JP2010073814A

JP2010073814A - 受光素子および受光素子の作製方法

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Publication number: JP2010073814A
Application number: JP2008238338A
Authority: JP
Inventors: Makoto Miyoshi; 実人三好; Shigeaki Sumiya; 茂明角谷; Mitsuhiro Tanaka; 光浩田中
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】受光感度の優れた光抵抗方式の受光素子を提供する。
【解決手段】所定の基板の上に導電性を有する導電性層を第１III族窒化物にて形成し、該導電性層の上に、非受光時には絶縁性を呈し、受光時には光電変換により導電性を呈する光応答層を第２のIII族窒化物にて形成し、該光応答層の上に対向電極を形成する。非受光時には光応答層が絶縁性を呈するので導電性層の存在に関わらず電流は流れないが、受光時には光応答層が光電効果によって導電性を帯び、かつ光応答層のみならず導電性層も導通経路となることで、大きな光電流が流れる。導電性層を超格子構造として二次元電子ガス領域を形成することで、導電性層の導通抵抗をより低減させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、受光素子、特にIII族窒化物半導体を用いて構成される受光素子に関する。

ソーラーブラインド(太陽光からの紫外線を感知しない)の紫外線センサは、民生用としては火災検知器、工業用途としては各種工業炉、ボイラなどの失火検出、内燃機関用の燃焼監視、計測機器等などに用いられる。例えば、工業用途に用いられる紫外線センサとしては、光電管式のものが広く用いられている。

しかしながら、光電管式の紫外線センサはそれ自体が高価であり、かつ寿命が短いという問題が一般に知られている。このような従来品に代えて、固体素子である半導体受光素子にて紫外線センサを構成すれば、安価でかつ長寿命の紫外線センサが実現できる可能性がある。なお、一般的な半導体受光素子の方式としては、光抵抗式(光導電式)、ショットキーダイオード式、ｐ（i）ｎダイオード式、アバランシェダイオード式などが公知である（例えば、非特許文献１参照）。

一方、III族窒化物半導体は、直接遷移型の広いバンドギャップを有し、かつ混晶組成の制御によりバンドギャップを変化させることができるため、可視〜紫外域を受発光波長領域とする発光素子および受光素子用の材料として利用可能であることが、広く知られている。例えば、ショットキーダイオード式のIII族窒化物半導体受光素子（例えば、非特許文献２参照）やｐｎダイオード式のIII族窒化物半導体受光素子（例えば、特許文献１参照）がすでに公知である。原理的には、III族窒化物半導体を用いて、上記の各方式による紫外線受光素子を形成することが可能である。

Ｓ．Ｍ．ジィー著、南日康夫、川辺光央、長谷川文夫訳、「半導体デバイス」、p.293-302 "Schottky barrier photodetectors based on AlGaN", A. Osinsky, S. Gangopadhyay, B. W. Lim, M. Z. Anwar, M. A. Khan, D.V. Kuksenkov, H. Temkin, APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.72, No.6, P.742-744 特開２０００−１０１１２７号公報

受光素子を紫外線センサ用途に展開する場合、基本性能として、受光感度が高いこと、すなわち、光電流(受光時の出力電流)が大きく暗電流(遮光時の出力電流)が小さいことが求められる。具体的には入射光強度１０μＷのときの光感度（Ｓ／Ｎ比）が５桁以上であり、光電流が１Ａ／Ｗ程度以上であることが望まれる。

一方、従来の光抵抗式の半導体受光素子は、ｐ型半導体またはｎ型半導体からなる半導体層に２つの電極をオーミック接合することにより構成を有する。しかしながら、係る従来の光抵抗式の半導体受光素子は、ｐｉｎダイオード式など他の半導体受光素子に比して光電流が小さいという問題があった。

