JP5776715B2 - 半導体素子、光学センサ装置および半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体素子およびその製造方法であって、より具体的には、近赤外の長波長域にまで受光感度を持つような構成を持つタイプ２多重量子井戸構造（Multi-Quantum Well）を受光層に含む、半導体素子、光学センサ装置および半導体素子の製造方法に関するものである。
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプＩＩの多重量子井戸構造を形成することで、カットオフ波長２μｍ以上を得ることができるフォトダイオードが開示されている（非特許文献１）。
またＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓＳｂのタイプ２ＭＱＷを活性層として形成し、発光波長２．１４μｍとなるＬＥＤおよびレーザーダイオードの開示がなされている（非特許文献２）。このタイプ２ＭＱＷのＧａＡｓＳｂは、Ｓｂ組成が３４ａｔｍ．％〜４０ａｔｍ．％と、ＩｎＰとの格子整合組成より低い側での歪補償構造を用いている。なお、以後の説明では、「ａｔｍ．％」を、単に「％」と記す。
また、タイプ２ＭＱＷを形成することなく、Ｓｂ組成を変えたＧａＡｓＳｂ単相をＩｎＰ基板上に成長してＰＬの波長を測定している。そして、ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２ＭＱＷによる発光素子について考察をしている。
さらに、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸構造を有する半導体レーザー素子の開示がなされている（特許文献１）。このＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸構造は、単一量子井戸構造（すなわち、ペア数＝１）である。
またＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓＳｂのタイプ２ＭＱＷを活性層として形成し、発光波長２．１４μｍとなるＬＥＤおよびレーザーダイオードの開示がなされている（非特許文献２）。このタイプ２ＭＱＷのＧａＡｓＳｂは、Ｓｂ組成が３４ａｔｍ．％〜４０ａｔｍ．％と、ＩｎＰとの格子整合組成より低い側での歪補償構造を用いている。なお、以後の説明では、「ａｔｍ．％」を、単に「％」と記す。
また、タイプ２ＭＱＷを形成することなく、Ｓｂ組成を変えたＧａＡｓＳｂ単相をＩｎＰ基板上に成長してＰＬの波長を測定している。そして、ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２ＭＱＷによる発光素子について考察をしている。
さらに、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸構造を有する半導体レーザー素子の開示がなされている（特許文献１）。このＧａＩｎＮＡｓＳｂ量子井戸構造は、単一量子井戸構造（すなわち、ペア数＝１）である。
R.Sidhu, et.al. "ALong-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.12(2005), pp.2715-2717
M.Peter,et.al. "Light-emitting diodes and laser diodes based on a Ga1-xInxAs/GaAs1-ySbytype II superlattice on InP substrate" Appl. Phys. Lett., Vol.74,No.14 (5 April 1999), pp.1951-1953
M.Peter,et.al. "Band gaps and band offsets in strained GaAs1-ySby on InP grown bymetalorganic chemical vapor deposition" Appl. Phys. Lett., Vol.74,No.3 (18 January 1999), pp.410-412
上記の半導体素子によるフォトダイオードでは、利用分野が広がるので、受光感度をできるだけ長波長側に拡大したい。このために、タイプ２ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＭＱＷを歪補償構造とすることが考えられる。ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂによる歪補償構造のＭＱＷでは、対をなすＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂの一方に圧縮応力を発生させて、他方に引張応力を発生させて対において歪みが生じないようにする。受光感度を長波長化するためには、ＩｎＧａＡｓに引張応力を発生させて、ＧａＡｓＳｂに圧縮応力を発生させることが望ましい。非特許文献２では、ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成を低くしてＩｎＧａＡｓに引っ張られる構成としている。このような、歪補償構造のＭＱＷは、まず、結晶性が劣化することが想定される。このため、結晶性の劣化が暗電流の増大に直結する受光用途に用いられた例はない。すなわち上記非特許文献２におけるレーザーダイオード等があるだけで、受光素子に用いられた例はない。
１００〜３００の繰り返し数のＭＱＷを形成するとき、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法では、分子線をシャッターで瞬時に切り替えることができる。このため、マイコン制御の弁の自動切り替えが可能であり、急峻な界面と高品質な多重量子井戸構造の成長についてはＭＢＥ法による成膜がほとんど必然であると考えられてきた。特に、上述の相分離しやすいＧａＡｓＳｂ層の結晶成長の問題に限定して考えた場合、相分離を防止しながらエピタキシャル成長するには非平衡性の強い結晶成長法が必要である。このため、非平衡性の強い結晶成長法であるＭＢＥ法が適している。現に、ＧａＡｓＳｂ層の形成にＭＢＥ法が用いられている（非特許文献１）。
上記の半導体素子は、いずれも近赤外の長波長域の光を対象にするが、この場合、タイプ２ＭＱＷの表面側に位置するキャップ層またはコンタクト層は、上記対象の波長域の光を吸収しない材料で構成されることが好ましい。このために、コンタクト層にはＩｎＰが用いられることが多い。ＩｎＰをＭＢＥ法で成長すると、原料に固体の燐を用いるので、成長槽の内壁に燐（Ｐ）が付着してゆく。この付着した燐は、メンテナンス時に成長槽を開いて空気と触れると、発火するおそれがある。このため、ＭＱＷはＭＢＥ法によって成長し、ＩｎＰコンタクト層はＭＢＥ法以外の成長法で成長する製造方法が用いられる。ＭＢＥ法による製造方法から、たとえばＯＭＶＰＥ法に切り替える際、一度、中間製品のＩｎＰウエハを空気にさらすことになる。このような空気への暴露は不純物の汚染を受けやすい。また、上記のような成長方法の切り替えは、製造能率を阻害する。
１００〜３００の繰り返し数のＭＱＷを形成するとき、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法では、分子線をシャッターで瞬時に切り替えることができる。このため、マイコン制御の弁の自動切り替えが可能であり、急峻な界面と高品質な多重量子井戸構造の成長についてはＭＢＥ法による成膜がほとんど必然であると考えられてきた。特に、上述の相分離しやすいＧａＡｓＳｂ層の結晶成長の問題に限定して考えた場合、相分離を防止しながらエピタキシャル成長するには非平衡性の強い結晶成長法が必要である。このため、非平衡性の強い結晶成長法であるＭＢＥ法が適している。現に、ＧａＡｓＳｂ層の形成にＭＢＥ法が用いられている（非特許文献１）。
上記の半導体素子は、いずれも近赤外の長波長域の光を対象にするが、この場合、タイプ２ＭＱＷの表面側に位置するキャップ層またはコンタクト層は、上記対象の波長域の光を吸収しない材料で構成されることが好ましい。このために、コンタクト層にはＩｎＰが用いられることが多い。ＩｎＰをＭＢＥ法で成長すると、原料に固体の燐を用いるので、成長槽の内壁に燐（Ｐ）が付着してゆく。この付着した燐は、メンテナンス時に成長槽を開いて空気と触れると、発火するおそれがある。このため、ＭＱＷはＭＢＥ法によって成長し、ＩｎＰコンタクト層はＭＢＥ法以外の成長法で成長する製造方法が用いられる。ＭＢＥ法による製造方法から、たとえばＯＭＶＰＥ法に切り替える際、一度、中間製品のＩｎＰウエハを空気にさらすことになる。このような空気への暴露は不純物の汚染を受けやすい。また、上記のような成長方法の切り替えは、製造能率を阻害する。
本発明は、暗電流が低く、近赤外の長波長側に受光感度を拡大した、半導体素子、光学センサ装置および半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の半導体素子は、ＩｎＰ基板上に形成されている。この半導体素子は、ＩｎＰ基板の上に位置するタイプ２の多重量子井戸構造の受光層を備え、多重量子井戸は、ＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（以下、ＧａＡｓＳｂ）層と、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（以下、ＩｎＧａＡｓ）層と、の繰り返し構造により構成され、ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘ（ａｔｍ．％）と該ＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚとの範囲は、つぎの（イ）〜（ニ）のすべてを満たすものであり、
（イ）膜厚ｚが１０ｎｍ未満（４４ａｔｍ．％＜組成ｘ＜５４ａｔｍ．％）、
（ロ）組成ｘが４４ａｔｍ.％以上（７ｎｍ≦膜厚ｚ＜１０ｎｍ）、
（ハ）組成ｘが５４ａｔｍ．％未満（３ｎｍ＜膜厚ｚ＜１０ｎｍ）、
（ニ）膜厚ｚが、点（組成ｘ＝４４，膜厚ｚ＝７）と点（組成ｘ＝５４，膜厚ｚ＝３）とを結ぶ線分ｚ＝−０．４ｘ＋２４．６（Ｂ線）より大きい範囲、
かつ歪補償構造を形成しており、さらに受光層が受光感度を有する最長波長が２．４μｍ以上であることを特徴とする。
ここで、ＭＱＷにおけるＧａＡｓＳｂ層と、ＩｎＧａＡｓ層とは、±１．０ｎｍのばらつきの範囲内で、実質的に同じ膜厚とする。このため、以後の説明において、一方の層（例えばＧａＡｓＳｂ層）の膜厚ｚというとき、当該一方の層または他方の層（例えばＩｎＧａＡｓ層）の膜厚ｚと解するのが妥当である。
（イ）膜厚ｚが１０ｎｍ未満（４４ａｔｍ．％＜組成ｘ＜５４ａｔｍ．％）、
（ロ）組成ｘが４４ａｔｍ.％以上（７ｎｍ≦膜厚ｚ＜１０ｎｍ）、
（ハ）組成ｘが５４ａｔｍ．％未満（３ｎｍ＜膜厚ｚ＜１０ｎｍ）、
（ニ）膜厚ｚが、点（組成ｘ＝４４，膜厚ｚ＝７）と点（組成ｘ＝５４，膜厚ｚ＝３）とを結ぶ線分ｚ＝−０．４ｘ＋２４．６（Ｂ線）より大きい範囲、
かつ歪補償構造を形成しており、さらに受光層が受光感度を有する最長波長が２．４μｍ以上であることを特徴とする。
ここで、ＭＱＷにおけるＧａＡｓＳｂ層と、ＩｎＧａＡｓ層とは、±１．０ｎｍのばらつきの範囲内で、実質的に同じ膜厚とする。このため、以後の説明において、一方の層（例えばＧａＡｓＳｂ層）の膜厚ｚというとき、当該一方の層または他方の層（例えばＩｎＧａＡｓ層）の膜厚ｚと解するのが妥当である。
上記の発明は、受光域の長波長側への拡大のために、多重量子井戸は、ＧａＡｓＳｂ層と、ＩｎＧａＡｓ層との繰り返し構造により構成され、ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘ（ａｔｍ．％）と該ＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚは、上記の（イ）〜（ニ）のすべてを満たすものであり、歪補償構造を形成している。それにより、受光層が受光感度を有する最長波長を２．４μｍ以上とする。
上記の発明は、受光域の長波長側への拡大のために、量子井戸の膜厚増大（要因（Ｆ１））に加えて、歪補償構造（要因（Ｆ２））を適用する。上記の構成によれば、歪補償構造（要因（Ｆ２））を形成する、ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘを高めにしてＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成ｙを低めにすると、ＩｎＰとの格子整合（以下、「ＩｎＰ格子整合性」と呼ぶ。）を保ちながらＧａＡｓＳｂ層の価電子帯とＩｎＧａＡｓ層の伝導帯とのエネルギ差を小さくできる。この結果、格子欠陥密度を増大させず低い暗電流を維持しながら、受光可能な範囲を長波側に拡大することができる。
上記の発明は、受光域の長波長側への拡大のために、量子井戸の膜厚増大（要因（Ｆ１））に加えて、歪補償構造（要因（Ｆ２））を適用する。上記の構成によれば、歪補償構造（要因（Ｆ２））を形成する、ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘを高めにしてＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成ｙを低めにすると、ＩｎＰとの格子整合（以下、「ＩｎＰ格子整合性」と呼ぶ。）を保ちながらＧａＡｓＳｂ層の価電子帯とＩｎＧａＡｓ層の伝導帯とのエネルギ差を小さくできる。この結果、格子欠陥密度を増大させず低い暗電流を維持しながら、受光可能な範囲を長波側に拡大することができる。
さらに（ホ）膜厚ｚが、点（組成ｘ＝４４，膜厚ｚ＝８）と点（組成ｘ＝５４，膜厚ｚ＝４）とを結ぶ線分ｚ＝−０．４ｘ＋２５．６（Ｂ線をｚ方向に＋１だけ平行移動した線）より大きい範囲、を満たすことができる。
上記のように、ＭＱＷにおけるＧａＡｓＳｂ層と、ＩｎＧａＡｓ層とは、±１．０ｎｍのばらつきがある。このようなばらつきがあっても、確実に量子井戸の膜厚増大（要因（Ｆ１））を得るために、全体の範囲を狭くしながら膜厚の下限を１．０ｎｍだけ大きくする。
上記のように、ＭＱＷにおけるＧａＡｓＳｂ層と、ＩｎＧａＡｓ層とは、±１．０ｎｍのばらつきがある。このようなばらつきがあっても、確実に量子井戸の膜厚増大（要因（Ｆ１））を得るために、全体の範囲を狭くしながら膜厚の下限を１．０ｎｍだけ大きくする。
ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘとＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成ｙ（ａｔｍ．％）とを、１００≦ｘ＋ｙ≦１０４、を満たす配分とすることができる。
ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘとＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成ｙとの、１００≦ｘ＋ｙ≦１０４、の関係は、Ｓｂ組成ｘを４４％から増大させながら、ＩｎＰ格子整合性を保持して格子欠陥密度を低くするために必要である。
ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘとＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成ｙとの、１００≦ｘ＋ｙ≦１０４、の関係は、Ｓｂ組成ｘを４４％から増大させながら、ＩｎＰ格子整合性を保持して格子欠陥密度を低くするために必要である。
ＭＱＷの上にＩｎＰコンタクト層を備えることができる。これによって、近赤外域の長波長側の光に対して透過性の高い結晶層で、コンタクト層を構成することができる。また、ＩｎＰ層はコンタクト層として多くの実績があり、表面平滑性に優れているため、吸湿性なども小さく、耐久性に優れている。
ＭＱＷにおけるＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚ（ｎｍ）は、４４ａｔｍ．％≦ｘ＜５４ａｔｍ．％の範囲で、（イ）ｚ＜１０ｎｍ、かつ（ニ）点（組成ｘ＝４４，膜厚ｚ＝７）と点（組成ｘ＝５４，膜厚ｚ＝３）とを結ぶ線分ｚ＝−０．４ｘ＋２４．６（Ｂ線）より大きい範囲、とする。
上述のように、（Ｆ１）ＭＱＷの各層の膜厚増大、および（Ｆ２）ＧａＡｓＳｂ層におけるＳｂ組成の増大とＩｎＧａＡｓ層におけるＩｎ組成の減少（歪補償構造）は、受光波長域の拡大に有効である。とくに、（Ｆ１）のＭＱＷの各層の膜厚増大について、ＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚを増大するとき、暗電流または受光感度との関係で、次のようにするのがよい。
４４ａｔｍ．％≦ｘ＜５４ａｔｍ．％の範囲では、ＧａＡｓＳｂ層と、ＩｎＧａＡｓ層とはＩｎＰ格子整合性を保つことはそれほど困難ではない。このため、膜厚を増大させて厳密な格子整合性からのずれが拡大されても、結晶性の劣化は小さい。このため、膜厚を厚くすることで、低い暗電流を維持しながら長波長化を推進することができる。しかし、膜厚を増大させると、ＧａＡｓＳｂ層に閉じこめられた正孔と、ＩｎＧａＡｓ層の伝導帯に閉じこめられた電子との波動関数の重なりが小さくなる。それによって量子効率が低下して受光感度が劣化するおそれがある。ＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚが１０ｎｍ以上になると受光感度が大きく低下する。受光感度を確保するため、上記の膜厚ｚは１０ｎｍ未満とする。
参考としてのみあげるが、５６．８ａｔｍ．％≦ｘ≦６８ａｔｍ．％の範囲では、Ｓｂ組成ｘが、ＧａＡｓＳｂ層単独でのＩｎＰ格子整合性を得る範囲から高いほうに逸脱している。ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成ｙの低下を得て、ＭＱＷにおいてＩｎＰ格子整合性を得ることができる。このため、大雑把には、結晶膜の特性としてはベストではなく、かろうじてＩｎＰ格子整合性を保っている。このようなＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚを増大させると、ＭＱＷ内のＧａＡｓＳｂ層のＩｎＰ格子整合性からの逸脱が明確になり（比例的に膜厚を増すＩｎＧａＡｓ層についても同様）、格子欠陥密度は膜厚ｚの増大につれて増大（劣化）してゆく。その結果、膜厚ｚの増大につれて暗電流は増大する。したがって、このような高いＳｂ組成ｘの範囲では、暗電流は、ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘにも依存しながら、かつ膜厚ｚにも依存する。暗電流を実用上許容されるレベル内にする、Ｓｂ組成ｘおよび膜厚ｚの範囲は、ｚ＜−０．６２５ｘ＋４５．５、である。
上述のように、（Ｆ１）ＭＱＷの各層の膜厚増大、および（Ｆ２）ＧａＡｓＳｂ層におけるＳｂ組成の増大とＩｎＧａＡｓ層におけるＩｎ組成の減少（歪補償構造）は、受光波長域の拡大に有効である。とくに、（Ｆ１）のＭＱＷの各層の膜厚増大について、ＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚを増大するとき、暗電流または受光感度との関係で、次のようにするのがよい。
４４ａｔｍ．％≦ｘ＜５４ａｔｍ．％の範囲では、ＧａＡｓＳｂ層と、ＩｎＧａＡｓ層とはＩｎＰ格子整合性を保つことはそれほど困難ではない。このため、膜厚を増大させて厳密な格子整合性からのずれが拡大されても、結晶性の劣化は小さい。このため、膜厚を厚くすることで、低い暗電流を維持しながら長波長化を推進することができる。しかし、膜厚を増大させると、ＧａＡｓＳｂ層に閉じこめられた正孔と、ＩｎＧａＡｓ層の伝導帯に閉じこめられた電子との波動関数の重なりが小さくなる。それによって量子効率が低下して受光感度が劣化するおそれがある。ＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚが１０ｎｍ以上になると受光感度が大きく低下する。受光感度を確保するため、上記の膜厚ｚは１０ｎｍ未満とする。
参考としてのみあげるが、５６．８ａｔｍ．％≦ｘ≦６８ａｔｍ．％の範囲では、Ｓｂ組成ｘが、ＧａＡｓＳｂ層単独でのＩｎＰ格子整合性を得る範囲から高いほうに逸脱している。ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成ｙの低下を得て、ＭＱＷにおいてＩｎＰ格子整合性を得ることができる。このため、大雑把には、結晶膜の特性としてはベストではなく、かろうじてＩｎＰ格子整合性を保っている。このようなＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚを増大させると、ＭＱＷ内のＧａＡｓＳｂ層のＩｎＰ格子整合性からの逸脱が明確になり（比例的に膜厚を増すＩｎＧａＡｓ層についても同様）、格子欠陥密度は膜厚ｚの増大につれて増大（劣化）してゆく。その結果、膜厚ｚの増大につれて暗電流は増大する。したがって、このような高いＳｂ組成ｘの範囲では、暗電流は、ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘにも依存しながら、かつ膜厚ｚにも依存する。暗電流を実用上許容されるレベル内にする、Ｓｂ組成ｘおよび膜厚ｚの範囲は、ｚ＜−０．６２５ｘ＋４５．５、である。
ＭＱＷにおけるＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚ（ｎｍ）は、４４ａｔｍ．％≦ｘ＜５４ａｔｍ．％の範囲で、（イ）１０ｎｍ未満、かつ（ニ）Ｂ線より大きくする。より好ましくは、（ホ）Ｂ線をｚ軸方向に＋１だけ平行移動した線、より大きくするのがよい。これによって、良好な結晶性を重視して暗電流の低減を重視しながら、近赤外域の長波長側の感度向上を追求することができる。
ＭＱＷにおけるＩｎＧａＡｓ層の格子不整合度をΔω１とし、ＧａＡｓＳｂ層の格子不整合度をΔω２とするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω＝｛Σ（Δω１×ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋Δω２×ＧａＡｓＳｂ層の厚み｝／｛Σ（ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝で定義されるΔωが−０．２％以上かつ０．２％以下を満たすようにするのがよい。
ここで、「基板の格子定数をａ、ＩｎＧａＡｓ層の格子定数をａ１とすると、ＧａＡｓＳｂ層の格子不整合度Δω１は、Δω１＝｛（ａ−ａ１）／ａ｝×１００％」と定義される。Δω２についても、同様である。以後の説明でも格子不整合度は同じである。
上記の構成によって、ＧａＡｓＳｂ層単独では、またＩｎＧａＡｓ層単独ではＩｎＰ格子整合性を満たすことはできないが、両方が反対方向に格子定数を逸脱させることで、統合してはＩｎＰ格子整合性を得ることができる。これによって、長波長側への拡大に有利なようにバンド構造を変えながら、格子欠陥密度を低くして、低い暗電流を維持することができる。
ここで、「基板の格子定数をａ、ＩｎＧａＡｓ層の格子定数をａ１とすると、ＧａＡｓＳｂ層の格子不整合度Δω１は、Δω１＝｛（ａ−ａ１）／ａ｝×１００％」と定義される。Δω２についても、同様である。以後の説明でも格子不整合度は同じである。
上記の構成によって、ＧａＡｓＳｂ層単独では、またＩｎＧａＡｓ層単独ではＩｎＰ格子整合性を満たすことはできないが、両方が反対方向に格子定数を逸脱させることで、統合してはＩｎＰ格子整合性を得ることができる。これによって、長波長側への拡大に有利なようにバンド構造を変えながら、格子欠陥密度を低くして、低い暗電流を維持することができる。
ＧａＡｓＳｂ層を用いる。これによりＩｎＰ基板と格子整合性をとりやすく、タイプ２のＭＱＷの一方の層を構成する上で好都合な条件である、伝導帯および価電子帯が比較的高いレベルにある、結晶層を得ることができる。
ＩｎＧａＡｓ層を用いる。これによりＩｎＰ基板と格子整合性をとりやすく、タイプ２のＭＱＷの他方の層を構成する上で好都合な条件である、伝導帯および価電子帯が比較的低いレベルにある、結晶層を得ることができる。
受光層が受光感度を有する最長波長を２．４μｍ以上とする。上記のｘ−ｚ関係を満たすことで、ＧａＡｓＳｂの価電子帯とＩｎＧａＡｓの伝導帯とのエネルギ差を、波長２．４μｍ相当以下に小さくする。この結果、２．４μｍ以上に吸収帯を有する物質も測定可能になり、より広範囲な材料の検査装置に用いることができる。
受光層の底面と、該受光層およびＩｎＰコンタクト層を含む半導体層の上面との間に、再成長界面を持たないようにするのがよい。
ここで、再成長界面とは、所定の成長法で第１結晶層を成長させたあと、一度、大気中に出して、別の成長法で、第１結晶層上に接して第２結晶層を成長させたときの第１結晶層と第２結晶層との界面をいう。通常、酸素、炭素が不純物として高濃度に混入する。本発明の半導体素子は、再成長界面を持たないようにするのがよく、ＩｎＰコンタクト層表面まで良好な結晶性を保持することができる。これによって、暗電流の低減に資することができる。
また、半導体素子を能率よく製造することができる。すなわち、このあと説明するように、（バッファ層〜ＭＱＷ）からＰを含むＩｎＰコンタクト層まで、一貫して全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長するので、同じ成長槽内で、連続して製造を遂行することができる。また、たとえば燐を含むＩｎＰコンタクト層を形成しても、原料に固体の燐を用いないので、成長槽の内壁に燐が固着しない。このためメンテナンス時に発火などのおそれがなく、安全上も優れている。
ここで、再成長界面とは、所定の成長法で第１結晶層を成長させたあと、一度、大気中に出して、別の成長法で、第１結晶層上に接して第２結晶層を成長させたときの第１結晶層と第２結晶層との界面をいう。通常、酸素、炭素が不純物として高濃度に混入する。本発明の半導体素子は、再成長界面を持たないようにするのがよく、ＩｎＰコンタクト層表面まで良好な結晶性を保持することができる。これによって、暗電流の低減に資することができる。
また、半導体素子を能率よく製造することができる。すなわち、このあと説明するように、（バッファ層〜ＭＱＷ）からＰを含むＩｎＰコンタクト層まで、一貫して全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長するので、同じ成長槽内で、連続して製造を遂行することができる。また、たとえば燐を含むＩｎＰコンタクト層を形成しても、原料に固体の燐を用いないので、成長槽の内壁に燐が固着しない。このためメンテナンス時に発火などのおそれがなく、安全上も優れている。
本発明の光学センサ装置は、上記のいずれかの半導体素子を受光素子に用いたことを特徴とする。これによって、暗電流が低く、近赤外域の長波長側に感度をもつ光学センサ装置を得ることができる。この光学センサ装置は、半導体素子（受光素子）の各画素からの読み出し電極を備えたＣＭＯＳ、分光器（回折格子）、レンズなどの光学素子、マイコンなどの制御装置等を含むことができる。
本発明の半導体素子の製造方法は、ＩｎＰ基板上に形成された半導体素子を製造する。この製造方法は、ＩｎＰ基板の上に、タイプ２の多重量子井戸構造の受光層を形成する工程を備え、多重量子井戸はＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（以下、ＧａＡｓＳｂ）層と、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（以下、ＩｎＧａＡｓ）層とにより構成されており、多重量子井戸構造の形成工程では、ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘ（ａｔｍ．％）と該ＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚとを、つぎの（イ）〜（ニ）のすべてを満たすものとし、
（イ）膜厚ｚが１０ｎｍ未満（４４ａｔｍ．％＜組成ｘ＜５４ａｔｍ．％）、
（ロ）組成ｘが４４ａｔｍ.％以上（７ｎｍ≦膜厚ｚ＜１０ｎｍ）、
（ハ）組成ｘが５４ａｔｍ．％未満（３ｎｍ＜膜厚ｚ＜１０ｎｍ）、
（ニ）膜厚ｚが、点（組成ｘ＝４４，膜厚ｚ＝７）と点（組成ｘ＝５４，膜厚ｚ＝３）とを結ぶ線分ｚ＝−０．４ｘ＋２４．６（Ｂ線）より大きい範囲、
かつ歪補償構造を形成しており、さらに受光層が受光感度を有する最長波長を２．４μｍ以上としたことを特徴とする。
さらにＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘ、およびＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成ｙについて、Ｓｂ組成ｘの１ａｔｍ．％の増大分につきＩｎ組成ｙを０．９倍〜１．２倍の割合で低下させるように成長させることができる。
また、ＭＱＷの上にＩｎＰコンタクト層を形成する工程を備えてもよい。
（イ）膜厚ｚが１０ｎｍ未満（４４ａｔｍ．％＜組成ｘ＜５４ａｔｍ．％）、
（ロ）組成ｘが４４ａｔｍ.％以上（７ｎｍ≦膜厚ｚ＜１０ｎｍ）、
（ハ）組成ｘが５４ａｔｍ．％未満（３ｎｍ＜膜厚ｚ＜１０ｎｍ）、
