JP2002280597A

JP2002280597A - 半導体受光素子およびその製造方法

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Publication number: JP2002280597A
Application number: JP2001079368A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Yagi; 茂八木; Takeshi Iwanaga; 剛岩永; Seiji Suzuki; 星児鈴木; Toshihiko Suzuki; 俊彦鈴木
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2002-09-27
Anticipated expiration: 2021-03-19
Also published as: JP4182648B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】紫外線等の光の強度を正確に測定可能な安価
でかつ安定で、長寿命の半導体受光素子およびその製造
方法を提供することを目的とする。また、必要とする任
意の波長の光を独立に測定可能な波長選択性を有する半
導体受光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】少なくとも、導電性基板１１０上に形成
されるＡｌ、ＧａおよびＩｎのうち少なくとも１以上の
元素と、窒素とを含む光半導体層１２０と、該光半導体
層の上に配される電極１３０と、前記光半導体層の前記
電極が配された面を被覆するように設けられた表面層１
４０と、の積層構造を有することを特徴とする半導体受
光素子、及びその製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な構造を有す
る半導体受光素子およびその製造方法に関する。本発明
の半導体受光素子は、例えば、紫外線を計測するための
光センサーに好適である。

【０００２】

【従来の技術】近年、紫外線や短波長光の工業的利用は
多方面に渡っている。特に、紫外線は、半導体集積素子
の製造工程において、露光時の解像度の向上を図るため
に盛んに利用されており、近年の半導体集積素子の超微
細化に伴って、製造工程の縮小光学系によるフォトリソ
工程において使用される紫外線の光源は、水銀灯（３６
５ｎｍ）から、さらに短波長のエキシマーレーザのＫｒ
Ｆ（２４８ｎｍ）やＡｒＦ（１９３ｎｍ）へと変化して
きている。このように、光（紫外線や短波長を含む）を
工業的に利用する際には、それらの光の強度を正確に測
定する技術が要求される。

【０００３】従来から、紫外線の強度測定には、シリコ
ンフォトダイオードなどの汎色性の検出器に、長波長カ
ット短波長透過フィルターとこのフィルターの可視域で
の二次光透過域をカットする長波長カット短波長透過フ
ィルターとを組み合わせたものが紫外線検出センサーと
して使用されている。しかしながら、このようなカット
フィルターは、良好な組み合わせ得ることが困難である
と共に、積層化により紫外光感度が低くなり、また、常
に透過可視光に対する誤差やフィルター劣化による経時
変化が大きく、寿命が短いという問題を有していた。

【０００４】また、シリコンフォトダイオードは短波長
光の場合には表面吸収により活性部に光が届かなかった
り、表面欠陥による再結合等により４００ｎｍ以下の波
長域において低感度になるという問題を有していた。さ
らに、３００ｎｍ以下では感度が波長により大きく変動
するため正確な光量を求められないという問題も有して
いた。

【０００５】また、短波長に感度のあるＧａＰなどの半
導体と長波長カット短波長透過フィルターの組み合わせ
も使用されている。この場合も、３００ｎｍ以下の紫外
線の場合には、二次光域に感度を持つため、短波長透過
長波長カットフィルターも必要になる。このようなフィ
ルターは短波長領域に透過する材料が限られるため、フ
ィルターが高価になる。結果として、このような領域の
紫外線センサーは寿命が短く、低感度でかつ高価であっ
た。

【０００６】また、干渉フィルターを使用する場合、目
的の紫外光を得るためには、フィルターの角度依存性が
大きいため、入射角のふれ幅は限りなく小さくする必要
があり、理想的には垂直入射が望まれる。このため、光
路を垂直に保つためにセンサーへの導光部を長くせざる
を得ず、このため正確なセンサーほど長いものになる。
さらに、このセンサーを用いて、太陽光などの全天から
放射される散乱紫外線を測定するには、大掛かりの装置
が必要であった。

【０００７】さらに、光源が水銀灯などの場合には数本
の輝線からなり、たとえば低圧水銀灯では１８５ｎｍと
２５４ｎｍさらに強度は弱いものの３６５ｎｍや可視光
の発光がある。これらの中から選択的に目的の紫外線光
量を測定するには分光器のような大型の装置と組み合わ
せる必要があり、簡単なことではなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
記課題を解決するべくなされたものであり、より詳細に
は、紫外線等の光の強度を正確に測定可能な安価でかつ
安定で、長寿命の半導体受光素子およびその製造方法を
提供することを目的とする。また、本発明は、必要とす
る任意の波長の光を独立に測定可能な波長選択性を有す
る半導体受光素子およびその製造方法を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段としては、以下の通りである。＜１＞少なくとも、導電性基板上に形成されるＡｌ、
ＧａおよびＩｎのうち少なくとも１以上の元素と、窒素
とを含む光半導体層と、該光半導体層の上に配される電
極と、前記光半導体層の前記電極が配された面を被覆す
るように設けられた表面層と、の積層構造を有すること
を特徴とする半導体受光素子。

【００１０】＜２＞前記光半導体層が、紫外線領域に
感度を有することを特徴とする＜１＞に記載の半導体受
光素子。

【００１１】＜３＞前記表面層が、前記光半導体層が
感度を有する波長領域以外の光の少なくとも一部を吸収
することを特徴とする＜１＞または＜２＞のいずれかに
記載の半導体受光素子。

【００１２】＜４＞前記表面層が、前記光半導体層が
感度を有する波長領域より短波長の光の少なくとも一部
を吸収することを特徴とする＜１＞〜＜３＞のいずれか
に記載の半導体受光素子。

