JP2023056719A - 紫外線受光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】ノーマリーOFF動作が可能で、暗電流が１pA以下と低く、高感度な紫外線受光素子を提供する。【解決手段】基板と、基板上に設けられた化合物半導体によって構成された第１層と、第１層上部に設けられ、化合物半導体によって構成された第２層と、第２層上部に設けられ金属酸化膜によって構成されたp型のゲート電極とを備え、暗電流が１pＡ以下と低いことを特徴とする紫外線受光素子。【選択図】図１
Description
本発明は、化合物半導体の上部にソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を有する紫外線受光素子に関する。
紫外受光素子は日光に含まれる紫外線量の検知や、火炎を検知するセンサ、UV殺菌光源のモニタ用途として近年需要が高まっている。火炎センサやUV殺菌光源のモニタは、２００～２８０ｎｍのＵＶＣ領域において非常に微弱な光を検知する必要があり、例えば火炎センサは数nW/cm2程度の光を検知する必要があり、UV殺菌光源モニタは数百nW/cm2程度の光を検知する必要がある。
従来の紫外受光素子として、光電管や半導体受光素子がある。光電管は、コストが高く、寿命が短く、振動に弱く、簡易に利用しがたい。半導体受光素子は、従来のSi半導体やGaN、AlGaN、SiC等のワイドギャップ半導体を用いたPIN型フォトダイオード、ショットキ型フォトダイオードが提案されている。例えば、特許文献１、特許文献２のように、紫外領域の受光感度を高くするために、GaN/AlGaNヘテロ接合を利用したGaN-FET型受光素子が提案されている。また、ゲート構造として、特許文献１では、ITO、ZnO、GZOのn型酸化物半導体をゲート電極に用いたGaN-FET型受光素子が提案されている。また、特許文献２では、p型のGaN系半導体をゲート電極に用いたGaN-FET型受光素子が提案されている。
従来の紫外受光素子として、光電管や半導体受光素子がある。光電管は、コストが高く、寿命が短く、振動に弱く、簡易に利用しがたい。半導体受光素子は、従来のSi半導体やGaN、AlGaN、SiC等のワイドギャップ半導体を用いたPIN型フォトダイオード、ショットキ型フォトダイオードが提案されている。例えば、特許文献１、特許文献２のように、紫外領域の受光感度を高くするために、GaN/AlGaNヘテロ接合を利用したGaN-FET型受光素子が提案されている。また、ゲート構造として、特許文献１では、ITO、ZnO、GZOのn型酸化物半導体をゲート電極に用いたGaN-FET型受光素子が提案されている。また、特許文献２では、p型のGaN系半導体をゲート電極に用いたGaN-FET型受光素子が提案されている。
しかし、特許文献１の受光素子の場合、FETのドレイン電極-ソース電極間がノーマリーONであるため暗電流が増加してしまい、S/N比を高くできない。そのためゲート電極にバイアス電圧を印加する構造や回路が必要になり、システムが複雑化してしまう問題がある。
また、特許文献２の受光素子の場合、FETのドレイン電極-ソース電極間がノーマリーOFFに出来るため、ゲート電極にバイアス電圧を印加する必要がないが、p型のGaN系半導体をゲート電極に用いている。 また、特許文献２の受光素子の場合、FETのドレイン電極-ソース電極間がノーマリーOFFに出来るため、ゲート電極にバイアス電圧を印加する必要がないが、p型のGaN系半導体をゲート電極に用いている。p型にドーピングされたGaN系半導体は結晶品質が低下しやすく、量子効率の低下により高感度なデバイスを作ることが困難である。特に p型にドーピングされたGaN系半導体は２００～２８０ｎｍのＵＶＣ領域において感度の低下が大きい。また、ゲート電極を再成長により p型にドーピングされたGaN系半導体を形成する場合、GaN系半導体を形成する温度が４００～１０００℃程度と高く、ゲート電極とスペーサー層との界面で結晶欠陥が増加してしまう。そのため高感度なデバイスを提供することが困難である。
