JP2016004936A - 受光素子およびエピタキシャルウエハ - Google Patents

Abstract

【課題】高感度の受光素子、および該受光素子の材料としてのエピタキシャルウエハを提供する。
【解決手段】第１の導電型を有する第１半導体層（バッファ層２）と第１半導体層（バッファ層２）上に積層するように配置されＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層３と、受光層３上に積層するように配置されＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２半導体層５と、受光層３と第２半導体層５とに挟まれるように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層４とを備える。第３半導体層４におけるキャリア濃度Ｎ１と第３半導体層４の膜厚Ｗ１との関係式がＮ１≦８．９×１０^１５／Ｗ１^２を満足する。
【選択図】図２

Description

本発明は、受光素子およびエピタキシャルウエハに対し、特に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層を備える受光素子と、該受光素子の材料としてのエピタキシャルウエハに関する。

ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はバンドギャップエネルギーが近赤外域に対応するため、通信用、生体検査用、夜間撮像用などを目的に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を受光層に用いた受光素子についての研究が進められている。

エピタキシャル層を入射面とするフォトダイオードでは、受光素子は、一般に基板上に設けられた受光層と窓層とを備えている。このとき、窓層を構成する材料（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）のバンドギャップエネルギーは、受光層を構成する材料（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）のバンドギャップエネルギーよりも広くなるように構成される。

特開２０１１−６０８５５号公報には、窓層を構成する材料（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）は、受光層を構成する材料（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）よりもバンドギャップエネルギーがより広い材料で構成されるのが好ましいことが記載されている。この場合、格子整合の観点から、また、窓層による電気抵抗増大の効果を抑制する観点から、窓層よりもバンドギャップエネルギーの狭い材料で構成される拡散濃度分布調整層が受光層と窓層との間に形成されるのが好ましいことが記載されている。これにより、拡散濃度分布調整層において、ｐｎ接合を形成するために窓層側から選択拡散される不純物元素が受光層へ到達することを抑制することができる。

特開２０１１−６０８５５号公報

しかしながら、上記のような従来の受光素子では、感度がより高感度な受光素子が求められている。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、高感度の受光素子、および該受光素子の材料としてのエピタキシャルウエハを提供することにある。

本発明の一態様に係る受光素子は、第１の導電型を有する第１半導体層と、第１半導体層上に積層するように配置されＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層と、受光層上に積層するように配置されＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２半導体層と、受光層と第２半導体層とに挟まれるように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層とを備える。また、第３半導体層内のキャリア濃度Ｎ１と、第３半導体層内の膜厚Ｗ１とがＮ１≦８．９×１０^１５／Ｗ１^２、Ｎ１≦３．５×１０^１５／Ｗ１^２、Ｎ１≦１．２×１０^１５／Ｗ１^２のいずれかの関係を満足する領域を含む。

本発明によれば、高感度の受光素子、および該受光素子の材料としてのエピタキシャルウエハを得ることができる。

本実施の形態に係る受光素子において、第３半導体層内におけるキャリア濃度と、空乏層の到達距離との関係を、受光素子の動作電圧毎に示したグラフである。 本実施の形態に係る受光素子を説明するための図である。 本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを説明するための図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。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。

［本発明の実施形態の説明］
はじめに、本発明の実施の形態の概要を列挙する。

（１）本実施の形態に係る受光素子１００は、第１の導電型を有する第１半導体層（バッファ層２）と第１半導体層（バッファ層２）上に積層するように配置されＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層３と、受光層３上に積層するように配置されＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２半導体層５（窓層５）と、受光層３と第２半導体層５とに挟まれるように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層４とを備える。また、第３半導体層４におけるキャリア濃度Ｎ１と第３半導体層４の膜厚Ｗ１との関係式がＮ１≦８．９×１０^１５／Ｗ１^２を満足する領域を含む。（２）または、関係式 Ｎ１≦３．５×１０^１５／Ｗ１^２、あるいは（３）関係式 Ｎ１≦１．２×１０^１５／Ｗ１^２のいずれかの関係を満足する領域を含む。第２半導体層５の一部は、ｐ型不純物（例えばＺｎ）を拡散して形成してもよいし、あるいは、ｐ型不純物を流通させて成膜しｐ型領域６を形成してもよい。

ここで膜厚Ｗ１とは、受光素子１００を構成する第１半導体層２、受光層３、第３半導体層４、第２半導体層５の各層の積層方向Ａ（図２参照）における、受光層３から第２半導体層５までの距離、つまり第３半導体層４の膜厚をいう。また、キャリア濃度Ｎ１は、Ｃ−Ｖ測定法により測定可能である。キャリア濃度Ｎ１のキャリア濃度は、２×１０^１５ｃｍ^−３以下である。

このように、本実施の形態に係る受光素子１００は、第１の導電型（たとえばｎ型）を有するバッファ層２と、第２半導体層５および第３半導体層４とで受光層３を挟みこむように形成されている。第２半導体層５は、第２導電型(たとえばｐ型)を付与する不純物が成長中に意図的にドープされている領域、あるいは、拡散にて不純物をドープし第２導電型を有している領域であってもよい。なお、受光層３は、不純物を意図的にドープしていないノンドープ領域であってもよいし、不純物をドープしたキャリア濃度が十分に低い低濃度不純物領域であってもよい。

