特許 6132746 赤外線検出素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6132746

(24)【登録日】2017年4月28日

(45)【発行日】2017年5月24日

(54)【発明の名称】赤外線検出素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20170515BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 A

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2013-229629(P2013-229629)

(22)【出願日】2013年11月5日

(65)【公開番号】特開2015-90901(P2015-90901A)

(43)【公開日】2015年5月11日

【審査請求日】2016年7月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124291

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 悟

(72)【発明者】

【氏名】三嶋 飛鳥

(72)【発明者】

【氏名】押村 吉徳

【審査官】 嵯峨根 多美

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−１５６３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７１９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２５６８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２４６２０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２００４８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

赤外線検出素子において、
第１のＩｎＡｓＳｂ層と、
前記第１のＩｎＡｓＳｂ層上に成長したＩｎＡｓ層と、
前記ＩｎＡｓ層上に成長した第２のＩｎＡｓＳｂ層と、
を備え、
前記ＩｎＡｓ層の臨界膜厚ｈｃと前記ＩｎＡｓ層の厚みｔは、
ｈｃ＜ｔ、
の関係を満たすことを特徴とする赤外線検出素子。

【請求項2】

前記第１のＩｎＡｓＳｂ層及び前記第２のＩｎＡｓＳｂ層におけるＡｓの組成比Ｘは、それぞれ０．５８以上１．０以下である、
ことを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出素子。

【請求項3】

前記第１のＩｎＡｓＳｂ層及び前記第２のＩｎＡｓＳｂ層におけるＡｓの組成比Ｘは、それぞれ０．７以上０．９以下である、
ことを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出素子。

【請求項4】

前記ＩｎＡｓ層の厚みｔは、
ｔ≦２．０μｍ、
を更に満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の赤外線検出素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ構造の化合物半導体からなる赤外線検出素子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の赤外線検出素子は、特許文献１に記載されている。この赤外線検出素子は、中間層（ＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＳｂ、又は、ＧａＳｂ）を、上下の化合物半導体層（ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ又はＩｎＳｂＮ）で挟む構造を有している。同文献によれば、このような構造の場合、中間層を超格子構造とし、超格子構造を構成する各層の厚みを臨界膜厚以下とすることで、素子特性を向上することができる旨の知見がなされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−２４６２０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、本願発明者らは、上記従来技術において、中間層がＩｎＡｓを含み、且つ、上下の化合物半導体層がＩｎＡｓＳｂである場合には、中間層の膜厚を臨界膜厚以下にすることでは、素子特性を改善できないことを発見した。

【0005】

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、中間層がＩｎＡｓであり、上下の化合物半導体層がＩｎＡｓＳｂである場合に、優れた検出特性を有することが可能な赤外線検出素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

従来技術において、中間層を構成する各層の厚みを、臨界膜厚以下に設定する理由は、各層に働く応力が、臨界膜厚を超えると、それぞれの結晶性が劣化するという知見に基づくものであると考えられる。換言すれば、ＩｎＡｓ層が臨界膜厚以下の場合、個々のＩｎＡｓ層の結晶欠陥は改善可能であると考えられた。

【0007】

しかしながら、本願発明者らは、従来の知見とは異なり、特に、一対のＩｎＡｓＳｂ層間に中間層を挟む構造の場合であって、この中間層においてＩｎＡｓ層を含む超格子構造を採用した場合、結晶成長時において下地のＩｎＡｓＳｂ層とＩｎＡｓ層との界面からクラックやミスフィット転位などの転位欠陥等の欠陥が延びることとなり、延びた欠陥の成長は、薄い厚みのＩｎＡｓ層では止めることができない旨を発見した。そこで、超格子構造を採用せず、ＩｎＡｓ層の厚みを、臨界膜厚よりも大きく設定したところ、界面から延びた欠陥の成長が止まり、これらの化合物半導体層の結晶性を改善し、検出特性を向上することを発見した。

【0008】

すなわち、本発明の態様に係る赤外線検出素子は、第１のＩｎＡｓＳｂ層と、前記第１のＩｎＡｓＳｂ層上に成長したＩｎＡｓ層と、前記ＩｎＡｓ層上に成長した第２のＩｎＡｓＳｂ層と、を備え、前記ＩｎＡｓ層の臨界膜厚ｈｃと前記ＩｎＡｓ層の厚みｔは、ｈｃ＜ｔの関係を満たすことを特徴とする。

