JP2008028002A - 受光装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 少なくとも２種類の波長域の光を電流に変換する受光装置を提供すること。
【解決手段】 受光装置１０は、第１電極３２と、第２電極３４と、第１電極３２と第２電極３４の間に設けられている受光領域２０を備えている。受光領域２０は、バンドギャップの幅が異なる第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８を有する。受光装置１０では、紫外光が第１部分受光領域２６で吸収されることによって第１電極３２と第２電極間３４を流れる正の電流に変換され、青色光が第２部分受光領域２８で吸収されることによって第１電極３２と第２電極２４間を流れる負の電流に変換される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光を電流に変換する受光装置に関する。本発明は特に、少なくとも２種類の波長域の光を電流に変換する受光装置に関する。本発明はまた、その受光装置を製造する方法にも関する。

光を電流に変換する受光装置の開発が進められている。例えば、光通信の分野では、光伝達媒体内を伝達する信号光を電気信号に変換するために、半導体を用いた受光装置が採用されている。なかでも、可視光域から紫外光域に感度を有する窒化物半導体を用いた受光装置の開発が進められている。可視光域から紫外光域の信号光は、光伝達媒体内を伝達する際の伝達損失が小さい。

特許文献１には、pin型の受光領域を備えた窒化物半導体の受光装置が開示されている。pin型の受光領域は、ｐ型電極とｎ型電極の間に設けられており、ｐ型の窒化物半導体層とi型の窒化物半導体層とｎ型の窒化物半導体層が積層して構成されている。ｐ型電極とｐ型の窒化物半導体層が接しており、ｎ型電極とｎ型の窒化物半導体層が接している。i型の窒化物半導体層のバンドギャップの幅は、ｐ型の窒化物半導体層及びｎ型の窒化物半導体層のバンドギャップの幅よりも狭い。i型の窒化物半導体層のバンドギャップの幅は、受光する光の波長域に応じて調整されている。
pin型の受光装置では、i型の窒化物半導体層で光が吸収され、電子と正孔が生成する。生成した電子はｎ型の窒化物半導体層に移動し、生成した正孔はｐ型の窒化物半導体層に移動する。pin型の受光装置は、特定の波長域の光を吸収し、ｐ型電極とｎ型電極の間を一方方向に流れる電流に変換する。

様々な局面において、複数種類の波長域の光を分別して電流に変換したいことがある。例えば、光通信の分野では、一本の光ファイバを利用して複数種類の波長域の信号光を一方向に伝達するシステムや、一本の光ファイバを利用して複数種類の波長域の信号光を双方向に伝達する多重通信システムが研究されている。

特開２００３−３１８４３４号公報

pin型の受光装置を用いてこの種の多重通信システムを実現しようとすると、複数種類の波長域の信号光に応じて複数種類のpin型の受光装置を用意しなければならない。このため、多重通信システムの部品点数が増加するという問題がある。
また、１つの受光装置内に複数種類の波長域の信号光に応じた受光領域を作り込むタンデム型と呼ばれる受光装置も提案されている。しかしながら、タンデム型の受光装置は、受光領域と一対の電極の組合せの複数個が受光装置内に作り込まれているものであり、実質的には複数個の受光装置が用意されていると評価できる。タンデム型の受光装置では、構造が複雑になってしまう。
本発明は、多重通信システムに限らず、複数種類の波長域の光を電流に変換したい様々な局面において有用な受光装置を提供する。

本発明は、少なくとも２種類の波長域の光を電流に変換する受光装置を提供する。本発明の受光装置は、一方の波長域の光から変換された電流を一対の電極間を流れる正の電流として取出し、他方の波長域の光から変換された電流を前記一対の電極間を流れる負の電流として取出す。一対の電極で、少なくとも２種類の波長域の光に対応することができる。このため、受光装置の構造が簡単化され、システムの小型化にも寄与することができる。

