JP2005116567A - 半導体受光素子、及び半導体受光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 −４０℃の低温下において、長波長の受光感度が安定しており、かつ、歩留りの良い半導体受光素子を提供することを目的としている。
【解決手段】 半導体受光素子１は、ＩｎＰを含む半導体基板２上に設けられた光電変換部４を有する。光電変換部４は、ＩｎＰを含むバッファ層１４、ＩｎＧａＡｓを含む受光層１６、及びＩｎＰを含む窓層１８を含む。受光層１６に含まれるＩｎＧａＡｓと上記のＩｎＰの格子不整度Δａ／ａは、０．１％以上０．２５％以下の間で調整されている。かかる構成によれば、−４０℃の環境下において、１．６２５μｍの長波長においても安定した受光感度が得られる。また、半導体受光素子１は暗電流不良が低減されているので、歩留りが良い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体受光素子、及び半導体受光素子の製造方法に関するものである。

半導体受光素子として、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓを含む受光層を備えるものがある。この半導体受光素子では、室温でのＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの格子不整度が、−０．２％〜０％の範囲で製造されている。これを組成で表せば、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓに関して、０．５０≦ｘ≦０．５３の組成範囲のＩｎＧａＡｓが受光層に用いられる。かかる半導体受光素子は、室温で１．６５μｍの波長まで受光感度を有しているので、一般に光通信に用いられている１．５５μｍの信号光に対して十分な受光感度を有している。
特許第３２８８７１４号公報

ところで、１．５５μｍ以上の波長帯も利用することによって、ＷＤＭ通信システムの伝送容量を増加する試みがなされている。ここで、ＷＤＭ通信システムに用いられる半導体受光素子は、所望の波長帯において−４０℃〜８５℃の温度範囲で所定の受光感度を有することが求められる。しかしながら、従来の半導体受光素子は、−４０℃の低温下において１．６１μｍ以上の波長帯の受光感度が急激に低下する。

そこで、本発明は、−４０℃の低温下において、より長波長の受光感度が安定しており、かつ、歩留りの良い半導体受光素子を提供することを目的としている。

本願発明の発明者は、ＩｎＰを含む半導体基板上にＩｎＧａＡｓを含む受光層を備え、−４０℃において１．６２５μｍの長波長にも安定した受光感度を有する半導体受光素子に関する研究を行った結果、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓとの格子不整度Δａ／ａが０．１％以上必要であるという知見を得ている。また、格子不整度Δａ／ａを増加させると、ミスフィット転位による暗電流の増加によって歩留りが低下するが、格子不整度Δａ／ａが０．２５以下であれば、所望の歩留りを得ることができるという知見を得ている。

かかる知見に基づき、上記目的を達成するため、本発明の半導体受光素子は、ＩｎＰを含む半導体基板と、半導体基板上に設けられたＩｎＧａＡｓを含む受光層とを備え、ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの格子不整度Δａ／ａが、０．１％以上０．２５％以下であることを特徴としている。ここで、Δａ／ａ＝（ａ_{ＩｎＧａＡｓ}−ａ_ＩｎＰ）／ａ_ＩｎＰ、ａ_{ＩｎＧａＡｓ}はＩｎＧａＡｓの格子定数を示し、ａ_ＩｎＰはＩｎＰの格子定数を示している。これをＩｎＧａＡｓの組成によって表すと、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓに関して、０．５６≦ｘ≦０．５８である。

また、本発明の別の面は、上記の半導体受光素子の製造方法に関するものであり、ターシャルブチルアルシンを含むガスを用いた有機金属気相成長によって、ＩｎＰを含む半導体基板上にＩｎＧａＡｓを含む受光層を成長させることを特徴としている。

この半導体受光素子の製造方法によれば、Ａｓ原料としてアルシンＡｓＨ_３より熱分解温度が低いＴＢＡｓを含むガスを用いてＩｎＧａＡｓを成長させるので、受光層の成長温度を下げることができる。

以上説明したように、本発明によれば、−４０℃の低温下において、より長波長の受光感度が安定しており、かつ、歩留りの良い半導体受光素子が提供される。また、本発明によれば、ＩｎＧａＡｓを成長させる際の成長温度を下げることができるので、ＩｎＰと受光層のＩｎＧａＡｓとの境界でのミスフィット転位が低減される。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

