JP2015211053A - 半導体積層体および受光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】受光素子の十分な感度を確保しつつ消費電力を低減することを可能とする半導体積層体および受光素子を提供する。
【解決手段】半導体積層体１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板２０と、基板２０上に配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層３０，４０，５０と、を備える。基板２０の、多数キャリアを生成する不純物の濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下であり、当該不純物の活性化率は３０％以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体積層体および受光素子に関し、より特定的にはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板を備えた半導体積層体および受光素子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ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる動作層を形成することにより、赤外光に対応した受光素子を得ることができる。そのため、たとえば通信用、生体検査用、夜間撮像用などの受光素子の開発を目的として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板および動作層を備えた受光素子について、種々の検討がなされている。たとえば、ＩｎＰ（インジウムリン）基板上にＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）層とＧａＡｓＳｂ（ガリウム砒素アンチモン）層との組み合わせからなるタイプＩＩ量子井戸構造を受光層として形成し、カットオフ波長２．３９μｍの受光素子であるフォトダイオードを作製すること等についての報告がある（たとえば、非特許文献１参照）。また、ＩｎＰ基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層を形成した受光素子において、基板の光透過率の向上や受光素子の暗電流の低減を達成することを目的として、基板のキャリア濃度を所定の範囲とすることが提案されている（たとえば、特許文献１〜３参照）。
特開平２−２４４７７１号公報 特開平４−２５５２７４号公報 特開平１０−２６１８１３号公報
Ｒ．Ｓｉｄｈｕ，ｅｔ ａｌ．、"Ａ ２．３μｍ ＣＵＴＯＦＦ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＰＨＯＴＯＤＩＯＤＥ ＯＮ ＩｎＰ ＵＳＩＮＧ ＬＡＴＴＩＣＥ−ＭＡＴＣＨＥＤ ＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓＳｂ ＴＹＰＥ−ＩＩ ＱＵＡＮＴＵＭ ＷＥＬＬＳ"、２００５ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、ｐ．１４８−１５１
近年、上記受光素子に対しては、感度の向上や消費電力の低減などの要求がある。しかし、上述のようなキャリア濃度を規定する対応では、十分な感度を確保しつつ消費電力を低減することが難しい場合がある。
そこで、受光素子の十分な感度を確保しつつ消費電力を低減することを可能とする半導体積層体および受光素子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基板と、当該基板上に配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と、を備えている。そして、上記基板の、多数キャリアを生成する不純物の濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下であり、当該不純物の活性化率は３０％以上である。
上記半導体積層体によれば、受光素子の十分な感度を確保しつつ消費電力を低減することを可能とする半導体積層体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。 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。 実験用素子の構造を示す概略断面図である。 多数キャリアを生成する不純物の濃度と消費電力との関係を示す図である。
［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基板と、当該基板上に配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と、を備えている。そして、上記基板の、多数キャリアを生成する不純物（多数キャリアを生成させるために添加される不純物）の濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下であり、当該不純物の活性化率は３０％以上である。
本発明者らは、受光素子に十分な感度を付与しつつ消費電力を低減する方策について検討を行い、以下のような知見を得た。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる動作層としての半導体層を形成した構造を有し、キャリアが基板の厚み方向に移動することにより光を検出する受光素子においては、基板のキャリア濃度が消費電力に大きな影響を及ぼす。すなわち、基板のキャリア濃度（多数キャリアの濃度）を高くすることにより、受光素子の消費電力を低減することができる。一方、基板のキャリア濃度を高くすると、受光素子の感度が低下する。これは、キャリア濃度を高くすることにより、基板における自由キャリア吸収が大きくなるためである。そうすると、基板のキャリア濃度を適切に調整することにより、十分な感度を確保しつつ消費電力を低減することが可能であるとも考えられる。
