JP2020017659A - 赤外線検出器、撮像素子、光半導体装置 - Google Patents

赤外線検出器、撮像素子、光半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】偏析によって生じるカットオフ波長又は発光波長の不安定性を低減し、歩留まりを向上させる。【解決手段】赤外線検出器を、基板と、基板の上方に設けられ、複数の半導体層を積層させた構造を有する受光層とを備え、基板は、面方位が(100)面から傾斜しており、[0−11]方向若しくは[01−1]方向への傾斜角度が[011]方向及び[0−1−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、又は、面方位が(010)面から傾斜しており、[10−1]方向若しくは[−101]方向への傾斜角度が[101]方向及び[−10−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、又は、面方位が(001)面から傾斜しており、[−110]方向若しくは[1−10]方向への傾斜角度が[110]方向及び[−1−10]方向への傾斜角度よりも大きくなっているものとする。【選択図】図1

Description

本発明は、赤外線検出器、撮像素子、光半導体装置に関する。
例えば、基板の上方に複数の半導体層を積層させた構造を有する受光層又は発光層を備える光半導体装置(例えば赤外線検出器などの受光装置や発光装置など)がある。
特開平7−221389号公報 特開平10−154643号公報
ところで、例えば、基板の上方に複数の半導体層を積層させた構造を有する受光層を備える赤外線検出器では、積層される半導体層の膜厚によって、吸収が起こり始める赤外線の波長であるカットオフ波長が非常に敏感に変化する。
このため、半導体層の膜厚を精密に制御することが必要となる。
しかしながら、半導体層の成膜時の構成材料の偏析によって、半導体層の膜厚が設計通りにならず、所望のカットオフ波長を安定して得ることが難しく、歩留まりの低下を招くことになる。
なお、ここでは、赤外線検出器を例に挙げて説明しているが、例えば、基板の上方に複数の半導体層を積層させた構造を有する受光層を備える他の受光装置でも同様の課題がある。また、例えば、基板の上方に複数の半導体層を積層させた構造を有する発光層を備える発光装置でも、同様の課題があり、この場合、所望の発光波長を安定して得ることが難しく、歩留まりの低下を招くことになる。このように、基板の上方に複数の半導体層を積層させた構造を有する受光層又は発光層を備える光半導体装置において、上述のような課題がある。
本発明は、偏析によって生じるカットオフ波長又は発光波長の不安定性を低減し、歩留まりを向上させることを目的とする。
1つの態様では、赤外線検出器は、基板と、基板の上方に設けられ、複数の半導体層を積層させた構造を有する受光層とを備え、基板は、面方位が(100)面から傾斜しており、[0−11]方向若しくは[01−1]方向への傾斜角度が[011]方向及び[0−1−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、又は、面方位が(010)面から傾斜しており、[10−1]方向若しくは[−101]方向への傾斜角度が[101]方向及び[−10−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、又は、面方位が(001)面から傾斜しており、[−110]方向若しくは[1−10]方向への傾斜角度が[110]方向及び[−1−10]方向への傾斜角度よりも大きくなっている。
1つの態様では、撮像素子は、上述の赤外線検出器を備える。
1つの態様では、光半導体装置は、基板と、基板の上方に設けられ、複数の半導体層を積層させた構造を有する受光層又は発光層とを備え、基板は、面方位が(100)面から傾斜しており、[0−11]方向若しくは[01−1]方向への傾斜角度が[011]方向及び[0−1−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、又は、面方位が(010)面から傾斜しており、[10−1]方向若しくは[−101]方向への傾斜角度が[101]方向及び[−10−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、又は、面方位が(001)面から傾斜しており、[−110]方向若しくは[1−10]方向への傾斜角度が[110]方向及び[−1−10]方向への傾斜角度よりも大きくなっている。
1つの側面として、偏析によって生じるカットオフ波長又は発光波長の不安定性を低減し、歩留まりを向上させることができるという効果を有する。
本実施形態にかかる赤外線検出器(光半導体装置)の構成を説明するための図である。 本実施形態にかかる赤外線検出器(光半導体装置)の構成を説明するための図である。 (A)、(B)は、本明細書における面指数や方位について説明するための図である。 (A)、(B)は、基板の傾斜について説明するための図である。 (A)、(B)は、本実施形態にかかる赤外線検知器(光半導体装置)による作用・効果を説明するための図である。 本実施形態にかかる赤外線検知器(光半導体装置)による作用・効果を説明するための図である。 本発明の課題を説明するための図である。 本発明の課題を説明するための図である。 本実施形態にかかる赤外線検出器(光半導体装置)の構成を説明するための図である。 本実施形態にかかる赤外線検知器(光半導体装置)の具体的な構成例の構成及び製造方法を説明するための断面図である。 本実施形態にかかる赤外線検知器(光半導体装置)の具体的な構成例の製造方法を説明するための断面図である。 本実施形態にかかる赤外線検知器(光半導体装置)の具体的な構成例の製造方法を説明するための断面図である。 本実施形態にかかる赤外線検知器(光半導体装置)の具体的な構成例の製造方法を説明するための断面図である。 本実施形態にかかる赤外線検知器(光半導体装置)の具体的な構成例の製造方法を説明するための断面図である。 本実施形態にかかる赤外線検知器(光半導体装置)の具体的な構成例の製造方法を説明するための断面図である。 本実施形態にかかる撮像素子の構成例を示す模式図である。 本実施形態にかかる撮像素子の構成例を示す模式的断面図である。 本実施形態にかかる撮像システムの構成例を示す模式図である。
