JP6760756B2

JP6760756B2 - 受光素子

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Publication number: JP6760756B2
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Inventors: 学満原
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Description

本発明は、化合物半導体から構成された受光素子に関する。

現代は、過大な環境負荷のもとに成り立っており、環境保護のための早急な対策が求められている。この環境負荷を低減するためには、工場、発電所、ゴミ焼却施設や自動車などから排出されるガスの排出量削減が、重要となる。ガス排出量削減のためには、ガス排出源や大気中におけるガス濃度の高精度な計測が必要となる。ガス吸収線による光吸収を用いたガス計測は、リアルタイムでの計測、遠隔での計測ができ、さらにガスの同位体までも特定できるという特徴があり、様々なガス計測システムへ応用されている。

図８は、１．８μｍから２．４μｍまでの波長域に吸収線を持つガス種とその強度を示したものである。この波長領域には、地球の温室効果への影響が大きいＣＯ₂、Ｎ₂Ｏなどのガス種だけでなく、大気汚染を抑制するために工場や焼却施設等からの排出基準が設けられているＨＣｌ、ＮＨ₃、ＣＯなどのガス種の吸収線が存在する。このため、上記波長領域は、ガス計測において重要な波長領域のうちの１つである。図８では、各ガス種で吸収線強度の大きな波長領域を帯状の線で示してあるが、この帯状の線の中には複数の孤立した吸収線が含まれる。

ところで、光学的な検出素子として受光素子が用いられる。例えば、ＩｎＰ基板上の受光素子としては、ＩｎＰに格子整合するＩｎ組成が０．５３のＩｎＧａＡｓを光吸収層とする受光素子が広く用いられている。

図９は、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓの光吸収スペクトルを示す特性図である。ＩｎＧａＡｓは、ＩｎＰに格子整合する条件では１．８μｍを超える波長の光をほとんど吸収しない。このため、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓを光吸収層とする受光素子のカットオフ波長は、１．８μｍ以下である。１．８μｍより長い波長光の受光には、Ｉｎ組成が０．５３より大きく、ＩｎＰには格子整合しないＩｎＧａＡｓ吸収層を備えた拡張型の受光素子が用いられる。

K. Makita et al., "Ga1-yInyAs/InAsxP1-x (y>0.53,x>0) pin photodiodes for long wavelength regions (l>2μm) grown by hydride vapour phase epitaxy", Electronics Letters, Vol.24, No.7, pp.379-380, 1988. M. Ogasawara et al., "Influence of net strain, strain type, and temperature on the critical thickness of In(Ga)AsP-strained multi quantum wells", Journal of Applied Physics, Vol.84, No.9, pp.4775-4780, 1998. T. Tsuchiya et al., "Investigation of effect of strain-compensated structure and compensation limit in strained-layer multiple quantum wells", Journal of Crystal Growth, Vol.145, pp.371-375, 1994. M. Mitsuhara et al., "Effect of strain in the barrier layer on structural and optical properties of highly strained In0.77Ga0.23As/InGaAs multiple quantum wells", Journal of Crystal Growth, Vol.210, pp.463-470, 2000. J. Dries et al., "Strain compensated In1-xGaxAs(x<0.47) quantum well photodiodes for extended wavelength operation", Applied Physics Letters, Vol.73, No.16, pp.2263-2265, 1998. J. Harmand et al., "GaInAs/GaAs quantum-well growth assisted by Sb surfactant: Toward 1.3 μm emission", Applied Physics Letters, Vol.84, No.20, pp.3981-3983, 2004. I. Markov, "Kinetics of surfactant-mediated epitaxial growth", Physical Review B, Vol.50, No.15, pp.11271-11274, 1994.

