JP6764705B2 - 赤外線受光素子 - Google Patents
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Description
熱型の赤外線受光素子は室温での動作が可能であるが、波長依存性がなく低感度で応答性が遅いという欠点がある。一方、量子型の赤外線受光素子は冷却する必要があるが、波長依存性があり、高感度で応答速度も速いという特徴を有している。
9μm以上10μm以下の波長帯に感度を有する赤外線受光素子としては、例えば非特許文献1に示すような構造のものが知られている。
そこで、本発明は上記のような課題を鑑みてなされたものであり、9μm以上10μm以下の波長帯に優れたS/N比を持つ赤外線受光素子を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成された半導体積層部と、を備え、半導体積層部は、n型化合物半導体層と、InAsXSb1−X(0.11≦X≦0.27)を含む活性層と、インジウムInとガリウムGaとアンチモンSbとを少なくとも含むワイドバンドギャップ層と、p型化合物半導体層と、がこの順に積層されてなる。
なお、ここでは、半導体積層部は、n型化合物半導体層が前記半導体基板と向かい合うように半導体基板上に形成される場合について説明するが、p型化合物半導体層側が前記半導体基板と向かい合うように半導体基板上に形成される場合であっても適用することができる。
本発明の赤外線受光素子は、半導体基板側から赤外線を入射させ半導体積層部の活性層で受光させてもよく、又は、半導体積層部側から赤外線を入射させ半導体積層部の活性層で受光させてもよい。
次に、本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子の各構成要件について説明する。以下に記載される赤外線受光素子の各構成要件の特徴は、本発明の技術思想を逸脱しない範囲でそれぞれ単独で、又は組み合わせて適用することができる。
本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子における半導体基板は、その上にn型化合物半導体層、InAsXSb1−X(0.11≦X≦0.27)を含む活性層、InとGaとSbとを少なくとも含むワイドバンドギャップ層、及びp型化合物半導体層をこの順に積層可能なものであれば特に制限されない。一例としては、GaAs基板、Si基板、InP基板、InSb基板、GaSb基板等が挙げられるがこの限りではない。また、半導体基板には不純物が混入していても良い。
半導体基板側から赤外線を入射させる場合には、半導体基板の材料としては、赤外線を透過するGaAs基板が特に好ましい。
本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子におけるn型化合物半導体層は、半導体基板上に形成することが可能であり、且つ、その上に活性層を形成することが可能なものであれば特に限定されない。InSbやInAsを用いることが好ましい。なお、「n型」とは、n型ドーパントが1×1016cm−3以上添加されていることを意味する。
n型化合物半導体層が、インジウムIn、アンチモンSb及びヒ素Asを含むことの確認方法としては、蛍光X線元素分析法(XRF)、ラザフォード後方散乱分光(RBS)、二次イオン質量測定(SIMS)及びX線光電子分光(XPS)により確認することができる。
n型化合物半導体層におけるドーパントの有無の確認方法としては、二次イオン質量測定(SIMS)を用いた不純物元素量の測定を行うことによって確認することができる。またドーピング濃度の測定も、SIMSを用いた不純物元素量の測定結果から求めることができる。
また活性層の結晶性を高め、受光感度を向上させる観点から、n型化合物半導体層の膜厚は臨界膜厚以上であることが好ましい。また、半導体基板上に素子を複数個直列接続した構造を作製する観点から、n型化合物半導体層の膜厚は0.5μm以上3μm以下であることが好ましい。
本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子における活性層は、InAsXSb1−X(0.11≦X≦0.27)を含む。
(活性層のInAsXSb1−XのAs組成xの測定方法)
活性層のInAsXSb1−XのAs組成xは、X線回折(XRD:X−ray Diffaction)法による2θ−ωスキャン及び逆格子マッピング測定(RSM)を行うことにより測定することができる。
また半導体基板が所定の面方位からオフ角を付与して切断された基板、つまりオフ基板の場合には、オフ基板の表面からオフ角の分だけずらした角度からX線を入射させて2θ−ωスキャンを行うことで、そこから活性層のInAsXSb1−Xの格子定数を求めることができる。
