JP6488855B2 - Semiconductor laminate, light receiving element, and method of manufacturing semiconductor laminate - Google Patents
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Description
本発明は、半導体積層体、受光素子および半導体積層体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor laminate, a light receiving element, and a method for producing a semiconductor laminate.
III−V族化合物半導体からなる基板上に、III−V族化合物半導体からなる半導体層を形成した構造を含む半導体積層体は、赤外域の光に対応した受光素子の製造に用いることができる。具体的には、たとえばIII−V族化合物半導体からなる基板上に、III−V族化合物半導体からなるバッファ層、量子井戸受光層、コンタクト層を順次積層し、さらに適切な電極を形成することにより赤外線用の受光素子を得ることができる。このような受光素子に関して、カットオフ波長が2μm〜5μmであるフォトダイオードについての報告がある(たとえば、非特許文献1参照)。また、感度の向上等を目的として、量子井戸受光層から見て基板とは反対側にn型層を配置してn型層に接触する第1電極を形成するとともに、基板側にp型層を配置してp型層に接触する第2電極を形成する構造(nip構造)が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。受光素子の暗電流の構成成分について、理論的な計算がなされた文献も存在する(たとえば、非特許文献2参照)。 A semiconductor stacked body including a structure in which a semiconductor layer made of a group III-V compound semiconductor is formed on a substrate made of a group III-V compound semiconductor can be used for manufacturing a light receiving element corresponding to light in the infrared region. Specifically, for example, a buffer layer, a quantum well light-receiving layer, and a contact layer made of a group III-V compound semiconductor are sequentially stacked on a substrate made of a group III-V compound semiconductor, and an appropriate electrode is formed. An infrared light receiving element can be obtained. Regarding such a light receiving element, there is a report on a photodiode having a cutoff wavelength of 2 μm to 5 μm (see, for example, Non-Patent Document 1). In addition, for the purpose of improving sensitivity and the like, the n-type layer is disposed on the opposite side of the substrate as viewed from the quantum well light-receiving layer to form the first electrode in contact with the n-type layer, and the p-type layer is formed on the substrate side. A structure (nip structure) is proposed in which a second electrode that contacts the p-type layer is disposed (see, for example, Patent Document 1). There is also a document in which theoretical calculation has been made on the components of the dark current of the light receiving element (see, for example, Non-Patent Document 2).
上記III−V族化合物半導体からなる半導体層を含む受光素子においては、感度が十分に向上せず、かつ暗電流が増加するという問題が生じる場合がある。そこで、III−V族化合物半導体からなる半導体層を含む受光素子の感度を向上させるとともに、暗電流を低減することが可能な半導体積層体、受光素子および半導体積層体の製造方法を提供することを目的の1つとする。 In a light receiving element including a semiconductor layer made of the III-V group compound semiconductor, there are cases where the sensitivity is not sufficiently improved and a dark current increases. Therefore, it is possible to improve the sensitivity of a light receiving element including a semiconductor layer made of a III-V group compound semiconductor, and to provide a semiconductor stacked body, a light receiving element, and a method for manufacturing the semiconductor stacked body capable of reducing dark current. One of the purposes.
本発明に従った半導体積層体は、III−V族化合物半導体からなり、導電型が第1導電型である第1導電型層と、III−V族化合物半導体からなる量子井戸受光層と、III−V族化合物半導体からなり、導電型が第1導電型とは異なる第2導電型である第2導電型層と、を備える。第1導電型層、量子井戸受光層および第2導電型層は、この順に積層される。量子井戸受光層の厚みは0.5μm以上である。量子井戸受光層におけるキャリア濃度は1×1016cm−3以下である。 A semiconductor multilayer body according to the present invention is made of a III-V group compound semiconductor, a first conductivity type layer having a first conductivity type, a quantum well light-receiving layer made of a III-V group compound semiconductor, and III A second conductivity type layer made of a -V group compound semiconductor and having a second conductivity type different from the first conductivity type. The first conductivity type layer, the quantum well light-receiving layer, and the second conductivity type layer are stacked in this order. The quantum well light-receiving layer has a thickness of 0.5 μm or more. The carrier concentration in the quantum well light-receiving layer is 1 × 10 16 cm −3 or less.
本発明に従った半導体積層体の製造方法は、III−V族化合物半導体からなり、導電型が第1導電型である第1導電型層を形成する工程と、III−V族化合物半導体からなる量子井戸受光層を形成する工程と、III−V族化合物半導体からなり、導電型が第1導電型とは異なる第2導電型である第2導電型層を形成する工程と、を備える。第1導電型層を形成する工程、量子井戸受光層を形成する工程および第2導電型層を形成する工程は、この順で実施され、第1導電型層、量子井戸受光層および第2導電型層は、この順に積層される。量子井戸受光層は、厚みが0.5μm以上であり、キャリア濃度が1×1016cm−3以下となるように形成される。 The manufacturing method of the semiconductor laminated body according to this invention consists of a III-V group compound semiconductor, the process of forming the 1st conductivity type layer whose conductivity type is a 1st conductivity type, and a III-V group compound semiconductor. A step of forming a quantum well light-receiving layer, and a step of forming a second conductivity type layer made of a group III-V compound semiconductor and having a second conductivity type different from the first conductivity type. The step of forming the first conductivity type layer, the step of forming the quantum well light receiving layer, and the step of forming the second conductivity type layer are performed in this order, and the first conductivity type layer, the quantum well light receiving layer, and the second conductivity type are performed. The mold layers are laminated in this order. The quantum well light-receiving layer is formed to have a thickness of 0.5 μm or more and a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 or less.
上記半導体積層体および上記半導体積層体の製造方法によれば、III−V族化合物半導体からなる半導体層を含む受光素子の感度を向上させるとともに、暗電流を低減することができる。 According to the semiconductor stacked body and the method for manufacturing the semiconductor stacked body, it is possible to improve the sensitivity of a light receiving element including a semiconductor layer made of a III-V group compound semiconductor and reduce dark current.
[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。本願の半導体積層体は、III−V族化合物半導体からなり、導電型が第1導電型である第1導電型層と、III−V族化合物半導体からなる量子井戸受光層と、III−V族化合物半導体からなり、導電型が第1導電型とは異なる第2導電型である第2導電型層と、を備える。第1導電型層、量子井戸受光層および第2導電型層は、この順に積層される。量子井戸受光層の厚みは0.5μm以上である。量子井戸受光層におけるキャリア濃度は1×1016cm−3以下である。
[Description of Embodiment of Present Invention]
First, embodiments of the present invention will be listed and described. The semiconductor stacked body of the present application is made of a III-V group compound semiconductor, a first conductivity type layer having a first conductivity type, a quantum well light-receiving layer made of a group III-V compound semiconductor, and a group III-V A second conductivity type layer made of a compound semiconductor and having a second conductivity type different from the first conductivity type. The first conductivity type layer, the quantum well light-receiving layer, and the second conductivity type layer are stacked in this order. The quantum well light-receiving layer has a thickness of 0.5 μm or more. The carrier concentration in the quantum well light-receiving layer is 1 × 10 16 cm −3 or less.