（ニ）膜厚ｚが、点（組成ｘ＝４４，膜厚ｚ＝７）と点（組成ｘ＝５４，膜厚ｚ＝３）とを結ぶ線分ｚ＝−０．４ｘ＋２４．６（Ｂ線）より大きい範囲、
かつ歪補償構造を形成しており、さらに受光層が受光感度を有する最長波長を２．４μｍ以上としたことを特徴とする。
さらにＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘ、およびＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成ｙについて、Ｓｂ組成ｘの１ａｔｍ．％の増大分につきＩｎ組成ｙを０．９倍〜１．２倍の割合で低下させるように成長させることができる。
また、ＭＱＷの上にＩｎＰコンタクト層を形成する工程を備えてもよい。
ＭＱＷにおけるＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚ（ｎｍ）は、４４ａｔｍ．％≦ｘ＜５４ａｔｍ．％の範囲で、（イ）ｚ＜１０ｎｍ、かつ（ニ）点（組成ｘ＝４４，膜厚ｚ＝７）と点（組成ｘ＝５４，膜厚ｚ＝３）とを結ぶ線分ｚ＝−０．４ｘ＋２４．６（Ｂ線）より大きい範囲、とする。
上記の方法で製造された半導体素子の暗電流が低く、近赤外の長波長域に受光感度を拡大する点については、上述のとおりである。
上記の方法で製造された半導体素子の暗電流が低く、近赤外の長波長域に受光感度を拡大する点については、上述のとおりである。
より好ましくは、（ホ）Ｂ線をｚ軸方向に＋１だけ平行移動した線、より大きくするのがよい。
上記のように、ＭＱＷにおけるＧａＡｓＳｂ層と、ＩｎＧａＡｓ層とは、±１．０ｎｍのばらつきがある。このようなばらつきがあっても、確実に量子井戸の膜厚増大（要因（Ｆ１））を得るために、全体の範囲を狭くしながら膜厚の下限を１．０ｎｍだけ大きくする。これによって、良好な結晶性を確保しながら、近赤外域の長波長側の感度向上を追求することができる。
上記のように、ＭＱＷにおけるＧａＡｓＳｂ層と、ＩｎＧａＡｓ層とは、±１．０ｎｍのばらつきがある。このようなばらつきがあっても、確実に量子井戸の膜厚増大（要因（Ｆ１））を得るために、全体の範囲を狭くしながら膜厚の下限を１．０ｎｍだけ大きくする。これによって、良好な結晶性を確保しながら、近赤外域の長波長側の感度向上を追求することができる。
ＭＱＷの形成工程において、ＩｎＧａＡｓ層の格子不整合度をΔω１とし、ＧａＡｓＳｂ層の格子不整合度をΔω２とするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω＝｛Σ（Δω１×ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋Δω２×ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝／｛Σ（ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝で定義されるΔωが−０．２％以上かつ０．２％以下を満たすように、形成するのがよい。これによって、ＧａＡｓＳｂ層およびＩｎＧａＡｓ層のバンド構造を長波長側への拡大に有利なように変えながら、ＭＱＷの結晶品質を保持して格子欠陥密度を低くすることができる。
ＩｎＰ基板上に、ＭＱＷおよびＩｎＰコンタクト層を含む半導体層を、一貫して、全有機金属気相成長法により成長するのがよい。ここで、全有機気相成長法は、気相成長に用いる原料のすべてに、有機物と金属との化合物で構成される有機金属原料を用いる成長方法のことをいい、全有機ＭＯＶＰＥ法と記す。
上記の方法によれば、上述の半導体素子を能率よく製造することができる。すなわち、Ｐを含むＩｎＰコンタクト層まで、一貫して全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長するので、同じ成長槽内で、連続して製造を遂行することができる。また、たとえば燐を含むＩｎＰコンタクト層を形成しても、原料に固体の燐を用いないので、成長槽の内壁に燐が固着しない。このためメンテナンス時に発火などのおそれがなく、安全上も優れている。
全有機ＭＯＶＰＥ法におけるその他の利点は、各層間で急峻なヘテロ界面をもつＭＱＷを得ることができる。急峻なヘテロ界面をもつＭＱＷによって、高精度のスペクトル分光等を行うことができる。
上記の方法によれば、上述の半導体素子を能率よく製造することができる。すなわち、Ｐを含むＩｎＰコンタクト層まで、一貫して全有機ＭＯＶＰＥ法によって成長するので、同じ成長槽内で、連続して製造を遂行することができる。また、たとえば燐を含むＩｎＰコンタクト層を形成しても、原料に固体の燐を用いないので、成長槽の内壁に燐が固着しない。このためメンテナンス時に発火などのおそれがなく、安全上も優れている。
全有機ＭＯＶＰＥ法におけるその他の利点は、各層間で急峻なヘテロ界面をもつＭＱＷを得ることができる。急峻なヘテロ界面をもつＭＱＷによって、高精度のスペクトル分光等を行うことができる。
ＭＱＷの形成工程では、温度４００℃以上かつ５６０℃以下で、ＭＱＷを形成するのがよい。これによって、結晶性に優れたＭＱＷを得ることができ、暗電流をより一層低くすることができる。上記の温度は、基板表面温度を赤外線カメラおよび赤外線分光器を含むパイロメータでモニタしており、そのモニタされている基板表面温度をいう。したがって、基板表面温度ではあるが、厳密には、基板上に成膜がなされている状態の、エピタキシャル層表面の温度である。基板温度、成長温度、成膜温度など、呼称は各種あるが、いずれも上記のモニタされている温度をさす。
本発明の半導体素子等によれば、暗電流を低く保ちながら、近赤外の長波長側に受光感度を拡大することができる。さらに、全有機ＭＯＶＰＥ法によって、受光層のＭＱＷからＩｎＰコンタクト層まで一貫して成長するので、製造能率は高く、燐の成長槽内面への付着がないので、安全性でも優れている。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体素子５０を示す図である。受光素子５０のは、ＩｎＰ基板１の上に次の構成のＩｎＰ系半導体積層構造（エピタキシャルウエハ）を有する。図１では、光はＩｎＰ基板側から入射されるが、エピタキシャル側から入射してもよい。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２／タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰコンタクト層５）
ＩｎＰコンタクト層５からＭＱＷの受光層３にまで届くように位置するｐ型領域６は、ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６の開口部から、ｐ型不純物のＺｎが選択拡散されることで形成される。受光素子１０の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入されるということは、上記ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６を用いて拡散することによって達せられる。ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極１２が、それぞれオーミック接触するように設けられている。この場合、ＩｎＰ基板１にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。ＩｎＰ基板１の裏面には、またＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射するようにして使用することもできるようになっている。タイプ２ＭＱＷの受光層３には、上記のｐ型領域６の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合１５が形成され、上記のｐ側電極１１およびｎ側電極１２間に逆バイアス電圧を印加することにより、ｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド）により広く空乏層を生じる。ＭＱＷの受光層３におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で５Ｅ１５ｃｍ−３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合の位置１５は、多重量子井戸の受光層３のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点で決まる。拡散濃度分布調整層４は、受光層３を構成するＭＱＷ内でのｐ型不純物の濃度分布を調整するために配置されるが、拡散濃度分布調整層４はなくてもよい。受光層３内では、Ｚｎ濃度は５Ｅ１６ｃｍ−３以下にするのがよい。
図１は、本発明の実施の形態１における半導体素子５０を示す図である。受光素子５０のは、ＩｎＰ基板１の上に次の構成のＩｎＰ系半導体積層構造（エピタキシャルウエハ）を有する。図１では、光はＩｎＰ基板側から入射されるが、エピタキシャル側から入射してもよい。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２／タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰコンタクト層５）
ＩｎＰコンタクト層５からＭＱＷの受光層３にまで届くように位置するｐ型領域６は、ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６の開口部から、ｐ型不純物のＺｎが選択拡散されることで形成される。受光素子１０の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入されるということは、上記ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６を用いて拡散することによって達せられる。ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極１２が、それぞれオーミック接触するように設けられている。この場合、ＩｎＰ基板１にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。ＩｎＰ基板１の裏面には、またＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射するようにして使用することもできるようになっている。タイプ２ＭＱＷの受光層３には、上記のｐ型領域６の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合１５が形成され、上記のｐ側電極１１およびｎ側電極１２間に逆バイアス電圧を印加することにより、ｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド）により広く空乏層を生じる。ＭＱＷの受光層３におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で５Ｅ１５ｃｍ−３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合の位置１５は、多重量子井戸の受光層３のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点で決まる。拡散濃度分布調整層４は、受光層３を構成するＭＱＷ内でのｐ型不純物の濃度分布を調整するために配置されるが、拡散濃度分布調整層４はなくてもよい。受光層３内では、Ｚｎ濃度は５Ｅ１６ｃｍ−３以下にするのがよい。
本実施の形態における受光素子のポイントは次の点にある。
（Ｐ１）受光層３を、タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のＭＱＷで構成し、ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘを４４％以上とし、ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘを増大し、その増大分を吸収して全体としてＩｎＰ格子整合性を保つように、ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成ｙを低めにする。すなわちＧａＡｓＳｂおよびＩｎＧａＡｓが歪補償構造を形成している。このポイント（Ｐ１）は、このあと説明する受光域を近赤外の長波長側に拡大する要因（Ｆ２）と同じである。
（Ｐ２）単位量子井戸（ＧａＡｓＳｂ）の膜厚ｚを３ｎｍ以上として、かつｚ＞−０．４ｘ（％）＋２４．６、を満たすようにする。この特徴は、上述の要因（Ｆ１）膜厚増大を主体的に含み、上記の要因（Ｆ２）も副次的に含んでいる。
上記の（Ｐ１）によれば、Ｓｂ組成ｘの増大およびＩｎ組成ｙの減少によってＧａＡｓＳｂの価電子帯とＩｎＧａＡｓの伝導帯とのエネルギ差を小さくできる。かつ、上記ＩｎＰ格子整合性の維持によって、格子欠陥密度の小さいＭＱＷ、コンタクト層などを成長することができる。この結果、暗電流を低く保ちながら、受光域を長波長域に拡大することができる。
また、（Ｐ２）によれば、受光可能な長波長域を２．４μｍ以上にすることができる。
さらに、再成長界面を持たないので、高濃度の酸素、炭素が不純物として混入していない。この結果、ＩｎＰコンタクト層表面まで良好な結晶性を保持することができ、暗電流の低減を得ることができる。
（Ｐ１）受光層３を、タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のＭＱＷで構成し、ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘを４４％以上とし、ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘを増大し、その増大分を吸収して全体としてＩｎＰ格子整合性を保つように、ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成ｙを低めにする。すなわちＧａＡｓＳｂおよびＩｎＧａＡｓが歪補償構造を形成している。このポイント（Ｐ１）は、このあと説明する受光域を近赤外の長波長側に拡大する要因（Ｆ２）と同じである。
（Ｐ２）単位量子井戸（ＧａＡｓＳｂ）の膜厚ｚを３ｎｍ以上として、かつｚ＞−０．４ｘ（％）＋２４．６、を満たすようにする。この特徴は、上述の要因（Ｆ１）膜厚増大を主体的に含み、上記の要因（Ｆ２）も副次的に含んでいる。
上記の（Ｐ１）によれば、Ｓｂ組成ｘの増大およびＩｎ組成ｙの減少によってＧａＡｓＳｂの価電子帯とＩｎＧａＡｓの伝導帯とのエネルギ差を小さくできる。かつ、上記ＩｎＰ格子整合性の維持によって、格子欠陥密度の小さいＭＱＷ、コンタクト層などを成長することができる。この結果、暗電流を低く保ちながら、受光域を長波長域に拡大することができる。