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる赤外線検出器、撮像素子、光半導体装置について、図1〜図18を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光半導体装置は、光を吸収することによって動作する光半導体装置(受光装置)であって、例えば、赤外線を吸収することによってキャリアを生成する赤外線検出器である。
本実施形態では、赤外線検出器1は、基板2と、基板2の上方に設けられ、複数の半導体層を積層させた構造を有する受光層5とを備える(例えば図10参照)。なお、受光層5を吸収層ともいう。
このほか、赤外線検出器1は、例えば、後述の具体的な構成例(例えば図10参照)のように、受光層5を挟む第1電極層4及び第2電極層6と、第1電極層4及び第2電極層6上にそれぞれ形成された一対の電極7、8とを備えるものとすれば良い。
ここで、基板2は、化合物半導体基板である。
例えば、基板2は、GaSb基板、InAs基板、GaAs基板、GaP基板、InP基板などである。
受光層5を構成する複数の半導体層は、それぞれ、化合物半導体層である。
ここでは、受光層5は、複数の半導体層を積層させた構造として複数のIII−V族化合物半導体層を積層させた超格子構造を有する。この場合、複数の半導体層は、それぞれ、III−V族化合物半導体層である。
具体的には、受光層5は、少なくとも、InAs、GaSb、AlSb、InSbのいずれか2種以上を含む超格子構造を有するものとすれば良い。
つまり、受光層5は、これを構成する複数のIII−V族化合物半導体層を、InAs層、GaSb層、AlSb層、InSb層のいずれか2種以上を含むものとすれば良い。
また、受光層5は、InAs、GaSb、AlSb、InSbのいずれかの混晶を含んでいても良い。
つまり、受光層5は、これを構成する複数のIII−V族化合物半導体層を、InAsを含む混晶層、GaSbを含む混晶層、AlSbを含む混晶層、InSbを含む混晶層のいずれかを含むものとしても良い。
このように、受光層5は、これを構成する複数のIII−V族化合物半導体層を、InAsを含む層(InAs層やInAsを含む混晶層)、GaSbを含む層(GaSb層やGaSbを含む混晶層)、AlSbを含む層(AlSb層やAlSbを含む混晶層)、InSbを含む層(InSb層やInSbを含む混晶層)のいずれか2種以上を含むものであれば良い。
また、受光層5は、これを構成する複数のIII−V族化合物半導体層を、少なくとも、Inを含むIII−V族化合物半導体層を含むものとすれば良い。
この場合、後述するようにInの偏析によって生じる課題を効果的に解決することが可能である。
このように構成する場合、受光層5は、例えばInAsやGaSbなどのいわゆるナローギャップ半導体やそれらの混晶からなる超格子構造で構成されることになる。
上述のような材料を用いて受光層5を構成する場合、基板2は、GaSb基板又はInAs基板であることが好ましい。
特に、本実施形態では、図1に示すように、基板2は、面方位が(100)面から傾斜しており、[0−11]方向又は[01−1]方向への傾斜角度が[011]方向及び[0−1−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっている。このため、基板2を傾斜基板ともいう。
ここでは、基板2は、[0−10]方向から[001]方向までの角度範囲のうち[0−11]方向を含む角度範囲で傾斜しているか、又は、[010]方向から[00−1]方向までの角度範囲のうち[01−1]方向を含む角度範囲で傾斜している。なお、傾斜している角度範囲を、傾斜範囲ともいう。
また、基板2は、図2に示すように、[0−1−1]方向を基準として、傾斜方向と[0−1−1]方向がなす角度αが45°〜135°又は225°〜315°の角度範囲に含まれるような方向に傾斜している。
上述のように構成することで、以下の作用・効果によって、偏析が抑制され、カットオフ波長の安定化による歩留まり向上につながる。
まず、本明細書における面指数や方位を示す記号の表記について定義する。
面方位や方向を示す場合、括弧内の数字の上にバーを付けることが通例であるが、本明細書では、括弧内の数字の前にマイナスを付けることで表している。
次いで、面指数と方位の関係について、図3(A)、図3(B)を用いて説明する。
図3(A)、図3(B)に示すように、基準とする面を(100)とする。
(100)面上において、[0−1−1]方向を0度とすると、[0−11]方向は時計回りに90度回転した方向である。同様に、[011]方向は180度、[01−1]方向は270度回転した方向である。
また、[0−1−1]方向又は[011]方向に54.7度傾斜した面は、それぞれ、(1−1−1)面、(111)面である。
例えば、III−V族化合物半導体、即ち、閃亜鉛鉱構造を有するIII−V族化合物半導体からなる場合は、図4(A)に示すように、これらの(1−1−1)面、(111)面は、III族面又はA面と呼ばれる。
一方、図3(A)、図3(B)に示すように、[0−11]方向又は[01−1]方向に54.7度傾斜した面は、それぞれ、(1−11)面、(11−1)面である。
例えば、III−V族化合物半導体、即ち、閃亜鉛鉱構造を有するIII−V族化合物半導体からなる場合は、図4(B)に示すように、これらの(1−11)面、(11−1)面は、V族面又はB面と呼ばれる。
上述の場合、(1−1−1)面と(111)面は、結晶学的に等価である。同様に、(1−11)面と(11−1)面は、結晶学的に等価である。一方、(1−1−1)面、(111)面に対して、(1−11)面、(11−1)面は、等価ではない。
