JP2017143237A - 赤外線受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】９μｍ以上１０μｍ以下の波長帯に優れたＳＮＲを持つ赤外線受光素子を実現する。【解決手段】赤外線受光素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成された半導体積層部と、を備え、半導体積層部は、ｎ型化合物半導体層と、ＩｎＡｓＸＳｂ１−Ｘ（０．１１≦Ｘ≦０．２７）を含む活性層と、ＩｎとＧａとＳｂとを少なくとも含むワイドバンドギャップ層と、ｐ型化合物半導体層と、がこの順に積層されてなる。活性層ＩｎＡｓＸＳｂ１−ＸのＡｓ組成Ｘを制限することにより、吸収ピーク波長の長波長シフト及びキャリア濃度増加に伴う素子抵抗及び感度低下の抑制を両立させ、また、キャリア濃度の増加を回避し得る濃度の、例えばＺｎ等のｐ型ドーパントを活性層にドーピングすることで、感度及び素子抵抗の低下を抑制することができ、ＳＮＲの劣化を回避することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は赤外線受光素子に関する。

一般的に赤外線受光素子には、赤外線エネルギーを吸収することによって発生する温度変化を利用する、焦電素子やサーモパイル等の熱型と、入射した光エネルギーで励起された電子によって生じる導電率の変化や起電力を利用する量子型とがある。
熱型の赤外線受光素子は室温での動作が可能であるが、波長依存性がなく低感度で応答性が遅いという欠点がある。一方、量子型の赤外線受光素子は冷却する必要があるが、波長依存性があり、高感度で応答速度も速いという特徴を有している。

赤外線受光素子の応用としては、人を検知することによって、照明やエアーコンディショナー、テレビ等の家電機器の自動オンオフを行う人感センサや、防犯用の監視センサ等が代表的な例である。また、量子型の赤外線受光素子においては、その波長依存性を制御することで、固有の吸収波長域を有したガスの濃度測定への応用が注目されている。上記の応用においては、特に９μｍ以上１０μｍ以下の波長帯に優れた感度を有した赤外線受光素子が求められている。
９μｍ以上１０μｍ以下の波長帯に感度を有する赤外線受光素子としては、例えば非特許文献１に示すような構造のものが知られている。

Ｊ． Ｄ． Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．， "８−１３μｍ ＩｎＡｓＳｂ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｔ ｎｅａｒ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ " Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ６７（１８）， ２６４５ （１９９５）．

しかしながら、非特許文献１に示すような構造であっても、室温においては十分なＳ／Ｎ比（以後、ＳＮＲともいう。）が得られないのが実情である。赤外線受光素子のＳＮＲは、一般的に感度と動作電圧における微分抵抗の平方根との積に比例する。非特許文献１に示す構造では、光吸収層にＩｎＡｓ_０．１５Ｓｂ_０．８５が用いられているが、そのバンドギャップエネルギーは約０．１３ｅＶと小さく、室温では真性キャリア濃度が約８×１０^−１６ｃｍ^−３と高い。キャリア濃度の増大は拡散電流の増加を引き起こすが、特にＰＮ接合ダイオードにおいては、拡散電流による漏れ電流が素子の微分抵抗に大きく影響する。

そのため、ＩｎＡｓＳｂのようにキャリア濃度の大きい材料をＰＮ接合ダイオードとして用いる場合、十分な微分抵抗を得ることは難しい。また、キャリア濃度の増大により、オージエ再結合過程が促進され、光吸収により生成するキャリアの寿命が短くなるため、結果として感度も低下してしまう。
そこで、本発明は上記のような課題を鑑みてなされたものであり、９μｍ以上１０μｍ以下の波長帯に優れたＳ／Ｎ比を持つ赤外線受光素子を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る赤外線受光素子は、半導体基板と、当該半導体基板上に形成された半導体積層部と、を備え、前記半導体積層部は、ｎ型化合物半導体層と、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘ（０．１１≦Ｘ≦０．２７）を含む活性層と、ＩｎとＧａとＳｂとを少なくとも含むワイドバンドギャップ層と、ｐ型化合物半導体層と、がこの順に積層されてなることを特徴としている。

本発明の一態様に係る赤外線受光素子によれば、９μｍ以上１０μｍ以下の波長帯に、優れたＳ／Ｎ比を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態における活性層のＡｓ組成ＸとＳ／Ｎ比（ＳＮＲ）との関係を示す特性図の一例である。 活性層であるＩｎＡｓＳｂ層のＺｎ濃度とシートキャリア濃度との関係を示す特性図の一例である。 本発明の一実施形態におけるワイドバンドギャップ層のＧａ組成Ｙと微分抵抗との関係を示す特性図の一例である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて説明する。本実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

