JP4164563B2 - Oxide semiconductor PN junction device and manufacturing method thereof - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、PN接合デバイス、特に特定波長の紫外線に感度を有する紫外光センサー、太陽電池などに使用できる酸化物半導体化合物薄膜から構成されるPN接合デバイスとその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
Si、Geなどの単体元素半導体、GaAs、InP、GaNなどの化合物半導体を用いたPN接合は、固体電子デバイス及び固体光電子デバイスとして広く実用化されている。電子デバイスとしては、バイポーラトランジスタ、整流ダイオードデバイスなどに使われている。一方、光電子デバイスとしては、半導体レーザー、発光ダイオード、光検出素子、太陽電池などに使われている。これらのデバイスでは、同種の化合物から構成されるホモPN接合が使われことが多いが、半導体レーザー、発光ダイオードなどでは、異種の化合物から構成されるヘテロPN接合が使われている。
【0003】
光電子デバイスに関しては、広い波長域で機能するデバイスが要求されているが、一つの材料でその要求に応えるのは原理的に不可能で、波長に応じて、異なる材料が使われている。しかし、特に、紫外波長域に対しては、充分に機能するデバイスが開発されていない。また、これらのPN接合を形成する材料、特に化合物半導体材料は、化学的、熱的に不安定なものが多く、また、環境的に有害であったり、資源的に枯渇の恐れのあるものが多い。こうした、半導体材料を用いたPN接合デバイスの有する課題のいくつかは、酸化物半導体材料を用いることにより解決することができる。
【0004】
1997年に、CuAlOを用いて、最初のp型電気伝導性を有する酸化物が開発されて以来(非特許文献1)、酸化物を用いたPN接合の開発が行なわれ、本発明者らは、n−ZnO/p−SrCuのヘテロPN接合を開発して紫外発光ダイオードを実現した(非特許文献2、特許文献1)。また、n−ZnO/p−NiOのヘテロPN接合を用いた発光ダイオードを開発し、特許出願している(太田ら 特願2002−70165)さらに、CuInOを用いたホモ接合を開発している(非特許文献3)。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−210864号公報(WO0156088号公報)
【0006】
【非特許文献1】
川副 他、Nature、389、939、1997
【非特許文献2】
太田ら Appl.Phys.Lett. 76, 2740 (2000)
【非特許文献3】
柳 他 Solid State Communication 121,15 (2002)
【0007】
これまでに開発されてきた酸化物半導体を用いたPN接合デバイスは、整流ダイオード、発光素子、太陽電池として機能するものの、化合物半導体材料を用いたPN接合デバイスに比較して、現状では、発光効率が低いなど、デバイス特性が悪いので、デバイス特性の向上を図る必要がある。しかし、化合物半導体化合物に比べた酸化物半導体のもつ材料特性に基づき、酸化物半導体を用いたPN接合デバイスは、化学的に安定で、耐高温度性に優れ、環境負荷が少ないなど、本来的な長所を有している。さらに、短波長光領域で機能する光電子デバイスに限って見れば、酸化物半導体を用いたPN接合デバイスは、化合物半導体PN接合デバイスの特性を凌駕する大きな可能性をもっていると見なすことができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
特定波長の紫外線、特に、UV−Bと呼ばれる波長320nm〜280nmの紫外線が、皮膚ガンや白内障の原因となるなど、人体に有害であることが指摘されて以来、その波長に感度をもつ紫外光検出器が実用化され始めた。現在は、そうした紫外光検出用デバイス材料として、GaNが用いられている。GaNは、可視光及び紫外波長域に光感度を有するために、該デバイスでは、光フィルターを用いて不要光を取り除き、特定波長を有する紫外光のみをGaN検出器に入射する必要がある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、p型伝導性酸化物半導体化合物とn型電気伝導性を示し紫外光感度を有する酸化物半導体化合物から構成するPN接合デバイス及びその製造方法を提供する。
【0010】
すなわち、本発明は以下のものである。
(1)酸化物半導体化合物薄膜から構成される紫外波長域の光検出機能を有するPN接合デバイスであって、n型透明電極として使用されるITO単結晶膜上にエピタキシャル成長したn型電気伝導性を示し紫外光感度を有するZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)単結晶薄膜、該ZnMg1−xO単結晶薄膜上に多結晶又はアモルファス膜として堆積されアニールによる拡散処理によりエピタキシャル成長したp型電気伝導を示すLiイオンを10〜30at%含むNiO単結晶薄膜、該NiO単結晶薄膜上に成膜したp型電極として使用される金属膜又はITO薄膜とからなり、該ZnMg1−xO単結晶薄膜と該Liイオンを含むNiO単結晶薄膜とがヘテロエピタキシャル界面を形成していることを特徴とするPN接合デバイス。
【0011】
(2)酸化物半導体化合物薄膜から構成される紫外波長域の光検出機能を有するPN接合デバイスであって、n型透明電極として使用されるITO単結晶膜上にエピタキシャル成長したn型電気伝導性を示し紫外光感度を有するZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)単結晶薄膜、該ZnMg1−xO単結晶薄膜上に多結晶又はアモルファス膜として堆積されアニールによる拡散処理によりエピタキシャル成長したp型電気伝導を示すZnRh単結晶薄膜、該ZnRh単結晶薄膜上に成膜したp型電極として使用される金属膜又はITO薄膜とからなり、該ZnMg1−xO単結晶薄膜と該ZnRh単結晶膜とがヘテロエピタキシャル界面を形成していることを特徴とするPN接合デバイス。
【0012】
(3)酸化物半導体化合物薄膜から構成される紫外波長域の光検出機能を有するPN接合デバイスであって、n型透明電極として使用されるITO膜上に堆積されたn型電気伝導性を示し紫外光感度を有するアモルファスInGaO(ZnO)(mは1以上50未満の整数)薄膜、該InGaO(ZnO)上に堆積されたp型電気伝導を示すアモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜、該アモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜上に成膜したp型電極として使用される金属膜又はITO薄膜とからなり、該アモルファスInGaO(ZnO)(mは1以上50未満の整数)薄膜と該アモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜とがヘテロ界面を形成していることを特徴とするPN接合デバイス。
【0013】
(4)酸化物半導体化合物薄膜から構成される紫外波長域の光検出機能を有するPN接合デバイスの製造方法であって、ITO単結晶膜上にZnMg1−xO単結晶薄膜をエピタキシャル成長させ、該ZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)単結晶薄膜上にLiイオンを10〜30at%含む多結晶又はアモルファスNiO薄膜を堆積させ、600℃〜1500℃の温度でアニールによる拡散処理をしてエピタキシャル成長させることにより該多結晶又はアモルファスNiO薄膜をNiO単結晶薄膜とするとともに、該ZnMg1−xO単結晶薄膜と該NiO単結晶薄膜とのヘテロエピタキシャル界面を形成し、該NiO単結晶薄膜上に金属膜又はITO薄膜を成膜することを特徴とする上記(1)のPN接合デバイスの製造方法。
【0014】
(5)酸化物半導体化合物薄膜から構成される紫外波長域の光検出機能を有するPN接合デバイスの製造方法であって、ITO単結晶膜上にZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)単結晶薄膜をエピタキシャル成長させ、該ZnMg1−xO単結晶薄膜上に多結晶又はアモルファスZnRh膜を堆積させ、600℃〜1500℃の温度でアニールによる拡散処理をしてエピタキシャル成長させることにより該多結晶又はアモルファスZnRh 膜をZnRh 単結晶薄膜とするとともに、該ZnMg1−xO単結晶薄膜と該ZnRh 単結晶薄膜とのヘテロエピタキシャル界面を形成し、該ZnRh 単結晶薄膜上に金属膜又はITO薄膜を成膜することを特徴とする上記(2)のPN接合デバイスの製造方法。
【0015】
(6)酸化物半導体化合物薄膜から構成される紫外波長域の光検出機能を有するPN接合デバイスの製造方法であって、ITO膜上にアモルファスInGaO(ZnO)(mは1以上50未満の整数)薄膜を堆積させ、該InGaO(ZnO)薄膜上にアモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜を基板温度100℃以下で堆積させ、該アモルファスInGaO(ZnO)薄膜と該アモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜とのヘテロ界面を形成し、該アモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh 薄膜上に金属膜又はITO薄膜を成膜することを特徴とする上記(3)のPN接合デバイスの製造方法。
(7)上記(1)乃至3のいずれかのPN接合デバイスを用いた紫外波長域に選択的な感度を有する光検出器。
【0016】
既に実用化されているGaNのUV検出器は、GaNにショットキー金属を蒸着した、いわゆるショットキー接合が使われている。しかし、金属とZnMg1−xO(0.7<x≦1)の接合界面に、ZnMg1−xO(0.7<x≦1)の酸素欠陥などの界面エネルギー準位が形成されることにより、金属電極は、オーム性接触となること、さらに、AuやPtなどのショットキー金属の仕事関数とZnMg1−xO(0.7<x≦1)のフェルミエネルギーとの差異が小さい(〜0.3eV)ために、ZnMg1−xO(0.7<x≦1)では、金属ショットキー接合を形成することが困難である。したがって、ZnMg1−xO(0.7<x≦1)では、金属ショットキー接合に代わって、光検出機能を有するPN接合を作製する必要がある。
【0017】
本発明の紫外波長域に感度を有する光検出器では、ZnMg1−xO(0.7<x≦1)層で紫外光が吸収され、PN接合部に光誘起キャリア(電子ホール対)が形成される。生じた電子ホール対は、PN接合部に生じる内部電界により分離され、n電極とp電極間に光起電力が生じる。
【0018】