ここで、発明者は、上述した受光素子１００の第３半導体層４に関して、キャリア濃度と空乏層の到達距離（広がり）との関係について鋭意研究した結果、上述した本実施形態に係る受光素子の構成を完成した。すなわち、発明者は上記第３半導体層４において、受光素子１００の所定の動作電圧でのキャリア濃度と空乏層の到達距離との関係をシミュレーションにより評価した。その結果を図１に示す。

図１において、縦軸は第３半導体層４中のキャリア濃度Ｎ１（単位：ｃｍ^−３）を示し、横軸は所定の動作電圧における空乏層の到達距離（単位：μｍ）を示す。また、図１に示す曲線Ａは、動作電圧５．０Ｖにおいて、第３半導体層４のキャリア濃度Ｎ１と空乏層の到達距離Ｌとの関係を示す関係式Ｎ１＝８．９×１０^１５／Ｌ^２を表わしたグラフである。そして、当該関係式を示す曲線Ａより下側（つまり、関係式Ｎ１≦８．９×１０^１５／Ｌ^２を満たす領域）に位置するように、上記空乏層の到達距離Ｌとキャリア濃度Ｎ１との関係を選択し、当該到達距離Ｌを第３半導体層４の膜厚Ｗ１として採用すれば、上述した動作電圧（５．０Ｖ）あるいは当該動作電圧以下（５．０Ｖ以下）の条件において、第３半導体層４のうち上記キャリア濃度Ｎ１を満足する領域の積層方向における全域を確実に空乏化することができる。つまり、第３半導体層４の膜厚Ｗ１とキャリア濃度Ｎ１とについて、関係式Ｎ１≦８．９×１０^１５／Ｗ１^２を満たすようにすれば、第３半導体層４のたとえば全域を容易に空乏化できる。なお、ここで積層方向とは、受光層３、第３半導体層４、および第２半導体層５が積層する方向を意味する。

また、図１中の曲線Ｂは、動作電圧１．５Ｖにおいて、第３半導体層４のキャリア濃度Ｎ１と空乏層の到達距離Ｌとの関係を示す関係式Ｎ１＝３．５×１０^１５／Ｌ^２を表わしたグラフである。そして、上述した曲線Ａの場合と同様に、当該関係式を示す曲線Ｂより下側（つまり、関係式Ｎ１≦３．５×１０^１５／Ｌ^２を満たす領域）に位置するように、上記空乏層の到達距離Ｌとキャリア濃度Ｎ１との関係を選択し、当該到達距離Ｌを第３半導体層４の膜厚Ｗ１として採用すれば、上述した動作電圧（１．５Ｖ）あるいは当該動作電圧以下（１．５Ｖ以下）の条件において、第３半導体層４のうち上記キャリア濃度Ｎ１を満足する領域の全域を確実に空乏化することができる。つまり、第３半導体層４の膜厚Ｗ１とキャリア濃度Ｎ１とについて、関係式Ｎ１≦３．５×１０^１５／Ｗ１^２を満たすようにすれば、第３半導体層４のたとえば全域を容易に空乏化できる。

また、図１中の曲線Ｃは、動作電圧０．０Ｖにおいて、第３半導体層４のキャリア濃度Ｎ１と空乏層の到達距離Ｌとの関係を示す関係式Ｎ１＝１．２×１０^１５／Ｌ^２を表わしたグラフである。そして、上述した曲線Ａの場合と同様に、当該関係式を示す曲線Ｃより下側（つまり、関係式Ｎ１≦１．２×１０^１５／Ｌ^２を満たす領域）に位置するように、上記空乏層の到達距離Ｌとキャリア濃度Ｎ１との関係を選択し、当該到達距離Ｌを第３半導体層４の膜厚Ｗ１として採用すれば、上述した動作電圧（０．０Ｖ）あるいは当該動作電圧以下（０．０Ｖ以下）の条件において、第３半導体層４のうち上記キャリア濃度Ｎ１を満足する領域の全域を確実に空乏層化することができる。つまり、第３半導体層４の膜厚Ｗ１とキャリア濃度Ｎ１とについて、関係式Ｎ１≦１．２×１０^１５／Ｗ１^２を満たすようにすれば、第３半導体層４のたとえば全域を容易に空乏化できる。

なお、図１からもわかるように、第３半導体層４の全体を空乏化するためには空乏層の到達距離を膜厚Ｗ１以上にする必要がある。したがって、上述した各動作電圧での関係式を満足させるために、第３半導体層４のキャリア濃度Ｎ１をより低く設ける必要がある。また、第３半導体層４のキャリア濃度Ｎ１を低く設けることにより、低い動作電圧で第３半導体層４の全体を空乏化させることができる。

