JP2004039913A - 紫外線受光素子および火炎センサ - Google Patents

Abstract

【課題】基板の結晶成長面の格子間隔と受光領域の形成に係る窒化物半導体の格子間隔との間の格子不整合の問題が解決された紫外線受光素子を提供する。
【解決手段】紫外線受光素子が、ＺｒＢ_２基板上に、窒化物緩衝層と、ｎ型窒化物半導体層と、単数または複数の窒化物半導体層とが順次堆積して形成され、一対の電極に挟まれる前記ｎ型窒化物半導体層および前記単数または複数の窒化物半導体層の内の単数または複数の半導体層が受光領域として作用する。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体を用いて作製される紫外線受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的には、検出対象とする波長範囲の光に対して感度を有する材料であれば受光素子として利用することができる。例えば、炭化水素が燃焼した場合に紫外域に現れる発光を選択的に検出することが要求される紫外線受光素子（火炎センサ）の場合には、紫外域に感度を有する材料として、ＡｌＧａＮなどの窒化物半導体が用いられる。ここで、受光領域のデバイス構造としては、ＰＮ接合型やＰＩＮ接合型のフォトダイオード構造、ショットキーダイオード構造、フォトトランジスタ構造などがある。
【０００３】
上述したように、検出対象とする光に感度を有する材料であれば受光素子に使用できるのだが、受光素子としての性能を考慮した場合には幾つかの要求を満たさなければならない。例えば、受光素子に照射される光が微弱である場合には、発生するキャリアの数と、膜中の欠陥準位にトラップされるキャリアの数とが競合するような関係になり、光照射に対する応答速度が非常に遅くなる場合がある。また、トラップされた準位からのキャリアの放出が温度に対して非常に敏感であるため、温度上昇に伴って急激にキャリアの放出が行われて暗電流が増加する場合があることを考慮すると、紫外域の微弱な光を高温条件下で測定する必要がある火炎センサ（紫外線受光素子）にとっては、結晶品質が良好であり、キャリアをトラップする欠陥準位が少ない半導体層を得ることが特に重要な要件となってくる。
【０００４】
更に、受光素子を、例えば紫外域に現われる微弱な火炎の光を感度良く検出する必要がある紫外線受光素子（火炎センサ）として使用する場合、欠陥密度が低く、結晶品質の良好なＡｌＧａＮ層を受光領域として作用させ、紫外線受光素子に発生する暗電流を非常に低いレベルにまで低減することが求められる。これは、暗電流が大きいと、火炎の光を吸収して発生した光電流が暗電流に埋もれてしまう恐れがあるからである。また、印加されるバイアス電圧が大きくなるとともに、暗電流も大きくなるため、結果的に小さいバイアス電圧しか印加することが出来ないという問題にも至る。
【０００５】
同じく火炎の光を感度良く検出する必要があるという課題に関連して、光キャリアを発生させる受光領域には、できるだけ大きい強度の光を入射させることが求められる。従って、受光領域よりも光入射面側には、光吸収や光散乱などによる光損失が極めて小さい半導体層、つまりバンドギャップエネルギが大きく、且つ欠陥密度が低く、結晶品質の良好な半導体層を設けることが必要になる。例を挙げると、受光領域のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶである紫外線受光素子を作製する場合、その受光領域よりも光入射面側に存在する半導体層のバンドギャップエネルギを４．１ｅＶよりも大きく設計し、受光領域に入射する光にとっての透過窓層として作用させ、より大きい強度の光が受光領域に入射するように構成することが必要になる。
【０００６】
従来、受光領域の形成に係る半導体層中の欠陥密度をできるだけ低いレベルにまで低減させるために、サファイアなどの平坦性の高い基板上に、数十ｎｍの厚さで低温堆積された緩衝層（約１０５０℃以下の基板表面温度で成長）を設け、その上に上述のようなデバイス構造の受光領域が設けられた受光素子が作製されている。ここで、低温堆積された緩衝層を設ける理由は、サファイア基板の結晶成長面の格子間隔（約２．７５Å）と、受光領域の形成に係るＡｌＧａＮの格子間隔（約３．１Å〜約３．２Å）との間の格子不整合を緩和し、格子不整合により発生し得る受光領域中の欠陥を少なくさせることにある。
【０００７】
また、基板とデバイス構造との間に単層の緩衝層を設けるのではなく、複数の緩衝層を設ける方法もある。例えば、サファイア基板上に、ＡｌＮからなる低温堆積緩衝層と、ＧａＮからなる結晶改善層と、ＡｌＮからなる低温堆積中間層という多層の下地構造を設け、その上にデバイス構造を設けることで、単層の緩衝層を設けた場合以上に、基板と受光領域との間の格子不整合を緩和することが可能となっている但し、何れの場合もｐ型ＡｌＧａＮはピットが発生しがちで、ｐ型ＡｌＧａＮのドーパントとして使用されるＭｇのメモリー効果（成膜中、Ｍｇ供給ラインを切断しても、配管中の残留Ｍｇが供給されてしまうこと）によって、ｐ型ＡｌＧａＮの上層にｎ型ＡｌＧａＮを成長させるとｎ型ＡｌＧａＮの品質が低下しがちである。他方で、ｎ型ＡｌＧａＮを先に成長させた場合は、Ｍｇによる上述の問題が存在しないため、全体として良好な多層膜を構成できる。更に、実用的な電気特性を有するｐ型ＡｌＧａＮはＡｌＮ組成２０％周辺以下が限界であり、ＡｌＮ組成２０％以上に対応するカットオフ波長を有する短波長の紫外線受光素子や火炎センサを構成する場合、受光領域（Ｉ層や空忙層）のＡｌＮ組成よりも、ｐ型ＡｌＧａＮのＡｌＮ組成は小さくなりがちである。このため、微弱光を検出する受光素子や火炎センサでは、受光面積を大きく確保し、且つｐ層をクラックフリーにすることが求められるが、このためにはＰ層に圧縮応力をかけることが必要となり、短波長の紫外線受光素子（Ｉ層がＡｌＮモル分率２０％以上）の場合には、Ｉ層やＮ層のＡｌＮモル分率をＰ層よりも高くせざるを得ない。このため、まずｎ型ＡｌＧａＮを堆積させ、その上方にｐ型ＡｌＧａＮを堆積させるという積層構造が採られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した多層の下地構造を採用し、基板と受光領域との間の格子不整合を緩和した場合であっても、受光領域の形成に係る半導体層中の欠陥密度を十分には低減させることができない。また、受光領域よりも長波長側に吸収端を有するＧａＮを含む厚い下地構造が受光領域の下方、つまり基板側に存在するため、それを避けて光入射面を受光素子の上面に設定することが必要である。しかし、上述のように、受光領域の上方にはｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２）層が存在するため、受光領域に到達すべき光（例えば、火炎の光などの紫外光）がそのｐ型層によって吸収されるという問題があるため、ｐ型半導体側から入射させると受光素子の高感度化に限界が生じるという問題がある。また、ｐ−ＡｌＧａＮやｐ−ＧａＮを用いた場合には，ｐ型半導体のバンド端から目的感度のカットオフ波長までの帯域に不必要な感度が観測される。この波長はＧａＮの場合は３６０ｎｍ付近まで達する。また、ＡｌＧａＮ自体もｐ型にした場合のアクセプタ不純物が長波長側の感度を発現する原因になっており、約３２５ｎｍよりも短波長側に選択的に感度を有するような紫外線受光素子を作成したとしても、ＡｌＧａＮの組成ずれの影響も加わって、波長３２５ｎｍ〜３６０ｎｍの範囲に強い感度がでてしまうという問題がある。
【０００９】
他方で、上述した単層の下地構造を採用した場合には、光損失の原因となる厚い下地構造は受光領域の下方に存在しないものの、基板の結晶成長面の格子間隔と受光領域の形成に係る窒化物半導体の格子間隔との間の格子不整合の緩和が不十分であることから、受光領域の形成に係る窒化物半導体中の欠陥密度が高く、上述した暗電流の問題や、光キャリアのトラップの問題が解決されない。
【００１０】
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、受光素子の下面から光を入射させることができ、且つ基板の結晶成長面の格子間隔と受光領域の形成に係る窒化物半導体の格子間隔との間の格子不整合の問題が解決された紫外線受光素子を提供する点にある。
【００１１】
【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紫外線受光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、ＺｒＢ_２基板上に、窒化物緩衝層と、ｎ型窒化物半導体層と、単数または複数の窒化物半導体層とが順次堆積して形成され、一対の電極に挟まれる前記ｎ型窒化物半導体層および前記単数または複数の窒化物半導体層の内の単数または複数の半導体層が受光領域として作用する点にある。
【００１２】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光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、前記単数または複数の窒化物半導体層が、前記ｎ型窒化物半導体層と共にＰＮ接合型ダイオードを構成するｐ型窒化物半導体層を有する点にある。
