JP4095486B2 - テラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法 - Google Patents

テラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テラヘルツ電磁波の発生、検出に利用するためのテラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、光と電波の境界領域であるテラヘルツ帯(THz帯)の電磁波に対する注目が高まっている。このテラヘルツ電磁波は、一般に100GHz〜10THzの周波数領域の電磁波を指すことが多く、その波長はおよそ300μm以下となっている。このようなテラヘルツ電磁波は、非破壊検査、イメージング、通信などへの応用が期待されている。また、テラヘルツ電磁波の利用は、環境計測やライフサイエンスの分野にまで波及しており、先端的基盤技術分野となりつつある。
【0003】
このようなテラヘルツ電磁波の発生及び検出をおこなうデバイスの1つに、光スイッチ素子(テラヘルツ発生検出デバイス)がある。この光スイッチ素子は、フェムト秒レーザパルスで励起されることによって、テラヘルツ電磁波の発生や検出をおこなう。つまり、この光スイッチ素子には、フェムト秒レーザパルスに応答可能な程の超高速動作が要求される。そのため、このレーザパルスの励起によりキャリアを生成する、光スイッチ素子の基板部分に採用される半導体材料には、高抵抗、高移動度及び短キャリア寿命等の特性が求められる。これらの要求特性の中でも、キャリア寿命特性は、テラヘルツ電磁波の検出に光スイッチ素子を用いた場合における検出帯域やSN比に大きく影響するため、特に重要である。
【0004】
上述した光スイッチ素子に適用するための、キャリア寿命の短い半導体基板を得る方法としては、イオン注入によって基板中に結晶欠陥を導入する方法が従来より知られている。この方法によれば、結晶欠陥がキャリアの捕獲中心として働くため、キャリア寿命が1ps程度である半導体基板を得ることができる。しかしながら、このイオン注入によりキャリア寿命を短くする方法では、光スイッチ素子に対する要求特性の1つである移動度が大幅に低下してしまうという問題があった。
【0005】
そのため、分子線エピタキシ(MBE)法により、GaAs等からなる半絶縁性基板の上に通常よりも低い基板温度でGaAsエピタキシャル層を成長させた半導体基板(LT−GaAs基板)が利用されることが多い。この基板では、エピタキシャル層の低温成長中にAsが過剰に取り込まれて、その後におこなわれる所定の熱処理によってAsがAsクラスターとして析出し、このAsクラスターがキャリアの捕獲中心として働く。そのため、この基板においては、結晶に大きな損傷を与えることなく、短いキャリア寿命と比較的高い移動度を得ることができる。
【0006】
例えば、下記非特許文献1には上記LT−GaAs基板が開示されており、この基板を用いることにより、1psより短いキャリア寿命と100〜200cm2/Vs程度の移動度が実現されている。また、下記特許文献1では、キャリアの短寿命化が図られたLT−GaAs基板上にアンテナ電極対を形成してなる光スイッチ素子を用いて、テラヘルツ電磁波を発生する技術及び検出する技術が開示されている。さらに、下記特許文献2では、通信分野で重要な1.3〜1.55μm帯で使用されるInGaAs系化合物半導体の短寿命化に関する技術が開示されており、基板にBeをドープすることでキャリア寿命の短寿命化が図られている。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−257629号公報
【特許文献2】
特開平7−36064号公報
【非特許文献1】
S.Gupta,IEEE−J.Q.Elec.,28(1992),p.2464
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
前述したテラヘルツ発生検出デバイスとしての光スイッチ素子においては、フェムト秒レーザパルスの照射によって素子内に発生する光キャリアのキャリア寿命が長い場合、残留キャリアに起因するノイズ成分によりSN比が低下する。そのため、キャリア寿命のさらなる短寿命化が求められている。なお、上記非特許文献1に開示されているように、エピタキシャル層成長時の基板温度を調整することでキャリア寿命を制御する技術があるが、この技術では基板の装置依存性や特性の再現性等に問題があった。また、特許文献2に開示された方法で作製された光スイッチ素子は、素子内におけるキャリア寿命が数ps程度であるため、テラヘルツ発生検出デバイスに用いるのは不適当である。