また、特許文献２の受光素子の場合、FETのドレイン電極-ソース電極間がノーマリーOFFに出来るため、ゲート電極にバイアス電圧を印加する必要がないが、p型のGaN系半導体をゲート電極に用いている。 また、特許文献２の受光素子の場合、FETのドレイン電極-ソース電極間がノーマリーOFFに出来るため、ゲート電極にバイアス電圧を印加する必要がないが、p型のGaN系半導体をゲート電極に用いている。p型にドーピングされたGaN系半導体は結晶品質が低下しやすく、量子効率の低下により高感度なデバイスを作ることが困難である。特に p型にドーピングされたGaN系半導体は２００～２８０ｎｍのＵＶＣ領域において感度の低下が大きい。また、ゲート電極を再成長により p型にドーピングされたGaN系半導体を形成する場合、GaN系半導体を形成する温度が４００～１０００℃程度と高く、ゲート電極とスペーサー層との界面で結晶欠陥が増加してしまう。そのため高感度なデバイスを提供することが困難である。
そこで、本発明の課題は、受光素子において、ノーマリーOFF動作が可能で、暗電流が１pA以下と低く、高感度な紫外線受光素子を提供することである。
本発明の紫外線受光素子は、基板と、基板上部に設けられ、化合物半導体によって構成された第１層と、第１層上部に設けられ、化合物半導体によって構成された第２層と、第２層上部に設けられ金属酸化膜によって構成されたｐ型のゲート電極とを備え、暗電流が１pＡ以下と低いことを特徴とする。
本発明によれば、ゲート電極にp型の金属酸化膜を用いることにより、ノーマリーOFF動作が可能となり、暗電流が１ｐＡ以下と低く、高い受光感度の紫外線受光素子を実現できる。特に２００～２８０ｎｍのＵＶＣ領域を非常に高感度に検知できる紫外線受光素子を実現することができる。
以下、本発明を実施するための形態について、図を参照して詳細に説明する。ただし、
本発明は以下の記載に何ら限定されるものではない。
本発明は以下の記載に何ら限定されるものではない。
図面を参照しながら、複数の実施形態について詳細に説明する。図面の記載は模式的なものであり、厚みと寸法の関係、各層の厚みも比率等は一例であり、発明の技術思想を限定するものではない。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる場合がある。以下の説明で、部材の位置関係を説明する際に、「上部」「下部」「右側」「左側」等は参照する図面の向きに基づいて必要に応じて使用されるが、発明の技術的思想を限定するものではない。また「上部」「下部」「右側」「左側」等の説明は部材が接していなくとも用いられる場合がある。
本発明の実施例１に係る紫外線受光素子を説明する。図１は、本発明による紫外線受光素子の素子構造を示す図である。基板１の上部にバッファ層２が形成され、バッファ層２の上部に第１層３が形成され、第１層３の上部に第２層４、ドレイン電極５、ソース電極６が形成され、第２層４の上部に第３層７が形成されている。
基板１は単結晶Ｓｉ、もしくはサファイア、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、Ｇａ２Ｏ、ＺｎＯ等でも構わない。
バッファ層２は化合物半導体であり、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮから成る多層膜である。バッファ層２は１μｍ以上が望ましいが、バッファ層は無くても構わない。
第１層３は化合物半導体であり、好ましくはＧａＮであり、好ましくはアンドープＧａＮであり、第１層の積層途中でＣ、Ｆｅ等をドーピングしてもよい。
ＧａＮのバンドギャップは３．３９ｅＶなので、３６５ｎｍ以下の波長を吸収し、第１層３にキャリアが形成され、チャネル領域のキャリア濃度が増加する。またＧａＮの積層膜厚は１μｍ以上が望ましい。
ＧａＮのバンドギャップは３．３９ｅＶなので、３６５ｎｍ以下の波長を吸収し、第１層３にキャリアが形成され、チャネル領域のキャリア濃度が増加する。またＧａＮの積層膜厚は１μｍ以上が望ましい。
第２層４は化合物半導体であり、好ましくはＡｌＧａＮであり、好ましくはアンドープＡｌＧａＮであり、第２層はＡｌＧａＮとＧａＮ、もしくはＡｌＮとＧａＮ、もしくはＡｌＧａＮとＡｌＮの多層構造でも構わない。第２層４の上にＳｉＯ２、ＳｉＮ等の保護膜を形成してもよい。
ＡｌＧａＮのＡｌ組成は０．１～０．２５が好ましく、積層膜厚は１～１５ｎｍが好ましい。ＡｌＧａＮのＡｌ組成は０．１５～０．２がさらに好ましく、積層膜厚は１～８ｎｍがさらに好ましい。
ＡｌＧａＮのＡｌ組成は０．１～０．２５が好ましく、積層膜厚は１～１５ｎｍが好ましい。ＡｌＧａＮのＡｌ組成は０．１５～０．２がさらに好ましく、積層膜厚は１～８ｎｍがさらに好ましい。
バッファ層２、第１層３、第２層４は有機金属気相堆積法により基板１上に形成する。その他分子線エピタキシー、スパッタリング法などにより形成しても構わない。
