JP5260909B2 - 受光デバイス - 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域から中赤外域に感度を持つセンサや、撮像素子などに用いられる受光デバイスに関する。より詳しく言えば、２μｍ〜３μｍの赤外光を受光できるようなデバイスを与えることを目的とする。
このような中赤外光は、ガス分析、医療、環境計測などの分野で様々の応用が期待される。しかしこの範囲の赤外光を発光する半導体発光素子がないので実現されていない。発光素子だけでなく受光素子も適当なものがないというのが現状である。光通信用のフォトダイオードはＩｎＰを基板、ＩｎＧａＡｓを受光層としており１．３μｍ〜１．６μｍの近赤外光に感度がある。
しかし１．６μｍ以上の吸収端を持つ適当な材料がないので、１．６μｍ以上の赤外光を受光するデバイスを作ることができない。図４は半導体バルク結晶の中に形成されるバンド構造を簡略図示したもので、受光層の価電子帯と伝導帯を示している。一様に伸びる価電子帯と伝導帯がある。その間が禁制帯である。禁制帯のエネルギー幅、つまり価電子帯と伝導帯のエネルギーの差がバンドギャップＥｇである。受光層が光を吸収することによって価電子帯の電子が伝導帯へ励起される。吸収のある材料によってｐｎ接合を作れば励起された電子、正孔が分離されて光電流となるので、これを外部に取り出すことによって光の入射を検知するフォトダイオードを構成することができる。
ところがバンドギャップＥｇ以上のエネルギーを持つ光しか半導体によって吸収されない。光のエネルギーはｈν＝ｈｃ／λによって与えられる。ここでｈはプランク定数、ｃは真空中の光速、λは波長、νは振動数である。光のエネルギーＥ＝ｈｃ／λをｅＶで表現し、波長λをμｍで表現すると、λ＝１．２３９８／Ｅの関係がある。基板であるＩｎＰのバンドギャップは１．３ｅＶであるから遮断波長は０．９５μｍである。ＩｎＰ基板はそれ以下の波長の光を吸収する。それ以上の波長の光を通すことができるから０．９５μｍ以上の光を測定するデバイスの基板とすることができる。ＩｎＰ基板に整合するような３−５族の薄膜をその上に形成して受光素子を作ることができる。
しかし基板と格子整合するということが条件になる。３元系のＩｎＧａＡｓが受光層としてよく用いられる。ＩｎＰと整合するという条件からＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓという組成のものが用いられる。これは吸収端波長が１．６μｍの程度である。従って１．３μｍや１．５５μｍのような光通信用の光を受光するフォトダイオードとして最適である。
しかしそれより波長の長い２μｍ〜３μｍを受光できるような適当なフォトダイオードがない。２．５μｍを受けるにはバンドギャップがＥｇ＝０．５ｅＶ程度でなければならない。しかしそのように狭いバンドギャップを持つような適当な半導体は数少なく、あったとしてもｐｎ接合を作ってフォトダイオードとすることができない。
特許文献１は中赤外に対応するレーザ材料としてＳｂを含む３−５族半導体が提案されているが、Ｓｂを含む３−５族結晶は作り難く不安定で実用的なデバイスはできないと述べている。Ｓｂ系３−５族を否定した特許文献１はＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板に整合するＧａＩｎＮＡｓやＩｎＮＰＡｓなど窒素を含む３−５族化合物半導体は０．７３ｅＶ以下のバンドギャップを持つ結晶となり得るとし、１．７μｍ〜５μｍの中赤外の光を発光する発光素子とその波長帯の光を受光する受光素子を作ることができると主張している。０．７３ｅＶというエネルギーは１．７μｍの波長に対応する。特許文献１は窒素の電気陰性度が極めて高いから、窒素比率が小さい間では格子定数が減るとバンドギャップも減るという性質があると主張する。
一方、光通信でこれまで利用されてきたＧａＩｎＡｓは格子定数が増えるとバンドギャップが減るという性質がある。よってＧａＩｎＡｓに窒素を加えたＧａＩｎＮＡｓは格子定数をＩｎＰまたはＧａＡｓ基板に整合させたままでバンドギャップを減らすことができるので、０．７３ｅＶ以下のバンドギャップの混晶を作り得るという。
特許文献１は発光素子に重点があり半導体レーザの構造を述べている。フォトダイオードについては実施例１だけに記載があり、特許文献１の実施例１のフォトダイオード構造を上から順に記載すると次のようになる。
ｐ−ＧａＩｎＡｓキャップ層 （０．２μｍ厚）
ｐ−ＩｎＰ層 （１．０μｍ厚）
ノンドープＧａＩｎＮＡｓ無歪光吸収層（０．５μｍ厚）
ｎ−ＩｎＰ層 （１．０μｍ厚）
ｎ−ＩｎＰ基板
しかし、特許文献１は、ＧａＩｎＮＡｓ無歪光吸収層の混晶比を記載していない。バンドギャップの値が分からない。またこれが１．７μｍを受光できたか否かも述べていない。特許文献１は審査請求されず取り下げ擬制になっている。バンドギャップを０．６ｅＶ（波長２μｍに対応）にまで下げるには窒素Ｎの比率をかなり大きく（１０％程度）しなければならない。ところがそのように高い窒素比率のＧａＩｎＮＡｓ薄膜をＩｎＰ基板上に成長させるのは不可能である。５族の元素は成長温度での蒸気圧が極めて高いので気相成長が難しい。この場合はそれだけでなく、異なる２つの５族元素が存在する。蒸気圧が大きく違い、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長法）でも巧く成長させることができない。
特許文献２はＩｎＰ基板の上に、ＩｎＰより格子定数の小さいＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層と、ＩｎＰより格子定数の大きいＩｎ０．５５Ｇａ０．４５Ａｓ層とを受光層として重ねて成長させ、その上にＩｎＰキャップ層を成長させたフォトダイオードを提案している。ＩｎＰに比べて過不足のある格子定数の２層を組み合わせ、平均の格子定数がＩｎＰの格子定数に一致するようにしている。前者のＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓの吸収波長はλｇ＝１．５７μｍであり、後者のＩｎ０．５５Ｇａ０．４５Ａｓの吸収端波長はλｇ＝１．６３μｍである、という。従って１．６３μｍまでの赤外光を受光することができる、というわけである。従来の光通信用のフォトダイオードはＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ受光層を持ち、吸収波長はλｇ＝１．５７μｍであるから、従来のものよりも０．０６μｍ分赤外側まで感受することができるというわけである。
しかし、ＩｎＰやＧａＡｓに格子整合し、バンドギャップが狭い半導体というのはなかなか存在しない。そこで２つのタイプの超格子を受光層とするような構造が提案された。
