JP3373794B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体受光素子の
なかでもショットキー障壁型の素子の技術分野に属する
ものであり、なかでもＧａＮ系材料を用いた素子に関す
るものである。
なかでもショットキー障壁型の素子の技術分野に属する
ものであり、なかでもＧａＮ系材料を用いた素子に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】集積回路の高密度化に伴い、その微細な
回路パターンを形成するためのステッパー（縮小投影露
光装置）には、より高い解像度でより微細な描画を行な
う能力が要求されている。そのため、露光に用いられる
レーザー光は、青色光から紫外線の領域へと、短い波長
に移り変わっており、さらに、現在用いられている波長
２４８ｎｍ光（ＫｒＦエキシマレーザー装置）から、波
長１９３ｎｍ光（ＡｒＦエキシマレーザー装置）への切
り換えが検討されている。
回路パターンを形成するためのステッパー（縮小投影露
光装置）には、より高い解像度でより微細な描画を行な
う能力が要求されている。そのため、露光に用いられる
レーザー光は、青色光から紫外線の領域へと、短い波長
に移り変わっており、さらに、現在用いられている波長
２４８ｎｍ光（ＫｒＦエキシマレーザー装置）から、波
長１９３ｎｍ光（ＡｒＦエキシマレーザー装置）への切
り換えが検討されている。
【０００３】上記ステッパーによる露光では、レーザー
光の一部を受光素子で受け、出力の変動などをモニター
している。受光素子としてはフォトダイオード（ＰＤ）
が有用である。ＰＤにはＳｉ系半導体材料を用いたもの
があるが、レーザー光が、上記２４８ｎｍのような強烈
なエネルギーを持つ光になると、Ｓｉ系のＰＤでは劣化
が著しく、頻繁に新しいものと交換しなければならない
状況となっている。
光の一部を受光素子で受け、出力の変動などをモニター
している。受光素子としてはフォトダイオード（ＰＤ）
が有用である。ＰＤにはＳｉ系半導体材料を用いたもの
があるが、レーザー光が、上記２４８ｎｍのような強烈
なエネルギーを持つ光になると、Ｓｉ系のＰＤでは劣化
が著しく、頻繁に新しいものと交換しなければならない
状況となっている。
【０００４】一方、ＰＤには多くの受光原理に基づくも
のがあり、そのなかの１つにショットキー障壁型のＰＤ
がある。紫外線を受光対象とするショットキー障壁型の
ＰＤとしては、特開昭６１−９１９７７号公報に記載の
発明が挙げられる。このＰＤは、サファイア基板上に、
ＡｌＮバッファ層を介してＡｌＧａＮ層を成長させ、該
ＡｌＧａＮ層上に、ショットキー電極（ショットキー障
壁が形成されるように接合された電極）と、オーミック
電極とを設けてＰＤを構成している。
のがあり、そのなかの１つにショットキー障壁型のＰＤ
がある。紫外線を受光対象とするショットキー障壁型の
ＰＤとしては、特開昭６１−９１９７７号公報に記載の
発明が挙げられる。このＰＤは、サファイア基板上に、
ＡｌＮバッファ層を介してＡｌＧａＮ層を成長させ、該
ＡｌＧａＮ層上に、ショットキー電極（ショットキー障
壁が形成されるように接合された電極）と、オーミック
電極とを設けてＰＤを構成している。
【０００５】上記公報のＰＤは、図４（ｂ）に示すよう
に、受光対象とする光Ｌ３を基板側から入射させ、ショ
ットキー電極２０の直下の領域（半導体側に広がる空乏
層の部分）１０ｂに到達させて受光する構造である。半
導体層１０の上面１０ａには、オーミック電極３０も形
成されている。このＰＤが光を基板側から入射させるも
のであることは、ショットキー電極が受光面に対して大
面積を占有しており、光が基板側からしか入れない構造
となっていることから明らかである。また該公報自体に
も「光子が、透明のＡｌ2 Ｏ3 基板を通って、ショット
キー障壁下の空乏領域に入って来ると、電子−正孔の対
が作られる。」と明記されている。
に、受光対象とする光Ｌ３を基板側から入射させ、ショ
ットキー電極２０の直下の領域（半導体側に広がる空乏
層の部分）１０ｂに到達させて受光する構造である。半
導体層１０の上面１０ａには、オーミック電極３０も形
成されている。このＰＤが光を基板側から入射させるも
のであることは、ショットキー電極が受光面に対して大
面積を占有しており、光が基板側からしか入れない構造
となっていることから明らかである。また該公報自体に
も「光子が、透明のＡｌ2 Ｏ3 基板を通って、ショット
キー障壁下の空乏領域に入って来ると、電子−正孔の対
が作られる。」と明記されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記公報の
ＰＤには次のような問題点がある。 受光すべき光を、サファイア基板から厚いＡｌＧａＮ
層を通過させてショットキー電極の裏面に導き受光する
構成であるために、受光すべき光がＡｌＧａＮ層に吸収
され、感度が低下する。特に、受光すべき紫外線の波長
が短くなるにつれて、即ち、光のエネルギーが大きくな
りＡｌＧａＮのバンドギャップから離れるにつれて、Ａ
ｌＧａＮ層での光の吸収係数は急激に大きくなり、光が
ショットキー接合によって形成される空乏層の領域また
はその近傍に全く到達できない場合もある。 上記の理由によって、検出可能な光の波長域が、Ａ
ｌＧａＮのバンドギャップ近傍の狭い範囲に限られる。
即ち、有感の波長域が狭い。
ＰＤには次のような問題点がある。 受光すべき光を、サファイア基板から厚いＡｌＧａＮ
