JP2000101128A - Gan semiconductor light reception element and its application - Google Patents

Gan semiconductor light reception element and its application

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JP2000101128A
JP2000101128A JP10265510A JP26551098A JP2000101128A JP 2000101128 A JP2000101128 A JP 2000101128A JP 10265510 A JP10265510 A JP 10265510A JP 26551098 A JP26551098 A JP 26551098A JP 2000101128 A JP2000101128 A JP 2000101128A
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JP
Japan
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light
layer
gan
band gap
receiving element
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Application number
JP10265510A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroaki Okagawa
広明 岡川
Kazuyuki Tadatomo
一行 只友
Yoichiro Ouchi
洋一郎 大内
Masahiro Koto
雅弘 湖東
Kazumasa Hiramatsu
和政 平松
Hiroshi Hamamura
寛 濱村
Sumuto Shimizu
澄人 清水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Cable Industries Ltd
Nikon Corp
Original Assignee
Mitsubishi Cable Industries Ltd
Nikon Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light reception element which has higher sensitivity and has superior resistance with respect to ultraviolet rays. SOLUTION: A stacked matter S, which contains a p-n junction structure via a buffer layer 2 (or directly) and is formed of a GaN material is grown on a crystal substrate 1, and a light reception element is obtained. The element is a back incidence-type element, by using a material through which light L1 which is a reception object passes for the crystal substrate. A buffer layer 2 or a crystal layer above it is set as a photosensitive layer which receives a light L1 and emitting photo luminescence L2. The buffer layer 2 is set as the photosensitive layer. In a p-n junction structure (S1/S2), layers generating carriers associated with optical current by optical excitation are light detection layers (c) and (d). The GaN material which generates carriers associated with an optical current by a light L2 is used for the light detection layers (c) and (d). By causing the layer of a band gap smaller than that of the light detection layers to be prevented from existing between the light detection layers ((c) and (d)), so as to make the light L2 reach the light detection layers.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、pn接合による光
起電力効果を利用した半導体受光素子の技術分野に属す
るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention belongs to the technical field of a semiconductor photodetector utilizing the photovoltaic effect of a pn junction.

【0002】[0002]

【従来の技術】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光源とし
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。
2. Description of the Related Art With the increase in density of integrated circuits, reduced projection exposure apparatuses for forming fine circuit patterns include:
The ability to perform finer drawing at higher resolution is required. Therefore, a KrF excimer laser device (wavelength 248 nm) is used as a laser light source for drawing.
Also, switching to an ArF excimer laser device (wavelength 193 nm) is being studied.

【0003】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。
In the above-described reduced projection exposure apparatus, a part of the laser beam is received by a light receiving element, and the output fluctuation is monitored. Examples of the light receiving element include a photodiode (PD) using a Si-based semiconductor material. However, if the laser light is a light having intense energy of a short wavelength such as 248 nm or 193 nm, the deterioration of the Si-based PD conventionally used becomes remarkable, and unless it is frequently replaced with a new one. It becomes the use situation which does not become.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】一方、特開平7−28
8334号公報の「窒化ガリウム系化合物半導体受光素
子」のように、GaN系半導体材料を用いた受光素子も
種々考案されている。ところが、該公報に記載のとお
り、このGaN系受光素子が受光対象とする光は365
nm以上の長い波長光である。
On the other hand, JP-A-7-28
Various light-receiving elements using a GaN-based semiconductor material, such as “Gallium nitride-based compound semiconductor light-receiving element” in JP-A-8334, have been devised. However, as described in the publication, the light to be received by the GaN-based light receiving element is 365
It is a long wavelength light of nm or more.

【0005】該公報に記載のようなGaN系受光素子
は、上方から照射される受光対象光を光検出層(該公報
でいうInX Ga1-X N受光層)に直接到達させ、受光
しようとするものである。従って、光検出層よりも上側
の層は、受光対象光を透過させるための窓層としてしか
認識されていない。このことは、受光対象とする光を3
65nm以上の長い波長光に限定していることからも明
らかである。即ち、365nmよりも短い波長の光は、
積層体の外層にコンタクト層として用いられているGa
Nに吸収され、光検出層には十分には直接到達できない
という認識しかないのである。
In the GaN-based light receiving element described in the publication, the light to be received, which is irradiated from above, directly reaches the light detection layer (the In X Ga 1 -XN light receiving layer in the publication) to receive the light. It is assumed that. Therefore, the layer above the light detection layer is recognized only as a window layer for transmitting light to be received. This means that the light to be received is 3
It is clear from the fact that the light is limited to long wavelength light of 65 nm or more. That is, light having a wavelength shorter than 365 nm is
Ga used as a contact layer on the outer layer of the laminate
It is only recognized that it is absorbed by N and cannot reach the photodetection layer directly enough.

【0006】このように、従来のGaN系受光素子に
は、受光対象光を直接的に光検出層へ到達させる思想し
かないために、外層には受光対象光のエネルギーよりも
大きなバンドギャップを設ける構造としており、外層よ
りも大きいエネルギーの光を好ましく受光し得るような
条件や構成は何も考慮されていなかったのである。
As described above, since the conventional GaN-based light receiving element has only the idea of causing the light to be received directly to reach the light detection layer, the outer layer is provided with a band gap larger than the energy of the light to be received. No conditions or configurations have been taken into consideration so as to preferably receive light having an energy larger than that of the outer layer.

【0007】本発明の目的は、新たな構成によって、よ
り短い波長の光をも受光でき、かつ紫外線に対しても優
れた耐性を有する半導体受光素子を提供することであ
る。
An object of the present invention is to provide a semiconductor light receiving element which can receive light of a shorter wavelength and has excellent resistance to ultraviolet rays by a new structure.

【0008】また、本発明の他の目的は、本発明による
受光素子を用いて光を検出する方法を提供することであ
る。
It is another object of the present invention to provide a method for detecting light using the light receiving element according to the present invention.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明のGaN系半導体
受光素子は、以下の特徴を有するものである。 (1)結晶基板上に、バッファ層を介して、pn接合構
造を含みGaN系結晶層からなる積層体が形成され、こ
れにp型側電極、n型側電極が形成された構造を有する
受光素子であって、結晶基板は、受光対象光が透過し得
る材料からなり、バッファ層は、受光対象光を受けてフ
ォトルミネセンス光を発する材料からなる光感応層であ
り、pn接合構造中、光励起によって光電流に係るキャ
リアを発生する層が光検出層であり、光検出層は、前記
フォトルミネセンス光によって光電流に係るキャリアを
発生するGaN系材料からなり、光検出層と光感応層と
の間に光検出層のバンドギャップよりも小さいバンドギ
ャップの層が存在しない構成とされていることを特徴と
するGaN系半導体受光素子。
The GaN-based semiconductor light receiving device of the present invention has the following features. (1) A light receiving structure having a structure in which a GaN-based crystal layer including a pn junction structure is formed on a crystal substrate via a buffer layer, and a p-side electrode and an n-side electrode are formed on the stacked body. In the device, the crystal substrate is made of a material through which light to be received can be transmitted, and the buffer layer is a light-sensitive layer made of a material that receives light to be received and emits photoluminescence light. A layer that generates carriers related to photocurrent by photoexcitation is a photodetection layer. The photodetection layer is made of a GaN-based material that generates carriers related to photocurrent by the photoluminescence light, and includes a photodetection layer and a photosensitive layer. A GaN-based semiconductor light-receiving element characterized in that a layer having a band gap smaller than the band gap of the light detection layer does not exist between the GaN-based semiconductor light receiving element.