【００１３】＜５＞前記表面層が、Ａｌ、Ｇａおよび
Ｉｎのうち少なくとも１以上の元素と、窒素とから構成
されることを特徴とする＜１＞〜＜４＞のいずれかに記
載の半導体受光素子。

【００１４】＜６＞前記表面層が、有機化合物から構
成されることを特徴とする＜１＞〜＜４＞のいずれかに
記載の半導体受光素子。

【００１５】＜７＞前記電極が、紫外線を透過するこ
とを特徴とする＜１＞〜＜６＞のいずれかに記載の半導
体受光素子。

【００１６】＜８＞前記導電性基板が、紫外線を透過
することを特徴とする＜１＞〜＜７＞いずれかに記載の
半導体受光素子。

【００１７】＜９＞少なくとも、導電性基板表面に
Ａｌ、ＧａおよびＩｎのうち少なくとも１以上の元素
と、窒素とを含む光半導体層を形成する光半導体層形成
工程と、前記光半導体層の上に電極を配する工程と、前
記光半導体層の前記電極が配された面を被覆するように
表面層を形成する表面層被覆工程とからなることを特徴
とする半導体受光素子の製造方法。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態の一例を詳細に説明する。ここで、図１（ａ）は
本発明の第１の実施形態としての半導体受光素子の構造
を示す拡大断面図であり、図１（ｂ）は本発明の第２の
実施形態としての半導体受光素子の構造を示す拡大断面
図である。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、半導
体受光素子は、導電性基板１１０と、光半導体層１２０
と、電極１３０と、表面層１４０とが順次積層された構
造を有する。

【００１９】また、光半導体層１２０は、例えば、図１
（ｂ）に示すように複数の層からなっていてもよい。図
１（ｂ）においては、導電性基板１１０上に、ｐ型半導
体層１２２、ｉ型半導体層１２４、および、ｎ型半導体
層１２６からなる光半導体層１２０、さらに電極１３０
が順次設けられている。なお、図１（ｂ）に示す光半導
体層１２０においては、ｐ型半導体層１２２、ｉ型半導
体層１２４、および、ｎ型半導体層１２６がこの順で設
けられているが、ｐ型半導体層１２２とｎ型半導体層１
２６とは、順序が逆に設けられていてもよい。

【００２０】本発明の半導体受光素子においては、照射
された光が光半導体層１２０で吸収されて、導電性基板
１１０と電極１３０との間から光電流として検出され
る。従って、半導体受光素子は、図１に示す矢印Ａおよ
び矢印Ｂのどちらか一方から入射された光が、光半導体
層１２０に到達することを必要とする。これにより、矢
印Ａから光が入射する場合は、導電性基板１１０が透明
性を有する材料で形成され、矢印Ｂから光が入射する場
合は、電極１３０および表面層１４０が透明性を有する
材料で形成される。ここで、透明性（透明）とは、半導
体受光素子において使用される所定波長領域、例えば紫
外線領域、の光を高率で透過（例えば、透過率１０％以
上、好ましくは３０％以上）する性質をいう。以下の記
載についても同様である。

【００２１】＜導電性基板＞導電性基板１１０は、基板
自体が導電性であっても、絶縁性の支持体表面を導電化
処理したものであってもよく、また、結晶であるか非晶
質であるかは問わない。基板自体が導電性である導電性
基板１１０としては、アルミニウム、ステンレススチー
ル、ニッケル、クロム等の金属およびその合金結晶、Ｓ
ｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯなどの
半導体を挙げることができる。

【００２２】また、絶縁性の支持体としては、高分子フ
ィルム、ガラス、石英、セラミック等を挙げることがで
きる。絶縁性の支持体の導電化処理は、上記導電性基板
１１０の具体例で挙げた金属または金、銀、銅等を蒸着
法、スパッター法、イオンプレーティング法などにより
成膜して行うことができる。

【００２３】上述のように、導電性基板１１０が光の入
射側に配される場合（矢印Ａから光が入射する場合）、
当該導電性基板１１０は透明性を有する必要がある。そ
のため、透明性を有する導電性基板１１０（以下、透明
導電性基板とする）の透明性支持体としては、ガラス、
石英、サファイア、ＭｇＯ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＬｉＦ、
ＣａＦ₂等の透明な無機材料、また、弗素樹脂、ポリエ
ステル、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリエチレ
ンテレフタレート、エポキシ等の透明な有機樹脂のフィ
ルムまたは板状体、さらに、オプチカルファイバー、セ
ルフォック光学プレート等が使用できる。

【００２４】前記透明性支持体は、それ自体が導電性で
あればそのまま透明導電性基板１１０として使用される
が、導電性でない場合は、導電化処理または透明性電極
の形成を必要とする。前記導電化処理または透明性電極
の形成は、ＩＴＯ、酸化亜鉛、酸化錫、酸化鉛、酸化イ
ンジウム、ヨウ化銅等の透明導電性材料を用い、蒸着、
イオンプレーティング、スパッタリングなどの方法によ
り形成したもの、あるいはＡｌ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属を
蒸着やスパッタリングなどにより半透明になる程度に薄
く成膜して行われる。

【００２５】＜光半導体層＞光半導体層１２０は、Ａ
ｌ、ＧａおよびＩｎのうち少なくとも１以上の元素と、
窒素とを含有し、必要に応じてその他の成分を含有す
る。光半導体層１２０としては、非単結晶質状でもよ
く、単結晶質状でもよい。非単結晶質状である場合に
は、非晶質状でもよく、微結晶質状でもよく、これらの
混合された状態であってもよい。

