KR20130100883A - 수광 소자, 광학 센서 장치 및 수광 소자의 제조 방법 - Google Patents

수광 소자, 광학 센서 장치 및 수광 소자의 제조 방법 Download PDF

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다카시 이시즈카
가츠시 아키타
야스히로 이구치
히로시 이나다
요우이치 나가이
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

타입 2의 MQW에 있어서, 전체적으로 감도를 향상시키면서, 단파장 측의 감도가 떨어지는 것을 방지할 수 있는 수광 소자 등을 제공한다. III-V족 화합물 반도체의 기판(1) 상에 형성되며, 화소(P)를 갖고, 기판(1) 위에 위치하는 타입 2의 MQW의 수광층(3)을 구비하며, MQW는 2개의 상이한 III-V족 화합물 반도체층(3a, 3b)을 쌍으로 하여 50쌍 이상을 포함하고, 쌍을 이루는 2개의 상이한 III-V족 화합물 반도체층 중, 가전자대의 포텐셜이 높은 쪽의 층(3a)의 막 두께를 다른 쪽의 층(3b)의 막 두께보다 얇게 하는 것을 특징으로 한다.

Description

수광 소자, 광학 센서 장치 및 수광 소자의 제조 방법{LIGHT RECEIVING ELEMENT, OPTICAL SENSOR DEVICE, AND METHOD FOR MANUFACTURING LIGHT RECEIVING ELEMENT}
본 발명은 III-V족 화합물 반도체의 수광 소자, 광학 센서 장치 및 수광 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 근적외의 장파장역에까지 수광 감도를 갖도록 구성된 타입 2의 다중 양자 우물 구조(MQW: Multiple-Quantum Well)를 수광층에 포함하는, 수광 소자, 광학 센서 장치 및 수광 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
비특허문헌 1에는, III-V족 화합물 반도체의 InP 기판 상에, 그 InP 기판에 격자 정합하는 InGaAs/GaAsSb의 타입 2의 MQW가 수광층으로서 형성된 포토다이오드가 개시되어 있다. 이 MQW는 두께 5 ㎚의 InGaAs와 두께 5 ㎚의 GaAsSb를 쌍으로 하여, 반복수 150(쌍수 150)으로 구성되어 있다. 비특허문헌 1의 포토다이오드에서는 컷오프 파장 2.39 ㎛ 정도를 얻을 수 있다.
상기한 수광 소자는, 수광층을 기준으로 하여 InP 기판과 반대측의 캡층을 p 도전형으로 하고, InP 기판을 n 도전형으로 하며, 광 입사는 InP 기판의 이면측에서 이루어지는 구조를 취한다.
또한, 비특허문헌 2에는, 상기와 같은 구조의 포토다이오드에 대해서 감도의 파장 의존성이 개시되어 있다. 감도는 파장에 대하여 평탄하지 않고, 강한 파장 의존성을 보인다.
R. Sidhu, et.al. "A Long-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells", IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.12(2005), pp.2715-2717 R. Sidhu, et.al. "A 2.3 ㎛ CUTOFF WAVELENGTH PHOTODIODE ON InP USING LATTICE-MATCHED GaInAs-GaAsSb TYPE-II QUANTUM WELLS", International Conference on Indium Phosphide and Related Materials(2005), pp.148-151
상기 타입 2의 InGaAs(두께 5 ㎚)/GaAsSb(두께 5 ㎚)의 MQW를 갖는 포토다이오드의 감도는 파장 2.3 ㎛ 부근의 장파장 측에서는 비교적 높지만, 파장 1.5 ㎛ 부근에서 크게 저하된다. 이 파장 1.5 ㎛ 부근에서 감도가 떨어지는 것은 스펙트럼 해석 등에 있어서 바람직하지 못하다. 감도는 전체 파장역에 걸쳐 평탄한 것이 바람직하다. 단, 감도는 저위 안정은 바람직하지 않으며, 정해진 레벨 이상이면서 파장에 대하여 평탄하거나 혹은 변동한다고 하여도 완만한 것이 좋다.
본 발명은 타입 2의 MQW를 갖는 수광 소자에 있어서, 수광 가능한 전체 파장역에 걸쳐 감도를 향상시키면서, 단파장역에서 감도가 떨어지는 것을 방지할 수 있는 수광 소자, 그 수광 소자를 이용한 광학 센서 장치 및 수광 소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 한편, 수광 소자는 단일 화소의 소자라도 좋고, 일차원 또는 이차원으로 어레이화된 소자라도 좋다.
본 발명의 수광 소자는 III-V족 화합물 반도체의 기판 상에 형성되며, 화소를 갖는다. 이 수광 소자는, 기판 상에 위치하는 타입 2의 MQW의 수광층을 구비하고, MQW는 2개의 상이한 III-V족 화합물 반도체층을 쌍으로 하여 50쌍 이상을 포함하며, 쌍을 이루는 2개의 상이한 III-V족 화합물 반도체층 중, 가전자대의 포텐셜이 높은 쪽의 층의 막 두께를 다른 쪽의 층의 막 두께보다 얇게 하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 수광층에서 수광(광흡수)이 일어나면, 가전자대의 전자가 전도대에 여기되고, 가전자대에는 공공(空孔)이 생긴다. 즉, 수광에 의해서 전자·공공 쌍이 형성된다. 상기한 수광이 정해진 화소에서 생겼음을 검지하기 위해서는, 전자는 n측 전극에, 공공은 p측 전극에 도달해, 전하 또는 전류로서 검지될 필요가 있다. 그리고, n측 전극 및 p측 전극의 어느 한쪽은 화소마다 배치될 필요가 있다.
전자는 전도대를 이동해서 n측 전극에, 또한 정공은 가전자대를 이동해서 p측 전극에 도달함으로써, 상기 전하 또는 전류가 검지된다. 각 캐리어(전자, 정공)의 이동 속도를 어림할 때, 이제부터 설명하는 바와 같이 유효 질량의 크기가 크게 영향을 준다. 화합물 반도체에 있어서의 전자의 전도대에서의 유효 질량은 0.05 m(m: 자유 전자의 질량) 정도인 데 반해, 가전자대에서의 정공(무거운 쪽의 정공)의 유효 질량은 커, 예컨대 전자의 10배 정도 이상이다.
타입 2의 MQW의 수광의 특유한 현상은 다음의 점에 있다. 즉, 타입 2의 MQW에 있어서 장파장 측의 수광에서는, 정공은 가전자대가 높은 쪽의 층(이하, 높은 쪽의 층)에 생긴다. 이웃 층[가전자대가 낮은 쪽의 층(이하, 낮은 쪽의 층)]의 가전자대가 높은 쪽의 층의 가전자대에 대하여 우물형의 장벽을 형성한다. 이 때문에, 수광으로 생긴 정공은 전자에 비해서 유효 질량이 상기한 바와 같이 매우 큰 데에 더하여, 이웃의 낮은 쪽의 층에 의한 포텐셜 장벽에 의해서 이동의 저항을 받는다.
타입 2의 MQW에서는, 장파장 측의 빛의 수광은, 높은 쪽의 층과 낮은 쪽의 층의 계면에서 생긴다. 높은 쪽의 층의 가전자대의 전자는 낮은 쪽의 층의 전도대에, 소 에너지의 광(보다 긴 파장의 빛) 흡수로 여기된다. 보다 장파장 측으로의 수광 감도의 확대를 위해, 타입 2의 MQW가 이용되는 이유는 여기에 있다. 이 때문에 타입 2의 MQW에서는, 정해진 수 이상의 쌍수(계면수)가 없으면, 장파장역의 감도를 실용 레벨 이상으로 할 수 없다. 그러나, 너무 쌍수를 많게 하면 MQW의 총 두께가 과대하게 되어, 정공의 p측 전극으로의 도달을 저해하여, 역으로 감도를 저하시킨다. 정공이 MQW 내부를 이동하는 도중에 소멸하여 p측 전극에 도달할 수 없기 때문이다. 본 발명에서는, 쌍수를 50 이상으로 한다. 상한은 특별히 설정하지 않지만, 정공 소멸의 큰 요인이 되지 않을 정도, 예컨대 700 이하로 하는 것이 좋다.
수광 소자에 있어서, 이하의 2개의 배치 구성 (F1)과 구성 (F2)은 모든 경우의 배치 구성을 커버하지만, 관점의 정리를 위해 분류하고 있다. 어느 경우의 배치 구성에 대해서도 본 발명은 유익한 효과를 미친다.
(F1) 입사면과 p측 전극이 MQW를 사이에 두는 위치 관계인 경우, 단파장 측의 빛은 입사면에 가까운 위치의 MQW 단부에서 수광되는 경향이 강하다. 이 때문에, 생긴 정공·전자 중 정공은 MQW의 거의 전체 두께를 이동하지 않으면 p측 전극에 도달할 수 없다. 정공은 MQW를 이동하는 도중에 소멸하는 비율이 많아지고, 이 결과, 감도는 저하한다. 단파장의 빛일수록 MQW 내의 p측 전극으로부터 먼 위치에서 수광되어, 정공이 생기는 경향이 있기 때문에, 정공의 이동 도중의 소멸에 의한 감도 저하는 단파장에서 일어나기 쉽다.