【0010】(2)バッファ層の材料がGaN系材料で
ある上記(1)記載のGaN系半導体受光素子。
(2) The GaN-based semiconductor light-receiving device according to (1), wherein the material of the buffer layer is a GaN-based material.

【0011】(3)結晶基板上に、バッファ層を介して
または直接的に、pn接合構造を含みGaN系結晶層か
らなる積層体が形成され、これにp型側電極、n型側電
極が形成された構造を有する受光素子であって、結晶基
板およびバッファ層は、受光対象光が透過し得る材料か
らなり、結晶基板と、pn接合構造中の光検出層との間
には、受光対象光を受けてフォトルミネセンス光を発す
るGaN系結晶からなる光感応層が設けられ、pn接合
構造中、光を受けて光電流に係るキャリアを発生する層
が光検出層であり、該光検出層は、前記フォトルミネセ
ンス光を受けて光電流に係るキャリアを発生するGaN
系材料からなり、光検出層と光感応層との間に光検出層
のバンドギャップよりも小さいバンドギャップの層が存
在しない構成とされていることを特徴とするGaN系半
導体受光素子。
(3) A laminated body composed of a GaN-based crystal layer including a pn junction structure is formed on a crystal substrate via a buffer layer or directly, and a p-type side electrode and an n-type side electrode are formed thereon. A light-receiving element having a formed structure, wherein the crystal substrate and the buffer layer are made of a material through which light to be received can be transmitted, and a light-receiving object is provided between the crystal substrate and the light detection layer in the pn junction structure. A light-sensitive layer made of a GaN-based crystal that receives light and emits photoluminescence light is provided. In the pn junction structure, a layer that receives light and generates carriers related to photocurrent is a light detection layer. The layer is made of GaN that generates carriers related to photocurrent by receiving the photoluminescence light.
A GaN-based semiconductor light-receiving device, comprising a system material, wherein a layer having a band gap smaller than the band gap of the light detection layer does not exist between the light detection layer and the photosensitive layer.

【0012】(4)pn接合構造がヘテロ接合構造であ
り、光検出層と光感応層との間にGaN系結晶からなる
中間層が存在する構成であって、〔フォトルミネセンス
光のエネルギー〕<〔中間層のバンドギャップ〕となる
ように、中間層の材料と光感応層の材料との組み合わせ
が選択されている上記(1)または(3)記載のGaN
系半導体受光素子。
(4) A structure in which the pn junction structure is a hetero junction structure, and an intermediate layer made of a GaN-based crystal exists between the photodetection layer and the photosensitive layer. [Energy of photoluminescence light] <The GaN according to the above (1) or (3), wherein a combination of the material of the intermediate layer and the material of the photosensitive layer is selected so as to satisfy [[band gap of the intermediate layer]].
Series semiconductor light receiving element.

【0013】(5)〔光検出層のバンドギャップ〕<
〔フォトルミネセンス光のエネルギー〕≦〔光感応層の
バンドギャップ〕<〔中間層のバンドギャップ〕となる
ように、光検出層の材料と中間層の材料と光感応層の材
料との組み合わせが選択されている上記(4)記載のG
aN系半導体受光素子。
(5) [Band gap of light detection layer] <
The combination of the material of the photodetection layer, the material of the intermediate layer, and the material of the photosensitive layer is such that [energy of photoluminescence light] ≦ [band gap of the photosensitive layer] <[band gap of the intermediate layer]. The selected G according to (4) above
aN-based semiconductor light receiving element.

【0014】(6)受光対象光が、光感応層のバンドギ
ャップよりも大きいエネルギーを有する光である上記
(1)〜(5)のいずれかに記載のGaN系半導体受光
素子。
(6) The GaN-based semiconductor light-receiving element according to any one of (1) to (5), wherein the light to be received is light having energy larger than the band gap of the photosensitive layer.

【0015】また、本発明の検出方法は、次の特徴を有
するものである。 (7)上記(1)〜(6)のいずれかに記載のGaN系
半導体受光素子を用い、該GaN系半導体受光素子に設
けられた光感応層のバンドギャップ以上のエネルギーの
光を受光対象光として光感応層に入射させ、光感応層に
おいてフォトルミネセンス光を発生させ、該フォトルミ
ネセンス光を光検出層において検出することを特徴とす
る光の検出方法。
The detection method of the present invention has the following features. (7) The GaN-based semiconductor light-receiving element according to any one of (1) to (6) above, wherein light having an energy equal to or larger than the band gap of a photosensitive layer provided in the GaN-based semiconductor light-receiving element is received. A method for detecting light, comprising: causing light to enter a light-sensitive layer, generating photoluminescence light in the light-sensitive layer, and detecting the photoluminescence light in a light detection layer.

【0016】(8)光感応層のバンドギャップよりも大
きなエネルギーの光を受光対象光とする上記(7)記載
の検出方法。
(8) The detection method according to the above (7), wherein light having an energy larger than the band gap of the photosensitive layer is used as light to be received.

【0017】[0017]

【作用】本発明による受光素子は、pn接合を用いて受
光対象光による起電力を取り出し、受光を検出するもの
である。素子の基本的な構造は、太陽電池などと同様、
pn接合構造と、両伝導型側のオーミック電極とを有す
るものである。
The light receiving element according to the present invention detects the light reception by extracting the electromotive force of the light to be received by using a pn junction. The basic structure of the element is similar to solar cells, etc.
It has a pn junction structure and ohmic electrodes on both sides.

【0018】本発明による受光素子の第一の特徴は、結
晶基板の裏面から入射させて受光するタイプ(裏面入射
型)の構造としたことである。そのために、結晶基板の
材料を、受光対象光が透過し得る材料とする。裏面入射
型の構造とすることによって、次の2つの作用が同時に
得られるようになる。いずれも感度の向上に寄与するも
のである。 電極が受光対象光を遮ることがなくなるので、限られ
た入射面積を最大に利用でき、光電流をより効率良く発
生させることができるようになる。 電極形成に際して光の入射を考慮する必要がなくなる
ので、電極の設置面に対して最大限まで電極の占有面積
を拡張することができ、発生させた光電流をより効率良
く取り出すことができるようになる。
The first feature of the light receiving element according to the present invention is that it has a structure of a type (back-illuminated type) which receives light from the back side of the crystal substrate and receives light. Therefore, the material of the crystal substrate is a material through which light to be received can be transmitted. With the back-illuminated structure, the following two functions can be obtained simultaneously. Both contribute to the improvement of sensitivity. Since the electrode does not block the light to be received, the limited incident area can be used to the maximum, and the photocurrent can be generated more efficiently. Since there is no need to consider the incidence of light when forming the electrodes, the area occupied by the electrodes can be expanded to the maximum with respect to the electrode installation surface, and the generated photocurrent can be taken out more efficiently. Become.

【0019】本発明による受光素子の第二の特徴は、光
感応層の存在にある。即ち、受光対象光を光検出層へ直
接到達させるのではなく、光感応層によっていったん受
け、該層でフォトルミネセンス光(以下、PL光ともい
う)に変換し、該PL光を光検出層へ到達させてこれを
検出するという特徴である。そのために、受光対象光の
エネルギー、光感応層のバンドギャップ、光検出層のバ
ンドギャップの関係を特定し、かつ、光感応層と光検出
層との間に層が存在する場合には該層のバンドギャップ
の大きさを特定して、PL光を光検出層まで到達させて
いる。
The second feature of the light receiving element according to the present invention resides in the presence of a photosensitive layer. That is, the light to be received does not directly reach the light detection layer, but is once received by the light-sensitive layer, converted into photoluminescence light (hereinafter, also referred to as PL light) by the layer, and the PL light is converted to the light detection layer. This is a feature of detecting this by reaching. For this purpose, the relationship between the energy of the light to be received, the band gap of the photosensitive layer, and the band gap of the light detecting layer is specified, and if a layer exists between the photosensitive layer and the light detecting layer, the layer is determined. Is specified, and the PL light reaches the photodetection layer.

