JP2015149334A - 半導体積層体および半導体装置、ならびにそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた表面性状を有し、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を備えた半導体積層体および半導体装置、ならびにそれらの製造方法を提供する。
【解決手段】半導体積層体１０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板２０と、基板２０上に接触して配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるバッファ層３０と、を備えている。バッファ層３０を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＶ族元素としてＳｂを含んでいる。そして、バッファ層３０は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下のＡｓを含有する砒素含有領域を含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体積層体および半導体装置、ならびにそれらの製造方法に関し、より特定的にはＶ族元素としてＳｂ（アンチモン）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を備えた半導体積層体および半導体装置、ならびにそれらの製造方法に関するものである。

ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板上に、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を形成した構造を含む半導体積層体は、たとえば中赤外域の光に対応した受光素子などの半導体装置の製造に用いることができる。具体的には、たとえば上記半導体層をバッファ層とし、バッファ層上に受光層およびコンタクト層を形成し、さらに適切な電極を形成することにより、赤外線用の受光素子を得ることができる。そして、受光素子の性能に大きな影響を与える受光層の結晶性を優れたものとするためには、受光層の下地となるバッファ層の表面性状を優れたものとする必要がある。しかし、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層は、優れた表面性状を確保しつつ形成することが難しいという問題がある。

これに対し、主面を、所定の面方位を有する結晶面から傾けた基板、すなわちオフ基板を採用することにより、当該基板上に優れた表面性状を確保しつつＳｂを含む半導体層を形成する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。また、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）からなる基板上にＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）からなる半導体層を形成した場合には優れた結晶性を有する半導体層が得られるものの、半導体層のＳｂをＡｓ（砒素）などの他のＶ族元素で少しでも置換すると結晶性が劣化するとの記載を有する文献が存在する（たとえば、特許文献２参照）。このように、優れた表面性状を確保しつつＳｂを含む半導体層を形成する方策については、種々の検討がなされている。

特開２０１２−９７７７号公報 特開２０１２−２０９３５７号公報

上述のように、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を、優れた表面性状を確保しつつ形成することは、赤外線用の受光素子などの半導体装置の製造において、重要な課題の一つとなっている。

そこで、優れた表面性状を有し、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を備えた半導体積層体および半導体装置、ならびにそれらの製造方法を提供することを目的の１つとする。

本発明に従った半導体積層体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるベース層と、ベース層上に接触して配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と、を備えている。半導体層を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＶ族元素としてＳｂを含んでいる。そして、半導体層は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下のＡｓを含有する砒素含有領域を含んでいる。

本発明に従った半導体積層体の製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるベース層を準備する工程と、ベース層上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を形成する工程と、を備えている。半導体層を形成する工程では、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層が形成される。そして、半導体層を形成する工程では、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下のＡｓを含有する砒素含有領域を含むように、半導体層が形成される。

上記半導体積層体およびその製造方法によれば、優れた表面性状を有し、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を備えた半導体積層体およびその製造方法を提供することができる。

半導体積層体の構造の一例を示す概略断面図である。 Ａｓの分布状態の一例を示す概略断面図である。 Ａｓの分布状態の一例を示す概略断面図である。 Ａｓの分布状態の一例を示す概略断面図である。 Ａｓの分布状態の一例を示す概略断面図である。 Ａｓの分布状態の一例を示す概略断面図である。 受光素子の構造の一例を示す概略断面図である。 半導体積層体および受光素子の製造方法の概略を示すフローチャートである。 半導体積層体および受光素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である。 半導体積層体および受光素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である。 半導体積層体および受光素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である。 半導体積層体および受光素子の製造方法の一例を説明するための概略断面図である。 実施例の半導体層表面のＡＦＭ像である。 比較例の半導体層表面のＡＦＭ像である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の半導体積層体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるベース層と、ベース層上に接触して配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と、を備えている。半導体層を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＶ族元素としてＳｂを含んでいる。そして、半導体層は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下のＡｓを含有する砒素含有領域を含んでいる。

本発明者らは、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を、優れた表面性状を確保しつつ形成する方策について検討を行った。その結果、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を形成するに際して、濃度１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下のＡｓを導入しつつ当該半導体層を形成することにより、半導体層の平坦性、原子ステップの規則性、ピット状欠陥密度といった表面性状を優れたものとできることを見出した。Ａｓの導入により半導体層の表面性状が改善する理由は、たとえば以下のようなものが考えられる。

Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層が結晶成長するに際しては、Ｓｂが表面に偏析しやすい傾向にある。そのため、優れた表面性状を確保しつつ当該半導体層を成長させるためには、供給されるＩＩＩ族元素とＳｂを含むＶ族元素との比を厳密に制御する必要がある。この結晶成長の制御の困難性が、上記半導体層の表面性状の改善が難しい理由となっている。一方、Ａｓは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の結晶成長に際して、結晶中に取り込まれやすい。そのため、上記半導体層の形成に際してＡｓを導入することにより、Ｓｂの偏析およびこれに起因した結晶成長の制御の困難性が緩和され、上記半導体層の表面性状が改善されるものと考えられる。

本願の半導体積層体においては、半導体層は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下のＡｓを含有する砒素含有領域を含んでいる。その結果、半導体層において、砒素含有領域における結晶成長の制御の困難性が緩和され、半導体層の表面性状が改善される。以上のように、本願の半導体積層体によれば、優れた表面性状を有し、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を備えた半導体積層体を提供することができる。なお、上記半導体層においては、その一部が砒素含有領域であってもよいし、その全体が砒素含有領域であってもよい。また、ベース層は、たとえば基板であってもよいし、基板上に形成された層であってもよい。砒素含有領域のＡｓの濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３未満の場合、上記効果が十分に得られない。そのため、砒素含有領域のＡｓの濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３以上とされる。上記効果をより確実に得るためには、砒素含有領域のＡｓの濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３以上とすることが好ましい。一方、砒素含有領域のＡｓの濃度が１×１０^２１ｃｍ^−３を超えると、Ａｓを含有することによる格子定数の変化が大きくなり、半導体層における歪の発生などの問題を生じるおそれがある。そのため、砒素含有領域のＡｓの濃度は１×１０^２１ｃｍ^−３以下とされる。この問題をより確実に回避する観点からは、砒素含有領域のＡｓの濃度は１×１０^２０ｃｍ^−３未満とすることが好ましい。

上記半導体積層体においては、砒素含有領域の厚みは５０ｎｍ以上であってもよい。これにより、上記表面性状の改善効果をより確実に得ることができる。上記表面性状の改善効果をさらに確実に得るためには、砒素含有領域の厚みは１００ｎｍ以上であることが好ましい。

上記半導体積層体においては、半導体層とベース層とは、同一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっていてもよい。このようにすることにより、ベース層上に格子整合するように半導体層を形成することが容易となる。

上記半導体積層体において、砒素含有領域の厚みは８００ｎｍ以下であってもよい。半導体層とベース層とを同一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるものとした場合、砒素含有領域の厚みを８００ｎｍ以下とすることにより、砒素含有領域とベース層との格子定数の違いに起因した半導体層における歪の発生を、許容可能な範囲に抑制することができる。この歪をより低減するためには、砒素含有領域の厚みは５００ｎｍ以下とすることが好ましく、４００ｎｍ以下とすることがより好ましい。

上記半導体積層体において、砒素含有領域は、ベース層に接触して配置されていてもよい。このようにすることにより、結晶成長の制御が困難な半導体層の成長開始時点から、結晶成長の制御の困難性が緩和される。

上記半導体積層体においては、ベース層の、半導体層との界面を含む領域には、酸化被膜が形成されていてもよい。酸化被膜が形成されたベース層上に上記半導体層を成長させる場合、半導体層の２次元成長が阻害されるため、半導体層の表面性状を良好なものとすることは特に困難である。しかし、砒素含有領域をベース層に接触するように配置することにより、半導体層の表面性状を良好なものとすることが容易となる。

上記半導体積層体においては、上記半導体層を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＧａＳｂであってもよい。ＧａＳｂは、たとえば中赤外域の光に対応した受光素子のバッファ層を構成する材料として好適である。そのため、上記半導体層をＧａＳｂからなるものとすることにより、中赤外域の光に対応した受光素子の製造に適した半導体積層体を得ることができる。

上記半導体積層体においては、半導体層上に配置された量子井戸構造をさらに備えていてもよい。この量子井戸構造は、たとえば受光素子の受光層として利用可能であり、特に優れた界面急峻性が要求される。そのため、このようにすることにより、受光素子の製造に使用可能な半導体積層体を得ることができる。量子井戸構造は、たとえばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるものとすることができる。