また、（Ｐ２）によれば、受光可能な長波長域を２．４μｍ以上にすることができる。
さらに、再成長界面を持たないので、高濃度の酸素、炭素が不純物として混入していない。この結果、ＩｎＰコンタクト層表面まで良好な結晶性を保持することができ、暗電流の低減を得ることができる。
＜受光域の近赤外の長波長側への拡大＞
上記タイプ２（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）のＭＱＷの受光域を、近赤外の長波長域に拡大する要因に、つぎの２つがある。
（Ｆ１）ＭＱＷの各層の膜厚増大。本実施の形態では、図２に示すように、ＧａＡｓＳｂの膜厚ｚを指標にする。ＩｎＧａＡｓの膜厚は、ＧａＡｓＳｂの膜厚ｚの±１．０ｎｍの範囲であり、実質的に同じと考えてよい。
（Ｆ２）ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓにおけるＳｂ組成ｘの４４％以上への増大とＩｎ組成の減少。要因（Ｆ２）は、ＩｎＰ格子整合性の観点からは歪補償構造の形成ということができる。しかし、バンド構造的にはＧａＡｓＳｂの価電子帯とＩｎＧａＡｓの伝導帯とのエネルギ差の減少である。この要因（Ｆ２）の泣き所は、ＩｎＰ格子整合性の確保、または格子欠陥密度の低減である。
上記タイプ２（ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ）のＭＱＷの受光域を、近赤外の長波長域に拡大する要因に、つぎの２つがある。
（Ｆ１）ＭＱＷの各層の膜厚増大。本実施の形態では、図２に示すように、ＧａＡｓＳｂの膜厚ｚを指標にする。ＩｎＧａＡｓの膜厚は、ＧａＡｓＳｂの膜厚ｚの±１．０ｎｍの範囲であり、実質的に同じと考えてよい。
（Ｆ２）ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓにおけるＳｂ組成ｘの４４％以上への増大とＩｎ組成の減少。要因（Ｆ２）は、ＩｎＰ格子整合性の観点からは歪補償構造の形成ということができる。しかし、バンド構造的にはＧａＡｓＳｂの価電子帯とＩｎＧａＡｓの伝導帯とのエネルギ差の減少である。この要因（Ｆ２）の泣き所は、ＩｎＰ格子整合性の確保、または格子欠陥密度の低減である。
上記の要因（Ｆ１）膜厚の増大、および、（Ｆ２）組成ｘ，ｙの配分について、図３を用いて説明する。図３は、タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）のバンド構造と、光の吸収（受光）を示す図である。長波長側の波長λの光が受光されるとき、ＧａＡｓＳｂの価電子帯の準位を占めていた電子が励起されて、ＩｎＧａＡｓの伝導帯の準位を電子が占有する。価電子帯には、受光の結果、正孔が生成する。タイプ２では、ＧａＡｓＳｂの価電子帯からＩｎＧａＡｓの伝導帯に電子が励起されるため、単一相での価電子帯→伝導帯への遷移に比べて、エネルギ差が小さくなり、長波長の光の受光が可能となる。
上記の長波長側の光の波長λが受光される場合、生じた正孔と電子とのエネルギ差は、ｈ・（ｃ／λ）である。ここに、ｈはプランク定数（６．６２６Ｅ−３４Ｊ・ｓ）であり、ｃは光の媒体内での速度である。受光域を長波長側に拡大するには、図３におけるｈ・（ｃ／λ）の矢印の両端を近づける必要がある。要因（Ｆ２）は、図３に示すように、バンド構造における、ＧａＡｓＳｂの価電子帯とＩｎＧａＡｓの伝導帯とのエネルギ差ΔＥｖｃを減少させる。すなわち、電子準位が形成されるバンド構造を変えて、上記のエネルギ差ΔＥｖｃを小さくする。また、要因（Ｆ１）は、つぎのように影響すると考えられる。ＭＱＷ内の単一層は、一つの井戸ポテンシャルを形成する。井戸ポテンシャル内に形成される電子のエネルギ準位は、井戸ポテンシャルの幅（膜厚）が小さくなるほど、上昇する傾向がある。これは、電子のような波動的性質をもつ粒子（波）を小さい空間に閉じこめようとすると、広い空間に広がっていた場合に比べて、そのエネルギ状態が高くなることに対応しており、普遍的な性質といってよい。膜厚ｚを大きくすると、図３に示した電子（正孔）のエネルギ準位は、価電子帯および伝導帯に近づく。この結果、波長λがより大きくなり、ｈ・（ｃ／λ）がより小さくなっても、受光が可能になる。
上記の長波長側の光の波長λが受光される場合、生じた正孔と電子とのエネルギ差は、ｈ・（ｃ／λ）である。ここに、ｈはプランク定数（６．６２６Ｅ−３４Ｊ・ｓ）であり、ｃは光の媒体内での速度である。受光域を長波長側に拡大するには、図３におけるｈ・（ｃ／λ）の矢印の両端を近づける必要がある。要因（Ｆ２）は、図３に示すように、バンド構造における、ＧａＡｓＳｂの価電子帯とＩｎＧａＡｓの伝導帯とのエネルギ差ΔＥｖｃを減少させる。すなわち、電子準位が形成されるバンド構造を変えて、上記のエネルギ差ΔＥｖｃを小さくする。また、要因（Ｆ１）は、つぎのように影響すると考えられる。ＭＱＷ内の単一層は、一つの井戸ポテンシャルを形成する。井戸ポテンシャル内に形成される電子のエネルギ準位は、井戸ポテンシャルの幅（膜厚）が小さくなるほど、上昇する傾向がある。これは、電子のような波動的性質をもつ粒子（波）を小さい空間に閉じこめようとすると、広い空間に広がっていた場合に比べて、そのエネルギ状態が高くなることに対応しており、普遍的な性質といってよい。膜厚ｚを大きくすると、図３に示した電子（正孔）のエネルギ準位は、価電子帯および伝導帯に近づく。この結果、波長λがより大きくなり、ｈ・（ｃ／λ）がより小さくなっても、受光が可能になる。
図４は、本実施の形態の受光素子５０において、タイプ２ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂＭＱＷの、ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘ（％）と、ＧａＡｓＳｂの膜厚ｚとが満たす範囲を示す図である。ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成ｙは、１００≦ｘ＋ｙ≦１０４を満たすように配分される。図４における各境界線の意味を以下に説明する。この図４における範囲を設定した根拠は、実施例１において説明する（図９参照）。
１．Ｂ線：ｚ＝−０．４ｘ＋２４．６
このＢ線は、受光可能な最長波長が２．４３μｍとなる、組成ｘおよび膜厚ｚを定める。このＢ線以上にｚがある範囲、すなわちＢ線以内にあるｘ−ｚ範囲では、受光可能な最長波長が２．４μｍ以上となる。本発明では、最長波長２．４μｍ以上とするために、膜厚ｚをＢ線より大きくする。
２．ｘ＝４４
Ｓｂ組成ｘ＝４４（％）は、膜厚ｚによらず、最長波長が２．３μｍを確保できる線である。Ｓｂ組成ｘが４４％以上において、膜厚ｚが７ｎｍ以上であれば、最長波長２．３μｍ以上を得ることができる。本実施の形態では、Ｓｂ組成ｘは、４４（％）以上とする。
３．ｚ＝３
本発明では、受光感度を確保するため、膜厚ｚは３ｎｍ以上とする。
４．Ａ線：ｚ＝−０．６２５ｘ＋４５．５
このＡ線によって、暗電流が大きくなる限界を定めることができる。Ａ線を含む外側（ｚがこのＡ線以上となる範囲）では、暗電流が大きくなり、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。このＡ線よりも内側（ｚがこのＡ線よりも下に位置する範囲）では、Ａ線に近づくほど、膜厚ｚは増大し、Ｓｂ組成ｘは増大して、受光域は長波長側に拡大される。本実施の形態では、低い暗電流が重視される場合には、ｘ−ｚ範囲をＡ線より内側にすることができる。上記のように、膜厚ｚとＳｂ組成ｘとの両方をＡ線に近づけないと、実用上、大きな用途が見込まれる近赤外域の長波長側に拡大した半導体素子を得ることができない。
５．Ａ２線：ｚ＝−０．２７ｘ＋２１．７
しかしながら、暗電流の低減を重視する場合には、良好な結晶性を実現するために、Ｓｂ組成ｘの範囲に応じて、（ｂ１）４４ａｔｍ．％≦ｘ＜５４ａｔｍ．％の範囲で、ｚ＜１０ｎｍ、とし、参考としてあげる（ｂ２）５４ａｔｍ．％≦ｘ≦６８ａｔｍ．％の範囲で、Ａ２線：ｚ≦−０．２７ｘ＋２１．７、とするのがよい。このＡ２線については、実施例において詳しく説明する。
６．ｚ＝１０
ｚ＝１０ｎｍは、感度限界を定める。すなわち膜厚ｚが１０ｎｍでは、電子と正孔との波動関数の重なりが小さくなって、感度が小さくなる。すなわちＧａＡｓＳｂの価電子帯からＩｎＧａＡｓの伝導帯へ、電子が遷移する確率が小さくなって、そのような電子の遷移（受光）が生じにくくなる。これは量子力学の要請からくるものである。膜厚ｚがこれより薄ければ、すなわちｚ＜１０の範囲であれば、受光感度を確保することができる。
７．ｚ＝７
しかしながら、感度を重視する場合には、ｚ≦７（ｎｍ）とするのがよい。
１．Ｂ線：ｚ＝−０．４ｘ＋２４．６
このＢ線は、受光可能な最長波長が２．４３μｍとなる、組成ｘおよび膜厚ｚを定める。このＢ線以上にｚがある範囲、すなわちＢ線以内にあるｘ−ｚ範囲では、受光可能な最長波長が２．４μｍ以上となる。本発明では、最長波長２．４μｍ以上とするために、膜厚ｚをＢ線より大きくする。
２．ｘ＝４４
Ｓｂ組成ｘ＝４４（％）は、膜厚ｚによらず、最長波長が２．３μｍを確保できる線である。Ｓｂ組成ｘが４４％以上において、膜厚ｚが７ｎｍ以上であれば、最長波長２．３μｍ以上を得ることができる。本実施の形態では、Ｓｂ組成ｘは、４４（％）以上とする。
３．ｚ＝３
本発明では、受光感度を確保するため、膜厚ｚは３ｎｍ以上とする。
４．Ａ線：ｚ＝−０．６２５ｘ＋４５．５
このＡ線によって、暗電流が大きくなる限界を定めることができる。Ａ線を含む外側（ｚがこのＡ線以上となる範囲）では、暗電流が大きくなり、Ｓ／Ｎ比が低下してしまう。このＡ線よりも内側（ｚがこのＡ線よりも下に位置する範囲）では、Ａ線に近づくほど、膜厚ｚは増大し、Ｓｂ組成ｘは増大して、受光域は長波長側に拡大される。本実施の形態では、低い暗電流が重視される場合には、ｘ−ｚ範囲をＡ線より内側にすることができる。上記のように、膜厚ｚとＳｂ組成ｘとの両方をＡ線に近づけないと、実用上、大きな用途が見込まれる近赤外域の長波長側に拡大した半導体素子を得ることができない。
５．Ａ２線：ｚ＝−０．２７ｘ＋２１．７
しかしながら、暗電流の低減を重視する場合には、良好な結晶性を実現するために、Ｓｂ組成ｘの範囲に応じて、（ｂ１）４４ａｔｍ．％≦ｘ＜５４ａｔｍ．％の範囲で、ｚ＜１０ｎｍ、とし、参考としてあげる（ｂ２）５４ａｔｍ．％≦ｘ≦６８ａｔｍ．％の範囲で、Ａ２線：ｚ≦−０．２７ｘ＋２１．７、とするのがよい。このＡ２線については、実施例において詳しく説明する。
６．ｚ＝１０
ｚ＝１０ｎｍは、感度限界を定める。すなわち膜厚ｚが１０ｎｍでは、電子と正孔との波動関数の重なりが小さくなって、感度が小さくなる。すなわちＧａＡｓＳｂの価電子帯からＩｎＧａＡｓの伝導帯へ、電子が遷移する確率が小さくなって、そのような電子の遷移（受光）が生じにくくなる。これは量子力学の要請からくるものである。膜厚ｚがこれより薄ければ、すなわちｚ＜１０の範囲であれば、受光感度を確保することができる。
７．ｚ＝７
しかしながら、感度を重視する場合には、ｚ≦７（ｎｍ）とするのがよい。
＜ＭＱＷの成長方法＞
次に製造方法について説明する。ＩｎＰ基板１を準備して、その上に、ＩｎＰバッファ層２／タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰコンタクト層５、を全有機ＭＯＶＰＥ法で成長する。ここでは、とくにタイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３の成長方法を詳しく説明する。
図５に全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置６０の配管系統等を示す。反応室（チャンバ）６３内に石英管６５が配置され、その石英管６５に、原料ガスが導入される。石英管６５中には、基板テーブル６６が、回転自在に、かつ気密性を保つように配置される。基板テーブル６６には、基板加熱用のヒータ６６ｈが設けられる。成膜途中のウエハ５０ａの表面の温度は、反応室６３の天井部に設けられたウィンドウ６９を通して、赤外線温度モニタ装置６１によりモニタされる。このモニタされる温度が、成長するときの温度、または成膜温度もしくは基板温度等と呼ばれる温度である。本発明における製造方法における、温度４００℃以上かつ５６０℃以下でＭＱＷを形成する、というときの４００℃以上および５６０℃以下は、この温度モニタで計測される温度である。石英管６５からの強制排気は真空ポンプによって行われる。
次に製造方法について説明する。ＩｎＰ基板１を準備して、その上に、ＩｎＰバッファ層２／タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰコンタクト層５、を全有機ＭＯＶＰＥ法で成長する。ここでは、とくにタイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層３の成長方法を詳しく説明する。
図５に全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置６０の配管系統等を示す。反応室（チャンバ）６３内に石英管６５が配置され、その石英管６５に、原料ガスが導入される。石英管６５中には、基板テーブル６６が、回転自在に、かつ気密性を保つように配置される。基板テーブル６６には、基板加熱用のヒータ６６ｈが設けられる。成膜途中のウエハ５０ａの表面の温度は、反応室６３の天井部に設けられたウィンドウ６９を通して、赤外線温度モニタ装置６１によりモニタされる。このモニタされる温度が、成長するときの温度、または成膜温度もしくは基板温度等と呼ばれる温度である。本発明における製造方法における、温度４００℃以上かつ５６０℃以下でＭＱＷを形成する、というときの４００℃以上および５６０℃以下は、この温度モニタで計測される温度である。石英管６５からの強制排気は真空ポンプによって行われる。
原料ガスは、石英管６５に連通する配管によって、供給される。全有機ＭＯＶＰＥ法は、原料ガスをすべて有機金属気体の形態で供給する点に特徴がある。図５では、不純物等の原料ガスは明記していないが、不純物も有機金属気体の形態で導入される。有機金属気体の原料は、恒温槽に入れられて一定温度に保持される。搬送ガスには、水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）が用いられる。有機金属気体は、搬送ガスによって搬送され、また真空ポンプで吸引されて石英管６５に導入される。搬送ガスの量は、ＭＦＣ（Mass Flow Controller:流量制御器）によって精度よく調節される。多数の、流量制御器、電磁弁等は、マイクロコンピュータによって自動制御される。
