JPS62257773A - 光半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、狭バンドギャップの化合物半導体層を用いた
光半導体素子およびその製造方法に関する。

（従来の技術） ｍ−ｖｔ！に化合物半導体である Ｉ　ｎ　Ａ　５ｌ−ｘＳ　ｂｘ　は、ｘ−０，６付近で
波長８〜１４μｍ帯に感度を有する赤外線検出素子材料
として知られている（例えば、Ｗｏｏｌｌｅｙ　　ａｎ
ｄＷａｒｎｅｒ　、　Ｃａｎ、　Ｊ、　ｏｆ　　Ｐｈｙ
ｓ　、　、　４２゜（１９６４）、Ｄ１８７９参照）。

従来この■ｎＡＳｌ−ｘＳｂｘ結晶を用いた赤外線検出
素子の製造方法としては、■−ｖ族化合物半導体である
ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、Ｇａｒｂなトノ結晶基板を用い、
この上に有機金屑化合物を用いた気相成、良法（ＭＯＣ
ＶＤ法）によりＩ　ｎＡｓ１−ｘ３ｂｘ層をエピタキシ
ャル成長させることが考えられている（例えば、Ｃｈｉ
ａｎｇ　　ａｎｄ　　３ｅｄａｉｒ　。

Ａｐｐｌ　、　　Ｐｈｙｓ　、　　Ｌｅｔｔ　、　、　
　４６．　　（１’９８５）　。

ｐ３８３参照）。これは、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ。

ＧａＳｂ等については結晶欠陥の少ない基板結晶を比較
的容易に入手することができるためである。

ところが、上述のような基板結晶にＭＯＣＶＤ法により
Ｉ　ｎ　Ａ　５ｌ−Ｘ　Ｓ　ｂｘ　層をエピタキシャル
成長させた場合、基板とエピタキシャル成長層との間に
大きい格子不整合が生じる。例えば、・ＩｎＳｂ基板結
晶にＩ　ｎ　Ａ　Ｓｏ、４　　Ｓ　ｂｏ、ｅ　　層をエ
ピタキシャル成長させた場合の格子不整合は２．６％程
度になる。この格子不整合は内部応力の原因となり、こ
の内部応力に起因してエピタキシャル層内に結晶欠陥が
発生する。このためＩ　ｎ　Ａ　５ｌ−ｘＳ　ｂｘ結晶
を用いた発光素子の報告はない。

上記した格子不整合の問題を解決する赤外線検出素子と
して、第４図に示す構造のものが、Ｄ。

Ｔ　、　Ｃｈｅｕｎｇ等により提案されている。４１は
ＩｎＡｓ基板結晶であり、この上に Ｉ　ｎＡ　５ｌ−ｘＳ　ｂｘ　バッファ１１４２をエピ
タキシャル成長させ、更にＩ　ｎ　Ａ　８１−ｘ　Ｓ　
ｂｘ　　フィルタ層４３をエピタキシャル成長させた後
に、活性層となるｎ型Ｉ　ｎＡ　５ｌ−ｘＳ　ｂｘ層お
よびｐ型Ｉ　ｎ　Ａ　５ｔ−ｘＳ　ｂｘ　１１をエピタ
キシャル成長させたものである。バッフｙｌｉ４２は、 Ｉ　ｎ　Ａ　５ｌ−ｘ　Ｓ　ｂｘ　の混晶組成比Ｘを、
０から０．０２ずつ０．１４まで順次変化させたグレー
テツド層であり、これにより格子不整合による内部応力
を極力抑えようとするものである。４３は短波長をカッ
トするためのものである。

しかしこの構成では、バッフ１層４２の礪能を十分に発
揮させるためにはその最上層の組成比を活性層のそれと
できるだけ近くするごとが望ましいが、このようにする
と基板４１側を受光窓とした場合に、活性層のｐｎｎ接
合側到達る先山が微弱なものとなる、という欠点があっ
た。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように、狭バンドギャップの Ｉ　ｎ　Ａ　５ｌ−ｘＳ　ｂｘ　結晶は赤外領域の受光
素子および発光素子として注目されながら、基板結晶と
の格子不整合のために島性能の受光素子および発光素子
が得られていない。

