JPWO2018042534A1 - 半導体結晶基板、赤外線検出装置、光半導体装置、半導体装置、熱電変換素子、半導体結晶基板の製造方法及び赤外線検出装置の製造方法 - Google Patents

半導体結晶基板、赤外線検出装置、光半導体装置、半導体装置、熱電変換素子、半導体結晶基板の製造方法及び赤外線検出装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】表面の平坦性の高いＧａＳｂ層が形成された半導体結晶基板を提供する。【解決手段】ＧａＳｂまたはＩｎＡｓを含む材料により形成された結晶基板と、前記結晶基板の上に、ＧａＳｂを含む材料により形成されたｎ型導電性の第１のバッファ層と、前記第１のバッファ層の上に、ＧａＳｂを含む材料により形成されたｐ型導電性の第２のバッファ層と、を有することを特徴とする半導体結晶基板により上記課題を解決する。

Description

本発明は、半導体結晶基板、赤外線検出装置、光半導体装置、半導体装置、熱電変換素子、半導体結晶基板の製造方法及び赤外線検出装置の製造方法に関するものである。
赤外線を検出する装置として半導体材料により形成された赤外線検出装置がある。このような赤外線検出装置の１つとして、ＧａＳｂ基板の上に、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子構造により赤外線吸収層を形成した構造の赤外線検出装置がある。赤外線吸収層となるＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子構造は、type-II型超格子（Ｔ２ＳＬ）構造であり、type-II型のバンドラインナップを有している。従って、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子構造の超格子における膜厚や周期を調整することにより、波長が３〜５μｍの中赤外（ＭＷ：Middle Wave）から、波長が８〜１０μｍの遠赤外（ＬＷ：Long Wave）の波長帯に感度を有する赤外線検出装置を得ることができる。
このようなＴ２ＳＬ構造のＰＩＮ型の赤外線検出装置は、バンド間の光吸収を利用するものである。このため、サブバンド間の光吸収を利用したＱＤＩＰ（Quantum Dot Infrared Photodetector）、ＱＷＩＰ（Quantum Well Infrared Photodetector）に比べて、温度特性が向上することが期待されている。このような、Ｔ２ＳＬ構造のＰＩＮ型の赤外線検出装置では、上記温度特性の向上に加えて、高受光感度、低暗電流であることが求められる。
Ｔ２ＳＬ構造のＰＩＮ型の赤外線検出装置において、高受光感度、低暗電流にするためには、赤外線吸収層において高品質なＴ２ＳＬ結晶を形成する必要があり、そのためには、赤外線吸収層の下に、平坦性の良いＧａＳｂバッファ層を形成する必要がある。このため、例えば、非特許文献１では、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法により、成長温度、Ｖ／III比を変えることにより、形成されるＧａＳｂバッファ層を良質にすることが検討されている。具体的には、成長温度を５００℃〜５５０℃、Ｖ／III比を５〜１０の条件で結晶成長させることにより、良好なＧａＳｂ層を得ることができる旨が開示されている。
特開平５−２９９３５８号公報 特表２０１５−５１２１３９号公報
M. Lee et al., Journal of Applied Physics 59, 2895 (1986).
しかしながら、ＧａＳｂバッファ層の形成条件を変えて形成しただけでは、赤外線吸収層の特性を十分に満足するような高品質なＴ２ＳＬ結晶を得ることはできないため、より表面の平坦性の高いＧａＳｂバッファ層が形成された半導体結晶基板が求められていた。
本実施の形態の一観点によれば、ＧａＳｂまたはＩｎＡｓを含む材料により形成された結晶基板と、前記結晶基板の上に、ＧａＳｂを含む材料により形成されたｎ型導電性の第１のバッファ層と、前記第１のバッファ層の上に、ＧａＳｂを含む材料により形成されたｐ型導電性の第２のバッファ層と、を有することを特徴とする。
開示の半導体結晶基板によれば、表面の平坦性の高いＧａＳｂ層を得ることができる。
ＧａＳｂ基板の上にＧａＳｂ層を成膜した半導体結晶基板の構造図 ＧａＳｂ基板の表面のＡＦＭ像 ＧａＳｂ基板の上に基板温度４４０℃で成膜したＧａＳｂ層の表面のＡＦＭ像 ＧａＳｂ基板の上に基板温度５２０℃で成膜したＧａＳｂ層の表面のＡＦＭ像 第１の実施の形態における半導体結晶基板の構造図 第１の実施の形態における半導体結晶基板のＧａＳｂ層の表面のＡＦＭ像 基板温度４４０℃で成膜したＧａＳｂ層のキャリア濃度の説明図 基板温度５２０℃で成膜したＧａＳｂ層のキャリア濃度の説明図 第１の実施の形態における半導体結晶基板の製造方法の工程図 第２の実施の形態における赤外線検出装置の構造図 第２の実施の形態における赤外線検出装置の要部の構造図 第２の実施の形態における赤外線検出装置の斜視図 第２の実施の形態における赤外線検出装置の製造方法の工程図（１） 第２の実施の形態における赤外線検出装置の製造方法の工程図（２） 第２の実施の形態における赤外線検出装置の製造方法の工程図（３） 第２の実施の形態における赤外線検出装置の製造方法の工程図（４） 第３の実施の形態における半導体レーザの構造図 第４の実施の形態における発光ダイオードの構造図 第５の実施の形態における電界効果トランジスタの構造図 第６の実施の形態における熱電変換素子の説明図（１） 第６の実施の形態における熱電変換素子の説明図（２）
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
〔第１の実施の形態〕