本明細書において、基板2が傾斜している方向を、補助的に[0−1−1]方向から時計回りに回転した角度αを用いて説明する場合もある。
また、基板2の傾斜角度は、(100)面と傾斜面がなす角度のうち、小さい角度を指す。
ここで、図5(A)、図5(B)は、傾斜基板2に成膜されたInAs(InAs層)上にGaSb(GaSb層)が成膜される直前のステップ端付近の原子の結合の様子を模式的に示したものである。
ここでは、一例として、図5(A)には、面方位が(100)面から[0−1−1]方向に傾斜している場合、即ち、面方位が(100)面から(1−1−1)面(A面;III族面)方向に傾斜している場合を示している。
また、図5(B)には、面方位が(100)面から[0−11]方向に傾斜している場合、即ち、面方位が(100)面から(1−11)面(B面;V族面)方向に傾斜している場合を示している。
なお、基板2の面方位は、基板2の表面の面方位である。また、基板2上に形成される各半導体層も、基板2の面方位と同じ面方位となる。
面方位が(100)面から[0−1−1]方向に傾斜している場合には、図5(A)に示すように、ステップ端のIn原子は、隣接するAs原子とは2本のボンドで結合している。
一方、面方位が(100)面から[0−11]方向に傾斜している場合には、図5(B)に示すように、ステップ端付近のIn原子は、隣接するAs原子とは3本のボンドで結合している。
このため、面方位が(100)面から[0−1−1]方向に傾斜している場合に比べて、ステップ端におけるIn原子の結合が強くなり、供給されたGa原子がステップ端で取り込まれる際に、In原子との置換が起こりにくくなり、In原子の偏析が起こりにくくなる。
これにより、Inが偏析されにくくなり、InAs層の膜厚が薄くなることを抑制することができる。
このように、本発明では、成膜が基板2のステップ端で進みやすいこと、ステップ端での結合状態が偏析に大きく影響すること、基板2上に形成された半導体層における原子の結合状態、特にステップ端の結合状態が基板の傾斜方向によって異なることを利用している。
ここで、図6は、面方位が(100)面から[0−1−1]方向に傾斜している基板と、面方位が(100)面から[0−11]方向に傾斜している基板上に、同一の超格子構造からなる受光層5を形成した時のカットオフ波長を比較したものである。
本実施形態のように、(100)面から[0−11]方向に傾斜している基板2上に成膜することによって、ステップ端におけるInの結合が強くなり、Inの偏析(表面偏析)が生じにくくなる。このため、図6に示すように、カットオフ波長(吸収波長)の短波長化を抑制することができる。
これにより、偏析によって生じるカットオフ波長の不安定性を低減することができ、歩留まりを向上させることが可能となる。
なお、傾斜方向は、[01−1]方向であっても良く、この場合も同様の効果が得られる。また、基板2は、[0−11]方向又は[01−1]方向への傾斜角度が[011]方向及び[0−1−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっていれば良く、この場合も同様の効果が得られる。
また、ここでは、InAs層上にGaSb層を成膜する場合のInの偏析によって生じる課題、この課題を解決するための構成及び効果を例に挙げて説明しているが、他の材料の組み合わせの場合には他の元素の偏析によって同様の課題が生じることになる。例えば、InAsとInAsSbの組み合わせの場合には、Sbの偏析によって同様の課題が生じることになる。この場合も、上述と同様の構成を採用することで、同様の効果が得られる。
ところで、上述のように構成しているのは、以下の理由による。
タイプII超格子(Type II Superlattice:T2SL)は、水銀カドミウムテルル(Mercury Cadmium Telluride:MCT)に変わる次世代の赤外線検出器材料として期待されており、数多く研究されている。
多くは、GaSb基板上に、GaSbに比較的に格子定数差の小さい、GaSb、InAs、AlSbなどの材料を用いて超格子構造を形成する。
InAsとGaSbを交互に積層した超格子構造を赤外線受光層とした場合、検出する赤外線の波長は、InAs層中に閉じ込められた電子の準位と、GaSb層中に閉じ込められた正孔の準位のエネルギー差によって決まる。
このエネルギー差は、InAs層又はGaSb層の膜厚を制御することによって制御することが可能であり、InAs層の膜厚に対して、吸収が起こり始める赤外線の波長であるカットオフ波長(応答波長)が非常に敏感に変化する(例えば図7参照)。
このため、InAs層の膜厚を精密に制御することが必要となる。
しかしながら、受光層の超格子を成膜する時に、構成材料の偏析がしばしば問題となる。
例えば、InAs層上にGaSb層を積層する時、InがGaと置換して成長表面に偏析することによって、InAs層の膜厚が設計膜厚から薄くなり(例えば図8参照)、カットオフ波長の短波長化につながる。
ここで、偏析は、成膜温度や原料の供給比などの成膜条件によって影響を受けるため、成膜条件を安定化させることが必須である。一方で、吸収効率を高めるために、総膜厚が数μmと厚い受光層を成膜することが必要であるが、その間、常に安定した成膜条件を得ることは難しい。
このため、カットオフ波長を安定して得ることが難しく、歩留まりが低下することが課題となっていた。
そこで、偏析によって生じるカットオフ波長の不安定性を低減し、歩留まりを向上させるべく、上述のような構成を採用している。
なお、ここでは、InAsとGaSbを交互に積層した超格子構造を有する受光層5を備える赤外線検出器1におけるInの偏析によって生じる課題、この課題を解決するための構成及び効果を例に挙げて説明しているが、例えばInを含む半導体層を積層した構造を有する受光層を備える受光装置でも同様の課題がある。また、例えば、他の材料からなる複数の半導体層を積層した構造を有する受光層を備える受光装置でも、他の元素の偏析によって同様の課題が生じる場合がある。例えば、InAsとInAsSbを積層した構造を有する受光層を備える受光装置では、Sbの偏析によって同様の課題が生じることになる。この場合も、上述と同様の構成を採用することで、同様の効果が得られる。
