WO2012073934A1 - 受光素子、半導体エピタキシャルウエハ、これらの製造方法および検出装置 - Google Patents

受光素子、半導体エピタキシャルウエハ、これらの製造方法および検出装置 Download PDF

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buffer layer
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広平 三浦
博史 稲田
猪口　康博
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    • H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures

Definitions

  • the present invention relates to a light receiving element, a semiconductor epitaxial wafer, a manufacturing method thereof, and a detection apparatus for receiving light in the near infrared region to the mid infrared region.
  • Near-infrared to mid-infrared light corresponds to an absorption spectrum region related to living organisms such as animals and plants and the environment. For this reason, near-infrared to mid-infrared light detectors using III-V compound semiconductors as light-receiving layers have been developed.
  • CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor
  • ROIC read-out IC
  • An example of a detector that converts photocharge into an output signal has been published (Non-Patent Document 1).
  • InAsP that lattice matches with the InGaAs light receiving layer is used for the window layer.
  • a pin-type photodiode having an InGaAs / GaAsSb type 2 type multi-quantum well structure (MQW: Multi-Quantum Wells) in the light receiving layer and having a pixel region of p-type has sensitivity up to a wavelength of 2.5 ⁇ m. It has been reported (Non-Patent Document 2).
  • a light-receiving element has been proposed in which a light-receiving layer has an InAs / GaSb type 2 multiple quantum well (MQW) structure on a GaSb substrate (Non-patent Document 3). According to this light receiving element, it is shown that the sensitivity is close to a wavelength of 12 ⁇ m.
  • nBn n-type layer / barrier layer / n-type layer
  • the near-infrared InGaAs photodetector (image sensor) of Non-Patent Document 1 described above uses InGaAs having a composition that does not lattice match with the InP substrate as a light receiving layer, so that dark current increases and noise increases.
  • the detectable wavelength is difficult to exceed 2.6 ⁇ m.
  • the light receiving element of Non-Patent Document 2 there has been no report of an example that actually reaches a wavelength of 3 ⁇ m.
  • the GaSb substrate is expensive, has a large variation in quality, and has a problem in terms of mass productivity.
  • Non-Patent Document 4 has the same problem as Non-Patent Document 3 described above, and is difficult in terms of mass productivity.
  • the present invention provides a light receiving element, a semiconductor epitaxial wafer used therein, a manufacturing method thereof, and a detection apparatus that have high light receiving sensitivity in the near-infrared region to the mid-infrared region and can stably obtain high quality. Objective.
  • the light receiving element of the present invention is formed of a III-V group compound semiconductor.
  • the light receiving element includes an InP substrate transparent to light having a wavelength of 3 ⁇ m to 12 ⁇ m, a buffer layer positioned in contact with the InP substrate, and a light receiving layer having a multiple quantum well structure positioned in contact with the buffer layer.
  • the light receiving layer has a cutoff wavelength of 3 ⁇ m or more and is lattice-matched to the buffer layer.
  • the buffer layer having the lattice constant a 2 and the InP substrate having the lattice constant a 1 the value of
  • the lattice constant is changed by changing the composition of the element. Therefore, when the epitaxial layer is grown, the composition of the epitaxial layer is usually changed finely so as to match the lattice constant of the lower layer. As a result, a stack of III-V compound semiconductors having a low lattice defect density is formed, and the dark current, which is one of the most important indices in the light receiving element, can be reduced. In order to obtain a certain level of characteristics, it is necessary to reduce the lattice defect density not only in the light receiving element but also in other semiconductor elements.
  • the degree of lattice mismatch is as low as possible.
  • / (s 2 or s 1 ) represented by the lattice constant s 1 of the lower layer and the lattice constant s 2 of the upper layer grown thereon is as low as possible.
  • / (s 2 or s 1 ) represented by the lattice constant s 1 of the lower layer and the lattice constant s 2 of the upper layer grown thereon is as low as possible.
  • / (s 2 or s 1 ) represented by the lattice constant s 1 of the lower layer and the lattice constant s 2 of the upper layer grown thereon
  • / (s 2 or s 1 ) represented by the lattice constant s 1 of the lower layer and the lattice constant s 2 of the upper layer grown thereon is as low as possible.
  • the range in which the degree of lattice mismatch is 0.005 or less can be regarded as the range of the above-mentioned formal lattice matching conditions.
  • Exceeding the range of formal lattice matching conditions means that the degree of lattice mismatch exceeds 0.005.
  • the GaSb / InP system targeted by the present invention has a good crystallinity even if the degree of lattice mismatch is large.
  • a stack of group compound semiconductors can be formed. Whether the upper layer is epitaxially grown with respect to the lower layer cannot be determined under the conventional lattice matching conditions that only incorporate the lattice constant.
  • the present invention is an invention based on demonstration data in which such an example appears.
  • the buffer layer is epitaxially grown without saying that it is lattice-matched to the InP substrate.
  • lattice matching is close to the lattice constants of both the growth layer and the grown layer. In some cases it is implied to be in range, and the term epitaxial growth was used to avoid such misunderstandings. In other words, a case where growth is performed while maintaining “lattice matching” or “substantially lattice matching” at a low lattice defect density even though the lattice constants of both the growth layer and the layer to be grown are greatly different. .
  • a buffer layer that does not conform to the lattice matching condition can be formed using an InP substrate known for good crystallinity, and an MQW light-receiving layer lattice-matched on the buffer layer can be obtained.
  • the band gap of InP is 1.35 eV
  • the light-receiving layer having a cutoff wavelength of 3 ⁇ m does not absorb light in the wavelength range to be received.
  • a band gap of 1.35 eV corresponds to a short wavelength of less than 1 ⁇ m.
  • a III-V compound semiconductor substrate having a lattice constant larger than InP (lattice constant 5.86986) even if it is type 2 MQW. .
  • a substrate having a lattice constant larger than that of InP is required to realize a long wavelength (small transition energy) of a cutoff wavelength of 3 ⁇ m.
  • a substrate having a larger lattice constant than the InP substrate absorbs near-infrared to mid-infrared light due to various factors including a large lattice constant. Since the substrate is thick, the absorption of the target light by the substrate causes a significant decrease in sensitivity.
  • an MQW having a cutoff wavelength of 3 ⁇ m or more can be formed on an InP substrate, and a light receiving element having high sensitivity in the near infrared to mid infrared can be obtained.
  • the InP substrate has a stable and excellent crystallinity, even when the lattice defect density is inherited to the upper layer, an MQW having a good crystallinity can be stably obtained. Dark current can be reduced.
  • the stable and good crystallinity of the InP substrate brings about uniformity of the light receiving element characteristics and an improvement in yield. Furthermore, since a large-diameter substrate can be obtained as compared with other III-V compound semiconductor substrates, it is excellent in mass productivity.
  • the MQW lattice constant is determined from the periodicity of the XRD (Xray Diffraction) pattern when the MQW is configured by repeating pairs of the a layer and the b layer.
  • the lattice constant of the buffer layer is an average value over the entire thickness of the buffer layer having a predetermined thickness grown on the InP substrate, but is almost the same as the lattice constant specific to the material described in the handbook or the like.
  • the buffer layer is composed of a GaSb layer.
  • it may be composed of a layer (hereinafter referred to as GaSb equivalent layer) having the same crystal characteristics as the GaSb layer in relation to the InP substrate.
  • the crystal characteristics are the same as those of the GaSb layer (hereinafter referred to as GaSb equivalent layer) means that Sb is included and the lattice constant is almost the same as that of the GaSb layer, and the lattice matching with the InP substrate. Although it deviates from the conditions, it means that it is epitaxially grown in the above-mentioned meaning. And it means that the light receiving layer can be formed by lattice matching with the GaSb equivalent layer.
  • a light receiving layer having light receiving sensitivity on the side can be epitaxially grown.
  • the thickness of the buffer layer is not particularly limited, but is preferably 0.2 ⁇ m or more. If the thickness of the buffer layer is not 0.2 ⁇ m or more, the following problem occurs. That is, when the ground electrode is provided in the buffer layer, it is necessary to stop etching in the buffer layer when the epitaxial layer is etched from the upper layer to the predetermined thickness of the buffer layer.
  • the thickness of the buffer layer is 0.2 ⁇ m or more, it will not be within the variation range of etching stop. Also, the thicker one can be made to be 1 ⁇ m or more, preferably 1.5 ⁇ m or more, or 2 ⁇ m or more, since the thicker within the predetermined range, the better the crystallinity of the surface layer. Although described in detail in the embodiment, the thickness of the buffer layer of 0.2 ⁇ m or more greatly exceeds the critical film thickness in terms of the relationship with the critical film thickness in the InP / GaSb. When the degree of lattice mismatch is 0.038, the critical film thickness is estimated to be about 4 nm (0.004 ⁇ m).
  • the thickness of the buffer layer can be said to be several tens of times the critical thickness.
  • the GaSb buffer layer has a thickness of at least 50 times the critical film thickness. It may be 100 times or more. This is considered to be related to the specificity of the Sb element such as the surfactant effect.
  • the above InP substrate / GaSb layer or GaSb equivalent buffer layer can be regarded as a substitute for the GaSb substrate.
  • GaSb substrate absorbs the target light of the light receiving layer because absorption by free carriers exists in the mid-infrared region. Since the substrate is thick, the absorption of the target light by the GaSb substrate causes a significant reduction in sensitivity.
  • the InP substrate does not absorb light having a wavelength of 3 ⁇ m or more as described above, good sensitivity can be maintained. Further, the InP substrate has stable and good crystallinity as compared with the GaSb substrate, and the characteristics of the light receiving element can be made uniform and the yield can be improved. Further, the InP substrate has a larger diameter than the GaSb substrate, and is excellent in mass productivity. Furthermore, since it is very inexpensive, it is possible to provide a high-quality light-receiving element that is excellent in economic efficiency.
  • An InP substrate transparent to light having a wavelength of 3 ⁇ m to 12 ⁇ m is preferably an InP substrate to which sulfur (S) is not added.
  • An InP substrate containing sulfur (S) has a transmittance that decreases from a wavelength of 3 ⁇ m or more, and approaches almost zero at a wavelength of 5 ⁇ m, and becomes zero at a wavelength of 5 ⁇ m or more. For this reason, an InP substrate that does not contain sulfur must be used.
  • the InP substrate transparent to light having a wavelength of 3 ⁇ m to 12 ⁇ m, it is particularly preferable to use an Fe-containing InP substrate or a non-doped InP substrate.
  • the Fe-containing InP substrate or the non-doped InP substrate the InP substrate becomes transparent to light having a wavelength of 3 ⁇ m to 12 ⁇ m, and the sensitivity of the light receiving element of the present invention that receives light in this wavelength region as a light receiving object can be increased.