ウエハ５０ａの製造方法について説明する。まず、Ｓドープｎ型ＩｎＰ基板１に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を、膜厚１５０ｎｍに、エピタキシャル成長させる。ｎ型のドーピングには、ＴｅＥＳｉ（テトラエチルシラン）を用いるのがよい。このときの原料ガスには、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）およびＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）を用いる。このＩｎＰバッファ層２の成長には、無機原料のＰＨ３（ホスフィン）を用いて行っても良い。このＩｎＰバッファ層２の成長では、成長温度を６００℃程度あるいは６００℃程度以下で行っても、下層に位置するＩｎＰ基板の結晶性は６００℃程度の加熱で劣化することはない。しかし、ＩｎＰコンタクト層を形成するときには、下層にＧａＡｓＳｂを含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ５６０℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃程度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化する点、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰコンタクト層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰ層内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰコンタクト層を得られない点があげられる。次いで、ＩｎＰバッファ層２の上に、ｎ型ドープしたＩｎＧａＡｓ層を、膜厚０．１５μｍ（１５０ｎｍ）に成長する。このＩｎＧａＡｓ層も図１中ではバッファ層２に含まれる。
次いで、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂを量子井戸のペアとするタイプ２のＭＱＷの受光層３を形成する。量子井戸におけるＧａＡｓＳｂは上記のように、膜厚ｚは３ｎｍ以上１０ｎｍ未満とし、またＩｎＧａＡｓ３ｂの膜厚は、ｚ±１．０ｎｍと、実質的に同じにするのがよい。図１では、２５０ペアの量子井戸を積層してＭＱＷの受光層３を形成している。ＧａＡｓＳｂの成膜では、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、ターシャリーブチルアルシン（ＴＢＡｓ）およびトリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）を用いる。また、ＩｎＧａＡｓについては、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、およびＴＢＡｓを用いることができる。これらの原料ガスは、すべて有機金属気体であり、化合物の分子量は大きい。このため、４００℃以上かつ５６０℃以下の比較的低温で完全に分解して、結晶成長に寄与することができる。ＭＱＷの受光層３を全有機ＭＯＶＰＥによって、量子井戸の界面の組成変化を急峻にするすることができる。この結果、高精度の分光測光をすることができる。
Ｇａ（ガリウム）の原料としては、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）でもよいし、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）でもよい。Ｉｎ（インジウム）の原料としては、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）でもよいし、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）でもよい。Ａｓ（砒素）の原料としては、ＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）でもよいし、ＴＭＡｓ(トリメチル砒素)でもよい。Ｓｂ(アンチモン)の原料としては、ＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）でもよいし、ＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）でもよい、また、ＴＩＰＳｂ(トリイソプロピルアンチモン)、また、ＴＤＭＡＳｂ(トリジメチルアミノアンチモン)でもよい。これらの原料を用いることによって、ＭＱＷの不純物濃度が小さく、その結晶性に優れた半導体素子を得ることができる。この結果、たとえば受光素子等に用いた場合、暗電流の小さい、かつ、感度が大きい受光素子を得ることができる。さらには、その受光素子を用いて、より鮮明な像を撮像するこが可能となる光学センサ装置、たとえば撮像装置を得ることができる。
次に、全有機ＭＯＶＰＥ法によって、多重量子井戸構造３を形成するときの原料ガスの流れ状態について説明する。原料ガスは、配管を搬送されて、石英管６５に導入されて排気される。原料ガスは、何種類でも配管を増やして石英管６５に供給させることができる。たとえば十数種類の原料ガスであっても、電磁バルブの開閉によって制御される。
原料ガスは、流量の制御は、図５に示す流量制御器（ＭＦＣ）によって制御された上で、石英管６５への流入を電磁バルブの開閉によってオンオフされる。そして、石英管６５からは、真空ポンプによって強制的に排気される。原料ガスの流れに停滞が生じる部分はなく、円滑に自動的に行われる。よって、量子井戸のペアを形成するときの組成の切り替えは、迅速に行われる。
図５に示すように、基板テーブル６６は回転するので、原料ガスの温度分布は、原料ガスの流入側または出口側のような方向性をもたない。また、ウエハ５０ａは、基板テーブル６６上を公転するので、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスの流れは、乱流状態にあり、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスであっても、ウエハ５０ａに接する原料ガスを除いて導入側から排気側への大きな流れ方向の速度成分を有する。したがって、基板テーブル６６からウエハ５０ａを経て、原料ガスへと流れる熱は、大部分、常時、排気ガスと共に排熱される。このため、ウエハ５０ａから表面を経て原料ガス空間へと、垂直方向に大きな温度勾配または温度段差が発生する。
さらに、本発明の実施の形態では、基板温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という低温域に加熱される。このような低温域の基板表面温度でＴＢＡｓなどを原料とした全有機ＭＯＶＰＥ法を用いる場合、その原料の分解効率が良いので、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスで多重量子井戸構造の成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られる。
原料ガスは、流量の制御は、図５に示す流量制御器（ＭＦＣ）によって制御された上で、石英管６５への流入を電磁バルブの開閉によってオンオフされる。そして、石英管６５からは、真空ポンプによって強制的に排気される。原料ガスの流れに停滞が生じる部分はなく、円滑に自動的に行われる。よって、量子井戸のペアを形成するときの組成の切り替えは、迅速に行われる。
図５に示すように、基板テーブル６６は回転するので、原料ガスの温度分布は、原料ガスの流入側または出口側のような方向性をもたない。また、ウエハ５０ａは、基板テーブル６６上を公転するので、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスの流れは、乱流状態にあり、ウエハ５０ａの表面近傍の原料ガスであっても、ウエハ５０ａに接する原料ガスを除いて導入側から排気側への大きな流れ方向の速度成分を有する。したがって、基板テーブル６６からウエハ５０ａを経て、原料ガスへと流れる熱は、大部分、常時、排気ガスと共に排熱される。このため、ウエハ５０ａから表面を経て原料ガス空間へと、垂直方向に大きな温度勾配または温度段差が発生する。
さらに、本発明の実施の形態では、基板温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という低温域に加熱される。このような低温域の基板表面温度でＴＢＡｓなどを原料とした全有機ＭＯＶＰＥ法を用いる場合、その原料の分解効率が良いので、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスで多重量子井戸構造の成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られる。
図６（ａ）は有機金属分子の流れと温度の流れを示す図であり、図６（ｂ）は基板表面における有機金属分子の模式図である。これらの図は、多重量子井戸構造のヘテロ界面で急峻な組成変化を得るために、表面温度の設定が重要であることを説明するための図である。
ウエハ５０ａの表面はモニタされる温度とされているが、ウエハ表面から少し原料ガス空間に入ると、上述のように、急激に温度低下または大きな温度段差が生じる。このため分解温度がＴ１℃の原料ガスの場合、基板表面温度は、（Ｔ１＋α）に設定し、このαは、温度分布のばらつき等を考慮して決める。ウエハ５０ａ表面から原料ガス空間にかけて急激で大きな温度降下または温度段差がある状況において、図６（ｂ）に示すような、大サイズの有機金属分子がウエハ表面をかすめて流れるとき、分解して結晶成長に寄与する化合物分子は表面に接触する範囲、および表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲、のものに限られると考えられる。したがって、図６（ｂ）に示すように、ウエハ表面に接する範囲の有機金属分子、および、ウエハ表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲以内に位置する分子、が、主として、結晶成長に寄与して、それより外側の有機金属分子は、ほとんど分解せずに石英管６５の外に排出される、と考えられる。ウエハ５０ａの表面付近の有機金属分子が分解して結晶成長したとき、外側に位置する有機金属分子が補充に入る。
逆に考えると、ウエハ表面温度を有機金属分子が分解する温度よりほんのわずかに高くすることで、結晶成長に参加できる有機金属分子の範囲をウエハ５０ａ表面上の薄い原料ガス層に限定することができる。
ウエハ５０ａの表面はモニタされる温度とされているが、ウエハ表面から少し原料ガス空間に入ると、上述のように、急激に温度低下または大きな温度段差が生じる。このため分解温度がＴ１℃の原料ガスの場合、基板表面温度は、（Ｔ１＋α）に設定し、このαは、温度分布のばらつき等を考慮して決める。ウエハ５０ａ表面から原料ガス空間にかけて急激で大きな温度降下または温度段差がある状況において、図６（ｂ）に示すような、大サイズの有機金属分子がウエハ表面をかすめて流れるとき、分解して結晶成長に寄与する化合物分子は表面に接触する範囲、および表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲、のものに限られると考えられる。したがって、図６（ｂ）に示すように、ウエハ表面に接する範囲の有機金属分子、および、ウエハ表面から数個分の有機金属分子の膜厚範囲以内に位置する分子、が、主として、結晶成長に寄与して、それより外側の有機金属分子は、ほとんど分解せずに石英管６５の外に排出される、と考えられる。ウエハ５０ａの表面付近の有機金属分子が分解して結晶成長したとき、外側に位置する有機金属分子が補充に入る。
逆に考えると、ウエハ表面温度を有機金属分子が分解する温度よりほんのわずかに高くすることで、結晶成長に参加できる有機金属分子の範囲をウエハ５０ａ表面上の薄い原料ガス層に限定することができる。
上記のことから、真空ポンプで強制排気しながら上記ペアの化学組成に適合した原料ガスを電磁バルブで切り替えて導入するとき、わずかの慣性をもって先の化学組成の結晶を成長させたあとは、先の原料ガスの影響を受けず、切り替えられた化学組成の結晶を成長させることができる。その結果、ヘテロ界面での組成変化を急峻にすることができる。これは、先の原料ガスが、石英管６５内に実質的に残留しないことを意味しており、ウエハ５０ａにごく近い範囲を流れる原料ガスで多重量子井戸構造の成長に寄与する原料ガスは、成長に必要な形に効率よく分解したものに限られる（成膜要因１）ことに起因する。すなわち、図５から分かるように、量子井戸の一方の層を形成させたあと、真空ポンプで強制排気しながら電磁バルブを開閉して、他方の層を形成する原料ガスを導入したとき、少しの慣性をもって結晶成長に参加する有機金属分子はいるが、その補充をする一方の層の分子はほとんど排気されて、なくなっている。ウエハ表面温度を、有機金属分子の分解温度に近づけるほど、結晶成長に参加する有機金属分子の範囲（ウエハ表面からの範囲）は小さくなる。
この多重量子井戸構造を形成する場合、６００℃程度の温度範囲で成長すると多重量子井戸構造のＧａＡｓＳｂ層に相分離が起こり、清浄で平坦性に優れた多重量子井戸構造の結晶成長表面、および、優れた周期性と結晶性を有する多重量子井戸構造を得ることができない。このことから、成長温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という温度範囲にする（成膜要因２）が、この成膜法を全有機ＭＯＶＰＥ法にして、原料ガスすべてを分解効率の良い有機金属気体にすること（成膜要因３）に、成膜要因１が強く依拠している。
この多重量子井戸構造を形成する場合、６００℃程度の温度範囲で成長すると多重量子井戸構造のＧａＡｓＳｂ層に相分離が起こり、清浄で平坦性に優れた多重量子井戸構造の結晶成長表面、および、優れた周期性と結晶性を有する多重量子井戸構造を得ることができない。このことから、成長温度を４００℃以上かつ５６０℃以下という温度範囲にする（成膜要因２）が、この成膜法を全有機ＭＯＶＰＥ法にして、原料ガスすべてを分解効率の良い有機金属気体にすること（成膜要因３）に、成膜要因１が強く依拠している。
＜半導体素子の製造方法＞
