望ましい。しかし、MBE法では、排気系の問題からPを含むエピタキシャル層の成長が難しくなる。すなわち成長ごとにMBE装置の内壁に付着するP化合物等を取り除かないと、エピタキシャル成長を繰り返し安定して実現するように制御することが困難となる。上記のP化合物等の取り除きのために、常にメンテナンスのコストが嵩むことになる。
On the other hand, the light receiving element disclosed in Patent Document 2 has the following problems. (1); For epitaxial growth of GaInNAs-based films, MBE (Molecular
It is desirable to use a beam epitaxy method. However, the MBE method makes it difficult to grow an epitaxial layer containing P due to the problem of the exhaust system. That is, unless the P compound or the like adhering to the inner wall of the MBE apparatus is removed for each growth, it becomes difficult to control the epitaxial growth so as to be realized repeatedly and stably. Maintenance costs are always increased due to the removal of the P compound and the like.

(2);上記の(1)の理由のために、InP基板とGaInNAs系受光層との間のバッファ層には、InP層ではなくAlInAs層が用いられる場合が多い。MBE法を用いる場合、GaInNAs受光層を形成するに際し、GaInNAs系の原料の一つである窒素は、プラズマの形態で供給される。プラズマは発生に数分間程度の時間が必要であるため、GaInNAs受光層の成長に先立って発生させておく必要がある。その理由は、GaInNAs受光層の前に成膜させたエピタキシャル層たとえばバッファ層では、放置時間が数分間に及ぶと時間経過とともに表面が粗くなるからである。このため、GaInNAs受光層の下地層となるバッファ層を成長させている間に励起用セル内で窒素プラズマを発生させておかなければならない。窒素プラズマを成長槽に連結されたセル内に封じ込めておこうとしても通常のゲートバルブなどでは微小なリークを防止することはできず、完全に閉じ込めるには大掛かりな装置になる。すなわち通常のMBE装置を用いる場合、励起された窒素が成長槽内に洩れ出ることになる。このためバッファ層は窒素雰囲気内で成長され、窒素の混入が避けられない。   (2); For the reason (1) above, an AlInAs layer is often used instead of the InP layer for the buffer layer between the InP substrate and the GaInNAs light-receiving layer. When the MBE method is used, nitrogen, which is one of GaInNAs-based materials, is supplied in the form of plasma when forming the GaInNAs light-receiving layer. Since plasma requires several minutes for generation, it must be generated prior to the growth of the GaInNAs light-receiving layer. This is because the surface of the epitaxial layer formed before the GaInNAs light-receiving layer, for example, the buffer layer, becomes rough as time passes for several minutes. For this reason, it is necessary to generate nitrogen plasma in the excitation cell while the buffer layer serving as the underlayer of the GaInNAs light receiving layer is grown. Even if nitrogen plasma is confined in a cell connected to the growth tank, a normal gate valve or the like cannot prevent a minute leak, and it becomes a large-scale apparatus for complete confinement. That is, when using a normal MBE apparatus, the excited nitrogen leaks into the growth tank. For this reason, the buffer layer is grown in a nitrogen atmosphere, and it is inevitable that nitrogen is mixed therein.

またGaInNAs層の成膜にMOVPE(Metalorganic
Vapor Phase Epitaxy:有機金属気相成長)法を用いる場合においても、バッファ層の表面荒れを防ぐには、バッファ層を成膜後に時間をおかずにGaInNAs受光層の形成のため、アンモニア、ジメチルヒドラジン等の窒素原子を含む原料ガスを成長槽内に流すため、バッファ層内に窒素の混入が避けられない。他の成膜方法を用いた場合でも、バッファ層内に窒素が混入する点に関して類似している。
Also, MOVPE (Metalorganic) is used to form GaInNAs layers.
Even when using the Vapor Phase Epitaxy method, ammonia, dimethylhydrazine, etc. can be used to prevent the surface roughness of the buffer layer to form a GaInNAs light-receiving layer without taking time after forming the buffer layer. Since the source gas containing nitrogen atoms is flowed into the growth tank, it is inevitable that nitrogen is mixed into the buffer layer. Even when other film forming methods are used, the buffer layer is similar in that nitrogen is mixed.

バッファ層にAlInAs層を用いた場合、上記の窒素の混入によりバッファ層中にアルミ窒化物(AlN)などが形成され、エピタキシャル層に欠陥が導入され、欠陥密度が上昇する。その結果、バッファ層上に成膜されたGaInNAs層にも高密度の結晶欠陥が引き継がれて、暗電流を増大させる。   When an AlInAs layer is used for the buffer layer, aluminum nitride (AlN) or the like is formed in the buffer layer due to the mixing of nitrogen, defects are introduced into the epitaxial layer, and the defect density is increased. As a result, high-density crystal defects are inherited also in the GaInNAs layer formed on the buffer layer, and dark current is increased.

本発明は、まず結晶性の良好な受光層を歩留りよく形成することができるバッファ層を持つ半導体受光素子およびその製造方法を提供することを目的とし、とくに長波長域の光を受光するために窒素を含みながら、暗電流が小さい受光層を可能とするバッファ層を持つ半導体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。   An object of the present invention is to provide a semiconductor light-receiving element having a buffer layer that can form a light-receiving layer with good crystallinity with a high yield, and a method for manufacturing the same, particularly for receiving light in a long wavelength region. An object of the present invention is to provide a semiconductor light-receiving element having a buffer layer that enables a light-receiving layer with a low dark current while containing nitrogen, and a method for manufacturing the same.

本発明の半導体受光素子は、InP基板と、InP基板上に位置するInGa1−xAsバッファ層(0≦x≦1)と、InGa1−xAsバッファ層上に位置する、窒素を含む化合物半導体の受光層とを備えることを特徴とする。 The semiconductor light receiving device of the present invention, and the InP substrate, In x Ga 1-x As buffer layer located on an InP substrate and (0 ≦ x ≦ 1), located in the In x Ga 1-x As buffer layer, And a light-receiving layer of a compound semiconductor containing nitrogen.