【0009】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、キャリアのさらなる短寿命化が図られたテラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハは、半導体単結晶基板と、半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたIII−V族化合物半導体層とを備え、III−V族化合物半導体層の表面近傍においてはV族原子の濃度がIII族原子の濃度より高く、且つ、III−V族化合物半導体層が酸素を含有していることを特徴とする。
【0011】
このテラヘルツ電磁波対応ウェハにおいては、III−V族化合物半導体層の表面近傍におけるV族原子の濃度がIII族原子の濃度よりも高くなっており、表面近傍には多数のV族原子クラスターが析出している。このV族原子クラスターは、キャリアの捕獲中心として働くことが知られており、特に、表面近傍におけるV族原子クラスターがキャリア捕捉に大きく寄与することが知られている。また、III−V族化合物半導体層が酸素を含有しており、この酸素により深い準位が形成されている。そして、この酸素が形成する深い準位が、キャリアの短寿命化に寄与することが発明者により見出された。従って、本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハにおいては、III−V族化合物半導体層の表面近傍におけるV族原子クラスターが有意に増量されると共に、III−V族化合物半導体層中に酸素が含有されているため、キャリアのさらなる短寿命化を実現することが可能である。
【0012】
本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハは、半導体単結晶基板と、半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたIII−V族化合物半導体層とを備え、III−V族化合物半導体層の表面近傍においてはV族原子の濃度がIII族原子の濃度より高く、且つ、III族原子の濃度に対するV族原子の濃度の割合がIII−V族化合物半導体層の表面に向かうに従って増加していることを特徴とする。
【0013】
このテラヘルツ電磁波対応ウェハにおいては、III−V族化合物半導体層の表面近傍におけるV族原子の濃度がIII族原子の濃度よりも高くなっているため、表面近傍に多数のV族原子クラスターが析出している。なお、III−V族化合物半導体層の表面に向かうに従って、III族原子の濃度に対するV族原子の濃度の割合が増加しているため、この濃度の割合は、III−V族化合物半導体層の半導体単結晶基板側においてはある程度低く抑えられている。そのため、III−V族化合物半導体層の半導体単結晶基板側においては結晶の均質性が高い。従って、本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハにおいては、III−V族化合物半導体層の表面近傍におけるV族原子クラスターが有意に増量されていることによりキャリアのさらなる短寿命化が実現されると共に、III−V族化合物半導体層の半導体単結晶基板側における結晶の均質性の確保が図られている。
【0014】
本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスは、半導体単結晶基板と、半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたIII−V族化合物半導体層と、III−V族化合物半導体層上に形成され、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対とを備え、III−V族化合物半導体層の表面近傍においてはV族原子の濃度がIII族原子の濃度より高く、且つ、III−V族化合物半導体層が酸素を含有していることを特徴とする。
【0015】
このテラヘルツ発生検出デバイスにおいては、III−V族化合物半導体層の表面近傍におけるV族原子の濃度がIII族原子の濃度よりも高くなっており、表面近傍には多数のV族原子クラスターが析出している。このV族原子クラスターは、キャリアの捕獲中心として働くことが知られており、特に、表面近傍におけるV族原子クラスターがキャリア捕捉に大きく寄与することが知られている。また、III−V族化合物半導体層が酸素を含有しており、この酸素により深い準位が形成されている。そして、この酸素が形成する深い準位が、キャリアの短寿命化に寄与することが発明者により見出された。従って、本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスにおいては、III−V族化合物半導体層の表面近傍におけるV族原子クラスターが有意に増量されると共に、III−V族化合物半導体層中に酸素が含有されており、キャリアのさらなる短寿命化が図られているため、アンテナ電極対の微小ギャップにフェムト秒レーザが照射された際の高速応答を実現することができる。
