JP2013145906A - Semiconductor element, optical sensor device, and method of manufacturing semiconductor element - Google Patents

Semiconductor element, optical sensor device, and method of manufacturing semiconductor element Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor element having a low dark current and whose light-receiving sensitivity is enlarged to a long-wavelength side of near infrared, and to provide an optical sensor device and a method of manufacturing the semiconductor element.SOLUTION: The semiconductor element 50 has: a type-2 (GaAsSb/InGaAs) MQW light-receiving layer 3 located on an InP substrate 1; and an InP contact layer 5 located on the MQW. In the MQW, with respect to GaAsSb, a composition x(%) is 44% or more, a film thickness z (nm) is 3 nm or more, and z(nm)≥-0.4x(atm.%)+24.6 is satisfied.

Description

本発明は、III−V族の半導体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(Multi-Quantum Well)を受光層に含む、半導体素子、光学センサ装置および半導体素子の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a group III-V semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more specifically, a type 2 multiple quantum well structure having a configuration that has light receiving sensitivity up to a long wavelength region in the near infrared ( The present invention relates to a semiconductor element, an optical sensor device, and a method for manufacturing a semiconductor element, including a multi-quantum well) in a light receiving layer.

III−V族化合物半導体のInP基板上に、InGaAs/GaAsSbのタイプIIの多重量子井戸構造を形成することで、カットオフ波長2μm以上を得ることができるフォトダイオードが開示されている(非特許文献1)。
またInP基板上に、InGaAs−GaAsSbのタイプ2MQWを活性層として形成し、発光波長2.14μmとなるLEDおよびレーザーダイオードの開示がなされている(非特許文献2)。このタイプ2MQWのGaAsSbは、Sb組成が34atm.%〜40atm.%と、InPとの格子整合組成より低い側での歪補償構造を用いている。なお、以後の説明では、「atm.%」を、単に「%」と記す。
また、タイプ2MQWを形成することなく、Sb組成を変えたGaAsSb単相をInP基板上に成長してPLの波長を測定している。そして、InP/GaAsSbのタイプ2MQWによる発光素子について考察をしている。
さらに、GaInNAsSb量子井戸構造を有する半導体レーザー素子の開示がなされている(特許文献1)。このGaInNAsSb量子井戸構造は、単一量子井戸構造(すなわち、ペア数=1)である。
A photodiode capable of obtaining a cutoff wavelength of 2 μm or more by forming an InGaAs / GaAsSb type II multiple quantum well structure on an InP substrate of a III-V compound semiconductor is disclosed (Non-patent Document). 1).
Further, an LED and a laser diode having an emission wavelength of 2.14 μm formed by forming InGaAs-GaAsSb type 2 MQW on an InP substrate as an active layer have been disclosed (Non-patent Document 2). This type 2 MQW GaAsSb has an Sb composition of 34 atm. % To 40 atm. %, And a strain compensation structure on the side lower than the lattice matching composition of InP. In the following description, “atm.%” Is simply referred to as “%”.
Further, without forming the type 2 MQW, a GaAsSb single phase with a changed Sb composition is grown on an InP substrate and the wavelength of PL is measured. Then, a light-emitting element using InP / GaAsSb type 2 MQW is considered.
Furthermore, a semiconductor laser element having a GaInNAsSb quantum well structure has been disclosed (Patent Document 1). This GaInNAsSb quantum well structure is a single quantum well structure (that is, the number of pairs = 1).

特開2005−197395号公報JP 2005-197395 A

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.2715-2717R. 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 M.Peter,et.al. “Light-emitting diodes and laser diodes based on a Ga1-xInxAs/GaAs1-ySbytype II superlattice on InP substrate” Appl. Phys. Lett., Vol.74,No.14 (5 April 1999), pp.1951-1953M.Peter, et.al. “Light-emitting diodes and laser diodes based on a Ga1-xInxAs / GaAs1-ySbytype II superlattice on InP substrate” Appl. Phys. Lett., Vol.74, No.14 (5 April 1999 ), pp.1951-1953 M.Peter,et.al. “Band gaps and band offsets in strained GaAs1-ySby on InP grown bymetalorganic chemical vapor deposition” Appl. Phys. Lett., Vol.74,No.3 (18 January 1999), pp.410-412M.Peter, et.al. “Band gaps and band offsets in strained GaAs1-ySby on InP grown by metalorganic chemical vapor deposition” Appl. Phys. Lett., Vol. 74, No. 3 (18 January 1999), pp. 410 -412

上記の半導体素子によるフォトダイオードでは、利用分野が広がるので、受光感度をできるだけ長波長側に拡大したい。このために、タイプ2InGaAs/GaAsSbMQWを歪補償構造とすることが考えられる。InGaAs/GaAsSbによる歪補償構造のMQWでは、対をなすInGaAs/GaAsSbの一方に圧縮応力を発生させて、他方に引張応力を発生させて対において歪みが生じないようにする。受光感度を長波長化するためには、InGaAsに引張応力を発生させて、GaAsSbに圧縮応力を発生させることが望ましい。非特許文献2では、GaAsSbのSb組成を低くしてInGaAsに引っ張られる構成としている。このような、歪補償構造のMQWは、まず、結晶性が劣化することが想定される。このため、結晶性の劣化が暗電流の増大に直結する受光用途に用いられた例はない。すなわち上記非特許文献2におけるレーザーダイオード等があるだけで、受光素子に用いられた例はない。
100〜300の繰り返し数のMQWを形成するとき、MBE(分子線エピタキシー)法では、分子線をシャッターで瞬時に切り替えることができる。このため、マイコン制御の弁の自動切り替えが可能であり、急峻な界面と高品質な多重量子井戸構造の成長についてはMBE法による成膜がほとんど必然であると考えられてきた。特に、上述の相分離しやすいGaAsSb層の結晶成長の問題に限定して考えた場合、相分離を防止しながらエピタキシャル成長するには非平衡性の強い結晶成長法が必要である。このため、非平衡性の強い結晶成長法であるMBE法が適している。現に、GaAsSb層の形成にMBE法が用いられている(非特許文献1)。
上記の半導体素子は、いずれも近赤外の長波長域の光を対象にするが、この場合、タイプ2MQWの表面側に位置するキャップ層またはコンタクト層は、上記対象の波長域の光を吸収しない材料で構成されることが好ましい。このために、コンタクト層にはInPが用いられることが多い。InPをMBE法で成長すると、原料に固体の燐を用いるので、成長槽の内壁に燐(P)が付着してゆく。この付着した燐は、メンテナンス時に成長槽を開いて空気と触れると、発火するおそれがある。このため、MQWはMBE法によって成長し、InPコンタクト層はMBE法以外の成長法で成長する製造方法が用いられる。MBE法による製造方法から、たとえばOMVPE法に切り替える際、一度、中間製品のInPウエハを空気にさらすことになる。このような空気への暴露は不純物の汚染を受けやすい。また、上記のような成長方法の切り替えは、製造能率を阻害する。
Since the field of application of the photodiode using the semiconductor element described above is widened, it is desired to increase the light receiving sensitivity to the long wavelength side as much as possible. For this reason, it can be considered that type 2 InGaAs / GaAsSbMQW has a strain compensation structure. In the MQW having a strain compensation structure using InGaAs / GaAsSb, compressive stress is generated in one of the paired InGaAs / GaAsSb, and tensile stress is generated in the other to prevent distortion in the pair. In order to increase the wavelength of light reception sensitivity, it is desirable to generate tensile stress in InGaAs and compressive stress in GaAsSb. In Non-Patent Document 2, the Sb composition of GaAsSb is lowered and pulled by InGaAs. It is assumed that the MQW having such a strain compensation structure first deteriorates in crystallinity. For this reason, there is no example used for the light reception use to which the deterioration of crystallinity is directly linked to the increase in dark current. That is, there is no example used for the light receiving element, only the laser diode in Non-Patent Document 2 described above.
When forming an MQW having a repetition number of 100 to 300, in the MBE (molecular beam epitaxy) method, the molecular beam can be instantaneously switched with a shutter. For this reason, automatic switching of microcomputer-controlled valves is possible, and it has been considered that deposition by the MBE method is almost inevitable for the growth of a steep interface and a high-quality multiple quantum well structure. In particular, when considering only the above-mentioned problem of crystal growth of a GaAsSb layer that easily undergoes phase separation, a crystal growth method with strong non-equilibrium is necessary for epitaxial growth while preventing phase separation. For this reason, the MBE method which is a crystal growth method with strong non-equilibrium is suitable. Actually, the MBE method is used to form a GaAsSb layer (Non-patent Document 1).
All of the above semiconductor devices target near-infrared long-wavelength light. In this case, the cap layer or contact layer located on the surface side of type 2 MQW absorbs light in the target wavelength region. Preferably, it is made of a material that does not. For this reason, InP is often used for the contact layer. When InP is grown by the MBE method, since solid phosphorus is used as a raw material, phosphorus (P) adheres to the inner wall of the growth tank. The adhered phosphorus may ignite when the growth tank is opened during maintenance and is in contact with air. Therefore, a manufacturing method is used in which MQW is grown by the MBE method and the InP contact layer is grown by a growth method other than the MBE method. When switching from the MBE method to the OMVPE method, for example, the intermediate product InP wafer is once exposed to the air. Such exposure to air is susceptible to contamination by impurities. Further, the switching of the growth method as described above inhibits the production efficiency.

本発明は、暗電流が低く、近赤外の長波長側に受光感度を拡大した、半導体素子、光学センサ装置および半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a semiconductor element, an optical sensor device, and a method for manufacturing a semiconductor element, in which dark current is low and the light receiving sensitivity is increased on the long wavelength side of the near infrared.

本発明の半導体素子は、III―V族半導体基板上に形成されている。この半導体素子は、III―V族半導体基板の上に位置するタイプ2の多重量子井戸構造の受光層を備え、多重量子井戸(以下、MQW:Multi-Quantum Well)は、少なくともGa、As、Sbを含む層と、少なくともIn、Ga、Asを含む層と、の繰り返し構造により構成されており、少なくともGa、As、Sbを含む層の、Sb組成x(atm.%)が44atm.%以上であり、かつ膜厚z(nm)は、3nm以上であり、z(nm)≧−0.4x(atm.%)+24.6、を満たすことを特徴とする。
ここで、MQWにおける少なくともGa、As、Sbを含む層と、少なくともIn、Ga、Asを含む層とは、±1.0nmのばらつきの範囲内で、実質的に同じ膜厚とする。このため、以後の説明において、一方の層(例えばGaAsSb層)の膜厚zというとき、当該一方の層または他方の層(例えばInGaAs層)の膜厚zと解するのが妥当である。
The semiconductor element of the present invention is formed on a group III-V semiconductor substrate. This semiconductor element includes a light-receiving layer of type 2 multiple quantum well structure positioned on a III-V group semiconductor substrate, and the multiple quantum well (hereinafter referred to as MQW: Multi-Quantum Well) is at least Ga, As, Sb. And a layer containing at least In, Ga, As, and a layer containing at least Ga, As, Sb has an Sb composition x (atm.%) Of 44 atm. % And the film thickness z (nm) is 3 nm or more and satisfies the following condition: z (nm) ≧ −0.4x (atm.%) + 24.6.
Here, the layer containing at least Ga, As, and Sb and the layer containing at least In, Ga, and As in MQW have substantially the same film thickness within a range of variation of ± 1.0 nm. For this reason, in the following description, when the film thickness z of one layer (for example, GaAsSb layer) is referred to, it is appropriate to interpret it as the film thickness z of the one layer or the other layer (for example, InGaAs layer).

上記の発明は、受光域の長波長側への拡大のために、量子井戸の膜厚増大(要因(F1))を用いている。上記の構成によれば、格子欠陥密度を増大させず低い暗電流を維持しながら、受光可能な範囲を長波側に拡大することができる。
少なくともGa、As、Sbを含む層の膜厚zについては、膜厚z(nm)を3nm以上として、少なくともGa、As、Sbを含む層のSb組成x(≧44atm%)との関係で、z(nm)≧−0.4x(atm.%)+24.6、を満たすようにする。受光波長域の長波長側への拡大には、このように膜厚zの増大、が有効である。z≧−0.4x+24.6によって限定されるx−z範囲は、受光可能な長波長域を2.4μm以上にすることができる。すなわち、境界z=−0.4x+24.6、は受光可能な最長波長が2.43μmとなるSb組成xおよび膜厚zがなすx−z線である。
The above-described invention uses an increase in the thickness of the quantum well (factor (F1)) in order to expand the light receiving region to the long wavelength side. According to said structure, the range which can light-receive can be expanded to the long wave side, maintaining a low dark current, without increasing a lattice defect density.
Regarding the film thickness z of the layer including at least Ga, As, and Sb, the film thickness z (nm) is set to 3 nm or more, and in relation to the Sb composition x (≧ 44 atm%) of the layer including at least Ga, As, and Sb, z (nm) ≧ −0.4x (atm.%) + 24.6 is satisfied. Thus, increasing the film thickness z is effective for expanding the light receiving wavelength region to the longer wavelength side. In the xz range limited by z ≧ −0.4x + 24.6, the long wavelength range where light can be received can be 2.4 μm or more. That is, the boundary z = −0.4x + 24.6 is an xz line formed by the Sb composition x and the film thickness z with the longest receivable wavelength being 2.43 μm.

III−V族半導体をInPとすることができる。これによって、使用実績の高いInP基板を用いてタイプ2のInP系化合物半導体のMQWを形成することができ、近赤外域の長波長側に感度をもつ半導体素子を容易に得ることができる。 The III-V semiconductor can be InP. As a result, the MQW of the type 2 InP compound semiconductor can be formed using an InP substrate that has been used for a long time, and a semiconductor element having sensitivity on the long wavelength side in the near infrared region can be easily obtained.

MQWは歪補償構造となっており、少なくともGa、As、Sbを含む層のSb組成xと少なくともIn、Ga、Asを含む層のIn組成y(atm.%)とを、100≦x+y≦104、を満たす配分とすることができる。
上記の発明は、受光域の長波長側への拡大のために、上述の量子井戸の膜厚増大(要因(F1))に加えて、歪補償構造(要因(F2))を適用するのがよい。上記の構成によれば、歪補償構造(要因(F2))を形成する、MQWにおいて、少なくともGa、As、Sbを含む層のSb組成xを高めにして少なくともIn、Ga、Asを含む層のIn組成yを低めにすると、InPとの格子整合(以下、「InP格子整合性」と呼ぶ。)を保ちながら少なくともGa、As、Sbを含む層の価電子帯と少なくともIn、Ga、Asを含む層の伝導帯とのエネルギ差を小さくできる。この結果、格子欠陥密度を増大させず低い暗電流を維持しながら、受光可能な範囲を長波側に拡大することができる。
少なくともGa、As、Sbを含む層のSb組成xと少なくともIn、Ga、Asを含む層のIn組成yとの、100≦x+y≦104、の関係は、Sb組成xを44%から増大させながら、InP格子整合性を保持して格子欠陥密度を低くするために必要である。
MQW has a strain compensation structure, and an Sb composition x of a layer containing at least Ga, As, and Sb and an In composition y (atm.%) Of a layer containing at least In, Ga, As are expressed as 100 ≦ x + y ≦ 104. , Distribution can be satisfied.
In the above invention, in order to expand the light receiving region to the longer wavelength side, the strain compensation structure (factor (F2)) is applied in addition to the above-described increase in the film thickness of the quantum well (factor (F1)). Good. According to the above configuration, in the MQW forming the strain compensation structure (factor (F2)), the Sb composition x of the layer containing at least Ga, As, and Sb is increased to increase the Sb composition x of the layer containing at least In, Ga, and As. When the In composition y is lowered, the valence band of the layer containing at least Ga, As, and Sb and at least In, Ga, As are maintained while maintaining lattice matching with InP (hereinafter referred to as “InP lattice matching”). The energy difference from the conduction band of the containing layer can be reduced. As a result, it is possible to expand the light receiving range to the long wave side while maintaining a low dark current without increasing the lattice defect density.
The relationship of 100 ≦ x + y ≦ 104 between the Sb composition x of the layer containing at least Ga, As, and Sb and the In composition y of the layer containing at least In, Ga, and As is such that the Sb composition x is increased from 44%. Therefore, it is necessary to reduce the lattice defect density while maintaining InP lattice matching.

MQWの上にInPコンタクト層を備えることができる。これによって、近赤外域の長波長側の光に対して透過性の高い結晶層で、コンタクト層を構成することができる。また、InP層はコンタクト層として多くの実績があり、表面平滑性に優れているため、吸湿性なども小さく、耐久性に優れている。   An InP contact layer may be provided on the MQW. As a result, the contact layer can be formed of a crystal layer that is highly transmissive to light on the long wavelength side in the near infrared region. The InP layer has many achievements as a contact layer and is excellent in surface smoothness. Therefore, the hygroscopic property is small and the durability is excellent.

MQWにおける少なくともGa、As、Sbを含む層の膜厚z(nm)は、Sb組成xに応じて、
(a1)44atm.%≦x<56.8atm.%の範囲で、z<10nm、とし、
(a2)56.8atm.%≦x≦68atm.%の範囲で、z<−0.625x+45.5、とするのがよい。
上述のように、(F1)MQWの各層の膜厚増大、および(F2)少なくともGa、As、Sbを含む層におけるSb組成の増大と少なくともIn、Ga、Asを含む層におけるIn組成の減少(歪補償構造)は、受光波長域の拡大に有効である。とくに、(F1)のMQWの各層の膜厚増大について、少なくともGa、As、Sbを含む層の膜厚zを増大するとき、暗電流または受光感度との関係で、次のようにするのがよい。
(a1)44atm.%≦x<56.8atm.%の範囲では、少なくともGa、As、Sbを含む層と、少なくともIn、Ga、Asを含む層とはInP格子整合性を保つことはそれほど困難ではない。このため、膜厚を増大させて厳密な格子整合性からのずれが拡大されても、結晶性の劣化は小さい。このため、膜厚を厚くすることで、低い暗電流を維持しながら長波長化を推進することができる。しかし、膜厚を増大させると、少なくともGa、As、Sbを含む層に閉じこめられた正孔と、少なくともIn、Ga、Asを含む層の伝導帯に閉じこめられた電子との波動関数の重なりが小さくなる。それによって量子効率が低下して受光感度が劣化するおそれがある。少なくともGa、As、Sbを含む層の膜厚zが10nm以上になると受光感度が大きく低下する。受光感度を確保するため、上記の膜厚zは10nm未満とするのがよい。
(a2)56.8atm.%≦x≦68atm.%の範囲では、Sb組成xが、少なくともGa、As、Sbを含む層単独でのInP格子整合性を得る範囲から高いほうに逸脱している。少なくともIn、Ga、Asを含む層のIn組成yの低下を得て、MQWにおいてInP格子整合性を得ることができる。このため、大雑把には、結晶膜の特性としてはベストではなく、かろうじてInP格子整合性を保っている。このような少なくともGa、As、Sbを含む層の膜厚zを増大させると、MQW内の少なくともGa、As、Sbを含む層のInP格子整合性からの逸脱が明確になり(比例的に膜厚を増す少なくともIn、Ga、Asを含む層についても同様)、格子欠陥密度は膜厚zの増大につれて増大(劣化)してゆく。その結果、膜厚zの増大につれて暗電流は増大する。したがって、このような高いSb組成xの範囲では、暗電流は、少なくともGa、As、Sbを含む層のSb組成xにも依存しながら、かつ膜厚zにも依存する。暗電流を実用上許容されるレベル内にする、Sb組成xおよび膜厚zの範囲は、z<−0.625x+45.5、である。
The film thickness z (nm) of the layer containing at least Ga, As, and Sb in MQW depends on the Sb composition x.
(A1) 44 atm. % ≦ x <56.8 atm. %, Z <10 nm,
(A2) 56.8 atm. % ≦ x ≦ 68 atm. It is preferable that z <−0.625x + 45.5 in the range of%.
As described above, (F1) increase in the thickness of each layer of MQW, and (F2) increase in Sb composition in a layer containing at least Ga, As, and Sb and decrease in In composition in a layer containing at least In, Ga, As ( The distortion compensation structure is effective for expanding the light receiving wavelength range. In particular, regarding the increase in the film thickness of each layer of MQW in (F1), when the film thickness z of the layer containing at least Ga, As, and Sb is increased, the following may be performed in relation to dark current or light receiving sensitivity. Good.
(A1) 44 atm. % ≦ x <56.8 atm. In the range of%, it is not so difficult to maintain InP lattice matching between the layer containing at least Ga, As and Sb and the layer containing at least In, Ga and As. For this reason, even if the film thickness is increased and the deviation from strict lattice matching is enlarged, the deterioration of crystallinity is small. For this reason, by increasing the film thickness, it is possible to promote a longer wavelength while maintaining a low dark current. However, when the film thickness is increased, the overlap of the wave function between the holes confined in the layer containing at least Ga, As and Sb and the electrons confined in the conduction band of the layer containing at least In, Ga and As is caused. Get smaller. As a result, the quantum efficiency may decrease, and the light receiving sensitivity may deteriorate. When the film thickness z of the layer containing at least Ga, As, and Sb is 10 nm or more, the light receiving sensitivity is greatly reduced. In order to secure the light receiving sensitivity, the film thickness z is preferably less than 10 nm.
(A2) 56.8 atm. % ≦ x ≦ 68 atm. In the range of%, the Sb composition x deviates higher from the range in which the InP lattice matching is obtained only by the layer containing at least Ga, As, and Sb. A decrease in the In composition y of the layer containing at least In, Ga, As can be obtained, and InP lattice matching can be obtained in MQW. For this reason, roughly, the characteristics of the crystal film are not the best, and the InP lattice matching is barely maintained. When the thickness z of the layer containing at least Ga, As, and Sb is increased, the deviation from the InP lattice matching of the layer containing at least Ga, As, and Sb in the MQW becomes clear (proportionally the film The same applies to a layer containing at least In, Ga, and As that increases the thickness), and the lattice defect density increases (deteriorates) as the film thickness z increases. As a result, the dark current increases as the film thickness z increases. Therefore, in such a high Sb composition x range, the dark current depends on the film thickness z as well as the Sb composition x of the layer containing at least Ga, As, and Sb. The range of the Sb composition x and the film thickness z that brings the dark current within a practically acceptable level is z <−0.625x + 45.5.

MQWにおける少なくともGa、As、Sbを含む層の膜厚z(nm)は、Sb組成xに応じて、(b1)44atm.%≦x<54.3atm.%の範囲で、z≦7nm、とし、(b2)54.3atm.%≦x≦68atm.%の範囲で、z≦−0.27x+21.7、とするのがよい。これによって、良好な結晶性を重視して暗電流の低減を重視しながら、近赤外域の長波長側の感度向上を追求することができる。   The film thickness z (nm) of the layer containing at least Ga, As, and Sb in MQW depends on (b1) 44 atm. % ≦ x <54.3 atm. %, Z ≦ 7 nm, and (b2) 54.3 atm. % ≦ x ≦ 68 atm. % ≦ z ≦ −0.27x + 21.7. As a result, it is possible to pursue improvement in sensitivity on the long wavelength side in the near infrared region while placing importance on good crystallinity and on reducing dark current.

MQWにおける少なくともIn、Ga、Asを含む層の格子不整合度をΔωとし、少なくともGa、As、Sbを含む層の格子不整合度をΔωとするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω={Σ(Δω×少なくともIn、Ga、Asを含む層の厚み+Δω×少なくともIn、Ga、Asを含む層の厚み}/{Σ(少なくともIn、Ga、Asを含む層の厚み+少なくともGa、As、Sbを含む層の厚み)}で定義されるΔωが−0.2%以上かつ0.2%以下を満たすようにするのがよい。
ここで、「基板の格子定数をa、少なくともIn、Ga、Asを含む層(たとえばInGaAs)の格子定数をaとすると、少なくともIn、Ga、Asを含む層(たとえばInGaAs)の格子不整合度Δωは、Δω={(a−a)/a}×100%」と定義される。Δωについても、同様である。以後の説明でも格子不整合度は同じである。
上記の構成によって、少なくともGa、As、Sbを含む層単独では、また少なくともIn、Ga、Asを含む層単独ではInP格子整合性を満たすことはできないが、両方が反対方向に格子定数を逸脱させることで、統合してはInP格子整合性を得ることができる。これによって、長波長側への拡大に有利なようにバンド構造を変えながら、格子欠陥密度を低くして、低い暗電流を維持することができる。
At least In, Ga, lattice mismatch of the layer containing As and [Delta] [omega 1 in MQW, at least when the Ga, As, lattice mismatch of the layer containing Sb and [Delta] [omega 2, of the whole multiple quantum well structure lattice mis Consistency Δω = {Σ (Δω 1 × layer thickness including at least In, Ga, As + Δω 2 × layer thickness including at least In, Ga, As} / {Σ (layer including at least In, Ga, As) Δω defined by “thickness + thickness of a layer including at least Ga, As, and Sb)}” is preferably set to satisfy −0.2% or more and 0.2% or less.
Here, “a is a lattice constant of a substrate, and a 1 is a lattice constant of a layer containing at least In, Ga, As (eg, InGaAs), and a lattice mismatch of a layer containing at least In, Ga, As (eg, InGaAs). The degree Δω 1 is defined as Δω 1 = {(a−a 1 ) / a} × 100% ”. For even [Delta] [omega 2, is the same. In the following description, the degree of lattice mismatch is the same.
With the above configuration, a layer containing at least Ga, As, and Sb and a layer containing at least In, Ga, and As cannot satisfy InP lattice matching, but both deviate from the lattice constant in the opposite direction. As a result, it is possible to obtain InP lattice matching by integration. As a result, the lattice defect density can be lowered and the low dark current can be maintained while changing the band structure so as to be advantageous for expansion to the longer wavelength side.

