JP4635187B2 - 半導体光検出器 - Google Patents

Description

この発明は、半導体光検出器に関し、特に、紫外光あるいはより短波長の光の検出に適用して好適な半導体光検出器に関する。

従来、半導体光検出器として２つの方式のものが知られている。第１の方式の半導体光検出器では、ｐｉｎダイオードまたはショットキーダイオードが用いられ、光吸収により生成された電子・正孔を出力電流として取り出す。第２の方式の半導体光検出器では、ｎｐｎトランジスタまたはｐｎｐトランジスタの構成を有するフォトトランジスタが用いられ、ベース層による光吸収によって生成されたキャリアによりベース層のバンドエネルギーを制御して障壁高さを低下させ、コレクタ電流を取り出す。第１の方式の半導体光検出器は、光吸収によって生成されたキャリアから電流を取り出すため、増幅率は原理的に１以下である。これに対し、第２の方式の半導体光検出器は、光注入キャリアによってベース層の障壁高さを低下させ、コレクタ電流として出力を取り出すため、一般に、第１の方式の半導体光検出器よりも大きい増幅率を有している。

第２の方式の半導体光検出器の一例としてｎｐｎフォトトランジスタを図１７に示す。図１７に示すように、このｎｐｎフォトトランジスタにおいては、ｎ型コレクタ層１０１上にｐ型ベース層１０２が積層され、その上にｎ型エミッタ層１０３が積層されている。ｎ型コレクタ層１０１の裏面にはコレクタ電極１０４が形成されている。ｎ型エミッタ層１０３上には透明電極１０５を介してエミッタ電極１０６が形成されている。

このｎｐｎフォトトランジスタの動作原理について説明する。コレクタ電極１０４にエミッタ電極１０６に対して正のバイアス電圧（Ｖ_c ）を印加した場合の暗時（光が照射されていない時）および光照射時のエネルギーバンド図を図１８に示す。図１８において、Ｅ_v は価電子帯の上端のエネルギー、Ｅ_c は伝導帯の下端のエネルギー、Ｅ_F はフェルミ準位を示す。まず、暗時には、ｎ型エミッタ層１０３の電子（黒丸で示す）は、ｐ型ベース層１０２の伝導帯の障壁によって遮断されているため、ｎ型コレクタ層１０１には到達できない。次に、エミッタ電極１０６側に光が照射された時を考える。この光のエネルギーが、ｎ型エミッタ層１０３、ｐ型ベース層１０２およびｎ型コレクタ層１０１を構成する半導体のバンドギャップ以上の場合、それらの全領域で光吸収が生じ、電子・正孔対が生成される。このとき、ｐ型ベース層１０２中に生成された正孔はそのままこのｐ型ベース層１０３に蓄積され、このｐ型ベース層１０２の近傍に生成された正孔は拡散およびドリフトによりこのｐ型ベース層１０２に移動して蓄積される。この正孔の蓄積によりｐ型ベース層１０２のバンドエネルギーが低下し、このｐ型ベース層１０２の伝導帯の障壁の高さが低下するため、ｎ型エミッタ層１０３からの電子がこの障壁を乗り越えてｎ型コレクタ層１０１に流れるようになる。こうしてコレクタ電極１０４とエミッタ電極１０６との間に流れる電流を測定することにより光を検出することができる。

このｎｐｎフォトトランジスタの増幅率を向上させるためには、正孔がｐ型ベース層１０２に効率的に蓄積されるとともに、ｎ型エミッタ層１０３側から到来する電子のｐ型ベース層１０２における再結合ロスを最小にすることが重要である。このために、例えば、ｐ型ベース層１０２の厚さを大きくするとともに、ｐ濃度を低くすることが考えられる。しかしながら、ｐ型ベース層１０２のｐ濃度が低下すると伝導帯の障壁の高さも低下するため、このｎｐｎフォトトランジスタの半導体としてＳｉのようなバンドギャップが小さいものを用いると、ｎ型エミッタ層１０３側から到来する電子を遮断できず、暗時の電流が増加してしまう。

この問題を克服するために、図１９に示すような構造を有する電界効果型フォトトランジスタが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この電界効果型フォトトランジスタにおいては、絶縁基板２０１上に、ソース電極２０２およびドレイン電極２０３が互いに分離して形成されている。これらのソース電極２０２およびドレイン電極２０３はそれぞれオーミックコンタクトをとるためのｎ型非晶質シリコン膜２０４、２０５によって被覆されている。これらのソース電極２０２およびドレイン電極２０３の間にはｎ型非晶質シリコン膜２０４、２０５に跨がるようにチャネル層２０６が形成され、その上にゲート絶縁膜２０７が積層されている。チャネル層２０６のチャネル領域に対応する部分のゲート絶縁膜２０７上にゲート電極２０８が形成されている。このゲート電極２０８は、ｐ型非晶質シリコン層２０８ａとノンドープのｉ型非晶質シリコン層２０８ｂとｎ型非晶質シリコン層２０８ｃとがこの順で積層されることにより形成されているｐｉｎ型非晶質シリコン層（フォトダイオード）である。この電界効果型フォトトランジスタの動作原理については次のように説明されている。光はｎ型非晶質シリコン層２０８ｃ側から入射し、ｉ型非晶質シリコン層２０８ｂ中で吸収され、電子・正孔対が生成される。このｉ型非晶質シリコン層２０８ｂは、ビルトインポテンシャルにより空乏化しており、エネルギーバンドが傾斜しているため、電子はｎ型非晶質シリコン層２０８ｃに、正孔はｐ型非晶質シリコン層２０８ａにそれぞれ移動することでそれぞれあるポテンシャルを有するようになり、開放端電圧となる正の起電力が生じる。この起電力により、ゲート絶縁膜２０７との界面の近傍のチャネル層２０６に電子が誘起されてチャネルが形成される。このとき、チャネル層２０６の両端に配置されたソース電極２０２とドレイン電極２０３との間に予め電圧が印加されていれば、ゲート電極２０８に印加される起電力がトリガとなって、ソース電極２０２とドレイン電極２０３との間に電流を流すことができる。

一方、ＧａＮ系ワイドギャップ半導体を用いた半導体光検出器が注目されている。この半導体光検出器は、例えば、火災センサーや太陽光に含まれる紫外線のモニターなど、さまざまな用途における需要が高く、ｐｉｎダイオードまたはショットキーダイオードの形態において提案がなされている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平５−４８１４２号公報 特開２００５−２３５９１０号公報

しかしながら、特許文献１で提案された電界効果型フォトトランジスタには、以下のような問題がある。第１に、この電界効果型フォトトランジスタにおいては、光吸収層としてｉ型非晶質シリコン層２０８ｂが用いられているが、このｉ型非晶質シリコン層２０８ｂは可視光も紫外光も吸収するため、紫外光だけを検出したい用途には適しておらず、紫外光だけを検出する場合には可視光カットフィルターなどの高コストの多層膜フィルターを用いる必要がある。第２に、この電界効果型フォトトランジスタにおいては、ｉ型非晶質シリコン層２０８ｂのエネルギーバンドが傾斜し、ｎ型非晶質シリコン層２０８ｃからｐ型非晶質シリコン層２０８ａに向かう電界がかかっているため、電子はｎ型非晶質シリコン層２０８ｃに、正孔はｐ型非晶質シリコン層２０８ａにそれぞれ移動するとされているが、実際にはこのような理想的な電界分布を得ることは難しく、期待どおりの動作をすることは難しいと考えられる。

