JP2008283132A - 酸化物半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 暗電流を低減するとともに、応答速度の低下を抑制することができる、ＺｎＯ系酸化物半導体からなる酸化物半導体受光素子を提供すること。
【解決手段】 光導電セル１は、基板２と、この基板２の上に成長させられたｎ型ＭｇＺｎＯ層３とを備えている。ｎ型ＭｇＺｎＯ層３は、ＺｎＯにＭｇが含有されたＭｇ_ｘＺｎ_ｘ−１Ｏ（ただし、０≦ｘ≦１）混晶からなる。また、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３には、たとえば、１×１０^１６ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３のドーピング濃度で、窒素がドーピングされている。そして、このｎ型ＭｇＺｎＯ層３には、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３における受光により発生する電気信号を取り出すためのオーミック電極４（オーミック電極４１およびオーミック電極４２）がオーミック接合されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＺｎＯ系酸化物半導体からなる受光層を備える酸化物半導体受光素子に関する。

ＺｎＯ（酸化亜鉛）を含むＺｎＯ系酸化物半導体は、バンドギャップがおよそ３．２６ｅＶと大きいため、紫外領域の波長の光のみに応答する、いわゆる可視（visible）ブラインド特性を備えている。また、ＺｎＯにＭｇを添加して得られるＭｇＺｎＯ混晶は、そのＭｇ組成を適切な値にすることにより、いわゆるソーラブラインド特性を備える。ソーラブラインド特性とは、オゾン層を通過して地球上に到達する太陽光よりも、紫外領域に相当するバンドギャップをもつ特性のことである。

ところで、紫外領域の波長の光にのみ感度をもつ受光素子は、炎感知器や半導体製造分野への応用が期待されている。そのような受光素子として、ＺｎＯ系酸化物半導体受光素子のほか、たとえば、シリコン受光素子、光電子倍増管が知られている。ところが、シリコンは、バンドギャップが小さいため、可視領域の光にも応答する。そのため、シリコン受光素子を紫外領域の波長の光にのみ応答させる場合、可視領域の光をカットするフィルターが必要となる。また、光電子倍増管を紫外領域の光にのみ応答させる場合には、数百Ｖの高電圧を印加する装置が必要となる。そのため、光電子倍増管を備えるシステムの小型化が困難であるという不具合がある。

一方、ＺｎＯの結晶は、バンドギャップがおよそ３．２６ｅＶの直接遷移型半導体である。また、ＺｎＯの結晶内における励起子は、束縛エネルギーがおよび６０ｍｅＶと大きく、室温でも安定に存在する。そのため、ＺｎＯ系酸化物半導体は、安価で環境負荷も小さい、青色領域から紫外領域までの発光デバイスへの応用も期待されている。さらに、ＺｎＯ系酸化物半導体は、耐放射性が高いため、人工衛星や宇宙ステーションに設けられる受光素子への応用も期待されている。

特許文献１では、ＺｎＯ系酸化物半導体からなる酸化物半導体受光素子として、ｐ型のシリコン基板とｎ型のＺｎＯ薄膜とを組み合わせた、ｐｎ接合を有する受光素子が提案されている。このｐｎ接合を有する受光素子の作製に際しては、まず、シリコン基板の表面がフッ酸（ＨＦ）で処理され、シリコン基板の表面上の自然酸化膜が除去される。次いで、フッ酸で処理された表面上に、スパッタリングによりＺｎＯバッファ層が形成される。その後、このバッファ層上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりＺｎＯ薄膜が成長させられる。こうして、ｐｎ接合を有する受光素子が得られる。
特開２００３−３１８４６号公報

ところが、ＺｎＯ系酸化物半導体中には、格子間亜鉛などによる欠陥や酸素欠損が多く存在する。そのため、ＺｎＯ系酸化物半導体のバンドギャップ（禁制帯）中には、深い準位が形成される場合がある。ＺｎＯ系酸化物半導体のバンドギャップ中に深い準位が形成されると、作製される受光素子における暗電流の増加、受光素子の応答速度の低下など、受光素子の光学的特性が低下するおそれがある。

そこで、この発明の目的は、暗電流を低減するとともに、応答速度の低下を抑制することができる、ＺｎＯ系酸化物半導体からなる酸化物半導体受光素子を提供することにある。

上記目的を達成するための請求項１記載の発明は、Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（ただし、０≦ｘ≦１）からなり、少なくとも外部からの光を受光する受光領域に窒素がドーピングされた受光層と、前記受光領域における受光により発生する電気信号を取り出すための電極と、を含む、酸化物半導体受光素子である。
一般的に、半導体のバンドギャップ（Ｅｇ）は、Ｅｇ（ｅＶ）＝１２４０／λ（ｎｍ）で表わされる式で求めることができる。ＺｎＯは、Ｅｇ＝約３．２６ｅＶであるので、ＺｎＯでは、約３８０ｎｍ以下の波長の光が受光されて吸収される。

