JP5225586B2 - 受光素子 - Google Patents

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Description

この発明は、３−５族化合物半導体を用いた近赤外領域、特に、０．９２μｍ以上３．０μｍ以下の波長域に感度を持つ受光素子に関する。
現在ＩｎＰ基板の上にＩｎＧａＡｓ受光層を形成した光通信用のフォトダイオードが用いられる。光通信用の場合は、１．３μｍ、１．５５μｍ帯の近赤外光を送受信に用いることが多い。だからＩｎＧａＡｓの混晶比（Ｇａ＝０．４７、Ｉｎ＝０．５３）はＩｎＰ基板との整合条件から決まっており、受光感度のあるのは１．６μｍまでの光である。フォトダイオードはバンドギャップＥｇ以上のエネルギーを持つ光を感受できるのであるが、バンドギャップＥｇ以下のエネルギーの光には感度がない。
１．６μｍ〜３μｍのような長い波長の赤外光はバンドギャップＥｇがよほど小さい半導体材料でないと受光できない。そのようなバンドギャップが狭い材料はなかなか存在しない。バンドギャップが狭いという条件に当てはまっても、基板とうまく整合しない、成長しない等の問題がある。発光素子の場合は、たとえ成長しても発光しないという問題がある。受光素子の場合は、たとえ成長しても暗電流が大きすぎたり感度が低すぎたりするという問題があって、使い物にならない。
特許文献１は四元混晶ＧａＩｎＮＡｓを光活性層、光吸収層とする発光素子と受光素子を提案している。これは１．７μｍ〜５μｍの中赤外光を発光する発光素子および受光するための受光素子として提案されたものである。混晶比を適当に選ぶことによって、ＧａＩｎＮＡｓのバンドギャップを０．７３ｅＶ以下にできる。しかもＧａＩｎＮＡｓはＩｎＰ基板に格子整合できる結晶欠陥の少ない良質の結晶を作製することができると主張している。
特許文献２はＬバンド端（１７００ｎｍ）近くまで感度があって（１．６３μｍ程度）、暗電流の小さい光通信用フォトダイオードを作製するのが目的である。ＩｎＰよりも格子定数の小さいＩｎ０．５３Ｇａ０．４７ＡｓとＩｎＰよりも格子定数の大きいＩｎ０．５５Ｇａ０．４５Ａｓを複数枚積層してＩｎＰと格子整合させている。基板の格子定数より小さい格子定数の薄膜とより大きい格子定数の薄膜を交互積層することによって疑似的に格子整合させているのである。これはしかし１．７μｍ以上の光を感受することはできない。本発明の目標は１．７μｍ以上３μｍまでの長い波長も感受できるようなバンドギャップの狭い受光層を持つ受光素子を与えることである。
非特許文献１は受光層をＩｎＧａＡｓとした中赤外光のフォトダイオードを提案している。ＩｎＰと格子整合するという条件から従来のフォトダイオードは必ずＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓの比率のものを使っていた。Ｉｎが５３％ある従来例のものはバンドギャップが広く１．６μｍ以上の波長の中赤外光を受光できない。非特許文献１はＩｎＧａＡｓ混晶の内、Ｇａの比率を下げＩｎの比率を上げてバンドギャップをより狭くしたＩｎ０．８２Ｇａ０．１８Ａｓを受光層に用いている。
ＩｎＰ比率が高くなるほどバンドギャップは狭くなり、バンドギャップが狭いので２．６μｍの波長の赤外光まで感度があると主張している。しかしながらＩｎＧａＡｓ受光層とＩｎＰ基板との格子不整合が大きくて結晶欠陥が多数発生し、暗電流が高くなるという問題がある。そこで非特許文献１は、格子緩和のために、１２〜２０層のｙの値を少しずつ変えたＩｎＡｓｙＰ１ーｙのグレーディッド層を、ＩｎＰ基板とＩｎＧａＡｓ受光層の間に介在させている。そのために暗電流が減少していると主張している。しかし暗電流は２０μＡ〜３０μＡ程度あり、これは暗電流の値としては依然大きすぎる。
非特許文献２は、ＧａＡｓ基板の上にＧａＡｓＰ混晶薄膜をエピタキシャル成長させた時にミスフィット転位が起こらなくなる臨界膜厚の計算を示している。基板と薄膜の種類は本発明と全く異なるが臨界膜厚を明確に与えるので重要である。これについては後に述べる。
特開平０９−２１９５６３「半導体光素子とそれを用いた応用システム」 特開２００３−２８２９２７「フォトダイオード」
T. Murakamiet al, "InxGa1-xAs/InAsyP1-y detector for near infrared (1-2.6μm)",Conference Proceedings of Indium Phosphide and Related Materials J. W. Matthews and A. E. Blakeslee, "Defects in EpitaxialMultilayers", J. Cryst. Growth Vol.27 (1974), pp118-125 W. A. Jesser and J. W.Matthews, "Evidence for Pseudomorphic Growth of Iron on Copper", Phil. Mag.Vol. 15 (1967) pp1097
特許文献１はＧａＩｎＮＡｓを活性層とする発光素子と、ＧａＩｎＮＡｓを受光層とする受光素子を提案している。しかし実施例は具体的な混晶比を明らかにしていない。だからどの混晶比でバンドギャップがどうなるか？ということは分からず、具体的なバンドギャップの値の言及もない。ＩｎＰ基板との格子不整合についても述べていない。混晶比が分からないので読者が薄膜の実効格子定数を計算できない。ＧａＩｎＮＡｓにおいて窒素の混晶比が大きいと結晶成長が困難になるはずであるが、特許文献１には言及がない。
