JP2018147962A - 受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】広波長域にわたって良好な受光感度を得ること。【解決手段】半導体基板１０と、半導体基板１０上に設けられ、半導体基板１０の格子定数よりも大きい格子定数を有し、半導体基板側から入射された赤外光を受光する受光層１６と、半導体基板１０と受光層１６との間に設けられ、複数の層１４が積層され、複数の層のうちの最下層が半導体基板１０に接し、最上層が受光層１６に接するバッファ層１２と、を備え、バッファ層１２の格子定数は、最下層において半導体基板１０の格子定数と略同じで且つ最下層から最上層に向かって徐々に大きくなり、バッファ層１２のバンドギャップエネルギーは、半導体基板１０の格子定数と受光層１６の格子定数との間の格子定数を有するＩｎＡｓＰのバンドギャップエネルギーよりも大きい、受光素子。【選択図】図２

Description

本発明は、受光素子に関する。

ＩｎＰからなる半導体基板上にＩｎＡｓＰからなるバッファ層とＩｎＧａＡｓからなる受光層とが順に設けられ、０．８μｍ〜１．９μｍの赤外光を受光する受光素子が知られている（例えば、非特許文献１）。

Ｗａｄａ、外１名、「Wide wavelength and low dark current lattice-mismatched InGaAs/InAsP photodiodes grown by metalorganic vapor-phase epitaxy」、Applied Physics Letters、１９９４年３月７日、Ｖｏｌ．６４、Ｎｏ．１０、ｐ．１２６５−１２６７

半導体基板側から入射される赤外光を受光する裏面入射型の受光素子に非特許文献１に記載のＩｎＡｓＰバッファ層を用いた場合、短波長側の光がバッファ層で吸収され、短波長側の受光感度の低下が生じてしまう。

そこで、広波長域にわたって良好な受光感度を得ることを目的とする。

本願発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、前記半導体基板の格子定数よりも大きい格子定数を有し、前記半導体基板側から入射された赤外光を受光する受光層と、前記半導体基板と前記受光層との間に設けられ、複数の層が積層され、前記複数の層のうちの最下層が前記半導体基板に接し、最上層が前記受光層に接するバッファ層と、を備え、前記バッファ層の格子定数は、前記最下層において前記半導体基板の格子定数と略同じで且つ前記最下層から前記最上層に向かって徐々に大きくなり、前記バッファ層のバンドギャップエネルギーは、前記半導体基板の格子定数と前記受光層の格子定数との間の格子定数を有するＩｎＡｓＰのバンドギャップエネルギーよりも大きい、受光素子である。

本願発明によれば、広波長域にわたって良好な受光感度を得ることができる。

図１は、実施例１に係る受光素子の斜視図である。 図２は、実施例１に係る受光素子の断面図である。 図３（ａ）から図３（ｄ）は、実施例１に係る受光素子の製造方法を示す断面図である。 図４は、実施例１及び比較例１の受光素子の分光感度特性を示す図である。 図５は、実施例２及び比較例２の受光素子の分光感度特性を示す図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に、本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本願発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、前記半導体基板の格子定数よりも大きい格子定数を有し、前記半導体基板側から入射された赤外光を受光する受光層と、前記半導体基板と前記受光層との間に設けられ、複数の層が積層され、前記複数の層のうちの最下層が前記半導体基板に接し、最上層が前記受光層に接するバッファ層と、を備え、前記バッファ層の格子定数は、前記最下層において前記半導体基板の格子定数と略同じで且つ前記最下層から前記最上層に向かって徐々に大きくなり、前記バッファ層のバンドギャップエネルギーは、前記半導体基板の格子定数と前記受光層の格子定数との間の格子定数を有するＩｎＡｓＰのバンドギャップエネルギーよりも大きい、受光素子である。これにより、バッファ層及び受光層において格子不整合による結晶欠陥を抑制でき且つ短波長側の光がバッファ層で吸収されることを抑制できるため、広波長域にわたって良好な受光感度を得ることができる。

前記バッファ層は前記最上層の格子定数が前記受光層の格子定数よりも大きくてもよい。これにより、受光層の結晶成長時における結晶歪みに起因する受光素子の暗電流が低減し、受光感度が向上する効果が得られる。

前記受光層上に設けられ、前記バッファ層の前記最上層の格子定数と同じ格子定数を有するキャップ層を備えていてもよい。これにより、キャップ層の結晶成長時における結晶歪みに起因する暗電流を低減し、受光感度が向上する効果が得られる。

前記バッファ層を構成する前記複数の層は、前記半導体基板側から前記最上層に向かって徐々に厚みが大きくなる領域を含んでいてもよい。これにより、バッファ層の上面まで転位が届き難くなり、受光層に転位が波及することを抑制できる。