少なくともGa、As、Sbを含む層をGaAs1−xSb(以下、GaAsSb)とすることができる。これによって、InP基板と格子整合性をとりやすく、タイプ2のMQWの一方の層を構成する上で好都合な条件である、伝導帯および価電子帯が比較的高いレベルにある、結晶層を得ることができる。 The layer containing at least Ga, As, and Sb can be GaAs 1-x Sb x (hereinafter referred to as GaAsSb). This makes it possible to obtain a crystal layer having a relatively high level of conduction band and valence band, which is easy to achieve lattice matching with the InP substrate and is a favorable condition for constituting one layer of type 2 MQW. be able to.

少なくともIn、Ga、Asを含む層をInGa1−yAs(以下、InGaAs)とすることができる。これによって、InP基板と格子整合性をとりやすく、タイプ2のMQWの他方の層を構成する上で好都合な条件である、伝導帯および価電子帯が比較的低いレベルにある、結晶層を得ることができる。 The layer containing at least In, Ga, and As can be In y Ga 1-y As (hereinafter referred to as InGaAs). This makes it possible to obtain a crystal layer having a relatively low level of conduction band and valence band, which is easy to achieve lattice matching with the InP substrate and is favorable for forming the other layer of the type 2 MQW. be able to.

受光層が受光感度を有する最長波長を2.4μm以上とすることができる。上記のx−z関係を満たすことで、GaAsSbの価電子帯とInGaAsの伝導帯とのエネルギ差を、波長2.4μm相当以下に小さくすることができる。この結果、2.4μm以上に吸収帯を有する物質も測定可能になり、より広範囲な材料の検査装置に用いることができる。   The longest wavelength with which the light receiving layer has light receiving sensitivity can be 2.4 μm or more. By satisfying the above xz relationship, the energy difference between the valence band of GaAsSb and the conduction band of InGaAs can be reduced to a wavelength equivalent to 2.4 μm or less. As a result, a substance having an absorption band of 2.4 μm or more can be measured, and can be used for a wider range of material inspection apparatuses.

受光層の底面と、該受光層およびInPコンタクト層を含む半導体層の上面との間に、再成長界面を持たないようにするのがよい。
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。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コンタクト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、半導体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コンタクト層まで、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コンタクト層を形成しても、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。
It is preferable not to have a regrowth interface between the bottom surface of the light receiving layer and the top surface of the semiconductor layer including the light receiving layer and the InP contact layer.
Here, the regrowth interface means that after the first crystal layer is grown by a predetermined growth method, the second crystal layer is exposed to the first crystal layer and exposed to the first crystal layer by another growth method. Refers to the interface between the first crystal layer and the second crystal layer. Usually, oxygen, carbon, and silicon are mixed as impurities at a high concentration. The semiconductor element of the present invention should preferably have no regrowth interface and can maintain good crystallinity up to the surface of the InP contact layer. This can contribute to the reduction of dark current.
Moreover, a semiconductor element can be manufactured efficiently. That is, as will be described later, since the growth is consistently performed by the all organic MOVPE method from the (buffer layer to MQW) to the InP contact layer containing P, the manufacturing is continuously performed in the same growth tank. Can do. For example, even if an InP contact layer containing phosphorus is formed, solid phosphorus is not used as a raw material, so that phosphorus does not adhere to the inner wall of the growth tank. For this reason, there is no fear of ignition at the time of maintenance, and it is excellent in safety.

本発明の光学センサ装置は、上記のいずれかの半導体素子を受光素子に用いたことを特徴とする。これによって、暗電流が低く、近赤外域の長波長側に感度をもつ光学センサ装置を得ることができる。この光学センサ装置は、半導体素子(受光素子)の各画素からの読み出し電極を備えたCMOS、分光器(回折格子)、レンズなどの光学素子、マイコンなどの制御装置等を含むことができる。   The optical sensor device of the present invention is characterized in that any one of the above semiconductor elements is used as a light receiving element. Thus, an optical sensor device having a low dark current and sensitivity on the long wavelength side in the near infrared region can be obtained. This optical sensor device can include a CMOS having a readout electrode from each pixel of a semiconductor element (light receiving element), a spectroscope (diffraction grating), an optical element such as a lens, a control device such as a microcomputer, and the like.

本発明の半導体素子の製造方法は、III―V族半導体基板上に形成された半導体素子を製造する。この製造方法は、III―V族半導体基板の上に、タイプ2のMQWの受光層を形成する工程を備え、MQWは少なくともGa、As、Sbを含む層と少なくともIn、Ga、Asを含む層により構成されており、MQWの形成工程では、少なくともGa、As、Sbを含む層のSb組成x(atm.%)を44atm.%以上として、かつ、該Sb組成x(atm.%)と膜厚z(nm)とを、z≧−0.4x+24.6、を満たすようにすることを特徴とする。
また、III―V族半導体をInPとすることができる。
さらに少なくともGa、As、Sbを含む層および少なくともIn、Ga、Asを含む層が歪補償構造を形成しており、少なくともGa、As、Sbを含む層のSb組成xを44atm.%から増やすとき、少なくともIn、Ga、Asを含む層のIn組成y(atm.%)をSb組成xの1atm.%の増大分につき0.9倍〜1.2倍の割合で低下させるように成長させることができる。
また、MQWの上にInPコンタクト層を形成する工程を備えてもよい。
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention manufactures a semiconductor device formed on a III-V semiconductor substrate. This manufacturing method includes a step of forming a type 2 MQW light-receiving layer on a group III-V semiconductor substrate, and MQW includes a layer containing at least Ga, As, and Sb and a layer containing at least In, Ga, and As. In the MQW forming step, the Sb composition x (atm.%) Of the layer containing at least Ga, As, and Sb is set to 44 atm. % Or more, and the Sb composition x (atm.%) And the film thickness z (nm) satisfy z ≧ −0.4x + 24.6.
Further, the III-V semiconductor can be InP.
Furthermore, the layer containing at least Ga, As, and Sb and the layer containing at least In, Ga, and As form a strain compensation structure, and the Sb composition x of the layer containing at least Ga, As, and Sb is 44 atm. %, The In composition y (atm.%) Of the layer containing at least In, Ga, As is changed to 1 atm. It can be grown to decrease at a rate of 0.9 to 1.2 times per% increase.
Further, a step of forming an InP contact layer on the MQW may be provided.

また、MQWにおける少なくともGa、As、Sbを含む層の膜厚z(nm)を、3nm以上として、Sb組成xに応じて、(a1)44atm.%≦x<56.8atm.%の範囲で、z<10nm、とし、(a2)56.8atm.%≦x≦68atm.%の範囲で、z<−0.625x+45.5、とするのがよい。
上記の方法で製造された半導体素子の暗電流が低く、近赤外の長波長域に受光感度を拡大する点については、上述のとおりである。
Further, the film thickness z (nm) of the layer containing at least Ga, As, and Sb in MQW is set to 3 nm or more, and (a1) 44 atm. % ≦ x <56.8 atm. %, Z <10 nm, and (a2) 56.8 atm. % ≦ x ≦ 68 atm. It is preferable that z <−0.625x + 45.5 in the range of%.
The point that the dark current of the semiconductor element manufactured by the above method is low and the light receiving sensitivity is expanded in the near-infrared long wavelength region is as described above.

MQWにおける少なくともGa、As、Sbを含む層の膜厚z(nm)を、3nm以上として、Sb組成xに応じて、(b1)44atm.%≦x<54.3atm.%の範囲で、z≦7nm、とし、(b2)54.3atm.%≦x≦68atm.%の範囲で、z≦−0.27x+21.7、とするのがよい。これによって、良好な結晶性を確保しながら、近赤外域の長波長側の感度向上を追求することができる。   The film thickness z (nm) of the layer containing at least Ga, As, and Sb in MQW is set to 3 nm or more, and (b1) 44 atm. % ≦ x <54.3 atm. %, Z ≦ 7 nm, and (b2) 54.3 atm. % ≦ x ≦ 68 atm. % ≦ z ≦ −0.27x + 21.7. Thereby, it is possible to pursue an improvement in sensitivity on the long wavelength side in the near infrared region while ensuring good crystallinity.

MQWの形成工程において、少なくともIn、Ga、Asを含む層の格子不整合度をΔωとし、少なくともGa、As、Sbを含む層の格子不整合度をΔωとするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω={Σ(Δω×少なくともIn、Ga、Asを含む層の厚み+Δω×少なくともGa、As、Sbを含む層の厚み)}/{Σ(少なくともIn、Ga、Asを含む層の厚み+少なくともGa、As、Sbを含む層の厚み)}で定義されるΔωが−0.2%以上かつ0.2%以下を満たすように、形成するのがよい。これによって、少なくともGa、As、Sbを含む層および少なくともIn、Ga、Asを含む層のバンド構造を長波長側への拡大に有利なように変えながら、MQWの結晶品質を保持して格子欠陥密度を低くすることができる。
そして、少なくともGa、As、Sbを含む層をGaAsSbとすることができる。
また、少なくともIn、Ga、Asを含む層をInGaAsとすることができる。
In the MQW formation process, when the lattice mismatch degree of a layer containing at least In, Ga, As is Δω 1 and the lattice mismatch degree of a layer containing at least Ga, As, Sb is Δω 2 , a multiple quantum well structure Total lattice mismatch Δω = {Σ (Δω 1 × layer thickness including at least In, Ga, As + Δω 2 × layer thickness including at least Ga, As, Sb)} / {Σ (at least In, Ga, The thickness of the layer containing As + the thickness of the layer containing at least Ga, As, and Sb)} is preferably set to satisfy −0.2% to 0.2%. This makes it possible to maintain the crystal quality of the MQW while changing the band structure of the layer containing at least Ga, As, and Sb and the layer containing at least In, Ga, and As to be advantageous for expansion to the long wavelength side, thereby causing lattice defects. The density can be lowered.
The layer containing at least Ga, As, and Sb can be GaAsSb.
In addition, a layer containing at least In, Ga, and As can be InGaAs.

InP基板上に、MQWおよびInPコンタクト層を含む半導体層を、一貫して、全有機金属気相成長法により成長するのがよい。ここで、全有機気相成長法は、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、上述の半導体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コンタクト層まで、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コンタクト層を形成しても、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。
A semiconductor layer including MQW and InP contact layers should be consistently grown on the InP substrate by a total metalorganic vapor phase epitaxy. Here, the all organic vapor phase growth method refers to a growth method using an organic metal raw material composed of a compound of an organic substance and a metal for all raw materials used for vapor phase growth, and is referred to as an all organic MOVPE method.
According to said method, the above-mentioned semiconductor element can be manufactured efficiently. That is, since the InP contact layer containing P is consistently grown by the all-organic MOVPE method, it can be continuously manufactured in the same growth tank. For example, even if an InP contact layer containing phosphorus is formed, solid phosphorus is not used as a raw material, so that phosphorus does not adhere to the inner wall of the growth tank. For this reason, there is no fear of ignition at the time of maintenance, and it is excellent in safety.
Another advantage of the all organic MOVPE method is that MQWs with steep heterointerfaces between each layer can be obtained. With MQW having a steep hetero interface, high-accuracy spectrum spectroscopy or the like can be performed.

MQWの形成工程では、温度400℃以上かつ560℃以下で、MQWを形成するのがよい。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。   In the MQW formation step, the MQW is preferably formed at a temperature of 400 ° C. or higher and 560 ° C. or lower. Thereby, MQW excellent in crystallinity can be obtained, and the dark current can be further reduced. The above-mentioned temperature is a substrate surface temperature monitored by a pyrometer including an infrared camera and an infrared spectrometer, and the substrate surface temperature being monitored. Accordingly, although it is the substrate surface temperature, strictly speaking, it is the temperature of the epitaxial layer surface in a state where a film is formed on the substrate. There are various names such as a substrate temperature, a growth temperature, and a film formation temperature, and all refer to the monitored temperatures.

本発明の半導体素子等によれば、暗電流を低く保ちながら、近赤外の長波長側に受光感度を拡大することができる。さらに、全有機MOVPE法によって、受光層のMQWからInPコンタクト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。   According to the semiconductor element and the like of the present invention, it is possible to expand the light receiving sensitivity to the long wavelength side of the near infrared while keeping the dark current low. Further, since the organic organic MOVPE method consistently grows from the MQW of the light receiving layer to the InP contact layer, the manufacturing efficiency is high, and there is no adhesion of phosphorus to the inner surface of the growth tank, so that safety is also excellent.

本発明の実施の形態1における半導体素子を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor element in Embodiment 1 of this invention. 図1のMQWの拡大図である。It is an enlarged view of MQW of FIG. タイプ2(InGaAs/GaAsSb)のバンド構造と、光の吸収(受光)現象を示す図である。It is a figure which shows the band structure of type 2 (InGaAs / GaAsSb), and the light absorption (light reception) phenomenon. タイプ2InGaAs/GaAsSbMQWの、GaAsSbのSb組成x(%)と、GaAsSbの膜厚zとが満たす範囲を示す図である。It is a figure which shows the range which Sb composition x (%) of GaAsSb and film thickness z of GaAsSb satisfy | fill of type 2 InGaAs / GaAsSbMQW. 全有機MOVPE法の成膜装置の配管系統等を示す図である。It is a figure which shows the piping system etc. of the film-forming apparatus of all the organic MOVPE method. (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。(A) is a figure which shows the flow of an organometallic molecule | numerator, and the flow of temperature, (b) is a schematic diagram of the organometallic molecule | numerator in the board | substrate surface. 、図1の受光素子50の製造方法のフローチャートである。2 is a flowchart of a method for manufacturing the light receiving element 50 of FIG. 1. 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。It is an optical sensor apparatus containing the light receiving element array (semiconductor element) in Embodiment 2 of this invention. 実施例1のMQWにおける、GaAsSbのSb組成と膜厚との関係において、各試験体の位置と、PL波長を示す図である。In MQW of Example 1, it is a figure which shows the position and PL wavelength of each test body in the relationship between the Sb composition of GaAsSb, and a film thickness. 実施例2における各試験体の量子井戸の膜厚と、PL波長及び受光感度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness of the quantum well of each test body in Example 2, PL wavelength, and light reception sensitivity. 実施例3における各試験体のMQWのGaAsSbのSb組成xと、PL波長及び暗電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Sb composition x of GaAsSb of MQW of each test body in Example 3, PL wavelength, and dark current.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における半導体素子50を示す図である。受光素子50のは、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。図1では、光はInP基板側から入射されるが、エピタキシャル側から入射してもよい。
(InP基板1/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コンタクト層5)
InPコンタクト層5からMQWの受光層3にまで届くように位置する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。受光素子10の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入されるということは、上記SiN膜の選択拡散マスクパターン36を用いて拡散することによって達せられる。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の裏面には、また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こともでき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。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、多重量子井戸の受光層3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で決まる。拡散濃度分布調整層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、拡散濃度分布調整層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。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor element 50 according to the first embodiment of the present invention. The light receiving element 50 has an InP-based semiconductor multilayer structure (epitaxial wafer) having the following configuration on the InP substrate 1. In FIG. 1, light is incident from the InP substrate side, but may be incident from the epitaxial side.
(InP substrate 1 / InP buffer layer 2 / type 2 (InGaAs / GaAsSb) MQW light receiving layer 3 / InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4 / InP contact layer 5)
The p-type region 6 positioned so as to reach from the InP contact layer 5 to the MQW light-receiving layer 3 is formed by selectively diffusing Zn of the p-type impurity from the opening of the selective diffusion mask pattern 36 of the SiN film. The The fact that diffusion is introduced into the periphery of the light receiving element 10 in a limited manner in a planar manner can be achieved by diffusion using the selective diffusion mask pattern 36 of the SiN film. A p-side electrode 11 made of AuZn is provided in the p-type region 6, and an n-side electrode 12 made of AuGeNi is provided in ohmic contact with the back surface of the InP substrate 1. In this case, the InP substrate 1 is doped with n-type impurities to ensure a predetermined level of conductivity. An antireflection film 35 made of SiON is provided on the back surface of the InP substrate 1 so that light can enter from the back surface side of the InP substrate. In the type 2 MQW light-receiving layer 3, a pn junction 15 is formed at a position corresponding to the boundary front of the p-type region 6, and a reverse bias voltage is applied between the p-side electrode 11 and the n-side electrode 12. As a result, a depletion layer is formed more widely on the side where the n-type impurity concentration is low (n-type impurity background). The background of the MQW light-receiving layer 3 is about 5E15 cm −3 or less in terms of n-type impurity concentration (carrier concentration). The position 15 of the pn junction is determined by the intersection of the background (n-type carrier concentration) of the light-receiving layer 3 of the multiple quantum well and the concentration profile of the p-type impurity Zn. The diffusion concentration distribution adjustment layer 4 is arranged for adjusting the concentration distribution of the p-type impurity in the MQW constituting the light receiving layer 3, but the diffusion concentration distribution adjustment layer 4 may be omitted. In the light receiving layer 3, the Zn concentration is preferably 5E16 cm −3 or less.

本実施の形態における受光素子のポイントは次の点にある。
(P1)受光層3を、タイプ2(InGaAs/GaAsSb)のMQWで構成し、GaAsSbのSb組成xを44%以上とし、GaAsSbのSb組成xを増大し、その増大分を吸収して全体としてInP格子整合性を保つように、InGaAsのIn組成yを低めにする。すなわちGaAsSbおよびInGaAsが歪補償構造を形成している。このポイント(P1)は、このあと説明する受光域を近赤外の長波長側に拡大する要因(F2)と同じである。
(P2)単位量子井戸(GaAsSb)の膜厚zを3nm以上として、かつz≧−0.4x(%)+24.6、を満たすようにする。この特徴は、上述の要因(F1)膜厚増大を主体的に含み、上記の要因(F2)も副次的に含んでいる。
上記の(P1)によれば、Sb組成xの増大およびIn組成yの減少によってGaAsSbの価電子帯とInGaAsの伝導帯とのエネルギ差を小さくできる。かつ、上記InP格子整合性の維持によって、格子欠陥密度の小さいMQW、コンタクト層などを成長することができる。この結果、暗電流を低く保ちながら、受光域を長波長域に拡大することができる。
また、(P2)によれば、受光可能な長波長域を2.4μm以上にすることができる。
さらに、再成長界面を持たないので、高濃度の酸素、炭素、珪素が不純物として混入していない。この結果、InPコンタクト層表面まで良好な結晶性を保持することができ、暗電流の低減を得ることができる。
The point of the light receiving element in the present embodiment is as follows.
(P1) The light-receiving layer 3 is composed of type 2 (InGaAs / GaAsSb) MQW, the Sb composition x of GaAsSb is set to 44% or more, the Sb composition x of GaAsSb is increased, and the increased amount is absorbed as a whole. The In composition y of InGaAs is lowered so as to maintain InP lattice matching. That is, GaAsSb and InGaAs form a strain compensation structure. This point (P1) is the same as the factor (F2) for enlarging the light receiving area described later to the near-infrared long wavelength side.
(P2) The film thickness z of the unit quantum well (GaAsSb) is set to 3 nm or more and satisfies z ≧ −0.4x (%) + 24.6. This feature mainly includes the above-mentioned factor (F1) film thickness increase, and also includes the above-mentioned factor (F2) as a secondary factor.
According to the above (P1), the energy difference between the valence band of GaAsSb and the conduction band of InGaAs can be reduced by increasing the Sb composition x and decreasing the In composition y. In addition, by maintaining the InP lattice matching, it is possible to grow an MQW, a contact layer, or the like having a low lattice defect density. As a result, the light receiving area can be expanded to a long wavelength area while keeping the dark current low.
Moreover, according to (P2), the long wavelength range in which light can be received can be 2.4 μm or more.
Furthermore, since it does not have a regrowth interface, high concentration oxygen, carbon, and silicon are not mixed as impurities. As a result, good crystallinity can be maintained up to the surface of the InP contact layer, and dark current can be reduced.

<受光域の近赤外の長波長側への拡大>
上記タイプ2(GaAsSb/InGaAs)のMQWの受光域を、近赤外の長波長域に拡大する要因に、つぎの2つがある。
(F1)MQWの各層の膜厚増大。本実施の形態では、図2に示すように、GaAsSbの膜厚zを指標にする。InGaAsの膜厚は、GaAsSbの膜厚zの±1.0nmの範囲であり、実質的に同じと考えてよい。
(F2)GaAsSb/InGaAsにおけるSb組成xの44%以上への増大とIn組成の減少。要因(F2)は、InP格子整合性の観点からは歪補償構造の形成ということができる。しかし、バンド構造的にはGaAsSbの価電子帯とInGaAsの伝導帯とのエネルギ差の減少である。この要因(F2)の泣き所は、InP格子整合性の確保、または格子欠陥密度の低減である。
<Expansion of the light receiving area to the long wavelength side of the near infrared>
There are the following two factors for expanding the MQW light receiving area of type 2 (GaAsSb / InGaAs) to the long wavelength range of the near infrared.
(F1) Increase in film thickness of each layer of MQW. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the thickness z of GaAsSb is used as an index. The thickness of InGaAs is in the range of ± 1.0 nm of the thickness z of GaAsSb, and may be considered substantially the same.
(F2) Increase of Sb composition x to 44% or more and decrease of In composition in GaAsSb / InGaAs. The factor (F2) can be said to be the formation of a strain compensation structure from the viewpoint of InP lattice matching. However, in terms of the band structure, the energy difference between the valence band of GaAsSb and the conduction band of InGaAs is reduced. The crying point of this factor (F2) is to ensure InP lattice matching or to reduce lattice defect density.

上記の要因(F1)膜厚の増大、および、(F2)組成x,yの配分について、図3を用いて説明する。図3は、タイプ2(InGaAs/GaAsSb)のバンド構造と、光の吸収(受光)を示す図である。長波長側の波長λの光が受光されるとき、GaAsSbの価電子帯の準位を占めていた電子が励起されて、InGaAsの伝導帯の準位を電子が占有する。価電子帯には、受光の結果、正孔が生成する。タイプ2では、GaAsSbの価電子帯からInGaAsの伝導帯に電子が励起されるため、単一相での価電子帯→伝導帯への遷移に比べて、エネルギ差が小さくなり、長波長の光の受光が可能となる。
上記の長波長側の光の波長λが受光される場合、生じた正孔と電子とのエネルギ差は、h・(c/λ)である。ここに、hはプランク定数(6.626E−34J・s)であり、cは光の媒体内での速度である。受光域を長波長側に拡大するには、図3におけるh・(c/λ)の矢印の両端を近づける必要がある。要因(F2)は、図3に示すように、バンド構造における、GaAsSbの価電子帯とInGaAsの伝導帯とのエネルギ差ΔEvcを減少させる。すなわち、電子準位が形成されるバンド構造を変えて、上記のエネルギ差ΔEvcを小さくする。また、要因(F1)は、つぎのように影響すると考えられる。MQW内の単一層は、一つの井戸ポテンシャルを形成する。井戸ポテンシャル内に形成される電子のエネルギ準位は、井戸ポテンシャルの幅(膜厚)が小さくなるほど、上昇する傾向がある。これは、電子のような波動的性質をもつ粒子(波)を小さい空間に閉じこめようとすると、広い空間に広がっていた場合に比べて、そのエネルギ状態が高くなることに対応しており、普遍的な性質といってよい。膜厚zを大きくすると、図3に示した電子(正孔)のエネルギ準位は、価電子帯および伝導帯に近づく。この結果、波長λがより大きくなり、h・(c/λ)がより小さくなっても、受光が可能になる。
The above factors (F1) increase in film thickness and (F2) distribution of compositions x and y will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing a band structure of type 2 (InGaAs / GaAsSb) and light absorption (light reception). When light having a wavelength λ on the long wavelength side is received, the electrons that have occupied the level of the valence band of GaAsSb are excited, and the electrons occupy the level of the conduction band of InGaAs. As a result of light reception, holes are generated in the valence band. In Type 2, electrons are excited from the valence band of GaAsSb to the conduction band of InGaAs, so that the energy difference is smaller than the transition from the valence band to the conduction band in a single phase, and long wavelength light Can be received.
When the wavelength λ of the light on the long wavelength side is received, the energy difference between the generated holes and electrons is h · (c / λ). Here, h is Planck's constant (6.626E-34J · s), and c is the speed of light in the medium. In order to expand the light receiving area to the longer wavelength side, it is necessary to bring both ends of the arrow of h · (c / λ) in FIG. 3 closer. As shown in FIG. 3, the factor (F2) decreases the energy difference ΔEvc between the valence band of GaAsSb and the conduction band of InGaAs in the band structure. That is, the energy difference ΔEvc is reduced by changing the band structure in which the electron level is formed. Further, the factor (F1) is considered to influence as follows. A single layer in the MQW forms one well potential. The energy level of electrons formed in the well potential tends to increase as the well potential width (film thickness) decreases. This corresponds to the fact that when energetic particles (waves) such as electrons are confined in a small space, the energy state becomes higher than when they are spread in a wide space. It may be said that it is a natural property. When the film thickness z is increased, the energy level of electrons (holes) shown in FIG. 3 approaches the valence band and the conduction band. As a result, even if the wavelength λ becomes larger and h · (c / λ) becomes smaller, light can be received.