請求項１記載の酸化物半導体受光素子では、受光領域がＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（ただし、０≦ｘ≦１）からなる。受光領域の組成を、ＺｎＯにＭｇが含有されたＭｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（ただし、０≦ｘ≦１）にすることによって、受光領域のＥｇを大きくすることができる。そのため、受光領域で吸収可能な光の波長を、３８０ｎｍより短波長側にシフトさせることができる。その結果、紫外領域の波長を受光して吸収するための受光素子として用いることができる。さらに、この酸化物半導体受光素子では、受光領域に窒素がドーピングされているので、受光素子における暗電流を低減するとともに、応答速度の低下を抑制することもできる。

また、請求項２記載の発明は、前記受光領域にドーピングされている窒素のドーピング濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３である、請求項１に記載の酸化物半導体受光素子である。
受光領域にドーピングされている窒素のドーピング濃度を、１×１０^１６ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３の範囲にすることによって、受光素子の応答速度の低下を抑制するとともに、受光素子の暗電流を抑制することもできる。

また、請求項３記載の発明は、前記電極は、前記受光領域にショットキー接合されたショットキー電極と、前記受光層における前記受光領域以外の領域にオーミック接合されたオーミック電極と、を含む、請求項１または２に記載の酸化物半導体受光素子である。
請求項３記載の酸化物半導体受光素子では、受光領域とショットキー電極とがショットキー接合されている。これにより、酸化物半導体受光素子の構成が、いわゆるショットキーダイオードの構成となる。このような構成の酸化物半導体受光素子では、受光領域におけるショットキー電極の接合部付近（空乏層）で光が吸収され、受光領域に起電力（電気信号）が発生する。受光領域にのみ窒素がドーピングされていれば、受光素子における暗電流の低減化および応答速度低下の抑制を図ることができる。すなわち、受光層の表面近傍にのみ窒素をドーピングするだけで、酸化物半導体受光素子における暗電流の低減化および応答速度低下の抑制を図ることができる。

さらに、請求項４記載の発明は、前記受光層の一方表面側に形成された、ＺｎＯ系化合物半導体からなるｐ型酸化物半導体層と、前記受光層の前記一方表面側とは反対の他方表面側に形成された、ＺｎＯ系化合物半導体からなるｎ型酸化物半導体層と、を含み、前記電極は、前記ｐ型酸化物半導体層に接合されたｐ側電極と、前記ｎ型酸化物半導体層に接合されたｎ側電極と、を含み、前記ｐ型酸化物半導体層および前記ｎ型酸化物半導体層の少なくとも一方は、前記受光層よりバンドギャップが大きい、請求項１または２に記載の酸化物半導体受光素子である。

請求項４記載の酸化物半導体受光素子では、受光層の一方表面側にｐ型酸化物半導体層が形成されている。また、受光層の他方表面側にｎ型酸化物半導体層が形成されている。たとえば、受光層の残留キャリア密度を下げることにより、酸化物半導体受光素子の構成が、いわゆるＰＩＮダイオードの構成となる。また、ｐ型酸化物半導体層およびｎ型酸化物半導体層の少なくとも一方は、受光層よりバンドギャップが大きい。そのため、上述したＥｇ（ｅＶ）＝１２４０／λ（ｎｍ）で表わされる式を用いて、受光層よりバンドギャップの大きい酸化物半導体層で吸収可能な光の波長を算出すると、その波長は、受光層で吸収可能な光の波長より小さくなる。つまり、受光層で吸収可能な波長の光は、ｐ型および／またはｎ型の酸化物半導体層で吸収されない。そのため、外部からの光を受光層に確実に到達させることができ、受光領域に起電力（電気信号）を発生させることができる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の第１の実施形態に係る光導電セル１を説明するための図解的な断面図である。
この光導電セル１は、基板２と、この基板２の上に成長させられたｎ型ＭｇＺｎＯ層３（受光層）とを備えている。

基板２としては、たとえば、サファイア基板、ＺｎＯ基板などの高抵抗基板を適用することができる。高抵抗基板のなかでも、サファイア単結晶基板、ＺｎＯ単結晶基板などの単結晶基板が好ましい。単結晶基板を基板２に適用することによって、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３を基板２上に成長させる際、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３における結晶欠陥の発生を抑制することができる。

ｎ型ＭｇＺｎＯ層３は、光導電セル１において光を受光して吸収する受光層であって、その全体で光を受光して吸収する。つまり、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３は、その全体が光を受光して吸収する受光領域として機能する。
ｎ型ＭｇＺｎＯ層３は、ＺｎＯにＭｇが含有されたＭｇ_ｘＺｎ_ｘ−１Ｏ混晶からなる。ここで、ｘは、ＭｇＺｎＯにおけるＭｇの混晶比率であって、０≦ｘ≦１であらわされる不等式を満たす。Ｍｇの混晶比率（ｘ）を変えることによって、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３のバンドギャップを制御することができる。

