特開 2024-126300 半導体受光素子

(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】P2024126300

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】半導体受光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20240912BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023034592

(22)【出願日】2023-03-07

(71)【出願人】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(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】100136722

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼木 邦夫

(74)【代理人】

【識別番号】100174399

【弁理士】

【氏名又は名称】寺澤 正太郎

(74)【代理人】

【識別番号】100140453

【弁理士】

【氏名又は名称】戸津 洋介

(72)【発明者】

【氏名】加藤 隆志

(72)【発明者】

【氏名】猪口 康博

【テーマコード（参考）】

5F149

【Ｆターム（参考）】

5F149AA04

5F149AB07

5F149BA05

5F149BB03

5F149BB07

5F149DA02

5F149DA05

5F149DA30

5F149GA06

5F149LA01

5F149LA02

5F149XB18

5F149XB37

(57)【要約】

【課題】暗電流を低減できる半導体受光素子を提供する。
【解決手段】半導体受光素子は、インジウムリン基板と、ｎ型の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、ｐ型の第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層との間に設けられた光吸収層と、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と光吸収層との間に設けられたホールバリア層と、第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と光吸収層との間に設けられた電子バリア層と、を備え、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層は、インジウムリン基板と光吸収層との間に設けられる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

インジウムリン基板と、
ｎ型の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、
ｐ型の第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、
前記第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と前記第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層との間に設けられた光吸収層と、
前記第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と前記光吸収層との間に設けられたホールバリア層と、
前記第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と前記光吸収層との間に設けられた電子バリア層と、
を備え、
前記第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層は、前記インジウムリン基板と前記光吸収層との間に設けられる、半導体受光素子。

【請求項2】

前記光吸収層は、タイプＩＩの超格子構造を有する、請求項１に記載の半導体受光素子。

【請求項3】

前記超格子構造は、ガリウムインジウムヒ素層およびガリウムヒ素アンチモン層を含む、請求項２に記載の半導体受光素子。

【請求項4】

前記ホールバリア層は、ｎ型のアルミニウムガリウムインジウムヒ素層である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。

【請求項5】

前記ホールバリア層は、バルク層である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。

【請求項6】

前記電子バリア層は、ｐ型のアルミニウムガリウムヒ素アンチモン層である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。

【請求項7】

前記電子バリア層は、バルク層である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。

【請求項8】

前記電子バリア層と前記光吸収層との間に設けられたノンドープの第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層をさらに備える、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。

【請求項9】

前記第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層は、ガリウムインジウムヒ素アンチモンを含む、請求項８に記載の半導体受光素子。

【請求項10】

前記ホールバリア層と前記光吸収層との間に設けられたノンドープの第４ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層をさらに備える、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。

【請求項11】

前記第４ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層は、ガリウムインジウムヒ素を含む、請求項１０に記載の半導体受光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体受光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、ｎ型ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）基板を備える半導体光デバイスを開示する。ＧａＳｂ基板上には、ｎ型バルク半導体層、ｎ型超格子層、ホールバリア層、セパレータ層、光吸収層、電子バリア層、ｐ型超格子層およびｐ型バルク半導体層が順に設けられる。

【0003】

非特許文献１は、テルル（Ｔｅ）がドープされたＧａＳｂ基板を備えるフォトダイオードを開示する。ＧａＳｂ基板上には、ＧａＳｂ層、ｎ型コンタクト層、ホールバリア層、光吸収層、電子バリア層およびｐ型コンタクト層が順に設けられる。

【0004】

非特許文献２は、インジウムリン（ＩｎＰ）基板を備える光検出器を開示する。ＩｎＰ基板上には、ｎ型のインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）層、超格子層、光吸収層、ｐ型のインジウムアルミニウムヒ素（ＩｎＡｌＡｓ）層、ｐ型のアルミニウムヒ素アンチモン（ＡｌＡｓＳｂ）層およびｐ型のＩｎＧａＡｓ層が順に設けられる。超格子層は、ＩｎＧａＡｓ層およびガリウムヒ素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）層を含む。光吸収層は、ノンドープのＩｎＧａＡｓ層である。ＡｌＡｓＳｂ層は電子バリア層として機能する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－１２６８９４号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Zhaobing Tian, et al, "LowDark Current Structures for Long-wavelength Type-II Strained Layer SuperlatticePhotodiodes" Proc. of SPIE, Vol.8704 8704, 2013, 870415

