JP3894790B2

JP3894790B2 - 紫外線受光素子

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Publication number: JP3894790B2
Application number: JP2001397109A
Authority: JP
Inventors: 光平野; 智上山; 浩天野; 勇赤崎
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP2003197946A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はｎ型半導体層上に形成される電極材料にＺｒＢ₂を使用した紫外線受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、紫外域で受光（感光）特性を示す材料であるＧａＮ系半導体を使用した紫外線受光素子が作製されている。紫外線受光素子の基本的な構造としては、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる受光領域を備えたデバイス構造を形成し、その受光領域のアルミニウム組成比ｘを調整することでＡｌ_xＧａ_1-xＮのバンドギャップエネルギ（カットオフ波長）を調整するものである。そして、受光領域を挟んで設けられた一対の電極に対して電界を印加することで、受光領域において発生した光キャリアを光電流として検出していた。しかし、紫外線受光素子を性能の良い火炎センサとして使用するためには、以下に説明するような３点の要求を満たすことが必須である。
【０００３】
まず第１に、火炎センサとして、検出対象波長範囲外における欠陥準位による感度を低減し、微弱な火炎の光のみを選択的に検出する必要性から、結晶品質の良好なＡｌＧａＮ層を受光領域として用いて、欠陥準位の少ない検出対象波長範囲における感度と、検出対象波長範囲外における感度との間の感度差を十分に確保することが求められる。また、三元混晶化合物であるＡｌＧａＮに含まれる二元化合物のＧａＮによる光吸収に起因する感度がカットオフ波長の長波長側である波長約３６０ｎｍ付近に現われることで、上記感度差を確保することが困難になるという問題についても解決する必要がある。ここで、感度（単位はＡ／Ｗ）とは、紫外線受光素子に照射される光強度（Ｗ）に対して、どれだけの光電流（Ａ）が発生したかを示すものであり、同じ強度の光を照射した場合、発生する光電流が大きいほど感度が高いと言える。
【０００４】
第２に、火炎の光を感度良く検出する必要があるという課題に関連して、欠陥密度が低く結晶品質の良好なＡｌＧａＮ層を得ることで、紫外線受光素子に発生する暗電流を非常に低いレベルにまで低減することが求められる。これは、暗電流が大きいと、火炎の光を吸収して発生した光電流が暗電流に埋もれてしまう恐れがあるからである。また、暗電流が大きいと、印加されるバイアス電圧が大きくなるとともに暗電流も大きくなるという問題が生じ、結果的に小さいバイアス電圧しか印加することができないという問題にも至る。
【０００５】
第３には、同じく火炎の光を感度良く検出する必要があるという課題に関連して、光キャリアを発生させる受光領域には、できるだけ大きい強度の光を入射させることが求められる。従って、受光領域よりも光入射面側には、光吸収や光散乱などによる光損失が極めて小さい半導体層、つまりバンドギャップエネルギが大きく、且つ欠陥密度が低く結晶品質の良好な半導体層を設けることが必要となる。
【０００６】
以上のような３つの条件が満たされた時、紫外線受光素子を火炎センサとして使用する上での問題点が解消される。例えば、従来の火炎センサ（紫外線受光素子）では、サファイア基板上に、低温堆積されたＡｌＮ層と、ＧａＮの結晶改善層と、低温堆積されたＡｌＮ層とを順次堆積させてなる下地構造を形成し、その下地構造上にＡｌＧａＮからなるショットキーダイオード型、ＰＮ型、ＰＩＮ型などのデバイス構造が堆積され、大面積の受光領域が確保された素子構造が採用されていた。ここで、上記下地構造の役割は、サファイア基板の結晶成長面の格子間隔とＡｌＧａＮの格子間隔との間の格子不整合を緩和させ、欠陥密度が低く結晶品質の良好なＡｌＧａＮ層（デバイス構造）を作製することにある。そして、結晶品質の良好なＡｌＧａＮ層を得ることで、上述の３つの問題点を解決しようとしていた。
【０００７】
例えば、デバイス構造の最下層に配置されたｐ型ＡｌＧａＮ層に対してオーミックな特性となるｐ電極を形成する場合、下地構造上に順次堆積されたｐ型ＧａＮ層（コンタクト層）、ｐ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮ層などで構成されるデバイス構造を部分的に、そのｐ型ＧａＮ層が露出するように上記ｎ型半導体層側からエッチングして、ｐ型ＧａＮ層の表面が露出した時点でエッチングを停止させ、その露出されたｐ型ＧａＮ表面にｐ電極となる金属を堆積させることを行う必要がある。
