JP2000101105A - 光導電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 受光面の汚染や劣化の影響を軽減し得る新た
な構造を有し、紫外線にも優れた耐性を有する光導電素
子を提供すること。 【解決手段】 ＧａＮ系結晶からなる第一導電型（特に
ｎ型）のｉ層を受光層１とし、該受光層１の一方の面を
受光対象光Ｌが入射する受光面１ａとして、受光面１ａ
に一方の極のオーミック電極２を設ける。該オーミック
電極２は、受光対象光Ｌの入射量を必要量以上確保し得
る態様とする。受光層の他方の面１ｂには、直接的にま
たは、第一導電型で低抵抗のＧａＮ系結晶層（コンタク
ト層）４を介して、他方の極のオーミック電極３を設け
て、光導電素子とする。これによって、発生したキャリ
アは受光層の厚さ方向に移動し、受光面の汚染や劣化の
影響が軽減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体受光素子の
なかでも光導電素子（フォトコンダクタ）の技術分野に
属するものである。

【０００２】

【従来の技術】光導電素子は、受光層（通常、高抵抗層
とされた半導体結晶層）に光励起でキャリアが発生し該
結晶の導電率が変化する現象（光導電効果）を利用して
電流を取出し、受光したことを検出する受光素子であ
る。

【０００３】従来の光導電素子は、図４に示すように、
受光層１１の表面を受光面としてその面上に正負両極の
オーミック電極１２、１３を対向して配置した構成とな
っている。受光対象光Ｌは、半導体結晶層１１を励起し
キャリアを発生させ得る光であって、キャリアの発生に
よって電極間の導電率が変化する。このような構成とし
て、両電極１２、１３の間に電圧を印加しておくと、受
光対象光が入射したことを電流の変化として検知するこ
とができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような光導電素
子の構造では、発生したキャリアは受光面に沿って電極
間を移動することになる。本発明者等はこのことに問題
点を見いだした。即ち、受光面は、文字通り受光層を形
成する物質の表面または界面であり、また常に強烈なエ
ネルギーの光にさらされることになるから、受光面とそ
の表層には、実使用中に周囲から受ける汚染、入射光に
よる半導体表面の劣化など、界面であることに起因する
種々の品質上の問題がある。従って、受光面に沿ってキ
ャリアが表層を移動する従来の素子構造では、キャリア
の再結合速度が大きく変化し、検出結果の再現性は低く
なり、光検出素子としての信頼性が損なわれることにな
る。

【０００５】一方、集積回路の高密度化に伴い、その微
細な回路パターンを形成するための縮小投影露光装置に
は、より高い解像度でより微細な描画を行なう能力が要
求されている。そのため、描画のためのレーザー源とし
て、ＫｒＦエキシマレーザー装置（波長２４８ｎｍ）
や、ＡｒＦエキシマレーザー装置（波長１９３ｎｍ）へ
の切り換えが検討されている。

【０００６】上記のような縮小投影露光装置では、レー
ザー光の一部を受光素子で受け、出力の変動などをモニ
ターしている。前記受光素子としては、Ｓｉ系半導体材
料を用いたフォトダイオード（ＰＤ）が挙げられる。し
かし、レーザー光を、波長２４８ｎｍ、１９３ｎｍのよ
うな短い波長の強烈なエネルギーを持つ光とすれば、従
来用いられているＳｉ系のＰＤの劣化は著しくなり、頻
繁に新しいものと交換しなければならない使用状況とな
る。

【０００７】本発明の目的は、上記問題を解決し、受光
面の汚染や劣化の影響を軽減し得る新たな構造を有し、
紫外線にも優れた耐性を有する光導電素子を提供するこ
とである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光導電素子は、
以下の特徴を有するものである。 （１）ＧａＮ系結晶からなる第一導電型のｉ層を受光層
として少なくとも有し、該受光層の一方の面は受光対象
光が入射する受光面であり、受光層の受光面には、一方
の極のオーミック電極が、受光対象光の入射を可能とす
る態様にて設けられ、受光層の他方の面には、直接的に
または、第一導電型で低抵抗のＧａＮ系結晶層を介し
て、他方の極のオーミック電極が設けられていることを
特徴とする光導電素子。