光起電力は照射される紫外線強度に比例するので、該PN接合デバイスを紫外線光検出器として用いることができる。また、光感度は、紫外線波長に対して鋭い選択性を有しているので、カラーフィルターなど余分の光を除く素子を使用しなくても、特定波長の紫外線のみを検出することができる。吸収される紫外線の波長、すなわち光感度スペクトルを、Zn Mg 1−x Oの組成パラメータx(0.7<x≦1)の値により制御することができる。ZnOとMgOは、お互いの結晶構造が異なるために、ZnMg1−xOにおけるxの値が0.7未満では、すなわち、Znに対するMgの量が30原子%を越えると、均一で良質な混晶を得る事ができない。
【0019】
また、エピタキシャル薄膜から構成されるPN接合の方が、アモルファス薄膜から構成されるPN接合に比べて、各波長における紫外線検出感度が高い。しかし、紫外線照射により発生する電流は、受光面の面積に比例するので、受光面が大きくても良い場合には、低コストで製造できるアモルファス膜から構成されるPN接合が適している。
【0020】
【発明の実施の形態】
まず、エピタキシャル薄膜から構成されるPN接合の形成の場合の実施の形態について以下に詳細に説明する。
(基板)
本発明のPN接合デバイスで用いる酸化物半導体薄膜によってエピタキシャルPN接合を形成するための基板には、耐熱性があり、透明な酸化物単結晶基板、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、サファイア、MgO、ZnOなどを用いる。中でも、ITOと格子定数が近く、該化合物と1400℃以下の温度では化学反応しないYSZが、最も好ましい。また、基板は検出する紫外線に対して透明であることが必要である。これらの基板の表面平均二乗粗さRmsは、1.0nm以下のものを用いることが好ましい。Rmsは原子間力顕微鏡で、例えば、1μm角を走査することによって算出できる。
【0021】
YSZなどの酸化物単結晶基板を、大気中又は真空中で1000℃以上に加熱することによって超平坦化した表面が得られる。超平坦化した酸化物単結晶基板の表面には結晶構造を反映した構造が現れる。すなわち、数100nm程度の幅を持つテラスとサブナノメータ(nm)程度の高さを持つステップからなる構造で、一般に原子状に平坦化された構造と呼ばれる。
【0022】
テラス部分は平面状に配列した原子からなり、若干存在する欠陥の存在を無視すれば、完全に平坦化された表面である。ステップの存在により、基板全体で完全平坦化された表面とはならない。この構造を平均二乗粗さ測定方法による粗さRmsで表現すれば、Rmsは1.0nm以下のものである。Rmsは、例えば、原子間力顕微鏡で、例えば、1μm角の範囲を走査することによって算出した値である。
【0023】
(ITO単結晶薄膜のエピタキシャル成長)
得られた原子平坦面を持つ耐熱性透明酸化物単結晶基板上に、MBE法、パルスレーザー蒸着法(PLD法)などにより、原子平坦面を有するITO単結晶薄膜をエピタキシャル成長させる。ITO単結晶薄膜は、n型透明電極として使用される。
【0024】
(ZnMg1−xO化合物薄膜のエピタキシャル成長)
次に、該ITO単結晶薄膜上に、ZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)化合物薄膜をエピタキシャル成長させる。成長は、MBE法、パルスレーザー蒸着法(PLD法)、スパッタ法、CVD法などを用いることができる。この場合、ターゲットは、ZnMg1−yO(0.8<y≦1)を用いる。PLD法によりZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)を製造する場合、ターゲット材料の組成はMg濃度をやや減らしたものが好ましい。高温でZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)単結晶薄膜を製造する場合、ZnOとMgOの蒸気圧がZnO>MgOであるため、ITO単結晶薄膜上に堆積するZnO/MgO組成比がターゲットの組成比よりも小さくなるためである。
【0025】
(NiO薄膜又はZnRh薄膜の堆積)
Zn1−xMgOエピタキシャル膜上に、NiO薄膜又はZnRh薄膜を堆積する。薄膜堆積には、MBE法、パルスレーザー蒸着法(PLD法)、スパッタ法、CVD法などを用いることができる。NiO薄膜を堆積する場合、ターゲットは、LiドープNiO焼結体(Li濃度0〜30原子%)を用いる。また、ZnRh薄膜を堆積する場合、ターゲットは、ZnRh焼結体を用いる。得られた薄膜は、単結晶膜である必要はなく、多結晶膜でも、アモルファス膜でも良い。膜堆積上、最も重要なパラメーターは基板温度である。基板温度は100℃以下でなければならない。100℃を超える場合には、p型酸化物半導体NiO薄膜又はZnRh薄膜の組成ずれや粒成長が起こりやすくなり平坦化が阻害される。
【0026】
(アニール)
最後に、薄膜全体をカバーできるように高融点化合物、例えば、YSZやAlを被せ、高温、大気圧中でアニールによる拡散処理を行なう。アニールによる拡散処理温度は600℃〜1500℃が好ましい。600℃未満では原子が十分に薄膜表面でマイグレーションすることができず、p型酸化物半導体NiO又はZnRh単結晶薄膜は得られない。また、1500℃を超える高温ではほとんどの基板材料及び薄膜間の化学反応が起こるために好ましくない。高融点化合物を被せる理由は、該薄膜表面の汚染を避けるためである。アニールによる拡散処理により該NiO薄膜又はZnRh 薄膜は単結晶薄膜となるとともに該ZnMg1−xO単結晶薄膜と該NiO単結晶薄膜又はZnRh 単結晶薄膜のとのヘテロエピタキシャル界面が形成される。
【0027】
ZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)単結晶薄膜は、特に意図的に不純物を添加しなくても、n型伝導性を示す。これは、ZnOの非化学量論性のためであり、酸素が欠損することによって生じる電気中性条件からのずれを、酸素欠損1個につき電子2個を生成することによって電気中性条件を保とうとするためである。また、意図的な不純物ドーピングも効果的であり、3価のイオンである、Al、Ga、Inを(数at%程度)置換ドーピングすることにより、低抵抗n型ZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)単結晶薄膜を作製することができる。また、ZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)単結晶薄膜のバンドギャップとxの関係は比例関係にあり、例えば、x=1の場合には3.3eVであり、x=0.8の場合には3.8eVである。
【0028】
NiO単結晶薄膜のp型伝導率はアクセプターとして作用するLiイオン濃度を変化させることにより制御することができる。例えば、Liイオンを全く加えない場合には10−4S/cmの導電率を示すが、Liイオンを10at%ドーピングすることにより、導電率は0.3S/cmになる。ドーピングは、焼結体ターゲット中のLi濃度を変化させることにより制御できる。アクセプターとしてのLi濃度は30at%以下でなくてはならない。30at%を越えるLiイオンをドーピングするとNiOではない化合物LiNiOに変化してしまうからである。
【0029】
また、600℃以上でアニールする場合、NiO単結晶薄膜中に添加したLiイオンなどが蒸発しやすい。こうしたLiイオンの蒸発を防ぐためは、NiO単結晶薄膜表面を、YSZ単結晶基板などでキャップすることが好ましい。
ZnRh 単結晶薄膜は、特に意図的に不純物を添加しなくても、p型伝導性を示す。
【0030】
最後に、p型電極として用いる金属膜又はITO薄膜をNiO単結晶薄膜又はZnRh 単結晶薄膜上に成膜する。こうして得られたPN接合多層膜から、通常の光露光、エッチング技術を用いて、光検出ダイオードを作製する。n型電極は、基板上に作製したITO薄膜を使用する。
【0031】
次に、アモルファス薄膜から構成されるPN接合の形成の場合の実施の形態について以下に詳細に説明する。
(基板)
アモルファス薄膜から形成されるPN接合の形成には、基板は耐熱性を有する必要がなく、紫外波長域に透明なSiOを主成分としたガラス基板を用いることができる。平坦度も、アモルファスシリコン電界効果型トランジスタ用に用いられるガラス基板程度でよい。
【0032】
(ITO薄膜の堆積)
こうしたガラス基板上にITO薄膜を堆積する。ITO薄膜は、表面平坦性の観点から、アモルファス膜が好ましいが、アモルファス膜に限られず、多結晶膜でも良い。
【0033】
(InGaO(ZnO)薄膜の堆積)
ZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)薄膜は、アモルファス膜を得るのは困難で、通常は多結晶膜である。n型伝導層をアモルファス薄膜にするときには、ZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)薄膜に代わって、InGaO(ZnO)(mは1以上50未満の整数)アモルファス薄膜を堆積すれば良い。InGaO(ZnO)(mは1以上50未満の整数)薄膜を室温で成膜すれば、容易にアモルファス状態を得ることができる。
【0034】
(アモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜の堆積)
次に、InGaO(ZnO)薄膜上に、アモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜を、前述と同様に堆積させてアモルファスInGaO(ZnO)薄膜と該アモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜とのヘテロ界面を形成する。膜堆積上、最も重要なパラメーターは基板温度である。基板温度は100℃以下でなければ、アモルファス膜を得ることができない。また、100℃を超える場合には、p型酸化物半導体NiO又はZnRh薄膜の組成ずれや粒成長が起こりやすくなり、多結晶化して平坦化が阻害される。アモルファス薄膜から構成されるPN接合の形成の場合は堆積した膜のアニールは必要ない。
【0035】
最後に、p型電極として用いる金属膜又はアモルファスITO薄膜をアモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜上に成膜する。こうして得られたPN接合多層膜から、通常の光露光、エッチング技術を用いて、光検出ダイオードを作製する。n型電極は、基板上に作製したITO薄膜を使用する。
【0036】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
実施例1
NiO紫外線光検出器の作製
YSZ(111)単結晶基板上にPLD法によりn型透明電極として使用されるITO単結晶薄膜をエピタキシャル成長させた。作製したITO単結晶薄膜は可視光領域全域で無色透明であり、導電率は10,000S/cmであった。