【0016】
本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスは、半導体単結晶基板と、半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたIII−V族化合物半導体層と、III−V族化合物半導体層上に形成され、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対とを備え、III−V族化合物半導体層の表面近傍においてはV族原子の濃度がIII族原子の濃度より高く、且つ、III−V族化合物半導体層の表面に向かうに従ってIII族原子の濃度に対するV族原子の濃度の割合が増加していることを特徴とする。
【0017】
このテラヘルツ発生検出デバイスにおいては、III−V族化合物半導体層の表面近傍におけるV族原子の濃度がIII族原子の濃度よりも高くなっているため、表面近傍に多数のV族原子クラスターが析出している。このように本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスにおいては、表面近傍におけるV族原子クラスターが有意に増量されていることによりキャリアのさらなる短寿命化が図られているため、アンテナ電極対の微小ギャップにフェムト秒レーザが照射された際の高速応答を実現することができる。なお、III−V族化合物半導体層の表面に向かうに従って、III族原子の濃度に対するV族原子の濃度の割合が増加しているため、この濃度の割合は、III−V族化合物半導体層の半導体単結晶基板側においてはある程度低く抑えられている。そのため、III−V族化合物半導体層の半導体単結晶基板側においては結晶の均質性が高くなっている。
【0018】
本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハの製造方法は、本発明のテラヘルツ電磁波対応ウェハを有効に製造するための方法であって、半導体単結晶基板上にIII−V族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる際に、V族原料の供給量を増加させると共に基板温度を低下させ、III−V族化合物半導体層の表面近傍においてV族原子の濃度をIII族原子の濃度より高くし、且つ、III−V族化合物半導体層に酸素を含有させることを特徴とする。
【0019】
本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハの製造方法は、本発明のテラヘルツ電磁波対応ウェハを有効に製造するための方法であって、半導体単結晶基板上にIII−V族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる際に、V族原料の供給量を増加させると共に基板温度を低下させ、III−V族化合物半導体層の表面近傍においてV族原子の濃度をIII族原子の濃度より高くし、且つ、III族原子の濃度に対するV族原子の濃度の割合をIII−V族化合物半導体層の表面に向かうに従って増加させることを特徴とする。
【0020】
本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスの製造方法は、本発明のテラヘルツ発生検出デバイスを有効に製造するための方法であって、半導体単結晶基板上にIII−V族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる第1ステップと、III−V族化合物半導体層上に、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対を形成する第2ステップとを備え、第1ステップにおいて、半導体単結晶基板に供給するV族原料の供給量を増加させると共に半導体単結晶基板の基板温度を低下させ、III−V族化合物半導体層の表面近傍においてV族原子の濃度をIII族原子の濃度より高くし、且つ、III−V族化合物半導体層に酸素を含有させることを特徴とする。
【0021】
本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスの製造方法は、本発明のテラヘルツ発生検出デバイスを有効に製造するための方法であって、半導体単結晶基板上にIII−V族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる第1ステップと、III−V族化合物半導体層上に、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対を形成する第2ステップとを備え、第1ステップにおいて、半導体単結晶基板に供給するV族原料の供給量を増加させると共に半導体単結晶基板の基板温度を低下させ、III−V族化合物半導体層の表面近傍においてV族原子の濃度をIII族原子の濃度より高くし、且つ、III−V族化合物半導体層の表面に向かうに従ってIII族原子の濃度に対するV族原子の濃度の割合を増加させることを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【0023】
