JP2001230442A

JP2001230442A - 光検出素子

Info

Publication number: JP2001230442A
Application number: JP2000036791A
Authority: JP
Inventors: Masao Uchida; 正雄内田; Makoto Kitahata; 真北畠; Kunimasa Takahashi; 邦方高橋
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2001-08-24

Abstract

(57)【要約】【課題】安価かつ容易に製造でき、高温環境下でも動
作可能な光検出素子を提供する。【解決手段】基板１１と、基板１１上にエピタキシャ
ル成長させることによって形成された半導体層１２と半
導体層１２上に形成された絶縁膜１３および上部電極１
４と、基板１１の裏面側に形成された裏面電極１５とを
備える。半導体層１２は、基板１１側から順次積層され
た第１の３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶系炭化珪素）層１６と第
２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＳｉＣからなる半
導体層を備える光検出素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳｉＣ（シリコンカーバイド、炭化珪
素）は、Ｓｉ（シリコン）に比べて高硬度でワイドバン
ドギャップな半導体であり、パワーデバイスや耐環境デ
バイス、高温動作デバイス、高周波デバイス等へ応用さ
れている。

【０００３】従来の光検出素子としては、たとえば、Ｓ
ｉを用いたｐｎ接合やｐｉｎ接合を備える光検出素子が
挙げられる。このような従来の光検出素子の一例につい
て、断面図を図１８に示す。図１８を参照して、従来の
光検出素子１は、ｐ形Ｓｉ基板２と、ｐ形Ｓｉ３と、ｎ
形Ｓｉ４と、裏面電極５と、リング状電極６と、透明導
電膜７とを備える。ｐ形Ｓｉ３およびｎ形Ｓｉ４は、た
とえばエピタキシャル成長により形成される。

【０００４】光検出素子１において、Ｓｉのバンドギャ
ップ以上のエネルギーを有する光が入射するとキャリア
が励起され、この励起されたキャリアを光電流として外
部回路に取り出すことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｓｉは
バンドギャップが小さいために、高温雰囲気では熱によ
り励起されたキャリアが多くなり、これがノイズとなっ
て光励起キャリアを検出することが困難になるという問
題があった。

【０００６】一方、ＳｉＣ基板上にドーピングされたＳ
ｉＣをエピタキシャル成長させた光検出素子が考えられ
るが、ＳｉＣ基板は高価であり、さらに、ＳｉＣ基板は
大面積のウェハが得られにくいため生産コストが高くな
るという問題があった。

【０００７】上記問題点を解決するため、本発明は、安
価かつ容易に製造でき、高温環境下でも動作可能な光検
出素子を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の第１の光検出素子は、Ｓｉ基板上にエピタキ
シャル成長させることによって形成された半導体層を備
える光検出素子（Ｓｉ基板を含まない光検出素子を含
む）であって、半導体層は、積層された第１の３Ｃ−Ｓ
ｉＣ層と第２の３Ｃ−ＳｉＣ層とを含み、第１の３Ｃ−
ＳｉＣ層がｐ形またはｎ形の導電形を有し、第２の３Ｃ
−ＳｉＣ層が第１の３Ｃ−ＳｉＣ層の導電形と反対の導
電形を有することを特徴とする。

【０００９】また、本発明の第２の光検出素子は、Ｓｉ
基板上にエピタキシャル成長させることによって形成さ
れた半導体層を備える光検出素子（Ｓｉ基板を含まない
光検出素子を含む）であって、半導体層は、Ｓｉ基板側
に配置された第１の３Ｃ−ＳｉＣ層と、第１の３Ｃ−Ｓ
ｉＣ層よりも光入射側に配置された第２の３Ｃ−ＳｉＣ
層と、第１の３Ｃ−ＳｉＣ層と第２の３Ｃ−ＳｉＣ層と
の間に配置された真性の３Ｃ−ＳｉＣ層とを含み、第１
の３Ｃ−ＳｉＣ層がｐ型またはｎ型の導電形を有し、第
２の３Ｃ−ＳｉＣ層が第１の３Ｃ−ＳｉＣ層の導電形と
反対の導電形を有することを特徴とする。上記第１およ
び第２の光検出素子では、３Ｃ−ＳｉＣによって接合が
形成されているため、Ｓｉで接合が形成されている素子
では安定に動作しないような高温環境下でも動作が可能
である。また、上記光検出素子は、安価なＳｉ基板を用
いて製造されるため、安価に製造することができる。

【００１０】上記第１および第２の光検出素子では、半
導体層が光入射側に凸部を有し、凸部上に受光窓を備え
ることが好ましい。上記構成によれば、感度が高い光検
出素子が得られる。

【００１１】上記第１および第２の光検出素子では、凸
部の高さが１０ｎｍ以上であることが好ましい。

【００１２】上記第１および第２の光検出素子では、凸
部が、凸部を除く部分をエッチングすることによって形
成された凸部であることが好ましい。上記構成によれ
ば、半導体層表面に形成される欠陥層に基づくリーク電
流を減少させることができるため、感度が特に高い光検
出素子が得られる。

【００１３】上記第１および第２の光検出素子では、凸
部の上面が、エピタキシャル成長によって前記半導体層
を形成したのちエッチングされていない部分であること
が好ましい。上記構成によれば、エピタキシャル成長の
ままエッチングされていない部分は欠陥が多く低抵抗で
あるため、光励起キャリアが収集されやすく感度が特に
高い光検出素子が得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００１５】（実施形態１）実施形態１では、本発明の
光検出素子について一例を説明する。実施形態１の光検
出素子１０について、平面図を図１（ａ）に示し、断面
図を図１（ｂ）に示す。

