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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fotodiode mit einer
neuen Struktur, insbesondere eine Fotodiode mit einem Lichtempfangsbereich,
der durch einen Heteroübergang
zwischen einem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm und
Silizium gebildet ist, ungeachtet dessen, ob das Silizium vom n-Typ
oder p-Typ ist.
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STAND DER TECHNIK
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Mit
dem Auftreten einer fortgeschrittenen Informationsgesellschaft nimmt
die übertragene
und gespeicherte Informationsmenge ständig zu, und die Geschwindigkeit
der Informationsübertragung
nimmt ebenfalls je des Jahr zu. Unter diesen Umständen hat, zusammen mit der
breiten Verwendung von DVD eine optische Vorrichtung, die eine wichtige
Schlüsselvorrichtung
für DVD
ist und einen blauen Laser anstelle eines roten Lasers verwendet,
die Entwicklungsphase verlassen und ist in praktischen Gebrauch
gekommen, um DVD mit einer höheren
Dichte wie Hochauflösungs-DVD
zu unterstützen.
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Die
Wellenlänge
von für
derartige DVD verwendetem Laserlicht ist eine blauviolette Wellenlänge (05 nm).
Zusammen mit dem praktischen Gebrauch eines blauen Lasers ist es
absolut erforderlich, das Leistungsvermögen einer lichtempfangenden
Vorrichtung zum Erfassen eines blauen Lasers zu erhöhen. Gegenwärtig wird
eine Fotodiode grundsätzlich
verwendet als eine lichtempfangende Vorrichtung zum Empfangen von
Licht im Bereich von Blau bis Infrarot oder als eine lichtempfangende
Vorrichtung für
eine integrierte Schaltung. Eine herkömmliche Fotodiode hat grundsätzlich einen
pn-Übergang,
der durch Dotieren mit Verunreinigungen vom p-Typ oder n-Typ durch
Diffusion oder Ionenimplantation gebildet ist.
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Ein
blauer Laser wird nahezu absorbiert durch die Zeit, wenn er eine
Tiefe von etwa 1000 Å von
der Oberfläche
eines Siliziumsubstrats erreicht. Daher ist es in dem Fall einer
Fotodiode, die Silizium vom n-Typ verwendet
und einen mit Verunreinigungen vom p-Typ dotierten Bereich vom p-Typ hat,
um die Empfindlichkeit für
Licht mit einer kurzen Wellenlänge
von blauem Licht oder weniger zu verbessern, erforderlich, die Konzentration
der Verunreinigung vom p-Typ in dem Bereich vom p-Typ nicht zu hoch
zu machen und die Übergangstiefe
sehr seicht zu machen, um die Lebensdauer von Trägern zu erhöhen. Jedoch wird in ei nem Fall,
in welchem ein Übergang
mit einer seichten Übergangstiefe
unter Verwendung eines Bereichs vom p-Typ, der mit Verunreinigungen dotiert
ist, deren Konzentration nicht zu hoch ist, gebildet ist, der Widerstand
der Oberfläche eines
Siliziumsubstrats erhöht,
wodurch das große
Problem geschaffen wird, dass das Ansprechen langsamer wird aufgrund
einer Erhöhung
der CR-Zeitkonstanten.
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Andererseits
tritt in einem Fall, in welchem ein mit einer hohen Konzentration
von Verunreinigungen dotierter Bereich vom p-Typ gebildet ist, um
eine derartige Zunahme des Widerstands zu unterdrücken, ein
anderes Problem dahingehend auf, dass die Lebensdauer von Trägern verkürzt wird,
wodurch die Empfindlichkeit für
Licht mit einer kurzen Wellenlänge
wie blaues Licht beträchtlich
verringert wird. Zusätzlich
werden Träger
durch Akzeptorionen zerstreut, die durch Dotieren von Verunreinigungen
mit hoher Konzentration erzeugt werden, und daher ist die Mobilität der Träger verringert
und das Ansprechen wird verlangsamt. Aus diesen Gründen ist
es in dem Fall einer herkömmlichen,
mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode eine Tatsache, dass ein
Versuch zum Finden eines Kompromisses zwischen einer Übergangstiefe
und der Konzentration von Verunreinigungen zum Dotieren gemacht
wurde. Weiterhin ist es unausweichlich, wenn eine derartige herkömmliche,
mit Verunreinigungen dotierte Fotodiode mit Infrarotlicht bestrahlt
wird, dass die Mobilität
von Trägern
durch die Dotierung mit Verunreinigungen herabgesetzt wird, wodurch
sich Beschränkungen
hinsichtlich der Frequenzansprechcharakteristiken der Fotodiode
ergeben. Das Gleiche gilt für
eine Fotodiode, die Silizium vom p-Typ verwendet und einen mit Verunreinigungen
oder Störstellen
vom n-Typ dotierten Bereich vom n-Typ hat.
- Patent Dokument
2: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift
Nr. H9-237912
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Wie
vorstehend beschrieben ist, hat eine herkömmliche, mit Verunreinigungen
dotierte Fotodiode das unvermeidbare Problem, das mit der Dotierung
von Verunreinigungen verbunden ist, d.h., ein Problem der Herabsetzung
der Empfindlichkeit für
Licht mit einem kurzen Wellenlängenbereich
wie blaues Licht. Zusätzlich hat
eine derartige herkömmliche,
mit Verunreinigungen dotierte Fotodiode ebenfalls das Problem der
Herabsetzung der Ansprechgeschwindigkeit aufgrund des Zerstreuens
von Trägern
durch durch die Dotierung mit Verunreinigungen erzeugte Ionen. Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gleichzeitig
die vorgenannte Probleme zu lösen
und eine Fotodiode vorzusehen, die sowohl eine sehr hohe Empfindlichkeit
für Licht
im Bereich von Ultraviolett bis Infrarot als auch eine hohe Ansprechgeschwindigkeit
hat.
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Um
die vorgenannte Aufgabe zu lösen,
ist die vorliegende Erfindung auf eine Fotodiode mit einem Heteroübergang
zwischen einem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm und Silizium gerichtet,
welche aufweist:
Silizium vom n-Typ; und
einen halbisolierenden
Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm,
der auf dem Silizium vom n-Typ gebildet ist, wobei das Silizium
vom n-Typ als ein Kathodenbereich dient und in seinem oberen Teil
eine Inversionsschicht vom p-Typ enthält, die durch den Kontakt zwischen
dem Silizium vom n-Typ und dem auf dem Silizium vom n-Typ gebildeten
halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm
gebildet ist, wobei die Inversionsschicht vom p-Typ als ein Lichtempfangsbereich
und ein Anodenbereich dient.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Inversionsschicht
vom p-Typ als ein Lichtempfangsbereich einen überlappenden Bereich mit einem
mit Verunreinigungen vom p-Typ dotierten Bereich hat, der als ein
ohmscher Bereich für
den Lichtempfangsbereich dient.
