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特許7200651半導体ウエハ、赤外線検出器、これを用いた撮像装置、半導体ウエハの製造方法、及び赤外線検出器の製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-12-26
(45)【発行日】2023-01-10
(54)【発明の名称】半導体ウエハ、赤外線検出器、これを用いた撮像装置、半導体ウエハの製造方法、及び赤外線検出器の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 31/10 20060101AFI20221227BHJP
H01L 27/144 20060101ALI20221227BHJP
H01S 5/343 20060101ALI20221227BHJP
H01L 21/20 20060101ALI20221227BHJP
H01L 27/146 20060101ALI20221227BHJP
H01L 29/207 20060101ALI20221227BHJP
H01L 21/203 20060101ALI20221227BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 A
H01L27/144 K
H01S5/343
H01L21/20
H01L27/146 F
H01L29/207
H01L21/203 M
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2018235115
(22)【出願日】2018-12-17
(65)【公開番号】P2020098807
(43)【公開日】2020-06-25
【審査請求日】2021-09-09
(73)【特許権者】
【識別番号】000005223
【氏名又は名称】富士通株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】奥村 滋一
【審査官】吉岡 一也
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／０４２５３４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－１１３４０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－００９７１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０６６３１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】YE, H. et al.，MBE growth optimization of InAs (001) homoepitaxy，Journal of Vaccum Science Technology B，2013年，Vol.31,No.3，pp.03C135-1 - 03C135-6
【文献】WANG, M.W. et al.，Study of interface asymmetry in InAs-GaSb heterojunctions，Journal of Vaccum Science Technology B，1995年，Vol.13,N0.4，pp.1689-1693
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３１／０２－３１／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＧａＳｂの下地と、積層方向で前記下地の上に配置されるＩｎＡｓ層と、
を有し、前記ＩｎＡｓ層は、膜厚方向に所定の濃度分布を有するＳｂを含み、
前記Ｓｂの濃度は、４１ｐｐｍ／ｎｍ以上、４３ｐｐｍ／ｎｍ以下の傾きで前記膜厚方向に減少することを特徴とする半導体ウエハ。
【請求項2】
前記ＩｎＡｓ層において、前記傾きで前記Ｓｂの濃度減少が開始する初期Ｓｂ濃度は３０００ｐｐｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウエハ。
【請求項3】
前記濃度分布は、前記下地との界面から前記ＩｎＡｓ層の所定膜厚までの界面領域で一定濃度の前記Ｓｂを含み、前記界面領域を超えた膜厚位置で、前記Ｓｂの濃度が前記初期Ｓｂ濃度まで低下することを特徴とする請求項２に記載の半導体ウエハ。
【請求項4】
ＩｎＡｓ薄膜とＧａＳｂ薄膜の繰り返しサイクルを有し、赤外帯域に感度を有する超格子層と、積層方向で前記超格子層の上に配置されるＩｎＡｓ層と、
を有し、
前記超格子層の最上層は前記ＧａＳｂ薄膜であり、