【0020】pn接合構造を含むGaN系の積層体で
は、伝導型形成に関する製造上の理由から、積層の上方
をp型とし下方(即ち、光感応層側)をn型とするのが
好ましい。一方、特定のGaN系材料(InGaNな
ど)には、強いPL光を発するが、n型として形成する
方が容易なものがある。従って本発明では、光感応層と
して、このような強いPL光を発するGaN系材料を容
易に用いることができるという利点がある。
In the case of a GaN-based laminate having a pn junction structure, it is preferable that the upper portion of the laminate be p-type and the lower portion (that is, the photosensitive layer side) be n-type, for reasons of production relating to conduction type formation. On the other hand, some GaN-based materials (such as InGaN) emit strong PL light, but some are easier to form as n-type. Therefore, the present invention has an advantage that a GaN-based material that emits such strong PL light can be easily used as the photosensitive layer.

【0021】また、本発明では、光感応層を設けるに際
して、裏面入射型の構造を生かして、バッファ層を光感
応層として利用する態様を提案している。バッファ層
は、結晶層と比べて、層の形成が比較的容易である。
Further, the present invention proposes a mode in which a buffer layer is used as a photosensitive layer by utilizing a back-illuminated structure when providing a photosensitive layer. The buffer layer is relatively easy to form as compared with the crystal layer.

【0022】本明細書では、本発明による受光素子のp
n接合構造中、「光励起によって光電流に係るキャリア
を発生する層」を、光検出層と呼んでいる。ここで「光
励起」とは、上述のとおりPL光による励起である。ま
た、「光電流に係るキャリア」とは、空乏層内をドリフ
トして光電流となるキャリアである。このようなキャリ
アには、空乏層内で発生するものだけでなく、空乏層の
外側で発生し空乏層端に到達し得るものも含まれる。従
って、光検出層は、空乏層自体と、空乏層端からキャリ
アの拡散長以内の領域とを含むものである。ただし、光
検出層が常に空乏層全体を含むとは限らない。中間層と
して次に説明するように、空乏層であっても、ヘテロ接
合構造によってPL光が透過する部分ならば、その部分
は光検出層には含まれない。
In this specification, the p of the light receiving element according to the present invention is
In the n-junction structure, a “layer that generates carriers related to photocurrent by photoexcitation” is called a photodetection layer. Here, “optical excitation” is excitation by PL light as described above. Further, the “carrier related to the photocurrent” is a carrier that drifts in the depletion layer and becomes a photocurrent. Such carriers include those generated inside the depletion layer as well as those generated outside the depletion layer and capable of reaching the edge of the depletion layer. Therefore, the light detection layer includes the depletion layer itself and a region within the carrier diffusion length from the edge of the depletion layer. However, the light detection layer does not always include the entire depletion layer. As described below, as an intermediate layer, even if it is a depletion layer, if the PL light is transmitted through the heterojunction structure, that part is not included in the photodetection layer.

【0023】本発明の受光素子には、光感応層と光検出
層との間にGaN系結晶からなる中間層が存在する態様
がある。例えば、図1の例において、pn接合(n型層
S1/p型層S2)がヘテロ接合であるとし、空乏層が
b、cとして広がっているものとする。光感応層は、バ
ッファ層2が兼任している。PL光L2を光検出層に好
ましく到達させるには、n型層S1を光L2のエネルギ
ーよりも大きいバンドギャップの層として、光L2を透
過させるのが好ましいが、それによって、光L2はn型
層S1に広がる空乏層bも透過する。従ってその場合、
光検出層は、空乏層cとその上側のキャリアの拡散長以
内の領域dとを合わせたものである。そして、空乏層b
を含むn型層(窓層)S1全体が中間層である。
The light receiving element of the present invention has a mode in which an intermediate layer made of a GaN-based crystal exists between the photosensitive layer and the light detecting layer. For example, in the example of FIG. 1, it is assumed that the pn junction (the n-type layer S1 / p-type layer S2) is a hetero junction and the depletion layers are spread as b and c. The buffer layer 2 also serves as the photosensitive layer. In order to make the PL light L2 preferably reach the light detection layer, it is preferable that the light L2 is transmitted through the n-type layer S1 as a layer having a band gap larger than the energy of the light L2. The depletion layer b extending to the layer S1 is also transmitted. So in that case,
The light detection layer is a combination of the depletion layer c and the region d within the diffusion length of the carrier above the depletion layer c. And the depletion layer b
Is an intermediate layer.

【0024】また、図1の例において、pn接合がホモ
接合である場合では、空乏層全体(b、c)が、PL光
によって励起され得る層となる。従って、光検出層は、
空乏層全体と、その両側に広がるキャリアの拡散長以内
の領域a、dとを合わせた層(a、b、c、d)であ
る。また、図1の例における中間層は、層S1から光検
出層の部分(a、b)を除いた残部となる。中間層は、
層S1と光感応層との間に、さらに何層加えられてもよ
い。
In the example of FIG. 1, when the pn junction is a homo junction, the entire depletion layer (b, c) becomes a layer that can be excited by PL light. Therefore, the light detection layer
This is a layer (a, b, c, d) in which the entire depletion layer and the regions a and d within the carrier diffusion length extending on both sides thereof are combined. In addition, the intermediate layer in the example of FIG. 1 is the remaining part except the part (a, b) of the light detection layer from the layer S1. The middle layer is
Any number of additional layers may be added between the layer S1 and the photosensitive layer.

【0025】本発明の受光素子を用いた光検出の方法、
および受光対象光から光検出層までのバンドギャップの
大小関係を図1の例を用いて説明する。図1では、pn
接合はヘテロ接合であり、光検出層は(c+d)、中間
層は層S1全体、光感応層はバッファ層2である。 受光対象光L1が結晶基板1を透過して光感応層に達
する。〔光感応層のバンドギャップ〕≦〔受光対象光の
エネルギー〕とする。 光感応層が受光対象光L1を吸収し、帯間の遷移また
は不純物準位間の遷移によってPL光L2を発する。即
ち、〔PL光のエネルギー〕≦〔光感応層のバンドギャ
ップ〕である。 PL光は、光検出層に到達し、キャリアを発生させ
る。即ち、〔光検出層のバンドギャップ〕≦〔PL光の
エネルギー〕である。 上記キャリアは空乏層をドリフトし、光電流となって
受光が検出される。
A method of detecting light using the light receiving element of the present invention,
The magnitude relation of the band gap from the light to be received to the light detection layer will be described with reference to the example of FIG. In FIG. 1, pn
The junction is a heterojunction, the photodetection layer is (c + d), the intermediate layer is the entire layer S1, and the photosensitive layer is the buffer layer 2. The light L1 to be received passes through the crystal substrate 1 and reaches the photosensitive layer. [Band gap of photosensitive layer] ≦ [Energy of light to be received]. The photosensitive layer absorbs the light L1 to be received, and emits the PL light L2 by a transition between bands or a transition between impurity levels. That is, [PL light energy] ≦ [band gap of photosensitive layer]. The PL light reaches the photodetection layer and generates carriers. That is, [band gap of photodetecting layer] ≦ [energy of PL light]. The carriers drift in the depletion layer and become photocurrents, and light reception is detected.