本発明の第１実施形態にかかる半導体受光素子１について説明する。図１は、半導体受光素子１を一部破断して示す斜視図である。図１に示すように、半導体受光素子１は、半導体基板２と、光電変換部４と、パッシベーション膜６と、反射防止膜８と、アノード電極１０と、カソード電極１２とを備えている。

半導体基板２と光電変換部４とは、所定の軸方向に沿って順に設けられている。半導体基板２は、ＩｎＰを含む半導体基板である。半導体基板２には、高濃度の不純物が添加されている。半導体基板２の一方の面には、光電変換部４が配置されている。また、半導体基板２の他方の面には、その全面にＡｕＧｅＮｉといった材料によって構成されるカソード電極１２が設けられている。

光電変換部４は、バッファ層１４、受光層１６、及び窓層１８とを含んでいる。バッファ層１４、受光層１６、及び窓層１８は、所定の軸方向に順に設けられている。バッファ層１４はＩｎＰを含み、受光層１６はＩｎＧａＡｓを含み、窓層１８はＩｎＰを含んでいる。本実施形態では、バッファ層１４は厚さ１．６μｍであり、受光層１６は、厚さ３．６μｍであり、窓層１８は厚さ１．６μｍである。

窓層１８上には、所定の閉曲線に沿うようにパッシベーション膜６が設けられている。光電変換部４には、パッシベーション膜６の開口から拡散されたｐ型ドーパントを含むｐ型半導体領域２０が設けられている。ｐ型半導体領域２０は、窓層１８から受光層１６へ達している。本実施形態では、ｐ型半導体領域２０は、ｐ型ドーパントとしてＺｎを含んでいる。

窓層１８及びパッシベーション膜６上には、ＳｉＯＮといった絶縁材料を含む反射防止膜８が設けられている。反射防止膜８は、パッシベーション膜６の内方に位置する閉曲線に沿ってｐ型半導体領域２０の表面まで通じる開口が設けられている。アノード電極１０は、この開口に沿って設けられている。アノード電極１０は、例えば、Ａｕ、Ｚｎ、及びＡｕの多層金属に合金化処理を施すことによって構成される。

以下、受光層１６について詳細に説明する。受光層１６は、−４０℃の環境下において、１．６２５μｍの長波長にも安定した受光感度を有するように構成されている。そのため、本実施形態では、受光層１６に含まれるＩｎＧａＡｓと上記のＩｎＰとの格子不整度Δａ／ａが０．１５％とされている。

図２は、半導体受光素子１の波長−受光感度特性を示すグラフであり、図３は、従来の半導体受光素子、すなわち、格子不整度Δａ／ａが−０．２％〜０％の範囲で製造された半導体受光素子の波長−受光感度特性を示すグラフである。

図３に示すように、従来の半導体受光素子は、２５℃の環境下においては、長波長まで安定した受光感度を示すが、−４０℃の低温下では、１．６１μｍ以上の波長帯において受光感度が急激に低下する。一方、図２に示すように、本実施形態の半導体受光素子１は、−４０℃の低温下においても、１．６２５μｍ以上の長波長まで安定した受光感度を示す。

なお、本実施形態では、上述したように受光層１６に含まれるＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの格子不整度Δａ／ａが０．１５％とされているが、発明者の研究によれば、−４０℃の環境下において１．６２５μｍの長波長にも所望の受光感度を有するためには、格子不整度Δａ／ａが０．１％以上であれば良い。

一方、上記の格子不整度Δａ／ａの増加は、ミスフィット転位の増加を招き、半導体受光素子の暗電流不良が発生する。発明者の研究によれば、−５Ｖのバイアス印加時に１ｎＡ以上の暗電流を生じる半導体受光素子を不良と定義した場合に、格子不整度Δａ／ａが０．２５％を超えると暗電流不良が増加し、格子不整度Δａ／ａが０．２５％以下の半導体受光素子では５０％以上の歩留りが得られる。

したがって、ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの格子不整度Δａ／ａを０．１％以上０．２５％以下とすることによって、−４０℃の環境下において１．６２５μｍの長波長にも安定した受光感度を有する半導体受光素子が得られる。これを組成比で表せば、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓに関して、０．５６≦ｘ≦０．５８である。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、第１実施形態の半導体受光素子１の製造方法に関する。図４（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態にかかる製造方法に関し、各製造工程において製造される生産物の断面図である。

