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(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】P2024166639
(43)【公開日】2024-11-29
(54)【発明の名称】半導体受光素子
(51)【国際特許分類】
H01L 31/10 20060101AFI20241122BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023082855
(22)【出願日】2023-05-19
(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
【テーマコード（参考）】
5F149
【Ｆターム（参考）】
5F149AA04
5F149AB07
5F149BA01
5F149BA09
5F149DA35
5F149GA06
5F149XB18
5F149XB24
5F149XB37
(57)【要約】
【課題】吸収端波長に近い波長において高い量子効率を有す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、第１導電型の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、第２導電型の第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、を備える。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。光吸収層は、タイプＩＩの超格子構造を有する。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。ガリウムインジウムヒ素層が圧縮歪みを有する。ガリウムヒ素アンチモン層が引っ張り歪みを有する。
【選択図】図３
【解決手段】半導体受光素子は、インジウムリン基板と、第１導電型の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、第２導電型の第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、を備える。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。光吸収層は、タイプＩＩの超格子構造を有する。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。ガリウムインジウムヒ素層が圧縮歪みを有する。ガリウムヒ素アンチモン層が引っ張り歪みを有する。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
インジウムリン基板と、
第１導電型の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、
第２導電型の第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、
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、
前記光吸収層は、タイプＩＩの超格子構造を有し、
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み、
前記ガリウムインジウムヒ素層が圧縮歪みを有し、
前記ガリウムヒ素アンチモン層が引っ張り歪みを有する、半導体受光素子。
第１導電型の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、
第２導電型の第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、
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、
前記光吸収層は、タイプＩＩの超格子構造を有し、
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み、
前記ガリウムインジウムヒ素層が圧縮歪みを有し、
前記ガリウムヒ素アンチモン層が引っ張り歪みを有する、半導体受光素子。
【請求項2】
前記ガリウムインジウムヒ素層のガリウム組成ｘが０．１７以上である、請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項3】
前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成ｙが０．７８以下である、請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
【請求項4】
前記ガリウムインジウムヒ素層のガリウム組成ｘが０．４６以下である、請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
【請求項5】
前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成ｙが０．５２以上である、請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
【請求項6】
前記ガリウムインジウムヒ素層が、ｎ個のガリウムインジウムヒ素単分子層を含み、
前記ガリウムヒ素アンチモン層が、ｍ個のガリウムヒ素アンチモン単分子層を含み、
ｎおよびｍが１３以上２５以下の整数である、請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
前記ガリウムヒ素アンチモン層が、ｍ個のガリウムヒ素アンチモン単分子層を含み、
ｎおよびｍが１３以上２５以下の整数である、請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
【請求項7】
前記ガリウムインジウムヒ素層のガリウム組成がｘであり、前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成がｙであるときに、
ｙ≦１．０５４ｘ２－２．８０９ｘ＋１．５９４
を満たす、請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
ｙ≦１．０５４ｘ２－２．８０９ｘ＋１．５９４
を満たす、請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
【請求項8】
前記ガリウムインジウムヒ素層のガリウム組成がｘであり、前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成がｙであるときに、
ｙ≧０．１３７ｘ２－０．６２７ｘ＋０．７７５
を満たす、請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
ｙ≧０．１３７ｘ２－０．６２７ｘ＋０．７７５
を満たす、請求項１または請求項２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】
非特許文献１は、ｎ型インジウムリン（ＩｎＰ）基板上に、歪み補償されたタイプＩＩの超格子構造を有するｐｉｎフォトダイオードを開示する。超格子構造は、ガリウムインジウムヒ素（ＧａＩｎＡｓ）層およびガリウムヒ素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）層を含む。ＧａＩｎＡｓ層は引っ張り歪みを有する。ＧａＡｓＳｂ層は圧縮歪みを有する。