こうして作製したITO単結晶膜上に基板温度700℃でZn0.8Mg0.2単結晶薄膜をPLD法により積層した。Zn0.8Mg0.2単結晶薄膜はエピタキシャル成長しており、表面には六角形のスパイラルグレインが緻密に配列した構造が見られた。
【0037】
次に、基板温度を室温にして、PLD法により、10at%Liを含有するNiO焼結体ターゲットにレーザービームを照射してNiO:Li薄膜を堆積させた。膜厚は300nmとした。次に、作製したNiO:Li薄膜を真空容器から取り出し、アニール中のLi成分の蒸発を防ぐため当該薄膜上にYSZ単結晶板を被せて薄膜表面をカバーし、大気中、1300℃で30分間アニールした後、室温まで冷却しNiO:Li薄膜を単結晶薄膜とした。作製した二層薄膜のXRD測定を行ったところ、NiO:Li単結晶薄膜がZn0.8Mg0.2単結晶薄膜上にヘテロエピタキシャル成長していることが分かった。
【0038】
さらに、NiO:Li単結晶薄膜上にp型電極を成膜し、作製した積層膜をフォトリソグラフィーとドライエッチングプロセスによりメサ型デバイスに加工した。図1に光電変換スペクトルを示す。励起光としては分光したキセノンランプ光を用いた。3.8eV付近に光電変換ピークが見られた。これは、Zn0.8Mg0.2O及びNiOのバンドギャップに相当する。つまり、Zn0.8Mg0.2O及びNiOのバンドギャップの光を吸収して効率良く起電力を発生しており、紫外線光検出器として機能することが示された。特に、有害紫外線であるUV−B領域に急峻な感度を示すことから、有害紫外線センサーとして応用することができる。
【0039】
実施例2
アモルファスp−ZnRh薄膜の作製方法
まず、シリカガラス基板上に堆積させたZnRh薄膜がアモルファス状態であることを確認するために、RFスパッタリング法によりZnRh多結晶体をターゲットとして用いて、シリカガラス基板上にZnRh薄膜を作製した。スパッタリング時の条件は、高周波出力=180W、ガス雰囲気Ar/O=9:1であり、基板温度は室温である。成長速度は10nm/分であった。
【0040】
作製した薄膜試料についてX線回折測定、断面TEM観察、光透過率測定、直流四端子法による電気伝導度測定、及び熱起電力の測定を行った。薄膜試料のX線回折パターン(図2)はハロー状のブロードなピークのみから構成されており、試料はX線回折から評価する限り、アモルファス状態であった。光吸収スペクトル(図3)から求めた光学ギャップは〜2eVであった。ゼーベック係数は+80μVK−1であり、キャリアは正孔であった。室温での電気伝導度は〜1Scm−1であり、電気伝導は活性化エネルギー〜30meVのアレニウス型であった。TEM観察(図4)から、試料は2〜3nmの微結晶から構成されていることが明らかとなった。すなわち、X線アモルファス薄膜であると言える。
【0041】
n−ZnO/p−ZnRh 単結晶薄膜PN接合からなる紫外線光検出器の作製
YSZ(111)単結晶基板上にPLD法によりITO単結晶薄膜をエピタキシャル成長させた。作製したITO単結晶薄膜は可視光領域全域で無色透明であり、導電率は10,000S/cmであった。次に、基板温度700℃でZnO単結晶薄膜をPLD法により積層した。ZnO単結晶薄膜はエピタキシャル成長しており、表面には六角形のスパイラルグレインが緻密に配列した構造が見られた。さらに、ZnO単結晶薄膜上にZnRh薄膜を室温でPLD法により堆積させた。室温でZnO単結晶薄膜上に堆積させたZnRh薄膜はごく一部多結晶であり、XRD測定の結果、ZnRh薄膜からは非常に弱い回折ピークが見られアモルファス状態であった。
【0042】
こうして作製した積層膜を大気中で950℃、30分アニールし、室温まで冷却しZnRh 薄膜を単結晶薄膜とした。図5にアニール後に測定した積層薄膜のXRDパターンを示す。ZnRh 単結晶薄膜,ZnO単結晶薄膜、ITO単結晶薄膜はYSZ(111)基板上に強く配向しており、その配向関係はZnRh(111)[110]||ZnO(0001)[11−20] || ITO (111)[110] || YSZ (111)[110]であった。ZnRh 単結晶薄膜/ZnO単結晶薄膜接合界面を高分解能透過型電子顕微鏡で観察したところ(図6)、ZnRh 単結晶薄膜及びZnO単結晶薄膜は綺麗にヘテロエピタキシャル成長していることが確認できた。ZnRh 単結晶薄膜/ZnO単結晶薄膜接合界面付近は原子レベルで接合しており、他の結晶の析出などは全く認められなかった。
【0043】
さらに、図7の内挿図に示すように、ZnRh 単結晶薄膜上にp型電極としてAuを成膜し、作製した積層膜をフォトリソグラフィーとドライエッチングプロセスにより、図7の内挿図に示すようなメサ型デバイスに加工した。図7に作製したメサ型デバイスの電流−電圧特性を示す。典型的なPN接合ダイオードに見られる整流特性が得られ、順バイアスの立ちあがりは約2Vであった。この値はZnRhのバンドギャップ(約2.1eV)と良く一致する。
【0044】
図8に光電変換スペクトルを示す。励起光としては分光したキセノンランプ光を用いた。3.2eV付近に光電変換ピークが見られた。これはZnOのバンドギャップに相当する。つまり、ZnOのバンドギャップの光を吸収して効率良く起電力を発生しており、紫外線光検出器として機能することが示された。
【0045】
実施例3
n−InGaZnO/p−ZnRhアモルファスPN接合の作製
n型電極として使用される市販のITO多結晶薄膜(SiOガラス基板上にITO薄膜をスパッタリング法により成膜したもの)上に室温でn型酸化物半導体InGaZnOをPLD法により成膜した。堆積した薄膜はアモルファスの状態であった。
【0046】
次に、上記実施例2のアモルファスp−ZnRh薄膜の作製方法でアモルファスZnRh薄膜を積層した。さらに、図9に示すように、アモルファスZnRh 薄膜上にp型電極としてAuを成膜し、作製した積層膜をフォトリソグラフィーとドライエッチングプロセスにより、図9のようなメサ型デバイスに加工した。図10に室温で測定しダイオードの電流−電圧特性を示す。急峻な整流特性が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、実施例1におけるエピタキシャルp−NiO:Li/ n−Zn0.8Mg0.2O接合ダイオードの光電変換スペクトルである。
【図2】図2は、実施例2におけるX線アモルファスp−ZnRh薄膜のXRDパターンである。
【図3】図3は、実施例2におけるX線アモルファスp−ZnRh薄膜の光吸収スペクトルである。
【図4】図4は、実施例2におけるX線アモルファスp−ZnRh薄膜のTEM像を示す図面代用写真である。
【図5】図5は、実施例2におけるエピタキシャル成長したp−ZnRh/n−ZnO/ ITO薄膜のXRDパターンである。
【図6】図6は、実施例2におけるp−ZnRh/n−ZnO接合付近の高分解能電子顕微鏡像を示す図面代用写真である。
【図7】図7は、実施例2におけるエピタキシャルp−ZnRh/n−ZnO接合ダイオードの電流−電圧特性を示すグラフである。
【図8】図8は、実施例2におけるエピタキシャルp−ZnRh/n−ZnO接合ダイオードの光電変換スペクトルである。
【図9】図9は、実施例3におけるX線アモルファスp−ZnRh/アモルファスn−InGaZnO接合ダイオードの素子構造を示す模式図である。
【図10】図10は、実施例3におけるX線アモルファスp−ZnRh/アモルファスn−InGaZnO接合ダイオードの電流−電圧特性を示すグラフである。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a PN junction device, and more particularly to a PN junction device composed of an oxide semiconductor compound thin film that can be used for an ultraviolet light sensor sensitive to ultraviolet rays of a specific wavelength, a solar cell, and the like, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
PN junctions using single element semiconductors such as Si and Ge and compound semiconductors such as GaAs, InP, and GaN have been widely put into practical use as solid-state electronic devices and solid-state optoelectronic devices. As electronic devices, they are used in bipolar transistors, rectifier diode devices, and the like. On the other hand, as an optoelectronic device, it is used for a semiconductor laser, a light emitting diode, a light detection element, a solar cell, and the like. In these devices, a homo PN junction composed of the same kind of compound is often used. However, in semiconductor lasers, light emitting diodes, etc., a hetero PN junction composed of a different compound is used.
[0003]
Regarding optoelectronic devices, devices that function in a wide wavelength range are required, but it is impossible in principle to meet the requirements with one material, and different materials are used depending on the wavelength. However, a device that functions sufficiently has not been developed particularly in the ultraviolet wavelength region. In addition, many of these PN junction-forming materials, particularly compound semiconductor materials, are chemically and thermally unstable, and are also environmentally harmful or resource depleted. Many. Some of the problems of such a PN junction device using a semiconductor material can be solved by using an oxide semiconductor material.