ＩｎＰ基板に整合する混晶半導体薄膜層の接合に２つの異なる種類のものがあることが分かっている。通常のものをタイプ１といい、新たに発見された接合をタイプ２と呼ぶ。この２種類の接合の様式の違いを説明する。
図５はタイプ１の超格子構造のバンドを示す。バンドギャップＥｇＡの狭い材料ＡとバンドギャップＥｇＢの広い材料Ｂをヘテロ接合させた場合に、Ａの伝導帯ＣＡよりＢの伝導帯ＣＢが上に、Ａの価電子帯ＶＡよりＢの価電子帯ＶＢが下に来るような場合である。これをタイプ１のヘテロ接合という。
材料ＡのバンドギャップＥｇＡと材料ＢのバンドギャップＥｇＢは決まっているが、接合において伝導帯の差（ＣＡ−ＣＢ）、価電子帯の差（ＶＡ−ＶＢ）が幾らになるのかというのは簡単には分からない。仕事関数φの差と言ってもよいがこれは予め分からない。試料を作ってみて初めて決まる。材料Ａの伝導帯、価電子帯の高さをＣＡ、ＶＡとする。材料Ｂの伝導帯、価電子帯の高さをＣＢ、ＶＢとする。
ＣＡ−ＶＡ＝ＥｇＡ・・・（１）
ＣＢ−ＶＢ＝ＥｇＢ・・・（２）
であって、ＥｇＡ、ＥｇＢは定数である。ＣＡ−ＣＢ或いはＶＡ−ＶＢが分かれば、ＣＡ、ＶＡ、ＣＢ、ＶＢの全てが確定する。しかしＣＡ−ＣＢもＶＡ−ＶＢも簡単には分からず、材料Ａと材料Ｂのヘテロ接合でどのようなバンドができるか予め分からない。ヘテロ接合を作って初めてＣＡ−ＣＢが決まるからである。しかし決まっても、その値を求める手段は限られている。接合がどのようになっているのか直接に確かめる手段はない。
タイプ１のヘテロ接合というのは、ＥｇＡ＜ＥｇＢのとき、ＣＡ−ＣＢ＜０且つＶＡ−ＶＢ＞０というものである。一般には（ＣＡ−ＣＢ）（ＶＡ−ＶＢ）＜０というようにして定義できる。伝導帯高さの差と価電子帯高さの差が反対であるというものである。通常のヘテロ接合は価電子帯が下がれば伝導帯は上がるというようになっており、そのような関係は最もありふれたものである。
材料Ａ、Ｂを何層にも重ねた超格子構造にしたものでも、単一のヘテロ接合でもバンドの関係は同じことである。タイプ１の単一の接合は図５のようなものである。ＥｇＡ＜ＥｇＢの例である。ＣＢ＞ＣＡ、ＶＡ＞ＶＢである。伝導帯の差ＷＡＢ＝ＣＡ−ＣＢは負である。価電子帯の差ＵＡＢ＝ＶＡ−ＶＢは正である。タイプ１というのはＷＡＢＵＡＢ＜０というように簡明に表現することができる。タイプ１の接合を多数交互に重ねたものは図９のようなものである。
材料Ａでの長波長の光吸収によってイのような遷移が起こり、材料Ａで電子正孔対ができる。材料Ｂでの短波長の光吸収によってロのような遷移が起こり、材料Ｂで電子正孔対ができる。これは吸収すべき光の波長（エネルギー）による。ハのように接合を横切るような遷移も低い確率で起こる。エネルギーの低い単色光を当てた場合はイの遷移しか起こらない。ｈｃ／λがフォトンエネルギーであるから、ｈｃ／ＥｇＡより長い波長λの光を吸収しない。この多重接合を含む超格子を受光層とするフォトダイオードは、狭いバンドギャップＥｇＡより小さいエネルギーの光を検出することはできない。
例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰの超格子を作ると、ＩｎＰが広いバンドギャップの材料Ｂに、ＩｎＧａＡｓが狭いバンドギャップの材料Ａに該当しタイプ１の接合を作る。タイプ１が尋常な接合である。殆どの半導体の接合はタイプ１である。波長の長い赤外光の検出のためにはバンドギャップの狭い半導体材料を使うしかない。しかしそれほどバンドギャップの狭い半導体というのはなかなか存在しない。
ところが図６のような接合も考え得る。材料Ｄと材料Ｇのヘテロ接合において、伝導帯底部エネルギーＣＤ、ＣＧ、価電子帯頂部エネルギーＶＤ、ＶＧが同じように変化するというようなものである。つまりＷＧＤ＝ＣＤ−ＣＧ＞０、ＵＧＤ＝ＶＤ−ＶＧ＞０或いはその反対であるというような接合である。一般には（ＣＤ−ＣＧ）（ＶＤ−ＶＧ）＞０というものである。
非特許文献４（Ｋｌｅｍ ｅｔ ａｌ．）はＭＢＥ法によってＧａＡｓ０．５Ｓｂ０．５／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのヘテロ接合を有する超格子薄膜構造をＩｎＰ基板の上に作り、超格子の膜厚の組み合わせを変えて、７７ＫでのＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ超格子構造のフォトルミネセンス（ＰＬ）を調べた。（００４）Ｘ線回折強度の角度依存性も測定した。ＩｎＰ基板上に作るので格子整合の条件から適切な混晶比が決まる。
混晶比については、ＩｎＧａＡｓはＩｎ＝０．５３、Ｇａ＝０．４７でこれまで何度も述べたものである。ＩｎＰ基板の上の受光層として最もありふれたものである。１．２μｍ〜１．６μｍの光通信のフォトダイオードとして既に広く使われたものの受光層である。バンドギャップはＥｇ＝７８９ｍｅＶで吸収端波長は１．５７μｍである。バンド間遷移１．５７μｍに当たるフォトルミネセンスが現れる。
一方のＧａＡｓＳｂは作りにくい材料である。成長速度も遅い。ＧａＡｓＳｂの混晶比は不安定である。原料ガスの組成や温度によって大きく混晶比が変動すると述べている。
ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ接合におけるバンド差ＷＧＤ、ＵＧＤも不明である。
超格子膜厚が１６．５ｎｍ／１６．５ｎｍ、８．５ｎｍ／８．５ｎｍ、５．５ｎｍ／５．５ｎｍという３種類の組み合わせを作って、１０Ｋでのフォトルミネセンスを測定している。フォトルミネセンスは各々０．４５ｅＶ、０．４８ｅＶ、０．５３ｅＶにピークを持ち、超格子膜厚の薄い組み合わせの方がフォトルミネセンス強度が大きいという結果を得た。
もしこれがタイプ２の接合をしており、ＩｎＧａＡｓの伝導帯とＧａＡｓＳｂの価電子帯の間の遷移によってフォトルミネセンスが出るのだとすると、ＩｎＧａＡｓ伝導帯の底とＧａＡｓＳｂ価電子帯の頂上のエネルギー差をＱとして、フォトルミネセンスのエネルギーＥｐｈは
Ｅｐｈ＝Ｑ＋（ｈ２／８）（１／ｔ２ｍｅ＋１／ｓ２ｍｈ）
となるはずである。ｈはプランク定数、ｓ、ｔは隆起層、沈降層の一枚の厚み、ｍｅ、ｍｈは電子正孔の有効質量である。Ｑとｓ、ｔを様々に変えて可能なＥｐｈの値を計算できる。ｓ＝ｔ＝１６．５ｎｍ、８．５ｎｍ、５．５ｎｍの三種類で超格子を作りフォトルミネセンスを測定したところ、Ｅｐｈ＝０．４５、０．４９、０．５４ｅＶであった。測定結果から非特許文献４は交差バンドギャップＱ＝０．４３ｅＶと推定した。非特許文献４はＧａＡｓＳｂ（Ａｓ：Ｓｂ＝５０：５０）のバンドギャップをＥｇＤ＝８００ｍｅＶ、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップをＥｇＧ＝８１０ｍｅＶと推定した。
