JP2010056504A - Semiconductor device - Google Patents

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Takeshi Nakahara
健 中原
Hiroyuki Yuji
洋行 湯地
Shunsuke Akasaka
俊輔 赤坂
Masashi Kawasaki
雅司 川崎
Akira Otomo
明 大友
Atsushi Tsukasaki
敦 塚崎
Tomoaki Fukumura
知昭 福村
Masanori Nakano
匡規 中野
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Tohoku University NUC
Rohm Co Ltd
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Tohoku University NUC
Rohm Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device using a semiconductor and an organic material as active roles and having completely new functions different from those in the prior art. <P>SOLUTION: An organic electrode 2 is formed on a GaN semiconductor 1, and an Au film 3 is formed on the organic electrode 2. On the rear surface of the GaN semiconductor 1, an electrode formed of a multilayer metal film of a Ti film 4 and an Au film 5 is formed so as to oppose the organic electrode 2. The interface of bonding between the organic electrode 2 and the GaN semiconductor 1 is in a state such as schottky junction, and a rectification action is generated between them. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、無機半導体に有機物の電極を形成した半導体素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor element in which an organic electrode is formed on an inorganic semiconductor.

近年、多機能物質として、応用、研究とも盛んな面白い物質として導電性ポリマーがある。有機材料は印刷技術などと融合させることで非常に簡便にデバイス作製できることもあり、次世代は有機物が電子デバイスの主役になるという声もある。電子デバイスを作るためには電気を通すものが必要でそのためにも導電性ポリマーは有効である。   In recent years, there is a conductive polymer as an interesting substance that is actively applied and researched as a multifunctional substance. There is a voice that organic materials will be the main role of electronic devices in the next generation because organic materials can be made very easily by combining them with printing technology. In order to make an electronic device, something that conducts electricity is necessary, and a conductive polymer is also effective for that purpose.

無機物質である半導体と有機物はそれぞれ独自に発展しており、いままであまり接点を持たなかったが近年、これらを融合していく研究が盛んである。半導体の中でもとりわけ、酸化物は種類や機能が多く、有機物も材料が豊富で多機能あるため、これらの複合により、色んな種類のデバイスが作れる可能性がある。また、材料が豊富なため安価に作れることが多く、有機物を使用すれば印刷技術等によりパターニングが出来るので、工程コストも下がる。   Semiconductors and organic materials, which are inorganic materials, have been developed independently, and have not had much contact so far, but in recent years there has been much research into merging them. Among semiconductors, oxides have many types and functions, and organic substances are rich in materials and multifunctional. Therefore, by combining these, various types of devices may be manufactured. In addition, since the material is abundant, it can often be manufactured at a low cost, and if an organic material is used, patterning can be performed by a printing technique or the like, and the process cost is reduced.

ところで、無機半導体と有機物の組み合わせでは、特許文献1〜3に示されるように、電極として受動的に使われることが主で、組み合わせた部分が何か能動的な機能を持つデバイスとして使われた例は非常に少ない。
特開2005−277339号公報 特表2006−518471号公報 特開2006−58730号公報
By the way, in the combination of an inorganic semiconductor and an organic substance, as shown in Patent Documents 1 to 3, it is mainly used passively as an electrode, and the combined part is used as a device having some active function. There are very few examples.
JP 2005-277339 A JP 2006-518471 A JP 2006-58730 A

また、従来技術では、半導体で良く用いられるGaN系半導体、SiGe系半導体、GaAs系半導体等と有機物との組み合わせについての提案はなされていない。特に、有機物/半導体界面を制御することを目的とし、かつその界面の物理的状態を能動的にコントロールするデバイスを作製することは考えられていない。   Further, in the prior art, no proposal has been made for a combination of an organic substance with a GaN-based semiconductor, SiGe-based semiconductor, GaAs-based semiconductor or the like often used in a semiconductor. In particular, it has not been considered to produce a device for the purpose of controlling the organic / semiconductor interface and actively controlling the physical state of the interface.

一方、特許文献1〜3にはZnO系材料薄膜や基板上に電極としての有機物である導電性ポリマーを形成する例が示されているが、トランジスタに電流を供給する電極として受動的に組み合わされたもので、有機物/半導体界面を制御するような能動的役割を果たすものではない。   On the other hand, Patent Documents 1 to 3 show examples of forming a conductive polymer that is an organic substance as an electrode on a ZnO-based material thin film or a substrate, but these are passively combined as an electrode for supplying current to a transistor. It does not play an active role to control the organic / semiconductor interface.

従来、無機半導体は、電子デバイスに良く用いられており、例えば、LSI、フォトダイオード等がある。通常、フォトダイオードは、無機半導体の一種であるSi(シリコン)のpn接合型が基本である。pn接合型フォトダイオードでは、p型層−i型層−n型層というpn層の間にi型層を挿入して、空乏層を広げ、端子間容量を小さくした層接合構造を持つPINフォトダイオードが主流となっており、高速応答が必要なところに使用されている。このフォトダイオードは、シリコンをベースとしているため、光の波長が短くなると感度が悪くなる。フォトダイオードは、pn接合ではpn接合領域に、pin接合ではi型層に光が入射すると最も光電流変換効率が大きくなる。しかし、波長が短くなるにつれ、シリコンの吸収係数が大きくなるため、深さ方向の光が届く距離が短くなる。   Conventionally, inorganic semiconductors are often used in electronic devices, such as LSIs and photodiodes. Usually, the photodiode is basically a pn junction type of Si (silicon) which is a kind of inorganic semiconductor. In a pn junction photodiode, a PIN photo diode having a layer junction structure in which an i-type layer is inserted between pn layers of p-type layer-i-type layer-n-type layer, a depletion layer is expanded, and a capacitance between terminals is reduced. Diodes are the mainstream and are used where high-speed response is required. Since this photodiode is based on silicon, the sensitivity decreases as the wavelength of light decreases. The photodiode has the highest photocurrent conversion efficiency when light enters the pn junction region at the pn junction and the i-type layer at the pin junction. However, as the wavelength becomes shorter, the absorption coefficient of silicon increases, so the distance that light in the depth direction can reach becomes shorter.

シリコンでは、例えば、400nm付近の波長光では1000Å程度の深さに到達するのが限度となる。そのため、pn接合、pin接合を浅い部分に作る必要があり、この場合、p型層は浅く、薄く作製しなければならない。ところが、拡散やイオン注入などでp型不純物やn型不純物をドープすることにより、接合形成が一般的なSiでは、p型層を浅く、薄く形成するのは難しい。1000Åの深さまでの極めて浅い領域にp型層を作製することは最先端のLSIレベルで行うような技術であり、とてもフォトダイオードの値段に見合うコストで作れるものではない。   For silicon, for example, the limit is to reach a depth of about 1000 mm with light having a wavelength of around 400 nm. Therefore, it is necessary to make a pn junction and a pin junction in a shallow portion. In this case, the p-type layer must be made thin and thin. However, by doping p-type impurities or n-type impurities by diffusion, ion implantation, or the like, it is difficult to form a thin p-type layer with Si, which is generally used for junction formation. Fabricating a p-type layer in a very shallow region up to a depth of 1000 mm is a technology that is performed at the most advanced LSI level, and cannot be made at a cost that is quite commensurate with the price of a photodiode.

また、p型層を浅く、薄く形成できたとしても、浅い領域だけで光誘起のキャリア生成が起こるとキャリアをフォトダイオードの外へ出す際の電極間の電流経路は狭いものとなって抵抗が高くなる。抵抗値を低くするには、p型層内の不純物濃度を高くすれば良いが、高くすると、不純物散乱を招き、キャリアの移動度を低下させることになり、応答速度が低下する。また、キャリアのライフタイムが悪化することにより光の検出感度の低下も招く。   Even if the p-type layer can be made shallow and thin, if light-induced carrier generation occurs only in the shallow region, the current path between the electrodes when the carriers are taken out of the photodiode becomes narrow and the resistance is reduced. Get higher. In order to lower the resistance value, the impurity concentration in the p-type layer may be increased. However, if the resistance value is increased, impurity scattering is caused and carrier mobility is lowered, and the response speed is lowered. In addition, deterioration of the lifetime of the carrier causes a decrease in light detection sensitivity.

以上のように、従来の無機材料のp型半導体、n型半導体を用いた電子デバイスでは、特性向上に限界があった。   As described above, in the conventional electronic device using the inorganic material p-type semiconductor and n-type semiconductor, there is a limit to the improvement in characteristics.

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、無機半導体と有機物とを能動的な役割に用い、従来とは異なる全く新規な機能を有する半導体素子を提供することを目的としている。   The present invention was created to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device that uses an inorganic semiconductor and an organic substance in an active role and has a completely new function different from the conventional one. It is said.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、IV族半導体、III−V族半導体又はIII族窒化物半導体のいずれかの半導体に接して有機物電極が形成され、前記半導体と有機物電極との間で整流特性を有することを特徴とする半導体素子である。   In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is characterized in that an organic electrode is formed in contact with any one of a group IV semiconductor, a group III-V semiconductor, or a group III nitride semiconductor, and the semiconductor and the organic electrode And a rectifying characteristic.

また、請求項2記載の発明は、前記有機物電極の仕事関数が前記半導体の電子親和力よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の半導体素子である。   The invention according to claim 2 is the semiconductor element according to claim 1, wherein a work function of the organic electrode is larger than an electron affinity of the semiconductor.

また、請求項3記載の発明は、前記半導体の有機物電極と接する側の主面が+C面であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体素子である。   The invention according to claim 3 is the semiconductor element according to claim 1 or 2, wherein the main surface of the semiconductor in contact with the organic electrode is a + C surface.

また、請求項4記載の発明は、前記有機物電極の少なくとも一部は導電性ポリマーで構成されていることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の半導体素子である。   The invention according to claim 4 is the semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein at least a part of the organic electrode is made of a conductive polymer. .

また、請求項5記載の発明は、前記有機物電極の抵抗率が1Ωcm以下であることを特徴とする請求項4記載の半導体素子である。   The invention according to claim 5 is the semiconductor element according to claim 4, wherein the resistivity of the organic electrode is 1 Ωcm or less.

また、請求項6記載の発明は、前記導電性ポリマーは、ポリアニリン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリチオフェン誘導体の中の少なくとも一種から構成されていることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の半導体素子である。   According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor according to the fourth or fifth aspect, the conductive polymer is composed of at least one of a polyaniline derivative, a polypyrrole derivative, and a polythiophene derivative. It is an element.

また、請求項7記載の発明は、前記ポリアニリン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリチオフェン誘導体は、各々キャリアドーパントを含んでいることを特徴とする請求項6記載の半導体素子である。   The invention according to claim 7 is the semiconductor element according to claim 6, wherein the polyaniline derivative, the polypyrrole derivative, and the polythiophene derivative each contain a carrier dopant.

また、請求項8記載の発明は、前記有機物電極は、紫外光領域及び赤外光領域で透光性を有することを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の半導体素子である。   The invention according to claim 8 is the semiconductor according to any one of claims 1 to 7, wherein the organic electrode has translucency in an ultraviolet light region and an infrared light region. It is an element.

また、請求項9記載の発明は、前記有機物電極が正孔伝導体からなることを特徴とする請求項8記載の半導体素子である。   The invention according to claim 9 is the semiconductor element according to claim 8, wherein the organic electrode is made of a hole conductor.

また、請求項10記載の発明は、前記半導体素子の有機物電極側に負電圧を印加する逆バイアス状態で3ボルト印加し、光の照射がない状態で、逆方向電流が1ナノアンペア以下であることを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の半導体素子である。   In the invention of claim 10, 3 volts is applied in a reverse bias state in which a negative voltage is applied to the organic electrode side of the semiconductor element, and the reverse current is 1 nanoampere or less in the absence of light irradiation. The semiconductor element according to claim 8 or 9, wherein

また、請求項11記載の発明は、前記半導体素子は、光電変換素子であることを特徴とする請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の半導体素子である。   The invention according to claim 11 is the semiconductor element according to any one of claims 8 to 10, wherein the semiconductor element is a photoelectric conversion element.

また、請求項12記載の発明は、基板上に前記半導体が少なくとも1層形成され、前記有機物電極がショットキー型のゲート電極として作用し、トランジスタ機能を有することを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の半導体素子である。   According to a twelfth aspect of the present invention, at least one layer of the semiconductor is formed on a substrate, the organic electrode functions as a Schottky gate electrode, and has a transistor function. 8. The semiconductor device according to any one of items 7.

また、請求項13記載の発明は、前記III−V族半導体については、InX(AlYGa1-Y1-XAs、InX(AlYGa1-Y1-XP、(InXGa1-YZ(PXAs1-X1-Zのいずれか、III族窒化物半導体については、InX(AlYGa1-Y1-XNで構成されており、0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1を満たしていることを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載の半導体素子である。 Further, an invention according claim 13, for the group III-V semiconductors, In X (Al Y Ga 1 -Y) 1-X As, In X (Al Y Ga 1-Y) 1-X P, ( In X Ga 1-Y ) Z (P X As 1-X ) 1-Z , the Group III nitride semiconductor is composed of In X (Al Y Ga 1-Y ) 1-X N The semiconductor element according to claim 1, wherein 0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, and 0 ≦ Z ≦ 1 are satisfied.

また、請求項14記載の発明は、前記III−V族半導体又はIII族窒化物半導体は、少なくとも2つの異なる組成の半導体を積層した積層体で構成されていることを特徴とする請求項13記載の半導体素子である。   The invention according to claim 14 is characterized in that the group III-V semiconductor or group III nitride semiconductor is constituted by a stacked body in which semiconductors having at least two different compositions are stacked. This is a semiconductor element.