しかし、本発明者らの検討によれば、基板のキャリア濃度が同等であっても、受光素子の感度にばらつきがある。具体的には、基板のキャリア濃度が同等であっても、基板内の多数キャリアを生成する不純物の活性化率が低い場合、受光素子の感度は低下する。また、基板の多数キャリアを生成する不純物の濃度が同等であっても、受光素子の感度にばらつきがある。具体的には、基板の多数キャリアを生成する不純物の濃度が同等であっても、基板内の多数キャリアを生成する不純物の活性化率が低い場合、受光素子の感度は低下する。この理由は、たとえば以下のようなものが考えられる。活性化率が低い場合、同等のキャリア濃度を得るために高い不純物濃度が必要となる。そして、不純物濃度が高くなることにより自由キャリア吸収が大きくなる。さらに、活性化していない不純物原子は結晶中において適切な場所に位置しない。そのため、基板の多数キャリアを生成する不純物の濃度が同等であっても活性化率が低い場合、基板の結晶性が低下し、受光素子の感度がさらに低下する。つまり、受光素子に十分な感度を付与しつつ消費電力を低減するためには、基板の多数キャリアを生成する不純物濃度を消費電力の低減が可能なキャリア濃度を確保できる程度に設定するとともに、活性化率を所定値以上に設定して感度低下の原因となる活性化していない不純物を低減することが重要であるといえる。
本願の半導体積層体においては、基板の、多数キャリアを生成する不純物の濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下であり、当該不純物の活性化率は３０％以上とされる。ここで、この数値範囲設定の理由は以下の通りである。消費電力を許容可能な範囲とするためには、多数キャリアを生成する不純物の濃度を１×１０１７ｃｍ−３以上とする必要がある。一方、不純物濃度が２×１０２０ｃｍ−３を超えると、活性化率が高い場合でも活性化していない不純物の濃度が高くなって感度が低下する。そのため、基板の不純物濃度は２×１０２０ｃｍ−３以下とする必要がある。そして、多数キャリアを生成する不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下の場合、多数キャリアを生成する不純物の活性化率が３０％未満では、活性化していない不純物の濃度が高くなって感度が低下する。そのため、不純物の活性化率は３０％以上とする必要がある。本願の半導体積層体では、基板の多数キャリアを生成する不純物濃度および不純物の活性化率が上記範囲に設定されていることにより、消費電力低減が達成可能なキャリア濃度が確保されるとともに、感度低下の原因となる活性化していない不純物が低減される。その結果、本願の半導体積層体によれば、これを用いて受光素子を作製した場合における十分な感度の確保と消費電力の低減とを達成することができる。
なお、上記半導体積層体において、消費電力を一層低減するためには、基板の多数キャリアを生成する不純物の濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上とすることが好ましい。また、十分な感度をより確実に得るためには、基板の多数キャリアを生成する不純物の濃度は１×１０２０ｃｍ−３以下とすることが好ましく、１×１０１９ｃｍ−３以下とすることがより好ましい。さらに、十分な感度をより確実に得るためには、基板の多数キャリアを生成する不純物の活性化率は５０％以上とすることが好ましく、８０％以上とすることがより好ましい。
上記半導体積層体において、上記基板の導電型はｎ型であってもよい。これにより、基板の多数キャリアが電子となり、多数キャリアが正孔である場合に比べて受光素子の動作速度を速くすることができる。
上記半導体積層体において、上記半導体層は量子井戸層を含んでいてもよい。受光層として機能する量子井戸層を半導体層が含むことにより、所望の波長の光を検出可能な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。
上記半導体積層体において、量子井戸層の厚みは１μｍ以上であってもよい。このようにすることにより、半導体積層体を用いて受光素子を製造した場合における受光素子の受光感度を向上させることができる。
上記半導体積層体において、上記量子井戸層はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（インジウムガリウム砒素，０．３８≦ｘ≦１）層とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（ガリウム砒素アンチモン，０．３６≦ｙ≦１）層とが交互に積層された構造、またはＧａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（ガリウムインジウム窒素砒素，０．４≦ｕ≦０．８、０＜ｖ≦０．２）層とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（ガリウム砒素アンチモン，０．３６≦ｙ≦０．６２）層とが交互に積層された構造を有していてもよい。このような構造を有する量子井戸層は、波長２〜１０μｍの近赤外〜中赤外域の赤外線用の受光層として好適である。そのため、このようにすることにより、近赤外〜中赤外域の赤外線用の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、上記基板を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＧａＰ（ガリウムリン）、ＧａＳｂ（ガリウムアンチモン）、ＩｎＰ（インジウムリン）、ＩｎＡｓ（インジウム砒素）、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）、ＡｌＳｂ（アルミニウムアンチモン）またはＡｌＡｓ（アルミニウム砒素）であってもよい。これらのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板を備えた半導体積層体は、赤外線用の受光素子を製造するための半導体積層体として好適である。
上記半導体積層体において、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。これにより、良好な結晶品質を有する半導体層を効率よく形成することができる。
本願の受光素子は、上記本願の半導体積層体と、当該半導体積層体の上記基板の、半導体層とは反対側の主面上に形成された電極と、を備えている。本願の受光素子は、上記本願の半導体積層体を含んでいる。そのため、本願の受光素子によれば、十分な感度を確保しつつ消費電力を低減することができる。
