專利名稱：光接收器元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電檢測器，以及制造該光電檢測器的方法。具體而言，本發(fā)明涉及一種光電檢測器，其中的吸收層包含II型多量子阱(下文中簡稱為“MQW”)結(jié)構(gòu)，其具有靈敏度在近紅外的長波長區(qū)域；以及一種制造光電檢測器的方法。
背景技術(shù)：
由于在InP襯底上生長的III-V族化合物半導(dǎo)體具有對應(yīng)于近紅外區(qū)域的帶隙能量，已經(jīng)研究和開發(fā)了采用III-V族化合物半導(dǎo)體的用于通信、分析、夜間攝影等的光電檢測器。
非專利文獻(xiàn)I公開了在InP襯底上包括InGaAs/GaAsSb II型多量子阱(MQW)吸收層的光電檢測器的樣品。該光電檢測器具有2.39 μ m的截止波長。示出了波長從1.7μπι到2. 7 μ m的譜靈敏度特性。同時(shí)，非專利文獻(xiàn)2公開了在InP襯底上包括InGaAs/GaAsSb II型多量子阱(MQff)光電檢測器的波長從I μ m到3 μ m (溫度為200K、250K、295K)的光譜靈敏度。在該光電檢測器中，InGaAs和GaAsSb中的每個(gè)具有5nm的厚度，并且堆疊有150個(gè)InGaAs和GaAsSb的配對。光電檢測器具有2. 3 μ m的截止頻率。引用列表非專利文獻(xiàn)[非專利文獻(xiàn) I] R. Sidhu 等人的 “A Long-Wavelength Photodiode on InPUsing Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells (使用晶格匹配的GaInAs-GaAsSb II型量子講的InP上的長波長光電檢測器)”,IEEE Photonics TechnologyLetters,H 17 卷，No. 12 (2005),2715 至 2717 頁[非專利文獻(xiàn) 2] R. Sidhu 等人的 “A2. 3 μ m cutoff wavelength Photodiodeon InP using lattice-matched GaInAs-GaAsSb type II quantum wells (使用晶格匹配的GaInAs-GaAsSb II型量子阱的InP上的2. 3 μ m截止波長光電檢測器)”，2005International Conference on Indium Phosphide and Related Materials

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明待解決的問題在上述光電檢測器中，通過使用InGaAs/GaAsSb II型MQW，吸收區(qū)向更長的波長移動(dòng)。因此，II型躍遷引起注意，其中GaAsSb層的價(jià)帶中的電子躍遷到InGaAs層的導(dǎo)帶中。由于GaAsSb層的價(jià)帶中的電子躍遷到InGaAs層的導(dǎo)帶中，II型MQW中的II型躍遷可能發(fā)生在InGaAs/GaAsSb界面處。與此同時(shí)，在InGaAs/GaAsSb II型MQW中，與II型躍遷并行地還發(fā)生I型躍遷。在I型躍遷中，在GaAsSb層和InGaAs層的價(jià)帶中的電子躍遷到相應(yīng)層的導(dǎo)帶。在這種情況下，由于I型躍遷而要吸收的光的波長顯著地小于由于II型躍遷而要吸收的最大波長。
由于上述光電檢測器被假定用于氣體分析等，也由于其他原因，對于光電檢測器非常重要的是具有比預(yù)定值更高的靈敏度，特別是在不小于1.3μπι的近紅外區(qū)域的基本恒定的靈敏度。然而，在上述非專利文獻(xiàn)中，雖然前者的光電檢測器的靈敏度在從1.8μ 到2. 3 μ m的波長基本恒定，但是該靈敏度在的I. 7 μ m的波長處急劇增加。在后者的光電檢測器中，雖然靈敏度在長波長一側(cè)是恒定的，但在I. 5 μ m或更短波長處靈敏度急劇下降。必須避免靈敏度的這種變化。換言之，靈敏度的波長依賴性必須在實(shí)際允許的范圍之內(nèi)被平坦化。本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種光電檢測器，在該光電檢測器中，在從包括1.3μπι的短波長側(cè)到長波長側(cè)的近紅外范圍上，靈敏度的變化被抑制；以及制造該光電檢測器的方 法。問題的解決方案本發(fā)明提供了一種光電檢測器，該光電檢測器包括在III-V族半導(dǎo)體襯底上，包含第一化合物半導(dǎo)體和第二化合物半導(dǎo)體的重復(fù)結(jié)構(gòu)的II型多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的吸收層，并且在包括I. 3 μ m到2. O μ m的波長的近紅外區(qū)域中具有靈敏度。在I. 3 μ m波長處的靈敏度與在2. O μ m波長處的靈敏度的比率不小于O. 5，但不大于I. 6。根據(jù)本發(fā)明的光電檢測器包括II型MQW結(jié)構(gòu)。在II型MQW結(jié)構(gòu)中，一個(gè)化合物半導(dǎo)體層(以下簡稱為“a層”，例如，GaAsSb層)在價(jià)帶能量和導(dǎo)帶能量方面高于其他化合物半導(dǎo)體層(以下簡稱為“b層”，例如，InGaAs層)。然而，由于a層和b層的費(fèi)米(Fermi )能級彼此一致，相比于具有更高價(jià)帶能量和導(dǎo)帶能量的一個(gè)化合物半導(dǎo)體層(a層)的價(jià)帶，具有更低價(jià)帶能量和導(dǎo)帶能量的另一個(gè)化合物半導(dǎo)體層(b層)的導(dǎo)帶具有更高的能量級。當(dāng)光入射到II型MQW結(jié)構(gòu)上時(shí)，位于a層的價(jià)帶中的電子吸收入射光，并且被激發(fā)到b層的導(dǎo)帶。結(jié)果，在a層價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，而被激發(fā)的電子位于b層的導(dǎo)帶中。通過這種方式，在a層的價(jià)帶中的電子被激發(fā)到b層的導(dǎo)帶使得光電檢測器能夠吸收更低能量的入射光(更長的波長)。這種現(xiàn)象被稱為“II型躍遷(吸收)”，該現(xiàn)象發(fā)生在a層與b層的界面處。II型躍遷決定吸收區(qū)域上的最大波長，因此，由II型躍遷生產(chǎn)的吸收區(qū)域覆蓋長的波長區(qū)域，該波長區(qū)域具有例如I. 7μπι或更高的上限的最大波長。然而，光電檢測器也需要在更短波長區(qū)域具有靈敏度。在上述II型MQW結(jié)構(gòu)中，不僅發(fā)生II型躍遷，也發(fā)生I型躍遷。I型躍遷并不發(fā)生在a層與b層的界面上，而是發(fā)生在a層與b層中。如從GaAsSb與InGaAs的組合的示例所能看出的，a層與b層的帶隙能量大致相同。當(dāng)在a層或b層中發(fā)生I型吸收時(shí)，在a層或b層的價(jià)帶中的電子被激發(fā)到每個(gè)層的導(dǎo)帶，因此在每個(gè)層的價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。對于在價(jià)帶中產(chǎn)生的空穴，I型躍遷與II型躍遷是相同的，并且電子被激發(fā)到導(dǎo)帶。在本發(fā)明中，通過調(diào)節(jié)MQW結(jié)構(gòu)的總厚度、MQW結(jié)構(gòu)中相應(yīng)層的厚度等，能夠抑制從包括I. 3 μ m的短波長側(cè)到例如直到2. 5 μ m的長波長側(cè)的范圍內(nèi)靈敏度的變化。可配置光電檢測器使得入射光從襯底側(cè)進(jìn)入光電檢測器。