また、請求項15記載の発明は、前記IV族半導体は、Si1-WGeW(0≦W≦1)又は異なる組成のSi1-WGeWの積層体で構成されていることを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載の半導体素子である。 The invention according to claim 15 is characterized in that the group IV semiconductor is composed of Si 1-W Ge W (0 ≦ W ≦ 1) or a stack of Si 1-W Ge W having different compositions. It is a semiconductor element of any one of Claims 1-12.

また、請求項16記載の発明は、前記積層体の界面に発生する電子蓄積領域をチャネル領域とする請求項13〜請求項15のいずれか1項に記載の半導体素子である。   The invention according to claim 16 is the semiconductor element according to any one of claims 13 to 15, wherein an electron accumulation region generated at an interface of the stacked body is a channel region.

また、請求項17記載の発明は、光電変換作用により発生した電子を前記電子蓄積領域を介して外部に取り出すことを特徴とする請求項16記載の半導体素子である。   The invention according to claim 17 is the semiconductor element according to claim 16, wherein the electrons generated by the photoelectric conversion action are taken out through the electron accumulation region.

また、請求項18記載の発明は、無機半導体に接して有機物電極が形成され、前記無機半導体と有機物電極との間で整流特性を有することを特徴とする半導体素子である。   The invention according to claim 18 is a semiconductor device characterized in that an organic electrode is formed in contact with an inorganic semiconductor and has a rectifying characteristic between the inorganic semiconductor and the organic electrode.

また、請求項19記載の発明は、前記無機半導体はMgZ1Zn1-Z1O(0≦Z1<1)で構成され光電変換層として機能し、かつ前記有機物電極は透光性を有しており、前記有機物電極にバイアスが印加されていない状態で、400nmを越える波長域では受光感度が略0であり、400nm以下の波長域では受光感度が10−3A/W以上となる波長域を有することを特徴とする請求項18に記載の半導体素子である。 The invention according to claim 19 is characterized in that the inorganic semiconductor is composed of Mg Z1 Zn 1-Z1 O (0 ≦ Z1 <1) and functions as a photoelectric conversion layer, and the organic electrode has translucency. In a state where no bias is applied to the organic electrode, the light receiving sensitivity is substantially 0 in the wavelength region exceeding 400 nm, and the wavelength region in which the light receiving sensitivity is 10 −3 A / W or more in the wavelength region below 400 nm. The semiconductor element according to claim 18, wherein the semiconductor element is provided.

また、請求項20記載の発明は、前記受光感度が10−3A/W以上となる波長域では、前記MgZnOにおける光電変換可能波長が280nm〜400nmの範囲になるようにMg組成Z1が構成されていることを特徴とする請求項19に記載の半導体素子である。 In the twentieth aspect of the invention, the Mg composition Z1 is configured such that a photoelectric conversion wavelength in the MgZnO is in a range of 280 nm to 400 nm in the wavelength region where the light receiving sensitivity is 10 −3 A / W or more. The semiconductor device according to claim 19, wherein the semiconductor device is a semiconductor device.

また、請求項21記載の発明は、前記MgZ1Zn1-Z1OのMg組成Z1が0.25以上であり、前記光電変換可能波長が320nmであることを特徴とする請求項20に記載の半導体素子である。 The invention according to claim 21 is characterized in that the Mg composition Z1 of the Mg Z1 Zn 1 -Z1 O is 0.25 or more, and the photoelectric conversion wavelength is 320 nm. It is a semiconductor element.

また、請求項22記載の発明は、前記MgZ1Zn1-Z1OのMg組成Z1が0.45以上であり、前記光電変換可能波長が280nmであることを特徴とする請求項20に記載の半導体素子である。 The invention according to claim 22 is characterized in that the Mg composition Z1 of the Mg Z1 Zn 1 -Z1 O is 0.45 or more and the photoelectric conversion wavelength is 280 nm. It is a semiconductor element.

また、請求項23記載の発明は、前記有機物電極は正孔伝導体からなることを特徴とする請求項19〜請求項22のいずれか1項に記載の半導体素子である。   The invention according to claim 23 is the semiconductor element according to any one of claims 19 to 22, wherein the organic electrode is made of a hole conductor.

また、請求項24記載の発明は、前記半導体素子の有機物電極側に負電圧を印加する逆バイアス状態で3ボルト印加し、光の照射がない状態で、逆方向電流が1ナノアンペア以下であることを特徴とする請求項23に記載の半導体素子である。   According to a twenty-fourth aspect of the present invention, when a negative voltage is applied to the organic electrode side of the semiconductor element in a reverse bias state, 3 volts is applied, and in the absence of light irradiation, the reverse current is 1 nanoampere or less. 24. The semiconductor device according to claim 23.

また、請求項25記載の発明は、前記MgZ1Zn1-Z1Oは、0<Z1<1で構成されていることを特徴とする請求項19〜請求項24のいずれか1項に記載の半導体素子である。 The invention according to claim 25 is characterized in that the Mg Z1 Zn 1 -Z1 O is constituted by 0 <Z1 <1. It is a semiconductor element.

本発明によれば、IV族半導体、III−V族半導体又はIII族窒化物半導体、ZnO系半導体等の無機半導体に接して有機物電極を形成することにより、半導体と有機物電極との界面にポテンシャル障壁が形成され、エネルギーバンドの関係から、半導体と有機物電極との間には整流作用が発生する。したがって、光電変換素子等の新規なデバイスに応用することができる。   According to the present invention, an organic electrode is formed in contact with an inorganic semiconductor such as a group IV semiconductor, a group III-V semiconductor, a group III nitride semiconductor, or a ZnO-based semiconductor, so that a potential barrier is formed at the interface between the semiconductor and the organic electrode. Due to the energy band relationship, a rectifying action is generated between the semiconductor and the organic electrode. Therefore, it can be applied to a novel device such as a photoelectric conversion element.

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図1は本発明による半導体素子の断面構造の一例を示す。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of a cross-sectional structure of a semiconductor device according to the present invention.

GaN半導体1上に有機物電極2が形成されており、有機物電極2の上にはワイヤーボンディング等のために用いられるAu膜3が形成されている。一方、GaN半導体1の裏面には有機物電極2に対向するように、Ti膜4とAu膜5の多層金属膜で構成された電極が形成されている。GaN半導体1は、III族窒化物半導体の一種であるInX(AlYGa1-Y1-XN(0≦X≦1、0≦Y≦1)に相当し、X=Y=0の場合の化合物に該当する。 An organic electrode 2 is formed on the GaN semiconductor 1, and an Au film 3 used for wire bonding or the like is formed on the organic electrode 2. On the other hand, an electrode composed of a multilayer metal film of a Ti film 4 and an Au film 5 is formed on the back surface of the GaN semiconductor 1 so as to face the organic electrode 2. The GaN semiconductor 1 corresponds to In X (Al Y Ga 1-Y ) 1-X N (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1), which is a group III nitride semiconductor, and X = Y = 0. It corresponds to the compound in the case of.

一方、有機物電極2の一部は導電性ポリマーで構成されている。導電性ポリマーとしては、例えば、図5(b)に示されるポリチオフェン誘導体(PEDOT:ポリ(3,4)-エチレンジオキシチオフェン)、図6に示されるポリアニリン誘導体、図7(a)に示されるポリピロール誘導体等が用いられる。   On the other hand, part of the organic electrode 2 is made of a conductive polymer. Examples of the conductive polymer include a polythiophene derivative (PEDOT: poly (3,4) -ethylenedioxythiophene) shown in FIG. 5B, a polyaniline derivative shown in FIG. 6, and FIG. 7A. Polypyrrole derivatives and the like are used.

具体的には、上記の各誘導体に伝導特性等の電気特性を制御するための物質をドーピングした物質が用いられており、例えば、ポリチオフェン誘導体(PEDOT)に、図5(a)に示されるポリスチレンスルホン酸(PSS)をドーピングしたものや、ポリピロール誘導体に図7(b)に示されるTCNAをドーピングしたものを用いる。   Specifically, a substance obtained by doping each of the above-described derivatives with a substance for controlling electrical characteristics such as conduction characteristics is used. For example, a polythiophene derivative (PEDOT) is made of polystyrene shown in FIG. A sulfonic acid (PSS) -doped one or a polypyrrole derivative doped with TCNA shown in FIG. 7B is used.

電源の接続については、図1の実線の接続線で示されるように、Au膜3を直流電源の+側にAu膜5を直流電源の−側に接続した状態を考える。これは、後述するように、図1の半導体素子がダイオードのように整流作用を有するのであるが、そのときの順方向バイアスを加えた状態を示すものである。この場合、有機物電極2は正電極(p電極)として、Ti膜4は負電極(n電極)として機能する。   As for the connection of the power supply, as shown by the solid connection line in FIG. 1, a state where the Au film 3 is connected to the + side of the DC power supply and the Au film 5 is connected to the − side of the DC power supply is considered. As will be described later, this shows a state in which the semiconductor element of FIG. 1 has a rectifying action like a diode, but a forward bias is applied at that time. In this case, the organic electrode 2 functions as a positive electrode (p electrode), and the Ti film 4 functions as a negative electrode (n electrode).

図2は上記のように形成された半導体素子の作用を説明するための模式図である。図2は、有機物電極2をPEDOT:PSSで構成した場合のGaN半導体1と有機物電極2との接合界面におけるエネルギーバンド図を示す。   FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation of the semiconductor element formed as described above. FIG. 2 shows an energy band diagram at the junction interface between the GaN semiconductor 1 and the organic electrode 2 when the organic electrode 2 is composed of PEDOT: PSS.

図2(a)は、半導体素子にかかるバイアスが0の場合を、図2(b)は、バイアスが順方向の場合を、図2(c)はバイアスが逆方向の場合を示す。また、EFOは有機物電極2のフェルミ準位を、EFZはGaN半導体1のフェルミ準位を、VLは真空準位を、φは有機物電極2の仕事関数を、φはGaN半導体1の仕事関数を、Eは伝導帯の準位を、Eは価電子帯の準位を、χはGaN半導体1の電子親和力を表している。 2A shows the case where the bias applied to the semiconductor element is 0, FIG. 2B shows the case where the bias is forward, and FIG. 2C shows the case where the bias is reverse. E FO is the Fermi level of the organic electrode 2, E FZ is the Fermi level of the GaN semiconductor 1, VL is the vacuum level, φ O is the work function of the organic electrode 2, and φ Z is the GaN semiconductor 1. the work function of, e C is the level of the conduction band, e V is the level of the valence band, χ Z represents the electron affinity of GaN semiconductor 1.

図2(a)のようにバイアスが0の場合、GaN半導体と有機物電極とのフェルミ準位は一致し、平衡状態になっている。GaN半導体から有機物電極への電子の流れに対する障壁(ビルトインポテンシャル)φ−φと、有機物電極からGaN半導体への電子の流れに対するショットキー障壁φ−χが生じる。 When the bias is zero as shown in FIG. 2A, the Fermi levels of the GaN semiconductor and the organic electrode are in agreement and in an equilibrium state. A barrier (built-in potential) φ O −φ Z against the flow of electrons from the GaN semiconductor to the organic electrode and a Schottky barrier φ O −χ Z against the flow of electrons from the organic electrode to the GaN semiconductor are generated.

一方、図1の実線接続線で示すように、順方向バイアスを加えると、φ−φを打ち消す向きであるので、図2(b)に示すように、GaN半導体の障壁がqVだけ低くなる。一方、有機物電極側の障壁は変わらないので、GaN半導体から有機物電極への電子流が増える。他方、図1の破線の接続線で示すように、直流電源を逆方向に接続した場合は(逆方向バイアス)、図2(b)とは逆にGaN半導体側の障壁がqVだけ高くなり、有機物電極側の障壁は変わらないので、図2(c)のようになる。したがって、GaN半導体から有機物電極への電子流がほとんど発生しない。 On the other hand, as shown by the solid connection line in FIG. 1, when forward bias is applied, the direction is to cancel φ O −φ Z , so that the barrier of the GaN semiconductor is lowered by qV as shown in FIG. Become. On the other hand, since the barrier on the organic electrode side does not change, the electron flow from the GaN semiconductor to the organic electrode increases. On the other hand, as shown by the broken connection line in FIG. 1, when the DC power source is connected in the reverse direction (reverse bias), the barrier on the GaN semiconductor side is increased by qV, contrary to FIG. Since the barrier on the organic electrode side does not change, it becomes as shown in FIG. Therefore, almost no electron flow from the GaN semiconductor to the organic electrode occurs.

以上のように、GaN半導体1と有機物電極2とが、φ>χの関係で接合すると、pn接合と同様の整流作用が発生する。このように、本発明では、有機物電極2を有機物/半導体界面を制御するような能動的役割を果たす電極として構成している。 As described above, when the GaN semiconductor 1 and the organic electrode 2 are joined in a relationship of φ O > χ Z , the same rectifying action as that of the pn junction occurs. Thus, in the present invention, the organic electrode 2 is configured as an electrode that plays an active role to control the organic / semiconductor interface.

図3は、実際にGaN半導体と有機物電極との間のIV特性(電流−電圧特性)を測定した結果を示す。測定には、図4に示す半導体素子を用いた。サファイア基板11上に、n型GaN層12、アンドープGaN層13、有機物電極14が順に形成され、有機物電極14からn型GaN層12が露出するまでメサエッチングされた構造となっている。また、有機物電極14上にp電極15が、露出したn型GaN層12上にn電極16が形成されている。   FIG. 3 shows the result of actually measuring the IV characteristics (current-voltage characteristics) between the GaN semiconductor and the organic electrode. The semiconductor element shown in FIG. 4 was used for the measurement. On the sapphire substrate 11, an n-type GaN layer 12, an undoped GaN layer 13, and an organic electrode 14 are formed in this order, and mesa etching is performed until the n-type GaN layer 12 is exposed from the organic electrode 14. A p-electrode 15 is formed on the organic electrode 14, and an n-electrode 16 is formed on the exposed n-type GaN layer 12.

