JP6613923B2 - 半導体積層体、受光素子および半導体積層体の製造方法 - 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。
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体積層体は、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）。
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、感度が十分に向上しない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ことが可能な半導体積層体および受光素子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、導電型が第１導電型である第１半導体層と、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る第２半導体層と、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３半導体層と、を備える。第１半導体層、量子井戸受光層、第２半導体層および第３半導体層は、この順に積層される。第２導電型のキャリアを生成する不純物の濃度は、第２半導体層において１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下である。
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半導体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る第２半導体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３半導体層を形成する工程と、を備える。第１半導体層を形成する工程、量子井戸受光層を形成する工程、第２半導体層を形成する工程および第３半導体層を形成する工程は、この順で実施されて、第１半導体層、量子井戸受光層、第２半導体層および第３半導体層は、この順に積層される。第２半導体層は、第２導電型のキャリアを生成する不純物の濃度が１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下となるように形成される。
上記半導体積層体および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半導体層と、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る第２半導体層と、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３半導体層と、を備える。第１半導体層、量子井戸受光層、第２半導体層および第３半導体層は、この順に積層される。第２導電型のキャリアを生成する不純物の濃度は、第２半導体層において１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３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半導体層と、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る第２半導体層と、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３半導体層と、を備える。第１半導体層、量子井戸受光層、第２半導体層および第３半導体層は、この順に積層される。第２導電型のキャリアを生成する不純物の濃度は、第２半導体層において１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下である。
本発明者らは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる量子井戸受光層を挟んでＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の半導体層と第２導電型の半導体層とが配置される構造を含む受光素子の感度を上昇させる方策について検討した。その結果、多数キャリアを生成させるために半導体層に導入される不純物が量子井戸受光層内へと拡散し、感度を低下させていることが明らかとなった。このような不純物の拡散を抑制するためには、半導体層と量子井戸受光層との間に、不純物濃度の低い低不純物濃度半導体層を配置すればよいとも考えられる。しかし、単に不純物濃度の低い低不純物濃度半導体層を配置する構造を採用した場合、低不純物濃度半導体層内にキャリアが発生し、空乏層の広がりを阻害する。その結果、受光素子の感度が低下するという問題が生じる。本発明者らの検討によれば、上記低不純物濃度半導体層における不純物の濃度を適切に設定することで、半導体層から量子井戸受光層への不純物の拡散を低不純物濃度半導体層によって抑制しつつ、低不純物濃度層内におけるキャリアの発生を低減することができる。その結果、受光素子の感度を上昇させることができる。
本願の半導体積層体では、半導体層である第３半導体層と量子井戸受光層との間に、低不純物濃度半導体層である第２半導体層が配置される。そして、第２半導体層における不純物の濃度が１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下に設定される。そのため、第３半導体層から量子井戸受光層への不純物の拡散を第２半導体層によって抑制しつつ、第２半導体層内におけるキャリアの発生を低減することができる。その結果、本願の半導体積層体を用いて製造される受光素子の感度が上昇する。このように、本願の半導体積層体によれば、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ことが可能な半導体積層体を提供することができる。
上記半導体積層体において、量子井戸受光層と第２半導体層との界面を含む領域である界面領域は、界面領域に隣接する量子井戸受光層内の領域および第２半導体層内の領域に比べて第２導電型のキャリアを生成する不純物の濃度が高くてもよい。このようにすることにより、第２半導体層と量子井戸受光層との界面におけるキャリアの発生を低減することができる。
上記半導体積層体において、界面領域における、第２導電型のキャリアを生成する不純物の濃度は１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下であってもよい。このようにすることにより、第２半導体層と量子井戸受光層との界面におけるキャリアの発生を一層確実に低減することができる。
上記半導体積層体において、第３半導体層における、第２導電型のキャリアを生成する不純物の濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下であってもよい。不純物の濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上とすることにより、第３半導体層に接触するように電極を形成する場合のオーミックコンタクトの確保が容易となる。不純物の濃度を１×１０２０ｃｍ−３以下とすることにより、第３半導体層から第２半導体層への不純物の拡散を抑制し、第２半導体層における不純物の濃度を適切な範囲に設定することが容易となる。
