JP2018107277A - 半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】暗電流を低減できる半導体受光素子を提供する。【解決手段】半導体受光素子は、タイプＩＩの超格子構造を含む受光層と、タイプＩＩの超格子構造を含む第１超格子層と、受光層と第１超格子層との間に設けられ、タイプＩＩの超格子構造を含む井戸層と、を備え、井戸層の超格子構造の伝導帯は、受光層の超格子構造の伝導帯及び第１超格子層の超格子構造の伝導帯より低く、受光層の超格子構造の伝導帯、井戸層の超格子構造の伝導帯及び第１超格子層の超格子構造の伝導帯の配列は、第１エネルギー準位及び第２エネルギー準位を含む井戸型ポテンシャルを形成し、第１エネルギー準位は、第２エネルギー準位より低い。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体受光素子に関する。

非特許文献１は、赤外線用のフォトダイオードに関する。

D. Hoffman et.al.，"Beryllium compensationdoping of InAs/GaSb infrared superlattice photodiodes",Appl. Phys. Lett., Volume 91, p.143507 (2007)

非特許文献１に開示されたフォトダイオードでは、光の入射がなくても受光層の伝導帯にキャリアが熱励起される。この熱励起キャリアは、フォトダイオード内に拡散して暗電流を発生させ、暗電流はフォトダイオードの受光感度を低下させる。暗電流の発生を低減させるために、キャリアの熱励起を抑えることが求められる。熱励起キャリアの生成を少なくする手法の一つが、フォトダイオードの冷却である。フォトダイオードの冷却により、暗電流を抑えることができる。更なる暗電流の低減のためには、フォトダイオードの冷却に加えて新たな工夫が求められる。

本発明の一側面は、上記の背景に基づき為されたものであり、暗電流を低減できる半導体受光素子を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る半導体受光素子は、タイプＩＩの超格子構造を含む受光層と、タイプＩＩの超格子構造を含む第１超格子層と、前記受光層と前記第１超格子層との間に設けられ、タイプＩＩの超格子構造を含む井戸層と、を備え、前記井戸層の前記超格子構造の伝導帯は、前記受光層の前記超格子構造の伝導帯及び前記第１超格子層の前記超格子構造の伝導帯より低く、前記受光層の前記超格子構造の伝導帯、前記井戸層の前記超格子構造の伝導帯及び前記第１超格子層の前記超格子構造の伝導帯の配列は、第１エネルギー準位及び第２エネルギー準位を含む井戸型ポテンシャルを形成し、前記第１エネルギー準位は、前記第２エネルギー準位より低い。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、暗電流を低減できる半導体受光素子が提供される。

図１は、実施形態に係る半導体受光素子を模式的に示す図である。 図２は、実施例に係る井戸型ポテンシャルを模式的に示す図である。 図３は、実施例に係る半導体受光素子における伝導帯及び価電子帯の一例を模式的に示す図である。 図４は、実施例に係る半導体受光素子における暗電流のバイアス電圧特性と、井戸層を備えない半導体受光素子における暗電流のバイアス電圧特性とを示す図である。 図５は、実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図である。 図６は、実施形態に係る半導体受光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図である。

引き続き、いくつかの具体例を説明する。

一形態に係る半導体受光素子は、（ａ）タイプＩＩの超格子構造を含む受光層と、（ｂ）タイプＩＩの超格子構造を含む第１超格子層と、（ｃ）前記受光層と前記第１超格子層との間に設けられ、タイプＩＩの超格子構造を含む井戸層と、を備え、前記井戸層の前記超格子構造の伝導帯は、前記受光層の前記超格子構造の伝導帯及び前記第１超格子層の前記超格子構造の伝導帯より低く、前記受光層の前記超格子構造の伝導帯、前記井戸層の前記超格子構造の伝導帯及び前記第１超格子層の前記超格子構造の伝導帯の配列は、第１エネルギー準位及び第２エネルギー準位を含む井戸型ポテンシャルを形成し、前記第１エネルギー準位は、前記第２エネルギー準位より低い。