具体的には、n型GaN層12は電子濃度が7×1017cm−3〜2×1018cm−3の範囲になるように、n型不純物のSiがドーピングされている。アンドープGaN層13は、意図的な不純物のドープはないが、電子濃度が1×1015cm−3〜1×1016cm−3の範囲で形成される。有機物電極14は、PEDOT:PSSで構成される。 Specifically, the n-type GaN layer 12 is doped with Si as an n-type impurity so that the electron concentration is in the range of 7 × 10 17 cm −3 to 2 × 10 18 cm −3 . The undoped GaN layer 13 is not intentionally doped with impurities, but is formed with an electron concentration in the range of 1 × 10 15 cm −3 to 1 × 10 16 cm −3 . The organic electrode 14 is made of PEDOT: PSS.

図4の構成において、p電極15とn電極16との間に直流電源を接続して、電流と電圧との関係を測定した。順方向バイアス(以下、順バイアスという)とは、直流電源の正電圧側をp電極15に、直流電源の負電圧側をn電極16に接続した状態である。また、逆方向バイアス(以下、逆バイアスという)とは、直流電源の正電圧側をn電極16に、直流電源の負電圧側をp電極15に接続した状態である。   In the configuration of FIG. 4, a direct current power source was connected between the p electrode 15 and the n electrode 16 to measure the relationship between current and voltage. The forward bias (hereinafter referred to as forward bias) is a state in which the positive voltage side of the DC power supply is connected to the p electrode 15 and the negative voltage side of the DC power supply is connected to the n electrode 16. The reverse bias (hereinafter referred to as reverse bias) is a state in which the positive voltage side of the DC power supply is connected to the n electrode 16 and the negative voltage side of the DC power supply is connected to the p electrode 15.

図3の2つの曲線は、矢印の方向に電圧をスイープさせたとき、すなわち逆バイアスから順バイアスへ、続いて順バイアスから逆バイアスへ電圧を変化させたときの測定結果である。ここで、電圧Vが0を境にして+側電圧が順バイアスとなり、−側電圧が逆バイアスとなる。図3に示されるように、逆バイアスを加えているときには、ほとんど電流が流れないが(この素子のほぼ下限界)、順バイアスが加えられると、電流が急激に増加していくことがわかり、整流特性を有している。また、図の分岐点に示すように、印加電圧が正電圧になってもすぐには電流が流れず、電流が流れるためには、所定の正バイアス電圧以上の電圧を印加する必要があることがわかる。   The two curves in FIG. 3 are measurement results when the voltage is swept in the direction of the arrow, that is, when the voltage is changed from reverse bias to forward bias and subsequently from forward bias to reverse bias. Here, when the voltage V is 0, the + side voltage is a forward bias, and the − side voltage is a reverse bias. As shown in FIG. 3, almost no current flows when applying a reverse bias (almost the lower limit of this element), but when a forward bias is applied, it can be seen that the current increases rapidly, Has rectification characteristics. Also, as shown at the branch point in the figure, even if the applied voltage becomes a positive voltage, the current does not flow immediately, and in order for the current to flow, it is necessary to apply a voltage higher than the predetermined positive bias voltage. I understand.

一方、図2で説明したような理想的な状況のとき、上記2つの測定結果は一致するが、異種材料の接触や表面があることによる余分な準位、いわゆる界面準位、表面準位が存在すると、その準位へのキャリアの充電、放電があるため、2つの測定結果は一致しない。したがって、一致度が良いときは、表面、界面準位が少ないことを示す。図3を見ると、2つの曲線の一致度は非常に良く、有機物電極/GaN界面が良好な接触状態であることを示している。   On the other hand, in the ideal situation as described with reference to FIG. 2, the above two measurement results match, but there are extra levels due to the contact and surface of different materials, so-called interface levels and surface levels. If it exists, the two measurement results do not match because there is charge and discharge of carriers to that level. Accordingly, when the degree of coincidence is good, it indicates that there are few surface and interface states. Referring to FIG. 3, the degree of coincidence between the two curves is very good, indicating that the organic electrode / GaN interface is in good contact.

ところで、GaN系半導体やZnO系半導体は、ウルツァイトと呼ばれる六方晶構造を有する。そして、C面やa軸という表現は、いわゆるミラー指数により表すことができ、例えば、C面は(0001)面と表される。その他に、A面(11−20)、柱面であるM面(10−10)等が存在する。また、m軸はM面の垂直方向を、c軸はC面の垂直方向を示す。   By the way, GaN-based semiconductors and ZnO-based semiconductors have a hexagonal crystal structure called wurzeite. The expressions C-plane and a-axis can be expressed by a so-called Miller index. For example, the C-plane is expressed as a (0001) plane. In addition, there are an A plane (11-20), an M plane (10-10) which is a column surface, and the like. The m-axis indicates the vertical direction of the M-plane, and the c-axis indicates the vertical direction of the C-plane.

GaN系半導体と異なり、ZnO系半導体上に有機物電極を形成する場合には、ZnO系半導体において有機物電極を形成する側の結晶面をどのようにするかで、素子の特性が異なってくるので結晶面の選び方が重要になる。例えば、n型ZnO基板上に、有機物電極としてPEDOT:PSSを形成する。ここで、n型ZnO基板の+C面にPEDOT:PSSを形成した場合と、n型ZnO基板の−C面にPEDOT:PSSを形成した場合と比較すると、電流−電圧特性では、それほど差はない。しかしながら、ZnO系半導体の−C面は+C面に比べて、酸やアルカリに弱く、加工も行いにくい。特に有機物電極にPEDOT:PSSを用いた場合には、図5の構造式からもわかるようにPH1程度の酸性を示すので、−C面では、若干のエッチングにより素子の特性が不安定になる現象が見られた。したがって、ZnO系半導体を用いる場合は、その+C面上に有機物電極を形成することが望ましい。   Unlike a GaN-based semiconductor, when an organic electrode is formed on a ZnO-based semiconductor, the characteristics of the element differ depending on the crystal plane on the side of forming the organic electrode in the ZnO-based semiconductor. How to choose the face is important. For example, PEDOT: PSS is formed as an organic electrode on an n-type ZnO substrate. Here, when the PEDOT: PSS is formed on the + C plane of the n-type ZnO substrate and the PEDOT: PSS is formed on the −C plane of the n-type ZnO substrate, there is not much difference in current-voltage characteristics. . However, the -C face of ZnO-based semiconductors is weaker to acids and alkalis than the + C face, and is difficult to process. In particular, when PEDOT: PSS is used for the organic electrode, it shows an acidity of about PH1, as can be seen from the structural formula of FIG. It was observed. Therefore, when using a ZnO-based semiconductor, it is desirable to form an organic electrode on the + C plane.

次に、図8は、図1と基本的には同じ構成であるが、特に電極の構成が異なる構造を示す。図1と同じ符号を付したものは同じ構成を示す。図のように順バイアスを印加した場合、図8(a)では、GaN半導体1の裏面に負電極を形成するのではなく、GaN半導体1の同一面側に正電極と負電極を形成し、負電極は有機物電極2とAu膜3で構成された積層体の周りを取り囲むように環状に形成している。また、図8(b)は、図8(a)の構造に支持基板となる基板6を取り付けた構成となっている。   Next, FIG. 8 shows a structure which is basically the same as that of FIG. 1, but particularly has a different electrode structure. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same configurations. When a forward bias is applied as shown in FIG. 8, in FIG. 8A, instead of forming a negative electrode on the back surface of the GaN semiconductor 1, a positive electrode and a negative electrode are formed on the same surface side of the GaN semiconductor 1, The negative electrode is formed in an annular shape so as to surround the laminate composed of the organic electrode 2 and the Au film 3. FIG. 8B shows a structure in which a substrate 6 serving as a support substrate is attached to the structure of FIG.

図1の半導体素子で、有機物電極2にPEDOT:PSSを用いた場合の製造工程の一例を図9に示す。まず、GaN半導体1を1100℃程度の温度で加熱処理し、アセトンやエタノールの溶液中で超音波洗浄を行った後、UV−オゾン照射で親水処理を行う(図9(a))。次に、図9(b)のように、スピンコート法によりGaN半導体1上に、PEDOT:PSSを塗布して形成し、200℃程度の温度でベーキングする。その後、図9(c)のようにAuメタルを蒸着してAu膜3を作製し、次に、レジスト11を図9(d)のように形成し、Arプラズマ等によるドライエッチングによりメサ構造を図9(e)のように形成する。アセトン溶液中で超音波洗浄を行ってレジスト剥離した後(図9(f))、Tiメタルを蒸着してTi膜4を、さらにAuメタルを蒸着してAu膜5を形成して半導体素子が完成する。 FIG. 9 shows an example of a manufacturing process when PEDOT: PSS is used for the organic electrode 2 in the semiconductor element of FIG. First, the GaN semiconductor 1 is heat-treated at a temperature of about 1100 ° C., subjected to ultrasonic cleaning in a solution of acetone or ethanol, and then subjected to hydrophilic treatment by UV-ozone irradiation (FIG. 9A). Next, as shown in FIG. 9B, PEDOT: PSS is formed on the GaN semiconductor 1 by spin coating and is baked at a temperature of about 200.degree. Thereafter, Au metal is deposited as shown in FIG. 9C to produce the Au film 3, and then a resist 11 is formed as shown in FIG. 9D, and mesa structure is formed by dry etching using Ar + plasma or the like. Is formed as shown in FIG. After removing the resist by ultrasonic cleaning in an acetone solution (FIG. 9F), Ti metal is deposited to form a Ti film 4, and further Au metal is deposited to form an Au film 5. Complete.

以上説明した半導体素子の一例として、光電変換素子を構成することができる。有機物電極2が紫外領域及び近赤外領域で透光性を有するものを用いると好適である。ここで、紫外領域で透光性を有するとは、有機物電極2に光を照射したときに、光の400nm以下の波長領域で70%以上の透過率を有することを意味する。また、赤外領域で透光性を有するとは、有機物電極2に光を照射したときに、光の800nm以上の近赤外波長領域では、50%以上の透過率を有し、特に、可視光領域に近い波長域で70%以上の透過率を有することを意味する。   As an example of the semiconductor element described above, a photoelectric conversion element can be configured. It is preferable to use an organic electrode 2 having translucency in the ultraviolet region and the near infrared region. Here, having translucency in the ultraviolet region means having a transmittance of 70% or more in the wavelength region of 400 nm or less of light when the organic electrode 2 is irradiated with light. In addition, having translucency in the infrared region means that when the organic electrode 2 is irradiated with light, it has a transmittance of 50% or more in the near-infrared wavelength region of light of 800 nm or more. It means having a transmittance of 70% or more in a wavelength region close to the light region.

具体的には、有機物電極2をPEDOT:PSSで構成し、その厚みを50nmとして、図1の半導体素子を作製した。GaN半導体1には、単結晶GaN基板を用い、GaN基板上にPEDOT:PSSを形成し、このPEDOT:PSS上にAu膜3を、GaN基板の裏面に、順にTi膜4、Au膜5を形成した。また、直流電源は、図1の破線のように接続して、逆バイアスとする。   Specifically, the organic electrode 2 was made of PEDOT: PSS, and the thickness thereof was 50 nm, so that the semiconductor element of FIG. 1 was produced. As the GaN semiconductor 1, a single crystal GaN substrate is used, PEDOT: PSS is formed on the GaN substrate, an Au film 3 is formed on the PEDOT: PSS, and a Ti film 4 and an Au film 5 are sequentially formed on the back surface of the GaN substrate. Formed. The DC power supply is connected as indicated by the broken line in FIG.

有機物電極2に用いたPEDOT:PSSには、図10のような性質がある。図10は、酸化物であるサファイア基板の光の透過率とPEDOT:PSSの光の透過率とを比較したものである。図10の横軸は光の波長(nm)を、向かって左側の縦軸は光の透過率(%)を、向かって右側の縦軸は、光の反射率(%)を示す。また、図の上側に描かれている曲線は透過率曲線を、下側に描かれている曲線は、反射率曲線を表す。   PEDOT: PSS used for the organic electrode 2 has properties as shown in FIG. FIG. 10 compares the light transmittance of the sapphire substrate, which is an oxide, with the light transmittance of PEDOT: PSS. The horizontal axis in FIG. 10 indicates the wavelength (nm) of light, the vertical axis on the left side indicates the light transmittance (%), and the vertical axis on the right side indicates the light reflectance (%). Further, the curve drawn on the upper side of the figure represents the transmittance curve, and the curve drawn on the lower side represents the reflectance curve.