(F2) 입사면과 n측 전극이 MQW를 사이에 두는 위치 관계인 경우, p측 전극은 입사면과의 사이에 MQW를 두지 않고서, 입사면 근처에 위치한다. 수광으로 생긴 전도대의 전자는 MQW의 거의 전체 두께를 이동하지 않으면 n측 전극에 도달할 수 없다. 전자는 거의 MQW의 전층을 이동해야 하지만, 유효 질량이 정공에 비해서 10배 정도 작기 때문에, 이동하기 쉬워 감도 저하에 미치는 영향은 그다지 크지는 않다. 그러나, 수광이 MQW의 단부가 아니라 MQW의 두께 중심 부근에서 생긴 경우, 거기에서 생긴 정공은 다수의 MQW 층을 이동하지 않으면, p측 전극에 도달하지 않기 때문에, 역시 감도 저하의 원인이 된다.
(F2)의 경우는, (F1)의 경우에 비해서, 단파장역의 감도 저하에 미치는 영향은 크지 않을지도 모르지만, 그렇다 해도, 정공의 MQW 이동 도중의 소멸에 의한 감도 저하는 명확히 있으며 무시할 수 없다.
상기한 (F1) 및 (F2) 양쪽의 배치 구성에 있어서, 50쌍 이상을 유지하면서 높은 쪽의 층의 두께를 작게 하면, 다음의 효과 (e1)∼(e3)을 얻을 수 있다. 한편, 이후의 설명에 있어서, 파장 한계는 긴 파장 쪽의 한계를 가리키는 것으로 한다.
(e1) 타입 2의 MQW에 있어서 수광 가능한 파장 한계는, 높은 쪽의 층의 가전자대의 기저 상태의 에너지와, 낮은 쪽의 층의 전도대의 기저 상태의 에너지와의 차에 의해서 결정된다. 일반적으로, 양자 우물층의 두께를 얇게 하면, 전자에 대한 기저 상태의 에너지는 크게 상승하지만, 정공에 대한 기저 상태의 에너지 상승은 작다. 그 이유는, 전자 또는 정공의 에너지 준위에 대하여 유효 질량이 크게 영향을 미쳐, 유효 질량이 크면 에너지 준위는 낮고, 기저 상태의 에너지 레벨도 낮기 때문이다. 높은 쪽의 층(그 가전자대에 정공이 생성됨)의 두께를 얇게 하고, 낮은 쪽의 층(그 전도대에 전자가 생성됨)의 두께를 정해진 레벨 이상으로 하면, 수광 가능한 파장 한계는 거의 변화하지 않는다.
그 파장 한계를 포함하는 파장역의 감도에 대해서는, 50쌍 이상의 MQW로 함으로써, 높은 감도를 유지할 수 있다.
(e2) 수광 대기 상태에서는, 양쪽 전극 사이에 역바이어스 전압을 인가하여, MQW 내에 전계를 형성한다. 정공 및 전자는 이 전계에 의해서 구동되어 MQW 내부를 이동한다. 본 발명과 같이, MQW의 총 두께를 얇게 함으로써, 일정한 바이어스 전압에 의해서 MQW 내에 생기는 전계의 강도를 높일 수 있다. 이 전계 강도의 향상에 의해서 정공의 소멸을 억제하여 감도를 높일 수 있다.
(e3) 상기 정공의 소멸 억제 작용은, 수광된 빛의 파장에 상관없이 유효하다. 정해진 쌍수 이상을 확보하면서 MQW의 총 두께를 얇게 함으로써, 상기 (F1)과 같은 정공의 MQW 내에서의 소멸을 경감할 수 있고, 그 결과, 특히 단파장 측에서의 감도 저하를 방지하는 데에 유효하다. 이에, 감도는 파장에 대하여 평탄하거나 혹은 완만한 변동을 보이게 된다.
가전자대의 포텐셜이 높은 쪽의 층의 막 두께를, 다른 쪽의 층의 막 두께보다 1 ㎚ 이상 얇게 할 수 있다. 이에 따라, 쌍수를 정해진 수 이상 확보하면서, MQW의 총 두께를 확실하게 얇게 할 수 있다. 이 결과, 파장 한계 이하의 전체 파장역에서 감도를 높일 수 있다. 특히, 상기 (F1)의 경우에 p측 전극에 대하여 먼 단부에서 수광이 생기기 쉬운 단파장역의 빛의 감도를 향상시킬 수 있다.
수광층 위에 위치하는 캡층을 구비하고, 이 캡층에 있어서의 화소의 영역은 p 도전형이며, 기판의 이면을 광입사면으로 할 수 있다. 이 경우, p측 전극은 p 도전형의 화소 상에 위치한다. 수광으로 생긴 정공은 p측 전극을 향해 가전자대를 이동하고 있는 사이에 소멸하기 쉽다. 이 결과, 감도는 저하된다. 특히 기판에 가까운 MQW의 단부에서 수광이 생긴 경우, 거기서 생긴 정공은 MQW의 거의 전체 두께를 이동하지 않으면 감도에 기여하지 않는다. 상기한 바와 같이, 본 발명에서는, 수광 가능한 파장 한계에 큰 영향을 주는 일없이, MQW의 총 두께를 작게 할 수 있다. 이 결과, 특히 MQW의 상기한 단부에서 수광되기 쉬운 단파장 측의 광의 감도를 향상시킬 수 있다.
InP 기판을 이용하는 경우, 기술 실적이 많이 누적되어 있는 p형 불순물의 Zn의 취급 용이성, 및 화소의 전극에 대한 판독 회로(ROIC: Read Out IC)의 배치 용이성의 2가지 이유에서 기판의 이면 입사로 하는 것이 보통이다. 이 때문에, 상기한 배치로 하는 경우가 많다. 즉, 상기 (F1)의 배치 구성인 경우가 많다. n측 전극은 접지 전극이 된다.
수광층 위에 위치하는 캡층을 구비하고, 이 캡층에 있어서의 화소의 영역은 n 도전형이며, 이 캡층 측으로부터 빛을 입사할 수 있다. 이 경우, p측 전극은 접지 전극이 된다. 입사된 빛은 통상 입사하여 곧바로 수광되기 때문에, 정공은 MQW의 거의 총 두께를 이동하여 p측 전극에 도달하지 않으면 감도에 기여할 수 없다. 특히 단파장 측의 빛은 MQW로 들어와 곧바로 수광되기 쉽기 때문에, 감도에 기여하지 않는 경향을 일으킨다. 그러나, 본 발명에서는, 수광 가능한 파장 한계에 큰 영향을 주는 일없이, 또한 장파장 측의 감도를 유지하면서, MQW의 총 두께를 얇게 하기 때문에, 상기 정공의 MQW 이동 도중의 소멸 빈도를 저하시켜, 감도를 유지할 수 있다. 특히 단파장 측의 감도 저하의 방지에 유효하다.
기판을 InP 기판으로 할 수 있다. 이에 따라, 많은 사용 실적이 있는 InP 기판을 이용하여, 근적외역에 감도를 지니고, 양호한 결정성에 의해 암전류가 적은 수광 소자를 얻을 수 있다.
가전자대의 포텐셜이 높은 쪽의 층이 Ga, As 및 Sb를 포함할 수 있다. 이에 따라, 가전자대의 포텐셜이 높은, GaAsSb, GaAsSbN, GaAsSbP 등의 III-V족 화합물 반도체층을 형성할 수 있다. 특히 InP 기판을 이용한 경우, 격자 정합성이 양호하기 때문에, 암전류가 낮은 고품위의 수광 소자를 얻을 수 있다.
MQW를, InxGa1 - xAs(0.38≤x≤0.68)와 GaAsySb1 -y(0.36≤y≤0.62)의 쌍으로 구성되는 타입 2의 MQW로 할 수 있다.
이에 따라, 수광 가능한 파장 한계가 2.5 ㎛ 이상이며 3 ㎛에 가까운 범위까지를 커버할 수 있는 고품질의 수광 소자를 얻을 수 있다.
수광 소자는 파장 1500 ㎚의 광에 대한 감도가 0.5 A/W 이상이 되도록 할 수 있다.
이에 따라, 단파장 측의 감도가 과소하기 때문에 스펙트럼 해석 등의 정보 처리 등에 지장을 초래하는 일이 없게 된다.
MQW의 상면과 캡층의 저면 사이에 재성장 계면을 갖지 않도록 하는 것이 좋다.
재성장 계면에는, 산소나 탄소 등의 불순물이 농축되기 때문에, 재성장 계면 상에 형성된 에피택셜층의 결정성을 열화시켜, 암전류의 증대 등을 가져온다. 상기한 부분에 재성장 계면을 갖지 않음으로써, 양호한 결정층을 얻을 수 있어, 암전류를 저감시킬 수 있다.