【0003】
非特許文献２は、ｎ型ＩｎＰ基板上に、歪み補償されたタイプＩＩの超格子構造を有するｐｉｎフォトダイオードを開示する。超格子構造は、ＧａＩｎＡｓ層およびＧａＡｓＳｂ層を含む。ＧａＩｎＡｓ層は引っ張り歪みを有する。ＧａＡｓＳｂ層は圧縮歪みを有する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Baile Chen, et al, "SWIR/MWIRInP-Based p-i-n Photodiodes with InGaAs/GaAsSb Type-II Quantum Wells" IEEEJOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 47, NO. 9, SEPTEMBER 2011
【非特許文献2】K. Sugimura, et al,"High-performance extended SWIR photodetectors using strain compensatedInGaAs/GaAsSb type-II quantum wells" Proc. SPIE 10926, Quantum Sensing andNano Electronics and Photonics XVI, 109260E (1 February 2019); doi:10.1117/12.2509148
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ＧａＩｎＡｓ層が引っ張り歪みを有し、ＧａＡｓＳｂ層が圧縮歪みを有する場合、吸収端波長に近い波長において量子効率が低下することがある。
【0006】
本開示は、吸収端波長に近い波長において高い量子効率を有す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】
【0007】
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、第１導電型の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、第２導電型の第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、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、前記光吸収層は、タイプＩＩの超格子構造を有し、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み、前記ガリウムインジウムヒ素層が圧縮歪みを有し、前記ガリウムヒ素アンチモン層が引っ張り歪みを有する。
【発明の効果】
【0008】
本開示によれば、吸収端波長に近い波長において高い量子効率を有する半導体受光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
［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。
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。
【0011】
（１）半導体受光素子は、インジウムリン基板と、第１導電型の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層と、第２導電型の第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、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、前記光吸収層は、タイプＩＩの超格子構造を有し、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み、前記ガリウムインジウムヒ素層が圧縮歪みを有し、前記ガリウムヒ素アンチモン層が引っ張り歪みを有する。
【0012】
上記半導体受光素子によれば、吸収端波長に近い波長において高い量子効率が得られる。
【0013】
（２）上記（１）において、前記ガリウムインジウムヒ素層のガリウム組成ｘが０．１７以上であってもよい。
【0014】
この場合、ガリウムインジウムヒ素層の歪みεの絶対値が２％以下になるので、格子欠陥を少なくできる。
【0015】
（３）上記（１）または（２）において、前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成ｙが０．７８以下であってもよい。
【0016】
この場合、ガリウムヒ素アンチモン層の歪みεの絶対値が２％以下になるので、格子欠陥を少なくできる。
【0017】
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つにおいて、前記ガリウムインジウムヒ素層のガリウム組成ｘが０．４６以下であってもよい。
【0018】
（５）上記（１）から（４）のいずれか１つにおいて、前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成ｙが０．５２以上であってもよい。
【0019】
（６）上記（１）から（５）のいずれか１つにおいて、前記ガリウムインジウムヒ素層が、ｎ個のガリウムインジウムヒ素単分子層を含んでもよく、前記ガリウムヒ素アンチモン層が、ｍ個のガリウムヒ素アンチモン単分子層を含んでもよく、ｎおよびｍが１３以上２５以下の整数であってもよい。
【0020】
（７）上記（１）から（６）のいずれか１つにおいて、前記ガリウムインジウムヒ素層のガリウム組成がｘであり、前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成がｙであるときに、
ｙ≦１．０５４ｘ２－２．８０９ｘ＋１．５９４
を満たしてもよい。
ｙ≦１．０５４ｘ２－２．８０９ｘ＋１．５９４
を満たしてもよい。
【0021】
この場合、光吸収層全体における歪みを低減できる。ガリウムインジウムヒ素層が２５個のガリウムインジウムヒ素単分子層を含み、ガリウムヒ素アンチモン層が１３個のガリウムヒ素アンチモン単分子層を含む場合、上記式の等号が成立すると、光吸収層全体における歪みがゼロになる。
【0022】
（８）上記（１）から（７）のいずれか１つにおいて、前記ガリウムインジウムヒ素層のガリウム組成がｘであり、前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成がｙであるときに、
ｙ≧０．１３７ｘ２－０．６２７ｘ＋０．７７５
を満たしてもよい。
ｙ≧０．１３７ｘ２－０．６２７ｘ＋０．７７５
を満たしてもよい。
【0023】
この場合、光吸収層全体における歪みを低減できる。ガリウムインジウムヒ素層が１３個のガリウムインジウムヒ素単分子層を含み、ガリウムヒ素アンチモン層が２５個のガリウムヒ素アンチモン単分子層を含む場合、上記式の等号が成立すると、光吸収層全体における歪みがゼロになる。
【0024】
［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。
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。
【0025】