【０００９】（２）一方の極のオーミック電極が、受光
対象光の入射を可能とする様、透明電極として設けられ
ている上記（１）記載の光導電素子。

【００１０】（３）一方の極のオーミック電極が不透明
な電極であって、受光対象光の入射を可能とする様、受
光面に、電極に覆われた電極領域と、電極に覆われてい
ない入射領域が形成されている上記（１）記載の光導電
素子。

【００１１】（４）上記他方の極のオーミック電極が第
一導電型で低抵抗のＧａＮ系結晶層を介して設けられる
態様であって、結晶基板上に、前記低抵抗のＧａＮ系結
晶層、受光層が順に形成され、低抵抗のＧａＮ系結晶層
の上側の面が部分的に露出しており、この露出した面に
他方の極のオーミック電極が設けられている上記（１）
記載の光導電素子。

【００１２】本発明でいうＧａＮ系結晶とは、式Ｉｎ_X
Ｇａ_Y Ａｌ_Z Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦
１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で決定される化合物半導体であ
る。ｉ層とは、低濃度層の総称であって、ｎ型低濃度層
（ν層と呼ばれｎ^- と書かれる）、またはｐ型低濃度層
（π層と呼ばれｐ^- と書かれる）を意味する。

【００１３】

【作用】本発明による光導電素子は、受光を検出するた
めの基本的なメカニズムに関しては、従来の技術で説明
したものと同様であり、光導電効果を利用して電流を取
出し、受光したことを検出するものである。

【００１４】本発明による光導電素子の重要な特徴は、
受光層の受光面上には片方の極のオーミック電極だけが
設けられ、他方の極のオーミック電極は、受光面の裏面
に直接または他の結晶層（受光層と同じ導電型の高濃度
層）を介して設けられた構成となっている点である。こ
の構成によって、受光対象光の入射によって受光層に生
じたキャリアは、受光面に沿って表層だけを移動するの
ではなく、受光層の厚さ方向に移動する。即ち、キャリ
アの移動経路に対して、表層部分が占める割合が少なく
なっており、逆に、高品質な状態の深層部分が占める割
合が多くなっているために、キャリアの再結合時間はよ
り安定する。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の光導電素子は、図１
（ａ）、（ｂ）に示すように、ＧａＮ系結晶からなる第
一導電型（同図ではｎ型）のｉ層を受光層１として有す
る。受光層１の一方の面は受光対象光Ｌが入射する受光
面１ａである。受光面１ａには一方の極のオーミック電
極２が設けられる。該オーミック電極２は、受光対象光
Ｌが入射し得る態様にて形成される。また、受光層の他
方の面１ｂには、受光層と同じ導電型で低抵抗のＧａＮ
系結晶層４を介して、他方の極のオーミック電極３が設
けられており、光導電素子を構成している。他方の極の
オーミック電極３は、受光層の他方の面１ｂに直接設け
られてもよい。以下、他方の極のオーミック電極を設け
るためのＧａＮ系結晶層４を、単に「コンタクト層」と
も呼ぶ。

【００１６】受光対象光の波長範囲は、受光層に用いら
れるＧａＮ系結晶のバンドギャップで決定され、赤色光
（波長６５６ｎｍ付近）よりも短い波長の光となる。こ
の範囲のなかでも、紫外線、特に波長２４８ｎｍ（Ｋｒ
Ｆエキシマレーザー）や、波長１９３ｎｍ（ＡｒＦエキ
シマレーザー）などは、強烈なエネルギーを持つ光であ
るために従来の素子にとっては問題が多い。このような
紫外線の受光にＧａＮ系材料を用いることによって、Ｓ
ｉ系半導体材料を用いた従来のＰＤなどに比べて、耐紫
外線性の改善された優れた受光素子が得られる。