ところで、上述のように構成する場合、特に、例えば図9に示すように、基板2の面方位は、(100)面から、[0−11]方向又は[01−1]方向に、36°±1°の範囲で傾斜しているものとするのが好ましい。
また、基板2は、(2−11)面又は(21−1)面を中心として±1°の範囲で傾斜しているものとするのが好ましい。
このように、(100)面からの傾斜角度、即ち、(100)面を0°とした場合の傾斜角度を、36°±1°とすることで、偏析しにくいステップ端が最も多くなる。
このため、最も偏析を抑えることができ、偏析によって生じるカットオフ波長の不安定性を最も低減することができ、最も歩留まりを向上させることが可能となる。
以下、具体的な構成例を挙げて、図10〜図15を参照しながら説明する。
図10は、本実施形態にかかる赤外線検出器1の具体的な構成例を示す断面図である。
図10に示すように、n型GaSb基板2上に、赤外線検出器1を構成する半導体積層構造(積層体)10がエピタキシャル成長されている。
ここでは、基板2は、例えば、面方位が(100)面から[0−11]方向(α=90°)に0.3°傾斜している。
エピタキシャル成長層10は、バッファ層3、第1電極層4、受光層5、第2電極層6で構成されている。
ここでは、バッファ層3は、GaSb層である。また、第1電極層4は、p型GaSb層である。また、受光層5は、InAsとGaSbを交互に積層した超格子構造を有する。また、第2電極層6は、n型InAs層である。
また、第1電極層4及び第2電極層6には、それぞれの表面に接するように、例えばTi/Pt/Auからなる電極7、8が形成されている。
また、それ以外の表面には、例えばSiOからなる絶縁膜9が形成されている。
このような構造を有する赤外線検出器1は、以下のようにして製造することができる。
ここでは、赤外線検出器1を構成する半導体積層構造(積層体)10の各層は、例えば、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)によって形成する。
まず、例えば、図11に示すように、n型GaSb基板2を、MBE装置の基板導入室の中に導入する。なお、n型GaSb基板2は、準備室において脱ガス処理される。
次に、超高真空に保持された成長室へ搬送する。
成長室に搬送されたn型GaSb基板2は、表面の酸化膜を除去するために、Sb雰囲気下で加熱される。
このようにして酸化膜を除去した後、基板表面の平坦性を良くするために、図11に示すように、n型GaSb基板2上に、例えば、GaSbバッファ層3を、例えば基板温度約500℃で約100nm成長させる。
次に、図12に示すように、GaSbバッファ層3上に、例えば、Beドーピングをした正孔濃度が約1×1018cm−3のp型GaSbからなる第1電極層4を成長させる。
次いで、図13に示すように、受光層5を形成する。
例えば、まず、p型の超格子を形成する。
ここでは、アンドープのInAsを約4.2nm、Beドーピングした正孔濃度が約5×1017cm−3のp型GaSbを約2.1nm形成する。このInAsとGaSbを1周期として、例えば50周期繰り返す。
次に、i型の超格子を形成する。
ここでは、アンドープのInAsを約4.2nm、アンドープのGaSbを約2.1nm形成する。このInAsとGaSbを1周期として、例えば400周期繰り返す。
次いで、n型の超格子を形成する。
ここでは、Siドーピングした電子濃度が約5×1017cm−3のn型InAsを約4.2nm、アンドープのGaSbを約2.1nm形成する。このInAsとGaSbを1周期として、例えば50周期繰り返す。
このようにして、InAsとGaSbを交互に積層した超格子構造を有する受光層5を形成する。
次に、図14に示すように、第2電極層6を形成する。
ここでは、例えば、Siドーピングをした電子濃度が約1×1018cm−3のn型InAsを約30nm形成する。
次に、図15に示すように、マスクを用いたエッチングによって、第1電極層4の一部を露出させ、露出した第1電極層4の表面、受光層5の側面、及び、第2電極層6の表面及び側面を覆うように、例えばSiOからなる絶縁膜9を形成する。
次いで、再びマスクを用いたエッチングによって、第1電極層4と第2電極層6の一部が露出するように絶縁膜9を選択的にエッチングし、例えばTi/Pt/Auからなる電極を形成する(図10参照)。
このようにして、本実施形態の具体的な構成例の赤外線検出器(光半導体装置)1を製造することができる(図10参照)。
上述のように構成され、このようにして製造される赤外線検出器1によれば、面方位が(100)面から[0−11]方向(α=90°)に0.3°傾斜した基板2上に受光層5を成長させているため、InAs層上にGaSb層を成長する時に、Inの偏析を抑制できる。
このため、超格子構造のInAs層の膜厚が成膜条件によって影響を受けにくくなり、カットオフ波長の安定性を向上させることができる。その結果、歩留まりを向上させることが可能となる。
なお、この具体的な構成例における構成は、これに限られるものではなく、効果が得られる範囲であれば適宜変更しても良い。
例えば、基板2の傾斜角度を0.3°とし、傾斜方向は、[0−11]方向(α=90°)としているが、これに限られるものではなく、例えば、傾斜角度は、0°よりも大きければ良く、傾斜方向は、[01−1]方向(α=270°)であっても良い。
特に、基板2の傾斜角度は、36°±1°の範囲とするのが好ましい。
例えば、基板2は、面方位が(100)面から[0−11]方向(α=90°)に35.2°傾斜しているものとすれば良い。
この場合、面方位が(100)面から[0−11]方向(α=90°)に35.2°傾斜している基板2上に受光層5を成長することになるため、成長が進みやすいステップ端の密度(ステップ密度)が、単位面積当たり最大になる。
つまり、ステップ端のIn原子が隣接するAs原子と3本のボンドで結合している状態が最も多くなり、供給されたGa原子がステップ端で取り込まれる際に、In原子との置換が最も起こりにくくなる。
