JP2005235912A - ＧａＮ系化合物半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】
検出対象波長の光を透過可能な窒化物半導体基板層上に形成することで、紫外線受光素子として使用可能なＧａＮ系化合物半導体受光素子を提供する。
【解決手段】
基板１上に３００℃〜８００℃の温度範囲内の低温成長により形成されたＡｌＮまたはＡｌＮ組成比が５０％以上のＡｌＧａＮを主とするバッファ１１層と、バッファ１１層の上にバッファ層の成長温度より高温で形成されたＡｌＮまたはＡｌＮ組成比が５０％以上のＡｌＧａＮを主とする中間層１２と、中間層１２の上に形成されたＧａＮ系化合物半導体からなるデバイス層２０とを備えてなり、デバイス層２０がＡｌＧａＮを含む受光領域２２を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＧａＮ系化合物半導体受光素子に関する。

ＧａＮ系化合物半導体（一般式：Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ）は直接遷移型のエネルギバンド構造を有し、そのバンドギャップエネルギが室温で１．９ｅＶ〜６．２ｅＶに及ぶワイドバンドギャップであるため、紫外域から可視光域をカバーする発光ダイオード、レーザダイオード、及び、紫外線センサ等の受光素子として広範な応用が可能である。一般的に、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等のＧａＮ系化合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等が考えられる。しかし、火炎センサに応用する場合、受光素子の性能として幾つかの要求を満たさなければならない。

先ず、室内光や太陽光等の外乱光と区別して火炎光のみを選択的に受光するために、外乱光スペクトルの短波長端をカットオフ波長（感度域の長波長端）として設定すべく、受光領域を形成するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮのバンドギャップエネルギ、つまり、ＡｌＮ組成比ｘ（ＡｌＮモル分率ともいう）を調整しなければいけない。しかし、欠陥準位や三元混晶による組成ずれによりバンドギャップ内に準位が形成され、これがカットオフ波長の長波長側でも感度を生じさせ、当該波長に対して光吸収が行われることで感度差が小さくなり、つまり、選択性が低下する。特に、ＡｌＮ組成比が大きくなる程に顕著となり、火炎センサとしての応用において、特に重要な課題となる。

また、受光素子に照射される火炎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。更に、トラップ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。暗電流が大きいと、微弱な火炎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ため、この暗電流を非常に低いレベルにまで低減することが必要となる。

従って、紫外域の微弱な照射光を高温条件下で測定する必要がある火炎センサにとっては、受光領域のＡｌＧａＮのＡｌＮ組成比を所定のカットオフ波長となるように設定するとともに、当該ＡｌＮ組成比に対して、結晶品質が良好であり、キャリアをトラップする再結合中心となり得る貫通転位等の少ない半導体層をデバイス層（受光層）として得ることが必須の要件となる。

従来、デバイス層中の貫通転位密度をできるだけ低いレベルに低減するために、サファイア等の平坦性の高い基板上に、数１０ｎｍの厚さで低温堆積されたバッファ層（例えば、約１０５０℃以下の基板表面温度で成長）を設け、その上に受光領域を含むデバイス層を形成して受光素子を作製する方法がある。ここで、低温堆積されたバッファ層を設ける理由は、サファイア基板の結晶成長面の格子間隔（約０．２７５ｎｍ）と、受光領域のＡｌＧａＮの格子間隔（約０．３１〜約０．３２ｎｍ）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貫通転位を少なくさせることにある。

また、サファイア基板とデバイス層との間に単層のバッファ層ではなく、複数のバッファ層を設ける方法もある（例えば、下記の非特許文献１に開示されている）。例えば、サファイア基板上に、ＡｌＮからなる低温堆積バッファ層と、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窒化物半導体基板層（下地構造）を設け、その上にデバイス層を設けることで、単層のバッファ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る。
Ｍ． Ｉｗａｙａ，他，"Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｔｃｈ Ｐｉｔ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎ Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ Ｖａｐｏｒ ＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ−Ｇｒｏｗｎ ＧａＮ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒｅ ｂｙ Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−Ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ Ｂｕｆｆｅｒ Ｌａｙｅｒ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−Ｇｒｏｗｎ ＧａＮ"，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ．３７ ｐｐ．Ｌ３１６−Ｌ３１８，１９９８年３月

