JP2008171885A - 半導体受光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 長波長域に検出感度が広くあり、欠陥密度を小さくして暗電流を抑制することが可能な受光層を有する半導体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１１上に位置し、該ＩｎＰ基板に格子整合するバッファ層１２と、バッファ層上に位置する受光層１３とを備え、受光層がＮを含む化合物半導体層であり、バッファ層は、受光層の側にＮおよびＳｂを含む部分層１２ａを有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体受光素子およびその製造方法に関に関するものである。

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基板上に格子整合成長した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構成が提案されている（特許文献１）。また、長波長域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、波長１．７μｍを超える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

しかしながら、上記特許文献１に開示された受光素子では、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、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。このため、受光層の結晶欠陥密度も高くなり、フォトダイオードを形成した場合、暗電流およびノイズが大きくなり、感度が劣化する。

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。すなわち、ＩｎＧａＮＡｓ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、ＩｎＧａＮＡｓ系の原料の一つである窒素は、プラズマ（Ｎプラズマ)の形態で供給される。Ｎプラズマは発生に数分間程度の時間が必要であるため、ＩｎＧａＮＡｓ受光層の成長に先立ってＮプラズマを発生させておく必要がある。しかし、エピタキシャル成長層は炉内で成長温度にて放置すると表面が粗くなるため、ＩｎＧａＮＡｓ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Ｎプラズマを発生しておかなければならない。

Ｎプラズマを発生させるには、（１）ＭＢＥチェンバ内にＮ_２ガスを流し続けるか、または（２）ＭＢＥチェンバに設けられた励起用セル内に限ってＮプラズマを発生させておかなければならない。上記（２）のＮプラズマを励起用セル内に発生させる場合、ＭＢＥチェンバ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、完全に封じ込めるには大掛かりな装置にならざるをえない。したがって、通常のＭＢＥ装置を用いて、上記（１）の操作によりＩｎＧａＮＡｓ受光層を形成しようとすると、バッファ層はその形成終期に窒素雰囲気内で成長することになり、バッファ層の受光層側の層内（部分層）にはＮが混入する。

バッファ層にＮが混入すると、格子定数が小さくなり、歪または結晶欠陥密度が増大し、バッファ層の結晶品質が劣化する。結晶欠陥密度の高いバッファ層上にエピタキシャル成長されたＩｎＧａＮＡｓ受光層には、やはり高密度の結晶欠陥が生成し、その結果、フォトダイオードを形成したとき、実用に耐えうるレベルを超えて暗電流が増大する。

本発明は、結晶性の良好なＮを含む受光層を容易に形成することができるバッファ層を備える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。

本発明の半導体受光素子は、ＩｎＰ基板と、ＩｎＰ基板上に位置し、該ＩｎＰ基板に格子整合するバッファ層と、バッファ層上に位置する受光層とを備える。そして、受光層がＮを含む半導体層であり、バッファ層は、受光層側に、ＮおよびＳｂを含む部分を有することを特徴とする。

バッファ層に不純物として混入したＮは格子定数を小さくするが、不純物Ｓｂは逆にバッファ層の格子定数を大きくする作用を有する。このため、受光層への円滑な導入を目的に準備したがためにバッファ層に不純物として混入することになったＮによる格子定数減少作用を、補償用不純物Ｓｂにより補償することができ、Ｎのみが混入した場合に起きる結晶欠陥密度の増加を防止することができる。このため、バッファ層における受光層側の歪または結晶欠陥密度の増加が抑制され、受光層の下地となるバッファ層の上層部分（ＮおよびＳｂを含む部分）において、良好な結晶性を確保できる。その結果、バッファ層上にエピタキシャル成長するＮを含む受光層についても良好な結晶性を確保でき、暗電流の小さい、高感度のフォトダイオードを得ることができる。

上記のバッファ層のＮおよびＳｂを含まない部分を、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）およびＩｎＰのいずれかで構成し、バッファ層のＮおよびＳｂを含む部分をＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｚＡｓ_ｗＳｂ_{１−ｚ−ｗ}（０＜ｚ＜１、０≦ｗ＜１）またはＩｎＰ_ｖＮ_ｕＳｂ_{１−ｖ−ｕ}（０≦ｖ＜１、０＜ｕ＜１）で構成し、かつそのＮ組成を受光層のＮ組成よりも小さくすることができる。これにより、ＩｎＰ基板に格子整合するバッファ層を容易に作製することができる。