【００１３】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光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、上記第一の特徴構成に加えて、前記単数または複数の窒化物半導体層が、前記ｎ型窒化物半導体層と共にＰＩＮ接合型ダイオードを構成するｉ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する点にある。
【００１４】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光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、上記第一の特徴構成に加えて、前記単数または複数の窒化物半導体層が、前記ｎ型窒化物半導体層上に堆積され、前記電極の一方と共にショットキーダイオードを構成するｉ型窒化物半導体層またはｎ⁻型窒化物半導体層を有する点にある。
【００１５】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光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、上記第二または第三の特徴構成に加えて、前記ｎ型窒化物半導体層がｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を含み、前記ｐ型窒化物半導体層がｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．２≦ｙ≦１）を含む点にある。
【００１６】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光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、上記第五の特徴構成に加えて、前記ｐ型窒化物半導体層が超格子構造である点にある。
【００１７】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光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、上記第三または第四の特徴構成に加えて、前記ｉ型窒化物半導体層がｉ−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０．２≦ｚ≦１）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紫外線受光素子の第八の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項８に記載の如く、上記第四の特徴構成に加えて、前記ｎ⁻型窒化物半導体層がｎ⁻−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０．２≦ｚ≦１）である点にある。
【００１９】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第九の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項９に記載の如く、上記第二、第三、第五、第六の何れかの特徴構成に加えて、前記電極の一方が、前記ｐ型窒化物半導体層上にコンタクト層を介して形成された金属電極を用いて構成される点にある。
【００２０】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第十の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１０に記載の如く、上記第一から第九の何れかの特徴構成に加えて、前記受光領域の形成に係る前記単数または複数の半導体層が、原料を所定の結晶成長面の近傍に搬送するキャリアガスとして水素を用いる気相成長法を用いて堆積される点にある。
【００２１】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第十一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１１に記載の如く、上記第一から第十の何れかの特徴構成に加えて、前記ＺｒＢ_２基板が少なくとも一部分除去されて露出された表面から検出対象光が前記受光領域に入射される点にある。
【００２２】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第十二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１２に記載の如く、上記第十一の特徴構成に加えて、前記ｎ型窒化物半導体層がｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を含み、前記窒化物緩衝層がＡｌ_ｗＧａ_１−ｗＮ（ｘ＜ｗ≦１）を含む点にある。
【００２３】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第十三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１３に記載の如く、上記第一から第十の何れかの特徴構成に加えて、前記ＺｒＢ_２基板と前記窒化物緩衝層とが少なくとも一部分除去されて露出された表面から検出対象光が前記受光領域に入射される点にある。
【００２４】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第十四の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１４に記載の如く、上記第十三の特徴構成に加えて、前記ｎ型窒化物半導体層がｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を含み、前記窒化物緩衝層がＡｌ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０≦ｗ＜ｘ）を含む点にある。
【００２５】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第十五の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１５に記載の如く、上記第十三または第十四の特徴構成に加えて、前記窒化物緩衝層が導電性であり、前記導電性の窒化物緩衝層と前記ｎ型窒化物半導体層との間にエッチングストップ層が更に設けられ、前記導電性の窒化物緩衝層がウェットエッチングにより除去される点にある。
【００２６】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第十六の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１６に記載の如く、上記第十三または第十四の特徴構成に加えて、前記窒化物緩衝層が非導電性であり、前記非導電性の窒化物緩衝層がドライエッチングにより除去される点にある。
【００２７】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第十七の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１７に記載の如く、上記第一から第十六の何れかの特徴構成に加えて、前記電極の一方が、前記ｎ型窒化物半導体層上に形成されたＺｒＢ_２を用いて構成される点にある。
【００２８】
上記課題を解決するための本発明に係る火炎センサの特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１８に記載の如く、請求項１から請求項１７の何れか１項に記載の紫外線受光素子を用いて構成される点にある。
【００２９】
以下に作用並びに効果を説明する。
本発明に係る紫外線受光素子の第一の特徴構成によれば、例えばＡｌＧａＮなどの窒化物半導体層と同等の格子定数を有するＺｒＢ_２を基板材料に採用したことで両者の格子間隔を近づけることができ、更に、ＺｒＢ_２基板と上記窒化物半導体との間に窒化物緩衝層を設けたことで、欠陥密度が低く結晶品質の良好な窒化物半導体層をＺｒＢ_２基板の上方に堆積させることができる。その結果、暗電流のレベルが低く、光を吸収して発生した光キャリアがトラップされる確率が低いことで、微弱な光を感度良く検出可能な紫外線受光素子を提供することができる。
【００３０】
具体的には、窒化物緩衝層の上に堆積されるｎ型窒化物半導体層は、受光領域を形成することもあれば、受光領域へ入射される光の通り道となる場合もある。従って、そのｎ型窒化物半導体層のバンドギャップは様々な値に変更されるのであるが、同時にｎ型窒化物半導体層の格子間隔も変化するため、上記窒化物緩衝層を設けていない場合には、格子間隔に大きな差がないものの、ＺｒＢ_２基板との間で微妙な格子不整合が生じ、結晶品質の良好なｎ型窒化物半導体層が得られない可能性が高くなる。上述したように暗電流のレベルが極めて低く、微弱な光を感度良く検出することが要求されるような紫外線受光素子においては、結晶品質の僅かな差が素子性能に大きな影響を及ぼすため、ＺｒＢ_２基板とｎ型窒化物半導体層との間に上記窒化物緩衝層を設けたことによる効果は大きいといえる。