この半導体受光素子によれば、受光層の超格子構造の伝導帯、井戸層の超格子構造の伝導帯、及び第１超格子層の超格子構造の伝導帯の配列は、井戸型ポテンシャルを形成することができる。井戸型ポテンシャルは、キャリアを捕獲するいくつかの離散的エネルギー準位を形成できるような深さ及び幅を有している。上記の受光層は、光の入射がなくても半導体受光素子の動作温度に応じて熱励起キャリアを生成する。これらのキャリアのうちの一部分は、受光層から第１超格子層への経路上の井戸層においてエネルギーを失わずに、第１超格子層の伝導帯へ到達する。キャリアのうちの他の部分は、井戸層においてエネルギーを失い井戸型ポテンシャル内のエネルギー準位に捕獲されて、捕獲キャリアとなる。受光層から移動してきた捕獲キャリアは一旦第２エネルギー準位に捕獲され、一部は再度熱で励起されて第１超格子層まで流れ、電気信号として検出され暗電流の原因になる。しかし他の捕獲キャリアは、第１エネルギー準位の緩和時間に応じて、より低いエネルギー準位に緩和していき、暗電流の原因にならない。井戸型ポテンシャル内のエネルギー準位は、井戸層における熱励起キャリアも捕獲する。半導体受光素子において、このような緩和は定常的に生じており、また、キャリアの熱励起も定常的に生じている。井戸型ポテンシャルの深さと幅を調整することで、井戸型ポテンシャル中の第１エネルギー準位の第２エネルギー準位より深い部分が、受光層の熱励起キャリアと井戸層の熱励起キャリアで埋まるようにすれば、受光層で発生した熱励起キャリアが第１超格子層まで流れて暗電流の原因となることを防止できる。なおかつ、受光層への光入射に応答して生成した光励起キャリアは、井戸型ポテンシャルまで流れても第１エネルギー準位の第２エネルギー準位より深い部分が埋まっているために第２エネルギー準位にとどまり、第１超格子層に流れて電気信号として検出される。このため、井戸型ポテンシャルを挿入しても感度は低下しない。

一形態に係る半導体受光素子では、前記井戸層の前記超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造を含んでもよい。

この半導体受光素子によれば、キャリアを捕獲できる井戸型ポテンシャルを形成することが容易になる。

一形態に係る半導体受光素子では、前記受光層の前記超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造を含んでもよい。

この半導体受光素子によれば、受光層のＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造は、所望の中赤外領域の光に応答して光励起キャリアを生成すると共に、井戸型ポテンシャルを形成するための障壁を提供できる。

一形態に係る半導体受光素子では、前記第１超格子層の前記超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造を含んでもよい。

この半導体受光素子によれば、第１超格子層のＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造は、井戸型ポテンシャルを形成するための障壁を提供できる。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、半導体受光素子に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、実施形態に係る半導体受光素子を模式的に示す図である。図１の（ａ）部は、半導体受光素子の断面図を示し、図１の（ｂ）部は、半導体受光素子における伝導帯を示す。半導体受光素子１は、受光層４０、井戸層５０、及び第１超格子層６０を備える。受光層４０は、タイプＩＩの超格子構造４０Ｓを含む。井戸層５０は、タイプＩＩの超格子構造５０Ｓを含み、受光層４０と第１超格子層６０との間に設けられる。第１超格子層６０は、タイプＩＩの超格子構造６０Ｓを含む。受光層４０、井戸層５０、及び第１超格子層６０の超格子構造の各々は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を含み、ＩＩＩ族元素は、例えば、Ｇａ及びＩｎの少なくともいずれかであり、Ｖ族元素は、例えば、Ｓｂ及びＡｓの少なくともいずれかである。具体的には、受光層４０、井戸層５０、及び第１超格子層６０の超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ構造、ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ構造、ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ構造及びＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ構造を含むことができる。

