JP2012146806A

JP2012146806A - 格子不整合赤外化合物半導体受光素子

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Publication number: JP2012146806A
Application number: JP2011003761A
Authority: JP
Inventors: Mutsuro Ogura; 睦郎小倉; Katsuhiko Nishida; 克彦西田
Original assignee: Irspec Corp
Current assignee: Irspec Corp
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-08-02

Abstract

【課題】安価で量産性に富み、暗電流や表面リーク電流が低く、感光波長域が広く高感度で信頼性の高い赤外線検出素子を提供する。
【解決手段】比較的安価で大面積ウェファの入手が容易なＧａＡｓやＳｉ基板上に、ＰＤを構成するエピタキシャル層に格子整合し、かつ機械強度の弱い緩和層を成長し、格子不整合や結晶成長前後の熱歪みを解消する。更に、感光層を夾んで、電子および正孔の相補的なバリア層を形成し、感光層の外からの電子および正孔の流入が選択的に抑制するとともに、光励起された電子正孔を、ポテンシャルバリア無しにそれぞれの電極に導く。
【選択図】図１

Description

本発明は、比較的安価でウェファ面積の大きいシリコンやＧａＡｓ基板上に、基板材料とは格子整合しない化合物半導体材料を用いて、安価で暗電流の少ない赤外化合物半導体フォトダイオードアレイを実現するものである。

赤外化合物半導体フォトダイオード（ＰＤ）に用いる化合物半導体混晶材料には、従来ＩｎＰ基板上に格子整合したＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓを感光層に用い、ＩｎＰを窓層として用いることが一般的であるが波長感度は1.6μmまでに限定される。更に、感光波長を拡大するためには、バンドギャップの小さい２元化合物半導体であるＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂやそれらに格子整合するＩｎＧａＡｓＳｂやＩｎＡｓＳｂを感光層に用いそれらにＡｌを加えた化合物を窓層に用いる方法と、ＩｎＰ基板を用いたまま感光層となるＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成比を増す方法がある。

禁制帯幅の小さい２元化合物半導体基板を用いる場合には、波長６μm程度まで波長感度範囲が広がるが、比較的小面積で高価な基板を使用する必要がある。また基板に格子整合した混晶組成の場合、原子半径の類似したＡｌとＧａ系混晶を除いて、格子整合条件を満足しつつ所望の禁制帯幅を得ることは困難で、４元化合物を用いる必要がある。これは、３元混晶を構成する場合、組成の変化により格子定数と禁制帯幅が同時に推移するため、所望の禁制帯幅を得るためには、格子整合条件に適合し、エネルギー禁制帯幅の異なる２種類の３元化合物半導体を混合する必要があるためである。

また、ＩｎＰ基板を用いたままＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成比を増す方法では、ＩｎＰ基板との格子不整合のため、エピタキシャル層内に歪みが発生し、転位等の結晶欠陥により暗電流が増大する問題がある。また、実用的な波長の拡張範囲も2.5μｍ程度に限られる。

半導体光検出素子の検出限界を決める暗電流は、半導体内部に起因するものと、半導体表面に起因するものがある。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系プレーナＰＤでは、素子面積が1mmφのＰＤにおいて、両者は同程度、素子面積が100μmφのＰＤにおいて表面に起因するリーク電流が２桁程度大きくなる。半導体内部に起因する暗電流を抑制するには、光が到達する感光層以外からの熱励起によるキャリア生成の影響を取り除くことが有効である。また、熱励起によるキャリア生成速度は、概して真性キャリア濃度の２乗に比例するため、光検出素子の表面をワイド禁制帯幅窓層で覆うことが有効である。例えば、特許文献１に記載されたInGaAs/InP系プレーナPD、特許文献２に記載された、ヘテロバイポーラフォトトランジスタ、いまだ公開されていないが、特許文献３に記載された反転プレーナ型ＰＤ等は上記要件を満たしている。

特開２００２−１００７９６号公報「受光素子アレイ」ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０６７６８９「光検出素子」特願２０１０−１２８７５「化合物半導体受光素子アレイ」

波長２μm以上の中赤外波長ＰＤでは、ＩｎＡｓあるいはＧａＳｂ基板上に格子整合したアンチモン系化合物半導体を用いて、半導体内部に起因する暗電流を抑制する構造が開発されている。例えば、下記非特許文献１に開示されているように、広い禁制帯幅を有する半導体層を、狭い禁制帯幅を有するｎ型半導体の感光層と、同じく狭い禁制帯幅を有するｎ型コンタクト層とで上下に挟んだ所謂ｎＢｎ構造による暗電流の抑制方法が示されている。