上記半導体積層体においては、上記半導体層は有機金属気相成長法により形成されていてもよい。有機金属気相成長法は、たとえばＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法に比べて結晶成長の温度が高いため、高温で取り込まれにくいＳｂをＶ族元素として含む半導体層の表面性状の改善が難しい。半導体層が砒素含有領域を含む本願の半導体積層体においては、このような場合でも、半導体層の表面性状の改善が可能である。

本願の半導体装置は、上記半導体積層体と、半導体積層体上に形成された電極と、を備えている。本願の半導体装置は、表面性状に優れた半導体層を有する上記半導体積層体を含んでいる。そのため、本願の半導体装置によれば、高性能な半導体装置を得ることができる。

本願の半導体積層体の製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるベース層を準備する工程と、ベース層上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を形成する工程と、を備えている。半導体層を形成する工程では、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層が形成される。そして、半導体層を形成する工程では、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下のＡｓを含有する砒素含有領域を含むように、半導体層が形成される。

本願の半導体積層体の製造方法においては、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層が、砒素含有領域を含むように形成される。そのため、本願の半導体積層体の製造方法によれば、優れた表面性状を有し、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を備えた半導体積層体を製造することができる。

本願の半導体装置の製造方法は、上記本願の半導体積層体の製造方法により製造された半導体積層体を準備する工程と、半導体積層体上に電極を形成する工程と、を備えている。本願の半導体装置の製造方法では、表面性状に優れた半導体層を有する半導体積層体上に電極が形成されて半導体装置が製造される。そのため、本願の半導体装置の製造方法によれば、高性能な半導体装置を製造することができる。

［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本発明にかかる半導体積層体の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１を参照して、本実施の形態における半導体積層体１０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるベース層としての基板２０と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層としてのバッファ層３０と、量子井戸構造４０と、コンタクト層５０とを備えている。

基板２０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっている。また、基板２０の直径は５０ｍｍ以上であり、たとえば３インチである。基板２０を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、たとえばＧａＳｂ（ガリウムアンチモン）、ＩｎＡｓ（インジウム砒素）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＩｎＰ（インジウムリン）などを採用することができる。これらのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板２０を採用することにより、中赤外光用の受光素子の製造に適した半導体積層体１０を得ることができる。基板２０の直径は、半導体積層体１０を用いた半導体装置の生産効率および歩留りの向上を目的として、８０ｍｍ以上（たとえば４インチ）とすることができ、さらに１０５ｍｍ以上（たとえば５インチ）、さらに１３０ｍｍ以上（たとえば６インチ）とすることができる。

バッファ層３０は、基板２０の一方の主面２０Ａ上に接触するように配置された半導体層である。バッファ層３０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっている。バッファ層３０を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ｖ族元素としてＳｂを含んでいる。バッファ層３０を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、たとえばＧａＳｂ（ガリウムアンチモン）、ＡｌＳｂ（アルミニウムアンチモン）、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）といった２元系、およびＧａＩｎＳｂ（ガリウムインジウムアンチモン）、ＡｌＩｎＳｂ（アルミニウムインジウムアンチモン）、ＡｌＧａＳｂ（アルミニウムガリウムアンチモン）といった３元系の材料などを採用することができる。具体的には、たとえば導電型がｐ型であるＧａＳｂ（ｐ−ＧａＳｂ）が、バッファ層３０を構成する化合物半導体として採用される。バッファ層３０に含まれるｐ型不純物としては、たとえばＺｎ（亜鉛）、Ｃ（炭素）、Ｂｅ（ベリリウム）などを採用することができる。そして、バッファ層３０は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下のＡｓを含有する砒素含有領域を含んでいる。この砒素含有領域の詳細について、図２〜図６を参照して以下に説明する。

図２〜図６は、半導体積層体１０のうち、基板２０およびバッファ層３０について示したものである。図２〜図６において、バッファ層３０内のドットの分布は、バッファ層３０内のＡｓの分布を模式的に示したものである。図２に示すように、バッファ層３０の全域が砒素含有領域３１であってもよい。このとき、砒素含有領域３１内のＡｓの分布は、図２のように一様であってもよいし、図３に示すように濃淡を有していてもよい。具体的には、たとえば図３に示すように、砒素含有領域３１内においてＡｓは基板２０の主面２０Ａから離れるにしたがって低濃度となるように分布していてもよい。