  • a pn junction can be provided in the light receiving layer. With the above configuration, it is possible to provide an infrared light receiving element having a pin structure and high light receiving sensitivity.
  • the light receiving layer has an insertion layer made of a group III-V compound semiconductor lattice-matched to the light receiving layer, and the bottom of the conduction band of the insertion layer is higher than the bottom of the conduction band of the light receiving layer It can be. Accordingly, an infrared light receiving element having an nBn (n-type layer / barrier layer / n-type layer) structure having high light receiving sensitivity can be provided. Further, the leakage current can be reduced while ensuring the independence of the pixels.
  • the multiple quantum well structure in the light receiving layer of the light receiving element can be any of type 2 MQW, ⁇ (InAs / GaSb), (InAs / InGaSb), (InAsSb / GaSb), and (InAsSb / InGaSb) ⁇ .
  • the light receiving element can obtain a light receiving layer having sensitivity in the near infrared to mid infrared (wavelength 3 ⁇ m to 12 ⁇ m).
  • the lattice constant of InAs is 6.0586
  • the lattice constant of GaSb is 6.095 ⁇
  • the lattice constant of In 0.2 Ga 0.8 Sb is 6.172 ⁇
  • the lattice constant of InAs 0.92 Sb 0.08 is 6.092 ⁇ .
  • the InP substrate can have a structure in which light is incident from the back surface of the InP substrate.
  • two-dimensionally arranged light receiving elements pixels
  • ROIC readout circuit
  • a device can be obtained. Rather, a hybrid detection device that is small and easy to use cannot be obtained unless the micro bump connection method is used.
  • the InP substrate does not absorb near-infrared to mid-infrared light, a light receiving element having high sensitivity in the wavelength range can be obtained.
  • the structure in which light is incident from the substrate side corresponds to an anti-reflection film (AR (Anti-reflection) film, etc.) provided on the back surface of the substrate, and two-dimensionally arranged pixels (light receiving elements) themselves. Since the backside incidence of the substrate is also planned, it corresponds to this structure.
  • AR Anti-reflection film
  • the detection device of the present invention includes any one of the light receiving elements described above and a readout circuit (ROIC: Read Out IC), and the pixel electrode in the light receiving element and the readout electrode in the readout circuit are connected via a bump. It is characterized by. As a result, a compact and miniaturized detection device having high light receiving sensitivity in the near infrared to mid infrared can be obtained.
  • ROIC Read Out IC
  • the semiconductor epitaxial wafer of the present invention is formed of a III-V group compound semiconductor.
  • This semiconductor epitaxial wafer includes an InP substrate transparent to light having a wavelength of 3 ⁇ m to 12 ⁇ m, and a buffer layer positioned in contact with the InP substrate.
  • the buffer layer having the lattice constant a 2 and the InP substrate having the lattice constant a 1 the value of
  • a GaSb layer is formed of a III-V group compound semiconductor.
  • the description in the light receiving element is applied as it is.
  • the technical meaning of configuring the buffer layer with a GaSb layer is also as described above.
  • the technical meaning of forming the GaSb equivalent layer is also as described above.
  • a buffer layer having a lattice constant that is not lattice-matched with InP is formed using a GaSb layer or the like by using an InP substrate that is known for good crystallinity. Can be good.
  • An epitaxial layer lattice-matched to the buffer layer can be grown on the semiconductor epitaxial wafer. In other words, a substrate having a lattice constant different from that of InP can be realized while using an InP substrate.
  • an InP substrate transparent to light having a wavelength of 3 ⁇ m to 12 ⁇ m can be an Fe-containing InP substrate or a non-doped InP substrate. Accordingly, since the substrate having a large thickness does not absorb light in the wavelength range of 3 ⁇ m to 12 ⁇ m, the sensitivity of the light receiving element according to the present invention for receiving light in this wavelength region can be increased.
  • the epitaxial wafer may include a first semiconductor layer including a multiple quantum well structure that is lattice-matched to the buffer layer.
  • the first semiconductor layer including a multiple quantum well structure with good crystallinity can be grown while being lattice-matched. Therefore, it is possible to obtain an infrared light receiving element with high light receiving sensitivity using an InP substrate having a high transmittance.
  • a multiple quantum well structure included in the first semiconductor layer of the semiconductor epitaxial wafer is converted into a type 2 multiple quantum well structure, ⁇ (InAs / GaSb), (InAs / InGaSb), (InAsSb / GaSb), and (InAsSb / InGaSb) ⁇ . It can be either.
  • a semiconductor epitaxial wafer for producing a light receiving element having high sensitivity in the near infrared to mid infrared (wavelength 3 ⁇ m to 12 ⁇ m).
  • a light receiving element in which a group III-V compound semiconductor is stacked on an InP substrate is manufactured.
  • This manufacturing method includes a step of preparing an InP substrate transparent to light having a wavelength of 3 ⁇ m to 12 ⁇ m, a step of forming a buffer layer in contact with the InP substrate, and a lattice matching with the buffer layer in contact with the buffer layer. Forming a light receiving layer including a multiple quantum well structure having a wavelength of 3 ⁇ m or more.
  • the buffer layer is epitaxially grown from the InP substrate while the lattice constant a 2 of the buffer layer and the lattice constant a 1 of the InP substrate exceed the range of formal lattice matching conditions. And a GaSb layer.
  • the buffer layer can have a crystallinity that is sufficiently crystalline so that MQW can be epitaxially grown on the InP substrate. it can.
  • a light receiving element having a light receiving sensitivity as high as 3 ⁇ m or more can be obtained for the above reason.
  • the InP substrate can be stably obtained with a large diameter having good crystallinity, and a light receiving element with high quality and high cost can be provided.
  • the buffer layer may be formed of a GaSb equivalent layer as described above.
  • the multiple quantum well structure included in the light receiving layer is changed to a type 2 multiple quantum well structure, ⁇ (InAs / GaSb), (InAs / InGaSb), (InAsSb / GaSb), and (InAsSb / InGaSb). ⁇ .
  • a light receiving element having high sensitivity in the near infrared to mid infrared can be easily manufactured.
  • a pn junction can be formed in the light receiving layer.
  • a lattice-matched insertion layer made of a group III-V compound semiconductor lattice-matched to the light-receiving layer is inserted into the light-receiving layer, and the bottom of the conduction band of the insertion layer is It can be higher than the bottom of the conduction band of the light receiving layer.
  • an infrared light-receiving element having an nBn (n-type layer / barrier layer / n-type layer) structure having high light receiving sensitivity is produced while reducing the leakage current by reducing the depth of the mesa structure groove. be able to.
  • a semiconductor epitaxial wafer of a III-V compound semiconductor is manufactured on an InP substrate.
  • This manufacturing method includes a step of preparing an InP substrate transparent to light having a wavelength of 3 ⁇ m to 12 ⁇ m and a step of forming a buffer layer in contact with the InP substrate.
  • the buffer layer forming step while the lattice constant a 2 of the buffer layer and the lattice constant a 1 of the InP substrate exceed the range of the formal lattice matching conditions, the buffer layer is epitaxially grown from the InP substrate. It is characterized by comprising a GaSb layer.
  • the thickness of the buffer layer is not particularly limited, but can be, for example, 0.2 ⁇ m or more, further 1.5 ⁇ m or more, and further 2 ⁇ m or more.
  • An epitaxial layer lattice-matched to the buffer layer can be grown on the semiconductor epitaxial wafer.
  • the buffer layer may be formed of a GaSb equivalent layer as described above.
  • the InP substrate since the InP substrate is used while obtaining a light receiving layer having a cutoff wavelength of 3 ⁇ m or more, the substrate does not absorb light in the target wavelength region. Therefore, it is possible to obtain a light receiving element with high sensitivity in the wavelength range of 3 ⁇ m or more.
  • the InP substrate since the InP substrate has stable and good crystallinity, it is possible to stably obtain a high-quality light receiving element or the like.
  • a large-diameter InP substrate can be obtained, it is excellent in mass productivity.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the light receiving element in Embodiment 1 of this invention, and shows a light receiving element provided with the pixel arranged in two dimensions. It is a figure which shows the light receiving element in Embodiment 1 of this invention, and shows the light receiving element of a single pixel. It is a figure which shows the transmittance
  • FIG. 1A and FIG. 1B It is sectional drawing which shows the light receiving element in Embodiment 2 of this invention.
  • Embodiment 3 of the present invention is shown and is an epitaxial wafer.
  • Embodiment 3 of the present invention is shown and is a light receiving element. It is a figure which shows the result of XRD of the semiconductor epitaxial wafer of the example of this invention in an Example.
  • FIG. 1A is a diagram illustrating a light receiving element 10 according to Embodiment 1 of the present invention, in which pixels are two-dimensionally arranged
  • FIG. 1B is a diagram illustrating a single pixel light receiving element. Both are the light receiving elements of the present invention, but the description of the light receiving element having the two-dimensionally arranged pixels includes the description of the single pixel light receiving element. The element will be described.
  • the light receiving element 10 has the following group III-V semiconductor stacked structure.
  • the type 2 (InAs / GaSb) MQW is the light-receiving layer 3. It has a cut-off wavelength of 3 ⁇ m or more, and has light receiving sensitivity to light in the near infrared to mid infrared (for example, wavelength 3 ⁇ m to 12 ⁇ m).
  • This MQW is preferably formed, for example, as a single (InAs / GaSb) pair, about 100 to 300 pairs.
  • the thickness of InAs and GaSb is preferably in the range of 2 nm to 7 nm, for example, about 5 nm.
  • a p-type impurity such as Be.
  • InAs is preferably doped with an n-type impurity such as Si so that several tens of pairs of the MQWs on the contact layer 5 side of the entire MQW are formed as an n-type layer.
  • Both intermediate layers are not doped with impurities to be i (intrinsic) type.
  • a pn junction or a pin junction is formed in the MQW 3 by the impurity doping or undoping described above.
  • the electrode 11 of the pixel P is preferably formed of an AuGeNi alloy or the like so as to make ohmic contact with the n-type contact layer 5.
  • the ground electrode 12 is preferably formed of a Ti / Pt / Au alloy or the like so as to make ohmic contact with the p-type GaSb buffer layer 2.
  • the buffer layer preferably has a carrier concentration of 1E18 cm ⁇ 3 or more. Light enters from the back surface of the InP substrate 1.
  • An AR (Anti-reflection) film 35 covers the back surface of the InP substrate 1 in order to prevent reflection of incident light.
  • the structure in which the AR film 35 is disposed on the back surface of the InP substrate 1 can be said to be a structure for entering from the substrate side. Further, since the two-dimensional array of pixels P itself is a micro-bump connection method used for connection with a readout circuit, substrate side incidence is inevitable, and it can be said that the structure is incident from the above substrate side.