図６のようにＥｇＧ＝Ｑ＋ＵＧＤ、ＥｇＤ＝ＷＧＤ＋Ｑであるから、ＵＧＤ＝３８０ｍｅＶ、ＷＧＤ＝３７０ｍｅＶと計算される。伝導帯のオフセットＷＧＤがこれによってやっと計算されたことになる。ＷＧＤがタイプ２の接合の最も重要なパラメータである。バンドギャップが分かっているので、これが決まれば交差バンドギャップＱも分かる。非特許文献４はＱ＝４３０ｍｅＶだと主張している。
非特許文献４は交差バンドギャップをＣＤ−ＣＧ＝０．３７ｅＶと推定した。隆起層はＤ＝ＧａＡｓＳｂ、沈降層はＧ＝ＩｎＧａＡｓである。ＧａＡｓＳｂは原料ガス５族／３族比によって混晶比が変動するが、５．５のときは吸収端が１．５５μｍでバンドギャップＥｇＤ＝０．８００ｅＶと計算される。ＩｎＧａＡｓの方は既知の良く知られたＩｎが５３％、Ｇａが４７％の混晶である。吸収端が１．５７μｍでバンドギャップがＥｇＧ＝０．７８９ｅＶである。ＣＤ−ＣＧ＝０．３７ｅＶと仮定したので、価電子帯のギャップはＶＤ−ＶＧ＝０．３５９ｅＶとなるはずである。図７はそのような仮説に基づくバンド接合図である。非特許文献４はフォトルミネセンスの測定からそのようなバンド図を推定した。
しかし交差バンドギャップＱの値はそれまでにも異なる値が報告されている。
非特許文献５は交差バンドギャップＱ＝２３０ｍｅＶだと述べている。非特許文献６は交差バンドギャップがＱ＝２５０ｍｅＶだと言っている。
測定の対象と推論によってＱの値が変わる。交差バンドギャップＱの値についていくつもの推論が存在した。
それはＧａＡｓＳｂの不安定性、評価の困難を物語っている。材料固有のバンドギャップＥｇＧ、ＥｇＤが小さくならなくても、交差バンドギャップが小さければ、この交差遷移によって波長の長い赤外光を受光できるフォトダイオードを作れる可能性がある。
タイプ２の接合は複雑であるので、ここで用語を仮に定義する。タイプ２の接合をして伝導帯、価電子帯ともに高くなる層を隆起層Ｄと呼ぶ。伝導帯、価電子帯ともに低くなる層を沈降層Ｇと呼ぶ。ＷＧＤを伝導帯偏差という。ＵＧＤを価電子帯偏差という。沈降層のバンドギャップＥｇＧ、隆起層のバンドギャップＥｇＤと伝導帯偏差、価電子帯偏差の間には、ＥｇＧ＝Ｑ＋ＵＧＤ、ＥｇＤ＝ＷＧＤ＋Ｑの関係がある。Ｑが中赤外光（２〜３μｍ）のエネルギーの程度である。
Ｑに対応するフォトルミネセンスが出ている。それは沈降層の伝導帯と隆起層の価電子帯の間の電子遷移によるものと推定される。フォトルミネセンスが出るのでこれを使って中赤外用の発光素子ができるかもしれない。ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓの接合を使って中赤外用の発光素子を作る試みがなされている。それとは反対にフォトルミネセンスが出るので、中赤外光を吸収して光電流を発生する受光素子を作ることができるかもしれない、という期待が持たれた。つまりタイプ２の接合を使って、中赤外光のフォトダイオードを作れる可能性がある。
非特許文献３（Ｙａｍａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．）はＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ／ＧａＡｓ０．５Ｓｂ０．５の単一接合（ＳＨ；シングルヘテロ：ＭＱＷではない）をＩｎＰ基板の上にＭＢＥ法で温度を変え（５０５℃、５１５℃、５３０℃）、５／３族比を変化させて（５／３比＝５．５、１２、１８）成長させ、Ａｒレーザ（５１４ｎｍ）を照射しフォトルミネセンスの成長温度依存性を調べた。ここでのフォトルミネセンスは１．５μｍから１．６３μｍ程度であり、交差バンドギャップによるフォトルミネセンス（２．３μｍ）ではない。
１．５７μｍのバンド端に当たるフォトルミネセンスの他に、原料ガス５族／３族比が５．５で成長させたＧａＡｓＳｂ層で、よりエネルギーの低い１．６１μｍにピークを持つフォトルミネセンスが現れたという。成長温度を５０５℃から５３０℃へ高めると１．６１μｍのピークは低減する。５３０℃の成長温度の試料では１．６１μｍの発光は検出できないと述べている。これはＩｎＧａＡｓのバンドギャップにも、ＧａＡｓＳｂのバンドギャップにも対応しない。これは不純物準位間遷移による発光だと考えられる。非特許文献３の伝導帯のエネルギー差をＷＧＤ＝３７０ｍｅＶと仮定して、ＩｎＧａＡｓ（沈降層Ｇ）でのポテンシャルを仮定し、シュレンディナー方程式を立て、セルフコンシステントにこれを解いている。
沈降層Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓの伝導帯の第１軌道エネルギーはＥ１＝１２４ｍｅＶ、第２軌道エネルギーはＥ２＝１５０ｍｅＶ、フェルミエネルギーはＥｆ＝１７６ｍｅＶだと述べている。図８にこれを示す。隆起層の価電子帯の第１軌道、第２軌道のエネルギーは計算していないが、Ｅ１＝５０ｍｅＶ程度はあるだろうと推測される。
沈降層の伝導帯の底と、隆起層の価電子帯の頂点のエネルギー差がＱ＝３７０ｍｅＶだから、隆起層（ＧａＡｓＳｂ）の頂点へ、沈降層の伝導帯第１軌道から隆起層価電子帯の第１軌道へ落ちた電子の出すエネルギーは５４４ｍｅＶとなる。これは波長２．４６μｍに対応する。これが２．４μｍ〜２．５μｍのフォトルミネセンスの起源だろうと推測している。つまりＱ＝ＷＧＤ＝３７０ｍｅＶということを確認したと非特許文献３は主張しているのである。
非特許文献２（Ｒｕｂｉｎ ｅｔ ａｌ．）はＩｎＰ基板の上にＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓバッファ層を形成し、その上に５ｎｍ／５ｎｍのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂの１５０対からなる（全厚み１５００ｎｍ）量子井戸を成長させ、さらにＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ窓層を付けたフォトダイオードを提案している。これによれば室温で２．２３μｍの光を受光できたと述べている。これがタイプ２の接合を用いたフォトダイオードの最初のものである。