四元混晶のＧａＩｎＮＡｓを用いた発光素子、受光素子は様々な提案がなされている。しかしいずれも未だ実現されていない。様々の提案にも拘らず実際に２．０μｍ〜３．０μｍの波長の赤外光を感受できる受光素子は未だ作製されていない。
それには幾つもの理由がある。１つの理由は、四元混晶ＧａＩｎＮＡｓそのものの結晶成長が難しいということである。特に３μｍの波長の光までに感度があって、ＩｎＰ基板と格子整合するためには、窒素（Ｎ）組成を、１０％までに増やす必要がある。しかしＧａＩｎＮＡｓにおいて窒素組成を１０％まで高めたもので良好な結晶性を持つものを製造するのは難しい。更に受光素子として高感度を有するものとするためには、受光層（光吸収層）の厚みを２μｍ以上、好ましくは４μｍ程度にしなければならない。しかしそのような厚いＧａＩｎＮＡｓ膜を成長させることは一層難しい。そのような訳でＧａＩｎＮＡｓ受光層のフォトダイオードは、多様な架空の提案がなされているだけで実際にものができないという現況にある。
特許文献２は三元混晶のＩｎＧａＡｓ受光層（通常Ｉｎ＝０．５３）のＩｎの比率を高めて（Ｉｎ＝０．５５）長い波長の赤外光を受光しようとする試みである。しかしＩｎＰ基板との不整合が大きくなるのでＩｎの比率を余り高くできず（Ｉｎ＝０．５５）、感受できる波長の上限はせいぜい１．６３μｍの程度である。本発明のように１．７μｍ〜３μｍの長い波長の光を感受することができない。特許文献２は受光層全体の平均の格子不整合については何も述べていない。格子不整合が素子に及ぼす影響をも説明していない。しかし、平均の格子不整合度が暗電流を大きく増大させる重要なパラメータであることを、本発明者は見い出した。
非特許文献１は、多数のＩｎＡｓＰグレーディッド層を組み合わせて、ＩｎＰ基板とＩｎ０．８２Ｇａ０．１８Ａｓ受光層の間の格子不整合を緩和するようにしている。しかしそのように少しずつｙの値が大きくなる多数の層を、エピタキシャル成長させるのは難しい。高コストになり、暗電流も大きいので望ましくない。
非特許文献１は、通常のＩｎＰ基板の上にエピタキシャル成長させたＩｎＧａＡｓ受光層（Ｉｎ比率０．５３）の光通信用フォトダイオードの暗電流よりも、１０００倍程度大きい暗電流を示している。またＩｎＰでなくＩｎＡｓＰを窓層に用いているので、その組成に対応した窓効果により、１．５μｍ以下の短波長領域での感度が低下するという問題がある。更に、非常に高いストレスが結晶に内在するため、プロセス途中で割れ易く、量産性が悪いという難点がある。
本発明は、２．０μｍ〜３．０μｍの吸収端波長を持つＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰあるいはＧａＩｎＮＡｓＳｂＰのいずれかであって、窒素組成を５％以下にし各層の厚みｔが臨界膜厚ｈｃの１倍〜１１倍で、正の材料（過大受光層）と負の材料（過小受光層）を組み合わせることにより、ＩｎＰ基板との平均の不整合率を±０．２％以下とする受光層を持つフォトダイオードを提案する。
積層させる受光層として２種類の材料を組み合わせるが、いずれか一方が２．０μｍ〜３．０μｍに感度を持てばよく、他方はこの波長に感度を持たないものであってもよい。両方ともこの波長域の光に感度を持つものであってもよい。感度があるというのはフォトダイオードになってから定義できることである。半導体はバンドギャップより大きいエネルギーの光を吸収できる。バンドギャップに対応する波長を吸収端波長という。だから受光層の少なくとも一方が２．０μｍ〜３．０μｍに吸収端波長を持つことが必要である。両方がこの範囲に吸収端波長を持っていてもよい。
本発明において、一般に受光層の組成をＧａｕＩｎ１−ｕＮｘＡｓ１−ｘ−ｙ−ｚＳｂｙＰｚと書くことができる。ｕはＧａの混晶比、（１−ｕ）はＩｎの混晶比である。３族元素はＧａとＩｎだけなので独立の混晶比は１つだけである。５族はＮ、Ｓｂ、Ｐ、Ｎの４種類あるから独立の混晶比は３つある。ｘはＮの混晶比、ｙはＳｂの混晶比、ｚはＰの混晶比、（１−ｘ−ｙ−ｚ）はＡｓの混晶比である。
特許文献１などに提案されたものはｘ＞０．１なので良い結晶を作ることができなかった。本発明は受光層の窒素混晶比ｘをｘ≦０．０５とする。ｘ≦０．０５とするのでＩｎＰ基板の上に良好な結晶を形成することができる。また本発明は２種類の組成の異なる受光層を組み合わせる。一方はＩｎＰより格子定数が大きい過大受光層Ｌである。もう一方はＩｎＰより格子定数が小さい過小受光層Ｓである。それぞれのＩｎＰとの格子不整合は±０．５％〜±５％程度あってもよい。しかし平均のＩｎＰとの格子不整合は±０．２％以下とする。
平均の格子不整合というのは、それぞれの層の不整合の厚みを重みとして掛けたものの平均値である。格子不整合は
Δａ＝（ａ−ａ０）／ａ０ （１）
によって定義する。過大材料はΔａが正、過小材料はΔａが負である。層に番号ｊを付けて表現する。厚みをｔで表す。ｊ層の不整合はΔａｊ、厚みはｔｊである。
平均の格子不整合は＜Δａ＞＝ΣΔａｊｔｊ／Σｔｊによって定義することができる。実際には、２種類の材料を積層するだけである。それぞれの積層数をｎとする。過大受光層の不整合、厚み、層数をΔａｌ、ｔｌ、ｎｌとし、過小受光層の不整合、厚みをΔａｓ、ｔｓ、ｎｓとして、平均の格子不整合は