【0026】図1のように中間層が存在する場合、〔P
L光のエネルギー〕<〔中間層のバンドギャップ〕とす
るのが好ましく、これによって、PL光は吸収されるこ
となく光検出層に到達できる。光の吸収によるキャリア
の発生とは、価電子帯にある電子が伝導帯に励起された
状態となり、価電子帯にホールが生成された状態となる
ことである。伝導帯の底は電子の占める場所が少ないた
め、バンドギャップと同じ大きさのエネルギーのPL光
では十分な量のキャリアを発生させることができない
(即ち、吸収が小さい)。これに対して、バンドギャッ
プよりも大きなエネルギーのPL光では、光検出層の価
電子帯の底よりも上の場所にも電子を励起できるように
なるため、キャリアの生成量は増える(即ち、吸収が大
きい)。従って、PL光をロス無く光検出層に到達さ
せ、より多くキャリアを発生させ、高感度とする点から
は、〔光検出層のバンドギャップ〕<〔フォトルミネセ
ンス光のエネルギー〕≦〔光感応層のバンドギャップ〕
<〔中間層のバンドギャップ〕とするのが最も好まし
い。また、同様の理由から、〔光感応層のバンドギャッ
プ〕<〔受光対象光のエネルギー〕とするのが好まし
い。
When an intermediate layer exists as shown in FIG.
[Energy of L light] <[Band gap of intermediate layer] is preferable, whereby PL light can reach the photodetection layer without being absorbed. The generation of carriers by light absorption means that electrons in the valence band are excited in the conduction band, and holes are generated in the valence band. Since the bottom of the conduction band occupies few places of electrons, PL light having energy equal to the band gap cannot generate a sufficient amount of carriers (that is, absorption is small). On the other hand, in the case of PL light having an energy larger than the band gap, electrons can be excited also at a position above the bottom of the valence band of the photodetection layer, so that the amount of generated carriers increases (that is, the amount of generated carriers). Large absorption). Therefore, from the point of causing the PL light to reach the photodetection layer without loss, generating more carriers, and increasing the sensitivity, [bandgap of the photodetection layer] <[energy of photoluminescence light] ≦ [photosensitivity Layer band gap)
<[Band gap of intermediate layer] is most preferable. For the same reason, it is preferable that [band gap of photosensitive layer] <[energy of light to be received].

【0027】図1の例で、pn接合構造がホモ接合構造
の場合には、〔光検出層のバンドギャップ〕=〔中間層
のバンドギャップ〕であるから、PL光は中間層にも吸
収されることになる。しかし、中間層におけるPL光の
吸収係数を適当な値とすることで、PL光は光検出層ま
で到達し得る。また、このような観点からは、〔中間層
のバンドギャップ〕<〔光検出層のバンドギャップ〕な
る中間層が存在しても、PL光を光検出層まで到達させ
ることは可能である。しかし、より高感度の受光素子を
求める点から、本発明では、そのような中間層(即ち、
光検出層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップ
の層)を存在させない構成とする。吸収係数は、光の吸
収の程度を現すものである。吸収係数は、波長依存性が
あり、光のエネルギーが半導体のバンドギャップ以上と
なるとき、直接遷移型半導体では急激に吸収係数が増加
し、間接遷移型半導体では緩やかに増加する。
In the example shown in FIG. 1, when the pn junction structure is a homojunction structure, [band gap of the light detection layer] = [band gap of the intermediate layer], the PL light is also absorbed by the intermediate layer. Will be. However, by setting the absorption coefficient of the PL light in the intermediate layer to an appropriate value, the PL light can reach the light detection layer. Also, from such a viewpoint, even if there is an intermediate layer that satisfies [band gap of intermediate layer] <[band gap of light detection layer], it is possible to cause PL light to reach the light detection layer. However, from the viewpoint of seeking a light-receiving element with higher sensitivity, the present invention provides such an intermediate layer (ie,
A layer having a band gap smaller than the band gap of the light detection layer is not provided. The absorption coefficient indicates the degree of light absorption. The absorption coefficient has wavelength dependence, and when the light energy is equal to or larger than the band gap of the semiconductor, the absorption coefficient increases sharply in the direct transition type semiconductor and increases gradually in the indirect transition type semiconductor.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】本発明の受光素子の基本的な形態
は、図1に示すように、結晶基板1上に、バッファ層を
介して(または直接的に)、n型結晶層S1、p型結晶
層S2を順次結晶成長させて積層体Sを形成し、これに
p型側電極Q1とn型側電極Q2を設けて受光素子とし
たものである。積層体Sを構成する結晶層は全てGaN
系材料からなる。光感応層は、結晶基板と光検出層との
間に設けられるが、図1のようにバッファ層が兼任する
場合と、図2のようにGaN系結晶層として設ける場合
とがある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As shown in FIG. 1, a light-receiving element according to the present invention has an n-type crystal layer S1, a buffer layer on a crystal substrate 1 (or directly). A p-type crystal layer S2 is sequentially crystal-grown to form a stacked body S, on which a p-side electrode Q1 and an n-side electrode Q2 are provided to form a light receiving element. All the crystal layers constituting the stacked body S are GaN
It consists of a system material. The photosensitive layer is provided between the crystal substrate and the photodetection layer, and may be provided either as a buffer layer as shown in FIG. 1 or as a GaN-based crystal layer as shown in FIG.

【0029】pn接合の上下方向に限定はないが、作用
の説明で述べたとおり、結晶基板側をn型とする態様が
製造上は好ましい。図1、図2の例では、共に上層側を
p型としており、積層体Sの最上層上にp型側のオーミ
ック電極Q1を設け、n型層を一部露出させ、その面に
n型側のオーミック電極Q2を設ける配置となってい
る。以下、上層側をp型とし、同様の電極構造で本発明
を説明する。
Although there is no limitation on the vertical direction of the pn junction, as described in the description of the operation, an embodiment in which the crystal substrate side is an n-type is preferable in terms of manufacturing. In the examples of FIGS. 1 and 2, the upper layer side is p-type, and the p-type ohmic electrode Q1 is provided on the uppermost layer of the multilayer body S, and the n-type layer is partially exposed, and the n-type layer is exposed on the surface. The ohmic electrode Q2 on the side is provided. Hereinafter, the present invention will be described with a similar electrode structure with the upper layer side being p-type.

【0030】結晶基板の材料は、GaN系材料が結晶成
長可能なものであり、かつ受光対象光が透過し得るもの
であればよい。例えば、サファイア、水晶、SiC等が
挙げられる。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。
The material of the crystal substrate may be any material that can grow a GaN-based material and that can transmit light to be received. For example, sapphire, quartz, SiC and the like can be mentioned. Above all, sapphire C surface, A surface, 6H
-SiC substrates, particularly C-plane sapphire substrates, are preferred.

【0031】本発明による素子の受光対象光の波長範囲
は、光感応層の材料のバンドギャップで決定される。本
発明には、バッファ層を光感応層として用いる態様があ
るが、積層体の結晶性を考慮すると、バッファ層にもG
aN系材料を用いるのが好ましい。従って、光感応層に
は常にGaN系材料を用いるのが好ましく、そのときの
受光対象光は、赤色光(波長656nm付近)よりも短
い波長の光となる。
The wavelength range of light to be received by the device according to the present invention is determined by the band gap of the material of the photosensitive layer. In the present invention, there is an embodiment in which the buffer layer is used as a light-sensitive layer.
It is preferable to use an aN-based material. Therefore, it is preferable to always use a GaN-based material for the light-sensitive layer, and the light to be received at this time is light having a shorter wavelength than red light (wavelength around 656 nm).