特開平０９−２１９５６３号 特開２００３−２８２９２７号 Ｔ．Ｍｕｒａｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．、"ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＩｎＡｓｙＰ１−ｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ（１−２．６μｍ）"、Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｕｂｉｎ Ｓｉｄｈｕ、Ｎｉｎｇ Ｄｕａｎ、ＪｏｅＣ．Ｃａｍｂｅｌｌ ＆ Ａｒｃｈｉｅ Ｌ．Ｈｏｌｍｅｓ、"Ａ Ｌｏｎｇ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｏｎ ＩｎＰ Ｕｓｉｎｇ Ｌａｔｔｉｃｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ ＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓＳｂ Ｔｙｐｅ−ＩＩ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌｓ"、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．１７、Ｎｏ．１２、ｐｐ２７１５−２７１７、Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００５ Ａ．Ｙａｍａｍｏｔｏ、Ｙ．Ｋａｗａｍｕｒａ、Ｈ．Ｎａｉｔｏ ＆ Ｎ．Ｉｎｏｕｅ、"Ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＧａＡｓ０．５Ｓｂ０．５ ａｎｄ Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ／ＧａＡｓ０．５Ｓｂ０．５ｔｙｐｅ ＩＩ ｓｉｎｇｌｅ ｈｅｔｅｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｌａｔｔｉｃｅ−ｍａｔｃｈｅｄ ｔｏ ＩｎＰ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、Ｖｏｌ．２０１／２０２、ｐｐ８７２−８７６、Ｍａｙ １９９９ Ｊ．Ｆ．Ｋｌｅｍ、Ｓ．Ｒ．Ｋｕｒｔｚ ａｎｄ Ａ．Ｄａｔｙｅ、"Ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＧａＡｓｓｂ／ＩｎＧａＡｓ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ ｏｎ ＩｎＰ"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｖｏｌ．１１１、 ｐｐ６２８−６３２、１９９１ Ｇ．Ａ．Ｓａｉ−Ｈａｌａｓｚ ｅｔ ａｌ．、Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｍｕｎ．２７、ｐ９３５、１９７８ Ｙ．Ｓｕｇｉｙａｍａ ｅｔ ａｌ．、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｖｏｌ．９５、ｐ３６３、１９８９
１．７μｍより長く３．５μｍ程度までの中赤外光に対する感度を持つ受光デバイスを提供することを目的とする。
本発明は、ＩｎＰ基板の上に、価電子帯、伝導帯共に低い沈降層と、価電子帯、伝導帯共に高くなる隆起層の接合を複数層積層したタイプ２の接合を持つ超格子受光層を形成し、層間でのバンドギャップ遷移が起こるようにし、エネルギーの低い中赤外光を受光できる受光素子、受光デバイスを提供する。ＩｎＰ基板の上に形成するので、いずれもＩｎＰ基板と格子整合するという条件がある。
価電子帯、伝導帯が低い沈降層（Ｇ型層）は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎを少なくとも含む３−５族化合物半導体である。具体的にはＩｎＰ基板に整合するＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＳｂＮ、ＩｎＧａＡｓＳｂＰＮである。
価電子帯、伝導帯が高い隆起層（Ｄ型層）は、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｂを少なくとも含む３−５族化合物半導体である。具体的にはＩｎＰに整合するＧａＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂＮ、ＧａＡｓＳｂＰＮである。
Ｇ＝ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＳｂＮ、ＩｎＧａＡｓＳｂＰＮ
Ｄ＝ＧａＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂＮ、ＧａＡｓＳｂＰＮ
であるから次のような組み合わせの例がある。
［Ｇ／Ｄの組み合わせ例］
［１．ＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂ（図１１）］
［２．ＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂＮ（図１３）］
［３．ＩｎＧａＡｓＳｂＮ／ＧａＡｓＳｂ（図１５）］
［４．ＩｎＧａＡｓＳｂＮ／ＧａＡｓＳｂＮ（図１７）］
［５．ＩｎＧａＡｓＳｂＰＮ／ＧａＡｓＳｂＮ（図１９）］
［６．ＩｎＧａＡｓＳｂＮ／ＧａＡｓＳｂＰＮ（図２１）］
［７．ＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂＰＮ］
［８．ＩｎＧａＡｓＳｂＰＮ／ＧａＡｓＳｂＰＮ］
［９．ＩｎＧａＡｓＳｂＰＮ／ＧａＡｓＳｂ］
ここでは混晶比を省いているが、ＩｎＰと整合するという条件があるので混晶比は決まる。具体的な混晶比は後に述べる。
ＩｎＰ基板との格子整合条件は厳しく、ＩｎＰとの格子定数の相違をΔａとし、ＩｎＰの格子定数をａとしたとき、
−０．００２≦Δａ／ａ≦＋０．００２
とする。つまりＩｎＰ基板との格子不整合が±０．２％以下だということである。これ以外では暗電流が高くなる。
超格子（Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ：Ｍｕｌｔｉｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌ）の構成要素である沈降層厚みｔ、隆起層厚みｓは等しくても等しくなくてもよいが、いずれも３ｎｍ〜１０ｎｍとする。例えば沈降層／隆起層＝３ｎｍ／３ｎｍ、５ｎｍ／５ｎｍ、７ｎｍ／７ｎｍ、１０ｎｍ／１０ｎｍというような超格子構造とすることができる。同じ厚みでなく、例えば、沈降層／隆起層＝５ｎｍ／３ｎｍとか、沈降層／隆起層３ｎｍ／６ｎｍというように不等厚みにしてもよい。
超格子の厚みが狭いと伝導帯にできる電子の離散レベル、価電子帯にできる正孔の離散レベルの幅が広くなる。両方の離散レベルのエネルギーにＱを加えたものがフォトンの吸収端を与える。３ｎｍより狭いと、離散レベルが高くなり、フォトン吸収端エネルギーが上がり、近赤外〜中赤外（１．７μｍ〜３．５μｍ）に感度がなくなる。よって３ｎｍ以上とする。
反対に１０ｎｍより広いと交差して電子正孔対がなかなか生成されない。つまりフォトダイオードとしての感度が低くなる。タイプ２の接合の特徴が活かせない。従って
３ｎｍ≦ｓ、ｔ≦１０ｎｍ
と決める。
