JP4095486B2 - テラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テラヘルツ電磁波の発生、検出に利用するためのテラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光と電波の境界領域であるテラヘルツ帯（ＴＨｚ帯）の電磁波に対する注目が高まっている。このテラヘルツ電磁波は、一般に１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚの周波数領域の電磁波を指すことが多く、その波長はおよそ３００μｍ以下となっている。このようなテラヘルツ電磁波は、非破壊検査、イメージング、通信などへの応用が期待されている。また、テラヘルツ電磁波の利用は、環境計測やライフサイエンスの分野にまで波及しており、先端的基盤技術分野となりつつある。
【０００３】
このようなテラヘルツ電磁波の発生及び検出をおこなうデバイスの１つに、光スイッチ素子（テラヘルツ発生検出デバイス）がある。この光スイッチ素子は、フェムト秒レーザパルスで励起されることによって、テラヘルツ電磁波の発生や検出をおこなう。つまり、この光スイッチ素子には、フェムト秒レーザパルスに応答可能な程の超高速動作が要求される。そのため、このレーザパルスの励起によりキャリアを生成する、光スイッチ素子の基板部分に採用される半導体材料には、高抵抗、高移動度及び短キャリア寿命等の特性が求められる。これらの要求特性の中でも、キャリア寿命特性は、テラヘルツ電磁波の検出に光スイッチ素子を用いた場合における検出帯域やＳＮ比に大きく影響するため、特に重要である。
【０００４】
上述した光スイッチ素子に適用するための、キャリア寿命の短い半導体基板を得る方法としては、イオン注入によって基板中に結晶欠陥を導入する方法が従来より知られている。この方法によれば、結晶欠陥がキャリアの捕獲中心として働くため、キャリア寿命が１ｐｓ程度である半導体基板を得ることができる。しかしながら、このイオン注入によりキャリア寿命を短くする方法では、光スイッチ素子に対する要求特性の１つである移動度が大幅に低下してしまうという問題があった。
【０００５】
そのため、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法により、ＧａＡｓ等からなる半絶縁性基板の上に通常よりも低い基板温度でＧａＡｓエピタキシャル層を成長させた半導体基板（ＬＴ−ＧａＡｓ基板）が利用されることが多い。この基板では、エピタキシャル層の低温成長中にＡｓが過剰に取り込まれて、その後におこなわれる所定の熱処理によってＡｓがＡｓクラスターとして析出し、このＡｓクラスターがキャリアの捕獲中心として働く。そのため、この基板においては、結晶に大きな損傷を与えることなく、短いキャリア寿命と比較的高い移動度を得ることができる。
【０００６】
例えば、下記非特許文献１には上記ＬＴ−ＧａＡｓ基板が開示されており、この基板を用いることにより、１ｐｓより短いキャリア寿命と１００〜２００ｃｍ2／Ｖｓ程度の移動度が実現されている。また、下記特許文献１では、キャリアの短寿命化が図られたＬＴ−ＧａＡｓ基板上にアンテナ電極対を形成してなる光スイッチ素子を用いて、テラヘルツ電磁波を発生する技術及び検出する技術が開示されている。さらに、下記特許文献２では、通信分野で重要な１．３〜１．５５μｍ帯で使用されるＩｎＧａＡｓ系化合物半導体の短寿命化に関する技術が開示されており、基板にＢｅをドープすることでキャリア寿命の短寿命化が図られている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２５７６２９号公報
【特許文献２】
特開平７−３６０６４号公報
【非特許文献１】
Ｓ．Ｇｕｐｔａ，ＩＥＥＥ−Ｊ．Ｑ．Ｅｌｅｃ．，２８（１９９２），ｐ．２４６４
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述したテラヘルツ発生検出デバイスとしての光スイッチ素子においては、フェムト秒レーザパルスの照射によって素子内に発生する光キャリアのキャリア寿命が長い場合、残留キャリアに起因するノイズ成分によりＳＮ比が低下する。そのため、キャリア寿命のさらなる短寿命化が求められている。なお、上記非特許文献１に開示されているように、エピタキシャル層成長時の基板温度を調整することでキャリア寿命を制御する技術があるが、この技術では基板の装置依存性や特性の再現性等に問題があった。また、特許文献２に開示された方法で作製された光スイッチ素子は、素子内におけるキャリア寿命が数ｐｓ程度であるため、テラヘルツ発生検出デバイスに用いるのは不適当である。
【０００９】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、キャリアのさらなる短寿命化が図られたテラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハは、半導体単結晶基板と、半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備え、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてはＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度より高く、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が酸素を含有していることを特徴とする。
【００１１】
このテラヘルツ電磁波対応ウェハにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度よりも高くなっており、表面近傍には多数のＶ族原子クラスターが析出している。このＶ族原子クラスターは、キャリアの捕獲中心として働くことが知られており、特に、表面近傍におけるＶ族原子クラスターがキャリア捕捉に大きく寄与することが知られている。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が酸素を含有しており、この酸素により深い準位が形成されている。そして、この酸素が形成する深い準位が、キャリアの短寿命化に寄与することが発明者により見出された。従って、本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子クラスターが有意に増量されると共に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層中に酸素が含有されているため、キャリアのさらなる短寿命化を実現することが可能である。
【００１２】
本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハは、半導体単結晶基板と、半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備え、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてはＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度より高く、且つ、ＩＩＩ族原子の濃度に対するＶ族原子の濃度の割合がＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従って増加していることを特徴とする。
【００１３】
このテラヘルツ電磁波対応ウェハにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度よりも高くなっているため、表面近傍に多数のＶ族原子クラスターが析出している。なお、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従って、ＩＩＩ族原子の濃度に対するＶ族原子の濃度の割合が増加しているため、この濃度の割合は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の半導体単結晶基板側においてはある程度低く抑えられている。そのため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の半導体単結晶基板側においては結晶の均質性が高い。従って、本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子クラスターが有意に増量されていることによりキャリアのさらなる短寿命化が実現されると共に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の半導体単結晶基板側における結晶の均質性の確保が図られている。
【００１４】
本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスは、半導体単結晶基板と、半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に形成され、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対とを備え、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてはＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度より高く、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が酸素を含有していることを特徴とする。