受光層４０においては、例えば、ＧａＳｂ層４１、ＢｅドープＩｎＡｓ層４２、及びＩｎＳｂ層４３を含む単位構造が、繰り返して積層されて超格子構造４０Ｓを構成する。ＧａＳｂ層４１及びＩｎＳｂ層４３は、アンドープであることができ、例えば、Ｂｅといったｐ型ドーパントを含んでもよい。超格子構造４０Ｓにおける単位構造の繰り返し数は、例えば３００である。井戸層５０においては、例えば、ＧａＳｂ層５１、ＢｅドープＩｎＡｓ層５２、及びＩｎＳｂ層５３を含む単位構造が、繰り返して積層されて超格子構造５０Ｓを構成する。ＧａＳｂ層５１及びＩｎＳｂ層５３は、アンドープであることができ、例えば、Ｂｅといったｐ型ドーパントを含んでもよい。超格子構造５０Ｓにおける単位構造の繰り返し数は、例えば４である。第１超格子層６０においては、例えば、ＧａＳｂ層６１、ＳｉドープＩｎＡｓ層６２、及びＳｉドープＩｎＳｂ層６３を含む単位構造が、繰り返して積層されて超格子構造６０Ｓを構成する。ＧａＳｂ層６１は、アンドープであることができ、例えば、Ｓｉといったｎ型ドーパントを含んでもよい。超格子構造６０Ｓにおける単位構造の繰り返し数は、例えば５０である。

図１の（ｂ）部に示されるように、井戸層５０の超格子構造５０Ｓの伝導帯Ｅｃ５０は、受光層４０の超格子構造４０Ｓの伝導帯Ｅｃ４０、及び第１超格子層６０の超格子構造６０Ｓの伝導帯Ｅｃ６０より低い。伝導帯Ｅｃ４０、伝導帯Ｅｃ５０、及び伝導帯Ｅｃ６０の配列は、井戸型ポテンシャルＱＷを形成する。井戸型ポテンシャルＱＷは、キャリアを捕獲するいくつかの離散的エネルギー準位を形成できるような深さ及び幅を有しており、離散的エネルギー準位のうちの最も低い準位を第１エネルギー準位Ｅ１として参照し、離散的エネルギー準位のうちの最も高い準位を第２エネルギー準位Ｅ２として参照する。第１エネルギー準位Ｅ１が、井戸層５０のキャリアによって占有され、次いで、第２エネルギー準位Ｅ２が、井戸層５０のキャリアによって占有されていく。

半導体受光素子１では、受光層４０は、半導体受光素子１の動作温度に応じて熱励起キャリアを生成する。このキャリアは電子であることができる。受光層４０の伝導帯Ｅｃ４０に励起されたキャリアは、受光層４０の伝導帯Ｅｃ４０から第１超格子層６０の伝導帯Ｅｃ６０へ流れる。これらのキャリアのうちの一部分は、受光層４０から第１超格子層６０への経路上の井戸層５０においてエネルギーを失わずに、第１超格子層６０の伝導帯Ｅｃ６０へ到達する。キャリアのうちの他の部分は、井戸層５０において（例えばフォノンと衝突して）エネルギーを失い井戸型ポテンシャルＱＷ内のエネルギー準位に捕獲されて、捕獲キャリアとなる。井戸型ポテンシャルＱＷ内のエネルギー準位は、井戸層５０における熱励起キャリアも捕獲する。捕獲キャリアの一部は、井戸層５０において（例えばフォノンと衝突して）エネルギーを得て、井戸型ポテンシャルＱＷ外において第２エネルギー準位Ｅ２より高い井戸層の伝導帯に遷移して、第１超格子層６０へ流れていく。また、他の捕獲キャリアは、第１エネルギー準位Ｅ１の緩和時間に応じて、より低いエネルギー準位（例えば、深い準位又は価電子帯）に緩和していく。半導体受光素子１において、このような緩和は定常的に生じており、また、キャリアの熱励起も定常的に生じている。井戸型ポテンシャルＱＷは、離散的エネルギー準位の数に応じて少ない量のキャリアを収容でき、キャリア捕獲による収容は、半導体受光素子１の暗電流の低減になる。また、井戸型ポテンシャルＱＷは、熱励起キャリアより多く生成される光励起キャリアが第１超格子層６０に流れることを妨げない。