在本發(fā)明的光電檢測器中，P-側(cè)電極布置在吸收層上，而η-側(cè)電極布置在相對于吸收層位于靠近襯底的a層(或襯底)上。P-側(cè)電極布置在吸收層上的原因如下。已經(jīng)積累了大量的關(guān)于作為用于III-V族化合物半導(dǎo)體的P-型雜質(zhì)的Zn的技術(shù)。通過從包括吸收層的外延層的表面選擇性擴(kuò)散來引入這樣的Zn，能夠容易地形成像素區(qū)域。因此，P-側(cè)電極被布置在外延層的表面上。形成了一個(gè)或多個(gè)像素區(qū)域。當(dāng)形成多個(gè)像素區(qū)域時(shí)，P-側(cè)電極被排布在每個(gè)像素區(qū)域中。因此，P-側(cè)電極有時(shí)被稱為像素電極。另一方面，η-側(cè)電極是共地電極。也就是說，在一個(gè)P-側(cè)電極或多個(gè)P-側(cè)電極的任何一種情況下，η-側(cè)電極對于相應(yīng)的像素共用的地電極。由于P-側(cè)電極和η-側(cè)電極如上所述的排布，所以當(dāng)吸收現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，無論它是否是I型吸收或是II型吸收，空穴和電子分別被反向偏置下的電場引導(dǎo)至P-側(cè)電極和η-側(cè)電極。當(dāng)多個(gè)像素二維排布時(shí)，用于從像素電極(P-側(cè)電極)讀取電荷的線是復(fù)雜的，并成為光傳播的阻礙。在這種情況下，外延層一側(cè)不能成為光入射表面。因此，光入射到襯底上。由互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)等形成的讀出IC (ROIC)的讀出電極通過互連凸塊等傳導(dǎo)性地連接到p-側(cè)電極，從而使得讀出電極與p-側(cè)電極一對一的相對。當(dāng)光從襯底一側(cè)進(jìn)入光電檢測器時(shí)，吸收在MQW結(jié)構(gòu)中靠近襯底的部分發(fā)生，這生成空穴和電子。已知空穴的遷移率低于電子。即使利用反向偏置下的電場，具有低遷移率的空穴也應(yīng)行進(jìn)穿過很多個(gè)量子阱電勢而到達(dá)P-側(cè)電極。相比之下，具有高遷移率的電子行進(jìn)相對較短的距離而到達(dá)在襯底上的或與襯底相接觸的緩沖層上的η-側(cè)電極。其中入射光從襯底側(cè)進(jìn)入光電檢測器的結(jié)構(gòu)例如是其中抗反射(AR)層提供在襯底后表面上的結(jié)構(gòu)。MQff結(jié)構(gòu)的總厚度可以不小于O. 5 μ m，并且不大于3. 5 μ m。當(dāng)空穴從靠近襯底的位置到達(dá)像素電極時(shí)，MQW結(jié)構(gòu)的總厚度極大地影響具有低遷移率的空穴，而無論躍遷類型是I型還是II型。當(dāng)總的MQW厚度不大于3. 5 μ m時(shí)，由光吸收而導(dǎo)致的空穴行進(jìn)穿過幾乎MQW結(jié)構(gòu)的整個(gè)厚度(因?yàn)楣馕瞻l(fā)生在襯底附近)，并且容易地到達(dá)像素電極，而不管躍遷類型是I型還是II型。另一方面，當(dāng)總的MQW厚度小于O. 5 μ m時(shí)，I型躍遷不能充分地增加，或不能增加配對的數(shù)目以確保由II型躍遷造成的靈敏度?？傊瑹o法實(shí)現(xiàn)充分高的靈敏度。第一化合物半導(dǎo)體的厚度和第二化合物半導(dǎo)體的厚度可以是不小于O. 75nm，但不大于5nm。當(dāng)在MQW結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)層的厚度減小到5nm或更小時(shí)，由于在量子阱內(nèi)躍遷的I型躍遷導(dǎo)致的光吸收的容易程度與由于在量子阱界面處的躍遷的II型躍遷導(dǎo)致的光吸收的容易程度并沒有很大不同。因此，由I型躍遷產(chǎn)生的光吸收的區(qū)域與由II型躍遷產(chǎn)生的光吸收的區(qū)域并沒有很大不同。因此，由I型躍遷產(chǎn)生的空穴到達(dá)像素區(qū)域的容易程度與由II型躍遷產(chǎn)生的空穴到達(dá)像素區(qū)域的容易程度并沒有很大不同。因此，在對應(yīng)于I型躍遷的波長處的靈敏度與在對應(yīng)于II型躍遷的波長處的靈敏度并沒有很大不同，因而平坦化了靈敏度的波長依賴性。另一方面，當(dāng)量子阱厚度大于5nm時(shí)，I型躍遷可能發(fā)生在靠近襯底的區(qū)域(對應(yīng)于I型躍遷的波長的光可能在靠近襯底的區(qū)域被吸收)，而對應(yīng)于II型躍遷波長的光到達(dá)靠近像素區(qū)域的區(qū)域(P-型區(qū)域)(對應(yīng)于II型躍遷波長的光不太可能在靠近襯底的區(qū)域被吸收)。因此，相比于由I型躍遷產(chǎn)生的空穴，由II型躍遷產(chǎn)生的空穴更有可能到達(dá)像素區(qū)域(P-型區(qū)域)。因此，在對應(yīng)于I型躍遷的波長處的靈敏度減小，而在對應(yīng)于II型躍遷的波長處的靈敏度增加，因此靈敏度的波長依賴性增加。出于上述原因，在MQW結(jié)構(gòu)中相應(yīng)層的厚度不大于5nm。
另一方面，當(dāng)相應(yīng)層的厚度小于O. 75nm時(shí)，界面態(tài)密度變得過高，而由I型躍遷產(chǎn)生的靈敏度變得過低。因此，不能確保整體結(jié)構(gòu)的靈敏度平坦。出于上述原因，相應(yīng)層的厚度優(yōu)選地不小于O. 75nm。襯底可由InP構(gòu)成，而MQW結(jié)構(gòu)可以是I nxGahAs (O. 38彡x彡O. 68，以下簡稱為“InGaAs”)與 GaASl_ySby (O. 36 ^ y ^ O. 62,以下簡稱為 “GaAsSb”)的重復(fù)結(jié)構(gòu)。由此，可以通過使用現(xiàn)有設(shè)備而獲得II型MQW結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在近紅外的長波長區(qū)域具有均勻的靈敏度。包括MQW結(jié)構(gòu)的InP基的外延層被提供在InP襯底上。InP窗口層可以被提供在InP基的外延層的上表面，并且在InP基的外延層的底表面與前表面之間可以不形成再生長界面。再生長界面是以下述方式生長的在第一結(jié)晶層和第二結(jié)晶層之間的界面，第一結(jié)晶層是通過預(yù)定的生長方法來生長，并暴露于大氣中，而此后第二結(jié)晶層通過另一生長方法生長在第一結(jié)晶層上并與之相接觸。通常，氧和碳作為雜質(zhì)以高濃度混合。高濃度是指例如I X IO18CnT3或更高的原子濃度。由于本發(fā)明的半導(dǎo)體器件優(yōu)選地并不具有這樣的再生長界面，所以可以確保直至InP窗口層的表面上的優(yōu)良的結(jié)晶度，從而有助于減少暗電流。進(jìn)一步地，能夠高效率地制造光電檢測器。即，如下文所述，由于通過全金屬有機(jī)源MOVPE來一致地生成從緩沖層到MQW結(jié)構(gòu)到含有磷的InP窗口層的層，所以可以在同一生長室內(nèi)連續(xù)地進(jìn)行這些層的制造。另外，雖然形成了例如含有磷的InP窗口層，但是由于固體磷不被用作源，所以沒有磷會(huì)附著在生長室的內(nèi)壁上。因此，不太可能在維護(hù)時(shí)發(fā)生引燃等，從而導(dǎo)致優(yōu)良的安全性。本發(fā)明提供了一種制造光電檢測器的方法，該光電檢測器包括在III-V族半導(dǎo)體襯底上的包括第一化合物半導(dǎo)體和第二化合物半導(dǎo)體的重復(fù)結(jié)構(gòu)的II型多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的吸收層，并在包括I. 3 μ m到2. O μ m的波長的近紅外區(qū)域中具有靈敏度。在I. 3 μ m波長處的靈敏度與在2. O μ m波長處的靈敏度的比率不小于O. 5，但不大于I. 6。通過采用上述制造方法可以容易地獲得光電檢測器，在該光電檢測器中，靈敏度的波長依賴性在近紅外區(qū)域被平坦到一個(gè)使得在實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)引發(fā)問題的水平。光電檢測器可以被配置為使得入射光從襯底側(cè)進(jìn)入光電檢測器。因此，例如，AR層可以提供在襯底的后表面，而二維排布的像素電極可以由互連凸塊傳等導(dǎo)性地連接到ROIC的讀出電極，從而使得讀出電極與像素電極一對一的相對。MQW結(jié)構(gòu)的總厚度可以不小于O. 5 μ m，但不大于3. 5 μ m。如上所述，這個(gè)總MQW厚