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Weiterhin
ist es bei der vorliegenden Erfindung auch bevorzugt, dass der halbisolierende
Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm
teilweise aus Zinkoxid mit niedrigem Widerstand zusammengesetzt
ist und dass das Zinkoxid mit niedrigem Widerstand über eine
für das
Zinkoxid mit niedrigem Widerstand gebildete Elektrode mit dem mit
Verunreinigungen vom p-Typ dotierten Bereich verbunden ist.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf eine Fotodiode
mit einem Heteroübergang
zwischen einem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm und
Silizium gerichtet, welche aufweist:
Silizium vom p-Typ; und
einen
halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm, der auf dem Silizium
vom p-Typ gebildet ist, wobei das Silizium vom p-Typ und der halbisolierende
Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm
einen Heteroübergang
zwischen sich bilden, der als ein Lichtempfangsbereich dient, wobei
der Lichtempfangsbereich einen überlappenden
Bereich mit einem mit Verunreinigungen vom n-Typ dotierten Bereich hat, der in dem
Silizium vom p-Typ
gebildet ist, um einen Fotostrom aus diesem herauszuziehen.
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Die
Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung, die die vorbeschriebene Struktur hat, hat die folgenden
Wirkungen. Die Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung, die Silizium vom n-Typ verwendet und eine Inversionsschicht
vom p-Typ hat, die durch Bilden eines halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms
auf dem Silizium vom n-Typ gebildet ist, kann ausgezeichnet und
gleichzeitig zwei Probleme einer herkömmlichen, mit Verunreinigungen
dotierten Fotodiode lösen,
d.h., ein Problem der Herabsetzung der Empfindlichkeit für Licht,
insbesondere Licht mit einer kurzen Wellenlänge von blauem Licht oder weniger,
und ein Problem der Verringerung der Ansprechgeschwindigkeit. Wenn
eine Fotodiode mit einem Siliziumsubstrat mit Licht mit einer kürzeren Wellenlänge bestrahlt
wird, wird das Licht durch einen Bereich absorbiert, der näher an der
Oberfläche
des Siliziumsubstrats ist. Wenn beispielsweise die Fotodiode mit
einem blauvioletten Laser mit einer Wellenlänge von 400 nm bestrahlt wird,
werden 63% des blauvioletten Lasers in der Zeit absorbiert, in welchem
es eine Tiefe von etwa 1300 Å erreicht,
was eine Absorptionslänge
für Licht
mit einer Wellenlänge
von 400 nm ist, von der Oberfläche
des Substrats. Daher muss eine Fotodiode für blaues Licht eine Übergangstiefe von
1000 Å oder
weniger haben, während
die Übergangstiefe
einer Fotodiode für
Licht mit einer relativ langen Wellenlänge wie rotem Licht bei etwa
1 Mikron liegt.
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Eine
herkömmliche,
mit Verunreinigungen dotierte Fo todiode benötigt eine geringe Übergangstiefe, um
die Empfindlichkeit für
Licht mit einer kurzen Wellenlänge
von blauem Licht oder weniger zu verbessern. Zusätzlich ist es auch erforderlich,
die Konzentration von Verunreinigungen für die Dotierung nicht zu hoch
zu machen, um eine Herabsetzung der Empfindlichkeit aufgrund einer
Rekombination von Trägern
zu verhindern und die Lebensdauer der Träger zu erhöhen. Jedoch bewirkt ein derartiger
flacher Übergang,
der durch Dotieren mit Verunreinigungen, deren Konzentration nicht
zu hoch ist, gebildet ist, eine Zunahme des Widerstandswertes, was
eine CR-Zeitkonstante vergrößert und
daher das Ansprechen verzögert.
Um ein schnelles Ansprechen zu erzielen, ist es erforderlich, einen
mit einer hohen Konzentration von Verunreinigungen dotierten Bereich
vom p-Typ zu bilden. Dies jedoch verkürzt beträchtlich die Lebensdauer von
in dem Bereich mit Verunreinigungen hoher Konzentration nahe der
Oberfläche
eines Substrats erzeugten Trägern,
was zu einer Herabsetzung der Empfindlichkeit für Licht mit einer kurzen Wellenlänge führt. Zusätzlich bewirkt
eine Dotierung mit einer hohen Konzentration von Verunreinigungen
ein Zerstreuen der Träger
durch Akzeptorionen. Dies reduziert die Mobilität der Träger und verlangsamt daher das
Ansprechen, was zu verschlechterten Frequenzeigenschaften führt. Nach
allem ist es erforderlich, einen Kompromiss zwischen Empfindlichkeit
für Licht
mit einer kurzen Wellenlänge
und der Ansprechgeschwindigkeit zu finden, die einander widersprechend
sind. Jedoch ist es sehr schwierig, sowohl eine hohe Empfindlichkeit
für Licht
mit einer kurzen Wellenlänge
wie einen blauen Laser, als auch eine hohe Ansprechgeschwindigkeit
zu erzielen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die auf dem Si lizium vom n-Typ gebildete Zinkoxidschicht
für Licht
mit einer Wellenlänge,
die länger
als eine Bandkanten-Wellenlänge
(375 nm) wie blaues Licht ist, durchlässig. Weiterhin ist, da die
Inversionsschicht vom p-Typ als ein Bereich vom p-Typ in dem obersten
Teil des Siliziums vom n-Typ aufgrund der Valenzbanddiskontinuität zwischen
Zinkoxid und Silizium gebildet ist, der Lichtempfangsbereich mit
keinen Verunreinigungen vom p-Typ dotiert, wodurch die Lebensdauer
von durch Licht erzeugten Trägern
beträchtlich
erhöht
wird. Eine derartige erhöhte
Lebensdauer von Trägern
und eine sehr flache Übergangstiefe
von 100 Å oder
weniger machen es bei der Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung
möglich,
eine hohe Empfindlichkeit auch für
Licht mit einer kurzen Wellenlänge
wie blaues Licht zu haben.
