JP2015211166A - 半導体受光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子のような格子定数を変化させるためのバッファ層を必要とせず、ＩｎＰ基板上に形成した２μｍ付近の波長領域で動作可能な半導体受光素子及び半導体受光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】ＩｎＰ基板１と、ＩｎＰ基板１の構成材料であるＩｎＰに対して圧縮歪み構造を有し、Ｓｂの組成比ｘが０＜ｘ≦０．２を満たす、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層７と、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層７で発生した信号を増幅する、アンドープ半導体によって形成された、なだれ増倍層４とを備え、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層７のＩｎＰに対する圧縮歪みｙは０％＜ｙ≦１．５％を満たし、膜厚が１５ｎｍ以上である半導体受光素子。前記半導体受光素子を結晶成長させる工程において、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層７を結晶成長させる際に用いるＳｂ原料としてトリスジメチルアミノアンチモンを用い、温度４００℃から５００℃の雰囲気で結晶成長させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体受光素子に関し、詳しくは、２μｍ付近の波長領域で動作する半導体受光素子に関するものである。

排出ガスによる環境汚染の防止のためにはガス濃度の正確な計測が必要である。このガス濃度計測方法として、ガスの吸収線による光吸収を用いた方法が注目を集めている。このガス吸収線による光吸収を用いたガス計測は、リアルタイムでの計測、遠隔での計測ができ、さらにガスの同位体までも特定できるという特徴があり、様々なガス計測システムへ応用されている。ガス吸収線は、ガス分子を構成する原子間の結合力に起因した振動や回転のエネルギーに対応した波長の光が吸収される現象によるものであり、ガス吸収線の波長はそれぞれのガスに固有のものとなる。２μｍ付近の波長領域には、環境汚染に関係するＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｎ_２Ｏ、ＨＣｌ、ＮＨ_３、ＣＯなどのガスの強度の大きな吸収線が存在するため、吸収線を用いたガス計測で重要な波長領域である。

この２μｍ付近の波長領域で動作する光源に関しては、ＩｎＰ基板に用いた半導体レーザで単一波長光源が実用化されている。一方、受光素子に関しては、基板に格子整合する条件で２μｍ付近のバンドギャップに対応する波長を持つ材料がないため、バンドギャップに対応する波長が長く３μｍ付近にあるＰｂＳを光吸収層とする光導電型受光素子を用いられていた。しかしながら、光導電型受光素子は応答速度が遅いため、近年は応答速度が速い拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子などの光起電力型受光素子が用いられることが多い。

図７は、拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子の層構成を模式的に示した図である。図７では、ｎ型ＩｎＰ基板１８の上にＡｓ組成を段階的に増加させたＩｎＡｓＰバッファ層１９、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０、ＩｎＡｓＰ窓層２１からなる拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子の層構造を模式的に示したものである。ＩｎＧａＡｓは、ＩｎＰと格子整合する条件でのＩｎ組成比が約０．５３であり、この場合のバンドギャップ波長は約１．６７μｍである。このため、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓを光吸収層に用いた受光素子では、１．７μｍ以上の波長の光は検出することが困難である。拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子では、１．７μｍ以上の波長光の検出できるようにするためにＡｓ組成を段階的に増加させたＩｎＡｓＰバッファ層１９を用いることでＩｎＰ基板から離れるに従ってＩｎＡｓＰバッファ層の格子定数が大きくなるように設計してある。ＩｎＡｓＰバッファ層の最上層とほぼ格子整合する条件において、ＩｎＧａＡｓ光吸収層２０はそのＩｎ組成比を０．８近くまで増やすことが可能であり、これにより２．５μｍ近い波長の光が検出可能になっている。この拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子は、ＩｎＡｓＰバッファ層１５で格子緩和を起こさせることが前提となっており、このＩｎＡｓＰバッファ層１９では格子緩和による結晶欠陥が発生する。この結晶欠陥がＩｎＧａＡｓ光吸収層２０に伝播した場合、受光感度の減少と暗電流の増大に直結するため、ＩｎＡｓＰバッファ層１９の層構成や作製方法により転位がＩｎＧａＡｓ光吸収層２０に伝播することを抑制する工夫がなされている。

