JP7002126B2 - Semiconductor devices, semiconductor device manufacturing methods, infrared photoelectric conversion elements, infrared detection elements, and infrared light emitting elements - Google Patents

Semiconductor devices, semiconductor device manufacturing methods, infrared photoelectric conversion elements, infrared detection elements, and infrared light emitting elements Download PDF

Info

Publication number
JP7002126B2
JP7002126B2 JP2018037337A JP2018037337A JP7002126B2 JP 7002126 B2 JP7002126 B2 JP 7002126B2 JP 2018037337 A JP2018037337 A JP 2018037337A JP 2018037337 A JP2018037337 A JP 2018037337A JP 7002126 B2 JP7002126 B2 JP 7002126B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
interface layer
semiconductor
semiconductor device
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018037337A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2019153672A (en
Inventor
高明 間野
英樹 宮崎
芳樹 佐久間
武司 野田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute for Materials Science
Original Assignee
National Institute for Materials Science
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute for Materials Science filed Critical National Institute for Materials Science
Priority to JP2018037337A priority Critical patent/JP7002126B2/en
Publication of JP2019153672A publication Critical patent/JP2019153672A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7002126B2 publication Critical patent/JP7002126B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Weting (AREA)
  • Led Devices (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

本発明は半導体装置、半導体装置の製造方法、赤外線光電変換素子、赤外線検出素子、および赤外線発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, a method for manufacturing a semiconductor device, an infrared photoelectric conversion element, an infrared detection element, and an infrared light emitting element.

GaAs半導体(ガリウム砒素半導体)は、電子移動度がSi(シリコン)より速く、アンドープ基板の抵抗率が高くて基板へのリーク電流や寄生容量を低下させやすいという特徴がある。このため、GaAs半導体装置は、高速低消費電力半導体装置として広く使用されている。 The GaAs semiconductor (gallium arsenide semiconductor) has a feature that the electron mobility is faster than that of Si (silicon), the resistivity of the undoped substrate is high, and the leakage current to the substrate and the parasitic capacitance are easily reduced. Therefore, the GaAs semiconductor device is widely used as a high-speed low power consumption semiconductor device.

また、GaAs半導体は、直接遷移型の半導体で、そのバンドギャップが1.43eVと赤外線領域のバンドギャップであることから、赤外線領域の光電変換素子、すなわち赤外線レーザーや赤外線ダイオードなどの赤外線発光素子、赤外線検出装置および赤外線受発光素子として広く使用されている。 Further, since the GaAs semiconductor is a direct transition type semiconductor and its band gap is 1.43 eV, which is a band gap in the infrared region, a photoelectric conversion element in the infrared region, that is, an infrared light emitting element such as an infrared laser or an infrared diode. It is widely used as an infrared detector and an infrared light receiving / receiving element.

ここで、GaAsをベースとした光電変換素子では、GaAs半導体に電流を注入したり、半導体から電流を取り出す必要がある。そのことを行う効率的な構造として、GaAs半導体層の第1、第2の両主表面上に電極を配置した両面電極構造があり、例えば、両面電極構造GaAs受光素子として特許文献1に、両面電極構造GaAs発光素子として特許文献2に開示されている。
なお、第1、第2の両主表面上に形成する電極が金属を含む場合、金属の光反射効果やプラズモン効果を利用できるため、受光、発光特性の優れる高性能素子となる。
また、半導体装置がレーザーの場合、両電極が金属を含むようにすると、両電極が光を反射する効果を有することにより、光閉じ込め効率の高い半導体導波路が形成できるため、特性の優れる高性能素子となる。
Here, in the photoelectric conversion element based on GaAs, it is necessary to inject a current into the GaAs semiconductor or take out the current from the semiconductor. As an efficient structure for doing this, there is a double-sided electrode structure in which electrodes are arranged on both the first and second main surfaces of the GaAs semiconductor layer. For example, as a double-sided electrode structure GaAs light receiving element, both sides are described in Patent Document 1. It is disclosed in Patent Document 2 as an electrode structure GaAs light emitting device.
When the electrodes formed on both the first and second main surfaces contain a metal, the light reflection effect and the plasmon effect of the metal can be utilized, so that the element is a high-performance element having excellent light-receiving and light-emitting characteristics.
Further, when the semiconductor device is a laser, if both electrodes contain metal, both electrodes have the effect of reflecting light, so that a semiconductor waveguide having high light confinement efficiency can be formed, and thus high performance with excellent characteristics. It becomes an element.

特開2010-114247号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-114247 特開2009-10191号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-10191

「III-V族化合物半導体」赤崎勇著 培風館 第8章 p.117"III-V Group Compound Semiconductor" by Isamu Akasaki Baifukan Chapter 8 p. 117 Appl.Phys.Lett.,vol.39,p.800(1981)Apple. Phys. Let. , Vol. 39, p. 800 (1981) Appl.Phys.Lett.,vol.66,p.1412(1995)Apple. Phys. Let. , Vol. 66, p. 1412 (1995) Appl.Phys.Lett.,vol.83,p.2124(2003)Apple. Phys. Let. , Vol. 83, p. 2124 (2003) Appl.Phys.Lett.,vol.49,p.292(1986)Apple. Phys. Let. , Vol. 49, p. 292 (1986) Semiconductor Sci. Technol.,vol.26,p.105021(2011)Semiconductor Sci. Technol. , Vol. 26, p. 105021 (2011) Appl.Phys.Lett.,vol.104,p.031113(2014)Apple. Phys. Let. , Vol. 104, p. 031113 (2014) Semiconductor Sci.Technol.,vol.20,p.105021(2011)Semiconductor Sci. Technol. , Vol. 20, p. 105021 (2011)

本発明が解決しようとする課題は、両面電極構造のN型GaAs半導体をベースにした光電変換素子において、性能の向上した素子、すなわち、受光素子においては検出感度とノイズ(暗電流)の比が高い素子、発光素子においては発光出力の高い素子を提供することである。
また、電気特性が安定していて、素子間のばらつきが少ない両面電極構造のN型GaAs半導体をベースにした光電変換素子、具体的には、電気特性が安定していて、素子間のばらつきが少ない赤外検出素子、赤外発光素子を提供することである。
The problem to be solved by the present invention is that in a photoelectric conversion element based on an N-type GaAs semiconductor having a double-sided electrode structure, an element with improved performance, that is, a light receiving element, has a detection sensitivity and a noise (dark current) ratio. It is an object of the present invention to provide an element having a high light emitting output in a high element and a light emitting element.
Further, a photoelectric conversion element based on an N-type GaAs semiconductor having a double-sided electrode structure having stable electrical characteristics and little variation between elements, specifically, stable electrical characteristics and variation between elements. It is to provide a small number of infrared detection elements and infrared light emitting elements.

本発明の構成を下記に示す。
(構成1)
GaおよびAsを含む単結晶の半導体層の第1主表面に金属を含む第1の電極が第1の界面層を介して形成され、かつ前記半導体層の第2主表面に金属を含む第2の電極が第2の界面層を介して形成された半導体装置であって、
前記第1の界面層および前記第2の界面層はN型の半導体層であって、GaとAsを含む単結晶であり、
前記第1の界面層または前記第2の界面層と接する前記半導体層の少なくとも一方の境界部はGaAs単結晶と同じ結晶格子を有し、
前記第1の界面層と前記第1の電極、および前記第2の界面層と前記第2の電極は、オーミックコンタクトをなし、
前記第1の界面層と前記第1の電極との界面に形成される前記第1の電極を構成する金属の拡散層の厚さ、および前記第2の界面層と前記第2の電極との界面に形成される前記第2の電極を構成する金属の拡散層の厚さは、ともに3nm以下である、半導体装置。
(構成2)
GaおよびAsを含む単結晶の半導体層の第1主表面に金属を含む第1の電極が第1の界面層を介して形成され、かつ前記半導体層の第2主表面に金属を含む第2の電極が第2の界面層を介して形成された半導体装置であって、
前記第1の界面層および前記第2の界面層はN型の半導体層であって、GaとAsを含む単結晶であり、
前記第1の界面層または前記第2の界面層と接する前記半導体層の少なくとも一方の境界部はGaAs単結晶と同じ結晶格子を有し、
前記第1の界面層または前記第2の界面層の少なくともいずれかの界面層が、6×1018/cm以上3×1019/cm以下の体積密度のSiを有し、
前記第1の界面層と前記第1の電極との界面に形成される前記第1の電極を構成する金属の拡散層の厚さ、および前記第2の界面層と前記第2の電極との界面に形成される前記第2の電極を構成する金属の拡散層の厚さは、ともに3nm以下である、半導体装置。
(構成3)
前記第1の界面層および前記第2の界面層の厚さが5nm以上1000nm以下である、構成1または2に記載の半導体装置。
(構成4)
前記第1の電極および前記第2の電極は、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む合金、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む化合物、およびITO、AZO、GZO、IZO、IGZO、ATO、FTO、FZO、TiNの何れかからなる、構成1から3の何れか1に記載の半導体装置。
(構成5)
剛性を有する基体上に、GaAsのエッチングレートより高いエッチングレートがとれる犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
Siの体積含有量が6×1018/cm以上3×1019/cm以下のGa、Asを含む単結晶でN型の半導体の第1の界面層を形成する第1の界面層形成工程と、
GaおよびAsを含む半導体層であって、前記半導体層の前記第1の界面層と接する境界部はGaAs単結晶と同じ結晶格子を有する単結晶半導体である半導体層形成工程と、
GaとAsを含む単結晶でN型の半導体の第2の界面層を形成する第2の界面層形成工程と、
金属を含む材料からなる第2の電極を形成する第2の電極形成工程と、
前記第2の電極の上にサポート基板を貼り付けるサポート基板貼り付け工程と、
前記基体および前記犠牲層をエッチング除去するエッチング工程と、
前記第1の界面層上に金属を含む材料からなる第1の電極を形成する第1の電極形成工程と、を含む半導体装置の製造方法。
(構成6)
前記第2の界面層は、体積含有量が6×1018/cm以上5×1020/cm以下のSiを含む、構成5に記載の半導体装置の製造方法。
(構成7)
前記第2の界面層は、150℃以上300℃以下の温度でエピタキシャル形成されたGaAsからなる、構成5または6に記載の半導体装置の製造方法。
(構成8)
前記犠牲層は、Al組成比50%以上100%以下のAlGaAsからなる、構成5から7の何れか1に記載の半導体装置の製造方法。
(構成9)
前記半導体層は、300℃以上580℃以下の温度でエピタキシャル形成される、構成5から8の何れか1に記載の半導体装置の製造方法。
(構成10)
前記半導体層は、300℃以上550℃以下の温度でエピタキシャル形成される、構成5から8の何れか1に記載の半導体装置の製造方法。
(構成11)
前記半導体層の前記エピタキシャル形成の時間は2分以上48時間以下である、構成9または10に記載の半導体装置の製造方法。
(構成12)
構成1から4の何れか1に記載の半導体装置、または構成5から11の何れか1に記載の半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置を用いた赤外線光電変換素子。
(構成13)
構成1から4の何れか1に記載の半導体装置、または構成5から11の何れか1に記載の半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置を用いた赤外線検出素子。
(構成14)
構成1から4の何れか1に記載の半導体装置、または構成5から11の何れか1に記載の半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置を用いた赤外線発光素子。
The configuration of the present invention is shown below.
(Structure 1)
A first electrode containing a metal is formed on the first main surface of a single crystal semiconductor layer containing Ga and As via a first interface layer, and a second main surface containing a metal is contained in the second main surface of the semiconductor layer. Is a semiconductor device in which the electrodes of the above are formed via the second interface layer.
The first interface layer and the second interface layer are N-type semiconductor layers, which are single crystals containing Ga and As.
At least one boundary portion of the first interface layer or the semiconductor layer in contact with the second interface layer has the same crystal lattice as a GaAs single crystal.
The first interface layer and the first electrode, and the second interface layer and the second electrode make ohmic contact.
The thickness of the metal diffusion layer forming the first electrode formed at the interface between the first interface layer and the first electrode, and the thickness of the second interface layer and the second electrode. A semiconductor device in which the thickness of the metal diffusion layer forming the second electrode formed at the interface is 3 nm or less.
(Structure 2)
A first electrode containing a metal is formed on the first main surface of a single crystal semiconductor layer containing Ga and As via a first interface layer, and a second main surface containing a metal is contained in the second main surface of the semiconductor layer. Is a semiconductor device in which the electrodes of the above are formed via the second interface layer.
The first interface layer and the second interface layer are N-type semiconductor layers, which are single crystals containing Ga and As.
At least one boundary portion of the first interface layer or the semiconductor layer in contact with the second interface layer has the same crystal lattice as a GaAs single crystal.
The first interface layer or at least one of the second interface layers has a volume density of Si of 6 × 10 18 / cm 3 or more and 3 × 10 19 / cm 3 or less.
The thickness of the metal diffusion layer forming the first electrode formed at the interface between the first interface layer and the first electrode, and the thickness of the second interface layer and the second electrode. A semiconductor device in which the thickness of the metal diffusion layer forming the second electrode formed at the interface is 3 nm or less.
(Structure 3)
The semiconductor device according to the configuration 1 or 2, wherein the thickness of the first interface layer and the second interface layer is 5 nm or more and 1000 nm or less.
(Structure 4)
The first electrode and the second electrode are Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc. , Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al, one or more metals selected from the group, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag. , Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir , In, Al, an alloy containing one or more metals selected from the group consisting of Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Compounds containing one or more metals selected from the group consisting of Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al, and ITO. The semiconductor device according to any one of configurations 1 to 3, comprising any of AZO, GZO, IZO, IGZO, ATO, FTO, FZO, and TiN.
(Structure 5)
A sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer having an etching rate higher than that of GaAs on a rigid substrate.
Formation of a first interface layer that forms the first interface layer of an N-type semiconductor with a single crystal containing Ga and As having a Si volume content of 6 × 10 18 / cm 3 or more and 3 × 10 19 / cm 3 or less. Process and
A semiconductor layer forming step of a semiconductor layer containing Ga and As, wherein the boundary portion of the semiconductor layer in contact with the first interface layer is a single crystal semiconductor having the same crystal lattice as a GaAs single crystal.
A second interface layer forming step of forming a second interface layer of an N-type semiconductor with a single crystal containing Ga and As, and a second interface layer forming step.
A second electrode forming step of forming a second electrode made of a material containing metal, and
The support substrate pasting step of pasting the support substrate on the second electrode and the process of pasting the support substrate,
An etching process for removing the substrate and the sacrificial layer by etching,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a first electrode forming step of forming a first electrode made of a material containing a metal on the first interface layer.
(Structure 6)
The method for manufacturing a semiconductor device according to the configuration 5, wherein the second interface layer contains Si having a volume content of 6 × 10 18 / cm 3 or more and 5 × 10 20 / cm 3 or less.
(Structure 7)
The method for manufacturing a semiconductor device according to the configuration 5 or 6, wherein the second interface layer is made of GaAs epitaxially formed at a temperature of 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower.
(Structure 8)
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of configurations 5 to 7, wherein the sacrificial layer is made of AlGaAs having an Al composition ratio of 50% or more and 100% or less.
(Structure 9)
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of configurations 5 to 8, wherein the semiconductor layer is epitaxially formed at a temperature of 300 ° C. or higher and 580 ° C. or lower.
(Structure 10)
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of configurations 5 to 8, wherein the semiconductor layer is epitaxially formed at a temperature of 300 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.
(Structure 11)
The method for manufacturing a semiconductor device according to the configuration 9 or 10, wherein the time for epitaxial formation of the semiconductor layer is 2 minutes or more and 48 hours or less.
(Structure 12)
An infrared photoelectric conversion element using the semiconductor device according to any one of configurations 1 to 4 or the semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of configurations 5 to 11.
(Structure 13)
An infrared detection element using the semiconductor device according to any one of configurations 1 to 4 or the semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of configurations 5 to 11.
(Structure 14)
An infrared light emitting device using the semiconductor device according to any one of configurations 1 to 4 or the semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of configurations 5 to 11.