【００２６】結晶質状の場合、その結晶系は、立方晶あ
るいは６方晶系のいずれか一つであっても、複数の結晶
系が混合された状態でもよい。結晶としては、柱状成長
した結晶でもよく、Ｘ線回折スペクトルで単一ピークで
あり、結晶面方位が高度に配向したものでもよく、単結
晶でもよい。

【００２７】光半導体層１２０が非単結晶の場合には、
当該光半導体層１２０に０．５ａｔ％〜５０ａｔ％の水
素が含有していてもよく、一配位のハロゲン元素が含有
されていてもよい。前記光半導体層１２０の水素含有量
が０．５ａｔ％未満では、結晶粒界での結合欠陥とある
いは非晶質相内部での結合欠陥や未結合手を水素との結
合によって無くし、バンド内に形成する欠陥準位を不活
性化するのに不十分であり、結合欠陥や構造欠陥が増大
し、暗抵抗が低下し光感度がなくなるため実用的な半導
体受光素子として機能することができない場合がある。

【００２８】これに対し、光半導体層１２０の水素含有
量が５０ａｔ％を超えると、電気的な特性が劣化すると
共に硬度などの機械的性質が低下することがある。さら
に、前記光半導体層１２０が酸化されやすくなり、耐候
性が悪化することもある。

【００２９】ここで、光半導体層１２０の水素含有量
（ａｔ％）については、ハイドジェンフォワードスキャ
タリング（ＨＦＳ）により絶対値を測定することができ
る。また、加熱による水素放出量の測定によっても水素
含有量を推定することができる。さらに、本発明の半導
体受光素子の製造工程において、光半導体層１２０の形
成時に、同時にシリコン、サファイア等の赤外透明な基
板に同様の光半導体層を形成することで、赤外吸収スペ
クトルによって該光半導体の水素含有量を容易に測定す
ることできる。なお、赤外吸収スペクトルによって水素
結合状態も判明する。

【００３０】水素を含む光半導体層１２０の構造は、例
えば、透過電子線回折で測定した場合、全くリング状の
回折パターンがなく、ぼんやりしたハローパターンの完
全に長距離秩序の欠如しているものから、ハローパター
ンの中にリング状の回折パターンが見られるもの、さら
に、その中に輝点が見られるものまで使用できる。この
ような光半導体層１２０は、透過電子線回折より広範囲
を観測するＸ線回折測定においては、ほとんど何もピー
クが得られないことが多い。

【００３１】また、透過電子線回折の測定いおいて、リ
ング状の回折パターンと共に輝点が多数見られるもの、
さらに、ほとんどスポット状の輝点のみであってもＸ線
回折測定において、多結晶あるいは最も強いピーク強度
が単結晶にくらべると弱く、かつ、他に弱い他の面方位
のピークが混在している場合もある。さらに、ほとんど
一つの面方位からなるＸ線回折スペクトルを示す場合も
ある。

【００３２】水素を含む光半導体層１２０の赤外吸収ス
ペクトル測定では、水素との結合ピークが存在すると共
に、III族原子（Ａｌ、ＧａおよびＩｎ）とＮ原子との
結合の振動吸収ピークの半値幅が、非晶質構造が主体の
場合には１５０ｃｍ^-1以上であり、微結晶性の場合には
１００ｃｍ^-1以下である。ここで、半値幅とは、III族
原子とＮ原子の結合を主体とする吸収位置での複数のピ
ークからなる吸収帯の最高強度とバックグランドを除い
た強度の１／２の値での吸収帯の幅である。

【００３３】微結晶の大きさは、その径として、５ｎｍ
〜５μｍであり、Ｘ線回折や電子線回折および断面の電
子顕微鏡写真を用いた形状測定などによって測定するこ
とができる。

【００３４】また、光半導体層１２０の吸光係数は、分
光光度計で吸収量を測定し、層厚で除したものを自然対
数系で表したものであり、４００ｎｍの光透過量は、透
明（ここでは、紫外線透過性）とみなせるためには２０
０００ｃｍ^-1以下が好ましく、１００００ｃｍ^-1以下が
より好ましい。これらの値は、バンドギャップとしては
ほぼ３．０ｅＶ以下に相当する。

【００３５】光半導体層１２０の原料としては、Ａｌ、
ＧａおよびＩｎのうちから選ばれる１以上の元素を含む
有機金属化合物を用いることができる。前記有機金属化
合物としては、例えば、トリメチルアルミニウム、トリ
エチルアルミニウム、ターシャリーブチルアルミニウ
ム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、ターシ
ャリーブチルガリウム、トリメチルインジウム、トリエ
チルインジウム、ターシャリーブチルインジウムなどの
液体や固体を気化して単独にあるいはキャリアガスでバ
ブリングすることによって混合状態で使用することがで
きる。キャリアガスとしては、水素、Ｎ₂、メタン、エ
タンなどの炭化水素、ＣＦ₄、Ｃ₂Ｆ₆などのハロゲン化
炭素などを用いることができる。

【００３６】窒素原料としては、Ｎ₂、ＮＨ₃、ＮＦ₃、
Ｎ₂Ｈ₄、メチルヒドラジンなどの気体、または、液体を
気化あるいはキャリアガスでバブリングすることによっ
て使用することができる。

