KR102264753B1 - 적외선 검출 소자 - Google Patents

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Abstract

이 적외선 검출 소자는, 버퍼층(InAsSb층)(3)과, 버퍼층(InAs층)(4)과, 광흡수층(InAsSb층)(5)을 구비하고 있다. InAs층의 임계 막 두께 hc는 InAs층의 두께 t와는 hc＜t의 관계를 만족하고 있다. 이 경우, 버퍼층(3)상에 형성된 InAs의 버퍼층(4) 및 InAsSb의 광흡수층(5)의 결정성을 개선시킬 수 있다.

Description

적외선 검출 소자{INFRARED DETECTION ELEMENT}
본 발명은 InAsSb/InAs/InAsSb 구조의 화합물 반도체로 이루어지는 적외선 검출 소자에 관한 것이다.
종래의 적외선 검출 소자는, 특허 문헌 1에 기재되어 있다. 이 적외선 검출 소자는 중간층(InAsSb, GaInSb, AlAs, InAs, GaAs, AlSb, 또는 GaSb)을, 상하의 화합물 반도체층(InSb, InAsSb 또는 InSbN) 사이에 끼는 구조를 가지고 있다. 같은 문헌에 의하면, 이러한 구조의 경우, 중간층을 초격자(超格子) 구조로 하고, 초격자 구조를 구성하는 각 층의 두께를 임계(臨界) 막 두께 이하로 함으로써, 소자 특성을 향상시킬 수 있다는 취지의 지견(知見)이 이루어져 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특개 2009－246207호 공보
그렇지만, 본원 발명자 등은, 상기 종래 기술에 있어서, 중간층이 InAs를 포함하고, 또한 상하의 화합물 반도체층이 InAsSb인 경우에는, 중간층의 막 두께를 임계 막 두께 이하로 하는 것으로는, 소자 특성을 개선시킬 수 없다는 것을 발견했다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 중간층이 InAs이고, 상하의 화합물 반도체층이 InAsSb인 경우에, 뛰어난 검출 특성을 가지는 것이 가능한 적외선 검출 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
종래 기술에 있어서, 중간층을 구성하는 각 층의 두께를, 임계 막 두께 이하로 설정하는 이유는, 각 층에 작용하는 응력(應力)이, 임계 막 두께를 넘으면, 각각의 결정성이 열화된다고 하는 지견에 기초한 것이라고 생각된다. 환언하면, InAs층이 임계 막 두께 이하인 경우, 개개의 InAs층의 결정 결함은 개선 가능하다라고 생각되었다.
그렇지만, 본원 발명자 등은, 종래의 지견과는 달리, 특히, 한쌍의 InAsSb층 사이에 중간층을 끼게 하는 구조인 경우로서, 이 중간층에 있어서 InAs층을 포함하는 초격자 구조를 채용했을 경우, 결정 성장시에 있어서 기저인 InAsSb층과 InAs층의 계면(界面)으로부터 크랙이나 미스 피트(miss fit) 전위 등의 전위 결함 등의 결함이 연장되게 되고, 연장된 결함의 성장은, 얇은 두께의 InAs층에서는 정지시킬 수 없다는 취지를 발견했다. 이에, 초격자 구조를 채용하지 않고, InAs층의 두께를, 임계 막 두께보다도 크게 설정한 결과, 계면으로부터 연장된 결함의 성장이 멈추어, 이들 화합물 반도체층의 결정성을 개선시켜, 검출 특성이 향상되는 것을 발견했다.
즉, 본 발명의 양태에 따른 적외선 검출 소자는, 제1 InAsSb층과, 상기 제1 InAsSb층상에 성장된 InAs층과, 상기 InAs층상에 성장된 제2 InAsSb층을 구비하고, 상기 InAs층의 임계 막 두께 hc와 상기 InAs층의 두께 t는, hc＜t의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 적외선 검출 소자는, 뛰어난 검출 특성을 가지는 것이 가능해진다.