：Ｓ. ＭａｉｍｏｎａｎｄＧ.Ｗ．Ｗｉｃｋｓ、"ｎＢｎｄｅｔｅｃｔｏｒ，ａｎｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｗｉｔｈｒｅｄｕｃｅｄｄａｒｋｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｈｉｇｈｅｒｏｐｅｒａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ"、ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＶｏｌ．８９、Ｏｃｔ．２００６，ｐ.１５１１０９．

この構造においては、多数キャリアとなる電子による電流を広い禁制帯幅の半導体層により形成された伝導帯に於ける障壁で阻止して、暗電流成分を抑制すると共に、フォトダイオード(ＰＤ)を構成するすべての半導体の価電子帯の障壁を除去し、価電子帯のバンドオフセットをほぼフラットにすることにより、光励起された正孔のみが、有効に光励起電流として検出される。

また、下記非特許文献２にはＩｎＡｌＡｓＳｂ等、広い禁制帯幅を有する表面バリア層を適用し、ＩｎＡｓＳｂなどの感光層との界面で価電子帯の不連続を無くすことで、光照射で生成する正孔を効率よく捕捉し、波長4μm帯においても室温での高感度化を図った構造が示されている。
：Ｈ.Ｓｈａｏ，Ｗ．Ｌｉ，Ａ．Ｔｏｒｆｉ，Ｄ．Ｍｏｓｃｉｃｋａ,ａｎｄＷ．Ｉ．Ｗａｎｇ，"Ｒｏｏｍ−ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＩｎＡｓＳｂＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＤｅｔｅｃｔｏｒｓｆｏｒＭｉｄ−ＩｎｆｒａｒｅｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，ＩＥＥＥＰＨＯＴＯＮＩＣＳＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．１８，ＮＯ．１６，ＡＵＧＵＳＴ１５，（２００６）ｐ．１７５６−１７５８．

但し、上記非特許文献１、２においては、熱励起された電子に起因する暗電流は抑制されるものの、暗電流のもう一つの原因となる、基板側で熱励起された正孔を遮断する構造にはなっていない。

下記特許文献４において、熱励起された電子および正孔を遮断し、光生成された電子・正孔対をポテンシャル障壁無しにそれぞれ電子および正孔電流として検出する構造として、相補型ＰＤが考案されている。
ＵＳ２０１０／０００６８２２Ａ１，”ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＢａｒｒｉｅｒＩｎｆｒａｒｅｄＤｅｔｅｃｔｏｒ（ＣＢＩＲＤ）” この構造では、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子からなる感光層の片側をＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子からなる電子バリア層、反対側を感光層とは周期の異なるＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子からなる正孔バリア層を設け、それぞれ、感光層以外で熱励起された電子および正孔が暗電流成分となることを防いでいる。

但し、上記構造では、超格子の厚さにより格子定数が変化し、厳密な格子整合条件が取れないこと、超格子の厚さ方向のキャリア移動度が低いこと、超格子界面の急峻性や３族および５族の表面分圧によりＩｎＳｂ／ＧａＡｓ界面も混入する恐れがあるなど、結晶成長や構造の安定性を確保することは困難である。

更に、上記非特許文献１、２および特許文献４においては、結晶表面に起因した暗電流の抑制方法の記載が無い。光検出素子アレイなど直径100μm以下のＰＤにおいて、暗電流を低減させるためには、特許文献１、２および３に記載された表面リーク電流抑制構造を付加することが必須となる。

また、ＩｎＰ基板を用いた場合は、格子整合条件を満たしたＩｎ組成０．５３のＩｎＧａＡｓ（１．６μm）からIn組成を増加させることにより、長波長側に感光波長範囲を拡大することになるが、既に述べたように、基板と感光層あるいは、感光層と窓層の間に格子歪みによる結晶欠陥が発生し、波長範囲の拡大とともに、暗電流が著しく増加し、感度の低下の原因となっている。例えば、従来のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系近赤外ＰＤの場合においては、Ｉｎ組成を０．５３から０．７７に増加することにより、波長範囲を１．６μmから２．４μmに拡張することができるが、約１．６％の格子歪みが発生し、それにともなう結晶欠陥密度の増加により、検出感度は、格子整合した検出器の感度を検出波長で外挿した場合に比べて、数十倍劣化している。