前記ＩｎＡｓ層は、膜厚方向に所定の濃度分布で存在するＳｂを含み、
前記Ｓｂの濃度は、４１ｐｐｍ／ｎｍ以上、４３ｐｐｍ／ｎｍ以下の傾きで前記膜厚方向に減少することを特徴とする赤外線検出器。
【請求項5】
前記ＩｎＡｓ層において、前記傾きで前記Ｓｂの濃度減少が開始する初期Ｓｂ濃度は３０００ｐｐｍであることを特徴とする請求項４に記載の赤外線検出器。
【請求項6】
請求項４または５に記載の赤外線検出器と、前記赤外線検出器に接合される信号読み出し回路と、
を有する撮像装置。
【請求項7】
ＧａＳｂの上に、成長温度が４６０℃より高く、５２０℃以下、エピタキシャル成長時のＡｓのビームフラックスとＩｎのビームフラックスとのＶ／III比がモル分比で１５以上、２０未満の条件でＩｎＡｓ層、または所定組成のＳｂを含むＩｎＡｓ（Ｓｂ）層をエピタキシャル成長する、ことを特徴とする半導体ウエハの製造方法。
【請求項8】
ＧａＳｂ基板の上に、ＩｎＡｓ薄膜とＧａＳｂ薄膜の繰り返しサイクルを有する超格子層を形成し、前記超格子層の最上層の前記ＧａＳｂ薄膜の上に、成長温度が４６０℃より高く、５２０℃以下、Ｖ／III比がモル分比で１５以上、２０未満の条件でＩｎＡｓ層をエピタキシャル成長し、
前記超格子層と前記ＩｎＡｓ層を含む積層体を加工して複数の画素を有する画素領域を形成する、
赤外線検出器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体ウエハ、赤外線検出器、これを用いた撮像装置、半導体ウエハの製造方法、及び赤外線検出器の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ＧａＳｂ基板上のＩｎＡｓ／ＧａＳ超格子構造は、タイプIIのバンドラインナップを有し、超格子の膜厚と周期の少なくとも一方を調整することで、中赤外から遠赤外の波長帯に感度を有する赤外線検出器に適用することができる。タイプIIの超格子構造は「Ｔ２ＳＬ」と呼ばれており、赤外線検出器の他に、光通信用のレーザ光源、太陽電池、水分解システムの酸素発生電極などの光電子デバイスへの適用が期待されている。
【0003】
Ｔ２ＳＬ型の赤外線検出器は、サブバンド間の光吸収を利用した量子ドット型または量子井戸型の赤外線検出器と比べて少数キャリアの寿命が長く、暗電流の低減と、感度の増大が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１６－００９７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
光電子デバイスに適用されるエピタキシャル積層構造では、例えば特許文献１に記載されているように、Ｔ２ＳＬの上方または下方に外部と電気的なコンタクトをとるコンタクト層が形成されることが多い。発明者は、ＧａＳｂ上に、４００℃前後の成長温度でバルクＩｎＡｓ層を成長したときに、Ａｓ過剰によるピットが発生することを見いだした。さらに、この温度領域では、Ｖ／III比の条件を変えても、ピットは消失しないことが判明した。
【0006】
バルクＩｎＡｓ層のピットは、キャリアトラップとなり、赤外線検出器の感度低下、レーザの発光効率の低下などを引き起こす。Ｔ２ＳＬの下側に微量組成のＳｂを含むＩｎＡｓ等のエッチングストッパ層が配置される場合にも、同じ問題が生じる。
【0007】
本発明は、転位、欠陥等が抑制された半導体ウエハと、その適用技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様では、半導体ウエハは、
ＧａＳｂの下地と、
積層方向で前記下地の上に配置されるＩｎＡｓ層と、
を有し、前記ＩｎＡｓ層は、膜厚方向に所定の濃度分布を有するＳｂを含み、
前記Ｓｂの濃度は、４１ｐｐｍ／ｎｍ以上、４３ｐｐｍ／ｎｍ以下の傾きで前記膜厚方向に減少する。
ＧａＳｂの下地と、
積層方向で前記下地の上に配置されるＩｎＡｓ層と、
を有し、前記ＩｎＡｓ層は、膜厚方向に所定の濃度分布を有するＳｂを含み、
前記Ｓｂの濃度は、４１ｐｐｍ／ｎｍ以上、４３ｐｐｍ／ｎｍ以下の傾きで前記膜厚方向に減少する。
【発明の効果】
【0009】
転位、欠陥等が抑制された半導体ウエハと、その適用技術が実現される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】実施形態の半導体ウエハの模式図である。
【図2】ＧａＳｂ上に条件を変えて成長したＩｎＡｓ層のＡＦＭ画像である。
【図3】ＧａＳｂ上のバルクＩｎＡｓ（Ｓｂ）層の深さ方向のＳｂ分布プロファイルを示す図である。
【図4】実施形態の半導体ウエハを適用した赤外線検出器の製造工程図である。
【図5】実施形態の半導体ウエハを適用した赤外線検出器の製造工程図である。
【図6】実施形態の半導体ウエハを適用した赤外線検出器の製造工程図である。