本発明者らは、III−V族化合物半導体からなる半導体層を含む受光素子において感度が十分に向上せず、かつ暗電流が増加する原因について検討を行った。その結果、感度の低下および暗電流の増加は、量子井戸受光層の厚みと量子井戸受光層におけるキャリア濃度とに依存しているとの知見を得た。具体的には、キャリア濃度を1×1016cm−3以下とすることにより暗電流を許容可能な範囲に抑制することができる。また、上記キャリア濃度が達成されると、通常の動作電圧の下において十分な空乏層幅が確保される。そして、十分な空乏層幅が確保されている条件下において量子井戸受光層の厚みを0.5μm以上とすることにより、感度を許容可能な範囲とすることができる。 The inventors of the present invention have studied the cause of the sensitivity not sufficiently improving and the dark current increasing in a light receiving element including a semiconductor layer made of a III-V group compound semiconductor. As a result, it was found that the decrease in sensitivity and the increase in dark current depend on the thickness of the quantum well light-receiving layer and the carrier concentration in the quantum well light-receiving layer. Specifically, the dark current can be suppressed to an acceptable range by setting the carrier concentration to 1 × 10 16 cm −3 or less. Further, when the carrier concentration is achieved, a sufficient depletion layer width is secured under a normal operating voltage. And sensitivity can be made into a tolerance | permissible_range by making thickness of a quantum well light receiving layer into 0.5 micrometer or more on the conditions where sufficient depletion layer width is ensured.
本願の半導体積層体においては、量子井戸受光層におけるキャリア濃度が1×1016cm−3以下であり、かつ受光層の厚みは0.5μm以上である。そのため、本願の半導体積層体によれば、これを用いて受光素子を製造することにより、III−V族化合物半導体からなる半導体層を含む受光素子の感度を向上させるとともに、暗電流を低減することができる。 In the semiconductor stacked body of the present application, the carrier concentration in the quantum well light-receiving layer is 1 × 10 16 cm −3 or less, and the thickness of the light-receiving layer is 0.5 μm or more. Therefore, according to the semiconductor laminate of the present application, by using this to manufacture a light receiving element, the sensitivity of the light receiving element including a semiconductor layer made of a III-V group compound semiconductor can be improved and dark current can be reduced. Can do.
上記半導体積層体において、量子井戸受光層の厚みは1.5μm以上であってもよい。量子井戸受光層におけるキャリア濃度は1×1015cm−3以下であってもよい。このようにすることにより、一層受光素子の感度を向上させ、暗電流を低減することができる。 In the semiconductor stacked body, the thickness of the quantum well light-receiving layer may be 1.5 μm or more. The carrier concentration in the quantum well light-receiving layer may be 1 × 10 15 cm −3 or less. By doing in this way, the sensitivity of a light receiving element can be improved further and a dark current can be reduced.
上記半導体積層体において、量子井戸受光層の厚みは2.0μm以上であってもよい。量子井戸受光層におけるキャリア濃度は7×1014cm−3以下であってもよい。このようにすることにより、一層受光素子の感度を向上させ、暗電流を低減することができる。 In the semiconductor stacked body, the thickness of the quantum well light-receiving layer may be 2.0 μm or more. The carrier concentration in the quantum well light-receiving layer may be 7 × 10 14 cm −3 or less. By doing in this way, the sensitivity of a light receiving element can be improved further and a dark current can be reduced.
上記半導体積層体の上記量子井戸受光層において、第1導電型のキャリアを生成する第1導電型不純物の濃度および第2導電型のキャリアを生成する第2導電型不純物の濃度は、いずれも1×1016cm−3以下であってもよい。 In the quantum well light-receiving layer of the semiconductor stacked body, the concentration of the first conductivity type impurity that generates the first conductivity type carrier and the concentration of the second conductivity type impurity that generates the second conductivity type carrier are both 1 × 10 16 cm −3 or less may be used.
キャリア濃度は、p型不純物濃度とn型不純物濃度の差となるため、キャリア濃度が不純物濃度を超えることはない。第1導電型不純物の濃度および第2導電型不純物の濃度を、いずれも1×1016cm−3以下とすることにより、量子井戸受光層における上記キャリア濃度を容易に達成することができる。 Since the carrier concentration is the difference between the p-type impurity concentration and the n-type impurity concentration, the carrier concentration does not exceed the impurity concentration. By setting both the concentration of the first conductivity type impurity and the concentration of the second conductivity type impurity to 1 × 10 16 cm −3 or less, the carrier concentration in the quantum well light-receiving layer can be easily achieved.
上記半導体積層体の上記量子井戸受光層において、第1導電型のキャリアを生成する第1導電型不純物および第2導電型のキャリアを生成する第2導電型不純物の一方が、1×1016cm−3を超える濃度で含まれ、第1導電型不純物および第2導電型不純物の他方が、上記一方の濃度との差が1×1016cm−3以下の濃度で含まれてもよい。 In the quantum well light-receiving layer of the semiconductor stacked body, one of the first conductivity type impurity generating a first conductivity type carrier and the second conductivity type impurity generating a second conductivity type carrier is 1 × 10 16 cm. -3 , and the other of the first conductivity type impurity and the second conductivity type impurity may be included at a concentration of 1 × 10 16 cm −3 or less.
量子井戸受光層においてp型不純物およびn型不純物の一方が1×1016cm−3を超えている場合でも、p型不純物およびn型不純物の他方を量子井戸受光層内に導入することにより、量子井戸受光層における上記キャリア濃度を達成することができる。 Even when one of the p-type impurity and the n-type impurity exceeds 1 × 10 16 cm −3 in the quantum well light-receiving layer, by introducing the other of the p-type impurity and the n-type impurity into the quantum well light-receiving layer, The carrier concentration in the quantum well light-receiving layer can be achieved.
上記半導体積層体において、第1導電型不純物および第2導電型不純物の一方はSi(珪素)、S(硫黄)、Se(セレン)、Ge(ゲルマニウム)およびTe(テルル)からなる群から選択される一種以上であり、他方はZn(亜鉛)、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)およびC(炭素)からなる群から選択される一種以上であってもよい。これらの不純物は、III−V族化合物半導体からなる第1導電型層および第2導電型層に含まれるp型不純物またはn型不純物として好適である。 In the semiconductor stacked body, one of the first conductivity type impurity and the second conductivity type impurity is selected from the group consisting of Si (silicon), S (sulfur), Se (selenium), Ge (germanium), and Te (tellurium). The other may be one or more selected from the group consisting of Zn (zinc), Be (beryllium), Mg (magnesium), and C (carbon). These impurities are suitable as p-type impurities or n-type impurities contained in the first conductivity type layer and the second conductivity type layer made of a III-V group compound semiconductor.
上記半導体積層体において、量子井戸受光層はタイプII型の量子井戸構造であってもよい。このようにすることにより、半導体積層体を赤外域の光に対応する受光素子に適したものとすることが容易となる。 In the semiconductor stacked body, the quantum well light-receiving layer may have a type II type quantum well structure. By doing in this way, it becomes easy to make a semiconductor laminated body suitable for the light receiving element corresponding to the light of an infrared region.
上記半導体積層体において、量子井戸受光層は、InxGa1−xAs(インジウムガリウム砒素;xは0.38以上1以下)層とGaAs1−ySby(ガリウム砒素アンチモン;yは0.36以上1以下)層とのペア、またはGa1−uInuNvAs1−v(ガリウムインジウム窒素砒素;uは0.4以上0.8以下、vは0を超え0.2以下)層とGaAs1−ySby(yは0.36以上0.62以下)層とのペアを含む多重量子井戸構造であってもよい。このようにすることにより、半導体積層体を、近赤外域から中赤外域の光に対応する受光素子に適したものとすることが容易となる。 In the above semiconductor stacked body, the quantum well light-receiving layer includes an In x Ga 1-x As (indium gallium arsenide; x is 0.38 or more and 1 or less) layer and a GaAs 1-y Sb y (gallium arsenide antimony; 36 or more and 1 or less) a pair with a layer, or Ga 1 -u In u N v As 1 -v (gallium indium nitrogen arsenide; u is 0.4 or more and 0.8 or less, v is more than 0 and 0.2 or less) A multiple quantum well structure including a pair of a layer and a GaAs 1-y Sb y (y is 0.36 or more and 0.62 or less) layer may be used. By doing in this way, it becomes easy to make a semiconductor laminated body suitable for the light receiving element corresponding to the light of a near infrared region to a mid-infrared region.