  • / a 1 0.038 (3.8 %). Although the difference in lattice constant between the lower layer and the upper layer is very large, the GaSb buffer layer 2 has relatively good crystallinity and is epitaxially grown on the InP substrate. The reason for this is not clear at this time. Based on the past research results, it is considered that such good crystallinity is related to the thickness of the GaSb buffer layer and the specificity of the Sb element such as the surfactant effect. It is done.
  • the critical film thickness is determined by the Matthews and Blakeslee equation (for example, A. Braun et.al. Journal of Crystal Growth 241 (2002) 231-234) according to the mechanical equilibrium theory or the People and Bean equation according to the energy equilibrium theory. Desired.
  • a diagram showing the relationship between the critical film thickness and the degree of lattice mismatch based on these equations is shown in “Masayoshi Umeno, Tetsuo Soga: Crystal Growth Handbook (Kematsu Keisho, Kyoritsu Shuppan, 1995) p. 699”.
  • InP / GaSb has a lattice mismatch of 0.038 as described above. According to the above-mentioned crystal growth handbook, in this case, it is about 4 nm (0.004 ⁇ m) according to the People and Bean equation and about 1 nm (0.001 ⁇ m) according to the Matthews and Blakeslee equation.
  • the thickness of the GaSb buffer layer 2 is preferably 0.2 ⁇ m or more.
  • the thickness of the GaSb buffer layer 2 is several tens of times the critical film thickness. Even based on approximately 4 nm according to the People and Bean equation for calculating the critical film thickness, the thickness is 50 times or more. The thickness may be 100 times or more.
  • the GaSb buffer layer 2 grown on the InP substrate 1 has a mirror surface and is flat without unevenness.
  • the FWHM (full width at half maximum) of the main diffraction peak of XRD is preferably 300 seconds or less.
  • the carrier concentration in the p-type GaSb buffer layer 2 is set to 1E18 cm ⁇ 3 or more in order to reliably realize the ohmic contact.
  • the InP substrate 1 has a band gap energy of 1.35 eV.
  • FIG. 2 is a diagram showing the results of measuring the transmittance (room temperature) of an InP substrate having a thickness of 350 ⁇ m with a Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR).
  • FT-IR Fourier transform infrared spectrophotometer
  • the Fe-doped (high resistance) InP substrate is transparent in the wavelength range of 2 ⁇ m to 12 ⁇ m and has no absorption band.
  • FIG. 2 also shows the transmittance of the sulfur-doped InP substrate, but the transmittance is almost zero at a wavelength of 5 ⁇ m or more.
  • the low transmittance at a wavelength of less than 5 ⁇ m is due to the effect of rough back polishing.
  • the sulfur-containing InP substrate cannot be used as a substrate of an infrared light receiving element targeted by the present invention.
  • a Type 2 MQW having a cutoff wavelength of 3 ⁇ m or more it is common to use a III-V group compound semiconductor having a lattice constant larger than that of InP as the material constituting the MQW layer. If a group III-V compound semiconductor lattice-matched to InP is used, a cut-off wavelength of 3 ⁇ m or more cannot be realized even if the transition energy difference of electrons during light reception is reduced by using Type 2 MQW.
  • a GaSb substrate When realizing a cutoff wavelength of 3 ⁇ m or more with a type 2 MQW, for example, a GaSb substrate is usually used.
  • a group III-V compound semiconductor having a large lattice constant often has an absorption band in the near-infrared to mid-infrared wavelength region.
  • GaSb has absorption by free carriers in the mid-infrared region as shown in FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing the results of measuring the transmittance (room temperature) of a GaSb substrate having a thickness of 500 ⁇ m by FT-IR. According to FIG. 3, the undoped GaSb substrate has a transmittance of almost zero at a wavelength of 5 ⁇ m or more.
  • the Te-doped GaSb substrate which has a slightly higher transmittance than the undoped GaSb substrate, gradually decreases in transmittance from about 70% near the wavelength of 5 ⁇ m to about 50% near the wavelength of 6.5 ⁇ m, and the wavelength of 8 ⁇ m. It has fallen to 25% or less above. It is difficult to use a GaSb substrate exhibiting such a transmittance as a light-receiving element for the infrared region. For example, after manufacturing an epitaxial wafer, it is necessary to delete the GaSb substrate or greatly reduce the thickness, which leads to an increase in man-hours and a deterioration in quality.
  • the GaSb buffer layer 2 having good crystallinity can be grown on an InP substrate having no absorption band in the near infrared to mid infrared, and the type 2 having a cutoff wavelength of 3 ⁇ m or more is formed on the GaSb buffer layer 2.
  • InAs / GaSb MQW is formed.
  • the InP substrate 1 having a large thickness does not absorb the target light.
  • the sensitivity to the light to be received can be improved.
  • an InP substrate having good crystallinity can be obtained stably.
  • FIG. 4 is a diagram showing a hybrid detection device in which the light receiving element 10 of FIG. 1A and a readout circuit 70 formed in silicon (Si) are connected.
  • the read circuit 70 is a CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor).
  • the pixel electrode 11 that is conductively connected to the n-type contact layer 5 is conductively connected to the readout electrode 71 with the bumps 9 and 79 interposed therebetween.
  • the ground electrode 12 conductively connected to the p-type buffer layer 2 has the wiring electrode 12e transmitted along the protective film 43 so as to be aligned with the height of the pixel electrode 11, and a CMOS ground electrode 72 and bumps interposed therebetween. Conductive connection. According to the connection of the micro bump connection system with the bumps interposed as described above, a compact and downsized detection device can be obtained even if the pixel pitch is reduced and the pixels are high density.
  • FIG. 5 is a plan view showing the semiconductor epitaxial wafer 1a in a process in the middle of manufacturing the light receiving element 10 of FIGS. 1A and 1B.
  • FIG. 5 is in a state where a GaSb buffer layer is grown on an InP substrate.
  • the GaSb buffer layer has a thickness of 1 ⁇ m or more, exhibits a mirror surface, and is flat without unevenness. And the FWHM of the main peak by XRD is 300 seconds or less. However,
  • / a 1 about 0.038 (3.8%). Such good crystallinity is considered to be derived from the fact that the GaSb buffer layer is thick.
  • the light receiving element 10 is separated from the semiconductor epitaxial wafer 1a in a state in which the light receiving layer 3, the contact layer 5, the mesa structure, and the electrodes 11 and 12 are formed and the outline of the chip becomes gradually clear.
  • FIG. 5 is a diagram of the stage where the GaSb buffer layer 2 is formed.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a method for manufacturing the light receiving element 10 of FIGS. 1A and 1B.
  • an InP substrate is prepared and cleaned, and then a GaSb buffer layer 2 is grown to a thickness of 1 ⁇ m or more.
  • the growth method is not particularly limited, and MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) method and the like can be used.
  • the type 2 (InAs / GaSb) MQW light-receiving layer 3 is grown. Since type 2 transition (light reception) is performed across the interface between InAs and GaSb, the greater the number of interfaces, the higher the light reception sensitivity on the long wavelength side.
  • the MQW is preferably about 150 pairs or more as a whole.
  • p-type impurity Be is doped into about 50 MQW GaSb near the InP substrate 1 during MQW growth.
  • the MQW formed thereafter is an intrinsic semiconductor (i-type: intrinsic) as undoped.
  • n-type impurity Si is doped into the final InAs of about 50 MQW pairs.
  • the pin junction is also a kind of pn junction.
  • a pin junction in which a trench is inserted between the pixels P is formed by etching. Etching is performed by wet etching with phosphoric acid + hydrogen peroxide water + water, or dry etching with hydrogen iodide or silicon chloride gas. As a result, each pixel P can prevent crosstalk and the like independently of surrounding pixels.
  • the surface is covered with a protective film (passivation film) 43 that protects the surface of the mesa structure.
  • the protective film (passivation film) 43 an SiO 2 film or the like is preferably used.
  • the pixel electrode 11 and the ground electrode 12 are formed by photolithography.
  • the light receiving element 10 includes the light receiving layer 3 of type 2 (InAs / GaSb) MQW having a cutoff wavelength of 3 ⁇ m or more on the GaSb buffer layer 2 on the InP substrate 1, so that even in the case of substrate back-side incidence, Since the InP substrate 1 having a large thickness does not absorb light of the target wavelength, the light receiving sensitivity can be increased. In addition, by using an InP substrate having excellent crystallinity, a reliable reason is unknown, but a type 2 (InAs / GaSb) MQW light-receiving layer 3 having a low lattice defect density can be obtained. Dark current can be reduced. Furthermore, since the InP substrate is less expensive than GaSb, it is possible to provide a light receiving element and a detection device that are excellent in economic efficiency.
  • type 2 (InAs / GaSb) MQW having a cutoff wavelength of 3 ⁇ m or more on the GaSb buffer layer 2 on the InP substrate 1, so that even in the case of substrate
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the light receiving element 10 according to the second embodiment of the present invention.
  • the pixel P includes an n-type region 6 selectively diffused from the opening of the SiN selective diffusion mask pattern 36 and a pn junction 15 positioned at the tip of the n-type region 6 as main parts.
  • the pn junction 15 reaches the light receiving layer 3. Further, as described above, a pi junction may be used.
  • Each pixel P is separated from surrounding pixels by a region that is not selectively diffused.
  • the structure of the III-V compound semiconductor stack is ⁇ InP substrate 1 / p-type GaSb buffer layer 2 / type 2 (InAs / GaSb) MQW light-receiving layer 3 / p-type contact layer 55>.
  • the region in contact with the pixel electrode 11 is the n-type region 6 in which n-type impurities are selectively diffused.
  • Each pixel P is separated by a region that is not selectively diffused, and the crystal layer remains as it is. For this reason, since the side walls of the pixels are not exposed unlike the mesa structure, the crystal is hardly damaged. As a result, it is easy to realize a low dark current.
  • the description of the first embodiment is applied as it is.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view showing the epitaxial wafer in the third embodiment of the present invention
  • FIG. 8B is a cross-sectional view showing the light receiving element 10 in the third embodiment of the present invention.
  • the epitaxial wafer of FIG. 8A has the following laminated structure.
  • tens of pairs on the side in contact with the buffer layer 2 for example, 60 pairs of n + -type MQW 21 have an n-type carrier concentration of 2e18 cm ⁇ 3 or more.
  • InAs is doped with n-type impurity silicon (Si) and GaSb is not doped.
  • the n-type MQW 22 of (InAs / GaSb) positioned on the n + -type MQW 21 is, for example, 100 pairs and has an n-type carrier concentration of 1E16 cm ⁇ 3 .
  • the barrier layer 23 AlGaSb, AlAsSb, or the like having a wide band gap and having a conduction band bottom that is higher than the bottom of the upper and lower MQW conduction bands can be used.
  • a single layer is usually used, but MQW may be used.