前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、前記受光層はＩｎＧａＡｓ層であり、前記バッファ層は前記最下層から前記最上層に向かってＩｎの組成比が徐々に大きくなるＩｎＡｌＡｓ層であってもよい。これにより、半導体基板を透過し受光層で吸収される赤外光のうちの短波長側の光がバッファ層で吸収されることを抑制できる。

前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、前記受光層はＩｎＧａＡｓ層であり、前記バッファ層は前記最下層から前記最上層に向かってＡｓの組成比が徐々に小さくなるＡｌＡｓＳｂ層であってもよい。これにより、半導体基板を透過し受光層で吸収される赤外光のうちの短波長側の光がバッファ層で吸収されることを抑制できる。

［本願発明の実施形態の詳細］
本願発明の実施形態に係る受光素子の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本願発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、本願発明の効果がある限りにおいて他の成分が含まれていてもよい。

図１は、実施例１に係る受光素子の斜視図である。図２は、実施例１に係る受光素子の断面図である。図１及び図２のように、実施例１の受光素子１００は、半導体基板１０上に、バッファ層１２、受光層１６、及びキャップ層２０がこの順に設けられている。半導体基板１０は、例えば硫黄（Ｓ）がドープされたｎ型ＩｎＰ基板であり３５０μｍの厚さを有する。

バッファ層１２は、例えばｎ型Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓからなる複数の層が積層された多層バッファ層である。例えば、バッファ層１２は、シリコン（Ｓｉ）が０．１×１０^１８ｃｍ^−３〜１．０×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドープされたｎ型Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓからなる第１層１４ａ〜第８層１４ｈが積層された多層バッファ層である。第１層１４ａ〜第８層１４ｈのうちの最下層である第１層１４ａは半導体基板１０の上面に接し、最上層である第８層１４ｈは受光層１６の下面に接している。

受光層１６は、赤外光の吸収が可能な半導体材料で形成されていて、例えばＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層である。例えば、受光層１６は、Ｉｎ_{０．６５５}Ｇａ_{０．３４５}Ａｓからなる第１層１８ａ〜第３層１８ｃが積層された積層膜であり、４．６μｍの厚さを有する。第１層１８ａは、１．０×１０^１８ｃｍ^−３〜５．０×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でＳｉがドープされたｎ型Ｉｎ_{０．６５５}Ｇａ_{０．３４５}Ａｓ層であり、１．５μｍの厚さを有する。第２層１８ｂは、ノンドープのＩｎ_{０．６５５}Ｇａ_{０．３４５}Ａｓ層であり、３．０μｍの厚さを有する。なお、第２層１８ｂには、第１層１８ａの形成に伴って意図しないドープがされる場合があり、僅かにｎ型の導電性を有する場合がある。第３層１８ｃは、ノンドープのＩｎ_{０．６５５}Ｇａ_{０．３４５}Ａｓ層であり０．１μｍの厚さを有する。

受光層１６がＩｎ_{０．６５５}Ｇａ_{０．３４５}Ａｓからなる場合、バンドギャップエネルギーは例えば０．６２ｅＶであり、２．０μｍ以下の波長の光を吸収する。また、Ｉｎ_{０．６５５}Ｇａ_{０．３４５}Ａｓの格子定数は５．９１８６Åであることから、受光層１６はＩｎＰ（格子定数：５．８６８８Å）からなる半導体基板１０よりも大きい格子定数を有する。

キャップ層２０は、例えばバッファ層１２と同じ材料で形成されていて、例えばノンドープのＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓ層である。例えば、バッファ層１２は、Ｉｎ_０．６５Ａｌ_０．３５Ａｓ層であり、０．３μｍの厚さを有する。キャップ層２０のバンドギャップエネルギーは受光層１６のバンドギャップエネルギーよりも大きく、例えば１．２３ｅＶである。キャップ層２０のバンドギャップエネルギーを受光層１６よりも大きくすることにより、表面リーク電流を低減でき、受光素子の暗電流を下げることができる。

キャップ層２０及び受光層１６の第３層１８ｃに、ｐ型ドーパント（例えば亜鉛（Ｚｎ））が局所的に拡散された複数のｐ型領域２２が形成されている。複数のｐ型領域２２は互いに離れて設けられ電気的に分離している。

複数のｐ型領域２２それぞれの上面に接してｐ側電極２４が設けられている。ｐ側電極２４は、例えば金と亜鉛の合金膜（ＡｕＺｎ合金膜）などの金属膜である。ｐ型領域２２が設けられた領域が受光領域２６となり、１つの受光領域２６が１つの画素を構成する。すなわち、実施例１の受光素子１００は、複数の画素（受光領域２６）が二次元状に配列された受光素子アレイである。例えば、実施例１の受光素子１００は、チップサイズが１０ｍｍ×１０ｍｍであり、３２０×２５６個の画素が二次元状に配列されている。１画素当たりの受光サイズは一辺が１８μｍの矩形であり、画素は３０μｍのピッチ間隔で配列されている。なお、実施例１の受光素子１００は、複数の画素が一次元状に配列された受光素子アレイの場合であってもよい。

