JP2012015170A - 受光素子およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】波長１．３μｍを含む短波長側から長波長側の近赤外域にわたって、受光感度の変動を抑制した、受光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】ＩｎＰ基板の上に、ＧａＡｓＳｂ層とＩｎＧａＡｓ層との繰り返し構造からなるタイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）の受光層を備えて、波長１．３μｍおよび２．０μｍを含む近赤外域に受光感度を有する受光素子であって、前記波長１．３μｍの受光感度と、波長２．０μｍの受光感度との比を０．５以上１．６以下としたことを特徴とする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、受光素子およびその製造方法であって、より具体的には、近赤外の長波長域にまで受光感度を持つような構成を持つタイプ２多重量子井戸構造（Multiple-Quantum Well）を受光層に含む、受光素子およびその製造方法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ーが近赤外域に対応することから、通信用、分析用、夜間撮像用などの受光素子の研究開発が行われている。
このなかで、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２ＭＱＷによる受光層を備えるフォトダイオードの試作例が開示されている（非特許文献１）。このフォトダイオードのカットオフ波長は２．３９μｍであり、波長１．７μｍから２．７μｍまでの分光感度特性が示されている。
また、他の例では、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２ＭＱＷを備えるフォトダイオードについて、波長１μｍから３μｍまでの分光感度（温度：２００Ｋ、２５０Ｋ、２９５Ｋ）が開示されている（非特許文献２）。このフォトダイオードでは、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの厚みは、両方とも５ｎｍであり、１５０ペア積層しており、そのカットオフ波長は２．３μｍである。
R.Sidhu, et.al. "ALong-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 R.Sidhu, et.al.," A 2.3μm cutoff wavelength photodiode on InPusing lattice-matched GaInAs-GaAsSb type II quantum wells"2005 International Conference on Indium Phosphide and RelatedMaterials
上記のフォトダイオードについては、タイプ２ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのＭＱＷにより受光域を長波長化させている。このため、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の電子が、ＩｎＧａＡｓの伝導帯に遷移するタイプ２の遷移が注目されている。ＧａＡｓＳｂの価電子帯の電子がＩｎＧａＡｓの伝導帯に遷移することから、このタイプ２ＭＱＷにおけるタイプ２遷移は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、の界面で生じやすい。
一方、タイプ２ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのＭＱＷにおいて、タイプ１の遷移、すなわちそれぞれの層の価電子帯の電子が、同じ層の伝導帯へと遷移することも並行して生じる。この場合、受光される光の波長は、タイプ２遷移による最長波長より、当然、短波長側が受光可能域となる。
上記の受光素子は、ガス分析等に用いられることが想定され、またその他の理由により、１．３μｍ以上の近赤外域で、所定以上の受光感度、とくにほぼ一定の受光感度を持つことが必須である。しかし、上記の非特許文献では、前者においては、波長１．８μｍから２．３μｍまでほぼ一定の受光感度を持つが、波長１．７μｍで急激に高くなっている。また、後者のフォトダイオードでは、長波長側は一定であるが、波長１．５μｍ以下で受光感度は急激に低下している。このような、受光感度の変動は避けなければならない。すなわち受光感度の波長依存性は実用的に許容される範囲内に平坦化されるべきである。
本発明は、波長１．３μｍを含む短波長側から長波長側の近赤外域にわたって、受光感度の変動を抑制した、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。
本発明の受光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる基板の上に、第一の化合物半導体と第二の化合物半導体との繰り返し構造からなるタイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）の受光層を備えて、波長１．３μｍおよび２．０μｍを含む近赤外域に受光感度を有する受光素子であって、波長１．３μｍの受光感度と、波長２．０μｍの受光感度との比を０．５以上１．６以下としたことを特徴とする。
本発明の受光素子は、タイプ２のＭＱＷを含む。このタイプ２ＭＱＷでは、一方の化合物半導体層（以下、ａ層と記す。たとえばＧａＡｓＳｂ層。）は、他方の化合物半導体層（以下、ｂ層と記す。たとえばＩｎＧａＡｓ層。）よりも、価電子帯および伝導帯エネルギが、高い。ただし、両方のフェルミ準位が一致することから、一方の高いほうの化合物半導体層（ａ層）の価電子帯よりは、他方の低いほうの化合物半導体層（ｂ層）の伝導帯のほうが、高いエネルギ準位を有する。タイプ２ＭＱＷでは、受光のとき、ａ層の価電子帯に位置する電子が入射光を吸収して、ｂ層の伝導帯に励起される。この結果、ａ層の価電子帯に正孔が生じ、ｂ層の伝導帯に当該励起された電子が位置する。このように、ａ層の価電子帯の電子がｂ層の伝導帯に励起されることで、より低エネルギ（より長波長）の入射光を受光することができる。これをタイプ２の遷移（受光）といい、ａ層とｂ層との界面で生じる現象である。
上記のタイプ２の遷移は、受光域の最長波長を決め、かつそのため、タイプ２による受光域は、最長波長を上限とする長波長域、たとえば１．７μｍ以上をカバーする。しかし、受光素子は、それより短い波長域にも受光感度を持つ必要がある。上記のタイプ２ＭＱＷでは、タイプ２の遷移だけでなく、タイプ１の遷移も生起する。タイプ１の遷移は、上記の界面ではなく、ａ層内およびｂ層内で生じる。ａ層およびｂ層のバンドギャップエネルギーは、たとえばＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓとの組み合わせの例にみるように、同じ程度である。タイプ１の受光が、ａ層内またはｂ層内で生じると、ａ層またはｂ層の価電子帯の電子が、それぞれの層の伝導帯に励起され、それぞれの層の価電子帯に正孔が生じる。正孔が価電子帯に生じ、また電子が伝導帯へと励起される点では、タイプ１もタイプ２も同じである。
本発明では、ＭＱＷの総厚み、ＭＱＷの各層の厚み等を調節することで、波長１．３μｍを含む短波長側から長波長側、たとえば２．５μｍにわたって、受光感度の変動を抑制することができる。
上記の受光素子について、基板側から光を入射する構造とすることができる。 本発明の受光素子では、ｐ側電極を受光層の上に配置し、ｎ側電極を受光層からみて基板に近い位置の層（基板であってもよい）に配置する。ｐ側電極を受光層の上に配置する理由は次のとおりである。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のｐ型不純物であるＺｎは、これまでに膨大な技術蓄積がある。このＺｎを、受光層を含むエピタキシャル層の表面から選択拡散によって導入して、画素領域を形成することが容易なためである。このため、ｐ側電極をエピタキシャル層の表面に配置する。画素領域は、一つまたは複数、形成され、複数の場合はｐ側電極は各画素領域に１つずつ配置される。このためｐ側電極を画素電極と呼ぶことがある。一方、ｎ側電極は共通のグランド電極となる。すなわち、ｐ側電極が、一つの場合および複数の場合、のいずれの場合でも、各画素に共通のグランド電極となる。
