JP2010109326A - 受光素子および受光素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のショットキーダイオード式の受光素子よりも受光感度が優れており、かつショットキー電極の接合が十分に強化された受光素子を提供する。
【解決手段】所定の基板の上に、ＡｌＧａＮからなり導電性を有する第１コンタクト層を形成する第１コンタクト層と、ＡｌＧａＮからなる受光層と、ＡｌＮからなり厚みが５ｎｍの第２コンタクト層とをこの順にエピタキシャル形成し、第２コンタクト層に第２電極をショットキー接合することによって、ＭＩＳ接合を形成する。さらに、ショットキー接合後に窒素ガス雰囲気下で６００℃、３０秒の熱処理を行う。
【選択図】図１

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小型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。

特開２０００−１０１１２７号公報

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

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、III族窒化物半導体を用いてショットキーダイオード式の半導体受光素子を作製するプロセスにおいては、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉなど仕事関数の高い金属材料からなるショットキー電極が半導体層の上に蒸着形成されるが、蒸着後には熱処理を行わないのが一般的である。熱処理を行うと、ショットキー性が損なわれ暗電流が増加してしまうことがあるからである。しかしながら、金属電極を蒸着しただけの状態では、金属／半導体層の良好な電気的接触が得られないことが理由で暗電流の増加を招いたり、金属膜が剥がれてしまったりすることがあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、従来のショットキーダイオード式の受光素子よりも受光感度が優れており、かつショットキー電極の接合が十分に強化された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、受光素子が、第１のIII族窒化物によって形成されてなり、ｎ型導電型を有する低抵抗層である第１コンタクト層と、第２のIII族窒化物によって形成されてなるとともにｎ型導電型を有し、前記第１コンタクト層に隣接する受光層と、第３のIII族窒化物によって形成されてなるとともに絶縁性を有し、前記受光層に隣接する第２コンタクト層と、前記第１コンタクト層にオーミック接合されてなる第１電極と、前記第２コンタクト層にショットキー接合されてなる第２電極と、を備え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、前記第２のIII族窒化物のバンドギャップよりも前記第３のIII族窒化物のバンドギャップの方が大きいことを特徴とする。

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族窒化物がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）であり、前記第２のIII族窒化物がＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜１）であり、前記第３のIII族窒化物がＡｌ_zＧａ_1-zＮ（ｙ＜ｚ≦１）である、
ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の受光素子であって、前記第３のIII族窒化物がＡｌＮである、ことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の受光素子であって、前記第２電極と前記第２コンタクト層とのショットキー接合が、窒素ガス雰囲気下での熱処理によって強化されてなる、ことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５に記載の受光素子であって、前記第２電極と前記第２コンタクト層との間に前記熱処理により形成された界面層を備えることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６に記載の受光素子であって、前記界面層が、前記第２コンタクト層の構成元素と前記第２電極の構成元素を含んでいることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項６または請求項７に記載の受光素子であって、前記第２電極がＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕの少なくとも１つを含んでなり、前記界面層が、前記第３のIII族窒化物にＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕの少なくとも１つが固溶することにより形成されてなる、ことを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項６または請求項７に記載の受光素子であって、前記第２電極がＴｉを含んでなり、前記第３のIII族窒化物がＡｌＮであり、前記界面層が、ＡｌＮに少なくともＴｉが固溶することにより形成されてなる、ことを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項３ないし請求項９のいずれかに記載の受光素子であって、前記第２コンタクト層の厚みが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、ことを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の受光素子であって、前記第２電極が、前記受光層における受光対象光を透過させる光透過性を有する、ことを特徴とする。