［赤外線受光素子]
本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成された半導体積層部と、を備え、半導体積層部は、ｎ型化合物半導体層と、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘ（０．１１≦Ｘ≦０．２７）を含む活性層と、インジウムＩｎとガリウムＧａとアンチモンＳｂとを少なくとも含むワイドバンドギャップ層と、ｐ型化合物半導体層と、がこの順に積層されてなる。

本発明者らは鋭意検討した結果、本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子によれば、９μｍ以上１０μｍ以下の波長帯に優れたＳＮＲを有した赤外線受光素子を実現することができることを見い出した。
なお、ここでは、半導体積層部は、ｎ型化合物半導体層が前記半導体基板と向かい合うように半導体基板上に形成される場合について説明するが、ｐ型化合物半導体層側が前記半導体基板と向かい合うように半導体基板上に形成される場合であっても適用することができる。

また、「半導体基板上に形成された半導体積層部」という表現における「上に」という文言は、半導体基板の上に半導体積層部が形成されていることを意味するが、半導体基板と半導体積層部（つまり、ｎ型化合物半導体層又はｐ型化合物半導体層）との間に、例えばバッファ層等といった別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。また、「…この順に積層されてなる」という文言は、ｎ型化合物半導体層と、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘ（０．１１≦Ｘ≦０．２７）を含む活性層と、インジウムＩｎとガリウムＧａとアンチモンＳｂとを少なくとも含むワイドバンドギャップ層と、ｐ型化合物半導体層と、がこの順に積層されていればよく、これら層間に他の層が形成される場合もこの表現に含まれる。

本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子の各化合物半導体層の成長法としては、例えばＭＯＶＰＥ法のようなエピタキシャル成長技術を利用して成膜することができるが、これに限定するものではない。例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等を用いて成膜してもよい。
本発明の赤外線受光素子は、半導体基板側から赤外線を入射させ半導体積層部の活性層で受光させてもよく、又は、半導体積層部側から赤外線を入射させ半導体積層部の活性層で受光させてもよい。
次に、本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子の各構成要件について説明する。以下に記載される赤外線受光素子の各構成要件の特徴は、本発明の技術思想を逸脱しない範囲でそれぞれ単独で、又は組み合わせて適用することができる。

［半導体基板］
本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子における半導体基板は、その上にｎ型化合物半導体層、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘ（０．１１≦Ｘ≦０．２７）を含む活性層、ＩｎとＧａとＳｂとを少なくとも含むワイドバンドギャップ層、及びｐ型化合物半導体層をこの順に積層可能なものであれば特に制限されない。一例としては、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板、ＩｎＰ基板、ＩｎＳｂ基板、ＧａＳｂ基板等が挙げられるがこの限りではない。また、半導体基板には不純物が混入していても良い。

一つの半導体基板上に、独立した複数の素子を直列又は並列に接続可能にする観点からは、半導体基板は半絶縁性又はｎ型化合物半導体層と絶縁分離可能なものであることが好ましい。半導体基板の作製方法としては、昇華法やＨＶＰＥ法等の気層成長法や液相成長法等の一般的な基板成長法を適用することができる。
半導体基板側から赤外線を入射させる場合には、半導体基板の材料としては、赤外線を透過するＧａＡｓ基板が特に好ましい。

［ｎ型化合物半導体層］
本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子におけるｎ型化合物半導体層は、半導体基板上に形成することが可能であり、且つ、その上に活性層を形成することが可能なものであれば特に限定されない。ＩｎＳｂやＩｎＡｓを用いることが好ましい。なお、「ｎ型」とは、ｎ型ドーパントが１×１０^１６ｃｍ^−３以上添加されていることを意味する。

（Ｉｎ、Ｓｂ及びＡｓを含むことの確認方法）
ｎ型化合物半導体層が、インジウムＩｎ、アンチモンＳｂ及びヒ素Ａｓを含むことの確認方法としては、蛍光Ｘ線元素分析法（ＸＲＦ）、ラザフォード後方散乱分光（ＲＢＳ）、二次イオン質量測定（ＳＩＭＳ）及びＸ線光電子分光（ＸＰＳ）により確認することができる。

活性層のＩｎＡｓＳｂ層との格子整合度を高め、結晶性を向上させる観点からは、ｎ型化合物半導体層がインジウムＩｎ及びアンチモンＳｂを少なくとも含むことが好ましい。またｎ型化合物半導体層に含まれるＩｎＳｂ層と活性層に含まれるＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘ（０．１１≦Ｘ≦０．２７）層との間に、ＩｎＡｓ_ｓＳｂ_１−ｓ（０＜ｓ≦Ｘ）層を設けることもさらに好ましい。