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（第１導電型）の第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層１２と、ｐ型（第２導電型）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。
【0026】
ＩｎＰ基板１０は、半絶縁性基板であってもよいし、ｎ型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。
【0027】
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（Ｇａｘ１Ｉｎ１－ｘ１ＡｓまたはＧａＩｎＡｓ）層であってもよい。ｘ１はガリウム（Ｇａ）組成である。ｘ１は０より大きく１より小さい。ｘ１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５×１０１７から３×１０１９ｃｍ－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。
【0028】
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（Ｇａｘ２Ｉｎ１－ｘ２ＡｓまたはＧａＩｎＡｓ）層であってもよい。ｘ２はガリウム（Ｇａ）組成である。ｘ２は０より大きく１より小さい。ｘ２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５×１０１７から３×１０１９ｃｍ－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。
【0029】
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」のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層は、１×１０１5ｃｍ－３未満のｐ型ドーパント濃度を有してもよいし、１×１０１5ｃｍ－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の超格子構造を有する。
【0030】
図２に示されるように、光吸収層１６の超格子構造は、ガリウムインジウムヒ素（ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓまたはＧａＩｎＡｓ）層Ｌ１およびガリウムヒ素アンチモン（ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙまたはＧａＡｓＳｂ）層Ｌ２を含んでもよい。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２のそれぞれはノンドープの層であってもよい。
【0031】
ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１は圧縮歪みを有する。ｘはガリウム（Ｇａ）組成である。Ｇａ組成ｘは０より大きく０．４６８より小さい。Ｇａ組成ｘが０．４６８よりも小さい場合、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１は圧縮歪みを有する。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１のＧａ組成ｘは、０．１７以上であってもよく、０．４６以下であってもよい。Ｇａ組成ｘが０．１７以上である場合、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１の歪みεの絶対値は２％以下になる。これにより、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１の格子欠陥を少なくできる。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１は、ｎ個のＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ単分子層を含んでもよい。ｎは１３以上２５以下の整数であってもよい。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１の厚さは３から８ｎｍであってもよい。
【0032】
ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２は引っ張り歪みを有する。ｙはヒ素（Ａｓ）組成である。Ａｓ組成ｙは０．５１２よりも大きく１より小さい。Ａｓ組成ｙが０．５１２よりも大きい場合、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２は引っ張り歪みを有する。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２のＡｓ組成ｙは、０．５２以上であってもよく、０．７８以下であってもよい。Ａｓ組成ｙが０．７８以下である場合、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２の歪みεの絶対値は２％以下になる。これにより、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２の格子欠陥を少なくできる。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２は、ｍ個のＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ単分子層を含んでもよい。ｍは１３以上２５以下の整数であってもよい。ｍは、ｎと同じであってもよいし、異なってもよい。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２の厚さは３から８ｎｍであってもよい。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２の厚さは、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１の厚さと同じであってもよいし、異なってもよい。
【0033】
ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１またはＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２の歪みεは下記式（１）により算出される。
ε＝（ａ１－ａ２）／ａ２ …（１）
式（１）中、ａ１は、ＩｎＰ基板の格子定数である。ａ２は、応力が加えられていない状態におけるＧａｘＩｎ１－ｘＡｓまたはＧａＡｓｙＳｂ１－ｙの格子定数である。
ε＝（ａ１－ａ２）／ａ２ …（１）
式（１）中、ａ１は、ＩｎＰ基板の格子定数である。ａ２は、応力が加えられていない状態におけるＧａｘＩｎ１－ｘＡｓまたはＧａＡｓｙＳｂ１－ｙの格子定数である。
【0034】
Ｇａ組成がｘであり、Ａｓ組成がｙであるときに、
下記式（２）および（３）のうち少なくとも１つが満たされてもよい。
ｙ≦１．０５４ｘ２－２．８０９ｘ＋１．５９４ …（２）
ｙ≧０．１３７ｘ２－０．６２７ｘ＋０．７７５ …（３）
下記式（２）および（３）のうち少なくとも１つが満たされてもよい。
ｙ≦１．０５４ｘ２－２．８０９ｘ＋１．５９４ …（２）
