JP6318903B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関し、より特定的には多重量子井戸構造を含む受光層を備える半導体装置に関するものである。
ＧａＳｂ（ガリウムアンチモン）からなるバッファ層上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる多重量子井戸構造を含む受光層を形成することにより、受光素子である半導体装置を作製することができる。このとき、ＩｎＡｓ（インジウム砒素）層とＧａＳｂ層とを含む単位構造が複数回繰り返されて構成される多重量子井戸構造が採用されることにより、上記半導体装置を中赤外光に対応する受光素子とすることができる。
ここで、上記バッファ層上に、上記単位構造が繰り返される多重量子井戸構造を含む受光層を形成した場合、ＧａＳｂとＩｎＡｓとの格子定数の差に起因して単位構造内のＩｎＡｓ層には引張歪みが付与される。そして、単位構造の繰り返し数が大きくなると、この引張歪みに起因して多重量子井戸構造内で格子緩和が発生するおそれがある。
このような格子緩和の発生を回避する方策として、単位構造内に圧縮歪みが付与される層である歪み補償層を形成することが提案されている（たとえば、非特許文献１および２参照）。
Ｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ.、"ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ ｔｙｐｅ−ＩＩ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ"、ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ９６ ２５１１０７、２０１０年
Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ.、"Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ ｏｎ （００１） ＧａＳｂ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ａｎ ＩｎＡｓＳｂ ｌａｙｅｒ ａｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ"、ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ９０ １３１１１０、２００７年
近年、感度の向上等を目的として、上記多重量子井戸構造において上記単位構造の繰り返し数を大きくすることが求められる場合がある。この場合、付与される圧縮歪みが大きい歪み補償層を採用することで、格子緩和の発生を抑制することができる。しかし、付与される圧縮歪みが大きい歪み補償層を形成するためには、ＧａＳｂとの格子定数の差が大きい結晶からなる歪み補償層を採用する必要がある。この場合、この格子定数の差に起因して、歪み補償層を良好な表面性状（平坦性、原子ステップの規則性、低いピット状欠陥密度）を維持しつつ形成することが困難となる。つまり、良好な表面性状を維持しつつ格子緩和の発生を十分に抑制可能な歪み補償層を含む受光層を形成することは容易ではないという問題がある。
そこで、良好な表面性状を維持しつつ格子緩和の発生を十分に抑制可能な歪み補償層を含む受光層を備えた半導体装置を提供することを目的の１つとする。
本発明の一の局面に従った半導体装置は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、当該基板上に配置され、ＧａＳｂからなるバッファ層と、当該バッファ層上に形成され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる多重量子井戸構造を含む受光層と、を備える。この多重量子井戸構造は、複数の要素層からなる単位構造が複数回繰り返されて構成される。上記単位構造は、ＩｎＡｓ１−ａＳｂａからなる第１要素層と、ＧａＳｂからなる第２要素層と、ＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘからなる第３要素層と、を含む。上記一の単位構造内において、上記第３要素層は上記第２要素層の一方の主面に接触するように配置される。上記第２要素層の他方の主面は、当該一の単位構造内または当該一の単位構造上に配置される他の上記単位構造内の上記第１要素層に接触する。上記第１要素層を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０以上０．０５以下である。上記第３要素層を構成するＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘにおけるｘの値は０を超え１未満である。そして、上記第３要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下である。
本発明の他の局面に従った半導体装置は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、当該基板上に配置され、ＧａＳｂからなるバッファ層と、当該バッファ層上に形成され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる多重量子井戸構造を含む受光層と、を備える。この多重量子井戸構造は、複数の要素層からなる単位構造が複数回繰り返されて構成される。上記単位構造は、ＩｎＡｓ１−ａＳｂａからなる第１要素層と、ＧａＳｂからなる第２要素層と、ＩｎＳｂＸＡｓ１−Ｘからなる第３要素層と、ＩｎＳｂｙＡｓ１−ｙからなる第４要素層と、を含む。上記単位構造内において、上記第３要素層は上記第２要素層の一方の主面に接触するように配置され、上記第４要素層は上記第２要素層の他方の主面に接触するように配置される。上記第１要素層を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０以上０．０５以下である。上記第３要素層を構成するＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘにおけるｘの値は０を超え１未満である。上記第４要素層を構成するＩｎＳｂｙＡｓ１−ｙにおけるｙの値は０．３以上１未満である。そして、上記第３要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下である。上記第４要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下である。
上記半導体装置によれば、良好な表面性状を維持を維持しつつ格子緩和の発生を十分に抑制可能な歪み補償層を含む受光層を備えた半導体装置を提供することができる。
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の一の局面における半導体装置は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、当該基板上に配置され、ＧａＳｂからなるバッファ層と、当該バッファ層上に形成され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる多重量子井戸構造を含む受光層と、を備える。この多重量子井戸構造は、複数の要素層からなる単位構造が複数回繰り返されて構成される。上記単位構造は、ＩｎＡｓ１−ａＳｂａからなる第１要素層と、ＧａＳｂからなる第２要素層と、ＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘからなる第３要素層と、を含む。上記一の単位構造内において、上記第３要素層は上記第２要素層の一方の主面に接触するように配置される。上記第２要素層の他方の主面は、当該一の単位構造内または当該一の単位構造上に配置される他の上記単位構造内の上記第１要素層に接触する。上記第１要素層を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０以上０．０５以下である。上記第３要素層を構成するＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘにおけるｘの値は０を超え１未満である。そして、上記第３要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下である。