このため、InAs層上にGaSb層を成長する時に、Inの偏析を最も抑制できるため、超格子構造のInAs層の膜厚が成膜条件によって影響を最も受けにくくなり、カットオフ波長の安定性を最も向上させることができる。その結果、歩留まりを最も向上させることが可能となる。
また、基板2は、[0−11]方向又は[01−1]方向への傾斜角度が[011]方向及び[0−1−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっていれば良い。
例えば、基板2は、面方位が(100)面からα=80°の方向に1°傾斜しているものとしても良い。
この場合、傾斜方向と垂直な方向に沿ってステップが形成されるわけではなく、[0−1−1]方向(α=0°)と垂直な方向に沿ったステップと、[0−11]方向(α=90°)に垂直な方向に沿ったステップとが形成されることになる。
そして、成長が進みやすいステップ端の密度について、[0−1−1]方向(α=0°)と垂直な方向に沿ったステップ端の密度よりも、[0−11]方向(α=90°)に垂直な方向に沿ったステップ端の密度が、単位面積当たり大きくなる。
このため、Inの偏析を抑制できる[0−11]方向(α=90°)へ傾斜した場合の効果が優位に得られる。
その結果、InAs層上にGaSb層を成長する時に、Inの偏析を抑制できるため、超格子構造のInAs層の膜厚が成膜条件によって影響を受けにくくなり、カットオフ波長の安定性を向上させることができ、歩留まりを向上させることが可能となる。
なお、ここでは、基板2の傾斜角度を1°としているが、傾斜角度は0°より大きければ良い。また、ここでは、傾斜方向はα=80°としているが、[0−11]方向又は[01−1]方向への傾斜角度が、[011]方向及び[0−1−1]方向への傾斜角度よりも大きければ同様の効果が得られるため、αが45°〜135°の範囲に含まれるか、225°〜315°の範囲に含まれるようにすれば良い。
また、受光層5をInAsとGaSbの超格子構造を有するものとしているが、これに限られるものではなく、カットオフ波長に応じて各層の厚さを適宜変更しても良い。
また、超格子構造は、InAs、InSb、GaSb、AlSbのいずれか2つ以上から構成されていても良い。
また、赤外領域に応答する材料であれば、受光層5中の超格子の層にそれらの混晶によって形成された層を含んでいても良い。
この場合、少なくともInが超格子に含まれていると、より効果が得られるので好ましい。
また、不純物をSi、Beとしているが、これに限られるものではなく、Si、Be以外であっても良い。例えば、n型不純物としてTe、p型不純物としてZnを用いても良い。
また、赤外線検出器1を構成する半導体積層構造10の積層方法をMBE法としているが、これに限られるものではなく、例えば、有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)やその他積層構造が作製可能な方法であっても良い。
また、赤外線検出器1の構造をpin型としているが、これに限られるものではなく、例えば、i層がn型又はp型になっていても良い。また、適宜、暗電流を抑制するためのバリア層などが挿入されていても良い。
なお、上述の実施形態及び具体的な構成例では、基板2は、面方位が(100)面から傾斜しているものとしているが、これに限られるものではなく、基板2の面方位は、結晶学的に等価であれば、同様の効果が得られる。
つまり、基板2の面方位が、以下のような場合でも、同様の効果が得られる。
例えば、基板2は、面方位が(010)面から傾斜しており、[10−1]方向又は[−101]方向への傾斜角度が[101]方向及び[−10−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているものでも良い。この場合も上述の場合と同様の効果が得られる。
この場合、[00−1]方向から[100]方向までの角度範囲のうち[10−1]方向を含む角度範囲で傾斜しているか、又は、[001]方向から[−100]方向までの角度範囲のうち[−101]方向を含む角度範囲で傾斜しているものとすれば良い。
また、[−10−1]方向を基準として、傾斜方向と[−10−1]方向がなす角度が45°〜135°又は225°〜315°の角度範囲に含まれるような方向に傾斜しているものとすれば良い。
特に、基板2の面方位は、(010)面から、[10−1]方向若しくは[−101]方向に、36°±1°の範囲で傾斜しているものとするのが好ましい。この場合に最も効果が得られることになる。
また、例えば、基板2は、面方位が(001)面から傾斜しており、[−110]方向又は[1−10]方向への傾斜角度が[110]方向及び[−1−10]方向への傾斜角度よりも大きくなっているものでも良い。この場合も上述の場合と同様の効果が得られる。
この場合、[−100]方向から[010]方向までの角度範囲のうち[−110]方向を含む角度範囲で傾斜しているか、又は、[100]方向から[0−10]方向までの角度範囲のうち[1−10]方向を含む角度範囲で傾斜しているものとすれば良い。
また、[−1−10]方向を基準として、傾斜方向と[−1−10]方向がなす角度が45°〜135°又は225°〜315°の角度範囲に含まれるような方向に傾斜しているものとすれば良い。
特に、基板2の面方位は、(001)面から、[−110]方向若しくは[1−10]方向に、36°±1°の範囲で傾斜しているものとするのが好ましい。この場合に最も効果が得られることになる。
なお、これらの場合以外の場合であっても、結晶学的に等価であれば、同様の効果が得られる。
ところで、例えば図16、図17に示すように、上述のように構成される具体的な構成例の赤外線検出器1(例えば図10参照)を1画素として、複数の画素を平面上に配列して撮像素子(赤外線撮像素子)11を構成することもできる。
つまり、上述のように構成される赤外線検出器1を備えるものとして撮像素子(赤外線撮像素子)11を構成することもできる。