【００１６】図１を参照して、光検出素子１０は、基板
１１と、基板１１上にエピタキシャル成長させることに
よって形成された半導体層１２と半導体層１２上に形成
された絶縁膜１３および上部電極１４と、基板１１の裏
面側（光入射側と反対の側）に形成された裏面電極１５
とを備える。そして、半導体層１２は、基板１１側から
順次積層された第１の３Ｃ−ＳｉＣ（立方晶系炭化珪
素）層１６と第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７とを含む。

【００１７】基板１１は、Ｓｉ基板を含む。具体的に
は、たとえば、Ｓｉ（００１）基板、Ｓｉ（１１１）基
板または他の面方位のＳｉ基板を用いることができる。
また、たとえばＳｉ（００１）から［１１０］方向にオ
フ角を有する基板のように、基板面がオフ角を有してい
てもよい。もちろん、結晶シリコンがエピタキシャル成
長された他の基板や、表面に結晶シリコンを有する構造
の基板であってもよい。すなわち、基板１１は、半導体
層１２が形成される側に結晶シリコン層（Ｓｉ基板）を
備えればよい。ここで、基板１１は、第１の３Ｃ−Ｓｉ
Ｃ層１２と同一の導電形を有する。なお、基板１１と第
１の３Ｃ−ＳｉＣ層１２との間にバッファ層などを形成
してもよい。

【００１８】絶縁膜１３は、たとえばＳｉＯ₂からな
り、パッシベーション膜として機能する。絶縁膜１３
は、第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７上の一部（たとえば中央
部を除く部分）に形成される。

【００１９】上部電極１４は、たとえばニッケルからな
る。上部電極１４の一部は第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７に
接続しており、動作時には第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７か
らキャリアを収集する。上部電極１４は開口部を備え、
その開口部が受光窓１８となる。なお、上部電極１４
は、受光窓１８に形成された透明導電膜をさらに備えて
もよい（以下の実施形態において同様である）。

【００２０】裏面電極１５は、基板１１とオーミックに
接続された電極であり、たとえばアルミニウムからな
る。

【００２１】第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１６は、ｐ形または
ｎ形の導電形を有する。

【００２２】第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７は、第１の３Ｃ
−ＳｉＣ層１６とは反対の導電形を有する。すなわち、
第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１６がｎ形の場合には第２の３Ｃ
−ＳｉＣ層１７はｐ形であり、第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１
６がｐ形の場合には第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７はｎ形で
ある。したがって、光検出素子の構造としては、基板／
第１の３Ｃ−ＳｉＣ層／第２の３Ｃ−ＳｉＣ層が、ｎ形
／ｎ形／ｐ形である構造や、ｐ形／ｐ形／ｎ形である構
造が挙げられる（以下の実施形態において同様であ
る）。

【００２３】なお、半導体層１２は、光入射側（受光窓
１８側）に凸部を有してもよい。このような光検出素子
１０ａについて、一例の平面図を図２（ａ）に、断面図
を図２（ｂ）に示す。図２を参照して、光検出素子１０
ａは、半導体層１２の一部に形成された凸部１２ａを備
え、凸部１２ａ上に受光窓１８を備える。凸部１２ａの
高さは１０ｎｍ以上が好ましく、５００ｎｍ以上である
ことが特に好ましい。凸部１２ａは、半導体層１２のう
ち凸部１２ａ以外の部分をエッチングすることによって
形成される。特に、凸部１２ａの上面（光入射側の面）
がエピタキシャル成長によって半導体層１２を形成した
のちエッチングされていない部分であることが好まし
い。なお、図２では、凸部１２ａが第２の３Ｃ−ＳｉＣ
層１７のみに形成されている場合を示しているが、第２
の３Ｃ−ＳｉＣ層１７からさらに第１の３Ｃ−ＳｉＣ層
１６までエッチングすることによって形成された凸部で
あってもよい（以下の実施形態において同様である）。

【００２４】上記実施形態１の光検出素子では、第１の
３Ｃ−ＳｉＣ層１６と第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７とによ
ってｐｎ接合が形成されている。したがって、光検出素
子１０によれば、Ｓｉによってｐｎ接合が形成されてい
る光検出素子では安定に動作しないような高温環境下に
おいても安定に動作可能な光検出素子が得られる。ま
た、光検出素子１０は、Ｓｉ基板を含む基板１１を用い
ているため、安価かつ容易に製造できる。特に、Ｓｉ基
板はＳｉＣ基板と比較して分離が容易であるため、Ｓｉ
基板を用いることによって製造が容易になる。

【００２５】なお、上記実施形態１では、基板１１の裏
面に電極が形成されている、いわゆる縦型素子構造の光
検出素子について説明したが、第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１
６上に電極が形成されている横型素子構造であっても同
様の効果が得られる。上記光検出素子１０および１０ａ
を横型素子構造とした場合の光検出素子の例について、
それぞれ、光検出素子１０ｂの断面図を図３（ａ）に示
し、光検出素子１０ｃの断面図を図３（ｂ）に示す。図
３に示すように、光検出素子１０ｂおよび１０ｃは、Ｓ
ｉ基板３１と、Ｓｉ基板３１上に形成された第１の３Ｃ
−ＳｉＣ層１６と、第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１６上に形成
された電極３２とを備える。なお、他の部分については
光検出素子１０と同様であるため、重複する説明は省略
する。光検出素子１０ｂおよび１０ｃは、光検出素子１
０と異なり、Ｓｉ基板３１の導電形に制限はない。この
ような横型素子構造の素子は、たとえば、ＲＩＥ装置な
どを用いて第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７をエッチングし
て、第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１６上に電極３２を直接形成
することにより作製できる。