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Weiterhin
tritt, wie vorstehend beschrieben ist, da der Lichtempfangsbereich
der Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht mit irgendwelchen Verunreinigungen vom p-Typ dotiert
ist, eine Zerstreuung von Trägern
durch Akzeptorionen überhaupt
nicht auf, und daher sind Löcher
in einem zweidimensional begrenzten Bereich mit einer Tiefe von
100 Å oder
weniger vorhanden. Dies ermöglicht
den Löchern,
sich wie zweidimensionale Löcher
zu verhalten, so dass ein schnelles Ansprechen erzielt wird. Die
Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung hat eine hohe Empfindlichkeit auch für Licht mit einer langen Wellenlänge in ihrem
tiefen Bereich in dem Siliziumsubstrat wie in dem Fall einer herkömmlichen,
mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode, aber die Leitung in der
Inversionsschicht vom p-Typ wird durch Löcher, die sich wie zweidimensionale
Löcher
verhalten, durchgeführt,
so dass ein schnelles Ansprechen erzielt wird (es ist festzustellen,
dass Elektronen, die in einer Potenti alwanne begrenzt sind, mit
einer Tiefe von etwa der de-Broglie-Wellenlänge von etwa 100 Å, und die
einen begrenzten zweidimensionalen Freiheitsgrad haben, allgemein
als "zweidimensionale Elektronen" bezeichnet werden,
und derartige zweidimensionale Elektronen werden bei Transistoren
mit hoher Elektronenmobilität
(HEMT) angewendet, da sie in einer Hochwiderstandsschicht erzeugt
werden und daher das Zerstreuen durch Verunreinigungen unterdrückt werden
kann. In einem Fall, in welchem die Träger Löcher sind, werden die Löcher als "zweidimensionale
Löcher" bezeichnet). Weiterhin
ist es üblicherweise
schwierig für
Silizium, eine fotoelektrische Umwandlung unter Bestrahlung mit
Ultraviolettlicht mit einer Wellenlänge, die kürzer als eine Bandkanten-Wellenlänge (375
nm) ist, durchzuführen,
aber die Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung kann wirksam eine fotoelektrische Umwandlung selbst unter
Bestrahlung mit Ultraviolettlicht durchführen, da die Zinkoxidschicht
Ultraviolettlicht absorbiert.
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Bei
der Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer Inversionsschicht vom p-Typ ist das halbisolierende
Zinkoxid isolierend, und daher gibt es einen Fall, in welchem die
Inversionsschicht vom p-Typ durch
Polarisationsladung destabilisiert wird. Die Destabilisierung der
Inversionsschicht vom p-Typ aufgrund der Polarisation kann verhindert
werden durch teilweises Verringern des Widerstands des halbisolierenden Zinkoxids
und durch Verbinden des Bereichs mit niedrigem Widerstand des halbisolierenden
Zinkoxids mit der Inversionsschicht vom p-Typ über einen mit Verunreinigungen
vom p-Typ dotierten Bereich.
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Andererseits
kann in dem Fall einer Fotodiode gemäß der vorliegenden Erfindung,
enthaltend Silizium vom p-Typ und einen halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter,
berücksichtigt
werden, dass ein Heteroübergang zwischen
dem Silizium vom p-Typ und dem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter
eine Kanalschicht vom n-Typ in dem unteren Teil des halbisolierenden
Zinkoxid-Halbleiters bildet, und das Silizium vom p-Typ und die
Kanalschicht vom n-Typ verleihen der Fotodiode Fotodiodeneigenschaften.
Auch in dem Fall der Silizium vom p-Typ verwendenden Fotodiode ist
der Lichtempfangsbereich nicht mit irgendwelchen Verunreinigungen
vom n-Typ dotiert. Daher hat, wie in dem Fall der Silizium vom n-Typ
verwendenden Fotodiode die Silizium vom p-Typ verwendende Fotodiode
auch eine hohe Empfindlichkeit und ausgezeichnete Frequenzeigenschaften.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung
möglich,
gleichzeitig zwei Probleme einer herkömmlichen, mit Verunreinigungen
dotierten Fotodiode zu lösen,
die mit der Dotierung mit Verunreinigungen verbunden sind, d.h.,
ein Problem der Herabsetzung der Empfindlichkeit für Licht
mit einer kurzen Wellenlänge
und ein Problem der Herabsetzung der Ansprechgeschwindigkeit, und
daher eine Fotodiode mit einer hohen Empfindlichkeit für Licht
mit einer Wellenlänge
in einem weiten Bereich von Ultraviolett bis Infrarot, einer hohen
Ansprechgeschwindigkeit und ausgezeichneten Frequenzeigenschaften
vorzusehen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A ist eine Querschnittsansicht, die schematisch
eine Fotodiode gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfin dung zeigt;
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1B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines
Teils A, der in 1A gezeigt ist;
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2A zeigt eine Bandstruktur eines halbisolierenden
Zinkoxid-Halleiters und von Silizium vor dem Kontakt;
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2B zeigt ein Bandmodell des halbisolierenden
Zinkoxid-Halbleiters und des Siliziums vor dem Kontakt;
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2C zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht
eines in 2B gezeigten Teils B;
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3A bis 3C sind
schematische Querschnittsansichten, die einen Vorrang zum Erzeugen
der Fotodiode gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung illustrieren.
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4 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel für
ein Fotolumineszenzspektrum von bei der vorliegenden Erfindung verwendetem
Zinkoxid zeigt;
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5 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel für
ein Röntgenstrahlen-Beugungsmuster
von bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Zinkoxid zeigt;
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6A ist ein Diagramm, das ein Beispiel
für Eigenschaften
der Fotodiode gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6B ist eine schematische Ansicht zum Erläutern eines
Verfahrens zum Messen der in 6A gezeigten
Eigenschaften;
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7 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel für
Spektralempfindlichkeitseigenschaften der Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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8A ist eine Querschnittsansicht, die schematisch
eine Fotodiode gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8B ist eine teilweise weggeschnittene
Draufsicht, die schematisch die in 8A gezeigte
Fotodiode zeigt;
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8C ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines
in 8A gezeigten Teils C, die schematisch die
Arbeitsweise der in 8A gezeigten Fotodiode
zeigt;
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9 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel für
Frequenzcharakteristiken der Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 ist
eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Fotodiode gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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11 ist
eine Querschnittsansicht, die schematische eine Fotodiode gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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12A ist eine Querschnittsansicht, die
schematisch eine Fotodiode gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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12B ist ein Diagramm, das ein Beispiel
für Eigenschaften
einer in 12A gezeigten Kanalschicht vom
n-Typ zeigt;
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12C ist eine schematische Ansicht zum
Erläutern
eines Verfahrens zum Messen der in 12B gezeigten
Eigenschaften; und
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12D ist ein Diagramm, das ein Beispiel
für Eigenschaften
der Fotodiode gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bestrahlung mit einem blauen Laser
zeigt.