＜Δａ＞＝（Δａｌｔｌｎｌ＋Δａｓｔｓｎｓ）／（ｔｌｎｌ＋ｔｓｎｓ） （２）
というようになる。過大、過小受光層の層数は等しい（ｎｌ＝ｎｓ）か、あるいは１異なる（ｎｌ＝ｎｓ±１）かである。等しい場合は（ｎｌ＝ｎｓ）、次のようなより簡単な式になる。
＜Δａ＞＝（Δａｌｔｌ＋Δａｓｔｓ）／（ｔｌ＋ｔｓ） （３）

受光層は少なくとも一方が２．０μｍ〜３．０μｍに感度を有するものであって、過大受光層、過小受光層の組み合わせであり、平均格子不整合は±０．２％以下とする。さらにそれぞれの受光層の厚みｔｓ、ｔｌが臨界厚みｈｃｓ、ｈｃｌの１倍〜１１倍であるものとする。
ｈｃｓ＜ｔｓ＜１１ｈｃｓ （４）
ｈｃｌ＜ｔｌ＜１１ｈｃｌ （５）
臨界厚みｈｃというのは、それ以上の厚みであるとミスフィット転位が生ずるという限界となる厚みのことであり、ＧａＡｓ／ＧａＡｓＰの基板／薄膜系について述べた非特許文献２に与えられている。本発明ではこれを少し簡単にした形で受光層の厚みの評価に用いる。
Ｊ．Ｗ．Ｍａｔｔｈｅｗｓ ａｎｄ Ａ．Ｅ．Ｂｌａｋｅｓｌｅｅが与えた臨界厚みｈｃの式は次のようである。これ以下ならミスフィット転位が生じないという臨界厚みである。
ｈｃ＝ｂ（１−νｃｏｓ２α）｛ｌｏｇ（ｈｃ／ｂ）＋１｝／８πｆ（１＋ν）ｃｏｓλ
（６）
ここで、νはポアソン比、αは界面でのバーガーズベクトルと転位線の線分との成す角度である。ｌｏｇは自然対数を示す。λは滑り面と界面の交差線に垂直な界面内での方向とバーガーズベクトルとのなす角度である。ｂ＝ａ／２１／２、ｆは格子不整合ｆ＝Δａ＝（ａ−ａ０）／ａ０である。転位によってバーガーズベクトルが異なる。α、λはバーガーズベクトルによる。つまりこの式は転位ごとに異なる解を持つ。この転位（α、λ）にはこれ、あの転位にはあれというように複数の解が存在する。
それでは膜厚評価からすると不便である。そこで転位の種類を固定して、α、λを６０度にしてしまう。そうすると、ｃｏｓα＝０．５、ｃｏｓλ＝０．５となるので解は１つになる。本発明ではそのようなことをして解に一義性を与えることとする。
この式で右辺でｈｃが対数の中に入っており、右辺が定数でない。これからｈｃを解析的に解くことはできない。図７のように、右辺をｈｃの関数としてグラフに描き、左辺としてｈｃ＝ｈｃの４５度の斜線を引き、交点の値から臨界厚みｈｃを求めることができる。
ポアソン比は０．２５〜０．３程度で大体決まっている。ｃｏｓλ＝０．５、ｃｏｓα＝０．５とすると先に述べた。すると、右辺の値を決める重要な要素は、ｂとｆであることが分かる。ＩｎＰの格子定数は大体０．５９ｎｍであるから整合する混晶もその程度の格子定数を持つはずである。それを１．４１４で割ったｂの値は０．４１〜０．４２ｎｍ程度である。これも大体決まる。するとｂ／８πは０．０１６ｎｍ程度である。
（１−νｃｏｓ２α）は０．９３程度で、１＋νは１．３程度である。だからｂ（１−νｃｏｓ２α）／８π（１＋ν）の部分は０．０１０〜０．０１２の程度である。であるから、ｈｃを大きく左右する因子はｆである。１に近い係数を概算で計算していくと、ｈｃを決める右辺はｆで決まるのである。｛ｌｏｇ（ｈｃ／ｂ）＋１｝は大体４である。ｆが最も先鋭にｈｃを左右する因子であり、これを０．０１とすると、ｈｃは大体７ｎｍ〜１０ｎｍ程度となる。
本発明は個々の層の膜厚ｔとしてｈｃの１倍〜１１倍のものを採用する。ｔ＜ｈｃだとミスフィット転位が発生しないと、Ｊ．Ｗ．Ｍａｔｔｈｅｗｓ、Ａ．Ｅ．Ｂｌａｋｅｓｌｅｅが主張しているのであるから、エピ層は薄い膜厚のｔ＜ｈｃとすべきだと考えられる。
単層では臨界膜厚（ｈｃ）以上にすると転位が発生するが、本発明のように正と負の層を交互に積層すると、臨界膜厚以上でも転位が入らないことが実験的に証明された。しかし、臨界膜厚の１１倍以上（＞１１ｈｃ）になると転位が入ってしまう。又、臨界膜厚（ｈｃ）以下では界面が増えるため、転位は増大する。
ｔが小さくてしかも境界の数を少なくするには全体の膜厚を減らせばよい。しかし受光層の膜厚が少なくなると吸収が減るので感度が下がってしまう。受光層の膜厚は、過大受光層、過小受光層のそれぞれが２．０μｍ以上あることが望ましい。あまり厚くても意味がないので、それぞれが２．０μｍ〜４．０μｍ程度の膜厚合計を持つようにしたい。
そのように合計の膜厚（ｎｔ）が決まっているので、個々の膜厚ｔが小さいと、層数ｎが増えてしまう。界面が増えて転位が増える原因になる。Ｍａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの式に従う臨界膜厚は７ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。Ｍａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの臨界膜厚以下にするとなれば、例えば５ｎｍの膜厚としなければならない。単位膜厚が５ｎｍで合計２．０μｍとするには４００層以上の混晶膜が必要である。本発明は２種類の混晶を組み合わせるから８００層以上ということになる。微妙な組成の混晶８００枚の多数層を整合させながら形成するのは難しい。
