JP2018182261A - 半導体受光デバイス - Google Patents

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バーラセカラン スンダララジャン
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博史 稲田
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Abstract

【課題】ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子を含むフォトダイオードの光応答特性において所望の平坦性を提供できる半導体受光デバイスを提供する。【解決手段】半導体受光デバイスは、基板１０と、基板上に設けられたフォトダイオードＰＤと、を備え、フォトダイオードは、基板上に設けられた光吸収層のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子５０と、基板とＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子との間に設けられた第１バルク半導体層４０と、ＩｎＧａＡｓより小さいバンドギャップを有し、第１バルク半導体層に接触を成す第２バルク半導体層３０と、を備え、第１バルク半導体層は、ｐ型ＩｎＧａＡｓを含み、第２バルク半導体層は、ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物を含み、ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物は、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体受光デバイスに関する。
非特許文献１は、短波赤外及び中波赤外を受光するフォトダイオードを開示する。
B. Chen et.al.，"SWIR/MWIR InP-Based p-i-nPhotodiodes With InGaAs/GaAsSb Type-II Quantum Wells ",IEEE J. Quantum Electron, Vol 47, pp.1244-1250 (2011)。
ある波長帯域の光を受ける半導体受光デバイスは、測定対象物からの光の様々な波長の分布を示す一次元又は二次元の画像を提供できる。発明者等の知見によれば、例えばＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子の光応答特性は、波長１．７マイクロメートル以上の波長領域において高い平坦性を示す一方で、波長１．７マイクロメートル未満の短波領域において大きく変化し、半導体受光デバイスは、固有の光応答における差を波長領域に有する。光応答における差が、測定対象物の性質を示す光信号のスペクトルを変形させる。
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、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子を含むフォトダイオードの光応答特性において所望の平坦性を提供できる半導体受光デバイス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デバイスは、基板と、前記基板上に設けられたフォトダイオードと、を備え、前記フォトダイオードは、前記基板上に設けられた光吸収層のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子と、前記基板と前記ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子との間に設けられた第１バルク半導体層と、ＩｎＧａＡｓより小さいバンドギャップを有し前記第１バルク半導体層に接触を成す第２バルク半導体層と、を備え、前記第１バルク半導体層は、ｐ型ＩｎＧａＡｓを含み、前記第２バルク半導体層は、ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物を含み、前記ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物は、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む。
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、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子を含むフォトダイオードの光応答特性において所望の平坦性を提供できる半導体受光デバイスが提供される。
図１は、実施形態に係る半導体受光デバイスを模式的に示す平面図である。 図２は、図１に示されたＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図である。 図３は、実施例に係る半導体受光デバイスにおける伝導帯及び価電子帯を示す図である。 図４は、実施例に係る半導体受光デバイスの光吸収層の光応答特性と、この半導体受光デバイスの第２バルク半導体層の光透過率スペクトルとを示す図である。 図５は、図４に示された光吸収層の光応答特性を第２バルク半導体層によって補償された光応答特性を示す図である。 図６は、実施例に係る半導体受光デバイスの光応答特性を示す図である。 図７は、実施形態に係る半導体受光デバイス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８は、実施形態に係る半導体受光デバイス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、いくつかの形態の具体例を説明する。