【非特許文献2】Jingyi Wang, et al, "InP-BasedBroadband Photodetectors With InGaAs/GaAsSb Type-II Superlattice" IEEEElectron Device Letters, Vol.43, No.5, 2022, p.757-760

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ＩｎＰ基板を備える半導体受光素子では、光吸収層とｎ型のＩｎＧａＡｓ層との間にホールバリア層が設けられていない。

【0008】

本開示は、暗電流を低減できる半導体受光素子を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示の一側面に係る半導体受光素子は、インジウムリン基板と、ｎ型の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、ｐ型の第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、前記第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と前記第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層との間に設けられた光吸収層と、前記第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と前記光吸収層との間に設けられたホールバリア層と、前記第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と前記光吸収層との間に設けられた電子バリア層と、を備え、前記第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層は、前記インジウムリン基板と前記光吸収層との間に設けられる。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、暗電流を低減できる半導体受光素子が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、一実施形態に係る半導体受光素子を模式的に示す断面図である。

【図2】図２は、図１の半導体受光素子に含まれる光吸収層を模式的に示す断面図である。

【図3】図３は、半導体受光素子の量子効率と波長との関係の一例を示すグラフである。

【図4】図４は、第１実験の半導体受光素子のエネルギーバンド図の一例を示すグラフである。

【図5】図５は、第２実験の半導体受光素子のエネルギーバンド図の一例を示すグラフである。

【図6】図６は、第１実験および第２実験の半導体受光素子の暗電流とバイアス電圧との関係の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。

【0013】

（１）半導体受光素子は、インジウムリン基板と、ｎ型の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、ｐ型の第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、前記第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と前記第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層との間に設けられた光吸収層と、前記第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と前記光吸収層との間に設けられたホールバリア層と、前記第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と前記光吸収層との間に設けられた電子バリア層と、を備え、前記第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層は、前記インジウムリン基板と前記光吸収層との間に設けられる。

【0014】

上記半導体受光素子では、ｎ型の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層中のホール（少数キャリア）が光吸収層に流入することがホールバリア層により抑制される。ｐ型の第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層中の電子（少数キャリア）が光吸収層に流入することが電子バリア層により抑制される。よって、少数キャリアの光吸収層への流入による暗電流を低減できる。

【0015】

（２）上記（１）において、前記光吸収層は、タイプＩＩの超格子構造を有してもよい。

【0016】

（３）上記（２）において、前記超格子構造は、ガリウムインジウムヒ素層およびガリウムヒ素アンチモン層を含んでもよい。

【0017】

（４）上記（１）から（３）のいずれか１つにおいて、前記ホールバリア層は、ｎ型のアルミニウムガリウムインジウムヒ素層であってもよい。

【0018】

（５）上記（１）から（４）のいずれか１つにおいて、前記ホールバリア層は、バルク層であってもよい。この場合、ホールバリア層は超格子構造を有していない。

【0019】

（６）上記（１）から（５）のいずれか１つにおいて、前記電子バリア層は、ｐ型のアルミニウムガリウムヒ素アンチモン層であってもよい。この場合、ＡｌＡｓＳｂに比べてアルミニウムの組成比を小さくできる。よって、アルミニウムの酸化による電子バリア層の酸化を抑制できる。

【0020】

（７）上記（１）から（６）のいずれか１つにおいて、前記電子バリア層は、バルク層であってもよい。この場合、電子バリア層は超格子構造を有していない。

【0021】

（８）上記（１）から（７）のいずれか１つにおいて、前記電子バリア層と前記光吸収層との間に設けられたノンドープの第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層をさらに備えてもよい。この場合、ｐ型ドーパントが電子バリア層から光吸収層に拡散することを抑制できる。

【0022】

（９）上記（８）において、前記第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層は、ガリウムインジウムヒ素アンチモンを含んでもよい。この場合、ＧａＩｎＡｓに比べて価電子帯の上端に形成されるノッチを小さくできる。その結果、光吸収層において光吸収により生じたホールが第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層に流入し易くなる。

【0023】

（１０）上記（１）から（９）のいずれか１つにおいて、前記ホールバリア層と前記光吸収層との間に設けられたノンドープの第４ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層をさらに備えてもよい。この場合、ｎ型ドーパントがホールバリア層から光吸収層に拡散することを抑制できる。

【0024】

（１１）上記（１０）において、前記第４ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層は、ガリウムインジウムヒ素を含んでもよい。

【0025】

［本開示の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態が詳細に説明される。図面の説明において、同一または同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。