【００３７】光半導体層１２０の組成において、III族
元素の量の総和ｍと、窒素の量ｎとの関係が、０．５：
１．０≦ｍ：ｎ≦１．０：０．５を満たすことが好まし
く、この範囲を外れると、III族元素とV族元素（Ｎ）と
の結合において四面体型結合を取る部分が少なく、欠陥
が多くなり、良好な光半導体層１２０として機能しなく
なる場合がある。

【００３８】光半導体層１２０の光学ギャップは、III
族元素の混合比によって任意に変えることができる。Ｇ
ａＮ：Ｈを基準にすると、３．２〜３．５ｅＶより大き
くする場合には、Ａｌを加えることによって６．５ｅＶ
程度まで大きくすることができ、３．２ｅＶ以下にする
場合Ｉｎを加えることによって１．９ｅＶ程度まで、そ
れぞれに透明のまま波長域を変化させることができる。

【００３９】ここで、光学ギャップは波長（ｅＶ）と吸
収係数（αｅ）の２乗のプロットより、低エネルギーの
直線部分を外挿した点から求める。あるいは、吸収係数
が１００００ｃｍ^-1の波長（ｅＶ）としてもよい。吸収
係数は、バックグランドを除外した吸光度を用いるか、
膜厚依存性を測定して求められる。

【００４０】また、光半導体層１２０は、ｐ、ｎ制御の
ために元素を膜中にドープすることができる。ドープし
得るｎ型用の元素としてはIａ族のＬｉ、Iｂ族のＣｕ、
Ａｇ、Ａｕ、IIａ族のＭｇ、IIｂ族のＺｎ、IVａ族のＳ
ｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、VIａ族のＳ、Ｓｅ、Ｔｅを用い
ることができる。

【００４１】ドープし得るｐ型用の元素としては、Iａ
族のＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Iｂ族のＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、IIａ
族のＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、IIｂ族のＺ
ｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、IVａ族のＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐ
ｂ、VIａ族のＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、VIｂ族のＣｒ、Ｍｏ、
Ｗ、VIIIａ族のＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどを用いることがで
きる。

【００４２】光半導体層１２０中の水素は、ドーパント
に結合し不活性化しないように、欠陥準位をパッシベー
ションするための水素が、ドーパントよりもIII族元素
および窒素元素に選択的に結合する必要があり、この点
から、特に、ｎ型用の元素としては、特に、Ｓｉ、Ｇ
ｅ、Ｓｎが好ましく、ｐ型用の元素としては、特に、Ｂ
ｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｒが好ましい。

【００４３】ドーピングの際には、ｎ型用としては、Ｓ
ｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆、ＧｅＨ₄、ＧｅＦ ₄、ＳｎＨ₄を、ｐ型
用としては、ＢｅＨ₂、ＢｅＣｌ₂、ＢｅＣｌ₄、シクロ
ペンタジエニルマグネシウム、ジメチルカルシウム、ジ
メチルストロンチウム、ジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛な
ど、をガス状態で使用できる。また、これらの元素を光
半導体層１２０にドーピングするには、熱拡散法、イオ
ン注入法等の公知の方法を採用することができる。

【００４４】図１に示すように、本発明の半導体受光素
子において、簡単には、単層の光半導体層１２０を形成
することによってショットキー型の素子とすることもで
きるし、ｐｎダイオード構成やｐｉｎ構成などを作製す
ることによつてさらに高効率化することができる。

【００４５】光半導体層１２０は、Ａｌ、Ｇａ、および
Ｉｎのうち少なくとも一つ以上の元素と窒素（と水素）
とを含むｎ型あるいはｐ型の半導体層から構成されても
よいし、さらに高濃度のドーピングを行った膜ｐ⁺ある
いはｎ⁺層を挿入してもよいし、低濃度のドーピングを
行った膜ｐ^-あるいはｎ^-層を挿入してもよい。

【００４６】また、光半導体層１２０は、図１（ｂ）に
示されるように、多層構造であってもよい。この場合、
光半導体層１２０は、透明性や障壁の形成のために、ｐ
型半導体層１２２、ｉ型半導体層１２４、および、ｎ型
半導体層１２６の各層は、それぞれ異なるＡｌ_xＧａ_yＩ
ｎ_z（ｘ＝０〜１．０、ｙ＝０〜１．０、ｚ＝０〜１．
０）で表せるＡｌ、Ｇａ、ＩｎとＮの組成を持っていて
もよいし、ｐ型半導体層１２２、ｉ型半導体層１２４、
および、ｎ型半導体層１２６のそれぞれの層が複数のＡ
ｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ：Ｈ（ｘ＝０〜１．０、ｙ＝０〜１．
０、ｚ＝０〜１．０）の組成から成っていてもよい。

【００４７】以下、図２を参照して、光半導体層１２０
の形成方法を説明するが、これに限定されるものではな
い。ここで、図２は光半導体層１２０を形成する層形成
装置１００の概略構成図である。なお、層形成装置１０
０は、プラズマを活性化手段とするものである。図２に
示すように、層形成装置１００は、排気して真空にし得
る容器１と、排気口２と、基板ホルダー３と、基板加熱
用ヒーター４と、容器１に接続された石英管５、６と、
高周波コイル７と、マイクロ波導波管８と、石英管５、
６にそれぞれ連通しているガス導入管９、１０と、石英
管５、６にそれぞれ接続しているガラス導入管１１、１
２とを有する。また、後述するように、層形成装置１０
０は、ある特定の組成を有する表面層１４０を形成する
ことも可能である。