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の一の局面における半導体装置は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、当該基板上に配置され、ＧａＳｂからなるバッファ層と、当該バッファ層上に形成され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる多重量子井戸構造を含む受光層と、を備える。この多重量子井戸構造は、複数の要素層からなる単位構造が複数回繰り返されて構成される。上記単位構造は、ＩｎＡｓ１−ａＳｂａからなる第１要素層と、ＧａＳｂからなる第２要素層と、ＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘからなる第３要素層と、を含む。上記一の単位構造内において、上記第３要素層は上記第２要素層の一方の主面に接触するように配置される。上記第２要素層の他方の主面は、当該一の単位構造内または当該一の単位構造上に配置される他の上記単位構造内の上記第１要素層に接触する。上記第１要素層を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０以上０．０５以下である。上記第３要素層を構成するＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘにおけるｘの値は０を超え１未満である。そして、上記第３要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下である。
また、本願の他の局面における半導体装置は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、当該基板上に配置され、ＧａＳｂからなるバッファ層と、当該バッファ層上に形成され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる多重量子井戸構造を含む受光層と、を備える。この多重量子井戸構造は、複数の要素層からなる単位構造が複数回繰り返されて構成される。上記単位構造は、ＩｎＡｓ１−ａＳｂａからなる第１要素層と、ＧａＳｂからなる第２要素層と、ＩｎＳｂＸＡｓ１−Ｘからなる第３要素層と、ＩｎＳｂｙＡｓ１−ｙからなる第４要素層と、を含む。上記単位構造内において、上記第３要素層は上記第２要素層の一方の主面に接触するように配置され、上記第４要素層は上記第２要素層の他方の主面に接触するように配置される。上記第１要素層を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０以上０．０５以下である。上記第３要素層を構成するＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘにおけるｘの値は０を超え１未満である。上記第４要素層を構成するＩｎＳｂｙＡｓ１−ｙにおけるｙの値は０．３以上１未満である。そして、上記第３要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下である。上記第４要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下である。
上記半導体装置において、上記第３要素層を構成するＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘにおけるｘの値は０．３以上であることが好ましい。
本発明者らは、良好な表面性状を維持しつつ格子緩和の発生を十分に抑制可能な歪み補償層の形成について、検討を行った。ＩｎＡｓ１−ａＳｂａ（ａの値は０以上０．０５以下）からなる第１要素層と、ＧａＳｂからなる第２要素層とを含む単位構造が繰り返されて構成される多重量子井戸構造において格子緩和の発生を十分に抑制する観点からは、たとえばＩｎＳｂからなる歪み補償層（第３要素層および第４要素層）を採用することが考えられる。ＩｎＳｂは、ＧａＳｂとの格子定数の差が大きく、大きな圧縮歪みが付与されるため、歪み補償層として十分に機能する。しかし、上記第１要素層および第２要素層を含む単位構造内にＩｎＳｂからなる歪み補償層を形成する場合、良好な表面性状を維持することが困難であるという問題がある。これに対し、ＩｎＳｂにＡｓを添加することにより、良好な表面性状を維持しつつ歪み補償層を形成することが容易となることを、本発明者らは見出した。Ａｓの導入により表面性状が改善する理由は、たとえば以下のようなものが考えられる。
ＩｎＳｂが結晶成長するに際しては、Ｓｂが表面に偏析しやすい傾向にある。そのため、優れた表面性状を確保しつつＩｎＳｂ層を成長させるためには、供給されるＩｎとＳｂとの比を厳密に制御する必要がある。この結晶成長の制御の困難性が、良好な表面性状の維持が難しい理由となっている。一方、Ａｓは、結晶成長に際して結晶中に取り込まれやすい。そのため、ＩｎＳｂの結晶成長に際してＡｓを導入することにより、Ｓｂの偏析およびこれに起因した結晶成長の制御の困難性が緩和され、表面性状が改善されるものと考えられる。
本願の半導体装置においては、ＩｎＡｓ１−ａＳｂａ（ａの値は０以上０．０５以下）からなる第１要素層と、ＧａＳｂからなる第２要素層とを含む単位構造が繰り返されて構成される多重量子井戸構造の単位構造に、ＩｎＳｂＡｓからなる歪み補償層が導入される。これにより、良好な表面性状を維持しつつ格子緩和の発生を十分に抑制可能な歪み補償層を多重量子井戸構造内に導入することができる。歪み補償層は、第２要素層の一方の主面のみに接触するように配置されてもよい（第３要素層）。これにより、製造プロセスの複雑化を抑制しつつ、格子緩和の発生を抑制することができる。一方、歪み補償層は、第２要素層の一方の主面および他方の主面のそれぞれに接触するように配置されてもよい（第３要素層および第４要素層）。これにより、各歪み補償層の厚みを抑制しつつ、格子緩和の発生をより強力に抑制することができる。
歪み補償層が、第２要素層の一方の主面および他方の主面のそれぞれに接触するように配置される場合、すなわち第３要素層および第４要素層の両方が採用される場合、第４要素層を構成するＩｎＳｂｙＡｓ１−ｙにおけるｙの値は０．３以上１未満とされる。ｙの値、すなわち歪み補償層を構成するＶ族元素のうちＳｂの割合０．３以上とすることにより、格子緩和の発生を強力に抑制することができる。また、第３要素層を構成するＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘにおけるｘの値は０を超え１未満であればよいが、ｘの値を０．３以上とすることにより、より強力に格子緩和の発生を抑制することができる。
さらに、歪み補償層である第３要素層および第４要素層の厚みが０．１ｎｍ未満である場合、格子緩和の発生を抑制する効果が十分に得られない。一方、第３要素層および第４要素層の厚みが０．９ｎｍを超えると、良好な表面性状を維持することが困難となる。そのため、本願の半導体装置においては、第３要素層および第４要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下とされる。ここで、第３要素層および第４要素層の厚みは、格子緩和の発生をより確実に抑制する観点から、０．２ｎｍ以上とすることが好ましい。また、第３要素層および第４要素層の厚みは、良好な表面性状をより確実に達成する観点から、０．７ｎｍ以下とすることが好ましい。
以上のように、本願の半導体装置によれば、良好な表面性状を維持しつつ格子緩和の発生を十分に抑制可能な歪み補償層を含む受光層を備えた半導体装置を提供することができる。
上記半導体装置において、上記単位構造は、ＩｎＳｂｚＡｓ１−ｚからなる第５要素層をさらに含んでいてもよい。この第５要素層は、上記第１要素層内または上記第２要素層内に配置されてもよい。この第５要素層を構成するＩｎＳｂｚＡｓ１−ｚにおけるｚの値は０を超え１未満であってもよい。この第５要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下であってもよい。
このように、上記第１要素層内または上記第２要素層内に歪み補償層である第５要素層を形成することにより、単位構造内に複数の歪み補償層を配置することが容易となる。
上記半導体装置において、上記第５要素層を構成するＩｎＳｂｚＡｓ１−ｚにおけるｚの値は０．３以上であってもよい。これにより、より強力に格子緩和の発生を抑制することができる。