本発明では、実験的に基づき、臨界厚みｈｃを越える厚みを許容することにした。ｈｃ以下ではなく、ｈｃ〜１１ｈｃの膜厚とすることにした。例えば臨界膜厚を１０ｎｍとするとその１０倍は１００ｎｍとなる。２０層重ねると２００ｎｍの受光層とすることができる。それは従来のＭａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの教義を越える試みである。
さらに本発明では受光層の上にＩｎＰ窓層を設けたことで表面再結合が抑制でき暗電流を低減できる。また受光層の上に、ＩｎＰ基板との格子不整合が±０．２％以内のＩｎＧａＡｓ層を設け、ｐｎ接合を、ＩｎＧａＡｓ層内に形成することで暗電流の低い受光素子を実現できる。
本発明は窒素組成が５％以下で（ｘ＜０．０５）、２．０μｍ〜３.０μｍに感度があるＧａＩｎＮＡｓＳｂＰであって、ＩｎＰより格子定数の大きい過大受光層と小さい過小受光層の２つの受光層を組み合わせ積層する。窒素組成ｘが５％以下というように低いので結晶性が良くなる。感受できる波長を延ばすためには窒素の含有率を上げる必要があると考えられている。しかし窒素含有率を増やすと混晶の結晶性が悪くなる。そこで本発明は窒素の含有率を５％以下とした。かわりにＳｂやＰを入れることによって感受波長を遠赤外の方へ延ばそうとした。
４元、５元、６元系のＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ受光層とＩｎＰ基板の間に格子不整合があるが、平均の格子不整合を±０．２％以下とするのでＩｎＰとうまく整合して成長する。またそれぞれの膜ｔを、臨界膜厚ｈｃ以上、臨界膜厚ｈｃの１１倍以下（ｈｃ＜ｔ＜１１ｈｃ）にすることによって良好な結晶を作ることができる。３μｍまでの赤外に感度を持つ暗電流の小さい受光素子を得ることができる。
Ｍａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅは、もともと銅単結晶の上に鉄をエピタキシャル成長させた時に発生するミスフィット転位について研究した。非特許文献３はＦｅ／Ｃｕのエピタキシャル成長の場合の転位発生の機構を仮想的なモデルで解明したものである。非特許文献２はＧａＡｓ基板の上にＧａＡｓＰエピ層を成長させたものでここで臨界膜厚の思想が明確にされる。Ｍａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの臨界膜厚の式は剛性率Ｇを含まないので使いやすい。それで半導体エピ層の評価には頻繁に用いられる。
非特許文献２は１９７４年のもので古いものである。室温連続発振ＡｌＧａＡｓ型半導体レーザが発明されたのが１９７１年であるからその直後である。非特許文献２は発光素子を目指しており活性層はごく薄いものである。活性層は１００ｎｍ以下であることが多い。発光素子の場合は大きい電流を流すから転位が増殖し易く、転位が増殖すると劣化する。それでミスフィット転位の発生の抑制を主眼としている。
Ｍａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ以後、発光素子も受光素子も同様に、個々の膜厚はＭａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの臨界膜厚以下でないといけないと考えられてきた。
しかし発光素子と受光素子では事情が異なる。本発明では受光素子を対象にする。受光素子の場合は感度を確保するためにある程度の膜厚を受光層に与える必要がある。本発明では２種類の材料の膜厚の合計を２．０μｍ〜４．０μｍとしている。Ｍａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの臨界膜厚は１０ｎｍ以下であることが多いので、合計膜厚をそれだけのものにするには２００層以上重ねなければならない。しかも２種類の異なる混晶の交互多層膜としなければならない。ＩｎＰやＧａＡｓのようなものでなく複雑な組成の混晶をそのように多数膜積層するのは難しい。
それに、受光素子は発光素子よりも電流密度が著しく小さい。だから転位を起点とする大電流による結晶性の劣化ということは起こりにくい。そういうことを考えてみると、受光素子の場合は、個々の膜厚ｔをＭａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの臨界膜厚ｈｃ以下（０＜ｔ＜ｈｃ）にすべきだというのは、絶対の条件でないと思われる。
むしろ膜厚はｈｃ以上の方が良いのではないか？と発明者には考えられる。
図８に示すように、Ｍａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの式は、無限大厚みのＧａＡｓ基板の上にＧａＡｓＰのエピ層を成長させたものである。境界で格子不整合による応力が生じ、それがだんだんに増加し、ある膜厚ｈｃでミスフィット転位を生じた方が自由エネルギーが減るので転位が発生する、というものである。
しかしそれはエピタキシャル成長層を多数積層した場合とは異なる。従来は、複数エピタキシャル成長の場合も基板との整合性だけに着目してＭａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの式を使い、それ以下の膜厚でなければならないと盲目的に信じられていたように思える。しかし転位の発生、消滅は難しい問題であり根本に戻って考察する姿勢が常に必要である。
