JP2003059845A

JP2003059845A - 半導体素子および半導体成長方法

Info

Publication number: JP2003059845A
Application number: JP2001249181A
Authority: JP
Inventors: Hikari Hirano; 光平野; Hiroshi Amano; 浩天野; Isamu Akasaki; 勇赤崎; Satoshi Kamiyama; 智上山
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2003-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】残留酸素濃度が低い窒化物半導体層を備えて
なる半導体素子を提供する。【解決手段】水素がキャリアガスとして供給されるキ
ャリアガス供給路に設けられた酸素除去手段を用いて酸
素が除去された前記キャリアガスを含む原料ガスを使用
した気相成長法により得られたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導
体を備えてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、膜中に残留する酸
素濃度が非常に低い窒化物半導体を備えた半導体素子お
よび半導体成長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からＡｌＧａＮやＩｎＡｌＧａＮ等
の窒化物半導体をＭＯＶＰＥ（金属有機物気相成長法）
を用いて成長させる際、窒素源としてはアンモニア、ア
ルミニウム源としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭ
Ａ）、ガリウム源としてはトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）、インジウム源としてはトリメチルインジウム（Ｔ
ＭＩｎ）などの原料が使用されてきた。そして、上記原
料を結晶成長面にまで搬送するキャリアガスとしては窒
素ガスが使用され、希に水素ガスが使用されてきた。

【０００３】例えば、半導体成長装置におけるキャリア
ガスの取り扱いの簡易性を考慮した場合、キャリアガス
として窒素ガスを使用することが好ましかった。更に、
窒素ガスをキャリアガスとして使用して窒化物半導体を
成長させる際には、窒素が膜中に取り込まれることで、
窒化物半導体中のＮの空孔が減少するという利点があっ
た。他方で、キャリアガスとして水素ガスを使用した場
合には、水素ガスの取り扱いに多大な注意を払うことが
必要であるが、上述したようなキャリアガスとして窒素
ガスを用いた場合に得られる利点のようなものが無く、
そのような理由からもキャリアガスとして水素ガスが使
用されることは希であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】得られた窒化物半導体
層を使用して発光素子や受光素子などに代表される各種
半導体素子が作製されるのだが、得られた半導体層の品
質や特性に対する要求が高い場合がある。

【０００５】例えば、極めて微弱な光（紫外線）を受光
することが求められる火炎センサにおいては、半導体層
中に含まれる残留キャリアが非常に少ないことが求めら
れる。特に、ＰＩＮ構造のｉ層、ショットキーダイオー
ド構造のショットキー電極と接する半導体層、フォトコ
ンダクタの単層膜、フォトトランジスタのＮＰＩＮ構
造、ＰＮＩＰ構造に含まれるｉ層、フォトＦＥＴの受光
部へのキャリアの流れ込みを制限する近接層などにおい
て、キャリア濃度が非常に低いことが要求される。

【０００６】従来の受光素子では、火炎センサに対して
要求されるような微弱な光を感度良く受光することが求
められていなかったため、結晶成長面に供給される原料
ガスに含まれる残留酸素が、半導体層中に取り込まれて
残留キャリアとして作用する影響を無視することができ
た。しかしながら、上述のように極めて微弱な光を感度
良く受光する必要がある火炎センサを作製するために
は、原料ガス中に含まれる残留酸素の影響を無視するこ
とはできない。

【０００７】キャリアガスに窒素ガスを使用した場合、
触媒処理装置などの酸素除去装置を使用することで酸素
の除去を行うことができるが、酸素分子または水分（Ｈ
₂０）などの形態で含まれる酸素濃度を測定装置の測定
限界程度（約１ｐｐｂ）のレベルにまでしか除去するこ
とができないため、得られる窒化物半導体に残留する酸
素濃度を要求するレベルにまで低減することはできなか
った。