【0026】

図１は、一実施形態に係る半導体受光素子を模式的に示す断面図である。図２は、図１の半導体受光素子に含まれる光吸収層を模式的に示す断面図である。図１に示される半導体受光素子１００は、例えばフォトダイオードである。半導体受光素子１００は、インジウムリン（ＩｎＰ）基板１０と、ｎ型の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２と、ｐ型の第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４と、光吸収層１６とを備える。光吸収層１６は、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２と第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４との間に設けられる。

【0027】

半導体受光素子１００は、ホールバリア層ＨＢと電子バリア層ＥＢとを備える。ホールバリア層ＨＢは、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２と光吸収層１６との間に設けられる。ホールバリア層ＨＢの価電子帯の上端のエネルギーは、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２の価電子帯の上端のエネルギーよりも小さい。ホールバリア層ＨＢは、光吸収層１６から第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２へのホールの移動を妨げる。電子バリア層ＥＢは、第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４と光吸収層１６との間に設けられる。電子バリア層ＥＢの伝導帯の下端のエネルギーは、第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４の伝導帯の下端のエネルギーよりも大きい。電子バリア層ＥＢは、光吸収層１６から第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４への電子の移動を妨げる。

【0028】

ＩｎＰ基板１０は、半絶縁性基板であってもよい。第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２は、ＩｎＰ基板１０の主面と光吸収層１６との間に設けられてもよい。ＩｎＰ基板１０の主面は（１００）面であってもよい。

【0029】

第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２は、ｎ型のガリウムインジウムヒ素（Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ又はＧａＩｎＡｓ）層であってもよい。ｘはガリウム（Ｇａ）組成である。ｘは０より大きく１より小さい。ｘは０．４６から０．４８であってもよい。第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２におけるｎ型ドーパント濃度は５×１０^１７から３×１０^１９ｃｍ^－３であってもよい。第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２の厚さは０．２から３μｍであってもよい。

【0030】

第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４は、ｐ型のガリウムインジウムヒ素（Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ又はＧａＩｎＡｓ）層であってもよい。ｘはガリウム（Ｇａ）組成である。ｘは０より大きく１より小さい。ｘは０．４６から０．４８であってもよい。第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４におけるｐ型ドーパント濃度は５×１０^１７から３×１０^１９ｃｍ^－３であってもよい。第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４の厚さは０．２から３μｍであってもよい。

【0031】

光吸収層１６はノンドープのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層であってもよい。本明細書において、「ノンドープ」は、意図的にドーパントがドープされないことを意味する。よって、「ノンドープ」は、１×１０^１5ｃｍ^－３未満のｐ型ドーパント濃度を有してもよいし、１×１０^１5ｃｍ^－３未満のｎ型ドーパント濃度を有してもよい。光吸収層１６は、タイプＩＩの超格子構造を有してもよい。図２に示されるように、光吸収層１６の超格子構造は、ノンドープのＧａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ（又はＧａＩｎＡｓ）層Ｌ１およびノンドープのＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（又はＧａＡｓＳｂ）層Ｌ２を含んでもよい。ｘはガリウム（Ｇａ）組成である。ｘは０より大きく１より小さい。ｘは０．４から０．７であってもよい。ｙはヒ素（Ａｓ）組成である。ｙは０．２から０．６であってもよい。Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ層Ｌ１およびＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層Ｌ２は、第１方向Ｄ１に沿って交互に配列され得る。第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２に最も近い光吸収層１６の下面には、Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ層Ｌ１が位置してもよい。これにより、半導体層上にＧａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ層Ｌ１を結晶性良く形成できる。第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４に最も近い光吸収層１６の上面には、ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層Ｌ２が位置してもよい。これにより、ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層Ｌ２上に半導体層を結晶性良く形成できる。Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ層Ｌ１およびＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層Ｌ２のペア数（周期）は、２００から４００であってもよい。Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ層Ｌ１の厚さは３から６ｎｍであってもよい。ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層Ｌ２の厚さは３から６ｎｍであってもよい。ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層Ｌ２の厚さは、Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ層Ｌ１の厚さと同じであってもよいし、異なってもよい。