第２の問題について詳細に説明する。図２０はこの電界効果型フォトトランジスタのエネルギーバンド図を示す。上述のようなｐｉｎ型非晶質シリコン層からなるフォトダイオードでは、自由電子や正孔のない空乏層が広いほど感度が高くなるため、ｉ型非晶質シリコン層２０８ｂの厚さを大きくすることによって空乏層を広くする方法がとられている。さらに、ｉ型非晶質シリコン層２０８ｂは、ビルトインポテンシャルにより空乏化しており、エネルギーバンドが傾斜しているため、電子はｎ型非晶質シリコン層２０８ｃに、正孔はｐ型非晶質シリコン層２０８ａにそれぞれ移動するとされている。しかしながら、実際には、ｉ型非晶質シリコン層２０８ｂにおけるエネルギーバンドは、図２０の点線や一点鎖線で示すように、ほぼフラットとなる。これは、残留電子や正孔の濃度で決まるｉ型非晶質シリコン層２０８ｂの抵抗に比べ、ｐ型非晶質シリコン層２０８ａとｉ型非晶質シリコン層２０８ｂとのｐｉ接合またはｎ型非晶質シリコン層２０８ｃとｉ型非晶質シリコン層２０８ｂとのｎｉ接合のいずれかにおいて抵抗が非常に高くなる場所があり、この場所において大きな電圧降下が生じるためである。このため、ｉ型非晶質シリコン層２０８ｂには、実質的にはあまり電界がかからず、エネルギーバンドはほぼフラットとなる。ところで、半導体中では、キャリアである電子および正孔が同時に流れる。ここで議論を単純にするために、電子および正孔のキャリア移動度が等しいと考えると、抵抗が高くなるのは両キャリアが同時に低濃度になる状況である。電子濃度をｎ、正孔濃度をｐ、真性キャリア濃度をｎ_i とすると、熱平衡においてはｎｐ＝ｎ_i ² となるため、抵抗が最も高くなるのはｎ＝ｐ＝ｎ_i の場合である。つまり、ｉ型非晶質シリコン層２０８ｂにおける不純物濃度、したがってキャリア濃度をｎ_i 以下にしなければ、電界効果型フォトトランジスタの高感度を実現するために、ｉ型非晶質シリコン層２０８ｂにおいて、ｎ型非晶質シリコン層２０８ｃからｐ型非晶質シリコン層２０８ａに向かう電界を得ることはできないが、ｉ型非晶質シリコン層２０８ｂのキャリア濃度をｎ_i 以下にすることは必ずしも容易ではない。さらに、ｐ型非晶質シリコン層２０８ａは、正孔の空乏化でアクセプタによる負電荷領域を形成するので、ｉ型非晶質シリコン層２０８ｂの抵抗率で決まる光感度の低い電位分布が確実に実現されてしまう。

特許文献１では、ｐｉｎ型非晶質シリコン層を用いた電界効果型フォトトランジスタについてしか記載されておらず、ｐｉｎ型非晶質シリコン層の代わりにワイドギャップ半導体層を用いることについては一切記載されていないが、ｎ_i の値はバンドギャップに依存して大きく変化し、ワイドギャップ半導体においては極めて小さな値となるため、たとえｐｉｎ型非晶質シリコン層の代わりにワイドギャップ半導体層を用いたとしても、この電界効果型フォトトランジスタの構成では、上記と同様に理想の電界分布は得られず、期待どおりの動作をすることは難しい。

一方、上記のように、ＧａＮ系ワイドギャップ半導体を用いた半導体光検出器としてｐｉｎダイオードまたはショットキーダイオードの形態のものの提案がなされているが、フォトトランジスタ型の形態では未だ実現されておらず、これは、従来のｎｐｎフォトトランジスタの形態での作製が困難であるためであると考えられる。すなわち、ＧａＮ系半導体を用いてｎｐｎフォトトランジスタを作製する場合には、ｐ型ＧａＮベース層の上にｎ型ＧａＮエミッタ層を成長させる必要がある。ところが、ＧａＮ系半導体のアクセプタ準位は非常に深く（０．２５〜０．３ｅＶ）、活性化率は１％程度であるため、このｐ型ＧａＮベース層のｐ濃度を上昇させるためには不純物を大量にドープしなくてはならない。例えば、１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ濃度を得るには、約１０¹⁹ｃｍ^-3もの大量のＭｇのドープが必要である。このような大量のＭｇを、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂ Ｍｇ）などの有機金属化合物を原料に用いて一般的なＭＯＣＶＤ法によってドープしてｐ型ＧａＮベース層を成長させると、次に成長させるｎ型ＧａＮエミッタ層の品質が、Ｍｇ原料供給の大きなメモリー効果のために著しく低下する。また、仮に１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ濃度を有するｐ型ＧａＮベース層が実現されたとしても、約１０¹⁹ｃｍ^-3もの大量の中性アクセプタにより、ｎ型ＧａＮエミッタ層からの電子がｐ型ＧａＮベース層において再結合捕獲されてしまうため、増幅効果は期待できない。さらに、ＧａＮの紫外光の吸収係数は１０⁵ ｃｍ^-1であると報告されており、非常に大きいため、例えば、ｎ型ＧａＮエミッタ層の厚さが０．３μｍの場合、このｎ型ＧａＮエミッタ層に入射する紫外光はｐ型ＧａＮベース層に到達するよりも前に９５％減衰してしまうことから、光注入キャリアによるｐ型ＧａＮベース層の障壁高さの低下は期待できない。
この発明は、従来技術が有する上記の課題を一挙に解決することを目的とするものである。
すなわち、この発明が解決しようとする課題は、紫外光あるいはより短波長の光だけを極めて高い受光感度で検出することができ、しかもｐ型層を用いないで済むことにより製造も容易な半導体光検出器を提供することである。

本発明者らは、鋭意研究を行った結果、上述の課題を解決するためには、半導体光検出器の半導体として可視光を吸収しないＧａＮ系半導体などのワイドギャップ半導体を用いるとともに、光吸収を行う表面層の下に障壁層を設け、さらにその下に電子放出層（電子供給層）あるいはチャネル層を設けた構造とし、表面層で光吸収によって生成された正孔を障壁層との界面あるいはこの障壁層に蓄積することを利用して光電流を得るようにすることが最も有効であることを見出し、この発明を案出するに至った。この半導体光検出器は、バイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と類似の動作をするが、ｐ型層は一切用いないで済むものであり、新規な動作原理に基づくものである。図１７に示す従来のｎｐｎフォトトランジスタでは、内部に位置しているｐ型ベース層１０２が光吸収およびバンドエネルギー低下（障壁の高さの低下）の２つの役割を担っていたのに対し、この半導体光検出器では、表面層に光吸収の役割を担わせ、バンドエネルギー低下を表面層の下の障壁層に担わせる点で大きく異なる。この半導体光検出器はトランジスタと同様な動作をするため増幅作用を有しており、紫外光あるいはそれよりも短波長の光を極めて高い受光感度で検出することができる。
この発明は、本発明者らによる上記の研究に基づいて案出されたものである。

すなわち、上述の課題を解決するために、第１の発明は、
第１の半導体層と、
上記第１の半導体層上の、上記第１の半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の半導体層と、
上記第２の半導体層上の、上記第２の半導体層よりもバンドギャップが小さく、かつ、このバンドギャップは可視光の最短波長に対応する光子エネルギーよりも大きく、かつ、上記第２の半導体層とタイプＩのヘテロ接合を形成する第３の半導体層と、
上記第１の半導体層に電気的に接続された第１の電極と、
上記第３の半導体層に電気的に接続された第２の電極とを有し、
動作時に上記第３の半導体層による光吸収によって生成される正孔が上記第３の半導体層と上記第２の半導体層との界面に蓄積されることを特徴とする半導体光検出器である。