上記受光層を、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＮ_ｂＡｓ_ｃＳｂ_{１−ｂ−ｃ}（０＜ａ≦１、０＜ｂ≦１、０≦ｃ＜１）またはＩｎ_ｄＧａ_１−ｄＰ_ｅＮ_ｆＡｓ_ｇＳｂ_{１−ｅ−ｆ−ｇ}（０＜ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０＜ｆ＜１、０≦ｇ＜１）で形成することができる。これにより、受光層として、ＩｎＧａＮＡｓ層、ＩｎＧａＮＡｓＳｂ層、ＩｎＧａＰＮＡｓ層またはＩｎＧａＰＮＳｂ層を形成して、波長１．７μｍ以上の長波長域に感度を有し、結晶性の良好な受光層を容易に得ることができる。

上記の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ことができる。これにより、ＮおよびＳｂを含む部分を含めてバッファ層の結晶性を良好にすることができ、さらにはこれを下地としてエピタキシャル成長する受光層の結晶性も良好にすることが可能となる。また、Ｎを含む受光層の格子定数をＩｎＰ基板の格子定数に合わせるので、波長１．７μｍ以上の長波長域の受光感度を高めることができる。

本発明の半導体受光素子の製造方法は、分子線エピタキシャル成長法のチェンバ内において、ＩｎＰ基板上に格子整合するバッファ層を介在させてＮを含む受光層を形成する半導体受光素子の製造方法である。この製造方法では、バッファ層の形成の終了前に、受光層に導入するためにＮを含むガスをチャンバ内に流し、かつＳｂの分子線をバッファ層に照射しつつそのバッファ層を形成して、Ｎを含むガスを流しながら受光層の形成に移行することを特徴とする。

この方法により、バッファ層における受光層側の部分には、ＮとＳｂとが含まれることになり、格子定数に及ぼすＮおよびＳｂの影響は逆方向なので、結局バッファ層の格子定数は大きく変わらず、結晶欠陥密度の増大は抑制される。この結果、良好な結晶性のＮを含む受光層が形成され、暗電流の低いフォトダイオードを得ることができる。

また、上記のＮを含むガスを流し、Ｓｂの分子線を前記バッファ層に照射しつつ、前記バッファ層の格子定数が、ＩｎＰ基板の格子定数の９９．９％以上で、かつ１００．１％以下の範囲内になるように、バッファ層の組成を調整することができる。この方法により、ＩｎＰ基板と格子整合がよく、結晶性の良好なバッファ層を得ることができる。その結果、バッファ層上にエピタキシャル成長するＮを含む受光層の結晶性を良好にし、かつ格子定数をＩｎＰの格子定数に合わせて、波長１．７μｍ以上の長波長域の受光感度を高めることができる。ＮおよびＳｂが、バッファ層の格子定数に逆方向に大きく作用するので、他の受光層構成元素とともに、Ｎを含むガスの流量とＳｂの分子線量との均衡をとった調整が重要である。

本発明の半導体受光素子およびその製造方法によれば、結晶性の良好なＮを含む受光層を容易に形成することができる。

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、そのＩｎＰ基板に格子整合するバッファ層１２がエピタキシャル成長し、そのバッファ層１２は、その上層部分にＮおよびＳｂを含む部分層１２ａを有する。そのバッファ層１２の部分層１２ａの上にＮを含む受光層１３が形成され、Ｎ含有受光層１３上に窓層１４が設けられている。

バッファ層１２がＮを含む受光層１３の側に、ＮおよびＳｂを含む部分を持つことの利点は、次のとおりである。（１）Ｎを含む受光層１３を形成する前から、バッファ層１２の形成の終期に、Ｎを含むガスであるＮ_２ガスをＭＢＥ装置のチェンバ内に流し続けることができ、バッファ層の形成終了の後、バッファ層を放置することなく、直ぐにＮを含む受光層１３を形成することができる。このため、バッファ層１２の表面を粗くすることがない。（２）バッファ層の形成終期にＮ_２ガスをチェンバ内に流すことによりバッファ層にはＮが混入するが、ＳｂもＮと一緒にバッファ層に導入される。Ｎは格子定数を小さくする作用を有し、Ｎ単独の混入では結晶欠陥密度を増大させるが、ＳｂはＮとは逆に格子定数を大きく作用を有し、Ｎの影響を打ち消すため、ＮとＳｂとを両方とも含有させることにより、結晶欠陥密度の増大を抑制することができる。