【００４８】この層形成装置１００においては、窒素元
素源として、例えば、Ｎ₂を用い、ガス導入管９から石
英管５に導入する。例えば、マグネトロンを用いたマイ
クロ波発振器（図示せず）に接続されたマイクロ波導波
管８に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が供給され、石英
管５内に放電を発生させる。別のガス導入管１０から、
例えばＨ₂を石英管６に導入する。高周波発振器（図示
せず）から高周波コイル７に１３．５６ＭＨｚの高周波
を供給し、石英管６内に放電を発生させる。放電空間の
下流側に配されたガス導入管１２より、例えば、トリメ
チルガリウムを導入することによって、基板ホルダー３
にセットされた導電性基板１１０上に、窒素ガリウムか
らなる光半導体層１２０を形成（成膜）することができ
る。

【００４９】なお、前記ガス導入管１２から導入された
ガスは、トリメチルガリウムであったが、代わりにイン
ジウム、アルミニウムを含む有機金属化合物を用いるこ
ともできるし、またそれらを混合することもできる。ま
た、これらの有機金属化合物は、ガス導入管１１から混
合して導入してもよいし、別々に導入してもよい。

【００５０】導電性基板１１０の温度としては、１００
℃〜６００℃が好ましい。一般に、導電性基板１１０の
温度が高い場合、および／または、III族原料ガスの流
量が少ない場合には、微結晶の光半導体層１２０が形成
されやすい。また、導電性基板１１０の温度が３００℃
より低く、III族原料ガスの流量が少ない場合には、微
結晶の光半導体層１２０が形成されやすく、基板温度が
３００℃より高く、低温条件よりもIII族原料ガスの流
量が多い場合であっても、微結晶の光半導体層１２０が
形成されやすい。さらに、例えば、Ｈ₂放電を行った場
合には、行なわない場合よりも光半導体層１２０の微結
晶化を進めることができる。

【００５１】また、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎから選ばれた
少なくとも一つ以上の元素を含むガス、あるいはＢｅ、
Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｒから選ばれた少なくとも１つ以
上の元素を含むガスを放電空間の下流側（ガス導入管１
１またはガス導入管１２）から導入することによってｎ
型、ｐ型などの任意の伝導型の非晶質あるいは微結晶の
窒化物半導体を得ることができる。Ｃ元素を導入する場
合には、条件によっては有機金属化合物の炭素を使用し
てもよい。

【００５２】上述のような層形成装置１００において、
放電エネルギーにより形成される活性窒素あるいは活性
水素を独立に制御してもよいし、ＮＨ₃のような窒素と
水素原子を同時に含むガスを用いてもよい。さらにＨ₂
を加えてもよい。また、有機金属化合物から活性水素が
遊離生成する条件を用いることもできる。このようにす
ることによって、導電性基板１１０上には活性化された
III族原子、窒素原子が制御された状態で存在し、か
つ、水素原子がメチル基やエチル基をメタンやエタン等
の不活性分子にするために低温にも拘わらず、炭素がほ
とんど入らないか、入っても極低量の、膜欠陥が抑えら
れた非晶質あるいは微結晶の膜が生成できる。

【００５３】上述のような層形成装置１００において、
活性化手段としては、高周波発振器、マイクロ波発振
器、エレクトロサイクロトロン共鳴方式やヘリコンプラ
ズマ方式であってもよいし、これらを一つ用いてもよい
し、二つ以上を用いてもよい。また、二つともマイクロ
波発振器であってもよいし、２つとも高周波発振器であ
ってもよい。また、図１においては、高周波発振器とマ
イクロ波発振器とを用いたが、２つともマイクロ波発振
器であってもよいし、２つとも高周波発振器であっても
よい。さらに、２つともエレクトロサイクロトロン共鳴
方式やヘリコンプラズマ方式を用いてもよい。高周波発
振器による高周波放電の場合、誘導型でも容量型でもよ
い。

【００５４】異なる活性化手段（励起手段）を用いる場
合には、同じ圧力で同時に放電が生起できるようにする
必要があり、放電内と容器１内の層形成部（成膜部）と
の間に圧力差を設けてもよい。また、同一圧力で行う場
合、異なる活性化手段（励起手段）、例えば、マイクロ
波発振器と高周波発振器とを用いると、励起種の励起エ
ネルギーを大きく変えることができ、膜質制御に有効で
ある。光半導体層１２０は、反応性蒸着法やイオンプレ
ーティング、リアクティブスパッターなど少なくとも水
素が活性化された雰囲気で形成されることが可能であ
る。

【００５５】＜電極＞電極１３０は、導電性基板１１０
の対向電極として形成される。電極１３０としては、例
えば、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、ＡｇおよびＰｔ
などの金属およびその合金結晶や多層膜などを用いるこ
とができる。上述のように、矢印Ｂから光が入射する場
合は、前記電極１３０は透明性を有する必要がある。そ
のため、透明性電極としては、ＩＴＯ、酸化亜鉛、酸化
錫、酸化鉛、酸化インジウム、ヨウ化銅等の透明導電性
材料を用いることができるが、入射光が３００ｎｍ以下
の場合には、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ａｇおよ
びＰｔ等の金属を蒸着やスパッタリングにより光が透過
するように薄く成膜したものが用いられる。前記膜の厚
さは、５ｎｍ〜１００ｎｍであり、薄すぎると光透過率
は大きいが電気抵抗が高くなり、また厚すぎると光が透
過しない。

