(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023182373
(43)【公開日】2023-12-26
(54)【発明の名称】半導体受光素子およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 31/10 20060101AFI20231219BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022095932
(22)【出願日】2022-06-14
(71)【出願人】
【識別番号】506334182
【氏名又は名称】ＤＯＷＡエレクトロニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100179903
【弁理士】
【氏名又は名称】福井 敏夫
(72)【発明者】
【氏名】守谷 美彦
(72)【発明者】
【氏名】中野 雅之
【テーマコード（参考）】
5F149
5F849
【Ｆターム（参考）】
5F149AA02
5F149AB07
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5F149BA01
5F149BA21
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5F149DA44
5F149FA05
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5F149JA09
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5F849CB18
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5F849DA44
5F849FA05
5F849GA06
5F849HA03
5F849JA09
5F849XB18
5F849XB51
(57)【要約】
【課題】受光感度が高く、かつ、ＥＳＤ耐圧の高い半導体受光素子を提供する。
【解決手段】ｎ型ＩｎＰ基板１１０と、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０と、ＩｎＰ窓層１４０と、を有し、ＩｎＰ窓層１４０内に、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の上部にまで到達するｐ型不純物拡散領域１５０が形成された半導体受光素子１００において、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０は、厚みを２．２μｍ以上とし、かつ、ｎ型不純物によるキャリア密度を２．５×１０１５／ｃｍ３以上とする。
【選択図】図１
【解決手段】ｎ型ＩｎＰ基板１１０と、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０と、ＩｎＰ窓層１４０と、を有し、ＩｎＰ窓層１４０内に、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の上部にまで到達するｐ型不純物拡散領域１５０が形成された半導体受光素子１００において、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０は、厚みを２．２μｍ以上とし、かつ、ｎ型不純物によるキャリア密度を２．５×１０１５／ｃｍ３以上とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ｎ型ＩｎＰ基板と、
前記ｎ型ＩｎＰ基板上のｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層と、
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層上のＩｎＰ窓層と、を有し、
前記ＩｎＰ窓層内に、前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の上部にまで到達するｐ型不純物拡散領域が形成された半導体受光素子であって、
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層は、厚みが２．２μｍ以上であり、かつ、ｎ型不純物によるキャリア密度が２．５×１０１５／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体受光素子。
前記ｎ型ＩｎＰ基板上のｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層と、
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層上のＩｎＰ窓層と、を有し、
前記ＩｎＰ窓層内に、前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の上部にまで到達するｐ型不純物拡散領域が形成された半導体受光素子であって、
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層は、厚みが２．２μｍ以上であり、かつ、ｎ型不純物によるキャリア密度が２．５×１０１５／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項2】
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の前記ｎ型不純物によるキャリア密度が６．０×１０１５／ｃｍ３以上である、請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項3】
前記ｐ型不純物拡散領域に含まれるｐ型不純物がＺｎである、請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項4】
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層に含まれるｎ型不純物がＳｉである、請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項5】
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層は、前記厚みが２．７μｍ以上３．５μｍ以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項6】
ｎ型ＩｎＰ基板上にｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層を形成する光吸収層形成工程と、
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層上にＩｎＰ窓層を形成する窓層形成工程と、
前記ＩｎＰ窓層内に、前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の上部にまで到達するｐ型不純物拡散領域を形成する拡散領域形成工程と、を含む半導体受光素子の製造方法であって、
前記光吸収層形成工程において形成する前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層は、厚みを２．２μｍ以上とし、かつ、ｎ型不純物によるキャリア密度を２．５×１０１５／ｃｍ３以上とすることを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層上にＩｎＰ窓層を形成する窓層形成工程と、
前記ＩｎＰ窓層内に、前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の上部にまで到達するｐ型不純物拡散領域を形成する拡散領域形成工程と、を含む半導体受光素子の製造方法であって、
前記光吸収層形成工程において形成する前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層は、厚みを２．２μｍ以上とし、かつ、ｎ型不純物によるキャリア密度を２．５×１０１５／ｃｍ３以上とすることを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
【請求項7】
前記拡散領域形成工程は、前記窓層形成工程によって前記ＩｎＰ窓層を形成した後、ＭＯＣＶＤ炉内で前記ＩｎＰ窓層の表面側からｐ型不純物を拡散させる、請求項６に記載の半導体受光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は半導体受光素子およびその製造方法に関し、特に赤外領域を受光波長とする半導体受光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体受光素子は広く利用されており、光ファイバ向けフォトダイオード及び赤外線センサーは、赤外領域を受光波長とする半導体受光素子の代表例である。
