JP2006270060A - 受光素子と受光素子を用いた光通信用受信モジュールおよび受光素子を用いた計測器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＩｎＰ基板の上に結晶性の良い欠陥の少ない受光層を形成することによって１．６５μｍ〜３．０μｍの中赤外光を受光できる製造容易で暗電流の小さい受光素子を与えること。
【解決手段】 ＩｎＰ基板の上に直接にあるいはＩｎＰバッファ層を介して１．６５μｍ〜３．０μｍの範囲にバンドギャップを持つＧａＩｎＮＡｓＰ受光層又はＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層或いはＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ受光層を設け、ＩｎＰ窓層或いはＩｎＡｌＡｓ窓層をその上に設けるかあるいは設けず、マスクして亜鉛を選択拡散してｐ領域を形成しｐ電極をつける。ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ或いはＧａＩｎＮＡｓＰＳｂはＩｎＰ基板と格子整合（不整合度±０．２％以下）するので格子定数を徐々に変化させるグレーディッド層が不要である。ＩｎＰ基板はｎ−ＩｎＰでもＳＩ−ＩｎＰでもよい。
１．６５μｍ〜３．０μｍの中赤外光の受光素子を製造することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、３−５族化合物半導体を用いた近赤外領域、特に１．６５μｍ以上３．０μｍ以下の波長域に感度を持つ受光素子およびそれを用いた光通信用モジュールあるいは計測システムに関する。

石英ファイバを用いた光通信用の発光素子、受光素子は１．５５μｍ付近で石英光ファイバの吸収が最少になるので１．５５μｍの波長の信号光が用いられる。また送信と受信で別の波長の信号が要るのでもう一つの波長として１．３μｍの信号光が用いられる。これも石英光ファイバでの吸収が小さい。これらは光通信の信号光であって、受光素子はｎ−ＩｎＰ基板の上にｎ−ＩｎＰバッファ層、ＩｎＧａＡｓ受光層、ｎ−ＩｎＰ窓層をエピタキシャル成長させ、窓層の上にマスクを付けて亜鉛を選択拡散してｐ領域を形成し、ｎ電極、ｐ電極を付けたものが用いられる。

ＩｎＧａＡｓ受光層は三元系であるからＩｎＰとの格子整合の条件で混晶比が決まる。例えばＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓというような組成のものが受光層に用いられる。受光層組成によってバンドギャップも決まるのであるが、光通信用ＩｎＧａＡｓ受光層で受光できるのは１μｍ〜１．６μｍの範囲である。バンドギャップの広い従来の光通信用のＩｎＧａＡｓ受光層では１．６５μｍ以上の近赤外光、中赤外光を受光できない。

１．６５μｍ〜３．０μｍの光は、水に対する吸収があったり食物の糖度の試験に利用できる可能性がある。図６は水の吸収率の波長依存性を示すグラフである。横軸は光の波長（ｎｍ）である。縦軸は水の吸収率を示す。１２００ｎｍまで吸収が殆どない。１４００ｎｍで４０％程度の吸収が現れる。しかし１６００ｎｍ〜１７００ｎｍでは再び吸収は減少する。１９００ｎｍで吸収のピークがある。２０００ｎｍで減って、２２００ｎｍ〜２８００ｎｍの間では吸収が増加し続ける。２８００ｎｍ〜３１００ｎｍで吸収が１００％近くになる。１４００ｎｍの吸収ピークは低く不十分である。

であるから水の濃度を測定したいというなら、１９００ｎｍか２８００ｎｍ〜３１００ｎｍの中赤外光が適している。中赤外光を発光する光源と、受光する受光素子があれば中赤外光用のセンサを製造することができる筈である。

水分濃度を測定するセンサができれば、いろいろな用途がある。例えば土壌の水分を簡易に測定できる。あるいはゴミ処理装置において生ゴミ中の水分量を測定できる。光学的手段によるのであるから静電容量や誘電容量の変化によって水分量を測定するセンサよりも設置容易で測定簡便である。

有機物は多数のＣ−Ｈ，Ｏ−Ｈ、Ｎ−Ｈなどの結合を持ち振動準位を作るから中赤外光の範囲に吸収のピークをいくつも持っている。そのピークに合わせた波長の光を発光して有機物にあて透過光を受光することによって有機物の濃度を求めることもできる。たとえばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）は図７のような吸収スペクトルを持っている。１６５０ｎｍ、２１４０ｎｍ、２３００ｎｍに強い吸収がある。これらの吸収ピークを利用してＰＥＴの濃度を測定することができる筈である。

特開平９−１６６７１７号

特許文献１は光通信の送受信モジュールでレーザと受光素子（ＰＤ）を同一直線上におくようにするために受光素子にＩｎＧａＡｓＰ受光層を使ったものである。ＩｎＧａＡｓＰは４元系であるから組成を自由に変化させることができ、１μｍ〜１．４μｍだけに感度のある受光素子を作っている。ＩｎＧａＡｓよりもバンドギャップの大きいＩｎＧａＡｓＰ混晶を使って吸収端波長を１．４μｍにしている。

ＩｎＧａＡｓ受光層と違って感度領域が狭いので、１．５５μｍを発生するレーザの前においてレ−ザ光を透過させるようにできる。分波器、合波器が不要であるという利点がある。受光層が４元系であるフォトダイオードが公知であることを示すために説明した。本発明の波長範囲である、１．６５μｍ〜３μｍという範囲には入らないが、５族として砒素Ａｓと燐Ｐを含むものであるからここに挙げた。

Ｔ．Ｍｕｒａｋａｍｉ，Ｈ．Ｔａｋａｈａｓｉ，Ｍ．Ｎａｋａｙａｍａ，Ｙ．Ｍｉｕｒａ、Ｋ．Ｔａｋｅｍｏｔｏ，Ｄ．Ｈａｒａ，"ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ/ＩｎＡｓｙＰ１−ｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ（１−２．６μｍ）"、Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ"

１．６５μｍ以上の近赤外波長域で感度をもつ光検出器としてＩｎＧａＡｓやＧａＩｎＮＡｓを受光層とする受光素子が提案されている。基板はＩｎＰ基板か或いはＧａＡｓ基板である。

非特許文献１は受光層をＩｎＧａＡｓとした中赤外光のフォトダイオードを提案している。ＩｎＧａＡｓといってもＩｎＰ基板に整合する組成（例えば、Ｉｎ５３％、Ｇａ４７％）だと前記のように１〜１．６μｍにしか感度がない。非特許文献１が作製したのはＧａの比率を下げＩｎの比率を上げてバンドギャップをより狭くしたＩｎ_０．８２Ｇａ_０．１８Ａｓである。Ｉｎの比率が高いのでバンドギャップが狭くて中赤外光を受光できる。組成を変えると２．６μｍまで感度があるＩｎＧａＡｓ系の受光素子を作る事ができると主張している。しかしＩｎの比率を上げると基板のＩｎＰと格子整合しなくなる。