一方、バッファ層３０内の一部が砒素含有領域３１であってもよい。具体的には、たとえば図４に示すように、砒素含有領域３１は、ベース層としての基板２０の主面２０Ａに接触するように配置され、砒素含有領域３１以外のバッファ層３０内の領域は、Ａｓの濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３未満である砒素フリー領域３２とすることができる。砒素フリー領域３２内のＡｓは、製造上不可避な濃度レベル、すなわち実質的に含まれない濃度レベルとすることができる。図２〜図４に示すように砒素含有領域３１がベース層としての基板２０の主面２０Ａに接触するように配置されることにより、結晶成長の制御が困難なバッファ層３０の成長開始時点から、結晶成長の制御の困難性が緩和される。また、図３、図４に示すようにＡｓの濃度が低い領域を設けることにより、砒素含有領域３１の格子定数の変化による歪の発生を、許容可能な範囲に抑制することができる。

また、図２〜図４を参照して、半導体積層体１０においては、ベース層としての基板２０の、バッファ層３０との界面である主面２０Ａを含む領域には、酸化被膜２１が形成されていてもよい。酸化被膜２１が形成された基板２０上にバッファ層３０を成長させる場合、バッファ層３０の表面性状を良好なものとすることは特に困難である。しかし、図２〜図４に示すように、砒素含有領域３１を基板２０に接触するように配置することにより、バッファ層３０の主面３０Ａの表面性状を良好なものとすることが容易となる。具体的には、界面における酸素の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下の範囲にあっても、バッファ層３０の表面性状を良好なものとすることができる。

また、図５に示すように、砒素含有領域３１が、砒素フリー領域３２に挟まれるように配置されてもよい。さらに、砒素含有領域３１を含むバッファ層３０の土台となるベース層は必ずしも基板である必要はなく、図６に示すように、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるベースバッファ層６０であってもよい。すなわち、図６を参照して、半導体積層体１０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板２０と、基板２０の主面２０Ａ上に接触して配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるベースバッファ層６０と、ベースバッファ層６０の主面６０Ａ上に接触して配置され、砒素含有領域３１を含むバッファ層３０とを備えたものであってもよい。つまり、ベース層は基板であってもよいし、基板上に形成された層であってもよい。

図１を参照して、量子井戸構造４０は、バッファ層３０の、基板２０に面する側とは反対側の主面３０Ａ上に接触するように配置されている。量子井戸構造４０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる２つの要素層が交互に積層された構造を有している。より具体的には、量子井戸構造４０は、第１要素層４１と第２要素層４２とが交互に積層された構造を有している。第１要素層４１を構成する材料としては、たとえばＩｎＡｓを採用することができる。また、第２要素層４２を構成する材料としては、たとえばＧａＳｂを採用することができる。半導体積層体１０を受光素子の製造に使用する場合、量子井戸構造４０の厚みは５００ｎｍ以上とすることが好ましい。これにより、半導体積層体１０を用いて製造される受光素子の受光感度を向上させることができる。

第１要素層４１および第２要素層４２の厚みは、たとえばそれぞれ３ｎｍとすることができる。そして、量子井戸構造４０は、第１要素層４１と第２要素層４２とからなる単位構造が、たとえば１００組積層されたものとすることができる。すなわち、量子井戸構造４０の厚みは、たとえば６００ｎｍとすることができる。量子井戸構造４０は、このような構造を有するタイプＩＩ量子井戸とすることができる。

ＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層とが交互に積層された構造を有する量子井戸構造４０は、中赤外光用の受光層として好適である。そのため、このような構造を採用することにより、半導体積層体１０を、中赤外光用の受光素子の製造に適したものとすることができる。なお、第１要素層４１および第２要素層４２を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の組み合わせはこれに限られず、たとえばＧａＳｂ（ガリウムアンチモン）とＩｎＡｓＳｂ（インジウム砒素アンチモン）との組み合わせ、ＧａＩｎＳｂ（ガリウムインジウムアンチモン）とＩｎＡｓ（インジウム砒素）との組み合わせなどであってもよい。また、量子井戸構造４０の歪を補償するために、量子井戸構造４０を構成する単位構造を、第１要素層４１および第２要素層４２に歪補償層を加えたものとしてもよい。歪補償層には、たとえばＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）層、ＩｎＳｂＡｓ（インジウムアンチモン砒素）層、ＧａＩｎＳｂ（ガリウムインジウムアンチモン）層などを採用することができる。さらに、受光層は量子井戸構造に限られず、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）層、ＩｎＡｓ（インジウム砒素）層、ＧａＩｎＳｂ（ガリウムインジウムアンチモン）層、ＡｌＩｎＳｂ（アルミニウムインジウムアンチモン）層といった単一の層から成るものとしてもよい。