【０００８】
しかし、ｐ型ＧａＮ層が薄く形成されている場合には、ｐ型ＧａＮ層の表面が露出するようにデバイス構造のエッチングを制御することが非常に困難であるため、ｐ型ＧａＮ層を厚く堆積させる必要がある。それに対して、ｐ型ＧａＮ層（コンタクト層）を厚く堆積させた場合、下地構造の表面に現れていた良好な格子間隔はそのｐ型ＧａＮ層表面には保存されず、ｐ型ＡｌＧａＮ層が堆積されるべきｐ型ＧａＮ層表面には格子間隔の乱れが生じてしまう。その結果、結晶品質の良好なｐ型ＡｌＧａＮ層が得られなくなる。以上のように、下地構造のすぐ上層（デバイス構造の最下層）にｐ型ＡｌＧａＮ層を堆積させる構造をとること自体が不可能であった。従って、下地構造上には、即ちデバイス構造の最下層にはｎ型半導体層を形成せざるを得ない。
【０００９】
ここで、ショットキーダイオード型、ＰＮ型、またはＰＩＮ型などのデバイス構造を備えた紫外線受光素子を作製する場合、以上のようにデバイス構造の最下層にはｎ型半導体層が形成されることから、そのｎ型半導体層上にオーミック電極が設けられる構造が採られるが、その際、ｎ型半導体層の組成には制約が存在する。
【００１０】
例えば、太陽光に対して感度を有さないよう波長約２８０ｎｍ付近にカットオフ波長を設定するために、ｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ層とｉ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ層とを順次積層してなるデバイス構造（ショットキーダイオード型）を作製する場合、ｉ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ層上にショットキー電極（正極）を設け、ｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ層上にオーミック電極が設けられた構成が採られる。
【００１１】
しかし、Ａｌ_xＧａ_1-xＮのアルミニウム組成比ｘが高い場合には、負極とｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ層との間の電気的な特性がオーミックにならないという問題があった。そのため、電極が形成されるｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層のアルミニウム組成比ｘが、オーミック接触を形成することができる臨界値以下である０．２以下であるコンタクト層を新たに設けることで、まずは電極とコンタクト層との間の電気的な特性をオーミックなものとし、その結果として電極とｎ型ＡｌＧａＮ層との界面の電気的な特性をオーミックなものとしていた。上述の例では、ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層（コンタクト層）と、ｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ層と、ｉ−ＡｌＧａＮ層とを順次積層したデバイス構造を形成し、アルミニウム組成比の低いｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層（コンタクト層）に対してオーミック接触となる負極を形成していた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コンタクト層のアルミニウム組成比は、受光領域を形成するｉ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ層よりも小さいことからそのバンドギャップエネルギも小さくなり、受光領域で吸収される光よりも低エネルギ側の光（長波長側の光）を吸収して、検出対象波長範囲以外の光（この場合は太陽光）に対しても感度を有するという問題が生じる。つまり、紫外線受光素子の感度に、コンタクト層（上述の場合はｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層）による光吸収を起源とする感度が含まれるため、極めて微弱な光を検出対象波長範囲を選択して受光する必要がある火炎センサとして紫外線受光素子を使用するのに適さないという問題が生じる。
