JP4977695B2

JP4977695B2 - 紫外受光素子

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Inventors: 素顕岩谷; 智上山; 浩天野; 勇赤▲崎▼
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Filing date: 2006-05-24
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Description

本発明は、III族窒化物半導体を用いた紫外受光素子に関する。

紫外受光素子としては、光電管や、Ｓｉによるフォトダイオード、フォトトランジスタ等が既存のデバイスとして存在しているが、光電管は、コストや寿命などの不都合があり、Ｓｉによるフォトダイオード、フォトトランジスタなどは、短波長化するに従って感度が著しく低下するという不都合がある。また、紫外受光素子を火炎センサに用いる場合、火炎近傍に設置する必要があるため、Ｓｉのようにバンドギャップエネルギーの小さな材料の場合、熱励起により暗電流が増加するなど、使用環境による制限が課される。

上記不都合を解決するために、近年ワイドギャップ半導体であるIII族窒化物半導体（ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ及びそれらの混晶）を用いｐｉｎフォトダイオード（例えば、特許文献１）、フォトトランジスタ（例えば、特許文献２）、ＭＳＭ型フォトダイオード（例えば、特許文献３）等が提案されている。

これらのデバイスは、III族窒化物半導体というワイドギャップ半導体を用いるため、Ｓｉにおいて影響が大きい暗電流を低減できることや、ｐ層など光吸収層以外の部分での吸収を抑制し、感度を上げられる等の特徴を有する。また、半導体を用いているため、光電管に比べ低コスト化が可能であり、長寿命化が可能であることが期待される。

例えば、代表的なIII族窒化物半導体受光素子であるｐｉｎフォトダイオードの構造を図１に示す。基板１上に、Ｓｉを添加することによって形成したｎ型層２及びＭｇを添加したｐ型層３の間に、意図的に不純物を添加していないｉ層４を挟むような構造となっている。ｎ型層２，ｐ型層３，ｉ層４には、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ又はＡｌＮが用いられており、適用したい波長域によって材料が選択されている。

また、基板１としては、多くの場合にはサファイア又はＳｉＣが用いられており、サファイアのときには、低温緩衝層を用い、ＳｉＣの場合ときには、ＡｌＮを含む高温バッファ層を用いて高品質ＧａＮ又はＡｌＧａＮを得ている。また、作製したデバイスには、ｎ型層２及びｐ型層３上にはｎ電極５及びｐ電極６が形成されている。

次に、このデバイスの動作原理を説明する。図２は、横軸に図１のＸ方向を示しており、縦軸に電子のエネルギーを示したバンドダイアグラムである。このデバイスは、通常，ｐ型層３とｎ型層２に逆バイアス又はゼロバイアスで用いるが、この場合，ｉ層４の全て及びｎ型層２とｐ型層３の一部に空乏層が広がる。

この状態で、バンドギャップエネルギーＢＧ以上のエネルギーを持った光１１が入ると、価電子帯１２に存在する電子１３が、伝導帯１４に励起され、逆バイアス及び拡散電位により、電子１３はｎ型層２に拡散し、正孔１５はｐ型層３に拡散し、電流が流れる。それにより、バンドギャップエネルギーＢＧよりも大きなエネルギーを持った光の選択的な受光が可能となる。

また、既に説明したようにＧａＮ及びＡｌＧａＮは、ワイドギャップかつ高温まで化学的に安定であるため、例えば炎の近傍などで用いることもできることより、火炎センサなどへの応用が可能となり、またｐ型層３又はｎ型層２にｉ層４よりもワイドバンドギャップエネルギーを持つ材料を選択することによって、ｉ層４のみで選択的に受光することが可能となり、それにより，高感度なデバイスが作製可能である。

次に，ＭＳＭ型フォトダイオードについて説明する。代表的なＭＳＭフォトダイオードの模式図を，図３に示す。基板２１上に、ＧａＮ又はＡｌＧａＮからなるアンドープ層２２を形成する。その後、第1の電極２３及び第２の電極２４を形成する。この半導体に形成した第１及び第２の電極２３，２４にバイアスをかけた状態で、光２５が照射されると、その光のエネルギーによって、価電子帯中の電子が、伝導帯に励起される。この励起された電子と、電子が抜けたことによって生成された価電子帯中の正孔とが動くことによって、電流が流れ、流れる電流を測定することによって、紫外受光素子として動作する。