上記半導体積層体において、第３半導体層において第２導電型のキャリアを生成する不純物は、Ｓｉ（珪素）、Ｓ（硫黄）、Ｓｅ（セレン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｔｅ（テルル）およびＳｎ（スズ）からなる群から選択される一種以上、または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３半導体層に含まれるｎ型不純物またはｐ型不純物として好適である。
上記半導体積層体において、第３半導体層はＩｎＰからなっていてもよい。ＩｎＰは、第３半導体層を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体として好適である。
上記半導体積層体において、量子井戸受光層には、第１導電型のキャリアを生成する不純物または第２導電型のキャリアを生成する不純物が、１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下の濃度で含まれていてもよい。量子井戸受光層にｐ型およびｎ型の一方のキャリアが生成する場合、ｐ型およびｎ型の他方のキャリアを生成する不純物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キャリア濃度を低下させ、高い感度を確保することが可能となる。
上記半導体積層体において、量子井戸受光層の厚みは０．５μｍ以上であってもよい。このようにすることにより、上記半導体積層体を用いて感度に優れた受光素子を製造することが容易となる。
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。
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。
上記半導体積層体は、第１半導体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備えていてもよい。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量子井戸受光層を採用することが容易となる。
上記半導体積層体は、第１半導体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備えていてもよい。第２半導体層は、基板と同一の格子定数を持つことができるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっていてもよい。第２半導体層を構成する材料として基板と同一の格子定数を持つことができる材料を選択することにより、たとえば構成元素の比率を調整して格子定数を基板に近いものとすることができる。これにより、格子定数の差に起因した量子井戸受光層における歪の発生を抑制することができる。同様の効果を得る観点から、第２半導体層は、量子井戸受光層を構成する半導体層と同一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっていてもよい。
上記半導体積層体において、第１半導体層と量子井戸受光層との界面、量子井戸受光層と第２半導体層との界面、および第２半導体層と第３半導体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、半導体積層体を用いて製造される受光素子の暗電流を抑制することができる。
上記半導体積層体において、第１半導体層、量子井戸受光層、第２半導体層および第３半導体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、半導体積層体を用いて製造される受光素子の暗電流を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なる群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。
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、感度を向上させることができる。
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半導体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る第２半導体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３半導体層を形成する工程と、を備える。第１半導体層を形成する工程、量子井戸受光層を形成する工程、第２半導体層を形成する工程および第３半導体層を形成する工程は、この順で実施されて、第１半導体層、量子井戸受光層、第２半導体層および第３半導体層は、この順に積層される。第２半導体層は、第２導電型のキャリアを生成する不純物の濃度が１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下となるように形成される。
本願の半導体積層体の製造方法においては、第３半導体層と量子井戸受光層との間に、不純物の濃度が１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下である第２半導体層が形成される。そのため、第３半導体層から量子井戸受光層への不純物の拡散を第２半導体層によって抑制しつつ、第２半導体層内におけるキャリアの発生を低減することができる。その結果、半導体積層体を用いて製造される受光素子の感度が上昇する。このように、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ことが可能な半導体積層体を製造することができる。
上記半導体積層体の製造方法において、第３半導体層を形成する工程では、第３半導体層に含まれる第２導電型のキャリアを生成する不純物が第２半導体層に拡散するように、第３半導体層が形成されてもよい。このようにすることにより、第３半導体層を形成する工程において第２半導体層の不純物濃度を調整することができる。
上記半導体積層体の製造方法において、第１半導体層を形成する工程、量子井戸受光層を形成する工程、第２半導体層を形成する工程および第３半導体層を形成する工程は、第１半導体層、量子井戸受光層、第２半導体層および第３半導体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、半導体積層体を用いて製造される受光素子の暗電流を抑制することができる。
上記半導体積層体の製造方法において、第１半導体層を形成する工程、量子井戸受光層を形成する工程、第２半導体層を形成する工程および第３半導体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、第２導電型層および第３半導体層を形成することが容易となる。