【0003】
例えば、特許文献１には、ｎ型ＩｎＰ基板と、前記ｎ型ＩｎＰ基板の上に積層されるｎ型ＩｎＰ緩和層と、前記ｎ型ＩｎＰ緩和層の上に積層されるｉ型（ｎ型）ＩｎＧａＡｓ光吸収層と、前記ｉ型（ｎ型）ＩｎＧａＡｓ光吸収層の上に積層されるｎ型ＩｎＰキャップ層と、前記ｎ型ＩｎＰキャップ層よりｐ型不純物をイオン注入することにより形成され、前記ｉ型（ｎ型）ＩｎＧａＡｓ光吸収層とｐｎ接合を形成するｐ型不純物領域と、を有する半導体受光素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００５－２５９９３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１に開示された発明は光通信システム用途であり、その課題は高速応答性を高めることであった。光通信システム用以外の用途である赤外線センサー用途に用いられる受光素子は、高いＥＳＤ耐圧（静電耐圧ともいう）を有すると共に高い受光感度が求められる。
【0006】
そこで本発明は、受光感度を維持しながら、ＥＳＤ耐圧の高い半導体受光素子およびその製造方法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】
【0007】
上記目的を達成するため、本発明者らは半導体受光素子における光吸収層のキャリア密度及びその厚さに着目し、本発明を完成するに至った。すなわち、半導体受光素子のＩｎＧａＡｓ光吸収層の膜厚を薄くした場合では、得られるＥＳＤ耐圧が増加するが、受光感度の低下が大きかった。これに対して特定の厚さ以上のＩｎＧａＡｓ光吸収層にｎ型不純物を特定のキャリア密度以上となるようにドープすると、ＥＳＤ耐圧を１５００Ｖ以上に大きく改善でき、受光感度の低下は限定的であることを本発明者らは見い出した。こうして、受光感度をあまり下げることなく、ＥＳＤ耐圧を大きく改善できることを本発明者らは知見した。すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
【0008】
＜１＞ｎ型ＩｎＰ基板と、
前記ｎ型ＩｎＰ基板上のｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層と、
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層上のＩｎＰ窓層と、を有し、
前記ＩｎＰ窓層内に、前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の上部にまで到達するｐ型不純物拡散領域が形成された半導体受光素子であって、
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層は、厚みが２．２μｍ以上であり、かつ、ｎ型不純物によるキャリア密度が２．５×１０１５／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体受光素子。
前記ｎ型ＩｎＰ基板上のｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層と、
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層上のＩｎＰ窓層と、を有し、
前記ＩｎＰ窓層内に、前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の上部にまで到達するｐ型不純物拡散領域が形成された半導体受光素子であって、
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層は、厚みが２．２μｍ以上であり、かつ、ｎ型不純物によるキャリア密度が２．５×１０１５／ｃｍ３以上であることを特徴とする半導体受光素子。
【0009】
＜２＞前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の前記ｎ型不純物によるキャリア密度が６．０×１０１５／ｃｍ３以上である、上記＜１＞に記載の半導体受光素子。
【0010】
＜３＞前記ｐ型不純物拡散領域に含まれるｐ型不純物がＺｎである、上記＜１＞又は＜２＞に記載の半導体受光素子。
【0011】
＜４＞前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層に含まれるｎ型不純物がＳｉである、上記＜１＞～＜３＞のいずれかに記載の半導体受光素子。
【0012】
＜５＞前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の前記厚みが２．７μｍ以上３．５μｍ以下である、上記＜１＞～＜４＞のいずれかに記載の半導体受光素子。
【0013】
＜６＞ｎ型ＩｎＰ基板上にｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層を形成する光吸収層形成工程と、
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層上にＩｎＰ窓層を形成する窓層形成工程と、
前記ＩｎＰ窓層内に、前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の上部にまで到達するｐ型不純物拡散領域を形成する拡散領域形成工程と、を含む半導体受光素子の製造方法であって、
前記光吸収層形成工程において形成する前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層は、厚みを２．２μｍ以上とし、かつ、ｎ型不純物によるキャリア密度を２．５×１０１５／ｃｍ３以上とすることを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層上にＩｎＰ窓層を形成する窓層形成工程と、
前記ＩｎＰ窓層内に、前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の上部にまで到達するｐ型不純物拡散領域を形成する拡散領域形成工程と、を含む半導体受光素子の製造方法であって、
前記光吸収層形成工程において形成する前記ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層は、厚みを２．２μｍ以上とし、かつ、ｎ型不純物によるキャリア密度を２．５×１０１５／ｃｍ３以上とすることを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
【0014】
＜７＞前記拡散領域形成工程は、前記窓層形成工程によって前記ＩｎＰ窓層を形成した後、ＭＯＣＶＤ炉内で前記ＩｎＰ窓層の表面側からｐ型不純物を拡散させる、上記＜６＞に記載の半導体受光素子の製造方法。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、受光感度が高く、かつ、ＥＳＤ耐圧の高い半導体受光素子およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明の一実施形態に従う半導体受光素子の模式断面図である。
【図2】本発明の具体的態様に従う半導体受光素子の模式断面図である。
【図3】本発明による製造方法の一実施形態を説明する半導体受光素子の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
本発明による実施形態の説明に先立ち、以下の点について予め説明する。
【0018】
＜半導体組成＞
まず、本明細書において元素組成比を明示せずに単に「ＩｎＧａＡｓ」と表記する場合は、ＩＩＩ族元素であるＩｎ（インジウム）及びＧａ（ガリウム）とＶ族元素であるＡｓ（ヒ素）との組成比が１：１であり、ＩＩＩ族元素ＩｎとＧａとの比率は不定の任意の化合物を意味するものとする。ただし、「ＩｎＧａＡｓ」は、ＩｎとＧａの合計に対して５％（モル濃度、以下同じ）以内のＡｌを含んでいてもよいし、Ａｓに対して５％以内のＰ（リン）、Ｓｂ（アンチモン）を含んでいてもよい。また、単に「ＩｎＰ」と表記する場合でも、Ｉｎ及びＰ以外のＩＩＩ族元素及びＶ族元素を５％以下で含むことができる。なお、ＩＩＩ－Ｖ族元素の組成比の値は、フォトルミネッセンス測定及びＸ線回折測定などによって測定することができる。
まず、本明細書において元素組成比を明示せずに単に「ＩｎＧａＡｓ」と表記する場合は、ＩＩＩ族元素であるＩｎ（インジウム）及びＧａ（ガリウム）とＶ族元素であるＡｓ（ヒ素）との組成比が１：１であり、ＩＩＩ族元素ＩｎとＧａとの比率は不定の任意の化合物を意味するものとする。ただし、「ＩｎＧａＡｓ」は、ＩｎとＧａの合計に対して５％（モル濃度、以下同じ）以内のＡｌを含んでいてもよいし、Ａｓに対して５％以内のＰ（リン）、Ｓｂ（アンチモン）を含んでいてもよい。また、単に「ＩｎＰ」と表記する場合でも、Ｉｎ及びＰ以外のＩＩＩ族元素及びＶ族元素を５％以下で含むことができる。なお、ＩＩＩ－Ｖ族元素の組成比の値は、フォトルミネッセンス測定及びＸ線回折測定などによって測定することができる。