最初に、ＧａＳｂ膜について成膜条件と平坦性との関係について検討を行った。具体的には、図１に示すように、ＧａＳｂ基板１１の上に、成膜条件の異なるＧａＳｂ層１２ａ、ＧａＳｂ層１２ｂを各々形成した半導体結晶基板を作製し、ＧａＳｂ層１２ａ、ＧａＳｂ層１２ｂの表面の平坦性を調べた。ＧａＳｂ層１２ａ、ＧａＳｂ層１２ｂの表面の平坦性は、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）により調べた。尚、ＧａＳｂ層１２ａ、ＧａＳｂ層１２ｂは、固体ソースを用いたＭＢＥにより形成されており、Ｖ／III比は約１０である。
ＧａＳｂ基板１１は、表面が酸化され酸化膜が形成されているため、真空中で約５００℃で加熱することにより、ＧａＳｂ基板１１の表面に形成されている酸化膜を除去した。この状態のＧａＳｂ基板１１の表面のＡＦＭ像を図２に示す。図２に示されるように、半導体結晶により形成されているＧａＳｂ基板１１の表面に形成されていた酸化膜を除去することにより、ＧａＳｂ基板１１の表面には凹凸が現れる。このように酸化膜を除去したＧａＳｂ基板１１の表面の表面粗さ（ＲＭＳ）を測定したところ、３．１ｎｍであった。尚、後述するＧａＳｂ層を含め表面粗さ（ＲＭＳ）の測定範囲は、１μｍ×１μｍである。
次に、表面に形成された酸化膜が除去されたＧａＳｂ基板１１の上に、基板温度４４０℃の条件で、ＭＢＥにより膜厚が５００ｎｍのＧａＳｂ層１２ａを成膜した。このように成膜されたＧａＳｂ層１２ａの表面のＡＦＭ像を図３に示す。このＧａＳｂ層１２ａの表面粗さ（ＲＭＳ）は、０．１６ｎｍであった。
一方、表面に形成された酸化膜が除去されたＧａＳｂ基板１１の上に、基板温度５２０℃の条件で、ＭＢＥにより膜厚が５００ｎｍのＧａＳｂ層１２ｂを成膜した。このように成膜されたＧａＳｂ層１２ｂの表面のＡＦＭ像を図４に示す。このＧａＳｂ層１２ｂの表面粗さ（ＲＭＳ）は、０．１３ｎｍであり、ＧａＳｂ層１２ｂを成膜することにより、ＧａＳｂ基板である半導体結晶基板の表面を平坦化することができる。よって、基板温度５２０℃の条件で形成したＧａＳｂ層１２ｂは、基板温度４４０℃の条件で形成したＧａＳｂ層１２ａよりも、表面粗さ（ＲＭＳ）を小さくすることができ、ＧａＳｂ基板である半導体結晶基板の表面を平坦化することができる。
ところで、基板温度が５２０℃の条件で形成したＧａＳｂ層１２ｂの表面には、図４に示されるように、凹んだピットのようなものが形成されている。このようなピットは比較的深く、深さが数ｎｍであり、１０９ｃｍ−２程度の密度で存在している。このような表面にピットが形成されているＧａＳｂ層１２ｂの上に、Ｔ２ＳＬ構造により赤外線吸収層を形成した場合、ピットに起因して転位や欠陥が赤外線吸収層に形成されやすく、赤外線検出装置の受光感度の低下や、暗電流の増加を招く恐れがある。
一方、基板温度が４４０℃の条件で形成したＧａＳｂ層１２ａの表面には、図３に示されるように、ピットのようなものは形成されてはいないが、表面粗さ（ＲＭＳ）は、基板温度が５２０℃の条件で形成したＧａＳｂ層１２ｂよりも大きい。
次に、形成する際の基板温度の異なるＧａＳｂ層１２ａとＧａＳｂ層１２ｂについて、導電性を調べた。この結果、基板温度が４４０℃の条件でＭＢＥにより形成されたＧａＳｂ層１２ａはｎ型の導電性を示し、基板温度が５２０℃の条件でＭＢＥにより形成されたＧａＳｂ層１２ｂはｐ型の導電性を示すことが解った。キャリア濃度をＣＶ（Capacitance-Voltage）法により測定したところ、基板温度が４４０℃で形成されたＧａＳｂ層１２ａは約４×１０１８ｃｍ−３であり、基板温度が５２０℃で形成されたＧａＳｂ層１２ｂは約４×１０１８ｃｍ−３であった。尚、ＧａＳｂ層１２ａと、ＧａＳｂ層１２ｂについてＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）による分析を行ったところ、不純物元素の濃度は１．０×１０１７ｃｍ−３以下であった。
以上より、基板温度が低いと、成膜されたＧａＳｂ層においてＳｂの抜けが抑制されるため、基板温度が４４０℃の条件でＭＢＥにより形成されたＧａＳｂ層１２ａは、Ｇａよりも僅かにＳｂが多く含まれている。このため、Ｓｂの一部がＧａＳｂ結晶のＧａのサイトに入り込むことにより、Ｓｂがドナーとして機能するため、ｎ型の導電性を示すものと推察される。また、基板温度が高いと、成膜されたＧａＳｂ層においてＳｂが抜けやすくなることから、基板温度が５２０℃の条件でＭＢＥにより形成されたＧａＳｂ層１２ｂは、Ｓｂよりも僅かにＧａが多く含まれている。このため、Ｇａの一部がＧａＳｂ結晶のＳｂのサイトに入り込むことにより、Ｇａがアクセプタとして機能するため、ｐ型の導電性を示すものと推察される。
ところで、ＧａＳｂ層を成膜する際の基板温度が高いと、表面マイグレーションによるＧａ原子等の動きが活発で、基板温度が低くなると、表面マイグレーションによるＧａ原子等の動きは低下する。このため、Ｇａ原子等の表面マイグレーションによる移動の距離の長い基板温度が５２０℃で形成されたＧａＳｂ層１２ｂの方が、基板温度が４４０℃で形成されたＧａＳｂ層１２ａよりも、表面が平坦となり表面粗さ（ＲＭＳ）が小さくなるものと考えられる。
（半導体結晶基板）
本実施の形態における半導体結晶基板は、以上の知見に基づき得られたものである。具体的には、本実施の形態における半導体結晶基板は、図５に示すように、結晶基板であるＧａＳｂ基板１１１の上に、ｎ型の第１のＧａＳｂ層１１２とｐ型の第２のＧａＳｂ層１１３が順に形成されたものである。具体的には、第１のＧａＳｂ層１１２は、ＧａＳｂ層１２ａと同じ条件、即ち、基板温度が４４０℃の条件でＭＢＥにより形成した膜である。また、第２のＧａＳｂ層１１３は、ＧａＳｂ層１２ｂと同じ条件、即ち、基板温度が５２０℃の条件でＭＢＥにより形成した膜である。尚、ＧａＳｂ基板１１１は、ＧａＳｂ基板１１と同様の基板である。