また、図４に示すようなｎｐｎフォトトランジスタも提案されており、このようなｎｐｎフォトトランジスタは、基板３１と、その上に形成された第１のｎ型層３２と、その上に形成されたｐ型層３３と、その上に形成された第２のｎ型層３４と、その上に形成されたエミッタ電極３５と、第１のｎ型層３２に形成されたコレクタ電極３６とを具える。これは、ｎｐｎトランジスタにおいて、ベース層に受光できるように設計し、光照射により生成された電子−正孔対がベース電流の役割を果たし、それにより受光が行われるものである。

上記のように、III族窒化物半導体を用いた紫外受光素子の研究が盛んに行われているが、依然として大きな不都合がある。特に大きな不都合は、ｐｉｎフォトダイオード及びＭＳＭフォトダイオードに関しては、得られる光電流が非常に小さいことが挙げられる。これは、例えば火炎の炎を検知しようとした場合、数マイクロワット程度の光を受光する必要があるが、その光のエネルギーを全て受光層で受光し、電流に変換したとしても、数マイクロアンペア程度の微弱な電流しか得られない。

また、その他の紫外受光素子への応用も同様な不都合がある。また、ｎｐｎフォトトランジスタの場合、現在のところIII族窒化物半導体のトランジスタで高性能のデバイスが存在せず、したがって、フォトトランジスタとしても高性能なものは存在しない。すなわち、III族窒化物半導体を用いた紫外受光素子において、受光感度の高い紫外受光素子を実現することが所望され、このように受光感度の高い紫外受光素子は、火炎センサや医療用センサなどへの応用が期待され、ＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ構造を用いたものが提案されている（例えば、非特許文献１）。
特開２００３−２３１７５号公報特開平９−２２９７６３号公報特開２００３−２３１７５号公報 M. A. Khan, M. S. Shur, Q. C. Chen, J. N. Kuznia and C. J. Sun: Electronics Letters, Vol. 31 (1995) p.398-400.

しかしながら、ＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ構造を用いた紫外線受光素子でも明暗比を取るのが困難であるので、受光感度を高くするのは困難である。

本発明の目的は、III族窒化物半導体を用いた紫外受光素子において、受光感度を高くした紫外受光素子を提供することである。

本発明による紫外線受光素子は、
基板と、
前記基板上に設けられ、ＧａＮ系半導体によって構成された第１層と、
前記第１層に接触し、ソース領域、ドレイン領域及びチャネル領域を有するようＧａＮ系半導体によって構成された、前記第１層と同一の導電型の第２層と、
前記第２層に接触し、ゲート領域を有するようにＧａＮ系半導体によって構成されたｐ型の第３層とを具えることを特徴とする
本明細書中、「ＧａＮ系半導体」とは、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ及びこれらを含む混晶を意味する。

本発明によれば、第１層、第２層及び第３層のバンドギャップエネルギーより大きいエネルギーの光が紫外受光素子に入射されない場合、第３層により第１層及び第２層の一部が空乏化し、電子の擬フェルミ準位よりエネルギーが低い箇所が存在せず、この状態でソース−ドレイン間に電圧を印加しても、電流がほとんど流れない。

第１層、第２層及び第３層のバンドギャップエネルギーより大きいエネルギーの光が紫外受光素子に入射されると、空乏化した層によって価電子帯から伝導帯に電子が励起され、電子−正孔対が生成される。そのように生成された電子−正孔対によりバンド構造が変化し、これによって第１層と第２層との間の界面に擬フェルミ準位よりエネルギーの低い箇所ができ、２次元電子ガスが形成される。この２次元ガスがチャネルとして働くため、ソース−ドレイン間に電流が流れる。