本発明によれば、S/N比に優れ、電気特性が安定したGaAs半導体ベースの両面電極型半導体装置を合金層の形成無しに提供することが可能になる。また、S/N比に優れ、電気特性が安定したGaAs半導体ベースの両面電極型半導体装置の製造方法を提供することが可能になる。特に、表面プラズモン効果や電極と半導体装置の界面での光反射効果を利用したGaAs半導体をベースにした両面電極型の赤外線検出素子、赤外線発光素子、赤外線光電変換素子において、S/N比に優れ、光電変換特性が安定した素子を提供することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to provide a GaAs semiconductor-based double-sided electrode type semiconductor device having an excellent S / N ratio and stable electrical characteristics without forming an alloy layer. Further, it becomes possible to provide a method for manufacturing a double-sided electrode type semiconductor device based on a GaAs semiconductor, which has an excellent S / N ratio and stable electrical characteristics. In particular, the S / N ratio is excellent in double-sided electrode type infrared detection elements, infrared light emitting elements, and infrared photoelectric conversion elements based on GaAs semiconductors that utilize the surface plasmon effect and the light reflection effect at the interface between the electrode and the semiconductor device. , It becomes possible to provide an element having stable photoelectric conversion characteristics.

本発明の半導体装置の要部の構造を断面で示す概要図。The schematic diagram which shows the structure of the main part of the semiconductor device of this invention in the cross section. 本発明の半導体装置の構成の概要を示す断面図。The cross-sectional view which shows the outline of the structure of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の構成の概要を示す断面図。The cross-sectional view which shows the outline of the structure of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の構成の概要を示す断面図。The cross-sectional view which shows the outline of the structure of the semiconductor device of this invention. 本発明の半導体装置の製造工程を断面図にて示した製造工程図。FIG. 3 is a manufacturing process diagram showing a manufacturing process of the semiconductor device of the present invention in a cross-sectional view. 本発明の半導体装置の製造工程を断面図にて示した製造工程図。FIG. 3 is a manufacturing process diagram showing a manufacturing process of the semiconductor device of the present invention in a cross-sectional view. 本発明の半導体装置の製造工程を断面図にて示した製造工程図。FIG. 3 is a manufacturing process diagram showing a manufacturing process of the semiconductor device of the present invention in a cross-sectional view. 製造工程中の本発明の半導体装置を鳥瞰図で示した構造概要図。A structural schematic diagram showing a bird's-eye view of the semiconductor device of the present invention during the manufacturing process. 本発明の半導体装置の製造工程を断面図にて示した製造工程図。FIG. 3 is a manufacturing process diagram showing a manufacturing process of the semiconductor device of the present invention in a cross-sectional view. 本発明の半導体装置の製造工程を断面図にて示した製造工程図。FIG. 3 is a manufacturing process diagram showing a manufacturing process of the semiconductor device of the present invention in a cross-sectional view. 実施例1の試料作製段階の詳細構造を示す断面図。The cross-sectional view which shows the detailed structure of the sample preparation stage of Example 1. FIG. 実施例1の電気接触特性を示す特性図。The characteristic diagram which shows the electric contact characteristic of Example 1. FIG. 比較例1の試料作製段階の詳細構造を示す断面図。The cross-sectional view which shows the detailed structure of the sample preparation stage of the comparative example 1. FIG. 比較例1の電気接触特性を示す特性図。The characteristic diagram which shows the electric contact characteristic of the comparative example 1. FIG. 実施例2の試料作製段階の詳細構造を示す断面図。The cross-sectional view which shows the detailed structure of the sample preparation stage of Example 2. FIG. 実施例2の電気接触特性を示す特性図。The characteristic diagram which shows the electric contact characteristic of Example 2. FIG. 実施例2の電気接触特性を示す特性図。The characteristic diagram which shows the electric contact characteristic of Example 2. FIG. 実施例3の赤外線検出素子の概要構造を示す断面図。The cross-sectional view which shows the outline structure of the infrared detection element of Example 3. FIG. 実施例3の試料作製段階の詳細構造を示す断面図。The cross-sectional view which shows the detailed structure of the sample preparation stage of Example 3. FIG. 実施例3の電気接触特性を示す特性図。The characteristic diagram which shows the electric contact characteristic of Example 3. FIG. 実施例3の電気接触特性を示す特性図。The characteristic diagram which shows the electric contact characteristic of Example 3. FIG. 第2の界面層23と第2の金属含有層24のSIMS分析図。The SIMS analysis figure of the 2nd interface layer 23 and the 2nd metal-containing layer 24. 実施例3の赤外線検出素子の光電応答特性を示す特性図。The characteristic diagram which shows the photoelectric response characteristic of the infrared detection element of Example 3. FIG. 実施例3の赤外線検出素子の電圧に対する電流密度特性を示す特性図。The characteristic figure which shows the current density characteristic with respect to the voltage of the infrared detection element of Example 3. FIG. 比較例2の赤外線検出素子の光電応答特性を示す特性図。The characteristic diagram which shows the photoelectric response characteristic of the infrared detection element of the comparative example 2. FIG. 比較例2の赤外線検出素子の電圧に対する電流密度特性を示す特性図。The characteristic figure which shows the current density characteristic with respect to the voltage of the infrared detection element of the comparative example 2. 実施例4の試料作製段階の詳細構造を示す断面図。The cross-sectional view which shows the detailed structure of the sample preparation stage of Example 4. FIG. Siドーピング密度とキャリア密度の関係を示す特性図。A characteristic diagram showing the relationship between the Si doping density and the carrier density. 実施例4の試料作製段階の詳細構造を示す断面図。The cross-sectional view which shows the detailed structure of the sample preparation stage of Example 4. FIG. Siドーピング密度と比接触抵抗の関係を示す特性図。A characteristic diagram showing the relationship between the Si doping density and the specific contact resistance. 実施例5の試料作製段階の詳細構造を示す断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a detailed structure of the sample preparation stage of Example 5. 実施例5の電気接触特性を示す特性図。The characteristic diagram which shows the electric contact characteristic of Example 5.

以下本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

<構造と特徴>
最初に、両面電極型の半導体発光素子および半導体光検出素子の概要構成について説明する。
<Structure and features>
First, the outline configuration of the double-sided electrode type semiconductor light emitting device and the semiconductor photodetection element will be described.

両面電極型の半導体発光素子102の構成を図2に示す。半導体発光素子102は、半導体層1と、その半導体層1の第1主面に形成された第1の電極2および第2主面に形成された第2の電極3からなり、電極2と電極3の間に電源4から電圧が印加されると半導体層1から光6が発生する構成になっている。
ここで、発光効率を高めるため、半導体層1が露出する壁面7に誘電体膜を形成しておくことが好ましい。そして、この誘電体膜はパッシベーション膜としての機能ももたせることができる。
FIG. 2 shows the configuration of the double-sided electrode type semiconductor light emitting device 102. The semiconductor light emitting device 102 includes a semiconductor layer 1, a first electrode 2 formed on the first main surface of the semiconductor layer 1, and a second electrode 3 formed on the second main surface, and is composed of the electrode 2 and an electrode. When a voltage is applied from the power source 4 between the three, the light 6 is generated from the semiconductor layer 1.
Here, in order to increase the luminous efficiency, it is preferable to form a dielectric film on the wall surface 7 where the semiconductor layer 1 is exposed. The dielectric film can also function as a passivation film.

両面電極型の半導体光検出素子103の構成を図3に示す。
半導体光検出素子103は、半導体層1と、その半導体層1の第1主面に形成された第1の電極2および第2主面に形成された第2の電極3aからなり、第1主面に形成された第1の電極2および第2主面に形成された第2の電極3aの間に電源4により電圧を印加する。光が照射されていない状態では、電流がほとんど流れないが、半導体層1に光6が照射されると第1の電極2と第2の電極3aの間の電流が増加し、その電流をモニター5により検出する構成になっている。
ここで、半導体層1に光6が十分届くように光6を照射する側の電極(図3の場合は第2の電極3a)には開口を形成しておく。または、図4に示すように、半導体光検出素子104の第2の電極3bを透明導電材料からなる電極とする。なお、透明導電材料上に開口が形成された金属電極を形成した構成にしてもよい。
FIG. 3 shows the configuration of the double-sided electrode type semiconductor photodetector 103.
The semiconductor photodetection element 103 includes a semiconductor layer 1, a first electrode 2 formed on the first main surface of the semiconductor layer 1, and a second electrode 3a formed on the second main surface, and is the first main electrode. A voltage is applied by the power supply 4 between the first electrode 2 formed on the surface and the second electrode 3a formed on the second main surface. In the state where the light is not irradiated, almost no current flows, but when the semiconductor layer 1 is irradiated with the light 6, the current between the first electrode 2 and the second electrode 3a increases, and the current is monitored. It is configured to be detected by 5.
Here, an opening is formed in the electrode on the side that irradiates the light 6 (the second electrode 3a in the case of FIG. 3) so that the light 6 can sufficiently reach the semiconductor layer 1. Alternatively, as shown in FIG. 4, the second electrode 3b of the semiconductor photodetection element 104 is an electrode made of a transparent conductive material. In addition, a metal electrode having an opening formed on the transparent conductive material may be formed.

発明者は、半導体層1としてGaAsをベースとした半導体を用いたときのこのタイプの半導体発光素子、半導体光検出素子のS/N比改善の研究を行った。また、併せて素子間の特性ばらつき改善に取り組んだ。
その結果、両面とも電極層と半導体層の界面に合金層が形成されずに金属含有の電極層が形成され、かつ両側の電極ともオーミックコンタクトがとれると、S/N比は改善し、また素子間の特性ばらつきは少なくなることを見出した。
電極層と半導体層の界面に合金層が形成されると、金属含有電極による光反射効果が小さくなり、また十分なプラズモン効果が得られなくなってシグナル(S)を大きくすることが困難になる。
また、オーミックコンタクトではなく、例えばショットキーコンタクトになると、シグナル(S)を制限する要因になり、またノイズ(N)、具体的には暗電流は大きくなる。
合金層をもたない金属含有電極層の形成のみによってもS/N比は改善し、両面の電極をオーミックコンタクトとすることのみによってもS/N比は改善するが、両者が組み合わされることにより、単純和ではなく相乗効果によって、より一層S/N比や特性ばらつきが改善した。
The inventor has conducted research on improving the S / N ratio of this type of semiconductor light emitting device and semiconductor photodetector when a semiconductor based on GaAs is used as the semiconductor layer 1. At the same time, we worked on improving the variation in characteristics between elements.
As a result, if a metal-containing electrode layer is formed without forming an alloy layer at the interface between the electrode layer and the semiconductor layer on both sides, and ohmic contact can be made with the electrodes on both sides, the S / N ratio is improved and the device It was found that the variation in characteristics between them is reduced.
When an alloy layer is formed at the interface between the electrode layer and the semiconductor layer, the light reflection effect of the metal-containing electrode becomes small, and a sufficient plasmon effect cannot be obtained, making it difficult to increase the signal (S).
Further, if it becomes a Schottky contact instead of an ohmic contact, it becomes a factor that limits the signal (S), and the noise (N), specifically, the dark current becomes large.
The S / N ratio can be improved only by forming a metal-containing electrode layer without an alloy layer, and the S / N ratio can be improved only by using the electrodes on both sides as ohmic contacts. The S / N ratio and characteristic variation were further improved by the synergistic effect instead of the simple sum.

しかしながら、GaAsをベースとした半導体を用いた両面電極型の半導体装置、光検出素子、発光素子で、両電極面とも合金層を作らず、かつオーミックコンタクトとすることは困難であった。 However, in a double-sided electrode type semiconductor device, a photodetection element, and a light emitting element using a semiconductor based on GaAs, it has been difficult to form an alloy layer on both electrode surfaces and to make an ohmic contact.

両面電極構造のN型GaAs半導体をベースにした半導体装置では、半導体装置と両面電極の両面でオーミックコンタクトを実現するために熱処理(シンタリング)による合金層を形成する必要があった。合金層の形成は、上述のように、光学特性の悪化を引き起こす。
一方、この合金層は熱処理による合金層を形成しない手法では、半導体装置と電極の間がショットキーコンタクトになる。
In a semiconductor device based on an N-type GaAs semiconductor having a double-sided electrode structure, it is necessary to form an alloy layer by heat treatment (sintering) in order to realize ohmic contact on both sides of the semiconductor device and the double-sided electrode. The formation of the alloy layer causes deterioration of the optical properties as described above.
On the other hand, in the method in which this alloy layer does not form an alloy layer by heat treatment, a Schottky contact is formed between the semiconductor device and the electrode.

以下、両電極面とも合金層を作らず、かつオーミックコンタクトとすることの困難さを詳細に説明する。 Hereinafter, the difficulty of forming an alloy layer on both electrode surfaces and making ohmic contact will be described in detail.

GaAsのN型ドーパントとして用いられるSiは両性ドーパントである。このため、Siのドーピング量を増やしても、キャリア数(ドナー数)は単調に増加せず、5´1018/cm~10´1018/cmの体積密度で飽和し(非特許文献1、2参照)、それ以上Siを加えてもキャリア数は増えずむしろ減少する。
そのため、SiドープN型GaAs層上のオーミックコンタクトを形成するには、ゲルマニウム(Ge)やスズ(Sn)などのGaAs中に入るとN型ドーパントとなる元素を含む金(Au)などの金属材料をSiドープN型GaAs層上に蒸着等などにより吸着させた後に、熱処理(シンタリング)によりGaAsと合金化(アロイ化)させる方法が用いられる(非特許文献1参照)。しかしこの方法では、金属とGaAsの界面に結晶性が不十分な合金層が形成されるため、特に、表面プラズモン効果や電極と半導体装置の界面での光反射効果を利用した素子の特性は不十分なものとなる。
Si used as an N-type dopant for GaAs is an amphoteric dopant. Therefore, even if the doping amount of Si is increased, the number of carriers (number of donors) does not monotonically increase, and is saturated at a volume density of 5'10 18 / cm 3 to 10'10 18 / cm 3 (Non-Patent Documents). (Refer to 1 and 2), even if Si is added more, the number of carriers does not increase, but rather decreases.
Therefore, in order to form ohmic contacts on the Si-doped N-type GaAs layer, a metal material such as gold (Au) containing an element that becomes an N-type dopant when it enters GaAs such as germanium (Ge) and tin (Sn). Is adsorbed on a Si-doped N-type GaAs layer by vapor deposition or the like, and then alloyed (alloyed) with GaAs by heat treatment (sintering) (see Non-Patent Document 1). However, with this method, an alloy layer with insufficient crystallinity is formed at the interface between the metal and GaAs, so the characteristics of the device that utilizes the surface plasmon effect and the light reflection effect at the interface between the electrode and the semiconductor device are not particularly good. It will be enough.

熱処理による合金化を必要としない方法として、結晶成長層の最表面に低温GaAs層を形成する方法が報告されている(非特許文献3、4参照)。
この方法を用いることにより熱処理(シンタリング)を用いることなく、オーミック接合を実現することができる。
しかし、低温GaAs層は、過剰砒素を含む結晶性が不十分な層であるため、結晶成長の最終段階である最表面に対しては用いることはできるが、この層をその表面とは反対側の面に用いることはできない。これは、反対側の面に用いると、その上に完全性の高い結晶をエピタキシャル形成できないためである。すなわち、半導体層1の結晶性、品質を十分なものにすることができないためである。
したがって、この低温GaAs層を形成する方法は、GaAsをベースとした半導体層1に対して両面の電極ともオーミックコンタクトをとる方法としては、適さない。
As a method that does not require alloying by heat treatment, a method of forming a low-temperature GaAs layer on the outermost surface of the crystal growth layer has been reported (see Non-Patent Documents 3 and 4).
By using this method, ohmic contact can be realized without using heat treatment (sintering).
However, since the low-temperature GaAs layer is a layer containing excess arsenic and having insufficient crystallinity, it can be used for the outermost surface, which is the final stage of crystal growth, but this layer is on the opposite side of the surface. Cannot be used on the surface of. This is because when used on the opposite surface, highly complete crystals cannot be epitaxially formed on it. That is, the crystallinity and quality of the semiconductor layer 1 cannot be made sufficient.
Therefore, this method of forming the low temperature GaAs layer is not suitable as a method of making ohmic contact with the electrodes on both sides with respect to the semiconductor layer 1 based on GaAs.