【００３１】
本発明に係る紫外線受光素子の第二の特徴構成によれば、ｎ型窒化物半導体層上にｐ型窒化物半導体層が堆積されることで形成されるＰＮ接合型ダイオードによってフォトダイオードを構成することができる。
【００３２】
本発明に係る紫外線受光素子の第三の特徴構成によれば、ｎ型窒化物半導体層上にｉ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とが堆積されることで形成されるＰＩＮ接合型ダイオードによってフォトダイオードを構成することができる。
【００３３】
本発明に係る紫外線受光素子の第四の特徴構成によれば、ｎ型窒化物半導体層上に堆積されたｉ型窒化物半導体層またはｎ^―型窒化物半導体層が、上記電極の一方と共にショットキーダイオードを構成し、それをフォトダイオードとして用いることができる。
【００３４】
本発明に係る紫外線受光素子の第五の特徴構成によれば、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）と、ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．２≦ｙ≦１）を含むことで、ｎ−ＡｌＧａＮ層ではカットオフ波長を約２９０ｎｍ〜約２００ｎｍの間に調整することができ、ｐ−ＡｌＧａＮ層ではカットオフ波長を約３１１ｎｍ〜約２００ｎｍの間に調整することができる。その結果、例えば、ｐ−ＡｌＧａＮ層のカットオフ波長よりもｎ−ＡｌＧａＮ層のカットオフ波長の方を短波長側に設定した場合には、ｎ−ＡｌＧａＮ層を、ｐ−ＡｌＧａＮ層に入射する光の窓層として利用することができる。
【００３５】
本発明に係る紫外線受光素子の第六の特徴構成によれば、超格子構造を採用することで、ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．２≦ｙ≦１）においてアルミニウム組成比ｙを大きくした場合であっても、結晶品質の良好な膜を得ることができる。
【００３６】
本発明に係る紫外線受光素子の第七の特徴構成によれば、ｉ−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０．２≦ｚ≦１）を含むことで、そのカットオフ波長を約３１１ｎｍ〜約２００ｎｍの間に調整することができる。その結果、例えば、約３１１ｎｍ以上の光を透過させ、それ以下の光を吸収するｉ型窒化物半導体層を得ることができる。
【００３７】
本発明に係る紫外線受光素子の第八の特徴構成によれば、ｎ⁻−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０．２≦ｚ≦１）を含むことで、そのカットオフ波長を約３１１ｎｍ〜約２００ｎｍの間に調整することができる。その結果、例えば、約３１１ｎｍ以上の光を透過させ、それ以下の光を吸収するｎ⁻型窒化物半導体層を得ることができる。
【００３８】
本発明に係る紫外線受光素子の第九の特徴構成によれば、上記ｐ型窒化物半導体層上にコンタクト層を設け、その上に電極が形成されるので、ｐ型窒化物半導体層と電極との間の電気的な特性をオーミックなものとすることができる。
【００３９】
本発明に係る紫外線受光素子の第十の特徴構成によれば、上記受光領域の形成に係る半導体層が、その原料を結晶成長面の近傍に搬送するキャリアガスとして水素を用いる気相成長法を用いて堆積されるので、得られた膜中に残存し、不純物として作用する酸素の量を低いレベルにまで低減させることができる。
【００４０】
本発明に係る紫外線受光素子の第十一の特徴構成によれば、受光領域に対してＺｒＢ_２基板側から光が入射される際、基板が除去されているので受光領域に入射する光の強度を大きく確保することができる。
【００４１】
本発明に係る紫外線受光素子の第十二の特徴構成によれば、窒化物緩衝層のバンドギャップエネルギが上記ｎ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギよりも大きいので、窒化物緩衝層の除去を行わなくても、受光領域に入射される検出対象光の光強度を確保することができる。
【００４２】
本発明に係る紫外線受光素子の第十三の特徴構成によれば、受光領域に対してＺｒＢ_２基板側から光が入射される際、基板と窒化物緩衝層とが除去されているので受光領域に入射する光の強度を大きく確保することができる。
【００４３】
本発明に係る紫外線受光素子の第十四の特徴構成によれば、窒化物緩衝層のバンドギャップエネルギが上記ｎ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギよりも小さいが、窒化物緩衝層の除去を行うことで、受光領域に入射される検出対象光の光強度を確保することができる。
【００４４】
本発明に係る紫外線受光素子の第十五の特徴構成によれば、前記窒化物緩衝層が導電性であるので、エッチングにより除去したい部位に電流を流しながら上記導電性の窒化物緩衝層を除去するウェットエッチング手法を実施することができる。
【００４５】
本発明に係る紫外線受光素子の第十六の特徴構成によれば、エッチングの実施時間を調整して、そのエッチング深さを調整することができるドライエッチング手法を採用することで、窒化物緩衝層部分を高い精度で除去することができる。
【００４６】
本発明に係る紫外線受光素子の第十七の特徴構成によれば、上記ｎ型窒化物半導体層上に形成される電極がＺｒＢ_２を用いて構成されるので、ｎ型窒化物半導体と電極との間の電気的な特性をオーミックなものとすることができる。
【００４７】
本発明に係る火炎センサの特徴構成によれば、上記紫外線受光素子の第一から第十七の特徴構成によるのと同様に、暗電流のレベルが小さく、微弱な火炎の光の照射を受けた場合であっても、その光の存在を感度良く検出することができる火炎センサを得ることができる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
図１に例示するのは有機金属気相成長法を用いた半導体成長装置の模式図である。
この半導体成長工程においては、原料タンク４に収容された液体の有機化合物がバブラによって気化されて、チャンバ５内部へ搬送される。ここで、原料を搬送するキャリアガスは、キャリアガスタンク１からバルブＶ１、Ｖ２でその流量が調整されて供給される。更に、キャリアガス中に含まれる酸素や水分などの不純物を除去するために、ガス管２の途中にガス純化手段３を設け、チャンバ５内部に酸素や水分が供給されないような対策が施されている。また、原料が気体である場合には、原料タンク８からバルブＶ５で供給量を調整しつつ、チャンバ５に直接供給することもできる。
【００４９】
尚、図１には原料タンク４および原料タンク８を１つずつしか図示していないが、原料またはドーパントが複数必要な場合には、原料タンク４および原料タンク８を複数個接続すればよい。また、チャンバ５へ供給される原料の量を調整する場合には、バルブＶ３の開度を調整すればよい。更に、バルブＶ３を経由してチャンバ５へ供給される原料を希釈する場合には、バルブＶ４の開度を調整すればよい。キャリアガスは原料に対して不活性なガスが使用され、代表的なキャリアガスとしては水素ガスや窒素ガスがある。また、複数のガスを混合してキャリアガスを構成しても構わない。
【００５０】
また、ガス純化手段３の具体的な例としては、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（キャリアガス）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。金属パラジウム膜などの水素透過膜を備えたガス純化手段３に、水素ガスからなるキャリアガスを通過させることで、水素ガス中に含まれる酸素や水などの他の原子および分子が除去され、ガス純化手段３以後のガス管２における不純物濃度を、非常に低いレベルにまで低減させることができる。その結果、不純物含有量が少ない膜を堆積することができる。特に、受光領域の形成に係る半導体層を堆積させる際には、キャリアガスとして水素を用いる気相成長法を実施することで、堆積される膜中に混入する不純物の量を低減し、感度の良い素子を作製することができる。
【００５１】
チャンバ５に供給された原料は、チャンバ５に設けられた原料活性化手段（図示せず）によって活性化された後、基板ホルダ６上に設置された基板７の表面（結晶成長面）に堆積する。原料活性化手段の例としては加熱手段、プラズマ発生手段、光照射手段など、原料にエネルギを与える様々な手段が使用される。また、上述の原料活性化手段とは別に、基板ホルダ６に基板温度調整手段（図示せず）が設けられており、基板７の温度を調整することができるように構成されている。
【００５２】
以上のような半導体成長装置を使用して、以下に説明するような素子構造の紫外線受光素子が作製される。
図２（ａ）に示す紫外線受光素子は、ＺｒＢ_２基板１０上に、窒化物緩衝層１１と、ｎ型窒化物半導体層１３と、受光領域として作用するｉ型窒化物半導体層１４と、ｐ型窒化物半導体層１５と、コンタクト層１６とが順次堆積され、コンタクト層１６とｐ型窒化物半導体層１５とｉ型窒化物半導体層１４とｎ型窒化物半導体層１３とを部分的にドライエッチングにより除去することにより露出されたｎ型窒化物半導体層１３の表面に電極１７を形成し、コンタクト層１６の表面に電極１８を形成することで得られる。尚、ここではＰＩＮ接合フォトダイオードの紫外線受光素子について例示するが、後述するようなＰＮ接合型やショットキーダイオード型のフォトダイオードにも適用可能である。