実際に、基板の上にあるのは第１層だけであり、数百層を積層した場合、第２層以上については全てがＭａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの前提条件を満たしていない。ということは薄膜／薄膜の場合は、薄膜／基板の場合とは違うのである。そのような場合にふさわしい別異の条件を考えるべきなのである。本発明者はそう考える。それではどうすべきなのか？
Ｍａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅが前提にしているのは無転位の基板の上に薄膜を成長させ、薄膜の途中（ｈｃ）からミスフィット（不整合）転位が発生するというものである。しかし本発明の場合、無転位の基板の上に載っている薄膜は１層だけで残りの数十、数百の薄膜は転位のある薄膜の上に載っているのである。そこに截然とした差異がある。
本発明は過大（格子定数がＩｎＰ基板より大きい）受光層と、過小（格子定数がＩｎＰ基板より小さい）受光層を交互積層する。だから格子不整合ｆは基板との間の値よりも大きくなる。正負の格子不整合を同じ絶対値程度にしたとして、薄膜同士の格子不整合は基板との格子不整合の２倍程度になる。臨界膜厚の式の分母にｆが含まれる。だから薄膜同士の接合で考えると臨界膜厚ｈｃは基板との格子不整合の場合の約半分になってしまう。
だから基板との格子不整合を考えて計算した臨界膜厚ｈｃの値は実勢を反映していない。よく考えると直下の薄膜は転位を持っている。その上の薄膜はその転位を承継する。しかし応力の方向が反対であるから、承継された転位はやがて消滅する。どれほどで消滅するのか？ 臨界膜厚ｈｃを越えるとそれが消えていく。臨界膜厚ｈｃを越えると、やがて承継した転位Ｄｓがほぼ消滅し、新たに反対方向のバーガーズベクトルを持つ転位が発生する。それがミスフィット（不整合）転位Ｄｍである。承継転位Ｄｓが消えるまでミスフィット（不整合）転位Ｄｍが発生しにくいので、ミスフィット転位Ｄｍの発生が遅延する。不整合転位Ｄｍは次の膜が形成されたときは承継転位Ｄｓとなって上層へ伸びていく。承継転位Ｄｓが上層における不整合転位Ｄｍの発生を遅らせる。しかしそれも臨界膜厚ｈｃを越えるころには消える。図９にそのような様子を示す。
無転位の基板から成長するのではなく、転位を持つ薄膜から成長するので、もともと承継転位Ｄｓを持ち、それが不整合転位Ｄｍの発生を遅らせるのである。ある層で発生した不整合転位Ｄｍはその上の膜では承継転位Ｄｓになりやがて消える。そのように２種類の転位が交互に発生し、交互に消えていく。消えるためには臨界膜厚ｈｃ以上の膜厚ｔがなければならない。そのようなわけで膜厚ｔは臨界膜厚ｈｃを越えるほうが良いのである。
さらに過大受光層、過小受光層での不整合転位の発生成長が均衡になるのがよい。不整合が大きいと不整合転位の発生が増える。膜厚が増えると発生の機会が増える。不整合と膜厚の積に不整合転位が比例する。２種類の層において不整合転位を均衡にするには不整合と膜厚の積が均等であることが望まれる。平均ｎ不整合は本発明では±０．２％以下とするが、それは、２種類の層において転位発生のバランスをとって平均の転位密度を減らすためである。
膜厚が厚いから、不整合転位が発生し、それが増えていくが次層で消えるので、転位の伸びが限定される。そのため全体としての転位密度は低くなるのである。
それに、発光素子と違い受光素子なのであるから、電流密度が小さくて、転位があっても増殖しない。だから転位から劣化が進行するということはない。
受光層の場合には、暗電流が問題である。暗電流は、光がない場合にも、逆バイアスしたｐｎ接合に逆方向に電流が流れる現象である。これはｐｎ接合の質の問題である。ｐｎ接合は上層の混晶受光層の中に作られる。主に上層の混晶受光層の結晶性によって暗電流の程度が決まる。下の受光層の結晶性にはあまりよらない。先述のように過大、過小の厚い膜（ｈｃ〜１１ｈｃ）を交互に積層したので結晶性は改善されていく。上層の転位は少ない。それでｐｎ接合の逆耐圧も十分である。さらに受光層の上にＩｎＰ窓層を設けると表面再結合を抑制でき暗電流が低減できる。
しかしそれでも不安のある場合は、最上層の上に性質の良く分かっているＩｎＧａＡｓを載せて、ここにｐｎ接合を形成するようにしてもよい。ＩｎＧａＡｓは窒素（Ｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、燐（Ｐ）を含まずよい結晶を作ることができる。ｐｎ接合をＩｎＧａＡｓに形成すると暗電流を低くできる。
本発明は膜厚の計量評価にＭａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの式を用いるが、そのまま使うのではない。λ、αは転位によって個別に決まり計算に載りにくい。そこでｃｏｓλ＝０．５、ｃｏｓα＝０．５とする。それは必ずしも６０度の転位だけを考えているということではなくて、Ｍａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの式を計量可能な明確な指標にするためである。
Ｍａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの式は剛性率Ｇを含まないから使いやすく、指標としやすい。更に使いやすくするために、ｃｏｓλ＝０．５、ｃｏｓα＝０．５とするのである。Ｍａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの非特許文献２及びＪｅｓｓｅｒ／Ｍａｔｔｈｅｗｓの非特許文献３は、（０＜ｔ＜ｈｃ）であるべきだと主張しているのであるが、本発明はそうでなく膜厚がｈｃ＜ｔ＜１１ｈｃであることを主張する。
