JP5279070B2 - 半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子に関し、より具体的には、光通信用、撮像装置、センサー等に用いることができる、半導体素子に関するものである。

ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、そのバンドギャップエネルギが近赤外域に対応するものが多いため、通信用、生体検査用、夜間撮像用などを目的に、多くの研究が進行している。この中で、ＩｎＰ基板またはＧａＡｓ基板上に、バンドギャップをより小さくしながら高い効率の受光部を形成する研究は、一つの分野を形成するほど注力されている。

たとえば、ＩｎＰ基板上に、受光層を、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプＩＩの量子井戸構造により形成することによって、カットオフ波長を２．３９μｍとしたフォトダイオードが試作されている（非特許文献１）。さらにこの文献では、カットオフ波長のより一層の長波長化の可能性として、Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ（Ｓｂ）の歪み補償量子井戸構造による、カットオフ波長２μｍ〜５μｍのフォトディテクタについて言及がなされている。

また、ＧａＡｓＳｂは、自然超格子の形成により、バンドギャップの大きさが変化する。非特許文献２では、ＧａＡｓ基板上にＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法でエピタキシャル成長されたＧａＡｓＳｂに、ＧａＡｓ基板の面方位によって自然超格子が形成されることが報告されている。ＩｎＰ基板上で成長されたＧａＡｓＳｂでも、基板の面方位によって自然超格子が形成されている。いずれも自然超格子によって、バンドギャップが変化している（非特許文献３）。一方、タイプＩＩの量子井戸構造のカットオフ波長は、ＧａＡｓＳｂの荷電子帯からＩｎＧａＡｓの導電帯への遷移である。

R.Sidhu, "A Long-WavelengthPhotodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells", IEEE PhotonicsTechnology Letters, Vol.17, No.12(2005), PP2715-2717 Y.Kawamura, A.Gomyo,T.Suzuki, T. Higashino and N.Inoue, "Band-Gap Change in Ordered/Disordered GaAs1-ySbyLayers Grown on (001) and (111)B InPSubstrates", Jpn. J. Appl. Phys. Vol.41(2002)pp.L447-L449, Part 2, No.4B, 15 April 2002 B.P.Gorman, A.G.Norman,R.Lukic-Zrnic & C.L.Littler,H.R.Moutinho, T.D.Goldingand A.G.Birdwell, "Atomic ordering-induced bandgap reductions in GaAsSb epilayersgrown by molecular beam epitaxy", J. Appl. Phys.97, 063701(2005)

上述のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプＩＩの量子井戸構造を用いるフォトダイオードでは、１５０対の層を形成して、カットオフ波長２．３９μｍを得ている。このような多くの層数を形成することはフォトダイオードの製造能率を阻害するが、量子井戸の層数を減らすと量子効率は低下する。タイプＩＩのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ量子井戸構造では、光吸収は、ＧａＡｓＳｂ層の荷電子帯の電子がＩｎＧａＡｓ層の導電帯に励起（遷移）することで発生する。このためＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのペア数の減少は、直ちに量子効率の低下につながる。

高い光吸収効率を得るには、ペア数を増やす方法以外に、ＩｎＧａＡｓ層およびＧａＡｓＳｂ層の厚みを薄くして、ＧａＡｓＳｂの荷電子帯およびＩｎＧａＡｓの導電帯の波動関数の重なりを大きくする方法が考えられる。しかしながら、ＩｎＧａＡｓ層およびＧａＡｓＳｂ層の厚みを薄くすると、それぞれの導電帯および荷電子帯のエネルギー準位が高くなり、肝心のカットオフ波長が短くなってしまう。

上記のように、長いカットオフ波長を確保しながら、光吸収効率を高めることができる受光素子または半導体素子が求められている。本発明は、長いカットオフ波長を確保しながら、光吸収効率を高めることができる半導体素子を提供することを目的とする。

本発明の半導体素子は、ＩｎＰ基板上に、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_1-yＮ_y（０．４≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．１）層とＧａＡｓ_zＳｂ_1-z（０．４８≦ｚ≦０．５６）層との交互エピタキシャル成長の量子井戸構造を備え、量子井戸構造内のＧａＡｓ_zＳｂ_1-z層が自然超格子構造を有し、ＩｎＰ基板は第１導電型または半絶縁性であり、量子井戸構造に接してエピタキシャル成長させた窓層を備え、窓層の量子井戸構造と反対側の面から、第２導電型不純物が量子井戸構造に向かって導入されて第２導電型領域を形成しており、該第２導電型領域において、第２導電型不純物の濃度が５×１０ ^１６ 個ｃｍ ^−３ 以上の領域を画する境界もしくは先端と量子井戸構造の間に間隙が存在することを特徴とする。