  • the contact layer in which the pixel electrode 11 is to be arranged is, for example, 20 pairs, and is an n + type MQW 24 having a carrier concentration of 2e18 cm ⁇ 3 or more.
  • the pixel P is separated from the peripheral portion by mesa etching only to the contact layer of the n + -type MQW 24 or to a part of the barrier layer.
  • the pixel electrode 11 is formed of a Ti / Pt / Au alloy or the like so as to make ohmic contact with the n type contact layer of the n + type MQW 24.
  • the ground electrode 12 is preferably made of Ti / Pt / Au alloy or the like so as to make ohmic contact with the n + type MQW 21 positioned in contact with the buffer layer 2.
  • both the pixel electrode 11 and the ground electrode 12 are n-side electrodes.
  • light reception is detected by capturing holes that diffuse and reach the pixel electrode among the electron-hole pairs generated by light reception. Since the movement of the holes to the pixel electrode is due to diffusion, the mesa structure groove for pixel separation can be shallowed. As a result, the noise current flowing through the side wall of the mesa structure can be kept low.
  • the surface is covered with an AR film, a protective film, or the like, as in the first embodiment.
  • the pixel electrode 11 and a readout electrode of a readout circuit are conductively connected through a bump.
  • the ground electrodes are also conductively connected.
  • the advantages of providing the GaSb buffer layer 2 on the InP substrate are the same as those in the first and second embodiments.
  • the semiconductor epitaxial wafer 1a shown in FIG. 5 was produced and verified.
  • the method for producing the semiconductor epitaxial wafer of the example of the present invention is as follows. ⁇ Production method>: A GaSb buffer layer was grown on the InP substrate by MBE. A GaSb buffer layer was grown to a thickness of 2 ⁇ m at a substrate temperature of 400 ° C. with a V / III ratio of 3.9. The growth rate was 1.1 ⁇ m / hour (about 1 ML / second).
  • the semiconductor epitaxial wafer produced by the above method was observed with a metal microscope and XRD measurement.
  • the main diffraction peak of the GaSb buffer layer is considered to be derived from the entire thickness of the GaSb buffer layer. From the diffraction angle difference ⁇ between the main peak of the InP substrate and the main peak of the GaSb buffer layer,
  • / a 1 ⁇ a / a was calculated, which was 0.0382. It is usually difficult to obtain a GaSb buffer layer having a mirror surface between the lower layer (InP substrate) and the upper layer (GaSb buffer layer) having such a large lattice constant difference. It is considered that increasing the thickness of the buffer layer has a positive effect.
  • a type 2 MQW light-receiving layer having a large lattice constant can be grown in contact with the GaSb buffer layer having good crystallinity.
  • This light receiving layer has a cutoff wavelength of 3 ⁇ m or more, and the InP substrate does not absorb light in the wavelength region.
  • a GaSb substrate when used, it has an absorption band due to free carriers in the wavelength range. Since the substrate is thick, this absorption causes a serious reduction in sensitivity.
  • an InP substrate as in the example of the present invention, it is possible to avoid the problem of absorption by the substrate and maintain high sensitivity at a wavelength of 3 ⁇ m or more.
  • the light receiving element or the like of the present invention high light receiving sensitivity can be maintained in the near infrared region to the mid infrared region.
  • an InP substrate having stable quality, large diameter, and economy is used for the substrate, a high-quality light receiving element or the like can be provided at low cost.

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Abstract

波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板と、ＩｎＰ基板に接して位置するバッファ層と、バッファ層に格子整合するカットオフ波長３μｍ以上の多重量子井戸構造を有する受光層とを備え、バッファ層とＩｎＰ基板とが、形式的な格子整合条件の範囲を超えながら、当該バッファ層がＩｎＰ基板にエピタキシャル成長しており、バッファ層が、ＧａＳｂ層から構成されていることを特徴とする。

Description

受光素子、半導体エピタキシャルウエハ、これらの製造方法および検出装置
　本発明は、近赤外域～中赤外域の光を受光対象とする、受光素子、半導体エピタキシャルウエハ、これらの製造方法および検出装置に関するものである。
　近赤外域～中赤外域の光は、動植物などの生体や環境に関連した吸収スペクトル域に対応する。そのため受光層にＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を用いた近赤外域～中赤外域の光の検出器の開発が行われている。たとえば受光層にExtended－InGaAsを用いることで波長２．６μｍまで感度を持たせた受光素子アレイに、読み出し回路(ROIC:Read-out　IC)であるＣＭＯＳ（Complementary　Metal－Oxide　Semiconductor）を接続して、光電荷を出力信号に変換する検出器の例が発表されている（非特許文献１）。その受光素子アレイでは、窓層にはＩｎＧａＡｓ受光層に格子整合するＩｎＡｓＰを用いている。
　また受光層にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂのタイプ２型の多重量子井戸構造（ＭＱＷ:Multi-Quantum　Wells）を用い、画素領域をｐ型としたｐｉｎ型フォトダイオードについて、波長２．５μｍまで感度を持つことが報告されている（非特許文献２）。
　また、ＧａＳｂ基板上に（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）のタイプ２の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple　Quantum　Well）を受光層とする受光素子の提案がなされている（非特許文献３）。この受光素子によれば、波長１２μｍの近くにまで感度を持つことが示されている。
　また、ＧａＳｂ基板上に（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）のタイプ２のＭＱＷを受光層として、その受光層の中間にバリア層を配置したｎＢｎ（ｎ型層／バリア層／ｎ型層）構造の受光素子が提案されている（非特許文献４）。ｎＢｎ構造はｐｉｎ構造と比較して、光の検出に正孔の拡散を用いるため画素分離のためのメサエッチングが浅くて済み、メサ構造の側壁を流れるノイズ電流を小さくできる利点がある。
高橋秀夫ら「近赤外用InGaAs光検出器」，OPTRONICS(1997),No.3, pp.107-113 R.Sidhu, N.Duan, J.C.Campbell, and A.L.Holmes, Jr.," A 2.3μm cutoff wavelength photodiode on InP using lattice-matched GaInAs-GaAsSb type II　quantum wells"2005 International Conference on Indium Phosphide and Related　Materials Binh-Minh Nguyen, Darin Hoffman, Yajun Wei, Pierre-Yves Delaunay, Andrew Hood, and Manijeh Razeghi, "Very high quantum efficiency in type-II　InAs/GaSb superlattice photodiode with cutoff of 12 μm" Appl. Phys. Lett., Vol.90, 231108 H.S.Kim, E.Plis, J.B.Rodriguez, G.D.Bishop, Y.D.Sharma, L.R.Dawson, S.Krishna, J.Bundas, R.Cook, D.Burrows, R.Dennis, K.Patnaude, A.Reisinger and M.Sundaram, "Mid-IR focal plane array based on type-II InAs/GaSb strain layer superlattice detector with nBn design" Appl. Phys. Lett., Vol.92, 183502