図６は、半導体結晶により形成されているＧａＳｂ基板１１１の表面に形成されている酸化膜を除去した後、第１のＧａＳｂ層１１２を形成し、第１のＧａＳｂ層１１２の上に、第２のＧａＳｂ層１１３を形成したものの表面のＡＦＭ像である。尚、第１のＧａＳｂ層１１２は、基板温度４４０℃の条件で形成されており、膜厚は１００ｎｍである。第２のＧａＳｂ層１１３は、基板温度５２０℃の条件で形成されており、膜厚は４００ｎｍである。図６に示されるように、形成されたものの表面の表面粗さ（ＲＭＳ）は、０．１０ｎｍであり表面は平坦であり、また、図４に示されるようなピットも存在していない。
このように、ピットがなく表面が平坦な膜が得られる理由については、基板温度が異なる場合におけるＧａ原子等の表面マイグレーション長（拡散長）の違いによるものと考えられる。尚、基板温度が４４０℃の場合も５２０℃の場合も、ＧａＳｂ膜はステップフローモードで成長するものと考えられる。
即ち、基板温度５２０℃においては、Ｇａ原子等の表面マイグレーション長が長いため、図４に示すように、マクロ的な表面の平坦性を向上させることができるが、ミクロ的な凹部には安定的に付着しない場合があるため、ピットのようなものが形成されやすい。
これに対し、基板温度４４０℃においては、Ｇａ原子等の表面マイグレーション長が短いため、図３に示すように、マクロ的な表面の平坦性は十分ではないが、ミクロ的な凹部に安定的に付着し、凹部が埋め込まれるため、ピットのようなものは形成されない。
従って、最初に、基板温度４４０℃でＧａＳｂ膜を成膜することにより、図２に示されるようなＧａＳｂ基板１１の表面の凹凸の凹部が埋め込まれ、この後、基板温度が５２０℃でＧａＳｂ膜を成膜することにより、表面を平坦にすることができる。このようにして、ピットがなく平坦な膜を得ることができるものと考えられる。従って、基板温度が４４０℃で形成されたＧａＳｂ層１２ｂの表面粗さ（ＲＭＳ）が０．１６ｎｍや、基板温度が５２０℃で形成されたＧａＳｂ層１２ａの表面粗さ（ＲＭＳ）が０．１３ｎｍよりも低い、表面粗さ（ＲＭＳ）が０．１０ｎｍになるものと推察される。
図７は、基板温度が４４０℃で形成されたＧａＳｂ層１２ａを深さ方向にエッチングしながらＣＶ法によりキャリア濃度の測定を行った結果を示す。この結果、基板温度が４４０℃で形成されたＧａＳｂ層１２ａは、ｎ型の導電性を示し、キャリア濃度は約４×１０１８ｃｍ−３であった。
図８は、基板温度が５２０℃で形成されたＧａＳｂ層１２ｂを深さ方向にエッチングしながらＣＶ法によりキャリア濃度の測定を行った結果を示す。この結果、基板温度が５２０℃で形成されたＧａＳｂ層１２ｂは、ｐ型の導電性を示し、キャリア濃度は約４×１０１８ｃｍ−３であった。
尚、第１のＧａＳｂ層１１２及び第２のＧａＳｂ層１１３における不純物元素の濃度は、ＧａＳｂ層１２ａ及びＧａＳｂ層１２ｂと同様に、１．０×１０１７ｃｍ−３以下である。
本実施の形態においては、ｎ型の導電性を示す第１のＧａＳｂ層１１２及びｐ型の導電性を示す第２のＧａＳｂ層１１３は、キャリア濃度がともに、１．０×１０１８ｃｍ−３以上、１．０×１０２０ｃｍ−３以下であることが好ましい。このような第１のＧａＳｂ層１１２は、固体ソースを原料とするＭＢＥにおいて、基板温度を３８０℃以上、４４０℃以下の条件で成膜することにより形成することができる。基板温度が３８０℃未満では、Ｇａ原子等のマイグレーション長が短すぎ、ＧａＳｂ基板１１１の表面における凹凸を十分には埋め込むことができない。また、第２のＧａＳｂ層１１３は、固体ソースを原料とするＭＢＥにおいて、基板温度を５００℃以上、５５０℃以下の条件、より好ましくは、基板温度を５２０℃以上、５５０℃以下の条件で成膜することにより形成することができる。
以上より、本実施の形態における半導体結晶基板は、結晶基板であるＧａＳｂ基板１１１の上に、第１のＧａＳｂ層１１２、第２のＧａＳｂ層１１３が順に形成されたものである。第１のＧａＳｂ層１１２は、Ｓｂリッチでｎ型の導電性を示し、第２のＧａＳｂ層１１３は、Ｇａリッチでｐ型の導電性を示す。本願においては、第１のＧａＳｂ層１１２を第１のバッファ層と記載し、第２のＧａＳｂ層１１３を第２のバッファ層と記載する場合がある。
また、本実施の形態においては、第１のバッファ層及び第２のバッファ層は、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＳｂｙ（０≦ｘ≦０．１、０≦ｙ＜１）により形成されていてもよい。具体的には、第１のバッファ層及び第２のバッファ層は、ＧａＳｂの他、ＧａＳｂにＩｎやＡｓを含んだ材料であるＧａＩｎＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂにより形成されていてもよい。
（半導体結晶基板の製造方法）
次に、本実施の形態における半導体結晶基板の製造方法について図９に基づき説明する。最初に、図９（ａ）に示すように、ＧａＳｂ基板１１１であるｎ型ＧａＳｂ（００１）基板を固体ソース分子線エピタキシー（ＳＳ−ＭＢＥ：solid source molecular beam epitaxy）装置の真空チャンバー内に設置する。この後、ヒータ加熱によりＧａＳｂ基板１１１を加熱し、ＧａＳｂ基板１１１の基板温度が４００℃に達した時点で、ＳｂビームをＧａＳｂ基板１１１の表面に照射する。このときのＳｂのビームフラックスは、例えば、５．０×１０−７Torrである。この後、更にＧａＳｂ基板１１１を加熱すると、基板温度が５００℃近辺において、ＧａＳｂ基板１１１の表面に形成されているＧａＳｂの酸化膜が脱離する。この後、Ｓｂビームを照射した状態で、ＧａＳｂ基板１１１の基板温度が５３０℃になるまで加熱し、その状態を２０分間維持することにより、ＧａＳｂ基板１１１の表面に形成されているＧａＳｂの酸化膜を完全に脱離させる。
次に、図９（ｂ）に示すように、Ｓｂビームを照射した状態で、ＧａＳｂ基板１１１の基板温度が４４０℃になるまで降下させた後、ＧａＳｂ基板１１１の上に、第１のバッファ層となる第１のＧａＳｂ層１１２を形成する。具体的には、ＧａＳｂ基板１１１の基板温度が４４０℃で、Ｓｂビームを照射した状態で、更に、Ｇａビームを照射し、第１のＧａＳｂ層１１２を形成する。このときのＧａのビームフラックスは、例えば、５．０×１０−８Torrであり、Ｖ／III比は、１０となる。この条件における第１のＧａＳｂ層１１２の成長速度は、０．３０μｍ／ｈであり、第１のＧａＳｂ層１１２の膜厚が１００μｍとなるまで、約２０分間成膜した後、Ｇａビームの照射を停止する。このように形成された第１のＧａＳｂ層１１２は、基板温度が４４０℃で形成されているため、導電性はｎ型となる。