また、光抵抗式の半導体受光素子にて紫外線センサを構成しようとする場合、暗電流を低減させるために、半導体層を高抵抗材料にて形成する必要があるが、Ｓｉなどのバンドギャップが小さい半導体材料で半導体層を形成したとしても、十分に暗電流を抑制することが難しいという問題もある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、受光感度の優れた光抵抗方式の受光素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、受光層において光電変換により生成するキャリアを、対向電極において電流として取り出す光抵抗式の受光素子であって、前記受光層が、導電性を有する導電性層と、非受光時には絶縁性を呈し、受光時には光電変換により導電性を呈する光応答層と、を積層形成することで構成されてなり、前記光応答層の上に前記対向電極が設けられてなる、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の受光素子であって、前記導電性層が第１のIII族窒化物からなるとともに所定のドーパントがドープされてなることで導電性が付与された層であり、前記光応答層が第２のIII族窒化物からなる、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の受光素子であって、前記第１のIII族窒化物と前記第２のIII族窒化物がＡｌＧａＮである、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２または請求項３に記載の受光素子であって、前記導電性層が、組成の相異なる前記第１のIII族窒化物からなる第１層と第２層とが繰り返し交互に積層された超格子構造を有してなることで、前記第１層と前記第２層との界面に２次元電子ガス領域が形成されてなる、ことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の受光素子であって、前記受光層が、所定の基板の上にエピタキシャル形成されてなる、ことを特徴とする。

請求項６の発明は、光抵抗式の受光素子の作製方法であって、所定の基板の上に導電性を有する導電性層を形成する導電性層形成工程と、前記導電性層の上に、非受光時には絶縁性を呈し、受光時には光電変換により導電性を呈する光応答層を形成する光応答層形成工程と、前記光応答層の上に対向電極を形成する電極形成工程と、を備えることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６に記載の受光素子の作製方法であって、前記導電性層形成工程においては、所定のドーパントをドープさせつつ第１のIII族窒化物からなる半導体層を前記基板の上にエピタキシャル形成させることによって前記導電性層を形成し、前記光応答層形成工程においては、第２のIII族窒化物からなる半導体層を前記導電層の上にエピタキシャル形成させることによって前記光応答層を形成する、ことを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項７に記載の受光素子の作製方法であって、前記第１のIII族窒化物と前記第２のIII族窒化物がＡｌＧａＮである、ことを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項７または請求項８に記載の受光素子の作製方法であって、前記導電性層形成工程においては、組成の相異なる前記第１のIII族窒化物からなる第１層と第２層とを繰り返し交互に積層することによって、前記第１層と前記第２層との界面に２次元電子ガス領域が形成された超格子構造を有するように前記導電層を形成する、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項９の発明によれば、大きな光電流が流れるとともに暗電流が十分に抑制された、光抵抗式の受光素子を実現することができる。

特に、請求項３ないし請求項５、請求項８、および請求項９の発明によれば、紫外領域を検出波長範囲に有し、大きな光電流が流れるとともに暗電流が十分に抑制された、光抵抗式の受光素子を実現することができる。

特に、請求項４および請求項９の発明によれば、導電性層における比抵抗がより低減されるので、さらに大きな光電流が流れる光抵抗式の受光素子を実現することができる。

＜第１の実施の形態＞
＜受光素子の構造＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る受光素子１０の概観斜視図である。受光素子１０は、概略的には、図１に示すように、基板１と、III族窒化物半導体からなる受光層２と、それぞれが櫛歯状電極である電極３Ａと電極３Ｂとからなる対向電極３とを備える。受光素子１０は、外部からの光（対向電極３を透過した光）を受光した受光層２において光電変換により生成するキャリアを、対向電極３において電流として取り出す光抵抗式の受光素子である。

図２は、受光素子１０のより詳細な構造を示す模式断面図である。なお、以降を含め、図中における各層の厚みの比率は、実際のものを反映したものではない。また、図１に示すように、電極３Ａと電極３Ｂとは実際には櫛歯状電極として形成されるが、図２においては図示を簡略化している。

図２に示すように、基板１は、基材１Ａと、その上にエピタキシャル形成されたIII族窒化物半導体からなるバッファ層１Ｂとから構成される。すなわち、基板１としては、いわゆるエピタキシャル基板（テンプレート基板）を用いることができる。