中赤外光用ＩｎＧａＡｓの場合、例えば２．６μｍまで感度を有するためにはＩｎＰとの格子不整合が大きく結晶欠陥が発生して暗電流が高くなるという問題がある。そこで非特許文献１は格子緩和のためＩｎＰ基板とＩｎＧａＡｓ受光層の間に例えば１２〜２０層のｙを少しずつかえたＩｎＡｓ_ｙＰ_１−ｙのグレーディッド層を設けている。一つ一つの厚みは１μｍである。だから１２μｍ〜２０μｍの厚みのグレーディッド層が、ＩｎＰ基板とＩｎＧａＡｓ受光層の間に介在して格子不整合を減縮するようにしている。そのために暗電流は十分に小さくなっていると主張している。暗電流は２０μＡ〜３５μＡであると述べている。

図８に非特許文献１が提案しているフォトダイオードの構造を示す。ｎ^＋―ＩｎＰ基板５２の上に、混晶比ｙの少しずつ異なるグレーディッド層ＩｎＡｓ_ｙＰ_１ーｙ５３を１２〜２０層積層している。さらにその上にＩｎＡｓ_０．６Ｐ_０．４層５４を設けている。その上に受光層である、ｎ―Ｉｎ_０．８２Ｇａ_０．１８Ａｓ５５を設けさらにＩｎＡｓ_０．６Ｐ_０．４５６の窓層を成長させている。ＩｎＡｓ_０．６Ｐ_０．４窓層の上にＳｉＮなどのマスクを付け亜鉛拡散し素子の中央部にｐ領域を設け、受光層の中間にｐｎ接合を形成する。さらにｐ型領域にｐ電極５８を形成している。ＩｎＰ基板底面にｎ電極６０をつけている。Ｉｎ_０．８２Ｇａ_０．１８Ａｓ受光層と格子整合しなければならないので窓層はＩｎＰとすることができない。

特開平９−２１９５６３「半導体光素子とそれを用いた応用システム」

一方ＧａＩｎＮＡｓを受光層とする受光素子も提案されている。例えば特許文献２はそのような発光素子と受光素子を提案する。これは１．７μｍから５μｍの中赤外光を受光するために提案されたものである。３族がＧａとＩｎ、５族がＮとＡｓよりなる四元系である。バンドギャップが０．７３ｅＶ以下であるものを作ることができるので１．７μｍ以上の波長の光を受光できると述べている。

図９は特許文献２が提案した２０７６ｎｍの吸収端波長を持つ受光層を用いたフォトダイオードの断面図である。ｎ−ＩｎＰ基板の上にｎ−ＩｎＰ層、ノンドープＧａＩｎＮＡｓ層、ｐ−ＩｎＰ層、ｐ−ＧａＩｎＡｓ層をエピタキシャル成長によって形成している。さらに素子の両側部をｎ−ＩｎＰ基板にいたるまでエッチング除去して凸の字型にしている。表面をＳｉＯ_２で覆って、さらに上頂部に穴を開けてｐ−ＧａＩｎＡｓにオーミック接合するようにｐ電極を形成している。ｎ−ＩｎＰ基板の底面にはリング状にｎ電極を形成している。受光層はＧａＩｎＮＡｓである。

非特許文献１は、多数枚のＩｎＡｓ_ｙＰ_１−ｙグレーディッド層を介在させて、ＩｎＰ基板と、Ｉｎ_０．８２Ｇａ_０．１８Ａｓの格子不整合を抑制している。そのような少しずつｙが大きくなる多数のグレーディッド層をエピタキシャル成長させるのは難しいし高コストになり望ましくない。それに暗電流は十分に低いとはいえない。通常のＩｎＰ基板とその上にエピタキシャル成長させたＩｎＧａＡｓ受光層よりなる光通信用のフォトダイオードの暗電流より３桁多い暗電流を示している。

またＩｎＰでなくて、ＩｎＡｓＰを窓層に用いることから、その組成に対応した窓効果により１．５μｍ以下の短波長領域での感度が大きく低下する。さらに非常に高いストレスが結晶に内在するためにプロセス途中で割れ易く、量産性が悪いという欠点がある。

特許文献２のＧａＩｎＮＡｓを受光層とする受光素子はいまだ実現されていない。その理由はＧａＩｎＮＡｓそのものの結晶成長が技術的に難しいためである。特に０．２μｍ以上のバルク結晶で良好な結晶性を実現することは難しい。特許文献２はＧａＩｎＮＡｓがＩｎＰ基板と格子整合すると言うが格子整合条件が満足されても良好なＧａＩｎＮＡｓ薄膜を成長させる事は難しい。ＩｎＰ基板の上にうまく薄膜結晶が成長するのに必要な条件は格子整合条件だけではないということである。たとえＧａＩｎＮＡｓ四元系がＩｎＰと整合していてもＩｎＰの上に成長させるとＧａＩｎＮＡｓには多大の欠陥が生じて良質の単結晶薄膜にならない。

つまり、中赤外域で機能する感度に優れ暗電流の小さい受光素子はいまだないということである。

本発明は、ＧａＩｎＮＡｓＰまたはＧａＩｎＮＡｓＳｂあるいはＧａＩｎＮＡｓＰＳｂの組成の受光層（光吸収層）をＩｎＰ基板状に形成したフォトダイオードを提案する。基板としてＩｎＰ基板を用いることができ、１．６７μｍ〜３．０μｍの中赤外光を受光することができる。ＧａＩｎＮＡｓに燐ＰまたはアンチモンＳｂまたはＰとＳｂの両方を加えた受光層（光吸収層）を形成することによってＩｎＰとの格子整合性を高め良好な結晶性を有する受光層を実現することを提案する。

つまり特許文献２などによって提案されているＧａＩｎＮＡｓだけでは結晶組成の不均一性や欠陥が顕著であるが、Ｐ、Ｓｂを加えることによって結晶組成の不均一や欠陥の発生を打ち消すことができる。格子定数だけを比べると特許文献２のＧａＩｎＮＡｓはＩｎＰ基板と同じであるにしても、うまくＩｎＰ基板の上にＧａＩｎＮＡｓが厚くきれいに成長しない。本発明はＰやＳｂを微少量加えて堅固で整合性のよい薄膜単結晶を作る。ＰやＳｂを添加することによってバンドギャップは長波長化する効果もあるし、また、これらの添加によって良質の単結晶がＩｎＰ基板の上に整合性良く成長することができる。本発明の骨子はそこにある。ＰとＳｂは別々に加えるだけでも効果があるがＰとＳｂの両方を加えても良い。

受光層組成における好ましいＳｂの含有量は０．１ａｔ％〜２０ａｔ％である。Ｓｂ含有量が２０ａｔ％を越えると格子不整合が現れて欠陥が発生する。０．１ａｔ％以下であると欠陥の発生を抑制できない。

