JP2003282926A

JP2003282926A - 半導体受光素子

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Publication number: JP2003282926A
Application number: JP2002081688A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Ouchi; 洋一郎大内; Kazuyuki Tadatomo; 一行只友; Hiroaki Okagawa; 広明岡川; Hiroshi Hamamura; 寛濱村; Shiyunsuke Niizaka; 俊輔新坂; Tatsushi Nomura; 達士野村; Hidekazu Shiotani; 英一塩谷; Atsushi Motokakiuchi; 敦司元垣内; Kazumasa Hiramatsu; 和政平松; Kazutoshi Fukui; 一俊福井
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Nikon Corp
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd; Nikon Corp
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2003-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】表面電流を容易にかつ効果的に抑制し得る新
たなる構造が付与された受光素子を提供すること。【解決手段】波長４５０ｎｍ以下の光を受光対象光と
する半導体受光素子である。当該受光素子は、半導体結
晶層１、２からなる積層構造を有し、該積層構造には受
光対象光を受光し得る受光層２が含まれている。該積層
構造のうちの入射面および少なくとも表面電流の経路と
なり得る側面に、該受光対象光の反射を抑制しかつ透過
させる誘電体膜Ａを設けることによって、表面電流を容
易にかつ効果的に抑制することが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長４５０ｎｍ以
下の光の受光に有用な半導体受光素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、ステッパーによる露光用、通信
用、光磁気ディスクへの記録用などとして、波長４５０
ｎｍ以下の短波長光が重要となっており、これに伴い、
該短波長光を検出し得る半導体受光素子（以下、受光素
子）もまた重要となっている。

【０００３】上記の受光素子には、光起電力効果を利用
したものや、光導電効果を利用したものなど、種々の光
検出メカニズムを利用した素子が知られているが、いず
れの受光素子であっても、該素子の入射面（該短波長光
を該素子内に入射させるための入口となる面）には、該
短波長光を反射させることなく該光をより多く素子内に
入射させるための反射防止膜が設けられる。

【０００４】図４は、従来の一般的なショットキー障壁
型の受光素子の構造を示す断面図である。Ｓｉ結晶基板
１００上に、ｎ型Ｓｉ結晶層１０１が形成されており、
該ｎ型Ｓｉ結晶層１０１の上面にはショットキー電極
（中央の薄い透明電極１０３と外周の厚い環状電極１０
４だけを示しており、ボンディング用のパッド部分は図
示していない）が形成され、Ｓｉ結晶基板１００の裏面
（図の下面）にはオーミック電極１０２が形成された構
造となっている。この受光素子の入射面は、前記透明電
極１０３の上面であって、この面に反射防止膜１０５が
設けられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、本発明者らが
従来の受光素子の構造を検討したところ、素子分断やＲ
ＩＥ（Reactive Ion etching)などによって、積層構造
の側面が露出しており、この露出した側面が、受光素子
使用時において表面電流の経路となっていることがわか
った。表面電流は、逆方向電圧を印加しただけでも暗電
流として受光量とは無関係に流れるために、受光素子の
Ｓ／Ｎを著しく悪化させ、特に光量の少ない領域の感度
特性が悪くなる。この問題は、上記のようなショットキ
ー障壁型のＳｉ系受光素子に限らず、ＧａＮ系など他の
材料系、他の受光メカニズムの受光素子においても同様
の問題である。

【０００６】本発明の目的は、上記問題を解決し、表面
電流を容易にかつ効果的に抑制し得る新たなる構造が付
与された受光素子を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、従来の受
光素子において専ら入射面にのみ設けられていた反射防
止膜を、積層構造の側面にも設けることによって、表面
電流が効果的に抑制され、受光感度が飛躍的に向上する
ことを見出し、本発明を完成させた。即ち、本発明は以
下の特徴を有するものである。

【０００８】（１）波長４５０ｎｍ以下の光を受光対象
光とする半導体受光素子であって、当該受光素子は、半
導体結晶層からなる積層構造を有し、該積層構造には受
光対象光を受光し得る受光層が含まれており、該積層構
造のうちの入射面および少なくとも表面電流の経路とな
り得る側面に、該受光対象光の反射を抑制しかつ透過さ
せる誘電体膜が設けられていることを特徴とする、半導
体受光素子。