度允許光電檢測器保持預(yù)定水平或更高的靈敏度。第一化合物半導(dǎo)體層的厚度與第二化合物半導(dǎo)體層的厚度可以不小于O. 75nm，但是不大于5nm。因此，可以在保持靈敏度的同時(shí)使靈敏度在從I. 3 μ m的波長到2. 5 μ m的波長的范圍上平坦。襯底可以包括InP，而MQW結(jié)構(gòu)可以是InGaAs與GaAsSb的重復(fù)結(jié)構(gòu)。因此，在由于I型和II型躍遷而增加靈敏度的同時(shí)，可以改善靈敏度的波長依賴性在上述近紅外區(qū)域的平坦性。包括MQW結(jié)構(gòu)的InP基的外延層位于InP襯底上，而InP窗口層提供在InP基的外延層的表面上。通過僅使用金屬有機(jī)源的金屬有機(jī)氣相外延，可以在InP襯底上一致地生長包括MQW結(jié)構(gòu)的InP基的外延層與InP窗口層。僅使用金屬有機(jī)源的金屬有機(jī)氣相外延是一種生長方法，其中由有機(jī)材料和金屬的化合物構(gòu)成的金屬有機(jī)源被用于作為氣相外延的全部源，并被稱為“全金屬有機(jī)源MOVPE”。根據(jù)上述方法，可以以高效率地制造上述光電檢測器。也就是說，由于直至含有磷的InP窗口層的層都通過全金屬有機(jī)源MOVPE來一致地生長，所以可以在同一生長室中連續(xù)地進(jìn)行這些層的制造。由于生長的層沒有再生長界面，所以可以獲得外延層的良好的結(jié)晶度。因此，可以實(shí)現(xiàn)暗電流等的減少。進(jìn)一步地，當(dāng)形成含有磷的InP窗口層時(shí)，因?yàn)楣腆w磷不被用作源，雖有沒有磷會(huì)附著在生長室的內(nèi)壁上。因此，不太可能在維護(hù)時(shí)發(fā)生引燃等，從而導(dǎo)致優(yōu)良的安全性。
全金屬有機(jī)源MOVPE具有另一優(yōu)點(diǎn)，可以形成在相應(yīng)層之間具有明顯異質(zhì)界面的MQW結(jié)構(gòu)。具有明顯異質(zhì)界面的MQW結(jié)構(gòu)允許高精度的光譜測量等。另外，通過全金屬有機(jī)源MOVPE來生長MQW，可以制造高質(zhì)量的II型MQW結(jié)構(gòu)，因而在I. 3 μ m波長處的靈敏度與在2. O μ m波長處的靈敏度的比率可以較容易地保持在不小于O. 5且不大于I. 6的范圍內(nèi)。在MQW的形成工藝中，可以在不低于400°C且不高于560°C的溫度形成MQW結(jié)構(gòu)。由此，獲得具有優(yōu)良結(jié)晶度的MQW結(jié)構(gòu)，并可進(jìn)一步減小暗電流。該溫度是指由包括IR照相機(jī)和IR光譜儀的高溫測度計(jì)來監(jiān)測的襯底表面溫度。因此，準(zhǔn)確的講，襯底表面溫度是正在襯底上生成的外延層的表面的溫度。雖然該溫度有各種名稱，諸如“襯底溫度”、“生長溫度”、“沉積溫度”等，其每一個(gè)都是指所監(jiān)測的溫度。發(fā)明的有益效果根據(jù)本發(fā)明的光電檢測器等，可以使得在從I. 3μπι的波長到長波長側(cè)的近紅外區(qū)域內(nèi)靈敏度的波長依賴性平坦到在實(shí)際使用中不會(huì)引起問題的水平。也就是說，通過使得在MQW結(jié)構(gòu)中I型吸收與II型吸收在它們之間沒有大的不同，在I. 3μπι波長處的靈敏度與在2. O μ m波長處的靈敏度的比率可以被保持在預(yù)定范圍之內(nèi)。MQW結(jié)構(gòu)中相應(yīng)層的厚度的減少以及MQW結(jié)構(gòu)的總厚度的減少可以極大地有助于靈敏度的波長依賴性的平坦性。此外，由于例如通過全金屬有機(jī)源MOVPE —致地生成從MQW吸收層到InP窗口層的層，因而可以實(shí)現(xiàn)高的生產(chǎn)效率。進(jìn)一步地，因?yàn)樯L室的內(nèi)壁上不會(huì)附著磷，所以可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的安全性。


圖I是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例I的光電檢測器的圖。圖2是示出了圖I所示的MQW結(jié)構(gòu)的相應(yīng)層的圖。圖3是用于說明通過使用MQW帶結(jié)構(gòu)的吸收現(xiàn)象的圖。圖4A是示出了量子阱厚度X1和X2對量子勢阱中形成的基態(tài)能級的影響的示意圖，其中Eeb表示InGaAs的導(dǎo)帶中的基態(tài)的能級,而Evb表示GaAsSb的價(jià)帶的基態(tài)能級。圖4B是示出了量子阱厚度X1和X2對量子勢阱中形成的基態(tài)的能級的影響的示意圖，其中Eeb表示InGaAs的導(dǎo)帶中的基態(tài)能級,而Evb表示GaAsSb的價(jià)帶的基態(tài)能級。圖4B中的量子阱厚度X1和X2小于圖4A中的厚度。圖5A是示出了量子阱厚度X1和X2與空穴的流動(dòng)性之間的關(guān)系的示意圖。圖5B是不出了量子講厚度X1和X2與空穴的流動(dòng)性之間的關(guān)系的不意圖。圖5B中的量子阱厚度X1和X2要大于圖5A中的厚度。圖6是示出以下范圍的曲線圖，當(dāng)在2. O μ m波長處的靈敏度為O. 5A/W和O. 7A/W時(shí)，在I. 3 μ m波長處的靈敏度是在2. O μ m波長處的靈敏度的O. 5至I. 6倍。圖7是示出了在用于全金屬有機(jī)源MOVPE的沉積設(shè)備中的管道等的圖。圖8A是示出了金屬有機(jī)分子的流動(dòng)和溫度流動(dòng)的圖。圖8B是示出了在襯底表面處的金屬有機(jī)分子的圖。圖9是示出了制造圖I所示的光電檢測器50的方法的流程圖。圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的包括光電檢測器陣列(半導(dǎo)體器件)的光學(xué)·傳感器裝置的圖。