即ち、本発明の受光装置は、第１電極と第２電極を備えている。本発明の受光装置はさらに、第１電極と第２電極の間に設けられており、バンドギャップの幅が異なる第１部分受光領域と第２部分受光領域を有する半導体の受光領域を備えている。本発明の受光装置では、一方の波長域の光は一方の部分受光領域で吸収されることによって第１電極と第２電極間を流れる正の電流に変換され、他方の波長域の光は他方の部分受光領域で吸収されることによって第１電極と第２電極間を流れる負の電流に変換される。
第１部分受光領域と第２部分受光領域は、バンドギャップの幅が異なっている。このため、第１部分受光領域と第２部分受光領域は、異なる波長域の光に感度を有している。また、第１部分受光領域と第２部分受光領域には、半導体材料や結晶方向に基づく内部自発電界と、格子定数の差に基づく内部ピエゾ電界が発生している。これらの合計である内部電界の第１部分受光領域内で作用する方向と第２部分受光領域内で作用する方向が、第１電極と第２電極の間において逆方向になる。この結果、第１部分受光領域で吸収された光から生成した電子・正孔が移動する方向と第２部分受光領域で吸収された光から生成した電子・正孔が移動する方向が、第１電極と第２電極の間において逆方向になる。本発明の受光装置は、少なくとも２種類の波長域の光を第１電極と第２電極の間を流れる正の電流と負の電流に分別して変換することができる。
本発明によると、一対の第１電極と第２電極で、少なくとも２種類の波長域の光に対応することができる。このため、受光装置の構造が簡単化され、システムの小型化に寄与することができる。

本発明の受光装置では、受光領域の半導体の材料が、窒化物半導体であることが好ましい。受光領域に窒化物半導体を用いると、可視光域から紫外光域に感度を有する受光装置を得ることができる。さらに、窒化物半導体は、内部ピエゾ電界が強く発生する材料でもある。したがって、窒化物半導体を用いると、本発明の作用効果を実効的に得ることができる。

本発明の受光装置では、第１電極と第２電極の間にｐ型の不純物を含む半導体領域が形成されていないことが好ましい。
ｐ型の半導体領域が設けられていないと、受光領域で生成した電子は、第１電極と第２電極の間を双方向に移動し易くなる。第１電極と第２電極の間を流れる正の電流と負の電流の双方を良好に検出することができる。

本発明は、第１部分受光領域と第２部分受光領域が接しているタイプ（以下、第１のタイプという）の受光装置を提供することができる。第１タイプの受光装置では、第１部分受光領域にGaNが用いられ、第２部分受光領域にIn_XaGa_1-XaN（ただし、０＜Xa≦１）が用いられることが好ましい。
この場合、第１部分受光領域が紫外光域の光に感度を有しており、第２部分受光領域が可視光域に感度を有している。第２部分受光領域のInの含有量を調整することによって、第２部分受光領域は、可視光域のうちの必要な波長域の光に対して感度を得ることができる。

本発明の第１のタイプの受光装置では、第１部分受光領域が第１電極に接しており、第２部分受光領域が第２電極に接していてもよい。即ち、第１電極と第２電極の間には、第１部分受光領域と第２部分受光領域以外の領域が介在していない。この形態は、第１のタイプの受光装置の最も簡単化された構造である。

本発明の第１のタイプの受光装置では、第１部分受光領域と第１電極がオーミック接触しており、第２部分受光領域と第２電極がショットキー接触していることが好ましい。
第２部分受光領域と第２電極をショットキー接触させると、第１部分受光領域に作用する電界を強くすることができる。第１部分受光領域で生成した電子・正孔は、第１部分受光領域内を第１電極側に向けて良好に移動することができる。上記形態の受光装置では、少なくとも２種類の波長域の光を良好に分別して電流に変換することができる。

本発明は、受光領域が障壁領域と対向領域をさらに備えているタイプ（以下、第２タイプという）の受光装置を提供することができる。第２タイプの受光装置では、障壁領域が第１部分受光領域と第２部分受光領域の間に設けられており、対向領域が第１部分受光領域を介して障壁領域に対向している。第２タイプの受光装置では、障壁領域のバンドギャップの幅が第１部分受光領域及び第２部分受光領域のバンドギャップの幅よりも広く、対向領域のバンドギャップの幅が第１部分受光領域のバンドギャップの幅よりも広い。
第２タイプの受光装置では、対向領域と第１部分受光領域の間の格子不整合に基づく内部ピエゾ電界と、第１部分受光領域と障壁領域の間の格子不整合に基づく内部ピエゾ電界と、障壁領域と第２部分受光領域の間の格子不整合に基づく内部ピエゾ電界が発生している。この結果、第１電極と第２電極の間に電圧を印加していない状態では、第１部分受光領域内に作用する内部電界の方向と、第２部分受光領域内に作用する内部電界の方向が一致している。第１電極と第２電極の間に所定の電圧を印加している状態では、第１部分受光領域内に作用する内部電界の方向と、第２部分受光領域内に作用する内部電界の方向が逆になる。第２タイプの受光装置では、第１電極と第２電極の間に所定の電圧を印加した状態で、少なくとも２種類の波長域の光を第１電極と第２電極の間を流れる正の電流と負の電流に分別して変換することができる。