フォトリソグラフィー技術とエッチング（例えば、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング）を用いて、ドレイン電極部、ソース電極部において第１層３を露出させる。露出した第１層３にエッチング段差を含むドレイン電極５部、ソース電極６部にメタル成膜を実施し、フォトリソグラフィー技術とエッチング（例えば、リン酸エッチング）を用いて、ドレイン電極５、ソース電極６を形成する。もしくはフォトリソグラフィー技術を用いたリフトオフ工程により、ドレイン電極５、ソース電極６を形成することもできる。
電極材料はＴｉ／Ａｌ、Ｎｉ／Ａｌ、Ａｌ、Ｎｉ等であり、上部にＡｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ti等からなる多層膜を追加してもよい。成膜方法は、蒸着、スパッタ、メッキ等でも構わない。
電極材料はＴｉ／Ａｌ、Ｎｉ／Ａｌ、Ａｌ、Ｎｉ等であり、上部にＡｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ti等からなる多層膜を追加してもよい。成膜方法は、蒸着、スパッタ、メッキ等でも構わない。
第２層４上の第３層７部分に、金属酸化物半導体膜（例えばＮｉＯのスパッタ）を形成し、フォトリソグラフィー技術とエッチング（例えば硝酸エッチング）を用いてゲート電極７を形成する。もしくはフォトリソグラフィー技術を用いたリフトオフ工程により、ゲート電極７を形成することもできる。金属酸化物半導体膜の膜厚は５０～５００ｎｍが好ましい。金属酸化物半導体膜の膜厚は１００～２００ｎｍがさらに好ましい。成膜方法は、酸素ガスを導入したスパッタ、酸素ガスを導入したパルスレーザー蒸着法、電子ビーム蒸着法などでも構わない。p型の金属酸化物半導体膜は、ＣｕＡｌＯ２、ＳｒＣｕ２Ｏ２等でも構わない。ゲート電極形成工程が簡単なため、歩留まりよく安定生産が容易な紫外線受光素子を実現することができる。
ＮｉＯを成膜するときは、ＲＦのマグネトロンスパッタ装置を使用し、ターゲット材料はＮｉＯを使用し、成膜圧力を０．３～０．５Ｐａ、導入ガスにＡｒとＯ２を使用する。導入ガスのＯ２分圧（例えば５％程度）を調整することにより、品質の高いｐ型ＮｉＯが得られ、非常に高感度な紫外線受光素子の特徴が得られる。ターゲット材料をＮｉとして反応性スパッタによるＮｉＯ成膜でも構わない。
ｐ型ＮｉＯは、酸素欠損によるアクセプタ準位の形成により、ｐ型伝導が得られるが、導入ガスのＯ２分圧を調整することにより、キャリア濃度と結晶品質を調整することができる。この他に、Ｌｉ、Ｃｕ、Ａｇ等をドーピングしてアクセプタ準位を形成する方法もある。この場合、ターゲット材料にドーピングしてもよく、ＬｉＯ、ＣｕＯ、ＡｇＯ等のターゲットとの併用による成膜でも構わない。
第３層７は金属酸化物半導体であり、バンドギャップ以上の波長の２００～３８０ｎｍの紫外線を吸収してキャリアが形成される。望ましくはバンドギャップ約３．３ｅＶ以上、カットオフ波長３８０ｎｍ以下の金属酸化物半導体で、最適はバンドギャップ約３．６ｅＶ、カットオフ波長３４４ｎｍのｐ型ＮｉＯである。
また第２層４と第３層７の間に１０ｎｍ以下のＮｉ等のメタル層を挿入してもよく、第２層４と第３層７の間にＳｉＯ２等の絶縁膜を挿入してもよい。
第３層７の上に紫外線を透過する膜厚で、Ｔｉ、Ｎｉ、ＩＴＯ等を形成してもよく、第３層７の上にＳｉＯ２、ＳｉＮ等の保護膜を形成してもよい。
第３層７のゲート電極のゲート長は０．００１～２０μｍが好ましい。
また第２層４と第３層７の間に１０ｎｍ以下のＮｉ等のメタル層を挿入してもよく、第２層４と第３層７の間にＳｉＯ２等の絶縁膜を挿入してもよい。
第３層７の上に紫外線を透過する膜厚で、Ｔｉ、Ｎｉ、ＩＴＯ等を形成してもよく、第３層７の上にＳｉＯ２、ＳｉＮ等の保護膜を形成してもよい。
第３層７のゲート電極のゲート長は０．００１～２０μｍが好ましい。
図７に示すように、第２層１１の部分に凹部を形成し、その上に第３層１４を形成したゲートリセス構造としても構わない。
この場合、第２層１１の積層膜厚は１０～３０ｎｍが好ましく、第３層１４の下部における第２層１１の膜厚（凹部の残り厚）は１～１５ｎｍが好ましく、１～８ｎｍがさらに好ましい。
凹部の段差加工は、フォトリソグラフィー技術とエッチング（例えば、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング）を用いることができる。
この場合、第２層１１の積層膜厚は１０～３０ｎｍが好ましく、第３層１４の下部における第２層１１の膜厚（凹部の残り厚）は１～１５ｎｍが好ましく、１～８ｎｍがさらに好ましい。
