JP2018113407A - 半導体結晶基板、赤外線検出装置、光半導体装置、熱電変換素子、半導体結晶基板の製造方法及び赤外線検出装置の製造方法 - Google Patents
半導体結晶基板、赤外線検出装置、光半導体装置、熱電変換素子、半導体結晶基板の製造方法及び赤外線検出装置の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】主面が(001)面より傾斜している結晶基板と、前記結晶基板の主面の上に、第1の超格子形成層と第2の超格子形成層とを交互に積層することにより形成された超格子構造層と、を有し、前記第1の超格子形成層は、Ga1−x1Inx1Asy1Sb1−y1(0≦x1≦0.1、0≦y1≦0.1)層により形成されており、前記第1の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.20以下であり、前記第2の超格子形成層は、Ga1−x2Inx2Asy2Sb1−y2(0.9≦x2≦1、0.9≦y2≦1)層により形成されており、前記第2の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.40以下であることを特徴とする半導体結晶基板により上記課題を解決する。
【選択図】図10
Description
(GaSb)
最初に、GaSbについて成膜条件と平坦性との関係について検討を行った。具体的には、図1に示すように、GaSb基板11の上に、成膜条件の異なるGaSb層12a、GaSb層12b、GaSb層12cを各々成膜し、GaSb層12a、GaSb層12b、GaSb層12cの表面の平坦性を調べた。GaSb層12a、GaSb層12b、GaSb層12cの表面の平坦性は、AFM(Atomic Force Microscope)により調べた。尚、GaSb層12a、GaSb層12b、GaSb層12cは、固体ソースを用いたMBEにより形成されており、V/III比は約10である。
次に、InAsについて成膜条件と平坦性との関係について検討を行った。具体的には、図5に示すように、GaSb基板11の上に、成膜条件の異なるInAs層22a、InAs層22b、InAs層22cを各々成膜し、InAs層22a、InAs層22b、InAs層22cの表面の平坦性を調べた。InAs層22a、InAs層22b、InAs層22cの表面の平坦性は、AFMにより調べた。尚、InAs層22a、InAs層22b、InAs層22cは、固体ソースを用いたMBEにより形成されており、成長速度は0.2μm/h、V/III比は約5である。
次に、図9に示されるように、上記実験結果より得られた平坦なGaSb層と平坦なInAs層とを交互に積層することにより形成された超格子構造を有する半導体結晶基板となる試料を作製した。具体的には、GaSb基板11の上に、GaSbバッファ層30、超格子構造層50、i−InAsキャップ層60が順に形成されてる半導体結晶基板を作製した。
次に、第1の実施の形態における半導体結晶基板について説明する。本実施の形態における半導体結晶基板は、図12に示すように、結晶基板であるGaSb基板110の上に、GaSbバッファ層120、p−GaSb層130、超格子構造層140、n−InAs層150が順に積層して形成されている。尚、本実施の形態における半導体結晶基板は、n−InAs層150が形成されていない半導体結晶基板や、p−GaSb層130が形成されていない半導体結晶基板であってもよい。具体的には、本実施の形態における半導体結晶基板は、GaSb基板110の上に、GaSbバッファ層120、p−GaSb層130、超格子構造層140が順に積層して形成されているものであってもよい。また、GaSb基板110の上に、GaSbバッファ層120、超格子構造層140、n−InAs層150が順に積層して形成されているものであってもよい。
次に、本実施の形態における半導体結晶基板の製造方法について図13及び図14に基づき説明する。最初に、図13(a)に示すように、GaSb基板110を固体ソース分子線エピタキシー(SS−MBE:solid source molecular beam epitaxy)装置の真空チャンバー内に設置する。このGaSb基板110は、主面110aが(001)面より0.35°傾斜しているGaSb基板である。この後、ヒータ加熱によりGaSb基板110を加熱し、GaSb基板110の基板温度が400℃に達した時点で、SbビームをGaSb基板110の表面に照射する。このときのSbのビームフラックスは、例えば、5.0×10−7Torrである。この後、更にGaSb基板110を加熱すると、基板温度が500℃近辺において、GaSb基板110の表面に形成されているGaSbの酸化膜が脱離する。この後、Sbビームを照射した状態で、GaSb基板110の基板温度が530℃になるまで加熱し、その状態を20分間維持することにより、GaSb基板110の表面に形成されているGaSbの酸化膜を完全に脱離させる。