図4は、本実施の形態の受光素子50において、タイプ2InGaAs/GaAsSbMQWの、GaAsSbのSb組成x(%)と、GaAsSbの膜厚zとが満たす範囲を示す図である。InGaAsのIn組成yは、100≦x+y≦104を満たすように配分される。図4における各境界線の意味を以下に説明する。この図4における範囲を設定した根拠は、実施例1において説明する(図9参照)。
1.B線:z=−0.4x+24.6
このB線は、受光可能な最長波長が2.43μmとなる、組成xおよび膜厚zを定める。このB線以上にzがある範囲、すなわちB線以内にあるx−z範囲では、受光可能な最長波長が2.4μm以上となる。本発明では、最長波長2.4μm以上とするために、膜厚zをB線以上にする。
2.x=44
Sb組成x=44(%)は、膜厚zによらず、最長波長が2.3μmを確保できる線である。Sb組成xが44%以上において、膜厚zが7nm以上であれば、最長波長2.3μm以上を得ることができる。本実施の形態では、Sb組成xは、44(%)以上とする。
3.z=3
本発明では、受光感度を確保するため、膜厚zは3nm以上とする。
4.A線:z=−0.625x+45.5
このA線によって、暗電流が大きくなる限界を定めることができる。A線を含む外側(zがこのA線以上となる範囲)では、暗電流が大きくなり、S/N比が低下してしまう。このA線よりも内側(zがこのA線よりも下に位置する範囲)では、A線に近づくほど、膜厚zは増大し、Sb組成xは増大して、受光域は長波長側に拡大される。本実施の形態では、低い暗電流が重視される場合には、x−z範囲をA線より内側にすることができる。上記のように、膜厚zとSb組成xとの両方をA線に近づけないと、実用上、大きな用途が見込まれる近赤外域の長波長側に拡大した半導体素子を得ることができない。
5.A2線:z=−0.27x+21.7
しかしながら、暗電流の低減を重視する場合には、良好な結晶性を実現するために、Sb組成xの範囲に応じて、(b1)44atm.%≦x<54.3atm.%の範囲で、z≦7nm、とし、(b2)54.3atm.%≦x≦68atm.%の範囲で、A2線:z≦−0.27x+21.7、とするのがよい。このA2線については、実施例において詳しく説明する。
6.z=10
z=10nmは、感度限界を定める。すなわち膜厚zが10nmでは、電子と正孔との波動関数の重なりが小さくなって、感度が小さくなる。すなわちGaAsSbの価電子帯からInGaAsの伝導帯へ、電子が遷移する確率が小さくなって、そのような電子の遷移(受光)が生じにくくなる。これは量子力学の要請からくるものである。膜厚zがこれより薄ければ、すなわちz<10の範囲であれば、受光感度を確保することができる。
7.z=7
しかしながら、感度を重視する場合には、z≦7(nm)とするのがよい。
FIG. 4 is a diagram showing a range where the Sb composition x (%) of GaAsSb and the film thickness z of GaAsSb satisfy the type 2 InGaAs / GaAsSbMQW in the light receiving element 50 of the present embodiment. The In composition y of InGaAs is distributed so as to satisfy 100 ≦ x + y ≦ 104. The meaning of each boundary line in FIG. 4 will be described below. The reason for setting the range in FIG. 4 will be described in Example 1 (see FIG. 9).
1. B line: z = −0.4x + 24.6
This B line defines the composition x and the film thickness z that the longest wavelength that can be received is 2.43 μm. In the range where z is above the B line, that is, in the xz range within the B line, the longest wavelength that can be received is 2.4 μm or more. In the present invention, in order to set the longest wavelength to 2.4 μm or more, the film thickness z is set to B line or more.
2. x = 44
The Sb composition x = 44 (%) is a line that can ensure the longest wavelength of 2.3 μm regardless of the film thickness z. When the Sb composition x is 44% or more and the film thickness z is 7 nm or more, the longest wavelength of 2.3 μm or more can be obtained. In the present embodiment, the Sb composition x is 44 (%) or more.
3. z = 3
In the present invention, the film thickness z is set to 3 nm or more in order to ensure the light receiving sensitivity.
4). A line: z = −0.625x + 45.5
The limit at which the dark current becomes large can be determined by the A line. On the outside including the A line (in a range where z is equal to or greater than the A line), the dark current increases and the S / N ratio decreases. On the inner side of this A line (range where z is located below this A line), the closer to the A line, the greater the film thickness z, the Sb composition x, and the light receiving area on the longer wavelength side. Enlarged. In the present embodiment, when low dark current is important, the xz range can be set inside the A line. As described above, unless both the film thickness z and the Sb composition x are close to the A-line, it is impossible to obtain a semiconductor element expanded to the long wavelength side in the near-infrared region where practical use is expected.
5. A2 line: z = −0.27x + 21.7
However, when emphasizing the reduction of dark current, in order to realize good crystallinity, (b1) 44 atm. % ≦ x <54.3 atm. %, Z ≦ 7 nm, and (b2) 54.3 atm. % ≦ x ≦ 68 atm. % Line A2: z ≦ −0.27x + 21.7. The A2 line will be described in detail in the embodiments.
6). z = 10
z = 10 nm defines the sensitivity limit. That is, when the film thickness z is 10 nm, the overlap of wave functions of electrons and holes is reduced, and the sensitivity is reduced. That is, the probability that electrons transition from the valence band of GaAsSb to the conduction band of InGaAs is reduced, and such electron transition (light reception) is less likely to occur. This comes from the demands of quantum mechanics. If the film thickness z is smaller than this, that is, if it is in the range of z <10, the light receiving sensitivity can be ensured.
7. z = 7
However, when importance is attached to the sensitivity, it is preferable that z ≦ 7 (nm).

<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コンタクト層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5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、基板テーブル66が、回転自在に、かつ気密性を保つように配置される。基板テーブル66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。
<How to grow MQW>
Next, a manufacturing method will be described. An InP substrate 1 is prepared, and an InP buffer layer 2 / type 2 (InGaAs / GaAsSb) MQW light-receiving layer 3 / InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4 / InP contact layer 5 is grown thereon by an all-organic MOVPE method. To do. Here, the growth method of the light receiving layer 3 of type 2 (InGaAs / GaAsSb) MQW will be described in detail.
FIG. 5 shows a piping system and the like of the all-organic MOVPE film forming apparatus 60. A quartz tube 65 is disposed in the reaction chamber (chamber) 63, and a raw material gas is introduced into the quartz tube 65. A substrate table 66 is disposed in the quartz tube 65 so as to be rotatable and airtight. The substrate table 66 is provided with a heater 66h for heating the substrate. The temperature of the surface of the wafer 50 a during film formation is monitored by the infrared temperature monitor device 61 through a window 69 provided in the ceiling of the reaction chamber 63. This monitored temperature is a temperature at the time of growth or a temperature called a film forming temperature or a substrate temperature. In the production method of the present invention, when MQW is formed at a temperature of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less, 400 ° C. or more and 560 ° C. or less are temperatures measured by this temperature monitor. The forced exhaust from the quartz tube 65 is performed by a vacuum pump.

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5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(H)および窒素(N)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。 The source gas is supplied by a pipe communicating with the quartz tube 65. The all organic MOVPE method is characterized in that all raw material gases are supplied in the form of an organometallic gas. In FIG. 5, source gases such as impurities are not specified, but impurities are also introduced in the form of an organometallic gas. The raw material of the organometallic gas is put in a thermostat and kept at a constant temperature. Hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) are used as the carrier gas. The organometallic gas is transported by a transport gas, and is sucked by a vacuum pump and introduced into the quartz tube 65. The amount of carrier gas is accurately adjusted by an MFC (Mass Flow Controller). Many flow controllers, solenoid valves, and the like are automatically controlled by a microcomputer.

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150nm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PH(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コンタクト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コンタクト層を形成すると、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コンタクト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。 A method for manufacturing the wafer 50a will be described. First, the n-type InP buffer layer 2 is epitaxially grown on the S-doped n-type InP substrate 1 to a film thickness of 150 nm. TeESi (tetraethylsilane) is preferably used for n-type doping. At this time, TMIn (trimethylindium) and TBP (tertiary butylphosphine) are used as the source gas. The InP buffer layer 2 may be grown using an inorganic raw material PH 3 (phosphine). In the growth of the InP buffer layer 2, even if the growth temperature is about 600 ° C. or less than about 600 ° C., the crystallinity of the InP substrate located in the lower layer is not deteriorated by heating at about 600 ° C. However, when the InP contact layer is formed, since the MQW containing GaAsSb is formed in the lower layer, it is necessary to strictly maintain the substrate temperature within a range of, for example, a temperature of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less. The reason is that when heated to about 600 ° C., the crystallinity of GaAsSb is greatly deteriorated due to heat damage, and when the InP contact layer is formed at a temperature lower than 400 ° C., the decomposition efficiency of the source gas is greatly increased. As a result, the impurity concentration in the InP layer increases and a high-quality InP contact layer cannot be obtained. Next, an n-type doped InGaAs layer is grown on the InP buffer layer 2 to a thickness of 0.15 μm (150 nm). This InGaAs layer is also included in the buffer layer 2 in FIG.

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zは3nm以上10nm未満とし、またInGaAs3bの膜厚は、z±1.0nmと、実質的に同じにするのがよい。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、トリエチルガリウム(TEGa)、ターシャリーブチルアルシン(TBAs)およびトリメチルアンチモン(TMSb)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。   Next, a type 2 MQW light-receiving layer 3 having InGaAs / GaAsSb as a quantum well pair is formed. As described above, the film thickness z of the GaAsSb in the quantum well is 3 nm or more and less than 10 nm, and the film thickness of the InGaAs 3b is preferably substantially the same as z ± 1.0 nm. In FIG. 1, the MQW light receiving layer 3 is formed by stacking 250 pairs of quantum wells. In the film formation of GaAsSb, triethylgallium (TEGa), tertiary butylarsine (TBAs), and trimethylantimony (TMSb) are used. For InGaAs, TEGa, TMIn, and TBAs can be used. These source gases are all organometallic gases, and the molecular weight of the compound is large. Therefore, it can be completely decomposed at a relatively low temperature of 400 ° C. or higher and 560 ° C. or lower and contribute to crystal growth. The MQW light-receiving layer 3 can be made abrupt in composition change at the interface of the quantum well by using all organic MOVPE. As a result, highly accurate spectrophotometry can be performed.

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。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。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。Sb(アンチモン)の原料としては、TMSb(トリメチルアンチモン)でもよいし、TESb(トリエチルアンチモン)でもよい、また、TIPSb(トリイソプロピルアンチモン)、また、TDMASb(トリジメチルアミノアンチモン)でもよい。これらの原料を用いることによって、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。   As a raw material for Ga (gallium), TEGa (triethylgallium) or TMGa (trimethylgallium) may be used. The raw material for In (indium) may be TMIn (trimethylindium) or TEIn (triethylindium). As a raw material of As (arsenic), TBAs (tertiary butylarsine) or TMAs (trimethylarsenic) may be used. The raw material for Sb (antimony) may be TMSb (trimethylantimony), TESb (triethylantimony), TIPSb (triisopropylantimony), or TDMASb (tridimethylaminoantimony). By using these raw materials, a semiconductor element having a low MQW impurity concentration and excellent crystallinity can be obtained. As a result, for example, when used in a light receiving element, a light receiving element with a small dark current and a high sensitivity can be obtained. Furthermore, using the light receiving element, an optical sensor device capable of capturing a clearer image, such as an imaging device, can be obtained.

次に、全有機MOVPE法によって、多重量子井戸構造3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に供給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5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5に示すように、基板テーブル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、基板テーブル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、基板テーブル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多重量子井戸構造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。
Next, the flow state of the source gas when the multiple quantum well structure 3 is formed by the all organic MOVPE method will be described. The source gas is transported through the piping, introduced into the quartz tube 65, and exhausted. Any number of source gases can be supplied to the quartz tube 65 by increasing the number of pipes. For example, even a dozen kinds of source gases are controlled by opening and closing the electromagnetic valve.
The flow rate of the source gas is controlled by a flow rate controller (MFC) shown in FIG. 5, and the flow into the quartz tube 65 is turned on and off by opening and closing the electromagnetic valve. The quartz tube 65 is forcibly exhausted by a vacuum pump. There is no stagnation in the flow of the source gas, and it is performed smoothly and automatically. Therefore, the composition is switched quickly when forming the quantum well pair.
As shown in FIG. 5, since the substrate table 66 rotates, the temperature distribution of the source gas does not have the directivity as on the inflow side or the outlet side of the source gas. Further, since the wafer 50a revolves on the substrate table 66, the flow of the source gas near the surface of the wafer 50a is in a turbulent state, and even the source gas near the surface of the wafer 50a contacts the wafer 50a. Except for the raw material gas, it has a large velocity component in the flow direction from the introduction side to the exhaust side. Therefore, most of the heat flowing from the substrate table 66 to the source gas through the wafer 50a is always exhausted together with the exhaust gas. For this reason, a large temperature gradient or temperature step is generated in the vertical direction from the wafer 50a through the surface to the source gas space.
Furthermore, in the embodiment of the present invention, the substrate temperature is heated to a low temperature range of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less. In the case of using the all organic MOVPE method using TBAs or the like as a raw material at the substrate surface temperature in such a low temperature region, since the decomposition efficiency of the raw material is good, the growth of the multiple quantum well structure with the raw material gas flowing in the range very close to the wafer 50a The source gas that contributes to is limited to those efficiently decomposed into the form necessary for growth.

図6(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6(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、多重量子井戸構造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6(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6(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。
FIG. 6A is a diagram showing the flow of organometallic molecules and the flow of temperature, and FIG. 6B is a schematic diagram of organometallic molecules on the substrate surface. These diagrams are used to explain the importance of setting the surface temperature in order to obtain a steep composition change at the heterointerface of the multiple quantum well structure.
The surface of the wafer 50a is set to a monitored temperature. However, when the material gas space is slightly entered from the wafer surface, the temperature suddenly decreases or a large temperature step is generated as described above. Therefore, in the case of a raw material gas having a decomposition temperature of T1 ° C., the substrate surface temperature is set to (T1 + α), and α is determined in consideration of variations in temperature distribution and the like. In a situation where there is a sudden large temperature drop or temperature step from the surface of the wafer 50a to the source gas space, when large-sized organometallic molecules flow through the wafer surface as shown in FIG. It is considered that the compound molecules that contribute to the growth are limited to those in the range in contact with the surface and the film thickness range of several organometallic molecules from the surface. Therefore, as shown in FIG. 6B, the organic metal molecules in the range in contact with the wafer surface and the molecules located within the film thickness range of several organometallic molecules from the wafer surface are mainly crystal growth. It is considered that the organometallic molecules outside it are discharged out of the quartz tube 65 with almost no decomposition. When the organometallic molecules near the surface of the wafer 50a are decomposed and crystal growth occurs, the organometallic molecules located outside enter the replenishment.
In other words, the range of the organometallic molecules that can participate in crystal growth is limited to a thin source gas layer on the surface of the wafer 50a by making the wafer surface temperature slightly higher than the temperature at which the organometallic molecules decompose. it can.

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多重量子井戸構造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5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。
この多重量子井戸構造を形成する場合、600℃程度の温度範囲で成長すると多重量子井戸構造のGaAsSb層に相分離が起こり、清浄で平坦性に優れた多重量子井戸構造の結晶成長表面、および、優れた周期性と結晶性を有する多重量子井戸構造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。
From the above, when the source gas suitable for the chemical composition of the pair is switched by the electromagnetic valve and forcedly evacuated by the vacuum pump, after the crystal of the previous chemical composition is grown with slight inertia, Thus, it is possible to grow a crystal having a switched chemical composition without being affected by the source gas. As a result, the composition change at the hetero interface can be made steep. This means that the previous source gas does not substantially remain in the quartz tube 65, and the source gas that contributes to the growth of the multiple quantum well structure with the source gas flowing in a range very close to the wafer 50a is: This is because it is limited to those efficiently decomposed into a shape necessary for growth (film formation factor 1). That is, as can be seen from FIG. 5, when one layer of the quantum well is formed, the electromagnetic valve is opened and closed while forcibly evacuating with a vacuum pump, and when the source gas for forming the other layer is introduced, a little Although there are organometallic molecules that participate in crystal growth with inertia, the molecules in one layer that supplements are almost exhausted and gone. The closer the wafer surface temperature is to the decomposition temperature of the organometallic molecule, the smaller the range of organometallic molecules participating in crystal growth (range from the wafer surface).
When forming this multi-quantum well structure, phase growth occurs in the GaAsSb layer of the multi-quantum well structure when grown in a temperature range of about 600 ° C., and the crystal growth surface of the multi-quantum well structure that is clean and excellent in flatness, and A multiple quantum well structure having excellent periodicity and crystallinity cannot be obtained. For this reason, the growth temperature is set to a temperature range of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less (deposition factor 2). This film formation method is an all-organic MOVPE method, and all the source gases are organometallic gases with high decomposition efficiency. (Film formation factor 3) strongly depends on film formation factor 1.

<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コンタクト層5が位置している。InPコンタクト層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コンタクト層表面には、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、コンタクト層表面の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コンタクト層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コンタクト層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コンタクト層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コンタクト層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。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
In the semiconductor element 50 shown in FIG. 1, the InGaAs diffusion concentration distribution adjustment layer 4 is located on the type 2 MQW light-receiving layer 3, and the InP contact layer 5 is located on the InGaAs diffusion concentration distribution adjustment layer 4. ing. The p-type region 6 is provided by selectively diffusing Zn of the p-type impurity from the opening of the selective diffusion mask pattern 36 provided on the surface of the InP contact layer 5. A pn junction 15 or a pi junction 15 is formed at the tip of the p-type region 6. A depletion layer is formed by applying a reverse bias voltage to the pn junction 15 or the pi junction 15 to capture charges due to photoelectron conversion, and to make the brightness of the pixel correspond to the amount of charges. The p-type region 6 or the pn junction 15 or the pi junction 15 is a main part constituting the pixel. The p-side electrode 11 that is in ohmic contact with the p-type region 6 is a pixel electrode, and reads the above charges for each pixel with the n-side electrode 12 that is set to the ground potential. The selective diffusion mask pattern 36 is left as it is on the surface of the InP contact layer around the p-type region 6. Further, a protective film such as SiON not shown is coated. The selective diffusion mask pattern 36 is left as it is. When the p-type region 6 is formed and then exposed to the atmosphere except for this, a surface level is formed at the boundary with the p-type region on the contact layer surface, and the dark current is formed. This is because of the increase.
One point is to continue the growth in the same film forming chamber or quartz tube 65 by the all organic MOVPE method until the formation of the InP contact layer 5 after the MQW is formed as described above. That is, before the InP contact layer 5 is formed, the wafer 50a is not taken out from the film forming chamber and the InP contact layer 5 is not formed by another film forming method. One point. That is, since the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4 and the InP contact layer 5 are continuously formed in the quartz tube 65, the interfaces 16 and 17 are not regrowth interfaces. For this reason, the concentrations of oxygen, carbon, and silicon are all below a predetermined level, and charge leakage does not occur particularly at the intersection line between the p-type region 6 and the interface 17.

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コンタクト層5を形成したあと、選択拡散法によってInPコンタクト層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コンタクト層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コンタクト層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コンタクト層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コンタクト層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コンタクト層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、InPコンタクト層5内の不純物濃度が増大し高品質なInPコンタクト層5を得られない点があげられる。
In the present embodiment, a non-doped InGaAs diffusion concentration distribution layer 4 having a film thickness of 1.0 μm, for example, is formed on the MQW light-receiving layer 3. After the InP contact layer 5 is formed, the InGaAs diffusion concentration distribution layer 4 has a high concentration of Zn when the p-type impurity Zn is introduced from the InP contact layer 5 to reach the MQW light receiving layer 3 by a selective diffusion method. When it enters MQW, the crystallinity is damaged, so it is provided for the adjustment. The InGaAs diffusion concentration distribution adjustment layer 4 may be arranged as described above, but may not be provided.
The p-type region 6 is formed by the selective diffusion described above, and the pn junction 15 or the pi junction 15 is formed at the tip thereof. Even when the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4 is inserted, since the InGaAs has a small band gap, the electric resistance of the light receiving element can be lowered even if it is non-doped. By reducing the electrical resistance, it is possible to improve the responsiveness and obtain a moving image with good image quality.
On the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4, the undoped InP contact layer 5 is epitaxially grown to a thickness of, for example, 0.8 μm by the all organic MOVPE method continuously with the wafer 50a placed in the same quartz tube 65. Is good. As described above, trimethylindium (TMIn) and tertiary butylphosphine (TBP) are used for the source gas. By using this source gas, the growth temperature of the InP contact layer 5 can be made 400 ° C. or more and 560 ° C. or less, and further 535 ° C. or less. As a result, the MQW GaAsSb positioned under the InP contact layer 5 is not damaged by heat, and the MQW crystallinity is not impaired. When the InP contact layer 5 is formed, since the MQW containing GaAsSb is formed in the lower layer, the substrate temperature needs to be strictly maintained within a range of, for example, a temperature of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less. The reason is that when heated to about 600 ° C., the crystallinity of GaAsSb is greatly deteriorated due to heat damage, and when the InP contact layer is formed at a temperature lower than 400 ° C., the decomposition efficiency of the source gas is greatly increased. Therefore, the impurity concentration in the InP contact layer 5 increases, and a high quality InP contact layer 5 cannot be obtained.

上記したように、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コンタクト層を成長するには、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コンタクト層との界面は、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1E17cm−3以上、炭素濃度が1E17cm−3以上、および、珪素濃度が1E17cm−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コンタクト層を単なるMOVPE法によって成長すると、燐の原料にホスフィン(PH)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。
As described above, conventionally, it has been necessary to form the MQW by the MBE method. However, in order to grow an InP contact layer by the MBE method, it is necessary to use a solid raw material as a phosphorus raw material, which is problematic in terms of safety. There was also room for improvement in terms of manufacturing efficiency.
Prior to the present invention, the interface between the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer and the InP contact layer was a regrowth interface once exposed to the atmosphere. The regrowth interface is specified by satisfying at least one of oxygen concentration of 1E17 cm −3 or more, carbon concentration of 1E17 cm −3 or more, and silicon concentration of 1E17 cm −3 or more by secondary ion mass spectrometry. Can do. The regrowth interface forms a crossing line with the p-type region, and a charge leak occurs at the crossing line, thereby significantly degrading the image quality.
Further, for example, when an InP contact layer is grown by a simple MOVPE method, phosphine (PH 3 ) is used as a raw material of phosphorus. Therefore, the decomposition temperature is high, and the occurrence of damage due to heat of GaAsSb located in the lower layer is induced to cause the MQW crystal. It will be harmful to sex.

図7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コンタクト層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。   FIG. 7 is a flowchart of a method for manufacturing the light receiving element 50 of FIG. According to this manufacturing method, only the organometallic gas is used as the source gas (deposition factor 3) until the growth temperature is lowered (deposition factor 2) and the formation of the InP contact layer 5 is completed. Therefore, it is important to have no recrystallization interface (deposition factor 4). As a result, it is possible to efficiently manufacture a large number of photodiodes having a light receiving sensitivity in a wavelength region of 2 μm to 5 μm, which has less charge leakage and excellent crystallinity.

(実施の形態2)
図8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8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。
図8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。
(Embodiment 2)
FIG. 8 shows an optical sensor device 10 including a light receiving element array (semiconductor element) 50 according to the second embodiment of the present invention. Optical parts such as lenses are omitted. Although a protective film 43 made of a SiON film is shown in FIG. 8, it is actually also arranged in FIG. The light receiving element array 50 has the same stacked structure as that of the light receiving elements shown in FIG. 1, and is different in that a plurality of light receiving elements or pixels P are arranged. The film thickness z, the Sb composition s, etc. are the same as those in the semiconductor element of FIG. Also, the interfaces 16 and 17 are not regrowth interfaces, and the concentration of impurities such as oxygen, carbon, and silicon are all low, which is the same as the light receiving element (semiconductor element) in FIG.
In FIG. 8, the light receiving element array 50 and a CMOS 70 constituting a read circuit (Read-Out IC) are connected. The readout electrode (not shown) of the CMOS 70 and the pixel electrode (p-side electrode) 11 of the light receiving element array 50 are bonded with the bonding bump 39 interposed. Further, a common ground electrode (n-side electrode) 12 for each pixel of the light receiving element array 50 and a ground electrode (not shown) of the CMOS 70 are joined via bumps 12b. An imaging device or the like can be obtained by combining the CMOS 70 and the light receiving element array 50 and integrating light reception information for each pixel.
As described above, the light-receiving element array (semiconductor element) 50 of the present invention has sensitivity up to a long wavelength region and has a small dark current (leakage current), and therefore, inspection of living organisms such as animals and plants, environmental monitoring, etc. By using this, high-precision inspection can be performed.