ＮおよびＳｂを含むバッファ層の部分１２ａは結晶欠陥密度が小さく、その上にエピタキシャル成長するＮを含む受光層１３は、やはり結晶欠陥密度が低く、かつ波長１．７μｍ以上の長波長域に感度を有する。このため、上記エピタキシャル積層構造を用いてフォトダイオードを形成したとき、長波長域の光を感度良く感知して、かつ暗電流などを低く抑えることができる。

上記のエピタキシャル積層構造は、ＭＢＥ装置を用いてＩｎＰ基板１１上に形成することができる。ＩｎＰ基板１１に格子整合するバッファ層１２としては、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）およびＩｎＰのいずれかを用いることができる。バッファ層１２の形成を終了する前から、Ｎを含む受光層１３の形成の準備のために、ＭＢＥ装置のチェンバ内に流し続ける。その理由は、上述のように、Ｎを含む受光層１３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Ｎ_２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を放置するとバッファ層の表面に凹凸が生じるからである。バッファ層１２を形成している間にＮ_２ガスを流し始め、バッファ層１２の形成終了後、直ちにＮプラズマを生じさせ、Ｎを含む受光層１３の形成の開始を迅速に行う必要がある。

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１２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１３にＳｂの分子線を照射する。この結果、バッファ層１２の上層部には、ＮおよびＳｂをともに含む部分層１２ａが形成される。バッファ層１３を、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で形成した場合には、ＮおよびＳｂをともに含む部分層１２ａとして、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｚＡｓ_ｗＳｂ_{１−ｚ−ｗ}（０＜ｚ＜１、０≦ｗ＜１）が形成される。またバッファ層１３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１２ａとして、ＩｎＰ_ｖＮ_ｕＳｂ_{１−ｖ−ｕ}（０≦ｖ＜１、０＜ｕ＜１）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１２ａ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バッファ層を容易に作製することができる。

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。

Ｎを含む受光層１３には、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＮ_ｂＡｓ_ｃＳｂ_{１−ｂ−ｃ}（０＜ａ≦１、０＜ｂ≦１、０≦ｃ＜１）またはＩｎ_ｄＧａ_１−ｄＰ_ｅＮ_ｆＡｓ_ｇＳｂ_{１−ｅ−ｆ−ｇ}（０＜ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０＜ｆ＜１、０≦ｇ＜１）を用いることができる。すなわちＮを含む受光層として、ＩｎＧａＮＡｓ層、ＩｎＧａＮＡｓＳｂ層、ＩｎＧａＰＮＡｓ層またはＩｎＧａＰＮＳｂ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１３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、ＩｎＧａＮＡｓ層、ＩｎＧａＮＡｓＳｂ層、ＩｎＧａＰＮＡｓ層またはＩｎＧａＰＮＳｂ層では、バンドギャップが狭くなり、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１２ａと、ＩｎＧａＮＡｓ層、ＩｎＧａＮＡｓＳｂ層、ＩｎＧａＰＮＡｓ層またはＩｎＧａＰＮＳｂ層等の受光層１３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。次に上記本発明の実施例について説明する。