基材１Ａとしては、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を用いるのが好適な一例である。例えば、Ｎがドープされることで０．０１Ωｃｍ程度の比抵抗を有するｎ型導電性ＳｉＣ基板を用いることができる。ただし、その主面上に結晶性の良好なIII族窒化物半導体層を形成できるものであれば、基材１Ａの材質には特段の制限はない。例えば、III族窒化物半導体層の形成に一般的に用いられる、サファイア、Ｓｉ、ＧａＡｓ、スピネル、ＭｇＯ、ＺｎＯ、フェライト等から、適宜に選択して、基材１Ａとして用いることができる。また、基材１Ａの厚みには、特段の制限はなく、受光素子１０の全体サイズ等の要件に基づいて適宜に定められればよいが、取り扱いの便宜上は、数百μｍ〜数ｍｍ程度であるのが好適である。

バッファ層１Ｂは、その上に結晶品質の良好なIII族窒化物半導体層として受光層２を形成するための下地層として設けられる層である。バッファ層１Ｂは、数百ｎｍ程度の厚みに形成される。バッファ層１Ｂは、ＡｌＮにて形成されるのが好適な一例である。係る場合、バッファ層１Ｂは、１×１０⁷Ωｃｍ以上の高い比抵抗を有する高抵抗層（絶縁性層）として形成されることになる。

受光層２は、受光素子１０において受光部（光電変換部）となる層である。受光層２は、導電性層２Ａと光応答層２Ｂとから構成される。受光層２も、基板１の上に（バッファ層１Ｂの上に）エピタキシャル形成されるIII族窒化物半導体層である。なお、受光素子１０を作製するにあたっては、基板１として上述のエピタキシャル基板を用意し、その上に受光層２を形成するようにしてもよいし、基材１Ａの上に、バッファ層１Ｂおよび受光層２を連続的に形成する態様であってもよい。以降において、基板１の上に受光層２を形成したものを、受光素子用エピタキシャル基板と称することがある。

導電性層２Ａは、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）なる組成のIII族窒化物に、１×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度で例えばＳｉなどのドナー不純物がドープされてなる層である。係る態様にてドナー不純物を含むことにより、導電性層２Ａは、受光時／非受光時を問わず、ｎ型の導電性を有する。係る導電性層２Ａは、数百ｎｍ〜数μｍ程度の厚みに形成される。例えば、２μｍの厚みに形成するのが好適な一例である。また、Ｓｉをドープする場合であれば、ドーパント濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³となるようにドープが行われるのが好適な一例である。また、導電性層２Ａの抵抗率は、III族窒化物の組成やドーパント濃度によっても異なるが、０．００１Ωｃｍ〜０．１Ωｃｍ程度である。

光応答層２Ｂは、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）なる組成のIII族窒化物からなる層である。光応答層２Ｂは、受光状態に応じて、その導電特性が変化する層である。すなわち、非受光時には１×１０⁷Ωｃｍ以上の高い比抵抗を有する高抵抗層（絶縁性層）となるが、受光時には導電性層として機能する。仮に、Ｓｉなどのバンドギャップが小さい半導体材料で光応答層２Ｂを形成したとしても、十分に暗電流を抑制することは難しいが、本実施の形態のように光応答層２Ｂの形成材料としてワイドバンドギャップ半導体であるＡｌ_yＧａ_1-yＮを用いる場合には、高絶縁性の半導体層を比較的容易に形成することができ、ひいては暗電流が抑制された受光素子を形成することができる。係る光応答層２Ｂは、数百ｎｍ〜数μｍ程度の厚みに形成される。例えば、１μｍの厚みに形成するのが好適な一例である。

本実施の形態に係る受光素子１０においては、このように受光層２をＡｌＧａＮにて形成することで、受光素子１０は、紫外領域に検出波長範囲を有するものとされてなる。また、受光層２が導電性層２Ａと光応答層２Ｂの積層構造を有することによって高い光電流が実現されるが、その詳細については後述する。

なお、好ましくは、受光層２の表面（つまりは光応答層２Ｂの表面）であって、その上に対向電極３の形成が予定される位置（オーミック接合位置）には、対向電極３の形成に先立ち、接合性を向上させる目的でＳｉイオンが注入される。