しかしながら、非特許文献１に開示された多層の窒化物半導体基板層の場合、ＡｌＧａＮを主とする受光素子を構成するデバイス層をその上部に形成する場合、窒化物半導体基板層内にＧａＮ層からなる結晶改善層を有するため、基板側から光を入射させると、ＡｌＧａＮよりバンドギャップエネルギの小さいＧａＮ層内で検出対象波長の入射光が吸収されてしまうため、入射光は上部からの入射に制限される。

また、デバイス層（受光層）が上部入射に制限されるとすれば、如何なる具体的な構造とすれば、低貫通転位密度の下地構造上に火炎センサとしての使用に耐え得るデバイス層が実現できるかを解決しなければいけない。

例えば、デバイス層の受光構造として、ＰＮ接合型やＰＩＮ接合型のフォトダイオード構造を想定した場合に、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｎ型ＡｌＧａＮ層の何れを上側にするにせよ、上側のＡｌＧａＮ層とのオーミック電極として検出対象波長の光を透過する材料を選ぶか、部分的に開口部を設けたメッシュ状の電極パターンとする等の工夫が必要となり、受光感度を低下させる要因、製造コスト高騰の要因となる。更に、上側にｐ型ＡｌＧａＮ層を配置する場合は、ＡｌＮ組成比が大きいとｐ型活性化が困難となり、十分な低抵抗層が得られないため、ＡｌＮ組成を２０％以下に制限する必要が生じ、このため、ＡｌＮ組成比の大きいｐ型ＡｌＧａＮ層とは別に、電極とオーミック接触するためのＡｌＮ組成を２０％以下のｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を設ける必要がある。しかし、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層において、検出対象波長の入射光の吸収が起こるため、当該ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の膜厚を薄くしなければならないが、膜厚が薄いとｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の寄生抵抗が大きくなり、メッシュ状電極の場合の受光用の開口を大きくできないという問題が生じ、更に、受光感度を低下させる要因となる。また、上側にｎ型ＡｌＧａＮ層を配置する場合は、ｎ型ＡｌＧａＮ層よりｐ型ＡｌＧａＮ層を先に形成する必要があるが、ｐ型ＡｌＧａＮ層の成長時にｐ型不純物を供給する原料ガスのメモリ効果（配管内壁に残留した残留不純物による影響）が、ｎ型不純物より大きいため、製造工程上、上側にｎ型ＡｌＧａＮ層を配置するのは好ましくないという問題もある。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記問題点を解消し、検出対象波長の光を透過可能な窒化物半導体基板層上に形成することで、紫外線受光素子として使用可能なＧａＮ系化合物半導体受光素子を提供することにある。

この目的を達成するための本発明に係るＧａＮ系化合物半導体受光素子の第一の特徴構成は、基板上に３００℃〜８００℃の温度範囲内の低温成長により形成されたＡｌＮまたはＡｌＮ組成比が５０％以上のＡｌＧａＮを主とするバッファ層と、前記バッファ層の上に前記バッファ層の成長温度より高温で形成されたＡｌＮまたはＡｌＮ組成比が５０％以上のＡｌＧａＮを主とする中間層と、前記中間層の上に形成されたＧａＮ系化合物半導体からなるデバイス層とを備えてなり、前記デバイス層がＡｌＧａＮを含む受光領域を有する点にある。

上記第一の特徴構成によれば、バッファ層による応力緩和効果と、中間層による転位結合効果により、低貫通転位密度の下地構造の窒化物半導体層が得られ、更に、その下地構造内に存在する窒化物半導体のバンドギャップエネルギがＡｌＮ組成比が５０％のＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギ（約４．７５ｅＶ）以上であるので、約２６０ｎｍより長波長の光を吸収しないため、約２６０ｎｍ以上の検出対象波長の光を基板側から入射させることができ、上面入射の場合に生じるデバイス層構造上の問題を解決して、高性能の紫外線受光素子として使用可能な受光素子を実現できる。また、中間層のＡｌＮ組成比が５０％より更に大きいと、約２６０ｎｍより短波長側の紫外線に対しても感度を有する。図３に示すようにガス（炭化水素）を燃焼させた際に発生する火炎光の場合、その発光スペクトルが約２５０ｎｍより長波長側に分布し、太陽光（自然光）等の外乱光の発光スペクトルが２８０ｎｍより長波長側に分布することから、本特徴構成によれば、火炎光のみを選択的に検出可能な火炎センサとして使用し得る受光素子を実現することができる。

