JP2011082348A - 半導体素子および半導体ウエハ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、近赤外域に感度を持ち、冷却することなく暗電流を抑制することができる、半導体素子および半導体ウエハを提供することを目的とする。
【解決手段】ＩｎＰ基板１上に形成された、単位量子井戸にＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０．３８≦ｘ≦０．６８）７およびＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層（０．３６≦ｙ≦０．６２）８を含む多重量子井戸構造を備え、ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層の中に、またはＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層とＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層との間に、導電帯の底がＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層よりも高い第１のバリア層Ｂ_１が位置し、その第１のバリア層の厚みが０．２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体素子および半導体ウエハに関し、より具体的には、タイプ２の多重量子井戸構造による近赤外域の長波長域にまで感度を持つ、半導体素子および半導体ウエハに関するものである。

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。たとえば波長２μｍ以上に受光感度を持たせるために、タイプ２のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子を用いたフォトダイオードの提案がなされた（非特許文献１）。一方、タイプ２のＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子フォトダイオードの暗電流を低減する構造の提案がされている（非特許文献２、３）。タイプ２のＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子のフォトダイオードでは、ＩｎＡｓの価電子帯からＧａＡｓの導電帯の底に遷移が生じることでエネルギーの小さい近赤外光の吸収を可能にする。このＧａＳｂ層内に、ＧａＳｂよりも導電帯の底が高いＡｌＳｂを配置することで、（ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ）超格子中の電子の有効質量を大きくすることができる。この電子の有効質量の増大によって、受光感度に大きな影響を与えずに暗電流を抑制することができる。

R. Sidhu, N.Duan, J.C. Campbell, A.L. Holmes, "A Long-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells", IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.12(2005), pp.2715-2717 B-M. Nguyen,D. Hoffman, P-Y. Delaunay, and M. Razeghi, "Dark current suppression in type IIInAs/GaSb superlattice long wave infrared photodiodes with M-structure barrier",Applied Physics letters 91. 163511(2007) B-M. Nguyen,M. Razeghi, V. Nathan, G.J. Brown, "Type-II "M" Structure Photodiodes: AnAlternative Material Design for Mid-Wave to Long Wavelength Infrared Regimes",Proc. Of SPIE Vol.6479 64790S-1

上記のタイプ２のＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子では、温度を７７Ｋ（液体窒素温度）に冷却して波長域１０μｍ程度の赤外光を受光する。液体窒素やペルチエ素子による冷却を必須とする受光素子は、装置が大型化して、たとえば携帯に不便であり、また生体内に導入して生体の異常部を検出すること等はできない。
近赤外域の長波長域に受光感度を持つＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の受光素子については、バンドギャップを近赤外域の光のエネルギーに調節しながら暗電流を低くすることが求められる。しかも、その場合、冷却なしの常温で暗電流を低減して、高品質の画像または高い分解能データを得ることが求められる。

本発明は、近赤外域に感度を持ち、冷却することなく暗電流を抑制することができる、半導体素子および半導体ウエハを提供することを目的とする。

本発明の半導体素子は、ＩｎＰ基板上に形成された、単位量子井戸にＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０．３８≦ｘ≦０．６８）およびＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層（０．３６≦ｙ≦０．６２）を含む多重量子井戸構造を備える。この半導体素子は、ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層の中に、またはＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層とＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層との間に、導電帯の底がＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層の導電帯の底よりも高い第１のバリア層が位置し、その第１のバリア層の厚みが０．２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることを特徴とする。

上記の構成によって、ＧａＡｓＳｂを隔てて隣り合うＩｎＧａＡｓの電子の波動関数の、ＧａＡｓＳｂ中での重なりを減らすことで、電子の有効質量を増大させることができる。すなわち、ＧａＡｓＳｂに第１のバリア層が挿入され、その導電帯の底がＧａＡｓＳｂの導電帯の底よりも高い場合、ＧａＡｓＳｂ／第１のバリア層／ＧａＡｓＳｂをトンネル効果などで通り抜ける電流は、従来のＧａＡｓＳｂ一層の場合よりも、低下する。このため、有効質量は増大し、暗電流は低下する。
一方、第１のバリア層の価電子帯の頂上は、ＧａＡｓＳｂ層の価電子帯の頂上８ｂよりもエネルギが低い。正孔について見れば、ＧａＡｓＳｂの中に正孔に対して大きな障害が設けられていることになる。この結果、ＧａＡｓＳｂの中に正孔にとって大きな障害物が設けられ、ＧａＡｓＳｂ内の正孔は自由な移動が妨げられ、正孔の有効質量は増大する。このため、第１のバリア層によってＧａＡｓＳｂ内の正孔に起因する暗電流を大きく抑制することができる。
上記のバリア層の厚みが０．２ｎｍ未満では有効質量を十分に大きくできず、２．５ｎｍを超えるとバンド構造が大きく変化して近赤外域に受光感度を持つことができない。上記の第１のバリア層の配置によって、受光効率を下げることなく暗電流の低い受光素子アレイまたは受光素子（以下、受光素子アレイ等と記す）を得ることができる。
なお、全体の多重量子井戸構造の中で、上記の第１のバリア層を備える部分は、全体にわたって配置される必要はなく、全体の一部であってよい。そして、その第１のバリア層を備える部分は、入射面に近い側でもよいし、遠い側でもよいし、バリア層を備えない多重量子井戸構造の中に含まれるように位置してもよい。また、半導体素子は、受光素子、発光素子など半導体素子であれば何でも該当する。

