JP2007123587A - Light receiving element - Google Patents

Light receiving element Download PDF

Info

Publication number
JP2007123587A
JP2007123587A JP2005314291A JP2005314291A JP2007123587A JP 2007123587 A JP2007123587 A JP 2007123587A JP 2005314291 A JP2005314291 A JP 2005314291A JP 2005314291 A JP2005314291 A JP 2005314291A JP 2007123587 A JP2007123587 A JP 2007123587A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light receiving
receiving element
light
electrode
type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2005314291A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Eiichi Yamaguchi
栄一 山口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ALGAN KK
Doshisha Co Ltd
Original Assignee
ALGAN KK
Doshisha Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ALGAN KK, Doshisha Co Ltd filed Critical ALGAN KK
Priority to JP2005314291A priority Critical patent/JP2007123587A/en
Publication of JP2007123587A publication Critical patent/JP2007123587A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simple and a reliable light-receiving element that can maximize the light receiving area, and moreover can be manufactured inexpensively. <P>SOLUTION: The semiconductor light receiving element 1 comprises a crystal substrate 2 made of a conductive Si-based semiconductor; a buffer layer 3 formed on a surface at one side of the crystal substrate 2; at least one photosensitive layer 4, that is formed on the buffer layer 3, and is made of an insulating GaN-based material; a Schottky electrode 5 that is provided on a surface at one side of the photosensitive layer 4 that serves as a light receiving surface 4a, and is an electrode on one side for constituting the light reception element; and an electrode 7 at the other side for composing the light-receiving element 1, while being provided on a surface at the other side of the crystal substrate 2. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、光電気変換素子、所謂、受光素子に関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion element, a so-called light receiving element.

現在、フォトダイオード(PD)を基本原理とする半導体受光素子は、種々の用途で多用されており、その種類も千差万別である。
しかしながら、赤外から紫外に至る広い範囲の中から選ばれる所望の波長の光を受光可能な半導体受光素子を、十分な性能を確保しつつ簡素な製造工程で得るにあたっては、これまでの構造では解決できない以下の2つの課題があった。
At present, semiconductor light-receiving elements based on photodiodes (PDs) are widely used for various applications, and the types are various.
However, in order to obtain a semiconductor light receiving element capable of receiving light of a desired wavelength selected from a wide range from infrared to ultraviolet with a simple manufacturing process while ensuring sufficient performance, There were the following two problems that could not be solved.

第1の課題は、光感受層にシリコン(Si)を用いた受光素子に関するものである。
まず、一般に半導体は、バンドギャップ値以上のエネルギーを有する光子に対して感度を有する一方、バンドギャップより圧倒的に大きい光子に対しては著しく感度が下がるという特質を有している。それゆえ、例えば紫外線(Ex.波長300〜390nmの近紫外領域を電子ボルト単位で表示すると3.18〜4.13eVとなる)の受光素子の光感受層をシリコン(室温でバンドギャップが約1.12eV)で作ると、その感度が著しく低くなるという問題があった。
しかも、シリコンはバンドギャップ値が小さいことから、所望の光以下のエネルギー値をもつ光(可視光)については別途フィルタでカットしなくてはならず、そのため、さらに感度が下がるという問題があった。
The first problem relates to a light receiving element using silicon (Si) as a photosensitive layer.
First, in general, semiconductors have a characteristic that they are sensitive to photons having energy equal to or higher than the band gap value, but are significantly less sensitive to photons that are overwhelmingly larger than the band gap. Therefore, for example, the photosensitive layer of the light receiving element of ultraviolet rays (Ex. Near ultraviolet region having a wavelength of 300 to 390 nm is displayed in electron volt units is 3.18 to 4.13 eV) is made of silicon (band gap is about 1 at room temperature). .12 eV) has a problem that the sensitivity is remarkably lowered.
Moreover, since silicon has a small band gap value, light (visible light) having an energy value less than or equal to the desired light has to be cut by a separate filter, which further reduces the sensitivity. .

この上記した第1の課題を解決するために、GaN系やInGaAlN系といわれる様なIII族窒化物材料、例えばAlGaIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)を光感受層に用いた受光素子が現時点で既に開発されている(特許文献1及び非特許文献1参照)。これは、xとyとを可変させることで、そのバンドギャップを赤外から紫外に至るすべての光子エネルギーにチューンすることができる特長を有している。従って現在は、このIII族窒化物デバイスが、紫外域或いは紫〜青〜緑色に相当する波長の光を受光可能な半導体受光素子として一般に用いられている。 In order to solve the first problem, a group III nitride material such as a GaN-based or InGaAlN-based material, for example, Al x Ga y In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 A light receiving element using ≦ y ≦ 1 and x + y ≦ 1) for the photosensitive layer has already been developed (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). This has the feature that the band gap can be tuned to all photon energies from infrared to ultraviolet by varying x and y. Therefore, at present, this group III nitride device is generally used as a semiconductor light-receiving element capable of receiving light in the ultraviolet region or a wavelength corresponding to purple to blue to green.

ここで、上記特許文献1及び非特許文献1に挙げられた半導体受光素子は、紫外線を受光対象とするショットキー障壁型のPDである。図2に、これら従来構造の概略を示す。尚非特許文献1でも解説されている通り、PDには多くの受光原理に基づくものがあり、その中の1つにショットキー障壁型のPDがある。   Here, the semiconductor light-receiving elements listed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 are Schottky barrier PDs that receive ultraviolet rays. FIG. 2 shows an outline of these conventional structures. As described in Non-Patent Document 1, some PDs are based on many light receiving principles, and one of them is a Schottky barrier type PD.

図2に示す通り、これらのPDでは、サファイア基板上に、AlN等からなるバッファ層を介してGaN系結晶を成長させ、そのGaN系結晶上に、ショットキー電極(ショットキー障壁が形成されるように接合された電極)と、オーミック電極とを設けてPDを構成している(特許文献1の図4、及び非特許文献1のFig.2参照)。
図2(a)は、従来知られた半導体受光素子の一例(20)を示す断面構造図であり、サファイアからなる基板21上に、低温成長させたバッファ層を介してn型のIII族窒化物半導体層(n−GaN)22を成長させ、その上にノンドープのIII族窒化物材料(GaN)からなる光感受層23を形成し、さらに、光感受層23の上に透明ショットキー電極25と、n型窒化物半導体層22の端縁上にオーミック電極27とを備えたものを示している。
図2(b)は、図2(a)同様、従来知られた半導体受光素子の別の一例(30)を示す断面構造図であり、サファイア基板31上に、バッファ層を介して、Siを添加したn−GaN層32と、ノンドープGaN層33を順次成膜し、さらにノンドープGaN層33とn−GaN層32の上に電極35,37を夫々備えたものを示している。図2(b)の電極35は、ノンドープGaN層33上に備えられたクシ形構造のショットキー電極である。
図2(a),(b)において、ノンドープの窒化物材料からなる上側の層23,33の端縁の一部が、その下側に形成されているn型の窒化物半導体層22,32に達するまで抉られている部分(24,34)は、メサ構造と称されるものであって、n型の窒化物半導体層22,32表面にオーミック電極27,37を設けるために形成されたものである。メサ構造は、反応性イオンエッチング(RIE)等により形成される。
尚通常、図2に示す各素子を使用する際には、逆バイアス26,36が印加される。
As shown in FIG. 2, in these PDs, a GaN-based crystal is grown on a sapphire substrate via a buffer layer made of AlN or the like, and a Schottky electrode (Schottky barrier is formed on the GaN-based crystal. And the ohmic electrode are provided to form a PD (see FIG. 4 of Patent Document 1 and FIG. 2 of Non-Patent Document 1).
FIG. 2A is a cross-sectional structure diagram showing an example (20) of a conventionally known semiconductor light receiving element, and an n-type group III nitride is formed on a substrate 21 made of sapphire via a buffer layer grown at a low temperature. A semiconductor layer (n-GaN) 22 is grown, a photosensitive layer 23 made of a non-doped group III nitride material (GaN) is formed thereon, and a transparent Schottky electrode 25 is formed on the photosensitive layer 23. And an ohmic electrode 27 provided on the edge of the n-type nitride semiconductor layer 22.
FIG. 2B is a cross-sectional structural view showing another example (30) of a conventionally known semiconductor light receiving element, as in FIG. 2A, and Si is formed on the sapphire substrate 31 through a buffer layer. An added n-GaN layer 32 and an undoped GaN layer 33 are sequentially formed, and electrodes 35 and 37 are provided on the undoped GaN layer 33 and the n-GaN layer 32, respectively. The electrode 35 in FIG. 2B is a comb-shaped Schottky electrode provided on the non-doped GaN layer 33.
2 (a) and 2 (b), n-type nitride semiconductor layers 22 and 32 in which part of the edges of the upper layers 23 and 33 made of a non-doped nitride material are formed on the lower side thereof. The portions (24, 34) that are bent up to reach the point are called mesa structures, and are formed to provide ohmic electrodes 27, 37 on the surfaces of the n-type nitride semiconductor layers 22, 32. Is. The mesa structure is formed by reactive ion etching (RIE) or the like.
Normally, reverse biases 26 and 36 are applied when each element shown in FIG. 2 is used.