【００５６】＜表面層＞表面層１４０は、少なくとも、
物理的、化学的な刺激から半導体受光素子の活性部（導
電性基板１１０、光半導体層１２０および電極１３０）
を保護する機能を有する。例えば、表面層１４０は、物
理的な傷などに対する保護の役目を果たす他、半導体受
光素子の活性部が湿度や化学物質などから受ける影響を
低減することができる。また、集積化した半導体受光素
子を加工する際の保護層としても機能する。これによ
り、本発明の半導体受光素子は、耐久性、耐湿性に優れ
るため長寿命化を図ることができる。

【００５７】ここで、保護機能を有する表面層１４０と
しては、特に限定されず、例えば、無機材料、酸化物窒
化物、有機高分子材料などのあらゆるものが用いられ
る。また、層厚としては、０．０１〜５００μｍが好ま
しく、０．１〜５００μｍがより好ましい。なお、表面
層１４０側から光が入射する場合（矢印Ｂから光が入射
する場合）には、表面層１４０としては、少なくとも、
光半導体層１２０で受光・検出したい光を吸収すること
のないものを使用する。

【００５８】また、表面層１４０が、光半導体層１２０
の感度を有する波長領域以外の光の少なくとも一部を吸
収する場合には、表面層１４０はカットフィルターとし
ての機能をも有する。例えば、光半導体層１２０が、あ
る特定波長領域（例えば、紫外線領域）に感度を有する
のであれば、表面層１４０は当該特定波長領域より短波
長の光の少なくとも一部を吸収するものを使用すること
が好ましい。これにより、前記特定波長領域が紫外線領
域である場合、好ましい表面層１４０は、例えば、石英
やシリカガラス、シリコン窒化膜やサファイアなどでも
よいし、シリコン樹脂でもよい。これらの材料は、浸漬
法やスプレー法で塗布し、加熱して硬化させてもよい
し、反応させて硬化物を形成してもよい、あるいは、プ
ラズマＣＶＤ法などで成膜してもよい。また、表面層１
４０は、予め、板状に成形しておいた前記材料を、透明
性を有する接着剤によって貼り合わせたり、熱を利用し
て融着させるなどの方法を用いてラミネート構造を有し
ていてもよい。

【００５９】さらに、表面層１４０を構成する材料は、
紫外線を透過することのできる有機化合物であってもよ
い。該有機化合物としては、ポリエチレン、ポリプロピ
レン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステ
ル、アクリル等が挙げられる。前記有機化合物を表面層
１４０として形成する場合は、適当な溶媒に溶解して、
塗布・乾燥させてもよいし、融点や軟化点まで加熱し、
塗布あるいは貼り付けてもよい。また、真空蒸着法やプ
ラズマ重合法などで形成されてもよい。また、前記有機
化合物を板状に成形し、透明性を有する接着剤によって
貼り合わせたり、熱を利用して融着させるなどの方法を
用いラミネート構造を有する表面層１４０としてもよ
い。ここで、カットフィルター機能を有する表面層１４
０の層厚としては、透明性を考慮して、０．０１〜５０
０μｍが好ましく、１〜５００μｍがより好ましく、５
〜３００μｍが特に好ましい。また、ラミネート構造を
有する表面層１４０の層厚としては、透明性を考慮し
て、０．０１〜３ｍｍが好ましく、０．０２〜１ｍｍが
より好ましい。

【００６０】また、表面層１４０としては、紫外線領域
での透明性と物理的強度および化学的安定性、耐熱性、
電気絶縁性などの点から、Ａｌ、ＧａおよびＩｎのうち
少なくとも１以上の元素と、窒素を含む窒化物よりなる
膜が好適である。特に、該窒化膜は、低温で形成するこ
とができるため、既述の光半導体層１２０と同じ装置、
同じ方法を利用することができる。さらに、膜中には水
素が含まれていてもよいし、また絶縁性を調整するため
ドーピングされていてもよい。ドーピング元素として
は、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎから選ばれた少なくとも１以
上の元素、あるいはＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｒから
選ばれた少なくとも１以上の元素を、少なくとも１以上
用いることができる。

【００６１】前記窒化膜が、光半導体層１２０が感度を
有する波長領域より短波長側に吸収を持つようにする場
合には、Ａｌ、ＧａおよびＩｎの元素の原子番号が小さ
い元素の量を増加させ、原子番号の大きい元素の量を減
少させる。つまり、光半導体層１２０が、Ａｌ_xＧａ_1-x
Ｎ、表面層１４０がＡｌ_yＧａ_1-yＮで表されるならば、
ｘ＜ｙとすることで、表面層１４０の吸収波長領域が短
波長側に変化する。この結果、表面層１４０側から光が
入射した場合（矢印Ｂから光が入射する場合）には、あ
る波長をピークとして、短波長側と長波長側に感度が無
い選択的な半導体受光素子が製造可能となる。例えば、
ＡｌＮを表面層１４０とした場合には、吸収の立ち上が
りが２００ｎｍからはじまるため、感度としては１８０
ｎｍから長波長の半導体受光素子に適用できる。

【００６２】以上説明したように、表面層１４０が保護
機能に加え、カットフィルター機能をも有している場
合、光半導体層１２０は必要とする任意の波長の光を独
立に、かつ、選択的に受光することができる。従って、
本発明の半導体受光素子は、高い波長選択性を有するも
のとすることができる。

