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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】P2024051624
(43)【公開日】2024-04-11
(54)【発明の名称】半導体受光素子
(51)【国際特許分類】
H01L 31/10 20060101AFI20240404BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022157893
(22)【出願日】2022-09-30
(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
5F849
【Ｆターム（参考）】
5F149AA04
5F149AB07
5F149AB17
5F149BA30
5F149BB01
5F149BB07
5F149DA27
5F149DA35
5F149GA06
5F149GA17
5F149LA01
5F149XB18
5F149XB24
5F149XB37
5F849AA04
5F849AB07
5F849AB17
5F849BA30
5F849BB01
5F849BB07
5F849DA27
5F849DA35
5F849GA06
5F849GA17
5F849LA01
5F849XB18
5F849XB24
5F849XB37
(57)【要約】
【課題】入射光の偏光方向に対して低い依存性を有する光吸収係数のスペクトルを備える半導体受光素子を提供する。
【解決手段】半導体受光素子は受光層を備え、受光層は、第１方向に積層された複数の単位構造を備え、複数の単位構造のそれぞれは、積層体とガリウムヒ素アンチモン層とを含み、積層体は、ｊ個のガリウムヒ素単分子層を含む第１ガリウムヒ素層と、ｍ個のインジウムヒ素単分子層を含む第１インジウムヒ素層と、ｋ個の積層構造と、ｊ－１個のガリウムヒ素単分子層を含む第２ガリウムヒ素層と、を含み、ｋ個の積層構造のそれぞれは、ｎ個のガリウムヒ素単分子層を含む第３ガリウムヒ素層と、ｍ個のインジウムヒ素単分子層を含む第２インジウムヒ素層と、を含み、ｊ、ｍおよびｎのそれぞれは１以上の整数であり、ｋは０以上の整数である。
【選択図】図３
【解決手段】半導体受光素子は受光層を備え、受光層は、第１方向に積層された複数の単位構造を備え、複数の単位構造のそれぞれは、積層体とガリウムヒ素アンチモン層とを含み、積層体は、ｊ個のガリウムヒ素単分子層を含む第１ガリウムヒ素層と、ｍ個のインジウムヒ素単分子層を含む第１インジウムヒ素層と、ｋ個の積層構造と、ｊ－１個のガリウムヒ素単分子層を含む第２ガリウムヒ素層と、を含み、ｋ個の積層構造のそれぞれは、ｎ個のガリウムヒ素単分子層を含む第３ガリウムヒ素層と、ｍ個のインジウムヒ素単分子層を含む第２インジウムヒ素層と、を含み、ｊ、ｍおよびｎのそれぞれは１以上の整数であり、ｋは０以上の整数である。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１導電型の第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層と、
第２導電型の第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層と、
第１方向において、前記第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層と前記第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層との間に設けられた受光層と、
を備え、
前記受光層は、前記第１方向に積層された複数の単位構造を備え、
前記複数の単位構造のそれぞれは、積層体とガリウムヒ素アンチモン層とを含み、
前記積層体は、ｊ個のガリウムヒ素単分子層を含む第１ガリウムヒ素層と、ｍ個のインジウムヒ素単分子層を含む第１インジウムヒ素層と、ｋ個の積層構造と、ｊ－１個のガリウムヒ素単分子層を含む第２ガリウムヒ素層と、を含み、前記第２ガリウムヒ素層、前記ｋ個の積層構造、前記第１インジウムヒ素層および前記第１ガリウムヒ素層は、前記第１方向にこの順に積層され、前記ｋ個の積層構造のそれぞれは、ｎ個のガリウムヒ素単分子層を含む第３ガリウムヒ素層と、ｍ個のインジウムヒ素単分子層を含む第２インジウムヒ素層と、を含み、前記ｋ個の積層構造のそれぞれにおいて、前記第２インジウムヒ素層および前記第３ガリウムヒ素層は、前記第１方向にこの順に積層され、
ｊ、ｍおよびｎのそれぞれは１以上の整数であり、ｋは０以上の整数である、半導体受光素子。
第２導電型の第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層と、
第１方向において、前記第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層と前記第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層との間に設けられた受光層と、
を備え、
前記受光層は、前記第１方向に積層された複数の単位構造を備え、
前記複数の単位構造のそれぞれは、積層体とガリウムヒ素アンチモン層とを含み、
前記積層体は、ｊ個のガリウムヒ素単分子層を含む第１ガリウムヒ素層と、ｍ個のインジウムヒ素単分子層を含む第１インジウムヒ素層と、ｋ個の積層構造と、ｊ－１個のガリウムヒ素単分子層を含む第２ガリウムヒ素層と、を含み、前記第２ガリウムヒ素層、前記ｋ個の積層構造、前記第１インジウムヒ素層および前記第１ガリウムヒ素層は、前記第１方向にこの順に積層され、前記ｋ個の積層構造のそれぞれは、ｎ個のガリウムヒ素単分子層を含む第３ガリウムヒ素層と、ｍ個のインジウムヒ素単分子層を含む第２インジウムヒ素層と、を含み、前記ｋ個の積層構造のそれぞれにおいて、前記第２インジウムヒ素層および前記第３ガリウムヒ素層は、前記第１方向にこの順に積層され、
ｊ、ｍおよびｎのそれぞれは１以上の整数であり、ｋは０以上の整数である、半導体受光素子。
【請求項2】
インジウムリン基板をさらに備え、
前記第１方向において、前記第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層は、前記インジウムリン基板と前記受光層との間に設けられ、