請求項１２の発明は、受光素子の作製方法が、所定の基板の上に、所定のドーパントをドープさせつつ第１のIII族窒化物からなる結晶層をエピタキシャル成長させることにより、ｎ型導電型を有する低抵抗層である第１コンタクト層を形成する第１コンタクト層形成工程と、前記第１コンタクト層の上に、第２のIII族窒化物からなる結晶層をエピタキシャル成長させることによりｎ型導電型を有する受光層を形成する受光層形成工程と、前記受光層の上に、第３のIII族窒化物からなる結晶層をエピタキシャル成長させることにより、絶縁性を有する第２コンタクト層を形成する第２コンタクト層形成工程と、前記第１コンタクト層に第１電極をオーミック接合する第１電極形成工程と、前記第２コンタクト層に第２電極をショットキー接合する第２電極形成工程と、を備えることを特徴とする。

請求項１３の発明は、請求項１２に記載の受光素子の作製方法であって、前記第２のIII族窒化物のバンドギャップよりも前記第３のIII族窒化物のバンドギャップの方が大きいことを特徴とする。

請求項１４の発明は、請求項１３に記載の受光素子の作製方法であって、前記第１のIII族窒化物がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）であり、前記第２のIII族窒化物がＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜１）であり、前記第３のIII族窒化物がＡｌ_zＧａ_1-zＮ（ｙ＜ｚ≦１）である、ことを特徴とする。

請求項１５の発明は、請求項１４に記載の受光素子の作製方法であって、前記第３のIII族窒化物がＡｌＮである、ことを特徴とする。

請求項１６の発明は、請求項１２ないし請求項１５のいずれかに記載の受光素子の作製方法であって、前記第２電極形成工程までを行うことによって得られた素子体に対し窒素ガス雰囲気下での熱処理を行う熱処理工程、をさらに備えることを特徴とする。

請求項１７の発明は、請求項１６に記載の受光素子の作製方法であって、前記熱処理工程においては、前記第２電極と前記第２コンタクト層との間に界面層を形成させる、ことを特徴とする。

請求項１８の発明は、請求項１７に記載の受光素子の作製方法であって、前記界面層が、前記第２コンタクト層の構成元素と前記第２電極の構成元素を含んでいることを特徴とする。

請求項１９の発明は、請求項１７または請求項１８に記載の受光素子の作製方法であって、前記第２電極形成工程においては、前記第２電極をＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕの少なくとも１つを含むように形成し、前記熱処理工程において、前記界面層は、前記第３のIII族窒化物にＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕの少なくとも１つが固溶することにより形成される、ことを特徴とする。

請求項２０の発明は、請求項１７または請求項１８に記載の受光素子の作製方法であって、第２コンタクト層形成工程においては、ＡｌＮを前記第３のIII族窒化物として前記第２コンタクト層を形成し、前記第２電極形成工程においては、前記第２電極がＴｉを含むように形成し、前記熱処理工程において、前記界面層は、ＡｌＮに少なくともＴｉが固溶することにより形成される、ことを特徴とする。

請求項２１の発明は、請求項１４ないし請求項２０のいずれかに記載の受光素子の作製方法であって、前記第２コンタクト層形成工程においては、前記第２コンタクト層を１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みに形成する、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項２１の発明によれば、受光層の上に絶縁性のコンタクト層を設け、該コンタクト層に対してショットキー接合により電極形成を行い、ＭＩＳ接合を形成することで、受光層の上に直接にショットキー接合により電極形成を行う場合に比して、暗電流が大きく低減される受光素子が実現される。すなわち、受光感度の優れた受光素子が実現される。

また、請求項５ないし請求項９、および請求項１６ないし請求項２０の発明によれば、ショットキー接合による電極形成後に窒素雰囲気下で熱処理を行うようにすることで、ショットキー接合電極が強化され、剥離が防止される。これにより、信頼性が高く受光感度の優れた受光素子を安定的に得ることができる。

特に、請求項６ないし請求項９、および請求項１７ないし請求項２０の発明によれば、熱処理により界面層が形成されるので、ショットキー接合電極がさらに強化され、剥離が防止される。

本発明の実施の形態に係る受光素子１０の構造を示す図である。 実施例に係る受光素子についての、受光素子の形成条件と、受光感度を測定した結果とを一覧にして示す図である。 比較例に係る受光素子についての、受光素子の形成条件と、受光感度を測定した結果とを一覧にして示す図である。 実施例に係る受光素子の、熱処理前後における主要元素のデプスプロファイルを示す図である。