[0004]
In 1997, CuAlO2Since the development of the first oxide having p-type conductivity using Non-Patent Document 1 (Non-Patent Document 1), the development of a PN junction using an oxide has been conducted. p-SrCu2O2A hetero PN junction was developed to realize an ultraviolet light emitting diode (Non-patent Document 2, Patent Document 1). In addition, a light-emitting diode using an n-ZnO / p-NiO hetero PN junction has been developed and applied for a patent (Ota et al., Japanese Patent Application No. 2002-70165).2Homozygous using this is developed (Non-patent Document 3).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-210864 (WO0156088)
[0006]
[Non-Patent Document 1]
Kawade, et al., Nature, 389, 939, 1997
[Non-Patent Document 2]
Ota et al. Appl. Phys. Lett. 76, 2740 (2000)
[Non-Patent Document 3]
Yanagi et al. Solid State Communication 121, 15 (2002)
[0007]
Although PN junction devices using oxide semiconductors that have been developed so far function as rectifier diodes, light-emitting elements, and solar cells, they currently have luminous efficiency compared to PN junction devices that use compound semiconductor materials. Therefore, it is necessary to improve the device characteristics. However, based on the material properties of oxide semiconductors compared to compound semiconductor compounds, PN junction devices using oxide semiconductors are inherently stable, chemically stable, excellent in high temperature resistance, and have low environmental impact. It has many advantages. Furthermore, when viewed only in optoelectronic devices that function in the short wavelength light region, a PN junction device using an oxide semiconductor can be regarded as having great potential to surpass the characteristics of a compound semiconductor PN junction device.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Since it was pointed out that ultraviolet rays with a specific wavelength, particularly UV-B called UV-B, with a wavelength of 320 nm to 280 nm, cause skin cancer and cataracts, ultraviolet light sensitive to that wavelength. The detector began to be put into practical use. Currently, GaN is used as a device material for detecting ultraviolet light. GaN is visible and ultravioletwavelengthIn order to have photosensitivity in the region, in the device, it is necessary to remove unnecessary light using an optical filter and to allow only ultraviolet light having a specific wavelength to enter the GaN detector.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a p-type conductive oxide semiconductor compound and an n-typeElectricalConductivityIndicateHas ultraviolet light sensitivityOxide semiconductorCompoundWhenA PN junction device comprising the above and a manufacturing method thereof are provided.
[0010]
That is, the present invention is as follows.
(1) A PN junction device composed of an oxide semiconductor compound thin film and having a photodetection function in the ultraviolet wavelength region, and having n-type conductivity epitaxially grown on an ITO single crystal film used as an n-type transparent electrode Zn with UV sensitivityxMg1-xO (provided that 0.7 <x ≦ 1) single crystal thin film, the ZnxMg1-xA NiO single crystal thin film containing 10 to 30 at% of Li ions exhibiting p-type conductivity, deposited as a polycrystalline or amorphous film on an O single crystal thin film and epitaxially grown by diffusion treatment by annealing, was formed on the NiO single crystal thin film.p-typeIt consists of a metal film or ITO thin film used as an electrode, and the ZnxMg1-xA PN junction device, wherein an O single crystal thin film and a NiO single crystal thin film containing Li ions form a heteroepitaxial interface.
[0011]
(2) A PN junction device composed of an oxide semiconductor compound thin film and having a photodetection function in the ultraviolet wavelength region, and having n-type conductivity epitaxially grown on an ITO single crystal film used as an n-type transparent electrode Zn with UV sensitivityxMg1-xO (provided that 0.7 <x ≦ 1) single crystal thin film, the ZnxMg1-xZnRh showing p-type electrical conductivity deposited as a polycrystalline or amorphous film on an O single crystal thin film and epitaxially grown by diffusion treatment by annealing2O4Single crystal thin film, ZnRh2O4Deposited on single crystal thin filmp-typeIt consists of a metal film or ITO thin film used as an electrode, and the ZnxMg1-xO single crystal thin film and ZnRh2O4A PN junction device, wherein the single crystal film forms a heteroepitaxial interface.