ｙ≧０．１３７ｘ２－０．６２７ｘ＋０．７７５ …（３）
【0035】
ｎが２５であり、ｍが１３である場合、上記式（２）の等号が成立すると、光吸収層１６全体における歪みがゼロになる。ｎが１３であり、ｍが２５である場合、上記式（３）の等号が成立すると、光吸収層１６全体における歪みがゼロになる。
【0036】
ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１およびＧａＡｓｙＳｂ１－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、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１が位置してもよい。これにより、半導体層上にＧａｘＩｎ１－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、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２が位置してもよい。これにより、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２上に半導体層を結晶性良く形成できる。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２のペア数（周期）は、２００から４００であってもよい。
【0037】
図１に示されるように、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。
【0038】
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と光吸収層１６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。
【0039】
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、光吸収層１６、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。
【0040】
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の吸収端波長（カットオフ波長）を有してもよいし、２．５から４μｍの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。
【0041】
図３は、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１のＧａ組成ｘとＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２のＡｓ組成ｙとの組み合わせの例を示すグラフである。図３において、点Ａから点Ｅの（ｘ，ｙ）座標は以下の通りである。
Ａ（０．３３５，０．７７２）
Ｂ（０．４６０，０．５２５）
Ｃ（０．４４１，０．５２５）
Ｄ（０．１７２，０．６７１）
Ｅ（０．１７２，０．７７２）
Ａ（０．３３５，０．７７２）
Ｂ（０．４６０，０．５２５）
Ｃ（０．４４１，０．５２５）
Ｄ（０．１７２，０．６７１）
Ｅ（０．１７２，０．７７２）
【0042】
ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１のＧａ組成ｘとＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２のＡｓ組成ｙとの組み合わせは、点Ａから点Ｅによって囲まれた領域ＡＲ内に位置してもよい。すなわち、Ｇａ組成ｘが０．１７以上０．４６以下であり、Ａｓ組成ｙが０．５２以上０．７８以下であり、上記式（２）および（３）の両方が満たされてもよい。
【0043】
半導体受光素子１００によれば、吸収端波長に近い波長において高い量子効率が得られる。高い量子効率が得られるメカニズムは以下のように考えられるが、これに限定されない。
【0044】
ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１が圧縮歪みを有し、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２が引っ張り歪みを有する場合、エネルギーバンド図において、Γ点からずれた波数ベクトルに対応する価電子帯の上端のエネルギーが大きくなる（図５から図７参照）。その結果、Γ点からずれた波数ベクトルにおいてバンドギャップエネルギーが小さくなるので、当該波数ベクトルにおいて光遷移（電子とホールの再結合）が起こり易くなる。そのような光遷移は、吸収端波長に近い波長において生じるので、当該波長において量子効率が高くなると考えられる。
【0045】
また、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層Ｌ１が圧縮歪みを有し、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ２が引っ張り歪みを有する場合、価電子帯の上端と下位のエネルギー準位との間の距離が近くなる（図５から図７参照）。これも、半導体受光素子１００において高い量子効率が得られる理由の一つと考えられる。
【0046】
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。
【0047】
（第１実験）
第１実験の半導体受光素子は、ＩｎＰ基板上に設けられた光吸収層を備える。光吸収層の厚さは２．５μｍである。光吸収層は、タイプＩＩの超格子構造を有する。超格子構造は、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層を含む。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は、積層方向（図１および図２の第１方向Ｄ１に対応）に交互に積層される。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層のそれぞれの厚さは６．３ｎｍである。Ｇａ組成ｘは０．４２６である。よって、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層は圧縮歪みを有する。Ａｓ組成ｙは０．５５１である。よって、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は引っ張り歪みを有する。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層は、２１個のＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ単分子層を含む。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は、２１個のＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ単分子層を含む。