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BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Nachfolgend
wird eine Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer Inversionsschicht vom p-Typ, die durch Bilden
eines halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms
vorgesehen ist, im Einzelnen mit Bezug auf spezifische Ausführungsbeispiele,
die in den begleitenden Zeichnungen gezeigt sind, beschrieben. 1A ist eine Querschnittsansicht, die schematisch
eine Fotodiode gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einer Inversionsschicht vom p-Typ
zeigt, und 1B ist eine vergrößerte Ansicht
eines in 1A gezeigten Teils A. Wie
in 1A gezeigt ist, hat die Fotodio de
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Struktur, bei der ein ausgezeichneter halbisolierender
Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm 3 (nachfolgend
als "halbisolierender
ZnO-Dünnfilm 3" abgekürzt) auf
Silizium 1 vom n-Typ durch Verwendung von gemustertem Siliziumdioxid 2 als
einer Maske gebildet wird. Eine derartige sehr einfache Struktur
ermöglicht
es, eine Inversionsschicht 4 vom p-Typ in dem oberen Teil
des Siliziums 1 vom n-Typ, der in Kontakt mit dem halbisolierenden
ZnO-Dünnfilm 3 ist,
zu bilden, und die Inversionsschicht 4 vom p-Typ dient
als ein Lichtempfangsbereich. Wie in 1B gezeigt
ist, ist die als ein Lichtempfangsbereich dienende Inversionsschicht 4 vom
p-Typ gebildet auf dem Silizium 1 vom n-Typ auf der Seite
einer Grenzfläche
zwischen dem halbisolierenden ZnO-Dünnfilm 3 und dem Silizium 1 vom
n-Typ aufgrund der Wirkung des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3.
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Der
Mechanismus der Bildung der Inversionsschicht 4 vom p-Typ,
die als ein Lichtempfangsbereich dient, wird mit Bezug auf mögliche Bandmodelle,
die in 2 gezeigt sind, beschrieben. 2A ist
ein Energiepegeldiagramm zwischen dem Zinkoxid-Halbleiter und dem
Silizium vom n-Typ, das mit einer geringen Menge von Verunreinigungen
dotiert ist und einen hohen spezifischen Widerstand zu der Zeit
hat, zu der sie voneinander getrennt sind. Wie aus 2A ersichtlich
ist, besteht eine Energiedifferenz (ΔEc) von 0,19 eV zwischen dem
Boden des Leitungsbands von Zinkoxid (Ecz)
und dem von Silizium (Ecs), und es besteht
eine sehr große
Energiedifferenz (ΔeV)
von 2,44 eV der Oberseite des Valenzbands von Zinkoxid (Evz) und der von Silizium (Evs). 2B zeigt ein Energiebandmodell zwischen
dem Zinkoxid-Halbleiter und dem Silizium vom n-Typ, nachdem sie
in Kontakt miteinander sind. Gemäß der Lehre
der Halbleiterphysik stimmt, nachdem Zinkoxid und Silizium in Kontakt
miteinander gebracht sind, der Fermin-Pegel von Zinkoxid (EFZ) mit dem Fermin-Pegel von Silizium (EFS) überein,
so dass Zinkoxid und Silizium denselben Fermin-Pegel (EF)
haben. Daher treten Banddiskontinuitäten gemäß der Differenz in der Elektronenaffinität zwischen
Zinkoxid (XZ) und Silizium (Xs)
und durch die Differenz in der Bandabstandsenergie zwischen Zinkoxid
(Egz) und Silizium (Egs)
auf. Diese Banddiskontinuitäten
entsprechen ΔEc
und ΔEv,
die in 2 gezeigt sind, und ΔEc und ΔEv sind gleich in 2A gezeigten Werten. Es kann berücksichtigt
werden, dass diese Werte tatsächlich
durch einen Schnittstellenzustand in Abhängigkeit von den Bedingungen
der Schnittstelle zwischen Zinkoxid und Silizium beeinflusst werden.
Jedoch berücksichtigt
das in 2 gezeigte Energiebandmodell nicht den Einfluss
des Schnittstellenzustands.
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Es
kann berücksichtigt
werden, dass ein Energieband (Evs) an der
Oberseite des Siliziumvalenzbands stark aufwärts gebogen ist aufgrund einer
sehr großen
Differenz zwischen der Energie der Oberseite des Valenzbands von
Zinkoxid und der von Silizium (ΔEv),
und daher wird das Silizium vom n-Typ in Silizium vom p-Typ invertiert. Als
eine Folge können
Löcher
akkumuliert werden, wie in 2C gezeigt
ist, die eine vergrößerte Ansicht
eines in 2 gezeigten Teils B ist. In
diesem Fall wird anders als bei einem MOS, bei dem eine Inversion
elektrostatisch durch Anlegen einer Vorspannung an einen Oxidfilm
erzielt wird, eine Inversion durch Banddiskontinuität erzielt,
und daher können
die Löcher
konstant existieren ohne die Notwendigkeit des Anlegens einer Vorspannung.
Jedoch ist es, um eine derartige Inversionsschicht vom p-Typ vorzusehen,
erforderlich, direkt einen Zinkoxid- Halbleiter-Dünnfilm auf Silizium auszubilden,
um einen Heteroübergang
zwischen diesen zu bilden, was nicht einfach ist.
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3A bis 3C zeigen
schematisch den Vorgang der Herstellung der Fotodiode gemäß dem in 1 gezeigten
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Zuerst wird ein Oxidfilm 2 auf
einem Siliziumsubstrat 1 vom n-Typ in derselben Weise wie
bei einem herkömmlichen
Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung gebildet, und
dann wird ein Bereich entsprechend einem als ein Lichtempfangsbereich dienenden
Bereich vom p-Typ einer Musterätzung
unterzogen (siehe 3A). Als Nächstes wird
die Oberfläche
des Wafers abgewaschen, und dann wird ein halbisolierender ZnO-Dünnfilm 3 auf
der gesamten Oberfläche
des Wafers gebildet (siehe 3B). Dieser
Schritt des Bildens eines Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms ist sehr wichtig und
wird daher nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es ist herkömmlich bekannt,
dass Zinkoxid einen piezoelektrischen Effekt hat, und es wird vorgeschlagen,
dass Zinkoxid Potential zur Verwendung in Ultraviolett-LEDs und
Exiton-Lasern hat. Daher wird Zinkoxid von verschiedenen Forschungsinstituten
aktiv untersucht als ein wichtiges Material für eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung
der nächsten
Generation. Jedoch wurde die Bildung eines Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms,
der eine Bandkanten-PL-Emission zeigen kann, auf Silizium als sehr
schwierig angesehen. Dies ergibt sich daraus, dass es erforderlich
ist, eine Wachstumstemperatur hoch zu machen, um eine gute Kristallinität zu erhalten
(z.B. 600°C
oder höher).