［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、基板２０と、バッファ層３０と、量子井戸層４０と、コンタクト層５０とを備えている。バッファ層３０、量子井戸層４０およびコンタクト層５０は、本実施の形態における半導体層を構成する。基板２０上に配置された半導体層が量子井戸層４０を含むことにより、本実施の形態の半導体積層体１０は、所望の波長の光を検出可能な受光素子の製造に使用可能となっている。
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５５ｍｍ以上とすることができ、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ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓ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、半導体積層体１０を、赤外線用の受光素子の製造に適したものとすることができる。基板２０の直径は、半導体積層体１０を用いた受光素子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ている。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族化合物半導体としては、たとえばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）、ＩｎＧａＰ（インジウムガリウムリン）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ＩｎＧａＡｓ（ｎ−ＩｎＧａＡｓ）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ｎ型不純物としては、たとえばＳｉ（珪素）を採用することができる。
量子井戸層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。量子井戸層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、量子井戸層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。
そして、第１要素層４１を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてはたとえばＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１）を採用することができ、第２要素層４２を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてはＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１）を採用することができる。また、第１要素層４１を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてＧａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦０．８、０＜ｖ≦０．２）を採用し、第２要素層４２を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２）を採用することができる。このようにすることにより、本実施の形態の半導体積層体１０を、近赤外〜中赤外域の赤外線用の受光素子の製造に適したものとすることができる。
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５ｎｍとすることができる。そして、量子井戸層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２５０組積層されたものとすることができる。すなわち、量子井戸層４０の厚みは、たとえば２．５μｍとすることができる。量子井戸層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。量子井戸層４０の厚みを１μｍ以上とすることにより、半導体積層体１０を用いて受光素子を製造した場合における受光素子の受光感度を向上させることができる。
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ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとの組み合わせ、およびＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓＳｂとの組み合わせに限られない。このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の組み合わせは、たとえばＧａＡｓ（ガリウム砒素）とＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）との組み合わせ、ＩｎＡｓ（インジウム砒素）とＩｎＡｓＳｂ（インジウム砒素アンチモン）との組み合わせ、ＧａＮ（窒化ガリウム）とＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）との組み合わせ、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）とＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）との組み合わせなどであってもよい。
コンタクト層５０は、量子井戸層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ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ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ＩｎＧａＡｓ（ｐ−ＩｎＧａＡｓ）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ｐ型不純物としては、たとえばＺｎ（亜鉛）を採用することができる。