この構成により、長波長域の近赤外受光素子において大きな障害となっていた問題を解決することができる。その問題とは、(1)InP層の成長に伴う炉壁へのPの付着、および(2)受光層の検出限界を長波長域に拡大するために用いる元素Nを用いる際のバッファ層の結晶欠陥密度の上昇、の2点である。(1)の問題とは、バッファ層にInP層を用いた場合、MBE装置の内壁(炉壁)にPが付着して堆積し、メンテナンス等でMBE装置を大気開放したときにPが自然発火するので、除去に大掛かりな設備を要することを指す。また(2)の問題とは、既述したように、窒素を含む化合物半導体受光層を形成する際に、バッファ層形成時に窒素を予め励起しておく必要があるが、たとえば窒素と結合力の強いAlなどを含むAlInAsバッファ層の場合、窒素がそのAlInAsバッファ層に混入して異物といえる結晶を生成してバッファ層の結晶性を大きく劣化させる品質劣化要因をさす。そのような結晶性の劣るバッファ層上にエピタキシャル成長した受光層は、高い結晶欠陥密度をバッファ層から引き継ぎ、暗電流が大きくなる。   With this configuration, it is possible to solve the problem that has been a major obstacle in the near-infrared light receiving element in the long wavelength region. The problems are (1) adhesion of P to the furnace wall accompanying the growth of the InP layer, and (2) the buffer layer when using the element N used to extend the detection limit of the light receiving layer to the long wavelength region. Two points are the increase in crystal defect density. The problem of (1) is that when an InP layer is used for the buffer layer, P adheres and accumulates on the inner wall (furnace wall) of the MBE device, and P spontaneously ignites when the MBE device is opened to the atmosphere for maintenance or the like. Therefore, it means that large equipment is required for removal. The problem (2) is that, as described above, when forming a compound semiconductor light receiving layer containing nitrogen, it is necessary to excite nitrogen in advance when forming the buffer layer. In the case of an AlInAs buffer layer containing strong Al or the like, nitrogen is mixed into the AlInAs buffer layer to generate a crystal that can be regarded as a foreign substance, which indicates a quality deterioration factor that greatly deteriorates the crystallinity of the buffer layer. The light-receiving layer epitaxially grown on such a buffer layer with poor crystallinity inherits a high crystal defect density from the buffer layer, and the dark current increases.

上記の(1)および(2)は、バッファ層をInGa1−xAsとすることにより、ともに解決することができる。また、上記の受光層を、窒素を含む化合物半導体とすることにより、赤外光の検出限界を長波長域に拡大することができる。上記InGa1−xAsバッファ層は、(1)のPの問題を解決するためにだけ用いても、もちろん十分有益である。すなわち窒素を含む化合物半導体の受光層を用いない場合であっても、Pを用いないバッファ層の材料選択の自由度を拡大する意味において、十分有益である。 The above (1) and (2) can be solved by using In x Ga 1-x As as the buffer layer. Moreover, the detection limit of infrared light can be extended to a long wavelength region by using the light receiving layer as a compound semiconductor containing nitrogen. Of course, the above In x Ga 1-x As buffer layer is sufficiently useful even if it is used only to solve the P problem of (1). That is, even when the light-receiving layer of the compound semiconductor containing nitrogen is not used, it is sufficiently useful in terms of expanding the degree of freedom in selecting the material of the buffer layer not using P.

また上記の窒素を含む受光層を、GaIn1−yAsSb1−z−w(0<z≦1、0≦y≦1、0≦w<1)またはGaIn1−yAs1−z−w(0<z≦1、0≦y≦1、0≦w<1)で形成してもよい。この構成により、検出可能な赤外光の長波長側の限界をさらに拡大することができる。とくにSbを含むGaIn1−yAsSb1−z−w(0<z<1、0≦y≦1、0≦w<1)を用いた場合、受光層自身が表面平坦性に優れたものとなるため、エピタキシャル積層全体の結晶性を優れたものとすることができる。またPを含むGaIn1−yAs1−z−w(0<z<1、0≦y≦1、0≦w<1)の場合、Sbを含む受光層ほどではないが、Pを含まないGaInNAs受光層に比べて、表面平坦性を改善することができる。 In addition, the above light-receiving layer containing nitrogen is formed by using Ga y In 1-y N z As w Sb 1-zw (0 <z ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ w <1) or Ga y In 1. -y N z As w P 1- z-w may be formed by (0 <z ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ w <1). With this configuration, the limit on the long wavelength side of detectable infrared light can be further expanded. In particular, when using Ga y In 1-y Nz As w Sb 1-z-w (0 <z <1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ w <1) containing Sb, the light receiving layer itself is flat. Therefore, the crystallinity of the entire epitaxial stack can be made excellent. Further, in the case of Py-containing Ga y In 1-y N z As w P 1-z-w (0 <z <1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ w <1), it is not as large as the light receiving layer containing Sb. However, the surface flatness can be improved as compared with a GaInNAs light-receiving layer containing no P.

上記のInGa1−xAsバッファ層の受光層側が窒素を含有していてもよい。InGa1−xAsバッファ層を用いることにより、たとえばMBE装置のセルのゲートバルブを大掛かりなものとせずに、窒素励起用のセルから窒素が洩れて、InGa1−xAsバッファ層内の受光層側の部分が窒素混入されても、バッファ層にAlInAsを用いた場合と比べてバッファ層および受光層の結晶欠陥密度の増大を抑制できる。MOVPE法による成膜でも同様である。 The light-receiving layer side of the In x Ga 1-x As buffer layer may contain nitrogen. By using the In x Ga 1-x As buffer layer, nitrogen leaks from the cell for nitrogen excitation without increasing the gate valve of the cell of the MBE device, for example, and the In x Ga 1-x As buffer layer Even if the portion on the light receiving layer side is mixed with nitrogen, an increase in the crystal defect density of the buffer layer and the light receiving layer can be suppressed as compared with the case where AlInAs is used for the buffer layer. The same applies to film formation by the MOVPE method.

上記のInGa1−xAsバッファ層における組成比xを厚み方向に変化させてもよい。この構成により、窒素のバッファ層への混入によるバッファ層の格子定数の変動(望ましくない)を、組成比xの調整により吸収することにより、バッファ層の格子定数の変動を低く抑えることができる。組成比xの厚み方向の変化は、一段または複数段のステップ状でもよいし、一定の勾配をもって直線状でもよいし、曲線状でもよい。またこれらを組み合わせた変化の仕方であってもよい。 The composition ratio x in the In x Ga 1-x As buffer layer may be changed in the thickness direction. With this configuration, the fluctuation (undesired) of the lattice constant of the buffer layer due to the mixing of nitrogen into the buffer layer is absorbed by adjusting the composition ratio x, whereby the fluctuation of the lattice constant of the buffer layer can be kept low. The change in the thickness direction of the composition ratio x may be a single step or a plurality of steps, may be linear with a constant gradient, or may be curved. Moreover, the method of the change which combined these may be sufficient.

上記のInGa1−xAsバッファ層の格子定数を、InP基板の格子定数の99.9%以上で、かつ100.1%以下になるように調整してもよい。これにより、バッファ層の格子定数は安定し、格子欠陥密度は低くなり、このため受光層の結晶性が向上し、暗電流を低くすることができる。 The lattice constant of the In x Ga 1-x As buffer layer may be adjusted to be 99.9% or more and 100.1% or less of the lattice constant of the InP substrate. As a result, the lattice constant of the buffer layer is stabilized and the lattice defect density is lowered, so that the crystallinity of the light receiving layer is improved and the dark current can be lowered.

本発明の半導体受光素子の製造方法は、InP基板上に、InGa1−xAsバッファ層(0≦x≦1)を形成する工程と、InGa1−xAsバッファ層上に、化合物半導体の受光層を形成する工程とを備えることを特徴とする。 The method of manufacturing a semiconductor light receiving device of the present invention, on an InP substrate, and forming In x Ga 1-x As buffer layer (0 ≦ x ≦ 1), the In x Ga 1-x As buffer layer, And a step of forming a light-receiving layer of a compound semiconductor.