この第１の発明において、第１の半導体層と第２の半導体層との界面には、典型的には電子が存在する。この半導体光検出器の動作時には、第２の電極に第１の電極に対して正のバイアス電圧を印加することにより、第３の半導体層のエネルギーバンドは、第１の半導体層と第２の半導体層との界面側が高く、第３の半導体層と第２の電極との界面側が低くなるように傾斜し、第３の半導体層と第２の電極との界面から第２の半導体層と第３の半導体層との界面に向かって電界がかかった状態となっている。この状態で第３の半導体層により光吸収が行われると、それによって生成された電子・正孔対はこの電界により直ちに分離され、正孔が第２の半導体層と第３の半導体層との界面に蓄積される。この正孔の蓄積により、第２の半導体層による障壁の高さが低下する結果、第１の半導体層から電子がこの障壁を乗り越えて第３の半導体層に流れやすくなる。この時の電流を測定することにより光を検出することができる。

第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層の材料としては種々の半導体を用いることができ、必要に応じて適宜選択されるが、例えば、ＧａＮ系半導体、ダイヤモンド（Ｃ）、ＺｎＯなどの各種のワイドギャップ半導体が用いられる。特に、光吸収層である第３の半導体層は、検出しようとする光の波長の上限の波長に対応する光子エネルギーと等しいバンドギャップを有するものが用いられる。例えば、ＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶであるから、光吸収層として用いられる第３の半導体層をＧａＮで形成することにより、波長３６５ｎｍ以下の紫外光やより短波長の光（Ｘ線、γ線など）を選択的に検出するのに適している。タイプＩのヘテロ接合の例を挙げると、第２の半導体層がＡｌＧａＮ層、第３の半導体層がＧａＮ層であるものや、第２の半導体層がＡｌＧａＮ層、第３の半導体層がこのＡｌＧａＮ層よりもＡｌ組成が小さいものなどである。典型的な一つの例では、第１の半導体層がアンドープまたはｎ型Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層（１≧ｘ≧０）、第２の半導体層がアンドープＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ層（ｙ＞ｘ、１≧ｙ＞０）、第３の半導体層がアンドープＡｌ_z Ｉｎ_w Ｇａ_1-z-w Ｎ層（１≧ｚ≧０、１≧ｗ≧０、１≧ｚ＋ｗ≧０）である。

第１の半導体層、第２の半導体層および第３の半導体層を成長させる基板としては種々の基板を用いることができ、必要に応じて適宜選択されるが、具体的には、サファイア基板、ＳｉＣ基板などである。また、これらの半導体層の成長には、典型的には、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が用いられるが、これに限定されるものではなく、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などを用いてもよい。
半導体光検出器の特性のばらつきの影響を抑えるために、必要に応じて、半導体光検出器を一対用意して差動アンプを構成し、一方の半導体光検出器には配線用の金メッキ層などを用いて光が照射されないようにしてもよい。

第２の発明は、
ｎ型の第１の半導体層と、
上記第１の半導体層上の、上記第１の半導体層よりも高い電気抵抗を有し、かつ、深いアプセプタ準位を含む第２の半導体層と、
上記第２の半導体層上の、バンドギャップが可視光の最短波長に対応する光子エネルギーよりも大きく、かつ、空乏化した第３の半導体層と、
上記第１の半導体層に電気的に接続された第１の電極と、
上記第３の半導体層に電気的に接続された第２の電極とを有し、
動作時に上記第３の半導体層による光吸収によって生成される正孔が上記第２の半導体層に蓄積されることを特徴とする半導体光検出器である。

この第２の発明においては、半導体光検出器の動作時には、第２の電極に第１の電極に対して正のバイアス電圧を印加することにより、第３の半導体層のエネルギーバンドは、第１の半導体層と第２の半導体層との界面側が高く、第３の半導体層と第２の電極との界面側が低くなるように傾斜し、第３の半導体層と第２の電極との界面から第２の半導体層と第３の半導体層との界面に向かって電界がかかった状態となっている。また、第２の半導体層は深いアプセプタ準位を含むためエネルギーバンドは上に凸の形状になっている。この状態で第３の半導体層により光吸収が行われると、それによって生成された電子・正孔対はこの電界により直ちに分離され、正孔が第２の半導体層に蓄積される。この正孔の蓄積により、第２の半導体層による障壁の高さが低下する結果、第１の半導体層から電子がこの障壁を乗り越えて第３の半導体層に流れやすくなる。この時の電流を測定することにより光を検出することができる。

典型的な一つの例では、第１の半導体層がｎ型Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層（１≧ｘ≧０）、第２の半導体層がＣ（カーボン）ドープＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ層（ｙ≧ｘ、１≧ｙ≧０）、第３の半導体層がアンドープＡｌ_z Ｉｎ_w Ｇａ_1-z-w Ｎ層（１≧ｚ≧０、１≧ｗ≧０、１≧ｚ＋ｗ≧０）である。ここで、第２の半導体層として用いられるＣドープＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ層については、一般に、カーボンは、ＧａＮ中で深いアクセプタ準位を形成することが分かっている。このＣドープＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ層は、ＭＯＣＶＤ法により第２の半導体層を成長させる際に、原料ガスに混入するカーボンの量を調整することにより、成長結晶のカーボン濃度が所定値以上になるように容易に成長させることができる。このカーボン濃度は、現代の技術では桁単位での制御が可能である。
上記以外のことについては、第１の発明に関連して説明したことが成立する。

第３の発明は、
第１の半導体層と、
上記第１の半導体層上の、上記第１の半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の半導体層と、
上記第２の半導体層上の、上記第２の半導体層よりもバンドギャップが小さく、かつ、このバンドギャップは可視光の最短波長に対応する光子エネルギーよりも大きく、かつ、上記第２の半導体層とタイプＩのヘテロ接合を形成する第３の半導体層と、
上記第１の半導体層の一端および他端にそれぞれ電気的に接続された第１の電極および第２の電極と、
上記第３の半導体層に電気的に接続されている第３の電極とを有し、
動作時に上記第３の半導体層による光吸収によって生成される正孔が上記第３の半導体層と上記第２の半導体層との界面に蓄積されることを特徴とする半導体光検出器である。

この第３の発明においては、半導体光検出器の動作時には、第３の電極に所定のバイアス電圧を印加することにより、第３の半導体層のエネルギーバンドは、第１の半導体層と第２の半導体層との界面側が高く、第３の半導体層と第３の電極との界面側が低くなるように傾斜し、第３の半導体層と第３の電極との界面から第２の半導体層と第３の半導体層との界面に向かって電界がかかった状態となっている。この状態で第３の半導体層により光吸収が行われると、それによって生成された電子・正孔対はこの電界により直ちに分離され、正孔は第２の半導体層と第３の半導体層との界面に蓄積される。この結果、第１の半導体層と第２の半導体層との界面のチャネル領域にこの正孔とほぼ同量の電子が誘起され、このチャネル領域の電気伝導度が変調される。この時に第１の電極および第２の電極の間に流れる電流（チャネル電流）を測定することにより光を検出することができる。
上記以外のことについては、第１の発明に関連して説明したことが成立する。