【0019】
＜導電型＞
また、本明細書において、電気的にｐ型として機能する層をｐ型半導体層（「ｐ型層」と略称する場合がある。）と称し、電気的にｎ型として機能する層をｎ型半導体層（「ｎ型層」と略称する場合がある。）と称する。一方、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓ、Ｓｎ、Ｍｇ等の特定の不純物を意図的には添加しない場合、「ｉ型」又は「アンドープ」と言う。アンドープのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層には、製造過程における不可避的な不純物の混入はあってよい。具体的には、ｐ型不純物とｎ型不純物の両方のドーパント濃度が低く、例えばキャリア密度が２．５×１０１５／ｃｍ３未満である場合を「アンドープ」であるとして、本明細書では取り扱うものとする。Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓ、Ｔｅ、Ｍｇ、Ｚｎ等の不純物濃度の値は、ＳＩＭＳ分析によるものとする。
また、本明細書において、電気的にｐ型として機能する層をｐ型半導体層（「ｐ型層」と略称する場合がある。）と称し、電気的にｎ型として機能する層をｎ型半導体層（「ｎ型層」と略称する場合がある。）と称する。一方、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓ、Ｓｎ、Ｍｇ等の特定の不純物を意図的には添加しない場合、「ｉ型」又は「アンドープ」と言う。アンドープのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層には、製造過程における不可避的な不純物の混入はあってよい。具体的には、ｐ型不純物とｎ型不純物の両方のドーパント濃度が低く、例えばキャリア密度が２．５×１０１５／ｃｍ３未満である場合を「アンドープ」であるとして、本明細書では取り扱うものとする。Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓ、Ｔｅ、Ｍｇ、Ｚｎ等の不純物濃度の値は、ＳＩＭＳ分析によるものとする。
【0020】
＜半導体層の厚さ＞
半導体受光素子に設けられる各半導体層の厚さのそれぞれは、走査型電子顕微鏡及び透過型電子顕微鏡による成長層の断面観察から算出できる。
半導体受光素子に設けられる各半導体層の厚さのそれぞれは、走査型電子顕微鏡及び透過型電子顕微鏡による成長層の断面観察から算出できる。
【0021】
＜キャリア密度＞
キャリア密度を求めるためには、各層のキャリア密度をエッチングＣＶ（ＥＣＶ）測定装置により求める。ＥＣＶ測定装置は、例えばナノメトリクス社製ＥＣＶ Ｐｒｏを使用できる。コンタクト層、窓層の各層をウエットエッチングにより順次除去することで、コンタクト層、窓層、光吸収層の各層の表面を露出させた状態で、ＥＣＶ測定装置の装置メーカー指定の電解液を使用して電圧を印加しＣＶ測定を実施した。そのＣＶ測定結果からキャリア密度を計算した。
なお、本明細書におけるｎ型不純物によるキャリア密度とは、ｐ型不純物拡散前（拡散領域形成工程前）における測定値であり、ｐ型不純物拡散後の半導体受光素子においては拡散の影響を受けていないｐ型不純物拡散領域以外の領域におけるキャリア密度であるものとする。
ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層において、ｎ型不純物がSi、S、Se、Teのいずれか1種以上の場合には、ｎ型不純物の活性化率が１００％に近く、ｎ型不純物濃度とｎ型不純物によるキャリア密度との差は１０％未満となる。本発明では、ＳＩＭＳによるｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の厚さ方向の平均でのｎ型不純物濃度を、ｎ型不純物によるキャリア密度とすることがある。
ｐ型不純物の拡散においてはｐ型不純物とｎ型不純物とのコドープ状態となるため、ＳＩＭＳによる各層のｎ型不純物濃度をｎ型不純物によるキャリア密度と見なす場合、ＳＩＭＳ測定はｐ型不純物拡散領域の内と外のどちらに対して行ってもよい。本発明では、ｐ型不純物の拡散された部分も含めてｎ型不純物が意図的に添加されたＩｎＧａＡｓ光吸収層全体をｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層と表現する。
キャリア密度を求めるためには、各層のキャリア密度をエッチングＣＶ（ＥＣＶ）測定装置により求める。ＥＣＶ測定装置は、例えばナノメトリクス社製ＥＣＶ Ｐｒｏを使用できる。コンタクト層、窓層の各層をウエットエッチングにより順次除去することで、コンタクト層、窓層、光吸収層の各層の表面を露出させた状態で、ＥＣＶ測定装置の装置メーカー指定の電解液を使用して電圧を印加しＣＶ測定を実施した。そのＣＶ測定結果からキャリア密度を計算した。
なお、本明細書におけるｎ型不純物によるキャリア密度とは、ｐ型不純物拡散前（拡散領域形成工程前）における測定値であり、ｐ型不純物拡散後の半導体受光素子においては拡散の影響を受けていないｐ型不純物拡散領域以外の領域におけるキャリア密度であるものとする。
ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層において、ｎ型不純物がSi、S、Se、Teのいずれか1種以上の場合には、ｎ型不純物の活性化率が１００％に近く、ｎ型不純物濃度とｎ型不純物によるキャリア密度との差は１０％未満となる。本発明では、ＳＩＭＳによるｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の厚さ方向の平均でのｎ型不純物濃度を、ｎ型不純物によるキャリア密度とすることがある。
ｐ型不純物の拡散においてはｐ型不純物とｎ型不純物とのコドープ状態となるため、ＳＩＭＳによる各層のｎ型不純物濃度をｎ型不純物によるキャリア密度と見なす場合、ＳＩＭＳ測定はｐ型不純物拡散領域の内と外のどちらに対して行ってもよい。本発明では、ｐ型不純物の拡散された部分も含めてｎ型不純物が意図的に添加されたＩｎＧａＡｓ光吸収層全体をｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層と表現する。
【0022】
＜Ｐ型不純物拡散領域におけるｐ型不純物濃度＞
Ｐ型不純物拡散領域におけるｐ型不純物濃度について、以下、ｐ型不純物がＺｎである場合を例に説明する。Ｚｎ拡散領域におけるＺｎ濃度は、Ｚｎ拡散領域の中心部に対して、深さ方向にＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法、Secondary Ion Mass Spectrometry）により求め、各層における深さ方向のＺｎ濃度プロファイルをもとに、各層における平均Ｚｎ濃度を求める。なお、ｐ型不純物としてＺｎを用いる場合、ＳＩＭＳ分析では、母材がＩｎＰの場合とＩｎＧａＡｓの場合とで、Ｚｎの検出率（イオン化率）に違いがある。そこで、Ｚｎについては元素濃度の絶対値を補正するために、ＩｎＰ層中のＺｎ濃度は、Ｚｎ濃度が既知のＩｎＰに対する分析結果を用いることとし、ＩｎＧａＡｓ層中のＺｎ濃度は、Ｚｎ濃度が既知のＩｎＧａＡｓに対する分析結果を用いて、それぞれ濃度を補正する。
Ｐ型不純物拡散領域におけるｐ型不純物濃度について、以下、ｐ型不純物がＺｎである場合を例に説明する。Ｚｎ拡散領域におけるＺｎ濃度は、Ｚｎ拡散領域の中心部に対して、深さ方向にＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法、Secondary Ion Mass Spectrometry）により求め、各層における深さ方向のＺｎ濃度プロファイルをもとに、各層における平均Ｚｎ濃度を求める。なお、ｐ型不純物としてＺｎを用いる場合、ＳＩＭＳ分析では、母材がＩｎＰの場合とＩｎＧａＡｓの場合とで、Ｚｎの検出率（イオン化率）に違いがある。そこで、Ｚｎについては元素濃度の絶対値を補正するために、ＩｎＰ層中のＺｎ濃度は、Ｚｎ濃度が既知のＩｎＰに対する分析結果を用いることとし、ＩｎＧａＡｓ層中のＺｎ濃度は、Ｚｎ濃度が既知のＩｎＧａＡｓに対する分析結果を用いて、それぞれ濃度を補正する。
【0023】
以下、図１を参照して、本発明の一実施形態に従う半導体受光素子を説明する。本発明の一実施形態に従う半導体受光素子１００は、ｎ型ＩｎＰ基板１１０と、ｎ型ＩｎＰ基板１１０上のｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０と、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０上のＩｎＰ窓層１４０と、を少なくとも有する。そして、このＩｎＰ窓層１４０内に、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の上部にまで到達するｐ型不純物拡散領域１５０が形成されている。ここで、この半導体受光素子１００におけるｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０は、厚みが２．２μｍ以上であり、かつ、キャリア密度が２．５×１０１５／ｃｍ３以上である。以下、各構成の詳細を順次説明する。