図３は、対向電極３の上面図である。対向電極３は、受光層２の表面（光応答層２Ｂの表面）にオーミック接合されてなる。対向電極３において、電極３Ａと電極３Ｂとはそれぞれ櫛歯状電極である。電極３Ａはバスバー部３Ａｂとこれに接続する複数の電極指３Ａｆとから構成される。電極３Ｂはバスバー部３Ｂｂとこれに接続する複数の電極指３Ｂｆとから構成される。電極３Ａの複数の電極指３Ａｆと電極３Ｂの複数の電極指３Ｂｆのそれぞれは、交互に配列してなる。

図３において、バスバー部３Ａｂおよび３Ｂｂの長手方向のサイズＬ１とこれに直交する方向のサイズＬ２とはそれぞれ、受光素子１０の平面サイズに相当する。サイズＬ１、Ｌ２は例えば数百μｍ〜数ｍｍ程度である。また、電極指３Ａｆと電極指３Ｂｆの電極幅ｄ１、および、それぞれの電極指３Ａｆと電極指３Ｂｆの間隔は、いずれもおおよそ数μｍ〜数十μｍ程度であるのが好ましい。電極３Ａの電極指３Ａｆと電極３Ｂの電極指３Ｂｆとの重なり部分のサイズである交差幅ｗは、数百μｍ程度であるのが好ましい。これらのサイズ要件をみたす場合、数ｍｍ〜数十ｍｍ程度の総電極幅（電極３Ａと電極３Ｂとの対向部分の総延長）を有する受光素子１０が実現される。

対向電極３は、それぞれに十数ｎｍ〜百数十ｎｍ程度の厚みを有するＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層金属電極として形成されるのが好適な一例である。対向電極３の形成は、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とにより行うことができる。

＜受光素子の動作＞
次に、上述のような構成を有する受光素子１０における動作について説明する。図４は、受光素子１０の受光層２における非受光時および受光時の様子を模式的に示す図である。

図４（ａ）に示す非受光時においては、導電性層２Ａは導電性を有しているものの、電極３Ａ、３Ｂと接続される光応答層２Ｂは絶縁性を呈している。従って、電極３Ａ、３Ｂの間には電流は流れない（厳密にいえば、ごくわずかな暗電流は流れる）。

一方、図４（ｂ）に示すように、受光時においては、導電性層２Ａおよび光応答層２Ｂにおいて光電変換が起こって入射光のエネルギーに応じた量のキャリアが生成する。これに伴い、非受光時には絶縁性を呈していた光応答層２Ｂの導電抵抗が低下する。換言すれば、光応答層２Ｂが入射光に応答して導電性を帯びることになる。電極３Ａ、３Ｂに接続された光応答層２Ｂが導電性を帯びることで、電極３Ａ、３Ｂの間において光電流が流れることになる。

しかも、図４（ｃ）に示すように、本実施の形態に係る受光素子１０の場合、光応答層２Ｂのみならず、光応答層２Ｂに隣接してなり、あらかじめ導電性が付与されている導電性層２Ａも、光電流の導電経路となる。光応答層２Ｂは、導電性を帯びることで光応答層２Ｂの導電抵抗が低下するとはいえ、導電性層２Ａと同レベルの導通性を得るまでは至らないが、導電性層２Ａも導電経路として利用されることで、受光層２が光応答層２Ｂのみからなる場合よりも導電抵抗がより低下した状態での導通が実現される。なお、導電性層２Ａにおいてもキャリア生成は起こりうるので、その結果生成するキャリアも光電流として利用される。

このような動作が実現されることで、受光素子１０においては、紫外光を受光した場合に、１Ａ／Ｗよりはるかに大きな光電流が流れることになる。具体的な電流量やカットオフ波長（波長の検出下限）は受光層２の組成によって異なるが、この結果は、入射光強度１０μＷのときの光感度（ＳＮ比）が５桁以上という、受光素子１０を紫外線センサ用途に用いる場合の要件を十分にみたすものである。

すなわち、本実施の形態によれば、受光時／非受光時を問わず導電性を有する導電性層と、非受光時は絶縁性を呈するものの受光時には導電性を呈する光応答層との２層構造にて受光層を形成し、光応答層に対向電極をオーミック接合するようにすることで、大きな光電流が流れるとともに暗電流が十分に抑制された受光素子を実現することができる。