一般的に、半導体のバンドギャップ（Ｅｇ）は、Ｅｇ（ｅＶ）＝１２４０／λ（ｎｍ）で表わされる式（１）で求められる。ＺｎＯは、Ｅｇ＝約３．２６ｅＶであるので、ＺｎＯからなる半導体では、約３８０ｎｍ以下の波長の光が受光されて吸収される。ところで、ＺｎＯにＭｇを含有することより形成されるＭｇＺｎＯのＥｇは、ＺｎＯのＥｇより大きくなる。たとえば、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３において、たとえば、Ｍｇの混晶比率（ｘ）を３０にすれば、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３のＥｇが約３．９ｅＶとなり、約３２０ｎｍの波長の光がｎ型ＭｇＺｎＯ層３で吸収可能となる。すわなち、Ｍｇの混晶比率（ｘ）を適宜制御することによって、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３で吸収可能な光の波長を３８０ｎｍより短波長側にシフトさせることができる。その結果、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３で紫外領域の波長を吸収することができる。なお、Ｍｇの混晶比率（ｘ）は、好ましくは、５（％）〜３０（％）である。

また、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３は、その内部にＺｎＯ結晶構造から酸素が抜けた欠陥（酸素空孔）が存在するため、ｎ型ドーパントを含んでいなくともｎ型の導電型を有し易い。なお、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３は、ｎ型ドーパントとして、たとえば、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）などを含んでいてもよい。ｎ型ドーパントを含めることによって、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３の導電特性を制御することができる。

また、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３には、窒素がドーピングされている。ｎ型ＭｇＺｎＯ層３にドーピングされている窒素のドーピング濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３であることが好ましい。窒素のドーピング濃度がこの範囲であると、光導電セル１における暗電流の低減および応答速度低下の抑制に加えて、光導電セル１の受光感度の低下を抑制することもできる。また、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３の層厚は、３００ｎｍ〜１０００ｎｍであることが好ましい。

この光導電セル１において、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３には、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３における受光により発生する電気信号を取り出すためのオーミック電極４（オーミック電極４１およびオーミック電極４２）がオーミック接合されている。
オーミック電極４は、たとえば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム−チタン合金（Ａｌ−Ｔｉ合金）など、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３とオーミック接合させることができる金属材料からなる。

次に、光導電セル１の製造方法について説明する。
図２は、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３を形成するための分子エピタキシャル（ＭＢＥ）成長装置５（以下、単に「ＭＢＥ成長装置」とする。）の構成を説明するための図解図である。 このＭＢＥ成長装置５は、チャンバー６を備えている。チャンバー６内には、ヒータ８を内蔵した基板ホルダ７が配置されている。基板ホルダ７は、回転軸９に結合されており、この回転軸９は、チャンバー６外に配置された回転駆動機構１０によって回転されるようになっている。これにより、基板ホルダ７に処理対象のウエハ１１を保持させることにより、チャンバー６内でウエハ１１を所定温度に昇温することができ、かつ、ウエハ１１を回転させることができる。ウエハ１１は、前述の基板２を構成する、たとえば、サファイア単結晶ウエハである。

チャンバー６の上部には、外部の真空ポンプ（図示せず）へつながる真空ライン１２が接続されている。これにより、チャンバー６内の圧力を真空状態にすることができる。
チャンバー６における基板ホルダ７に対向する位置には、は、Ｏラジカルセル１３、Ｎラジカルセル１４、Ｚｎソースセル１５、Ｍｇソースセル１６およびドーパント用ソースセル３９が間隔を空けて取り付けられている。

Ｏラジカルセル１３およびＮラジカルセル１４は、たとえば、ＲＦ（Radio Frequency）コイルから高周波（ＲＦ）をかけることによってＯプラズマおよびＮプラズマを発生させるＲＦセルで構成されている。これにより、Ｏ_２およびＮ_２をプラズマ化させて、ＯプラズマおよびＮプラズマをウエハ１１に照射することができる。
Ｚｎソースセル１５、Ｍｇソースセル１６およびドーパント用ソースセル３９は、たとえば、Ｚｎ、Ｍｇおよびドーパント（たとえば、上記したｎ型ドーパント）の材料源が収容されるルツボを備えており、このルツボの周囲にヒータ（図示せず）が設けられている。また、ルツボの正面には、開閉可能なシャッタ（図示せず）が設けられている。これにより、ルツボをヒータで加熱して材料源を蒸発させるとともに、シャッタを開けることにより、Ｚｎ、Ｍｇおよびドーパントをウエハ１１に照射することができる。