一形態に係る半導体受光デバイスは、（ａ）基板と、（ｂ）前記基板上に設けられたフォトダイオードと、を備え、前記フォトダイオードは、前記基板上に設けられた光吸収層のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子と、前記基板と前記ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子との間に設けられた第１バルク半導体層と、ＩｎＧａＡｓより小さいバンドギャップを有し前記第１バルク半導体層に接触を成す第２バルク半導体層と、を備え、前記第１バルク半導体層は、ｐ型ＩｎＧａＡｓを含み、前記第２バルク半導体層は、ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物を含み、前記ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物は、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む。
この半導体受光デバイスによれば、フォトダイオードは、基板を介して光を受ける。この光は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子に入射するに先立って、ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物の第２バルク半導体層を通過する。光吸収層のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子は、１．７マイクロメートル以下の短波領域で単調に増加する応答特性を有する。第２バルク半導体層は、１．７マイクロメートル未満の短波領域の光を吸収する一方で、１．７マイクロメートル以上の長波光領域に高い光透過率を示す。ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子及び第２バルク半導体層の組み合わせは、１．７マイクロメートル以上２．３マイクロメートル以下の波長領域の応答特性に良好な平坦性を提供できる。また、第２バルク半導体層の追加は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子からの正孔の流れを妨げない。第２バルク半導体層は、ＩｎＧａＡｓより小さいバンドギャップを有し、ｐ導電性の第１バルク半導体層及び第２バルク半導体層は、第２バルク半導体層の価電子帯を第１バルク半導体層の価電子帯に近くしている。第２バルク半導体層は、第１バルク半導体の伝導帯より低い伝導帯を有する。第２バルク半導体層は、伝導帯では、第１バルク半導体層に対して井戸を形成できるバンドオフセットを有し、この井戸は、電子の流れを妨げて暗電流の低減に寄与できる。
一形態に係る半導体受光デバイスでは、前記第２バルク半導体層は、ｐ型ＧａＳｂ層を含んでもよい。
この半導体受光デバイスによれば、二元化合物の第２バルク半導体層は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子の平坦な光吸収特性の波長帯に窓を提供できる。
一形態に係る半導体受光デバイスは、前記基板と前記第２バルク半導体層との間に設けられたｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層を更に備え、前記第２バルク半導体層は、前記ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層に接触を成し、前記第１バルク半導体層は、前記ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層より厚くてもよい。
この半導体受光デバイスによれば、第２バルク半導体層は、二つのｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体の間に位置し、これらｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体に接触を成す。
一形態に係る半導体受光デバイスでは、前記基板は、ｐ型ＩｎＰを含んでもよい。
この半導体受光デバイスによれば、ｐ型ＩｎＰは、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子及び第２バルク半導体層の組み合わせによる平坦性を有する波長帯域の光を透過させることができる。
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、半導体受光デバイス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デバイスを模式的に示す平面図であり、図２は、図１に示されたＩＩ−ＩＩ線に沿ってとられた断面を示す図である。図１及び図２に示されるように、半導体受光デバイス１は、基板１０と、基板１０上に設けられた一又は複数のフォトダイオードＰＤとを備える。半導体受光デバイス１では、フォトダイオードＰＤは、一次元又は二次元的に配列することができる。