[0012]
(3) A PN junction device composed of an oxide semiconductor compound thin film and having a photodetection function in the ultraviolet wavelength region, and exhibits n-type conductivity deposited on an ITO film used as an n-type transparent electrode. Amorphous InGaO with ultraviolet light sensitivity3(ZnO)m(M is an integer of 1 to less than 50) Thin film, InGaO3(ZnO)mAmorphous NiO thin film or amorphous ZnRh exhibiting p-type conductivity deposited on top2O4Thin film, amorphous NiO thin film or amorphous ZnRh2O4Deposited on a thin filmp-typeIt consists of a metal film or ITO thin film used as an electrode, and the amorphous InGaO3(ZnO)m(M is an integer of 1 to less than 50) A thin film and the amorphous NiO thin film or amorphous ZnRh2O4A PN junction device, wherein a thin film forms a heterointerface.
[0013]
(4) Consists of oxide semiconductor compound thin filmsHas light detection function in the ultraviolet wavelength regionA method of manufacturing a PN junction device, comprising Zn on an ITO single crystal filmxMg1-xO single crystal thin film is epitaxially grown, and the ZnxMg1-xO (provided that 0.7 <x ≤ 1) Li ions on the single crystal thin film10-30at%Deposit polycrystalline or amorphous NiO thin film containing 600 ° C~ 1500 ° CAnnealing at a temperature ofDiffusion process byAnd epitaxially growingThe polycrystalline or amorphous NiO thin film is a NiO single crystal thin filmZnxMg1-xO single crystal thin film and NiOSingle crystalFormation of heteroepitaxial interface with thin filmA metal film or ITO thin film is formed on the NiO single crystal thin film.(1) The manufacturing method of the PN junction device according to (1) above.
[0014]
(5) Consists of oxide semiconductor compound thin filmHas light detection function in the ultraviolet wavelength regionA method of manufacturing a PN junction device, comprising Zn on an ITO single crystal filmxMg1-xO (provided that 0.7 <x ≦ 1) single crystal thin film is epitaxially grown, and the ZnxMg1-xPolycrystalline or amorphous ZnRh on O single crystal thin film2O4Deposit the film at 600 ° C~ 1500 ° CAnnealing at a temperature ofDiffusion process byAnd epitaxially growingThe polycrystalline or amorphous ZnRh 2 O 4 The film is made of ZnRh 2 O 4 With a single crystal thin film,ZnxMg1-xO single crystal thin film and ZnRh2O4 Single crystal thinForms a heteroepitaxial interface with the filmAnd the ZnRh 2 O 4 Form a metal film or ITO thin film on a single crystal thin film(2) The method for producing a PN junction device according to (2) above.
[0015]
(6) Consists of oxide semiconductor compound thin filmHas light detection function in the ultraviolet wavelength regionA method for manufacturing a PN junction device, comprising amorphous InGaO on an ITO film3(ZnO)m(M is an integer of 1 or more and less than 50) A thin film is deposited, and the InGaO3(ZnO)mAmorphous NiO thin film on the thin film oramorphousZnRh2O4Thin filmSubstrate temperature 100 ° C or lessDeposit, theamorphousInGaO3(ZnO) thin film and theamorphousNiO thin film oramorphousZnRh2O4Form hetero interface with thin filmThe amorphous NiO thin film or amorphous ZnRh 2 O 4 Form a metal film or ITO thin film on the thin film(3) The method for producing a PN junction device according to (3) above.
(7) A photodetector having selective sensitivity in the ultraviolet wavelength region using the PN junction device according to any one of (1) to (3) above.
[0016]
A GaN UV detector that has already been put to practical use uses a so-called Schottky junction in which a Schottky metal is deposited on GaN. However, metal and ZnxMg1-xAt the bonding interface of O (0.7 <x ≦ 1), ZnxMg1-xBy forming an interface energy level such as oxygen defect of O (0.7 <x ≦ 1), the metal electrode becomes ohmic contact, and the work function of Schottky metal such as Au or Pt. And ZnxMg1-xSince the difference from the Fermi energy of O (0.7 <x ≦ 1) is small (˜0.3 eV), ZnxMg1-xWith O (0.7 <x ≦ 1), it is difficult to form a metal Schottky junction. Therefore, ZnxMg1-xIn O (0.7 <x ≦ 1), it is necessary to produce a PN junction having a light detection function instead of a metal Schottky junction.
[0017]
In the photodetector having sensitivity in the ultraviolet wavelength region of the present invention, ZnxMg1-xUltraviolet light is absorbed by the O (0.7 <x ≦ 1) layer, and photoinduced carriers (electron hole pairs) are formed at the PN junction. The generated electron hole pair is separated by an internal electric field generated at the PN junction, and nTypeElectrode and pTypeA photovoltaic force is generated between the electrodes.
[0018]
Since the photovoltaic force is proportional to the intensity of the irradiated ultraviolet light, the PN junction device can be used as an ultraviolet light detector. Further, since the photosensitivity has a sharp selectivity with respect to the ultraviolet wavelength, it is possible to detect only ultraviolet rays having a specific wavelength without using an element excluding extra light such as a color filter. The wavelength of absorbed ultraviolet light, that is, the photosensitivity spectrum,Zn x Mg 1-x O'sComposition parameter x(0.7 <x ≦ 1)Can be controlled by the value of. ZnO and MgO have different crystal structures, so ZnxMg1-xIf the value of x in O is less than 0.7, that is, the amount of Mg relative to Zn is 30atomIf it exceeds 50%, a uniform and good quality mixed crystal cannot be obtained.
[0019]
In addition, the PN junction composed of an epitaxial thin film has higher ultraviolet detection sensitivity at each wavelength than the PN junction composed of an amorphous thin film. However, since the current generated by ultraviolet irradiation is proportional to the area of the light receiving surface, a PN junction made of an amorphous film that can be manufactured at low cost is suitable when the light receiving surface may be large.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, an embodiment in the case of forming a PN junction composed of an epitaxial thin film will be described in detail below.
(substrate)
The substrate for forming an epitaxial PN junction by the oxide semiconductor thin film used in the PN junction device of the present invention has heat resistance and is a transparent oxide single crystal substrate, for example, YSZ (yttria stabilized zirconia), sapphire, MgO, ZnO or the like is used. Of these, YSZ is most preferable because it has a lattice constant close to that of ITO and does not chemically react with the compound at a temperature of 1400 ° C. or lower. In addition, the substrate needs to be transparent to the ultraviolet rays to be detected. The surface mean square roughness Rms of these substrates is preferably 1.0 nm or less. Rms can be calculated by scanning a 1 μm square with an atomic force microscope, for example.
[0021]
An ultra-flat surface can be obtained by heating an oxide single crystal substrate such as YSZ to 1000 ° C. or higher in the air or in vacuum. A structure reflecting the crystal structure appears on the surface of the ultra flattened oxide single crystal substrate. That is, it is a structure composed of a terrace having a width of about several hundreds of nanometers and a step having a height of about a sub-nanometer (nm), and is generally called an atomically flattened structure.
[0022]
The terrace portion is composed of atoms arranged in a plane, and is a completely flattened surface if the presence of some defects is ignored. Due to the presence of steps, the entire substrate is not a completely planarized surface. If this structure is expressed in terms of roughness Rms by the mean square roughness measurement method, Rms is 1.0 nm or less. Rms is a value calculated by, for example, scanning an area of 1 μm square with an atomic force microscope, for example.
[0023]
(Epitaxial growth of ITO single crystal thin film)
An ITO single crystal thin film having an atomic flat surface is epitaxially grown on the obtained heat-resistant transparent oxide single crystal substrate having an atomic flat surface by MBE, pulsed laser deposition (PLD), or the like. ITOSingle crystalThin film is n-typeTransparentUsed as an electrode.
[0024]
(ZnxMg1-xEpitaxial growth of O compound thin film)
Next, the ITOSingle crystalZn on the thin filmxMg1-xAn O (provided that 0.7 <x ≦ 1) compound thin film is epitaxially grown. For the growth, an MBE method, a pulsed laser deposition method (PLD method), a sputtering method, a CVD method, or the like can be used. In this case, the target is ZnyMg1-yO (0.8 <y ≦ 1) is used. Zn by PLD methodxMg1-xWhen producing O (however, 0.7 <x ≦ 1), the target material preferably has a slightly reduced Mg concentration. Zn at high temperaturexMg1-xO (however, 0.7 <x ≦ 1)Single crystalWhen manufacturing a thin film, the vapor pressure of ZnO and MgO is ZnO> MgO.Single crystalThis is because the composition ratio of ZnO / MgO deposited on the thin film is smaller than the composition ratio of the target.