【００１３】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ｎ型半導体層に対するオーミック電極のコンタクト層が不要な素子構造を有する紫外線受光素子を提供する点にある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載の如く、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるｎ型半導体層を少なくとも有するデバイス構造と、前記デバイス構造の所定部位に設けられた一対の電極とを備えてなり、前記デバイス構造中の単数または複数の半導体層によって受光領域が形成されてなる紫外線受光素子であって、前記ｎ型半導体層上に設けられた前記電極の１つがＺｒＢ₂を含んで構成されたオーミック電極である点にある。ここで、電極と半導体との間の電気的な特性がオーミックな状態にある場合の電極をオーミック電極と呼び、擬似的なオーミック電極も含まれる。
【００１５】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項２に記載の如く、上記第一の特徴構成に加えて、前記受光領域の形成に係るＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上である点にある。
【００１６】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項３に記載の如く、上記第二の特徴構成に加えて、前記受光領域の形成に係るＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギが４．０ｅＶ以下である点にある。
【００１７】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第四の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項４に記載の如く、上記第二の特徴構成に加えて、前記受光領域の形成に係るＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上である点にある。
【００１８】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第五の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項５に記載の如く、上記第四の特徴構成に加えて、前記ｎ型半導体層のアルミニウム組成比ｘが０．２５以上である点にある。
【００１９】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第六の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項６に記載の如く、上記第四または第五の特徴構成に加えて、前記受光領域の形成に係るＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上である点にある。
【００２０】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第七の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項７に記載の如く、上記第六の特徴構成に加えて、前記ｎ型半導体層のアルミニウム組成比ｘが０．３５以上である点にある。
【００２１】
上記課題を解決するための本発明に係る紫外線受光素子の第八の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項８に記載の如く、上記第一から第七の特徴構成に加えて、前記ＺｒＢ₂がＺｒ源とＢ源とを使用したＭＯＣＶＤ法により作製される点にある。
【００２２】
以下に作用並びに効果を説明する。
本発明に係る紫外線受光素子の第一の特徴構成によれば、ｎ型半導体層上に設けられる電極がＺｒＢ₂を含んで構成されることで、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるｎ型半導体層のアルミニウム組成比ｘに関係なく、そのｎ型半導体層と電極との間の電気的な特性をオーミックなものとすることができる。従って、アルミニウム組成比を小さくしたコンタクト層が不要であり、コンタクト層において、受光領域で吸収される光よりも低エネルギ側の光（長波長側の光）を吸収してしまい、受光領域が吸収する検出対象波長範囲以外の光（太陽光や各種照明機器からの室内光）に対しても感度を有するという従来の問題を回避することができる。
【００２３】