aAB=x・aA+(1−x)・aB ……(1)
なお、(1)式中の、aAはInAsの格子定数、aBはInSbの格子定数である。また、aABは前記のX線回折により求まる活性層のInAsXSb1−Xの格子定数である。また、aAやaBの値としては、例えば、「III−V族化合物半導体混晶 コロナ社発行 発行日1988年10月25日」に記載された、InAsの格子定数aA=6.058[Å]、InSbの格子定数aB=6.4794[Å]等を使用することができる。
一方で、活性層のInAsSbが下地に対して完全に格子緩和していない場合、上記の手法では正確なAs組成を算出することができない。そこで、(10−5)面及び(202)面等の非対称面において、逆格子マッピングを行うことで、格子緩和率を算出することが有効である。求めた格子緩和率と(1)式で用いた格子定数をもとに、正確なAs組成を得ることができる。
また、活性層での赤外線吸収を促進させ感度を高める観点から、活性層の膜厚は0.1μm以上4μm以下が好ましく、より好ましくは1μm以上3μm以下である。
本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子におけるワイドバンドギャップ層は、インジウムIn、ガリウムGa、及びアンチモンSbを少なくとも含むものである。また、拡散電流を抑制して素子抵抗を向上させる観点からは、ワイドバンドギャップ層はp型ドーピングされていることが好ましい。なお「p型」とは、p型ドーパントが1×1016cm−3以上添加されていることを意味する。
赤外線吸収により生成された電子正孔対を効率よく取り出し、受光感度を高めるため、ワイドバンドギャップ層のバンドギャップエネルギーは、InAsXSb1−Xからなる活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいことが好ましい。ワイドバンドギャップ層の具体的な材料としては、InGaSbが一例として挙げられる。ワイドバンドギャップ層は、電子による暗電流や拡散電流に対する障壁になるため、暗電流や拡散電流を抑制し素子抵抗を高めることができる。
本発明の一実施形態に係る赤外線受光素子におけるp型化合物半導体層は、ワイドバンドギャップ層上に形成することが可能なものであれば特に限定されない。p型化合物半導体層上にドーピングする場合、p型ドーパントとしては、ベリリウムBe、亜鉛Zn、カドミウムCd、炭素C、マグネシウムMg、ゲルマニウムGe、クロムCr等が挙げられる。
図1は、本発明に係る赤外線受光素子の実施形態を説明するための断面図である。本実施形態の赤外線受光素子100は、半導体基板10と、半導体基板上に形成された半導体積層部20と、を備え、半導体積層部は、n型化合物半導体層21と、InAsXSb1−X(0.11≦X≦0.27)を含む活性層22と、InとGaとSbとを少なくとも含むワイドバンドギャップ層23と、p型化合物半導体層24と、がこの順に積層されてなるものである。またここでは図示していないが、半導体基板10上に形成された半導体積層部20は、頂部と底部とを有するメサ構造であってもよい。またさらに、メサ構造の全面に第1の保護層と、第1の保護層上に第2の保護層を備えていてもよい。また、メサ構造の頂部上の第1の保護層及び第2の保護層の一部と、メサ構造の底部上の一部とをそれぞれ開口して各々露出部を備えていてもよい。さらに、各露出部に第1の電極部及び第2の電極部を設けてもよい。
[実施例1]
GaAs基板(半導体基板に相当)上に、n型ドーパントを1×1019[cm−3]ドーピングしたn型InSb層(n型化合物半導体層に相当)を1μm、ノンドープのInAs0.15Sb0.85層(活性層に相当)を2μm、p型ドーパントを3×1018[cm−3]ドーピングしたp型Ga0.25In0.75Sb層(ワイドバンドギャップ層に相当)を20nm、p型ドーパントを3×1018[cm−3]ドーピングしたp型InSb層(p型化合物半導体層に相当)を0.5μm積層させた赤外線受光素子のSNRを理論計算により求めた。
実施例1における赤外線受光素子において、活性層の組成のみをInAs0.20Sb0.80層に変えた赤外線受光素子について、SNRを理論計算により求めた。その他の条件については実施例1と同様のものを使用した。また使用した理論式は実施例1と同様である。
[実施例3]
実施例1における赤外線受光素子において、活性層の組成のみをInAs0.25Sb0.75層に変えた赤外線受光素子について、SNRを理論計算求めた。その他の条件については実施例1と同様のものを使用した。また使用した理論式は実施例1と同様である。