図１は本発明の実施の形態に係る受光素子１０の構造を示す図である。図１（ａ）は、受光素子１０の上面図であり、図１（ｂ）は、受光素子１０の側断面図である。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。

受光素子１０は、基板１の上に、それぞれIII族窒化物半導体からなるオーミックコンタクト層２、受光層３、およびショットキーコンタクト層４をこの順にエピタキシャル形成してなる積層構造部を有する。また、受光素子１０においては、ショットキーコンタクト層４に対しショットキー電極５が接合形成されてなるとともに、オーミックコンタクト層２にはオーミック電極６が接合形成されてなる。ショットキー電極５の上面には、電極パッド７が部分的に形成されてなる。これらショットキー電極５（より厳密には電極パッド７）とオーミック電極６とが、受光素子１０における光電流の取出電極となる。

図１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オーミックコンタクト層２、受光層３、およびショットキーコンタクト層４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１０ｎｍから数百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。

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、その上にオーミックコンタクト層２、受光層３、およびショットキーコンタクト層４を連続的に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、オーミックコンタクト層２、受光層３、およびショットキーコンタクト層４を連続的に形成する態様であってもよい。

オーミックコンタクト層２は、ｎ型の導電性を有する導電性層（低抵抗層）である。オーミックコンタクト層２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。係るオーミックコンタクト層２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。また、Ｓｉをドープする場合であれば、ドーパント濃度が１×１０¹⁸／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、オーミックコンタクト層２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。

なお、オーミックコンタクト層２は、断面視凸型の構造を有している。オーミックコンタクト層２を上面視した場合の中央部が上述の積層構造部を構成する。同じくオーミックコンタクト層２を上面視した場合の側周部にはオーミック電極６がオーミック接合される。

オーミック電極６は、それぞれに十数ｎｍ〜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。オーミック電極６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。

受光層３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３は、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜１）なる組成のIII族窒化物からなる。受光層３の比抵抗（あるいは比抵抗の値を左右する不純物濃度）と膜厚は、ショットキー接合に逆バイアスを加えることによって生じる空乏層が十分な深さ方向の厚みを持つような値の範囲から、選ぶことができる。そのような比抵抗（あるいは不純物濃度）は、受光層３の形成に際して必要に応じ所定のドーパントをドープさせることにより実現することができる。あるいは、そのような意図的なドープを行うことなく、受光層３の形成時に不可避的に含まれる不純物にて、係る比抵抗（あるいは不純物濃度）が実現される態様であってもよい。受光層３は、例えば１００Ωｃｍ以上の比較的高い比抵抗を有し（不純物濃度が１×１０¹⁵／ｃｍ³以下程度であり）、かつ、数百ｎｍ〜数μｍ程度、例えば１μｍの厚みを有するように形成されるのが、好適な一例である。受光素子１０においては、逆バイアス時に空乏化した受光層３において光を受光することにより生成したキャリアが、逆方向電流を増幅させるかたちで、取出電極であるショットキー電極５とオーミック電極６とにおいて取り出される。

本実施の形態においては、このように受光層３をＡｌＧａＮにて形成することで、受光素子１０が紫外領域に検出波長範囲を有するものとされてなる。

ショットキーコンタクト層４は、数ｎｍ程度という極薄の厚みに形成された、絶縁性を有する層である。そして、本実施の形態に係る受光素子１０においては、係るショットキーコンタクト層４の上に、ショットキー電極５がショットキー接合されてなる。すなわち、本実施の形態に係る受光素子１０は、受光層３とショットキー電極５との間にショットキーコンタクト層４が介在した構造を有してなる。換言すれば、受光素子１０においては、ショットキー電極５と、ショットキーコンタクト層４と、受光層３とによって、いわゆるＭＩＳ（metal-insulator-semiconductor）接合が形成されてなる。このようにＭＩＳ接合を有することで、受光素子１０においては、受光層に対して直接にショットキー電極をショットキー接合させた従来の受光素子よりも、原理上、暗電流が抑制されてなる。