引き続く説明では、図２を参照しながら、単一のフォトダイオードＰＤを説明する。半導体受光デバイス１のフォトダイオードＰＤは、光吸収層５０、第１バルク半導体層４０、及び第２バルク半導体層３０を備える。光吸収層５０は、基板１０上に設けられる。第１バルク半導体層４０は、光吸収層５０と基板１０との間に設けられ、ｐ型ＩｎＧａＡｓを含む。第２バルク半導体層３０は、第１バルク半導体層４０と基板１０との間に設けられる。第２バルク半導体層３０は、ＩｎＧａＡｓより小さいバンドギャップを有し、ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物を含む。ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物は、Ｖ族としてアンチモンを含むと共にＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むことができ、例えばＧａＳｂを含む。第１バルク半導体層４０は、第２バルク半導体層３０と光吸収層５０との間に設けられ、第２バルク半導体層３０に接触を成す。光吸収層５０は、ＩｎＧａＡｓ層５１及びＧａＡｓＳｂ層５２を含む。ＩｎＧａＡｓ層５１及びＧａＡｓＳｂ層５２は交互に配置されて、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子５０Ｓを形成する。超格子５０Ｓは、半導体受光デバイス１の外部からの光を基板１０を通して受け、この光は、光吸収層５０に到達するに先立って、第２バルク半導体層３０のｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物を通過する。第１バルク半導体層４０のｐ型ＩｎＧａＡｓが第２バルク半導体層３０と光吸収層５０との間に設けられ、これ故に、第１バルク半導体層４０は少数キャリアに対するバンド障壁として機能し、第２バルク半導体層３０からの少数キャリアの拡散による光吸収層５０への流入を抑制する。バルク半導体層は、該バルク半導体層と、該バルク半導体層接触を成す隣の半導体層との界面の影響がバルク半導体層の全体を支配しないような厚さを有する。
この半導体受光デバイス１によれば、フォトダイオードＰＤは、基板１０を介して光を受ける。この光は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子５０Ｓに入射するに先立って、ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物の第２バルク半導体層３０を通過する。光吸収層５０のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子５０Ｓは、１．７マイクロメートル以下の短波領域で単調に増加する光応答特性を有する。第２バルク半導体層３０は、１．７マイクロメートル未満の短波領域の光を吸収する一方で、１．７マイクロメートル以上の長波光領域に高い光透過率を示す。ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子５０Ｓ及び第２バルク半導体層３０の組み合わせは、１．７マイクロメートル以上２．３マイクロメートル以下の波長領域の光応答特性に良好な平坦性を提供できる。また、第２バルク半導体層３０の追加は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子５０Ｓからの正孔の流れを妨げない。第２バルク半導体層３０は、ＩｎＧａＡｓより小さいバンドギャップを有し、ｐ導電性の第１バルク半導体層４０及び第２バルク半導体層３０は、第２バルク半導体層３０の価電子帯Ｅｖ３０を第１バルク半導体層４０の価電子帯Ｅｖ４０に近くしている。第２バルク半導体層３０は、第１バルク半導体層４０の伝導帯Ｅｃ４０より低い伝導帯Ｅｃ３０を有する。第２バルク半導体層３０は、伝導帯Ｅｃでは、第１バルク半導体層４０に対して井戸ＱＷを形成できるバンドオフセットを有し、この井戸ＱＷは、電子の流れを妨げて暗電流の低減に寄与できる。
フォトダイオードＰＤは、ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０を更に備えることができる。ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０、第２バルク半導体層３０、及び第１バルク半導体層４０は、第２バルク半導体層３０がｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０と第１バルク半導体層４０との間に位置するように配置される。本実施例では、ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０は、第２バルク半導体層３０に接触を成す。ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０は、基板１０の表面よりも滑らかな接触界面を第２バルク半導体層３０に提供するバッファ層として働く。ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０は、第１バルク半導体層４０より小さい厚さを有し、これ故に正孔が薄いｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０をトンネリングできるので、ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０はＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子５０Ｓからの正孔の流れを妨げない。ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０は、基板１０と第２バルク半導体層３０との間に設けられる。