【0009】

この場合、赤外線検出素子は、優れた検出特性を有することが可能となる。

【0010】

特に、前記第１のＩｎＡｓＳｂ層及び前記第２のＩｎＡｓＳｂ層におけるＡｓの組成比Ｘが、それぞれ０．５８以上１．０以下である場合、更に、好ましくは、０．７以上０．９以下である場合には、ＩｎＡｓ層及び第２のＩｎＡｓＳｂ層の結晶性を改善することが可能である。

【0011】

また、前記ＩｎＡｓ層の厚みｔは、ｔ≦２．０μｍを更に満たすことが好ましい。なぜならば、厚みｔが２．０μｍを超える場合には、製造プロセス時間が著しく長くなり、量産に適さないからである。

【発明の効果】

【0012】

本発明の赤外線検出素子は、優れた検出特性を有することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】赤外線検出素子の断面構造を示す図である。

【図2】各層の材料、導電型、不純物濃度、厚みを示す図表である。

【図3】ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ構造の断面ＴＥＭ像（実施例）を示す図である。

【図4】ＩｎＡｓＳｂ／（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＡｓ超格子構造）／ＩｎＡｓＳｂ構造の断面ＴＥＭ像（比較例）を示す図である。

【図5】入射光の波長（μｍ）と比検出能力（ｃｍ・Ｈｚ^１／２／Ｗ）との関係を示すグラフである。

【図6】ＩｎＡｓＳｂにおけるＡｓの組成比ＸとＩｎＡｓ層の臨界膜厚ｈｃ（ｎｍ）との関係を示すグラフである。

【図7】臨界膜厚ｈｃの計算式を説明するための図表である。

【図8】Ｘ線回折測定を行うために用いた積層構造を示す図である。

【図9】Ｘ線回折測定におけるＩｎＡｓＳｂ層のＡｓの組成比Ｘと、ロッキングガーブの半値幅ＦＷＨＭ（ａｒｃｓｅｃ）との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、実施の形態に係る赤外線検出素子について説明する。同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

【0015】

図１は、赤外線検出素子の断面構造を示す図である。

【0016】

この赤外線検出素子は、複数の化合物半導体層を備えており、半絶縁性の半導体基板１上に、バッファ層２と、バッファ層３（第１のＩｎＡｓＳｂ層）と、バッファ層４（ＩｎＡｓ層）と、光吸収層５（第２のＩｎＡｓＳｂ層）と、バリア層６と、及びキャップ層７とを順次積層してなる半導体構造を備えている。これらの各化合物半導体層は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によって、半導体基板１上に成長したものである。

【0017】

当該半導体構造の一部の領域は、表面側からエッチングされることにより、除去されている。すなわち、キャップ層７、バリア層６、光吸収層５及びバッファ層４の一部の領域は、これらの各表面から厚み方向に沿ってエッチングされており、このエッチングにより、バッファ層４の表面が露出し、メサ構造が形成されている。また、ノンドープで形成された半絶縁性のバッファ層２の表面も、その一部が露出するまで、素子間にエッチングが施されており、製造時において隣接する赤外線検出素子同士が分離されている。すなわち、バッファ層４の表面を露出させた後、更に、赤外線検出素子を囲むようにバッファ層４及びバッファ層３のエッチングを行い、素子間分離を行う。上述のエッチングには、ドライエッチング及びウエットエッチングのいずれも採用することが可能である。

【0018】

バッファ層２の表面、バッファ層４の表面、半導体構造の側面、キャップ層７の一部の表面を被覆するように、保護膜８が形成されている。保護膜８は、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）又はシリコン窒化物（ＳｉＮｘ）などの無機絶縁体からなり、各赤外線検出素子が保護されると共に、塵や埃などを原因とする隣接する赤外線検出素子間の短絡を防止し、これらの素子間の絶縁が維持される。複数の赤外線検出素子は、製造後に個別に分離して用いることも可能であるが、各素子間の絶縁が維持されているため、赤外線フォトダイオードアレイとして用いることも可能である。