　しかし、上記の非特許文献１の近赤外用ＩｎＧａＡｓ光検出器（イメージセンサ）では、ＩｎＰ基板に格子整合しない組成のＩｎＧａＡｓを受光層としているため、暗電流が大きくなりノイズが大きい。またその検出可能な波長は、２．６μｍを超えることは難しい。
　また、非特許文献２の受光素子についても、実際に波長３μｍにまで届いた例は報告されていない。
　非特許文献３の受光素子については、ＧａＳｂ基板は高価であり、品質にも大きなばらつきがみられ、量産性という点で問題がある。とくに本質的な問題は、ＧａＳｂは中赤外域に自由キャリアによる吸収があるため、アレイ化した画素において必然となる基板裏面入射において感度の低下を生じることである。
　非特許文献４の受光素子については、上記の非特許文献３と同様の問題があり、量産性という点で、困難がある。
　本発明は、近赤外域～中赤外域にわたって高い受光感度を持ち、安定して高品質が得られる、受光素子、そこで用いられる半導体エピタキシャルウエハ、これらの製造方法、および検出装置を提供することを目的とする。
　本発明の受光素子は、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体により形成される。この受光素子は、波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板と、ＩｎＰ基板に接して位置するバッファ層と、バッファ層に接して位置する多重量子井戸構造を有する受光層とを備える。そして受光層は、カットオフ波長が３μｍ以上であり、かつバッファ層に格子整合している。格子定数ａ２を持つバッファ層および格子定数ａ１を持つＩｎＰ基板において、|ａ２－ａ１|／ａ１の値が、形式的な格子整合条件の範囲を超えながら、当該バッファ層が前記ＩｎＰ基板にエピタキシャル成長しており、前記バッファ層が、ＧａＳｂ層から構成されていることを特徴とする。
　ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体では、元素の組成を変えることにより格子定数が変化するので、エピタキシャル層を成長するとき下層の格子定数に整合するようにエピタキシャル層の組成をきめ細かく変えるのが普通である。これによって、格子欠陥密度の小さいＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の積層体が形成され、受光素子において最重要視される指標の１つである暗電流を低くすることができる。受光素子に限らず他の半導体素子でも格子欠陥密度を低くすることは一定レベルの特性を得るために必要である。このようなＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体に特有の、またはＩＩＩ－Ｖ族に限らず化合物半導体に特有の事情を反映して、低い格子欠陥密度を重視することを考える。その場合、下層の格子定数ｓ１とその上に成長される上層の格子定数ｓ２で表される格子不整合度：｜ｓ１－ｓ２｜／（ｓ２またはｓ１）はできるだけ低い値、たとえば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系では（０．００２乃至０．００３）以下が望ましい。また、一般に、格子整合は上記の格子不整合度が０．００５以下ということが知られている。これらを考え合わせて、格子不整合度が０．００５以下という範囲を、上述の形式的な格子整合条件の範囲とみることができる。形式的な格子整合条件の範囲を超える、とは、格子不整合度が０．００５を超えるということである。
　しかしながら、実際には、格子不整合度の限界値は、材料系に依存するため、本発明が対象とするＧａＳｂ／ＩｎＰ系では、格子不整合度が大きくても結晶性の良好なＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の積層体を形成することができる。これまでの形式的に格子定数のみを取り入れた格子整合条件では、下層に対して上層がエピタキシャル成長するか否かは決めることができない。本発明は、まさにこのような例が現れた実証データに基づく発明である。
　ここで、バッファ層がＩｎＰ基板に格子整合している、と述べずに、エピタキシャル成長している、としたのは、格子整合という用語には、成長層および被成長層の両方の格子定数が近い範囲にあることを暗黙に意味する場合もあり、そのような誤解を避けるためにエピタキシャル成長の語を用いた。換言すれば、成長層および被成長層の両方の格子定数が大きく相違するにもかかわらず、低い格子欠陥密度で、“格子整合”または“ほぼ格子整合”を保ちながら成長する場合をエピタキシャル成長と呼ぶ。
　上記の構成によれば、良好な結晶性で知られるＩｎＰ基板を用いて、格子整合条件に適合しないバッファ層を形成して、そのバッファ層上に格子整合するＭＱＷの受光層を得ることができる。ＩｎＰのバンドギャップは１．３５ｅＶなので、カットオフ波長３μｍの受光層が受光対象とする波長域の光は吸収しない。バンドギャップ１．３５ｅＶは波長１μｍ弱の短い波長に対応する。このため、基板裏面入射が必然となる二次元配列された画素を備える受光素子において、基板に対象光をまったく吸収されないので、高い受光感度を保持できる。カットオフ波長が３μｍ以上のＭＱＷには、たとえタイプ２のＭＱＷであっても、ＩｎＰ（格子定数５．８６９Å）よりも格子定数が大きいＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の基板を用いるのが普通である。タイプ２のＭＱＷを用いて受光における電子の遷移エネルギを小さくしても、カットオフ波長３μｍという長い波長（小さい遷移エネルギ）を実現するには、ＩｎＰよりも格子定数の大きい基板が必要である。ＩｎＰ基板よりも格子定数の大きい基板は、大きな格子定数も含む種々の要因により近赤外～中赤外の光を吸収する。基板は厚みが厚いため、基板による対象光の吸収は、大きな感度低下の要因となる。
　上記のようにＧａＳｂ層からなるバッファ層を挿入することによって、ＩｎＰ基板にカットオフ波長３μｍ以上のＭＱＷを形成して、近赤外～中赤外において高い感度を持つ受光素子を得ることができる。また、上記のようにＩｎＰ基板は結晶性が安定して良好なものを得られるので、格子欠陥密度の上層への継承が生じても、安定して結晶性の良いＭＱＷを得ることができ、暗電流を低くすることができる。また上記のＩｎＰ基板の安定した良好な結晶性は、受光素子特性の均一化、および歩留まり向上をもたらす。さらに他のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の基板に比べて大口径の基板を得ることができるので、量産性にも優れる。
　なお、ＭＱＷの格子定数は、ａ層とｂ層との対の繰り返しでＭＱＷが構成される場合、ＸＲＤ（Ｘray　Diffraction）パターンの周期性から決定される。バッファ層の格子定数については、ＩｎＰ基板上に成長した所定厚みのバッファ層の厚み全体にわたる平均値であるが、ハンドブック等に記載される材料固有の格子定数とほとんど同じである。
　上記のバッファ層は、ＧａＳｂ層から構成される。または、ＩｎＰ基板との関係において結晶特性がＧａＳｂ層と同じである層（以下、ＧａＳｂ同等層）、から構成されてもよい。ここで、ＩｎＰ基板との関係において結晶特性がＧａＳｂ層（以下、ＧａＳｂ同等層）と同じである、とは、Ｓｂを含み、格子定数がＧａＳｂ層とほぼ同じであり、ＩｎＰ基板とは格子整合条件を逸脱しているが、上述の意味でエピタキシャル成長していることをいう。そして、当該ＧａＳｂ同等層に格子整合して受光層を形成できることをいう。
　これによって、ＩｎＰ基板上にＩｎＰ（格子定数ａ１＝５．８６９Å）よりも格子定数が大きいＧａＳｂ（格子定数ａ２＝６．０９５Å）層、または、ＧａＳｂ同等層、を介在させて、長波長側に受光感度を持つ、受光層をエピタキシャル成長することができる。バッファ層の厚みは、とくに限定しないが、厚み０．２μｍ以上とするのがよい。バッファ層の厚みが０．２μｍ以上ないと、つぎの問題を生じる。すなわち、バッファ層にグランド電極を設けるとき、エピタキシャル層を上層からバッファ層の所定厚みまでエッチングする際、バッファ層内でエッチング停止をする必要がある。バッファ層の厚みが０．２μｍ以上ないとエッチング停止のばらつき範囲に収まらなくなる。また、厚いほうは、所定範囲内で厚いほうが表層の結晶性を良好にできるので、１μｍ以上、好ましくは１．５μｍ以上または２μｍ以上とするのがよい。
　実施の形態において詳しく説明するが、上記のバッファ層の厚み０．２μｍ以上は、上記ＩｎＰ／ＧａＳｂにおける臨界膜厚との関係でいえば、臨界膜厚をはるかに大きく超えている。格子不整合度が０．０３８のとき、臨界膜厚は厚く見積もって４ｎｍ（０．００４μｍ）程度である。したがって、バッファ層の膜厚は臨界膜厚の数十倍以上ということができる。ＧａＳｂバッファ層は、少なくとも臨界膜厚の５０倍以上の厚みを有する。１００倍以上であってもよい。これはＳｂ元素がもつサーファクタント効果などの特異性も関係していると考えられる。
　上記のＩｎＰ基板／ＧａＳｂ層またはＧａＳｂ同等層のバッファ層は、格子整合の立場からはＧａＳｂ基板の代わりをしているとみることができる。ＧａＳｂ基板を用いた場合、しかしながら、ＧａＳｂは、中赤外域に自由キャリアによる吸収が存在するので、この受光層の対象光を吸収する。基板は厚みが厚いため、ＧａＳｂ基板による対象光の吸収は大きな感度低下を生じる。ＩｎＰ基板は、上述のように波長３μｍ以上の光を吸収しないので、良好な感度を保持することができる。
　また、ＩｎＰ基板はＧａＳｂ基板に比べて、安定して結晶性が良好であり、受光素子の特性の均一化および歩留まり向上を得ることができる。また、ＩｎＰ基板はＧａＳｂ基板に比べて大口径が可能であり、量産性の点でも優れている。さらに非常に安価なので、経済性に優れた高品質の受光素子を提供することができる。
　波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板を、硫黄（Ｓ）を添加していないＩｎＰ基板とするのがよい。
　硫黄（Ｓ）を含むＩｎＰ基板は、波長３μｍ以上から透過率が減少して波長５μｍで透過率がほとんどゼロに近づき、波長５μｍ以上でゼロになる。このため、ＩｎＰ基板には硫黄を含有しないものを用いなければならない。
　波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板としては、とくに、Ｆｅ含有ＩｎＰ基板またはノンドープＩｎＰ基板とするのがよい。
　Ｆｅ含有ＩｎＰ基板またはノンドープＩｎＰ基板を用いることで、ＩｎＰ基板は波長３μｍ～１２μｍの光に透明になり、この波長域の光を受光対象にする本発明の受光素子の感度を高めることができる。
　受光層内にｐｎ接合を有するようにできる。
　上記の構成によって、高い受光感度を持つｐｉｎ構造の赤外域の受光素子を提供することができる。
　または、受光層に、その受光層に格子整合しているＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる挿入層を有し、該挿入層の伝導帯の底を、該受光層の伝導帯の底より高いものとすることができる。
　これによって、高い受光感度を持つｎＢｎ（ｎ型層／バリア層／ｎ型層）構造の赤外域の受光素子を提供することができる。また、画素の独立性を確保しながらリーク電流を小さくすることができる。
　受光素子の受光層における多重量子井戸構造を、タイプ２のＭＱＷ、｛（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ）および（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＧａＳｂ）｝のいずれかとすることができる。
　これによって、受光素子は、近赤外～中赤外（波長３μｍ～１２μｍ）に感度をもつ受光層を得ることができる。なお、ＩｎＡｓの格子定数６．０５８Å、ＧａＳｂの格子定数６．０９５Å、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｓｂの格子定数６．１７２Å、ＩｎＡｓ０．９２Ｓｂ０．０８の格子定数６．０９２Åである。
　ＩｎＰ基板の裏面から光が入射される構造を有することができる。
　ＩｎＰ基板の裏面を入射面とすることで、二次元配列された受光素子（画素）をマイクロバンプ接続方式で読み出し回路（ＲＯＩＣ）の読み出し電極とコンパクトな構造で接続して小型化されたハイブリッド検出装置を得ることができる。というよりは、マイクロバンプ接続方式によらなければ、小型で使いやすいハイブリッド検出装置を得ることができない。その上で、ＩｎＰ基板が近赤外～中赤外の光を吸収しないので、当該波長域に高い感度をもつ受光素子を得ることができる。