(実施例1)
図1に示す半導体素子50と同じ構造の受光素子50におけるMQWのGaAsSbの膜厚z(nm)およびSb組成x(%)を変化させて、室温におけるPL(Photo-luminescent)波長、および暗電流を測定した。各試験体のGaAsSbのSb組成x、およびInGaAsのIn組成y、ならびにGaAsSb、InGaAsの膜厚z(nm)は、表1に示すとおりである。GaAsSbおよびInGaAsの膜厚は同じにした。また、組成xおよび組成yは、InGaAsの格子不整合度をΔωとし、GaAsSbの格子不整合度をΔωとするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω={Σ(Δω×InGaAs層の厚み+Δω×GaAsSb層の厚み)}/{Σ(InGaAs層の厚み+GaAsSb層の厚み)}で定義されるΔωが−0.2%以上かつ0.2%以下を満たすようにした。
受光素子50は、上記のように、全有機MOVPE法で製造した。受光層以外の部分は、上記の方法で製造した。主なエピタキシャル層の製造方法は次のように行った。成長温度は510℃である。GaAsSbは、原料に、TEGa、TBAsおよびTESbを用い、Sb組成xは、V/III比(V属原料の供給量/III属原料の供給量)を一定にしてTBAsとTESbの供給量比を変化させることで変えた。また、InGaAsは、原料に、TEGa、TMIn、TBAsを用い、In組成yは、V/III比を一定にしてTEGaとTMnInの供給量比を変化させて成長した。また、InPコンタクト層5は、原料にTMInおよびTBPを原料に用いた。
Example 1
The light-receiving element 50 having the same structure as that of the semiconductor element 50 shown in FIG. Was measured. Table 1 shows the Sb composition x of GaAsSb, the In composition y of InGaAs, and the film thickness z (nm) of GaAsSb and InGaAs of each specimen. The film thicknesses of GaAsSb and InGaAs were the same. The composition x and the composition y have a lattice mismatch degree of InGaAs of Δω 1 and a lattice mismatch degree of GaAsSb of Δω 2, and the lattice mismatch degree of the entire multiple quantum well structure Δω = {Σ (Δω 1 × ΔGaAs thickness + Δω 2 × GaAsSb layer thickness)} / {Σ (InGaAs layer thickness + GaAsSb layer thickness)} Δω defined by −0.2% or more and 0.2% or less did.
The light receiving element 50 was manufactured by the all organic MOVPE method as described above. Parts other than the light receiving layer were manufactured by the above method. The manufacturing method of the main epitaxial layer was performed as follows. The growth temperature is 510 ° C. GaAsSb uses TEGa, TBAs and TESb as raw materials, and the Sb composition x has a constant V / III ratio (supply amount of Group V raw materials / supply amount of Group III raw materials), and the supply amount ratio of TBAs and TESb It changed by changing. InGaAs was grown using TEGa, TMIn, and TBAs as raw materials, and the In composition y was grown by changing the supply ratio of TEGa and TMnIn while keeping the V / III ratio constant. In the InP contact layer 5, TMIn and TBP were used as raw materials.

Figure 2013145906
Figure 2013145906

<評価>
評価は、下記のように、室温でのPL波長、および暗電流の測定を行った。暗電流は、100μm径で、逆バイアス電圧(Vr)=1Vで行った。
1.室温におけるPL波長
室温におけるPLの波長は、バンドギャップ波長に対応し、ほぼ受光できる最長波長に対応する。図9、図4を参照して、比較例2,3,8,10では、膜厚zはB線:−0.4x+24.6、の下側に位置しており、表1によれば、PL波長は、それぞれ、2210nm、2290nm,2210nm,2300nmであり、2400nm未満である。これは、膜厚zおよびGaAsSbのSb組成xが、十分、高くないためである。
これに対して、膜厚z≧3nmであり、かつ膜厚z≧−0.4x+24.6(B線以上)、を満たす範囲では、表1に示すように、いずれの本発明例も、PL波長2.4μm以上となっている。しかも、A線:z=−0.625x+45.5、に近づくほどPL波長は長波長となる。図9において、A線およびz=10に近づくほどPL波長が長くなることを矢印およびPL波長によって示す。
また、膜厚z=10の線に近づくとき、本発明例7(2430nm)→本発明例6(2620nm)→本発明例5(2700nm)→本発明例4(2870nm)、のように、PL波長はやはり長くなる。
2.暗電流
暗電流は、A線:z=−0.625x+45.5、が限界を定める。暗電流は、格子欠陥密度が高くなると増大するので、Sb組成xおよびIn組成yのみによると考えられがちである。しかし、上述のように膜厚にも依存しており、組成x,yだけでなく、膜厚zにも影響される。格子欠陥が累積されるからと考えられる。
本発明例16および本発明例19は、A線上に位置しており、暗電流は、それぞれ、700nAおよび800nAである。この程度の暗電流であれば、許容される用途は多くあるが、暗電流を重視する場合には、膜厚zが、A線よりも小さい範囲とするのがよい。さらに暗電流を確実に低くする場合には、A2線:z=−0.27x+21.7以下とするのがよい。この場合には、本発明例16および本発明例19は、本発明の範囲には入らず、比較例となる。
A線から少し離れた範囲、たとえば本発明例11,14,17,18は、それぞれ、200nA,200nA,300nA,200nAであり、実用上、問題ないレベルである。
3.受光感度
このあと実施例2で説明するが、GaAsSbの膜厚zが10nmになると、受光感度が低下する。膜厚z=10nmでもある程度の受光感度があり用途によっては可能である。しかし、受光感度が非常に問題になる場合は、膜厚zは10nmより小さくするのがよい。より高い受光感度が求められる場合には、z≦7(nm)とするのがよい。この場合、本発明例4は本発明の範囲外となる。
これは、量子力学的効果であり、実施例の条件によらず成り立つと考えられる。また、膜厚zが2nm程度に薄い場合も、受光感度は低い。このため、膜厚zは3nm以上とする。
<Evaluation>
Evaluation was performed by measuring the PL wavelength at room temperature and dark current as described below. The dark current was 100 μm in diameter and the reverse bias voltage (Vr) = 1V.
1. PL wavelength at room temperature The wavelength of PL at room temperature corresponds to the bandgap wavelength and corresponds to the longest wavelength that can be received. 9 and 4, in Comparative Examples 2, 3, 8, and 10, the film thickness z is located below the B line: −0.4x + 24.6, The PL wavelengths are 2210 nm, 2290 nm, 2210 nm, and 2300 nm, respectively, and are less than 2400 nm. This is because the film thickness z and the Sb composition x of GaAsSb are not sufficiently high.
On the other hand, in the range where the film thickness z ≧ 3 nm and the film thickness z ≧ −0.4x + 24.6 (B line or more) are satisfied, as shown in Table 1, all the examples of the present invention are PL. The wavelength is 2.4 μm or more. Moreover, the PL wavelength becomes longer as it approaches A line: z = −0.625x + 45.5. In FIG. 9, the arrow and the PL wavelength indicate that the PL wavelength becomes longer as it approaches A line and z = 10.
Further, when approaching the line of film thickness z = 10, PL as in Invention Example 7 (2430 nm) → Invention Example 6 (2620 nm) → Invention Example 5 (2700 nm) → Invention Example 4 (2870 nm) The wavelength is also longer.
2. Dark current The dark current is limited by the A line: z = −0.625x + 45.5. Since the dark current increases as the lattice defect density increases, it tends to be considered that only the Sb composition x and the In composition y. However, it depends on the film thickness as described above, and is influenced not only by the composition x and y but also by the film thickness z. It is thought that lattice defects are accumulated.
Inventive Example 16 and Inventive Example 19 are located on the A line, and the dark currents are 700 nA and 800 nA, respectively. If the dark current is at this level, there are many allowable applications. However, when the dark current is important, the film thickness z is preferably in a range smaller than the A line. In order to further reduce the dark current, it is preferable to set the A2 line: z = −0.27x + 21.7 or less. In this case, Invention Example 16 and Invention Example 19 do not fall within the scope of the present invention and are comparative examples.
The ranges slightly away from the A line, for example, Invention Examples 11, 14, 17, and 18 are 200 nA, 200 nA, 300 nA, and 200 nA, respectively, which are practically satisfactory levels.
3. Photosensitive sensitivity As will be described later in Example 2, when the thickness z of GaAsSb reaches 10 nm, the received light sensitivity decreases. Even if the film thickness is z = 10 nm, there is a certain level of light sensitivity, which is possible depending on the application. However, when the light receiving sensitivity is very problematic, the film thickness z should be smaller than 10 nm. If higher light receiving sensitivity is required, z ≦ 7 (nm) is preferable. In this case, Invention Example 4 is outside the scope of the present invention.
This is a quantum mechanical effect and is considered to hold regardless of the conditions of the examples. Also, when the film thickness z is as thin as 2 nm, the light receiving sensitivity is low. For this reason, the film thickness z is 3 nm or more.

(実施例2)
<試験体の製造>
全有機MOVPE法によって、SドープしたInP基板上に、バッファ層(InP/InGaAs)/タイプ2(InGaAs/GaAsSb)MQWの受光層/InGaAs拡散濃度分布調整層/InPコンタクト層、のエピタキシャル層を、一貫して形成した。MQWの受光層3上に直接InPコンタクト層を成長した。Ga,In,As,P,Sbの原料として、それぞれ、TEGa,TMIn、TBAs,TBP,TMSbを用いた。n型不純物のドーピングにはTeESiを用いた。
具体的には、SドープInP基板上に、n型ドープInPバッファ層を150nm成長し、その上にn型ドープしたInGaAsバッファ層を0.15μm成長した。この2層のバッファ層の上に、InGaAs/GaAsSbのタイプ2MQW受光層を成長した。MQWの構成は、下側のアンドープInGaAs層と、アンドープGaAsSb層とを対にして、250ペア繰り返した。組成は、単独で格子整合する組成であり、GaAsSbのSb組成xは49%、InGaAsのIn組成yは53%とした。InGaAsの格子不整合度をΔωとし、GaAsSbの格子不整合度をΔωとするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω={Σ(Δω×InGaAs層の厚み+Δω×GaAsSb層の厚み)}/{Σ(InGaAs層の厚み+GaAsSb層の厚み)}で定義されるΔωが−0.2%以上かつ0.2%以下である。MQW受光層上にInGaAs拡散濃度分布調整層を1.0μm成長し、その上に、アンドープInPコンタクト層を0.8μm成長した。GaAsSbの成長にはTEGa、TBAs、およびTMSbを原料に用いた。またInGaAsの成長にはTEBa、TMIn、TBAsを用いた。さらにInPコンタクト層またはInPバッファ層の成長にはTMIn、TBPを用いた。
(Example 2)
<Manufacture of specimen>
The epitaxial layer of the buffer layer (InP / InGaAs) / type 2 (InGaAs / GaAsSb) MQW light receiving layer / InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer / InP contact layer is formed on the S-doped InP substrate by the all organic MOVPE method. Formed consistently. An InP contact layer was grown directly on the MQW light-receiving layer 3. TEGa, TMIn, TBAs, TBP, and TMSb were used as raw materials for Ga, In, As, P, and Sb, respectively. TeESi was used for n-type impurity doping.
Specifically, an n-type doped InP buffer layer was grown to 150 nm on an S-doped InP substrate, and an n-type doped InGaAs buffer layer was grown to 0.15 μm thereon. An InGaAs / GaAsSb type 2 MQW light-receiving layer was grown on the two buffer layers. The MQW configuration was repeated 250 pairs with the lower undoped InGaAs layer and the undoped GaAsSb layer as a pair. The composition is a composition that lattice-matches alone, and the Sb composition x of GaAsSb is 49% and the In composition y of InGaAs is 53%. When the lattice mismatch degree of InGaAs is Δω 1 and the lattice mismatch degree of GaAsSb is Δω 2 , the lattice mismatch degree of the entire multiple quantum well structure Δω = {Σ (Δω 1 × InGaAs layer thickness + Δω 2 × GaAsSb Δω defined by (layer thickness)} / {Σ (InGaAs layer thickness + GaAsSb layer thickness)} is −0.2% or more and 0.2% or less. An InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer was grown by 1.0 μm on the MQW light-receiving layer, and an undoped InP contact layer was grown by 0.8 μm thereon. For the growth of GaAsSb, TEGa, TBAs, and TMSb were used as raw materials. Further, TEBa, TMIn, and TBAs were used for the growth of InGaAs. Further, TMIn and TBP were used for the growth of the InP contact layer or InP buffer layer.

Figure 2013145906
Figure 2013145906

<評価>
1.PL特性
結果を表2および図10に示す。GaAsSbの膜厚zおよびInGaAsの膜厚が5nmのとき、PLピーク波長は2.5μmとなった。両方の膜厚を減少させるにしたがってPL波長は短波長側にシフトした。GaAsSbおよびInGaAsの膜厚を2nmとした場合、PL波長は1.9μmとなった。
一方、InGaAsおよびGaAsSbの膜厚を厚くするにつれてPL波長は長くなり、両方の膜厚をともに10nmとするとPL波長は2.9μmとなった。
2.受光感度
受光感度測定は、逆バイアス電圧Vr=−5Vにて、波長2000nmの光に対して行った。GaAsSbおよびInGaAs両方の膜厚が2nmでは、受光感度は0.1A/Wと非常に低かった。両方の膜厚を3nm,5nm,7mと増大させるに従って、0.6A/W、0.6A/W、0.5A/W、のように向上した。そして、両方の膜厚が10nmのとき、0.2A/Wと劣化した。
<Evaluation>
1. The PL characteristics are shown in Table 2 and FIG. When the film thickness z of GaAsSb and the film thickness of InGaAs were 5 nm, the PL peak wavelength was 2.5 μm. As both film thicknesses were decreased, the PL wavelength shifted to the short wavelength side. When the film thickness of GaAsSb and InGaAs was 2 nm, the PL wavelength was 1.9 μm.
On the other hand, as the thickness of InGaAs and GaAsSb was increased, the PL wavelength became longer. When both thicknesses were 10 nm, the PL wavelength was 2.9 μm.
2. Light receiving sensitivity The light receiving sensitivity was measured with respect to light having a wavelength of 2000 nm at a reverse bias voltage Vr = −5V. When the film thicknesses of both GaAsSb and InGaAs were 2 nm, the light receiving sensitivity was as low as 0.1 A / W. As both film thicknesses were increased to 3 nm, 5 nm, and 7 m, they improved to 0.6 A / W, 0.6 A / W, and 0.5 A / W. And when both film thicknesses were 10 nm, it deteriorated with 0.2 A / W.

(実施例3)
試験体は、実施例2に示す構成にして、同じ手順に従った。ただし、本実施例では、膜厚はGaAsSbおよびInGaAsともに、5nm一定として、原料ガスの供給量を上述のように調整した。このとき、InGaAsの格子不整合度をΔωとし、GaAsSbの格子不整合度をΔωとするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω={Σ(Δω×InGaAs層の厚み+Δω×GaAsSb層の厚み)}/{Σ(InGaAs層の厚み+GaAsSb層の厚み)}で定義されるΔωが−0.2%以上かつ0.2%以下を満たすようにした。
(Example 3)
The test body was configured as shown in Example 2 and followed the same procedure. However, in this example, the film thickness was fixed at 5 nm for both GaAsSb and InGaAs, and the supply amount of the source gas was adjusted as described above. At this time, when the lattice mismatch degree of InGaAs is Δω 1 and the lattice mismatch degree of GaAsSb is Δω 2 , the lattice mismatch degree of the entire multiple quantum well structure Δω = {Σ (Δω 1 × InGaAs layer thickness + Δω 2 × GaAsSb layer thickness)} / {Σ (InGaAs layer thickness + GaAsSb layer thickness)} Δω defined by −0.2% to 0.2%.

Figure 2013145906
Figure 2013145906

<評価>
1.PL特性
結果を表3および図11に示す。GaAsSbのSb組成xが49%で、InGaAsのIn組成yが53%のとき、PL波長は2.4μmであった。GaAsSbのSb組成xを増大させ、InGaAs組成yを減少させると、PL波長は長波長側にシフトする。Sb組成x62%で、In組成y38%で、PL波長は3.0μmであった。
2.暗電流
逆バイアス電圧Vrが−1Vでも−5Vでも、Sb組成を44%以上に増加させると、暗電流は漸増したが、良好なレベルといってよい。In組成yが53%よりも低くSb組成を62%より増加させると、逆バイアス電圧Vr=−1Vと−5Vとの暗電流の相違は大きくなった。これより、より長波長側まで受光感度を有する受光素子において、S/N比を大きくするためには、より低い逆バイアス電圧(絶対値を小さくする)とするのがよい。
<Evaluation>
1. The PL characteristics are shown in Table 3 and FIG. When the Sb composition x of GaAsSb was 49% and the In composition y of InGaAs was 53%, the PL wavelength was 2.4 μm. When the Sb composition x of GaAsSb is increased and the InGaAs composition y is decreased, the PL wavelength is shifted to the longer wavelength side. The Sb composition was 62%, the In composition was 38%, and the PL wavelength was 3.0 μm.
2. Dark current Whether the reverse bias voltage Vr is -1V or -5V, when the Sb composition is increased to 44% or more, the dark current gradually increases, but it can be said to be a good level. When the In composition y was lower than 53% and the Sb composition was increased from 62%, the difference in dark current between the reverse bias voltage Vr = −1V and −5V became large. Thus, in order to increase the S / N ratio in a light receiving element having light receiving sensitivity up to a longer wavelength side, it is preferable to set a lower reverse bias voltage (decrease the absolute value).

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。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明の半導体素子によれば、実用上、暗電流を問題のないレベルに抑制しながら、GaAsSbとInGaAsとの両方で統合的にInP格子整合条件を満たすように組成調整しながら、Sb組成を増大し(In組成を減少させ)、かつ量子井戸の膜厚を厚くすることで、近赤外域の長波長側に受光感度を拡大することがきできる。この結果、簡単な工夫によって重要な用途をカバーできるようになる。また、全有機OMVPE法によって一貫して同じ成長槽で成長することによって、不純物のコンタミネーションを防止することができ、高品質の結晶性を得ることができる。また、受光層のMQWの量子井戸間の組成の急峻性を高めることができ、吸収スペクトルの解析等を高精度で遂行することを可能にする。   According to the semiconductor device of the present invention, the Sb composition is adjusted while adjusting the composition so that the InP lattice matching condition is integrated in both GaAsSb and InGaAs while suppressing the dark current to a level at which there is no problem in practice. By increasing (decreasing the In composition) and increasing the thickness of the quantum well, the light receiving sensitivity can be expanded to the long wavelength side in the near infrared region. As a result, an important application can be covered with a simple device. Further, by consistently growing in the same growth tank by the all organic OMVPE method, impurity contamination can be prevented and high quality crystallinity can be obtained. In addition, the steepness of the composition between the MQW quantum wells of the light receiving layer can be increased, and the analysis of the absorption spectrum and the like can be performed with high accuracy.

1 InP基板、2 バッファ層(InPおよび/またはInGaAs)、3タイプIIMQW受光層、4 InGaAs層(拡散濃度分布調整層)、5 InPコンタクト層、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 基板テーブル、66h ヒータ、70 CMOS、P 画素。
1 InP substrate, 2 buffer layer (InP and / or InGaAs), 3 type II MQW light receiving layer, 4 InGaAs layer (diffusion concentration distribution adjusting layer), 5 InP contact layer, 6 p-type region, 10 optical sensor device (detection device) 11 p-side electrode (pixel electrode), 12 ground electrode (n-side electrode), 12b bump, 15 pn junction, 16 interface between MQW and InGaAs layer, 17 interface between InGaAs layer and InP window layer, 20 infrared temperature monitor Equipment, 21 reaction chamber window, 30 reaction chamber, 35 AR (antireflection) film, 36 selective diffusion mask pattern, 39 bonding bump, 43 protective film (SiON film), 50 light receiving element (light receiving element array), 50a wafer ( Intermediate product), 60 all organic MOVPE film forming device, 61 infrared temperature monitoring device, 63 reaction chamber, 65 quartz tube, 69 Reaction chamber window, 66 substrate table, 66h heater, 70 CMOS, P pixel.

本発明は、III−V族の半導体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(Multi-Quantum Well)を受光層に含む、半導体素子、光学センサ装置および半導体素子の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a group III-V semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more specifically, a type 2 multiple quantum well structure having a configuration that has light receiving sensitivity up to a long wavelength region in the near infrared ( The present invention relates to a semiconductor element, an optical sensor device, and a method for manufacturing a semiconductor element, including a multi-quantum well) in a light receiving layer.

III−V族化合物半導体のInP基板上に、InGaAs/GaAsSbのタイプIIの多重量子井戸構造を形成することで、カットオフ波長2μm以上を得ることができるフォトダイオードが開示されている(非特許文献1)。
またInP基板上に、InGaAs−GaAsSbのタイプ2MQWを活性層として形成し、発光波長2.14μmとなるLEDおよびレーザーダイオードの開示がなされている(非特許文献2)。このタイプ2MQWのGaAsSbは、Sb組成が34atm.%〜40atm.%と、InPとの格子整合組成より低い側での歪補償構造を用いている。なお、以後の説明では、「atm.%」を、単に「%」と記す。
また、タイプ2MQWを形成することなく、Sb組成を変えたGaAsSb単相をInP基板上に成長してPLの波長を測定している。そして、InP/GaAsSbのタイプ2MQWによる発光素子について考察をしている。
さらに、GaInNAsSb量子井戸構造を有する半導体レーザー素子の開示がなされている(特許文献1)。このGaInNAsSb量子井戸構造は、単一量子井戸構造(すなわち、ペア数=1)である。
A photodiode capable of obtaining a cutoff wavelength of 2 μm or more by forming an InGaAs / GaAsSb type II multiple quantum well structure on an InP substrate of a III-V compound semiconductor is disclosed (Non-patent Document). 1).
Further, an LED and a laser diode having an emission wavelength of 2.14 μm formed by forming InGaAs-GaAsSb type 2 MQW on an InP substrate as an active layer have been disclosed (Non-patent Document 2). This type 2 MQW GaAsSb has an Sb composition of 34 atm. % To 40 atm. %, And a strain compensation structure on the side lower than the lattice matching composition of InP. In the following description, “atm.%” Is simply referred to as “%”.
Further, without forming the type 2 MQW, a GaAsSb single phase with a changed Sb composition is grown on an InP substrate and the wavelength of PL is measured. Then, a light-emitting element using InP / GaAsSb type 2 MQW is considered.
Furthermore, a semiconductor laser element having a GaInNAsSb quantum well structure has been disclosed (Patent Document 1). This GaInNAsSb quantum well structure is a single quantum well structure (that is, the number of pairs = 1).