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前述したように、２μｍ付近の波長領域のガス吸収線による光吸収を利用したガス計測では、その受光器として拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子が用いられることが一般的である。この拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子は、図７に示すように格子緩和によるＩｎＡｓＰバッファ層上に成長させ、ＩｎＡｓＰバッファ層は上にいくほど格子定数を大きくすることを前提とした層構成となっている。しかしながら、このＩｎＡｓＰバッファ層で発生した転位などの結晶欠陥のＩｎＧａＡｓ光吸収層への伝播を完全に抑制することは難しい。その結果として、ＩｎＧａＡｓ光吸収層にも結晶欠陥が発生することになる。図７には、この様子を模式的に示している。ＩｎＧａＡｓ光吸収層における結晶欠陥は、受光素子の暗電流を増加させる原因となる（例えば、非特許文献１を参照）。このため、拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子では、暗電流の低減が難しいという課題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子のように格子定数を変化させるためのバッファ層を必要とせず、ＩｎＰ基板上に２μｍ付近の波長領域で動作可能な受光素子を作製することを目的とする。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板の構成材料であるＩｎＰに対して圧縮歪み構造を有し、Ｓｂの組成比ｘが０＜ｘ≦０．２を満たす、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層と、アンドープ半導体によって形成され、前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層で発生した信号を増幅する、なだれ増倍層とを備えたことを特徴とする半導体受光素子である。

他の実施形態に記載された発明は、上記一実施形態に記載された半導体受光素子の製造方法であって、前記ＩｎＰ基板を用意する工程と、有機金属ガス原料を用いて、前記ＩｎＰ基板上に前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層と前記なだれ増倍層とを結晶成長させる工程を含み、前記結晶成長させる工程において、前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層を結晶成長させる際にＳｂ原料としてトリスジメチルアミノアンチモンを用い、４００℃から５００℃の雰囲気で結晶成長することを特徴とする半導体受光素子の製造方法である。

本発明の実施形態に係る受光素子の層構造を示した図である。 本発明の実施の形態に係る受光素子の構造を説明するための断面図である。 ＩｎＰに格子整合する場合とＩｎＰに対する歪量が＋１．５％のＩｎＧａＡｓＳｂに関して、バンドギャップに対応する波長のＳｂ組成による変化を計算により求めた図である。 上下がＩｎＰに挟まれた圧縮歪みが０．８％のＩｎＧａＡｓＳｂについて、膜厚によるバンドギャップ波長の変化を示した図である。 本発明の効果を確認するために作製した試料の構造を示した図である。 膜厚と圧縮歪みがほぼ同じＩｎＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓについて、室温でのホトルミネセンススペクトルを比較したものである。 拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子の層構造を模式的に説明するための断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本実施形態にかかる半導体受光素子は、ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板の構成材料であるＩｎＰに対して圧縮歪み構造を有し、Ｓｂの組成比ｘが０＜ｘ≦０．２を満たす、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層と、アンドープ半導体によって形成され、前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層で発生した信号を増幅する、なだれ増倍層とを備えている。好ましくは、前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層のＩｎＰに対する圧縮歪みｙは０％＜ｙ≦１．５％を満たすことである。

上記の半導体受光素子によれば、ＩｎＰ基板上の半導体受光素子の光吸収層に、吸収端の波長をＩｎＧａＡｓに比べ長波長化できるＩｎＧａＡｓＳｂを用いることにより、従来のＩｎＰにほぼ格子整合するＩｎＧａＡｓを光吸収層とする受光素子よりも動作波長を長波長化させることができる。さらに、ＩｎＧａＡｓＳｂに圧縮歪みを加えることにより、ＩｎＰに格子整合する場合に比べて吸収端の波長をさらに長波長化することができる。ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層の膜厚は、その圧縮歪みに起因した結晶欠陥の発生を抑制するためにＩｎＰに格子整合する場合に比べて小さくする必要があるが、この薄い光吸収層だけで大きな受光感度を得ることは困難である。この点、本実施形態の半導体受光素子では、光吸収層で発生したキャリアを増幅するためのなだれ増倍層を備えているので、受光感度を大きく低下させることなく受光素子が動作する。