図１の（ａ）部を参照すると、半導体受光素子１は、基板１０、ｐ型バッファ層２０、第２超格子層３０、及びｎ型キャップ層７０を更に備える。半導体受光素子１では、基板１０、ｐ型バッファ層２０、第２超格子層３０、受光層４０、井戸層５０、第１超格子層６０、及びｎ型キャップ層７０が、第１軸Ａｘ１方向に沿って、この順に配列することができる。この配列が変更されて、基板、ｎ型バッファ層、第１超格子層、井戸層、受光層、第２超格子層、及びｐ型キャップ層が、この順に配列してもよい。半導体受光素子１は、半導体メサＭＳを有し、この半導体メサＭＳは、ｐ型バッファ層２０、第２超格子層３０、受光層４０、井戸層５０、第１超格子層６０、及びｎ型キャップ層７０を含む。必要な場合には、半導体メサＭＳの表面が保護膜８０によって覆われる。半導体受光素子１は、第１電極８１及び第２電極８２を更に備える。第１電極８１は、ｎ型キャップ層７０に接続され、第２電極８２は、ｐ型バッファ層２０に接続される。

受光層４０はＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造を含んでもよく、この構造は、所望の中赤外領域の光に応答して光励起キャリアを生成すると共に、井戸型ポテンシャルＱＷを形成するための障壁を提供できる。井戸層５０はＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造を含んでもよく、この構造は、キャリアを捕獲できる井戸型ポテンシャルＱＷの形成を容易にする。第１超格子層６０はＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造を含んでもよく、この構造は、井戸型ポテンシャルＱＷを形成するための障壁を提供できる。

基板１０は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、例えば、ＴｅドープＧａＳｂを含み、ｐ型バッファ層２０は、例えば、ＢｅドープＧａＳｂを含む。第２超格子層３０は、例えば、タイプＩＩのＩＩＩ−Ｖ族半導体超格子構造３０Ｓを含み、この超格子構造３０Ｓでは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体層、例えば、ＢｅドープＧａＳｂ層３１、ＢｅドープＩｎＡｓ層３２、及びＢｅドープＩｎＳｂ層３３を含む単位構造が、第１軸Ａｘ１方向に沿って、繰り返して積層される。単位構造の繰り返し数は、例えば５０である。ｎ型キャップ層７０は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、例えば、ＳｉドープＩｎＡｓを含む。

井戸層５０がｐ型の導電性を有するときには、受光層４０と井戸層５０との間にｐｎ接合が形成されない。第１超格子層６０及びｎ型キャップ層７０から拡散したキャリア（電子）は、井戸層５０の正孔と再結合することができる。この再結合は、井戸型ポテンシャルＱＷ内のエネルギー準位が第１超格子層６０及びｎ型キャップ層７０からの電子で満たされることを防止する。

（実施例）
図２は、実施例に係る井戸型ポテンシャルを模式的に示す図である。実施例の半導体受光素子ＳＲ１は、ｐ型バッファ層及びｎ型キャップ層の材料、ドーパント濃度、並びに層の厚さに関して、以下の素子構造を有する。
層の名称、 材料、 ドーパント濃度、 層の厚さ。
ｐ型バッファ層、ＢｅドープＧａＳｂ、Ｂｅ：１×１０^１８ｃｍ^−３、０．５μｍ。
ｎ型キャップ層、ＳｉドープＩｎＡｓ、Ｓｉ：２×１０^１８ｃｍ^−３、２０ｎｍ。

実施例において、第１超格子層は、ｎ型コンタクト層であることができ、第２超格子層は、ｐ型コンタクト層であることができる。実施例における第２超格子層、受光層、井戸層、及び第１超格子層の超格子構造の材料（厚さ）、ドーパント濃度、繰り返し数は、下記の通りである。
層の名称、材料（厚さ）、ドーパント濃度、繰り返し数。
ｐ型コンタクト層、ＢｅドープＧａＳｂ（２．１３ｎｍ）／ＢｅドープＩｎＡｓ（２．７４ｎｍ）／ＢｅドープＩｎＳｂ（０．２７ｎｍ）、Ｂｅ：１×１０^１７ｃｍ^−３、５０。
受光層、ＧａＳｂ（２．１３ｎｍ）／ＢｅドープＩｎＡｓ（２．７４ｎｍ）／ＩｎＳｂ（０．２７ｎｍ）、Ｂｅ：１×１０^１５ｃｍ^−３、３００。
受光層の超格子構造の伝導帯と価電子帯との間のバンドギャップ：２０７ｍｅＶ。
井戸層、ＧａＳｂ（２．１３ｎｍ）／ＢｅドープＩｎＡｓ（３．３３ｎｍ）／ＩｎＳｂ（０．３６ｎｍ）、Ｂｅ：１×１０^１６ｃｍ^−３、４。
井戸層の超格子構造の伝導帯と価電子帯との間のバンドギャップ：１５５ｍｅＶ。
ｎ型コンタクト層、ＧａＳｂ（２．１３ｎｍ）／ＳｉドープＩｎＡｓ（２．７４ｎｍ）／ＩｎＳｂ（０．２７ｎｍ）、Ｓｉ：１×１０^１７ｃｍ^−３、５０。
ｎ型コンタクト層の超格子構造の伝導帯と価電子帯との間のバンドギャップ：２０７ｍｅＶ。
実施例における保護膜は、ＳｉＯ_２を含み、その厚さは、３００ｎｍである。