【図7】実施形態の半導体ウエハを適用した赤外線検出器の製造工程図である。
【図8】実施形態の赤外線検出器を用いた撮像装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
図１は、実施形態の半導体ウエハ１００の模式図である。半導体ウエハ１００は、積層方向でＧａＳｂの下地１０１の上に、ＩｎＡｓ層１０２を有する。下地１０１は、ＧａＳｂ基板であってもよいし、ＧａＳｂ層であってもよい。
【0012】
ＩｎＡｓ層１０２は微量のＳｂを含み、図中の破線で示すように、ＩｎＡｓ層１０２の膜厚方向でＳｂの濃度分布が変化する。図３を参照して後述するように、ＩｎＡｓ層１０２の膜厚方向でのＳｂの濃度プロファイルの傾きは、所定の範囲内にある。
【0013】
ＩｎＡｓ層１０２に含まれるＳｂは、ＩｎＡｓ層１０２の成膜過程でＧａＳｂの下地１０１から拡散したものであり、下地１０１との界面からＩｎＡｓ層１０２の表面に向かうほど、Ｓｂ濃度が小さくなっていく。Ｓｂの濃度プロファイルの傾きは、ＩｎＡｓ層１０２の成長温度と相関するが、傾きが変わっても、ＧａＳｂの下地１０１とＩｎＡｓ層１０２の界面でのＳｂ組成は一定である。
【0014】
良好な実施形態では、ＩｎＡｓ層１０２で所定の傾きでのＳｂ濃度の減少が開始する初期Ｓｂ濃度は約３０００ｐｐｍであり、約４１ｐｐｍ／ｎｍ～４３ｐｐｍ／ｎｍの割合で膜厚方向に向かって減少する。
【0015】
この明細書と特許請求の範囲で、初期Ｓｂ濃度が「３０００ｐｐｍ」、あるいは「約３０００ｐｐｍ」というときは、厳密に３０００ｐｐｍを意味するものではなく、測定ばらつき、製造装置のばらつき、条件制御のばらつき等による３０００ｐｐｍ前後の一定範囲の変動を含むものとする。
【0016】
ＩｎＡｓ層１０２は、所定の温度条件とＶ／III比で形成されており、転移、ピット等が低減されている。具体的には、ＧａＳｂの下地１０１の上のＩｎＡｓ層１０２は、４６０℃よりも高く５２０℃以下の成長温度、より好ましくは４９０℃以上、５２０℃以下の成長温度で、Ｖ／III比がモル分比で１５以上、２０未満範囲で形成されている。この条件で形成されたＩｎＡｓ層１０２は、上述した傾き範囲でのＳｂ濃度分布を有し、転位、ピット等の欠陥が低減されている。
【0017】
図２は、ＩｎＡｓ層の成長温度と、Ｖ／III比を種々に変えて成長したＩｎＡｓ層のＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）画像である。横方向にＩｎＡｓ層の成長温度、縦方向にＩｎＡｓ層のＶ／III比（モル分比）をとっている。
【0018】
ピット等の結晶欠陥が抑制されたＩｎＡｓ層の好ましい成長条件を特定するために、異なる成長条件で複数のサンプルを作製し、サンプルの表面をＡＦＭで観察する。サンプルは以下のようにして作製する。
【0019】
ＭＢＥ法により、ＧａＳｂ（００１）基板上に、ＩｎＡｓ層を成長速度０．２μｍ／ｈで厚さ１００ｎｍに成長する。この条件を固定にして、成長温度を４００℃～５２０℃の範囲で変える。また、Ｖ／III比を１１～２０の範囲で変える。
【0020】
全体的な傾向として、成長温度が低いか、またはＶ／III比が高い領域で、ピットが発生する。成長温度が４３０℃以下では、ＩｎＡｓ層の表面に多数のピットが観察される。ピットは、観察画像では細かい黒点として現われる。
【0021】
成長温度が４６０℃のときは、４３０℃と比較してピットは大幅に減少するが、表面にピットが幾分残る。また、４６０℃の成長温度で、Ｖ／III比が２０になると、表面にピットが観察される。
【0022】
成長温度が４３０℃と４６０℃で、Ｖ／III比が１１、または１３のときに表面に観察される比較的大きな黒点はピットではなく、Ａｓ不足に起因するＩｎの凝集である。このような凝集も、応力集中の原因となり望ましくない。
【0023】
このＡＦＭ画像から、成長温度が、４６０℃よりも高く５２０℃以下、Ｖ／III比が１５以上、２０未満のときに、ピットが抑制された良好な表面が得られることがわかる。成長温度は、４９０℃～５２０℃の範囲が、より好ましい。
【0024】
図３は、ＧａＳｂの下地１０１の上に、Ｖ／III比が１５で、成長温度を４６０℃と５２０℃に変えてＩｎＡｓ層１０２を形成したときの、深さ方向のＳｂ濃度プロファイルである。濃い黒丸のデータ点は５２０℃でのＳｂ二次イオン強度、灰色のデータ点は４６０℃でのＳｂ二次イオン強度である。
【0025】
横軸はＩｎＡｓ層１０２の表面からの深さであり、１００ｎｍの深さがＧａＳｂの下地１０１との界面になる。縦軸は、１秒あたりのＳｂ二次イオンのカウント数である。
【0026】