図１に示した半導体素子５０では、タイプ２ＭＱＷの受光層３の上には、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が位置し、そのＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上にＩｎＰコンタクト層５が位置している。ＩｎＰコンタクト層５の表面に設けた選択拡散マスクパターン３６の開口部からｐ型不純物のＺｎが選択拡散されてｐ型領域６が設けられる。そのｐ型領域６の先端部にｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５が形成される。このｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５に、逆バイアス電圧を印加して空乏層を形成して、光電子変換による電荷を捕捉して、電荷量に画素の明るさを対応させる。ｐ型領域６またはｐｎ接合１５もしくはｐｉ接合１５は、画素を構成する主要部である。ｐ型領域６にオーミック接触するｐ側電極１１は画素電極であり、接地電位にされるｎ側電極１２との間で、上記の電荷を画素ごとに読み出す。ｐ型領域６の周囲の、ＩｎＰコンタクト層表面には、上記の選択拡散マスクパターン３６がそのまま残される。さらに図示しないＳｉＯＮ等の保護膜が被覆される。選択拡散マスクパターン３６をそのまま残すのは、ｐ型領域６を形成したあと、これを除いて大気中に暴露すると、コンタクト層表面のｐ型領域との境界に表面準位が形成され、暗電流が増大するからである。
上述のようにＭＱＷを形成したあと、ＩｎＰコンタクト層５の形成まで、全有機ＭＯＶＰＥ法によって同じ成膜室または石英管６５の中で成長を続けることが、一つのポイントになる。すなわち、ＩｎＰコンタクト層５の形成の前に、成膜室からウエハ５０ａを取り出して、別の成膜法によってＩｎＰコンタクト層５を形成することがないために、再成長界面を持たない点が一つのポイントである。すなわち、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＩｎＰコンタクト層５とは、石英管６５内において連続して形成されるので、界面１６，１７は再成長界面ではない。このため、酸素、炭素および珪素の濃度がいずれも所定レベル以下であり、とくにｐ型領域６と界面１７との交差線において電荷リークが生じることはない。
図１に示した半導体素子５０では、タイプ２ＭＱＷの受光層３の上には、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が位置し、そのＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上にＩｎＰコンタクト層５が位置している。ＩｎＰコンタクト層５の表面に設けた選択拡散マスクパターン３６の開口部からｐ型不純物のＺｎが選択拡散されてｐ型領域６が設けられる。そのｐ型領域６の先端部にｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５が形成される。このｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５に、逆バイアス電圧を印加して空乏層を形成して、光電子変換による電荷を捕捉して、電荷量に画素の明るさを対応させる。ｐ型領域６またはｐｎ接合１５もしくはｐｉ接合１５は、画素を構成する主要部である。ｐ型領域６にオーミック接触するｐ側電極１１は画素電極であり、接地電位にされるｎ側電極１２との間で、上記の電荷を画素ごとに読み出す。ｐ型領域６の周囲の、ＩｎＰコンタクト層表面には、上記の選択拡散マスクパターン３６がそのまま残される。さらに図示しないＳｉＯＮ等の保護膜が被覆される。選択拡散マスクパターン３６をそのまま残すのは、ｐ型領域６を形成したあと、これを除いて大気中に暴露すると、コンタクト層表面のｐ型領域との境界に表面準位が形成され、暗電流が増大するからである。
上述のようにＭＱＷを形成したあと、ＩｎＰコンタクト層５の形成まで、全有機ＭＯＶＰＥ法によって同じ成膜室または石英管６５の中で成長を続けることが、一つのポイントになる。すなわち、ＩｎＰコンタクト層５の形成の前に、成膜室からウエハ５０ａを取り出して、別の成膜法によってＩｎＰコンタクト層５を形成することがないために、再成長界面を持たない点が一つのポイントである。すなわち、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４とＩｎＰコンタクト層５とは、石英管６５内において連続して形成されるので、界面１６，１７は再成長界面ではない。このため、酸素、炭素および珪素の濃度がいずれも所定レベル以下であり、とくにｐ型領域６と界面１７との交差線において電荷リークが生じることはない。
本実施の形態では、ＭＱＷの受光層３の上に、たとえば膜厚１．０μｍのノンドープＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布層４を形成する。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布層４は、ＩｎＰコンタクト層５を形成したあと、選択拡散法によってＩｎＰコンタクト層５からｐ型不純物のＺｎをＭＱＷの受光層３に届くように導入するとき、高濃度のＺｎがＭＱＷに進入すると、結晶性を害するので、その調整のために設ける。このＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４は、上記のように配置してもよいが、なくてもよい。
上記の選択拡散によってｐ型領域６が形成され、その先端部にｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５が形成される。ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４を挿入した場合であっても、ＩｎＧａＡｓはバンドギャップが小さいのでノンドープであっても受光素子の電気抵抗を低くすることができる。電気抵抗を低くすることで、応答性を高めて良好な画質の動画を得ることができる。
ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上に、同じ石英管６５内にウエハ５０ａを配置したまま連続して、アンドープのＩｎＰコンタクト層５を、全有機ＭＯＶＰＥ法によってたとえば膜厚０．８μｍにエピタキシャル成長するのがよい。原料ガスには、上述のように、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）およびターシャリーブチルホスフィン（ＴＢＰ）を用いる。この原料ガスの使用によって、ＩｎＰコンタクト層５の成長温度を４００℃以上かつ５６０℃以下に、さらには５３５℃以下にすることができる。この結果、ＩｎＰコンタクト層５の下に位置するＭＱＷのＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けることがなく、ＭＱＷの結晶性が害されることがない。ＩｎＰコンタクト層５を形成するときには、下層にＧａＡｓＳｂを含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ５６０℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃程度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化する点、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰコンタクト層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰコンタクト層５内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰコンタクト層５を得られない点があげられる。
上記の選択拡散によってｐ型領域６が形成され、その先端部にｐｎ接合１５またはｐｉ接合１５が形成される。ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４を挿入した場合であっても、ＩｎＧａＡｓはバンドギャップが小さいのでノンドープであっても受光素子の電気抵抗を低くすることができる。電気抵抗を低くすることで、応答性を高めて良好な画質の動画を得ることができる。
ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４の上に、同じ石英管６５内にウエハ５０ａを配置したまま連続して、アンドープのＩｎＰコンタクト層５を、全有機ＭＯＶＰＥ法によってたとえば膜厚０．８μｍにエピタキシャル成長するのがよい。原料ガスには、上述のように、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）およびターシャリーブチルホスフィン（ＴＢＰ）を用いる。この原料ガスの使用によって、ＩｎＰコンタクト層５の成長温度を４００℃以上かつ５６０℃以下に、さらには５３５℃以下にすることができる。この結果、ＩｎＰコンタクト層５の下に位置するＭＱＷのＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けることがなく、ＭＱＷの結晶性が害されることがない。ＩｎＰコンタクト層５を形成するときには、下層にＧａＡｓＳｂを含むＭＱＷが形成されているので、基板温度は、たとえば温度４００℃以上かつ５６０℃以下の範囲に厳格に維持する必要がある。その理由として、６００℃程度に加熱すると、ＧａＡｓＳｂが熱のダメージを受けて結晶性が大幅に劣化する点、および、４００℃未満の温度としてＩｎＰコンタクト層を形成すると、原料ガスの分解効率が大幅に低下するため、ＩｎＰコンタクト層５内の不純物濃度が増大し高品質なＩｎＰコンタクト層５を得られない点があげられる。
上記したように、従来は、ＭＱＷをＭＢＥ法によって形成する必要があった。ところが、ＭＢＥ法によってＩｎＰコンタクト層を成長するには、燐原料に固体の原料を用いる必要があり、安全性などの点で問題があった。また製造能率という点でも改良の余地があった。
本発明前は、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層とＩｎＰコンタクト層との界面は、いったん大気に露出された再成長界面であった。再成長界面は、二次イオン質量分析によって、酸素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上、炭素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上、および、珪素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上のうち、少なくとも一つを満たすことによって特定することができる。再成長界面は、ｐ型領域と交差線を形成し、交差線で電荷リークを生じて、画質を著しく劣化させる。
また、たとえばＩｎＰコンタクト層を単なるＭＯＶＰＥ法によって成長すると、燐の原料にホスフィン（ＰＨ３）を用いるため、分解温度が高く、下層に位置するＧａＡｓＳｂの熱によるダメージの発生を誘起してＭＱＷの結晶性を害することとなる。
本発明前は、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層とＩｎＰコンタクト層との界面は、いったん大気に露出された再成長界面であった。再成長界面は、二次イオン質量分析によって、酸素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上、炭素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上、および、珪素濃度が１Ｅ１７ｃｍ−３以上のうち、少なくとも一つを満たすことによって特定することができる。再成長界面は、ｐ型領域と交差線を形成し、交差線で電荷リークを生じて、画質を著しく劣化させる。
また、たとえばＩｎＰコンタクト層を単なるＭＯＶＰＥ法によって成長すると、燐の原料にホスフィン（ＰＨ３）を用いるため、分解温度が高く、下層に位置するＧａＡｓＳｂの熱によるダメージの発生を誘起してＭＱＷの結晶性を害することとなる。
図７は、図１の受光素子５０の製造方法のフローチャートである。この製造方法によれば、原料ガスに有機金属気体のみを用いて（成膜要因３）成長温度を低下させること（成膜要因２）、および、ＩｎＰコンタクト層５の形成が終了するまで、一貫して同じ成膜室または石英管６５の中で形成するので、再結晶界面を持たないこと（成膜要因４）が重要である。これによって、電荷リークが少ない、結晶性に優れた、２μｍ〜５μｍの波長領域に受光感度を持つフォトダイオードを能率良く、大量に製造することができる。
（実施の形態２）
図８は本発明の実施の形態２における、受光素子アレイ（半導体素子）５０を含む光学センサ装置１０である。レンズなどの光学部品は省略してある。ＳｉＯＮ膜からなる保護膜４３が、図８では示されているが、実際には図１にも配置されている。受光素子アレイ５０は、図１に示す受光素子と積層構造は同じであり、異なる点は、複数の受光素子または画素Ｐが配列されていることである。膜厚ｚ、Ｓｂ組成ｓなどについては、図１の半導体素子と共通するので、説明は繰り返さない。また、界面１６，１７が、再成長界面ではなく、酸素、炭素、珪素等の不純物濃度がいずれも低いことなども図１の受光素子（半導体素子）と同じである。
図８では、この受光素子アレイ５０と、読み出し回路（Read-Out IC）を構成するＣＭＯＳ７０とが、接続されている。ＣＭＯＳ７０の読み出し電極（図示せず）と、受光素子アレイ５０の画素電極（ｐ側電極）１１とは、接合バンプ３９を介在させて接合されている。また、受光素子アレイ５０の各画素に共通のグランド電極（ｎ側電極）１２と、ＣＭＯＳ７０の図示しない接地電極とが、バンプ１２ｂを介在させて接合されている。ＣＭＯＳ７０と受光素子アレイ５０とを組み合わせて、画素ごとに受光情報を集積して、撮像装置等を得ることができる。
上述のように、本発明の受光素子アレイ（半導体素子）５０は、長波長域にまで感度を有しており、暗電流（リーク電流）が小さいので、動植物等の生体の検査、環境モニタ等に用いることで、高精度の検査を遂行することができる。
図８は本発明の実施の形態２における、受光素子アレイ（半導体素子）５０を含む光学センサ装置１０である。レンズなどの光学部品は省略してある。ＳｉＯＮ膜からなる保護膜４３が、図８では示されているが、実際には図１にも配置されている。受光素子アレイ５０は、図１に示す受光素子と積層構造は同じであり、異なる点は、複数の受光素子または画素Ｐが配列されていることである。膜厚ｚ、Ｓｂ組成ｓなどについては、図１の半導体素子と共通するので、説明は繰り返さない。また、界面１６，１７が、再成長界面ではなく、酸素、炭素、珪素等の不純物濃度がいずれも低いことなども図１の受光素子（半導体素子）と同じである。
