JP4772414B2

JP4772414B2 - 透過型光電面及び光検出器

Info

Publication number: JP4772414B2
Application number: JP2005228237A
Authority: JP
Inventors: 得明二橋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-08-05
Also published as: JP2007042559A

Description

本発明は、III族窒化物半導体層を含む透過型光電面及びこれを用いた光検出器に関する。

光電子増倍管などの光電面には、例えばIII-V族化合物半導体が用いられ、その中でも、III族窒化物半導体は、高い量子効率、高信頼性等の優れた特性を有すると共に、強度や環境への影響の面からも良質な材料である。

III族窒化物半導体を用いた透過型光電面としては、ＵＶガラス基板と、ＵＶガラス基板上に形成されたＳｉＯ_２層、III族窒化物半導体層及びアルカリ金属含有層からなる積層体と、積層体の周縁部に形成され、積層体に電位を与えるための電極部を備える透過型光電面が知られている（特許文献１参照）。
特許第３６２３０６８号公報

透過型光電面におけるIII族窒化物半導体の特性には、ｐ型が選択されるのが一般的である。しかし、ｐ型ドーパントであるＭｇの活性化エネルギーＥａは、ＧａＮにおいてＥａ＝１５０ｍｅＶ、Ａｌ_０．３ＧａＮにおいてはＥａ＝３００ｍｅＶと非常に大きく、キャリアの発生率は低い。また、キャリア濃度を高めるためにドーパント濃度を高めることも考えられるが、活性層の結晶質を低下させるため、高濃度化には限界がある。

さらに、III族窒化物半導体を用いた光電面は、上述のようにＥａが大きいというだけでなく、薄膜であるためにシート抵抗が高い。透過型光電面では、窒化物半導体層の所要膜厚は１００ｎｍ程度であるが、この場合、シート抵抗はＧａＮで数ＧΩ／□（ｓｑ．）、Ａｌ_０．３ＧａＮにおいては数１００ＧΩ／□（ｓｑ．）にまで達する。そのため、光電面の高速応答性が悪化する上に、リニアリティ特性が大きく低下し、例えば、光電管や光電子増倍管等の光検出器に用いた場合、光検出器のリニアリティ特性も大きく低下する。また、近接型イメージインテンシファイアに用いた場合にはゲート特性が大きく低下する。

そこで、本発明者は、III族窒化物半導体層を含む透過型光電面において導電層を導入することについて検討を行った。具体的には、透過型光電面における活性層の真空側表面に、金属膜等を極薄くあるいは格子状やメッシュ状に形成することについて検討を行った。

活性層の真空側表面、すなわち光電子放出層の光電子放出面の全面に導電層を導入する場合、導電層は光電子をトンネルする層になるために、良好に光電子をトンネルする特性を確保するために導電層の膜厚を極薄くする必要がある。しかしながら、膜厚が数ｎｍ程度でも導電層における光電子の通過率は１０％以下と非常に悪く、その上、光電子放出面に導電層を形成するプロセスにおいて光電子放出層の表面の汚染は避けられず、光電面としての特性は低下する。

一方、格子状やメッシュ状に導電層を形成する場合、格子電極部が形成されない領域の光電子の放出は良好となるが、格子電極部では光電子は通過できず特性が大きく低下してしまう。そのために受光面全体の一様性は確保できず、例えばイメージ管等に用いた場合、出力イメージ像に格子模様が現れてしまうといった問題を生じる。

本発明は上述の検討による知見に基づいてなされたものであり、導電層の導入によっても、光電子放出層の光電子放出面を汚染することなく、十分な紫外域感度を維持し、リニアリティの高いIII族窒化物半導体層を用いた透過型光電面及びそれを用いた光検出器を提供することを目的とする。

本発明の透過型光電面は、紫外線が一方の面に入射されるガラス基板と、上記ガラス基板の一方の面と対向する他方の面に形成される接着層と、上記ガラス基板の他方の面の側に位置し、紫外線の入射に応じて光電子を生成するIII族窒化物半導体層と、上記接着層と上記III族窒化物半導体層との間に位置する紫外域透明導電層と、を備える。紫外域透明導電層は、金属層と、該金属層と上記III族窒化物半導体層との間に形成されたＡｌＮ層と、を備える。

本発明の透過型光電面によれば、光電子放出層の光入射側に紫外域透明導電層の薄膜を形成しているため、十分な紫外域感度及びリニアリティ特性を得ることができると共に、光電子放出層の光電子放出面が製造プロセスにおいて汚染されることがない。また、上記紫外域透明導電層が、金属層と、該金属層と上記III族窒化物半導体層との間に形成されたＡｌＮ層とを備えることで、高い紫外域透過率を有する非常に薄い層を形成することができる。特に、紫外域透明導電層を薄膜の金属層とした場合には、良好な紫外域透過率を有する数ｎｍから１０数ｎｍの極薄い層を得ることができる。