【0019】

保護膜８の一部の領域は除去されており、除去によって形成されたコンタクトホール内に電極が形成されている。すなわち、キャップ層７上の保護膜８のコンタクトホール内において、第１の電極９がキャップ層７に接触して形成されており、バッファ層４上の保護膜８のコンタクトホール内において、第２の電極１０がバッファ層４に接触して形成されている。電極材料は、基板側から赤外線ＩＲが入射する場合には、対象の化合物半導体層とオーミック接触するものであれば、特に限定されないので、金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属を用いることができる。

【0020】

基板とは反対側から赤外線が入射する場合、電極材料は、対象の化合物半導体層とオーミック接触するものであれば、赤外線が透過する材料からなるか、又は、薄い金属膜、その他、網目や開口を有する形状であれば、特に限定されるものではない。この場合も、電極材料としては、上述の金やアルミニウムなどの金属を用いることができる。

【0021】

上述の半導体構造は、赤外線フォトダイオードを構成している。すなわち、半導体基板１の裏面側から、半導体基板１、バッファ層２，３，４を順次介して光吸収層５に入射した光は、光吸収層５内において光電変換され、光吸収層５内において正孔電子対が発生する。バリア層６、光吸収層５、バッファ層４、それぞれの層のエネルギーバンドギャップＥ６、Ｅ５、Ｅ４の大小関係は、Ｅ６＞Ｅ５、Ｅ４＞Ｅ５を満たしている。バリア層６の格子定数ａ６、光吸収層５の格子定数ａ５、バッファ層４の格子定数ａ４は、例えば、ａ６＜ａ５、ａ４＜ａ５とすることができる。

【0022】

なお、表面側から赤外線を入射させると、キャップ層７で赤外線の一部が大きく吸収されてしまうため、赤外線ＩＲは裏面側から入射させることが好ましい。赤外線ＩＲは、光吸収層５よりもエネルギーバンドギャップの大きな半導体基板１、バッファ層２、４を透過して、光吸収層５に入射することができる。なお、赤外線ＩＲは、バッファ層２の通過後、光吸収層よりも厚みの薄いバッファ層３も透過するが、ここでは若干の吸収が生じるため、バッファ層３は可能な限り薄い方が良い。尤も、バッファ層３が薄すぎる場合には、その上のバッファ層４の結晶性が劣化するため、バッファ層３の厚みは０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましい。

【0023】

光吸収層５への赤外線ＩＲの入射に伴って、光吸収層５内で発生した電子は、これらのエネルギーバンドギャップによって形成されたエネルギー準位の傾斜により、バリア層６方向へは拡散しにくくなっている。また、キャップ層７およびバリア層６はＰ型であり、光吸収層５はノンドープであり、バッファ層４はＮ型であるため、これらによって、ＰＩＮフォトダイオードが構成されている。無バイアス状態においては、ＰＩＮフォトダイオード内部において、拡散電位が発生し、キャリアとしての電子が抜けたＮ型のバッファ層４のポテンシャルは正に帯電し、キャリアとしての正孔が抜けたＰ型のキャップ層７およびバリア層６のポテンシャルは負に帯電する。したがって、光吸収層５内において発生した電子は、拡散電位とエネルギー準位の傾斜にしたがって、バッファ層４方向へと移動し、正孔はバリア層６方向へと移動する。これらのキャリアは、それぞれキャップ層７及び半導体基板１に接触した第１の電極９及び第２の電極１０によって、外部に取り出すことができる。

【0024】

図２は、各層の材料、導電型、不純物濃度、厚みを示す図表である。ＩｎＡｓＳｂ及びＡｌＩｎＡｓＳｂにおけるＰ型の不純物はＺｎ、Ｂｅ、Ｃ又はＭｇ等を用いることができ、Ｎ型の不純物はＳｉ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｓ又はＳｅ等を用いることができる。具体的な一例としては、ＩｎＡｓＳｂ及びＡｌＩｎＡｓＳｂにおけるＰ型の不純物はＺｎであり、ＩｎＡｓにおけるＮ型の不純物はＳｉである。