上記半導体積層体の製造方法は、第３半導体層を形成する工程よりも後に、熱処理によって、第３半導体層に含まれる第２導電型のキャリアを生成する不純物を第２半導体層に拡散させ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、熱処理によって第２半導体層の不純物濃度を調整することができる。
上記半導体積層体の製造方法において、上記熱処理は、４００℃以上７００℃以下の温度に加熱し、１０分間以上１２０分間以下の時間保持することにより実施されてもよい。このようにすることにより、熱処理によって第２半導体層の不純物濃度を調整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積層体の実施の形態を、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積層体の実施の形態を、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。
（実施の形態１）
図１を参照して、実施の形態１における半導体積層体１０は、基板１１と、第１半導体層１２と、量子井戸受光層としての量子井戸構造１３と、第２半導体層１４と、第３半導体層１５とを備えている。
図１を参照して、実施の形態１における半導体積層体１０は、基板１１と、第１半導体層１２と、量子井戸受光層としての量子井戸構造１３と、第２半導体層１４と、第３半導体層１５とを備えている。
基板１１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっている。また、基板１１の直径は５０ｍｍ以上であり、たとえば３インチである。基板１１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１１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１１を構成する化合物半導体として採用される。基板１１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１１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１００ｍｍ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。
第１半導体層１２は、基板１１の一方の主面１１Ａ上に接触するように配置された半導体層である。第１半導体層１２は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっている。第１半導体層１２を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、たとえばＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＳｂ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）、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）、ＧａＡｓＳｂ（ガリウム砒素アンチモン）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ｎ型であるＩｎＧａＡｓ（ｎ−ＩｎＧａＡｓ）が、第１半導体層１２を構成する化合物半導体として採用される。第１半導体層１２に含まれるｎ型不純物としては、たとえばＳｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｎなどを採用することができる。
量子井戸構造１３は、第１半導体層１２の、基板１１に面する側とは反対側の第１主面１２Ａ上に接触するように配置されている。量子井戸構造１３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１３は、第１要素層１３１と第２要素層１３２とが交互に積層された構造を有している。第１要素層１３１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１３２を構成する材料としては、たとえばＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（ｙは０．３６以上１以下）を採用することができる。なお、第１要素層１３１および第２要素層１３２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１３１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）を採用し、第２要素層１３２を構成する材料としては、たとえばＧａＡｓ１−ｙＳｂｙ（ｙは０．３６以上０．６２以下）を採用することができる。
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。第１要素層１３１および第２要素層１３２の厚みは、たとえばそれぞれ５ｎｍとすることができる。そして、量子井戸構造１３は、第１要素層１３１と第２要素層１３２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。すなわち、量子井戸構造１３の厚みは、たとえば２．５μｍとすることができる。
また、第１要素層１３１を構成する材料としてＩｎＡｓを採用し、第２要素層１３２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。
なお、量子井戸構造１３の歪を補償するために、量子井戸構造１３を構成する単位構造を、第１要素層１３１および第２要素層１３２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１３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。
図１を参照して、第２半導体層１４は、量子井戸構造１３の、第１半導体層１２に面する側とは反対側の主面１３Ａ上に接触するように配置されている。第２半導体層１４は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっている。第２半導体層１４は、一方の主面１４Ａにおいて量子井戸構造１３に接触し、他方の主面１４Ｂにおいて第３半導体層１５に接触する。
第２半導体層１４を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としては、量子井戸構造１３を構成する第１要素層１３１または第２要素層１３２と同一のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を採用してもよい。第２半導体層１４に含まれるｐ型不純物の濃度は、１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下である。第２半導体層１４に含まれるｐ型不純物の濃度は、１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下であってもよい。第２半導体層１４に含まれるｐ型不純物としては、たとえばＺｎ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣからなる群から選択される一種以上を採用することができる。