図10は、波長0〜2500nmまでの透過率と反射率を示している。SAはサファイア基板を表しており、P1〜P4はPEDOT:PSSの曲線を表す。PEDOT:PSSの抵抗率を変化することによりP1〜P4までの曲線が得られ、P1が抵抗率10Ωcm、P2が抵抗率10Ωcm、P3が抵抗率10Ωcm、P4が抵抗率10−3Ωcmの場合の透過率曲線を示す。紫外光領域や可視光領域では、特性にそれほど差がないが、近赤外領域では、特に、2500nmの波長に近づくほど、P1〜P4の曲線には差が現われる。しかし、P3とP4では抵抗率に差があるわりには、曲線の違いは少なくなってきている。 FIG. 10 shows transmittance and reflectance up to a wavelength of 0 to 2500 nm. SA represents a sapphire substrate, and P1 to P4 represent PEDOT: PSS curves. By changing the resistivity of PEDOT: PSS, a curve from P1 to P4 is obtained. P1 has a resistivity of 10 5 Ωcm, P2 has a resistivity of 10 3 Ωcm, P3 has a resistivity of 10 Ωcm, and P4 has a resistivity of 10 −3. The transmittance curve in the case of Ωcm is shown. Although there is not much difference in characteristics in the ultraviolet light region and the visible light region, in the near infrared region, the difference appears in the curves of P1 to P4, particularly as the wavelength approaches 2500 nm. However, although there is a difference in resistivity between P3 and P4, the difference between the curves is decreasing.

このように、PEDOT:PSSは、光の400nm以下の波長領域で70%以上の透過率を有している。また、光の800nm以上の近赤外波長領域において、波長2500nm付近では50%以上の透過率を有し、可視光領域に近い波長域では70%以上の透過率を有している。しかしながら、順バイアスを印加したときの、電流−電圧特性を良いものとするには、抵抗率が低い方が良く、1Ωcm以下とすることが望ましい。   Thus, PEDOT: PSS has a transmittance of 70% or more in the wavelength region of 400 nm or less of light. Further, in the near infrared wavelength region of 800 nm or more of light, the light has a transmittance of 50% or more near the wavelength of 2500 nm, and has a transmittance of 70% or more in the wavelength region close to the visible light region. However, in order to improve the current-voltage characteristics when a forward bias is applied, it is preferable that the resistivity is low, and it is desirable to set it to 1 Ωcm or less.

次に、図11は、図10の波長範囲のうち、0〜800nmの範囲を拡大して示した図となっている。図11の横軸は光の波長(nm)を、縦軸は光の透過率(%)を示す。SAはサファイア基板を示しており、PEはPEDOT:PSSの曲線を表す。PEは、図10のP1〜P4の曲線のうち、抵抗率10−3ΩcmのP4に相当する。 Next, FIG. 11 is an enlarged view of the range of 0 to 800 nm in the wavelength range of FIG. In FIG. 11, the horizontal axis indicates the wavelength (nm) of light, and the vertical axis indicates the light transmittance (%). SA represents a sapphire substrate, and PE represents a PEDOT: PSS curve. PE corresponds to P4 having a resistivity of 10 −3 Ωcm among the curves P1 to P4 in FIG.

紫外光領域は、図に示すように、さらに、紫外光A(波長320nm〜400nm)、紫外光B(波長280nm〜320nm)、紫外光C(波長280nm以下)に分類される。PEDOT:PSSは、波長400nm未満の紫外光領域の中で、特に、紫外光A及び紫外光Bの領域で、80%以上の透過率を示しており、透光性に優れていることがわかる。紫外光Cの領域になると、有機物中のC−C結合(Cは炭素)に起因する吸収が大きくなるので、透過率は急減する。以上のように、有機物電極の材料と、これに接合される半導体とを適切に選択すると、紫外光検出器や近赤外光検出器として構成することができる。   As shown in the drawing, the ultraviolet light region is further classified into ultraviolet light A (wavelength 320 nm to 400 nm), ultraviolet light B (wavelength 280 nm to 320 nm), and ultraviolet light C (wavelength 280 nm or less). PEDOT: PSS exhibits a transmittance of 80% or more in the ultraviolet light region with a wavelength of less than 400 nm, particularly in the ultraviolet light A and ultraviolet light B regions, indicating that it has excellent translucency. . In the ultraviolet light C region, the absorption due to the C—C bond (C is carbon) in the organic matter increases, and the transmittance decreases rapidly. As described above, when an organic electrode material and a semiconductor bonded thereto are appropriately selected, an ultraviolet light detector or a near infrared light detector can be configured.

光を上方から入射させたときの、有機物電極2とGaN半導体1との界面付近の状態を示す模式図が、図12である。有機物電極とGaN半導体とはショットキー接合しているために、ショットキー障壁が現われ、有機物電極とGaN半導体との界面には空乏層が広がっている。この空乏層付近に光が照射されると、図のように、電子は伝導帯に励起されて、価電子帯に正孔(ホール)が残る。電子は伝導帯の中で加速されて、図の矢印のようにエネルギーレベルの低い方(正極側)に流れ、正孔は逆方向(負極側)に流れる。したがって光電流の流れは、逆バイアス時の正極から負極に向かって流れる逆方向電流となる。すなわち、有機物電極2は正孔を通す正孔伝導体としての役割を果たす。   FIG. 12 is a schematic diagram showing a state near the interface between the organic electrode 2 and the GaN semiconductor 1 when light is incident from above. Since the organic electrode and the GaN semiconductor are in a Schottky junction, a Schottky barrier appears, and a depletion layer spreads at the interface between the organic electrode and the GaN semiconductor. When light is irradiated in the vicinity of this depletion layer, as shown in the figure, electrons are excited to the conduction band, and holes remain in the valence band. Electrons are accelerated in the conduction band and flow toward the lower energy level (positive electrode side) as shown by the arrows in the figure, and the holes flow in the reverse direction (negative electrode side). Therefore, the photocurrent flows as a reverse current that flows from the positive electrode to the negative electrode during reverse bias. That is, the organic electrode 2 plays a role as a hole conductor through which holes pass.

また、図13(b)に示すように、有機物電極側の材料や層構造を変えることにより、GaNとの界面でのバンドプロファイルを変化させることが可能である。例えば、PEDOT:PSSでは、ポリスチレンスルホン酸(PSS)のドーピング量を変えたり、界面近傍にTCNQのようなアクセプタ性(相手から電子を奪う)物質やTTFのようなドナー性(相手へ電子を渡す)物質を使用したり、自己組織化分子膜(Self-Aligned Molecules: SAMs)を形成したりすると、電流−電圧特性が変わる。図13(b)の破線で示したバンドプロファイルをXとすると、図のように、PSSのドーピング量により、Y、Zのバンドプロファイルが発生する。これらのバンドプロファイルに対応する電流−電圧特性が図13(a)に示されている。YはXよりも有機物電極の抵抗率が高い場合を、ZはXよりも有機物電極の抵抗率が低い場合を表わしている。このように、有機物電極側の伝導特性を変えたとしても、逆バイアス下では、逆バイアス3V印加された状態における素子の逆方向電流は、光の照射がない状態で、1nA(10−9A)以下となっていることがわかる。 Further, as shown in FIG. 13B, it is possible to change the band profile at the interface with GaN by changing the material and the layer structure on the organic electrode side. For example, in PEDOT: PSS, the doping amount of polystyrene sulfonic acid (PSS) is changed, or an acceptor substance such as TCNQ (takes electrons from the other party) or a donor characteristic such as TTF (electrons are delivered to the other party) near the interface. ) Current-voltage characteristics change when materials are used or when self-assembled molecular films (Self-Aligned Molecules: SAMs) are formed. Assuming that the band profile shown by the broken line in FIG. 13B is X, Y and Z band profiles are generated depending on the doping amount of PSS as shown in the figure. Current-voltage characteristics corresponding to these band profiles are shown in FIG. Y represents a case where the resistivity of the organic electrode is higher than X, and Z represents a case where the resistivity of the organic electrode is lower than X. Thus, even if the conduction characteristic on the organic electrode side is changed, under reverse bias, the reverse current of the element in the state where reverse bias of 3 V is applied is 1 nA (10 −9 A in the state without light irradiation. ) It can be seen that

上記のように動作する図1の光電変換素子の分光感度特性を図14に示す。横軸は波長(nm)を、左側縦軸は受光感度(A/W)を、右側縦軸は透過率(%)を示す。受光感度は、素子に対する入射光量(ワット)と素子に流れる光電流(アンペア)との比で表わされる。入射光量は、16μW/cmで測定した。 FIG. 14 shows the spectral sensitivity characteristics of the photoelectric conversion element of FIG. 1 operating as described above. The horizontal axis represents wavelength (nm), the left vertical axis represents light receiving sensitivity (A / W), and the right vertical axis represents transmittance (%). The light receiving sensitivity is represented by a ratio between an incident light quantity (watts) with respect to the element and a photocurrent (ampere) flowing through the element. The amount of incident light was measured at 16 μW / cm 2 .

また、GaN PDと記載されているのは、ショットキー型GaN光電変換素子を、Si PDと記載されているのは、従来のPIN型のシリコンフォトダイオードの受光感度を示す。また、THは受光感度の理論曲線を示す。PEはPEDOT:PSSの光透過率を、GAはGaN半導体の光透過率を表わす。図14からわかるように、紫外光A、Bの領域では、本発明のGaN PDの受光感度が従来のSi PDよりも優れている。また、GaN PDは、可視光に感応しない、可視光ブラインドな紫外光検出器として作用する。GaN PDの最高受光感度の位置は、波長360nm程度となっている。   In addition, GaN PD is described as a Schottky GaN photoelectric conversion element, and Si PD is described as a light reception sensitivity of a conventional PIN silicon photodiode. TH represents a theoretical curve of light receiving sensitivity. PE represents the light transmittance of PEDOT: PSS, and GA represents the light transmittance of the GaN semiconductor. As can be seen from FIG. 14, in the ultraviolet light A and B regions, the light receiving sensitivity of the GaN PD of the present invention is superior to that of the conventional Si PD. The GaN PD acts as a visible light blind ultraviolet light detector that is not sensitive to visible light. The position of the highest light receiving sensitivity of GaN PD is about 360 nm.

一方、図15に、ショットキー型ZnO光電変換素子の分光感度特性を示す。図15の横軸と縦軸の意味は図14と同じであり、図14と同じ符号を付しているものは、同じものを示す。図14と異なるのは、ZnOとZnO PDの記載である。ZnO PDと記載されているのは、ZnO基板上にPEDOT:PSSが接するように形成されたショットキー型ZnO光電変換素子の受光感度を表わす。図中のZnOで示された曲線は、ZnO半導体の光透過率を表わす。図を見ればわかるように、ZnO PDは、図14のGaN PDの分光感度特性とよく似ているが、GaN PDよりは、可視光領域に非常に近い、波長400nm付近の紫外光領域でも感度を有する。   On the other hand, FIG. 15 shows spectral sensitivity characteristics of the Schottky type ZnO photoelectric conversion element. The meanings of the horizontal axis and the vertical axis in FIG. 15 are the same as those in FIG. 14, and the same reference numerals as those in FIG. What is different from FIG. 14 is the description of ZnO and ZnO PD. What is described as ZnO PD represents the light receiving sensitivity of a Schottky-type ZnO photoelectric conversion element formed so that PEDOT: PSS is in contact with the ZnO substrate. The curve indicated by ZnO in the figure represents the light transmittance of the ZnO semiconductor. As can be seen from the figure, ZnO PD is very similar to the spectral sensitivity characteristic of GaN PD in FIG. 14, but is much closer to the visible light region than GaN PD, and also sensitive in the ultraviolet light region near the wavelength of 400 nm. Have

上記のように、有機物電極と半導体との間のショットキー障壁を利用した光電変換素子の例を図16に示す。図16は、ショットキー型フォトダイオードの構成例を示しており、(a)、(b)は、IV族半導体のうち、Si1-WGeW(0≦W≦1)を用いたもので、特にW=0の場合のSi半導体で構成している。(b)は、III−V族半導体のうち、InGaAs半導体を用いている。III−V族半導体については、InX(AlYGa1-Y1-XAs、InX(AlYGa1-Y1-XP、(InXGa1-YZ(PXAs1-X1-Zのいずれかで構成してもよく、上記InGaAsは、これらの中に含まれる。 As described above, an example of a photoelectric conversion element using a Schottky barrier between an organic electrode and a semiconductor is shown in FIG. FIG. 16 shows a configuration example of a Schottky photodiode, and (a) and (b) are those using Si 1-W Ge W (0 ≦ W ≦ 1) among group IV semiconductors. In particular, it is composed of a Si semiconductor when W = 0. (B) uses an InGaAs semiconductor among III-V semiconductors. The group III-V semiconductor, In X (Al Y Ga 1 -Y) 1-X As, In X (Al Y Ga 1-Y) 1-X P, (In X Ga 1-Y) Z (P X As 1-X ) 1-Z may be used, and the InGaAs is included in these.

図16(a)は、n型Si基板20上に絶縁膜となるSiO膜22を挟んで有機物電極23が形成されている。ここで、有機物電極23は、抵抗率が2.5×10−3ΩcmのPEDOT:PSSで構成した。SiO膜22が積層されているn型Si基板20の主面は、(111)面で構成されており、n型Si基板20は電子濃度が1013〜1017cm−3の範囲となるようにドナードープされている。また、n型Si基板20の両端の一部には、p型不純物ドープ領域20aが形成されており、電流を取り出すための電極24、25と各々接続されている。SiO膜22は、膜厚1nm〜100nmの範囲に形成されている。 In FIG. 16A, an organic electrode 23 is formed on an n-type Si substrate 20 with an SiO 2 film 22 serving as an insulating film interposed therebetween. Here, the organic electrode 23 was made of PEDOT: PSS having a resistivity of 2.5 × 10 −3 Ωcm. The main surface of the n-type Si substrate 20 on which the SiO 2 film 22 is laminated is constituted by a (111) plane, and the n-type Si substrate 20 has an electron concentration in the range of 10 13 to 10 17 cm −3. So that it is donor-doped. A p-type impurity doped region 20a is formed at a part of both ends of the n-type Si substrate 20 and is connected to electrodes 24 and 25 for taking out current. The SiO 2 film 22 is formed in a thickness range of 1 nm to 100 nm.