【0032】受光対象光のなかでも、紫外線、特に波長
248nm(KrFエキシマレーザー)や、波長193
nm(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、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が
得られる。
Among the light to be received, ultraviolet rays, particularly, a wavelength of 248 nm (KrF excimer laser) and a wavelength of 193 nm are used.
Since nm (ArF excimer laser) is light having intense energy, there are many problems for conventional devices. By using a GaN-based material for receiving such ultraviolet rays, an excellent light-receiving element having improved ultraviolet resistance can be obtained as compared with a conventional PD or the like using a Si-based semiconductor material.

【0033】光感応層にはGaN系材料を用いるのが好
ましいが、材料組成をInNに近づけると、それに伴っ
て受光対象光の範囲は長波長側へ赤色光(波長656n
m付近)まで広がるが、同時にエネルギーの小さいPL
光が発せられることになり、光検出層の材料の選択の余
地が少なくなる。逆に、光感応層に用いる材料をAlN
に近づけると、それに伴って受光の可不可の境界は波長
200nm付近に近づき、受光対象光はそれよりも短い
波長光に限定されるが、同時にエネルギーの大きなPL
光が発せられることになり、それを好ましく透過させる
中間層の材料の選択の余地が少なくなる。
It is preferable to use a GaN-based material for the light-sensitive layer. However, if the material composition is made closer to InN, the range of the light to be received is changed to red light (wavelength 656n) toward the longer wavelength side.
m), but at the same time a PL with low energy
Since light is emitted, there is less room for selecting a material for the light detection layer. Conversely, the material used for the photosensitive layer is AlN
, The boundary where light can not be received approaches the vicinity of the wavelength of 200 nm, and the light to be received is limited to light having a shorter wavelength.
Light will be emitted, leaving less room for choice of intermediate layer material that will preferably transmit it.

【0034】上記の点から、光感応層の材料は、InG
aN〜GaN〜AlGaNから他の層の材料との組合せ
を考慮して選択するのが好ましい。これら好ましい材料
のなかでも特にGaNは、不純物(Mg、Siなど)の
ドーピングでフォトルミネセンス光の量子効率を上げる
ことが容易で、耐環境性にも優れ、好ましい材料であ
る。従って、光感応層の材料をGaNとするときは、G
aNのバンドギャップ以上のエネルギーの光が好ましい
受光対象光となり、特に、吸収係数の点からより大きい
エネルギーの光、即ち、波長365nmよりも短い波長
の光が好ましい受光対象光となる。
In view of the above, the material of the photosensitive layer is InG
It is preferable to select from aN to GaN to AlGaN in consideration of a combination with a material of another layer. Among these preferable materials, GaN is a preferable material because it is easy to increase the quantum efficiency of photoluminescence light by doping impurities (Mg, Si, etc.) and has excellent environmental resistance. Therefore, when the material of the photosensitive layer is GaN, G
Light having an energy equal to or greater than the band gap of aN is a preferable light to be received. In particular, light having a higher energy in terms of absorption coefficient, that is, light having a wavelength shorter than 365 nm is a preferable light to be received.

【0035】バッファ層を光感応層として用いる場合、
バッファ層の厚さは、バッファ層として働き得る厚さ、
光感応層としてより強いPL光を発し得る厚さを考慮す
ると、10nm〜500nm程度が好ましい範囲であ
る。
When the buffer layer is used as a photosensitive layer,
The thickness of the buffer layer is a thickness that can serve as a buffer layer,
Considering the thickness capable of emitting more intense PL light as the photosensitive layer, the preferred range is about 10 nm to 500 nm.

【0036】バッファ層上に光感応層を別途設ける態様
とする場合、バッファ層の材料には受光対象光が透過す
るよう十分にバンドギャップの大きな材料を用いること
が好ましい。しかし、該バッファ層の材料よりもさらに
大きなエネルギーの光が入射すれば、バッファ層が感応
し、意図せぬPL光を発することになる。しかし、意図
せぬPL光は本来の光感応層に吸収され、そのため発せ
られる二次的なPL光は微弱であり実質的には無視する
ことができる。
In a case where a light-sensitive layer is separately provided on the buffer layer, it is preferable to use a material having a sufficiently large band gap as a material of the buffer layer so that light to be received can be transmitted. However, if light having energy higher than that of the material of the buffer layer enters, the buffer layer responds and emits unintended PL light. However, unintended PL light is absorbed by the original light-sensitive layer, so that the secondary PL light emitted is weak and can be substantially ignored.

【0037】バッファ層の成膜法は、従来のバッファ層
形成に用いられる方法を用いてよく、MOCVD、MB
E、CBE、GS−CBE、スパッタリングなどが挙げ
られる。特に、バッファ層上に成長させるGaN系結晶
層の成長方法と同一とすることが好ましい。
As a method of forming the buffer layer, a method used for forming a conventional buffer layer may be used.
E, CBE, GS-CBE, sputtering and the like. In particular, it is preferable to use the same method as the method of growing the GaN-based crystal layer grown on the buffer layer.

【0038】バッファ層上に成長させるGaN系結晶層
の成長方法は、HVPE、MOCVD、MBEなどが挙
げられるが、ヘテロ接合構造を制御良く作製できる点か
ら、MOCVD、MBEが好ましい。
As a method of growing the GaN-based crystal layer grown on the buffer layer, HVPE, MOCVD, MBE and the like can be mentioned, but MOCVD and MBE are preferable because a heterojunction structure can be manufactured with good control.

【0039】pn接合構造は、図1のようなホモ接合や
ヘテロ接合など2層からなるpn接合構造だけでなく、
p型層とn型層との間にi層を挟み込んだ構造などであ
ってもよく、ダブルヘテロ接合構造など種々の積層構造
としてよい。
The pn junction structure is not limited to a two-layer pn junction structure such as a homo junction or a hetero junction as shown in FIG.
A structure in which an i-layer is interposed between a p-type layer and an n-type layer may be used, or various stacked structures such as a double hetero junction structure may be used.

【0040】pn接合構造をヘテロ接合構造とする場
合、そのうちのn型層が中間層になるならば、作用の説
明で述べた通り、該n型層のバンドギャップを他方のp
型層より大きくするのが好ましい。また、pn接合構造
をヘテロ接合構造とする場合、そのうちのn型層を光感
応層とすることも可能である。この態様の場合、受光対
象光を光検出層へ直接到達させずに、光感応層でPL光
に変換して光検出層へ到達させるという本発明の思想か
らは、該n型層のバンドギャップを他方のp型層より大
きくするのが好ましい。
In the case where the pn junction structure is a hetero junction structure, if the n-type layer is an intermediate layer, the band gap of the n-type layer is changed to the other p-type as described in the description of the operation.
Preferably, it is larger than the mold layer. In the case where the pn junction structure is a hetero junction structure, the n-type layer may be a photosensitive layer. In the case of this embodiment, the band gap of the n-type layer is considered from the idea of the present invention that the light to be received is not converted to PL light by the light-sensitive layer to reach the light detection layer without directly reaching the light detection layer. Is preferably larger than the other p-type layer.

【0041】本発明でいうGaN系材料とは、式InX
GaY AlZ 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材料で
ある。上記説明で述べたように、光感応層からPL光が
放出され、これが光検出層に到達してキャリアが発生す
ることができるように、バンドギャップの関係を考慮
し、前記式によるGaN系材料の中から各層の材料を選
択し組み合わせればよい。材料の組合せ例は数多く存在
するが、一例を次に示す。
The GaN-based material referred to in the present invention has the formula In X
Ga Y Al Z N (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ Z ≦
1, X + Y + Z = 1). As described in the above description, the GaN-based material according to the above equation is considered in consideration of the band gap so that PL light is emitted from the photosensitive layer and reaches the light detection layer to generate carriers. May be selected and combined from among the materials of each layer. Although there are many examples of combinations of materials, one example is shown below.