[0025]
(NiO thin film or ZnRh2O4Thin film deposition)
Zn1-xMgxOn the O epitaxial film, a NiO thin film or ZnRh2O4Deposit a thin film. For the thin film deposition, an MBE method, a pulse laser deposition method (PLD method), a sputtering method, a CVD method, or the like can be used. When depositing a NiO thin film, a Li-doped NiO sintered body (Li concentration 0 to 30 atomic%) is used as a target. ZnRh2O4When depositing a thin film, the target is ZnRh.2O4A sintered body is used. The obtained thin film does not need to be a single crystal film, and may be a polycrystalline film or an amorphous film. The most important parameter for film deposition is the substrate temperature. The substrate temperature must be 100 ° C. or lower. When the temperature exceeds 100 ° C., the p-type oxide semiconductor NiO thin film or ZnRh2O4The composition shift and grain growth of the thin film are likely to occur, and flattening is hindered.
[0026]
(Annealing)
Finally, high melting point compounds such as YSZ or Al so that the entire thin film can be covered2O3And diffusion treatment by annealing at high temperature and atmospheric pressure. The diffusion treatment temperature by annealing is preferably 600 ° C to 1500 ° C. Below 600 ° C., atoms cannot sufficiently migrate on the surface of the thin film, and the p-type oxide semiconductor NiO or ZnRh2O4A single crystal thin film cannot be obtained. Further, a high temperature exceeding 1500 ° C. is not preferable because a chemical reaction occurs between most substrate materials and thin films. The reason for covering with the high melting point compound is to avoid contamination of the thin film surface. AnnealingDiffusion processing byByThe NiO thin film or ZnRh 2 O 4 The thin film becomes a single crystal thin filmZnxMg1-xO single crystal thin film and NiOSingle crystalThin film or ZnRh2O4 Single crystalA heteroepitaxial interface with the thin film is formed.
[0027]
ZnxMg1-xO (however, 0.7 <x ≦ 1)Single crystalThe thin film exhibits n-type conductivity without any intentional addition of impurities. This is due to the non-stoichiometric nature of ZnO, and the deviation from the electrical neutral condition caused by oxygen deficiency is maintained by generating 2 electrons per oxygen deficiency. This is to try. In addition, intentional impurity doping is also effective, and low-resistance n-type Zn is obtained by substitution doping (about several at%) of Al, Ga, and In, which are trivalent ions.xMg1-xO (however, 0.7 <x ≦ 1)Single crystal thin filmCan be produced. ZnxMg1-xO (however, 0.7 <x ≦ 1)Single crystal thin filmThe relationship between the band gap and x is proportional, for example, 3.3 eV when x = 1 and 3.8 eV when x = 0.8.
[0028]
The p-type conductivity of the NiO single crystal thin film can be controlled by changing the concentration of Li ions acting as an acceptor. For example, when no Li ion is added, 10-4Although the conductivity is S / cm, the conductivity becomes 0.3 S / cm by doping Li ions at 10 at%. Doping can be controlled by changing the Li concentration in the sintered compact target. The Li concentration as an acceptor must be 30 at% or less. Compound LiNiO that is not NiO when doping with Li ions exceeding 30at%2This is because it will change.
[0029]
When annealing at 600 ° C. or higher, NiOSingle crystalLi ions added to the thin film are likely to evaporate. In order to prevent such Li ion evaporation, NiOSingle crystalThe thin film surface is preferably capped with a YSZ single crystal substrate or the like.
ZnRh2O4 Single crystal thin filmShows p-type conductivity without any intentional addition of impurities.
[0030]
Finally, the metal film or ITO thin film used as the p-type electrode is replaced with NiO.Single crystalThin film or ZnRh2O4 Single crystalA film is formed on the thin film. A photodetection diode is produced from the PN junction multilayer film thus obtained by using ordinary light exposure and etching techniques. The n-type electrode uses an ITO thin film produced on a substrate.
[0031]
Next, an embodiment in the case of forming a PN junction composed of an amorphous thin film will be described in detail below.
(substrate)
For the formation of a PN junction formed from an amorphous thin film, the substrate does not need to have heat resistance, and ultravioletwavelengthTransparent SiO2The glass substrate which has as a main component can be used. The flatness may be about the same as that of a glass substrate used for an amorphous silicon field effect transistor.
[0032]
(Deposition of ITO thin film)
An ITO thin film is deposited on such a glass substrate. The ITO thin film is preferably an amorphous film from the viewpoint of surface flatness, but is not limited to an amorphous film, and may be a polycrystalline film.
[0033]
(InGaO3(ZnO)mThin film deposition)
ZnxMg1-xAn O (provided that 0.7 <x ≦ 1) thin film is difficult to obtain an amorphous film, and is usually a polycrystalline film. When making the n-type conductive layer an amorphous thin film,xMg1-xInstead of O (but 0.7 <x ≦ 1) thin film, InGaO3(ZnO)m(M is an integer from 1 to less than 50)amorphousA thin film may be deposited. InGaO3(ZnO)m(M is an integer of 1 or more and less than 50) If the thin film is formed at room temperature, an amorphous state can be easily obtained.
[0034]
(Amorphous NiO thin film or amorphous ZnRh2O4Thin film deposition)
Next, InGaO3(ZnO)mAmorphous NiO thin film or amorphous ZnRh on the thin film2O4Deposit a thin film as beforeamorphousInGaO3(ZnO) thin film and theamorphousNiO thin film oramorphousZnRh2O4A hetero interface with the thin film is formed. The most important parameter for film deposition is the substrate temperature. An amorphous film cannot be obtained unless the substrate temperature is 100 ° C. or lower. When the temperature exceeds 100 ° C., the p-type oxide semiconductor NiO or ZnRh2O4Deviations in composition and grain growth of the thin film are likely to occur, resulting in polycrystallization and hinder flattening. When forming a PN junction composed of an amorphous thin filmOf deposited filmAnnealing is not necessary.
[0035]
Finally, a metal film or amorphous ITO thin film used as a p-type electrode is replaced with an amorphous NiO thin film oramorphousZnRh2O4A film is formed on the thin film. A photodetection diode is produced from the PN junction multilayer film thus obtained by using ordinary light exposure and etching techniques. The n-type electrode uses an ITO thin film produced on a substrate.
[0036]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
Example 1
Fabrication of NiO UV photodetector
On the YSZ (111) single crystal substrate by PLD methodUsed as n-type transparent electrodeITOSingle crystalA thin film was epitaxially grown. Produced ITOSingle crystalThe thin film was colorless and transparent throughout the visible light region, and the conductivity was 10,000 S / cm.
Zn was produced on the ITO single crystal film thus produced at a substrate temperature of 700 ° C.0.8Mg0.2OSingle crystalThe thin film was laminated by the PLD method. Zn0.8Mg0.2OSingle crystalThe thin film was epitaxially grown, and a structure in which hexagonal spiral grains were densely arranged on the surface was observed.
[0037]
Next, the substrate temperature was set to room temperature, and a NiO: Li thin film was deposited by irradiating a NiO sintered body target containing 10 at% Li with a laser beam by a PLD method. The film thickness was 300 nm. Next, the produced NiO: Li thin film is taken out from the vacuum vessel, and the thin film surface is covered with a YSZ single crystal plate on the thin film to prevent evaporation of the Li component during annealing, and in the atmosphere at 1300 ° C. for 30 minutes. After annealing, cool to room temperatureNiO: Li thin film is a single crystal thin filmIt was. When the XRD measurement of the produced two-layer thin film was performed, NiO: LiSingle crystalThin film is Zn0.8Mg0.2OSingle crystalIt was found that heteroepitaxial growth was performed on the thin film.
[0038]
Further, a p-type electrode is formed on the NiO: Li single crystal thin film,The produced laminated film was processed into a mesa device by photolithography and a dry etching process. FIG. 1 shows a photoelectric conversion spectrum. Spectral xenon lamp light was used as the excitation light. A photoelectric conversion peak was observed near 3.8 eV. This is Zn0.8Mg0.2It corresponds to the band gap of O and NiO. That is, Zn0.8Mg0.2It has been shown that an electromotive force is efficiently generated by absorbing light in the band gap of O and NiO, and functions as an ultraviolet light detector. In particular, since it shows a steep sensitivity in the UV-B region, which is harmful ultraviolet light, it can be applied as a harmful ultraviolet light sensor.