この製造方法においては、まず、ＩｎＰを含む半導体基板２上に、ＩｎＰを含むバッファ層１４、ＩｎＧａＡｓを含む受光層１６、及びＩｎＰを含む窓層１８が順にエピタキシャル成長によって形成され、図４（ａ）に示す中間生産物３０が製造される。

ここで、バッファ層１４及び窓層１８は、例えば、Ｉｎ原料としてＴＭＩｎ、Ｐ原料として熱分解温度がＰＨ_３ホスフィンなどより低いターシャルブチルフォスフィン（ＴＢＰ）を用いた有機金属気相成長法によって形成される。バッファ層１４及び窓層１８の成長条件は、例えば、成長温度を５８０℃、成長速度を１．０μｍ／ｈ、ＴＢＰとＴＭＩｎの流量比（ＴＢＰの流量／ＴＭＩｎの流量）を４３、成長圧力を４０Ｔｏｒｒとすることができる。

受光層１６は、Ａｓ原料としてターシャルブチルアルシン（ＴＢＡｓ）、Ｉｎ原料としてトリメチルインジューム（ＴＭＩｎ）、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用いた有機金属気相成長法によって形成される。

図５は、受光層１６を形成する際に用いられる有機金属気相成長装置３２の模式図である。有機金属気相成長装置３２は、減圧チャンバ３４と、減圧ポンプ３６と、ガスボックス４０とを備える。

減圧チャンバ３４は、基板Ｗを搭載するためのステージ４２と、ステージ４２を回転させるための回転機構４４とを有する。ステージ４２内には、ステージ温度を調整するためのヒータ４２ａが設けられている。減圧チャンバ３４は、反応生成物および原料ガスを排気する減圧ポンプ３６に接続されている。

ガスボックス４０は、Ｈ_２ガスソース５２、ＴＭＩｎを貯蔵する容器５４、ＴＥＧａを貯蔵する容器５６、ＴＢＰを貯蔵する容器５０、及び、ＴＢＡｓを貯蔵する容器５８を有している。容器５４、容器５６、容器５０及び容器５８は、それぞれマスフローコントローラ６０及びバルブ６２を介してＨ_２ガスソース５２に接続されている。Ｈ_２ガスソース５２は、ＭＦＣ６３、バルブ６４を介して減圧チャンバにも接続されている。また、容器５４、容器５６、容器５０及び容器５８は、バルブ６４を介して減圧チャンバに接続されている。

有機金属気相成長装置３２では、容器５４、容器５６、容器５０及び容器５８にＨ_２ガスソース５２からＨ_２が供給される。容器５４、容器５６、容器５０、容器５８からは、Ｈ_２によってバブリングされたＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、ＴＢＰ、ＴＢＡｓが、減圧チャンバへ供給される。III族原料であるＴＭＩｎおよびＴＥＧａとＶ族原料であるＴＢＰおよびＴＢＡｓとは減圧チャンバ上部で混合される。混合されたプロセスガスが、減圧チャンバ内で回転されつつ過熱された基板Ｗ上に供給されることによって、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＰが基板Ｗ上に成長される。ＩｎＧａＡｓの組成比は、ＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、ＴＢＡｓの流量比によって制御される。

本製造方法では、受光層１６は、例えば、下記の条件で製造される。
成長温度：５８０℃、
成長速度：１．０μｍ／ｈ、
成長圧力：４０Ｔｏｒｒ、
あり、
ＴＭＩｎ，ＴＥＧａ，ＴＢＡｓの供給量は、モル比換算で、
［Ａｓ］／［Ｉｎ＋Ｇａ］＝７．４、
［Ｇａ］／［Ｉｎ＋Ｇａ］＝０．３３
である。