第２タイプの受光装置では、第１部分受光領域にIn_XbGa_1-XbN（ただし、０＜Xb≦１）が用いられ、第２部分受光領域にIn_XcGa_1-XcN（ただし、０＜Xc≦１）が用いられ、障壁領域にGaNが用いられ、対向領域にGaNが用いられることが好ましい。
上記態様の受光装置によると、第１部分受光領域と第２部分受光領域を利用して、異なる波長域の可視光を電流に変換することができる。
さらに、上記態様の受光装置では、Xb＜Xcであることが好ましい。第１電極と第２電極の間に電圧を印加したときに、第１部分受光領域に作用する内部電界の方向と、第２部分受光領域に作用する内部電界の方向が逆になる状態が得られ易い。

第１及び第２タイプの受光装置は、第１電極と第２電極の間に接続されている電圧印加装置をさらに備えていてもよい。
第１タイプの受光装置に電圧印加装置が設けられていると、印加する電圧に応じて、第１部分受光領域における光電変換現象と第２部分受光領域における光電変換現象のいずれか一方の光電変換現象を優位に働かせることができる。
第２タイプの受光装置に電圧印加装置が設けられていると、印加する電圧に応じて、第１部分受光領域に作用する内部電界の方向と第２部分受光領域に作用する内部電界の方向が逆になる状態を得ることができる。

本発明は、少なくとも２種類の波長域の光を電流に変換する受光装置の製造方法も提供することができる。本発明は、第１タイプの受光装置の製造方法を提供することができる。この製造方法は、基板上に窒化物半導体の第１部分受光領域を形成する工程と、第１部分受光領域上に窒化物半導体の第２部分受光領域を形成する工程と、第２部分受光領域の一部を除去し、第１部分受光領域の一部を露出させる工程と、露出する第１部分受光領域の表面の少なくとも一部に接する第１電極を形成する工程と、第２部分受光領域の表面の少なくとも一部に接する第２電極を形成する工程を備えている。本発明の製造方法では、第１部分受光領域のバンドギャップの幅と第２部分受光領域のバンドギャップの幅が異なっていることを特徴としている。
第２タイプの受光装置の製造方法では、第１部分受光領域がGaNであり、第２部分受光領域がIn_XaGa_1-XaN（ただし、０＜Xa≦１）であることが好ましい。

本発明は、第２タイプの受光装置の製造方法を提供することができる。この製造方法は、窒化物半導体の対向領域上に窒化物半導体の第１部分受光領域を形成する工程と、第１部分受光領域上に窒化物半導体の障壁領域を形成する工程と、障壁領域上に窒化物半導体の第２部分受光領域を形成する工程と、対向領域の裏面の少なくとも一部に接する第１電極を形成する工程と、第２部分受光領域の表面の少なくとも一部に接する第２電極を形成する工程を備えている。本発明の製造方法では、第１部分受光領域のバンドギャップの幅と第２部分受光領域のバンドギャップの幅が異なっており、障壁領域のバンドギャップの幅が第１部分受光領域及び第２部分受光領域のバンドギャップの幅よりも広く、対向領域のバンドギャップの幅が第１部分受光領域のバンドギャップの幅よりも広いことを特徴としている。
第２タイプの受光装置の製造方法では、第１部分受光領域がIn_XbGa_1-XbN（ただし、０＜Xb≦１）であり、第２部分受光領域がIn_XcGa_1-XcN（ただし、０＜Xc≦１）であり、障壁領域がGaNであり、対向領域がGaNであることが好ましい。

本発明によると、一方の波長域の光は一方の部分受光領域で吸収されることによって第１電極と第２電極間を流れる正の電流に変換され、他方の波長域の光は他方の部分受光領域で吸収されることによって第１電極と第２電極間を流れる負の電流に変換される。第１電極と第２電極は、少なくとも２種類の波長域の光から変換された電流が流れる経路を兼用する。このため、受光装置の構造が簡単化され、システムの小型化に寄与することができる。