次に、第2の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態における半導体結晶基板を用いて作製した赤外線検出装置である。図15は、本実施の形態における赤外線検出装置の全体の構造を示し、図16は、赤外線検出装置の画素の1つを拡大した構造を示す。尚、図15、図16においては、超格子構造層140における多層構造の様子は省略されている。
次に、本実施の形態における赤外線検出装置の製造方法について図18〜図21に基づき説明する。本実施の形態における赤外線検出装置は、第1の実施の形態における半導体結晶基板を用いて作製することが可能である。尚、図18(a)〜図21(a)は、各々の工程における全体の様子を示し、図18(b)〜図21(b)は、各々の工程における1つの画素に相当する部分を拡大した図である。尚、図18〜図21においては、超格子構造層140における多層構造の様子は省略されている。
次に、第3の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態における半導体結晶基板を用いて作製した光半導体装置であるGaSb系半導体レーザである。図22は、本実施の形態における半導体レーザの構造を示す。尚、図22においては、超格子構造層140における多層構造の様子は省略されている。
次に、第4の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態における半導体結晶基板を用いて作製した光半導体装置であるGaSb系発光ダイオード(LED:light emitting diode)である。図23は、本実施の形態における発光ダイオードの構造を示す。尚、図23においては、超格子構造層140における多層構造の様子は省略されている。
次に、第5の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態における半導体結晶基板を用いて作製した熱電変換素子である。本実施の形態における熱電変換素子について、図24及び図25に基づき説明する。尚、図24及び図25においては、超格子構造層140における多層構造の様子は省略されている。
(付記1)
主面が(001)面より傾斜している結晶基板と、
前記結晶基板の主面の上に、第1の超格子形成層と第2の超格子形成層とを交互に積層することにより形成された超格子構造層と、
を有し、
前記第1の超格子形成層は、Ga1−x1Inx1Asy1Sb1−y1(0≦x1≦0.1、0≦y1≦0.1)層により形成されており、前記第1の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.20以下であり、
前記第2の超格子形成層は、Ga1−x2Inx2Asy2Sb1−y2(0.9≦x2≦1、0.9≦y2≦1)層により形成されており、前記第2の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.40以下であることを特徴とする半導体結晶基板。
(付記2)
前記結晶基板において、前記主面が(001)面より傾斜している角度は、0.1°以上、10°以下であることを特徴とする付記1に記載の半導体結晶基板。
(付記3)
前記結晶基板は、GaAs、InP、InAs、Si、GaSbのうちのいずれかを含むものにより形成されていることを特徴とする付記1または2に記載の半導体結晶基板。
(付記4)
前記第1の超格子形成層は、GaSb層により形成されており、
前記第2の超格子形成層は、InAs層により形成されていることを特徴とする付記1から3のいずれかに記載の半導体結晶基板。
(付記5)
前記結晶基板と、前記超格子構造層との間には、バッファ層が形成されており、
前記バッファ層は、GaSbを含む材料により形成されていることを特徴とする付記1から4のいずれかに記載の半導体結晶基板。
(付記6)
主面が(001)面より傾斜している結晶基板と、
前記結晶基板の主面の上に化合物半導体により形成された第1のコンタクト層と、
前記第1のコンタクト層の上に、第1の超格子形成層と第2の超格子形成層とを交互に積層することにより形成された超格子構造層と、
前記超格子構造層の上に化合物半導体により形成された第2のコンタクト層と、
を有し、
前記第1の超格子形成層は、Ga1−x1Inx1Asy1Sb1−y1(0≦x1≦0.1、0≦y1≦0.1)層により形成されており、前記第1の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.20以下であり、