超格子の全体の厚みＬは、それぞれの個別の厚みｔとｓの和（ｓ＋ｔ）に層数Ｍを掛けたものでＬ＝Ｍ（ｓ＋ｔ）となる。超格子が受光部なので、超格子厚みは受光素子の感度を決める。あまりに薄いと感度が低い。下限は２μｍとする。これ以下だと感度が低すぎる。反対に超格子の厚みを大きくするとコスト高になるし歪みも増える。入射光を全部吸収できればよいのである。入射光を全部吸収できる厚みは組成による。超格子の厚みＬの上限は７μｍの程度である。
２μｍ≦Ｌ≦７μｍ
最表面がＩｎＧａＡｓ（Ｎ）で終わった場合、電流リーク発生で暗電流が増加する。また、最表面をＧａＡｓＳｂにするとパッシベーション膜を作るのが難しく、今のところ、Ｓｂに対するパッシベーション膜の形成技術が確立していない状況である。一方、ＩｎＰは受光層よりも大きなバンドギャップを持つため、電子や正孔の流れを堰き止める障壁層の役目を有する。このため、ＩｎＰ窓層を設けることによってリーク電流が堰き止められ暗電流が減る。また、Ｓｂとは違い、ＩｎＰに対するパッシベーション膜形成技術は確立されている。(実際にはＳｉＮ膜を使用)このような理由からＩｎＰ窓層を設けることによって、暗電流低減を可能にし、もって素子の信頼性の向上を実現することができる。次に、窓層としてIｎＡｌＡｓ＋ＩｎＧａＡｓ層を設けた場合の効果について述べる。ＩｎＰに格子整合するＩｎＡｌＡｓはＩｎＰと同程度のバンドギャップを持つ。従って、ＩｎＡｌＡｓはＩｎＰと同じようにリーク電流を堰き止める効果を持つ。しかし、Ａｌを含むので酸化し易い性質を持ち、表面にＩｎＡｌＡｓがむき出しになっている構造は好ましくない。このためＩｎＧａＡｓでキャップする。ＩｎＧａＡｓに対するパッシベーション膜の技術も確立されている（ポリイミド系の樹脂を使用）。
トータルで見ると受光層の上に形成する窓層としてはＩｎＰの方が「ＩｎＡｌＡｓ＋ＩｎＧａＡｓ」の組合せ構造よりも優れるわけだが、Ｎを含む受光層はＭＯＶＰＥよりもＭＢＥで成長する方が結晶性に優れる。しかしＭＢＥでＩｎＰを成長するのは量産性の点では問題がある。燐は燃え易いので設備のメンテナンスでＭＢＥ装置が大気に触れた時に燃える可能性があるためである。このためＭＢＥで燐はできるだけ使いたくない。それに比べてＩｎＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓはＭＢＥで問題無く容易に成長できる利点がある。
フォトダイオードとしては上面入射型のものもできるし、裏面入射型のものもできる。中赤外用のフォトダイオードアレイとすることもできる。
本発明は、ＩｎＰ基板の上に、価電子帯、伝導帯ともに低い沈降層と、価電子帯、伝導帯ともに高くなる隆起層の接合を複数層積層したタイプ２の接合を持つ超格子受光層を形成し、層間でのバンドギャップ遷移が起こるようにしたので、１．７μｍ〜３．５μｍの近赤外から中赤外光を受光する受光素子、受光デバイスを提供することができる。
［実施例１ ＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂの量子井戸受光層（図１２）］
フォトダイオードの全体の断面図を図２３に示す。超格子受光層の断面図を図１２に示す。硫黄（Ｓ）ドープのｎ＋−ＩｎＰ基板２を準備する。ｎ型キャリヤ濃度は２×１０１８ｃｍ３である。ｎ＋−ＩｎＰ基板２の上にＳｉドープｎ＋−ＩｎＰバッファ層３を２μｍ厚みに成長させる。さらにＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂの超格子受光層４をＭＢＥ法によって形成する。超格子受光層４を混晶比も示すと、Ｉｎ０．５６Ｇａ０．４４Ａｓ０．９９Ｎ０．０１／ＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９である。ＩｎＧａＡｓＮ層の厚みは５ｎｍ、ＧａＡｓＳｂの厚みは５ｎｍである。１周期厚みが１０ｎｍである。これを２００対積層した。受光層の厚みの合計は２０００ｎｍ（２μｍ）である。超格子受光層４の上にＢｅドープｐ＋−ＩｎＰ窓層７を１μｍ厚みにエピタキシャル成長させた。
エピタキシャル成長のためにＭＢＥ装置を用いた。ＭＢＥ装置の中央の基板ホルダ−にｎ型ＩｎＰウエハ−を保持し背面からヒータ加熱する。基板温度は４７０℃に設定した。分子線セルは基板ホルダ−の下方に適数個設けられる。ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）は固体ソースセルによって与えた。ＰＢＮるつぼをヒータで囲み、さらに金属薄片のレフレクタで囲んだ分子線セルである。固体材料をＰＢＮるつぼに入れてヒータ加熱して気化させる。窒素（Ｎ）はＥＣＲプラズマセルによって与えた。縦方向に８７５ガウス近傍の磁界を形成し、９．５ＧＨｚのマイクロ波を加え、マイクロ波と電子運動を共鳴させて窒素との衝突の機会を増やし、窒素をプラズマに変換する。マイクロ波パワーは４０Ｗで、窒素流量は０．７ｓｃｃｍであった。分子線の供給遮断はシャッターの開閉によって行なった。
タイプ２の接合を作るので、光入射によって電子正孔は図１０のヘのような交差遷移をする。交差バンドギャップは３．０μｍである。２．５μｍの光によって光電流が流れた。２．８μｍまでの中赤外光に対して感度のあるフォトダイオードとすることができた。図２５はＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂを１０対積層した結晶膜のフォトルミネッセンス測定結果を示す。
［実施例２ ＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂＮの量子井戸受光層（図１４）］
フォトダイオードの全体の断面図は図２３に示したものと同様である。超格子受光層の断面図を図１４に示す。実施例１に比べてＤ型層の成分として窒素Ｎが増えている。硫黄（Ｓ）ドープのｎ＋−ＩｎＰ基板２の上に、Ｓｉドープｎ＋−ＩｎＰバッファ層３を２μｍ厚みに成長させ、ＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂＮの超格子受光層４をＭＢＥ法によって形成する。超格子受光層４を混晶比も示すと、Ｉｎ０．５６Ｇａ０．４４Ａｓ０．９９Ｎ０．０１／ＧａＡｓ０．４９６Ｓｂ０．４９９Ｎ０．００５である。ＩｎＧａＡｓＮ層の厚みは５ｎｍ、ＧａＡｓＳｂＮの厚みは５ｎｍである。１周期厚みが１０ｎｍである。これを２００対積層した。受光層の厚みの合計は２０００ｎｍ（２μｍ）である。超格子受光層４の上にＢｅドープｐ＋−ＩｎＰ窓層７を１μｍ厚みにエピタキシャル成長させた。これもＭＢＥ法で成長させた。窒素セルはＥＣＲセルであり、その他の材料は固体材料セルを用いた。
これもタイプ２の接合を形成する。交差バンドギャップは３．０μｍ程度である。２．８μｍ程度までの中赤外に対して感度があるフォトダイオードとなった。
［実施例３ ＩｎＧａＡｓＳｂＮ／ＧａＡｓＳｂの量子井戸受光層（図１６）］