【００２６】また、上記実施形態で説明した光検出素子
においては、第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１６および第２の３
Ｃ−ＳｉＣ層１７は、それぞれ、複数の半導体層によっ
て形成されていてもよい（以下の実施形態において同様
である）。そのような光検出素子の一例については、以
下の実施例で説明する。

【００２７】（実施形態２）実施形態２では、本発明の
光検出素子について他の一例を説明する。実施形態２の
光検出素子４０について、平面図を図４（ａ）に、断面
図を図４（ｂ）に示す。

【００２８】図４を参照して、光検出素子４０は、基板
１１と、基板１１上にエピタキシャル成長させることに
よって形成された半導体層４１と半導体層４１上に形成
された絶縁膜１３および上部電極１４と、基板１１の裏
面側（光入射側と反対の側）に形成された裏面電極１５
とを備える。そして、半導体層４１は、Ｓｉ基板側に配
置された第１の３Ｃ−ＳｉＣ層４２と、光入射側（受光
窓１８側）に配置された第２の３Ｃ−ＳｉＣ層４３と、
第１の３Ｃ−ＳｉＣ層４２と第２の３Ｃ−ＳｉＣ層４３
との間に配置された真性の３Ｃ−ＳｉＣ層４４とを含
む。半導体層４１を除く部分については、実施形態１で
説明した部分と同様であるので、重複する説明は省略す
る。

【００２９】第１の３Ｃ−ＳｉＣ層４２は、ｐ形または
ｎ形の導電形を有する。

【００３０】第２の３Ｃ−ＳｉＣ層４３は、第１の３Ｃ
−ＳｉＣ層４２とは反対の導電形を有する。すなわち、
第１の３Ｃ−ＳｉＣ層４２がｎ形の場合には第２の３Ｃ
−ＳｉＣ層４３はｐ形であり、第１の３Ｃ−ＳｉＣ層４
２がｐ形の場合には第２の３Ｃ−ＳｉＣ層４３はｎ形で
ある。

【００３１】真性の３Ｃ−ＳｉＣ層４４は、アンドープ
あるいはわずかにドーピングを行って真性とした３Ｃ−
ＳｉＣ層である。

【００３２】上記光検出素子４０では、３Ｃ−ＳｉＣ層
によって接合が形成されている。したがって、光検出素
子４０によれば、Ｓｉによって接合が形成されている光
検出素子では安定に動作しないような高温環境下におい
ても安定に動作可能な光検出素子が得られる。また、光
検出素子４０は、Ｓｉ基板を含む基板１１を用いている
ため、安価かつ容易に製造できる。さらに、光検出素子
４０は、逆バイアス印加時に真性の３Ｃ−ＳｉＣ層４４
に強い電界が形成され、光励起キャリアが効率よく収集
される。したがって、光検出素子４０によれば、感度が
高い光検出素子が得られる。

【００３３】なお、半導体層４１は、光入射側（受光窓
１８側）に凸部を有してもよい。このような光検出素子
４０ａについて、一例の平面図を図５（ａ）に、断面図
を図５（ｂ）に示す。図５を参照して、光検出素子４０
ａは、半導体層４１の一部に形成された凸部４１ａを備
え、凸部４１ａ上に受光窓１８を備える。凸部４１ａの
形状および形成方法については、実施形態１で説明した
凸部１２ａと同様である。

【００３４】また、上記実施形態２では、縦型素子構造
の光検出素子について説明したが、横型素子構造であっ
ても同様の効果が得られる。上記光検出素子４０および
４０ａを横型素子構造とした場合の光検出素子の例につ
いて、それぞれ、光検出素子４０ｂの断面図を図６
（ａ）に示し、光検出素子４０ｃの断面図を図６（ｂ）
に示す。図６に示すように、光検出素子４０ｂおよび４
０ｃは、Ｓｉ基板３１と、Ｓｉ基板３１上に形成された
第１の３Ｃ−ＳｉＣ層４２と、第１の３Ｃ−ＳｉＣ層４
２上に形成された電極３２とを備える。なお、他の部分
については光検出素子４０と同様であるため、重複する
説明は省略する。光検出素子４０ｂおよび４０ｃは、光
検出素子４０と異なり、Ｓｉ基板３１の導電形に制限は
ない。このような横型素子構造の素子は、たとえば、Ｒ
ＩＥ装置などを用いて第２の３Ｃ−ＳｉＣ層４３および
真性の３Ｃ−ＳｉＣ層４４をエッチングして、第１の３
Ｃ−ＳｉＣ層４２上に直接電極３２を形成することによ
り作製できる。

【００３５】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に
説明する。

【００３６】（実施例１）実施例１では、実施形態１で
説明した光検出素子１０を作製した一例について説明す
る。

【００３７】実施例１では、ＳｉＣ層は高周波誘導加熱
による結晶成長装置で成長させた。このとき、Ｓｉ基板
はカーボン製のサセプタに接した状態で保持され、サセ
プタが高周波誘導加熱によって加熱される際にＳｉ基板
も加熱され、Ｓｉ基板上にＳｉＣが成長した。

【００３８】実施例１における光検出素子の作製工程
を、図７に示す。以下、同図を用いて光検出素子の製造
方法を説明する。

【００３９】まず、図７（ａ）に示すように、Ｓｉから
なる基板１１上に第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１６と第２の３
Ｃ−ＳｉＣ層１７とを形成した。ここで、３Ｃ−ＳｉＣ
層１７は、３Ｃ−ＳｉＣ層１７ａと３Ｃ−ＳｉＣ層１７
ｂとからなる。