【０００８】本発明は上記の問題点に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、残留酸素濃度が低い窒化物半導
体層を用いて作製された半導体素子を提供する点にあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明に係る半導体素子の第一の特徴構成は、特許請
求の範囲の欄の請求項１に記載の如く、水素がキャリア
ガスとして供給されるキャリアガス供給路に設けられた
酸素除去手段を用いて酸素が除去された前記キャリアガ
スを含む原料ガスを使用した気相成長法により得られた
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を備えてなる点にある。

【００１０】上記課題を解決するための本発明に係る半
導体素子の第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項２に記載の如く、上記第一の特徴構成に加えて、前
記酸素除去手段が、水素を選択的に透過させる水素透過
膜である点にある。

【００１１】上記課題を解決するための本発明に係る半
導体素子の第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項３に記載の如く、上記第一または第二の特徴構成に
加えて、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を半導体素子構
造中の受光層として備えてなる点にある。

【００１２】上記課題を解決するための本発明に係る半
導体素子の第四の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項４に記載の如く、上記第三の特徴構成に加えて、前
記受光層のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上で
ある点にある。

【００１３】上記課題を解決するための本発明に係る半
導体素子の第五の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項５に記載の如く、上記第四の特徴構成に加えて、前
記受光層のバンドギャップエネルギが４．０ｅＶ以下で
ある点にある。

【００１４】上記課題を解決するための本発明に係る半
導体素子の第六の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項６に記載の如く、上記第四の特徴構成に加えて、前
記受光層のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上で
ある点にある。

【００１５】上記課題を解決するための本発明に係る半
導体素子の第七の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項７に記載の如く、上記第六の特徴構成に加えて、前
記受光層のバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上で
ある点にある。

【００１６】上記課題を解決するための本発明に係る半
導体成長方法の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項８に記載の如く、水素をキャリアガスとして含
む原料ガスが結晶成長面に供給され、ＩＩＩ−Ｖ族窒化
物半導体層の気相成長が行われる窒化物半導体成長装置
において、前記キャリアガスが供給されるキャリアガス
供給路に設けられた酸素除去手段を用いて前記キャリア
ガスに含まれる酸素を除去する酸素除去工程を含む点に
ある。

【００１７】上記課題を解決するための本発明に係る半
導体成長方法の第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項９に記載の如く、上記第一の特徴構成に加え
て、前記結晶成長面に供給される前記原料ガス中に含ま
れるＩＩＩ族元素およびＶ族元素について、前記ＩＩＩ
族元素に対する前記Ｖ族元素の比が５０００以上である
点にある。

【００１８】上記課題を解決するための本発明に係る半
導体成長方法の第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項１０に記載の如く、上記第一または第二の特徴
構成に加えて、前記酸素除去手段が、水素を選択的に透
過させる水素透過膜である点にある。

【００１９】以下に作用並びに効果を説明する。本発明
に係る半導体素子の第一の特徴構成によれば、原料を結
晶成長面に搬送することに使用されるキャリアガス中に
含まれる酸素の濃度を、現在使用されている測定装置の
測定限界以下である１００ｐｐｔ以下にまで低減させる
ことができるので、結晶成長後に得られるＩＩＩ−Ｖ族
窒化物半導体層中の残留酸素濃度を極めて低いレベルに
まで低減することができ、酸素が含まれることにより増
大していたキャリア濃度を低く抑えることができる。そ
の結果、得られた半導体をスイッチング素子中の空乏層
に用いた場合には、その空乏層のキャリア濃度を低くで
きることで、そのスイッチング速度を速いスイッチング
素子を得ることができ、得られた半導体を受光素子中の
受光層に用いた場合には、その受光層のキャリア濃度を
低くできることで、微弱な光でも検出することができる
高感度な受光素子を得ることができる。

【００２０】本発明に係る半導体素子の第二の特徴構成
によれば、上記酸素除去手段がパラジウム膜のように、
水素（水素分子）を選択的に透過させることのできる水
素透過膜で構成されることで、水素だけを選択的に得る
ことができる。その結果、キャリアガス中に含まれる酸
素の濃度を、現在使用されている測定装置の測定限界以
下である１００ｐｐｔ以下にまで低減させることがで
き、結晶成長後に得られるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層
中の残留酸素濃度を極めて低いレベルにまで低減するこ
とができる。