このように、従来知られたIII族窒化物デバイスは、その殆どがサファイア基板上に、MOCVD法(有機金属化学気相成長法)やMBE法(分子線結晶成長法)等を用いた結晶成長により作製されている。
しかしながら、サファイアを基板として用いた場合の問題点として、III族窒化物との熱膨張係数差や格子定数差が大きいことに起因する結晶欠陥が多くなることが挙げられる。このために、デバイス特性が悪いという問題、例えば発光デバイスの寿命を長くすることが困難であったり、動作電力が大きくなったりするという問題が生じ得る。
As described above, most of the conventionally known group III nitride devices are crystal growth using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) or MBE (molecular beam crystal growth) on a sapphire substrate. It is produced by.
However, as a problem when using sapphire as a substrate, there is an increase in crystal defects due to a large difference in thermal expansion coefficient and lattice constant from the group III nitride. For this reason, the problem that a device characteristic is bad, for example, it is difficult to lengthen the lifetime of a light emitting device, or the problem that an operating power becomes large may arise.

更に、サファイア基板の場合には絶縁性であるために、従来の発光デバイスのように基板側からの電極取り出しが不可能であり、結晶成長した窒化物結晶薄膜表面側からの電極取り出しが必要となる。すなわち、ダイオードの電極を、二つとも上記AlGaIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)の表面におく必要があり、そのために窒化物結晶薄膜表面側においてエッチング等の煩雑な工程を加える必要があった(図2参照)。その結果、製造工程が複雑になるのみならず、構造上の理由で受光面積を狭めてしまうことから、所望の受光面積を確保しようとするといきおいデバイス面積が大きくなり、高コストにつながるという問題があった。これが、第2の問題である。
その他、メサ構造となっている箇所は、受光面における盲点となり易く、受光面において受光感度のバラツキが生じる原因ともなっていた。
Furthermore, in the case of a sapphire substrate, since it is insulative, it is impossible to take out an electrode from the substrate side like a conventional light emitting device, and it is necessary to take out an electrode from the nitride crystal thin film surface side where the crystal has grown. Become. That is, it is necessary to place both electrodes of the diode on the surface of the Al x Ga y In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1). Further, it is necessary to add a complicated process such as etching on the surface side of the nitride crystal thin film (see FIG. 2). As a result, not only the manufacturing process becomes complicated, but also the light receiving area is narrowed due to structural reasons, so when trying to secure the desired light receiving area, the device area increases enormously, leading to high costs. there were. This is the second problem.
In addition, the portion having the mesa structure is likely to be a blind spot on the light receiving surface, which causes variations in light receiving sensitivity on the light receiving surface.

そのような中、最近ではサファイア基板に代えて導電性を示すIII族窒化物結晶(例えばGaN)で基板を形成し、その上にまた別のIII族窒化物結晶薄膜を成長させてなるIII族窒化物半導体積層構造とすることで、上記第2の課題を解決しようとする試みも見られる(特許文献2参照)。
しかしながら、GaN基板をはじめとしたIII族窒化物結晶基板はその性質上、絶対的に極めて高価であり、汎用の素子を安価で提供することが到底不可能という問題があった。
In such circumstances, recently, a group III nitride crystal (for example, GaN) is used instead of a sapphire substrate to form a substrate, and another group III nitride crystal thin film is grown on the group III group. There has also been an attempt to solve the second problem by using a nitride semiconductor multilayer structure (see Patent Document 2).
However, group III nitride crystal substrates such as GaN substrates are absolutely extremely expensive in nature, and there is a problem that it is impossible to provide a general-purpose device at a low cost.

また、特許文献3には、サファイア基板ではなく導電性を示す材料からなる基板の一面にオーミック電極を設ける構成が開示されているが(特許文献3の図3(c)、[0030]、[0033]参照)、これは非特許文献1同様、受光面にクシ形のパターンの不透明なショットキー電極を備える構成であって、依然として、受光面における実効受光面積が狭いという上記第2の問題を解消し得ないものであった。   Further, Patent Document 3 discloses a configuration in which an ohmic electrode is provided on one surface of a substrate made of a material exhibiting conductivity instead of a sapphire substrate (FIG. 3C, [0030], [0030], [Patent Document 3]. This is a configuration in which a non-patent document 1 is provided with an opaque Schottky electrode having a comb-shaped pattern on the light receiving surface, and still has the second problem that the effective light receiving area on the light receiving surface is still small. It was something that could not be resolved.

要するに、赤外から紫外に至る広い範囲の中から選ばれる所望の波長の光を受光可能であり、しかも、十分な性能を確保しつつ簡素な工程で安価に製造出来る、シンプルかつ信頼性に優れた半導体受光素子は、これまで提供されていなかったのである。
特開2003−23175号公報 特開2004−307322号公報 特開2000−101130号公報 湖東他著、「AlGaN系紫外線受光素子の開発」、三菱電線工業時報第97号、平成13年1月
In short, it can receive light of a desired wavelength selected from a wide range from infrared to ultraviolet, and it can be manufactured at a low cost with a simple process while ensuring sufficient performance. No semiconductor light receiving element has been provided so far.
JP 2003-23175 A JP 2004-307322 A JP 2000-101130 A Koto et al., "Development of AlGaN-based ultraviolet light-receiving element", Mitsubishi Cable Industrial Time Report No. 97, January 2001

従って本発明は、エッチング等の煩雑な製造工程を要さず、しかも安価に製造出来る、簡素で信頼性に優れた半導体受光素子を提供することを課題とする。又本発明は、受光面積を最大限に取ることが可能であり、小型ながら十分な性能を確保し得る半導体受光素子を提供することを課題とする。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide a simple and reliable semiconductor light receiving element that does not require a complicated manufacturing process such as etching and can be manufactured at low cost. It is another object of the present invention to provide a semiconductor light receiving element that can maximize the light receiving area and can ensure sufficient performance while being small.

上記課題を解決すべく種々検討を行った結果、本発明者は、導電性があり、しかもGaN等の窒化物材料からなる結晶基板よりも格段に入手が容易で安価なSi系物質を結晶基板として用いると共に、この基板の一方側の上に成長させた光感受層の上方に備える電極を所謂透明電極とし、さらに、上記基板の他方側の面に、受光素子を構成する他方側の電極を備えることで上記課題を悉く解決可能なことを見い出し、本発明を完成した。   As a result of various studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor has found that a Si-based material that is electrically conductive and that is much easier to obtain and cheaper than a crystal substrate made of a nitride material such as GaN is a crystal substrate. The electrode provided above the photosensitive layer grown on one side of the substrate is a so-called transparent electrode, and the other side electrode constituting the light receiving element is provided on the other side of the substrate. It has been found that the above problems can be solved by providing, and the present invention has been completed.