【0024】
＜ｎ型ＩｎＰ基板＞
ｎ型ＩｎＰ基板１１０は一般的に入手可能なものを用いることができる。ｎ型ＩｎＰ基板１１０のｎ型不純物の代表例はＳ（硫黄）及びＳｎ（スズ）である。ｎ型ＩｎＰ基板１１０のキャリア密度は特に制限されず、例えば１．０×１０１８／ｃｍ３以上９．０×１０１８／ｃｍ３のものを採用すればよい。基板の厚み、基板の直径及び基板の面方位も特に制限されない。
ｎ型ＩｎＰ基板１１０は一般的に入手可能なものを用いることができる。ｎ型ＩｎＰ基板１１０のｎ型不純物の代表例はＳ（硫黄）及びＳｎ（スズ）である。ｎ型ＩｎＰ基板１１０のキャリア密度は特に制限されず、例えば１．０×１０１８／ｃｍ３以上９．０×１０１８／ｃｍ３のものを採用すればよい。基板の厚み、基板の直径及び基板の面方位も特に制限されない。
【0025】
＜ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層＞
ｎ型ＩｎＰ基板１１０上にｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０が設けられる。ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０は、厚さを２．２μｍ以上とし、かつ、ｎ型不純物によるキャリア密度を２．５×１０１５／ｃｍ３以上にする。ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さを２．２μｍよりも薄くすればＥＳＤ耐圧を少し向上できたとしても、量子効率が下がるために受光感度が下がってしまう。そこで本発明に従う半導体受光素子１００では、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さを２．２μｍ以上と通常の厚さよりも大きくしつつ、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のｎ型不純物によるキャリア密度を２．５×１０１５／ｃｍ３以上と高くすることにより、受光感度を高めつつ、優れたＥＳＤ耐圧を得ることができる。なお、ここでいうｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のｎ型不純物によるキャリア密度は、Ｚｎ拡散工程前のｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のキャリア密度であり、Ｚｎ拡散工程後はＺｎが拡散されていない領域（ｐ型不純物拡散領域１５０以外の領域）におけるキャリア密度を意味する。上述のとおり、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のＳＩＭＳによる厚さ平均Ｓｉ濃度をｎ型不純物によるキャリア密度と見なしてよい。ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０にドープするn型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅを用いることができる。望ましくは、原料ガスの入手が容易で、ＭＯＣＶＤでのＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の成長中に拡散しないＳｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅを用いることができる。最も好ましくはSiである。
ｎ型ＩｎＰ基板１１０上にｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０が設けられる。ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０は、厚さを２．２μｍ以上とし、かつ、ｎ型不純物によるキャリア密度を２．５×１０１５／ｃｍ３以上にする。ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さを２．２μｍよりも薄くすればＥＳＤ耐圧を少し向上できたとしても、量子効率が下がるために受光感度が下がってしまう。そこで本発明に従う半導体受光素子１００では、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さを２．２μｍ以上と通常の厚さよりも大きくしつつ、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のｎ型不純物によるキャリア密度を２．５×１０１５／ｃｍ３以上と高くすることにより、受光感度を高めつつ、優れたＥＳＤ耐圧を得ることができる。なお、ここでいうｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のｎ型不純物によるキャリア密度は、Ｚｎ拡散工程前のｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のキャリア密度であり、Ｚｎ拡散工程後はＺｎが拡散されていない領域（ｐ型不純物拡散領域１５０以外の領域）におけるキャリア密度を意味する。上述のとおり、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のＳＩＭＳによる厚さ平均Ｓｉ濃度をｎ型不純物によるキャリア密度と見なしてよい。ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０にドープするn型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅを用いることができる。望ましくは、原料ガスの入手が容易で、ＭＯＣＶＤでのＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の成長中に拡散しないＳｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅを用いることができる。最も好ましくはSiである。
【0026】
－組成比－
ここで、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の組成比をＩｎｘ１Ｇａ（１－ｘ１）Ａｓと表記する。この場合、ｎ型ＩｎＰ基板１１０上でエピタキシャル成長できる限りＩｎ組成比ｘ１は特に制限されないものの、５２．１８≦ｘ１≦５４．４７とすることが好ましく、５２．７５≦ｘ１≦５３．８９とすることがより好ましい。ＩｎＰ基板の格子定数とＩｎＧａＡｓ層の格子定数をほぼ整合させることができ、膜界面近傍の応力が小さくなり、ＩｎＧａＡｓ層にスリップやクロスハッチなどの欠陥が生じにくくなるためである。なお、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のｎ型不純物は、例えばＳｉを用いればよい。また、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の組成比の代わりに、ＩｎＧａＡｓ層のＩｎＰ基板に対する格子不整合度を採用してもよい。格子不整合度は、ＩｎＰ基板１１０およびその上のＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の（４００）面に対するＸ線による２θ－ωスキャン（ディフラクトメーターカーブ）の測定によって、横軸2θ、縦軸回折Ｘ線強度のグラフから得ることができる。ＩｎＰ基板の回折ピーク位置2θInPとＩｎＧａＡｓ層の回折ピーク位置2θInGaAsから、Braggの回折式を用いて、それぞれの格子定数aInP、aInGaAsを求め、格子定数差をΔａ＝aInP－aInGaAsとすると、Δａ/aInPによって格子不整合度を評価できる。より簡便には、２θ－ωスキャンの測定結果において、ＩｎＰ基板の回折ピーク位置を基準にＩｎＧａＡｓの回折ピーク位置との回折角度差Δ２θ＝2θInP－2θInGaAsを用いて、格子不整合度を評価できる。Δ２θが±２００ａｒｃｓｅｃ以下が好ましく、±１００ａｒｃｓｅｃ以下がさらに好ましい。格子不整合度が小さいほど、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ層にスリップやクロスハッチなどの欠陥が生じにくくなる。また、エピ基板の反りも小さくなり、その後のプロセス加工時の取り扱いも容易となり、ＳｉＮ膜などの成膜後のエピ基板の割れなども抑制できる。