実施例1における赤外線受光素子において、活性層としてのInAs0.15Sb0.85層に替えて、InSb層を備えた赤外線受光素子について、SNRを理論計算により求めた。その他の条件については実施例1と同様のものを使用した。また使用した理論式は実施例1と同様である。
実施例1における赤外線受光素子において、活性層としてのInAs0.15Sb0.85層に替えて、InAs0.05Sb0.95層を備えた赤外線受光素子について、SNRを理論計算により求めた。その他の条件については実施例1と同様のものを使用した。また使用した理論式は実施例1と同様である。
実施例1における赤外線受光素子において、活性層としてのInAs0.15Sb0.85層に替えて、InAs0.10Sb0.90層を備えた赤外線受光素子について、SNRを理論計算により求めた。その他の条件については実施例1と同様のものを使用した。また使用した理論式は実施例1と同様である。
実施例1における赤外線受光素子において、活性層としてのInAs0.15Sb0.85層に替えて、InAs0.30Sb0.70層を備えた赤外線受光素子について、SNRを理論計算により求めた。その他の条件については実施例1と同様のものを使用した。また使用した理論式は実施例1と同様である。
実施例1〜3及び比較例1〜4の理論計算により求めたAs組成xと波長9.5μmにおけるSNRとの関係を表1及び図2に示す。
したがって、As組成xは0.11以上0.27以下、より好ましくは0.13以上0.23以下において、波長9.5μmの波長帯において良好なSNRを有した赤外線受光素子が実現可能であることが理解される。
GaAs基板(半導体基板に相当)上にMOCVD法を用いてノンドープのInSb層を1μm、Znを6×1016[cm−3]ドーピングしたInAs0.18Sb0.82層(活性層に相当)を1μm積層させることで化合物半導体積層部を形成した。得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、van der pauw法によるHall測定を行うことで評価した。
実施例4の化合物半導体積層部に含まれるInAs0.18Sb0.82層のドーピング濃度を9×1016[cm−3]としたこと以外は、実施例4と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、van der pauw法によるHall測定を行うことで評価した。
実施例4の化合物半導体積層部に含まれるInAs0.18Sb0.82層のドーピング濃度を1.6×1017[cm−3]としたこと以外は、実施例4と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、van der pauw法によるHall測定を行うことで評価した。
実施例4の化合物半導体積層部に含まれるInAs0.18Sb0.82層のドーピング濃度を3×1017[cm−3]としたこと以外は、実施例4と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、van der pauw法によるHall測定を行うことで評価した。
実施例4の化合物半導体積層部に含まれるInAs0.18Sb0.82層のドーピング濃度を6×1017[cm−3]としたこと以外は、実施例4と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、van der pauw法によるHall測定を行うことで評価した。
InAs0.18Sb0.82層のドーピング濃度を1.9×1016[cm−3]としたこと以外は、実施例4と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、van der pauw法によるHall測定を行うことで評価した。
InAs0.18Sb0.82層のドーピング濃度を1.5×1018[cm−3]としたこと以外は、実施例4と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、van der pauw法によるHall測定を行うことで評価した。
InAs0.18Sb0.82層のドーピング濃度を6×1018[cm−3]としたこと以外は、実施例4と同様の方法で化合物半導体積層部を形成し、得られた化合物半導体積層部のシートキャリア濃度とシート抵抗を、van der pauw法によるHall測定を行うことで評価した。
実施例4〜8及び比較例5〜7全てにおいてキャリアタイプはn型を示すが、これはInSb層及びInAs0.18Sb0.82層において、電子の移動度が正孔の移動度に比べて十分大きいため、電気特性は電子による寄与が支配的であることに起因する。