そして、このＭＢＥ成長装置５を使用してウエハ１１の上にｎ型ＭｇＺｎＯ層３を成長させるには、まず、超高真空中（１０^−７Ｐａ以下）のチャンバー６内において、ウエハ１１を基板ホルダ７に保持させる。次いで、ヒータ８への通電が行われ、ウエハ１１の温度が４００℃〜９００℃まで昇温される。その後、Ｏラジカルセル１３、Ｎラジカルセル１４、Ｚｎソースセル１５およびＭｇソースセル１６から、Ｏプラズマ、Ｎプラズマ、ＺｎおよびＭｇがそれぞれウエハ１１に照射され、ウエハ１１上に、窒素（Ｎ）がドーピングされたＭｇＺｎＯ系化合物が成長する。このとき、ＭｇＺｎＯ系化合物は、その内部に酸素空孔が存在するため、自ずとｎ型の導電型を示し易い。そのため、ウエハ１１上のＭｇＺｎＯ系化合物には、ドーパント用ソースセル３９からドーパントを照射してドーピングを行なわなくても、高抵抗なｎ型ＭｇＺｎＯ層３が成長する。なお、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３の成長条件は、以下の条件であることが好ましい。
（ｎ型ＭｇＺｎＯ層３の成長条件）
ウエハ１１の温度：７００℃〜９００℃
Ｏプラズマの照射条件：電力２００Ｗ〜４００Ｗで、ＲＦセルへのＯ_２供給流量０．５ｓｃｃｍ〜３ｓｃｃｍ
Ｎプラズマの照射条件：電力２００Ｗ〜４００Ｗで、ＲＦセルへのＮ_２供給流量０．５ｓｃｃｍ〜３ｓｃｃｍ
Ｚｎの照射条件：１０^−６Ｐａ〜１０^−４Ｐａ
Ｍｇの照射条件：１０^−６Ｐａ〜１０^−４Ｐａ
上述した成長条件でｎ型ＭｇＺｎＯ層３を成長させることによって、Ｍｇの混晶比率（ｘ）：５（％）〜３０（％）、窒素のドーピング濃度：１×１０^１６ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３、層厚：１００ｎｍ〜１０００ｎｍのｎ型ＭｇＺｎＯ層３をウエハ１１上に成長させることができる。

その後は、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３が成長したウエハ１１がＭＢＥ成長装置５から取り出され、公知のスパッタ装置（図示せず）や蒸着装置（図示せず）に入れられる。スパッタ装置や蒸着装置では、金属材料の成膜とフォトリソグラフィーを用いたパターン形成技術により、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３の上に、オーミック電極４１およびオーミック電極４２が形成（オーミック接合）される。こうして、図１に示す光導電セル１が得られる。

以上のように、この実施形態によれば、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３に窒素がドーピングされている。そのため、光導電セル１における暗電流を低減するとともに、応答速度の低下を抑制することができる。とくに、この光導電セル１では、窒素のドーピング濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３なので、光導電セル１の応答速度の低下を抑制するとともに、光導電セル１の受光感度の低下を抑制することもできる。

なお、この実施形態では、基板２（ウエハ１１）の上に、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３が形成されているとしたが、基板２とｎ型ＭｇＺｎＯ層３との間に、ＺｎＯ系化合物からなるバッファ層が形成されていてもよい。バッファ層が形成されることによって、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３を成長させる際、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３における結晶欠陥の発生を一層抑制することができる。また、基板２上に形成されるＭｇＺｎＯ層は、導電型がｎ型のｎ型ＭｇＺｎＯ層３であるとしたが、導電型がｐ型のＭｇＺｎＯ層であってもよい。

図３は、この発明の第２の実施形態に係るショットキーダイオード３５を説明するための図解的な断面図である。なお、この図３において、前述の図１に示された各部に相当する部分には、同一の参照符号を付して示す。

このショットキーダイオード３５は、基板２と、この基板２の上に成長させられたｎ型ＭｇＺｎＯ層１７（受光層）とを備えている。
ｎ型ＭｇＺｎＯ層１７には、窒素がドーピングされている。ｎ型ＭｇＺｎＯ層１７におけるその他の物性（Ｍｇ混晶比率、窒素のドーピング濃度、層厚）については、前述のｎ型ＭｇＺｎＯ層３と同様である。

このショットキーダイオード３５において、ｎ型ＭｇＺｎＯ層１７には、ｎ型ＭｇＺｎＯ層１７における受光により発生する電気信号を取り出すためのショットキー電極１８およびオーミック電極１９が形成されている。ショットキー電極１８が形成されていることにより、ｎ型ＭｇＺｎＯ層１７におけるショットキー電極１８との接合部付近には、空乏層２０（受光領域）が存在する。そして、このショットキーダイオード３５では、空乏層２０で光が吸収される。また、ショットキー電極１８は、たとえば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）など、ｎ型ＭｇＺｎＯ層１７とショットキー接合させることができる金属材料からなる。

一方、オーミック電極１９は、ｎ型ＭｇＺｎＯ層１７にオーミック接合されている。なお、オーミック電極１９は、前述のオーミック電極４と同様の金属材料からなる。
次に、ショットキーダイオード３５の製造方法について説明する。 ショットキーダイオード３５を製造するには、まず、たとえば、図２に示したＭＢＥ成長装置５を使用して、基板２の上にｎ型ＭｇＺｎＯ層１７が成長させられる。ｎ型ＭｇＺｎＯ層１７の成長条件については、Ｎを照射するタイミングおよび位置を除いて、前述のｎ型ＭｇＺｎＯ層３の成長条件と同様である。Ｎの照射は、空乏層２０が形成されるべき位置までｎ型ＭｇＺｎＯ層が成長したタイミングで行なえばよい。また、Ｎの照射位置については、空乏層２０が形成されるべき位置（ショットキー電極１８が形成されるべき位置）にのみ照射すればよい。

