JP6503691B2 - 半導体積層体、受光素子およびセンサ - Google Patents

Description

本発明は、半導体積層体、受光素子およびセンサに関するものである。

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、たとえば近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、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以上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）。

Ｒ．Ｓｉｄｈｕ，ｅｔ ａｌ．、"Ａ Ｌｏｎｇ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｏｎ ＩｎＰ Ｕｓｉｎｇ Ｌａｔｔｉｃｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ ＧａＩｎＡｓ−ＧａＡｓＳｂ Ｔｙｐｅ−ＩＩ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌｓ"、ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ、ＶＯＬ．１７，ＮＯ．１２、ＤＥＣＥＭＢＥＲ ２００５、ｐ．２７１５−２７１７

上記受光素子においては、さらなる感度の向上が求められている。そこで、感度の向上を可能とする半導体積層体、受光素子およびセンサを提供することを目的の１つとする。

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ｎ型であるベース層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる量子井戸構造と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、導電型がｐ型であるコンタクト層と、を備える。ベース層、量子井戸構造およびコンタクト層は、この順に積層して配置される。そして、コンタクト層の、量子井戸構造側の主面である第１主面を含む領域の不純物濃度は、第１主面とは反対側の主面である第２主面を含む領域の不純物濃度よりも低くなっている。

本発明に従った受光素子は、上記半導体積層体と、当該半導体積層体上に形成された電極と、を備える。

本発明に従ったセンサは、上記受光素子と、当該受光素子に接続された読み出し回路と、を備える。

上記半導体積層体、受光素子およびセンサによれば、感度の向上を達成することができる。

実施の形態１における半導体積層体の構造を示す概略断面図である。 実施の形態１における受光素子の構造を示す概略断面図である。 実施の形態１における半導体積層体および受光素子の製造方法の概略を示すフローチャートである。 実施の形態１における半導体積層体および受光素子の製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態１における半導体積層体および受光素子の製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態１における半導体積層体および受光素子の製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態１における半導体積層体および受光素子の製造方法を説明するための概略断面図である。 実施の形態２における半導体積層体の構造を示す概略断面図である。 実施の形態２における受光素子の構造を示す概略断面図である。 実施の形態３における半導体積層体の構造を示す概略断面図である。 実施の形態３における受光素子の構造を示す概略断面図である。 実施の形態４における受光素子およびセンサの構造を示す概略断面図である。

［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。本願の半導体積層体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、導電型がｎ型であるベース層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる量子井戸構造と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、導電型がｐ型であるコンタクト層と、を備える。ベース層、量子井戸構造およびコンタクト層は、この順に積層して配置される。そして、コンタクト層の、量子井戸構造側の主面である第１主面を含む領域の不純物濃度は、第１主面とは反対側の主面である第２主面を含む領域の不純物濃度よりも低くなっている。

本発明者らは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるベース層、量子井戸構造およびコンタクト層が積層された構造を含む受光素子の感度を向上させる方策について検討した。その結果、導電型がｐ型であるコンタクト層において多数キャリアを生成させるためにコンタクト層に導入される不純物（ｐ型不純物）が受光層として機能する量子井戸構造内へと拡散し、感度を低下させていることが明らかとなった。

本願の半導体積層体では、コンタクト層の、量子井戸構造側の主面である第１主面を含む領域の不純物濃度（ｐ型不純物の濃度）が第１主面とは反対側の主面である第２主面を含む領域の不純物濃度よりも低く設定される。量子井戸構造側の主面である第１主面を含む領域の不純物濃度を低く設定することにより、量子井戸構造への不純物の拡散を抑制し、感度を向上させることができる。また、第１主面とは反対側の主面である第２主面を含む領域の不純物濃度を高く設定することにより、第２主面に接触して配置されるべき電極とコンタクト層との接触抵抗を低減することが可能となる。

このように、本願の半導体積層体によれば、当該半導体積層体を用いて製造される受光素子の感度を向上させることができる。

上記半導体積層体において、コンタクト層は、上記第１主面を含むように配置された第１コンタクト層と、上記第２主面を含むように配置された第２コンタクト層と、を含む。そして、第１コンタクト層の不純物濃度は、第２コンタクト層の不純物濃度よりも低い。このようにすることにより、上記第２主面を含む領域に比べて第１主面を含む領域において不純物濃度が低い上記半導体積層体を容易に製造することができる。

上記半導体積層体において、上記第１コンタクト層の不純物濃度は５×１０^１８ｃｍ^−３未満であってもよい。このようにすることにより、量子井戸構造への不純物の拡散をより確実に抑制することができる。