層を通過させてショットキー電極の裏面に導き受光する
構成であるために、受光すべき光がＡｌＧａＮ層に吸収
され、感度が低下する。特に、受光すべき紫外線の波長
が短くなるにつれて、即ち、光のエネルギーが大きくな
りＡｌＧａＮのバンドギャップから離れるにつれて、Ａ
ｌＧａＮ層での光の吸収係数は急激に大きくなり、光が
ショットキー接合によって形成される空乏層の領域また
はその近傍に全く到達できない場合もある。 上記の理由によって、検出可能な光の波長域が、Ａ
ｌＧａＮのバンドギャップ近傍の狭い範囲に限られる。
即ち、有感の波長域が狭い。
【０００７】本発明の目的は、新たな構成によって従来
より優れた感度を有し、紫外域の波長の光に対しても優
れた耐性を有するショットキー障壁型の半導体受光素子
を提供することである。
より優れた感度を有し、紫外域の波長の光に対しても優
れた耐性を有するショットキー障壁型の半導体受光素子
を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体受光素子
は、以下の特徴を有するものである。 （１）ショットキー障壁型の半導体受光素子であって、
第一導電型のＧａＮ系半導体からなる層を受光層として
有し、該受光層の両面のうち光を受ける側の面を受光面
とし、該受光面には不透明なショットキー電極が少なく
とも設けられ、該受光面のうち、ショットキー電極に覆
われている領域と、露出している領域との境界線の長さ
の合計が、受光面の外周の長さよりも長くなるように、
該ショットキー電極が設けられ、それによって、該ショ
ットキー電極の上面側から照射される光を検出し得る構
成とされていることを特徴とする半導体受光素子。
は、以下の特徴を有するものである。 （１）ショットキー障壁型の半導体受光素子であって、
第一導電型のＧａＮ系半導体からなる層を受光層として
有し、該受光層の両面のうち光を受ける側の面を受光面
とし、該受光面には不透明なショットキー電極が少なく
とも設けられ、該受光面のうち、ショットキー電極に覆
われている領域と、露出している領域との境界線の長さ
の合計が、受光面の外周の長さよりも長くなるように、
該ショットキー電極が設けられ、それによって、該ショ
ットキー電極の上面側から照射される光を検出し得る構
成とされていることを特徴とする半導体受光素子。
【０００９】（２）ショットキー電極が、帯状導体を組
み合わせてなる配線パターンとして形成されたものであ
る上記（１）記載の半導体受光素子。
み合わせてなる配線パターンとして形成されたものであ
る上記（１）記載の半導体受光素子。
【００１０】（３）上記帯状導体の帯の幅が、０．１μ
ｍ〜２０００μｍである上記（２）記載の半導体受光素
子。
ｍ〜２０００μｍである上記（２）記載の半導体受光素
子。
【００１１】（４）上記配線パターンが、クシ形のパタ
ーンである上記（２）記載の半導体受光素子。
ーンである上記（２）記載の半導体受光素子。
【００１２】（５）上記受光層が、結晶基板上に第一導
電型のＧａＮ系半導体からなる層を１層以上成長させて
なる積層体の最上層であって、オーミック電極が受光層
以外の層に設けられている上記（１）記載の半導体受光
素子。
電型のＧａＮ系半導体からなる層を１層以上成長させて
なる積層体の最上層であって、オーミック電極が受光層
以外の層に設けられている上記（１）記載の半導体受光
素子。
【００１３】（６）結晶基板が導電性を示す材料からな
る基板であって、オーミック電極が結晶基板に設けられ
ている上記（５）記載の半導体受光素子。
る基板であって、オーミック電極が結晶基板に設けられ
ている上記（５）記載の半導体受光素子。
【００１４】本発明でいう受光面とは、受光層の両面の
うち光を受ける側の面全面をいう。この受光面を部分的
に覆うようにショットキー電極が設けられる。以下、受
光面のうち、ショットキー電極に覆われている領域を
「電極領域」と呼び、露出している領域を「露出領域」
と呼んで説明する。
うち光を受ける側の面全面をいう。この受光面を部分的
に覆うようにショットキー電極が設けられる。以下、受
光面のうち、ショットキー電極に覆われている領域を
「電極領域」と呼び、露出している領域を「露出領域」
と呼んで説明する。
【００１５】
【作用】本発明の半導体受光素子（以下「受光素子」）
は、ショットキー障壁型のＰＤである。従って、ショッ
トキー電極だけでなく、これに対する他方の電極が受光
素子として機能し得るように設けられる。この他方の電
極はオーミック電極であることが好ましい。オーミック
電極については後述する。ショットキー障壁を用いた光
検出のメカニズム自体は、従来のショットキー障壁型の
ＰＤの場合と同様である。ｎ型の受光層について簡単に
説明すると、両電極間に逆方向のバイアス電圧をかけ
て、受光層からショットキー電極へ電子が流れ込み易く
しておき、受光層に光励起で発生した電子の流れを電流
として検出するものである。
は、ショットキー障壁型のＰＤである。従って、ショッ
トキー電極だけでなく、これに対する他方の電極が受光
素子として機能し得るように設けられる。この他方の電
極はオーミック電極であることが好ましい。オーミック
電極については後述する。ショットキー障壁を用いた光
検出のメカニズム自体は、従来のショットキー障壁型の
ＰＤの場合と同様である。ｎ型の受光層について簡単に
説明すると、両電極間に逆方向のバイアス電圧をかけ
て、受光層からショットキー電極へ電子が流れ込み易く