上記半導体積層体は、第1導電型層から見て量子井戸受光層とは反対側に位置する基板をさらに含んでいてもよい。この基板は、GaAs(ガリウム砒素)、GaP(ガリウムリン)、GaSb(ガリウムアンチモン)、InP(インジウムリン)、InAs(インジウム砒素)、InSb(インジウムアンチモン)、AlSb(アルミニウムアンチモン)、またはAlAs(アルミニウム砒素)からなっていてもよい。これにより、近赤外域から中赤外域の光の検知に適した上記多重量子井戸構造を量子井戸受光層として採用することが容易となる。 The semiconductor stacked body may further include a substrate located on the side opposite to the quantum well light-receiving layer as viewed from the first conductivity type layer. The substrate is made of GaAs (gallium arsenide), GaP (gallium phosphide), GaSb (gallium antimony), InP (indium phosphide), InAs (indium arsenide), InSb (indium antimony), AlSb (aluminum antimony), or AlAs (aluminum). Arsenic) may be used. Thereby, it becomes easy to employ | adopt the said multiple quantum well structure suitable for the detection of the light of a near infrared region to a mid-infrared region as a quantum well light receiving layer.
上記半導体積層体において、第1導電型層、量子井戸受光層および第2導電型層が再成長界面を形成することなく積層されていてもよい。これにより、暗電流をより確実に抑制することができる。なお、再成長界面は、酸素、水素および炭素から選択される少なくとも一種の元素が集積した界面である。 In the semiconductor stacked body, the first conductivity type layer, the quantum well light-receiving layer, and the second conductivity type layer may be stacked without forming a regrowth interface. Thereby, dark current can be suppressed more reliably. The regrowth interface is an interface where at least one element selected from oxygen, hydrogen and carbon is accumulated.
上記半導体積層体において、第1導電型層と量子井戸受光層との界面、および量子井戸受光層と第2導電型層との界面における、酸素の濃度、炭素の濃度および水素の濃度は、いずれも1×1017cm−3以下であってもよい。これにより、暗電流をより確実に抑制することができる。 In the semiconductor stacked body, the oxygen concentration, the carbon concentration, and the hydrogen concentration at the interface between the first conductivity type layer and the quantum well light-receiving layer and the interface between the quantum well light-receiving layer and the second conductivity type layer are any of May be 1 × 10 17 cm −3 or less. Thereby, dark current can be suppressed more reliably.
本願の受光素子は、上記半導体積層体と、半導体積層体上に形成された電極と、を備える。本願の受光素子は、上記本願の半導体積層体を含んでいる。そのため、本願の受光素子によれば、感度を向上させるとともに、暗電流を低減することができる。 The light receiving element of this application is provided with the said semiconductor laminated body and the electrode formed on the semiconductor laminated body. The light receiving element of the present application includes the semiconductor stacked body of the present application. Therefore, according to the light receiving element of the present application, the sensitivity can be improved and the dark current can be reduced.
本願の半導体積層体の製造方法は、III−V族化合物半導体からなり、導電型が第1導電型である第1導電型層を形成する工程と、III−V族化合物半導体からなる量子井戸受光層を形成する工程と、III−V族化合物半導体からなり、導電型が第1導電型とは異なる第2導電型である第2導電型層を形成する工程と、を備える。第1導電型層を形成する工程、量子井戸受光層を形成する工程および第2導電型層を形成する工程は、この順で実施され、第1導電型層、量子井戸受光層および第2導電型層は、この順に積層される。量子井戸受光層は、その厚みが0.5μm以上であり、キャリア濃度が1×1016cm−3以下となるように形成される。 The manufacturing method of the semiconductor laminated body of this application consists of a III-V group compound semiconductor, the process of forming the 1st conductivity type layer whose conductivity type is the 1st conductivity type, and the quantum well light reception which consists of a III-V group compound semiconductor A step of forming a layer, and a step of forming a second conductivity type layer made of a III-V group compound semiconductor and having a second conductivity type different from the first conductivity type. The step of forming the first conductivity type layer, the step of forming the quantum well light receiving layer, and the step of forming the second conductivity type layer are performed in this order, and the first conductivity type layer, the quantum well light receiving layer, and the second conductivity type are performed. The mold layers are laminated in this order. The quantum well light-receiving layer is formed to have a thickness of 0.5 μm or more and a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 or less.
本願の半導体積層体の製造方法においては、量子井戸受光層が、その厚みが0.5μm以上であり、キャリア濃度が1×1016cm−3以下となるように形成される。そのため、本願の半導体積層体の製造方法によれば、III−V族化合物半導体からなる半導体層を含む受光素子の感度を向上させるとともに、暗電流を低減することが可能な半導体積層体を製造することができる。 In the method for manufacturing a semiconductor stacked body of the present application, the quantum well light-receiving layer is formed so as to have a thickness of 0.5 μm or more and a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 or less. Therefore, according to the method for manufacturing a semiconductor stacked body of the present application, a semiconductor stacked body capable of improving sensitivity of a light receiving element including a semiconductor layer made of a group III-V compound semiconductor and reducing dark current is manufactured. be able to.
上記半導体積層体の製造方法において、第1導電型層を形成する工程、量子井戸受光層を形成する工程および第2導電型層を形成する工程は、第1導電型層、量子井戸受光層および第2導電型層が再成長界面を形成することなく積層されるように実施されてもよい。これにより、暗電流をより確実に抑制することができる。 In the method for manufacturing a semiconductor stacked body, the step of forming the first conductivity type layer, the step of forming the quantum well light receiving layer, and the step of forming the second conductivity type layer include the first conductivity type layer, the quantum well light receiving layer, and The second conductivity type layer may be stacked without forming a regrowth interface. Thereby, dark current can be suppressed more reliably.
上記半導体積層体の製造方法において、第1導電型層を形成する工程、量子井戸受光層を形成する工程および第2導電型層を形成する工程は、有機金属気相成長法により実施されてもよい。このようにすることにより、優れた品質の結晶からなる第1導電型層、量子井戸受光層および第2導電型層を形成することが容易となる。 In the method for manufacturing a semiconductor stacked body, the step of forming the first conductivity type layer, the step of forming the quantum well light-receiving layer, and the step of forming the second conductivity type layer may be performed by metal organic vapor phase epitaxy. Good. By doing in this way, it becomes easy to form the 1st conductivity type layer, quantum well light receiving layer, and 2nd conductivity type layer which consist of the crystal | crystallization of the outstanding quality.
上記半導体積層体の製造方法は、量子井戸受光層を形成する工程よりも前に、量子井戸受光層を形成する工程を実施するための成長室の内部をコーティングする工程をさらに備えていてもよい。このようにすることにより、成長室を構成する部材から離脱した不純物が量子井戸受光層内に混入することを抑制することができる。 The method for manufacturing a semiconductor stacked body may further include a step of coating the inside of the growth chamber for performing the step of forming the quantum well light-receiving layer before the step of forming the quantum well light-receiving layer. . By doing in this way, it can suppress that the impurity isolate | separated from the member which comprises a growth chamber mixes in a quantum well light receiving layer.