さらに個々の材料がＩｎＰと格子整合するとｆ＝０となり、臨界膜厚が無限大になるので、それを避ける。個々の膜のＩｎＰとの不整合は±０．５〜±５％とする。
［実施例１（ＧａＩｎＮＡｓ／ＩｎＧａＡｓ）；（図１）］
図１に示すような構造のフォトダイオードを作製した。ＩｎＰ基板２の上に、ＩｎＰバッファ層３を形成し、ＧａＩｎＮＡｓ第１受光層４、ＩｎＧａＡｓ第２受光層５を４０回分交互積層（８０層）し、最上部にＩｎＰ窓層２０を形成し、ＩｎＰ窓層の中央部から最上の第２受光層ＩｎＧａＡｓに到るｐ領域２２を設けた。ＩｎＰ基板２にはｎ電極が、ｐ領域２２にはｐ電極が形成されるが、簡単にするため、ｎ電極、ｐ電極の図示を略した。
ＩｎＰの格子定数ａ０＝５．８６８７ｎｍである。格子不整合ｆは（ａ１−ａ０）／ａ０によって計算し、これを％表示している。これが正になる物質には添え字“ｌ”を付ける。これが負になる物質には添え字“ｓ”を付ける。ｆ＝（ａ１−ａ０）／ａ０であるが、この値そのものは％ではない。ｆ＜０なら“ｓ”、ｆ＞０なら“ｌ”という添え字を付けるということである。
以下の計算でポアソン比ν、格子定数ａが個々の混晶において物性定数として必要である。しかし実際にそのような混晶をバルク単結晶として作る事は難しく、現在のところ不可能である場合が多い。単結晶ができなければａ、νを実際に測定できない。そこでａ、νについては、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰなどの既知の単結晶の格子定数やポアソン比の値を用い、混晶比で按分して求めている。ａは個々の構成原子の大きさを反映するので、比例配分してもそれほど違わない。ポアソン比は０．３を中心として、もともとばらつきの少ない値である。
こうして求めたａ、νの値は実際の混晶のａやνと必ずしも一致しないかもしれないが、それは差し支えのないことである。既に述べたように本発明はＭａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの式を計量評価の式に用いるのであって、そのままの意味で使っているのではないからである。
（１）実施例１の第１受光層（ｕ＝０．２０、ｘ＝０．０４、ｙ＝０、ｚ＝０）
混晶組成 Ｇａ０．２０Ｉｎ０．８０Ｎ０．０４Ａｓ０．９６
格子定数ａｌ＝０．５９３３４ｎｍ
格子不整合＝＋１．１０２５％
膜厚ｔｌ＝７０ｎｍ（臨界厚み９．１ｎｍ）
積層回数ｎｌ＝４０
第１受光層の膜厚合計ｎ１ｔ１＝２８００ｎｍ
臨界厚みｈｃは次のようにして求めた。ν＝０．２６００５、ｃｏｓα＝０．５、ｃｏｓλ＝０．５、ｂ＝ａ／２０．５＝０．４１９５ｎｍ、ｆ＝０．０１１０２５、これらのパラメータを上の式に入れて、図７のような対数グラフと直線の交点を求め、それからｈｃ＝９．１ｎｍを求めた。層厚みはｈｃの約７．７倍の７０ｎｍとした。
（２）実施例１の第２受光層（ｕ＝０．６５、ｘ＝０、ｙ＝０、ｚ＝０）
混晶組成 Ｉｎ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ
格子定数ａｓ＝０．５７９５２ｎｍ
格子不整合＝−１．２５２４％
膜厚ｔｓ＝７０ｎｍ（臨界膜厚７．４ｎｍ）
積層回数ｎｓ＝４０
第２受光層の膜厚合計ｎｓｔｓ＝２８００ｎｍ
受光層合計厚み ｎｌｔｌ＋ｎｓｔｓ＝５６００ｎｍ
平均格子不整合＝−０．０７３５％
臨界厚みｈｃは次のようにして求めた。ν＝０．２８６１５、ｃｏｓα＝０．５、ｃｏｓλ＝０．５、ｂ＝ａ／２０．５＝０．４０９８ｎｍ、ｆ＝−０．０１２５２４、これらのパラメータを上の式に入れて、図７のような対数グラフと直線の交点を求め、それからｈｃ＝７．４ｎｍを得た。層厚みはｈｃの９．４倍の７０ｎｍとした。
平均格子不整合は｛＋１．１０２５×２８００＋（−１．２５２４）×２８００｝／５６００＝−０．０７３５％である。
実施例１において、第２受光層は、２．０μｍ〜３．０μｍの赤外光には感度がないが１．６μｍまでは感度があるので、受光層として作用する。
［実施例２（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ）；（図２）］
図２に示すような構造のフォトダイオードを作製した。ＩｎＰ基板２の上に、ＩｎＰバッファ層３を形成し、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ第１受光層６、ＧａＡｓＳｂ第２受光層７をそれぞれ３０回、３１回分交互に積層（合計６１層）し、最上部にＩｎＰ窓層２０を形成し、ＩｎＰ窓層の中央部から最上の第２受光層ＧａＡｓＳｂに到るｐ領域２２を設けた。ＩｎＰ基板２にはｎ電極が、ｐ領域２２にはｐ電極が形成されるが簡単にするため、ｎ電極、ｐ電極の図示を略した。
（１）実施例２の第１受光層（ｕ＝０．２５、ｘ＝０．０４、ｙ＝０．０５、ｚ＝０）
混晶組成Ｇａ０．２５Ｉｎ０．７５Ｎ０．０４Ｓｂ０．０５Ａｓ０．９１
格子定数ａｌ＝０．５９３４３ｎｍ
格子不整合＝＋１．１１７８％
膜厚ｔｌ＝８０ｎｍ（臨界厚み９．１ｎｍ）
積層回数ｎｌ＝３０
第１受光層の膜厚合計＝ｔｌｎｌ＝２４００ｎｍ