受光層の超格子構造における単位構造の繰り返し数は、５０〜１０００の範囲であり、この超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ及びＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂを包含することができる。井戸層の超格子構造における単位構造の繰り返し数は、１〜５０の範囲であり、この超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ、ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ、及びＩｎＡｓＳｂ／ＧａＩｎＳｂを包含することができる。ｎ型コンタクト層の超格子構造における単位構造の繰り返し数は、１０〜１００の範囲であり、この超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ／ＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ、ＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ及びＧａＩｎＳｂ／ＩｎＡｓＳｂを包含することができる。

受光層の超格子構造におけるドーパント濃度、例えばＢｅドーパント濃度は、１×１０^１４ｃｍ^−３〜１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲であることができる。井戸層の超格子構造におけるドーパント濃度、例えばＢｅドーパント濃度は、１×１０^１４ｃｍ^−３〜１×１０^１７ｃｍ^−３の範囲であることができる。ｎ型コンタクト層の超格子構造におけるドーパント濃度、例えばＳｉドーパント濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３〜１×１０^１９ｃｍ^−３の範囲であることができる。

図２の（ａ）部は各層のドーピング濃度が十分薄く、バンド曲りが無視できる場合のバンド構造である。実際には、ドーピングに起因するビルトイン電圧やバイアス電圧の印加により、図２の（ｂ）部に示される井戸型ポテンシャルＱＷ２の形に変化する。井戸型ポテンシャルは、第１エネルギー準位Ｅ１及び第２エネルギー準位Ｅ２を形成する。第２エネルギー準位Ｅ２は、第１エネルギー準位Ｅ１よりも高い。図２には、伝導帯Ｅｃが示されている。

図２の（ａ）部を参照すると、実施例の半導体受光素子ＳＲ１では、ｎ型コンタクト層の伝導帯から第１エネルギー準位Ｅ１までのエネルギー差Ｐ１は、例えば４０．６ｍｅＶである。ｎ型コンタクト層の伝導帯から第２エネルギー準位Ｅ２までのエネルギー差Ｐ２は、例えば１１．７ｍｅＶであり、ｎ型コンタクト層の伝導帯から井戸層の伝導帯までのエネルギー差Ｐ３は、例えば５１．７ｍｅＶである。

図２の（ｂ）部を参照すると、半導体受光素子ＳＲ１にバイアス電圧が印加されており、このバイアス電圧は、２０ｍＶである。受光層の伝導帯から第１エネルギー準位Ｅ１までのエネルギー差Ｐ４は、例えば４６．２ｍｅＶであり、受光層の伝導帯から第２エネルギー準位Ｅ２までのエネルギー差Ｐ５は、例えば１７．４ｍｅＶである。受光層の伝導帯から井戸層の伝導帯までのエネルギー差Ｐ６は、例えば５７．４ｍｅＶである。ｎ型コンタクト層の伝導帯から第１エネルギー準位Ｅ１までのエネルギー差Ｐ７は、例えば３４．９ｍｅＶであり、ｎ型コンタクト層の伝導帯から第２エネルギー準位Ｅ２までのエネルギー差Ｐ８は、例えば６．０ｍｅＶである。エネルギー差Ｐ８は、エネルギー差Ｐ５よりも小さくなっている。

