JP2018147962A - 受光素子 - Google Patents

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猪口 康博
Yasuhiro Inoguchi
康博 猪口
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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InAl1−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0.1×1018cm−3〜1.0×1018cm−3の濃度でドープされたn型InAl1−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InGa1−xAs層である。例えば、受光層16は、In0.655Ga0.345As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、1.0×1018cm−3〜5.0×1018cm−3の濃度でSiがドープされたn型In0.655Ga0.345As層であり、1.5μmの厚さを有する。第2層18bは、ノンドープのIn0.655Ga0.345As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In0.655Ga0.345As層であり0.1μmの厚さを有する。
受光層16がIn0.655Ga0.345As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、In0.655Ga0.345As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InAl1−xAs層である。例えば、バッファ層12は、In0.65Al0.35As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。
Figure 2018147962
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In0.52Al0.48As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In0.54Al0.46As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In0.56Al0.44As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In0.58Al0.42As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In0.60Al0.40As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In0.62Al0.38As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In0.64Al0.36As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In0.65Al0.35As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InAs1−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In0.655Ga0.345As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In0.65Al0.35As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InAs1−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。
Figure 2018147962
表2のように、バッファ層12は、InAs1−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InAs0.050.95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InAs0.100.90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InAs0.150.85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InAs0.200.80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InAs0.250.75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InAs0.2620.738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InAs1−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In0.655Ga0.345As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InAs0.2620.738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InAs1−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InAl1−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InAl1−xAsからなる場合は、InAs1−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InAl1−xAs層を用いた実施例1では、バッファ層12にInAs1−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In0.65Al0.35As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。
Figure 2018147962
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AlAsSb1−xからなり、受光層16がIn0.82Ga0.18As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。
Figure 2018147962
表3のように、バッファ層12は、AlAsSb1−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、0.1×1018cm−3〜1.0×1018cm−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AlAs0.56Sb0.44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AlAs0.53Sb0.47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AlAs0.51Sb0.49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AlAs0.49Sb0.51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AlAs0.47Sb0.53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AlAs0.45Sb0.55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AlAs0.43Sb0.57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AlAs0.41Sb0.59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AlAs0.39Sb0.61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AlAs0.37Sb0.63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AlAs0.35Sb0.65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AlAs0.33Sb0.67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AlAs0.31Sb0.69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InAs1−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In0.82Ga0.18Asからなり、4.6μmの厚さを有する。受光層16がIn0.82Ga0.18As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AlAs0.31Sb0.69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InAs1−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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