具體實(shí)施例方式(實(shí)施例I)圖I是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例I的光電檢測器50的圖。光電檢測器50包括在InP襯底I上的InP基的半導(dǎo)體分層結(jié)構(gòu)(外延晶元)，該結(jié)構(gòu)具有如下的構(gòu)造。(InP 襯底 Ι/InP 緩沖層 2/II 型(InGaAs/GaAsSb) MQff 吸收層 3/InGaAs 層 4/InP窗口層5)P-型區(qū)域6位于從InP窗口層5的表面到InGaAs層4的內(nèi)部。通過從SiN膜的選擇性擴(kuò)散掩膜圖案36的開口選擇性擴(kuò)散作為p-型雜質(zhì)的Zn形成p-型區(qū)域6。通過調(diào)節(jié)選擇性擴(kuò)散掩膜圖案36的開口，可以將P-型區(qū)域6形成為與各側(cè)表面分開預(yù)定的距離。由AuZn構(gòu)成的P-側(cè)電極11被布置在P-型區(qū)域6之上并與其歐姆接觸，而由AuGeNi構(gòu)成的η-側(cè)電極12被布置在InP襯底I的后表面并與其歐姆接觸。在這種情況下，InP襯底I摻雜有η-型雜質(zhì)，并具有預(yù)定水平的導(dǎo)電率。光電檢測器50具有在InP襯底I的后表面上提供的SiON抗反射層35，并且被用來使得光入射在InP襯底的后表面的上。在II型MQff吸收層3上，在對應(yīng)于P-型區(qū)域6的邊界前端的位置形成ρ-η結(jié)15。通過在ρ-側(cè)電極11與η-側(cè)電極12之間應(yīng)用反向偏置電壓，在η-型雜質(zhì)濃度更低的一側(cè)(η-型雜質(zhì)背景)形成更大的耗盡層。作為η-型雜質(zhì)濃度(載流子濃度)，在InGaAs層4和MQW吸收層3中的背景雜質(zhì)濃度大約為5Χ IO15CnT3或更低。ρ-η結(jié)15的位置是由InGaAs層4的背景雜質(zhì)濃度(η-型載流子濃度)與作為P-型雜質(zhì)的Zn的濃度剖面之間的相交點(diǎn)(相交面)來確定的。提供InGaAs層4以便調(diào)節(jié)構(gòu)成吸收層3的MQW中的ρ-型雜質(zhì)的濃度分布。然而，可以不必形成InGaAs層4。在吸收層3中，Zn的濃度優(yōu)選為5X 1016cm_3或更低。當(dāng)?shù)却馕諘r(shí)，耗盡層延伸通過InGaAs層4進(jìn)入MQW吸收層3。耗盡層延伸直至MQW結(jié)構(gòu)中靠近緩沖層2的位置。當(dāng)光入射在InP襯底I上時(shí)，在耗盡層靠近InP襯底I的位置發(fā)生吸收。該吸收的結(jié)果是，在導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子而在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。由于反向偏置下的電場，電子被驅(qū)動(dòng)到η-側(cè)電極12，而空穴被驅(qū)動(dòng)到ρ-側(cè)電極。空穴的遷移率顯著地低于電子的遷移率。總之，由于在MQW結(jié)構(gòu)中靠近InP襯底I的位置發(fā)生吸收，所以空穴應(yīng)行進(jìn)穿過數(shù)百個(gè)量子阱電勢。因此，在價(jià)帶中產(chǎn)生的空穴中，大量空穴不能到達(dá)P-側(cè)電極11，其結(jié)果是導(dǎo)致靈敏度下降的重要因素。根據(jù)本實(shí)施例的光電檢測器50，其特征具有以下幾點(diǎn)。(I) InGaAs與GaAsSb的配對數(shù)目不少于50個(gè),但不多于500個(gè)。
(2) InGaAs與GaAsSb的厚度皆不小于O. 75nm,但不大于5nm。(3) MQff結(jié)構(gòu)的總厚度z不小于O. 5 μ m,但不大于3. 5 μ m。(4) I. 3 μ m波長處的靈敏度與2. O μ m波長處的靈敏度的比率不小于O. 5，但不大于 I. 6。通過滿足條件(I)、( 2 )和(3 )，容易滿足條件(4 )。要求配對的數(shù)目不少于50個(gè)(條件(I))是為了增加InGaAs/GaAsSb界面的數(shù)目，以便增加由II型躍遷產(chǎn)生的靈敏度。這是由于II型躍遷(吸收)發(fā)生在界面處。雖然本發(fā)明意圖的光電檢測器增加了在II型躍遷主要發(fā)生的波長范圍內(nèi)的靈敏度，但是如果配對的數(shù)目超過500個(gè)，則相比于I型躍遷，II型躍遷可能會(huì)過量地發(fā)生，這使得難以使靈敏度的波長依賴性平坦。在本發(fā)明的光電檢測器中，為了首先確保在長波長側(cè)的靈敏度，如上所 述確保必要數(shù)目的配對。因此，本發(fā)明的光電檢測器是基于以下前提，II型躍遷的發(fā)生多于I型躍遷，即，II型躍遷過多，而不是I型躍遷。同樣在下面的說明中，也假定II型躍遷是過多的，即，充分確保在長波長側(cè)的靈敏度。圖2是示出了構(gòu)成吸收層3的MQW結(jié)構(gòu)中的層的圖。每個(gè)GaAsSb層的厚度為X1,而每個(gè)InGaAs層的厚度為X2。厚度X1與厚度X2之差小于± I. Onm。除非另外說明，厚度X1與厚度X2可以認(rèn)為是相同的。圖3是用于解釋通過使用MQW帶結(jié)構(gòu)的吸收現(xiàn)象的圖。通過位于GaAsSb層(InGaAs層)的價(jià)帶Ev上部的電子吸收對應(yīng)能量(h (c/ λ J，其中λ i是波長，h是普朗克常數(shù)，而c是介質(zhì)中的光速)的光，并且被激發(fā)到該層的導(dǎo)帶E。，來產(chǎn)生I型躍遷(吸收)。在InGaAs/GaAsSb的MQW結(jié)構(gòu)中波長λ i約為I. 7 μ m或更小。閾值波長λ :并不十分精確，而是可以大致地估計(jì)。波長X1小于產(chǎn)生后文描述的II型躍遷的光的波長λ2。也就是說，在發(fā)生I型躍遷的同一層中價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的能隙要大于發(fā)生II型躍遷的。通過位于GaAsSb層的價(jià)帶的上部的電子吸收對應(yīng)能量為h (c/ λ 2)的光并且被激發(fā)到相鄰的InGaAs層的導(dǎo)帶，來產(chǎn)生II型躍遷。在InGaAs/GaAsSb的MQW結(jié)構(gòu)中，波長入2超過約I. 7 μ m。波長λ 2大于產(chǎn)生I型躍遷的光的波長λ lt)在I型躍遷與II型躍遷中，空穴產(chǎn)生在價(jià)帶中，并且應(yīng)當(dāng)在到達(dá)P-側(cè)電極之前行進(jìn)穿過不均勻的量子阱電勢。同樣地，電子也行進(jìn)穿過不均勻的量子阱電勢而到達(dá)η-側(cè)電極。然而，由于電子產(chǎn)生的位置靠近InP襯底，所以電子應(yīng)行進(jìn)穿過的量子阱電勢的數(shù)目較小?？傊?，電子的遷移率要顯著大于空穴的遷移率。因此，電子不能到達(dá)η-側(cè)電極的情況并不造成問題。通過減小MQW結(jié)構(gòu)中相應(yīng)層的厚度，即使空穴的遷移率低，由于I型躍遷與II型躍遷而產(chǎn)生的空穴也更可能穿過多個(gè)量子阱而到達(dá)P-側(cè)電極。(i)I 型吸收InGaAs與GaAsSb層的價(jià)帶中的電子被激發(fā)到相應(yīng)層的導(dǎo)帶,并由此在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。如上所述，除非行進(jìn)穿過多個(gè)量子阱電勢(幾乎等于配對數(shù)=重復(fù)數(shù))，否則空穴不能到達(dá)P-側(cè)電極。無論空穴產(chǎn)生的位置在哪里，甚至是在InGaAs的價(jià)帶中產(chǎn)生的空穴，也在GaAsSb的價(jià)帶底部以基態(tài)移動(dòng)。一旦進(jìn)入GaAsSb的價(jià)帶的空穴應(yīng)穿過量子講電勢而到達(dá)相鄰的InGaAs的價(jià)帶。如果減小了量子阱的厚度，則GaAsSb的價(jià)帶的基態(tài)能量會(huì)離開底部，并接近相鄰的InGaAs的價(jià)帶的能量。這類似于以下現(xiàn)象，當(dāng)作為波的電子被限制在量子阱電勢中并且量子阱窄時(shí)，電子會(huì)以高能量振動(dòng)。圖4A是示出了量子阱厚度X1與X2對在量子阱電勢中形成的基態(tài)的影響的示意圖?；鶓B(tài)是電子或空穴可以在量子阱電勢中獲得的最小能量的狀態(tài)。基態(tài)并不是零能量狀態(tài)，而是具有預(yù)定的能量。圖4B所示的量子阱厚度X1與X2小于圖4A所示的量子阱厚度。