JP2012009777A - 半導体ウエハおよび半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、GaSb基板上に形成された、表面性状の良好なMQWを有する半導体ウエハ、および半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置10は、GaSb基板1の上に、(InAs/GaSb)が繰り返し積層されたMQW3を有し、GaSb基板の面方位が(100)であり、かつ(111)A方向に0.1°以上10°以下のオフ角がついていることを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明の半導体装置10は、GaSb基板1の上に、(InAs/GaSb)が繰り返し積層されたMQW3を有し、GaSb基板の面方位が(100)であり、かつ(111)A方向に0.1°以上10°以下のオフ角がついていることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、半導体ウエハおよび半導体装置に関し、より具体的には、GaSb基板上に形成された多重量子井戸構造(MQW:Multi Quantum Well)を有する半導体ウエハおよび半導体装置に関するものである。
生体の特定の病巣組織、気体分子などは、近赤外域の長波長側〜赤外域に吸収スペクトルを有するために、近赤外域の中でも波長の長い光を検知できる受光素子は、医療や環境ガス分析で需要が期待できる。そのような要求を満たす受光素子として、たとえばGaSb基板上に、(GaSb/InAs)を繰り返し積層したタイプ2型のMQWの受光層を形成したフォトダイオードが提案されている(非特許文献1)。この素子では、77Kにおいて波長3μm〜12μmの光を受光することができる。
また、GaSb成長では、Ga原子とSb原子の供給量の比について、Sb原子を、Ga原子に比べて若干過剰にするのがよいとの提案がなされている(非特許文献2)。
また、GaSb成長では、Ga原子とSb原子の供給量の比について、Sb原子を、Ga原子に比べて若干過剰にするのがよいとの提案がなされている(非特許文献2)。
A.Hood, D.Hoffman,B-M.Nguyen, P-Y.Delaunay, E.Michel and M. Razeghi, "Highdifferential resistance type-II InAs/GaSb superlattice photodiodes for thelong-wavelength infrared", Applied Physics letters 89.093506(2006)
M.Lee,D.J.Nicholas, K.E.Singer, and B.Hamilton, "A photoluminescence and Hall-effect study of GaSbgrown by molecular-beam epitaxy", Journal of AppliedPhysics 59. 2895 (1986)
普通に、市販のGaSb基板を購入して、そのGaSb基板上にタイプ2型(GaSb/InAs)MQWをエピタキシャル成長すると、その表面には、直径数μmの欠陥が、多数、生じる。このため、フォトダイオードなどのデバイスを作製できる領域がきわめて狭い範囲に限定される。これらフォトダイオード等では、受光感度を高めるために受光部の面積を広くとることが望ましいが、上記の表面欠陥の生成によってほとんど不可能となる。また、GaSb基板の広い範囲に多数のフォトダイオードを集積させたセンサアレイの作製に対しても大きな障害になる。
本発明は、GaSb基板上に形成された、表面性状の良好なMQWを有する半導体ウエハ、および半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体ウエハまたは半導体装置は、GaSb基板の上に、(InAs/GaSb)が繰り返し積層されたMQWを有する半導体ウエハまたは半導体装置であって、GaSb基板の面方位が(100)であり、かつ(111)A方向に0.1°以上10°以下のオフ角がついていることを特徴とする。
上記の構成によって、表面性状が良好な半導体ウエハ、またはこの半導体ウエハを用いた半導体装置を得ることができる。例えば高信頼性、高歩留まりのレーザダイオードや低暗電流のフォトダイオードを得ることができる。