【０００９】（２）上記積層構造を構成する半導体結晶
層が、ＧａＮ系結晶層、ＺｎＳｅ系結晶層、またはＳｉ
Ｃ結晶層である、上記（１）記載の半導体受光素子。

【００１０】（３）上記誘電体膜が、金属フッ化物から
なる誘電体膜である、上記（１）記載の半導体受光素
子。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、ＧａＮ系材料を用いた受
光素子を説明のための構成例として挙げ、本発明の特徴
を説明する。当該受光素子の材料系、光検出メカニズ
ム、素子構造、外形デザイン、ｐ型・ｎ型の上下関係な
どは、後に例示する他の材料系・光検出メカニズム等を
含めて、目的に応じて自由に選択してよい。

【００１２】図１は、ＧａＮ系材料を用いて構成したシ
ョットキー障壁型の受光素子の一例を示している。同図
の例では、サファイア基板Ｂ１上に、ｎ型ＧａＮ系結晶
層（高キャリア濃度層）１、ＧａＮ系結晶からなるｉ層
（受光層）２が順に気相成長しており、該ｉ層２の上面
にはショットキー電極が設けられている。同図の素子構
造では、該ショットキー電極は、中央の薄い透明電極Ｐ
２と外周の厚い環状電極Ｐ２１によって構成され、これ
にボンディング用のパッド部分（図示せず）が部分的に
加えられる。各層の具体的な材料を例示すると、例え
ば、ｎ型ＧａＮ層１、ｉ型ＧａＮ層２である。基板Ｂ１
とｎ型ＧａＮ系結晶層１との間には、必要に応じてバッ
ファ層や転移密度低減構造を介在させてもよいが、同図
では省略している。該高キャリア濃度層１は、エッチン
グによって部分的に露出しており、この露出面にオーミ
ック電極Ｐ１が設けられている。同図の例では、透明電
極Ｐ２の上面が入射面である。

【００１３】本発明では、この入射面に、反射防止膜と
なる誘電体膜Ａを形成するのみならず、層１と層２とか
らなる積層構造の側面のうち少なくとも表面電流の経路
となり得る部分にも、受光対象光の反射を抑制しかつ透
過させる誘電体膜Ａを設ける。図１は断面図であるが、
誘電体膜Ａは、エッチングによって露出した積層構造の
側面に対して、全周にわたって設けられている。該誘電
体膜の付与によって、積層構造の側面での表面電流が効
果的に抑制され、受光感度など、素子の特性が向上す
る。

【００１４】受光層の材料は、波長４５０ｎｍ以下の短
波長光を受光し得るものであればよい。また、当該受光
素子の積層構造を構成する半導体結晶層の材料は、前記
受光層が成長し得る材料系（好ましくは、同じ材料系）
であればよい。受光層および積層構造全体に用いられる
好ましい材料としては、ＧａＮ系半導体が挙げられるほ
か、ＺｎＳｅ系半導体、ＳｉＣなどが挙げられる。

【００１５】ＧａＮ系半導体または単にＧａＮ系とは、
Ｉｎ_XＧａ_YＡｌ_ZＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ
≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で示される化合物半導体であっ
て、混晶比は任意であるが、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、
ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどが重要な化合物として挙げ
られる。また、ＺｎＳｅ系半導体としては、ＺｎＳｅ、
ＺｎＳＳｅ、ＺｎＣｄＳｅ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＭｇＳ
Ｓｅなどが挙げられる。

【００１６】上記例におけるｉ層は、低キャリア濃度層
の総称であって、ｎ型の低キャリア濃度層、またはｐ型
の低キャリア濃度層を意味する。低キャリア濃度とは、
１×１０¹³ｃｍ^-3〜１×１０¹⁷ｃｍ^-3程度である。

【００１７】ＧａＮ系材料によって当該受光素子を構成
する場合、受光層の材料は、受光対象光の波長に応じ
て、上記式Ｉｎ_XＧａ_YＡｌ_ZＮの組成比Ｘ、Ｙ、Ｚを適
宜選択すればよい。

【００１８】また、ＧａＮ系材料を用いる場合、結晶基
板は、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６
Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ，ＧａＡ
ｓ、ＮＧＯ、ＧａＮ系（特にＧａＮ）などを用いること
ができるが、本発明の目的に対応するならばこのほかの
材料を用いてもよい。なお、基板の面方位は特に限定さ
れず、更にジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基
板であっても良い。

【００１９】当該受光素子の光検出メカニズムとして
は、光起電力効果を利用した光検出メカニズムや、光導
電効果を利用した光検出メカニズムなど、どのようなも
のであってもよい。各光検出メカニズム毎に素子構造は
異なるが、それぞれの基本的な素子構造については公知
技術を参照してもよい。本発明において問題とする素子
は、積層構造の側面にたとえ微量でも表面電流の経路が
存在するような素子や、回り込んだ経路であっても表面
電流の経路が存在するような素子である。