上記のｐ側電極およびｎ側電極の配置によって、受光現象が起きると、タイプ１とタイプ２とによらず、正孔はｐ側電極に、また電子はｎ側電極へと、逆バイアス電界によって誘導される。
画素が複数で二次元配列になる場合、画素電極（ｐ側電極）から電荷を読み出す配線が複雑になり、光伝播の障害になるので、エピタキシャル層側を光入射面にすることはできない。このため、基板側から光入射を行う。ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等で形成された読み出し配線(ROIC:Read Out IC)の読み出し電極は、ｐ側電極に対面する態様で、接合バンプ等によって１対１に導電接続される。
光が基板側から入射されると、基板に近い範囲のＭＱＷで受光が生じて正孔および電子が発生する。正孔は、電子に比べて移動度が小さいことが知られている。逆バイアス電界があるとはいえ、移動度が小さいうえに正孔は多くの量子井戸のポテンシャルを繰り返し越えてｐ側電極に到達しなければならない。これに対して、移動度が大きい電子は基板または基板に接するバッファ層、に設けられたｎ側電極へと比較的短い距離を移動する。
基板側から光を入射する構造とは、基板裏面にＡＲ（Anti-Reflection）膜を配置した構造などをいう。
上記のＭＱＷの総膜厚を、０．５μｍ以上３．５μｍ以下とすることができる。ＭＱＷの総膜厚は、タイプ１と２とを問わず、移動度の低い正孔に対して、基板に近い位置から画素電極に到達するときに、強く影響する。総膜厚を３．５μｍ以下にすることで、タイプ１とタイプ２とを問わず、受光で生じた正孔がＭＱＷのほとんど総膜厚（基板に近い位置で受光が生じるため）を移動して、画素電極に到達するのが容易になる。
一方、ＭＱＷの総膜厚が０．５μｍ未満では、タイプ１の遷移を十分高くできないか、またはタイプ２の受光感度を確保できるほど繰り返し数を増やすことができない。いずれにしても十分高い受光感度を得ることができない。
第一の化合物半導体層の膜厚、第二の化合物半導体層の膜厚を、両方ともに、０．７５ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることができる。
ＭＱＷの各層の膜厚を５ｎｍ以下に薄くすると、量子井戸のバルク中の遷移であるタイプ１の遷移による光吸収のされ易さと、量子井戸の界面での遷移であるタイプ２の遷移による光吸収のされ易さと、大きく異ならなくなる。そのため、タイプ１遷移による受光が起こる領域とタイプ２遷移による受光が起こる領域とは大きく異ならない。このため、タイプ１遷移によって発生した正孔とタイプ２遷移によって発生した正孔の画素領域側への届き易さは大幅に異ならない。このため、タイプ１遷移に対応する波長の受光感度とタイプ２遷移に対応する波長の受光感度は大きく異ならず、受光感度の波長依存性が平坦になる。
これに対して、量子井戸の膜厚が５ｎｍよりも厚い場合はタイプ１の遷移は基板に近い領域で起こりやすく（タイプ１遷移に対応する波長の光は基板に近い領域で吸収されやすく）、タイプ２遷移に対応する波長の光は画素領域（ｐ型領域）に近い領域まで届く（タイプ２遷移に対応する波長の光は基板に近い領域では吸収されにくい）。よって、タイプ１遷移で発生した正孔に比べて、タイプ２遷移で発生した正孔は画素領域（ｐ型領域）に届き易い。このため、タイプ１遷移に対応する波長の受光感度が低下するが、タイプ２遷移に対応する波長の受光感度が高くなるため、受光感度の波長依存性が大きくなる。このためＭＱＷの各層の膜厚を５ｎｍ以下とする。
一方、各層の膜厚が０．７５ｎｍ未満になると、界面密度が過多になり、タイプ１の受光感度が小さくなり過ぎる。このため、全体の受光感度の平坦性が確保できなくなるので、各層の膜厚は０．７５ｎｍ以上とするのがよい。
基板はＩｎＰからなり、ＭＱＷはＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下「ＩｎＧａＡｓ」と記す）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２、以下「ＧａＡｓＳｂ」と記す）との繰り返し構造からなる構成をとることができる。これによって、既存の設備を用いて、近赤外域の長波長側にまで受光感度を有するタイプ２ＭＱＷを得ることができる。
ＩｎＰ基板の上に位置するＭＱＷを含むＩｎＰ系エピタキシャル層の表面をＩｎＰ窓層として、ＩｎＰ系エピタキシャル層の底面と表面との間に、再成長界面を持たないようにできる。
ここで、再成長界面とは、所定の成長法で第１結晶層を成長させたあと、一度、大気中に出して、別の成長法で、第１結晶層上に接して第２結晶層を成長させたときの第１結晶層と第２結晶層との界面をいう。通常、酸素、炭素、珪素が不純物として高濃度に混入する。高濃度とは例えば原子濃度１×１０１８ｃｍ−３以上を意味する。本発明の半導体素子は、再成長界面を持たないようにするのがよく、ＩｎＰ窓層表面まで良好な結晶性を保持することができる。これによって、暗電流の低減に資することができる。
また、受光素子を能率よく製造することができる。すなわち、このあと説明するように、（バッファ層〜ＭＱＷ）からＰを含むＩｎＰ窓層まで、一貫して全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長するので、同じ成長槽内で、連続して製造を遂行することができる。また、たとえば燐を含むＩｎＰ窓層を形成しても、原料に固体の燐を用いないので、成長槽の内壁に燐が固着しない。このためメンテナンス時に発火などのおそれがなく、安全上も優れている。
本発明の受光素子の製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる基板の上に、第一の化合物半導体と第二の化合物半導体との繰り返し構造からなるタイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）の受光層を備えて、波長１．３μｍおよび２．０μｍを含む近赤外域に受光感度を有する受光素子の製造方法であって、波長１．３μｍの受光感度と、波長２．０μｍの受光感度との比を０．５以上１．６以下とすることを特徴とする。
上記の製造方法によって、上記の近赤外域に対する受光感度の波長依存性が、実用上問題ないレベルにまで平坦化された受光素子を容易に得ることができる。
受光素子は基板側から光を入射する構造にすることができる。これによって、たとえば、基板裏面にＡＲ膜などを配置して、たとえば二次元配列の画素電極と、ＲＯＩＣの読み出し電極とを対面させる態様で、接合バンプなどによって１対１に導電接続することができる。
前記ＭＱＷの総膜厚を、０．５μｍ以上３．５μｍ以下とすることができる。上述のように、これによって、所定レベル以上の受光感度を維持することが可能となる。
第一の化合物半導体層の膜厚、第二の化合物半導体層の膜厚を、両方ともに、０．７５ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることができる。これによって、受光感度を維持しながら波長１．３μｍ〜波長２．５μｍにわたって受光感度を平坦化することができる。
基板をＩｎＰで形成し、ＭＱＷをＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとの繰り返し構造とすることができる。これによって、タイプ１および２の遷移による受光感度をともに高めながら、上記の近赤外域にわたって受光感度の波長依存性の平坦性を向上させることができる。