しておき、受光層に光励起で発生した電子の流れを電流
として検出するものである。
【００１６】本発明の重要な特徴は、図４（ａ）に示す
ように、空乏層１ｂが、ショットキー電極２の直下だけ
でなく、該電極の周囲に微量だけ広がってはみ出してい
ることに着目し、それを利用したことにある。電極周囲
に微量だけはみ出しているこの空乏層の部分（以下「空
乏層のはみ出し部分」）には、電極の上面側からも光Ｌ
１が入射することができる。また、ショットキー電極の
直下であっても電極の周縁付近には、光Ｌ２のように斜
め方向に入射する光も存在する。また、半導体中に入っ
た光も、回折作用によって電極下の空乏層との相互作用
を起こす。
ように、空乏層１ｂが、ショットキー電極２の直下だけ
でなく、該電極の周囲に微量だけ広がってはみ出してい
ることに着目し、それを利用したことにある。電極周囲
に微量だけはみ出しているこの空乏層の部分（以下「空
乏層のはみ出し部分」）には、電極の上面側からも光Ｌ
１が入射することができる。また、ショットキー電極の
直下であっても電極の周縁付近には、光Ｌ２のように斜
め方向に入射する光も存在する。また、半導体中に入っ
た光も、回折作用によって電極下の空乏層との相互作用
を起こす。
【００１７】本発明では、この空乏層のはみ出し部分
や、電極の周縁直下付近の空乏層部分を、より多く確保
することによって、これを積極的に受光検出に利用する
ものである。そのために、電極領域と露出領域との境界
線をより長くとることが重要である。本発明では、ショ
ットキー電極をより複雑な形状とすることによって、該
境界線の長さを受光面の外周の全長よりも長くし、電極
の上面側から照射される光を検出することを可能にして
いる。
や、電極の周縁直下付近の空乏層部分を、より多く確保
することによって、これを積極的に受光検出に利用する
ものである。そのために、電極領域と露出領域との境界
線をより長くとることが重要である。本発明では、ショ
ットキー電極をより複雑な形状とすることによって、該
境界線の長さを受光面の外周の全長よりも長くし、電極
の上面側から照射される光を検出することを可能にして
いる。
【００１８】これに対して、従来のショットキー障壁型
の受光素子は、上述の公報および図４（ｂ）に示すよう
に、受光すべき光Ｌ３を基板側から入射させ、ショット
キー電極２０の裏面側に形成される空乏層１０ｂの中央
部で受けるものである。即ち、従来のものは、ショット
キー電極の面積をより大きく取ることが重要である。従
来のショットキー電極にも、電極の周囲に微量だけ空乏
層部分が広がっているが、電極面積をより効率よく大き
く取ろうとするために、電極領域と露出領域との境界線
の長さは短くなり、長くとも受光面の外周長さとなって
いる。
の受光素子は、上述の公報および図４（ｂ）に示すよう
に、受光すべき光Ｌ３を基板側から入射させ、ショット
キー電極２０の裏面側に形成される空乏層１０ｂの中央
部で受けるものである。即ち、従来のものは、ショット
キー電極の面積をより大きく取ることが重要である。従
来のショットキー電極にも、電極の周囲に微量だけ空乏
層部分が広がっているが、電極面積をより効率よく大き
く取ろうとするために、電極領域と露出領域との境界線
の長さは短くなり、長くとも受光面の外周長さとなって
いる。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の受光素子は、図１に示す
ように、第一導電型のＧａＮ系半導体からなる層を受光
層１として有する。該受光層１の片側の面を受光面１ａ
として、該受光面１ａにはショットキー電極２が少なく
とも設けられる。このとき、被覆領域と露出領域との境
界線の長さの合計（図１（ａ）の例では、ショットキー
電極の外形線全体の総延長）を、受光面の外周よりも長
くなるように、ショットキー電極を形成する。図１中、
Ｌは検出すべき光である。
ように、第一導電型のＧａＮ系半導体からなる層を受光
層１として有する。該受光層１の片側の面を受光面１ａ
として、該受光面１ａにはショットキー電極２が少なく
とも設けられる。このとき、被覆領域と露出領域との境
界線の長さの合計（図１（ａ）の例では、ショットキー
電極の外形線全体の総延長）を、受光面の外周よりも長
くなるように、ショットキー電極を形成する。図１中、
Ｌは検出すべき光である。
【００２０】本発明でいうＧａＮ系半導体は、式ＩｎX
ＧａY ＡｌZ Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦
１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で決定される化合物半導体であ
る。
ＧａY ＡｌZ Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦
１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で決定される化合物半導体であ
る。
【００２１】受光層に用いられるＧａＮ系材料の導電型
は、第一導電型（即ち、ｐ型またはｎ型のいずれか）で
あればよいが、不純物濃度の制御性、電極形成の容易性
の点から、ｎ型とするのが好ましい。以下、全て、受光
層をｎ型とする態様を用いて本発明を説明する。
は、第一導電型（即ち、ｐ型またはｎ型のいずれか）で
あればよいが、不純物濃度の制御性、電極形成の容易性
の点から、ｎ型とするのが好ましい。以下、全て、受光