【００２０】光起電力効果を利用した受光素子として
は、図１で例示したショットキー障壁型の受光素子が挙
げられる他、ｐｎ接合（ＰＩＮ型を含む）を利用したも
のが挙げられる。図２（ａ）は、ＰＩＮ型の素子構造例
を示しており、サファイア基板Ｂ１上に、ｎ型ＧａＮ系
結晶層１、ＧａＮ系結晶からなるｉ層（受光層）２、ｐ
型ＧａＮ系結晶層３が順に気相成長している。各層の具
体的な材料を例示すると、例えば、ｎ型ＧａＮ層１、ｉ
型ＧａＮ層２、ｐ型ＧａＮ層３である。ｎ型ＧａＮ系結
晶層１は部分的に露出しており、この露出面にｎ型電極
Ｐ１が設けられ、ｐ型ＧａＮ系結晶層３の上面には、ｐ
型電極Ｐ２が設けられている。ｐ型電極Ｐ２は、図１の
ショットキー電極と同様に、中央の薄い透明電極Ｐ２と
外周の厚い環状電極Ｐ２１によって構成され、これにボ
ンディング用のパッド部分（図示せず）が部分的に加え
られる。該透明電極Ｐ２の上面が入射面である。同図の
素子構造においても、バッファ層や転移密度低減構造
は、適宜設けてよいが、図示は省略している。また、透
明電極Ｐ２の代わりにくし型電極などを適宜用いてよ
く、その場合には、露出したＧａＮ系結晶層上面が入射
面となる場合もある。

【００２１】図１の素子と同様、図２（ａ）の素子にお
いても、入射面に反射防止膜となる誘電体膜Ａを設け、
かつ、層１、層２、層３からなる積層構造の側面のうち
少なくとも表面電流の経路となり得る部分（主として、
エッチングによって露出した側面部分）にも誘電体膜Ａ
を設けている。

【００２２】図２（ｂ）は、ＰＩＮ型の素子構造の他の
例を示しており、結晶基板Ｂ１としてｎ型ＧａＮを用い
ており、その上に、ｎ型ＧａＮ系結晶層１、ＧａＮ系結
晶からなるｉ層（受光層）２、ｐ型ＧａＮ系結晶層３が
順に気相成長している。この場合、結晶基板がｎ型半導
体層であるために、結晶基板の下面にｎ型電極Ｐ１が設
けられている。ｐ型電極Ｐ２は、図２（ａ）の例と同
様、中央の薄い透明電極Ｐ２と外周の厚い環状電極Ｐ２
１によって構成され、これにボンディング用のパッド部
分（図示せず）が部分的に加えられる。該透明電極Ｐ２
の上面が入射面である。

【００２３】図２（ｂ）の素子では、結晶基板を含めた
素子全体としての積層構造の側面が表面電流の経路とな
り得るため、素子構造の側面全体に誘電体膜Ａが設けら
れている。

【００２４】積層構造の側面に設けられる誘電体膜は、
上記のように、少なくとも表面電流の経路となり得る部
分に設けられる。表面電流の経路となり得る部分とは、
主として、積層構造の側面のうち両電極間の間に位置す
る結晶層の側面である。しかし、予期しない表面電流の
回り込みや、外部からの流入などを、より厳重に防止す
る点からは、このような部位以外の側面（例えば、図１
においてＳで示す側面など）、さらには素子構造の側面
全体に誘電体膜を設けてもよい。

【００２５】誘電体膜の材料は、受光対象光の反射を防
止し素子内へ透過させ得る材料であれば良く、限定はさ
れないが、効率を上げるには受光対象光に対して透明で
ある材料が好ましい。また、誘電体膜の材料は、誘電体
膜を付与すべき半導体結晶層の光学定数に応じて選択さ
れ、膜厚が決定される。誘電体膜は、単層の膜、又は複
数の材料で積層された多層膜とし、これによって反射防
止作用を得る。当該受光素子の用途を考慮すると、波長
４５０ｎｍ以下の短波長域、特に波長４００ｎｍ以下の
紫外線域において透明であると言う点で選択される材料
は、各種金属フッ化物が好ましく、例えば、ＬａＦ
₃（フッ化ランタン）、ＭｇＦ₂（フッ化マグネシウ
ム）、ＧｄＦ₃（フッ化ガドリニウム）、ＡｌＦ₃（フッ
化アルミニウム）、ＹＦ₃（フッ化イットリウム）、Ｄ
ｙＦ₃（フッ化ディスプロシウム）などが代表的なもの
として挙げられる。当該受光素子に用いられる結晶層の
材料と使用波長域とを考慮した場合には、前記金属フッ
化物のなかでもＬａＦ₃（フッ化ランタン）を用い、膜
厚を５ｎｍ〜１５ｎｍ程度とすることが、好ましい誘電
体膜の態様の１つである。