[0039]
Example 2
Amorphous p-ZnRh2O4Thin film fabrication method
First, ZnRh deposited on a silica glass substrate2O4In order to confirm that the thin film is in an amorphous state, ZnRh is formed by RF sputtering.2O4ZnRh on a silica glass substrate using a polycrystal as a target2O4A thin film was prepared. The sputtering conditions are: high frequency output = 180 W, gas atmosphere Ar / O2= 9: 1 and the substrate temperature is room temperature. The growth rate was 10 nm / min.
[0040]
The produced thin film sample was subjected to X-ray diffraction measurement, cross-sectional TEM observation, light transmittance measurement, electrical conductivity measurement by a direct current four-terminal method, and thermoelectromotive force measurement. The X-ray diffraction pattern (FIG. 2) of the thin film sample was composed only of halo-like broad peaks, and the sample was in an amorphous state as far as it was evaluated from X-ray diffraction. The optical gap obtained from the light absorption spectrum (FIG. 3) was ˜2 eV. Seebeck coefficient is + 80μVK-1And the carrier was a hole. Electrical conductivity at room temperature is ~ 1Scm-1The electrical conduction was an Arrhenius type with an activation energy of ˜30 meV. From the TEM observation (FIG. 4), it was revealed that the sample was composed of fine crystals of 2 to 3 nm. That is, it can be said that it is an X-ray amorphous thin film.
[0041]
n-ZnO / p-ZnRh2O4 Made of single crystal thin film PN junctionFabrication of ultraviolet light detector
ITO on YSZ (111) single crystal substrate by PLD methodSingle crystalA thin film was epitaxially grown. Produced ITOSingle crystalThe thin film was colorless and transparent throughout the visible light region, and the conductivity was 10,000 S / cm. Next, ZnO at a substrate temperature of 700 ° C.Single crystalThe thin film was laminated by the PLD method. ZnOSingle crystalThe thin film was epitaxially grown, and a structure in which hexagonal spiral grains were densely arranged on the surface was observed. Furthermore, ZnOSingle crystal thin filmZnRh on2O4A thin film was deposited at room temperature by the PLD method. ZnO at room temperatureSingle crystal thin filmZnRh deposited on2O4Thin filmA small partAs a result of XRD measurement, it is ZnRh2O4A very weak diffraction peak is seen from the thin filmAmorphous stateIt was.
[0042]
The laminated film thus fabricated is annealed in the atmosphere at 950 ° C. for 30 minutes, and cooled to room temperature.ZnRh 2 O 4 The thin film is a single crystal thin filmIt was. FIG. 5 shows an XRD pattern of the laminated thin film measured after annealing. ZnRh2O4 Single crystal thin film, ZnOSingle crystal thin film, ITOSingle crystal thin filmIs strongly oriented on the YSZ (111) substrate, and its orientation relationship is ZnRh.2O4It was (111) [110] || ZnO (0001) [11-20] || ITO (111) [110] || YSZ (111) [110]. ZnRh2O4 Single crystal thin film/ ZnOSingle crystal thin filmWhen the bonding interface was observed with a high-resolution transmission electron microscope (FIG. 6), ZnRh2O4 Single crystal thin filmAnd ZnOSingle crystal thin filmWas confirmed to be neatly heteroepitaxially grown. ZnRh2O4 Single crystal thin film/ ZnOSingle crystal thin filmThe vicinity of the bonding interface was bonded at the atomic level, and no precipitation of other crystals was observed.
[0043]
Further, as shown in the interpolation diagram of FIG. 2 O 4 Au is deposited as a p-type electrode on a single crystal thin film,The produced laminated film was processed into a mesa device as shown in the inset of FIG. 7 by photolithography and a dry etching process. FIG. 7 shows the current-voltage characteristics of the fabricated mesa device. The rectifying characteristic found in a typical PN junction diode was obtained, and the forward bias rise was about 2V. This value is ZnRh2O4It agrees well with the band gap (about 2.1 eV).
[0044]
FIG. 8 shows a photoelectric conversion spectrum. Spectral xenon lamp light was used as the excitation light. A photoelectric conversion peak was observed near 3.2 eV. This corresponds to the band gap of ZnO. In other words, it was shown that ZnO band gap light was absorbed to efficiently generate an electromotive force and function as an ultraviolet light detector.
[0045]
Example 3
n-InGaZnO4/ P-ZnRh2O4Fabrication of amorphous PN junction
Used as n-type electrodeCommercially available ITO polycrystalline thin film (SiO2N-type oxide semiconductor InGaZnO formed at room temperature on an ITO thin film formed on a glass substrate by sputtering)4Was formed by the PLD method. The deposited thin film was in an amorphous state.
[0046]
Next, the amorphous p-ZnRh of Example 2 was used.2O4With thin film production methodamorphousZnRh2O4Thin films were laminated.Furthermore, as shown in FIG. 9, amorphous ZnRh 2 O 4 Au is deposited on the thin film as a p-type electrode,The produced laminated film was processed into a mesa device as shown in FIG. 9 by photolithography and dry etching process. FIG. 10 shows the current-voltage characteristics of the diode measured at room temperature. A steep rectification characteristic was obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows epitaxial p-NiO: Li / n-Zn in Example 1. FIG.0.8Mg0.2OIt is a photoelectric conversion spectrum of a junction diode.
2 is an X-ray amorphous p-ZnRh in Example 2. FIG.2O4It is an XRD pattern of a thin film.
3 is an X-ray amorphous p-ZnRh in Example 2. FIG.2O4It is a light absorption spectrum of a thin film.
4 is an X-ray amorphous p-ZnRh in Example 2. FIG.2O4It is a drawing substitute photograph which shows the TEM image of a thin film.
FIG. 5 shows epitaxially grown p-ZnRh in Example 2.2O4It is a XRD pattern of / n-ZnO / ITO thin film.
6 shows p-ZnRh in Example 2. FIG.2O45 is a drawing-substituting photograph showing a high-resolution electron microscope image near the / n-ZnO junction.
FIG. 7 shows epitaxial p-ZnRh in Example 2.2O4It is a graph which shows the current-voltage characteristic of a / n-ZnO junction diode.
FIG. 8 shows epitaxial p-ZnRh in Example 2.2O4It is a photoelectric conversion spectrum of a / n-ZnO junction diode.
9 is an X-ray amorphous p-ZnRh in Example 3. FIG.2O4/ Amorphous n-InGaZnO4It is a schematic diagram which shows the element structure of a junction diode.
10 is an X-ray amorphous p-ZnRh in Example 3. FIG.2O4/ Amorphous n-InGaZnO4It is a graph which shows the current-voltage characteristic of a junction diode.