【００６３】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるもので
はない。

【００６４】〔実施例１〕図２に示す層形成装置１００
を用いて、実施例１の半導体受光素子を作製した。

【００６５】−導電性基板の形成工程− 洗浄したコーニング７０５９（ガラス基板、コーニング
社製）上に、スパッター法により、厚みが２００ｎｍで
２ｍｍ×２ｍｍのＩＴＯ電極を形成し、導電性基板を形
成した。

【００６６】−光半導体層の形成工程− 以下、上述した層形成装置１００によって、導電性基板
上に光半導体層を形成した。導電性基板は、容器１内の
基板ホルダー３に設置した。排気口２を介して容器１内
を真空排気した後、基板加熱ヒーター４により導電性基
板を３８０℃に加熱した。

【００６７】Ｎ₂ガスをガス導入管９より直径２５ｍｍ
の石英管５内に２０００ｓｃｃｍ導入し、マイクロ波導
波管８を介して２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力２５
０Ｗにセットし、チューナでマッチングを取り放電を行
った。この時の反射波は０Ｗであった。Ｈ₂ガスはガス
導入管１０より直径３０ｍｍの石英管６内に１０００ｓ
ｃｃｍ導入した。１３．５６ＭＨｚの高周波電力の出力
を１００Ｗにセットした。反射波は０Ｗであった。

【００６８】この状態でガス導入管１２より０℃で保持
されたトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）の蒸気を、水素
をキヤリアガスとして用い、バブリングしながらマスフ
ローコントローラーを通して０．３ｓｃｃｍ導入した。
さらに、水素をキヤリアガスとしてシクロペンタジエニ
ルマグネシウムを１ｓｃｃｍ導入した。ここで、トリメ
チルガリウムと、ドーパントであるシクロペンタジエニ
ルマグネシウムとは、ガス導入管１２において、合流・
混合されて、導入される。この時、バラトロン真空計で
測定した反応圧力は６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）で
あった。成膜を６０分行い０．２μｍのｉ型のＧａＮ：
Ｈ膜（光半導体層）を形成した。

【００６９】−電極の形成工程− 形成したＧａＮ：Ｈ膜の上に、蒸着法によって、直径２
ｍｍ、厚さ１０ｎｍのＡｕ膜を形成し、半透明電極を得
た。この時、同時に、導線と端子部分も蒸着した。

【００７０】−表面層の形成工程− 端子部分のみマスキングして、光半導体層と電極が積層
形成された導電性基板を、もう一度、層形成装置１００
に設置し、基板加熱ヒーター４により４００℃に加熱し
た。その後、上述した光半導体層と同じ方法で水素化Ａ
ｌＮを成膜した。使用した原料ガスは、トリメチルアル
ミニウムであって、ドーピングを行わなかった以外は光
半導体層の作成条件と同じとした。成膜を３０分行い、
０．１μｍのｉ型のＡｌＮ：Ｈ膜（表面層）を形成し
た。これにより、図１（ａ）に示すような本発明の半導
体受光素子を作製した。

【００７１】−評価実験− 作製された半導体受光素子に、低圧水銀灯（波長２５４
ｎｍ、５Ｗ）の紫外線を表面層１４０側から照射したと
ころ、０Ｖで０．５μＡの光電流が流れた。この時、低
圧水銀灯と表面層１４０との距離は２０ｍｍであった。
また、作製された半導体受光素子の分光感度のピークは
３４０ｎｍであり、短波長側の２００ｎｍまで感度は十
分であった。さらに、暗電流は１０^-10Ａ以下であっ
た。半導体受光素子の表面層をピンセットで擦ったとこ
ろ傷はつかなかった。

【００７２】〔実施例２〕実施例１において、光半導体
層の形成工程と、表面層の形成工程とを以下に示す工程
に代えた他は、実施例１と同様にして実施例２の半導体
受光素子を作製した

【００７３】−光半導体層の形成工程− 以下、上述した層形成装置１００を用い、導電性基板上
に光半導体層を形成した。ＩＴＯを用い導電化処理を行
った導電性基板は、容器１内の基板ホルダー３に設置し
た。排気口２を介して容器１内を真空排気した後、基板
加熱ヒーター４により導電性基板を３８０℃に加熱し
た。

【００７４】Ｎ₂ガスをガス導入管９より直径２５ｍｍ
の石英管５内に２０００ｓｃｃｍ導入し、マイクロ波導
波管８を介して２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力２５
０Ｗにセットし、チューナでマッチングを取り放電を行
った。この時の反射波は０Ｗであった。Ｈ₂ガスはガス
導入管１０より直径３０ｍｍの石英管６内に１０００ｓ
ｃｃｍ導入した。１３．５６ＭＨｚの高周波電力の出力
を１００Ｗにセットした。反射波は０Ｗであった。

【００７５】この状態でガス導入管１２より０℃で保持
されたトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）の蒸気を、水素
をキヤリアガスとして用い、バブリングしながらマスフ
ローコントローラーを通して０．１ｓｃｃｍ導入した。
さらに、水素をキヤリアガスとしてトリメチルアルミニ
ウムの蒸気を、水素をキヤリアガスとして用い、バブリ
ングしながらマスフローコントローラーを通して０．１
ｓｃｃｍ導入した。加えて、水素をキヤリアガスとした
シクロペンタジエニルマグネシウムを１ｓｃｃｍ導入し
た。ここで、トリメチルガリウムと、トリメチルアルミ
ニウムと、ドーパントであるシクロペンタジエニルマグ
ネシウムとは、ガス導入管１２に接続されたミキサー
（図示せず）によって混合され、導入される。この時、
バラトロン真空計で測定した反応圧力は６６．５Ｐａ
（０．５Ｔｏｒｒ）であった。成膜を６０分行い０．２
μｍのｉ型のＡｌＧａＮ：Ｈ膜（光半導体層）を形成し
た。