同第二の特徴構成は、上記第一の特徴構成に加えて、前記中間層と前記デバイス層の間に、低温成長によるＡｌＮまたはＡｌＮ組成比が５０％以上のＡｌＧａＮを主とする第２のバッファ層を有する点にある。

同第三の特徴構成は、上記第一または第二の特徴構成に加えて、前記中間層の成長温度が１２８０℃以上である点にある。

上記第二または第三の特徴構成によれば、約２６０ｎｍ以上の検出対象波長の光を基板側から入射させることができ、更に、より高品位の低貫通転位密度の下地構造の窒化物半導体層が得られるため、上面入射の場合に生じるデバイス層構造上の問題を解決して、高性能な紫外線受光素子として使用可能な受光素子を実現できる。特に、上記第三の特徴構成によれば、中間層として低転位のものが得られる。

同第四の特徴構成は、上記何れかの特徴構成に加えて、前記中間層の膜厚が５００ｎｍ以上である点にある。

上記第四の特徴構成によれば、中間層の内の転位が、基板面に平行な横方向での結合がなされて貫通転位密度が低減して、高品位の低貫通転位密度の下地構造の窒化物半導体層が得られる。

同第五の特徴構成は、上記何れかの特徴構成に加えて、前記中間層は、結晶成長時に、微量のアルカリ金属元素または２属元素を添加して形成される点にある。

上記第五の特徴構成によれば、Ｌｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ等の微量のアルカリ金属元素または２属元素を添加することで、ＡｌＮまたはＡｌＮ組成比が５０％以上のＡｌＧａＮの横方向成長が促進され、この結果、転位結合による低転位化も促進され、貫通転位密度が低減して、高品位の低貫通転位密度の下地構造の窒化物半導体層が得られる。

同第六の特徴構成は、上記何れかの特徴構成に加えて、前記受光領域のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上で、前記バッファ層及び前記中間層の夫々のＡｌＮ組成比で定まるバンドギャップエネルギより小さい点にある。

上記第六の特徴構成によれば、バンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上のＡｌＧａＮを主とする受光領域を備えることにより、約２６０ｎｍ以上の検出対象波長の光を基板側から入射させることができ、更に、３．６ｅＶ以上のエネルギを有する光が吸収されることで、波長約３４４ｎｍ（３．６ｅＶ）以下の紫外線を選択的に検出することができる。

更に、バンドギャップエネルギが４．１ｅＶ、４．３ｅＶ、或は、４．６ｅＶ以上のＡｌＧａＮを主とする受光領域を備えるとすれば、上記受光領域において夫々４．１ｅＶ、４．３ｅＶ、或は、４．６ｅＶ以上のエネルギを有する光が吸収されることで、波長約３００ｎｍ（４．１ｅＶ）以下、約２９０ｎｍ（４．３ｅＶ）以下、或は、約２８０ｎｍ（４．６ｅＶ）以下の波長の紫外線を上記受光領域によって検出することができる。

同第七の特徴構成は、上記何れかの特徴構成に加えて、前記デバイス層が、前記中間層側にｎ型ＡｌＧａＮ層を配置したＰＮ接合型またはＰＩＮ接合型のフォトダイオード構造を有する点にある。

上記第七の特徴構成によれば、デバイス層のＰＮ接合型またはＰＩＮ接合型のフォトダイオードのｎ型ＡｌＧａＮ層に接触するｎ型電極とｐ型ＡｌＧａＮ層に接触するｐ型電極間に逆バイアス電界を印加することにより、検出対象波長域の光エネルギによって受光領域であるＰＮ接合部またはｉ型ＡｌＧａＮ層で発生したキャリアを電流として外部に取り出し、検出対象波長域の光を検出することができる。ここで、中間層側にｎ型ＡｌＧａＮ層を配置することで、基板側から検出対象波長域の光を入射させる場合に、その入射光がｎ型ＡｌＧａＮ層を通過することになるが、ｎ型ＡｌＧａＮ層は、ＡｌＮ組成比を大きくしても低抵抗化が可能なため、検出対象波長域に対応したＡｌＮ組成比の設定に対応できる。従って、約２６０ｎｍ以上の検出対象波長の光を基板側から入射させることができ、上面入射の場合に生じるデバイス層構造上の問題を解決して、高性能の紫外線受光素子として使用可能な受光素子を実現できる。