ここで、従来のアルシンＡｓＨ_３を用いたＭＯＣＶＤでは、成長温度は６８０℃〜７００℃に設定される。ＩｎＧａＡｓの成長温度が高い場合には、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓの熱膨張係数差によってＩｎＰと受光層１６のＩｎＧａＡｓとの境界にミスフィット転位が導入され易くなる。本製造方法では、受光層１６のＡｓ原料としてＴＢＡｓが用いられているので、ＩｎＧａＡｓの成長温度を低下させることができる。このように、本製造方法では、成長温度を低下させて、受光層１６を成長させるので、ＩｎＧａＡｓとＩｎＰとの境界でのミスフィット転位が更に低減される。

また、本実施例のように、ＩｎＧａＡｓ受光層以外のＩｎＰ層の成長の際に、Ｐ原料としてＴＢＰを用いることにより、ＩｎＧａＡｓ受光層と同じ低温度の成長温度で一定温度に保ちながら成長できるので、エピタキシャル層への熱ストレスも無く、高品質のエピタキシャル成長層が得られる。

次に、窓層１８上にＳｉＮ膜が設けられる。そして、上記の所定の閉曲線に沿うパターンのレジストマスクがＳｉＮ膜上に設けられ、ＳｉＮ膜がエッチングされることによって、図４（ｂ）に示すように、パッシベーション膜６が形成される。

次に、図４（ｃ）に示すように、パッシベーション膜６の開口からＺｎが拡散されることによって（図４（ｃ）の参照符号７０）、ｐ型半導体領域２０が形成された中間生産物７２が製造される。

次に、ＳｉＯＮといった材料からなる反射防止膜８が窓層１８及びパッシベーション膜６上に成長されることによって、図４（ｄ）に示す中間生産物７４が製造される。

次に、パッシベーション膜６の内方に位置する閉曲線に沿って開口されたレジストマスクが、反射防止膜８上に設けられる。そして、このレジストマスクの開口に沿って、ｐ型半導体領域２０の表面まで通じる開口が反射防止膜８にエッチングによって設けられる。さらに、反射防止膜８に設けられた開口にアノード電極１０が設けられることによって、図４（ｅ）に示す中間生産物７６が製造される。ここで、アノード電極１０は、Ａｕ，Ｚｎ，Ａｕの順に蒸着後、レジストマスクのリフトオフ、及び合金化のための熱処理を経ることによって形成される。

次いで、カソード電極１２が、光電変換部４が設けられた面と反対側の半導体基板２の面に設けられることによって、図４（ｆ）に示すように、半導体受光素子１が形成される。

図１は、本発明の実施形態にかかる半導体受光素子を一部破断して示す斜視図である。 図２は、本発明の実施形態にかかる半導体受光素子の波長−受光感度特性を示すグラフである。 図３は、従来の半導体受光素子の波長−受光感度特性を示すグラフである。 図４（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態にかかる製造方法に関し、各製造工程において製造される生産物の断面図である。 図５は、本発明の実施形態にかかる半導体受光素子の受光層を形成するための有機金属気相成長装置の模式図である。

符号の説明

１…半導体受光素子、２…半導体基板、４…光電変換部、６…パッシベーション膜、８…反射防止膜、１０…アノード電極、１２…カソード電極、１４…バッファ層、１６…受光層、１８…窓層、２０…ｐ型半導体領域。

Claims (3)

1. ＩｎＰを含む半導体基板と、
   前記半導体基板上に設けられたＩｎＧａＡｓを含む受光層と
   を備え、
   前記ＩｎＧａＡｓと前記ＩｎＰとの格子不整度Δａ／ａが、０．１％以上０．２５％以下であり、
   ここで、Δａ／ａ＝（ａ_{ＩｎＧａＡｓ}−ａ_ＩｎＰ）／ａ_ＩｎＰ、ａ_{ＩｎＧａＡｓ}はＩｎＧａＡｓの格子定数を示し、ａ_ＩｎＰはＩｎＰの格子定数を示す半導体受光素子。
2. ＩｎＰを含む半導体基板と、
   前記半導体基板上に設けられたＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを含む受光層と
   を備え、
   前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓに関して、０．５６≦ｘ≦０．５８である半導体受光素子。
3. 請求項１又は２に記載の半導体受光素子の製造方法であって、
   ターシャルブチルアルシンを含むガスを用いた有機金属気相成長によって、ＩｎＰを含む半導体基板上にＩｎＧａＡｓを含む受光層を成長させる工程を含む半導体受光素子の製造方法。

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