受光層組成における好ましいＰの含有量は０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％である。Ｐの含有量が１０ａｔ％を越えると発光強度が弱くなるという欠点がある。Ｐの含有量が０．０１％以下だと欠陥が増大する。ＰとＳｂの両方を加えた場合の受光層組成におけるＳｂおよびＰの含有量はそれぞれ０．１ａｔ％〜２０ａｔ％、０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％である。０．１ａｔ％以下のＳｂ，０．０１ａｔ％以下のＰでは加えても効果が現れない。

ＧａＩｎＮＡｓにＰまたはＳｂを微少量添加するだけで欠陥の発生を抑制することができる。ＰまたはＳｂを上の範囲で含むＧａＩｎＮＡｓで形成される受光層は、ＩｎＰ基板との格子不整合度（｜Δａ／ａ｜）は０．２％以下である。つまり図８において説明したように非特許文献１ではＩｎ_０．８２Ｇａ_０．１８Ａｓ受光層をそのままＩｎＰ基板の上に形成できないから、ＩｎＰ基板とＩｎ_０．８２Ｇａ_０．１８Ａｓ受光層を整合させるためのＩｎＡｓ_ｙＰ_１−ｙグレーディッド層（１２〜２０層程度）をぜひとも設けなければならなかった。

グレーディッド層はＭＢＥ法などで形成できるが混晶比ｙを正確に定量的に変化させる必要があり製造は容易でなくコスト高を招く。本発明ではそのような基板と受光層（光吸収層）を格子整合させるためのグレーディッド層が不要であるということである。それは受光層がはじめから基板と±０．２％の範囲で格子整合しているからである。グレーディッド層が要らないから製造容易になるしコストも低く歩留まりも向上する。

それに窓層は図８のようにＩｎＡｓ_０．６Ｐ_０．４にする必要はない。非特許文献１は受光層とＩｎＰが整合しないので窓層もＩｎＡｓ_０．６Ｐ_０．４にしなければならなかった。それは受光層がＩｎＰと整合していないからである。ところが本発明でＧａＩｎＮＡｓＰまたはＧａＩｎＮＡｓＳｂあるいはＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ受光層がＩｎＰ基板と整合しているから窓層としてもＩｎＰを使うことができる。あるいはＩｎＰと格子整合してＩｎＰよりも若干バンドギャップ波長の短いＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓを窓層としても使うことができる。ＩｎＰのバンドギャップが０．９２μｍであるのに対してＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓのバンドギャップは０．８６μｍである。ＩｎＰ窓層が使えるので混晶比の制御の難しいＩｎＡｓ_０．６Ｐ_０．４を窓層として作る必要がなく窓層の製造が容易となる。

それだけでなくて窓層としてＩｎＡｓＰを使うと吸収があるので１．５μｍ以下の波長で感度が低下してしまう。ところが本発明は受光層がＩｎＰ基板と整合しているから窓層としてＩｎＰまたはＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓを用いることができ１．５μｍ以下で吸収がなく１．５μｍ以下の短波長領域での感度低下は起こらない。

本発明は、ＧａＩｎＮＡｓに、ＰまたはＳｂあるいはＰとＳｂの両方を追加したＧａＩｎＮＡｓＰまたはＧａＩｎＮＡｓＳｂあるいはＧａＩｎＮＡｓＰＳｂを受光層にしＩｎＰ基板の上に作製したフォトダイオードを提案する。ＧａＩｎＮＡｓはたとえ格子定数が合致していても、ミクロに見れば結晶組成が不均一で欠陥が生ずるのであるが、ＳｂまたはＰまたはその両方を少し添加することによって、結晶組成を均一化させ欠陥発生を抑えることができる。基板と受光層が整合するので良好な受光層結晶が得られることを実験的に見いだしている。

また、傾斜基板を使うことによりＮの取り込み効率が向上して結晶の均一性が良くなることも本発明者は見いだしている。通常の（１００）面を表面とする（１００）面ＩｎＰ基板ではなくて表面が（１００）面から少し傾斜しているオフアングルＩｎＰ基板を使うと窒素Ｎの取り込み効率が上がり受光層、窓層などの結晶の均一性を向上させることができる。望ましいＩｎＰ基板の傾斜角（オフ角；オフアングル）は（１００）から０．２゜〜２０゜である。

図１１に本発明の受光素子(ＧａＩｎＮＡｓP受光層)の一例に係る構造を示す。ｎ−ＩｎＰ基板２の上に、ｎ−ＩｎＰ層３、ＧａＩｎＮＡｓＰ受光層４、ｎ−ＩｎＰ窓層５がエピタキシャル成長によって設けられる。ｎ−ＩｎＰ層３はバッファ層であるがこれはｎ型にドープしてもよいしノンドープでもよい。ノンドープでもｎ型になる。ｎ−ＩｎＰ窓層５もｎ型ドープしてもノンドープでもよい。ノンドープでもｎ型になる。ｎ−ＩｎＰ窓層５の上に保護膜７（ＳｉＮ、ＳｉＯ_２）をつけ中央部に開口部を設けてマスクとし開口部から亜鉛を選択拡散してｐ領域６を形成する。ｐｎ接合９がＧａＩｎＮＡｓＰ受光層４の中間にできる。ｐ領域６の上にはｐ電極８を設けている。ｎ−ＩｎＰ基板２の底面にはｎ電極１０を設けている。受光層は５元系になる。複雑な層であるが、ＧａＩｎＮＡｓに少しの量のＰが入っているのでＩｎＰ基板と格子定数が近似しており格子整合性に優れている。受光層の混晶比を変えて１．６５μｍ〜３μｍの波長範囲に感度を持つようにする事ができる。

図１２に本発明の受光素子（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層）の他の例に係る構造を示す。ｎ−ＩｎＰ基板２の上に、ｎ−ＩｎＰ層３、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層２４、ｎ−ＩｎＰ窓層５がエピタキシャル成長によって設けられる。ｎ−ＩｎＰバッファ層３はノンドープでもｎ型にドープしてもよい。ノンドープでもｎ型となる。図１１の受光素子と同様にｎ−ＩｎＰ窓層５の上に保護膜７（ＳｉＮ、ＳｉＯ_２など）をつけ中央部に開口部を設けてマスクとし開口部から亜鉛を選択拡散してＺｎ拡散領域（ｐ領域）６を形成する。ｐｎ接合９がＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層２４の中間にできる。ｐ領域６の上にはｐ電極８を設けている。ｎ−ＩｎＰ基板２の底面にはｎ電極１０を設けている。受光層はＧａＩｎＮＡｓＳｂの５元系になる。ＧａＩｎＮＡｓに少しの量のＳｂが入っているのでＩｎＰ基板との相性がよくなり整合性に優れている。受光層の混晶比を変えて１．６５μｍ〜３μｍの波長範囲に感度を持つようにする事ができる。