【0032】

電子バリア層ＥＢは、ｐ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層であってもよい。電子バリア層ＥＢは、ｐ型のアルミニウムガリウムヒ素アンチモン（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ又はＡｌＧａＡｓＳｂ）層であってもよい。ｘはアルミニウム（Ａｌ）組成である。ｙはヒ素（Ａｓ）組成である。ｘは０より大きく１より小さい。ｘは０．６から０．８５であってもよい。ｙは０より大きく１より小さい。ｙは０．５から０．６であってもよい。電子バリア層ＥＢは、第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４のｐ型ドーパント濃度よりも小さいｐ型ドーパント濃度を有してもよい。電子バリア層ＥＢにおけるｐ型ドーパント濃度は５×１０^１７から２×１０^１９ｃｍ^－３であってもよい。電子バリア層ＥＢは、第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４の厚さより小さい厚さを有してもよい。電子バリア層ＥＢの厚さは５から５０ｎｍであってもよい。電子バリア層ＥＢは、バルク層であってもよい。電子バリア層ＥＢは、超格子構造を有しておらず、単一層であってもよい。

【0033】

ホールバリア層ＨＢは、ｎ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層であってもよい。ホールバリア層ＨＢは、ｎ型のアルミニウムガリウムインジウムヒ素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＩｎ_ｙＡｓ_１－ｙ又はＡｌＧａＩｎＡｓ）層であってもよい。ｘはアルミニウム（Ａｌ）組成である。ｙはインジウム（Ｉｎ）組成である。ｘは０より大きく１より小さい。ｘは０．２から０．４５であってもよい。ｙは０より大きく１より小さい。ｙは０．０２５から０．２８であってもよい。ホールバリア層ＨＢは、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２のｎ型ドーパント濃度よりも小さいｎ型ドーパント濃度を有してもよい。ホールバリア層ＨＢにおけるｎ型ドーパント濃度は５×１０^１７から２×１０^１９ｃｍ^－３であってもよい。ホールバリア層ＨＢは、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２の厚さより小さい厚さを有してもよい。ホールバリア層ＨＢの厚さは５から５０ｎｍであってもよい。ホールバリア層ＨＢは、バルク層であってもよい。ホールバリア層ＨＢは、超格子構造を有しておらず、単一層であってもよい。

【0034】

半導体受光素子１００は、電子バリア層ＥＢと光吸収層１６との間に設けられたノンドープの第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１３をさらに備えてもよい。第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１３は、ｐ型ドーパントが電子バリア層ＥＢから光吸収層１６に拡散することを抑制できる。第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１３は、ガリウムインジウムヒ素アンチモン（Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ又はＧａＩｎＡｓＳｂ）を含んでもよい。ｘはガリウム（Ｇａ）組成である。ｙはヒ素（Ａｓ）組成である。ｘは０より大きく１より小さい。ｘは０．８から０．９５であってもよい。ｙは０より大きく１より小さい。ｙは０．５５から０．７０であってもよい。第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１３は、第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４の厚さより小さい厚さを有してもよい。第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１３は、電子バリア層ＥＢの厚さより大きい厚さを有してもよい。第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１３の厚さは２０から８０ｎｍであってもよい。

【0035】

半導体受光素子１００は、ホールバリア層ＨＢと光吸収層１６との間に設けられたノンドープの第４ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１５をさらに備えてもよい。第４ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１５は、ｎ型ドーパントがホールバリア層ＨＢから光吸収層１６に拡散することを抑制できる。第４ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１５は、ガリウムインジウムヒ素（Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ又はＧａＩｎＡｓ）を含んでもよい。ｘはガリウム（Ｇａ）組成である。ｘは０より大きく１より小さい。ｘは０．４から０．５であってもよい。第４ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１５は、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２の厚さより小さい厚さを有してもよい。第４ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１５は、ホールバリア層ＨＢの厚さより大きい厚さを有してもよい。第４ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１５の厚さは２０から８０ｎｍであってもよい。

【0036】

半導体受光素子１００は、ｎ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２０をさらに備えてもよい。ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２０は、ＩｎＰ基板１０と第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２との間に設けられる。ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２０は、コンタクト層であってもよい。ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２０は、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２のｎ型ドーパント濃度よりも高いｎ型ドーパント濃度を有する。ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２０は、ＧａＩｎＡｓ層であってもよい。ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２０には、電極３０が接続されてもよい。

【0037】

半導体受光素子１００は、ｐ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２２をさらに備えてもよい。第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４は、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２２と電子バリア層ＥＢとの間に設けられる。ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２２は、コンタクト層であってもよい。ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２２は、第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４のｐ型ドーパント濃度よりも高いｐ型ドーパント濃度を有する。ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２２は、ＧａＩｎＡｓ層であってもよい。ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２２には、電極４０が接続されてもよい。