上記半導体積層体において、上記第２コンタクト層の不純物濃度は８×１０^１７ｃｍ^−３以上であってもよい。このようにすることにより、第２主面に接触して配置されるべき電極とコンタクト層との接触抵抗を低減することが容易となる。

上記半導体積層体は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、上記量子井戸構造と上記コンタクト層との間に配置され、不純物濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３以下である拡散ブロック層をさらに備えていてもよい。コンタクト層と量子井戸構造との間に不純物濃度の低い拡散ブロック層を配置することにより、量子井戸構造への不純物の拡散を一層確実に抑制することができる。

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。コンタクト層から量子井戸構造への不純物の拡散が抑制された上記半導体積層体を含むことにより、本願の受光素子によれば、高い感度を得ることが可能となる。

本願のセンサは、上記受光素子と、受光素子に接続された読み出し回路と、を備える。上記本願の受光素子を含むことにより、本願のセンサによれば、高い感度を得ることが可能となる。

［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。

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、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。基板２０、バッファ層３０、量子井戸構造４０およびコンタクト層５０は、いずれもＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。基板２０およびバッファ層３０は、ベース層を構成する。

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ＩｎＰ（インジウムリン）、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）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。基板２０の直径は、半導体積層体１０を用いた半導体装置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。基板２０には、ｎ型キャリアを生成する不純物（ｎ型不純物）が導入されている。基板２０に含まれるｎ型不純物としては、たとえばＳｉ（珪素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓ（硫黄）、Ｓｎ（スズ）、Ｔｅ（テルル）などが挙げられる。これにより、基板２０の導電型はｎ型となっている。

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を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、たとえばＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ（ガリウムリン）、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓなどを採用することができる。バッファ層３０は、複数の層からなるものであってもよく、たとえばＩｎＰ層上にＩｎＧａＡｓ層が積層されたものを採用することができる。バッファ層３０には、ｎ型不純物が導入されている。バッファ層３０に含まれるｎ型不純物としては、たとえばＳｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｎ、Ｔｅなどが挙げられる。これにより、バッファ層３０の導電型はｎ型となっている。

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。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ＧａＡｓＳｂ（ガリウム砒素アンチモン）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ＩｎＧａＡｓを採用することができる。量子井戸構造４０の厚みは５００ｎｍ以上とすることが好ましい。これにより、半導体積層体１０を用いて製造される受光素子の受光感度を向上させることができる。

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２５０組積層されたもの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多重量子井戸とすることができる。

ＧａＡｓＳｂ層とＩｎＧａＡｓ層とが交互に積層された構造を有する量子井戸構造４０は、近赤外光用の受光層として好適である。そのため、このような構造を採用することにより、半導体積層体１０を、近赤外光用の受光素子の製造に適したものとすることができる。なお、第１要素層４１および第２要素層４２を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の組み合わせはこれに限られず、たとえばＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓＳｂとの組み合わせ、ＩｎＡｓとＧａＳｂとの組み合わせなどであってもよい。また、量子井戸構造４０は多重量子井戸に限られず、単一の層から成る単一量子井戸であってもよい。

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を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、たとえばＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどを採用することができる。コンタクト層５０には、ｐ型キャリアを生成する不純物（ｐ型不純物）が導入されている。コンタクト層５０に含まれるｐ型不純物としては、たとえばＺｎ（亜鉛）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃ（炭素）などが挙げられる。これにより、コンタクト層５０の導電型はｐ型となっている。

コンタクト層５０は、量子井戸構造４０側の主面である第１主面を含むように配置された第１コンタクト層５１と、第１主面５０Ａとは反対側の主面である第２主面５０Ｂを含むように配置された第２コンタクト層５２と、を含む。そして、第１コンタクト層５１の不純物濃度は、第２コンタクト層５２の不純物濃度よりも低い。これにより、コンタクト層５０の、量子井戸構造４０側の主面である第１主面５０Ａを含む領域の不純物濃度は、第１主面５１とは反対側の主面である第２主面５２を含む領域の不純物濃度よりも低くなっている。

本実施の形態の半導体積層体１０において、コンタクト層５０の、量子井戸構造４０側の主面である第１主面５０Ａを含む領域の不純物濃度は、第１主面５１とは反対側の主面である第２主面５２を含む領域の不純物濃度よりも低く設定される。量子井戸構造４０側の主面である第１主面５０Ａを含む領域の不純物濃度を低く設定することにより、量子井戸構造４０への不純物の拡散を抑制し、感度の向上に寄与することができる。また、第１主面５０Ａとは反対側の主面である第２主面５０Ｂを含む領域の不純物濃度を高く設定することにより、第２主面５０Ｂに接触して配置されるべき電極とコンタクト層５０との接触抵抗を低減することが可能となる。このように、本実施の形態における半導体積層体１０によれば、半導体積層体１０を用いて製造される受光素子の感度を向上させることができる。