ＩｎＰ基板やＧａＳｂ基板は、比較的高価で、機械的強度も弱いため、より安価で大面積ウェファの入手が容易な、ＧａＡｓやＳｉ基板を用いることができれば、光検出素子の単価を大幅に下げることが可能である。しかしながら、赤外光検出素子に用いられる、ＩｎＧａＡｓなどの化合物半導体混晶の格子定数差が更に大きくなる方向となり、格子歪みによる結晶欠陥の影響が大きく、実用的な光検出素子は得られなかった。加えてＳｉ基板の場合は、化合物半導体と比較して熱膨張係数が小さく、結晶成長温度から室温へと、素子の温度を下げる過程においても歪みが発生し、結晶欠陥やウェファのそり、クロスハッチの発生などが問題になってきた。

近年、比較的安価で大面積ウェファの入手が容易なＧａＡｓやＳｉ上にＳｂ系の高品質エピタキシャル層が成長できることが明らかになった。
非特許文献３には、ＧａＡｓ上に遷移層無しにＧａＳｂをエピタキシャル成長することにより、ＧａＡｓ
／ＧａＳｂヘテロ界面にミスフィット転位が発生し、ＧａＳｂ基板上のＧａＳｂ層に遜色のないＧａＳｂエピタキシャル層が得られている。
また、特許文献５には、ＩｎＡｓなど、機械的強度の弱い緩衝薄膜を基板とエピタキシャル層との間に挟むことにより、シリコン上のＧａＡｓエピタキシャル層の転位密度を抑制できることが開示されている。
Ｆ．Ｒｏｙｏ，Ａ．Ｇｉａｎｉ，Ｆ．Ｐａｓｃａｌ−Ｄｅｌａｎｎｏｙ，Ｌ．Ｇｏｕｓｋｏｖ，Ｊ．Ｐ．Ｍａｌｚａｃ，Ｊ．Ｃａｍａｓｓｅｌ， "ＯｐｔｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｃｋＧａＳｂｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒｓｇｒｏｗｎｏｎ２ｉｎＧａＡｓｗａｆｅｒｓ"，ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢ２８（１９９４）１６９−１７３．特開平６−３３８４６２「化合物半導体結晶薄膜の成長方法」

更に非特許文献４では、シリコン基板上に、ＡｌＳｂをエピタキシャル成長し、その上にＩｎＳｂドットを形成すると、ＩｎＳｂドットが貫通転位を終端することにより、転位密度の低いＳｂ系化合物半導体エピタキシャル層を得ている。
Ｄ．Ｈ．Ｎｇｕｙｅｎ，Ｊ．Ｐａｒｋ，Ｙ．Ｋ．Ｎｏｈ，Ｍ．Ｄ．Ｋｉｍ，Ｄ．Ｌｅｅ．，ａｎｄＪ．Ｅ．Ｏｈ，"Ｓｔｒｏｎｇｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｎｃｅａｔ１．５３ μm ｆｒｏｍＧａＳｂ／ＡｌＧａＳｂｍｕｌｔｉｐｌｅｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌｓｇｒｏｗｎｏｎＳｉｓｕｂｓｔｒａｔｅ"，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ９５，０６１９１０（２００９）．

安価で量産性に富み、かつ暗電流の低い赤外線検出素子を実現するためには、生産量が多く大面積ウェファが供給されているSiあるいはＧａＡｓを基板に用いること、光検出機能を有する感光層以外の領域での、熱生成キャリアが暗電流を生成しないこと、また、結晶欠陥密度の大きな結晶表面において生成される熱励起電流や漏れ電流を抑制することが必要である。

感光層以外の領域での熱生成キャリアや漏れ電流の影響を低減するためには、ｎＢｎあるいは、相補型のバンドプロファイルとワイド禁制帯幅窓層の表面のみでＰＮ接合を露出させる、いわゆるプレーナ型の素子構造とを同時に実現する必要がある。
更に化合物半導体フォトダイオードおよびアレイにおいては、内部に結晶欠陥の発生を防ぐために、互いに格子整合した感光層と窓層感光層を構成材料として、格子歪みを極力低減する必要がある。

従来は、格子歪みを低減するためにバイナリ化合物半導体基板と格子整合したエピタキシャル層を使用してきたが、格子整合条件を満たすために感光波長領域が、制限された。また、基板と格子不整合しないエピタキシャル層を用いた場合には、内部歪みにより結晶欠陥が発生し、リーク電流の増大をもたらしている。
特に、Ｓｉ、ＧａＡｓなど安価な大面積基板が得られる基板材料を使用するためには、従来赤外光検出素子に用いられてきた基板、例えばＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓよりも更に大きな格子不整合と熱膨張差を克服する必要がある。即ち、結晶成長時における転位の発生頻度の抑制と、結晶成長後の冷却過程において熱歪みによる転位の発生を防ぐ必要がある。