特開2005−197395号公報JP 2005-197395 A

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.2715-2717R. 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 M.Peter,et.al. “Light-emitting diodes and laser diodes based on a Ga1-xInxAs/GaAs1-ySbytype II superlattice on InP substrate” Appl. Phys. Lett., Vol.74,No.14 (5 April 1999), pp.1951-1953M.Peter, et.al. “Light-emitting diodes and laser diodes based on a Ga1-xInxAs / GaAs1-ySbytype II superlattice on InP substrate” Appl. Phys. Lett., Vol.74, No.14 (5 April 1999 ), pp.1951-1953 M.Peter,et.al. “Band gaps and band offsets in strained GaAs1-ySby on InP grown bymetalorganic chemical vapor deposition” Appl. Phys. Lett., Vol.74,No.3 (18 January 1999), pp.410-412M.Peter, et.al. “Band gaps and band offsets in strained GaAs1-ySby on InP grown by metalorganic chemical vapor deposition” Appl. Phys. Lett., Vol. 74, No. 3 (18 January 1999), pp. 410 -412

上記の半導体素子によるフォトダイオードでは、利用分野が広がるので、受光感度をできるだけ長波長側に拡大したい。このために、タイプ2InGaAs/GaAsSbMQWを歪補償構造とすることが考えられる。InGaAs/GaAsSbによる歪補償構造のMQWでは、対をなすInGaAs/GaAsSbの一方に圧縮応力を発生させて、他方に引張応力を発生させて対において歪みが生じないようにする。受光感度を長波長化するためには、InGaAsに引張応力を発生させて、GaAsSbに圧縮応力を発生させることが望ましい。非特許文献2では、GaAsSbのSb組成を低くしてInGaAsに引っ張られる構成としている。このような、歪補償構造のMQWは、まず、結晶性が劣化することが想定される。このため、結晶性の劣化が暗電流の増大に直結する受光用途に用いられた例はない。すなわち上記非特許文献2におけるレーザーダイオード等があるだけで、受光素子に用いられた例はない。
100〜300の繰り返し数のMQWを形成するとき、MBE(分子線エピタキシー)法では、分子線をシャッターで瞬時に切り替えることができる。このため、マイコン制御の弁の自動切り替えが可能であり、急峻な界面と高品質な多重量子井戸構造の成長についてはMBE法による成膜がほとんど必然であると考えられてきた。特に、上述の相分離しやすいGaAsSb層の結晶成長の問題に限定して考えた場合、相分離を防止しながらエピタキシャル成長するには非平衡性の強い結晶成長法が必要である。このため、非平衡性の強い結晶成長法であるMBE法が適している。現に、GaAsSb層の形成にMBE法が用いられている(非特許文献1)。
上記の半導体素子は、いずれも近赤外の長波長域の光を対象にするが、この場合、タイプ2MQWの表面側に位置するキャップ層またはコンタクト層は、上記対象の波長域の光を吸収しない材料で構成されることが好ましい。このために、コンタクト層にはInPが用いられることが多い。InPをMBE法で成長すると、原料に固体の燐を用いるので、成長槽の内壁に燐(P)が付着してゆく。この付着した燐は、メンテナンス時に成長槽を開いて空気と触れると、発火するおそれがある。このため、MQWはMBE法によって成長し、InPコンタクト層はMBE法以外の成長法で成長する製造方法が用いられる。MBE法による製造方法から、たとえばOMVPE法に切り替える際、一度、中間製品のInPウエハを空気にさらすことになる。このような空気への暴露は不純物の汚染を受けやすい。また、上記のような成長方法の切り替えは、製造能率を阻害する。
Since the field of application of the photodiode using the semiconductor element described above is widened, it is desired to increase the light receiving sensitivity to the long wavelength side as much as possible. For this reason, it can be considered that type 2 InGaAs / GaAsSbMQW has a strain compensation structure. In the MQW having a strain compensation structure using InGaAs / GaAsSb, compressive stress is generated in one of the paired InGaAs / GaAsSb, and tensile stress is generated in the other to prevent distortion in the pair. In order to increase the wavelength of light reception sensitivity, it is desirable to generate tensile stress in InGaAs and compressive stress in GaAsSb. In Non-Patent Document 2, the Sb composition of GaAsSb is lowered and pulled by InGaAs. It is assumed that the MQW having such a strain compensation structure first deteriorates in crystallinity. For this reason, there is no example used for the light reception use to which the deterioration of crystallinity is directly linked to the increase in dark current. That is, there is no example used for the light receiving element, only the laser diode in Non-Patent Document 2 described above.
When forming an MQW having a repetition number of 100 to 300, in the MBE (molecular beam epitaxy) method, the molecular beam can be instantaneously switched with a shutter. For this reason, automatic switching of microcomputer-controlled valves is possible, and it has been considered that deposition by the MBE method is almost inevitable for the growth of a steep interface and a high-quality multiple quantum well structure. In particular, when considering only the above-mentioned problem of crystal growth of a GaAsSb layer that easily undergoes phase separation, a crystal growth method with strong non-equilibrium is necessary for epitaxial growth while preventing phase separation. For this reason, the MBE method which is a crystal growth method with strong non-equilibrium is suitable. Actually, the MBE method is used to form a GaAsSb layer (Non-patent Document 1).
All of the above semiconductor devices target near-infrared long-wavelength light. In this case, the cap layer or contact layer located on the surface side of type 2 MQW absorbs light in the target wavelength region. Preferably, it is made of a material that does not. For this reason, InP is often used for the contact layer. When InP is grown by the MBE method, since solid phosphorus is used as a raw material, phosphorus (P) adheres to the inner wall of the growth tank. The adhered phosphorus may ignite when the growth tank is opened during maintenance and is in contact with air. Therefore, a manufacturing method is used in which MQW is grown by the MBE method and the InP contact layer is grown by a growth method other than the MBE method. When switching from the MBE method to the OMVPE method, for example, the intermediate product InP wafer is once exposed to the air. Such exposure to air is susceptible to contamination by impurities. Further, the switching of the growth method as described above inhibits the production efficiency.

本発明は、暗電流が低く、近赤外の長波長側に受光感度を拡大した、半導体素子、光学センサ装置および半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a semiconductor element, an optical sensor device, and a method for manufacturing a semiconductor element, in which dark current is low and the light receiving sensitivity is increased on the long wavelength side of the near infrared.

本発明の半導体素子は、InP基板上に形成されている。この半導体素子は、InP基板の上に位置するタイプ2の多重量子井戸構造の受光層を備え、多重量子井戸は、GaAs1−xSb(以下、GaAsSb)層と、InGa1−yAs(以下、InGaAs)層と、の繰り返し構造により構成され、GaAsSb層のSb組成x(atm.%)と該GaAsSb層の膜厚zとの範囲は、つぎの(イ)〜(ニ)のすべてを満たすものであり、
(イ)膜厚zが10nm未満(44atm.%<組成x<54atm.%)
(ロ)組成xが44atm.%以上(7nm≦膜厚z<10nm)
(ハ)組成xが54atm.%未満(3nm<膜厚z<10nm)
(ニ)膜厚zが、点(組成x=44,膜厚z=7)と点(組成x=54,膜厚z=3)とを結ぶ線分z=−0.4x+24.6(B線)より大きい範囲
かつ歪補償構造を形成しており、さらに受光層が受光感度を有する最長波長が2.4μm以上であることを特徴とする。
ここで、MQWにおけるGaAsSb層と、InGaAs層とは、±1.0nmのばらつきの範囲内で、実質的に同じ膜厚とする。このため、以後の説明において、一方の層(例えばGaAsSb層)の膜厚zというとき、当該一方の層または他方の層(例えばInGaAs層)の膜厚zと解するのが妥当である。
The semiconductor element of the present invention is formed on an InP substrate. The semiconductor device is provided with a light receiving layer of multi-quantum well structure of the type 2 located on the InP substrate, the multiple quantum wells, GaAs 1-x Sb x (hereinafter, GaAsSb) and layer, In y Ga 1-y As (hereinafter referred to as InGaAs) layer, the range of the Sb composition x (atm.%) Of the GaAsSb layer and the film thickness z of the GaAsSb layer is as follows: It meets all,
(A) The film thickness z is less than 10 nm (44 atm.% <Composition x <54 atm.%) ,
(B) Composition x is 44 atm.% Or more (7 nm ≦ film thickness z <10 nm) ,
(C) Composition x is 54 atm. % (3 nm <film thickness z <10 nm) ,
(D) The film thickness z is a line segment z = −0.4x + 24.6 (B) connecting the point (composition x = 44, film thickness z = 7) and the point (composition x = 54, film thickness z = 3) Line) larger range ,
In addition, a distortion compensation structure is formed, and the longest wavelength at which the light receiving layer has light receiving sensitivity is 2.4 μm or more.
Here, the GaAsSb layer and the InGaAs layer in MQW have substantially the same film thickness within a range of variation of ± 1.0 nm. For this reason, in the following description, when the film thickness z of one layer (for example, GaAsSb layer) is referred to, it is appropriate to interpret it as the film thickness z of the one layer or the other layer (for example, InGaAs layer).

上記の発明は、受光域の長波長側への拡大のために、多重量子井戸は、GaAsSb層と、InGaAs層との繰り返し構造により構成され、GaAsSb層のSb組成x(atm.%)と該GaAsSb層の膜厚zは、上記の(イ)〜(ニ)のすべてを満たすものであり、歪補償構造を形成している。それにより、受光層が受光感度を有する最長波長を2.4μm以上とする。
上記の発明は、受光域の長波長側への拡大のために、量子井戸の膜厚増大(要因(F1))に加えて、歪補償構造(要因(F2))を適用する。上記の構成によれば、歪補償構造(要因(F2))を形成する、GaAsSb層のSb組成xを高めにしてInGaAs層のIn組成yを低めにすると、InPとの格子整合(以下、「InP格子整合性」と呼ぶ。)を保ちながらGaAsSb層の価電子帯とInGaAs層の伝導帯とのエネルギ差を小さくできる。この結果、格子欠陥密度を増大させず低い暗電流を維持しながら、受光可能な範囲を長波側に拡大することができる。
In the above invention, in order to expand the light receiving region to the long wavelength side, the multiple quantum well is composed of a repetitive structure of a GaAsSb layer and an InGaAs layer, and the Sb composition x (atm.%) Of the GaAsSb layer and the The film thickness z of the GaAsSb layer satisfies all of the above (a) to (d) and forms a strain compensation structure. Accordingly, the longest wavelength at which the light receiving layer has light receiving sensitivity is set to 2.4 μm or more.
The above invention applies the strain compensation structure (factor (F2)) in addition to the increase in the thickness of the quantum well (factor (F1)) in order to expand the light receiving region to the longer wavelength side. According to the above configuration, when the Sb composition x of the GaAsSb layer forming the strain compensation structure (factor (F2)) is increased and the In composition y of the InGaAs layer is decreased, lattice matching with InP (hereinafter, “ The energy difference between the valence band of the GaAsSb layer and the conduction band of the InGaAs layer can be reduced while maintaining "InP lattice matching". As a result, it is possible to expand the light receiving range to the long wave side while maintaining a low dark current without increasing the lattice defect density.

さらに(ホ)膜厚zが、点(組成x=44,膜厚z=8)と点(組成x=54,膜厚z=4)とを結ぶ線分z=−0.4x+25.6(B線をz方向に+1だけ平行移動した線)より大きい範囲、を満たすことができる。Further, (e) the film thickness z is a line segment z = −0.4x + 25.6 connecting the point (composition x = 44, film thickness z = 8) and the point (composition x = 54, film thickness z = 4). A range larger than (a line obtained by translating the B line by +1 in the z direction) can be satisfied.
上記のように、MQWにおけるGaAsSb層と、InGaAs層とは、±1.0nmのばらつきがある。このようなばらつきがあっても、確実に量子井戸の膜厚増大(要因(F1))を得るために、全体の範囲を狭くしながら膜厚の下限を1.0nmだけ大きくする。  As described above, there is a variation of ± 1.0 nm between the GaAsSb layer and the InGaAs layer in MQW. Even if there is such a variation, the lower limit of the film thickness is increased by 1.0 nm while narrowing the entire range in order to reliably obtain an increase in the quantum well film thickness (factor (F1)).

GaAsSb層のSb組成xとInGaAs層のIn組成y(atm.%)とを、100≦x+y≦104、を満たす配分とすることができる。
GaAsSb層のSb組成xとInGaAs層のIn組成yとの、100≦x+y≦104、の関係は、Sb組成xを44%から増大させながら、InP格子整合性を保持して格子欠陥密度を低くするために必要である。
The Sb composition x of the GaAsSb layer and the In composition y (atm.%) Of the InGaAs layer can be distributed so as to satisfy 100 ≦ x + y ≦ 104.
The relation of 100 ≦ x + y ≦ 104 between the Sb composition x of the GaAsSb layer and the In composition y of the InGaAs layer is that the lattice defect density is reduced while maintaining the InP lattice matching while increasing the Sb composition x from 44%. Is necessary to do.

MQWの上にInPコンタクト層を備えることができる。これによって、近赤外域の長波長側の光に対して透過性の高い結晶層で、コンタクト層を構成することができる。また、InP層はコンタクト層として多くの実績があり、表面平滑性に優れているため、吸湿性なども小さく、耐久性に優れている。   An InP contact layer may be provided on the MQW. As a result, the contact layer can be formed of a crystal layer that is highly transmissive to light on the long wavelength side in the near infrared region. The InP layer has many achievements as a contact layer and is excellent in surface smoothness. Therefore, the hygroscopic property is small and the durability is excellent.

MQWにおけるGaAsSb層の膜厚z(nm)は、44atm.%≦x<54atm.%の範囲で、(イ)z<10nm、かつ(ニ)点(組成x=44,膜厚z=7)と点(組成x=54,膜厚z=3)とを結ぶ線分z=−0.4x+24.6(B線)より大きい範囲、とする。
上述のように、(F1)MQWの各層の膜厚増大、および(F2)GaAsSb層におけるSb組成の増大とInGaAs層におけるIn組成の減少(歪補償構造)は、受光波長域の拡大に有効である。とくに、(F1)のMQWの各層の膜厚増大について、GaAsSb層の膜厚zを増大するとき、暗電流または受光感度との関係で、次のようにするのがよい。
44atm.%≦x<54atm.%の範囲ではGaAsSb層と、InGaAs層とはInP格子整合性を保つことはそれほど困難ではない。このため、膜厚を増大させて厳密な格子整合性からのずれが拡大されても、結晶性の劣化は小さい。このため、膜厚を厚くすることで、低い暗電流を維持しながら長波長化を推進することができる。しかし、膜厚を増大させると、GaAsSb層に閉じこめられた正孔と、InGaAs層の伝導帯に閉じこめられた電子との波動関数の重なりが小さくなる。それによって量子効率が低下して受光感度が劣化するおそれがある。GaAsSb層の膜厚zが10nm以上になると受光感度が大きく低下する。受光感度を確保するため、上記の膜厚zは10nm未満とする。
参考としてのみあげるが、56.8atm.%≦x≦68atm.%の範囲では、Sb組成xが、GaAsSb層単独でのInP格子整合性を得る範囲から高いほうに逸脱している。InGaAs層のIn組成yの低下を得て、MQWにおいてInP格子整合性を得ることができる。このため、大雑把には、結晶膜の特性としてはベストではなく、かろうじてInP格子整合性を保っている。このようなGaAsSb層の膜厚zを増大させると、MQW内のGaAsSb層のInP格子整合性からの逸脱が明確になり(比例的に膜厚を増すInGaAs層についても同様)、格子欠陥密度は膜厚zの増大につれて増大(劣化)してゆく。その結果、膜厚zの増大につれて暗電流は増大する。したがって、このような高いSb組成xの範囲では、暗電流は、GaAsSb層のSb組成xにも依存しながら、かつ膜厚zにも依存する。暗電流を実用上許容されるレベル内にする、Sb組成xおよび膜厚zの範囲は、z<−0.625x+45.5、である。
The film thickness z (nm) of the GaAsSb layer in MQW is 44 atm. % ≦ x <54 atm. % (Ii) z <10 nm, and (d) a line segment connecting a point (composition x = 44, film thickness z = 7) and a point (composition x = 54, film thickness z = 3) z = A range larger than −0.4x + 24.6 (line B) .
As described above, (F1) the increase in the thickness of each MQW layer, and (F2) the increase in the Sb composition in the GaAsSb layer and the decrease in the In composition in the InGaAs layer (strain compensation structure) are effective in expanding the light receiving wavelength range. is there. In particular, regarding the increase in the film thickness of each MQW layer of (F1), when the film thickness z of the GaAsSb layer is increased, the following should be performed in relation to the dark current or the light receiving sensitivity.
44 atm. % ≦ x <54 atm. In the range of%, it is not so difficult to maintain InP lattice matching between the GaAsSb layer and the InGaAs layer. For this reason, even if the film thickness is increased and the deviation from strict lattice matching is enlarged, the deterioration of crystallinity is small. For this reason, by increasing the film thickness, it is possible to promote a longer wavelength while maintaining a low dark current. However, when the film thickness is increased, the overlap of wave functions between the holes confined in the GaAsSb layer and the electrons confined in the conduction band of the InGaAs layer is reduced. As a result, the quantum efficiency may decrease, and the light receiving sensitivity may deteriorate. When the film thickness z of the GaAsSb layer is 10 nm or more, the light receiving sensitivity is greatly reduced. In order to ensure the light receiving sensitivity, the film thickness z is set to less than 10 nm.
As a reference only, 56.8 atm. % ≦ x ≦ 68 atm. In the range of%, the Sb composition x deviates to the higher level from the range where InP lattice matching is obtained with the GaAsSb layer alone. By obtaining a decrease in the In composition y of the InGaAs layer, InP lattice matching can be obtained in MQW. For this reason, roughly, the characteristics of the crystal film are not the best, and the InP lattice matching is barely maintained. When the thickness z of the GaAsSb layer is increased, the deviation from the InP lattice matching of the GaAsSb layer in the MQW becomes clear (the same applies to the InGaAs layer whose thickness is proportionally increased), and the lattice defect density is It increases (deteriorates) as the film thickness z increases. As a result, the dark current increases as the film thickness z increases. Therefore, in such a high Sb composition x range, the dark current depends on the film thickness z as well as the Sb composition x of the GaAsSb layer. The range of the Sb composition x and the film thickness z that brings the dark current within a practically acceptable level is z <−0.625x + 45.5.

MQWにおけるGaAsSb層の膜厚z(nm)は、44atm.%≦x<54atm.%の範囲で、(イ)10nm未満、かつ(ニ)B線より大きくする。より好ましくは、(ホ)B線をz軸方向に+1だけ平行移動した線、より大きくするのがよい。これによって、良好な結晶性を重視して暗電流の低減を重視しながら、近赤外域の長波長側の感度向上を追求することができる。 The film thickness z (nm) of the GaAsSb layer in MQW is 44 atm. % ≦ x <54 atm. % (B) less than 10 nm and (d) larger than the B line. More preferably, (e) a line obtained by translating the B line by +1 in the z-axis direction is larger . As a result, it is possible to pursue improvement in sensitivity on the long wavelength side in the near infrared region while placing importance on good crystallinity and on reducing dark current.

MQWにおけるInGaAs層の格子不整合度をΔωとし、GaAsSb層の格子不整合度をΔωとするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω={Σ(Δω×InGaAs層の厚み+Δω×GaAsSb層の厚み}/{Σ(InGaAs層の厚み+GaAsSb層の厚み)}で定義されるΔωが−0.2%以上かつ0.2%以下を満たすようにするのがよい。
ここで、「基板の格子定数をa、InGaAs層の格子定数をaとすると、GaAsSb層の格子不整合度Δωは、Δω={(a−a)/a}×100%」と定義される。Δωについても、同様である。以後の説明でも格子不整合度は同じである。
上記の構成によって、GaAsSb層単独では、またInGaAs層単独ではInP格子整合性を満たすことはできないが、両方が反対方向に格子定数を逸脱させることで、統合してはInP格子整合性を得ることができる。これによって、長波長側への拡大に有利なようにバンド構造を変えながら、格子欠陥密度を低くして、低い暗電流を維持することができる。
When the lattice mismatch degree of the InGaAs layer in MQW is Δω 1 and the lattice mismatch degree of the GaAsSb layer is Δω 2 , the lattice mismatch degree of the entire multiple quantum well structure Δω = {Σ (Δω 1 × InGaAs layer thickness It is preferable that Δω defined by + Δω 2 × GaAsSb layer thickness} / {Σ (InGaAs layer thickness + GaAsSb layer thickness)} satisfy −0.2% or more and 0.2% or less.
Here, “the lattice constant of the substrate is a and the lattice constant of the InGaAs layer is a 1 , the degree of lattice mismatch Δω 1 of the GaAsSb layer is Δω 1 = {(a−a 1 ) / a} × 100%” Is defined. For even [Delta] [omega 2, is the same. In the following description, the degree of lattice mismatch is the same.
With the above configuration, the GaAsSb layer alone or the InGaAs layer alone cannot satisfy the InP lattice matching, but both can deviate from the lattice constant in the opposite direction to obtain the InP lattice matching when integrated. Can do. As a result, the lattice defect density can be lowered and the low dark current can be maintained while changing the band structure so as to be advantageous for expansion to the longer wavelength side.

GaAsSb層を用いる。これによりInP基板と格子整合性をとりやすく、タイプ2のMQWの一方の層を構成する上で好都合な条件である、伝導帯および価電子帯が比較的高いレベルにある、結晶層を得ることができる。   A GaAsSb layer is used. This makes it easy to obtain lattice matching with the InP substrate and to obtain a crystal layer having a relatively high level of conduction band and valence band, which is a favorable condition for constituting one layer of type 2 MQW. Can do.

InGaAs層を用いる。これによりInP基板と格子整合性をとりやすく、タイプ2のMQWの他方の層を構成する上で好都合な条件である、伝導帯および価電子帯が比較的低いレベルにある、結晶層を得ることができる。   An InGaAs layer is used. This makes it easy to obtain lattice matching with the InP substrate and to obtain a crystal layer having a conduction band and a valence band at a relatively low level, which is a favorable condition for forming the other layer of the type 2 MQW. Can do.

受光層が受光感度を有する最長波長を2.4μm以上とする。上記のx−z関係を満たすことで、GaAsSbの価電子帯とInGaAsの伝導帯とのエネルギ差を、波長2.4μm相当以下に小さくする。この結果、2.4μm以上に吸収帯を有する物質も測定可能になり、より広範囲な材料の検査装置に用いることができる。   The longest wavelength with which the light receiving layer has light receiving sensitivity is set to 2.4 μm or more. By satisfying the above xz relationship, the energy difference between the valence band of GaAsSb and the conduction band of InGaAs is reduced to a wavelength equivalent to 2.4 μm or less. As a result, a substance having an absorption band of 2.4 μm or more can be measured, and can be used for a wider range of material inspection apparatuses.

受光層の底面と、該受光層およびInPコンタクト層を含む半導体層の上面との間に、再成長界面を持たないようにするのがよい。
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、炭素が不純物として高濃度に混入する。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コンタクト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、半導体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コンタクト層まで、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コンタクト層を形成しても、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。
It is preferable not to have a regrowth interface between the bottom surface of the light receiving layer and the top surface of the semiconductor layer including the light receiving layer and the InP contact layer.
Here, the regrowth interface means that after the first crystal layer is grown by a predetermined growth method, the second crystal layer is exposed to the first crystal layer and exposed to the first crystal layer by another growth method. Refers to the interface between the first crystal layer and the second crystal layer. Usually, oxygen and carbon are mixed in as a high concentration as impurities. The semiconductor element of the present invention should preferably have no regrowth interface and can maintain good crystallinity up to the surface of the InP contact layer. This can contribute to the reduction of dark current.
Moreover, a semiconductor element can be manufactured efficiently. That is, as will be described later, since the growth is consistently performed by the all organic MOVPE method from the (buffer layer to MQW) to the InP contact layer containing P, the manufacturing is continuously performed in the same growth tank. Can do. For example, even if an InP contact layer containing phosphorus is formed, solid phosphorus is not used as a raw material, so that phosphorus does not adhere to the inner wall of the growth tank. For this reason, there is no fear of ignition at the time of maintenance, and it is excellent in safety.

本発明の光学センサ装置は、上記のいずれかの半導体素子を受光素子に用いたことを特徴とする。これによって、暗電流が低く、近赤外域の長波長側に感度をもつ光学センサ装置を得ることができる。この光学センサ装置は、半導体素子(受光素子)の各画素からの読み出し電極を備えたCMOS、分光器(回折格子)、レンズなどの光学素子、マイコンなどの制御装置等を含むことができる。   The optical sensor device of the present invention is characterized in that any one of the above semiconductor elements is used as a light receiving element. Thus, an optical sensor device having a low dark current and sensitivity on the long wavelength side in the near infrared region can be obtained. This optical sensor device can include a CMOS having a readout electrode from each pixel of a semiconductor element (light receiving element), a spectroscope (diffraction grating), an optical element such as a lens, a control device such as a microcomputer, and the like.

本発明の半導体素子の製造方法は、InP基板上に形成された半導体素子を製造する。この製造方法は、InP基板の上に、タイプ2の多重量子井戸構造の受光層を形成する工程を備え、多重量子井戸はGaAs1−xSb(以下、GaAsSb)層と、InGa1−yAs(以下、InGaAs)層とにより構成されており、多重量子井戸構造の形成工程では、GaAsSb層のSb組成x(atm.%)と該GaAsSb層の膜厚zとを、つぎの(イ)〜(ニ)のすべてを満たすものとし、
(イ)膜厚zが10nm未満(44atm.%<組成x<54atm.%)
(ロ)組成xが44atm.%以上(7nm≦膜厚z<10nm)
(ハ)組成xが54atm.%未満(3nm<膜厚z<10nm)
(ニ)膜厚zが、点(組成x=44,膜厚z=7)と点(組成x=54,膜厚z=3)とを結ぶ線分z=−0.4x+24.6(B線)より大きい範囲
かつ歪補償構造を形成しており、さらに受光層が受光感度を有する最長波長を2.4μm以上としたことを特徴とする。
さらにGaAsSb層のSb組成x、およびInGaAs層のIn組成yについて、Sb組成xの1atm.%の増大分につきIn組成yを0.9倍〜1.2倍の割合で低下させるように成長させることができる。
また、MQWの上にInPコンタクト層を形成する工程を備えてもよい。
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention manufactures a semiconductor device formed on an InP substrate. This manufacturing method includes a step of forming a type 2 multiple quantum well structure light-receiving layer on an InP substrate. The multiple quantum well includes a GaAs 1-x Sb x (hereinafter referred to as GaAsSb) layer and an In y Ga 1 layer. -Y As (hereinafter referred to as InGaAs) layer. In the step of forming a multiple quantum well structure, the Sb composition x (atm.%) Of the GaAsSb layer and the film thickness z of the GaAsSb layer are expressed as follows: It shall satisfy all of (i) to (d)
(A) The film thickness z is less than 10 nm (44 atm.% <Composition x <54 atm.%) ,
(B) Composition x is 44 atm.% Or more (7 nm ≦ film thickness z <10 nm) ,
(C) Composition x is 54 atm. % (3 nm <film thickness z <10 nm) ,
(D) The film thickness z is a line segment z = −0.4x + 24.6 (B) connecting the point (composition x = 44, film thickness z = 7) and the point (composition x = 54, film thickness z = 3) Line) larger range ,
In addition, a distortion compensation structure is formed, and the longest wavelength at which the light receiving layer has light receiving sensitivity is 2.4 μm or more.
Further, for the Sb composition x of the GaAsSb layer and the In composition y of the InGaAs layer, 1 atm. The In composition y can be grown at a rate of 0.9 to 1.2 times per% increase.
Further, a step of forming an InP contact layer on the MQW may be provided.