以上のように、紫外線受光素子における感度が、受光領域による光吸収を起源とするものだけに限定されるので、検出対象波長範囲における感度と、検出対象波長範囲外における感度との間の感度差を十分に確保することができる。更に、紫外線受光素子に照射される光を吸収し、散乱させるという光損失をもたらすコンタクト層が不要になることから、受光領域に対して大きな強度の光が入射されることを確実にできる。その結果、微弱な光を感度良く検出することのできる紫外線受光素子が提供される。特に、微弱な光を感度良く検出することが求められる火炎センサとしての使用に適した紫外線受光素子を提供することができる。
【００２４】
本発明に係る紫外線受光素子の第二の特徴構成によれば、上記受光領域において３．６ｅＶ以上のエネルギを有する光が吸収されることで、波長約３４４ｎｍ（３．６ｅＶ）以下の波長の光、即ち、波長約３４４ｎｍ以下の波長域に比較的大きい強度で現れる火炎の光を上記受光領域によって選択的に検出することができる紫外線受光素子を得ることができる。
【００２５】
本発明に係る紫外線受光素子の第三の特徴構成によれば、上記受光領域において３．６ｅＶ以上４．０ｅＶ以下のエネルギを有する光が吸収されることで、波長約３１０ｎｍ（４．０ｅＶ）〜３４４ｎｍ（３．６ｅＶ）の範囲の波長の光、即ち、火炎の光の中でも特に炭化水素を含む化合物を燃焼させた場合に観測されるＯＨラジカルの発光に起因する発光ピークを良好に検出することができる紫外線受光素子を得ることができる。特に、紫外線受光素子の設置場所がエンジン内部などの閉鎖された空間である場合には、屋外に設置された場合には同時に観測される各種照明機器からの室内光や太陽光といった外乱光が存在することがないため、火炎の光のみを良好に検出することができる。
【００２６】
本発明に係る紫外線受光素子の第四の特徴構成によれば、上記受光領域において４．１ｅＶ以上のエネルギを有する光が吸収されることで、波長約３００ｎｍ（４．１ｅＶ）以下の波長の光、即ち、火炎の光を上記受光領域によって検出することができる紫外線受光素子を得ることができる。更に、波長約３００ｎｍを超える波長の光、即ち、各種照明機器などからの室内光に対しては上記受光領域が感度を有さないので、火炎の光に対して選択的に感度を有する紫外線受光素子を得ることができる。
【００２７】
本発明に係る紫外線受光素子の第五の特徴構成によれば、ｎ型半導体層を構成するＡｌＧａＮのアルミニウム組成比ｘが０．２５以上であることで、そのｎ型半導体層のバンドギャップエネルギを約４．１ｅＶ以上に調整することができる。その結果、受光領域で吸収される光のエネルギ以下のエネルギの光を透過させて、受光領域による検出対象波長範囲よりも長波長側に光吸収による感度が現れないようなｎ型半導体層を作製することができる。
【００２８】
本発明に係る紫外線受光素子の第六の特徴構成によれば、上記受光領域において４．４ｅＶ以上のエネルギを有する光が吸収されることで、波長約２８０ｎｍ（４．４ｅＶ）以下の波長の光、即ち、火炎の光を上記受光領域によって検出することができる紫外線受光素子を得ることができる。更に、波長約２８０ｎｍを超える波長の光、即ち、各種照明機器などからの室内光および太陽光（自然光）に対しては上記受光領域が感度を有さないので、火炎の光に対して選択的に感度を有する紫外線受光素子を得ることができる。
【００２９】
本発明に係る紫外線受光素子の第七の特徴構成によれば、ｎ型半導体層を構成するＡｌＧａＮのアルミニウム組成比ｘが０．３５以上であることで、そのｎ型半導体層のバンドギャップエネルギを約４．４ｅＶ以上に調整することができる。その結果、受光領域で吸収される光のエネルギ以下のエネルギの光を透過させ、受光領域による検出対象波長範囲よりも長波長側に光吸収による感度が現れないようなｎ型半導体層を作製することができる。
【００３０】
本発明に係る紫外線受光素子の第八の特徴構成によれば、ＭＯＣＶＤ法という一般的な成膜方法を利用して、ＺｒＢ₂を作製することができる。また、各半導体層についてもＭＯＣＶＤ法により成膜することができるため、各半導体層を作製するための各種ガスソースに加えて、ＺｒＢ₂を作製するためのＺｒ：ジルコニウム源とＢ：ホウ素源とを用意しておくことで、各半導体層とＺｒＢ₂電極とを同じ成膜装置を使用して作製することができるという利点がある。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１に示す紫外線受光素子は、ショットキーダイオード型の素子構造を採用した場合の構成例である。この紫外線受光素子は、基板１上に、下地構造とデバイス構造とを順次積層して形成される。下地構造は、基板１上に、低温堆積緩衝層２（バッファ層）と、結晶改善層３と、低温堆積中間層４（バッファ層）とを順次積層して形成され、デバイス構造は、低温堆積中間層４上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるｎ型半導体層５と、ｉ型半導体層（受光領域）６とを順次積層して形成される。また、ｎ型半導体層５が部分的に露出するようにデバイス構造をエッチングなどによって除去し、その露出部位に電極７が形成され、ｉ型半導体層６上に電極８が形成される。尚、電極７はＺｒＢ₂からなり、且つｎ型半導体層５に対して電気的な特性がオーミックなものとなるオーミック電極であり、電極８はｉ型半導体層６に対してショットキー接合となるショットキー電極である。ここで、光は電極８側から入射されるため、電極８は透明導電性膜（ＩＴＯ、ＳｎＯ₂など）で形成される。