本発明では、ｐｎ接合を形成し、それにより形成された空乏層に光を照射し制御することによって、高性能な紫外受光素子が実現される。また、その実現の際に、２次元電子ガス又は縦型伝導を用いることによって、高性能すなわち高感度の紫外受光素子が実現できる。さらに、第１の層の導電型と第２の層の導電型を同一にする（すなわち、第１の層をｐ型とした場合、第２の層もｐ型とし、第１の層をｎ型とした場合、第２の層もｎ型とする。）とともに、第３の層をｐ型にすることによって明暗比をとることができ、紫外線受光素子を更に高感度にする。なお、前記第１層をＧａＮによって構成するとともに、前記第２層をＡｌＧａＮによって構成し、前記第１層及び前記第２層がＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ接合を形成することによって、空乏層が更に生じやすくなる。

前記第２層にドーピングを行うことによって、第１層、第２層及び第３層のバンドギャップエネルギーより大きいエネルギーの光が紫外受光素子に入射される際に発生する２次元電子ガスを増加させることができ、これによって、紫外受光素子の特性を更に向上することができる。この場合、前記第２層にアンドープのスペーサ層を介在し又は量子井戸若しくはヘテロ構造を組み込むのが更に効果的である。

光閉じ込め構造を組み込むことによって、紫外受光素子の特性を更に向上することができ、この場合、前記光閉じ込め構造を、半導体ＤＢＲ又は誘電体多層膜によって構成することができる。空乏層をアンドープ層の方に広げるためには、ｐ層とｎ層とのキャリア濃度比を大きくする必要があり、２桁以上のキャリア濃度差にすることが重要となる。したがって、前記第１層をアンドープ又は１×１０^１８ｃｍ^−３以下のドーピング濃度とし、前記第３層を１×１０^１６ｃｍ^−３以上のアクセプタ濃度とするのが好ましい。

従来のIII族窒化物半導体ｐｉｎフォトダイオードの構造を示す図である。図１の素子構造におけるバンドダイアグラムである。従来のIII族窒化物半導体ＭＳＭフォトダイオードの構造を示す図である。従来報告がある、III族窒化物半導体ｎｐｎフォトトランジスタ本発明による紫外受光素子の第１の実施の形態の素子構造を示す図である。ｐ型層のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーを持った光が入射されない状態における図５のｐ型層直下の伝導帯のエネルギー図である。アンドープ層４４のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーの光を照射した際の図５のｐ型層直下の伝導帯のエネルギー図である。第１の実施の形態による紫外線受光素子のソース−ドレイン電圧とソース−ドレイン電流との間の関係を示す図である。ｐ型層を用いない場合の紫外線受光素子のソース−ドレイン電圧とソース−ドレイン電流との間の関係を示す図である。本発明による紫外受光素子の第２の実施の形態の素子構造を示す図である。

符号の説明

１，２１，３１，４１，７１基板
２，３２，３４，７３，７６ｎ型層
３，３３，４５，７４ｐ型層
４ｉ層
５ｎ電極
６ｐ電極
１１，２５光
１２価電子帯
１３電子
１４，５１，６１伝導帯
１５正孔
２２，４３，４４，７５アンドープ層
２３，２４電極
３５エミッタ電極
３６コレクタ電極
４２，７２緩衝層
４６，７７ドレイン電極
４７，７９ソース電極
４８，７８ゲート電極
５２，６２擬フェルミ準位
６３２次元電子ガス
ＢＧバンドギャップ

本発明による紫外受光素子の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図５は、本発明による紫外受光素子の第１の実施の形態の素子構造を示す図である。このような紫外受光素子を製造するに際し、有機金属化合物気相成長法などの方法により、基板（例えば、サファイア基板）４１上に、約５００℃で緩衝層（例えば、低温ＡｌＮ緩衝層）４２を結晶成長し、約１０００℃でアンドープ層（例えば、アンドープＧａＮ層）４３を約２μｍ結晶成長する。

その後、アンドープ層（例えば、アンドープＡｌＧａＮ層）４４を１５ｎｍ積層し、Ｍｇを添加することによって得られたホールキャリア密度１×１０^１８［ｃｍ^−３］及びアクセプタ密度３×１０^１９［ｃｍ^−３］のｐ型層（例えば、ｐ型ＧａＮ層）４５を２０ｎｍ積層する。このように作製した試料を、窒素雰囲気中７００℃で５分間熱処理を行った後に、素子分離を行う。

