特開 2024-70788 光検出器

(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】P2024070788

(43)【公開日】2024-05-23

(54)【発明の名称】光検出器

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20240516BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 A

【審査請求】有

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023077142

(22)【出願日】2023-05-09

(31)【優先権主張番号】111143159

(32)【優先日】2022-11-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW

(71)【出願人】

【識別番号】517367504

【氏名又は名称】聯亜光電工業股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＬａｎｄＭａｒｋ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１２， Ｎａｎｋｅ ９ｔｈ Ｒｄ．， Ｓｈａｎｈｕａ Ｄｉｓｔ．， Ｔａｉｎａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ－Ｂａｓｅｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐａｒｋ， Ｔａｉｗａｎ

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】黄泓文

(72)【発明者】

【氏名】陳勇超

(72)【発明者】

【氏名】王奕翔

(72)【発明者】

【氏名】林蔚

【テーマコード（参考）】

5F149

【Ｆターム（参考）】

5F149AA01

5F149AB07

5F149BA05

5F149BA13

5F149CB03

5F149DA26

5F149DA29

5F149DA30

5F149GA06

5F149LA01

5F149XB18

5F149XB34

(57)【要約】

【課題】製造品質を上げて暗電流が高すぎる欠陥品になることを避けることができる光検出器を提供する。
【解決手段】格子定数が基本値である基板２と基板２に重なるように設置されている緩衝層３と、緩衝層３に形成されているものであって、格子定数が基本値より大きく且つ基板２から離れる方向に沿って格子定数が徐々に増加する順で配列されている複数のサブ層部４１を含む漸増層４と、漸増層４に形成されており、且つ、格子定数が複数のサブ層部４１の格子定数以上の設定値であるバリヤー層５と、バリヤー層５に形成されている吸収層６と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

格子定数が基本値である基板と
前記基板に重なるように設置されている緩衝層と、
前記緩衝層に形成されているものであって、格子定数が前記基本値より大きく且つ前記基板から離れる方向に沿って格子定数が徐々に増加する順で配列されている複数のサブ層部を含む漸増層と、
前記漸増層に形成されており、且つ、格子定数の設定値が前記基本値より大きく且つ前記複数のサブ層部のそれぞれの格子定数以上であるバリヤー層と、
前記バリヤー層に形成されている吸収層と、を備えることを特徴とする光検出器。

【請求項2】

前記基板は、第１３族元素である第１の元素を含み、
前記バリヤー層は、前記第１の元素と、前記第１の元素と異なり且つ第１３族元素である第２の元素と、を含み、
前記漸増層の前記複数のサブ層部のそれぞれは、前記第１の元素及び前記第２の元素を含み、
前記複数のサブ層部は、前記基板から前記バリヤー層へ向かう方向に沿って、前記サブ層部が含む第１３族元素における前記第１の元素の割合の前記第２の元素の割合に対する比の値が徐々に減少する順で配列されていることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。

【請求項3】

前記基板は、ヒ化ガリウムにより構成されており、前記第１の元素は、ガリウムであり、
前記バリヤー層は、ヒ化インジウムガリウムにより構成されており、前記第２の元素は、インジウムであることを特徴とする請求項２に記載の光検出器。

【請求項4】

前記漸増層は、ヒ化インジウムガリウムにより構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光検出器。

【請求項5】

前記漸増層の前記複数のサブ層部においての前記第１の元素の第１３族元素における割合の前記第２の元素の第１３族元素における割合に対する比は、（１－Ｘ）：Ｘであり、式中Ｘは０．０３～０．２４であることを特徴とする請求項３に記載の光検出器。

【請求項6】

前記基板は、ヒ化ガリウムにより構成されており、前記第１の元素は、ガリウムであり、
前記バリヤー層は、リン化インジウムガリウムにより構成されており、前記第２の元素は、インジウムであることを特徴とする請求項２に記載の光検出器。

【請求項7】

前記漸増層は、リン化インジウムガリウムにより構成されていることを特徴とする請求項６に記載の光検出器。

【請求項8】

前記漸増層の前記複数のサブ層部においての前記第１の元素の第１３族元素における割合の前記第２の元素の第１３族元素における割合に対する比は、（１－Ｘ）：Ｘであり、式中Ｘは０．４８～０．７２であることを特徴とする請求項６に記載の光検出器。

【請求項9】

前記バリヤー層に直接に接する前記サブ層部においての前記第１の元素の第１３族元素における割合の前記第２の元素の第１３族元素における割合に対する比の値は、前記バリヤー層においての前記第１の元素の第１３族元素における割合の前記第２の元素の第１３族元素における割合に対する比の値と同じであることを特徴とする請求項２～請求項８のいずれか一項に記載の光検出器。