フォトダイオードの全体の断面図は図２３に示したものと同様である。超格子受光層の断面図を図１６に示す。実施例１に比べＧ型層の成分としてアンチモン（Ｓｂ）が増えている。硫黄（Ｓ）ドープのｎ＋−ＩｎＰ基板２の上に、Ｓｉドープｎ＋−ＩｎＰバッファ層３を２μｍ厚みに成長させ、ＩｎＧａＡｓＳｂＮ／ＧａＡｓＳｂの超格子受光層４をＭＢＥ法によって形成する。超格子受光層４を混晶比も示すと、Ｉｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ０．９６９Ｓｂ０．０１Ｎ０．０２１／ＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９である。ＩｎＧａＡｓＳｂＮ層の厚みは７ｎｍ、ＧａＡｓＳｂの厚みは３ｎｍである。１周期厚みが１０ｎｍである。これを２００対積層した。受光層の厚みの合計は２０００ｎｍ（２μｍ）である。超格子受光層４の上にＢｅドープｐ＋−ＩｎＰ窓層７を１μｍ厚みにエピタキシャル成長させた。これもＭＢＥ法で成長させた。窒素セルはＥＣＲセルであり、その他の材料は固体材料セルを用いた。
これもタイプ２の接合を形成する。交差バンドギャップは３．５μｍ程度である。３．３μｍ程度までの中赤外に対して感度があるフォトダイオードとなった。
［実施例４ ＩｎＧａＡｓＳｂＮ／ＧａＡｓＳｂＮの量子井戸受光層（図１８）］
フォトダイオードの全体の断面図は図２３に示したものと同様である。超格子受光層の断面図を図１８に示す。実施例１に比べＧ型層の成分としてアンチモン（Ｓｂ）が増え、Ｄ型層の成分として窒素（Ｎ）が増えている。硫黄（Ｓ）ドープのｎ＋−ＩｎＰ基板２の上に、Ｓｉドープｎ＋−ＩｎＰバッファ層３を２μｍ厚みに成長させ、ＩｎＧａＡｓＳｂＮ／ＧａＡｓＳｂＮの超格子受光層４をＭＢＥ法によって形成する。超格子受光層４を混晶比も示すと、Ｉｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ０．９６９Ｓｂ０．０１Ｎ０．０２１／ＧａＡｓ０．４９６Ｓｂ０．４９９Ｎ０．００５である。ＩｎＧａＡｓＳｂＮ層の厚みは６ｎｍ、ＧａＡｓＳｂＮの厚みは４ｎｍである。１周期厚みが１０ｎｍである。これを２００対積層した。受光層の厚みの合計は２０００ｎｍ（２μｍ）である。超格子受光層４の上にＢｅドープｐ＋−ＩｎＰ窓層７を１μｍ厚みにエピタキシャル成長させた。これもＭＢＥ法で成長させた。窒素セルはＥＣＲセルであり、その他の材料は固体材料セルを用いた。
これもタイプ２の接合を形成する。交差バンドギャップは３．５μｍ程度である。３．３μｍ程度までの中赤外に対して感度があるフォトダイオードとなった。
［実施例５ ＩｎＧａＡｓＳｂＰＮ／ＧａＡｓＳｂＮの量子井戸受光層（図２０）］
フォトダイオードの全体の断面図は図２３に示したものと同様である。超格子受光層の断面図を図２０に示す。実施例１に比べＧ型層の成分としてアンチモン（Ｓｂ）、燐（Ｐ）が増え、Ｄ型層の成分として窒素（Ｎ）が増えている。硫黄（Ｓ）ドープのｎ＋−ＩｎＰ基板２の上に、Ｓｉドープｎ＋−ＩｎＰバッファ層３を２μｍ厚みに成長させ、ＩｎＧａＡｓＳｂＰＮ／ＧａＡｓＳｂＮの超格子受光層４をＭＢＥ法によって形成する。超格子受光層４を混晶比も示すと、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓ０．９５５Ｓｂ０．０２Ｐ０．０１Ｎ０．０１５／ＧａＡｓ０．４７６Ｓｂ０．５１４Ｎ０．０１である。ＩｎＧａＡｓＳｂＰＮ層の厚みは５ｎｍ、ＧａＡｓＳｂＮの厚みは５ｎｍである。１周期厚みが１０ｎｍである。これを２００対積層した。受光層の厚みの合計は２０００ｎｍ（２μｍ）である。超格子受光層４の上にＢｅドープｐ＋−ＩｎＰ窓層７を１μｍ厚みにエピタキシャル成長させた。これもＭＢＥ法で成長させた。窒素セルはＥＣＲセルであり、その他の材料は固体材料セルを用いた。
これもタイプ２の接合を形成する。交差バンドギャップは３．３μｍ程度である。３．１μｍ程度までの中赤外に対して感度があるフォトダイオードとなった。
［実施例６ ＩｎＧａＡｓＳｂＮ／ＧａＡｓＳｂＰＮの量子井戸受光層（図２２）］
フォトダイオードの全体の断面図は図２３に示したものと同様である。超格子受光層の断面図を図２２に示す。実施例１に比べＧ型層の成分としてアンチモン（Ｓｂ）が増え、Ｄ型層の成分として窒素（Ｎ）、燐（Ｐ）が増えている。硫黄（Ｓ）ドープのｎ＋−ＩｎＰ基板２の上に、Ｓｉドープｎ＋−ＩｎＰバッファ層３を２μｍ厚みに成長させ、ＩｎＧａＡｓＳｂＮ／ＧａＡｓＳｂＰＮの超格子受光層４をＭＢＥ法によって形成する。超格子受光層４を混晶比も示すと、Ｉｎ０．５５Ｇａ０．４５Ａｓ０．９８Ｓｂ０．０１Ｎ０．０１／ＧａＡｓ０．３３８Ｓｂ０．６４２Ｐ０．０１Ｎ０．０１である。ＩｎＧａＡｓＳｂＮ層の厚みは５ｎｍ、ＧａＡｓＳｂＰＮの厚みは５ｎｍである。１周期厚みが１０ｎｍである。これを２００対積層した。受光層の厚みの合計は２０００ｎｍ（２μｍ）である。超格子受光層４の上にＢｅドープｐ＋−ＩｎＰ窓層７を１μｍ厚みにエピタキシャル成長させた。これもＭＢＥ法で成長させた。窒素セルはＥＣＲセルであり、その他の材料は固体材料セルを用いた。
これもタイプ２の接合を形成する。交差バンドギャップは３．１μｍ程度である。２．９μｍ程度までの中赤外に対して感度があるフォトダイオードとなった。
［実施例７ ＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂの量子井戸受光層（図１２）］
フォトダイオードの全体の断面図を図２６に示す。超格子受光層の断面図を図１２に示す。硫黄（Ｓ）ドープのｎ＋−ＩｎＰ基板２を準備する。ｎ型キャリヤ濃度は２×１０１８ｃｍ３である。ｎ＋−ＩｎＰ基板２の上にＳｉドープｎ＋−ＩｎＰバッファ層３を２μｍ厚みに成長させる。さらにＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂの超格子受光層４をＭＢＥ法によって形成する。超格子受光層４を混晶比も示すと、Ｉｎ０．５６Ｇａ０．４４Ａｓ０．９９Ｎ０．０１／ＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９である。ＩｎＧａＡｓＮ層の厚みは５ｎｍ、ＧａＡｓＳｂの厚みは５ｎｍである。１周期厚みが１０ｎｍである。これを２００対積層した。受光層の厚みの合計は２０００ｎｍ（２μｍ）である。超格子受光層４の上にＢｅドープＩｎＡｌＡｓ＋ＩｎＧａＡｓ窓層７をエピタキシャル成長させた。
ＩｎＡｌＡｓの厚みは１μｍ、ＩｎＧａＡｓの厚みは０．２μｍである。ＩｎＡｌＡｓは、ＩｎＰと同程度のバンドギャップを有するので、リーク電流を堰き止める効果がある。しかしＡｌを含むため酸化し易いという欠点があるので、ＩｎＧａＡｓでキャップする。ＩｎＧａＡｓに対するパッシベーション膜形成技術は確立している。
［実施例８ フォトダイオードアレイの例（図２４）］