次に、図９（ｃ）に示すように、第１のバッファ層となる第１のＧａＳｂ層１１２の上に、第２のバッファ層となる第２のＧａＳｂ層１１３を形成する。具体的には、Ｓｂビームを照射した状態で、ＧａＳｂ基板１１１の基板温度が５２０℃になるまで加熱し、再びＧａビームを照射し、第２のＧａＳｂ層１１３を形成する。このときのＧａのビームフラックスは、例えば、５．０×１０−８Torrであり、Ｖ／III比は、１０となる。この条件における第２のＧａＳｂ層１１３の成長速度は、０．３０μｍ／ｈであり、第２のＧａＳｂ層１１３の膜厚が４００μｍとなるまで、約８０分間成膜した後、Ｇａビームの照射を停止する。このように形成された第２のＧａＳｂ層１１３は、基板温度が５２０℃で形成されているため、導電性はｐ型となる。
以上により、本実施の形態における半導体結晶基板を作製することができる。本実施の形態における説明では、ＧａＳｂ基板１１１がｎ型ＧａＳｂ基板を用いた場合について説明したが、ＧａＳｂ基板１１１には、ｐ型ＧａＳｂ基板を用いてもよい。また、ＧａＳｂ基板１１１の面方向は、（００１）面に限定されるものではなく、ｏｆｆ基板を用いてもよい。更には、ＧａＳｂ基板１１１に代えて、ＩｎＡｓ基板等を用いてもよい。
また、ｎ型の第１のバッファ層とｐ型の第２のバッファ層で２層構造が形成されているため、例えば、赤外線検出器、半導体レーザなどのアレイ型の素子で、第１のバッファ層で素子分離層を形成することで電気的なクロストークを防ぐことも可能になる。
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における半導体結晶基板を用いて作製した赤外線検出装置である。図１０は、本実施の形態における赤外線検出装置の全体の構造を示し、図１１は、赤外線検出装置の画素の１つを拡大した構造を示す。
本実施の形態における赤外線検出装置は、図１０及び図１１に示すように、ＧａＳｂ基板１１１の上に、第１のＧａＳｂ層１１２、第２のＧａＳｂ層１１３、ｐ型コンタクト層１１４、赤外線吸収層１１５、ｎ型コンタクト層１１６が積層されている。ＧａＳｂ基板１１１は、ｎ型ＧａＳｂ（００１）基板であり、第１のＧａＳｂ層１１２は膜厚が約１００ｎｍであり、第２のＧａＳｂ層１１３は膜厚が約４００ｎｍである。ｐ型コンタクト層１１４は、不純物元素としてＢｅがドープされた膜厚が５００ｎｍのｐ型ＧａＳｂにより形成されている。赤外線吸収層１１５は、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子（Ｔ２ＳＬ）構造により形成されている。具体的には、膜厚が約２ｎｍのＩｎＡｓと膜厚が約２ｎｍのＧａＳｂとを交互に２００周期積層することにより形成されており、形成された赤外線吸収層１１５の膜厚は、約８００ｎｍである。ｎ型コンタクト層１１６は、不純物元素としてＳｉがドープされた膜厚が約３０ｎｍのｎ型ＩｎＡｓにより形成されている。本願においては、ｐ型コンタクト層１１４を第１のコンタクト層と記載し、ｎ型コンタクト層１１６を第２のコンタクト層と記載する場合がある。
また、ｎ型コンタクト層１１６、赤外線吸収層１１５には、画素を分離するための画素分離溝１２０が形成されており、画素分離溝１２０の側面及び底面には、ＳｉＮによりパッシベーション膜１３１が形成されている。本実施の形態における赤外線検出装置においては、画素分離溝１２０により分離された複数の画素が２次元状に配列されている。画素分離溝１２０により分離された各々の画素のｎ型コンタクト層１１６の上には、電極１４１が形成されており、ｐ型コンタクト層１１４の上には、電極１４２が形成されている。電極１４２の近傍には、赤外線吸収層１１５及びｎ型コンタクト層１１６により配線支持部１４３が形成されており、電極１４２から配線支持部１４３の側面を介し、配線支持部１４３の上面に至る配線層１４４が形成されている。従って、配線支持部１４３における赤外線吸収層１１５及びｎ型コンタクト層１１６は、赤外線検出として機能するものではない。電極１４１及び１４２は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの金属積層膜により形成されている。本実施の形態においては、このように形成されたものを赤外線検出装置または赤外線検出素子１５０と記載する場合がある。本実施の形態における赤外線検出装置においては、ＧａＳｂ基板１１１の裏面より入射した赤外線を検出することができる。
本実施の形態における赤外線検出装置は、図１０に示されるように、赤外線検出素子１５０に信号読み出し回路素子１６０が接続されている。このため、赤外線検出素子１５０における電極１４１の上には、バンプ１４５が形成されており、配線層１４４の上には、バンプ１４６が形成されている。また、信号読み出し回路素子１６０は、表面に信号読み出し回路が形成されている回路基板１６１を有しており、回路基板１６１の上には電極１６２が形成されており、電極１６２の上にはバンプ１６３が形成されている。バンプ１４５及び１４６と、バンプ１６３とは対応して形成されており、対応するバンプ１４５及び１４６とバンプ１６３とを接続することにより、赤外線検出素子１５０と信号読み出し回路素子１６０とが接続される。尚、図１２は、本実施の形態における赤外線検出装置の斜視図である。
（赤外線検出装置の製造方法）
次に、本実施の形態における赤外線検出装置の製造方法について図１３〜図１６に基づき説明する。本実施の形態における赤外線検出装置は、第１の実施の形態における半導体結晶基板を用いて作製することが可能である。尚、図１３（ａ）〜図１６（ａ）は、各々の工程における全体の様子を示し、図１３（ｂ）〜図１６（ｂ）は、各々の工程における１つの画素に相当する部分を拡大した図である。