同第八の特徴構成は、上記何れかの特徴構成に加えて、前記受光領域に、前記中間層を通して検出対象波長域の光が入射する点にある。

上記第八の特徴構成によれば、検出対象波長の光を基板側から入射させるので、上面入射の場合に生じるデバイス層構造上の問題を解決して、高性能の紫外線受光素子として使用可能な受光素子を実現できる。

本発明に係るＧａＮ系化合物半導体受光素子（以下、適宜「本発明素子」という。）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。

図１に、本発明素子２の断面構造を示す。本発明素子２は、基板１上に、下地半導体層１０とデバイス層２０とを順次積層して形成される。

図１に示すように、下地半導体層１０は、先ず、（０００１）サファイア基板１上に、３００℃〜８００℃の温度範囲内、例えば５００℃の低温でＡｌＮの第１低温堆積緩衝層（バッファ層）１１が、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、アンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法（有機金属化合物気相成長法）を用いて厚さ２０ｎｍで形成される。次に、約１２８０℃以上の高温、例えば１３００℃でＡｌＮの中間層１２が、上記各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法を用いて、厚さ５００ｎｍ以上、例えば１μｍの厚さで第１低温堆積緩衝層１１上に形成される。ここで、中間層１２のＡｌＮは単結晶として成長する。引き続き、ＭＯＣＶＤ法で、第１低温堆積緩衝層１１と同じ条件で、ＡｌＮの第２低温堆積緩衝層（第２のバッファ層）１３が厚さ２０ｎｍで中間層１２上に形成され、下地半導体層１０が作製される。

尚、上記下地半導体層１０の目的は、デバイス層２０の結晶品質を良好なものとすることである。サファイア基板１の結晶成長表面における格子間隔と、デバイス層２０を構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）の格子定数との間には大きな差が存在するが、下地半導体層１０によってその格子不整合を緩和し、ＡｌＧａＮ層を成長させる際に加わる格子不整合による応力を小さくすることができる。その結果、デバイス層２０のＡｌＧａＮ層の結晶品質を良好にすることができる。

図１に示すように、上記要領で形成された下地半導体層１０上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層２１、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２３、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層２４を順次積層してデバイス層２０を形成する。

ｎ型ＡｌＧａＮ層２１は、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用し、ｎ型不純物の原料ガスとして、ＳｉＨ_４（モノシラン）ガスを流しながら、Ｓｉ（シリコン）を注入（ドープ）したｎ型ＡｌＧａＮ層２１を成長させる。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ層２１のＡｌＮ組成比は、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２のＡｌＮ組成比以上とし、本実施形態では、両層ともに４０％とする。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層２１の膜厚は３００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲、より好ましくは、５００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲とし、例えば、１０００ｎｍとする。引き続き、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２が、ＭＯＣＶＤ法を用いて膜厚約１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で、例えば、２００ｎｍで形成される。

次に、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２の上に、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２３を形成する。ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２３は、膜厚２ｎｍのｐ型ＧａＮ層（井戸層）と膜厚３ｎｍのＡｌＮ層（バリア層）を順次積層したもの（膜厚５ｎｍ）を２０層繰り返し積層した多重量子井戸として形成される。この結果、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２３は、ＡｌＮ組成比が実行的に４０％となるｐ型ＡｌＧａＮ層と等価な膜厚１００ｎｍの半導体層となる。ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２３のｐ型ＧａＮ層とＡｌＮ層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、ＭＯＣＶＤ法を用いて作成される。ｐ型ＧａＮ層のｐ型不純物のドーピングは、ＧａＮ層の成長時にｐ型不純物の原料ガスとして、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）ガスを流しながら、Ｍｇ（マグネシウム）を注入（ドープ）する。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２３のＡｌＮ組成比は、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２のＡｌＮ組成比と同じとし、本実施形態では、両層ともに４０％とする。尚、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２３のＡｌＮ組成比は、ｐ型ＧａＮ層とＡｌＮ層の膜厚比を調整することで変更できる。尚、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２３は、超格子構造（多重量子井戸構造）を用いて形成することで、バルクｐ型ＡｌＧａＮ中に生成される欠陥によるバンドギャップ内のトラップ準位によって、受光感度域より長波長側、２８０ｎｍ〜３６０ｎｍ程度の波長範囲に感度が発生し、キャリアが拡散するのを抑制して、受光感度の選択性向上に寄与する。