発明者等の見積もりによれば、井戸層の厚さが２３．３ｎｍであるとき、第１エネルギー準位Ｅ１及び第２エネルギー準位Ｅ２の状態密度（単位面積及び単位エネルギーあたりの状態数である）は、例えば１．２５×１０^１３ｅＶ^−１ｃｍ^−２である。この値から、半導体受光素子ＳＲ１の動作温度、例えば絶対温度（Ｔ）の２１０Ｋでは、第１エネルギー準位Ｅ１の状態密度Ｄ（Ｅ１）の面密度は、例えば３．１２×１０^１１ｃｍ^−２と見積もられる。面密度は、積層方向（第１軸Ａｘ１方向）に垂直な面で規定され、単位面積当たりのキャリア密度を表す。動作温度においては、受光層及び井戸層には、熱励起されたキャリアが存在する。受光層のキャリア面密度は、例えば２．３４×１０^１１ｃｍ^−２と見積もられ、井戸層のキャリア面密度は、例えば１．６５×１０^１０ｃｍ^−２と見積もられる。受光層及び井戸層のキャリア面密度の合算値は、２．５１×１０^１１ｃｍ^−２である。この合算したキャリア面密度は、第１エネルギー準位Ｅ１の状態密度Ｄ（Ｅ１）の面密度３．１２×１０^１１ｃｍ^−２に近いので、第１エネルギー準位Ｅ１の大部分は、熱励起キャリアで占有される。

既に説明したように、バイアス電圧が、例えば２０ｍＶのときに、ｎ型コンタクト層の伝導帯から第２エネルギー準位Ｅ２までのエネルギー差Ｐ８は、例えば６．０ｍｅＶである。絶対温度２１０Ｋにおける熱的ゆらぎ（ｋＴ、ｋはボルツマン定数を表し、Ｔは絶対温度を表す）は、１８．１ｍｅＶである。この熱的ゆらぎ（ｋＴ）がエネルギー差Ｐ８より大きいので、図２の（ｂ）部に示されるように、第２エネルギー準位Ｅ２のキャリアの一部は、ゆらぎの熱エネルギーによって励起されて、井戸型ポテンシャルＱＷ２外における井戸層の伝導帯のエネルギー準位Ｃ１に遷移する。エネルギー準位Ｃ１のキャリアは、ｎ型コンタクト層の伝導帯へ流れていく。

井戸層の一例では、好ましくは、例えば、井戸層のｐ型ＩｎＡｓ層の厚さは、３．０３ｎｍ以上４．２４ｎｍ以下の範囲であることができる。ｐ型ＩｎＡｓ層の厚さが３．０３ｎｍ未満であるときには、井戸層の超格子構造の伝導帯と価電子帯とのエネルギー差が、受光層及びｎ型コンタクト層の超格子構造の伝導帯と価電子帯とのエネルギー差に非常に近くなり、井戸型ポテンシャルが浅くなる。ｐ型ＩｎＡｓ層の厚さが４．２４ｎｍより大きいときには、井戸層の超格子構造の伝導帯と価電子帯とのエネルギー差が、受光層及びｎ型コンタクト層の超格子構造の伝導帯と価電子帯とのエネルギー差に比べて増大して、このエネルギー差の増大に伴って、井戸型ポテンシャルが深くなる。非常に深い井戸型ポテンシャルは、３つ以上のエネルギー準位を有する。例えば、３つのエネルギー準位が形成される井戸型ポテンシャルでは、これら３つのエネルギー準位の各々に状態密度が規定される。これらの状態密度の面密度の総和は、井戸層及び受光層の熱励起キャリアのキャリア面密度の総和より大きくなることがある。具体的には、熱励起キャリアは、３つのエネルギー準位のうち、低エネルギー側の２つのエネルギー準位の全てを占有することができない。低エネルギー側の２つのエネルギー準位のうちの空き準位は、光励起により生成されたキャリアを捕獲できる。多くの場合、動作温度における熱的ゆらぎは、低エネルギー側の２つのエネルギー準位と、ｎ型コンタクト層の伝導帯とのエネルギー差より小さいので、動作温度の熱エネルギー（ｋＴ）、１８．１ｍｅＶは、低エネルギー側の２つのエネルギー準位内のキャリアを井戸層の伝導帯のエネルギー準位Ｃ１に熱励起できない。