　ここで、基板の側から光が入射される構造とは、基板裏面に設けた反射防止膜（ＡＲ(Anti-reflection)膜などが該当する。また、二次元配列された画素（受光素子）自体も基板裏面入射を予定しているので、当該構造に該当する。
　本発明の検出装置は、上記のいずれかの受光素子と、読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read　Out　IC）とを備え、受光素子における画素電極と、読み出し回路における読み出し電極とがバンプを介在させて接続されていることを特徴とする。
　これによって、近赤外～中赤外に高い受光感度をもち、コンパクトで小型化された検出装置を得ることができる。
　本発明の半導体エピタキシャルウエハは、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体により形成されている。この半導体エピタキシャルウエハは、波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板と、ＩｎＰ基板に接して位置するバッファ層とを備える。そして格子定数ａ２を持つバッファ層および格子定数ａ１を持つＩｎＰ基板において、|ａ２－ａ１|／ａ１の値が、形式的な格子整合条件の範囲を超えていて、バッファ層が、ＧａＳｂ層から構成されていることを特徴とする。
　ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体におけるエピタキシャル成長、および形式的な格子整合条件などについては、上記受光素子での説明がそのまま当てはまる。また、バッファ層をＧａＳｂ層で構成することの技術的意味についても、上述のとおりである。そして、ＧａＳｂ同等層で形成することの技術的意味についても、上述のとおりである。
　上記の構成によって、良好な結晶性で知られるＩｎＰ基板を用いて、ＩｎＰと格子整合しないとされる格子定数をもつバッファ層をＧａＳｂ層などで形成することでそのバッファ層の結晶性を比較的良好なものとできる。この半導体エピタキシャルウエハ上に当該バッファ層に格子整合するエピタキシャル層を成長させることができる。いわば、ＩｎＰ基板を用いながら、ＩｎＰと格子定数が異なる基板を実現することができる。
　上記のエピタキシャルウエハにおいて、波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板を、Ｆｅ含有ＩｎＰ基板またはノンドープＩｎＰ基板とすることができる。
　これによって、厚みが大きい基板が、波長３μｍ～１２μｍの範囲の光を吸収しないので、この波長域を受光対象とする本発明に係る受光素子の感度を高めることができる。
　上記のエピタキシャルウエハにおいて、バッファ層に格子整合する、多重量子井戸構造を含む第１半導体層を備えることができる。
　上記の構成によって、結晶性の良好な多重量子井戸構造を含む第１半導体層を格子整合させて成長することができる。このため透過率の高いＩｎＰ基板を用いて、受光感度の高い赤外域の受光素子を得ることができる。
　半導体エピタキシャルウエハの第１半導体層に含まれる多重量子井戸構造を、タイプ２の多重量子井戸構造、｛（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ）および（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＧａＳｂ）｝のいずれかとすることができる。
　これによって、近赤外～中赤外（波長３μｍ～１２μｍ）に高い感度をもつ受光素子を作製するための半導体エピタキシャルウエハを提供することができる。
　本発明の受光素子の製造方法は、ＩｎＰ基板にＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体が積層された受光素子を製造する。この製造方法は、波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板を準備する工程と、ＩｎＰ基板に接してバッファ層を形成する工程と、バッファ層に接して該バッファ層に格子整合する、カットオフ波長３μｍ以上の多重量子井戸構造を含む受光層を形成する工程とを備える。そしてバッファ層形成工程において、バッファ層の格子定数ａ２およびＩｎＰ基板の格子定数ａ１、が形式的な格子整合条件の範囲を超えながら、当該バッファ層が前記ＩｎＰ基板からエピタキシャル成長し、バッファ層を、ＧａＳｂ層から構成することを特徴とする。
　上記の方法によれば、ＩｎＰ基板に格子整合しないとされる材料であるＧａＳｂ層などをバッファ層に用いることで、ＩｎＰ基板上に、ＭＱＷをエピタキシャル成長できるほど結晶性の良いバッファ層とすることができる。この結果、上記の理由により波長３μｍ以上に高い受光感度をもつ受光素子を得ることができる。また、ＩｎＰ基板は安定して結晶性が良好な大口径のもの得ることができ、高品質、高経済性の受光素子を提供することができる。なお、バッファ層はＧａＳｂ同等層で形成してもよいことは上記のとおりである。
　受光素子の製造方法において、受光層に含まれる多重量子井戸構造を、タイプ２の多重量子井戸構造、｛（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ）および（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＧａＳｂ）｝のいずれかとすることができる。
　これによって、近赤外～中赤外（波長３μｍ～１２μｍ）に高い感度をもつ受光素子を容易に製造することができる。
　受光層の形成工程において、受光層内にｐｎ接合を形成することができる。
　上記の構成によって、高い受光感度を持つｐｉｎ構造の赤外域の受光素子を提供することができる。
　受光層の形成工程において、該受光層に、その受光層に格子整合しているＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる格子整合している挿入層を挿入し、該挿入層の伝導帯の底を該受光層の伝導帯の底より高いものとすることができる。
　これによって、メサ構造の溝の深さを浅くすることでリーク電流を小さくしながら、高い受光感度を持つｎＢｎ（ｎ型層／バリア層／ｎ型層）構造の赤外域の受光素子を製造することができる。
　本発明の半導体エピタキシャルウエハの製造方法は、ＩｎＰ基板にＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の半導体エピタキシャルウエハを製造する。この製造方法は、波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板を準備する工程と、ＩｎＰ基板に接してバッファ層を形成する工程を備える。そしてバッファ層形成工程において、バッファ層の格子定数ａ２およびＩｎＰ基板の格子定数ａ１、が形式的な格子整合条件の範囲を超えながら、当該バッファ層がＩｎＰ基板からエピタキシャル成長し、バッファ層を、ＧａＳｂ層から構成することを特徴とする。
　上記の方法によって、良好な結晶性で知られるＩｎＰ基板を用いて、ＩｎＰと格子定数が大きく異なる材料であるＧａＳｂなどによってバッファ層を形成することで、格子整合条件を大きく逸脱しながら、比較的良好な結晶性のバッファ層を得ることができる。バッファ層の厚みは、とくに限定しないが、たとえば０．２μｍ以上とすることができる、さらに１．５μｍ以上、さらに２μｍ以上としてもよい。この半導体エピタキシャルウエハ上に当該バッファ層に格子整合するエピタキシャル層を成長させることができる。なお、バッファ層はＧａＳｂ同等層で形成してもよいことは上記のとおりである。
　本発明の受光素子等によれば、カットオフ波長３μｍ以上の受光層を得ながら、ＩｎＰ基板を用いているためその対象波長域の光を基板が吸収することがない。このため波長域３μｍ以上で感度が高い受光素子を得ることができる。また、ＩｎＰ基板は安定して良好な結晶性を有するので、安定して高品質の受光素子等を得ることができる。また、大口径のＩｎＰ基板を得られるので量産性にも優れる。
本発明の実施の形態１における受光素子を示し、二次元配列された画素を備える受光素子を示す図である。 本発明の実施の形態１における受光素子を示し、単一画素の受光素子を示す図である。 ＩｎＰ基板の透過率を示す図である。 ＧａＳｂ基板の透過率を示す図である。 図１Ａの受光素子と読み出し回路とを組み合わせたハイブリッド検出装置を示す断面図である。 本発明の半導体エピタキシャルウエハを示す図である。 図１Ａおよび図１Ｂに示す受光素子の製造方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態２における受光素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態３を示し、エピタキシャルウエハである。 本発明の実施の形態３を示し、受光素子である。 実施例における本発明例の半導体エピタキシャルウエハのＸＲＤの結果を示す図である。
　１　ＩｎＰ基板、１ａ　半導体エピタキシャルウエハ　２　ＧａＳｂバッファ層、３　受光層、５　ｎ型コンタクト層、６　ｎ型領域、９　受光素子のバンプ、１０　受光素子、１１　画素電極、１２　グランド電極、１２ｅ　配線電極、１５　ｐｎ接合、２１　ｎ＋型ＭＱＷ、２２　ｎ型ＭＱＷ、２３　バリア層、２４　ｎ＋型ＭＱＷ、３５　反射防止膜、３６　選択拡散マスクパターン、４３　保護膜、５０　ハイブリッド検出装置、５５　ｐ型コンタクト層、７０　読み出し回路、７１　読み出し電極、７２　グランド電極、７３　絶縁膜、７９　バンプ、１０１　ＦｅドープＩｎＰ（１００）基板、Ｐ　画素。
（実施の形態１）
　図１Ａは、本発明の実施の形態１における受光素子１０を示す図であり、画素が二次元配列された受光素子、図１Ｂは単一画素の受光素子を示す図である。どちらも本発明の受光素子であるが、二次元配列された画素をもつ受光素子の説明は、単一画素の受光素子の説明を包含するので、以下では、二次元配列された画素をもつ受光素子について説明する。
　図１Ａによれば、受光素子１０は次のＩＩＩ－Ｖ族半導体積層構造を備える。
＜ＩｎＰ基板１／ｐ型ＧａＳｂバッファ層２／タイプ２の（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷ／ｎ型コンタクト層５＞
　このうち、タイプ２の（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷが、受光層３である。カットオフ波長３μｍ以上であり、近赤外～中赤外（たとえば波長３μｍ～１２μｍ）の光に受光感度をもつ。このＭＱＷは、たとえば単一の（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）を１ペアとして、１００～３００ペア程度形成されるのがよい。ＩｎＡｓおよびＧａＳｂの厚みは、２ｎｍ～７ｎｍの範囲、たとえば５ｎｍ程度とするのがよい。全体のＭＱＷのうち、ＩｎＰ基板１の側の数十ペアのＧａＳｂにはｐ型不純物たとえばＢｅをドープするのがよい。また、全体のＭＱＷのうちコンタクト層５の側の数十ペアをｎ型層とするためにＩｎＡｓにＳｉなどのｎ型不純物をドープするのがよい。両方の中間の層は、ｉ（intrinsic）型とするために不純物をドープしない。このようなＭＱＷの中の導電型領域の形成によって、ｐｉｎフォトダイオードを得ることができる。
　ｐｎ接合またはｐｉｎ接合は、上記の不純物ドープまたはアンドープにより、ＭＱＷ３内に形成される。
　画素Ｐの電極１１は、ｎ型コンタクト層５にオーミック接触するようにＡｕＧｅＮｉ合金等で形成するのがよい。またグランド電極１２は、ｐ型ＧａＳｂバッファ層２にオーミック接触するようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ合金等で形成するのがよい。この際、バッファ層には電極を形成するので、バッファ層は１Ｅ１８ｃｍ－３以上のキャリア濃度を有するのが望ましい。
　光は、ＩｎＰ基板１の裏面から入射される。入射光の反射を防止するためにＡＲ（Anti-reflection）膜３５がＩｎＰ基板１の裏面を被覆する。このＩｎＰ基板１の裏面にＡＲ膜３５を配置する構造は、基板側から入射するための構造といってよい。また画素Ｐの二次元配列自体、読み出し回路との接続に用いられるマイクロバンプ接続方式のため、基板側入射は必然であり、上記の基板側から入射するための構造といってよい。
　本実施の形態における特徴は、次の点にある。
（１）ＩｎＰ基板１の格子定数ａ１＝５．８６９Åであり、ＧａＳｂの格子定数ａ２＝６．０９５Åであるので、|ａ２－ａ１|／ａ１＝０．０３８（３．８％）である。下層と上層の格子定数の相違が、非常に大きいにもかかわらず、ＧａＳｂバッファ層２は、比較的良好な結晶性を有して、ＩｎＰ基板にエピタキシャル成長している。この理由は、現時点で、明らかでない。これまでの研究結果等を総合して推測すると、このような良好な結晶性はＧａＳｂバッファ層の厚みが厚いこと、および、Ｓｂ元素がもつサーファクタント効果などの特異性も関係している、と考えられる。