この構成により、P化合物を原料に用いないため、歩留りを向上することができる。また窒素を含む化合物半導体の受光層を用いる場合に、結晶性に優れたバッファ層および受光層を確保できるので、暗電流を低くすることができる。また成膜方法または成膜装置の構成要素などはどのようなものであってもよい。たとえば成膜方法は、MOVPE法、MBE法などどのような方法を用いてもよいし、その成膜方法に応じて成膜装置を変えることができる。   With this configuration, since the P compound is not used as a raw material, the yield can be improved. Further, when a light-receiving layer of a compound semiconductor containing nitrogen is used, a buffer layer and a light-receiving layer having excellent crystallinity can be secured, so that dark current can be reduced. In addition, the film forming method or the components of the film forming apparatus may be anything. For example, any film formation method such as the MOVPE method or the MBE method may be used, and the film formation apparatus can be changed according to the film formation method.

上記の受光層を窒素を含む化合物半導体層とし、InGa1−xAsバッファ層を形成する工程中に、窒素を含む受光層を形成するために用意した窒素に、バッファ層を曝してもよい。これにより、受光層の検出限界波長を長波長側に拡大した上で、結晶性を良好にして暗電流を抑制することができる。すなわち、バッファ層の成膜後に時間をおかずに励起された窒素を用いて窒素を含む受光層を形成することができ、バッファ層からの特定元素の蒸発に起因する表面欠陥密度の上昇または表面性状の劣化を防止することができる。そして上記の励起された窒素のバッファ層への混入に対しては、窒素に対して安定性の高い(異物形成反応性の低い)InGa1−xAsをバッファ層に用いることで、良好な結晶性を確保することができる。上記のバッファ層および受光層は、連続して同じ成膜装置(炉)内で行われることを前提としているが、上述のように、成膜法、成膜装置についてはどのようなものを用いてもよい。 Even if the above light-receiving layer is a compound semiconductor layer containing nitrogen, and the In x Ga 1-x As buffer layer is formed, the buffer layer is exposed to nitrogen prepared for forming the light-receiving layer containing nitrogen. Good. Thereby, after extending the detection limit wavelength of a light reception layer to the long wavelength side, crystallinity can be made favorable and a dark current can be suppressed. That is, it is possible to form a light-receiving layer containing nitrogen using nitrogen excited in a short time after the formation of the buffer layer, and to increase the surface defect density or surface properties due to evaporation of a specific element from the buffer layer. Can be prevented. And with respect to mixing of the above excited nitrogen into the buffer layer, it is preferable to use In x Ga 1-x As that is highly stable to nitrogen (low in foreign matter formation reactivity) for the buffer layer. Crystallinity can be ensured. The buffer layer and the light receiving layer are assumed to be continuously performed in the same film forming apparatus (furnace), but as described above, what kind of film forming method and film forming apparatus are used. May be.

本発明によれば、結晶性の良好な受光層を歩留りよく形成可能にする半導体受光素子を提供することができ、とくに長波長域の光を受光するために窒素を含みながら、暗電流が小さい受光層を持つ半導体受光素子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor light receiving element capable of forming a light receiving layer having good crystallinity with a high yield, and in particular, a dark current is small while containing nitrogen for receiving light in a long wavelength region. A semiconductor light receiving element having a light receiving layer can be provided.

次に図面を用いて本発明の実施の形態および実施例について説明する。図1は、本発明の実施の形態における半導体受光素子を説明するためのエピタキシャル積層構造を示す図である。InP基板11上に、InGaAsバッファ層12が用いられ、その上に受光層13が形成され、受光層13上に窓層14が設けられている。バッファ層にInGaAs層12を用いることにより、炉壁に付着して問題を生じやすいP(バッファ層にInP等を用いる場合)を用いなくてすみ、Nを含む化合物半導体の受光層を形成する場合に結晶欠陥を生じやすいAl(バッファ層にAlInAs等を用いる場合)を用いないですむ。このため、高品質の半導体受光素子を高歩留りで提供するために、バッファ層の材料選択の自由度を拡大することができる。この場合、エピタキシャル成長方法は、MBE法、MOVPE法など任意の方法を用いることができる。   Next, embodiments and examples of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an epitaxial multilayer structure for explaining a semiconductor light receiving element in an embodiment of the present invention. An InGaAs buffer layer 12 is used on the InP substrate 11, a light receiving layer 13 is formed thereon, and a window layer 14 is provided on the light receiving layer 13. When the InGaAs layer 12 is used for the buffer layer, it is not necessary to use P (in the case where InP or the like is used for the buffer layer) which is liable to adhere to the furnace wall, and a compound semiconductor light-receiving layer containing N is formed. In this case, it is not necessary to use Al (when AlInAs or the like is used for the buffer layer), which is likely to cause crystal defects. For this reason, in order to provide a high-quality semiconductor light-receiving element with a high yield, the degree of freedom in selecting a material for the buffer layer can be expanded. In this case, the epitaxial growth method can be any method such as MBE method or MOVPE method.

図2は、本発明の別の実施の形態の半導体受光素子を説明するためのエピタキシャル積層構造を示す図である。図1と比較して、バッファ層12に窒素を含有する層12aがある点が相違する。上述のように、InGaAs層は、窒素との異物形成反応性が比較的低い。すなわち窒素は、結晶構造を組んでいるInGaAsの中から特定の元素を選択して反応して、InGaAs結晶中に異結晶を形成する傾向が低い。このため、MBE法の場合、InGaAsバッファ層を形成しているとき、Nを励起するセルからの洩れを気にすることなくNの励起をNセル内で始めておくことができる。InGaAsバッファ層内にNセルから洩れた励起状態のNが混入しても、InGaAsバッファ層の格子定数を小さくするだけである(バッファ層の格子定数を一定にするための対策はこのあと説明する)。また、MOVPE法の場合に、InGaAsバッファ層を形成している段階で、原料供給バルブを切り換えてN原料を流し始め、その結果、窒素がInGaAsバッファ層に混入しても、MBE法と同様の現象が生じるだけである。   FIG. 2 is a diagram showing an epitaxial multilayer structure for explaining a semiconductor light receiving element according to another embodiment of the present invention. Compared to FIG. 1, the buffer layer 12 is different in that there is a layer 12 a containing nitrogen. As described above, the InGaAs layer has a relatively low foreign matter formation reactivity with nitrogen. That is, nitrogen has a low tendency to form a different crystal in the InGaAs crystal by reacting by selecting a specific element from InGaAs having a crystal structure. Therefore, in the case of the MBE method, when the InGaAs buffer layer is formed, N excitation can be started in the N cell without worrying about leakage from the N excitation cell. Even if N in an excited state leaking from the N cell is mixed in the InGaAs buffer layer, the lattice constant of the InGaAs buffer layer is only reduced (a measure for making the lattice constant of the buffer layer constant will be described later). ). Further, in the case of the MOVPE method, at the stage where the InGaAs buffer layer is formed, the material supply valve is switched and the N material starts to flow. As a result, even if nitrogen is mixed into the InGaAs buffer layer, the same as the MBE method Only the phenomenon occurs.