上述した拡張型受光素子は、光吸収層を構成するＩｎＧａＡｓを成長する前に、ＩｎＡｓＰからなるメタモルフィックバッファ層を成長させ、このメタモルフィックバッファ層中で格子定数を大きくすることを前提とした層構成となっている。しかしながら、メタモルフィックバッファ層で発生した転位の一部は、光吸収層へ伝播する。このため、拡張型受光素子では、暗電流の低減が難しいという課題があった（例えば、非特許文献１を参照）。

ＩｎＧａＡｓから構成した光吸収層を用いた受光素子で光吸収可能な波長を長波長化させるには、拡張型受光素子のようにＩｎ組成が大きなＩｎＧａＡｓの層を厚く成長させて光吸収層として用いる方法の他に、Ｉｎ組成が大きく圧縮歪が加わった薄いＩｎＧａＡｓ層で引っ張り歪が加わった層を挟みながら、多段に積層した構造を光吸収層として用いる構成が考えられる。この構造は、歪補償構造と呼ばれる。

歪補償構造は、レーザの活性層に用いられる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造に適用される場合が多い。図１０は、歪補償構造を模式的に示した断面図である。図１０に示す圧縮歪が加わった層４０１の層厚をＬ_A、ＩｎＰに対する歪量ε_Aとし、引っ張り歪が加わった層４０２の層厚をＬ_B、ＩｎＰに対する歪量ε_Bとすると、この歪補償構造全体に加わる実効歪ε^*は次式（１）で表される。

一方、受光素子の光吸収層では、入射光を十分に吸収させるために大きな光吸収係数と層厚が必要となる。具体的には、受光素子の光吸収層では、入射光に対する吸収係数が５０００ｃｍ^-1以上の材料が用いられることがほとんどである。入射光に対する光吸収層の吸収係数が５０００ｃｍ^-1の場合、この２０％以上の光を吸収させるためには、約５００ｎｍの層厚が必要となる。

図１０に示した歪補償構造において、周期数をＮとすると歪補償構造全体の総層厚は、Ｎ×（Ｌ_A＋Ｌ_B）となる。式（１）で実効歪ε^*の絶対値が０．２以下の場合、この総層厚が５００ｎｍになっても結晶欠陥の発生は起こらないことが知られている（例えば、非特許文献２を参照）。このため、図１０を用いて説明した歪補償構造を用いて、実効歪が０．２以下にすれば、結晶欠陥の少ない光吸収層を成長でき、受光素子へ応用することが可能になる。

しかしながら、ＩｎＰ基板上でＩｎＰに対して圧縮歪が加わったＩｎＧａＡｓ層を用いて歪補償構造を作製しようとすると、実効歪が小さいにも関わらず、結晶欠陥が発生することが知られている（例えば、非特許文献３を参照）。

図１１は、非特許文献３で報告された圧縮歪が加わったＩｎＧａＡｓから構成した井戸層を含むＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓによる歪補償のＭＱＷ構造における、井戸層の圧縮歪とＰＬ発光強度との関係を示した特性図である。歪補償ＭＱＷ構造は、実効歪が０になるように井戸層および障壁層の層厚および歪量が調整されている。図１１では、井戸数が５周期の場合と１５周期の場合について示している。

図１１に示すように、ＰＬ発光は、井戸層の圧縮歪を１％から１．５％まで増加させると、井戸数が５の場合は大きくは低下しないが、井戸数が１５の場合はほとんど発光しなくなることが分かる。この要因の１つは、大きな圧縮歪が加わったＩｎＧａＡｓからなる井戸層に対し、歪補償構造を用いて井戸数を増加させていった場合、井戸数の増加に伴って井戸層と障壁層との界面が大きく揺らぎ、この結果として非発光再結合中心となる結晶欠陥が発生するためである（例えば、非特許文献４を参照）。このように、圧縮歪が加わったＩｎＧａＡｓを含む場合、歪補償構造を用いたとしても、界面の揺らぎが起こるために結晶欠陥の発生を抑制することは難しい。

図１２は、非特許文献４で報告されている歪補償ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＭＱＷ構造における界面の揺らぎの様子を模式的に示した断面図である。ＩｎＰに対して圧縮歪が加わったＩｎＧａＡｓからなる井戸層５０１と、ＩｎＰに対して引っ張り歪が加わったＩｎＧａＡｓからなる障壁層５０２とが、交互に複数積層されている。この報告では、井戸層５０１だけではなく、障壁層５０２の層厚も局所的に増減し、この増減の振幅は井戸数の増加に伴って大きくなる。この結果、局所的に結晶格子に加わる歪応力が大きなり、結晶欠陥５２１が発生する。