前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成をｙ、前記積層体におけるガリウムヒ素単分子層の数とインジウムヒ素単分子層の数との和に対するガリウムヒ素単分子層の数の割合をｒとすると、
０．９５＜ｙ＋ｒ＜１．０５
が満たされる、請求項１に記載の半導体受光素子。
前記第１方向において、前記第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層は、前記インジウムリン基板と前記受光層との間に設けられ、
前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成をｙ、前記積層体におけるガリウムヒ素単分子層の数とインジウムヒ素単分子層の数との和に対するガリウムヒ素単分子層の数の割合をｒとすると、
０．９５＜ｙ＋ｒ＜１．０５
が満たされる、請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項3】
ｊ、ｍおよびｎのそれぞれが６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】
ｋが１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5】
ｋが１３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6】
前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成が０．３から０．７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】
前記ガリウムヒ素アンチモン層が、ｐ個のガリウムヒ素アンチモン単分子層を含み、
ｐが１０から２６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。
ｐが１０から２６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8】
前記第１ガリウムヒ素層、前記第２ガリウムヒ素層および前記第３ガリウムヒ素層のそれぞれの厚さが０．２から１．５ｎｍ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9】
前記第１インジウムヒ素層および前記第２インジウムヒ素層のそれぞれの厚さが０．２から１．６ｎｍ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10】
前記ガリウムヒ素アンチモン層の厚さが２．５から６．３ｎｍ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。
【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型のインジウムリン（ＩｎＰ）基板上に設けられた受光層を備えるフォトダイオードを開示する。受光層は、１５０ペアのタイプＩＩの超格子を有する。１ペアは、ガリウムインジウムヒ素（ＧａＩｎＡｓ）層とガリウムヒ素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）層とを含む。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】Rubin Sidhu, et al, "ALong-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-IIQuantum Wells" IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 17, NO. 12,DECEMBER 2005, p.2715-2717
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記フォトダイオードでは、光吸収係数のスペクトルが、入射光の偏光方向によって大きく変化する。
【0005】
本開示は、入射光の偏光方向に対して低い依存性を有する光吸収係数のスペクトルを備え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】
【0006】
本開示の一側面に係る半導体受光素子は、第１導電型の第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層と、第２導電型の第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層と、第１方向において、前記第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層と前記第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層との間に設けられた受光層と、を備え、前記受光層は、前記第１方向に積層された複数の単位構造を備え、前記複数の単位構造のそれぞれは、積層体とガリウムヒ素アンチモン層とを含み、前記積層体は、ｊ個のガリウムヒ素単分子層を含む第１ガリウムヒ素層と、ｍ個のインジウムヒ素単分子層を含む第１インジウムヒ素層と、ｋ個の積層構造と、ｊ－１個のガリウムヒ素単分子層を含む第２ガリウムヒ素層と、を含み、前記第２ガリウムヒ素層、前記ｋ個の積層構造、前記第１インジウムヒ素層および前記第１ガリウムヒ素層は、前記第１方向にこの順に積層され、前記ｋ個の積層構造のそれぞれは、ｎ個のガリウムヒ素単分子層を含む第３ガリウムヒ素層と、ｍ個のインジウムヒ素単分子層を含む第２インジウムヒ素層と、を含み、前記ｋ個の積層構造のそれぞれにおいて、前記第２インジウムヒ素層および前記第３ガリウムヒ素層は、前記第１方向にこの順に積層され、ｊ、ｍおよびｎのそれぞれは１以上の整数であり、ｋは０以上の整数である。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、入射光の偏光方向に対して低い依存性を有する光吸収係数のスペクトルを備える半導体受光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