（本発明例１−ＩｎＧａＡｓバッファ層−）
実施例１における本発明例１のフォトダイオードにおけるエピタキシャル積層構造は、図１に示すものと同じであり、ＭＢＥ成長法により形成した。格子整合バッファ層１２には、ＩｎＧａＡｓ層を用いている。ＩｎＧａＡｓバッファ層１２の膜厚は１．５μｍであり、成長時にＳｉを供給してｎ導電型としている。キャリア濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３とした。組成は、ＩＩＩ族中で、Ｉｎを５３％（原子比、以下いずれも同様）、Ｇａを４７％とした。ＩｎＧａＡｓバッファ層１２の形成の終期に、ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３を形成用のＮプラズマを形成するためにＮ_２ガスを流し始め、同時にＳｂビーム用セルからＳｂ分子線を形成途中のＩｎＧａＡｓバッファ層１２に照射する。その結果、ＩｎＧａＡｓバッファ層の上層側に、ＮおよびＳｂを含むＩｎＧａＡｓバッファ層（部分層）１２ａが形成される。Ｎ組成の調整は、ガス流量およびプラズマ形成のＲＦ（Radio Frequency）電力により、またＳｂ組成の調整は、セル温度により行うことができる。Ｓｂセルの平均温度は４００℃程度とした。

次いで、Ｎ_２ガスを流してＮプラズマを形成しながら、バッファ層１２の上にＩｎＧａＮＡｓからなる受光層１３を形成した。ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３では、ＩＩＩ族の組成は、Ｉｎは８３％、Ｇａは１７％とし、Ｖ族の組成は、Ｎは１０％、Ａｓは９０％として、ＩｎＰ基板１１の格子定数に合うようにした。ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３の膜厚は２．５μｍとし、不純物のドーピングは行わない。次に、ＩｎＡｌＡｓ層により窓層１４を形成した。ＩｎＡｌＡｓ窓層１４のＩＩＩ族内の、Ｉｎ組成５２％、Ａｌ４８％とし、その格子定数がＩｎＰ基板の格子定数と合うようにしている。膜厚は０．６μｍとした。

図２に、本発明例１のＩｎＧａＮＡｓ受光層１３およびＩｎＧａＡｓバッファ層１２の各元素組成プロファイルを示す。ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３とＩｎＧａＡｓバッファ層１２との界面からＩｎＧａＡｓバッファ層の０．２μｍ以内の部分層１２ａにＮおよびＳｂが混入している。Ｎが混入した部分は格子定数が小さくなり歪を受けるが、そのような歪を生じさせないように、Ｎの混入を見越してＩｎＧａＡｓバッファ層１２の成長中に、Ｎプラズマ発生と同時にＳｂ分子線によりＳｂを供給した結果である。図２には、格子定数の変化率（Δａ／ａ）の分布を合わせて示すが、ＩｎＧａＡｓバッファ層１２では、ＮおよびＳｂが混入する部分層１２ａも合わせて、格子定数の変化率（Δａ／ａ）は±０．１％の範囲内に収まっている。また、ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３では、Ｎを含み、かつ格子定数をＩｎＰ基板１１のそれに合わせるために、ＩｎＧａＡｓバッファ層１２の組成に比べて、Ｉｎ組成を高め、Ｇａ組成を低下させている。

（比較例１）
本発明例１と同じようにＭＢＥ成長により、図３に示すようなエピタキシャル積層構造を作製した。ＩｎＰ基板１１１の上にＩｎＧａＡｓバッファ層１１２を形成した。ＩＩＩ族内の組成は、Ｉｎ５２％、Ｇａ４８％として、ＩｎＰ基板１１１に格子整合させている。ＩｎＧａＡｓバッファ層１１２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、キャリア濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３とした。ＩｎＧａＡｓバッファ層１１２には、本発明例１と同様に受光層１１３との界面から０．３μｍのＩｎＧａＡｓバッファ層の部分に、Ｎが混入しているが、Ｓｂは混入していない。受光層１１３および窓層１１４については、本発明例１と同様に、それぞれ、ＩｎＧａＮＡｓ受光層およびＩｎＡｌＡｓ窓層とした。

図４に、比較例１のＩｎＧａＮＡｓ受光層１１３およびＩｎＧａＡｓバッファ層１１２の各元素組成プロファイルを示す。ＩｎＧａＡｓバッファ層１１２のＮを含む領域１１２ａでは、Ｎの混入を反映して格子定数の減少が大きく、（Δａ／ａ）が約−０．２％強に達する箇所が生じており、（Δａ／ａ）が±０．１％以内という範囲を超えている。