ＧａＳｂの下地１０１との界面から約１５ｎｍの膜厚領域では、成長温度に関係なく、Ｓｂ濃度はほぼ一定である。この膜厚領域を「界面領域」を呼ぶ。界面領域で「Ｓｂ濃度が一定」という場合には、厳密に単一の値をさすものではなく、測定ばらつき、製造装置のばらつき等に起因する一定の範囲での濃度ばらつきを含むものとする。
【0027】
界面領域を超えると、Ｓｂ濃度は急激に低下し、低下したところから、Ｓｂ濃度は所定の傾きで膜厚方向にゆるやかに減少する。界面領域を超えた膜厚位置で、Ｓｂ濃度が所定の傾きで減少しはじめるときのＳｂ濃度を、「初期Ｓｂ濃度」とする。初期Ｓｂ濃度は、成長温度に関係なく、約３０００ｐｐｍである。
【0028】
初期Ｓｂ濃度からのＳｂ濃度の変化率は、成長温度によって異なる。５２０℃の成長温度の方が、Ｓｂ濃度の傾きは大きく、約４３ｐｐｍ／ｎｍである。４６０℃の成長温度でのＳｂ濃度の傾きは、約４１ｐｐｍ／ｎｍである。
【0029】
転位、ピット等の結晶欠陥が抑制された成長条件でＧａＳｂ上にＩｎＡｓ層を形成した場合、ＧａＳｂの下地１０１から、ＳｂがＩｎＡｓ層に拡散して、膜厚方向に所定の濃度プロファイルが形成される。良好にエピタキシャル成長されたＩｎＡｓ層１０２は、界面領域を超えてＳｂ濃度が急激に低下した膜厚でのＳｂ初期濃度が３０００ｐｐｍ、初期濃度からのＳｂ濃度傾きは、４１ｐｐｍ／ｎｍ～４３ｐｐｍ／ｎｍの範囲にある。
【0030】
このＳｂ濃度プロファイルを有する半導体ウエハ１００は、赤外線検出器、通信用のレーザ等に良好に適用することができる。微量のＳｂを含むＩｎＡｓ層を、「ＩｎＡｓ（Ｓｂ）層」と呼んでもよい。
【0031】
図１の半導体ウエハ１００で、ＩｎＡｓ層１０２がｎ型またはｐ型の不純物を含んでいる場合も、上述した成長条件で形成されている場合は、ｎ型またはｐ型のＩｎＡｓ層１０２は、膜厚方向に図３のＳｂ濃度プロファイルを有する。ｎ型またはｐ型の不純物を含むＩｎＡｓ層１０２も、転位、ピット等の欠陥が抑制されている。
【0032】
図４～図７は、図１の半導体ウエハ１００を用いた赤外線検出器の作製工程図である。まず図４で、ｎ型のＧａＳｂ基板１１上に、ＧａＳｂバッファ層１２、ｐ型ＧａＳｂのコンタクト層１３、ｐ型ＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09のエッチングストッパ層１４、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂのＴ２ＳＬ層１５、及びｎ型ＩｎＡｓのキャップ層１６をこの順で積層する。
【0033】
ｎ型のＧａＳｂ基板１１は、（００１）面から０．３５°微傾斜した基板を用いる。このＧａＳｂ基板１１を、固体ソース分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置に導入し、ヒータ加熱により基板温度を昇温する。
【0034】
ＭＢＥ装置で使用するＩｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｂの各原料は、標準的なセルを用いる。もしくは、Ｖ族のＡｓとＳｂは、バルブドクラッカーセルを用いてもよい。
【0035】
ＧａＳｂ基板１１の基板温度が４００℃に達した時点で、ＳｂをＧａＳｂ基板１１に照射する。Ｓｂのビームフラックスは、たとえば、５．０×１０-7 Torrである。基板温度の昇温を続けると、５５０℃に達した付近で、ＧａＳｂ表面酸化膜が解離する。その後さらに、Ｓｂビーム照射下で基板温度を５７０℃まで昇温し、１０分間保持し、表面酸化膜を完全に脱離させる。
【0036】
その後、Ｓｂビーム照射下で基板温度を５２０℃に設定し、Ｇａを照射して、ＧａＳｂバッファ層１２を厚さ１００ｎｍに形成する。Ｇａのビームフラックスは、たとえば５．０×１０-8 Torrとする。Ｖ／III比は１０となる。この条件下で、ＧａＳｂ成長速度は０．３０μｍ／ｈである。
【0037】
ＧａＳｂバッファ層１２が１００ｎｍに成長した時点で、Ｂｅを追加照射する。ＧａとＢｅの照射を継続して、ｐ型ＧａＳｂのコンタクト層１３を厚さ５００ｎｍに形成する。Ｂｅセル温度を、キャリア濃度がたとえば５．０×１０18ｃｍ-3となるように調整する。
【0038】
ｐ型ＧａＳｂのコンタクト層１３が５００ｎｍ成長した時点でＢｅとＧａの照射を停止し、Ｓｂ雰囲気下で、成長温度を４８０℃まで降温する。温度が安定した時点でＳｂの供給を停止し、３秒間、成長を中断する。
【0039】
続いて、Ｂｅ、Ｉｎ，Ａｓ、及びＳｂを照射して、厚さ１００ｎｍのｐ型ＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09のエッチングストッパ層１４を形成する。Ｂｅセル温度を、キャリア濃度がたとえば５．０×１０18ｃｍ-3となるように調整する。Ｉｎのビームフラックスはたとえば５．０×１０-8 Torr、Ａｓのビームフラックスはたとえば７．５×１０-７ Torr、Ｓｂのビームフラックスは、１．０×１０-８ Torrである。