［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。
【0010】
（１）半導体受光素子は、第１導電型の第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層と、第２導電型の第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層と、第１方向において、前記第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層と前記第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層との間に設けられた受光層と、を備え、前記受光層は、前記第１方向に積層された複数の単位構造を備え、前記複数の単位構造のそれぞれは、積層体とガリウムヒ素アンチモン層とを含み、前記積層体は、ｊ個のガリウムヒ素単分子層を含む第１ガリウムヒ素層と、ｍ個のインジウムヒ素単分子層を含む第１インジウムヒ素層と、ｋ個の積層構造と、ｊ－１個のガリウムヒ素単分子層を含む第２ガリウムヒ素層と、を含み、前記第２ガリウムヒ素層、前記ｋ個の積層構造、前記第１インジウムヒ素層および前記第１ガリウムヒ素層は、前記第１方向にこの順に積層され、前記ｋ個の積層構造のそれぞれは、ｎ個のガリウムヒ素単分子層を含む第３ガリウムヒ素層と、ｍ個のインジウムヒ素単分子層を含む第２インジウムヒ素層と、を含み、前記ｋ個の積層構造のそれぞれにおいて、前記第２インジウムヒ素層および前記第３ガリウムヒ素層は、前記第１方向にこの順に積層され、ｊ、ｍおよびｎのそれぞれは１以上の整数であり、ｋは０以上の整数である。
【0011】
上記半導体受光素子によれば、各単位構造中の積層体が電子井戸層として機能する。上記半導体受光素子では、各単位構造中の電子井戸層がＧａＩｎＡｓ層のみからなる場合に比べて、光吸収係数のスペクトルが、入射光の偏光方向に対して低い依存性を有する。これは、第１方向において電子井戸層の中心位置に関して原子配列が対称性を有するからと考えられる。
【0012】
（２）上記（１）において、半導体受光素子はインジウムリン基板をさらに備えてもよく、前記第１方向において、前記第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層は、前記インジウムリン基板と前記受光層との間に設けられてもよく、前記ガリウムヒ素アンチモン層のヒ素組成をｙ、前記積層体におけるガリウムヒ素単分子層の数とインジウムヒ素単分子層の数との和に対するガリウムヒ素単分子層の数の割合をｒとすると、
０．９５＜ｙ＋ｒ＜１．０５
が満たされてもよい。この場合、ガリウムヒ素アンチモン層の格子歪みを小さくできる。
０．９５＜ｙ＋ｒ＜１．０５
が満たされてもよい。この場合、ガリウムヒ素アンチモン層の格子歪みを小さくできる。
【0013】
（３）上記（１）又は（２）において、ｊ、ｍおよびｎのそれぞれが６以下であってもよい。
【0014】
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つにおいて、ｋが１以上であってもよい。
【0015】
（５）上記（１）から（４）のいずれか１つにおいて、ｋが１３以下であってもよい。
【0016】
（６）上記（１）から（５）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が０．３から０．７であってもよい。
【0017】
（７）上記（１）から（６）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が、ｐ個のガリウムヒ素アンチモン単分子層を含んでもよく、ｐが１０から２６の整数であってもよい。
【0018】
（８）上記（１）から（７）のいずれか１つにおいて、前記第１ガリウムヒ素層、前記第２ガリウムヒ素層および前記第３ガリウムヒ素層のそれぞれの厚さが０．２から１．５ｎｍであってもよい。
【0019】
（９）上記（１）から（８）のいずれか１つにおいて、前記第１インジウムヒ素層および前記第２インジウムヒ素層のそれぞれの厚さが０．２から１．６ｎｍであってもよい。
【0020】
（１０）上記（１）から（９）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厚さが２．５から６．３ｎｍであってもよい。
【0021】
［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。
【0022】
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１に示される半導体受光素子１０は、第１導電型の第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１２と、第２導電型の第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１４と、受光層１６とを備える。第１導電型は例えばｎ型である。第２導電型は第１導電型と反対である。第２導電型は例えばｐ型である。受光層１６はノンドープである。半導体受光素子１０は、例えばフォトダイオードである。受光層１６は、第１方向Ｄ１において、第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１２と第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１４との間に設けられる。第１方向Ｄ１は、受光層１６の厚さ方向である。第１方向Ｄ１は、第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１２から第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層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。あるいは、第１方向Ｄ１は、第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１４から第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１２に向かう方向であってもよい。第１方向Ｄ１は、結晶成長方向と反対の方向であってもよい。