ここで、SiO膜22にはバンド構造は生じないが、SiO膜22を挟んで相対するn型Si基板20と有機物電極23には、図11のようなバンドプロファイルが発生する。したがって、光が空乏層DPに入射すると、光電流が流れて光を検出することができる。 Here, although no band structure in the SiO 2 film 22, the opposing n-type Si substrate 20 and the organic electrode 23 sandwiching the SiO 2 film 22, the band profile as shown in FIG. 11 is generated. Therefore, when light is incident on the depletion layer DP, a photocurrent flows and light can be detected.

一方、図16(a)の構造で、有機物電極23を、電極24、25のどちらか一方に被せるように形成したのが、図16(b)である。また、図16(a)、(b)ともに、n型Si基板20の替わりにp型Si基板を用いても良い。SiO膜22は、界面準位を安定させるために形成するが、このSiO膜22を形成せずに、n型Si基板20と有機物電極23を直接接合するようにしても良い。 On the other hand, FIG. 16B shows the structure of FIG. 16A in which the organic electrode 23 is formed so as to cover either one of the electrodes 24 and 25. In both FIGS. 16A and 16B, a p-type Si substrate may be used instead of the n-type Si substrate 20. The SiO 2 film 22 is formed to stabilize the interface state, but the n-type Si substrate 20 and the organic electrode 23 may be directly bonded without forming the SiO 2 film 22.

一方、図16(c)は、基板の種類と構造が少し異なるものである。n型InGaAs層30上に有機物電極23が直接接合されている。30には、n型InGaAs層の替わりに、n型GaN層を用いても良い。n型InGaAs層30は電子濃度が1013〜1017cm−3の範囲となるようにドナードープされている。また、p型不純物ドープ領域30aは、p型不純物でドープされており、各p型不純物ドープ領域30aは、電極24、25と接続されている。SiO膜22は、n型InGaAs層30において、有機物電極23及び電極24、25が形成されている領域を除いた表面上に、膜厚1nm〜100nmの範囲で形成されている。図16(c)のように、InGaAs半導体を用いると、近赤外領域の光を空乏層DPの作用により検出することができる。 On the other hand, FIG. 16C shows a slightly different type and structure of the substrate. An organic electrode 23 is directly bonded on the n-type InGaAs layer 30. An n-type GaN layer may be used for 30 instead of the n-type InGaAs layer. The n-type InGaAs layer 30 is donor-doped so that the electron concentration is in the range of 10 13 to 10 17 cm −3 . The p-type impurity doped region 30 a is doped with a p-type impurity, and each p-type impurity doped region 30 a is connected to the electrodes 24 and 25. The SiO 2 film 22 is formed in a thickness range of 1 nm to 100 nm on the surface of the n-type InGaAs layer 30 excluding the region where the organic electrode 23 and the electrodes 24 and 25 are formed. When an InGaAs semiconductor is used as shown in FIG. 16C, light in the near infrared region can be detected by the action of the depletion layer DP.

次に、III族窒化物半導体を用いた光電変換素子で、2次元電子ガスを利用して、光検出感度や応答性を向上させたフォトダイオードについて、説明する。III族窒化物半導体は、InX(AlYGa1-Y1-XN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1)等で構成されるが、このうち、AlX1Ga1−X1N(0≦X1<1)とAlY1Ga1−Y1N(0<Y1≦1)の積層体を用いる。ここで、X1<Y1である。なお、以下AlX1Ga1−X1NをAlX1GaNと、AlY1Ga1−Y1NをAlY1GaNと記載する。 Next, a photodiode in which the photodetection sensitivity and responsiveness are improved by using a two-dimensional electron gas in a photoelectric conversion element using a group III nitride semiconductor will be described. Group III nitride semiconductor, In X (Al Y Ga 1 -Y) composed of 1-X N (0 ≦ X ≦ 1,0 ≦ Y ≦ 1,0 ≦ Z ≦ 1) and the like, of which A stacked body of Al X1 Ga 1-X1 N (0 ≦ X1 <1) and Al Y1 Ga 1-Y1 N (0 <Y1 ≦ 1) is used. Here, X1 <Y1. Hereinafter, Al X1 Ga 1-X1 N is referred to as Al X1 GaN, and Al Y1 Ga 1-Y1 N is referred to as Al Y1 GaN.

AlGaNとGaNとの界面のように、組成の異なるGaN系半導体の界面で2次元電子ガスが発生することが知られているが、その電子移動度は絶対温度0.5ケルビンにおいて14000cm−1−1程度の値をもつ。したがって、2次元電子ガスを利用して光電流を取り出すようにすれば、高速応答性、高感度のフォトダイオードが得られる。 It is known that a two-dimensional electron gas is generated at the interface between GaN-based semiconductors having different compositions, such as the interface between AlGaN and GaN, and the electron mobility is 14000 cm 2 V − at an absolute temperature of 0.5 Kelvin. It has a value of about 1 s -1 . Therefore, if a photocurrent is taken out using a two-dimensional electron gas, a photodiode with high-speed response and high sensitivity can be obtained.

図17(a)は、2次元電子ガスを利用した光電変換素子の一例を示す。サファイア基板41上にアンドープAlX1GaN層42、n型AlY1GaN層43、有機物電極44が形成されている。図17(a)では、素子は円柱形状に形成され、円柱の外周部分をアンドープAlX1GaN層42が露出するまでメサエッチングして、円柱形状の取り出し電極46を円柱側面に形成する。一方、有機物電極44表面の中央部には、もう一方の取り出し電極45が形成される。ここで、有機物電極44は、例えば、膜厚50nmのPEDOT:PSSで構成されている。取り出し電極45は例えばAuで、取り出し電極46は、例えば、半導体層に接する側からTi/Al/Ti/Auの金属多層膜で構成される。 FIG. 17A shows an example of a photoelectric conversion element using a two-dimensional electron gas. On the sapphire substrate 41, an undoped Al X1 GaN layer 42, an n-type Al Y1 GaN layer 43, and an organic electrode 44 are formed. In FIG. 17A, the element is formed in a columnar shape, and the outer peripheral portion of the column is mesa-etched until the undoped Al X1 GaN layer 42 is exposed to form a columnar extraction electrode 46 on the side surface of the column. On the other hand, another extraction electrode 45 is formed at the center of the surface of the organic electrode 44. Here, the organic electrode 44 is made of, for example, PEDOT: PSS with a film thickness of 50 nm. The extraction electrode 45 is made of Au, for example, and the extraction electrode 46 is made of, for example, a metal multilayer film of Ti / Al / Ti / Au from the side in contact with the semiconductor layer.

そして、バイアスがかかっていない状態でも、図12のように有機物電極44とn型AlY1GaN層43とはショットキー接合した状態のバンドプロファイルが形成されるので、図に示すように素子に光が入射すると、界面の空乏層付近では、図12のように、電子は伝導帯に励起されて、価電子帯に正孔(ホール)が残る。電子は伝導帯の中で加速されて、アンドープAlX1GaN層42側に流れ、正孔は有機物電極44側に流れる。一方、アンドープAlX1GaN層42とn型AlY1GaN層43との界面では、前述したように、2次元電子ガス領域(2DEG)が発生しており、電子が平面状に拡散している。したがって、アンドープAlX1GaN層42に到達した電子は、2DEGの電子に伝達され、2DEG内の電子は図17(a)の矢印に示されるように横方向に移動する。そして、取り出し電極46から外部に取り出され、電流として検出される。 Even when no bias is applied, a band profile in which Schottky junction is formed between the organic electrode 44 and the n-type Al Y1 GaN layer 43 is formed as shown in FIG. Is incident, near the depletion layer at the interface, as shown in FIG. 12, electrons are excited to the conduction band, and holes remain in the valence band. Electrons are accelerated in the conduction band and flow to the undoped Al X1 GaN layer 42 side, and holes flow to the organic electrode 44 side. On the other hand, at the interface between the undoped Al X1 GaN layer 42 and the n-type Al Y1 GaN layer 43, as described above, a two-dimensional electron gas region (2DEG) is generated, and electrons are diffused in a planar shape. Therefore, the electrons that have reached the undoped Al X1 GaN layer 42 are transferred to 2DEG electrons, and the electrons in the 2DEG move in the horizontal direction as indicated by the arrows in FIG. Then, it is taken out from the take-out electrode 46 and detected as a current.

他方、図17(b)は、図17(a)と、構成はほぼ同じであるが、取り出し電極47を素子の一方の側面にだけ設けている点が異なる。例えば、素子形状が、円柱形状ではなく、直方体の場合には、1側面だけをアンドープAlX1GaN層42が露出するまで、メサエッチングして、その側面に取り出し電極47を設けるようにする。 On the other hand, FIG. 17B has substantially the same configuration as FIG. 17A, except that the extraction electrode 47 is provided only on one side surface of the element. For example, when the element shape is not a cylindrical shape but a rectangular parallelepiped, mesa etching is performed on only one side surface until the undoped Al X1 GaN layer 42 is exposed, and the extraction electrode 47 is provided on the side surface.

次に、III−V族半導体で、2つの異なる組成の積層体を用いた光電変換素子の構成例を図18に示す。前述したように、III−V族半導体の一種として、InX(AlYGa1-Y1-XAs、InX(AlYGa1-Y1-XP、(InXGa1-YZ(PXAs1-X1-Zのいずれかを用いることができるが、このうち、InX(AlYGa1-Y1-XAsに含まれる、AlX2GaAs、In(AlX2Ga1−X2)As、InGa1−X2Asのいずれかで構成した。上記、AlX2GaAs、In(AlX2Ga1−X2)As、InGa1−X2AsをGaAs系層と呼ぶことにすると、図18のように構成できる。 Next, FIG. 18 illustrates a configuration example of a photoelectric conversion element using a stacked body of two different compositions of a group III-V semiconductor. As described above, as a type of Group III-V semiconductor, In X (Al Y Ga 1 -Y) 1-X As, In X (Al Y Ga 1-Y) 1-X P, (In X Ga 1- Y) Z (although P X as 1-X) can be any of 1-Z, these, in X (Al Y Ga 1 -Y) included in the 1-X as, Al X2 GaAs , in (Al X2 Ga 1-X2) As, configured with either InGa 1-X2 As. If the above-described Al X2 GaAs, In (Al X2 Ga 1 -X 2 ) As, and InGa 1 -X 2 As are called GaAs-based layers, they can be configured as shown in FIG.

GaAs基板33上に第1GaAs系層34、第2GaAs系層35、有機物電極36が形成される。GaAs基板33の裏面に電極としてAuGe/Ni膜32とTi/Au膜31が形成される。一方、有機物電極36上には、電極としてAu膜37が形成される。   A first GaAs layer 34, a second GaAs layer 35, and an organic electrode 36 are formed on the GaAs substrate 33. An AuGe / Ni film 32 and a Ti / Au film 31 are formed on the back surface of the GaAs substrate 33 as electrodes. On the other hand, an Au film 37 is formed on the organic electrode 36 as an electrode.

第1GaAs系層34と第2GaAs系層35とは異なる組成で構成されている。例えば、第1GaAs系層34が、n型AlX2GaAs、n型In(AlX2Ga1−X2)As、n型InGa1−X2Asのいずれかを表すとすると、第2GaAs系層35は、n型AlX3GaAs、n型In(AlX3Ga1−X3)As、n型InGa1−X3Asで表わされ、0≦X2<1、0<X3≦1、X2<X3の関係を有している。 The first GaAs-based layer 34 and the second GaAs-based layer 35 are composed of different compositions. For example, if the first GaAs-based layer 34 represents one of n-type Al X2 GaAs, n-type In (Al X2 Ga 1-X2 ) As, and n-type InGa 1-X2 As, the second GaAs-based layer 35 is It is represented by n-type Al X3 GaAs, n-type In (Al X3 Ga 1-X3 ) As, n-type InGa 1-X3 As, and has a relationship of 0 ≦ X2 <1, 0 <X3 ≦ 1, and X2 <X3. is doing.

また、有機物電極36は、例えば、膜厚50nmのPEDOT:PSSで構成されている。ここで、光吸収は、主に第2GaAs系層35で行われ電流に変換される。第1GaAs系層34は、光電変換により発生した電子が、AuGe/Ni膜32側に流れ易いようにポテンシャル勾配をつけるためのものである。   The organic electrode 36 is made of PEDOT: PSS with a film thickness of 50 nm, for example. Here, the light absorption is mainly performed in the second GaAs-based layer 35 and converted into a current. The first GaAs-based layer 34 is for providing a potential gradient so that electrons generated by photoelectric conversion easily flow to the AuGe / Ni film 32 side.

次に、IV族半導体で、2つの異なる組成の積層体を用いた光電変換素子の構成例を図19に示す。IV族半導体の一種として、Si1-WGeW(0≦W≦1)を用いることができ、組成のことなるSiGe層を積層したもので構成する。n型Si基板52上に、アンドープGeX4Si層53、n型GeY4Si層54、有機物電極55が順に積層されている。有機物電極55上に電極としてAu膜56が形成され、n型Si基板52の裏面にも電極としてAl膜51が形成されている。 Next, FIG. 19 illustrates a configuration example of a photoelectric conversion element using a stacked body of two different compositions of a group IV semiconductor. As a kind of group IV semiconductor, Si 1-W Ge W (0 ≦ W ≦ 1) can be used, which is formed by stacking SiGe layers having different compositions. On the n-type Si substrate 52, an undoped Ge X4 Si layer 53, an n-type Ge Y4 Si layer 54, and an organic electrode 55 are sequentially stacked. An Au film 56 is formed as an electrode on the organic electrode 55, and an Al film 51 is also formed as an electrode on the back surface of the n-type Si substrate 52.