【0040】
ｐ型ＧａＳｂのコンタクト層１３の上に形成されるＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09のエッチングストッパ層１４の成長温度は４８０～４９０℃であり、図２を参照して説明したように、ピット等の欠陥の発生が抑制されている。
【0041】
ｐ型ＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09のエッチングストッパ層１４が１００ｎｍ成長した時点で、Ｂｅ、Ｉｎ，Ａｓ、及びＳｂの照射を停止し、４００℃まで降温する。
【0042】
続いて、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂのＴ２ＳＬ層１５を形成する。一例として、２ｎｍ厚のＩｎＡｓ薄膜１５１と、２ｎｍ厚のＧａＳｂ薄膜１５２を２００周期形成して、厚さ８００ｎｍのＴ２ＳＬ層１５とする。Ｔ２ＳＬ層１５の最上層はＧａＳｂ薄膜１５２となる。
【0043】
具体的には、Ｓｂビームの照射を停止したまま、ＩｎとＡｓを照射する。Ｉｎのビームフラックスは５．０×１０-8 Torr、Ａｓのビームフラックスは７．５×１０-7 Torrとする。Ｖ／III比は１５である。ＩｎＡｓの成長速度は、たとえば０．３０μｍ／ｈである。
【0044】
ＩｎＡｓを２ｎｍ形成した時点で、ＩｎとＡｓの供給を停止し、真空下で３秒間、成長を中断する。
【0045】
続いて、ＧａとＳｂを照射する。Ｇａのビームフラックスは５．０×１０-8 Torr、Ｓｂのビームフラックスは５．０×１０-7 Torrとする。Ｖ／III比は１０である。ＧａＳｂの成長速度は、たとえば０．３０μｍ／ｈである。
【0046】
ＧａＳｂを２ｎｍ形成した時点でＧａとＳｂの供給を停止し、真空下で３秒間、成長を中断する。
【0047】
上述したＩｎＡｓ薄膜１５１とＧａＳｂ薄膜１５２の形成を１サイクルとし、２００サイクル繰り返して、トータルの厚さが８００ｎｍのＴ２ＳＬ層１５を形成する。このＴ２ＳＬ層１５は、図４の適用例では、光吸収層として機能する。下地のエッチングストッパ層１４で転位、ピット等が抑制されているため、Ｔ２ＳＬ層１５の欠陥も抑制され、キャリアトラップの原因が低減されている。
【0048】
続いて、Ｓｂ照射下で成長温度を４９０℃まで昇温する。４９０℃で成長温度が安定した後、Ｓｂ照射を停止し、Ｉｎ，Ａｓ、Ｓｉを照射しｎ型ＩｎＡｓのキャップ層１６を厚さ１００ｎｍに形成する。このとき、Ｉｎのビームフラックスは５．０×１０-8 Torr、Ａｓのビームフラックスは７．５×１０-7 Torrとする。Ｖ／III比は、モル分比で１５となる。ＩｎＡｓの成長速度は、たとえば０．３０μｍ／ｈである。Ｓｉセル温度は、キャリア濃度がたとえば５．０×１０18ｃｍ-3となるように調整される。
【0049】
ｎ型ＩｎＡｓのキャップ層１６が１００ｎｍまで成長した時点で、Ｉｎの供給を停止する。その後、Ａｓビーム照射下で降温し、基板温度が４００℃になった時点でＡｓビーム照射を停止して、図４の積層を得る。図４の積層構造を有するＧａＳｂ基板をＭＢＥ装置から取り出す。
【0050】
この積層構造で、キャップ層１６の界面領域を超えた膜厚位置でＳｂ組成が急激に低下したときのＳｂ初期濃度は約３０００ｐｐｍ、初期濃度からの膜厚方向に向かってＳｂ濃度は、４１ｐｐｍ／ｎｍ～４３ｐｐｍ／ｎｍの範囲で低減している。
【0051】
図５で、図４の積層体に各画素のためのメサ２０を形成する。図４の積層の上部に、所定の開口パターンを有するレジストパターンを形成し、ドライエッチング装置に導入して、たとえばＣＦ4系のガスを用いて、ｎ型ＩｎＡｓのキャップ層１６、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子のＴ２ＳＬ層１５、及びｐ型ＩｎＡｓ0.91Ｓｂ0.09のエッチングストッパ層１４を、エッチング除去する。画素となるメサ２０のサイズは、たとえば５０μｍ×５０μｍ、画素を分離する溝幅は１０μｍ程度、画素数はたとえば２５６×２５６とする。この設計では、画素領域のトータルの面積は、15.36 mm×15.36 mmとなる。
【0052】
図６で、エッチング加工した基板をプラズマＣＶＤ装置に導入し、ＳｉＨ4及びＮＨ3系のガスを用いて、全面にＳｉＮのパッシベーション膜２１を形成する。パッシベーション膜２１の膜厚は、たとえば１００ｎｍである。パッシベーション膜２１上に、所定の開口を有するレジストパターンを形成し、ＣＦ4系のガスでパッシベーション膜２１の所定の箇所をエッチングして、電極用の開口２３と２４を形成する。
【0053】