一般に、タイプＩＩの量子井戸構造では、量子井戸を構成する一方の半導体の荷電子帯の電子が、他方の半導体の導電帯に遷移し、光電変換が行われる。上記構成において、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_1-yＮ_y（以後、「ＩｎＧａＡｓＮ」と記す）／ＧａＡｓ_zＳｂ_1-z（以後「ＧａＡｓＳｂ」と記す）の量子井戸構造において、ＧａＡｓＳｂが自然超格子構造を持つと、ＧａＡｓＳｂの荷電子帯の縮退が一部解けて、通常の荷電子帯より高いエネルギーレベルの状態が安定に存在しうるようになる。この結果、より低いエネルギーの光、すなわちより長波長の光に対して受光感度を有するようになり、カットオフ波長をより長波長化することができる。このため、量子井戸構造の各層の厚みを薄くして光吸収効率を向上させても、カットオフ波長の短波長化を抑止することができる。なお、ＩｎＧａＡｓＮは、Ｉｎを含まない場合、および／またはＮを含まない場合もある。なお、上記の半導体素子は、バンドギャップが実質的に小さくなることが本質的であり、受光素子の場合について説明したが、本発明の半導体素子は、上記の構成が満たされればどのような素子でもよく、受光素子に限定されず発光素子やその他の半導体素子を包含するものである。

上記のＩｎＰ基板は第１導電型または半絶縁性であり、量子井戸構造に接してエピタキシャル成長させた窓層を備え、窓層の量子井戸構造と反対側の面から、第２導電型不純物が、量子井戸構造に向かって導入されて第２導電型領域を形成しており、該第２導電型領域の先端と積層体の間に間隙が存在する構成をとることができる。これによって、電圧を印加するための電極配置において電気抵抗を大きく増加するのを抑制しながら、エピタキシャル成長による量子井戸構造の形成後の第２導電型不純物の導入によって、タイプＩＩの量子井戸構造の界面の結晶構造を劣化させないようにできる。上記の第２導電型領域の先端と量子井戸構造の間の間隙の大きさは、電気抵抗増大などの電気的特性の劣化を抑制するために上限が決められ、一方、拡散不純物が過剰に量子井戸構造に混入するのを避けるために下限が決められる。下限は、量子井戸構造の結晶性を劣化させるので、半導体素子の狭幅バンドギャップの特性を確保する上で重要である。この下限は、量子井戸構造の１ペア分のオーダーよりも大きな５ペア分の長さ以上とする。さらに良好な結晶性の確保をはかるには２０ペア分の長さ以上とするのがよい。

上記のＩｎＧａＡｓＮ層の格子定数およびＧａＡｓＳｂ層の格子定数を、ＩｎＰ基板の格子定数に対して、−０．５％以上＋０．５％以下の範囲にすることができる。これによって、ＩｎＰ基板から受ける量子井戸構造内のひずみを低く抑えることができ、格子欠陥密度を抑制でき、半導体素子の性能を劣化させないようにできる。

上記の量子井戸構造では、ＩｎＧａＡｓＮ層およびＧａＡｓＳｂ層が、１０対以上積層されたものとできる。これによって、量子井戸構造における光吸収効率を確保することができる。

上記の半導体素子をフォトダイオードとすることができる。これによって、十分に長いカットオフ波長を確保しながら、高い量子効率を持つフォトダイオードを得ることができる。