層をｎ型とする態様を用いて本発明を説明する。
【００２２】受光層に用いられるＧａＮ系材料は、検出
対象とする光の波長範囲のうちの長波長端の値で、その
最適組成は決定される。例えば、青色領域（４８０ｎ
ｍ付近）およびそれよりも短い波長域の光を対象とする
時にはＩｎＧａＮ、紫外線でも４００ｎｍ以下の短い
波長域の光を対象とする時にはＩｎ組成の少ないＩｎＧ
ａＮ、３６５ｎｍ以下の紫外線だけを対象とする時に
はＧａＮ、ＡｌＧａＮが選ばれる。
対象とする光の波長範囲のうちの長波長端の値で、その
最適組成は決定される。例えば、青色領域（４８０ｎ
ｍ付近）およびそれよりも短い波長域の光を対象とする
時にはＩｎＧａＮ、紫外線でも４００ｎｍ以下の短い
波長域の光を対象とする時にはＩｎ組成の少ないＩｎＧ
ａＮ、３６５ｎｍ以下の紫外線だけを対象とする時に
はＧａＮ、ＡｌＧａＮが選ばれる。
【００２３】ショットキー電極とは、金属と半導体との
接合によってショットキー障壁と呼ばれる電位障壁が生
じた状態の電極をいう。この電極は、例えば、Ｓ．Ｍ．
Ｓｚｅ著（南日康夫ら訳），“半導体デバイス”，産業
図書（初版第３刷）１６４頁に記載の、金属と半導体と
の接触部のエネルギーバンド図で特徴付けられる金属で
形成される。ショットキー障壁の高さｑφは、金属の仕
事関数φm と半導体の電子親和力χとの差であるから、
ｑφ＝ｑ（φm −χ）であり、φm の比較的大きな材料
が望まれる。
接合によってショットキー障壁と呼ばれる電位障壁が生
じた状態の電極をいう。この電極は、例えば、Ｓ．Ｍ．
Ｓｚｅ著（南日康夫ら訳），“半導体デバイス”，産業
図書（初版第３刷）１６４頁に記載の、金属と半導体と
の接触部のエネルギーバンド図で特徴付けられる金属で
形成される。ショットキー障壁の高さｑφは、金属の仕
事関数φm と半導体の電子親和力χとの差であるから、
ｑφ＝ｑ（φm −χ）であり、φm の比較的大きな材料
が望まれる。
【００２４】ショットキー電極の材料としては、Ａｕ、
Ｐｔ、ＴｉＷなどが挙げられる。また、これらの材料を
組み合わせて用いてもよい。
Ｐｔ、ＴｉＷなどが挙げられる。また、これらの材料を
組み合わせて用いてもよい。
【００２５】ショットキー電極を上面側から見たときの
該電極の形状は、上記作用の説明で述べたように、該電
極の上面側からの光だけでも受光を検出できる程度に、
長くなる形状であればよい。これを単純なモデルを挙げ
て次に説明する。
該電極の形状は、上記作用の説明で述べたように、該電
極の上面側からの光だけでも受光を検出できる程度に、
長くなる形状であればよい。これを単純なモデルを挙げ
て次に説明する。
【００２６】図２は、受光面を一辺ａの正方形とした場
合のショットキー電極の形状を示す図である。電極の形
状は、クシ歯の数が３本のクシ形の配線パターンであ
る。クシ形全体としての縦横の寸法を０．８ａ×０．８
ａとし、クシ形を構成している帯状導体の幅を０．２ａ
とすると、電極領域と露出領域との境界線の長さの合計
は５．６ａとなり、受光面の外周長さ４ａの１．４倍と
なる。図１のように、クシ歯の数を８本とし、帯状導体
（電極材料）の幅を０．１ａとすると、境界線の長さの
合計は約１３ａとなり、受光面の外周長さの約３倍とな
る。
合のショットキー電極の形状を示す図である。電極の形
状は、クシ歯の数が３本のクシ形の配線パターンであ
る。クシ形全体としての縦横の寸法を０．８ａ×０．８
ａとし、クシ形を構成している帯状導体の幅を０．２ａ
とすると、電極領域と露出領域との境界線の長さの合計
は５．６ａとなり、受光面の外周長さ４ａの１．４倍と
なる。図１のように、クシ歯の数を８本とし、帯状導体
（電極材料）の幅を０．１ａとすると、境界線の長さの
合計は約１３ａとなり、受光面の外周長さの約３倍とな
る。
【００２７】ショットキー電極の形状を、図１、図２に
示すようなクシ形の配線パターンとする場合、クシの歯
に相当する部分は、帯状導体が平行に並んだ縞状を呈す
ることになる。素子の規模や、配置環境（光の強度な
ど）にもよるが、クシの歯に相当する部分の帯状導体の
幅を、０．１μｍ〜２０００μｍとし、導体間の隙間の
幅を０．１μｍ〜１０００μｍとするのが好ましい。
示すようなクシ形の配線パターンとする場合、クシの歯
に相当する部分は、帯状導体が平行に並んだ縞状を呈す
ることになる。素子の規模や、配置環境（光の強度な
ど）にもよるが、クシの歯に相当する部分の帯状導体の
幅を、０．１μｍ〜２０００μｍとし、導体間の隙間の
幅を０．１μｍ〜１０００μｍとするのが好ましい。
【００２８】ショットキー電極の形状は、上記クシ形以
外にも、帯状導体を任意に組み合わせてなる配線パター
ンであってもよい。例えば、帯状導体が矩形波のように
蛇行するパターンや、格子状に交差するパターンなどが
挙げられる。帯状導体の帯の幅は、上記クシ形の場合と
同様、０．１μｍ〜２０００μｍとするのが好ましい。
また、上記のパターン以外にも、任意の形状の開口を露
出領域として有する態様であってもよい。開口の数が多
いほど、電極領域と露出領域との境界線の長さの合計は
増大する。
外にも、帯状導体を任意に組み合わせてなる配線パター
ンであってもよい。例えば、帯状導体が矩形波のように
蛇行するパターンや、格子状に交差するパターンなどが
挙げられる。帯状導体の帯の幅は、上記クシ形の場合と
同様、０．１μｍ〜２０００μｍとするのが好ましい。
また、上記のパターン以外にも、任意の形状の開口を露
出領域として有する態様であってもよい。開口の数が多