본 발명의 광학 센서 장치는 상기한 어느 한 수광 소자를 이용한 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 근적외역에 감도를 지니고, 암전류가 낮은 고품위의 수광 소자를 이용하여, 생체, 환경 등, 지금까지 냉각 장치 없이는 센싱이 불가능했던 분야에서 상온 사용이 가능한 소형의 장치를 제공할 수 있다. 만일 냉각 장치가 필요한 경우, 그를 위한 전원 또는 액체 질소 등의 공급이 필요하게 된다. 이 때문에, 사이즈, 냉각 유지, 냉각 유지를 위한 비용 등의 점에서 큰 제약을 주게 된다. 본 발명에서는, 이러한 이유로 불가능했던 분야에서 고정밀도의 센싱을 가능하게 한다.
본 발명의 수광 소자의 제조 방법은 III-V족 화합물 반도체의 기판 상에 형성되며 화소를 갖는 수광 소자를 제조한다. 이 제조 방법은 기판 상에 타입 2의 MQW의 수광층을 성장시키는 공정을 포함하고, 그 타입 2의 MQW에서는, III-V족 화합물 반도체의 제1층 및 제2층을 쌍으로 하여, 제1층의 가전자대의 포텐셜이 제2층의 가전자대의 포텐셜보다 높고, MQW의 성장 공정에서는, 제1층의 두께를 제2층의 두께보다 얇게 하여, 쌍을 50쌍 이상 적층하는 것을 특징으로 한다.
상기한 방법에 의해서, 수광 가능한 파장 한계를 크게 바꾸지 않고서, 감도가 높은 수광 소자를 간단하게 얻을 수 있다.
MQW의 성장 공정 이후에, III-V족 화합물 반도체를 포함하는 층을 형성하는 공정을 더 포함하고, MQW를 형성하는 공정과 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 층을 형성하는 공정 사이에, 재성장 계면을 형성하는 공정이 포함되지 않도록, MQW의 성장 시작부터 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 층의 성장 종료까지, 전(全)유기금속 기상 성장법(전유기 MOVPE법)에 의해 동일한 성장조 내에서 성장시킬 수 있다.
이에 따라, 결정성이 우수한 적층체를 MQW 상에 형성할 수 있다.
본 발명의 반도체 소자 등에 따르면, 타입 2의 MQW를 이용하여, 수광 가능한 전체 파장역에 걸쳐 감도를 향상시키면서, 단파장역에서 감도가 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시형태에 있어서의 수광 소자를 도시하는 도면이다.
도 1b는 도 1a의 수광 소자의 수광층을 구성하는 MQW를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 기술 내용을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 본 실시형태의 수광 소자가 수광할 때의 MQW의 밴드 구조를 도시하는 도면이다.
도 3b는 종래의 수광 소자가 수광할 때의 MQW의 밴드 구조를 도시하는 도면이다.
도 4는 전유기 MOVPE법의 성막 장치의 배관 계통 등을 도시하는 도면이다.
도 5a는 유기 금속 분자의 흐름과 온도의 흐름을 도시하는 도면이다.
도 5b는 기판 표면에 있어서의 유기 금속 분자의 모식도이다.
도 6은 도 1a의 수광 소자의 제조 방법의 흐름도이다.
도 7은 화소가 복수 배열된 본 발명의 수광 소자를 포함하는 광학 센서 장치이다.
도 8은 실시예 1에 있어서의 각 시험체의 PL 피크 파장(중앙값)의 측정 결과를 도시하는 도면이다.
도 9는 실시예 2에 있어서의 각 시험체의 감도 R에 미치는 MQW의 총 막 두께 및 파장의 영향(측정 결과)를 도시하는 도면이다.
도 1a는 본 발명의 실시형태에 있어서의 수광 소자(50)를 도시하는 도면이다. 수광 소자(50)는 InP 기판(1) 위에, 다음의 구성을 갖는 InP계 반도체의 적층 구조(에피택셜 웨이퍼)를 갖는다. 도 1a에서는, 광이 InP 기판(1)의 이면 측에서 입사되는 구조이다. 단, 에피택셜 측에서 입사되는 구조를 취할 수도 있다.
[n형 InP 기판(1)/n형 InP 버퍼층(두께 150 ㎚)(2)/타입 2(InGaAs/GaAsSb) MQW의 수광층(3)/InGaAs 확산 농도 분포 조정층(4)/InP 캡층(5)]
p형 영역(6)은 InP 캡층(5)의 표면으로부터 MQW의 수광층(3)에까지 닿도록 위치한다. 이 p형 영역(6)은 SiN막의 선택 확산 마스크 패턴(36)의 개구부로부터, p형 불순물의 Zn이 선택 확산됨으로써 형성된다. 상기 SiN막의 선택 확산 마스크 패턴(36)을 이용하여 확산시킴으로써, 수광 소자(50) 주연부의 내측에, 평면적으로 보아 주위 한정되어 Zn이 확산 도입된다. p형 영역(6)에는 AuZn에 의한 p측 전극(11)이, 또한 InP 기판(1)의 이면에는 AuGeNi의 n측 전극(12)이 각각 오믹 접촉하도록 형성되어 있다. 이 경우, InP 기판(1)에는 n형 불순물이 도핑되어 있어, 정해진 레벨의 도전성을 갖는다. 단, InP 기판(1)은 도전성을 갖지 않더라도 좋으며, 이 경우, n측 전극(12)은 n형 InP 버퍼층(2)에 오믹 접촉하도록 배치하게 된다. InP 기판(1)의 이면에는, 또한 SiON의 반사 방지막(35)을 형성해 두고서, InP 기판의 이면 측에서 빛을 입사한다. 도 1a에 도시하는 수광 소자(50)는 따라서 (F1)의 배치 구성인 경우에 해당한다.
타입 2의 MQW의 수광층(3)에는, 상기한 p형 영역(6)의 경계 프론트에 대응하는 위치에 pn 접합(15)이 형성되고, 상기한 p측 전극(11) 및 n측 전극(12) 사이에 역바이어스 전압을 인가함으로써, n형 불순물 농도가 낮은 측(n형 불순물 백그라운드)에 의해 넓게 공핍층이 생긴다. MQW의 수광층(3)에서의 n형 불순물 백그라운드는 n형 불순물 농도(캐리어 농도)로 5E15(5×1015) ㎝-3 정도 또는 그 이하이다. 그리고, pn 접합의 위치(15)는 다중 양자 우물의 수광층(3)의 백그라운드(n형 캐리어 농도)와, p형 불순물의 Zn의 농도 프로파일의 교점으로 결정된다. InGaAs 확산 농도 분포 조정층(4)은 수광층(3)을 구성하는 MQW 내에서의 p형 불순물의 농도 분포를 조정하기 위해서 배치된다. InGaAs 확산 농도 분포 조정층(4)은 없더라도 좋다. 수광층(3) 내에서는, Zn 농도를 5E16(5×1016) ㎝-3 이하로 하는 것이 좋다.
도 1b는 수광층(3)을 구성하는 MQW를 도시하는 단면도이다. 수광층(3)은 InGaAs(3b)와 GaAsSb(3a)을 쌍(3u)으로 하는 타입 2의 MQW이다. 쌍수는 50 이상 700 이하이며, 이후 설명하는 바와 같이 총 두께가 과대하게 되면 단파장 측의 감도가 저하되기 때문에, 200∼300 정도로 하는 것이 좋다.
본 발명은 쌍(3u)을 구성하는 2개의 화합물 반도체 중, 가전자대가 높은 쪽의 층의 두께를 낮은 쪽의 층의 두께보다 얇게 하는 점에 특징이 있다. 상기한 InGaAs와 GaAsSb인 경우에는, 가전자대는 GaAsSb(3a) 쪽이 InGaAs(3b)보다 높다. 이 때문에, GaAsSb(3a)의 두께를 InGaAs(3b)의 두께보다 얇게 한다. 구체적인 두께를 들면, 예컨대 InGaAs 5nm/GaAsSb 2nm로 하는 것이 좋다.
본 발명에서는 수광 소자가 다음의 목적을 갖는다.
(M1) 근적외역의 가능한 한 장파장 측에 감도를 갖도록 한다.
(M2) 근적외의 전체의 파장역에서 높은 감도를 갖는다.
(M3) 단파장 측에서 감도가 급격하게 떨어지는 것을 피하여, 파장 의존성을 완만하거나, 바람직하게는 평탄하게 한다. 특히, 파장 1.5 ㎛ 부근에서 급격하게 떨어지는 것을 피한다.
도 2는 본 발명의 기술적 내용을 설명하기 위한 도면이다. 타입 2의 MQW에서는, 장파장광의 수광, 즉 수광 소자 내의 전자에서는 에너지차가 작은 천이가 가능하다. 즉, 가전자대의 포텐셜이 높은 쪽의 GaAsSb의 가전자대의 전자가 낮은 쪽의 InGaAs의 전도대로 천이함으로써, 에너지차가 작은 천이 또는 장파장광의 수광이 가능하게 된다(도 2 참조). 가전자대에 생긴 정공은, p측 전극에 도달하기 위해서 MQW(3) 내부를 이동하지 않으면 안 되어, 전술한 바와 같이, 이 동안에 소멸하여 감도 저하의 하나의 큰 요인이 된다. 이후 설명하는 바와 같이, 정공의 MQW 이동 도중의 소멸에 따른 감도 저하를 해결하기 위해서는, MQW(3)의 총 두께를 감소시키면 된다. 그 이유는, 우물형 포텐셜 장벽에 거슬러 이동해야 하는 거리가 줄어들기 때문이다. 또, 부수적인 전계 강도의 상승(구동력의 증가)도 기대할 수 있다. 그러나, MQW의 총 두께를 얇게 하기 위해서 각 층의 두께를 똑같이 감소시키는 것은 받아들이기 어려운 부작용을 일으킨다. 그 부작용의 설명을 위해 이하에 다음의 설명을 준비한다.