その後、フォトリソグラフィー技術を用いてｐ型層４５の一部分にマスク（例えば、Ｎｉマスク）を蒸着し、例えば塩素プラズマを用いた反応性イオンエッチング装置を用いてｐ型層４５を完全にエッチングし、アンドープ層４４を露出し、硝酸などの溶液を用いてマスクを除去する。

その後、露出したアンドープ層４４の表面に、フォトリソグラフィー技術を用いて、例えばＴｉ／Ａｌからなるドレイン電極４６及びソース電極４７を形成する。その後、ｐ型層４５の一部に、例えばＮｉ／Ａｕからなるゲート電極４８を形成する。このように形成された紫外線受光素子では、アンドープ層４３とアンドープ層４４との間及びアンドープ層４４とｐ型層４５との間にヘテロ構造が形成される。

図６に図５のｐ型層４５直下の伝導帯５１のエネルギー図を示す。この場合、紫外受光素子には材料となるアンドープ層４３，４４、ｐ型層４５のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーを持った光が入射されず、室温付近でのものを示している。

図６において、横軸は、図５に示したＸ方向を示しており、縦軸は、電子のエネルギーを表している。図６中の伝導帯５１に注目すると、ｐ型層４５によりアンドープ層４４，４３の一部が空乏化しており、電子の擬フェルミ準位５２よりもエネルギーが低い箇所は存在せず、この状態でドレイン電極４６−ソース電極４７間に電圧をかけても、電流はほとんど流れない。

ｐ型層４５を用いない場合、アンドープ層４３とアンドープ層４４の界面には、２次元電子ガスが形成されるため、ドレイン電極４６−ソース電極４７に電圧を印加すると、電流が流れる。また、２次元電子ガスが形成されるか否かに関しては、ｐ型層４５のアクセプタ濃度及び膜厚、アンドープ層４４の膜厚及びアンドープ層４４を構成する材料（例えば、ＡｌＧａＮ）に含まれる残留不純物濃度、並びにアンドープ層４５を制御することによって実現される。

次に、図７に、第1の実施の形態に示した図５の構造において、アンドープ層４４のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーの光を照射した際の伝導帯のエネルギー図を示す。光を照射することによって、空乏化した層によって、価電子帯から伝導帯６１に電子が励起され、電子−正孔対が生成される。その生成された電子−正孔対によりバンド構造が変化し、それにより、アンドープ層４３とアンドープ層４４の界面に電子の擬フェルミ準位６２よりもエネルギーの低い箇所ができ、２次元電子ガス６３が形成される。

この２次元電子ガス６３がチャネルとして働くため、ドレイン電極４６−ソース電極７間に電圧を印加することによって大きな電流が流れる。したがって、上記第１の実施の形態において、光を照射しないときには電流が流れず、光を照射したときには電流が流れる理想的な紫外受光素子が実現可能である。また、第１の実施の形態では、光はｐ型層４５直下のバンド構造を変化させる役割を果たし、ｐｉｎフォトダイオードのように，フォトンの個数が、電流に影響する素子に比べて電流値を大きくすることができる。なお、空乏層をアンドープ層の方に広げるためには、ｐ層とｎ層とのキャリア濃度比を大きくする必要があり、２桁以上のキャリア濃度差にすることが重要となる。

図８は、第１の実施の形態による紫外線受光素子のソース−ドレイン電圧とソース−ドレイン電流との間の関係を示す図である。アンドープ層４４のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーの光（例えば、波長が２５４ｎｍの光）を照射しない場合、曲線ａに示すように流れる電流が１００ｎＡ以下であるが、アンドープ層４４のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーの光（例えば、波長が２５４ｎｍの光）を照射した場合、曲線ｂに示すように流れる電流が１ｍＡ程度となる。したがって、上記第１の実施の形態による紫外受光素子によれば、光を照射したときに流れる電流が数μＡ以下である従来のｐｉｎフォトダイオードに比べて３桁以上も光電流を向上させることが可能となった。これらの特徴は、火炎センサや医療用センサなど微弱な紫外光を検知する紫外受光素子として非常に適したものである。