フォトダイオードＰＤは、ＩｎＧａＡｓ半導体層６０及びｎ型コンタクト層７０を更に備え、ＩｎＧａＡｓ半導体層６０及びｎ型コンタクト層７０が光吸収層５０の上に設けられる。
半導体受光デバイス１の具体例。
基板１０：ＩｎＰ半導体ウエハ、厚さ：０．５〜１５マイクロメートル、ＦｅドープＩｎＰ半導体、Ｆｅ濃度：１×１０１８ｃｍ−３、面方位（１００）面。
ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０：ｐ型ＩｎＧａＡｓ、厚さ：１０ｎｍ〜１００ｎｍ、ｐ型ドーパント濃度：１×１０１６ｃｍ−３〜５×１０１６ｃｍ−３。
第２バルク半導体層３０：ｐ型ＧａＳｂ、厚さ：３００ｎｍ〜５００ｎｍ、ｐ型ドーパント濃度：１×１０１６ｃｍ−３〜５×１０１６ｃｍ−３。
第１バルク半導体層４０：ｐ型ＩｎＧａＡｓ、厚さ：３００ｎｍ〜５００ｎｍ、ｐ型ドーパント濃度：１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１７ｃｍ−３、ｐ型ドーパント：ベリリウム。
光吸収層５０（タイプＩＩ超格子構造）：ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子、ＩｎＧａＡｓ、厚さ：２ｎｍ〜７ｎｍ、ドーパント濃度：１×１０１４ｃｍ−３〜１×１０１５ｃｍ−３（バックグラウンドドーピングレベル）、ＧａＡｓＳｂ、厚さ：２ｎｍ〜７ｎｍ、ドーパント濃度：１×１０１４ｃｍ−３〜１×１０１５ｃｍ−３（バックグラウンドドーピングレベル）、積層数：２００、光吸収層の厚さ：１０００ｎｍ。
ノンドープのＩｎＧａＡｓ半導体層６０：ＩｎＧａＡｓ、厚さ：３００ｎｍ〜１０００ｎｍ。
ｎ型コンタクト層７０：ＳｉドープＩｎＰ、厚さ：３００ｎｍ〜５００ｎｍ、Ｓｉ濃度：１×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３。
本実施例では、第２バルク半導体層３０のｐ型ＧａＳｂが、第１バルク半導体層４０のｐ型ＩｎＧａＡｓとｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０との間に設けられ、また第１バルク半導体層４０のｐ型ＩｎＧａＡｓ及びｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０に接触を成す。ｐ型ＩｎＧａＡｓ、ｐ型ＧａＳｂ及びｐ型ＩｎＧａＡｓの配列は、ｐ型ＧａＳｂが波長１．７マイクロメートル以下の短波長の光を吸収することで波長に対しフラットなフォトダイオードの応答特性を実現し、かつ、ｐ型ＧａＳｂを挟む二つのｐ型ＩｎＧａＡｓがｐ型ＧａＳｂで発生する少数キャリアの移動をブロックするので室温付近の温度においても低い暗電流を実現する。
フォトダイオードＰＤは、半導体メサＭＳを有し、半導体メサＭＳは、第２バルク半導体層３０の上部、第１バルク半導体層４０、光吸収層５０、ＩｎＧａＡｓ半導体層６０、及びｎ型コンタクト層７０を含む。フォトダイオードＰＤでは、ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０、第２バルク半導体層３０、第１バルク半導体層４０、光吸収層５０、ＩｎＧａＡｓ半導体層６０、及びｎ型コンタクト層７０が、この順に基板１０上に配列される。半導体メサＭＳにおいて、第２バルク半導体層３０は、第１バルク半導体層４０及びｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０の間に位置し、第１バルク半導体層４０及びｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０に接触を成す。第１バルク半導体層４０の厚さは、ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０の厚さより大きくてもよい。半導体メサＭＳ内の光吸収層５０は、基板１０を介して光ビームを受ける。この光ビームは、光吸収層５０（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子５０Ｓ）に入射するに先立って、ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物の第２バルク半導体層３０を通過する。フォトダイオードＰＤは、光吸収層５０のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子構造の光応答特性それ自体ではなく、ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物の第２バルク半導体層３０の光透過特性（或いは光吸収特性）によって光吸収層５０の光応答特性が補償された光応答特性を示す。