【００３２】
図１に例示した素子構造では、基板１の材料はサファイアであり、低温堆積緩衝層２の材料はＡｌＮであり、結晶改善層３の材料はＧａＮであり、低温堆積中間層４の材料はＡｌＮであり、ｎ型半導体層５の材料はＡｌＧａＮであり、ｉ型半導体層６の材料はＡｌＧａＮである。上記の各窒化物半導体層は、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法を利用して作製可能である。
【００３３】
尚、上記下地構造の役割は、デバイス構造の結晶品質を良好なものとすることである。サファイア基板１の結晶成長表面における格子間隔と、デバイス構造を構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）の格子定数との間には大きな差が存在するが、下地構造によってその格子不整合を緩和し、ＡｌＧａＮ層を成長させる際に加わる格子不整合による応力を非常に小さくさせることができる。その結果、デバイス構造中のＡｌＧａＮ層の結晶品質を良好にすることができる。
【００３４】
図１に示した紫外線受光素子に対して外部から光が照射された場合、その光は電極８を透過して受光領域であるｉ型半導体層６に入射して吸収され、光キャリアが発生される。電極７および電極８の間には電界が印加されており、発生された光キャリアは光電流として外部に出力される。ここで、電極７の材料にはＺｒＢ₂を使用していることから、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるｎ型半導体層５のアルミニウム組成比に関係なく、ｎ型半導体層５と電極７との間の電気的な特性をオーミックなものとすることができる。
【００３５】
デバイス構造を構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）のバンドギャップエネルギはアルミニウム組成比を変えることで調整され、アルミニウム組成比ｘとバンドギャップエネルギとは図２に示すような関係で示される。図２から読み取れるように、アルミニウム組成比ｘを変えることで、Ａｌ_xＧａ_1-xＮのバンドギャップエネルギを３．４２ｅＶから６．２ｅＶにまで調整することができる。従って、受光領域で吸収可能な光の波長は約２００ｎｍ〜約３６３ｎｍの間で調整可能である。また、紫外線受光素子において火炎の光を検出する場合には、図３の発光スペクトルに示すような火炎の発光を吸収するバンドギャップエネルギを有する受光領域を形成すればよい。尚、図３に示す火炎の発光スペクトルは、ガス（炭化水素）を燃焼させた際に発生する火炎のスペクトルである。また、太陽光のスペクトルと、各種照明機器からの光による室内光のスペクトルも同時に示す。
【００３６】
以下には、受光領域の形成に係るＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギについて説明する。
紫外線受光素子に波長選択性を持たせるためには、受光領域（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ）におけるＡｌの組成比を調整して、そのバンドギャップエネルギを所望の値に設定することが行われる。例えば、波長約３４４ｎｍ以下の波長域に比較的大きい強度で現れる火炎の光を選択的に受光することのできる火炎センサを作製したい場合には、受光領域のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上となるようにアルミニウム組成比ｘ＝０．０５、或いはそれ以上とすればよい。或いは、約３００ｎｍ以上の波長域に含まれる、各種照明機器からの光（室内光）を受光せずに、検出対象波長範囲にある火炎の光を受光するような火炎センサを作製したい場合には、受光領域のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上となるようにアルミニウム組成比ｘ＝０．２５、或いはそれ以上とすればよい。また或いは、約２８０ｎｍ以上の波長域に含まれる、太陽光からの光を受光せずに、検出対象波長範囲にある火炎の光のみを受光するような火炎センサを作製したい場合には、受光領域のバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上となるようにアルミニウム組成比ｘ＝０．３５、或いはそれ以上とすればよい。