前記第2の超格子形成層は、Ga1−x2Inx2Asy2Sb1−y2(0.9≦x2≦1、0.9≦y2≦1)層により形成されており、前記第2の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.40以下であることを特徴とする赤外線検出装置。
(付記7)
前記結晶基板において、前記主面が(001)面より傾斜している角度は、0.1°以上、10°以下であることを特徴とする付記6に記載の赤外線検出装置。
(付記8)
前記結晶基板は、GaAs、InP、InAs、Si、GaSbのうちのいずれかを含むものにより形成されていることを特徴とする付記6または7に記載の赤外線検出装置。
(付記9)
前記第1の超格子形成層は、GaSb層により形成されており、
前記第2の超格子形成層は、InAs層により形成されていることを特徴とする付記6から8のいずれかに記載の赤外線検出装置。
(付記10)
前記第1のコンタクト層の導電型は第1の導電型であって、GaSbを含む材料により形成されており、
前記第2のコンタクト層の導電型は第2の導電型であって、InAsを含む材料により形成されていることを特徴とする付記6から9のいずれかに記載の赤外線検出装置。
(付記11)
前記結晶基板と、前記超格子構造層との間には、バッファ層が形成されており、
前記バッファ層は、GaSbを含む材料により形成されていることを特徴とする付記6から10のいずれかに記載の赤外線検出装置。
(付記12)
前記第2のコンタクト層及び前記超格子構造層には、画素ごとに分離する画素分離溝が形成されていることを特徴とする付記6から11のいずれかに記載の赤外線検出装置。
(付記13)
主面が(001)面より傾斜している結晶基板と、
前記結晶基板の主面の上に化合物半導体により形成された第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層の上に、第1の超格子形成層と第2の超格子形成層とを交互に積層することにより形成された超格子構造層と、
前記超格子構造層の上に化合物半導体により形成された第2のクラッド層と、
を有し、
前記第1の超格子形成層は、Ga1−x1Inx1Asy1Sb1−y1(0≦x1≦0.1、0≦y1≦0.1)層により形成されており、前記第1の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.20以下であり、
前記第2の超格子形成層は、Ga1−x2Inx2Asy2Sb1−y2(0.9≦x2≦1、0.9≦y2≦1)層により形成されており、前記第2の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.40以下であることを特徴とする光半導体装置。
(付記14)
前記第1のコンタクト層の導電型は第1の導電型であって、GaSbを含む材料により形成されており、
前記第2のコンタクト層の導電型は第2の導電型であって、GaSbを含む材料により形成されていることを特徴とする付記13に記載の光半導体装置。
(付記15)
主面が(001)面より傾斜している結晶基板と、
前記結晶基板の主面の上に、第1の超格子形成層と第2の超格子形成層とを交互に積層することにより形成された超格子構造層と、
を有し、
前記第1の超格子形成層は、Ga1−x1Inx1Asy1Sb1−y1(0≦x1≦0.1、0≦y1≦0.1)層により形成されており、前記第1の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.20以下であり、
前記第2の超格子形成層は、Ga1−x2Inx2Asy2Sb1−y2(0.9≦x2≦1、0.9≦y2≦1)層により形成されており、前記第2の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.40以下であって、
前記超格子構造層に、不純物イオンを注入することにより形成されたメサ構造のn型領域とメサ構造のp型領域と、
前記メサ構造のn型領域と前記メサ構造のp型領域とを接続する電極と、
を有することを特徴とする熱電変換素子。
(付記16)
主面が(001)面より傾斜している結晶基板の上に、エピタキシャル成長により、第1の超格子形成層と第2の超格子形成層とを交互に積層し、超格子構造層を形成する工程を有し、
前記第1の超格子形成層は、Ga1−x1Inx1Asy1Sb1−y1(0≦x1≦0.1、0≦y1≦0.1)層により形成されており、前記第1の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.20以下であり、