【００１５】
このテラヘルツ発生検出デバイスにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度よりも高くなっており、表面近傍には多数のＶ族原子クラスターが析出している。このＶ族原子クラスターは、キャリアの捕獲中心として働くことが知られており、特に、表面近傍におけるＶ族原子クラスターがキャリア捕捉に大きく寄与することが知られている。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が酸素を含有しており、この酸素により深い準位が形成されている。そして、この酸素が形成する深い準位が、キャリアの短寿命化に寄与することが発明者により見出された。従って、本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子クラスターが有意に増量されると共に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層中に酸素が含有されており、キャリアのさらなる短寿命化が図られているため、アンテナ電極対の微小ギャップにフェムト秒レーザが照射された際の高速応答を実現することができる。
【００１６】
本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスは、半導体単結晶基板と、半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に形成され、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対とを備え、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてはＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度より高く、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従ってＩＩＩ族原子の濃度に対するＶ族原子の濃度の割合が増加していることを特徴とする。
【００１７】
このテラヘルツ発生検出デバイスにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度よりも高くなっているため、表面近傍に多数のＶ族原子クラスターが析出している。このように本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスにおいては、表面近傍におけるＶ族原子クラスターが有意に増量されていることによりキャリアのさらなる短寿命化が図られているため、アンテナ電極対の微小ギャップにフェムト秒レーザが照射された際の高速応答を実現することができる。なお、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従って、ＩＩＩ族原子の濃度に対するＶ族原子の濃度の割合が増加しているため、この濃度の割合は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の半導体単結晶基板側においてはある程度低く抑えられている。そのため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の半導体単結晶基板側においては結晶の均質性が高くなっている。
【００１８】
本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハの製造方法は、本発明のテラヘルツ電磁波対応ウェハを有効に製造するための方法であって、半導体単結晶基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる際に、Ｖ族原料の供給量を増加させると共に基板温度を低下させ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてＶ族原子の濃度をＩＩＩ族原子の濃度より高くし、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に酸素を含有させることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハの製造方法は、本発明のテラヘルツ電磁波対応ウェハを有効に製造するための方法であって、半導体単結晶基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる際に、Ｖ族原料の供給量を増加させると共に基板温度を低下させ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてＶ族原子の濃度をＩＩＩ族原子の濃度より高くし、且つ、ＩＩＩ族原子の濃度に対するＶ族原子の濃度の割合をＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従って増加させることを特徴とする。
【００２０】
本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスの製造方法は、本発明のテラヘルツ発生検出デバイスを有効に製造するための方法であって、半導体単結晶基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる第１ステップと、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対を形成する第２ステップとを備え、第１ステップにおいて、半導体単結晶基板に供給するＶ族原料の供給量を増加させると共に半導体単結晶基板の基板温度を低下させ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてＶ族原子の濃度をＩＩＩ族原子の濃度より高くし、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に酸素を含有させることを特徴とする。
【００２１】
本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスの製造方法は、本発明のテラヘルツ発生検出デバイスを有効に製造するための方法であって、半導体単結晶基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる第１ステップと、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対を形成する第２ステップとを備え、第１ステップにおいて、半導体単結晶基板に供給するＶ族原料の供給量を増加させると共に半導体単結晶基板の基板温度を低下させ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてＶ族原子の濃度をＩＩＩ族原子の濃度より高くし、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従ってＩＩＩ族原子の濃度に対するＶ族原子の濃度の割合を増加させることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係るテラヘルツ発生検出デバイスを示した図である。図１に示すように、このテラヘルツ発生検出デバイス１０は、矩形状に切り出されたテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１を備えている。このテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１は、ＧａＡｓ単結晶基板（半導体単結晶基板）１２と、この基板１２上にＧａＡｓバッファ層１４を介して積層されたエピタキシャル層（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層）１６とを有している。そして、このテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１のエピタキシャル層１６上には、伝送路及びアンテナとして機能するアンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂが設けられている。
【００２４】
アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂは、並列する２本のレール２０Ａ，２０Ｂそれぞれの中央から、互いの対向方向に突起２２Ａ，２２Ｂが延びている形状を有しており、いわゆるダイポール型のアンテナ形状となっている。そして、一方のアンテナ電極１８Ａの突起２２Ａと、他方のアンテナ電極１８Ｂの突起２２Ｂとの間には、５μｍ程度の微小ギャップ２４が設けられている。以下、説明の便宜上、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１の表面のうち、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂが形成されている面を主面１１ａ、その反対面を裏面１１ｂと称する。
【００２５】