熱処理による合金化を必要しないその他の方法として、超高濃度のSi(2×1020/cm相当)をドーピングする方法が報告されている(非特許文献5参照)。
この方法では、低温GaAs層のときのような結晶性の問題は生じない。しかしながら、過剰に添加されたSiがキャリア数(ドナー数)を著しく低下させてしまうため、その後に半導体層をエピタキシャル成長させる側にはオーミックコンタクトを形成できないということを発明者は見出した。
したがって、この超高濃度のSiを用いる方法は、両面の電極ともGaAsをベースとした半導体層1とオーミックコンタクトをとる方法としては適さない。
As another method that does not require alloying by heat treatment, a method of doping ultra-high concentration Si (equivalent to 2 × 10 20 / cm 3 ) has been reported (see Non-Patent Document 5).
This method does not cause the problem of crystallinity as in the case of the low temperature GaAs layer. However, the inventor has found that ohmic contact cannot be formed on the side where the semiconductor layer is epitaxially grown thereafter because the excessively added Si significantly reduces the number of carriers (number of donors).
Therefore, this method using ultra-high concentration Si is not suitable as a method of making ohmic contact with the semiconductor layer 1 based on GaAs on both electrodes.

量子カスケードレーザーにおいては、半導体層を形成した後の側に低温成長GaAsを用いる方法を用い、半導体層をエピタキシャル形成する側には、Si(5×1018/cm相当)をドーピングした層を用いる方法が報告されている。しかしこの方法では、特性の優れたオーミックコンタクトを、半導体層をエピタキシャル形成する側で実現することは難しく、実際、文献においてもオーミックコンタクトではなくショットキー的な特性であることが報告されている(非特許文献6参照)。 In the quantum cascade laser, a method using a low-temperature growth GaAs on the side after forming the semiconductor layer is used, and a layer doped with Si (equivalent to 5 × 10 18 / cm 3 ) is placed on the side where the semiconductor layer is epitaxially formed. The method used has been reported. However, with this method, it is difficult to realize ohmic contact with excellent characteristics on the side where the semiconductor layer is epitaxially formed, and in fact, it is reported in the literature that it is not an ohmic contact but a Schottky characteristic ( See Non-Patent Document 6).

しかしながら、発明者による詳細な検討の結果、両面電極構造のN型GaAs半導体をベースにした半導体装置でも、両電極面とも合金層を作らず、かつオーミックコンタクトを両立でき、S/N比や素子間ばらつき低減効果があることを確認した。
以下、その詳細を説明する。
However, as a result of detailed studies by the inventor, even in a semiconductor device based on an N-type GaAs semiconductor having a double-sided electrode structure, an alloy layer is not formed on both electrode surfaces and ohmic contact can be compatible, and the S / N ratio and the element can be achieved. It was confirmed that there is an effect of reducing interim variation.
The details will be described below.

なお、半導体層1としてGaAsをベースとした半導体を用いたときに半導体層から発生する光6は、半導体バンドギャップの関係から赤外光である。また、その半導体層1が受光感度をもつ光も赤外光である。
本願では、波長0.7μm以上1mm以下の光を赤外光と呼ぶこととする。
When a semiconductor based on GaAs is used as the semiconductor layer 1, the light 6 generated from the semiconductor layer is infrared light due to the semiconductor band gap. Further, the light having the light receiving sensitivity of the semiconductor layer 1 is also infrared light.
In the present application, light having a wavelength of 0.7 μm or more and 1 mm or less is referred to as infrared light.

本実施の形態では、半導体層の第1主面、第2主面とも電極とオーミックコンタクトがとれるように、図1に示す構造としている。 In the present embodiment, both the first main surface and the second main surface of the semiconductor layer have the structure shown in FIG. 1 so that ohmic contact can be made with the electrodes.

本実施の形態の半導体装置のコア部分101は、ガリウム(Ga)と砒素(As)を含む半導体層20、半導体層20の第1主面である界面11に接して形成される第1の界面層21、第1の界面層21の半導体層20とは逆側の界面12に接して形成される第1の電極となる第1の金属含有層22、半導体層20の第2主面である界面13に接して形成される第2の界面層23、および第2の界面層23の半導体層20とは逆側の界面14に接して形成される第2の電極となる第2の金属含有層24からなる。 The core portion 101 of the semiconductor device of the present embodiment is a semiconductor layer 20 containing gallium (Ga) and arsenic (As), and a first interface formed in contact with an interface 11 which is the first main surface of the semiconductor layer 20. The second main surface of the first metal-containing layer 22 and the semiconductor layer 20 which are the first electrodes formed in contact with the interface 12 on the opposite side of the layer 21 and the semiconductor layer 20 of the first interface layer 21. The second interface layer 23 formed in contact with the interface 13 and the second metal-containing second electrode formed in contact with the interface 14 on the opposite side of the semiconductor layer 20 of the second interface layer 23. It consists of layers 24.

半導体層20は、ホストとしてガリウム(Ga)および砒素(As)を含む単結晶の半導体を含む材料からなり、半導体層20の少なくとも一方の境界部、すなわち半導体層20の境界11または境界13の少なくとも一方の境界部において、GaAs単結晶と同じ結晶格子を有する。また、光電変換素子の場合は、半導体層20はpn接合または/およびヘテロ接合を有する。
半導体層20の具体的な構成としては、シリコン(Si)をドープしたGaAsとAl0.3Ga0.7AsなどのAlGaAs(アルミニウムガリウム砒素)の積層膜を挙げることができる。
ここで、GaAs単結晶と同じ結晶格子とは、結晶のタイプがGaAs単結晶と同じであって、GaAs単結晶との格子の長さの差が±1%以内に収まっていることをいう。
なお、GaAsには、上述の少なくとも一方の境界部において結晶性をそこなわない範囲、具体的にはGaAs単結晶と同じ結晶格子が得られるレベルでアンチモン(Sb)などバンドギャップの狭い材料に一部置き換えることも可能である。置換物としては、SbのほかAl,In、ビスマス(Bi)、窒素(N)、リン(P)の群から少なくとも1つ選択される物質を挙げることができる。
半導体層20の厚さは、50nm以上10μm以下とすることができるが、必ずしもこの膜厚範囲に限られるものではない。
The semiconductor layer 20 is made of a material containing a single crystal semiconductor containing gallium (Ga) and arsenide (As) as a host, and at least one boundary portion of the semiconductor layer 20, that is, at least the boundary 11 or the boundary 13 of the semiconductor layer 20. At one boundary, it has the same crystal lattice as a GaAs single crystal. Further, in the case of a photoelectric conversion element, the semiconductor layer 20 has a pn junction and / or a heterojunction.
Specific examples of the semiconductor layer 20 include a laminated film of silicon (Si) -doped GaAs and AlGaAs (aluminum gallium arsenide) such as Al 0.3 Ga 0.7 As.
Here, the same crystal lattice as the GaAs single crystal means that the crystal type is the same as that of the GaAs single crystal, and the difference in the length of the lattice from the GaAs single crystal is within ± 1%.
It should be noted that GaAs is suitable for materials with a narrow bandgap such as antimony (Sb) at a level that does not impair crystallinity at at least one of the above-mentioned boundaries, specifically, at a level where the same crystal lattice as a GaAs single crystal can be obtained. It is also possible to replace the part. Examples of the substitution material include Sb and at least one substance selected from the group of Al, In, bismuth (Bi), nitrogen (N), and phosphorus (P).
The thickness of the semiconductor layer 20 can be 50 nm or more and 10 μm or less, but is not necessarily limited to this film thickness range.

第1の界面層21および第2の界面層23は、N型の半導体層であって、GaとAsを含む単結晶であり、第1の界面層21または第2の界面層23の少なくともいずれかの界面層が6×1018/cm以上3×1019/cm以下の体積密度のSiを有する材料からなる。第1の界面層21または第2の界面層23の少なくともいずれかの界面層のSiの体積密度が6×1018/cmを下回ると、キャリア数が十分でなくなり、オーミック接合がとれなくなるという問題が生じ、3×1019/cmを上回ると抵抗が高くなるとともにオーミック接合がとれなくなるという問題が生じる。
第1の界面層21および第2の界面層23の厚さは、界面層の厚さを一番Siの濃度が高い領域の厚さと定義すると、5nm以上1000nm以下が好ましい。界面の厚さが5nmを下回るとオーミック接合に必要なキャリア数が不足するという問題が生じ、1000nmを上回ると界面層中の多数の電子による自由電子吸収や、半導体層20と第1の合金含有層22や第2の合金含有層24との距離が大きくことになるために生じる光電場の低下などにより光学的な特性が劣化するという問題が生じる。
The first interface layer 21 and the second interface layer 23 are N-type semiconductor layers, which are single crystals containing Ga and As, and are at least one of the first interface layer 21 and the second interface layer 23. The interface layer is made of a material having a volume density of Si of 6 × 10 18 / cm 3 or more and 3 × 10 19 / cm 3 or less. If the volume density of Si in at least one of the first interface layer 21 or the second interface layer 23 is less than 6 × 10 18 / cm 3 , the number of carriers will be insufficient and ohmic contact will not be possible. A problem arises, and if it exceeds 3 × 10 19 / cm 3 , the resistance becomes high and the ohmic contact cannot be obtained.
The thickness of the first interface layer 21 and the second interface layer 23 is preferably 5 nm or more and 1000 nm or less, when the thickness of the interface layer is defined as the thickness of the region having the highest concentration of Si. If the thickness of the interface is less than 5 nm, there is a problem that the number of carriers required for optical bonding is insufficient, and if it exceeds 1000 nm, free electron absorption by a large number of electrons in the interface layer and the semiconductor layer 20 and the first alloy are contained. There arises a problem that the optical characteristics are deteriorated due to a decrease in the photoelectric field caused by a large distance from the layer 22 and the second alloy-containing layer 24.

第1の金属含有層22および第2の金属含有層24は金属を含む材料からなり、例えば、その材料としては、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、金(Au)、白金(Pt)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、タングステン(W)、銅(Cu)、イッテルビウム(Yb)、サマリウム(Sm)、イットリウム(Y)、テルビウム(Tb)、ホルミウム(Ho)、ツリウム(Tm)、ガドリニウム(Gd)、エルビウム(Er)、ネオジム(Nd)、スカンジウム(Sc)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、コバルト(Co)、ロジウム(Rh)、レニウム(Re)、イリジウム(Ir)、インジウム(In)、アルミニウム(Al)からなる群より選ばれる1以上の金属、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む合金、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む化合物、およびITO(Indium Tin Oxide)、AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide)、GZO(Gallium-doped Zinc Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)、ATO(Antimony doped Tin Oxide)、FTO(Fluorine doped Tin Oxide)、FZO(Fluorine doped Zinc Oxide)、TiN(Titanium Nitride)の何れかを挙げることができる。
この中でも特にTi、Cr、Ni、Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Ru、Rh、およびAlは導電率の観点から好んで用いることができる。
また、作製する半導体装置が赤外線検出素子の場合、赤外線が照射される側の電極としては、透明電極であるITO、AZO、GZO、IZO、IGZO、ATO、FTO、FZOを好んで用いることができる。
第1の金属含有層22および第2の金属含有層24を、金属を含む材料とすることにより、金属のプラズモン効果が得られるため優れた光学的特性が得られる。
The first metal-containing layer 22 and the second metal-containing layer 24 are made of a metal-containing material, and the materials thereof are, for example, titanium (Ti), chromium (Cr), nickel (Ni), gold (Au), and the like. Platinum (Pt), Silver (Ag), Palladium (Pd), Tungsten (W), Copper (Cu), Itterbium (Yb), Samarium (Sm), Ittrium (Y), Terbium (Tb), Holmium (Ho), Terbium (Tm), gadolinium (Gd), erbium (Er), neodymium (Nd), scandium (Sc), zirconium (Zr), hafnium (Hf), tantalum (Ta), niobium (Nb), vanadium (V), Selected from the group consisting of iron (Fe), molybdenum (Mo), terbium (Ru), cobalt (Co), rhodium (Rh), renium (Re), iridium (Ir), indium (In), and aluminum (Al). One or more metals, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb , V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al, an alloy containing one or more metals selected from the group, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, From Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al Compounds containing one or more metals selected from the group consisting of ITO (Indium Tin Oxide), AZO (Alluminium-topped Zinc Oxide), GZO (Gallium-doped Zinc Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide), IG Which of Zinc Oxide), ATO (Antimony Dopped Tin Oxide), FTO (Fluorine Dopped Tin Oxide), FZO (Fluorine Dopped Zinc Oxide), and TiN (Terbium Metal) can be mentioned.
Of these, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Ru, Rh, and Al can be preferably used from the viewpoint of conductivity.
When the semiconductor device to be manufactured is an infrared detection element, transparent electrodes ITO, AZO, GZO, IZO, IGZO, ATO, FTO, and FZO can be preferably used as the electrode on the side irradiated with infrared rays. ..
By using the first metal-containing layer 22 and the second metal-containing layer 24 as a material containing a metal, the plasmon effect of the metal can be obtained, so that excellent optical properties can be obtained.

なお、赤外光検出装置の場合で光が照射される側の金属含有層にAuやAlなどの金属材料を用いる場合は、この金属含有層に開口を設け、光が半導体層20に届くようにする必要がある。 In the case of an infrared photodetector, when a metal material such as Au or Al is used for the metal-containing layer on the side to be irradiated with light, an opening is provided in the metal-containing layer so that the light reaches the semiconductor layer 20. Need to be.

第1の金属含有層22および第2の金属含有層24の厚さは5nm以上10μm以下が好ましい。金属含有層の厚さが5nmを下回ると抵抗が高くなり、また、光に対する表皮深さよりも薄くなるために良好な反射体、プラズモン媒質としての機能を失う。10μmを上回ると半導体装置の厚さが厚くなる。また、赤外光検出装置の場合、光が照射される側の金属含有層が厚くなると、電極開口部での高い金属を含んだ壁の影や回折による影響により、半導体層20に取り込まれる受光量が少なくなるという問題も生じる。 The thickness of the first metal-containing layer 22 and the second metal-containing layer 24 is preferably 5 nm or more and 10 μm or less. When the thickness of the metal-containing layer is less than 5 nm, the resistance becomes high, and since it becomes thinner than the skin depth with respect to light, it loses its function as a good reflector and plasmon medium. If it exceeds 10 μm, the thickness of the semiconductor device becomes thick. Further, in the case of an infrared photodetector, when the metal-containing layer on the side irradiated with light becomes thick, the light received is taken into the semiconductor layer 20 due to the influence of the shadow and diffraction of the high metal-containing wall at the electrode opening. There is also the problem that the amount is small.

第1の界面層21と第1の金属含有層22との界面12、および第2の界面層23と第2の金属含有層24との界面14には合金層を形成しないことが求められる。製造方法のところで述べるように、第1の金属含有層22および第2の金属含有層24の後には特別な熱処理を必要としないので、本構造では界面12および界面14に合金層を形成しないようにできる。
第1の界面層21への第1の金属含有層22が含有する金属の拡散、および第2の界面層23への第2の金属含有層23が含有する金属の拡散は小さいほど好ましい。この金属の拡散層の厚さは、金属の拡散量が1/eとなる領域幅で定義して、0nm以上3nm以下が好ましく、0nm以上1nm以下がより好ましく、0nm以上0.5nm以下がさらに一層好ましい。この金属の拡散層の厚さが3nmを超えると、金属のプラズモン効果低下などの問題が起こる。
It is required that no alloy layer is formed at the interface 12 between the first interface layer 21 and the first metal-containing layer 22 and the interface 14 between the second interface layer 23 and the second metal-containing layer 24. As described in the manufacturing method, no special heat treatment is required after the first metal-containing layer 22 and the second metal-containing layer 24. Therefore, in this structure, the alloy layer is not formed at the interface 12 and the interface 14. Can be done.
The smaller the diffusion of the metal contained in the first metal-containing layer 22 into the first interface layer 21 and the diffusion of the metal contained in the second metal-containing layer 23 into the second interface layer 23, the more preferable. The thickness of the diffusion layer of the metal is defined by the region width in which the diffusion amount of the metal is 1 / e, and is preferably 0 nm or more and 3 nm or less, more preferably 0 nm or more and 1 nm or less, and further preferably 0 nm or more and 0.5 nm or less. More preferred. If the thickness of the diffusion layer of the metal exceeds 3 nm, problems such as a decrease in the plasmon effect of the metal occur.