ＩｎＰ基板の上に位置するＭＱＷを含むＩｎＰ系エピタキシャル層の表面をＩｎＰ窓層として、ＩｎＰ基板上に、ＭＱＷおよびＩｎＰ窓層を含むＩｎＰ系エピタキシャル層を、一貫して、全有機金属気相成長法により成長することができる。ここで、全有機金属気相成長法は、気相成長に用いる原料のすべてに、有機物と金属との化合物で構成される有機金属原料を用いる成長方法のことをいい、全有機ＭＯＶＰＥ法と記す。
上記の方法によれば、上述の受光素子を能率よく製造することができる。すなわち、Ｐを含むＩｎＰ窓層まで、一貫して全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長するので、同じ成長槽内で、連続して製造を遂行することができる。このため再成長界面を持たないので結晶性のよいエピタキシャル層を得ることができ、暗電流の抑制等を実現することができる。また、燐を含むＩｎＰ窓層を形成しても、原料に固体の燐を用いないので、成長槽の内壁に燐が固着しない。このためメンテナンス時に発火などのおそれがなく、安全上も優れている。
全有機ＭＯＶＰＥ法におけるその他の利点は、各層間で急峻なヘテロ界面をもつＭＱＷを得ることができる。急峻なヘテロ界面をもつＭＱＷによって、高精度のスペクトル分光等を行うことができる。また、全有機ＭＯＶＰＥ法でＭＱＷを成長することによって、良質のタイプ２ＭＱＷの作製が可能となり、波長１．３μｍの受光感度と、波長２．０μｍの受光感度との比を０．５以上１．６以下とすることが容易となる。
ＭＱＷの形成工程では、温度４００℃以上かつ５６０℃以下で、ＭＱＷを形成することができる。これによって、結晶性に優れたＭＱＷを得ることができ、暗電流をより一層低くすることができる。上記の温度は、基板表面温度を赤外線カメラおよび赤外線分光器を含むパイロメータでモニタしており、そのモニタされている基板表面温度をいう。したがって、基板表面温度ではあるが、厳密には、基板上に成膜がなされている状態の、エピタキシャル層表面の温度である。基板温度、成長温度、成膜温度など、呼称は各種あるが、いずれも上記のモニタされている温度をさす。
本発明の受光素子等によれば、波長１．３μｍから長波長側の近赤外域にわたって、受光感度の波長依存性を実用上問題ないレベルにまで平坦化することができる。すなわちＭＱＷにおいて、タイプ１とタイプ２の受光を大差ない程度で生じさせることで、波長１．３μｍの受光感度と、波長２．０μｍの受光感度との比を所定範囲内に納めることができる。この受光感度の波長依存性の平坦化にはＭＱＷの各層および全体の薄膜化が大きく寄与する。さらに、たとえば全有機ＭＯＶＰＥ法を適用することで、受光層のＭＱＷからＩｎＰ窓層まで一貫して成長するので、製造能率は高く、燐の成長槽内面への付着がないので、安全性でも優れている。
本発明の実施の形態１における受光素子を示す図である。 図１のＭＱＷの各層を示す図である。 受光減少をＭＱＷのバンド構造を用いて説明するための図である。 量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２が、量子井戸ポテンシャル内に形成される基底状態のエネルギ準位に及ぼす影響を示す模式図である。（ｂ）の量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２は、（ａ）のそれより小さい。 量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２と、正孔の流れ易さとの関係を示す模式図であり、（ａ）は量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２が、（ｂ）に比べてが薄い。 波長２．０μｍにおける受光感度を０．５Ａ／Ｗ、および０．７Ａ／Ｗ、とした場合において、波長１．３μｍにおける受光感度が、その０．５倍〜１．６倍になる範囲を示した図である。 全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置の配管系統等を示す図である。 （ａ）は有機金属分子の流れと温度の流れを示す図であり、（ｂ）は基板表面における有機金属分子の模式図である。 図１の受光素子５０の製造方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態２における、受光素子アレイ（半導体素子）を含む光学センサ装置である。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子５０を示す図である。受光素子５０は、ＩｎＰ基板１の上に次の構成のＩｎＰ系半導体積層構造（エピタキシャルウエハ）を有する。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２／タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３／ＩｎＧａＡｓ層４／ＩｎＰ窓層５）
ＩｎＰ窓層５からＩｎＧａＡｓ層４内にわたって位置するｐ型領域６は、ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６の開口部から、ｐ型不純物のＺｎが選択拡散されることで形成される。選択拡散マスクパターンの開口部を調整することで、ｐ型領域６を側面から所定距離隔てられるように形成することができる。ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極１２が、それぞれオーミック接触するように設けられている。この場合、ＩｎＰ基板１にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。ＩｎＰ基板１の裏面にＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射するようにして使用するようになっている。タイプ２ＭＱＷの受光層３には、上記のｐ型領域６の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合１５が形成され、上記のｐ側電極１１およびｎ側電極１２間に逆バイアス電圧を印加することにより、ｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド）により広く空乏層を生じる。ＩｎＧａＡｓ層４およびＭＱＷの受光層３におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で５Ｅ１５ｃｍ−３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合の位置１５は、ＩｎＧａＡｓ層４のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点（交面）で決まる。ＩｎＧａＡｓ層４は、受光層３を構成するＭＱＷ内でのｐ型不純物の濃度分布を調整するために配置されるが、ＩｎＧａＡｓ層４はなくてもよい。受光層３内では、Ｚｎ濃度は５Ｅ１６ｃｍ−３以下にするのがよい。
上述の空乏層は、受光待機のとき、ＩｎＧａＡｓ層４を経てＭＱＷの受光層３内へと張り出される。ＭＱＷのバッファ層２に近い位置にまで広げられる。光がＩｎＰ基板１側から入射されると、上記の空乏層内のＩｎＰ基板１に近い位置で受光が生じる。受光の結果、伝導帯に電子が、また価電子帯に正孔が生じるが、逆バイアス電界によって、電子はｎ側電極１２へ、また正孔はｐ側電極へと、駆動される。電子および正孔のうち、正孔は、その移動度が電子よりも相当低い。何よりも、受光位置がＩｎＰ基板１に近いＭＱＷ内の位置なので、数百の量子井戸ポテンシャルを越えてゆかなければならない。このため、価電子帯に生成はするが、ｐ側電極１１に到達できない正孔が多く発生して、受光感度を低下させる重大な要因となる。
本実施の形態における受光素子５０のポイントは次の点にある。
（１）ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂのペア数を５０以上５００以下とする。
（２）ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの膜厚を、両方ともに、０．７５ｎｍ以上５ｎｍ以下とする。