上述したように圧縮歪の加わったＩｎＧａＡｓの層を含む歪補償構造を結晶成長する場合、歪補償構造の各層で局所的な層厚の増減が発生するため、良好な結晶性を得ることが難しい。この問題を解決する有効な手段の１つは、井戸層と障壁層との間に界面を平坦にするための層を挿入することである。この界面を平坦にするための層の材料としては、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザにおける回折格子の平坦な埋め込みにも用いられているＩｎＰが有用である。

圧縮歪の加わったＩｎＧａＡｓによる井戸層と引っ張り歪の加わった障壁層との間にＩｎＰの層を挿入した歪補償ＭＱＷを光吸収層とする受光素子が、非特許文献５において報告されている。図１３は、非特許文献５で検討された受光素子の光吸収層を模式的に示した断面図である。半導体層６０１の上に、障壁層６０２，半導体層６０３，半導体層６０４，井戸層６０５，半導体層６０６，半導体層６０７の積層構造が、５０周期積層されて光吸収層を構成している。

半導体層６０１は、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＰから構成されている。障壁層６０２は、ＩｎＰに対して１．２％の引っ張り歪が加わったＩｎＧａＰから構成され、層厚７ｎｍとされている。半導体層６０３は、ＩｎＰから構成されている。半導体層６０４は、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＰから構成されている。井戸層６０５は、ＩｎＰに対して２％の圧縮歪の加わったＩｎＧａＡｓから構成され、層厚７ｎｍとされている。半導体層６０６は、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓＰから構成されている。半導体層６０７は、ＩｎＰから構成されている。このように積層された光吸収層は、歪補償ＭＱＷ構造である。

この歪補償ＭＱＷ構造を光吸収層に用いた受光素子では、結晶欠陥の発生は認められない。一方、作製した受光素子は受光感度が低く、印加するバイアス電圧も高くする必要があることが報告されている。この要因として、井戸層および障壁層の価電子帯におけるバンド不連続が大きく、光励起により発生した正孔を井戸層から引き抜くことが困難であることが上げられる。受光感度が低く、低バイアス電圧での駆動も難しいため、図１３を用いて説明した歪補償構造の光吸収層を備える受光素子は、現在のところほとんど検討されていない。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いた受光素子で、結晶欠陥などの発生を抑制した状態で波長１．８μｍ以上の光が高い受光感度で検出できるようにすることを目的とする。

本発明に係る受光素子は、ＩｎＰからなる基板と、基板の上に形成された第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層の上に形成された光吸収層と、光吸収層の上に形成された第２導電型の第２半導体層とを備え、光吸収層は、ＩｎＧａＡｓＳｂから構成されてＩｎＰに対して圧縮歪を有する状態とされた圧縮歪層、およびＩｎＧａＡｓＳｂから構成されてＩｎＰに対して引っ張り歪を有する状態とされた引っ張り歪層が交互に多重積層されたＴｙｐｅ−Ｉの超格子構造とされ、カットオフ波長が１．８μｍ以上とされている。

上記受光素子において、圧縮歪層は、Ｖ族におけるＳｂ組成比が０．０３以上０．３以下とされ、ＩｎＰに対する格子不整合が１．０％以上とされている。

上記受光素子において、引っ張り歪層は、Ｖ族におけるＳｂ組成比が０．０３以上とされている。

上記受光素子において、圧縮歪層の層厚をｈ１および歪量をε１とし、引っ張り歪層の層厚をｈ２および歪量をε２としてε＝（ε１×ｈ１＋ε２×ｈ２）／（ｈ１＋ｈ２）により表される、光吸収層の全体の実効歪εが０．２以下とされていればよい。