臨界厚みｈｃは次のようにして求めた。ν＝０．２６００５、ｃｏｓα＝０．５、ｃｏｓλ＝０．５、ｂ＝ａ／２０．５＝０．４１９６ｎｍ、ｆ＝０．０１１１７８、これらのパラメータを上の式に入れて、図７のような対数グラフと直線の交点を求め、それからｈｃ＝９．１ｎｍを得た。層厚みはｈｃの約８．８倍の８０ｎｍとした。
（２）実施例２の第２受光層（ｕ＝１、ｘ＝０、ｙ＝０．３５、ｚ＝０）
混晶組成ＧａＡｓ０．６５Ｓｂ０．３５
格子定数ａｓ＝０．５８０８１ｎｍ
格子不整合＝−１．０３２６％
膜厚ｔｓ＝７５ｎｍ（臨界膜厚９．２ｎｍ）
積層回数ｎｓ＝３１
第２受光層の膜厚合計ｎｓｔｓ＝２３２５ｎｍ
受光層合計厚み ｎｌｔｌ＋ｎｓｔｓ＝４７２５ｎｍ
平均格子不整合＝−０．０５９７％
臨界厚みｈｃは次のようにして求めた。ν＝０．３１１、ｃｏｓα＝０．５、ｃｏｓλ＝０．５、ｂ＝ａ／２０．５＝０．４１０７ｎｍ、ｆ＝−０．０１０３２６、これらのパラメータを上の式に入れて、図７のような対数グラフと直線の交点を求め、それからｈｃ＝９．２ｎｍを得た。層厚みはｈｃの約８．２倍の７５ｎｍとした。
平均格子不整合は｛＋１．１１７８×２４００＋（−１．０３２６）×２３２５｝／４７２５＝＋０．０５９７％である。
［実施例３（ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ／ＧａＩｎＮＡｓ）；（図３）］
図３に示すような構造のフォトダイオードを作製した。ＩｎＰ基板２の上に、ＩｎＰバッファ層３を形成し、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ第１受光層８、ＧａＩｎＮＡｓ第２受光層９をそれぞれ２６回、２５回分交互に積層（合計５１層）し、最上部にＩｎＰ窓層２０を形成し、ＩｎＰ窓層の中央部から最上の第１受光層ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰに到るｐ領域２２を設けた。ＩｎＰ基板２にはｎ電極が、ｐ領域２２にはｐ電極が形成されるが簡単にするため、ｎ電極、ｐ電極の図示を略した。
（１）実施例３の第１受光層（ｕ＝０．２５、ｘ＝０．０４、ｙ＝０．０５、ｚ＝０．０１）
混晶組成 Ｇａ０．２５Ｉｎ０．７５Ｎ０．０４Ｓｂ０．０５Ｐ０．０１Ａｓ０．９０

格子定数ａｌ＝０．５９３４７５ｎｍ
格子不整合＝＋１．１２５５％
膜厚ｔｌ＝９０ｎｍ（臨界厚み８．８ｎｍ）
積層回数ｎｌ＝２６
第１受光層の膜厚合計ｎｌｔｌ＝２３４０ｎｍ
臨界厚みｈｃは次のようにして求めた。ν＝０．２６８１８、ｃｏｓα＝０．５、ｃｏｓλ＝０．５、ｂ＝ａ／２０．５＝０．４１９７ｎｍ、ｆ＝０．０１１２５５、これらのパラメータを上の式に入れて、図７のような対数グラフと直線の交点を求め、それからｈｃ＝８．８ｎｍを得た。層厚みはｈｃの約１０．３倍の９０ｎｍとした。
（２）実施例３の第２受光層（ｕ＝０．５１、ｘ＝０．０４、ｙ＝０、ｚ＝０）
混晶組成Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｎ０．０４Ａｓ０．９６
格子定数ａｓ＝０．５８０７１ｎｍ
格子不整合＝−１．０４９６％
膜厚ｔｓ＝１００ｎｍ（臨界膜厚９．５ｎｍ）
積層回数ｎｓ＝２５
第２受光層の膜厚合計ｎｓｔｓ＝２５００ｎｍ
受光層合計厚み ｎｌｔｌ＋ｎｓｔｓ＝４８４０ｎｍ
平均格子不整合＝０．０２７４％
臨界厚みｈｃは次のようにして求めた。ν＝０．２６８１８、ｃｏｓα＝０．５、ｃｏｓλ＝０．５、ｂ＝ａ／２０．５＝０．４１０６ｎｍ、ｆ＝−０．０１０４９６である。これらのパラメータを上の式に入れて、図７のような対数グラフと直線の交点を求め、それからｈｃ＝９．５ｎｍを得た。層厚みはｈｃの約１０．５倍の１００ｎｍとした。
平均格子不整合は｛＋１．１２５５×２３４０＋（−１．０４９６）×２５００｝／４８４０＝＋０．００１８％である。
［実施例４（ＧａＩｎＮＡｓ／ＩｎＧａＡｓ＋ＩｎＧａＡｓ）；（図４）］
実施例１のＧａＩｎＮＡｓ／ＩｎＧａＡｓ交互多層膜構造において、交互膜の最上層とＩｎＰ窓層２０の間に、ＩｎＧａＡｓ層２３を入れたものである。ＩｎＧａＡｓ層２３はＩｎＰ基板と整合する組成のものである。ｐｎ接合はＩｎＧａＡｓ層２３にある。ＩｎＧａＡｓ層２３のために一層暗電流が減少する。
［実施例５（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ＋ＩｎＧａＡｓ）；（図５）］
実施例２のＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ交互多層膜構造において、交互膜の最上層とＩｎＰ窓層２０の間に、ＩｎＧａＡｓ層２３を入れたものである。ＩｎＧａＡｓ層２３はＩｎＰ基板と整合する組成のものである。ｐｎ接合はＩｎＧａＡｓ層２３にある。ＩｎＧａＡｓ層２３のために一層暗電流が減少する。
［実施例６（ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ／ＧａＩｎＮＡｓ＋ＩｎＧａＡｓ）；（図６）］
実施例３のＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ／ＧａＩｎＮＡｓ交互多層膜構造において、交互膜の最上層とＩｎＰ窓層２０の間に、ＩｎＧａＡｓ層２３を入れたものである。ＩｎＧａＡｓ層２３はＩｎＰ基板と整合する組成のものである。ｐｎ接合はＩｎＧａＡｓ層２３にある。ＩｎＧａＡｓ層２３のために一層暗電流が減少する。