【００５３】
具体的には、窒化物緩衝層１１は低温堆積成長により得られるＡｌＮであり、ｎ型窒化物半導体層１３は単結晶のｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）（厚さ１μｍ）であり、ｉ型窒化物半導体層１４はアンドープの単結晶Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）（厚さ０．１〜０．２μｍ）であり、ｐ型窒化物半導体層１５は単結晶のｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）（厚さ８０ｎｍ）であり、コンタクト層１６はｐ−ＧａＮ（厚さ２０ｎｍ）である。また、電極１７にはｎ型窒化物半導体層１３との間でオーミックな接触を形成することのできる材料としてＺｒＢ_２を用い、電極１８にはコンタクト層１６との間でオーミックな接触を形成することのできる材料としてＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等の金属電極を用いる。電極１７としてＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等の金属電極を用いてもよい。尚、窒化物緩衝層１１の材料としてはＡｌ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０≦ｗ≦１）を使用することができ、その際には、ｎ型窒化物半導体層１３よりもバンドギャップエネルギを大きく設計するために、ｗ＞ｘとなるようなアルミニウム組成比が採用されている。
【００５４】
また、本実施形態では、ｐ型窒化物半導体層１５と電極１８との間の電気的な特性をオーミックなものとするためにコンタクト層１６を介在させたのであり、ｐ型窒化物半導体層１５と電極１８との間の電気的な特性がオーミックなものとなるのであればコンタクト層１６を設けなくても構わない。或いは、必ずしもｐ型窒化物半導体層１５と電極１８との間の電気的な特性をオーミックな状態とする必要はない。例えば、電極１８とコンタクト層１６との間の空乏層と、受光領域（空乏領域）とが互いに干渉しないのであれば、電極１８とコンタクト層１６との間にショットキー接合が形成されていたとしても紫外線受光素子としての性能を発揮させることができる。更に、電極１７として用いるＺｒＢ_２の上部にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等からなる単層または複数層の金属を堆積させて、ＺｒＢ_２を保護するように構成することもできる。
【００５５】
以上のように、各窒化物半導体層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）の格子間隔（約３．１Å〜約３．２Å）と同等な格子定数を有するＺｒＢ_２（ｃ軸に垂直方向の格子定数が３．１６７Å）を基板として採用し、更に、それらの間には両者の格子不整合を緩和することのできる窒化物緩衝層１１を設けたことで、欠陥密度が低く結晶品質の良好な窒化物半導体層を得ることができる。従って、暗電流のレベルが低く、光を吸収して発生した光キャリアがトラップされる確率が低い紫外線受光素子を提供することができる。
【００５６】
次に、上述の各窒化物半導体層の成長方法について説明する。
上述の窒化物緩衝層１１、ｎ型窒化物半導体層１３、ｉ型窒化物半導体層１４、ｐ型窒化物半導体層１５、およびコンタクト層１６は、アルミニウム原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）やトリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）を使用し、ガリウム原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）やトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を使用し、窒素原料としてはアンモニア（ＮＨ_３）を使用し、それらの原料をチャンバ５に供給して基板上に堆積される。その際、良好な膜が得られるようにチャンバ５内の温度や基板上の温度なども調整される。ドーパントとしてはシランガスなどが使用される。また、堆積される化合物の組成を調整する場合には、チャンバに供給される原料の量を調整すればよい。
【００５７】
図２（ａ）に例示した構造の素子を作製した後、受光領域（ｉ型窒化物半導体層１４）への光の通り道を確保するためにＺｒＢ_２基板１０を除去する工程が行われる。図２（ｂ）に示すのは、ＺｒＢ_２基板１０を全面にわたって除去することで、露出された窒化物緩衝層（ＡｌＮ）１１の表面を受光面とし、その受光面に照射された光が窒化物緩衝層１１およびｎ型窒化物半導体層１３を透過して受光領域（ｉ型窒化物半導体層１４）に入射し、そこで吸収される形態の紫外線受光素子である。また、図２（ｃ）に示すのは、窒化物緩衝層１１が導電性である場合に採り得る構造であり、ＺｒＢ_２基板１０の一部分を除去することで部分的に露出されたｎ型窒化物半導体層１３の表面を受光面とする形態の紫外線受光素子である。図２（ｂ）および図２（ｃ）に示した構造の紫外線受光素子を作製する際のＺｒＢ_２基板１０のエッチング方法には、ＨＦ／ＨＮＯ_３混合溶液を用いたウェットエッチングと、ガスを用いたドライエッチングとがある。
【００５８】
図２（ｃ）に例示したように、ＺｒＢ_２基板１０を部分的に除去する場合には、まず、ＺｒＢ_２基板１０上にマスクを形成し、マスクされていない部分のＺｒＢ_２基板を上述のウェットエッチングまたはドライエッチングにより除去し、その後、ＺｒＢ_２基板１０上のマスクを取り外し、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属からなる電極１９を残されたＺｒＢ_２基板１０上に形成することで、導電性のＺｒＢ_２基板１０を介して、ｎ型窒化物半導体層１３と電極１９との間の電気的な特性をオーミックな状態とすることができる。つまり、ＺｒＢ_２基板１０を電極の一部とする構成を採用している。ここでも、ＺｒＢ_２基板１０上にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等からなる単層または複数層の金属を堆積させて、ＺｒＢ_２を保護するように構成することもできる。図２（ｃ）に示すように、電極１９を基板１０側に設けることで、図２（ｂ）とは異なり、コンタクト層１６とｐ型窒化物半導体層１５とｉ型窒化物半導体層１４とｎ型窒化物半導体層１３とを部分的にドライエッチングにより除去することが不要となる。尚、上述の実施形態で説明した他の酸でも同様の効果が得られる場合は、それを使用することができる。
【００５９】
次に、紫外線受光素子の特性について説明する。
図４に示すのはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）においてアルミニウム組成比ｘとバンドギャップエネルギ：Ｅｇ（ｅＶ）との一般的な関係を示すグラフである。図示するように、堆積されるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのアルミニウム組成比ｘを調整することで、受光領域として作用するｉ型窒化物半導体層１４のバンドギャップエネルギを調整可能であり、その結果、図２に例示したようなＰＩＮ接合型の紫外線受光素子において、所定の波長にカットオフ波長を設定することができる。
【００６０】
図３に示すのは、メタンを燃焼させた際に発生する火炎の発光スペクトルと、太陽光のスペクトルと、照明機器などによる室内光のスペクトルである。火炎の発光スペクトルにはＯＨラジカルの発光に起因する３１０ｎｍ付近のピークが最も大きく見られ、そのピークのすそが波長約３４０ｎｍ付近にまで広がっている。また、短波長側には波長約２７０ｎｍ付近の小さなピークと、波長約２８０ｎｍ〜波長約３００ｎｍに見られるピークとが存在する。従って、火炎の発光のみを感度良く検出するためには、紫外線受光素子において吸収される光に含まれる火炎の光強度をできるだけ大きくし、逆に吸収される光に含まれる太陽光および室内光の光強度をできるだけ小さくすればよい。例えば、吸収される光に含まれる火炎の光強度の割合を大きくするために、上述したピーク波長付近に受光層のバンドギャップエネルギを設定すること、或いは、紫外線受光素子の光入射側に光フィルタを装着して太陽光や室内光を遮断することなどが行われる。尚、ここに記載した火炎の発光スペクトルは燃焼されるガスの成分などによって変化することもある。
【００６１】
以下に、火炎の光を検出対象光とした場合の紫外線受光素子（火炎センサ）において、各窒化物半導体層のバンドギャップエネルギについて説明する。