＜受光素子の作製方法＞
次に、上述のような構造を有する受光素子の作製方法について説明する。以降においては、受光素子用エピタキシャル基板の形成、つまりは、バッファ層１Ｂと受光層２（導電性層２Ａと光応答層２Ｂ）の形成を、ＭＯＣＶＤ法を用いて連続的に行う場合を対象に説明を行う。ただし、良好な結晶性を有するように各層を形成できる手法であれば、他のエピタキシャル成長手法、例えば、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ、ＬＰＥなど、種々の気相成長法や液相成長法の中から適宜選択した手法を用いてもよいし、異なる成長法を組み合わせて用いる態様であってもよい。

なお、以下においては、１つの基材１Ａから、多数個の受光素子１０を同時に作製する場合（多数個取りする場合）を対象に説明する。

バッファ層１Ｂおよび受光層２の作製は、公知のＭＯＣＶＤ炉を用いて行うことができる。具体的には、Ａｌ、Ｇａについての有機金属（ＭＯ）原料ガス（ＴＭＡ、ＴＭＧ）や、Ｓｉドープのためのドーパント源であるシラン（ＳｉＨ₄）ガスと、アンモニアガスと、水素ガスと、窒素ガスとをリアクタ内に供給可能に構成されてなるＭＯＣＶＤ炉を用いる。

まず、例えば（０００１）面方位の２インチ径のｎ導電性６Ｈ−ＳｉＣ基板などを基材１Ａとして用意し、該基材１Ａを、ＭＯＣＶＤ炉のリアクタ内に設けられたサセプタの上に設置する。リアクタ内を真空ガス置換した後、リアクタ内圧力を５ｋＰａ〜５０ｋＰａの間の所定の値（例えば３０ｋＰａ）に保ちつつ、水素／窒素混合フロー状態の雰囲気を形成した上で、サセプタ加熱によって基板を昇温する。

サセプタ温度がバッファ層形成温度である（９５０℃〜１２５０℃の間の所定温度（例えば１０５０℃）に達すると、Ａｌ原料ガスとＮＨ₃ガスをリアクタ内に導入し、バッファ層１ＢとしてのＡｌＮ層を形成する。

ＡｌＮ層が形成されると、サセプタ温度を所定の受光層形成温度（９５０℃〜１２５０℃の間の所定温度（例えば１０５０℃））に保ち、ＴＭＡと、ＴＭＧと、シランガスと、アンモニアガスとをリアクタ内に導入し、導電性層２ＡとしてのＡｌ_xＧａ_1-xＮ層の形成を開始する。所定の厚みに達した時点で、シランガスのみ導入を停止して、引き続き光応答層２ＢとしてのＡｌ_yＧａ_1-yＮ層を形成する。所定の厚みのＡｌ_yＧａ_1-yＮ層が形成されることで、受光素子用エピタキシャル基板が得られたことになる。

受光素子用エピタキシャル基板が得られると、これを用いて受光素子１０を作製する。なお、以降の各工程は、公知の手法で実現されるものである。

まず、フォトリソグラフィープロセスとイオン注入技術を用いて、受光層２の表面の対向電極形成予定位置に、Ｓｉイオンを注入する。Ｓｉイオン注入は、注入エネルギーを５０〜１５０ｋｅＶの範囲で設定し、実効注入量が５×１０¹³／ｃｍ²〜１×１０¹⁶／ｃｍ²の範囲の値となるように行うのが好適である。

Ｓｉイオン注入に続いて、Ｓｉイオンを活性化させるための処理を行う。具体的には、受光層２の表面に、アウトディフュージョン防止用にＣＶＤ法にてＳｉＮ₄膜を堆積させたうえで、受光素子用エピタキシャル基板を１１５０℃〜１２５０℃の温度で数１０秒〜数分程度熱処理する。その後、ＳｉＮ₄膜を除去する。

係る活性化処理を施した後、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法を用いて、対向電極形成予定位置に、対向電極としてＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる金属パターンを形成する。次いで、対向電極３のオーミック性を良好なものにするため、６５０℃〜１０００℃の間の所定温度の窒素ガス雰囲気中において数十秒間の熱処理を施す。