【0038】

ＩｎＰ基板１０、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２０、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２、ホールバリア層ＨＢ、第４ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１５、光吸収層１６、第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１３、電子バリア層ＥＢ、第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４およびＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層２２は、第１方向Ｄ１に沿ってこの順に配列され得る。第１方向Ｄ１は、ＩｎＰ基板１０の主面に直交してもよい。第１方向Ｄ１は光吸収層１６の厚さ方向であってもよい。第１方向Ｄ１は、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２から第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４に向かう方向であってもよい。第１方向Ｄ１は、結晶成長方向であってもよい。

【0039】

半導体受光素子１００は、入射光Ｌを検出できる。入射光Ｌは、０．４から４μｍの波長を有する可視光または赤外光であってもよい。入射光Ｌは、第１方向Ｄ１に進んでもよい。入射光Ｌは、ＩｎＰ基板１０を通って光吸収層１６に入射してもよい。半導体受光素子１００は、２から４μｍのカットオフ波長（吸収端波長）を有してもよい。半導体受光素子１００は、ガス分析装置の分光システム、イメージングシステムまたは光通信システムにおいて使用され得る。

【0040】

図３は、半導体受光素子の量子効率と波長との関係の一例を示すグラフである。図３のグラフにおいて、横軸は、光吸収層が吸収する光の波長（μｍ）を示す。縦軸は、半導体受光素子の量子効率を示す。図３に示される例において、光吸収層は、波長２．５μｍ以下の光を吸収する。すなわち、カットオフ波長は約２．５μｍである。

【0041】

半導体受光素子１００によれば、ｎ型の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２中のホール（少数キャリア）が光吸収層１６に流入することがホールバリア層ＨＢにより抑制される。ｐ型の第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４中の電子（少数キャリア）が光吸収層１６に流入することが電子バリア層ＥＢにより抑制される。よって、少数キャリアの光吸収層１６への流入による暗電流を低減できる。

【0042】

電子バリア層ＥＢがＡｌＧａＡｓＳｂ層である場合、ＡｌＡｓＳｂに比べてアルミニウムの組成比を小さくできる。よって、アルミニウムの酸化による電子バリア層ＥＢの酸化を抑制できる。

【0043】

第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１３がガリウムインジウムヒ素アンチモンを含む場合、ＧａＩｎＡｓに比べて価電子帯の上端に形成されるノッチ（図４及び図５参照）を小さくできる。その結果、光吸収層１６において光吸収により生じたホールが第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４に流入し易くなる。

【0044】

以下、半導体受光素子１００の評価のために行った種々の実験について説明する。以下に説明する実験は、本発明を限定するものではない。

【0045】

（第１実験）
第１実験の半導体受光素子は、半導体受光素子１００に類似した以下の構成を有する。
ＩｎＰ基板１０：ＩｎＰ基板、
第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２：ｎ型のＧａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ（ｘ＝０．４７）層、ｎ型ドーパント濃度２×１０^１８ｃｍ^－３、厚さ１．５μｍ、
ホールバリア層ＨＢ：ｎ型のＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１－ｘ－ｙ}Ａｓ（ｘ＝０．３、ｙ＝０．１７）層、
第４ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１５：ｉ型のＧａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ（ｘ＝０．４７）層、
光吸収層１６：Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ（ｘ＝０．４７）層及びＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（ｙ＝０．５１）層を含むタイプＩＩの超格子構造、２８０周期、
第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１３：ｉ型のＧａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（ｘ＝０．９、ｙ＝０．６）層、厚さ５０ｎｍ、
電子バリア層ＥＢ：ｐ型のＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（ｘ＝０．８、ｙ＝０．５５）層、ｐ型ドーパント濃度１×１０^１８ｃｍ^－３、厚さ２０ｎｍ、
第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１４：ｐ型のＧａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ（ｘ＝０．４７）層、ｐ型ドーパント濃度１×１０^１９ｃｍ^－３、厚さ０．５μｍ。

【0046】

（第２実験）
第２実験の半導体受光素子は、ホールバリア層ＨＢ及び電子バリア層ＥＢを備えず、第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１３がｉ型のＧａＩｎＡｓ層であること以外は第１実験の半導体受光素子と同じ構成を有する。

【0047】

（第１実験結果）
第１実験および第２実験の半導体受光素子について、シミュレーションにより、エネルギーバンド図を作成した。シミュレーションに用いられた温度Ｔは２５０ケルビン（Ｋ）である。半導体受光素子に印加されるバイアス電圧Ｖｂは－１Ｖである。シミュレーションの結果を図４および図５に示す。