異なる観点から言えば、受光素子１００は、動作電圧（逆方向電圧）を高めることなく、第３半導体層４中に空乏層を十分に広げることができる。一般に、受光素子の動作電圧を高めると、暗電流が増加して受光素子のＳ／Ｎ比が悪化する。これに対し、本実施の形態に係る受光素子１００では、受光層３に所定の光が入射することにより生じた電子−正孔対は、空乏層内の電界により加速されてそれぞれ第２導電型領域６（たとえばｐ型領域６）または第１半導体層２（バッファ層２）に高い確率で到達して光電流として取り出されることができる。この結果、本実施の形態に係る受光素子１００は高い感度を有することができる。なお、ｐ型領域６はｐ型材料（例えばＺｎ）を第２半導体層５中に拡散することにより形成してもよいし、成長中にｐ型材料を供給して第２半導体層５を形成してもよい。

（４）本実施の形態に係る受光素子１００は、第３半導体層４の膜厚Ｗ１が０．１μｍ以上３μｍ以下であるのが好ましい。第３半導体層４の膜厚Ｗ１が０．１μｍ未満であれば、ｐ型領域６が受光層３に到達し、暗電流の値が高くなり、Ｗ１が３．０μｍ以上であれば第３半導体層４内を完全に空乏化させるには高い電圧が必要となる。このように、第３半導体層４の膜厚が０．１μｍ以上であれば、受光素子１００の製造方法において、第２導電型領域６（たとえばｐ型領域６）が受光層３に達するように形成されることを、第３半導体層４により防止することができる。また、第３半導体層４の膜厚Ｗ１が３μｍ以下であれば、低い動作電圧で第３半導体層４内に空乏層を拡げることができるため、受光感度が低下することを抑制することができる。

（５）本実施の形態に係る受光素子１００は、第３半導体層４内のキャリア濃度Ｎ１が２×１０^１５ｃｍ^−３以下であるのが好ましい。このようにすれば、受光素子１００に所定の動作電圧を印加したときに、上記積層方向において第３半導体層４を完全に空乏化することができる。そのため、受光感度を高めることができる。

（６）本実施の形態に係る受光素子１００において、受光層３はタイプＩＩ型の多重量子井戸構造を有していてもよい。このようにすれば、受光素子１００が受光可能な波長域は、受光層３を構成する材料の組成、組み合わせ、および膜厚によって幅広い値に決めることができる。そのため、これらのパラメータを制御することにより、単一の材料で受光層を形成した場合よりも大きなバンドギャップの材料を用いながら、近赤外域および中赤外域のうち所定の波長域の光を受光可能とすることができる。

（７）本実施の形態に係る受光素子１００では、タイプＩＩ型の多重量子井戸構造が、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、およびＩｎＡｓ／ＧａＳｂの群から選択される１つで構成されていてもよい。

このようにすれば、受光層３を構成するＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＡｓ、およびＧａＳｂ等のバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光、つまり近赤外光や中赤外光を受光可能な受光素子１００とすることができる。

（８） 本実施の形態に係る受光素子１００では、第２半導体層５および第３半導体層４の一部には、第１の導電型と異なる第２の導電型を付与する不純物が部分的に拡散してなる第２導電型領域６が形成されていてもよい。

このようにすれば、ｐ型電極１２と第２半導体層５および第３半導体層４とをオーミック接触可能とするｐｉｎ構造の受光素子を得る事ができる。

（９）本実施の形態に係るエピタキシャルウエハ１０は、第１の導電型を有する第１半導体層２と、第１半導体層２上に形成されているＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層３と、受光層３上に積層するように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２半導体層５と、受光層３と第２半導体層５とに挟まれるように配置されている第３半導体層４とを備え、第３半導体層４におけるキャリア濃度Ｎ１と第３半導体層４の膜厚Ｗ１との関係式が動作電圧５．０Ｖにおいて、Ｎ１≦８．９×１０^１５／Ｗ１^２を満足する領域を含む。または、（１０）動作電圧１．５Ｖにおいて、関係式 Ｎ１≦３．５×１０^１５／Ｗ１^２、あるいは（１１）動作電圧０．０Ｖにおいて関係式Ｎ１≦１．２×１０^１５／Ｗ１^２のいずれかの関係を満足するように設けられた領域を含んでいる。

上記関係式を満たす場合、第３半導体層４内は完全に空乏化し受光素子として動作することができる。第３半導体層４には、第１の導電型とは異なる第２導電領域を含む領域を成長中にｐ型不純物を流通させて形成してもよく、あるいは、選択拡散することによりｐ型領域６形成してもよい。第２導電型領域はｐ型導電性を有している。ｐ型の導電型を付与する不純物は、たとえば亜鉛（Ｚｎ）である。

このようなエピタキシャルウエハ１０に対して、所定のキャリア濃度Ｎ１を有する第３半導体層４を形成することにより、本実施の形態に係る受光素子１００を得ることができる。このようにして得られる受光素子１００は、所定の動作電圧を印加したときに上記積層方向において第３半導体層４を完全に空乏化することができるため、高い感度を有することができる。