本構造により、半導体層20は第1電極22および第2電極24の両電極に対してオーミックコンタクトがとれ、かつ第1電極22および第2電極24は半導体面側に合金層を形成しないものとなる。このため、S/N比が優れ、製造された素子間のばらつきも少ないものとなる。急峻な金属界面が形成されるので光学的な特性も向上する。
その上で、金属拡散を抑えた上に単結晶性の高いエピタキシャル成長を行うことができるため、半導体層20は欠陥も少ない高品質なものとなる。
また、半導体層20と第1および第2の電極22、24との接触部において金属の拡散を用いないため、極めて薄い素子にも適用できるという効果もある。
さらに、第1の界面層21と第1の金属含有層22および第2の界面層23と第2の金属含有層24の間の抵抗が両方とも下がるため、消費電力などの素子特性が向上する。
According to this structure, the semiconductor layer 20 has ohmic contact with both the first electrode 22 and the second electrode 24, and the first electrode 22 and the second electrode 24 do not form an alloy layer on the semiconductor surface side. Become. Therefore, the S / N ratio is excellent, and the variation between manufactured elements is small. Since a steep metal interface is formed, the optical characteristics are also improved.
On top of that, the semiconductor layer 20 is of high quality with few defects because epitaxial growth with high single crystallinity can be performed while suppressing metal diffusion.
Further, since metal diffusion is not used at the contact portions between the semiconductor layer 20 and the first and second electrodes 22 and 24, there is an effect that it can be applied to an extremely thin device.
Further, since the resistance between the first interface layer 21 and the first metal-containing layer 22 and the resistance between the second interface layer 23 and the second metal-containing layer 24 are both lowered, the element characteristics such as power consumption are improved. ..

<製造方法>
次に、本実施の形態の半導体装置105の第1の製造方法を図5から図7を用いて説明する。
<Manufacturing method>
Next, the first manufacturing method of the semiconductor device 105 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 7.

一般に市販されているGaAs単結晶基板は、N型キャリア数の上限が略3×1018/cmであり、このキャリア数のGaAs基板に対しては、熱処理を用いないオーミックコンタクト形成は困難である。そのため、GaAs単結晶基板上に、犠牲層を挟んで図1に示した半導体装置コア部101の構造をすべて結晶成長により作製した後に、GaAs単結晶基板および犠牲層をエッチングにより取り除くことにより作製する(図5(a)参照)。 The upper limit of the number of N-type carriers in a commercially available GaAs single crystal substrate is approximately 3 × 10 18 / cm 3 , and it is difficult to form ohmic contacts without heat treatment for a GaAs substrate having this number of carriers. be. Therefore, the structure of the semiconductor device core portion 101 shown in FIG. 1 is manufactured by crystal growth on the GaAs single crystal substrate with the sacrificial layer interposed therebetween, and then the GaAs single crystal substrate and the sacrificial layer are removed by etching. (See FIG. 5 (a)).

まず、十分な剛性を有する基体31を準備し、その上に表面平坦化を担うバッファー層32および犠牲層33を順次形成する。 First, a substrate 31 having sufficient rigidity is prepared, and a buffer layer 32 and a sacrificial layer 33 responsible for surface flattening are sequentially formed on the substrate 31.

基体31としては、十分な剛性があり、かつ、その上にGaAsをベースとする半導体層をエピタキシャルに形成できるものであれば用いることができる。しかしながら、以降に形成するGaAsをベースとした半導体層を高品質とするために、GaAs基板とすることが好ましい。 The substrate 31 can be used as long as it has sufficient rigidity and a semiconductor layer based on GaAs can be epitaxially formed on the substrate 31. However, in order to improve the quality of the GaAs-based semiconductor layer formed thereafter, it is preferable to use a GaAs substrate.

バッファー層32も、その表面を十分平坦、平滑化できるものであれば材料を特定するものではないが、以降に形成するGaAsをベースとした半導体層を高品質とするために、GaAs膜とすることが好ましい。
バッファー層32の製法としては、例えば、MBE(Molecular Beam Epitaxy)、MOCVD(Metal Organic Vapor Deposition)、MOPVE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy),HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)、LPE(Liquid Phase Epitaxy)などを挙げることができるが、これらに限るものではない。
バッファー層32の厚さは特に限定されるものではないが、例えば、50nm以上1000nm以下にすればよい。
The material of the buffer layer 32 is not specified as long as its surface can be sufficiently flattened and smoothed, but a GaAs film is used in order to improve the quality of the GaAs-based semiconductor layer to be formed thereafter. Is preferable.
Examples of the method for producing the buffer layer 32 include MBE (Molecular Beam Epitaxy), MOCVD (MetalOrganic Vapor Deposition), MOPVE (MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy), HDPE (HVPE), and HVPE (HVPE). It can be mentioned, but it is not limited to these.
The thickness of the buffer layer 32 is not particularly limited, but may be, for example, 50 nm or more and 1000 nm or less.

犠牲層33は、GaAsのエッチングレートより高いエッチングレートがとれる膜であって、AlGaAs、特に、Al組成比が50%以上100%以下のAlGaAsを好んで用いることができる。このAl組成比のAlGaAsはフッ酸水溶液で容易にウェットエッチング除去できるためである。
犠牲層33の製法としては、例えば、MBE(Molecular Beam Epitaxy)、MOCVD(Metal Organic Vapor Deposition)、MOPVE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy),HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)、LPE(Liquid Phase Epitaxy)などを挙げることができるが、これらに限るものではない。
犠牲層33の厚さは特に限定されるものではないが、例えば、500nm以上2000nm以下にすればよい。
The sacrificial layer 33 is a film having an etching rate higher than that of GaAs, and AlGaAs, in particular, AlGaAs having an Al composition ratio of 50% or more and 100% or less can be preferably used. This is because AlGaAs having an Al composition ratio can be easily removed by wet etching with an aqueous solution of hydrofluoric acid.
Examples of the method for producing the sacrificial layer 33 include MBE (Molecular Beam Epitaxy), MOCVD (MetalOrganic Vapor Deposition), MOPVE (MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy), HDPE (HVPE), and HVPE (HVPE). It can be mentioned, but it is not limited to these.
The thickness of the sacrificial layer 33 is not particularly limited, but may be, for example, 500 nm or more and 2000 nm or less.

次に、第1の界面層21を犠牲層33上に形成する(図5(b)参照)。
第1の界面層21は、SiがドープされたGa、Asを含む単結晶でN型の材料からなり、Siのドープ量は、体積含有量で表して6×1018/cm以上3×1019/cm以下とする。
第1の界面層21の成膜法としては、例えば、MBE、MOCVD、MOPVE,HVPE、LPEなどを挙げることができるが、これらに限るものではない。但し、第1の界面層21の上部表面がGaAs単結晶と同じ結晶格子を有するように第1の界面層21をエピタキシャル形成する必要がある。
Next, the first interface layer 21 is formed on the sacrificial layer 33 (see FIG. 5B).
The first interface layer 21 is a single crystal containing Si-doped Ga and As and is an N-type material, and the Si-doped amount is 6 × 10 18 / cm 3 or more in terms of volume content 3 ×. 10 19 / cm 3 or less.
Examples of the film forming method for the first interface layer 21 include, but are not limited to, MBE, MOCVD, MOPVE, HVPE, and LPE. However, it is necessary to epitaxially form the first interface layer 21 so that the upper surface of the first interface layer 21 has the same crystal lattice as the GaAs single crystal.

第1の界面層21は、Siが含まれた積層膜として形成し、積層膜を積んでいく各段階でさらにSiをδドープするのも、6×1018/cm以上3×1019/cm以下という濃度の高いSiをドープする上で好ましい。例えば、Siを体積含有量で5×1018/cm含むGaAs膜を4nm形成し、その後、3×1012/cmの濃度でSiをδドープして1層目のSi含有GaAs膜を形成し、それを複数回、例えば7回繰り返して形成したSi含有GaAs積層膜を第2の界面層23とする。
ここで、第1の界面層21を形成するときの温度は300℃~550℃が好ましい。
第1の界面層21の厚さは、5nm以上1000nm以下が好ましい。
The first interface layer 21 is formed as a laminated film containing Si, and Si is further δ-doped at each stage of stacking the laminated film, which is 6 × 10 18 / cm 3 or more 3 × 10 19 /. It is preferable for doping Si having a high concentration of cm 3 or less. For example, a GaAs film containing 5 × 10 18 / cm 3 in volume of Si is formed at 4 nm, and then Si is δ-doped at a concentration of 3 × 10 12 / cm 2 to form the first Si-containing GaAs film. The Si-containing GaAs laminated film formed by repeating the formation a plurality of times, for example, 7 times is referred to as a second interface layer 23.
Here, the temperature at which the first interface layer 21 is formed is preferably 300 ° C to 550 ° C.
The thickness of the first interface layer 21 is preferably 5 nm or more and 1000 nm or less.

その後、半導体層20を第1の界面層21の上に形成する(図5(c)参照)。
半導体層20は、GaおよびAsを含む半導体層であって、半導体層20の第1の界面層21と接する境界部はGaAs単結晶と同じ結晶格子を有する単結晶半導体からなる。
半導体層20は、MBE、MOCVD、MOPVE,HVPE、LPEなどの方法でエピタキシャル形成することが好ましい。
半導体層20は積層膜を好んで用いることができるが、単層膜を用いることもできる。単層膜を用いて光電変換素子を作製する場合は、不純物の分布を作り込んで半導体層20内にpn接合部を形成する。
半導体層20を積層膜とする場合は、例えば、MBE法でSiをドープしたGaAs層、アンドープのGaAs層、AlGaAs層の組み合わせを複数層積層する。
After that, the semiconductor layer 20 is formed on the first interface layer 21 (see FIG. 5C).
The semiconductor layer 20 is a semiconductor layer containing Ga and As, and the boundary portion of the semiconductor layer 20 in contact with the first interface layer 21 is made of a single crystal semiconductor having the same crystal lattice as a GaAs single crystal.
The semiconductor layer 20 is preferably epitaxially formed by a method such as MBE, MOCVD, MOPVE, HVPE, or LPE.
As the semiconductor layer 20, a laminated film can be preferably used, but a single-layer film can also be used. When a photoelectric conversion element is manufactured using a single-layer film, a distribution of impurities is created to form a pn junction in the semiconductor layer 20.
When the semiconductor layer 20 is used as a laminated film, for example, a plurality of combinations of a Si-doped GaAs layer, an undoped GaAs layer, and an AlGaAs layer are laminated by the MBE method.

半導体層20を形成するときの温度は300℃以上580℃以下が好ましく、300℃以上550℃以下がさらに好ましい。温度がこの範囲にあると、この後形成する第1金属含有層と半導体層20との比接触抵抗を小さくすることができる。
また、半導体層20をエピタキシャル形成するときの時間は2分以上48時間以下が好ましい。エピタキシャル形成時間が2分を下回ると成長速度が過大となり、十分な結晶性の半導体層をエピタキシャル形成することが困難になり、48時間を超えると単純に時間の浪費となって、製造のスループットを低下させる。
The temperature at which the semiconductor layer 20 is formed is preferably 300 ° C. or higher and 580 ° C. or lower, and more preferably 300 ° C. or higher and 550 ° C. or lower. When the temperature is in this range, the specific contact resistance between the first metal-containing layer and the semiconductor layer 20 to be formed after that can be reduced.
Further, the time for epitaxially forming the semiconductor layer 20 is preferably 2 minutes or more and 48 hours or less. If the epitaxial formation time is less than 2 minutes, the growth rate becomes excessive and it becomes difficult to epitaxially form a sufficiently crystalline semiconductor layer, and if it exceeds 48 hours, it is simply a waste of time and the manufacturing throughput is reduced. Decrease.

しかる後、第2の界面層23を半導体層20の上に形成する(図5(d)参照)。
第2の界面層23は、Ga、Asを含む単結晶でN型の材料からなる。
第2の界面層23の成膜法としては、例えば、MBE、MOCVD、MOPVE,HVPE、LPEなどを挙げることができるが、これらに限るものではない。
After that, the second interface layer 23 is formed on the semiconductor layer 20 (see FIG. 5D).
The second interface layer 23 is a single crystal containing Ga and As and is made of an N-type material.
Examples of the film forming method for the second interface layer 23 include, but are not limited to, MBE, MOCVD, MOPVE, HVPE, and LPE.

第2の界面層23は、体積含有量で表して6×1018/cm以上5×1020/cm以下のSiがドープされていることが好ましい。
また、第2の界面層23は、150℃以上300℃以下の温度でエピタキシャル形成されることが好ましい。
Siのドープおよびエピタキシャル形成の温度をこの範囲にすると、この後引き続いて形成する第2の金属含有層24と半導体層20との電気的接触特性は、よりオーミック性の高いものとなり、かつ比接触抵抗が小さなものとなる。
第2の界面層23は、Siが含まれた積層膜として形成し、積層膜を積んでいく各段階でさらにSiをδドープしてもよい。例えば、Siを体積含有量で5×1018/cm含むGaAs膜を4nm形成し、その後、3×1012/cmの濃度でSiをδドープして1層目のSi含有GaAs膜を形成し、それを複数回、例えば7回繰り返して形成したSi含有GaAs積層膜を第2の界面層23とする。
第2の界面層23の厚さは、5nm以上1000nm以下が好ましい。
The second interface layer 23 is preferably doped with Si of 6 × 10 18 / cm 3 or more and 5 × 10 20 / cm 3 or less in terms of volume content.
Further, the second interface layer 23 is preferably epitaxially formed at a temperature of 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower.
When the temperature of Si dope and epitaxial formation is within this range, the electrical contact characteristics between the second metal-containing layer 24 and the semiconductor layer 20 that are subsequently formed become more ohmic and specific contact. The resistance will be small.
The second interface layer 23 may be formed as a laminated film containing Si, and Si may be further δ-doped at each stage of stacking the laminated film. For example, a GaAs film containing 5 × 10 18 / cm 3 in volume of Si is formed at 4 nm, and then Si is δ-doped at a concentration of 3 × 10 12 / cm 2 to form the first Si-containing GaAs film. The Si-containing GaAs laminated film formed by repeating the formation a plurality of times, for example, 7 times is referred to as a second interface layer 23.
The thickness of the second interface layer 23 is preferably 5 nm or more and 1000 nm or less.

その後、第2の金属含有層24を第2の界面層23の上に形成する(図6(a)参照)。
第2の金属含有層24は、金属を含む材料からなり、具体的には、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む合金、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む化合物、およびITO、AZO、GZO、IZO、IGZO、ATO、FTO、FZO、TiNの何れかから1を挙げることができる。
第2の金属含有層24は、単層膜でも積層膜でもよい。
第2の金属含有層24の形成方法としては、DCおよびRFスパッタリング法、加熱蒸着法、電子線蒸着法、MOCVD法などを挙げることができるが、これらの方法に限るものではなく、電気導電性、密着性および表面平坦性に優れる形成方法であれば用いることができる。
ここで、第2の金属含有層24の形成に当たっては、特別な熱処理を用いないことが、合金層形成を防止する観点から好ましい。
Then, the second metal-containing layer 24 is formed on the second interface layer 23 (see FIG. 6A).
The second metal-containing layer 24 is made of a material containing a metal, and specifically, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm. , Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al, one or more metals selected from the group, Ti, Cr. , Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru , Co, Rh, Re, Ir, In, Al alloys containing one or more metals selected from the group consisting of Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, One or more selected from the group consisting of Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al. A compound containing a metal and any one of ITO, AZO, GZO, IZO, IGZO, ATO, FTO, FZO, and TiN can be mentioned.
The second metal-containing layer 24 may be a single-layer film or a laminated film.
Examples of the method for forming the second metal-containing layer 24 include a DC and RF sputtering method, a heat vapor deposition method, an electron beam vapor deposition method, a MOCVD method, and the like, but the method is not limited to these methods and is electrically conductive. Any forming method having excellent adhesion and surface flatness can be used.
Here, it is preferable not to use a special heat treatment in forming the second metal-containing layer 24 from the viewpoint of preventing the formation of the alloy layer.