ｎ型化合物半導体層にドーピングする場合のｎ型ドーパントとしては、シリコンＳｉ、テルルＴｅ、スズＳｎ、硫黄Ｓ、セレンＳｅ等が一例として挙げられる。バーシュタイン・モスシフトにより入射赤外線に対する透過性を高め、受光感度を向上させる観点から、ｎ型ドーピングの量としては１×１０^１８［ｃｍ^−３］以上であることが好ましく、より好ましくは５×１０^１８［ｃｍ^−３］以上である。

（ドーパント及びドーピング濃度の確認方法）
ｎ型化合物半導体層におけるドーパントの有無の確認方法としては、二次イオン質量測定（ＳＩＭＳ）を用いた不純物元素量の測定を行うことによって確認することができる。またドーピング濃度の測定も、ＳＩＭＳを用いた不純物元素量の測定結果から求めることができる。
また活性層の結晶性を高め、受光感度を向上させる観点から、ｎ型化合物半導体層の膜厚は臨界膜厚以上であることが好ましい。また、半導体基板上に素子を複数個直列接続した構造を作製する観点から、ｎ型化合物半導体層の膜厚は０．５μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。

［活性層］
本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子における活性層は、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘ（０．１１≦Ｘ≦０．２７）を含む。
（活性層のＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−ＸのＡｓ組成ｘの測定方法）
活性層のＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−ＸのＡｓ組成ｘは、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ Ｄｉｆｆａｃｔｉｏｎ）法による２θ−ωスキャン及び逆格子マッピング測定（ＲＳＭ）を行うことにより測定することができる。

具体的には、半導体基板が所定の面方位に精度良く切断された基板、つまりジャスト基板の場合には、半導体基板と半導体基板上の化合物半導体層との散乱ベクトルの方向が一致するため、半導体基板表面の面指数に対応した２θ−ωスキャンにおけるピーク位置の関係から活性層のＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘの格子定数を求めることができる。
また半導体基板が所定の面方位からオフ角を付与して切断された基板、つまりオフ基板の場合には、オフ基板の表面からオフ角の分だけずらした角度からＸ線を入射させて２θ−ωスキャンを行うことで、そこから活性層のＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘの格子定数を求めることができる。

ここで活性層のＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘの格子定数からＡｓ組成ｘを求める際には、Ｖｅｇａｒｄ則を用いて混晶組成比の決定を行う。Ｖｅｇａｒｄ則は具体的には次式（１）で表される。
ａ_ＡＢ＝ｘ・ａ_Ａ＋（１−ｘ）・ａ_Ｂ ……（１）
なお、（１）式中の、ａ_ＡはＩｎＡｓの格子定数、ａ_ＢはＩｎＳｂの格子定数である。また、ａ_ＡＢは前記のＸ線回折により求まる活性層のＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘの格子定数である。また、ａ_Ａやａ_Ｂの値としては、例えば、「III−Ｖ族化合物半導体混晶 コロナ社発行 発行日１９８８年１０月２５日」に記載された、ＩｎＡｓの格子定数ａ_Ａ＝６．０５８[Å]、ＩｎＳｂの格子定数ａ_Ｂ＝６．４７９４[Å]等を使用することができる。

これにより、（１）式からＡｓ組成ｘの値を求めることができる。
一方で、活性層のＩｎＡｓＳｂが下地に対して完全に格子緩和していない場合、上記の手法では正確なＡｓ組成を算出することができない。そこで、（１０−５）面及び（２０２）面等の非対称面において、逆格子マッピングを行うことで、格子緩和率を算出することが有効である。求めた格子緩和率と（１）式で用いた格子定数をもとに、正確なＡｓ組成を得ることができる。

なお、本発明の一実施形態においては、活性層がＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘ（０．１１≦Ｘ≦０．２７）からなるものとしているが、本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子と同様の効果が得られる範囲において、例えば、アルミニウムＡｌ、リンＰ、ガリウムＧａ等といった他の元素を少量（具体的には数％以下）加える等して活性層の組成に軽微な変更を加える場合についても本発明の技術的範囲に含まれることは当然である。またその他の層の組成についても同様である。

ここで、活性層のＡｓ組成ｘを制御することで、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘのバンドギャップエネルギーが変化し、赤外線受光素子の感度ピーク波長が決まる。一般的に、所望の波長域において高いＳＮＲを実現するためには、感度ピーク波長が所望の波長域と一致するように組成比を調整する。この観点からすると、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−ＸのＡｓ組成ｘとバンドギャップエネルギーとの関係から、Ａｓ組成ｘは０．３０以上０．４０以下が最適範囲と予想される。しかし、このような高Ａｓ組成範囲においては、熱励起による真性キャリア濃度が約１×１０^１７［ｃｍ^−３］と高いため、拡散電流の増加により素子抵抗が低下する。また、真性キャリア濃度の増大によりオージエ再結合が促進され、光励起により生成したキャリアの寿命が低下し、感度も低下してしまう。