図１及び図２を参照すると、半導体受光デバイス１は、第１電極８１及び第２電極８２を備える。第１電極８１は、半導体メサＭＳの上面上に設けられ、カソード電極及びアノード電極の一方であることができ、本実施例ではｎ型コンタクト層７０に接続されるカソードである。第２電極８２は、基板１０上に設けられ、カソード電極及びアノード電極の他方であることができ、本実施例では第２バルク半導体層３０といったｐ型半導体に接続されるアノードである。第１電極８１及び第２電極８２は、それぞれ、パッシベーション膜８０の第１開口ＡＰ１及び第２開口ＡＰ２を介して、半導体領域に接触を成す。第１電極８１及び第２電極８２は、例えばＡｕＴｉ／ＡｕＺｎＡｕ（Ｐ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）及びＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ（Ｎ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を備えることができる。パッシベーション膜８０は、例えばＳｉＮ又はＳｉＯＮを備えることができる。
（実施例）
図３は、実施例に係る半導体受光デバイスにおける伝導帯及び価電子帯を示す図である。
第２バルク半導体層３０は、ＩｎＧａＡｓより小さいバンドギャップを有し、例えばｐ型ＧａＳｂバルクを備える。実施例に係るフォトダイオードＰＤの価電子帯Ｅｖでは、第２バルク半導体層３０の価電子帯Ｅｖ３０のレベルが、第１バルク半導体層４０の価電子帯Ｅｖ４０のレベルに近い。第２バルク半導体層３０の価電子帯Ｅｖ３０のレベルとｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０のｐ型ＩｎＧａＡｓの価電子帯Ｅｖ２０のレベルとの間の第１価電子バンドオフセットＢＳ１ｖは、界面のノッチ及びスパイクから離れた半導体内部において、小さい値である。また、第２バルク半導体層３０の価電子帯Ｅｖ３０のレベルと第１バルク半導体層４０のｐ型ＩｎＧａＡｓの価電子帯Ｅｖ４０のレベルとの間の第２価電子バンドオフセットＢＳ２ｖは、界面のノッチ及びスパイクから離れた半導体内部において、小さい値である。
第１価電子バンドオフセットＢＳ１ｖ及び第２価電子バンドオフセットＢＳ２ｖの例示。
第１価電子バンドオフセットＢＳ１ｖ：８０ｍｅＶ〜１００ｍｅＶ。
第２価電子バンドオフセットＢＳ２ｖ：６０ｍｅＶ〜８０ｍｅＶ。
これらのバンドオフセットは、第２バルク半導体層３０の価電子帯Ｅｖ３０に実質的な井戸が形成さないことを示し、第２バルク半導体層３０の追加は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子５０Ｓからの正孔の流れを妨げない。
価電子帯Ｅｖにおいて、具体的には、第２バルク半導体層３０の価電子帯Ｅｖ３０は、第２バルク半導体層３０とｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０との境界ＢＤ１にノッチＮ１ｖを有し、第２バルク半導体層３０と第１バルク半導体層４０との境界ＢＤ２にノッチＮ２ｖを有する。ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０の価電子帯Ｅｖ２０は、ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０と第２バルク半導体層３０との境界ＢＤ１にスパイクＳ１ｖを有し、第１バルク半導体層４０の価電子帯Ｅｖ４０は、第１バルク半導体層４０と第２バルク半導体層３０との境界ＢＤ２にスパイクＳ２ｖを有する。ノッチＮ１ｖはスパイクＳ１ｖより小さく、ノッチＮ２ｖはスパイクＳ２ｖより小さい。光吸収層５０からの正孔は、スパイクＳ１ｖ及びスパイクＳ２ｖをトンネル効果によって通過することができ、第２バルク半導体層３０の追加は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子からの正孔の流れを妨げない。
既に説明したように、実施例に係る第２バルク半導体層３０は、例えばＩｎＧａＡｓバルクより小さいバンドギャップのｐ型ＧａＳｂバルクを備え、ｐ型ＩｎＧａＡｓバルク及びｐ型ＧａＳｂバルクは、実施例に係るフォトダイオードＰＤの価電子帯Ｅｖのバンドアライメントにおいて、第２バルク半導体層３０の価電子帯Ｅｖ３０のレベルを、第１バルク半導体層４０の価電子帯Ｅｖ４０のレベルに近くする。
この価電子帯Ｅｖのバンドアライメントは、以下のようなバンドアライメントを伝導帯Ｅｃに提供できる。伝導帯Ｅｃにおいては、第２バルク半導体層３０は、基板１０、ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０の伝導帯Ｅｃ２０及び第１バルク半導体層４０の伝導帯Ｅｃ４０より低い伝導帯Ｅｃ３０を有し、第１伝導帯バンドオフセットＢＳ１ｃ及び第２伝導帯バンドオフセットＢＳ２ｃを提供する。
第１伝導帯バンドオフセットＢＳ１ｃ及び第２伝導帯バンドオフセットＢＳ２ｃの例示。
第１伝導帯バンドオフセットＢＳ１ｃ：６００ｍｅＶ〜６７５ｍｅＶ。
第２伝導帯バンドオフセットＢＳ２ｃ：２００ｍｅＶ〜２５０ｍｅＶ。
第２バルク半導体層３０の伝導帯Ｅｃ３０は、ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０の伝導帯Ｅｃ２０及び第１バルク半導体層４０の伝導帯Ｅｃ４０を基準に井戸ＱＷを形成する。井戸ＱＷは、電子を捕獲し電子の流れを妨げて、暗電流の低減に寄与できる。