具体的な値は各部の組成や厚みなどによっても異なるが、本実施の形態のように受光層３の上にショットキーコンタクト層４を設け、その上にショットキー電極５を形成した場合には、例えば−４Ｖ印加時の暗電流が、受光層に直接にショットキー電極を形成した場合の１／１０００程度にまで抑制される。また、光電流は、概ね１．８倍〜２倍程度増加する。

ショットキーコンタクト層４は、検出光を受光層３まで透過させる必要があることから、受光層３よりもバンドギャップが大きい材料にて形成される必要がある。具体的な組成および厚みは、ＭＩＳ接合による暗電流の抑制効果が良好に得られる範囲で、適宜に定められてよいが、絶縁性、ショットキー接合特性、ならびに誘電特性を考慮すると、Ａｌ_zＧａ_1-zＮ（ｙ＜ｚ≦１）なる組成のIII族窒化物にて数ｎｍ程度の厚みに形成するのが好ましい。より好ましくは、ショットキーコンタクト層４は、ＡｌＮによって５ｎｍ程度の厚みに形成される。

ショットキー電極５は、従来の受光素子のショットキー電極と同様に、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕなどの仕事関数が高い金属材料を形成材料として形成されるのが好適である。あるいは、上述の各金属とＡｌなどとの多層金属膜として形成される態様であってもよい。ショットキーコンタクト層４をＡｌＮにて形成する場合、これらに加えて、Ｔｉ／Ａｌを含む多層金属膜など、III族窒化物半導体との間でオーミック接合をなす場合に用いられる金属材料も、ショットキー電極５の形成材料として利用可能である。なぜならば、この場合、バンドギャップが大きいＡｌＮと仕事関数が比較的小さい金属材料とが接合されるので、比較的容易にショットキー性のコンタクトが得られるからである。

ただし、受光素子１０においては、ショットキー電極５およびショットキーコンタクト層４を透過した光が受光層３において受光されるので、ショットキー電極５は、受光層３における受光感度が確保される程度に光を透過させる光透過性を有するように形成される。例えば、紫外光を受光対象とし、上記の各金属を形成材料とするのであれば、ショットキー電極５を数ｎｍ〜十数ｎｍの厚みに形成すれば、係る要件をみたすことができる。また、ショットキー電極５を格子状やストライプ状に形成し、光透過性を有するようにすることもできる。

ショットキー電極５は、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、形成されるのが好適である。好ましくは、受光素子１０の作製過程においては、ショットキー電極５の接合を強化する（ショットキー電極５の剥離を防止する）目的で、ショットキー電極５が形成された素子体（受光素子の作製途中品）に対し、さらに窒素雰囲気下での熱処理が施される。

１枚の母基板から同時に複数の受光素子を作製するいわゆる多数個取りを行った場合に、ショットキー電極５が剥離した受光素子の割合を剥離率とするとき、熱処理を施さない場合の剥離率は、ショットキー電極５の形成材料によって異なるが低いものでも３０％程度であり、高いものでは７０％以上にも達する。これに対して、同じ形成材料にてショットキー電極５を形成し、熱処理を施した場合には、剥離率はほぼ０％となる。これは、熱処理によって電極金属材料がショットキーコンタクト層４に拡散固溶することで、ショットキーコンタクト層４とショットキー電極５の間に形成される界面層が、接合界面の密着性の向上に寄与するためである。一方で、このように熱処理を施した場合においても、暗電流は、熱処理を施さない場合と同程度に抑制されたままである。このことは、熱処理を施すことで、ショットキー電極がショットキーコンタクト層に対して十分な接合強度にてショットキー接合され、かつ、暗電流の十分に小さい受光素子が、高い歩留まりで得られることを意味している。