半導体基板１０の下面に、半導体基板１０の下面側から入射される赤外光の反射を抑制する反射抑制膜２８が設けられている。反射抑制膜２８は、例えば酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜である。半導体基板１０の下面であって反射抑制膜２８の外周に、半導体基板１０に接するｎ側電極３０が設けられている。ｎ側電極３０は、例えば金とゲルマニウムとニッケルの合金膜（ＡｕＧｅＮｉ合金膜）などの金属膜である。

表１に、実施例１の受光素子を構成する各層の組成、厚さ、格子定数（室温）、及び１つ下の層との格子定数差を示す。

表１のように、バッファ層１２を構成する第１層１４ａは、格子定数が５．８６７８ÅのＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓからなり、０．５μｍの厚さを有する。第１層１４ａは、半導体基板１０との格子定数差が−０．０００９９Åとなっている。第１層１４ａのバンドギャップエネルギーは、例えば１．５６ｅＶである。

バッファ層１２を構成する第２層１４ｂは、格子定数が５．８７５８ÅのＩｎ_０．５４Ａｌ_０．４６Ａｓからなり、０．５μｍの厚さを有する。第３層１４ｃは、格子定数が５．８８３７ÅのＩｎ_０．５６Ａｌ_０．４４Ａｓからなり、０．６μｍの厚さを有する。第４層１４ｄは、格子定数が５．８９１７ÅのＩｎ_０．５８Ａｌ_０．４２Ａｓからなり、０．７μｍの厚さを有する。第５層１４ｅは、格子定数が５．８９９６ÅのＩｎ_０．６０Ａｌ_０．４０Ａｓからなり、０．８μｍの厚さを有する。第６層１４ｆは、格子定数が５．９０７６ÅのＩｎ_０．６２Ａｌ_０．３８Ａｓからなり、０．９μｍの厚さを有する。第７層１４ｇは、格子定数が５．９１５６ÅのＩｎ_０．６４Ａｌ_０．３６Ａｓからなり、１．０μｍの厚さを有する。第２層１４ｂ〜第７層１４ｇは、１つ下の層との格子定数差が＋０．００７９５８Åとなっている。

バッファ層１２を構成する第８層１４ｈは、格子定数が５．９１９５ÅのＩｎ_０．６５Ａｌ_０．３５Ａｓからなり、１．０μｍの厚さを有する。第８層１４ｈは、第７層１４ｇとの格子定数差が＋０．００３９７９Åとなっている。第１層１４ａから第８層１４ｈまで、格子定数の増加に伴って、バンドギャップエネルギーは徐々に減少する。第８層１４ｈのバンドギャップエネルギーは、例えば１．２３ｅＶである。この第８層１４ｈのバンドギャップエネルギーは、受光層１６のバンドギャップエネルギーよりも大きい。また、バッファ層１２の各層のバンドギャップエネルギーは、各層と同程度の格子定数を有するＩｎＡｓ_ｘＰ_１−ｘのバンドギャップエネルギーよりも各々大きい。

受光層１６は、上述したように、格子定数が５．９１８６ÅのＩｎ_{０．６５５}Ｇａ_{０．３４５}Ａｓからなる。キャップ層２０は、上述したように、格子定数が５．９１９５ÅのＩｎ_０．６５Ａｌ_０．３５Ａｓからなる。

バッファ層１２は、最下層の第１層１４ａが半導体基板１０と略同じ格子定数を有し且つ最下層の第１層１４ａから最上層の第８層１４ｈに向かって格子定数が徐々に大きくなっている。最上層の第８層１４ｈは、受光層１６の格子定数と略同じであるが、受光層１６の格子定数よりも少し大きくなっている。なお、略同じとは、±０．００５以下の差を許容するものであり、±０．００２以下の差である場合がより好ましく、±０．００１以下の差である場合がさらに好ましい。

受光層１６は半導体基板１０よりも格子定数が大きく、その差は＋０．０４９８Åである。格子定数差Δａと半導体基板１０の格子定数ａとで定義される歪み（Δａ／ａ）は＋０．８５％となる。このように、格子定数差の大きい半導体基板１０と受光層１６との間にバッファ層１２を設けることで格子不整合による歪みを抑制でき、受光層１６に結晶欠陥（転位）が生じることを抑制できる。受光層１６に結晶欠陥が生じると、暗電流の増加や受光感度の低下が生じてしまう。バッファ層１２を構成する第２層１４ｂ〜第８層１４ｈは、１つ下の層との格子定数差が０．００８Å以下と小さくなるように積層されている。これにより、第２層１４ｂ〜第８層１４ｈの間で格子不整合による結晶欠陥の発生を抑制できる。