【請求項10】

前記吸収層は、ヒ化インジウムガリウムにより構成されていることを特徴とする請求項２～請求項８のいずれか一項に記載の光検出器。

【請求項11】

前記漸増層、前記バリヤー層及び前記吸収層は、前記緩衝層から、前記基板と略直交する基準線と結晶成長角度になる方向に沿って結晶成長されたものであり、
前記結晶成長角度は、６度～１４度であることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。

【請求項12】

前記吸収層に形成されており、且つ、少なくとも１つの入光口が画成されているウィンドウ層を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。

【請求項13】

前記ウィンドウ層は、リン化インジウムガリウムにより構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の光検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体検出器に関し、特に光検出器に関する。

【背景技術】

【0002】

図１に示されるように、現有の光検出器１は、分子線エピタキシー（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）のプロセスにより、一層一層で構成され、且つ、基板１１と、基板１１に形成されている緩衝層１２と、緩衝層１２に形成されており且つ光エネルギーを阻んで電気信号を生成する量子井戸層１３と、量子井戸層１３に形成されており且つ光エネルギーを吸収する吸収層１４と、吸収層１４に形成されており且つ入光範囲を制限するウィンドウ層１５とを順に含む。

【0003】

光検出器１の動作時には、光がウィンドウ層１５により限定された入光範囲で吸収層１４に照射され、吸収層１４が吸収した光エネルギーを量子井戸層１３に伝送し、量子井戸層１３における各種の材料により形成されたバンドギャップパラメーター（ｂａｎｄｇａｐ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）に合わせて、量子井戸層１３が光エネルギーを吸収してエネルギー準位シフト（ｅｎｅｒｇｙ ｓｈｉｆｔ）が生じることで、吸収した光エネルギーに対応する電気信号が生成される。

【0004】

生成された電気信号により、特定の式を用いて計算することで、光エネルギーを検出する目的を達成することができる。

【0005】

基板１１と量子井戸層１３との間に形成された緩衝層１２は、主に基板１１と類似する材料を採用する。具体的には、基板１１にＮ＋型ドープヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）を採用する場合、緩衝層１２としてＮ型ドープヒ化ガリウムが使用でき、量子井戸層１３の成分と基板１１の成分との差異が大きい場合において、緩衝層１２は、基板１１と量子井戸層１３との間でエピタキシー成長時の緩衝とすることができる。

【0006】

しかし、光検出器１の各層構造の格子定数の差異が大きすぎるので、緩衝層１２を配置しても、格子定数がマッチできない状況が多く、一層ごとにエピタキシー成長する過程において応力が持続的に累積する。累積した応力が大きすぎると、各層構造に欠陥が生じる可能性がある。該欠陥は、光検出器１が動作する際に検出結果に影響する暗電流を生成する。該暗電流が標準値を超えると、検出の精確性に影響するだけではなく、光検出器１が使用不能の欠陥品になる恐れがある。

【0007】

このような従来の光検出器としては、例えば特許文献１に開示される光検出器が挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００１－７３７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

従って、本発明は、製造品質が上がり暗電流が過大な欠陥品になることを避けることができる光検出器を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成すべく、本発明は、
格子定数が基本値である基板と、
前記基板に重なるように設置されている緩衝層と、
前記緩衝層に形成されているものであって、格子定数が前記基本値より大きく且つ前記基板から離れる方向に沿って格子定数が徐々に増加する順で配列されている複数のサブ層部を含む漸増層と、
前記漸増層に形成されており、且つ、格子定数の設定値が前記基本値より大きく且つ前記複数のサブ層部のそれぞれの格子定数以上であるバリヤー層と、
前記バリヤー層に形成されている吸収層と、を備えることを特徴とする光検出器を提供する。

【発明の効果】

【0011】

上記の構成により、本発明の光検出器は、漸増層の複数のサブ層部の格子定数は、基板の基本値と基本値より大きいバリヤー層の設定値との間で一層ごとに増加するので、結晶成長する過程で応力が累積しにくく、応力の解放による欠陥が生じない。光検出器の欠陥がより少ないと、光検出器の製造品質を確保できる上、実際に動作する時に検出結果に影響する暗電流も生じにくくなり、検出性能がより優れるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、以下の実施形態の詳細に説明することにより明白になる。