특히, 상기 제1 InAsSb층 및 상기 제2 InAsSb층에 있어서의 As의 조성비 X가, 각각 0.58 이상 1.0 이하인 경우, 더욱 바람직하게는, 0.7 이상 0.9 이하인 경우에는, InAs층 및 제2 InAsSb층의 결정성을 개선하는 것이 가능하다.
또, 상기 InAs층의 두께 t는 t≤2.0㎛를 추가로 만족하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 두께 t가 2.0㎛를 넘는 경우에는, 제조 프로세스 시간이 현저하게 길어져, 양산에 적합하지 않기 때문이다.
본 발명의 적외선 검출 소자는, 뛰어난 검출 특성을 가지는 것이 가능하다.
도 1은 적외선 검출 소자의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 각 층의 재료, 도전형, 불순물 농도, 두께를 나타내는 도표이다.
도 3은 InAsSb/InAs/InAsSb 구조의 단면 TEM 이미지(실시예)를 나타내는 도면이다.
도 4는 InAsSb/(InAsSb/InAs 초격자 구조)/InAsSb 구조의 단면 TEM 이미지(비교예)를 나타내는 도면이다.
도 5는 입사광의 파장(㎛)과 비검출 능력(cm·Hz1 /2/W)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 InAsSb에 있어서의 As의 조성비 X와 InAs층의 임계 막 두께 hc(nm)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 임계 막 두께 hc의 계산식을 설명하기 위한 도표이다.
도 8은 X선 회절 측정을 행하기 위해서 이용한 적층 구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 X선 회절 측정에 있어서의 InAsSb층의 As의 조성비 X와, 록킹 커브의 반값폭 FWHM(arcsec)의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 실시 형태에 따른 적외선 검출 소자에 대해 설명한다. 동일 요소에는, 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 1은 적외선 검출 소자의 단면 구조를 나타내는 도면이다.
이 적외선 검출 소자는 복수의 화합물 반도체층을 구비하고 있고, 반(半)절연성의 반도체 기판(1)상에, 버퍼층(2)과, 버퍼층(3)(제1 InAsSb층)과, 버퍼층(4)(InAs층)과, 광흡수층(5)(제2 InAsSb층)과, 배리어층(6) 및 캡층(7)을 차례로 적층하여 이루어지는 반도체 구조를 구비하고 있다. 이들 각 화합물 반도체층은, 분자선 에피택시(MBE)법에 의해서, 반도체 기판(1)상에 성장한 것이다.
당해 반도체 구조의 일부 영역은, 표면측으로부터 에칭됨으로써, 제거되어 있다. 즉, 캡층(7), 배리어층(6), 광흡수층(5) 및 버퍼층(4)의 일부 영역은, 이들 각 표면으로부터 두께 방향을 따라서 에칭되어 있고, 이 에칭에 의해, 버퍼층(4)의 표면이 노출되어, 메사(mesa) 구조가 형성되어 있다. 또, 비도프(non-dope)로 형성된 반절연성의 버퍼층(2)의 표면도, 그 일부가 노출될 때까지, 소자 사이에 에칭이 실시되어 있어, 제조시에 있어서 인접하는 적외선 검출 소자끼리가 분리되어 있다. 즉, 버퍼층(4)의 표면을 노출시킨 후, 추가로, 적외선 검출 소자를 둘러싸도록 버퍼층(4)및 버퍼층(3)의 에칭을 행하여, 소자간 분리를 행한다. 상술한 에칭에는, 드라이 에칭(dry etching) 및 웨트 에칭(wet etching) 중 어느 것도 채용하는 것이 가능하다.
버퍼층(2)의 표면, 버퍼층(4)의 표면, 반도체 구조의 측면, 캡층(7)의 일부의 표면을 피복하도록, 보호막(8)이 형성되어 있다. 보호막(8)은 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiNx) 등의 무기 절연체로 이루어지고, 각 적외선 검출 소자가 보호됨과 아울러, 티끌이나 먼지 등을 원인으로 하는 인접하는 적외선 검출 소자 사이의 단락을 방지하여, 이들 소자 사이의 절연이 유지된다. 복수의 적외선 검출 소자는, 제조 후에 개별로 분리하여 이용하는 것도 가능하지만, 각 소자 사이의 절연이 유지되고 있기 때문에, 적외선 포토 다이오드 어레이로서 이용하는 것도 가능하다.