【0023】
第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１２はインジウムリン（ＩｎＰ）層であってもよい。第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１２におけるドーパント濃度は１×１０２３から１×１０２４ｍ－３であってもよい。第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１２の厚さは０．１から１μｍであってもよい。ｎ型ドーパントの例は、シリコン（Ｓｉ）、テルル（Ｔｅ）および錫（Ｓｎ）を含む。
【0024】
第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１４はＩｎＰ層であってもよい。第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１４におけるドーパント濃度は１×１０２３から１×１０２４ｍ－３であってもよい。第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１４の厚さは０．１から１μｍであってもよい。ｐ型ドーパントの例は、亜鉛（Ｚｎ）およびベリリウム（Ｂｅ）を含む。
【0025】
半導体受光素子１０は、基板１８をさらに備えてもよい。基板１８は、ＩｎＰ基板といったＩＩＩ－Ｖ族半導体基板であってもよい。基板１８は、半絶縁性基板であってもよい。第１方向Ｄ１において、第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１２は、基板１８と受光層１６との間に設けられてもよい。第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１２は、基板１８の主面上に設けられてもよい。基板１８の主面は｛１００｝面であってもよい。｛１００｝面は、（１００）面、（０１０）面、（００１）面、（－１００）面、（０－１０）面および（００－１）面を含む。（１００）面、（０１０）面、（００１）面、（－１００）面、（０－１０）面および（００－１）面は互いに等価である。基板１８の主面は第１方向Ｄ１に直交してもよい。
【0026】
半導体受光素子１０は、第１導電型のＩＩＩ－Ｖ族半導体層２０をさらに備えてもよい。ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２０は、第１方向Ｄ１において、第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１２と基板１８との間に設けられる。ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２０は、コンタクト層であってもよい。ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２０はＩｎＰ層であってもよい。ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２０には、電極３０が接続されてもよい。
【0027】
半導体受光素子１０は、第２導電型のＩＩＩ－Ｖ族半導体層２２をさらに備えてもよい。第１方向Ｄ１において、第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層１４はＩＩＩ－Ｖ族半導体層２２と受光層１６との間に設けられる。ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２２は、コンタクト層であってもよい。ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２２はＧａｚＩｎ１－ｚＡｓ層（ＧａＩｎＡｓ層ともいう）であってもよい。ｚはガリウム（Ｇａ）組成である。ｚは０より大きく１より小さい。ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２２には、電極４０が接続されてもよい。
【0028】
半導体受光素子１０は、入射光Ｌを検出できる。入射光Ｌは、０．４から３μｍ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、基板１８を通って受光層１６に入射してもよい。半導体受光素子１０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。
【0029】
図２は、図１の半導体受光素子に含まれる受光層を模式的に示す断面図である。図２に示されるように、受光層１６は、第１方向Ｄ１に積層された複数の単位構造Ｕ１を備える。隣り合う単位構造Ｕ１は、互いに接触してもよい。単位構造Ｕ１の数は１００から５００であってもよい。複数の単位構造Ｕ１は超格子を構成する。
【0030】
図３は、図２の受光層に含まれる単位構造を模式的に示す断面図である。図３に示されるように、各単位構造Ｕ１は、積層体ＬＭとガリウムヒ素アンチモン（ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ）層Ｌ１とを含む。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１および積層体ＬＭは、第１方向Ｄ１にこの順に積層されてもよい。あるいは、積層体ＬＭおよびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１が、第１方向Ｄ１にこの順に積層されてもよい。ｙはヒ素（Ａｓ）組成である。ｙは０より大きく１より小さい。ｙは０．３から０．７であってもよい。この場合、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１をＩｎＰ層に対して格子整合させることができる。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１は、ｐ個のＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ単分子層を含んでもよい。ｐは１０から２６の整数であってもよい。単分子層とは、厚さ方向において単一の分子（ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体分子）を含む層を意味する。閃亜鉛鉱型構造を有するＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の場合、単分子層の厚さは、厚さ方向の格子定数の半分の長さである。単分子層の厚さは、例えば０．２８から０．３２ｎｍである。単分子層の厚さは、材料の種類、温度または格子歪みの量により変化し得る。