いほど、電極領域と露出領域との境界線の長さの合計は
増大する。
【００２９】本発明による受光素子は、一般的な半導体
発光素子と同様、結晶基板上にＧａＮ系材料の層を結晶
成長させてなる積層体として構成されるのが好ましい。
その場合、受光層は積層体の最上層に位置する。この積
層体の構造、およびショットキー電極とオーミック電極
との位置関係を図３に例示する。
発光素子と同様、結晶基板上にＧａＮ系材料の層を結晶
成長させてなる積層体として構成されるのが好ましい。
その場合、受光層は積層体の最上層に位置する。この積
層体の構造、およびショットキー電極とオーミック電極
との位置関係を図３に例示する。
【００３０】図３（ａ）の例では、結晶基板Ｂ１上に、
バッファ層Ｂ２を介してｎ型ＧａＮ系結晶からなる受光
層１を成長させており、オーミック電極はショットキー
電極と同じ受光面に設けられている。図３（ｂ）の例で
は、オーミック電極を設けるためのｎ型ＧａＮ系結晶層
４が受光層とは別に設けられている。このような態様
は、ショットキー電極、オーミック電極の各々に適した
キャリア濃度を別々に設定することが容易であるため
に、好ましい態様である。オーミック電極は層４の上面
に設けられるが、平面的な配置パターンとしては受光層
の周囲を全周取り巻くように設けてもよい。図３（ｃ）
の例では、結晶基板が導電性を示す材料からなる基板で
あって、オーミック電極が結晶基板に設けられた例であ
る。
バッファ層Ｂ２を介してｎ型ＧａＮ系結晶からなる受光
層１を成長させており、オーミック電極はショットキー
電極と同じ受光面に設けられている。図３（ｂ）の例で
は、オーミック電極を設けるためのｎ型ＧａＮ系結晶層
４が受光層とは別に設けられている。このような態様
は、ショットキー電極、オーミック電極の各々に適した
キャリア濃度を別々に設定することが容易であるため
に、好ましい態様である。オーミック電極は層４の上面
に設けられるが、平面的な配置パターンとしては受光層
の周囲を全周取り巻くように設けてもよい。図３（ｃ）
の例では、結晶基板が導電性を示す材料からなる基板で
あって、オーミック電極が結晶基板に設けられた例であ
る。
【００３１】オーミック電極とは、金属−半導体の接触
が整流特性を示さず（印加する電圧の向きにかかわらず
に）、接触抵抗がほとんど無視できる状態のものであっ
て、例えば、Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ著（南日康夫ら訳），“半
導体デバイス”，産業図書（初版第３刷、１６３頁、１
７４頁）の記載が参照される。高濃度にドーピングされ
た半導体と金属との接触は、形成される空乏層幅が著し
く狭まり、トンネル電流が流れやすくなるために、オー
ミック性になり易い。
が整流特性を示さず（印加する電圧の向きにかかわらず
に）、接触抵抗がほとんど無視できる状態のものであっ
て、例えば、Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ著（南日康夫ら訳），“半
導体デバイス”，産業図書（初版第３刷、１６３頁、１
７４頁）の記載が参照される。高濃度にドーピングされ
た半導体と金属との接触は、形成される空乏層幅が著し
く狭まり、トンネル電流が流れやすくなるために、オー
ミック性になり易い。
【００３２】オーミック電極の材料としては、Ａｌ／Ｔ
ｉ、Ａｕ／Ｔｉ、Ｔｉなどが挙げられる。また、これら
の材料を組み合わせて用いてもよい。また、ショットキ
ー電極側が逆バイアスになるように電圧が印加されるの
で、オーミック電極側がショットキー障壁を持っていて
も大きな問題にはならない。このことは、両電極をショ
ットキー電極で形成していても、受光面の電極に逆バイ
アスの電圧を印加して使う場合、もう一方の電極には順
バイアス状態になり、結果、オーミック電極と同等の働
きをすることを意味している。
ｉ、Ａｕ／Ｔｉ、Ｔｉなどが挙げられる。また、これら
の材料を組み合わせて用いてもよい。また、ショットキ
ー電極側が逆バイアスになるように電圧が印加されるの
で、オーミック電極側がショットキー障壁を持っていて
も大きな問題にはならない。このことは、両電極をショ
ットキー電極で形成していても、受光面の電極に逆バイ
アスの電圧を印加して使う場合、もう一方の電極には順
バイアス状態になり、結果、オーミック電極と同等の働
きをすることを意味している。
【００３３】結晶基板は、ＧａＮ系半導体が結晶成長可
能なものであればよく、サファイア、水晶、ＳｉＣ等
や、ＧａＮ系結晶が挙げられる。結晶基板を絶縁体とす
るならば、サファイアのＣ面、Ａ面、特にＣ面サファイ
ア基板が好ましい。また、結晶基板が導電性を必要とす
るならば、６Ｈ−ＳｉＣ基板や、ＧａＮ系結晶が好まし
い。また、図３（ａ）のように、サファイア結晶基板な
どの表面に、ＧａＮ系結晶との格子定数や熱膨張係数の
違いを緩和するためのＺｎＯ、ＭｇＯやＡｌＮ等のバッ
ファ層を設けたものを基板とみなしても良く、さらにそ
の上にＧａＮ系結晶の薄膜を有するものでもよい。
能なものであればよく、サファイア、水晶、ＳｉＣ等
や、ＧａＮ系結晶が挙げられる。結晶基板を絶縁体とす
るならば、サファイアのＣ面、Ａ面、特にＣ面サファイ
ア基板が好ましい。また、結晶基板が導電性を必要とす
るならば、６Ｈ−ＳｉＣ基板や、ＧａＮ系結晶が好まし
い。また、図３（ａ）のように、サファイア結晶基板な
どの表面に、ＧａＮ系結晶との格子定数や熱膨張係数の