가전자대의 우물형 포텐셜 내 정공의 에너지 준위 및 전도대의 우물형 포텐셜 내의 전자의 에너지 준위는 다음 모형으로 근사할 수 있다. 즉, 우물의 폭은 유한하고, 무한 깊이(높이)의 우물형 포텐셜 내의 전자 또는 정공의 에너지 준위로 근사할 수 있다. 그 모형에 따르면, 에너지 준위는 다음의 (M)식이 된다.
En=h2n2/(8d2m*) …… (M)
n: 여기 상태의 지수 또는 여기 레벨(기저 상태에서는 n=1), h: 플랑크 상수, d: 우물형 포텐셜의 폭(사이즈), m*: 전자 또는 정공의 유효 질량
상기한 모형을 GaAsSb의 가전자대의 우물형 포텐셜 내의 정공에 적용하면, 다음의 (1)식을 얻을 수 있다.
가전자대의 우물형 포텐셜 내의 정공의 에너지 준위:
Ebn=h2nb 2/(8d1 2m1 *) …… (1)
여기서, nb: 가전자대의 우물형 포텐셜 내에서의 정공의 여기 상태를 나타내는 지수(기저 상태에서는 nb=1), d1: 가전자대의 포텐셜이 높은 쪽(예: GaAsSb)의 두께, m1 *: 정공의 유효 질량
특히 기저 준위는 Eb1=h2/(8d1 2m1 *) …… (1-1)이다.
한편, 상기한 모형을 InGaAs의 전도대의 우물형 포텐셜 내의 전자에 적용하면, (2)식을 얻을 수 있다.
전도대의 우물형 포텐셜 내의 전자의 에너지 준위:
Ecn=h2nc 2/(8d2 2m2 *) …… (2)
여기서, nc: 전도대의 우물형 포텐셜 내에서의 전자의 여기 상태를 나타내는 지수(기저 상태에서는 nc=1), d2: 가전자대의 포텐셜이 낮은 쪽(예: InGaAs)의 두께, m2 *: 전자의 유효 질량
특히 기저 준위는, Ec1=h2/(8d2 2m2 *) …… (2-1)이다.
(1)식에서의 정공의 유효 질량(m1 *)과, (2)식에서의 전자의 유효 질량(m2 *)은 크게 다르고, 정공의 유효 질량이 전자의 유효 질량보다도 대략 10배 정도 이상 큰 점이 매우 중요하며, 본 발명의 근저를 이룬다.
이상의 준비를 거쳐, MQW의 각 층을 똑같이 얇게 한 경우의 문제점의 설명으로 되돌아간다. 수광 가능한 한계 파장의 빛의 수광에 있어서, GaAsSb의 가전자대에서의 기저 상태(레벨)에 위치하는 전자가 InGaAs의 전도대에서의 기저 상태로 천이한다. 즉, 수광 가능한 한계 파장의 빛의 파장 λmax는 InGaAs의 전도대의 우물형 포텐셜 내의 기저 준위 Ec1과, GaAsSb의 가전자대의 우물형 포텐셜 내의 기저 준위 Eb1의 차에 대응한다. 즉, (Ec1-Eb1)=hc/λmax가 성립한다. 한편, 전자의 천이에는 각종 금제칙(禁制則)이 있으며, 도 2에 도시하는 바와 같이 간단한 천이가 되지 않을지도 모르지만, 그와 같은 금제칙의 적용은 받지 않는 것으로 가정한다. 그와 같은 가정을 하더라도 도 2에 도시하는 천이 스킴은 반정량적인 사고방식의 기본으로서 유효하다.
MQW의 총 두께를 얇게 하기 위해서, 각 층의 두께를 똑같이 감소시킨다고 가정한다. 그러면 상기 (1-1)식 및 (2-1)식에 따라서, 가전자대의 우물형 포텐셜 내의 정공의 기저 준위 및 전도대의 우물측 포텐셜 내의 전자의 기저 준위는 서로 멀어지도록(에너지차를 늘리는 방향으로) 변화한다. 즉, 정공의 기저 준위는 Eb1=h2/(8d1 2m1 *)에 있어서의 두께 d1을 작게 하는 정도에 따라서 커진다. 또한, 전자의 기저 준위는 Ec1=h2/(8d2 2m2 *)에 있어서의 두께 d2를 작게 하는 정도에 따라서 커진다. 이 결과, 에너지차(Ec1-Eb1)는 커져, 수광 가능한 파장 한계는 단파장 측으로 크게 시프트한다. 즉, 똑같이 두께를 얇게 하지 않으면 수광할 수 있었던 한계 파장은 밴드갭 또는 에너지차가 커져, 수광할 수 없게 된다. 이것은, 상기 (M1)의 목적을 가지고, 수광 감도를 가능한 한 장파장 측으로 확대하고자 하는 수광 소자에 있어서 받아들일 수 없다.
그러나, 유효 질량에 주목하면, 정공의 유효 질량은 전자의 유효 질량에 비해서 10배 정도 이상 크기 때문에, 원래 정공의 기저 준위는 전자에 비해서 10배 정도 낮은 값이었다(각각의 기저 준위의 진공 상태로부터의 차). 이 때문에, GaAsSb 및 InGaAs를 양쪽 모두, 동일하게 두께를 감소시킨 경우, 도 2에 있어서의 전도대의 우물형 포텐셜 내의 전자의 기저 준위가 커지는 정도는 정공에 비해서 매우 크다. 즉, 가전자대의 우물형 포텐셜 내의 정공의 기저 준위가 커지는 정도보다도 그 십배 정도 크다. 똑같이 두께를 얇게 한 경우, 밴드갭 또는 에너지차를 확대하는 것은 주로 전도대의 전자의 기저 준위의 증대에 의한 것이다.
본 발명의 기본 사상은, 가전자대의 포텐셜이 높은 쪽(GaAsSb)의 두께 d1만 감소시킴으로써, 수광 가능한 최장 파장을 크게 저하시키는 일없이, MQW의 총 두께를 감소시키는 데에 있다. 이에 따라서, 다음 이점을 얻을 수 있다.
(E1) 정공은 가령 p측 전극으로부터 멀리 떨어진 개소에서 생성되더라도, 도 3a에 도시하는 바와 같이, 총 두께(Do)는 크게 감소하기 때문에, p측 영역 또는 p측 전극에 도달할 수 있을 가능성은 높아져, 감도를 향상시킬 수 있다. 특히, 단파장 측의 빛은 MQW에 입사하여 즉시 수광되어 정공을 발생시키는 경향이 강하기 때문에, 종래에는 도 3b에 도시하는 바와 같이, 총 두께(DL)가 큰 MQW(3)에서는 도중에 소멸하는 일이 많았다. 도 3b에서는, 쌍(103u)을 구성하는 GaAsSb(103a) 및 InGaAs(103b)는 양쪽 모두 종래와 동일한 정도의 두께 5 ㎚를 갖는다. 그러나, 본 발명에 의해서 MQW의 총 두께를 감소시킴으로써, 감도를 확보할 수 있다.
이에 따라, 수광 가능한 파장역에 걸쳐 감도를 향상시킬 뿐만 아니라, 특히 단파장 측에서 감도가 떨어지는 것을 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 이 결과, 파장에 대하여 감도를 평탄하게 혹은 변동을 완만하게 할 수 있다.
(E2) 동일한 크기의 역바이어스 전압 V를 인가한 경우, MQW(3)의 총 두께를 얇게 함으로써 전계는 커진다. 즉, Do<DL일 때, (V/Do)>(V/DL)이다. 이 결과, 역바이어스 전압에 의한 전계는 정공 및 전자를 보다 강하게 구동(가속)하여 각각의 전극으로 향하게 할 수 있다.
(E3) 반복이 되겠지만, 상기한 바와 같이, 가전자대의 포텐셜이 높은 쪽의 층(예컨대 GaAsSb)의 두께를 얇게 하여, 쌍을 이루는 다른 쪽의 층의 두께를 감소시키지 않음으로써, 수광 가능한 최장 파장을 거의 바꾸지 않도록 할 수 있다.
<MQW의 성장 방법>
이어서 제조 방법에 관해서 설명한다. InP 기판(1)을 준비하고, 그 위에, InP 버퍼층(2)/타입 2(InGaAs/GaAsSb) MQW의 수광층(3)/InGaAs 확산 농도 분포 조정층(4)/InP 캡층(5)을 전유기 MOVPE법으로 성장시킨다.