伝導帯Ｅｃにおけるバンドオフセットは、価電子帯におけるバンドオフセットより大きく、これらのバンドオフセットは、伝導帯Ｅｃの井戸が価電子帯の井戸より小さくすることを可能にしている。ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０、第２バルク半導体層３０のｐ型ＧａＳｂバルク及び第１バルク半導体層４０のｐ型ＩｎＧａＡｓバルクの配列は、実質的に平坦なエネルギーレベルを価電子帯に提供できると共に、キャリア捕獲に有効な井戸を伝導帯に提供できる。第２バルク半導体層３０のｐ型ＧａＳｂバルクは、フォトダイオードＰＤの光応答特性の調整を可能にする。
伝導帯Ｅｃにおいて、具体的には、第２バルク半導体層３０の伝導帯Ｅｃ３０は、第２バルク半導体層３０とｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０との境界ＢＤ１にスパイクＳ１ｃを有し、第２バルク半導体層３０と第１バルク半導体層４０との境界ＢＤ２にスパイクＳ２ｃを有する。ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０の伝導帯Ｅｃ２０は、ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０と第２バルク半導体層３０との境界ＢＤ１にノッチＮ１ｃを有し、第１バルク半導体層４０の伝導帯Ｅｃ４０は、第１バルク半導体層４０と第２バルク半導体層３０との境界ＢＤ２にノッチＮ２ｃを有する。
伝導帯ＥｃのスパイクＳ１ｃ及びスパイクＳ２ｃと、価電子帯ＥｖのスパイクＳ１ｖ及びスパイクＳ２ｖとを比較すると、価電子帯ＥｖのスパイクＳ１ｖ及びスパイクＳ２ｖは、伝導帯ＥｃのスパイクＳ１ｃ及びスパイクＳ２ｃより大きい。伝導帯ＥｃのノッチＮ１ｃ及びノッチＮ２ｃと、価電子帯ＥｖのノッチＮ１ｖ及びノッチＮ２ｖとを比較すると、伝導帯ＥｃのノッチＮ１ｃ及びノッチＮ２ｃは、価電子帯ＥｖのノッチＮ１ｖ及びノッチＮ２ｖより大きい。
図４は、実施例に係る半導体受光デバイスの光吸収層の光応答特性と、この半導体受光デバイスの第２バルク半導体層の光透過率スペクトルとを示す図である。図４の（ａ）部の光応答特性及び図４の（ｂ）部の光透過率スペクトルは、絶対温度２１３度において測定され、規格化されている。図５は、図４に示されたＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子の光応答特性及びｐ型ＧａＳｂバルクの光透過率スペクトルの重ね合わせと、図４に示された光応答特性のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子を、図４の（ｂ）部に示された光透過率スペクトルのｐ型ＧａＳｂバルクを用いて補償された光応答特性とを示す図面である。図５の（ａ）部の光応答特性及び図５の（ｂ）部の光透過率スペクトルは、絶対温度２１３度において測定され、また、規格化されている。
図４の（ａ）部を参照すると、光吸収層のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子の光応答特性は、１．７マイクロメートル以下の短波領域で単調に増加する。図４の（ｂ）部を参照すると、第２バルク半導体層のｐ型ＧａＳｂバルクは、１．７マイクロメートル未満の短波領域において低い光透過率を示す一方で、１．７マイクロメートル以上の長波域において高い光透過率を示す。発明者等の検討によれば、ｐ型ＧａＳｂバルク（第２バルク半導体層）を用いたＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子（光吸収層）の光応答特性の補償は、１．７マイクロメートル以上２．３マイクロメートル以下の波長領域において良好な平坦性を有する光応答特性をフォトダイオードに提供できる。二元化合物から成るｐ型ＧａＳｂバルクの第２バルク半導体層は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子の平坦な光吸収特性における波長帯、具体的には１．８マイクロメートル以上２．３マイクロメートル以下の波長帯に、緩やかに変化する光透過率の透過域（透過窓）を有すると共に、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子の変化する光吸収特性における波長帯、具体的には１．８マイクロメートル以上２．３マイクロメートル以下の波長帯に、単調に変化する透過率（吸収域）を有する。半導体受光デバイスは、第２バルク半導体層によって補償された光吸収層（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子）の光応答特性を有する。
図６は、絶対温度２１３度及び３００度の温度におけるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子の規格化された光応答特性を示す図面である。図６を参照すると、絶対温度２１３度における光応答特性（Ｒ１）及び絶対温度３００度における光応答特性（Ｒ２）が示される。これらの光応答特性（Ｒ１、Ｒ２）は、１．９マイクロメートル以上２．３マイクロメートル以下の波長領域において良好な平坦性を有する。絶対温度２１３度における光応答特性（Ｒ１）は、１．７マイクロメートル以上２．３マイクロメートル以下の波長領域において良好な平坦性を有する。
以下、図７及び図８を参照しながら、半導体受光デバイスを作製する方法の概要を説明する。理解を容易にするために、可能な場合には、図１及び図２において使用された参照符合を用いる。