基板２の上にｎ型ＭｇＺｎＯ層１７が成長させられた後には、光導電セル１の場合と同様に、公知のスパッタ装置や蒸着装置を用いて、金属材料の成膜とフォトリソグラフィーを用いたパターン形成技術により、ｎ型ＭｇＺｎＯ層１７の表面に、ショットキー電極１８およびオーミック電極１９が形成される。こうして、図３に示すショットキーダイオード３５が得られる。
図４は、この発明の第３の実施形態に係るショットキーダイオード３６を説明するための図解的な断面図である。なお、この図４において、前述の図１に示された各部に相当する部分には、同一の参照符号を付して示す。

このショットキーダイオード３６は、基板２と、この基板２の上に成長させられたＭｇＺｎＯ積層部４０（受光層）とを備えている。
ＭｇＺｎＯ積層部４０は、基板２上に積層されたｎ型ＭｇＺｎＯ層２１と、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２１上に積層されたｎ型ＭｇＺｎＯ層２２とを備えている。
ｎ型ＭｇＺｎＯ層２１は、前述のｎ型ＭｇＺｎＯ層３と同様に、ＺｎＯにＭｇが含有されたＭｇ_ｘＺｎ_ｘ−１Ｏ混晶からなる。また、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２１の層厚は、１μｍ〜５μｍであることが好ましい。ｎ型ＭｇＺｎＯ層２１におけるその他の物性（Ｍｇ混晶比率）については、前述のｎ型ＭｇＺｎＯ層３と同様である。ただし、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２１には、ｎ型ドーパントがドーピングされていてもよい。ｎ型ドーピングがされていれば、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２１上に、オーミック電極２４（後述）を得られ易くなる。また、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２１には、窒素がドーピングされていない。

ｎ型ＭｇＺｎＯ層２２は、ＭｇＺｎＯ積層部４０において光を受光して吸収する層である。ｎ型ＭｇＺｎＯ層２２には、窒素がドーピングされている。また、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２２の層厚は、３００ｎｍ〜１０００ｎｍであることが好ましい。ｎ型ＭｇＺｎＯ層２２におけるその他の物性（Ｍｇ混晶比率、窒素のドーピング濃度）については、前述のｎ型ＭｇＺｎＯ層３と同様である。

また、ＭｇＺｎＯ積層部４０は、断面略矩形となるようにｎ型ＭｇＺｎＯ層２２からｎ型ＭｇＺｎＯ層２１が露出する深さまで積層界面を横切る方向にエッチングされている。そして、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２１の露出した露出面２１ａには、オーミック電極２４がオーミック接合されている。一方、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２２の表面には、ショットキー電極２３がショットキー接合されている。ショットキー電極２３が形成されていることにより、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２２におけるショットキー電極２３との接合部付近には、空乏層４８（受光領域）が存在する。そして、このショットキーダイオード３５では、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２２における空乏層４８で光が吸収される。なお、オーミック電極２４およびショットキー電極２３は、それぞれ、前述のオーミック電極４およびショットキー電極１８と同様の金属材料からなる。

そして、このショットキーダイオード３６を製造するには、まず、たとえば、図２に示したＭＢＥ成長装置５を使用して、基板２の上にｎ型ＭｇＺｎＯ層２１が成長させられ（窒素照射なし）、次いで、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２２を成長させられる（窒素照射あり）。これにより、基板２の上に、ＭｇＺｎＯ積層部４０が形成される。
ＭｇＺｎＯ積層部４０が形成された後には、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２２からｎ型ＭｇＺｎＯ層２１の層厚中間部に至るまでエッチングされて、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２１の露出面２１ａが露出する。

その後は、光導電セル１の場合と同様に、公知のスパッタ装置や蒸着装置を用いて、金属材料の成膜とフォトリソグラフィーを用いたパターン形成技術により、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２２の表面にショットキー電極２３が形成され、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２１の露出面２１ａにオーミック電極２４が形成される。こうして、図４に示すショットキーダイオード３５が得られる。 以上のように、第２および第３の実施形態によれば、ｎ型ＭｇＺｎＯ層１７およびｎ型ＭｇＺｎＯ層２２に窒素がドーピングされている。そのため、ショットキーダイオード３５およびショットキーダイオード３６における暗電流を低減するとともに、応答速度の低下を抑制することができる。とくに、これらショットキーダイオード３５およびショットキーダイオード３６では、光を受光して吸収する領域である、ｎ型ＭｇＺｎＯ層１７の表面近傍に存在する空乏層２０およびｎ型ＭｇＺｎＯ層２２の表面近傍に存在する空乏層４８にのみに窒素がドーピングされていれば、暗電流の低減化および応答速度低下の抑制を図ることができるので、窒素のドーピング量を低減することができる。なお、第２および第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、基板２とｎ型ＭｇＺｎＯ層１７（ｎ型ＭｇＺｎＯ層２１）との間に、ＺｎＯ系化合物からなるバッファ層が形成されていてもよい。
図５は、この発明の第４の実施形態に係るＰＩＮダイオード３７を説明するための図解的な断面図である。なお、この図５において、前述の図１に示された各部に相当する部分には、同一の参照符号を付して示す。