上記半導体装置において、上記ｘの値は０．９以下であることが好ましい。また、上記半導体装置において、上記ｙの値は０．９以下であることが好ましい。また、上記半導体装置において、上記ｚの値は０．９以下であることが好ましい。歪み補償層を構成するＶ族元素におけるＳｂの割合を０．９以下とすることにより、良好な表面性状を維持することが一層容易となる。
上記半導体装置において、上記多重量子井戸構造を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の（００４）面のＸ線回折ピークのうち０次のサテライトピークと、上記バッファ層を構成するＧａＳｂの（００４）面のＸ線回折ピークとのω成分の差であるΔωは、−４００秒以上４００秒以下であってもよい。
このようにすることにより、上記多重量子井戸構造に付与される歪みが小さくなり、良好な表面性状をより確実に維持することができる。なお、本願においてΔωは、上記０次のサテライトピークのω成分（ピーク位置に対応する角度）からバッファ層を構成するＧａＳｂの（００４）面のＸ線回折ピークのω成分を減じた数値を意味する。
上記半導体装置において、上記Δωは−１００秒以上２００秒以下であってもよい。このようにすることにより、上記多重量子井戸構造に付与される歪みが小さくなり、良好な表面性状を一層確実に維持することができる。なお、歪み補償層である第３要素層、第４要素層および第５要素層は、第１要素層および第２要素層に比べて良好な結晶成長を維持することが難しい。そして、上記単位構造における歪み補償層の割合が多くなるほど、Δωは小さくなる。良好な表面性状を維持するためには、Δωを０に近づけることが好ましいが、歪み補償層の結晶成長の困難性を考慮すると、Δωの０との差が同じであれば、Δωをプラスの値とすることにより、上記単位構造における歪み補償層の割合を少なくすることが好ましい。このような観点から、Δωの好ましい範囲は、プラス側において広くなる。
上記半導体装置において、上記第１要素層を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０．００５以上であってもよい。このようにすることにより、第１要素層に付与される引張歪みが小さくなり、良好な表面性状を維持しつつ格子緩和の発生を十分に抑制することが容易となる。
上記半導体装置において、上記第１要素層を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０であってもよい。すなわち、上記第１要素層は、ＩｎＡｓからなるものであってもよい。このように第１要素層を２元系の化合物からなるものとすることにより、第１要素層の形成において成分組成の調整を容易なものとすることができる。
上記半導体装置において、上記基板はＧａＳｂからなっていてもよい。このようにすることにより、基板とバッファ層とが同一物質からなることとなり、高品質な半導体装置の製造が容易となる。また、このようにすることにより、バッファ層の厚みを低減することが可能となり、生産効率の向上にも寄与する。
上記半導体装置において、上記第２要素層の厚みは４ｎｍ以上７ｎｍ以下であってもよい。第２要素層の厚みを４ｎｍ以上とすることにより、良好な表面性状を維持することが容易となる。第２要素層の厚みが７ｎｍを超えると、多重量子井戸構造における波動関数の重なりが小さくなり、受光層における受光特性が悪化するおそれがある。そのため、第２要素層の厚みは４ｎｍ以上７ｎｍ以下とすることが好ましい。
上記半導体装置において好ましくは、上記多重量子井戸構造を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の炭素濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である。上記多重量子井戸構造内において炭素はアクセプタとして機能するため、炭素濃度が上昇すると上記多重量子井戸構造内のキャリア濃度が上昇する。その結果、動作時に上記多重量子井戸構造を空乏化させるために必要な電圧が高くなるという問題が生じる。また、上記多重量子井戸構造内において炭素は非発光中心を形成し、感度の低下を招来するおそれがある。上記多重量子井戸構造を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の炭素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以下とすることにより、このような問題の発生を抑制することができる。
上記半導体装置において、上記多重量子井戸構造は有機金属気相成長法により形成されていてもよい。このようにすることにより、上記多重量子井戸構造を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の炭素濃度を抑制することが容易となる。
［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本発明にかかる半導体装置の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
次に、本発明にかかる半導体装置の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
図１を参照して、本実施の形態における半導体装置としての赤外線受光素子（フォトダイオード）について説明する。図１を参照して、赤外線受光素子１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板２０と、ＧａＳｂからなるバッファ層３０と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる受光層としての多重量子井戸構造４０と、コンタクト層５０とを備えている。
基板２０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっている。基板２０を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、たとえばＧａＳｂ（ガリウムアンチモン）、ＩｎＡｓ（インジウム砒素）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＩｎＰ（インジウムリン）などを採用することができる。これらのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板２０を採用することにより、赤外線受光素子１を中赤外光用の受光素子とすることが容易となる。
バッファ層３０は、基板２０の一方の主面２０Ａ上に接触するように配置されている。バッファ層３０は、たとえば導電型がｐ型であるＧａＳｂ（ｐ−ＧａＳｂ）からなっている。バッファ層３０に含まれるｐ型不純物としては、たとえばＺｎ（亜鉛）、Ｃ（炭素）、Ｂｅ（ベリリウム）などを採用することができる。バッファ層３０を構成するｐ−ＧａＳｂの格子定数と、ＧａＳｂの理想的な結晶の格子定数とのミスマッチは０．０１％以下である。
図１を参照して、受光層である多重量子井戸構造４０は、バッファ層３０の、基板２０に面する側とは反対側の主面３０Ａ上に接触するように配置されている。多重量子井戸構造４０は、複数の要素層からなる単位構造４１が複数回繰り返されて構成されている。すなわち、単位構造４１が複数積層されることにより、多重量子井戸構造４０が形成されている。単位構造４１内の構造については、後述する。多重量子井戸構造４０の厚みは特に限定されるものではないが、受光感度向上の観点から、たとえば５００ｎｍ以上とすることができる。多重量子井戸構造４０は、タイプＩＩ量子井戸である。
図１を参照して、コンタクト層５０は、多重量子井戸構造４０の、バッファ層３０に面する側とは反対側の主面４０Ａ上に接触するように配置されている。コンタクト層５０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっている。
コンタクト層５０を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、たとえばＩｎＡｓ（インジウム砒素）、ＧａＳｂ（ガリウムアンチモン）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＩｎＰ（インジウムリン）、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）などを採用することができる。具体的には、たとえば導電型がｎ型であるＩｎＡｓ（ｎ−ＩｎＡｓ）が、コンタクト層５０を構成する化合物半導体として採用される。コンタクト層５０に含まれるｎ型不純物としては、たとえばＳｉ（珪素）、Ｔｅ（テルル）などを採用することができる。