以上のことから、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−ＸのＡｓ組成ｘの最適範囲は、受光感度ピークのシフトによる寄与と、真性キャリア濃度の増加に伴う素子抵抗及び感度の低下による寄与とを全て考慮した上で議論しなければならない。すなわち、低組成領域では感度ピークの長波長側へのシフトが不十分であり、ＳＮＲは低くなる。一方で、高組成領域においても、真性キャリア濃度の増加に伴い素子抵抗及び感度が低下し、ＳＮＲは低下する。

上記の様々な要素を考慮した結果、本発明者らは、９μｍ以上１０μｍ以下の波長帯におけるＳＮＲを向上させる観点から、Ａｓ組成ｘは０．１１以上０．２７以下であることが好ましく、また０．１３以上０．２３以下であることがさらに好ましいことを新たに見出した。

また、活性層にｐ型ドーピングすることにより、ＳＮＲをさらに向上させることができる。ｐ型ドーパントとしては、ベリリウムＢｅ、亜鉛Ｚｎ、カドミウムＣｄ、炭素Ｃ、マグネシウムＭｇ、ゲルマニウムＧｅ、クロムＣｒ等が挙げられる。ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘ（０．１１≦Ｘ≦０．２７）において、電子の移動度は正孔の移動度に比べて二桁程度大きい。すなわち、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘ（０．１１≦Ｘ≦０．２７）の電気特性は電子による寄与が支配的である。したがって、ｐ型ドーピングにより残留電子を補償することにより拡散電流を抑制することができ、結果として素子抵抗を増加させることができる。また、キャリア濃度を低減することで、オージエ再結合確率が抑制され、感度が増加する。以上のことから、キャリアの補償効果により残留電子濃度を低減させ、ＳＮＲを向上させる観点から、ｐ型ドーパントの添加濃度は、３×１０^１６ｃｍ^−３以上１×１０^１8ｃｍ^−３以下であることが好ましく、より好ましくは６×１０^１６ｃｍ^−３以上６×１０^１７ｃｍ^−３以下である。
また、活性層での赤外線吸収を促進させ感度を高める観点から、活性層の膜厚は０．１μｍ以上４μｍ以下が好ましく、より好ましくは１μｍ以上３μｍ以下である。

［ワイドバンドギャップ層］
本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子におけるワイドバンドギャップ層は、インジウムＩｎ、ガリウムＧａ、及びアンチモンＳｂを少なくとも含むものである。また、拡散電流を抑制して素子抵抗を向上させる観点からは、ワイドバンドギャップ層はｐ型ドーピングされていることが好ましい。なお「ｐ型」とは、ｐ型ドーパントが１×１０^１６ｃｍ^−３以上添加されていることを意味する。

ｐ型ドーパントとしては、ベリリウムＢｅ、亜鉛Ｚｎ、カドミウムＣｄ、炭素Ｃ、マグネシウムＭｇ、ゲルマニウムＧｅ、クロムＣｒ等が挙げられる。ｐ型ドーパントのドーピング量としては、７×１０^１７［ｃｍ^−３］以上であることが好ましく、より好ましくは１×１０^１８［ｃｍ^−３］以上である。
赤外線吸収により生成された電子正孔対を効率よく取り出し、受光感度を高めるため、ワイドバンドギャップ層のバンドギャップエネルギーは、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘからなる活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいことが好ましい。ワイドバンドギャップ層の具体的な材料としては、ＩｎＧａＳｂが一例として挙げられる。ワイドバンドギャップ層は、電子による暗電流や拡散電流に対する障壁になるため、暗電流や拡散電流を抑制し素子抵抗を高めることができる。

ワイドバンドギャップ層のバンドギャップエネルギーを大きくする手段としては、III族元素であるガリウムＧａとインジウムＩｎの比率を調整する方法が挙げられる。具体的にはワイドバンドギャップ層におけるＧａ組成を大きくすることで、バンドギャップエネルギーを大きくすることができる。ワイドバンドギャップ層にＩｎＧａＳｂを用いる場合、Ｇａ組成は０．１以上０．３以下であることが好ましい。

ここで、活性層よりもバンドギャップエネルギーを大きくするためには、Ｉｎ_１−ＹＧａ_ＹＳｂのＧａ組成Ｙを大きく設定すればよい。しかし、Ｇａ組成Ｙが大きすぎる場合には、活性層との格子不整合によりワイドバンドギャップ層の結晶性が悪化し、結果として素子抵抗が低下することとなる。したがって、ｐ型化合物半導体層としてＩｎＧａＳｂ層を用いる場合には、Ｇａ組成Ｙの範囲は、０．１以上０．３以下が好ましい範囲である。Ｇａ組成Ｙが０．１よりも小さい場合には、活性層とのバンドギャップエネルギーの差が十分でないため、拡散電流が増加して素子抵抗が低下してしまう。またＧａ組成Ｙが０．３より大きい場合にも、活性層との格子不整合に起因した格子緩和により結晶欠陥が導入されるため、ワイドバンドギャップ層の結晶性が悪化し、結果として拡散電流が増加して素子抵抗が低下してしまう。