凹部の段差加工は、フォトリソグラフィー技術とエッチング（例えば、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング）を用いることができる。
本実施例１における動作機構について説明する。
図２に本発明の実施例１よる紫外線受光素子の暗状態における第３層７下部の空乏層１５の広がりを示す。図４に第３層７下部のエネルギーバンド図を示す。
暗状態において、第１層３と第２層４が接触する付近において、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）１６が生成されるが、ゲート電極である第３層７がｐ型金属酸化物半導体であるため、第３層７と第２層４が接触する場所において、第２層４と第１層３の一部が空乏化しており、この場所の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生じなくなる。そのためドレイン電極５とソース電極６に電圧を印加しても電流は流れない。
図２に本発明の実施例１よる紫外線受光素子の暗状態における第３層７下部の空乏層１５の広がりを示す。図４に第３層７下部のエネルギーバンド図を示す。
暗状態において、第１層３と第２層４が接触する付近において、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）１６が生成されるが、ゲート電極である第３層７がｐ型金属酸化物半導体であるため、第３層７と第２層４が接触する場所において、第２層４と第１層３の一部が空乏化しており、この場所の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生じなくなる。そのためドレイン電極５とソース電極６に電圧を印加しても電流は流れない。
図３に本発明の実施例１による紫外線受光素子のゲート電極である第３層７にバンドギャップ以上のエネルギーの波長が照射されたときのゲート電極下部の空乏層１７の広がりを示す。図５に第３層７下部のエネルギーバンド図を示す。
バンドギャップ以上のエネルギーの波長が照射されたとき第３層７のｐ型金属酸化物半導体に励起キャリアが生成される。その励起キャリアの生成により、バンド構造が変化し、第２層４と第１層３の一部の空乏層が縮退し、第３層７下部に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生じる。そのためドレイン電極５とソース電極６との間に電流が流れる。
バンドギャップ以上のエネルギーの波長が照射されたとき第３層７のｐ型金属酸化物半導体に励起キャリアが生成される。その励起キャリアの生成により、バンド構造が変化し、第２層４と第１層３の一部の空乏層が縮退し、第３層７下部に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生じる。そのためドレイン電極５とソース電極６との間に電流が流れる。
本実施例１において、第３層７のゲート電極にディープレベルが少ない高品質なｐ型金属酸化物半導体を用いること、またｐ型金属酸化物半導体がスパッタ等で成膜可能であるため、ウェハを高温にする必要がなく、第３層７と第２層４の界面において欠陥の少ない高品質な界面が実現できること、またｐ型金属酸化物半導体のキャリア濃度を１×１０１６ｃｍ－３以上のアクセプタ濃度とすることにより、ｐ型のＧａＮ系半導体をゲート電極に用いた構造と比較して、ゲート電極７下部の空乏層の広がりを大きくすることができる。これにより暗電流が1ｐＡ以下と非常に低い受光素子を実現できる。また前記のとおり、欠陥の少ないゲート電極７とすることで、ｐ型のＧａＮ系半導体をゲート電極に用いた構造より、紫外線照射によるゲート電極部の励起キャリア数も多くすることがでる。そのため非常に高感度に光を検知することが可能である。
表１に、実施例１のｐ型Ｎｉ０ゲート電極の紫外線受光素子の暗電流の値と、比較例として特許文献１に示されるｐ型ＧａＮゲート電極の受光素子の暗電流の値との比較を示す。
ｐ型ＧａＮゲート電極の紫外線受光素子の暗電流が１００ｐＡ程度であり、実施例１のｐ型Ｎｉ０ゲート電極の紫外線受光素子の暗電流が１ｐＡ程度であった。第３層７をｐ型ＮｉＯとしたときは暗電流を非常に低くすることが可能である。これにより、第３層７をｐ型ＮｉＯにしたときの方が、より微弱な光を検知することが可能である。
（表１）