【００２１】本発明に係る半導体素子の第三の特徴構成
によれば、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層が受光層である
ことで、残留酸素濃度が極めて低い受光層を備えた受光
素子を得ることができる。受光層中の残留酸素濃度が極
めて低いため、極めて微弱な光を受光することで発生さ
れた数少ない光キャリアを光電流として良好に検出する
ことができる高性能な受光素子を得ることができる。更
に、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体としてＡｌＧａＮなどを
用いた場合には、アルミニウムの組成比を調整すること
で受光層のバンドギャップエネルギが幅広い値にわたっ
て調整される。従って、原料ガスに含まれるアルミニウ
ムの組成比を調整するだけで、所望の波長の光を吸収し
て、光電流を発生させる受光素子を得ることができる。

【００２２】本発明に係る半導体素子の第四の特徴構成
によれば、上記受光層のバンドギャップエネルギが３．
６ｅＶ以上であることで、波長約３４４ｎｍ（３．６ｅ
Ｖ）以下の波長の光、即ち、波長約３４４ｎｍ以下の波
長域に現れる火炎の光を上記受光層によって選択的に検
出することができる受光素子（所謂、火炎センサ）を作
製することができる。

【００２３】本発明に係る半導体素子の第五の特徴構成
によれば、上記受光層のバンドギャップエネルギが３．
６ｅＶ以上４．０ｅＶ以下であることで、波長約３１０
ｎｍ（４．０ｅＶ）〜３４４ｎｍ（３．６ｅＶ）の範囲
の波長の光、即ち、火炎の光の中でも特に炭化水素を含
む化合物を燃焼させた場合に観測されるＯＨラジカルの
発光に起因する発光ピークを良好に検出することができ
る火炎センサを得ることができる。特に、火炎センサの
設置場所がエンジン内部などの閉鎖された空間である場
合には、屋外に設置された場合には同時に観測される各
種照明機器からの室内光や太陽光といった光が存在する
ことがないため、火炎の光のみを良好に検出することが
できる。

【００２４】本発明に係る半導体素子の第六の特徴構成
によれば、上記受光層のバンドギャップエネルギが４．
１ｅＶ以上であることで、波長約３００ｎｍ（４．１ｅ
Ｖ）以下の波長の光、即ち、火炎の光を上記受光層によ
って検出することができる火炎センサを得ることができ
る。更に、波長約３００ｎｍを超える波長の光、即ち、
各種照明機器などからの室内光に対しては上記受光層が
感度を有さないので、火炎の光に対して選択的に感度を
有する半導体素子を得ることができる。

【００２５】本発明に係る半導体素子の第七の特徴構成
によれば、上記受光層のバンドギャップエネルギが４．
４ｅＶ以上であることで、４．４ｅＶ（波長約２８０ｎ
ｍ）以下の波長の光、即ち、火炎の光を上記受光層によ
って検出することができる火炎センサを得ることができ
る。更に、波長約２８０ｎｍを超える波長の光、即ち、
各種照明機器などからの室内光および太陽光（自然光）
に対しては上記受光層が感度を有さないので、火炎の光
に対して選択的に感度を有する半導体素子を得ることが
できる。

【００２６】本発明に係る半導体成長方法の第一の特徴
構成によれば、上記酸素除去工程が実施されることで、
原料を結晶成長面に搬送することに使用されるキャリア
ガス中に含まれる酸素の濃度を、現在使用されている測
定装置の測定限界以下である１００ｐｐｔ以下にまで低
減させることができるので、結晶成長後に得られるＩＩ
Ｉ−Ｖ族窒化物半導体層中の残留酸素濃度を極めて低い
レベルにまで低減することができ、酸素が含まれること
により増大していたキャリア濃度を低く抑えることがで
きる。その結果、得られた半導体をスイッチング素子中
の空乏層に用いた場合には、その空乏層のキャリア濃度
を低くできることで、そのスイッチング速度を速いスイ
ッチング素子を得ることができ、得られた半導体を受光
素子中の受光層に用いた場合には、その受光層のキャリ
ア濃度を低くできることで、微弱な光でも検出すること
ができる高感度な受光素子を得ることができる。