【００７６】−表面層の形成工程− 半透明電極と同時に形成された端子部分のみマスキング
して、光半導体層と電極が積層形成された導電性基板
を、もう一度、層形成装置１００に設置し、基板加熱ヒ
ーター４により４００℃に加熱した。その後、光半導体
層と同じ方法で水素化ＡｌＧａＮを成膜した。使用した
原料ガスは、トリメチルガリウムと、トリメチルアルミ
ニウムであって、トリメチルアルミニウムは０．２ｓｃ
ｃｍとし、ＧａとＡｌとの混合比が１：２になるように
した。また、ドーピングを行わなかった以外は光半導体
層１２０の作成条件と同じとした。成膜を３０分行い、
０．１μｍのｉ型のＡｌＧａＮ：Ｈ膜（表面層）を形成
した。これにより、図１（ａ）に示すような本発明の半
導体受光素子を作製した。

【００７７】−評価実験− 作製された半導体受光素子に、低圧水銀灯（波長２５４
ｎｍ、５ｍＷ）の紫外線を表面層１４０側から照射した
ところ、０Ｖで０．８μＡの光電流が流れた。この時、
低圧水銀灯と表面層１４０との距離は２０ｍｍであっ
た。また、作製された半導体受光素子の分光感度のピー
クは２７０ｎｍであり、２２０〜３４０ｎｍの間に感度
を有していた。また、前記半導体受光素子は２５４ｎｍ
と、３６５ｎｍの波長を分離することができる。さら
に、暗電流は１０^-10Ａ以下であった。半導体受光素子
の表面層１４０をピンセットで擦ったところ傷はつかな
かった。

【００７８】

【発明の効果】本発明の半導体受光素子は、保護機能、
さらに所望によりカットフィルター機能を果たす表面層
を有する。従って、本発明は、表面層の保護機能により
強度を正確に測定可能である安価で、かつ、安定で長寿
命の半導体受光素子を提供することできる。また、本発
明は、表面層にカットフィルター機能を付与した場合、
必要とする任意の波長の光を独立に測定可能な波長選択
性を有する半導体受光素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態としての半
導体受光素子の構造を示す拡大断面図であり、（ｂ）は
本発明の第２の実施形態としての半導体受光素子の構造
を示す拡大断面図である。

【図２】光半導体層および表面層を形成する層形成装
置の概略構成図である。

【符号の説明】

１容器２排気口３基板ホルダー４基板加熱用ヒーター５、６石英管７高周波コイル８マイクロ波導波管９〜１２ガス導入管１００層形成装置１１０導電性基板１２０光半導体層１２２ｐ型光半導体層１２４ｉ型光半導体層１２６ｎ型光半導体層１３０電極１４０表面層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木星児神奈川県南足柄市竹松1600番地富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者鈴木俊彦神奈川県南足柄市竹松1600番地富士ゼロックス株式会社内Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AB05 AB09 AB27 BA02 BB26 CA08 CA23 CA25 DA20 4M104 AA04 AA07 AA09 BB02 BB04 BB05 BB06 BB08 BB09 BB36 CC03 DD34 EE06 EE12 EE14 EE16 EE18 FF13 GG02 GG03 HH00 5F045 AA08 AA09 AB14 AB17 AC08 AC09 AD05 AD06 AD07 AD08 AD09 AD10 AE19 AF07 BB08 BB16 CA13 EB02 EH16 EH18 EH19 5F049 MA03 MA04 MA05 MB07 MB11 NA10 NA20 NB07 PA03 PA04 PA07 SS02 SS03 SS04 SZ06 SZ07 WA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、導電性基板上に形成される
Ａｌ、ＧａおよびＩｎのうち少なくとも１以上の元素
と、窒素とを含む光半導体層と、該光半導体層の上に配される電極と、前記光半導体層の前記電極が配された面を被覆するよう
に設けられた表面層と、の積層構造を有することを特徴
とする半導体受光素子。
【請求項２】前記光半導体層が、紫外線領域に感度を
有することを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素
子。
【請求項３】前記表面層が、前記光半導体層が感度を
有する波長領域以外の光の少なくとも一部を吸収するこ
とを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半
導体受光素子。
【請求項４】前記表面層が、前記光半導体層が感度を
有する波長領域より短波長の光の少なくとも一部を吸収
することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の
半導体受光素子。
【請求項５】前記表面層が、Ａｌ、ＧａおよびＩｎの
うち少なくとも１以上の元素と、窒素とから構成される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導
体受光素子。
【請求項６】前記表面層が、有機化合物から構成され
ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半
導体受光素子。
【請求項７】前記電極が、紫外線を透過することを特
徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体受光素
子。
【請求項８】前記導電性基板が、紫外線を透過するこ
とを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載の半導体受
光素子。
【請求項９】少なくとも、導電性基板表面にＡｌ、Ｇ
ａおよびＩｎのうち少なくとも１以上の元素と、窒素と
を含む光半導体層を形成する光半導体層形成工程と、前記光半導体層の上に電極を配する工程と、前記光半導体層の前記電極が配された面を被覆するよう
に表面層を形成する表面層被覆工程とからなることを特
徴とする半導体受光素子の製造方法。