上記課題を解決可能な本発明の受光素子は、(1)半導体受光素子であって、導電性を示すSi系半導体からなる結晶基板と、前記結晶基板の一方側の面上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層の上方に少なくとも1層形成された、絶縁性のIII族窒化物材料からなる光感受層と、受光面となる前記光感受層の一方側の面に備え設けられた、受光素子を構成する一方側の電極たるショットキー電極と、前記結晶基板の他方側の面に備え設けられた、受光素子を構成する他方側の電極と、からなることを特徴とするものである。
上記本発明の受光素子においては、(2)前記結晶基板がn型SiCからなり、前記バッファ層がn型AlGa1−yN(0≦y≦1)からなること、若しくは、(3)前記結晶基板がn型Siからなり、前記バッファ層がn型SiCからなることが好ましい。
或いは、上記本発明の受光素子においては、(4)前記結晶基板がn型Siからなり、前記バッファ層がn型AlGa1−uN(0≦u≦1)とn型AlGa1−vN(0≦v≦1、v≠u)との超格子構造からなること、若しくは、(5)前記結晶基板がn型Siからなり、前記バッファ層がn型SiCとn型AlGa1−uN(0≦u≦1)とn型AlGa1−vN(0≦v≦1、v≠u)との超格子構造からなることが好ましい。
The light-receiving element of the present invention that can solve the above-mentioned problems is (1) a semiconductor light-receiving element, which is a crystal substrate made of a Si-based semiconductor exhibiting conductivity, and a buffer formed on one surface of the crystal substrate A light-sensitive layer made of an insulating group III nitride material, formed on at least one layer above the buffer layer, and provided on one surface of the light-sensitive layer serving as a light-receiving surface; A Schottky electrode as one electrode constituting the light receiving element and an electrode on the other side constituting the light receiving element provided on the other surface of the crystal substrate. .
In the light receiving element of the present invention, (2) the crystal substrate is made of n-type SiC, and the buffer layer is made of n-type Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1), or (3 It is preferable that the crystal substrate is made of n-type Si and the buffer layer is made of n-type SiC.
Alternatively, in the light receiving element of the present invention, (4) the crystal substrate is made of n-type Si, and the buffer layer is n-type Al u Ga 1-u N (0 ≦ u ≦ 1) and n-type Al v Ga. 1-v N (0 ≦ v ≦ 1, v ≠ u), or (5) the crystal substrate is made of n-type Si, and the buffer layer is made of n-type SiC and n-type Al. is preferably made of u Ga 1-u n (0 ≦ u ≦ 1) and the n-type Al v Ga 1-v superlattice structure of n (0 ≦ v ≦ 1, v ≠ u).

上記本発明の受光素子では、(6)前記光感受層はIII族窒化物材料、特に、好ましくはAlGaIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y<1、x+y≦1)から構成される。 In the light receiving element of the present invention, (6) the photosensitive layer is a group III nitride material, particularly preferably Al x Ga y In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y < 1, x + y ≦ 1).

さらに、上記本発明の受光素子においては、(7)前記ショットキー電極が、検出対象とする光の波長に対して透明な透光性の金属薄膜からなり、前記受光面略全面を被覆する様に形成されていることが好ましい。一方、(8)前記他方側の電極はオーミック電極であることが好ましい。   Further, in the light receiving element of the present invention, (7) the Schottky electrode is made of a light-transmitting metal thin film that is transparent to the wavelength of light to be detected, and covers substantially the entire surface of the light receiving surface. It is preferable to be formed. On the other hand, (8) the electrode on the other side is preferably an ohmic electrode.

その他、上記本発明の受光素子においては、(9)前記光感受層と前記一方側の電極との間にP型のIII族窒化物半導体層をさらに備え、前記一方側の電極をオーミック電極としても構わない。   In addition, in the light receiving element of the present invention, (9) a P-type group III nitride semiconductor layer is further provided between the photosensitive layer and the one side electrode, and the one side electrode is used as an ohmic electrode. It doesn't matter.

また、上記(1)〜(9)にかかる本発明の受光素子については、(10)前記光感受層が有機金属気相成長法(MOCVD)または分子線成長法(MBE)または水素化物法(HVPE)の、少なくとも一つの成長法により作製されることが好ましい。   In the light receiving element of the present invention according to the above (1) to (9), (10) the photosensitive layer is formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam growth (MBE) or hydride ( HVPE) is preferably produced by at least one growth method.

本発明でいう受光面とは、光感受層の両面のうち光を受ける側の面を指し示すものとする。この受光面を覆うようにショットキー電極が設けられる。   In the present invention, the light receiving surface refers to a surface on the light receiving side of both surfaces of the photosensitive layer. A Schottky electrode is provided so as to cover the light receiving surface.

ショットキー電極とは、一般的に金属と半導体との接合によってショットキー障壁と呼ばれる電位障壁が生じた状態の電極をいう。ショットキー障壁の高さqφは、一般的に金属の仕事関数φと半導体の電子親和力χとの差であるから、qφ=q(φ−χ)であり、φの比較的大きな材料が望まれる。
好ましくは、ショットキー電極には透明(透光性の金属薄膜)電極が用いられる。このとき、電極を透過した光は、電極/半導体界面接合部の空乏層や絶縁性の光感受層で吸収され,光電流を発生させる。
ここで、「透明」とは検出対象とする光の波長に対して透明(例えば、検出対象が紫外線であればUV的に透明)という意味である。
A Schottky electrode generally refers to an electrode in a state where a potential barrier called a Schottky barrier is generated by a junction between a metal and a semiconductor. Since the height qφ of the Schottky barrier is generally a difference between the work function φ m of the metal and the electron affinity χ of the semiconductor, qφ = q (φ m −χ), and a relatively large material of φ m Is desired.
Preferably, a transparent (translucent metal thin film) electrode is used as the Schottky electrode. At this time, the light transmitted through the electrode is absorbed by the depletion layer and the insulating photosensitive layer at the electrode / semiconductor interface junction, and generates a photocurrent.
Here, “transparent” means transparent to the wavelength of light to be detected (for example, UV transparent if the detection target is ultraviolet).

オーミック電極とは、金属−半導体の接触が整流特性を示さず(印加する電圧の向きにかかわらずに)、接触抵抗がほとんど無視できる状態のものをいう。高濃度にドーピングされた半導体と金属との接触は、形成される空乏層幅が著しく狭まり、トンネル電流が流れやすくなるために、オーミック性になり易い。   The ohmic electrode is a state in which the contact between the metal and the semiconductor does not exhibit rectifying characteristics (regardless of the direction of the applied voltage) and the contact resistance is almost negligible. The contact between the highly doped semiconductor and the metal is likely to be ohmic because the width of the depletion layer formed is significantly narrowed and a tunneling current easily flows.

本発明によれば、上記したエッチング等の煩雑な製造工程を省くことが出来、製造が簡単になるのみならず、受光面積を最大限に取ることが可能になる。さらに、本発明によれば、簡素で信頼性に優れた構造の受光素子を、安価に提供することが可能となる。   According to the present invention, complicated manufacturing processes such as the above-described etching can be omitted, and not only the manufacturing is simplified, but also the light receiving area can be maximized. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a light receiving element having a simple and excellent structure at low cost.

以下、添付図面に基づき、本発明の受光素子の一構成例に付き説明する。図1は、本発明の受光素子の一構成例を示す図である。なお、図1は、適当な位置で本実施形態の受光素子1を切断したときの端面図である。ハッチングは、電極を識別するために施している。   Hereinafter, a configuration example of the light receiving element of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a light receiving element of the present invention. FIG. 1 is an end view when the light receiving element 1 of the present embodiment is cut at an appropriate position. Hatching is applied to identify the electrodes.

[構成]
図1に示す通り、本発明の半導体受光素子(以下「受光素子」)1は所謂、MIS型の構成を採るPDである。従って、ショットキー電極と、これに対応して設けられる他方の電極とが、受光素子として機能し得る態様で配置される。この他方の電極はオーミック電極であることが好ましい。各電極の詳細については後述する。ショットキー障壁を用いた光検出のメカニズム自体は、従来のショットキー障壁型のPDの場合と同様である。
本実施形態に係る受光素子1は、結晶基板2が導電性を示すSi系の材料からなるものであって、さらに、一方側と他方側の電極を、少なくともこのSi系結晶基板を挟んで夫々形成したことを特徴とするものである。
[Constitution]
As shown in FIG. 1, a semiconductor light receiving element (hereinafter “light receiving element”) 1 of the present invention is a PD having a so-called MIS type configuration. Accordingly, the Schottky electrode and the other electrode provided corresponding to the Schottky electrode are arranged in a manner that can function as a light receiving element. The other electrode is preferably an ohmic electrode. Details of each electrode will be described later. The mechanism of light detection using a Schottky barrier is the same as that of a conventional Schottky barrier type PD.
The light receiving element 1 according to the present embodiment is one in which the crystal substrate 2 is made of a Si-based material exhibiting conductivity, and the electrodes on one side and the other side are at least sandwiched between the Si-based crystal substrates. It is formed.