MQWにおけるGaAsSb層の膜厚z(nm)は、44atm.%≦x<54atm.%の範囲で、(イ)z<10nm、かつ(ニ)点(組成x=44,膜厚z=7)と点(組成x=54,膜厚z=3)とを結ぶ線分z=−0.4x+24.6(B線)より大きい範囲、とする。
上記の方法で製造された半導体素子の暗電流が低く、近赤外の長波長域に受光感度を拡大する点については、上述のとおりである。
The film thickness z (nm) of the GaAsSb layer in MQW is 44 atm. % ≦ x <54 atm. % (Ii) z <10 nm, and (d) a line segment connecting a point (composition x = 44, film thickness z = 7) and a point (composition x = 54, film thickness z = 3) z = A range larger than −0.4x + 24.6 (line B) .
The point that the dark current of the semiconductor element manufactured by the above method is low and the light receiving sensitivity is expanded in the near-infrared long wavelength region is as described above.

より好ましくは、(ホ)B線をz軸方向に+1だけ平行移動した線、より大きくするのがよい。
上記のように、MQWにおけるGaAsSb層と、InGaAs層とは、±1.0nmのばらつきがある。このようなばらつきがあっても、確実に量子井戸の膜厚増大(要因(F1))を得るために、全体の範囲を狭くしながら膜厚の下限を1.0nmだけ大きくする。これによって、良好な結晶性を確保しながら、近赤外域の長波長側の感度向上を追求することができる
More preferably, (e) a line obtained by translating the B line by +1 in the z-axis direction is larger.
As described above, there is a variation of ± 1.0 nm between the GaAsSb layer and the InGaAs layer in MQW. Even if there is such a variation, the lower limit of the film thickness is increased by 1.0 nm while narrowing the entire range in order to reliably obtain an increase in the quantum well film thickness (factor (F1)). Thereby, it is possible to pursue an improvement in sensitivity on the long wavelength side in the near infrared region while ensuring good crystallinity .

MQWの形成工程において、InGaAs層の格子不整合度をΔωとし、GaAsSb層の格子不整合度をΔωとするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω={Σ(Δω×InGaAs層の厚み+Δω×GaAsSb層の厚み)}/{Σ(InGaAs層の厚み+GaAsSb層の厚み)}で定義されるΔωが−0.2%以上かつ0.2%以下を満たすように、形成するのがよい。これによって、GaAsSb層およびInGaAs層のバンド構造を長波長側への拡大に有利なように変えながら、MQWの結晶品質を保持して格子欠陥密度を低くすることができる。 In the MQW formation step, when the lattice mismatch degree of the InGaAs layer is Δω 1 and the lattice mismatch degree of the GaAsSb layer is Δω 2 , the lattice mismatch degree of the entire multiple quantum well structure Δω = {Σ (Δω 1 × The thickness of the InGaAs layer + Δω 2 × the thickness of the GaAsSb layer)} / {Σ (the thickness of the InGaAs layer + the thickness of the GaAsSb layer)} is satisfied so that Δω satisfies −0.2% to 0.2%. It is good to form. This makes it possible to reduce the lattice defect density while maintaining the crystal quality of the MQW while changing the band structures of the GaAsSb layer and the InGaAs layer so as to be advantageous for expansion to the longer wavelength side.

InP基板上に、MQWおよびInPコンタクト層を含む半導体層を、一貫して、全有機金属気相成長法により成長するのがよい。ここで、全有機気相成長法は、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、上述の半導体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コンタクト層まで、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コンタクト層を形成しても、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。
A semiconductor layer including MQW and InP contact layers should be consistently grown on the InP substrate by a total metalorganic vapor phase epitaxy. Here, the all organic vapor phase growth method refers to a growth method using an organic metal raw material composed of a compound of an organic substance and a metal for all raw materials used for vapor phase growth, and is referred to as an all organic MOVPE method.
According to said method, the above-mentioned semiconductor element can be manufactured efficiently. That is, since the InP contact layer containing P is consistently grown by the all-organic MOVPE method, it can be continuously manufactured in the same growth tank. For example, even if an InP contact layer containing phosphorus is formed, solid phosphorus is not used as a raw material, so that phosphorus does not adhere to the inner wall of the growth tank. For this reason, there is no fear of ignition at the time of maintenance, and it is excellent in safety.
Another advantage of the all organic MOVPE method is that MQWs with steep heterointerfaces between each layer can be obtained. With MQW having a steep hetero interface, high-accuracy spectrum spectroscopy or the like can be performed.

MQWの形成工程では、温度400℃以上かつ560℃以下で、MQWを形成するのがよい。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。   In the MQW formation step, the MQW is preferably formed at a temperature of 400 ° C. or higher and 560 ° C. or lower. Thereby, MQW excellent in crystallinity can be obtained, and the dark current can be further reduced. The above-mentioned temperature is a substrate surface temperature monitored by a pyrometer including an infrared camera and an infrared spectrometer, and the substrate surface temperature being monitored. Accordingly, although it is the substrate surface temperature, strictly speaking, it is the temperature of the epitaxial layer surface in a state where a film is formed on the substrate. There are various names such as a substrate temperature, a growth temperature, and a film formation temperature, and all refer to the monitored temperatures.

本発明の半導体素子等によれば、暗電流を低く保ちながら、近赤外の長波長側に受光感度を拡大することができる。さらに、全有機MOVPE法によって、受光層のMQWからInPコンタクト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。   According to the semiconductor element and the like of the present invention, it is possible to expand the light receiving sensitivity to the long wavelength side of the near infrared while keeping the dark current low. Further, since the organic organic MOVPE method consistently grows from the MQW of the light receiving layer to the InP contact layer, the manufacturing efficiency is high, and there is no adhesion of phosphorus to the inner surface of the growth tank, so that safety is also excellent.

本発明の実施の形態1における半導体素子を示す図である。It is a figure which shows the semiconductor element in Embodiment 1 of this invention. 図1のMQWの拡大図である。It is an enlarged view of MQW of FIG. タイプ2(InGaAs/GaAsSb)のバンド構造と、光の吸収(受光)現象を示す図である。It is a figure which shows the band structure of type 2 (InGaAs / GaAsSb), and the light absorption (light reception) phenomenon. タイプ2InGaAs/GaAsSbMQWの、GaAsSbのSb組成x(%)と、GaAsSbの膜厚zとが満たす範囲を示す図である。It is a figure which shows the range which Sb composition x (%) of GaAsSb and film thickness z of GaAsSb satisfy | fill of type 2 InGaAs / GaAsSbMQW. 全有機MOVPE法の成膜装置の配管系統等を示す図である。It is a figure which shows the piping system etc. of the film-forming apparatus of all the organic MOVPE method. (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。(A) is a figure which shows the flow of an organometallic molecule | numerator, and the flow of temperature, (b) is a schematic diagram of the organometallic molecule | numerator in the board | substrate surface. 、図1の受光素子50の製造方法のフローチャートである。2 is a flowchart of a method for manufacturing the light receiving element 50 of FIG. 1. 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。It is an optical sensor apparatus containing the light receiving element array (semiconductor element) in Embodiment 2 of this invention. 実施例1のMQWにおける、GaAsSbのSb組成と膜厚との関係において、各試験体の位置と、PL波長を示す図である。In MQW of Example 1, it is a figure which shows the position and PL wavelength of each test body in the relationship between the Sb composition of GaAsSb, and a film thickness. 実施例2における各試験体の量子井戸の膜厚と、PL波長及び受光感度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness of the quantum well of each test body in Example 2, PL wavelength, and light reception sensitivity. 実施例3における各試験体のMQWのGaAsSbのSb組成xと、PL波長及び暗電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Sb composition x of GaAsSb of MQW of each test body in Example 3, PL wavelength, and dark current.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における半導体素子50を示す図である。受光素子50のは、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。図1では、光はInP基板側から入射されるが、エピタキシャル側から入射してもよい。
(InP基板1/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コンタクト層5)
InPコンタクト層5からMQWの受光層3にまで届くように位置する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。受光素子10の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入されるということは、上記SiN膜の選択拡散マスクパターン36を用いて拡散することによって達せられる。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の裏面には、また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こともでき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。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、多重量子井戸の受光層3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で決まる。拡散濃度分布調整層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、拡散濃度分布調整層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。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor element 50 according to the first embodiment of the present invention. The light receiving element 50 has an InP-based semiconductor multilayer structure (epitaxial wafer) having the following configuration on the InP substrate 1. In FIG. 1, light is incident from the InP substrate side, but may be incident from the epitaxial side.
(InP substrate 1 / InP buffer layer 2 / type 2 (InGaAs / GaAsSb) MQW light receiving layer 3 / InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4 / InP contact layer 5)
The p-type region 6 positioned so as to reach from the InP contact layer 5 to the MQW light-receiving layer 3 is formed by selectively diffusing Zn of the p-type impurity from the opening of the selective diffusion mask pattern 36 of the SiN film. The The fact that diffusion is introduced into the periphery of the light receiving element 10 in a limited manner in a planar manner can be achieved by diffusion using the selective diffusion mask pattern 36 of the SiN film. A p-side electrode 11 made of AuZn is provided in the p-type region 6, and an n-side electrode 12 made of AuGeNi is provided in ohmic contact with the back surface of the InP substrate 1. In this case, the InP substrate 1 is doped with n-type impurities to ensure a predetermined level of conductivity. An antireflection film 35 made of SiON is provided on the back surface of the InP substrate 1 so that light can enter from the back surface side of the InP substrate. In the type 2 MQW light-receiving layer 3, a pn junction 15 is formed at a position corresponding to the boundary front of the p-type region 6, and a reverse bias voltage is applied between the p-side electrode 11 and the n-side electrode 12. As a result, a depletion layer is formed more widely on the side where the n-type impurity concentration is low (n-type impurity background). The background of the MQW light-receiving layer 3 is about 5E15 cm −3 or less in terms of n-type impurity concentration (carrier concentration). The position 15 of the pn junction is determined by the intersection of the background (n-type carrier concentration) of the light-receiving layer 3 of the multiple quantum well and the concentration profile of the p-type impurity Zn. The diffusion concentration distribution adjustment layer 4 is arranged for adjusting the concentration distribution of the p-type impurity in the MQW constituting the light receiving layer 3, but the diffusion concentration distribution adjustment layer 4 may be omitted. In the light receiving layer 3, the Zn concentration is preferably 5E16 cm −3 or less.

本実施の形態における受光素子のポイントは次の点にある。
(P1)受光層3を、タイプ2(InGaAs/GaAsSb)のMQWで構成し、GaAsSbのSb組成xを44%以上とし、GaAsSbのSb組成xを増大し、その増大分を吸収して全体としてInP格子整合性を保つように、InGaAsのIn組成yを低めにする。すなわちGaAsSbおよびInGaAsが歪補償構造を形成している。このポイント(P1)は、このあと説明する受光域を近赤外の長波長側に拡大する要因(F2)と同じである。
(P2)単位量子井戸(GaAsSb)の膜厚zを3nm以上として、かつz>−0.4x(%)+24.6、を満たすようにする。この特徴は、上述の要因(F1)膜厚増大を主体的に含み、上記の要因(F2)も副次的に含んでいる。
上記の(P1)によれば、Sb組成xの増大およびIn組成yの減少によってGaAsSbの価電子帯とInGaAsの伝導帯とのエネルギ差を小さくできる。かつ、上記InP格子整合性の維持によって、格子欠陥密度の小さいMQW、コンタクト層などを成長することができる。この結果、暗電流を低く保ちながら、受光域を長波長域に拡大することができる。
また、(P2)によれば、受光可能な長波長域を2.4μm以上にすることができる。
さらに、再成長界面を持たないので、高濃度の酸素、炭素が不純物として混入していない。この結果、InPコンタクト層表面まで良好な結晶性を保持することができ、暗電流の低減を得ることができる。
The point of the light receiving element in the present embodiment is as follows.
(P1) The light-receiving layer 3 is composed of type 2 (InGaAs / GaAsSb) MQW, the Sb composition x of GaAsSb is set to 44% or more, the Sb composition x of GaAsSb is increased, and the increased amount is absorbed as a whole. The In composition y of InGaAs is lowered so as to maintain InP lattice matching. That is, GaAsSb and InGaAs form a strain compensation structure. This point (P1) is the same as the factor (F2) for enlarging the light receiving area described later to the near-infrared long wavelength side.
(P2) The thickness z of the unit quantum well (GaAsSb) is set to 3 nm or more, and z> −0.4x (%) + 24.6 is satisfied. This feature mainly includes the above-mentioned factor (F1) film thickness increase, and also includes the above-mentioned factor (F2) as a secondary factor.
According to the above (P1), the energy difference between the valence band of GaAsSb and the conduction band of InGaAs can be reduced by increasing the Sb composition x and decreasing the In composition y. In addition, by maintaining the InP lattice matching, it is possible to grow an MQW, a contact layer, or the like having a low lattice defect density. As a result, the light receiving area can be expanded to a long wavelength area while keeping the dark current low.
Moreover, according to (P2), the long wavelength range in which light can be received can be 2.4 μm or more.
Furthermore, since it does not have a regrowth interface, high-concentration oxygen and carbon are not mixed as impurities. As a result, good crystallinity can be maintained up to the surface of the InP contact layer, and dark current can be reduced.

<受光域の近赤外の長波長側への拡大>
上記タイプ2(GaAsSb/InGaAs)のMQWの受光域を、近赤外の長波長域に拡大する要因に、つぎの2つがある。
(F1)MQWの各層の膜厚増大。本実施の形態では、図2に示すように、GaAsSbの膜厚zを指標にする。InGaAsの膜厚は、GaAsSbの膜厚zの±1.0nmの範囲であり、実質的に同じと考えてよい。
(F2)GaAsSb/InGaAsにおけるSb組成xの44%以上への増大とIn組成の減少。要因(F2)は、InP格子整合性の観点からは歪補償構造の形成ということができる。しかし、バンド構造的にはGaAsSbの価電子帯とInGaAsの伝導帯とのエネルギ差の減少である。この要因(F2)の泣き所は、InP格子整合性の確保、または格子欠陥密度の低減である。
<Expansion of the light receiving area to the long wavelength side of the near infrared>
There are the following two factors for expanding the MQW light receiving area of type 2 (GaAsSb / InGaAs) to the long wavelength range of the near infrared.
(F1) Increase in film thickness of each layer of MQW. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the thickness z of GaAsSb is used as an index. The thickness of InGaAs is in the range of ± 1.0 nm of the thickness z of GaAsSb, and may be considered substantially the same.
(F2) Increase of Sb composition x to 44% or more and decrease of In composition in GaAsSb / InGaAs. The factor (F2) can be said to be the formation of a strain compensation structure from the viewpoint of InP lattice matching. However, in terms of the band structure, the energy difference between the valence band of GaAsSb and the conduction band of InGaAs is reduced. The crying point of this factor (F2) is to ensure InP lattice matching or to reduce lattice defect density.

上記の要因(F1)膜厚の増大、および、(F2)組成x,yの配分について、図3を用いて説明する。図3は、タイプ2(InGaAs/GaAsSb)のバンド構造と、光の吸収(受光)を示す図である。長波長側の波長λの光が受光されるとき、GaAsSbの価電子帯の準位を占めていた電子が励起されて、InGaAsの伝導帯の準位を電子が占有する。価電子帯には、受光の結果、正孔が生成する。タイプ2では、GaAsSbの価電子帯からInGaAsの伝導帯に電子が励起されるため、単一相での価電子帯→伝導帯への遷移に比べて、エネルギ差が小さくなり、長波長の光の受光が可能となる。
上記の長波長側の光の波長λが受光される場合、生じた正孔と電子とのエネルギ差は、h・(c/λ)である。ここに、hはプランク定数(6.626E−34J・s)であり、cは光の媒体内での速度である。受光域を長波長側に拡大するには、図3におけるh・(c/λ)の矢印の両端を近づける必要がある。要因(F2)は、図3に示すように、バンド構造における、GaAsSbの価電子帯とInGaAsの伝導帯とのエネルギ差ΔEvcを減少させる。すなわち、電子準位が形成されるバンド構造を変えて、上記のエネルギ差ΔEvcを小さくする。また、要因(F1)は、つぎのように影響すると考えられる。MQW内の単一層は、一つの井戸ポテンシャルを形成する。井戸ポテンシャル内に形成される電子のエネルギ準位は、井戸ポテンシャルの幅(膜厚)が小さくなるほど、上昇する傾向がある。これは、電子のような波動的性質をもつ粒子(波)を小さい空間に閉じこめようとすると、広い空間に広がっていた場合に比べて、そのエネルギ状態が高くなることに対応しており、普遍的な性質といってよい。膜厚zを大きくすると、図3に示した電子(正孔)のエネルギ準位は、価電子帯および伝導帯に近づく。この結果、波長λがより大きくなり、h・(c/λ)がより小さくなっても、受光が可能になる。
The above factors (F1) increase in film thickness and (F2) distribution of compositions x and y will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing a band structure of type 2 (InGaAs / GaAsSb) and light absorption (light reception). When light having a wavelength λ on the long wavelength side is received, the electrons that have occupied the level of the valence band of GaAsSb are excited, and the electrons occupy the level of the conduction band of InGaAs. As a result of light reception, holes are generated in the valence band. In Type 2, electrons are excited from the valence band of GaAsSb to the conduction band of InGaAs, so that the energy difference is smaller than the transition from the valence band to the conduction band in a single phase, and long wavelength light Can be received.
When the wavelength λ of the light on the long wavelength side is received, the energy difference between the generated holes and electrons is h · (c / λ). Here, h is Planck's constant (6.626E-34J · s), and c is the speed of light in the medium. In order to expand the light receiving area to the longer wavelength side, it is necessary to bring both ends of the arrow of h · (c / λ) in FIG. 3 closer. As shown in FIG. 3, the factor (F2) decreases the energy difference ΔEvc between the valence band of GaAsSb and the conduction band of InGaAs in the band structure. That is, the energy difference ΔEvc is reduced by changing the band structure in which the electron level is formed. Further, the factor (F1) is considered to influence as follows. A single layer in the MQW forms one well potential. The energy level of electrons formed in the well potential tends to increase as the well potential width (film thickness) decreases. This corresponds to the fact that when energetic particles (waves) such as electrons are confined in a small space, the energy state becomes higher than when they are spread in a wide space. It may be said that it is a natural property. When the film thickness z is increased, the energy level of electrons (holes) shown in FIG. 3 approaches the valence band and the conduction band. As a result, even if the wavelength λ becomes larger and h · (c / λ) becomes smaller, light can be received.

図4は、本実施の形態の受光素子50において、タイプ2InGaAs/GaAsSbMQWの、GaAsSbのSb組成x(%)と、GaAsSbの膜厚zとが満たす範囲を示す図である。InGaAsのIn組成yは、100≦x+y≦104を満たすように配分される。図4における各境界線の意味を以下に説明する。この図4における範囲を設定した根拠は、実施例1において説明する(図9参照)。
1.B線:z=−0.4x+24.6
このB線は、受光可能な最長波長が2.43μmとなる、組成xおよび膜厚zを定める。このB線以上にzがある範囲、すなわちB線以内にあるx−z範囲では、受光可能な最長波長が2.4μm以上となる。本発明では、最長波長2.4μm以上とするために、膜厚zをB線より大きくする。
2.x=44
Sb組成x=44(%)は、膜厚zによらず、最長波長が2.3μmを確保できる線である。Sb組成xが44%以上において、膜厚zが7nm以上であれば、最長波長2.3μm以上を得ることができる。本実施の形態では、Sb組成xは、44(%)以上とする。
3.z=3
本発明では、受光感度を確保するため、膜厚zは3nm以上とする。
4.A線:z=−0.625x+45.5
このA線によって、暗電流が大きくなる限界を定めることができる。A線を含む外側(zがこのA線以上となる範囲)では、暗電流が大きくなり、S/N比が低下してしまう。このA線よりも内側(zがこのA線よりも下に位置する範囲)では、A線に近づくほど、膜厚zは増大し、Sb組成xは増大して、受光域は長波長側に拡大される。本実施の形態では、低い暗電流が重視される場合には、x−z範囲をA線より内側にすることができる。上記のように、膜厚zとSb組成xとの両方をA線に近づけないと、実用上、大きな用途が見込まれる近赤外域の長波長側に拡大した半導体素子を得ることができない。
5.A2線:z=−0.27x+21.7
しかしながら、暗電流の低減を重視する場合には、良好な結晶性を実現するために、Sb組成xの範囲に応じて、(b1)44atm.%≦x<54atm.%の範囲で、z<10nm、とし、参考としてあげる(b2)54atm.%≦x≦68atm.%の範囲で、A2線:z≦−0.27x+21.7、とするのがよい。このA2線については、実施例において詳しく説明する。
6.z=10
z=10nmは、感度限界を定める。すなわち膜厚zが10nmでは、電子と正孔との波動関数の重なりが小さくなって、感度が小さくなる。すなわちGaAsSbの価電子帯からInGaAsの伝導帯へ、電子が遷移する確率が小さくなって、そのような電子の遷移(受光)が生じにくくなる。これは量子力学の要請からくるものである。膜厚zがこれより薄ければ、すなわちz<10の範囲であれば、受光感度を確保することができる。
7.z=7
しかしながら、感度を重視する場合には、z≦7(nm)とするのがよい。
FIG. 4 is a diagram showing a range where the Sb composition x (%) of GaAsSb and the film thickness z of GaAsSb satisfy the type 2 InGaAs / GaAsSbMQW in the light receiving element 50 of the present embodiment. The In composition y of InGaAs is distributed so as to satisfy 100 ≦ x + y ≦ 104. The meaning of each boundary line in FIG. 4 will be described below. The reason for setting the range in FIG. 4 will be described in Example 1 (see FIG. 9).
1. B line: z = −0.4x + 24.6
This B line defines the composition x and the film thickness z that the longest wavelength that can be received is 2.43 μm. In the range where z is above the B line, that is, in the xz range within the B line, the longest wavelength that can be received is 2.4 μm or more. In the present invention, the film thickness z is made larger than the B line in order to set the longest wavelength to 2.4 μm or more.
2. x = 44
The Sb composition x = 44 (%) is a line that can ensure the longest wavelength of 2.3 μm regardless of the film thickness z. When the Sb composition x is 44% or more and the film thickness z is 7 nm or more, the longest wavelength of 2.3 μm or more can be obtained. In the present embodiment, the Sb composition x is 44 (%) or more.
3. z = 3
In the present invention, the film thickness z is set to 3 nm or more in order to ensure the light receiving sensitivity.
4). A line: z = −0.625x + 45.5
The limit at which the dark current becomes large can be determined by the A line. On the outside including the A line (in a range where z is equal to or greater than the A line), the dark current increases and the S / N ratio decreases. On the inner side of this A line (range where z is located below this A line), the closer to the A line, the greater the film thickness z, the Sb composition x, and the light receiving area on the longer wavelength side. Enlarged. In the present embodiment, when low dark current is important, the xz range can be set inside the A line. As described above, unless both the film thickness z and the Sb composition x are close to the A-line, it is impossible to obtain a semiconductor element expanded to the long wavelength side in the near-infrared region where practical use is expected.
5. A2 line: z = −0.27x + 21.7
However, when emphasizing the reduction of dark current, in order to realize good crystallinity, (b1) 44 atm. % ≦ x <5 4a tm. In% of range, and z <10 nm, and, cited as a reference (b2) 5 4a tm. % ≦ x ≦ 68 atm. % Line A2: z ≦ −0.27x + 21.7. The A2 line will be described in detail in the embodiments.
6). z = 10
z = 10 nm defines the sensitivity limit. That is, when the film thickness z is 10 nm, the overlap of wave functions of electrons and holes is reduced, and the sensitivity is reduced. That is, the probability that electrons transition from the valence band of GaAsSb to the conduction band of InGaAs is reduced, and such electron transition (light reception) is less likely to occur. This comes from the demands of quantum mechanics. If the film thickness z is smaller than this, that is, if it is in the range of z <10, the light receiving sensitivity can be ensured.
7. z = 7
However, when importance is attached to the sensitivity, it is preferable that z ≦ 7 (nm).

<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コンタクト層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5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、基板テーブル66が、回転自在に、かつ気密性を保つように配置される。基板テーブル66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。
<How to grow MQW>
Next, a manufacturing method will be described. An InP substrate 1 is prepared, and an InP buffer layer 2 / type 2 (InGaAs / GaAsSb) MQW light-receiving layer 3 / InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4 / InP contact layer 5 is grown thereon by an all-organic MOVPE method. To do. Here, the growth method of the light receiving layer 3 of type 2 (InGaAs / GaAsSb) MQW will be described in detail.
FIG. 5 shows a piping system and the like of the all-organic MOVPE film forming apparatus 60. A quartz tube 65 is disposed in the reaction chamber (chamber) 63, and a raw material gas is introduced into the quartz tube 65. A substrate table 66 is disposed in the quartz tube 65 so as to be rotatable and airtight. The substrate table 66 is provided with a heater 66h for heating the substrate. The temperature of the surface of the wafer 50 a during film formation is monitored by the infrared temperature monitor device 61 through a window 69 provided in the ceiling of the reaction chamber 63. This monitored temperature is a temperature at the time of growth or a temperature called a film forming temperature or a substrate temperature. In the production method of the present invention, when MQW is formed at a temperature of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less, 400 ° C. or more and 560 ° C. or less are temperatures measured by this temperature monitor. The forced exhaust from the quartz tube 65 is performed by a vacuum pump.