Claims (7)

酸化物半導体化合物薄膜から構成される紫外波長域の光検出機能を有するPN接合デバイスであって、n型透明電極として使用されるITO単結晶膜上にエピタキシャル成長したn型電気伝導性を示し紫外光感度を有するZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)単結晶薄膜、該ZnMg1−xO単結晶薄膜上に多結晶又はアモルファス膜として堆積されアニールによる拡散処理によりエピタキシャル成長したp型電気伝導を示すLiイオンを10〜30at%含むNiO単結晶薄膜、該NiO単結晶薄膜上に成膜したp型電極として使用される金属膜又はITO薄膜とからなり、該ZnMg1−xO単結晶薄膜と該Liイオンを含むNiO単結晶薄膜とがヘテロエピタキシャル界面を形成していることを特徴とするPN接合デバイス。A PN junction device composed of an oxide semiconductor compound thin film and having a light detection function in the ultraviolet wavelength region, and exhibits n-type electrical conductivity epitaxially grown on an ITO single crystal film used as an n-type transparent electrode. Sensitive Zn x Mg 1-x O (where 0.7 <x ≦ 1) single crystal thin film, diffusion treatment by annealing deposited as a polycrystalline or amorphous film on the Zn x Mg 1-x O single crystal thin film A ZnO single crystal thin film containing 10 to 30 at% of Li ions exhibiting p-type conductivity epitaxially grown by a metal film or an ITO thin film used as a p-type electrode formed on the NiO single crystal thin film, the Zn PN of the NiO single crystal thin film containing x Mg 1-x O single crystal thin film and the Li ions and wherein the forming a heteroepitaxial interface If device. 酸化物半導体化合物薄膜から構成される紫外波長域の光検出機能を有するPN接合デバイスであって、n型透明電極として使用されるITO単結晶膜上にエピタキシャル成長したn型電気伝導性を示し紫外光感度を有するZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)単結晶薄膜、該ZnMg1−xO単結晶薄膜上に多結晶又はアモルファス膜として堆積されアニールによる拡散処理によりエピタキシャル成長したp型電気伝導を示すZnRh単結晶薄膜、該ZnRh単結晶薄膜上に成膜したp型電極として使用される金属膜又はITO薄膜とからなり、該ZnMg1−xO単結晶薄膜と該ZnRh単結晶膜とがヘテロエピタキシャル界面を形成していることを特徴とするPN接合デバイス。A PN junction device composed of an oxide semiconductor compound thin film and having a light detection function in the ultraviolet wavelength region, and exhibits n-type electrical conductivity epitaxially grown on an ITO single crystal film used as an n-type transparent electrode. Sensitive Zn x Mg 1-x O (where 0.7 <x ≦ 1) single crystal thin film, diffusion treatment by annealing deposited as a polycrystalline or amorphous film on the Zn x Mg 1-x O single crystal thin film A ZnRh 2 O 4 single crystal thin film exhibiting p-type conductivity epitaxially grown by the above, a metal film used as a p-type electrode formed on the ZnRh 2 O 4 single crystal thin film, or an ITO thin film, and the Zn x Mg A PN junction device, wherein a 1- xO single crystal thin film and the ZnRh 2 O 4 single crystal film form a heteroepitaxial interface. 酸化物半導体化合物薄膜から構成される紫外波長域の光検出機能を有するPN接合デバイスであって、n型透明電極として使用されるITO膜上に堆積されたn型電気伝導性を示し紫外光感度を有するアモルファスInGaO(ZnO)(mは1以上50未満の整数)薄膜、該InGaO(ZnO)上に堆積されたp型電気伝導を示すアモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜、該アモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜上に成膜したp型電極として使用される金属膜又はITO薄膜とからなり、該アモルファスInGaO(ZnO)(mは1以上50未満の整数)薄膜と該アモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜とがヘテロ界面を形成していることを特徴とするPN接合デバイス。A PN junction device composed of an oxide semiconductor compound thin film and having a photodetection function in the ultraviolet wavelength range, and exhibits n-type electrical conductivity deposited on an ITO film used as an n-type transparent electrode, and exhibits ultraviolet sensitivity. An amorphous InGaO 3 (ZnO) m (m is an integer of 1 to less than 50) thin film, an amorphous NiO thin film or an amorphous ZnRh 2 O 4 thin film showing p-type conductivity deposited on the InGaO 3 (ZnO) m , It consists of a metal film or ITO thin film used as a p-type electrode formed on the amorphous NiO thin film or amorphous ZnRh 2 O 4 thin film, and the amorphous InGaO 3 (ZnO) m (m is an integer of 1 to less than 50) this thin film and the amorphous NiO thin film or amorphous ZnRh 2 O 4 and the thin film forms a hetero-interface PN junction device according to claim. 酸化物半導体化合物薄膜から構成される紫外波長域の光検出機能を有するPN接合デバイスの製造方法であって、ITO単結晶膜上にZnMg1−xO単結晶薄膜をエピタキシャル成長させ、該ZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)単結晶薄膜上にLiイオンを10〜30at%含む多結晶又はアモルファスNiO薄膜を堆積させ、600℃〜1500℃の温度でアニールによる拡散処理をしてエピタキシャル成長させることにより該多結晶又はアモルファスNiO薄膜をNiO単結晶薄膜とするとともに、該ZnMg1−xO単結晶薄膜と該NiO単結晶薄膜とのヘテロエピタキシャル界面を形成し、該NiO単結晶薄膜上に金属膜又はITO薄膜を成膜することを特徴とする請求項1記載のPN接合デバイスの製造方法。A method of manufacturing a PN junction device having an ultraviolet wavelength region photodetection function composed of an oxide semiconductor compound thin film, wherein a Zn x Mg 1-x O single crystal thin film is epitaxially grown on an ITO single crystal film, and the Zn A polycrystalline or amorphous NiO thin film containing 10-30 at% of Li ions is deposited on a single crystal thin film of x Mg 1-x O (0.7 <x ≦ 1) and annealed at a temperature of 600 ° C. to 1500 ° C. The polycrystalline or amorphous NiO thin film is made into a NiO single crystal thin film by performing epitaxial growth by diffusion treatment, and a heteroepitaxial interface between the Zn x Mg 1-x O single crystal thin film and the NiO single crystal thin film is formed. A metal film or an ITO thin film is formed on the NiO single crystal thin film. Method. 酸化物半導体化合物薄膜から構成される紫外波長域の光検出機能を有するPN接合デバイスの製造方法であって、ITO単結晶膜上にZnMg1−xO(ただし、0.7<x≦1)単結晶薄膜をエピタキシャル成長させ、該ZnMg1−xO単結晶薄膜上に多結晶又はアモルファスZnRh膜を堆積させ、600℃〜1500℃の温度でアニールによる拡散処理をしてエピタキシャル成長させることにより該多結晶又はアモルファスZnRh膜をZnRh単結晶薄膜とするとともに、該ZnMg1−xO単結晶薄膜と該ZnRh単結晶薄膜とのヘテロエピタキシャル界面を形成し、該ZnRh単結晶薄膜上に金属膜又はITO薄膜を成膜することを特徴とする請求項2記載のPN接合デバイスの製造方法。A method of manufacturing a PN junction device having a light detection function in an ultraviolet wavelength region composed of an oxide semiconductor compound thin film, wherein Zn x Mg 1-x O (where 0.7 <x ≦ 1) Epitaxially grow a single crystal thin film, deposit a polycrystalline or amorphous ZnRh 2 O 4 film on the Zn x Mg 1-x O single crystal thin film, and perform diffusion treatment by annealing at a temperature of 600 ° C. to 1500 ° C. By epitaxially growing the polycrystalline or amorphous ZnRh 2 O 4 film into a ZnRh 2 O 4 single crystal thin film, the Zn x Mg 1-x O single crystal thin film and the ZnRh 2 O 4 single crystal thin film are heteroepitaxially formed. surfactant to form, PN contact of claim 2, wherein the forming a metal film or thin ITO film on the ZnRh 2 O 4 single crystal thin film A device manufacturing method. 酸化物半導体化合物薄膜から構成される紫外波長域の光検出機能を有するPN接合デバイスの製造方法であって、ITO膜上にアモルファスInGaO(ZnO)(mは1以上50未満の整数)薄膜を堆積させ、該InGaO(ZnO)薄膜上にアモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜を基板温度100℃以下で堆積させ、該アモルファスInGaO(ZnO)薄膜と該アモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜とのヘテロ界面を形成し、該アモルファスNiO薄膜又はアモルファスZnRh薄膜上に金属膜又はITO薄膜を成膜することを特徴とする請求項3記載のPN接合デバイスの製造方法。A method of manufacturing a PN junction device having an ultraviolet wavelength region photodetection function composed of an oxide semiconductor compound thin film, wherein an amorphous InGaO 3 (ZnO) m (m is an integer of 1 to less than 50) thin film on an ITO film Then, an amorphous NiO thin film or an amorphous ZnRh 2 O 4 thin film is deposited on the InGaO 3 (ZnO) m thin film at a substrate temperature of 100 ° C. or less, and the amorphous InGaO 3 (ZnO) thin film and the amorphous NiO thin film or amorphous ZnRh are deposited. forming a hetero interface between the 2 O 4 thin film, method of manufacturing a PN junction device according to claim 3, wherein the forming a metal film or thin ITO film on the amorphous NiO thin film or amorphous ZnRh 2 O 4 thin film . 請求項1乃至3のいずれかに記載のPN接合デバイスを用いた紫外波長域に選択的な感度を有する光検出器。A photodetector having selective sensitivity in the ultraviolet wavelength region using the PN junction device according to claim 1.
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