図８では、この受光素子アレイ５０と、読み出し回路（Read-Out IC）を構成するＣＭＯＳ７０とが、接続されている。ＣＭＯＳ７０の読み出し電極（図示せず）と、受光素子アレイ５０の画素電極（ｐ側電極）１１とは、接合バンプ３９を介在させて接合されている。また、受光素子アレイ５０の各画素に共通のグランド電極（ｎ側電極）１２と、ＣＭＯＳ７０の図示しない接地電極とが、バンプ１２ｂを介在させて接合されている。ＣＭＯＳ７０と受光素子アレイ５０とを組み合わせて、画素ごとに受光情報を集積して、撮像装置等を得ることができる。
上述のように、本発明の受光素子アレイ（半導体素子）５０は、長波長域にまで感度を有しており、暗電流（リーク電流）が小さいので、動植物等の生体の検査、環境モニタ等に用いることで、高精度の検査を遂行することができる。
（実施例１）
図１に示す半導体素子５０と同じ構造の受光素子５０におけるＭＱＷのＧａＡｓＳｂの膜厚ｚ（ｎｍ）およびＳｂ組成ｘ（％）を変化させて、室温におけるＰＬ(Photo-luminescent)波長、および暗電流を測定した。各試験体のＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘ、およびＩｎＧａＡｓのＩｎ組成ｙ、ならびにＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓの膜厚ｚ（ｎｍ）は、表１に示すとおりである。ＧａＡｓＳｂおよびＩｎＧａＡｓの膜厚は同じにした。また、組成ｘおよび組成ｙは、ＩｎＧａＡｓの格子不整合度をΔω１とし、ＧａＡｓＳｂの格子不整合度をΔω２とするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω＝｛Σ（Δω１×ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋Δω２×ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝／｛Σ（ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝で定義されるΔωが−０．２％以上かつ０．２％以下を満たすようにした。
受光素子５０は、上記のように、全有機ＭＯＶＰＥ法で製造した。受光層以外の部分は、上記の方法で製造した。主なエピタキシャル層の製造方法は次のように行った。成長温度は５１０℃である。ＧａＡｓＳｂは、原料に、ＴＥＧａ、ＴＢＡｓおよびＴＥＳｂを用い、Ｓｂ組成ｘは、Ｖ／ＩＩＩ比（Ｖ属原料の供給量／ＩＩＩ属原料の供給量）を一定にしてＴＢＡｓとＴＥＳｂの供給量比を変化させることで変えた。また、ＩｎＧａＡｓは、原料に、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＢＡｓを用い、Ｉｎ組成ｙは、Ｖ／ＩＩＩ比を一定にしてＴＥＧａとＴＭｎＩｎの供給量比を変化させて成長した。また、ＩｎＰコンタクト層５は、原料にＴＭＩｎおよびＴＢＰを原料に用いた。
図１に示す半導体素子５０と同じ構造の受光素子５０におけるＭＱＷのＧａＡｓＳｂの膜厚ｚ（ｎｍ）およびＳｂ組成ｘ（％）を変化させて、室温におけるＰＬ(Photo-luminescent)波長、および暗電流を測定した。各試験体のＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘ、およびＩｎＧａＡｓのＩｎ組成ｙ、ならびにＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓの膜厚ｚ（ｎｍ）は、表１に示すとおりである。ＧａＡｓＳｂおよびＩｎＧａＡｓの膜厚は同じにした。また、組成ｘおよび組成ｙは、ＩｎＧａＡｓの格子不整合度をΔω１とし、ＧａＡｓＳｂの格子不整合度をΔω２とするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω＝｛Σ（Δω１×ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋Δω２×ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝／｛Σ（ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝で定義されるΔωが−０．２％以上かつ０．２％以下を満たすようにした。
受光素子５０は、上記のように、全有機ＭＯＶＰＥ法で製造した。受光層以外の部分は、上記の方法で製造した。主なエピタキシャル層の製造方法は次のように行った。成長温度は５１０℃である。ＧａＡｓＳｂは、原料に、ＴＥＧａ、ＴＢＡｓおよびＴＥＳｂを用い、Ｓｂ組成ｘは、Ｖ／ＩＩＩ比（Ｖ属原料の供給量／ＩＩＩ属原料の供給量）を一定にしてＴＢＡｓとＴＥＳｂの供給量比を変化させることで変えた。また、ＩｎＧａＡｓは、原料に、ＴＥＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＢＡｓを用い、Ｉｎ組成ｙは、Ｖ／ＩＩＩ比を一定にしてＴＥＧａとＴＭｎＩｎの供給量比を変化させて成長した。また、ＩｎＰコンタクト層５は、原料にＴＭＩｎおよびＴＢＰを原料に用いた。
＜評価＞
評価は、下記のように、室温でのＰＬ波長、および暗電流の測定を行った。暗電流は、１００μｍ径で、逆バイアス電圧（Ｖｒ）＝１Ｖで行った。
１．室温におけるＰＬ波長
室温におけるＰＬの波長は、バンドギャップ波長に対応し、ほぼ受光できる最長波長に対応する。図９、図４を参照して、比較例２，３，８，１０では、膜厚ｚはＢ線：−０．４ｘ＋２４．６、の下側に位置しており、表１によれば、ＰＬ波長は、それぞれ、２２１０ｎｍ、２２９０ｎｍ，２２１０ｎｍ，２３００ｎｍであり、２４００ｎｍ未満である。これは、膜厚ｚおよびＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘが、十分、高くないためである。
これに対して、膜厚ｚ≧３ｎｍであり、かつ膜厚ｚ＞−０．４ｘ＋２４．６（Ｂ線より大きい）、を満たす範囲では、表１に示すように、いずれの本発明例も、ＰＬ波長２．４μｍ以上となっている。しかも、Ａ線：ｚ＝−０．６２５ｘ＋４５．５、に近づくほどＰＬ波長は長波長となる。図９において、Ａ線およびｚ＝１０に近づくほどＰＬ波長が長くなることを矢印およびＰＬ波長によって示す。
また、膜厚ｚ＝１０の線に近づくとき、参考例７（２４３０ｎｍ）→本発明例６（２６２０ｎｍ）→本発明例５（２７００ｎｍ）→参考例４（２８７０ｎｍ）、のように、ＰＬ波長はやはり長くなる。
２．暗電流
暗電流は、Ａ線：ｚ＝−０．６２５ｘ＋４５．５、が限界を定める。暗電流は、格子欠陥密度が高くなると増大するので、Ｓｂ組成ｘおよびＩｎ組成ｙのみによると考えられがちである。しかし、上述のように膜厚にも依存しており、組成ｘ，ｙだけでなく、膜厚ｚにも影響される。格子欠陥が累積されるからと考えられる。
参考例１６および参考例１９は、Ａ線上に位置しており、暗電流は、それぞれ、７００ｎＡおよび８００ｎＡである。この程度の暗電流であれば、許容される用途は多くあるが、暗電流を重視する場合には、膜厚ｚが、Ａ線よりも小さい範囲とするのがよい。さらに暗電流を確実に低くする場合には、Ａ２線：ｚ＝−０．２７ｘ＋２１．７以下とするのがよい。この場合には、本発明例１６および本発明例１９は、本発明の範囲には入らず、比較例となる。
Ａ線から少し離れた範囲、たとえば参考例１１，１４，１７，１８は、それぞれ、２００ｎＡ，２００ｎＡ，３００ｎＡ，２００ｎＡであり、実用上、問題ないレベルである。
３．受光感度
このあと実施例２で説明するが、ＧａＡｓＳｂの膜厚ｚが１０ｎｍになると、受光感度が低下する。膜厚ｚ＝１０ｎｍでもある程度の受光感度があり用途によっては可能である。しかし、受光感度が非常に問題になる場合は、膜厚ｚは１０ｎｍより小さくするのがよい。より高い受光感度が求められる場合には、ｚ≦７（ｎｍ）とするのがよい。この場合、参考例４は本発明の範囲外となる。
これは、量子力学的効果であり、実施例の条件によらず成り立つと考えられる。また、膜厚ｚが２ｎｍ程度に薄い場合も、受光感度は低い。このため、膜厚ｚは３ｎｍ以上とする。
評価は、下記のように、室温でのＰＬ波長、および暗電流の測定を行った。暗電流は、１００μｍ径で、逆バイアス電圧（Ｖｒ）＝１Ｖで行った。
１．室温におけるＰＬ波長
室温におけるＰＬの波長は、バンドギャップ波長に対応し、ほぼ受光できる最長波長に対応する。図９、図４を参照して、比較例２，３，８，１０では、膜厚ｚはＢ線：−０．４ｘ＋２４．６、の下側に位置しており、表１によれば、ＰＬ波長は、それぞれ、２２１０ｎｍ、２２９０ｎｍ，２２１０ｎｍ，２３００ｎｍであり、２４００ｎｍ未満である。これは、膜厚ｚおよびＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘが、十分、高くないためである。
これに対して、膜厚ｚ≧３ｎｍであり、かつ膜厚ｚ＞−０．４ｘ＋２４．６（Ｂ線より大きい）、を満たす範囲では、表１に示すように、いずれの本発明例も、ＰＬ波長２．４μｍ以上となっている。しかも、Ａ線：ｚ＝−０．６２５ｘ＋４５．５、に近づくほどＰＬ波長は長波長となる。図９において、Ａ線およびｚ＝１０に近づくほどＰＬ波長が長くなることを矢印およびＰＬ波長によって示す。
また、膜厚ｚ＝１０の線に近づくとき、参考例７（２４３０ｎｍ）→本発明例６（２６２０ｎｍ）→本発明例５（２７００ｎｍ）→参考例４（２８７０ｎｍ）、のように、ＰＬ波長はやはり長くなる。
２．暗電流
暗電流は、Ａ線：ｚ＝−０．６２５ｘ＋４５．５、が限界を定める。暗電流は、格子欠陥密度が高くなると増大するので、Ｓｂ組成ｘおよびＩｎ組成ｙのみによると考えられがちである。しかし、上述のように膜厚にも依存しており、組成ｘ，ｙだけでなく、膜厚ｚにも影響される。格子欠陥が累積されるからと考えられる。
参考例１６および参考例１９は、Ａ線上に位置しており、暗電流は、それぞれ、７００ｎＡおよび８００ｎＡである。この程度の暗電流であれば、許容される用途は多くあるが、暗電流を重視する場合には、膜厚ｚが、Ａ線よりも小さい範囲とするのがよい。さらに暗電流を確実に低くする場合には、Ａ２線：ｚ＝−０．２７ｘ＋２１．７以下とするのがよい。この場合には、本発明例１６および本発明例１９は、本発明の範囲には入らず、比較例となる。
Ａ線から少し離れた範囲、たとえば参考例１１，１４，１７，１８は、それぞれ、２００ｎＡ，２００ｎＡ，３００ｎＡ，２００ｎＡであり、実用上、問題ないレベルである。
３．受光感度
このあと実施例２で説明するが、ＧａＡｓＳｂの膜厚ｚが１０ｎｍになると、受光感度が低下する。膜厚ｚ＝１０ｎｍでもある程度の受光感度があり用途によっては可能である。しかし、受光感度が非常に問題になる場合は、膜厚ｚは１０ｎｍより小さくするのがよい。より高い受光感度が求められる場合には、ｚ≦７（ｎｍ）とするのがよい。この場合、参考例４は本発明の範囲外となる。
これは、量子力学的効果であり、実施例の条件によらず成り立つと考えられる。また、膜厚ｚが２ｎｍ程度に薄い場合も、受光感度は低い。このため、膜厚ｚは３ｎｍ以上とする。
（実施例２）
＜試験体の製造＞
全有機ＭＯＶＰＥ法によって、ＳドープしたＩｎＰ基板上に、バッファ層（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ）／タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層／ＩｎＰコンタクト層、のエピタキシャル層を、一貫して形成した。ＭＱＷの受光層３上に直接ＩｎＰコンタクト層を成長した。Ｇａ，Ｉｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂの原料として、それぞれ、ＴＥＧａ，ＴＭＩｎ、ＴＢＡｓ，ＴＢＰ，ＴＭＳｂを用いた。ｎ型不純物のドーピングにはＴｅＥＳｉを用いた。
具体的には、ＳドープＩｎＰ基板上に、ｎ型ドープＩｎＰバッファ層を１５０ｎｍ成長し、その上にｎ型ドープしたＩｎＧａＡｓバッファ層を０．１５μｍ成長した。この２層のバッファ層の上に、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２ＭＱＷ受光層を成長した。ＭＱＷの構成は、下側のアンドープＩｎＧａＡｓ層と、アンドープＧａＡｓＳｂ層とを対にして、２５０ペア繰り返した。組成は、単独で格子整合する組成であり、ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘは４９％、ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成ｙは５３％とした。ＩｎＧａＡｓの格子不整合度をΔω１とし、ＧａＡｓＳｂの格子不整合度をΔω２とするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω＝｛Σ（Δω１×ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋Δω２×ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝／｛Σ（ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝で定義されるΔωが−０．２％以上かつ０．２％以下である。ＭＱＷ受光層上にＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層を１．０μｍ成長し、その上に、アンドープＩｎＰコンタクト層を０．８μｍ成長した。ＧａＡｓＳｂの成長にはＴＥＧａ、ＴＢＡｓ、およびＴＭＳｂを原料に用いた。またＩｎＧａＡｓの成長にはＴＥＢａ、ＴＭＩｎ、ＴＢＡｓを用いた。さらにＩｎＰコンタクト層またはＩｎＰバッファ層の成長にはＴＭＩｎ、ＴＢＰを用いた。
＜試験体の製造＞
全有機ＭＯＶＰＥ法によって、ＳドープしたＩｎＰ基板上に、バッファ層（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ）／タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）ＭＱＷの受光層／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層／ＩｎＰコンタクト層、のエピタキシャル層を、一貫して形成した。ＭＱＷの受光層３上に直接ＩｎＰコンタクト層を成長した。Ｇａ，Ｉｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂの原料として、それぞれ、ＴＥＧａ，ＴＭＩｎ、ＴＢＡｓ，ＴＢＰ，ＴＭＳｂを用いた。ｎ型不純物のドーピングにはＴｅＥＳｉを用いた。