本発明の別の半導体素子は、ＩｎＰ基板上に形成された、単位量子井戸にＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０．３８≦ｘ≦０．６８）およびＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層（０．３６≦ｙ≦０．６２）を含む多重量子井戸構造を備える。この半導体素子は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の中に、またはＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層とＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層との間に、価電子帯の頂上がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の価電子帯の頂上よりも低い第２のバリア層が位置し、その第２のバリア層の厚みが０．２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることを特徴とする。

上記の構成によって、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ界面における電子・正孔の波動関数の重なりを減らすことなく多重量子井戸構造中の電子の有効質量を増大させることができる。第２のバリア層は、その価電子帯の頂上がＩｎＧａＡｓの価電子帯の頂上より低い。また、第２のバリア層の価電子帯の頂上は、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の頂上より低い。一方、従来の第２のバリア層がない場合、ＩｎＧａＡｓの価電子帯の頂上は、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の頂上より、低い。ＧａＡｓＳｂの価電子帯の頂上と、ＩｎＧａＡｓまたは第２のバリア層の価電子帯の頂上とのエネルギの差のため、第２のバリア層によって、隣り合う２つのＧａＡｓＳｂの一方から他方へ、正孔が移動する確率、すなわちトンネル効果の確率を小さくすることができ、これによって暗電流を下げることができる。
また、第２のバリア層は、ＩｎＧａＡｓ中の導電帯の電子に対する大きな障害となり、暗電流の一要因を抑えることができる。すなわち、第２のバリア層の導電帯の底は、ＩｎＧａＡｓの導電帯の底から高い位置にある。このため、電子が第２のバリア層を超える確率は抑制される。このため、ＩｎＧａＡｓ内の電子に起因する暗電流を抑止することができる。
上記のバリア層の厚みが０．２ｎｍ未満では有効質量を十分に大きくできず、２．５ｎｍを超えるとバンド構造が大きく変化して近赤外域に受光感度を持つことができない。上記の第２のバリア層の配置によって、受光効率を下げることなく暗電流の低い受光素子アレイ等を得ることができる。
なお、全体の多重量子井戸構造の中で、上記の第２のバリア層を備える部分は、全体にわたって配置される必要はなく、全体の一部であってよい。そして、その第２のバリア層を備える部分は、入射面に近い側でもよいし、遠い側でもよいし、バリア層を備えない多重量子井戸構造の中に含まれるように位置してもよい。

本発明のさらに別の半導体素子は、ＩｎＰ基板上に形成された、単位量子井戸にＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０．３８≦ｘ≦０．６８）およびＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層（０．３６≦ｙ≦０．６２）を含む多重量子井戸構造を備える。この半導体素子は、ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層の中に、またはＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層とＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層との間に、導電帯の底がＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層の導電帯の底よりも高い第１のバリア層が位置し、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の中に、またはＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層とＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層との間に、価電子帯の頂上がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の価電子帯の頂上よりも低い第２のバリア層が位置し、第１および第２のバリア層の厚みが、ともに０．２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることを特徴とする。

上記の構成によって、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ界面における電子・正孔の波動関数の重なりを減らすことなく多重量子井戸構造中の電子の有効質量を増大させることができる。そして、上述の第１および第２のバリア層の作用を得ることができる。上記の第１および第２のバリア層の厚みが０．２ｎｍ未満では有効質量を十分に大きくできず、２．５ｎｍを超えるとバンド構造が大きく変化して近赤外域に受光感度を持つことができない。上記の第１および／または第２のバリア層の配置によって、受光効率を下げることなく暗電流の低い受光素子アレイ等を得ることができる。
なお、全体の多重量子井戸構造の中で、上記の第１のバリア層および第２のバリア層を備える部分は、全体にわたって配置される必要はなく、全体の一部であってよい。そして、その第１のバリア層および第２のバリア層を備える部分は、入射面に近い側でもよいし、遠い側でもよいし、バリア層を備えない多重量子井戸構造の中に含まれるように位置してもよい。