図３（ａ）から図３（ｄ）は、実施例１に係る受光素子の製造方法を示す断面図である。図３（ａ）のように、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１０の上面に、ＩｎＡｌＡｓからなるバッファ層１２、ＩｎＧａＡｓからなる受光層１６、及びＩｎＡｌＡｓからなるキャップ層２０をこの順に結晶成長する。バッファ層１２、受光層１６、及びキャップ層２０の結晶成長は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法を用いる。バッファ層１２を構成する第１層１４ａ〜第８層１４ｈは、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｓの原料ガスと共にＳｉを含むガスをチャンバに導入することで行う。受光層１６を構成する第１層１８ａは、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓの原料ガスと共にＳｉを含むガスをチャンバに導入することで行う。受光層１６を構成する第２層１８ｂ、第３層１８ｃは、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓの原料ガスをチャンバに導入し、Ｓｉを含むガスはチャンバに導入せずに行う。キャップ層２０は、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｓの原料ガスをチャンバに導入し、Ｓｉを含むガスはチャンバに導入せずに行う、各層のＩｎ組成はＩｎ原料ガスの流量を変化させることで行う。ＭＯＶＰＥ法における結晶成長温度は例えば５００℃以上である。格子定数には温度依存性があり、室温における格子定数よりも結晶成長温度における格子定数の方が大きい。実施例１では、結晶成長温度において、第８層１４ｈ及びキャップ層２０の格子定数が、受光層１６の格子定数とほぼ同じになるように、第８層１４ｈ及びキャップ層２０の組成を決めている。結晶成長温度において受光層とその上下の層とを格子整合させることにより、受光素子の暗電流を下げることができる。なお、各層の成長は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法を用いてもよい。

図３（ｂ）のように、キャップ層２０上に各画素の中央に開口を有する例えば窒化シリコンからなるマスク層（不図示）を形成し、マスク層をマスクとしてｐ型ドーパント（例えばＺｎ）を選択拡散してｐ型領域２２を形成する。マスク層をマスクとして蒸着法及びリフトオフ法を行い、ｐ型領域２２の上面に接するｐ側電極２４を形成する。その後、半導体基板１０の下面に、例えば化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法を用いて、反射抑制膜２８を形成する。半導体基板１０の下面の端側における反射抑制膜２８を例えばエッチングによって除去した後、この除去した領域に半導体基板１０に接するｎ側電極３０を形成する。その後、ウエハを分割して個片化することで、受光素子１００を形成する。

図３（ｃ）のように、複数のｐ側電極２４それぞれを、ＩＣ（Integrated Circuit）チップ４０の電極４２に、例えばＩｎバンプであるバンプ４４によって電気的に接続する。ｎ側電極３０をワイヤボンディングによってＩＣチップ４０の共通電極（不図示）に電気的に接続する。ＩＣチップ４０は、例えばシリコンＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）集積回路を含む読み出しＩＣである。これにより、画素ごとに発生する光電流をＩＣチップ４０に取り出すことができる。

図３（ｄ）のように、赤外光を透過する窓４６を有するパッケージ４８に受光素子１００を収納する。窓４６から入射された赤外光は、半導体基板１０及びバッファ層１２を介して受光層１６に到達する。受光層１６に赤外光が入射することで光電流が発生する。なお、パッケージ４８は温度制御装置を含んでいてもよい。

実施例１の受光素子１００の効果を説明するにあたって、比較例１の受光素子について説明する。比較例１の受光素子は、バッファ層１２にＩｎＡｓ_ｘＰ_１−ｘ層を用いた点が実施例１と異なり、それ以外は実施例１の図１及び図２と同じ構成をしている。

表２に、比較例１の受光素子を構成する各層の組成、厚さ、格子定数（室温）、及び１つ下の層との格子定数差を示す。

表２のように、バッファ層１２は、ＩｎＡｓ_ｘＰ_１−ｘからなる第１層〜第６層で構成されている。最下層である第１層は半導体基板１０に接し、最上層である第６層は受光層１６に接している。