引き続き、ＭＯＣＶＤ法を用い、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、ｐ型不純物の原料ガスとして、Ｃｐ_２Ｍｇガスを流しながら、Ｍｇを注入したｐ型ＡｌＧａＮ層２４を膜厚約２０ｎｍで成長させる。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮ層２４は、後述するｐ型電極２６とのオーミック接触を確実にし、十分なｐ型活性化を行って低抵抗化するために、ＡｌＮ組成比を２０％以下としたコンタクト層であり、ＡｌＮ組成比が０％のｐ型ＧａＮ層であっても構わない。

上記要領で、デバイス層２０が積層形成された後、ｎ型ＡｌＧａＮ層２１が部分的に露出するようにデバイス層２０をエッチング除去し、その露出部位にｎ型電極２５が形成され、ｐ型ＡｌＧａＮ層２４上にはｐ型電極２６が形成される。ここで、ｐ型電極２６及びｎ型電極２５は、夫々の極性に応じてＡｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ等の公知の材料を公知の方法で作製すればよい。例えば、ｐ型電極２６として、第１層にＰｄ（パラジウム）、第２層にＡｕ（金）を夫々１０ｎｍずつ蒸着し所定の平面形状にパターニングする。また、ｐ型電極２６またはｎ型電極２５として、ＺｒＢ₂を電極材料として用いてもよい。尚、検出対象波長の光は基板側から入射させるので、ｐ型電極２６は、特に透明電極材料を使用する必要や、メッシュ状に光透過窓を加工する必要がない。

図１に示した本発明素子２に対して外部から光が照射された場合、その光は基板１側から、下地半導体層１０とｎ型ＡｌＧａＮ層２１とを透過して受光領域であるｉ型ＡｌＧａＮ層２２に入射して吸収され、光キャリアが発生する。ｐ型電極２６及びｎ型電極２５の間には所定の逆バイアス電界が印加されており、発生された光キャリアは光電流として外部に出力される。

デバイス層２０を構成する各Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層（０≦ｘ≦１）のバンドギャップエネルギはＡｌＮ組成比ｘを変えることで調整され、ＡｌＮ組成比ｘとバンドギャップエネルギとは図２に示すような関係で示される。図２から読み取れるように、ＡｌＮ組成比ｘを変えることで、Ａｌ_xＧａ_1-xＮのバンドギャップエネルギを３．４２ｅＶから６．２ｅＶにまで調整することができる。従って、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２で吸収可能な光の波長範囲（感度域）の長波長端は約３６０ｎｍ〜約２００ｎｍの間で調整可能である。

また、本発明素子２において火炎の光を検出する場合には、図３の発光スペクトルに示すような火炎の発光を吸収できるだけのバンドギャップエネルギを有する受光領域を形成すればよい。尚、図３に示す火炎の発光スペクトルは、ガス（炭化水素）を燃焼させた際に発生する火炎のスペクトルである。また、太陽光のスペクトルと、各種照明機器からの光による室内光のスペクトルも同時に示す。

以下は、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２のバンドギャップエネルギとＡｌＮ組成比の関係について説明する。他のｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２３とｎ型ＡｌＧａＮ層２１のＡｌＮ組成比は、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２のＡｌＮ組成比との相対的な関係で決定される。本発明素子２に波長選択性を持たせるためには、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２におけるＡｌＮ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３４４ｎｍ以下の波長域に比較的大きい強度で現れ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ＡｌＧａＮ層２２のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上となるようにＡｌＮ組成比ｘ＝０．０５（５％）、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、検出対象波長範囲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、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上となるようにＡｌＮ組成比ｘ＝０．２５（２５％）、或いはそれ以上とすればよい。また、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、検出対象波長範囲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、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２のバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上となるようにＡｌＮ組成比ｘ＝０．３５（３５％）、或いはそれ以上とすればよい。本実施形態では、ＡｌＮ組成比を４０％としている。

更に、弱い光強度であれば太陽光などの外乱光がｉ型ＡｌＧａＮ層２２において吸収されても構わない場合には、受光領域のバンドギャップエネルギが４．３ｅＶ以上（波長約２９０ｎｍ以下）となるようにＡｌＮ組成比ｘ＝０．３１（３１％）、或いはそれ以上とすればよい。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出することができる。