第１実験の半導体受光素子は、ＩｎＰ基板上に設けられた光吸収層を備える。光吸収層の厚さは２．５μｍである。光吸収層は、タイプＩＩの超格子構造を有する。超格子構造は、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層を含む。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は、積層方向（図１および図２の第１方向Ｄ１に対応）に交互に積層される。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層のそれぞれの厚さは６．３ｎｍである。Ｇａ組成ｘは０．４２６である。よって、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層は圧縮歪みを有する。Ａｓ組成ｙは０．５５１である。よって、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は引っ張り歪みを有する。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層は、２１個のＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ単分子層を含む。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は、２１個のＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ単分子層を含む。
【0048】
（第２実験）
第２実験の半導体受光素子は、以下の点を除き第１実験の半導体受光素子と同じ構成を有する。第２実験において、Ｇａ組成ｘは０．４６８である。Ａｓ組成ｙは０．５１２である。したがって、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層のそれぞれは歪みを有していない。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層は２０個のＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ単分子層を含む。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は２０個のＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ単分子層を含む。したがって、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層のそれぞれの厚さは６．０ｎｍである。
第２実験の半導体受光素子は、以下の点を除き第１実験の半導体受光素子と同じ構成を有する。第２実験において、Ｇａ組成ｘは０．４６８である。Ａｓ組成ｙは０．５１２である。したがって、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層のそれぞれは歪みを有していない。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層は２０個のＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ単分子層を含む。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は２０個のＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ単分子層を含む。したがって、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層のそれぞれの厚さは６．０ｎｍである。
【0049】
（第３実験）
第３実験の半導体受光素子は、Ｇａ組成ｘが０．５１０であり、Ａｓ組成ｙが０．４７２であること以外は第２実験の半導体受光素子と同じ構成を有する。第３実験において、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層は引っ張り歪みを有する。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は圧縮歪みを有する。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層のそれぞれの厚さは６．０ｎｍである。
第３実験の半導体受光素子は、Ｇａ組成ｘが０．５１０であり、Ａｓ組成ｙが０．４７２であること以外は第２実験の半導体受光素子と同じ構成を有する。第３実験において、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層は引っ張り歪みを有する。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は圧縮歪みを有する。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層のそれぞれの厚さは６．０ｎｍである。
【0050】
（量子効率）
第１実験から第３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、光の波長に対する量子効率を算出した。シミュレーションに用いられた温度は２５０ケルビン（Ｋ）である。シミュレーションの結果を図４に示す。
第１実験から第３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、光の波長に対する量子効率を算出した。シミュレーションに用いられた温度は２５０ケルビン（Ｋ）である。シミュレーションの結果を図４に示す。
【0051】
図４は、第１実験から第３実験の半導体受光素子の量子効率と波長との関係の例を示すグラフである。図４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。スペクトルＳＰ１は、第１実験における量子効率を示す。スペクトルＳＰ２は、第２実験における量子効率を示す。スペクトルＳＰ３は、第３実験における量子効率を示す。図４に示されるように、第１実験から第３実験において、吸収端波長はいずれも約２．７μｍであった。吸収端波長に近い第１波長域（例えば２．３から２．５μｍ）および吸収端波長から離れた第２波長域（例えば１．８から１．９μｍ）において、第１実験では、第２実験および第３実験に比べて高い量子効率が得られた。吸収端波長に近い第１波長域において、第１実験における量子効率は０．１より大きく、第２実験および第３実験における量子効率は０．１より小さかった。
【0052】
（エネルギーバンド図）
第１実験から第３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は２５０ケルビン（Ｋ）である。シミュレーションの結果を図５から図７に示す。
第１実験から第３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は２５０ケルビン（Ｋ）である。シミュレーションの結果を図５から図７に示す。
【0053】
図５は、第１実験の半導体受光素子におけるエネルギーバンド図の一例を示すグラフである。図６は、第２実験の半導体受光素子におけるエネルギーバンド図の一例を示すグラフである。図７は、第３実験の半導体受光素子におけるエネルギーバンド図の一例を示すグラフである。図５から図７のグラフにおいて、横軸は、波数ベクトルｋの絶対値に（２π／ａ１）を乗じた値を示す。ａ１は、ＩｎＰ基板の格子定数である。横軸の［－１１０］および［１１０］は、波数ベクトルｋの方向を表す。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層の積層方向はｚ方向である。各グラフ中、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。価電子帯の上端のエネルギーは、２つのスピン軌道に起因して２つの値を有する。価電子帯の上端より低いエネルギーを有する下位のエネルギー準位も２つの値を有する。