前記第2の超格子形成層は、Ga1−x2Inx2Asy2Sb1−y2(0.9≦x2≦1、0.9≦y2≦1)層により形成されており、前記第2の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.40以下であることを特徴とする半導体結晶基板の製造方法。
(付記17)
超格子構造層は、分子線エピタキシーにより形成されることを特徴とする付記16に記載の半導体結晶基板の製造方法。
(付記18)
主面が(001)面より傾斜している結晶基板の上に、化合物半導体のエピタキシャル成長により、第1のコンタクト層を形成する工程と、
前記第1のコンタクト層の上に、エピタキシャル成長により、第1の超格子形成層と第2の超格子形成層とを交互に積層することにより超格子構造層を形成する工程と、
前記超格子構造層の上に、化合物半導体のエピタキシャル成長により、第2のコンタクト層を形成する工程と、
を有し、
前記第1の超格子形成層は、Ga1−x1Inx1Asy1Sb1−y1(0≦x1≦0.1、0≦y1≦0.1)層により形成されており、前記第1の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.20以下であり、
前記第2の超格子形成層は、Ga1−x2Inx2Asy2Sb1−y2(0.9≦x2≦1、0.9≦y2≦1)層により形成されており、前記第2の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.40以下であることを特徴とする赤外線検出装置の製造方法。
(付記19)
超格子構造層は、分子線エピタキシーにより形成されることを特徴とする付記18に記載の赤外線検出装置の製造方法。
110 GaSb基板(結晶基板)
110a 主面
120 GaSbバッファ層
130 p−GaSb層
140 超格子構造層
150 n−InAs層
160 画素分離溝
170 パッシベーション膜
171 電極
172 電極
173 配線支持部
174 配線層
175 バンプ
176 バンプ
180 信号読み出し回路素子
181 回路基板
182 電極
183 バンプ
Claims (12)
- 主面が(001)面より傾斜している結晶基板と、
前記結晶基板の主面の上に、第1の超格子形成層と第2の超格子形成層とを交互に積層することにより形成された超格子構造層と、
を有し、
前記第1の超格子形成層は、Ga1−x1Inx1Asy1Sb1−y1(0≦x1≦0.1、0≦y1≦0.1)層により形成されており、前記第1の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.20以下であり、
前記第2の超格子形成層は、Ga1−x2Inx2Asy2Sb1−y2(0.9≦x2≦1、0.9≦y2≦1)層により形成されており、前記第2の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.40以下であることを特徴とする半導体結晶基板。 - 前記結晶基板において、前記主面が(001)面より傾斜している角度は、0.1°以上、10°以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体結晶基板。
- 前記結晶基板は、GaAs、InP、InAs、Si、GaSbのうちのいずれかを含むものにより形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体結晶基板。
- 前記第1の超格子形成層は、GaSb層により形成されており、
前記第2の超格子形成層は、InAs層により形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体結晶基板。 - 主面が(001)面より傾斜している結晶基板と、
前記結晶基板の主面の上に化合物半導体により形成された第1のコンタクト層と、
前記第1のコンタクト層の上に、第1の超格子形成層と第2の超格子形成層とを交互に積層することにより形成された超格子構造層と、
前記超格子構造層の上に化合物半導体により形成された第2のコンタクト層と、
を有し、
前記第1の超格子形成層は、Ga1−x1Inx1Asy1Sb1−y1(0≦x1≦0.1、0≦y1≦0.1)層により形成されており、前記第1の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.20以下であり、
前記第2の超格子形成層は、Ga1−x2Inx2Asy2Sb1−y2(0.9≦x2≦1、0.9≦y2≦1)層により形成されており、前記第2の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.40以下であることを特徴とする赤外線検出装置。 - 前記結晶基板において、前記主面が(001)面より傾斜している角度は、0.1°以上、10°以下であることを特徴とする請求項5に記載の赤外線検出装置。