ｐ型層４５を用いないときには、アンドープ層４４のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーの光（例えば、波長が２５４ｎｍの光）を照射しない場合、流れる電流が１０ｍＡ程度となり（図９Ａ参照）、アンドープ層４４のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーの光（例えば、波長が２５４ｎｍの光）を照射した場合、流れる電流が３０ｍＡ程度まで到達する。したがって、ｐ型層４５を用いない場合には、明暗比を取るのが困難となるため、受光感度を高くするのが困難である。

なお、本実施の形態ではｐ型層４５の直上の一部にゲート電極４８を形成しているが、ゲート電極４８をｐ型層４５の全面に形成した構造又はゲート電極４８を用いない構造でも、同様の効果が得られる。また、ｐ型層４５上に形成するゲート電極４８は、例えばＩＴＯや数ｎｍ程度の非常に薄い金属電極のように紫外光を透過できる電極用いることが効果的であり、例えば、ゲート電極４８の構造をメッシュ上にすることも非常に効果的である。また、ドレイン電極４６及びソース電極４７の材料は、オーミック特性が得られればどのような種類の金属を用いることができるが、望ましくは、Ｔｉ，Ａｌ，Ａｕ，Ｔａ，Ｗ等を含むものがよい。

一方、ｐ型層４５上に形成するゲート電極４８の材料としては、オーミック接触であることが好ましいが、ショットキー接触でもよく、任意の電極材料を用いることができる。また、電極間にＳｉＯ_２やＳｉＮ_Ｘなどの絶縁膜を介することやｐ型層４５上に半導体を形成することも、暗電流の低減などが可能となるため効果的である。

なお、アンドープ層４４に不純物を意図的に添加することも効果的であり、特にＳｉやＧｅをドーピングすることによって、光を照射した時に発生する２次元電子ガス６３を増加させる効果があり、紫外受光素子特性の向上が可能である。

また、アンドープ層４４に不純物を添加する場合、アンドープのスペーサ層（例えば、ＡｌＧａＮスペーサ層）を挟むことも効果があるし、ＡｌＧａＮ内に量子井戸やヘテロ接合を組み込むことも効果的である。また、上記のドーピング濃度を任意に設定することができるが、好適にはドナー濃度を１×１０^１９［ｃｍ^−３］以下とする。

また、ｐ型層４５をＧａＮで構成する場合、第１の実施の形態においてはホールキャリア濃度１×１０^１８［ｃｍ^−３］、アクセプタ濃度３×１０^１９［ｃｍ^−３］のを用いているが、これに関してはｐ型であることが重要であり、キャリア濃度、アクセプタ濃度及び膜厚は任意に設定してよい。また、膜厚に関しては、１ｎｍ以上の厚さを確保していれば、目的のデバイス特性を実現することができる。

この場合、下地層としてアンドープ層４３をＧａＮで構成するが、Ｍｇ、カーボン等の不純物を添加してもよい。また、基板１としてサファイア基板以外の基板を用いても同様の効果が可能であるが、望ましくはＳｉＣ，Ｓｉ，ＺｒＢ_２，ＡｌＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮ等III族窒化物半導体が成長できれば、どのような基板を用いても同様の効果が実現できる。

また、ＧａＮのｐ型層４５の代わりにＡｌＮやＩｎＮを含む混晶を用いてもよい。また、同様に全ての層において、ＡｌＮやＩｎＮを含むことによっても高性能紫外受光素子が実現可能である。また、第１の実施の形態の構造において、特性を向上させるためには、ドレイン電極４６、ソース電極４７の部分に高いキャリア密度の層を用いることが有効であり、コンタクトを取る層のみに選択的にイオン注入する方法や、選択成長により高濃度ｎ型層を形成し、及び結晶成長などにより高ドナー濃度な肉薄のｎ型層（ＡｌＧａＮ又はＧａＮ）を挿入することは非常に効果的である。