バッファ層１２を構成する第１層は、格子定数が５．８７８３ÅのＩｎＡｓ_０．０５Ｐ_０．９５からなり、１．０μｍの厚さを有する。第２層は、格子定数が５．８８７８ÅのＩｎＡｓ_０．１０Ｐ_０．９０からなり、１．０μｍの厚さを有する。第３層は、格子定数が５．８９７３ÅのＩｎＡｓ_０．１５Ｐ_０．８５からなり、１．０μｍの厚さを有する。第４層は、格子定数が５．９０６８ÅのＩｎＡｓ_０．２０Ｐ_０．８０からなり、１．０μｍの厚さを有する。第５層は、格子定数が５．９１６３ÅのＩｎＡｓ_０．２５Ｐ_０．７５からなり、１．０μｍの厚さを有する。第１層〜第５層は、１つ下の層との格子定数差が＋０．００９５Åとなっている。

バッファ層１２を構成する第６層は、格子定数が５．９１８６ÅのＩｎＡｓ_{０．２６２}Ｐ_{０．７３８}からなり、１．０μｍの厚さを有する。第６層は、第５層との格子定数差が＋０．００２３Åとなっている。バッファ層１２を構成するＩｎＡｓ_ｘＰ_１−ｘのバンドギャップエネルギーは、例えば第１層（ｘ＝０．０５）が１．３５ｅＶ、第６層（ｘ＝０．２６２）が１．０７ｅＶである。ｘが増えるとバンドギャップエネルギーは小さくなる。受光層１６は、実施例１と同じであり、格子定数が５．９１８６ÅのＩｎ_{０．６５５}Ｇａ_{０．３４５}Ａｓからなる。したがって、バッファ層１２を構成する第６層と受光層１６とは格子定数が同じになっている。キャップ層２０は、格子定数が５．９１８６ÅのＩｎＡｓ_{０．２６２}Ｐ_{０．７３８}からなり、０．３μｍの厚さを有する。

図４は、実施例１及び比較例１の受光素子の分光感度特性を示す図である。図４の横軸は入射光の波長（μｍ）であり、縦軸は受光感度（Ａ／Ｗ）である。実施例１の受光感度を実線で示し、比較例１の受光感度を点線で示している。また、実施例１及び比較例１の受光感度特性から見積もられる受光層の量子効率が７５％のときの理論上の受光感度を一点鎖線で示している。理論上の受光感度Ｓは、入射光が全て受光層に到達し且つ受光層の結晶品質や厚さが適切で受光層で生じるキャリアが全て光電流として検出されるとした場合において、Ｓ＝（η×λ）／１２４０で求められる。ηは受光層の量子効率で、λは入射光の波長（ｎｍ）である。

図４のように、比較例１では、入射光の波長が１．５μｍ以下になると、受光感度が理論上の受光感度から大きく低下している。例えば、入射光の波長が１．１μｍのときの受光感度は０．２Ａ／Ｗであり、理論上の受光感度から見積もられる受光感度０．６６Ａ／Ｗよりも０．４６Ａ／Ｗも低下している。

一方、実施例１では、比較例１に比べて、入射光の波長が１．５μｍ以下になっても、理論上の受光感度からの受光感度の低下が抑えられている。例えば、入射光の波長が０．９３μｍのときの受光感度は０．５２Ａ／Ｗであり、理論上の受光感度から見積もられる受光感度０．５６Ａ／Ｗとの差は０．０４Ａ／Ｗである。半導体基板１０はＩｎＰからなるため、０．９２μｍ以下の波長の光を吸収するが０．９２μｍよりも長い波長の光は透過することから、波長が０．９３μｍのときの受光感度の低下はバッファ層１２による光吸収によるものと考えられる。すなわち、０．９３μｍの波長の光は、バッファ層１２で７％程度吸収されたと考えられる。また、図４から、入射光の波長が０．９３μｍよりも長い場合では、バッファ層１２による光吸収は７％よりも小さいことが分かる。なお、実施例１における１．８μｍ〜２．０μｍの波長域での受光感度は理論上の受光感度よりも低くなっているが、これは、受光層１６の結晶品質のばらつきなど、バッファ層１２による光吸収以外の要因によるものと考えられる。

このように、実施例１は、比較例１に比べて、短波長側での受光感度の低下が抑えられたのは以下の理由によるものと考えられる。すなわち、比較例１ではバッファ層１２にＩｎＡｓ_ｘＰ_１−ｘ（０．０５≦ｘ≦０．２６２）を用いているのに対し、実施例１ではバッファ層１２にＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓ（０．５２≦ｘ≦０．６５）を用いている。バッファ層１２は、半導体基板１０と受光層１６との格子不整合を抑えるために、半導体基板１０の格子定数と受光層１６の格子定数の間の格子定数を有する。バッファ層１２がＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓからなる場合は、ＩｎＡｓ_ｘＰ_１−ｘからなる場合に比べて、半導体基板１０の格子定数と受光層１６の格子定数との間において同じ格子定数に対するバンドギャップエネルギーが大きい。したがって、バッファ層１２にＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓ層を用いた実施例１では、バッファ層１２にＩｎＡｓ_ｘＰ_１−ｘを用いた比較例１に比べて、バッファ層１２での短波長の光の吸収が抑制される。これにより、実施例１では、短波長側での受光感度の低下が抑制されたものと考えられる。