ショットキー電極５の上部には、ダイボンディングやワイヤボンディングなどを施すための電極パッド７が形成される。電極パッド７は、受光層３における受光面積を確保する必要性から、最小限度のサイズにて形成される。電極パッド７は、Ｎｉ／Ａｕからなる多層金属膜として、それぞれ数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の厚みに形成されるのが好適な一例である。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、受光層の上に絶縁性のコンタクト層を設け、該コンタクト層に対してショットキー接合により電極形成を行い、ＭＩＳ接合を形成することで、受光層の上に直接にショットキー接合により電極形成を行う場合に比して、暗電流が大きく低減されるとともに、大きな光電流が得られる受光素子が実現される。すなわち、受光感度の優れた受光素子が実現される。また、ショットキー電極形成後に窒素雰囲気下で熱処理を行うようにすることで、ショットキー電極の剥離が防止されるので、受光感度の優れた受光素子を安定的に得ることができる。

＜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、バッファ層１Ｂ、オーミックコンタクト層２、受光層３、およびショットキーコンタクト層４の形成、つまりは積層構造部の形成を、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。

積層構造部の形成は、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１１００℃）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１１００℃））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、オーミックコンタクト層２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、引き続き受光層３としてのＡｌ_yＧａ_1-yＮ層を形成する。所定の厚みのＡｌ_yＧａ_1-yＮ層が形成された時点で、ＴＭＧの導入を停止し、ショットキーコンタクト層４を所定の厚みに形成する。

以上の手順によって積層構造部が得られると、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ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法を用いて、積層構造部の外周部分を、オーミックコンタクト層２が露出するまでエッチング除去する。

次に、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法を用いて、オーミックコンタクト層２の露出部分に、オーミック電極６となる、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる金属パターンを形成する。次いで、オーミック電極６のオーミック性を良好なものにするため、得られた素子体に対し、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。

続いて、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法を用いて、ショットキーコンタクト層４の上面の略全面に、ショットキー電極５となる、所定のショットキー電極形成材料からなる金属パターンを形成する。ショットキー電極５の接合強度を向上させるためには、ここで、ショットキー電極５が形成された素子体を対象に、５００℃〜９００℃の間の所定温度の窒素ガス雰囲気中において数十秒の熱処理を施す。

ショットキー電極５を形成した後、さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法を用いて、Ｎｉ／Ａｕからなる電極パッド７を形成する。

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。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。

（実施例）
図２は、実施例に係る受光素子についての、受光素子の形成条件と、受光感度を測定した結果とを一覧にして示す図である。

本実施例においては、上述の実施の形態に係る受光素子１０として、オーミックコンタクト層２および受光層３を構成するIII族窒化物の組成、ショットキー電極５の形成態様、およびショットキー電極５の熱処理の有無の各作製条件の組み合わせがそれぞれに異なる、２４種類の受光素子を作製した。なお、各種類ともに、１つの基材１Ａから、受光層３が上面視で縦１ｍｍ×横１ｍｍのサイズを有する受光素子を５０個ずつ作製するようにした。

具体的には、オーミックコンタクト層２および受光層３の組成は、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎの３水準に設定した。

ショットキー電極５としては、Ｎｉ／Ａｕ（膜厚６ｎｍ／１２ｎｍ）、Ｐｄ／Ａｕ（６ｎｍ／１２ｎｍ）、Ｔｉ／Ａｌ（６ｎｍ／１２ｎｍ）、およびＰｔ／Ａｕ（６ｎｍ／１２ｎｍ）の４種類の多層膜と、Ａｕのみの単層膜（１２ｎｍ）との計５種類を形成した。なお、Ｔｉ／Ａｌ多層膜は、一般にはIII族窒化物材料に対するオーミック接合用金属として用いられるものである。

いずれの作製条件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、オーミックコンタクト層２、受光層３、およびショットキーコンタクト層４をＭＯＣＶＤ法により形成した。形成温度は１１００℃であった。

いずれの受光素子についても、バッファ層１ＢとしてはＡｌＮ層を０．５μｍの厚みに形成した。

オーミックコンタクト層２および受光層３の厚みはそれぞれ１μｍ、０．５μｍとした。オーミックコンタクト層２には、ドナー不純物としてＳｉを１×１０¹⁸／ｃｍ³の濃度で導入した。なお、同様の条件でオーミックコンタクト層２までの形成を行い、オーミックコンタクト層２の抵抗率を測定したところ、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからなるものは０．０１Ωｃｍ、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎからなるものは０．０２Ωｃｍ、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎからなるものは０．０３Ωｃｍであった。