また、格子が緩和することで活性層との界面においてミスフィット転位等の格子欠陥が発生することを防ぎ、ワイドバンドギャップ層の結晶性を高めるため、ワイドバンドギャップ層の膜厚は臨界膜厚以下であることが好ましく、具体的には１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。ワイドバンドギャップ層の膜厚が３０ｎｍより大きい場合には、臨界膜厚以上の膜厚となる可能性があり、ワイドバンドギャップ層の結晶性が悪化する可能性がある。またワイドバンドギャップ層の膜厚を１０ｎｍより小さくすることは、製造装置の制御性の観点から困難である。

［ｐ型化合物半導体層］
本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子におけるｐ型化合物半導体層は、ワイドバンドギャップ層上に形成することが可能なものであれば特に限定されない。ｐ型化合物半導体層上にドーピングする場合、ｐ型ドーパントとしては、ベリリウムＢｅ、亜鉛Ｚｎ、カドミウムＣｄ、炭素Ｃ、マグネシウムＭｇ、ゲルマニウムＧｅ、クロムＣｒ等が挙げられる。

ｐ型化合物半導体層上に電極を形成する場合、ｐ型化合物半導体層はコンタクト層となる。ｐ型化合物半導体層と電極との界面にポテンシャル障壁が存在する場合、赤外線吸収により生成されたキャリアの取り出し効率が悪化し、感度が低下する。したがって、電極とオーミックコンタクトを取り、コンタクト抵抗を下げる観点から、ｐ型ドーパントのドーピング量としては、７×１０^１７［ｃｍ^−３］以上であることが好ましく、より好ましくは１×１０^１８［ｃｍ^−３］以上である。

以下、図面を参酌しながら本発明を実施するためのより具体的な形態を説明する。なお、各実施形態における構成要件については上述の説明が参酌される。
図１は、本発明に係る赤外線受光素子の実施形態を説明するための断面図である。本実施形態の赤外線受光素子１００は、半導体基板１０と、半導体基板上に形成された半導体積層部２０と、を備え、半導体積層部は、ｎ型化合物半導体層２１と、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘ（０．１１≦Ｘ≦０．２７）を含む活性層２２と、ＩｎとＧａとＳｂとを少なくとも含むワイドバンドギャップ層２３と、ｐ型化合物半導体層２４と、がこの順に積層されてなるものである。またここでは図示していないが、半導体基板１０上に形成された半導体積層部２０は、頂部と底部とを有するメサ構造であってもよい。またさらに、メサ構造の全面に第１の保護層と、第１の保護層上に第２の保護層を備えていてもよい。また、メサ構造の頂部上の第１の保護層及び第２の保護層の一部と、メサ構造の底部上の一部とをそれぞれ開口して各々露出部を備えていてもよい。さらに、各露出部に第１の電極部及び第２の電極部を設けてもよい。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

以下、本発明の一実施形態における赤外線受光素子を、実施例及び比較例を挙げて具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する各実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
ＧａＡｓ基板（半導体基板に相当）上に、ｎ型ドーパントを１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層（ｎ型化合物半導体層に相当）を１μｍ、ノンドープのＩｎＡｓ_０．１５Ｓｂ_０．８５層（活性層に相当）を２μｍ、ｐ型ドーパントを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型Ｇａ_０．２５Ｉｎ_０．７５Ｓｂ層（ワイドバンドギャップ層に相当）を２０ｎｍ、ｐ型ドーパントを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型ＩｎＳｂ層（ｐ型化合物半導体層に相当）を０．５μｍ積層させた赤外線受光素子のＳＮＲを理論計算により求めた。

ｐｎ接合を有したフォトダイオードの動作特性は次式（２）〜（６）に示す５つの式、すなわち、電子及び正孔の電流密度の式と、電子及び正孔の連続の式と、ポアッソン方程式とを連立して自己無撞着に解くことで得られる。

なお、（２）〜（６）式中の、Ψは静電ポテンシャル、Jeは電子電流密度、Jhは正孔電流密度、Ndはドナー濃度、Naはアクセプター濃度、De及びDhはそれぞれ電子及び正孔の拡散係数、n及びpはそれぞれ電子及び正孔の密度、μe及びμhはそれぞれ電子及び正孔の移動度、G及びRはキャリアの生成及び再結合の割合、ε_０及びε_ｒはそれぞれ、真空及び物質の誘電率、qは素電荷であり、xはダイオード中の位置である。実際の計算では、定常状態における動作特性を議論するため、式（４）及び式（５）の左辺を０としている。