【００３７】
或いは、弱い光強度であれば太陽光などの外乱光が受光領域において吸収されても構わない場合には、受光領域のバンドギャップエネルギが４．３ｅＶ以上（波長約２９０ｎｍ以下）となるようにアルミニウム組成比ｘ＝０．３１、或いはそれ以上とすればよい。波長約２９０ｎｍ以下では図３に示すようにそれらの外乱光の光強度が非常に小さくなり、他方で火炎の光は大きいので、結果として火炎の光が存在することを検知することができる。
【００３８】
更に、紫外線受光素子がエンジン内部などの閉鎖空間に設置され、そこで燃焼される燃料の発光を検出したい場合には、上述した室内光や太陽光が存在しないため、それらを排除するような大きいバンドギャップエネルギを設定する必要はない。そのため、検出対象波長範囲にある火炎の光の中でも特に炭化水素を含む化合物（エンジンで燃焼される燃料）を燃焼させた場合に観測されるＯＨラジカルの発光に起因する発光ピーク（波長約３１０ｎｍ（３１０ｎｍ±１０ｎｍ）：４．０ｅＶ）の光（波長３１０ｎｍ以上３４４ｎｍ以下の火炎の光）を選択的に受光することのできる紫外線受光素子を作製した場合には、受光領域のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上４．０ｅＶ以下となるように、アルミニウム組成比ｘを０．０５以上０．２３以下とすればよい。
【００３９】
尚、上述したアルミニウム組成比ｘとバンドギャップエネルギとの関係は理論値に基づいて説明したものであり、アルミニウム組成比ｘが同じになるように成膜を行ったとしても実際に得られるＡｌＧａＮ層のバンドギャップエネルギが異なる可能性もある。例えば、三元混晶化合物であるＡｌＧａＮの場合には、二元化合物であるＧａＮが生成され易く、その結果、バンドギャップエネルギが低エネルギ側（長波長側）にシフトする傾向にある。従って、理論値通りのバンドギャップエネルギを得たい場合には、アルミニウム組成比を予め大きく設定した上で成膜することが行われることもある。
【００４０】
本発明に係る紫外線受光素子においては上述のようなデバイス構造を形成した後、上述したように受光領域を挟んで電界を印加する一対の電極の形成が行われる。電極７の材料となるＺｒＢ₂は、イオンビームスパッタ、レーザアブレーション、ＣＶＤなどの蒸着方法により作製することができる。特に、Ｚｒ源としてＺｒ［Ｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂］₄、またはＺｒ（ＢＨ₄）₄などを使用し、Ｂ源としてトリメチルボロンを使用したＭＯＣＶＤ法を利用してＺｒＢ₂を作製する場合、デバイス構造を形成する各窒化物半導体層と共通の成膜装置を使用することができるという利点がある。尚、後述するように、作製されたＺｒＢ₂電極上にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属を更に形成してＺｒＢ₂電極を保護するような多層電極を形成してもよい。
【００４１】
従来、電極７の材料にはＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉなどが使用されていたが、これらの材料ではＡｌ_xＧａ_1-xＮ層（０≦ｘ≦１）との間の電気的な特性をオーミックなものとすることが困難であった。具体的には、アルミニウム組成比ｘの値が０．２よりも大きい場合には電極金属との間で電気的な特性をオーミックなものとすることが出来なかった。しかし、図１を参照して説明したように電極７の材料としてＺｒＢ₂を使用した場合には、アルミニウム組成比に制限されず、アルミニウム組成比ｘの値が０．２よりも大きい場合にも、電極７とＡｌ_xＧａ_1-xＮ層との界面の電気的な特性をオーミックなものとすることができる。
【００４２】
例えば、図１に示す紫外線受光素子においてｉ型半導体層（受光領域）６がＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎである場合、受光領域のバンドギャップエネルギは約４．１ｅＶとなり、上述のように受光領域では室内光は吸収されない。ここで、ｎ型半導体層（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ）５のアルミニウム組成比ｘが０．２５以上である場合、受光領域であるｉ型半導体層６において吸収される光のエネルギ以下の光が、ｎ型半導体層５において吸収されることがないので、設計された検出対象波長範囲以外の光に対しては感度が現れない紫外線受光素子が得られる。
【００４３】