GaSb基板上のタイプ2型(InAs/GaSb)MQWの表面に生じる欠陥は、中央に直径約1μmの核が存在し、その周辺で異常成長が発生して形成されたものである。核には正常部と比較してSbが高濃度で分布している。GaSb結晶は、供給されたSb原子が基板表面に存在するGa原子と結合して取り込まれることと、供給されたGa原子が表面に存在するSb原子と結合して取り込まれることで成長する。Ga原子とSb原子の供給量の比は、上述のように、Sb原子の方が若干過剰な程度が最適とされる(非特許文献2)。
しかしSb原子は同じV族のAs原子などと比べて基板表面に残留しやすいので、過剰なSb原子同士が基板表面で凝集し、核が形成されたと考えられる。
一般に、結晶成長は、ダングリングボンドが多いことから、テラスと呼ばれる平坦な部分と比べてステップの方が原子の取り込み効率が高い。
GaSb基板の面方位を(100)として(111)A方向に0.1°以上10°以下のオフ角を持たせることで、GaSb基板の表面のステップにはオフ角度に応じた割合の(111)A面が現れる。オフ角の(111)A面は、ステップに現れる。すなわち、高さ位置が異なる、テラスである上側の(100)面と下側の(100)面との間の壁(崖)として現れる。あとで説明するが(111)A面上には、Sb原子が位置せず、Ga原子のみが位置する。ステップにGa原子のみが存在する場合、原料のSb原子が、ステップに取り込まれる可能性が高くなるので、Sb原子同士で凝集する可能性が低くなり、高濃度Sbの核を形成する確率または頻度は小さくなる。この結果、(100)面から(111)A方向にオフ角をとることで、高濃度Sbの核を有する欠陥の発生を抑制することができる。
一方、(111)A方向にオフ角度をとらない場合、たとえば(110)面がステップを構成すると、Sb原子が表面に出る。この結果、供給される原料のSb原子がステップに取り込まれる可能性が低く、高濃度Sbの核発生が低減されず、欠陥が発生しやすくなる。
GaSb基板の面方位が(100)であり、(111)A方向に0.1°以上オフ角度をとらないと、多くのステップを十分高い割合で(111)A面とすることができない。すなわちオフ角度が0.1°未満では表面欠陥の抑止には不十分である。しかし、上記のオフ角が10°を超えると、結晶表面が荒れて光学特性の劣化を生じる。
また、本発明の半導体ウエハまたは半導体装置は、成長法は何でもよく、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法でも、OMVPE(Organometallic Vapor Phase Epitaxy)法でもよい。
GaSb基板上のタイプ2型(InAs/GaSb)MQWの表面に生じる欠陥は、中央に直径約1μmの核が存在し、その周辺で異常成長が発生して形成されたものである。核には正常部と比較してSbが高濃度で分布している。GaSb結晶は、供給されたSb原子が基板表面に存在するGa原子と結合して取り込まれることと、供給されたGa原子が表面に存在するSb原子と結合して取り込まれることで成長する。Ga原子とSb原子の供給量の比は、上述のように、Sb原子の方が若干過剰な程度が最適とされる(非特許文献2)。
しかしSb原子は同じV族のAs原子などと比べて基板表面に残留しやすいので、過剰なSb原子同士が基板表面で凝集し、核が形成されたと考えられる。
一般に、結晶成長は、ダングリングボンドが多いことから、テラスと呼ばれる平坦な部分と比べてステップの方が原子の取り込み効率が高い。
GaSb基板の面方位を(100)として(111)A方向に0.1°以上10°以下のオフ角を持たせることで、GaSb基板の表面のステップにはオフ角度に応じた割合の(111)A面が現れる。オフ角の(111)A面は、ステップに現れる。すなわち、高さ位置が異なる、テラスである上側の(100)面と下側の(100)面との間の壁(崖)として現れる。あとで説明するが(111)A面上には、Sb原子が位置せず、Ga原子のみが位置する。ステップにGa原子のみが存在する場合、原料のSb原子が、ステップに取り込まれる可能性が高くなるので、Sb原子同士で凝集する可能性が低くなり、高濃度Sbの核を形成する確率または頻度は小さくなる。この結果、(100)面から(111)A方向にオフ角をとることで、高濃度Sbの核を有する欠陥の発生を抑制することができる。