また、有機物電極55は、例えば、膜厚50nmのPEDOT:PSSで構成されている。光吸収は、主にn型GeY4Si層54で行われ電流に変換される。アンドープGeX4Si層53は、光電変換により発生した電子が、Al膜51側に流れ易いようにポテンシャル勾配をつけるためのものである。上部GeSi層(n型GeY4Si層54)のGe濃度が高いときには、下部GeSi層(アンドープGeX4Si層53)は濃度勾配をつけるようにする。例えば、基板から上部GeSi層に向かってGe濃度が順に上がっていくように構成する。この場合は、2層の積層体であるが、より多層にして、段階的にGe濃度が濃くなるようにGeSi層を多数積層すると、上部GeSi層が結晶性良く成長できて好適である。 The organic electrode 55 is made of PEDOT: PSS with a film thickness of 50 nm, for example. Light absorption is mainly performed in the n-type Ge Y4 Si layer 54 and converted into a current. The undoped Ge X4 Si layer 53 is for providing a potential gradient so that electrons generated by photoelectric conversion easily flow to the Al film 51 side. When the Ge concentration of the upper GeSi layer (n-type Ge Y4 Si layer 54) is high, the lower GeSi layer (undoped Ge X4 Si layer 53) has a concentration gradient. For example, the Ge concentration is increased in order from the substrate toward the upper GeSi layer. In this case, although it is a two-layer laminate, it is preferable to form a plurality of GeSi layers so as to increase the Ge concentration stepwise so that the upper GeSi layer can be grown with good crystallinity.

本発明は、以上で説明した実施の形態に限るものではなく、各構成例の要素を組み合わせた変形例も本発明の範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and modifications including combinations of elements of each configuration example are also included in the scope of the present invention.

次に、無機半導体の1種であるZnO系半導体を用いた光電変換素子の例を示す。既に図15で、ショットキー型ZnO光電変換素子の分光感度特性を示し、説明を行ったが、この光電変換素子の基本構成は図20に示される。   Next, an example of a photoelectric conversion element using a ZnO-based semiconductor that is one type of inorganic semiconductor will be described. The spectral sensitivity characteristic of the Schottky-type ZnO photoelectric conversion element has already been shown and described with reference to FIG. 15. The basic configuration of this photoelectric conversion element is shown in FIG.

ZnO系半導体61上に有機物電極62が形成されており、有機物電極62の上にはワイヤーボンディング等のために用いられる金属膜63、例えばAu膜が形成されている。一方、ZnO系半導体61の裏面には有機物電極62に対向するように、Ti膜64とAu膜65の多層金属膜で構成された電極が形成されている。ZnO系半導体61は、ZnO又はZnOを含む化合物から構成されるものであり、具体例としては、ZnOの他、IIA族元素とZn、IIB族元素とZn、またはIIA族元素およびIIB族元素とZnのそれぞれの酸化物を含むもの等がある。   An organic electrode 62 is formed on the ZnO-based semiconductor 61, and a metal film 63 used for wire bonding or the like, for example, an Au film is formed on the organic electrode 62. On the other hand, an electrode made of a multilayer metal film of a Ti film 64 and an Au film 65 is formed on the back surface of the ZnO-based semiconductor 61 so as to face the organic electrode 62. The ZnO-based semiconductor 61 is composed of ZnO or a compound containing ZnO. Specific examples include ZnO, IIA group element and Zn, IIB group element and Zn, or IIA group element and IIB group element. There are those containing each oxide of Zn.

図20に対応する例として、ZnO系半導体61は、n型ZnO基板で構成される。有機物電極62は、膜厚50nmのPEDOT:PSSで構成される。図2のエネルギーバンド図におけるGaN半導体をZnO系半導体に置き換えても同様の論理が成り立ち、図20の半導体素子は、ダイオードのように整流作用を有する。ダイオードとして用いる場合は、図20の実線の接続線で示されるように、金属膜63を直流電源の+側にAu膜65を直流電源の−側に接続して順バイアスとする。   As an example corresponding to FIG. 20, the ZnO-based semiconductor 61 is formed of an n-type ZnO substrate. The organic electrode 62 is made of PEDOT: PSS with a film thickness of 50 nm. The same logic holds even if the GaN semiconductor in the energy band diagram of FIG. 2 is replaced with a ZnO-based semiconductor, and the semiconductor element of FIG. 20 has a rectifying action like a diode. When used as a diode, as shown by the solid connection line in FIG. 20, the metal film 63 is connected to the + side of the DC power supply and the Au film 65 is connected to the − side of the DC power supply to be forward biased.

一方、光電変換素子であるフォトダイオード等として用いる場合は、図20の破線のように金属膜63を直流電源の−側にAu膜65を直流電源の+側に接続して、逆バイアスとする。PEDOT:PSSとZnOはショットキー接触しているので、図12の説明で、GaN半導体をZnO系半導体に置き換えても同様のことが成り立つ。したがって、ZnO系光電変換素子における有機物電極62は正孔伝導体としての役割を果たす。また、図13(a)に示された電流−電圧特性、図13(b)のバンドプロファイルについても、ZnO系半導体に関して同様に説明することができるので、有機物電極側の伝導特性を変えたとしても、逆バイアス下では、逆バイアス3V印加された状態における素子の逆方向電流は、光の照射がない状態で、1nA(10−9A)以下となる。 On the other hand, when used as a photodiode or the like which is a photoelectric conversion element, the metal film 63 is connected to the negative side of the DC power source and the Au film 65 is connected to the positive side of the DC power source as shown by the broken line in FIG. . Since PEDOT: PSS and ZnO are in Schottky contact, the same holds true even if the GaN semiconductor is replaced with a ZnO-based semiconductor in the description of FIG. Therefore, the organic electrode 62 in the ZnO-based photoelectric conversion element plays a role as a hole conductor. In addition, the current-voltage characteristics shown in FIG. 13A and the band profile of FIG. 13B can be explained in the same way for the ZnO-based semiconductor, so that the conduction characteristics on the organic electrode side are changed. However, under the reverse bias, the reverse current of the element in the state where the reverse bias of 3 V is applied is 1 nA (10 −9 A) or less in the absence of light irradiation.

具体的構成としては、図21に示した光電変換素子とすることができる。図21は、図20の基本的な構造の適用例を示す。図20と同じ符号は同じ構成を表す。図21(a)は、n型ZnO基板71上に形成されたn型MgZ1Zn1−Z1O(0≦Z1<1)層72を、有機物電極62と接するZnO系半導体として用いたものである。n型ZnO基板71とn型MgZ1Zn1−Z1O(0≦Z1<1)層72の積層体がZnO系半導体61に相当する。一方、図21(b)は、図21(a)の構造に、p型MgZnO層73をn型MgZnO層72に接するように形成し、有機物電極62の構造を少し変形させて、リーク電流を小さくしたものである。この光電変換素子の製造方法を以下に説明する。 As a specific configuration, the photoelectric conversion element shown in FIG. 21 can be used. FIG. 21 shows an application example of the basic structure of FIG. The same reference numerals as those in FIG. 20 represent the same configurations. FIG. 21A shows an example in which an n-type Mg Z1 Zn 1 -Z1 O (0 ≦ Z1 <1) layer 72 formed on an n-type ZnO substrate 71 is used as a ZnO-based semiconductor in contact with the organic electrode 62. is there. A stacked body of the n-type ZnO substrate 71 and the n-type Mg Z1 Zn 1 -Z1 O (0 ≦ Z1 <1) layer 72 corresponds to the ZnO-based semiconductor 61. On the other hand, FIG. 21B shows that the p-type MgZnO layer 73 is formed in contact with the n-type MgZnO layer 72 in the structure of FIG. It is a small one. The manufacturing method of this photoelectric conversion element is demonstrated below.

n型ZnO基板71を薄い塩酸で処理し、加熱した後、例えばキャリア濃度が1×1017cm−3以下のn型MgZnO層72を成長させる。Mgはバンドギャップを広げるために添加している。n型MgZnO層72の薄膜形成方法として、MBE(分子線エピタキシー法)を用いた。MBE以外に、CVD(化学気相成長法)、MOCVD(有機金属化学気相成長法)、PLD(パルスレーザー堆積法)なども適用可能である。 After the n-type ZnO substrate 71 is treated with thin hydrochloric acid and heated, an n-type MgZnO layer 72 having a carrier concentration of 1 × 10 17 cm −3 or less, for example, is grown. Mg is added to widen the band gap. MBE (molecular beam epitaxy) was used as a method for forming a thin film of the n-type MgZnO layer 72. In addition to MBE, CVD (chemical vapor deposition), MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), PLD (pulse laser deposition), and the like are also applicable.

成長用基板にはn型ZnO基板71の+C面を使用した。他にもZnO基板の酸素極性面、M面も使用可能である。ZnO基板以外には、サファイア基板(C面、A面、R面)、ScAlMgO基板なども使用可能である。成長用基板は予備加熱室で250℃に20分間保持される。それから成長室に搬送され800℃に加熱された後、成長温度に保たれる。成長温度は300〜1000℃である。主原料はZn(純度99.99999%)と酸素ガス(純度99.99999%)を用いた。窒素ガスをp型のドーパントの原料として用いた。原料に用いるガスとして、他にオゾン(O)、二酸化窒素(NO)、一酸化二窒素(NO)、一酸化窒素(NO)なども適する。 As the growth substrate, the + C plane of the n-type ZnO substrate 71 was used. In addition, the oxygen polar plane and the M plane of the ZnO substrate can be used. In addition to the ZnO substrate, a sapphire substrate (C surface, A surface, R surface), a ScAlMgO 4 substrate, or the like can also be used. The growth substrate is held at 250 ° C. for 20 minutes in a preheating chamber. It is then transported to the growth chamber and heated to 800 ° C. and then kept at the growth temperature. The growth temperature is 300 to 1000 ° C. The main raw materials used were Zn (purity 99.99999%) and oxygen gas (purity 99.99999%). Nitrogen gas was used as a raw material for the p-type dopant. In addition, ozone (O 3 ), nitrogen dioxide (NO 2 ), dinitrogen monoxide (N 2 O), nitrogen monoxide (NO), and the like are also suitable as the gas used for the raw material.

ZnはKセルのルツボ内で、250〜350℃に加熱され、成長用基板表面に供給される。Mgを使用する場合は、Znと同様にKセルのルツボ内で300〜400℃に加熱され、成長用基板表面に供給される。酸素ガスはそれぞれのラジカルセルを通って、成長用基板表面に到達する。ラジカルセル内では高周波が印加され、ガスはプラズマ状態になり化学活性の高い状態になる。高周波の周波数は13.56MHz、出力は300〜400Wを適用したが、それ以外の周波数(2.4GHz)や出力(50W〜2kW)も適用可能である。酸素ガスは0.3〜3sccm、窒素ガスの流量は0.2〜1sccmとした。   Zn is heated to 250 to 350 ° C. in the crucible of the K cell and supplied to the growth substrate surface. When Mg is used, it is heated to 300 to 400 ° C. in the crucible of the K cell similarly to Zn and supplied to the growth substrate surface. Oxygen gas reaches the growth substrate surface through each radical cell. In the radical cell, a high frequency is applied, and the gas is in a plasma state and has a high chemical activity. A high frequency of 13.56 MHz and an output of 300 to 400 W are applied, but other frequencies (2.4 GHz) and outputs (50 W to 2 kW) are also applicable. The oxygen gas was 0.3-3 sccm, and the flow rate of nitrogen gas was 0.2-1 sccm.

以上のようにして、n型MgZnO層、p型MgZnO層を形成する。その後は、図9の製造方法と同様に、有機物電極や金属膜等を形成する。ところで、図21(b)の場合は、p型MgZnO層73を成膜した後、エッチングにより開口部を形成する。その後は、図9の有機物電極を形成する工程と同じ方法で作製するが、有機物電極62がp型MgZnO層73の一部に乗っかるようにする。こうすることでリークを小さくすることができる。なお、p型MgZnO層73のようなp型ZnOを形成するためには、+C面が望ましい。なお、−C面でも「A.Tsukazaki et al Nature Material 4(2005)42」に示された方法で作製することができる。   As described above, an n-type MgZnO layer and a p-type MgZnO layer are formed. Thereafter, an organic electrode, a metal film, and the like are formed as in the manufacturing method of FIG. By the way, in the case of FIG. 21B, after forming the p-type MgZnO layer 73, an opening is formed by etching. After that, it is manufactured by the same method as the step of forming the organic electrode in FIG. 9, but the organic electrode 62 is placed on a part of the p-type MgZnO layer 73. By doing so, the leak can be reduced. In order to form p-type ZnO such as the p-type MgZnO layer 73, the + C plane is desirable. In addition, it can produce by the method shown by "A. Tsukazaki et al Nature Material 4 (2005) 42" also on -C side.

ここで、図21の光電変換素子を用いると、n型MgZ1Zn1−Z1O(0≦Z1<1)層72のMg組成Z1を変化させることにより、紫外光Aの領域だけでなく、紫外光B、紫外光Cの領域も個別に測定できる紫外光検出器として構成することができることを以下に説明する。 Here, the use of photoelectric conversion element of FIG. 21, by changing the n-type Mg Z1 Zn 1-Z1 O ( 0 ≦ Z1 <1) layer 72 of Mg composition Z1, well region of the ultraviolet light A, It will be described below that the ultraviolet light detector can be configured as an ultraviolet light detector that can also individually measure the ultraviolet light B and ultraviolet light C regions.