本発明によれば、十分に長いカットオフ波長と、高い量子効率とを併せ持つ半導体素子を得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態の半導体素子の一例であるフォトダイオードを示す断面図である。基板にはＩｎＰ基板１を用い、当該ＩｎＰ基板１上に、エピタキシャル成長により量子井戸構造を形成してフォトダイオード１０を作製した。エピタキシャル量子井戸構造は、ＩｎＰ基板１２を含めて次の構成からなっている。
（ＩｎＰ基板１２／ＩｎＧａＡｓバッファ層１３／タイプＩＩ量子井戸構造の受光層１４／ＩｎＰ窓層１５）
ＩｎＰ窓層１５にはｐ型不純物が拡散導入されて形成されたｐ型（第２導電型）領域１９が、受光層１４内に入らないように、かつ受光層１４との隙間が極小になるように設けられている。すなわちｐ型領域１９の先端１９Ｆは、受光層１４に、略、接するように位置している。ＩｎＰ窓層１５上には、上記ｐ型不純物を拡散導入する際に用いたＳｉＮのマスクパターン１８が、そのまま残されている。ｐ型領域にオーミック接触するように、ｐ側電極２１をＡｕＺｎまたはＴｉＰｔ系金属で形成するのがよく、また、ｎ型（第１導電型）ＩｎＰ基板１２の裏面にバック電極のｎ側電極２２をＡｕＧｅＮｉにより形成するのがよい。ｎ側電極２２は、ｎ型バッファ層１３にコンタクトをとってもよい。ｎ型バッファ層１３にｎ側電極を設ける場合は、ＩｎＰ基板１２は半絶縁性であってもよい。入力光が入射される面にはＡＲ(Anti-Reflection)膜１６を配置して、入力光の受光効率を高めるのがよい。

図２は、タイプＩＩの量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ層４５／ＧａＡｓＳｂ層４６）の受光層１４の拡大図である。ＩｎＧａＡｓ層４５とＧａＡｓＳｂ層４６とが交互に数十層以上積層して、タイプＩＩの量子井戸構造により、受光層１４を形成する。そして、ＧａＡｓＳｂ層４６は、当該ＧａＡｓＳｂ層４６のエピタキシャル成長の際に自然に生成する自然超格子構造を有している。タイプＩＩ量子井戸ＩｎＧａＡｓ層４５／ＧａＡｓＳｂ層４６のＧａＡｓＳｂ層４６において、自然超格子構造をとることが、本発明のポイントである。

図３は、ＧａＡｓＳｂ層４６に自然超格子が生成したとき、タイプＩＩの量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ層４５／ＧａＡｓＳｂ層４６）の導電帯Ｅcと荷電子帯Ｅvの電子のエネルギ準位がどのように変化するかを定性的に示した図である。ＧａＡｓＳｂ層４６に自然超格子が形成された場合には、上述のように、ＧａＡｓＳｂの荷電子帯によりエネルギレベルの高い準位（状態）が生じ、当該ＧａＡｓＳｂの荷電子帯からＩｎＧａＡｓの導電帯へのエネルギギャップは小さくなる。この結果、受光層１４のカットオフ波長は長波長となり、より長い波長の光に対して受光感度を有するようになる。

上記の量子井戸構造のバンド構造が、図３に示すように荷電子帯および導電帯のエネルギレベルを明確に持ち、タイプＩＩの量子井戸構造の遷移をするためには、ＩｎＧａＡｓ層４５とＧａＡｓＳｂ層４６との界面の結晶性が良好であることが必要である。上記界面の結晶性を劣化させる要因の大きなものとして、エピタキシャル成長によって量子井戸構造が形成された後に導入される不純物元素をあげることができる。たとえば、図１に示すフォトダイオード１０において、ＩｎＰ窓層１５の入射面側から拡散導入されるｐ型不純物が量子井戸構造に侵入してくると、ＩｎＧａＡｓ層４５とＧａＡｓＳｂ層４６との界面の結晶性は、劣化する。しかし、ｐ型不純物領域１９の先端１９Ｆと、受光層１４との間隙Ｈが過大になると、間隙Ｈは、光電効果で形成されたキャリアの移動に対して大きな電気抵抗として作用し、損失を増大する。したがって、上記の間隙Ｈは、拡散不純物が量子井戸構造に侵入しない範囲で、できるだけ小さく形成するのがよい。間隙Ｈは、量子井戸構造の１ペア分のオーダーよりも大きなオーダーとするのがよい。５ペア分の長さ以上とする。またさらに良好な結晶性の量子井戸構造を得るためには２０ペア分の長さ以上とするのがよい。ここでｐ型不純物領域１９の先端１９Ｆは、ｐ型不純物濃度が５×１０¹⁶個ｃｍ^-3以上の領域１９を画する境界とする。