また、上記第１の実施の形態では、構造を有機金属気相成長法により作製したが、ｎ型ＧａＮ系半導体層をドレイン・ソースとし、ｐ型ＧａＮ系半導体層をゲート電極とする構造が実現できれば、例えば分子線エピタキシー、イオン注入法等の他の手法を用いても同様な効果がある。また、上記第１の実施の形態の構造ではヘテロ接合を用いて実施したが、特にヘテロ接合を用いる必要はなく、ホモ接合でも構わない。

また、上記第１の実施の形態においては、アンドープ層４３上にアンドープ層４４及びｐ型ＧａＮ層４５を積層することによって実現しているが、ｎ型層とｐ型層を入れ替えても、同様な効果が可能であり、高性能紫外受光素子として動作する。なお、第１の実施の形態においては、ドレイン電極４６及びソース電極４７を形成するためにエッチングプロセスによりアンドープ層４４を露出させているが、これはどのような方法でも良く、例えば選択横方向成長などを駆使して行う方法、またイオン注入によって、ｐ型層をｎ型層に反転する方法なども用いることが可能である。

また、光は、素子上部、基板側のどちらから入射することも可能であり、どちらを用いてもよい。また、光の入射しない方向に、半導体ＤＢＲや誘電体多層膜を形成し、光を閉じ込めることにより、高性能化が可能である。また、上記第１の実施の形態において電極構造をストライプ構造にして説明しているが、これはどのような構造でも所望の特性が得られる。

図１０は、本発明による紫外受光素子の第２の実施の形態の素子構造を示す図である。有機金属化合物気相成長法により、基板（例えば、サファイア基板）７１上に結晶成長により、約５００℃で緩衝層（例えば、低温ＡｌＮ緩衝層）７２を形成し、約１０００℃でＨ_２希釈したＳｉＨ_４を用いることによって、Ｓｉ添加した第１のｎ型層（例えば、ｎ型ＧａＮ層）（Ｓｉ濃度５×１０^１８ｃｍ^−３）７３を約３μｍ成長させ、続いて、Ｍｇを添加したｐ型層（例えば、ｐ型ＧａＮ層）７４（Ｍｇ濃度３×１０^１９ｃｍ^−３）を０．５μｍ成長させる。

続いて、フォトリソグラフィーと、例えばＣｌ_２ガスを用いた反応性イオンエッチングとを用いて、ｐ型層７４の一部分に、幅２００ｎｍのストライプ上の凹部を形成する。この凹部は，好適にはｐ型層７４が完全にエッチングされており、ｎ型層７３が露出している。その後、王水、フッ酸や硫酸、有機洗浄など適切な半導体基板処理を行った後に、再度、有機金属化合物気相成長法によりアンドープ層（例えば、アンドープＧａＮ層）７５を０．５μｍ成長させ、Ｓｉ添加した第２のｎ型層（例えば、ｎ型ＧａＮ層）７６（Ｓｉ濃度５×１０^１８ｃｍ^−３）を０．５μｍ結晶成長させる。

このように作製した試料を、窒素雰囲気中７００℃で５分間熱処理を行った後に、フォトリソグラフィー及び反応性イオンエッチング装置により、ｐ型層７４及び第1のｎ型層７３の一部分を露出させる。そして、第1のｎ型層７３にＴｉ／Ａｌからなるドレイン電極７７、ｐ型層７４にＮｉ／Ａｕからなるゲート電極７８、第２のｎ型層７６にＴｉ／Ａｌからなるソース電極７９を順次形成し、紫外受光素子となる。

なお、ソース電極７９を、好適には、図１０のようにアンドープ層７５の直上以外の箇所に形成する。また、電流を広げるためにメッシュ電極や半透明電極をアンドープ層７５の直上に形成することも効果的である。

第２の実施の形態では、ゲート電圧が０Ｖにおいて、ｐ型層７４及びアンドープ層７５のアクセプタ濃度及び電子濃度はそれぞれ、３×１０^１９ｃｍ^−３及び１×１０^１７ｃｍ^−３となっている。このとき、アンドープ層７５には、ｐ型層７４によって空乏層が広がっており、上記幅で作製した場合、アンドープ層７５は完全に空乏化していると考えられる。