ここで、このテラヘルツ発生検出デバイス１０によるテラヘルツ電磁波の発生動作について説明する。テラヘルツ発生検出デバイス１０を用いてテラヘルツ電磁波を発生する際には、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂに直流バイアスを印加する。そして、上述の微小ギャップ２４にフェムト秒レーザパルスを照射し、その微小ギャップ２４部分のエピタキシャル層１６において光吸収によるキャリア生成をおこなう。このキャリア生成により、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂが通電し、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂからテラヘルツ（ＴＨｚ）電磁波が発生する。なお、ＧａＡｓのテラヘルツ帯での誘電率は約１２であるため、発生したテラヘルツ電磁波は、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１の裏面１１ｂ側から放射される。
【００２６】
次に、テラヘルツ発生検出デバイス１０によるテラヘルツ電磁波の検出動作について説明する。まず、上述した直流バイアスの代わりに、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂに電流計を取り付ける。そして、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂの微小ギャップ２４にフェムト秒レーザパルスをゲート光として照射する。この状態で、テラヘルツ電磁波がテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１の裏面１１ｂ側から照射されると、ゲート光により発生したキャリアは、テラヘルツ電磁波により変調されて、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂを流れる電流信号として上記電流計により検出される。この電流計による電流信号の検出によって、テラヘルツ電磁波が検出される。
【００２７】
続いて、テラヘルツ発生検出デバイス１０のテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１の積層構造について、図２を参照しつつ説明する。図２は、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１の積層構造を模式的に示した図である。図２に示すように、ＧａＡｓ単結晶基板１２上には、ＧａＡｓバッファ層１４が積層されている。そして、このＧａＡｓバッファ層１４上には、Ａｓクラスター（Ｖ族原子クラスター）２６を含むエピタキシャル層１６が積層されている。Ａｓクラスター２６は、この図に示したように、ＧａＡｓ単結晶基板１２側からエピタキシャル層１６の表面１１ａに向かうに従って増加している。
【００２８】
以下、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１を作製する方法について説明する。まず、固体ソースのＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置にＧａＡｓ単結晶基板１２をセットし、このＧａＡｓ単結晶基板１２上に公知の方法でＧａＡｓバッファ層１４を０．１〜０．２μｍ程度成長させる。具体的には、基板温度５９０〜６００℃、成長速度１μｍ／ｈ、Ｇａ分子線強度に対するＡｓ分子線強度の比（以下、「Ａｓ／Ｇａ供給比」と称す。）を約５に設定して成長させる。なお、ＭＢＥ装置は、ガスソースのＭＢＥ装置であってもよい。次に、基板温度を４００℃程度まで降温して、エピタキシャル層１６を２μｍ程度成長させる。なお、成長速度及びＡｓ／Ｇａ供給比等、基板温度以外の成長条件はＧａＡｓバッファ層１４の成長条件と同様である。
【００２９】
このエピタキシャル層１６の成長の際、０．２〜０．４μｍ程度成長する毎に基板温度を段階的に低下すると共に、Ａｓ分子線強度（すなわち、Ａｓ供給量）を連続的に増加してＡｓ／Ｇａ供給比を高める。そして、エピタキシャル層１６の厚さが２μｍ程度に達した際、基板温度が２００℃程度、Ａｓ／Ｇａ供給比が２０程度となるようにする。なお、基板温度を２００℃以下にした場合には、エピタキシャル層１６が多結晶状となり、移動度の低下及び表面１１ａのラフネスに起因して白濁が生じてしまうため、基板温度は２００℃以下にしないことが好ましい。
【００３０】
このエピタキシャル層１６の成長条件を示したグラフを、図３に示す。図３のグラフにおいて、横軸はエピタキシャル層１６の層厚（μｍ）であり、左の縦軸はエピタキシャル成長時の基板温度（℃）、右の縦軸はＡｓ／Ｇａ供給比である。なお、線Ｌ１は、基板温度に関する成長条件を示しており、線Ｌ２はＡｓ／Ｇａ供給比に関する成長条件を示している。エピタキシャル層１６を成長させた後は、基板１２にＡｓ分子線を照射した状態のまま、基板温度を６００℃にして約５分間の熱処理をおこなう。
【００３１】
以上のようなエピタキシャル層１６の成長条件では、エピタキシャル成長時にＡｓ／Ｇａ供給比を次第に増加するため、エピタキシャル層１６の表面１１ａ近傍におけるＧａ濃度に対するＡｓ濃度の割合（Ａｓ／Ｇａ濃度比）が、ＧａＡｓ単結晶基板１２近傍におけるＡｓ／Ｇａ濃度比よりも高くなっていると考えられる。そこで、Ａｓ／Ｇａ濃度比を２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法を用いて求めてみると、図４に示すような結果が得られた。図４は、エピタキシャル層１６の表面１１ａからの深度に対するＡｓ／Ｇａ濃度比の変化を示したグラフであり、横軸は深度（μｍ）、縦軸はＡｓ／Ｇａ濃度比を示している。
【００３２】
このグラフから、エピタキシャル層１６に対応するおよそ１．７μｍ以下の深度では、Ａｓ／Ｇａ濃度比が約１．０２であり、ＧａＡｓ単結晶基板１２に対応するおよそ１．７μｍ以上の深度では、Ａｓ／Ｇａ濃度比が略１．００であることがわかる。そして、エピタキシャル層１６に対応する領域であって、不連続な最表面及び基板界面付近の領域を除外した領域では、深度が増すにつれてＡｓ／Ｇａ濃度比が減少しており、この領域では深度とＡｓ／Ｇａ濃度比との関係は右下がりの直線Ｌ３で近似される。この直線Ｌ３の式は、図３の縦軸をｙ、横軸をｘとした場合、下記式（１）で示される。
ｙ＝１．０２０−０．００１４ｘ …（１）
【００３３】
式（１）で示される直線Ｌ３の傾きが負であることから、エピタキシャル層１６の表面１１ａ近傍におけるＡｓ／Ｇａ濃度比が、ＧａＡｓ単結晶基板１２近傍におけるＡｓ／Ｇａ濃度比よりも高くなっていることが確認された。一般に、４００℃以下といった低い基板温度で過剰なＡｓを供給した場合、後段の熱処理（基板温度６００℃、約５分間）時にＡｓがＡｓクラスターとしてＧａＡｓ結晶中に析出することが知られている。そして、以上で説明したように、エピタキシャル層１６においては、表面１１ａに近いほどＡｓ原子の量が過剰となるため、表面１１ａ近傍ではより多くのＡｓクラスター２６が析出していると考えられる（図２参照）。
【００３４】
このＡｓクラスター２６は、フェムト秒パルス光の照射に起因して生じるキャリアの捕獲中心として機能することが従来より知られており、このＡｓクラスター２６の増加によりキャリア寿命が短縮化される。加えて、テラヘルツ発生検出デバイス１０の応答速度は、キャリアの表面１１ａ近傍における面方向の走行が影響するため、表面１１ａ近傍に優先的にＡｓクラスター２６を配置することで、キャリア寿命がより効果的に短縮化される。
【００３５】
一般に、Ａｓ／Ｇａ供給比が高い場合には、Ｇａ原子のマイグレーションが阻害され易いため、均質な結晶成長をおこなうのが難しい。特に、上述したような低い基板温度下では原子のマイグレーションが少ないので、均質な結晶成長がより困難なものとなってしまう。そのため、高品質なエピタキシャル層１６を得る条件は、通常は、鏡面を維持する最低のＡｓ／Ｇａ供給比であると考えられている。そこで、上述した成長方法のように、比較的低いＡｓ／Ｇａ供給比から徐々にＡｓ／Ｇａ供給比を高めることで、表面１１ａ近傍におけるＡｓクラスター量の増加を図りつつ、エピタキシャル層１６の成長初期段階での均質な結晶成長を確保している。このようにエピタキシャル層１６の均質な結晶成長を図ることで、成長面が良好で、キャリアの移動度が高いテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１が得られる。
【００３６】
また、上述したエピタキシャル層１６の成長条件は、基板温度が４００℃以下と低温であるため、成長チャンバー内の残留不純物、特に酸素がエピタキシャル層１６内に取り込まれる。このエピタキシャル層１６に取り込まれる酸素について、図５を参照しつつ説明する。図５は、ＳＩＭＳ分析を用いて、基板温度を替えてエピタキシャル層１６中の酸素濃度を測定した結果を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は表面１１ａからの深度（μｍ）、縦軸は酸素濃度（ｃｍ-3）を示している。ここで、線Ｌ４はイオンポンプ及び拡散ポンプによる真空下（到達真空度：２×１０-10Ｔｏｒｒ未満）であって基板温度が５９０℃の場合、線Ｌ５はイオンポンプ及び拡散ポンプによる真空下（到達真空度：２×１０-10Ｔｏｒｒ未満）であって基板温度が２００℃の場合、線Ｌ６はイオンポンプのみによる真空下（到達真空度：１×１０-9Ｔｏｒｒ未満）であって基板温度が２００℃の場合のデータを示している。
【００３７】