第３半導体層１５は、第２半導体層１４の、量子井戸構造１３に面する側とは反対側の主面１４Ｂ上に接触するように形成されている。第３半導体層１５は、一方の主面１５Ａにおいて第２半導体層１４に接触する。第３半導体層１５は、導電型がｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなっている。
第３半導体層１５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ＩｎＰ（ｐ−ＩｎＰ）が、第３半導体層１５を構成する化合物半導体として採用される。第３半導体層１５に含まれるｐ型不純物としては、たとえばＺｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃなどを採用することができる。
本実施の形態の半導体積層体１０においては、第３半導体層１５と量子井戸構造１３との間に、不純物の濃度が１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下である第２半導体層１４が配置される。そのため、第３半導体層１５から量子井戸構造１３への不純物の拡散を第２半導体層１４によって抑制しつつ、第２半導体層１４内におけるキャリアの発生を低減することができる。その結果、半導体積層体１０を用いて製造される受光素子の感度が上昇する。このように、半導体積層体１０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の感度を向上させることが可能な半導体積層体となっている。
半導体積層体１０において、量子井戸構造１３と第２半導体層１４との界面を含む領域である界面領域１８は、界面領域１８に隣接する量子井戸構造１３内の領域および第２半導体層１４内の領域に比べてｐ型不純物の濃度が高いことが好ましい。これにより、第２半導体層１４と量子井戸構造１３との界面におけるキャリアの発生を低減することができる。
また、界面領域１８におけるｐ型不純物の濃度は１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。これにより、第２半導体層１４と量子井戸構造１３との界面におけるキャリアの発生を一層確実に低減することができる。
さらに、第３半導体層１５におけるｐ型不純物の濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下であることが好ましい。不純物の濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上とすることにより、第３半導体層１５に接触するように電極を形成する場合のオーミックコンタクトの確保が容易となる。不純物の濃度を１×１０２０ｃｍ−３以下とすることにより、第３半導体層１５から第２半導体層１４への不純物の拡散を抑制し、第２半導体層１４における不純物の濃度を適切な範囲に設定することが容易となる。
また、第３半導体層１５におけるｐ型不純物としては、たとえばＳｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｇｅ、ＴｅおよびＳｎからなる群から選択される一種以上、またはＺｎ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣからなる群から選択される一種以上を採用することができる。これらの不純物は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第３半導体層１５に含まれるｎ型不純物またはｐ型不純物として好適である。
さらに、量子井戸構造１３には、ｐ型不純物またはｎ型不純物が、１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下の濃度で含まれていてもよい。量子井戸構造１３にｐ型およびｎ型の一方のキャリアが生成する場合、ｐ型およびｎ型の他方のキャリアを生成する不純物を量子井戸構造１３内に導入することにより、量子井戸構造１３におけるキャリア濃度を低下させ、高い感度を確保することが可能となる。量子井戸構造１３には、ｐ型不純物またはｎ型不純物が、１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下の濃度で含まれていてもよい。
また、半導体積層体１０において、量子井戸構造１３の厚みは０．５μｍ以上であることが好ましい。これにより、半導体積層体１０を用いて感度に優れた受光素子を製造することが容易となる。
さらに、量子井戸構造１３はタイプＩＩ型の量子井戸構造であってもよい。これにより、半導体積層体１０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。
また、半導体積層体１０において、第１半導体層１２と量子井戸構造１３との界面、量子井戸構造１３と第２半導体層１４との界面および第２半導体層１４と第３半導体層１５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、半導体積層体１０を用いて製造される受光素子の暗電流を抑制することができる。
半導体積層体１０において、第１半導体層１２、量子井戸構造１３、第２半導体層１４および第３半導体層１５が再成長界面を形成することなく積層されていることが好ましい。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暗電流を抑制することができる。
なお、上記実施の形態においては、基板１１および第１半導体層１２の導電型がｎ型であり、第３半導体層１５の導電型がｐ型である場合について説明したが、基板１１および第１半導体層１２の導電型がｐ型であり、第３半導体層１５の導電型がｎ型であってもよい。この場合、第３半導体層１５に含まれるｎ型不純物としては、たとえばＳｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｇｅ、ＴｅおよびＳｎからなる群から選択される一種以上を採用することができる。
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１１と、第１半導体層１２と、量子井戸構造１３と、第２半導体層１４と、第３半導体層１５とを備えている。そして、赤外線受光素子１には、第３半導体層１５、第２半導体層１４および量子井戸構造１３を貫通し、第１半導体層１２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、第３半導体層１５、第２半導体層１４および量子井戸構造１３が露出している。また、トレンチ９９の底壁９９Ｂは、第１半導体層１２内に位置している。つまり、トレンチ９９の底壁９９Ｂにおいて第１半導体層１２が露出している。
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および第３半導体層１５において第２半導体層１４に面する側とは反対側の主面１５Ｂ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から露出する第１半導体層１２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、第１半導体層１２に対してオーミック接触している。