（３）ＭＱＷの総膜厚ｚを、０．５μｍ以上３．５μｍ以下とする。
（４）波長１．３μｍの受光感度と、波長２．０μｍの受光感度との比を０．５以上１．６以下とする。
要件（１）〜（３）を満たすことにより、（４）を満たすことは容易になる。
上記の（１）のペア数５０以上は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂの界面を増やし、タイプ２の受光感度を上昇させるために必要である。タイプ２の遷移（受光）は、界面で生じるからである。しかし、本発明が対象とする受光素子は、タイプ２の遷移を主体とする波長域の受光感度を高くするが、しかしペア数が５００を超えるとタイプ１に比べてタイプ２の遷移が、より一層過大になり、受光感度の波長依存性の平坦化ができなくなる。本発明の受光素子では、上記のように長波長側の受光感度をまず確保するために必要なペア数を確保する。このため、タイプ２の遷移がタイプ１に比べてより多く生じて、どちらかというとタイプ２過剰の状態を前提にしている。以後の説明においても、タイプ２の遷移が過大、すなわち長波長側の受光感度が十分にあることからスタートする。
図２は、受光層３を構成するＭＱＷの各層を示す図である。ＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｘ１とし、ＩｎＧａＡｓ層の膜厚ｘ２とする。膜厚ｘ１とｘ２との差は、±１．０ｎｍ未満であり、何も断らない限り、同じ厚みとしてよい。
図３は、受光現象をＭＱＷのバンド構造を用いて説明するための図である。タイプ１の遷移（受光）では、ＧａＡｓＳｂ層またはＩｎＧａＡｓ層の価電子帯の上部に位置する電子が、それぞれの層の伝導帯へと、相当するエネルギ（ｈ（ｃ／λ１）：λ１波長、ｈプランク定数、ｃ媒体内の光速）の光を吸収して励起されることで生じる。λ１は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのＭＱＷでは、波長１．７μｍ程度以下である。しきい値波長λ１は、それほど明確ではなく、およその見当である。波長λ１は、このあと説明するタイプ２の遷移を生じる光の波長λ２より小さい。すなわちタイプ１の遷移を生じる同じ層内での、価電子帯と伝導帯とのエネルギギャップは、タイプ２のそれよりも大きい。
タイプ２の遷移では、ＧａＡｓＳｂ層の価電子帯の上部に位置する電子が、隣のＩｎＧａＡｓ層の伝導帯へと、相当するエネルギｈ（ｃ／λ２）の光を吸収して励起されることで生じる。λ２は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのＭＱＷでは、波長１．７μｍ程度超えである。波長λ２は、タイプ１の遷移を生じる光の波長λ１より大きい。
タイプ１および２の遷移において、正孔は価電子帯に生成し、ｐ側電極に到達するまでに、凹凸状の量子井戸ポテンシャルを繰り返し越えてゆかなければならない。電子も同様に、凹凸状の量子井戸ポテンシャルを越えてｎ側電極に到達するが、生成位置がＩｎＰ基板に近い位置であるので越えるべき両井戸ポテンシャルの数は少ない。そして、何よりも、電子は移動度が正孔よりも相当大きい。このため、電子がｎ側電極に到達できないことが、問題になることはない。
量子井戸の各層の膜厚を薄くすることで、タイプ１および２で生じた正孔が、移動度が低いながら、多くのＭＱＷを越えて、ｐ側電極に到達しやすくなる。
（ｉ）タイプ１の受光の場合：
ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの価電子帯の電子が、それぞれの伝導帯に励起されて、それぞれの価電子帯に正孔が生じる。この正孔は、上記のように量子井戸ポテンシャルを多数（ほとんどペア数＝繰り返し数）越えてゆかなければｐ側電極に到達できない。正孔は、生成位置によらず、ＩｎＧａＡｓの価電子帯で生じた正孔でも、移動の際、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の底に近い基底状態に入りながら移動する。一度、ＧａＡｓＳｂの価電子帯に入った正孔は、隣のＩｎＧａＡｓの価電子帯に移るには、量子井戸ポテンシャルを越える必要がある。量子井戸の膜厚を薄くすると、ＧａＡｓＳｂの価電子帯における基底状態のエネルギが底から離れて、隣のＩｎＧａＡｓの価電子帯のエネルギに近づくようになる。これは、波動としての電子が井戸ポテンシャルで囲まれて、井戸を狭くされると、高いエネルギの振動状態になるのと類似している。
図４は、量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２が、量子井戸ポテンシャル内に形成される基底状態に及ぼす影響を示す模式図である。基底状態は、量子井戸ポテンシャル内で、電子または正孔が取り得る最低エネルギの状態であるが、エネルギゼロの状態ではなく、所定のエネルギを有する。図４（ｂ）の量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２は、図４（ａ）のそれより小さい。量子井戸の膜厚が薄くなると、当然、量子井戸ポテンシャルは狭くなる。この結果、基底状態のエネルギは高くなる。
基底状態が高くなると、その他の励起状態のエネルギも高くなる。このため、ＧａＡｓＳｂの価電子帯は底上げされたのと同様となり、正孔は、ＧａＡｓＳｂの価電子帯に入るかもしれないが、脱するのも容易であり、その結果、ＭＱＷを移動していきやすくなる。
（ｉｉ）タイプ２の受光の場合：
ＧａＡｓＳｂの価電子帯は、両側のＩｎＧａＡｓの価電子帯によって井戸ポテンシャルが形成されている。価電子帯の正孔は、価電子帯の底に近い基底状態を占めるので、隣のＩｎＧａＡｓの価電子帯に移るには、エネルギ障壁を越える必要がある。量子井戸の膜厚を薄くすると、価電子帯における基底状態のエネルギが、隣のＩｎＧａＡｓの価電子帯のエネルギに近づくようになる。このため、受光で価電子帯に生じた正孔は、その価電子帯において隣のＩｎＧａＡｓの価電子帯に移りやすくなる。これは、移動の最初のステップだけでなく、ドリフト中において、ＧａＡｓＳｂの価電子帯に落ち込んだ正孔についてもいえることである。
図５は、量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２と、正孔の流れ易さとの関係を示す模式図であり、（ａ）は量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２が、（ｂ）に比べて薄い。量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２を薄くすることで、図５（ａ）に示すように、タイプ１の遷移による正孔も、またタイプ２の遷移による正孔も、同様に、ｐ型領域に到達しやすくなる。
ＭＱＷの各層の膜厚を５ｎｍ以下に薄くすると、ＭＱＷのバルク中の遷移であるタイプ１の遷移による光吸収のされ易さと、ＭＱＷの界面での遷移であるタイプ２の遷移による光吸収のされ易さとは大きく異ならなくなる。そのため、タイプ１遷移による受光が起こる領域とタイプ２遷移による受光が起こる領域とは大きく異ならない。このため、タイプ１遷移によって発生した正孔とタイプ２遷移によって発生した正孔の画素領域側への届き易さは大幅に異ならない。このため、タイプ１遷移に対応する波長の受光感度とタイプ２遷移に対応する波長の受光感度は大きく異ならず、受光感度の波長依存性が平坦になる。
これに対して、ＭＱＷの各層の膜厚が５ｎｍよりも厚い場合、またはＭＱＷの総厚みが３．５μｍよりも厚い場合は、タイプ１の遷移は基板に近い領域で起こりやすく（タイプ１遷移に対応する波長の光は基板に近い領域で吸収されやすく）、タイプ２遷移に対応する波長の光は画素領域（ｐ型領域）に近い領域まで届く（タイプ２遷移に対応する波長の光は基板に近い領域では吸収されにくい）。よって、タイプ１遷移で発生した正孔に比べて、タイプ２遷移で発生した正孔は画素領域（ｐ型領域）に届き易い。このため、タイプ１遷移に対応する波長の受光感度が低下して、タイプ２遷移に対応する波長の受光感度が高くなるため、受光感度の波長依存性が大きくなる。このため、各層の膜厚を５ｎｍ以下にして、ＭＱＷの総厚みを３．５μｍ以下とする。