本発明の好ましい形態を列記する。
（第１形態） 受光装置は、窒化物半導体の第１部分受光領域と、その第１部分受光領域の表面の一部を残して被覆している窒化物半導体の第２部分受光領域と、露出する第１部分受光領域の表面に接する第１電極と、第２部分受光領域の表面に接する第２電極を備えている。ここで、第１部分受光領域と第２部分受光領域のバンドギャップの幅が異なっている。
（第２形態） 第１形態において、第２電極は、第２部分受光領域の表面の大部分を被覆している。
（第３形態） 窒化物半導体は、一般式がAl_XGa_YIn_1-X-YN（ただし、０≦X≦１、０≦Y≦１、０≦1−X−Y≦１）で表される。

図面を参照して以下に実施例を詳細に説明する。
（第１実施例）
図１に、紫外光と青色光を分別して電流に変換するための受光装置１０の要部断面図を模式的に示す。
受光装置１０は、サファイアの基板２２を備えている。サファイア基板２２の厚みは、約３００μｍである。
受光装置１０は、サファイア基板２２上に形成されている窒化アルミニウム（AlN）のバッファ領域２４を備えている。バッファ領域２４の厚みは、約５０nmである。

受光装置１０は、窒化物半導体の受光領域２０を備えている。受光領域２０は、窒化ガリウム（GaN）の第１部分受光領域２６と、窒化ガリウム・インジウム（In_0.2Ga_0.8N）の第２部分受光領域２８を備えている。第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８は、直接的に接している。第２部分受光領域２８の一部は除去されており、その部分から第１部分受光領域２６が露出している。第２部分受光領域２８は、結晶中にインジウムを含んでいる。このため、第２部分受光領域２８のバンドギャップの幅は、第１部分受光領域２６のバンドギャップの幅よりも狭い。第１部分受光領域２６の厚みは、約１００nmである。第２部分受光領域２８の厚みは、約２０nmである。
受光領域２０には、サファイア基板２０の裏面側から紫外光と青色光の双方が入射してくる。第１部分受光領域２６は、紫外光に感度を有しており、紫外光を吸収して電子・正孔を生成する。第２部分受光領域２８は、可視光のうち青色光に感度を有しており、青色光を吸収して電子と正孔を生成する。なお、第２部分受光領域２８のインジウムの含有量を調整すれば、バンドギャップの幅を変えることができ、可視光のうちの他の色の光を吸収することが可能になる。

受光装置１０は、露出する第１部分受光領域２６の表面に接する第１電極３２と、第２部分受光領域２８の表面に接する第２電極３４を備えている。第１電極３２と第２電極３４は絶縁されており、第１電極３２と第２電極３４の間に受光領域２０が形成されている。第２電極３４は、第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８の接合面の大部分に対向している。
第１電極３２は、チタンとアルミニウムが積層した構造で形成されており、第１部分受光領域２６にオーミック接触している。第１電極３２のチタンの厚みは１０nmであり、アルミニウムの厚みは５０nmである。第２電極３４は、白金で形成されており、第２部分受光領域２８にショットキー接触している。第２電極３４の厚みは、１００nmである。

図２に、受光領域２０のエネルギー帯図を示す。なお、受光装置１０の第１電極３２は、図１に示すように、第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８の接合面から横方向に伸びた第１部分受光領域２６の表面に接している。第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８の接合面と横の第１部分受光領域２６の表面の間の電界は、横方向に沿って形成されているのではなく、第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８の接合面からU字状に屈曲して横の第１部分受光領域２６の表面に向けて形成されている。したがって、図２に示すような受光領域２０のエネルギー帯図を描くことができる。
第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８には、半導体材料や結晶方向に基づく内部自発電界と、格子定数の差に基づく内部ピエゾ電界が発生している。なかでも、第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８の格子定数が大きく異なっているので、第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８には強い内部ピエゾ電界が発生している。この内部ピエゾ電界は、第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８のそれぞれにおいて、第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８の接合面から離れる方向に向けて発生している。これにより、内部自発電界と内部ピエゾ電界の合計である内部電界は、第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８のそれぞれにおいて、第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８の接合面から離れる方向に向けて発生している。即ち、内部電界は、第１部分受光領域２６内で作用する方向と第２部分受光領域２８内で作用する方向が逆方向になる。
図２に示すように、第１部分受光領域２６の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位は、作用する内部電界の影響を受けて、第１電極３２側に向けて下降している。一方、第２部分受光領域２８の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位は、作用する内部電界の影響を受けて、第２電極３４側に向けて下降している。