一方、(111)A方向にオフ角度をとらない場合、たとえば(110)面がステップを構成すると、Sb原子が表面に出る。この結果、供給される原料のSb原子がステップに取り込まれる可能性が低く、高濃度Sbの核発生が低減されず、欠陥が発生しやすくなる。
GaSb基板の面方位が(100)であり、(111)A方向に0.1°以上オフ角度をとらないと、多くのステップを十分高い割合で(111)A面とすることができない。すなわちオフ角度が0.1°未満では表面欠陥の抑止には不十分である。しかし、上記のオフ角が10°を超えると、結晶表面が荒れて光学特性の劣化を生じる。
また、本発明の半導体ウエハまたは半導体装置は、成長法は何でもよく、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法でも、OMVPE(Organometallic Vapor Phase Epitaxy)法でもよい。
本発明の別の半導体ウエハまたは半導体装置は、GaSb基板の上に、(InAs/GaSb)が繰り返し積層された多重量子井戸構造を有する半導体ウエハまたは半導体装置であって、GaSb基板の面方位をGa原子のみが位置してSb原子が出ない面方位とし、かつステップにGa原子のみが位置してSb原子が出ない結晶面を出させるオフ角の方向とすることを特徴とする。これによって、上述の欠陥の生成を抑止することができ、その機構は上述のとおりである。またこれにより例えば高信頼性、高歩留まりのレーザダイオードや低暗電流のフォトダイオードなどの半導体装置を得ることができる。この場合、オフ角度の範囲は、GaSb基板表面に生じるステップが実質的にオフ角方向の面で占められる角度以上とし、エピタキシャル成長が可能な角度以下とするのがよい。通常、そのオフ角度は、0.1°以上10°以下である。
上記の条件を満たすGaSb基板として、上述の、面方位(100)・オフ(111)A方向に0.1°以上、の他に、面方位(100)・オフ(1−1−1)A方向に0.1°以上などがある。
上記の条件を満たすGaSb基板として、上述の、面方位(100)・オフ(111)A方向に0.1°以上、の他に、面方位(100)・オフ(1−1−1)A方向に0.1°以上などがある。
InAsとGaSbとの間に、InSbを、1原子層におけるIn原子とSb原子の密度の0.5以上、1.5原子層以下、挿入して一単位の量子井戸を形成し、その一単位の量子井戸を繰り返し積層して多重量子井戸構造を形成してもよい。これによって、品質を向上させることができる。InAsとGaSbとの間に、InSbが、0.5原子層未満挿入されたのでは、品質向上の作用は認められない。一方、1.5層を超えて挿入されると、多重量子井戸構造がGaSb基板より大きな圧縮歪を受けることで結晶欠陥が増加して暗電流が増大し、長波長域の受光感度が低下する。
上記の半導体ウエハまたは半導体装置では、上記の繰り返し積層の数を50以上とすることができる。タイプ2型の(InAs/GaSb)MQW、またはInAsとGaSbとの間に極薄のInSbを間に挟むタイプ2型の(InAs/GaSb)MQWでは、GaAsの価電子帯とInAsの伝導帯との間の電子の遷移が利用される。この遷移は、InAs層とGaSb層との間で生じる。このため、繰り返し積層の数を増やすことによって、感度向上を得ることができる。繰り返し積層数50以上とすることで、実用上、利用可能な感度を得ることができる。
上記の半導体装置をフォトダイオードとすることができる。これによって表面欠陥を抑制した半導体ウエハを用いて、波長3μm〜12μmの光を高感度で、低い暗電流のもとで受光することができる。
本発明によれば、GaSb基板を用いて、表面性状の良好なMQWが形成された半導体ウエハ等を得ることができる。
図1は本発明の実施の形態における半導体装置である受光素子10を示す断面図である。また、図2は、上記の半導体装置を作製するのに用いた半導体ウエハ10aを示す断面図である。図1および図2において、エピタキシャル積層体は、次の構成からなる。
p型GaSb基板1/Beドープしたp型GaSbバッファ層2/タイプ2型の(InAs/GaSb)MQW受光層3/Siドープしたn型InAsコンタクト層4
p型GaSb基板は、面方位(100)であって、(111)A方向に0.1°以上10°以下のオフ角度がつけられている点が重要である。その理由は、このあと詳しく説明する。