以上説明したように、本発明によれば、ＩｎＧａＡｓＳｂから構成した圧縮歪層と引っ張り歪層とを交互に積層して光吸収層としたので、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いた受光素子で、結晶欠陥などの発生を抑制した状態で波長１．８μｍ以上の光が高い受光感度で検出できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における受光素子の構成を示す断面図である。図２は、圧縮歪が加わった層と引っ張り歪が加わった層との界面の状態を説明するための説明図である。図３は、実施の形態における作製した試料の層構造を示す断面図である。図４は、実施の形態における作製した試料のＸ線回折パターンの実験結果（ａ）とシミュレーション結果（ｂ）を比較した特性図である。図５は、実施の形態における周期数を３０にした試料の室温でのホトルミネセンス発光スペクトルを示した特性図である。図６は、ＩｎＰ上の圧縮歪が加わった圧縮歪層について、Ｓｂ組成比を変化させた場合のバンドギャップ波長の変化を計算から求めた特性図である。図７は、実施の形態における周期数を３０とした試料の室温での光吸収スペクトルを示した特性図である。図８は、１．８μｍから２．４μｍまでの波長域に吸収線を持つガス種とその強度を示す特性図である。図９は、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓの光吸収スペクトルを示す特性図である。図１０は、歪補償構造を模式的に示した断面図である。図１１は、非特許文献３で報告された圧縮歪が加わったＩｎＧａＡｓから構成した井戸層を含むＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓによる歪補償のＭＱＷ構造における、井戸層の圧縮歪とＰＬ発光強度との関係を示した特性図である。図１２は、非特許文献４で報告されている歪補償ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＭＱＷ構造における界面の揺らぎの様子を模式的に示した断面図である。図１３は、非特許文献５で検討された受光素子の光吸収層を模式的に示した断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における受光素子の構成を示す断面図である。この受光素子は、半絶縁性のＩｎＰからなる基板１０１と、基板１０１の上に形成された第１導電型の第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成された光吸収層１０３と、光吸収層１０３の上に形成された第２導電型の第２半導体層１０４とを備える。

ここで、光吸収層１０３は、ＩｎＧａＡｓＳｂから構成されてＩｎＰに対して圧縮歪を有する状態とされた圧縮歪層、およびＩｎＧａＡｓＳｂから構成されてＩｎＰに対して引っ張り歪を有する状態とされた引っ張り歪層が交互に多重積層され、カットオフ波長が１．８μｍ以上とされている。例えば、圧縮歪層は、Ｖ族におけるＳｂ組成比が０．０３以上０．３以下とされ、ＩｎＰに対する格子不整合が１．０％以上とされていればよい。また、引っ張り歪層は、Ｖ族におけるＳｂ組成比が０．０３以上とされていればよい。

ここで、圧縮歪層の層厚をｈ１および歪量をε１とし、引っ張り歪層の層厚をｈ２および歪量をε２としてε＝（ε１×ｈ１＋ε２×ｈ２）／（ｈ１＋ｈ２）により表される、光吸収層１０３の全体の実効歪εが０．２以下とされていればよい。

なお、実施の形態では、基板１０１の上にバッファ層１０５を介して第１導電型の第１半導体層１０２が形成されている。また、第２半導体層１０４の上には、第２導電型のキャップ層１０６が形成されている。第１半導体層１０２、光吸収層１０３、第２半導体層１０４、キャップ層１０６は、基板１０１およびバッファ層１０５より小さい面積のメサとされている。キャップ層１０６の上には、第１電極１１１が形成されている。また、上記メサ周囲のバッファ層１０５の上には、第２電極１１２が形成されている。また、光入射側となる基板１０１の裏面側には、反射防止層１０７が形成されている。また、上記メサの側面などは、ＳｉＮなどの絶縁材料によるパッシベーション層１０８で覆われている。

上述した実施の形態における受光素子によれば、光吸収層１０３に、これまで圧縮歪が１％を超えるＩｎＧａＡｓでは適用が困難だった歪補償構造が容易に適用可能となる。光吸収層１０３は、圧縮歪の加わったＩｎＧａＡｓＳｂによる圧縮歪層と、引っ張り歪の加わったＩｎＧａＡｓＳｂによる引っ張り歪層とを交互に積層させた構造としているので、光吸収波長を長波長化するとともに、結晶欠陥の発生が抑制できる。この結果、ＩｎＰからなる基板１０１上で、メタモルフィックバッファ層を用いることなく、カットオフ波長が１．８μｍ以上であり、暗電流も小さい受光素子が実現できる。