도 4에 전유기 MOVPE법의 성막 장치(60)의 배관 계통 등을 도시한다. 반응실(챔버)(63) 내에 석영관(65)이 배치되고, 그 석영관(65)에 원료 가스가 도입된다. 석영관(65) 속에는 기판 테이블(66)이 회전이 자유롭고 또한 기밀성을 유지하도록 배치된다. 기판 테이블(66)에는 기판 가열용의 히터(66h)가 설치된다. 성막 도중의 웨이퍼(50a)의 표면 온도는 반응실(63) 천장부에 설치된 윈도우(69)를 통해서, 적외선 온도 모니터 장치(61)에 의해 모니터된다. 이 모니터되는 온도가, 성장할 때의 온도, 또는 성막 온도 혹은 기판 온도 등이라고 불리는 온도이다. 본 발명의 제조 방법에 있어서의, 온도 400℃ 이상 560℃ 이하에서 MQW를 형성한다고 할 때의 400℃ 이상 및 560℃ 이하는 이 온도 모니터로 계측되는 온도이다. 석영관(65)으로부터의 강제 배기는 진공 펌프에 의해서 이루어진다.
원료 가스는 석영관(65)에 연통되는 배관에 의해서 공급된다. 전유기 MOVPE법은 원료 가스를 전부 유기 금속 기체의 형태로 공급하는 점에 특징이 있다. 도 4에서는, 불순물 등의 원료 가스는 명기하지 않지만, 불순물도 유기 금속 기체의 형태로 도입된다. 유기 금속 기체의 원료는 항온조에 수용되어 일정 온도로 유지된다. 반송 가스에는 수소(H2) 및 질소(N2)가 이용된다. 유기 금속 기체는 반송 가스에 의해서 반송되고, 또한 진공 펌프로 흡인되어 석영관(65)에 도입된다. 반송 가스의 양은 MFC(Mass Flow Controller: 유량 제어기)에 의해서 정밀도 좋게 조절된다. 다수의 유량 제어기, 전자 밸브 등은 마이크로 컴퓨터에 의해서 자동 제어된다.
MQW(3)의 막 두께 제어는, 프로그램을 설정하여, 상기한 유량 제어기, 전자 밸브 등을 제어함으로써 이루어진다.
웨이퍼(50a)의 제조 방법에 대해서 설명한다. 우선, S 도프 n형 InP 기판(1)에, n형 InP 버퍼층(2)을 막 두께 150 ㎚로 에피택셜 성장시킨다. n형의 도프에는 TeESi(테트라에틸실란)을 이용하는 것이 좋다. 이 때의 원료 가스에는 TMIn(트리메틸인듐) 및 TBP(터셔리부틸포스핀)를 이용한다. 이 InP 버퍼층(2)은 무기 원료의 PH3(포스핀)을 이용하여 성장할 수도 있다. 이 InP 버퍼층(2)의 성장에서는, 성장 온도를 600℃ 정도 혹은 600℃ 정도 이하에서 행하더라도, 하층에 위치하는 InP 기판의 결정성은 600℃ 정도의 가열로 열화되는 일은 없다. 그러나, InP 캡층을 형성할 때에는, 하층에 GaAsSb를 포함하는 MQW가 형성되어 있기 때문에, 기판 온도는 예컨대 온도 400℃ 이상 560℃ 이하의 범위로 엄격하게 유지할 필요가 있다. 그 이유로서, 600℃ 정도로 가열하면, GaAsSb가 열에 의해 손상되어 결정성이 대폭 열화된다는 점, 및 400℃ 미만의 온도에서 InP 캡층을 형성하면, 원료 가스의 분해 효율이 대폭 저하되기 때문에, InP층 내의 불순물 농도가 증대되어 고품질의 InP 캡층을 얻을 수 없다는 점을 들 수 있다.
이어서, InGaAs/GaAsSb를 양자 우물의 쌍으로 하는 타입 2의 MQW의 수광층(3)을 형성한다. 양자 우물에 있어서의 GaAsSb(3a)는 상기한 바와 같이, 막 두께는 예컨대 2 ㎚ 정도로 하고, 또한 InGaAs(3b)의 막 두께는 예컨대 5 ㎚로 하는 것이 좋다. 도 1b에서는, 250쌍의 양자 우물을 적층하여 MQW의 수광층(3)을 형성하고 있다. GaAsSb의 성막에서는, 트리에틸갈륨(TEGa), 터셔리부틸아르신(TBAs) 및 트리메틸안티몬(TMSb)을 이용한다. 또한, InGaAs에 대해서는, TEGa, TMIn 및 TBAs를 이용할 수 있다. 이들 원료 가스는 전부 유기 금속 기체이며, 화합물의 분자량은 크다. 이 때문에, 400℃ 이상 560℃ 이하의 비교적 저온에서 완전히 분해하여, 결정 성장에 기여할 수 있다. MQW의 수광층(3)을 전유기 MOVPE법에 의해서, 양자 우물의 계면의 조성 변화를 급격하게 할 수 있다. 이 결과, 고정밀도의 분광 측광을 할 수 있다.
Ga(갈륨)의 원료는 TEGa(트리에틸갈륨)이라도 좋고, TMGa(트리메틸갈륨)이라도 좋다. In(인듐)의 원료는 TMIn(트리메틸인듐)이라도 좋고, TEIn(트리에틸인듐)이라도 좋다. As(비소)의 원료는 TBAs(터셔리부틸아르신)이라도 좋고, TMAs(트리메틸비소)라도 좋다. Sb(안티몬)의 원료는 TMSb(트리메틸안티몬)이라도 좋고, TESb(트리에틸안티몬)이라도 좋다. 또한, TIPSb(트리이소프로필안티몬) 또는 TDMASb(트리디메틸아미노안티몬)이라도 좋다. 이들 원료를 이용함으로써, MQW의 불순물 농도가 작고, 결정성이 우수한 반도체 소자를 얻을 수 있다. 이 결과, 예컨대 수광 소자 등에 이용한 경우, 암전류가 작고 감도가 큰 수광 소자를 얻을 수 있다. 나아가서는, 그 수광 소자를 이용하여, 보다 선명한 상(像)을 촬상하는 것이 가능해지는 광학 센서 장치, 예컨대 촬상 장치를 얻을 수 있다.
이어서, 전유기 MOVPE법에 의해서, MQW(3)를 형성할 때의 원료 가스의 흐름 상태에 관해서 설명한다. 원료 가스는 배관을 통해 반송되고, 석영관(65)에 도입되어 배기된다. 원료 가스는 몇 종류라도 배관을 늘려 석영관(65)에 공급되게 할 수 있다. 예를 들면 십수 종류의 원료 가스라도, 전자 밸브의 개폐에 의해서 제어된다.
원료 가스는 도 4에 도시하는 유량 제어기(MFC)에 의해서 유량이 제어된 뒤에, 석영관(65)에의 유입이 전자 밸브의 개폐에 의해서 온/오프된다. 그리고, 석영관(65)으로부터는 진공 펌프에 의해서 강제적으로 배기된다. 원료 가스의 흐름에 정체가 생기는 부분은 없고, 원활하게 자동적으로 이루어진다. 따라서, 양자 우물의 쌍을 형성할 때의 조성의 전환은 신속하게 이루어진다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 기판 테이블(66)은 회전하기 때문에, 원료 가스의 온도 분포는 원료 가스의 유입측 또는 출구측과 같은 방향성을 갖지 않는다. 또한, 웨이퍼(50a)는 기판 테이블(66) 위에서 공전하기 때문에, 웨이퍼(50a)의 표면 근방의 원료 가스의 흐름은 난류 상태에 있으며, 웨이퍼(50a)의 표면 근방의 원료 가스라도, 웨이퍼(50a)에 접하는 원료 가스를 제외하고 도입측으로부터 배기측으로의 흐름 방향에 큰 속도 성분을 갖는다. 따라서, 기판 테이블(66)에서부터 웨이퍼(50a)를 거쳐 원료 가스로 흐르는 열은 대부분 항상 배기 가스와 함께 배열(排熱)된다. 이 때문에, 웨이퍼(50a)에서부터 표면을 거쳐 원료 가스 공간으로, 수직 방향으로 큰 온도 구배 또는 온도 단차가 발생한다.
더욱이, 본 발명의 실시형태에서는, 기판 온도를 400℃ 이상 560℃ 이하와 같은 저온역으로 가열한다. 이러한 저온역의 기판 표면 온도에서 TBAs 등을 원료로 한 전유기 MOVPE법을 이용하는 경우, 그 원료의 분해 효율이 좋기 때문에, 웨이퍼(50a)에 극히 가까운 범위에서 흐르는 원료 가스이며 다중 양자 우물 구조의 성장에 기여하는 원료 가스는, 성장에 필요한 형태로 효율적으로 분해된 것에 한정된다.
도 5a는 유기 금속 분자의 흐름과 온도의 흐름을 도시하는 도면이며, 도 5b는 기판 표면에 있어서의 유기 금속 분자의 모식도이다. 이들 도면은, 다중 양자 우물 구조의 헤테로 계면에서 급격한 조성 변화를 얻기 위해서, 표면 온도의 설정이 중요하다는 것을 설명하기 위한 도면이다.