當(dāng)量子阱厚度減小時(shí)，量子阱電勢也自然地變窄。結(jié)果，基態(tài)的能量增加(0〈 Λ Ε2〈 Λ E1X因?yàn)榛鶓B(tài)能量增加，所以其他激發(fā)態(tài)的能量也增加。因此，基態(tài)的能量增加等價(jià)于升高GaAsSb的價(jià)帶。在這種情況下,空穴可以進(jìn)入GaAsSb的價(jià)帶,但也能容易地離開該價(jià)帶。結(jié)果，空穴被允許容易地在MQW結(jié)構(gòu)中移動(dòng)。(ii)II 型吸收在GaAsSb的價(jià)帶中的量子講電勢通過InGaAs的價(jià)帶而形成在GaAsSb的兩側(cè)。由 于價(jià)帶中的空穴占據(jù)靠近價(jià)帶底部的基態(tài)，所以空穴應(yīng)當(dāng)行進(jìn)穿過能量勢壘而到達(dá)相鄰的InGaAs的價(jià)帶。如果減小量子講的厚度，則價(jià)帶中基態(tài)的能量會(huì)接近相鄰InGaAs的價(jià)帶的能量。因此，由于光吸收而在價(jià)帶中產(chǎn)生的空穴變得在該價(jià)帶中更可能移向相鄰InGaAs的價(jià)帶。不僅對于在移動(dòng)的初始步驟中已經(jīng)落入GaAsSb的價(jià)帶中的空穴，還是對于在漂移期間已經(jīng)落入該價(jià)帶的空穴，都是這樣。圖5A是不出了量子講厚度X1和X2與空穴流動(dòng)性之間的關(guān)系的不意圖。圖5A所示的量子阱厚度X1和X2要比圖5B所示的厚度更薄。通過減小量子阱厚度X1和X2，由I型躍遷產(chǎn)生的空穴和由II型躍遷產(chǎn)生的空穴都變得更有可能到達(dá)如圖5A所示的ρ-型區(qū)域。當(dāng)MQW結(jié)構(gòu)中相應(yīng)層的厚度減小到5nm或更小時(shí)，由于在MQW內(nèi)的躍遷的I型躍遷的光吸收的容易程度與在MQW界面處的躍遷的II型躍遷的光吸收的容易程度并沒有很大的不同。因此，由I型躍遷產(chǎn)生的光吸收的區(qū)域與由II型躍遷產(chǎn)生的光吸收的區(qū)域并沒有很大的不同。因此，由I型躍遷產(chǎn)生的空穴到達(dá)像素區(qū)域的容易程度與由II型躍遷產(chǎn)生的空穴到達(dá)像素區(qū)域的容易程度并沒有很大的不同。因此，在對應(yīng)于I型躍遷的波長處的靈敏度與在對應(yīng)于Π型躍遷的波長處的靈敏度并沒有很大的不同，由此平坦化了靈敏度的波長依賴性。另一方面，當(dāng)MQW結(jié)構(gòu)中相應(yīng)層的厚度大于5nm時(shí)，或當(dāng)MQW結(jié)構(gòu)的總厚度大于
3.5μπι時(shí)，在靠近襯底的區(qū)域可能發(fā)生I型躍遷(換句話說，對應(yīng)于I型躍遷的波長的光可能在靠近襯底的區(qū)域被吸收)，而對應(yīng)于II型躍遷的波長的光到達(dá)靠近像素區(qū)域的區(qū)域(P-型區(qū)域)(換句話說，對應(yīng)于II型躍遷的波長的光不太可能在靠近襯底的區(qū)域被吸收)。因此，相比于由I型躍遷產(chǎn)生的空穴，由II型躍遷產(chǎn)生的空穴更可能到達(dá)像素區(qū)域(P-型區(qū)域)。因此，在對應(yīng)于I型躍遷的波長處的靈敏度會(huì)減小，而在對應(yīng)于II型躍遷的波長處的靈敏度會(huì)增加，因此增加了靈敏度的波長依賴性。由于上述原因，相應(yīng)層的厚度不大于5nm,而MQW結(jié)構(gòu)的總厚度不大于3. 5 μ m。另一方面，當(dāng)MQW結(jié)構(gòu)中相應(yīng)層的厚度小于O. 75nm時(shí)，界面態(tài)密度變得過高，而由I型躍遷產(chǎn)生的靈敏度變得過低。在這種情況下，不能確保在整個(gè)范圍內(nèi)靈敏度的平坦性。出于上述原因，相應(yīng)層的厚度優(yōu)選地不小于O. 75nm。在本發(fā)明的光電檢測器中，通過滿足上述條件(1)、(2)和(3)，在I. 3μπι波長處的靈敏度與在2. Ομ 波長處的靈敏度的比率易于被設(shè)置為不小于O. 5，但不大于1.6。圖6是示出以下范圍的曲線圖，其中在2. Ομπι波長處的靈敏度是O. 5A/W與O. 7A/W的情況下，在1.3μπι波長處的靈敏度是在2. Ομ 波長處的靈敏度的O. 5到I. 6倍。作為在2. Ομπι波長處的靈敏度，O. 5A/W與O. 7A/W為適當(dāng)?shù)闹?。顯然地，圖6所示的靈敏度的范圍確保具有在實(shí)際使用中不會(huì)產(chǎn)生問題的平坦性。〈MQW生長方法>下面將給出制造方法的描述。制備InP襯底I。在InP襯底I上，InP緩沖層2、
II型(InGaAs/GaAsSb) MQW吸收層3、InGaAs擴(kuò)散濃度分布調(diào)節(jié)層4，以及InP窗口層5通過全金屬有機(jī)源MOVPE來生長。下面將詳細(xì)描述生長II型(InGaAs/GaAsSb)MQW吸收層3的方法。圖7示出了用于全金屬有機(jī)源MOVPE的沉積設(shè)備60的管道系統(tǒng)等。石英管65置于反應(yīng)室63的內(nèi)部，而源氣體被弓I入石英管65中。在石英管65中，基座66被可旋轉(zhuǎn)地且密封地放置?；?6被提供有用于加熱襯底的加熱器66h。在沉積期間晶圓50a的表面 溫度由穿過在反應(yīng)室63的頂板提供的窗口 69的紅外測溫計(jì)61來監(jiān)測。所監(jiān)測的溫度被稱為進(jìn)行生長的溫度，或沉積溫度，或襯底溫度等。在本發(fā)明的制造方法中，當(dāng)描述在不低于400°C但不高于560°C形成MQW結(jié)構(gòu)時(shí)，這個(gè)從400°C到560°C的溫度范圍是由溫度監(jiān)測器測量到的溫度。從石英管65的強(qiáng)制排出是通過真空泵來執(zhí)行的。源氣體通過連接到石英管65的管道來供應(yīng)。全金屬有機(jī)源MOVPE的特點(diǎn)是全部源氣體以金屬有機(jī)氣體的形式來供應(yīng)。雖然摻雜劑等的源氣體在圖7中并未示出，但是摻雜劑也是以金屬有機(jī)氣體的形式來供應(yīng)的。金屬有機(jī)氣體被引入恒溫池中，并保持在恒定的溫度。氫氣(H2)和氮?dú)?N2)被用作載體氣體。金屬有機(jī)氣體由載體氣體承載，并通過真空泵排出來引入到石英管65中。載體氣體的量由質(zhì)量流量控制器(MFC)來精確地控制。多個(gè)MFC、電磁閥等由微型計(jì)算機(jī)來自動(dòng)控制。下面將描述制造晶元50a的方法。首先，η-型InP緩沖層2在S-摻雜的η-型InP襯底I上外延生長到IOnm的厚度。四乙基硅烷(TeESi)被用作η-型摻雜劑。此時(shí)，三甲基銦(TMIn)與叔丁基磷(TBP)被用作源氣體?？梢酝ㄟ^使用磷化氫(PH3)作為無機(jī)源來生長InP緩沖層2。即使InP緩沖層2的生長溫度約為600°C或更低，底層InP襯底的結(jié)晶度不會(huì)由于600°C左右的加熱而劣化。然而，當(dāng)形成InP窗口層時(shí)，由于包括GaAsSb的MQW結(jié)構(gòu)被布置在InP窗口層的下方，所以襯底溫度需要精確地維持在例如不低于400°C但不高于560°C的范圍內(nèi)。理由如下。如果晶元被加熱至約600°C，則GaAsSb會(huì)由于加熱而損壞，而其結(jié)晶度會(huì)顯著劣化。此外，如果以低于400°C的溫度形成InP窗口層，則源氣體分解效率會(huì)顯著降低，并由此在InP層中的雜質(zhì)濃度會(huì)增加。因而，不能獲得高質(zhì)量的InP窗口層。接下來，在InP緩沖層2上生長η-型摻雜的InGaAs層到0.15 μ m (150nm)的厚度。在圖I中，InGaAs層也被包括在緩沖層2中。