このグラフより、１．７μｍ以下のエピタキシャル層１６に対応する領域においては、線Ｌ４は酸素濃度１×１０16〜２×１０16ｃｍ-3、線Ｌ５は酸素濃度１×１０17ｃｍ-3、線Ｌ６は酸素濃度５×１０17ｃｍ-3となっていることがわかる。この結果から、発明者らは、エピタキシャル成長の際に基板温度を２００℃程度にすることで、エピタキシャル層１６に取り込まれる酸素の濃度を有意に増加することができることを見出した。また、エピタキシャル層１６を成長するに従って段階的に基板温度を低下した場合には、エピタキシャル層１６の表面１１ａに近い程、酸素濃度を高くすることができることを見出した。
【００３８】
さらに、酸素濃度とキャリア寿命との関係をポンプ・プローブ法により調べた結果、線Ｌ５の場合（酸素濃度が１×１０17ｃｍ-3の場合）で約１ｐｓ、線Ｌ６の場合（酸素濃度が５×１０17ｃｍ-3の場合）で約０．２ｐｓとなることがわかった。なお、酸素濃度を制御しない従来のエピタキシャル成長においては、キャリア寿命は数ｐｓ程度である。従って、エピタキシャル層１６中の酸素濃度が、キャリア寿命の短縮化に寄与すると考えられる。すなわち、エピタキシャル層１６中の酸素濃度が高い程、キャリアの寿命が短縮化されると推測される。またこの推測より、エピタキシャル層１６に酸素が含有されていない場合に比べて、エピタキシャル層１６に酸素が含有されている場合の方がキャリア寿命が短縮化されるとの推測が導出される。このような酸素によるキャリア寿命の短縮化は、酸素が形成する深い準位、若しくは酸素の含有に起因する複合欠陥が、キャリアの走行の阻害要因になっているためであると考えられる。そして、酸素濃度を的確に制御することにより、数ｐｓからサブｐｓオーダーのキャリア寿命を実現することが可能となる。
【００３９】
以上、詳細に説明したように、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１においては、表面１１ａ近傍におけるＡｓ／Ｇａ濃度比は約１．０２であり、Ａｓ濃度がＧａ原子の濃度よりも高くなっている。また、エピタキシャル層１６の成長の際、基板温度を２００℃程度にまで降温することで、エピタキシャル層１６中には酸素が含有されている。このように、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１は、エピタキシャル層１６の表面１１ａ近傍におけるＡｓクラスターが有意に増量されると共に、エピタキシャル層１６中に酸素が含有されているため、キャリアのさらなる短寿命化が実現されている。また、エピタキシャル層１６の表面１１ａに向かうに従ってＡｓ／Ｇａ濃度が増加していることにより、エピタキシャル層１６の成長初期段階では均質な結晶成長がおこなわれるので、成長面が良好で、且つキャリアの移動度が高いテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１となっている。
【００４０】
そして、このようなテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１に、ＡｕＧｅ／Ａｕ合金からなるアンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂが形成されて、テラヘルツ発生検出デバイス１０が完成する。すなわち、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂの直下の、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１の表面１１ａ近傍に多数のＡｓクラスター２６が配置された、テラヘルツ発生検出デバイス１０が得られる。なお、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂの配置及び成形は、公知のリソグラフィー技術及びエッチング技術によりおこなわれる。
【００４１】
このテラヘルツ発生検出デバイス１０においては、上述したテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１が採用されているため、微小ギャップ２４にフェムト秒レーザパルスが照射されることにより生成されるキャリアの寿命は従来より短縮化される。そして、このキャリアの短寿命化に伴って、テラヘルツ発生検出デバイス１０のより高速な応答が実現されており、従来より広い周波数帯に対応することが可能である。
【００４２】
なお、エピタキシャル層１６の成長条件は、上述したＡｓ供給量を増加する態様以外に、Ｇａ供給量を低減する態様であってもよく、ＭＢＥ装置のＧａシャッターを間欠的に開閉することにより実現される。また、Ａｓ分子線及びＧａ分子線の両方を遮断して、成長中断をおこなう態様であってもよい。この場合には、エピタキシャル層１６が所定量（例えば、２０ｎｍ）だけ成長する毎に、１〜２分程度ＭＢＥ装置のＧａシャッターを閉じて、Ａｓ分子線のみを基板上に照射する。その後、Ａｓシャッターも１〜２分程度閉じて、基板表面をチャンバー雰囲気に暴露し、表面の酸化を促進する。このような態様によれば、それぞれの原子の成長中断界面付近で酸素が取り込まれるため、酸素の増量を効果的におこなわれる。以上の２つの態様は、上述したＡｓ供給量を増加する態様と併用してもよい。
【００４３】
また、上述したエピタキシャル層１６の成長条件では、基板温度を段階的に低下すると共に、Ａｓ供給量を連続的に増加する態様を示したが、適宜、基板温度を連続的に低下したり、Ａｓ供給量を段階的に増加したりする態様に変更することができる。
【００４４】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、バッファ層材料及びエピタキシャル層材料は、二元のＧａＡｓに限定されず、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料であれば、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ等の多元混晶であってもよい。半導体単結晶基板の材料は、ＧａＡｓに限定されず、上述のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の他、テラヘルツ電磁波をほとんど吸収しないＳｉであってもよい。また、アンテナ電極の材料は、ＡｕＧｅ／Ａｕに限定されず、エピタキシャル層とのオーミック接触が図れる材料であればよく、特にテラヘルツ電磁波の検出の際に電流信号の取得、解析方法に応じてショットキー型の電極材料を採用することも可能である。
【００４５】
また、テラヘルツ発生検出デバイスのアンテナ電極対の形状は、ダイポール型に限定されず、テラヘルツ電磁波の放射特性に応じ、適宜、ボウタイ型、スパイラル型等を採用することが可能である。これらの形状を有するアンテナ電極を用いたテラヘルツ分光システムは、物性評価やイメージング等への応用が可能である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、キャリアのさらなる短寿命化が図られたテラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るテラヘルツ発生検出デバイスを示した概略斜視図である。
【図２】図１のテラヘルツ電磁波対応ウェハの積層構造を模式的に示した図である。
【図３】エピタキシャル層の成長条件を示したグラフである。
【図４】エピタキシャル層の表面からの深度に対するＡｓ／Ｇａ濃度比の変化を示したグラフである。
【図５】基板温度を替えてエピタキシャル層中の酸素濃度を測定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…テラヘルツ発生検出デバイス、１１…テラヘルツ電磁波対応ウェハ、１１ａ…表面、１２…ＧａＡｓ単結晶基板、１６…エピタキシャル層、１８Ａ，１８Ｂ…アンテナ電極、２４…微小ギャップ、２６…Ａｓクラスター。
【発明の属する技術分野】
本発明は、テラヘルツ電磁波の発生、検出に利用するためのテラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光と電波の境界領域であるテラヘルツ帯（ＴＨｚ帯）の電磁波に対する注目が高まっている。このテラヘルツ電磁波は、一般に１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚの周波数領域の電磁波を指すことが多く、その波長はおよそ３００μｍ以下となっている。このようなテラヘルツ電磁波は、非破壊検査、イメージング、通信などへの応用が期待されている。また、テラヘルツ電磁波の利用は、環境計測やライフサイエンスの分野にまで波及しており、先端的基盤技術分野となりつつある。
【０００３】
このようなテラヘルツ電磁波の発生及び検出をおこなうデバイスの１つに、光スイッチ素子（テラヘルツ発生検出デバイス）がある。この光スイッチ素子は、フェムト秒レーザパルスで励起されることによって、テラヘルツ電磁波の発生や検出をおこなう。つまり、この光スイッチ素子には、フェムト秒レーザパルスに応答可能な程の超高速動作が要求される。そのため、このレーザパルスの励起によりキャリアを生成する、光スイッチ素子の基板部分に採用される半導体材料には、高抵抗、高移動度及び短キャリア寿命等の特性が求められる。これらの要求特性の中でも、キャリア寿命特性は、テラヘルツ電磁波の検出に光スイッチ素子を用いた場合における検出帯域やＳＮ比に大きく影響するため、特に重要である。