その後、試料を上下反転させ、第2金属含有層24が接するようにして基体40上に試料を貼り合わせる(図6(b)参照)。
この貼り合わせの方法としては、例えばAu-Au拡散接合法などを挙げることができる。
この方法では、基体40上に、例えば、厚さ10nmのTiと厚さ500nmのAuを積層形成しておく。第2の金属含有層24も少なくともその表面側をAuとしておき、この両者を加熱下加圧接触させる。条件としては、例えば、加圧5~10MPa、温度250~330℃1時間を挙げることができる。
ここで、このとき生じた応力を下げるため、引き続き無加圧の下で、同様の条件の熱処理を加えておくことも好ましい。また、基体40は、熱膨張率を考慮してGaAs基板とすることが好ましい。330℃の熱処理では、Tiがバリヤになることもあって、第2の金属含有層24と第2の界面層23の間に合金層を形成することがない。
第2の貼り合わせの方法としては、エポキシ接着法などを挙げることができる。
エポキシ接着法では、基体40上にエポキシ接着剤を滴下し、第2の金属含有層24と基体40を加熱下で加圧接着させる。この条件としては、例えば、加圧1~5MPa、温度150℃1時間を挙げることができる。ここで、このとき生じた応力を下げるため、引き続き無加圧の下で、同様の条件の熱処理を加えておくことも好ましい。また、基体40は、熱膨張率を考慮してGaAs基板とすることが好ましい。150℃の熱処理では、Tiがバリヤになることもあって、第2の金属含有層24と第2の界面層23の間に合金層を形成することがない。
また、その他の貼り合わせの方法として、共晶接合(半田付け、銀ろう接合)、陽極接合、表面活性化接合(超高真空下で表面をArイオンなどで清浄化し、室温程度で接合)、Au微粒子を用いた拡散接合などを挙げることもできる。
Then, the sample is turned upside down, and the sample is bonded onto the substrate 40 so that the second metal-containing layer 24 is in contact with the substrate (see FIG. 6 (b)).
Examples of the bonding method include the Au-Au diffusion bonding method.
In this method, for example, Ti having a thickness of 10 nm and Au having a thickness of 500 nm are laminated and formed on the substrate 40. At least the surface side of the second metal-containing layer 24 is set to Au, and both are brought into pressure contact with each other under heating. As the conditions, for example, a pressurization of 5 to 10 MPa and a temperature of 250 to 330 ° C. for 1 hour can be mentioned.
Here, in order to reduce the stress generated at this time, it is also preferable to continuously apply the heat treatment under the same conditions under no pressurization. Further, the substrate 40 is preferably a GaAs substrate in consideration of the thermal expansion rate. In the heat treatment at 330 ° C., Ti may become a barrier, and an alloy layer is not formed between the second metal-containing layer 24 and the second interface layer 23.
As a second bonding method, an epoxy bonding method or the like can be mentioned.
In the epoxy bonding method, an epoxy adhesive is dropped onto the substrate 40, and the second metal-containing layer 24 and the substrate 40 are pressure-bonded under heating. Examples of this condition include pressurization of 1 to 5 MPa and a temperature of 150 ° C. for 1 hour. Here, in order to reduce the stress generated at this time, it is also preferable to continuously apply the heat treatment under the same conditions under no pressurization. Further, the substrate 40 is preferably a GaAs substrate in consideration of the thermal expansion rate. In the heat treatment at 150 ° C., Ti may become a barrier, and an alloy layer is not formed between the second metal-containing layer 24 and the second interface layer 23.
In addition, as other bonding methods, eutectic bonding (soldering, silver wax bonding), anode bonding, surface activation bonding (clean the surface with Ar + ions under ultra-high vacuum and bond at room temperature) , Diffusion bonding using Au fine particles and the like can also be mentioned.

基体40は、十分な剛性を有し、その表面が貼り合わせに適するほどの平坦性および平滑性を有するものであれば用いることができる。例えば、基体40として、GaAs基板、Si基板、InP基板、サファイア基板、合成石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラスなどのガラス基板、アルミナ、窒化ケイ素などのセラミクス基板、アクリル、ポリスチレン(PS)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)などの有機材料基板、アルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属基板を挙げることができる。この中でも、熱膨張率をそろえるという観点から、GaAs基板を好んで用いることができる。 The substrate 40 can be used as long as it has sufficient rigidity and its surface has flatness and smoothness suitable for bonding. For example, as the substrate 40, a GaAs substrate, a Si substrate, an InP substrate, a sapphire substrate, a synthetic quartz glass, a glass substrate such as borosilicate glass and soda lime glass, a ceramics substrate such as alumina and silicon nitride, acrylic and polystyrene (PS), Examples thereof include organic material substrates such as polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), and polycarbonate (PC), and metal substrates such as aluminum, iron, stainless steel, and copper. Among these, the GaAs substrate can be preferably used from the viewpoint of making the thermal expansion rate uniform.

しかる後、基体31をエッチングで除去し、引き続き、バッファー層32もエッチング除去する(図6(c)参照)。これらのエッチングは、機械的研磨でもウェットエッチングでもドライエッチングでも構わない。例えば、GaAs基板である場合の基体31は、クエン酸溶液で容易にウェットエッチング除去することができる。 After that, the substrate 31 is removed by etching, and subsequently, the buffer layer 32 is also removed by etching (see FIG. 6 (c)). These etchings may be mechanical polishing, wet etching, or dry etching. For example, the substrate 31 in the case of a GaAs substrate can be easily wet-etched and removed with a citric acid solution.

その後、犠牲層33をエッチング除去する(図7(a)参照)。このエッチングは、ウェットエッチングでもドライエッチングでも構わない。例えば、犠牲層33がAlGaAsからなる場合は、フッ酸水溶液で容易にウェットエッチング除去することができる。 After that, the sacrificial layer 33 is removed by etching (see FIG. 7A). This etching may be wet etching or dry etching. For example, when the sacrificial layer 33 is made of AlGaAs, it can be easily removed by wet etching with an aqueous solution of hydrofluoric acid.

しかる後、露出した第1の界面層21の上に第1の金属含有層22を形成して、半導体装置105が製造される(図7(b)参照)。
第1の金属含有層22は、金属を含む材料からなり、具体的には、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む合金、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む化合物、およびITO、AZO、GZO、IZO、IGZO、ATO、FTO、FZO、TiNの何れかから1を挙げることができる。
第1の金属含有層22は、単層膜でも積層膜でもよい。例えば、Au/Tiの2層膜としてもよい。
第1の金属含有層22の形成方法としては、DCおよびRFスパッタリング法、加熱蒸着法、電子線蒸着法、MOCVD法などを挙げることができるが、第2の金属含有層24の形成方法と同様に、これらの方法に限るものではない。
ここで、第1の金属含有層22の形成に当たっては、特別な熱処理を用いないことが、合金層形成を防止する観点から好ましい。
After that, the first metal-containing layer 22 is formed on the exposed first interface layer 21, and the semiconductor device 105 is manufactured (see FIG. 7 (b)).
The first metal-containing layer 22 is made of a material containing a metal, and specifically, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm. , Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al, one or more metals selected from the group, Ti, Cr. , Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru , Co, Rh, Re, Ir, In, Al alloys containing one or more metals selected from the group consisting of Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, One or more selected from the group consisting of Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al. A compound containing a metal and any one of ITO, AZO, GZO, IZO, IGZO, ATO, FTO, FZO, and TiN can be mentioned.
The first metal-containing layer 22 may be a single-layer film or a laminated film. For example, it may be an Au / Ti two-layer film.
Examples of the method for forming the first metal-containing layer 22 include a DC and RF sputtering method, a heat vapor deposition method, an electron beam vapor deposition method, a MOCVD method, and the like, but the same as the method for forming the second metal-containing layer 24. However, it is not limited to these methods.
Here, it is preferable not to use a special heat treatment in forming the first metal-containing layer 22 from the viewpoint of preventing the formation of the alloy layer.

上記の方法では、基体40上に第2の金属含有層24を直接貼り合わせる方法を説明したが、基体40の上にテンポラリーボンディング層を形成し、テンポラリーボンディング層を介して基体40と第2の金属含有層24を貼り合わせるいわゆるテンポラリーボンディング法を用いることもできる。
このテンポラリーボンディング法では、図7(b)の段階まで上記手順によって試料を作製した後、また上下を反転させて、新たな基体の上に第1の金属含有層22を下向きにした試料を貼り合わせる。その後、基体40とテンポラリーボンディング層を除去する。ここで、テンポラリーボンディング層としては、例えば温水で剥離するエポキシ接着剤、剪断力や衝撃力で剥離する接着剤、レーザー光照射で剥離する接着剤などの有機材料を挙げることができる。
このテンポラリーボンディング法によれば、第1の金属含有層22を基体側、すなわち下側に形成することができる。
In the above method, the method of directly bonding the second metal-containing layer 24 on the substrate 40 has been described. However, the temporary bonding layer is formed on the substrate 40, and the substrate 40 and the second metal layer 24 are formed via the temporary bonding layer. A so-called temporary bonding method in which the metal-containing layers 24 are bonded together can also be used.
In this temporary bonding method, after preparing a sample by the above procedure up to the stage of FIG. 7B, the sample is turned upside down and the sample with the first metal-containing layer 22 facing down is pasted on a new substrate. match. After that, the substrate 40 and the temporary bonding layer are removed. Here, examples of the temporary bonding layer include organic materials such as an epoxy adhesive that peels off with warm water, an adhesive that peels off with a shearing force or an impact force, and an adhesive that peels off with laser light irradiation.
According to this temporary bonding method, the first metal-containing layer 22 can be formed on the substrate side, that is, on the lower side.

また、上記の方法では、第2の金属含有層24に基体40を貼り合わせた後、基体31を除去して半導体装置105を作製する方法を示したが、第2の界面層23を形成した後、犠牲層33をウェットエッチングして半導体装置を製造する方法もある。 Further, in the above method, a method of bonding the substrate 40 to the second metal-containing layer 24 and then removing the substrate 31 to manufacture the semiconductor device 105 is shown, but the second interface layer 23 is formed. Later, there is also a method of wet-etching the sacrificial layer 33 to manufacture a semiconductor device.

この方法を、図8から図10を用いて説明する。
第2の界面層23までを上述の方法で形成した後、図8(a)に示すように、犠牲層33をウェットエッチングして構造体106を作製し、構造体106から第1の界面層21、半導体層20および第2の界面層23からなる図8(b)に示すコアユニット60を切り出す(ダイシングする)。
This method will be described with reference to FIGS. 8 to 10.
After forming the second interface layer 23 by the above method, as shown in FIG. 8A, the sacrificial layer 33 is wet-etched to prepare a structure 106, and the structure 106 to the first interface layer are formed. The core unit 60 shown in FIG. 8B, which is composed of 21, the semiconductor layer 20 and the second interface layer 23, is cut out (diced).

そして、基体41上に第2の金属含有層51を形成した基板上にコアユニット60を上下反転させて貼り付け(図9(a))、その後、第1の界面層21の上に第1の金属含有層52を形成して、半導体装置107(図9(b))を製造する。
あるいは、基体42上に第1の金属含有層53を形成した基板上にコアユニット60を第1の界面層21を下面として貼り付け(図10(a))、その後、第2の界面層23の上に第2の金属含有層54を形成して、半導体装置108(図10(b))を製造する。
したがって、本発明の半導体装置では、第1の界面層21は半導体層20に対して上面側にあっても下面側にあってもよい。
Then, the core unit 60 is turned upside down and attached on the substrate on which the second metal-containing layer 51 is formed on the substrate 41 (FIG. 9A), and then the first surface layer 21 is attached. The metal-containing layer 52 of the above is formed to manufacture a semiconductor device 107 (FIG. 9 (b)).
Alternatively, the core unit 60 is attached to the substrate on which the first metal-containing layer 53 is formed on the substrate 42 with the first interface layer 21 as the lower surface (FIG. 10A), and then the second interface layer 23 is attached. A second metal-containing layer 54 is formed on the semiconductor device 108 (FIG. 10 (b)).
Therefore, in the semiconductor device of the present invention, the first interface layer 21 may be on the upper surface side or the lower surface side with respect to the semiconductor layer 20.

ここで、基体41および42は、基体40と同様に十分な剛性を有し、その表面が貼り合わせに適するほどの平坦性および平滑性を有するものであれば用いることができる。例えば、基体41および42として、GaAs基板、Si基板、InP基板、サファイア基板、合成石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラスなどのガラス基板、アルミナ、窒化ケイ素などのセラミクス基板、アクリル、ポリスチレン(PS)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)などの有機材料基板、アルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属基板を挙げることができる。
また、第1の金属含有層52および53も第1の金属含有層22と同様のものを同様の方法で形成すればよく、第2の金属含有層51および54も第2の金属含有層24と同様のものを同様の方法で形成すればよい。
Here, the substrates 41 and 42 can be used as long as they have sufficient rigidity like the substrate 40 and the surface thereof has flatness and smoothness suitable for bonding. For example, as the substrates 41 and 42, GaAs substrate, Si substrate, InP substrate, sapphire substrate, synthetic quartz glass, borosilicate glass, glass substrate such as soda lime glass, ceramics substrate such as alumina and silicon nitride, acrylic and polystyrene (PS). ), Organic material substrates such as polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), and metal substrates such as aluminum, iron, stainless steel, and copper.
Further, the first metal-containing layers 52 and 53 may be formed in the same manner as the first metal-containing layer 22, and the second metal-containing layers 51 and 54 may also be formed of the second metal-containing layer 24. The same thing as the above may be formed by the same method.

上記の構造の半導体装置は、電気特性が安定したGaAs半導体ベースの両面電極型半導体装置となる。また、本実施の形態の製造方法により、暗電流が少なく、高いS/N比が得られ、かつ電気特性が安定したGaAs半導体ベースの両面電極型半導体装置を提供することが可能になる。 The semiconductor device having the above structure is a double-sided electrode type semiconductor device based on a GaAs semiconductor with stable electrical characteristics. Further, the manufacturing method of the present embodiment makes it possible to provide a GaAs semiconductor-based double-sided electrode type semiconductor device having a small dark current, a high S / N ratio, and stable electrical characteristics.

また、半導体装置105、107および108は、赤外線に対して良好な光電変換特性を有するものになるため、特に、GaAs半導体をベースにした両面電極型の赤外線検出素子、赤外線発光素子、赤外線光電変換素子において、高いS/N比が得られ、かつ光電変換特性が安定した素子を提供することが可能になる。 Further, since the semiconductor devices 105, 107 and 108 have good photoelectric conversion characteristics with respect to infrared rays, in particular, a double-sided electrode type infrared detection element, an infrared light emitting element, and an infrared photoelectric conversion based on a GaAs semiconductor are used. It is possible to provide an element having a high S / N ratio and stable photoelectric conversion characteristics.

繰り返しにはなるが、本願発明のGaAs半導体をベースにした両面電極型の半導体装置は、両面の電極層と界面層の界面において合金層を形成せず、さらに両面の電極ともオーミックコンタクトとなる。このため、反射効果、プラズモン効果とオーミックコンタクトを両立できるようになり、その相乗効果も加わって、これまでのショットキーコンタクトとしたものではない、性能の優れたGaAs半導体をベースにした両面電極型の半導体装置を提供することが可能になる。 To reiterate, the double-sided electrode type semiconductor device based on the GaAs semiconductor of the present invention does not form an alloy layer at the interface between the double-sided electrode layer and the interface layer, and the electrodes on both sides are in ohmic contact. For this reason, it becomes possible to achieve both the reflection effect, plasmon effect, and ohmic contact, and with the addition of the synergistic effect, a double-sided electrode type based on a GaAs semiconductor with excellent performance, which is not the conventional Schottky contact. It becomes possible to provide the semiconductor device of.