図2に示すように、N含有InGaAsバッファ層12aをもつことは、すなわちバッファ層12の上にバッファ層形成後に時間をあけずに(表面から特定元素が蒸発する間をおかずに)Nを含む受光層13を形成したことを意味する。これは、表面平坦性に優れた状態のバッファ層12上にNを含む受光層13を形成したことを意味し、平坦性および結晶性に優れた受光層13が得られることを意味する。この結果、赤外光の長波長側の検出限界を拡大し、かつ暗電流を抑制することが可能となる。次に上記本発明の実施例について説明する。   As shown in FIG. 2, having an N-containing InGaAs buffer layer 12a includes N after the buffer layer is formed on the buffer layer 12 without leaving any time (without the specific element evaporating from the surface). It means that the light receiving layer 13 is formed. This means that the light-receiving layer 13 containing N is formed on the buffer layer 12 with excellent surface flatness, and that the light-receiving layer 13 having excellent flatness and crystallinity is obtained. As a result, the detection limit on the long wavelength side of infrared light can be expanded and dark current can be suppressed. Next, examples of the present invention will be described.

(実施例1)
図3は、実施例1における本発明例の半導体受光素子を説明するためのエピタキシャル積層構造を示す図である。MBE成長により図3のようなフォトダイオード用エピタキシャル積層結晶を形成した。基板は、(001)面を有する2インチのSドープInP基板11を用いた。エピタキシャル成長の原料には、固体Ga,In,Al,As,Siと、ECR窒素ラジカルを用いた。各層の成長温度は470℃で、成長速度は1.4μm/時間とした。バッファ層には、上記したようにInGaAs層12を使用した。InGaAs層12の膜厚は1.5μmであり、成長時にSiを供給してn導電型とした。キャリア濃度は5×1016cm−3とした。組成については、このあと説明する。
(Example 1)
FIG. 3 is a diagram showing an epitaxial multilayer structure for explaining the semiconductor light receiving element of the example of the present invention in Example 1. In FIG. An epitaxial laminated crystal for a photodiode as shown in FIG. 3 was formed by MBE growth. As the substrate, a 2-inch S-doped InP substrate 11 having a (001) plane was used. Solid Ga, In, Al, As, Si, and ECR nitrogen radicals were used as raw materials for epitaxial growth. The growth temperature of each layer was 470 ° C., and the growth rate was 1.4 μm / hour. As described above, the InGaAs layer 12 was used for the buffer layer. The film thickness of the InGaAs layer 12 was 1.5 μm, and Si was supplied during growth to be n-conductive type. The carrier concentration was 5 × 10 16 cm −3 . The composition will be described later.

次に、GaInNAs(GaIn1−yAs)からなる受光層13を成長した。受光層13の膜厚は2.5μmとした。Ga組成は17%(y=0.17)、In組成は83%(1−y=0.83)、N組成は10%(z=0.1)、As組成は90%(w=0.9)とし、InP基板に格子整合させている。ドーピングは行っていない。次に、(AlIn1−xAs)からなる窓層14を成長した。膜厚は0.6μmとし、In組成は52%(1−x=0.52)で、InP基板に格子整合させている。InGaAsバッファ層12には表面側にN含有InGaAs層12aが形成される。 Were then grown absorption layer 13 made of GaInNAs (Ga y In 1-y N z As w). The film thickness of the light receiving layer 13 was 2.5 μm. Ga composition is 17% (y = 0.17), In composition is 83% (1-y = 0.83), N composition is 10% (z = 0.1), As composition is 90% (w = 0) 9) and lattice-matched to the InP substrate. Doping is not performed. Next, the window layer 14 made of (Al x In 1-x As) was grown. The film thickness is 0.6 μm, the In composition is 52% (1−x = 0.52), and lattice matching is performed on the InP substrate. In the InGaAs buffer layer 12, an N-containing InGaAs layer 12a is formed on the surface side.

次に、InGaAsバッファ層12において、表面側(受光層側)にN含有InGaAs層12aが形成される原因について説明する。InGaAsバッファ層12とGaInNAs受光層13は、InGaAsバッファ層12のエピタキシャル層表面の荒れを防ぐために、バッファ層12から受光層13への成長切り換え時に中断はおかず、連続して成長する。このため、InGaAsバッファ層12の成長途中でGaInNAs層13の成長時に使用するECR窒素ラジカルを発生させておく必要がある。その際、MBE装置に窒素ガスが流入するため、InGaAsバッファ層12の中でGaInNAs受光層13に接する領域は窒素雰囲気で成長されることになり、結晶に窒素が混入してN含有InGaAs層12aが生じる。本例では、図4に示すようにInGaAsバッファ層において、受光層13との界面から0.2μm以内の領域にNが混入している。Nの混入密度は約1.8×1020cm−3で、組成にして約0.92%に相当する。なお、N混入密度の単位は、個数/cmである。 Next, the reason why the N-containing InGaAs layer 12a is formed on the surface side (light receiving layer side) in the InGaAs buffer layer 12 will be described. The InGaAs buffer layer 12 and the GaInNAs light-receiving layer 13 are continuously grown without interruption when the growth is switched from the buffer layer 12 to the light-receiving layer 13 in order to prevent the surface of the epitaxial layer of the InGaAs buffer layer 12 from being rough. For this reason, it is necessary to generate ECR nitrogen radicals used during the growth of the GaInNAs layer 13 during the growth of the InGaAs buffer layer 12. At this time, since nitrogen gas flows into the MBE device, a region of the InGaAs buffer layer 12 that is in contact with the GaInNAs light-receiving layer 13 is grown in a nitrogen atmosphere. Nitrogen is mixed into the crystal, and the N-containing InGaAs layer 12a. Occurs. In this example, as shown in FIG. 4, in the InGaAs buffer layer, N is mixed in a region within 0.2 μm from the interface with the light receiving layer 13. The mixing density of N is about 1.8 × 10 20 cm −3 , which corresponds to about 0.92% in composition. The unit of N mixing density is the number / cm 3 .

InGaAs(InGa1−xAs)中に窒素が0.92%混入すると、InP基板との格子定数差は約0.21%小さくなる。これを相殺するために、InGaAs(InGa1−xAs)バッファ層12のInおよびGaの組成を図5に示すように、厚さ方向に変化させた。InGaAsバッファ層12aにおいて、窒素を含有していない領域ではIn組成を53%(x=0.53)、Ga組成を47%(1−x=0.47)とし、窒素を含有する領域ではIn組成を55.5%(x=0.555)、Ga組成を44.5%(1−x=0.445)とした。 When 0.92% of nitrogen is mixed in InGaAs (In x Ga 1-x As), the difference in lattice constant from the InP substrate is reduced by about 0.21%. In order to cancel this, the composition of In and Ga in the InGaAs (In x Ga 1-x As) buffer layer 12 was changed in the thickness direction as shown in FIG. In the InGaAs buffer layer 12a, the In composition is 53% (x = 0.53) and the Ga composition is 47% (1-x = 0.47) in the region not containing nitrogen, and In is contained in the region containing nitrogen. The composition was 55.5% (x = 0.555), and the Ga composition was 44.5% (1-x = 0.445).