図1は、本発明の実施形態に係るテラヘルツ発生検出デバイスを示した図である。図1に示すように、このテラヘルツ発生検出デバイス10は、矩形状に切り出されたテラヘルツ電磁波対応ウェハ11を備えている。このテラヘルツ電磁波対応ウェハ11は、GaAs単結晶基板(半導体単結晶基板)12と、この基板12上にGaAsバッファ層14を介して積層されたエピタキシャル層(III−V族化合物半導体層)16とを有している。そして、このテラヘルツ電磁波対応ウェハ11のエピタキシャル層16上には、伝送路及びアンテナとして機能するアンテナ電極対18A,18Bが設けられている。
【0024】
アンテナ電極対18A,18Bは、並列する2本のレール20A,20Bそれぞれの中央から、互いの対向方向に突起22A,22Bが延びている形状を有しており、いわゆるダイポール型のアンテナ形状となっている。そして、一方のアンテナ電極18Aの突起22Aと、他方のアンテナ電極18Bの突起22Bとの間には、5μm程度の微小ギャップ24が設けられている。以下、説明の便宜上、テラヘルツ電磁波対応ウェハ11の表面のうち、アンテナ電極対18A,18Bが形成されている面を主面11a、その反対面を裏面11bと称する。
【0025】
ここで、このテラヘルツ発生検出デバイス10によるテラヘルツ電磁波の発生動作について説明する。テラヘルツ発生検出デバイス10を用いてテラヘルツ電磁波を発生する際には、アンテナ電極対18A,18Bに直流バイアスを印加する。そして、上述の微小ギャップ24にフェムト秒レーザパルスを照射し、その微小ギャップ24部分のエピタキシャル層16において光吸収によるキャリア生成をおこなう。このキャリア生成により、アンテナ電極対18A,18Bが通電し、アンテナ電極対18A,18Bからテラヘルツ(THz)電磁波が発生する。なお、GaAsのテラヘルツ帯での誘電率は約12であるため、発生したテラヘルツ電磁波は、テラヘルツ電磁波対応ウェハ11の裏面11b側から放射される。
【0026】
次に、テラヘルツ発生検出デバイス10によるテラヘルツ電磁波の検出動作について説明する。まず、上述した直流バイアスの代わりに、アンテナ電極対18A,18Bに電流計を取り付ける。そして、アンテナ電極対18A,18Bの微小ギャップ24にフェムト秒レーザパルスをゲート光として照射する。この状態で、テラヘルツ電磁波がテラヘルツ電磁波対応ウェハ11の裏面11b側から照射されると、ゲート光により発生したキャリアは、テラヘルツ電磁波により変調されて、アンテナ電極対18A,18Bを流れる電流信号として上記電流計により検出される。この電流計による電流信号の検出によって、テラヘルツ電磁波が検出される。
【0027】
続いて、テラヘルツ発生検出デバイス10のテラヘルツ電磁波対応ウェハ11の積層構造について、図2を参照しつつ説明する。図2は、テラヘルツ電磁波対応ウェハ11の積層構造を模式的に示した図である。図2に示すように、GaAs単結晶基板12上には、GaAsバッファ層14が積層されている。そして、このGaAsバッファ層14上には、Asクラスター(V族原子クラスター)26を含むエピタキシャル層16が積層されている。Asクラスター26は、この図に示したように、GaAs単結晶基板12側からエピタキシャル層16の表面11aに向かうに従って増加している。
【0028】
以下、テラヘルツ電磁波対応ウェハ11を作製する方法について説明する。まず、固体ソースのMBE(分子線エピタキシー)装置にGaAs単結晶基板12をセットし、このGaAs単結晶基板12上に公知の方法でGaAsバッファ層14を0.1〜0.2μm程度成長させる。具体的には、基板温度590〜600℃、成長速度1μm/h、Ga分子線強度に対するAs分子線強度の比(以下、「As/Ga供給比」と称す。)を約5に設定して成長させる。なお、MBE装置は、ガスソースのMBE装置であってもよい。次に、基板温度を400℃程度まで降温して、エピタキシャル層16を2μm程度成長させる。なお、成長速度及びAs/Ga供給比等、基板温度以外の成長条件はGaAsバッファ層14の成長条件と同様である。
【0029】
このエピタキシャル層16の成長の際、0.2〜0.4μm程度成長する毎に基板温度を段階的に低下すると共に、As分子線強度(すなわち、As供給量)を連続的に増加してAs/Ga供給比を高める。そして、エピタキシャル層16の厚さが2μm程度に達した際、基板温度が200℃程度、As/Ga供給比が20程度となるようにする。なお、基板温度を200℃以下にした場合には、エピタキシャル層16が多結晶状となり、移動度の低下及び表面11aのラフネスに起因して白濁が生じてしまうため、基板温度は200℃以下にしないことが好ましい。