［実施例２］
実施例１における赤外線受光素子において、活性層の組成のみをＩｎＡｓ_０．２０Ｓｂ_０．８０層に変えた赤外線受光素子について、ＳＮＲを理論計算により求めた。その他の条件については実施例１と同様のものを使用した。また使用した理論式は実施例１と同様である。
［実施例３］
実施例１における赤外線受光素子において、活性層の組成のみをＩｎＡｓ_０．２５Ｓｂ_０．７５層に変えた赤外線受光素子について、ＳＮＲを理論計算求めた。その他の条件については実施例１と同様のものを使用した。また使用した理論式は実施例１と同様である。

［比較例１］
実施例１における赤外線受光素子において、活性層としてのＩｎＡｓ_０．１５Ｓｂ_０．８５層に替えて、ＩｎＳｂ層を備えた赤外線受光素子について、ＳＮＲを理論計算により求めた。その他の条件については実施例１と同様のものを使用した。また使用した理論式は実施例１と同様である。

［比較例２］
実施例１における赤外線受光素子において、活性層としてのＩｎＡｓ_０．１５Ｓｂ_０．８５層に替えて、ＩｎＡｓ_０．０５Ｓｂ_０．９５層を備えた赤外線受光素子について、ＳＮＲを理論計算により求めた。その他の条件については実施例１と同様のものを使用した。また使用した理論式は実施例１と同様である。

［比較例３］
実施例１における赤外線受光素子において、活性層としてのＩｎＡｓ_０．１５Ｓｂ_０．８５層に替えて、ＩｎＡｓ_０．１０Ｓｂ_０．９０層を備えた赤外線受光素子について、ＳＮＲを理論計算により求めた。その他の条件については実施例１と同様のものを使用した。また使用した理論式は実施例１と同様である。

［比較例４］
実施例１における赤外線受光素子において、活性層としてのＩｎＡｓ_０．１５Ｓｂ_０．８５層に替えて、ＩｎＡｓ_０．３０Ｓｂ_０．７０層を備えた赤外線受光素子について、ＳＮＲを理論計算により求めた。その他の条件については実施例１と同様のものを使用した。また使用した理論式は実施例１と同様である。
実施例１〜３及び比較例１〜４の理論計算により求めたＡｓ組成ｘと波長９．５μｍにおけるＳＮＲとの関係を表１及び図２に示す。

表１及び図２からわかるように、Ａｓ組成ｘが０．１１未満では、吸収ピーク波長の長波長シフトが不十分であるため、良好なＳＮＲが得られない。また、Ａｓ組成ｘが０．２７より大きい範囲においては、真性キャリア濃度の増加により、素子抵抗及び感度が低下するため、良好なＳＮＲが得られない。
したがって、Ａｓ組成ｘは０．１１以上０．２７以下、より好ましくは０．１３以上０．２３以下において、波長９．５μｍの波長帯において良好なＳＮＲを有した赤外線受光素子が実現可能であることが理解される。

［実施例４］
ＧａＡｓ基板（半導体基板に相当）上にＭＯＣＶＤ法を用いてノンドープのＩｎＳｂ層を１μｍ、Ｚｎを６×１０^１６［ｃｍ^−３］ドーピングしたＩｎＡｓ_０．１８Ｓｂ_０．８２層（活性層に相当）を１μｍ積層させることで化合物半導体積層部を形成した。得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、ｖａｎ ｄｅｒ ｐａｕｗ法によるＨａｌｌ測定を行うことで評価した。

［実施例５］
実施例４の化合物半導体積層部に含まれるＩｎＡｓ_０．１８Ｓｂ_０．８２層のドーピング濃度を９×１０^１６［ｃｍ^−３］としたこと以外は、実施例４と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、ｖａｎ ｄｅｒ ｐａｕｗ法によるＨａｌｌ測定を行うことで評価した。

［実施例６］
実施例４の化合物半導体積層部に含まれるＩｎＡｓ_０．１８Ｓｂ_０．８２層のドーピング濃度を１．６×１０^１７［ｃｍ^−３］としたこと以外は、実施例４と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、ｖａｎ ｄｅｒ ｐａｕｗ法によるＨａｌｌ測定を行うことで評価した。

［実施例７］
実施例４の化合物半導体積層部に含まれるＩｎＡｓ_０．１８Ｓｂ_０．８２層のドーピング濃度を３×１０^１７［ｃｍ^−３］としたこと以外は、実施例４と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、ｖａｎ ｄｅｒ ｐａｕｗ法によるＨａｌｌ測定を行うことで評価した。