以下、詳細に説明する。大きな圧縮歪が加わったＩｎＧａＡｓによる層（圧縮歪層）と引っ張り歪が加わったＩｎＧａＡｓによる層（引っ張り歪層）とを交互に積層させて歪補償構造とした場合、前述したように井戸層と障壁層の膜厚が局所的に増減するため、結晶欠陥が発生する。この局所的な膜厚の増減を抑制するためには、結晶成長表面におけるＩＩＩ族原子の移動（マイグレーション）を小さくすれば良い。

結晶成長表面にＳｂが存在するとＩＩＩ族原子の移動を小さくできることが知られている（例えば、非特許文献６を参照）。Ｓｂは一種の表面活性剤として作用し、サーファクタントと呼ばれる。ＳｂがＩＩＩ族原子の移動を抑制するメカニズムは、結晶成長のステップ端でＳｂの一部がＶ族原子の上に付着しており、このステップ端をＩＩＩ族原子が通過する際にＳｂと入れ替わるためであることが知られている（例えば、非特許文献７を参照）。

これまでにサーファクタントとしてのＳｂは、圧縮歪の加わったＩｎＧａＡｓによる井戸層における３次元成長の発生を抑制するために用いられてきた。この場合、結晶内にＳｂを積極的に取り混むことは行われず、Ｖ族元素に占めるＳｂ組成比は０．０２以下の場合がほとんどである。また、引っ張り歪が加わった層に対して、Ｓｂを用いて３次元成長の発生を抑制する検討も行われていない。

ＳｂがＩＩＩ族原子の移動を抑制するメカニズムが、Ｓｂ組成比が０．０３以上の層や引っ張り歪が加わった層に対しても有効であれば、３次元成長の発生を抑制できると考えられる。この場合、３次元成長を抑制できれば膜厚の増減を抑制でき、平坦な界面が得られる。図２は、この様子を模式的に示したものである。

図２の（ａ）に示すように、ＩｎＰに対して圧縮歪が加わったＩｎＧａＡｓからなる井戸層５０１と、ＩｎＰに対して引っ張り歪が加わったＩｎＧａＡｓからなる障壁層５０２とが、交互に複数積層された歪補償構造では、界面に大きな揺らぎが発生する。これに対し、図２の（ｂ）に示すように、ＩｎＰに対して圧縮歪が加わったＩｎＧａＡｓＳｂからなる圧縮歪層１３１と、ＩｎＰに対して引っ張り歪が加わったＩｎＧａＡｓＳｂからなる引っ張り歪層１３２とが、交互に複数積層された歪補償構造の光吸収層１０３では、界面の揺らぎが抑制されて平坦な界面が得られる。

以下、図１０に示したように圧縮歪が１％を超えるＩｎＧａＡｓを含む歪補償構造では結晶欠陥の発生が問題となるような場合でも、ＩｎＧａＡｓＳｂを用いることで図２の（ｂ）に示すような結晶成長が可能になり、この問題を回避できることについて説明する。

以下では、実際に試料を作製して検討した結果について説明する。図３は、作製した試料の層構造を示す断面図である。試料の作製においては、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる各層を、よく知られた有機金属分子線エピタキシー法により、ＩｎＰからなる基板３０１の上にエピタキシャル成長させた。成長においては、ＩＩＩ族原料ガスにトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｖ族原料ガスにホスフィン（ＰＨ₃）、アルシン（ＡｓＨ₃）、トリスジメチルアミノアンチモン（ＴＤＭＡＳｂ）を用いた。

具体的には、基板３０１の上に、アンドープＩｎＰからなる層厚０．２μｍのバッファ層３０２を成長させ、引き続き引っ張り歪が加わったＩｎＧａＡｓＳｂからなる引っ張り歪層３０３と、圧縮歪が加わったＩｎＧａＡｓＳｂからなる圧縮歪層３０４とを交互に１６周期積層させた。最後にアンドープＩｎＰからなる層厚０．０５μｍのキャップ層３０５を成長する。引っ張り歪が加わった引っ張り歪層３０３は、最下層と最上層のみ層厚が他の引っ張り歪層３０３の１／２になるように成長時間を調整する。圧縮歪が加わった圧縮歪層３０４および引っ張り歪が加わった引っ張り歪層３０３ともにＶ族に占めるＳｂ組成比は、０．１である。