【００２７】本発明に係る半導体成長方法の第二の特徴
構成によれば、受光層を成長させる際に、ＩＩＩ族元素
の供給量に対するＶ族元素の供給量の比（Ｖ／ＩＩＩ）
が５０００以上になるように調整することで、結晶成長
時に結晶成長面付近に存在する各元素の存在割合が、結
晶品質の良好な窒化物半導体を形成するのに好ましい値
となる。その結果、ホッピング伝導に寄与するホッピン
グサイトとなり得るＮ（窒素）空孔の数を減少させるこ
とができるという効果を得ることができ、良好な量子効
率および応答速度を有することで、微弱な光であっても
感度良く検出できる光センサを得ることができる。

【００２８】本発明に係る半導体成長方法の第三の特徴
構成によれば、酸素除去工程において使用される酸素除
去手段がパラジウム膜のように、水素（水素分子）を選
択的に透過させることのできる水素透過膜で構成される
ことで、水素だけを選択的に得ることができる。その結
果、キャリアガス中に含まれる酸素濃度を、現在使用さ
れている測定装置の測定限界以下である１００ｐｐｔ以
下にまで低減させることができ、結晶成長後に得られる
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層中の残留酸素濃度を極めて
低いレベルにまで低減することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】図１は半導体成長装置の概略図で
あり、各部位および半導体成長工程について、図１およ
び図２を参照して以下に説明する。まず、工程１００に
おいて、キャリアガスである水素ガスが充填されたキャ
リアガスタンク１から水素ガスを流出させる。流出した
水素ガスは、キャリアガス供給路２に設けられた酸素除
去手段３内に流入し、工程１１０において、キャリアガ
ス中の酸素が除去される。酸素除去手段３の具体例とし
ては、パラジウム膜を備えて構成された水素透過膜など
があり、これは金属パラジウム膜に水素ガスを流した際
に、分子の大きさの小さい水素ガスだけが選択的にパラ
ジウム膜を通過できるという特性を利用したものであ
る。

【００３０】従って、金属パラジウム膜などの水素透過
膜に代表される酸素除去手段３に、水素ガスを通過させ
ることで、水素ガス中に含まれる酸素などの他の原子が
除去され、酸素除去手段３以後のキャリアガス供給路２
における酸素濃度を、測定機器の測定下限である１００
ｐｐｔよりも低いレベルにまで低減させることができ
る。

【００３１】酸素除去手段３を通過した後、酸素が除去
されたキャリアガス（水素ガス）は、バルブ４Ａによっ
てその流量を調整されて原料タンク５の方へ流れ、バル
ブ４Ｃによって流量が調整された原料タンク５内の原料
と混合される。原料とキャリアガスとが混合された原料
ガスは原料ガス供給路６へ流入し、反応室７内に供給さ
れる（工程１２０）。図１中では原料タンク５を１つし
か図示していないが、原料が複数ある場合は原料タンク
５を並列に複数設け、原料の量が調整された各原料ガス
を原料ガス供給路６へ流入させるように構成すればよ
い。原料ガス供給路６へ流入させる原料の量の調整は、
各原料タンク５の上流側へそれぞれ設けられるバルブ４
Ｃの開度を調整して、原料タンク５内に流入するガスの
量を調整し、各原料タンク５の下流側へそれぞれ設けら
れるバルブ４Ｄの開度を調整することで原料ガス供給路
６へ流入するガスの流量を調整する。ここで、原料が液
体の有機金属材料である場合には、原料タンク５にバブ
ラーを装着して、気化された有機金属材料がキャリアガ
スと共にバルブ４Ｄを通って原料ガス供給路６へ流入す
るような構成が用いられる。原料ガス供給路６における
原料ガスを希釈したい場合等は、バルブ４Ｂの開度を調
整して、キャリアガスのみを原料ガス供給路６に流入さ
せれば良い。