ここで、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の組成比をＩｎｘ１Ｇａ（１－ｘ１）Ａｓと表記する。この場合、ｎ型ＩｎＰ基板１１０上でエピタキシャル成長できる限りＩｎ組成比ｘ１は特に制限されないものの、５２．１８≦ｘ１≦５４．４７とすることが好ましく、５２．７５≦ｘ１≦５３．８９とすることがより好ましい。ＩｎＰ基板の格子定数とＩｎＧａＡｓ層の格子定数をほぼ整合させることができ、膜界面近傍の応力が小さくなり、ＩｎＧａＡｓ層にスリップやクロスハッチなどの欠陥が生じにくくなるためである。なお、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のｎ型不純物は、例えばＳｉを用いればよい。また、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の組成比の代わりに、ＩｎＧａＡｓ層のＩｎＰ基板に対する格子不整合度を採用してもよい。格子不整合度は、ＩｎＰ基板１１０およびその上のＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の（４００）面に対するＸ線による２θ－ωスキャン（ディフラクトメーターカーブ）の測定によって、横軸2θ、縦軸回折Ｘ線強度のグラフから得ることができる。ＩｎＰ基板の回折ピーク位置2θInPとＩｎＧａＡｓ層の回折ピーク位置2θInGaAsから、Braggの回折式を用いて、それぞれの格子定数aInP、aInGaAsを求め、格子定数差をΔａ＝aInP－aInGaAsとすると、Δａ/aInPによって格子不整合度を評価できる。より簡便には、２θ－ωスキャンの測定結果において、ＩｎＰ基板の回折ピーク位置を基準にＩｎＧａＡｓの回折ピーク位置との回折角度差Δ２θ＝2θInP－2θInGaAsを用いて、格子不整合度を評価できる。Δ２θが±２００ａｒｃｓｅｃ以下が好ましく、±１００ａｒｃｓｅｃ以下がさらに好ましい。格子不整合度が小さいほど、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ層にスリップやクロスハッチなどの欠陥が生じにくくなる。また、エピ基板の反りも小さくなり、その後のプロセス加工時の取り扱いも容易となり、ＳｉＮ膜などの成膜後のエピ基板の割れなども抑制できる。
【0027】
－厚さ－
ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さとは、ｐ型不純物の拡散を考慮しない厚さをいい、ｐ型不純物拡散前のｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さである。ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さは前述のとおり２．２μｍ以上であり、２．７μｍ以上であることが好ましく、２．７５μｍ以上にすることがより好ましい。一方、半導体受光素子１００のＥＳＤ耐圧を確保するためには、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さを３．５μｍ以下にすることが好ましく、３．４５μｍ以下にすることがより好ましい。ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さが薄いと受光感度が低下してしまう弊害がある。また、厚さが厚すぎると、ＩｎＧａＡｓ層１３０やその上のＩｎＰ窓層１４０にスリップやクロスハッチが入りやすくなってしまう。さらに、ＩｎＰ基板上へのＩｎＧａＡｓ層の成膜時の成長時間が長くなり、製造のスループットが落ちてしまうことや、製造コストの増加につながってしまう。
ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さとは、ｐ型不純物の拡散を考慮しない厚さをいい、ｐ型不純物拡散前のｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さである。ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さは前述のとおり２．２μｍ以上であり、２．７μｍ以上であることが好ましく、２．７５μｍ以上にすることがより好ましい。一方、半導体受光素子１００のＥＳＤ耐圧を確保するためには、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さを３．５μｍ以下にすることが好ましく、３．４５μｍ以下にすることがより好ましい。ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の厚さが薄いと受光感度が低下してしまう弊害がある。また、厚さが厚すぎると、ＩｎＧａＡｓ層１３０やその上のＩｎＰ窓層１４０にスリップやクロスハッチが入りやすくなってしまう。さらに、ＩｎＰ基板上へのＩｎＧａＡｓ層の成膜時の成長時間が長くなり、製造のスループットが落ちてしまうことや、製造コストの増加につながってしまう。
【0028】
－キャリア密度－
ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のｎ型不純物によるキャリア密度は前述のとおり２．５×１０１５／ｃｍ３以上であり、３．０×１０１５／ｃｍ３以上とすることが好ましい。ＥＳＤ耐圧を高めるためには当該キャリア密度を６．０×１０１５／ｃｍ３以上にすることがより好ましい。ｎ型不純物によるキャリア密度が１．０×１０１６／ｃｍ３以下であれば、受光感度を維持しつつ、ＥＳＤ耐圧を高めることができる。ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のｎ型不純物によるキャリア密度が低すぎるとＥＳＤ耐圧を高める効果が薄い。逆にｎ型不純物によるキャリア密度が高すぎると、受光感度が低下してしまう。
ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のｎ型不純物によるキャリア密度は前述のとおり２．５×１０１５／ｃｍ３以上であり、３．０×１０１５／ｃｍ３以上とすることが好ましい。ＥＳＤ耐圧を高めるためには当該キャリア密度を６．０×１０１５／ｃｍ３以上にすることがより好ましい。ｎ型不純物によるキャリア密度が１．０×１０１６／ｃｍ３以下であれば、受光感度を維持しつつ、ＥＳＤ耐圧を高めることができる。ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０のｎ型不純物によるキャリア密度が低すぎるとＥＳＤ耐圧を高める効果が薄い。逆にｎ型不純物によるキャリア密度が高すぎると、受光感度が低下してしまう。
【0029】
＜ＩｎＰ窓層＞
ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０上には、ＩｎＰ窓層１４０が設けられる。ＩｎＰ窓層１４０はアンドープであってもよいが、Ｓｉなどのｎ型不純物がドーパントされていることが好ましく、そのｎ型不純物によるキャリア密度を５．０×１０１５／ｃｍ３以上１．１×１０１６／ｃｍ３以下にすることが好ましい。なおここでいうＩｎＰ窓層１４０のｎ型不純物によるキャリア密度はＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０と同様に、Ｚｎ拡散工程前におけるキャリア密度を指す。ＩｎＰ窓層１４０の厚さは特に制限されないが、例えば０．５μｍ～２μｍとすることができる。なお、ＩｎＰ窓層１４０は、ＩｎＰであることが好ましいが、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０が吸収する波長を透過するのに十分なバンドギャップを有していれば、ＩｎＰに他のＩＩＩ族やＶ族の元素が数％混在してもよい。
ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０上には、ＩｎＰ窓層１４０が設けられる。ＩｎＰ窓層１４０はアンドープであってもよいが、Ｓｉなどのｎ型不純物がドーパントされていることが好ましく、そのｎ型不純物によるキャリア密度を５．０×１０１５／ｃｍ３以上１．１×１０１６／ｃｍ３以下にすることが好ましい。なおここでいうＩｎＰ窓層１４０のｎ型不純物によるキャリア密度はＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０と同様に、Ｚｎ拡散工程前におけるキャリア密度を指す。ＩｎＰ窓層１４０の厚さは特に制限されないが、例えば０．５μｍ～２μｍとすることができる。なお、ＩｎＰ窓層１４０は、ＩｎＰであることが好ましいが、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０が吸収する波長を透過するのに十分なバンドギャップを有していれば、ＩｎＰに他のＩＩＩ族やＶ族の元素が数％混在してもよい。
【0030】
＜ｐ型不純物拡散領域＞