보호막(8)의 일부의 영역은 제거되어 있고, 제거에 의해서 형성된 컨택트홀 내에 전극이 형성되어 있다. 즉, 캡층(7)상의 보호막(8)의 컨택트홀 내에 있어서, 제1 전극(9)이 캡층(7)에 접촉하여 형성되어 있고, 버퍼층(4)상의 보호막(8)의 컨택트홀 내에 있어서, 제2 전극(10)이 버퍼층(4)에 접촉하여 형성되어 있다. 전극 재료는, 기판측으로부터 적외선 IR이 입사되는 경우에는, 대상의 화합물 반도체층과 오믹 접촉(omic contact)하는 것이면, 특히 한정되지 않기 때문에, 금(Au)이나 알루미늄(Al) 등의 금속을 이용할 수 있다.
기판과는 반대측으로부터 적외선이 입사되는 경우, 전극 재료는, 대상의 화합물 반도체층과 오믹 접촉하는 것이면, 적외선이 투과하는 재료로 이루어지던지, 또는, 얇은 금속막, 그 외, 그물코나 개구(開口)를 가지는 형상이면, 특히 한정되는 것은 아니다. 이 경우도, 전극 재료로서는, 상술의 금이나 알루미늄 등의 금속을 이용할 수 있다.
상술한 반도체 구조는, 적외선 포토 다이오드를 구성하고 있다. 즉, 반도체 기판(1)의 이면(裏面)측으로부터, 반도체 기판(1), 버퍼층(2, 3, 4)을 차례로 통과하여 광흡수층(5)에 입사된 광은, 광흡수층(5) 내에 있어서 광전 변환되어, 광흡수층(5) 내에 있어서 정공(正孔) 전자쌍이 발생한다. 배리어층(6), 광흡수층(5), 버퍼층(4), 각각의 층의 에너지 밴드 갭 E6, E5, E4의 대소 관계는, E6＞E5, E4＞E5를 만족하고 있다. 배리어층(6)의 격자 상수 a6, 광흡수층(5)의 격자 상수 a5, 버퍼층(4)의 격자 상수 a4는, 예를 들면, a6＜a5, a4＜a5로 할 수 있다.
또한, 표면측으로부터 적외선을 입사시키면, 캡층(7)에서 적외선의 일부가 크게 흡수되어 버리기 때문에, 적외선 IR은 이면측으로부터 입사시키는 것이 바람직하다. 적외선 IR은, 광흡수층(5)보다도 에너지 밴드 갭이 큰 반도체 기판(1), 버퍼층(2, 4)를 투과하여, 광흡수층(5)에 입사될 수 있다. 또한, 적외선 IR은 버퍼층(2)의 통과 후, 광흡수층보다도 두께가 얇은 버퍼층(3)도 투과하지만, 여기에서는 약간의 흡수가 생기기 때문에, 버퍼층(3)은 가능한 한 얇은 쪽이 좋다. 다만, 버퍼층(3)이 너무 얇은 경우에는, 그 위의 버퍼층(4)의 결정성이 열화되기 때문에, 버퍼층(3)의 두께는 0.1㎛ 이상 0.5㎛ 이하인 것이 바람직하다.