本実施形態にかかる半導体受光素子の製造方法は、上記の半導体受光素子において、その製造に有機金属原料を用いる場合、Ｓｂ原料にはトリスジメチルアミノアンチモンを用いることである。

上記の半導体受光素子の製造方法によれば、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層とする受光素子の製造において、有機金属のガス原料を用いる有機金属気相エピタキシー法や有機金属分子線エピタキシー法などによりＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層の結晶成長を行う際に、Ｓｂ原料にトリスジメチルアミノアンチモンを用いることにより従来の方法よりも低い成長温度での結晶成長が可能になり、さらにＳｂ以外の他の有機金属ガス原料からＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層に混入する炭素や水素を低減できる。その結果として、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層において意図しないキャリア濃度の増加を抑制することができ、光励起により発生したキャリアの非発光再結合中心による消滅を低減し、また、キャリアの輸送特性も向上できるため、大きな受光感度を得ることが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、図面中、半導体の層構成で重複する一部の部分には同一の符号を用いている。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体受光素子の層構造を模式的に示した図である。本実施形態の半導体受光素子は、光吸収層の他にキャリアを増幅するためのなだれ増倍層（アバランシェ層）を持ち、さらに光吸収層となだれ増倍層の間に電界制御層を挿入したＳＡＣＭ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ， Ｃｈａｒｇｅ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ）構造になっている。具体的な層構造は、図１に示すように半絶縁性ＩｎＰ基板１と、半絶縁性ＩｎＰ基板１上に配置された高濃度にｎ型ドーピングされたｎ^＋−ＩｎＰバッファ層２と、ｎ^＋−ＩｎＰバッファ層２上に構成された高濃度にｎ型ドーピングされたｎ^＋−ＩｎＰコンタクト層３と、ｎ^＋−ＩｎＰコンタクト層３上に構成された意図的なドーピングを行っていないｉ−ＩｎＰアバランシェ層４と、ｉ−ＩｎＰアバランシェ層４上に構成されたｐ型ドーピングされたｐ−ＩｎＰ電界制御層５と、ｐ−ＩｎＰ電界制御層５上に構成された意図的なドーピングを行っていないｉ−ＩｎＰ電界緩和層６と、ｐ−ＩｎＰ電界制御層６上に構成された意図的なドーピングを行っていないＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層７と、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層７上に構成されたｐ型ドーピングされたｐ−ＩｎＧａＡｓＰ拡散防止層８と、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ拡散防止層８上に構成された高濃度にｐ型ドーピングされたｐ^＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層９とを備えて構成される。ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層７は、例えば、Ｓｂ組成比０．０４、Ｉｎ組成比０．６、ＩｎＰに対する歪量が＋０．７５％であり、膜厚は４０ｎｍである。ｉ−ＩｎＰアバランシェ層４は、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層で発生した信号を増幅する、なだれ増倍層として機能する。

次に、本発明の実施の形態１に係る半導体受光素子の作製方法を説明する。まず、図１の層構造の成長には、ＩＩＩ族原料として金属ガリウム、金属インジウム、Ｖ族原料としてアルシン（ＡｓＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）、金属アンチモンを用い、ドーパント原料としてシリコンとベリリウムを用いたガスソース分子線エピタキシー法を用いる。結晶成長時の基板温度は、すべての層で４８０℃である。

次いで図１のエピタキシャルウェハを用いて、図２に示すような受光素子を作製する。具体的には、ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層９からｎ^＋−ＩｎＰコンタクト層３の途中まで層構造を掘り、直径１０μｍの円形メサを形成した後、パッシベーション膜１０をウエハ全面に付けた後に必要な領域以外のパッシベーション膜を除去する。ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層９の上に直径８μｍの円形のｐ型電極１１とパッシベーション膜１０の外側にｎ型電極１２を蒸着した後に、熱処理を行いｎ型電極１２を形成する。最後に、半絶縁性ＩｎＰ基板１の裏面側に反射防止膜１３を形成し、この反射防止膜１３側から信号光を入射させる。