ここでは、例えば図16に示すように、撮像素子11は、上述のように構成される具体的な構成例の赤外線検出器1を1画素として複数の画素が平面上に配列されている赤外線検出器アレイ12と、この赤外線検出器アレイ12に接続され、駆動回路及び読出回路を含むチップ13とを備えるものとして構成される。
そして、例えば図17に示すように、上述のように構成される具体的な構成例の赤外線検出器1に備えられる第1電極層4を、全画素に共通の共通電極層とし、電極(第1電極)7を、赤外線検出器アレイ12の周辺部、即ち、複数の画素が配列されている領域の周辺部に設けて共通電極としている。
そして、各画素を構成する赤外線検出器1に備えられる電極(第2電極)8に表面配線14(金属配線)で接続されたバンプ15(出力電極;ここではInバンプ)を介して、駆動回路及び読出回路を含むチップ13が接続され、また、共通電極としての第1電極7に表面配線16(金属配線)で接続されたバンプ17(共通電極;ここではInバンプ)を介して、駆動回路及び読出回路を含むチップ13が接続されている。
このように構成される撮像素子11は、上述の具体的な構成例の製造方法と同様に、成膜、加工等を行なって赤外線検出器アレイ12を形成した後、表面配線14、16用の金属膜を形成し、Inバンプ15、17を形成した後、駆動回路及び読出回路を含むチップ13と貼り合わせることで作製することができる。
さらに、このように構成される撮像素子11を備えるものとして、撮像システム(赤外線撮像システム)を構成することもできる。
例えば図18に示すように、撮像システム18を、上述のように構成される撮像素子11を含むセンサ部19と、これに接続された制御演算部20と、表示部21とを備えるものとし、センサ部19に入射した赤外線を基にした画像が表示部21に表示されるようにすれば良い。
この場合、撮像システム18は、上述のように構成される撮像素子11と、撮像素子11に接続された制御演算部20とを備えるものとして構成されることになる。
したがって、本実施形態にかかる赤外線検出器(光半導体装置)1及び撮像素子11は、偏析によって生じるカットオフ波長の不安定性を低減し、歩留まりを向上させることができるという効果を有する。
なお、上述の実施形態や具体的な構成例では、光を吸収する受光層を備える光半導体装置(具体的には赤外線を吸収する受光層5を備える赤外線検出器1)に本発明を適用する場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。
例えば、光を発光する発光層を備える光半導体装置(発光装置)に本発明を適用することもできる。
この場合、光半導体装置(発光装置)に備えられる発光層を、例えば、上述の実施形態や具体的な構成例の受光層5と同様に構成するときに(例えば超格子構造を有するものとして構成するときに)、上述の実施形態や具体的な構成例の傾斜基板2を用いることで、偏析によって生じる発光波長の不安定性を低減し、歩留まりを向上させることができる。
つまり、基板の上方に複数の半導体層を積層させた構造を有する発光層を備える発光装置(光半導体装置)でも、上述の実施形態の場合と同様の課題があり、この場合、所望の発光波長を安定して得ることが難しく、歩留まりの低下を招くことになる。
そこで、本発明を適用し、上述の実施形態や具体的な構成例の傾斜基板2を用いることで、偏析によって生じる発光波長の不安定性を低減し、歩留まりを向上させることができる。
このように、基板の上方に複数の半導体層を積層させた構造を有する受光層又は発光層を備える光半導体装置において、上述の実施形態の場合と同様の課題があり、この場合、所望のカットオフ波長又は所望の発光波長を安定して得ることが難しく、歩留まりの低下を招くことになる。
そこで、本発明を適用し、上述の実施形態や具体的な構成例の傾斜基板2を用いることで、偏析によって生じるカットオフ波長又は発光波長の不安定性を低減し、歩留まりを向上させることができる。
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
以下、上述の実施形態及び変形例に関し、更に、付記を開示する。
(付記1)
基板と、
前記基板の上方に設けられ、複数の半導体層を積層させた構造を有する受光層とを備え、
前記基板は、
面方位が(100)面から傾斜しており、[0−11]方向若しくは[01−1]方向への傾斜角度が[011]方向及び[0−1−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、
又は、面方位が(010)面から傾斜しており、[10−1]方向若しくは[−101]方向への傾斜角度が[101]方向及び[−10−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、
又は、面方位が(001)面から傾斜しており、[−110]方向若しくは[1−10]方向への傾斜角度が[110]方向及び[−1−10]方向への傾斜角度よりも大きくなっていることを特徴とする赤外線検出器。
(付記2)
前記基板は、化合物半導体基板であり、
前記複数の半導体層は、それぞれ、化合物半導体層であることを特徴とする、付記1に記載の赤外線検出器。
(付記3)
前記受光層は、前記複数の半導体層を積層させた構造として複数のIII−V族化合物半導体層を積層させた超格子構造を有することを特徴とする、付記1又は2に記載の赤外線検出器。
(付記4)
前記複数のIII−V族化合物半導体層は、InAsを含む層、GaSbを含む層、AlSbを含む層、InSbを含む層のいずれか2種以上を含むことを特徴とする、付記3に記載の赤外線検出器。
(付記5)
前記複数のIII−V族化合物半導体層は、少なくとも、Inを含むIII−V族化合物半導体層を含むことを特徴とする、付記3に記載の赤外線検出器。
(付記6)
前記基板は、GaSb基板又はInAs基板であることを特徴とする、付記4又は5に記載の赤外線検出器。
(付記7)
前記基板は、
面方位が(100)面から傾斜している場合、[0−10]方向から[001]方向までの角度範囲のうち[0−11]方向を含む角度範囲で傾斜しているか、又は、[010]方向から[00−1]方向までの角度範囲のうち[01−1]方向を含む角度範囲で傾斜しており、