この発明によれば、光吸収層である第３の半導体層は、障壁層である第２の半導体層と分離して設けられているため、この半導体光検出器の動作時に、第３の半導体層のエネルギーバンドが理想的な傾斜を有し、電界が理想的な形でかかった状態にすることができ、この第３の半導体層による光吸収によって生成される電子・正孔対を確実に分離することができ、高い受光感度を得ることができる。また、光吸収層である第３の半導体層は表面層として設けられているため、第３の半導体層の材料としてＧａＮ系半導体などの吸収係数の非常に大きな半導体を用いても高効率な増幅効果を得ることができる。また、この半導体光検出器は、光吸収層である第３の半導体層は可視光を吸収しないため、可視光カットフィルターなどの高コストな多層膜フィルターを用いることなく、明るいところでも、紫外光あるいはより短波長の光だけを選択的に検出することができる。さらに、この半導体光検出器は、障壁層としてｐ型層を設ける必要がないため、ＧａＮ系半導体などを用いて従来のｎｐｎフォトトランジスタを製造する場合の問題がなく、容易に製造することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明の第１の実施形態（第１の発明の実施形態）による半導体光検出器を示す。図１に示すように、この半導体光検出器においては、基板１上に、ＧａＮやＡｌＮなどの低温バッファ層（図示せず）を介して、アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２、アンドープＡｌＧａＮ層３およびアンドープＧａＮ層４が順次積層されている。アンドープＡｌＧａＮ層３およびアンドープＧａＮ層４はメサ形状に形成されている。アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２は電子放出層として用いられ、アンドープＡｌＧａＮ層３は障壁層として用いられ、アンドープＧａＮ層４は光吸収層として用いられる。基板１としては、例えばサファイア基板、特にｃ面サファイア基板が用いられるが、これに限定されるものではない。メサ部の外側のアンドープまたはｎ型ＧａＮ層２上には負電極５が形成され、このアンドープまたはｎ型ＧａＮ層２と電気的に接続されている。アンドープＧａＮ層４上には正電極６が形成され、このアンドープＧａＮ層４と電気的に接続されている。負電極５および正電極６の材料としては、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕなどの多層金属が用いられるが、これに限定されるものではない。なお、アンドープＡｌＧａＮ層３は一般的にはフローティングとし、電極を形成する必要はない。

次に、この半導体光検出器の製造方法について説明する。
まず基板１を用意し、この基板１上に従来公知の方法によりＧａＮやＡｌＮなどの低温バッファ層（図示せず）を形成した後、例えばＭＯＣＶＤ法により、アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２、アンドープＡｌＧａＮ層３およびアンドープＧａＮ層４を順次エピタキシャル成長させる。次に、アンドープＧａＮ層４上にリソグラフィーにより所定の形状のレジストパターン（図示せず）を形成した後、このレジストパターンをマスクとして例えば塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりアンドープＡｌＧａＮ層３およびアンドープＧａＮ層４を選択的にエッチングしてメサ形状にパターニングするとともに、アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２の一部を露出させる。この後、レジストパターンを除去する。次に、リソグラフィーにより所定の形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、例えば真空蒸着法により負電極形成用の金属膜を形成した後、レジストパターンをその上の金属膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２上に負電極５が形成される。次に、必要に応じて、アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２に対する負電極５のオーミック接触特性を改善するために例えば７００〜９００℃程度の温度で熱処理を行う。次に、同様な方法によりアンドープＧａＮ層４上に正電極６を形成する。

次に、この半導体光検出器の動作原理について説明する。
図２はこの半導体光検出器の３つの異なる状態におけるエネルギーバンド図を示す。ただし、アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２はｎ型ＧａＮ層であるものとする。この半導体光検出器に光が照射されておらず（暗時）、バイアス電圧も印加されていない状態（無バイアス）におけるエネルギーバンドは図２の点線で示すようになっている。この場合、障壁層であるアンドープＡｌＧａＮ層３の伝導帯および価電子帯はアンドープまたはｎ型ＧａＮ層２およびアンドープＧａＮ層４に対してそれぞれ、上に凸、下に凸の形状となっている。

動作時には、正電極６に負電極５に対して正のバイアス電圧Ｖ_c を印加する。この半導体光検出器に光が照射されておらず（暗時）、バイアス電圧Ｖ_c が印加されている状態におけるエネルギーバンドは図２の実線で示すようになる。この正のバイアス電圧Ｖ_c の印加により、アンドープＧａＮ層４の伝導帯のエネルギーは低下し、これによりアンドープＡｌＧａＮ層３の伝導帯のピークのエネルギーも低下する。このピークの位置（エネルギー）が、アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２としてのｎ型ＧａＮ層からアンドープＧａＮ層４への電子移動を支配している。このアンドープＡｌＧａＮ層３の伝導帯のピークのエネルギーは、アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２としてのｎ型ＧａＮ層のフェルミ準位Ｅ_F からの高さを基準として、暗時のリーク電流を許容できる値に抑えるのに十分な高さを有する必要がある。例えば、熱電子放出理論で計算される電流値は、アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２としてのｎ型ＧａＮ層のフェルミ準位から見た、アンドープＡｌＧａＮ層３による障壁の高さが約０．７１ｅＶのとき１×１０^-6Ａ／ｃｍ² となり、暗時のリーク電流として許容できる値に抑えられることが分かる。仮にこの障壁が存在しない場合、暗時において、ショットキー順方向電流として大電流が流れることになる。アンドープＧａＮ層４のエネルギーバンドは、アンドープＡｌＧａＮ層３とアンドープＧａＮ層４との界面側が高く、アンドープＧａＮ層４と正電極６との界面側が低くなるように傾斜しており、アンドープＧａＮ層４には、アンドープＧａＮ層４と正電極６との界面からアンドープＡｌＧａＮ層３とアンドープＧａＮ層４との界面に向かって電界がかかっている。

正電極６に負電極５に対して正のバイアス電圧Ｖ_c が印加された状態で、半導体光検出器に３６５ｎｍ（ＧａＮのバンドギャップに相当する波長）以下の波長の光が照射された場合を考える。このときのエネルギーバンドは図２の一点鎖線で示すようになる。この光は光吸収層であるアンドープＧａＮ層４で吸収され、光励起により価電子帯に正孔（○で示す）、伝導帯に電子（●で示す）が生成される。この正孔は価電子帯のエネルギー勾配に沿って移動し、アンドープＡｌＧａＮ層３とアンドープＧａＮ層４との界面の近傍に蓄積する。この蓄積された正孔の電荷により、アンドープＡｌＧａＮ層３のバンドエネルギーが低下し、したがってこのアンドープＡｌＧａＮ層３の伝導帯の障壁の高さが低下するため、アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２としてのｎ型ＧａＮ層からアンドープＡｌＧａＮ層３への電子の流れが生じる。正電極６および負電極５を外部回路に接続することによりこの電子の流れを電流として測定することで光を検出することができる。

〈実施例１〉
基板１としてｃ面サファイア基板を用いた。アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２として厚さ２０００ｎｍのアンドープＧａＮ層を用いた。アンドープＡｌＧａＮ層３の厚さは３０ｎｍ、Ａｌ組成は０．２５とした。アンドープＧａＮ層４の厚さは３０ｎｍとした。負電極５としてＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるオーミック電極を形成し、窒素ガス雰囲気中において８００℃で１分間の熱処理を施した。アンドープＡｌＧａＮ層３およびアンドープＧａＮ層４からなるメサ部の平面形状は直径１５０μｍの円形とし、このメサ部の上面の中央に正電極６として直径１４４μｍのＮｉ／Ａｕ電極を形成した。この場合、このメサ部の上面のうち端面から３μｍ幅の、正電極６が形成されていないドーナツ形状の部分が光の入射窓（直径２００μｍ、幅３μｍ）であり、受光面積は３．１４×２００×３μｍ² である。