さらに、赤外線受光素子１には、コンタクト層５０および多重量子井戸構造４０を貫通し、バッファ層３０に到達するトレンチ９９が形成されている。すなわち、トレンチ９９の側壁９９Ａにおいて、コンタクト層５０および多重量子井戸構造４０が露出している。また、トレンチ９９の底壁９９Ｂは、バッファ層３０内に位置している。
また、赤外線受光素子１は、パッシベーション膜８０と、ｐ側電極９１と、ｎ側電極９２とを備えている。パッシベーション膜８０はトレンチ９９の底壁９９Ｂ、トレンチ９９の側壁９９Ａおよびコンタクト層５０において多重量子井戸構造４０に面する側とは反対側の主面５０Ａを覆うように配置されている。パッシベーション膜８０は、窒化珪素、酸化珪素などの絶縁体からなっている。
トレンチ９９の底壁９９Ｂを覆うパッシベーション膜８０には、パッシベーション膜８０を厚み方向に貫通するように開口部８１が形成されている。そして、開口部８１を充填するようにｐ側電極９１が配置されている。ｐ側電極９１は、開口部８１から露出するバッファ層３０に接触するように配置されている。ｐ側電極９１は金属などの導電体からなっている。より具体的には、ｐ側電極９１は、たとえばＴｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）からなるものとすることができる。ｐ側電極９１は、バッファ層３０に対してオーミック接触している。
コンタクト層５０の主面５０Ａを覆うパッシベーション膜８０には、パッシベーション膜８０を厚み方向に貫通するように開口部８２が形成されている。そして、開口部８２を充填するようにｎ側電極９２が配置されている。ｎ側電極９２は、開口部８２から露出するコンタクト層５０に接触するように配置されている。ｎ側電極９２は金属などの導電体からなっている。より具体的には、ｎ側電極９２は、たとえばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるものとすることができる。ｎ側電極９２は、コンタクト層５０に対してオーミック接触している。
上記ｎ側電極９２は画素電極である。そして、上記赤外線受光素子１は、図１に示すように画素電極であるｎ側電極９２が１つだけ含まれるものであってもよいし、複数の画素電極（ｎ側電極９２）を含むものであってもよい。具体的には、赤外線受光素子１は、図１に示す構造が、図１において基板２０の主面２０Ａが延在する方向に複数繰り返される構造を有していてもよい。この場合、赤外線受光素子１は、画素に対応する複数のｎ側電極９２を有する一方で、ｐ側電極９１については１つだけ配置される。
次に、単位構造４１内の構造について説明する。図２を参照して、単位構造４１は、ＩｎＡｓ１−ａＳｂａからなる第１要素層７１と、ＧａＳｂからなる第２要素層７２と、ＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘからなる第３要素層７３と、を含む。より具体的には、第１要素層７１の主面７１Ａ上に接触するように、第２要素層７２が配置される。また、第２要素層７２の主面７２Ａ上に接触するように、第３要素層７３が配置される。第１要素層７１には、第１要素層７１を構成する結晶とバッファ層３０を構成する結晶との格子定数の差に起因して、引張応力が付与される。一方、第３要素層７３を構成する結晶とバッファ層３０を構成する結晶との格子定数の差に起因して、第３要素層７３には、圧縮応力が付与される。これにより、第３要素層７３は、第１要素層７１の引張応力を補償する。すなわち、第３要素層７３は単位構造４１内に配置された歪み補償層である。
単位構造４１内において、歪み補償層である第３要素層７３は第２要素層７２の一方の主面７２Ａに接触するように配置される。第２要素層７２の他方の主面７２Ｂは、単位構造４１内の第１要素層７１に接触する。すなわち、単位構造４１内において、歪み補償層である第３要素層７３は、第２要素層７２の一方の主面側にのみ配置される。第３要素層７３を構成するＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘにおけるｘの値は０を超え１未満である。一方、第１要素層７１を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０以上０．０５以下である。そして、第３要素層７３の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下である。
図１を参照して、この赤外線受光素子１に赤外線が入射すると、多重量子井戸構造４０内の量子準位間で赤外線が吸収され、電子と正孔とのペアが生成する。そして、生成した電子と正孔とが光電流信号として赤外線受光素子１から取り出されることにより、赤外線が検出される。
ここで、本実施の形態の赤外線受光素子１においては、ＩｎＡｓ１−ａＳｂａ（ａの値は０以上０．０５以下）からなる第１要素層７１と、ＧａＳｂからなる第２要素層７２とを含む単位構造４１が繰り返されて構成される多重量子井戸構造４０の単位構造４１内に、ＩｎＳｂＡｓからなる歪み補償層としての第３要素層７３が導入される。第３要素層７３は、ＩｎＳｂにＡｓが添加されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっている。そのため、良好な表面性状が維持されつつ、第３要素層７３には十分な圧縮応力が付与される。その結果、多重量子井戸構造４０において良好な表面性状を維持しつつ格子緩和の発生を十分に抑制することができる。また、本実施の形態においては、歪み補償層（第３要素層７３）は、第２要素層７２の一方の主面側にのみに配置されている。これにより、製造プロセスの複雑化を抑制しつつ、格子緩和の発生を抑制することが可能となっている。また、第３要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下とされる。このような膜厚の範囲とすることにより、良好な表面性状を維持しつつ、格子緩和の発生を抑制する効果を十分に得ることができる。
以上のように、本実施の形態における赤外線受光素子１は、受光層を構成する多重量子井戸構造４０内に、良好な表面性状を維持しつつ格子緩和の発生を十分に抑制可能な歪み補償層としての第３要素層７３を含む。その結果、多重量子井戸構造４０における単位構造４１の繰り返し数を十分に増加させることができる。その結果、本実施の形態における赤外線受光素子１は、十分な感度を有する受光素子となっている。
次に、多重量子井戸構造４０を構成する単位構造４１の変形例について説明する。図３は、第１の変形例における単位構造４１の構造を示している。図３を参照して、第１の変形例における単位構造４１と、上記図２に基づいて説明した単位構造４１とは、第２要素層７２の一方側の主面にのみ接触するように歪み補償層である第３要素層が配置されている点において共通している。しかし、第１の変形例における単位構造４１は、第１要素層７１と第２要素層７２との間に第３要素層７３が配置されている点において、上記図２に基づいて説明した単位構造４１の場合とは異なっている。具体的には、第１の変形例における単位構造４１においては、第１要素層７１の主面７１Ａ上に接触するように、第３要素層７３が配置される。また、第３要素層７３の主面７３Ａ上に接触するように、第２要素層７２が配置される。この単位構造４１内において、第３要素層７３は第２要素層の一方の主面７２Ｂに接触するように配置される。第２要素層７２の他方の主面７２Ａは、この単位構造４１上に配置される他の単位構造（図１参照）内の第１要素層７１に接触する。このような構造を採用することによっても、上記実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。
図４は、第２の変形例における単位構造４１の構造を示している。図４を参照して、第２の変形例における単位構造４１は、第２要素層７２の両方の主面側のそれぞれに歪み補償層が配置されている点において、上記実施の形態の単位構造４１とは異なっている。具体的には、第２の変形例の単位構造４１においては、第１要素層７１の主面７１Ａ上に接触するように、第３要素層７３が配置される。また、第３要素層７３の主面７３Ａ上に接触するように、第２要素層７２が配置される。さらに、第２要素層７２の主面７２Ａ上に接触するように、第４要素層７４が配置される。つまり、単位構造４１内において、第３要素層７３は第２要素層７２の一方の主面７２Ｂに接触するように配置される。そして、第４要素層７４は第２要素層７２の他方の主面７２Ａに接触するように配置される。第４要素層７４は、ＩｎＳｂｙＡｓ１−ｙからなる。第４要素層７４を構成するＩｎＳｂｙＡｓ１−ｙにおけるｙの値は０．３以上１未満である。第４要素層７４の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下である。