【0030】
このエピタキシャル層16の成長条件を示したグラフを、図3に示す。図3のグラフにおいて、横軸はエピタキシャル層16の層厚(μm)であり、左の縦軸はエピタキシャル成長時の基板温度(℃)、右の縦軸はAs/Ga供給比である。なお、線L1は、基板温度に関する成長条件を示しており、線L2はAs/Ga供給比に関する成長条件を示している。エピタキシャル層16を成長させた後は、基板12にAs分子線を照射した状態のまま、基板温度を600℃にして約5分間の熱処理をおこなう。
【0031】
以上のようなエピタキシャル層16の成長条件では、エピタキシャル成長時にAs/Ga供給比を次第に増加するため、エピタキシャル層16の表面11a近傍におけるGa濃度に対するAs濃度の割合(As/Ga濃度比)が、GaAs単結晶基板12近傍におけるAs/Ga濃度比よりも高くなっていると考えられる。そこで、As/Ga濃度比を2次イオン質量分析(SIMS)法を用いて求めてみると、図4に示すような結果が得られた。図4は、エピタキシャル層16の表面11aからの深度に対するAs/Ga濃度比の変化を示したグラフであり、横軸は深度(μm)、縦軸はAs/Ga濃度比を示している。
【0032】
このグラフから、エピタキシャル層16に対応するおよそ1.7μm以下の深度では、As/Ga濃度比が約1.02であり、GaAs単結晶基板12に対応するおよそ1.7μm以上の深度では、As/Ga濃度比が略1.00であることがわかる。そして、エピタキシャル層16に対応する領域であって、不連続な最表面及び基板界面付近の領域を除外した領域では、深度が増すにつれてAs/Ga濃度比が減少しており、この領域では深度とAs/Ga濃度比との関係は右下がりの直線L3で近似される。この直線L3の式は、図3の縦軸をy、横軸をxとした場合、下記式(1)で示される。
y=1.020−0.0014x …(1)
【0033】
式(1)で示される直線L3の傾きが負であることから、エピタキシャル層16の表面11a近傍におけるAs/Ga濃度比が、GaAs単結晶基板12近傍におけるAs/Ga濃度比よりも高くなっていることが確認された。一般に、400℃以下といった低い基板温度で過剰なAsを供給した場合、後段の熱処理(基板温度600℃、約5分間)時にAsがAsクラスターとしてGaAs結晶中に析出することが知られている。そして、以上で説明したように、エピタキシャル層16においては、表面11aに近いほどAs原子の量が過剰となるため、表面11a近傍ではより多くのAsクラスター26が析出していると考えられる(図2参照)。
【0034】
このAsクラスター26は、フェムト秒パルス光の照射に起因して生じるキャリアの捕獲中心として機能することが従来より知られており、このAsクラスター26の増加によりキャリア寿命が短縮化される。加えて、テラヘルツ発生検出デバイス10の応答速度は、キャリアの表面11a近傍における面方向の走行が影響するため、表面11a近傍に優先的にAsクラスター26を配置することで、キャリア寿命がより効果的に短縮化される。
【0035】
一般に、As/Ga供給比が高い場合には、Ga原子のマイグレーションが阻害され易いため、均質な結晶成長をおこなうのが難しい。特に、上述したような低い基板温度下では原子のマイグレーションが少ないので、均質な結晶成長がより困難なものとなってしまう。そのため、高品質なエピタキシャル層16を得る条件は、通常は、鏡面を維持する最低のAs/Ga供給比であると考えられている。そこで、上述した成長方法のように、比較的低いAs/Ga供給比から徐々にAs/Ga供給比を高めることで、表面11a近傍におけるAsクラスター量の増加を図りつつ、エピタキシャル層16の成長初期段階での均質な結晶成長を確保している。このようにエピタキシャル層16の均質な結晶成長を図ることで、成長面が良好で、キャリアの移動度が高いテラヘルツ電磁波対応ウェハ11が得られる。
【0036】
また、上述したエピタキシャル層16の成長条件は、基板温度が400℃以下と低温であるため、成長チャンバー内の残留不純物、特に酸素がエピタキシャル層16内に取り込まれる。このエピタキシャル層16に取り込まれる酸素について、図5を参照しつつ説明する。図5は、SIMS分析を用いて、基板温度を替えてエピタキシャル層16中の酸素濃度を測定した結果を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は表面11aからの深度(μm)、縦軸は酸素濃度(cm-3)を示している。ここで、線L4はイオンポンプ及び拡散ポンプによる真空下(到達真空度:2×10-10Torr未満)であって基板温度が590℃の場合、線L5はイオンポンプ及び拡散ポンプによる真空下(到達真空度:2×10-10Torr未満)であって基板温度が200℃の場合、線L6はイオンポンプのみによる真空下(到達真空度:1×10-9Torr未満)であって基板温度が200℃の場合のデータを示している。