エッチングにより露出させたp型GaSbバッファ層2にはp側電極12が、またn型InAsコンタクト層4にはn側電極11が、オーミック接触するように設けられている。n側電極11は画素電極であり、p側電極12はグランド電極である。図1では、画素は一つであるが、画素を複数配列したフォトダイオードアレイの場合、画素電極11が多数配列され、グランド電極12は共通に一つ設けられる。本発明の半導体装置におけるフォトダイオードは、画素は1つまたは2つ以上を対象としており、フォトダイオードアレイを含むものである。
一つの画素の受光素子10であっても、n側電極の周囲のn型InAsコンタクト層をエッチングによりメサエッチングしてメサ形状としている。多数の画素が配列されたフォトダイオードアレイの場合、上記のメサエッチングと同様にエッチングによってフォトダイオード間に溝を形成するのがよい。これによって、フォトダイオード間のクロストーク等を防止することができる。フォトダイオード間に溝を設けずに、コンタクト層4の表面に選択拡散マスクパターンを設けて、画素に対応する開口部からMQW3の上部に到達するように、n型不純物を選択拡散することで、各フォトダイオードの独立性を確保してもよい。選択拡散されていない領域によって各画素を隔てることになる。メサエッチングによって結晶は損傷を受けるので、暗電流等を非常に低くすることが望ましい場合には、選択拡散によって画素を形成することが望ましい。
p型GaSb基板1/Beドープしたp型GaSbバッファ層2/タイプ2型の(InAs/GaSb)MQW受光層3/Siドープしたn型InAsコンタクト層4
p型GaSb基板は、面方位(100)であって、(111)A方向に0.1°以上10°以下のオフ角度がつけられている点が重要である。その理由は、このあと詳しく説明する。
エッチングにより露出させたp型GaSbバッファ層2にはp側電極12が、またn型InAsコンタクト層4にはn側電極11が、オーミック接触するように設けられている。n側電極11は画素電極であり、p側電極12はグランド電極である。図1では、画素は一つであるが、画素を複数配列したフォトダイオードアレイの場合、画素電極11が多数配列され、グランド電極12は共通に一つ設けられる。本発明の半導体装置におけるフォトダイオードは、画素は1つまたは2つ以上を対象としており、フォトダイオードアレイを含むものである。
一つの画素の受光素子10であっても、n側電極の周囲のn型InAsコンタクト層をエッチングによりメサエッチングしてメサ形状としている。多数の画素が配列されたフォトダイオードアレイの場合、上記のメサエッチングと同様にエッチングによってフォトダイオード間に溝を形成するのがよい。これによって、フォトダイオード間のクロストーク等を防止することができる。フォトダイオード間に溝を設けずに、コンタクト層4の表面に選択拡散マスクパターンを設けて、画素に対応する開口部からMQW3の上部に到達するように、n型不純物を選択拡散することで、各フォトダイオードの独立性を確保してもよい。選択拡散されていない領域によって各画素を隔てることになる。メサエッチングによって結晶は損傷を受けるので、暗電流等を非常に低くすることが望ましい場合には、選択拡散によって画素を形成することが望ましい。
半導体装置である受光素子10の製造方法は次のとおりである。アンドープのp型GaSb基板1上にエピタキシャル構造が成長されている。GaSb基板1はアンドープの状態で十分高いp型キャリアを含んでいる。このGaSb基板1上にGaSbバッファ層2を成長する。成長方法は、MBE法を用いるのがよいが、他の成長方法であってもよい。膜厚は0.3μm〜5μm程度とし、p型不純物としてBeをドーピングして、p型キャリア濃度を0.5E18cm−3〜1E19cm−3とするのがよい。p型GaSbバッファ層2上に、受光層であるタイプ2型(InAs/GaSb)MQW3を成長する。InAs層は膜厚1nm〜8nm、またGaSb層は1nm〜8nm程度として、繰り返し周期数は50以上、望ましくは100以上とする。また上限は500以下とするのがよい。繰り返し周期数を高くすることで、InAs/GaSb界面の数を多くして受光感度を向上させることができる。タイプ2型(InAs/GaSb)MQW3の上に、Siをドープしながらn型InAsコンタクト層4を、膜厚0.01μm〜3μm程度成長する。n型キャリア濃度は5E17cm−3〜1E19cm−3程度とするのがよい。次いで、n型InAsコンタクト層4上にn側電極11を、Ti/Pt/Auによってオーミック接触するように形成する。またp型GaSbバッファ層2が露出するようエッチングを施し、p側電極12をp型GaSbバッファ層2上にTi/Pt/Auによってオーミック接触するように形成する。