【００４０】具体的には、基板１１には、ｐ形で、抵抗
率が０．１Ωｃｍ以下のＳｉ（００１）基板を用いた。
そして、ＳｉＣでコートしたサセプタの上に上記Ｓｉ基
板を設置し、水素雰囲気中、１３３００Ｐａ（１００Ｔ
ｏｒｒ）の減圧下でプロパンを１０ｓｃｃｍ供給しなが
ら高周波誘導加熱で基板を１３００℃に加熱することに
よって、Ｓｉ基板の炭化を行った。その後、キャリアガ
スとして水素を用い、プロパン（０．４ｓｃｃｍ）と、
シラン（１．０ｓｃｃｍ）を供給することによって、基
板１１上に、３Ｃ−ＳｉＣ層１６、１７ａおよび１７ｂ
を結晶成長させた。３Ｃ−ＳｉＣ層１６の結晶成長の際
には、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）をドーパント
として用い、アルミニウムをドーピングした。３Ｃ−Ｓ
ｉＣ層１７ａではドーピングは行わなかった。３Ｃ−Ｓ
ｉＣ層１７ｂでは、窒素ガスをドーピングガスとして用
い、窒素をドーピングした。３Ｃ−ＳｉＣ層１６、１７
ａおよび１７ｂの膜厚はそれぞれ、２．８μｍ、２．８
μｍ、２．８μｍとした。これとは別に、同一条件で３
Ｃ−ＳｉＣ層を成長させ、Ｈａｌｌ測定によりキャリア
濃度を評価したところ、３Ｃ−ＳｉＣ層１６、１７ａ、
１７ｂに対応する層はそれぞれ、ｐ形、ｎ形、ｎ形を示
し、そのキャリア濃度はそれぞれ、９×１０ ¹⁶ｃｍ^-3、
３×１０¹⁶ｃｍ^-3、３×１０¹⁷ｃｍ^-3であった。

【００４１】次に、３Ｃ−ＳｉＣ層１７ｂの表面に絶縁
膜であるＳｉＯ₂膜をＣＶＤ法によって２００ｎｍ堆積
した。そして、ＳｉＯ₂膜の上部にフォトレジストを塗
布し、フォトレジストに開口部を設けた。その後、Ｓｉ
Ｏ₂膜をエッチングによりパターニングし、レジストを
除去して図７（ｂ）のように直径４００μｍの開口部を
有するＳｉＯ₂膜（絶縁膜１３）を形成した。

【００４２】その後、電子ビーム蒸着によってＳｉＯ₂
膜の全面に、ニッケル（膜厚約２００ｎｍ）を蒸着し
た。そして、再びフォトレジストを塗布してフォトレジ
ストに開口部を設けた後、ニッケルをエッチングにより
パターニングし、レジストを除去して図７（ｂ）のよう
に直径３００μｍの開口部を有するニッケル電極（上部
電極１４）を形成した。このときの平面図は、図４
（ａ）と同様であり、ニッケル電極の開口部が光検出素
子の受光窓となる。その後、アルゴン雰囲気で１０００
℃、３分のアニールを行うことによって、３Ｃ−ＳｉＣ
層１７ｂとニッケル電極とがオーミックに接続されるよ
うにした。

【００４３】その後、Ｓｉからなる基板１１の裏面を研
磨して基板１１の厚さを２００μｍ以下にした後、裏面
にアルミニウムを蒸着し、６５０℃、５分のアニールを
行った。このようにして、Ｓｉからなる基板１１に対し
てオーミックに接続した裏面電極１８を形成した。最後
に基板１１をチップごとに分離し、図７（ｃ）に示す光
検出素子を作製した。

【００４４】次に、上記の方法で作製した光検出素子の
受光感度を以下の方法で評価した。受光感度を評価する
測定装置について、概略を図８に示す。

【００４５】図８の測定装置において、８１は作製した
光検出素子、８２は光検出素子８１にバイアス電圧を印
加するための電源であり、８３は負荷抵抗である。まず
電源８２の部分を短絡して、光検出素子８１に光を照射
し、その時に発生する光電流を負荷抵抗８３で電圧に変
換して、負荷抵抗８３の両端の電圧を読みとることによ
り、光検出素子８１の分光感度特性を評価した。その結
果を図９に示す。図９から、作製した光検出素子は紫外
〜可視光（波長が５００ｎｍ以下の光）の領域において
感度を有することが明らかとなった。測定器の都合によ
り３００ｎｍ以下の光は測定できなかったが、３００ｎ
ｍ以下の波長領域にも受光感度を有することはいうまで
もない。ピークにおける受光感度は約２０ｍＡ／Ｗであ
った。また、５４０ｎｍ以上の波長領域に対しては受光
感度を有さなかった。

【００４６】この光検出素子は、接合が３Ｃ−ＳｉＣ層
によって形成されているため、高温環境下においても動
作可能である。また、図１０は、ある特定波長での逆バ
イアス印加時の出力（電流値）の変化を示す図である
が、電源８２を用いて光検出素子８１に逆バイアスを印
加した場合、逆バイアス増加に伴って光出力信号が増加
することがわかった。