第３半導体層１５の主面１５Ｂ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から露出する第３半導体層１５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、第３半導体層１５に対してオーミック接触している。
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１３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１１の一方の主面１１Ａ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２において説明する。
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、感度に優れた受光素子となっている。
次に、図３〜図８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。
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１１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１１が得られる。この基板１１の表面が研磨された後、洗浄等のプロセスを経て主面１１Ａの平坦性および清浄性が確保された基板１１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１１の主面１１Ａ上に、動作層である第１半導体層１２、量子井戸構造１３、第２半導体層１４および第３半導体層１５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１１を載置し、基板１１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、第１半導体層形成工程（Ｓ２１）、量子井戸構造形成工程（Ｓ２２）、第２半導体層形成工程（Ｓ２３）、第３半導体層形成工程（Ｓ２４）および拡散工程（Ｓ２５）を含んでいる。
工程（Ｓ２０）においては、まず工程（Ｓ２１）が実施される。工程（Ｓ２１）では、図４を参照して、基板１１の主面１１Ａ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−ＩｎＧａＡｓからなる第１半導体層１２が有機金属気相成長により形成される。ｎ−ＩｎＧａＡｓからなる第１半導体層１２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、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る。
次に、工程（Ｓ２２）が実施される。工程（Ｓ２２）では、図４および図５を参照して、第１半導体層１２の、基板１１に面する側とは反対側の第１主面１２Ａ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１３１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１３２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１３が形成される。量子井戸構造１３の形成は、上記第１半導体層１２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１３の形成は、第１半導体層１２の形成の際に用いた装置内に基板１１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１３は、厚みが０．５μｍ以上となるように形成される。
ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは０．３８以上１以下）からなる第１要素層１３１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、Ａｓの原料としてたとえばＴＢＡｓ、ＴＭＡｓ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１３２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、ＴＭＡｓ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。これにより、タイプＩＩ量子井戸である量子井戸構造１３を形成することができる。
次に、工程（Ｓ２３）が実施される。工程（Ｓ２３）では、図５および図６を参照して、量子井戸構造１３の、第１半導体層１２に面する側とは反対側の主面１３Ａ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ＩｎＧａＡｓからなる第２半導体層１４が形成される。第２半導体層１４の形成は、上記量子井戸構造１３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。第２半導体層１４の形成は、上記第１半導体層１２と同様の手順において、ｎ型不純物を添加するための原料ガスの導入を省略することで実施することができる。すなわち、第２半導体層１４は、アンドープのＩｎＧａＡｓからなる半導体層とすることができる。
次に、工程（Ｓ２４）が実施される。工程（Ｓ２４）では、図６および図１を参照して、第２半導体層１４の、量子井戸構造１３に面する側とは反対側の主面１４Ｂ上に接触するように、たとえば導電型がｐ型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるｐ−ＩｎＰからなる第３半導体層１５が形成される。第３半導体層１５の形成は、上記第２半導体層１４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。
工程（Ｓ２４）では、第３半導体層１５に含まれるｐ型不純物が第２半導体層１４に拡散するように、第３半導体層１５が形成されてもよい。具体的には、たとえば第３半導体層１５にｐ型不純物として導入されるＺｎが第２半導体層１４へと拡散可能な温度で、第３半導体層１５が形成される。
次に、工程（Ｓ２５）が実施される。工程（Ｓ２５）では、熱処理によって、第３半導体層１５に含まれるｐ型不純物を第２半導体層１４に拡散させる。熱処理は、たとえば４００℃以上７００℃以下の温度に加熱し、１０分間以上１２０分間以下の時間保持することにより実施される。工程（Ｓ２５）は、半導体積層体１０の製造方法において必須の工程ではないが、これを実施することにより、第２半導体層１４内に含まれるｐ型不純物の濃度を調整することが容易となる。