本発明では、ヘテロ界面におけるミスフィット転位や超格子バッファ、量子ドットなど、近年発達してきた異種基板上のエピタキシャル成長技術を用い、基板との格子整合条件には必ずしもこだわらずに、必要な波長感度特性に応じて３元ないし４元化合物半導体の組成と膜厚を決定する。感光層に対して既存の２種の２元基板の間の格子定数を選ぶことにより、少ない元素種を用いて、禁制帯幅およびバンドオフセットの設計範囲が広く、格子整合条件を満たした窓層の構成元素、組成を選択することが可能になる。

例えば、ＩｎＧａＡｓを感光層として用いると、ＧａＡｓの禁制帯幅に相当する０．８７μmからＩｎＡｓの禁制帯幅に相当する３．５μmまで感光波長範囲をカバーすることができる。更に、ＧａをＡｌに置き換えたＩｎＡｌＡｓやＧａをＰに置き換えたＩｎＡｓＰを感光層に格子整合した窓層として用いることにより、ＩｎＧａＡｓに格子整合したワイド禁制帯幅窓層において、伝導帯あるいは充満帯それぞれにのみポテンシャル障壁を設けることが可能になる。

また、ＳｉやＧａＡｓなど安価で大面積ウェファの入手が容易な材料を基板として用いる場合、基板とは格子状定数や熱膨張係数の異なる化合物半導体エピタキシャル層を光検出素子の構成材料として用いる必要がある。半導体基板と、感光層、あるいは半導体基板基板側バリア層間の歪みを軽減するために、感光層と格子整合する緩和層を挿入し、該緩和層は、感光層あるいはバリア層よりも弾性限界が低い材料を使用する。本発明においては、基板および光検出素子を構成する材料よりもボンド結合強度の弱い材料で、格子定数に関しては光検出素子を構成する材料と等しい材料を格子整合緩和層として基板とＰＤを構成するエピタキシャル層の中間に夾む。これらの緩和層により、結晶成長過程におけるミスフィット転位を基板と緩和層に集中し、光検出素子を構成するエピタキシャル層での転位の発生を抑制するとともに、結晶成長後の温度降下に伴う熱歪みに関しても、緩和層が先に塑性変形を開始するため、光検出素子を構成する材料における滑り転位などの新たな結晶欠陥の発生を防止することが可能となる。

代表的な２元化合物の弾性限界強度を示す下降伏点は、図４に示すように、概ね禁制帯幅が狭くなるに従い、あるいは材料の融点が低くなるに従い弱くなる。（非特許文献５）そこで、例えば、感光層をＩｎＧａＳｂとする場合、格子定数が等しく、ボンド結合強度の弱いＩｎＡｓＳｂを緩和層として基板と感光層の間に挿入することにより、ミスフィット転位や熱歪みを吸収し、光検出素子部分の構成材料における結晶欠陥の発生を防止することができる。

Ｉ．Ｙｏｎｅｎａｇａ，"ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄＤｉｓｌｏｃａｔｉｏｎＤｙｎａｍｉｃｓｉｎＩＩＩ−ＶＣｏｍｐｏｕｎｄｓ"，ＪｏｕｒｎａｌＤｅＰｈｙｓｉｑｕｅＩＩＩＶｏｌ．７１４３５−１４５０（１９９７）．

ＩｎＳｂは、波長５μm帯の赤外検出器材料として使用されてきたが、結晶が脆弱で軽微な衝撃により室温においても結晶欠陥が発生しやすいこと、ＩｎＳｂに格子整合する窓層が無いことが問題であった。感光層としてＩｎＡｓＳｂを用いることにより、合金効果により機械強度を増すことができるとともに、格子整合したＩｎＡｌＳｂ窓層を使用することが可能になる。また、ＩｎＡｌＳｂは、ＩｎＡｓＳｂよりも機械強度が強いため、これを基板側バリア層として用いることにより、基板からの格子歪みや弾性歪みをこの層でいったん吸収することが可能となり、感光層における結晶欠陥の発生を抑制することが可能となる。