광흡수층(5)으로의 적외선 IR의 입사에 따라서, 광흡수층(5) 내에서 발생한 전자는, 이들 에너지 밴드 갭에 의해서 형성된 에너지 준위의 경사에 의해, 배리어층(6) 방향으로는 확산하기 어렵게 되어 있다. 또, 캡층(7) 및 배리어층(6)은 P형이고, 광흡수층(5)은 비도프이며, 버퍼층(4)은 N형이기 때문에, 이들에 의해서, PIN 포토 다이오드가 구성되어 있다. 무바이어스 상태에 있어서는, PIN 포토 다이오드 내부에 있어서, 확산 전위가 발생하여, 캐리어로서의 전자가 부족한 N형의 버퍼층(4)의 포텐셜은 양(positive)으로 대전(帶電)되고, 캐리어로서의 정공이 부족한 P형의 캡층(7) 및 배리어층(6)의 포텐셜은 음으로 대전된다. 따라서 광흡수층(5) 내에 있어서 발생한 전자는, 확산 전위와 에너지 준위의 경사에 의해서, 버퍼층(4) 방향으로 이동하고, 정공은 배리어층(6) 방향으로 이동한다. 이들 캐리어는, 각각 캡층(7) 및 반도체 기판(1)에 접촉한 제1 전극(9) 및 제2 전극(10)에 의해서, 외부로 취출(取出)할 수 있다.
도 2는 각 층의 재료, 도전형, 불순물 농도, 두께를 나타내는 도표이다. InAsSb 및 AlInAsSb에 있어서의 P형의 불순물은 Zn, Be, C 또는 Mg 등을 이용할 수 있고, N형의 불순물은 Si, Te, Sn, S 또는 Se 등을 이용할 수 있다. 구체적인 일례로서는, InAsSb 및 AlInAsSb에 있어서의 P형의 불순물은 Zn이고, InAs에 있어서의 N형의 불순물은 Si이다.
동 도면에 도시하는 것처럼, 각 층의 재료/도전형/불순물 농도/두께는, 이하와 같다.
·캡층(7)：
InAsSb/P형/2×1018~1×1019cm-3/0.5㎛
·배리어층(6)：
AlInAsSb/P형/2×1018~1×1019cm-3/0.02㎛
·광흡수층(5)：
InAsSb/N-형(비도프)/2×1017cm-3 이하/2.0㎛
·버퍼층(4)：
InAs/N형/2×1018~5×1018cm-3/0.5㎛
·버퍼층(3)：
InAsSb/N-형(비도프)/2×1017cm-3 이하/0.5㎛
·버퍼층(2)：
GaAs/반절연형(비도프)/1×1015cm-3 이하/0.2㎛
·반도체 기판(1)：
GaAs/반절연형/1×1015cm-3 이하/250㎛
또한, 각 층의 상술한 각 불순물 농도를 C라고 하면, 0.1×C 이상 10×C 이하의 범위 내에 있어서 불순물 변동이 생겨도, 작용 효과에 큰 변화는 생기지 않기 때문에, 뛰어난 특성의 적외선 검출 소자로서 기능한다고 생각할 수 있다. 바람직하게는 상기 불순물 농도(캐리어 농도)의 범위이다.
여기서, InAsSb로 이루어지는 버퍼층(3)이, InAsX1Sb1 － X1로 이루어지는 경우에 있어서의 As의 조성비 X1와, 광흡수층(5)이 InAsX2Sb1 － X2로 이루어지는 경우에 있어서의 As의 조성비 X2는 동일한 것으로 한다(X1=X2). 또한, X2가 X1에 대해서 ±30%의 오차를 가지고 있어도, 결정 성장상은 큰 차이는 없다.
InAs층으로 이루어지는 버퍼층(InAs층)(4)의 임계 막 두께 hc와 버퍼층(4)의 두께 t는, hc＜t의 관계를 만족하고 있다.
여기서, 임계 막 두께 hc를 구하는 방법에 대해 설명한다.
도 7은 임계 막 두께 hc의 계산식을 설명하기 위한 도표이다.
식 (1)은 더블 헤테로(double hetero) 구조의 중간층의 임계 막 두께에 관한 Matthews의 식 (J. W. Matthews and A. E.Blackeslee, J.Cryst. Growth, 27, 118 (1974) 등에 기재)을 나타내고 있고, 2개 층의 헤테로 계면에서의 전위에 작용하는 힘을 바탕으로 도출되어 있다. 식 (1)에 있어서, hc는 InAs의 임계 막 두께, f는 격자 부정합도, υ는 프아송(poission)비, b는 버거스 벡터(Burgers vector)를 나타내고 있다. 섬아 연광 구조(zinc blende structure)인 경우,
Figure 112016050396307-pct00001
, cosα=1/2, cosλ=1/2로부터, 식 (1)에 대입하여 정리하면 식 (2)가 얻어진다.