違いを緩和するためのＺｎＯ、ＭｇＯやＡｌＮ等のバッ
ファ層を設けたものを基板とみなしても良く、さらにそ
の上にＧａＮ系結晶の薄膜を有するものでもよい。
【００３４】本発明の受光素子が受光の対象とする光
は、受光層に用いられるＧａＮ系材料にもよるが、青色
から紫外線・Ｘ線に至る短い波長の光を対象とすると
き、本発明の有用性は顕著となる。特に、ＫｒＦエキシ
マレーザー装置から発せられる波長２４８ｎｍの光や、
ＡｒＦエキシマレーザー装置から発せられる波長１９３
ｎｍの光など、短い波長の紫外線は、強烈なエネルギー
を持つ光であるがために問題が多い。このような短い波
長の紫外線の受光に、ＧａＮ系半導体を用いることによ
って、耐紫外線性の改善された優れた受光素子が得られ
る。
は、受光層に用いられるＧａＮ系材料にもよるが、青色
から紫外線・Ｘ線に至る短い波長の光を対象とすると
き、本発明の有用性は顕著となる。特に、ＫｒＦエキシ
マレーザー装置から発せられる波長２４８ｎｍの光や、
ＡｒＦエキシマレーザー装置から発せられる波長１９３
ｎｍの光など、短い波長の紫外線は、強烈なエネルギー
を持つ光であるがために問題が多い。このような短い波
長の紫外線の受光に、ＧａＮ系半導体を用いることによ
って、耐紫外線性の改善された優れた受光素子が得られ
る。
【００３５】
【実施例】実施例１
本実施例は、受光面に設けるショットキー電極の形状を
クシ形の配線パターンとし、ショットキー電極とオーミ
ック電極とを共に受光面上に設けた場合の例である。図
３（ａ）に示すように、Ｃ面サファイア基板Ｂ１上に、
ＧａＮバッファ層Ｂ２を介してｎ型ＡｌＧａＮ層（受光
層）１を成長させた。ＡｌＧａＮ層は、バンドギャップ
が約３．６７ｅＶとなる組成比であり、厚さ３μｍ、受
光面の外周形状は５ｍｍ×５ｍｍの正方形、キャリア濃
度は１×１０17ｃｍ-3である。
クシ形の配線パターンとし、ショットキー電極とオーミ
ック電極とを共に受光面上に設けた場合の例である。図
３（ａ）に示すように、Ｃ面サファイア基板Ｂ１上に、
ＧａＮバッファ層Ｂ２を介してｎ型ＡｌＧａＮ層（受光
層）１を成長させた。ＡｌＧａＮ層は、バンドギャップ
が約３．６７ｅＶとなる組成比であり、厚さ３μｍ、受
光面の外周形状は５ｍｍ×５ｍｍの正方形、キャリア濃
度は１×１０17ｃｍ-3である。
【００３６】受光面の正方形のうち、５ｍｍ×４８４０
μｍの方形領域内にくし形のパターンのショットキー電
極を設け、残る領域内に方形のオーミック電極を設けて
対向させた。ショットキー電極は、厚さ５００ｎｍのＡ
ｕからなり、歯の数が５００本のクシ形のパターンとし
た。このとき電極領域と露出領域との境界線の長さの合
計は、受光面の外周の約２３０倍であった。オーミック
電極は、受光面上にＴｉ層、Ａｌ層の順に形成した。
μｍの方形領域内にくし形のパターンのショットキー電
極を設け、残る領域内に方形のオーミック電極を設けて
対向させた。ショットキー電極は、厚さ５００ｎｍのＡ
ｕからなり、歯の数が５００本のクシ形のパターンとし
た。このとき電極領域と露出領域との境界線の長さの合
計は、受光面の外周の約２３０倍であった。オーミック
電極は、受光面上にＴｉ層、Ａｌ層の順に形成した。
【００３７】両電極間に５Ｖの逆方向バイアスをかけた
状態で、受光面に対して垂直な方向から種々の波長の光
を照射し、受光の性能を調べたところ、約３４０ｎｍ以
下の紫外線に対して感度があることがわかった。３４０
ｎｍ以下の波長域については、従来のように基板側から
光を入射させていた場合に問題となるＡｌＧａＮの光吸
収特性が、本発明では逆にそのまま受光感度に寄与する
ことになるので、フラットな特性となった。また、３４
０ｎｍよりも長い波長域については、光を吸収しないた
め、素子の温度が上がることも少なく、全く感度がなか
った。
状態で、受光面に対して垂直な方向から種々の波長の光
を照射し、受光の性能を調べたところ、約３４０ｎｍ以
下の紫外線に対して感度があることがわかった。３４０
ｎｍ以下の波長域については、従来のように基板側から
光を入射させていた場合に問題となるＡｌＧａＮの光吸
収特性が、本発明では逆にそのまま受光感度に寄与する
ことになるので、フラットな特性となった。また、３４
０ｎｍよりも長い波長域については、光を吸収しないた
め、素子の温度が上がることも少なく、全く感度がなか
った。
【００３８】実施例２
本実施例では、ショットキー電極の形状をクシ形の配線
パターンとし、オーミック電極をｎ型半導体からなる結
晶基板に設けた。図３（ｃ）に示すように、ｎ型ＧａＮ
結晶基板Ｂ１上に、ｎ型ＩｎＧａＮ層（受光層）１を成
長させた。ＩｎＧａＮ層は、バンドギャップが約２．９
３ｅＶとなる組成比であり、厚さ５μｍ、受光面の外周
形状は１ｍｍ×１ｍｍの正方形、キャリア濃度は１×１
０18ｃｍ-3である。
パターンとし、オーミック電極をｎ型半導体からなる結
晶基板に設けた。図３（ｃ）に示すように、ｎ型ＧａＮ
結晶基板Ｂ１上に、ｎ型ＩｎＧａＮ層（受光層）１を成
長させた。ＩｎＧａＮ層は、バンドギャップが約２．９
３ｅＶとなる組成比であり、厚さ５μｍ、受光面の外周
形状は１ｍｍ×１ｍｍの正方形、キャリア濃度は１×１
０18ｃｍ-3である。
【００３９】ショットキー電極は、厚さ２０ｎｍのＡｕ
からなり、歯の数が２００本のクシ形のパターンであっ
て、電極領域と露出領域との境界線の長さの合計は、受
光面の外周の約８６倍であった。オーミック電極は、ｎ
型ＧａＮ結晶基板Ｂ１の裏面にＴｉ層、Ａｌ層の順に形