上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ２０）を実施することにより、ｐ型不純物の濃度が１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下（または１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１６ｃｍ−３以下）である第２半導体層１４を備える本実施の形態の半導体積層体１０が完成する。また、第３半導体層１５から第２半導体層１４へと拡散したｐ型不純物（たとえばＺｎ）は、量子井戸構造１３と第２半導体層１４との界面付近に蓄積される。その結果、隣接する量子井戸構造１３内の領域および第２半導体層１４内の領域に比べてｐ型不純物の濃度が高い界面領域１８が量子井戸構造１３と第２半導体層１４との界面を含むように形成される。界面領域１８におけるｐ型不純物の濃度は、たとえば１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下となる。
上述のように工程（Ｓ２０）を有機金属気相成長によって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半導体積層体１０を製造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。
また、工程（Ｓ２０）は、上述のように、装置内に基板１１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（Ｓ２０）は、第１半導体層１２、量子井戸構造１３、第２半導体層１４および第３半導体層１５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、暗電流を抑制することができる。
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７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、第３半導体層１５、第２半導体層１４および量子井戸構造１３を貫通し、第１半導体層１２に到達するトレンチ９９が形成される。トレンチ９９は、たとえば第３半導体層１５の主面１５Ｂ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７および図８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および第３半導体層１５において第２半導体層１４に面する側とは反対側の主面１５Ｂ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８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。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、本発明にかかる受光素子の他の実施の形態である実施の形態２における受光素子およびセンサについて説明する。図９および図２を参照して、実施の形態２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１１の一方の主面１１Ａ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。
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２における受光素子およびセンサについて説明する。図９および図２を参照して、実施の形態２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１１の一方の主面１１Ａ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、図９を参照して、実施の形態２の赤外線受光素子１のｎ側電極９１は、基板１１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に隣接する第３半導体層１５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、第３半導体層１５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において集約されて、たとえば二次元の画像を得ることができる。
（実施例１）
第２半導体層の不純物濃度と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。
第２半導体層の不純物濃度と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。
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１１を構成する化合物半導体はｎ−ＩｎＰ（不純物はＳ）とした。第１半導体層１２を構成する化合物半導体には、ｎ型不純物として１×１０１８ｃｍ−３のＳｉを導入したｎ−ＩｎＧａＡｓを採用した。第１半導体層１２の厚みは１５０ｎｍとした。量子井戸構造１３の第１要素層１３１を構成する化合物半導体はＧａＡｓＳｂ、第２要素層１３２を構成する化合物半導体はＩｎＧａＡｓとした。第１要素層１３１および第２要素層１３２の厚みは、それぞれ５ｎｍとした。量子井戸構造１３は、第１要素層１３１と第２要素層１３２とからなる単位構造が２５０組積層されたタイプＩＩ型の量子井戸構造とした。
第２半導体層１４を構成する化合物半導体には、ＩｎＧａＡｓを採用した。第２半導体層１４の厚みは１μｍとした。第２半導体層１４には、第３半導体層１５からの拡散により導入されたｐ型不純物であるＺｎが含まれる。第３半導体層１５を構成する化合物半導体には、ｐ型不純物として５×１０１８ｃｍ−３のＺｎを導入したｐ−ＩｎＰを採用した。第３半導体層１５の厚みは０．８μｍとした。そして、第２半導体層１４に含まれるｐ型不純物であるＺｎの濃度が異なる赤外線受光素子１を作製し、感度を調査する実験を行った。
各層の不純物濃度は、二重収束セクター磁場型ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を用いて確認した。ＳＩＭＳによる分析のためのスパッタリングには、セシウムイオン（Ｃｓ＋）を用いた。セシウムイオンの加速電圧は５ｋｅＶとした。ビーム径は２０μｍ以下とした。ラスター領域は、一辺１５０μｍの正方形領域とした。分析領域は、直径６０μｍの円形領域とした。測定時の真空度は１×１０−７Ｐａとした。感度は、逆バイアスが２Ｖ、測定温度が−５０℃、の条件の下、基板１１側から波長２．２μｍの光を入射させて測定した。測定結果を表１に示す。
表１を参照して、第２半導体層１４におけるｐ型不純物濃度が１×１０１４ｃｍ−３未満の場合に感度が不十分となっている。これは、ｐ型不純物濃度が低い第２半導体層１４が量子井戸構造１３とコンタクト層として機能する第３半導体層１５との間に配置されることにより、第２半導体層１４内にキャリアが生成したためであると考えられる。また、第２半導体層１４におけるｐ型不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３を超える場合も、感度が不十分となっている。これは、第２半導体層１４内のｐ型不純物濃度が高いことにより、当該ｐ型不純物に起因するキャリアが第２半導体層１４内に生成したためであると考えられる。そして、第２半導体層１４におけるｐ型不純物濃度が１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下の場合に、優れた感度が得られている。また、ｐ型不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３の場合に、特に優れた感度が得られている。これは、適切な範囲にｐ型不純物濃度が調整されることにより、第２半導体層１４における上述のようなキャリアの発生が低減されたためであると考えられる。