その後、ダイシングにより所定のサイズにチップ化することで、多数個の受光素子１０が得られる。なお、ダイシングに先立って、図示しないボンディング用電極パッドが、対向電極３の上の所定位置に形成される。ボンディング用電極パッドは、それぞれに十数ｎｍ〜百数十ｎｍ程度の厚みを有するＴｉ／Ａｌからなる多層金属電極として形成される。また、得られた受光素子１０に対しては、適宜にダイボンディングやワイヤボンディングが施される。

＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態においては、受光層２を構成する導電性層２Ａが、均一組成の単一そうとして形成される場合を対象に説明しているが、導電性層２Ａの構造はこれに限られるものではない。

図５は、第２の実施の形態に係る受光素子２０の構造を示す模式断面図である。受光素子２０は、導電性層２Ａを除いては第１の実施の形態に係る受光素子１０と同一の構成を有する。よって、本実施の形態においては、受光素子１０と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

受光素子２０において、導電性層２Ａは、バンドギャップが相異なる２つのIII族窒化物半導体からなる薄膜層を交互に積層した超格子構造を有してなる。詳細にいえば、それぞれ数十ｎｍ程度の厚みを有する、Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０≦ｘ１≦１）なる組成のIII族窒化物からなる第１層２Ａαと、Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（０≦ｘ２≦１）なる組成のIII族窒化物からなる第２層２Ａβとを（ただしｘ１≠ｘ２）、繰り返し交互に積層させることで、導電性層２Ａが構成される。なお、係る構成の導電性層２Ａの形成に際しても、第１の実施の形態と同様の態様にて、Ｓｉなどのドナー不純物がドープされる。

このような導電性層２Ａを備える受光素子２０においては、第１層２Ａαと第２層２Ａβとのヘテロ界面近傍に、横方向（ここでは、第１層２Ａαと第２層２Ａβとの積層方向に直交する方向のことを意味する）に電子が高濃度に分布する２次元電子ガス領域が形成される。これにより、導電性層２Ａにおけるドナー不純物の濃度が第１の実施の形態に係る受光素子１０の場合と同じであっても、受光素子２０が機能するうえで重要となる、横方向における導電性層２Ａの比抵抗が、より低減された状態が実現される。

一方で、受光素子２０において、受光層２が導電性層２Ａと光応答層２Ｂとの２層にて構成され、光応答層２Ｂの上に対向電極が設けられることで得られる効果は、第１の実施の形態に係る受光素子１０の場合と同じである。

受光層２の積層構造に由来する効果と、超格子構造を有することによる導電性層２Ａの比抵抗の低減効果とが重畳することで、本実施の形態に係る受光素子２０においては、第１の実施の形態に係る受光素子１０よりもさらに大きな光電流を得ることができる。

＜変形例＞
第１の実施の形態においては、紫外領域を検出波長範囲とするべく、ＡｌＧａＮにて導電性層と光応答層とを形成する態様を説明しているが、ある物質からなる光応答層のみを受光層として備える受光素子よりも高い光電流を増大させる受光素子を得る目的であれば、当該物質にて上述の実施の形態のように導電性層と光応答層とを積層形成すればよく、ＡｌＧａＮによってこれらの層を形成することは必須の態様ではない。

図６は、４つの実施例と１つの比較例とに係る受光素子についての、受光層の形成条件と、受光感度を測定した結果とを一覧にして示す図である。

以下、それぞれについて具体的に説明する。

（実施例１）〜（実施例３）
実施例１〜実施例３として、第１の実施の形態に係る受光素子１０であって、受光層２の組成が異なる３種の受光素子１０を作製した。受光素子１０は、チップサイズが１ｍｍ×１ｍｍ、総電極幅が１２ｍｍ、電極間隔が２０μｍとなるように設計した。

いずれの受光素子についても、基材１Ａとしては（０００１）面方位の２インチ径のｎ導電性６Ｈ−ＳｉＣ基板を用いた。該ＳｉＣ基板にはドーパントとしてＮがドープされていた。厚みは４００μｍであり、比抵抗は０．０１Ωｃｍであった。