図４は、作製した試料のＸ線回折パターンの実験結果（ａ）とシミュレーション結果（ｂ）を比較した特性図である。実験結果とシミュレーション結果との比較から、圧縮歪が加わった圧縮歪層３０４の歪量は、＋１．２％、層厚は１８．５ｎｍであり、引っ張り歪が加わった引っ張り歪層３０３の歪量は−０．７％、層厚は３７ｎｍであり、歪補償構造の実効歪は０．０７％以下であることが分かった。図４に示すように、実験結果とシミュレーション結果とは、よく一致している。

界面の平坦性が劣化した周期構造では、一般的にＸ線回折パターンのピークに顕著なブロードニングが見られるが、作製した試料では顕著なブロードニングが見られないことから、平坦な界面を有していることが分かった。ＩｎＧａＡｓを用いた場合は、図１１を用いて説明したように、加える圧縮歪が１．０％以上で１５周期の歪補償構造を成長した場合、ＰＬ発光強度を顕著に低下させるような結晶欠陥が発生する。一方、ＩｎＧａＡｓＳｂを用いた試料の歪補償構造では、上記のように圧縮歪が１．２％の層を含んで１６周期以上積層させた場合でも、顕著な結晶欠陥は発生していないことが、Ｘ線回折パターンおよび後述するＰＬ発光から確認された。

図３の構造において、波長が１．８μｍを超える光が吸収される層は、圧縮歪が加わった圧縮歪層３０４となる。周期数が１６の場合、圧縮歪層３０４の総層厚は約０．３μｍである。一方、受光素子の光吸収層では、受光感度を増加させるために一般的に０．５μｍ以上の層厚が用いられる。光吸収量を増加させるために、周期数を１６から３０に増加させた試料を作製した。周期数を１６から３０に増加させても、実効歪が小さいために格子緩和がないことをＸ線回折パターンから確認した。図５は、周期数を３０にした試料の室温でのホトルミネセンス発光スペクトルを示した特性図である。発光ピーク波長は２．１μｍであり、大きな発光強度が得られた。

図６は、ＩｎＰ（基板）上の圧縮歪が加わった圧縮歪層について、Ｓｂ組成比を変化させた場合のバンドギャップ波長の変化を計算から求めた特性図である。図６に示す計算結果において、圧縮歪１．２％、Ｓｂ組成比０．１のＩｎＧａＡｓＳｂのバンドギャップ波長が２．１μｍであることから、図５に示した発光ピークは、圧縮歪が加わった圧縮歪層からの発光によるものであることが分かった。

図７は、周期数を３０とした試料の室温での光吸収スペクトルを示した特性図である。波長２．１μｍ付近から吸収係数の増加が見られ、波長２．０μｍで約３０００ｃｍ^-1、波長１．８μｍで約９０００ｃｍ^-1の吸収係数が得られた。この光吸収スペクトルから、本発明における圧縮歪が加わった圧縮歪層と引っ張り歪が加わった引っ張り歪層とを周期的に積層させた光吸収層による受光素子を用いれば、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓでは光吸収させることが難しい１．８μｍ以上の光でも容易に光吸収させることができることが分かる。この結果として、受光素子におけるカットオフ波長を１．８μｍ以上にすることができる。

実施の形態では、圧縮歪が加わったＩｎＧａＡｓＳｂによる圧縮歪層と、引っ張り歪が加わったＩｎＧａＡｓＳｂによる引っ張り歪層におけるＶ族元素に占めるＳｂ組成比が、ともに０．１の場合について示したが、このＳｂ組成比は必ずしも等しい必要はない。具体的には、ＩｎＧａＡｓＳｂのＶ族元素に占めるＳｂ組成比が、０．０３以上となるような条件であれば、成長表面には多くのＳｂ原子が存在するため、前述したようなＩＩＩ族原子の表面移動の抑制が可能である。