この半導体光検出器にバイアス電圧Ｖ_c を印加した状態で、ブラックライトによる波長３６０ｎｍ付近の光（紫外光）を照射した状態と照射しない状態（暗時）とにおける、バイアス電圧Ｖ_c に対する出力電流値の変化を測定した結果を図３に示す。図３に示すように、順方向では、バイアス電圧Ｖ_c が４Ｖ以上で、暗時に比べて光照射時は電流値が大幅に増加している。このように高い電流値が得られるのは、順方向では電流増幅効果が得られるためである。一方、逆方向では、光照射時にも暗時に比べて電流値は全く変化がなかった。これは、入射光強度が、逆方向で電流が得られるほどには強くないことを示している。

なお、この実施例においては、光吸収層であるアンドープＧａＮ層４の厚さは３０ｎｍと非常に薄いため、入射光の一部（約２０〜２５％）が吸収されているだけであるが、このアンドープＧａＮ層４の厚さを大きくすることにより光電流を増加させることができ、例えば３００ｎｍ程度とすれば入射光の約９５％が吸収され、光電流を最大にすることができる。また、この実施例では、アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２としてアンドープＧａＮ層を用いたので、アンドープＡｌＧａＮ層３とこのアンドープＧａＮ層とのＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が光電流として寄与しているが、アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２としてｎ型ＧａＮ層を用いれば、抵抗はより低くなり、電流が大幅に増加することは明らかである。

以上のように、この第１の実施形態によれば、ＧａＮ系半導体を用いて大きな増幅作用を有する半導体光検出器を実現することができる。この半導体光検出器は、光吸収層としてアンドープＧａＮ層４を用いているので、可視光に対する受光感度は全くなく、波長３６０ｎｍ以下の光（紫外光あるいはそれよりも短波長の光）だけを極めて高い受光感度で検出することができる。このため、可視光カットフィルターなどの高コストの多層膜フィルターを用いることなく、明るいところでも紫外光あるいはそれよりも短波長の光だけを選択的に検出することができる。また、この半導体光検出器は、ｐ型ＧａＮ系半導体層を用いておらず、従来のｎｐｎフォトトランジスタの形態の半導体光検出器とは全く異なる新規な構造を有する。この半導体光検出器は、電子の流れを制御するという意味でユニポーラ素子であるが、その制御に正孔を用いていることにより、あたかもバイポーラトランジスタのように動作する。この場合、アンドープまたはｎ型ＧａＮ層２がエミッタ、アンドープＡｌＧａＮ層３がベース、アンドープＧａＮ層４がコレクタに対応すると考えることができる。このようにｐ型ＧａＮ系半導体層を用いていないため、この半導体光検出器は、従来のｎｐｎフォトトランジスタの形態の半導体光検出器と異なり、エピタキシャル成長時のメモリー効果の問題がなく、製造が容易である。

次に、この発明の第２の実施形態（第２の発明の実施形態）による半導体光検出器について説明する。
図４にこの半導体光検出器を示す。図４に示すように、この半導体光検出器は、電子放出層としてアンドープまたはｎ型ＧａＮ層２の代わりにｎ型ＧａＮ層７、障壁層としてアンドープＡｌＧａＮ層３の代わりにＣ（カーボン）ドープＧａＮ層８を用いていることを除いて、第１の実施形態による半導体光検出器と同様な構造を有する。ここで、ＣドープＧａＮ層７においては、ドープされたＣにより、深いアクセプタライクの準位が生じている。
この半導体光検出器の製造方法は、ｎ型ＧａＮ層７を成長させた後にカーボンが例えば１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上ドープされる条件でＧａＮ層を成長させることによりＣドープＧａＮ層７を成長させることを除いて、第１の実施形態による半導体光検出器の製造方法と同様である。

次に、この半導体光検出器の動作原理について説明する。
図５はこの半導体光検出器の３つの異なる状態におけるエネルギーバンド図を示す。この半導体光検出器に光が照射されておらず（暗時）、バイアス電圧も印加されていない状態（無バイアス）におけるエネルギーバンドは図５の点線で示すようになっている。ＣドープＧａＮ層８はｎ型ＧａＮ層７と接しているため、ＣドープＧａＮ層８中の深いアクセプタライクの準位はこのｎ型ＧａＮ層７からの電子をトラップして負イオン化アクセプタとなり、バンドエネルギーを増大させる。

動作時には、正電極６に負電極５に対して正のバイアス電圧Ｖ_c を印加する。この半導体光検出器に光が照射されておらず（暗時）、バイアス電圧Ｖ_c が印加されている状態におけるエネルギーバンドは図５の実線で示すようになる。この正のバイアス電圧Ｖ_c の印加により、アンドープＧａＮ層４の伝導帯のエネルギーは低下し、これによりＣドープＧａＮ層８の伝導帯のエネルギーも低下するが、このＣドープＧａＮ層８の伝導帯は負イオン化アクセプタ準位の存在により上に凸の形状となり、これが電子に対する障壁となる。この障壁が、ｎ型ＧａＮ層７からアンドープＧａＮ層４への電子移動を支配している。このＣドープＧａＮ層８の伝導帯のピークのエネルギーは、ｎ型ＧａＮ層７のフェルミ準位Ｅ_F からの高さを基準として、暗時のリーク電流を許容できる値に抑えるのに十分な高さを有する必要がある。例えば、熱電子放出理論で計算される電流値は、ｎ型ＧａＮ層７のフェルミ準位から見た、ＣドープＧａＮ層８による障壁の高さが約０．７１ｅＶのとき１×１０^-6Ａ／ｃｍ² となり、暗時のリーク電流として許容できる値に抑えられる。アンドープＧａＮ層４のエネルギーバンドは、ＣドープＧａＮ層８とアンドープＧａＮ層４との界面側が高く、アンドープＧａＮ層４と正電極６との界面側が低くなるように傾斜しており、アンドープＧａＮ層４には、アンドープＧａＮ層４と正電極６との界面からＣドープＧａＮ層８とアンドープＧａＮ層４との界面に向かって電界がかかっている。

正電極６に負電極５に対して正のバイアス電圧Ｖ_c が印加された状態で、半導体光検出器に３６５ｎｍ以下の波長の光が照射された場合を考える。このときのエネルギーバンドは図５の一点鎖線で示すようになる。この光は光吸収層であるアンドープＧａＮ層４で吸収され、光励起により価電子帯に正孔（○で示す）、伝導帯に電子（●で示す）が生成される。この正孔は価電子帯のエネルギー勾配に沿って移動し、ＣドープＧａＮ層８中に蓄積されて深い負イオン化アクセプタ準位にトラップされる。すると、この負イオン化アクセプタが中性化されることでバンドエネルギーが低下し、ＣドープＧａＮ層８の伝導帯の障壁の高さが減少する。その結果、ｎ型ＧａＮ層７からＣドープＧａＮ層８への熱電子放出量が増大し、正電極６に向かって電子の流れが生じる。したがって、正電極６および負電極５を外部回路に接続することによりこの電子の流れを電流として測定することで光を検出することができる。

〈実施例２〉
基板１としてｃ面サファイア基板を用いた。ｎ型ＧａＮ層７として、厚さが１５００ｎｍでＳｉを２×１０¹⁸ｃｍ^-3ドープしたｎ型ＧａＮ層を用いた。ＣドープＧａＮ層８の厚さは２００ｎｍ、アンドープＧａＮ層４の厚さは３００ｎｍとした。負電極５としてＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるオーミック電極を形成し、窒素ガス雰囲気中において８００℃で１分間の熱処理を施した。ＣドープＧａＮ層８およびアンドープＧａＮ層４からなるメサ部の平面形状は直径２００μｍの円形とし、このメサ部の上面の中央に正電極６として直径１９４μｍのＮｉ／Ａｕ電極を形成した。この場合、このメサ部の上面のうち端面から３μｍ幅の、正電極６が形成されていないドーナツ形状の部分が光の入射窓（直径２００μｍ、幅３μｍ）であり、受光面積は３．１４×２００×３μｍ² である。