また、接着層はＳｉＯ_２層、ＳｉＮ層もしくはＳｉ_３Ｎ_４層のいずれかを備えても良い。紫外域透明電極層に対してガラス基板を接着するための層としてＳｉＯ_２層、ＳｉＮ層もしくはＳｉ_３Ｎ_４層を用いることで、紫外域透明電極層を形成する材料の選択は、材料の紫外域透過率特性を考慮するだけで良く、製造プロセスにおいては、III族窒化物半導体の結晶成長に対しては全く制約とならず良質のIII族窒化物半導体を形成することができる。

また、本発明の光検出器は、上記透過型光電面と、上記透過型光電面から放出された電子を出力信号として取り出すための陽極と、を備える。このように構成することで、高い紫外域感度を有し、リニアリティ特性を向上させた光検出器を得ることができる。

本発明によれば、透過型光電面において、光電子を生成するIII族窒化物半導体層の紫外線入射側に導電層が形成されるため、光電子の放出面を汚染することなく、十分な紫外域感度を有し、リニアリティ特性の高い透過型光電面を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る透過型光電面及び光検出器について説明する。同一要素又は同一機能を有する要素は同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施の形態に係る透過型光電面の断面図であり、図３は、図１に示される透過型光電面のバンドモデルを示す。

図１に示される透過型光電面１（以下、必要がない場合は単に「光電面」とする）は、紫外線が一方の面１１ａに入射されるガラス基板１１と、ガラス基板１１の一方の面１１ａに対向する他方の面１１ｂに形成される接着層１２と、ガラス基板１１の他方の面１１ｂの側に位置し、紫外線の入射に応じて光電子を生成するIII族窒化物半導体層１４（光電子放出層）と、接着層１２とIII族窒化物半導体層１４との間に位置する紫外域透明導電層１３と、を備える。また、紫外域透明導電層１３が形成されていない面であって、III族窒化物半導体層１４にて生成された光電子が放出される側の面１４ｂには、アルカリ層もしくはアルカリ酸化物層である層１５が形成されている。ここで、光電面１において、ガラス基板１１の一方の面１１ａより紫外光が入射すると、光電子が生成され光の入射した面１１ａと反対の面である光電子放出面（本実施形態においては層１５の表面１５ｂ）より光電子が放出される。ここで、層１５は必ずしも形成される必要はない。

ガラス基板１１は、例えば、紫外域に透明なガラスであるＵＶガラスで構成される。ここで例示するＵＶガラスとは、硼珪酸ガラスのうち、一般的な硼珪酸ガラス（例えばコバールガラス）の短波長側の限界透過波長閾値を１８５ｎｍまで延ばしたガラスであり、例えば、現在、コーニング社の９７８１、ショット社の８３３７,８３３７Ｂがある。また、接着層１２は、後述する紫外域透明導電層１３に対してガラス基板１１を接着するための層であり、材料としてはＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等を用いることができる。

紫外域透明導電層１３は、金属薄膜もしくは金属酸化物薄膜として形成される層である。

紫外域透明導電層１３として用いる金属薄膜としては、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｎｂ等の高融点金属からなる金属薄膜、もしくは、これらの金属成分を含むシリサイド薄膜や窒化物薄膜を用いることができる。このような金属薄膜を形成する方法としてはＩＢＳ法（イオン・ビーム・スパッタリング法）があり、金属薄膜が蒸着されるIII族窒化物半導体層１４（例えば、ＧａＮ層）の表面は充分に平坦であるため、数ｎｍから１０数ｎｍの極薄い膜でも連続膜を形成することができる。また、紫外域透過率に関しては、１４ｎｍの膜厚で、４００ｎｍ以下の紫外域の透過率は４５％以上となる。なお、金属薄膜は、III族窒化物半導体層１４に用いられるＧａＮ面との接着強度が低いという問題があるが、事前にＧａＮ層の表面にＣｒ膜を極薄く形成しておくことで充分な強度が得られる。

一方、紫外域透明導電層１３として形成される金属酸化物薄膜としては、Ｇａ_２Ｏ_３、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の酸化物系のワイドバンドギャップを有する材料がある。Ｇａ_２Ｏ_３はＥｇ＝４．９ｅＶであって、透過波長の短波長閾値は２５０ｎｍである。さらに、Ｇａ_２Ｏ_３は単結晶成長も可能であって、紫外域透過率は１００ｎｍの膜厚で５５％と高く、導電率は１Ｓ／ｃｍ以下のｎ型膜とすることができる。ＩＴＯはＥｇ＝３．９ｅＶで透過波長の短波長閾値は３２０ｎｍ、ＺｎＯはＥｇ＝３．４ｅＶで、透過波長の短波長閾値は３６５ｎｍとなり、ＩｎＧａＮ系透過型光電面に好適な紫外域透明導電膜として用いることができる。