そして、上記基板２０の、多数キャリアを生成する不純物の濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下であり、当該不純物の活性化率は３０％以上である。具体的には、たとえば基板２０を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてＩｎＰを採用することができる。そして、基板２０の多数キャリアを生成する不純物として、たとえばＳ（硫黄）を採用することができる。これにより、基板２０の導電型はｎ型となる。基板２０の導電型はｐ型であってもよいが、ｎ型とすることで基板２０の多数キャリアが電子となり、多数キャリアが正孔である場合に比べて受光素子の動作速度を速くすることができる。
そして、基板２０に不純物として添加されるＳの濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下とされ、活性化率が３０％以上とされる。これにより、基板２０において消費電力低減が達成可能なキャリア濃度が確保されるとともに、感度低下の原因となる活性化していない不純物が低減される。その結果、本実施の形態の半導体積層体１０によれば、これを用いて受光素子を作製した場合における十分な感度の確保と消費電力の低減とを達成することができる。
なお、不純物の活性化率は、（キャリア濃度）／（多数キャリアを生成する不純物の濃度）×１００（％）と定義される。また、多数キャリアを生成する不純物の濃度は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；二次イオン質量分析法）やＧＤＭＳ（Ｇｌｏｗ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；グロー放電質量分析）により求めることができる。ＳＩＭＳやＧＤＭＳによる多数キャリアを生成する不純物濃度の測定に際しては、半導体積層体１０をスパッタ法により掘り進めることにより目的の部位を分析することができる。このとき、スパッタ法により半導体層の表面（コンタクト層５０の主面５０Ａ）から基板２０に到達するまで掘り進め、基板２０の多数キャリアを生成する不純物の濃度を測定してもよいし、基板２０の主面２０Ｂ側から掘り進めることにより基板２０の多数キャリアを生成する不純物の濃度を測定してもよい。また、半導体層（バッファ層３０、量子井戸層４０およびコンタクト層５０）をエッチングにより除去した後、基板２０を表面から掘り進めることにより、基板２０の多数キャリアを生成する不純物の濃度を測定してもよい。
キャリア濃度は、Ｃ−Ｖ（静電容量−電圧）測定やホール測定により求めることができる。Ｃ−Ｖ測定に際しては、ショットキーコンタクトに電解液を用いてもよいし、金属を用いてもよい。ショットキーコンタクトに電解液を用いる場合、エッチングにより半導体層の表面（コンタクト層５０の主面５０Ａ）から基板２０に到達するまで半導体層を掘り進め、Ｃ−Ｖ測定を行ってもよいし、基板２０の主面２０Ｂ側からＣ−Ｖ測定を行ってもよい。また、半導体層（バッファ層３０、量子井戸層４０およびコンタクト層５０）をエッチングにより除去した後、基板２０のＣ−Ｖ測定を行ってもよい。また、半導体積層体１０に電圧をかけ、空乏層を基板２０にまで広げた状態でＣ−Ｖ測定を行ってもよい。ショットキーコンタクトに金属を用いる場合、半導体層の表面（コンタクト層５０の主面５０Ａ）および基板２０の主面２０Ｂのそれぞれにショットキーコンタクトが可能な金属からなる電極をつけて測定してもよいし、半導体層をエッチングによって除去した後、基板２０に電極をつけることで測定してもよい。また、ホール測定は、半導体層（バッファ層３０、量子井戸層４０およびコンタクト層５０）をエッチングにより除去した後、Ｉｎ、Ａｕ−Ｚｎ（金−亜鉛）、Ｔｉ／Ａｌなど、基板２０とオーミックコンタクト可能な金属からなる電極を基板につけて測定を行うことができる。
次に、上記半導体積層体１０から作製される受光素子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２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、量子井戸層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および量子井戸層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および量子井戸層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、反射防止膜８５と、ｎ側電極９１と、ｐ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において量子井戸層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。反射防止膜８５は、基板２０のバッファ層３０とは反対側の主面２０Ｂを覆うように配置されている。反射防止膜８５は、たとえば酸窒化珪素からなっている。
反射防止膜８５には、反射防止膜８５を厚み方向に貫通するように開口部８６が形成されている。そして、開口部８６を充填するようにｎ側電極９１が配置されている。ｎ側電極９１は、開口部８６から露出する基板２０に接触するように配置されている。ｎ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、ｎ側電極９１は、たとえばＡｕＧｅＮｉ（金ゲルマニウムニッケル）からなるものとすることができる。ｎ側電極９１は、基板２０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９２が配置されている。ｐ側電極９２は、開口部８１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。ｐ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、ｐ側電極９２は、たとえばＡｕＺｎ（金亜鉛）からなるものとすることができる。ｐ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に反射防止膜８５側から赤外線が入射すると、量子井戸層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、生成した電子および正孔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。このとき、本実施の形態の赤外線受光素子１においては、基板２０の多数キャリアを生成する不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下とされ、不純物の活性化率が３０％以上とされている。これにより、基板２０内に十分なキャリア濃度が確保されているため、消費電力が低減される。また、基板２０において活性化していない不純物が低減されているため、十分な感度が確保される。