ｎ型ＧａＮ層７、ＣドープＧａＮ層８およびアンドープＧａＮ層４からなる積層構造のカーボン濃度および酸素濃度を２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって測定した結果を図６に示す。ここで、図６の縦軸は検出対象の原子（カーボンまたは酸素）の濃度、横軸は積層構造の最表面からの深さ（アンドープＧａＮ層４の表面からの深さ）を表す。曲線（ａ）はカーボン濃度、曲線（ｂ）は酸素濃度を示す。図６から分かるように、ｎ型ＧａＮ層７およびＣドープＧａＮ層８のカーボン濃度は約１０¹⁷ｃｍ^-3であるのに対し、アンドープＧａＮ層４のカーボン濃度はＳＩＭＳ検出限界値である１０¹⁶ｃｍ^-3という低い値であった。また、別に行った実験で、このＣドープＧａＮ層８の成長条件で成長させた厚さ２μｍのＧａＮ層のシート抵抗は、渦電流方式のシート抵抗測定器による測定で測定限界（２０ｋΩ／□）以上の高い抵抗値を有していることを確認した。一方、アンドープＧａＮ層４の成長条件で成長させた厚さ２μｍのＧａＮ層はシート抵抗が約５ｋΩ／□のｎ型を示した。

この半導体光検出器にバイアス電圧Ｖ_c を印加した状態で、ブラックライトによる波長３６０ｎｍ付近の光（紫外光）を照射した状態と照射しない状態（暗時）とにおける、バイアス電圧Ｖ_c に対する出力電流値の変化を測定した結果を図７に示す。図７に示すように、バイアス電圧Ｖ_c が１Ｖの時、暗時の電流値は約５μＡであるのに対し、光照射時の電流値は約７００μＡと１００倍以上も増加している。比較のために、標準Ｓｉショットキー検出器（浜松フォトニクス社製、Ｓ１３３６−５ＱＢ、受光面積２．４×２．４ｍｍ² （２４００×２４００μｍ² ））に対して同様の条件で光照射を行った時の電流値を調べたところ、０．１μＡであった。以上より、この半導体光検出器では、優れた光増幅作用が得られていることが分かる。また、この半導体光検出器は、光照射時の電流が標準Ｓｉショットキー検出器と比較して７０００倍も大きい。

この半導体光検出器の分光感度特性の測定結果を図８に示す。測定に際しては、光源に５００Ｗのキセノンランプを用い、このキセノンランプからの光を分光した後、光ファイバーを介して半導体光検出器に照射した。ここで、図８の横軸は入射光の波長、縦軸は光電流（対数目盛）を表す。なお、入射光強度が波長に対して一定値となるように補正を行っている。図８には、比較のために、上述の標準Ｓｉショットキー検出器を用いて同様の測定を行った結果も併せて示した。図８から分かるように、標準Ｓｉショットキー検出器では、波長４００ｎｍ以上の可視光領域では５×１０^-4ｍＡのほぼ一定な電流値が得られた。この電流値を用いて、メーカーのデータシートに基づいて算出される実効的励起光強度は、約３．３×１０^-5Ｗ／ｃｍ² であった。また、波長４００ｎｍ以下の紫外光領域では受光感度が大幅に落ちていることが分かる。これに対し、この半導体光検出器は、受光可能な波長の領域は全体的に標準Ｓｉショットキー検出器と比較して狭いものの、紫外光領域における受光感度は標準Ｓｉショットキー検出器と比較して非常に高い。例えば、波長３５０ｎｍの光に対する電流値は標準Ｓｉショットキー検出器よりも４桁大きく、波長３００ｎｍの光に対する電流値は標準Ｓｉショットキー検出器よりも６桁以上大きい。

この標準Ｓｉショットキー検出器の可視光に対する電流／光子変換量子効率は、メーカーのデータシートによると６５％である。また、この標準Ｓｉショットキー検出器の可視光照射時の電流値は概ね５×１０^-4ｍＡである。したがって、この標準Ｓｉショットキー検出器の量子効率１（増幅率１）のときの電流値は５×１０^-4／０．６５＝７．７×１０^-4ｍＡである。この半導体光検出器と標準Ｓｉショットキー検出器との受光面積の比は（３．１４×２００×３）／（２４００×２４００）＝１／３０３０であるので、波長３５０ｎｍの点（電流値１ｍＡ）の増幅率は［１ｍＡ／（７．７×１０^-4ｍＡ）］×３０３０＝３．９×１０⁶ と非常に大きな値となっている。すなわち、この半導体光検出器では、量子効率１の標準Ｓｉショットキー検出器と比較して、３９０万倍の大きさの電流を取り出すことができる。

次に、この半導体光検出器のビジブルブラインド（visible blind)特性を見るために、図８の縦軸の光電流値をリニアプロットしたものを図９に示す。図９より、この半導体光検出器は、波長３５０ｎｍよりも長波長の光に対しては殆ど感度がないことが分かる。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

次に、この発明の第３の実施形態（第３の発明の実施形態）による半導体光検出器について説明する。この半導体光検出器はヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）の形態を有するものである。
図１０にこの半導体光検出器を示す。図１０に示すように、この半導体光検出器においては、基板５１上に、ＧａＮやＡｌＮなどの低温バッファ層（図示せず）を介して、アンドープＧａＮ層５２、アンドープＡｌＧａＮ層５３およびアンドープＧａＮ層５４がそれぞれｃ軸配向で順次積層されている。ここで、アンドープＧａＮ層５２とアンドープＡｌＧａＮ層５３との界面には正のピエゾ電荷または自発分極電荷が存在し、アンドープＡｌＧａＮ層５３とアンドープＧａＮ層５４との界面には負のピエゾ電荷または自発分極電荷が存在する。アンドープＧａＮ層５２はチャネル層として用いられ、アンドープＡｌＧａＮ層５３は障壁層として用いられ、アンドープＧａＮ層５４は光吸収層として用いられる。アンドープＡｌＧａＮ層５３の上部およびアンドープＧａＮ層５４にはリセス部５５、５６が形成されている。これらのリセス部５５、５６におけるアンドープＡｌＧａＮ層５３上にそれぞれソース電極５７およびドレイン電極５８が形成されている。また、これらのリセス部５５、５６の間の部分のアンドープＧａＮ層５４上にゲート電極５９が形成されている。このゲート電極５９はアンドープＧａＮ層５４に対してショットキー接触するものでもオーミック接触するものでもよい。基板５１としては、例えば、ｃ面サファイア基板、ａ面サファイア基板などが用いられる。ソース電極５７およびドレイン電極５８の材料としては、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕなどの多層金属が用いられるが、これに限定されるものではない。ゲート電極５９の材料としては、アンドープＧａＮ層５４に対してショットキー接触するものとしては例えばＮｉ／Ａｕなどの多層金属が用いられ、アンドープＧａＮ層５４に対してオーミック接触するものとしてはＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕなどの多層金属が用いられるが、これに限定されるものではない。