面方位が(010)面から傾斜している場合、[00−1]方向から[100]方向までの角度範囲のうち[10−1]方向を含む角度範囲で傾斜しているか、又は、[001]方向から[−100]方向までの角度範囲のうち[−101]方向を含む角度範囲で傾斜しており、
面方位が(001)面から傾斜している場合、[−100]方向から[010]方向までの角度範囲のうち[−110]方向を含む角度範囲で傾斜しているか、又は、[100]方向から[0−10]方向までの角度範囲のうち[1−10]方向を含む角度範囲で傾斜していることを特徴とする、付記1〜6のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
(付記8)
前記基板は、
面方位が(100)面から傾斜している場合、[0−1−1]方向を基準として、傾斜方向と[0−1−1]方向がなす角度が45°〜135°又は225°〜315°の角度範囲に含まれるような方向に傾斜しており、
面方位が(010)面から傾斜している場合、[−10−1]方向を基準として、傾斜方向と[−10−1]方向がなす角度が45°〜135°又は225°〜315°の角度範囲に含まれるような方向に傾斜しており、
面方位が(001)面から傾斜している場合、[−1−10]方向を基準として、傾斜方向と[−1−10]方向がなす角度が45°〜135°又は225°〜315°の角度範囲に含まれるような方向に傾斜していることを特徴とする、付記1〜7のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
(付記9)
前記基板は、
面方位が(100)面から傾斜している場合、(100)面から、[0−11]方向又は[01−1]方向に、36°±1°の範囲で傾斜しており、
面方位が(010)面から傾斜している場合、(010)面から、[10−1]方向又は[−101]方向に、36°±1°の範囲で傾斜しており、
面方位が(001)面から傾斜している場合、(001)面から、[−110]方向又は[1−10]方向に、36°±1°の範囲で傾斜していることを特徴とする、付記1〜8のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
(付記10)
前記基板は、
面方位が(100)面から傾斜している場合、(2−11)面又は(21−1)面を中心として±1°の範囲で傾斜しており、
面方位が(010)面から傾斜している場合、(12−1)面又は(−121)面を中心として±1°の範囲で傾斜しており、
面方位が(001)面から傾斜している場合、(−112)面又は(1−12)面を中心として±1°の範囲で傾斜していることを特徴とする、付記1〜9のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
(付記11)
付記1〜10のいずれか1項に記載の赤外線検出器を備えることを特徴とする撮像素子。
(付記12)
基板と、
前記基板の上方に設けられ、複数の半導体層を積層させた構造を有する受光層又は発光層とを備え、
前記基板は、
面方位が(100)面から傾斜しており、[0−11]方向若しくは[01−1]方向への傾斜角度が[011]方向及び[0−1−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、
又は、面方位が(010)面から傾斜しており、[10−1]方向若しくは[−101]方向への傾斜角度が[101]方向及び[−10−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、
又は、面方位が(001)面から傾斜しており、[−110]方向若しくは[1−10]方向への傾斜角度が[110]方向及び[−1−10]方向への傾斜角度よりも大きくなっていることを特徴とする光半導体装置。
(付記13)
前記受光層は、前記複数の半導体層を積層させた構造として複数のIII−V族化合物半導体層を積層させた超格子構造を有することを特徴とする、付記12に記載の光半導体装置。
(付記14)
前記複数のIII−V族化合物半導体層は、InAsを含む層、GaSbを含む層、AlSbを含む層、InSbを含む層のいずれか2種以上を含むことを特徴とする、付記13に記載の光半導体装置。
(付記15)
前記基板は、GaSb基板又はInAs基板であることを特徴とする、付記14に記載の光半導体装置。
(付記16)
前記基板は、
面方位が(100)面から傾斜している場合、[0−10]方向から[001]方向までの角度範囲のうち[0−11]方向を含む角度範囲で傾斜しているか、又は、[010]方向から[00−1]方向までの角度範囲のうち[01−1]方向を含む角度範囲で傾斜しており、
面方位が(010)面から傾斜している場合、[00−1]方向から[100]方向までの角度範囲のうち[10−1]方向を含む角度範囲で傾斜しているか、又は、[001]方向から[−100]方向までの角度範囲のうち[−101]方向を含む角度範囲で傾斜しており、
面方位が(001)面から傾斜している場合、[−100]方向から[010]方向までの角度範囲のうち[−110]方向を含む角度範囲で傾斜しているか、又は、[100]方向から[0−10]方向までの角度範囲のうち[1−10]方向を含む角度範囲で傾斜していることを特徴とする、付記12〜15のいずれか1項に記載の光半導体装置。
(付記17)
前記基板は、
面方位が(100)面から傾斜している場合、[0−1−1]方向を基準として、傾斜方向と[0−1−1]方向がなす角度が45°〜135°又は225°〜315°の角度範囲に含まれるような方向に傾斜しており、
面方位が(010)面から傾斜している場合、[−10−1]方向を基準として、傾斜方向と[−10−1]方向がなす角度が45°〜135°又は225°〜315°の角度範囲に含まれるような方向に傾斜しており、
面方位が(001)面から傾斜している場合、[−1−10]方向を基準として、傾斜方向と[−1−10]方向がなす角度が45°〜135°又は225°〜315°の角度範囲に含まれるような方向に傾斜していることを特徴とする、付記12〜16のいずれか1項に記載の光半導体装置。