ショットキーコンタクト層４としては、ＡｌＮ層を５ｎｍの厚みに形成した。

このようにして積層構造部が得られると、オーミックコンタクト層２を露出させてオーミック電極６の形成領域を確保するべく、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥ法とによって、積層構造部の上面視側周部を約６００ｎｍの深さにエッチングした。

続いて、オーミック電極６の形成対象箇所に、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１５／７０／１２／６０ｎｍ）からなるオーミック電極６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。

続いて、ショットキーコンタクト層４の上面に、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、ショットキー電極５を上述のような条件で形成した。熱処理を行うものについては、窒素中で６００℃、３０秒間の熱処理を行った。

さらに、ショットキー電極５の上面の電極パッド７の形成対象箇所に、Ｎｉ／Ａｕ（それぞれの膜厚は６／６０ｎｍ）からなる電極パッド７を形成した。

電極パッド７を形成した後、ダイシングによりチップ化することで、５０個の受光素子１０を得た。

得られた受光素子１０について、ショットキー電極５の剥離の有無を目視ならびに顕微鏡により評価し、全５０個に対する、ショットキー電極５の剥離が認められた受光素子の個数の比として、剥離率を求めた。また、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、−４Ｖ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。これらにより、図２に示す結果が得られた。ただし、受光感度については、ショットキー電極５が剥離していない受光素子について得られた測定結果の平均値を示している。

（比較例）
図３は、比較例に係る受光素子についての、受光素子の形成条件と、受光感度を測定した結果とを一覧にして示す図である。

比較例としては、ショットキーコンタクト層４を設けず、受光層３の上面に直接にショットキー電極５を形成するようにした他は、実施例の受光素子と同じ作製条件で、２４種類の受光素子を作製した。

得られた受光素子について、実施例と同様に、剥離率、暗電流、光電流、およびカットオフ波長を得た。

（実施例と比較例の対比）
図２および図３に示す結果からは、実施例および比較例のいずれにおいても、オーミックコンタクト層２および受光層３のＡｌ比が最も小さい場合でカットオフ波長が２９０ｎｍであり、オーミックコンタクト層２および受光層３の組成がＡｌリッチとなるほど短波長側にシフトする傾向が確認される。すなわち、紫外領域に検出波長範囲を有する受光素子が得られている。

また、ショットキー電極の形成材料の種類によって多少の大小はあるものの、ショットキー電極形成後に熱処理を行っていない受光素子については、実施例、比較例問わず、比較的高い比率でショットキー電極が剥離している（剥離率が低くても２０〜３０％程度であり、高いものでは７０％超である）のに対して、熱処理を行った受光素子については、どの電極形成材料を用いた場合も、全く剥離が確認されなかった。

ただし、比較例においては、熱処理を行わない場合にｎＡオーダーである暗電流が、熱処理を行った場合にはｍＡオーダーと著しく大きくなっている。一方で、光電流は熱処理の有無によらずあまり差がみられない。

すなわち、比較例に係る受光素子の場合、ショットキー電極形成後の熱処理は、ショットキー電極の剥離防止という効果は得られるものの、暗電流を著しく増大させることになり、受光感度の劣化をもたらすことが確認された。

これに対して、実施例においては、ショットキー電極形成材料の種類によらず、熱処理を行わなかった受光素子の暗電流がｐＡオーダーと比較例よりも十分に小さく、熱処理を行った受光素子についてもショットキー金属がＴｉ／Ａｌ多層膜である場合を除いてその値はほとんど変わっていない。なお、ショットキー金属がＴｉ／Ａｌ多層膜である場合を見ても、暗電流の値自体はｐＡオーダーに保たれている。また、光電流は、熱処理の有無にかかわらず、比較例よりも１．８倍〜２倍程度大きな値が得られている。