　一般に、格子不整合度が大きいほど、成長する層の膜厚は薄くしないとミスフィット転位が増大して結晶性のよいエピタキシャル膜は得られない。このため結晶成長の分野では、臨界膜厚という概念を設けて、その臨界膜厚の厚み以上では、結晶性の良好なエピタキシャル膜は得られないという考え方が一般的となっている。その臨界膜厚は、力学的平衡理論によるMatthews　and　Blakesleeの式（例えば、A.Braun　et.al.　Journal　of　Crystal　Growth　241(2002)231-234）、またはエネルギー平衡理論によるPeople　and　Beanの式によって求められる。これらの式に基づいて臨界膜厚と、格子不整合度との関係を示した図が、「梅野正義、蘇我哲夫：結晶成長ハンドブック（小松啓編，共立出版，１９９５）ｐ．６９９」に示されている。ＩｎＰ／ＧａＳｂにおいては、上記のように格子不整合度０．０３８である。上記結晶成長ハンドブックの図によれば、この場合、People　and　Beanの式によれば約４ｎｍ（０．００４μｍ）であり、Matthews　and　Blakesleeの式によれば約１ｎｍ（０．００１μｍ）である。
　上記したように、ＧａＳｂバッファ層２の厚みは０．２μｍ以上とするのがよい。したがって、本実施の形態では、ＧａＳｂバッファ層２の厚みは、臨界膜厚の数十倍以上あることになる。臨界膜厚を厚く算定するPeople　and　Beanの式による約４ｎｍに基づいても、５０倍以上の厚みを有する。１００倍以上の厚みでもよい。
　なお、ＩｎＰ基板１上に成長したＧａＳｂバッファ層２は、鏡面を呈して、凹凸がなく平坦である。ＸＲＤの主回折ピークのＦＷＨＭ（半値全幅）は、３００秒以下とするのがよい。ｐ型ＧａＳｂバッファ層２におけるキャリア濃度は上記オーミック接触を確実に実現するために、１Ｅ１８ｃｍ－３以上とする。
（２）ＩｎＰ基板１は、バンドギャップエネルギが１．３５ｅＶである。このバンドギャップは波長１μｍ弱に対応する。このため、受光層３が対象とする光を吸収しない。図２は、厚み３５０μｍのＩｎＰ基板の透過率（室温）を、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ－ＩＲ）で測定した結果を示す図である。Ｆｅドープ（高抵抗）ＩｎＰ基板は波長２μｍ～１２μｍの波長域で透明であり、吸収帯がない。なお、図２は、硫黄ドープＩｎＰ基板の透過率も記載するが、波長５μｍ以上ではほとんど透過率はゼロである。波長５μｍ未満において透過率が低いのは裏面粗研磨の影響である。波長５μｍ以上で透過率がゼロであるため、硫黄含有ＩｎＰ基板は、本発明が対象とする赤外域の受光素子の基板には使用することはできない。
　カットオフ波長３μｍ以上のタイプ２のＭＱＷを形成する場合、ＭＱＷの層を構成する材料には、ＩｎＰよりも格子定数の大きいＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を用いるのが普通である。ＩｎＰに格子整合するＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を用いたのでは、たとえタイプ２のＭＱＷによって受光の際の電子の遷移エネルギ差を小さくしたとしても、カットオフ波長３μｍ以上を実現することはできない。
　カットオフ波長３μｍ以上を、タイプ２のＭＱＷで実現する場合、たとえばＧａＳｂ基板を用いるのが普通である。このような格子定数の大きいＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体は、近赤外～中赤外の波長域に吸収帯を持つ場合が多い。たとえば、ＧａＳｂは、図３に示すように中赤外域に自由キャリアによる吸収を持つ。図３は、厚み５００μｍのＧａＳｂ基板の透過率（室温）をＦＴ－ＩＲで測定した結果を示す図である。図３によれば、アンドープＧａＳｂ基板は、波長５μｍ以上で透過率はほとんどゼロである。また、アンドープＧａＳｂ基板よりも少し透過率が高いＴｅドープＧａＳｂ基板についても、透過率は、波長５μｍ付近の７０％程度から徐々に低下し、波長６．５μｍ付近で５０％程度になり、波長８μｍ以上で２５％以下に低下している。このような透過率を示すＧａＳｂ基板を赤外域を対象とする受光素子用いることは難しい。たとえば、エピタキシャルウエハを製造したあと、ＧａＳｂ基板を削除するか、大幅に減厚する必要があり、工数の増大および品質劣化を招く。
　しかし、上記によれば、近赤外～中赤外に吸収帯を持たないＩｎＰ基板に結晶性の良いＧａＳｂバッファ層２を成長でき、そのＧａＳｂバッファ層２上にカットオフ波長３μｍ以上のタイプ２の（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷを形成している。この結果、厚みが大きいＩｎＰ基板１が、対象とする光を吸収することはない。この結果、受光対象の光に対する感度を向上させることができる。
（３）ＧａＳｂ基板に比べて、良好な結晶性のＩｎＰ基板を安定して得ることができる。このため、ＩｎＰ基板１／ＧａＳｂバッファ層２／（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷからなる受光層３、とエピタキシャル成長しても、良好な結晶性の（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷからなる受光層３を、どの部分でも、またどの機会にも得ることができる。この結果、特性が均一な素子を、歩留まり良く製造することができる。
　さらにＩｎＰ基板はＧａＳｂ基板に比べて、大口径のものを得られるので量産性に優れている。さらに、ＩｎＰ基板はＧａＳｂ基板に比べて安価であるので、経済性に優れた受光素子１０、ひいては検出装置５０を提供することができる。
　図４は、図１Ａの受光素子１０と、シリコン（Ｓｉ）に形成された読み出し回路７０とを接続したハイブリッド検出装置を示す図である。読み出し回路７０はＣＭＯＳ（Complimentary　Metal　Oxide　Semiconductor）である。ｎ型コンタクト層５に導電接続する画素電極１１は、読み出し電極７１と、それぞれのバンプ９，７９を介在させて導電接続されている。またｐ型バッファ層２に導電接続するグランド電極１２は、配線電極１２ｅを保護膜４３に沿って伝わらせて画素電極１１の高さに揃えて、ＣＭＯＳのグランド電極７２と、バンプを介在させて導電接続させている。
　上記のようなバンプを介在させたマイクロバンプ接続方式の接続によれば、画素ピッチを小さくして高密度の画素としても、コンパクトな小型化した検出装置を得ることができる。
　図５は、図１Ａおよび図１Ｂの受光素子１０を作製する途中の工程における半導体エピタキシャルウエハ１ａを示す平面図である。受光素子１０の仕様によるが、３０μｍピッチで約８万個の画素が縦横に配列された、８．５ｍｍ×１０ｍｍのチップ（受光素子）の場合、２インチ径のＩｎＰ基板から、約１１個、取得することができる。４インチ径のＩｎＰ基板からは約５２個を取得することができる。上記のように、ＧａＳｂ基板を用いるよりも大口径のＩｎＰ基板を用いることで高い量産性を得ることができる。
　図５に示す半導体エピタキシャルウエハ１ａは、ＩｎＰ基板上にＧａＳｂバッファ層が成長された状態である。ＧａＳｂバッファ層は、厚み１μｍ以上であり、鏡面を呈しており、凹凸がなく平坦である。かつ、ＸＲＤによる主ピークのＦＷＨＭは３００秒以下である。しかしながら、|ａ２－ａ１|／ａ１＝約０．０３８（３．８％）である。このような良好な結晶性は、ＧａＳｂバッファ層の厚みが厚いことに由来すると考えられる。
　受光素子１０は、受光層３、コンタクト層５、メサ構造、電極１１，１２を形成されて、チップの輪郭が次第に明確になった状態で、半導体エピタキシャルウエハ１ａから個片化される。図５は、ＧａＳｂバッファ層２を形成した段階の図である。
　図６は、図１Ａおよび図１Ｂの受光素子１０の製造方法を示すフローチャートである。まず、ＩｎＰ基板を準備して、洗浄をしたあとＧａＳｂバッファ層２を厚み１μｍ以上に成長する。成長法は、とくに限定はないが、ＭＢＥ（Molecular　Beam　Epitaxy）法、ＭＯＶＰＥ(Metal　Organic　Vapor　Phase　Epitaxy)法などを用いることができる。バッファ層成長後、タイプ２の（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷの受光層３を成長する。タイプ２の遷移（受光）は、ＩｎＡｓとＧａＳｂとの界面を挟んで行われるので、界面の数が多いほうが長波長側の受光感度を高くする。このため、長波長側の感度を重視する場合、ＭＱＷは全体で１５０ペア程度以上とするのがよい。受光層３すなわち上記のＭＱＷ内にｐｎ接合を形成するために、ＭＱＷ成長中に、ＩｎＰ基板１に近い側のＭＱＷ５０ペア程度のＧａＳｂにｐ型不純物Ｂｅをドープする。そのあとに形成するＭＱＷは、アンドープとして真性半導体（ｉ型：intrinsic）とする。その後、最終のＭＱＷ５０ペア程度のＩｎＡｓにｎ型不純物Ｓｉをドープする。これによって、ｐｉｎ型またはｎｉｐ型フォトダイオードを得ることができる。ｐｉｎ接合もｐｎ接合の中の一種である。また、構造によっては受光層内にはｐｉ接合しかない場合もあるが、電極が接触する領域まで考えれば、ｐｉｎ接合となる。これも受光層内に位置するｐｎ接合と解釈することができる。
　次いで、エッチングによって、画素Ｐの間にトレンチを入れたメサ構造を形成する。エッチングは、リン酸＋過酸化水素水＋水によるウエットエッチング、もしくはヨウ化水素や塩化シリコンガスによるドライエッチングで行う。これによって、各画素Ｐは周りの画素から独立して、クロストークなどを防ぐことができる。次いで、図１に示すように、メサ構造の表面を保護する保護膜(パッシベーション膜)４３によって表面を被覆する。保護膜(パッシベーション膜)４３には、ＳｉＯ２膜などを用いるのがよい。
　このあと、フォトリソグラフィによって画素電極１１およびグランド電極１２を形成する。
　上記の受光素子１０は、ＩｎＰ基板１上のＧａＳｂバッファ層２上に、カットオフ波長３μｍ以上のタイプ２の（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷの受光層３を備えることで、基板裏面入射の場合でも、厚みの大きいＩｎＰ基板１が対象波長の光を吸収しないので、受光感度を高めることができる。
　また、結晶性に優れたＩｎＰ基板を用いることで、確実な理由は不明であるが、格子欠陥密度の小さいタイプ２の（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷの受光層３を得ることができ、受光素子の暗電流を低くすることができる。
　さらに、ＩｎＰ基板はＧａＳｂに比べて安価であるので、経済性に優れた受光素子および検出装置を提供することができる。
（実施の形態２）
　図７は、本発明の実施の形態２における受光素子１０を示す断面図である。この受光素子１０では、画素Ｐは、ＳｉＮ選択拡散マスクパターン３６の開口部から選択拡散されたｎ型領域６およびそのｎ型領域６の先端に位置するｐｎ接合１５を、主要部分として備える。ｐｎ接合１５は、受光層３の中に届いている。また上述のように、ｐｉ接合であってもよい。各画素Ｐは、周りの画素と選択拡散されていない領域によって隔てられている。
　ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の積層体の構成は、＜ＩｎＰ基板１／ｐ型ＧａＳｂバッファ層２／タイプ２の（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）ＭＱＷの受光層３／ｐ型コンタクト層５５＞、である。本実施の形態では、画素電極１１が接触する領域はｎ型不純物が選択拡散されたｎ型領域６である。各画素Ｐは、選択拡散されていない領域で隔てられ、結晶層はそのままの状態を保つ。このため、メサ構造のように画素の側壁が露出されることがないので、結晶が損傷されにくい。この結果、低い暗電流を実現しやすい。
　その他の構成および作用については、実施の形態１の説明がそのまま当てはまる。
（実施の形態３）
　図８Ａは、本発明の実施の形態３におけるエピタキシャルウエハ、また図８Ｂは本発明の実施の形態３における受光素子１０、を示す断面図である。図８Ａのエピタキシャルウエハは、次の積層構造を有する。
＜ＦｅドープＩｎＰ（１００）基板１０１／ＴｅドープＧａＳｂバッファ層２／（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）のｎ＋型ＭＱＷ２１からなる受光層／（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）のｎ型ＭＱＷ２２からなる受光層／上下のＭＱＷよりも、伝導帯の底が高いバリア層２３／（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）のｎ＋型ＭＱＷ２４からなるコンタクト層＞