【0031】
積層体ＬＭは、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）層Ｌ３（第１ガリウムヒ素層）と、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）層Ｌ２（第１インジウムヒ素層）と、ｋ個の積層構造ＬＳと、ＧａＡｓ層Ｌ４（第２ガリウムヒ素層）とを含む。ＧａＡｓ層Ｌ３は、ｊ個のＧａＡｓ単分子層を含む。ＩｎＡｓ層Ｌ２は、ｍ個のＩｎＡｓ単分子層を含む。ＧａＡｓ層Ｌ４は、ｊ－１個のＧａＡｓ単分子層を含む。各積層構造ＬＳは、ＧａＡｓ層Ｌ５（第３ガリウムヒ素層）とＩｎＡｓ層Ｌ６（第２インジウムヒ素層）とを含む。各積層構造ＬＳは、単一のＧａＡｓ層Ｌ５と単一のＩｎＡｓ層Ｌ６とを含むペアであってもよい。ＧａＡｓ層Ｌ５は、ｎ個のＧａＡｓ単分子層を含む。ＩｎＡｓ層Ｌ６は、ｍ個のＩｎＡｓ単分子層を含む。ＧａＡｓ層Ｌ４、ｋ個の積層構造ＬＳ、ＩｎＡｓ層Ｌ２およびＧａＡｓ層Ｌ３は、第１方向Ｄ１にこの順に積層される。各積層構造ＬＳにおいて、ＩｎＡｓ層Ｌ６およびＧａＡｓ層Ｌ５は、第１方向Ｄ１にこの順に積層される。積層体ＬＭにおいて、ＧａＡｓ層およびＩｎＡｓ層は、第１方向Ｄ１において交互に積層され得る。
【0032】
ｊ、ｍおよびｎのそれぞれは１以上の整数である。ｊ、ｍおよびｎのそれぞれは６以下であってもよい。ｊおよびｍは、同じ整数であってもよいし、互いに異なる整数であってもよい。ｍおよびｎは、同じ整数であってもよいし、互いに異なる整数であってもよい。ｎおよびｊは、同じ整数であってもよいし、互いに異なる整数であってもよい。ｊが１の場合、積層体ＬＭはＧａＡｓ層Ｌ４を含まない。ｋは０以上の整数である。ｋは１以上であってもよい。ｋは１３以下であってもよい。ｋが０の場合、積層体ＬＭは、積層構造ＬＳを含まない。
【0033】
単位構造Ｕ１において、ＧａＡｓ単分子層、ＩｎＡｓ単分子層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ単分子層の配列は以下のように表され得る。
（ＧａＡｓ）ｊ（ＩｎＡｓ）ｍ（［ＧａＡｓ］ｎ［ＩｎＡｓ］ｍ）ｋ（ＧａＡｓ）ｊ－１（ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ）ｐ
（ＧａＡｓ）ｊ（ＩｎＡｓ）ｍ（［ＧａＡｓ］ｎ［ＩｎＡｓ］ｍ）ｋ（ＧａＡｓ）ｊ－１（ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ）ｐ
【0034】
単分子層の配列順序は、第１方向Ｄ１とは反対の方向における順序である。各単分子の右下にあるｊ、ｍ、ｎ、（ｊ－１）およびｐのそれぞれは、上述のように単分子層の数を表す。ｋは（［ＧａＡｓ］ｎ［ＩｎＡｓ］ｍ）で表されるペアの数を表す。
【0035】
ＩｎＡｓ層Ｌ２は、ＧａＡｓ層Ｌ３およびＧａＡｓ層Ｌ５に接触してもよい。ＩｎＡｓ層Ｌ６は、ＧａＡｓ層Ｌ５に接触してもよい。ＧａＡｓ層Ｌ４は、ＩｎＡｓ層Ｌ６およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１に接触してもよい。１つの単位構造Ｕ１におけるＧａＡｓ層Ｌ３は、隣の単位構造Ｕ１におけるＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１に接触してもよい。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１は、電子バリア層または正孔井戸層として機能し得る。積層体ＬＭは、電子井戸層または正孔バリア層として機能し得る。
【0036】
ＩｎＡｓ層Ｌ２，Ｌ６およびＧａＡｓ層Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５のそれぞれは、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１よりも小さい厚さを有する。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１の厚さは２．５から６．３ｎｍであってもよい。ＩｎＡｓ層Ｌ２，Ｌ６のそれぞれの厚さは０．２から１．６ｎｍであってもよい。ＧａＡｓ層Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５のそれぞれの厚さは０．２から１．５ｎｍであってもよい。
【0037】
ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１のＡｓ組成をｙ、積層体ＬＭにおけるＧａＡｓ単分子層の数とＩｎＡｓ単分子層の数との和に対するＧａＡｓ単分子層の数の割合をｒとすると、以下の式（１）が満たされてもよい。
【0038】
０．９５＜ｙ＋ｒ＜１．０５ …（１）
【0039】
積層体ＬＭにおけるＧａＡｓ単分子層の数をＮ１、積層体ＬＭにおけるＩｎＡｓ単分子層の数をＮ２とすると、ｒは以下の式（２）で表される。
ｒ＝Ｎ１／（Ｎ１＋Ｎ２） …（２）
ｒ＝Ｎ１／（Ｎ１＋Ｎ２） …（２）
【0040】
Ｎ１は以下の式（３）で表される。
Ｎ１＝ｎ×ｋ＋２ｊ－１ …（３）
Ｎ１＝ｎ×ｋ＋２ｊ－１ …（３）
【0041】
Ｎ２は以下の式（４）で表される。
Ｎ２＝ｍ×（ｋ＋１） …（４）
Ｎ２＝ｍ×（ｋ＋１） …（４）
【0042】
ｒは、０．４より大きく０．６より小さくてもよい。この場合、ｙは０．３５より大きく０．６５より小さくなる。これにより、積層面内におけるＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１の格子歪みεを－１．２％より大きく１．１％より小さくできる。その結果、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１の厚さが約１０ｎｍ以下の場合、良好な結晶性が得られる。