【００２６】誘電体膜の形成方法は、真空蒸着法、スパ
ッタ法などが挙げられる。積層構造の側面への該誘電体
膜をいつ形成するかは限定されず、該誘電体膜を形成す
るために独立した形成工程を設けてもよい。また、入射
面に形成される誘電体膜と、積層構造の側面に形成され
る誘電体膜とは、互いに異なっていてもよい。しかし、
入射面への成膜と同時に積層構造の側面にも同じ材料の
膜を形成することによって、新たに成膜工程を増やすこ
となく、容易に本発明の目的を達成することが可能とな
る。

【００２７】図１や図２（ａ）に例示する素子の形成プ
ロセスでは、サファイアからなるウエハ基板上にＧａＮ
系結晶層からなる積層構造を形成し、ＲＩＥによって個
々の素子に対してエッチングを施し、さらに電極等を形
成し、素子分断を行う。この場合、誘電体膜の形成時期
は、素子分断後であってもよいが、前記ＲＩＥによって
下層を露出させた後であってかつ素子分断前の段階が好
ましい。ウエハ状態での誘電体膜の形成は、素子の取り
扱いが容易であり、一括して効率よく誘電体膜が形成で
きるという利点がある。

【００２８】また、図２（ｂ）に例示する素子の形成プ
ロセスでは、素子分断した後に問題となる側面が現われ
るので、誘電体膜の形成は素子分断後とすべきである。
素子分断後に誘電体膜を形成する場合、実装前のベアチ
ップの状態で形成してもよいが、素子をステム台上にマ
ウントし、ワイヤーを取り付けた状態で形成することに
よって、ワイヤーのボンディング部分を避ける必要が無
くなり、成膜が容易になる。

【００２９】図１、２に示すように、ＧａＮ系結晶層を
結晶基板上に形成する際には、必要に応じてバッファ層
を介在させてもよい。バッファ層材料や成膜法に限定は
ないが、ＧａＮ、ＡｌＮなどを同じ結晶成長装置にて低
温で成長させるＧａＮ系低温成長バッファ層が好ましい
ものとして挙げられる。

【００３０】また、結晶基板上にＧａＮ系結晶層を成長
させる際には、転位密度を低減させるための種々の手法
を適宜導入してよく、例えば次の構造を結晶基板面に付
与してよい。（い）従来公知の選択成長法（ＥＬＯ法）を実施し得る
ように、結晶基板上にマスク層（ＳｉＯ₂などが用いら
れる）をストライプパターンなどとして形成した構造。（ろ）ＧａＮ系結晶がラテラル成長やファセット成長を
し得るように、結晶基板上に、ドット状、ストライプ状
の凹凸加工を施した構造。これらの構造とバッファ層と
は、適宜組合せてよい。

【００３１】ＧａＮ系結晶層の成長方法としては、ＨＶ
ＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などが挙げられる。厚
膜を作製する場合はＨＶＰＥ法が好ましいが、薄膜を形
成する場合はＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法が好ましい。

【００３２】

【実施例】本実施例では、図１に示すショットキー障壁
型のＧａＮ系受光素子を実際に製作し、誘電体膜を設け
ない比較例品（従来品）と比較した。

【００３３】Ｃ面サファイア基板（直径２インチウエ
ハ：後の分断によって図１の基板Ｂ１となる）をＭＯＶ
ＰＥ装置に装着し、水素雰囲気下で１１００℃まで昇温
し、サーマルエッチングを行った後、温度を４５０℃ま
で下げ、Ｇａ原料トリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）、
およびＮ原料アンモニアを流し、ＧａＮ低温成長バッフ
ァ層を厚さ３０ｎｍ成長させた（図示せず）。