（１２）本実施の形態に係るエピタキシャルウエハ１０は、第３半導体層４の膜厚Ｗ１が０．１μｍ以上３．０μｍ以下であるのが好ましい。第３半導体層４の膜厚Ｗ１が０．１μｍ未満では第２導電型領域（ｐ型領域６）が受光層３へ到達してしまい空乏層が拡がらず暗電流値が高くなる。また、第３半導体層４の膜厚Ｗ１が３．０μｍ以上では第３半導体層４内を完全に空乏化させるには高い電圧が必要である。このように、第３半導体層４の膜厚Ｗ１が０．１μｍ以上であれば、エピタキシャルウエハ１０を用いて受光素子１００を製造する際に、第３半導体層４により第２導電型領域６（たとえばｐ型領域６）が受光層３に達するように形成されることを防止することができる。また、第３半導体層４の膜厚Ｗ１が３．０μｍ以下であれば、低い動作電圧で第３半導体層４内に空乏層を拡げることができるため、受光感度が低下することを抑制することができる。

（１３）本実施の形態に係るエピタキシャルウエハ１０は、第３半導体層４内のキャリア濃度Ｎ１が２×１０^１５ｃｍ^−３以下であるのが好ましい。このようにすれば、当該エピタキシャルウエハ１０を用いて得られた受光素子１００に所定の動作電圧を印加したときに、上記積層方向において第３半導体層４を完全に空乏化することができる。そのため、受光感度を高めることができる。

（１４）本実施の形態に係るエピタキシャルウエハ１０は、受光層３はタイプＩＩ型の多重量子井戸構造を有していてもよい。このようにすれば、単一の材料で受光層を形成した場合よりも大きなバンドギャップの材料を用いながら、近赤外域および中赤外域のうち所定の波長域の光を受光可能とすることができる。

（１５）本実施の形態に係るエピタキシャルウエハ１０において、タイプＩＩ型の多重量子井戸構造が、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、およびＩｎＡｓ／ＧａＳｂの群から選択される１つで構成されていてもよい。このようなエピタキシャルウエハ１０を用いて得られる受光素子１００は、受光層３を構成するＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＡｓ、およびＧａＳｂ等のバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光、つまり近赤外光や中赤外光を受光可能とすることができる。

［本発明の実施形態の詳細］
次に、本発明の実施の形態の詳細について説明する。

図２を参照して、本実施の形態に係る受光素子１００について説明する。本実施の形態に係る受光素子１００は、基板１と、バッファ層２と、受光層３と、第３半導体層４と、第２半導体層５とを備えるエピタキシャルウエハ１０に、ｐ型領域６、ｎ型電極１１、ｐ型電極１２および絶縁膜１３が形成された、ＰＩＮフォトダイオードである。

基板１は、任意のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料で構成されていればよいが、たとえばリン化インジウム（ＩｎＰ）で構成されている。基板１は、第１の主面１ａを有し、第１の主面１ａを介してバッファ層２と接続されている。第１の主面１ａの面方位は、たとえば（１００）面である。基板１はｎ型導電性を有している。ｎ型不純物としては、たとえばすず（Ｓｎ）や硫黄（Ｓ）である。基板１のキャリア濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３以下である。

バッファ層２は、任意のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料で構成されていればよいが、たとえばインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）で構成されている。バッファ層２は、基板１の第１の主面１ａと接する面と反対側に位置する第２の主面２ａを有し、第２の主面２ａを介して受光層３と接続されている。バッファ層２はｎ型導電性を有している。バッファ層２のキャリア濃度は、たとえば８×１０^１６ｃｍ^−３以上１×１０^１８ｃｍ^−３以下である。バッファ層２の厚みは、たとえば１００μｍ以上２００μｍ以下である。

受光層３は、タイプＩＩ型の多重量子井戸構造を有している。具体的には、受光層３は、たとえばＩｎＧａＡｓ層とガリウムヒ素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）層、窒化ガリウムインジウムヒ素（ＧａＩｎＮＡｓ）層とＧａＡｓＳｂ層、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）層とガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）層とで構成される一つの量子井戸が２５０ペア程度積層されて構成されている。ＩｎＧａＡｓ層、ＧａＩｎＮＡｓ層、ＩｎＡｓ層の厚みは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、ＧａＡｓＳｂ層、ＧａＳｂ層の厚みは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。受光層３は、バッファ層２の第２の主面２ａと接する面と反対側に位置する第３の主面３ａを有し、第３の主面３ａを介して第３半導体層４と接続されている。ＩｎＧａＡｓ層、ＧａＩｎＮＡｓ層、ＩｎＡｓ層、ＧａＳｂ層およびＧａＡｓＳｂ層は、ともに意図的にドープされていないノンドープ層であってもよいし、意図的に不純物をドープした低キャリア濃度層であってもよい。

第３半導体層４は、任意のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料で構成されていればよいが、たとえばＩｎＧａＡｓで構成されている。第３半導体層４は、受光層３の第３の主面３ａと接する面と反対側に位置する第４の主面４ａを有し、第４の主面４ａを介して第２半導体層５と接続されている。第３半導体層４は、不純物を意図的にドープしてもよいし、ノンドープであってもよい。第３半導体層４の厚み（積層方向Ａにおける受光層３と第２半導体層５との間の距離）は、たとえば０．１μｍ以上３．０μｍ以下である。

第２半導体層５は、任意のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料で構成されていればよいが、たとえばＩｎＰで構成されている。第２半導体層５は、第３半導体層４の第４の主面４ａと接する面と反対側に位置する第５の主面５ａを有している。積層方向Ａにおける第２半導体層５の厚みは、たとえば０．７５μｍ以上０．８５μｍ以下である。