【００３２】原料ガス供給路６に流入し原料ガスは反応
室７内に供給され、反応室７に設けられた原料ガスの活
性化手段（図示せず）によって、サンプルホルダ８上に
置かれたサンプル（基板）９の結晶成長面に所望の結晶
が堆積成長される（工程１３０）。また、反応室７内の
不要なガスは排気される。原料ガスの活性化手段として
は、加熱手段、プラズマ発生手段などが代表的なもので
あり、供給された原料ガスが複数種の元素を含む場合に
は、活性化された各元素が化合物を形成してサンプル
（基板）９の結晶成長面に堆積成長される。上記基板材
料としては、堆積成長される物質と相性の良い材料が用
いられ、ＳｉＣ基板、グラファイト（Ｃ）基板、サファ
イア基板、Ｓｉ基板などの様々な基板を使用することが
できる。

【００３３】以上の半導体成長工程を繰り返すことで、
サンプル（基板）９上に複数の半導体層が形成され、半
導体積層構造を得ることができる。また、必要があれば
不純物を注入して、各半導体層をｐ型半導体やｎ型半導
体にさせることができる。

【００３４】以下に、酸素除去手段３を通過させた水素
ガスをキャリアガスとして各半導体層の気相成長を行わ
せることで得られた半導体素子２０の構造と特性につい
て図面を参照して説明する。

【００３５】図３に示す半導体素子２０は、基板１１上
に設けられた下地層構造と、その下地層構造上に設けら
れたデバイス層構造とを備えてなる。下地層構造は、サ
ファイアを用いて構成された基板１１の上に第１バッフ
ァ層１２（低温で堆積させたＡｌＮ）と、結晶改善層１
３（ＧａＮ）と、第２バッファ層１４（低温で堆積させ
たＡｌＮ）とを順次堆積させることで作製される。受光
層構造は、下地層構造の上に、ｎ型半導体層１５（ｎ−
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．４））と、アンドープのｉ型
半導体層１６（ｉ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０．４））と
が順次堆積されて形成される。更に、ｎ型半導体層１５
が部分的に除去され、残ったｎ型半導体層１５上の一部
分に電極１７（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ）がオーミック接触と
なるように設けられ、ｉ型半導体層１６上の一部分にメ
ッシュ状の電極１８（Ｎｉ／Ａｕ）がショットキー接合
を形成するように設けられ、更に電極１８上の一部分に
電極１９（Ａｕ）が設けられている。

【００３６】窒素源としてはアンモニア、アルミニウム
源としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ガリウ
ム源としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、インジウ
ム源としてはトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などの
原料を使用し、それぞれの原料を貯蔵するために原料タ
ンク５を個別に用意した。

【００３７】以上のように、酸素除去手段３を用いるこ
とで原料ガス中に含まれる酸素を非常に低濃度にまで削
減することができるので、ドナーとなり得る酸素の膜中
での残留濃度を非常に小さくすることができる。その結
果、半導体層中のキャリア濃度を約５×１０¹⁴ｃｍ^-3以
下という低いレベルにまで低減させることができる。こ
こでは、ｉ型半導体層１６におけるキャリア濃度を約５
×１０¹⁴ｃｍ^-3以下という低いレベルにまで調整するこ
とができることから、それを受光層に用いた場合には微
弱な光を良好に検知することのできる受光素子を作製で
き、或いは半導体素子中の空乏層に用いた場合にはスイ
ッチング速度の速いスイッチング素子を作製することが
できる。