次に、この半導体光検出器の製造方法について説明する。まず基板１として例えばｃ面サファイア基板やａ面サファイア基板を用意し、その上に従来公知の方法によりＧａＮやＡｌＮなどの低温バッファ層（図示せず）を形成した後、例えばＭＯＣＶＤ法により、アンドープＧａＮ層５２、アンドープＡｌＧａＮ層５３およびアンドープＧａＮ層５４を順次エピタキシャル成長させる。このとき、アンドープＧａＮ層５２とアンドープＡｌＧａＮ層５３との界面には正のピエゾ電荷または自発分極電荷が発生し、アンドープＡｌＧａＮ層５３とアンドープＧａＮ層５４との界面には負のピエゾ電荷または自発分極電荷が発生する。次に、アンドープＧａＮ層５４上にリソグラフィーにより所定の形状のレジストパターン（図示せず）を形成した後、このレジストパターンをマスクとして例えば塩素系ガスを用いたＲＩＥ法によりアンドープＧａＮ層５４およびアンドープＡｌＧａＮ層５３の上部を選択的にエッチング（リセスエッチング）してリセス部５５、５６を形成する。この後、レジストパターンを除去する。次に、リソグラフィーにより所定の形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、例えば真空蒸着法によりソース電極およびドレイン電極用の金属膜を形成した後、レジストパターンをその上の金属膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、リセス部５５、５６におけるアンドープＡｌＧａＮ層５３上にそれぞれソース電極５７およびドレイン電極５８が形成される。次に、必要に応じて、アンドープＧａＮ層５２に対するソース電極５７およびドレイン電極５８のオーミック接触特性を改善するために例えば７００〜９００℃程度の温度で熱処理を行う。次に、同様な方法によりアンドープＧａＮ層５４上にゲート電極５９を形成する。

次に、この半導体光検出器の動作原理について説明する。
図１１はこの半導体光検出器に光が照射されておらず（暗時）、バイアス電圧も印加されていない状態（無バイアス）におけるエネルギーバンド図を示す。アンドープＧａＮ層５２とアンドープＡｌＧａＮ層５３との界面の近傍のチャネル領域に２ＤＥＧ６０が形成されている。アンドープＧａＮ層５４のエネルギーバンドは、アンドープＡｌＧａＮ層５３とアンドープＧａＮ層５４との界面側が高く、アンドープＧａＮ層５４とゲート電極５９との界面側が低くなるように傾斜しており、アンドープＧａＮ層５４には、アンドープＧａＮ層５４とゲート電極５９との界面からアンドープＡｌＧａＮ層５３とアンドープＧａＮ層５４との界面に向かって電界がかかっている。

動作時には、ゲート電極５９に所定のゲート電圧Ｖ_G を印加し、ドレイン電極５８にソース電極５７に対して所定の正の電圧を印加する。この状態で半導体光検出器に３６５ｎｍ以下の波長の光が照射された場合を考える。この光は光吸収層であるアンドープＧａＮ層５４で吸収され、光励起により価電子帯に正孔、伝導帯に電子が生成される。このうち正孔は価電子帯のエネルギー勾配に沿って移動し、アンドープＡｌＧａＮ層５３とアンドープＧａＮ層５４との界面の近傍に蓄積する。この蓄積された正孔の電荷により、アンドープＡｌＧａＮ層５３およびアンドープＧａＮ層５４の厚さ方向にかかっている電界が変化し、この蓄積された正孔の電荷とほぼ同量の電子がチャネル領域に誘起され、２ＤＥＧ６０の濃度が増加する。このときのエネルギーバンド図は図１２に示すようになる。こうして誘起された電子によりチャネル領域の電気伝導度が変調され、これがドレイン電流Ｉ_D の変化をもたらすため、ソース電極５７およびドレイン電極５８を外部回路に接続することによりドレイン電流Ｉ_D を測定することで光を検出することができる。なお、図１２の二点鎖線は正孔の擬フェルミ準位を示す。

ワイドギャップ半導体であるアンドープＧａＮ層５４には正孔と再結合する電子は殆ど存在しないため、アンドープＡｌＧａＮ層５３とアンドープＧａＮ層５４との界面の近傍に蓄積された正孔を排出する動作を行わないと、入射光の変化を測定することができなかったり、光量と光電流との線形性を保てないおそれがある。そこで、負のパルス信号をゲート電極５９に印加し、正孔をゲート電極５９に引き抜く動作、すなわちリフレッシュ動作を行うことが望ましい。図１３はこのリフレッシュ動作を示す。リフレッシュ動作を効率的に行うにはアンドープＧａＮ層５４の表面全域に負バイアスがかかることが望ましいので、表面全域を透明電極で覆うか、表面をｎ型にすることが望ましい。

〈実施例３〉
基板５１としてｃ面サファイア基板を用いた。アンドープＧａＮ層５２の厚さは３μｍとした。アンドープＡｌＧａＮ層５３の厚さは３０ｎｍ、Ａｌ組成は０．２５とした。アンドープＧａＮ層５４の厚さは３０ｎｍとした。リセス部５５、５６はＳｉＣｌ₄ ガスを用いたＩＣＰ（inductively coupled plasma）ＲＩＥによりアンドープＧａＮ層５４およびアンドープＡｌＧａＮ層５３をエッチングすることにより形成した。ソース電極５７およびドレイン電極５８としてＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ＝５０／２００／４０／４０ｎｍからなるオーミック電極を形成し、窒素ガス雰囲気中において８５０℃で３０秒間の熱処理を施した。ゲート電極５９としてＮｉ／Ａｕ＝９０／３０ｎｍからなる電極を形成した。Ｎｉ／Ａｕの形成には電子ビーム蒸着法を用いた。リセス部５５、５６の間のメサ部の大きさは長さ１２μｍ、幅（Ｗ_G ）５０μｍとし、このメサ部の上面の中央に長さ（ゲート長Ｌ_G ）２μｍのゲート電極５９を形成した。この場合、受光面積は１２×５０＝６００μｍ² である。ゲート電極５９とソース電極５７との間隔Ｌ_SGおよびゲート電極５９とドレイン電極５８との間隔Ｌ_DGはそれぞれ８μｍとした。

この半導体光検出器の暗時と波長３５０ｎｍの紫外光を照射した状態とにおけるＩ_D −Ｖ_G 特性を測定した結果を図１４に示す。測定に際しては、光源に５００Ｗのキセノンランプを用い、このキセノンランプからの光をモノクロメーター（出力光の帯域幅８ｎｍ）に通すことにより得られた紫外光を光ファイバーを介して半導体光検出器に照射した。ドレイン電圧Ｖ_D は０．１Ｖとした。図１４に示すように、光照射時には暗時に比べてしきい値電圧が約０．４Ｖシフトし、それに伴ってドレイン電流Ｉ_D が増加した。

この半導体光検出器の分光感度特性の測定結果を図１５に示す。測定に際しては、光源に５００Ｗのキセノンランプを用い、このキセノンランプからの光を分光した後、光ファイバーを介して半導体光検出器に照射した。ここで、図１５の横軸は入射光の波長、縦軸は光電流（対数目盛）を表す。なお、入射光強度が波長に対して一定値となるように補正を行っている。ゲート電圧Ｖ_G ＝−２Ｖ、ドレイン電圧Ｖ_D は０．１Ｖとした。図１５には、比較のために、上述の標準Ｓｉショットキー検出器（受光面積５．７ｍｍ² ）を用いて同様の測定を行った結果も併せて示した。図１５から分かるように、標準Ｓｉショットキー検出器では、波長３６０ｎｍ以下の紫外光領域では光電流が大幅に増加しており、受光感度が大幅に増加している。ピーク波長は異なるが、この半導体光検出器は、受光面積が１００００倍以上も大きい標準Ｓｉショットキー検出器と比較して、最大光電流が１００倍以上も高い。この著しく高い受光感度はこの半導体光検出器の高い増幅作用により得られるものである。