上記半導体積層体１０において、第１コンタクト層５１の不純物濃度は、５×１０^１８ｃｍ^−３未満であることが好ましい。これにより、量子井戸構造４０への不純物の拡散をより確実に抑制することができる。量子井戸構造４０への不純物の拡散をさらに抑制する観点から、第１コンタクト層５１の不純物濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３未満とされてもよく、５×１０^１７ｃｍ^−３未満とされてもよい。

また、上記半導体積層体１０において、第２コンタクト層５２の不純物濃度は８×１０^１７ｃｍ^−３以上であることが好ましい。これにより、第２主面５０Ｂに接触して配置されるべき電極とコンタクト層５０との接触抵抗を低減することが容易となる。第２主面５０Ｂに接触して配置されるべき電極とコンタクト層５０との接触抵抗をさらに低減する観点からは、第２コンタクト層５２の不純物濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３以上とされてもよく、５×１０^１８ｃｍ^−３以上とされてもよい。

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。

さらに、赤外線受光素子１は、パッシベーション膜８０と、ｎ側電極９１と、ｐ側電極９２と、反射防止膜２９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である第２主面５０Ｂ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ｎ側電極９１が配置されている。ｎ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。ｎ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、ｎ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。ｎ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の第２主面５０Ｂ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ｐ側電極９２が配置されている。ｐ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。ｐ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、ｐ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。ｐ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。

反射防止膜２９は、基板２０の他方の主面２０Ｂを覆うように形成されている。反射防止膜２９は、たとえばＳｉＯＮ（酸窒化珪素）からなっている。反射防止膜２９が形成されることにより、基板２０の他方の主面２０Ｂ側から入射する光の反射が抑制され、赤外線受光素子１の感度が向上する。

この赤外線受光素子１に基板２０の他方の主面２０Ｂ側から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。

なお、上記ｐ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ｐ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（ｐ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ｐ側電極９２を有する一方で、ｎ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４において説明する。

本実施の形態の赤外線受光素子１においては、コンタクト層５０の、量子井戸構造４０側の主面である第１主面５０Ａを含む領域の不純物濃度が、第１主面５０Ａとは反対側の主面である第２主面５０Ｂを含む領域の不純物濃度よりも低く設定される。量子井戸構造４０側の主面である第１主面５０Ａを含む領域の不純物濃度を低く設定することにより、量子井戸構造４０への不純物の拡散を抑制し、感度の向上に寄与することができる。また、第１主面５０Ａとは反対側の主面である第２主面５０Ｂを含む領域の不純物濃度を高く設定することにより、第２主面５０Ｂに接触して配置されるｐ側電極９２とコンタクト層５０との接触抵抗を低減することが可能となる。このように、本実施の形態における赤外線受光素子１は、感度が向上した受光素子となっている。

次に、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。

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４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一方の主面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の一方の主面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。

具体的には、図４を参照して、まず基板２０の一方の主面２０Ａ上に接触するように、たとえば導電型がｎ型であるＩｎＰ層（ｎ−ＩｎＰ層）が形成され、ｎ−ＩｎＰ層層上に導電型がｎ型であるＩｎＧａＡｓ層（ｎ−ＩｎＧａＡｓ層）が積層される。ｎ−ＩｎＰ層およびｎ−ＩｎＧａＡｓ層は、有機金属気相成長により形成される。これにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、導電型がｎ型であるバッファ層３０が形成される。

次に、図４および図５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、たとえばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓＳｂからなる第１要素層４１と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＩｎＧａＡｓ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。

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２５０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多重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。

次に、図５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導電型がｐ型のＩｎＧａＡｓ（ｐ−ＩｎＧａＡｓ）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。具体的には、量子井戸構造４０上に第１コンタクト層５１を形成した後、第１コンタクト層５１上に第２コンタクト層５２を形成する。このとき、ｐ型不純物を導入するための原料ガスの濃度を第２コンタクト層５２よりも第１コンタクト層５１の形成時において低くする。

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（全有機金属気相成長法）に限られず、たとえばＡｓの原料にＡｓの水素化物であるＡｓＨ_３（アルシン）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各半導体層を形成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。