本発明では、
半導体基板上に、基板側バリア層、感光層、窓層からなり；
上記基板側バリア層、感光層、窓層は、互いに格子整合条件を満たし；
半導体基板と光検出素子を構成する該基板側バリア層、感光層、窓層が格子不整合であり；
該半導体基板と光検出素子との間に緩和層があり、該緩和層は、感光層あるいは基板側バリア層よりも弾性限界が低いこと；
加えて該緩和層の一部は、該基板側バリア層、感光層および窓層と格子整合すること；
を特徴とする安価で高感度な赤外光検出素子を提供する。
更に、上記基板側バリア層および窓層は、上記感光層よりも禁制帯幅が大きく；
基板側バリア層および窓層は、Ｎ型の場合は、感光層に対して伝導帯よりは充満体において大きなポテンシャル障壁を形成し、Ｐ型の場合は、充満体よりは伝導帯において大きなポテンシャル障壁を形成し、電子あるいは正孔のいずれかのみを選択的に取り出すこと；
により、暗電流を抑制し、微弱光に対しても感度の高い光検出素子を提供する。

本発明の構造において感光層は基板および表面側の相補型バリアによりそれぞれ電極部分からの電子および正孔の流入が選択的に抑制されるため、暗電流を抑制しつつ、停留なく光生成された電子・正孔対を電極部分に導くことが可能である。更に、素子表面が、感光層よりも禁制帯幅の大きな窓層で覆われているため、プレーナ型あるいは特許文献３記載の反転プレーナ型ＰＤによる表面結晶欠陥による暗電流抑制構造も容易に組み入れることがが可能である。

生産性や製品価格の観点から、安価で大面積ウェファの入手が容易なSiやGaAs基板上に赤外検出素子を形成することが重要である。本発明によると、比較的機械強度が弱くかつ赤外検出素子を構成するエピタキシャル層に完全に格子整合した緩和層を基板とエピタキシャル層の間に挿入することにより、結晶成長時の転位の形成と、結晶成長後、基板温度を室温に戻す時に生ずる熱歪みによる転位の導入を防ぐことができる。

従来は、格子不整合による歪みや転位あるいはクロスハッチを防ぐために、入手可能な２元化合物半導体基板にエピタキシャル層を格子整合させる必要があった。本発明により、基板と大きく格子定数が異なるエピタキシャル層を結晶欠陥の生成なしに結晶成長可能となったため、２元基板の格子定数に拘束されることなく、必要な光吸収波長帯と窓層に適した材料組成を選択することが可能となり、適応波長が大きく拡大した。

図１はＧａＡｓ等ヘテロ基板上にＩｎＧａＡｓＳｂを感光層とした化合物半導体受光素子の実施方法を示した説明図である。（実施例１）図２はＧａＡｓ等ヘテロ基板上にＩｎＧａＳｂを感光層とした化合物半導体受光素子の実施方法を示した説明図である。（実施例２）図３はＧａＡｓ等ヘテロ基板上にＩｎＧａＡｓを感光層とした化合物半導体受光素子の実施方法を示した説明図である。（実施例３）図４は各種化合物半導体材料の臨界剪断応力の温度依存性を図示した説明図である。

図１（Ａ）は波長０．６〜２．２μmまで感光波長を拡大するために、感光層としてＩｎＧａＡｓＳｂを用いた場合の相補型赤外光検出素子のバンド模式図を示す。
Ｎ型ＧａＡｓ基板１上に４５０℃程度の比較的低温において、薄いＧａＳｂ緩和層１０を成長させ、成長温度を１００℃程度上昇させた後ＧａＳｂ格子整合緩和層１１兼カソードコンタクト層９を成長した。その後、ＧａＳｂに格子整合する、Ｉｎ_０．６８Ａｌ_０．３２Ａｓ_０．６４Ｓｂ_０．３６基板側バリア層８、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ_０．１４Ｓｂ_０．８６感光層２、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ_０．０２Ｓｂ_０．９８窓層３、および GaSbアノードコンタクト層１２を成長した。

感光層２となるＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５As_０．１４Ｓｂ_０．８６に対して、基板側バリア層８となるＩｎ_0.68Ａｌ_0.32Ａｓ_0.64Ｓｂ_0.36においては、伝導帯はほぼ一致し（ΔＥｃ_２８〜０）、充満体のみがΔＥｖ_２８＝0.３３ｅＶのポテンシャル障壁を形成している。一方窓層３となるＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ_0.0２Ｓｂ_0.98は、感光層２となるＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ_0.1４Ｓｂ_0.8６に対して、充満帯はほぼ一致し（ΔEｖ_２３〜０）、伝導帯のみΔEｃ_２３0.4１ｅＶのポテンシャル障壁を形成している。なお、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ_０．１４Ｓｂ_０．８６感光層２の禁制帯幅は、０．５６ｅＶ、Ｉｎ_０．６８Ａｌ_０．３２As_０．６４Ｓｂ_０．３６基板側バリア層８および、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ_０．０２Ｓｂ_０．９８表面側窓層３の禁制帯幅は、それぞれ、０．９２および０．９６ｅＶである。