図２４に中赤外用のフォトダイオードアレイの構造例を示す。鉄（Ｆｅ）ドープ半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰウエハ−を基板として用いる。これは裏面入射型とする。裏面から入射した光の吸収を減らすために透明度の高い半絶縁性のＩｎＰを基板としている。ＩｎＰ基板の上にｎ＋−ＩｎＰバッファ層、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓ層、ｐ＋−ＩｎＰ窓層をエピタキシャル成長させる。ｎ＋−ＩｎＰバッファ層は、２μｍの厚みを持ち、Ｓｉドープでｎ型キャリヤ濃度（電子）はｎ＝５×１０１７ｃｍ−３である。多重量子井戸（ＭＱＷ）は、３ｎｍ〜１０ｎｍの厚みを持つ沈降層Ｇと隆起層Ｄの繰り返しから成りタイプ２の接合を形成するものである。
沈降層Ｇ＝ＩｎＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＳｂＮ、ＩｎＧａＡｓＳｂＰＮ
隆起層Ｄ＝ＧａＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂＮ、ＧａＡｓＳｂＰＮ
ｐ＋−ＩｎＧａＡｓ層は０．５μｍ厚み、Ｂｅドープのｐ型で、ｐ型キャリヤ濃度（正孔）はｐ＝５×１０１８ｃｍ−３である。ｐ＋−ＩｎＰ窓層は０．５μｍ厚み、Ｂｅドープのｐ型で、ｐ型キャリヤ濃度（正孔）はｐ＝３×１０１８ｃｍ−３である。
ＳＩ−ＩｎＰ基板の裏面には、ＳｉＯＮの反射防止膜を形成し、入射光がここで反射されないように工夫する。ｐ＋−ＩｎＰ窓層の上にはｐ電極を付ける。分離溝をｎ＋−ＩｎＰバッファ層まで切り込んでアレイを構成するフォトダイオードを素子分離する。ｎ＋−ＩｎＰバッファ層の一部を露出させてｎ電極を設ける。
これは１×４のアレイであるが、縦横の素子数は任意である。例えば、４×４のアレイとか、４×１６、３２×３２のアレイとすることもできる。
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
従来例である特開平０９−２１９５６３号によって提案されたフォトダイオードの構造を示す縦断面図。
従来例である特開２００３−２８２９２７号によって提案されたフォトダイオードの縦断面図。
従来例である非特許文献１、Ｔ．Ｍｕｒａｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．、”ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ／ＩｎＡｓｙＰ１−ｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ（１−２．６μｍ）”、Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓによって提案された近赤外光用フォトダイオードの縦断面図。
バンドギャップＥｇ以上のエネルギーの光を吸収して価電子帯の電子が伝導帯へ持ち上げられる様子を示す半導体のバンド図。
バンドギャップの異なる２種類の半導体を接合したとき、広いバンドギャップを持つ方の半導体の伝導帯と価電子帯の間に、狭いバンドギャップを持つ半導体の伝導帯と価電子帯が挟まれるようなタイプ１の接合を示すバンド図。
バンドギャップの異なる２種類の半導体を接合したとき、一方の伝導帯、価電子帯共に、他方の伝導帯、価電子帯より高くなるようなタイプ２の接合を示すバンド図。
非特許文献３、Ａ．Ｙａｍａｍｏｔｏ、Ｙ．Ｋａｗａｍｕｒａ、Ｈ．Ｎａｉｔｏ ＆ Ｎ．Ｉｎｏｕｅ、”Ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＧａＡｓ０．５Ｓｂ０．５ ａｎｄ Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ／ＧａＡｓ０．５Ｓｂ０．５ｔｙｐｅ ＩＩ ｓｉｎｇｌｅ ｈｅｔｅｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｌａｔｔｉｃｅ−ｍａｔｃｈｅｄ ｔｏ ＩｎＰ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ”、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、Ｖｏｌ．２０１／２０２、ｐｐ８７２−８７６、Ｍａｙ １９９９において提案されたＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ接合がタイプ２の接合であることを示す接合断面図。
非特許文献３、Ａ．Ｙａｍａｍｏｔｏ、Ｙ．Ｋａｗａｍｕｒａ、Ｈ．Ｎａｉｔｏ ＆ Ｎ．Ｉｎｏｕｅ、”Ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＧａＡｓ０．５Ｓｂ０．５ ａｎｄ Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ／ＧａＡｓ０．５Ｓｂ０．５ｔｙｐｅ ＩＩ ｓｉｎｇｌｅ ｈｅｔｅｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｌａｔｔｉｃｅ−ｍａｔｃｈｅｄ ｔｏ ＩｎＰ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ”、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、Ｖｏｌ．２０１／２０２、ｐｐ８７２−８７６、Ｍａｙ １９９９において提案されたＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ接合がタイプ２の接合であり、空乏層のため接合の近傍でバンドが彎曲することを示す接合断面図。
広いバンドギャップを持つ方の半導体の伝導帯と価電子帯の間に、狭いバンドギャップを持つ半導体の伝導帯と価電子帯が挟まれるようなタイプ１の接合をする半導体Ａ、Ｂの組み合わせによって超格子を形成した場合のバンド図。
一方（隆起層）の半導体の伝導帯、価電子帯が何れもが、他方（沈降層）の伝導帯、価電子帯よりも高いようなタイプ２の接合をする半導体Ｇ、Ｄの組み合わせによって超格子を形成した場合のバンド図。
ＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂの繰り返しよりなる超格子を受光層とする本発明の中赤外光用フォトダイオードの受光層の断面図。
Ｉｎ０．５６Ｇａ０．４４Ａｓ０．９９Ｎ０．０１／ＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９の繰り返しより成なる超格子を受光層とする本発明の第１実施例に係る中赤外光用フォトダイオードの受光層の断面図。
ＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂＮの繰り返しよりなる超格子を受光層とする本発明の中赤外光用フォトダイオードの受光層の断面図。
Ｉｎ０．５６Ｇａ０．４４Ａｓ０．９９Ｎ０．０１／ＧａＡｓ０．４９６Ｓｂ０．４９９Ｎ０．００５の繰り返しよりなる超格子を受光層とする本発明の第２実施例に係る中赤外光用フォトダイオードの受光層の断面図。
ＩｎＧａＡｓＳｂＮ／ＧａＡｓＳｂの繰り返しよりなる超格子を受光層とする本発明の中赤外光用フォトダイオードの受光層の断面図。
Ｉｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ０．９６９Ｓｂ０．０１Ｎ０．０２１／ＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９の繰り返しよりなる超格子を受光層とする本発明の第３実施例に係る赤外光用フォトダイオードの受光層の断面図。
ＩｎＧａＡｓＳｂＮ／ＧａＡｓＳｂＮの繰り返しよりなる超格子を受光層とする本発明の中赤外光用フォトダイオードの受光層の断面図。
Ｉｎ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ０．９６９Ｓｂ０．０１Ｎ０．０２１／ＧａＡｓ０．４９６Ｓｂ０．４９９Ｎ０．００５の繰り返しよりなる超格子を受光層とする本発明の第４実施例に係る中赤外光用フォトダイオードの受光層の断面図。
ＩｎＧａＡｓＳｂＰＮ／ＧａＡｓＳｂＮの繰り返しよりなる超格子を受光層とする本発明の中赤外光用フォトダイオードの受光層の断面図。
Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓ０．９５５Ｓｂ０．０２Ｐ０．０１Ｎ０．０１５／ＧａＡｓ０．４７６Ｓｂ０．５１４Ｎ０．０１の繰り返しよりなる超格子を受光層とする本発明の第５実施例に係る中赤外光用フォトダイオードの受光層の断面図。
ＩｎＧａＡｓＳｂＮ／ＧａＡｓＳｂＰＮの繰り返しよりなる超格子を受光層とする本発明の中赤外光用フォトダイオードの受光層の断面図。
Ｉｎ０．５５Ｇａ０．４５Ａｓ０．９８Ｓｂ０．０１Ｐ０．０１Ｎ０．０１／ＧａＡｓ０．３３８Ｓｂ０．６４２Ｐ０．０１Ｎ０．０１の繰り返しよりなる超格子を受光層とする本発明の第６実施例に係る中赤外光用フォトダイオードの受光層の断面図。
ＩｎＰ基板の上に形成されたＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂＮの繰り返しよりなる超格子を受光層とする本発明の中赤外光用フォトダイオードチップの断面図。
ＩｎＰ基板の上に形成された隆起層Ｄと沈降層Ｇの繰り返しよりなりタイプ２の接合をする超格子を受光層とする１×４の中赤外光用フォトダイオードアレイの断面図。
第１実施例においてＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂを１０対積層した結晶膜のフォトルミネッセンス測定結果を示すグラフ。
ＩｎＰ基板の上に形成されたＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＳｂＮの繰り返しよりなる超格子を受光層とする本発明の中赤外光用フォトダイオードチップの断面図。ここでは、ＩｎＰの代わりに、ＩｎＡｌＡｓ＋ＩｎＧａＡｓを窓層として形成している。
符号の説明
２ ｎ＋−ＩｎＰ基板
３ ｎ＋−ＩｎＰバッファ層
４ 超格子受光層
７ ｐ＋−ＩｎＰ窓層
８ 反射防止膜
９ ｐ電極
１０ ｎ電極

Claims (11)

  1. ＩｎＰ基板と、−０．２％〜＋０．２％の格子不整合の範囲でＩｎＰに格子整合しＩｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎを少なくとも含む３−５族混晶よりなり厚みが３ｎｍ〜１０ｎｍで価電子帯、伝導帯が接合で下降する沈降層と、−０．２％〜＋０．２％の格子不整合の範囲でＩｎＰに格子整合しＧａ、Ａｓ、Ｓｂを少なくとも含む３−５族混晶よりなり厚みが３ｎｍ〜１０ｎｍで接合において価電子帯、伝導帯が上昇する隆起層との組み合わせであって、隆起層の価電子帯と沈降層の伝導帯のエネルギー差である交差バンドギャップが光波長３．０μｍ〜３．５μｍに対応するものである沈降層・隆起層組合わせを複数回積層してなり合計の厚みが２μｍ〜７μｍである超格子受光層と、超格子受光層に形成されたｐｎ接合とを含むことを特徴とする受光デバイス。
  2. 接合において価電子帯、伝導帯が下がる沈降層の組成がＩｎＧａＡｓＮであることを特徴とする請求項１に記載の受光デバイス。
  3. 接合において価電子帯、伝導帯が下がる沈降層の組成がＩｎＧａＡｓＳｂＮであることを特徴とする請求項１に記載の受光デバイス。
  4. 接合において価電子帯、伝導帯が下がる沈降層の組成がＩｎＧａＡｓＳｂＰＮであることを特徴とする請求項１に記載の受光デバイス。
  5. 接合において価電子帯、伝導帯が上がる隆起層の組成がＧａＡｓＳｂであることを特徴とする請求項１に記載の受光デバイス。
  6. 接合において価電子帯、伝導帯が上がる隆起層の組成がＧａＡｓＳｂＮであることを特徴とする請求項１に記載の受光デバイス。
  7. 接合において価電子帯、伝導帯が上がる隆起層の組成がＧａＡｓＳｂＰＮであることを特徴とする請求項１に記載の受光デバイス。
  8. 沈降層がＩｎ ０．５６ Ｇａ ０．４４ Ａｓ ０．９９ Ｎ ０．０１ であり、隆起層がＧａＡｓ ０．５１ Ｓｂ ０．４９ であり、、沈降層厚みが５ｎｍ、隆起層厚みが５ｎｍであり、交差バンドギャップが３．０μｍであり、隆起層・沈降層の組み合わせの周期が２００周期であって、超格子受光層の全体の厚みが２０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の受光デバイス。
  9. 沈降層がＩｎ ０．５８ Ｇａ ０．４２ Ａｓ ０．９６９ Ｓｂ ０．０１ Ｎ ０．０２１ であり、隆起層がＧａＡｓ ０．４９６ Ｓｂ ０．４９９ Ｎ ０．００５ であり、沈降層厚みが６ｎｍ、隆起層厚みが４ｎｍであり、交差バンドギャップが３．５μｍであり、隆起層・沈降層の組み合わせの周期が２００周期であって、超格子受光層の全体の厚みが２０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の受光デバイス。
  10. ＩｎＰ窓層を設けることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の受光デバイス。
  11. 超格子受光層の上にＩｎＡｌＡｓ層を設け、さらにその上にＩｎＧａＡｓ層を設けることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の受光デバイス。
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