【0037】
このグラフより、1.7μm以下のエピタキシャル層16に対応する領域においては、線L4は酸素濃度1×1016〜2×1016cm-3、線L5は酸素濃度1×1017cm-3、線L6は酸素濃度5×1017cm-3となっていることがわかる。この結果から、発明者らは、エピタキシャル成長の際に基板温度を200℃程度にすることで、エピタキシャル層16に取り込まれる酸素の濃度を有意に増加することができることを見出した。また、エピタキシャル層16を成長するに従って段階的に基板温度を低下した場合には、エピタキシャル層16の表面11aに近い程、酸素濃度を高くすることができることを見出した。
【0038】
さらに、酸素濃度とキャリア寿命との関係をポンプ・プローブ法により調べた結果、線L5の場合(酸素濃度が1×1017cm-3の場合)で約1ps、線L6の場合(酸素濃度が5×1017cm-3の場合)で約0.2psとなることがわかった。なお、酸素濃度を制御しない従来のエピタキシャル成長においては、キャリア寿命は数ps程度である。従って、エピタキシャル層16中の酸素濃度が、キャリア寿命の短縮化に寄与すると考えられる。すなわち、エピタキシャル層16中の酸素濃度が高い程、キャリアの寿命が短縮化されると推測される。またこの推測より、エピタキシャル層16に酸素が含有されていない場合に比べて、エピタキシャル層16に酸素が含有されている場合の方がキャリア寿命が短縮化されるとの推測が導出される。このような酸素によるキャリア寿命の短縮化は、酸素が形成する深い準位、若しくは酸素の含有に起因する複合欠陥が、キャリアの走行の阻害要因になっているためであると考えられる。そして、酸素濃度を的確に制御することにより、数psからサブpsオーダーのキャリア寿命を実現することが可能となる。
【0039】
以上、詳細に説明したように、テラヘルツ電磁波対応ウェハ11においては、表面11a近傍におけるAs/Ga濃度比は約1.02であり、As濃度がGa原子の濃度よりも高くなっている。また、エピタキシャル層16の成長の際、基板温度を200℃程度にまで降温することで、エピタキシャル層16中には酸素が含有されている。このように、テラヘルツ電磁波対応ウェハ11は、エピタキシャル層16の表面11a近傍におけるAsクラスターが有意に増量されると共に、エピタキシャル層16中に酸素が含有されているため、キャリアのさらなる短寿命化が実現されている。また、エピタキシャル層16の表面11aに向かうに従ってAs/Ga濃度が増加していることにより、エピタキシャル層16の成長初期段階では均質な結晶成長がおこなわれるので、成長面が良好で、且つキャリアの移動度が高いテラヘルツ電磁波対応ウェハ11となっている。
【0040】
そして、このようなテラヘルツ電磁波対応ウェハ11に、AuGe/Au合金からなるアンテナ電極対18A,18Bが形成されて、テラヘルツ発生検出デバイス10が完成する。すなわち、アンテナ電極対18A,18Bの直下の、テラヘルツ電磁波対応ウェハ11の表面11a近傍に多数のAsクラスター26が配置された、テラヘルツ発生検出デバイス10が得られる。なお、アンテナ電極対18A,18Bの配置及び成形は、公知のリソグラフィー技術及びエッチング技術によりおこなわれる。
【0041】
このテラヘルツ発生検出デバイス10においては、上述したテラヘルツ電磁波対応ウェハ11が採用されているため、微小ギャップ24にフェムト秒レーザパルスが照射されることにより生成されるキャリアの寿命は従来より短縮化される。そして、このキャリアの短寿命化に伴って、テラヘルツ発生検出デバイス10のより高速な応答が実現されており、従来より広い周波数帯に対応することが可能である。
【0042】
なお、エピタキシャル層16の成長条件は、上述したAs供給量を増加する態様以外に、Ga供給量を低減する態様であってもよく、MBE装置のGaシャッターを間欠的に開閉することにより実現される。また、As分子線及びGa分子線の両方を遮断して、成長中断をおこなう態様であってもよい。この場合には、エピタキシャル層16が所定量(例えば、20nm)だけ成長する毎に、1〜2分程度MBE装置のGaシャッターを閉じて、As分子線のみを基板上に照射する。その後、Asシャッターも1〜2分程度閉じて、基板表面をチャンバー雰囲気に暴露し、表面の酸化を促進する。このような態様によれば、それぞれの原子の成長中断界面付近で酸素が取り込まれるため、酸素の増量を効果的におこなわれる。以上の2つの態様は、上述したAs供給量を増加する態様と併用してもよい。
【0043】
また、上述したエピタキシャル層16の成長条件では、基板温度を段階的に低下すると共に、As供給量を連続的に増加する態様を示したが、適宜、基板温度を連続的に低下したり、As供給量を段階的に増加したりする態様に変更することができる。