開口２３はメサ２０の上面に形成されて、開口２３内にｎ型ＩｎＡｓのキャップ層１６が露出する。開口２４は、隣接する画素１１０を分離する溝の底面に形成されて、開口２４内にｐ型ＧａＳｂのコンタクト層１３の一部が露出する。その後、レジストパターンを除去する。
【0054】
図７で、電極用の開口２３と開口２４に対応する開口形状にレジストをパターニングして、スパッタリング法によりＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの電極膜を形成し、リフトオフにより電極２５と電極２６を形成する。電極２５は、ｎ型ＩｎＡｓのキャップ層１６に接続される。ｎ型ＩｎＡｓのキャップ層１６はｎ型のコンタクト層としても機能する。キャップ層１６は、上述したように所定の温度範囲、所定のＶ／III比で形成されており、ピット等の欠陥が抑制されている。電極２６は、ｐ型ＧａＳｂ層のコンタクト層１３に接続されている。
【0055】
電極２５の上に、たとえばＩｎのバンプ電極を形成して、赤外線検出器１０が作製される。
【0056】
図８は、図７の赤外線検出器１０を信号読み出し回路５０にフリップチップ接続した撮像装置１の模式図である。赤外線検出器１０は、ＧａＳｂ基板１１の裏面から入射する赤外線を検出する。メサ２０で形成される各画素１１０の電極２５に接続されたバンプ電極１０８は、信号読み出し回路５０の電極５２に設けられた対応するバンプ電極５４と接合されて、信号読み出し回路５０と電気的に接続されている。
【0057】
赤外線検出器１０の端部にはダミー画素１０５が形成され、ダミー画素１０５にバイアス印加用の表面配線１０６が形成され、表面配線１０６はダミー画素１０５のバンプ電極１０９に接続されている。
【0058】
信号読み出し回路５０から、バンプ電極５４、バンプ電極１０９、及び表面配線１０６を介して、コンタクト層１３にバイアス電圧が印加される。信号読み出し回路５０によって、各画素１１０のバンプ電極１０８に電圧が印加されると、各画素１１０のＴ２ＳＬ層１５で吸収された赤外光の量に比例した光電流が流れる。各画素１１０から得られる光電流は、アナログ電気信号として、信号読み出し回路５０に入力される。信号読み出し回路５０は、ノイズキャンセラ、増幅器などを有していてもよい。
【0059】
信号読み出し回路５０の出力信号に、Ａ／Ｄ変換、画像変換処理等を施して、画像信号を取得してもよい。信号読出し回路５０に設けられている電極５２の一部を用いて、信号読出し回路５０への制御信号の入力や、信号読出し回路５０の出力信号の取り出しを行ってもよい。
【0060】
実施形態の赤外線検出器１０では、各画素１１０のメサ２０でＴ２ＳＬ層１５の上下を挟むキャップ層１６とエッチングストッパ層１４の少なくとも一方を所定の温度条件で成長することで、転位、ピット等の結晶欠陥が抑制されている。
【0061】
エッチングストッパ層１４に実施形態の成長方法を適用することで、Ｔ２ＳＬ層１５での転位、欠陥を低減することができる。実施形態の成長方法をＩｎＡｓのキャップ層１６に適用することで、キャップ層の転位、欠陥を低減することができる。
【0062】
この結果、Ｔ２ＳＬ層１５とキャップ層１６の転位、欠陥等に起因するキャリアトラップと発生電流を抑制することができる。赤外線検出器１０の暗電流を低減して、感度を向上することができる。
【0063】
以上、特定の実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は実施例で例示された構成に限定されない。ｎ型ＩｎＡｓのキャップ層１６とオーミック接触する電極材料はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層に限定されず、Ａｕ－Ｇｅの上にＮｉを積層した電極、Ａｕ－Ｇｅの上にＰｔ、Ａｕをこの順に積層した電極など、適切な良導体を適宜用いることができる。
【0064】
パッシベーション膜２１の材料はＳｉＮに限定されず、絶縁性の保護膜であればよく、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮ、Ａｌ２Ｏ３などを用いることができる。キャップ層１６の導電型はｎ型に限定されずｐ型であってもよい。この場合は、キャップ層１６はｐ型コンタクトとして用いられてもよい。Ｔ２ＳＬ層１５の下部のコンタクト層１３の導電型はｐ型に限定されず、ｎ型のコンタクト層であってもよい。ＧａＳｂ基板１１の導電型はｎ型に限定されず、ｐ型基板を用いてもよい。
【0065】
図８の撮像装置１を、光学系、及び表示装置と組み合わせて、赤外線撮像システムを構築してもよい。レンズ等の光学系を用いて、赤外光を効率よく赤外線検出器１０のＧａＳｂ基板１１の裏面に入射し、各画素１１０から得られる検出値を画像信号に変換して表示装置に画像表示してもよい。このような赤外線撮像システムは、セキュリティシステム、無人探査システム等に適用可能であり、赤外光を検出するので、夜間の監視システムにも有効に適用できる。