第１のバリア層では、Ａｌ_ｓ１Ｉｎ_１−ｓ１Ａｓ（０．４６７≦ｓ１≦０．４９１）を主成分とすることができる。これによって、２つの隣り合うＩｎＧａＡｓ層間の第１のバリア層として、ＧａＡｓＳｂよりも導電帯の底が高く、かつＩｎＰ基板と格子整合をとることができるＡｌＩｎＡｓ層をエピタキシャル成長させることができる。

第１のバリア層として、Ａｌ_ｓ１Ｉｎ_１−ｓ１Ａｓ（０．４６７≦ｓ１≦０．４９１）をベースにして、該Ａｌ_ｓ１Ｉｎ_１−ｓ１Ａｓに不純物として混入するＳｂと、そのＳｂの混入による格子定数のずれをなくすための付加分Ａｌと、を含む層を用いることができる。原料供給方法によってはベースのＡｌＩｎＡｓにＳｂが混入してＩｎＰ基板との格子不整合が大きくなり、暗電流増加を招くことがある。しかし、Ｇａを含有させることで上記の格子不整合を小さくして暗電流増加を防止することができる。

第１のバリア層では、ＩｎＰを主成分としてもよい。これによって、ＩｎＰ基板との格子不整合がないＩｎＰを用いて結晶性のよいバリア層を得ることができる。

前記第１のバリア層が、ＩｎＰをベースにして、該ＩｎＰに不純物として混入するＳｂおよびＡｓと、その混入による格子定数のずれをなくすための、付加分Ａｌおよび／または付加分Ｇａ、を備えることができる。原料供給方法によってはベースのＩｎＰにＳｂおよびＡｓが混入してＩｎＰ基板との格子不整合が大きくなり、暗電流増加を招くことがある。しかし、Ａｌおよび／またはＧａを含有させることで上記の格子不整合を小さくして暗電流増加を防止することができる。

第１のバリア層を、ＡｌＡｓ_ｖ３Ｓｂ_１−ｖ３（０．５５２≦ｖ３≦０．５７３）を主成分とすることができる。ＡｌＡｓ_ｖ３Ｓｂ_１−ｖ３も、ＩｎＰ基板との格子整合性は良好であり、またＧａＡｓＳｂよりも導電帯の底は高いので、第１のバリア層として用いることができる。

第２のバリア層では、Ａｌ_ｓ１Ｉｎ_１−ｓ１Ａｓ（０．４６７≦ｓ１≦０．４９１）を主成分とすることができる。これによって、２つのＧａＡｓＳｂ層の間に、ＩｎＧａＡｓよりも価電子帯の頂上が低く、かつＩｎＰ基板に対して格子整合性の良好なＡｌＩｎＡｓによる第２のバリア層を設けることができる。このため、暗電流を抑制することができる。

第２のバリア層として、ＩｎＰを主成分とする層を用いることができる。格子整合姓についてまったく問題のないＩｎＰは、価電子帯の頂上がＩｎＧａＡｓよりも低いので、暗電流を抑制することができる。

第２のバリア層として、ＩｎＰをベースにして、該ＩｎＰに不純物として混入する、Ａｓ、または、ＡｓおよびＳｂ、と、その混入による格子定数のずれをなくすための付加分Ａｌおよび／または付加分Ｇａと、を備えることができる。原料供給方法によってはＩｎＰに、Ａｓ、または、ＡｓおよびＳｂ、が混入して、格子不整合度の増大に起因して暗電流増大を招くこともある。しかし、付加分Ａｌおよび／または付加分Ｇａによって格子不整合を解消することができるので、第２のバリア層による効果を得ることができ、暗電流を低減することができる。

第２のバリア層として、ＡｌＡｓ_ｖ３Ｓｂ_１−ｖ３（０．５５２≦ｖ３≦０．５７３）を主成分とすることができる。上記のＡｌＡｓＳｂは、価電子帯の頂上はＩｎＧａＡｓより低く、ＩｎＰ基板との格子整合性が良好なので、第２のバリア層とに用いて、暗電流を低減することができる。

多重量子井戸構造の任意の層ｉの格子定数をａｉとして、ＩｎＰ基板の格子定数をａｏとして、すべてのｉについて、｜ａｉ−ａｏ｜／ａｏ≦０．００２を満たすことができる。これによって、歪みを小さく抑えることができ、また格子欠陥密度の低いエピタキシャル層を得ることができるので、暗電流の低い半導体素子を得ることができる。

多重量子井戸構造を５０周期以上から構成することができる。これによって、受光感度が高く、暗電流の低い受光素子を得ることができる。

本発明の半導体ウエハは、上記のいずれかの半導体素子における、ＩｎＰ基板を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の積層体を含むことを特徴とする。これによって、高い受光感度を持ち、暗電流の低い受光素子を製造することができる半導体ウエハを得ることができる。