なお、圧縮歪が加わったＩｎＧａＡｓＳｂのＳｂ組成比には、望ましい上限が存在する。図６に示すように、ＩｎＧａＡｓにＳｂを加えていった場合、バンドギャップ波長が単調に長波長化するのはＳｂ組成比で０．３付近までである。また、Ｓｂ組成比が０．３を越えると、組成が局所的に分離し、また組成が変調するなど、組成が不安定となる。これらのことより、圧縮歪が加わったＩｎＧａＡｓＳｂ層のＶ族元素に占めるＳｂ組成比は、０．０３以上０．３以下であることが望ましい。

また、上述では、結晶成長方法として有機金属分子線エピタキシー法を用いた場合について説明したが、これに限るものではなく、組成の異なるＩｎＧａＡｓＳｂの層を周期的に積層できる成長方法であれば良く、有機金属気相エピタキシー法や分子線エピタキシー法などの他の成長方法を用いた場合も有効なことは言うまでもない。

ところで、光吸収層１０３を構成する圧縮歪層および引っ張り歪層は、各層の層厚が大きく量子サイズ効果はほとんどないが、量子サイズ効果があるような小さな層厚を用いた場合でも、周期数を増加するだけで光吸収量は増加させることが可能である。このため、光吸収層１０３は、量子サイズ効果が見られるような小さな層厚の圧縮歪層および引っ張り歪層を多重積層させた構造においても有効なことは言うまでもない。

Ｓｂの組成比を増加させると、圧縮歪層における荷電子帯端のエネルギー準位が上昇し、Ｉｎ組成比を増加させると、伝導帯端のエネルギー準位が降下する。この構成では、格子歪が加わると、荷電子帯端が重い正孔と軽い正孔とに分離し、各々のエネルギー準位が変化する。量子サイズ効果が見られる薄い圧縮歪層において、引っ張り歪層とのバンド不連続が大きい状態では、量子サイズ効果が顕著となる。量子サイズ効果が得られる状態とした場合、実施の形態の歪補償構造は、量子井戸となる圧縮歪層が、障壁となる引っ張り歪層に対し、伝導帯端のエネルギー準位が低く、荷電子帯端のエネルギー準位が高いＴｙｐｅ−Ｉの超格子構造とすると良い。

次に、図１を用いて説明した受光素子の構成について、より詳細に説明する。基板１０１は、例えば、Ｆｅをドープすることで高抵抗とされた半絶縁性のＩｎＰから構成されている。また、バッファ層１０５は、ｎ型不純物がドーピングされてｎ型とされたＩｎＰ（ｎ−ＩｎＰ）から構成され、第１半導体層１０２は、ｎ型不純物がドーピングされてｎ型とされたＩｎＧａＡｓＰ（ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ）から構成されている。また、第２半導体層１０４は、ｐ型不純物がドーピングされてｐ型とされたＩｎＧａＡｓＰ（ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ）から構成され、キャップ層１０６は、ｐ型不純物がドーピングされてｐ型とされたＩｎＧａＡｓ（ｐ−ＩｎＧａＡｓ）から構成されている。

また、光吸収層１０３の圧縮歪層は、ＩｎＰに対して１．０％の圧縮歪が加わった状態とされ、層厚２０ｎｍとされている。また、光吸収層１０３の引っ張り歪層は、ＩｎＰに対して０．５％の引っ張り歪が加わった状態とされ、層厚４０ｎｍとされている。また、光吸収層１０３は、圧縮歪層と引っ張り歪層とが、交互に３０周期積層されて構成されている。また、圧縮歪層および引っ張り歪層のいずれも、ＩｎＧａＡｓＳｂにおけるＳｂ組成は、０．１５である。また、圧縮歪層のバンドギャップ波長は、約２．０８μｍである。

次に、実施の形態における受光素子の製造方法について説明する。まず、各半導体層の成長には前述した有機金属分子線エピタキシー法を用いる。これにより各半導体材料の層を成長したエピタキシャルウェハを用い、図１に示す受光素子を作製する。具体的には、直径１０μｍの円形メサを形成した後、窒化シリコンをプラズマＣＶＤによりウェハ全面に堆積させた後、必要な領域以外を除去してパッシベーション層１０８とする。