第４要素層７４を構成する結晶とバッファ層３０を構成する結晶との格子定数の差に起因して、第４要素層７４には、圧縮応力が付与される。これにより、第４要素層７４は、第１要素層７１の引張応力を補償する。すなわち、第４要素層７４は単位構造４１内に配置された歪み補償層である。本変形例においては、歪み補償層は、第２要素層７２の一方の主面７２Ｂおよび他方の主面７２Ａのそれぞれに接触するように配置されている（第３要素層７３および第４要素層７４）。これにより、歪み補償層の厚みを抑制しつつ、格子緩和の発生をより強力に抑制することができる。その結果、多重量子井戸構造４０内に含まれる単位構造の数を増加させ、赤外線受光素子１の感度を向上させることが可能となる。また、設計の自由度が向上し、たとえばカットオフ波長が長い場合にも容易に対応することができる。
このように、歪み補償層が第２要素層７２の一方の主面７２Ｂおよび他方の主面７２Ａのそれぞれに接触するように配置される場合、すなわち第３要素層７３および第４要素層７４の両方が採用される場合、第４要素層７４を構成するＩｎＳｂｙＡｓ１−ｙにおけるｙの値は０．３以上１未満とされる。ｙの値、すなわち歪み補償層を構成するＶ族元素のうちＳｂの割合を０．３以上とすることにより、格子緩和の発生を強力に抑制することができる。なお、上記変形例において、第３要素層７３と第４要素層７４との位置を入れ替えてもよい。この場合、第１要素層７１の主面７１Ａ上に接触するように、第４要素層７４が配置される。第４要素層７４の主面７４Ａ上に接触するように、第２要素層７２が配置される。そして、第２要素層７２の主面７２Ａ上に接触するように、第３要素層７３が配置される。
また、上記実施の形態、第１の変形例および第２の変形例において、第３要素層を構成するＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘにおけるｘの値は０を超え１未満であればよいが、ｘの値を０．３以上とすることにより、より強力に格子緩和の発生を抑制することができる。
図５は、第３の変形例における単位構造４１の構造を示している。図５を参照して、本変形例においては、図２に基づいて説明した上記実施の形態の単位構造４１において、第５要素層７５が第２要素層７２内に配置されている。具体的には、第３の変形例の単位構造４１においては、第１要素層７１の主面７１Ａ上に接触するように、下部第２要素層７２１が配置される。また、下部第２要素層７２１の主面７２１Ａ上に接触するように、第５要素層７５が配置される。さらに、第５要素層７５の主面７５Ａ上に接触するように、上部第２要素層７２２が配置される。また、上部第２要素層７２２の主面７２２Ａ上に接触するように、第３要素層７３が配置される。下部第２要素層７２１と上部第２要素層７２２とは、第２要素層７２を構成する。つまり、第５要素層７５は、第２要素層７２内に挿入されている。
第５要素層７５は、ＩｎＳｂｚＡｓ１−ｚからなる。第５要素層７５を構成するＩｎＳｂｚＡｓ１−ｚにおけるｚの値は０を超え１未満であればよいが、ｚの値を０．３以上とすることにより、より強力に格子緩和の発生を抑制することができる。第５要素層７５の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下である。
第５要素層７５を構成する結晶とバッファ層３０を構成する結晶との格子定数の差に起因して、第５要素層７５には、圧縮応力が付与される。これにより、第５要素層７５は、第１要素層７１の引張応力を補償する。すなわち、第５要素層７５は単位構造４１内に配置された歪み補償層である。このような単位構造４１を採用することにより、歪み補償層の厚みを抑制しつつ、格子緩和の発生をより強力に抑制することができる。また、単位構造４１内の各要素層は、たとえば供給される原料ガスを所定時間ごとに変更することにより順次積層して形成することができる。そして、製造技術上、たとえば第１要素層を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａ層を形成する状態から歪み補償層を構成するＩｎＳｂＡｓ層を形成する状態へと供給される原料ガスを変更して、形成される結晶を変更するに際して困難性が存在する場合、本変形例の単位構造を採用することにより、当該困難性を回避することができる。
図６は、第４の変形例における単位構造４１の構造を示している。図６を参照して、本変形例においては、図３に基づいて説明した上記第１の変形例の単位構造４１において、第５要素層７５が第１要素層７１内に配置されている。具体的には、第４の変形例の単位構造４１においては、下部第１要素層７１１の主面７１１Ａ上に接触するように、第５要素層７５が配置される。また、第５要素層７５の主面７５Ａ上に接触するように、上部第１要素層７１２が配置される。さらに、上部第１要素層７１２の主面７１２Ａに接触するように、第３要素層７３が配置される。また、第３要素層７３の主面７３Ａ上に接触するように、第２要素層７２が配置されている。下部第１要素層７１１と上部第１要素層７１２とは、第１要素層７１を構成する。つまり、第５要素層７５は、第１要素層７１内に挿入されている。第５要素層７５は、上記第３の変形例の場合と同様の構成を有する歪み補償層である。製造技術上、たとえば第２要素層を構成するＧａＳｂ層を形成する状態から歪み補償層を構成するＩｎＳｂＡｓ層を形成する状態へと供給される原料ガスを変更して、形成される結晶を変更するに際して困難性が存在する場合、本変形例の単位構造を採用することにより、当該困難性を回避することができる。
赤外線受光素子１において、上記多重量子井戸構造４０を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の（００４）面のＸ線回折ピークのうち０次のサテライトピークと、バッファ層３０を構成するＧａＳｂの（００４）面のＸ線回折ピークとのω成分の差であるΔωは、−４００秒以上４００秒以下であることが好ましい。このようにすることより、良好な表面性状をより確実に維持することができる。
また、上記Δωは−１００秒以上２００秒以下であることがより好ましい。このようにすることにより、良好な表面性状を一層確実に維持することができる。
さらに、第１要素層７１を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０．００５以上であってもよい。このようにすることにより、第１要素層７１に付与される引張歪みが小さくなり、良好な表面性状を維持しつつ格子緩和の発生を十分に抑制することが容易となる。
また、第１要素層７１を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０であってもよい。すなわち、上記第１要素層７１は、ＩｎＡｓからなるものであってもよい。このように第１要素層７１を２元系の化合物からなるものとすることにより、第１要素層７１の形成において成分組成の調整を容易なものとすることができる。
さらに、基板２０はＧａＳｂからなっていてもよい。このようにすることにより、基板２０とバッファ層３０とが同一物質からなることとなり、高品質な結晶成長が可能となる。また、このようにすることにより、バッファ層３０の厚みを低減することが可能となり、生産効率の向上にも寄与する。
また、第２要素層７２の厚みは４ｎｍ以上７ｎｍ以下であってもよい。第２要素層７２の厚みを４ｎｍ以上とすることにより、良好な表面性状を維持することが容易となる。第２要素層７２の厚みが７ｎｍを超えると、多重量子井戸構造４０における波動関数の重なりが小さくなり、受光層における受光特性が悪化するおそれがある。そのため、第２要素層７２の厚みは４ｎｍ以上７ｎｍ以下とすることが好ましい。