なお、上記ｐ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２に示すように画素電極であるｐ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（ｐ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２に示す構造を単位構造とし、当該単位構造が、図２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ｐ側電極９２を有する。また、ｎ側電極９１は、反射防止膜８５の主面に対して垂直な方向であって反射防止膜８５の基板２０とは反対側から見て、反射防止膜８５を格子状に分割するように連続的に配置される。
また、上記赤外線受光素子１は、トレンチ９９の存在によって量子井戸層４０およびコンタクト層５０を含むメサが形成されるメサ型の素子であるが、受光素子の形態はこれに限られずプレナー型を採用してもよい。プレナー型の形態を採用する場合、トレンチ９９の形成を省略するとともにコンタクト層５０を、たとえば不純物としてＳｉが導入されたＩｎＰ（ｎ−ＩｎＰ）からなるものとし、ｐ側電極９２下のコンタクト層５０内の領域に、たとえばＺｎを拡散させて当該領域の導電型をｐ型に反転させた構造を採用してもよい。
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３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４を参照して、たとえば直径４インチ（１０１．６ｍｍ）のＩｎＰからなる基板２０が準備される。より具体的には、ＩｎＰからなるインゴットをスライスすることにより、ＩｎＰ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。
ここで、工程（Ｓ１０）においては、多数キャリアを生成する不純物の濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下であり、当該不純物の活性化率が３０％以上である基板２０が準備される。このような基板２０は、たとえばＩｎＰからなるインゴット作製時に適切な量のＳを添加してＳの濃度を１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下にするとともに、インゴット作製時の温度、結晶成長の時間、投入原料の比率等を適切に制御することにより３０％以上の不純物（Ｓ）の活性化率を得ることで作製することができる。
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、量子井戸層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、ヒータにより基板２０を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４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族化合物半導体であるｎ−ＩｎＧａＡｓ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。ｎ−ＩｎＧａＡｓからなるバッファ層３０の形成では、Ｉｎの原料ガスとしてたとえば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、Ｇａの原料ガスとしてたとえば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、Ａｓの原料ガスとしてたとえばＡｓＨ３（アルシン）、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。また、ｎ型不純物としてＳｉを添加する場合、たとえばＳｉＨ４（シラン）、ＳｉＨ３（ＣＨ３）（モノメチルシラン）、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。
次に、図４および図５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ＩｎＧａＡｓからなる第１要素層４１と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓＳｂ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、量子井戸層４０が形成される。量子井戸層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、量子井戸層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。
ＩｎＧａＡｓからなる第１要素層４１の形成では、Ｉｎの原料ガスとしてたとえばＴＭＩｎ、ＴＥＩｎなどを用いることができ、Ｇａの原料ガスとしてたとえばＴＥＧａ、ＴＭＧａなどを用いることができ、Ａｓの原料ガスとしてたとえばＡｓＨ３、ＴＢＡｓ、ＴＭＡｓなどを用いることができる。また、ＧａＡｓＳｂからなる第２要素層４２の形成では、たとえばＧａの原料ガスとしてたとえばＴＥＧａ、ＴＭＧａなどを用いることができ、Ａｓの原料ガスとしてたとえばＡｓＨ３、ＴＢＡｓ、ＴＭＡｓ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５ｎｍ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２５０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層４０を形成することができる。ここで、たとえば原料ガスの流量等をコントロールして量子井戸層４０を構成する化合物半導体の組成を調整することにより、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１）からなる第１要素層４１と、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１）からなる第２要素層４２とを形成することができる。