Dies fördert
nicht nur die Oxidation einer Siliziumoberfläche, sondern auch das Auftreten
von Übergängen aufgrund
von Gitterverzerrung, und daher ist es unmöglich, einen guten kri stallinen
Film aufzuwachsen. Um ein derartiges Problem zu lösen, wurde
ein Versuch zum Aufwachsen von Zinkoxid auf einer Pufferschicht,
die auf Silizium gebildet ist, um eine Rolle als eine Zwischenschicht
zu spielen, allgemein durchgeführt
(siehe beispielsweise Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschriften
Nrn. 2001-44499 und 2003-165793). In diesem Fall ist ein Siliziumnitridfilm
oder ein Kalziumfluoridfilm an der Grenzfläche zwischen Silizium und Zinkoxid
vorgesehen, was nicht bevorzugt ist unter dem Gesichtspunkt der
Verwendung der Eigenschaften eines Heteroübergangs zwischen Silizium
und Zinkoxid. Unter diesen Umständen
ist eine Vorrichtung, die eine Zinkoxid/Silizium-Heterostruktur
verwendet, noch nicht im praktischen Gebrauch.
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Der
Erfindung der vorliegenden Erfindung hat eine gründliche Studie durchgeführt und
hat als Ergebnis gefunden, dass es durch Verwendung einer HF-Sputtervorrichtung
möglich
ist, einen ausgezeichneten kristallinen Dünnfilm auf Silizium mit einer
geringen Wachstumsrate von etwa 50 Å/m unter Bedingungen einer Sauerstoffatmosphäre zu bilden,
wodurch es möglich
wird, die Bildung von Sauerstoffdefekten zu verhin- dern, und einer
Temperatur, die nicht immer hoch sein muss und so niedrig wie etwa
300°C oder
weniger sein kann, bei der es weniger wahrscheinlich ist, dass ein
Oxidfilm auf Silizium wächst.
Der unter den vorgenannten Wachstumsbedingungen erhaltene Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm ist
halb isolierend. 4 zeigt ein PL-Emissionsspektrum
eines Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms,
der von dem vorliegenden Erfinder gebildet wurde, und 5 zeigt
ein Röntgenstrahlen-Beugungsdiagramm
des Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms.
Wie aus 4 ersichtlich ist, zeigt der
Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm
eine klare Bandkantenemission und eine Wellenlänge von 375 nm, und wie aus
dem Röntgenstrahlen-Beugungsdiagramm
nach 5 ersichtlich ist, hat der Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm eine
ausgezeichnete C-Achsen-Orientierung. Ein derartiger ausgezeichneter
halbisolierender ZnO-Dünnfilm 3 wird
auf der gesamten Oberfläche
des Wafers gebildet, wie in 3B gezeigt
ist. Zu dieser Zeit braucht die Sputtervorrichtung nicht immer verwendet
zu werden. Der halbisolierende ZnO-Dünnfilm 3 kann auch
gebildet werden beispielsweise durch Verwendung einer MBE-Vorrichtung
oder einer Laserablationsvorrichtung unter optimalen Bedingungen.
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Wie
in 3C gezeigt ist, wird der in dem
in 3B gezeigten Herstellungsschritt
gebildete halbisolierende ZnO-Dünnfilm 3 in
eine gewünschte
Form geätzt
(z.B. so, dass er leicht mit dem Oxidfilmmuster überlappt wird). Dann wird der
halbisolierende ZnO-Dünnfilm 3 vorzugsweise
einem Glühen
bei einer Temperatur, bei der eine Aufrauung seiner Oberfläche nicht
stattfindet, unterzogen, um die Schnittstelle zwischen Silizium und
Zinkoxid zu stabilisieren und die sich aus einem pn-Übergang
ergebenden Eigenschaften wie einen Leckstrom zu verbessern. Durch
Verwendung eines derart einfachen Prozesses wie in den 3A bis 3C gezeigt ist,
ist es möglich,
eine Inversionsschicht 4 vom p-Typ in dem oberen Teil des
Siliziums 1 vom n-Typ, der in Kontakt mit dem halbisolierenden
ZnO-Dünnfilm 3 ist,
zu bilden, und die so gebildete Inversionsschicht 4 vom p-Typ
existiert konstant als ein Lichtempfangsbereich.
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6A ist ein Diagramm, das ein Beispiel
für die
Eigenschaften des so gebildeten pn-Übergangs mit einer Inversionsschicht
als einem Bereich vom p-Typ zeigt. Der halbisolierende ZnO-Dünnfilm 3 ist
nahezu isolierend, und daher ist es schwierig, einen guten ohmschen
Kontakt zu erhalten, wenn nicht der halbisolierende ZnO-Dünnfilm 3 mit
Verunreinigungen vom p-Typ
dotiert ist. Aus diesem Grund wurde das in 6A gezeigte Diagramm
gemacht durch Messen der Eigenschaften des pn-Übergangs mit einem Spurenabtaster 11 nach den
folgenden Operationen: wie in 6B gezeigt
ist, wurde die Fotodiode auf einer Saugstufe 13 angeordnet, und
eine Sondennadel 12 beispielsweise aus Wolfram wurde direkt
in Kontakt mit dem halbisolierenden ZnO-Dünnfilm 3 gebracht,
und die Isolierung des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 wurde beispielsweise durch
Anlegen einer Vorwärtsvorspannung
von etwa mehreren bis 50 V hieran gebrochen, um den halbisolierenden
ZnO-Dünnfilm 3 zwangsweise
in Vorwärtsleitung
zu bringen. Wie aus 6A ersichtlich
ist, zeigte die Fotodiode ausgezeichnete Gleichrichtungseigenschaften
wie in dem Fall eines herkömmlichen
pn-Übergangs, der
durch Dotieren gebildet ist, trotz des Umstandes, dass die Isolierung
des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 unterbrochen
wurde, um ihn zum Leiten zu bringen. Dies ergibt sich daraus, dass
die Inversionsschicht 4 vom p-Typ nicht durch ein externes
elektrisches Feld oder Polarisation gebildet wird, sondern durch
Valenzbanddiskontinuität,
und daher konstant und stabil existieren kann. Weiterhin zeigt,
wie aus 6A ersichtlich ist, wenn die
als ein Lichtempfangsbereich dienende Inversionsschicht 4 vom
p-Typ mit Licht bestrahlt wurde, die Fotodiode ein gutes Ansprechen
auf Licht, obgleich die Eigenschaften der Fotodiode leicht geändert waren aufgrund
beispielsweise von Kontaktwiderstand. 7 ist ein
Diagramm, das ein Beispiel für
Spektralempfindlichkeitseigenschaften der Fotodiode gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Wie
aus dem in 7 gezeigten Diagramm ersichtlich
ist, nimmt die Empfindlichkeit einer herkömmlichen, mit Verunreinigungen
dotierten Fotodiode in einem Kurzwellenbereich schnell ab, während die
Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Empfindlichkeit von 0,3 A/W oder höher (ein
Quantenumwandlungs-Wirkungsgrad
von 95% oder höher)
für blauviolettes
Licht mit einer Wellenlänge
von 400 nm zeigt. Zusätzlich
zeigt die Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung Spektralcharakteristiken, die im Wesentlichen parallel
zu einer geraden Linie entsprechend einem Quantenwirkungsgrad von
100 unter Bestrahlung mit Licht mit einer langen Wellenlänge, während eine
Interferenz durch Zinkoxid und Luft stattfindet, und hat einen sehr hohen
Quantenwirkungsgrad. Dies ergibt sich dadurch, dass Zinkoxid für Licht
mit Licht mit einer Wellenlänge, die
eine Bandkanten-Wellenlänge
von 375 nm überschreitet,
durchsichtig ist, und anders als bei der herkömmlichen, mit Verunreinigungen
dotierten Fotodiode wird die Lebensdauer von durch Licht erzeugten
Trägern nicht
durch durch die Verunreinigungsdotierung erzeugte Akzeptorionen
beeinträchtigt.