上記半導体積層体の製造方法は、量子井戸受光層を形成する工程よりも前に、量子井戸受光層を形成する工程を実施するための成長室の内部を600℃以上に加熱してベーキングする工程をさらに備えていてもよい。このようにすることにより、成長室を構成する部材から離脱した不純物が量子井戸受光層内に混入することを抑制することができる。 The method for manufacturing a semiconductor stacked body includes a step of baking the inside of a growth chamber for performing the step of forming the quantum well light-receiving layer to 600 ° C. or higher before the step of forming the quantum well light-receiving layer. May be further provided. By doing in this way, it can suppress that the impurity isolate | separated from the member which comprises a growth chamber mixes in a quantum well light receiving layer.
上記半導体積層体の製造方法は、量子井戸受光層を形成する工程よりも前に、量子井戸受光層を形成する工程を実施するための成長室の内部に配置される部材を洗浄する工程をさらに備えていてもよい。このようにすることにより、成長室を構成する部材から離脱した不純物が量子井戸受光層内に混入することを抑制することができる。 The method for manufacturing a semiconductor stacked body further includes a step of cleaning a member disposed inside the growth chamber for performing the step of forming the quantum well light-receiving layer before the step of forming the quantum well light-receiving layer. You may have. By doing in this way, it can suppress that the impurity isolate | separated from the member which comprises a growth chamber mixes in a quantum well light receiving layer.
[本願発明の実施形態の詳細]
(実施の形態1)
次に、本発明にかかる半導体積層体の一実施の形態である実施の形態1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。
[Details of the embodiment of the present invention]
(Embodiment 1)
Next,
図1を参照して、本実施の形態における半導体積層体10は、基板20と、第1導電型層としてのバッファ層30と、量子井戸受光層としての量子井戸構造40と、第2導電型層としてのコンタクト層50とを備えている。
Referring to FIG. 1, a semiconductor stacked
基板20は、III−V族化合物半導体からなっている。また、基板20の直径は50mm以上であり、たとえば3インチである。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GaAs、GaP、GaSb、InP、InAs、InSb、AlSb、AlAs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、赤外光用の受光素子の製造に適した半導体積層体10を得ることができる。具体的には、たとえば導電型がn型であるInP(n−InP)が、基板20を構成する化合物半導体として採用される。基板20に含まれるn型不純物としては、たとえばS(硫黄)などを採用することができる。基板20の直径は、半導体積層体10を用いた半導体装置(受光素子)の生産効率および歩留りの向上を目的として、80mm以上(たとえば4インチ)とすることができ、さらに105mm以上(たとえば5インチ)、さらに130mm以上(たとえば6インチ)とすることができる。
The
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た半導体層である。バッファ層30は、III−V族化合物半導体からなっている。バッファ層30を構成するIII−V族化合物半導体としては、たとえばGaSb、AlSb(アルミニウムアンチモン)、InSb(インジウムアンチモン)といった2元系、およびGaInSb(ガリウムインジウムアンチモン)、AlInSb(アルミニウムインジウムアンチモン)、AlGaSb(アルミニウムガリウムアンチモン)といった3元系の材料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p型であるInGaAs(インジウムガリウム砒素)(p−InGaAs)が、バッファ層30を構成する化合物半導体として採用される。バッファ層30に含まれるp型不純物としては、たとえばC(炭素)、Be(ベリリウム)、Mg(マグネシウム)、Zn(亜鉛)などを採用することができる。
The
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第1主面30A上に接触するように配置されている。量子井戸構造40は、III−V族化合物半導体からなる2つの要素層が交互に積層された構造を有している。より具体的には、量子井戸構造40は、第1要素層41と第2要素層42とが交互に積層された構造を有している。第1要素層41を構成する材料としては、たとえばInxGa1−xAs(xは0.38以上1以下)を採用することができる。また、第2要素層42を構成する材料としては、たとえばV族元素としてSbを含むGaAs1−ySby(yは0.36以上1以下)(ガリウム砒素アンチモン)を採用することができる。なお、第1要素層41および第2要素層42を構成する材料は、上記材料に限られず、たとえば第1要素層41を構成する材料としては、Ga1−uInuNvAs1−v(uは0.4以上0.8以下、vは0を超え0.2以下)(ガリウムインジウム窒素砒素)を採用し、第2要素層42を構成する材料としては、たとえばV族元素としてSbを含むGaAs1−ySby(yは0.36以上0.62以下)を採用することができる。
The
このように、量子井戸受光層としてInxGa1−xAs(xは0.38以上1以下)層とGaAs1−ySby(yは0.36以上1以下)層とのペア、またはGa1−uInuNvAs1−v(uは0.4以上0.8以下、vは0を超え0.2以下)層とGaAs1−ySby(yは0.36以上0.62以下)層とのペアを含む多重量子井戸構造を採用することにより、近赤外域から中赤外域の光の検知に適した受光素子の製造に使用可能な半導体積層体10を得ることができる。
Thus, a pair of an In x Ga 1-x As (x is 0.38 or more and 1 or less) layer and a GaAs 1-y Sb y (y is 0.36 or more and 1 or less) layer as a quantum well light-receiving layer, or Ga 1-u In u N v As 1-v (u is 0.4 or more and 0.8 or less, v is more than 0 and 0.2 or less) layer and GaAs 1-y Sb y (y is 0.36 or more and 0 .62 or less) By adopting a multiple quantum well structure including a pair with a layer, it is possible to obtain a
また、第1要素層41を構成する材料としてInAsを採用し、第2要素層42を構成する材料としてGaSbを採用してもよい。このように量子井戸受光層としてInAs層とGaSb層とのペアを含む多重量子井戸構造を採用することにより、波長4〜12μmの赤外線の検知に適した受光素子の製造に使用可能な半導体積層体10を得ることができる。
Further, InAs may be adopted as a material constituting the
なお、量子井戸構造40の歪を補償するために、量子井戸構造40を構成する単位構造を、第1要素層41および第2要素層42に歪補償層を加えたものとしてもよい。また、本実施の形態においては、量子井戸構造40は多重量子井戸構造であるが、これに代えて単一量子井戸構造を採用することもできる。
In order to compensate for the strain of the
図1を参照して、コンタクト層50は、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。
Referring to FIG. 1,
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InP、InAs、GaSb、GaAs、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InP(n−InP)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、S、Se、Ge、Teなどを採用することができる。
As the group III-V compound semiconductor constituting the
そして、本実施の形態の半導体積層体10の量子井戸受光層である量子井戸構造40の厚みは0.5μm(500nm)以上である。具体的には、第1要素層41および第2要素層42の厚みは、たとえばそれぞれ3nmとすることができる。そして、量子井戸構造40は、第1要素層41と第2要素層42とからなる単位構造が、たとえば100組積層されたものとすることができる。すなわち、量子井戸構造40の厚みは、たとえば600nmとすることができる。量子井戸構造40は、このような構造を有するタイプII量子井戸とすることができる。さらに、量子井戸構造40において、キャリア濃度は1×1016cm−3以下である。そのため、本実施の形態の半導体積層体10を用いて受光素子を製造することにより、III−V族化合物半導体からなる半導体層を含む受光素子の感度を向上させるとともに、暗電流を低減することができる。
And the thickness of the
また、本実施の形態の半導体積層体10の量子井戸構造40において、p型のキャリアを生成するp型不純物の濃度およびn型のキャリアを生成するn型不純物の濃度は、いずれも1×1016cm−3以下である。これにより、量子井戸構造40におけるキャリア濃度が1×1016cm−3以下となっている。
In the
半導体積層体10において、量子井戸構造40の厚みは1.5μm以上であることが好ましい。また、量子井戸構造40において、キャリア濃度は1×1015cm−3以下であることが好ましい。このようにすることにより、一層受光素子の感度を向上させ、暗電流を低減することができる。
In the semiconductor stacked
量子井戸構造40において、p型のキャリアを生成するp型不純物の濃度およびn型のキャリアを生成するn型不純物の濃度は、いずれも1×1015cm−3以下であることが好ましい。これにより、量子井戸構造40におけるキャリア濃度を1×1015cm−3以下とすることが容易となる。
In the
半導体積層体10において、量子井戸構造40の厚みは2.0μm以上であることが好ましい。また、量子井戸構造40において、キャリア濃度は7×1014cm−3以下であることが好ましい。このようにすることにより、一層受光素子の感度を向上させ、暗電流を低減することができる。
In the semiconductor stacked
量子井戸構造40において、p型のキャリアを生成するp型不純物の濃度およびn型のキャリアを生成するn型不純物の濃度は、いずれも7×1014cm−3以下であることが好ましい。これにより、量子井戸構造40におけるキャリア濃度を7×1014cm−3以下とすることが容易となる。
In the
半導体積層体10において、バッファ層30、量子井戸構造40およびコンタクト層50が再成長界面を形成することなく基板20上に積層されていることが好ましい。これにより、暗電流をより確実に抑制することができる。