さらに、多重量子井戸構造４０を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の炭素濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下であることが好ましい。多重量子井戸構造４０内において炭素はアクセプタとして機能するため、炭素濃度が上昇すると多重量子井戸構造４０内のキャリア濃度が上昇する。その結果、動作時に多重量子井戸構造４０を空乏化させるために必要な電圧が高くなるという問題を生じる。また、多重量子井戸構造４０内において炭素は非発光中心を形成し、感度の低下を招来するおそれがある。多重量子井戸構造４０を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の炭素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以下とすることにより、このような問題の発生を抑制することができる。
多重量子井戸構造４０は有機金属気相成長法により形成されていてもよい。このようにすることにより、多重量子井戸構造４０を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の炭素濃度を抑制することが容易となる。
次に、本実施の形態における赤外線受光素子１の製造方法の概要について説明する。図７を参照して、本実施の形態における赤外線受光素子１の製造方法では、まず工程（Ｓ１０）として基板準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図８を参照して、たとえば直径２インチ（５０．８ｍｍ）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（たとえばＧａＳｂ）からなる基板２０が準備される。より具体的には、たとえばＧａＳｂからなるインゴットをスライスすることにより、ＧａＳｂからなる基板２０が得られる。この基板２０の表面が研磨された後、洗浄等のプロセスを経て主面２０Ａの平坦性および清浄性が確保された基板２０が準備される。
次に、工程（Ｓ２０）として動作層形成工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において準備された基板２０の主面２０Ａ上に、動作層であるバッファ層３０、多重量子井戸構造４０およびコンタクト層５０が形成される。この動作層の形成は、たとえば有機金属気相成長により実施することができる。有機金属気相成長による動作層の形成は、たとえば基板加熱用のヒータを備えた回転テーブル上に基板２０を載置し、基板２０をヒータにより加熱しつつ基板上に原料ガスを供給することにより実施することができる。
具体的には、図８を参照して、まず基板２０の主面２０Ａ上に接触するように、たとえばｐ−ＧａＳｂからなるバッファ層３０が有機金属気相成長により形成される。ｐ−ＧａＳｂからなるバッファ層３０の形成では、Ｇａの原料としてたとえばＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）などを用いることができ、Ｓｂの原料としてたとえばＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）、ＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）、ＴＩＰＳｂ（トリイソプロピルアンチモン）、ＴＤＭＡＳｂ（トリジメチルアミノアンチモン）、ＴＴＢＳｂ（トリターシャリーブチルアンチモン）などを用いることができる。また、ｐ型不純物としてＣを添加する場合、たとえばＣＢｒ４（四臭化炭素）、ＣＣｌ４（四塩化炭素）などを原料ガスに添加することができる。
次に、図８および図９を参照して、バッファ層３０の、基板２０に面する側とは反対側の主面３０Ａ上に接触するように、多重量子井戸構造４０が形成される。多重量子井戸構造４０は、たとえば上記図２〜図６に基づいて説明した単位構造４１が複数積層されることにより形成される。多重量子井戸構造４０の形成は、上記バッファ層３０の形成に引き続いて有機金属気相成長により実施することができる。すなわち、多重量子井戸構造４０の形成は、バッファ層３０の形成の際に用いた装置内に基板２０を配置した状態で、原料ガスを変更することにより実施することができる。これにより、タイプＩＩ量子井戸である多重量子井戸構造４０を形成することができる。
単位構造４１を構成する各要素層の形成では、Ｉｎの原料としてたとえばＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）などを用いることができる。また、Ａｓの原料としてはたとえばＴＢＡｓ（ターシャリーブチルアルシン）、ＴＭＡｓ（トリメチル砒素）などを用いることができる。さらに、Ｇａの原料としてたとえばＴＥＧａ、ＴＭＧａなどを用いることができる。また、Ｓｂの原料としてたとえばＴＭＳｂ、ＴＥＳｂ、ＴＩＰＳｂ、ＴＤＭＡＳｂ、ＴＴＢＳｂなどを用いることができる。
次に、図９および図１０を参照して、多重量子井戸構造４０の、バッファ層３０に面する側とは反対側の主面４０Ａ上に接触するように、たとえばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるｎ−ＩｎＡｓからなるコンタクト層５０が形成される。コンタクト層５０の形成は、上記多重量子井戸構造４０の形成に引き続いて有機金属気相成長により実施することができる。すなわち、コンタクト層５０の形成は、多重量子井戸構造４０の形成の際に用いた装置内に基板２０を配置した状態で、原料ガスを変更することにより実施することができる。ｎ型不純物としてＳｉを添加する場合、たとえばＴｅＥＳｉ（テトラエチルシラン）を原料ガスに添加することができる。
以上の手順により、本実施の形態における半導体積層体１０が完成する。上述のように、工程（Ｓ２０）を有機金属気相成長により実施することにより、半導体積層体１０の生産効率を向上させることができる。なお、工程（Ｓ２０）は有機金属原料のみを用いた有機金属気相成長法に限られず、たとえばＡｓの原料にＡｓＨ３（アルシン）、Ｓｉの原料にＳｉＨ４（シラン）などの水素化物を用いた有機金属気相成長法で実施してもよい。また、有機金属気相成長以外の方法により実施することも可能であって、たとえばＭＢＥ法を用いてもよい。
次に、図７を参照して、工程（Ｓ３０）としてトレンチ形成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図１０および図１１を参照して、上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ２０）において作製された半導体積層体１０に、コンタクト層５０および多重量子井戸構造４０を貫通し、バッファ層３０に到達するトレンチ９９が形成される。トレンチ９９は、たとえばコンタクト層５０の主面５０Ａ上にトレンチ９９の形状に対応する開口を有するマスク層を形成した上で、エッチングを実施することにより形成することができる。
次に、工程（Ｓ４０）としてパッシベーション膜形成工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図１１および図１２を参照して、工程（Ｓ３０）においてトレンチ９９が形成された半導体積層体１０に対し、パッシベーション膜８０が形成される。具体的には、たとえばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により酸化珪素、窒化珪素などの絶縁体からなるパッシベーション膜８０が形成される。パッシベーション膜８０は、トレンチ９９の底壁９９Ｂ、トレンチ９９の側壁９９Ａおよびコンタクト層５０において多重量子井戸構造４０に面する側とは反対側の主面５０Ａを覆うように形成される。
次に、工程（Ｓ５０）として電極形成工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、図１２および図１を参照して、工程（Ｓ４０）においてパッシベーション膜８０が形成された半導体積層体１０に、ｐ側電極９１およびｎ側電極９２が形成される。具体的には、たとえばｐ側電極９１およびｎ側電極９２を形成すべき領域に対応する位置に開口を有するマスクをパッシベーション膜８０上に形成し、当該マスクを用いてパッシベーション膜８０に開口部８１および開口部８２を形成する。その後、たとえば蒸着法により適切な導電体からなるｐ側電極９１およびｎ側電極９２を形成する。以上の工程により、本実施の形態における赤外線受光素子１が完成する。その後、たとえばダイシングにより各素子に分離される。