【0025】

同図に示すように、各層の材料／導電型／不純物濃度／厚みは、以下の通りである。
・キャップ層７：ＩｎＡｓＳｂ／Ｐ型／２×１０^１８〜１×１０^１９ｃｍ^-３／０．５μｍ
・バリア層６：ＡｌＩｎＡｓＳｂ／Ｐ型／２×１０^１８〜１×１０^１９ｃｍ^-３／０．０２μｍ
・光吸収層５：ＩｎＡｓＳｂ／Ｎ^-型（ノンドープ）／２×１０^１７ｃｍ^-３以下／２．０μｍ
・バッファ層４：ＩｎＡｓ／Ｎ型／２×１０^１８〜５×１０^１８ｃｍ^-３／０．５μｍ
・バッファ層３：ＩｎＡｓＳｂ／Ｎ^-型（ノンドープ）／２×１０^１７ｃｍ^-３以下／０．５μｍ
・バッファ層２：ＧａＡｓ／半絶縁型（ノンドープ）／１×１０^１５ｃｍ^-３以下／０．２μｍ
・半導体基板１：ＧａＡｓ／半絶縁型／１×１０^１５ｃｍ^-３以下／２５０μｍ

【0026】

なお、各層の上述の各不純物濃度をＣとすると、０．１×Ｃ以上１０×Ｃ以下の範囲内において不純物変動が生じても、作用効果に大きな変化は生じないため、優れた特性の赤外線検出素子として機能すると考えられる。望ましくは上記不純物濃度（キャリア濃度）の範囲である。

【0027】

ここで、ＩｎＡｓＳｂからなるバッファ層３が、ＩｎＡｓ_Ｘ１Ｓｂ_１−Ｘ１からなる場合におけるＡｓの組成比Ｘ１と、光吸収層５がＩｎＡｓ_Ｘ２Ｓｂ_１−Ｘ２からなる場合におけるＡｓの組成比Ｘ２とは等しいものとする（Ｘ１＝Ｘ２）。なお、Ｘ２がＸ１に対して±３０％の誤差を有していても、結晶成長上は大きな相違はない。

【0028】

ＩｎＡｓ層からなるバッファ層（ＩｎＡｓ層）４の臨界膜厚ｈｃとバッファ層４の厚みｔは、ｈｃ＜ｔの関係を満たしている。

【0029】

ここで、臨界膜厚ｈｃを求める方法について説明する。

【0030】

図７は、臨界膜厚ｈｃの計算式を説明するための図表である。

【0031】

式（１）はダブルへテロ構造の中間層の臨界膜厚に関するMatthewsの式（J. W. Matthews and A. E.Blackeslee, J.Cryst. Growth, 27, 118 (1974)等に記載）を示しており、２つの層のヘテロ界面での転位に働く力を元に導出されている。式（１）において、ｈｃはＩｎＡｓの臨界膜厚、ｆは格子不整合度、νはポアソン比、ｂはバーガースベクトルを示している。閃亜鉛鉱構造の場合、ｂ＝ａ／√2、ｃｏｓα＝１／２、ｃｏｓλ＝１／２より、式（１）に代入し整理すると式（２）が得られる。

【0032】

実施形態の結晶成長順序を考慮すると、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ構造（＝シングルへテロ構造）に着目する。すなわち、成長途中のシングルヘテロ構造においては、ダブルヘテロ構造と比較して、ヘテロ界面が１つ減ることで、ヘテロ界面からＩｎＡｓ層が受ける張力が１／２になり、臨界膜厚は２倍になる。この場合、式（２）は、式（３）のように変形される。

【0033】

式（３）におけるＡｓ組成の変数は、格子不整合度ｆである。ＩｎＡｓおよびＩｎＳｂともにν＝０．３５であることから、それらの混晶であるＩｎＡｓＳｂにおいては、Ａｓ組成によらずν＝０．３５と設定することができる。

【0034】

また、ＩｎＡｓＳｂのＡｓ組成Ｘ、ＩｎＡｓの格子定数ａ_ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂの格子定数ａ_ＩｎＳｂを用いると、格子定数ａには、式（４）のa＝ａ_ＩｎＡｓが代入され、また、式（５）により格子不整合度ｆが求められる。なお、ＩｎＡｓＳｂの格子定数はａ_{ＩｎＡｓＳｂ}である。また、混晶であるＩｎＡｓＳｂの格子定数ａ_{ＩｎＡｓＳｂ}はベガード則より、式（６）のように求められる。式（３）に式（４）〜式（６）の値を代入するとＡｓ組成も考慮した臨界膜厚ｈｃが得られる。