図３に、第１部分受光領域２６に紫外光が入射した場合の様子を示す。第１部分受光領域２６に紫外光が入射すると、紫外光は第１部分受光領域２６で吸収され、電子・正孔が生成する。生成した電子・正孔は、傾斜するエネルギー準位に沿って移動する。図３に示すように、第１部分受光領域２６で生成した電子は第１電極３２側に向けて移動し、第１部分受光領域２６で生成した正孔は第２電極３４側に向けて移動する。このため、光電流は、第１電極３２から第２電極３４に向けて流れる。

一方、図４に、第２部分受光領域２８に青色光が入射した場合の様子を示す。第２部分受光領域２８に青色光が入射すると、青色光は第２部分受光領域２８で吸収され、電子・正孔が生成する。生成した電子・正孔は、傾斜するエネルギー準位に沿って移動する。図４に示すように、第２部分受光領域２８で生成した電子は第２電極３４側に向けて移動し、第２部分受光領域２８で生成した正孔は第１電極３２側に向けて移動する。このため、光電流は、第２電極３４から第１電極３２に向けて流れる。

上記したように、受光装置１０では、第１部分受光領域２６で吸収された紫外光から変換された電流が第１電極３２と第２電極３４の間を流れる方向と第２部分受光領域２８で吸収された青色光から変換された電流が第１電極３２と第２電極３４の間を流れる方向が逆方向になる。したがって、受光装置１０では、第１電極３２と第２電極３４の間の流れる電流の正負の違いから、紫外光と青色光を分別して検出することができる。
受光装置１０では、第１電極３２と第２電極３４の一対の電極のみを利用して、紫外光と青色光の２種類の光から変換される電流を分別することができる。従来の構造では、一対の電極が、特定の波長域の光のみに対応している。したがって、受光装置１０は、従来構造に比して構造が簡単化される。

以下、受光装置１０の他の一つの特徴を説明する。
図５のエネルギー帯図を用いて、第２電極３４と第２部分受光領域２８がショットキー接触していることの利点を説明する。図５は、第２電極３４と第２部分受光領域２８がショットキー接触している状態を強調して表している。
図５に示すように、第２電極３４と第２部分受光領域２８がショットキー接触していると、ショットキーバリアの影響を受けて第２部分受光領域２８の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位が上昇する。さらに、第２電極３４は、図１に示すように、第１部分受光領域２６と第２部分受光領域２８の接合面の大部分に対向している。このため、ショットキーバリアによって第２部分受光領域２８の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位が上昇すれば、第１部分受光領域２６のうち第２部分受光領域２８側の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位も上昇する。一方、第１電極３２と第１部分受光領域２６はオーミック接触しているので、第１電極３２と第１部分受光領域２６の間のバリア障壁は低く抑えられている。この結果、図５に示すように、第１部分受光領域２６の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位の傾斜する角度が大きくなる。第１部分受光領域２６の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位の傾斜する角度が大きくなると、生成した電子・正孔は、その傾斜する方向に沿って良好に移動ことができる。
第２電極３４と第２部分受光領域２８をショットキー接触させ、第１電極３２と第１部分受光領域２６をオーミック接触させると、受光装置１０の光の分別能が向上するとともに、光電変換効率及び応答速度も向上する。

次に、受光装置１０の他の一つの特徴を説明する。
図６と図７のエネルギー帯図を用いて、受光装置１０が紫外光と青色光のうちのいずれか一方を選択的に電流に変換する使用方法に係る仕組みを説明する。
図６は、第２電極３４に正の電圧が印加された状態を示している。第２電極３４に正の電圧が印加されると、第２部分受光領域２８の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位が下降する。このため、第１部分受光領域２６のうち第２部分受光領域２８側の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位も下降する。この結果、図６に示すように、第１部分受光領域２６の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位の傾斜する角度が小さくなる。
この場合、第１部分受光領域２６における光電変換現象よりも、第２部分受光領域２８における光電変換現象の方が相対的に優位に働くことになる。例えば、紫外光と青色光が同時に入射するような場合は、第２電極３４に正の電圧を印加することによって、青色光を選択的に検出することができるようになる。

