JP2014216624A - エピタキシャルウエハ、その製造方法、半導体素子、および光学センサ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明のエピタキシャルウエハは、III−V族化合物半導体の基板と、基板の上に位置するIII−V族化合物半導体の多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造の上に位置するIII−V族化合物半導体の表層とを備え、基板の面方位が(100)であって、オフ角が0.00±0.03°の範囲内であり、かつ表層の表面で、二乗平均面粗さ(RMS:Root Mean Square)が10nm未満である。
【選択図】 図1
Description
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
1.エピタキシャルウエハ:
(1)本願発明の実施形態のエピタキシャルウエハは、III−V族化合物半導体の基板と、基板の上に位置するIII−V族化合物半導体の多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造の上に位置するIII−V族化合物半導体の表層とを備え、基板の面方位が(100)であって、オフ角が0.00±0.03°の範囲内であり、表層の表面で、二乗平均面粗さ(RMS:Root Mean Square)が10nm未満である。通常、III−V族化合物半導体の半導体素子の製造では、基板は(100)面からのオフ角の絶対値が0.05〜0.1°のものを用いる。すなわち本実施の形態における(100)面からのオフ角が0.00±0.03°の範囲は、通常のオフ角より、相当、小さい。いわゆるジャスト基板と呼んでもよい範囲である。通常、上記のように大きなオフ角をとるのは、オフ角の表面エネルギ等を考慮すると、熱力学的に、オフ角が大きいほうが他の層をエピタキシャル成長させやすいことに理由がある。しかし、エピタキシャル成長における成長速度等を重視しなければ、結晶性に関して、オフ角は本実施の形態のように小さいほうが好ましい。実績として、(100)面からのオフ角が絶対値で0.03°を超えると、表面の二乗平均面粗さRMSが10nm以上となり、各エピタキシャル層で良好な結晶性を確保することができない。また、この後説明する表層の表面に、凸部または凹部を適切な密度で形成することが難しくなる。このような実績を基に、本実施の形態では(100)面からのオフ角が絶対値で0.03°以内とする。このオフ角の範囲内であれば、オフの方向はどのような方向でもよい。
(i)表層の表面のRMSを10nm未満とするのは、表面のRMSは内部の結晶性をあらわす指標とみることができるからである。現に、RMSが10nm未満のエピタキシャルウエハを用いて受光素子を製造した場合、暗電流は低く抑えられるのに対して、RMSが10nm以上になると暗電流は好ましくないレベルに増大する。RMSのより一層好ましい範囲は7.5nm以下である。
(ii)RMS値の測定は、どのような装置を用いて測定してもよい。たとえば市販のAFM(原子間力顕微鏡:AFM:Atomic Force Microscopy)を用いて、そのRMS測定を指定してデータ(平均値)を得ることができる。この測定では、測定の範囲(縦横の長さ、面積など)はとくに限定せず、どのような範囲でもよい。たとえば10μm角の領域、もしくは100μm角の領域などの測定範囲での平均的なRMSを求めるのがよい。
上記の凸部または凹部は、一つの単位が、直径30μm程度以下であり、通常、直径10μm〜20μm程度である。高さもしくは深さは、詳細に測定していないが、数μm以下であり、高さもしくは深さは微小である。これらの凸部または凹部は、以下に説明する程度のあらわれ方であれば実害はないといってよい。むしろ結晶性は、実用上問題ないレベルにあることが担保される。一般的に、表面欠陥すなわち表面荒れや凹凸によって、エピタキシャル層の結晶性は劣化すると思われがちである。しかし、発明者らの調査によれば、これら凸部または凹部が所定の範囲で生じる限り、内部の結晶性の低下は生じない。すなわち凸部または凹部が所定の範囲で生じても、受光素子に用いた場合に暗電流は低いままであり、発光素子に用いた場合にも発光強度の低下を生じない。発光素子に用いた場合、凸部もしくは凹部の表面模様を形成することで、活性層から発光した光は、コンタクト層表面において全反射しにくくなり、エピタキシャル積層体もしくはコントクト層表面から外部へと放射しやすくなる。換言すると、光を取り出しやすくなり発光強度を向上させることができる。
多重量子井戸構造は、InxGa1−xAs(0.38≦x≦0.68)とGaAs1−ySby(0.36≦y≦0.62)とのペア、または、Ga1−uInuNvAs1−v(0.4≦u≦0.8、0<v≦0.2)とGaAs1−ySby(0.36≦y≦0.62)とのペア、で構成されるタイプ2の多重量子井戸構造とするのがよい。この多重量子井戸構造によって、受光素子の場合、波長2μm〜10μmの近赤外〜赤外域の光を高感度でかつ低暗電流で受光することができる。また発光素子の場合、上記の波長域の光を放射する発光素子を得ることができる。