【図1】現有の光検出器を示す側面図である。

【図2】本発明の光検出器の第１の実施形態及び第２の実施形態を示す側面図である。

【図3】上記の第１の実施形態における漸増層の複数のサブ層部を説明するグラフである。

【図4】上記の第１の実施形態の結晶成長角度を示す図である。

【図5】図４に合わせて上記の第１の実施形態の結晶成長角度の品質比較実験を示す顕微鏡画像である。

【図6】上記の第１の実施形態の暗電流テストを行う状況を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明をより詳細に説明する前に、適切と考えられる場合において、符号又は符号の末尾部分は、同様の特性を有し得る対応の又は類似の要素を示すために各図面間で繰り返し用いられることに留意されたい。
＜第１の実施形態＞
図２に示されるように、本発明の光検出器の第１の実施形態は、格子定数が基本値である基板２と、基板２に重なるように設置されている緩衝層３と、緩衝層３に形成されている漸増層４と、漸増層４に形成されており、且つ、格子定数が該基本値より大きい設定値であるバリヤー層５と、バリヤー層５に形成されている吸収層６と、吸収層６に形成されており、且つ、１つの入光口７０が画成されているウィンドウ層７とを備える。なお、他の実施形態において、画成された入光口７０の数は、２個以上であり得る。

【0014】

この実施形態においては、光検出器の上記各層が有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）エピタキシー法により一層一層形成される状況で説明する。

【0015】

基板２はヒ化ガリウムにより構成されている。緩衝層３は、基板２の材料に合わせて同じくヒ化ガリウムにより構成されているが、厚さが基板２の厚さより薄く、且つ、必要に応じて異なる成分をドープすることができる。この実施形態において、基板２及び緩衝層３はＮ型ドープヒ化ガリウムを例として説明し、基板２の格子定数が基本値であって、基板２がＮ型ドープヒ化ガリウムである場合、該基本値は５．６５３である。

【0016】

漸増層４は、格子定数が基本値より大きく且つ基板２から離れる方向に沿って格子定数が徐々に増加する順で配列されている複数のサブ層部４１を含む。

【0017】

バリヤー層５の格子定数の設定値は、複数のサブ層部４１のそれぞれの格子定数以上であり、即ちサブ層部４１のうち格子定数が最も大きいものの格子定数と同じかそれより大きい。

【0018】

具体的に、漸増層４及びバリヤー層５は、ヒ化インジウムガリウムにより構成されており、バリヤー層５の格子定数の設定値は５．７５０である。なお、吸収層６もヒ化インジウムガリウムにより構成されており、ウィンドウ層７はリン化インジウムガリウムにより構成されている。

【0019】

基板２は、第１３族元素である第１の元素を含み、バリヤー層５は、前記第１の元素と、前記第１の元素と異なり且つ第１３族元素である第２の元素とを含み、且つ、漸増層４の複数のサブ層部４１は、前記第１の元素及び前記第２の元素を含む、と定義する。

【0020】

複数のサブ層部４１は、基板２からバリヤー層５へ向かう方向に沿ってサブ層部４１が含む第１３族元素における前記第１の元素の割合の前記第２の元素の割合に対する比の値（第１の元素の第１３族元素における割合／第２の元素の第１３族元素における割合）が徐々に減少する順で配列され、即ち各サブ層部４１ごとに上記比の値が段々と減少するように配列されている。

【0021】

この実施形態において、バリヤー層５に直接に接するサブ層部４１においての前記第１の元素の第１３族元素における割合の前記第２の元素の第１３族元素における割合に対する比の値は、前記バリヤー層５においての前記第１の元素の第１３族元素における割合の前記第２の元素の第１３族元素における割合に対する比の値と同じであり、前記第１の元素は、ガリウムであり、前記第２の元素は、インジウムであり、漸増層４の複数のサブ層部４１においての前記第１の元素の第１３族元素における割合の前記第２の元素に対する第１３族元素における割合の比は、（１－Ｘ）：Ｘであり、式中Ｘは０．０３～０．２４であり、即ち、第１の元素の第１３族元素における割合：第２の元素の第１３族元素における割合＝（１－Ｘ）：Ｘである。

【0022】

【表1】

【0023】

図２及び図３に合わせて表１を参照すると、漸増層４の複数のサブ層部４１の設置は、主に緩衝層３とバリヤー層５との間の格子定数の差異に対応するためである。従って、サブ層部４１の数を８層に設定する場合、各サブ層部４１におけるガリウムとインジウムとの割合の合計を１とすると、インジウムの割合は、０．０３、０．０６、０．０９、０．１２、０．１５、０．１８、０．２１、０．２４であり、ガリウムの割合は、０．９７、０．９４、０．９１、０．８８、０．８５、０．８２、０．７９、０．７６である。ガリウムの割合の増加に伴ってインジウムの割合が減少することにより、複数のサブ層部４１の格子定数が基板２の基本値からバリヤー層５の設定値までに徐々に増加して、緩衝層３とバリヤー層５との間の格子定数の差異を埋め合わせる。