실시 형태의 결정 성장 순서를 고려하면, InAs/InAsSb 구조(=싱글 헤테로 구조)에 주목한다. 즉, 성장 도중의 싱글 헤테로 구조에 있어서는, 더블 헤테로 구조와 비교하여, 헤테로 계면이 1개 감소함으로써, 헤테로 계면으로부터 InAs층이 받는 장력이 1/2이 되고, 임계 막 두께는 2배가 된다. 이 경우, 식 (2)는, 식 (3)과 같이 변형된다.
식 (3)에 있어서의 As 조성의 변수는, 격자 부정합도 f이다. InAs 및 InSb 모두 υ=0.35이기 때문에, 그것들의 혼정(混晶)인 InAsSb에 있어서는, As 조성에 의존하지 않고 υ=0.35로 설정할 수 있다.
또, InAsSb의 As 조성 X, InAs의 격자 상수 aInAs, InSb의 격자 상수 aInSb를 이용하면, 격자 상수 a에는, 식 (4)의 a=aInAs가 대입되고, 또, 식 (5)에 의해 격자 부정합도 f가 구해진다. 또한, InAsSb의 격자 상수는 aInAsSb이다. 또, 혼정인 InAsSb의 격자 상수 aInAsSb는 베가드 법칙으로부터, 식 (6)과 같이 구해진다. 식 (3)에 식 (4)~식 (6)의 값을 대입하면 As 조성도 고려한 임계 막 두께 hc가 얻어진다.
여기서, InAs의 임계 막 두께 hc＜두께 t인 경우, 적외선 검출 소자는, 노이즈가 적은(비검출 능력이 높은), 뛰어난 검출 특성을 가지는 것이 가능해진다. 왜냐하면, InAsSb/InAs/InAsSb 구조의 적외선 검출 소자에 있어서는, InAs층과 기저인 InAsSb층의 계면으로부터 연장되는 결정 결함의 성장을 정지시킬 수 있기 때문이다. 따라서 중간층인 버퍼층(4)(InAs층)의 두께를, 임계 막 두께 hc보다도 크게 설정 함으로써, 이들 화합물 반도체층의 결정성을 개선하여, 검출 특성을 향상시키기 때문이다. 또, 버퍼층(4)의 두께 t는, 디바이스 프로세스를 용이하게 하기 위해서, 0.5㎛≤t인 것이 바람직하고, t≤2.0㎛인 것이 바람직하다. 즉, 두께 t가 2.0㎛를 넘는 경우에는, 제조 프로세스 시간이 현저하게 길어져, 양산에는 부적합하게 된다.
다음으로, InAs층의 임계 막 두께 hc에 대해서, 추가로 설명한다.
도 6은 InAsSb에 있어서의 As의 조성비 X와 상술한 식에 의해 구해진 InAs층의 임계 막 두께 hc(nm)의 관계를 나타내는 그래프이다.
As의 조성비 X가 증가하면, 특히, X=0.4 이상인 경우에는, hc는 급격하게 증가한다. X=0.8인 경우에는, hc=30nm이고, X=0.9인 경우에는 hc=70%가 된다. 버퍼층(3) 및 광흡수층(5)의 As의 조성비 X가 모두 0.85인 경우에는, 후술과 같이, 버퍼층(4) 및 광흡수층(5)의 결정성이 확실히 개선된다는 취지가 확인되었다.
또, 상술한 각 층(InAsSb, AlInAsSb, InAsSb)에 있어서의 As의 조성비를 X, Sb의 조성비를 1－X라고 하면, 캡층(7), 배리어층(6), 광흡수층(5) 및 버퍼층(3)에 있어서, X=0.85로 설정하는 것이 바람직하다. X의 값은, 결정성의 개선 효과의 관점으로부터, 0.58 이상 1.0 이하인 경우가 바람직하고, 0.7 이상 0.9 이하인 경우가 더욱 바람직하다. 이 경우, 적어도 광흡수층(5)(InAsSb층)의 결정성을 개선하는 것이 가능하다.