Zusätzlich
zeigt, wie aus 7 ersichtlich ist, die Fotodiode
gemäß der vorliegenden
Erfindung hohe Empfindlichkeitseigenschaften unter Bestrahlung mit
Licht mit einer Wellenlänge,
die kürzer
als eine Bandkanten-Wellenlänge
375 nm ist, da der Zinkoxid-Dünnfilm
solches Licht absorbiert.
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Wie
vorstehend mit Bezug auf 6B beschrieben
ist, ist es in dem Fall der Fotodiode gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erforderlich, den halbisolierenden ZnO-Dünnfilm 3 zwangsweise
in einer Richtung von der Oberseite zur Unterseite des halbisolierenden
ZnO-Dünnfilms 3 in
Leitung zu bringen, was nicht immer bevorzugt ist. Weiterhin ist
es auch erforderlich, einen Teil des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 in
den p-Typ zu bringen, um eine ohmsche Elektrode von dem halbisolierenden ZnO-Dünnfilm 3 zu erhalten,
was gegenwärtig
sehr schwierig ist.
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Die 8A bis 8C zeigen
eine Fotodiode gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem durch Verunreinigungen dotierten
Bereich, der so ausgebildet ist, dass er mit einer als Lichtempfangsbereich
dienenden Inversionsschicht vom p-Typ überlappt. Wie in 8A gezeigt ist, wird ein halbisolierender
ZnO-Dünnfilm 3 auf
Silizium 1 vom n-Typ
gebildet, eine Inversionsschicht 4 vom p-Typ wird als ein
Lichtempfangsbereich gebildet, und die Inversionsschicht 4 vom
p-Typ hat einen überlappenden
Bereich 7 mit einem durch Verunreinigungen vom p-Typ dotierten
Bereich 6, wodurch dem mit Verunreinigungen vom p-Typ dotierten
Bereich 6 ermöglicht
wird, als ein ohmscher Kontaktbereich zu wirken. 8B ist
eine Draufsicht, die schematisch die Fotodiode gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt. 8A ist
ein entlang der X-X' in 8B genommener Querschnitt. 8C ist eine vergrößerte Ansicht eines in 8A gezeigten Teils C. Die Arbeitsweise
der Fotodiode gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 8C beschrieben.
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Wenn
Licht mit einer relativ langen Wellenlänge wie rotes Licht in die
Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung eintritt, dringt das Licht tief in das Siliziumsubstrat
bis zu einer Tiefe von mehreren zehn Mikron ein wie in dem Fall
einer herkömmlichen
Fotodiode, so dass Elektronen-Löcher-Paare
erzeugt werden. Dann bewegen sich, wie in 8C gezeigt
ist, Löcher
als Minoritätsträger zu der
Inversionsschicht 4 vom p-Typ entlang eines elektrischen
Feldes. Die Löcher
werden in der Inversionsschicht vom p-Typ Majoritätsträger und
bilden einen Lochstrom. Da die Inversionsschicht 4 vom
p-Typ durch die Inversion von Silizium vom n-Typ mit hohem Widerstand,
das mit einer geringen Menge von Verunreinigungen dotiert ist, gebildet
ist, wird ein Zerstreuen von Trägern
durch Donatorionen unterdrückt.
Zusätzlich
findet, da Akzeptorionen zum Bilden eines Bereichs vom p-Typ nicht
vorhanden sind, ein Zerstreuen von Trägern durch Akzeptorionen nicht
statt. Wie in 2C gezeigt ist, verhalten
sich die Löcher,
da die Löcher
in einer Potentialbarriere in einer Richtung senkrecht zu der Heteroschnittstelle
zwischen der halbisolierenden ZnO-Dünnschicht 3 und dem
Silizium vom n-Typ eingegrenzt sind, wie zweidimensionale Löcher, die
sich nur in einer Ebene parallel zu der Grenzfläche bewegen können. Als
eine Folge können
die Löcher
eine viel höhere
Mobilität
als solche in einer herkömmlichen,
mit Verunreinigungen dotierten Stiftfotodiode haben, wodurch ein
schnelles ansprechen ermöglicht
wird.
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Wenn
andererseits Licht mit einer kurzen Wellenlänge wie blaues Licht in die
Fotodiode gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
eintritt, empfängt
wie in dem Fall der Fotodiode gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
die als ein Lichtempfangsbereich dienende Inversionsschicht vom
p-Typ direkt das durch den halbisolierenden ZnO-Dünnfilm 3,
der für
sichtbares Licht durchlässig
ist, hindurchgehende Licht. anders als bei einer herkömmlichen,
mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode findet, da das Licht von
dem Lichtempfangsbereich empfangen wird, der nicht mit irgendwelchen
Verunreinigungen dotiert ist, eine Zerstreuung von Trägern durch Akzeptorionen
nicht statt, und daher kann eine sehr hohe Lichtempfangsempfindlichkeit,
die nahezu gleich einem theoretischen Wert ist, erzielt werden.
Zusätzlich
wird, wie in dem Fall von Infrarotlicht, ein durch Empfangen von
blauem Licht erzeugter Lochstrom nicht durch Akzeptorionen in der
Inversionsschicht 4 vom p-Typ zerstreut, da Akzeptorionen
nicht vorhanden sind (d.h., zweidimensionaler Locheffekt), wodurch
ein schnelles Ansprechen ermöglicht
wird.