本発明はこの様な問題を解決した、 Ｉ　ｎ　Ａ　５ｌ−Ｘ　Ｓ　ｂｘ結晶を用いた光半導体
素子とその製造方法を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明にかかる光半導体素子は、 Ｃ（ｂ　−ｙ　　Ｚ　ｎｙ　　Ｔ　ｅ結晶基板（Ｏ≦ｙ
≦１）を用いてこの上にＩ　ｎ　Ａ　８１−Ｘ　Ｓ　ｂ
ｘ結晶ｍ　（０＜ｘく１）からなる活性層を設けたこと
を特徴とする。

本発明の方法は、Ｃｄｘ　−ｙ　　Ｚ　ｎｙ　　Ｔ　６
基板結晶（０≦ｙ≦１）上にＭＯＣＶＤ法ニヨッテＩｎ
Ａｓｌ−ｘＳｂｘ結晶層（０＜Ｘ＜１）７１）ｌらなる
活性層をエピタキシャル成長させて光半導体素子を形成
することを特徴とする。

（作用） Ｉｎ、Ａｓ　　　Ｓｂ　　結晶はその混晶比Ｘを選１−
Ｘ　　　　　　Ｘ ぶことにより、ＩｎＳｂよりも小さいバンドギャップを
もち、波長８〜１４μｍ帯の大気の窓と呼ばれる領域に
おける赤外線検出素子として有用な材料となる。一方こ
の結晶層のエピタキシャル成長基板として、Ｃｄｔ　　
ｙＺｎｙＴｅを用いると、ｙ その混晶比ｙを選ぶことによって、両者の格子不整合を
１％以下にすることができる。この関係は第３図に示す
通りである。従って本発明によれば、格子不整合に起因
する結晶欠陥のない ＩｎＡｓｌ−ｘＳｂｘ結晶層が得られる。また赤外光を
ＣｄｙＺｎｙＴｅ基板側から入射しても、基板での吸収
はなく、■ｎＡＳ０−ｘＳｂｘ結晶層からなる活性層に
十分な光量を到達させることができる。従って本発明に
よれば感度の高い赤外線検出素子が得られる。また結晶
欠陥の少ないＩ　ｎ　Ａ　５ｌ−ＸＳ　ｂ工結晶層が得
られることから、発光素子としても優れた特性のものが
実現できる。

またＣ　ｄ　ｌ　−ｙ　Ｚ　ｎ　ｙ　Ｔ　８基板は近年
、ＨＱＣｄＴｅ結晶のエピタキシャル成長用基板として
ブリッジマン法により大面積で結晶性の優れたものが量
産されるようになっており、良質の結晶基板が容易に入
手できる。従ってこの基板を用いて、ＭＯＣＶＤ法によ
り良質のＩ　ｎ　Ａ　５ｌ−ｘ　Ｓ　ｔ）ｘ結晶層から
なる活性層を形成することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は一実施例の赤外線検出素子である。

ｐ型Ｃｄ、　　ｙＺｎｙＴｅ基板結晶１１上に、活性層
となる亜鉛ドープのｐ型１　ｎ　Ａ　ｓｌ　−Ｘ　Ｓ　
ｂｘ層１２およびセレンドープのｎ型Ｉ　ｎＡ　５ｌ−
Ｘ　Ｓ　ｂｙ、＠１３がこの順にエピタキシャル成長さ
れている。

この実施例では、Ｃｄｌ−ｙ　Ｚ　ｎｙ　Ｔ　ｅ基板結
晶１１の混晶比はＹ＝０．４５、Ｉ　ｎ　Ａ　５１−ｘ
　　Ｓ　ｂｘ層１２および１３の混晶比はｘ＝０．６で
ある。

このとき、Ｃｄ　ｌ−Ｚ　ｎｙ　　Ｔ　ｅ基板結晶１１
とＩ　ｎＡｓ１−ｘ　ｓｂＸ　Ｆｔｉ　１２との間の格
子不整合は、第３図から明らかなように１％以下である
。

Ｉ　ｎＡｓｔ−ｘ　Ｓ　ｂｘ　層１２および１３からな
る活性層は、ＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長さ
せた。具体的には、原料ガスとしてトリエチルインジウ
ム（ＴＥＩｎ）、トリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）お
よびアルシン（ＡＳＨ３）を用い、ｎ型不純物としてジ
エチル亜鉛（ＤＥＺｎ＞、ｎ型不純物としてジエチルセ
レン（ＤＥＳｅ）を用いた。結晶成長は、４７０℃、１
気圧の条件下で行った。