In the semiconductor stacked
半導体積層体10において、バッファ層30と量子井戸構造40との界面、および量子井戸構造40とコンタクト層50との界面における、酸素の濃度、炭素の濃度および水素の濃度は、いずれも1×1017cm−3以下であることが好ましい。これにより、暗電流をより確実に抑制することができる。
In the semiconductor stacked
また、半導体積層体10において、バッファ層30、量子井戸構造40およびコンタクト層50は有機金属気相成長法により形成されていることが好ましい。これにより、高品質な結晶からなる半導体積層体10を得ることが容易となる。
In the semiconductor stacked
次に、上記半導体積層体10を用いて作製される受光素子の一例である赤外線受光素子(フォトダイオード)について説明する。図2を参照して、本実施の形態における赤外線受光素子1は、上記本実施の形態の半導体積層体10を用いて作製されたものであって、半導体積層体10と同様に積層された基板20と、バッファ層30と、量子井戸構造40と、コンタクト層50とを備えている。そして、赤外線受光素子1には、コンタクト層50および量子井戸構造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。つまり、トレンチ99の底壁99Bにおいてバッファ層30が露出している。
Next, an infrared light receiving element (photodiode) that is an example of a light receiving element manufactured using the
さらに、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。
Further, the infrared
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。
An
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。
An
この赤外線受光素子1に赤外線が入射すると、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。
When infrared light is incident on the infrared
なお、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2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2に示す構造を単位構造とし、当該単位構造が、図2において基板20の一方の主面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。このような構造については、後述の実施の形態3において説明する。
The n-
本実施の形態の赤外線受光素子1は、上記本実施の形態の半導体積層体10を含んでいる。そのため、赤外線受光素子1は、感度が向上するとともに暗電流が低減された受光素子となっている。
The infrared
次に、図3〜図11を参照して、本実施の形態における半導体積層体10および赤外線受光素子1の製造方法の概要について説明する。
Next, with reference to FIGS. 3 to 11, an outline of a method for manufacturing the semiconductor stacked
図3を参照して、本実施の形態における半導体積層体10および赤外線受光素子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InPからなる基板20が準備される。より具体的には、InPからなるインゴットをスライスすることにより、InP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。
Referring to FIG. 3, in the method for manufacturing semiconductor stacked
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、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。工程(S20)は、図4を参照して、バッファ層形成工程(S21)、量子井戸受光層形成工程(S22)およびコンタクト層形成工程(S23)を含む。
Next, an operation layer forming step is performed as a step (S20). In this step (S20), the
工程(S20)においては、まず工程(S21)が実施される。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III−V族化合物半導体であるp−InGaSb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−InGaSbからなるバッファ層30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、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。
In step (S20), step (S21) is first performed. Specifically, referring to FIG. 8, first,
次に、工程(S22)が実施される。具体的には、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第1主面30A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InxGa1−xAs(xは0.38以上1以下)からなる第1要素層41と、III−V族化合物半導体であるGaAs1−ySby(yは0.36以上1以下)からなる第2要素層42とが交互に積層して形成されることにより、量子井戸構造40が形成される。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、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。量子井戸構造40は、厚みが0.5μm以上、キャリア濃度が1×1016cm−3以下となるように形成される。
Next, step (S22) is performed. Specifically, referring to FIGS. 8 and 9, for example, a group III-V compound semiconductor is brought into contact with
InxGa1−xAs(xは0.38以上1以下)からなる第1要素層41の形成では、Inの原料としてたとえばTMIn、TEInなどを用いることができ、Gaの原料としてたとえばTEGa、TMGaなどを用いることができ、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。GaAs1−ySby(yは0.36以上1以下)からなる第2要素層42の形成では、Gaの原料としてたとえばTEGa、TMGaなどを用いることができ、Asの原料としてたとえば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、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。第1要素層41および第2要素層42は、たとえばそれぞれ厚みを3nmとし、第1要素層41と第2要素層42とからなる単位構造が、たとえば100組積層するように形成することができる。これにより、タイプII量子井戸である量子井戸構造40を形成することができる。
In the formation of the
次に、工程(S23)が実施される。具体的には、図9および図1を参照して、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−InP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、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。
Next, step (S23) is performed. Specifically, referring to FIG. 9 and FIG. 1, for example, a group III-V compound semiconductor is brought into contact with
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(全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が、全有機金属気相成長法を採用することにより、高品質な結晶からなる半導体積層体10を得ることができる。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(Molecular Beam Epitaxy)法を用いてもよい。
With the above procedure, the semiconductor stacked
また、工程(S21)〜(S23)は、上述のように、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連続的に実施されることが好ましい。すなわち、工程(S21)〜(S23)は、バッファ層30、量子井戸構造40およびコンタクト層50が再成長界面を形成することなく積層されるように実施されることが好ましい。これにより、暗電流をより確実に抑制することができる。
Further, as described above, the steps (S21) to (S23) are preferably performed continuously by changing the source gas in a state where the
なお、工程(S20)において量子井戸構造40におけるp型不純物の濃度およびn型不純物の濃度をいずれも1×1016cm−3以下とすることを容易にする観点から、工程(S20)を以下の変形例に従って実施してもよい。
From the viewpoint of facilitating both the p-type impurity concentration and the n-type impurity concentration in the
<変形例1>
図5を参照して、変形例1においては、まず工程(S21A)としてコーティング工程が実施される。この工程(S21A)では、工程(S21)〜(S23)を実施するための成長室の内部がコーティングされる。具体的には、工程(S21)〜(S23)を実施する前に、成長室に、たとえばGaAsの原料ガスを流して成長室内をGaAsによりコーティングする。その後、上述のように工程(S21)〜(S23)が実施される。このようにすることにより、成長室の内部に配置される部材および成長室の内壁を構成する材料であるC、SiO2(二酸化珪素)、Al2O3(酸化アルミニウム)に由来するC、Si、Oなどの不純物が量子井戸構造40に混入することが抑制される。その結果、量子井戸構造40におけるp型不純物の濃度およびn型不純物の濃度をいずれも1×1016cm−3以下とすることが容易となる。p型不純物およびn型不純物の濃度が低減されることで、量子井戸構造40におけるキャリア濃度を容易に1×1016cm−3以下とすることができる。なお、コーティング材料は上記GaAsに限られず、たとえばInP、InGaAs、AlGaAs、InAs、GaP、GaSbなど種々の材料を採用することができる。
<
Referring to FIG. 5, in
<変形例2>
図6を参照して、変形例2においては、まず工程(S21B)としてベーキング工程が実施される。この工程(S21B)では、工程(S21)〜(S23)を実施するための成長室の内部が600℃以上に加熱されてベーキングされる。具体的には、工程(S21)〜(S23)を実施する前に、成長室内が工程(S21)〜(S23)における温度よりも高い温度、たとえば650℃に加熱される。このとき、成長室内には、たとえばArなどの不活性ガスが導入される。その後、上述のように工程(S21)〜(S23)が実施される。このようにすることにより、成長室の内部に配置される部材および成長室の内壁に付着している不純物が工程(S21)〜(S23)において離脱して量子井戸構造40に混入することが抑制される。その結果、量子井戸構造40におけるp型不純物の濃度およびn型不純物の濃度をいずれも1×1016cm−3以下とすることが容易となる。p型不純物およびn型不純物の濃度が低減されることで、量子井戸構造40におけるキャリア濃度を容易に1×1016cm−3以下とすることができる。