本実施例では、ｎ型コンタクト層の伝導帯から井戸層の伝導帯までのエネルギー差Ｐ３が、例えば３０ｍｅＶ以上１００ｍｅＶ以下であるように、井戸層及びｎ型コンタクト層の超格子構造を設計することができる。井戸層のための超格子構造の厚さは、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。井戸層のための超格子構造が薄くなると、量子性が現れてくる。これらの範囲のエネルギー差Ｐ３及び厚さを有する井戸層の超格子構造によれば、井戸型ポテンシャルＱＷに２つのエネルギー準位が提供されることができる。

図３は、実施例に係る半導体受光素子における伝導帯及び価電子帯の一例を模式的に示す図であり、この半導体受光素子には、バイアス電圧が印加されている。ｐ型バッファ層は、ＧａＳｂ膜を含み、図３にはＧａＳｂバルクの伝導帯Ｅｃ及び価電子帯Ｅｖが示されている。ｎ型キャップ層は、ＩｎＡｓ膜を含み、図３にはＩｎＡｓバルクの伝導帯Ｅｃ及び価電子帯Ｅｖが示されている。ｐ型コンタクト層、受光層、井戸層、及びｎ型コンタクト層は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ構造を含む。図３には、ｐ型コンタクト層、受光層、井戸層、及びｎ型コンタクト層において、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子構造のＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層の伝導帯Ｅｃが、それぞれバルクＧａＳｂ及びバルクＩｎＡｓの伝導帯Ｅｃとして描かれている。また、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子構造のＧａＳｂ層及びＩｎＡｓ層の価電子帯Ｅｖが、それぞれバルクＧａＳｂ及びバルクＩｎＡｓの価電子帯Ｅｖとして描かれている。ＧａＳｂ層の伝導帯Ｅｃは、ＩｎＡｓ層の伝導帯Ｅｃより高く、ＧａＳｂ層の価電子帯Ｅｖは、ＩｎＡｓ層の価電子帯Ｅｖより高い。ＧａＳｂ層の価電子帯Ｅｖは、ＩｎＡｓ層の伝導帯Ｅｃより高くなっている。

図４は、実施例に係る半導体受光素子における暗電流のバイアス電圧特性と、井戸層を備えない半導体受光素子における暗電流のバイアス電圧特性とを示す。暗電流の測定は、絶対温度２１０Ｋにおいて行われ、半導体受光素子の冷却は、例えば、ペルチェ素子による。半導体受光素子ＳＲ２は、実施例の半導体受光素子ＳＲ１から井戸層を除いた構造を有する。

図４に示されるように、半導体受光素子ＳＲ１の暗電流は、半導体受光素子ＳＲ２の暗電流より少ない。例えば、バイアス電圧が−０．２Ｖのときには、半導体受光素子ＳＲ２の暗電流は０．８３２Ａ／ｃｍ^２であり、半導体受光素子ＳＲ１の暗電流は０．０２５６Ａ／ｃｍ^２である。半導体受光素子ＳＲ１は、受光層の超格子構造の伝導帯、井戸層の超格子構造の伝導帯、及びｎ型コンタクト層の超格子構造の伝導帯の配列による井戸型ポテンシャルを有する。この井戸型ポテンシャルが、半導体受光素子ＳＲ１において暗電流を低減している。

半導体受光素子の作製方法の概要を説明する。ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板のＴｅドープＧａＳｂ基板を準備する。図５の（ａ）部に示されるように、例えば、ＧａＳｂ基板の（１００）面上に、ｐ型バッファ層２０のためのＩＩＩ−Ｖ族半導体層と、第２超格子層３０、受光層４０、井戸層５０、及び第１超格子層６０のためのＩＩＩ−Ｖ族半導体超格子構造と、ｎ型キャップ層７０のためのＩＩＩ−Ｖ族半導体層とをこの順に成長する。これらの成長は、例えば、ＭＢＥ法によって行われる。ｐ型バッファ層２０のためのＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、例えば、ＢｅドープＧａＳｂであり、第２超格子層３０、受光層４０、及び井戸層５０のためのＩＩＩ−Ｖ族半導体超格子構造は、例えば、ＢｅドープのＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂを含む超格子構造である。第１超格子層６０のためのＩＩＩ−Ｖ族半導体超格子構造は、例えば、ＳｉドープのＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂを含む超格子構造である。ｎ型キャップ層７０のためのＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、例えば、ＳｉドープＩｎＡｓである。これらの成長工程により、半導体積層ＳＬが形成される。