本発明の半導体素子等によれば、近赤外域に感度を持ち、冷却することなく暗電流を抑制することができる。

本発明の実施の形態における半導体素子である受光素子を説明する図である。 （ａ）は、ＩｎＰ基板を含むエピタキシャル積層体を示し、（ｂ）は受光層のバリア層を含む多重量子井戸構造を示す、図である。 図２の受光層におけるバリア層を含む多重量子井戸構造のバンド構造の概念図である。 （ａ）は従来の受光素子のＩｎＰ基板を含むエピタキシャル積層体を示し、（ｂ）は受光層の多重量子井戸構造を示す、図である。 実施例での本発明例および比較例の受光素子における、電流と電圧との関係を示す図である。

図１は本発明の実施の形態における半導体受光素子１０を示す断面図である。また、図２（ａ）は、半導体受光素子１０のエピタキシャル積層構造を示す図である。図１および図２（ａ）において、Ｓをドープしたｎ型ＩｎＰ基板１上にエピタキシャル構造が成長されている。エピタキシャル積層体は、次の構成からなる。ｎ型ＩｎＰ基板１／Ｓｉドープしたｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層２／第１のバリア層Ｂ_１および第２のバリア層Ｂ_２を含むＭＱＷ受光層３（図２（ｂ）参照））／ＩｎＧａＡｓキャップ層４ｂ／ＩｎＰ窓層４ａ
ＩｎＰ窓層４ａ上に接して選択拡散マスクパターン３６が設けられている。この選択拡散マスクパターン３６は、ｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）を選択拡散してｐ型領域６を形成するために用いたものであるが、選択拡散処理のあと除去されず、そのまま残されている。選択拡散処理によって形成されたｐ型領域のフロントにはｐｎ接合１５が形成される。ｐ型領域６は、選択拡散マスクパターン３６の開口部から選択拡散されたＺｎが含まれる領域であるが、平面的に見て開口部から少し外側に拡がるだけで、もっぱら深さ方向に形成されている。このため平面的には周囲は無拡散（Ｚｎのない）領域で確実に隔離される。
ｐ側電極１１は、ｐ型領域６のＩｎＰ窓層４上にオーミック接触される。ｐ側電極１１と対をなすｎ側電極１２は、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にバック電極としてオーミック接触される。選択拡散マスクパターン３６、およびｐ型領域の表面層であるＩｎＰ窓層４を覆って、反射防止膜を兼ねた保護膜４３が配置される。選択拡散マスクパターン３６はＳｉＮ等で形成され、また反射防止膜を兼ねる保護膜４３はＳｉＯＮ等で形成される。ＩｎＧａＡｓキャップ層４ｂは、Ｚｎの選択拡散の濃度分布が受光層３中で所定レベルを超えないように、Ｚｎ拡散の濃度分布を調整するために設けられている。拡散濃度分布調整層を呼ぶ場合もある。

ｐ側電極１１とｎ側電極１２との間に逆バイアス電圧をかけて、ｐｎ接合１５から主に受光層３側に向かって拡がる空乏層において、近赤外域の光を吸収（受光）して、生じた光電荷を読み出す。受光層３は、本実施の形態では、図２（ｂ）に示すように、第１のバリア層Ｂ_１および第２のバリア層Ｂ_２を含むタイプ２のＭＱＷからなる点、または第１および第２のバリア層を含むタイプ２のＭＱＷを含む点に特徴を有する。図２（ｂ）に示す第１および第２のバリア層Ｂ_１，Ｂ_２を含むＭＱＷは、図２（ａ）に示す、受光層３のすべてを構成してもよいし、受光層３の一部分のみを構成してもよい。第１および第２のバリア層Ｂ_１，Ｂ_２を含むタイプ２のＭＱＷの単位量子井戸はつぎのとおりである。
（単位量子井戸）：ＩｎＧａＡｓ７／第２のバリア層（ＡｌＩｎＡｓ）Ｂ_２／ＩｎＧａＡｓ７／ＧａＡｓＳｂ８／第１のバリア層（ＡｌＩｎＡｓ）Ｂ_１／ＧａＡｓＳｂ８
第１および第２のバリア層Ｂ_１，Ｂ_２を含まない、従来のタイプ２のＭＱＷはつぎの単位量子井戸を有する（図４参照）。
（単位量子井戸）：ＩｎＧａＡｓ１０７／ＧａＡｓＳｂ１０８
従来の受光素子では、図４に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１０１／ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層１０２／バリア層を含まないＭＱＷ受光層１０３／ＩｎＧａＡｓキャップ層１０４ｂ／ＩｎＰ窓層１０４ａ、のエピタキシャル積層構造を有する。
本実施の形態におけるタイプ２の単位量子井戸は、従来の単位量子井戸のＩｎＧａＡｓ層７の中にＡｌＩｎＡｓＢ_２を挿入し、またＧａＡｓＳｂ層８中にＡｌＩｎＡｓＢ_１を挿入した構成となっている。