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9 zeigt
die Frequenzcharakteristiken einer herkömmlichen, mit Verunreinigungen
dotierten Fotodiode und der Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bestrahlung mit Laserlicht. In
dieser Hinsicht ist festzustellen, dass die herkömmliche – mit Verunreinigungen dotierte Fotodiode
und die Fotodiode gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung denselben Lichtempfangs-Durchmesser von
600 μΦ und dieselben
Waferspezifikationen haben. Die herkömmliche, mit Verunreinigungen
dotierte Fotodiode hat eine geringe Empfindlichkeit für blaues
Licht, und daher zeigt 9 die Frequenzcharakteristiken
der herkömmlichen,
mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode unter Bestrahlung mit einem
roten Laser (650 nm), und zu dieser Zeit ist eine Frequenz, bei
der das Ausgangssignal um 3 dB reduziert ist, d.h., fc gleich 180
MHz. Andererseits zeigt die Fotodiode mit einer Inversionsschicht
vom p-Typ, die unter Verwendung von Zinkoxid gebildet ist, wenn
sie mit einem blauvioletten Laser (405 nm), einem roten Laser (650
nm) und einem Infrarotlaser (780 nm) bestrahlt wird, dieselben Frequenzcharakteristiken,
wie durch dieselbe Kurve gezeigt werden kann, und fc ist beträchtlich
auf 900 MHz erhöht.
Wie vorstehend beschrieben ist, sind die herkömmliche, mit Verunreinigungen
dotierte Fotodiode und die Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
beträchtlich
unterschiedlich hinsichtlich der Frequenzcharakteristiken trotz
des Umstands, dass sie dieselben Waferspezifikationen haben, da
die Mobilität
von Löchern
in dem Bereich der Inversionsschicht vom p-Typ der Fotodiode gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
hoch ist.
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Die
Fotodiode gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung hat dieselben Spektralcharakteristiken
wie die Fotodiode gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung (siehe 7). Auch
in dem Fall der Fotodiode gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird Ultraviolettlicht mit einer Wellenlänge von
weniger als einer Bandkanten-Wellenlänge von 375 nm von der Zinkoxidschicht
empfangen, und dann wird eine fotoelektrische Umwandlung mit hoher
Effizienz durchgeführt.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann die Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung ein schnelles Ansprechen erzielen, während sie ein Lichtempfangsspektrum
in einem weiten Wellenlängenbereich von
Ultraviolett bis Infrarot hat.
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Bei
der in 8 gezeigten Fotodiode gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist der mit Verunreinigungen vom p-Typ
dotierte Bereich 6 in einem begrenzten Sektor ausgebildet. Jedoch
ist in einem Fall, in welchem die Fläche eines Lichtempfangsbereichs
groß ist,
wie in 10 gezeigt ist (die eine Fotodiode
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung illustriert), der mit Verunreinigungen
vom p-Typ dotierte Bereich 6 vorzugsweise ringförmig so
ausgebildet, dass er den äußeren Bereich
der Inversions schicht vom p-Typ umgibt, da in der Mitte der Inversionsschicht 4 vom
p-Typ vorhandene Träger
in einer kürzeren
Zeit zu der Elektrode übertragen
werden können
und daher die Ansprechgeschwindigkeit höher wird.
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11 illustriert
eine Fotodiode gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, die so ausgebildet ist, dass sie verhindert,
dass die Inversionsschicht 4 vom p-Typ destabilisiert wird
aufgrund beispielsweise von Polarisation des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3.
Da ZnO piezoelektrisch ist, kann berücksichtigt werden, dass, wenn
der halbisolierende ZnO-Dünnfilm 3 isoliert,
er sehr leicht polarisiert wird. Um die Polarisation des halbisolierenden
ZnO-Dünnfilms 3 zu
verhindern, wird der Widerstand des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 teilweise
reduziert, um einen n+-Bereich 9 mit
einem Widerstand von 1 kΩ/O
oder weniger vorzusehen, und eine Anodenelektrode 8 wird
so gebildet, dass der n+-Bereich 9 über die
Anodenelektrode 8 mit dem mit Verunreinigungen vom p-Typ-dotierten
Bereich 6 verbunden werden kann. Der n+-Bereich 9 mit
einem geringen Widerstand kann gebildet werden durch Dotieren beispielsweise
mit Al oder Ga oder durch Reduktion.
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Eine
derartige Struktur ermöglicht
es, das Oberflächenpotential
des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms
3 zu
fixieren, wodurch Rückwärtscharakteristiken
stabilisiert werden. Dieser Effekt wird mit Bezug auf Tabelle 1
beschrieben. Tabelle 1 zeigt ein Beispiel für Charakteristiken der Fotodiode
mit dem Wert eines Dunkelstroms zu der Zeit, zu der eine Rückwärtsspannung
V
R 5 V betrug. Wenn das elektrische Potential
des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms
3 nicht
fixiert wurde, war ein Dunkelstrom so groß wie 10 nA oder höher. Andererseits
war, wenn das elektrische Potential des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms
3 auf
ein anodisches Potentials fixiert wurde, ein Dunkelstrom so klein
wie etwa 10 pA, d.h., ein Dunkelstrom hatte beträchtlich um einen Faktor von
etwa 1000 abgenommen. Dasselbe gilt für eine Rückwärtsstehspannung. Eine Fotodiode,
deren n-Substrat einen spezifischen Widerstand von 1,5 kΩ-cm betrug,
wurde experimentell hergestellt. Wenn das elektrische Potential
nicht fixiert wurde, variierte eine Rückwärtsstehspannung (BV
R) stark innerhalb eines Bereichs von 5 bis
150 V. Andererseits wurde, wenn das elektrische Potential fixiert
wurde, eine Rückwärtsstehspannung
bei etwa 150 V stabilisiert, d.h., ursprünglichen Leistungsvermögensdaten. Tabelle
1 VR
= 5V
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12A ist eine Querschnittsansicht einer
Fotodiode gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, die Silizium 21 vom p-Typ verwendet.
Wie in 12A gezeigt ist, wird eine
Kanalschicht 24 vom n-Typ in dem untersten Teil des halbisolierenden
ZnO-Dünnfilms 3 gebildet.
Es kann be rücksichtigt
werden, dass die Kanalschicht 24 vom n-Typ durch Banddiskontinuität (ΔEc) zwischen
dem halbisolierenden ZnO und Silizium, das als ein Teil D in 2B gezeigt ist, gebildet wird. Ob die
Kanalschicht 24 vom n-Typ tatsächlich vorhanden ist oder nicht,
kann durch 12B bestimmt werden.
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12B zeigt die V-I-Charakteristiken zwischen
mit Verunreinigungen vom n-Typ dotierten Bereichen 26 in 12C. Wie in 12C gezeigt
ist, ist die Kanalschicht 24 vom n-Typ den mit Verunreinigungen
vom n-Typ dotierten
Bereichen 26 vorgesehen. Ein Strom zwischen den mit Verunreinigungen
vom n-Typ dotierten Bereichen 26 entspricht einem Strom
zwischen einer Source und einer Drain, zwischen denen eine Gate-Elektrode nicht vorhanden
ist. Wie aus 12B ersichtlich ist,
fließt
augenscheinlich ein Kanalstrom. Dies zeigt die Existenz der in dem
untersten Teil des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 gebildeten
Kanalschicht 24 vom n-Typ an. Wie in 12A gezeigt
ist, ist in der Fotodiode entsprechend dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung, die Silizium vom p-Typ verwendet, die Kanalschicht 24 vom
n-Typ in dem untersten Teil des halbisolierenden ZnO-Dünnfilms 3 gebildet,
und das Silizium vom p-Typ liefert eine Struktur wie einen pn-Übergang.