InGaAsバッファ層12のInP基板11との格子定数差Δa/aを計算した。Δa/aの計算方法の概要は以下のとおりである。(1)各層の組成からベガード則に従い格子定数を計算する、(2)バッファ層の格子定数とInP基板の格子定数から格子定数差Δa/aを計算する。本実施例におけるInGaAsバッファ層のΔa/aは、図5に示すとおり±0.1%以内であった。   The lattice constant difference Δa / a between the InGaAs buffer layer 12 and the InP substrate 11 was calculated. The outline of the calculation method of Δa / a is as follows. (1) The lattice constant is calculated from the composition of each layer according to Vegard's law. (2) The lattice constant difference Δa / a is calculated from the lattice constant of the buffer layer and the lattice constant of the InP substrate. Δa / a of the InGaAs buffer layer in this example was within ± 0.1% as shown in FIG.

また上記の製作の流れと並行させて別に、InP基板11の上に,InGaAsバッファ層12(N含有InGaAs層12aを含む)、およびGaInNAs受光層13を成長させた段階で成長を中断したものを製作した。そして、そのエピタキシャル積層構造についてフォトルミネッセンスを調べた。フォトルミネッセンススペクトルは波長3.0μmにピークがあった。これにより上記の受光層は、3.0μmまで検出感度があることを確認できた。   In addition to the above-described manufacturing flow, the growth was interrupted when the InGaAs buffer layer 12 (including the N-containing InGaAs layer 12a) and the GaInNAs light-receiving layer 13 were grown on the InP substrate 11. Produced. And the photoluminescence was investigated about the epitaxial laminated structure. The photoluminescence spectrum had a peak at a wavelength of 3.0 μm. Accordingly, it was confirmed that the light receiving layer had detection sensitivity up to 3.0 μm.

(比較例)
上記本発明例と同じように、MBE成長により図6に示すエピタキシャル構造を持つフォトダイオード用結晶を成長した。成長の詳細な、InGaAsバッファ層12をAlInAsバッファ層112に代えただけで(その結果、バッファ層112はN含有AlInAs112aを含む)、ほかの条件は本発明例と同様である。基板にInP基板111を用い、バッファ層112には、上述のように、AlIn1−xAsを使用した。In組成は52%(1−x=0.52)とした。膜厚は1.5μmであり、成長時にSiを供給してn導電型としている。キャリア濃度は5×1016cm−3とした。本発明例と同様に、AlInAsバッファ層112には、図6および図7に示すように、受光層113との界面から0.3μm以内の領域に窒素原子が混入している。N混入密度は約3.0×1020cm−3で、組成にして約1.5%に相当する。N含有AlInAs層112aのInP基板111との格子定数差Δa/aは、上述の計算に従うと、−0.34%となる。受光層113およびその受光層113の上に形成した窓層114の材料、組成、作製方法等の条件は、本発明例と同じとした。
(Comparative example)
As in the above-described example of the present invention, a photodiode crystal having the epitaxial structure shown in FIG. 6 was grown by MBE growth. The growth conditions are the same as in the example of the present invention except that the InGaAs buffer layer 12 is replaced with the AlInAs buffer layer 112 (as a result, the buffer layer 112 includes the N-containing AlInAs 112a). An InP substrate 111 was used as the substrate, and Al x In 1-x As was used for the buffer layer 112 as described above. The In composition was 52% (1-x = 0.52). The film thickness is 1.5 μm, and Si is supplied at the time of growth to be of n conductivity type. The carrier concentration was 5 × 10 16 cm −3 . Similarly to the example of the present invention, in the AlInAs buffer layer 112, as shown in FIGS. 6 and 7, nitrogen atoms are mixed in a region within 0.3 μm from the interface with the light receiving layer 113. The density of N contamination is about 3.0 × 10 20 cm −3 and corresponds to about 1.5% in terms of composition. The lattice constant difference Δa / a between the N-containing AlInAs layer 112a and the InP substrate 111 is −0.34% according to the above calculation. Conditions of the light receiving layer 113 and the window layer 114 formed on the light receiving layer 113 were the same as those of the present invention example.

(暗電流の測定)
本発明例および比較例のエピタキシャル積層結晶を用いて、ともに図8に示すようなPIN型フォトダイオード10を作製した。簡単にPIN型フォトダイオード10の作製方法を説明する。図3(本発明例)および図6(比較例)のエピタキシャル積層構造を作製したあと、窓層上にSiN膜18をプラズマCVD(PCVD)法により形成し、通常の写真製版、エッチング技術により、p型不純物を導入するための拡散窓または受光部領域を開孔する。次いで、このSiN膜18のパターンをマスクとして、受光部からp型不純物のZnを、窓層14を通りGaInNAs受光層13にまで導入することにより、p型領域15を形成する。p型領域15の形成により、GaInNAs受光層13の中にpn接合が形成される。
(Measurement of dark current)
A PIN photodiode 10 as shown in FIG. 8 was fabricated using the epitaxial multilayer crystals of the present invention and the comparative example. A method for manufacturing the PIN photodiode 10 will be briefly described. After producing the epitaxial laminated structure of FIG. 3 (invention example) and FIG. 6 (comparative example), a SiN film 18 is formed on the window layer by plasma CVD (PCVD) method, and by ordinary photolithography and etching techniques, A diffusion window or a light receiving portion region for introducing a p-type impurity is opened. Next, using the pattern of this SiN film 18 as a mask, p-type impurity Zn is introduced from the light-receiving portion through the window layer 14 to the GaInNAs light-receiving layer 13, thereby forming the p-type region 15. By forming the p-type region 15, a pn junction is formed in the GaInNAs light receiving layer 13.

次いで、SiN膜18の受光部領域およびSiN膜18を被覆するように、SiONなどのAR(Anti-Reflection)コート膜17を形成する。そして、レジスト膜パターン(図示せず)を用いて、p型領域の窓層14をエッチングして、GaInNAs受光層13にいたるコンタクトホール(図示せず)を開孔する。ついで蒸着法により、コンタクトホールを含むレジスト膜パターン上にTi/Pt/Auからなる電極用膜を形成する。ついでレジスト膜パターンとその上に堆積した電極用膜を除くことにより(リフトオフ)、p部電極32を得ることができる。上記のようにInP基板の第1の主面にエピタキシャル膜を積層したあと、第1の主面の反対側の第2の主面上にn部電極31を、AuGeNiにより形成する。上記の方法により、図8に示したPIN型フォトダイオード10を形成することができる。上記の受光部の受光径は30μmとした。   Next, an AR (Anti-Reflection) coat film 17 such as SiON is formed so as to cover the light receiving region of the SiN film 18 and the SiN film 18. Then, using a resist film pattern (not shown), the window layer 14 in the p-type region is etched to form a contact hole (not shown) leading to the GaInNAs light receiving layer 13. Next, an electrode film made of Ti / Pt / Au is formed on the resist film pattern including the contact hole by vapor deposition. Subsequently, the p-part electrode 32 can be obtained by removing the resist film pattern and the electrode film deposited thereon (lift-off). After the epitaxial film is stacked on the first main surface of the InP substrate as described above, the n-part electrode 31 is formed of AuGeNi on the second main surface opposite to the first main surface. The PIN photodiode 10 shown in FIG. 8 can be formed by the above method. The light receiving diameter of the light receiving part was 30 μm.