このＰＩＮダイオード３７は、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５およびｐ型ＭｇＺｎＯ層２７からなるＭｇＺｎＯ積層部４６を備えている。
ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６は、ＭｇＺｎＯ積層部４６において光を受光して吸収する層であって、その全体で光を受光して吸収する。つまり、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６は、ＭｇＺｎＯ積層部４６において光を受光して吸収する受光領域として機能する。ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６は、前述のｎ型ＭｇＺｎＯ層３と同様に、ＺｎＯにＭｇが含有されたＭｇ_ｘＺｎ_ｘ−１Ｏ混晶からなり、その導電型がｉ型である真性半導体、または十分に比抵抗の高いｎ型もしくはｐ型の半導体である。また、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６には、窒素がドーピングされている。また、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６のバンドギャップ（Ｅｇ）は、たとえば、３．２４ｅＶ〜３．７ｅＶである。ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６のＥｇを、このようなＥｇにするには、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６におけるＭｇの混晶比率（ｘ）を０（％）〜２５（％）にしておけばよい。また、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６の層厚は、３００ｎｍ〜１０００ｎｍであることが好ましい。ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６におけるその他の物性（窒素のドーピング濃度）については、前述のｎ型ＭｇＺｎＯ層３と同様である。

ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５は、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６の一方表面２６ａに形成されており、前述のｎ型ＭｇＺｎＯ層３と同様に、ＺｎＯにＭｇが含有されたＭｇ_ｙＺｎ_ｙ−１Ｏ（ただし、０≦ｙ≦１）混晶からなる。また、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５の層厚は、１００ｎｍ〜３０００ｎｍであることが好ましい。なお、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５には、窒素がドーピングされていない。

ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７は、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６の一方表面２６ａとは反対の他方表面２６ｂに形成されており、前述のｎ型ＭｇＺｎＯ層３と同様に、ＺｎＯにＭｇが含有されたＭｇ_ｚＺｎ_ｚ−１Ｏ（ただし、０≦ｚ≦１）混晶からなる。また、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７の層厚は、１００ｎｍ〜３０００ｎｍであることが好ましい。なお、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７には、窒素がドーピングされていない。

そして、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５および／またはｐ型ＭｇＺｎＯ層２７は、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６よりバンドギャップが大きいことが好ましい。たとえば、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５および／またはｐ型ＭｇＺｎＯ層２７のバンドギャップ（Ｅｇ）は、３．３ｅＶ〜３．９ｅＶであることが好ましい。この実施形態では、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７のＥｇが３．３ｅＶ〜３．９ｅＶである。ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７のＥｇを、この範囲のＥｇにするには、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７におけるＭｇの混晶比率（ｚ）を３（％）〜３０（％）にしておけばよい。なお、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５のＥｇは、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７と同じであってもよく、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６と同じであってもよい。ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７と同じにする場合には、Ｍｇの混晶比率（ｙ）を３（％）〜３０（％）にしておけばよい。

第１の実施形態で示したＥｇ（ｅＶ）＝１２４０／λ（ｎｍ）で表わされる式（１）を用いて、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６よりバンドギャップの大きいｐ型ＭｇＺｎＯ層２７で吸収可能な光の波長を算出すると、その波長は、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６で吸収可能な光の波長より小さくなる。つまり、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６で吸収可能な波長の光は、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７で吸収されない。そのため、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７の表面へと入射される光を、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６に確実に到達させることができる。

ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７の表面には、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７の表面が露出するように、オーミック電極２８がオーミック接合されている。ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７の表面を露出させておくことにより、外部の光を当該露出面からｐ型ＭｇＺｎＯ層２７を通過させて、確実にｉ型ＭｇＺｎＯ層２６に到達させることができる。一方、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５の表面には、当該表面の略全域を覆うように、オーミック電極２９がオーミック接合されている。オーミック電極２８は、たとえば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）から選ばれる金属材料からなる。一方、オーミック電極２９は、前述のオーミック電極４と同様の金属材料からなる。

次に、ＰＩＮダイオード３７の製造方法について説明する。 ＰＩＮダイオード３７を製造するには、まず、たとえば、図２に示したＭＢＥ成長装置５を使用して、たとえば、ＺｎＯ基板（図示せず）の上にｎ型ＭｇＺｎＯ層２５（窒素照射なし）、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６（窒素照射あり）およびｐ型ＭｇＺｎＯ層２７（窒素照射なし）がこの順に成長させられる。これにより、ＺｎＯ基板の上にＭｇＺｎＯ積層部４６が形成される。

ＭｇＺｎＯ積層部４６が形成された後には、ＺｎＯ基板の全部もしくはその一部が除去される。ＺｎＯ基板の除去は、エッチング処理やＣＭＰ（化学的機械的研磨）処理などによって行なうことができる。ＺｎＯ基板を除去することにより、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５の表面の全部もしくはその一部が露出する。
その後は、光導電セル１の場合と同様に、公知のスパッタ装置や蒸着装置を用いて、金属材料の成膜とフォトリソグラフィーを用いたパターン形成技術により、ｐ型ＭｇＺｎＯ層２７の表面にオーミック電極２８が形成され、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５の露出した表面にオーミック電極２９が形成される。こうして、図５に示すＰＩＮダイオード３７が得られる。
図６は、この発明の第５の実施形態に係るＰＩＮダイオード３８を説明するための図解的な断面図である。なお、この図６において、前述の図１に示された各部に相当する部分には、同一の参照符号を付して示す。