一方、各層の膜厚が０．７５ｎｍ未満になると、界面密度が過多になり、タイプ１の受光感度が小さくなり過ぎる。このため、全体の受光感度の平坦性が確保できなくなるので、各層の膜厚は０．７５ｎｍ以上とするのがよい。
上記の（１）、（２）、（３）の要件を満たすことで、本発明の受光素子は、波長１．３μｍの受光感度と波長２．０μｍの受光感度との比を０．５以上１．６以下としやすくなる。図６は、波長２．０μｍにおける受光感度を０．５Ａ／Ｗとした場合、および０．７Ａ／Ｗとした場合において、波長１．３μｍにおける受光感度が、０．５倍〜１．６倍になる範囲を示した図である。波長２．０μｍの受光感度は、０．５Ａ／Ｗおよび０．７Ａ／Ｗは妥当な値である。図６に示す、受光感度の範囲は、確かに実用上問題ない平坦性を有するレベルであるといえる。
＜ＭＱＷの成長方法＞
次に製造方法について説明する。ＩｎＰ基板１を準備して、その上に、ＩｎＰバッファ層２／タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５、を全有機ＭＯＶＰＥ法で成長する。ここでは、とくにタイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３の成長方法を詳しく説明する。
図７に全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置６０の配管系統等を示す。反応室（チャンバ）６３内に石英管６５が配置され、その石英管６５に、原料ガスが導入される。石英管６５中には、サセプタ６６が、回転自在に、かつ気密性を保つように配置される。サセプタ６６の下には、基板加熱用のヒータ６６ｈが設けられる。成膜途中のウエハ５０ａの表面の温度は、反応室６３の天井部に設けられたウィンドウ６９を通して、赤外線温度モニタ装置６１によりモニタされる。このモニタされる温度が、成長するときの温度、または成膜温度もしくは基板温度等と呼ばれる温度である。本発明における製造方法における、温度４００℃以上かつ５６０℃以下でＭＱＷを形成する、というときの４００℃以上および５６０℃以下は、この温度モニタで計測される温度である。石英管６５からの強制排気は真空ポンプによって行われる。
原料ガスは、石英管６５に連通する配管によって、供給される。全有機ＭＯＶＰＥ法は、原料ガスをすべて有機金属気体の形態で供給する点に特徴がある。図７では、不純物等の原料ガスは明記していないが、不純物も有機金属気体の形態で導入される。有機金属気体の原料は、恒温槽に入れられて一定温度に保持される。搬送ガスには、水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）が用いられる。有機金属気体は、搬送ガスによって搬送され、また真空ポンプで吸引されて石英管６５に導入される。搬送ガスの量は、ＭＦＣ（Mass Flow Controller:流量制御器）によって精度よく調節される。多数の、流量制御器、電磁弁等は、マイクロコンピュータによって自動制御される。
ウエハ５０ａの製造方法について説明する。まず、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板１に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を、膜厚１０ｎｍに、エピタキシャル成長させる。ｎ型のドーピングには、ＴｅＥＳｉ（テトラエチルシラン）を用いるのがよい。このときの原料ガスには、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）およびＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）を用いる。このＩｎＰバッファ層２の成長には、無機原料のＰＨ３（ホスフィン）を用いて行っても良い。このＩｎＰバッファ層２の成長では、成長温度を６００℃程度あるいは６００℃程度以下で行っても、下層に位置するＩｎＰ基板の結晶性は６００℃程度の加熱で劣化することはない。しかし、ＩｎＰ窓層を形成するときには、下層にＧａＡｓＳｂを含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ５６０℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃程度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化する点、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰ窓層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰ層内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰ窓層を得られない点があげられる。次いで、ＩｎＰバッファ層２の上に、ｎ型ドープしたＩｎＧａＡｓ層を、膜厚０．１５μｍ（１５０ｎｍ）に成長する。このＩｎＧａＡｓ層も図１中ではバッファ層２に含まれる。
次いで、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを量子井戸のペアとするタイプ２のＭＱＷの受光層３を形成する。量子井戸におけるＧａＡｓＳｂは上記のように、膜厚ｘ１は３ｎｍ以上１０ｎｍ未満とし、またＩｎＧａＡｓ３ｂの膜厚は、ｘ１±１．０ｎｍ未満とするのがよい。図１では、２５０ペアの量子井戸を積層してＭＱＷの受光層３を形成している。ＧａＡｓＳｂの成膜では、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）およびＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）を用いる。また、ＩｎＧａＡｓについては、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、およびＴＢＡｓを用いることができる。これらの原料ガスは、すべて有機金属気体であり、化合物の分子量は大きい。このため、４００℃以上かつ５６０℃以下の比較的低温で完全に分解して、結晶成長に寄与することができる。ＭＱＷの受光層３を全有機ＭＯＶＰＥによって、量子井戸の界面の組成変化を急峻にすることができる。この結果、高精度の分光測光をすることができる。
Ｇａ（ガリウム）の原料としては、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）でもよいし、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）でもよいが、望ましくはＴＥＧａがよい。これは、ＴＥＧａのほうが結晶中の不純物濃度を低減できるからである。特に量子井戸層内部の不純物となる炭素濃度は、ＴＭＧａを使用した場合は１Ｅ１６ｃｍ−３以上となるが、ＴＥＧａを使用した場合は１Ｅ１６ｃｍ−３未満とすることができる。Ｉｎ（インジウム）の原料としては、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）でもよいし、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）でもよいが、望ましくはＴＭＩｎがよい。これは、ＴＭＩｎのほうがＩｎ組成の制御性に優れているためである。Ａｓ（砒素）の原料としては、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）でもよいし、ＴＭＡｓ(トリメチル砒素)でもよいが、望ましくはＴＢＡｓがよい。これは、ＴＢＡｓのほうが結晶中の不純物濃度を低減できるからである。特に量子井戸層内部の不純物となる炭素濃度は、ＴＭＡｓを使用した場合は１Ｅ１６ｃｍ−３以上となるが、ＴＢＡｓを使用した場合は１Ｅ１６ｃｍ−３未満とすることができる。これによって、ＭＱＷの不純物濃度が小さく、その結晶性に優れた半導体素子を得ることができる。この結果、たとえば受光素子等に用いた場合、暗電流の小さい、かつ、感度が大きい受光素子を得ることができる。さらには、その受光素子を用いて、より鮮明な像を撮像するこが可能となる光学センサ装置、たとえば撮像装置を得ることができる。