発光素子の場合、少なくともInPという広いバンドギャップの層を表層に配置し、またボトム側に同様に広いバンドギャップのボトム層を設け、多重量子井戸構造を挟むことができる。発光素子の場合、これによってキャリアの漏れ出しを防止してLED(light Emitting diode)などの発光を促進することができる。また受光素子の場合、画素を形成するための電極、絶縁膜等を設ける場合の技術蓄積、もしくはプレーナ型受光素子の場合の選択拡散などのデータ、が豊富にあるので、受光素子および発光素子を安定して歩留まりよく製造することができる。
本発明の実施の形態例のエピタキシャルウエハを、プレーナ型受光素子の製造に用いる場合、多重量子井戸構造と、表層との間に、拡散濃度分布調整層を配置するのがよい。拡散濃度分布調整層は、必須ではないが、pn接合を多重量子井戸構造内に設けるために、表層から選択拡散によって不純物たとえばp型不純物の亜鉛(Zn)を導入する場合、過度に高濃度のZnが多重量子井戸構造内に導入されると多重量子井戸構造の結晶性が劣化する。このため、表層(窓層)の直下、多重量子井戸構造との間に拡散濃度分布調整層を配置する。そして、この拡散濃度分布調整層内で、選択拡散の入口である表層から続く高濃度が、多重量子井戸構造側の低濃度へと急峻に低下する遷移領域を配置するようにする。この拡散濃度分布調整層には、InPよりもバンドギャップが小さいInGaAs等を用いるのがよい。
上記のエピタキシャルウエハは、どのような半導体素子に用いてもよい。この半導体素子は、当然、エピタキシャルウエハにおける、基板と、多重量子井戸構造と、表層とを備えている。上述のLED等の発光素子もしくは受光素子に用いることができる。受光素子に用いた場合、その受光素子と読み出し回路とを組み合わせた光学センサ装置も対象となる。
本発明の実施の形態のエピタキシャルウエハの製造方法は、III−V族化合物半導体の基板の上に、III−V族化合物半導体の多重量子井戸構造を成長する工程と、多重量子井戸構造の上にIII−V族化合物半導体の表層を形成する工程とを備え、基板に、面方位が(100)で、オフ角0.00±0.03°の範囲内のものを用い、多重量子井戸構造の形成工程では、有機金属気相成長法(MOVPE)により、該多重量子井戸構造を、成長温度500℃以下で成長し、表層の表面に、凸部もしくは凹部を100個/cm2以上1×106個/cm2以下形成し、かつ該表層の表面のRMS値を10nm未満とする。これによって、上記のとおり、結晶性の良好な、多重量子井戸構造を含むエピタキシャル積層体を再現性よく、形成することができる。なお、成長温度は、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。
次に、本願発明の実施形態のエピタキシャルウエハ等の具体例を、図面を参照しながら説明する。なお、本願発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図されている。
(InP基板1/n型InGaAsバッファ層2/(InGaAsとGaAsSb)とのタイプ2のMQWによる受光層3/InGaAs拡散濃度分布調整層4/p型InP窓層5)
(InGaAs/GaAsSb)のペアからなるタイプ2のMQWは、組成はたとえばIn0.59Ga0.41AsとGaAs0.57Sb0.43とするが、目標とする波長域に応じて変えることができる。膜厚の組み合わせはとくに限定しないが、各層の厚み2nm〜6nmの範囲から適宜選ぶことができる。たとえば、(5nm/5nm)とするのがよい。ペア数は、タイプ2のMQWの受光層3とする場合、受光はMQWの各界面での電子の遷移により起きるので界面数すなわちペア数を多くしなければならず、150ぺア以上、たとえば250ペアとする。
(InP基板1/InPバッファ層2/In0.59Ga0.41AsとGaAs0.57Sb0.43とのタイプ2のMQW受光層3/InGaAs拡散濃度分布調整層4/InP窓層5)
この受光素子10は隣の画素Pとの間が不純物の拡散されていない領域で隔絶されるプレーナ型受光素子である。しかし、本実施の形態のエピタキシャルウエハ1aは機械的に溝で区切られたメサ型に用いてもよい。プレーナ型受光素子では、InP窓層5から拡散濃度分布調整層4にまでp型領域6が位置している。この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。隣のp型領域6とは、選択拡散されていない領域によって隔てられており、これによって、各画素Pは、互いに独立に受光情報を出力することができる。
(本実施の形態におけるポイント)
(1)エピタキシャルウエハ1aのInP窓層1の表面におけるRMS値が、10nm未満であること。