【００１７】受光層の導電型は、第一導電型（即ち、ｐ
型またはｎ型のいずれか）であればよいが、暗電流を下
げてＳ／Ｎ比を向上させる点からｎ型低濃度層（ν層）
またはｉ層とするのが好ましい。受光層のキャリア濃度
は、１×１０¹³ｃｍ^-3〜１×１０¹⁷ｃｍ^-3程度である。

【００１８】受光層の厚さは、限定されないが、光吸収
によって層全体にキャリアを発生させる必要から、０．
１μｍ〜５μｍ程度が好ましい。受光層の材料はＧａＮ
系結晶であればよいが、３６５ｎｍより波長の長い光に
対してはＩｎＧａＮが好ましく、３６５ｎｍより波長の
短い紫外線に対してはＧａＮまたはＡｌＧａＮが好まし
い。

【００１９】両電極は、光導電効果による抵抗の変動を
より高感度に検出するためオーミック電極である。オー
ミック電極とは、金属−半導体の接触が整流特性を示さ
ず（印加する電圧の向きにかかわらずに）、接触抵抗が
ほとんど無視できる状態のものであって、例えば、Ｓ．
Ｍ．Ｓｚｅ著（南日康夫ら訳），“半導体デバイス”，
産業図書（初版第３刷、１６３頁）の記載が参照され
る。

【００２０】受光面に形成されるオーミック電極は、受
光対象光が受光層に入射し得る様に形成する。このよう
な電極としては、例えば、図１（ａ）に示すような透明
電極が挙げられる。また、図１（ｂ）に示すように、不
透明な電極であっても、受光面１ａに電極に覆われてい
ない入射領域を設けて受光対象光Ｌの入射量を必要量以
上確保し、入射領域と電極に覆われた電極領域とのバラ
ンスを考慮すればよい。

【００２１】受光面に設けられるオーミック電極は、受
光層がｎ型低濃度層の場合、透明電極としてＡｕ（厚さ
５０ｎｍ）／Ｔｉ（厚さ１００ｎｍ）などが挙げられ、
不透明電極としてＡｕ（厚さ１μｍ）／Ｔｉ（厚さ１０
０ｎｍ）などが挙げられる。また、受光層がｐ型低濃度
層の場合、透明電極としてＡｕ（厚さ５０ｎｍ）／Ｎｉ
（厚さ１００ｎｍ）などが挙げられ、不透明電極として
Ａｕ（厚さ５００ｎｍ／Ｎｉ（厚さ１００ｎｍ）などが
挙げられる。ここで、低キャリア濃度の場合、オーミッ
クコンタクトが取り難くなる現実的な問題がある。これ
を解決するためには、オーミックコンタクトを取る為の
層（オーミックコンタクト用層と呼ぶ）として、自由電
子（または正孔）濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１０ｎｍ
〜５０ｎｍ程度の層を、受光層と電極との間に入れるこ
とが好ましい。従来のように受光面上に一対の電極が形
成され受光面に沿って電流が流れるタイプでは、オーミ
ックコンタクト用層を電極間で切断分離しなければなら
ないが、本発明では、このような層が設けられたままで
よい。

【００２２】受光面に設けられるオーミック電極の形成
パターンは、透明電極の場合には、受光面の一部でも全
面でもよい。また、不透明電極の場合には、電極に覆わ
れた電極領域と、電極に覆われていない入射領域を形成
する。例えば、クシ型や格子状などの電極パターンが挙
げられる。

【００２３】他方のオーミック電極は、上記したよう
に、受光層の裏面に直接設けるか、またはコンタクト層
を介して設ける。受光層の薄さを補う点からは、後者の
態様が好ましく、またその場合でも、図１（ａ）、
（ｂ）のように、最初の基礎となる結晶基板５上に、コ
ンタクト層４、受光層１を順に成長させた積層体とする
のが好ましい。結晶基板とコンタクト層との間には、必
要に応じてさらに他のＧａＮ系結晶層を設けてもよい。
結晶基板５がサファイア基板のような絶縁体であるなら
ば、図１のようにコンタクト層４の上側の面を露出さ
せ、その露出面に他方のオーミック電極を設けるのが好
ましい態様となる。