次に、全有機ＭＯＶＰＥ法によって、ＭＱＷ３を形成するときの原料ガスの流れ状態について説明する。原料ガスは、配管を搬送されて、石英管６５に導入されて排気される。原料ガスは、何種類でも配管を増やして石英管６５に練通させることができる。たとえば十数種類の原料ガスであっても、電磁バルブの開閉によって制御される。
原料ガスは、流量の制御は、図７に示す流量制御器（ＭＦＣ）によって制御された上で、石英管６５への流入を電磁バルブの開閉によってオンオフされる。そして、石英管６５からは、真空ポンプによって強制的に排気される。原料ガスの流れに停滞が生じる部分はなく、円滑に自動的に行われる。よって、量子井戸のペアを形成するときの組成の切り替えは、迅速に行われる。
図７に示すように、サセプタ６６は回転するので、原料ガスの温度分布は、原料ガスの流入側または出口側のような方向性をもたない。また、ウエハ５０ａは、サセプタ６６上を公転するので、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスの流れは、乱流状態にあり、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスであっても、ウエハ５０ａに接する原料ガスを除いて導入側から排気側への大きな流れ方向の速度成分を有する。したがって、サセプタ６６からウエハ５０ａを経て、原料ガスへと流れる熱は、大部分、常時、排気ガスと共に排熱される。このため、ウエハ５０ａから表面を経て原料ガス空間へと、垂直方向に大きな温度勾配または温度段差が発生する。
さらに、本発明の実施の形態では、基板温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という低温域に加熱される。このような低温域の基板表面温度でＴＢＡｓなどを原料とした全有機ＭＯＶＰＥ法を用いる場合、その原料の分解効率が良いので、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスでＭＱＷの成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られる。
図８（ａ）は有機金属分子の流れと温度の流れを示す図であり、図８（ｂ）は基板表面における有機金属分子の模式図である。これらの図は、ＭＱＷのヘテロ界面で急峻な組成変化を得るために、表面温度の設定が重要であることを説明するための図である。
ウエハ５０ａの表面はモニタされる温度とされているが、ウエハ表面から少し原料ガス空間に入ると、上述のように、急激に温度低下または大きな温度段差が生じる。このため分解温度がＴ１℃の原料ガスの場合、基板表面温度は、（Ｔ１＋α）に設定し、このαは、温度分布のばらつき等を考慮して決める。ウエハ５０ａ表面から原料ガス空間にかけて急激で大きな温度降下または温度段差がある状況において、図８（ｂ）に示すような、大サイズの有機金属分子がウエハ表面をかすめて流れるとき、分解して結晶成長に寄与する化合物分子は表面に接触する範囲、および表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲、のものに限られると考えられる。したがって、図８（ｂ）に示すように、ウエハ表面に接する範囲の有機金属分子、および、ウエハ表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲以内に位置する分子、が、主として、結晶成長に寄与して、それより外側の有機金属分子は、ほとんど分解せずに石英管６５の外に排出される、と考えられる。ウエハ５０ａの表面付近の有機金属分子が分解して結晶成長したとき、外側に位置する有機金属分子が補充に入る。
逆に考えると、ウエハ表面温度を有機金属分子が分解する温度よりほんのわずかに高くすることで、結晶成長に参加できる有機金属分子の範囲をウエハ５０ａ表面上の薄い原料ガス層に限定することができる。
上記のことから、真空ポンプで強制排気しながら上記ペアの化学組成に適合した原料ガスを電磁バルブで切り替えて導入するとき、わずかの慣性をもって先の化学組成の結晶を成長させたあとは、先の原料ガスの影響を受けず、切り替えられた化学組成の結晶を成長させることができる。その結果、ヘテロ界面での組成変化を急峻にすることができる。これは、先の原料ガスが、石英管６５内に実質的に残留しないことを意味しており、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスでＭＱＷの成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られる（成膜要因１）ことに起因する。すなわち、図７から分かるように、量子井戸の一方の層を形成させたあと、真空ポンプで強制排気しながら電磁バルブを開閉して、他方の層を形成する原料ガスを導入したとき、少しの慣性をもって結晶成長に参加する有機金属分子はいるが、その補充をする一方の層の分子はほとんど排気されて、なくなっている。ウエハ表面温度を、有機金属分子の分解温度に近づけるほど、結晶成長に参加する有機金属分子の範囲（ウエハ表面からの範囲）は小さくなる。
このＭＱＷを形成する場合、６００℃程度の温度範囲で成長するとＭＱＷのＧａＡｓＳｂ層に相分離が起こり、清浄で平坦性に優れたＭＱＷの結晶成長表面、および、優れた周期性と結晶性を有するＭＱＷを得ることができない。このことから、成長温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という温度範囲にする（成膜要因２）が、この成膜法を全有機ＭＯＶＰＥ法にして、原料ガスすべてを分解効率の良い有機金属気体にすること（成膜要因３）に、成膜要因１が強く依拠している。
＜半導体素子の製造方法＞
図１に示した半導体素子５０では、タイプ２ＭＱＷの受光層３の上には、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が位置し、そのＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上にＩｎＰ窓層５が位置している。ＩｎＰ窓層５の表面に設けた選択拡散マスクパターン３６の開口部からｐ型不純物のＺｎが選択拡散されてｐ型領域６が設けられる。そのｐ型領域６の先端部にｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５が形成される。このｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５に、逆バイアス電圧を印加して空乏層を形成して、光電子変換による電荷を捕捉して、電荷量に画素の明るさを対応させる。ｐ型領域６またはｐｎ接合１５もしくはｐｉ接合１５は、画素を構成する主要部である。ｐ型領域６にオーミック接触するｐ側電極１１は画素電極であり、接地電位にされるｎ側電極１２との間で、上記の電荷を画素ごとに読み出す。ｐ型領域６の周囲の、ＩｎＰ窓層表面には、上記の選択拡散マスクパターン３６がそのまま残される。さらに図示しないＳｉＯＮ等の保護膜が被覆される。選択拡散マスクパターン３６をそのまま残すのは、ｐ型領域６を形成したあと、これを除いて大気中に暴露すると、窓層表面のｐ型領域との境界に表面準位が形成され、暗電流が増大するからである。
上述のようにＭＱＷを形成したあと、ＩｎＰ窓層５の形成まで、全有機ＭＯＶＰＥ法によって同じ成膜室または石英管６５の中で成長を続けることが、一つのポイントになる。すなわち、ＩｎＰ窓層５の形成の前に、成膜室からウエハ５０ａを取り出して、別の成膜法によってＩｎＰ窓層５を形成することがないために、再成長界面を持たない点が一つのポイントである。すなわち、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＩｎＰ窓層５とは、石英管６５内において連続して形成されるので、界面１６，１７は再成長界面ではない。このため、酸素、炭素および珪素の濃度がいずれも所定レベル以下であり、とくにｐ型領域６と界面１７との交差線において電荷リークが生じることはない。