【0042】図1の態様のように、バッファ層2が光感
応層を兼任し、pn接合構造がヘテロ接合構造である場
合、材料の組み合わせ(光感応層2/n型層S1/p型
層S2)は、(In0.1 Ga0.9 N/GaN/In0.2
Ga0.8 N)、(Al0.05Ga0.95N/Al0.1 Ga
0.9 N/GaN)などが例示される。また、pn接合構
造がホモ接合構造である場合、n型層S1材料=p型層
S2材料であり、材料の組み合わせ(光感応層2/n型
層S1)は、(GaN/InGaN)、(Al0.1 Ga
0.9 N/GaN)、(AlGaN/InGaN)などが
例示される。
As in the embodiment shown in FIG. 1, when the buffer layer 2 also serves as a photosensitive layer and the pn junction structure is a heterojunction structure, the combination of materials (photosensitive layer 2 / n-type layer S1 / p-type layer) S2) is (In 0.1 Ga 0.9 N / GaN / In 0.2
Ga 0.8 N), (Al 0.05 Ga 0.95 N / Al 0.1 Ga
0.9 N / GaN). When the pn junction structure is a homo junction structure, the material of the n-type layer S1 is the material of the p-type layer S2, and the combination of the materials (the photosensitive layer 2 / the n-type layer S1) is (GaN / InGaN), Al 0.1 Ga
0.9 N / GaN) and (AlGaN / InGaN).

【0043】図2の態様のように、光感応層を結晶層S
1としてバッファ層上に別途設ける場合、例えば、バッ
ファ層には受光対象光を透過させるAlNなどを用い
て、上記材料の組合せを用いればよい。
As shown in FIG. 2, the photosensitive layer is formed of a crystal layer S
In the case where the buffer layer is separately provided as 1, for example, a combination of the above materials may be used for the buffer layer using AlN or the like that transmits light to be received.

【0044】本発明の受光素子では、光感応層を透過し
光検出層に直接到達して励起するような光(直接励起光
と呼ぶ)は検出の対象ではないが、もし入射すれば検出
はされる。しかし、本発明の受光素子を実際に使用する
場合、通常は受光対象光だけが照射される条件下での使
用となるために、問題とする必要はない。
In the light-receiving element of the present invention, light that passes through the photosensitive layer and directly reaches the photodetection layer and is excited (referred to as direct excitation light) is not the object of detection. Is done. However, when the light receiving element of the present invention is actually used, there is usually no problem because the light receiving element is normally used under the condition that only the light to be received is irradiated.

【0045】本発明の受光素子には、受光対象光の波長
域の範囲を限定するためのフィルター層を設けてもよ
い。該フィルター層は、受光対象光自体の範囲の限定だ
けでなく、受光対象光以外の光のカットに用いてもよ
い。例えば、上記直接励起光をカットし受光対象光だけ
を選択するなどである。該フィルター層の位置は、光感
応層に対して、外界側・光検出層側のいずれであっても
よい。直接励起光をカットする場合、結晶基板の入射面
に設けて受光対象光を透過させてもよいし、光感応層と
光検出層との間に設けてPL光だけを透過させてもよ
い。
The light receiving element of the present invention may be provided with a filter layer for limiting the wavelength range of the light to be received. The filter layer may be used not only for limiting the range of the light to be received itself but also for cutting light other than the light to be received. For example, the direct excitation light is cut, and only the light to be received is selected. The position of the filter layer may be either on the outside world side or on the light detection layer side with respect to the photosensitive layer. When the excitation light is cut directly, the excitation light may be provided on the incident surface of the crystal substrate to transmit the light to be received, or may be provided between the photosensitive layer and the light detection layer to transmit only the PL light.

【0046】本発明による光の検出方法は、本発明によ
る受光素子を用い、その光感応層のバンドギャップ以
上、特に、その光感応層のバンドギャップよりも大きな
エネルギーを有する光を検出する方法である。この方法
によって、従来のように窓層のバンドギャップに縛られ
ることなく、それ以上のエネルギーを有する光の検出が
可能となる。例えば、光感応層がGaNであるならば、
365nmよりも短い波長の光が好ましい受光対象光と
なる。この点で、窓層を透過する光だけを検出する従来
の受光素子を用いた光の検出方法とは全く異なるもので
ある。
The method for detecting light according to the present invention is a method for detecting light having an energy greater than or equal to the band gap of the photosensitive layer, and particularly larger than the band gap of the photosensitive layer, using the light receiving element according to the present invention. is there. According to this method, light having higher energy can be detected without being restricted by the band gap of the window layer as in the related art. For example, if the photosensitive layer is GaN,
Light having a wavelength shorter than 365 nm is a preferable light to be received. This is completely different from the conventional light detection method using a light receiving element that detects only light transmitted through the window layer.

【0047】[0047]

【実施例】実施例1 本実施例では、バッファ層が光感応層を兼任する態様と
して、図3に示す構造の受光素子を製作した。光感応層
はIn0.1 Ga0.9 N、光検出層はIn0.8 Ga0.2
である。
EXAMPLE 1 In this example, a light receiving element having a structure shown in FIG. 3 was manufactured in a mode in which a buffer layer also serves as a photosensitive layer. The photosensitive layer is In 0.1 Ga 0.9 N, and the light detecting layer is In 0.8 Ga 0.2 N
It is.

【0048】〔バッファ層(光感応層)の形成〕結晶基
板1としてサファイアC面基板を用い、MOCVD法、
窒素雰囲気、500℃にて、該基板1上に、厚さ40n
mのIn0.1 Ga0.9 Nバッファ層2を形成した。
[Formation of Buffer Layer (Photosensitive Layer)] A sapphire C-plane substrate was used as the crystal substrate 1 and MOCVD was used.
In a nitrogen atmosphere at 500 ° C., a thickness of 40 n
m In 0.1 Ga 0.9 N buffer layer 2 was formed.

【0049】〔積層構造Sの形成〕1000℃に昇温
し、水素雰囲気、ドーパントをシランとして、n型Ga
N層S1を3μm成長させた。さらに、水素雰囲気、ド
ーパントをシランとして、n型In0.2 Ga0.8 N層S
2を0.1μm成長させた。さらに、水素雰囲気、ドー
パントをビスシクロペンタジエニルマグネシウムとし
て、p型GaN層S3を0.5μm成長させ、pn接合
構造とした。その後、雰囲気ガスを窒素に切り換え、室
温まで徐冷した。
[Formation of Laminated Structure S] The temperature was raised to 1000 ° C., and a hydrogen atmosphere was used.
The N layer S1 was grown at 3 μm. Further, an n-type In 0.2 Ga 0.8 N layer S
2 was grown 0.1 μm. Further, a p-type GaN layer S3 was grown to a thickness of 0.5 μm in a hydrogen atmosphere and biscyclopentadienyl magnesium as a dopant to form a pn junction structure. Thereafter, the atmosphere gas was switched to nitrogen, and the temperature was gradually cooled to room temperature.

【0050】本実施例では、上記In0.2 Ga0.8 N層
S2の伝導型をn型としたが、図3の積層構造では、ア
ンドープ、p型としてもよい。pn接合の界面は異なる
が、いずれの場合にも、n型GaN層S1は中間層であ
り、光検出層はInGaN層S2内に存在する。
In this embodiment, the conductivity type of the In 0.2 Ga 0.8 N layer S2 is n-type. However, the stacked structure of FIG. 3 may be undoped or p-type. Although the interface of the pn junction is different, in each case, the n-type GaN layer S1 is an intermediate layer, and the light detection layer exists in the InGaN layer S2.