具体的には、ＳドープＩｎＰ基板上に、ｎ型ドープＩｎＰバッファ層を１５０ｎｍ成長し、その上にｎ型ドープしたＩｎＧａＡｓバッファ層を０．１５μｍ成長した。この２層のバッファ層の上に、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２ＭＱＷ受光層を成長した。ＭＱＷの構成は、下側のアンドープＩｎＧａＡｓ層と、アンドープＧａＡｓＳｂ層とを対にして、２５０ペア繰り返した。組成は、単独で格子整合する組成であり、ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘは４９％、ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成ｙは５３％とした。ＩｎＧａＡｓの格子不整合度をΔω１とし、ＧａＡｓＳｂの格子不整合度をΔω２とするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω＝｛Σ（Δω１×ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋Δω２×ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝／｛Σ（ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝で定義されるΔωが−０．２％以上かつ０．２％以下である。ＭＱＷ受光層上にＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層を１．０μｍ成長し、その上に、アンドープＩｎＰコンタクト層を０．８μｍ成長した。ＧａＡｓＳｂの成長にはＴＥＧａ、ＴＢＡｓ、およびＴＭＳｂを原料に用いた。またＩｎＧａＡｓの成長にはＴＥＢａ、ＴＭＩｎ、ＴＢＡｓを用いた。さらにＩｎＰコンタクト層またはＩｎＰバッファ層の成長にはＴＭＩｎ、ＴＢＰを用いた。
＜評価＞
１．ＰＬ特性
結果を表２および図１０に示す。ＧａＡｓＳｂの膜厚ｚおよびＩｎＧａＡｓの膜厚が５ｎｍのとき、ＰＬピーク波長は２．５μｍとなった。両方の膜厚を減少させるにしたがってＰＬ波長は短波長側にシフトした。ＧａＡｓＳｂおよびＩｎＧａＡｓの膜厚を２ｎｍとした場合、ＰＬ波長は１．９μｍとなった。
一方、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの膜厚を厚くするにつれてＰＬ波長は長くなり、両方の膜厚をともに１０ｎｍとするとＰＬ波長は２．９μｍとなった。
２．受光感度
受光感度測定は、逆バイアス電圧Ｖｒ＝−５Ｖにて、波長２０００ｎｍの光に対して行った。ＧａＡｓＳｂおよびＩｎＧａＡｓ両方の膜厚が２ｎｍでは、受光感度は０．１Ａ／Ｗと非常に低かった。両方の膜厚を３ｎｍ，５ｎｍ，７ｍと増大させるに従って、０．６Ａ／Ｗ、０．６Ａ／Ｗ、０．５Ａ／Ｗ、のように向上した。そして、両方の膜厚が１０ｎｍのとき、０．２Ａ／Ｗと劣化した。
１．ＰＬ特性
結果を表２および図１０に示す。ＧａＡｓＳｂの膜厚ｚおよびＩｎＧａＡｓの膜厚が５ｎｍのとき、ＰＬピーク波長は２．５μｍとなった。両方の膜厚を減少させるにしたがってＰＬ波長は短波長側にシフトした。ＧａＡｓＳｂおよびＩｎＧａＡｓの膜厚を２ｎｍとした場合、ＰＬ波長は１．９μｍとなった。
一方、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓＳｂの膜厚を厚くするにつれてＰＬ波長は長くなり、両方の膜厚をともに１０ｎｍとするとＰＬ波長は２．９μｍとなった。
２．受光感度
受光感度測定は、逆バイアス電圧Ｖｒ＝−５Ｖにて、波長２０００ｎｍの光に対して行った。ＧａＡｓＳｂおよびＩｎＧａＡｓ両方の膜厚が２ｎｍでは、受光感度は０．１Ａ／Ｗと非常に低かった。両方の膜厚を３ｎｍ，５ｎｍ，７ｍと増大させるに従って、０．６Ａ／Ｗ、０．６Ａ／Ｗ、０．５Ａ／Ｗ、のように向上した。そして、両方の膜厚が１０ｎｍのとき、０．２Ａ／Ｗと劣化した。
（実施例３）
試験体は、実施例２に示す構成にして、同じ手順に従った。ただし、本実施例では、膜厚はＧａＡｓＳｂおよびＩｎＧａＡｓともに、５ｎｍ一定として、原料ガスの供給量を上述のように調整した。このとき、ＩｎＧａＡｓの格子不整合度をΔω１とし、ＧａＡｓＳｂの格子不整合度をΔω２とするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω＝｛Σ（Δω１×ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋Δω２×ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝／｛Σ（ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝で定義されるΔωが−０．２％以上かつ０．２％以下を満たすようにした。
試験体は、実施例２に示す構成にして、同じ手順に従った。ただし、本実施例では、膜厚はＧａＡｓＳｂおよびＩｎＧａＡｓともに、５ｎｍ一定として、原料ガスの供給量を上述のように調整した。このとき、ＩｎＧａＡｓの格子不整合度をΔω１とし、ＧａＡｓＳｂの格子不整合度をΔω２とするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω＝｛Σ（Δω１×ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋Δω２×ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝／｛Σ（ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝で定義されるΔωが−０．２％以上かつ０．２％以下を満たすようにした。
＜評価＞
１．ＰＬ特性
結果を表３および図１１に示す。ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘが４９％で、ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成ｙが５３％のとき、ＰＬ波長は２．４μｍであった。ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘを増大させ、ＩｎＧａＡｓ組成ｙを減少させると、ＰＬ波長は長波長側にシフトする。Ｓｂ組成ｘ６２％で、Ｉｎ組成ｙ３８％で、ＰＬ波長は３．０μｍであった。
２．暗電流
逆バイアス電圧Ｖｒが−１Ｖでも−５Ｖでも、Ｓｂ組成を４４％以上に増加させると、暗電流は漸増したが、良好なレベルといってよい。Ｉｎ組成ｙが５３％よりも低くＳｂ組成を６２％より増加させると、逆バイアス電圧Ｖｒ＝−１Ｖと−５Ｖとの暗電流の相違は大きくなった。これより、より長波長側まで受光感度を有する受光素子において、Ｓ／Ｎ比を大きくするためには、より低い逆バイアス電圧（絶対値を小さくする）とするのがよい。
１．ＰＬ特性
結果を表３および図１１に示す。ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘが４９％で、ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成ｙが５３％のとき、ＰＬ波長は２．４μｍであった。ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成ｘを増大させ、ＩｎＧａＡｓ組成ｙを減少させると、ＰＬ波長は長波長側にシフトする。Ｓｂ組成ｘ６２％で、Ｉｎ組成ｙ３８％で、ＰＬ波長は３．０μｍであった。
２．暗電流
逆バイアス電圧Ｖｒが−１Ｖでも−５Ｖでも、Ｓｂ組成を４４％以上に増加させると、暗電流は漸増したが、良好なレベルといってよい。Ｉｎ組成ｙが５３％よりも低くＳｂ組成を６２％より増加させると、逆バイアス電圧Ｖｒ＝−１Ｖと−５Ｖとの暗電流の相違は大きくなった。これより、より長波長側まで受光感度を有する受光素子において、Ｓ／Ｎ比を大きくするためには、より低い逆バイアス電圧（絶対値を小さくする）とするのがよい。
上記において、本発明の実施の形態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。
本発明の半導体素子によれば、実用上、暗電流を問題のないレベルに抑制しながら、ＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓとの両方で統合的にＩｎＰ格子整合条件を満たすように組成調整しながら、Ｓｂ組成を増大し（Ｉｎ組成を減少させ）、かつ量子井戸の膜厚を厚くすることで、近赤外域の長波長側に受光感度を拡大することがきできる。この結果、簡単な工夫によって重要な用途をカバーできるようになる。また、全有機ＯＭＶＰＥ法によって一貫して同じ成長槽で成長することによって、不純物のコンタミネーションを防止することができ、高品質の結晶性を得ることができる。また、受光層のＭＱＷの量子井戸間の組成の急峻性を高めることができ、吸収スペクトルの解析等を高精度で遂行することを可能にする。
１ ＩｎＰ基板、２ バッファ層（ＩｎＰおよび／またはＩｎＧａＡｓ）、３タイプＩＩＭＱＷ受光層、４ ＩｎＧａＡｓ層（拡散濃度分布調整層）、５ ＩｎＰコンタクト層、６ ｐ型領域、１０ 光学センサ装置（検出装置）、１１ ｐ側電極（画素電極）、１２ グランド電極（ｎ側電極）、１２ｂ バンプ、１５ ｐｎ接合、１６ ＭＱＷとＩｎＧａＡｓ層との界面、１７ ＩｎＧａＡｓ層とＩｎＰ窓層との界面、２０ 赤外線温度モニタ装置、２１ 反応室の窓、３０ 反応室、３５ ＡＲ（反射防止）膜、３６ 選択拡散マスクパターン、３９ 接合バンプ、４３ 保護膜（ＳｉＯＮ膜）、５０ 受光素子（受光素子アレイ）、５０ａ ウエハ（中間製品）、６０ 全有機ＭＯＶＰＥ法の成膜装置、６１ 赤外線温度モニタ装置、６３ 反応室、６５ 石英管、６９ 反応室の窓、６６ 基板テーブル、６６ｈ ヒータ、７０ ＣＭＯＳ、Ｐ 画素。
Claims (9)
- ＩｎＰ基板上に形成された半導体素子であって、
前記ＩｎＰ基板の上に位置するタイプ２の多重量子井戸構造の受光層を備え、
前記多重量子井戸は、ＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（以下、ＧａＡｓＳｂ）層と、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（以下、ＩｎＧａＡｓ）層と、の繰り返し構造により構成され、
前記ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘ（ａｔｍ．％）と該ＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚとの範囲は、つぎの（イ）〜（ニ）のすべてを満たすものであり、
（イ）膜厚ｚが１０ｎｍ未満（４４ａｔｍ．％＜組成ｘ＜５４ａｔｍ．％）、
（ロ）組成ｘが４４ａｔｍ.％以上（７ｎｍ≦膜厚ｚ＜１０ｎｍ）、
（ハ）組成ｘが５４ａｔｍ．％未満（３ｎｍ＜膜厚ｚ＜１０ｎｍ）、
（ニ）膜厚ｚが、（組成ｘ＝４４，膜厚ｚ＝７）と（組成ｘ＝５４，膜厚ｚ＝３）とを結ぶ線分ｚ＝−０．４ｘ＋２４．６（Ｂ線）より大きい範囲、
かつ歪補償構造を形成しており、さらに
前記受光層が受光感度を有する最長波長が２．４μｍ以上であることを特徴とする、半導体素子。 - 前記ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘと、前記ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成ｙ（ａｔｍ．％）とが、１００≦ｘ＋ｙ≦１０４、を満たす配分となっていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子。
- 前記多重量子井戸構造の上にＩｎＰコンタクト層を備えてい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。
- 前記多重量子井戸構造の前記ＩｎＧａＡｓ層の格子不整合度をΔω１とし、前記ＧａＡｓＳｂ層の格子不整合度をΔω２とするとき、多重量子井戸構造全体の格子不整合度Δω＝｛Σ（Δω１×ＩｎＧａＡｓ層の厚み＋Δω２×ＧａＡｓＳｂ層の厚み｝／｛Σ（ＧａＡｓＳｂ層の厚み＋ＧａＡｓＳｂ層の厚み）｝で定義されるΔωが−０．２％以上かつ０．２％以下を満たすことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体素子。
- 前記受光層の底面と、該受光層および前記ＩｎＰコンタクト層を含む半導体層の上面との間に、再成長界面を持たないことを特徴とする、請求項３または４に記載の半導体素子。
- 請求項１に記載の半導体素子を受光素子に用いたことを特徴とする、光学センサ装置。
- ＩｎＰ基板上に形成された半導体素子の製造方法であって、
前記ＩｎＰ基板の上に、タイプ２の多重量子井戸構造の受光層を形成する工程を備え、
前記多重量子井戸はＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（以下、ＧａＡｓＳｂ）層と、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（以下、ＩｎＧａＡｓ）層とにより構成されており、
前記多重量子井戸構造の形成工程では、前記ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘ（ａｔｍ．％）と該ＧａＡｓＳｂ層の膜厚ｚとを、つぎの（イ）〜（ニ）のすべてを満たすものとし、
（イ）膜厚ｚが１０ｎｍ未満（４４ａｔｍ．％＜組成ｘ＜５４ａｔｍ．％）、
（ロ）組成ｘが４４ａｔｍ.％以上（７ｎｍ≦膜厚ｚ＜１０ｎｍ）、
（ハ）組成ｘが５４ａｔｍ．％未満（３ｎｍ＜膜厚ｚ＜１０ｎｍ）、
（ニ）膜厚ｚが、（組成ｘ＝４４，膜厚ｚ＝７）と（組成ｘ＝５４，膜厚ｚ＝３）とを結ぶ線分ｚ＝−０．４ｘ＋２４．６（Ｂ線）より大きい範囲、
かつ歪補償構造を形成しており、さらに
前記受光層が受光感度を有する最長波長を２．４μｍ以上とすることを特徴とする、半導体素子の製造方法。 - 前記ＧａＡｓＳｂ層のＳｂ組成ｘ、および前記ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成ｙ（ａｔｍ．％）について、前記Ｓｂ組成ｘの１ａｔｍ．％の増大分につき前記Ｉｎ組成ｙを０．９倍〜１．２倍の割合で低下させるように成長させることを特徴とする、請求項７に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記多重量子井戸構造の形成工程では、温度４００℃以上かつ５６０℃以下で、前記多重量子井戸構造を形成することを特徴とする、請求項７または８に記載の半導体素子の製造方法。
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