このＰＩＮダイオード３８は、基板２と、この基板２の上に成長させられたＭｇＺｎＯ積層部４７（受光層）とを備えている。
ＭｇＺｎＯ積層部４７は、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３０と、ｉ型ＭｇＺｎＯ層３１（受光領域）と、ｐ型ＭｇＺｎＯ層３２とを備え、これら各ＭｇＺｎＯ層は、この順に積層されている。

ｎ型ＭｇＺｎＯ層３０、ｉ型ＭｇＺｎＯ層３１およびｐ型ＭｇＺｎＯ層３２の物性（Ｅｇ、Ｍｇの混晶比率、窒素のドーピング濃度、層厚）については、それぞれ、前述のｎ型ＭｇＺｎＯ層２５、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６およびｐ型ＭｇＺｎＯ層２７と同様である。
また、ＭｇＺｎＯ積層部４６は、断面略矩形となるようにｐ型ＭｇＺｎＯ層３２から、ｉ型ＭｇＺｎＯ層３１を貫通してｎ型ＭｇＺｎＯ層３０が露出する深さまで積層界面を横切る方向にエッチングされている。そして、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３０の露出した露出面３０ａには、オーミック電極３４がオーミック接合されている。一方、ｐ型ＭｇＺｎＯ層３２の表面には、オーミック電極３３がオーミック接合されている。オーミック電極３３は、たとえば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）から選ばれる金属材料からなる。一方、オーミック電極３４は、それぞれ、前述のオーミック電極４と同様の金属材料からなる。

そして、このＰＩＮダイオード３８を製造するには、まず、たとえば、図２に示したＭＢＥ成長装置５を使用して、基板２の上にｎ型ＭｇＺｎＯ層２５（窒素照射なし）、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６（窒素照射あり）およびｐ型ＭｇＺｎＯ層２７（窒素照射なし）がこの順に成長させられる。これにより、サファイア基板の上にＭｇＺｎＯ積層部４７が形成される。

ＭｇＺｎＯ積層部４７が形成された後には、ｐ型ＭｇＺｎＯ層３２から、ｉ型ＭｇＺｎＯ層３１を貫通して、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３０の層厚中間部に至るまでエッチングされて、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３０の露出面３０ａが露出する。
その後は、光導電セル１の場合と同様に、公知のスパッタ装置や蒸着装置を用いて金属材料の成膜とフォトリソグラフィーを用いたパターン形成技術により、ｐ型ＭｇＺｎＯ層３２の表面にオーミック電極３３が形成され、ｎ型ＭｇＺｎＯ層３０の露出面３０ａにオーミック電極３４が形成される。こうして、図６に示すＰＩＮダイオード３８が得られる。 以上のように、第４および第５の実施形態によれば、ｉ型ＭｇＺｎＯ層２６およびｉ型ＭｇＺｎＯ層３１に窒素がドーピングされている。そのため、ＰＩＮダイオード３７およびＰＩＮダイオード３８における暗電流を低減するとともに、応答速度の低下を抑制することができる。なお、第５の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、基板２とｎ型ＭｇＺｎＯ層３０との間に、ＺｎＯ系化合物からなるバッファ層が形成されていてもよい。また、第４および第５の実施形態において、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５（ｎ型ＭｇＺｎＯ層３０）およびｐ型ＭｇＺｎＯ層２７（ｐ型ＭｇＺｎＯ層３２）に挟まれるＭｇＺｎＯ層は、ｉ型でなくてもよく、たとえば、ｎ型ＭｇＺｎＯ層２５（ｎ型ＭｇＺｎＯ層３０）よりドーパント濃度の小さい高抵抗のｎ型であってもよい。
以上、この発明の複数の実施形態について説明したが、上述した、光導電セル１、ショットキーダイオード３５および３６、ＰＩＮダイオード３７および３８は、たとえば、簡便性に優れた、耐放射線性が高い紫外線モニターなどとして応用することができる。

また、この発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

次に、本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、この発明は下記の実施例によって限定されるものではない。
実施例１
図２に示した構成を有するＭＢＥ成長装置における基板ホルダに、サファイア基板を保持させ、このサファイア基板上に、下記に示す成長条件で、導電型がｎ型のＭｇＺｎＯ層を成長させた。次いで、このｎ型ＭｇＺｎＯ層の表面に、スパッタ法により、オーミック電極を２つ形成した。これによって、窒素がドーピングされたｎ型ＭｇＺｎＯ層（Ｍｇ混晶比率：３０（％）、層厚：１０００ｎｍ、窒素ドーピング濃度：１×１０^１９ｃｍ^−３）を備える光導電セルを得た。
（ｎ型ＭｇＺｎＯ層の成長条件）
ウエハ温度：７５０℃
Ｏプラズマの照射条件：電力３００Ｗで、ＲＦセルへのＯ_２供給流量０．５ｓｃｃｍ
Ｎプラズマの照射条件：電力３００Ｗで、ＲＦセルへのＮ_２供給流量０．５ｓｃｃｍ
Ｚｎの照射条件：１０^−５Ｐａ
Ｍｇの照射条件：１０^−６Ｐａ
比較例１
実施例１と同様の方法により、ｎ型ＭｇＺｎＯ層を備える光導電セルを作製した。ただし、ｎ型ＭｇＺｎＯ層を成長させる際、サファイア基板に窒素（Ｎ）を照射しなかった。こうして、窒素がドーピングされていないｎ型ＭｇＺｎＯ層（Ｍｇ混晶比率：３０（％）、層厚：１０００ｎｍ）を備える光導電セルを得た。