【0035】

ここで、ＩｎＡｓの臨界膜厚ｈｃ＜厚みｔの場合、赤外線検出素子は、ノイズの少ない（比検出能力の高い）、優れた検出特性を有することが可能となる。なぜならば、ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ構造の赤外線検出素子においては、ＩｎＡｓ層と下地のＩｎＡｓＳｂ層との界面から延びる結晶欠陥の成長を止めることができからである。したがって、中間層であるバッファ層４（ＩｎＡｓ層）の厚みを、臨界膜厚ｈｃよりも大きく設定することで、これらの化合物半導体層の結晶性を改善し、検出特性を向上するからである。また、バッファ層４の厚みｔは、デバイスプロセスを容易にするため、０．５μｍ≦ｔであることが好ましく、ｔ≦２．０μｍであることが好ましい。すなわち、厚みｔが２．０μｍを超える場合には、製造プロセス時間が著しく長くなり、量産には不向きとなる。

【0036】

次に、ＩｎＡｓ層の臨界膜厚ｈｃについて、更に説明する。

【0037】

図６は、ＩｎＡｓＳｂにおけるＡｓの組成比Ｘと上述の式により求められたＩｎＡｓ層の臨界膜厚ｈｃ（ｎｍ）との関係を示すグラフである。

【0038】

Ａｓの組成比Ｘが増加すると、特に、Ｘ＝０．４以上の場合には、ｈｃは急激に増加する。Ｘ＝０．８の場合には、ｈｃ＝３０ｎｍであり、Ｘ＝０．９の場合にはｈｃ＝７０％となる。バッファ層３及び光吸収層５のＡｓの組成比Ｘが共に０．８５の場合には、後述のように、バッファ層４及び光吸収層５の結晶性が確実に改善する旨が確認された。

【0039】

また、上述の各層（ＩｎＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＡｓＳｂ，ＩｎＡｓＳｂ）におけるＡｓの組成比をＸ、Ｓｂの組成比を１−Ｘとすると、キャップ層７、バリア層６、光吸収層５及びバッファ層３において、Ｘ＝０．８５に設定することが好ましい。Ｘの値は、結晶性の改善効果の観点から、０．５８以上１．０以下である場合が好ましく、０．７以上０．９以下である場合が更に好ましい。この場合、少なくとも光吸収層５（ＩｎＡｓＳｂ層）の結晶性を改善することが可能である。

【0040】

図８は、Ｘ線回折測定を行うために用いた積層構造を示す図である。（Ａ）ではＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘを形成した構造が示されており、（Ｂ）ではＧａＡｓ基板上に、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘ、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｓ_ＸＳｂ_１−Ｘを順次積層した構造を示している。各層の製造条件は、後述の実施例と同一である。

【0041】

図９は、Ｘ線回折測定におけるＩｎＡｓＳｂ層のＡｓの組成比Ｘと、ＩｎＡｓＳｂ層からのＸ線回折のロッキングガーブ半値幅ＦＷＨＭ（ａｒｃｓｅｃ）との関係を示すグラフである。四角印は図８の（Ａ）の構造のグラフであり、ダイヤ印は図８の構造（Ｂ）のグラフである。なお、同グラフでは、Ｘ＝０．５８、０．８５、１．００に変化させた。

【0042】

Ｘが少なくとも０．５８以上１．０以下である場合にはＦＷＨＭは小さくなり、ＩｎＡｓＳｂ層の結晶性が改善することが分かる。０．７以上０．９以下である場合、ＦＷＨＭは小さくなり、ＩｎＡｓＳｂ層の結晶性が改善することが分かる。

【0043】

また、光吸収と結晶性に影響を与えるバッファ層３及びバッファ層４の厚みを除いて、光吸収層５が適切な厚み（１１７ｎｍよりも大きい）であれば、各層の上述の各厚みをｄとすると、０．２×ｄ以上５×ｄ以下の範囲内において厚み変動が生じても、作用効果に大きな変化が生じる理由が少ないため、優れた特性の赤外線検出素子として機能する。