図２の半導体受光素子の降伏電圧は、約１７Ｖである。図２の素子に波長１．８μｍの光を入射させ、３Ｖの逆バイアス電圧を印加させて動作させた場合の受光感度は約０．０５Ａ／Ｗであるのに対し、逆バイアス電圧１４Ｖで動作させた場合は約０．４Ａ／Ｗである。逆バイアス電圧を上げることで受光感度が増大するのは、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層７で光励起されたキャリアがｉ−ＩｎＰアバランシェ層４で増幅させることによるものである。この受光感度は、バイアス電圧だけでなく入射光の波長によっても変化するが、逆バイアス電圧が１４Ｖで入射光の波長が１．７５μｍ〜１．８５μｍの場合はほぼ一定にすることができる。

暗電流は、逆バイアス電圧１３Ｖにおいて０．０５μＡであり、一般的な拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子の暗電流よりも低くすることができる。これは、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層７はＩｎＰとは格子整合していないがその膜厚が薄いために格子不整合に起因した結晶欠陥が少ないことによるものである。

図２の半導体受光素子では、光吸収層にＳｂ組成比０．０４、ＩｎＰに対する歪量が＋０．７５％、膜厚が４０ｎｍを用いた例を示しているが、Ｓｂ組成比、ＩｎＰに対する歪量、膜厚は、これに限定されず、それぞれ好ましい範囲が存在する。これらを以下に説明する。

まず、Ｓｂ組成比（ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層のＶ族元素中に占めるＳｂ組成比）について説明する。図３は、ＩｎＧａＡｓＳｂのバンドギャップに対応する波長のＳｂ組成による変化を計算により求めた図である。図３では、ＩｎＰに格子整合する場合とＩｎＰに対する歪量が＋１．５％の場合について計算してあり、Ｓｂ組成比が０になる場合がＩｎＧａＡｓに対応する。ここで、バンドギャップに対応する波長は、受光素子において受光可能な最も長い波長とほぼ一致する。図３より、ＩｎＰに対する歪量が等しい場合、ＩｎＧａＡｓよりもＩｎＧａＡｓＳｂの方がバンドギャップに対応する波長が長くできるため、Ｓｂ組成比を高くすることで長波長の光まで吸収可能なことが分かる。

ＩｎＧａＡｓＳｂのバンドギャップに対応する波長は、図３のＩｎＰに格子整合する場合とＩｎＰに対する歪量が＋１．５％の場合のいずれにおいても、Ｓｂ組成比が０から０．２まで増加することによってほぼ線形で長波長化する。Ｓｂ組成比が０．２を超えると長波長化しにくくなり、さらにＳｂ組成比が０．３を超えると逆に短波長側へシフトし始める。ＩｎＧａＡｓＳｂのＳｂ組成比は、バンドギャップに対応する波長を長くできる組成領域であれば０．２以上でもよいが、実際にＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＳｂを結晶成長する上ではＳｂ組成比は０．２以下の方が望ましい。これは、Ｓｂは結晶成長表面に残留しやすいためにＳｂ組成の大きな半導体とＩｎＧａＡｓやＩｎＰなどのＳｂを含まない半導体では、ＩＩＩ族原料に対するＶ族原料の比（Ｖ／ＩＩＩ比）などの成長条件が大きく異なることに起因している。また、図２のように光吸収層以外の層にはほとんどＳｂが含まれていない場合、成長条件の大きな変化を避けるためには光吸収層であるＩｎＧａＡｓＳｂのＳｂ組成は少ない方が望ましいからでもある。この結晶成長的な観点と図３で示したバンドギャップに対応する波長が大きく変化するＳｂ組成比を考慮すると、本発明によるＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層のＳｂ組成ｘとしては０＜ｘ≦０．２を満たすことが望ましい。