図５の（ｂ）部に示されるように、半導体積層ＳＬの主面上に半導体メサＭＳのための第１マスクＭ１を形成する。第１マスクＭ１は、例えば、ＳｉＮ又はＳｉＯ_２を含む。図５の（ｃ）部に示されるように、第１マスクＭ１を用いて半導体積層ＳＬをエッチングして、半導体メサＭＳを形成する。このエッチングは、ｐ型バッファ層２０の途中まで行われ、ドライエッチング法及び／又はウェットエッチング法によることができる。ドライエッチング法では、例えば、ヨウ化水素又は塩化シリコンガスをエッチャントとして用い、ウェットエッチング法では、例えば、リン酸及び過酸化水素水を含む水溶液をエッチャントとして用いる。半導体メサＭＳの形成後に、第１マスクＭ１を除去する。

図６の（ａ）部に示されるように、半導体メサＭＳ及びエッチングされたｐ型バッファ層２０を覆う保護膜８０を形成する。保護膜８０は、例えば、ＳｉＮ又はＳｉＯ_２を含み、プラズマＣＶＤ法といった成膜方法で形成される。図６の（ｂ）部に示されるように、第２マスクＭ２を保護膜８０上に形成する。第２マスクＭ２は、例えば、樹脂を含み、開口Ｍ２Ａ及び開口Ｍ２Ｂを有する。第２マスクＭ２を用いて、保護膜８０をエッチングする。このエッチングの後に、第２マスクＭ２を除去する。続いて、第１電極８１及び第２電極８２を形成するための樹脂マスクを形成する。樹脂マスクは、半導体メサＭＳ上に第１電極８１を形成するための開口と、ｐ型バッファ層２０上に第２電極８２を形成するための開口とを有する。図６の（ｃ）部に示されるように、第１電極８１及び第２電極８２が、樹脂マスクを用いて、例えば、蒸着及びリフトオフにより形成されて、基板生産物ＳＰ１が作製される。このように作製された基板生産物ＳＰ１の基板１０を所望の厚さになるように裏面研磨して、さらに研磨された基板生産物ＳＰ１の劈開により半導体受光素子チップを形成する。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

以上説明したように、本実施形態によれば、暗電流を低減できる半導体受光素子が提供される。

１…半導体受光素子、１０…基板、２０…ｐ型バッファ層、３０…第２超格子層、３０Ｓ…超格子構造、４０…受光層、４０Ｓ…超格子構造、５０…井戸層、５０Ｓ…超格子構造、６０…第１超格子層、６０Ｓ…超格子構造、７０…ｎ型キャップ層、８０…保護膜、８１…第１電極、８２…第２電極、Ｅ１…第１エネルギー準位、Ｅ２…第２エネルギー準位、Ｅｃ４０…伝導帯、Ｅｃ５０…伝導帯、Ｅｃ６０…伝導帯、ＱＷ…井戸型ポテンシャル。

Claims (4)

1. タイプＩＩの超格子構造を含む受光層と、
   タイプＩＩの超格子構造を含む第１超格子層と、
   前記受光層と前記第１超格子層との間に設けられ、タイプＩＩの超格子構造を含む井戸層と、
   を備え、
   前記井戸層の前記超格子構造の伝導帯は、前記受光層の前記超格子構造の伝導帯及び前記第１超格子層の前記超格子構造の伝導帯より低く、
   前記受光層の前記超格子構造の伝導帯、前記井戸層の前記超格子構造の伝導帯及び前記第１超格子層の前記超格子構造の伝導帯の配列は、第１エネルギー準位及び第２エネルギー準位を含む井戸型ポテンシャルを形成し、
   前記第１エネルギー準位は、前記第２エネルギー準位より低い、半導体受光素子。
2. 前記井戸層の前記超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造を含む、請求項１に記載された半導体受光素子。
3. 前記受光層の前記超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造を含む、請求項１又は請求項２に記載された半導体受光素子。
4. 前記第１超格子層の前記超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造を含む、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体受光素子。

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