接下來，形成II型MQW吸收層3，該II型MQW吸收層3具有InGaAs/GaAsSb作為一對量子講。如上所述，在量子講結(jié)構(gòu)中，GaAsSb優(yōu)選地具有不小于3nm但小于IOnm的厚度X1，而InGaAs3b優(yōu)選地具有小于Xl±1.0nm的厚度。在圖I中，250對量子阱被沉積以形成MQW吸收層3。為了 GaAsSb的沉積，使用了三乙基鎵(TEGa)、叔丁基砷(TBAs)和三甲基銻(TMSb)。為了 InGaAs的沉積，也可以使用TEGa、TMIn和TBAs。所有的源氣體是有機(jī)金屬氣體，而每個(gè)化合物的分子量都很大。因此，在不低于400°C但不高于560°C的相對較低的溫度完全分解源氣體，從而有助于晶體生長。可以通過利用全金屬有機(jī)源MOVPE來形成MQW吸收層3而使得在量子阱的界面處的組分變化明顯。結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)高精度的分光光度測量?？墒褂萌一?TEGa)或三甲基鎵(TMGa)作為鎵(Ga)的源。優(yōu)選地使用TEGa，因?yàn)門EGa在降低晶體的雜質(zhì)濃度上優(yōu)于TMGa。特別地，當(dāng)使用TMGa時(shí)，作為量子阱層中的雜質(zhì)的碳的濃度是I X IO16CnT3或更高，而當(dāng)使用TEGa時(shí)，該濃度小于I X 1016cm_3。可使用三甲基銦(TMIn)或三乙基銦(TEIn)作為銦(In)的源。優(yōu)選地使用TMIn，因?yàn)門MIn在In化合的可控性上優(yōu)于TEIn?？梢允褂檬宥』?TBAs)或三甲基砷(TMAs)作為砷(As)的源。優(yōu)選地使用TBAs，因?yàn)門BAs在降低晶體的雜質(zhì)濃度上優(yōu)于TMAs。特別地，當(dāng)使用TMAs時(shí)，作為量子阱層中的雜質(zhì)的碳的濃度是I X IO16CnT3或更高，而當(dāng)使用TBAs時(shí)，該濃度小于I X IO16Cm-30因此，可以獲得其中MQW結(jié)構(gòu)具有降低的雜質(zhì)濃度與良好的結(jié)晶性的半導(dǎo)體器件。結(jié)果，如果該半導(dǎo)體器件例如被應(yīng)用于光電檢測器，則可以獲得具有降低了暗電流和高靈敏度的光電檢測器。進(jìn)一步地，通過使用該光電檢測器，可以實(shí)現(xiàn)能夠獲取更清晰的圖像·的光學(xué)傳感器裝置，諸如成像系統(tǒng)。接下來，將描述在通過全金屬有機(jī)源MOVPE來形成MQW結(jié)構(gòu)3的工藝中源氣體是如何流動(dòng)的。源氣體通過管道被輸送、被引入到石英管65中，并且被排出。可以通過增加管道的數(shù)目來將多種源氣體供應(yīng)到石英管65。例如，即使使用幾十種源氣體，也通過電磁閥的打開/關(guān)閉來控制源氣體。根據(jù)電磁閥的打開/關(guān)閉，進(jìn)入石英管65的每種源氣體的流被接通/關(guān)斷，源氣體的流速通過圖7所示的質(zhì)量流量控制器(MFC)來控制。然后，通過真空泵將源氣體從石英管65中強(qiáng)制排出。源氣體的流并不中斷，而是平穩(wěn)地并自動(dòng)地進(jìn)行。因此，在形成量子阱配對時(shí)可以迅速地切換組分。由于基座66如圖7所示旋轉(zhuǎn)，所以源氣體的溫度分布不具有如源氣體的溫度在源氣體入口側(cè)比源氣體出口側(cè)要更高/更低這樣的方向性。另外，由于晶圓50a在基座66上轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在晶圓50a的表面附近的源氣體流為湍流狀態(tài)。因此，除了接觸晶圓50a的源氣體之外，即使靠近晶圓50a表面的源氣體在從氣體入口側(cè)朝向氣體出口側(cè)的方向上具有很大的速度分量。因此，從基座66通過晶圓50a流向源氣體的熱量，大部分與排出氣體一起不斷地被排出。這將導(dǎo)致在從晶圓50a通過其表面到源氣體空間的垂直方向上的大的溫度梯度或溫度間隙。另外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，襯底溫度被設(shè)置在不低于400°C但不高于560°C的低溫范圍內(nèi)。當(dāng)在這種低溫襯底表面溫度下執(zhí)行使用諸如TBAs的金屬有機(jī)源的全金屬有機(jī)源MOVPE時(shí)，源的分解效率高。因此，在非常接近晶圓50a的區(qū)域中流動(dòng)并有助于MQW結(jié)構(gòu)生長的源氣體被限定為那些有效地分解為生長所需形式的氣體。圖8A示出了金屬有機(jī)分子的流動(dòng)以及溫度的流動(dòng)，而圖SB是示出了在襯底表面上的金屬有機(jī)分子的示意圖。這些圖用于說明表面溫度的設(shè)置對于在MQW結(jié)構(gòu)的異質(zhì)界面處獲得清晰的組分變化是重要的。雖然假設(shè)晶圓50a的表面在監(jiān)測的溫度下，在晶圓表面稍上方的源氣體空間中，如上所述，發(fā)生急劇的溫度下降或大的溫度間隙。因此，在使用分解溫度為Tl°c的源氣體的情況下，襯底表面溫度被設(shè)置在(Tl+α )，而α是考慮到溫度分布的變化等來確定的。在從晶圓50a表面到源氣體空間發(fā)生急劇溫度下降或較大溫度間隙的情況下，如果如圖SB所示的大尺寸金屬有機(jī)分子對著晶圓表面流動(dòng)，則分解后的并有助于晶體生長的化合物分子被認(rèn)為是限于接觸晶圓表面的分子，以及那些在距晶圓表面等同于少量金屬有機(jī)分子的厚度的范圍內(nèi)的分子。因此，如圖8B所示，認(rèn)為接觸晶圓表面的金屬有機(jī)分子，以及位于距晶圓表面等同于少量金屬有機(jī)分子的厚度的范圍內(nèi)的金屬有機(jī)分子主要有助于晶體生長，而位于該范圍以外的金屬有機(jī)分子不大可能被分解，并從石英管65中被排出。當(dāng)在晶圓50a的表面附近的金屬有機(jī)分子被分解并有助于晶體生長時(shí)，位于該范圍之外的金屬有機(jī)分子會(huì)進(jìn)入該范圍內(nèi)作為補(bǔ)充分子。以相反的角度來看，通過將晶圓表面溫度設(shè)置為稍高于金屬有機(jī)分子的分解溫度，參與晶體生長的金屬有機(jī)分子的范圍可以被限制在晶圓50a的表面上薄的源氣體層。如從上面的描述可以理解的，當(dāng)通過使用電磁閥切換氣體來引入適合于上述配對 的化學(xué)組分的源氣體而使用真空泵強(qiáng)制排出氣體時(shí)，執(zhí)行晶體生長使得在之前的化學(xué)組分的晶體以輕微的慣性生長之后，能夠生長已切對其切換源氣體的化學(xué)組分的晶體，而不受之前的源氣體的影響。結(jié)果，可以使得在異質(zhì)界面處的組分變化清晰。這樣清晰的組分變化意味著之前的源氣體基本上不留在石英管65中，并且是由于在非常接近于晶圓50a區(qū)域中流動(dòng)并且有助于MQW結(jié)構(gòu)的生長的源氣體被限定為有效分解為生長所需形式的那些源氣體(沉積因素I)。具體而言，如圖7所示，在量子阱中的兩個(gè)層之中的一個(gè)形成之后，通過打開/關(guān)閉電磁閥引入用于形成另一個(gè)層的源氣體，而使用真空泵強(qiáng)制排出該氣體。此時(shí)，雖然一些參與晶體生長的金屬有機(jī)分子以輕微慣性殘留，但是可以充當(dāng)補(bǔ)充分子的一個(gè)層中的分子已幾乎被排空。由于晶圓表面溫度被設(shè)置為接近金屬有機(jī)分子的分解溫度，所以參與晶體生長的金屬有機(jī)分子的范圍(距晶圓表面的范圍)減小了。在形成MQW結(jié)構(gòu)的情況下，如果在約600°C的溫度下生長MQW結(jié)構(gòu)，在MQW結(jié)構(gòu)的GaAsSb層中發(fā)生相分離，這使得不可能實(shí)現(xiàn)潔凈而平坦的MQW結(jié)構(gòu)的晶體生長表面，并不可能實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)良周期性和結(jié)晶度的MQW結(jié)構(gòu)。