まず、ｉ型窒化物半導体層１４（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ：０≦ｚ≦１）のバンドギャップエネルギを所望の値に設定するために、そのアルミニウム組成比ｚを調整することが行われる。例えば、波長約３４４ｎｍ以下の波長域に広がる検出対象波長域にあ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、受光領域（ｉ型窒化物半導体層１４）のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上となることで、３．６ｅＶ以上のエネルギを有する光が選択的に吸収されるように、アルミニウム組成比ｚ＝０．０５、或いはそれ以上となるように成膜される。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、検出対象波長域にある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、受光領域（ｉ型窒化物半導体層１４）のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上となることで、４．１ｅＶ以上のエネルギを有する光が選択的に吸収されるように、アルミニウム組成比ｚ＝０．２５、或いはそれ以上となるように成膜される。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、検出対象波長域にある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、受光領域（ｉ型窒化物半導体層１４）のバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上となることで、４．４ｅＶ以上のエネルギを有する光が選択的に吸収されるように、アルミニウム組成比ｚ＝０．３７、或いはそれ以上となるように成膜される。
【００６２】
或いは、弱い光強度であれば太陽光などの外乱光が受光領域において吸収されても構わない場合には、受光領域（ｉ型半窒化物導体層１４）のバンドギャップエネルギが４．３ｅＶ以上（波長約２９０ｎｍ以下）となることで、４．３ｅＶ以上のエネルギを有する光が選択的に吸収されるように、アルミニウム組成比ｚ＝０．３１、或いはそれ以上となるように成膜される。波長約２９０ｎｍ以下では図３に示すようにそれらの外乱光の光強度が非常に小さくなり、他方で火炎の光は大きいので、結果として火炎の光が存在することを検知することができる。
【００６３】
更に、火炎センサとして使用される紫外線受光素子が給湯器内部やエンジン内部などの閉鎖空間に設置され、そこでの火炎の発光を検出したい場合には、上述した室内光や太陽光が存在しないため、それらの存在を考慮する必要はない。そのため、検出対象波長域にある火炎の光の中でも特に炭化水素を含む化合物（都市ガスに含まれるメタンや、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３１０ｎｍ（３１０ｎｍ±１０ｎｍ）：４．０ｅＶ）の光を選択的に受光することのできる紫外線受光素子を作製する場合には、受光領域のバンドギャップエネルギを４．０ｅＶ付近に設定し、約４．０ｅＶ以下のエネルギを有する光が選択的に吸収されるように、アルミニウム組成比ｘ＝０．２３となるように成膜すればよい。
【００６４】
従って、図２に示した紫外線受光素子を火炎センサに使用する場合を想定すると、受光領域の形成に係るｉ型窒化物半導体層（ｉ−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ）１４のアルミニウム組成比は０．２≦ｚ≦１であることが好ましく、受光領域にとっての透過窓層として作用させるｎ型窒化物半導体層（ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）１３のアルミニウム組成比は０．３≦ｘ≦１であることが好ましく、そして、ｐ型窒化物半導体層（ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）１５のアルミニウム組成比は０．２≦ｙ≦１であることが好ましい。
【００６５】
また、受光領域のバンドギャップエネルギを調整するだけでなく、受光領域の光入射面側（本実施形態では基板側）に配置される半導体層のバンドギャップエネルギが、受光領域のバンドギャップエネルギ以上であるように構成し、光損失の少ない窓層として作用させることも行われる。言い換えると、ｎ型窒化物半導体層（ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）１３のバンドギャップエネルギを、受光領域として作用するｉ型窒化物半導体層（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ）１４のバンドギャップエネルギ以上に設定したヘテロ構造を採用することで、ｉ型窒化物半導体層１４で吸収されるべき波長範囲の光が、ｎ型窒化物半導体層１３で光吸収や光散乱などによる光損失を被らないように設計することができる。この場合、アルミニウム組成比ｘ、ｚの関係は、ｘ＞ｚである。
【００６６】
例えば、ｎ型窒化物半導体層（ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）１３のアルミニウム組成比ｘ＝０．３とした場合には、波長約２９０ｎｍ以上の光をｉ型窒化物半導体層１４側に良好に透過させることができる。更に、ｎ型窒化物半導体層１３においては、波長約２９０ｎｍよりも短い波長の光を吸収するため、ｉ型窒化物半導体層（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ）１４のアルミニウム組成比をｚ＝０．２とした場合には、ｉ型窒化物半導体層１４において波長約２９０ｎｍ〜約３１０ｎｍの光を選択的に吸収する紫外線受光素子が得られる。
【００６７】
上述のように、受光領域の形成に係る半導体層のバンドギャップエネルギと、それよりも光入射面側に配置される半導体層のバンドギャップエネルギとを調整することで、所定の波長範囲の光を選択的に吸収し、光キャリアを発生させる紫外線受光素子を作製することができる。このような紫外線受光素子の応用例としては、ＵＶ−Ａ（波長３１５ｎｍ〜波長４００ｎｍ）、ＵＶ−Ｂ（波長２８０ｎｍ〜波長３１５ｎｍ）、ＵＶ−Ｃ（波長２８０ｎｍ〜波長１００ｎｍ）といった波長範囲に存在する紫外線の強度を測定するための素子が挙げられる。
【００６８】
例えば、ＵＶ−Ｂの光を選択的に検出する紫外線受光素子を作製する場合には、ｎ型窒化物半導体層１３のバンドギャップエネルギをＵＶ−Ｂの短波長端である約４．４ｅＶ（波長２８０ｎｍ）に設定し、受光領域の形成に係るｉ型窒化物半導体層１４のバンドギャップエネルギをＵＶ−Ｂの長波長端である約３．９ｅＶ（波長３１５ｎｍ）に設定すればよい。上述の条件は、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのアルミニウム組成比ｘを約０．３５とし、ｉ−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮのアルミニウム組成比ｚを約０．１９とすることで満たされる。つまり、ＵＶ−Ｂの波長範囲である３５ｎｍの範囲の光を選択的に検出するためには、ｘ＝ｚ＋０．１６となるように各アルミニウム組成比ｘ、ｚを調整すればよい。
【００６９】
次に、図２に例示した紫外線受光素子の改変例について説明する。
図５に示すのは、上述の実施形態に説明したｐ型窒化物半導体層１５が超格子構造で作製された場合の素子構造例であり、図２に例示した紫外線受光素子の作製工程と同様に、ＺｒＢ_２基板１０上に、窒化物緩衝層１１と、ｎ型窒化物半導体層１３と、受光領域として作用するｉ型窒化物半導体層１４と、超格子構造のｐ型窒化物半導体層２０と、コンタクト層１６とが順次堆積され、コンタクト層１６とｐ型窒化物半導体層２０とｉ型窒化物半導体層１４とｎ型窒化物半導体層１３とを部分的にドライエッチングにより除去することで露出されたｎ型窒化物半導体層１３の表面に電極１７を形成し、コンタクト層１６の表面に電極１８を形成し、更に、ＺｒＢ_２基板１０をエッチングにより除去することで得られる。そして、窒化物緩衝層１１表面を光入射面とし、受光領域として作用するｉ型窒化物半導体層１４に光を導入する。
【００７０】
具体的には、窒化物緩衝層１１はＡｌＮ（またはＡｌ_ｗＧａ_１−ｗＮ（ｘ＜ｗ≦１））であり、ｎ型窒化物半導体層１３は単結晶のｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）（厚さ１μｍ）であり、ｉ型窒化物半導体層１４はアンドープの単結晶Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）（厚さ０．１〜０．２μｍ）であり、超格子構造のｐ型窒化物半導体層２０はｐ−ＧａＮ層２０ａ（厚さ３ｎｍ）とＡｌＮ層２０ｂ（厚さ２ｎｍ）とが交互に複数層堆積された層であり、コンタクト層１６はｐ−ＧａＮ（厚さ２０ｎｍ）である。また、電極１７にはｎ型窒化物半導体層１３との間でオーミックな接触を形成することのできる材料としてＺｒＢ_２を用い、電極１８にはコンタクト層１６との間でオーミックな接触を形成することのできる材料としてＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等の金属電極を用いる。
【００７１】