この半導体光検出器の時間応答特性の測定結果を図１６に示す。測定に際しては、光源に５００Ｗのキセノンランプを用い、このキセノンランプからの光をモノクロメーター（出力光の帯域幅８ｎｍ）に通すことにより得られた紫外光をシャッターによりパルス状とし、これを光ファイバーを介して半導体光検出器に照射した。ゲート電圧Ｖ_G ＝−３．５Ｖ、ドレイン電圧Ｖ_D は０．１Ｖとした。図１６に示すように、立ち上がり時間は十分に短いが、立ち下がり時間は１００秒程度と長かった。この結果は、アンドープＡｌＧａＮ層５３とアンドープＧａＮ層５４との界面の近傍の正孔蓄積領域からのリーク電流およびこの正孔蓄積領域へのリーク電流がいずれも極めて少ないことを示す。このため、既に述べたように、適切な応答時間および線形性を維持するためには、蓄積された正孔をアンドープＧａＮ層５４からゲート電極５９に引き抜くリフレッシュ動作が必要である。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の第１〜第３の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、基板などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状、基板などを用いてもよい。また、例えば、必要に応じて、上述の第１〜第３の実施形態のうちの二以上を組み合わせてもよい。
また、例えば、第３の実施形態による半導体光検出器において、ソース電極５７およびドレイン電極５８を同電位とし、これらのソース電極５７およびドレイン電極５８に対して正の電圧をゲート電極５９に印加することにより、第１の実施形態による半導体光検出器と同様な動作を行わせることが可能である。

この発明の第１の実施形態による半導体光検出器を示す断面図である。 この発明の第１の実施形態による半導体光検出器の３つの異なる状態におけるエネルギーバンド図である。 この発明の第２の実施形態による半導体光検出器の電流電圧特性の測定結果を示す略線図である。 この発明の第２の実施形態による半導体光検出器を示す断面図である。 この発明の第２の実施形態による半導体光検出器の３つの異なる状態におけるエネルギーバンド図である。 この発明の第２の実施形態による半導体光検出器を構成する各層のカーボンおよび酸素のＳＩＭＳ分析の結果を示す略線図である。 この発明の第２の実施形態による半導体光検出器の電流電圧特性の測定結果を示す略線図である。 この発明の第２の実施形態による半導体光検出器の分光感度特性の測定結果を示す略線図である。 この発明の第２の実施形態による半導体光検出器の分光感度特性の測定結果を示す略線図である。 この発明の第３の実施形態による半導体光検出器を示す断面図である。 この発明の第３の実施形態による半導体光検出器の無バイアスおよび暗時のエネルギーバンド図である。 この発明の第３の実施形態による半導体光検出器のバイアス時および光照射時のエネルギーバンド図である。 この発明の第３の実施形態による半導体光検出器のリフレッシュ動作時のエネルギーバンド図である。 この発明の第３の実施形態による半導体光検出器のドレイン電流特性の測定結果を示す略線図である。 この発明の第３の実施形態による半導体光検出器の分光感度特性の測定結果を示す略線図である。 この発明の第３の実施形態による半導体光検出器の時間応答特性の測定結果を示す略線図である。 従来のｎｐｎフォトトランジスタを示す断面図である。 従来のｎｐｎフォトトランジスタの２つの異なる状態におけるエネルギーバンド図である。 特開平５−４８１４２号公報に開示された電界効果型フォトトランジスタを示す断面図である。 特開平５−４８１４２号公報に開示された電界効果型フォトトランジスタの問題点を説明するためのエネルギーバンド図である。

符号の説明

１…基板、２…アンドープまたはｎ型ＧａＮ層、３…アンドープＡｌＧａＮ層、４…アンドープＧａＮ層、５…負電極、６…正電極、７…ｎ型ＧａＮ層、８…ＣドープＧａＮ層、５１…基板、５２…アンドープＧａＮ層、５３…アンドープＡｌＧａＮ層、５４…アンドープＧａＮ層、５５、５６…リセス部、５７…ソース電極、５８…ドレイン電極、５９…ゲート電極

Claims (6)

1. 第１の半導体層と、
   上記第１の半導体層上の、上記第１の半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の半導体層と、
   上記第２の半導体層上の、上記第２の半導体層よりもバンドギャップが小さく、かつ、このバンドギャップは可視光の最短波長に対応する光子エネルギーよりも大きく、かつ、上記第２の半導体層とタイプＩのヘテロ接合を形成する第３の半導体層と、
   上記第１の半導体層に電気的に接続された第１の電極と、
   上記第３の半導体層に電気的に接続された第２の電極とを有し、
   動作時に上記第３の半導体層による光吸収によって生成される正孔が上記第３の半導体層と上記第２の半導体層との界面に蓄積されることを特徴とする半導体光検出器。
2. ｎ型の第１の半導体層と、
   上記第１の半導体層上の、上記第１の半導体層よりも高い電気抵抗を有し、かつ、深いアクセプタ準位を含む第２の半導体層と、
   上記第２の半導体層上の、バンドギャップが可視光の最短波長に対応する光子エネルギーよりも大きく、かつ、空乏化した第３の半導体層と、
   上記第１の半導体層に電気的に接続された第１の電極と、
   上記第３の半導体層に電気的に接続された第２の電極とを有し、
   動作時に上記第３の半導体層による光吸収によって生成される正孔が上記第２の半導体層に蓄積されることを特徴とする半導体光検出器。
3. 第１の半導体層と、
   上記第１の半導体層上の、上記第１の半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の半導体層と、
   上記第２の半導体層上の、上記第２の半導体層よりもバンドギャップが小さく、かつ、このバンドギャップは可視光の最短波長に対応する光子エネルギーよりも大きく、かつ、上記第２の半導体層とタイプＩのヘテロ接合を形成する第３の半導体層と、
   上記第１の半導体層の一端および他端にそれぞれ電気的に接続された第１の電極および第２の電極と、
   上記第３の半導体層に電気的に接続された第３の電極とを有し、
   動作時に上記第３の半導体層による光吸収によって生成される正孔が上記第３の半導体層と上記第２の半導体層との界面に蓄積されることを特徴とする半導体光検出器。
4. 上記第１の半導体層がアンドープまたはｎ型Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層（１≧ｘ≧０）、上記第２の半導体層がアンドープＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ層（ｙ＞ｘ、１≧ｙ＞０）、上記第３の半導体層がアンドープＡｌ_z Ｉｎ_w Ｇａ_1-z-w Ｎ層（１≧ｚ≧０、１≧ｗ≧０、１≧ｚ＋ｗ≧０）であることを特徴とする請求項１記載の半導体光検出器。
5. 上記第１の半導体層がｎ型Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層（１≧ｘ≧０）、上記第２の半導体層がカーボンがドープされたＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ層（ｙ≧ｘ、１≧ｙ≧０）、上記第３の半導体層がアンドープＡｌ_z Ｉｎ_w Ｇａ_1-z-w Ｎ層（１≧ｚ≧０、１≧ｗ≧０、１≧ｚ＋ｗ≧０）であることを特徴とする請求項２記載の半導体光検出器。
6. 上記第１の半導体層がアンドープＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層（１≧ｘ≧０）、上記第２の半導体層がアンドープＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ層（ｙ＞ｘ、１≧ｙ＞０）、上記第３の半導体層がアンドープＡｌ_z Ｉｎ_w Ｇａ_1-z-w Ｎ層（１≧ｚ≧０、１≧ｗ≧０、１≧ｚ＋ｗ≧０）であることを特徴とする請求項３記載の半導体光検出器。
   

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