半導体受光素子１００のＩｎＰ窓層１４０内にはｐ型不純物拡散領域１５０が形成され、ｐ型不純物拡散領域１５０はｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の上部にまで到達する。より具体的には、ｐ型不純物拡散領域１５０は図１に示すように、ＩｎＰ窓層１４０の面内方向の一部において、ＩｎＰ窓層１４０の最表面からｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の表層部まで設けられる。便宜状、ここではｐ型不純物拡散領域１５０のうち、ＩｎＰ窓層１４０に形成された部分を窓層内拡散領域１５２と称し、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０に形成された部分を光吸収層内拡散領域１５１と称することにする。
半導体受光素子１００のＩｎＰ窓層１４０内にはｐ型不純物拡散領域１５０が形成され、ｐ型不純物拡散領域１５０はｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の上部にまで到達する。より具体的には、ｐ型不純物拡散領域１５０は図１に示すように、ＩｎＰ窓層１４０の面内方向の一部において、ＩｎＰ窓層１４０の最表面からｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の表層部まで設けられる。便宜状、ここではｐ型不純物拡散領域１５０のうち、ＩｎＰ窓層１４０に形成された部分を窓層内拡散領域１５２と称し、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０に形成された部分を光吸収層内拡散領域１５１と称することにする。
【0031】
ここで、ｐ型不純物拡散領域１５０はｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０の上部にまで「到達」するとは、少なくともＩｎＰ窓層１４０とｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０との界面からｎ型ＩｎＰ基板１１０側へ、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０内を０．３０μｍまでよりも深い位置までｐ型不純物拡散領域１５０のｐ型不純物が拡散していることを意味する。そして、ｐ型不純物の濃度が１．０×１０１８／ｃｍ３以上であれば、ｐ型不純物が拡散しているものとする。ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３０にはｎ型不純物がドーピングされており、ＩｎＰ窓層１４０にもｎ型不純物がドーピングされている。そのためｐ型不純物拡散領域１５０の光吸収層内拡散領域１５１と窓層内拡散領域１５２はｐ型不純物とｎ型不純物のコドープ状態となる。なお、ｐ型不純物拡散領域のｐ型不純物がＺｎであることが好ましい。
【0032】
ｐ型不純物拡散領域１５０を形成する面内方向の大きさは特に制限されないが、上面視で円形に形成する場合は例えば１０μｍφ以上４５０μｍφ以下とすることができる。また、ｐ型不純物拡散領域１５０の形状は、円形に限らず、三角形、四角形、五角形などの多角形状でも良い。なお、ｐ型不純物拡散領域１５０の面積が小さいほど本願発明の効果を得やすい。このため、ｐ型不純物拡散領域１５０の面積は１５９０５０μｍ２以下が好ましく、１２９６００μｍ２以下がより好ましく、６２５００μｍ２以下がさらに好ましい。面積の下限は実用上また量産上１００μｍ２以上が好ましい。
【0033】
以上説明した半導体受光素子１００は、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の厚さ及びｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層のｎ型不純物によるキャリア密度が適正化されているため、優れた受光感度及びＥＳＤ耐圧を両立することができる。
【0034】
次に図２を参照して、本発明に従う半導体受光素子に適用可能な具体的態様を説明する。以下では、参照符号下二桁が共通な構成は既述の実施形態で説明したものと同様の構成であるため、重複する説明を省略する。図３を参照する場合も同様に、共通する構成の重複説明を省略する。
【0035】
＜バッファ層＞
半導体受光素子２００は、ｎ型ＩｎＰ基板２１０とｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３０と間にバッファ層２２０を有してもよい。バッファ層２２０はＩｎＰであることが好ましく、アンドープであることが好ましい。バッファ層２２０の厚みを０．３μｍ以上１．０μｍ以下とすることができる。
半導体受光素子２００は、ｎ型ＩｎＰ基板２１０とｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層２３０と間にバッファ層２２０を有してもよい。バッファ層２２０はＩｎＰであることが好ましく、アンドープであることが好ましい。バッファ層２２０の厚みを０．３μｍ以上１．０μｍ以下とすることができる。
【0036】
＜キャップ層＞
ｐ型不純物拡散領域２５０の上面の一部、例えば縁部には、コンタクト層を兼ねたキャップ層２６０を設けることが好ましい。キャップ層２６０はＺｎ拡散工程前においてキャリア密度を５．０×１０１５／ｃｍ３未満とすることが好ましく、キャリア密度が２．５×１０１５／ｃｍ３未満のアンドープのＩｎＧａＡｓを用いることがより好ましい。また、キャップ層２６０の厚さは５０ｎｍ以上０．２μｍ以下とすることができる。キャップ層２６０の組成比をＩｎｘ２Ｇａ（１－ｘ２）Ａｓと表記する場合、キャップ層のＩｎ組成比ｘ２は特に制限されないものの、５２．１８≦ｘ２≦５４．４７とすることが好ましく、５２．７５≦ｘ２≦５３．８９とすることがより好ましい。ＩｎＰ基板の格子定数とＩｎＧａＡｓ層の格子定数をほぼ整合させることができ、膜界面近傍の応力が小さくなり、ＩｎＧａＡｓ層にスリップやクロスハッチなどの欠陥が生じにくくなるためである。また、後述する拡散領域形成工程においてキャップ層２６０にｐ型不純物を拡散させてｐ型化し、キャップ層２６０をｐ型コンタクト層として用いることによって、ｐ型電極２８０との接触抵抗を下げることができる。
ｐ型不純物拡散領域２５０の上面の一部、例えば縁部には、コンタクト層を兼ねたキャップ層２６０を設けることが好ましい。キャップ層２６０はＺｎ拡散工程前においてキャリア密度を５．０×１０１５／ｃｍ３未満とすることが好ましく、キャリア密度が２．５×１０１５／ｃｍ３未満のアンドープのＩｎＧａＡｓを用いることがより好ましい。また、キャップ層２６０の厚さは５０ｎｍ以上０．２μｍ以下とすることができる。キャップ層２６０の組成比をＩｎｘ２Ｇａ（１－ｘ２）Ａｓと表記する場合、キャップ層のＩｎ組成比ｘ２は特に制限されないものの、５２．１８≦ｘ２≦５４．４７とすることが好ましく、５２．７５≦ｘ２≦５３．８９とすることがより好ましい。ＩｎＰ基板の格子定数とＩｎＧａＡｓ層の格子定数をほぼ整合させることができ、膜界面近傍の応力が小さくなり、ＩｎＧａＡｓ層にスリップやクロスハッチなどの欠陥が生じにくくなるためである。また、後述する拡散領域形成工程においてキャップ層２６０にｐ型不純物を拡散させてｐ型化し、キャップ層２６０をｐ型コンタクト層として用いることによって、ｐ型電極２８０との接触抵抗を下げることができる。
【0037】
＜ＡＲコート層＞
ＩｎＰ窓層２４０上のキャップ層２６０以外の部分には、反射防止のためのＡＲコート層２７０を設けることができる。ＡＲコート層２７０にはＳｉＮを用いることが好ましく、厚さを０．１μｍ以上０．５μｍ以下とすることができる。
ＩｎＰ窓層２４０上のキャップ層２６０以外の部分には、反射防止のためのＡＲコート層２７０を設けることができる。ＡＲコート層２７０にはＳｉＮを用いることが好ましく、厚さを０．１μｍ以上０．５μｍ以下とすることができる。
【0038】
キャップ層２６０に接する部分にはｐ型電極２８０を設けることができ、ｎ型ＩｎＰ基板２１０の裏面にはｎ型電極２９０を設けることができる。いずれも厚さを０．５μｍ以上４．０μｍ以下とすることができる。ｐ型電極２８０には、キャップ層側から順にＴｉ（チタン）／Ｐｔ（白金）／Ａｕ（金）、ｎ型電極にはＡｕＧｅ合金などを用いることができる。電極の形状は用途に応じて適宜設計すればよく、例えば、円形、三角形、四角形、五角形などの多角形状でも良く、図２の図示例は一例に過ぎない。また、ｐ型電極２８０には、電流を流すためのワイヤー接続用にボンディングパッドを設けても良い。
【0039】
半導体受光素子２００をセンサー用途で用いることを考慮すると、半導体受光素子２００の全体厚さを１００μｍ以上３００μｍ以下とすることが好ましく、幅及び奥行きを５００μｍ程度とすることが好ましく、受光部を上面視で円形に形成する場合は受光部の直径を例えば１０μｍφ以上４５０μｍφ以下とすることができる。また、受光部の形状は、ｐ型不純物拡散領域の内側に受光部を設けるので、Ｐ型不純物拡散領域１５０の形状と相似形状であってよく、円形に限らず、三角形、四角形、五角形などの多角形状でも良い。