図１を参照して、コンタクト層５０は、量子井戸構造４０の、バッファ層３０に面する側とは反対側の主面４０Ａ上に接触するように配置されている。コンタクト層５０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっている。

コンタクト層５０を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、たとえばＩｎＡｓ（インジウム砒素）、ＧａＳｂ（ガリウムアンチモン）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＩｎＰ（インジウムリン）、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）などを採用することができる。具体的には、たとえば導電型がｎ型であるＩｎＡｓ（ｎ−ＩｎＡｓ）が、コンタクト層５０を構成する化合物半導体として採用される。コンタクト層５０に含まれるｎ型不純物としては、たとえばＳｉ（珪素）、Ｔｅ（テルル）などを採用することができる。

本実施の形態の半導体積層体１０においては、バッファ層３０は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下のＡｓを含有する砒素含有領域３１を含んでいる。そのため、バッファ層３０において、砒素含有領域３１における結晶成長の制御の困難性が緩和され、バッファ層３０の表面性状が改善される。その結果、本実施の形態における半導体積層体１０によれば、優れた表面性状の主面３０Ａを有し、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるバッファ層３０を備えた半導体積層体１０を得ることができる。Ａｓの濃度が１×１０^２１ｃｍ^−３を超える場合、砒素含有領域３１の格子定数の変化による歪の発生が、半導体積層体１０を用いて製造される半導体装置の特性に悪影響を及ぼす恐れが生じる。

また、砒素含有領域３１の厚みは５０ｎｍ以上とすることが好ましい。これにより、バッファ層３０の表面性状の改善効果をより確実に得ることができる。

さらに、バッファ層３０と、ベース層としての基板２０（またはベース層としてのベースバッファ層６０）とは、同一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるものとすることができる。このようにすることにより、基板２０（またはベースバッファ層６０）上に格子整合するようにバッファ層３０を形成することが容易となる。

また、砒素含有領域３１の厚みは８００ｎｍ以下とすることができる。バッファ層３０と基板２０（またはベースバッファ層６０）とを同一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるものとした場合、砒素含有領域３１の厚みを８００ｎｍ以下とすることにより、砒素含有領域３１と基板２０（またはベースバッファ層６０）との格子定数の違いに起因したバッファ層３０における歪の発生を、許容可能な範囲に抑制することができる。

さらに、バッファ層３０を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＧａＳｂであってもよい。これにより、中赤外域の光に対応した受光素子の製造に適した半導体積層体１０を得ることができる。

また、バッファ層３０は有機金属気相成長法により形成されていてもよい。結晶成長の温度が高い有機金属気相成長法によりバッファ層３０が形成された場合でも、本実施の形態のバッファ層３０は砒素含有領域３１を含むため、優れた表面性状を確保することができる。

次に、上記半導体積層体１０を用いて作製される半導体装置の一例である赤外線受光素子（フォトダイオード）について説明する。図７を参照して、本実施の形態における赤外線受光素子１は、上記本実施の形態の半導体積層体１０を用いて作製されたものであって、半導体積層体１０と同様に積層された基板２０と、バッファ層３０と、量子井戸構造４０と、コンタクト層５０とを備えている。そして、赤外線受光素子１には、コンタクト層５０および量子井戸構造４０を貫通し、バッファ層３０に到達するトレンチ９９が形成されている。すなわち、トレンチ９９の側壁９９Ａにおいて、コンタクト層５０および量子井戸構造４０が露出している。また、トレンチ９９の底壁９９Ｂは、バッファ層３０内に位置している。

さらに、赤外線受光素子１は、パッシベーション膜８０と、ｐ側電極９１と、ｎ側電極９２とを備えている。パッシベーション膜８０はトレンチ９９の底壁９９Ｂ、トレンチ９９の側壁９９Ａおよびコンタクト層５０において量子井戸構造４０に面する側とは反対側の主面５０Ａを覆うように配置されている。パッシベーション膜８０は、窒化珪素、酸化珪素などの絶縁体からなっている。