本実施の形態では、ＭＱＷの受光層３の上に、たとえば膜厚１．０μｍのノンドープＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布層４を形成する。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布層４は、ＩｎＰ窓層５を形成したあと、選択拡散法によってＩｎＰ窓層５からｐ型不純物のＺｎをＭＱＷの受光層３に届くように導入するとき、高濃度のＺｎがＭＱＷに進入すると、結晶性を害するので、その調整のために設ける。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、上記のように配置してもよいが、なくてもよい。
上記の選択拡散によってｐ型領域６が形成され、その先端部にｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５が形成される。ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４を挿入した場合であっても、ＩｎＧａＡｓはバンドギャップが小さいのでノンドープであっても受光素子の電気抵抗を低くすることができる。電気抵抗を低くすることで、応答性を高めて良好な画質の動画を得ることができる。
ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上に、同じ石英管６５内にウエハ５０ａを配置したまま連続して、アンドープのＩｎＰ窓層５を、全有機ＭＯＶＰＥ法によってたとえば膜厚０．８μｍにエピタキシャル成長するのがよい。原料ガスには、上述のように、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）およびターシャリーブチルホスフィン（ＴＢＰ）を用いる。この原料ガスの使用によって、ＩｎＰ窓層５の成長温度を４００℃以上かつ５６０℃以下に、さらには５３５℃以下にすることができる。この結果、ＩｎＰ窓層５の下に位置するＭＱＷのＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けることがなく、ＭＱＷの結晶性が害されることがない。ＩｎＰ窓層５を形成するときには、下層にＧａＡｓＳｂを含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ５６０℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃程度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化する点、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰ窓層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰ窓層５内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰ窓層５を得られない点があげられる。
従来は、ＭＱＷをＭＢＥ法によって形成する必要があった。ところが、ＭＢＥ法によってＩｎＰ窓層を成長するには、燐原料に固体の原料を用いる必要があり、安全性などの点で問題があった。また製造能率という点でも改良の余地があった。
本発明前は、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層とＩｎＰ窓層との界面は、いったん大気に露出された再成長界面であった。再成長界面は、二次イオン質量分析によって、酸素濃度が１Ｅ１８ｃｍ−３以上、炭素濃度が１Ｅ１８ｃｍ−３以上、および、珪素濃度が１Ｅ１８ｃｍ−３以上のうち、少なくとも一つを満たすことによって特定することができる。再成長界面は、ｐ型領域と交差線を形成し、交差線で電荷リークを生じて、画質を著しく劣化させる。
また、たとえばＩｎＰ窓層を単なるＭＯＶＰＥ法によって成長すると、燐の原料にホスフィン（ＰＨ３）を用いるため、分解温度が高く、下層に位置するＧａＡｓＳｂの熱によるダメージの発生を誘起してＭＱＷの結晶性を害することとなる。
図９は、図１の受光素子５０の製造方法のフローチャートである。この製造方法によれば、原料ガスに有機金属気体のみを用いて（成膜要因３）成長温度を低下させること（成膜要因２）、および、ＩｎＰ窓層５の形成が終了するまで、一貫して同じ成膜室または石英管６５の中で形成するので、再結晶界面を持たないこと（成膜要因４）が重要である。これによって、電荷リークが少ない、結晶性に優れた、２μｍ〜５μｍの波長領域に受光感度を持つフォトダイオードを能率良く、大量に製造することができる。
（実施の形態２）
図１０は本発明の実施の形態２における、受光素子アレイ（半導体素子）５０を含む光学センサ装置１０である。レンズなどの光学部品は省略してある。ＳｉＯＮ膜からなる保護膜４３が、図１０では示されているが、実際には図１にも配置されている。受光素子アレイ５０は、図１に示す受光素子と積層構造は同じであり、異なる点は、複数の受光素子または画素Ｐが配列されていることである。膜厚ｚ、Ｓｂ組成ｓなどについては、図１の半導体素子と共通するので、説明は繰り返さない。また、界面１６，１７が、再成長界面ではなく、酸素、炭素、珪素等の不純物濃度がいずれも低いことなども図１の受光素子（半導体素子）と同じである。この再成長界面がない点は、図１の受光素子でも同じである。
図１０では、この受光素子アレイ５０と、読み出し回路（Read-Out IC）を構成するＣＭＯＳ７０とが、接続されている。ＣＭＯＳ７０の読み出し電極（図示せず）と、受光素子アレイ５０の画素電極（ｐ側電極）１１とは、接合バンプ３９を介在させて接合されている。また、受光素子アレイ５０の各画素に共通のグランド電極（ｎ側電極）１２と、ＣＭＯＳ７０の図示しない接地電極とが、バンプ１２ｂを介在させて接合されている。ＣＭＯＳ７０と受光素子アレイ５０とを組み合わせて、画素ごとに受光情報を集積して、撮像装置等を得ることができる。
上述のように、本発明の受光素子アレイ（半導体素子）５０は、長波長域にまで感度を有しており、暗電流（リーク電流）が小さいので、動植物等の生体の検査、環境モニタ等に用いることで、高精度の検査を遂行することができる。
図１に示す構造を有する受光素子の試験体を作製して、波長１．３μｍ、１．５５μｍ、１．６５μｍ、２．０μｍにおける受光感度を測定した。本実施例において本発明例に属する条件として、以下の条件を課した。
（１）ペア数：５０以上５００以下
（２）量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２：０．７５ｎｍ以上５ｎｍ以下
（３）ＭＱＷの総膜厚ｚ：０．５μｍ以上３．５μｍ以下
（４）波長１．３μｍの受光感度と、波長２．０μｍの受光感度との比を０．５以上１．６以下
比較例は上記の４つの条件のいずれか一つを欠いている。測定結果を表１に示す。
Figure 2012015170
（Ｆ１）ペア数の影響
比較例および本発明例を含めて、量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２が一定（５ｎｍ）で、ペア数が３０→４００の範囲に変わるとき、波長２．０μｍの受光感度は単調にかつ確実に、０．０６→０．９１へと向上する。一方、波長１．３μｍの受光感度はペア数２００程度（ＭＱＷ総膜厚ｚ２．０μｍ程度）までは向上するが、それ以上ペア数を増やしても、向上は飽和する傾向にある。量子井戸の膜厚が一定でペア数が増大することは、ＭＱＷの総膜厚ｚが増大することを意味する。波長２．０μｍの受光感度は、ＭＱＷの総膜厚ｚの増大にもかかわらず、ペア数が増大すれば、向上するようにみえる。
（Ｆ２）量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２の影響