ｐ型ＧａＮゲート電極の紫外線受光素子の暗電流が１００ｐＡ程度であり、実施例１のｐ型Ｎｉ０ゲート電極の紫外線受光素子の暗電流が１ｐＡ程度であった。第３層７をｐ型ＮｉＯとしたときは暗電流を非常に低くすることが可能である。これにより、第３層７をｐ型ＮｉＯにしたときの方が、より微弱な光を検知することが可能である。
（表１）
図６に、実施例１の型ｐＮｉ０のゲート電極の紫外線受光素子と、比較例として特許文献１に示されるｐ型ＧａＮのゲート電極の受光素子とにおいて、ゲート電極に入射する波長と感度（光電流）の関係を示す。ｐ型ＮｉＯのゲート電極の紫外線受光素子の方が２００～３６５ｎｍにおいてｐ型ＧａＮのゲート電極の受光素子よりも高い感度になっている。これは、前記のとおり、欠陥の少ないゲート電極構成を用いたことに起因する。
特に２００～２８０ｎｍのＵＶＣ領域においてｐ型ＧａＮよりも非常に高い感度になっている。これは、前記理由に追加して、ｐ型ＮｉＯのバンドギャップが約３．６ｅＶとｐ型ＧａＮの３．３９ｅＶよりも大きいこと、吸収係数の違いに起因していると考えられる。
特に２００～２８０ｎｍのＵＶＣ領域においてｐ型ＧａＮよりも非常に高い感度になっている。これは、前記理由に追加して、ｐ型ＮｉＯのバンドギャップが約３．６ｅＶとｐ型ＧａＮの３．３９ｅＶよりも大きいこと、吸収係数の違いに起因していると考えられる。
本発明の実施形態によれば、非常に微弱な光を高感度に検知できる紫外線受光素子を提供することができる。特に２００～２８０ｎｍのＵＶＣ領域において非常に微弱な光を高感度に検知できる紫外線受光素子を実現することができる。
１、８ 基板
２、９ バッファ層
３、１０ 第１層
４、１１ 第２層
５、１２ ドレイン電極
６、１３ ソース電極
７、１４ 第３層（ゲート電極）
１５ 空乏層
１６ ２次元電子ガス（２ＤＥＧ）
２、９ バッファ層
３、１０ 第１層
４、１１ 第２層
５、１２ ドレイン電極
６、１３ ソース電極
７、１４ 第３層（ゲート電極）
１５ 空乏層
１６ ２次元電子ガス（２ＤＥＧ）
Claims (4)
- 基板と、
前記基板上部に設けられ、化合物半導体によって構成された第１層と、
前記第１層上部に設けられ、化合物半導体によって構成された第２層と、
前記第２層上部に設けられ金属酸化膜によって構成されたｐ型のゲート電極とを備え、
暗電流が１pＡ以下と低いことを特徴とする紫外線受光素子。 - 前記ゲート電極は２００ｎｍ～３８０ｎｍの波長を吸収して前記ゲート電極の下部にキャリアが生成される金属酸化膜からなることを特徴とする請求項１に記載の紫外線受光素子。
- 前記金属酸化膜はＮｉＯ、ＣｕＡｌＯ２、ＳｒＣｕ２Ｏ２のいずれかの材料からなり、
前記ゲート電極の上部に紫外線を透過する膜厚であって、Ｔｉ、Ｎｉ、ＩＴＯ、ＳｉＯ２、ＳｉＮの膜を形成することを特徴とする請求項１又は２いずれか１項に記載の紫外線受光素子。 - 前記金属酸化膜が１×１０１６ｃｍ－３以上のアクセプタ濃度であることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の紫外線受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021166097A JP2023056719A (ja) | 2021-10-08 | 2021-10-08 | 紫外線受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021166097A JP2023056719A (ja) | 2021-10-08 | 2021-10-08 | 紫外線受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023056719A true JP2023056719A (ja) | 2023-04-20 |
Family
ID=86005160
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021166097A Pending JP2023056719A (ja) | 2021-10-08 | 2021-10-08 | 紫外線受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2023056719A (ja) |
-
2021
- 2021-10-08 JP JP2021166097A patent/JP2023056719A/ja active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
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