図１（Ｂ）は、上記バンド図に基づくエピタキシャル層を用いたプレーナ型ＰＤの模式図を示す。ＳｉＮｘ誘電体膜５の感光部分を開口し、亜鉛拡散により、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ_０．０２Ｓｂ_０．９８窓層３とＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５As_０．１４Ｓｂ_０．８６感光層２の一部をP型に転換した。結晶表面に露出するＰＮ接合は、比較的広い禁制帯幅（０．９６ｅＶ）を持つ窓層３となり、表面リーク電流が抑制されている。また、基板側バリア層８および表面側窓層３は、光生成された電子正孔対を障壁無くそれぞれの電極に導くとともに、感光層２の外側で熱励起された電子、正孔を遮断することにより暗電流を抑制している。

ＧａＡｓ基板１上に低温にて成長されたＧａＳｂ緩和層１０は、ＧａＡｓ基板よりも機械的強度が弱いため、ＧａＡｓ／ＧａＳｂ界面においてミスフィット転位を発生し、格子不整合による歪みを緩和する効果がある。また、格子整合緩和層１１兼カソードコンタクト層９となるＧａＳｂは、ＰＤを構成する基板側バリア層８、感光層２および窓層３と厳密に格子整合しているため、新たな結晶欠陥発生の原因とならない。更に、格子整合緩和層１１としてＧａＳｂに格子整合したＩｎＡｓ_０．９１Ｓｂ_０．０９を用いることも貫通転位の抑制に有効である。

図１においては、ＰＤを構成する各層にＧａＳｂに格子整合する化合物半導体混晶を選んだが、基板としてＰＤを構成する各層とは格子整合しないＧａＡｓやＳｉを選んだ場合は、必ずしも各エピタキシャル層を２元化合物半導体材料に格子整合させる必要は無い。図２は、感光波長０．６〜２．４μmに対応するＩｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｓｂ三元化合物半導体を感光層として選び、それに格子整合する窓層やバリア層を選定した場合のバンド模式図（Ａ）および素子模式図（Ｂ）、（Ｃ）を示す。

ＧａＡｓ基板上に薄いＧａＳｂ緩和層１０を成長させ、感光層に格子整合し、それよりも機械強度の弱いＩｎＡｓ_０．６８Ｓｂ_０．３２を格子整合緩和層１１として０．５μm成長した。更に２μmのＩｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｓｂ感光層２を夾んで、基板側バリア層８として、充満帯のみにポテンシャルバリアを有し、感光層に格子整合したＩｎ_０．６７Ａｌ_０．３３Ａｓ_０．４１Ｓｂ_０．５９を、表面側窓層３には伝導帯のみにポテンシャルバリアを有し、感光層に格子整合したＩｎ_０．２２Ａｌ_０．２３Ｇａ_０．５５Ｓｂを設けている。

また、本例では、Ｐ型Ｉｎ_０．２２Ａｌ_０．２３Ｇａ_０．５５Ｓｂ窓層（電子バリア層）３とＩｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｓｂ感光層２との接合面において、伝導帯のバンドオフセットΔＥｃ_２３が０．２４ｅＶ、価電子帯のバンドオフセットΔＥｖ_２３が０．０８ｅＶであり、価電子帯のバンドオフセットのほうが伝導帯のバンドオフセットよりも小さくなっている。また、Ｎ型Ｉｎ_０．６７Ａｌ_０．３３Ａｓ_０．４１Ｓｂ_０．５９基板側バリア層（正孔バリア層）８とＩｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｓｂ感光層２との接合面において、伝導帯のバンドオフセットΔＥｃ_２３が０．１０ｅＶ、価電子帯のバンドオフセットΔＥｖ_２３が0.２６ｅＶであり、伝導帯のバンドオフセットのほうが価電子帯のバンドオフセットよりも小さくなっている。そのため、微弱光や低バイアス条件において、光励起により生成されたキャリアは、障壁無し電極に導かれ、キャリアの停留が抑制されている。なお、Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｓｂ感光層２の禁制帯幅は、０．５１ｅＶ、Ｉｎ_０．６７Ａｌ_０．３３Ａｓ_０．４１Ｓｂ_０．５９基板側バリア層（正孔バリア層）８および、Ｉｎ_０．２２Ａｌ_０．２３Ｇａ_０．５５Ｓｂ表面側窓層（電子バリア層）３の禁制帯幅は、それぞれ、０．８７ｅＶである。