ｐ型領域６は、ｐ型の導電型を付与する不純物が第５の主面５ａから第２半導体層５および第３半導体層４に選択拡散することにより形成されており、ｐ型導電性を有している。また、第２半導体層は、成長中にp型不純物を流通させて形成してもよい。ｐ型の導電型を付与する不純物は、たとえば亜鉛（Ｚｎ）である。

ｐ型領域６は、第２半導体層５および第３半導体層４上において部分的に形成されている。具体的には、積層方向Ａにおいては、第５の主面５ａから第３半導体層４に延びるように形成されており、このときの積層方向Ａにおける受光層３とｐ型領域６との距離は０．１μｍ未満である。つまり、ｐ型領域６は受光層３内に形成されておらず、ｐ型領域６の積層方向Ａにおける下端（Ｚｎ拡散フロント）は第３半導体層４の内部に存在し、受光層３内には存在しない。言い換えると、Ｚｎは受光層３内に高濃度に導入されていない。一方、第５の主面５ａに沿った方向においては、プレナー型受光素子として画素が配置される複数の領域にｐ型領域６が形成されている。

第３半導体層４のキャリア濃度Ｎ１と、第３半導体層４の膜厚Ｗ１とは、Ｎ１≦８．９×１０^１５／Ｗ１^２、Ｎ１≦３．５×１０^１５／Ｗ１^２、あるいはＮ１≦１．２×１０^１５／Ｗ１^２を満足する領域を含んでいる。たとえば、動作電圧Ｖが１．５Ｖであるときには、上記膜厚Ｗ１が１μｍであって上記キャリア濃度Ｎ１を３．５×１０^１５ｃｍ^−３以下とすれば第３半導体層４の全体を空乏化させることができる。

ｎ型電極１１は、基板１の裏面１０ｂ上に設けられている。ｎ型電極１１は、基板１とオーミック接触可能な材料を含んで構成されており、たとえばＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉで構成されている。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板１の厚みは、エピタキシャルウエハ１０の成長後に、研磨あるいはエッチングによってたとえば４０μｍ以上１００μｍ以下に薄くしてもよい。

ｐ型電極１２は、第２半導体層５の第５の主面５ａ上（エピタキシャルウエハ１０の表面１０ａ上）に設けられている。ｐ型電極１２は、ｐ型導電性を有するｐ型領域６とオーミック接合可能な材料で構成されていればよく、たとえばＡｕ／Ｚｎで構成されている。

第５の主面５ａ上において、ｐ型電極１２が形成されていない領域には絶縁膜１３が形成されている。絶縁膜１３を構成する材料は、たとえばＳｉＯ_２、ＳｉＮである。

次に、本実施の形態に係る受光素子１００の動作について説明する。まず、受光素子１００のｎ型電極１１およびｐ型電極１２との間に所定の逆方向バイアス電圧を印加することにより、図１に示した曲線Ａ〜曲線Ｃのいずれかより下側の領域の条件を満足するように第３半導体層４のキャリア濃度および空乏層の到達距離に対応する第３半導体層４の膜厚Ｗ１が設定されているため、積層方向Ａにおいて第３半導体層４全体と受光層３を空乏化させることができる。測定対象とする光（たとえば近赤外光や中赤外光）は、基板１の裏面１０ｂ側から入射されると、基板１やバンドギャップが広いＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料で構成されているバッファ層２を透過して受光層３に達してそこで吸収され、電子‐正孔対を生成する。空乏層に生じている電界によって、電子はｎ型領域（バッファ層２、基板１を介してｎ型電極１１）へ、正孔はｐ型領域（ｐ型領域６を介してｐ型電極１２）へ移動されて電流として読み出される。

次に、図３を参照して、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハ１０について説明する。本実施の形態に係るエピタキシャルウエハ１０は、本実施の形態に係る受光素子１００の製造に用いられるエピタキシャルウエハである。エピタキシャルウエハ１０は、上述のように、基板１と、バッファ層２と、受光層３と、第３半導体層４と、第２半導体層５とを備える。第２半導体層５にはｐ型不純物を含んでいてもよい。

エピタキシャルウエハ１０において、第３半導体層４は、受光層３と第２半導体層５との間の膜厚Ｗ１に相当する厚みを有している。具体的には、第３半導体層４内のキャリア濃度Ｎ１と膜厚Ｗ１とが、関係式Ｎ１≦８．９×１０^１５／Ｗ１^２、Ｎ１≦３．５×１０^１５／Ｗ１^２、あるいはＮ１≦１．２×１０^１５／Ｗ１^２を満足するように設けられている。この関係式を満足するように設けられた第３半導体層４を備えるエピタキシャルウエハ１０を用いて製造された受光素子１００は、当該第３半導体層４において上述した関係式Ｎ１≦８．９×１０^１５／Ｗ１^２、Ｎ１≦３．５×１０^１５／Ｗ１^２、あるいはＮ１≦１．２×１０^１５／Ｗ１^２を満足する領域を含んでおり、それぞれ動作電圧５．０Ｖ以下、１．５Ｖ以下、０．０Ｖで第３半導体層４内を完全に空乏化することができ、受光素子として動作させることができる。第３半導体層４は、不純物を意図的にドープしてもよいし、ノンドープであってもよい。