また、図２に示すように、透過型光電面１０は、紫外域透明電極層として金属膜１３Ａと、金属膜１３ＡとIII族窒化物半導体層１４との間に形成されたＡｌＮ層１３Ｂとを備えるようにしても良い。ＡｌＮはバンドギャップＥｇ＝６．２ｅＶで透明電極層に適している上に、III族窒化物半導体層とは欠陥の少ない良質な界面を形成することができる。また、Ｓｉドープによって数１０Ω／□（ｓｑ．）というシート抵抗が非常に小さなｎ型のＡｌＮの成長技術が開発されている。ｎ型のＡｌＮ層１３Ｂは、III族窒化物半導体層１４を例えばＭＯＣＶＤ成長させた後、III族窒化物半導体層１４上にエピタキシャルにより形成する。厚さは１０ｎｍ〜数１０ｎｍで良い。その後、ＡｌＮ層１３Ｂ上に更に金属薄膜（金属膜１３Ａ）を形成する。

III族窒化物半導体層１４は、例えば、Ｍｇをドープさせたｐ型ＧａＮをはじめとする窒化物系半導体層として形成される層である。また、層１５は、アルカリ層及びアルカリ酸化物層のいずれでも良く、Ｃｓ−Ｏ、Ｃｓ−Ｉ、Ｃｅ−Ｔｅ、Ｓｂ−Ｃｓ等の層として形成される。

上述のように構成した光電面１は、図３のバンドモデルに示されるように、紫外域透明導電層１３は光電子が通過する層とならない。そのため、光電面としての特性を維持しつつ、導電層を導入することができる。

ここまで、図１及び図２に示される透過型光電面１、１０について説明したが、光検出器に組み込む際には、III族窒化物半導体層１４に電位を与えるための電極部は光電子放出を妨げない様に、III族窒化物半導体層１４の光電子が放出される側の面１４ｂの周縁部を被うように設ければ良い。具体的には、図４に示されるように、ガラス基板１１の側面１１ｓから面１４ｂの一部まで、電極部２１として例えばＣｒ金属層を真空蒸着法で形成することができる。なお、図４では、III族窒化物半導体層１４の一部を除去して紫外域透明導電層１３を数箇所で露出させることで、電極部２１との導通を取った場合を示している。

図５は、図４に示される透過型光電面２を用いた光電管１００の概略断面図を示す。図５に示される光電管１００の真空気密容器は、ガラス基板１１の内側に光電面２が形成された受光面板を、真空雰囲気中で、バルブ１４０の開口端に備えられたカソードリード板１３１にＩｎ等の低融点金属を介して固定することで形成される。また、光電面２に対向して気密容器内には円板状のアノード１１０が設けられている。光電面２とカソードリード板１３１とは、電極部であるクロム層１２０及びＩｎ等の低融点金属を介して電気的に接続され、アノード１１０はリード線１３２に電気的に接続されている。アノード１１０には光電面２よりも高い一定電圧がリード線１３２を介して印加された状態で光電面２に光子が入射すると、光電面２からは入射光量に応じた光電子が放出され、アノード１１０に収集されることで、入射光が電気信号として検出される。なお、本発明による光電面は、上記光電管の他、図５に示される光電面２とアノード１１０との間にダイノード（図示せず）を設けた光電子増倍管や、イメージインテンシファイア等の光電面を用いる種々の光検出器に利用できる。

続いて、ガラス基板１１にＵＶガラス、紫外域透明導電層１３にＧａ_２Ｏ_３の紫外域透明導電膜、III族窒化物半導体層１４にｐ型ＧａＮを用いた場合を例として、本発明の実施の形態に係る透過型光電面の製造方法を説明する。