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5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(H)および窒素(N)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。 The source gas is supplied by a pipe communicating with the quartz tube 65. The all organic MOVPE method is characterized in that all raw material gases are supplied in the form of an organometallic gas. In FIG. 5, source gases such as impurities are not specified, but impurities are also introduced in the form of an organometallic gas. The raw material of the organometallic gas is put in a thermostat and kept at a constant temperature. Hydrogen (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) are used as the carrier gas. The organometallic gas is transported by a transport gas, and is sucked by a vacuum pump and introduced into the quartz tube 65. The amount of carrier gas is accurately adjusted by an MFC (Mass Flow Controller). Many flow controllers, solenoid valves, and the like are automatically controlled by a microcomputer.

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150nm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PH(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コンタクト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コンタクト層を形成すると、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コンタクト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。 A method for manufacturing the wafer 50a will be described. First, the n-type InP buffer layer 2 is epitaxially grown on the S-doped n-type InP substrate 1 to a film thickness of 150 nm. TeESi (tetraethylsilane) is preferably used for n-type doping. At this time, TMIn (trimethylindium) and TBP (tertiary butylphosphine) are used as the source gas. The InP buffer layer 2 may be grown using an inorganic raw material PH 3 (phosphine). In the growth of the InP buffer layer 2, even if the growth temperature is about 600 ° C. or less than about 600 ° C., the crystallinity of the InP substrate located in the lower layer is not deteriorated by heating at about 600 ° C. However, when the InP contact layer is formed, since the MQW containing GaAsSb is formed in the lower layer, it is necessary to strictly maintain the substrate temperature within a range of, for example, a temperature of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less. The reason is that when heated to about 600 ° C., the crystallinity of GaAsSb is greatly deteriorated due to heat damage, and when the InP contact layer is formed at a temperature lower than 400 ° C., the decomposition efficiency of the source gas is greatly increased. As a result, the impurity concentration in the InP layer increases and a high-quality InP contact layer cannot be obtained. Next, an n-type doped InGaAs layer is grown on the InP buffer layer 2 to a thickness of 0.15 μm (150 nm). This InGaAs layer is also included in the buffer layer 2 in FIG.

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zは3nm以上10nm未満とし、またInGaAs3bの膜厚は、z±1.0nmと、実質的に同じにするのがよい。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、トリエチルガリウム(TEGa)、ターシャリーブチルアルシン(TBAs)およびトリメチルアンチモン(TMSb)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。   Next, a type 2 MQW light-receiving layer 3 having InGaAs / GaAsSb as a quantum well pair is formed. As described above, the film thickness z of the GaAsSb in the quantum well is 3 nm or more and less than 10 nm, and the film thickness of the InGaAs 3b is preferably substantially the same as z ± 1.0 nm. In FIG. 1, the MQW light receiving layer 3 is formed by stacking 250 pairs of quantum wells. In the film formation of GaAsSb, triethylgallium (TEGa), tertiary butylarsine (TBAs), and trimethylantimony (TMSb) are used. For InGaAs, TEGa, TMIn, and TBAs can be used. These source gases are all organometallic gases, and the molecular weight of the compound is large. Therefore, it can be completely decomposed at a relatively low temperature of 400 ° C. or higher and 560 ° C. or lower and contribute to crystal growth. The MQW light-receiving layer 3 can be made abrupt in composition change at the interface of the quantum well by using all organic MOVPE. As a result, highly accurate spectrophotometry can be performed.

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。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。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。Sb(アンチモン)の原料としては、TMSb(トリメチルアンチモン)でもよいし、TESb(トリエチルアンチモン)でもよい、また、TIPSb(トリイソプロピルアンチモン)、また、TDMASb(トリジメチルアミノアンチモン)でもよい。これらの原料を用いることによって、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。   As a raw material for Ga (gallium), TEGa (triethylgallium) or TMGa (trimethylgallium) may be used. The raw material for In (indium) may be TMIn (trimethylindium) or TEIn (triethylindium). As a raw material of As (arsenic), TBAs (tertiary butylarsine) or TMAs (trimethylarsenic) may be used. The raw material for Sb (antimony) may be TMSb (trimethylantimony), TESb (triethylantimony), TIPSb (triisopropylantimony), or TDMASb (tridimethylaminoantimony). By using these raw materials, a semiconductor element having a low MQW impurity concentration and excellent crystallinity can be obtained. As a result, for example, when used in a light receiving element, a light receiving element with a small dark current and a high sensitivity can be obtained. Furthermore, using the light receiving element, an optical sensor device capable of capturing a clearer image, such as an imaging device, can be obtained.

次に、全有機MOVPE法によって、多重量子井戸構造3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に供給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5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5に示すように、基板テーブル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、基板テーブル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、基板テーブル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多重量子井戸構造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。
Next, the flow state of the source gas when the multiple quantum well structure 3 is formed by the all organic MOVPE method will be described. The source gas is transported through the piping, introduced into the quartz tube 65, and exhausted. Any number of source gases can be supplied to the quartz tube 65 by increasing the number of pipes. For example, even a dozen kinds of source gases are controlled by opening and closing the electromagnetic valve.
The flow rate of the source gas is controlled by a flow rate controller (MFC) shown in FIG. 5, and the flow into the quartz tube 65 is turned on and off by opening and closing the electromagnetic valve. The quartz tube 65 is forcibly exhausted by a vacuum pump. There is no stagnation in the flow of the source gas, and it is performed smoothly and automatically. Therefore, the composition is switched quickly when forming the quantum well pair.
As shown in FIG. 5, since the substrate table 66 rotates, the temperature distribution of the source gas does not have the directivity as on the inflow side or the outlet side of the source gas. Further, since the wafer 50a revolves on the substrate table 66, the flow of the source gas near the surface of the wafer 50a is in a turbulent state, and even the source gas near the surface of the wafer 50a contacts the wafer 50a. Except for the raw material gas, it has a large velocity component in the flow direction from the introduction side to the exhaust side. Therefore, most of the heat flowing from the substrate table 66 to the source gas through the wafer 50a is always exhausted together with the exhaust gas. For this reason, a large temperature gradient or temperature step is generated in the vertical direction from the wafer 50a through the surface to the source gas space.
Furthermore, in the embodiment of the present invention, the substrate temperature is heated to a low temperature range of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less. In the case of using the all organic MOVPE method using TBAs or the like as a raw material at the substrate surface temperature in such a low temperature region, since the decomposition efficiency of the raw material is good, the growth of the multiple quantum well structure with the raw material gas flowing in the range very close to the wafer 50a The source gas that contributes to is limited to those efficiently decomposed into the form necessary for growth.

図6(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6(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、多重量子井戸構造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6(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6(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。
FIG. 6A is a diagram showing the flow of organometallic molecules and the flow of temperature, and FIG. 6B is a schematic diagram of organometallic molecules on the substrate surface. These diagrams are used to explain the importance of setting the surface temperature in order to obtain a steep composition change at the heterointerface of the multiple quantum well structure.
The surface of the wafer 50a is set to a monitored temperature. However, when the material gas space is slightly entered from the wafer surface, the temperature suddenly decreases or a large temperature step is generated as described above. Therefore, in the case of a raw material gas having a decomposition temperature of T1 ° C., the substrate surface temperature is set to (T1 + α), and α is determined in consideration of variations in temperature distribution and the like. In a situation where there is a sudden large temperature drop or temperature step from the surface of the wafer 50a to the source gas space, when large-sized organometallic molecules flow through the wafer surface as shown in FIG. It is considered that the compound molecules that contribute to the growth are limited to those in the range in contact with the surface and the film thickness range of several organometallic molecules from the surface. Therefore, as shown in FIG. 6B, the organic metal molecules in the range in contact with the wafer surface and the molecules located within the film thickness range of several organometallic molecules from the wafer surface are mainly crystal growth. It is considered that the organometallic molecules outside it are discharged out of the quartz tube 65 with almost no decomposition. When the organometallic molecules near the surface of the wafer 50a are decomposed and crystal growth occurs, the organometallic molecules located outside enter the replenishment.
In other words, the range of the organometallic molecules that can participate in crystal growth is limited to a thin source gas layer on the surface of the wafer 50a by making the wafer surface temperature slightly higher than the temperature at which the organometallic molecules decompose. it can.

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多重量子井戸構造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5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。
この多重量子井戸構造を形成する場合、600℃程度の温度範囲で成長すると多重量子井戸構造のGaAsSb層に相分離が起こり、清浄で平坦性に優れた多重量子井戸構造の結晶成長表面、および、優れた周期性と結晶性を有する多重量子井戸構造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。
From the above, when the source gas suitable for the chemical composition of the pair is switched by the electromagnetic valve and forcedly evacuated by the vacuum pump, after the crystal of the previous chemical composition is grown with slight inertia, Thus, it is possible to grow a crystal having a switched chemical composition without being affected by the source gas. As a result, the composition change at the hetero interface can be made steep. This means that the previous source gas does not substantially remain in the quartz tube 65, and the source gas that contributes to the growth of the multiple quantum well structure with the source gas flowing in a range very close to the wafer 50a is: This is because it is limited to those efficiently decomposed into a shape necessary for growth (film formation factor 1). That is, as can be seen from FIG. 5, when one layer of the quantum well is formed, the electromagnetic valve is opened and closed while forcibly evacuating with a vacuum pump, and when the source gas for forming the other layer is introduced, a little Although there are organometallic molecules that participate in crystal growth with inertia, the molecules in one layer that supplements are almost exhausted and gone. The closer the wafer surface temperature is to the decomposition temperature of the organometallic molecule, the smaller the range of organometallic molecules participating in crystal growth (range from the wafer surface).
When forming this multi-quantum well structure, phase growth occurs in the GaAsSb layer of the multi-quantum well structure when grown in a temperature range of about 600 ° C., and the crystal growth surface of the multi-quantum well structure that is clean and excellent in flatness, and A multiple quantum well structure having excellent periodicity and crystallinity cannot be obtained. For this reason, the growth temperature is set to a temperature range of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less (deposition factor 2). This film formation method is an all-organic MOVPE method, and all the source gases are organometallic gases with high decomposition efficiency. (Film formation factor 3) strongly depends on film formation factor 1.

<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コンタクト層5が位置している。InPコンタクト層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コンタクト層表面には、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、コンタクト層表面の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コンタクト層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コンタクト層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コンタクト層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コンタクト層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。
<Method for Manufacturing Semiconductor Device>
In the semiconductor element 50 shown in FIG. 1, the InGaAs diffusion concentration distribution adjustment layer 4 is located on the type 2 MQW light-receiving layer 3, and the InP contact layer 5 is located on the InGaAs diffusion concentration distribution adjustment layer 4. ing. The p-type region 6 is provided by selectively diffusing Zn of the p-type impurity from the opening of the selective diffusion mask pattern 36 provided on the surface of the InP contact layer 5. A pn junction 15 or a pi junction 15 is formed at the tip of the p-type region 6. A depletion layer is formed by applying a reverse bias voltage to the pn junction 15 or the pi junction 15 to capture charges due to photoelectron conversion, and to make the brightness of the pixel correspond to the amount of charges. The p-type region 6 or the pn junction 15 or the pi junction 15 is a main part constituting the pixel. The p-side electrode 11 that is in ohmic contact with the p-type region 6 is a pixel electrode, and reads the above charges for each pixel with the n-side electrode 12 that is set to the ground potential. The selective diffusion mask pattern 36 is left as it is on the surface of the InP contact layer around the p-type region 6. Further, a protective film such as SiON not shown is coated. The selective diffusion mask pattern 36 is left as it is. When the p-type region 6 is formed and then exposed to the atmosphere except for this, a surface level is formed at the boundary with the p-type region on the contact layer surface, and the dark current is formed. This is because of the increase.
One point is to continue the growth in the same film forming chamber or quartz tube 65 by the all organic MOVPE method until the formation of the InP contact layer 5 after the MQW is formed as described above. That is, before the InP contact layer 5 is formed, the wafer 50a is not taken out from the film forming chamber and the InP contact layer 5 is not formed by another film forming method. One point. That is, since the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4 and the InP contact layer 5 are continuously formed in the quartz tube 65, the interfaces 16 and 17 are not regrowth interfaces. For this reason, the concentrations of oxygen, carbon, and silicon are all below a predetermined level, and charge leakage does not occur particularly at the intersection line between the p-type region 6 and the interface 17.

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コンタクト層5を形成したあと、選択拡散法によってInPコンタクト層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コンタクト層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コンタクト層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コンタクト層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コンタクト層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コンタクト層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、InPコンタクト層5内の不純物濃度が増大し高品質なInPコンタクト層5を得られない点があげられる。
In the present embodiment, a non-doped InGaAs diffusion concentration distribution layer 4 having a film thickness of 1.0 μm, for example, is formed on the MQW light-receiving layer 3. After the InP contact layer 5 is formed, the InGaAs diffusion concentration distribution layer 4 has a high concentration of Zn when the p-type impurity Zn is introduced from the InP contact layer 5 to reach the MQW light receiving layer 3 by a selective diffusion method. When it enters MQW, the crystallinity is damaged, so it is provided for the adjustment. The InGaAs diffusion concentration distribution adjustment layer 4 may be arranged as described above, but may not be provided.
The p-type region 6 is formed by the selective diffusion described above, and the pn junction 15 or the pi junction 15 is formed at the tip thereof. Even when the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4 is inserted, since the InGaAs has a small band gap, the electric resistance of the light receiving element can be lowered even if it is non-doped. By reducing the electrical resistance, it is possible to improve the responsiveness and obtain a moving image with good image quality.
On the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer 4, the undoped InP contact layer 5 is epitaxially grown to a thickness of, for example, 0.8 μm by the all organic MOVPE method continuously with the wafer 50a placed in the same quartz tube 65. Is good. As described above, trimethylindium (TMIn) and tertiary butylphosphine (TBP) are used for the source gas. By using this source gas, the growth temperature of the InP contact layer 5 can be made 400 ° C. or more and 560 ° C. or less, and further 535 ° C. or less. As a result, the MQW GaAsSb positioned under the InP contact layer 5 is not damaged by heat, and the MQW crystallinity is not impaired. When the InP contact layer 5 is formed, since the MQW containing GaAsSb is formed in the lower layer, the substrate temperature needs to be strictly maintained within a range of, for example, a temperature of 400 ° C. or more and 560 ° C. or less. The reason is that when heated to about 600 ° C., the crystallinity of GaAsSb is greatly deteriorated due to heat damage, and when the InP contact layer is formed at a temperature lower than 400 ° C., the decomposition efficiency of the source gas is greatly increased. Therefore, the impurity concentration in the InP contact layer 5 increases, and a high quality InP contact layer 5 cannot be obtained.

上記したように、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コンタクト層を成長するには、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コンタクト層との界面は、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1E17cm−3以上、炭素濃度が1E17cm−3以上、および、珪素濃度が1E17cm−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コンタクト層を単なるMOVPE法によって成長すると、燐の原料にホスフィン(PH)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。
As described above, conventionally, it has been necessary to form the MQW by the MBE method. However, in order to grow an InP contact layer by the MBE method, it is necessary to use a solid raw material as a phosphorus raw material, which is problematic in terms of safety. There was also room for improvement in terms of manufacturing efficiency.
Prior to the present invention, the interface between the InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer and the InP contact layer was a regrowth interface once exposed to the atmosphere. The regrowth interface is specified by satisfying at least one of oxygen concentration of 1E17 cm −3 or more, carbon concentration of 1E17 cm −3 or more, and silicon concentration of 1E17 cm −3 or more by secondary ion mass spectrometry. Can do. The regrowth interface forms a crossing line with the p-type region, and a charge leak occurs at the crossing line, thereby significantly degrading the image quality.
Further, for example, when an InP contact layer is grown by a simple MOVPE method, phosphine (PH 3 ) is used as a raw material of phosphorus. Therefore, the decomposition temperature is high, and the occurrence of damage due to heat of GaAsSb located in the lower layer is induced to cause the MQW crystal. It will be harmful to sex.

図7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コンタクト層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。   FIG. 7 is a flowchart of a method for manufacturing the light receiving element 50 of FIG. According to this manufacturing method, only the organometallic gas is used as the source gas (deposition factor 3) until the growth temperature is lowered (deposition factor 2) and the formation of the InP contact layer 5 is completed. Therefore, it is important to have no recrystallization interface (deposition factor 4). As a result, it is possible to efficiently manufacture a large number of photodiodes having a light receiving sensitivity in a wavelength region of 2 μm to 5 μm, which has less charge leakage and excellent crystallinity.

(実施の形態2)
図8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8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。
図8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。
(Embodiment 2)
FIG. 8 shows an optical sensor device 10 including a light receiving element array (semiconductor element) 50 according to the second embodiment of the present invention. Optical parts such as lenses are omitted. Although a protective film 43 made of a SiON film is shown in FIG. 8, it is actually also arranged in FIG. The light receiving element array 50 has the same stacked structure as that of the light receiving elements shown in FIG. 1, and is different in that a plurality of light receiving elements or pixels P are arranged. The film thickness z, the Sb composition s, etc. are the same as those in the semiconductor element of FIG. Also, the interfaces 16 and 17 are not regrowth interfaces, and the concentration of impurities such as oxygen, carbon, and silicon are all low, which is the same as the light receiving element (semiconductor element) in FIG.
In FIG. 8, the light receiving element array 50 and a CMOS 70 constituting a read circuit (Read-Out IC) are connected. The readout electrode (not shown) of the CMOS 70 and the pixel electrode (p-side electrode) 11 of the light receiving element array 50 are bonded with the bonding bump 39 interposed. Further, a common ground electrode (n-side electrode) 12 for each pixel of the light receiving element array 50 and a ground electrode (not shown) of the CMOS 70 are joined via bumps 12b. An imaging device or the like can be obtained by combining the CMOS 70 and the light receiving element array 50 and integrating light reception information for each pixel.
As described above, the light-receiving element array (semiconductor element) 50 of the present invention has sensitivity up to a long wavelength region and has a small dark current (leakage current), and therefore, inspection of living organisms such as animals and plants, environmental monitoring, etc. By using this, high-precision inspection can be performed.

(実施例1)
図1に示す半導体素子50と同じ構造の受光素子50におけるMQWのGaAsSbの膜厚z(nm)およびSb組成x(%)を変化させて、室温におけるPL(Photo-luminescent)波長、および暗電流を測定した。各試験体のGaAsSbのSb組成x、およびInGaAsのIn組成y、ならびにGaAsSb、InGaAsの膜厚z(nm)は、表1に示すとおりである。GaAsSbおよびInGaAsの膜厚は同じにした。また、組成xおよび組成yは、InGaAsの格子不整合度をΔωとし、GaAsSbの格子不整合度をΔωとするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω={Σ(Δω×InGaAs層の厚み+Δω×GaAsSb層の厚み)}/{Σ(InGaAs層の厚み+GaAsSb層の厚み)}で定義されるΔωが−0.2%以上かつ0.2%以下を満たすようにした。
受光素子50は、上記のように、全有機MOVPE法で製造した。受光層以外の部分は、上記の方法で製造した。主なエピタキシャル層の製造方法は次のように行った。成長温度は510℃である。GaAsSbは、原料に、TEGa、TBAsおよびTESbを用い、Sb組成xは、V/III比(V属原料の供給量/III属原料の供給量)を一定にしてTBAsとTESbの供給量比を変化させることで変えた。また、InGaAsは、原料に、TEGa、TMIn、TBAsを用い、In組成yは、V/III比を一定にしてTEGaとTMnInの供給量比を変化させて成長した。また、InPコンタクト層5は、原料にTMInおよびTBPを原料に用いた。
Example 1
The light-receiving element 50 having the same structure as that of the semiconductor element 50 shown in FIG. Was measured. Table 1 shows the Sb composition x of GaAsSb, the In composition y of InGaAs, and the film thickness z (nm) of GaAsSb and InGaAs of each specimen. The film thicknesses of GaAsSb and InGaAs were the same. The composition x and the composition y have a lattice mismatch degree of InGaAs of Δω 1 and a lattice mismatch degree of GaAsSb of Δω 2, and the lattice mismatch degree of the entire multiple quantum well structure Δω = {Σ (Δω 1 × ΔGaAs thickness + Δω 2 × GaAsSb layer thickness)} / {Σ (InGaAs layer thickness + GaAsSb layer thickness)} Δω defined by −0.2% or more and 0.2% or less did.
The light receiving element 50 was manufactured by the all organic MOVPE method as described above. Parts other than the light receiving layer were manufactured by the above method. The manufacturing method of the main epitaxial layer was performed as follows. The growth temperature is 510 ° C. GaAsSb uses TEGa, TBAs and TESb as raw materials, and the Sb composition x has a constant V / III ratio (supply amount of Group V raw materials / supply amount of Group III raw materials), and the supply amount ratio of TBAs and TESb It changed by changing. InGaAs was grown using TEGa, TMIn, and TBAs as raw materials, and the In composition y was grown by changing the supply ratio of TEGa and TMnIn while keeping the V / III ratio constant. In the InP contact layer 5, TMIn and TBP were used as raw materials.

Figure 2013145906
Figure 2013145906

<評価>
評価は、下記のように、室温でのPL波長、および暗電流の測定を行った。暗電流は、100μm径で、逆バイアス電圧(Vr)=1Vで行った。
1.室温におけるPL波長
室温におけるPLの波長は、バンドギャップ波長に対応し、ほぼ受光できる最長波長に対応する。図9、図4を参照して、比較例2,3,8,10では、膜厚zはB線:−0.4x+24.6、の下側に位置しており、表1によれば、PL波長は、それぞれ、2210nm、2290nm,2210nm,2300nmであり、2400nm未満である。これは、膜厚zおよびGaAsSbのSb組成xが、十分、高くないためである。
これに対して、膜厚z≧3nmであり、かつ膜厚z>−0.4x+24.6(B線より大きい)、を満たす範囲では、表1に示すように、いずれの本発明例も、PL波長2.4μm以上となっている。しかも、A線:z=−0.625x+45.5、に近づくほどPL波長は長波長となる。図9において、A線およびz=10に近づくほどPL波長が長くなることを矢印およびPL波長によって示す。
また、膜厚z=10の線に近づくとき、参考例7(2430nm)→本発明例6(2620nm)→本発明例5(2700nm)→参考例4(2870nm)、のように、PL波長はやはり長くなる。
2.暗電流
暗電流は、A線:z=−0.625x+45.5、が限界を定める。暗電流は、格子欠陥密度が高くなると増大するので、Sb組成xおよびIn組成yのみによると考えられがちである。しかし、上述のように膜厚にも依存しており、組成x,yだけでなく、膜厚zにも影響される。格子欠陥が累積されるからと考えられる。
参考例16および参考例19は、A線上に位置しており、暗電流は、それぞれ、700nAおよび800nAである。この程度の暗電流であれば、許容される用途は多くあるが、暗電流を重視する場合には、膜厚zが、A線よりも小さい範囲とするのがよい。さらに暗電流を確実に低くする場合には、A2線:z=−0.27x+21.7以下とするのがよい。この場合には、本発明例16および本発明例19は、本発明の範囲には入らず、比較例となる。
A線から少し離れた範囲、たとえば参考例11,14,17,18は、それぞれ、200nA,200nA,300nA,200nAであり、実用上、問題ないレベルである。
3.受光感度
このあと実施例2で説明するが、GaAsSbの膜厚zが10nmになると、受光感度が低下する。膜厚z=10nmでもある程度の受光感度があり用途によっては可能である。しかし、受光感度が非常に問題になる場合は、膜厚zは10nmより小さくするのがよい。より高い受光感度が求められる場合には、z≦7(nm)とするのがよい。この場合、参考例4は本発明の範囲外となる。
これは、量子力学的効果であり、実施例の条件によらず成り立つと考えられる。また、膜厚zが2nm程度に薄い場合も、受光感度は低い。このため、膜厚zは3nm以上とする。
<Evaluation>
Evaluation was performed by measuring the PL wavelength at room temperature and dark current as described below. The dark current was 100 μm in diameter and the reverse bias voltage (Vr) = 1V.
1. PL wavelength at room temperature The wavelength of PL at room temperature corresponds to the bandgap wavelength and corresponds to the longest wavelength that can be received. 9 and 4, in Comparative Examples 2, 3, 8, and 10, the film thickness z is located below the B line: −0.4x + 24.6, The PL wavelengths are 2210 nm, 2290 nm, 2210 nm, and 2300 nm, respectively, and are less than 2400 nm. This is because the film thickness z and the Sb composition x of GaAsSb are not sufficiently high.
On the other hand, in the range satisfying the film thickness z ≧ 3 nm and the film thickness z> −0.4x + 24.6 ( larger than the B line), as shown in Table 1, any of the present invention examples The PL wavelength is 2.4 μm or more. Moreover, the PL wavelength becomes longer as it approaches A line: z = −0.625x + 45.5. In FIG. 9, the arrow and the PL wavelength indicate that the PL wavelength becomes longer as it approaches A line and z = 10.
Further, when approaching the line of film thickness z = 10, the PL wavelength is as in Reference Example 7 (2430 nm) → Example 6 (2620 nm) → Example 5 (2700 nm) → Reference Example 4 (2870 nm). After all it becomes long.
2. Dark current The dark current is limited by the A line: z = −0.625x + 45.5. Since the dark current increases as the lattice defect density increases, it tends to be considered that only the Sb composition x and the In composition y. However, it depends on the film thickness as described above, and is influenced not only by the composition x and y but also by the film thickness z. It is thought that lattice defects are accumulated.
Reference Example 16 and Reference Example 19 are located on the A line, and the dark currents are 700 nA and 800 nA, respectively. If the dark current is at this level, there are many allowable applications. However, when the dark current is important, the film thickness z is preferably in a range smaller than the A line. In order to further reduce the dark current, it is preferable to set the A2 line: z = −0.27x + 21.7 or less. In this case, Invention Example 16 and Invention Example 19 do not fall within the scope of the present invention and are comparative examples.
The ranges slightly apart from the A line, for example, Reference Examples 11, 14, 17, and 18, are 200 nA, 200 nA, 300 nA, and 200 nA, respectively, which are practically satisfactory levels.
3. Photosensitive sensitivity As will be described later in Example 2, when the thickness z of GaAsSb reaches 10 nm, the received light sensitivity decreases. Even if the film thickness is z = 10 nm, there is a certain level of light sensitivity, which is possible depending on the application. However, when the light receiving sensitivity is very problematic, the film thickness z should be smaller than 10 nm. If higher light receiving sensitivity is required, z ≦ 7 (nm) is preferable. In this case, Reference Example 4 is outside the scope of the present invention.
This is a quantum mechanical effect and is considered to hold regardless of the conditions of the examples. Also, when the film thickness z is as thin as 2 nm, the light receiving sensitivity is low. For this reason, the film thickness z is 3 nm or more.