図７は、第２電極３４に負の電圧が印加された状態を示している。第２電極３４に負の電圧が印加されると、第２部分受光領域２８の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位が上昇する。このため、第１部分受光領域２６のうち第２部分受光領域２８側の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位も上昇する。この結果、図７に示すように、第１部分受光領域２６の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位の傾斜する角度が大きくなる。
この場合、第２部分受光領域２８における光電変換現象よりも、第１部分受光領域２６における光電変換現象の方が相対的に優位に働くことになる。例えば、紫外光と青色光が同時に入射するような場合は、第２電極３４に負の電圧を印加することによって、紫外光を選択的に検出することができるようになる。

図８に、第２電極３４に印加する電圧と発生する光電流の関係を示す。図８に示すように、第２電極３４に正の電圧が印加されると、青色光（４００nm）に係る光電流が相対的に優位に生成されていることが分かる。一方、第２電極３４に負の電圧が印加されると、紫外光（３５０nm）に係る光電流が相対的に優位に生成されていることが分かる。本結果から、受光装置１０では、第１電極３２と第２電極３４の間に印加する電圧を変動させることによって、紫外光と青色光のうちいずれか一方を選択的に検出するという使用方法も可能であることが確認された。

（第２実施例）
図９に、可視光のうち青色光と緑色光を分別して電流に変換するための受光装置１００の要部断面図を模式的に示す。
受光装置１００は、ｎ型の不純物を含む窒化ガリウム（GaN）の基板１２２を備えている。基板１２２の厚みは、約３００μmである。

受光装置１００は、窒化物半導体の受光領域１２０を備えている。受光領域１２０は、窒化ガリウム（GaN）の下地領域１２４（対向領域の一例）と、窒化ガリウム・インジウム（In_0.2Ga_0.8N）の第１部分受光領域１２６と、窒化ガリウム（GaN）の障壁領域１２７と、窒化ガリウム・インジウム（In_0.4Ga_0.6N）の第２部分受光領域１２８を備えている。第１部分受光領域１２６と第２部分受光領域１２８は、結晶中にインジウムを含んでいる。このため、第１部分受光領域１２６と第２部分受光領域１２８のバンドギャップの幅は、下地領域１２４と障壁領域１２７の幅よりも狭くなる。即ち、下地領域１２４のバンドギャップの幅は、第１部分受光領域１２６のバンドギャップの幅よりも広い。障壁領域１２７のバンドギャップの幅は、第１部分受光領域１２６と第２部分受光領域１２８のバンドギャップの幅よりも広い。

下地領域１２４の厚みは、約１μmである。第１部分受光領域１２５の厚みは、約２０nmである。障壁領域１２６の厚みは、約１５nmである。第２部分受光領域１２８の厚みは、約２０nmである。
受光領域１２０には、基板１２２の裏面側から可視光のうち青色光と緑色光の双方が入射してくる。第１部分受光領域１２６は、青色光に感度を有しており、青色光を吸収して電子・正孔を生成する。第２部分受光領域１２８は、緑色光に感度を有しており、緑色光を吸収して電子と正孔を生成する。

受光装置１００は、基板１２２の裏面の一部に接する第１電極１３２と、第２部分受光領域１２８の表面に接する第２電極１３４を備えている。第１電極１３２と第２電極１３４は絶縁されており、第１電極１３２と第２電極１３４の間に受光領域１２０が形成されている。第２電極１３４は、第１部分受光領域１２６と障壁領域１２７の接合面、及び障壁領域１２７と第２部分受光領域１２８の接合面の大部分に対向している。
第１電極１３２は、バナジウムとアルミニウムが積層した構造で形成されており、第１部分受光領域１２６にオーミック接触している。第１電極１３２のバナジウムの厚みは１０nmであり、アルミニウムの厚みは５０nmである。第２電極１３４は、ITO（Indium Tin Oxide）で形成されており、第２部分受光領域１２８にショットキー接触している。第２電極１３４の厚みは、５０nmである。