最初に、図１３に示すように、ＧａＳｂ基板１１１の上に、ＭＢＥによるエピタキシャル成長により、第１のＧａＳｂ層１１２、第２のＧａＳｂ層１１３、ｐ型コンタクト層１１４、赤外線吸収層１１５、ｎ型コンタクト層１１６を順に形成する。本実施の形態におけるＧａＳｂ基板１１１の上に、第１のＧａＳｂ層１１２、第２のＧａＳｂ層１１３を順に形成したものは、第１の実施の形態における半導体結晶基板に相当する。よって、ＧａＳｂ基板１１１、第１のＧａＳｂ層１１２及び第２のＧａＳｂ層１１３の詳細については、説明を省略する。
具体的には、ＧａＳｂ基板１１１の上に、第１のＧａＳｂ層１１２、第２のＧａＳｂ層１１３を順に形成し、第２のＧａＳｂ層１１３の上に、ｐ型コンタクト層１１４を形成する。ｐ型コンタクト層１１４は、ｐ型ＧａＳｂにより形成されており、基板温度が５２０℃の条件で、Ｇａ、Ｓｂ及びＢｅのビームを照射することにより形成する。この際、ｐ型コンタクト層１１４にドープされる不純物元素であるＢｅの濃度が、５．０×１０１８ｃｍ−３となるように、Ｂｅセルの温度を調整する。このときのＧａのビームフラックスは、５．０×１０−８Torrであり、Ｓｂのビームフラックスは、５．０×１０−７Torrであり、Ｖ／III比は、１０となる。この条件におけるＧａＳｂの成長速度は、０．３０μｍ／ｈであり、ｐ型コンタクト層１１４の膜厚が５００μｍとなるまで、約１００分間成膜した後、Ｂｅ及びＧａビームの照射を停止する。
この後、ｐ型コンタクト層１１４の上に、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂの超格子構造により、赤外線吸収層１１５を形成する。具体的には、Ｓｂビームを照射した状態で、ＧａＳｂ基板１１１の基板温度が４４０℃になるまで降下させた後、Ｓｂビームの照射を停止し、Ｉｎ及びＡｓのビームを照射する。このときのＩｎのビームフラックスは、５．０×１０−８Torrであり、Ａｓのビームフラックスは、５．０×１０−７Torrであり、Ｖ／III比は、１０となる。この条件におけるＩｎＡｓの成長速度は、０．３０μｍ／ｈであり、ＩｎＡｓの膜厚が２μｍとなるまで、約３６秒間成膜した後、Ｉｎ及びＡｓのビームの照射を停止する。この後、３秒間の間隔をおいた後、Ｇａ及びＳｂのビームを照射する。このときのＧａのビームフラックスは、５．０×１０−８Torrであり、Ｓｂのビームフラックスは、５．０×１０−７Torrであり、Ｖ／III比は、１０となる。この条件におけるＧａＳｂの成長速度は、０．３０μｍ／ｈであり、ＧａＳｂの膜厚が２μｍとなるまで、約３６秒間成膜した後、Ｇａ及びＳｂのビームの照射を停止する。この後、３秒間の間隔をおく。上記のＩｎＡｓの成膜及びＧａＳｂの成膜を１サイクルとし、２００サイクル繰り返すことにより、トータルの膜厚が約８００ｎｍの赤外線吸収層１１５を形成する。
この後、赤外線吸収層１１５の上に、ｎ型コンタクト層１１６を形成する。ｎ型コンタクト層１１６は、ｎ型ＩｎＡｓにより形成されており、Ｉｎ、Ａｓ及びＳｉのビームを照射することにより形成する。この際、ｎ型コンタクト層１１６にドープされる不純物元素であるＳｉの濃度が、５．０×１０１８ｃｍ−３となるように、Ｓｉセルの温度を調整する。このときのＩｎのビームフラックスは、５．０×１０−８Torrであり、Ａｓのビームフラックスは、５．０×１０−７Torrであり、Ｖ／III比は、１０となる。この条件におけるＩｎＡｓの成長速度は、０．３０μｍ／ｈであり、ＩｎＡｓの膜厚が３０μｍとなるまで、約６分間成膜した後、Ｉｎ及びＳｉのビームの照射を停止する。
この後、Ａｓビームを照射した状態で、基板温度が４００℃になるまで降温した後、Ａｓビームの照射を停止し、ＧａＳｂ基板１１１にエピタキシャル膜が形成されたものをＭＢＥ装置の真空チャンバー内より取り出す。
次に、図１４に示すように、ｎ型コンタクト層１１６及び赤外線吸収層１１５の一部を除去し、画素分離溝１２０を形成する。具体的には、ｎ型コンタクト層１１６の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、画素分離溝１２０が形成されている領域に開口部を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＣＦ４系のガスを用いたドライエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域のｎ型コンタクト層１１６及び赤外線吸収層１１５を除去することにより、画素分離溝１２０を形成する。このように画素分離溝１２０を形成することにより、画素分離溝１２０により分離されたメサ構造の画素が形成される。本実施の形態においては、形成される１つの画素の大きさは、５０μｍ×５０μｍであり、赤外線検出装置には、２５６×２５６の画素が形成される。
次に、図１５に示すように、各々の画素におけるｎ型コンタクト層１１６の上、ｎ型コンタクト層１１６及び赤外線吸収層１１５の側面、画素と画素との間のｐ型コンタクト層１１４の上に、パッシベーション膜１３１を形成する。パッシベーション膜１３１は、ＳｉＨ４及びＮＨ３系のガスを用いて、プラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition）により、膜厚が１００ｎｍのＳｉＮ膜を成膜することにより形成する。
この後、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、電極１４１及び１４２が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、ＣＦ４系のエッチングガスを用いたドライエッチングにより、レジストパターンが形成されていない領域のパッシベーション膜１３１を除去し、この領域におけるｎ型コンタクト層１１６、ｐ型コンタクト層１１４を露出させる。