図１６に本発明の第３のタイプの受光素子(ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ受光層)の一例に係る構造を示す。ｎ−ＩｎＰ基板２の上にノンドープＩｎＰ層１３、ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ受光層１４、ＩｎＡｌＡｓ窓層２５、ＩｎＧａＡｓキャップ層２６がエピタキシャル成長によって設けられる。ノンドープＩｎＰ層１３はバッファ層である。ノンドープでもｎ型になる。ｎ−ＩｎＡｌＡｓ窓層２５もｎ型ドープしてもノンドープでもよい。ノンドープでもｎ型になる。ＩｎＧａＡｓキャップ層２６もｎ型ドープしてもノンドープでもよい。ノンドープでもｎ型になる。ＩｎＧａＡｓキャップ層２６の上に保護膜７（ＳｉＮ、ＳｉＯ_２）をつけ中央部に開口部を設けてマスクとし開口部から亜鉛を選択拡散してｐ領域６を形成する。ｐｎ接合９がＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ受光層１４の中間にできる。ｐ領域６の上にはｐ電極８を設けている。ｎ−ＩｎＰ基板２の底面にはｎ電極１０を設けている。受光層は６元系になる。複雑な層であるが、ＧａＩｎＮＡｓに少しの量のＰとＳｂが入っているのでＩｎＰ基板と格子定数が近似しており格子整合性に優れている。受光層の混晶比を変えて１．６５μｍ〜３μｍの波長範囲に感度を持つようにする事ができる。

図１１、図１２、図１６に示すものは上面から光が入る上面入射型のフォトダイオードを例示しているが裏面入射型とすることもできる。裏面入射型の場合はｎ電極をリング状に形成し中央開口部をつくり開口部から基板の底面に光が入射するようにする。
本発明のＩｎＰ基板はｎ−ＩｎＰ基板とは限らない。半絶縁性基板ＳＩ−ＩｎＰを用いることもできる。

図１３は鉄（Ｆｅ）ドープＳＩ−ＩｎＰ基板３０の上に、ｎ−ＩｎＰ層３２、ｎ−ＩｎＰバッファ層３３、ＧａＩｎＮＡｓＰ３４、ｎ−ＩｎＰ窓層３５をエピ成長させ、保護マスク（ＳｉＮ、ＳｉＯ_２）３７をつけ、亜鉛を選択拡散してＺｎ拡散領域（ｐ領域）３６を形成している。ＧａＩｎＮＡｓＰ３４の半ばにｐｎ接合３９ができる。ＩｎＰ窓層３５、ＧａＩｎＮＡｓＰ３４、ｎ―ＩｎＰバッファ層３３の両側をエッチングで除去しｎ−ＩｎＰ層３２を露呈する。ｎ−ＩｎＰ層３２にｎ電極４０を設ける。ｐ領域３６にｐ電極３８をつける。露出した部分は保護膜３７で被覆する。ＳＩ−ＩｎＰ基板３０の裏面から光が入射するようになっている。構造は複雑であるが、ｎ−ＩｎＰ（例えばＳドープ）よりも鉄ドープのＳＩ−ＩｎＰの方が透明度が高いので、感度をより高くすることができる。

図１４は鉄（Ｆｅ）ドープＳＩ−ＩｎＰ基板３０の上に、ｎ−ＩｎＰ層３２、ｎ−ＩｎＰバッファ層３３、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ４４、ｎ−ＩｎＰ窓層３５をエピ成長させ、保護マスク（ＳｉＮ、ＳｉＯ_２）３７をつけ、亜鉛を選択拡散してＺｎ拡散領域（ｐ領域）３６を形成している。ＧａＩｎＮＡｓＳｂ４４の半ばにｐｎ接合３９ができる。ＩｎＰ窓層３５、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ４４、ｎ―ＩｎＰバッファ層３３の両側をエッチングで除去しｎ−ＩｎＰ層３２を露呈する。ｎ−ＩｎＰ層３２にｎ電極４０を設ける。ｐ領域３６にｐ電極３８をつける。露出した部分は保護膜３７で被覆する。ＳＩ−ＩｎＰ基板３０の裏面から光が入射するようになっている。

本発明は、ＧａＩｎＮＡｓＰまたはＧａＩｎＮＡｓＳｂあるいはＧａＩｎＮＡｓＰＳｂを受光層（光吸収層）とするので、ＩｎＰ基板と良好に整合することができる。多少格子不整合があってもそれを±０．２％以内に抑制することができる。ＩｎＰ基板との不整合がないので結晶性はよくて欠陥が少ない良質の結晶となる。暗電流は少なく感度に優れた受光素子となる。Ｓｂの好ましい濃度は０．１ａｔ％〜２０ａｔ％であり、Ｐの好ましい濃度は０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％である。ａｔ％というのは５族元素の中での比率をいう。全体の原子に対しての比率ではない。混晶比の百分比表現である。ＧａＩｎＮＡｓと本発明のＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓP、ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂとはエピタキシャル成長結晶の表面の面粗度の違いによっても分る。本発明の効果を調べるため、図１７に示すようなエピタキシャル成長薄膜を作って表面の状態を観察した。鉄ドープＩｎＰ基板の上に０．３μm厚みのＩｎＡｌＡｓバッファ層を設け更にその上に１μm厚みのＧａＩｎＮＡｓ（従来例）とＧａＩｎＮＡｓＳｂ（本発明）をエピタキシャル成長させてサンプルを作製した。
具体的な組成はＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ｎ_{０．０１８}Ａｓ_{０．９８２}(従来例)とＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ｎ_{０．０１８}Ａｓ_{０．９３２}Ｓｂ_０．０５(本発明)である。これは従来例のＡｓ原子の一部をＳｂによって置き換えたものである。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって両方のサンプルの表面の凹凸を観察した。
図１８はＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ｎ_{０．０１８}Ａｓ_{０．９８２}(従来例)の表面を示す。顕微鏡写真によっても表面の荒さがよく分る。一本の直線にそった面の凹凸をグラフで示した。横軸は線分に沿った寸法であり5μmの長さを示す。縦軸は表面の微小な凹凸でありフルスケールは±２５nmである。１０nm〜5nm程度の凹凸が多数見られる。±１５nmもの凹凸がある。表面の荒れが甚だしく面粗度は大きい。
図１９はＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ｎ_{０．０１８}Ａｓ_{０．９３２}Ｓｂ_０．０５(本発明)の表面をしめす。顕微鏡写真によっても表面の平坦度の優れていることがよく分る。一本の直線にそった面の凹凸をグラフで示した。横軸は線分に沿った寸法であり０．７μmの長さを示す。縦軸は表面の微小な凹凸でありフルスケールは±２．５nmである。図１８のスケールの１／１０であることに注意すべきである。０．３nm〜０．１nm程度の凹凸はあるが極めて滑らかで平坦であることが分る。面粗度は図１８の従来例のものの大体１／３０以下になっている。図１９の試料はＳｂを５ａｔ％添加しただけで他の条件は同じである。だから表面状態が改善されたのはＳｂ添加の効果である。