有機物電極62に用いるPEDOT:PSSの特性については、既に、図10、11で述べているので、詳しい説明は省略するが、PEDOT:PSSは、光の400nm以下の波長領域で70%以上の透過率を有している。n型MgZ1Zn1−Z1O層72のZ1を変化させたときの分光感度特性を示すのが図22である。既に述べたように、紫外光領域は、紫外光A(波長320nmより大きく、400nm以下)、紫外光B(波長280nmより大きく、320nm以下)、紫外光C(波長280nm以下)に分類される。横軸は波長(nm)を、縦軸は受光感度(A/W)を示す。受光感度は、素子に対する入射光量(ワット)と素子に流れる光電流(アンペア)との比で表わされる。入射光量は、16μW/cmで測定した。また、図21のショットキー型ZnO系光電変換素子には順バイアスも逆バイアスも印加しない状態、すなわちバイアス0で測定した。 The characteristics of PEDOT: PSS used for the organic electrode 62 have already been described with reference to FIGS. 10 and 11 and will not be described in detail. However, PEDOT: PSS transmits 70% or more of light in a wavelength region of 400 nm or less. Have a rate. FIG. 22 shows spectral sensitivity characteristics when Z1 of the n-type Mg Z1 Zn 1 -Z1 O layer 72 is changed. As described above, the ultraviolet light region is classified into ultraviolet light A (wavelength greater than 320 nm and less than or equal to 400 nm), ultraviolet light B (wavelength greater than 280 nm and less than or equal to 320 nm), and ultraviolet light C (wavelength less than 280 nm). The horizontal axis represents wavelength (nm), and the vertical axis represents light receiving sensitivity (A / W). The light receiving sensitivity is represented by a ratio between an incident light quantity (watts) with respect to the element and a photocurrent (ampere) flowing through the element. The amount of incident light was measured at 16 μW / cm 2 . In addition, the Schottky type ZnO photoelectric conversion element of FIG. 21 was measured in a state where neither forward bias nor reverse bias was applied, that is, bias 0.

Si PIN PDと記載されているのは、従来のPIN型のシリコンフォトダイオードの受光感度を、Q.E.=100%は受光感度の理論曲線、すなわち内部量子効率が100%の場合の受光感度を示す。その他の曲線は、ショットキー型ZnO系光電変換素子のMg組成Z1を0、0.10、0.16、0.31、0.43、0.50、0.57と7段階に変化させた場合の受光感度を示す。   Si PIN PD indicates the light receiving sensitivity of a conventional PIN type silicon photodiode, and Q.E. = 100% indicates the light receiving sensitivity theoretical curve, that is, the light receiving sensitivity when the internal quantum efficiency is 100%. In other curves, the Mg composition Z1 of the Schottky-type ZnO-based photoelectric conversion element was changed in seven stages, 0, 0.10, 0.16, 0.31, 0.43, 0.50, and 0.57. In this case, the light receiving sensitivity is shown.

また、図23は、図22の波長範囲のうち、200nm〜500nmの範囲を拡大して示した図である。横軸は波長(nm)を、左側縦軸は受光感度(A/W)を、右側縦軸は透過率(%)を示す。この図で、PEDOTと記載されているのは、PEDOT:PSSの波長に対する透過率曲線を示す。図23で、Mg組成Z1=0の曲線のみに注目すれば、図15のグラフと同一になる。図22、23からわかるように、ショットキー型ZnO系光電変換素子は、400nmを越える波長域では受光感度が10−3A/W未満となって略0であり、400nm以下の波長域では受光感度が10−3A/W以上となる波長域を有している。 FIG. 23 is an enlarged view of the range of 200 nm to 500 nm in the wavelength range of FIG. The horizontal axis represents wavelength (nm), the left vertical axis represents light receiving sensitivity (A / W), and the right vertical axis represents transmittance (%). In this figure, PEDOT indicates a transmittance curve with respect to the wavelength of PEDOT: PSS. If attention is paid only to the curve of Mg composition Z1 = 0 in FIG. 23, it becomes the same as the graph of FIG. As can be seen from FIGS. 22 and 23, the Schottky-type ZnO photoelectric conversion element has a light receiving sensitivity of less than 10 −3 A / W in the wavelength region exceeding 400 nm and is substantially 0, and receives light in the wavelength region below 400 nm. It has a wavelength range where the sensitivity is 10 −3 A / W or more.

さて、Mg組成Z1が大きくなるにしたがって、MgZnOのバンドギャップが大きくなるので、吸収波長は小さくなっていくのがわかる。また、ショットキー型ZnO系光電変換素子は、400nmを越える可視光に反応しない可視光ブラインドな紫外光検出器として作用する。一方、受光感度の波長幅は、Mg組成Z1が0の場合が一番大きく、Mg組成Z1が大きくなるにしたがって、狭くなっていくのがわかる。Mg組成Z1が0.16程度では、まだ紫外光Aの一部の波長域に感度を有するが、Z1が0.31では、紫外光Aの領域に対する感度がほぼ0の状態となっている。さらに、Z1が0.50では、紫外光Aに対する感度は無く、紫外光Bに対する感度もほぼ0の状態となっている。このように、Mg組成Z1を変化させることで、感度特性曲線におけるスペクトル幅の可視光側の境界波長を変えることができ、これらを組み合わせることで、紫外光A,B,Cを各々検出することが可能である。   Now, as the Mg composition Z1 increases, the band gap of MgZnO increases, so that the absorption wavelength decreases. The Schottky-type ZnO-based photoelectric conversion element acts as a visible light blind ultraviolet light detector that does not react to visible light exceeding 400 nm. On the other hand, it can be seen that the wavelength width of the light receiving sensitivity is greatest when the Mg composition Z1 is 0, and becomes narrower as the Mg composition Z1 increases. When the Mg composition Z1 is about 0.16, the sensitivity is still in a part of the wavelength range of the ultraviolet light A, but when Z1 is 0.31, the sensitivity to the ultraviolet light A region is almost zero. Further, when Z1 is 0.50, there is no sensitivity to the ultraviolet light A, and the sensitivity to the ultraviolet light B is almost zero. Thus, by changing the Mg composition Z1, the boundary wavelength on the visible light side of the spectral width in the sensitivity characteristic curve can be changed, and by combining these, the ultraviolet light A, B, C can be detected respectively. Is possible.

そこで、図24に、MgZ1Zn1−Z1OのMg含有率(Z1)とバンドギャップエネルギー、波長との関係を示す。横軸がMgZ1Zn1−Z1OのMg含有率を、左側縦軸がバンドギャップエネルギー(eV)を、右側縦軸が吸収波長(nm)を示す。ここで、吸収波長はバンドギャップ相当波長を表わす。また、λ_resp1/2は、最高感度の1/2の感度になる長波長側の境界波長を示し、λ_resp1/10は、最高感度の1/10の感度になる長波長側の境界波長を示す。 FIG. 24 shows the relationship between the Mg content (Z1) of Mg Z1 Zn 1 -Z1 O, the band gap energy, and the wavelength. The horizontal axis indicates the Mg content of Mg Z1 Zn 1 -Z1 O, the left vertical axis indicates the band gap energy (eV), and the right vertical axis indicates the absorption wavelength (nm). Here, the absorption wavelength represents a band gap equivalent wavelength. Further, λ_resp1 / 2 indicates a boundary wavelength on the long wavelength side where the sensitivity is ½ of the maximum sensitivity, and λ_resp1 / 10 indicates a boundary wavelength on the long wavelength side where the sensitivity is 1/10 of the maximum sensitivity.

Mg組成Z1が大きくなると、境界波長も大きくなっていく。M1の位置で、λ_resp1/2の境界波長は紫外光Aの領域と紫外光Bの領域の境界となっている。M1はZ1=0.25を示している。したがって、Z1を0.25以上としておけば、320nm以下の波長を検出することができる。一方、M2の位置で、λ_resp1/2の境界波長は紫外光Bの領域と紫外光Cの領域の境界となっている。M1はZ1=0.5を示している。したがって、Z1を0.5以上としておけば、280nm以下の波長を検出することができる。   As the Mg composition Z1 increases, the boundary wavelength also increases. At the position of M1, the boundary wavelength of λ_resp1 / 2 is the boundary between the ultraviolet light A region and the ultraviolet light B region. M1 represents Z1 = 0.25. Therefore, if Z1 is set to 0.25 or more, a wavelength of 320 nm or less can be detected. On the other hand, at the position of M2, the boundary wavelength of λ_resp1 / 2 is the boundary between the ultraviolet light B region and the ultraviolet light C region. M1 indicates Z1 = 0.5. Therefore, if Z1 is 0.5 or more, a wavelength of 280 nm or less can be detected.

以上のように、有機物電極に接して形成されたMgZ1Zn1−Z1O層のMg組成を替えることにより、光電変換素子の吸収波長領域を変えることができる。したがって、Mg組成を変えて、紫外光Aと可視光波長領域の境界となる400nmに吸収波長領域の境界波長を設定することにより、紫外光A、B、Cの波長域までの波長を検出できる。また、Mg組成を変えて、紫外光Aと紫外光Bとの境界となる320nmに吸収波長領域の境界波長を設定することにより、紫外光B、Cの波長域までの波長を検出できる。また、Mg組成を変えて、紫外光Bと紫外光Cとの境界となる280nmに吸収波長領域の境界波長を設定することにより、紫外光Cの波長域の波長を検出できる。 As described above, by changing the Mg composition of Mg Z1 Zn 1-Z1 O layer formed in contact with the organic electrode, it is possible to change the absorption wavelength region of the photoelectric conversion element. Therefore, by changing the Mg composition and setting the boundary wavelength of the absorption wavelength region to 400 nm, which is the boundary between the ultraviolet light A and the visible light wavelength region, wavelengths up to the ultraviolet light A, B, and C wavelength regions can be detected. . In addition, by changing the Mg composition and setting the boundary wavelength of the absorption wavelength region to 320 nm, which is the boundary between the ultraviolet light A and the ultraviolet light B, the wavelengths up to the ultraviolet light B and C wavelength regions can be detected. Further, by changing the Mg composition and setting the boundary wavelength of the absorption wavelength region to 280 nm, which is the boundary between the ultraviolet light B and the ultraviolet light C, the wavelength in the wavelength region of the ultraviolet light C can be detected.

一方、比較するために、図25に、GaN系光電変換素子の例として、AlGaN−PINフォトダイオードの分光感度特性を示す。これは、図25に示されているように、「E.Munoz et al., Phys. Stat. Sol.(b)244(2007)2859」からの引用である。AlGaN−PINフォトダイオードは、論文中に紹介されているように、アンドープAlGaN層をMgドープAlGaN層とSiドープAlGaN層で挟んだ構造を有している。そして、AlGaN層のAl含有率を、0%、15%、30%、45%、70%と変えた場合の各分光感度特性が示されている。Alの組成を大きくしていくと、スペクトルの幅は狭くなっていき、吸収波長域の境界波長も小さくなる。しかし、Al組成が、Fで示された45%、70%のあたりになると、スペクトル形状が乱れ、急に感度が高くなっている。このことは、AlGaNに組成変動が起きていると考えられ、紫外光検出器として用いるには好ましくないと言える。   On the other hand, for comparison, FIG. 25 shows spectral sensitivity characteristics of an AlGaN-PIN photodiode as an example of a GaN-based photoelectric conversion element. This is a quotation from “E. Munoz et al., Phys. Stat. Sol. (B) 244 (2007) 2859” as shown in FIG. As introduced in the paper, the AlGaN-PIN photodiode has a structure in which an undoped AlGaN layer is sandwiched between a Mg-doped AlGaN layer and a Si-doped AlGaN layer. The spectral sensitivity characteristics when the Al content of the AlGaN layer is changed to 0%, 15%, 30%, 45%, and 70% are shown. As the Al composition is increased, the spectrum width is reduced and the boundary wavelength of the absorption wavelength region is also reduced. However, when the Al composition is around 45% or 70% indicated by F, the spectral shape is disturbed, and the sensitivity suddenly increases. This is considered to be a composition variation in AlGaN, which is not preferable for use as an ultraviolet light detector.

また、図26は、AlGaN−PINフォトダイオードに逆バイアスを印加した場合の分光感度特性を示す。これは、図26に示されているように、「T.Tut et al., APL92(2008)103502」からの引用である。AlGaN−PINフォトダイオードは、論文中に紹介されているように、基本的に、基板上にAlN層、アンドープAl0.4Ga0.6N層、SiドープAl0.4Ga0.6N層、アンドープAl0.4Ga0.6N層、MgドープAl0.4Ga0.6N層を順に積層した積層構造を有している。AlGaN層のAl組成は40%近くに構成されている。また、本発明のショットキー型ZnO系光電変換素子のMgZ1Zn1−Z1O層をMg0.57ZnOにした場合と、Mg0.50ZnOとした場合との分光感度特性を合わせて示している。ショットキー型ZnO系光電変換素子はバイアスを印加していない状態である。 FIG. 26 shows spectral sensitivity characteristics when a reverse bias is applied to the AlGaN-PIN photodiode. This is a quotation from “T. Tut et al., APL92 (2008) 103502” as shown in FIG. As introduced in the paper, the AlGaN-PIN photodiode basically has an AlN layer, an undoped Al 0.4 Ga 0.6 N layer, and a Si-doped Al 0.4 Ga 0.6 N layer on the substrate. It has a stacked structure in which a layer, an undoped Al 0.4 Ga 0.6 N layer, and an Mg-doped Al 0.4 Ga 0.6 N layer are stacked in this order. The Al composition of the AlGaN layer is close to 40%. In addition, the spectral sensitivity characteristics of the case where the Mg Z1 Zn 1-Z1 O layer of the Schottky-type ZnO-based photoelectric conversion element of the present invention is Mg 0.57 ZnO and Mg 0.50 ZnO are also shown. ing. The Schottky-type ZnO-based photoelectric conversion element is in a state where no bias is applied.