まず、III族窒化物半導体層１４となる活性層を結晶成長させるため、結晶成長用基板としてＳｉ（１１１）基板を用意し、その主面にＡｌＮ又はＡｌＮとＧａＮの多層膜等を成長させて緩衝層を形成する。その後、緩衝層の主面に、活性層を構成するＧａＮをエピタキシャル成長させる。結晶成長させたウエファのＧａＮの面には、紫外域透明導電層１３としてＧａ_２Ｏ_３の紫外域透明導電膜を形成する。このＧａ_２Ｏ_３膜の形成は、シンターしたβ−ＧａＯ_３ターゲットを用いた真空中でのパルスレーザ蒸着法等で行うことができる。膜形成に際しては、ウエファを例えば８８０℃までに加熱し、レーザにはＫｒＦエキシマレーザを用いることで、Ｇａ_２Ｏ_３の紫外域透明導電膜を形成することができる。また、紫外域透明導電膜の形成時にＳｎイオンをドーピングすると同時に１０^−５Ｐａ以下の低Ｏ_２分圧下で蒸着することで、抵抗値をより下げることができる。Ｇａ_２Ｏ_３の膜厚は１００ｎｍ程度とすれば良く、その場合、入射光２８０ｎｍに対する光透過率は約７５％である。

形成したＧａ_２Ｏ_３の紫外域透明導電膜の面には、ガラス基板１１との接着層１２として、ＳｉＯ_２層を形成する。ＳｉＯ_２層は、例えば、熱ＣＶＤ法を用いて厚さ２００ｎｍ程度形成すれば良い。ＳｉＯ_２層を形成した後、ウエファと共に、ガラス基板１１として用意されたＵＶガラスを、真空中あるいは不活性ガス中にてＵＶガラスの軟化点温度付近まで加熱する。温度が上昇したところでウエファとＵＶガラスとを接着した後、加重して接合させる。（ガラスボンディング法）

ウエファとＵＶガラスとを接合させた後、ＵＶガラスの露出部分をフッ酸によるエッチングから守るためにピセイン等でコートする。そして、フッ酸系エッチング液にてＳｉ（１１１）基板をエッチング除去する。さらに、ＫＯＨ系あるいはＨ_３ＰＯ_４系エッチング液でＡｌＮ又はＡｌＮとＧａＮの多層膜等からなる緩衝層をエッチング除去する。緩衝層を除去した後、蒸着法でＣｒ金属を所望の位置に形成して電極部２１とする。電極部２１を形成してデバイス形状に構成した後、光電子放出を良好なものとするため、真空中にてIII族窒化物半導体層１４の光電子放出面１４ｂをアルカリあるいはアルカリ酸化物で活性処理する。

以上に説明した本発明の透過型光電面及び光検出器の効果について説明する。

本発明の光電面では、光電子放出層となる活性層の光入射側に導電層の薄膜を形成しているため、光電子放出層の光電子放出面が製造プロセスにおいて汚染されにくい。特に、導電層として金属成分を含む膜を用いた場合には、４５〜５０％超の高い紫外域透過率を有する数ｎｍから１０数ｎｍの極薄い層を形成することが可能なため、十分な紫外域感度及びリニアリティ特性を得ることができる。

また、本発明の光電面は、接着層にＳｉＯ_２層、ＳｉＮ層もしくはＳｉ_３Ｎ_４層を用いているため、III族窒化物半導体層を成長させた後に導電層の形成を行うことが可能である。従って、導電層の形成がIII族窒化物半導体層の結晶成長に影響を与えず、良質な結晶を得ることができる。また、簡単な蒸着工程を導入するだけで光電面を大面積に渡って形成することができる点にも利点がある。

本発明の実施の形態に係る透過型光電面の断面図である。本発明の別の実施の形態に係る透過型光電面の断面図である。図１に示される透過型光電面のバンドモデルである。図１に示される透過型光電面に電極部を形成した態様の要部を示す図である。本発明の実施の形態に係る光電管の概略断面図である。

符号の説明

１，２，１０…透過型光電面、１１…ガラス基板、１２…接着層、１３…導電層、１４…III族窒化物半導体層（光電子放出層）、１５…アルカリ層もしくはアルカリ酸化物層、２１…電極部、１００…光電管、１１０…アノード、１２０…電極部、１３１…カソードリード板、１３２…リード線、１４０…バルブ。

Claims

紫外線が一方の面に入射されるガラス基板と、
前記ガラス基板の一方の面と対向する他方の面に形成される接着層と、
前記ガラス基板の他方の面の側に位置し、紫外線の入射に応じて光電子を生成するIII族窒化物半導体層と、
前記接着層と前記III族窒化物半導体層との間に位置する紫外域透明導電層と
を備え、
前記紫外域透明導電層が、金属層と、前記金属層と前記III族窒化物半導体層との間に形成されたＡｌＮ層と、を備える透過型光電面。
前記接着層がＳｉＯ_２層、ＳｉＮ層もしくはＳｉ_３Ｎ_４層のいずれかを備えることを特徴とする請求項１に記載の透過型光電面。
真空容器の内部に、請求項１もしくは請求項２に記載の透過型光電面と、前記透過型光電面から放出された電子を出力信号として取り出すための陽極と、を備える光検出器。