도 8은 X선 회절 측정을 행하기 위해서 이용한 적층 구조를 나타내는 도면이다. (A)에서는 GaAs 기판상에 InAsXSb1 －X를 형성한 구조가 도시되어 있고, (B)에서는 GaAs 기판상에, InAsXSb1 －X, InAs, InAsXSb1 －X를 차례로 적층한 구조를 도시하고 있다. 각 층의 제조 조건은, 후술의 실시예와 동일하다.
도 9는 X선 회절 측정에 있어서의 InAsSb층의 As의 조성비 X와, InAsSb층으로부터의 X선 회절의 록킹 커브 반값폭 FWHM(arcsec)와의 관계를 나타내는 그래프이다. 사각 심볼은 도 8의 (A) 구조의 그래프이며, 다이아 심볼은 도 8의 구조 (B)의 그래프이다. 또한, 동 그래프에서는, X=0.58, 0.85, 1.00로 변화시켰다.
X가 적어도 0.58 이상 1.0 이하인 경우에는 FWHM는 작아지고, InAsSb층의 결정성이 개선되는 것을 알 수 있다. 0.7 이상 0.9 이하인 경우, FWHM는 작아지고, InAsSb층의 결정성이 개선되는 것을 알 수 있다.
또, 광흡수와 결정성에 영향을 주는 버퍼층(3) 및 버퍼층(4)의 두께를 제외하고, 광흡수층(5)이 적절한 두께이면(117nm보다도 크면), 각 층의 상술한 각 두께를 d라고 하면, 0.2×d 이상 5×d 이하의 범위 내에 있어서 두께 변동이 생겨도, 작용 효과에 큰 변화가 생기는 이유가 적기 때문에, 뛰어난 특성의 적외선 검출 소자로서 기능한다.
다음으로, 버퍼층(3) (InAsSb층) 상에 성장된 버퍼층(4)(InAs층) 및 광흡수층(5)(InAsSb층)의 결정성 개선 효과에 대해 설명한다.
(실시예)
GaAs로부터는 반도체 기판(1)상에, MBE법을 이용하여, 도 2에 도시한 대로의 화합물 반도체층을 적층했다. MBE법에서는, 원료 공급용의 감과가 배치된 진공 용기 내에 기판을 배치하고, 각 층을 구성하는 각 원소를 각각 독립된 감과 내에 넣어 두고, 이들을 가열함으로써, 각 원소를 각 층에 동시에 공급하고, 각 층을 기저층상에 성장시킨다. 불순물을 첨가하는 경우는, 도펀트(dopant)가 되는 불순물(Zn 또는 Si등 )을, 성장 중인 각 층에 공급한다. 비도프의 반도체층을 성장시키는 경우에는, 불순물은 공급하지 않는다. 또한, 불순물을 공급하지 않는 경우에는, 반도체층의 결정성이 향상된다. 도 2의 구조에 있어서, GaAs의 성장 온도는 690℃, InAsSb의 성장 온도는 610℃, InAs의 성장 온도는 620℃, AlInAsSb의 성장 온도는 630℃로 설정했다. 또, X=0.85이고, AlInAsSb층에 있어서의 Al의 조성비는 0.3으로 했다. 각 층의 성장 후에, 상술한 에칭 및 SiO2로 이루어지는 보호막(8)의 형성을 행하고, 추가로, Al의 전극(9, 10)을 캡층(7) 및 버퍼층(4)상에 형성했다.
또한, 각 반도체층은, MOVPE(금속 유기 기상 에피택시)법을 이용해도 형성할 수 있다.