図３は、本実施の形態の受光素子１０の受光層３に含まれる２つの単位量子井戸のバンド構造を示す図である。囲われた矩形は禁制帯に対応する。したがって囲われた矩形の上辺は導電帯の底Ｅｃに、また下辺は価電子帯の頂上Ｅｖに、それぞれ対応する。
一般に、タイプ２のＭＱＷでは、異なる２種の半導体層が交互に積層されたとき、第１の半導体の導電帯の底Ｅｃと、第２の半導体の価電子帯の頂上Ｅｖとのエネルギ差が、受光感度の波長上限（カットオフ波長）を決める。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、第２の半導体の価電子帯と、第１の半導体の導電帯との間で行われる。このため、第２の半導体の価電子帯のエネルギを、第１の半導体の価電子帯より高くし、かつ第１の半導体の導電帯のエネルギを、第２の半導体の伝導帯のエネルギより低くすることにより、１つの半導体内の遷移による場合よりも、受光感度の長波長化を実現しやすい。
図３において、近赤外域の光の受光は、ＧａＡｓＳｂ８の価電子帯の頂上８ｂとＩｎＧａＡｓ７の導電帯の底７ａとの間で行われる。エネルギ差は０．３８ｅＶであり、受光可能な光のカットオフ波長であり、近赤外域の長波長に対応する。図３に示すように、ＧａＡｓＳｂ８に第１のバリア層Ｂ_１が挿入され、その導電帯の底ＣがＧａＡｓＳｂ８の導電帯の底８ａよりも０．１４ｅＶ高い場合、ＧａＡｓＳｂ８／第１のバリア層Ｂ_１／ＧａＡｓＳｂ８をトンネル効果などで通り抜ける電流は、０．１４ｅＶ高い分、従来のＧａＡｓＳｂ１０８一層の場合よりも、低下する。このため、電子はＩｎＧａＡｓ層７の導電帯に閉じ込められる傾向を強めるので、有効質量は増大し、暗電流は低下する。
一方、第１のバリア層Ｂ_１の価電子帯の頂上Ｖは、ＧａＡｓＳｂ層８の価電子帯の頂上８ｂよりも０．５７ｅＶエネルギが低い。正孔の場合、図３に示す電子におけるエネルギを天地反転させるべきであるので、正孔について、ＧａＡｓＳｂ８の中に正孔に対して大きな障害が設けられていることになる。この結果、ＧａＡｓＳｂ８の中に正孔にとって大きな障害物が設けられ、ＧａＡｓＳｂ内の正孔は自由な移動が妨げられ、第１のバリア層Ｂ_１によってＧａＡｓＳｂ８内の正孔に起因する暗電流を抑制することができる。

第２のバリア層Ｂ_２については次の作用を得ることができる。すなわち、第２のバリア層Ｂ_２は、ＩｎＧａＡｓ７中の導電帯の電子に対する大きな障害となり、暗電流の一要因を抑えることができる。すなわち、第２のバリア層（ＡｌＩｎＡｓ）Ｂ_２の導電帯の底Ｃは、ＩｎＧａＡｓ７の導電帯の底７ａから０．５ｅＶ高い位置にある。このため、電子が第２のバリア層Ｂ_２を超える確率は抑制される。このため、ＩｎＧａＡｓ７内の電子に起因する暗電流を抑止することができる。
一方、第２のバリア層（ＡｌＩｎＡｓ）Ｂ_２は、その価電子帯の頂上ＶがＩｎＧａＡｓ７の価電子帯の頂上７ｂより０．２３ｅＶ低い。また、第２のバリア層（ＡｌＩｎＡｓ）Ｂ_２の価電子帯の頂上Ｖは、ＧａＡｓＳｂ８の価電子帯の頂上８ｂより、０．５７ｅＶ低い。一方、従来の第２のバリア層Ｂ_２がない場合、ＩｎＧａＡｓ７の価電子帯の頂上７ｂは、ＧａＡｓＳｂ８の価電子帯の頂上８ｂより、０．３４ｅＶ低い。０．５７ｅＶ−０．３４ｅＶ＝０．２３ｅＶというエネルギの差のため、隣り合う２つのＧａＡｓＳｂ８の一方から他方へ、正孔が移動する確率、すなわちトンネル効果の確率を小さくすることができ、これによって正孔の有効質量は増大して暗電流を下げることができる。