ショットキー型ZnO系光電変換素子では、スペクトル形状は、紫外光Cの波長域をカバーするようになっているが、AlGaN−PINフォトダイオードでは、スペクトル形状が乱れている。逆バイアス0では、吸収波長域が非常に狭くなっている。また、逆バイアスを−40Vにまで低くすると、スペクトル形状は良くなるが、ショットキー型ZnO系光電変換素子よりも受光感度で劣る。したがって、特に、紫外光Cを検出する場合は、ショットキー型ZnO系フォトダイオードの方が好ましい。   In the Schottky type ZnO photoelectric conversion element, the spectrum shape covers the wavelength range of the ultraviolet light C, but in the AlGaN-PIN photodiode, the spectrum shape is disturbed. At reverse bias 0, the absorption wavelength region is very narrow. When the reverse bias is lowered to −40 V, the spectral shape is improved, but the light receiving sensitivity is inferior to that of the Schottky-type ZnO photoelectric conversion element. Therefore, in particular, when detecting the ultraviolet light C, a Schottky-type ZnO-based photodiode is preferable.

本発明の半導体素子における断面構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cross-sectional structure in the semiconductor element of this invention. 半導体と有機物電極との接合界面領域におけるエネルギーバンドを示す図である。It is a figure which shows the energy band in the junction interface area | region of a semiconductor and an organic substance electrode. 本発明の半導体素子において、半導体と有機物電極との間に印加する電圧をスイープさせた場合の電圧−電流特性を示す図である。In the semiconductor element of this invention, it is a figure which shows the voltage-current characteristic at the time of sweeping the voltage applied between a semiconductor and an organic substance electrode. 図3の電圧−電流特性の測定に用いた半導体素子の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the cross-section of the semiconductor element used for the measurement of the voltage-current characteristic of FIG. ポリチオフェン誘導体とポリスチレンスルホン酸の化学構造式を示す図である。It is a figure which shows the chemical structural formula of a polythiophene derivative and polystyrene sulfonic acid. ポリアニリン誘導体の化学構造式を示す図である。It is a figure which shows the chemical structural formula of a polyaniline derivative. ポリピロール誘導体の化学構造式を示す図である。It is a figure which shows the chemical structural formula of a polypyrrole derivative. 半導体素子の他の断面構造を示す図である。It is a figure which shows the other cross-section of a semiconductor element. 本発明の半導体素子の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor element of this invention. PEDOT:PSSの光の透過率及び反射率の波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength dependence of the light transmittance and reflectance of PEDOT: PSS. 図10の波長800nm以下の部分を拡大した図である。It is the figure which expanded the part below wavelength 800nm of FIG. 有機物電極とGaNとの界面付近の状態を示す図である。It is a figure which shows the state of the interface vicinity of an organic substance electrode and GaN. 有機物電極の伝導特性を変化させたときの、バンドプロファイルと電圧−電流特性を示す図である。It is a figure which shows a band profile and a voltage-current characteristic when changing the conduction characteristic of an organic substance electrode. GaN光電変換素子と従来のSiフォトダイオードの各分光感度特性を示す図である。It is a figure which shows each spectral sensitivity characteristic of a GaN photoelectric conversion element and the conventional Si photodiode. ZnO光電変換素子と従来のSiフォトダイオードの各分光感度特性を示す図である。It is a figure which shows each spectral sensitivity characteristic of a ZnO photoelectric conversion element and the conventional Si photodiode. 本発明の半導体素子で光電変換素子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a photoelectric conversion element with the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子で光電変換素子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a photoelectric conversion element with the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子で光電変換素子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a photoelectric conversion element with the semiconductor element of this invention. 本発明の半導体素子で光電変換素子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a photoelectric conversion element with the semiconductor element of this invention. ZnO系光電変換素子の基本構造例を示す図である。It is a figure which shows the example of a basic structure of a ZnO type photoelectric conversion element. ZnO系光電変換素子の具体的構成例を示す図である。It is a figure which shows the specific structural example of a ZnO type photoelectric conversion element. ZnO系光電変換素子のMg組成を変化させた場合の分光感度特性を示す図である。It is a figure which shows the spectral sensitivity characteristic at the time of changing Mg composition of a ZnO type photoelectric conversion element. 図22の波長200nm〜500nmの領域を拡大した図である。It is the figure which expanded the area | region of wavelength 200nm-500nm of FIG. MgZnOのMg組成と吸収波長との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Mg composition and absorption wavelength of MgZnO. AlGaN−PINフォトダイオードのAl組成を変化させた場合の分光感度特性を示す図である。It is a figure which shows the spectral sensitivity characteristic at the time of changing Al composition of an AlGaN-PIN photodiode. AlGaN−PINフォトダイオードの逆バイアスを変化させたときの分光感度特性を示す図である。It is a figure which shows the spectral sensitivity characteristic when the reverse bias of an AlGaN-PIN photodiode is changed.

符号の説明Explanation of symbols

1 GaN半導体
2 有機物電極
3 Au膜
4 Ti膜
5 Au膜
6 基板
1 GaN Semiconductor 2 Organic Electrode 3 Au Film 4 Ti Film 5 Au Film 6 Substrate

Claims (25)

IV族半導体、III−V族半導体又はIII族窒化物半導体のいずれかの半導体に接して有機物電極が形成され、前記半導体と有機物電極との間で整流特性を有することを特徴とする半導体素子。   An organic electrode is formed in contact with any one of a group IV semiconductor, a group III-V semiconductor, or a group III nitride semiconductor, and has a rectifying characteristic between the semiconductor and the organic electrode. 前記有機物電極の仕事関数が前記半導体の電子親和力よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 1, wherein a work function of the organic electrode is larger than an electron affinity of the semiconductor. 前記半導体の有機物電極と接する側の主面が+C面であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 1, wherein a main surface of the semiconductor in contact with the organic electrode is a + C plane. 前記有機物電極の少なくとも一部は導電性ポリマーで構成されていることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 1, wherein at least a part of the organic electrode is made of a conductive polymer. 前記有機物電極の抵抗率が1Ωcm以下であることを特徴とする請求項4記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 4, wherein a resistivity of the organic electrode is 1 Ωcm or less. 前記導電性ポリマーは、ポリアニリン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリチオフェン誘導体の中の少なくとも一種から構成されていることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 4, wherein the conductive polymer is composed of at least one of a polyaniline derivative, a polypyrrole derivative, and a polythiophene derivative. 前記ポリアニリン誘導体、ポリピロール誘導体、ポリチオフェン誘導体は、各々キャリアドーパントを含んでいることを特徴とする請求項6記載の半導体素子。   The semiconductor device according to claim 6, wherein the polyaniline derivative, the polypyrrole derivative, and the polythiophene derivative each contain a carrier dopant. 前記有機物電極は、紫外光領域及び赤外光領域で透光性を有することを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 1, wherein the organic electrode has translucency in an ultraviolet light region and an infrared light region. 前記有機物電極が正孔伝導体からなることを特徴とする請求項8記載の半導体素子。   9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the organic electrode is made of a hole conductor. 前記半導体素子の有機物電極側に負電圧を印加する逆バイアス状態で3ボルト印加し、光の照射がない状態で、逆方向電流が1ナノアンペア以下であることを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の半導体素子。   The reverse current is 1 nanoampere or less in a state in which 3 volts is applied in a reverse bias state in which a negative voltage is applied to the organic electrode side of the semiconductor element and no light is irradiated. Item 10. The semiconductor element according to Item 9. 前記半導体素子は、光電変換素子であることを特徴とする請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の半導体素子。   The said semiconductor element is a photoelectric conversion element, The semiconductor element of any one of Claims 8-10 characterized by the above-mentioned. 基板上に前記半導体が少なくとも1層形成され、前記有機物電極がショットキー型のゲート電極として作用し、トランジスタ機能を有することを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の半導体素子。   8. The device according to claim 1, wherein at least one layer of the semiconductor is formed on a substrate, the organic electrode functions as a Schottky gate electrode, and has a transistor function. Semiconductor element. 前記III−V族半導体については、InX(AlYGa1-Y1-XAs、InX(AlYGa1-Y1-XP、(InXGa1-YZ(PXAs1-X1-Zのいずれか、III族窒化物半導体については、InX(AlYGa1-Y1-XNで構成されており、0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦1を満たしていることを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載の半導体素子。 For the Group III-V semiconductor, In X (Al Y Ga 1 -Y) 1-X As, In X (Al Y Ga 1-Y) 1-X P, (In X Ga 1-Y) Z (P X As 1-X ) 1-Z , Group III nitride semiconductors are composed of In X (Al Y Ga 1-Y ) 1-X N, and 0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y The semiconductor element according to claim 1, wherein ≦ 1, 0 ≦ Z ≦ 1 is satisfied. 前記III−V族半導体又はIII族窒化物半導体は、少なくとも2つの異なる組成の半導体を積層した積層体で構成されていることを特徴とする請求項13記載の半導体素子。   14. The semiconductor element according to claim 13, wherein the group III-V semiconductor or group III nitride semiconductor is formed of a stacked body in which semiconductors having at least two different compositions are stacked. 前記IV族半導体は、Si1-WGeW(0≦W≦1)又は異なる組成のSi1-WGeWの積層体で構成されていることを特徴とする請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載の半導体素子。 The group IV semiconductor, Si 1-W Ge W ( 0 ≦ W ≦ 1) or a different composition Si 1-W Ge W of claims 1 to 12, characterized in that it is constituted by a laminate of The semiconductor element of any one of Claims. 前記積層体の界面に発生する電子蓄積領域をチャネル領域とする請求項13〜請求項15のいずれか1項に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to any one of claims 13 to 15, wherein an electron accumulation region generated at an interface of the stacked body is a channel region. 光電変換作用により発生した電子を前記電子蓄積領域を介して外部に取り出すことを特徴とする請求項16記載の半導体素子。   17. The semiconductor device according to claim 16, wherein electrons generated by a photoelectric conversion action are taken out through the electron storage region. 無機半導体に接して有機物電極が形成され、前記無機半導体と有機物電極との間で整流特性を有することを特徴とする半導体素子。   An organic electrode is formed in contact with an inorganic semiconductor, and has a rectifying characteristic between the inorganic semiconductor and the organic electrode. 前記無機半導体はMgZ1Zn1-Z1O(0≦Z1<1)で構成され光電変換層として機能し、かつ前記有機物電極は透光性を有しており、前記有機物電極にバイアスが印加されていない状態で、400nmを越える波長域では受光感度が略0であり、400nm以下の波長域では受光感度が10−3A/W以上となる波長域を有することを特徴とする請求項18に記載の半導体素子。 The inorganic semiconductor functions as a photoelectric conversion layer formed of Mg Z1 Zn 1-Z1 O ( 0 ≦ Z1 <1), and the organic electrode has a light-transmitting property, a bias is applied to the organic electrode The light receiving sensitivity is substantially 0 in a wavelength region exceeding 400 nm, and has a wavelength region in which the light receiving sensitivity is 10 −3 A / W or more in a wavelength region of 400 nm or less. The semiconductor element as described. 前記受光感度が10−3A/W以上となる波長域では、前記MgZnOにおける光電変換可能波長が280nm〜400nmの範囲になるようにMg組成Z1が構成されていることを特徴とする請求項19に記載の半導体素子。 The Mg composition Z1 is configured so that the photoelectric conversion possible wavelength in the MgZnO is in the range of 280 nm to 400 nm in the wavelength region where the light receiving sensitivity is 10 −3 A / W or more. The semiconductor element as described in. 前記MgZ1Zn1-Z1OのMg組成Z1が0.25以上であり、前記光電変換可能波長が320nmであることを特徴とする請求項20に記載の半導体素子。 21. The semiconductor element according to claim 20, wherein the Mg composition Z1 of the Mg Z1 Zn 1 -Z1 O is 0.25 or more, and the photoelectric conversion wavelength is 320 nm. 前記MgZ1Zn1-Z1OのMg組成Z1が0.45以上であり、前記光電変換可能波長が280nmであることを特徴とする請求項20に記載の半導体素子。 21. The semiconductor device according to claim 20, wherein the Mg composition Z1 of the Mg Z1 Zn 1 -Z1 O is 0.45 or more, and the photoelectric conversion wavelength is 280 nm. 前記有機物電極は正孔伝導体からなることを特徴とする請求項19〜請求項22のいずれか1項に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to any one of claims 19 to 22, wherein the organic electrode is made of a hole conductor. 前記半導体素子の有機物電極側に負電圧を印加する逆バイアス状態で3ボルト印加し、光の照射がない状態で、逆方向電流が1ナノアンペア以下であることを特徴とする請求項23に記載の半導体素子。   24. The reverse current is 1 nanoampere or less when 3 volts is applied in a reverse bias state in which a negative voltage is applied to the organic electrode side of the semiconductor element and no light is irradiated. Semiconductor element. 前記MgZ1Zn1-Z1Oは、0<Z1<1で構成されていることを特徴とする請求項19〜請求項24のいずれか1項に記載の半導体素子。 The Mg Z1 Zn 1-Z1 O is, 0 <Z1 <semiconductor device according to any one of claims 19 to claim 24, characterized in that it is constituted by one.
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