次に、図５および図１を参照して、量子井戸層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ｐ−ＩｎＧａＡｓ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、上記量子井戸層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、量子井戸層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。ｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層５０の形成では、Ｉｎの原料ガスとしてたとえばＴＭＩｎ、ＴＥＩｎなどを用いることができ、Ｇａの原料ガスとしてたとえばＴＥＧａ、ＴＭＧａなどを用いることができ、Ａｓの原料ガスとしてたとえばＡｓＨ３、ＴＢＡｓ、ＴＭＡｓなどを用いることができる。また、ｐ型不純物としてＺｎを添加する場合、たとえばＤＭＺｎ（ジメチル亜鉛）、ＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）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、結晶性に優れた動作層を有する半導体積層体１０を効率よく作製することができる。また、工程（Ｓ２０）はＡｓＨ３などの水素化物等を用いない全有機金属気相成長により実施されてもよい。なお、工程（Ｓ２０）は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（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いてもよい。
次に、図３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６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および量子井戸層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６および図７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において量子井戸層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）として反射防止膜形成工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、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に対し、反射防止膜８５が形成される。具体的には、たとえばＣＶＤにより酸窒化珪素からなる反射防止膜８５が形成される。反射防止膜８５は、基板２０のバッファ層３０とは反対側の主面２０Ｂを覆うように形成される。
次に、工程（Ｓ６０）として電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、図７および図２を参照して、工程（Ｓ４０）〜（Ｓ５０）においてパッシベーション膜８０および反射防止膜８５が形成された半導体積層体１０に、ｎ側電極９１およびｐ側電極９２が形成される。具体的には、たとえばｎ側電極９１およびｐ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および反射防止膜８５上に形成し、当該マスクを用いてパッシベーション膜８０および反射防止膜８５をエッチングして開口部８１，８６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ｎ側電極９１およびｐ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。
基板の厚み方向にキャリア（電子）が移動することにより、基板側から入射した赤外線を検出する実験用赤外線受光素子を作製し、基板の多数キャリアを生成する不純物の濃度および不純物の活性化率と、感度および消費電力との関係を調査する実験を行った。実験の手順は以下の通りである。
図８を参照して、まず実験用赤外線受光素子の構造を説明する。実験用赤外線受光素子２は、ＩｎＰからなる基板２０と、基板２０上に形成されたＩｎＧａＡｓからなるバッファ層３０と、バッファ層３０上に形成されＩｎＧａＡｓからなる第１要素層４１とＧａＡｓＳｂからなる第２要素層とが交互に積層された量子井戸層４０と、ＩｎＰからなるコンタクト層５０とを備えている。基板２０は、不純物としてＳが導入されることにより導電型がｎ型となっている。バッファ層３０は、不純物としてＳｉが導入されることにより導電型がｎ型となっている。コンタクト層５０は、不純物としてＳｉが導入されることにより導電型がｎ型となっている。
基板２０のバッファ層３０とは反対側の主面２０Ｂ上には、主面２０Ｂを覆うように反射防止膜８５が形成されている。反射防止膜８５には、反射防止膜８５を厚み方向に貫通する開口部８６が設けられ、当該開口部８６を充填するように導電体からなるｎ側電極９１が配置されている。一方、コンタクト層５０の量子井戸層４０とは反対側の主面５０Ａ上に接触するように、導電体からなるｐ側電極９２が配置されている。そして、ｐ側電極９２下のコンタクト層５０内の領域には、Ｚｎが拡散により導入されることにより導電型がｐ型に反転した領域である拡散領域５１が形成されている。
上記構造を有する実験用赤外線受光素子２において、基板２０の不純物濃度（Ｓの濃度）および当該不純物の活性化率を変化させて、基板２０のキャリア濃度が異なる複数の実験用赤外線受光素子２を作製した。基板２０の不純物濃度はＳＩＭＳにより確認した。キャリア濃度はＣ−Ｖ特性を調査することにより確認した。そして、各実験用赤外線受光素子２の基板２０側から波長２μｍの赤外線を入射させて感度を調査するとともに、消費電力を調査した。実験結果を表１および２、ならびに図９に示す。
Figure 2015211053
Figure 2015211053