【0048】

図４および図５は、それぞれ第１実験および第２実験の半導体受光素子のエネルギーバンド図の一例を示すグラフである。図４および図５のグラフにおいて、横軸は、光吸収層の厚さ方向（第１方向Ｄ１）における位置（μｍ）を示す。縦軸は、エネルギー（ｅＶ）を示す。グラフ中、Ｅｃは伝導帯の下端のエネルギーを示し、Ｅｖは価電子帯の上端のエネルギーを示す。

【0049】

図４に示されるように、第１実験では、電子バリア層ＥＢによって伝導帯の下端に電子の障壁が形成され、ホールバリア層ＨＢによって価電子帯の上端にホールの障壁が形成される。一方、図５に示されるように、第２実験では、伝導帯の下端に電子の障壁が形成されず、価電子帯の上端にホールの障壁が形成されない。よって、ｎ型のＧａＩｎＡｓ層中のホール（少数キャリア）が光吸収層に流入することがホールバリア層により抑制される。ｐ型のＧａＩｎＡｓ中の電子（少数キャリア）が光吸収層に流入することが電子バリア層により抑制される。

【0050】

また、図５では、光吸収層とｐ型のＧａＩｎＡｓ層との間に位置するｉ型のＧａＩｎＡｓ層によって価電子帯の上端にノッチが形成されている。このノッチは、光吸収層において光吸収により生じたホールがｐ型のＧａＩｎＡｓ層に流入する時の障壁となる。一方、図４では、光吸収層とｐ型のＧａＩｎＡｓ層との間にｉ型のＧａＩｎＡｓＳｂ層が位置している。ｉ型のＧａＩｎＡｓＳｂ層によって形成されるノッチの高さは、図５のノッチの高さよりも小さい。よって、アンチモンの添加によりノッチの高さを小さくできることが分かる。

【0051】

（第２実験結果）
第１実験および第２実験の半導体受光素子について、シミュレーションにより、バイアス電圧に対する暗電流を計算した。温度は２５０ケルビン（Ｋ）である。シミュレーションの結果を図６に示す。

【0052】

図６は、第１実験および第２実験の半導体受光素子の暗電流とバイアス電圧との関係の一例を示すグラフである。図６のグラフにおいて、横軸は、半導体受光素子に印加されるバイアス電圧（Ｖ）を示す。縦軸は、暗電流（Ａ／ｃｍ^２）を示す。グラフ中、ＥＸ１は第１実験の結果を示し、ＥＸ２は第２実験の結果を示す。

【0053】

図６に示されるように、バイアス電圧によらず、第１実験の半導体受光素子の暗電流は、第２実験の半導体受光素子の暗電流の１／１０以下であり、非常に小さかった。

【0054】

以上、本発明の例示的な実施形態について詳細に説明されたが、本発明は上記実施形態に限定されない。

【0055】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0056】

１０…ＩｎＰ基板
１２…第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層
１３…第３ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層
１４…第２ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層
１５…第４ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層
１６…光吸収層
２０…ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層
２２…ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層
３０…電極
４０…電極
１００…半導体受光素子
Ｄ１…第１方向
ＥＢ…電子バリア層
ＨＢ…ホールバリア層
Ｌ…入射光
Ｌ１…Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ層
Ｌ２…ＧａＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2024-02-07

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0033】

ホールバリア層ＨＢは、ｎ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層であってもよい。ホールバリア層ＨＢは、ｎ型のアルミニウムガリウムインジウムヒ素（Ａｌ_ｘＧａ _ｙ Ｉｎ _{１－ｘ－ｙ} Ａｓ又はＡｌＧａＩｎＡｓ）層であってもよい。ｘはアルミニウム（Ａｌ）組成である。ｙはガリウム（Ｇａ）組成である。ｘは０より大きく１より小さい。ｘは０．２から０．４５であってもよい。ｙは０より大きく１より小さい。ｙは０．０２５から０．２８であってもよい。ホールバリア層ＨＢは、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２のｎ型ドーパント濃度よりも小さいｎ型ドーパント濃度を有してもよい。ホールバリア層ＨＢにおけるｎ型ドーパント濃度は５×１０^１７から２×１０^１９ｃｍ^－３であってもよい。ホールバリア層ＨＢは、第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２の厚さより小さい厚さを有してもよい。ホールバリア層ＨＢの厚さは５から５０ｎｍであってもよい。ホールバリア層ＨＢは、バルク層であってもよい。ホールバリア層ＨＢは、超格子構造を有しておらず、単一層であってもよい。