これら３つの関係式は、以下のようにして導出される。具体的には、まず、真空の誘電率ε_０、第３半導体層４の比誘電率ε_ｒ、動作電圧Ｖ、電荷素量ｑ、およびバッファ層２とｐ型領域６との間の拡散電位Ｖｒ、および空乏層の到達距離Ｌを用いた関係式（Ａ）：Ｎ1＝２ε_０ε_ｒ（Ｖ_ｒ＋Ｖ）／（ｑＬ^２）から、図１に示した曲線Ａ〜曲線Ｃが導出される。すなわち、上記関係式に、動作電圧Ｖ＝５Ｖ、真空の誘電率ε_０＝８．８５４×１０^−１４Ｆ／ｍ、第３半導体層４の比誘電率ε_ｒ＝１３．９、拡散電位Ｖｒ＝０．７６Ｖ、電荷素量ｑ＝１．６×１０^−１９Ｃを代入すると、Ｎ１＝８．９×１０^１５／Ｌ^２（図１の曲線Ａ）が導出される。さらに、図１の曲線Ａで示される上記関係式から、同じキャリア濃度Ｎ１に対して上記関係式を満足する空乏層の到達距離Ｌより第３半導体層４の膜厚Ｗ１を小さく設定すれば、確実に第３半導体層４の全体を空乏化できる。すなわち、第３半導体層４について、動作電圧が５．０Ｖの場合には関係式Ｎ１≦８．９×１０^１５／Ｗ１^２を満足するようにキャリア濃度Ｎ１および膜厚Ｗ１を設定すればよい。

また、上記関係式（Ａ）に、動作電圧Ｖ＝１．５Ｖ、真空の誘電率ε_０＝８．８５４×１０^−１４Ｆ／ｍ、第３半導体層４の比誘電率ε_ｒ＝１３．９、拡散電位Ｖｒ＝０．７６Ｖ、電荷素量ｑ＝１．６×１０^−１９Ｃを代入して上述と同様に計算すると、動作電圧Ｖ＝１．５Ｖであるときに満足するべき関係式Ｎ１≦３．５×１０^１５／Ｗ１^２が導出される。また、上記関係式に、動作電圧Ｖ＝０Ｖ、真空の誘電率ε_０＝８．８５４×１０^−１４Ｆ／ｍ、第３半導体層４の比誘電率ε_ｒ＝１３．９、拡散電位Ｖｒ＝０．７６Ｖ、電荷素量ｑ＝１．６×１０^−１９Ｃを代入して上述と同様に計算すると、動作電圧Ｖ＝０Ｖであるときに満足するべき関係式Ｎ１≦１．２×１０^１５／Ｗ１^２が導出される。なお、上述のように動作電圧Ｖとして５．０Ｖ、１．５Ｖを設定したのは、実際の受光素子１００で想定される動作電圧に近い値であるためである。また、動作電圧Ｖとして０Ｖを設定したのは、このようにすればバイアス無しで受光素子１００を動作させることができるためである。

次に、本実施の形態に係る受光素子１００の製造方法について説明する。本実施の形態に係る受光素子１００の製造方法は、エピタキシャルウエハ１０を用いて受光素子１００を製造する方法である。

まず、エピタキシャルウエハ１０を準備する（工程（Ｓ１０））。具体的には、はじめに、ｎ型導電性を有し、ＩｎＰからなる基板１を準備する。次に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、バッファ層２をエピタキシャル成長させる。具体的には、基板１の第１の主面１ａ上に、ｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＡｓからなるバッファ層２をエピタキシャル成長させる。次に、受光層３をエピタキシャル成長させる。具体的には、バッファ層２の第２の主面２ａ上に、意図的に不純物をドープせずに（ドーパントガスを流通させずに）ＩｎＧａＡｓ層およびＧａＡｓＳｂ層、ＧａＩｎＮＡｓ層およびＧａＡｓＳｂ層、あるいはＩｎＡｓ層およびＧａＳｂ層を交互に成長させる。次に、第３半導体層４を成長させる。具体的には、受光層３の第３の主面３ａ上に、意図的に不純物をドープせずに（ドーパントガスを流通させずに）ＩｎＧａＡｓからなる第３半導体層４を成長させる。次に、第２半導体層５を成長させる。具体的には、第３半導体層４の第４の主面４ａ上に、意図的に不純物をドープさせた（ドーパントガスを流通させた）例えば、ＩｎＰからなる第２半導体層５を成長させる。

次に、ｐ型領域６を形成する（工程（Ｓ２０））。具体的には、まず、第２半導体層５の第５の主面５ａ上にたとえば窒化珪素（ＳｉＮ）膜からなる拡散マスクパターンを形成する。該拡散マスクパターンは、ｐ型領域６が形成される領域に開口部を有している。次に、該拡散マスクパターンの開口部から、第２半導体層５にＺｎを選択拡散させる。拡散濃度および拡散深さを制御することにより、ｐ型領域６は受光層３に達しないように形成される。ｐ型領域は、第２半導体層５の成長中に、ｐ型のドーパントガスを流通させｐ型領域を形成してもよい。