【００４７】（実施例２）実施例２では、実施形態１で
説明した光検出素子１０ａを作製した一例について説明
する。

【００４８】実施例２における光検出素子の製造工程に
ついて、図１１に示す。以下、同図を用いて光検出素子
の作製法を説明する。

【００４９】まず、図１１（ａ）に示すように、Ｓｉか
らなる基板１１上に第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１６と第２の
３Ｃ−ＳｉＣ層１７とを形成した。ここで、第２の３Ｃ
−ＳｉＣ層１７は、３Ｃ−ＳｉＣ層１７ａと３Ｃ−Ｓｉ
Ｃ層１７ｂとからなる。具体的には、炭素源としてプロ
パン、Ｓｉ源としてシラン、キャリアガスとして水素を
用い、ｐ形のＳｉ（００１）基板上に３Ｃ−ＳｉＣを成
長させた。ＳｉＣの成長については実施例１と同様の方
法で行った。具体的には、ＴＭＡを用いたアルミニウム
ドーピング、アンドープおよび窒素ドーピングを行い、
ｐ形の第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１６と、ｎ形の３Ｃ−Ｓｉ
Ｃ層１７ａと、ｎ形の３Ｃ−ＳｉＣ層１７ｂとを、２．
８μｍずつ基板１１上に成長させた。キャリア濃度も実
施例１と同様で、それぞれ、９×１０¹⁶ｃｍ^-3、３×１
０¹⁶ｃｍ^-3、３×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。

【００５０】次に、３Ｃ−ＳｉＣ層１７ｂの全面に、ニ
ッケルを電子ビーム蒸着によって２００ｎｍほど蒸着
し、フォトレジストを塗布してフォトレジストを円状に
パターニングした後、エッチングによってニッケルをパ
ターニングし、レジストを除去して図１１（ｂ）のよう
に直径４００μｍの円状のニッケル膜１１１を形成し
た。

【００５１】次に、上記基板１１をリアクティブイオン
エッチング（ＲＩＥ）装置内に導入し、ニッケル膜１１
１をマスクとして、３Ｃ−ＳｉＣ層１７ｂを約５００ｎ
ｍエッチングすることによって、図１１（ｃ）に示すよ
うに、凸部１２ａを形成した。エッチングは、四フッ化
炭素（ＣＦ₄、流量１５ｓｃｃｍ）および酸素（Ｏ₂、流
量１５ｓｃｃｍ）をエッチングガスとして２００Ｗのパ
ワーで行った。

【００５２】次に、絶縁膜であるＳｉＯ₂をＣＶＤ法に
よって２００ｎｍ堆積し、フォトリソ工程およびエッチ
ング工程によってニッケル膜１１１上のＳｉＯ₂膜をエ
ッチングした。そして、レジストを除去することによっ
て、図１１（ｄ）に示すように、ＲＩＥによってエッチ
ングされた部分の３Ｃ−ＳｉＣ層１７ｂ上に、ＳｉＯ ₂
からなる絶縁膜１３を形成した。

【００５３】次に、図１１（ｅ）に示すように、絶縁膜
１３およびニッケル膜１１１上の全面にニッケルを電子
ビーム蒸着によって２００ｎｍほど蒸着してニッケル膜
１１１ａを形成した。

【００５４】次に、再びフォトレジストを塗布してフォ
トレジストに開口部を設けた後、ニッケル膜１１１ａを
エッチングによってパターニングし、レジストを除去し
て図１１（ｆ）のように、直径３００μｍの開口部を有
するニッケルからなる上部電極１４を形成した。このと
きの平面図は、図２（ａ）に示すものと同様であり、上
部電極１４の開口部が光検出素子の受光窓となる。この
状態でアルゴン雰囲気で１０００℃、３分のアニールを
行い、３Ｃ−ＳｉＣ層１７ｂに対して上部電極１４がオ
ーミックに接続されるようにした。

【００５５】次に、基板１１の裏面を研磨して基板１１
の厚さを２００μｍ以下にした後、裏面にアルミニウム
を蒸着し、６５０℃、５分のアニールを行うことによっ
て、基板１１に対してオーミックに接続された裏面電極
１５を形成した。最後に基板１１をチップごとに分離
し、図１１（ｇ）に示す光検出素子を作製した。

【００５６】上記光検出素子について、図８の測定系を
用いて、実施例１と同様の測定を行った。実施例２にお
ける光検出素子の分光感度特性の測定結果を図１２に示
す。図１２から、作製した光検出素子は紫外〜可視光
（波長が５００ｎｍ以下の光）の領域において感度を有
することが明らかとなった。測定器の都合により３００
ｎｍ以下の光は測定できなかったが、３００ｎｍ以下の
波長領域にも受光感度を有することはいうまでもない。
ピークにおける受光感度は約２０ｍＡ／Ｗであった。ま
た、５４０ｎｍ以上の波長領域に対しては受光感度を有
さなかった。この光検出素子は、接合が３Ｃ−ＳｉＣ層
によって形成されているため、高温環境下においても動
作可能である。また、図１３は、ある特定波長での逆バ
イアス印加時の出力（電流値）の変化を示す図である
が、電源８２を用いて光検出素子８１に逆バイアスを印
加した場合、逆バイアス増加に伴って光出力信号が増加
することがわかった。

【００５７】また、上記光検出素子の電気特性の評価を
併せて行った。実施例２の光検出素子は、整流性を示し
たが逆方向リーク電流が若干観測された。しかしなが
ら、実施例１の光検出素子と実施例２の光検出素子とを
比較すると、ＲＩＥによるエッチングの効果によって、
逆バイアス電圧−５Ｖ印加時における逆方向リーク電流
は、ＲＩＥによるエッチングなしの場合と比較して２０
分の１に低下し、光検出素子のリーク電流に対する光電
流の比が向上した。

【００５８】（実施例３）実施例３では、実施形態１の
光検出素子１０を作製した一例について説明する。実施
例３における光検出素子の製造工程を図１４に示す。以
下、同図を用いて光検出素子の製造方法を説明する。