次にフォトダイオードを作製して、本発明の構造をとった場合に、カットオフ波長が小さくなることを検証した例について説明する。試験体として作製したフォトダイードは、図１に示すフォトダイオード（半導体素子）１０と同じ構造を有する。すなわち、ｎ導電型の不純物Ｓを含むＩｎＰ基板に、ＭＢＥ法によりエピタキシャル成長させた量子井戸構造を成長してフォトダイオードを形成した。エピタキシャル量子井戸構造は、ｎ型ＩｎＰ基板を含めて次の構成からなっている。なお、バッファ層１３および受光層１４はＭＢＥ法で成長することが望ましいが、ＩｎＰ窓層１５は、ＭＢＥ法でエピタキシャル成長してもよいし、ＭＯＶＰＥ(Metal
Organic Vapor Phase Epitaxy)法によってエピタキシャル成長してもよい。
（ｎ導電型ＩｎＰ基板／ＩｎＧａＡｓバッファ層／タイプＩＩ量子井戸構造の受光層／ＩｎＰ窓層）
上記のエピタキシャル量子井戸構造を形成する際に、自然超格子がＧａＡｓＳｂに形成される条件で作製されるようにしたものを本発明例とし、自然超格子が形成されない条件で作製したものを比較例とした。

（本発明例）
（００１）面方位のＩｎＰ（Ｓドープ）基板上にＭＢＥ成長によりエピタキシャル構造を持つフォトダイオード用結晶を成長した。バッファ層にはＩｎＧａＡｓを使用した。膜厚は１．５μｍで、成長時にＳｉを供給してｎ導電型とした。組成はＩｎを５３．１％（同族内におけるａｔ％。以下、同じである。）とした。キャリア濃度は５×１０^１６ｃｍ^−３とした。受光層として、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂからなるタイプＩＩ量子井戸を成長した。膜の厚さはＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂともに５ｎｍとし、ペア数は２５０対とした。ＧａＡｓＳｂはＳｂ組成を４８．７％とした。最後に、ＩｎＰからなる窓層を成長した。

（比較例１）
（１１１）Ｂ面方位のＩｎＰ（Ｓドープ）基板上にＭＢＥ成長により実施例と同じ構造のエピタキシャル成長を行った。
（比較例２）
（１１１）Ｂ面方位のＩｎＰ（Ｓドープ）基板上にＭＢＥ成長により、上記本発明例および比較例１と同じ積層構造となるように、エピタキシャル成長を行った。ただし、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂは膜厚をいずれも７ｎｍと、本発明例および比較例１よりも厚くした。

上記の３例のエピタキシャル量子井戸構造を含む、図１のようなＰＩＮ型フォトダイオードを作製した。受光径は１ｍｍとした。ＳｉＮをマスクにしてＺｎを選択拡散してＩｎＰ窓層内にｐ型領域を形成した。間隙Ｈの大きさは０．７μｍであり、量子井戸構造のペアの厚みが１０ｎｍ（ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂともに５ｎｍ）であるから７０ペア分である。
またｐ側電極２１、ｎ側電極２２、ＡＲ膜１６も図１に示す形態で形成した。

（試験体の評価）
１.量子井戸構造のＧａＡｓＳｂの規則性
上記の３つの試験体について、ＴＥＤ(Transmission Electron
Diffraction)パターンをとって評価した。その結果、本発明例では（００１）面方位のＩｎＰ基板を使用したことで、比較例１および２より、原子が規則正しく配列されており、自然超格子構造が形成されていることがわかった。
２.外部量子効率の波長依存性
上記の各試験体について、フーリエ変換赤外線分光計を用いて、室温（２５℃）で、外部量子効率スペクトルを測定した。フォトダイオードに印加した逆バイアス電圧は、３つの試験体ともに−２Ｖである。結果を図５に示す。図５によれば、本発明例は波長約２３００ｎｍまでの近赤外光を高感度で感知できる。すなわち波長約２３００ｎｍ程度まで外部量子効率が高い。これに対し、比較例１では波長約２１００ｎｍ以上では感度（外部量子効率）が急激に低下した。また、比較例２は波長約２３００ｎｍまで検知できるが、タイプＩＩ量子井戸構造の各層の厚みを本発明例および比較例１に比べて厚くしたことを反映して、感度が低いことが判明した。

ＩｎＧａＰ等の混晶系材料では、自然超格子構造が形成されると荷電子帯の縮退が一部解け、荷電子帯のエネルギレベルが上がってバンドギャップエネルギが狭くなることが知られている。ＧａＡｓＳｂも、（１１１）Ｂ面方位のＩｎＰ基板上に成長したＧａＡｓＳｂと比較して、（００１）面方位のＩｎＰ基板上に成長したＧａＡｓＳｂは自然超格子の発生によりバンドギャップエネルギが狭くなることが、上記特許文献２に報告されている。本発明例のフォトダイオードでも、量子井戸を構成するＧａＡｓＳｂ層において、より高い規則度の自然超格子が生成していた。この結果、量子井戸構造の層を薄くしてもバンドギャップエネルギが広くなるのが補償され、フォトダイオードのカットオフ波長が短くなるのを抑制することができる。したがって、高い量子効率を確保しながら、長波長域の光に対して感度を維持することができる。また、量子効率を通常レベルにした上で、より長い波長域までカットオフ波長を拡大することができる。