因此，生長溫度被設(shè)置在不低于400°C但不高于560°C的范圍內(nèi)(沉積因素2)，并且采用全金屬有機(jī)源MOVPE作為用于該生長的沉積方法，其中具有高分解效率的金屬有機(jī)氣體被用作全部源氣體(沉積因素3)。沉積因素I顯著地依賴于沉積因素3。〈半導(dǎo)體器件的制造方法〉在圖I所示的半導(dǎo)體器件50中，InGaAs擴(kuò)散濃度分布調(diào)節(jié)層4位于II型MQW吸收層3上，而InP窗口層5位于InGaAs擴(kuò)散濃度分布調(diào)節(jié)層4上。從布置在InP窗口層5的表面上的選擇性擴(kuò)散掩膜圖案36的開口選擇性地?cái)U(kuò)散作為P-型雜質(zhì)的Zn，從而形成ρ-型區(qū)域6。ρ-η結(jié)或p-i結(jié)15形成在ρ-型區(qū)域6的端部。反向偏置電壓被施加到p_n結(jié)或p-i結(jié)15以形成耗盡層，耗盡層捕捉由光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電荷，因此使得像素的亮度響應(yīng)于電荷量。P-型區(qū)域6或ρ-η結(jié)(p-i結(jié))15是構(gòu)成像素的主要部分。與ρ-型區(qū)域6歐姆接觸的P-側(cè)電極11是像素電極，并且在P-側(cè)電極11和設(shè)置為接地電壓的η-側(cè)電極12之間逐像素地讀出電荷量。在圍繞P-型區(qū)域6的InP窗口層的表面上，照原樣留下選擇性擴(kuò)散掩膜圖案36。而且，由SiON等構(gòu)成的鈍化層(未示出)覆蓋了選擇性擴(kuò)散掩膜圖案36。選擇性擴(kuò)散掩膜圖案36被留下的原因如下。在形成ρ-型區(qū)域6之后，如果選擇性擴(kuò)散掩膜圖案36被去除并且晶圓被暴露于大氣，則在窗口層的ρ-型區(qū)域的表面與掩膜圖案36被去除的區(qū)域的表面之間的邊界處形成表面能級，這會(huì)導(dǎo)致暗電流的增加。這一點(diǎn)很重要，在MQW結(jié)構(gòu)形成之后，通過全金屬有機(jī)源MOVPE在相同的沉積室或石英管65中繼續(xù)生長，直到完成InP窗口層5的形成。換句話說，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樵谛纬蒊nP窗口層5之前沒有從沉積室取出晶圓50a來通過另一種沉積方法形成窗口層5，因而沒有形成再生長界面。也就是說，由于InGaAs擴(kuò)散濃度分布調(diào)節(jié)層4和InP窗口層5連續(xù)地形成在石英管65中，所以界面16和17不是再生長界面。因此，氧濃度和碳濃度都低于I X 1018cm_3，并且特別是在ρ-型區(qū)域6與界面17相交的線處沒有出現(xiàn)漏電流。
在本實(shí)施例中，具有例如I. O μ m厚度的非摻雜的InGaAs擴(kuò)散濃度分布層4形成在MQW吸收層3上。在形成InP窗口層5之后，當(dāng)通過選擇性擴(kuò)散方法將作為p_型雜質(zhì)的Zn從InP窗口層5引入MQW吸收層3時(shí)，如果高濃度的Zn進(jìn)入MQW結(jié)構(gòu)，則結(jié)晶度會(huì)劣化。提供InGaAs擴(kuò)散濃度分布層4用于調(diào)節(jié)Zn的擴(kuò)散。如上所述，不是必須提供InGaAs擴(kuò)散濃度分布層4。由上述選擇性擴(kuò)散形成P-型區(qū)域6，而Ρ-η結(jié)或P-i結(jié)15形成在ρ-型區(qū)域6的端部。甚至當(dāng)插入InGaAs擴(kuò)散濃度分布調(diào)節(jié)層4時(shí)，由于InGaAs具有較小的帶隙，即使InGaAs沒有摻雜，光電檢測器的電阻也可能減小。電阻的降低導(dǎo)致了響應(yīng)性的增加，從而實(shí)現(xiàn)高圖像質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)圖像。優(yōu)選地,在晶圓50a被放置在相同的石英管65內(nèi)的情況下,通過全金屬有機(jī)源MOVPE在InGaAs擴(kuò)散濃度分布調(diào)節(jié)層4上外延生長未摻雜的InP窗口層5至O. 8 μ m的厚度。如上所述，三甲基銦(TMIn )及叔丁基磷(TBP )被用作源氣體。這些源氣體的使用允許InP窗口層5的生長溫度不低于400°C但不高于560°C，并且更為優(yōu)選地不高于535°C。結(jié)果，在MQW結(jié)構(gòu)中位于InP窗口層5下方的GaAsSb層不會(huì)由于加熱而fe壞，而MQW結(jié)構(gòu)的結(jié)晶度不會(huì)劣化。當(dāng)形成InP窗口層5時(shí)，由于包括GaAsSb的MQW結(jié)構(gòu)布置在InP窗口層5下方，襯底溫度應(yīng)該精確地維持在不低于400°C但不高于560°C的范圍內(nèi)。其原因如下。如果晶圓被加熱至約600°C，則GaAsSb會(huì)由于加熱而損壞，并且其結(jié)晶度會(huì)顯著劣化。如果在低于400°C的溫度下形成InP窗口層，則源氣體的分解效率會(huì)顯著降低，而由此增加了在InP窗口層5中的雜質(zhì)濃度。因而不能獲得高質(zhì)量的InP窗口層5。常規(guī)地，MQW結(jié)構(gòu)必須通過MBE來形成。然而，通過MBE生長InP窗口層需要固體源作為磷源，從而導(dǎo)致在安全等方面的問題。另外，在生產(chǎn)效率方面也有改進(jìn)的空間。在本發(fā)明之前，InGaAs擴(kuò)散濃度分布調(diào)節(jié)層與InP窗口層之間的界面一旦暴露于大氣就是再生長界面。當(dāng)滿足大于等于IXlO18cnT3的氧濃度或大于等于IXlO18cnT3的碳濃度中的至少一個(gè)時(shí)，該再生長界面可以被識(shí)別，其中這些濃度可通過二次離子質(zhì)譜分析來確認(rèn)。再生長界面和P-型區(qū)域形成相交線，并且漏電流發(fā)生在該相交線。這樣的漏電流顯著降低劣化圖像質(zhì)量。另外，如果通過簡單的MOVPE來生長InP窗口層，則磷化氫(PH3)被用作磷源，并且磷化氫的分解溫度高。這樣高的分解溫度會(huì)導(dǎo)致底層GaAsSb的熱損壞，并因此MQW結(jié)構(gòu)的結(jié)晶度劣化。
圖9是制造圖I所示的光電檢測器50的方法的流程圖。在該制造方法中，重要的是通過僅僅使用金屬有機(jī)氣體作為源氣體(沉積因素3)來降低生長溫度(沉積因素2)，并通過在相同的沉積室或石英管65中一致地形成層來避免再結(jié)晶界面的形成(沉積因素4)。由此，可以高效率地大量生產(chǎn)具有較小漏電流、良好結(jié)晶度以及在從2 μ m至5 μ m的波長區(qū)域內(nèi)的靈敏度的光電檢測器。(實(shí)施例2)圖10示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的包括光電檢測器陣列(半導(dǎo)體器件)50的光學(xué)傳感器裝置10。諸如透鏡的光學(xué)部件被省略。雖然在圖10中示出了由SiON層構(gòu)成的鈍化層43，但是圖I實(shí)際上也提供鈍化層。除了在光電檢測器陣列50中排布了多個(gè)光電檢測器或像素P之外，光電檢測器陣列50與圖I所示的光電檢測器在層結(jié)構(gòu)上是相同的。由于在厚度z，Sb組分s等方面，光電檢測器陣列50與圖I所示的光電檢測器是相同的，因而沒有 必要重復(fù)說明。