【００２４】コンタクト層は、受光層と同じ導電型と
し、低抵抗、即ち、キャリア濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3〜
１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度とするのが好ましい。コンタクト
層の厚さは、受光層の結晶性を確保する点から１．０μ
ｍ〜５．０μｍ程度とするのが好ましい。

【００２５】受光層とコンタクト層の材料の組合わせ例
は数多く存在するが、（受光層の材料／コンタクト層の
材料）と表記し例を挙げると、（ｎ^- −ＧａＮ／ｎ⁺ −
ＧａＮ）、（ｎ^- −ＡｌＧａＮ／ｎ⁺ −ＧａＮ）、（ｎ
^- −ＡｌＧａＮ／ｎ⁺ −ＡｌＧａＮ）、（ｎ^- −ＩｎＧ
ａＮ／ｎ⁺ −ＧａＮ）、（ｎ^- −ＧａＮ／ｎ⁺ −ＡｌＧ
ａＮ）などが挙げられる。

【００２６】結晶基板は、ＧａＮ系結晶が成長可能なも
のであればよい。例えば、従来からＧａＮ系結晶を成長
させる際に汎用されているサファイア、水晶、ＳｉＣ等
を用いてもよい。なかでも、サファイアのＣ面、Ａ面、
６Ｈ−ＳｉＣ基板、特にＣ面サファイア基板が好まし
い。またこれら材料の表面に、ＧａＮ系結晶との格子定
数や熱膨張係数の違いを緩和するためのＺｎＯ、ＭｇＯ
やＡｌＮ等のバッファ層を設けたものであっても良い。

【００２７】図１に示す態様の場合、素子全体の形状
は、直方体や円柱を、図２（ａ）のように１方向にのみ
階段状となるよう組合わせた形状であっても、図２
（ｂ）のように全方向に階段状となるよう組合わせた形
状であってもよく、製造が容易である点や、特性上好ま
しい点などから、適宜選択してよい。また、図２（ｂ）
の場合には、コンタクト層４上面に設ける電極３は、素
子の外周を取り巻くように設けても、部分的に設けても
よい。

【００２８】

【実施例】実施例１ 本実施例では、図１（ａ）に示す電極の態様と、図２
（ｂ）に示す素子の形状とを有する光導電素子を製作し
た。サファイアＣ面基板５上にＧａＮバッファ層（図示
せず）を介して、ｎ−ＧａＮ層（厚さ３μｍ、ドーパン
トＳｉ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を成長させて
コンタクト層４とし、その上にｎ^- −ＧａＮ層（厚さ３
μｍ、ドーパントＳｉ、キャリア濃度１×１０¹⁵ｃ
ｍ^-3）を成長させて受光層とし、更に、ｎ−ＧａＮ層
（厚さ５０ｎｍ、ドーパントＳｉ、キャリア濃度１×１
０¹⁸ｃｍ^-3）を成長させてオーミックコンタクト用層
（図示せず）とした。

【００２９】受光面１ａ上に、オーミックコンタクト用
層を介して、透明オーミック電極Ａｌ（厚さ５０ｎｍ）
／Ｔｉ（厚さ５０ｎｍ）を形成し、中央部を残して外周
縁をＲＩＥによって深さ２．２μｍだけエッチングして
コンタクト層４を露出させ、露出面上にオーミック電極
としてＡｌ（厚さ５００ｎｍ）／Ｔｉ（厚さ１０ｎｍ）
を形成し、光導電素子を得た。

【００３０】受光対象光として４５０ｎｍより短い種々
の波長の光を照射し、受光感度を調べたところ、図３の
グラフ図に実線で描いた曲線で示すように、３６５ｎ
ｍ付近から立ち上がり、それ以下の短い波長の光に対し
てフラットな特性を有することがわかった。