図１０に、受光領域１２０のエネルギー帯図を示す。
受光領域１２０を構成する各領域には、半導体材料や結晶方向に基づく内部自発電界と、格子定数の差に基づく内部ピエゾ電界が発生している。
受光領域１２０では、対向領域１２４と第１部分受光領域１２６の間の格子不整合に基づく内部ピエゾ電界と、第１部分受光領域１２６と障壁領域１２７の間の格子不整合に基づく内部ピエゾ電界と、障壁領域１２７と第２部分受光領域１２８の間の格子不整合に基づく内部ピエゾ電界が発生している。これにより、第１電極１３２と第２電極１３４の間に電圧を印加していない状態において、内部自発電界と内部ピエゾ電界の合計である内部電界は、第１部分受光領域１２６内で作用する方向と第２部分受光領域１２８内で作用する方向が一致する。この結果、図１０に示すように、第１部分受光領域１２６の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位は、作用する内部電界の影響を受けて、第２電極１３４側に向けて下降している。同様に、第２部分受光領域１２８の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位も、作用する内部電界の影響を受けて、第２電極１３４側に向けて下降している。

図１１に、第１電極１３２と第２電極１３４の間に所定の電圧を印加している状態のエネルギー帯図を示す。図１１では、第２電極１３４に負の電圧を印加した状態を示している。第２電極１３４に負の電圧が印加されると、第１部分受光領域１２６に作用する内部電界の方向と、第２部分受光領域１２８に作用する内部電界の方向が逆になる。
即ち、図１１に示すように、第２電極１３４に負の電圧を印加した状態では、第１部分受光領域１２６の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位は第１電極１３２側に向けて下降し、第２部分受光領域１２８の伝導帯及び価電子帯のエネルギー準位は第２電極１３４側に向けて下降する。

図１２に、第１部分受光領域１２６に青色光が入射した場合の様子を示す。第１部分受光領域１２６に青色光が入射すると、青色光は第１部分受光領域１２６で吸収され、電子・正孔が生成する。生成した電子・正孔は、傾斜するエネルギー準位に沿って移動する。図１２に示すように、第１部分受光領域１２６で生成した電子は第１電極１３２側に向けて移動し、第１部分受光領域１２６で生成した正孔は第２電極１３４側に向けて移動する。このため、光電流は、第１電極１３２から第２電極１３４に向けて流れる。

一方、図１３に、第２部分受光領域１２８に緑色光が入射した場合の様子を示す。第２部分受光領域１２８に緑色光が入射すると、緑色光は第２部分受光領域１２８で吸収され、電子・正孔が生成する。生成した電子・正孔は、傾斜するエネルギー準位に沿って移動する。図１３に示すように、第２部分受光領域１２８で生成した電子は第２電極１３４側に向けて移動し、第２部分受光領域１２８で生成した正孔は第１電極１３２側に向けて移動する。このため、光電流は、第２電極１３４から第１電極１３２に向けて流れる。

上記したように、受光装置１００では、第１部分受光領域１２６で吸収された青色光から変換された電流が流れる方向と第２部分受光領域１２８で吸収された緑色光から変換された電流が流れる方向が逆方向になる。受光装置１００では、第１電極１３２と第２電極１３４の間の流れる電流の正負の違いから、青色光と緑色光を分別して検出することができる。
受光装置１００では、第１電極１３２と第２電極１３４の一対の電極のみを利用して、青色光と緑色光の２種類の光を分別して検出することができる。従来の構造では、一対の電極が、特定の波長域の光のみに対応している。したがって、受光装置１００は、従来構造に比して構造が簡単化される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

第１実施例の受光装置の要部断面図を模式的に示す。 第１実施例の受光装置の受光領域のエネルギー帯図を示す。 第１部分受光領域に紫外光が入射した場合の様子を示す。 第２部分受光領域に青色光が入射した場合の様子を示す。 ショットキーバリアがエネルギー準位に及ぼす影響を示す。 第２電極に正の電圧を印加したときのエネルギー帯図を示す。 第２電極に負の電圧を印加したときのエネルギー帯図を示す。 第２電極に印加する電圧と光電流の関係を示す。 第２実施例の受光装置の要部断面図を模式的に示す。 第２実施例の受光装置の受光領域のエネルギー帯図を示す。 第２電極に負の電圧を印加したときのエネルギー帯図を示す。 第１部分受光領域に青色光が入射した場合の様子を示す。 第２部分受光領域に緑色光が入射した場合の様子を示す。

符号の説明

２０、１２０：受光領域
２２：サファイア基板
２４：バッファ領域
２６、１２６：第１部分受光領域
２８、１２８：第２部分受光領域
３２、１３２：第１電極
３４、１３４：第２電極
１２２：基板
１２４：対向領域
１２７：障壁領域

Claims (14)