【００３８】ここで、上述のｉ型半導体層１６（ＩＩＩ
−Ｖ族窒化物半導体）を成長させる場合、ＩＩＩ族元素
の供給量に対するＶ族元素の供給量の比（Ｖ／ＩＩＩ）
が５０００以上になるように調整して原料ガス（キャリ
アガスと原料とからなる）を反応室７に供給すること
で、ホッピング伝導に寄与するホッピングサイトとなり
得るＮ（窒素）空孔の数を減少させることができるとい
う効果を得ることもできる。ここで、Ｖ／ＩＩＩの値を
１０００以上として成膜を行った場合、或いはＶ／ＩＩ
Ｉの値を５００以上として成膜を行った場合にも窒化物
半導体層中の窒素（Ｎ）空孔の数を減少させる効果を得
ることができるが、Ｖ／ＩＩＩの値を小さくして成膜を
行うことで窒素（Ｎ）空孔の数を十分に減少させること
が出来なかった場合には、微弱な光を検出することが要
求される火炎センサとしての使用に問題が発生すること
もある。例えば、その窒素空孔により形成される不純物
準位がホッピング伝導に寄与するホッピングサイトとな
り得ることや、暗電流が増大することや、検出対象波長
域にある火炎の光を吸収して発生された光キャリアが不
純物準位においてトラップされることなどから、検出さ
れるべき光電流が明確に現れない場合がある。

【００３９】上述したように、半導体素子２０において
は、下地層構造が２つのバッファ層１２、１４と、それ
らに挟まれた結晶改善層１３とを備えて構成されてい
る。従って、基板１１と受光層構造を構成する半導体層
との相性が悪いという問題（例えば、格子定数が大きく
異なるという問題）があっても、下地層構造によって格
子定数の差が緩和される効果、即ち、格子定数の差が受
光層構造の結晶品質に影響を与えることを防止できるな
どの効果が発揮される。その結果、結晶品質の良好な半
導体層を得ることができるため、性能の高い半導体素子
を得ることができる。尚、図３中では、半導体素子を２
つのバッファ層１２、１４と、それらに挟まれた結晶改
善層１３とを備えて構成しているが、バッファ層が１つ
であっても上述の効果を得ることができ、更に多数のバ
ッファ層を備えていても良い。

【００４０】以下の実施形態では、半導体素子２０を受
光素子として用いた場合について説明しているが、ここ
ではｉ型半導体層１６が光キャリアを発生させる受光層
として使用される。半導体素子の感度波長を調整する場
合には、受光層であるｉ型半導体層１６のバンドギャッ
プエネルギを調整すればよく、そのバンドギャップエネ
ルギを調整するためには、ｉ型半導体層１６：Ａｌ_xＧ
ａ_1-xＮのアルミ組成比ｘを調整すればよい。

【００４１】特に、半導体素子２０（受光素子）を火炎
センサとして使用する場合には、火炎の光を選択的に受
光するような波長選択性を持たせる必要があり、受光層
であるｉ型半導体層１６（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ）におけるＡ
ｌの組成比を調整して、そのバンドギャップエネルギを
所望の値に設定することが行われる。例えば、波長約３
４４ｎｍ以下の波長域に広がる火炎の光を選択的に受光
することのできる火炎センサを作製したい場合には、ｉ
型半導体層１６のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ
以上となるようにアルミニウム組成比ｘ＝０．０５、或
いはそれ以上とすればよい。或いは、約３００ｎｍ以上
の波長域に含まれる、各種照明機器からの光（室内光）
を受光せずに、火炎の光を受光するような火炎センサを
作製したい場合には、ｉ型半導体層１６のバンドギャッ
プエネルギが４．１ｅＶ以上となるようにアルミニウム
組成比ｘ＝０．２５、或いはそれ以上とすればよい。ま
た或いは、約２８０ｎｍ以上の波長域に含まれる、太陽
光からの光を受光せずに、火炎の光のみを受光するよう
な火炎センサを作製したい場合には、ｉ型半導体層１６
のバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上となるよう
にアルミニウム組成比ｘ＝０．３７、或いはそれ以上と
すればよい。