以下では実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、この実施例はあくまで本発明の理解を助けるためここに挙げたものであり、本発明をこれに限定するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples, but these examples are given here only for the purpose of assisting the understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

(実施例1)
実施例1は、第1の界面層21の形成方法に関する実施例である。
実施例1では、半導体層20と第2の界面層23を1層のSiドープGaAsと2層のアンドープのGaAsおよび1層のAl0.3Ga0.7Asに簡素化した模擬層71を用いた試料を作製して、第1の界面層21を介した第1の金属含有層22と模擬層71との接触抵抗特性を評価した。ここで、図5(d)に相当する段階での試料の構造とそこに至るまでの熱処理条件を図11に示す。
(Example 1)
Example 1 is an example relating to a method for forming the first interface layer 21.
In Example 1, a simulated layer 71 in which the semiconductor layer 20 and the second interface layer 23 are simplified into one layer of Si-doped GaAs, two layers of undoped GaAs, and one layer of Al 0.3 Ga 0.7 As. The sample used was prepared, and the contact resistance characteristics between the first metal-containing layer 22 and the simulated layer 71 via the first interface layer 21 were evaluated. Here, FIG. 11 shows the structure of the sample at the stage corresponding to FIG. 5 (d) and the heat treatment conditions up to that point.

まず、GaAs(100)基板31を準備し、次に、GaAs基板31の表面の酸化膜を580℃の加熱により除去した。その後、分子線エピタキシャル形成装置(COMPACT21T、RIBER社製)を用いて表面平坦化のためのGaAsバッファー層32を300nmの厚さで成長させた。ここで、以後のGaとAsを含む膜は同分子線エピタキシャル装置を用いて形成した。
しかる後、Al組成55%のAlGaAs犠牲層33を略1μmの厚さで形成した。このときの形成温度は580℃である。
続いて、図11に示すように、GaとAsを含む計7層の膜を第1の界面層21として形成した。
First, the GaAs (100) substrate 31 was prepared, and then the oxide film on the surface of the GaAs substrate 31 was removed by heating at 580 ° C. Then, a GaAs buffer layer 32 for surface flattening was grown to a thickness of 300 nm using a molecular beam epitaxial forming apparatus (COMPACT21T, manufactured by RIBER). Here, the subsequent films containing Ga and As were formed using the same molecular beam epitaxial device.
After that, an AlGaAs sacrificial layer 33 having an Al composition of 55% was formed to a thickness of about 1 μm. The formation temperature at this time is 580 ° C.
Subsequently, as shown in FIG. 11, a total of 7 layers including Ga and As were formed as the first interface layer 21.

第1の界面層21は、4nm厚さのSiドープGaAs(Si:5×1018/cm)を計7層積層した合計28nm厚さのSiドープGaAsであり、各層を形成する度にSiを3×1012/cmで計7回δドープした。これにより、第1の界面層21のSiの体積密度は1.25×1019/cmとなっている。この層を形成するときの温度は530℃である。
第1の界面層21は、上記の体積密度でSiがドープされた単結晶のN型のGaAsである。また、第1の界面層21と接する模擬層71の部分は、SiがドープされたGaAs単結晶になっている。
The first interface layer 21 is a total of 28 nm-thick Si-doped GaAs in which a total of 7 layers of 4 nm-thick Si-doped GaAs (Si: 5 × 10 18 / cm 3 ) are laminated, and each time each layer is formed, Si is formed. Was δ-doped 7 times in total at 3 × 10 12 / cm 2 . As a result, the volume density of Si in the first interface layer 21 is 1.25 × 10 19 / cm 3 . The temperature at which this layer is formed is 530 ° C.
The first interface layer 21 is a single crystal N-type GaAs doped with Si at the above volume density. Further, the portion of the simulated layer 71 in contact with the first interface layer 21 is a Si-doped GaAs single crystal.

その後、厚さが15nmでSiの体積含有率が3×1018/cmのGaAs、厚さが10nmのアンドープのGaAs、厚さが300nmのAl0.3Ga0.7Asおよび厚さが700nmのアンドープのGaAsを順次積層して、これら4層からなる模擬層71を第1の界面層21上に形成した。
このときの膜形成の温度は、SiドープのGaAs膜および厚さが10nmのアンドープのGaAs膜までを530℃とした。厚さが300nmのAl0.3Ga0.7As膜および厚さが700nmのアンドープのGaAs膜は、温度580℃、約1時間で形成した。
Then, GaAs with a thickness of 15 nm and a volume content of Si of 3 × 10 18 / cm3 , undoped GaAs with a thickness of 10 nm, Al 0.3 Ga 0.7 As with a thickness of 300 nm and a thickness of 300 nm. Undoped GaAs of 700 nm was sequentially laminated to form a simulated layer 71 composed of these four layers on the first interface layer 21.
The temperature of film formation at this time was 530 ° C. up to the Si-doped GaAs film and the undoped GaAs film having a thickness of 10 nm. An Al 0.3 Ga 0.7 As film having a thickness of 300 nm and an undoped GaAs film having a thickness of 700 nm were formed at a temperature of 580 ° C. for about 1 hour.

その後、基板の上下を反転させて、模擬層71の上面をGaAsからなる基体に貼りつけ、GaAs基板31およびバッファー層32を機械的研磨およびクエン酸溶液により選択的に除去した。
続いて、AlGaAs犠牲層33をフッ酸水溶液により選択的に除去し、表面に露出した第1の界面層21に厚さ100nmのAuと厚さ3nmのTi膜からなる2層膜を第1の金属含有層22として真空蒸着法により形成して、試料を作製した。
Then, the substrate was turned upside down, the upper surface of the simulated layer 71 was attached to the substrate made of GaAs, and the GaAs substrate 31 and the buffer layer 32 were selectively removed by mechanical polishing and a citric acid solution.
Subsequently, the AlGaAs sacrificial layer 33 is selectively removed with an aqueous hydrofluoric acid solution, and a two-layer film composed of Au having a thickness of 100 nm and a Ti film having a thickness of 3 nm is formed on the first interface layer 21 exposed on the surface. A sample was prepared by forming the metal-containing layer 22 by a vacuum vapor deposition method.

次に、界面層21と第1の金属含有層22の接合特性を、トランスミッションライン法により調べたところ、比接触抵抗は室温で1.7×10-1Ωcmであることがわかった。
二つの電極間の電流―電圧特性は、図12に示すように、ほぼ線形な特性となった。このことから、この第1の界面層21により特別な熱処理無しでオーミックコンタクトが得られることがわかった。
Next, when the bonding characteristics of the interface layer 21 and the first metal-containing layer 22 were examined by the transmission line method, it was found that the specific contact resistance was 1.7 × 10 -1 Ωcm 2 at room temperature.
The current-voltage characteristic between the two electrodes became a nearly linear characteristic as shown in FIG. From this, it was found that ohmic contact can be obtained by the first interface layer 21 without any special heat treatment.

(比較例1)
比較例1は、第1の界面層21形成時のSiドーピング量を非特許文献5に倣って非常に高くしたときの例である。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 is an example in which the amount of Si doping at the time of forming the first interface layer 21 is made very high according to Non-Patent Document 5.

図13は、実施例1の図11に相当する作製段階での試料要部の構造を示す模式断面図である。ここで、界面層21の周りの構造は試料作製完了時も変わりはない。 比較例1の試料は、第1の界面層21を下記のように変えた以外は、実施例1と同様にして作製した。
第1の界面層21は、2nm厚さのSiドープGaAs(Si:5×1018/cm)を計15層積層した合計30nm厚さのSiドープGaAsであり、各層を形成する度にSiを1×1013/cmで計15回δドープした。これにより、第1の界面層21のSiの体積密度は5.5×1019/cmとなっている。この層を形成するときの温度は530℃である。
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the sample main part at the production stage corresponding to FIG. 11 of Example 1. Here, the structure around the interface layer 21 does not change even when the sample preparation is completed. The sample of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1 except that the first interface layer 21 was changed as follows.
The first interface layer 21 is a total of 30 nm-thick Si-doped GaAs in which a total of 15 layers of 2 nm-thick Si-doped GaAs (Si: 5 × 10 18 / cm 3 ) are laminated, and each time each layer is formed, Si is formed. Was δ-doped 15 times in total at 1 × 10 13 / cm 2 . As a result, the volume density of Si in the first interface layer 21 is 5.5 × 10 19 / cm 3 . The temperature at which this layer is formed is 530 ° C.

次に、界面層21を介した第1の金属含有層と模擬層の接合特性を、トランスミッションライン法により調べたところ、図14に示すようにショットキーコンタクトであることが明らかとなり、比接触抵抗は測定不可能であった。
このことから、第1の界面層21にドープされるSiの体積含有量が5.5×1019/cmと多いと、その界面層(第1の界面層21)側では、オーミックコンタクトとはならないことが確認された。
Next, when the bonding characteristics of the first metal-containing layer and the simulated layer via the interface layer 21 were examined by the transmission line method, it became clear that they were Schottky contacts as shown in FIG. 14, and the specific contact resistance. Was unmeasurable.
From this, if the volume content of Si doped in the first interface layer 21 is as large as 5.5 × 10 19 / cm 3 , on the interface layer (first interface layer 21) side, ohmic contact is formed. It was confirmed that it should not be.

(実施例2)
実施例2は、第1の界面層21の成長後の結晶層の形成温度の効果に関するものである。
そこでは、第1の界面層21の成長後の結晶層の形成、すなわち模擬層71の一部の形成温度を580℃とした場合と全て530℃で統一した場合を比較して、それが比接触抵抗に与える効果を評価した。模擬層71の形成時間は、模擬層71の一部を580℃で形成した場合が1時間20分であり、全て530℃で形成した場合が1時間16分である。参考までに、図15に図11および図13と同じ製段階での試料要部の構造とプロセス条件を示す。
(Example 2)
Example 2 relates to the effect of the formation temperature of the crystal layer after the growth of the first interface layer 21.
There, the formation of the crystal layer after the growth of the first interface layer 21, that is, the case where the formation temperature of a part of the simulated layer 71 is set to 580 ° C and the case where all the formation temperatures are unified at 530 ° C are compared, and the ratio is the same. The effect on contact resistance was evaluated. The formation time of the simulated layer 71 is 1 hour and 20 minutes when a part of the simulated layer 71 is formed at 580 ° C., and 1 hour and 16 minutes when all of the simulated layer 71 is formed at 530 ° C. For reference, FIG. 15 shows the structure and process conditions of the sample main part at the same manufacturing stage as in FIGS. 11 and 13.

界面層21を介した第1の金属含有層と模擬層の接合特性を、トランスミッションライン法により調べたところ、室温の比接触抵抗は、模擬層71の一部の形成温度を580℃とした図16の場合は1.7×10-1Ωcmであり、模擬層71の全ての形成温度を530℃とした図17の場合は2×10-2Ωcmであった。温度を530℃にすることにより1桁改善することができた。二つの電極間(第1の金属含有層電極間)の電流―電圧特性は図16および図17に示すとおり、完全に線形な特性となった。以上から、第1の界面層21を形成した後は、基板温度を低く保つことが好ましいことが確認された。 When the bonding characteristics of the first metal-containing layer and the simulated layer via the interface layer 21 were investigated by the transmission line method, the specific contact resistance at room temperature was shown in the figure in which the formation temperature of a part of the simulated layer 71 was 580 ° C. In the case of 16, it was 1.7 × 10 -1 Ωcm 2 , and in the case of FIG. 17, where all the formation temperatures of the simulated layer 71 were 530 ° C, it was 2 × 10 -2 Ωcm 2 . By setting the temperature to 530 ° C, it was possible to improve by an order of magnitude. The current-voltage characteristics between the two electrodes (between the first metal-containing layer electrodes) were completely linear as shown in FIGS. 16 and 17. From the above, it was confirmed that it is preferable to keep the substrate temperature low after the first interface layer 21 is formed.

(実施例3)
実施例3は赤外線検出素子の作製例である。
図18に赤外線検出素子109の構造の模式図を断面図にて示し、図19に図11、図13および図15と同じ製造段階での試料要部の構造を示す。
実施例3では、実施例1および2の模擬層71に代わって、半導体層20と第2の界面層23とした。第1の界面層21は実施例2で示した界面層と同じにし、第2の界面層23も第1の界面層21と対称な構造とし、プロセスも同じにした。半導体層20は、図18に示すように、10層からなるGaとAsを含む単結晶膜の積層膜とした。第1の界面層21および第2の界面層23と接する境界部の半導体層20は、両境界部ともSiがドープされたGaAsになっている。
第1の配線を形成する第1の金属含有層22は、150nmの厚さのAuと3nmの厚さのTiからなる。
第2の配線を形成する第2の金属含有層24は、500nmの厚さのAuと10nmの厚さのTiからなる金属含有層24aと3nmの厚さのTiと150nmの厚さのAuからなる金属含有層24bからなる。ここで、Tiは密着性を向上と、Auを含む金属が第1および第2の界面層に拡散するのを抑制する目的で形成している。
基体40はGaAs基板とした。
(Example 3)
Example 3 is an example of manufacturing an infrared detection element.
FIG. 18 shows a schematic diagram of the structure of the infrared detection element 109 in a cross-sectional view, and FIG. 19 shows the structure of the sample main part at the same manufacturing stage as in FIGS. 11, 13, and 15.
In Example 3, the semiconductor layer 20 and the second interface layer 23 were used instead of the simulated layers 71 of Examples 1 and 2. The first interface layer 21 has the same structure as the interface layer shown in Example 2, the second interface layer 23 has a structure symmetrical to that of the first interface layer 21, and the process is also the same. As shown in FIG. 18, the semiconductor layer 20 is a laminated film of a single crystal film containing Ga and As consisting of 10 layers. The semiconductor layer 20 at the boundary portion in contact with the first interface layer 21 and the second interface layer 23 is GaAs doped with Si at both boundaries.
The first metal-containing layer 22 forming the first wiring is composed of Au having a thickness of 150 nm and Ti having a thickness of 3 nm.
The second metal-containing layer 24 forming the second wiring is made of a metal-containing layer 24a composed of Au having a thickness of 500 nm and Ti having a thickness of 10 nm, Ti having a thickness of 3 nm, and Au having a thickness of 150 nm. It is composed of a metal-containing layer 24b. Here, Ti is formed for the purpose of improving the adhesion and suppressing the diffusion of the metal containing Au into the first and second interface layers.
The substrate 40 was a GaAs substrate.

赤外線検出素子109の作製プロセスは、実施の形態1の製造方法に準拠しており、図5から図7に至るプロセスで作製した。 The manufacturing process of the infrared detection element 109 conforms to the manufacturing method of the first embodiment, and is manufactured by the process from FIG. 5 to FIG. 7.

実施例3では、はじめに第2の界面層23に金属含有層(Au/Ti)を形成した段階(図6の(a)))での比接触抵抗を評価した。その結果、室温より比接触抵抗が高くなる液体窒素温度(77K)において、5.8×10-4Ωcmの比接触抵抗が観測され、オーミックコンタクトが実現された。
続いて、プロセスにより、第1の界面層21を露出させて金属含有層(Au/Ti)を形成してその電気的接触の状況を調査したところ、液体窒素温度(77K)の比接触抵抗は、5.8×10-3Ωcmと、実施例2からさらに大幅に改善した。
この試料においては、第1の界面層21を成長後の上部層の成長時間が、実施例2の1時間から30分以下に短縮されている。このため、第1の界面層21が実質的に熱処理される時間が短いことが比接触抵抗特性の改善に有用であることがわかった。
第1の界面層21および第2の界面層23の液体窒素温度における電流―電圧特性をそれぞれ図20,21に示す。オーミックコンタクトが両面で実現されている。
In Example 3, the specific contact resistance at the stage where the metal-containing layer (Au / Ti) was first formed on the second interface layer 23 ((a) in FIG. 6) was evaluated. As a result, at a liquid nitrogen temperature (77K) where the specific contact resistance was higher than room temperature, a specific contact resistance of 5.8 × 10 -4 Ωcm 2 was observed, and ohmic contact was realized.
Subsequently, a metal-containing layer (Au / Ti) was formed by exposing the first interface layer 21 by a process, and the state of electrical contact thereof was investigated. As a result, the specific contact resistance at the liquid nitrogen temperature (77K) was found. It was 5.8 × 10 -3 Ωcm 2 , which was a significant improvement from Example 2.
In this sample, the growth time of the upper layer after growing the first interface layer 21 is shortened from 1 hour in Example 2 to 30 minutes or less. Therefore, it was found that a short time for the first interface layer 21 to be substantially heat-treated is useful for improving the specific contact resistance characteristics.
The current-voltage characteristics of the first interface layer 21 and the second interface layer 23 at the liquid nitrogen temperature are shown in FIGS. 20 and 21, respectively. Ohmic contact is realized on both sides.