次に、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層のＩｎＰに対する歪量について説明する。一般に圧縮歪みを有する半導体層を結晶成長する場合、歪量が小さい場合は２次元的に成長が進むが、歪量が大きくなると３次元的な成長に変化することが知られている（例えば、非特許文献２を参照）。結晶欠陥は、一般的には２次元的な成長を維持している場合に対して、３次元的な成長の場合の方が発生しやすくなる。３次元成長が起きてしまうと比較的小さな膜厚のＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層でも多数の結晶欠陥が発生やすい状況になり、さらにＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層以外の層にも結晶欠陥が発生しやすい状況になる。

２次元的な成長から３次元的な成長に変化する歪量は、ほぼ＋１．５％である。例えば、非特許文献２において、図３の横軸をＩｎの組成比から格子歪に直すと約１．５％の圧縮歪みで２次元成長から３次元成長に変化する。量子井戸レーザの井戸層などよりも大きな膜厚が必要な本発明のＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層では、この３次元成長による結晶欠陥の発生を抑制することが重要であり、このためＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層ではＩｎＰに対して１．５％よりも小さい圧縮歪みにすることが望ましい。

次に、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層の膜厚について説明する。本実施形態の受光素子では、光吸収層に圧縮歪みを含むため、一般的な受光素子に用いられるＩｎＰにほぼ格子整合する光吸収層に比べて膜厚を薄くする必要がある。しかしながら、半導体量子井戸レーザで用いられる井戸層のようにあまり薄くし過ぎると量子サイズ効果によりバンドギャップに対応する波長が短くなり、吸収できる光の波長が短くなる。

図４は、上下がＩｎＰに挟まれた圧縮歪みが０．８％のＩｎＧａＡｓＳｂについて、ＩｎＧａＡｓＳｂの膜厚を変化させた際のバンドギャップに対応する波長の変化を計算により求めた図である。図４より、ＩｎＧａＡｓＳｂの膜厚が１５ｎｍよりも薄くなるとバンドギャップに対応する波長が量子サイズ効果により急激に短波長化することが分かる。図４では、圧縮歪みが０．８％のＩｎＧａＡｓＳｂがＩｎＰに挟まれた場合の結果だが、ＩｎＧａＡｓＳｂの組成や上下で挟む層が変わっても量子サイズ効果が顕著に見え始めるのは１５ｎｍ以下の膜厚である。本発明の受光素子では、光吸収する波長を長くすることが求められるため、光吸収層で用いるＩｎＧａＡｓＳｂは量子サイズ効果の影響が小さい１５ｎｍ以上の膜厚であることが望ましい。

以上説明したように本実施形態の半導体受光素子によれば、ＩｎＰ基板上の受光素子において光吸収層として圧縮歪みを有するＩｎＧａＡｓＳｂを用いることで従来のＩｎＧａＡｓを光吸収層とする受光素子よりも長波長の光が受光可能となり、さらにこのＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層とは別になだれ増倍層を設けることにより光吸収層の膜厚が薄くても大きな受光感度を得ることができる。

本実施形態では、なだれ増倍層にＩｎＰを用いた層構成の場合について説明したが、なだれ増倍層はＩｎＡｌＡｓなど、バンドギャップが高い他の材料を用いた層構成にしてもよい。圧縮歪みを有するＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層以外の層は必要とする増倍率により構成材料を適宜変更すればよい。ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層に関しても、本実施例では意図的なドーピングを行っていないが、光通信用の受光素子において広く用いられている１０^１６〜１０^１８ ｃｍ^−３程度にｐ型ドーピングしても吸収できる光の波長を長波長化し、受光感度を増幅することに関して、本実施形態の場合と同様な効果が得られることは明らかである。

本実施形態では、なだれ増倍層であるｉ−ＩｎＰアバランシェ層４を半絶縁性ＩｎＰ基板１とＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層７との間に設けた構成を例に挙げて説明したがこれに限定されない。ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層７を半絶縁性ＩｎＰ基板１となだれ増倍層であるｉ−ＩｎＰアバランシェ層４との間に設けた構成としてもよい。