【００５９】まず、図１４（ａ）に示すように、炭素源
としてプロパン、Ｓｉ源としてシラン、キャリアガスと
して水素を用い、ｐ形のＳｉ（００１）基板からなる基
板１１上に第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１６および第２の３Ｃ
−ＳｉＣ層１７を成長させた。ＳｉＣの成長方法につい
ては実施例１と同様である。具体的には、ＴＭＡを用い
たアルミニウムドーピングおよび窒素ドーピングを行う
ことによって、ｐ形の第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１６とｎ形
の第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７とを２．８μｍずつ基板１
１上に成長させた。キャリア濃度も実施例１と同様で、
それぞれ、９×１０¹⁶ｃｍ^-3、３×１０¹⁷ｃｍ^-3とし
た。

【００６０】次に、第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７の表面
に、絶縁膜であるＳｉＯ₂をＣＶＤ法によって２００ｎ
ｍ堆積した。その後、ＳｉＯ₂膜の上部にフォトレジス
トを塗布し、フォトレジストに開口部を設けた。そし
て、ＳｉＯ₂膜をエッチングによってパターニングし、
レジストを除去して図１４（ｂ）に示すように、直径４
００μｍの開口部を有するＳｉＯ₂膜（絶縁膜１３）を
形成した。次に、その上からニッケルを電子ビーム蒸着
によって２００ｎｍほど全面に蒸着し、再びフォトレジ
ストを塗布してフォトレジストに開口部を設けた後、ニ
ッケルをエッチングによってパターニングし、レジスト
を除去して図１４（ｂ）のように直径３００μｍの開口
部を有するニッケル電極を形成した。このときの平面図
は、図１（ａ）に示すものと同様であり、ニッケル電極
の開口部が光検出素子の受光窓となる。この状態でアル
ゴン雰囲気で１０００℃、３分のアニールを行い、第２
の３Ｃ−ＳｉＣ層１７に対してオーミックに接続したニ
ッケル電極（上部電極１４）を形成した。

【００６１】次に基板１１の裏面を研磨して基板１１の
厚さを２００μｍ以下にした後、裏面にアルミニウムを
蒸着し、６５０℃、５分のアニールを行うことによっ
て、基板１１に対してオーミックに接続した裏面電極１
５を形成した。最後に、基板１１をチップごとに分離
し、図１４（ｃ）に示す光検出素子を作製した。

【００６２】上記光検出素子について、図８の測定系を
用いて、実施例１と同様の測定を行った。実施例３の光
検出素子の分光感度特性は、ピークの位置が若干異なる
ものの図９に似た特性を示し、紫外〜可視光（５００ｎ
ｍ以下）の領域において感度を有することが明らかとな
った。測定器の都合により３００ｎｍ以下は測定できな
かったが、３００ｎｍ以下の波長領域にも受光感度を有
することはいうまでもない。また、５４０ｎｍ以上の波
長領域に対しては受光感度を有さなかった。

【００６３】この光検出素子は、３Ｃ−ＳｉＣ層によっ
て接合が形成されているため、高温環境下においても動
作可能である。また、電源を用いて光検出素子に逆バイ
アスを印加した場合、図１０と同様に逆バイアス増加に
伴って光出力信号が増加することを確認した。

【００６４】（実施例４）実施例４では、実施形態１で
説明した光検出素子１０ａを作製した一例について説明
する。

【００６５】実施例４における光検出素子の製造工程
を、図１５に示す。以下、同図を用いて光検出素子の形
成法を説明する。

【００６６】まず、炭素源としてプロパン、Ｓｉ源とし
てシラン、キャリアガスとして水素を用い、ｐ形のＳｉ
（００１）基板からなる基板１１上に第１の３Ｃ−Ｓｉ
Ｃ層１６と第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７とを形成した（図
１５（ａ）参照）。ＳｉＣの成長方法については実施例
１と同様である。具体的には、ＴＭＡを用いたアルミニ
ウムドーピングおよび窒素ドーピングによって、ｐ形の
第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１６とｎ形の第２の３Ｃ−ＳｉＣ
層１７とを、２．８μｍずつ基板１１上に成長させた。
キャリア濃度も実施例１と同様で、それぞれ、９×１０
¹⁶ｃｍ^-3、３×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。

【００６７】次に、第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７の表面
に、ニッケルを電子ビーム蒸着によって２００ｎｍほど
全面蒸着し、フォトレジストを塗布してフォトレジスト
を円状にパターニングした後、ニッケルをエッチングに
よりパターニングした。そして、レジストを除去して図
１５（ｂ）に示すように、直径４００μｍの円状のニッ
ケル膜１５１を形成した。

【００６８】次に、上記基板をリアクティブイオンエッ
チング（ＲＩＥ）装置に導入し、図１５（ｃ）に示すよ
うに、ニッケル膜１５１をマスクとして第２の３Ｃ−Ｓ
ｉＣ層１７の一部をエッチングによって除去し、凸部１
２ａ（高さ約５００ｎｍ）を形成した。エッチング
は、、四フッ化炭素（ＣＦ₄、流量１５ｓｃｃｍ）およ
び酸素（Ｏ₂、流量１５ｓｃｃｍ）をエッチングガスと
して２００Ｗのパワーで行った。

【００６９】次に、絶縁膜であるＳｉＯ₂をＣＶＤ法に
よって２００ｎｍ堆積し、ＳｉＯ₂膜の上部にフォトレ
ジストを塗布し、ニッケル膜１５１の存在する部分にフ
ォトレジストの開口部を設けた。そして、ニッケル膜１
５１上のＳｉＯ₂膜をエッチングにより除去し、さらに
レジストを除去して、図１５（ｄ）に示すように、ＲＩ
Ｅによりエッチングした部分の第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１
７上にＳｉＯ₂膜（絶縁膜１３）を形成した。