図３を参照して、次に工程（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６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の第２主面５０Ｂ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６および図７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第２主面５０Ｂ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７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、ｎ側電極９１およびｐ側電極９２が形成される。具体的には、たとえばｎ側電極９１およびｐ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ｎ側電極９１およびｐ側電極９２を形成する。

次に、工程（Ｓ６０）として反射防止膜形成工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、図２を参照して、基板２０の他方の主面２０Ｂ上を覆うように、たとえばＳｉＯＮからなる反射防止膜２９が形成される。反射防止膜２９は、たとえばＣＶＤにより形成することができる。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。

（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を説明する。図８および図１を参照して、実施の形態２における半導体積層体１０は、実施の形態１における半導体積層体１０と基本的には同様の構造を有し、同様の効果を奏する。また、図９および図２を参照して、実施の形態２における赤外線受光素子１は、実施の形態１における赤外線受光素子１と基本的には同様の構造を有し、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１０および赤外線受光素子１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、量子井戸構造４０とコンタクト層５０との間に配置され、不純物濃度（ｐ型不純物の濃度）が１×１０^１６ｃｍ^−３以下である拡散ブロック層６０をさらに備える点において、実施の形態１の場合とは異なっている。

拡散ブロック層６０は、一方の主面６０Ａにおいて量子井戸構造４０に接触し、他方の主面６０Ｂにおいてコンタクト層５０に接触する。拡散ブロック層６０は、たとえばＩｎＧａＡｓからなるものとすることができる。拡散ブロック層６０の厚みは、たとえば１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。コンタクト層５０と量子井戸構造４０との間に不純物濃度の低い拡散ブロック層６０を配置することにより、量子井戸構造４０への不純物（ｐ型不純物）の拡散を一層確実に抑制することができる。なお、実施の形態２における半導体積層体１０および赤外線受光素子１は、上記実施の形態１において説明した製造方法において、量子井戸構造４０の形成後であってコンタクト層５０の形成前に、量子井戸構造４０上に拡散ブロック層６０を形成することにより製造することができる。拡散ブロック層６０は、量子井戸構造４０と同様に、たとえば有機金属気相成長により形成することができる。

（実施の形態３）
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３を説明する。図１０および図１を参照して、実施の形態３における半導体積層体１０は、実施の形態１における半導体積層体１０と基本的には同様の構造を有し、同様の効果を奏する。また、図１１および図２を参照して、実施の形態３における赤外線受光素子１は、実施の形態１における赤外線受光素子１と基本的には同様の構造を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態３における半導体積層体１０および赤外線受光素子１は、コンタクト層５０の構造において、実施の形態１の場合とは異なっている。

図１０および図１１において、コンタクト層５０内のドットは、コンタクト層５０に含まれるｐ型不純物を模式的に表したものである。図１０および図１１を参照して、実施の形態３におけるコンタクト層５０は、単層のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなっている。そして、コンタクト層５０において、ｐ型不純物の濃度は第１主面５０Ａとは反対側の主面（ｐ側電極９２に接触する主面）である第２主面５０Ｂから量子井戸構造４０側の主面である第１主面５０Ａに向けて、徐々に低くなっている。コンタクト層５０内のｐ型不純物の濃度は、第２主面５０Ｂから第１主面５０Ａに向けて、単調に減少している。このような構造を採用することによって、コンタクト層５０の、第２主面５０Ｂを含む領域に比べて第１主面５０Ａを含む領域の不純物濃度を低くしてもよい。

なお、実施の形態３における半導体積層体１０および赤外線受光素子１は、上記実施の形態１において説明した製造方法において、コンタクト層５０の形成方法を変更することにより製造することができる。実施の形態３のコンタクト層５０は、たとえば有機金属気相成長により形成することができる。コンタクト層５０の形成時に、ｐ型不純物の原料ガスの濃度を徐々に高くすることにより、実施の形態３のコンタクト層５０を形成することができる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４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４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ｐ側電極９２を有する。一方、ｎ側電極９１は１つだけ配置される。

より具体的には、実施の形態４の赤外線受光素子１のｎ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ｐ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。

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ｐ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、ｎ側電極９１に接触し、ｎ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ｐ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、たとえば二次元の画像を得ることができる。

上記実施の形態１において説明した赤外線受光素子１と同様の構造を有するサンプルを作製し、感度、およびｐ側電極９２とコンタクト層５０との接触抵抗を測定し、素子の特性を評価する実験を行った。