本発明による受光素子は、結晶基板上にIII族窒化物材料の層を結晶成長させてなる積層体として構成されるのが好ましい。このとき、光感受層4は積層体の最上層に位置する。この積層体の構造、および各電極(ショットキー電極5とオーミック電極7)との位置関係は図1に示す通りである。
図1に於いて、2は導電性を示すn型半導体結晶基板、3はn型のIII族窒化物半導体からなるバッファ層、4は絶縁性すなわちノンドープのIII族窒化物材料からなる光感受層、5は受光素子を構成する一方側の電極たる透明ショットキー電極である。7は受光素子を構成する他方側の電極たるオーミック電極である。また図1中、Lは検出すべき光である。
The light-receiving element according to the present invention is preferably configured as a laminate formed by crystal growth of a layer of a group III nitride material on a crystal substrate. At this time, the photosensitive layer 4 is located in the uppermost layer of the laminate. The structure of this laminate and the positional relationship between each electrode (Schottky electrode 5 and ohmic electrode 7) are as shown in FIG.
In FIG. 1, 2 is an n-type semiconductor crystal substrate showing conductivity, 3 is a buffer layer made of an n-type group III nitride semiconductor, and 4 is a photosensitive layer made of an insulating or non-doped group III nitride material. Reference numeral 5 denotes a transparent Schottky electrode which is one electrode constituting the light receiving element. Reference numeral 7 denotes an ohmic electrode as an electrode on the other side constituting the light receiving element. In FIG. 1, L is light to be detected.

図1に示すように、本実施形態の受光素子1は、ノンドープのIII族窒化物材料からなる層を光感受層4として有する。さらに、この光感受層4の片側の面を受光面4aとして、該受光面4aにはショットキー電極5が設けられる。   As shown in FIG. 1, the light receiving element 1 of the present embodiment has a layer made of a non-doped group III nitride material as a photosensitive layer 4. Further, a surface on one side of the photosensitive layer 4 is a light receiving surface 4a, and a Schottky electrode 5 is provided on the light receiving surface 4a.

光感受層4に用いられるIII族窒化物材料は、式AlGaIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y<1、x+y≦1)で決定される化合物であるのが好ましい。このようなIII族窒化物材料は、Siに比べて格段に化学結合力が強く、機械的にも熱的にも強靭な性質を有するものである。
ここで、光感受層4に用いられるIII族窒化物材料は、検出対象とする光の波長範囲のうちの長波長端の値で、その最適組成が決定される。例えば、青色領域(480nm付近)およびそれよりも短い波長域の光を対象とする時にはInGaN、紫外線でも400nm以下の短い波長域の光を対象とする時にはIn組成の少ないInGaN、365nm以下の紫外線だけを対象とする時にはAlGaNが選ばれる。
The group III nitride material used for the photosensitive layer 4 is a compound determined by the formula Al x Ga y In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y <1, x + y ≦ 1) Is preferred. Such a group III nitride material has much stronger chemical bond strength than Si and has mechanical and thermal properties.
Here, the optimum composition of the group III nitride material used for the photosensitive layer 4 is determined by the value at the long wavelength end in the wavelength range of light to be detected. For example, InGaN when targeting light in the blue region (near 480 nm) and shorter wavelength regions, only InGaN with a small In composition and ultraviolet light of 365 nm or less when targeting light in the short wavelength region of 400 nm or less even with ultraviolet light AlGaN is selected when targeting.

本実施形態では、ショットキー電極5には透明(透光性の金属薄膜)電極が用いられる。透明とは、検出対象とする光の波長に対して透明という意味である。ショットキー電極5の材料としては、Au、Pt若しくはTiW、又はそれらの組み合わせ(Ni/Pt、Ni/Au等)などが挙げられる。この透明ショットキー電極5は、受光面4a略全面を被覆する様に形成されている。
なお、本実施形態では、透光性の金属薄膜からなる透明ショットキー電極5と外部との接続を容易にするために、ショットキー電極5の上面に、Auからなるパッド電極6を付加している。
In the present embodiment, a transparent (translucent metal thin film) electrode is used for the Schottky electrode 5. Transparent means transparent to the wavelength of light to be detected. Examples of the material of the Schottky electrode 5 include Au, Pt, TiW, or a combination thereof (Ni / Pt, Ni / Au, etc.). The transparent Schottky electrode 5 is formed so as to cover substantially the entire light receiving surface 4a.
In the present embodiment, a pad electrode 6 made of Au is added to the upper surface of the Schottky electrode 5 in order to facilitate the connection between the transparent Schottky electrode 5 made of a translucent metal thin film and the outside. Yes.

オーミック電極7の材料としては、Al/Ti、Au/Ti若しくはTi、又はそれらの組み合わせなどが挙げられる。また、ショットキー電極5側が逆バイアスになるように電圧が印加されるので、オーミック電極7側がショットキー障壁を持っていても大きな問題にはならない。このことは、両電極をショットキー電極で形成していても、受光面の電極に逆バイアスの電圧を印加して使う場合、もう一方の電極には順バイアス状態になり、結果、オーミック電極と同等の働きをすることを意味している。
本実施形態では、片側電極をオーミック電極7としたことによって、内部電界を利用することができ、印加電圧が0でも電子正孔対の分離がなされるという原理的利点が得られる。すなわち、本実施形態によれば、片側電極がオーミック電極であることにより、印加電圧がなくても内部電界によりキャリアが分離され、光電流として外部に取り出せることが期待できる。
Examples of the material of the ohmic electrode 7 include Al / Ti, Au / Ti, Ti, or a combination thereof. In addition, since the voltage is applied so that the Schottky electrode 5 side is reverse-biased, even if the ohmic electrode 7 side has a Schottky barrier, it does not become a big problem. This means that even if both electrodes are formed by Schottky electrodes, when a reverse bias voltage is applied to the electrode on the light receiving surface, the other electrode is in a forward bias state, resulting in an ohmic electrode. It means to work equivalently.
In this embodiment, since the one-side electrode is the ohmic electrode 7, the internal electric field can be used, and the principle advantage that the electron-hole pair is separated even when the applied voltage is zero is obtained. That is, according to the present embodiment, since the one-side electrode is an ohmic electrode, it can be expected that carriers are separated by an internal electric field and can be taken out as a photocurrent without an applied voltage.

結晶基板2は、III族窒化物材料の結晶成長が可能な、導電性を示すSi系の半導体基板とされる。好適な基板としてはn型SiCやn型Siからなるものが挙げられる。本実施形態では、結晶基板2上に、バッファ層3を介してノンドープのIII族窒化物結晶からなる光感受層4を成長させている。一般的に、バッファ層3は、その上方に成長させるIII族窒化物材料の結晶成長温度よりも低温で堆積させたものである。
なお、便宜上、n型SiCやn型Siからなる結晶基板2の表面に、III族窒化物結晶との格子定数や熱膨張係数の違いを緩和するためのn型AlGa1−yN(0≦y≦1)[n型SiC基板の場合]やn型SiC[n型Si基板の場合]からなるバッファ層3を設けたものを基板とみなしても良く、さらにその上に光感受層4とは別のIII族窒化物結晶の薄膜(例えば、基板等とはドーピングの濃度が異なるもの)を有するものを基板とみなしても構わない。
いずれにしても、本実施形態では、光感受層4を境にしてバッファ層3より下の各層(バッファ層3、結晶基板2及びオーミック電極7)については電極として一体的に取り扱って考えることが可能である。
The crystal substrate 2 is a conductive Si-based semiconductor substrate capable of crystal growth of a group III nitride material. Suitable substrates include those made of n-type SiC or n-type Si. In the present embodiment, a photosensitive layer 4 made of a non-doped group III nitride crystal is grown on the crystal substrate 2 via a buffer layer 3. In general, the buffer layer 3 is deposited at a temperature lower than the crystal growth temperature of the group III nitride material grown thereon.
For convenience, the surface of the crystal substrate 2 made of n-type SiC or n-type Si has n-type Al y Ga 1-y N (for relaxing the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient from the group III nitride crystal). 0 ≦ y ≦ 1) [in the case of n-type SiC substrate] or n-type SiC [in the case of n-type Si substrate] provided with a buffer layer 3 may be regarded as a substrate, and further a photosensitive layer thereon 4 may be regarded as a substrate having a group III nitride crystal thin film different from 4 (for example, one having a doping concentration different from that of the substrate or the like).
In any case, in this embodiment, the layers below the buffer layer 3 (the buffer layer 3, the crystal substrate 2, and the ohmic electrode 7) with the photosensitive layer 4 as a boundary may be handled as electrodes integrally. Is possible.