【0066】
実施形態の半導体ウエハ１００とその成長方法を光通信用の面発光レーザ等に適用する場合は、Ｔ２ＳＬの活性層で発生する光を効率良く取り出すことができる。
【0067】
以上の説明に対して、以下の付記を呈示する。
（付記１）
ＧａＳｂの下地と、
積層方向で前記下地の上に配置されるＩｎＡｓ層と、
を有し、前記ＩｎＡｓ層は、膜厚方向に所定の濃度分布を有するＳｂを含み、
前記Ｓｂの濃度は、４１ｐｐｍ／ｎｍ以上、４３ｐｐｍ／ｎｍ以下の傾きで前記膜厚方向に減少することを特徴とする半導体ウエハ。
（付記２）
前記ＩｎＡｓ層において、前記傾きで前記Ｓｂの濃度減少が開始する初期Ｓｂ濃度は３０００ｐｐｍであることを特徴とする付記１に記載の半導体ウエハ。
（付記３）
前記濃度分布は、前記下地との界面から前記ＩｎＡｓ層の所定膜厚までの界面領域で一定濃度の前記Ｓｂを含み、前記界面領域を超えた膜厚位置で、前記Ｓｂの濃度が前記初期Ｓｂ濃度まで低下することを特徴とする付記２に記載の半導体ウエハ。
（付記４）
前記濃度分布でＳｂを含む前記ＩｎＡｓ層には、ｎ型またはｐ型の不純物が添加されていることを特徴とする付記１～３のいずれかに記載の半導体ウエハ。
（付記５）
ＩｎＡｓとＧａＳｂの繰り返しサイクルを有し、赤外帯域に感度を有する超格子層と、
積層方向で前記超格子層の上に配置されるＩｎＡｓ層と、
を有し、
前記超格子層の最上層はＧａＳｂ薄膜であり、
前記ＩｎＡｓ層は、膜厚方向に所定の濃度分布で存在するＳｂを含み、
前記Ｓｂの濃度は、４１ｐｐｍ／ｎｍ以上、４３ｐｐｍ／ｎｍ以下の傾きで前記膜厚方向に減少することを特徴とする赤外線検出器。
（付記６）
前記ＩｎＡｓ層において、前記傾きで前記Ｓｂの濃度減少が開始する初期Ｓｂ濃度は３０００ｐｐｍであることを特徴とする付記５に記載の赤外線検出器。
（付記７）
前記積層方向で、前記超格子層の下方に配置されるＧａＳｂコンタクト層と、
前記ＧａＳｂコンタクト層と前記超格子層の間に配置され、所定組成のＳｂを含むＩｎＡｓ（Ｓｂ）エッチングストッパ層と、
を有し、
前記ＩｎＡｓ（Ｓｂ）エッチングストッパ層は、４１ｐｐｍ／ｎｍ以上、４３ｐｐｍ／ｎｍ以下の傾きで濃度が前記ＩｎＡｓエッチングストッパ層の膜厚方向に減少するＳｂ原子を含むことを特徴とする付記５または６に記載の赤外線検出器。
（付記８）
付記５～７のいずれかに記載の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器に接合される信号読み出し回路と、
を有する撮像装置。
（付記９）
ＧａＳｂの上に、成長温度が４６０℃より高く、５２０℃以下、Ｖ／III比がモル分比で１５以上、２０未満の条件でＩｎＡｓ層、または所定組成のＳｂを含むＩｎＡｓ（Ｓｂ）層をエピタキシャル成長する、
ことを特徴とする半導体ウエハの製造方法。
（付記１０）
前記成長温度を４９０℃以上、５２０℃以下に設定することを特徴とする付記９に記載の半導体ウエハの製造方法。
（付記１１）
ＧａＳｂ基板の上に、ＩｎＡｓとＧａＳｂの繰り返しサイクルを有する超格子層を形成し、
前記超格子層の最上層のＧａＳｂ薄膜の上に、成長温度が４６０℃より高く、５２０℃以下、Ｖ／III比がモル分比で１５以上、２０未満の条件でＩｎＡｓ層をエピタキシャル成長し、
前記超格子層と前記ＩｎＡｓ層を含む積層体を加工して複数の画素を有する画素領域を形成する、
赤外線検出器の製造方法。
（付記１２）
前記成長温度を４９０℃以上、５２０℃以下に設定することを特徴とする付記１１に記載の赤外線検出器の製造方法。
（付記１３）
前記超格子層の形成の前に、前記ＧａＳｂ基板の上にＧａＳｂコンタクト層を形成し、
前記ＧａＳｂコンタクト層の上に、所定組成のＳｂを含むＩｎＡｓ（Ｓｂ）エッチングストッパ層を、４６０℃より高く、５２０℃以下の温度範囲と、モル分比で１５以上、２０未満のＶ／III比でエピタキシャル成長し、
前記ＩｎＡｓ（Ｓｂ）エッチングストッパ層の上に前記超格子層を形成する、
付記１１または１２に記載の赤外線検出器の製造方法。
（付記１４）
前記ＩｎＡｓ（Ｓｂ）エッチングストッパ層の前記温度範囲を４９０℃以上、５２０℃以下に設定することを特徴とする付記１３に記載の赤外線検出器の製造方法。
（付記１５）
前記ＧａＳｂコンタクト層は、第１の導電型の不純物を含んおり、
前記ＩｎＡｓ層は、第２の導電型の不純物を含んでいる、
付記１３または１４に記載の赤外線検出器の製造方法。
（付記１）
ＧａＳｂの下地と、
積層方向で前記下地の上に配置されるＩｎＡｓ層と、
を有し、前記ＩｎＡｓ層は、膜厚方向に所定の濃度分布を有するＳｂを含み、