本発明例および比較例について作製した上記のフォトダイオード10について暗電流を測定した。測定結果を、図9に示す。図9によれば、本発明例のフォトダイオードは、比較例のフォトダイオードに比べて、暗電流が約二桁低減されている。以上を総合すると、本実施例における本発明例の半導体受光素子は、その検出感度範囲を3.0μmという長波長域まで確実に拡大できた上で、さらに暗電流を大幅に抑制できることが確認された。   The dark current was measured for the photodiode 10 manufactured for the inventive example and the comparative example. The measurement results are shown in FIG. According to FIG. 9, in the photodiode of the present invention, the dark current is reduced by about two orders of magnitude compared to the photodiode of the comparative example. In summary, it is confirmed that the semiconductor light-receiving element of the present invention example in this example can greatly expand the detection sensitivity range to a long wavelength region of 3.0 μm and further suppress dark current. It was.

(実施例2−GaInNAsSb受光層−)
実施例2では、実施例1の本発明例のGaInNAs受光層を、GaInNAsSb受光層に代えた点に特徴がある。まず、MBE成長により図10に示すようなエピタキシャル構造を持つフォトダイオード用結晶を成長した。InP基板11上にInGaAsバッファ層12を配置している点で、実施例1の本発明例と同様である。膜厚、ドーピング濃度についても実施例1と同様である。図11に示すとおり、InGaAsバッファ層12において、受光層13との界面から0.35μmの領域は、実施例1の本発明例と同様に、Nの混入によりN含有InGaAs層12aが形成されている。Nを含有しないInGaAs層の組成はIn53%(x=0.53)、Ga47%(1−x=0.47)とし、N含有InGaAs層12aでは、In55.9%(x=0.559)、Ga44.1%(1−x=0.441)とした。InP基板とのΔa/aの計算値は、図11に示すとおり±0.1%以内であった。
(Example 2-GaInNAsSb light-receiving layer)
Example 2 is characterized in that the GaInNAs light-receiving layer of Example 1 of the present invention in Example 1 is replaced with a GaInNAsSb light-receiving layer. First, a photodiode crystal having an epitaxial structure as shown in FIG. 10 was grown by MBE growth. The present embodiment is the same as the first embodiment of the present invention in that the InGaAs buffer layer 12 is disposed on the InP substrate 11. The film thickness and doping concentration are the same as in the first embodiment. As shown in FIG. 11, in the InGaAs buffer layer 12, the N-containing InGaAs layer 12 a is formed in the region of 0.35 μm from the interface with the light-receiving layer 13 by mixing N as in the present invention example of Example 1. Yes. The composition of the InGaAs layer not containing N is In 53% (x = 0.53) and Ga 47% (1-x = 0.47). In the N-containing InGaAs layer 12a, In 55.9% (x = 0.559) Ga44.1% (1-x = 0.441). The calculated value of Δa / a with the InP substrate was within ± 0.1% as shown in FIG.

次に、GaInNAsSb受光層(GaIn1−yAsSb1−z−w)13を成長した。Sbは原料に固体Sbを用い、組成は3%(1−z−w=0.03)とし、InP基板に格子整合するようIII族の組成を調整した。膜厚は2.5μmとした。ドーピングは行わない。次に、AlInAs窓層14を成長した。組成、膜厚は実施例1の本発明例と同様である。表面の1μm□のRMSラフネスは、実施例1における本発明例(GaInNAs受光層)のフォトダイオード用エピタキシャル積層膜の4.5オングストロームと比べて2.0オングストロームと平坦性が向上した。これは、GaInNAsSb受光層13を用いたために、受光層の表面性状が良好になり、受光層を下地とする窓層のラフネスが改善されたことを意味する。 Then, it was grown GaInNAsSb absorption layer (Ga y In 1-y N z As w Sb 1-z-w) 13. For Sb, solid Sb was used as a raw material, the composition was 3% (1-zw = 0.03), and the group III composition was adjusted so as to lattice match with the InP substrate. The film thickness was 2.5 μm. Doping is not performed. Next, an AlInAs window layer 14 was grown. The composition and film thickness are the same as those of the inventive example of Example 1. The RMS roughness of 1 μm square on the surface was improved to 2.0 angstroms as compared with 4.5 angstroms of the epitaxial laminated film for photodiodes of the example of the present invention (GaInNAs light receiving layer) in Example 1, and the flatness was improved. This means that since the GaInNAsSb light-receiving layer 13 is used, the surface properties of the light-receiving layer are improved, and the roughness of the window layer having the light-receiving layer as a base is improved.

この結晶を用いて図8に示すようなPIN型フォトダイオードを作製した。構造は実施例および比較例と同じであるので省略する。PIN型フォトダイオードについて暗電流を比較すると、図12に示すように、実施例1の本発明例の約1/5程度にまで暗電流が低減されていることが分かった。これは、上記したように、Sbを加えたことによって表面平坦性が改善をされ、それを反映した暗電流低減の効果である。   Using this crystal, a PIN photodiode as shown in FIG. 8 was produced. Since the structure is the same as that of the example and comparative example, the description is omitted. When comparing the dark current of the PIN type photodiode, it was found that the dark current was reduced to about 1/5 of the inventive example of Example 1 as shown in FIG. As described above, the surface flatness is improved by adding Sb, and this is an effect of reducing dark current.

また上記と並行させて別途、InP基板11の上にInGaAsバッファ層12(N含有InGaAs層12aを含む)、GaInNAsSb受光層13を成長させた段階で成長を中断したエピタキシャル積層構造を作製した。このエピタキシャル積層構造についてフォトルミネッセンスを調べたところ、フォトルミネッセンススペクトルは波長3.0μmにピークがあった。これにより、波長3.0μmまで検出感度があり、しかも暗電流も充分に小さい受光素子を実現することを確認することができた。   In parallel with the above, an epitaxial multilayer structure was fabricated in which the growth was interrupted when the InGaAs buffer layer 12 (including the N-containing InGaAs layer 12a) and the GaInNAsSb light-receiving layer 13 were grown on the InP substrate 11 separately. When photoluminescence was examined for this epitaxial multilayer structure, the photoluminescence spectrum had a peak at a wavelength of 3.0 μm. As a result, it was confirmed that a light receiving element having detection sensitivity up to a wavelength of 3.0 μm and sufficiently small dark current was realized.