【０００４】
上述した光スイッチ素子に適用するための、キャリア寿命の短い半導体基板を得る方法としては、イオン注入によって基板中に結晶欠陥を導入する方法が従来より知られている。この方法によれば、結晶欠陥がキャリアの捕獲中心として働くため、キャリア寿命が１ｐｓ程度である半導体基板を得ることができる。しかしながら、このイオン注入によりキャリア寿命を短くする方法では、光スイッチ素子に対する要求特性の１つである移動度が大幅に低下してしまうという問題があった。
【０００５】
そのため、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法により、ＧａＡｓ等からなる半絶縁性基板の上に通常よりも低い基板温度でＧａＡｓエピタキシャル層を成長させた半導体基板（ＬＴ−ＧａＡｓ基板）が利用されることが多い。この基板では、エピタキシャル層の低温成長中にＡｓが過剰に取り込まれて、その後におこなわれる所定の熱処理によってＡｓがＡｓクラスターとして析出し、このＡｓクラスターがキャリアの捕獲中心として働く。そのため、この基板においては、結晶に大きな損傷を与えることなく、短いキャリア寿命と比較的高い移動度を得ることができる。
【０００６】
例えば、下記非特許文献１には上記ＬＴ−ＧａＡｓ基板が開示されており、この基板を用いることにより、１ｐｓより短いキャリア寿命と１００〜２００ｃｍ2／Ｖｓ程度の移動度が実現されている。また、下記特許文献１では、キャリアの短寿命化が図られたＬＴ−ＧａＡｓ基板上にアンテナ電極対を形成してなる光スイッチ素子を用いて、テラヘルツ電磁波を発生する技術及び検出する技術が開示されている。さらに、下記特許文献２では、通信分野で重要な１．３〜１．５５μｍ帯で使用されるＩｎＧａＡｓ系化合物半導体の短寿命化に関する技術が開示されており、基板にＢｅをドープすることでキャリア寿命の短寿命化が図られている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２５７６２９号公報
【特許文献２】
特開平７−３６０６４号公報
【非特許文献１】
Ｓ．Ｇｕｐｔａ，ＩＥＥＥ−Ｊ．Ｑ．Ｅｌｅｃ．，２８（１９９２），ｐ．２４６４
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述したテラヘルツ発生検出デバイスとしての光スイッチ素子においては、フェムト秒レーザパルスの照射によって素子内に発生する光キャリアのキャリア寿命が長い場合、残留キャリアに起因するノイズ成分によりＳＮ比が低下する。そのため、キャリア寿命のさらなる短寿命化が求められている。なお、上記非特許文献１に開示されているように、エピタキシャル層成長時の基板温度を調整することでキャリア寿命を制御する技術があるが、この技術では基板の装置依存性や特性の再現性等に問題があった。また、特許文献２に開示された方法で作製された光スイッチ素子は、素子内におけるキャリア寿命が数ｐｓ程度であるため、テラヘルツ発生検出デバイスに用いるのは不適当である。
【０００９】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、キャリアのさらなる短寿命化が図られたテラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハは、半導体単結晶基板と、半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備え、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてはＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度より高く、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が酸素を含有していることを特徴とする。
【００１１】
このテラヘルツ電磁波対応ウェハにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度よりも高くなっており、表面近傍には多数のＶ族原子クラスターが析出している。このＶ族原子クラスターは、キャリアの捕獲中心として働くことが知られており、特に、表面近傍におけるＶ族原子クラスターがキャリア捕捉に大きく寄与することが知られている。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が酸素を含有しており、この酸素により深い準位が形成されている。そして、この酸素が形成する深い準位が、キャリアの短寿命化に寄与することが発明者により見出された。従って、本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子クラスターが有意に増量されると共に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層中に酸素が含有されているため、キャリアのさらなる短寿命化を実現することが可能である。
【００１２】
本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハは、半導体単結晶基板と、半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備え、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてはＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度より高く、且つ、ＩＩＩ族原子の濃度に対するＶ族原子の濃度の割合がＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従って増加していることを特徴とする。
【００１３】
このテラヘルツ電磁波対応ウェハにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度よりも高くなっているため、表面近傍に多数のＶ族原子クラスターが析出している。なお、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従って、ＩＩＩ族原子の濃度に対するＶ族原子の濃度の割合が増加しているため、この濃度の割合は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の半導体単結晶基板側においてはある程度低く抑えられている。そのため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の半導体単結晶基板側においては結晶の均質性が高い。従って、本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子クラスターが有意に増量されていることによりキャリアのさらなる短寿命化が実現されると共に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の半導体単結晶基板側における結晶の均質性の確保が図られている。
【００１４】
本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスは、半導体単結晶基板と、半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に形成され、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対とを備え、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてはＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度より高く、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が酸素を含有していることを特徴とする。
【００１５】
このテラヘルツ発生検出デバイスにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度よりも高くなっており、表面近傍には多数のＶ族原子クラスターが析出している。このＶ族原子クラスターは、キャリアの捕獲中心として働くことが知られており、特に、表面近傍におけるＶ族原子クラスターがキャリア捕捉に大きく寄与することが知られている。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が酸素を含有しており、この酸素により深い準位が形成されている。そして、この酸素が形成する深い準位が、キャリアの短寿命化に寄与することが発明者により見出された。従って、本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子クラスターが有意に増量されると共に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層中に酸素が含有されており、キャリアのさらなる短寿命化が図られているため、アンテナ電極対の微小ギャップにフェムト秒レーザが照射された際の高速応答を実現することができる。
【００１６】