基板２０は、ＩｎＰからなり、ｎ型不純物としてＳ（硫黄）が添加されたものとした。バッファ層３０は、厚み１１ｎｍのｎ−ＩｎＰ層上に厚み１５０ｎｍのｎ−ＩｎＧａＡｓ層を積層したものとした。量子井戸構造４０の第１要素層４１および第２要素層４２には、それぞれＧａＡｓＳｂ層およびＩｎＧａＡｓ層を採用し、この組み合わせが２５０周期繰り返される構造を採用した。第１コンタクト層５１の厚みは４００ｎｍ、第２コンタクト層５２の厚みは１００ｎｍとした。コンタクト層５０は、ｐ型不純物としてＺｎを含むｐ−ＩｎＧａＡｓ層とした。そして、第１コンタクト層５１のｐ型不純物の濃度を第２コンタクト層５２のｐ型不純物の濃度よりも低くしたサンプルを作製した（サンプル１、２、３、５および６）。また、比較のため、第１コンタクト層５１のｐ型不純物の濃度を第２コンタクト層５２のｐ型不純物の濃度よりも高くしたサンプル（サンプル４、７および８）も作製した。そして、各サンプルについて波長２．２μｍの光に対する感度、およびｐ側電極９２とコンタクト層５０との接触抵抗を測定した。実験の結果を表１に示す。

サンプル１、２、３、５および６は実施例のサンプルであり、サンプル４、７および８は比較例のサンプルである。表１の評価の欄において、接触抵抗および感度の観点から特に好ましいものをＡ、好ましいものをＢ、許容可能なものをＣ、不十分であるものをＤと表示した。

表１を参照して、ｐ型不純物の濃度が第２コンタクト層５２よりも第１コンタクト層５１において低くなっているサンプル１、２、３、５および６においては、接触抵抗および感度のいずれにおいても許容可能な結果が得られている。特に、第１コンタクト層５１におけるｐ型不純物の濃度を１．０×１０^１８ｃｍ^−３未満としたサンプル１、５および６では、高い感度が得られている。さらに、第１コンタクト層５１におけるｐ型不純物の濃度を５．０×１０^１７ｃｍ^−３未満としたサンプル１では、より高い感度が得られている。また、第２コンタクト層５２におけるｐ型不純物の濃度を１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上としたサンプル１、２、３および５では、接触抵抗が特に低減されている。さらに、第２コンタクト層５２におけるｐ型不純物の濃度を５．０×１０^１８ｃｍ^−３以上としたサンプル１、２および３では、接触抵抗が一層低減されている。

一方、ｐ型不純物の濃度が第２コンタクト層５２よりも第１コンタクト層５１において高くなっているサンプル４、７および８では、接触抵抗および感度のいずれかにおいて不十分な結果となっている。

以上の実験結果から、本発明に従った受光素子によれば、感度を向上させることが可能とな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。

本願の半導体積層体、受光素子およびセンサは、感度の向上が求められる受光素子およびセンサ、ならびにそれらの製造に使用される半導体積層体に、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 一方の主面
２０Ｂ 他方の主面
２９ 反射防止膜
３０ バッファ層
３０Ａ 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 第１主面
５０Ｂ 第２主面
５１ 第１コンタクト層
５２ 第２コンタクト層
６０ 拡散ブロック層
６０Ａ 一方の主面
６０Ｂ 他方の主面
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
８１，８２ 開口部
９１ ｎ側電極
９２ ｐ側電極
９９ トレンチ
９９Ａ 側壁
９９Ｂ 底壁
１００ 赤外線センサ

Claims (2)

1. 半導体積層体と、
   前記半導体積層体上に形成された電極と、を備え、
   前記半導体積層体は、
   ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、導電型がｎ型であるベース層と、
   ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる量子井戸構造と、
   ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、導電型がｐ型であるコンタクト層と、を含み、
   前記ベース層、前記量子井戸構造および前記コンタクト層は、この順に積層して配置され、
   前記コンタクト層の、前記量子井戸構造との界面である第１主面を含む領域の不純物濃度は、前記第１主面とは反対側の主面である第２主面を含む領域の不純物濃度よりも低くなっており、
   前記コンタクト層は、
   前記第１主面を含むように配置された第１コンタクト層と、
   前記第１コンタクト層上に前記第２主面を含むように配置された第２コンタクト層と、を含み、
   前記第１コンタクト層の不純物濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３未満であり、
   前記第２コンタクト層の不純物濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３以上であり、
   前記第１コンタクト層内の不純物濃度は一定である、受光素子。
2. 請求項１に記載の受光素子と、
   前記受光素子に接続された読み出し回路と、を備える、センサ。
   

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