(実施例3−GaInNAsP受光層−)
実施例3では、実施例1の本発明例のGaInNAs受光層を、GaInNAsP受光層に代えた点に特徴がある。まず、MBE成長により図13に示すようなエピタキシャル構造を持つフォトダイオード用結晶を成長した。原料には、トリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルガリウム(TEGa)、ターシャリブチルアルシン(TBAs)、ターシャリブチルホスフィン(TBP)、ジメチルヒドラジン(DMHy)、テトラエチルシラン(TESi)を用いた。
(Example 3-GaInNAsP light-receiving layer)
Example 3 is characterized in that the GaInNAs light-receiving layer of Example 1 of the present invention in Example 1 is replaced with a GaInNAsP light-receiving layer. First, a photodiode crystal having an epitaxial structure as shown in FIG. 13 was grown by MBE growth. Trimethylindium (TMIn), triethylgallium (TEGa), tertiarybutylarsine (TBAs), tertiarybutylphosphine (TBP), dimethylhydrazine (DMHy), and tetraethylsilane (TESi) were used as raw materials.

2インチ角のSドープn導電型InP基板11に、Siを微量ドープしたInGaAsバッファ層12を形成し、次いでSiを微量ドープしたGaInNAsP受光層13(キャリア濃度1×1016cm−3、2μm厚み)、ノンドープInP窓層14(1.5μm厚み)をMOVPE法でエピタキシャル成長した。エピタキシャル成長温度は520℃である。 An InGaAs buffer layer 12 slightly doped with Si is formed on a 2-inch square S-doped n-conducting InP substrate 11, and then a GaInNAsP light-receiving layer 13 (carrier concentration 1 × 10 16 cm −3 , 2 μm thickness) slightly doped with Si ), A non-doped InP window layer 14 (1.5 μm thickness) was epitaxially grown by the MOVPE method. The epitaxial growth temperature is 520 ° C.

InP基板11は、(100)から(111)方向に13°傾斜したオフアングル基板を用いた。またINGaAsバッファ層12の受光層側には、図14に示すように、Nが徐々に増えていくN含有InGaAs層12aを設けた。このときN含有InGaAs層12a内のIn組成も、InP基板11およびInGaAsバッファ層12と格子整合するように、N含有量の増加傾向に合わせて徐々に増加させた。すなわち、厚さ方向に沿って、N含有バッファ層12a内で、一定勾配で直線的にxを増加させた。これは、同じ方向に沿ったN含有率の増加に合わせたものである。上述の計算によれば、N含有InGaAs層12aも含めたInGaAsバッファ層12格子定数は、InP基板11との格子定数差Δa/aが、±0.1%以内であった。すなわち、N含有InGaAs層12aも含めたInGaAsバッファ層12格子定数は、InP基板の格子定数の99.9%以下であり、かつ100.1%以下の範囲であった。   As the InP substrate 11, an off-angle substrate inclined by 13 ° in the (100) to (111) direction was used. Further, an N-containing InGaAs layer 12a in which N gradually increases is provided on the light-receiving layer side of the INGaAs buffer layer 12, as shown in FIG. At this time, the In composition in the N-containing InGaAs layer 12a was also gradually increased in accordance with the increasing tendency of the N content so as to lattice match with the InP substrate 11 and the InGaAs buffer layer 12. That is, x was increased linearly with a constant gradient in the N-containing buffer layer 12a along the thickness direction. This is in line with the increase in N content along the same direction. According to the above calculation, the lattice constant difference Δa / a between the InGaAs buffer layer 12 including the N-containing InGaAs layer 12a and the InP substrate 11 is within ± 0.1%. That is, the lattice constant of the InGaAs buffer layer 12 including the N-containing InGaAs layer 12a was 99.9% or less and 100.1% or less of the lattice constant of the InP substrate.

またGaInNAsP受光層(GaIn1−yAs1−z−w層)のN組成は5%(z=0.05)、P組成は4%(1−z−w=0.04)として、InP基板11に格子整合するようにIII族の組成を調整した。表面の1μm□のRMSラフネスは、実施例1の本発明例(GaInNAs受光層)のフォトダイオード用エピタキシャル積層膜の4.5オングストロームと比べて、3.7オングストロームと平坦性が向上した。 The GaInNAsP receiving layer (Ga y In 1-y N z As w P 1-z-w layer) N composition 5% (z = 0.05), P composition 4% (1-z-w = 0 .04), the group III composition was adjusted so as to lattice match with the InP substrate 11. The RMS roughness of 1 μm square on the surface was 3.7 angstroms, which was improved in flatness compared with 4.5 angstroms of the epitaxial laminated film for photodiodes of the inventive example (GaInNAs light receiving layer) of Example 1.

上記のエピタキシャル積層膜を用いて図8に示すようなPIN型フォトダイオードを作製した。受光径は30μmとした。PIN型フォトダイオードの構造は実施例1の本発明例と同じである。暗電流を比較すると、図15のように、実施例2には及ばないが実施例1よりも暗電流が低減されていることが分かった。これは、Pを加えたことによる表面平坦性改善の効果である。   A PIN type photodiode as shown in FIG. 8 was fabricated using the above epitaxial laminated film. The light receiving diameter was 30 μm. The structure of the PIN photodiode is the same as that of the first embodiment of the present invention. Comparing the dark current, as shown in FIG. 15, it was found that the dark current was reduced as compared with Example 1 although it did not reach Example 2. This is an effect of improving the surface flatness by adding P.

また別途、InP基板の上にInGaAsバッファ層12(N含有InGaAs層12aを含む)およびGaInNAsP受光層13を成長させた段階で成長を中断し、フォトルミネッセンスを調べた。フォトルミネッセンススペクトルは波長2.5μmにピークがあった。これにより、波長2.5μmまで検出感度があることが確認された。上記を総合して、実施例3において、検出感度が長波長側に拡大し、なおかつ暗電流も充分に小さい受光素子を実現できることを確認できた。   Separately, the growth was interrupted when the InGaAs buffer layer 12 (including the N-containing InGaAs layer 12a) and the GaInNAsP light-receiving layer 13 were grown on the InP substrate, and the photoluminescence was examined. The photoluminescence spectrum had a peak at a wavelength of 2.5 μm. This confirmed that there was detection sensitivity up to a wavelength of 2.5 μm. In summary, in Example 3, it was confirmed that a light receiving element in which the detection sensitivity was extended to the long wavelength side and the dark current was sufficiently small could be realized.