【００４２】更に、火炎センサがエンジン内部などの閉
鎖空間に設置された場合には、上述した室内光や太陽光
が存在しないため、それらを排除するような大きいバン
ドギャップエネルギを設定する必要はない。そのため、
火炎の光の中でも特に炭化水素を含む化合物（エンジン
で燃焼される燃料）を燃焼させた場合に観測されるＯＨ
ラジカルの発光に起因する発光ピーク（波長約３１０ｎ
ｍ（３１０ｎｍ±１０ｎｍ）：４．０ｅＶ）の光（波長
３１０ｎｍ以上３４４ｎｍ以下の火炎の光）を選択的に
受光することのできる火炎センサを作製した場合には、
ｉ型半導体層１６のバンドギャップエネルギが３．６ｅ
Ｖ以上４．０ｅＶ以下となるように、アルミニウム組成
比ｘを０．０５以上０．２３以下とすればよい。

【００４３】次に、上記した本発明に係る半導体成長方
法を用いて作製された半導体素子（受光素子）の特性を
測定した結果を図４を参照して説明する。尚、測定結果
は受光素子としてフォトコンダクタを用いた場合の結果
であるが、上述の半導体素子２０（受光素子）を用いて
も同様である。光源としては低圧水銀ランプの２５４ｎ
ｍピークを用いた。

【００４４】受光素子（フォトコンダクタ）に対する照
射光強度が１μＷ／ｃｍ²の場合、および１０μＷ／ｃ
ｍ²の場合に測定された光電流と、照射光強度がゼロの
場合の暗電流とを示している。図４中から分かるよう
に、暗電流が比較的大きく現れるフォトコンダクタを用
いているにも拘わらず、暗電流のレベルを１×１０^-12
Ａ〜１×１０^-10Ａという極めて低い値にまで低減させ
ることができている。これは、キャリアガス（水素ガ
ス）中の酸素を酸素除去手段３を使用して除去し、得ら
れた半導体層中の残留酸素濃度を極めて低くした、即
ち、半導体層中のキャリア濃度を低くしたことで得られ
た効果である。

【００４５】更に、図４中から分かるように、受光素子
（フォトコンダクタ）への照射光強度が１μＷ／ｃｍ²
という弱い光であっても、光電流の値が暗電流の値の約
１００００倍という比で検出できており、受光素子に光
照射が行われている場合と、光照射が行われていない場
合とを明確に判別することができる。

【００４６】（比較例）以下に、キャリアガス供給路２
に酸素除去手段３が設けられていない半導体成長装置を
用いて作製された半導体素子（受光素子）の特性を測定
した結果を比較例として図５を参照して説明する。尚、
測定結果は上述したのと同様の構造のフォトコンダクタ
を用いた場合の結果である。光源としては低圧水銀ラン
プの２５４ｎｍピークを用いた。

【００４７】上述の場合と同様に、受光素子（フォトコ
ンダクタ）に対する照射光強度が１μＷ／ｃｍ²の場
合、および１０μＷ／ｃｍ²の場合に測定された光電流
と、照射光強度がゼロの場合の暗電流とを示している。
図５中から分かるように、暗電流が約１×１０^-4Ａのレ
ベルという非常に大きな値となっており、光電流と暗電
流との差が非常に小さいものとなっている。例えば、フ
ォトコンダクタに対する印加電圧が１０Ｖの場合におけ
る光電流（照射光強度が１μＷ／ｃｍ²の場合）と暗電
流とを比べると、それぞれの値は１．７×１０^-5Ａおよ
び４×１０^-4Ａとなっている。図４では、光電流が暗電
流の約１００００倍もの値を示していたことを考える
と、図５に見られる光電流と暗電流との差は非常に小さ
いと言える。

【００４８】以上のように、ここで示した測定結果は受
光素子としてフォトコンダクタを用いた場合の結果であ
るが、上述の半導体素子２０（受光素子）を用いても同
様での結果が得られ、本発明に係る半導体成長方法を使
用して成長させた半導体素子２０の特性は、キャリアガ
ス供給路２に酸素除去手段３が設けられていない半導体
成長装置を用いて作製された半導体素子（受光素子）の
特性に比べて良好である。