【0054】
図５に示されるように、第１実験では、バンドギャップエネルギーＥｇは０．４７９ｅＶであった。すなわち、バンドギャップ波長λｇは２．５９μｍであった。図６に示されるように、第２実験では、バンドギャップエネルギーＥｇは０．４７９ｅＶであった。すなわち、バンドギャップ波長λｇは２．５９μｍであった。図７に示されるように、第３実験では、バンドギャップエネルギーＥｇは０．４７４ｅＶであった。すなわち、バンドギャップ波長λｇは２．６２μｍであった。
【0055】
図５から図７に示されるように、第１実験におけるエネルギーバンド図は、第２実験および第３実験におけるエネルギーバンド図と異なっていた。第１実験において高い量子効率が得られた理由の一つはエネルギーバンド図の相違であると考えられる。
【0056】
第１実験では、第２実験および第３実験に比べて、Γ点からずれた波数ベクトルに対応する価電子帯の上端のエネルギーが大きくなっていた。すなわち、第１実験では、第２実験および第３実験に比べて、価電子帯の上端が、エネルギーが０ｅＶである直線付近に位置していた。その結果、第１実験では、Γ点からずれた波数ベクトルにおいてバンドギャップエネルギーが小さい。よって、当該波数ベクトルにおいて光遷移（電子とホールの再結合）が起こり易くなる。そのような光遷移は、吸収端波長に近い波長において生じるので、当該波長において量子効率が高くなると考えられる。
【0057】
また、第１実験では、第２実験および第３実験に比べて、価電子帯の上端と下位のエネルギー準位との間の距離が近くなっていた。これも、第１実験において高い量子効率が得られた理由の一つと考えられる。
【0058】
（第４実験）
第４実験の半導体受光素子は、以下の点を除き第１実験の半導体受光素子と同じ構成を有する。第４実験において、Ｇａ組成ｘは０．２２１である。よって、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層は圧縮歪みを有する。Ａｓ組成ｙは０．７３３である。よって、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は引っ張り歪みを有する。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層は１３個のＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ単分子層を含む。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は１５個のＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ単分子層を含む。すなわち、第４実験における超格子構造は、（Ｇａ０．２２１Ｉｎ０．７７９Ａｓ）１３（ＧａＡｓ０．７３３Ｓｂ０．２６７）１５で表される構造を有する。第４実験では、バンドギャップエネルギーＥｇは０．４７２ｅＶであった。すなわち、バンドギャップ波長λｇは２．６２８μｍであった。
第４実験の半導体受光素子は、以下の点を除き第１実験の半導体受光素子と同じ構成を有する。第４実験において、Ｇａ組成ｘは０．２２１である。よって、ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層は圧縮歪みを有する。Ａｓ組成ｙは０．７３３である。よって、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は引っ張り歪みを有する。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層は１３個のＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ単分子層を含む。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層は１５個のＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ単分子層を含む。すなわち、第４実験における超格子構造は、（Ｇａ０．２２１Ｉｎ０．７７９Ａｓ）１３（ＧａＡｓ０．７３３Ｓｂ０．２６７）１５で表される構造を有する。第４実験では、バンドギャップエネルギーＥｇは０．４７２ｅＶであった。すなわち、バンドギャップ波長λｇは２．６２８μｍであった。
【0059】
（量子効率）
第４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、光の波長に対する量子効率を算出した。シミュレーションに用いられた温度は２５０ケルビン（Ｋ）である。シミュレーションの結果を図８に示す。
第４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、光の波長に対する量子効率を算出した。シミュレーションに用いられた温度は２５０ケルビン（Ｋ）である。シミュレーションの結果を図８に示す。
【0060】
図８は、第４実験の半導体受光素子の量子効率と波長との関係の例を示すグラフである。図８のグラフの縦軸および横軸は、図４のグラフの縦軸および横軸とそれぞれ同じである。図８に示されるように、第４実験においても、吸収端波長に近い第１波長域（例えば２．３から２．５μｍ）および吸収端波長から離れた第２波長域（例えば１．８から１．９μｍ）において、０．１より大きい高い量子効率が得られた。
【0061】
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。
【0062】
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】
【0063】
１０…ＩｎＰ基板
１２…第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層
１４…第２ＩＩＩ－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
ＡＲ…領域
Ｄ１…第１方向
Ｌ…入射光
Ｌ１…ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層
Ｌ２…ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層
ＳＰ１…スペクトル
ＳＰ２…スペクトル
ＳＰ３…スペクトル
１２…第１ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体層
１４…第２ＩＩＩ－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
ＡＲ…領域
Ｄ１…第１方向
Ｌ…入射光
Ｌ１…ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層
Ｌ２…ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層
ＳＰ１…スペクトル
ＳＰ２…スペクトル
ＳＰ３…スペクトル
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】