Daher kann die Fotodiode gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung Fotodiodencharakteristiken haben durch
Herausziehen eines Stroms aus den mit Verunreinigungen vom n-Typ dotierten
Bereichen 26.
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12D zeigt das optische Ansprechen der
in 12A gezeigten Fotodiode, das unter
Verwendung einer in 12A gezeigten
Verbindungsverdrahtung unter Bestrahlung mit einem blauen Laser
gemessen wurde. Wie aus 12D ersichtlich
ist, zeigt die Silizium vom p-Typ verwendende Fotodiode bessere
Charakteristiken als die Silizium vom n-Typ verwendende Fotodiode.
Auch in dem Fall der in 12A gezeigten,
Silizium vom p-Typ verwendenden Fotodiode ist der Lichtempfangsbereich
von dieser nicht mit irgendwelchen Verunreinigungen dotiert. Daher
kann die Silizium vom p-Typ verwendende Diode nahezu dieselbe hohe
Empfindlichkeit und ausgezeichnete Frequenzeigenschaften wie die
Silizium vom n-Typ verwendende und eine Inversionsschicht vom p-Typ
aufweisende Fotodiode. Es ist festzustellen, dass auch in dem Fall
einer Silizium vom n-Typ verwendenden Fotodiode wie der in 1 gezeigten
Fotodiode gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung berücksichtigt
werden kann „dass
eine Kanalschicht vom n-Typ in dem untersten Teil des halbisolierenden
ZnO-Dünnfilms 3 vorhanden
ist, aber Zeichnungen, die eine Silizium vom n-Typ verwendende Fotodiode
zeigen, lassen eine derartige Kanalschicht vom n-Typ weg.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
eine Fotodiode, die eine in dem oberen Teil von Silizium vom n-Typ
vorgesehene Inversionsschicht vom p-Typ verwendet, vorzusehen, indem
ein halbisolierender Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm auf dem Silizium vom
n-Typ gebildet wird,
und eine Fotodiode, die einen Heteroübergang zwischen Silizium vom
p-Typ und einem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter verwendet.
Diese Fotodioden gemäß der vorliegenden
Erfindung haben die folgenden Wirkungen (1) bis (7), wenn sie mit
einer herkömmlichen,
mit Verunreinigungen dotierten Fotodiode verglichen werden.
- (1) Da der Lichtempfangsbereich ohne Dotieren
von Silizium vom p-Typ oder Silizium vom n-Typ mit Verunreinigungen
gebildet werden kann, werden durch Licht erzeugte Träger nicht
durch Akzeptorionen oder Donatorionen zerstreut, und daher kann
ein Quantenwirkungsgrad nahe 100 unter Bestrahlung mit blauem Licht
erzielt werden.
- (2) Da der Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm ultraviolettes Licht
absorbiert, kann eine hohe Empfindlichkeit für ultraviolettes Licht erzielt
werden.
- (3) Da Zinkoxid für
Licht für
eine Wellenlänge
von blauem Licht oder länger
durchlässig
ist, kann die Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung Spektralcharakteristiken entlang einer geraden Linie entsprechend
einem Quantenwirkungsgrad von 100 haben.
- (4) Wie in (1) bis (3) beschrieben ist, kann die Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung eine hohe Empfindlichkeit für Licht mit einer Wellenlänge in einem
weiten Bereich von Ultraviolett bis Infrarot haben.
- (5) Wie vorstehend beschrieben ist, werden Träger, da
der Lichtempfangsbereich ohne Dotieren von Silizium vom p-Typ und
Silizium vom n-Typ mit Verunreinigungen gebildet werden kann, nicht
durch Akzeptorionen oder Donatorionen zerstreut und verhalten sich
daher wie zweidimensionale Träger.
Dies ermöglicht es
der Fotodiode gemäß der vorliegenden
Erfindung, viel höhere
Frequenzcharakteristiken in einem Wellenlängenbereich von Blauviolett
bis Infrarot im Vergleich zu einer herkömmlichen – mit Verunreinigungen dotierten
Fotodiode zu haben. Insbesondere wurde es als sehr schwierig für eine Fotodiode
für einen
blauen Laser angesehen, sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch
hohe Frequenzcharakteristiken zu haben, aber die vorliegende Erfindung
kann ein derartiges Problem lösen
und in großem
Maße zu
einem weit verbreiteten Gebrauch eines blauen Lasers beitragen.
- (6) Der Lichtempfangsbereich kann durch einen sehr einfachen
Prozess gebildet werden, d.h., durch einfaches Bilden genau desselben
halbisolierenden Zinkoxids auf Silizium, ungeachtet dessen, ob das
Silizium vom p-Typ oder vom n-Typ ist. Daher kann, wenn Fotodioden
mit hohem Leistungsvermögen
in einen ID integriert werden, eine sehr hohe Flexibilität erzielt
werden ungeachtet des Typs von integrierter Schaltung (z.B. bipolar,
CMOS).
- (7) Zinkoxid ist nicht nur kostengünstig, sondern auch umweltfreundlich,
und es ist daher sehr geeignet als ein industrielles Material.
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Zusammenfassung:
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Eine
Fotodiode, die eine Herabsetzung der Empfindlichkeit in einem Kurzwellenlängenbereich
wie Blau eliminiert, ein durch Dotieren bedingtes unvermeidbares
Problem, löst
eine Ansprechverringerung durch das Zerstreuen von Akzeptorionen
von Verunreinigungen aufgrund des Dotierens von Verunreinigungen
zur gleichen Zeit, und hat eine sehr hohe Empfindlichkeit und ein
sehr schnelles Ansprechen in einem UV-IR-Bereich. Eine Fotodiode
mit einem Heteroübergang
zwischen einem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm und
Silizium und grundsätzlich
Silizium (1) vom n-Typ und einen auf dem Silizium vom n-Typ
gebildeten halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm (3)
aufweisend, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium vom n-Typ
einen Kathodenbereich bildet und die Bildung eines halbisolierenden
Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilms eine
Inversionsschicht (4) vom p-Typ in dem oberen Bereich des
Siliziums vom n-Typ in Kontakt mit dem halbisolierenden Zinkoxid-Halbleiter-Dünnfilm erzeugt,
wobei die Inversionsschicht vom p-Typ einen Fotoerfassungsbereich
und einen Anodenbereich bildet.