図中では例示目的のため、ｐ−ＧａＮ層２０ａとＡｌＮ層２０ｂとを２層ずつしか描いていないが、ｐ型窒化物半導体層２０をｐ−ＧａＮ層２０ａ（厚さ３ｎｍ）とＡｌＮ層２０ｂ（厚さ２ｎｍ）とを１６層ずつ交互に堆積させた場合には、得られる超格子構造のｐ型窒化物半導体層２０を厚さが８０ｎｍのｐ−Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎ層と見なすことができる。従って、ｉ型窒化物半導体層１４に隣接するｐ型窒化物半導体層２０のバンドギャップエネルギを約４．５ｅＶに設定することができるので、ｉ型窒化物半導体層１４を含む空乏領域がｐ型窒化物半導体層２０側にまで広がっていたとしても、ｐ型窒化物半導体層２０による感度が、ｉ型半導体層１４による感度を低下させることもない。上述のｐ−ＧａＮ層とＡｌＮ層とが交互に堆積された超格子構造のｐ型窒化物半導体層の代わりに、ｐ−ＡｌＧａＮ層とＡｌＮ層とが交互に堆積された超格子構造のｐ型窒化物半導体層２０や、ｐ−ＡｌＧａＮ層とＡｌＮ層とが交互に堆積された超格子構造のｐ型窒化物半導体層や、ｐ−ＡｌＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とが交互に堆積された超格子構造のｐ型窒化物半導体層などを用いても同様である。
【００７２】
尚、本実施形態でも同様に、ｐ型窒化物半導体層２０と電極１８との間の電気的な特性をオーミックなものとするためにコンタクト層１６を介在させたのであり、ｐ型窒化物半導体層２０と電極１８との間の電気的な特性がオーミックなものとなるのであればコンタクト層１６を設けなくても構わない。或いは、必ずしもｐ型窒化物半導体層２０と電極１８との間の電気的な特性をオーミックな状態とする必要はない。例えば、電極１８とコンタクト層１６との間の空乏層と、受光領域（空乏領域）とが互いに干渉しないのであれば、電極１８とコンタクト層１６との間にショットキー接合が形成されていたとしても紫外線受光素子としての性能を発揮させることができる。更に、電極１７として用いるＺｒＢ_２の上部にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等からなる単層または複数層の金属を堆積させて、ＺｒＢ_２を保護するように構成することもできる。
【００７３】
受光領域の形成に係る半導体層および窓層のバンドギャップエネルギの調整については、図２を参照して説明したのと同様に、検出対象とする光の波長に応じてｎ型窒化物半導体層（ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）１３およびｉ型窒化物半導体層（ｉ−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ）１４のアルミニウム組成比ｘ、ｚを調整して行うことができる。各半導体層の成長方法は上述したのと同様である。また、図２（ｃ）と同様の構造の紫外線受光素子を作製することもできる。
【００７４】
図６に示すのはフォトトランジスタ型の紫外線受光素子の断面図であり、図２に例示した紫外線受光素子の作製工程と同様に、ＺｒＢ_２基板１０上に、窒化物緩衝層１１と、ｎ型窒化物半導体層１３（エミッタ）と、超格子構造のｐ型窒化物半導体層２１と、受光領域として作用するｉ型窒化物半導体層１４と、ｎ型窒化物半導体層２２（コレクタ）とが順次堆積され、ｎ型窒化物半導体層２２とｉ型窒化物半導体層１４とｐ型窒化物半導体層２１とｎ型窒化物半導体層１３とを部分的にドライエッチングにより除去することで露出されたｎ型窒化物半導体層１３の表面に電極１７を形成し、ｎ型窒化物半導体層２２の表面に電極１８を形成し、更に、ＺｒＢ_２基板１０をエッチングにより除去することで得られる。そして、露出された窒化物緩衝層１１の表面を光入射面とし、受光領域として作用するｉ型窒化物半導体層１４に光を導入する。
【００７５】
具体的には、窒化物緩衝層１１はＡｌＮ（またはＡｌ_ｗＧａ_１−ｗＮ（ｘ＜ｗ≦１））であり、ｎ型窒化物半導体層１３は単結晶のｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）（厚さ１μｍ）であり、超格子構造のｐ型窒化物半導体層２１はｐ−ＧａＮ層２１ａ（厚さ３ｎｍ）とＡｌＮ層２１ｂ（厚さ２ｎｍ）とが交互に複数層堆積された層であり、ｉ型窒化物半導体層１４はアンドープの単結晶Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）（厚さ０．１〜０．２μｍ）であり、ｎ型窒化物半導体層２２は単結晶のｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）（厚さ１μｍ）である。また、電極１７にはｎ型窒化物半導体層１３との間でオーミックな接触を形成することのできる材料としてＺｒＢ_２を用い、電極１８にはｎ型窒化物半導体層２２との間でオーミックな接触を形成することのできる材料としてＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等の金属電極を用いる。
【００７６】
図中では例示目的のため、ｐ−ＧａＮ層２１ａとＡｌＮ層２１ｂとを２層ずつしか描いていないが、ｐ型窒化物半導体層２１をｐ−ＧａＮ層２１ａ（厚さ３ｎｍ）とＡｌＮ層２１ｂ（厚さ２ｎｍ）とを１６層ずつ交互に堆積させた場合には、得られる超格子構造のｐ型窒化物半導体層２１を厚さが８０ｎｍのｐ−Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ｎ層と見なすことができる。従って、ｉ型窒化物半導体層１４に隣接するｐ型窒化物半導体層２１のバンドギャップエネルギを約４．５ｅＶに設定することができるので、ｉ型窒化物半導体層１４を含む空乏領域がｐ型窒化物半導体層２１側にまで広がっていたとしても、ｐ型窒化物半導体層２１による感度が、ｉ型半導体層１４による感度を低下させることもない。上述のｐ−ＧａＮ層とＡｌＮ層とが交互に堆積された超格子構造のｐ型窒化物半導体層の代わりに、ｐ−ＡｌＧａＮ層とＡｌＮ層とが交互に堆積された超格子構造のｐ型窒化物半導体層２１や、ｐ−ＡｌＧａＮ層とＡｌＮ層とが交互に堆積された超格子構造のｐ型窒化物半導体層や、ｐ−ＡｌＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とが交互に堆積された超格子構造のｐ型窒化物半導体層などを用いても同様である。
【００７７】
受光領域の形成に係る半導体層および窓層のバンドギャップエネルギについては、図２を参照して説明したのと同様に、検出対象とする光の波長に応じて調整することができる。各半導体層の成長方法は上述したのと同様である。更に、図６中では超格子構造のｐ型窒化物半導体層２１を用いたが、単層のｐ型窒化物半導体層いてフォトトランジスタを形成することもできる。また、図２（ｃ）と同様の構造の紫外線受光素子を作製することもできる。
【００７８】
上述の実施形態では、窒化物緩衝層１１が、受光領域で吸収されるべき検出対象とする光を透過させる特性を有するような材料、つまり受光領域およびｎ型窒化物半導体層１３のバンドギャップエネルギよりも大きなバンドギャップエネルギを有する材料（ＡｌＮ）を用いていたが、以下の実施形態では窒化物緩衝層１１が、受光領域で吸収されるべき検出対象とする光を透過させることができない場合の例について説明する。
【００７９】
図７（ａ）に示す紫外線受光素子は、ＺｒＢ_２基板１０上に、窒化物緩衝層１１と、エッチングストップ層１２と、ｎ型窒化物半導体層１３と、ｉ型窒化物半導体層１４と、ｐ型窒化物半導体層１５と、コンタクト層１６とが順次堆積され、コンタクト層１６とｐ型窒化物半導体層１５とｉ型窒化物半導体層１４とｎ型窒化物半導体層１３とを部分的にドライエッチングにより除去することにより露出されたｎ型窒化物半導体層１３の表面に電極１７を形成し、コンタクト層１６の表面に電極１８を形成することで得られる。
【００８０】
具体的には、検出対象とする光を透過させることができない特性を有する窒化物緩衝層１１は、不純物が混入されたＧａＮやＡｌ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０＜ｗ＜ｘ）であり、エッチングストップ層１２はアンドープの単結晶ＡｌＧａＮ（厚さ２００ｎｍ）であり、ｎ型窒化物半導体層１３は単結晶のｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）（厚さ１μｍ）であり、ｉ型窒化物半導体層１４はアンドープの単結晶Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）（厚さ０．１〜０．２μｍ）であり、ｐ型窒化物半導体層１５は単結晶のｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）（厚さ８０ｎｍ）であり、コンタクト層１６はｐ−ＧａＮ（厚さ２０ｎｍ）である。また、電極１７にはｎ型窒化物半導体層１３との間でオーミックな接触を形成することのできる材料としてＺｒＢ_２を用い、電極１８にはコンタクト層１６との間の特性をオーミックなものとすることのできる材料としてＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等の金属電極を用いる。ここで、エッチングストップ層１２は受光領域で吸収されるべき検出対象光に対して透明である。