更に、図１に示す紫外線受光素子においてｉ型半導体層６がＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ｎである場合、受光領域のバンドギャップエネルギは約４．４ｅＶとなり、上述したように受光領域では太陽光は吸収されない。ここで、ｎ型半導体層（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ）５のアルミニウム組成比ｘが０．３５以上である場合、受光領域であるｉ型半導体層６において吸収される光のエネルギ以下の光が、ｎ型半導体層５において吸収されることがないので、設計された検出対象波長範囲以外の光に対しては感度が現れない紫外線受光素子が得られる。
【００４４】
以上のように、デバイス構造中の受光領域以外の部分のバンドギャップエネルギを受光領域のバンドギャップエネルギ以上にすることができる、つまり、受光領域以外の部分を光透過特性の良好な受光領域にとっての窓にすることができるので、受光領域に入射される光の強度を大きく確保することができる。従って、外部から紫外線受光素子に照射される光が微弱であっても、その光強度を減衰させることなく受光領域にまで到達させることができる。
【００４５】
図４に示す紫外線受光素子は、ＰＩＮ型の素子構造を採用した場合の構成例である。この紫外線受光素子は、基板１上に、下地構造とデバイス構造とを順次積層して形成され、その下地構造の構成は図１に例示した下地構造と同様である。他方で、デバイス構造は低温堆積中間層４上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるｎ型半導体層５と、ｉ型半導体層（受光領域）６と、ｐ型半導体層１２とを順次積層して形成される。また、ｎ型半導体層５が部分的に露出するようにデバイス構造をエッチングなどによって除去し、その露出部位に電極７が形成され、ｐ型半導体層１２上に電極８が形成される。電極７はＺｒＢ₂からなり、且つｎ型半導体層５との間の電気的な特性をオーミックなものとするオーミック電極であり、電極８はｐ型半導体層１２との間の電気的な特性をオーミックなものとするオーミック電極である。ここで、光は電極８側から入射されるため、電極８は透明導電性膜（ＩＴＯ、ＳｎＯ₂など）またはメッシュ状の金属電極で形成される。
【００４６】
ここで、ｎ型半導体層５の材料はＡｌＧａＮであり、ｉ型半導体層６の材料はＡｌＧａＮであり、ｐ型半導体層１２の材料はＧａＮである。図１を参照して上述したのと同様に、ｎ型半導体層５上にオーミック電極を形成するために、電極７の材料としてＺｒＢ₂を使用した場合には、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層（０≦ｘ≦１）からなるｎ型半導体層５のアルミニウム組成比ｘに制限はなく、アルミニウム組成比ｘの値が０．２よりも大きい場合にも、電極７とＡｌ_xＧａ_1-xＮ層（ｎ型半導体層５）との界面の電気的な特性をオーミックなものとすることができる。また、電極７の下の分布容量の減少によって、応答速度が向上したり、ｎ型半導体層５の厚さの設計自由度が高まるという効果も得られる。
【００４７】
図５に示す紫外線受光素子もＰＩＮ型の素子構造を採用した場合の構成例であり、ＺｒＢ₂基板２１上に、ＺｒＢ₂基板表面を窒化処理することで得られるＺｒＮ層２２と、ｐ型ＧａＮ層（ｐ型コンタクト層）２３と、ｐ型半導体層２４と、ｉ型半導体層２５と、ｎ型半導体層２６とが順次形成されてなる。また、ｐ型半導体層２４が部分的に露出するようにｎ型半導体層２６と、ｉ型半導体層２５と、ｐ型半導体層２４とをエッチングなどによって除去し、その露出部位に電極７が形成され、ｎ型半導体層２６上に電極８が形成される。電極８はＺｒＢ₂からなり、且つｎ型半導体層２６との間の電気的な特性をオーミックなものとするオーミック電極であり、電極７はｐ型半導体層２４との間の電気的な特性をオーミックなものとするオーミック電極である。ここで、光は電極８側から入射されるため、電極８はメッシュ状のなどの光透過性の良好な形状で作製される。
【００４８】
受光領域として作用するｉ型半導体層２５に対して大きな強度の光が入射されることを確実にするためには、ｎ型半導体層２６が薄く、且つｉ型半導体層２５よりも光入射面側にあるｎ型半導体層２６のバンドギャップエネルギがｉ型半導体層２５のバンドギャップエネルギ以上であることが要求されるが、電極８の材料としてＺｒＢ₂を使用した場合には、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層（０≦ｘ≦１）からなるｎ型半導体層２６のアルミニウム組成比ｘが制限を受けることはなく、アルミニウム組成比ｘの値が０．２よりも大きい場合にも、電極８とＡｌ_xＧａ_1-xＮ層（ｎ型半導体層２６）との界面の電気的な特性をオーミックなものとすることができる。