<
With reference to FIG. 6, in the modified example 2, a baking process is first implemented as a process (S21B). In this step (S21B), the inside of the growth chamber for performing steps (S21) to (S23) is heated to 600 ° C. or higher and baked. Specifically, before performing steps (S21) to (S23), the growth chamber is heated to a temperature higher than the temperature in steps (S21) to (S23), for example, 650 ° C. At this time, an inert gas such as Ar is introduced into the growth chamber. Thereafter, steps (S21) to (S23) are performed as described above. By doing in this way, it is suppressed that the member arrange | positioned inside a growth chamber and the impurity adhering to the inner wall of a growth chamber leave | separate and mix in the
<変形例3>
図7を参照して、変形例3においては、まず工程(S21C)として洗浄工程が実施される。この工程(S21C)では、工程(S21)〜(S23)を実施するための成長室の内部に配置される部材が洗浄される。具体的には、工程(S21)〜(S23)を実施する前に、成長室内において原料ガスと接触する部材(サセプタ等)を王水、塩酸、リン酸等で洗浄する。その後、上述のように工程(S21)〜(S23)が実施される。このようにすることにより、成長室の内部に配置される部材に付着している不純物が工程(S21)〜(S23)において離脱して量子井戸構造40に混入することが抑制される。その結果、量子井戸構造40におけるp型不純物の濃度およびn型不純物の濃度をいずれも1×1016cm−3以下とすることが容易となる。p型不純物およびn型不純物の濃度が低減されることで、量子井戸構造40におけるキャリア濃度を容易に1×1016cm−3以下とすることができる。
<
Referring to FIG. 7, in
次に、図3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1および図10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。
Next, referring to FIG. 3, a trench formation step is performed as a step (S30). In this step (S30), referring to FIG. 1 and FIG. 10, the semiconductor layered
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10および図11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。
Next, a passivation film forming step is performed as a step (S40). In this step (S40), with reference to FIGS. 10 and 11, a
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11および図2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81,82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。
Next, an electrode formation step is performed as a step (S50). In this step (S50), referring to FIG. 11 and FIG. 2, p-
(実施の形態2)
次に、本発明にかかる半導体積層体および受光素子の他の実施の形態である実施の形態2について説明する。実施の形態2における半導体積層体および受光素子は、基本的には実施の形態1の場合と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態2における半導体積層体および受光素子は、以下の構成を有することにより実施の形態1の場合とは異なっている。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment which is another embodiment of the semiconductor laminate and the light receiving element according to the present invention will be described. The semiconductor laminate and the light receiving element in the second embodiment basically have the same configuration as in the first embodiment, and have the same effects. However, the semiconductor laminate and the light receiving element in the second embodiment are different from those in the first embodiment by having the following configuration.
図1および図2を参照して、実施の形態2の半導体積層体10および赤外線受光素子1の量子井戸構造40において、p型不純物およびn型不純物の一方が1×1016cm−3を超える濃度で含まれ、p型不純物およびn型不純物の他方が、上記一方の濃度との差が1×1016cm−3以下の濃度で含まれる。これにより、量子井戸構造40におけるキャリア濃度は1×1016cm−3以下となっている。
1 and 2, in
量子井戸構造40においてp型不純物およびn型不純物の一方が1×1016cm−3を超えている場合でも、p型不純物およびn型不純物の他方が量子井戸構造40内に存在することでキャリア濃度が1×1016cm−3以下となっている場合、暗電流を許容可能な範囲に抑制することができる。また、上記キャリア濃度が達成されると、通常の動作電圧の下において十分な空乏層幅が確保される。そして、十分な空乏層幅が確保されている条件下において量子井戸構造40の厚みを0.5μm以上とすることにより、感度を許容可能な範囲とすることができる。
Even when one of the p-type impurity and the n-type impurity exceeds 1 × 10 16 cm −3 in the
本実施の形態の半導体積層体10および赤外線受光素子1においては、量子井戸構造40のキャリア濃度が1×1016cm−3以下であり、かつ量子井戸構造40の厚みは0.5μm以上である。そのため、本実施の形態の半導体積層体10および赤外線受光素子1によれば、感度を向上させるとともに、暗電流を低減することができる。
In the semiconductor stacked
本実施の形態の半導体積層体10および赤外線受光素子1において、量子井戸構造40の厚みは1.5μm以上であることが好ましい。また、量子井戸構造40におけるキャリア濃度は1×1015cm−3以下であることが好ましい。このようにすることにより、一層赤外線受光素子1の感度を向上させ、暗電流を低減することができる。
In the semiconductor stacked
本実施の形態の半導体積層体10および赤外線受光素子1において、量子井戸構造40の厚みは2.0μm以上であることが好ましい。また、量子井戸構造40におけるキャリア濃度は7×1014cm−3以下であることが好ましい。このようにすることにより、一層赤外線受光素子1の感度を向上させ、暗電流を低減することができる。
In the semiconductor stacked
なお、本実施の形態の量子井戸構造40は、たとえば製造条件等の制約によりp型不純物の量子井戸構造40への混入が不可避である場合、量子井戸構造40の形成時に意図的にn型不純物を導入することにより形成することができる。
Note that the
(実施の形態3)
次に、本発明にかかる受光素子の他の実施の形態である実施の形態3における受光素子およびセンサについて説明する。図12および図2を参照して、実施の形態3の赤外線受光素子1は、図2に示す構造を単位構造とし、当該単位構造が、基板20の一方の主面20Aが延在する方向に複数繰り返される構造を有している。そして、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、p側電極91は1つだけ配置される。
(Embodiment 3)
Next, a light receiving element and a sensor according to
より具体的には、図12を参照して、実施の形態3の赤外線受光素子1のp側電極91は、基板20が延在する方向における末端に位置するトレンチ99の底壁に形成されている。また、当該末端に位置するトレンチ99に隣接するコンタクト層50上のn側電極92は省略される。本実施の形態における赤外線センサ100は、このような構造を有する赤外線受光素子1と、赤外線受光素子1に電気的に接続された読み出し回路(Read−Out Integrated Circuit;ROIC)70とを含んでいる。読み出し回路70は、たとえばCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)回路である。
More specifically, referring to FIG. 12, p-
読み出し回路70の本体71に設けられた複数の読み出し電極(図示しない)と赤外線受光素子1において画素電極として機能する複数のn側電極92とが、一対一の関係となるようにバンプ73を介して電気的に接続されている。また、赤外線受光素子1には、p側電極91に接触し、p側電極91が位置するトレンチ99の底壁および側壁に沿って延在するとともに、コンタクト層50上にまで到達する配線75が形成される。そして、配線75と読み出し回路70の本体71に設けられた接地電極(図示しない)とがバンプ72を介して電気的に接続されている。このような構造を有することにより、赤外線受光素子1の画素ごとの受光情報が各n側電極92(画素電極)から読み出し回路70の読み出し電極へと出力され、当該受光情報が読み出し回路70において集約されて、たとえば二次元の画像を得ることができる。
A plurality of readout electrodes (not shown) provided on the
量子井戸受光層における不純物濃度(キャリア濃度)および量子井戸受光層の厚みと暗電流および感度との関係を調査する実験を行った。実験の手順は以下の通りである。 An experiment was conducted to investigate the relationship between the impurity concentration (carrier concentration) in the quantum well light-receiving layer, the thickness of the quantum well light-receiving layer, dark current, and sensitivity. The experimental procedure is as follows.