トレンチ９９の底壁９９Ｂを覆うパッシベーション膜８０には、パッシベーション膜８０を厚み方向に貫通するように開口部８１が形成されている。そして、開口部８１を充填するようにｐ側電極９１が配置されている。ｐ側電極９１は、開口部８１から露出するバッファ層３０に接触するように配置されている。ｐ側電極９１は金属などの導電体からなっている。より具体的には、ｐ側電極９１は、たとえばＴｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）からなるものとすることができる。ｐ側電極９１は、バッファ層３０に対してオーミック接触している。

コンタクト層５０の主面５０Ａを覆うパッシベーション膜８０には、パッシベーション膜８０を厚み方向に貫通するように開口部８２が形成されている。そして、開口部８２を充填するようにｎ側電極９２が配置されている。ｎ側電極９２は、開口部８２から露出するコンタクト層５０に接触するように配置されている。ｎ側電極９２は金属などの導電体からなっている。より具体的には、ｎ側電極９２は、たとえばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるものとすることができる。ｎ側電極９２は、コンタクト層５０に対してオーミック接触している。

この赤外線受光素子１に赤外線が入射すると、量子井戸構造４０内の量子準位間で赤外線が吸収され、電子と正孔とのペアが生成する。そして、生成した電子と正孔とが光電流信号として赤外線受光素子１から取り出されることにより、赤外線が検出される。

なお、上記ｎ側電極９２は画素電極である。そして、上記赤外線受光素子１は、図７に示すように画素電極であるｎ側電極９２が１つだけ含まれるものであってもよいし、複数の画素電極（ｎ側電極９２）を含むものであってもよい。具体的には、赤外線受光素子１は、図７に示す構造を単位構造とし、当該単位構造が、図７において基板２０の主面２０Ａが延在する方向に複数繰り返される構造を有していてもよい。この場合、赤外線受光素子１は、画素に対応する複数のｎ側電極９２を有する一方で、ｐ側電極９１については１つだけ配置される。

本実施の形態の赤外線受光素子１は、優れた表面性状を有するバッファ層３０上に受光層である量子井戸構造４０が形成された構造を有している。そのため、赤外線受光素子１は、量子井戸構造４０内の界面急峻性といった周期構造の出来栄えが良好なものになるとともに欠陥密度が低減されることにより優れた受光特性を有するものとなる。

次に、本実施の形態における半導体積層体１０および赤外線受光素子１の製造方法の概要について説明する。

図８を参照して、本実施の形態における半導体積層体１０および赤外線受光素子１の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として基板準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図９を参照して、たとえば直径２インチ（５０．８ｍｍ）のＧａＳｂからなる基板２０が準備される。より具体的には、ＧａＳｂからなるインゴットをスライスすることにより、ＧａＳｂからなる基板２０が得られる。この基板２０の表面が研磨された後、洗浄等のプロセスを経て主面２０Ａの平坦性および清浄性が確保された基板２０が準備される。

次に、工程（Ｓ２０）として動作層形成工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において準備された基板２０の主面２０Ａ上に、動作層であるバッファ層３０、量子井戸構造４０およびコンタクト層５０が形成される。この動作層の形成は、たとえば有機金属気相成長により実施することができる。有機金属気相成長による動作層の形成は、たとえば基板加熱用のヒータを備えた回転テーブル上に基板２０を載置し、基板２０をヒータにより加熱しつつ基板上に原料ガスを供給することにより実施することができる。

具体的には、図９を参照して、まず基板２０の主面２０Ａ上に接触するように、たとえばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（Ｖ族元素がＳｂであるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）であるｐ−ＧａＳｂからなるバッファ層３０が有機金属気相成長により形成される。ｐ−ＧａＳｂからなるバッファ層３０の形成では、Ｇａの原料としてたとえばＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）などを用いることができ、Ｓｂの原料としてたとえばＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）、ＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）、ＴＩＰＳｂ（トリイソプロピルアンチモン）、ＴＤＭＡＳｂ（トリジメチルアミノアンチモン）、ＴＴＢＳｂ（トリターシャリーブチルアンチモン）などを用いることができる。また、ｐ型不純物としてＣを添加する場合、たとえばＣＢｒ_４（四臭化炭素）、ＣＣｌ_４（四塩化炭素）などを原料ガスに添加することができる。