(付記18)
前記基板は、
面方位が(100)面から傾斜している場合、(100)面から、[0−11]方向又は[01−1]方向に、36°±1°の範囲で傾斜しており、
面方位が(010)面から傾斜している場合、(010)面から、[10−1]方向又は[−101]方向に、36°±1°の範囲で傾斜しており、
面方位が(001)面から傾斜している場合、(001)面から、[−110]方向又は[1−10]方向に、36°±1°の範囲で傾斜していることを特徴とする、付記12〜17のいずれか1項に記載の光半導体装置。
(付記19)
前記基板は、
面方位が(100)面から傾斜している場合、(2−11)面又は(21−1)面を中心として±1°の範囲で傾斜しており、
面方位が(010)面から傾斜している場合、(12−1)面又は(−121)面を中心として±1°の範囲で傾斜しており、
面方位が(001)面から傾斜している場合、(−112)面又は(1−12)面を中心として±1°の範囲で傾斜していることを特徴とする、付記12〜18のいずれか1項に記載の光半導体装置。
1 赤外線検出器
2 基板(n型GaSb基板)
3 バッファ層(GaSb層)
4 第1電極層(p型GaSb層)
5 受光層(InAsとGaSbを交互に積層した超格子構造を有する受光層)
6 第2電極層(n型InAs層)
7 電極(第1電極)
8 電極(第2電極)
9 絶縁膜(SiO膜)
10 エピタキシャル成長層(半導体積層構造;積層体)
11 撮像素子(赤外線撮像素子)
12 赤外線検出器アレイ
13 駆動回路及び読出回路を含むチップ
14 表面配線(金属配線)
15 バンプ(Inバンプ)
16 表面配線(金属配線)
17 バンプ(Inバンプ)
18 撮像システム
19 センサ部
20 制御演算部
21 表示部

Claims (8)

  1. 基板と、
    前記基板の上方に設けられ、複数の半導体層を積層させた構造を有する受光層とを備え、
    前記基板は、
    面方位が(100)面から傾斜しており、[0−11]方向若しくは[01−1]方向への傾斜角度が[011]方向及び[0−1−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、
    又は、面方位が(010)面から傾斜しており、[10−1]方向若しくは[−101]方向への傾斜角度が[101]方向及び[−10−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、
    又は、面方位が(001)面から傾斜しており、[−110]方向若しくは[1−10]方向への傾斜角度が[110]方向及び[−1−10]方向への傾斜角度よりも大きくなっていることを特徴とする赤外線検出器。
  2. 前記受光層は、前記複数の半導体層を積層させた構造として複数のIII−V族化合物半導体層を積層させた超格子構造を有することを特徴とする、請求項1に記載の赤外線検出器。
  3. 前記複数のIII−V族化合物半導体層は、InAsを含む層、GaSbを含む層、AlSbを含む層、InSbを含む層のいずれか2種以上を含むことを特徴とする、請求項2に記載の赤外線検出器。
  4. 前記基板は、GaSb基板又はInAs基板であることを特徴とする、請求項3に記載の赤外線検出器。
  5. 前記基板は、
    面方位が(100)面から傾斜している場合、[0−1−1]方向を基準として、傾斜方向と[0−1−1]方向がなす角度が45°〜135°又は225°〜315°の角度範囲に含まれるような方向に傾斜しており、
    面方位が(010)面から傾斜している場合、[−10−1]方向を基準として、傾斜方向と[−10−1]方向がなす角度が45°〜135°又は225°〜315°の角度範囲に含まれるような方向に傾斜しており、
    面方位が(001)面から傾斜している場合、[−1−10]方向を基準として、傾斜方向と[−1−10]方向がなす角度が45°〜135°又は225°〜315°の角度範囲に含まれるような方向に傾斜していることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
  6. 前記基板は、
    面方位が(100)面から傾斜している場合、(100)面から、[0−11]方向又は[01−1]方向に、36°±1°の範囲で傾斜しており、
    面方位が(010)面から傾斜している場合、(010)面から、[10−1]方向又は[−101]方向に、36°±1°の範囲で傾斜しており、
    面方位が(001)面から傾斜している場合、(001)面から、[−110]方向又は[1−10]方向に、36°±1°の範囲で傾斜していることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の赤外線検出器。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の赤外線検出器を備えることを特徴とする撮像素子。
  8. 基板と、
    前記基板の上方に設けられ、複数の半導体層を積層させた構造を有する受光層又は発光層とを備え、
    前記基板は、
    面方位が(100)面から傾斜しており、[0−11]方向若しくは[01−1]方向への傾斜角度が[011]方向及び[0−1−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、
    又は、面方位が(010)面から傾斜しており、[10−1]方向若しくは[−101]方向への傾斜角度が[101]方向及び[−10−1]方向への傾斜角度よりも大きくなっているか、
    又は、面方位が(001)面から傾斜しており、[−110]方向若しくは[1−10]方向への傾斜角度が[110]方向及び[−1−10]方向への傾斜角度よりも大きくなっていることを特徴とする光半導体装置。
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