ペア数２５０一定で、量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２が、１ｎｍ→６ｎｍに増大する（ＭＱＷの総膜厚ｚも増大する）とき、波長２．０μｍの受光感度は、１ｎｍでは低いが２ｎｍ以上では０．５Ａ／Ｗ〜０．６Ａ／Ｗ程度に推移して明確な傾向を示さない。これに対して、波長１．３μｍの受光感度は、１ｎｍでは０．６４Ａ／Ｗであるが、２ｎｍ以上で０．９０Ａ／Ｗ、４ｎｍで０．６０Ａ／Ｗ、５ｎｍで０．２８Ａ／Ｗ、６ｎｍで０．１５Ａ／Ｗと、ｘ１，ｘ２が１ｎｍ〜４ｎｍに大きなピークがある。波長１．３μｍの受光感度は、量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２の影響が大きく、１ｎｍ〜４ｎｍに最適膜厚があり、それを超えると受光感度は急激に低下する。
（Ｆ３）ＭＱＷの総膜厚ｚの影響
量子井戸の膜厚ｘ１，ｘ２、およびペア数の要因が相互に影響するので、総膜厚の影響を独立して取り出すことは難しい。明確なことは、総膜厚ｚを厚くすると、波長２μｍの受光感度が確実に高くなり、波長１．３μｍの受光感度がそれほど高くならないため、両者の受光感度の比は、０．５以上という範囲を逸脱する傾向がある。このため、近赤外の受光域で、１．３μｍ程度の短波長側から２．５μｍ程度の長波長側まで、受光感度の平坦性を得ることが難しくなる。
上記の本発明の条件（１）〜（３）の一つでも欠いている比較例は、（４）を満たしていない。とくにＭＱＷの各層の膜厚が過大な比較例１１（条件（２）の欠如）、およびＭＱＷの総膜厚が過大な比較例６（条件（３）の欠如）では、短波長側の波長１．３μｍの受光感度が、長波長側の波長２．０μｍの受光感度よりも非常に低下している。またペア数が過小な比較例１（条件（１）の欠如）では、波長２．０μｍの受光感度が非常に小さい。この結果は、上述の説明に符合するものである。
上記において、本発明の実施の形態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。
本発明の受光素子によれば、近赤外の受光域、１μｍ程度の短波長側から３．０μｍ程度の長波長側にわたって、実用上、問題のないレベルの受光感度の平坦性を得ることができる。とくにＭＱＷの成長を全有機ＭＯＶＰＥで行うことによって、ＩｎＰ窓層を含むエピタキシャル層を能率良く積層できるだけでなく、受光感度の平坦性の一層の向上にも資することができる。
１ ＩｎＰ基板、２ バッファ層（ＩｎＰおよび／またはＩｎＧａＡｓ）、３タイプ２ＭＱＷ受光層、４ ＩｎＧａＡｓ層（拡散濃度分布調整層）、５ ＩｎＰ窓層、６ ｐ型領域、１０ 光学センサ装置（検出装置）、１１ ｐ側電極（画素電極）、１２ グランド電極（ｎ側電極）、１２ｂ バンプ、１５ ｐｎ接合、１６ ＭＱＷとＩｎＧａＡｓ層との界面、１７ ＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ窓層との界面、２０ 赤外線温度モニタ装置、２１ 反応室の窓、３０ 反応室、３５ ＡＲ（反射防止）膜、３６ 選択拡散マスクパターン、３９ 接合バンプ、４３ 保護膜（ＳｉＯＮ膜）、５０ 受光素子（受光素子アレイ）、５０ａ ウエハ（中間製品）、６０ 全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置、６１ 赤外線温度モニタ装置、６３ 反応室、６５ 石英管、６９ 反応室の窓、６６ サセプタ、６６ｈ ヒータ、７０ ＣＭＯＳ、Ｐ 画素、ｘ１ ＧａＡｓＳｂの膜厚、ｘ２ ＩｎＧａＡｓの膜厚、ｚ ＭＱＷの総膜厚。

Claims (13)

  1. ＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる基板の上に、第一の化合物半導体と第二の化合物半導体との繰り返し構造からなるタイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）の受光層を備えて、波長１．３μｍおよび２．０μｍを含む近赤外域に受光感度を有する受光素子であって、
    前記波長１．３μｍの受光感度と、波長２．０μｍの受光感度との比を０．５以上１．６以下としたことを特徴とする、受光素子。
  2. 前記受光素子は前記基板側から光を入射する構造を備えることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
  3. 前記ＭＱＷの総膜厚が０．５μｍ以上３．５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２記載の受光素子。
  4. 前記第一の化合物半導体層の膜厚、前記第二の化合物半導体層の膜厚が、両方ともに、０．７５ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の受光素子。
  5. 前記基板はＩｎＰからなり、前記ＭＱＷはＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下「ＩｎＧａＡｓ」と記す）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２、以下「ＧａＡｓＳｂ」と記す）との繰り返し構造からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の受光素子。
  6. 前記ＩｎＰ基板の上に位置する前記ＭＱＷを含むＩｎＰ系エピタキシャル層の表面をＩｎＰ窓層として、前記ＩｎＰ系エピタキシャル層の底面と表面との間に、再成長界面を持たないことを特徴とする、請求項５に記載の半導体素子。
  7. ＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる基板の上に、第一の化合物半導体と第二の化合物半導体との繰り返し構造からなるタイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）の受光層を備えて、波長１．３μｍおよび２．０μｍを含む近赤外域に受光感度を有する受光素子の製造方法であって、
    前記波長１．３μｍの受光感度と、波長２．０μｍの受光感度との比を０．５以上１．６以下とすることを特徴とする、受光素子の製造方法。
  8. 前記受光素子は基板側から光を入射する構造を備えることを特徴とする、請求項７に記載の受光素子の製造方法。
  9. 前記ＭＱＷの総膜厚を、０．５μｍ以上３．５μｍ以下とすることを特徴とする、請求項７または８記載の受光素子の製造方法。
  10. 前記第一の化合物半導体層の膜厚、前記第二の化合物半導体層の膜厚が、両方ともに、０．７５ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか１項に記載の受光素子の製造方法。
  11. 前記基板はＩｎＰからなり、前記ＭＱＷはＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦０．６８、以下「ＩｎＧａＡｓ」と記す）とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２、以下「ＧａＡｓＳｂ」と記す）との繰り返し構造からなることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の受光素子の製造方法。
  12. 前記ＩｎＰ基板の上に位置する前記ＭＱＷを含むＩｎＰ系エピタキシャル層の表面をＩｎＰ窓層として、前記ＩｎＰ基板上に、前記ＭＱＷおよび前記ＩｎＰ窓層を含むＩｎＰ系エピタキシャル層を、一貫して、全有機金属気相成長法により成長することを特徴とする、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
  13. 前記ＭＱＷの形成工程では、温度４００℃以上かつ５６０℃以下で、前記ＭＱＷを形成することを特徴とする、請求項７〜１２のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
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