こうして得られた積層構造ウェーハからダイオードを切
出し、液体窒素温度で電圧−電流特性を測定した結果、
良好なダイオード特性を示した。

またＣ　ｄｌ−ｙ　　Ｚ　ｎｙ　Ｔ　ｅ基板１１側から
赤外光を入射して分光感度特性を測定したところ、液体
窒素温度で遮断波長が約９μ而であり、感度も十分であ
った。

第２図は他の実施例の発光素子である。この実施例ｒ　
ハ、ｐ型Ｃｄｌ−、Ｚ　ｎｙＴ　ｅ　Ｍ板結晶２１にｐ
型Ｃｄｌ−ｙ　Ｚ　ｎｙＴ　ｅ層２２．不純物を含まな
いｉ型１　ｎ　Ａ　５ｌ−ｘ　Ｓ　ｂｘ　１ｍ２３およ
びｎ型Ｃｄｌ−ｙ　　Ｚ　ｎｙ　Ｔ　ｅ　ｍ　２４がこ
の順にエピタキシャル成長されている。ｉ型１　ｎＡ　
５ｌ−ｘＳ　ｂｘｍ２３は厚み０．１μｍとした。基板
および各層の混晶組成比は先の実施例と同様、ｘ＝０．
６、ｙ−０，４５である。

この素子もＭＯＣＶＤ法により形成した。ｐ型ｃｄｌ−
ｙＺｎｙＴｅ１２２の成長には、原料ガスとして、ジメ
チルカドミウム（ＤＭＣｄ）、ジメチル亜ｍ（ＤＭＺｎ
）およびジエチルテルル（ＤＥＴｅ）を用い、ｎ型不純
物ガスとしてホスフィン（ＰＨ３）を用いた。ｉ型１　
ｎＡ　５ｌ−ｘ　　Ｓ　ｂｘ層２３は、原料ガスとして
、ＴＥＩｎ、ＴｌｖｌＳｂおよびＡＳＨ３を用い、ｎ型
Ｃｄ１−　　ｙＺｎｙＴｅ層２４は、原料ガスとしてＤ
〜ＩＣｄ、ＤＭＺｎおよびＤＥＴｅを用い、ｎ型Ｃｄｌ
　　ＺｎｙＴｅ層ｙ ２４形成の際の不純物原料ガスとしてはＤＥＩｎを用い
た。結晶成長条件は、４７０℃、１気圧である。