さらに本実施形態では、作製方法としてガスソース分子線エピタキシー法を用いた場合について説明したが、ＩｎＧａＡｓＳｂ層が作製可能な成長方法で有ればよく、分子線エピタキシー法、有機金属分子線エピタキシー法、有機金属気相エピタキシー法等の成長方法でも同様の効果が得られることは明らかである。

（実施の形態２）
本実施形態にかかる半導体受光素子の製造方法について説明する。本実施形態にかかる半導体受光素子では、光吸収層に圧縮歪みを有するＩｎＧａＡｓＳｂ層を用いている。歪が加わった半導体結晶では、膜厚の増加に伴って結晶内の歪応力が増加するため臨界膜厚と呼ばれる膜厚を超えると結晶欠陥が発生することが知られている。この臨界膜厚は、結晶の作製時の成長温度によって変わり、結晶の成長が低いほど大きくなることが知られている（例えば、非特許文献３を参照）。しかし、成長温度が逆に低すぎると表面モフォロジーが悪くなったり、不純物の混入が増加したりするため、成長に適した温度範囲がある。一般的に圧縮歪みを含んだＩｎＧａＡｓやこれに近い組成の結晶成長では、４００℃から５００℃の範囲で成長することが望ましい。

一方、複数の異なる組成が必要なデバイスを作製する場合、必要となる原料供給量を容易に変えられることが望まれる。この場合、ＩＩＩ族原料、Ｖ族原料ともにガス原料を用いることでガス供給量を変化させるだけで容易に組成を変化させることができ、さらにＩｎＰやＩｎＧａＡｓなど異なる材料系への切り換えも簡単に行うことができる。ＩＩＩ族のガス原料としては有機金属を、Ｖ族のガス原料としては水素化物または有機金属を用いることが一般的であり、これらのガス原料を用いた結晶成長方法には、有機金属気相エピタキシー法と有機金属分子線エピタキシー法がよく知られている。この２つの成長方法は、成長時の圧力や原料供給方法が違うものの、同じような組成を持つ材料を成長することが可能である。

有機金属気相エピタキシー法と有機金属分子線エピタキシー法では、ともに原料ガスが結晶成長時を基板表面付近で分解する必要がある。Ｓｂの原料ガスとしては、有機金属ガス原料であるトリメチルアンチモン（Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ−ａｎｔｉｍｏｎｙ、ＴＭＳｂ）とトリエチルアンチモン（Ｔｒｉｅｔｈｙｌ−ａｎｔｉｍｏｎｙ、ＴＥＳｂ）が一般的に用いられている。この２つのアンチモンの有機金属ガス原料は、５００℃以下では分解しにくく結晶成長することが困難である。これらのアンチモン原料よりも分解温度が低い原料としては、トリスジメチルアミノアンチモン（Ｔｒｉｓｄｉｍｅｔｈｙｌ−ａｍｉｎｏ−ａｎｔｉｍｏｎｙ、ＴＤＭＡＳｂ）がある。この原料は５００℃以下でも分解するが、有機金属気相エピタキシー法で用いた場合、ＩＩＩ族原料と中間反応による生成物ができることが知られており（例えば、非特許文献４を参照）、これまでほとんど検討されることがなかった。しかし、近年では、有機金属分子線エピタキシー法で用いた検討により、中間生成物がなく、良好な膜質のものが得られている（非特許文献５を参照）。

また、有機金属気相エピタキシー法においても原料ガスが基板の間近で供給される装置やガス流速が早い装置などが開発・市販されており、中間反応は回避可能になっている。このため、トリスジメチルアミノアンチモンをＳｂ原料に用いれば、前述した圧縮歪みを含んだＩｎＧａＡｓやこれに近い組成の結晶に適した５００℃以下の成長温度を実現することが可能になっている。