本発明の受光素子が受光の対象とする光としては、光感受層4に用いられるIII族窒化物材料の組成に応じて任意の波長のものを選択し得るが、青色から紫外線・X線に至る短い波長の光を対象とするとき、本発明の有用性は特に顕著となる。
例えば、KrFエキシマレーザー装置から発せられる波長248nmの光や、ArFエキシマレーザー装置から発せられる波長193nmの光など、短い波長の紫外線は、強烈なエネルギーを持つ光であるため、従来より受光素子には高い耐久性と信頼性が強く求められていた。
しかるに、本発明によれば、複雑な製造工程を必要とせず、シンプルでしかも受光面積を最大限に取ることが出来る構造の素子を、紫外線のような短い波長の受光にも十分耐え得るIII族窒化物材料を光感受層に用いて作製することが出来るため、耐紫外線性のほか、耐久性と信頼性に優れた受光素子を提供することが可能となる。又本発明によれば、基板にSi系材料を使用することで、高性能な素子を安価に提供することが可能となる。
The light to be received by the light receiving element of the present invention can be selected at any wavelength depending on the composition of the group III nitride material used for the photosensitive layer 4, but from blue to ultraviolet and X-rays. The utility of the present invention is particularly remarkable when light of short wavelengths is used.
For example, light with a short wavelength, such as light with a wavelength of 248 nm emitted from a KrF excimer laser device or light with a wavelength of 193 nm emitted from an ArF excimer laser device, is a light having intense energy. High durability and reliability were strongly demanded.
However, according to the present invention, an element having a structure that does not require a complicated manufacturing process, is simple and can take up the light receiving area to the maximum, and can withstand light of a short wavelength such as ultraviolet rays, is a group III. Since a nitride material can be used for the photosensitive layer, it is possible to provide a light receiving element that is excellent in durability and reliability in addition to ultraviolet resistance. According to the present invention, it is possible to provide a high-performance element at low cost by using a Si-based material for the substrate.

[動作]
又以下では、本実施形態の受光素子1の動作につき説明する。まず、透明ショットキー電極5側に負電圧、n型層側すなわちオーミック電極7に正電圧を印加して、素子を逆バイアス状態とする。図の上方より入射する光Lは、透明ショットキー電極5を透過し、光感受層4に達すると吸収され、伝導帯に電子を、価電子帯に正孔を発生させる。このとき、電子は電界によりn型半導体層である結晶基板2に移動する一方、正孔は透明ショットキー電極5に移動し、電極を通じて光電流として外部に取り出される。換言すれば、電子はオーミック電極7に、正孔はショットキー電極5に導かれ、光電流として外部に取り出される。
ここで、逆バイアス電圧を大きくすることにより、アバランシェ効果を起こさせ、電流増幅型素子として用いられることもある。
[Operation]
In the following, the operation of the light receiving element 1 of the present embodiment will be described. First, a negative voltage is applied to the transparent Schottky electrode 5 side, and a positive voltage is applied to the n-type layer side, that is, the ohmic electrode 7 to place the element in a reverse bias state. The light L incident from the upper side of the figure passes through the transparent Schottky electrode 5 and is absorbed when reaching the photosensitive layer 4, generating electrons in the conduction band and holes in the valence band. At this time, electrons move to the crystal substrate 2 which is an n-type semiconductor layer by an electric field, while holes move to the transparent Schottky electrode 5 and are taken out as photocurrent through the electrodes. In other words, electrons are guided to the ohmic electrode 7 and holes are guided to the Schottky electrode 5 to be taken out as photocurrent.
Here, by increasing the reverse bias voltage, an avalanche effect is caused, and it may be used as a current amplification type element.

次に、上記構成からなる本発明の受光素子を、紫外域の光を受光の対象とする紫外線センサとして実際に作成した例に付き説明する。   Next, the light receiving element of the present invention having the above configuration will be described with reference to an example in which the light receiving element of the present invention is actually made as an ultraviolet sensor that receives light in the ultraviolet region.

[第1例]
上記実施形態同様、本実施例の受光素子1は、図1に示す構造をもつものであり、n型SiC基板2上に、バッファ層となるn型AlGa1−yN(0≦y≦1)層3、絶縁性のノンドープAlGaIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y<1、x+y≦1)からなる光感受層4が順次積層され、その上に、Ni/Auから成る透明ショットキー電極5が形成されたMIS型受光素子である。
[First example]
Similar to the above embodiment, the light receiving element 1 of the present example has the structure shown in FIG. 1, and n-type Al y Ga 1-y N (0 ≦ y) serving as a buffer layer on the n-type SiC substrate 2. ≦ 1) Photosensitive layer 4 made of layer 3 and insulating non-doped Al x Ga y In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y <1, x + y ≦ 1) are sequentially laminated. The MIS type light receiving element having a transparent Schottky electrode 5 made of Ni / Au formed thereon.

具体的には、本実施例の受光素子1は、昇華法等で作製したn型SiC基板2上に、n型AlGa1−yN(0≦y≦1)からなるバッファ層3を形成し、さらにその上に、絶縁性のノンドープAlGaIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y<1、x+y≦1)からなる光感受層4を結晶成長させて構成したものである。本実施例では、上記の積層構造を、公知の手法を導入して有機金属気相成長法(MOCVD)により作製した。 Specifically, in the light receiving element 1 of this embodiment, a buffer layer 3 made of n-type Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1) is formed on an n-type SiC substrate 2 manufactured by a sublimation method or the like. Further, the photosensitive layer 4 made of insulating non-doped Al x Ga y In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y <1, x + y ≦ 1) is formed on the crystal. It is made up of growth. In this example, the above laminated structure was produced by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) by introducing a known method.

なお、光感受層4を構成する絶縁性のノンドープAlGaIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y<1、x+y≦1)III族窒化物材料に関しては、検出対象とする光の波長帯域に応じてその最適組成が決定される。検出対象とする光の波長帯域に対応したx及びyの比率その他に関しては従来公知である。本実施例では、紫外域にある約340nmの波長の光に対して感度をもつセンサを得るべく、光感受層4をAlGaNから形成した。 In addition, regarding the insulating non-doped Al x Ga y In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y <1, x + y ≦ 1) group III nitride material constituting the photosensitive layer 4 The optimum composition is determined according to the wavelength band of light to be detected. The ratio of x and y corresponding to the wavelength band of light to be detected and others are well known in the art. In this example, the light-sensitive layer 4 was formed of AlGaN in order to obtain a sensor having sensitivity to light having a wavelength of about 340 nm in the ultraviolet region.

又図1に示す通り、n型SiC基板2の裏面には、Ti/Alからなるオーミック電極7が形成され、透明ショットキー電極5の受光面の一部には、Auからなるパッド電極6が形成されている。
本実施例の受光素子1では、透明ショットキー電極5側から光(紫外線)Lが入射すると、キャリアが発生し、電極5,7から光電流が取り出される。
As shown in FIG. 1, an ohmic electrode 7 made of Ti / Al is formed on the back surface of the n-type SiC substrate 2, and a pad electrode 6 made of Au is formed on a part of the light receiving surface of the transparent Schottky electrode 5. Is formed.
In the light receiving element 1 of this embodiment, when light (ultraviolet light) L is incident from the transparent Schottky electrode 5 side, carriers are generated and a photocurrent is taken out from the electrodes 5 and 7.