上記のように、ＧａＡｓＳｂ層８における第１のバリア層Ｂ_１は、
（Ｅ１）ＩｎＧａＡｓ層７の導電帯の電子のトンネル機構による移動の確率を低下させ、
（Ｅ２）ＧａＡｓＳｂ層８の価電子帯の正孔の移動の障害となる。
さらにＩｎＧａＡｓ層７における第２のバリア層Ｂ_２は、
（Ｅ３）ＩｎＧａＡｓ層７の導電帯の電子の移動の障害となり、
（Ｅ４）ＧａＡｓＳｂ層８の価電子帯の正孔のトンネル機構による移動の確率を低下させる。
上記の（Ｅ１）〜（Ｅ４）の作用によって、とくに（Ｅ１）および（Ｅ４）の作用によって、第１および第２のバリア層Ｂ_１，Ｂ_２は、受光素子１０の暗電流を低減することができる。また、近赤外域の光の受光感度などは、バンド構造が大きく変化しないため、ほとんど変化しない。そして、ｐ側電極１１とｎ側電極１２との間に逆バイアス電圧を印加することで、光電流を問題なく読み出すことができる。

（実施の形態の変形例）
図示は省略するが、第１のバリア層Ｂ_１および第２のバリア層Ｂ_２には、次にあげる材料を用いることができる。
（第１のバリア層Ｂ_１）：ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓＳｂ
（第２のバリア層Ｂ_２）：ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓＳｂ
図２および図３に示すバリア層は、第１のバリア層Ｂ_１および第２のバリア層Ｂ_２ともに、ＡｌＩｎＡｓで形成した。しかし、バリア層Ｂ_１，Ｂ_２は、ＡｌＩｎＡｓに限定されず、ＩｎＰまたはＡｌＡｓＳｂを用いることができる。その場合、第１のバリア層Ｂ_１と第２のバリア層Ｂ_２とを同じ材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。

（バリア層Ｂ_１，Ｂ_２の組成）：
（ＡｌＩｎＡｓ）： 上記の第１または第２のバリア層Ｂ_１，Ｂ_２を構成するＡｌＩｎＡｓは、Ｓｂを含まずに成長することができれば、制御が簡単なので望ましい。しかし、ＧａＡｓＳｂに接してＡｌＩｎＡｓを成長させると、Ｓｂの偏析によってＡｌＩｎＡｓにＳｂの混入が生じる。ＡｌＩｎＡｓに混入した場合、ＡｌＩｎＡｓの格子定数に比べて、Ｓｂは原子半径が大きく、格子不整合を拡大して格子欠陥密度を増大させ、高格子欠陥密度による暗電流の増大をもたらす。このようなＳｂの混入による格子欠陥密度の増大を防止するため、Ａｌを付加的に増やす。Ａｌは、原子半径が小さいので、ＡｌＩｎＡｓ中に、Ｓｂとともに、Ａｌを付加的に増加することで、良好な格子整合度を保つことができる。上記の不純物Ｓｂおよび付加分Ａｌを含んだ化学式としては、Ａｌ_ｓ１Ｉｎ_１−ｓ１Ａｓ_ｖ１Ｓｂ_１−ｖ１（０．４６７≦ｓ１≦０．５０２、０．９９≦ｖ１≦１）と表現することができる。

（ＩｎＰ）： 上記の第１または第２のバリア層Ｂ_１，Ｂ_２を構成するＩｎＰは、Ｓｂおよび／またはＡｓを含まずに成長することができれば、格子整合性上から望ましい。しかし、ＧａＡｓＳｂに接してＩｎＰを成長させると、Ｓｂの偏析によってＩｎＰにＳｂの混入が生じる。第１のバリア層Ｂ_１および第２のバリア層Ｂ_２ともに、ＧａＡｓＳｂ層８とＩｎＧａＡｓ層７との間に位置する場合があるので、ＳｂおよびＡｓが混入する。ＩｎＰに混入した場合、ＩｎＰの格子定数に比べて、ＳｂおよびＡｓは原子半径が大きく、格子不整合を拡大して格子欠陥密度を増大させ、高格子欠陥密度による暗電流の増大をもたらす。このようなＳｂおよびＡｓの混入による格子欠陥密度の増大を防止するため、Ａｌおよび／またはＧａを付加する。Ａｌおよび／またはＧａは、原子半径が小さいので、ＩｎＰ中に、Ｓｂおよび／またはＡｓとともに、Ａｌおよび／またはＧａを付加することで、良好な格子整合度を保つことができる。上記の不純物Ｓｂ，Ａｓおよび付加分Ａｌ，Ｇａを含んだ化学式としては、Ａｌ_ｓ２Ｇａ_ｔ２Ｉｎ_{１−ｓ２−ｔ２}Ｐ_ｕ２Ａｓ_ｖ２Ｓｂ_{１−ｕ２−ｖ２} （０≦ｓ２≦０．０７２、０≦ｔ２≦０．０７１、０．８９≦ｕ２≦１、０≦ｖ２≦０．１）と表現することができる。
ＩｎＧａＡｓ層７の中に第２のバリア層Ｂ_２を成長する場合には、Ａｓの混入のみが生じるが、上記のＳｂをゼロにして、Ａｓを所定の混入濃度にして、所定の格子整合度になるようにＡｌ、Ｇａ等を付加することで格子整合性を高めて、格子不整合に起因する暗電流の増大を防止することができる。