（暗電流の測定）
本発明例１のエピタキシャル積層構造を用いて、図５に示すようなＰＩＮ型フォトダイオード５０を作製した。ＩｎＡｌＡｓ窓層１４上にＳｉＮ膜２６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２６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、ＩｎＡｌＡｓ窓層１４を通りＩｎＧａＮＡｓ受光層１３に到達するように導入することにより、ｐ型領域１９を形成する。ｐ型領域１９の形成により、ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３の中にｐｎ（ｐｉｎ）接合が形成される。

次いで、ｐ型領域１９とオーミック接触するように、ｐ部電極２７を形成し、そのｐ部電極２７、受光部領域およびＳｉＮマスク２６を被覆するように、ＡＲ(Anti-Reflection）コート膜２８を形成した。上記のようにＩｎＰ基板の第１の主面（表面）にエピタキシャル積層構造を形成したあと、第１の主面と反対側の第２の主面（裏面）上にｎ部電極３１を、ＡｕＧｅＮｉにより形成する。上記の受光部の受光径は３０μｍとした。比較例１のエピタキシャル積層構造１１０についても、図５のＰＩＮ型フォトダイオードのエピタキシャル積層構造１０の部分を、図３のエピタキシャル積層構造１１０に置き換えることにより、比較例１のＰＩＮ型フォトダイオードを作製した。

本発明例および比較例について作製した上記のＰＩＮ型フォトダイオードについて暗電流を測定した。測定結果を、図６に示す。図６によれば、本発明例１のフォトダイオードは、比較例１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１の半導体受光素子は、その検出感度範囲を１．７μｍ以上３．０μｍに至る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。

（本発明例２−ＩｎＡｌＡｓバッファ層−）
実施例２における本発明例２のエピタキシャル積層構造は、図１に示すものと同じであり、ＭＢＥ成長法により形成した。格子整合バッファ層１２には、ＩｎＡｌＡｓ層を用いている。ＩｎＡｌＡｓバッファ層１２の膜厚は１．５μｍであり、成長時にＳｉを供給してｎ導電型としている。キャリア濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３とした。組成は、ＩＩＩ族内で、Ｉｎを５２％、Ａｌを４８％とした。ＩｎＡｌＡｓバッファ層１２の形成の終期に、ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３用のＮプラズマを形成するためにＮ_２ガスを流し始め、同時にＳｂビーム用セルからＳｂ分子線を形成途中のＩｎＡｌＡｓバッファ層１２に照射する。その結果、ＩｎＡｌＡｓバッファ層の上層側に、ＮおよびＳｂを含むＩｎＡｌＡｓバッファ層（部分層）１２ａが形成される。Ｎ組成の調整がガス流量およびプラズマ形成のＲＦ（Radio Frequency）電力により、またＳｂ組成の調整にはセル温度により行うことができる。Ｓｂセルの平均温度は４００℃程度とした。

次いで、Ｎ_２ガスを流し続けてＮプラズマを形成しながら、ＩｎＡｌＡｓバッファ層１２の上にＩｎＧａＮＡｓからなる受光層１３を形成した。ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３では、ＩＩＩ族の組成は、Ｉｎは８３％、Ｇａは１７％とし、Ｖ族の組成は、Ｎは１０％、Ａｓは９０％として、ＩｎＰ基板１１の格子定数に合うようにしている。ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３の膜厚は、２．５μｍとし、不純物のドーピングは行わなかった。次に、ＩｎＡｌＡｓからなる窓層１４を成長した。ＩｎＡｌＡｓ窓層１４のＩＩＩ族内のＩｎ組成は５２％であり、その格子定数がＩｎＰ基板の格子定数と合うようにした。膜厚は０．６μｍとした。

図７に、本発明例２のＩｎＧａＮＡｓ受光層１３およびＩｎＡｌＡｓバッファ層１２の各元素組成プロファイルを示す。ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３とＩｎＡｌＡｓバッファ層１３との界面からＩｎＡｌＡｓバッファ層の約０．４μｍ以内の部分１２ａにＮおよびＳｂが混入している。Ｎが混入した部分は格子定数が小さくなり歪を受けるが、歪を生じさせないように、Ｎの混入を見越してＩｎＡｌＡｓバッファ層１２の成長中に、Ｎプラズマ発生と同時にＳｂ分子線によりＳｂを供給した結果である。図７には、格子定数の変化率（Δａ／ａ）の分布を合わせて示すが、ＩｎＡｌＡｓバッファ層１２では、ＮおよびＳｂが混入する部分層１２ａも合わせて、格子定数の変化率（Δａ／ａ）は±０．１％の範囲内に収まる。また、ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３では、Ｎを含み、かつ格子定数をＩｎＰ基板１１のそれに合わせるために、バッファ層１２に比べて、Ｉｎ組成を高め、Ｇａ組成を低下させている。