1. 少なくとも２種類の波長域の光を電流に変換する受光装置であって、
   第１電極と、
   第２電極と、
   第１電極と第２電極の間に設けられており、バンドギャップの幅が異なる第１部分受光領域と第２部分受光領域を有する半導体の受光領域を備えており、
   一方の波長域の光は一方の部分受光領域で吸収されることによって第１電極と第２電極間を流れる正の電流に変換され、他方の波長域の光は他方の部分受光領域で吸収されることによって第１電極と第２電極間を流れる負の電流に変換されることを特徴とする受光装置。
2. 受光領域の半導体の材料が、窒化物半導体であることを特徴とする請求項１の受光装置。
3. 第１電極と第２電極の間には、ｐ型の不純物を含む半導体領域が形成されていないことを特徴とする請求項１又は２の受光装置。
4. 第１部分受光領域と第２部分受光領域が接しており、
   第１部分受光領域が、GaNであり、
   第２部分受光領域が、In_XaGa_1-XaN（ただし、０＜Xa≦１）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの受光装置。
5. 第１部分受光領域が、第１電極に接しており、
   第２部分受光領域が、第２電極に接していることを特徴とする請求項４の受光装置。
6. 第１部分受光領域と第１電極は、オーミック接触しており、
   第２部分受光領域と第２電極は、ショットキー接触していることを特徴とする請求項４の受光装置。
7. 受光領域は、
   第１部分受光領域と第２部分受光領域の間に設けられている半導体の障壁領域と、
   第１部分受光領域を介して障壁領域に対向している半導体の対向領域をさらに有しており、
   障壁領域のバンドギャップの幅は、第１部分受光領域及び第２部分受光領域のバンドギャップの幅よりも広く、
   対向領域のバンドギャップの幅は、第１部分受光領域のバンドギャップの幅よりも広いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかの受光装置。
8. 第１部分受光領域が、In_XbGa_1-XbN（ただし、０＜Xb≦１）であり、
   第２部分受光領域が、In_XcGa_1-XcN（ただし、０＜Xc≦１）であり、
   障壁領域が、GaNであり、
   対向領域が、GaNであることを特徴とする請求項７の受光装置。
9. Xb＜Xcであることを特徴とする請求項８の受光装置。
10. 第１電極と第２電極の間に接続されている電圧印加装置をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかの受光装置。
11. 少なくとも２種類の波長域の光を電流に変換する受光装置の製造方法であって、
    基板上に窒化物半導体の第１部分受光領域を形成する工程と、
    第１部分受光領域上に窒化物半導体の第２部分受光領域を形成する工程と、
    第２部分受光領域の一部を除去し、第１部分受光領域の一部を露出させる工程と、
    露出する第１部分受光領域の表面の少なくとも一部に接する第１電極を形成する工程と、
    第２部分受光領域の表面の少なくとも一部に接する第２電極を形成する工程を備えており、
    第１部分受光領域のバンドギャップの幅と第２部分受光領域のバンドギャップの幅が異なっていることを特徴とする製造方法。
12. 第１部分受光領域が、GaNであり、
    第２部分受光領域が、In_XaGa_1-XaN（ただし、０＜Xa≦１）であることを特徴とする請求項１１の製造方法。
13. 少なくとも２種類の波長域の光を電流に変換する受光装置の製造方法であって、
    窒化物半導体の対向領域上に窒化物半導体の第１部分受光領域を形成する工程と、
    第１部分受光領域上に窒化物半導体の障壁領域を形成する工程と、
    障壁領域上に窒化物半導体の第２部分受光領域を形成する工程と、
    対向領域の裏面の少なくとも一部に接する第１電極を形成する工程と、
    第２部分受光領域の表面の少なくとも一部に接する第２電極を形成する工程を備えており、
    第１部分受光領域のバンドギャップの幅と第２部分受光領域のバンドギャップの幅が異なっており、
    障壁領域のバンドギャップの幅は、第１部分受光領域及び第２部分受光領域のバンドギャップの幅よりも広く、
    対向領域のバンドギャップの幅は、第１部分受光領域のバンドギャップの幅よりも広いことを特徴とする製造方法。
14. 第１部分受光領域が、In_XbGa_1-XbN（ただし、０＜Xb≦１）であり、
    第２部分受光領域が、In_XcGa_1-XcN（ただし、０＜Xc≦１）であり、
    障壁領域が、GaNであり、
    対向領域が、GaNであることを特徴とする請求項１３の製造方法。
    

Images