次に、第2の界面23の上にTiとAuからなる上述の第2の金属層24を形成し、温度330℃でAu-Au接合を行って基体40に貼り合わせた段階の試料を作製し、第2の金属層24と第2の界面層23との界面を2次イオン質量分析計(SIMS)にて評価した。評価した場所は、図19で示された半導体層20の上から2番目の50nm-Al0.3Ga0.7Asから上の領域である。
その結果を図22に示す。第2の界面23へのTiの拡散は約0.5nmであり、第2の界面層23と第2の金属層24との間には殆ど合金層が形成されていないことが確認された。
なお、第1の界面層21に第1の金属層22を形成する際は、熱処理(シンタリング)を行わないため、第1の界面21へのTiの拡散はより抑えられ、第1の界面層21と第1の金属層22との間にはさらに一層合金層は形成されない。
Next, the above-mentioned second metal layer 24 composed of Ti and Au is formed on the second interface 23, Au-Au bonding is performed at a temperature of 330 ° C., and a sample at the stage of being bonded to the substrate 40 is prepared. Then, the interface between the second metal layer 24 and the second interface layer 23 was evaluated by a secondary ion mass spectrometer (SIMS). The evaluated location is the region above 50 nm-Al 0.3 Ga 0.7 As, which is the second from the top of the semiconductor layer 20 shown in FIG.
The result is shown in FIG. The diffusion of Ti into the second interface 23 was about 0.5 nm, and it was confirmed that almost no alloy layer was formed between the second interface layer 23 and the second metal layer 24.
When the first metal layer 22 is formed on the first interface layer 21, heat treatment (sintering) is not performed, so that the diffusion of Ti to the first interface 21 is further suppressed and the first interface is formed. No further alloy layer is formed between the layer 21 and the first metal layer 22.

次に、赤外線検出素子109の温度77Kにおける赤外線受光特性を調べた。測定はフーリエ変換赤外分光光度計(FTIR)によって行った。赤外線の波長に対する光電変換応答特性を図23に示す。印加した電圧は+0.60Vである。波長約7μmをピークにして検出感度の高い良好な光電変換特性が得られた。また、暗電流は0.51μAと良好な値であった。このため、実施例3で作製した赤外線検出素子109は極めて良好なS/N比の素子となった。 Next, the infrared light receiving characteristics of the infrared detection element 109 at a temperature of 77K were investigated. The measurement was performed by a Fourier transform infrared spectrophotometer (FTIR). FIG. 23 shows the photoelectric conversion response characteristics with respect to the wavelength of infrared rays. The applied voltage is +0.60V. Good photoelectric conversion characteristics with high detection sensitivity were obtained with a peak wavelength of about 7 μm. The dark current was 0.51 μA, which was a good value. Therefore, the infrared detection element 109 manufactured in Example 3 has an extremely good S / N ratio.

実施例3では、同じ条件で5個の試料を作製し、その電気特性のばらつきを測定評価した。
図24は、温度77Kにおける第1電極(第1の金属含有層22)と第2電極(第2の金属含有層24)間の電圧電流密度特性を測定した結果で、5個の試料を1つの図にプロットしている。プロットされた特性曲線は重なっており、5つの試料の電流電圧特性はほぼ同じで、極めて特性ばらつきの少ない赤外線検出素子109が得られていることが分かる。
GaAsベースの半導体層20を用いた両面電極型の赤外線検出素子において、両電極面ともオーミックコンタクトとすることで極めて電気特性ばらつきの少ない、言い換えれば精度の高い素子が安定して提供されることが確認された。
In Example 3, five samples were prepared under the same conditions, and variations in their electrical characteristics were measured and evaluated.
FIG. 24 shows the results of measuring the voltage current density characteristics between the first electrode (first metal-containing layer 22) and the second electrode (second metal-containing layer 24) at a temperature of 77 K. It is plotted in two figures. It can be seen that the plotted characteristic curves overlap, and the current-voltage characteristics of the five samples are almost the same, and the infrared detection element 109 with extremely little characteristic variation is obtained.
In a double-sided electrode type infrared detection element using a GaAs-based semiconductor layer 20, by making both electrode surfaces ohmic contacts, it is possible to stably provide an element with extremely little variation in electrical characteristics, in other words, a highly accurate element. confirmed.

(比較例2)
比較例2は、赤外線検出素子の作製例で、比較例1と同じ構造と製造方法で第1の界面層21および第2の界面層23を形成した場合である。その他の構造とプロセスは実施例3と同じとした。
したがって、第1の界面層21および第2の界面層23はドープされたSiの体積含有量が5.5×1019/cmとなっている。このため、第1の界面層21および第2の界面層23を介した半導体層20と第1の電極および第2の電極との電気接触がショットキーコンタクトになっている以外は、実施例3と同じ構造の赤外線検出素子である。
(Comparative Example 2)
Comparative Example 2 is an example of manufacturing an infrared detection element, in which the first interface layer 21 and the second interface layer 23 are formed by the same structure and manufacturing method as in Comparative Example 1. Other structures and processes were the same as in Example 3.
Therefore, the first interface layer 21 and the second interface layer 23 have a volume content of doped Si of 5.5 × 10 19 / cm 3 . Therefore, Example 3 except that the electrical contact between the semiconductor layer 20 and the first electrode and the second electrode via the first interface layer 21 and the second interface layer 23 is a Schottky contact. It is an infrared detection element having the same structure as.

作製された赤外線検出素子の温度77Kにおける赤外線の波長に対する光電変換応答特性を図25に示す。印加した電圧は+0.73Vである。波長約7μmをピークにした光電変換特性が得られたが応答性、例えば波長7μm前後における応答性は実施例3で作製した素子より2割程度低く、暗電流は2.92μAとリーキーな特性であった。したがって、比較例2の素子は、両面の電極がオーミックコンタクトをなし、かつ界面層との界面に両面とも合金層を形成しない実施例3の素子に比べて、大幅にS/N比の小さな素子であることが確認された。 FIG. 25 shows the photoelectric conversion response characteristics to the wavelength of infrared rays at the temperature of 77K of the manufactured infrared detection element. The applied voltage is + 0.73V. Photoelectric conversion characteristics with a peak wavelength of about 7 μm were obtained, but the responsiveness, for example, the responsiveness at a wavelength of around 7 μm was about 20% lower than that of the device manufactured in Example 3, and the dark current was 2.92 μA, which was a leaky characteristic. there were. Therefore, the element of Comparative Example 2 has a significantly smaller S / N ratio than the element of Example 3 in which the electrodes on both sides form ohmic contacts and the alloy layer is not formed on both sides at the interface with the interface layer. It was confirmed that.

また、実施例3と同様に、温度77Kにおける第1電極(第1の金属含有層22)と第2電極(第2の金属含有層24)間の電流電圧特性を測定した。その結果を図26に示す。5個の試料を一緒にプロットしているが、プロットされた特性曲線は異なっており、特性にばらつきがあることがわかった。
GaAsベースの半導体層20を用いた両面電極型の赤外線検出素子において、両電極面ともオーミックコンタクトでないと、電気特性はばらつき、暗電流も増えることが確認された。
Further, similarly to Example 3, the current-voltage characteristics between the first electrode (first metal-containing layer 22) and the second electrode (second metal-containing layer 24) at a temperature of 77 K were measured. The result is shown in FIG. Five samples were plotted together, but the plotted characteristic curves were different, and it was found that the characteristics varied.
It was confirmed that in the double-sided electrode type infrared detection element using the GaAs-based semiconductor layer 20, if both electrode surfaces are not ohmic contacts, the electrical characteristics vary and the dark current also increases.

(実施例4)
実施例4では、Siドーピング量と接触抵抗特性の関係を調べた。
(Example 4)
In Example 4, the relationship between the amount of Si doping and the contact resistance characteristics was investigated.

比接触抵抗は、境界層のキャリア数に強く依存し、非特許文献8に開示されているように、一般に、高いほど良好な値となる。
そこで、最初に、実効キャリア数のSiドーピング濃度依存性を調査した。
図11などと同じ製造段階での試料要部の構造を示す図27に示すように、第1の界面層21においてSiのドーピング濃度を変えた試料を作製し、実際に活性化しているキャリア数をホール効果測定により測定した。
The specific contact resistance strongly depends on the number of carriers in the boundary layer, and as disclosed in Non-Patent Document 8, generally, the higher the value, the better the value.
Therefore, first, the dependence of the number of effective carriers on the Si doping concentration was investigated.
As shown in FIG. 27, which shows the structure of the main part of the sample at the same production stage as in FIG. 11, a sample in which the doping concentration of Si was changed in the first interface layer 21 was prepared, and the number of carriers actually activated. Was measured by Hall effect measurement.

ドーピングしたSiの濃度と実際に測定されたキャリア密度のプロットを図28に示す。ここで、このキャリア密度の計算に当たっては、Si体積密度2×1018/cmの15nm厚さのN-GaAsに含まれると推定されるキャリア数4.5×1012/cmは引いている。
同図からわかるように、Siドーピング濃度を増やすと、はじめキャリア密度は増加するが、1.5×1019/cm付近で最大となり、その後は減少する。
オーミックコンタクトを実現するには、従来報告例のある5×1018/cmのキャリア密度の比接触抵抗から少なくとも一桁の改善が必要であり、そのためには、キャリア密度5.6×1018/cm以上を実現しなければならない。このことから、ドーピングするSiの密度は、6×1018/cm以上3×1019/cm以下にする必要がある。
A plot of the concentration of doped Si and the actually measured carrier density is shown in FIG. Here, in calculating this carrier density, the number of carriers estimated to be contained in N-GaAs having a Si volume density of 2 × 10 18 / cm 3 and a thickness of 15 nm is 4.5 × 10 12 / cm 2 . There is.
As can be seen from the figure, when the Si doping concentration is increased, the carrier density increases at first, but reaches a maximum near 1.5 × 10 19 / cm 3 and then decreases.
In order to realize ohmic contact, it is necessary to improve at least an order of magnitude from the specific contact resistance of the carrier density of 5 × 10 18 / cm3 , which has been reported in the past, and for that purpose, the carrier density is 5.6 × 10 18 / Cm 3 or more must be achieved. From this, the density of Si to be doped needs to be 6 × 10 18 / cm 3 or more and 3 × 10 19 / cm 3 or less.

次に、Siドーピング密度とオーミックコンタクトおよび比接触抵抗の関係を直接実験により調べた。
そこでは、図11などと同じ製造段階での試料要部の構造を示す図29に示すように、第1の界面層21においてSiのドーピング濃度を変えた試料を作製して調べた。
室温(23℃)にて調べた結果を図30に示す。
図30からわかるように、第1の界面層21でオーミックコンタクトが得られるSiドーピング密度の範囲は、6×1018/cm以上3×1019/cm以下であった。但し、比接触抵抗を下げるための好ましいSiドーピング密度の範囲は、6×1018/cm以上2×1019/cm以下であることがわかった。
Next, the relationship between the Si doping density and the ohmic contact and specific contact resistance was investigated by direct experiments.
There, as shown in FIG. 29 showing the structure of the sample main part at the same production stage as in FIG. 11, a sample in which the doping concentration of Si was changed in the first interface layer 21 was prepared and examined.
The results of the investigation at room temperature (23 ° C.) are shown in FIG.
As can be seen from FIG. 30, the range of the Si doping density at which ohmic contact can be obtained in the first interface layer 21 was 6 × 10 18 / cm 3 or more and 3 × 10 19 / cm 3 or less. However, it was found that the preferred range of Si doping density for lowering the specific contact resistance was 6 × 10 18 / cm 3 or more and 2 × 10 19 / cm 3 or less.

(実施例5)
実施例5では、Siドーピング量を均一分布としたときの影響を調べた。
そこでは、図11などと同じ製造段階での試料要部の構造を表す図31に示すように、第1の界面層21においてSiのドーピング濃度(体積密度)を第1の界面層21内で均一な1.25×1019/cmとした。
次に、第1の界面層21を介した第1の金属含有層と模擬層の電気的接触特性を、トランスミッションライン法により調べたところ、比接触抵抗は8×10-3Ωcmであることがわかった。この値は、δドープを使用して第1の界面層のSiの体積密度を1.25×1019/cmとした場合より優れている。
二つの電極間の電流-電圧特性は、図32に示すように、ほぼ線形な特性となった。このことから、第1または/および第2の界面層へのSiのドーピングは、δドープを使用した空間分布をもつものに限らず、一様な分布でもよいことがわかった。
(Example 5)
In Example 5, the effect of having a uniform distribution of Si doping amount was investigated.
There, as shown in FIG. 31, which shows the structure of the sample main part at the same manufacturing stage as in FIG. 11, the doping concentration (volume density) of Si in the first interface layer 21 is set in the first interface layer 21. A uniform 1.25 × 10 19 / cm 3 was used.
Next, when the electrical contact characteristics between the first metal-containing layer and the simulated layer via the first interface layer 21 were examined by the transmission line method, the specific contact resistance was 8 × 10 -3 Ωcm 2 . I understood. This value is superior to the case where the volume density of Si in the first interface layer is 1.25 × 10 19 / cm 3 using δ dope.
The current-voltage characteristic between the two electrodes became a nearly linear characteristic as shown in FIG. 32. From this, it was found that the doping of Si to the first and / and the second interface layer is not limited to the one having a spatial distribution using the δ doping, and may be a uniform distribution.

本発明により、ばらつきの少ない電気特性を有する半導体装置、特にばらつきの少ない光電変換特性を有する赤外検出素子、赤外発光素子および赤外光電変換素子を提供することが可能になる。
精度の高い赤外検出素子、赤外発光素子の需要はとても大きい。例えば、自動運転やドライブセーフティを行うときの1つのキー技術は、精度の高い赤外光検出、赤外発光であり、本発明はこのような分野を始めとして、産業上大いに利用されることが期待される。
INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it becomes possible to provide a semiconductor device having electrical characteristics with little variation, particularly an infrared detection element, an infrared light emitting element, and an infrared photoelectric conversion element having photoelectric conversion characteristics with little variation.
Demand for highly accurate infrared detection elements and infrared light emitting elements is very high. For example, one of the key technologies for autonomous driving and drive safety is highly accurate infrared photodetection and infrared emission, and the present invention can be widely used in industry including such fields. Be expected.