【００３４】（ｎ型ＧａＮ高キャリア濃度層、ｉ層の形
成）温度を１０００℃に昇温し、ＴＭＧ、アンモニアに
加え、ドーパント材料シランを流し、高キャリア濃度層
としてｎ型ＧａＮ層１を厚さ４．５μｍまで成長させ
た。キャリア濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。さらに、
ドーパントの供給を止め、ＴＭＧ、アンモニアを流し、
アンドープのＧａＮ結晶層（受光波長３６５ｎｍ）を厚
さ１．５μｍまで成長させ、ｉ層２とした。該ｉ層のキ
ャリア濃度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下である。

【００３５】上記ウエハ状の積層構造体を装置から取り
出し、１．２ｍｍ角のチップとすべき部分の外周形状の
内側に沿ってｉ層をエッチングし、中央部分を直径９０
０μｍの円柱状に残し、ｎ型ＧａＮ層１の外周部分を部
分的に露出させた。

【００３６】その後、ｉ層上面に、ショットキー電極と
してＡｕ／Ｎｉからなる透明電極Ｐ２及び環状電極Ｐ２
１を形成した。また、露出した高キャリア濃度層上面に
は、Ａｌ／Ｔｉからなるオーミック電極Ｐ１を形成し
た。

【００３７】その後真空蒸着及びフォトリソグラフィー
技術により、入射面、側面に厚さ１３ｎｍのＬａＦ₃膜
を形成した。

【００３８】以上の工程によって、サファイア基板（ウ
エハ）上に、マトリクス状に繰り返し形成された受光素
子構造を得、これを１．２ｍｍ角の個々のベアチップへ
と分断し、本発明による受光素子を得た。

【００３９】（評価）本実施例で得られた受光素子（実
施例品）と、誘電体膜を設けない比較例品とを、それぞ
れＴＯ−１８ステム台に実装し、バイアス電圧を印可し
ない状態で、波長１５０ｎｍ〜４５０ｎｍにわたって、
受光感度を測定した結果を図３のグラフに示す。実線が
実施例品、破線が比較例品の特性を示している。同図の
グラフのとおり、波長１５０ｎｍ〜３６５ｎｍの範囲に
おいて、常に実施例品が比較例品の２倍以上の受光感度
を示すことがわかった。また、−５Ｖ印加時の暗電流を
計測したところ、比較例品が１ｎＡであったのに対し
て、実施例品は０．５ｎＡに改善されており、表面電流
抑制の効果が明確に現われていた。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、素子構造の側面にも入射
面と同様の誘電体膜を設けることによって、表面電流を
容易にかつ効果的に抑制することができるようになっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による受光素子の一例として、ショット
キー障壁型の受光素子の断面を模式的に示す図である。
同図では、領域を区別するために、電極、誘電体膜にハ
ッチングを施している（他の図も同様である）。

【図２】本発明による受光素子の他の例として、ＰＩＮ
型の受光素子の断面を模式的に示す図である。

【図３】本発明による受光素子の受光感度と、従来の受
光素子の受光感度とを比較するグラフ図である。

【図４】従来の受光素子の一例として、ショットキー障
壁型の受光素子の断面を模式的に示す図である。

【符号の説明】

Ａ誘電体膜Ｂ１結晶基板１半導体結晶層（ｎ型ＧａＮ層）２受光層（ｉ型ＧａＮ層）Ｐ１オーミック電極Ｐ２ショットキー電極

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者岡川広明兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地三菱電線工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者濱村寛東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内 (72)発明者新坂俊輔東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内 (72)発明者野村達士東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内 (72)発明者塩谷英一東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内 (72)発明者元垣内敦司三重県津市江戸橋１丁目102番１号リヴェール津８Ｊ号 (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)発明者福井一俊福井県福井市大願寺１丁目１番33号Ｆターム(参考） 5F049 MA04 MA05 MB01 MB02 MB07 NA01 NA05 NB07 SZ12 WA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】波長４５０ｎｍ以下の光を受光対象光と
する半導体受光素子であって、当該受光素子は、半導体
結晶層からなる積層構造を有し、該積層構造には受光対
象光を受光し得る受光層が含まれており、該積層構造のうちの入射面および少なくとも表面電流の
経路となり得る側面に、該受光対象光の反射を抑制しか
つ透過させる誘電体膜が設けられていることを特徴とす
る、半導体受光素子。
【請求項２】上記積層構造を構成する半導体結晶層
が、ＧａＮ系結晶層、ＺｎＳｅ系結晶層、またはＳｉＣ
結晶層である、請求項１記載の半導体受光素子。
【請求項３】上記誘電体膜が、金属フッ化物からなる
誘電体膜である、請求項１記載の半導体受光素子。