- 前記結晶基板は、GaAs、InP、InAs、Si、GaSbのうちのいずれかを含むものにより形成されていることを特徴とする請求項5または6に記載の赤外線検出装置。
- 前記第1の超格子形成層は、GaSb層により形成されており、
前記第2の超格子形成層は、InAs層により形成されていることを特徴とする請求項5から7のいずれかに記載の赤外線検出装置。 - 主面が(001)面より傾斜している結晶基板と、
前記結晶基板の主面の上に化合物半導体により形成された第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層の上に、第1の超格子形成層と第2の超格子形成層とを交互に積層することにより形成された超格子構造層と、
前記超格子構造層の上に化合物半導体により形成された第2のクラッド層と、
を有し、
前記第1の超格子形成層は、Ga1−x1Inx1Asy1Sb1−y1(0≦x1≦0.1、0≦y1≦0.1)層により形成されており、前記第1の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.20以下であり、
前記第2の超格子形成層は、Ga1−x2Inx2Asy2Sb1−y2(0.9≦x2≦1、0.9≦y2≦1)層により形成されており、前記第2の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.40以下であることを特徴とする光半導体装置。 - 主面が(001)面より傾斜している結晶基板と、
前記結晶基板の主面の上に、第1の超格子形成層と第2の超格子形成層とを交互に積層することにより形成された超格子構造層と、
を有し、
前記第1の超格子形成層は、Ga1−x1Inx1Asy1Sb1−y1(0≦x1≦0.1、0≦y1≦0.1)層により形成されており、前記第1の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.20以下であり、
前記第2の超格子形成層は、Ga1−x2Inx2Asy2Sb1−y2(0.9≦x2≦1、0.9≦y2≦1)層により形成されており、前記第2の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.40以下であって、
前記超格子構造層に、不純物イオンを注入することにより形成されたメサ構造のn型領域とメサ構造のp型領域と、
前記メサ構造のn型領域と前記メサ構造のp型領域とを接続する電極と、
を有することを特徴とする熱電変換素子。 - 主面が(001)面より傾斜している結晶基板の上に、エピタキシャル成長により、第1の超格子形成層と第2の超格子形成層とを交互に積層し、超格子構造層を形成する工程を有し、
前記第1の超格子形成層は、Ga1−x1Inx1Asy1Sb1−y1(0≦x1≦0.1、0≦y1≦0.1)層により形成されており、前記第1の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.20以下であり、
前記第2の超格子形成層は、Ga1−x2Inx2Asy2Sb1−y2(0.9≦x2≦1、0.9≦y2≦1)層により形成されており、前記第2の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.40以下であることを特徴とする半導体結晶基板の製造方法。 - 主面が(001)面より傾斜している結晶基板の上に、化合物半導体のエピタキシャル成長により、第1のコンタクト層を形成する工程と、
前記第1のコンタクト層の上に、エピタキシャル成長により、第1の超格子形成層と第2の超格子形成層とを交互に積層することにより超格子構造層を形成する工程と、
前記超格子構造層の上に、化合物半導体のエピタキシャル成長により、第2のコンタクト層を形成する工程と、
を有し、
前記第1の超格子形成層は、Ga1−x1Inx1Asy1Sb1−y1(0≦x1≦0.1、0≦y1≦0.1)層により形成されており、前記第1の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.20以下であり、
前記第2の超格子形成層は、Ga1−x2Inx2Asy2Sb1−y2(0.9≦x2≦1、0.9≦y2≦1)層により形成されており、前記第2の超格子形成層の表面の傾斜方向における原子ステップ幅の平均値に対する標準偏差の値(標準偏差/平均値の値)が、0以上、0.40以下であることを特徴とする赤外線検出装置の製造方法。
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