（比較例２）
比較例１と同様に、ＭＢＥ成長により、図３に示すようなエピタキシャル積層構造を作製した。ＩｎＰ基板１１１の上にＩｎＡｌＡｓバッファ層１１２を形成した。ＩＩＩ族内の組成は、Ｉｎ５２％、Ａｌ４８％として、ＩｎＰ基板１１１に格子整合させている。ＩｎＡｌＡｓバッファ層１１２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、キャリア濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３とした。図８に示すように、ＩｎＡｌＡｓバッファ層１１２には、比較例１と同様に、受光層１１３との界面から約０．４μｍのＩｎＡｌＡｓバッファ層の領域に、窒素原子が混入しているが、Ｓｂは混入していない。受光層１１３および窓層１１４については、比較例１と同様に、それぞれ、ＩｎＧａＮＡｓ受光層およびＩｎＡｌＡｓ窓層とした。

図８に、比較例２のＩｎＧａＮＡｓ受光層１１３およびＩｎＡｌＡｓバッファ層１１２の各元素組成プロファイルを示す。ＩｎＡｌＡｓバッファ層１１２のＮを含む領域１１２ａでは、Ｎの混入を反映して格子定数の減少が大きく、（Δａ／ａ）が約−１．７％に達する箇所が生じており、（Δａ／ａ）が±０．１％以内という範囲をはるかに大きく超えている。

（暗電流の測定）
本発明例２のエピタキシャル積層構造を用いて、実施例１におけるＰＩＮ型フォトダイオードを作製した。比較例２についても比較例１と同様にＰＩＮ型フォトダイオードを作製した。本発明例２および比較例２について作製した上記のＰＩＮ型フォトダイオード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２のフォトダイオードは、比較例２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２の半導体受光素子は、その検出感度範囲を１．７μｍ以上３．０μｍに至る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。

（本発明例３−ＩｎＰバッファ層−）
実施例３における本発明例３のエピタキシャル積層構造は、図１に示すものと同じであり、ＭＢＥ成長法により形成した。格子整合バッファ層１２には、ＩｎＰ層を用いた。ＩｎＰバッファ層１２の膜厚は１．５μｍであり、成長時にＳｉを供給してｎ導電型としている。キャリア濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３とした。ＩｎＰバッファ層１２の形成の終期に、ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３の形成用のＮプラズマを形成するためにＮ_２ガスを流し始め、同時にＳｂビーム用セルからＳｂ分子線を形成途中のＩｎＰバッファ層１２に照射する。その結果、ＩｎＰバッファ層の上層側に、ＮおよびＳｂを含むＩｎＰバッファ層（部分層）１２ａが形成される。Ｎ組成の調整がガス流量およびプラズマ形成のＲＦ（Radio Frequency）電力により、またＳｂ組成の調整にはセル温度により行うことができる。Ｓｂセルの平均温度は４００℃程度とした。

次いで、Ｎ_２ガスを流し続けてＮプラズマを形成しながら、ＩｎＰバッファ層１２の上にＩｎＧａＮＡｓからなる受光層１３を形成した。ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３では、ＩＩＩ族の組成は、Ｉｎは８３％、Ｇａは１７％とし、Ｖ族の組成は、Ｎは１０％、Ａｓは９０％として、ＩｎＰ基板１１の格子定数に合うようにしている。ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３の膜厚は、２．５μｍとし、不純物のドーピングは行わなかった。次に、ＩｎＰからなる窓層１４を成長した。ＩｎＰ窓層１４の膜厚は０．６μｍとした。