成した。
からなり、歯の数が２００本のクシ形のパターンであっ
て、電極領域と露出領域との境界線の長さの合計は、受
光面の外周の約８６倍であった。オーミック電極は、ｎ
型ＧａＮ結晶基板Ｂ１の裏面にＴｉ層、Ａｌ層の順に形
成した。
【００４０】両電極間に３Ｖの逆方向バイアスをかけた
状態で、実施例１と同様に受光の性能を調べたところ、
約４２５ｎｍ以下の紫外線に対して感度があることがわ
かった。４２５ｎｍ以下の波長域については、実施例１
と同様、フラットな特性であり、また、４２５ｎｍより
も長い波長域についても、全く感度がなかった。
状態で、実施例１と同様に受光の性能を調べたところ、
約４２５ｎｍ以下の紫外線に対して感度があることがわ
かった。４２５ｎｍ以下の波長域については、実施例１
と同様、フラットな特性であり、また、４２５ｎｍより
も長い波長域についても、全く感度がなかった。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の受光素子
は、ＧａＮ系材料を用いているために紫外線に対して優
れた耐性を有する。また、ショットキー障壁型のＰＤで
あり不透明な電極を用いたものでありながら、ショット
キー電極の上面側からの光を受光する構造である。この
ため、受光すべき光は、ＧａＮ系材料からなる層を通過
することなく、また電極側からの入射でありながら直接
的に空乏層に入射することができる。これによって、青
色〜紫外域の波長の光に対しても優れた感度を有するも
のとなり、特に、波長が短くなっても感度が減少するこ
とがない。
は、ＧａＮ系材料を用いているために紫外線に対して優
れた耐性を有する。また、ショットキー障壁型のＰＤで
あり不透明な電極を用いたものでありながら、ショット
キー電極の上面側からの光を受光する構造である。この
ため、受光すべき光は、ＧａＮ系材料からなる層を通過
することなく、また電極側からの入射でありながら直接
的に空乏層に入射することができる。これによって、青
色〜紫外域の波長の光に対しても優れた感度を有するも
のとなり、特に、波長が短くなっても感度が減少するこ
とがない。
【図１】本発明による受光素子の一例を示す図である。
図１（ａ）は受光面を示す図であり、図１（ｂ）は図１
（ａ）のＸ−Ｘ断面を部分的に示す端面図である。ハッ
チングは、電極を識別するために施している。
図１（ａ）は受光面を示す図であり、図１（ｂ）は図１
（ａ）のＸ−Ｘ断面を部分的に示す端面図である。ハッ
チングは、電極を識別するために施している。
【図２】本発明の受光素子における、受光面とショット
キー電極との形状の関係を示す図である。
キー電極との形状の関係を示す図である。
【図３】本発明の受光素子の構造例を示す図である。図
１（ａ）の切断線Ｘ−Ｘと同様の位置で、受光素子を切
断したときの端面図である。ハッチングは、電極を識別
するために施している。
１（ａ）の切断線Ｘ−Ｘと同様の位置で、受光素子を切
断したときの端面図である。ハッチングは、電極を識別
するために施している。
【図４】ショットキー障壁の空乏層と光の入射に関し
て、本発明と従来例とを比較する図である。
て、本発明と従来例とを比較する図である。
１ 受光層
１ａ 受光面
２ ショットキー電極
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 大内 洋一郎
兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地 三菱電
線工業株式会社 伊丹製作所内
(72)発明者 湖東 雅弘
兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地 三菱電
線工業株式会社 伊丹製作所内
(72)発明者 平松 和政
三重県四日市市芝田１丁目４番22号
(72)発明者 濱村 寛
神奈川県相模原市麻溝台１丁目10番１号
株式会社ニコン 相模原製作所内
(72)発明者 清水 澄人
東京都品川区西大井１丁目６番３号 株
式会社ニコン 大井製作所内
(56)参考文献 特開 昭61−91977（ＪＰ，Ａ)
米国特許5451769（ＵＳ，Ａ)
Ｌｉｍ ｅｔ ａｌ．，８ Ｘ ８
ＧａＮ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉ
ｅｒ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ａｒｒａ
ｙ ｆｏｒ ｖｉｓｉｂｌｅ−ｂｌｉｎ
ｄ ｉｍａｇｉｎｇ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，27 Ｍａｒｃ
ｈ 1997，ｖｏｌ．33，Ｎｏ．７，ｐ.
633−634
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 31/ - 31/119
Claims (6)
- 【請求項１】 ショットキー障壁型の半導体受光素子で
あって、第一導電型のＧａＮ系半導体からなる層を受光
層として有し、該受光層の両面のうち光を受ける側の面
を受光面とし、該受光面には不透明なショットキー電極
が少なくとも設けられ、 該受光面のうち、ショットキー電極に覆われている領域
と、露出している領域との境界線の長さの合計が、受光
面の外周の長さよりも長くなるように、該ショットキー
電極が設けられ、それによって、該ショットキー電極の