次に、裏面１０ｂ上にｎ型電極１１を、第５の主面５ａ上にｐ型電極１２および絶縁膜１３を形成する（工程（Ｓ３０））。ｎ型電極１１は基板１と、ｐ型電極１２はｐ型領域６と、それぞれオーミック接触するように設けられる。各電極の形成は、任意の成膜方法により行うことができる。以上のようにして、本実施の形態に係る受光素子１００を得ることができる。

次に、本実施の形態に係る受光素子１００の作用効果について説明する。本実施の形態に係る受光素子１００は、第３半導体層４のキャリア濃度Ｎ１と第３半導体層４の膜厚Ｗ１とが、Ｎ１≦８．９×１０^１５／Ｗ１^２、Ｎ１≦３．５×１０^１５／Ｗ１^２、あるいはＮ１≦１．２×１０^１５／Ｗ１^２を満足する領域が含まれるように設けられている。

そのため、受光素子１００に所定の動作電圧（たとえば十分に低い逆方向電圧）を印加したときに、受光層３、第３半導体層４、および第２半導体層５が積層する方向（以下、単に積層方向という）において、第３半導体層４の全体を空乏化することができる。

また、本実施の形態に係る受光素子１００は、上述のように、タイプＩＩ型の多重量子井戸構造を有する受光層３を備えるため、受光層３を構成するＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ，ＩｎＡｓ、ＧａＳｂおよびＧａＡｓＳｂのバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーの光、つまり近赤外光や中赤外光を受光可能である。

また、本実施の形態に係る受光素子１００は、第３半導体層４の厚みが０．１μｍ以上であるので、受光素子１００を製造方法において、ｐ型領域６が受光層３に達するように形成されることを、第３半導体層４により防止することができる。

また、本実施の形態に係る受光素子１００は、エピタキシャルウエハ１０を用いることにより、容易に得ることができる。

［実施例］
＜試料＞
まず、本実施の形態に係る受光素子１００として、第３半導体層４の膜厚Ｗ１が１．０μｍ程度である１０種類の受光素子１００を準備した。具体的には、第３半導体層４におけるキャリア濃度Ｎ１と第３半導体層４の膜厚Ｗ１との関係式がＮ１≦１．２×１０^１５／Ｗ１^２を満足する２種類の受光素子１００として、動作電圧Ｖが０．０Ｖのときに、第３半導体層４内のキャリア濃度Ｎ１が２×１０^１４ｃｍ^−３、１×１０^１５ｃｍ^−３である、２種類の受光素子１００を準備した。さらに、第３半導体層４におけるキャリア濃度Ｎ１と第３半導体層４の膜厚Ｗ１との関係式がＮ１≦３．５×１０^１５／Ｗ１^２を満足する４種類の受光素子１００として、動作電圧が１．５Ｖのときに第３半導体層４内のキャリア濃度Ｎ１が２×１０^１４ｃｍ^−３、１×１０^１５ｃｍ^−３、２×１０^１５ｃｍ^−３、３×１０^１５ｃｍ^−３である４種類の受光素子１００を準備した。第３半導体層４におけるキャリア濃度Ｎ１と第３半導体層４の膜厚Ｗ１との関係式がＮ１≦８．９×１０^１５／Ｗ１^２を満足する４種類の受光素子１００として、動作電圧が５Ｖのときに第３半導体層４内のキャリア濃度Ｎ１が２×１０^１４ｃｍ^−３、１×１０^１５ｃｍ^−３、２×１０^１５ｃｍ^−３、３×１０^１５ｃｍ^−３である４種類の受光素子１００を準備した。

なお、各受光素子１００のキャリア濃度Ｎ１は、Ｃ−Ｖ測定法により測定した。
＜評価＞
＜結果＞
動作電圧によらず、第３半導体層４内のキャリア濃度Ｎ１が低いほど光電流値が大きく、感度が向上することが確認された。たとえばキャリア濃度Ｎ１がＮ１≦８．５×１０^１５／Ｗ１^２を満足する場合、動作電圧５．０Ｖ以上で感度を向上させる事ができ、キャリア濃度Ｎ１がＮ１≦３．５×１０^１５／Ｗ１^２を満足する場合、動作電圧１．５Ｖ以上で感度を向上させることができる。また、キャリア濃度Ｎ１がＮ１≦１．２×１０^１５／Ｗ１^２を満足する場合には動作電圧に依らず感度を向上させることができた。具体的には、例えば、２×１０^１６ｃｍ^−３であって動作電圧を１．５Ｖとしたときの光電流値は３０×１０^−１２Ａ／Ｗ程度であったが、たとえばキャリア濃度Ｎ１が２×１０^１５ｃｍ^−３であって動作電圧を１．５Ｖとしたときの光電流値は２００×１０^−１２Ａ／Ｗであった。さらに、たとえばキャリア濃度Ｎ１が２×１０^１４ｃｍ^−３であって動作電圧を１．５Ｖとしたときの光電流値は７００×１０^−１２Ａ／Ｗであった。これは、第３半導体層４内におけるキャリア濃度Ｎ１を低くすることで、同一の動作電圧において第３半導体層４内において空乏層を十分に拡げることができ、受光層３内において受光により生じた電子をより確実にｐ型電極１２まで到達させることができるためと考えられる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行ったが、上述の実施の形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではない。本発明の範囲は、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を含むことが意図される。