以上の実験結果より、第２半導体層１４におけるｐ型不純物濃度は、１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下とすべきであることが確認される。
（実施例２）
界面領域の不純物濃度と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。
界面領域の不純物濃度と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。
上記実施例１の場合と同様の赤外線受光素子１において、界面領域１８におけるｐ型不純物であるＺｎの濃度が異なるサンプルを作製し、感度を調査する実験を行った。感度は、実施例１の場合と同様に測定した。測定結果を表２に示す。
表２を参照して、界面領域１８におけるｐ型不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下の場合に、優れた感度が得られている。また、ｐ型不純物濃度が５×１０１６ｃｍ−３の場合に、特に優れた感度が得られている。これは、適切な範囲にｐ型不純物濃度が調整されることにより、第２半導体層１４と量子井戸構造１３との界面におけるキャリアの発生が低減されたためであると考えられる。
以上の実験結果より、界面領域１８におけるｐ型不純物濃度は、１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下とすることが好ましいことが確認される。
（実施例３）
第３半導体層の不純物濃度と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。
第３半導体層の不純物濃度と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。
上記実施例１の場合と同様の赤外線受光素子１において、第３半導体層１５におけるｐ型不純物であるＺｎの濃度が異なるサンプルを作製し、感度を調査する実験を行った。感度は、実施例１の場合と同様に測定した。測定結果を表３に示す。
表３を参照して、第３半導体層１５におけるｐ型不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下の場合に、優れた感度が得られている。これは、第３半導体層１５内のｐ型不純物濃度が適切な範囲に調整されることにより、第２半導体層１４内のｐ型不純物の濃度が適切な範囲に維持されたためであると考えられる。
以上の実験結果より、第３半導体層１５におけるｐ型不純物濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下とすることが好ましいことが確認される。
（実施例４）
量子井戸受光層内の不純物濃度と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。
量子井戸受光層内の不純物濃度と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。
上記実施例１の場合と同様の赤外線受光素子１において、量子井戸構造１３におけるｐ型不純物であるＺｎの濃度が異なるサンプルを作製し、感度を調査する実験を行った。感度は、実施例１の場合と同様に測定した。測定結果を表４に示す。
表４を参照して、量子井戸構造１３におけるｐ型不純物濃度が１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下の場合に、優れた感度が得られている。また、ｐ型不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３の場合に、特に優れた感度が得られている。これは、適切な範囲にｐ型不純物濃度が調整されることにより、量子井戸構造１３内に生成したｎ型キャリアが補償され、量子井戸構造１３内のキャリア濃度が低下したためであると考えられる。
以上の実験結果より、量子井戸構造１３におけるｐ型不純物濃度は、１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下とすることが好ましいことが確認される。
（実施例５）
第３半導体層の形成後に実施される熱処理の条件と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。
第３半導体層の形成後に実施される熱処理の条件と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。
上記実施の形態の赤外線受光素子の製造方法と同様の手順で、上記実施例１の場合と同様の赤外線受光素子１を作製した。このとき、工程（Ｓ２５）として実施される拡散工程における加熱温度および加熱時間を変化させ、得られた赤外線受光素子の感度を調査した。感度は、実施例１の場合と同様に測定した。測定結果を表５に示す。
表５を参照して、熱処理温度が４００℃以上７００℃以下であって熱処理時間が１０分間以上１２０分間以下の場合に、１．０Ａ／Ｗ以上の良好な感度が得られている。これは、当該熱処理の温度および時間の範囲において、第３半導体層１５から第２半導体層１４へと適量のｐ型不純物（Ｚｎ）が拡散し、適切な濃度のｐ型不純物を含む第２半導体層１４が得られたためであると考えられる。
以上の実験結果より、第３半導体層の形成後に実施される熱処理は、４００℃以上７００℃以下の温度に加熱し、１０分間以上１２０分間以下の時間保持することにより実施されることが好ましいことが確認される。
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および受光素子は、感度の向上が求められる受光素子および当該受光素子の製造に用いられる半導体積層体に、特に有利に適用され得る。また、本願の半導体積層体の製造方法は、感度の向上が求められる受光素子の製造に用いられる半導体積層体の製造に、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
１１ 基板
１１Ａ 主面
１２ 第１半導体層
１２Ａ 第１主面
１３ 量子井戸構造
１３１ 第１要素層
１３２ 第２要素層
１３Ａ 主面
１４ 第２半導体層
１４Ａ 主面
１４Ｂ 主面
１５ 第３半導体層
１５Ａ 主面
１５Ｂ 主面
１８ 界面領域
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
１０ 半導体積層体
１１ 基板
１１Ａ 主面
１２ 第１半導体層
１２Ａ 第１主面
１３ 量子井戸構造
１３１ 第１要素層
１３２ 第２要素層
１３Ａ 主面
１４ 第２半導体層
１４Ａ 主面
１４Ｂ 主面
１５ 第３半導体層
１５Ａ 主面
１５Ｂ 主面
１８ 界面領域