【0044】

次に、バッファ層３（ＩｎＡｓＳｂ層）上に成長したバッファ層４（ＩｎＡｓ層）４及び光吸収層５（ＩｎＡｓＳｂ層）の結晶性改善効果について説明する。
（実施例）

【0045】

ＧａＡｓからは半導体基板１上に、ＭＢＥ法を用いて、図２に示した通りの化合物半導体層を積層した。ＭＢＥ法では、原料供給用の坩堝の配置された真空容器内に基板を配置し、各層を構成する各元素をそれぞれ独立の坩堝内に入れておき、これらを加熱することで、各元素を各層に同時に供給し、各層を下地層上に成長させる。不純物を添加する場合は、ドーパントとなる不純物（Ｚｎ又はＳｉ等）を、成長中の各層に供給する。ノンドープの半導体層を成長させる場合には、不純物は供給しない。なお、不純物を供給しない場合には、半導体層の結晶性が向上する。図２の構造において、ＧａＡｓの成長温度は６９０℃、ＩｎＡｓＳｂの成長温度は６１０℃、ＩｎＡｓの成長温度は６２０℃、ＡｌＩｎＡｓＳｂの成長温度は６３０℃に設定した。また、Ｘ＝０．８５であり、ＡｌＩｎＡｓＳｂ層におけるＡｌの組成比は０．３とした。各層の成長後に、上述のエッチング及びＳｉＯ_２からなる保護膜８の形成を行い、更に、Ａｌの電極９，１０をキャップ層７及びバッファ層４上に形成した。

【0046】

なお、各半導体層は、ＭＯＶＰＥ（金属有機気相エピタキシー）法を用いても形成することができる。
（比較例）

【0047】

比較例の前段階の実験として、半絶縁性のＧａＡｓ基板上に、直接、ＭＢＥ法でＩｎＡｓＳｂ層を形成した場合、断面ＴＥＭ像（透過型電子顕微鏡像）を観察すると、実施例と比較して非常に多くのミスフィット転位などの転位欠陥が観察された。この欠陥は、基板とＩｎＡｓＳｂ層との界面から斜め方向に延びていた。この構造は、バッファ層を全く用いていないため、予想される結果である。そこで、臨界膜厚ｈｃ以下が、好ましいとされる上述の従来技術の文献と同様の構造を、比較例として、製造した。

【0048】

すなわち、実施例における中間層としてのＩｎＡｓのバッファ層４の代わりに、臨界膜厚以下のＩｎＡｓ層とＩｎＡｓＳｂ層を複数用いた構造を形成した。換言すれば、比較例では、バッファ層４の代わりに、厚さ２００ｎｍ（＝０．２μｍ）の超格子バッファ層（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＡｓ対を５つ積層した構造：合計１０層で各層の厚みは２０ｎｍ）を採用した。ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ及びＩｎＡｓの形成方法、不純物濃度、成長温度は実施例と同一であるが、厚みは以下の通りに設定した。各層の材料／導電型／厚みは、以下の通りである。
・キャップ層７：ＩｎＡｓＳｂ／Ｐ型／０．５μｍ
・バリア層６：ＡｌＩｎＡｓＳｂ／Ｐ型／０．０２μｍ
・光吸収層５：ＩｎＡｓＳｂ／Ｎ^-型（ノンドープ）／２．０μｍ
・バッファ層：ＩｎＡｓＳｂ／Ｎ型／１．０μｍ
・バッファ層４：上記の通りの超格子バッファ層
・バッファ層３：ＩｎＡｓＳｂ／Ｎ^-型（ノンドープ）／０．３μｍ
・バッファ層２：ＧａＡｓ／半絶縁型（ノンドープ）／０．２μｍ
・半導体基板１：ＧａＡｓ／半絶縁型２５０μｍ

【0049】

なお、その他の条件は、実施例と同一とした。

【0050】

（実験結果）

【0051】

図３は、実施例に係るＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ構造の断面ＴＥＭ像を示す図であり、図４は、比較例に係るＩｎＡｓＳｂ／（ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＡｓ超格子構造）／ＩｎＡｓＳｂ構造の断面ＴＥＭ像を示す図である。