웨이퍼(50a)의 표면은 모니터되는 온도로 되어 있지만, 웨이퍼 표면으로부터 조금 원료 가스 공간에 들어가면, 전술한 바와 같이, 급격히 온도 저하 또는 큰 온도 단차가 생긴다. 이 때문에 분해 온도가 T1℃인 원료 가스의 경우, 기판 표면 온도는 (T1+α)℃로 설정되고, 이 α는 온도 분포의 변동 등을 고려하여 결정된다. 웨이퍼(50a) 표면으로부터 원료 가스 공간에 걸쳐 급격하고 큰 온도 강하 또는 온도 단차가 있는 상황에서, 도 5b에 도시하는 바와 같은 큰 사이즈의 유기 금속 분자가 웨이퍼 표면을 스쳐 흐를 때, 분해되어 결정 성장에 기여하는 화합물 분자는 표면에 접촉하는 범위, 및 표면으로부터 수개분의 유기 금속 분자의 막 두께 범위인 것에 한정된다고 생각된다. 따라서, 도 5b에 도시하는 바와 같이, 웨이퍼 표면에 접하는 범위의 유기 금속 분자 및 웨이퍼 표면으로부터 수개분의 유기 금속 분자의 막 두께 범위 이내에 위치하는 분자가 주로 결정 성장에 기여하고, 그보다 외측의 유기 금속 분자는 거의 분해되지 않고서 석영관(65) 밖으로 배출된다고 생각된다. 웨이퍼(50a)의 표면 부근의 유기 금속 분자가 분해되어 결정 성장했을 때, 외측에 위치하는 유기 금속 분자가 보충 분자로서 들어간다.
역으로 생각하면, 웨이퍼 표면 온도를 유기 금속 분자가 분해되는 온도보다 약간만 높게 함으로써, 결정 성장에 참가할 수 있는 유기 금속 분자의 범위를 웨이퍼(50a) 표면 상의 얇은 원료 가스층에 한정할 수 있다.
상기한 바로부터, 진공 펌프로 강제 배기하면서 상기 쌍의 화학 조성에 적합한 원료 가스를 전자 밸브로 전환하여 도입할 때, 약간의 관성을 갖고서 이전 화학 조성의 결정을 성장시킨 후에는, 이전 원료 가스의 영향을 받지 않고, 전환된 화학 조성의 결정을 성장시킬 수 있다. 그 결과, 헤테로 계면에서의 조성 변화를 급격하게 할 수 있다. 이것은, 이전 원료 가스가 석영관(65) 내에 실질적으로 잔류하지 않음을 의미하며, 웨이퍼(50a)에 극히 가까운 범위에서 흐르는 원료 가스로 다중 양자 우물 구조의 성장에 기여하는 원료 가스는 성장에 필요한 형태로 효율적으로 분해된 것에 한정되는(성막 요인 1) 것에 기인한다. 즉, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 양자 우물의 한쪽 층을 형성시킨 후, 진공 펌프로 강제 배기하면서 전자 밸브를 개폐하여, 다른 쪽 층을 형성하는 원료 가스를 도입했을 때, 약간의 관성을 갖고서 결정 성장에 참가하는 유기 금속 분자는 있지만, 보충 분자로서 역할하는 한쪽 층의 분자는 거의 배기되어 없다. 웨이퍼 표면 온도를 유기 금속 분자의 분해 온도에 가깝게 할수록 결정 성장에 참가하는 유기 금속 분자의 범위(웨이퍼 표면으로부터의 범위)는 작아진다.
이 다중 양자 우물 구조를 형성하는 경우, 600℃ 정도의 온도에서 성장하면 다중 양자 우물 구조의 GaAsSb층에 상 분리가 발생하여, 청정하고 평탄성이 우수한 다중 양자 우물 구조의 결정 성장 표면, 및 우수한 주기성과 결정성을 갖는 다중 양자 우물 구조를 얻을 수 없다. 이 때문에, 성장 온도를 400℃ 이상 560℃ 이하와 같은 온도 범위로 하고(성막 요인 2), 이 성막법을 전유기 MOVPE법으로 하여, 원료 가스 전부를 분해 효율이 좋은 유기 금속 기체로 하는 것(성막 요인 3)에는, 성막 요인 1이 강하게 의거하고 있다.
<반도체 소자의 제조 방법>
도 1a에 도시한 반도체 소자(50)에서는, 타입 2의 MQW의 수광층(3) 위에는, InGaAs 확산 농도 분포 조정층(4)이 위치하고, 그 InGaAs 확산 농도 분포 조정층(4) 위에 InP 캡층(5)이 위치하고 있다. InP 캡층(5)의 표면에 형성한 선택 확산 마스크 패턴(36)의 개구부로부터 p형 불순물의 Zn이 선택 확산되어 p형 영역(6)이 형성된다. 그 p형 영역(6)의 선단부에 pn 접합(15) 또는 pi 접합(15)이 형성된다. 이 pn 접합(15) 또는 pi 접합(15)에, 역바이어스 전압을 인가하여 공핍층을 형성하고, 광전자 변환에 의한 전하를 포착하여, 전하량에 화소의 밝기를 대응시킨다. p형 영역(6) 또는 pn 접합(15) 혹은 pi 접합(15)은 화소를 구성하는 주요부이다. p형 영역(6)에 오믹 접촉하는 p측 전극(11)은 화소 전극이며, 접지 전위가 되는 n측 전극(12)과의 사이에서, 상기한 전하를 화소마다 판독한다. p형 영역(6) 주위의 InP 캡층 표면에는 상기한 선택 확산 마스크 패턴(36)이 그대로 남겨진다. 또한 도시하지 않는 SiON 등의 보호막이 피복된다. 선택 확산 마스크 패턴(36)을 그대로 남기는 것은, p형 영역(6)을 형성한 후, 이것을 제외하고 대기 속에 폭로하면, 캡층 표면의 p형 영역과의 경계에 표면 준위가 형성되어, 암전류가 증대되기 때문이다.
전술한 바와 같이 MQW를 형성한 후, InP 캡층(5)의 형성 종료까지, 전유기 MOVPE법에 의해서 동일한 성막실 또는 석영관(65) 속에서 성장을 계속하는 것이 하나의 포인트가 된다. 즉, InP 캡층(5)의 형성 전에, 성막실로부터 웨이퍼(50a)를 꺼내어, 다른 성막법에 의해서 InP 캡층(5)을 형성하는 일이 없기 때문에, 재성장 계면을 갖지 않는 점이 하나의 포인트이다. 즉, InGaAs 확산 농도 분포 조정층(4)과 InP 캡층(5)은 석영관(65) 내에서 연속해서 형성되기 때문에, 계면(16, 17)은 재성장 계면이 아니다. 이 때문에, 산소 및 탄소의 농도가 모두 1E17(1×1017) ㎝-3 미만이며, 특히 p형 영역(6)과 계면(17)의 교차선에서 전하 누설이 생기는 일은 없다.
본 실시형태에서는, MQW의 수광층(3) 위에, 예컨대 막 두께 1.0 ㎛의 논도프 InGaAs 확산 농도 분포층(4)을 형성한다. InP 캡층(5)을 형성한 후, 선택 확산법에 의해서 InP 캡층(5)으로부터 p형 불순물의 Zn을 MQW의 수광층(3)에 닿도록 도입할 때, 고농도의 Zn이 MQW에 진입하면, 결정성을 해치기 때문에, 그 조정을 위해서 InGaAs 확산 농도 분포층(4)을 마련한다. 이 InGaAs 확산 농도 분포 조정층(4)은 상기한 바와 같이 배치하더라도 좋지만, 없더라도 좋다.
상기한 선택 확산에 의해서 p형 영역(6)이 형성되고, 그 선단부에 pn 접합(15) 또는 pi 접합(15)이 형성된다. InGaAs 확산 농도 분포 조정층(4)을 삽입한 경우라도, InGaAs는 밴드갭이 작기 때문에 논도프라도 수광 소자의 전기 저항을 낮게 할 수 있다. 전기 저항을 낮게 함으로써, 응답성을 높여 양호한 화질의 동화상을 얻을 수 있다.
InGaAs 확산 농도 분포 조정층(4) 위에, 동일한 석영관(65) 내에 웨이퍼(50a)를 배치한 채로 연속해서, 언도프의 InP 캡층(5)을 전유기 MOVPE법에 의해서, 예컨대 막 두께 0.8 ㎛로 에피택셜 성장시키는 것이 좋다. 원료 가스에는, 전술한 바와 같이, 트리메틸인듐(TMIn) 및 터셔리부틸포스핀(TBP)을 이용한다. 이 원료 가스를 사용하여, InP 캡층(5)의 성장 온도를 400℃ 이상 560℃ 이하로, 나아가서는 535℃ 이하로 할 수 있다. 이 결과, InP 캡층(5) 아래에 위치하는 MQW의 GaAsSb가 열에 의해 손상되는 일이 없어, MQW의 결정성을 해치는 일이 없다. InP 캡층(5)을 형성할 때에는, 하층에 GaAsSb를 포함하는 MQW가 형성되어 있기 때문에, 기판 온도는 예컨대 온도 400℃ 이상 560℃ 이하의 범위로 엄격하게 유지할 필요가 있다. 그 이유로서, 600℃ 정도로 가열하면, GaAsSb가 열에 의해 손상되어 결정성이 대폭 열화되는 점, 및 400℃ 미만의 온도에서 InP 캡층(5)을 형성하면, 원료 가스의 분해 효율이 대폭 저하되기 때문에, InP 캡층(5) 내의 불순물 농도가 증대되어 고품질의 InP 캡층(5)을 얻을 수 없다는 점을 들 수 있다.