【0040】
図３に模式的に図示したステップＡ～ステップＤを参照する。本発明の一実施形態に従う半導体受光素子３００の製造方法は、ｎ型ＩｎＰ基板３１０上にｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３３０を形成する光吸収層形成工程と、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３３０上にＩｎＰ窓層３４０を形成する窓層形成工程と、ＩｎＰ窓層３４０内に、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３３０の上部にまで到達するｐ型不純物拡散領域３５０を形成する拡散領域形成工程と、を含む。そして、光吸収層形成工程において形成するｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３３０の厚みを２．２μｍ以上とし、かつ、ｎ型不純物によるキャリア密度を２．５×１０１５／ｃｍ３以上とする。
【0041】
半導体層の各層は、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成することが好ましい。拡散領域形成工程（ステップＤ）は、窓層形成工程によってＩｎＰ窓層３４０を形成した後、ＭＯＣＶＤ炉を用いてＩｎＰ窓層３４０の表面側からｐ型不純物を拡散させることが好ましい。拡散領域形成工程（ステップＤ）の前にキャップ層３６０を形成する工程と、キャップ層を部分的に除去してＩｎＰ窓層３４０の一部を露出させる工程を含み、拡散領域形成工程（ステップＤ）ではキャップ層３６０にもｐ型不純物を拡散させるようにして良い。
【0042】
拡散領域形成工程の好ましい態様について、ｐ型不純物としてＺｎを採用した例を具体的に説明する。半導体層をすべてエピタキシャル成長させた後、エピタキシャル層の最表面から所望の領域にのみ、ＭＯＣＶＤ法によってＺｎを拡散させる。すなわち、ＩｎＰ窓層３４０が半導体層の最上層の場合はＩｎＰ窓層３４０の表面からＺｎを拡散させ、（図示しない）キャップ層が半導体層の最上層の場合はキャップ層の表面からＺｎを拡散させる。所望の領域にのみＺｎを拡散させるためには、まずＣＶＤ法によって誘電体薄膜（ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ膜等）を成膜し、レジストを用いたフォトリソグラフィによって誘電体薄膜を所定の形状でパターン形成し、パターン形成された誘電体薄膜をＺｎ拡散時のマスク３７０として用いることができる。その後、エピタキシャル層の最表面から、キャップ層が設けられる場合はキャップ層を経つつ、ＩｎＰ窓層３４０及びｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３３０へＺｎを拡散させることができる。また、キャップ層３６０はＺｎを拡散させることによってｐ型化させ、ｐ型コンタクト層として好適に用いることができる。
【0043】
この場合、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３３０中のＺｎ濃度は、ＩｎＰ窓層３４０とｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３３０の界面付近でＺｎ濃度ピークが見られ、当該界面からｎ型ＩｎＰ基板３１０側に向かうにしたがってＺｎ濃度が漸減する。ＩｎＧａＡｓ光吸収層３３０中のＺｎピーク濃度は、ＳＩＭＳ測定した場合、１．０×１０１９／ｃｍ３以上５．０×１０１９／ｃｍ３以下とすることができる。また、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３３０のうちの光吸収層内拡散領域３５１中のＺｎ平均濃度は８．０×１０１８／ｃｍ３以上４．０×１０１９／ｃｍ３とすることができ、好ましくは９．０×１０１８／ｃｍ３以上３．０×１０１９／ｃｍ３である。なお、この光吸収層内拡散領域３５１中のＺｎ平均濃度の値はｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３３０中において、ＩｎＰ窓層３４０とｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３３０との界面からＺｎ濃度が１．０×１０１８／ｃｍ３となるまでの深さ方向範囲の平均値である。前述のとおり、各半導体層にＳｉなどのｎ型不純物をドープした領域の一部にＺｎを拡散させることになるので、ＩｎＰ窓層３４０へＺｎ拡散させた窓層内拡散領域３５２およびｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層３３０へＺｎ拡散させた光吸収層内拡散領域３５１は、Ｚｎとｎ型不純物（例えばＳｉ）のコドープ状態となる。
【0044】
また、拡散領域形成工程においては、ＭＯＣＶＤ法の代わりに、石英管封止法を用いてもｐ型不純物拡散領域３５０を形成できるし、イオン注入法でｐ型不純物拡散領域３５０を形成してもよい。
【0045】
【0046】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【実施例0047】
＜実施例１＞
前掲の図２を参照する。ｎ型ＩｎＰ基板（厚さ：６２５μｍ、キャリア密度：３．０×１０１８／ｃｍ３）上にＭＯＣＶＤ法を用いて、アンドープＩｎＰバッファ層、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、ｎ型ＩｎＰ窓層、アンドープのＩｎＧａＡｓキャップ層を順次成膜した。各層の組成、ドーパント、キャリア密度、厚さの諸条件を下記表１に示す。なお、各層のキャリア密度はＺｎ拡散を行う前にＥＣＶ測定装置（ナノメトリクス社製ＥＣＶ Ｐｒｏ）により求めた。次いで、キャップ層にマスク形成してエッチングした後、ＣＶＤ法によってＳｉＮ膜（厚さ：０．２μｍ）を成膜し、レジストを用いたフォトリソグラフィによってパターン形成し、ＭＯＣＶＤ法を用いてＺｎを拡散させてキャップ層からｎ型ＩｎＰ窓層、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層へとＺｎを拡散させた。Ｚｎ源としてはＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いた。最後に、ｐ型電極及びｎ型電極をそれぞれ形成して、実施例１に係る半導体受光素子を作成した。
前掲の図２を参照する。ｎ型ＩｎＰ基板（厚さ：６２５μｍ、キャリア密度：３．０×１０１８／ｃｍ３）上にＭＯＣＶＤ法を用いて、アンドープＩｎＰバッファ層、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、ｎ型ＩｎＰ窓層、アンドープのＩｎＧａＡｓキャップ層を順次成膜した。各層の組成、ドーパント、キャリア密度、厚さの諸条件を下記表１に示す。なお、各層のキャリア密度はＺｎ拡散を行う前にＥＣＶ測定装置（ナノメトリクス社製ＥＣＶ Ｐｒｏ）により求めた。次いで、キャップ層にマスク形成してエッチングした後、ＣＶＤ法によってＳｉＮ膜（厚さ：０．２μｍ）を成膜し、レジストを用いたフォトリソグラフィによってパターン形成し、ＭＯＣＶＤ法を用いてＺｎを拡散させてキャップ層からｎ型ＩｎＰ窓層、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層へとＺｎを拡散させた。Ｚｎ源としてはＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いた。最後に、ｐ型電極及びｎ型電極をそれぞれ形成して、実施例１に係る半導体受光素子を作成した。
【0048】
【表1】
【0049】
なお、ＩｎＧａＡｓキャップ層におけるＺｎ拡散領域の中央におけるＳＩＭＳ測定による厚さ方向平均Ｚｎ濃度は５．０×１０１９／ｃｍ３であり、ＩｎＰ窓層におけるＺｎ拡散領域中央での厚さ方向平均Ｚｎ濃度は５．０×１０１８／ｃｍ３であった。また、Ｚｎ拡散領域中央における深さ方向において、Ｚｎ濃度が１．０×１０１８／ｃｍ３以下になるまでの深さ位置は、ＩｎＰ窓層とＩｎＧａＡｓ光吸収層の界面から距離０．３３μｍの位置であった。
【0050】
＜実施例２＞
実施例１ではＩｎＧａＡｓ光吸収層のＺｎ拡散前のキャリア密度が３．０×１０１５／ｃｍ３であったところ、これを１．０×１０１６／ｃｍ３に変えた以外は実施例１と同様にして、実施例２に係る半導体受光素子を作製した。
実施例１ではＩｎＧａＡｓ光吸収層のＺｎ拡散前のキャリア密度が３．０×１０１５／ｃｍ３であったところ、これを１．０×１０１６／ｃｍ３に変えた以外は実施例１と同様にして、実施例２に係る半導体受光素子を作製した。
【0051】
＜比較例１＞
実施例１ではＩｎＧａＡｓ光吸収層のＺｎ拡散前のキャリア密度が３．０×１０１５／ｃｍ３であったところ、これを３．０×１０１４／ｃｍ３に変えた以外は実施例１と同様にして、比較例１に係る半導体受光素子を作製した。
