JP2007165478A - 光電面及び光検出器 - Google Patents
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Abstract
【課題】量子効率の高い光電面及びこれを用いた光検出器を提供する。
【解決手段】光電面10は、紫外線Lの入射に応じて光電子を生成する第1のIII族窒化物半導体層8と、III族窒化物半導体層8に隣接して設けられており、III族窒化物半導体層8のAl組成よりも高いAl組成を有すると共に、厚み方向にc軸配向性を有する薄膜結晶からなる第2のIII族窒化物半導体層6とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】光電面10は、紫外線Lの入射に応じて光電子を生成する第1のIII族窒化物半導体層8と、III族窒化物半導体層8に隣接して設けられており、III族窒化物半導体層8のAl組成よりも高いAl組成を有すると共に、厚み方向にc軸配向性を有する薄膜結晶からなる第2のIII族窒化物半導体層6とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、III族窒化物半導体層を含む光電面及びこれを用いた光検出器に関する。
GaN層を活性層として含む光電面が知られている(特許文献1参照)。この光電面では、GaN層に紫外線が入射されると、GaN層から光電子が放出される。
特開平10−241554号公報
上記光電面においても、GaN層が光電子を放出する際の量子効率は高められているけれども、更に活性層の量子効率を高めることが求められている。
本発明は、量子効率の高い光電面及びこれを用いた光検出器を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明の光電面は、紫外線の入射に応じて光電子を生成する第1のIII族窒化物半導体層と、前記第1のIII族窒化物半導体層に隣接して設けられており、前記第1のIII族窒化物半導体層のAl組成よりも高いAl組成を有すると共に、厚み方向にc軸配向性を有する薄膜結晶からなる第2のIII族窒化物半導体層とを備える。
なお、第1のIII族窒化物半導体層はAlを含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。
本発明の光電面では、第2のIII族窒化物半導体層が、厚み方向にc軸配向性を有する薄膜結晶からなるので、薄膜結晶のc軸方向の自発分極により第2のIII族窒化物半導体層内に内部電界が生じる。また、第2のIII族窒化物半導体層内に歪みがある場合には、当該歪みに起因するピエゾ電界によっても第2のIII族窒化物半導体層内に内部電界が生じる。この内部電界によって、第1のIII族窒化物半導体層のエネルギーバンドは曲げられる。このような第1のIII族窒化物半導体層に紫外線が入射すると、第1のIII族窒化物半導体層内で生成された光電子は、第1のIII族窒化物半導体層から外部に放出され易くなる。よって、光電面の量子効率を向上させることができる。
また、上記光電面は、第3のIII族窒化物半導体層を更に備え、前記第2のIII族窒化物半導体層は、前記第3のIII族窒化物半導体層上に設けられていることが好ましい。
この場合、第3のIII族窒化物半導体層上に設けられた第2のIII族窒化物半導体層の結晶品質を向上させることができる。このため、第2のIII族窒化物半導体層上に設けられた第1のIII族窒化物半導体層の結晶品質を向上させることができる。よって、光電面の量子効率を更に向上させることができる。
また、上記光電面は、前記紫外線が一方の面に入射されるガラス基板と、前記ガラス基板の前記一方の面と対向する他方の面上に設けられており、前記ガラス基板と前記第2のIII族窒化物半導体層との間に配置される接着層とを更に備えることが好ましい。この場合、透過型の光電面が得られる。
本発明の光電面は、紫外線の入射に応じて光電子を生成する第1のIII族窒化物半導体層と、前記第1のIII族窒化物半導体層に隣接して設けられており、厚み方向に分極されている第2のIII族窒化物半導体層とを備える。
本発明の光電面では、厚み方向の分極(例えば、自発分極や歪み分極)により第2のIII族窒化物半導体層内に内部電界が生じる。この内部電界によって、第1のIII族窒化物半導体層のエネルギーバンドは曲げられる。このような第1のIII族窒化物半導体層に紫外線が入射すると、第1のIII族窒化物半導体層内で生成された光電子は、第1のIII族窒化物半導体層から外部に放出され易くなる。よって、光電面の量子効率を向上させることができる。
本発明の光検出器は、上記光電面と、前記光電面から放出された光電子を出力信号として取り出すための陽極とを備える。本発明の光検出器によれば、光電面の量子効率を向上させることができる。