本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスは、半導体単結晶基板と、半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に形成され、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対とを備え、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてはＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度より高く、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従ってＩＩＩ族原子の濃度に対するＶ族原子の濃度の割合が増加していることを特徴とする。
【００１７】
このテラヘルツ発生検出デバイスにおいては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍におけるＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度よりも高くなっているため、表面近傍に多数のＶ族原子クラスターが析出している。このように本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスにおいては、表面近傍におけるＶ族原子クラスターが有意に増量されていることによりキャリアのさらなる短寿命化が図られているため、アンテナ電極対の微小ギャップにフェムト秒レーザが照射された際の高速応答を実現することができる。なお、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従って、ＩＩＩ族原子の濃度に対するＶ族原子の濃度の割合が増加しているため、この濃度の割合は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の半導体単結晶基板側においてはある程度低く抑えられている。そのため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の半導体単結晶基板側においては結晶の均質性が高くなっている。
【００１８】
本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハの製造方法は、本発明のテラヘルツ電磁波対応ウェハを有効に製造するための方法であって、半導体単結晶基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる際に、Ｖ族原料の供給量を増加させると共に基板温度を低下させ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてＶ族原子の濃度をＩＩＩ族原子の濃度より高くし、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に酸素を含有させることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハの製造方法は、本発明のテラヘルツ電磁波対応ウェハを有効に製造するための方法であって、半導体単結晶基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる際に、Ｖ族原料の供給量を増加させると共に基板温度を低下させ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてＶ族原子の濃度をＩＩＩ族原子の濃度より高くし、且つ、ＩＩＩ族原子の濃度に対するＶ族原子の濃度の割合をＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従って増加させることを特徴とする。
【００２０】
本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスの製造方法は、本発明のテラヘルツ発生検出デバイスを有効に製造するための方法であって、半導体単結晶基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる第１ステップと、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対を形成する第２ステップとを備え、第１ステップにおいて、半導体単結晶基板に供給するＶ族原料の供給量を増加させると共に半導体単結晶基板の基板温度を低下させ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてＶ族原子の濃度をＩＩＩ族原子の濃度より高くし、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に酸素を含有させることを特徴とする。
【００２１】
本発明に係るテラヘルツ発生検出デバイスの製造方法は、本発明のテラヘルツ発生検出デバイスを有効に製造するための方法であって、半導体単結晶基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる第１ステップと、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対を形成する第２ステップとを備え、第１ステップにおいて、半導体単結晶基板に供給するＶ族原料の供給量を増加させると共に半導体単結晶基板の基板温度を低下させ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてＶ族原子の濃度をＩＩＩ族原子の濃度より高くし、且つ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従ってＩＩＩ族原子の濃度に対するＶ族原子の濃度の割合を増加させることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係るテラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係るテラヘルツ発生検出デバイスを示した図である。図１に示すように、このテラヘルツ発生検出デバイス１０は、矩形状に切り出されたテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１を備えている。このテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１は、ＧａＡｓ単結晶基板（半導体単結晶基板）１２と、この基板１２上にＧａＡｓバッファ層１４を介して積層されたエピタキシャル層（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層）１６とを有している。そして、このテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１のエピタキシャル層１６上には、伝送路及びアンテナとして機能するアンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂが設けられている。
【００２４】
アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂは、並列する２本のレール２０Ａ，２０Ｂそれぞれの中央から、互いの対向方向に突起２２Ａ，２２Ｂが延びている形状を有しており、いわゆるダイポール型のアンテナ形状となっている。そして、一方のアンテナ電極１８Ａの突起２２Ａと、他方のアンテナ電極１８Ｂの突起２２Ｂとの間には、５μｍ程度の微小ギャップ２４が設けられている。以下、説明の便宜上、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１の表面のうち、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂが形成されている面を主面１１ａ、その反対面を裏面１１ｂと称する。
【００２５】
ここで、このテラヘルツ発生検出デバイス１０によるテラヘルツ電磁波の発生動作について説明する。テラヘルツ発生検出デバイス１０を用いてテラヘルツ電磁波を発生する際には、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂに直流バイアスを印加する。そして、上述の微小ギャップ２４にフェムト秒レーザパルスを照射し、その微小ギャップ２４部分のエピタキシャル層１６において光吸収によるキャリア生成をおこなう。このキャリア生成により、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂが通電し、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂからテラヘルツ（ＴＨｚ）電磁波が発生する。なお、ＧａＡｓのテラヘルツ帯での誘電率は約１２であるため、発生したテラヘルツ電磁波は、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１の裏面１１ｂ側から放射される。
【００２６】