ここで、バッファ層３０を形成する工程では、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下のＡｓを含有する砒素含有領域３１を含むように、バッファ層３０が形成される。具体的には、バッファ層３０の形成に際し、所望の濃度分布（たとえば図２〜図５参照）となるようにＡｓが導入される。Ａｓの導入は、たとえばＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）、ＴＭＡｓ（トリメチル砒素）などを原料ガスに添加することにより実施することができる。

次に、図９および図１０を参照して、バッファ層３０の、基板２０に面する側とは反対側の主面３０Ａ上に接触するように、たとえばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＩｎＡｓからなる第１要素層４１と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＳｂからなる第２要素層４２とが交互に積層して形成されることにより、量子井戸構造４０が形成される。量子井戸構造４０の形成は、上記バッファ層３０の形成に引き続いて有機金属気相成長により実施することができる。すなわち、量子井戸構造４０の形成は、バッファ層３０の形成の際に用いた装置内に基板２０を配置した状態で、原料ガスを変更することにより実施することができる。

ＩｎＡｓからなる第１要素層４１の形成では、Ｉｎの原料としてたとえばＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）などを用いることができ、Ａｓの原料としてはたとえばＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）、ＴＭＡｓ（トリメチル砒素）などを用いることができる。第１要素層４１および第２要素層４２は、たとえばそれぞれ厚み３ｎｍとし、第１要素層４１と第２要素層４２とからなる単位構造が、たとえば１００組積層するように形成することができる。これにより、タイプＩＩ量子井戸である量子井戸構造４０を形成することができる。

次に、図１０および図１を参照して、量子井戸構造４０の、バッファ層３０に面する側とは反対側の主面４０Ａ上に接触するように、たとえばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるｎ−ＩｎＡｓからなるコンタクト層５０が形成される。コンタクト層５０の形成は、上記量子井戸構造４０の形成に引き続いて有機金属気相成長により実施することができる。すなわち、コンタクト層５０の形成は、量子井戸構造４０の形成の際に用いた装置内に基板２０を配置した状態で、原料ガスを変更することにより実施することができる。ｎ型不純物としてＳｉを添加する場合、たとえばＴｅＥＳｉ（テトラエチルシラン）を原料ガスに添加することができる。

以上の手順により、本実施の形態における半導体積層体１０が完成する。上述のように、工程（Ｓ２０）を有機金属気相成長により実施することにより、半導体積層体１０の生産効率を向上させることができる。なお、工程（Ｓ２０）は有機金属原料のみを用いた有機金属気相成長法に限られず、たとえばＡｓの原料にＡｓＨ_３（アルシン）、Ｓｉの原料にＳｉＨ_４（シラン）などの水素化物を用いた有機金属気相成長法で実施してもよい。また、有機金属気相成長以外の方法により実施することも可能であって、たとえばＭＢＥ法を用いてもよい。

次に、図８を参照して、工程（Ｓ３０）としてトレンチ形成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図１および図１１を参照して、上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ２０）において作製された半導体積層体１０に、コンタクト層５０および量子井戸構造４０を貫通し、バッファ層３０に到達するトレンチ９９が形成される。トレンチ９９は、たとえばコンタクト層５０の主面５０Ａ上にトレンチ９９の形状に対応する開口を有するマスク層を形成した上で、エッチングを実施することにより形成することができる。

次に、工程（Ｓ４０）としてパッシベーション膜形成工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図１１および図１２を参照して、工程（Ｓ３０）においてトレンチ９９が形成された半導体積層体１０に対し、パッシベーション膜８０が形成される。具体的には、たとえばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により酸化珪素、窒化珪素などの絶縁体からなるパッシベーション膜８０が形成される。パッシベーション膜８０は、トレンチ９９の底壁９９Ｂ、トレンチ９９の側壁９９Ａおよびコンタクト層５０において量子井戸構造４０に面する側とは反対側の主面５０Ａを覆うように形成される。

次に、工程（Ｓ５０）として電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、図１２および図７を参照して、工程（Ｓ４０）においてパッシベーション膜８０が形成された半導体積層体１０に、ｐ側電極９１およびｎ側電極９２が形成される。具体的には、たとえばｐ側電極９１およびｎ側電極９２を形成すべき領域に対応する位置に開口を有するマスクをパッシベーション膜８０上に形成し、当該マスクを用いてパッシベーション膜８０に開口部８１，８２を形成する。その後、たとえば蒸着法により適切な導電体からなるｐ側電極９１およびｎ側電極９２を形成する。以上の工程により、本実施の形態における赤外線受光素子１が完成する。その後、たとえばダイシングにより各素子に分離される。

Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層に砒素含有領域を形成することの効果を確認する実験を行った。実験の手順は以下の通りである。

ＧａＳｂからなる基板を準備し、当該基板上にＧａＳｂからなる半導体層を有機金属気相成長法により形成することにより試料を作製した。このとき、半導体層には、その全域に６×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でＡｓを導入した（実施例）。一方、比較のため、半導体層に導入するＡｓの濃度を３×１０^１７ｃｍ^−３とした試料も作製した（比較例）。そして、得られた試料の半導体層の表面性状をＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により確認した。得られたＡＦＭ像を図１３および図１４に示す。

図１４を参照して、Ａｓの濃度が本願の範囲外である比較例の試料においては、原子ステップの方向が揃っておらず、良好なステップフロー成長が達成されなかったことが分かる。このように、比較例の試料の表面性状は良好であるとはいえない。これに対し、図１３を参照して、Ａｓの濃度が本願の範囲内である実施例の試料においては、良好なステップフロー成長により、良好な表面性状が得られていることが分かる。このような良好なステップフロー成長を達成することにより、半導体層の表面の二乗平均平方根粗さ（ＲＭＳ）を、例えば１０μｍ×１０μｍの範囲で１ｎｍ以下、２μｍ×２μｍの範囲で０．５ｎｍ以下とすることができる。

以上の実験結果から、本発明に従った半導体積層体および半導体装置によれば、優れた表面性状を有し、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を備えた半導体積層体および半導体装置が得られることが確認される。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、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る。

本願の半導体積層体および半導体装置、ならびにそれらの製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるベース層と、ベース層上に接触して配置され、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層とを備えた半導体積層体および半導体装置、ならびにそれらの製造方法に、特に有利に適用され得る。

１ 赤外線受光素子
１０ 半導体積層体
２０ 基板
２０Ａ 主面
２１ 酸化被膜
３０ バッファ層
３０Ａ 主面
３１ 砒素含有領域
３２ 砒素フリー領域
４０ 量子井戸構造
４０Ａ 主面
４１ 第１要素層
４２ 第２要素層
５０ コンタクト層
５０Ａ 主面
６０ ベースバッファ層
６０Ａ 主面
８０ パッシベーション膜
８１，８２ 開口部
９１ ｐ側電極
９２ ｎ側電極
９９ トレンチ
９９Ａ 側壁
９９Ｂ 底壁

Claims (12)

1. ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるベース層と、
   前記ベース層上に接触して配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と、を備え、
   前記半導体層を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＶ族元素としてＳｂを含んでおり、
   前記半導体層は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下のＡｓを含有する砒素含有領域を含んでいる、半導体積層体。
2. 前記砒素含有領域の厚みは５０ｎｍ以上である、請求項１に記載の半導体積層体。
3. 前記半導体層と前記ベース層とは、同一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっている、請求項１または２に記載の半導体積層体。
4. 前記砒素含有領域の厚みは８００ｎｍ以下である、請求項３に記載の半導体積層体。
5. 前記砒素含有領域は、前記ベース層に接触して配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体積層体。
6. 前記ベース層の、前記半導体層との界面を含む領域には、酸化被膜が形成されている、請求項５に記載の半導体積層体。
7. 前記半導体層を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＧａＳｂである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体積層体。
8. 前記半導体層上に配置された量子井戸構造をさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体積層体。
9. 前記半導体層は有機金属気相成長法により形成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体積層体。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体積層体と、
    前記半導体積層体上に形成された電極と、を備える、半導体装置。
11. ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるベース層を準備する工程と、
    前記ベース層上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を形成する工程と、を備え、
    前記半導体層を形成する工程では、Ｖ族元素としてＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる前記半導体層が形成され、
    前記半導体層を形成する工程では、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下のＡｓを含有する砒素含有領域を含むように、前記半導体層が形成される、半導体積層体の製造方法。
12. 請求項１１に記載の半導体積層体の製造方法により製造された半導体積層体を準備する工程と、
    前記半導体積層体上に電極を形成する工程と、を備える、半導体装置の製造方法。