実施例により、第１および第２のバリア層Ｂ１，Ｂ２を含むＭＱＷの受光素子の暗電流の抑制効果を確かめた。試験体は、本発明例は、図２のエピタキシャル積層構造を、また比較例は図４のエピタキシャル積層構造を用いて、どちらも図１に示す受光素子を作製した。具体的な作製方法は、つぎのとおりである。
（本発明例）：ＳドープＩｎＰ基板１（１００）に、図２に示すエピタキシャル積層構造をＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法により成長した。バッファ層２には、ｎ型ＩｎＧａＡｓを用い、ＭＢＥ法での成長時にＳｉをドープして、膜厚は０．１５μｍとした。組成は、Ｉｎを５３．１％とした。キャリア濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３とした。受光層３には、ＩｎＧａＡｓ厚み２ｎｍ／ＡｌＩｎＡｓ厚み１ｎｍ／ＩｎＧａＡｓ厚み２ｎｍ／ＧａＡｓＳｂ厚み２ｎｍ／ＡｌＩｎＡｓ１ｎｍ／ＧａＡｓＳｂ２ｎｍ、を単位量子井戸とするＭＱＷを成長した。周期数は２５０とした。ＭＱＷにおけるＩｎＧａＡｓのＩｎ組成を５３．１％とし、またＧａＡｓＳｂのＳｂ組成を４８．７％とし、ＡｌＩｎＡｓのＡｌ組成を４７．９％とした。このＭＱＷの受光層３の上に、キャップ層４ｂまたは拡散濃度分布調整層４ｂとして、厚み１μｍのＩｎＧａＡｓ層４ｂを成長した。Ｉｎ組成は５３．１％とした。次にＳｉドープのＩｎＰ窓層４ａを成長した。厚みは０．８μｍとし、Ｓｉのドーピングプ密度は３×１０^１６ｃｍ^−３とした。
（比較例）：ＳドープのＩｎＰ基板１０１（１００）上に、図４に示すエピタキシャル積層構造をＭＢＥ法で成長した。受光層１０３としては、ＩｎＧａＡｓ１０７厚み５ｎｍ／ＧａＡｓＳｂ１０８厚み５ｎｍ、の単位量子井戸とした。周期数は２５０である。ＩｎＧａＡｓ１０７におけるＩｎ組成は５３．１％、またＧａＡｓＳｂ１０８におけるＳｂ組成は４８．７％とした。

上記のエピタキシャル積層体を用いて、図１に示す受光素子（ＰＩＮフォトダイオード）を作製した。作製した受光素子について、室温で電流電圧特性を測定した。結果を図５に示す。図５によれば、第１および第２のバリア層Ｂ１，Ｂ２を含むＭＱＷを受光層とする本発明例の受光素子では、比較例に比べて、同じ電圧で比較して、ほぼ１桁低い電流となり、暗電流が１桁低くなった。これは、主として、（Ｅ１）第１のバリア層Ｂ_１が、ＩｎＧａＡｓ層７の導電帯の電子のトンネル機構による移動を低下させることで電子の有効質量を増大させ、また（Ｅ４））第２のバリア層Ｂ_２が、ＧａＡｓＳｂ層８の価電子帯の正孔のトンネル機構による移動を低下させることで正孔の有効質量を増大させた、ことによるものである。

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。

本発明の半導体素子等によれば、近赤外域に感度を持ち、冷却することなく暗電流を抑制することができ、今後、小型化および高感度化が可能になり、生体等への急激な利用に資することができる。

１ ＩｎＰ基板、２ バッファ層、３ 受光層、４ａ ＩｎＰ窓層、４ｂ ＩｎＧａＡｓキャップ層（拡散濃度分布調整層）、６ ｐ型領域、７ 多重量子井戸構造中のＩｎＧａＡｓ層、７ａ ＩｎＧａＡｓ層の導電帯の底、７ｂ ＩｎＧａＡｓ層の価電子帯の頂上、８ 多重量子井戸構造中のＧａＡｓＳｂ層、８ａ ＧａＡｓＳｂ層の導電帯の底、８ｂ ＧａＡｓＳｂ層の価電子帯の頂上、１０ 受光素子、１１ ｐ側電極、１２ ｎ側電極、１５ ｐｎ接合、３６ 選択拡散マスクパターン、４３ 保護膜（反射防止膜）、Ｂ_１ 第１のバリア層、Ｂ_２ 第２のバリア層、Ｃ バリア層の導電帯の底、Ｖ バリア層の価電子帯の頂上。