本発明によれば、量子効率の高い光電面及びこれを用いた光検出器が提供される。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る光電面を模式的に示す断面図である。図2は、図1に示される光電面のバンドモデルを示す。図1には、反射型の光電面10が示されている。光電面10は、紫外線Lの入射に応じて光電子を生成する第1のIII族窒化物半導体層(活性層)8と、III族窒化物半導体層8に隣接して設けられた第2のIII族窒化物半導体層6とを備える。III族窒化物半導体層6は、III族窒化物半導体層8にヘテロ接合していることが好ましい。
図1は、第1実施形態に係る光電面を模式的に示す断面図である。図2は、図1に示される光電面のバンドモデルを示す。図1には、反射型の光電面10が示されている。光電面10は、紫外線Lの入射に応じて光電子を生成する第1のIII族窒化物半導体層(活性層)8と、III族窒化物半導体層8に隣接して設けられた第2のIII族窒化物半導体層6とを備える。III族窒化物半導体層6は、III族窒化物半導体層8にヘテロ接合していることが好ましい。
光電面10は第3のIII族窒化物半導体層4を更に備えることが好ましい。III族窒化物半導体層4は、Gaを含むことが好ましく、Al、In等を含んでいてもよい。III族窒化物半導体層4は、例えばAlxGa1−xN(0≦x<1)である。III族窒化物半導体層4は、基板2上に設けられていることが好ましい。基板2としては、例えば、厚さ200〜300μmのSi(111)基板又はサファイア基板等が挙げられる。III族窒化物半導体層6は、III族窒化物半導体層4上に設けられている。
III族窒化物半導体層6は、III族窒化物半導体層8のAl組成よりも高いAl組成を有すると共に厚み方向(結晶の成長方向)にc軸配向性を有する薄膜結晶からなる。III族窒化物半導体層6は、第1の面6aと第2の面6bとを有している。面6aが+c面(正のc極性方向の面、窒化物と化合物を形成するIII族元素面)である場合、面6bは−c面(負のc極性方向の面、N面)となる。面6aが−c面である場合、面6bは+c面となる。
III族窒化物半導体層6は、その厚み方向に分極されている。III族窒化物半導体層6の自発分極係数(例えばAlNでは0.09C/m2)は、III族窒化物半導体層8の自発分極係数(例えばGaNでは0.034C/m2)よりも大きいことが好ましい。また、III族窒化物半導体層6のエネルギーバンドギャップは、III族窒化物半導体層8のエネルギーバンドギャップよりも大きいことが好ましい。これにより、III族窒化物半導体層6における紫外線Lの吸収を防止することができる。III族窒化物半導体層6のAl組成を増加させると、自発分極が大きくなると共にエネルギーバンドギャップも増大する。
III族窒化物半導体層6は上記構成を有しているので、III族窒化物半導体層6内には内部電界が生じる。この内部電界は、上述のIII族窒化物半導体層6の自発分極や、III族窒化物半導体層6の歪み(引っ張り応力又は圧縮応力による歪み)に起因するピエゾ電界により生じる。自発分極による内部電界は例えば数MV/cmに及ぶ。III族窒化物半導体層6の歪みは、例えばIII族窒化物半導体層4との格子定数の差によって発生する。III族窒化物半導体層6の歪み分極が増大すると内部電界も増大する。内部電界は、表面準位によってIII族窒化物半導体層6とIII族窒化物半導体層8との界面(後述するIII族窒化物半導体層8の面8b)付近に集中する。
III族窒化物半導体層6は、Gaを含むことが好ましく、Al、In等を含んでいてもよい。III族窒化物半導体層6は、例えばAlyGa1−yN(0<y≦1)からなる。III族窒化物半導体層6の導電型は、n型、p型及びi型のいずれであってもよい。III族窒化物半導体層6は、III族窒化物半導体層4とは異なる材料から構成されることが好ましい。この場合、適切な材料を選定することにより、III族窒化物半導体層6の歪み分極を制御することができる。
III族窒化物半導体層6の厚さは、3〜100nmであることが好ましい。III族窒化物半導体層6の厚さが3nm未満であると、結晶性及び平坦性が低下する傾向にある。一方、III族窒化物半導体層6の厚さが100nmを超えると、III族窒化物半導体層6の内部電界が小さくなる傾向にある。