【0044】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、バッファ層材料及びエピタキシャル層材料は、二元のGaAsに限定されず、III−V族半導体材料であれば、InGaAs、AlGaAs、AlInAs等の多元混晶であってもよい。半導体単結晶基板の材料は、GaAsに限定されず、上述のIII−V族半導体材料の他、テラヘルツ電磁波をほとんど吸収しないSiであってもよい。また、アンテナ電極の材料は、AuGe/Auに限定されず、エピタキシャル層とのオーミック接触が図れる材料であればよく、特にテラヘルツ電磁波の検出の際に電流信号の取得、解析方法に応じてショットキー型の電極材料を採用することも可能である。
【0045】
また、テラヘルツ発生検出デバイスのアンテナ電極対の形状は、ダイポール型に限定されず、テラヘルツ電磁波の放射特性に応じ、適宜、ボウタイ型、スパイラル型等を採用することが可能である。これらの形状を有するアンテナ電極を用いたテラヘルツ分光システムは、物性評価やイメージング等への応用が可能である。
【0046】
【発明の効果】
本発明によれば、キャリアのさらなる短寿命化が図られたテラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るテラヘルツ発生検出デバイスを示した概略斜視図である。
【図2】図1のテラヘルツ電磁波対応ウェハの積層構造を模式的に示した図である。
【図3】エピタキシャル層の成長条件を示したグラフである。
【図4】エピタキシャル層の表面からの深度に対するAs/Ga濃度比の変化を示したグラフである。
【図5】基板温度を替えてエピタキシャル層中の酸素濃度を測定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
10…テラヘルツ発生検出デバイス、11…テラヘルツ電磁波対応ウェハ、11a…表面、12…GaAs単結晶基板、16…エピタキシャル層、18A,18B…アンテナ電極、24…微小ギャップ、26…Asクラスター。

Claims (4)

  1. 半導体単結晶基板と、
    前記半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたIII−V族化合物半導体層とを備え、
    前記III−V族化合物半導体層の表面近傍においてはV族原子の濃度がIII族原子の濃度より高く、且つ、前記III−V族化合物半導体層の表面に向かうに従って前記III族原子の濃度に対する前記V族原子の濃度の割合が増加している、テラヘルツ電磁波対応ウェハ。
  2. 半導体単結晶基板と、
    前記半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたIII−V族化合物半導体層と、
    前記III−V族化合物半導体層上に形成され、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対とを備え、
    前記III−V族化合物半導体層の表面近傍においてはV族原子の濃度がIII族原子の濃度より高く、且つ、前記III−V族化合物半導体層の表面に向かうに従って前記III族原子の濃度に対する前記V族原子の濃度の割合が増加している、テラヘルツ発生検出デバイス。
  3. 半導体単結晶基板上にIII−V族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる際に、V族原料の供給量を増加させると共に基板温度を低下させ、
    前記III−V族化合物半導体層の表面近傍においてV族原子の濃度をIII族原子の濃度より高くし、且つ、前記III−V族化合物半導体層の表面に向かうに従って前記III族原子の濃度に対する前記V族原子の濃度の割合を増加させる、テラヘルツ電磁波対応ウェハの製造方法。
  4. 半導体単結晶基板上にIII−V族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる第1ステップと、
    前記III−V族化合物半導体層上に、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対を形成する第2ステップとを備え、
    前記第1ステップにおいて、前記半導体単結晶基板に供給するV族原料の供給量を増加させると共に前記半導体単結晶基板の基板温度を低下させ、前記III−V族化合物半導体層の表面近傍においてV族原子の濃度をIII族原子の濃度より高くし、且つ、前記III−V族化合物半導体層の表面に向かうに従って前記III族原子の濃度に対する前記V族原子の濃度の割合を増加させる、テラヘルツ発生検出デバイスの製造方法。
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