[第2例]
第1例に引き続き、同一積層構造からなる第2例を作製した。
この第2例の受光素子1は、n型SiC基板に代えてn型Si基板を用い、その上に、n型SiCからなるバッファ層3を形成し、さらにその上に、絶縁性のノンドープAlGaIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y<1、x+y≦1)III族窒化物材料からなる光感受層4を結晶成長させて構成したものである。
第1例同様、第2例においても、上の積層構造を有機金属気相成長法(MOCVD)を用いて形成した。光感受層4の組成は、第1例と同様のものとした。
Si基板上にSiC(3C−SiC)を介してIII族窒化物材料からなる層を結晶成長させる手法は、T.Takeuchi他による報告(J. Cryst. Growth 115, 634(1991年)参照)等により公知である。
[Second example]
Subsequent to the first example, a second example having the same laminated structure was produced.
In the light receiving element 1 of the second example, an n-type Si substrate is used instead of the n-type SiC substrate, a buffer layer 3 made of n-type SiC is formed thereon, and an insulating non-doped Al is further formed thereon. is the x Ga y in (1-x -y) N (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y <1, x + y ≦ 1) light sensitive layer 4 made of a group III nitride material that has been configured by crystal growth .
Similar to the first example, in the second example, the upper laminated structure was formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). The composition of the photosensitive layer 4 was the same as in the first example.
A method for crystal growth of a layer made of a group III nitride material on SiC substrate via SiC (3C-SiC) is described in T.W. This is known from a report by Takeuchi et al. (See J. Cryst. Growth 115, 634 (1991)).

Si結晶基板上にIII族窒化物の結晶を成長させる手法に関しては、上記のほか、i)Si等の基板上に少なくともInを含むGaN系半導体からなるバッファ層を堆積し、その上にGaN系半導体層を結晶成長させる方法(特開平11−145514号公報参照)や、ii)Si基板の上に、MBE法によりGa薄膜を形成し、その後、このGa薄膜上に窒化層13を形成し、さらに、その上にGaN結晶を成長させる方法(特開平9−134878号公報参照)、iii)Siと(バッファ層上に形成しようとする)III族窒化物半導体との中間の格子定数を有する、II−III−VI族化合物半導体、I−III−VI族化合物半導体及びII−IV−V族化合物半導体、並びにGaN系窒化物半導体の中から選ばれる少なくとも2種の化合物半導体を超格子構造を構成するように積層してバッファ層を形成し、これを介在させて、Si基板上にIII族窒化物半導体を成長させる方法(特開2004−63762号公報参照)、iv)AlNやAlGaN/AlNからなる中間層を介在させる方法(梅野他「Si基板上へテロエピタキシー」、応用物理第72巻 第3号 P280−281(2003年)参照)などが、現在までに報告、提案されている。
さらに、v)Si基板上に、AlGaN/AlN超格子を用いてガスソースMBE法により高品質のAlGaNを成長させる方法(S. A. Nikishin他、Appl. Phys. Lett. 76, 3028(2000年)参照)や、vi)Si基板上にAlGaN/GaN多層膜を導入してGaInN/GaNデバイス(MQW LED)を作製した例について報告例がある(A.Dadgar他、Appl. Phys. Lett. 78, 2211(2001年)参照)。
Regarding the method of growing a group III nitride crystal on a Si crystal substrate, in addition to the above, i) a buffer layer made of a GaN-based semiconductor containing at least In is deposited on a substrate of Si or the like, and a GaN-based semiconductor is deposited thereon. A method of crystal growth of a semiconductor layer (see JP-A-11-145514), or ii) forming a Ga thin film on the Si substrate by MBE, and then forming a nitride layer 13 on the Ga thin film, Further, a method of growing a GaN crystal thereon (see Japanese Patent Laid-Open No. 9-134878), iii) having an intermediate lattice constant between Si and a group III nitride semiconductor (to be formed on the buffer layer), At least selected from II-III-VI group compound semiconductors, I-III-VI group compound semiconductors and II-IV-V group compound semiconductors, and GaN-based nitride semiconductors A method of growing a group III nitride semiconductor on a Si substrate by stacking two kinds of compound semiconductors so as to constitute a superlattice structure and forming a buffer layer therebetween (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-63762) Iv) a method of interposing an intermediate layer made of AlN or AlGaN / AlN (see Umeno et al. “Heteroepitaxy on Si substrate”, Applied Physics Vol. 72, No. 3, P280-281 (2003)). It has been reported and proposed so far.
Furthermore, v) a method of growing high-quality AlGaN on a Si substrate by gas source MBE using an AlGaN / AlN superlattice (SA Nikishin et al., Appl. Phys. Lett. 76, 3028 (2000) Vi)), and vi) there are reported examples of producing a GaInN / GaN device (MQW LED) by introducing an AlGaN / GaN multilayer on a Si substrate (A. Dadgar et al., Appl. Phys. Lett. 78). 2211 (2001)).

このように、Si結晶基板上にIII族窒化物の結晶を成長させる手法は種々存在するが、上記したn型SiCからなるバッファ層3を形成する手法に代替し得る好適な方法としては、n型AlGa1−uN(0≦u≦1)とn型AlGa1−vN(0≦v≦1、v≠u)との超格子構造からなるバッファ層を用いる方法や、n型SiCとn型AlGa1−uN(0≦u≦1)とn型AlGa1−vN(0≦v≦1、v≠u)との超格子構造からなるバッファ層を用いる方法が挙げられる。
なお、超格子構造とは、ヘテロ接合を数〜数10原子層厚の一定周期で繰り返して形成される人工的な構造を言う。十分に短い周期で半導体超格子を構成したとき(短周期超格子)、その積層構造は実効的に超格子の寸法で決まる平均組成の混晶とほぼ等しい働きをすることが知られている。
As described above, there are various methods for growing a group III nitride crystal on a Si crystal substrate. As a preferable method that can be substituted for the method of forming the buffer layer 3 made of n-type SiC, n and a method of using a buffer layer of a superlattice structure of the type Al u Ga 1-u n ( 0 ≦ u ≦ 1) and the n-type Al v Ga 1-v n ( 0 ≦ v ≦ 1, v ≠ u), Buffer layer having a superlattice structure of n-type SiC, n-type Al u Ga 1-u N (0 ≦ u ≦ 1) and n-type Al v Ga 1-v N (0 ≦ v ≦ 1, v ≠ u) The method using is mentioned.
The superlattice structure refers to an artificial structure formed by repeating heterojunctions at a constant period of several to several tens of atomic layers. When a semiconductor superlattice is formed with a sufficiently short period (short-period superlattice), it is known that the laminated structure works substantially the same as a mixed crystal having an average composition determined by the dimensions of the superlattice.

第1例及び第2例として得られた本実施例の紫外線センサに関し、両電極5,7間に逆バイアスをかけた状態で、受光面に対して垂直な方向から種々の波長の光を照射し、受光の性能を調べたところ、紫外域の光、すなわち約340nm以下の波長の光に対して感度があることがわかった。340nm以下の波長域については、従来技術にあっては基板側から光を入射させていた場合に問題となるAlGaNの光吸収特性が、本発明では逆にそのまま受光感度に寄与することになるので、フラットな特性となった。また、340nmよりも長い波長域の光については、光感受層4が感応しないため、全く感度がないほか、素子の顕著な温度上昇も看られなかった。
さらに、本実施例の紫外線センサでは、メサ構造を採用せずに済むため、受光面に盲点もなく、受光面における受光感度のバラツキも解消されている。
With respect to the ultraviolet sensors of the present embodiment obtained as the first and second examples, light of various wavelengths is irradiated from the direction perpendicular to the light receiving surface in a state in which a reverse bias is applied between the electrodes 5 and 7. Then, when the performance of light reception was examined, it was found that there was sensitivity to light in the ultraviolet region, that is, light having a wavelength of about 340 nm or less. For the wavelength region of 340 nm or less, the light absorption characteristics of AlGaN, which is a problem when light is incident from the substrate side in the prior art, directly contributes to the light receiving sensitivity in the present invention. It became a flat characteristic. Further, with respect to light having a wavelength range longer than 340 nm, the photosensitive layer 4 is not sensitive, so there is no sensitivity at all and no significant temperature rise of the device was observed.
Furthermore, in the ultraviolet sensor of the present embodiment, since it is not necessary to employ a mesa structure, there is no blind spot on the light receiving surface, and variations in light receiving sensitivity on the light receiving surface are eliminated.