しかしながら、有機金属原料を用いる結晶成長法において成長温度が低い場合、ＩＩＩ族およびＶ族の有機金属ガス原料の分解が不十分になるため、膜中に炭素や水素が混入しやすくなるという問題が起きる。その結果として、結晶の純度を下げ、受光素子において特性を上げるための重要な要素であるキャリア移動度を低下させたり、非発光再結合中心を増加させたりすることに繋がる。ところが、この問題に関してもトリスジメチルアミノアンチモンを用いることにより、成長温度が５００℃以下であっても前述したようにアンチモン原料が分解可能であるため、結晶内にアンチモンが取り込まれるという効果の他に、ＩＩＩ族有機金属ガス原料から混入する炭素や水素も低減できることが分かっている（非特許文献５を参照）。その結果、受光器の光吸収層を５００℃以下の成長温度で成長した場合でも、トリスジメチルアミノアンチモンを原料として用いた場合は、膜中への炭素や水素の混入を抑え、結晶の純度を抑えることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る光吸収層に圧縮歪みを有するＩｎＧａＡｓＳｂ層を用いた半導体受光素子の製造では、光吸収層における結晶欠陥の発生を抑制するため低温での成長、具体的には４００℃から５００℃の雰囲気、すなわち５００℃以下の成長温度で作製することが望まれる。この際、Ｓｂの有機金属ガス原料としてトリスジメチルアミノアンチモンを用いることにより、５００℃以下での成長温度が可能になり、さらに有機金属ガス原料から炭素や水素の混入も抑制することができ、結晶性を高めることができる。

次に、実際に圧縮歪みを有するＩｎＧａＡｓＳｂ層を成長し、その結晶性をホトルミネセンススペクトルから確認した実施例を説明する。結晶成長には、Ｓｂの有機金属ガス原料に前述のトリスジメチルアミノアンチモン、ＩＩＩ族の有機金属ガス原料にトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ａｓのガス原料にアルシン（ＡｓＨ_３）を用いた有機金属分子線エピタキシー法を用いる。

図５は、作製した試料の構造を示した図である。試料は、ｎ型ＩｎＰ基板１４と、ｎ型ＩｎＰ基板１４上に配置された意図的なドーピングを行っていないｉ−ＩｎＰバッファ層１５と、ｉ−ＩｎＰバッファ層１５上に配置された意図的なドーピングを行っていないＩｎＧａＡｓＳｂ層１６と、ＩｎＧａＡｓＳｂ層１６上に配置された意図的なドーピングを行っていないｉ−ＩｎＰ層１７とで構成される。ＩｎＧａＡｓＳｂ層１６のＶ族に占めるＳｂの組成比は０．０４であり、圧縮歪みは０．３％、膜厚は０．２２μｍである。比較のために、図５でＩｎＧａＡｓＳｂ層１６のみをほぼ同じ圧縮歪みと膜厚を持つＩｎＧａＡｓ層に変えた試料も別に作製する。ＩｎＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓの成長温度は、ともに５００℃である。

図６は、このようにして作製したＩｎＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓの室温におけるホトルミネセンススペクトルを比較したものである。ホトルミネセンスの発光ピーク波長は、ＩｎＧａＡｓが１．７１μｍであるのに対してＩｎＧａＡｓＳｂが１．７９μｍであり、同程度の圧縮歪みでもＩｎＧａＡｓＳｂの方がＩｎＧａＡｓよりもバンドギャップが小さく、その結果として長波長の光まで吸収できることが分かる。