次に、図１６に示されるように、露出しているｎ型コンタクト層１１６の上に電極１４１を形成し、ｐ型コンタクト層１１４の上に電極１４２を形成する。具体的には、電極１４１及び電極１４２が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、真空蒸着やスパッタリング等により、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕにより形成される金属積層膜を形成した後、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上に形成されている金属積層膜をレジストパターンとともにリフトオフにより除去する。これにより残存する金属積層膜により、ｎ型コンタクト層１１６の上に電極１４１が形成され、ｐ型コンタクト層１１４の上には電極１４２が形成される。
この後、図１０に示されるように、電極１４２の上、配線支持部１４３の側面及び上面に配線層１４４を形成し、電極１４１の上にバンプ１４５を形成するとともに、配線支持部１４３の上の配線層１４４の上にバンプ１４６を形成する。このように形成されたバンプ１４５及びバンプ１４６と、信号読み出し回路素子１６０に形成されたバンプ１６３とをフィリップチップ接合することにより、赤外線検出素子１５０と信号読み出し回路素子１６０とを接続する。
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における半導体結晶基板を用いて作製した光半導体装置であるＧａＳｂ系半導体レーザである。図１７は、本実施の形態における半導体レーザの構造を示す。
本実施の形態における半導体レーザは、第１の実施の形態における半導体結晶基板を用いたものであり、ＧａＳｂ基板１１１の上に、第１のＧａＳｂ層１１２、第２のＧａＳｂ層１１３が形成されている。第２のＧａＳｂ層１１３の上には、ＭＢＥにより、ｐ型ＧａＳｂクラッド層２２１、ＭＱＷ（Multi-quantum Well）層２２２、ｎ型ＧａＳｂクラッド層２２３、ｎ型ＩｎＡｓ層２２４を順に形成する。ｐ型ＧａＳｂクラッド層２２１は、膜厚は約５００ｎｍであり、ｐ型となる不純物元素としてＢｅがドープされている。ＭＱＷ層２２２は、膜厚が約５ｎｍのＧａＳｂと膜厚が約５ｎｍのＩｎＡｓとを交互に形成した多重量子井戸構造を有する発光層であり、本実施の形態においては、２０周期形成している。ｎ型ＧａＳｂクラッド層２２３は、膜厚が約１００ｎｍであり、ｎ型となる不純物元素としてＳｉがドープされており、キャリア濃度が５．０×１０１８ｃｍ−３となっている。ｎ型ＩｎＡｓ層２２４は、膜厚が約３０ｎｍである。
次に、ｎ型ＩｎＡｓ層２２４、ｎ型ＧａＳｂクラッド層２２３、ＭＱＷ層２２２の一部を除去することによりメサ構造２３０を形成する。具体的には、エッチングガスとしてＣＦ４系のガスを用いたドライエッチングにより、ｎ型ＩｎＡｓ層２２４、ｎ型ＧａＳｂクラッド層２２３、ＭＱＷ層２２２の一部を除去し、ｐ型ＧａＳｂクラッド層２２１を露出させることにより、メサ構造２３０を形成する。
次に、メサ構造２３０を形成することにより露出したｐ型ＧａＳｂクラッド層２２１の上に、下部電極２４１を形成し、ｎ型ＩｎＡｓ層２２４の上に上部電極２４２を形成する。下部電極２４１及び上部電極２４２は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の金属積層膜により形成されている。
この後、ＧａＳｂ基板１１１を幅２０μｍ、長さ５０μｍのストライプ状に劈開することにより、本実施の形態における半導体レーザを作製することができる。この半導体レーザは、波長が３．０μｍの端面発光レーザである。
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における半導体結晶基板を用いて作製した光半導体装置であるＧａＳｂ系発光ダイオード（ＬＥＤ：light emitting diode）である。図１８は、本実施の形態における発光ダイオードの構造を示す。
本実施の形態における発光ダイオードは、第１の実施の形態における半導体結晶基板を用いたものであり、第３の実施の形態と同様の膜をＭＢＥによりエピタキシャル成長させた後、下部電極２４１及び上部電極２４２を形成する。
この後、５０μｍ×５０μｍのチップ形状に劈開することにより、本実施の形態における発光ダイオードを作製することができる。この発光ダイオードは、ｎ型ＩｎＡｓ層２２４が形成されている側より光が出射されるため、ｎ型ＩｎＡｓ層２２４の上の上部電極２４２が形成されていない領域は広い方が好ましい。
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における半導体結晶基板を用いて作製した半導体装置である電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field effect transistor）である。図１９は、本実施の形態における電界効果トランジスタの構造を示す。
本実施の形態における半導体装置は、第１の実施の形態における半導体結晶基板を用いたものであり、ＧａＳｂ基板１１１の上に、第１のＧａＳｂ層１１２、第２のＧａＳｂ層１１３が形成されている。第２のＧａＳｂ層１１３の上には、ＭＢＥにより、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｓｂ層２５１、チャネル層２５２を順に形成する。Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｓｂ層２５１の膜厚は約２００ｎｍである。チャネル層２５２は、膜厚が５ｎｍのｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｓｂ層により形成されており、ｐ型となる不純物元素としてＢｅがドープされており、キャリア濃度が５．０×１０１８ｃｍ−３となっている。