光応答速度の測定
実施例１および比較例１により得られた光導電セルのオーミック電極間に３Ｖの電圧を印加した。この加電圧状態で、各光導電セルに波長３００ｎｍの光を５秒間照射した後、照射を止めた。光を照射したときに出力される光電流値の経時変化を図７に示す。なお、図７において、Ｔ１は、実施例１の光電流値が最大値Ａ１の１０％から９５％に上昇するまでの立ち上がり時間を示している。また、Ｔ２は、実施例１の光電流値が最大値Ａ１の１００％から１０％に降下するまでの立ち下がり時間を示している。また、Ｔ３は、比較例１の光電流値が最大値Ａ２の１０％から９５％に上昇するまでの立ち上がり時間を示している。また、Ｔ４は、比較例１の光電流値が最大値Ａ２の１００％から１０％に降下するまでの立ち下がり時間を示している。

図７において、実施例１の、Ｔ１は１ｓ、Ｔ２は６ｓである。一方、比較例１の、Ｔ３は２ｓ、Ｔ４は１８ｓである。これにより、窒素がドーピングされたｎ型ＭｇＺｎＯ層を備える実施例１の光導電セルは、窒素がドーピングされていないｎ型ＭｇＺｎＯ層を備える比較例１の光導電セルに比べて、光に対する応答速度が速いことが確認された。

この発明の第１の実施形態に係る光導電セルを説明するための図解的な断面図である。 ｎ型ＭｇＺｎＯ層を形成するための分子エピタキシャル（ＭＢＥ）成長装置の構成を説明するための図解図である。 この発明の第２の実施形態に係るショットキーダイオードを説明するための図解的な断面図である。 この発明の第３の実施形態に係るショットキーダイオードを説明するための図解的な断面図である。 この発明の第４の実施形態に係るＰＩＮダイオードを説明するための図解的な断面図である。 この発明の第５の実施形態に係るＰＩＮダイオードを説明するための図解的な断面図である。 実施例１および比較例１の光導電セルにおける光電流の経時変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 光導電セル
３ ｎ型ＭｇＺｎＯ層
４ オーミック電極
１７ ｎ型ＭｇＺｎＯ層
１８ オーミック電極
１９ ショットキー電極
２０ 空乏層
２１ ｎ型ＭｇＺｎＯ層
２２ ｎ型ＭｇＺｎＯ層
２３ ショットキー電極
２４ オーミック電極
２５ ｎ型ＭｇＺｎＯ層
２６ ｉ型ＭｇＺｎＯ層
２７ ｐ型ＭｇＺｎＯ層
２８ オーミック電極
２９ オーミック電極
３０ ｎ型ＭｇＺｎＯ層
３１ ｉ型ＭｇＺｎＯ層
３２ ｐ型ＭｇＺｎＯ層
３３ オーミック電極
３４ オーミック電極
３５ ショットキーダイオード
３６ ショットキーダイオード
３７ ＰＩＮダイオード
３８ ＰＩＮダイオード
４０ ＭｇＺｎＯ積層部
４１ オーミック電極
４２ オーミック電極
４６ ＭｇＺｎＯ積層部
４７ ＭｇＺｎＯ積層部
４８ 空乏層

Claims (4)

1. Ｍｇ_ｘＺｎ_１−ｘＯ（ただし、０≦ｘ≦１）からなり、少なくとも外部からの光を受光する受光領域に窒素がドーピングされた受光層と、
   前記受光領域における受光により発生する電気信号を取り出すための電極と、を含む、酸化物半導体受光素子。
2. 前記受光領域にドーピングされている窒素のドーピング濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３である、請求項１に記載の酸化物半導体受光素子。
3. 前記電極は、前記受光領域にショットキー接合されたショットキー電極と、前記受光層における前記受光領域以外の領域にオーミック接合されたオーミック電極と、を含む、請求項１または２に記載の酸化物半導体受光素子。
4. 前記受光層の一方表面側に形成された、ＺｎＯ系化合物半導体からなるｐ型酸化物半導体層と、
   前記受光層の前記一方表面側とは反対の他方表面側に形成された、ＺｎＯ系化合物半導体からなるｎ型酸化物半導体層と、を含み、
   前記電極は、前記ｐ型酸化物半導体層に接合されたｐ側電極と、前記ｎ型酸化物半導体層に接合されたｎ側電極と、を含み、
   前記ｐ型酸化物半導体層および前記ｎ型酸化物半導体層の少なくとも一方は、前記受光層よりバンドギャップが大きい、請求項１または２に記載の酸化物半導体受光素子。

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