更に、本発明素子２がエンジン内部などの閉鎖空間に設置され、そこで燃焼される燃料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、検出対象波長範囲にある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３１０ｎｍ（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受光素子を作製した場合には、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上４．０ｅＶ以下となるように、ＡｌＮ組成比ｘを０．０５（５％）以上０．２３（２３％）以下とすればよい。

尚、上述したＡｌＮ組成比ｘとバンドギャップエネルギとの関係は理論値に基づいて説明したものであり、ＡｌＮ組成比ｘが同じになるように成膜を行ったとしても実際に得られるＡｌＧａＮ層のバンドギャップエネルギが異なる可能性もある。例えば、三元混晶化合物であるＡｌＧａＮの場合には、二元化合物であるＧａＮが生成され易く、その結果、バンドギャップエネルギが低エネルギ側（長波長側）にシフトする傾向にある。従って、理論値通りのバンドギャップエネルギを得たい場合には、ＡｌＮ組成比を予め大きく設定した上で成膜することが行われることもある。

〈１〉上記実施形態において、下地半導体層１０のＡｌＮの中間層１２をＭＯＣＶＤ法で形成する過程において、微量のＬｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ等の微量のアルカリ金属元素または２属元素を原料ガス中に添加して、中間層１２を形成するのも好ましい実施の形態である。ここで、Ｌｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ等は、ＡｌＮの結晶成長に対し、基板面に平行な横方向の結晶成長を促進させる作用があり、この結果、５００ｎｍ以上の膜厚で上方（基板面に垂直な方向）に結晶成長する過程で、転位が横方向に結合して減少する効果が期待できる。特に、ＡｌＮ或いはＡｌＮ組成比の高いＡｌＧａＮでは、ＧａＮに比べて横方向の結晶成長が抑制されるため、上記のような横方向への結晶成長促進剤を添加することにより更に貫通転位を低減できる。

〈２〉上記各実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮ層２４及びｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２３の成長に係るｐ型不純物としてＭｇを用いたが、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比が２０％以上の場合においても十分なｐ型活性化を得ようとすれば、ｐ型不純物としてＭｇに代えてＢｅ（ベリリウム）を用いるのも好ましい実施形態である。

この場合、各ｐ型ＡｌＧａＮ層は、ＭＯＣＶＤ法を用いて、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記実施形態と同様に、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）等の各原料ガスを使用し、ｐ型不純物の原料ガスとして、Ｃｐ_２Ｂｅ（ビスシクロペンタジエニルベリリウム）ガスを流しながら、Ｂｅを注入したｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させる。

更に、ｐ型不純物の原料ガスとして、（Ｒ−Ｃｐ）_２Ｂｅガス［ビス（Ｒ−シクロペンタジエニル）ベリリウム］ガス（Ｒは１〜４価のアルキル基）を用いるのも更に好ましい。特に、Ｒが２〜４価のアルキル基の（Ｒ−Ｃｐ）_２Ｂｅガスを用いるのがより好ましい。当該原料ガスを用いることにより、有機金属化合物気相成長法を用いてｐ型、ｎ型及びｉ型半導体を所定の順序で段階的に形成するにあたり、各型に対応する不純物原料を結晶成長させる反応室内に配管を通して供給する場合に、各半導体層の成長を切り換えるときに、不純物原料の供給も切り換えるが、同じ配管を使用する場合に、配管内壁に残留した残留不純物による影響（メモリ効果）が無視できずに各半導体層間の界面近傍において所期の不純物濃度が達成できないという問題に対して、改善効果を発揮するからである。つまり、当該原料ガスの分子サイズが、Ｃｐ_２Ｂｅより大きく、分極による分子間力が弱まるため、配管内壁への残留が少なくなるため、上記メモリ効果を抑制することができ、より効果的にｐ型活性化が促進される。

〈３〉上記実施形態では、デバイス層２０はＰＩＮ構造で構成され、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２に隣接するｐ型ＡｌＧａＮ層として超格子構造によりｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２３として形成したが、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２のＡｌＮ組成比が小さい場合等において、超格子構造を採用せず、バルク単結晶で形成しても構わない。