【００８１】
尚、本実施形態では、ｐ型窒化物半導体層１５と電極１８との間の電気的な特性をオーミックなものとするためにコンタクト層１６を介在させたのであり、ｐ型窒化物半導体層１５と電極１８との間の電気的な特性がオーミックなものとなるのであればコンタクト層１６を設けなくても構わない。或いは、必ずしもｐ型窒化物半導体層１５と電極１８との間の電気的な特性をオーミックな状態とする必要はない。例えば、電極１８とコンタクト層１６との間の空乏層と、受光領域（空乏領域）とが互いに干渉しないのであれば、電極１８とコンタクト層１６との間にショットキー接合が形成されていたとしても紫外線受光素子としての性能を発揮させることができる。更に、電極１７として用いるＺｒＢ_２の上部にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等からなる単層または複数層の金属を堆積させて、ＺｒＢ_２を保護するように構成することもできる。
【００８２】
更に、図７（ｂ）に示すようにＺｒＢ_２基板１０および窒化物緩衝層１１を除去することで、露出されたエッチングストップ層１２の表面を受光面とし、その受光面に照射された光が受光領域（ｉ型窒化物半導体層１４）に入射して吸収される形態の紫外線受光素子が提供される。また、図７（ｃ）に示すように、ＺｒＢ_２基板１０および窒化物緩衝層１１の一部分を除去することで受光面を形成することもできる。ここで、ＺｒＢ_２基板１０と共に窒化物緩衝層１１をエッチングにより除去するのは、ここで使用されているＧａＮ（窒化物緩衝層１１）による光吸収が発生し、受光領域に到達する光の強度が減少することで、結果的に、紫外線受光素子の感度が低下してしまうことを防止するためである。
【００８３】
ここで図７（ｂ）に示した構造の紫外線受光素子を作製する際には、まず、ＺｒＢ_２基板１０は、ＨＦ／ＨＮＯ_３混合溶液を用いたウェットエッチングにより除去することができる。次に説明するように、窒化物緩衝層１１が導電性である場合と、非導電性である場合とで、その窒化物緩衝層１１のエッチング方法が異なる。
【００８４】
まず、窒化物緩衝層１１が導電性である場合には、ＫＯＨ溶液中で紫外線（例えば、水銀ランプ）照射を行いながら電流を流すというウェットエッチングを実施して窒化物緩衝層１１を除去することができる。その際、ここで用いられるウェットエッチングに対する特性が同様である窒化物を用いた窒化物緩衝層１１とｎ型窒化物緩衝層１３との間には窒化物緩衝層１１よりもエッチング速度が遅いエッチングストップ層１２が設けられていることから、エッチング実施時間を調整することで、エッチングがｎ型窒化物半導体層１３に大きく及ぶことが防止される。他方で、窒化物緩衝層１１が非導電性である場合には、例えばＣｌとＡｒの混合ガスなどを用いてドライエッチングを実施して窒化物緩衝層１１を除去することができる。従って、ドライエッチングを実施する場合には、エッチングストップ層１２が必須であるわけではない。
【００８５】
また、窒化物緩衝層１１が導電性である場合には、図７（ｃ）に例示するような構造の紫外線受光素子を作製することもできる。詳細には、図７（ｃ）に例示したように、ＺｒＢ_２基板１０と窒化物緩衝層１１とを部分的に除去する場合には、まず、ＺｒＢ_２基板１０上にマスクを形成し、マスクされていない部分のＺｒＢ_２基板および窒化物緩衝層１１が除去される。その後、ＺｒＢ_２基板１０上のマスクを取り外し、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属からなる電極１９がＺｒＢ_２基板１０上に形成される。つまり、窒化物緩衝層１１が導電性であることを利用して、ＺｒＢ_２基板１０を電極の一部とする構成を採用している。ここでも、ＺｒＢ_２基板１０上にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等からなる単層または複数層の金属を堆積させて、ＺｒＢ_２を保護するように構成することもできる。
【００８６】
次に、図８（ａ）に示すのはＰＮ接合フォトダイオード型の紫外線受光素子の断面図であり、図７に例示した紫外線受光素子の作製工程と同様に、ＺｒＢ_２基板１０上に、窒化物緩衝層１１と、エッチングストップ層１２と、ｎ型窒化物半導体層１３と、ｐ型窒化物半導体層１５と、コンタクト層１６とが順次堆積され、コンタクト層１６とｐ型窒化物半導体層１５とｎ型窒化物半導体層１３とを部分的にドライエッチングにより除去することで露出されたｎ型窒化物半導体層１３の表面に電極１７を形成し、コンタクト層１６の表面に電極１８を形成し、更に、ＺｒＢ_２基板１０と窒化物緩衝層１１とをエッチングにより除去し、露出された表面が受光面とされる。図７（ｂ）に例示した紫外線受光素子との違いは、ＰＮ接合の界面に形成される空乏層が受光領域として作用することである。
【００８７】
具体的には、窒化物緩衝層１１はＧａＮであり、エッチングストップ層１２はｉ−ＡｌＧａＮ（厚さ２００ｎｍ）であり、ｎ型窒化物半導体層１３は単結晶のｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）（厚さ１μｍ）であり、ｐ型窒化物半導体層１５は単結晶のｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）（厚さ８０ｎｍ）であり、コンタクト層１６はｐ−ＧａＮ（厚さ２０ｎｍ）である。また、電極１７にはｎ型窒化物半導体層１３との間でオーミックな接触を形成することのできる材料としてＺｒＢ_２を用い、電極１８にはコンタクト層１６との間でオーミックな接触を形成することのできる材料としてＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等の金属電極を用いる。尚、本実施形態でも同様に、ｐ型窒化物半導体層１５と電極１８との間の電気的な特性をオーミックなものとするためにコンタクト層１６を介在させたのであり、ｐ型窒化物半導体層１５と電極１８との間の電気的な特性がオーミックなものとなるのであればコンタクト層１６を設けなくても構わない。或いは、必ずしもｐ型窒化物半導体層１５と電極１８との間の電気的な特性をオーミックな状態とする必要はない。例えば、電極１８とコンタクト層１６との間の空乏層と、受光領域（空乏領域）とが互いに干渉しないのであれば、電極１８とコンタクト層１６との間にショットキー接合が形成されていたとしても紫外線受光素子としての性能を発揮させることができる。更に、電極１７として用いるＺｒＢ_２の上部にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等からなる単層または複数層の金属を堆積させて、ＺｒＢ_２を保護するように構成することもできる。
【００８８】
図８（ｂ）に示すのも図８（ａ）に例示したのと同様のＰＮ接合フォトダイオード型の紫外線受光素子の断面図であり、図２に例示した紫外線受光素子の作製工程と同様に、ＺｒＢ_２基板１０上に、導電性の窒化物緩衝層１１と、エッチングストップ層１２と、ｎ型窒化物半導体層１３と、ｐ型窒化物半導体層１５と、コンタクト層１６とが順次堆積され、コンタクト層１６の表面に電極１８を形成し、更に、ＺｒＢ_２基板１０と窒化物緩衝層１１とをエッチングにより部分的に除去することで露出した表面を受光面とし、残されたＺｒＢ_２基板１０上にＡｌ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属からなる電極１９を形成することで得られる。つまり、窒化物緩衝層１１が導電性であることを利用して、ＺｒＢ_２基板１０を電極の一部とする構成を採用している。ここでも、ＺｒＢ_２基板１０上にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等からなる単層または複数層の金属を堆積させて、ＺｒＢ_２を保護するように構成することもできる。
【００８９】
受光領域の形成に係る半導体層のバンドギャップエネルギの調整については、図２を参照して説明したのと同様に、検出対象とする光の波長に応じてｎ型窒化物半導体層（ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）１３およびｐ型窒化物半導体層（ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）１５のアルミニウム組成比ｘ、ｙを調整して行うことができる。各半導体層の成長方法は上述したのと同様である。
【００９０】
図９（ａ）に示すのはショットキーダイオード型の紫外線受光素子の断面図であり、図７に例示した紫外線受光素子の作製工程と同様に、ＺｒＢ_２基板１０上に、窒化物緩衝層１１と、エッチングストップ層１２と、ｎ型窒化物半導体層１３と、受光領域として作用するｉ型窒化物半導体層１４とが順次堆積され、ｉ型窒化物半導体層１４とｎ型窒化物半導体層１３とを部分的にドライエッチングにより除去することで露出されたｎ型窒化物半導体層１３の表面に電極１７を形成し、ｉ型窒化物半導体層１４の表面に電極１８を形成することで得られる。ここで、高抵抗のｉ型窒化物半導体層１４と電極１８との間にはショットキー接合が形成されている。
【００９１】