(비교예)
비교예의 전(前)단층의 실험으로서, 반절연성의 GaAs 기판상에, 직접, MBE법으로 InAsSb층을 형성했을 경우, 단면 TEM 이미지(투과형 전자 현미경 이미지)를 관찰하면, 실시예와 비교하여 매우 많은 미스 피트 전위 등의 전위 결함이 관찰되었다. 이 결함은, 기판과 InAsSb층의 계면으로부터 경사 방향으로 연장되어 있었다. 이 구조는, 버퍼층을 전혀 이용하지 않기 때문에, 예상되는 결과이다. 이에, 임계 막 두께 hc 이하가, 바람직하다고 여겨지는 상술한 종래 기술의 문헌과 마찬가지인 구조를, 비교예로서 제조했다.
즉, 실시예에 있어서의 중간층으로서의 InAs의 버퍼층(4) 대신에, 임계 막 두께 이하의 InAs층과 InAsSb층을 복수 이용한 구조를 형성했다. 환언하면, 비교예에서는, 버퍼층(4) 대신에, 두께 200nm(=0.2㎛)의 초격자 버퍼층(InAsSb/InAs 쌍을 5개 적층한 구조：합계 10층으로 각 층의 두께는 20nm)을 채용했다. AlInAsSb, GaAs, InAsSb 및 InAs의 형성 방법, 불순물 농도, 성장 온도는 실시예와 동일하지만, 두께는 이하와 같이 설정했다. 각 층의 재료/도전형/두께는, 이하와 같다.
·캡층(7)：
InAsSb/P형/0.5㎛
·배리어층(6)：
AlInAsSb/P형/0.02㎛
·광흡수층(5)：
InAsSb/N-형(비도프)/2.0㎛
·버퍼층：
InAsSb/N형/1.0㎛
·버퍼층(4)：
상기대로의 초격자 버퍼층
·버퍼층(3)：
InAsSb/N-형(비도프)/0.3㎛
·버퍼층(2)：
GaAs/반절연형(비도프)/0.2㎛
·반도체 기판(1)：
GaAs/반절연형/250㎛
또한, 그 외의 조건은, 실시예와 동일하게 했다.
(실험 결과)
도 3은 실시예에 따른 InAsSb/InAs/InAsSb 구조의 단면 TEM 이미지를 나타내는 도면이고, 도 4는 비교예에 따른 InAsSb/(InAsSb/InAs 초격자 구조)/InAsSb 구조의 단면 TEM 이미지를 나타내는 도면이다.
실시예에 있어서는, InAsSb층(버퍼층(3)) 상에 형성된 InAs층(버퍼층(4)) 및 InAsSb층(광흡수층(5))의 결정성은, 비교예보다도, 개선되어 있다. 즉, 각 층이 임계 막 두께 이하의 InAs/InAsSb 초격자를 이용했을 경우보다도, 초격자를 이용하지 않고, 두께가 임계 막 두께보다도 큰 실시예의 쪽이, 버퍼층(4) 및 광흡수층(5)의 결정성이 향상되어 있다.
비교예의 단면 TEM 이미지를 관찰하면, 초격자를 구성하는 각 층의 두께가 얇기 때문에, 결정 결함의 성장이 정지되지 않고, 초격자층의 전체를 관통하고 있는 것을 알 수 있다. 종래, 임계 막 두께를 넘는 경우에는, 결정성이 열화된다고 하는 당업자의 상식에 기초하여, 각 층의 두께를 얇게 형성하는 것이 행해졌지만, 본원 발명자 등은, 종래법에 준한 비교예의 방법에 의하면, 각 InAs층의 결정성의 열화는, 개개에는 억제되지만, 전체적으로는, 결정 결함의 성장을 정지시킬 수 없다는 취지를 발견했다. 이에, 임계 막 두께를 넘는 InAs층을 이용함으로써, 결정 결함의 성장을 정지시키는 것을 찾아냈다.