<本発明の特徴>
1.エピタキシャル成長
一般に、結晶成長がなされる単結晶の表面は、完全な平坦面ではなく、ステップと呼ばれる階段状の部分が生じている。階段以外の部分はテラスと呼ばれほぼ平坦面であり、上記の面方位(100)の場合には、平坦面は(100)面となる。このような単結晶の表面に、結晶膜をエピタキシャル成長させるとき、原料を、分子線(MBE法の場合)または有機金属分子ガス(OMVPE法の場合)の形態で供給する。これらの原料は、単結晶表面において原子に分離されて、表面エネルギが低い、ステップに付着して成長してゆく。ステップに付着するのは、熱力学的にエネルギが低い状態を維持することができるからである。したがって、エピタキシャル成長の初期では、供給された原料からの原子は、まず、ほぼすべてステップに集中し、ステップから上記の平坦面に広がって、一層または複数層を成長させてゆく。
2.本発明におけるGaSb基板
本発明では、GaSb基板1に、面方位が(100)であり、(111)A方向に所定範囲の角度のオフ角度をつけたものを用いる。(111)A方向にオフ角度をつけることは、GaSb基板の表面に、(111)A面がオフ角度に応じて混入してくることを意味する。上記のGaSb基板1は、主要な面方位(100)は上記の平坦面を形成している。このような主要な平坦面に対する、このような別の面方位の面の混入は、ステップが当該別の面方位の面で形成されることを意味する。そのほうが熱力学的に安定だからである。ステップが(111)A面で形成されると、次に示す理由によってSb原子の凝集が生じにくい。
1.エピタキシャル成長
一般に、結晶成長がなされる単結晶の表面は、完全な平坦面ではなく、ステップと呼ばれる階段状の部分が生じている。階段以外の部分はテラスと呼ばれほぼ平坦面であり、上記の面方位(100)の場合には、平坦面は(100)面となる。このような単結晶の表面に、結晶膜をエピタキシャル成長させるとき、原料を、分子線(MBE法の場合)または有機金属分子ガス(OMVPE法の場合)の形態で供給する。これらの原料は、単結晶表面において原子に分離されて、表面エネルギが低い、ステップに付着して成長してゆく。ステップに付着するのは、熱力学的にエネルギが低い状態を維持することができるからである。したがって、エピタキシャル成長の初期では、供給された原料からの原子は、まず、ほぼすべてステップに集中し、ステップから上記の平坦面に広がって、一層または複数層を成長させてゆく。
2.本発明におけるGaSb基板
本発明では、GaSb基板1に、面方位が(100)であり、(111)A方向に所定範囲の角度のオフ角度をつけたものを用いる。(111)A方向にオフ角度をつけることは、GaSb基板の表面に、(111)A面がオフ角度に応じて混入してくることを意味する。上記のGaSb基板1は、主要な面方位(100)は上記の平坦面を形成している。このような主要な平坦面に対する、このような別の面方位の面の混入は、ステップが当該別の面方位の面で形成されることを意味する。そのほうが熱力学的に安定だからである。ステップが(111)A面で形成されると、次に示す理由によってSb原子の凝集が生じにくい。
図3は、GaSbの結晶構造を示す図であり、(a)は結晶構造における(111)A面を示す、(b)はその(111)A面にSb原子が載らないことを説明するための図である。ステップが(111)A面で形成されるとき、図3(b)に示すように、ステップにSb原子が出ない。このため、供給されるSb原子は、GaSb基板のステップに取り込まれる確率が高く、所定の結晶の構成部分となってエピタキシャル結晶層を成長させやすい。
これに比べて、オフ角度がなく、GaSb基板の面方位が(100)ジャスト基板であった場合、どのようなことが生じるか。過剰なSb原子が基板表面に残留し、Sb原子同士が凝集して上述の高濃度Sbの核を形成する。高濃度Sbの核は径が1μm程度あり、核の周辺で異常成長が起こり、数μmに達する大きな欠陥に成長する。
本発明では、面方位(100)面に対して、(111)A方向に0.1°以上10°以下のオフ角度をつける。オフ角度が大きいほど、(111)A面で形成されるステップは多く生じ、このような(111)A面のステップの比率が大きくなる。面方位(100)と、オフ角方向(111)Aとの組み合わせ以外に、平坦面(テラス)およびステップにSb原子が出ない、面方位とオフ角方向の組み合わせがあれば、そのような組み合わせについても、上記の説明にあるように、本発明の範囲に含まれる。たとえば、面方位(100)・オフ(1−1−1)A方向に0.1°以上、などがこれに該当する。