図１０に、本発明例３のＩｎＧａＮＡｓ受光層１３およびＩｎＰバッファ層１２の各元素組成プロファイルを示す。ＩｎＧａＮＡｓ受光層１３とＩｎＰバッファ層１３との界面からＩｎＰバッファ層の約０．２μｍ以内の部分１２ａに、ＮおよびＳｂが混入している。Ｎが混入した部分は格子定数が小さくなり歪を受けるが、そのような歪を生じさせないように、Ｎの混入を見越してＩｎＰバッファ層１２の成長中に、Ｎプラズマ発生と同時にＳｂ分子線によりＳｂを供給した結果である。図１０には、格子定数の変化率（Δａ／ａ）の分布を合わせて示すが、ＩｎＰバッファ層１２では、ＮおよびＳｂが混入する部分層１２ａも合わせて、格子定数の変化率（Δａ／ａ）は小さく、±０．１％の範囲内に収まる。

（比較例３）
比較例１と同様に、ＭＢＥ成長により、図３に示すようなエピタキシャル積層構造を作製した。ＩｎＰ基板１１１の上にＩｎＰバッファ層１１２を形成した。ＩｎＰバッファ層１１２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、キャリア濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３とした。図１１に示すように、ＩｎＰバッファ層１１２には、比較例１と同様に、受光層１１３との界面から約０．２μｍのＩｎＰバッファ層の領域に、Ｎが混入しているが、Ｓｂは混入していない。受光層１１３および窓層１１４については、それぞれ、本発明例３と同様に、ＩｎＧａＮＡｓ受光層およびＩｎＰ窓層とした。

図１１に、比較例３のＩｎＧａＮＡｓ受光層１１３およびＩｎＰバッファ層１１２の各元素組成プロファイルを示す。ＩｎＰバッファ層１１２のＮを含む部分１１２ａでは、Ｎの混入を反映して格子定数の減少が大きく、（Δａ／ａ）が約−０．２％に達する箇所が生じており、（Δａ／ａ）が±０．１％以内という範囲を超えている。

（暗電流の測定）
本発明例３のエピタキシャル積層構造を用いて、実施例１におけるＰＩＮ型フォトダイオードを作製した。比較例３についても比較例１と同様にＰＩＮ型フォトダイオードを作製した。本発明例３および比較例３について作製した上記のＰＩＮ型フォトダイオードについて暗電流を測定した。測定結果を、図１２に示す。図１２によれば、本発明例３のフォトダイオードは、比較例３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３の半導体受光素子は、その検出感度範囲を１．７μｍ以上３．０μｍに至る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。

（実施の形態以外の形態）
１.実装構造
上記の実施例１〜３の本発明例１〜３では、いずれも、ｎ部電極をＩｎＰ基板の裏面に広く形成するエピアップ実装構造について説明したが、上記ｎ部電極の形状を変えるなどして、エピダウン実装構造にすることはもちろん可能である。２.半導体受光素子の形態
フォトダイオードとしての形態以外に、エピアップ実装とエピダウン実装とを問わず、画素に対応させて電極をアレイ配列して撮像装置を構成してもよい。
３. バッファ層、受光層、窓層の材料
格子整合バッファ層は、ＩｎＰ基板に格子整合する限り何でもよく、最も広くは、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）およびＩｎＰのいずれかに限定されない。また、受光層も、Ｎを含みＩｎＰ基板と格子定数が合えば何でもよく、ＩｎＧａＮＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓＳｂ、ＩｎＧａＮＡｓＰおよびＩＮＧａＰＮＳｂのいずれかに限定されない。そして、窓層については、何でもよく、ＩｎＡｌＡｓおよびＩｎＰに限定されない。
４. 製造方法
半導体受光素子の製造方法は、ＭＢＥ成長法によるのが好ましいが、半導体受光素子については、その構成が本発明の構成を満たす限り、どのような製造方法で製造されたものであってもよい。

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。

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、結晶性の良好なＮを含む受光層を形成できるので、暗電流を抑制した上で、波長１．７μｍを超えて３．０μｍに至る長波長域にまで検出感度を有する受光素子を得ることができる。このため、夜間に宇宙光などを利用して視界を支援することができる装置や、生体の検査に役立つ装置等への適用が期待される。