【００７０】次に、図１５（ｅ）に示したように、基板
上方からニッケルを電子ビーム蒸着によって２００ｎｍ
ほど全面蒸着し、ニッケル膜１５１ａを形成した。

【００７１】次に、ニッケル膜１５１ａ上に再びフォト
レジストを塗布してフォトレジストに開口部を設けた。
そして、ニッケル膜１５１ａをエッチングによってパタ
ーニングしレジストを除去することによって、図１５
（ｆ）に示すように、直径３００μｍの開口部を有する
ニッケル電極を形成した。このときの平面図は、図２
（ａ）に示すものと同様であり、ニッケル電極の開口部
が光検出素子の受光窓となる。この状態でアルゴン雰囲
気で１０００℃、３分のアニールを行い、第２の３Ｃ−
ＳｉＣ層１７に対してオーミックに接続したニッケル電
極（上部電極１４）を形成した。

【００７２】次に、基板１１の裏面を研磨して基板１１
の厚さを２００μｍ以下にした後、アルミニウムを蒸着
し、６５０℃、５分のアニールを行うことによって、基
板１１に対してオーミックに接続した裏面電極１５を形
成した。最後に、基板１１をチップごとに分離し、図１
５（ｇ）に示す光検出素子を作製した。

【００７３】上記光検出素子について、図８の測定系を
用いて、実施例１と同様の測定を行った。実施例４の光
検出素子の分光感度特性は、ピークの位置が若干異なる
ものの、図１２に似た特性を示し、紫外〜可視光（５０
０ｎｍ以下）の領域において感度を有することが明らか
となった。測定器の都合により３００ｎｍ以下は測定で
きなかったが、３００ｎｍ以下の波長領域にも受光感度
を有することはいうまでもない。また、５４０ｎｍ以上
の波長領域に対しては受光感度を有さなかった。

【００７４】上記光検出素子では、３Ｃ−ＳｉＣ層によ
って接合が形成されているため、高温環境下においても
動作可能である。また、電源を用いて光検出素子に逆バ
イアスを印加した場合、図１３と同様に逆バイアス増加
に伴って光出力信号が増加することを確認した。

【００７５】また、上記光検出素子について、電気特性
の評価を併せて行った。実施例４の光検出素子は整流性
を示したが、逆方向リーク電流が若干観測された。しか
しながら、実施例３の光検出素子と実施例４の光検出素
子とを比較すると、ＲＩＥによるエッチングの効果によ
って、逆バイアス電圧−５Ｖにおける逆方向リーク電流
は、ＲＩＥによるエッチングなしの場合と比較して１５
分の１に低下し、光検出素子のリーク電流に対する光電
流の比が向上した。

【００７６】なお、上記実施例２および４では、ＲＩＥ
によって約５００ｎｍのエッチングを施して凸部を形成
したが、凸部形成は光検出素子のリーク電流低減に大き
く寄与し、１０ｎｍ以上の高さを有する凸部を形成すれ
ば、リーク電流に対する光電流の比が向上する。これ
は、第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７の表面状態の影響であ
る。第１の３Ｃ−ＳｉＣ層、真性の３Ｃ−ＳｉＣ層およ
び第２の３Ｃ−ＳｉＣ層は、エピタキシャル成長により
形成されるが、エピタキシャル成長終了時の温度降温過
程や、結晶成長装置の反応管内に残留するＣＶＤガスの
影響により、第２の３Ｃ−ＳｉＣ層の表層には欠陥を含
む欠陥層が形成されることがある。この欠陥層は、多く
の場合電流が流れやすい。

【００７７】この状態は、以下のように考えられる。凸
部がない場合の光検出素子と凸部がある場合の光検出素
子について、電流パスを示す概略図をそれぞれ図１６
（ａ）および（ｂ）に示す（理解を容易にするため、ハ
ッチングを一部省略する）。この図１６で説明すると、
第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７（または４３）は、結晶性の
良好な部分１６１と欠陥を含む欠陥層１６２とで構成さ
れている。凸部のない図１６（ａ）の光検出素子では、
欠陥層１６２の面積が広いため、逆方向リーク電流の原
因となる電流パス１６３が多数存在する。一方、凸部を
有する図１６（ｂ）の状態では、凸部形成時に欠陥層１
６２の一部がＲＩＥによるエッチングによって除去され
るので、凸部上面のみに欠陥層１６２が存在し、電流パ
ス１６３が少なくなる。また、凸部形成により、横方向
の広がり電流パスが抑制でき、これによって光検出素子
のリーク電流に対する光電流の比が向上する。

【００７８】なお、図１６からも明らかなように、第２
の３Ｃ−ＳｉＣ層１７の上面（すなわち半導体層１２ま
たは凸部１２ａの上面であり、受光窓１８となる部分）
が物理的または化学的にエッチングされていない場合に
は、低抵抗な欠陥層１６２の存在によって光励起キャリ
アが効率的に収集されるため、感度が高い光検出素子が
得られる。したがって、第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１７の上
面は、エピタキシャル成長によって半導体層１２を形成
したのち物理的または化学的にエッチングされていない
部分であることが好ましい。なお、半導体層４１におい
ても同様であることはいうまでもない。

【００７９】以上、本発明の実施の形態について例を挙
げて説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず
本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用するこ
とができる。

【００８０】たとえば、上記実施例では、ＲＩＥによっ
て凸部を形成する場合について説明したが、イオンミリ
ングなどの他の方法で凸部を形成してもよい。

【００８１】また、本発明の光検出素子は、上記光検出
素子の構造（電極の種類や形状、ドーパントの種類な
ど）に限定されず、また、ＳｉＣ層の膜厚なども上記実
施例に限定されない。