次に、ホトルミネセンスの発光ピーク強度を比較した場合、ＩｎＧａＡｓの強度を１とするとＩｎＧａＡｓＳｂは約３．８と大きな強度が得られた。この原因を調べるために、これらの試料とは別に、Ｖ族原料ガスの供給量を変えずにＩＩＩ族原料ガスの供給量のみを変化させてＩｎＰにほぼ格子整合させた膜厚が１μｍ以上のＩｎＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＳｂを成長し、それぞれキャリア濃度を測定したところ、ＩｎＧａＡｓは４×１０^１６ｃｍ^−３のｎ型を示したのに対してＩｎＧａＡｓＳｂは２×１０^１５ｃｍ^−３のｎ型を示し、ＩｎＧａＡｓＳｂは１／２０もキャリア濃度の低減が確認された。このことから、図６でＩｎＧａＡｓＳｂがＩｎＧａＡｓよりもＰＬ発光強度が大きな理由は、ＩｎＧａＡｓＳｂはＩｎＧａＡｓに比べて意図しない不純物の混入が少なく、その結果として非発光再結合が少なくなっていることが分かった。このような非発光再結合が少ない結晶を受光素子の光吸収層に用いることで、光励起したキャリアが光吸収層で再結合することなくなだれ増倍層や他の層へ移動することが可能になるため、受光感度を上げることができる。

以上述べたように圧縮歪みを有するＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層を用いる受光素子の製造で、その結晶成長に有機金属ガス原料を用いる際にＳｂ原料としてトリスジメチルアミノアンチモンを用いることにより、歪による結晶欠陥を抑制するのに有効な成長温度が５００℃以下での成長が可能になり、さらに膜中への不純物の混入も抑制することができるため、光励起されたキャリアの再結合を抑制することができるために受光感度の向上に適した光吸収層を持つ受光素子の製造が可能になる。

本実施形態の半導体受光素子の製造によれば、有機金属ガス原料を用いる場合、Ｓｂ原料にトリスジメチルアミノアンチモンを用いることにより歪による結晶欠陥の発生を抑制するのに有効な低い成長温度を用いることができ、さらに膜中への不純物の混入の小さく抑えることができる。これらにより、２μｍ付近の波長領域において、高感度で暗電流の小さい半導体受光素子を作製でき、ガスの吸収線を用いた高感度なガス計測システムに応用できる。

上記実施の形態では、有機金属分子線エピタキシー法を用いた例について示したが、トリスジメチルアミノアンチモンが使用できる成長方法であればよく、有機金属気相エピタキシー法でも同様の効果が得られることは明らかである。

１ 半絶縁性ＩｎＰ基板
２ ｎ^＋−ＩｎＰバッファ層
３ ｎ^＋−ＩｎＰコンタクト層
４ ｉ−ＩｎＰアバランシェ層
５ ｐ−ＩｎＰ電界制御層
６ ｉ−ＩｎＰ電界緩和層
７ ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層
８ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ拡散防止層
９ ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１０ パッシベーション膜
１１ ｐ型電極
１２ ｎ型電極
１３ 反射防止膜
１４ ｎ型ＩｎＰ基板
１５ ｉ−ＩｎＰバッファ層
１６ ＩｎＧａＡｓＳｂ層
１７ ｉ−ＩｎＰ層
１８ ｎ−ＩｎＰ基板
１９ 組成を段階的に変化させたＩｎＡｓＰバッファ層
２０ ＩｎＧａＡｓ
２１ ＩｎＡｓＰ

Claims (3)

1. ＩｎＰ基板と、
   前記ＩｎＰ基板の構成材料であるＩｎＰに対して圧縮歪み構造を有し、Ｓｂの組成比ｘが０＜ｘ≦０．２を満たす、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層と、
   アンドープ半導体によって形成され、前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層で発生した信号を増幅する、なだれ増倍層とを備えたことを特徴とする半導体受光素子。
2. 請求項１に記載の半導体受光素子において、前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層のＩｎＰに対する圧縮歪みｙは０％＜ｙ≦１．５％を満たし、膜厚が１５ｎｍ以上であることを特徴とする半導体受光素子。
3. 請求項１に記載の半導体受光素子の製造方法であって、
   前記ＩｎＰ基板を用意する工程と、
   有機金属ガス原料を用いて、前記ＩｎＰ基板上に前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層を結晶成長させる工程を含み、
   前記結晶成長させる工程において、前記ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層を結晶成長させる際にＳｂ原料としてトリスジメチルアミノアンチモンを用い、４００℃から５００℃の雰囲気で結晶成長することを特徴とする半導体受光素子の製造方法。