상기한 바와 같이, 종래에는 MQW를 MBE법에 의해서 형성할 필요가 있었다. 그런데, MBE법에 의해서 InP 캡층을 성장시키기 위해서는, 인 원료에 고체의 원료를 이용할 필요가 있어, 안전성 등의 점에서 문제가 있었다. 또한 제조 능률이라는 점에서도 개량의 여지가 있었다.
본 발명 전에는, InGaAs 확산 농도 분포 조정층과 InP 캡층의 계면은 일단 대기에 노출된 재성장 계면이었다. 재성장 계면은, 2차 이온 질량 분석에 의해서, 산소 농도가 1E17(1×1017) ㎝-3 이상 및 탄소 농도가 1E17(1×1017) ㎝-3 이상 중, 어느 하나를 만족함으로써 특정될 수 있다. 재성장 계면은 p형 영역과 교차선을 형성하고, 교차선에서 전하 누설을 일으켜, 화질을 현저하게 열화시킨다.
또한, 예컨대, 인 원료에 포스핀(PH3)을 이용하는 단순한 MOVPE법에 의해서 InP 캡층을 성장시키면, 포스핀의 분해 온도가 높기 때문에, 하층에 위치하는 GaAsSb의 열에 의한 손상을 유발하여 MQW의 결정성을 해치게 된다.
도 6은 도 1a의 수광 소자(50)의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 이 제조 방법에 따르면, 원료 가스에 유기 금속 기체만을 이용하여(성막 요인 3) 성장 온도를 저하시키는 것(성막 요인 2), 및 InP 캡층(5)의 형성이 종료될 때까지, 일관적으로 동일한 성막실 또는 석영관(65) 속에서 형성하기 때문에, 재결정 계면을 갖지 않는 것(성막 요인 4)이 중요하다. 이에 따라, 전하 누설이 적고, 결정성이 우수한, 근적외역의 장파장역에 수광 감도를 갖는 포토다이오드를 능률적으로 대량으로 제조할 수 있다.
상기한 수광 소자(50)는 화소가 하나인 경우였지만, 본 발명에서는, 화소는 복수라도 좋으며, 배열은 일차원이라도 이차원이라도 좋다. 도 7은 복수의 화소가 배열된, 수광 소자 어레이(반도체 소자)(50)를 포함하는 광학 센서 장치(10)를 도시하는 도면이다. 렌즈 등의 광학 부품은 생략되어 있다. SiON막으로 이루어지는 보호막(43)이 도 7에서는 도시되어 있지만, 도 1a에도 실제로는 배치되어 있다. 수광 소자 어레이(50)는 도 1a에 도시하는 수광 소자와 적층 구조는 동일하며, 다른 점은 복수의 수광 소자 또는 화소(P)가 배열되어 있는 것이다. 또한, 계면(16, 17)이 재성장 계면이 아니라, 산소, 탄소 등의 불순물 농도가 모두 1E17(1×1017) ㎝-3 미만으로 낮은 것 등도 도 1a의 수광 소자(반도체 소자)와 같다.
도 7에서는, 이 수광 소자 어레이(50)와, 판독 회로(Read-Out IC)를 구성하는 CMOS(70)가 접속되어 있다. CMOS(70)의 판독 전극(도시하지 않음)과, 수광 소자 어레이(50)의 화소 전극(p측 전극)(11)은 접합 범프(39)를 개재시켜 접합되어 있다. 또한, 수광 소자 어레이(50)의 각 화소에 공통된 접지 전극(n측 전극)(12)과, CMOS(70)의 도시하지 않는 접지 전극이 범프(12b)를 개재시켜 접합되어 있다. CMOS(70)와 수광 소자 어레이(50)를 조합하고, 화소마다 수광 정보를 집적하여, 촬상 장치 등을 얻을 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 수광 소자 어레이(반도체 소자)(50)는 장파장역에까지 감도를 갖고 있고, 암전류(누설 전류)가 작기 때문에, 동식물 등의 생체 검사, 환경 모니터 등에 이용함으로써 고정밀도의 검사를 수행할 수 있다.
실시예
(실시예 1 - 본 발명에 따른 수광 소자의 수광 가능한 장파장역의 불변성 -)
도 1a에 도시하는 반도체 소자(50)와 동일한 구조의 수광 소자(50)를 기본 구조로 하고, MQW의 구조를 변화시킨 다음 시험체를 준비하여, 수광 가능한 장파장역을 검증했다. 제조 방법은 전술한 방법에 따랐다. PL(PhotoLuminescence) 피크 파장을 측정함으로써 수광 가능한 장파장역을 평가하였다. 측정 온도는 실온(25℃)이다. 본 발명의 타입 2(InGaAs/GaAsSb) MQW는 왜곡 보상 초격자 구조를 의도하거나 왜곡 보상 초격자 구조를 의도하지 않더라도 좋다. 그러나, 수광 가능한 장파장역의 지표가 되는 PL 피크 파장은 왜곡(Δω)의 영향을 크게 받는다.
여기서 Δω는 (GaAsSb/InGaAs)에 있어서의 InGaAs의 격자 부정합도를 Δω1로 하고, GaAsSb의 격자 부정합도를 Δω2로 할 때, 다중 양자 우물 구조 전체의 격자 부정합도 Δω={Σ(Δω1×InGaAs층의 두께+Δω2×GaAsSb층의 두께)} /{Σ(InGaAs층의 두께+GaAsSb 층의 두께)}로 정의된다.
상기 왜곡(Δω)의 영향 때문에, MQW 중의 GaAsSb층만을 얇게 한 효과를 검증하기 위해서는, 왜곡의 효과를 확인하면서 행할 필요가 있다. 왜곡은 InGaAs 및 GaAsSb의 조성을 미소 범위 내에서 변화시켜, 격자 부정합도를 바꿈으로써 변화시킬 수 있다. 이하에 나타내는 각 시험체(본 발명예 및 비교예)는 조성을 변화시켜 왜곡(Δω)을 변화시킨 것으로, 각 시험체는 왜곡의 값의 수만큼 시험체를 포함하지만, MQW의 두께 구성이 같은 것은 동일한 시험체로서 표시했다.
<본 발명예 A>: (InGaAs 두께 5 ㎚/GaAsSb 2 ㎚)를 1쌍으로 하여, 250쌍의 MQW로 했다. MQW의 총 두께는 1750 ㎚(1.75 ㎛)이다.
<비교예 B1>: (InGaAs 두께 5 ㎚/GaAsSb 5 ㎚)를 1쌍으로 하여, 250쌍의 MQW로 했다. MQW의 총 두께는 2500 ㎚(2.5 ㎛)이다.
<비교예 B2>: (InGaAs 두께 3.5 ㎚/GaAsSb 3.5 ㎚)를 1쌍으로 하여, 250쌍의 MQW로 했다. MQW의 총 두께는 1750 ㎚(1.75 ㎛)이다.
PL 피크 파장(중앙값)의 측정 결과를 도 8에 도시한다. 도 8은 다음을 명확하게 하고 있다.
(R1) MQW의 두께 구성이 동일하더라도, 왜곡(Δω)이 플러스로 커지면 PL 피크 파장이 줄어든다고 하는 영향을 고려하면, 본 발명예 A는 비교예 B2와 동일한 PL 피크 파장을 보이는 것을 알 수 있다. 본 발명예 A의 MQW 중의 InGaAs의 두께는 5 ㎚로, 비교예 B1의 InGaAs의 두께 5 ㎚와 동일하다. 이에 비해서, InGaAs의 두께를 3.5 ㎚로 얇게 한 비교예 B2에서는, PL 피크 파장은 크게 단파장화 방향으로 시프트한다. 본 발명예 A에서는, GaAsSb의 두께를 2 ㎚로 매우 얇게 함에도 불구하고, 상기한 바와 같이, PL 피크 파장은 비교예 B1과 같다.
이 결과는, 본 발명에 있어서, MQW의 쌍을 이루는, 한쪽의 가전자대의 포텐셜이 낮은 쪽의 InGaAs의 두께를 같게 해 두면, PL 피크 파장은 거의 변하지 않음을 보이고 있다. 이것은, 전술한 (1-1)식 및 (2-1)식에 의한 추측이 좋은 근사로 들어맞는다는 것을 입증하는 것이다.