格子整合緩和層１１としてInAs_０．６８Sb_０．３２を用いた場合、弾性限界強度が低いため、格子歪みの緩和の点は優れているが、バンド構造上キャリアの輸送が困難となる。そのため、図２（B）に示すように、表面側からエッチングを行い、カソードコンタクト層９に対してN型電極６を形成した。

図２（Ｃ）は、未だ開示されていないが、特許文献３に基づいた反転プレーナ型ＰＤを構成した断面模式図を示す。拡散層４は、感光層２の周囲を巡り、感光層２を貫通して基板側バリア層８１まで到達している。本図の場合、ＰＤに対するバイアス方向が逆になるため、窓層（正孔バリア）３１として、充満帯のみにポテンシャルバリアを有し、感光層に格子整合したＮ型Ｉｎ_０．６７Ａｌ_０．３３Ａｓ_０．４１Ｓｂ_０．５９を、基板側バリア層（電子バリア層）８１として、伝導帯のみにポテンシャルバリアを有し、感光層に格子整合したＰ型Ｉｎ_０．２２Ａｌ_０．２３Ｇａ_０．５５Ｓｂを使用する。図２（Ｃ）の構造は、ＰＮ接合が浅く、短波長においても感度が高いこと、アレイを形成した時に、拡散ポテンシャルにより光生成キャリアが閉じこめられクロストークが少ないという利点がある。

アンチモンを含む化合物半導体材料ほどバンドオフセットの自由度は無いが、光検出素子用材料としてより一般的なＩｎＧａＡｓを光吸収材料として用いても光ディテクタの暗電流を抑制し、キャリアの走行障壁を取り除いた相補型ＰＤに準ずるバンドプロファイルを実現することが可能である。図３は、ＩｎＧａＡｓ感光層２のＩｎ組成を増加させ、吸収端波長を２．４μmまで拡張した場合のバンドプロファイルを示す。エピタキシャル層と基板とは格子整合条件を満たしていないことから、もはや感光層を２元基板と格子整合する必然性が無い。

電子バリアとなるＩｎ_０．７６Ａｌ_０．２４Ａｓ窓層３および正孔バリアとなるＩｎＡｓ_０．５Ｐ_０．５基板側バリア層８は、格子定数５．８７ÅのＩｎ_０．７７Ｇａ_０．２３Ａｓ感光層２に格子整合している。それぞれＡｌを添加することで、伝導帯側により大きくバンドプロファイルが拡張すること、Ｐを添加することで、価電子帯側により大きくバンドプロファイルが拡張することを利用して、ＩｎＧａＡｓ感光層に格子整合条件を取りながら電子および正孔バリアを有する相補的ＰＤを構成している。緩和層として、Ｉｎ_０．７７Ｇａ_０．２３Ａｓ感光層２に格子整合したＧａＡｓ_０．３１Ｓｂ_０．６９格子整合緩和層１１が低温シード層として用いたＧａＳｂ緩和層１０上に形成され、ＧａＡｓ基板との格子不整合による残留歪みを緩和している。

なお、Ｉｎ_０．７７Ｇａ_０．２３Ａｓ感光層２の禁制帯幅は、０．５１ｅＶ、Ｉｎ_０．７６Ａｌ_０．２４Ａｓ窓層（電子バリア層）３および、ＩｎＡｓ_０．５Ｐ_０．５基板側バリア層（正孔バリア層）８の禁制帯幅は、それぞれ、０．８６ｅＶおよび０．８３ｅＶである。また、本例では、Ｉｎ_０．７６Ａｌ_０．２４Ａｓ窓層（電子バリア層）３がＰ型であり、Ｉｎ_０．７７Ｇａ_０．２３Ａｓ感光層２との接合面において、伝導帯のバンドオフセットΔＥｃ_２３が０．２８ｅＶ、価電子帯のバンドオフセットΔＥｖ_２３が０．０７ｅＶで価電子帯のバンドオフセットのほうが伝導帯のバンドオフセットよりも小さくなっている。