上面側から照射される光を検出し得る構成とされている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 【請求項２】 ショットキー電極が、帯状導体を組み合
わせてなる配線パターンとして形成されたものである請
求項１記載の半導体受光素子。 - 【請求項３】 上記帯状導体の帯の幅が、０．１μｍ〜
２０００μｍである請求項２記載の半導体受光素子。 - 【請求項４】 上記配線パターンが、クシ形のパターン
である請求項２記載の半導体受光素子。 - 【請求項５】 上記受光層が、結晶基板上に第一導電型
のＧａＮ系半導体からなる層を１層以上成長させてなる
積層体の最上層であって、オーミック電極が受光層以外
の層に設けられている請求項１記載の半導体受光素子。 - 【請求項６】 結晶基板が導電性を示す材料からなる基
板であって、オーミック電極が結晶基板に設けられてい
る請求項５記載の半導体受光素子。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26550698A JP3373794B2 (ja) | 1998-09-18 | 1998-09-18 | 半導体受光素子 |
| US09/787,502 US6734515B1 (en) | 1998-09-18 | 1999-09-13 | Semiconductor light receiving element |
| PCT/JP1999/004993 WO2000017941A1 (fr) | 1998-09-18 | 1999-09-13 | Photodetecteur a semi-conducteur |
| KR1020017003491A KR20010079856A (ko) | 1998-09-18 | 1999-09-13 | 반도체 수광소자 |
| EP99943316A EP1115161A4 (en) | 1998-09-18 | 1999-09-13 | SEMICONDUCTOR PHOTODETECTOR |
| TW088115885A TW445655B (en) | 1998-09-18 | 1999-09-15 | Semiconductor light receiving device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26550698A JP3373794B2 (ja) | 1998-09-18 | 1998-09-18 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000101130A JP2000101130A (ja) | 2000-04-07 |
| JP3373794B2 true JP3373794B2 (ja) | 2003-02-04 |
Family
ID=17418120
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26550698A Expired - Fee Related JP3373794B2 (ja) | 1998-09-18 | 1998-09-18 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3373794B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1393352B1 (en) | 2001-05-28 | 2012-08-01 | Showa Denko K.K. | Semiconductor device, semiconductor layer and production method thereof |
| JP2007123587A (ja) * | 2005-10-28 | 2007-05-17 | Doshisha | 受光素子 |
| US8558339B1 (en) | 2013-03-01 | 2013-10-15 | Mitsubishi Electric Corporation | Photo diode array |
| JP7288710B1 (ja) * | 2022-03-30 | 2023-06-08 | 国立大学法人東北大学 | 光電変換素子および光電変換デバイス |
-
1998
- 1998-09-18 JP JP26550698A patent/JP3373794B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｌｉｍ ｅｔ ａｌ．，８ Ｘ ８ ＧａＮ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅｒ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｖｉｓｉｂｌｅ−ｂｌｉｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２７ Ｍａｒｃｈ １９９７，ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．７，ｐ．６３３−６３４ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000101130A (ja) | 2000-04-07 |
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