次に、実施例によって本発明の効果を検証した。試験体には、図2に示す半導体ウエハと、図1に示す形状のフォトダイオードを用いた。試験体は、次の4試験体である。
<試験体>
(本発明例1−半導体ウエハ−): 面方位(100)で、(111)A方向に0.35°のオフ角を持つアンドープGaSb基板を用いた。このアンドープGaSb基板上にBeをドーピングしながらGaSbバッファ層を膜厚1μmに成長した。成長法は、MBE法を用いた。本実施の形態では、以後、すべてMBE法によって成長を行った。Beによるp型キャリア濃度は1E18cm−3とした。次いで、このGaSbバッファ層上に、受光層としてタイプ2型のInAs/GaSbMQWを成長した。InAs層の膜厚は12ML(3.6nm)とし、GaSb層の膜厚は7ML(2.1nm)とした。繰り返し数(周期数)は200とした。このMQWの上にn型キャリアのSiをドープしたInAsコンタクト層を膜厚30nmに成長した。n型キャリア濃度は1E18cm−3とした(図2参照)。
(本発明例2−フォトダイオード−): 本発明例1の半導体ウエハに処理を施し、エッチングにより露出させたGaSbバッファ層と、コンタクト層とに、Ti/Pt/Auからなる電極を形成した。コンタクト層上の電極の周辺をGaSbバッファ層に到達するまでウェットエッチングしてメサ形状として、図1に示すフォトダイオードを作製した。
(比較例1−半導体ウエハ−): 面方位(100)で、オフ角のないアンドープGaSb基板を用いた。このアンドープGaSb基板上に、本発明例1と同様の方法によってMQWを積層した。
(比較例2−フォトダイオード−): 比較例1の半導体ウエハを用いて、本発明例2と同様の処理によってフォトダイオードを作製した。
<試験>
次の2項目について試験を行った。
1.半導体ウエハに対する表面性状調査
2.フォトダイオードにおける暗電流の測定(液体窒素温度77K)
<試験体>
(本発明例1−半導体ウエハ−): 面方位(100)で、(111)A方向に0.35°のオフ角を持つアンドープGaSb基板を用いた。このアンドープGaSb基板上にBeをドーピングしながらGaSbバッファ層を膜厚1μmに成長した。成長法は、MBE法を用いた。本実施の形態では、以後、すべてMBE法によって成長を行った。Beによるp型キャリア濃度は1E18cm−3とした。次いで、このGaSbバッファ層上に、受光層としてタイプ2型のInAs/GaSbMQWを成長した。InAs層の膜厚は12ML(3.6nm)とし、GaSb層の膜厚は7ML(2.1nm)とした。繰り返し数(周期数)は200とした。このMQWの上にn型キャリアのSiをドープしたInAsコンタクト層を膜厚30nmに成長した。n型キャリア濃度は1E18cm−3とした(図2参照)。
(本発明例2−フォトダイオード−): 本発明例1の半導体ウエハに処理を施し、エッチングにより露出させたGaSbバッファ層と、コンタクト層とに、Ti/Pt/Auからなる電極を形成した。コンタクト層上の電極の周辺をGaSbバッファ層に到達するまでウェットエッチングしてメサ形状として、図1に示すフォトダイオードを作製した。
(比較例1−半導体ウエハ−): 面方位(100)で、オフ角のないアンドープGaSb基板を用いた。このアンドープGaSb基板上に、本発明例1と同様の方法によってMQWを積層した。
(比較例2−フォトダイオード−): 比較例1の半導体ウエハを用いて、本発明例2と同様の処理によってフォトダイオードを作製した。
<試験>
次の2項目について試験を行った。
1.半導体ウエハに対する表面性状調査
2.フォトダイオードにおける暗電流の測定(液体窒素温度77K)
<試験結果>
1.表面性状
半導体ウエハの表面の光学顕微鏡による画像を図4および図5に示す。図4は、本発明例1の半導体ウエハの表面の画像であり、図5は比較例1の半導体ウエハの表面の画像である。一見して、比較例1では、高密度に欠陥ができているのに比べて、本発明例1では、欠陥の密度は非常に低い。画像処理によって欠陥の表面密度を求めた結果を、表1に示す。
1.表面性状
半導体ウエハの表面の光学顕微鏡による画像を図4および図5に示す。図4は、本発明例1の半導体ウエハの表面の画像であり、図5は比較例1の半導体ウエハの表面の画像である。一見して、比較例1では、高密度に欠陥ができているのに比べて、本発明例1では、欠陥の密度は非常に低い。画像処理によって欠陥の表面密度を求めた結果を、表1に示す。