本発明は、ノンドープ、あるいは不純物が意図的に添加されてなる第３半導体層を備える受光素子に特に有利に適用される。

１ 基板
１ａ 第１の主面
２ 第１半導体層
２ バッファ層
２ａ 第２の主面
３ 受光層
３ａ 第３の主面
４ 第３半導体層
４ａ 第４の主面
５ 第２半導体層
５ａ 第５の主面
６ 第２導電型領域（ｐ型拡散領域）
１０ エピタキシャルウエハ
１０ｂ 裏面
１１ ｎ型電極
１２ ｐ型電極
１３ 絶縁膜
１００ 受光素子

Claims (15)

1. 第１の導電型を有する第１半導体層と、
   前記第１半導体層上に積層するように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層と、
   前記受光層上に積層するように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２半導体層と、
   前記受光層と前記第２半導体層とに挟まれるように配置され、前記受光層とは異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層とを備え、
   前記第３半導体層におけるキャリア濃度Ｎ１と前記第３半導体層の膜厚Ｗ１との関係式がＮ１≦８．９×１０^１５／Ｗ１^２を満足する領域を含む、受光素子。
2. 第１の導電型を有する第１半導体層と、
   前記第１半導体層上に積層するように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層と、
   前記受光層上に積層するように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２半導体層と、
   前記受光層と前記第２半導体層とに挟まれるように配置され、前記受光層とは異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層とを備え、
   前記第３半導体層におけるキャリア濃度Ｎ１と前記第３半導体層の膜厚Ｗ１との関係式がＮ１≦３．５×１０^１５／Ｗ１^２を満足する領域を含む、受光素子。
3. 第１の導電型を有する第１半導体層と、
   前記第１半導体層上に積層するように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層と、
   前記受光層上に積層するように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２半導体層と、
   前記受光層と前記第２半導体層とに挟まれるように配置され、前記受光層とは異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層とを備え、
   前記第３半導体層におけるキャリア濃度Ｎ１と前記第３半導体層の膜厚Ｗ１との関係式がＮ１≦１．２×１０^１５／Ｗ１^２を満足する領域を含む、受光素子。
4. 前記第３半導体層の膜厚Ｗ１が０．１μｍ以上３μｍ以下である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の受光素子。
5. 前記第３半導体層のキャリア濃度Ｎ１が２×１０^１５ｃｍ^−３以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の受光素子。
6. 前記受光層はタイプＩＩ型の多重量子井戸構造を有している、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の受光素子。
7. 前記タイプＩＩ型の多重量子井戸構造が、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、およびＩｎＡｓ／ＧａＳｂの群から選択される１つで構成されている、請求項６に記載の受光素子。
8. 前記第２半導体層および前記第３半導体層の一部には、前記第１の導電型と異なる第２の導電型を付与する不純物が部分的に拡散してなる第２導電型領域が形成されている領域を含む請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の受光素子。
9. 第１の導電型を有する第１半導体層と、
   前記第１半導体層上に積層するように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層と、
   前記受光層上に積層するように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２半導体層と、
   前記受光層と前記第２半導体層とに挟まれるように配置され、前記受光層とは異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層とを備え、
   前記第３半導体層におけるキャリア濃度Ｎ１と前記第３半導体層の膜厚Ｗ１との関係式がＮ１≦８．９×１０^１５／Ｗ１^２を満足する、エピタキシャルウエハ。
10. 第１の導電型を有する第１半導体層と、
    前記第１半導体層上に積層するように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層と、
    前記受光層上に積層するように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２導体層と、
    前記受光層と前記第２半導体層とに挟まれるように配置され、前記受光層とは異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層とを備え、
    前記第３半導体層におけるキャリア濃度Ｎ１と前記第３半導体層の膜厚Ｗ１との関係式がＮ１≦３．５×１０^１５／Ｗ１^２を満足する、エピタキシャルウエハ。
11. 第１の導電型を有する第１半導体層と、
    前記第１半導体層上に積層するように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層と、
    前記受光層上に積層するように配置され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第２半導体層と、
    前記受光層と前記第２半導体層とに挟まれるように配置され、前記受光層とは異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層とを備え、
    前記第３半導体層におけるキャリア濃度Ｎ１と前記第３半導体層の膜厚Ｗ１との関係式がＮ１≦１．２×１０^１５／Ｗ１^２を満足する、エピタキシャルウエハ。
12. 前記第３半導体層の膜厚Ｗ１が０．１μｍ以上３μｍ以下である、請求項９〜請求項１１のいずれか１項に記載のいずれかのエピタキシャルウエハ。
13. 第３半導体層のキャリア濃度Ｎ１が２×１０^１５ｃｍ^−３以下である、請求項９〜請求項１２のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
14. 前記受光層はタイプＩＩ型の多重量子井戸構造を有している、請求項９〜請求項１３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウエハ。
15. 前記タイプＩＩ型の多重量子井戸構造が、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ、およびＩｎＡｓ／ＧａＳｂの群から選択される１つで構成されている、請求項１４に記載のエピタキシャルウエハ。

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