上記の通り、本発明の受光素子は、光感受層にIII族窒化物材料を用いているために紫外線に対して優れた耐性を有する。又本発明の受光素子は、透光性の金属薄膜からなる透明電極を用いたショットキー障壁型のPDであり、ショットキー電極の上面側からの光を受光する構造となっている。すなわち、受光すべき光は、基板層を通過することなく、電極側から直接的に光感受層に入射することが可能である。
以上に説明したように、本発明によれば、青色〜紫外域の波長の光に対しても優れた感度を有する受光素子が得られる。又本発明によれば、特に、波長が短くなっても感度が減少することがないという顕著な作用効果が得られる。
As described above, since the light receiving element of the present invention uses a group III nitride material for the photosensitive layer, it has excellent resistance to ultraviolet rays. The light receiving element of the present invention is a Schottky barrier type PD using a transparent electrode made of a translucent metal thin film, and has a structure for receiving light from the upper surface side of the Schottky electrode. That is, the light to be received can directly enter the photosensitive layer from the electrode side without passing through the substrate layer.
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a light receiving element having excellent sensitivity to light having a wavelength in the blue to ultraviolet range. In addition, according to the present invention, a remarkable effect can be obtained that the sensitivity does not decrease even when the wavelength is shortened.

[変形例]
以上、本発明につき一実施形態等を用いて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態等に記載の構成に限定されず、種々の設計変更が可能である。
[Modification]
Although the present invention has been specifically described with reference to one embodiment and the like, the present invention is not limited to the configuration described in the embodiment and the like, and various design changes are possible.

例えば、上記各実施例では、光感受層4を紫外線に対して感度をもつ組成からなるものとしたが、光感受層4の組成についてはこれに限られず、検出対象とする光の波長帯域に対応した最適な組成のものとして構わない。又光感受層は、1層からなるものに限らず、組成等が相異なる複数層を積層して構成されたものであっても構わない。一般式も、AlGaIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y<1、x+y≦1)に限らず、AlGa1−xN(0<x≦1)等としても良い。
バッファ層3及びその形成手法についても、上記各実施例に記載したものに限定されず、現在までに報告、提案されている種々のものの中から適当なものを用い得る。
For example, in each of the embodiments described above, the photosensitive layer 4 is made of a composition having sensitivity to ultraviolet rays. However, the composition of the photosensitive layer 4 is not limited to this, and the wavelength band of light to be detected is set. It does not matter if the composition has an optimum composition. The photosensitive layer is not limited to a single layer, and may be formed by laminating a plurality of layers having different compositions. The general formula is not limited to Al x Ga y In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y <1, x + y ≦ 1), but Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 1) etc.
The buffer layer 3 and its formation method are not limited to those described in the above embodiments, and any appropriate ones reported and proposed so far can be used.

また上記した通り、結晶基板2の他方側に備えられる、受光素子1を形成する他方側の電極7については、ショットキー障壁を持った所謂ショットキー電極であっても構わない。   Further, as described above, the other side electrode 7 forming the light receiving element 1 provided on the other side of the crystal substrate 2 may be a so-called Schottky electrode having a Schottky barrier.

さらに、上記各実施例では基板上における積層構造を有機金属気相成長法(MOCVD)により形成するものとしたが、積層構造を形成する手法についてはこれに限られず、従来知られた別の結晶成長法、例えば分子線成長法(MBE)または水素化物法(HVPE)を用いても構わない。
電極材料も、上記各実施例に記載のものに限定されない。また、各層の膜厚や電極の厚さに関しても、適当な値を選択することが可能である。
Furthermore, in each of the above embodiments, the laminated structure on the substrate is formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). However, the method for forming the laminated structure is not limited to this, and another known crystal can be used. A growth method such as a molecular beam growth method (MBE) or a hydride method (HVPE) may be used.
The electrode material is not limited to those described in the above embodiments. Also, appropriate values can be selected for the film thickness of each layer and the electrode thickness.

その他、上記実施形態等では、受光素子1を導電性を示すn型の結晶基板2の上にバッファ層3、ノンドープの光感受層4及びショットキー電極5を順次形成するMIS型の構成としたが、光感受層4の上にP型のIII族窒化物半導体、又その上に適当な電極(例えば、オーミック電極)を備えたPIN型構成とする等、種々の変更をなし得る。P型のIII族窒化物半導体としては、任意の組成比率をもつAlGaN等を用い得る。P型層は、1層からなるものに限らず、組成やドーピング比率が相異なる複数層を積層して構成されたものであっても構わない。いずれにしても、上記結晶基板の他方側の面には、受光素子を構成する他方側の電極(オーミック電極)が備えられる。
要するに、本発明は、一方側と他方側の電極を、導電性を示すSi系結晶基板を挟んで夫々形成することにより、受光面積を最大限に取ることが出来、しかもエッチング等の面倒な工程を省略することが可能な受光素子を対象とするものである。
In other embodiments, the light receiving element 1 has a MIS configuration in which the buffer layer 3, the non-doped photosensitive layer 4 and the Schottky electrode 5 are sequentially formed on the conductive n-type crystal substrate 2. However, various modifications can be made such as a PIN type configuration in which a P-type group III nitride semiconductor is provided on the photosensitive layer 4 and an appropriate electrode (for example, an ohmic electrode) is provided thereon. As the P-type group III nitride semiconductor, AlGaN having an arbitrary composition ratio can be used. The P-type layer is not limited to a single layer, and may be configured by stacking a plurality of layers having different compositions and doping ratios. In any case, the other side surface (ohmic electrode) constituting the light receiving element is provided on the other side surface of the crystal substrate.
In short, the present invention can maximize the light receiving area by forming the electrodes on one side and the other side with the Si-based crystal substrate having conductivity interposed therebetween, and also troublesome processes such as etching. This is intended for a light receiving element that can be omitted.

このように、本発明は上記実施形態等に記載の構成に限定されるものではなく、当業者であれば、以上に開示された基本的技術思想及び教示に基づき、種々の変形例を想到出来る事は自明である。   As described above, the present invention is not limited to the configurations described in the above embodiments and the like, and those skilled in the art can devise various modifications based on the basic technical idea and teachings disclosed above. Things are self-explanatory.

以上に説明した通り、本願発明は、赤外から紫外に至る広い範囲の中から選ばれる所望の波長の光を受光可能であり、しかも、十分な性能を確保しつつ簡素な工程で安価に製造出来る、シンプルかつ信頼性に優れた半導体受光素子を提供する、新規かつ有用なるものであることが明らかである。   As described above, the present invention can receive light of a desired wavelength selected from a wide range from infrared to ultraviolet, and is manufactured at a low cost with a simple process while ensuring sufficient performance. It is clear that this is a new and useful device that can provide a simple and reliable semiconductor light-receiving element.

本発明の受光素子の一構成例を示す図である。It is a figure which shows the example of 1 structure of the light receiving element of this invention. 従来構成を示す図である。It is a figure which shows a conventional structure.

符号の説明Explanation of symbols

L 入射光
1 受光素子
2 結晶基板
3 バッファ層
4 光感受層
4a 受光面
5 ショットキー電極
6 パッド電極
7 他方側の電極
20,30 受光素子
21,31 基板
22,32 n−GaN層
23,33 光感受層
24,34 メサ構造
25,35 ショットキー電極
26,36 バイアス電源
27,37 オーミック電極
L incident light 1 light receiving element 2 crystal substrate 3 buffer layer 4 light sensitive layer 4a light receiving surface 5 Schottky electrode 6 pad electrode 7 electrode on the other side 20, 30 light receiving element 21, 31 substrate 22, 32 n-GaN layers 23, 33 Photosensitive layer 24, 34 Mesa structure 25, 35 Schottky electrode 26, 36 Bias power supply 27, 37 Ohmic electrode

Claims (10)