次に、チャネル層２５２の上に、ＡＬＤ（atomic layer deposition）により、絶縁膜２６０を形成する。絶縁膜２６０は、膜厚が３ｎｍのＡｌ２Ｏ３膜により形成されている。
次に、絶縁膜２６０の上に、ゲート電極２７１を形成し、チャネル層２５２の上に、ソース電極２７２及びドレイン電極２７３を形成する。ゲート電極２７１は、ＣＶＤにより絶縁膜２６０の上に、膜厚が約１００ｎｍのＷ膜等を成膜することにより形成する。ゲート電極２７１は、ゲート長が３０ｎｍとなるように形成する。この後、ソース電極２７２及びドレイン電極２７３が形成される領域の絶縁膜２６０を除去した後、Ｎｉ膜等を成膜することによりソース電極２７２及びドレイン電極２７３を形成する。
これにより、本実施の形態における電界効果トランジスタを作製することができる。
〔第６の実施の形態〕
次に、第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における半導体結晶基板を用いて作製した熱電変換素子である。本実施の形態における熱電変換素子について、図２０及び図２１に基づき説明する。
本実施の形態における熱電変換素子は、第１の実施の形態における半導体結晶基板を用いたものであり、ＧａＳｂ基板１１１の上に、第１のＧａＳｂ層１１２、第２のＧａＳｂ層１１３が形成されている。第２のＧａＳｂ層１１３の上には、ＭＢＥにより、超格子層２８０、キャップ層２８１を順に形成する。超格子層２８０は、膜厚が約５ｎｍのＧａＳｂと膜厚が約５ｎｍのＩｎＡｓとを交互に形成したものであり、本実施の形態においては、５００周期形成している。キャップ層２８１は、膜厚が３０ｎｍのノンドープのＩｎＡｓ膜により形成されている。
次に、キャップ層２８１、超格子層２８０、第２のＧａＳｂ層１１３、第１のＧａＳｂ層１１２を除去することにより、メサ構造２８２を形成する。具体的には、エッチングガスとしてＣＦ４系のガスを用いたドライエッチングにより、キャップ層２８１、超格子層２８０、第２のＧａＳｂ層１１３、第１のＧａＳｂ層１１２を除去することにより、メサ構造２８２を形成する。この状態を図２０に示す。
次に、ＣＶＤによりＳｉＯ２膜２８３を成膜し、メサ構造２８２の隙間をＳｉＯ２膜２８３により埋め込む。この後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により、ＧａＳｂ基板１１１の裏面を研磨し、ＧａＳｂ基板１１１の厚さを３μｍ程度まで薄くする。この後、イオンインプラテーション法により、ｎ型、ｐ型のドーパントとなる不純物イオンを各々イオン注入し、活性化アニールを施すことにより、ｎ型領域、ｐ型領域を形成する。この後、一方の側及び他方の側に、各々の素子が直列に接続されるように電極２９０を形成する。電極２９０は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの金属積層膜により形成されている。
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
１１１ ＧａＳｂ基板（結晶基板）
１１２ 第１のＧａＳｂ層（第１のバッファ層）
１１３ 第２のＧａＳｂ層（第２のバッファ層）
１１４ ｐ型コンタクト層
１１５ 赤外線吸収層
１１６ ｎ型コンタクト層
１２０ 画素分離溝
１３１ パッシベーション膜
１４１ 電極
１４２ 電極
１４３ 配線支持部
１４４ 配線層
１４５ バンプ
１４６ バンプ
１５０ 赤外線検出素子
１６０ 信号読み出し回路素子
１６１ 回路基板
１６２ 電極
１６３ バンプ

Claims (18)

  1. ＧａＳｂまたはＩｎＡｓを含む材料により形成された結晶基板と、
    前記結晶基板の上に、ＧａＳｂを含む材料により形成されたｎ型導電性の第１のバッファ層と、
    前記第１のバッファ層の上に、ＧａＳｂを含む材料により形成されたｐ型導電性の第２のバッファ層と、
    を有することを特徴とする半導体結晶基板。
  2. 前記第１のバッファ層及び前記第２のバッファ層は、不純物元素の濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体結晶基板。
  3. 前記第１のバッファ層及び前記第２のバッファ層は、キャリア濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以上、１．０×１０２０ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体結晶基板。
  4. 前記第１のバッファ層は、ＧａＳｂ、または、ＧａＳｂにＩｎ、Ａｓのいずれか若しくは双方を含む材料により形成されており、
    前記第２のバッファ層は、ＧａＳｂ、または、ＧａＳｂにＩｎ、Ａｓのいずれか若しくは双方を含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体結晶基板。
  5. ＧａＳｂまたはＩｎＡｓを含む材料により形成された結晶基板と、
    前記結晶基板の上にＧａＳｂを含む材料により形成されたｎ型導電性の第１のバッファ層と、
    前記第１のバッファ層の上にＧａＳｂを含む材料により形成されたｐ型導電性の第２のバッファ層と、
    前記第２のバッファ層の上に形成された第１の導電型の第１のコンタクト層と、
    前記第１のコンタクト層の上に形成された超格子構造を有する赤外線吸収層と、
    前記赤外線吸収層の上に形成された第２の導電型の第２のコンタクト層と、
    を有することを特徴とする赤外線検出装置。
  6. 前記第１のバッファ層は、不純物元素の濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３以下であり、キャリア濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以上、１．０×１０２０ｃｍ−３以下であって、