上記実施の形態1と同様の構造を有する赤外線受光素子1を作製した。基板20を構成する化合物半導体はn−InP(不純物S)、バッファ層30を構成する化合物半導体はp−InGaAs(不純物Zn)、量子井戸構造40の第1要素層41を構成する化合物半導体はGaAsSb、第2要素層42を構成する化合物半導体はInGaAs、コンタクト層50を構成する化合物半導体はn−InGaAs(不純物Si)とした。赤外線受光素子1において量子井戸受光層である量子井戸構造40の厚みを変化させるとともに、量子井戸構造40に含まれる不純物濃度を変化させた。不純物としてはSiを採用した。そして、Siの濃度を変化させた場合の電圧と空乏層幅との関係を調査した。また、Siの濃度および量子井戸構造40の厚みを変化させた場合の暗電流および感度を測定した。不純物濃度はSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometer)を用いて測定した。空乏層幅およびキャリア濃度は容量電圧測定により導出した。暗電流測定における素子サイズ(電流の流路の電流が流れる方向に垂直な断面)は直径20μmの円形、測定電圧は1.0V、測定温度は−50℃とした。また、測定電圧が1.0V、測定温度が−50℃、の条件の下、基板20側から波長2.2μmの光を入射させて、感度を測定した。なお、量子井戸構造40内におけるSi以外の不純物であるS、Se、Ge、Te(n型不純物)、およびZn、Be、Mg、C(p型不純物)の濃度を測定した結果、いずれも測定限界以下であった。すなわち、本実験において、不純物濃度とキャリア濃度とは、等しいとみなすことができる。
An infrared
図13は、量子井戸受光層(量子井戸構造40)における不純物濃度(キャリア濃度)を変化させた場合の電圧と空乏層幅との関係を示す図である。不純物濃度(キャリア濃度)は5×1014cm−3(図13において実線)から5×1016cm−3(図13において細破線)の範囲で変化させた。図13を参照して、不純物(Si)の濃度が低くなるにしたがって、空乏層幅は大きくなり、感度の上昇が期待される。また、不純物濃度を1×1016cm−3以下とすることにより、電圧1.0Vにおける空乏層幅を0.5μm以上とすることが可能となっている。 FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the voltage and the depletion layer width when the impurity concentration (carrier concentration) in the quantum well light-receiving layer (quantum well structure 40) is changed. The impurity concentration (carrier concentration) was changed in the range from 5 × 10 14 cm −3 (solid line in FIG. 13) to 5 × 10 16 cm −3 (thin broken line in FIG. 13). Referring to FIG. 13, as the impurity (Si) concentration decreases, the depletion layer width increases, and an increase in sensitivity is expected. Further, by setting the impurity concentration to 1 × 10 16 cm −3 or less, the depletion layer width at a voltage of 1.0 V can be set to 0.5 μm or more.
表1は、量子井戸受光層(量子井戸構造40)における不純物濃度(キャリア濃度)および量子井戸受光層の厚みと暗電流および感度との関係を示している。 Table 1 shows the relationship between the impurity concentration (carrier concentration) in the quantum well light-receiving layer (quantum well structure 40), the thickness of the quantum well light-receiving layer, dark current, and sensitivity.
表1を参照して、暗電流については、量子井戸構造40の厚みに関係なく、量子井戸構造40内の不純物濃度が下がれば低減されている。一方、感度については、量子井戸構造40内の不純物濃度を低減しつつ、量子井戸構造40の厚みを大きくすることで上昇している。より具体的には、量子井戸構造40内の不純物濃度を低減して空乏層幅を大きくするとともに、当該空乏層幅と同等以上の量子井戸構造の厚みを確保することで感度が上昇している。
Referring to Table 1, the dark current is reduced if the impurity concentration in the
そして、量子井戸受光層(量子井戸構造40)の厚みを0.5μm以上、かつ量子井戸受光層(量子井戸構造40)の不純物濃度(キャリア濃度)を1×1016cm−3以下とすることにより、暗電流および感度の評価をいずれもC以上とすることが可能となっている。また、量子井戸受光層(量子井戸構造40)の厚みを1.5μm以上、かつ量子井戸受光層(量子井戸構造40)の不純物濃度(キャリア濃度)を1×1015cm−3以下とすることにより、暗電流および感度の評価をいずれもB以上とすることが可能となっている。さらに、量子井戸受光層(量子井戸構造40)の厚みを2.0μm以上、かつ量子井戸受光層(量子井戸構造40)の不純物濃度(キャリア濃度)を7×1014cm−3以下とすることにより、暗電流および感度の評価をいずれもA以上とすることが可能となっている。以上の実験結果より、本願の半導体積層体および赤外線受光素子によれば、III−V族化合物半導体からなる半導体層を含む受光素子の感度を向上させるとともに、暗電流を低減することができることが確認される。 Then, the thickness of the quantum well light-receiving layer (quantum well structure 40) is 0.5 μm or more, and the impurity concentration (carrier concentration) of the quantum well light-receiving layer (quantum well structure 40) is 1 × 10 16 cm −3 or less. As a result, the dark current and the sensitivity can both be evaluated as C or higher. The quantum well light-receiving layer (quantum well structure 40) has a thickness of 1.5 μm or more, and the quantum well light-receiving layer (quantum well structure 40) has an impurity concentration (carrier concentration) of 1 × 10 15 cm −3 or less. Thus, both the dark current and the sensitivity can be evaluated as B or higher. Furthermore, the thickness of the quantum well light-receiving layer (quantum well structure 40) is 2.0 μm or more, and the impurity concentration (carrier concentration) of the quantum well light-receiving layer (quantum well structure 40) is 7 × 10 14 cm −3 or less. As a result, the dark current and the sensitivity can both be evaluated as A or higher. From the above experimental results, it was confirmed that according to the semiconductor laminated body and the infrared light receiving element of the present application, the sensitivity of the light receiving element including the semiconductor layer made of a III-V group compound semiconductor can be improved and the dark current can be reduced. Is done.
不純物が混入した量子井戸受光層に導電型の異なるキャリアを生成する不純物を意図的に導入し、キャリア濃度を低下させることの効果を確認する実験を行った。具体的には、上記実施例1において作製した不純物(Si)濃度5×1016cm−3、厚み1.5μmのサンプル(サンプルA)と同様の構成においてさらに量子井戸受光層(量子井戸構造40)にZnを濃度4.5×1016cm−3で導入し、キャリア濃度を5×1015cm−3に低減したサンプル(サンプルB)を作製し、実施例1と同様の条件で感度および暗電流を測定してサンプルAと比較した。実験結果を表2に示す。感度および暗電流の評価基準は実施例1と同様である。 An experiment was conducted to confirm the effect of reducing the carrier concentration by intentionally introducing impurities that generate carriers of different conductivity types into the quantum well light-receiving layer mixed with impurities. Specifically, a quantum well light-receiving layer (quantum well structure 40) is further formed in the same configuration as the sample (sample A) having an impurity (Si) concentration of 5 × 10 16 cm −3 and a thickness of 1.5 μm prepared in Example 1 above. ) Was introduced at a concentration of 4.5 × 10 16 cm −3 and a carrier concentration was reduced to 5 × 10 15 cm −3 (sample B), and the sensitivity and sensitivity were the same as in Example 1. The dark current was measured and compared with Sample A. The experimental results are shown in Table 2. The evaluation criteria for sensitivity and dark current are the same as in Example 1.