測定には、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscopy)などを用いるのがよい。図3は、図1に示すエピタキシャルウエハ1aの表面を、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscopy)70によって測定する状況を示す模式図である。AFM70では、カンチレバーホルダー72に保持されたカンチレバー71の先端に探針73が取り付けられ、試料表面の凹凸に応じてカンチレバー71の傾きを鋭敏に変化させる。このカンチレバー71の傾きの変化をレーザ光75によって探知することで、試料表面の凹凸情報をナノオーダーで検知することができる。試料表面のInP窓層5の表面の凹凸が測定され、RMS値として算出され、装置に自動表示される。このRMS値は、本発明では、10nm未満でなければならない。RMS値は、このあと説明する凸部または凹部と異なり、内部の結晶性を鋭敏に反映する。実際、凸部または凹部が100個/cm2以上1×106個/cm2以下の範囲内にあれば、RMS値は10nm未満の範囲にあり、結晶性は良好であり、暗電流は低く保たれる。
ただし、基板の方位が重要である。InP基板1の面方位は(100)で、オフ角が0.00±0.03°の範囲内でなければならない。従来から、III−V族化合物半導体の基板には、(100)面から0.05〜0.1°オフしたオフ基板を用いてきた。この理由は、オフ角の表面エネルギ、不可避的な表面欠陥等を考慮すると、大きなオフ角の表面には、熱力学的にエピタキシャル層を成長させやすいからである。しかし、大きな成長速度を保持しながらエピタキシャル層を成長することを重視するのでなければ、大きなオフ角は、結晶性低下の要因となるので用いるべきではない。本実施の形態では、大きなオフ角のオフ基板ではなく、面方位は(100)でオフ角が0.00±0.03°の範囲内の基板を用いる。オフ角の非常に小さい基板を用いることで、RMS値10nm未満を実現しやすくなる。その結果、結晶性の良好なエピタキシャル積層体を得ることが容易になる。
所定の条件が満たされると、エピタキシャル積層体の表層を構成するInP窓層5の表面に、直径30μm以下の、凸部または凹部が形成される。この凸部または凹部が100個/cm2以上1×106個/cm2以下の範囲内にあれば、エピタキシャル積層体の各層、たとえばタイプ2のMQW等の結晶性は良好である。むしろエピタキシャル積層体内の各層の結晶性が良好であることの証明のようにさえ見える。このような凸部もしくは凹部が形成される条件は、本実施の形態の繰り返しにより、はじめて把握された。しかし発生のメカニズムは不明であり、十分把握されているとはいえない。InP窓層5の表面における凸部または凹部について、現象的に分かっていることをまとめると次のようになる。
Claims (8)
- III−V族化合物半導体の基板と、
前記基板の上に位置するIII−V族化合物半導体の多重量子井戸構造と、
前記多重量子井戸構造の上に位置するIII−V族化合物半導体の表層とを備え、
前記基板の面方位が(100)であって、オフ角が0.00±0.03°の範囲内であり、
前記表層の表面で、二乗平均面粗さ(RMS:Root Mean Square)が10nm未満である、エピタキシャルウエハ。 - 前記表層の表面で、凸部または凹部が100個/cm2以上1×106個/cm2以下存在する、請求項1に記載のエピタキシャルウエハ。
- 前記多重量子井戸構造が、InxGa1−xAs(0.38≦x≦0.68)とGaAs1−ySby(0.36≦y≦0.62)とのペア、または、Ga1−uInuNvAs1−v(0.4≦u≦0.8、0<v≦0.2)とGaAs1−ySby(0.36≦y≦0.62)とのペア、で構成されるタイプ2の多重量子井戸構造である、請求項1または2に記載のエピタキシャルウエハ。
- 前記III−V族化合物半導体の表層がInP層である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のエピタキシャルウエハ。
- 請求項1に記載の前記エピタキシャルウエハにおける、前記基板と、前記多重量子井戸構造と、前記表層と、を備える、半導体素子。
- 請求項5における前記多重量子井戸構造が受光層であり、受光素子として用いる、半導体素子。
- 請求項6に記載の半導体素子と、読み出し回路とを備える、光学センサ装置。
- III−V族化合物半導体の基板に形成するエピタキシャルウエハの製造方法であって、
前記基板の上に、III−V族化合物半導体の多重量子井戸構造(MQW:Multi-Quantum Well)を成長する工程と、
前記多重量子井戸構造の上にIII−V族化合物半導体の表層を形成する工程とを備え、
前記基板に、面方位が(100)で、オフ角0.00±0.03°の範囲内のものを用い、
前記多重量子井戸構造の形成工程では、有機金属気相成長法(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)により、該多重量子井戸構造を、成長温度500℃以下で成長し、前記表層の表面に、凸部または凹部を100個/cm2以上1×106個/cm2以下形成し、かつ該表層の表面のRMS値を10nm未満とする、エピタキシャルウエハの製造方法。
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