【００４９】＜別実施形態＞上述の実施形態において図
面を参照して半導体素子の構造を説明したが、本願発明
は半導体素子の構造を限定するものではない。例えば、
ＰＩＮ型やショットキーダイオード型の受光素子、ＰＮ
Ｐ構造やＮＰＮ構造のフォトトランジスタ、それらにア
ンドープのｉ型半導体層が挿入されたＰＩＮＰ型、ＮＰ
ＩＮ型の素子などにも応用可能であり、更には、アバラ
ンシェフォトダイオードなどの様々な半導体素子に応用
できる。そして、それらの半導体素子においては、各半
導体層中に含まれる残留酸素がほぼ零であるので、半導
体素子中にキャリア濃度が非常に低い部分を作製するこ
とができ、それを受光層として用いた場合には微弱な光
を良好に検出することが出来る受光素子を作製すること
ができ、それを空乏層として用いた場合にはスイッチン
グ速度の速いスイッチング素子を作製できるという効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体成長装置の概略図である。

【図２】半導体成長方法の工程図である。

【図３】半導体素子の構成図である。

【図４】本実施形態の暗電流および光電流の測定結果を
示すグラフである。

【図５】比較例の暗電流および光電流の測定結果を示す
グラフである。

【符号の説明】

１キャリアガスタンク２キャリアガス供給路３酸素除去手段４バルブ５原料タンク６原料ガス供給路７反応室８サンプルホルダ９サンプル１１基板１２第１バッファ層１３結晶改善層１４第２バッファ層１５ｎ型半導体層１６ｉ型半導体層１７電極１８電極１９電極２０半導体素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者赤崎勇愛知県名古屋市天白区塩釜口１−501 名城大学内 (72)発明者上山智愛知県名古屋市天白区塩釜口１−501 名城大学内Ｆターム(参考） 5F045 AA04 AB17 AF04 BB16 CA13 DA52 DA65 EE10 EE13 GB07 5F049 MA05 MA20 MB07 NA05 NB07 SE05 SE12 SS03 WA05 5F088 AA04 AA11 AB07 BA04 BB06 FA05 FA12 LA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素がキャリアガスとして供給されるキ
ャリアガス供給路に設けられた酸素除去手段を用いて酸
素が除去された前記キャリアガスを含む原料ガスを使用
した気相成長法により得られたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導
体を備えてなる半導体素子。
【請求項２】前記酸素除去手段が、水素を選択的に透
過させる水素透過膜である請求項１に記載の半導体素
子。
【請求項３】前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を半導体
素子構造中の受光層として備えてなる請求項１または請
求項２に記載の半導体素子。
【請求項４】前記受光層のバンドギャップエネルギが
３．６ｅＶ以上である請求項３に記載の半導体素子。
【請求項５】前記受光層のバンドギャップエネルギが
４．０ｅＶ以下である請求項４に記載の半導体素子。
【請求項６】前記受光層のバンドギャップエネルギが
４．１ｅＶ以上である請求項４に記載の半導体素子。
【請求項７】前記受光層のバンドギャップエネルギが
４．４ｅＶ以上である請求項６に記載の半導体素子。
【請求項８】水素をキャリアガスとして含む原料ガス
が結晶成長面に供給され、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層
の気相成長が行われる窒化物半導体成長装置において、前記キャリアガスが供給されるキャリアガス供給路に設
けられた酸素除去手段を用いて前記キャリアガスに含ま
れる酸素を除去する酸素除去工程を含む半導体成長方
法。
【請求項９】前記結晶成長面に供給される前記原料ガ
ス中に含まれるＩＩＩ族元素およびＶ族元素について、
前記ＩＩＩ族元素に対する前記Ｖ族元素の比が５０００
以上である請求項８に記載の半導体成長方法。
【請求項１０】前記酸素除去手段が、水素を選択的に
透過させる水素透過膜である請求項８または請求項９に
記載の半導体成長方法。