【0024】

図２に合わせて図４及び図５を参照すると、漸増層４、バリヤー層５及び吸収層６は、緩衝層３から、基板１と略直交する基準線と結晶成長角度θになる方向に沿って結晶成長されたものであり、結晶成長角度θは、６度～１４度であると定義する。図５に示される、結晶成長角度θが６度～１４度である本発明の第１の実施形態と、結晶成長角度θが１度未満の試験例１と、結晶成長角度θが１度以上且つ６度未満である試験例２とを比較した。

【0025】

図５に示されるように、本発明の第１の実施形態は確実により優れた平坦度を有するように形成できる。よって、結晶成長角度θは、製造品質に影響することがわかり、それにより欠陥が生じる可能性を更に低減することができる。

【0026】

図２に合わせて図６を参照すると、この実施形態の光検出器は、１１３０ナノメートル規格のもので、この実施形態の欠陥が標準に合致することを画像から検証する以外、この実施形態が確実に暗電流を低減する効果を奏することを検証するために、この実施形態に対して実際に逆バイアス（ｒｅｖｅｒｓｅ ｂｉａｓ）を加えると共に、入光口７０を経由して実際に光を照射することによりテストを行った。

【0027】

【表2】

【0028】

表２に示されるように、ウィンドウ層７の入光口７０が円形であって、入光口７０の直径が１０７μｍ、１２５μｍ、１４５μｍ及び１９５μｍの規格でテストを行った。

【0029】

逆バイアスが０．１ボルトである際、比較例とした直径が１０７μｍである場合に暗電流テスト標準を少し超えた以外、実施例１～実施例３とした直径が１２５μｍ、１４５μｍ及び１９５μｍである場合には暗電流テスト標準に合格した。

【0030】

即ち、この実施形態は、暗電流テストにおけるパフォーマンスが良好であって、これが用いられた製品は一定範囲のスケール及び規格に対応できる。
＜第２の実施形態＞
図２に示されるように、本発明の光検出器の第２の実施形態は、漸増層４及びバリヤー層５がリン化インジウムガリウムにより構成されていること以外、第１の実施形態と類似する。

【0031】

実際に使用した元素成分比について、バリヤー層５の材料はＮ－Ｉｎ_０．７２Ｇａ_０．２８Ｐである。

【0032】

使用した材料が第１の実施形態と異なる状況においても、漸増層４の複数のサブ層部４１における格子定数が基板２からバリヤー層５へ一層ごとに増加するように構成するために、前記第１の元素がガリウムであり且つ前記第２の元素はインジウムである時に、前記第１の元素の第１３族元素における割合の前記第２の元素の第１３族元素における割合に対する比は、（１－Ｘ）：Ｘであり、式中Ｘは０．４８～０．７２である。

【0033】

基板２及び緩衝層３の材料は第１の実施形態と同じであり、即ち緩衝層３の格子定数は基板２の基本値と同じである。バリヤー層５の格子定数の設定値が第１の実施形態より大きい場合、漸増層４のサブ層部４１を８層より多く設けて、格子定数が基板２からバリヤー層５へ徐々に増加するように配置することができる。それにより、格子定数が徐々に増加する設計を達成し、第１の実施形態と同じ効果を達成することができる。

【0034】

上記の構成によれば、本発明の光検出器は、漸増層４の複数のサブ層部４１における格子定数が基板２の基本値と基本値より大きいバリヤー層５の設定値との間で一層ごとに増加するので、結晶成長する過程で応力が累積しにくく、応力の解放による欠陥が生じない。それにより、光検出器の製造品質を確保できる上、実際に暗電流テストを行った結果でも、検出結果に影響する暗電流が生じにくいことが検証され、光検出器の検出性能がより優れるようになる。

【0035】

従って、本発明の目的を確実に達成できる。

【0036】

上記実施形態は例示的に本発明の原理及び効果を説明するものであり、本発明を制限するものではない。本技術を熟知する当業者であれば本発明の精神及び範囲から離れないという前提の下、上記の実施形態に対して若干の変更や修飾が可能で有る。従って、当業者が本発明の主旨から離れないという前提の下、行った全ての変更や修飾も本発明の保護範囲に含まれるものとされるべきである。

【産業上の利用可能性】

【0037】

本発明の光検出器は例えば半導体の光検出に使用することに適する。

【符号の説明】

【0038】

２ 基板
３ 緩衝層
４ 漸増層
４１ サブ層部
５ バリヤー層
６ 吸収層
７ ウィンドウ層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】