また、ＩｎＡｓ_０．５Ｐ_０．５基板側バリア層（正孔バリア層）８がＮ型であり、Ｉｎ_０．７７Ｇａ_０．２３Ａｓ感光層２との接合面において、伝導帯のバンドオフセットΔＥｃ_２８が０．０７ｅＶ、価電子帯のバンドオフセットΔＥｖ_２８が０．２４ｅＶで伝導帯のバンドオフセットのほうが価電子帯のバンドオフセットよりも小さくなっている。従って、それぞれアノードコンタクト層１２及びカソードコンタクト層９兼ＧａＡｓ_０．３１Ｓｂ_０．６９格子整合緩和層１１間に生じるバンドオフセットのバリアにより感光層２以外で発生する電子および正孔の感光層への流入を防止し、かつ、感光層２で生成された正孔および電子を選択的に外部に出力する事が出来る。

基板側バリア層をＮ型とした場合、ＧａＡｓ_０．３１Ｓｂ_０．６９格子整合緩和層１１をＰ型にすることにより、ＩｎＡｓ_０．５Ｐ_０．５基板側バリア層（正孔バリア層）８の伝導帯とＧａＡｓ_０．３１Ｓｂ_０．６９格子整合緩和層１１の充満帯のエネルギーバンド位置がほぼ一致し、良好なオーミック伝導特性を得ることが可能である。本実施例では、ＩｎＰ基板の代わりに機械強度が大きく、価格が安いＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓ感光層に格子整合したＧａＡｓＳｂを緩和層に用いることにより、安価で感光波長の調節範囲の広いＰＤを比較的組成制御の容易な３元化合物半導体エピタキシャル層により実現した。

同様な構成により、感光層２としてＩｎＰ基板に格子整合するＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓを用い、ＧａＡｓ基板１上に格子整合緩和層１１としてＧａＡｓ_０．５Ｓｂ_０．５、基板側バリア層８としてＧａ_０．２６Ｉｎ_０．７４Ａｓ_０．５５Ｐ_０．４５、窓層３としてＡｌ_０．１９Ｇａ_０．２８Ｉｎ_０．５３Ａｓを用いた１．６μm帯ＰＤを構成することも可能である。ＧａＡｓ基板が安価なことや赤外カメラ用ＰＤアレイとして薄片化するときに、ウェットエッチングによる基板１と基板側バリア層８の選択比が大きいなどの利点がある。

１基板
２感光層
３窓層（電子バリア層）
３１窓層（正孔バリア層）
４Ｐ型層
５誘電体膜
６Ｎ側電極
７Ｐ側電極
８基板側バリア層（正孔バリア層）
８１基板側バリア層（電子バリア層）
９カソードコンタクト層
１０緩和層
１１格子整合緩和層
１２アノードコンタクト層

Claims

半導体基板上に、光検出素子を構成し互いに格子整合条件を満たす基板側バリア層、感光層、窓層からなり；半導体基板と光検出素子を構成する該基板側バリア層、感光層、窓層が格子不整合であり；該半導体基板と光検出素子との間に緩和層があり、該緩和層は、感光層あるいは基板側バリア層よりも弾性限界が低いこと；該緩和層の一部は、該基板側バリア層、感光層および窓層と格子整合すること；を特徴とする光検出素子。
請求項１において；
上記基板側バリア層および窓層は、上記感光層よりも禁制帯幅が大きく；基板側バリア層および窓層は、Ｎ型の場合は、感光層に対して伝導帯よりは充満体において大きなポテンシャル障壁を形成し、Ｐ型の場合は、充満体よりは伝導帯において大きなポテンシャル障壁を形成し、電子あるいは正孔のいずれかのみを選択的に取り出すこと；を特徴とする光検出素子。
請求項１および２において、半導体基板がＳｉあるいはＧａＡｓ、感光層がＩｎＧａＳｂ、窓層および基板側バリア層が感光層に格子整合したＡｌＧａＡｓＳｂ,あるいはＩｎＡｌＡｓＳｂ、緩和層が感光層に格子整合したＧａＡｓＳｂあるいはＩｎＡｓＳｂであることを特徴とする光検出素子。
請求項１および２において、半導体基板がＳｉあるいはＧａＡｓ、感光層がＩｎＧａＳｂ、窓層および基板側バリア層が感光層に格子整合したＩｎＡｌＧａＳｂ、あるいはＩｎＡｌＡｓＳｂ、緩和層が感光層に格子整合したＩｎＡｓＳｂであることを特徴とする光検出素子。
請求項１および２において、半導体基板がＳｉあるいはＧａＡｓ、感光層がＩｎＧａＡｓ、窓層および基板側バリア層が感光層に格子整合したＩｎＡｌＡｓおよびＩｎＡｓＰ、緩和層が感光層に格子整合したＧａＡｓＳｂであることを特徴とする光検出素子。