以上の結果は、実施例に係る受光素子のように、受光層の上にショットキーコンタクト層を設け、該ショットキーコンタクト層に対してショットキー電極をショットキー接合してＭＩＳ接合を形成することで、受光層の上に直接にショットキー電極をショットキー接合した受光素子よりも、暗電流が著しく抑制され、かつ光電流が増大した受光素子が実現可能であること、および、ショットキー電極形成後に熱処理を行うことで、ショットキー電極の剥離がほぼ確実に防止できることを、指し示している。

さらには、ショットキーコンタクト層をＡｌＮにて形成する場合は、一般にはIII族窒化物材料に対するオーミック接合用金属として用いられるＴｉ／Ａｌ多層膜を、ショットキー接合用金属として用いることができることも、上述の結果から確認される。

（ショットキー金属材料の拡散）
実施例に係る受光素子のうち、オーミックコンタクト層２および受光層３の組成がいずれもＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎであり（ただしオーミックコンタクト層２はドナー不純物としてＳｉを１×１０¹⁸／ｃｍ³の濃度で含む）、ショットキー電極５の形成材料のみが異なる５種類の受光素子について、オージェ電子分光法により、熱処理を行ったものと、熱処理を行わなかったもののそれぞれにおける主要元素のデプスプロファイルを測定した。図４は、係る測定により得られたデプスプロファイルを示す図である。図４に示す結果は、熱処理を行うことによって、ショットキー電極５を構成する金属元素がＡｌＮ表面近傍に拡散固溶し、界面層が形成されることを明瞭に示している。この結果は、熱処理によるショットキー電極の剥離防止に界面層の形成が寄与していることを示唆している。

１ 基板
１Ａ 基材
１Ｂ バッファ層
２ オーミックコンタクト層
３ 受光層
４ ショットキーコンタクト層
５ ショットキー電極
６ オーミック電極
７ 電極パッド
１０ 受光素子

Claims (21)