III族窒化物半導体層8は、Gaを含むことが好ましく、Al、In等を含んでいてもよい。III族窒化物半導体層8がAlを含む場合、Al組成比を制御することにより、紫外線Lのうち所望の波長域の紫外線をカットオフすることができる。III族窒化物半導体層8がInを含む場合、光電面10は、紫外線Lのうち長波長側の紫外線のセンサーに好適に使用される。III族窒化物半導体層8は、薄膜結晶からなることが好ましい。III族窒化物半導体層8の導電型は、n型及びp型のいずれであってもよく、III族窒化物半導体層6の導電型と同一であることが好ましい。III族窒化物半導体層8がMgを含む場合、p型のIII族窒化物半導体層8が得られる。
III族窒化物半導体層8は、第1の面8aと第2の面8bとを有している。面8aは−c面(負のc極性方向の面、N面)であることが好ましい。これにより、III族窒化物半導体層8から光電子が放出され易くなる。この場合、面8bは+c面(正のc極性方向の面、窒化物と化合物を形成するIII族元素面)となる。面8aが+c面である場合、面8bは−c面となる。
III族窒化物半導体層8の厚さは、100〜200nmであることが好ましい。III族窒化物半導体層8の厚さが100nm未満であると、III族窒化物半導体層8の結晶品質が劣化するため、量子効率の向上効果が低下する傾向にある。一方、III族窒化物半導体層8の厚さが200nmを超えると、III族窒化物半導体層8内のキャリア数が増加することによりエネルギーバンドが平坦化するため、量子効率の向上効果が低下する傾向にある。
III族窒化物半導体層8のキャリア濃度は、1×1015〜1×1019cm−3であることが好ましい。III族窒化物半導体層8のキャリア濃度が1×1015未満であると、III族窒化物半導体層8の作製が困難になる傾向にある。一方、III族窒化物半導体層8のキャリア濃度が1×1019を超えると、内部電界によるエネルギーバンド変調が極表面近傍に限られるので、量子効率の向上効果が低下する傾向にある。
III族窒化物半導体層8において、単位面積当たりのキャリア数(III族窒化物半導体層8の厚さとキャリア濃度との積)は、1×1010〜2×1014cm−2であることが好ましい。
本実施形態の光電面10では、例えば歪みに起因するピエゾ電界や、薄膜結晶のc軸方向の自発分極によりIII族窒化物半導体層6内に内部電界が生じる。この内部電界によって、III族窒化物半導体層8のエネルギーバンドは曲げられる(図2参照)。III族窒化物半導体層6がAlNからなり、かつ、III族窒化物半導体層8がGaNからなる場合、自発分極係数の差から0.66V/nmの電界が形成されると考えられる。この場合、III族窒化物半導体層6の厚さを例えば3nmとすると、理論上、III族窒化物半導体層8では2eVのエネルギーバンド上昇が生じることとなる。なお、1eV=1.602×10−19Jである。エネルギーバンド上昇が生じると、III族窒化物半導体層8の面8aにおける表面ポテンシャルは変調される。このようなIII族窒化物半導体層8に紫外線Lが入射すると、III族窒化物半導体層8内で生成された光電子は、III族窒化物半導体層8から外部に放出され易くなる。したがって、光電面10の量子効率を向上させることができる。
また、光電面10がIII族窒化物半導体層4を備えると、基板2上に直接III族窒化物半導体層6を形成する場合に比べて、III族窒化物半導体層6の結晶品質を向上させることができる。III族窒化物半導体層4を厚くすると、III族窒化物半導体層6の結晶品質を更に向上させることができる。また、III族窒化物半導体層6の層厚均一性及び平坦性が向上する。その結果、III族窒化物半導体層8の結晶品質を向上させることができる。したがって、光電面10の量子効率を更に向上させることができる。
図3は、光電面10の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図である。まず、図3(a)に示されるように、基板2を準備する。続いて、図3(b)に示されるように、基板2上にIII族窒化物半導体層4を形成する。さらに、図3(c)に示されるように、III族窒化物半導体層4上にIII族窒化物半導体層6を形成する。その後、図3(d)に示されるように、III族窒化物半導体層6上にIII族窒化物半導体層8を形成する。III族窒化物半導体層4,6,8は、例えばMOCVD装置を用いてエピタキシャル成長により形成される。このようにして、量子効率の高い光電面10が得られる。
図4は、本実施形態に係る光検出器を模式的に示す断面図である。図4に示される光検出器20は、光電面10と、光電面10から放出された光電子を出力信号として取り出すための陽極14とを備える。光電面10及び陽極14は、チャンバ12内に配置される。光検出器20としては、例えば光電管等が挙げられる。
チャンバ12内は、例えばポンプ等を用いて真空に維持される。チャンバ12の端部12aには、紫外線Lをチャンバ12内に導入するための入射窓18が接続されている。入射窓18によって、チャンバ12内は密閉される。陽極14は、リード線16に電気的に接続されている。光電面10は、リード線17に電気的に接続されている。この光検出器20では、光電面10の量子効率を向上させることができるので、高感度に紫外線Lを検出することができる。