係る基材１Ａに対して、バッファ層１Ｂおよび受光層２をＭＯＣＶＤ法により形成した。形成温度は１０５０℃であった。

バッファ層１ＢとしてはＡｌＮ層を０．５μｍの厚みに形成した。

受光層２（導電性層２Ａおよび光応答層２Ｂ）は、実施例１においてはＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎにて形成した。実施例２においてはＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎにて形成した。実施例３においてはＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎにて形成した。いずれの場合も、ドナー不純物としては、Ｓｉが５×１０¹⁸／ｃｍ³の濃度で含まれるようにした。また、導電性層２Ａの厚みは２μｍ、光応答層２Ｂの厚みは１μｍとした。なお、あらかじめ同じ条件で導電性層２Ａまでを形成したもの、および光応答層２Ｂまでを形成したものをそれぞれ用意し、（非受光時の）比抵抗を測定した。その結果、図６に示すように、導電性層２Ａにおいては、導電性を有するが、Ａｌリッチなほど比抵抗が高くなる傾向が確認された。また、光応答層２Ｂは絶縁性であることが確認された。

得られたそれぞれの受光素子用エピタキシャル基板の対向電極形成予定箇所に対して、Ｓｉイオン注入処理を施した。その際、注入エネルギーは８０ｅＶとし、実効注入量は１×１０¹⁵／ｃｍ²とした。また、ＣＶＤ法によってＳｉＮ₄膜を形成後、Ｓｉ活性化のため、１１５０℃で２時間の熱処理を行った。

その後、対向電極形成予定箇所に、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（それぞれの膜厚は２５／７５／１５／１００ｎｍ）からなる対向電極３のパターンを形成した。その後、窒素中で８５０℃、３０秒間の熱処理を行った。

さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、対向電極３上の所定の形成位置にＴＩ／Ａｌ（それぞれの膜厚は２５／５００ｎｍ）なるボンディング電極パッドのパターンを形成した。このように電極パターンが形成された受光素子用エピタキシャル基板を、ダイシングによりチップ化することで、実施例１〜実施例３のそれぞれについて、多数の受光素子１０を得た。

得られた受光素子１０に対してダイボンディングおよびワイヤボンディングを行ったうえで、１Ｖ印加時の暗電流と光電流とを測定した。また、入射波長を違えることで、カットオフ波長を求めた。これにより、図６に示す結果が得られた。

（比較例１）
受光層２を光応答層２Ｂのみにて構成するようにした（導電性層２Ａを設けないようにした）他は、実施例２と同様の手順で受光素子を作製し、その受光感度を評価した。これにより、図６に示す結果が得られた。

（実施例１〜実施例３と比較例１との対比）
図６に示すように、実施例１〜実施例３に係る受光素子１０においては、暗電流は比較例１と同程度であるが、光電流については、比較例１に係る受光素子よりも１オーダー以上大きな値が得られている。これは、受光層２を導電性層２Ａと光応答層２Ｂとの２層構造としたことの効果であるといえる。また、実施例１〜実施例３を比較すると、受光層２の組成がＡｌリッチとなるほどカットオフ波長は短波長側にシフトする一方で、光電流が小さくなる傾向が確認されるが、比較例に係る受光素子よりもＡｌリッチな受光層２を備える実施例３に係る受光素子１０においても比較例に係る受光素子よりも高い光電流が得られている。これは、実施例３のカットオフ波長（２６０ｎｍ）よりも短波長の領域を検出波長範囲に含ませるべく、さらにＡｌリッチなIII族窒化物にて受光層を形成した受光素子においても、十分な光電流が得られることを示唆している。

（実施例４）
実施例４として、第２の実施の形態に係る受光素子２０を作製した。具体的には、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎからなる第１層２Ａαと、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎからなる第２層２Ａβとを、ＭＯＣＶＤ法にてそれぞれ２５ｎｍの厚みで繰り返し交互に形成することにより、総厚が１μｍとなるように導電性層２Ａを形成したほかは、実施例１と同様の手順で受光素子２０を作製し、その受光感度を評価した。これにより、図６に示す結果が得られた。