(R2) 게다가, 본 발명예 A에서는, MQW의 총 두께를 비교예 B1의 2.5 ㎛에서 1.75 ㎛로 원래 총 두께의 70%까지 얇게 했다. 이 총 두께의 감소에 의해서, 정공이 MQW를 이동하는 도중에 소멸하는 비율을 크게 감소시키고, 또 동일한 바이어스 전압을 인가하면서 정공 및 전자를 가속하는 전계를 1.43배 정도 향상시킬 수 있다. 이것은 수광 소자의 감도를 파장역 전체에 걸쳐 향상시키는 것을 의미한다. 특히 단파장 측의 빛은 MQW의 입구(단부의 위치)에서 수광되기 쉽기 때문에, 총 두께의 영향을 받기 쉽다. 상기한 바와 같이, 총 두께를 감소시킴으로써, 장파장 측에 비해서 낮았던 단파장 측의 감도를 장파장 측과 동일한 레벨로 향상시킬 수 있다.
(실시예 2 - 감도에 미치는 MQW의 총 두께의 영향 -)
실시예 1의 비교예 B1, B2의 시험체를 이용하여, 감도에 미치는 MQW의 총 두께의 영향을 검증했다. 감도는 실온(25℃), 역바이어스 전압 -1 V로 측정했다. 입사면은 InP 기판의 이면이다. 도 9는 비교예 B1(총 두께 2.5 ㎛), 비교예 B2(총 두께 1.75 ㎛)에 있어서의 감도의 파장 의존성을 도시하는 도면이다. 파장 범위는 양자의 비교가 가능한 파장 2 ㎛ 이하로 한정하고 있다.
도 9에 따르면, MQW의 총 두께가 1.75 ㎛(비교예 B2)에서 2.5 ㎛(비교예 B1)로 증대되면, 파장 2 ㎛ 부근에서는 0.1(A/W) 정도 감도 R은 낮지만, 보다 단파장, 예컨대 파장 1.5 ㎛ 부근에서는 크게 열화된다. 이것은, 단파장의 빛은 InP 기판 측으로부터 MQW에 입사하여 곧바로 MQW의 단부에서 수광이 일어나기 때문이다. 그 위치에서 생긴 정공은 거의 MQW의 총 두께를 이동하지 않으면 p측 전극에 도달할 수 없다. 이 때문에, 단파장 측일수록 MQW 총 두께의 영향이 강하게 나타난다고 생각된다. MQW 총 두께가 1.75 ㎛인 비교예 B2에서는, 파장 1.3 ㎛-2.0 ㎛의 범위에서 감도는 거의 평탄하다.
상기한 실시예 1 및 2로부터 다음이 검증되었다. MQW를 구성하는 한쪽의, 가전자대가 높은 쪽의 층(예컨대 GaAsSb층)의 두께를 감소시키고, 다른 쪽의 층(예컨대 InGaAs층)의 두께를 종래와 같게 유지함으로써, 수광 가능한 장파장 측의 한도는 거의 변하지 않는다. 게다가, GaAsSb층을 얇게 한 만큼, MQW의 총 두께는 감소하기 때문에, 파장 전역에 걸쳐 감도를 향상시켜, 특히 장파장 측에 비해서 저하되는 단파장 측의 감도를 장파장 측과 동일한 감도 레벨로 개선할 수 있다.
상기에서 본 발명의 실시형태에 관해서 설명했지만, 상기에 개시된 본 발명의 실시형태는 어디까지나 예시이며, 본 발명의 범위는 이들 발명의 실시형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 특허청구범위의 기재에 의해서 나타내어지며, 또한 특허청구범위의 기재와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함하는 것이다.
본 발명의 수광 소자에 따르면, 타입 2의 MQW를 이용하여 수광 가능한 파장 한계에 큰 영향을 주지 않고서, 파장역 전체에 걸쳐 감도를 향상시키면서, 특히 단파장 측의 감도가 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 이 결과, 감도의 파장 의존성이 비교적 평탄하게 되어, 예컨대 근적외역의 넓은 파장 범위에 걸쳐 복수의 흡수 스펙트럼이 있는 물질(예컨대 물)이나 넓은 흡수 밴드를 갖는 재료나 현상 등의 해석을 정밀도 좋게 행할 수 있게 된다.
1: InP 기판 2: 버퍼층(InP 및/또는 InGaAs)
3: 타입 2 MQW 수광층
3a: 가전자대의 포텐셜이 높은 쪽의 층(GaAsSb)
3b: 가전자대의 포텐셜이 낮은 쪽의 층(InGaAs)
3u: 1쌍 4: InGaAs층(확산 농도 분포 조정층)
5: InP 캡층 6: p형 영역
10: 광학 센서 장치(검출 장치) 11: p측 전극(화소 전극)
12: 접지 전극(n측 전극) 12b: 범프
15: pn 접합 16: MQW와 InGaAs층의 계면
17: InGaAs층(확산 농도 분포 조정층)과 InP창층의 계면
35: AR(반사 방지)막 36: 선택 확산 마스크 패턴
39: 접합 범프 43: 보호막(SiON막)
50: 수광 소자(수광 소자 어레이) 50a: 웨이퍼(중간 제품)
60: 전유기 MOVPE법의 성막 장치 61: 적외선 온도 모니터 장치
63: 반응실 65: 석영관
69: 반응실의 창 66: 기판 테이블
66h: 히터 70: CMOS
P: 화소

Claims (18)

  1. III-V족 화합물 반도체의 기판 상에 형성되며, 화소를 갖는 수광 소자에 있어서,
    상기 기판 상에 위치하는 타입 2의 다중 양자 우물 구조(MQW)의 수광층을 구비하며,
    상기 MQW는 2개의 상이한 III-V족 화합물 반도체층을 쌍으로 하여 50쌍 이상을 포함하고,
    상기 쌍을 이루는 2개의 상이한 III-V족 화합물 반도체층 중, 가전자대의 포텐셜이 높은 쪽의 층의 막 두께를 다른 쪽의 층의 막 두께보다 얇게 하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가전자대의 포텐셜이 높은 쪽의 층의 막 두께를 다른 쪽의 층의 막 두께보다 1 ㎚ 이상 얇게 하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수광층 위에 위치하는 캡층을 구비하고, 이 캡층에 있어서의 상기 화소의 영역은 p 도전형이며, 상기 기판의 이면을 광입사면으로 하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수광층 위에 위치하는 캡층을 구비하고, 이 캡층에 있어서의 상기 화소의 영역은 n 도전형이며, 이 캡층 측으로부터 빛을 입사하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 InP 기판인 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가전자대의 포텐셜이 높은 쪽의 층은 Ga, As 및 Sb를 포함하는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MQW는 InxGa1 - xAs(0.38≤x≤0.68)와 GaAsySb1 -y(0.36≤y≤0.62)의 쌍으로 구성되는 타입 2의 MQW인 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수광 소자는 파장 1500 ㎚의 빛에 대한 감도가 0.5 A/W 이상인 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  9. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MQW의 상면과 상기 캡층의 저면 사이에, 재성장 계면을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 수광 소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재한 수광 소자를 이용한 것을 특징으로 하는 광학 센서 장치.
  11. III-V족 화합물 반도체의 기판 상에 형성되며, 화소를 갖는 수광 소자의 제조 방법에 있어서,
    상기 기판 상에 타입 2의 다중 양자 우물 구조(MQW)의 수광층을 성장시키는 MQW의 성장 공정을 포함하며,
    상기 타입 2의 MQW에서는, III-V족 화합물 반도체의 제1층 및 제2층을 쌍으로 하여, 상기 제1층의 가전자대의 포텐셜이 상기 제2층의 가전자대의 포텐셜보다 높고,
    상기 MQW의 성장 공정에서는, 상기 제1층의 두께를 상기 제2층의 두께보다 얇게 하여, 상기 쌍을 50쌍 이상 적층하는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1층의 막 두께를 상기 제2층의 막 두께보다 1 ㎚ 이상 얇게 하는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 제조 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 수광층 위에 캡층을 성장시키는 공정을 포함하며, 이 캡층에 있어서의 상기 화소의 영역을 p 도전형으로 하고, 상기 기판의 이면을 광입사면으로 하는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 제조 방법.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 수광층 위에 캡층을 성장시키는 공정을 포함하며, 이 캡층에 있어서의 상기 화소의 영역을 n 도전형으로 하고, 상기 캡층 측으로부터 빛을 입사하는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 제조 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판을 InP 기판으로 하는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 제조 방법.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1층에, Ga, As 및 Sb를 포함하게 하는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 제조 방법.
  17. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MQW를, InxGa1 - xAs(0.38≤x≤0.68)와 GaAsySb1 -y(0.36≤y≤0.62)의 쌍으로 구성되는 타입 2의 MQW로 하는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 제조 방법.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MQW의 성장 공정 이후에, III-V족 화합물 반도체를 포함하는 층을 형성하는 공정을 더 포함하며, 상기 MQW의 성장 공정과 상기 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 층을 형성하는 공정 사이에, 재성장 계면을 형성하는 공정이 포함되지 않도록, 상기 MQW의 성장 시작부터 상기 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 층의 성장 종료까지, 전(全)유기금속 기상 성장법에 의해, 같은 성장조 내에서 성장시키는 것을 특징으로 하는 수광 소자의 제조 방법.
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