【0052】

実施例においては、ＩｎＡｓＳｂ層（バッファ層３）上に形成されたＩｎＡｓ層（バッファ層４）及びＩｎＡｓＳｂ層（光吸収層５）の結晶性は、比較例よりも、改善している。すなわち、各層が臨界膜厚以下のＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子を用いた場合よりも、超格子を用いず、厚みが臨界膜厚よりも大きな実施例の場合の方が、バッファ層４及び光吸収層５の結晶性が向上している。

【0053】

比較例の断面ＴＥＭ像を観察すると、超格子を構成する各層の厚みが薄いため、結晶欠陥の成長が止まらず、超格子層の全体を貫通していることが分かる。従来、臨界膜厚を超える場合には、結晶性が劣化するという当業者の常識のもと、各層の厚みを薄く形成することが行われたが、本願発明者らは、従来法に準じた比較例の方法によれば、各ＩｎＡｓ層の結晶性の劣化は、個々には抑制されるものの、全体としては、結晶欠陥の成長を止めることができない旨を発見した。そこで、臨界膜厚を超えるＩｎＡｓ層を用いることにより、結晶欠陥の成長を止めることを見出した。

【0054】

図３の断面ＴＥＭ像を観察すると、各層の成長過程における状態が概ね把握できる。すなわち、下側のバッファ層３（ＩｎＡｓＳｂ層）とバッファ層４（ＩｎＡｓ層）との界面から、概ね４２ｎｍ以下では、結晶性が劣化しているが、これを超えると、結晶性が著しく改善している。すなわち、ＩｎＡｓ層の厚みが、少なくとも、概ね４２ｎｍよりも大きければ、結晶性が改善することが分かる。この概ね４２ｎｍという値は、計算上求められる臨界膜厚ｈｃ＝４４．２ｎｍにほぼ一致する。すなわち、少なくとも、ＩｎＡｓ層の厚みが臨界膜厚ｈｃよりも大きければ、ＩｎＡｓ層及びその上のＩｎＡｓＳｂ層の結晶性の改善効果が得られることが分かる。

【0055】

また、図３の断面ＴＥＭ像を更に観察すると、ＩｎＡｓ層／ＩｎＡｓＳｂ層の界面から、それぞれ、６０ｎｍの位置、９５ｎｍの位置、２５８ｎｍの位置まで延びた転位欠陥が観察される。したがって、ＩｎＡｓ層の厚みは、６０ｎｍ（＝ｈｃ×１．３５７）よりも大きく、９５ｎｍ（＝ｈｃ×２．１４９）よりも大きく、又は、２５８ｎｍ（＝ｈｃ×５．８３７）よりも大きい方が、更に、好まししい。すなわち、厚みが増加するに従って、ＩｎＡｓ層の成長面における欠陥密度が減少するからである。

【0056】

また、光吸収層５となる上部のＩｎＡｓＳｂ層は、ＩｎＡｓ層との界面から１１７ｎｍの位置までの結晶性が劣化しているため、光吸収層５の厚みは１１７ｎｍよりも大きい方が好ましい。

【0057】

図５は、入射光（赤外線）の波長（μｍ）と、赤外線検出素子の比検出能力（ｃｍ・Ｈｚ^１／２／Ｗ）との関係を示すグラフである。比検出能力は、赤外線検出素子の単位面積当たりの感度を示している。

【0058】

同グラフから明らかなように、赤外線の波長２．０μｍ〜５．８μｍの範囲において、実施例の比検出能力は、比較例の比検出能力よりも高い値を示している。また、実施例の比検出能力は、波長３．０〜４．０μｍの間において、ほぼ一定の値となり、最大値は、２．０×１０^９（ｃｍ・Ｈｚ^１／２／Ｗ）以上である。

【0059】

以上のように、電気特性の観点からも、実施例の赤外線検出素子は、比較例の赤外線検出素子よりも優れていることが判明した。なお、上述の赤外線素子において、特性に大きな影響を与えない程度の不純物や化合物半導体を用いてもよい。更に、上述の赤外線検出素子は、室温動作可能なセンサとして各種用途に用いることもできる。

【符号の説明】

【0060】

１…半導体基板、２…バッファ層、３…バッファ層、４…バッファ層、５…光吸収層、６…バリア層、７…キャップ層、８…保護膜、９，１０…電極、ＩＲ…赤外線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】