メサにパターニングしたキャップ層１０６の上に、平面視で直径８μｍの円形の第１電極１１１、メサ周囲のパッシベーション層１０８の外側のバッファ層１０５の上に、第２電極１１２を形成する。例えば、電極となる金属材料を蒸着させることで形成すればよい。蒸着させた後、熱処理によりオーミック接続した状態とする。この後、基板１０１の裏面に、電子ビーム蒸着法による蒸着で、反射防止層１０７を形成する。反射防止層１０７の側から信号光を入射させる。入射して光吸収層１０３を通過した信号光は、第１電極１１１で反射し、再度、光吸収層１０３を通過する。

上述した実施の形態における受光素子は、動作温度２０℃、バイアス電圧−２Ｖにおいて光電流が最大となる入射光の波長は１．９μｍであり、受光感度は０．６Ａ／Ｗである。また、入射光の波長が２．０μｍにおける受光感度は０．２Ａ／Ｗである。暗電流は、動作温度２０℃、バイアス電圧−２Ｖにおいて７０±８ｎＡであり、一般的な拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子よりも低い。これは、実施の形態における受光素子では、拡張型ＩｎＧａＡｓ受光素子のようにメタモルフィックバッファ層を必要とせず、光吸収層１０３における結晶欠陥密度が少ないことによる。

なお、上述では、基板１０１として半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた場合について示したが、ｎ型ＩｎＰ基板やｐ型ＩｎＰ基板などの導電性基板を用い、第１電極および第２電極を表面と裏面から取る構造を用いた場合でも、同様の効果が得られるのは明らかである。

以上に説明したように、本発明によれば、ＩｎＧａＡｓＳｂから構成した圧縮歪層と引っ張り歪層とを交互に積層して光吸収層としたので、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いた受光素子で、結晶欠陥などの発生を抑制した状態で波長１．８μｍ以上の光が高い受光感度で検出できるようになる。

本発明の受光素子によれば、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓ層を光吸収層とする受光素子では困難な長波長の光の受光が可能になる。また、本発明の受光素子では、拡張型受光素子のようなメタモルフィックバッファ層を必要としないため、暗電流の小さい受光素子が実現できる。上述した本発明の受光素子を用いることで、ガスの吸収線を用いた高感度なガス計測システムに応用できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基板、１０２…第１半導体層、１０３…光吸収層、１０４…第２半導体層、１０５…バッファ層、１０６…キャップ層、１０７…反射防止層、１０８…パッシベーション層、１１１…第１電極、１１２…第２電極。

Claims

ＩｎＰからなる基板と、
前記基板の上に形成された第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層の上に形成された第２導電型の第２半導体層と
を備え、
前記光吸収層は、ＩｎＧａＡｓＳｂから構成されてＩｎＰに対して圧縮歪を有する状態とされた圧縮歪層、およびＩｎＧａＡｓＳｂから構成されてＩｎＰに対して引っ張り歪を有する状態とされた引っ張り歪層が交互に多重積層されたＴｙｐｅ−Ｉの超格子構造とされ、カットオフ波長が１．８μｍ以上とされ、
前記圧縮歪層は、Ｖ族におけるＳｂ組成比が０．０３以上０．３以下とされ、ＩｎＰに対する格子不整合が１．０％以上とされている
ことを特徴とする受光素子。
ＩｎＰからなる基板と、
前記基板の上に形成された第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層の上に形成された第２導電型の第２半導体層と
を備え、
前記光吸収層は、ＩｎＧａＡｓＳｂから構成されてＩｎＰに対して圧縮歪を有する状態とされた圧縮歪層、およびＩｎＧａＡｓＳｂから構成されてＩｎＰに対して引っ張り歪を有する状態とされた引っ張り歪層が交互に多重積層されたＴｙｐｅ−Ｉの超格子構造とされ、カットオフ波長が１．８μｍ以上とされ、
前記引っ張り歪層は、Ｖ族におけるＳｂ組成比が０．０３以上とされていることを特徴とする受光素子。