多重量子井戸構造内の単位構造の構成を変更した場合の歪み補償層とΔωとの関係に基づいて、単位構造の適切な構成について検討した。単位構造としては、図２に基づいて説明した上記実施の形態における単位構造（片側補償層タイプ）と、図４に基づいて説明した上記実施の形態の第２の変形例における単位構造（両側補償層タイプ）とを想定し、両タイプにおいて歪み補償層を構成するＶ族元素におけるＳｂの割合を変更した場合のΔωの値の変化を導出した。結果を図１３〜図１８に示す。図１３〜図１８において、横軸は歪み補償層（第３要素層７３および第４要素層７４）を構成するＶ族元素におけるＳｂの割合を示す。また、図１３〜図１８において、縦軸はΔωの値を示す。また、図１３〜図１８において、実線はＧａＳｂからなる第２要素層の厚みが２ｎｍの場合、破線はＧａＳｂからなる第２要素層の厚みが４ｎｍの場合、一点鎖線はＧａＳｂからなる第２要素層の厚みが６ｎｍの場合を示している。
まず、図１３および図１４を参照して、波長６μｍ帯に対応する受光層を想定した場合について説明する。図１３および図１４は、波長６μｍ帯に対応する受光層を想定し、第１要素層７１が厚み３．５ｎｍのＩｎＡｓからなる場合におけるＳｂの割合とΔωとの関係を示している。図１３は片側補償層タイプに対応し、歪み補償層として厚み０．４ｎｍの第３要素層が形成される場合について示している。図１４は両側補償層タイプに対応し、歪み補償層として厚み０．４ｎｍの第３要素層および厚み０．４ｎｍの第４要素層が形成される場合について示している。図１３および図１４を参照して、片側補償層タイプおよび両側補償層タイプのいずれの場合でも、Ｓｂの割合を０．３以上の適切な値とすることにより、Δωを−４００秒以上４００秒以下の範囲、かつ−１００秒以上２００秒以下の範囲とすることが可能となっている。ここで、Δωが−４００秒以上４００秒以下の範囲であれば、格子緩和を発生させることなく単位構造４１を１００周期程度積層することが可能である。１００周期を超える単位構造４１を積層するためには、Δωをさらに０に近づける必要があり、たとえば−１００秒以上２００秒以下の範囲とすることが好ましい。そのため、１００周期を超える単位構造４１を積層するためには、片側補償層タイプの場合、Ｓｂの割合を０．６以上とする必要がある。一方、両側補償層タイプの場合、Ｓｂの割合を０．３以上とすることにより、１００周期を超える単位構造４１を積層することができる。単位構造４１の周期数（積層数）を特に大きくする場合、Ｓｂの割合を０．５付近としてΔωの値を０に近づけることが容易な、両側補償層タイプが有利である。一方、単位構造の周期数が比較的小さい場合、製造工程が簡易な片側補償層タイプが有利であると考えられる。
次に、図１５および図１６を参照して、波長１２μｍ帯に対応する受光層を想定した場合について説明する。図１５および図１６は、波長１２μｍ帯に対応する受光層を想定し、第１要素層７１が厚み５ｎｍのＩｎＡｓからなる場合におけるＳｂの割合とΔωとの関係を示している。図１５は片側補償層タイプに対応し、歪み補償層として厚み０．４ｎｍの第３要素層が形成される場合について示している。図１６は両側補償層タイプに対応し、歪み補償層として厚み０．４ｎｍの第３要素層および厚み０．４ｎｍの第４要素層が形成される場合について示している。図１５を参照して、片側補償層タイプの場合、Ｓｂの割合を調整してもΔωを−１００秒以上２００秒以下の範囲とすることはできないことが分かる。一方、図１６を参照して、両側補償層タイプの場合、Ｓｂの割合を０．７程度とすることにより、Δωを０に近い値とすることができる。このように、両側補償層タイプを採用することにより、カットオフ波長が長い場合に対応することが可能となる。
次に、図１７および図１８を参照して、波長１２μｍ帯に対応する受光層を想定した場合について説明する。図１７および図１８は、波長１２μｍ帯に対応する受光層を想定し、第１要素層７１が厚み５ｎｍのＩｎＡｓ０．９８Ｓｂ０．０２からなる場合におけるＳｂの割合とΔωとの関係を示している。図１７は片側補償層タイプに対応し、歪み補償層として厚み０．４ｎｍの第３要素層が形成される場合について示している。図１８は両側補償層タイプに対応し、歪み補償層として厚み０．４ｎｍの第３要素層および厚み０．４ｎｍの第４要素層が形成される場合について示している。すなわち、図１５および図１６の場合と同様の単位構造４１において、第１要素層７１を構成するＩｎＡｓに、Ｓｂを添加した。ＩｎＡｓ０．９８Ｓｂ０．０２からなる第１要素層７１を採用することにより、第１要素層７１に付与される引張歪みが抑制される。その結果、図１７を参照して、第１要素層７１がＩｎＡｓからなる場合には片側補償層タイプで実現できなかったΔωを−１００秒以上２００秒以下の範囲とすることが、Ｓｂの割合を０．７以上とすることで可能となっている。また、図１８を参照して、両側補償層タイプの場合も、Δωを−１００秒以上２００秒以下の範囲とすることが可能である。このように、第１要素層７１を構成するＩｎＡｓに、Ｓｂを添加することにより、カットオフ波長が長い場合でも、片側補償層タイプを採用することが可能となる。
上記実施の形態と同様の構造を有する多重量子井戸構造を実際に作製し、表面性状を確認する実験を行った。実験の手順は以下の通りである。
図９を参照して、基板２０上にバッファ層３０および多重量子井戸構造４０を形成した。バッファ層３０の厚みは１００ｎｍである。多重量子井戸構造４０に含まれる単位構造４１は１００周期とした。バッファ層３０および多重量子井戸構造４０は、有機金属気相成長法により形成した。バッファ層３０の成長温度は５００℃とした。一方、多重量子井戸構造４０の成長温度は４７５℃とした。基板２０は、主面２０Ａが（００１）面であるＧａＳｂからなるものを採用した。この基板２０の主面２０Ａ上に、アンドープのＧａＳｂからなるバッファ層３０を形成した。その後、図２に示す単位構造４１をバッファ層３０の主面３０Ａ上に１００周期形成した。設計上のカットオフ波長は５．５μｍである。
単位構造４１において、厚み３ｎｍのＩｎＡｓからなる第１要素層７１と、厚み６ｎｍのＧａＳｂからなる第２要素層と、厚み０．５ｎｍのＩｎＳｂ０．３Ａｓ０．７からなる第３要素層７３（歪み補償層）とを採用した（実施例Ａ）。一方、比較のため、実施例Ａにおいて第３要素層７３（歪み補償層）を厚み０．３ｎｍのＩｎＳｂからなるものに変更したものも作製した（比較例Ａ）。Ｘ線回折により測定した結果、実施例ＡのΔωは１８５秒、比較例ＡのΔωは５７秒であった。そして、この実施例Ａおよび比較例Ａの多重量子井戸構造の表面性状を光学顕微鏡により観察した。実施例Ａおよび比較例Ａの観察結果を、それぞれ図１９および図２０に示す。
実施例ＡのΔωは比較例ＡのΔωよりも大きい。すなわち比較例Ａに比べて実施例Ａは歪みが大きい。このように、歪みの観点から実施例Ａは比較例Ａに比べて不利な状況にもかかわらず、図１９および図２０を参照して、実施例Ａは比較例Ａに比べて表面性状が優れていることが分かる。このことから、ＩｎＳｂにＡｓを添加した歪み補償層、すなわちＩｎＳｂＡｓからなる歪み補償層を採用することにより、表面性状を改善できることが確認される。
次に、カットオフ波長を６．８μｍにまで長くした場合を想定し、上記実施例Ａおよび比較例Ａの場合と同様の製造方法により、第１要素層７１の厚みを３．５ｎｍに変更したものについても実験した。すなわち、単位構造４１において、厚み３．５ｎｍのＩｎＡｓからなる第１要素層７１と、厚み６ｎｍのＧａＳｂからなる第２要素層と、厚み０．５ｎｍのＩｎＳｂ０．３Ａｓ０．７からなる第３要素層７３（歪み補償層）とを採用した（実施例Ｂ）。実施例ＢのΔωは３２１秒となった。また、Δωを低減する観点から、実施例Ｂにおいて第３要素層７３の厚みを０．９ｎｍを超える１ｎｍにまで増加させたものも作製した（比較例Ｂ）。比較例ＢのΔωは１８２秒となった。そして、この実施例Ｂおよび比較例Ｂの多重量子井戸構造の表面性状を光学顕微鏡により観察した。実施例Ｂおよび比較例Ｂの観察結果を、それぞれ図２１および図２２に示す。
図２１および図２２を参照して、実施例Ｂの表面性状は許容範囲であるのに対し、比較例Ｂの表面性状はデバイス特性に悪影響を及ぼすレベルにまで悪化している。ここで、比較例ＢのΔωは実施例ＢのΔωよりも小さい。すなわち実施例Ｂに比べて比較例Ｂは歪みが小さい。このように、歪みの観点から比較例Ｂは実施例Ｂに比べて有利な状況にもかかわらず、０．９ｎｍを超える厚みの第３要素層７３を採用した比較例Ｂの表面性状は許容できないレベルにまで悪化している。このことからＩｎＳｂＡｓからなる歪み補償層の厚みは０．９ｎｍ以下とすべきであることが確認される。