以上のように、実施例１によれば、バッファ層１２は、最下層の第１層１４ａの格子定数が半導体基板１０の格子定数と略同じであり、第１層１４ａから最上層の第８層１４ｈに向かって格子定数が徐々に大きくなっている。これにより、バッファ層１２及び受光層１６において格子不整合による結晶欠陥が生じることを抑制できる。また、バッファ層１２は、半導体基板１０の格子定数と受光層１６の格子定数との間におけるバンドギャップエネルギーがＩｎＡｓＰよりも大きい。これにより、バッファ層１２にＩｎＡｓＰを用いた場合に比べて、半導体基板１０側から入射した光のうち短波長側の光が受光層１６に届く前にバッファ層１２で吸収されることを抑制できる。これらのために、図４のように、広波長域にわたって良好な受光感度を得ることができる。

また、実施例１によれば、表１のように、バッファ層１２を構成する複数の層のうちの最上層の第８層１４ｈの格子定数は５．９１９５Åであり、受光層１６の格子定数５．９１８６Åよりも大きい。これにより、受光層１６をバッファ層１２上に結晶成長する５００℃以上の温度において受光層１６とバッファ層１２の格子定数を合わせることができるので、受光素子の暗電流低減の効果が得られる。

また、実施例１によれば、キャップ層２０とバッファ層１２を構成する複数の層のうちの最上層の第８層１４ｈとは、共にＩｎ_０．６５Ａｌ_０．３５Ａｓ層である。したがって、キャップ層２０と第８層１４ｈとは同じ格子定数を有する。これにより、キャップ層２０を受光層１６上に結晶成長する５００℃以上の温度において受光層１６とキャップ層２０の格子定数を合わせることができるので、受光素子の暗電流低減の効果が得られる。

バッファ層１２を構成する複数の層のうちの半導体基板１０から数えてＮ番目の層の格子定数と（Ｎ−１）番目の層の格子定数との差をΔａ（Ｎ）とする。Ｎ番目の層の厚さをｔ（Ｎ）とする。（Ｎ＋１）番目の層の格子定数とＮ番目の層の格子定数との差をΔａ（Ｎ＋１）とする。（Ｎ＋１）番目の層の厚さをｔ（Ｎ＋１）とする。この場合に、下記の数１を満たすことが好ましい。

すなわち、バッファ層１２を構成する複数の層は、最下層から最上層に向かって格子定数が徐々に大きくなるだけでなく、厚みも徐々に大きくなることが好ましい。これにより、Ｎ番目の層と（Ｎ＋１）番目の層との境界で転位が発生した場合でも、（Ｎ＋１）番目の層が厚いことによって（Ｎ＋１）番目の層の上面まで転位が届き難くなる。したがって、バッファ層１２の上面まで転位が届き難くなるため、受光層１６に転位が波及することを抑制できる。なお、バッファ層１２を構成する各層の厚さが厚いほど転位をバッファ層１２の途中で止める効果は大きいが、バッファ層１２が厚くなりすぎるとバッファ層１２での光の減衰が大きくなって受光層１６に到達する光が減少してしまう。このため、バッファ層１２による光の減衰を抑える点から、数１を満たす範囲で各層の厚さを小さく設定することが好ましい。

実施例２の受光素子は、バッファ層１２がＡｌＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘからなり、受光層１６がＩｎ_０．８２Ｇａ_０．１８Ａｓからなる点が実施例１と異なり、それ以外は実施例１の図１及び図２と同じ構成をしている。表３に実施例２の受光素子の各層の組成、厚さ、格子定数（室温）、及び１つ下の層との格子定数差を示す。

表３のように、バッファ層１２は、ＡｌＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘからなる第１層〜第１３層で構成されている。最下層である第１層は半導体基板１０に接し、最上層である第１３層は受光層１６に接している。バッファ層１２を構成する第１層〜第１３層は、０．１×１０^１８ｃｍ^−３〜１．０×１０^１８ｃｍ^−３の濃度のＳｉがドープされていて、ｎ型の導電性を有する。

バッファ層１２を構成する第１層は、格子定数が５．８６９６ÅのＡｌＡｓ_０．５６Ｓｂ_０．４４からなり、０．５μｍの厚さを有する。第１層は、半導体基板１０との格子定数差が＋０．０００８Åとなっている。