ＩｎＧａＡｓを受光層とする非特許文献１に述べている（図８）ような基板と受光層の格子不整合を緩和するためのＩｎＡｓ_ｙＰ_１−ｙグレーディッド層が不要である。グレーディッド層の製造は層数が２０枚程度と多いので微妙な制御を必要とし時間もかかる。本発明はそのような格子整合のための機構が不要であるから非特許文献１に比べて構造簡単で製造コストを削減することができる。

非特許文献１はＩｎＧａＡｓを受光層としＩｎＰともともと格子不整合なのでＩｎＰ窓層を受光層の上に設けることができない（図８）。ＩｎＡｓＰを窓層としているがこれは１．５μｍより短い波長を吸収してしまう。本発明は窓層をＩｎＰとすることができる。ＩｎＰは１．５μｍ以下の光を通すことができる。

非特許文献１は暗電流が２０μＡ〜３０μＡ（＠１Ｖ、３００Ｋ）と言っているが、それは暗電流として小さい値でない。本発明は格子不整合がないので欠陥が少なく暗電流は２〜５ｎＡ程度にすることができる。暗電流が小さいというのはフォトダイオードにおいて重要なことである。本発明は暗電流が非特許文献１の１／１０００〜１／１００００程度であるから優れた受光素子である。

特許文献２はＩｎＰ基板またはＧａＡｓ基板の上にＧａＩｎＮＡｓを受光層を設けた中赤外光用の受光素子であるが、先ほども述べたようにＧａＩｎＮＡｓのＩｎＰ基板上への結晶成長は難しく０．２μｍ以上の厚みを持つ良好な結晶構造を持つＧａＩｎＮＡｓはまだ得られていない。たとえＧａＩｎＮＡｓの理論的な格子定数がＩｎＰ基板の格子定数ａと同じであっても、うまくＩｎＰ基板の上に厚く（０．２μｍ以上の厚みに）成長しない。

本発明はＧａＩｎＮＡｓにＰまたはＳｂあるいはＰとＳｂの両方を加えてより容易に良質の結晶の成長を可能としている。格子定数の一致以外に、ミクロに見た結晶組成の均一性を向上し、欠陥発生を抑制する必要がある。それをＰとＳｂが満たしているものと考えられる。

［実施例１（ＧａＩｎＮＡｓＰ受光層／ＩｎＰ基板：ジャスト基板、オフアングル基板：ＭＯＶＰＥ法：図１、３）］

（１）図１に示すような構造の受光素子を製作した。
電極・層構造は上から順に、
ｐ電極８／ＳｉＮ膜７
ノンドープＩｎＰ窓層５（ｄ＝１．５μｍ）／Ｚｎ拡散領域６
ｎ−ＧａＩｎＮＡｓＰ４（Ｓｉドープ；ｎ＝３×１０^１５ｃｍ^−３、ｄ＝１μｍ）
ノンドープＩｎＰバッファ層３（ｄ＝２μｍ）
ｎ−ＩｎＰ基板２（Ｓドープ）
ｎ電極１０
というようになっている。

２インチＳドープｎ−ＩｎＰ基板２にノンドープＩｎＰ３（２μｍ厚み）、Ｓｉを微量ドープしたＧａＩｎＮＡｓＰ４（キャリヤ濃度３×１０^１５ｃｍ^−３、１μｍ厚み）、ノンドープＩｎＰ窓層５（１．５μｍ厚み）をＭＯＶＰＥ法でエピタキシャル成長した。エピタキシャル成長温度は５２０℃である。

原料はトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、ターシャリブチルアルシン（ＴＢＡｓ）、ターシャリブチルホスフィン（ＴＢＰ）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）、テトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）である。

ＩｎＰ基板は、（１００）ジャスト基板と、（１００）から［１１１］方向に１０゜傾斜したオフアングル基板の２種類を用いた。

ＧａＩｎＮＡｓＰ受光層とＩｎＰ基板との格子不整合度は０．１％である。格子不整合は常に±０．２％以下にすることができた。ＩｎＰ基板の上にＩｎＰバッファ層、ＧａＩｎＮＡｓＰ層を成長させた段階で成長を中断しフォトルミネッセンスを調べた。

ＧａＩｎＮＡｓＰ層のＰＬ（フォトルミネッセンス）スペクトルを図３に示す。横軸は波長（μｍ）、縦軸はフォトルミネッセンス強度（任意目盛り）である。実線は１０゜オフアングルＩｎＰ基板の上にＩｎＰ／ＧａＩｎＮＡｓＰ／ＩｎＰをエピタキシャル成長させたものである。破線は（００１）ジャストＩｎＰ基板の上にＩｎＰ／ＧａＩｎＮＡｓＰ／ＩｎＰをエピタキシャル成長させたものである。ＧａＩｎＮＡｓＰのフォトルミネッセンスは波長２．４μｍ以下では微弱であるが２．４５μｍ程度で増えはじめ、波長２．６μｍでピークを示した。受光層のバンドギャップが約０．４８ｅＶだということがわかる。

（１００）ジャスト基板の上に形成したものより、［１１１］方向に１０度傾斜したオフアングル基板の上に形成したものの方がフォトルミネッセンス強度が強いという結果を得た。オフアングル基板の上に設けたＧａＩｎＮＡｓＰの方がジャスト基板の上に設けたＧａＩｎＮＡｓＰよりも約６倍のフォトルミネッセンス強度を示している。オフアングル基板の上に成長させた受光層の方が結晶性が優れているということである。

［１１１］方向に１０度傾斜したオフアングルＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長したウエハ（ＩｎＰ基板／ＩｎＰバッファ層／ＧａＩｎＮＡｓＰ／ＩｎＰ窓）を用いてＰＩＮ型フォトダイオードを作製した。ＳｉＮをマスクにしてＺｎを選択拡散してＧａＩｎＮＡｓＰ内にｐｎ接合を形成した。

受光径は３００μｍΦである。暗電流は３ｎＡ（＠２Ｖ、３００Ｋ）であって良好な結果を得た。これはＩｎＧａＡｓ受光層をもつ非特許文献１の暗電流（２０μＡ〜３０μＡの約１万分の１である）。それはＧａＩｎＮＡｓＰの結晶性がよく欠陥が少ないということを意味している。優れた中赤外光用ｎフォトダイオードである。

［実施例２（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層／ＩｎＰ基板：ジャスト基板；オフアングル基板：ＭＢＥ法：図２、４）］
図２に示すような構造の受光素子を製作した。電極・層構造は上から順に、