［実施例８］
実施例４の化合物半導体積層部に含まれるＩｎＡｓ_０．１８Ｓｂ_０．８２層のドーピング濃度を６×１０^１７［ｃｍ^−３］としたこと以外は、実施例４と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、ｖａｎ ｄｅｒ ｐａｕｗ法によるＨａｌｌ測定を行うことで評価した。

［比較例５］
ＩｎＡｓ_０．１８Ｓｂ_０．８２層のドーピング濃度を１．９×１０^１６［ｃｍ^−３］としたこと以外は、実施例４と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、ｖａｎ ｄｅｒ ｐａｕｗ法によるＨａｌｌ測定を行うことで評価した。

［比較例６］
ＩｎＡｓ_０．１８Ｓｂ_０．８２層のドーピング濃度を１．５×１０^１８［ｃｍ^−３］としたこと以外は、実施例４と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、ｖａｎ ｄｅｒ ｐａｕｗ法によるＨａｌｌ測定を行うことで評価した。

［比較例７］
ＩｎＡｓ_０．１８Ｓｂ_０．８２層のドーピング濃度を６×１０^１８［ｃｍ^−３］としたこと以外は、実施例４と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、ｖａｎ ｄｅｒ ｐａｕｗ法によるＨａｌｌ測定を行うことで評価した。

実施例４〜８及び比較例５〜７の測定結果から得られた、ＩｎＡｓ_０．１８Ｓｂ_０．８２層のＺｎ濃度と化合物半導体積層部のシートキャリア濃度との関係を表２及び図３に示す。
実施例４〜８及び比較例５〜７全てにおいてキャリアタイプはｎ型を示すが、これはＩｎＳｂ層及びＩｎＡｓ_０．１８Ｓｂ_０．８２層において、電子の移動度が正孔の移動度に比べて十分大きいため、電気特性は電子による寄与が支配的であることに起因する。

ＩｎＡｓ_０．１８Ｓｂ_０．８２層のＺｎ濃度の増加に伴い、電子が補償されてシートキャリア濃度が低下する。また、シートキャリア濃度の低下に伴い、シート抵抗は増加する。Ｚｎ濃度が６×１０^１７[ｃｍ^−３]より大きくなると、再びシートキャリア濃度が増加する。これは、Ｚｎ添加により正孔が生成され、電子と正孔が共存する状態となるためである。シートキャリア濃度が増加すると、オージエ再結合の促進及び拡散電流の増加により感度と素子抵抗が低下するため、ＳＮＲが悪化することになる。

表２及び図３の結果から、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘ（０．１１≦Ｘ≦０．２７）を活性層に用いた赤外線受光素子において、優れたＳＮＲを実現するには、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−ＸにドーピングするＺｎ濃度は３×１０^１６ｃｍ^−３以上１×１０^１8ｃｍ^−３以下であることが好ましく、より好ましくは６×１０^１６ｃｍ^−３以上６×１０^１７ｃｍ^−３以下であることが理解される。

[実施例９]
ＧａＡｓ基板（半導体基板に相当）上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ドーパントを１×１０^１９［ｃｍ^−３］ドーピングしたｎ型ＩｎＳｂ層（ｎ型化合物半導体層に相当）を１μｍ、ｐ型ドーパントを１×１０^１７［ｃｍ^−３］ドーピングしたＩｎＡｓ_０．１８Ｓｂ_０．８２層（活性層に相当）を２μｍ、ｐ型ドーパントを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型Ｇａ_０．１０Ｉｎ_０．９０Ｓｂ層（ワイドバンドギャップ層に相当）を２０ｎｍ、ｐ型ドーパントを３×１０^１８［ｃｍ^−３］ドーピングしたｐ型ＩｎＳｂ層（ｐ型化合物半導体層に相当）を０．５μｍ積層させた赤外線受光素子を作製し、素子抵抗の評価を実施した。素子化の方法としては、まずｎ型ＩｎＳｂ層とのコンタクトを取るための段差形成を行い、次に素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、ｎ層およびｐ層上へそれぞれ電極形成を行った。素子抵抗は、次式（７）を用いて評価を行った。

素子抵抗
＝０．２[V]
／{(０．１[V]バイアスにおける電流値)−(−０．１[V]バイアスにおける電流値)}
……（７）

［実施例１０］
実施例９の赤外線受光素子に含まれるｐ型Ｇａ_０．１０Ｉｎ_０．９０Ｓｂ層（ワイドバンドギャップ層に相当）のＧａ組成Ｙを０．１８としたこと以外は、実施例９と同様の方法で赤外線受光素子を作製し、素子特性の評価を実施した。
［実施例１１］
実施例９の赤外線受光素子に含まれるｐ型Ｇａ_０．１０Ｉｎ_０．９０Ｓｂ層（ワイドバンドギャップ層に相当）のＧａ組成Ｙを０．３０としたこと以外は、実施例９と同様の方法で赤外線受光素子を作製し、素子特性の評価を実施した。