実施例１ではＩｎＧａＡｓ光吸収層のＺｎ拡散前のキャリア密度が３．０×１０１５／ｃｍ３であったところ、これを３．０×１０１４／ｃｍ３に変えた以外は実施例１と同様にして、比較例１に係る半導体受光素子を作製した。
【0052】
＜比較例２＞
比較例１ではＩｎＧａＡｓ光吸収層の厚さが２．８μｍであったところ、これを２．５５μｍに変えた以外は比較例１と同様にして、比較例２に係る半導体受光素子を作製した。
比較例１ではＩｎＧａＡｓ光吸収層の厚さが２．８μｍであったところ、これを２．５５μｍに変えた以外は比較例１と同様にして、比較例２に係る半導体受光素子を作製した。
【0053】
＜比較例３＞
比較例１ではＩｎＧａＡｓ光吸収層の厚さが２．８μｍであったところ、これを３．４５μｍに変えた以外は比較例１と同様にして、比較例３に係る半導体受光素子を作製した。
比較例１ではＩｎＧａＡｓ光吸収層の厚さが２．８μｍであったところ、これを３．４５μｍに変えた以外は比較例１と同様にして、比較例３に係る半導体受光素子を作製した。
【0054】
（評価１：受光感度）
実施例１、２及び比較例１～３のそれぞれに対して、以下のようにして、波長１０６０ｎｍ、１４６０ｎｍ、１５５０ｎｍのそれぞれの受光感度を測定した。
実施例１、２及び比較例１～３のそれぞれに対して、以下のようにして、波長１０６０ｎｍ、１４６０ｎｍ、１５５０ｎｍのそれぞれの受光感度を測定した。
【0055】
暗室内に設置されたプローバーに作製した半導体受光素子をセットし、プローブの針をｐ型電極パッドに当てる。ｎ型電極はプローバーステージと導通を取る。まず、光源が何もない状態で、ｐ型電極およびｎ型電極に所定の逆電圧を印加しｐ型電極とｎ型電極との間に流れる電流（逆電流）を測定する。これにより暗電流が得られる。続いて、ｐ型電極およびｎ型電極に所定の逆電圧を印加した状態で、波長１０６０ｎｍ、１４６０ｎｍ、１５５０ｎｍのレーザー光源をそれぞれ用い、レンズで集光して半導体受光素子の受光部内に照射し、光照射下における逆電流を測定する。これにより光電流が得られる。また、別途、受光感度が既知の受光素子を用いてレーザー光の照射パワーを測定する。以上のとおりにして得られる測定値から、次式により受光感度を求めることができる。
［受光感度］（A／W）＝（［光電流］－［暗電流］）／［照射パワー］
光源の波長を変えて上記測定を行うことにより各波長における受光感度を得ることができる。
なお、波長１０６０ｎｍ、１４６０ｎｍ、１５５０ｎｍのそれぞれの波長における量子効率１００％の場合の受光感度（［波長］／１２４０ｎｍ）の値は、それぞれ０．８５５、１．１７８、１．２５であるため、これらの値が各波長における受光感度の最大値である。表１における受光感度は、それぞれの波長において量子効率が７７～８２％、８０～８６％、７８～８５％の範囲内であり、十分に高い受光感度であるといえる。
［受光感度］（A／W）＝（［光電流］－［暗電流］）／［照射パワー］
光源の波長を変えて上記測定を行うことにより各波長における受光感度を得ることができる。
なお、波長１０６０ｎｍ、１４６０ｎｍ、１５５０ｎｍのそれぞれの波長における量子効率１００％の場合の受光感度（［波長］／１２４０ｎｍ）の値は、それぞれ０．８５５、１．１７８、１．２５であるため、これらの値が各波長における受光感度の最大値である。表１における受光感度は、それぞれの波長において量子効率が７７～８２％、８０～８６％、７８～８５％の範囲内であり、十分に高い受光感度であるといえる。
【0056】
（評価２：ＥＳＤ耐圧）
実施例１、２及び比較例１～３のそれぞれに対して、ＥＳＤ耐圧を測定した。なお、実施例１、２及び比較例１～３のウエハ面内９か所から1チップずつ選んでサンプルを９個取得し、ＴＯステムに1チップずつ銀ペーストおよびＡｕワイヤーでＴＯステムと導通を取って、ＥＳＤ耐圧測定用のテストサンプルを作成した。平均値をＥＳＤ耐圧の値として採用した。
ＥＳＤ耐圧の測定はＪＥＩＴＡ ＥＤ－４７０１／３０４Ａの人体モデル静電破壊試験の試験方法に従って実施した。
ＥＳＤ耐圧測定には、静電破壊自動測定装置（阪和電子工業(株)製ＨＥＤ－Ｓ５０００）を用いた。校正サンプルをセットして、装置の校正を実施した。
ついで、テストサンプルをセットし、開始電圧１００Ｖ、終了電圧４０００Ｖ、電圧ステップ１００Ｖ、電圧印加回数３回、インターバル時間０．５秒とし、印加モードは、正電圧印加→負電圧印加の条件とした。測定時の周囲温度は２５℃であった。
試験電圧を３回印加後に－５Ｖの電圧印加時の電流を測定した。合否判定基準を１μＡとして、１μＡ未満であれば印加電圧を１００Ｖ増加させ、再び、試験電圧を印加する。－５Ｖの電圧印加時の電流が１μＡを超えた際に印加した電圧をＥＳＤ耐圧の値とした。
具体的には、テストサンプルに対して、初めに試験電圧を＋１００Ｖとして０．５秒毎に３回印加した。なお、テストサンプルは、各試験電圧を印加した後に放電回路によって毎回放電される。その後、－５Ｖを印加した際の電流を測定した。１μＡ未満であれば合格と判定される。合格すれば、次に、試験電圧を－１００Ｖとして０．５秒毎に３回印加したのち、－５Ｖ印加時の電流を測定した。１μＡ未満であれば合格と判定される。合格すれば、次は試験電圧を＋２００Ｖとして同様に３回印加して－５Ｖでの電流を測定した。合格すれば次は試験電圧を－２００Ｖとして同様に行う。これを－５Ｖ印加時の電流が１μＡを超えるまで、試験電圧の絶対値を１００Ｖづつ増加させ続けた。
実施例１、２及び比較例１～３のそれぞれに対して、ＥＳＤ耐圧を測定した。なお、実施例１、２及び比較例１～３のウエハ面内９か所から1チップずつ選んでサンプルを９個取得し、ＴＯステムに1チップずつ銀ペーストおよびＡｕワイヤーでＴＯステムと導通を取って、ＥＳＤ耐圧測定用のテストサンプルを作成した。平均値をＥＳＤ耐圧の値として採用した。
ＥＳＤ耐圧の測定はＪＥＩＴＡ ＥＤ－４７０１／３０４Ａの人体モデル静電破壊試験の試験方法に従って実施した。
ＥＳＤ耐圧測定には、静電破壊自動測定装置（阪和電子工業(株)製ＨＥＤ－Ｓ５０００）を用いた。校正サンプルをセットして、装置の校正を実施した。
ついで、テストサンプルをセットし、開始電圧１００Ｖ、終了電圧４０００Ｖ、電圧ステップ１００Ｖ、電圧印加回数３回、インターバル時間０．５秒とし、印加モードは、正電圧印加→負電圧印加の条件とした。測定時の周囲温度は２５℃であった。
試験電圧を３回印加後に－５Ｖの電圧印加時の電流を測定した。合否判定基準を１μＡとして、１μＡ未満であれば印加電圧を１００Ｖ増加させ、再び、試験電圧を印加する。－５Ｖの電圧印加時の電流が１μＡを超えた際に印加した電圧をＥＳＤ耐圧の値とした。
具体的には、テストサンプルに対して、初めに試験電圧を＋１００Ｖとして０．５秒毎に３回印加した。なお、テストサンプルは、各試験電圧を印加した後に放電回路によって毎回放電される。その後、－５Ｖを印加した際の電流を測定した。１μＡ未満であれば合格と判定される。合格すれば、次に、試験電圧を－１００Ｖとして０．５秒毎に３回印加したのち、－５Ｖ印加時の電流を測定した。１μＡ未満であれば合格と判定される。合格すれば、次は試験電圧を＋２００Ｖとして同様に３回印加して－５Ｖでの電流を測定した。合格すれば次は試験電圧を－２００Ｖとして同様に行う。これを－５Ｖ印加時の電流が１μＡを超えるまで、試験電圧の絶対値を１００Ｖづつ増加させ続けた。
【0057】
以上の実施例１、２及び比較例１～３の作製条件及び測定結果を表２に示す。
【0058】
【表2】
【0059】
上記表２より、本発明条件を満足する光吸収層を形成することにより、受光感度をほとんど下げることなく、優れたＥＳＤ耐圧が得られたことを確認できる。
【産業上の利用可能性】
【0060】
本発明による半導体受光素子は、優れた受光感度及びＥＳＤ耐圧を両立することができ、有用である。
【符号の説明】
【0061】
１００、２００、３００ 半導体受光素子
１１０、２１０、３１０ ｎ型ＩｎＰ基板
２２０ バッファ層
１３０、２３０、３３０ ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１４０、２４０、３４０ ＩｎＰ窓層
１５０、２５０、３５０ ｐ型不純物拡散領域
１５１、２５１、３５１ 光吸収層内拡散領域
１５２、２５２、３５２ 窓層内拡散領域
２６０、３６０ キャップ層
２７０ ＡＲコート層
２８０ ｐ型電極
２９０ ｎ型電極
３７０ マスク
１１０、２１０、３１０ ｎ型ＩｎＰ基板
２２０ バッファ層
１３０、２３０、３３０ ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１４０、２４０、３４０ ＩｎＰ窓層
１５０、２５０、３５０ ｐ型不純物拡散領域
１５１、２５１、３５１ 光吸収層内拡散領域
１５２、２５２、３５２ 窓層内拡散領域
２６０、３６０ キャップ層
２７０ ＡＲコート層
２８０ ｐ型電極
２９０ ｎ型電極
３７０ マスク
【図1】
【図2】
【図3】