Claims (15)

1. ＩｎＰ基板上に形成された、単位量子井戸にＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０．３８≦ｘ≦０．６８）およびＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層（０．３６≦ｙ≦０．６２）を含む多重量子井戸構造を備えた半導体素子であって、
   前記ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層の中に、または前記ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層と前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層との間に、導電帯の底が前記ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層の導電帯の底よりも高い第１のバリア層が位置し、その第１のバリア層の厚みが０．２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることを特徴とする、半導体素子。
2. ＩｎＰ基板上に形成された、単位量子井戸にＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０．３８≦ｘ≦０．６８）およびＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層（０．３６≦ｙ≦０．６２）を含む多重量子井戸構造を備えた半導体素子であって、
   前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の中に、または前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層と前記ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層との間に、価電子帯の頂上が前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の価電子帯の頂上よりも低い第２のバリア層が位置し、その第２のバリア層の厚みが０．２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることを特徴とする、半導体素子。
3. ＩｎＰ基板上に形成された、単位量子井戸にＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０．３８≦ｘ≦０．６８）およびＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層（０．３６≦ｙ≦０．６２）を含む多重量子井戸構造を備えた半導体素子であって、
   前記ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層の中に、または前記ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層と前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層との間に、導電帯の底が前記ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層の導電帯の底よりも高い第１のバリア層が位置し、
   前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の中に、または前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層と前記ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１−ｙ層との間に、価電子帯の頂上が前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層の価電子帯の頂上よりも低い第２のバリア層が位置し、
   前記第１および第２のバリア層の厚みが、ともに０．２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることを特徴とする、半導体素子。
4. 前記第１のバリア層が、Ａｌ_ｓ１Ｉｎ_１−ｓ１Ａｓ（０．４６７≦ｓ１≦０．４９１）を主成分とすることを特徴とする、請求項１または３に記載の半導体素子。
5. 前記第１のバリア層が、Ａｌ_ｓ１Ｉｎ_１−ｓ１Ａｓ（０．４６７≦ｓ１≦０．４９１）をベースにして、該Ａｌ_ｓ１Ｉｎ_１−ｓ１Ａｓに不純物として混入するＳｂと、そのＳｂの混入による格子定数のずれをなくすための付加分Ａｌと、を含むことを特徴とする、請求項１、３および４のいずれか１項に記載の半導体素子。
6. 前記第１のバリア層が、ＩｎＰを主成分とすることを特徴とする、請求項１または３に記載の半導体素子。
7. 前記第１のバリア層が、ＩｎＰをベースにして、該ＩｎＰに不純物として混入するＳｂおよびＡｓと、その混入による格子定数のずれをなくすための、付加分Ａｌおよび／または付加分Ｇａと、を備えることを特徴とする、請求項１、３および６のいずれか１項に記載の半導体素子。
8. 前記第１のバリア層が、ＡｌＡｓ_ｖ３Ｓｂ_１−ｖ３（０．５５２≦ｖ３≦０．５７３）を主成分とすることを特徴とする、請求項１または３に記載の半導体素子。
9. 前記第２のバリア層が、Ａｌ_ｓ１Ｉｎ_１−ｓ１Ａｓ（０．４６７≦ｓ１≦０．４９１）を主成分とすることを特徴とする、請求項２、３〜８のいずれか１項に記載の半導体素子。
10. 前記第２のバリア層が、ＩｎＰを主成分とすることを特徴とする、請求項２、３〜８のいずれか１項に記載の半導体素子。
11. 前記第２のバリア層が、ＩｎＰをベースにして、該ＩｎＰに不純物として混入する、Ａｓ、または、ＡｓおよびＳｂ、と、その混入による格子定数のずれをなくすための付加分Ａｌおよび／または付加分Ｇａと、を備えることを特徴とする、請求項２、３〜８、１０のいずれか１項に記載の半導体素子。
12. 前記第２のバリア層が、ＡｌＡｓ_ｖ３Ｓｂ_１−ｖ３（０．５５２≦ｖ３≦０．５７３）を主成分とすることを特徴とする、請求項２、３〜８のいずれか１項に記載の半導体素子。
13. 前記多重量子井戸構造の任意の層ｉの格子定数をａｉとして、前記ＩｎＰ基板の格子定数をａｏとして、すべてのｉについて、｜ａｉ−ａｏ｜／ａｏ≦０．００２を満たすことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体素子。
14. 前記多重量子井戸構造が５０周期以上から構成されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体素子。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体素子における、前記ＩｎＰ基板を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の積層体を含むことを特徴とする、半導体ウエハ。
    

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