【0043】
半導体受光素子１０によれば、各単位構造Ｕ１中の積層体ＬＭが電子井戸層として機能する。半導体受光素子１０では、各単位構造中の電子井戸層がＧａＩｎＡｓ層のみからなる場合に比べて、光吸収係数のスペクトルが、入射光Ｌの偏光方向に対して低い依存性を有する。これは、第１方向Ｄ１において電子井戸層の中心位置に関して原子配列が対称性を有するからと考えられる。半導体受光素子１０によれば、入射光Ｌの偏光方向が変化しても信号強度の変化を抑制できる。
【0044】
以下、図３の単位構造Ｕ１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、本開示を限定するものではない。
【0045】
（第１実験）
第１実験に係る半導体受光素子の受光層は以下の構成を有する。受光層中の各単位構造は、ＧａＡｓ層Ｌ３と、ＩｎＡｓ層Ｌ２と、ＧａＡｓ層Ｌ５と、ＩｎＡｓ層Ｌ６と、ＧａＡｓ層Ｌ４と、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１とを含む（図３参照）。受光層は、ＩｎＰ基板の｛１００｝面上に積層される。
第１実験に係る半導体受光素子の受光層は以下の構成を有する。受光層中の各単位構造は、ＧａＡｓ層Ｌ３と、ＩｎＡｓ層Ｌ２と、ＧａＡｓ層Ｌ５と、ＩｎＡｓ層Ｌ６と、ＧａＡｓ層Ｌ４と、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１とを含む（図３参照）。受光層は、ＩｎＰ基板の｛１００｝面上に積層される。
【0046】
ＧａＡｓ層Ｌ３中のＧａＡｓ単分子層の数ｊは２である。ＩｎＡｓ層Ｌ２中のＩｎＡｓ単分子層の数ｍは２である。ＧａＡｓ層Ｌ５中のＧａＡｓ単分子層の数ｎは２である。ＩｎＡｓ層Ｌ６中のＩｎＡｓ単分子層の数ｍは２である。積層構造ＬＳの数ｋは３である。ＧａＡｓ層Ｌ４中のＧａＡｓ単分子層の数ｊ－１は１である。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１のＡｓ組成ｙは０．４９である。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層Ｌ１中のＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ単分子層の数ｐは１７である。
【0047】
受光層中の各単位構造において、ＧａＡｓ単分子層、ＩｎＡｓ単分子層およびＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ単分子層の配列は以下のようにも表される。
（［ＧａＡｓ］２［ＩｎＡｓ］２）４（ＧａＡｓ）（ＧａＡｓ０．４９Ｓｂ０．５１）１７
（［ＧａＡｓ］２［ＩｎＡｓ］２）４（ＧａＡｓ）（ＧａＡｓ０．４９Ｓｂ０．５１）１７
【0048】
（第２実験）
第２実験に係る半導体受光素子の受光層は以下の構成を有する。受光層中の各単位構造は、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層とガリウムインジウムヒ素（ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ）層とを含む。受光層は、ＩｎＰ基板の｛１００｝面上に積層される。ｙは０．５１である。ｘは０．４７である。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層中のＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ単分子層の数は１７である。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層中のＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ単分子層の数は１７である。
第２実験に係る半導体受光素子の受光層は以下の構成を有する。受光層中の各単位構造は、ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層とガリウムインジウムヒ素（ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ）層とを含む。受光層は、ＩｎＰ基板の｛１００｝面上に積層される。ｙは０．５１である。ｘは０．４７である。ＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ層中のＧａｘＩｎ１－ｘＡｓ単分子層の数は１７である。ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層中のＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ単分子層の数は１７である。
【0049】
（第１実験結果）
第１実験および第２実験に係る半導体受光素子の受光層について、シミュレーションにより、バンドオフセットエネルギーおよび波動関数の大きさの絶対値の二乗の値を算出した。結果を図４および図５に示す。
第１実験および第２実験に係る半導体受光素子の受光層について、シミュレーションにより、バンドオフセットエネルギーおよび波動関数の大きさの絶対値の二乗の値を算出した。結果を図４および図５に示す。
【0050】
図４および図５は、それぞれ第１実験および第２実験に係る半導体受光素子の受光層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４および図５のグラフにおいて、横軸は、第１方向Ｄ１における各原子の位置を示す。グラフの左側縦軸は、バンドオフセットエネルギー（ｅＶ）を示す。ＥＣＢＯは、波数が０であるΓ点における伝導帯（伝導帯端ともいう）のバンドオフセットエネルギーを示す。ＥＶＢＯは、波数が０であるΓ点における価電子帯（価電子帯端ともいう）のバンドオフセットエネルギーを示す。グラフの右側縦軸は、波動関数の大きさの絶対値の二乗の値（任意単位）を示す。｜ψＣＢＭ｜２は、伝導帯端における波動関数の大きさの絶対値の二乗の値を示す。｜ψＣＢＭ｜２は、右側縦軸の値が０より上側に位置する。｜ψＶＢＭ｜２は、価電子帯端における波動関数の大きさの絶対値の二乗の値を示す。｜ψＶＢＭ｜２は、右側縦軸の値が０より下側に位置する。