（他の実施の形態について）
１．上記の実施の形態や実施例では、フォトダイオードについてのみ例示したが、本発明の半導体素子はフォトダイオード等の受光素子に限定されず、本発明の構成要件を備えていれば、発光素子やその他の用途に用いてもよい。たとえばＬＥＤ(Light
Emitting Diode)や発振構造を設けたレーザ等に用いてもよい。
２．また受光素子を一次元または二次元配列した受光素子アレイ、およびこれを用いた撮像装置についても、本発明の対象に含まれる。
３.また、ｐ型領域１９が受光層１４に入らないことを強調したが、最も広くは、ｐ型領域１９が受光層１４に多少は侵入したものであっても、本発明の範囲に含まれる。その場合、受光層１４のＩｎＰ窓層１５側のわずかの厚み範囲のタイプＩＩ量子井戸構造に多少の不具合が生じるかもしれないが、全体として長波長のカットオフ波長および高い量子効率の機能が確保されれば、許容される。むしろフォトダイオード作製プロセスの許容度を拡げ、製作能率を高めることができる。

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。

本発明によれば、より長波長のカットオフ波長を有する半導体素子とくに受光素子を得ることができ、宇宙光による撮像や、動植物関連の生体の観察を行うことが可能な受光装置を容易に得ることが可能となる。

本発明の実施の形態における半導体素子（フォトダイオード）を示す断面図である。 図１のフォトダイオードにおける受光層の部分拡大図である。 受光層のタイプＩＩ量子井戸構造のＧａＡｓＳｂ層に自然超格子構造が形成された場合のバンド構造を説明するための図である。 図１のフォトダイオードにおいて、ｐ型領域と受光層との位置関係を説明するための図である。 実施例における３つの試験体（フォトダイード）の外部量子効率の波長依存性の測定結果を示す図である。

１０ 受光素子、１２ ＩｎＰ基板、１３ バッファ層、１４ 多重量子井戸構造の受光層、１５ ＩｎＰ窓層、１６ ＡＲ膜、１８ 選択拡散マスクパターン、１９ ｐ型領域、１９Ｆ ｐ型領域の境界、２１ ｐ部電極、２２ ｎ側電極、４５ 量子井戸構造内のＩｎＧａＡｓ層、４６ 量子井戸構造内のＧａＡｓＳｂ層、Ｈ ｐ型領域と受光層との間隙。

Claims (5)

1. ＩｎＰ基板上に、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_1-yＮ_y（０．４≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．１）層とＧａＡｓ_zＳｂ_1-z（０．４８≦ｚ≦０．５６）層との交互エピタキシャル成長の量子井戸構造を備え、
   前記量子井戸構造内のＧａＡｓ_zＳｂ_1-z層が自然超格子構造を有し、
   前記ＩｎＰ基板は第１導電型または半絶縁性であり、前記量子井戸構造に接してエピタキシャル成長させた窓層を備え、前記窓層の前記量子井戸構造と反対側の面から、第２導電型不純物が前記量子井戸構造に向かって導入されて第２導電型領域を形成しており、該第２導電型領域において、第２導電型不純物の濃度が５×１０ ^１６ 個ｃｍ ^−３ 以上の領域を画する境界もしくは先端と前記量子井戸構造の間に間隙が存在することを特徴とする、半導体素子。
2. 前記境界もしくは先端と前記量子井戸構造との間の間隙が、前記Ｉｎ _x Ｇａ _1-x Ａｓ _1-y Ｎ _y （０．４≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．１）層とＧａＡｓ _z Ｓｂ _1-z （０．４８≦ｚ≦０．５６）層とのペアの厚みの５倍以上あることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_1-yＮ_y層の格子定数およびＧａＡｓ_zＳｂ_1-z層の格子定数が、前記ＩｎＰ基板の格子定数に対して、−０．５％以上＋０．５％以下の範囲にあることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体素子。
4. 前記量子井戸構造において、前記Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_1-yＮ_y層およびＧａＡｓ_zＳｂ_1-z層が、１０ペア以上積層されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体素子。
5. 前記半導体素子がフォトダイオードであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体素子。

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