ｐ電極８／ＳｉＮ膜７
ノンドープＩｎＰ窓層５（ｄ＝１．５μｍ）／Ｚｎ拡散領域６
ｎ−ＧａＩｎＮＡｓＳｂ２４（Ｓｉドープ；ｎ＝３×１０^１５ｃｍ^−３、ｄ＝１μｍ）
ノンドープＩｎＰバッファ層３（ｄ＝１μｍ）
ｎ−ＩｎＰ基板２（Ｓドープ）
ｎ電極１０
というようになっている。

２インチＳドープＩｎＰ基板にノンドープＩｎＰ（１μｍ厚み）、ノンドープのＧａＩｎＮＡｓＳｂ（キャリヤ濃度３×１０^１５ｃｍ^−３、１μｍ厚み）、ノンドープＩｎＰ窓層（１．５μｍ厚み）をＭＢＥ法でエピタキシャル成長した。成長温度は４９０℃である。

ＩｎＰ基板は（１００）ジャストＩｎＰ基板と、（１００）から［１−１１］方向に１５度傾斜したオフアングルＩｎＰ基板を用いた。ＧａＩｎＮＡｓＳｂ層までエピタキシャル成長した後表面のフォトルミネッセンスを測定した。その結果を図４に示す。横軸は波長（μｍ）である。縦軸はフォトルミネッセンス強度である（任意目盛り）。実線がオフアングル基板上に成長させたＧａＩｎＮＡｓＳｂのフォトルミネッセンスで、破線が（１００）ジャスト基板の上に成長させたフォトルミネッセンスである。実線は２．８μｍ程度まで低い値であるが、２．８６μｍあたりから急激に増大しはじめる。２．９５μｍでピークをもつ。

このＧａＩｎＮＡｓＳｂはバンドギャップ波長が２．９５μｍであるということである。バンドギャップは０．４２ｅＶである。オフアングル基板の上に設けたＧａＩｎＮＡｓＳｂの方が、（１００）ジャスト基板の上に成長させたＧａＩｎＮＡｓＳｂよりも２．９５μｍのピーク高さが約９倍高い。オフアングル基板上に設けた方が結晶性が優れて良質だということである。

基板のオフアングル（オフ角、傾斜角）の、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層（光吸収層）への影響を調べるために、オフアングルの違う幾つかのＩｎＰ基板を準備し、オフアングルＩｎＰ基板の上に、ＩｎＰバッファ層、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層（Ｓｂ濃度は１ａｔ％と５ａｔ％）を成長させた試料を同じ条件で作製した。その結果を図５、図１５に示す。横軸はＩｎＰ基板のオフ角（度）であり、縦軸はフォトルミネッセンス強度（任意目盛り）である。Ｓｂ濃度１ａｔ％（黒丸印））の場合もＳｂ濃度５ａｔ％（黒三角印）の場合もそれぞれ９つの種類の試料があり、グラフに９の点が打ってある。複数のサンプルで測定し平均したものである。

［１．Ｓｂ濃度が１ａｔ％の場合(図５の黒丸印)］
（１００）ジャストでフォトルミネッセンス（ＰＬ）が０．１、オフ角が２度でフォトルミネッセンスが０．２５である。オフ角が５度でフォトルミネッセンスは１．０に上がる。オフ角が１０度で最大値１．２を取る。オフ角が１３度でＰＬは１．０である。オフ角が１５度でＰＬは０．９に低下する。オフ角が２０度でＰＬは１．１５となる。２０度を越えるとＰＬは低下し始める。オフ角が２５度でＰＬは０．３に落ちる。オフ角が３３度でＰＬは０．０５に低下する。
この測定からＳｂ濃度が１ａｔ％の場合、望ましいＩｎＰ基板のオフアングルは５度〜２０度であることがわかる。この結果はＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層のものであるが、ＧａＩｎＮＡｓＰ受光層でも同様な結果が得られた。

［２．Ｓｂ濃度が５％の場合(図１５の黒三角印)］
（１００）ジャストでフォトルミネッセンス（ＰＬ）が０．１である。これはＳｂ＝１ａｔ％の場合と同じである。オフ角が０．２度でフォトルミネセンスが０．９に強くなる。オフ角が２度でフォトルミネッセンスは１．３に上がる。オフ角が５度でフォトルミネッセンスは１．０になる。オフ角が１０度でフォトルミネセンスは０．９を取る。オフ角が１３度でＰＬは１．０である。オフ角が１５度でＰＬは０．９に低下する。オフ角が２０度でＰＬは０．８５に落ちる。２０度を越えるとＰＬは低下し始める。オフ角が２５度でＰＬは０．２５に落ちる。オフ角が３３度でＰＬは０．０５に低下する。
この測定からＳｂ濃度が５ａｔ％の場合、望ましいＩｎＰ基板のオフアングルは０．２度〜２０度であることがわかる。この結果はＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層（Ｓｂ＝５ａｔ％）のものであるが、Ｓｂ濃度が２０ａｔ％以下であれば同様の結果が得られた。ＧａＩｎＮＡｓＰ受光層（Ｐ濃度０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％）でもＰの濃度を２ａｔ％に増やすことによって同様な結果が得られた。
さらにＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ（Ｐの濃度０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％、Ｓｂの濃度０．１ａｔ％〜２０ａｔ％）の場合でも同様の結果が得られた。
［Ｓｂ濃度およびＰ濃度の上限について］
Ｓｂの濃度が２０ａｔ％を越えるとフォトルミネセンスがほとんど得られなくなる。またノンドープでのキャリヤ濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３を越えるというように結晶純度が低下して、受光素子には使えないレベルの結晶純度しか得られなかった。
Ｐの濃度についても１０ａｔ％を越えるとエピ表面に曇りが生じ、フォトルミネセンスが殆ど得られなくなり、受光素子に用いることができない。

この実施例においてＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層とＩｎＰ基板との格子不整合度は０．１５％である。不整合が０．２％以下であるからグレーディッド層のようなものは不要でしかも結晶欠陥が少ないのである。

オフアングル基板（オフ角１５度）の上にＩｎＰ／ＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＩｎＰをエピタキシャル成長させたエピウエハに、ＳｉＮをマスクにしてＺｎを選択拡散してＧａＩｎＮＡｓＳｂ内にｐｎ接合を形成した。受光径は２００μｍΦであった。暗電流は２ｎＡ＠２Ｖと良好な結果を得た。これは非特許文献１の１／１０００程度の微少な暗電流である。優れた中赤外用フォトダイオードであることがわかる。

［実施例３（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層／ＩｎＰ基板：；オフアングル基板：フォトダイオード）］
実施例２で作製したＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＩｎＰ受光素子を用いて光通信用受信モジュールを作製した。受光径２００μｍである。暗電流は３ｎＡ＠５Ｖを得た。さらに感度の波長依存性を調べた。その結果を図１０に示す。横軸は波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ：ｎｍ）である。縦軸は相対感度（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ：ｄＢ）である。光通信で使われる通常のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ受光素子の感度の波長依存性も調べた。