【００８２】また、本発明の光検出素子は、第１の３Ｃ
−ＳｉＣ層および第２の３Ｃ−ＳｉＣ層の外側に、他の
ＳｉＣ層や他の半導体層を形成してもよい。

【００８３】また、上記実施形態では、光検出素子がＳ
ｉ基板を含む場合を説明したが、本発明の光検出素子は
Ｓｉ基板を含まないものであってもよい。たとえば、Ｓ
ｉ基板上に３Ｃ−ＳｉＣ層をエピタキシャル成長させた
のち、Ｓｉ基板一部または全部を化学的あるいは物理的
（研磨など）にエッチングして除去し、３Ｃ−ＳｉＣ層
に直接裏面電極を形成してもよい。光検出素子１０につ
いて、基板１１の一部または全部を除去した例を、図１
７（ａ）および（ｂ）に断面図を示す。図１７（ａ）に
は、基板１１の一部のみを除去した光検出素子１０ｄを
示す。図１７（ｂ）には、基板１１の全部を除去した光
検出素子１０ｅを示す。なお、基板１１を除去したのち
に素子ごとに分離する場合には、半導体層１２が薄いた
め、素子の分離が容易である。なお、３Ｃ−ＳｉＣ層に
裏面電極を直接形成する場合には、基板の導電形に制限
はない。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の第１の光検
出素子では、Ｓｉ基板側から順次積層された第１の３Ｃ
−ＳｉＣ層と第２の３Ｃ−ＳｉＣ層とによって接合が形
成されている。また、本発明の第２の光検出素子では、
第１の３Ｃ−ＳｉＣ層と、真性の３Ｃ−ＳｉＣ層と、第
２の３Ｃ−ＳｉＣ層とによって接合が形成されている。
したがって、上記第１および第２の光検出素子によれ
ば、Ｓｉによって接合が形成されている光検出素子では
安定に動作しないような高温環境下においても安定に動
作することが可能である。また、上記第１および第２の
光検出素子はＳｉ基板を含むため、安価かつ容易に製造
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光検出素子について一例を示す
（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。

【図２】本発明の光検出素子について他の一例を示す
（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。

【図３】本発明の光検出素子についてその他の例を示
す断面図である。

【図４】本発明の光検出素子についてその他の一例を
示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。

【図５】本発明の光検出素子についてその他の一例を
示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。

【図６】本発明の光検出素子についてその他の例を示
す断面図である。

【図７】本発明の光検出素子について製造工程の一例
を示す工程図である。

【図８】本発明の光検出素子の評価に用いた評価装置
を示す概略図である。

【図９】本発明の光検出素子について一例の分光感度
特性を示す図である。

【図１０】本発明の光検出素子について逆バイアス印
加時の出力変化の一例を示す図である。

【図１１】本発明の光検出素子について製造工程の他
の一例を示す工程図である。

【図１２】本発明の光検出素子について一例の分光感
度特性を示す図である。

【図１３】本発明の光検出素子について逆バイアス印
加時の出力変化の一例を示す図である。

【図１４】本発明の光検出素子について製造工程のそ
の他の一例を示す工程図である。

【図１５】本発明の光検出素子について製造工程のそ
の他の一例を示す工程図である。

【図１６】本発明の光検出素子について欠陥層による
電流パスを示す概略図である。

【図１７】本発明の光検出素子についてその他の例を
示す断面図である。

【図１８】従来の光検出素子について一例を示す断面
図である。

【符号の説明】

１０、１０ａ〜ｅ、４０、４０ａ〜ｃ光検出素子１１、３１基板１２、４１半導体層１２ａ、４１ａ凸部１３絶縁膜１４上部電極１５裏面電極１６、４２第１の３Ｃ−ＳｉＣ層１７、４３第２の３Ｃ−ＳｉＣ層１８受光窓３２電極４４真性の３Ｃ−ＳｉＣ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋邦方大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5F049 MA02 MA04 MB03 NA04 NA18 PA04 PA14 QA03 QA20 SE02 SE05 SS03 SS09 SZ13 WA03 WA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長させる
ことによって形成された半導体層を備える光検出素子で
あって、前記半導体層は、積層された第１の３Ｃ−ＳｉＣ層と第
２の３Ｃ−ＳｉＣ層とを含み、前記第１の３Ｃ−ＳｉＣ層がｐ形またはｎ形の導電形を
有し、前記第２の３Ｃ−ＳｉＣ層が前記第１の３Ｃ−Ｓ
ｉＣ層の導電形と反対の導電形を有することを特徴とす
る光検出素子。
【請求項２】Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長させる
ことによって形成された半導体層を備える光検出素子で
あって、前記半導体層は、第１の３Ｃ−ＳｉＣ層と、前記第１の
３Ｃ−ＳｉＣ層よりも光入射側に配置された第２の３Ｃ
−ＳｉＣ層と、前記第１の３Ｃ−ＳｉＣ層と第２の３Ｃ
−ＳｉＣ層との間に配置された真性の３Ｃ−ＳｉＣ層と
を含み、前記第１の３Ｃ−ＳｉＣ層がｐ型またはｎ型の導電形を
有し、前記第２の３Ｃ−ＳｉＣ層が前記第１の３Ｃ−Ｓ
ｉＣ層の導電形と反対の導電形を有することを特徴とす
る光検出素子。
【請求項３】前記半導体層が光入射側に凸部を有し、
前記凸部上に受光窓を備える請求項１または２に記載の
光検出素子。
【請求項４】前記凸部の高さが１０ｎｍ以上である請
求項３に記載の光検出素子。
【請求項５】前記凸部が、前記凸部を除く部分をエッ
チングすることによって形成された凸部である請求項３
に記載の光検出素子。
【請求項６】前記凸部の上面が、エピタキシャル成長
によって前記半導体層を形成したのちエッチングされて
いない部分である請求項３に記載の光検出素子。