(実施例2)
<試験体の製造>
全有機MOVPE法によって、SドープしたInP基板上に、バッファ層(InP/InGaAs)/タイプ2(InGaAs/GaAsSb)MQWの受光層/InGaAs拡散濃度分布調整層/InPコンタクト層、のエピタキシャル層を、一貫して形成した。MQWの受光層3上に直接InPコンタクト層を成長した。Ga,In,As,P,Sbの原料として、それぞれ、TEGa,TMIn、TBAs,TBP,TMSbを用いた。n型不純物のドーピングにはTeESiを用いた。
具体的には、SドープInP基板上に、n型ドープInPバッファ層を150nm成長し、その上にn型ドープしたInGaAsバッファ層を0.15μm成長した。この2層のバッファ層の上に、InGaAs/GaAsSbのタイプ2MQW受光層を成長した。MQWの構成は、下側のアンドープInGaAs層と、アンドープGaAsSb層とを対にして、250ペア繰り返した。組成は、単独で格子整合する組成であり、GaAsSbのSb組成xは49%、InGaAsのIn組成yは53%とした。InGaAsの格子不整合度をΔωとし、GaAsSbの格子不整合度をΔωとするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω={Σ(Δω×InGaAs層の厚み+Δω×GaAsSb層の厚み)}/{Σ(InGaAs層の厚み+GaAsSb層の厚み)}で定義されるΔωが−0.2%以上かつ0.2%以下である。MQW受光層上にInGaAs拡散濃度分布調整層を1.0μm成長し、その上に、アンドープInPコンタクト層を0.8μm成長した。GaAsSbの成長にはTEGa、TBAs、およびTMSbを原料に用いた。またInGaAsの成長にはTEBa、TMIn、TBAsを用いた。さらにInPコンタクト層またはInPバッファ層の成長にはTMIn、TBPを用いた。
(Example 2)
<Manufacture of specimen>
The epitaxial layer of the buffer layer (InP / InGaAs) / type 2 (InGaAs / GaAsSb) MQW light receiving layer / InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer / InP contact layer is formed on the S-doped InP substrate by the all organic MOVPE method. Formed consistently. An InP contact layer was grown directly on the MQW light-receiving layer 3. TEGa, TMIn, TBAs, TBP, and TMSb were used as raw materials for Ga, In, As, P, and Sb, respectively. TeESi was used for n-type impurity doping.
Specifically, an n-type doped InP buffer layer was grown to 150 nm on an S-doped InP substrate, and an n-type doped InGaAs buffer layer was grown to 0.15 μm thereon. An InGaAs / GaAsSb type 2 MQW light-receiving layer was grown on the two buffer layers. The MQW configuration was repeated 250 pairs with the lower undoped InGaAs layer and the undoped GaAsSb layer as a pair. The composition is a composition that lattice-matches alone, and the Sb composition x of GaAsSb is 49% and the In composition y of InGaAs is 53%. When the lattice mismatch degree of InGaAs is Δω 1 and the lattice mismatch degree of GaAsSb is Δω 2 , the lattice mismatch degree of the entire multiple quantum well structure Δω = {Σ (Δω 1 × InGaAs layer thickness + Δω 2 × GaAsSb Δω defined by (layer thickness)} / {Σ (InGaAs layer thickness + GaAsSb layer thickness)} is −0.2% or more and 0.2% or less. An InGaAs diffusion concentration distribution adjusting layer was grown by 1.0 μm on the MQW light-receiving layer, and an undoped InP contact layer was grown by 0.8 μm thereon. For the growth of GaAsSb, TEGa, TBAs, and TMSb were used as raw materials. Further, TEBa, TMIn, and TBAs were used for the growth of InGaAs. Further, TMIn and TBP were used for the growth of the InP contact layer or InP buffer layer.

Figure 2013145906
Figure 2013145906

<評価>
1.PL特性
結果を表2および図10に示す。GaAsSbの膜厚zおよびInGaAsの膜厚が5nmのとき、PLピーク波長は2.5μmとなった。両方の膜厚を減少させるにしたがってPL波長は短波長側にシフトした。GaAsSbおよびInGaAsの膜厚を2nmとした場合、PL波長は1.9μmとなった。
一方、InGaAsおよびGaAsSbの膜厚を厚くするにつれてPL波長は長くなり、両方の膜厚をともに10nmとするとPL波長は2.9μmとなった。
2.受光感度
受光感度測定は、逆バイアス電圧Vr=−5Vにて、波長2000nmの光に対して行った。GaAsSbおよびInGaAs両方の膜厚が2nmでは、受光感度は0.1A/Wと非常に低かった。両方の膜厚を3nm,5nm,7mと増大させるに従って、0.6A/W、0.6A/W、0.5A/W、のように向上した。そして、両方の膜厚が10nmのとき、0.2A/Wと劣化した。
<Evaluation>
1. The PL characteristics are shown in Table 2 and FIG. When the film thickness z of GaAsSb and the film thickness of InGaAs were 5 nm, the PL peak wavelength was 2.5 μm. As both film thicknesses were decreased, the PL wavelength shifted to the short wavelength side. When the film thickness of GaAsSb and InGaAs was 2 nm, the PL wavelength was 1.9 μm.
On the other hand, as the thickness of InGaAs and GaAsSb was increased, the PL wavelength became longer. When both thicknesses were 10 nm, the PL wavelength was 2.9 μm.
2. Light receiving sensitivity The light receiving sensitivity was measured with respect to light having a wavelength of 2000 nm at a reverse bias voltage Vr = −5V. When the film thicknesses of both GaAsSb and InGaAs were 2 nm, the light receiving sensitivity was as low as 0.1 A / W. As both film thicknesses were increased to 3 nm, 5 nm, and 7 m, they improved to 0.6 A / W, 0.6 A / W, and 0.5 A / W. And when both film thicknesses were 10 nm, it deteriorated with 0.2 A / W.

(実施例3)
試験体は、実施例2に示す構成にして、同じ手順に従った。ただし、本実施例では、膜厚はGaAsSbおよびInGaAsともに、5nm一定として、原料ガスの供給量を上述のように調整した。このとき、InGaAsの格子不整合度をΔωとし、GaAsSbの格子不整合度をΔωとするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω={Σ(Δω×InGaAs層の厚み+Δω×GaAsSb層の厚み)}/{Σ(InGaAs層の厚み+GaAsSb層の厚み)}で定義されるΔωが−0.2%以上かつ0.2%以下を満たすようにした。
(Example 3)
The test body was configured as shown in Example 2 and followed the same procedure. However, in this example, the film thickness was fixed at 5 nm for both GaAsSb and InGaAs, and the supply amount of the source gas was adjusted as described above. At this time, when the lattice mismatch degree of InGaAs is Δω 1 and the lattice mismatch degree of GaAsSb is Δω 2 , the lattice mismatch degree of the entire multiple quantum well structure Δω = {Σ (Δω 1 × InGaAs layer thickness + Δω 2 × GaAsSb layer thickness)} / {Σ (InGaAs layer thickness + GaAsSb layer thickness)} Δω defined by −0.2% to 0.2%.

Figure 2013145906
Figure 2013145906

<評価>
1.PL特性
結果を表3および図11に示す。GaAsSbのSb組成xが49%で、InGaAsのIn組成yが53%のとき、PL波長は2.4μmであった。GaAsSbのSb組成xを増大させ、InGaAs組成yを減少させると、PL波長は長波長側にシフトする。Sb組成x62%で、In組成y38%で、PL波長は3.0μmであった。
2.暗電流
逆バイアス電圧Vrが−1Vでも−5Vでも、Sb組成を44%以上に増加させると、暗電流は漸増したが、良好なレベルといってよい。In組成yが53%よりも低くSb組成を62%より増加させると、逆バイアス電圧Vr=−1Vと−5Vとの暗電流の相違は大きくなった。これより、より長波長側まで受光感度を有する受光素子において、S/N比を大きくするためには、より低い逆バイアス電圧(絶対値を小さくする)とするのがよい。
<Evaluation>
1. The PL characteristics are shown in Table 3 and FIG. When the Sb composition x of GaAsSb was 49% and the In composition y of InGaAs was 53%, the PL wavelength was 2.4 μm. When the Sb composition x of GaAsSb is increased and the InGaAs composition y is decreased, the PL wavelength is shifted to the longer wavelength side. The Sb composition was 62%, the In composition was 38%, and the PL wavelength was 3.0 μm.
2. Dark current Whether the reverse bias voltage Vr is -1V or -5V, when the Sb composition is increased to 44% or more, the dark current gradually increases, but it can be said to be a good level. When the In composition y was lower than 53% and the Sb composition was increased from 62%, the difference in dark current between the reverse bias voltage Vr = −1V and −5V became large. Thus, in order to increase the S / N ratio in a light receiving element having light receiving sensitivity up to a longer wavelength side, it is preferable to set a lower reverse bias voltage (decrease the absolute value).

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。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明の半導体素子によれば、実用上、暗電流を問題のないレベルに抑制しながら、GaAsSbとInGaAsとの両方で統合的にInP格子整合条件を満たすように組成調整しながら、Sb組成を増大し(In組成を減少させ)、かつ量子井戸の膜厚を厚くすることで、近赤外域の長波長側に受光感度を拡大することがきできる。この結果、簡単な工夫によって重要な用途をカバーできるようになる。また、全有機OMVPE法によって一貫して同じ成長槽で成長することによって、不純物のコンタミネーションを防止することができ、高品質の結晶性を得ることができる。また、受光層のMQWの量子井戸間の組成の急峻性を高めることができ、吸収スペクトルの解析等を高精度で遂行することを可能にする。   According to the semiconductor device of the present invention, the Sb composition is adjusted while adjusting the composition so that the InP lattice matching condition is integrated in both GaAsSb and InGaAs while suppressing the dark current to a level at which there is no problem in practice. By increasing (decreasing the In composition) and increasing the thickness of the quantum well, the light receiving sensitivity can be expanded to the long wavelength side in the near infrared region. As a result, an important application can be covered with a simple device. Further, by consistently growing in the same growth tank by the all organic OMVPE method, impurity contamination can be prevented and high quality crystallinity can be obtained. In addition, the steepness of the composition between the MQW quantum wells of the light receiving layer can be increased, and the analysis of the absorption spectrum and the like can be performed with high accuracy.

1 InP基板、2 バッファ層(InPおよび/またはInGaAs)、3タイプIIMQW受光層、4 InGaAs層(拡散濃度分布調整層)、5 InPコンタクト層、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 基板テーブル、66h ヒータ、70 CMOS、P 画素。   1 InP substrate, 2 buffer layer (InP and / or InGaAs), 3 type II MQW light receiving layer, 4 InGaAs layer (diffusion concentration distribution adjusting layer), 5 InP contact layer, 6 p-type region, 10 optical sensor device (detection device) 11 p-side electrode (pixel electrode), 12 ground electrode (n-side electrode), 12b bump, 15 pn junction, 16 interface between MQW and InGaAs layer, 17 interface between InGaAs layer and InP window layer, 20 infrared temperature monitor Equipment, 21 reaction chamber window, 30 reaction chamber, 35 AR (antireflection) film, 36 selective diffusion mask pattern, 39 bonding bump, 43 protective film (SiON film), 50 light receiving element (light receiving element array), 50a wafer ( Intermediate products), 60 all-organic MOVPE film deposition equipment, 61 infrared temperature monitoring equipment, 63 reaction chamber, 5 quartz tube, 69 a window of the reaction chamber, 66 a substrate table, 66h heater, 70 CMOS, P pixels.

Claims (23)

III―V族半導体基板上に形成された半導体素子であって、
前記III―V族半導体基板の上に位置するタイプ2の多重量子井戸構造の受光層を備え、
前記多重量子井戸は、少なくともGa、As、Sbを含む層と、少なくともIn、Ga、Asを含む層と、の繰り返し構造により構成されており、
前記少なくともGa、As、Sbを含む層の、Sb組成x(atm.%)が44atm.%以上であり、かつ膜厚z(nm)は、3nm以上であり、z(nm)≧−0.4x(atm.%)+24.6、を満たすことを特徴とする、半導体素子。
A semiconductor element formed on a group III-V semiconductor substrate,
A light-receiving layer of type 2 multiple quantum well structure located on the III-V semiconductor substrate;
The multiple quantum well is composed of a repeating structure of a layer containing at least Ga, As, and Sb and a layer containing at least In, Ga, and As.
The layer containing at least Ga, As, and Sb has an Sb composition x (atm.%) Of 44 atm. %, And the film thickness z (nm) is 3 nm or more and satisfies z (nm) ≧ −0.4x (atm.%) + 24.6.
前記III−V族半導体はInPであることを特徴とする、請求項1に記載の半導体素子。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the group III-V semiconductor is InP. 前記多重量子井戸構造は歪補償構造となっており、前記少なくともGa、As、Sbを含む層のSb組成xと、前記少なくともIn、Ga、Asを含む層のIn組成y(atm.%)とが、100≦x+y≦104、を満たす配分となっていることを特徴とする、請求項1または2に記載の半導体素子。   The multiple quantum well structure has a strain compensation structure, and the Sb composition x of the layer containing at least Ga, As and Sb, and the In composition y (atm.%) Of the layer containing at least In, Ga and As, and Is a distribution satisfying 100 ≦ x + y ≦ 104. 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the distribution satisfies 100 ≦ x + y ≦ 104. 前記多重量子井戸構造の上にInPコンタクト層を備えていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体素子。   The semiconductor device according to claim 1, further comprising an InP contact layer on the multiple quantum well structure. 前記多重量子井戸構造における少なくともGa、As、Sbを含む層の膜厚z(nm)は、Sb組成xに応じて、(a1)44atm.%≦x<56.8atm.%の範囲で、z<10nm、であり、(a2)56.8atm.%≦x≦68atm.%の範囲で、z<−0.625x+45.5、であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体素子。   The film thickness z (nm) of the layer containing at least Ga, As, and Sb in the multiple quantum well structure depends on (a1) 44 atm. % ≦ x <56.8 atm. %, Z <10 nm, (a2) 56.8 atm. % ≦ x ≦ 68 atm. The semiconductor device according to claim 1, wherein z <−0.625x + 45.5 in a range of%. 前記多重量子井戸構造における少なくともGa、As、Sbを含む層の膜厚z(nm)は、Sb組成xに応じて、(b1)44atm.%≦x<54.3atm.%の範囲で、z≦7nm、であり、(b2)54.3atm.%≦x≦68atm.%の範囲で、z≦−0.27x+21.7、であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体素子。   The film thickness z (nm) of the layer containing at least Ga, As, and Sb in the multiple quantum well structure depends on (b1) 44 atm. % ≦ x <54.3 atm. %, Z ≦ 7 nm, and (b2) 54.3 atm. % ≦ x ≦ 68 atm. % In the range of z ≦ −0.27x + 21.7. 6. The semiconductor device according to claim 1, wherein z ≦ −0.27x + 21.7. 前記多重量子井戸構造の少なくともIn、Ga、Asを含む層の格子不整合度をΔωとし、少なくともGa、As、Sbを含む層の格子不整合度をΔωとするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω={Σ(Δω×少なくともIn、Ga、Asを含む層の厚み+Δω×少なくともGa、As、Sbを含む層の厚み}/{Σ(少なくともIn、Ga、Asを含む層の厚み+少なくともGa、As、Sbを含む層の厚み)}で定義されるΔωが−0.2%以上かつ0.2%以下を満たすことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体素子。 When the lattice mismatch degree of the layer containing at least In, Ga and As in the multiple quantum well structure is Δω 1 and the lattice mismatch degree of the layer containing at least Ga, As and Sb is Δω 2 , the multiple quantum well structure Total lattice mismatch Δω = {Σ (Δω 1 × layer thickness including at least In, Ga, As + Δω 2 × layer thickness including at least Ga, As, Sb} / {Σ (at least In, Ga, As The thickness of the layer containing N + the thickness of the layer containing at least Ga, As, and Sb)} satisfies −0.2% or more and 0.2% or less. The semiconductor element according to any one of the above. 前記少なくともGa、As、Sbを含む層はGaAs1−xSb(以下、GaAsSb)であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体素子。 The semiconductor element according to claim 1, wherein the layer containing at least Ga, As, and Sb is GaAs 1-x Sb x (hereinafter, GaAsSb). 前記少なくともIn、Ga、Asを含む層はInGa1−yAs(以下、InGaAs)であることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体素子。 The semiconductor element according to claim 1, wherein the layer containing at least In, Ga, As is In y Ga 1-y As (hereinafter, InGaAs). 前記受光層が受光感度を有する最長波長が2.4μm以上であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体素子。   10. The semiconductor device according to claim 1, wherein a longest wavelength at which the light receiving layer has light receiving sensitivity is 2.4 μm or more. 11. 前記受光層の底面と、該受光層および前記InPコンタクト層を含む半導体層の上面との間に、再成長界面を持たないことを特徴とする、請求項4〜10のいずれか1項に記載の半導体素子。   11. The regrowth interface is not provided between the bottom surface of the light receiving layer and the top surface of the semiconductor layer including the light receiving layer and the InP contact layer. 11. Semiconductor element. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の半導体素子を受光素子に用いたことを特徴とする、光学センサ装置。   An optical sensor device using the semiconductor element according to claim 1 as a light receiving element. III―V族半導体基板上に形成された半導体素子の製造方法であって、
前記III―V族半導体基板の上に、タイプ2の多重量子井戸構造の受光層を形成する工程を備え、
前記多重量子井戸は少なくともGa、As、Sbを含む層と少なくともIn、Ga、Asを含む層により構成されており、
前記多重量子井戸構造の形成工程では、前記少なくともGa、As、Sbを含む層のSb組成x(atm.%)を44atm.%以上として、かつ、該Sb組成x(atm.%)と膜厚z(nm)とを、z≧−0.4x+24.6、を満たすようにすることを特徴とする、半導体素子の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device formed on a group III-V semiconductor substrate,
Forming a type 2 multiple quantum well structure light-receiving layer on the III-V semiconductor substrate;
The multiple quantum well is composed of a layer containing at least Ga, As, and Sb and a layer containing at least In, Ga, and As.
In the step of forming the multiple quantum well structure, the Sb composition x (atm.%) Of the layer containing at least Ga, As, and Sb is set to 44 atm. %, And the Sb composition x (atm.%) And the film thickness z (nm) satisfy z ≧ −0.4x + 24.6. .
前記III―V族半導体はInPであることを特徴とする、請求項13に記載の半導体素子の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein the III-V semiconductor is InP. 前記少なくともGa、As、Sbを含む層および少なくともIn、Ga、Asを含む層が歪補償構造を形成しており、前記少なくともGa、As、Sbを含む層のSb組成xを44atm.%から増やすとき、前記少なくともIn、Ga、Asを含む層のIn組成y(atm.%)を前記Sb組成xの1atm.%の増大分につき0.9倍〜1.2倍の割合で低下させるように成長させることを特徴とする、請求項13または14に記載の半導体素子の製造方法。   The layer containing at least Ga, As and Sb and the layer containing at least In, Ga and As form a strain compensation structure, and the Sb composition x of the layer containing at least Ga, As and Sb is 44 atm. %, The In composition y (atm.%) Of the layer containing at least In, Ga, As is 1 atm. Of the Sb composition x. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein the growth is performed such that the growth is reduced at a rate of 0.9 to 1.2 times per% increase. 前記多重量子井戸構造の上にInPコンタクト層を形成する工程を備えていることを特徴とする、請求項13〜15のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。   16. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13, further comprising a step of forming an InP contact layer on the multiple quantum well structure. 前記多重量子井戸構造における少なくともGa、As、Sbを含む層の膜厚z(nm)を、3nm以上として、Sb組成xに応じて、(a1)44atm.%≦x<56.8atm.%の範囲で、z<10nm、とし、(a2)56.8atm.%≦x≦68atm.%の範囲で、z<−0.625x+45.5、とすることを特徴とする、請求項13〜16のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。   The film thickness z (nm) of the layer containing at least Ga, As, and Sb in the multiple quantum well structure is set to 3 nm or more, and (a1) 44 atm. % ≦ x <56.8 atm. %, Z <10 nm, and (a2) 56.8 atm. % ≦ x ≦ 68 atm. The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 13, wherein z <−0.625x + 45.5 in a range of%. 前記多重量子井戸構造における少なくともGa、As、Sbを含む層の膜厚z(nm)を、3nm以上として、Sb組成xに応じて、(b1)44atm.%≦x<54.3atm.%の範囲で、z≦7nm、であり、(b2)54.3atm.%≦x≦68atm.%の範囲で、z≦−0.27x+21.7、とすることを特徴とする、請求項13〜16のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。   The film thickness z (nm) of the layer containing at least Ga, As, and Sb in the multiple quantum well structure is set to 3 nm or more, and (b1) 44 atm. % ≦ x <54.3 atm. %, Z ≦ 7 nm, and (b2) 54.3 atm. % ≦ x ≦ 68 atm. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein z ≦ −0.27x + 21.7 in a range of%. 前記多重量子井戸構造の形成工程において、少なくともIn、Ga、Asを含む層の格子不整合度をΔωとし、少なくともGa、As、Sbを含む層の格子不整合度をΔωとするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω={Σ(Δω×少なくともIn、Ga、Asを含む層の厚み+Δω×少なくともGa、As、Sbを含む層の厚み)}/{Σ(少なくともIn、Ga、Asを含む層の厚み+少なくともGa、As、Sbを含む層の厚み)}で定義されるΔωが−0.2%以上かつ0.2%以下を満たすように、形成することを特徴とする、請求項13〜18のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。 In the step of forming the multiple quantum well structure, when at least In, Ga, lattice mismatch of the layer containing As and [Delta] [omega 1, at least Ga, As, lattice mismatch of the layer containing Sb and [Delta] [omega 2, multiple quantum well structure entire lattice mismatch Δω = {Σ (Δω 1 × least in, Ga, thickness + [Delta] [omega 2 × least Ga layer comprising As, As, thickness of the layer containing Sb)} / {Σ (at least The thickness of the layer containing In, Ga, As and the thickness of the layer containing at least Ga, As, Sb)} is defined such that Δω satisfies −0.2% to 0.2%. The method for manufacturing a semiconductor element according to claim 13, wherein: 前記少なくともGa、As、Sbを含む層はGaAs1−xSb(以下、GaAsSb)であることを特徴とする、請求項13〜19のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。 20. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein the layer containing at least Ga, As, and Sb is GaAs 1-x Sb x (hereinafter, GaAsSb). 前記少なくともIn、Ga、Asを含む層はInGa1−yAs(以下、InGaAs)であることを特徴とする、請求項13〜20のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。 Wherein at least In, Ga, a layer containing As is In y Ga 1-y As (hereinafter, InGaAs) characterized in that it is a method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 13 to 20. 前記InP基板上に、前記多重量子井戸構造および前記InPコンタクト層を含む半導体層を、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13〜21のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。   The semiconductor layer including the multiple quantum well structure and the InP contact layer is continuously grown on the InP substrate by a total metal organic chemical vapor deposition method. 2. A method for producing a semiconductor element according to item 1. 前記多重量子井戸構造の形成工程では、温度400℃以上かつ560℃以下で、前記多重量子井戸構造を形成することを特徴とする、請求項13〜22のいずれか1項に記載の半導体素子の製造方法。
The semiconductor device according to any one of claims 13 to 22, wherein in the step of forming the multiple quantum well structure, the multiple quantum well structure is formed at a temperature of 400 ° C or higher and 560 ° C or lower. Production method.
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