通常のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰというのは先ほど述べた非特許文献１の中赤外用のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰとは異なる。これまでの１．３μｍバンド、１．５５μｍバンドを使う通常の光通信用の汎用型（グレーディッド層のない）ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰフォトダイオードである。

通常の光通信で使用されているＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰは９５０ｎｍから感度を有し、１３００ｎｍ、１５５０ｎｍまで良好な感度を持つ。しかし通常の光通信用ＩｎＧａＡｓフォトダイオードは１６２０ｎｍを越えるあたりで感度が急激に低下する。１６４０ｎｍで感度は殆どない。それはＩｎＧａＡｓ受光層のバンドギャップが０．７６ｅＶ程度で大きいからである。

それに対して、本発明のＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＩｎＰフォトダイオードでは１７００ｎｍまで感度が維持できている。これは１６２５ｎｍまでの高い感度の維持が必要なＬバンド帯の受信に適している。つまり本発明のフォトダイオードは長波長の光通信にも有用だということである。先ほど述べたように実施例２のＧａＩｎＮＡｓＳｂは２．９μｍに吸収端をもつから、１７００ｎｍ以上２９００ｎｍまで感度をもっている。石英ファイバを用いる光通信ではそのような長い波長を使わないのでその範囲の感度については別異の応用が可能である。

［実施例４（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層／ＩｎＰ基板；基板：フォトダイオード；土壌水分測定センサ）］
実施例２で作製したＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＩｎＰ受光素子を用いて土壌の水分量を測定した。図６に示すように水は１４５０ｎｍと１９５０ｎｍに吸収のピークを持つ。２９００ｎｍ〜３１００ｎｍも吸収が大きい。土壌水分はこれまで静電容量の変化などで測定する技術があったが、光学的に測定する技術は未だない。優れたセンサがないからである。水分を測定するためには上のような水に特有の吸収スペクトルピークの光をあて吸収光を計測すればよい。

１４５０ｎｍと１９５０ｎｍの２つの水の吸収スペクトルを用い本発明のＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＩｎＰ受光素子で透過光を受光し検量線を作製して計算した。その結果、実際に土壌を１０００℃まで加熱して蒸発した水分の重量から求めた水分量との差異は０．３％以内であった。つまり０．３％以内の精度で水分量を定量できたということである。

［実施例５（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層／ＩｎＰ基板；オフアングル基板：フォトダイオード；ＰＥＴ選別センサ）］
実施例２で作製したＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＩｎＰ受光素子を用いてプラスチックの分別システムを作製した。ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の吸収スペクトルは図７のようである。横軸は波長（ｎｍ）縦軸はスペクトル強度である。
さまざまのプラスチックからＰＥＴを選別する必要がある。一つの波長の光を測定していたのではＰＥＴと他の材料の区別がつかない。幾つかの選ばれた波長を使ってその波長の光の吸収あるいは透過を幾つかのフォトダイオードで測定する。それを、ニューラルネットワークを応用してスペクトル強度比を認識してＰＥＴを他の物質から選別できた。

［実施例６（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層／ＩｎＰ基板；オフアングル基板：フォトダイオード；果物糖度センサ）］
実施例２で作製したＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＩｎＰ受光素子を用いてりんごの糖度を測定した。１〜２μｍまでに見られるりんごの糖分による吸収から推定した糖度と従来の破壊検査法で測定した糖度の相関を調べた結果、糖度（１０〜２０％）において、±１％の精度で測定できる結果を得た。

［実施例７（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層／ＩｎＰ基板：０．２度オフ基板、ジャスト基板：ＭＯＶＰＥ法：図１６）］
（１）図１６に示すような構造の受光素子を製作した。
電極・層構造は上から順に、
ｐ電極８／ＳｉＮ膜７
Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓキャップ層２６（ｎ＝５×１０^１５ｃｍ^−３、ｄ＝０．０２μｍ）
ＳｉドープＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ窓層２５（ｎ＝５×１０^１５ｃｍ^−３、ｄ＝０．６μｍ）／Ｚｎ拡散領域６
ｎ−Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ｎ_{０．０１８}Ａｓ_{０．９３１５}Ｐ_{０．０００５}Ｓｂ_０．０５層１４（ノンドープ；ｎ＝８×１０^１５ｃｍ^−３、ｄ＝２μm）
ノンドープＩｎＰバッファ層１３（ｄ＝１μｍ）
ｎ−ＩｎＰ基板２（Ｓドープ）
ｎ電極１０
というようになっている。この受光層はＰが０．０５ａｔ％、Ｓｂが５ａｔ％のＧａＩｎＮＡｓＰＳｂである。

２インチＳドープｎ−ＩｎＰ基板２（（１００）面から［１１−１］方向に０．２度オフ）に、ノンドープＩｎＰ（１μm厚み）層１３、ノンドープＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ（キャリヤ濃度８×１０^１５ｃｍ^−３、２μｍ厚み）１４、ＳｉドープＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ窓層（キャリヤ濃度５×１０^１５ｃｍ^−３、０．６μｍ厚み）２５、Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓキャップ層（キャリヤ濃度５×１０^１５ｃｍ^−３、０．０２μm厚み）２６をＭＢＥ法でエピタキシャル成長した。エピタキシャル成長温度は４９０℃である。ＳｉＮ膜を拡散マスクにしてＺｎを選択拡散させた。ｐ電極はＴｉＰｔ、ｎ電極はＡｕＧｅＮｉを用いた。
受光径２００μmφのｐｉｎ型ＰＤを作製した。逆バイアス電圧１Ｖでの暗電流は1ｎＡであり十分小さい。良好なＰＤであった。

ｎ−ＩｎＰ基板の上にＧａＩｎＮＡｓＰ受光層を設けた本発明の実施例１に係る中赤外光用受光素子の断面図。

ｎ−ＩｎＰ基板の上にＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層を設けた本発明の実施例２に係る中赤外光用受光素子の断面図。

実施例１のＧａＩｎＮＡｓＰ受光層のフォトルミネッセンス測定結果を示すグラフ。横軸は波長（μｍ）、縦軸はフォトルミネッセンス強度（任意目盛り）である。

実施例２のＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層のフォトルミネッセンス測定結果を示すグラフ。横軸は波長（μｍ）、縦軸はフォトルミネッセンス強度（任意目盛り）である。

（１００）ジャスト基板と、（１００）面から［１１１］方向または［１１−１］方向に２度〜３３度傾斜したオフアングル基板の上に、ＩｎＰバッファ層を設けその上にＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層（Ｓｂ濃度１ａｔ％）を設けた試料のフォトルミネッセンス強度の測定結果を示すグラフ。

水による光の吸収率の波長依存性を示すグラフ。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は吸収率である。

ポリエチレンテレフタラートによる光の吸収率の波長依存性を示すグラフ。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は吸収率である。