【００３１】実施例２ 本実施例では、受光層の材料をＡｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎと
し、受光層上に設けるオーミック電極の態様を図１
（ｂ）に示す不透明電極とした以外は、実施例１と同様
に素子を形成した。受光層上のオーミック電極は、Ａｌ
（厚さ２μｍ）／Ｔｉ（厚さ２μｍ）とした。また、受
光面上に描かれた電極のパターンは、１本の帯状導体を
幹線としてそこから多数の帯状導体が分枝した「くし
形」電極とした。

【００３２】実施例１と同様に受光感度を調べたとこ
ろ、図３のグラフ図に破線で描いた曲線で示すよう
に、３４０ｎｍ付近から立ち上がり、それ以下の短い波
長の光に対してフラットな特性を有することがわかっ
た。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光導電素
子は、発生したキャリアが受光層の厚さ方向に移動する
構造であるから、受光面付近の汚染や劣化などの結晶状
態が、感度に対して大きな影響を与えない。また、Ｇａ
Ｎ系結晶を用いた受光素子であるから、Ｓｉ系半導体材
料を用いた従来のＰＤなどに比べて、耐紫外線性の改善
された優れた受光素子となっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光導電素子の構造例を示す断面図
である。同図（ａ）は透明電極の態様、同図（ｂ）は不
透明電極の態様を示している。ハッチングは、識別のた
め電極にのみ施している。

【図２】本発明による光導電素子全体の形状例を示す斜
視図である。

【図３】実施例１、２で作製した受光素子の、受光感度
の特性を示すグラフ図であり、照射した光の波長と、受
光感度との関係を示している。実線で描いた曲線は実
施例１を示し、破線で描いた曲線は実施例２を示して
いる。受光感度を示す縦軸は任意目盛である。

【図４】従来の光導電素子の構造を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 受光層 １ａ 受光面 １ｂ 受光層の他方の面 ２ 一方の極のオーミック電極 ３ 他方の極のオーミック電極 ４ コンタクト層 ５ 結晶基板

フロントページの続き (72)発明者 岡川 広明 兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 大内 洋一郎 兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 湖東 雅弘 兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 平松 和政 三重県四日市市芝田１丁目４番22号 (72)発明者 濱村 寛 神奈川県相模原市麻溝台１丁目10番１号 株式会社ニコン相模原製作所内 (72)発明者 清水 澄人 東京都品川区西大井１丁目６番３号 株式 会社ニコン大井製作所内 Ｆターム(参考） 5F088 AA11 AB07 BA13 BB10 FA05 GA02 GA03 LA05

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＧａＮ系結晶からなる第一導電型のｉ層
   を受光層として少なくとも有し、該受光層の一方の面は
   受光対象光が入射する受光面であり、 受光層の受光面には、一方の極のオーミック電極が、受
   光対象光の入射を可能とする態様にて設けられ、 受光層の他方の面には、直接的にまたは、第一導電型で
   低抵抗のＧａＮ系結晶層を介して、他方の極のオーミッ
   ク電極が設けられていることを特徴とする光導電素子。
2. 【請求項２】 一方の極のオーミック電極が、受光対象
   光の入射を可能とする様、透明電極として設けられてい
   る請求項１記載の光導電素子。
3. 【請求項３】 一方の極のオーミック電極が不透明な電
   極であって、受光対象光の入射を可能とする様、受光面
   に、電極に覆われた電極領域と、電極に覆われていない
   入射領域が形成されている請求項１記載の光導電素子。
4. 【請求項４】 上記他方の極のオーミック電極が第一導
   電型で低抵抗のＧａＮ系結晶層を介して設けられる態様
   であって、結晶基板上に、前記低抵抗のＧａＮ系結晶
   層、受光層が順に形成され、低抵抗のＧａＮ系結晶層の
   上側の面が部分的に露出しており、この露出した面に他
   方の極のオーミック電極が設けられている請求項１記載
   の光導電素子。