火炎の自然発光には、太陽や室内照明に含まれない短波長の紫外線が含まれている。光検出器20を用いれば、短波長の紫外線を選択的にかつ効率的に検出することができる。また、光電面10は、主として窒化物系半導体材料から構成されるので、高温動作環境においても光電特性が好適に維持される。よって、ごみ焼却炉やガスコンロ等の火炎センサーとして光検出器20を好適に用いることができる。
[第2実施形態]
図5は、第2実施形態に係る光電面を模式的に示す断面図である。図5には、透過型の光電面30が示されている。光電面30は、光電面10と同様に、III族窒化物半導体層6,8を備える。したがって、光電面30においても、量子効率を向上させることができる。
図5は、第2実施形態に係る光電面を模式的に示す断面図である。図5には、透過型の光電面30が示されている。光電面30は、光電面10と同様に、III族窒化物半導体層6,8を備える。したがって、光電面30においても、量子効率を向上させることができる。
光電面30は、紫外線Lが一方の面26aに入射されるガラス基板26と、ガラス基板26の面26aと対向する他方の面26b上に設けられており、ガラス基板26とIII族窒化物半導体層6との間に配置される接着層24とを更に備えることが好ましい。III族窒化物半導体層6と接着層24との間には、必要に応じてIII族窒化物半導体層6,8を保護するための保護層9が設けられていてもよい。保護層9は例えばIII族窒化物半導体からなる。
図6及び図7は、光電面30の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図である。まず、図6(a)に示されるように、基板2を準備する。続いて、図6(b)に示されるように、基板2上に緩衝層22を形成する。例えばMOCVD装置を用いて、基板2上に緩衝層22を形成することができる。さらに、図6(c)に示されるように、緩衝層22上にIII族窒化物半導体層8を形成する。その後、図7(a)に示されるように、III族窒化物半導体層8上にIII族窒化物半導体層6を形成する。次に、図7(b)に示されるように、III族窒化物半導体層6上に保護層9を必要に応じて形成する。III族窒化物半導体層6,8及び保護層9は、例えばMOCVD装置を用いてエピタキシャル成長により形成される。次に、図7(c)に示されるように、保護層9上に接着層24を形成する。次に、図7(d)に示されるように、接着層24上にガラス基板26を載置する。その後、基板2及び緩衝層22を例えばウェットエッチングにより除去することで、図7(e)に示される光電面30が得られる。
図8は、本実施形態に係る光検出器を模式的に示す断面図である。図8に示される光検出器40は、光電面30と、光電面30から放出された光電子を出力信号として取り出すための陽極14とを備える。陽極14は、チャンバ12内に配置される。光検出器40としては、例えば光電管等が挙げられる。
チャンバ12内は、例えばポンプ等を用いて真空に維持される。チャンバ12の端部12aには、紫外線Lが入射される光電面30が接続されている。光電面30によって、チャンバ12内は密閉される。陽極14は、リード線16に電気的に接続されている。光電面30は、リード線17に電気的に接続されている。この光検出器40では、光電面30の量子効率を向上させることができるので、高感度に紫外線Lを検出することができる。
また、光検出器40を用いれば2次元的なイメージングをすることができるので、例えばごみ焼却炉において、ごみを効率的に処理することができる。その結果、ダイオキシン等の発生を抑制することができる。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
まず、サファイア基板(基板2)上に厚さ600nmのGaN下地層(III族窒化物半導体層4)を形成した。さらに、減圧(76Torr)下、GaN下地層上に厚さ100nmのAlN層(III族窒化物半導体層6)を形成した。なお、1Torr=133.322Paである。その後、AlN層上に厚さ200nmのGaN活性層(III族窒化物半導体層8)を形成した。このようにして実施例1の光電面を得た。
まず、サファイア基板(基板2)上に厚さ600nmのGaN下地層(III族窒化物半導体層4)を形成した。さらに、減圧(76Torr)下、GaN下地層上に厚さ100nmのAlN層(III族窒化物半導体層6)を形成した。なお、1Torr=133.322Paである。その後、AlN層上に厚さ200nmのGaN活性層(III族窒化物半導体層8)を形成した。このようにして実施例1の光電面を得た。