非特許文献１（Ｔ．Ｍｕｒａｋａｍｉ，Ｈ．Ｔａｋａｈａｓｉ，Ｍ．Ｎａｋａｙａｍａ，Ｙ．Ｍｉｕｒａ、Ｋ．Ｔａｋｅｍｏｔｏ，Ｄ．Ｈａｒａ，“Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／ＩｎＡｓ_ｙＰ_１−ｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ（１−２．６μｍ）”、Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）によって提案されたＩｎＰ基板の上にグレーディッド層を介してＩｎＧａＡｓ受光層を設けた中赤外光用フォトダイオードの断面図。

特許文献２（特開平９−２１９５６３『半導体光素子とそれを用いた応用システム』）によって提案されたＩｎＰ基板上にＧａＩｎＮＡｓ受光層を設けた中赤外光用フォトダイオードの断面図。

本発明のＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＩｎＰフォトダイオードと、通常の光通信用ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰフォトダイオードの感度の波長依存性を示すグラフ。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は相対感度（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）である。

ｎ−ＩｎＰ基板の上にＩｎＰバッファ層を介してＧａＩｎＮＡｓＰ受光層を設けた本発明の中赤外光用受光素子の断面図。

ｎ−ＩｎＰ基板の上にＩｎＰバッファ層を介してＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層を設けた本発明の中赤外光用受光素子の断面図。

鉄ドープＳＩ−ＩｎＰ基板の上にｎ−ＩｎＰ層、ＧａＩｎＮＡｓＰを設けた本発明の中赤外光用受光素子の断面図。

鉄ドープＳＩ−ＩｎＰ基板の上にｎ−ＩｎＰ層、ＧａＩｎＮＡｓＳｂを設けた本発明の中赤外光用受光素子の断面図。

（１００）ジャスト基板と、（１００）面から[１１１]方向または[１１−１]方向に２度〜３３度傾斜したオフアングル基板の上に、ＩｎＰバッファ層を設けその上にＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層（Ｓｂ濃度５ａｔ％）を設けた試料のフォトルミネッセンス強度の測定結果を示すグラフ。

ｎ−ＩｎＰ基板の上にＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ受光層を設けた本発明の実施例７に係る中赤外光用受光素子の断面図。

鉄ドープＩｎＰ基板の上にＩｎＡｌＡｓ層を設けさらに、その上にエピタキシャル成長させたＧａＩｎＮＡｓ層（従来例）とＧａＩｎＮＡｓＳｂ層（本発明）の表面状態を比較するための試料の層構造図。

鉄ドープＩｎＰ基板の上にＩｎＡｌＡｓ層を設けさらにその上にＧａＩｎＮＡｓ層（比較例：Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ｎ_{０．０１８}Ａｓ_{０．９８２}）をエピタキシャル成長させたものの表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）写真と直線に沿った凹凸のグラフ。

鉄ドープＩｎＰ基板の上にＩｎＡｌＡｓ層を設けさらにその上にＧａＩｎＮＡｓＳｂ層（本発明例：Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ｎ_{０．０１８}Ａｓ_{０．９３２}Ｓｂ_０．０５）をエピタキシャル成長させたものの表面の原子間顕微鏡（ＡＦＭ）写真と直線に沿った凹凸のグラフ。

符号の説明

２ ｎ−ＩｎＰ基板
３ ＩｎＰバッファ層
４ ＧａＩｎＮＡｓＰ受光層（光吸収層）
５ ｎ−ＩｎＰ窓層
６ Ｚｎ拡散領域
７ 保護膜 （ＳｉＮ、ＳｉＯ_２）
８ ｐ電極
９ ｐｎ接合
１０ ｎ電極
１３ ノンドープＩｎＰ層
１４ ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ受光層（光吸収層）
２４ ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層 （光吸収層）
２５ ＩｎＡｌＡｓ窓層
２６ ＩｎＧａＡｓキャップ層
３０ ＳＩ−ＩｎＰ基板
３２ ｎ−ＩｎＰ
３３ ｎ−ＩｎＰ
３４ ＧａＩｎＮＡｓＰ
３５ ＩｎＰ
３６ Ｚｎ拡散領域
３７ 保護膜
３８ ｐ電極
３９ ｐｎ接合
４０ ｎ電極

Claims (16)

1. ＩｎＰ基板と、その上に設けられバンドギャップ波長が１．６５μｍ〜３．０μｍであるＧａＩｎＮＡｓＰ受光層（光吸収層）とを有する事を特徴とする受光素子。
2. ＧａＩｎＮＡｓＰ受光層におけるＰの濃度は０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
3. ＩｎＰ基板の格子定数をａとし、ＧａＩｎＮＡｓＰとＩｎＰの格子定数の差をΔａとして、ＧａＩｎＮＡｓＰはＩｎＰ基板に対して｜Δａ／ａ｜≦０．２％となるような格子整合度を有することを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
4. ＩｎＰ基板と、その上に設けられバンドギャップ波長が１．６５μｍ〜３．０μｍであるＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層（光吸収層）とを有する事を特徴とする受光素子。
5. ＧａＩｎＮＡｓＳｂ受光層においてＳｂの濃度が０．１ａｔ％〜２０ａｔ％である事を特徴とする請求項４に記載の受光素子。
6. ＩｎＰ基板の格子定数をａとし、ＧａＩｎＮＡｓＳｂとＩｎＰの格子定数の差をΔａとして、ＧａＩｎＮＡｓＳｂはＩｎＰ基板に対して｜Δａ／ａ｜≦０．２％となるような格子整合度を有することを特徴とする請求項４に記載の受光素子。
7. ＩｎＰ基板と、その上に設けられバンドギャップ波長が１．６５μm〜３．０μmであるＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ受光層（光吸収層）とを有することを特徴とする受光素子
8. ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ受光層においてＰの濃度は０．０１ａｔ％〜１０ａｔ％、Ｓｂの濃度は０．１ａｔ％〜２０ａｔ％であることを特徴とする請求項７に記載の受光素子。
9. ＩｎＰ基板の格子定数をａとし、ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂの格子定数とＩｎＰの格子定数の差をΔａとして、ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂはＩｎＰ基板に対して｜Δａ／ａ｜≦０．２％となるような格子定数を有することを特徴とする請求項７に記載の受光素子。
10. ＩｎＰ基板は（１００）から［１１１]方向または［１１−１］方向に０．２度〜２０度傾斜したオフアングル基板であることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の受光素子。
11. ＩｎＰ基板はＦｅドープした半絶縁性であることを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の受光素子。
12. 受光層の上にＩｎＰ窓層あるいはＩｎＡｌＡｓ窓層を備えることを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載の受光素子。
13. 請求項１から１２の何れかに記載の受光素子を含む事を特徴とする光通信用受光モジュール。
14. 請求項１から１２の何れかに記載の受光素子を用いた事を特徴とする水分濃度計測器。
15. 請求項１から１２の何れかに記載の受光素子を用いた事を特徴とする糖度計測器。
16. 請求項１から１２の何れかに記載の受光素子を用いた事を特徴とするプラスチック選別用計測器。

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