〈４〉上記実施形態では、デバイス層２０はＰＩＮ構造で構成され、ｐ型ＡｌＧａＮ層を、実効的なＡｌＮ組成比が４０％のｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２３と、ＡｌＮ組成比が２０％以下のｐ型ＡｌＧａＮ層２４の２段に分離して構成したが、ｐ型不純物或いはｐ型活性化法を適当に選択することで、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２と同じＡｌＮ組成比の１層で構成されるｐ型ＡｌＧａＮ層を形成しても構わない。

〈５〉上記実施形態では、デバイス層２０として、ＰＩＮ接合型のフォトダイオード構造で構成されたものを例示したが、デバイス層は、これに限定されるものではない。例えば、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２のないＰＮ接合型フォトダイオードであってもよい。更に、受光機構として、フォトダイオード構造以外に、フォトコンダクタ構造、フォトトランジスタ構造を採用してもよい。

〈６〉上記各実施形態では、基板１として、（０００１）サファイア基板を用いたが、基板１はこれに限定されるものではなく、他の面方位のサファイア基板、或いは、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｒＢ_２等の他の単結晶基板を用いてもよい。但し、基板１が波長２５０ｎｍ或いは２６０ｎｍより長波長側の光に対して透明でない場合は、基板１側からの入射を可能とするために、基板１を裏面側から部分的にエッチングして入射窓を開口する。

〈７〉上記各実施形態の下地半導体層１０では、第１及び第２低温堆積緩衝層１１、１３と中間層１２は、何れもＡｌＮであったが、ＡｌＮ組成比５０％以上のＡｌＧａＮでも構わない。

〈８〉上記各実施形態において例示した、各層の膜厚、成長温度、使用原料、材料は、あくまでも一例であり、本発明の技術思想の範囲内において適宜変更可能である。また、各半導体層は、ＭＯＣＶＤ法を用いたが、一部または全部を他の成膜方法を用いて形成しても構わない。例えば、デバイス層２０或いはデバイス層２０の内のｉ型ＡｌＧａＮ層２２等をＭＢＥ（分子線エピタキシ）法を用いて形成しても構わない。

本発明に係るＧａＮ系化合物半導体受光素子の一実施形態の概略構成を示す素子断面図

ＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギを示すグラフ

火炎の光、太陽光、および室内光のスペクトルを示すグラフ

符号の説明

１ 基板
２ 本発明に係るＧａＮ系化合物半導体受光素子
１０ 下地半導体層
１１ 第１低温堆積緩衝層（ＡｌＮまたはＡｌＧａＮのバッファ層）
１２ 中間層（ＡｌＮまたはＡｌＧａＮ）
１３ 第２低温堆積緩衝層（ＡｌＮまたはＡｌＧａＮの第２のバッファ層）
２０ デバイス層
２１ ｎ型ＡｌＧａＮ層
２２ ｉ型ＡｌＧａＮ層
２３ ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層
２４ ｐ型ＡｌＧａＮ層
２５ ｎ型電極
２６ ｐ型電極

Claims (8)

1. 基板上に３００℃〜８００℃の温度範囲内の低温成長により形成されたＡｌＮまたはＡｌＮ組成比が５０％以上のＡｌＧａＮを主とするバッファ層と、前記バッファ層の上に前記バッファ層の成長温度より高温で形成されたＡｌＮまたはＡｌＮ組成比が５０％以上のＡｌＧａＮを主とする中間層と、前記中間層の上に形成されたＧａＮ系化合物半導体からなるデバイス層とを備えてなり、
   前記デバイス層がＡｌＧａＮを含む受光領域を有することを特徴とするＧａＮ系化合物半導体受光素子。
2. 前記中間層と前記デバイス層の間に、前記温度範囲内の低温成長によるＡｌＮまたはＡｌＮ組成比が５０％以上のＡｌＧａＮを主とする第２のバッファ層を有することを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
3. 前記中間層の成長温度が１２８０℃以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
4. 前記中間層の膜厚が、５００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
5. 前記中間層は、結晶成長時に、微量のアルカリ金属元素または２属元素を添加して形成されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
6. 前記受光領域のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上で、前記バッファ層及び前記中間層の夫々のＡｌＮ組成比で定まるバンドギャップエネルギより小さいことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
7. 前記デバイス層が、前記中間層側にｎ型ＡｌＧａＮ層を配置したＰＮ接合型またはＰＩＮ接合型のフォトダイオード構造を有することを特徴とする請求項１〜６に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
8. 前記受光領域に、前記中間層を通して検出対象波長域の光が入射することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。

Images