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。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the embodiments and examples of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is the implementation of these inventions. It is not limited to the form. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明の半導体受光素子およびその製造方法を用いることにより、InGaAsバッファ層を用いることにより、InPなどにおけるPの使用を避けることができ、また所定の場合バッファ層を下地とする受光層の結晶性を向上させることができる。このためバッファ層の材料選択の範囲を拡大させることができる。とくにNを含む化合物半導体を受光層に用いた場合、Nとの異物形成反応性が低いために結晶性に優れた受光層を容易に形成することができる。このため、今後、通信分野等を中心に大きな貢献が期待される。   By using the semiconductor light receiving element and the manufacturing method thereof according to the present invention, the use of P in InP or the like can be avoided by using the InGaAs buffer layer, and the crystallinity of the light receiving layer with the buffer layer as a base in certain cases. Can be improved. For this reason, the range of material selection for the buffer layer can be expanded. In particular, when a compound semiconductor containing N is used for the light-receiving layer, the light-receiving layer having excellent crystallinity can be easily formed because of the low foreign matter formation reactivity with N. For this reason, significant contributions are expected in the future, mainly in the communications field.

本発明の実施の形態における半導体受光素子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the semiconductor light receiving element in embodiment of this invention. 本発明の別の実施の形態における半導体受光素子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the semiconductor light receiving element in another embodiment of this invention. 実施例1における本発明例のエピタキシャル積層構造を示す図である。1 is a diagram showing an epitaxial laminated structure of an example of the present invention in Example 1. FIG. 図3のバッファ層および受光層の深さ方向のN混入密度を示す図である。It is a figure which shows the N mixing density of the depth direction of the buffer layer and light receiving layer of FIG. 図3のバッファ層および受光層の深さ方向の元素組成および格子定数を示す図である。It is a figure which shows the element composition and lattice constant of the depth direction of the buffer layer and light receiving layer of FIG. 本発明の実施例1における比較例のエピタキシャル積層構造を示す図である。It is a figure which shows the epitaxial laminated structure of the comparative example in Example 1 of this invention. 図6のバッファ層および受光層の深さ方向のN混入密度を示す図である。It is a figure which shows the N mixing density of the depth direction of the buffer layer and light receiving layer of FIG. 暗電流を測定するために用いたPIN型フォトダイオードを示す図である。It is a figure which shows the PIN type photodiode used in order to measure dark current. 実施例1における暗電流測定結果を示す図である。It is a figure which shows the dark current measurement result in Example 1. FIG. 実施例2における本発明例のエピタキシャル積層構造を示す図である。6 is a diagram showing an epitaxial laminated structure of an example of the present invention in Example 2. FIG. 図10のバッファ層および受光層の深さ方向の元素組成および格子定数を示す図である。It is a figure which shows the element composition and lattice constant of the depth direction of the buffer layer and light receiving layer of FIG. 実施例2における暗電流測定結果を示す図である。It is a figure which shows the dark current measurement result in Example 2. FIG. 実施例3における本発明例のエピタキシャル積層構造を示す図である。6 is a diagram showing an epitaxial multilayer structure of an example of the present invention in Example 3. FIG. 図13のバッファ層および受光層の深さ方向の元素組成および格子定数を示す図である。It is a figure which shows the element composition and lattice constant of the depth direction of the buffer layer and light receiving layer of FIG. 実施例3における暗電流測定結果を示す図である。It is a figure which shows the dark current measurement result in Example 3.

符号の説明Explanation of symbols

10 フォトダイオード、11 InP基板、12 InGaAsバッファ層、12a N含有InGaAsバッファ層、13 受光層、14 窓層、15 p型領域、17 AR膜または保護膜、18 SiN膜、31 n部電極、32 p部電極、111 InP基板、112 AlInAsバッファ層、112a N含有AlInAsバッファ層、113 受光層、114 窓層。
10 photodiode, 11 InP substrate, 12 InGaAs buffer layer, 12a N-containing InGaAs buffer layer, 13 light receiving layer, 14 window layer, 15 p-type region, 17 AR film or protective film, 18 SiN film, 31 n-part electrode, 32 p part electrode, 111 InP substrate, 112 AlInAs buffer layer, 112a N-containing AlInAs buffer layer, 113 light receiving layer, 114 window layer.

Claims (7)

InP基板と、
前記InP基板上に位置するInGa1−xAsバッファ層(0≦x≦1)と、
前記InGa1−xAsバッファ層上に位置する、窒素を含む化合物半導体の受光層とを備えることを特徴とする、半導体受光素子。
An InP substrate;
An In x Ga 1-x As buffer layer (0 ≦ x ≦ 1) located on the InP substrate;
A semiconductor light-receiving element comprising: a compound semiconductor light-receiving layer containing nitrogen located on the In x Ga 1-x As buffer layer.
前記窒素を含む受光層が、GaIn1−yAsSb1−z−w(0<z≦1、0≦y≦1、0≦w<1)またはGaIn1−yAs1−z−w(0<z≦1、0≦y≦1、0≦w<1)からなることを特徴とする、請求項1に記載の半導体受光素子。 The light-receiving layer containing nitrogen is Ga y In 1-y N z As w Sb 1-zw (0 <z ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ w <1) or Ga y In 1-y. 2. The semiconductor light receiving element according to claim 1, comprising N z As w P 1-zw (0 <z ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ w <1). 前記InGa1−xAsバッファ層の前記受光層の側が窒素を含有することを特徴とする、請求項1または2に記載の半導体受光素子。 3. The semiconductor light receiving element according to claim 1, wherein the light receiving layer side of the In x Ga 1-x As buffer layer contains nitrogen. 4. 前記InGa1−xAsバッファ層における組成比xが厚み方向で変化し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半導体受光素子。 4. The semiconductor light receiving element according to claim 1, wherein the composition ratio x in the In x Ga 1-x As buffer layer changes in the thickness direction. 5. 前記InGa1−xAsバッファ層の格子定数は、前記InP基板の格子定数の99.9%以上で、かつ100.1%以下になるように調整されていることを特徴とする、請求項4に記載の半導体受光素子。 The lattice constant of the In x Ga 1-x As buffer layer is adjusted to be 99.9% or more and 100.1% or less of the lattice constant of the InP substrate, Item 5. The semiconductor light receiving device according to Item 4. InP基板上に、InGa1−xAsバッファ層(0≦x≦1)を形成する工程と、
前記InGa1−xAsバッファ層上に、化合物半導体の受光層を形成する工程とを備えることを特徴とする、半導体受光素子の製造方法。
Forming an In x Ga 1-x As buffer layer (0 ≦ x ≦ 1) on the InP substrate;
And a step of forming a light-receiving layer of a compound semiconductor on the In x Ga 1-x As buffer layer.
前記受光層を窒素を含む化合物半導体層とし、前記InGa1−xAsバッファ層を形成する工程中に、前記窒素を含む受光層を形成するために用意した窒素に、前記バッファ層を曝らすことを特徴とする、請求項6に記載の半導体受光素子の製造方法。
The light-receiving layer is a compound semiconductor layer containing nitrogen, and the buffer layer is exposed to nitrogen prepared for forming the light-receiving layer containing nitrogen during the step of forming the In x Ga 1-x As buffer layer. The method for manufacturing a semiconductor light receiving element according to claim 6, wherein:
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