ＩｎＰ基板、ＩｎＰバッファ層の上に、ＧａＩｎＮＡｓ層とＩｎＧａＡｓ層を複数回交互積層し、その上にＩｎＰ窓層を成長させ、上方中央部にｐ領域を形成した、本発明の第１の実施例にかかる受光素子の層構造を示す断面図。
ＩｎＰ基板、ＩｎＰバッファ層の上に、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ層とＧａＡｓＳｂ層を複数回交互積層し、その上にＩｎＰ窓層を成長させ、上方中央部にｐ領域を形成した、本発明の第２の実施例にかかる受光素子の層構造を示す断面図。
ＩｎＰ基板、ＩｎＰバッファ層の上に、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ層とＧａＩｎＮＡｓ層を複数回交互積層し、その上にＩｎＰ窓層を成長させ、上方中央部にｐ領域を形成した、本発明の第３の実施例にかかる受光素子の層構造を示す断面図。
ＩｎＰ基板、ＩｎＰバッファ層の上に、ＧａＩｎＮＡｓ層とＩｎＧａＡｓ層を複数回交互積層し、その上にＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＰ窓層を成長させ、ＩｎＧａＡｓ層にｐｎ接合がくるように上方中央部にｐ領域を形成した、本発明の第４の実施例にかかる受光素子の層構造を示す断面図。
ＩｎＰ基板、ＩｎＰバッファ層の上に、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ層とＧａＡｓＳｂ層を複数回交互積層し、その上にＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＰ窓層を成長させ、ＩｎＧａＡｓ層にｐｎ接合がくるように上方中央部にｐ領域を形成した、本発明の第５の実施例にかかる受光素子の層構造を示す断面図。
ＩｎＰ基板、ＩｎＰバッファ層の上に、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ層とＧａＩｎＮＡｓ層を複数回交互積層し、その上にＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＰ窓層を成長させ、ＩｎＧａＡｓ層にｐｎ接合がくるように上方中央部にｐ領域を形成した、本発明の第６の実施例にかかる受光素子の層構造を示す断面図。
臨界膜厚を求めるために、右辺のｂ（１−νｃｏｓ２α）｛ｌｏｇ（ｈｃ／ｂ）＋１｝／８πｆ（１＋ν）ｃｏｓλと左辺のｈｃをｈｃの関数として独立に描き、その交点から臨界膜厚ｈｃを求める手法を説明するためのグラフ。
無転位基板の上に薄膜を一層成長させるとするＭａｔｔｈｅｗｓ／Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの仮定を示す薄膜／基板の断面図。
薄膜／薄膜の繰り返しを成長させるとする、本発明の場合の転位の承継、発生を示す薄膜／薄膜の断面図。

Claims (4)

  1. ＩｎＰ基板と、窒素混晶比が５％以下でＩｎＰ基板格子定数ａ０より大きい格子定数ａのＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ混晶よりなりｈｃ＝ｂ（１−νｃｏｓ２α）｛ｌｏｇ（ｈｃ／ｂ）＋１｝／８πｆ（１＋ν）ｃｏｓλ（ｌｏｇは自然対数、ｂ＝ａ／２１／２、νはポアソン比、ｆはＩｎＰとの格子不整合（ａ−ａ０）／ａ０、ｃｏｓλ＝０．５、ｃｏｓα＝０．５）によって決まる臨界膜厚ｈｃの１倍〜１１倍の厚みを持つ過大受光層と、窒素混晶比が５％以下でＩｎＰ基板格子定数ａ０より小さい格子定数ａのＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ混晶よりなりｈｃ＝ｂ（１−νｃｏｓ２α）｛ｌｏｇ（ｈｃ／ｂ）＋１｝／８πｆ（１＋ν）ｃｏｓλ（ｌｏｇは自然対数、ｂ＝ａ／２１／２、νはポアソン比、ｆはＩｎＰとの格子不整合（ａ−ａ０）／ａ０、ｃｏｓλ＝０．５、ｃｏｓα＝０．５）によって決まる臨界膜厚ｈｃの１倍〜１１倍の厚みを持つ過小受光層とを交互積層してなる受光層を有し、過大受光層および過小受光層のＩｎＰ基板との格子不整合が±０．５％〜±５％であり、過大受光層と過小受光層の少なくとも一方が２．０μｍ〜３．０μｍの間に吸収端波長を持ち、過小受光層、過大受光層のそれぞれの合計厚みが２．０μｍ〜４．０μｍであり、格子不整合に厚みを掛けて平均した平均格子不整合が±０．２％以下であることを特徴とする受光素子。
  2. 過大受光層が、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰのいずれかであって、吸収端波長が２．０μｍ〜３．０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
  3. 受光層の上にＩｎＰ窓層を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の受光素子。
  4. 受光層の上に、ＩｎＰ基板との格子不整合が±０．２％以内のＩｎＧａＡｓ層を設け、ｐｎ接合は、ＩｎＧａＡｓ層内に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の受光素子。
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