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 (20)
- 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半導体層と、
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る第２半導体層と、
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３半導体層と、を備え、
前記第１半導体層、前記量子井戸受光層、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、この順に積層され、
前記第２導電型のキャリアを生成する不純物の濃度は、前記第２半導体層において１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０ １６ ｃｍ −３ 以下である、半導体積層体。 - 前記量子井戸受光層と前記第２半導体層との界面を含む領域である界面領域は、前記界面領域に隣接する前記量子井戸受光層内の領域および前記第２半導体層内の領域に比べて前記第２導電型のキャリアを生成する不純物の濃度が高い、請求項１に記載の半導体積層体。
- 前記界面領域における、前記第２導電型のキャリアを生成する不純物の濃度は１×１０１５ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下である、請求項２に記載の半導体積層体。
- 前記第３半導体層における、前記第２導電型のキャリアを生成する不純物の濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体積層体。
- 前記第３半導体層において前記第２導電型のキャリアを生成する不純物は、Ｓｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｇｅ、ＴｅおよびＳｎからなる群から選択される一種以上、またはＺｎ、Ｂｅ、ＭｇおよびＣからなる群から選択される一種以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体積層体。
- 前記第３半導体層はＩｎＰからなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体積層体。
- 前記量子井戸受光層には、前記第１導電型のキャリアを生成する不純物または前記第２導電型のキャリアを生成する不純物が、１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下の濃度で含まれる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体積層体。
- 前記量子井戸受光層の厚みは０．５μｍ以上である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体積層体。
- 前記量子井戸受光層はタイプＩＩ型の量子井戸構造である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体積層体。
- 前記量子井戸受光層は、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である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体積層体。
- 前記第１半導体層から見て前記量子井戸受光層とは反対側に位置する基板をさらに備え、
前記基板は、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、またはＡｌＡｓからなる、請求項１０に記載の半導体積層体。 - 前記第１半導体層から見て前記量子井戸受光層とは反対側に位置する基板をさらに備え、
前記第２半導体層は、前記基板と同一の格子定数を持つことができるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体積層体。 - 前記第１半導体層と前記量子井戸受光層との界面、前記量子井戸受光層と前記第２半導体層との界面、および前記第２半導体層と前記第３半導体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以下である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体積層体。
- 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体積層体と、
前記半導体積層体上に形成された電極と、を備える、受光素子。 - 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半導体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る第２半導体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３半導体層を形成する工程と、を備え、
前記第１半導体層を形成する工程、前記量子井戸受光層を形成する工程、前記第２半導体層を形成する工程および前記第３半導体層を形成する工程は、この順で実施されて、前記第１半導体層、前記量子井戸受光層、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、この順に積層され、
前記第２半導体層は、前記第２導電型のキャリアを生成する不純物の濃度が１×１０１４ｃｍ−３以上１×１０ １６ ｃｍ −３ 以下となるように形成される、半導体積層体の製造方法。 - 前記第３半導体層を形成する工程では、前記第３半導体層に含まれる前記第２導電型のキャリアを生成する不純物が前記第２半導体層に拡散するように、前記第３半導体層が形成される、請求項１５に記載の半導体積層体の製造方法。
- 前記第１半導体層を形成する工程、前記量子井戸受光層を形成する工程、前記第２半導体層を形成する工程および前記第３半導体層を形成する工程は、前記第１半導体層、前記量子井戸受光層、前記第２半導体層および前記第３半導体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る、請求項１５または１６に記載の半導体積層体の製造方法。
- 前記第１半導体層を形成する工程、前記量子井戸受光層を形成する工程、前記第２半導体層を形成する工程および前記第３半導体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る、請求項１５〜１７に記載の半導体積層体の製造方法。
- 前記第３半導体層を形成する工程よりも後に、熱処理によって、前記第３半導体層に含まれる前記第２導電型のキャリアを生成する不純物を前記第２半導体層に拡散させる工程をさらに備える、請求項１５〜１８に記載の半導体積層体の製造方法。
- 前記熱処理は、４００℃以上７００℃以下の温度に加熱し、１０分間以上１２０分間以下の時間保持することにより実施される、請求項１９に記載の半導体積層体の製造方法。
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