　受光層を形成するｎ＋型ＭＱＷ２１，ｎ型ＭＱＷ２２のうち、バッファ層２に接する側の数十ペア、たとえば６０ペアのｎ＋型ＭＱＷ２１は、ｎ型キャリア濃度２ｅ１８ｃｍ－３以上とする。この場合、ＩｎＡｓにｎ型不純物のシリコン（Ｓｉ）をドープしてＧａＳｂにはドープしない。ｎ＋型ＭＱＷ２１の上に位置する（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）のｎ型ＭＱＷ２２は、たとえば１００ペアであり、ｎ型キャリア濃度１Ｅ１６ｃｍ－３とする。バリア層２３は、広いバンドギャップを持ち、伝導帯の底が、上下のＭＱＷの伝導帯の底より高いＡｌＧａＳｂ、ＡｌＡｓＳｂなどを用いることができる。単層を用いるのが普通であるが、ＭＱＷでもよい。画素電極１１が配置されることになるコンタクト層は、たとえば２０ペアであり、キャリア濃度２ｅ１８ｃｍ－３以上のｎ＋型ＭＱＷ２４である。
　図８Ｂに示す受光素子１０において、画素Ｐは、ｎ＋型ＭＱＷ２４のコンタクト層のみ、またはバリア層の一部に至るまで、をメサエッチングすることで、周縁部から分離する。図示していないが、画素がアレイ化されている場合は、ｎ＋型ＭＱＷ２４のコンタクト層のみをメサエッチングすることで、隣の画素から分離する。画素電極１１は、ｎ＋型ＭＱＷ２４のｎ型コンタクト層にオーミック接触するようにＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ合金等で形成する。またグランド電極１２は、バッファ層２に接して位置するｎ＋型ＭＱＷ２１にオーミック接触するように、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ合金等を用いるのがよい。本実施の形態では、画素電極１１およびグランド電極１２ともに、ｎ側電極である。
　本実施の形態における受光素子１０では、受光によって生成する電子－正孔対のうち、拡散して画素電極に到達する正孔を捕捉することで、受光を検出する。正孔の画素電極への移動は拡散によるため、画素分離をするメサ構造の溝を浅くすることができる。この結果、メサ構造の側壁を流れるノイズ電流を低く抑えることができる。
　検出装置を構成するには、実施の形態１と同様に、ＡＲ膜、保護膜等で表面を被覆する。そして、バンプを介在させて、画素電極１１と、読み出し回路（ＲＯＩＣ:Read-out　IC）の読み出し電極とを導電接続させる。グランド電極同士も導電接続する。
　本実施の形態において、ＩｎＰ基板上にＧａＳｂバッファ層２を設ける利点等は、実施の形態１、２と共通する。
　図５に示す半導体エピタキシャルウエハ１ａを作製して検証を行った。本発明例の半導体エピタキシャルウエハの作製方法は、次のとおりである。
＜作製方法＞：
　ＩｎＰ基板上にＭＢＥ法によってＧａＳｂバッファ層を成長した。Ｖ／ＩＩＩ比は３．９とし、基板温度４００℃で、厚み２μｍにＧａＳｂバッファ層を成長した。成長速度は、１．１μｍ／時間（約１ＭＬ／秒）とした。上記の方法で作製した半導体エピタキシャルウエハに対して、金属顕微鏡による観察と、ＸＲＤ測定とを行った。
＜金属顕微鏡による観察＞：
　ＧａＳｂバッファ層の表面は鏡面であった。かつ平滑であった。さらに微小な凹凸などまったく観察されなかった。
＜ＸＲＤ＞：
　結果を図９に示す。図９には、ＩｎＰ基板の鋭い主ピーク（１００）と共に、ＧａＳｂバッファ層の主ピークも得られている。ＧａＳｂバッファ層の主ピークは、ＩｎＰ基板ほど良好ではないが、結晶性の指標であるＦＷＨＭは、２１８．５秒である。良好な結晶性を示しているといえる。ＩｎＰ基板全面をＧａＳｂバッファ層で被覆した状態で、ＩｎＰ基板およびＧａＳｂの主回折ピークが得られたことから、ＧａＳｂバッファ層の主回折ピークは、当該ＧａＳｂバッファ層の厚み全体に由来すると考えられる。
　ＩｎＰ基板の主ピークとＧａＳｂバッファ層の主ピークとの回折角の差Δωから、｜ａ２－ａ１｜／ａ１＝Δａ／ａを算出することができ、０．０３８２であった。このような大きい格子定数差の下層（ＩｎＰ基板）と上層（ＧａＳｂバッファ層）とでは、鏡面を呈するＧａＳｂバッファ層を得られることは通常は難しい。バッファ層の膜厚を厚くすることが好影響を及ぼしていると考えられる。
　上記の半導体エピタキシャルウエハ１ａによれば、良好な結晶性のＧａＳｂバッファ層に接して格子定数の大きいタイプ２のＭＱＷの受光層を成長することができる。この受光層はカットオフ波長３μｍ以上であり、ＩｎＰ基板は、当該波長域の光を吸収しない。これに対してＧａＳｂ基板を用いた場合、上記波長域に自由キャリアによる吸収帯をもつ。基板は厚みが大きいためこの吸収は深刻な感度低下を生じる。本発明例のように、ＩｎＰ基板を用いることで、基板による吸収の問題を回避して、波長３μｍ以上に高い感度を保持することができる。
　上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
　本発明の受光素子等によれば、近赤外域～中赤外域にわたって高い受光感度を保持することができる。また、基板に、安定した品質、大口径、および経済性に優れたＩｎＰ基板を用いるので、高品質の受光素子等を安価に提供することができる。

Claims (17)

  1. 　ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体により形成された受光素子であって、
    　波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板と、
    　前記ＩｎＰ基板に接して位置するバッファ層と、
    　前記バッファ層に接して位置する多重量子井戸構造を有する受光層とを備え、
    　前記受光層は、カットオフ波長が３μｍ以上であり、かつ前記バッファ層に格子整合しており、
    　格子定数ａ２を持つ前記バッファ層および格子定数ａ１を持つ前記ＩｎＰ基板において、|ａ２－ａ１|／ａ１の値が、形式的な格子整合条件の範囲を超えながら、当該バッファ層が前記ＩｎＰ基板にエピタキシャル成長しており、
    　前記バッファ層が、ＧａＳｂ層から構成されていることを特徴とする、受光素子。
  2. 　前記波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板が、硫黄（Ｓ）を添加していないＩｎＰ基板であることを特徴とする、請求項１に記載の受光素子。
  3. 　前記波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板が、Ｆｅ含有ＩｎＰ基板またはノンドープＩｎＰ基板であることを特徴とする、請求項１または２に記載の受光素子。
  4. 　前記受光層内にｐｎ接合を有することを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の受光素子。
  5. 　前記受光層に、該受光層に格子整合しているＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる挿入層を有し、該挿入層の伝導帯の底が、該受光層の伝導帯の底より高いことを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の受光素子。
  6. 　前記多重量子井戸構造が、タイプ２の多重量子井戸構造、｛（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ）および（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＧａＳｂ）｝のいずれかであることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の受光素子。
  7. 　前記ＩｎＰ基板の裏面から光が入射される構造を有することを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の受光素子。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の受光素子と、読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read　Out　IC）とを備え、前記受光素子における画素電極と、前記読み出し回路における読み出し電極とがバンプを介在させて接続されていることを特徴とする、検出装置。
  9. 　ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体により形成された半導体エピタキシャルウエハであって、
    　波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板と、
    　前記ＩｎＰ基板に接して位置するバッファ層とを備え、
    　格子定数ａ２を持つ前記バッファ層および格子定数ａ１を持つ前記ＩｎＰ基板において、|ａ２－ａ１|／ａ１の値が、形式的な格子整合条件の範囲を超えていて、
    　前記バッファ層が、ＧａＳｂ層から構成されていることを特徴とする、半導体エピタキシャルウエハ。
  10. 　前記波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板が、Ｆｅ含有ＩｎＰ基板またはノンドープＩｎＰ基板であることを特徴とする、請求項９に記載の半導体エピタキシャルウエハ。
  11. 　前記バッファ層に格子整合する、多重量子井戸構造を含む第１半導体層を備えることを特徴とする、請求項９または１０に記載の半導体エピタキシャルウエハ。
  12. 　前記多重量子井戸構造が、タイプ２の多重量子井戸構造、｛（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ）および（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＧａＳｂ）｝のいずれかであることを特徴とする、請求項１１に記載の半導体エピタキシャルウエハ。
  13. 　ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体が積層された受光素子の製造方法であって、
    　波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板を準備する工程と、
    　前記ＩｎＰ基板に接してバッファ層を形成する工程と、
    　前記バッファ層に接して該バッファ層に格子整合する、カットオフ波長３μｍ以上の多重量子井戸構造を含む受光層を形成する工程とを備え、
    　前記バッファ層形成工程において、前記バッファ層の格子定数ａ２および前記ＩｎＰ基板の格子定数ａ１、が形式的な格子整合条件の範囲を超えながら、当該バッファ層が前記ＩｎＰ基板にエピタキシャル成長し、前記バッファ層を、ＧａＳｂ層から構成することを特徴とする、受光素子の製造方法。
  14. 　前記多重量子井戸構造を、タイプ２の多重量子井戸構造、｛（ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ）、（ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｂ）および（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＧａＳｂ）｝のいずれかとすることを特徴とする、請求項１３に記載の受光素子の製造方法。
  15. 　前記受光層の形成工程において、前記受光層内にｐｎ接合を形成することを特徴とする、請求項１３または１４に記載の受光素子の製造方法。
  16. 　前記受光層の形成工程において、該受光層に、その受光層に格子整合しているＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる挿入層を挿入し、該挿入層の伝導帯の底を該受光層の伝導帯の底より高いものとすることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の受光素子の製造方法。
  17. 　ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の半導体エピタキシャルウエハを製造する方法であって、
    　波長３μｍ～１２μｍの光に透明なＩｎＰ基板を準備する工程と、
    　前記ＩｎＰ基板に接してバッファ層を形成する工程を備え、
    　前記バッファ層形成工程において、前記バッファ層の格子定数ａ２および前記ＩｎＰ基板の格子定数ａ１、が形式的な格子整合条件の範囲を超えながら、当該バッファ層が前記ＩｎＰ基板からエピタキシャル成長し、前記バッファ層を、ＧａＳｂ層から構成することを特徴とする、半導体エピタキシャルウエハの製造方法。
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