バッファ層１２を構成する第２層は、格子定数が５．８８３６ÅのＡｌＡｓ_０．５３Ｓｂ_０．４７からなり、０．３μｍの厚さを有する。第３層は、格子定数が５．８９２９ÅのＡｌＡｓ_０．５１Ｓｂ_０．４９からなり、０．４μｍの厚さを有する。第４層は、格子定数が５．９０２２ÅのＡｌＡｓ_０．４９Ｓｂ_０．５１からなり、０．５μｍの厚さを有する。第５層は、格子定数が５．９１１５ÅのＡｌＡｓ_０．４７Ｓｂ_０．５３からなり、０．６μｍの厚さを有する。第６層は、格子定数が５．９２０８ÅのＡｌＡｓ_０．４５Ｓｂ_０．５５からなり、０．６５μｍの厚さを有する。第７層は、格子定数が５．９３０１ÅのＡｌＡｓ_０．４３Ｓｂ_０．５７からなり、０．７μｍの厚さを有する。第８層は、格子定数が５．９３９４ÅのＡｌＡｓ_０．４１Ｓｂ_０．５９からなり、０．７５μｍの厚さを有する。第９層は、格子定数が５．９４７８ÅのＡｌＡｓ_０．３９Ｓｂ_０．６１からなり、０．８μｍの厚さを有する。第１０層は、格子定数が５．９５８０ÅのＡｌＡｓ_０．３７Ｓｂ_０．６３からなり、０．８５μｍの厚さを有する。第１１層は、格子定数が５．９６７３ÅのＡｌＡｓ_０．３５Ｓｂ_０．６５からなり、０．９μｍの厚さを有する。第１２層は、格子定数が５．９７６６ÅのＡｌＡｓ_０．３３Ｓｂ_０．６７からなり、０．９５μｍの厚さを有する。第１３層は、格子定数が５．９８５９ÅのＡｌＡｓ_０．３１Ｓｂ_０．６９からなり、１．０μｍの厚さを有する。第３層〜第１３層は、１つ下の層との格子定数差が＋０．００９３Åとなっている。実施例２においては、バッファ層１２を構成する複数の層は、最下層から最上層に向かって格子定数が徐々に大きくなる。また複数の層の厚みは、数１の式を満たす。第１層から第１３層まで、格子定数の増加に伴って、バンドギャップエネルギーは徐々に減少する。第１層のバンドギャップエネルギーは、例えば、１．８８ｅＶである。第１３層のバンドギャップエネルギーは、例えば１．７５ｅＶである。この第１３層のバンドギャップエネルギーは、受光層１６のバンドギャップエネルギーよりも大きい。また、バッファ層１２の各層のバンドギャップエネルギーは、各層と同程度の格子定数を有するＩｎＡｓ_ｘＰ_１−ｘのバンドギャップエネルギーよりも各々大きい。

受光層１６は、格子定数が５．９８５４ÅのＩｎ_０．８２Ｇａ_０．１８Ａｓからなり、４．６μｍの厚さを有する。受光層１６がＩｎ_０．８２Ｇａ_０．１８Ａｓからなる場合、２．５μｍ以下の波長の光を吸収する。このように、実施例２では、実施例１よりも、長波長の赤外光に対して受光感度が得られるように受光層１６のＩｎ組成比を高くしている。キャップ層２０は、格子定数が５．９８５９ÅのＡｌＡｓ_０．３１Ｓｂ_０．６９からなり、０．３μｍの厚さを有する。

実施例２の受光素子の効果を説明するにあたって、比較例２の受光素子について説明する。比較例２の受光素子では、バッファ層１２は、比較例１の表２で説明したＩｎＡｓ_ｘＰ_１−ｘからなる第１層〜第６層で構成されている。その他の構成は、実施例２の表３と同じである。

図５は、実施例２及び比較例２の受光素子の分光感度特性を示す図である。図５の横軸は入射光の波長（μｍ）であり、縦軸は受光感度（Ａ／Ｗ）である。実施例２の受光感度を実線で示し、比較例２の受光感度を点線で示している。また、実施例２の受光感度特性から見積もられる受光層の量子効率が７３％のときの理論上の受光感度を一点鎖線で示している、比較例２の受光感度特性から見積もられる受光層の量子効率が６５％のときの理論上の受光感度を二点鎖線で示している。

図５のように、比較例２では、短波長側の受光感度が、量子効率が６５％のときの理論上の受光感度から大きく低下している。これに対し、実施例２では、短波長側においても、受光感度は量子効率が７３％の理論上の受光感度からあまり低下していない。例えば、比較例２では、入射光の波長が１．１μｍのときの受光感度は０．２Ａ／Ｗであり、量子効率６５％のときの理論上の受光感度から見積もられる受光感度０．５８Ａ／Ｗとの差は０．３８Ａ／Ｗである。すなわち、比較例２では、１．１μｍの波長の光は、バッファ層１２で６５．５％程度吸収されたと考えられる。一方、実施例２では、入射光の波長が０．９３μｍのときの受光感度は０．５４Ａ／Ｗであり、量子効率７３％の理論上の受光感度から見積もられる受光感度０．５７Ａ／Ｗとの差は０．０３Ａ／Ｗである。すなわち、実施例２では、バッファ層１２での０．９３μｍの波長の光の吸収は５．６％程度に抑えられていると考えられる。