進(jìn)一步地，在界面16與17不是再生界面以及氧和碳等的雜質(zhì)濃度低這些方面上，光電檢測器陣列50與圖I所示的光電檢測器(半導(dǎo)體器件)是相同的。在沒有再生界面這一點(diǎn)上，光電檢測器陣列50與圖I所示的光電檢測器是相同的。在圖10中，構(gòu)成讀出IC的CM0S70與光電檢測器陣列50彼此連接。CM0S70的讀出電極(未示出)與光電檢測器陣列50的像素電極(ρ-側(cè)電極)11經(jīng)由互連凸塊39而連接。接地電極(η-側(cè)電極)12對于光電檢測器陣列50的像素而言是共用的，并且CM0S70的接地電極(未示出)經(jīng)由凸塊12b來連接。通過組合CM0S70與光電檢測器陣列50并且逐像素地整合光吸收信息，可以實(shí)現(xiàn)成像裝置等。如上所述，本發(fā)明的光電檢測器陣列(半導(dǎo)體器件)50具有直至長波長區(qū)域的靈敏度，并具有減小的暗電流(漏電流)。因此，當(dāng)光電檢測器陣列50被應(yīng)用于對于動(dòng)物和植物的生物測試、環(huán)境監(jiān)測等時(shí)，可以執(zhí)行高精度的檢查。示例制造具有圖I所示構(gòu)造的光電檢測器的樣品，并且測量在1.3μπι、1.55μπι、
I.65 μ m、2. O μ m波長處的靈敏度。給出以下條件作為屬于本示例中的發(fā)明示例的條件。(I)配對數(shù)目不小于50個(gè)但不多于500個(gè)(2)量子講厚度X1和X2 :不小于O. 75nm但不大于5nm(3) MQff結(jié)構(gòu)的總厚度z :不小于O. 5 μ m但不大于3. 5 μ m(4)在I. 3μπι波長處的靈敏度與在2. Ομπι波長處的靈敏度的比率不小于O. 5，但不大于I. 6。每個(gè)比較示例缺少4個(gè)條件中的任意一個(gè)。測量結(jié)果如表I所示。[表I]
權(quán)利要求
1.一種光電檢測器，所述光電檢測器包括在III-V族半導(dǎo)體襯底上的II型多量子阱(MQff)結(jié)構(gòu)的吸收層，并且在包括I. 3μπι和2. Ομπι的波長的近紅外區(qū)域中具有靈敏度，所述II型多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)包含第一化合物半導(dǎo)體和第二化合物半導(dǎo)體的重復(fù)結(jié)構(gòu)，其中， 在I. 3 μ m的波長處的靈敏度與在2. O μ m的波長處的靈敏度的比率不小于O. 5，但不大于 I. 6。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光電檢測器，具有入射光從襯底側(cè)進(jìn)入所述光電檢測器的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的光電檢測器，其中，所述MQW結(jié)構(gòu)的總厚度不小于O.5 μ m,但不大于3. 5 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中的任何一項(xiàng)所述的光電檢測器，其中，所述第一化合物半導(dǎo)體 的厚度與所述第二化合物半導(dǎo)體的厚度都不小于O. 75nm,但不大于5nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中的任何一項(xiàng)所述的光電檢測器，其中，所述襯底包含InP，并且所述 MQW 結(jié)構(gòu)包含 InxGahAs (O. 38 彡 x 彡 O. 68)與 GaASl_ySby (O. 36 彡 y 彡 O. 62)的重復(fù)結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中，InP窗口層提供在包括所述MQW結(jié)構(gòu)并布置在所述InP襯底上的InP基的外延層的前表面，并且在所述InP基的外延層的底表面與所述前表面之間沒有形成再生長界面。
7.—種制造光電檢測器的方法，所述光電檢測器包括在III-V族半導(dǎo)體襯底上的II型多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)的吸收層，并且在包括I. 3 μ m和2. O μ m的波長的近紅外區(qū)域中具有靈敏度，所述II型多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)包含第一化合物半導(dǎo)體和第二化合物半導(dǎo)體的重復(fù)結(jié)構(gòu)，其中， 在I. 3 μ m的波長處的靈敏度與在2. O μ m的波長處的靈敏度的比率不小于O. 5，但不大于 I. 6。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造光電檢測器的方法，其中，所述光電檢測器具有入射光從襯底側(cè)進(jìn)入所述光電檢測器的結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的制造光電檢測器的方法，其中，所述MQW結(jié)構(gòu)的總厚度不小于O. 5 μ m,但不大于3. 5 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中的任何一項(xiàng)所述的制造光電檢測器的方法，其中，所述第一化合物半導(dǎo)體的厚度與所述第二化合物半導(dǎo)體的厚度都不小于O. 75nm,但不大于5nm。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中的任何一項(xiàng)所述的制造光電檢測器的方法，其中，所述襯底包含InP，并且所述MQW結(jié)構(gòu)包含InxGahAs (O. 38 ^ x ^ O. 68)與GaAs1Jby(O. 36 ^ y ^ O. 62)的重復(fù)結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求7至11中的任何一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中， InP窗口層提供在包括所述MQW結(jié)構(gòu)并布置在所述InP襯底上的InP基的外延層的前表面，并且通過僅使用金屬有機(jī)源的金屬有機(jī)氣相外延在所述InP襯底上一致地生長包括所述MQW結(jié)構(gòu)的所述InP基的外延層與所述InP窗口層。
13.根據(jù)權(quán)利要求7至12中的任何一項(xiàng)所述的制造光電檢測器的方法，其中， 在所述MQW結(jié)構(gòu)的形成工藝中，在不低于400°C，但不高于560°C的溫度范圍內(nèi)形成所述MQW結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光電檢測器及其制造方法，其中在從包括1.3μm的短波長側(cè)到長波長側(cè)的近紅外區(qū)域上抑制靈敏度變化。該光電檢測器包括在III-V族半導(dǎo)體襯底上包括GaAsSb層與InGaAs層的重復(fù)結(jié)構(gòu)的II型多量子阱結(jié)構(gòu)的吸收層，并在包括1.3μm和2.0μm波長的近紅外區(qū)域中具有靈敏度。在1.3μm波長處的靈敏度與在2.0μm波長處的靈敏度的比率不小于0.5但不大于1.6。
文檔編號(hào)H01L31/10GK102959736SQ20118003243
公開日2013年3月6日 申請日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者秋田勝史, 石塚貴司, 藤井慧, 中幡英章, 永井陽一, 稻田博史, 豬口康博 申請人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社