    前記第２のバッファ層は、不純物元素の濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３以下であり、キャリア濃度が１．０×１０１８ｃｍ−３以上、１．０×１０２０ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項５に記載の赤外線検出装置。
  7. 前記第１のバッファ層は、ＧａＳｂ、または、ＧａＳｂにＩｎ、Ａｓのいずれか若しくは双方を含む材料により形成されており、
    前記第２のバッファ層は、ＧａＳｂ、または、ＧａＳｂにＩｎ、Ａｓのいずれか若しくは双方を含む材料により形成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の赤外線検出装置。
  8. 前記第１のコンタクト層の導電型は、ｐ型であって、ＧａＳｂを含む材料により形成されており、
    前記赤外線吸収層は、ＧａＳｂとＩｎＡｓとを交互に積層して形成した超格子構造により形成されており、
    前記第２のコンタクト層の導電型は、ｎ型であって、ＩｎＡｓを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の赤外線検出装置。
  9. 前記第２のコンタクト層及び前記赤外線吸収層には、画素ごとに分離する画素分離溝が形成されていることを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の赤外線検出装置。
  10. ＧａＳｂまたはＩｎＡｓを含む材料により形成された結晶基板と、
    前記結晶基板の上にＧａＳｂを含む材料により形成されたｎ型導電性の第１のバッファ層と、
    前記第１のバッファ層の上にＧａＳｂを含む材料により形成されたｐ型導電性の第２のバッファ層と、
    前記第２のバッファ層の上に形成された第１の導電型の第１のクラッド層と、
    前記第１のクラッド層の上に形成された多重量子井戸構造の発光層と、
    前記発光層の上に形成された第２の導電型の第２のクラッド層と、
    を有することを特徴とする光半導体装置。
  11. ＧａＳｂまたはＩｎＡｓを含む材料により形成された結晶基板と、
    前記結晶基板の上にＧａＳｂを含む材料により形成されたｎ型導電性の第１のバッファ層と、
    前記第１のバッファ層の上にＧａＳｂを含む材料により形成されたｐ型導電性の第２のバッファ層と、
    前記第２のバッファ層の上に形成されたチャネル層と、
    前記チャネル層の上に形成された絶縁膜と、
    前記絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、
    前記チャネル層の上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
    を有することを特徴とする半導体装置。
  12. ＧａＳｂまたはＩｎＡｓを含む材料により形成された結晶基板と、
    前記結晶基板の上にＧａＳｂを含む材料により形成されたｎ型導電性の第１のバッファ層と、
    前記第１のバッファ層の上にＧａＳｂを含む材料により形成されたｐ型導電性の第２のバッファ層と、
    前記第２のバッファ層の上に形成された超格子層と、
    前記第１のバッファ層、前記第２のバッファ層及び超格子層に、不純物イオンを注入することにより形成されたメサ構造のｎ型領域とメサ構造のｐ型領域と、
    前記メサ構造のｎ型領域と前記メサ構造のｐ型領域とを接続する電極と、
    を有することを特徴とする熱電変換素子。
  13. ＧａＳｂまたはＩｎＡｓを含む材料により形成された結晶基板の上に、分子線エピタキシーによって、ＧａＳｂを含む材料により、第１のバッファ層を形成する工程と、
    前記第１のバッファ層の上に、分子線エピタキシーによって、ＧａＳｂを含む材料により、第２のバッファ層を形成する工程と、
    を有し、
    前記第１のバッファ層を形成する際の基板温度は、３８０℃以上、４４０℃以下であって、
    前記第２のバッファ層を形成する際の基板温度は、５００℃以上、５５０℃以下であることを特徴とする半導体結晶基板の製造方法。
  14. 前記第２のバッファ層を形成する際の基板温度が、５２０℃以上、５５０℃以下であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体結晶基板の製造方法。
  15. 前記分子線エピタキシーは、固体原料を用いたものであることを特徴とする請求項１３または１４に記載の半導体結晶基板の製造方法。
  16. 前記第１のバッファ層は、ＧａＳｂに、Ｉｎ、Ａｓのいずれかまたは双方を含む材料により形成されており、
    前記第２のバッファ層は、ＧａＳｂに、Ｉｎ、Ａｓのいずれかまたは双方を含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１３から１５のいずれかに記載の半導体結晶基板の製造方法。
  17. 請求項１３から１６のいずれかに記載の半導体結晶基板の製造方法により形成された半導体結晶基板の前記第２のバッファ層の上に、第１の導電型の第１のコンタクト層を形成する工程と、
    前記第１のコンタクト層の上に、超格子構造を有する赤外線吸収層を形成する工程と、
    前記赤外線吸収層の上に、第２の導電型の第２のコンタクト層を形成する工程と、
    を有することを特徴とする赤外線検出装置の製造方法。
  18. 前記第１のコンタクト層は、ｐ型であって、ＧａＳｂを含む材料により形成されており、
    前記赤外線吸収層は、ＧａＳｂとＩｎＡｓとを交互に積層して形成した超格子構造により形成されており、
    前記第２のコンタクト層は、ｎ型であって、ＩｎＡｓを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１７に記載の赤外線検出装置の製造方法。
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