次に、テラヘルツ発生検出デバイス１０によるテラヘルツ電磁波の検出動作について説明する。まず、上述した直流バイアスの代わりに、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂに電流計を取り付ける。そして、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂの微小ギャップ２４にフェムト秒レーザパルスをゲート光として照射する。この状態で、テラヘルツ電磁波がテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１の裏面１１ｂ側から照射されると、ゲート光により発生したキャリアは、テラヘルツ電磁波により変調されて、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂを流れる電流信号として上記電流計により検出される。この電流計による電流信号の検出によって、テラヘルツ電磁波が検出される。
【００２７】
続いて、テラヘルツ発生検出デバイス１０のテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１の積層構造について、図２を参照しつつ説明する。図２は、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１の積層構造を模式的に示した図である。図２に示すように、ＧａＡｓ単結晶基板１２上には、ＧａＡｓバッファ層１４が積層されている。そして、このＧａＡｓバッファ層１４上には、Ａｓクラスター（Ｖ族原子クラスター）２６を含むエピタキシャル層１６が積層されている。Ａｓクラスター２６は、この図に示したように、ＧａＡｓ単結晶基板１２側からエピタキシャル層１６の表面１１ａに向かうに従って増加している。
【００２８】
以下、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１を作製する方法について説明する。まず、固体ソースのＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置にＧａＡｓ単結晶基板１２をセットし、このＧａＡｓ単結晶基板１２上に公知の方法でＧａＡｓバッファ層１４を０．１〜０．２μｍ程度成長させる。具体的には、基板温度５９０〜６００℃、成長速度１μｍ／ｈ、Ｇａ分子線強度に対するＡｓ分子線強度の比（以下、「Ａｓ／Ｇａ供給比」と称す。）を約５に設定して成長させる。なお、ＭＢＥ装置は、ガスソースのＭＢＥ装置であってもよい。次に、基板温度を４００℃程度まで降温して、エピタキシャル層１６を２μｍ程度成長させる。なお、成長速度及びＡｓ／Ｇａ供給比等、基板温度以外の成長条件はＧａＡｓバッファ層１４の成長条件と同様である。
【００２９】
このエピタキシャル層１６の成長の際、０．２〜０．４μｍ程度成長する毎に基板温度を段階的に低下すると共に、Ａｓ分子線強度（すなわち、Ａｓ供給量）を連続的に増加してＡｓ／Ｇａ供給比を高める。そして、エピタキシャル層１６の厚さが２μｍ程度に達した際、基板温度が２００℃程度、Ａｓ／Ｇａ供給比が２０程度となるようにする。なお、基板温度を２００℃以下にした場合には、エピタキシャル層１６が多結晶状となり、移動度の低下及び表面１１ａのラフネスに起因して白濁が生じてしまうため、基板温度は２００℃以下にしないことが好ましい。
【００３０】
このエピタキシャル層１６の成長条件を示したグラフを、図３に示す。図３のグラフにおいて、横軸はエピタキシャル層１６の層厚（μｍ）であり、左の縦軸はエピタキシャル成長時の基板温度（℃）、右の縦軸はＡｓ／Ｇａ供給比である。なお、線Ｌ１は、基板温度に関する成長条件を示しており、線Ｌ２はＡｓ／Ｇａ供給比に関する成長条件を示している。エピタキシャル層１６を成長させた後は、基板１２にＡｓ分子線を照射した状態のまま、基板温度を６００℃にして約５分間の熱処理をおこなう。
【００３１】
以上のようなエピタキシャル層１６の成長条件では、エピタキシャル成長時にＡｓ／Ｇａ供給比を次第に増加するため、エピタキシャル層１６の表面１１ａ近傍におけるＧａ濃度に対するＡｓ濃度の割合（Ａｓ／Ｇａ濃度比）が、ＧａＡｓ単結晶基板１２近傍におけるＡｓ／Ｇａ濃度比よりも高くなっていると考えられる。そこで、Ａｓ／Ｇａ濃度比を２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法を用いて求めてみると、図４に示すような結果が得られた。図４は、エピタキシャル層１６の表面１１ａからの深度に対するＡｓ／Ｇａ濃度比の変化を示したグラフであり、横軸は深度（μｍ）、縦軸はＡｓ／Ｇａ濃度比を示している。
【００３２】
このグラフから、エピタキシャル層１６に対応するおよそ１．７μｍ以下の深度では、Ａｓ／Ｇａ濃度比が約１．０２であり、ＧａＡｓ単結晶基板１２に対応するおよそ１．７μｍ以上の深度では、Ａｓ／Ｇａ濃度比が略１．００であることがわかる。そして、エピタキシャル層１６に対応する領域であって、不連続な最表面及び基板界面付近の領域を除外した領域では、深度が増すにつれてＡｓ／Ｇａ濃度比が減少しており、この領域では深度とＡｓ／Ｇａ濃度比との関係は右下がりの直線Ｌ３で近似される。この直線Ｌ３の式は、図３の縦軸をｙ、横軸をｘとした場合、下記式（１）で示される。
ｙ＝１．０２０−０．００１４ｘ …（１）
【００３３】
式（１）で示される直線Ｌ３の傾きが負であることから、エピタキシャル層１６の表面１１ａ近傍におけるＡｓ／Ｇａ濃度比が、ＧａＡｓ単結晶基板１２近傍におけるＡｓ／Ｇａ濃度比よりも高くなっていることが確認された。一般に、４００℃以下といった低い基板温度で過剰なＡｓを供給した場合、後段の熱処理（基板温度６００℃、約５分間）時にＡｓがＡｓクラスターとしてＧａＡｓ結晶中に析出することが知られている。そして、以上で説明したように、エピタキシャル層１６においては、表面１１ａに近いほどＡｓ原子の量が過剰となるため、表面１１ａ近傍ではより多くのＡｓクラスター２６が析出していると考えられる（図２参照）。
【００３４】
このＡｓクラスター２６は、フェムト秒パルス光の照射に起因して生じるキャリアの捕獲中心として機能することが従来より知られており、このＡｓクラスター２６の増加によりキャリア寿命が短縮化される。加えて、テラヘルツ発生検出デバイス１０の応答速度は、キャリアの表面１１ａ近傍における面方向の走行が影響するため、表面１１ａ近傍に優先的にＡｓクラスター２６を配置することで、キャリア寿命がより効果的に短縮化される。
【００３５】
一般に、Ａｓ／Ｇａ供給比が高い場合には、Ｇａ原子のマイグレーションが阻害され易いため、均質な結晶成長をおこなうのが難しい。特に、上述したような低い基板温度下では原子のマイグレーションが少ないので、均質な結晶成長がより困難なものとなってしまう。そのため、高品質なエピタキシャル層１６を得る条件は、通常は、鏡面を維持する最低のＡｓ／Ｇａ供給比であると考えられている。そこで、上述した成長方法のように、比較的低いＡｓ／Ｇａ供給比から徐々にＡｓ／Ｇａ供給比を高めることで、表面１１ａ近傍におけるＡｓクラスター量の増加を図りつつ、エピタキシャル層１６の成長初期段階での均質な結晶成長を確保している。このようにエピタキシャル層１６の均質な結晶成長を図ることで、成長面が良好で、キャリアの移動度が高いテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１が得られる。
【００３６】
また、上述したエピタキシャル層１６の成長条件は、基板温度が４００℃以下と低温であるため、成長チャンバー内の残留不純物、特に酸素がエピタキシャル層１６内に取り込まれる。このエピタキシャル層１６に取り込まれる酸素について、図５を参照しつつ説明する。図５は、ＳＩＭＳ分析を用いて、基板温度を替えてエピタキシャル層１６中の酸素濃度を測定した結果を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は表面１１ａからの深度（μｍ）、縦軸は酸素濃度（ｃｍ-3）を示している。ここで、線Ｌ４はイオンポンプ及び拡散ポンプによる真空下（到達真空度：２×１０-10Ｔｏｒｒ未満）であって基板温度が５９０℃の場合、線Ｌ５はイオンポンプ及び拡散ポンプによる真空下（到達真空度：２×１０-10Ｔｏｒｒ未満）であって基板温度が２００℃の場合、線Ｌ６はイオンポンプのみによる真空下（到達真空度：１×１０-9Ｔｏｒｒ未満）であって基板温度が２００℃の場合のデータを示している。
【００３７】
このグラフより、１．７μｍ以下のエピタキシャル層１６に対応する領域においては、線Ｌ４は酸素濃度１×１０16〜２×１０16ｃｍ-3、線Ｌ５は酸素濃度１×１０17ｃｍ-3、線Ｌ６は酸素濃度５×１０17ｃｍ-3となっていることがわかる。この結果から、発明者らは、エピタキシャル成長の際に基板温度を２００℃程度にすることで、エピタキシャル層１６に取り込まれる酸素の濃度を有意に増加することができることを見出した。また、エピタキシャル層１６を成長するに従って段階的に基板温度を低下した場合には、エピタキシャル層１６の表面１１ａに近い程、酸素濃度を高くすることができることを見出した。
【００３８】
さらに、酸素濃度とキャリア寿命との関係をポンプ・プローブ法により調べた結果、線Ｌ５の場合（酸素濃度が１×１０17ｃｍ-3の場合）で約１ｐｓ、線Ｌ６の場合（酸素濃度が５×１０17ｃｍ-3の場合）で約０．２ｐｓとなることがわかった。なお、酸素濃度を制御しない従来のエピタキシャル成長においては、キャリア寿命は数ｐｓ程度である。従って、エピタキシャル層１６中の酸素濃度が、キャリア寿命の短縮化に寄与すると考えられる。すなわち、エピタキシャル層１６中の酸素濃度が高い程、キャリアの寿命が短縮化されると推測される。またこの推測より、エピタキシャル層１６に酸素が含有されていない場合に比べて、エピタキシャル層１６に酸素が含有されている場合の方がキャリア寿命が短縮化されるとの推測が導出される。このような酸素によるキャリア寿命の短縮化は、酸素が形成する深い準位、若しくは酸素の含有に起因する複合欠陥が、キャリアの走行の阻害要因になっているためであると考えられる。そして、酸素濃度を的確に制御することにより、数ｐｓからサブｐｓオーダーのキャリア寿命を実現することが可能となる。