【0051】
【0052】
（第２実験結果）
第１実験および第２実験に係る半導体受光素子の受光層について、シミュレーションにより、２００Ｋの動作温度における光吸収係数のスペクトルを算出した。入射光Ｌは、（００１）面に対して直交する第１方向Ｄ１に進む（図１参照）。結果を図６および図７に示す。
第１実験および第２実験に係る半導体受光素子の受光層について、シミュレーションにより、２００Ｋの動作温度における光吸収係数のスペクトルを算出した。入射光Ｌは、（００１）面に対して直交する第１方向Ｄ１に進む（図１参照）。結果を図６および図７に示す。
【0053】
図６および図７は、第１実験および第２実験においてそれぞれ得られる光吸収係数のスペクトルの例を示すグラフである。図６および図７のグラフにおいて、縦軸は光吸収係数（ｃｍ－１）を表す。横軸は波長（μｍ）を示す。実線は、入射光Ｌの偏光方向が［１００］方向である場合のスペクトルを示す。破線は、入射光Ｌの偏光方向が［１１０］方向である場合のスペクトルを示す。一点鎖線は、入射光Ｌの偏光方向が［１－１０］方向である場合のスペクトルを示す。
【0054】
図６に示されるように、第１実験では、入射光Ｌの偏光方向が変化しても、光吸収係数のスペクトルは殆ど変化しなかった。一方、図７に示されるように、第２実験では、入射光Ｌの偏光方向が変化すると、光吸収係数のスペクトルも大きく変化した。よって、第１実験では、第２実験に比べて、光吸収係数のスペクトルが、入射光の偏光方向に対して低い依存性を有することが分かる。以下、偏光方向に対する依存性が低下するメカニズムについて説明する。
【0055】
図８および図９は、第１実験の単位構造における原子配列の例を示す斜視図である。図８および図９において、［００１］方向が結晶成長方向すなわち図３の第１方向Ｄ１である。図８では、上方向が［１１０］方向である。一方、図９では、上方向が［１－１０］方向である。図８および図９において、ＭＬは単分子層を示す。原子サイトＡｓｙＳｂ１－ｙには、実際にはヒ素（Ａｓ）原子およびアンチモン（Ｓｂ）原子のいずれか一方が配置される。結晶成長方向に直交する平面において、Ａｓ原子およびＳｂ原子は、原子数でｙ：（１－ｙ）の割合で配置される。よって、当該割合の性質を有する仮想的なカチオン原子（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）が原子サイトＡｓｙＳｂ１－ｙに配置されると考えることができる。
【0056】
図８において、［１１０］方向の成分を有する原子間結合の数を算出した。Ｇａ－Ａｓ結合、Ｉｎ－Ａｓ結合およびＧａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合の数は以下の通りである。
Ｇａ－Ａｓ結合：６個（４×１／２＋２＋４×１／２）
Ｉｎ－Ａｓ結合：４個（４×１／２＋２）
Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合：６個（２＋４×１／２＋２）
Ｇａ－Ａｓ結合：６個（４×１／２＋２＋４×１／２）
Ｉｎ－Ａｓ結合：４個（４×１／２＋２）
Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合：６個（２＋４×１／２＋２）
【0057】
直方体で示されるセルの表面に位置する原子間結合は、隣のセルと共有されるので、原子間結合の数は半分にされる。
【0058】
図９において、［１－１０］方向の成分を有する原子間結合の数を算出した。Ｇａ－Ａｓ結合、Ｉｎ－Ａｓ結合およびＧａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合の数は以下の通りである。
Ｇａ－Ａｓ結合：６個（２＋４×１／２＋２）
Ｉｎ－Ａｓ結合：４個（４×１／２＋２）
Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合：６個（４×１／２＋２＋４×１／２）
Ｇａ－Ａｓ結合：６個（２＋４×１／２＋２）
Ｉｎ－Ａｓ結合：４個（４×１／２＋２）
Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合：６個（４×１／２＋２＋４×１／２）
【0059】
よって、第１実験では、［１１０］方向の偏光方向を有する電場に対して同じ方向の成分を有する原子間結合の数が、［１－１０］方向の偏光方向を有する電場に対して同じ方向の成分を有する原子間結合の数と同じである。さらに、図４に示されるように、電子井戸層は第１電子バリア層と第２電子バリア層との間に配置される。第１電子バリア層と電子井戸層との界面におけるエネルギーは、第２電子バリア層と電子井戸層との界面におけるエネルギーと同じである。これは、第１方向Ｄ１において電子井戸層の中心位置に関して原子配列が対称性を有することに起因する。よって、図８に表示されたＧａ－Ａｓ結合Ｂ１は図９に表示されたＧａ－Ａｓ結合Ｂ２と等価である。同じように、図８に表示されたＧａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合Ｂ３は図９に表示されたＧａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合Ｂ４と等価である。したがって、偏光方向が［１１０］方向である場合の光吸収係数は、偏光方向が［１－１０］方向である場合の光吸収係数と殆ど同じである。第１実験では、光吸収係数のスペクトルが、入射光の偏光方向に対して低い依存性を有する。
【0060】
図１０および図１１は、第２実験の単位構造における原子配列の例を示す斜視図である。原子サイトＧａｘＩｎ１－ｘには、実際にはガリウム（Ｇａ）原子またはインジウム（Ｉｎ）原子が配置される。結晶成長方向に直交する平面において、Ｇａ原子およびＩｎ原子は、原子数でｘ：（１－ｘ）の割合で配置される。よって、当該割合の性質を有する仮想的なカチオン原子（ＧａｘＩｎ１－ｘ）が原子サイトＧａｘＩｎ１－ｘに配置されると考えることができる。
【0061】