【0051】〔電極の形成〕ドライエッチングによっ
て、図3に示すように層S3、層S2を部分的にエッチ
ングで除去しn型層S1の上面を一部露出させてその面
にn型側電極Q2を設け、残ったp型層S3の上面には
p型側電極Q1を設け、受光素子とした。
[Formation of Electrode] As shown in FIG. 3, the layer S3 and the layer S2 are partially removed by dry etching to partially expose the upper surface of the n-type layer S1, and the n-side electrode is formed on the surface. Q2 was provided, and a p-side electrode Q1 was provided on the upper surface of the remaining p-type layer S3 to provide a light receiving element.

【0052】〔性能の評価〕この受光素子をステム台に
マウントし、感度の測定を行ったところ、波長193n
m光(ArF)に対して3A/Wの感度、波長256n
m光(KrF)に対しては2A/Wの感度、波長325
nm光(HeCd)に対しては2A/Wの感度を示し
た。しかし、波長390nmの光に対しては0.2A/
Wと感度は低下し、450nmの青色光に対しては感度
を示さなかった。
[Evaluation of Performance] This light-receiving element was mounted on a stem base and the sensitivity was measured.
3A / W sensitivity to m light (ArF), wavelength 256n
2A / W sensitivity to m light (KrF), wavelength 325
It exhibited a sensitivity of 2 A / W for nm light (HeCd). However, for light having a wavelength of 390 nm, 0.2 A /
The sensitivity was reduced with W, and no sensitivity was exhibited for blue light of 450 nm.

【0053】上記のように、(光感応層In0.1 Ga
0.9 N、光検出層In0.8 Ga0.2 N)の組み合わせと
することで、上記のように可視光に対して感度を示さな
い受光素子が得られた。また、ArF波長193nmパ
ルス光を入射させて寿命を測定したところ、1×1010
回のパルスにも感度の減少は見られず、短い波長の紫外
線に対して優れた耐性を有することがわかった。
As described above, the photosensitive layer In 0.1 Ga
By using a combination of 0.9 N and a light detection layer (In 0.8 Ga 0.2 N), a light-receiving element having no sensitivity to visible light as described above was obtained. When the life was measured by injecting pulsed light having an ArF wavelength of 193 nm, 1 × 10 10
No decrease in sensitivity was observed in the single pulse, indicating that the pulse had excellent resistance to ultraviolet light having a short wavelength.

【0054】実施例2 本実施例では、図2に示すように、バッファ層上に光感
応層を結晶層として独立的に設ける態様の受光素子を作
製した。光感応層はAl0.05Ga0.95N、光検出層はG
aNである。
Example 2 In this example, as shown in FIG. 2, a light receiving element in which a photosensitive layer was independently provided as a crystal layer on a buffer layer was manufactured. The photosensitive layer is Al 0.05 Ga 0.95 N, and the light detecting layer is G
aN.

【0055】〔バッファ層の形成〕結晶基板1としてサ
ファイアC面基板を用い、MOCVD法、窒素雰囲気、
500℃にて、該基板1上に、厚さ40nmのAlNバ
ッファ層2を形成した。
[Formation of Buffer Layer] Using a sapphire C-plane substrate as the crystal substrate 1, MOCVD, a nitrogen atmosphere,
At 500 ° C., an AlN buffer layer 2 having a thickness of 40 nm was formed on the substrate 1.

【0056】〔積層構造Sの形成〕1000℃に昇温
し、水素雰囲気、ドーパントをシランとして、n型Al
0.05Ga0.95N層S1を0.1μm成長させた。この層
S1が光感応層である。さらに、水素雰囲気、ドーパン
トをシランとして、n型Al0.2 Ga0.8 N層S2を3
μm成長させた。この層S2が中間層である。さらに、
水素雰囲気、ドーパントをビスシクロペンタジエニルマ
グネシウムとして、p型GaN層S3を0.5μm成長
させ、pn接合構造とした。このp型GaN層S3内に
光検出層が存在する。その後、雰囲気ガスを窒素に切り
換え、室温まで徐冷し、実施例1と同様に電極を形成
し、受光素子とした。
[Formation of Laminated Structure S] The temperature was raised to 1000 ° C., and a hydrogen atmosphere was used.
A 0.05 Ga 0.95 N layer S1 was grown 0.1 μm. This layer S1 is a photosensitive layer. Further, the n-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer S2 is
μm was grown. This layer S2 is an intermediate layer. further,
A p-type GaN layer S3 was grown to a thickness of 0.5 μm in a hydrogen atmosphere with a dopant of biscyclopentadienyl magnesium to form a pn junction structure. A light detection layer exists in the p-type GaN layer S3. Thereafter, the atmosphere gas was changed to nitrogen, and the temperature was gradually cooled to room temperature. Then, an electrode was formed in the same manner as in Example 1 to obtain a light receiving element.

【0057】〔性能の評価〕実施例1と同様に、この受
光素子の感度の測定を行ったところ、波長193nm光
(ArF)に対して3A/Wの感度、波長256nm光
(KrF)に対しては2A/Wの感度を示した。しか
し、波長325nm光(HeCd)に対しては0.5A
/Wと感度は低下し、波長390nm光に対しては感度
を示さなかった。上記のように(光感応層Al0.05Ga
0.95N、光検出層GaN)の組み合わせとすることで、
実施例1と比べて、感/不感の境界域がさらに短波長側
へシフトした受光素子が得られた。また、ArF波長1
93nmパルス光に対する耐性は実施例1と同様であっ
た。
[Evaluation of Performance] When the sensitivity of this light receiving element was measured in the same manner as in Example 1, the sensitivity was 3 A / W with respect to 193 nm light (ArF), and with respect to 256 nm light (KrF). And showed a sensitivity of 2 A / W. However, for 325 nm wavelength light (HeCd), 0.5 A
/ W, the sensitivity decreased, and no sensitivity was exhibited for light having a wavelength of 390 nm. As described above (photosensitive layer Al 0.05 Ga
0.95 N, photodetection layer GaN)
As compared with Example 1, a light-receiving element in which the boundary area of sensitivity / insensitivity was further shifted to the shorter wavelength side was obtained. ArF wavelength 1
The resistance to 93 nm pulsed light was the same as in Example 1.

【0058】[0058]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の受光素子
は、基板の裏面方向から光を入射させるタイプとして光
感応層を設けたので、電極が受光対象光を遮らなくな
り、より広範囲にPL光を発生させることができ、しか
も、電極は最大限まで占有面積を拡大することができる
ので、高い感度が得られる。また、本発明の受光素子
は、赤色〜紫外域の波長光を受光の対象とすることがで
きるが、GaN系材料で構成したことによって、紫外線
に対しては優れた耐性を有する。
As described above, the light-receiving element of the present invention is provided with a light-sensitive layer as a type in which light is incident from the back side of the substrate. Since light can be generated and the area occupied by the electrodes can be increased to the maximum, high sensitivity can be obtained. The light-receiving element of the present invention can receive light of wavelengths in the red to ultraviolet range, but has excellent resistance to ultraviolet light by being made of a GaN-based material.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の受光素子の一構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a light receiving element of the present invention.

【図2】本発明の受光素子の他の構成例を示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing another configuration example of the light receiving element of the present invention.