半導体受光素子であって、
導電性を示すSi系半導体からなる結晶基板と、
前記結晶基板の一方側の面上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上方に少なくとも1層形成された、絶縁性のIII族窒化物材料からなる光感受層と、
受光面となる前記光感受層の一方側の面に備え設けられた、受光素子を構成する一方側の電極たるショットキー電極と、
前記結晶基板の他方側の面に備え設けられた、受光素子を構成する他方側の電極と、
からなることを特徴とする受光素子。
A semiconductor light receiving element,
A crystal substrate made of a Si-based semiconductor exhibiting conductivity;
A buffer layer formed on one surface of the crystal substrate;
A photosensitive layer made of an insulating group III nitride material, formed at least one layer above the buffer layer;
A Schottky electrode, which is provided on one surface of the light-sensitive layer serving as a light-receiving surface, and is one electrode constituting the light-receiving element;
An electrode on the other side constituting a light receiving element provided on the other surface of the crystal substrate;
A light receiving element comprising:
前記結晶基板がn型SiCからなり、前記バッファ層がn型AlGa1−yN(0≦y≦1)からなることを特徴とする請求項1に記載の受光素子。 The light receiving element according to claim 1, wherein the crystal substrate is made of n-type SiC, and the buffer layer is made of n-type Al y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 1). 前記結晶基板がn型Siからなり、前記バッファ層がn型SiCからなることを特徴とする請求項1に記載の受光素子。   The light receiving element according to claim 1, wherein the crystal substrate is made of n-type Si, and the buffer layer is made of n-type SiC. 前記結晶基板がn型Siからなり、前記バッファ層がn型AlGa1−uN(0≦u≦1)とn型AlGa1−vN(0≦v≦1、v≠u)との超格子構造からなることを特徴とする請求項1に記載の受光素子。 The crystal substrate is made of n-type Si, and the buffer layer is made of n-type Al u Ga 1-u N (0 ≦ u ≦ 1) and n-type Al v Ga 1-v N (0 ≦ v ≦ 1, v ≠ u The light receiving element according to claim 1, wherein the light receiving element has a superlattice structure. 前記結晶基板がn型Siからなり、前記バッファ層がn型SiCとn型AlGa1−uN(0≦u≦1)とn型AlGa1−vN(0≦v≦1、v≠u)との超格子構造からなることを特徴とする請求項1に記載の受光素子。 The crystal substrate is made of n-type Si, and the buffer layer is made of n-type SiC, n-type Al u Ga 1-u N (0 ≦ u ≦ 1), and n-type Al v Ga 1-v N (0 ≦ v ≦ 1). , V ≠ u), and the light receiving element according to claim 1. 前記光感受層がAlGaIn(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y<1、x+y≦1)から成ることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の受光素子。 The photosensitive layer is made of Al x Ga y In (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y <1, x + y ≦ 1). The light receiving element according to item 1. 前記ショットキー電極が、検出対象とする光の波長に対して透明な透光性の金属薄膜からなり、前記受光面略全面を被覆する様に形成されていることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の受光素子。   The Schottky electrode is formed of a light-transmitting metal thin film that is transparent to the wavelength of light to be detected, and is formed so as to cover substantially the entire surface of the light receiving surface. The light receiving element according to any one of 6. 前記他方側の電極がオーミック電極であることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の受光素子。   The light receiving element according to claim 1, wherein the electrode on the other side is an ohmic electrode. さらに、前記光感受層と前記一方側の電極との間にP型のIII族窒化物半導体層を備え、前記一方側の電極をオーミック電極としたことを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の受光素子。   The P-type group III nitride semiconductor layer is further provided between the photosensitive layer and the electrode on the one side, and the electrode on the one side is an ohmic electrode. The light receiving element according to claim 1. 前記光感受層が有機金属気相成長法(MOCVD)または分子線成長法(MBE)または水素化物法(HVPE)の、少なくとも一つの成長法により作製されることを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載の受光素子。   10. The photosensitive layer is formed by at least one growth method of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam growth (MBE), or hydride method (HVPE). The light receiving element according to any one of the above.
JP2005314291A 2005-10-28 2005-10-28 Light receiving element Pending JP2007123587A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005314291A JP2007123587A (en) 2005-10-28 2005-10-28 Light receiving element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005314291A JP2007123587A (en) 2005-10-28 2005-10-28 Light receiving element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2007123587A true JP2007123587A (en) 2007-05-17

Family

ID=38147096

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005314291A Pending JP2007123587A (en) 2005-10-28 2005-10-28 Light receiving element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2007123587A (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007123588A (en) * 2005-10-28 2007-05-17 Doshisha Light receiving element
JP2010067738A (en) * 2008-09-10 2010-03-25 Iwate Univ Charged particle detector using gallium nitride-based semiconductor material
JP2010122166A (en) * 2008-11-21 2010-06-03 Tohoku Univ Radiation detector and radiation inspection apparatus
CN111750987A (en) * 2019-03-27 2020-10-09 中国科学院物理研究所 High-sensitivity light intensity fluctuation detector based on Schottky junction
CN111755556A (en) * 2019-03-27 2020-10-09 中国科学院物理研究所 High-sensitivity light intensity fluctuation detector based on p-n junction
RU2790061C1 (en) * 2022-06-08 2023-02-14 Акционерное общество "НПО "Орион" Method for manufacturing a two-spectrum photosensitive element based on a schottky barrier

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000101130A (en) * 1998-09-18 2000-04-07 Mitsubishi Cable Ind Ltd Semiconductor light reception element
JP2001007379A (en) * 1999-06-24 2001-01-12 Sharp Corp Gallium nitride based compound semiconductor light receiving element
JP2004063762A (en) * 2002-07-29 2004-02-26 Tsuyama National College Of Technology Method for forming nitride semiconductor layer superior in crystallinity on silicon substrate and nitride semiconductor light emitting element

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000101130A (en) * 1998-09-18 2000-04-07 Mitsubishi Cable Ind Ltd Semiconductor light reception element
JP2001007379A (en) * 1999-06-24 2001-01-12 Sharp Corp Gallium nitride based compound semiconductor light receiving element
JP2004063762A (en) * 2002-07-29 2004-02-26 Tsuyama National College Of Technology Method for forming nitride semiconductor layer superior in crystallinity on silicon substrate and nitride semiconductor light emitting element

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007123588A (en) * 2005-10-28 2007-05-17 Doshisha Light receiving element
JP4505401B2 (en) * 2005-10-28 2010-07-21 学校法人同志社 Light receiving element
JP2010067738A (en) * 2008-09-10 2010-03-25 Iwate Univ Charged particle detector using gallium nitride-based semiconductor material
JP2010122166A (en) * 2008-11-21 2010-06-03 Tohoku Univ Radiation detector and radiation inspection apparatus
CN111750987A (en) * 2019-03-27 2020-10-09 中国科学院物理研究所 High-sensitivity light intensity fluctuation detector based on Schottky junction
CN111755556A (en) * 2019-03-27 2020-10-09 中国科学院物理研究所 High-sensitivity light intensity fluctuation detector based on p-n junction
RU2790061C1 (en) * 2022-06-08 2023-02-14 Акционерное общество "НПО "Орион" Method for manufacturing a two-spectrum photosensitive element based on a schottky barrier

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109686822B (en) Polarized electric field assisted hole supply and p-type contact structure, light emitting device and photodetector using the same
JP4977695B2 (en) Ultraviolet light receiving element
US7119359B2 (en) Photodetectors and optically pumped emitters based on III-nitride multiple-quantum-well structures
JP5800291B2 (en) ZnO-based semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2004179258A (en) Ultraviolet sensor
KR101639779B1 (en) Semiconductor photo-detecting device
JP6487284B2 (en) Infrared sensor element and manufacturing method thereof
JP3019132B2 (en) Gallium nitride based compound semiconductor photo detector
JP4635187B2 (en) Semiconductor photodetector
US8350290B2 (en) Light-receiving device and manufacturing method for a light-receiving device
KR101671552B1 (en) Sensor, semiconductor substrate, and method for manufacturing semiconductor substrate
US7525131B2 (en) Photoelectric surface and photodetector
US7238972B2 (en) Photodetector
JP2007123587A (en) Light receiving element
CN113471326A (en) III-group nitride heterojunction photoelectric detector
Mosca et al. Multilayer (Al, Ga) N structures for solar-blind detection
JP2006186183A (en) Quantum dot type infrared ray detector
JP4505401B2 (en) Light receiving element
US10686091B2 (en) Semiconductor device
US20100096616A1 (en) Light-emitting and light-detecting optoelectronic device
JP4694417B2 (en) Quantum dot optical semiconductor device
Yu et al. In/sub 0.37/Ga/sub 0.63/N metal-semiconductor-metal photodetectors with recessed electrodes
JP2005235911A (en) GaN-BASED COMPOUND SEMICONDUCTOR LIGHT RECEIVING ELEMENT
JP2023056719A (en) Ultraviolet light photodetector
Wang et al. Analysis and comparison of UV photodetectors based on wide bandgap semiconductors

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20081014

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20081014

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20081120

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20091019

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20091228

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100106

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100304

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20100616

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100914

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20100922

A912 Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912

Effective date: 20101029