図１０において、［１１０］方向の成分を有する原子間結合の数を算出した。（ＧａｘＩｎ１－ｘ）－Ａｓ結合、Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合、Ｇａ－Ａｓ結合および（ＧａｘＩｎ１－ｘ）－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合の数は以下の通りである。
（ＧａｘＩｎ１－ｘ）－Ａｓ結合：６個（４×１／２＋２＋４×１／２）
Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合：６個（２＋４×１／２＋２）
Ｇａ－Ａｓ結合：０個
（ＧａｘＩｎ１－ｘ）－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合：０個
（ＧａｘＩｎ１－ｘ）－Ａｓ結合：６個（４×１／２＋２＋４×１／２）
Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合：６個（２＋４×１／２＋２）
Ｇａ－Ａｓ結合：０個
（ＧａｘＩｎ１－ｘ）－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合：０個
【0062】
図１１において、［１－１０］方向の成分を有する原子間結合の数を算出した。（ＧａｘＩｎ１－ｘ）－Ａｓ結合、Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合、Ｇａ－Ａｓ結合および（ＧａｘＩｎ１－ｘ）－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合の数は以下の通りである。
（ＧａｘＩｎ１－ｘ）－Ａｓ結合：４個（２＋４×１／２）
Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合：４個（４×１／２＋２）
Ｇａ－Ａｓ結合：２個
（ＧａｘＩｎ１－ｘ）－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合：２個（４×１／２）
（ＧａｘＩｎ１－ｘ）－Ａｓ結合：４個（２＋４×１／２）
Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合：４個（４×１／２＋２）
Ｇａ－Ａｓ結合：２個
（ＧａｘＩｎ１－ｘ）－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合：２個（４×１／２）
【0063】
よって、第２実験では、［１１０］方向の偏光方向を有する電場に対して同じ方向の成分を有する原子間結合の数が、［１－１０］方向の偏光方向を有する電場に対して同じ方向の成分を有する原子間結合の数と異なる。したがって、偏光方向が［１１０］方向である場合の光吸収係数は、偏光方向が［１－１０］方向である場合の光吸収係数と異なる。第２実験では、光吸収係数のスペクトルが、入射光の偏光方向に対して高い依存性を有する。
【0064】
（第３実験から第２５実験）
第３実験から第２５実験に係る半導体受光素子の受光層に含まれる単位構造は、図１２に示される。
第３実験から第２５実験に係る半導体受光素子の受光層に含まれる単位構造は、図１２に示される。
【0065】
（第３実験結果）
第１実験、第３実験から第２５実験に係る半導体受光素子の受光層について、シミュレーションにより、２００Ｋの動作温度における吸収端波長λ（μｍ）を算出した。ここでは、吸収端波長（カットオフ波長）は、光吸収係数が１×１０２ｃｍ－１以上となる波長の最大値としている。結果を図１２に示す。
第１実験、第３実験から第２５実験に係る半導体受光素子の受光層について、シミュレーションにより、２００Ｋの動作温度における吸収端波長λ（μｍ）を算出した。ここでは、吸収端波長（カットオフ波長）は、光吸収係数が１×１０２ｃｍ－１以上となる波長の最大値としている。結果を図１２に示す。
【0066】
図１２は、第１実験、第３実験から第２５実験の単位構造における吸収端波長の例を示す図である。図１２に示されるように、第１実験、第３実験から第２５実験において、吸収端波長は２．４５μｍ以上であった。第３実験から第２５実験においても、第１実験と同じように、光吸収係数のスペクトルが、入射光の偏光方向に対して低い依存性を有する。
【0067】
以上、本開示の好適な実施形態について詳細に説明されたが、本開示は上記実施形態に限定されない。
【0068】
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】
【0069】
１０…半導体受光素子
１２…第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層
１４…第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層
１６…受光層
１８…基板
２０…ＩＩＩ－Ｖ族半導体層
２２…ＩＩＩ－Ｖ族半導体層
３０…電極
４０…電極
Ｂ１…Ｇａ－Ａｓ結合
Ｂ２…Ｇａ－Ａｓ結合
Ｂ３…Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合
Ｂ４…Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合
Ｄ１…第１方向
Ｌ…入射光
Ｌ１…ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層
Ｌ２…ＩｎＡｓ層
Ｌ３…ＧａＡｓ層
Ｌ４…ＧａＡｓ層
Ｌ５…ＧａＡｓ層
Ｌ６…ＩｎＡｓ層
ＬＭ…積層体
ＬＳ…積層構造
Ｕ１…単位構造
１２…第１ＩＩＩ－Ｖ族半導体層
１４…第２ＩＩＩ－Ｖ族半導体層
１６…受光層
１８…基板
２０…ＩＩＩ－Ｖ族半導体層
２２…ＩＩＩ－Ｖ族半導体層
３０…電極
４０…電極
Ｂ１…Ｇａ－Ａｓ結合
Ｂ２…Ｇａ－Ａｓ結合
Ｂ３…Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合
Ｂ４…Ｇａ－（ＡｓｙＳｂ１－ｙ）結合
Ｄ１…第１方向
Ｌ…入射光
Ｌ１…ＧａＡｓｙＳｂ１－ｙ層
Ｌ２…ＩｎＡｓ層
Ｌ３…ＧａＡｓ層
Ｌ４…ＧａＡｓ層
Ｌ５…ＧａＡｓ層
Ｌ６…ＩｎＡｓ層
ＬＭ…積層体
ＬＳ…積層構造
Ｕ１…単位構造
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】