 表１は、基板２０の活性化率を一定とし、多数キャリアを生成する不純物の濃度を変化させた場合の感度（波長２μｍの光に対する感度）および消費電力を示している。表１の実験において、活性化率は８０％である。表２は、一定の多数キャリアを生成する不純物の濃度の基板２０において、活性化率を変化させた場合の感度を示している。表１および表２の感度の表記において、Ａは十分な感度が得られたこと、Ａ+はＡよりもさらによい感度を得られたこと、Ｂ+はＡに比べて劣るものの許容可能な感度が得られたこと、ＢはＢ+に比べて劣るものの許容可能な感度が得られたこと、Ｃは不十分な感度であったことをそれぞれ表している。また、図９において横軸は基板の多数キャリアを生成する不純物の濃度を示しており、縦軸は消費電力を示している。図９は、表１の多数キャリアを生成する不純物の濃度と消費電力との関係を図示したものである。
表１および図９を参照して、多数キャリアを生成する不純物の濃度が１×１０18ｃｍ−３以上の場合、消費電力は十分に低い値、具体的には４ｍＷ以下となっている。また、多数キャリアを生成する不純物の濃度が１×１０17ｃｍ−３の場合の消費電力は１０ｍＷとなり、やや上昇するものの許容可能な範囲に維持されている。しかし、多数キャリアを生成する不純物の濃度が１×１０17ｃｍ−３未満になると消費電力は急激に上昇している。つまり、消費電力の観点からは、基板２０における多数キャリアを生成する不純物の濃度は１×１０17ｃｍ−３以上とすることが好ましく、１×１０18ｃｍ−３以上とすることがより好ましいといえる。次に、表１の感度に着目すると、同じ活性化率であっても多数キャリアを生成する不純物の濃度が２×１０２０ｃｍ−３を超える３×１０２０ｃｍ−３の場合、感度は不十分（評価Ｃ）となっているのに対し、多数キャリアを生成する不純物の濃度が２×１０２０ｃｍ−３の場合、許容可能な感度が得られている（評価Ｂ）。また、多数キャリアを生成する不純物の濃度が１×１０２０ｃｍ−３以下の場合は感度の向上が見られ（評価Ａ以上）、１×１０19ｃｍ−３以下の場合はさらに感度の向上が見られた（評価Ａ＋）。このことから、十分な感度を得るためには多数キャリアを生成する不純物の濃度は２×１０２０ｃｍ−３以下とする必要があり、十分な感度をより確実に得るためには、基板の多数キャリアを生成する不純物の濃度は１×１０２０ｃｍ−３以下とすることが好ましく、１×１０１９ｃｍ−３以下とすることがより好ましいといえる。
一方、多数キャリアを生成する不純物の濃度が同等であっても感度にばらつきがあるという本発明者らの知見を確認するため、活性化率の影響について表２を参照して説明する。表２に示すように、活性化率が３０％未満である２０％の場合、感度が不十分（評価Ｃ）となっている。一方、活性化率を３０％以上とすることにより、許容可能な感度が得られている（評価Ｂ＋以上）。このことから、活性化率は３０％以上とする必要があるといえる。さらに、表２を参照して、多数キャリアを生成する不純物の濃度が同じであっても活性化率が５０％以上になると感度の向上がみられ（評価Ａ）、活性率が８０％以上になると５０％の感度に比べてよりよい感度が得られた（評価Ａ＋）。このことから、基板の多数キャリアを生成する不純物の活性化率は５０％以上とすることが好ましく、８０％以上とすることがより好ましいといえる。
以上の実験結果より、基板の多数キャリアを生成する不純物の濃度を１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下とし、かつ当該不純物の活性化率を３０％以上とすることにより、受光素子の十分な感度を確保しつつ消費電力を低減でき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受光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板および半導体層を備えた半導体積層体および受光素子に、特に有利に適用され得る。
１ 赤外線受光素子
２ 実験用赤外線受光素子
１０ 半導体積層体
２０ 基板
２０Ａ 主面
２０Ｂ 主面
３０ バッファ層
３０Ａ 主面
４０ 量子井戸層
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
５１ 拡散領域
８０ パッシベーション膜
８１ 開口部
８５ 反射防止膜
８６ 開口部
９１ ｎ側電極
９２ ｐ側電極
９９ トレンチ
９９Ａ 側壁
９９Ｂ 底壁

Claims (8)

  1. ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、
    前記基板上に配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層と、を備え、
    前記基板の、多数キャリアを生成する不純物の濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０２０ｃｍ−３以下であり、前記不純物の活性化率は３０％以上である、半導体積層体。
  2. 前記基板の導電型はｎ型である、請求項１に記載の半導体積層体。
  3. 前記半導体層は量子井戸層を含む、請求項１または２に記載の半導体積層体。
  4. 前記量子井戸層の厚みは１μｍ以上である、請求項３に記載の半導体積層体。
  5. 前記量子井戸層はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０．３８≦ｘ≦１）層とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦１）層とが交互に積層された構造、またはＧａ１−ｕＩｎｕＮｖＡｓ１−ｖ（０．４≦ｕ≦０．８、０＜ｖ≦０．２）層とＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（０．３６≦ｙ≦０．６２）層とが交互に積層された構造を有している、請求項３または４に記載の半導体積層体。
  6. 前記基板を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂまたはＡｌＡｓである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体積層体。
  7. 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１〜６のいずれか１項に記載の半導体積層体。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体積層体と、
    前記半導体積層体の前記基板の、前記半導体層とは反対側の主面上に形成された電極と、を備えた、受光素子。
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