半導体受光デバイスの作製では、結晶成長のために用いる、ＩｎＰウエハといった基板１０を準備する。図７の（ａ）部に示されるように、ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層２０、第２バルク半導体層３０、第１バルク半導体層４０、光吸収層５０、ＩｎＧａＡｓ半導体層６０、及びｎ型コンタクト層７０を基板１０上に順に成長して、半導体積層ＳＬを形成する。これらの成長は、例えばＭＢＥ法によって行われる。
図７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の形状を規定する第１マスクＭ１を形成する。第１マスクＭ１は、例えばＳｉＮ又はＳｉＯ２を含む。
図８の（ａ）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、第２バルク半導体層３０に到達するように行われ、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たドライエッチング法によることができる。半導体メサＭＳの形成後に、第１マスクＭ１を除去して、基板生産物ＳＰ１を得る。
図８の（ｂ）部に示されるように、第１マスクＭ１を除去した後に、第１電極８１及び第２電極８２を形成して、半導体受光デバイス１を得る。具体的には、第１マスクＭ１を除去した後に、半導体メサＭＳ及びエッチングされた第２バルク半導体層３０を覆うパッシベーション膜８０を形成する。パッシベーション膜８０は、プラズマＣＶＤ法といった成膜方法で形成される。第１電極８１及び第２電極８２の電気接続ための開口を有する第２マスクをパッシベーション膜８０上に形成する。第２マスクＭ２は、例えばレジストを備える。第２マスクを用いて、パッシベーション膜８０をエッチングして、パッシベーション膜８０に第１開口ＡＰ１及び第２開口ＡＰ２を形成する。このエッチングの後に、第２マスクを除去すると共に、第１電極８１及び第２電極８２を形成するためのリフトオフマスクを形成する。リフトオフマスクは、半導体メサＭＳの上面に接触を成す第１電極８１のための開口と、ｎ型コンタクト層７０上に接触する成す第２電極８２のための開口とを有する。リフトオフマスク上には、金属膜を蒸着により堆積する。リフトオフによりリフトオフマスクを除去すると、第１電極８１及び第２電極８２が基板生産物ＳＰ１上に残されて、基板生産物ＳＰ２を得る。基板生産物ＳＰ２を劈開によって切断して、半導体受光デバイス１を形成する。必要な場合には、基板生産物ＳＰ２の基板１０を裏面研磨することができる。
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、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子を含むフォトダイオードの光応答特性において所望の平坦性を提供できる半導体受光デバイスが提供される。
１…半導体受光デバイス、１０…基板、２０…ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層、３０…第２バルク半導体層、４０…第１バルク半導体層、５０…光吸収層、６０…ＩｎＧａＡｓ半導体層、７０…ｎ型コンタクト層、ＰＤ…フォトダイオード。

Claims (4)

  1. 半導体受光デバイスであって、
    基板と、
    前記基板上に設けられたフォトダイオードと、
    を備え、
    前記フォトダイオードは、
    前記基板上に設けられた光吸収層のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子と、
    前記基板と前記ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子との間に設けられた第１バルク半導体層と、
    ＩｎＧａＡｓより小さいバンドギャップを有し前記第１バルク半導体層に接触を成す第２バルク半導体層と、
    を備え、
    前記第１バルク半導体層は、ｐ型ＩｎＧａＡｓを含み、
    前記第２バルク半導体層は、ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物を含み、前記ｐ型ＩＩＩ族アンチモン化合物は、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む、半導体受光デバイス。
  2. 前記第２バルク半導体層は、ｐ型ＧａＳｂ層を含む、請求項１に記載された半導体受光デバイス。
  3. 前記基板と前記第２バルク半導体層との間に設けられたｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層を更に備え、
    前記第２バルク半導体層は、前記ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層に接触を成し、
    前記第１バルク半導体層は、前記ｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体層より厚い、請求項１又は請求項２に記載された半導体受光デバイス。
  4. 前記基板は、ｐ型ＩｎＰ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デバイス。
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