（実施例１〜実施例３と実施例４との対比）
図６に示すように、実施例４に係る受光素子２０においては、実施例１〜実施例３においてもっとも光電流が大きい実施例１に係る受光素子の１０倍の光電流が得られた。これにより、導電性層２Ａを超格子構造にて形成し、２次元電子ガスを発生させることが、光電流を高める上で有効であることが確認された。

第１の実施の形態に係る受光素子１０の概観斜視図である。受光素子１０の詳細な構造を示す模式断面図である。対向電極３の上面図である。受光素子１０の受光層２における非受光時および受光時の様子を模式的に示す図である。第２の実施の形態に係る受光素子２０の構造を示す模式断面図である。実施例と比較例とに係る受光素子についての、受光層の形成条件と、受光感度を測定した結果とを一覧にして示す図である。

符号の説明

１基板
１Ａ基材
１Ｂバッファ層
２受光層
２Ａ導電性層
２Ａα （導電性層２Ａの）第１層
２Ａβ （導電性層２Ａの）第２層
２Ｂ光応答層
３対向電極
３Ａ、３Ｂ電極
３Ａｂ（電極３Ａの）バスバー部
３Ａｆ（電極３Ａの）電極指
３Ｂｂ（電極３Ｂの）バスバー部
３Ｂｆ（電極３Ｂの）電極指
１０、２０受光素子

Claims

受光層において光電変換により生成するキャリアを、対向電極において電流として取り出す光抵抗式の受光素子であって、
前記受光層が、
導電性を有する導電性層と、
非受光時には絶縁性を呈し、受光時には光電変換により導電性を呈する光応答層と、
を積層形成することで構成されてなり、
前記光応答層の上に前記対向電極が設けられてなる、
ことを特徴とする受光素子。
請求項１に記載の受光素子であって、
前記導電性層が第１のIII族窒化物からなるとともに所定のドーパントがドープされてなることで導電性が付与された層であり、
前記光応答層が第２のIII族窒化物からなる、
ことを特徴とする受光素子。
請求項２に記載の受光素子であって、
前記第１のIII族窒化物と前記第２のIII族窒化物がＡｌＧａＮである、
ことを特徴とする受光素子。
請求項２または請求項３に記載の受光素子であって、
前記導電性層が、組成の相異なる前記第１のIII族窒化物からなる第１層と第２層とが繰り返し交互に積層された超格子構造を有してなることで、前記第１層と前記第２層との界面に２次元電子ガス領域が形成されてなる、
ことを特徴とする受光素子。
請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の受光素子であって、
前記受光層が、所定の基板の上にエピタキシャル形成されてなる、
ことを特徴とする受光素子。
光抵抗式の受光素子の作製方法であって、
所定の基板の上に導電性を有する導電性層を形成する導電性層形成工程と、
前記導電性層の上に、非受光時には絶縁性を呈し、受光時には光電変換により導電性を呈する光応答層を形成する光応答層形成工程と、
前記光応答層の上に対向電極を形成する電極形成工程と、
を備えることを特徴とする受光素子の作製方法。
請求項６に記載の受光素子の作製方法であって、
前記導電性層形成工程においては、所定のドーパントをドープさせつつ第１のIII族窒化物からなる半導体層を前記基板の上にエピタキシャル形成させることによって前記導電性層を形成し、
前記光応答層形成工程においては、第２のIII族窒化物からなる半導体層を前記導電層の上にエピタキシャル形成させることによって前記光応答層を形成する、
ことを特徴とする受光素子の作製方法。
請求項７に記載の受光素子の作製方法であって、
前記第１のIII族窒化物と前記第２のIII族窒化物がＡｌＧａＮである、
ことを特徴とする受光素子の作製方法。
請求項７または請求項８に記載の受光素子の作製方法であって、
前記導電性層形成工程においては、組成の相異なる前記第１のIII族窒化物からなる第１層と第２層とを繰り返し交互に積層することによって、前記第１層と前記第２層との界面に２次元電子ガス領域が形成された超格子構造を有するように前記導電層を形成する、
ことを特徴とする受光素子の作製方法。