本発明の実施の形態における半導体受光素子のエピタキシャル積層構造を説明するための図である。 実施例１における本発明例１のバッファ層と受光層とにおける構成元素組成および格子定数の変化率の分布を示す図である。 実施例１における比較例１のエピタキシャル積層構造を示す図である。 比較例１のバッファ層と受光層とにおける構成元素組成および格子定数の変化率の分布を示す図である。 本発明例１のＰＩＮ型フォトダイオードを示す図である。 本発明例１および比較例１のフォトダイオードの電流（暗電流）電圧特性を示す図である。 実施例２の本発明例２のバッファ層と受光層とにおける構成元素組成および格子定数の変化率の分布を示す図である。 実施例２の比較例２のバッファ層と受光層との構成元素組成および格子定数の変化率の分布を示す図である。 本発明例２および比較例２のフォトダイオードの電流（暗電流）電圧特性を示す図である。 実施例３の本発明例３のバッファ層と受光層とのＮ、Ｓｂ組成および格子定数の変化率の分布を示す図である。 実施例３の比較例３のバッファ層と受光層とのＮ組成および格子定数の変化率の分布を示す図である。 本発明例３および比較例３のフォトダイオードの電流（暗電流）電圧特性を示す図である。

符号の説明

１０ エピタキシャル積層構造、１１ ＩｎＰ基板、１２ 格子整合バッファ層、１２ａ （Ｎ＋Ｓｂ）含有バッファ層、１３ 受光層、１４ 窓層、１９ ｐ型領域、２６ ＳｉＮ膜（ＳｉＮマスク）、２７ ｐ部電極、２８ ＡＲ膜、３１ ｎ部電極、５０ ＰＩＮ型フォトダイオード、１１０ エピタキシャル積層構造、１１１ ＩｎＰ基板、１１２ バッファ層、１１２ａ Ｎ含有バッファ層、１１３ 受光層、１１４ 窓層。

Claims (6)

1. ＩｎＰ基板と、
   前記ＩｎＰ基板上に位置し、該ＩｎＰ基板に格子整合するバッファ層と、
   前記バッファ層上に位置する受光層とを備え、
   前記受光層がＮを含む半導体層であり、
   前記バッファ層は、前記受光層の側にＮおよびＳｂを含む部分を有することを特徴とする、半導体受光素子。
2. 前記バッファ層のＮおよびＳｂを含まない部分が、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）およびＩｎＰのいずれかで構成され、前記バッファ層のＮおよびＳｂを含む部分がＩｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｚＡｓ_ｗＳｂ_{１−ｚ−ｗ}（０＜ｚ＜１、０≦ｗ＜１）またはＩｎＰ_ｖＮ_ｕＳｂ_{１−ｖ−ｕ}（０≦ｖ＜１、０＜ｕ＜１）で構成されかつそのＮ組成が受光層のＮ組成よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の半導体受光素子。
3. 前記受光層が、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＮ_ｂＡｓ_ｃＳｂ_{１−ｂ−ｃ}（０＜ａ≦１、０＜ｂ≦１、０≦ｃ＜１）またはＩｎ_ｄＧａ_１−ｄＰ_ｅＮ_ｆＡｓ_ｇＳｂ_{１−ｅ−ｆ−ｇ}（０＜ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０＜ｆ＜１、０≦ｇ＜１）で形成され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。
4. 前記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％以下の範囲内にあ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。
5. 分子線エピタキシャル成長法のチェンバ内において、ＩｎＰ基板上に格子整合するバッファ層を介在させてＮを含む受光層を形成する半導体受光素子の製造方法であって、
   前記バッファ層の形成の終了前に、前記受光層に導入するためにＮを含むガスを前記チャンバ内に流し、かつＳｂの分子線を前記バッファ層に照射しつつそのバッファ層を形成して、前記Ｎを含むガスを流しながら前記受光層の形成に移行することを特徴とする、半導体受光素子の製造方法。
6. 前記Ｎを含むガスを流し、かつ前記Ｓｂの分子線を前記バッファ層に照射しつつ、前記バッファ層の格子定数が、前記ＩｎＰ基板の格子定数の９９．９％以上で、かつ１００．１％以下の範囲内になるように、前記バッファ層の組成を調整することを特徴とする、請求項５に記載の半導体受光素子の製造方法。

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