このようにして得られた素子の注入発光を評圃した結果
、良好な赤外発光が得られた。

本発明は上記実施例に限られるものではない。

例えばＣｃｈ−ｙ　　Ｚ　ｎｙ　　Ｔ　ｅ基板結晶およ
びこの上に形成されるＩ　ｎＡｓ１−ｘ３ｂｘ層の組成
比Ｘ。

ｙを、好ましくは格子不整合が１％以下となる笥囲で、
過当に選択することができる。また実施例では、単純な
構成の典型的な発光素子と受光素子を説明したが、例え
ばより？！雑なペテロ接合構造をもたせることも可能で
ある。更に、一つのｃｄｌ−ｙＺｎｙＴｅ基板結晶上に
受光素子と発光素子を集積形成することもできる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明の光半導体素子は、格子定数の
整合がとれたＣ　ｄｔ−ｙ　Ｚ　ｎｙ　Ｔ　ｅ基板結晶
とＩ　ｎＡ　５ｌ−ｘＳ　ｂｘ層の組合わせによって、
赤外領域の受光又は発光素子として浸れた性能を発揮す
ることができる。また本発明の方法によれば、ｆＶｌ　
０　ＣＶ　Ｄ法を用いてＣｄ１−　　ｙＺｎｙＴｅ基板
結晶に良質のＩ　ｒｌｓｌ−８Ｓ　ｂｘ結晶層を成長さ
せることにより、高性能の光半導体素子を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の受光素子を示す図、第２図
は他の実施例の発光素子を示す図、第３図はＩｎＡｓ】
−ｘＳｂｘ結晶特性をＣｄ１−ｙ　Ｚｎ。 Ｔｅと比較して示す図、第４図は従来の赤外線検出素子
の一例を示す図である。 １１　・ｌＤ型Ｃｄｌ−、Ｚ　ｎ、　　Ｔ　ｅ基板結晶
、１２・ｎ型１　ｎＡ　Ｓ、−ｘＳ　ｂＸｍ、１３・・
・ｎ型１　ｎＡ　５ｌ−ｘＳ　ｂｘ層、２１　・−Ｄ型
ＣｄＩ−Ｚ　ｎ、ＴｅＭ板結高結晶　２−・・ｐ型Ｃｄ
１−ｙＺｎｙＴｅ層、 ２３−ｒ型１ｎＡｓ＋１−Ｘ５ｂｘ層、２４−ｎ型Ｃｄ
ｔ−ｙ　Ｚ　ｎｙ　Ｔ　ｅ　ｆｍ。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図 第４図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃｄ＿１＿−＿ｙＺｎ＿ｙＴｅ結晶基板（０≦ｙ
   ≦１）上にＩｎＡｓ＿１＿−＿ｘＳｂ＿ｘ結晶層（０＜
   ｘ＜１）からなる活性層を有することを特徴とする光半
   導体素子。
2. （２）Ｃｄ＿１＿−＿ｙＺｎ＿ｙＴｅ基板結晶とこの上
   のＩｎＡｓ＿１＿−＿ｘＳｂ＿ｘ結晶層との間のヘテロ
   接合は、格子定数不整合が１％以下になるようにそれぞ
   れの組成比ｘ、ｙが設定されている特許請求の範囲第１
   項記載の光半導体素子。
3. （３）Ｃｄ＿１＿−＿ｙＺｎ＿ｙＴｅ基板結晶がｐ型で
   あり、この上に活性層としてｐ型ＩｎＡｓ＿１＿−＿ｘ
   Ｓｂ＿ｘ結晶層およびｎ型ＩｎＡｓ＿１＿−＿ｘＳｂ＿
   ｘ結晶層がこの順に積層されて、基板結晶側を受光窓と
   する受光素子を構成する特許請求の範囲第１項記載の光
   半導体素子。
4. （４）Ｃｄ＿１＿−＿ｙＺｎ＿ｙＴｅ基板結晶がｐ型で
   あり、この上にｐ型Ｃｄ＿１＿−＿ｙＺｎ＿ｙＴｅ結晶
   層を介して、ｉ型ＩｎＡｓ＿１＿−＿ｘＳｂ＿ｘ結晶層
   およびｎ型Ｃｄ＿１＿−＿ｙＺｎ＿ｙＴｅ結晶層がこの
   順に積層されて発光素子を構成する特許請求の範囲第１
   項記載の光半導体素子。
5. （５）Ｃｄ＿１＿−＿ｙＺｎ＿ｙＴｅ基板結晶（０≦ｙ
   ≦１）上に、有機金属化合物を用いた気相成長法により
   ＩｎＡｓ＿１＿−＿ｘＳｂ＿ｘ結晶層（０＜Ｘ＜１）か
   らなる活性層をエピタキシャル成長させることを特徴と
   する光半導体素子の製造方法。
6. （６）Ｃｄ＿１＿−＿ｙＺｎ＿ｙＴｅ基板結晶とこの上
   のＩｎＡｓ＿１＿−＿ｘＳｂ＿ｘ結晶層との間のヘテロ
   接合は、格子定数不整合が１％以下になるようにそれぞ
   れの組成比ｘ、ｙが設定されている特許請求の範囲第５
   項記載の光半導体素子の製造方法。
7. （７）Ｃｄ＿１＿−＿ｙＺｎ＿ｙＴｅ基板結晶がｐ型で
   あり、この上に活性層としてｐ型ＩｎＡｓ＿１＿−＿ｘ
   Ｓｂ＿ｘ結晶層およびｎ型ＩｎＡｓ＿１＿−＿ｘＳｂ＿
   ｘ結晶層をこの順にエピタキシャル成長させて、基板結
   晶側を受光窓とする受光素子を形成する特許請求の範囲
   第５項記載の光半導体素子の製造方法。
8. （８）Ｃｄ＿１＿−＿ｙＺｎ＿ｙＴｅ基板結晶がｐ型で
   あり、この上にｐ型Ｃｄ＿１＿−＿ｙＺｎ＿ｙＴｅ結晶
   層、ｉ型ＩｎＡｓ＿１＿−＿ｘＳｂ＿ｘ結晶層およびｎ
   型Ｃｄ＿１＿−＿ｙＺｎ＿ｙＴｅ結晶層をこの順にエピ
   タキシャル成長させて発光素子を形成する特許請求の範
   囲第５項記載の光半導体素子の製造方法。