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VIGO SYSTEM
 

InGaAsウェハー

いわゆるInGaAs材料とは、さまざまな層からなる完全なエピタキシャルスタックのことで、InGaAsは重要な部分である吸収を形成し、材料の光学的特性を担っている。InGaAs層自体は、In(x)Ga(1-x)As(y)P(1-y)の系列に属するIII-V族半導体である。2元系のGaAs、InP、GaP、InAsの場合、xとyは0または1に設定されている。4元系のInGaAsPや3元系のInGaAsでは、さまざまなxとyの値が可能であり、それぞれの組み合わせによって半導体をさまざまな用途に合わせて調整することができます。

インジウムとガリウム、ヒ素とリンの割合を調整することで、化合物のエネルギーバンドギャップや格子定数が変化する。プランク方程式E=hνで示されるように、エネルギーが高いほど周波数が高くなり、その周波数は波長に反比例します。In(x)Ga(1-x)Asのxを調整すると、エネルギーバンドギャップを小さくすることができ、その結果、光のスペクトル範囲を長くすることができるが、その代償として格子定数が変化し、InP基板とのミスマッチが生じる。格子定数は、エピタキシャルスタックを設計し、層内で発生しうる歪みを予測する上で重要な値です。


カットオフ波長
4つの化学元素をすべて混合した4元系InGaAsPは、InGaAsPをInPに格子整合させることで適切なバンドギャップが得られるため、1.0〜1.6μmの範囲で使用することができる。リンを省略（y=1）して3元系のInGaAsにすると、インジウムが53%の組成（In(0.53)Ga(0.47)As）のInPに格子整合することができ、エネルギーバンドギャップは0.73eVで、カットオフ波長は約1.7umとなる。

カットオフ波長とは、指定された値よりも短い波長のみが吸収されることを意味し、それ以上の値になると検出感度が非常に低くなるか、全く検出されなくなります。これは、D*（cm Hz^1/2W^-1）として測定されるパラメータで、デバイスの正規化されたS/N比を表します。

標準InGaAsと拡張InGaAsの比較 
吸収層にInGaAsを用い、カットオフ波長を1.7μm（InPと格子整合）に設定した材料を「標準」と呼び、カットオフ波長を1.7μm以上（格子整合）に設定した材料を「拡張」と呼ぶことが多い。

検出範囲を2.6μmなどの高い値に拡張する理由は単純で、アプリケーションのニーズに応えるものですが、その実行には大きな課題があります。ラティスミスマッチの場合、特別に設計されたグレーディングされたバッファー層が必要で、これが基板と吸収体の間のブリッジとして機能します。しかし、この解決策は決して理想的ではなく、多くのミスフィット欠陥や暗電流の異常が発生する可能性があります。そのため、一度開発したバッファ層は企業秘密とされることが多い。

エピタキシャルスタック設計
エピタキシャルスタックを開発する際には、コンタクトデザインに応じて、異なるInP基板（N型または半絶縁性）を使用することができます。この基板上にバッファ層とコンタクト層を成長させ、次に動作波長に最適なドーピングレベルと厚さのInGaAs吸収層を成長させます。望ましいデバイス特性やカットオフ波長の選択に応じて、エピタキシャルスタックは、空間電荷領域、界面、キャップなどの追加層で構成されます。これらの層は、キャリアの再結合、ドリフト、拡散を制御し、表面電流のリークが発生するのを防ぐ役割を果たします。最後のステップは、エピタキシャルスタックの最上部にP型コンタクトを施すことである。このようなコンタクトは、内在するInGaAs層内にP領域を形成するZn拡散プロセスによって形成されるのが一般的である。

材料性能
検出器では、逆電圧バイアスがかけられているため、デバイスに光が当たっていない状態では電流が流れないようになっています。しかし、空乏領域内で起こるランダムな再結合により、暗電流と呼ばれる小さな電流が常に存在します。暗電流は検出器の主なノイズ源となるため、特定の材料で達成できる値は小さいほどよい。InGaAs半導体のもう一つの特徴は、ミスフィットと表面欠陥の密度です。これはFPA（フォーカルプレーンアレイ）では特に重要です。FPAでは、より大きな表面積を選択して画素のマトリクスを作り、できるだけ多くの画素が読み出し回路で正しい信号を提供します。表面の問題やミスフィット欠陥は、デバイスの広範な電気光学特性に悪影響を及ぼす可能性があるため、一般的には好ましくありません。

VIGOのInGaAsの結果
InGaAs材料の特性評価では、まずX線回折を行います。右図のように、InGaAsのピークが正しく配置されていることから、吸収層の材料が、InP基板の格子定数と同じ化学組成で精密に調整されていることが確認できる。ピークがずれた場合は、その層の組成が一致しておらず、ミスフィット転位が発生している可能性がある。

InGaAs拡張材料では、吸収体と基板の間の格子不整合が望まれます。私たちは、X線を使ってピーク位置のずれを計算し、吸収体の化学組成や特定の波長への正しいチューニングを確認しています。このケースで明確なInPのピークがないのは、基板上に直接適用されたグレーディング成長の結果であり、これは格子定数の異なる層間の歪みを処理するために必要なことです。

　　
InPに格子整合させたIn0.53Ga0.47AsのXRDスキャン　　　拡張されたIn0.818GaAsのXRDスキャン Da/a= +19750ppm

標準InGaAs（1.7um）の波長では、非常に低いドーピングレベルが望まれる場合があります。エピタキシー炉内には不純物が存在するため、完全にドーピングされていない材料を実現することは非常に困難です。下のSIMS測定では、InGaAs吸収体（緑線）のドーピングレベルが検出レベル以下、つまり10^15以下であることが示されています。同様に、ECV測定では、1.6E14/cm³という低いキャリア濃度を検出することができました。

　　　　


多くの層では、Si、Zn、C、Feのいずれかを意図的に必要なレベルの濃度にする必要があります。このような場合には、精密なドーピング制御が必要となる。別のSIMS測定では、InP層のSiのドーピングレベルがよく調整されていることがわかる。


また、層の厚さは、エピタキシャルスタックの設計段階での計算に基づき、特定のデバイスパラメータに合わせて最適化する必要があります。厚みを制御するための最良の方法の一つは、LayTecのようなin-situ反射率ツールです。この図は、仕様に合致した測定値を示しています。成長後の検証のために、SEM測定を行うことができます。





最後に、表面スキャンで全体的な素材の品質を評価します。最も望まれるのは、原子レベルの段差の存在で、これは単原子層のレベルでの粗さを確認するものです。もう一つのチェックは、表面欠陥の数を計算することです。今回の測定では、1cm2あたり2個の欠陥というレベルを達成しており、これはほとんど欠陥のない材料であることを示しています。





Extended InGaAsでは、下の写真のように均一なクロスハッチを示すことが表面特性の条件となります。