1. 第１のIII族窒化物によって形成されてなり、ｎ型導電型を有する低抵抗層である第１コンタクト層と、
   第２のIII族窒化物によって形成されてなるとともにｎ型導電型を有し、前記第１コンタクト層に隣接する受光層と、
   第３のIII族窒化物によって形成されてなるとともに絶縁性を有し、前記受光層に隣接する第２コンタクト層と、
   前記第１コンタクト層にオーミック接合されてなる第１電極と、
   前記第２コンタクト層にショットキー接合されてなる第２電極と、
   を備えることを特徴とする受光素子。
2. 請求項１に記載の受光素子であって、
   前記第２のIII族窒化物のバンドギャップよりも前記第３のIII族窒化物のバンドギャップの方が大きいことを特徴とする受光素子。
3. 請求項２に記載の受光素子であって、
   前記第１のIII族窒化物がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）であり、
   前記第２のIII族窒化物がＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜１）であり、
   前記第３のIII族窒化物がＡｌ_zＧａ_1-zＮ（ｙ＜ｚ≦１）である、
   ことを特徴とする受光素子。
4. 請求項３に記載の受光素子であって、
   前記第３のIII族窒化物がＡｌＮである、
   ことを特徴とする受光素子。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の受光素子であって、
   前記第２電極と前記第２コンタクト層とのショットキー接合が、窒素ガス雰囲気下での熱処理によって強化されてなる、
   ことを特徴とする受光素子。
6. 請求項５に記載の受光素子であって、
   前記第２電極と前記第２コンタクト層との間に前記熱処理により形成された界面層を備えることを特徴とする受光素子。
7. 請求項６に記載の受光素子であって、
   前記界面層が、前記第２コンタクト層の構成元素と前記第２電極の構成元素を含んでいることを特徴とする受光素子。
8. 請求項６または請求項７に記載の受光素子であって、
   前記第２電極がＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕの少なくとも１つを含んでなり、
   前記界面層が、前記第３のIII族窒化物にＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕの少なくとも１つが固溶することにより形成されてなる、
   ことを特徴とする受光素子。
9. 請求項６または請求項７に記載の受光素子であって、
   前記第２電極がＴｉを含んでなり、
   前記第３のIII族窒化物がＡｌＮであり、
   前記界面層が、ＡｌＮに少なくともＴｉが固溶することにより形成されてなる、
   ことを特徴とする受光素子。
10. 請求項３ないし請求項９のいずれかに記載の受光素子であって、
    前記第２コンタクト層の厚みが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、
    ことを特徴とする受光素子。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の受光素子であって、
    前記第２電極が、前記受光層における受光対象光を透過させる光透過性を有する、
    ことを特徴とする受光素子。
12. 所定の基板の上に、所定のドーパントをドープさせつつ第１のIII族窒化物からなる結晶層をエピタキシャル成長させることにより、ｎ型導電型を有する低抵抗層である第１コンタクト層を形成する第１コンタクト層形成工程と、
    前記第１コンタクト層の上に、第２のIII族窒化物からなる結晶層をエピタキシャル成長させることによりｎ型導電型を有する受光層を形成する受光層形成工程と、
    前記受光層の上に、第３のIII族窒化物からなる結晶層をエピタキシャル成長させることにより、絶縁性を有する第２コンタクト層を形成する第２コンタクト層形成工程と、
    前記第１コンタクト層に第１電極をオーミック接合する第１電極形成工程と、
    前記第２コンタクト層に第２電極をショットキー接合する第２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。
13. 請求項１２に記載の受光素子の作製方法であって、
    前記第２のIII族窒化物のバンドギャップよりも前記第３のIII族窒化物のバンドギャップの方が大きいことを特徴とする受光素子の作製方法。
14. 請求項１３に記載の受光素子の作製方法であって、
    前記第１のIII族窒化物がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）であり、
    前記第２のIII族窒化物がＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ＜１）であり、
    前記第３のIII族窒化物がＡｌ_zＧａ_1-zＮ（ｙ＜ｚ≦１）である、
    ことを特徴とする受光素子の作製方法。
15. 請求項１４に記載の受光素子の作製方法であって、
    前記第３のIII族窒化物がＡｌＮである、
    ことを特徴とする受光素子の作製方法。
16. 請求項１２ないし請求項１５のいずれかに記載の受光素子の作製方法であって、
    前記第２電極形成工程までを行うことによって得られた素子体に対し窒素ガス雰囲気下での熱処理を行う熱処理工程、
    をさらに備えることを特徴とする受光素子の作製方法。
17. 請求項１６に記載の受光素子の作製方法であって、
    前記熱処理工程においては、前記第２電極と前記第２コンタクト層との間に界面層を形成させる、
    ことを特徴とする受光素子の作製方法。
18. 請求項１７に記載の受光素子の作製方法であって、
    前記界面層が、前記第２コンタクト層の構成元素と前記第２電極の構成元素を含んでいることを特徴とする受光素子の作製方法。
19. 請求項１７または請求項１８に記載の受光素子の作製方法であって、
    前記第２電極形成工程においては、前記第２電極をＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕの少なくとも１つを含むように形成し、
    前記熱処理工程において、前記界面層は、前記第３のIII族窒化物にＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕの少なくとも１つが固溶することにより形成される、
    ことを特徴とする受光素子の作製方法。
20. 請求項１７または請求項１８に記載の受光素子の作製方法であって、
    第２コンタクト層形成工程においては、ＡｌＮを前記第３のIII族窒化物として前記第２コンタクト層を形成し、
    前記第２電極形成工程においては、前記第２電極がＴｉを含むように形成し、
    前記熱処理工程において、前記界面層は、ＡｌＮに少なくともＴｉが固溶することにより形成される、
    ことを特徴とする受光素子の作製方法。
21. 請求項１４ないし請求項２０のいずれかに記載の受光素子の作製方法であって、
    前記第２コンタクト層形成工程においては、前記第２コンタクト層を１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みに形成する、
    ことを特徴とする受光素子の作製方法。

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