前記Ｓｂの濃度は、４１ｐｐｍ／ｎｍ以上、４３ｐｐｍ／ｎｍ以下の傾きで前記膜厚方向に減少することを特徴とする半導体ウエハ。
（付記２）
前記ＩｎＡｓ層において、前記傾きで前記Ｓｂの濃度減少が開始する初期Ｓｂ濃度は３０００ｐｐｍであることを特徴とする付記１に記載の半導体ウエハ。
（付記３）
前記濃度分布は、前記下地との界面から前記ＩｎＡｓ層の所定膜厚までの界面領域で一定濃度の前記Ｓｂを含み、前記界面領域を超えた膜厚位置で、前記Ｓｂの濃度が前記初期Ｓｂ濃度まで低下することを特徴とする付記２に記載の半導体ウエハ。
（付記４）
前記濃度分布でＳｂを含む前記ＩｎＡｓ層には、ｎ型またはｐ型の不純物が添加されていることを特徴とする付記１～３のいずれかに記載の半導体ウエハ。
（付記５）
ＩｎＡｓとＧａＳｂの繰り返しサイクルを有し、赤外帯域に感度を有する超格子層と、
積層方向で前記超格子層の上に配置されるＩｎＡｓ層と、
を有し、
前記超格子層の最上層はＧａＳｂ薄膜であり、
前記ＩｎＡｓ層は、膜厚方向に所定の濃度分布で存在するＳｂを含み、
前記Ｓｂの濃度は、４１ｐｐｍ／ｎｍ以上、４３ｐｐｍ／ｎｍ以下の傾きで前記膜厚方向に減少することを特徴とする赤外線検出器。
（付記６）
前記ＩｎＡｓ層において、前記傾きで前記Ｓｂの濃度減少が開始する初期Ｓｂ濃度は３０００ｐｐｍであることを特徴とする付記５に記載の赤外線検出器。
（付記７）
前記積層方向で、前記超格子層の下方に配置されるＧａＳｂコンタクト層と、
前記ＧａＳｂコンタクト層と前記超格子層の間に配置され、所定組成のＳｂを含むＩｎＡｓ（Ｓｂ）エッチングストッパ層と、
を有し、
前記ＩｎＡｓ（Ｓｂ）エッチングストッパ層は、４１ｐｐｍ／ｎｍ以上、４３ｐｐｍ／ｎｍ以下の傾きで濃度が前記ＩｎＡｓエッチングストッパ層の膜厚方向に減少するＳｂ原子を含むことを特徴とする付記５または６に記載の赤外線検出器。
（付記８）
付記５～７のいずれかに記載の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器に接合される信号読み出し回路と、
を有する撮像装置。
（付記９）
ＧａＳｂの上に、成長温度が４６０℃より高く、５２０℃以下、Ｖ／III比がモル分比で１５以上、２０未満の条件でＩｎＡｓ層、または所定組成のＳｂを含むＩｎＡｓ（Ｓｂ）層をエピタキシャル成長する、
ことを特徴とする半導体ウエハの製造方法。
（付記１０）
前記成長温度を４９０℃以上、５２０℃以下に設定することを特徴とする付記９に記載の半導体ウエハの製造方法。
（付記１１）
ＧａＳｂ基板の上に、ＩｎＡｓとＧａＳｂの繰り返しサイクルを有する超格子層を形成し、
前記超格子層の最上層のＧａＳｂ薄膜の上に、成長温度が４６０℃より高く、５２０℃以下、Ｖ／III比がモル分比で１５以上、２０未満の条件でＩｎＡｓ層をエピタキシャル成長し、
前記超格子層と前記ＩｎＡｓ層を含む積層体を加工して複数の画素を有する画素領域を形成する、
赤外線検出器の製造方法。
（付記１２）
前記成長温度を４９０℃以上、５２０℃以下に設定することを特徴とする付記１１に記載の赤外線検出器の製造方法。
（付記１３）
前記超格子層の形成の前に、前記ＧａＳｂ基板の上にＧａＳｂコンタクト層を形成し、
前記ＧａＳｂコンタクト層の上に、所定組成のＳｂを含むＩｎＡｓ（Ｓｂ）エッチングストッパ層を、４６０℃より高く、５２０℃以下の温度範囲と、モル分比で１５以上、２０未満のＶ／III比でエピタキシャル成長し、
前記ＩｎＡｓ（Ｓｂ）エッチングストッパ層の上に前記超格子層を形成する、
付記１１または１２に記載の赤外線検出器の製造方法。
（付記１４）
前記ＩｎＡｓ（Ｓｂ）エッチングストッパ層の前記温度範囲を４９０℃以上、５２０℃以下に設定することを特徴とする付記１３に記載の赤外線検出器の製造方法。
（付記１５）
前記ＧａＳｂコンタクト層は、第１の導電型の不純物を含んおり、
前記ＩｎＡｓ層は、第２の導電型の不純物を含んでいる、
付記１３または１４に記載の赤外線検出器の製造方法。
【符号の説明】
【0068】
１ 撮像装置
１０ 赤外線検出器
１１ ＧａＳｂ基板
１２ バッファ層
１３ コンタクト層
１４ エッチングストッパ層
１５ Ｔ２ＳＬ層（超格子層）
１５１ ＩｎＡｓ薄膜
１５２ ＧａＳｂ薄膜
１６ キャップ層（ＩｎＡｓ層）
５０ 信号読み出し回路
１００ 半導体ウエハ
１０１ 下地（ＧａＳｂ）
１０２ ＩｎＡｓ層
１０ 赤外線検出器
１１ ＧａＳｂ基板
１２ バッファ層
１３ コンタクト層
１４ エッチングストッパ層
１５ Ｔ２ＳＬ層（超格子層）
１５１ ＩｎＡｓ薄膜
１５２ ＧａＳｂ薄膜
１６ キャップ層（ＩｎＡｓ層）
５０ 信号読み出し回路
１００ 半導体ウエハ
１０１ 下地（ＧａＳｂ）
１０２ ＩｎＡｓ層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】