次に、上記実施例Ｂにおいて、歪み補償層を第１要素層７１と第２要素層７２との間に追加したものについても作製した（実施例Ｃ）。すなわち、図２の構造を有する実施例Ｂに歪み要素層を追加することにより図４の構造としたものを作製した。具体的には、図４を参照して、単位構造４１において、厚み３．５ｎｍのＩｎＡｓからなる第１要素層７１と、厚み０．４ｎｍのＩｎＳｂ０．３Ａｓ０．７からなる第３要素層７３（歪み補償層）と、厚み６ｎｍのＧａＳｂからなる第２要素層と、厚み０．５ｎｍのＩｎＳｂ０．３Ａｓ０．７からなる第４要素層７４（歪み補償層）とを採用した。実施例ＣのΔωは−６６秒となった。そして、この実施例Ｃの多重量子井戸構造の表面性状を光学顕微鏡により観察した。観察結果を、図２３に示す。
図２３を参照して、実施例Ｃの表面性状は極めて良好なものとなっている。実施例Ｂ、実施例Ｃおよび比較例Ｂの表面性状の比較から、多重量子井戸構造内の歪みを低減する必要がある場合、図２の単位構造において第３要素層７３の厚みを一定値以上、すなわち０．９ｎｍ以上とするよりも、第４要素層を採用することにより図４の単位構造（第２要素層７２の両側の主面側に歪み補償層を配置した単位構造）とすることで、表面性状を良好な状態に維持しつつ歪みを低減できることが確認された。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本願の半導体装置は、多重量子井戸構造を含む受光層を備えた半導体装置に、特に有利に適用され得る。
１ 赤外線受光素子
１０ 半導体積層体
２０ 基板
２０Ａ 主面
３０ バッファ層
３０Ａ 主面
４０ 多重量子井戸構造
４０Ａ 主面
４１ 単位構造
５０ コンタクト層
５０Ａ 主面
７１ 第１要素層
７１Ａ 主面
７１１ 下部第１要素層
７１１Ａ 主面
７１２ 上部第１要素層
７１２Ａ 主面
７２ 第２要素層
７２Ａ 主面
７２Ｂ 主面
７２１ 下部第２要素層
７２１Ａ 主面
７２２ 上部第２要素層
７２２Ａ 主面
７３ 第３要素層
７３Ａ 主面
７４ 第４要素層
７４Ａ 主面
７５ 第５要素層
７５Ａ 主面
８０ パッシベーション膜
８１，８２ 開口部
９１ ｐ側電極
９２ ｎ側電極
９９ トレンチ
９９Ａ 側壁
９９Ｂ 底壁
１０ 半導体積層体
２０ 基板
２０Ａ 主面
３０ バッファ層
３０Ａ 主面
４０ 多重量子井戸構造
４０Ａ 主面
４１ 単位構造
５０ コンタクト層
５０Ａ 主面
７１ 第１要素層
７１Ａ 主面
７１１ 下部第１要素層
７１１Ａ 主面
７１２ 上部第１要素層
７１２Ａ 主面
７２ 第２要素層
７２Ａ 主面
７２Ｂ 主面
７２１ 下部第２要素層
７２１Ａ 主面
７２２ 上部第２要素層
７２２Ａ 主面
７３ 第３要素層
７３Ａ 主面
７４ 第４要素層
７４Ａ 主面
７５ 第５要素層
７５Ａ 主面
８０ パッシベーション膜
８１，８２ 開口部
９１ ｐ側電極
９２ ｎ側電極
９９ トレンチ
９９Ａ 側壁
９９Ｂ 底壁
Claims (12)
- ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、
前記基板上に配置され、ＧａＳｂからなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる多重量子井戸構造を含む受光層と、を備え、
前記多重量子井戸構造は、複数の要素層からなる単位構造が複数回繰り返されて構成され、
前記単位構造は、
ＩｎＡｓ１−ａＳｂａからなる第１要素層と、
ＧａＳｂからなる第２要素層と、
ＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘからなる第３要素層と、を含み、
一の前記単位構造内において、前記第３要素層は前記第２要素層の一方の主面に接触するように配置され、
前記第２要素層の他方の主面は、前記一の単位構造内または前記一の単位構造上に配置される他の前記単位構造内の前記第１要素層に接触し、
前記第１要素層を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０以上０．０５以下であり、
前記第３要素層を構成するＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘにおけるｘの値は０．３以上１未満であり、
前記第３要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下である、半導体装置。 - ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板と、
前記基板上に配置され、ＧａＳｂからなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる多重量子井戸構造を含む受光層と、を備え、
前記多重量子井戸構造は、複数の要素層からなる単位構造が複数回繰り返されて構成され、
前記単位構造は、
ＩｎＡｓ１−ａＳｂａからなる第１要素層と、
ＧａＳｂからなる第２要素層と、
ＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘからなる第３要素層と、
ＩｎＳｂｙＡｓ１−ｙからなる第４要素層と、を含み、
前記単位構造内において、
前記第３要素層は前記第２要素層の一方の主面に接触するように配置され、
前記第４要素層は前記第２要素層の他方の主面に接触するように配置され、
前記第１要素層を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０以上０．０５以下であり、
前記第３要素層を構成するＩｎＳｂｘＡｓ１−ｘにおけるｘの値は０．３以上１未満であり、
前記第４要素層を構成するＩｎＳｂｙＡｓ１−ｙにおけるｙの値は０．３以上１未満であり、
前記第３要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下であり、
前記第４要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下である、半導体装置。 - 前記単位構造は、ＩｎＳｂｚＡｓ１−ｚからなる第５要素層をさらに含み、
前記第５要素層は、前記第１要素層内または前記第２要素層内に配置され、
前記第５要素層を構成するＩｎＳｂｚＡｓ１−ｚにおけるｚの値は０を超え１未満であり、
前記第５要素層の厚みは０．１ｎｍ以上０．９ｎｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。 - 前記第５要素層を構成するＩｎＳｂｚＡｓ１−ｚにおけるｚの値は０．３以上である、請求項３に記載の半導体装置。
- 前記多重量子井戸構造を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の（００４）面のＸ線回折ピークのうち０次のサテライトピークと、前記バッファ層を構成するＧａＳｂの（００４）面のＸ線回折ピークとのω成分の差であるΔωは、−４００秒以上４００秒以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記Δωは−１００秒以上２００秒以下である、請求項５に記載の半導体装置。
- 前記第１要素層を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０．００５以上である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記第１要素層を構成するＩｎＡｓ１−ａＳｂａにおけるａの値は０である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記基板はＧａＳｂからなる、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記第２要素層の厚みは４ｎｍ以上７ｎｍ以下である、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記多重量子井戸構造を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の炭素濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である、請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記多重量子井戸構造は有機金属気相成長法により形成されている、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の半導体装置。
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