［比較例８］
実施例９の赤外線受光素子に含まれるｐ型Ｇａ_０．１０Ｉｎ_０．９０Ｓｂ層（ワイドバンドギャップ層に相当）のＧａ組成Ｙを０としたこと以外は、実施例９と同様の方法で赤外線受光素子を作製し、素子特性の評価を実施した。
［比較例９］
実施例９の赤外線受光素子に含まれるｐ型Ｇａ_０．１０Ｉｎ_０．９０Ｓｂ層（ワイドバンドギャップ層に相当）のＧａ組成Ｙを０．０７としたこと以外は、実施例９と同様の方法で赤外線受光素子を作製し、素子特性の評価を実施した。

［比較例１０］
実施例９の赤外線受光素子に含まれるｐ型Ｇａ_０．１０Ｉｎ_０．９０Ｓｂ層（ワイドバンドギャップ層に相当）のＧａ組成Ｙを０．３３としたこと以外は、実施例９と同様の方法で赤外線受光素子を作製し、素子特性の評価を実施した。
［比較例１１］
実施例９の赤外線受光素子に含まれるｐ型Ｇａ_０．１０Ｉｎ_０．９０Ｓｂ層（ワイドバンドギャップ層に相当）のＧａ組成Ｙを０．３９としたこと以外は、実施例９と同様の方法で赤外線受光素子を作製し、素子特性の評価を実施した。

実施例９〜１１及び比較例８〜１１の測定結果から得られた、ワイドバンドギャップ層のＧａ組成Ｙと素子抵抗との関係を図４に示す。Ｇａ組成Ｙが０．１０より低い場合には、ワイドバンドギャップ層が形成するポテンシャル障壁が十分でないため、拡散電流が増加して素子抵抗は低下してしまう。またＧａ組成Ｙが０．３０より大きい場合にも、活性層との格子不整合に起因する格子緩和により、ワイドバンドギャップ層へ結晶欠陥が導入されるため結晶性が悪化し、結果として拡散電流が増加して素子抵抗が低下してしまう。以上の結果から、優れた素子抵抗を実現するには、ワイドバンドギャップ層のＧａ組成Ｙは０．１０以上０．３０以下が好ましいことが理解される。

本発明は、赤外領域の波長の光を受光する赤外線受光素子として好適である。赤外線受光素子は、例えば赤外線発光素子等と組み合わせた機器（ガスセンサ、人感センサ等）に好適である。

１０ 半導体基板
２０ 半導体積層部
２１ ｎ型化合物半導体層
２２ 活性層
２３ ワイドバンドギャップ層
２４ ｐ型化合物半導体層
１００ 赤外線受光素子

Claims (10)

1. 半導体基板と、
   当該半導体基板上に形成された半導体積層部と、を備え、
   前記半導体積層部は、
   ｎ型化合物半導体層と、
   ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘ（０．１１≦Ｘ≦０．２７）を含む活性層と、
   ＩｎとＧａとＳｂとを少なくとも含むワイドバンドギャップ層と、
   ｐ型化合物半導体層と、がこの順に積層されてなる赤外線受光素子。
2. 前記活性層のＡｓ組成ｘが０．１３以上０．２３以下である請求項１に記載の赤外線受光素子。
3. 前記活性層はｐ型ドーピングされており、ｐ型ドーパント濃度が３×１０^１６ｃｍ^−３以上１×１０^１8ｃｍ^−３以下である請求項１または請求項２に記載の赤外線受光素子。
4. 前記活性層はｐ型ドーピングされており、ｐ型ドーパントの濃度が６×１０^１６ｃｍ^−３以上６×１０^１７ｃｍ^−３以下である請求項１から請求項３の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
5. 前記活性層にドーピングされたｐ型ドーパントがＺｎである請求項１から請求項４の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
6. 前記ワイドバンドギャップ層がＩｎ_１−ＹＧａ_ＹＳｂ（０．１≦Ｙ≦０．３）からなる請求項１から請求項５の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
7. 前記ワイドバンドギャップ層の膜厚が１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である請求項１から請求項６の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
8. 前記ワイドバンドギャップ層はｐ型ドーピングされており、ｐ型ドーパントの濃度が７×１０^１７ｃｍ^−３以上である請求項１から請求項７の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
9. 前記ｎ型化合物半導体層がＩｎとＳｂとを少なくとも含む請求項１から請求項８の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
10. 前記ｐ型化合物半導体層がＩｎとＳｂとを少なくとも含む請求項１から請求項９の何れか一項に記載の赤外線受光素子。

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