【図3】本発明の受光素子の他の構成例を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing another configuration example of the light receiving element of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 結晶基板 2 バッファ層(光感応層) L1 受光対象光 L2 フォトルミネセンス光 S 積層体 S1 n型層 S2 p型層 Q1 p型側電極 Q2 n型側電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crystal substrate 2 Buffer layer (photosensitive layer) L1 Light to be received L2 Photoluminescence light S Stack S1 n-type layer S2 p-type layer Q1 p-type side electrode Q2 n-type side electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 只友 一行 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) 5F049 AA03 AA20 AB07 BA01 BB10 CA04 DA02 EA07 GA01 GA03 LA05  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Kazuyuki Tadomo 4-3 Ikejiri, Itami-shi, Hyogo Mitsubishi Cable Industry Co., Ltd. Itami Works (72) Inventor Yoichiro Ouchi 4-3-3 Ikejiri, Itami-shi, Hyogo Mitsubishi Inside Electric Wire Industry Co., Ltd. Itami Works (72) Inventor Masahiro Koto 4-3 Ikejiri, Itami-shi, Hyogo Mitsubishi Electric Wire Co., Ltd. Itami Works (72) Inventor Kazumasa Hiramatsu 1-4-4-2 Shibata, Yokkaichi-shi, Mie Prefecture (72) Inventor Hiroshi Hamamura 1-1-10 Asamizodai, Sagamihara City, Kanagawa Prefecture Inside Nikon Sagamihara Works (72) Inventor Sumito Shimizu 1-6-3 Nishioi, Shinagawa-ku, Tokyo Nikon Oi Works F Terms (reference) 5F049 AA03 AA20 AB07 BA01 BB10 CA04 DA02 EA07 GA01 GA03 LA05

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 結晶基板上に、バッファ層を介して、p
n接合構造を含みGaN系結晶層からなる積層体が形成
され、これにp型側電極、n型側電極が形成された構造
を有する受光素子であって、 結晶基板は、受光対象光が透過し得る材料からなり、 バッファ層は、受光対象光を受けてフォトルミネセンス
光を発する材料からなる光感応層であり、 pn接合構造中、光励起によって光電流に係るキャリア
を発生する層が光検出層であり、光検出層は、前記フォ
トルミネセンス光によって光電流に係るキャリアを発生
するGaN系材料からなり、 光検出層と光感応層との間に光検出層のバンドギャップ
よりも小さいバンドギャップの層が存在しない構成とさ
れていることを特徴とするGaN系半導体受光素子。
1. A semiconductor device, comprising: a buffer layer on a crystal substrate;
A light receiving element having a structure in which a stacked body composed of a GaN-based crystal layer including an n-junction structure is formed, and a p-side electrode and an n-side electrode are formed thereon, wherein the crystal substrate transmits light to be received. The buffer layer is a light-sensitive layer made of a material that emits photoluminescence light in response to light to be received, and a layer that generates carriers related to photocurrent by photoexcitation in the pn junction structure. A photodetection layer comprising a GaN-based material that generates carriers related to photocurrent by the photoluminescence light, and a band smaller than a band gap of the photodetection layer between the photodetection layer and the photosensitive layer. A GaN-based semiconductor light receiving element, wherein a gap layer does not exist.
【請求項2】 バッファ層の材料がGaN系材料である
請求項1記載のGaN系半導体受光素子。
2. The GaN-based semiconductor light receiving device according to claim 1, wherein the material of the buffer layer is a GaN-based material.
【請求項3】 結晶基板上に、バッファ層を介してまた
は直接的に、pn接合構造を含みGaN系結晶層からな
る積層体が形成され、これにp型側電極、n型側電極が
形成された構造を有する受光素子であって、 結晶基板およびバッファ層は、受光対象光が透過し得る
材料からなり、 結晶基板と、pn接合構造中の光検出層との間には、受
光対象光を受けてフォトルミネセンス光を発するGaN
系結晶からなる光感応層が設けられ、 pn接合構造中、光を受けて光電流に係るキャリアを発
生する層が光検出層であり、該光検出層は、前記フォト
ルミネセンス光を受けて光電流に係るキャリアを発生す
るGaN系材料からなり、 光検出層と光感応層との間に光検出層のバンドギャップ
よりも小さいバンドギャップの層が存在しない構成とさ
れていることを特徴とするGaN系半導体受光素子。
3. A laminated body comprising a GaN-based crystal layer including a pn junction structure is formed on a crystal substrate via a buffer layer or directly, and a p-side electrode and an n-side electrode are formed thereon. The crystal substrate and the buffer layer are made of a material through which the light to be received can pass, and the light to be received is provided between the crystal substrate and the light detection layer in the pn junction structure. GaN that emits photoluminescence light in response to light
A light-sensitive layer made of a system crystal is provided. In the pn junction structure, a layer that receives light and generates carriers related to a photocurrent is a light detection layer, and the light detection layer receives the photoluminescence light. It is made of a GaN-based material that generates carriers related to photocurrent, and is characterized in that there is no layer having a band gap smaller than the band gap of the light detection layer between the light detection layer and the light sensitive layer. GaN based semiconductor light receiving element.
【請求項4】 pn接合構造がヘテロ接合構造であり、
光検出層と光感応層との間にGaN系結晶からなる中間
層が存在する構成であって、〔フォトルミネセンス光の
エネルギー〕<〔中間層のバンドギャップ〕となるよう
に、中間層の材料と光感応層の材料との組み合わせが選
択されている請求項1または3記載のGaN系半導体受
光素子。
4. The pn junction structure is a hetero junction structure,
A structure in which an intermediate layer made of a GaN-based crystal exists between the light detection layer and the photosensitive layer, wherein the energy of the photoluminescence light is smaller than the band gap of the intermediate layer. 4. The GaN-based semiconductor light receiving device according to claim 1, wherein a combination of a material and a material of the photosensitive layer is selected.
【請求項5】 〔光検出層のバンドギャップ〕<〔フォ
トルミネセンス光のエネルギー〕≦〔光感応層のバンド
ギャップ〕<〔中間層のバンドギャップ〕となるよう
に、光検出層の材料と中間層の材料と光感応層の材料と
の組み合わせが選択されている請求項4記載のGaN系
半導体受光素子。
5. The photodetecting layer material and the photodetecting layer material such that [bandgap of the photodetecting layer] <[energy of photoluminescence light] ≦ [bandgap of the photosensitive layer] <[bandgap of the intermediate layer]. The GaN-based semiconductor light receiving device according to claim 4, wherein a combination of a material for the intermediate layer and a material for the photosensitive layer is selected.
【請求項6】 受光対象光が、光感応層のバンドギャッ
プよりも大きいエネルギーを有する光である請求項1〜
5のいずれかに記載のGaN系半導体受光素子。
6. A light receiving object light having energy larger than a band gap of a photosensitive layer.
5. The GaN-based semiconductor light-receiving element according to any one of 5.
【請求項7】 請求項1〜6のいずれかに記載のGaN
系半導体受光素子を用い、該GaN系半導体受光素子に
設けられた光感応層のバンドギャップ以上のエネルギー
の光を受光対象光として光感応層に入射させ、光感応層
においてフォトルミネセンス光を発生させ、該フォトル
ミネセンス光を光検出層において検出することを特徴と
する光の検出方法。
7. The GaN according to claim 1,
Using a GaN-based semiconductor light-receiving element, light having an energy equal to or greater than the band gap of the light-sensitive layer provided in the GaN-based semiconductor light-receiving element is incident on the light-sensitive layer as light to be received, and photoluminescence light is generated in the light-sensitive layer. And detecting the photoluminescence light in a photodetection layer.
【請求項8】 光感応層のバンドギャップよりも大きな
エネルギーの光を受光対象光とする請求項7記載の検出
方法。
8. The detection method according to claim 7, wherein light having energy larger than the band gap of the photosensitive layer is used as light to be received.
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CN113188655A (en) * 2021-04-09 2021-07-30 广州市艾佛光通科技有限公司 Optical sensor based on bulk acoustic wave and preparation method thereof

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