【００３９】
以上、詳細に説明したように、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１においては、表面１１ａ近傍におけるＡｓ／Ｇａ濃度比は約１．０２であり、Ａｓ濃度がＧａ原子の濃度よりも高くなっている。また、エピタキシャル層１６の成長の際、基板温度を２００℃程度にまで降温することで、エピタキシャル層１６中には酸素が含有されている。このように、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１は、エピタキシャル層１６の表面１１ａ近傍におけるＡｓクラスターが有意に増量されると共に、エピタキシャル層１６中に酸素が含有されているため、キャリアのさらなる短寿命化が実現されている。また、エピタキシャル層１６の表面１１ａに向かうに従ってＡｓ／Ｇａ濃度が増加していることにより、エピタキシャル層１６の成長初期段階では均質な結晶成長がおこなわれるので、成長面が良好で、且つキャリアの移動度が高いテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１となっている。
【００４０】
そして、このようなテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１に、ＡｕＧｅ／Ａｕ合金からなるアンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂが形成されて、テラヘルツ発生検出デバイス１０が完成する。すなわち、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂの直下の、テラヘルツ電磁波対応ウェハ１１の表面１１ａ近傍に多数のＡｓクラスター２６が配置された、テラヘルツ発生検出デバイス１０が得られる。なお、アンテナ電極対１８Ａ，１８Ｂの配置及び成形は、公知のリソグラフィー技術及びエッチング技術によりおこなわれる。
【００４１】
このテラヘルツ発生検出デバイス１０においては、上述したテラヘルツ電磁波対応ウェハ１１が採用されているため、微小ギャップ２４にフェムト秒レーザパルスが照射されることにより生成されるキャリアの寿命は従来より短縮化される。そして、このキャリアの短寿命化に伴って、テラヘルツ発生検出デバイス１０のより高速な応答が実現されており、従来より広い周波数帯に対応することが可能である。
【００４２】
なお、エピタキシャル層１６の成長条件は、上述したＡｓ供給量を増加する態様以外に、Ｇａ供給量を低減する態様であってもよく、ＭＢＥ装置のＧａシャッターを間欠的に開閉することにより実現される。また、Ａｓ分子線及びＧａ分子線の両方を遮断して、成長中断をおこなう態様であってもよい。この場合には、エピタキシャル層１６が所定量（例えば、２０ｎｍ）だけ成長する毎に、１〜２分程度ＭＢＥ装置のＧａシャッターを閉じて、Ａｓ分子線のみを基板上に照射する。その後、Ａｓシャッターも１〜２分程度閉じて、基板表面をチャンバー雰囲気に暴露し、表面の酸化を促進する。このような態様によれば、それぞれの原子の成長中断界面付近で酸素が取り込まれるため、酸素の増量を効果的におこなわれる。以上の２つの態様は、上述したＡｓ供給量を増加する態様と併用してもよい。
【００４３】
また、上述したエピタキシャル層１６の成長条件では、基板温度を段階的に低下すると共に、Ａｓ供給量を連続的に増加する態様を示したが、適宜、基板温度を連続的に低下したり、Ａｓ供給量を段階的に増加したりする態様に変更することができる。
【００４４】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、バッファ層材料及びエピタキシャル層材料は、二元のＧａＡｓに限定されず、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料であれば、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ等の多元混晶であってもよい。半導体単結晶基板の材料は、ＧａＡｓに限定されず、上述のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の他、テラヘルツ電磁波をほとんど吸収しないＳｉであってもよい。また、アンテナ電極の材料は、ＡｕＧｅ／Ａｕに限定されず、エピタキシャル層とのオーミック接触が図れる材料であればよく、特にテラヘルツ電磁波の検出の際に電流信号の取得、解析方法に応じてショットキー型の電極材料を採用することも可能である。
【００４５】
また、テラヘルツ発生検出デバイスのアンテナ電極対の形状は、ダイポール型に限定されず、テラヘルツ電磁波の放射特性に応じ、適宜、ボウタイ型、スパイラル型等を採用することが可能である。これらの形状を有するアンテナ電極を用いたテラヘルツ分光システムは、物性評価やイメージング等への応用が可能である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、キャリアのさらなる短寿命化が図られたテラヘルツ電磁波対応ウェハ、テラヘルツ発生検出デバイス及びそれらの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るテラヘルツ発生検出デバイスを示した概略斜視図である。
【図２】図１のテラヘルツ電磁波対応ウェハの積層構造を模式的に示した図である。
【図３】エピタキシャル層の成長条件を示したグラフである。
【図４】エピタキシャル層の表面からの深度に対するＡｓ／Ｇａ濃度比の変化を示したグラフである。
【図５】基板温度を替えてエピタキシャル層中の酸素濃度を測定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…テラヘルツ発生検出デバイス、１１…テラヘルツ電磁波対応ウェハ、１１ａ…表面、１２…ＧａＡｓ単結晶基板、１６…エピタキシャル層、１８Ａ，１８Ｂ…アンテナ電極、２４…微小ギャップ、２６…Ａｓクラスター。
Claims (4)
- 半導体単結晶基板と、
前記半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備え、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてはＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度より高く、且つ、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従って前記ＩＩＩ族原子の濃度に対する前記Ｖ族原子の濃度の割合が増加している、テラヘルツ電磁波対応ウェハ。 - 半導体単結晶基板と、
前記半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に形成され、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対とを備え、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてはＶ族原子の濃度がＩＩＩ族原子の濃度より高く、且つ、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従って前記ＩＩＩ族原子の濃度に対する前記Ｖ族原子の濃度の割合が増加している、テラヘルツ発生検出デバイス。 - 半導体単結晶基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる際に、Ｖ族原料の供給量を増加させると共に基板温度を低下させ、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてＶ族原子の濃度をＩＩＩ族原子の濃度より高くし、且つ、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従って前記ＩＩＩ族原子の濃度に対する前記Ｖ族原子の濃度の割合を増加させる、テラヘルツ電磁波対応ウェハの製造方法。 - 半導体単結晶基板上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる第１ステップと、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に、微小ギャップにより隔離されたアンテナ電極対を形成する第２ステップとを備え、
前記第１ステップにおいて、前記半導体単結晶基板に供給するＶ族原料の供給量を増加させると共に前記半導体単結晶基板の基板温度を低下させ、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面近傍においてＶ族原子の濃度をＩＩＩ族原子の濃度より高くし、且つ、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面に向かうに従って前記ＩＩＩ族原子の濃度に対する前記Ｖ族原子の濃度の割合を増加させる、テラヘルツ発生検出デバイスの製造方法。
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