表1によれば、比較例1では、欠陥の密度は、約7.6E5cm−2であったのに比べて、本発明例1では、1E5cm−2まで、ほとんど1オーダー低くなっている。これは、面方位(100)で、(111)A方向にオフ角をつけたGaSb基板を用いたことによる。
2.暗電流
図6にフォトダイオードの暗電流の測定結果を示す。比較例2のフォトダイオードでは、バイアス電圧−0.7Vで暗電流が1.0E+01(Acm−2)程度ある。これに対して、本発明例2では、1.0E0(Acm−2)へと、ほど1オーダー低くなる。暗電流は、表面性状に大きく影響され、図5のように高い表面欠陥密度では、暗電流はとうぜん高くなることが予想され、その通りの結果が得られた。
2.暗電流
図6にフォトダイオードの暗電流の測定結果を示す。比較例2のフォトダイオードでは、バイアス電圧−0.7Vで暗電流が1.0E+01(Acm−2)程度ある。これに対して、本発明例2では、1.0E0(Acm−2)へと、ほど1オーダー低くなる。暗電流は、表面性状に大きく影響され、図5のように高い表面欠陥密度では、暗電流はとうぜん高くなることが予想され、その通りの結果が得られた。
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。
本発明の半導体ウエハ等によれば、GaSb基板を用いて、表面性状に優れたタイプ2型(InAs/GaSb)MQWを得ることができ、波長3μm〜12μmに感度をもつ、暗電流の低いフォトダイオード等を得ることができる。
1 p型GaSb基板、2 p型GaSbバッファ層、3 タイプ2型(InAs/GaSb)MQW受光層、4 n型InAsコンタクト層、10 フォトダイオード、10a 半導体ウエハ、11 n側電極、12 p側電極。
Claims (9)
- GaSb基板の上に、(InAs/GaSb)が繰り返し積層された多重量子井戸構造を有する半導体ウエハであって、
前記GaSb基板の面方位が(100)であり、かつ(111)A方向に0.1°以上10°以下のオフ角がついていることを特徴とする、半導体ウエハ。 - GaSb基板の上に、(InAs/GaSb)が繰り返し積層された多重量子井戸構造を有する半導体ウエハであって、
前記GaSb基板の面方位をGa原子のみが位置してSb原子が出ない面方位とし、かつステップにGa原子のみが位置してSb原子が出ない結晶面を出させるオフ角の方向とすることを特徴とする、半導体ウエハ。 - 前記InAsとGaSbとの間に、InSbが、1原子層におけるIn原子とSb原子の密度の0.5以上、1.5原子層以下、挿入されて一単位の量子井戸を形成し、その一単位の量子井戸が繰り返し積層されて多重量子井戸構造を形成していることを特徴とする、請求項1または2に記載の半導体ウエハ。
- 前記繰り返し積層の数が50以上であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体ウエハ。
- GaSb基板と、
前記GaSb基板の上に位置する、(InAs/GaSb)が繰り返し積層された多重量子井戸構造とを備え、
前記GaSb基板の面方位が(100)であり、かつ(111)A方向に0.1°以上10°以下のオフ角がついていることを特徴とする、半導体装置。 - GaSb基板と、
前記GaSb基板の上に位置する、(InAs/GaSb)が繰り返し積層された多重量子井戸構造とを備え、
前記GaSb基板の面方位をGa原子のみが位置してSb原子が出ない面方位とし、かつステップにGa原子のみが位置してSb原子が出ない結晶面を出させるオフ角の方向とすることを特徴とする、半導体装置。 - 前記InAsとGaSbとの間に、InSbが、1原子層のInとSbの数の0.5以上、1.5原子層以下、挿入されて一単位の量子井戸を形成し、その一単位の量子井戸が繰り返し積層されて多重量子井戸構造を形成していることを特徴とする、請求項5または6に記載の半導体装置。
- 前記繰り返し積層の数が50以上であることを特徴とする、請求項5〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記半導体装置がフォトダイオードであることを特徴とする、請求項5〜8のいずれか1項に記載の半導体装置。
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