このように、実施例２は、比較例２に比べて、短波長側での受光感度の低下が抑えられている。これは、実施例１で説明した理由と同じ理由によるものと考えられる。すなわち、バッファ層１２がＡｌＡｓＳｂからなる場合は、半導体基板１０の格子定数と受光層１６の格子定数との間におけるバンドギャップエネルギーがＩｎＡｓＰよりも大きいためと考えられる。また、バッファ層１２は、最下層である第１層の格子定数が半導体基板１０の格子定数と略同じであり、第１層から最上層の第１３層に向かって格子定数が徐々に大きくなっているためと考えられる。

実施例１では、半導体基板１０がＩｎＰ基板、バッファ層１２がＩｎＡｌＡｓ層、受光層１６がＩｎＧａＡｓ層の場合を例に示した。実施例２では、半導体基板１０がＩｎＰ基板、バッファ層１２がＡｌＡｓＳｂ層、受光層１６がＩｎＧａＡｓ層の場合を例に示した。これにより、半導体基板１０を透過し受光層１６で吸収される赤外光のうちの短波長側の光がバッファ層１２で吸収されることを抑制できる。しかしながら、半導体基板１０、バッファ層１２、及び受光層１６の材料はこの場合に限られる訳ではない。例えば、半導体基板１０がＩｎＰ基板で、受光層１６がＩｎＧａＡｓ層である場合でも、バッファ層１２はＩｎＡｌＡｓ及びＡｌＡｓＳｂ以外の半導体材料からなる場合でもよい。

なお、実施例１及び実施例２では、バッファ層１２の格子定数は最下層から最上層に向かって階段状に徐々に大きくなる場合を例に示したが、連続的に徐々に大きくなる場合でもよい。また、受光素子アレイ以外の他の受光素子の場合でもよい。

１０ 半導体基板
１２ バッファ層
１４ａ 第１層
１４ｂ 第２層
１４ｃ 第３層
１４ｄ 第４層
１４ｅ 第５層
１４ｆ 第６層
１４ｇ 第７層
１４ｈ 第８層
１６ 受光層
１８ａ 第１層
１８ｂ 第２層
１８ｃ 第３層
２０ キャップ層
２２ ｐ型領域
２４ ｐ側電極
２６ 受光領域
２８ 反射抑制膜
３０ ｎ側電極
４０ ＩＣチップ
４２ 電極
４４ バンプ
４６ 窓
４８ パッケージ
１００ 受光素子

Claims (6)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に設けられ、前記半導体基板の格子定数よりも大きい格子定数を有し、前記半導体基板側から入射された赤外光を受光する受光層と、
   前記半導体基板と前記受光層との間に設けられ、複数の層が積層され、前記複数の層のうちの最下層が前記半導体基板に接し、最上層が前記受光層に接するバッファ層と、を備え、
   前記バッファ層の格子定数は、前記最下層において前記半導体基板の格子定数と略同じで且つ前記最下層から前記最上層に向かって徐々に大きくなり、前記バッファ層のバンドギャップエネルギーは、前記半導体基板の格子定数と前記受光層の格子定数との間の格子定数を有するＩｎＡｓＰのバンドギャップエネルギーよりも大きい、受光素子。
2. 前記バッファ層は前記最上層の格子定数が前記受光層の格子定数よりも大きい、請求項１に記載の受光素子。
3. 前記受光層上に設けられ、前記バッファ層の前記最上層の格子定数と同じ格子定数を有するキャップ層を備える、請求項２に記載の受光素子。
4. 前記バッファ層を構成する前記複数の層は、前記半導体基板側から前記最上層に向かって徐々に厚みが大きくなる領域を含む、請求項１から３のいずれか一項記載の受光素子。
5. 前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、
   前記受光層はＩｎＧａＡｓ層であり、
   前記バッファ層は前記最下層から前記最上層に向かってＩｎの組成比が徐々に大きくなるＩｎＡｌＡｓ層である、請求項１から４のいずれか一項に記載の受光素子。
6. 前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、
   前記受光層はＩｎＧａＡｓ層であり、
   前記バッファ層は前記最下層から前記最上層に向かってＡｓの組成比が徐々に小さくなるＡｌＡｓＳｂ層である、請求項１から４のいずれか一項に記載の受光素子。

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