GaAs基板(半導体基板に相当)上に、MOCVD法によりn型ドーパントを1×1019[cm−3]ドーピングしたn型InSb層(n型化合物半導体層に相当)を1μm、p型ドーパントを1×1017[cm−3]ドーピングしたInAs0.18Sb0.82層(活性層に相当)を2μm、p型ドーパントを3×1018[cm−3]ドーピングしたp型Ga0.10In0.90Sb層(ワイドバンドギャップ層に相当)を20nm、p型ドーパントを3×1018[cm−3]ドーピングしたp型InSb層(p型化合物半導体層に相当)を0.5μm積層させた赤外線受光素子を作製し、素子抵抗の評価を実施した。素子化の方法としては、まずn型InSb層とのコンタクトを取るための段差形成を行い、次に素子分離のためのメサエッチングを行った。その後、n層およびp層上へそれぞれ電極形成を行った。素子抵抗は、次式(7)を用いて評価を行った。
=0.2[V]
/{(0.1[V]バイアスにおける電流値)−(−0.1[V]バイアスにおける電流値)}
……(7)
実施例9の赤外線受光素子に含まれるp型Ga0.10In0.90Sb層(ワイドバンドギャップ層に相当)のGa組成Yを0.18としたこと以外は、実施例9と同様の方法で赤外線受光素子を作製し、素子特性の評価を実施した。
[実施例11]
実施例9の赤外線受光素子に含まれるp型Ga0.10In0.90Sb層(ワイドバンドギャップ層に相当)のGa組成Yを0.30としたこと以外は、実施例9と同様の方法で赤外線受光素子を作製し、素子特性の評価を実施した。
実施例9の赤外線受光素子に含まれるp型Ga0.10In0.90Sb層(ワイドバンドギャップ層に相当)のGa組成Yを0としたこと以外は、実施例9と同様の方法で赤外線受光素子を作製し、素子特性の評価を実施した。
[比較例9]
実施例9の赤外線受光素子に含まれるp型Ga0.10In0.90Sb層(ワイドバンドギャップ層に相当)のGa組成Yを0.07としたこと以外は、実施例9と同様の方法で赤外線受光素子を作製し、素子特性の評価を実施した。
実施例9の赤外線受光素子に含まれるp型Ga0.10In0.90Sb層(ワイドバンドギャップ層に相当)のGa組成Yを0.33としたこと以外は、実施例9と同様の方法で赤外線受光素子を作製し、素子特性の評価を実施した。
[比較例11]
実施例9の赤外線受光素子に含まれるp型Ga0.10In0.90Sb層(ワイドバンドギャップ層に相当)のGa組成Yを0.39としたこと以外は、実施例9と同様の方法で赤外線受光素子を作製し、素子特性の評価を実施した。
20 半導体積層部
21 n型化合物半導体層
22 活性層
23 ワイドバンドギャップ層
24 p型化合物半導体層
100 赤外線受光素子
Claims (9)
- 半導体基板と、
当該半導体基板上に形成された半導体積層部と、を備え、
前記半導体積層部は、
n型化合物半導体層と、
InAsXSb1−X(0.11≦X≦0.27)を含む活性層と、
In 1−Y Ga Y Sb(0.1≦Y≦0.3)からなるワイドバンドギャップ層と、
p型化合物半導体層と、がこの順に積層されてなる赤外線受光素子。 - 前記活性層のAs組成xが0.13以上0.23以下である請求項1に記載の赤外線受光素子。
- 前記活性層はp型ドーピングされており、p型ドーパント濃度が3×1016cm−3以上1×1018cm−3以下である請求項1または請求項2に記載の赤外線受光素子。
- 前記活性層はp型ドーピングされており、p型ドーパントの濃度が6×1016cm−3以上6×1017cm−3以下である請求項1から請求項3の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
- 前記活性層にドーピングされたp型ドーパントがZnである請求項1から請求項4の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
- 前記ワイドバンドギャップ層の膜厚が10nm以上30nm以下である請求項1から請求項5の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
- 前記ワイドバンドギャップ層はp型ドーピングされており、p型ドーパントの濃度が7×1017cm−3以上である請求項1から請求項6の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
- 前記n型化合物半導体層がInとSbとを少なくとも含む請求項1から請求項7の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
- 前記p型化合物半導体層がInとSbとを少なくとも含む請求項1から請求項8の何れか一項に記載の赤外線受光素子。
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