도 3의 단면 TEM 이미지를 관찰하면, 각 층의 성장 과정에 있어서의 상태를 대략 파악할 수 있다. 즉, 하측의 버퍼층(3)(InAsSb층)과 버퍼층(4)(InAs층)의 계면으로부터, 대략 42nm이하에서는, 결정성이 열화되어 있지만, 이것을 넘으면, 결정성이 현저하게 개선되어 있다. 즉, InAs층의 두께가, 적어도, 대략 42nm보다도 크면, 결정성이 개선된다는 것을 알 수 있다. 이 대략 42nm라고 하는 값은, 계산상 구해지는 임계 막 두께 hc=44.2nm와 거의 일치한다. 즉, 적어도, InAs층의 두께가 임계 막 두께 hc보다도 크면, InAs층 및 그 위의 InAsSb층의 결정성의 개선 효과가 얻어지는 것을 알 수 있다.
또, 도 3의 단면 TEM 이미지를 추가로 관찰하면, InAs층/InAsSb층의 계면으로부터, 각각, 60nm의 위치, 95nm의 위치, 258nm의 위치까지 연장된 전위 결함이 관찰된다. 따라서 InAs층의 두께는, 60nm(=hc×1.357)보다도 크고, 95nm(=hc×2.149)보다도 크거나, 또는, 258nm(=hc×5.837)보다도 큰 쪽이, 더욱 바람직하다. 즉, 두께가 증가함에 따라서, InAs층의 성장면에 있어서의 결함 밀도가 감소하기 때문이다.
또, 광흡수층(5)이 되는 상부의 InAsSb층은, InAs층과의 계면으로부터 117nm의 위치까지의 결정성이 열화되어 있기 때문에, 광흡수층(5)의 두께는 117nm보다도 큰 쪽이 바람직하다.
도 5는 입사광(적외선)의 파장(㎛)과, 적외선 검출 소자의 비검출 능력(cm·Hz1/2/W)과의 관계를 나타내는 그래프이다. 비검출 능력은 적외선 검출 소자의 단위면적당 감도를 나타내고 있다.
동 그래프로부터 분명한 것처럼, 적외선의 파장 2.0㎛~5.8㎛의 범위에 있어서, 실시예의 비검출 능력은, 비교예의 비검출 능력보다도 높은 값을 나타내고 있다. 또, 실시예의 비검출 능력은, 파장 3.0~4.0㎛ 사이에 있어서, 거의 일정한 값이 되고, 최대치는 2.0×109(cm·Hz1 /2/W) 이상이다.
이상과 같이, 전기 특성의 관점으로부터도, 실시예의 적외선 검출 소자는, 비교예의 적외선 검출 소자보다도 우수한 것이 판명되었다. 또한, 상술의 적외선 소자에 있어서, 특성에 큰 영향을 주지 않는 정도의 불순물이나 화합물 반도체를 이용해도 된다. 또한, 상술한 적외선 검출 소자는, 실온 동작 가능한 센서로서 각종 용도에 이용할 수도 있다.
1 … 반도체 기판, 2 … 버퍼층,
3 … 버퍼층, 4 … 버퍼층,
5 … 광흡수층, 6 … 배리어층,
7 … 캡층, 8 … 보호막,
9, 10 … 전극, IR … 적외선.

Claims (4)

  1. 적외선 검출 소자에 있어서,
    제1 InAsSb층과,
    상기 제1 InAsSb층상에 성장된 InAs층과,
    상기 InAs층상에 성장된 제2 InAsSb층을 구비하고,
    상기 InAs층의 임계 막 두께 hc와 상기 InAs층의 두께 t는,
    hc＜t의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 InAsSb층 및 상기 제2 InAsSb층에 있어서,
    As의 조성비를 X, Sb의 조성비를 1-X라고 하고,
    상기 제1 및 상기 제2 InAsSb층을 InAsXSb1-x로 나타낸 경우,
    X는 각각 0.58 이상 1.0 이하인, 것을 특징으로 하는 적외선 검출 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 InAsSb층 및 상기 제2 InAsSb층에 있어서,
    As의 조성비를 X, Sb의 조성비를 1-X라고 하고,
    상기 제1 및 상기 제2 InAsSb층을 InAsXSb1-x로 나타낸 경우,
    X는 각각 0.7 이상 0.9 이하인, 것을 특징으로 하는 적외선 검출 소자.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 InAs층의 두께 t는,
    t≤2.0㎛를 추가로 만족하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 소자.
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