【００４９】
また、図５に例示したＰＩＮ型の素子構造は、基板側からｐ型、ｉ型、ｎ型と積層されているが、基板側からｎ型、ｉ型、ｐ型と積層されたＰＩＮ型の素子構造を採用することもできる。例えば、ＺｒＢ₂基板上にＡｌ_xＧａ_1-xＮ層（０≦ｘ≦１）からなるｎ型半導体層を堆積させた場合、その界面にはＺｒＮなどの窒化物層が形成されるため、ＺｒＢ₂基板とｎ型半導体層との間の電気的な特性をオーミックなものとすることができない。しかし、上記ＺｒＢ₂基板とＺｒＮなどの窒化物層をエッチングしてｎ型半導体層から取り外し、そのｎ型半導体層表面にＺｒＢ₂電極を上述したのと同様の方法で作製することで、ＺｒＢ₂電極とｎ型半導体層との間の電気的な特性をオーミックなものとすることができる。
【００５０】
図６は、図１に例示した素子構造の紫外線受光素子の光入射面側に干渉層を配置した紫外線受光素子の例である。ここで、干渉層は光透過性のＡｌＮ層１０とＡｌＧａＮ層１１とを交互に積層して形成され、多層膜フィルタの原理と同様に、ＡｌＮ層１０とＡｌＧａＮ層１１との界面における光の干渉作用を使用して、所定の波長の光強度を減衰させることが行われる。その結果、波長選択性の高い紫外線受光素子を提供することができる。尚、最下層のＡｌＮ層１０は、低温堆積されたＡｌＮ層であり、この場合には膜中にクラックが発生することが抑制され、結晶品質の良好な膜が得られるため、長波長側に吸収が発生し難い干渉層を得ることができる。尚、ＡｌＮ層１０とＡｌＧａＮ層１１との繰り返し回数は図示したものに限定されない。
【００５１】
また、ＺｒＢ₂電極７上にはＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒなどからなる金属が保護金属電極９として設けられることで、ＺｒＢ₂電極７が保護されている。
【００５２】
尚、以上の実施形態ではショットキーダイオード型などの紫外線受光素子を参照して説明したが、本願発明はこれに限定されない。例えば、デバイス構造がＰＩＮ型やＰＮ型である場合などにも適用可能である。言い換えると、ｎ−ＡｌＧａＮとＺｒＢ₂との間の電気的な特性をオーミックなものとするためのあらゆる場合に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】紫外線受光素子の構成図である。
【図２】ＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギを示すグラフである。
【図３】火炎の光、太陽光、および室内光のスペクトルを示すグラフである。
【図４】紫外線受光素子の別の構成図である。
【図５】紫外線受光素子の別の構成図である。
【図６】紫外線受光素子の別の構成図である。
【符号の説明】
１基板
２低温堆積緩衝層
３結晶改善層
４低温堆積中間層
５ｎ型半導体層
６ｉ型半導体層
７電極
８電極
９保護電極
１０ＡｌＮ（干渉層）
１１ＡｌＧａＮ（干渉層）
１２ｐ型半導体層
２１ＺｒＢ₂基板
２２ＺｒＮ層
２３ｐ型コンタクト層
２４ｐ型半導体層
２５ｉ型半導体層
２６ｎ型半導体層

Claims

Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるｎ型半導体層を少なくとも有するデバイス構造と、前記デバイス構造の所定部位に設けられた一対の電極とを備えてなり、前記デバイス構造中の単数または複数の半導体層によって受光領域が形成されてなる紫外線受光素子であって、
前記ｎ型半導体層上に設けられた前記電極の１つがＺｒＢ₂を含んで構成されたオーミック電極である紫外線受光素子。
前記受光領域の形成に係るＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上である請求項１に記載の紫外線受光素子。
前記受光領域の形成に係るＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギが４．０ｅＶ以下である請求項２に記載の紫外線受光素子。
前記受光領域の形成に係るＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上である請求項２に記載の紫外線受光素子。
前記ｎ型半導体層のアルミニウム組成比ｘが０．２５以上である請求項４に記載の紫外線受光素子。
前記受光領域の形成に係るＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上である請求項４または請求項５に記載の紫外線受光素子。
前記ｎ型半導体層のアルミニウム組成比ｘが０．３５以上である請求項６に記載の紫外線受光素子。
前記ＺｒＢ₂がＺｒ源とＢ源とを使用したＭＯＣＶＤ法により作製される請求項１から請求項７の何れか１項に記載の紫外線受光素子。