具体的には、窒化物緩衝層１１はＧａＮであり、エッチングストップ層１２はｉ−ＡｌＧａＮ（厚さ２００ｎｍ）であり、ｎ型窒化物半導体層１３は単結晶のｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）（厚さ１μｍ）であり、ｉ型窒化物半導体層１４はアンドープの単結晶Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）（厚さ０．１〜０．２μｍ）である。また、電極１７にはｎ型窒化物半導体層１３との間の電気的な特性をオーミックなものすることのできる材料としてＺｒＢ_２を用いる。更に、電極１７として用いるＺｒＢ_２の上部にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等からなる単層または複数層の金属を堆積させて、ＺｒＢ_２を保護するように構成することもできる。
【００９２】
図９（ｂ）に示すのも同じくショットキーダイオード型の紫外線受光素子の断面図であり、図７に例示した紫外線受光素子の作製工程と同様に、ＺｒＢ_２基板１０上に、導電性の窒化物緩衝層１１と、エッチングストップ層１２と、ｎ型窒化物半導体層１３と、受光領域として作用するｉ型窒化物半導体層１４とが順次堆積され、ｉ型窒化物半導体層１４の表面に電極１８（ショットキー電極）を形成し、更に、ＺｒＢ_２基板１０と窒化物緩衝層１１とをエッチングにより部分的に除去することで露出した表面を受光面とし、残されたＺｒＢ_２基板１０上にＡｌ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属からなる電極１９を形成することで得られる。つまり、窒化物緩衝層１１が導電性であることを利用して、ＺｒＢ_２基板１０を電極の一部とする構成を採用している。ここでも、ＺｒＢ_２基板１０上にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ等からなる単層または複数層の金属を堆積させて、ＺｒＢ_２を保護するように構成することもできる。
【００９３】
受光領域の形成に係る半導体層および窓層として作用するｎ型窒化物半導体層１３のバンドギャップエネルギの調整については、図２を参照して説明したのと同様に、検出対象とする光の波長に応じてｎ型窒化物半導体層（ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）１３およびｉ型窒化物半導体層（ｉ−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ）１４のアルミニウム組成比ｘ、ｚを調整して行うことができる。各半導体層の成長方法は上述したのと同様である。更に、ｉ型窒化物半導体層１４の代わりに、ｎ型窒化物半導体層１３よりも高抵抗なｎ⁻型窒化物半導体層（例えば、ｎ^―−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ≦１））を用い、そのｎ⁻型窒化物半導体層を受光領域として作用させることもできる。ｎ⁻型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギの調整については、ｉ型窒化物半導体層１４の場合と同様である。
【００９４】
上述の実施形態ではＡｌＧａＮなどの具体的な化合物名を挙げて紫外線受光素子の特性の説明を行ったが、その特性が確保されているならば各窒化物半導体層には他の元素が含まれていても構わない。例えば、ＡｌＧａＮにＩｎが含まれたＩｎＡｌＧａＮを用いて窒化物半導体層を構成してもよい。その他、ＰやＡｓなどが含まれている場合も同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体成長装置の模式図である。
【図２】紫外線受光素子の断面図である。
【図３】太陽光、室内光、および火炎の光のスペクトルを示すグラフである。
【図４】ＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギとアルミニウム組成比との関係を示すグラフである。
【図５】紫外線受光素子の断面図である。
【図６】紫外線受光素子の断面図である。
【図７】紫外線受光素子の断面図である。
【図８】紫外線受光素子の断面図である。
【図９】紫外線受光素子の断面図である。
【符号の説明】
１　キャリアガスタンク
２　ガス管
３　ガス純化手段
４　原料タンク
５　チャンバ
６　基板ホルダ
７　基板
８　原料タンク
１０　基板
１１　窒化物緩衝層
１２　エッチングストップ層
１３　ｎ型窒化物半導体層
１４　ｉ型窒化物半導体層
１５　ｐ型窒化物半導体層
１６　コンタクト層
１７　電極
１８　電極
１９　電極
２０　ｐ型窒化物半導体層
２１　ｐ型窒化物半導体層
２２　ｎ型窒化物半導体層

Claims (18)

1. ＺｒＢ_２基板上に、窒化物緩衝層と、ｎ型窒化物半導体層と、単数または複数の窒化物半導体層とが順次堆積して形成され、
   一対の電極に挟まれる前記ｎ型窒化物半導体層および前記単数または複数の窒化物半導体層の内の単数または複数の半導体層が受光領域として作用する紫外線受光素子。
2. 前記単数または複数の窒化物半導体層が、前記ｎ型窒化物半導体層と共にＰＮ接合型ダイオードを構成するｐ型窒化物半導体層を有する請求項１に記載の紫外線受光素子。
3. 前記単数または複数の窒化物半導体層が、前記ｎ型窒化物半導体層と共にＰＩＮ接合型ダイオードを構成するｉ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する請求項１に記載の紫外線受光素子。
4. 前記単数または複数の窒化物半導体層が、前記ｎ型窒化物半導体層上に堆積され、前記電極の一方と共にショットキーダイオードを構成するｉ型窒化物半導体層またはｎ⁻型窒化物半導体層を有する請求項１に記載の紫外線受光素子。
5. 前記ｎ型窒化物半導体層がｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を含み、前記ｐ型窒化物半導体層がｐ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．２≦ｙ≦１）を含む請求項２または請求項３に記載の紫外線受光素子。
6. 前記ｐ型窒化物半導体層が超格子構造である請求項５に記載の紫外線受光素子。
7. 前記ｉ型窒化物半導体層がｉ−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０．２≦ｚ≦１）である請求項３または請求項４に記載の紫外線受光素子。
8. 前記ｎ⁻型窒化物半導体層がｎ⁻−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ（０．２≦ｚ≦１）である請求項４に記載の紫外線受光素子。
9. 前記電極の一方が、前記ｐ型窒化物半導体層上にコンタクト層を介して形成された金属電極を用いて構成される請求項２、３、５、６の何れか１項に記載の紫外線受光素子。
10. 前記受光領域の形成に係る前記単数または複数の半導体層が、原料を所定の結晶成長面の近傍に搬送するキャリアガスとして水素を用いる気相成長法を用いて堆積される請求項１から請求項９の何れか１項に記載の紫外線受光素子。
11. 前記ＺｒＢ_２基板が少なくとも一部分除去されて露出された表面から検出対象光が前記受光領域に入射される請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の紫外線受光素子。
12. 前記ｎ型窒化物半導体層がｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を含み、前記窒化物緩衝層がＡｌ_ｗＧａ_１−ｗＮ（ｘ＜ｗ≦１）を含む請求項１１に記載の紫外線受光素子。
13. 前記ＺｒＢ_２基板と前記窒化物緩衝層とが少なくとも一部分除去されて露出された表面から検出対象光が前記受光領域に入射される請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の紫外線受光素子。
14. 前記ｎ型窒化物半導体層がｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を含み、前記窒化物緩衝層がＡｌ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０≦ｗ＜ｘ）を含む請求項１３に記載の紫外線受光素子。
15. 前記窒化物緩衝層が導電性であり、前記導電性の窒化物緩衝層と前記ｎ型窒化物半導体層との間にエッチングストップ層が更に設けられ、前記導電性の窒化物緩衝層がウェットエッチングにより除去される請求項１３または請求項１４に記載の紫外線受光素子。
16. 前記窒化物緩衝層が非導電性であり、前記非導電性の窒化物緩衝層がドライエッチングにより除去される請求項１３または請求項１４に記載の紫外線受光素子。
17. 前記電極の一方が、前記ｎ型窒化物半導体層上に形成されたＺｒＢ_２を用いて構成される請求項１から請求項１６の何れか１項に記載の紫外線受光素子。
18. 請求項１から請求項１７の何れか１項に記載の紫外線受光素子を用いた火炎センサ。

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