(実施例2)
AlN層の厚さを50nm、GaN活性層の厚さを100nmとしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の光電面を得た。
AlN層の厚さを50nm、GaN活性層の厚さを100nmとしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の光電面を得た。
(比較例1)
サファイア基板上に厚さ20nmのGaN緩衝層を形成した後、GaN緩衝層上に厚さ300nmのGaN活性層を形成した。このようにして比較例1の光電面を得た。
サファイア基板上に厚さ20nmのGaN緩衝層を形成した後、GaN緩衝層上に厚さ300nmのGaN活性層を形成した。このようにして比較例1の光電面を得た。
(評価結果)
実施例1,2及び比較例1の光電面について、各波長に対する量子効率を測定した。
実施例1,2及び比較例1の光電面について、各波長に対する量子効率を測定した。
図9は、光電面に入射する紫外線の波長と光電面の量子効率との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、紫外線の波長(nm)を示す。グラフの縦軸は、光電面の量子効率(%)を示す。図9のグラフ中、データD1,D2はそれぞれ実施例1,2の測定結果を示し、データC1は比較例1の測定結果を示す。グラフより、実施例1,2の光電面の量子効率は、比較例1の光電面の量子効率よりも高いことが分かる。これは、GaN活性層のAlN層側の表面(表面8b)付近の空乏化によって表面(表面8b)で光励起された電子が表面(表面8a)に向かって加速されるような電界が形成されていることを示す。
図10は、エネルギー分布関数と印加電圧との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、印加電圧(V)を示す。グラフの縦軸は、エネルギー分布関数(相対値)を示す。エネルギー分布関数は、直径10mmの円に1μWのエネルギーを与える低圧水銀ランプを用いて、引き出し電圧を−10V〜+20Vとしたときに得られる光電流を微分することにより得られる。データE1は、Ga面を表面とする厚さ300nmのGaN薄膜の測定結果を示す。データE2は、N面を表面とする厚さ300nmのGaN薄膜の測定結果を示す。データE1では+0.1Vでピークを示すが、データE2では−0.1〜0Vでピークを示す。よって、N面を表面とするGaN薄膜の方が光電子を放出し易いことが分かる。N面を表面とするGaN薄膜と、G面を表面とするGaN薄膜とが共に同じ光電子の放出確率を有している場合、ピークの位置の差は表面ポテンシャルの障壁の差を示すことになる。表面準位を考慮しない計算では、Ga面で正孔が蓄積されるので、Ga面とN面との表面ポテンシャルの差は3eVになる。なお、現実には、Ga面での正孔の蓄積が表面準位での+電荷の蓄積に置き換わるため、3eVといった大きな差にはならない。
4…第3のIII族窒化物半導体層、6…第2のIII族窒化物半導体層、8…第1のIII族窒化物半導体層、10,30…光電面、14…陽極、20,40…光検出器、24…接着層、26…ガラス基板、26a…ガラス基板の一方の面、26b…ガラス基板他方の面、L…紫外線。
Claims (5)
- 紫外線の入射に応じて光電子を生成する第1のIII族窒化物半導体層と、
前記第1のIII族窒化物半導体層に隣接して設けられており、前記第1のIII族窒化物半導体層のAl組成よりも高いAl組成を有すると共に、厚み方向にc軸配向性を有する薄膜結晶からなる第2のIII族窒化物半導体層と、
を備える、光電面。 - 第3のIII族窒化物半導体層を更に備え、
前記第2のIII族窒化物半導体層は、前記第3のIII族窒化物半導体層上に設けられている、請求項1に記載の光電面。 - 前記紫外線が一方の面に入射されるガラス基板と、
前記ガラス基板の前記一方の面と対向する他方の面上に設けられており、前記ガラス基板と前記第2のIII族窒化物半導体層との間に配置される接着層と、
を更に備える、請求項1又は2に記載の光電面。 - 紫外線の入射に応じて光電子を生成する第1のIII族窒化物半導体層と、
前記第1のIII族窒化物半導体層に隣接して設けられており、厚み方向に分極されている第2のIII族窒化物半導体層と、
を備える、光電面。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の光電面と、
前記光電面から放出された光電子を出力信号として取り出すための陽極と、
を備える、光検出器。
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