上記実施の形態1の変形例1〜3における追加的工程を実施することの効果を確認する実験を行った。具体的には、変形例1のコーティング工程を実施するプロセス(サンプルDに対応)、変形例2のベーキング工程(650℃、1時間)を実施するプロセス(サンプルEに対応)および変形例3の洗浄工程を実施するプロセス(サンプルFに対応)を実施し、これらを実施しなかったもの(サンプルCに対応;バッファ層30形成前の加熱:550℃、1時間)との間で得られた赤外線受光素子1の感度および暗電流を比較した。また、サンプルC、D、EおよびFについて、量子井戸構造40内のSi、C、Znの濃度を測定した。実験結果を表3に示す。感度および暗電流の評価基準は実施例1と同様である。
An experiment was performed to confirm the effect of performing the additional steps in the first to third modifications of the first embodiment. Specifically, the process (corresponding to sample D) of performing the coating process of the first modification, the process (corresponding to sample E) of performing the baking process (650 ° C., 1 hour) of the second modification, and the third modification The process (corresponding to the sample F) for carrying out the cleaning step was carried out, and these were obtained (corresponding to the sample C; heating before forming the buffer layer 30: 550 ° C., 1 hour). The sensitivity and dark current of the infrared
なお、上記実施の形態および実施例においては、第1導電型がp型であり、第2導電型がn型である場合について主に説明したが、本願の半導体積層体、受光素子および半導体積層体の製造方法はこれに限られず、第1導電型がn型であり、第2導電型がp型であってもよい。 In the above embodiments and examples, the case where the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type has been mainly described. However, the semiconductor stacked body, the light receiving element, and the semiconductor stack of the present application are described. The method for manufacturing the body is not limited to this, and the first conductivity type may be n-type and the second conductivity type may be p-type.
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。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all respects and are not restrictive in any respect. The scope of the present invention is defined by the scope of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of the claims.
本願の半導体積層体、受光素子および半導体積層体の製造方法は、感度の向上および暗電流の低減が求められる半導体積層体、受光素子および半導体積層体の製造方法に、特に有利に適用され得る。 The semiconductor laminated body, the light receiving element, and the method for producing the semiconductor laminated body of the present application can be particularly advantageously applied to the semiconductor laminated body, the light receiving element, and the method for producing the semiconductor laminated body that require improvement in sensitivity and reduction in dark current.
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 第1主面
40 量子井戸構造
40A 主面
41 第1要素層
42 第2要素層
50 コンタクト層
50A 主面
70 読み出し回路
71 本体
72,73 バンプ
75 配線
80 パッシベーション膜
81 開口部
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
100 赤外線センサ
DESCRIPTION OF
Claims (13)
III−V族化合物半導体からなる量子井戸受光層と、
III−V族化合物半導体からなり、導電型が前記第1導電型とは異なる第2導電型である第2導電型層と、を備え、
前記第1導電型層、前記量子井戸受光層および前記第2導電型層は、この順に積層され、
前記量子井戸受光層の厚みは0.5μm以上であり、
前記量子井戸受光層におけるキャリア濃度は1×10 15 cm −3 以下であり、
前記量子井戸受光層において、前記第1導電型のキャリアを生成する第1導電型不純物および前記第2導電型のキャリアを生成する第2導電型不純物の一方が、1×10 16 cm −3 を超える濃度で含まれ、前記第1導電型不純物および前記第2導電型不純物の他方が、前記一方の濃度との差が1×10 16 cm −3 以下の濃度で含まれる、半導体積層体。 A first conductivity type layer made of a III-V compound semiconductor and having a conductivity type of the first conductivity type;
A quantum well light-receiving layer made of a group III-V compound semiconductor;
A second conductivity type layer made of a III-V compound semiconductor and having a conductivity type that is a second conductivity type different from the first conductivity type,
The first conductivity type layer, the quantum well light-receiving layer, and the second conductivity type layer are laminated in this order,
The quantum well light-receiving layer has a thickness of 0.5 μm or more,
Carrier concentration in the quantum well absorption layer is Ri der 1 × 10 15 cm -3 or less,
In the quantum well light-receiving layer, one of the first conductivity type impurity that generates the first conductivity type carrier and the second conductivity type impurity that generates the second conductivity type carrier is 1 × 10 16 cm −3 . than in a concentration, the other of said first conductivity type impurity and the second conductivity type impurity, the difference between the one concentration Ru in a concentration of 1 × 10 16 cm -3 or less, the semiconductor laminate.
前記量子井戸受光層におけるキャリア濃度は7×1014cm−3以下である、請求項1に記載の半導体積層体。 The quantum well light-receiving layer has a thickness of 2.0 μm or more,
The semiconductor stacked body according to claim 1, wherein a carrier concentration in the quantum well light-receiving layer is 7 × 10 14 cm −3 or less.
前記基板は、GaAs、GaP、GaSb、InP、InAs、InSb、AlSb、またはAlAsからなる、請求項6に記載の半導体積層体。 A substrate located on a side opposite to the quantum well light-receiving layer as viewed from the first conductivity type layer;
The semiconductor laminate according to claim 6 , wherein the substrate is made of GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb, AlSb, or AlAs.
前記半導体積層体上に形成された電極と、を備える、受光素子。 The semiconductor laminate according to any one of claims 1 to 8 ,
A light receiving element comprising: an electrode formed on the semiconductor laminate.
III−V族化合物半導体からなる量子井戸受光層を形成する工程と、
III−V族化合物半導体からなり、導電型が前記第1導電型とは異なる第2導電型である第2導電型層を形成する工程と、を備え、
前記第1導電型層を形成する工程、前記量子井戸受光層を形成する工程および前記第2導電型層を形成する工程は、この順で実施されて、前記第1導電型層、前記量子井戸受光層および前記第2導電型層は、この順に積層され、
前記量子井戸受光層は、厚みが0.5μm以上であり、キャリア濃度が1×10 15 cm −3 以下となり、前記量子井戸受光層において、前記第1導電型のキャリアを生成する第1導電型不純物および前記第2導電型のキャリアを生成する第2導電型不純物の一方が、1×10 16 cm −3 を超える濃度で含まれ、前記第1導電型不純物および前記第2導電型不純物の他方が、前記一方の濃度との差が1×10 16 cm −3 以下の濃度で含まれるように形成される、半導体積層体の製造方法。 Forming a first conductivity type layer made of a III-V compound semiconductor and having a conductivity type of the first conductivity type;
Forming a quantum well light-receiving layer made of a III-V compound semiconductor;
Forming a second conductivity type layer made of a III-V group compound semiconductor and having a second conductivity type different from the first conductivity type.
The step of forming the first conductivity type layer, the step of forming the quantum well light-receiving layer, and the step of forming the second conductivity type layer are performed in this order, and the first conductivity type layer and the quantum well are formed. The light receiving layer and the second conductivity type layer are laminated in this order,
The quantum well absorption layer has a thickness is not less 0.5μm or more, the carrier concentration is Ri Do and 1 × 10 15 cm -3 or less, in the quantum well absorption layer, first generating the first conductive carrier One of the conductivity type impurity and the second conductivity type impurity that generates the second conductivity type carrier is included at a concentration exceeding 1 × 10 16 cm −3, and the first conductivity type impurity and the second conductivity type impurity are included. the other is the difference between the one of concentration is formed so that in a concentration of 1 × 10 16 cm -3 or less, the manufacturing method of the semiconductor lamination.
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