1:半導体層
2:第1の電極
3:第2の電極
3a:第2の電極
3b:第2の電極(透明電極)
4:電源
5:モニター
6:光
7:壁面
11,12,13,14:界面
20:半導体層
21:第1の界面層
22:第1の金属含有層(第1の電極)
23:第2の界面層
24:第2の金属含有層(第2の電極)
24a:金属含有層
24b:金属含有層
31:基体
32:バッファー層
33:犠牲層
40,41,42:基体
51:第2の金属含有層
52:第1の金属含有層
53:第1の金属含有層
54:第2の金属含有層
60:コアユニット
71:模擬層
101:半導体装置コア部分
102:半導体発光素子
103,104:半導体光検出素子
105:半導体装置
106:構造体
107,108:半導体装置
109:赤外線検出素子
1: Semiconductor layer 2: First electrode 3: Second electrode 3a: Second electrode 3b: Second electrode (transparent electrode)
4: Power supply 5: Monitor 6: Light 7: Wall surface 11, 12, 13, 14: Interface 20: Semiconductor layer 21: First interface layer 22: First metal-containing layer (first electrode)
23: Second interface layer 24: Second metal-containing layer (second electrode)
24a: Metal-containing layer 24b: Metal-containing layer 31: Base 32: Buffer layer 33: Sacrificial layer 40, 41, 42: Base 51: Second metal-containing layer 52: First metal-containing layer 53: First metal Containing layer 54: Second metal-containing layer 60: Core unit 71: Simulated layer 101: Semiconductor device core part 102: Semiconductor light emitting device 103, 104: Semiconductor photodetection device 105: Semiconductor device 106: Structure 107, 108: Semiconductor Device 109: Infrared detection element

Claims (14)

GaおよびAsを含む単結晶の半導体層の第1主表面に金属を含む第1の電極が第1の界面層を介して形成され、かつ前記半導体層の第2主表面に金属を含む第2の電極が第2の界面層を介して形成された半導体装置であって、
前記第1の界面層および前記第2の界面層はN型の半導体層であって、GaとAsを含む単結晶であり、
前記第1の界面層または前記第2の界面層と接する前記半導体層の少なくとも一方の境界部はGaAs単結晶と同じ結晶格子を有し、
前記第1の界面層と前記第1の電極、および前記第2の界面層と前記第2の電極は、オーミックコンタクトをなし、
前記第1の界面層と前記第1の電極との界面に形成される前記第1の電極を構成する金属の拡散層の厚さ、および前記第2の界面層と前記第2の電極との界面に形成される前記第2の電極を構成する金属の拡散層の厚さは、ともに3nm以下である、半導体装置。
A first electrode containing a metal is formed on the first main surface of a single crystal semiconductor layer containing Ga and As via a first interface layer, and a second main surface containing a metal is contained in the second main surface of the semiconductor layer. Is a semiconductor device in which the electrodes of the above are formed via the second interface layer.
The first interface layer and the second interface layer are N-type semiconductor layers, which are single crystals containing Ga and As.
At least one boundary portion of the first interface layer or the semiconductor layer in contact with the second interface layer has the same crystal lattice as a GaAs single crystal.
The first interface layer and the first electrode, and the second interface layer and the second electrode make ohmic contact.
The thickness of the metal diffusion layer forming the first electrode formed at the interface between the first interface layer and the first electrode, and the thickness of the second interface layer and the second electrode. A semiconductor device in which the thickness of the metal diffusion layer forming the second electrode formed at the interface is 3 nm or less.
GaおよびAsを含む単結晶の半導体層の第1主表面に金属を含む第1の電極が第1の界面層を介して形成され、かつ前記半導体層の第2主表面に金属を含む第2の電極が第2の界面層を介して形成された半導体装置であって、
前記第1の界面層および前記第2の界面層はN型の半導体層であって、GaとAsを含む単結晶であり、
前記第1の界面層または前記第2の界面層と接する前記半導体層の少なくとも一方の境界部はGaAs単結晶と同じ結晶格子を有し、
前記第1の界面層または前記第2の界面層の少なくともいずれかの界面層が、6×1018/cm以上3×1019/cm以下の体積密度のSiを有し、
前記第1の界面層と前記第1の電極との界面に形成される前記第1の電極を構成する金属の拡散層の厚さ、および前記第2の界面層と前記第2の電極との界面に形成される前記第2の電極を構成する金属の拡散層の厚さは、ともに3nm以下である、半導体装置。
A first electrode containing a metal is formed on the first main surface of a single crystal semiconductor layer containing Ga and As via a first interface layer, and a second main surface containing a metal is contained in the second main surface of the semiconductor layer. Is a semiconductor device in which the electrodes of the above are formed via the second interface layer.
The first interface layer and the second interface layer are N-type semiconductor layers, which are single crystals containing Ga and As.
At least one boundary portion of the first interface layer or the semiconductor layer in contact with the second interface layer has the same crystal lattice as a GaAs single crystal.
The first interface layer or at least one of the second interface layers has a volume density of Si of 6 × 10 18 / cm 3 or more and 3 × 10 19 / cm 3 or less.
The thickness of the metal diffusion layer forming the first electrode formed at the interface between the first interface layer and the first electrode, and the thickness of the second interface layer and the second electrode. A semiconductor device in which the thickness of the metal diffusion layer forming the second electrode formed at the interface is 3 nm or less.
前記第1の界面層および前記第2の界面層の厚さが5nm以上1000nm以下である、請求項1または2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the thickness of the first interface layer and the second interface layer is 5 nm or more and 1000 nm or less. 前記第1の電極および前記第2の電極は、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む合金、Ti、Cr、Ni,Au、Pt、Ag、Pd、W、Cu、Yb、Sm、Y、Tb、Ho、Tm、Gd、Er、Nd、Sc、Zr、Hf、Ta、Nb、V、Fe、Mo、Ru、Co、Rh、Re、Ir、In、Alからなる群より選ばれる1以上の金属を含む化合物、およびITO、AZO、GZO、IZO、IGZO、ATO、FTO、FZO、TiNの何れかからなる、請求項1から3の何れか1に記載の半導体装置。 The first electrode and the second electrode are Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc. , Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al, one or more metals selected from the group, Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag. , Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir , In, Al, an alloy containing one or more metals selected from the group consisting of Ti, Cr, Ni, Au, Pt, Ag, Pd, W, Cu, Yb, Sm, Y, Tb, Ho, Tm, Gd, Compounds containing one or more metals selected from the group consisting of Er, Nd, Sc, Zr, Hf, Ta, Nb, V, Fe, Mo, Ru, Co, Rh, Re, Ir, In, Al, and ITO. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, comprising any one of AZO, GZO, IZO, IGZO, ATO, FTO, FZO, and TiN. 剛性を有する基体上に、GaAsのエッチングレートより高いエッチングレートがとれる犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
Siの体積含有量が6×1018/cm以上3×1019/cm以下のGa、Asを含む単結晶でN型の半導体の第1の界面層を形成する第1の界面層形成工程と、
GaおよびAsを含む半導体層であって、前記半導体層の前記第1の界面層と接する境界部はGaAs単結晶と同じ結晶格子を有する単結晶半導体である半導体層形成工程と、
GaとAsを含む単結晶でN型の半導体の第2の界面層を形成する第2の界面層形成工程と、
金属を含む材料からなる第2の電極を形成する第2の電極形成工程と、
前記第2の電極の上にサポート基板を貼り付けるサポート基板貼り付け工程と、
前記基体および前記犠牲層をエッチング除去するエッチング工程と、
前記第1の界面層上に金属を含む材料からなる第1の電極を形成する第1の電極形成工程と、を含む半導体装置の製造方法。
A sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer having an etching rate higher than that of GaAs on a rigid substrate.
Formation of a first interface layer that forms the first interface layer of an N-type semiconductor with a single crystal containing Ga and As having a Si volume content of 6 × 10 18 / cm 3 or more and 3 × 10 19 / cm 3 or less. Process and
A semiconductor layer forming step of a semiconductor layer containing Ga and As, wherein the boundary portion of the semiconductor layer in contact with the first interface layer is a single crystal semiconductor having the same crystal lattice as a GaAs single crystal.
A second interface layer forming step of forming a second interface layer of an N-type semiconductor with a single crystal containing Ga and As, and a second interface layer forming step.
A second electrode forming step of forming a second electrode made of a material containing metal, and
The support substrate pasting step of pasting the support substrate on the second electrode and the process of pasting the support substrate,
An etching process for removing the substrate and the sacrificial layer by etching,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a first electrode forming step of forming a first electrode made of a material containing a metal on the first interface layer.
前記第2の界面層は、体積含有量が6×1018/cm以上5×1020/cm以下のSiを含む、請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the second interface layer contains Si having a volume content of 6 × 10 18 / cm 3 or more and 5 × 10 20 / cm 3 or less. 前記第2の界面層は、150℃以上300℃以下の温度でエピタキシャル形成されたGaAsからなる、請求項5または6に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5 or 6, wherein the second interface layer is made of GaAs epitaxially formed at a temperature of 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. 前記犠牲層は、Al組成比50%以上100%以下のAlGaAsからなる、請求項5から7の何れか1に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 5 to 7, wherein the sacrificial layer is made of AlGaAs having an Al composition ratio of 50% or more and 100% or less. 前記半導体層は、300℃以上580℃以下の温度でエピタキシャル形成される、請求項5から8の何れか1に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 5 to 8, wherein the semiconductor layer is epitaxially formed at a temperature of 300 ° C. or higher and 580 ° C. or lower. 前記半導体層は、300℃以上550℃以下の温度でエピタキシャル形成される、請求項5から8の何れか1に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 5 to 8, wherein the semiconductor layer is epitaxially formed at a temperature of 300 ° C. or higher and 550 ° C. or lower. 前記半導体層の前記エピタキシャル形成の時間は2分以上48時間以下である、請求項9または10に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9 or 10, wherein the time for epitaxial formation of the semiconductor layer is 2 minutes or more and 48 hours or less. 請求項1から4の何れか1に記載の半導体装置、または請求項5から11の何れか1に記載の半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置を用いた赤外線光電変換素子。 An infrared photoelectric conversion element using the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 or the semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 5 to 11. 請求項1から4の何れか1に記載の半導体装置、または請求項5から11の何れか1に記載の半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置を用いた赤外線検出素子。 An infrared detection element using the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 or the semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 5 to 11. 請求項1から4の何れか1に記載の半導体装置、または請求項5から11の何れか1に記載の半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置を用いた赤外線発光素子。 An infrared light emitting device using the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 or the semiconductor device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 5 to 11.
JP2018037337A 2018-03-02 2018-03-02 Semiconductor devices, semiconductor device manufacturing methods, infrared photoelectric conversion elements, infrared detection elements, and infrared light emitting elements Active JP7002126B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018037337A JP7002126B2 (en) 2018-03-02 2018-03-02 Semiconductor devices, semiconductor device manufacturing methods, infrared photoelectric conversion elements, infrared detection elements, and infrared light emitting elements

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018037337A JP7002126B2 (en) 2018-03-02 2018-03-02 Semiconductor devices, semiconductor device manufacturing methods, infrared photoelectric conversion elements, infrared detection elements, and infrared light emitting elements

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019153672A JP2019153672A (en) 2019-09-12
JP7002126B2 true JP7002126B2 (en) 2022-02-04

Family

ID=67946913

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018037337A Active JP7002126B2 (en) 2018-03-02 2018-03-02 Semiconductor devices, semiconductor device manufacturing methods, infrared photoelectric conversion elements, infrared detection elements, and infrared light emitting elements

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7002126B2 (en)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000106426A (en) 1998-09-29 2000-04-11 Fujitsu Ltd Quantum well optical sensor and manufacture thereof
JP2003179249A (en) 2001-12-13 2003-06-27 Fujitsu Ltd Sub-band transition type quantum well photo sensor
JP2003197965A (en) 2001-12-25 2003-07-11 Sanken Electric Co Ltd Semiconductor light emitting element and its manufacturing method
JP2004207325A (en) 2002-12-24 2004-07-22 Oki Data Corp Semiconductor device
JP2005012034A (en) 2003-06-20 2005-01-13 Oki Data Corp Method of manufacturing semiconductor thin film and semiconductor device
JP2010034100A (en) 2008-07-25 2010-02-12 Oki Data Corp Semiconductor device, print head, and image forming apparatus
JP2011165800A (en) 2010-02-08 2011-08-25 Showa Denko Kk Light emitting diode, method of manufacturing the same, and light emitting diode lamp
JP2011171695A (en) 2010-01-25 2011-09-01 Showa Denko Kk Light-emitting diode, light-emitting diode lamp, and lighting device
JP2013120879A (en) 2011-12-08 2013-06-17 Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence Light detection element and imaging apparatus
JP2017147324A (en) 2016-02-17 2017-08-24 日本電気株式会社 Infrared detector and method for manufacturing the same

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01129476A (en) * 1987-11-16 1989-05-22 Oki Electric Ind Co Ltd Infrared photodetector
JPH10326906A (en) * 1997-05-26 1998-12-08 Hamamatsu Photonics Kk Photodetection element and image-pickup element
KR101782081B1 (en) * 2010-08-30 2017-09-26 엘지이노텍 주식회사 Light emitting device

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000106426A (en) 1998-09-29 2000-04-11 Fujitsu Ltd Quantum well optical sensor and manufacture thereof
JP2003179249A (en) 2001-12-13 2003-06-27 Fujitsu Ltd Sub-band transition type quantum well photo sensor
JP2003197965A (en) 2001-12-25 2003-07-11 Sanken Electric Co Ltd Semiconductor light emitting element and its manufacturing method
JP2004207325A (en) 2002-12-24 2004-07-22 Oki Data Corp Semiconductor device
JP2005012034A (en) 2003-06-20 2005-01-13 Oki Data Corp Method of manufacturing semiconductor thin film and semiconductor device
JP2010034100A (en) 2008-07-25 2010-02-12 Oki Data Corp Semiconductor device, print head, and image forming apparatus
JP2011171695A (en) 2010-01-25 2011-09-01 Showa Denko Kk Light-emitting diode, light-emitting diode lamp, and lighting device
JP2011165800A (en) 2010-02-08 2011-08-25 Showa Denko Kk Light emitting diode, method of manufacturing the same, and light emitting diode lamp
JP2013120879A (en) 2011-12-08 2013-06-17 Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence Light detection element and imaging apparatus
JP2017147324A (en) 2016-02-17 2017-08-24 日本電気株式会社 Infrared detector and method for manufacturing the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019153672A (en) 2019-09-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6550437B2 (en) Method of manufacturing semiconductor microwire or nanowire, semiconductor structure comprising the microwire or nanowire, and method of manufacturing semiconductor structure
JP4164563B2 (en) Oxide semiconductor PN junction device and manufacturing method thereof
US10685835B2 (en) III-nitride tunnel junction with modified P-N interface
US8829555B2 (en) Semiconductor light emission element
JP2010527512A (en) Contact and fabrication method
KR20150046450A (en) Semiconductor buffer structure, semiconductor device employing the same and method of manufacturing semiconductor device using the semiconductor buffer structure
CN102201484B (en) AlGaN ultraviolet detector with secondary mesa wrapping electrode and manufacturing method thereof
US7238972B2 (en) Photodetector
US9246059B2 (en) LED element, and production method therefor
JP2012119569A (en) Nitride semiconductor element
CN103227230A (en) Lateral growth ZnMgO nanowire solar-blind region ultraviolet detector and fabrication method thereof
JP2023133594A (en) Power photodiode structure, method for fabricating the same and method for using the same
JP3665243B2 (en) Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof
TW201630198A (en) Semiconductor device and production method therefor
JP7002126B2 (en) Semiconductor devices, semiconductor device manufacturing methods, infrared photoelectric conversion elements, infrared detection elements, and infrared light emitting elements
JP2010238802A (en) Semiconductor light-emitting element, electrode structure, method for manufacturing semiconductor light-emitting element, and method for manufacturing electrode structure
KR20150042409A (en) A method of manufacturing a light emitting device
KR101510382B1 (en) fabrication of vertical structured light emitting diodes using group 3 nitride-based semiconductors and its related methods
TWI225311B (en) Method for producing group III nitride compound semiconductor device
US8440476B2 (en) Method for producing zinc oxide-based semiconductor light-emitting device and zinc oxide-based semiconductor light-emitting device
CN111640768B (en) Vertical double-heterojunction optical detector area array and manufacturing method thereof
KR20110107934A (en) Carbon nanotube/zno transparent solar cell and preparation method thereof
JP2010141262A (en) Semiconductor light-emitting element, electrode structure, method for manufacturing semiconductor light-emitting element, and method for manufacturing electrode structure
US8828757B2 (en) Light-emitting device and method for manufacturing the same
KR101550913B1 (en) 3 fabrication of vertical structured light emitting diodes using group 3 nitride-based semiconductors and its related methods

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20201224

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210930

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20211005

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20211108

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20211207

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20211220

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7002126

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150