したがって、光を照射せず、かつ、ゲート電圧を０Ｖにすると、ドレイン電極７７−ソース電極７９間に２０Ｖの電圧をかけたときのドレインによるリーク電流は１００ｍＡ程度であり、ｐｎ接合を利用したゲートであるため、非常に暗電流が少ない。

次に、この素子に用いた半導体のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを持った光を照射すると、アンドープ層７５の一部又はすべてが空乏化されていない状態になり、その状態でドレイン電極７７−ソース電極７９間に電圧を印加すると、電流を流すことが可能となる。すなわち、光を照射していないときに電流が流れず、光を照射したときに電流が流れる理想的な紫外受光素子がとしての動作が可能となる。

また、第２の実施の形態では、ストライプ構造の幅を２００ｎｍとしたが、この幅は、ｐ型層７４のアクセプタ濃度及びアンドープ層７５の電子濃度によって適切な値に設定することができる。また、第２の実施の形態においては、アンドープ層７５を用いているが、これは、例えばＳｉ，Ｇｅ，Ｃ等の他の不純物を意図的に添加しても、トランジスタとして動作し、空乏層の広がりを考慮してデバイスを作製すれば、所望の特性のデバイス作製が可能である。

この構造の利点として、マルチチャネル化が容易であるため、光を受光する面積を広くすることができ、紫外光の受光感度がよくなる。また、第２の実施の形態では、サファイア基板７１を例にとって説明しているが、基板に関しては、ＳｉＣ，Ｓｉ，ＺｒＢ_２、ＡｌＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮ等のＧａＮ系半導体が成長できれば、どのような基板を用いても同様の効果が実現できる。

また、ＧａＮ系発光ダイオードで広く用いられているレーザリフトオフなどの基板剥離技術を用いることや、ＳｉＣ基板、ＺｒＢ_２基板、ＧａＮ基板等の導電性を有する基板を用いる場合に第１のｎ型層７３に形成したドレイン電極７７を板剥離後の裏面又は基板の裏面に形成することは、更なるデバイスの高性能化及びデバイスの実装を容易にする技術として有用である。

また、ｐ型層７４には、ＡｌＮやＩｎＮを含む混晶でも特性は変わらず、ＡｌＮを含むことによって、短波長な光のみを選択的に受光可能となり、また、ＩｎＮを含むことによって、可視域に感度を持つ素子を実現することができる。同様に、第１のｎ型層７３、アンドープ層７５、第２のｎ型層７６等の全ての層において、ＡｌＮやＩｎＮを含むことによっても紫外受光素子が実現可能であり、それぞれの層中にヘテロ接合を有することもデバイス特性向上のためには有用である。

第２の実施の形態では、電極材料としてＮｉ／Ａｕ又はＴｉ／Ａｌを用いているが、電極材料に関してはどのような材料を用いてもよく、好適には、Ｔｉ，Ａｌ，Ａｕ，Ｔａ，Ｗ等を含むものがよい。また、第２の実施の形態において、特性を向上させるためには、ドレイン電極７７及びソース電極７９の部分に高いキャリア密度の層を用いることが有効であり、コンタクトを取る層のみに選択的にイオン注入する方法、選択成長により高濃度n型層を形成する方法及び肉薄のｎ型層を挿入することは、非常に効果的である。

また、第２の実施の形態では、有機金属気相成長法を実施したが、分子線エピタキシー、イオン注入法等の任意の手法を用いて同様の特性の紫外受光素子が実現できる。また、第２の実施の形態では、ｐ型層７４を先に形成し、その後再成長により所望の構造を得ているが、これに関してはどのような方法で実現されてもよく、選択性長法、Ｍｇのイオン注入等によって、ｎ型層をｐ型層に反転する方法なども用いることが可能であり、ゲート層に極性の異なる層を用い、それにより空乏層を発生させ、それにより電流を制御する構造を有していればよい。

また、第２の実施の形態では、電流が流れるチャネル層をｎ型層として作製したが、ｐ型層をチャネル層として用いても、ゲートにｎ型層を用いれば半導体トランジスタを構成できる。また、第２の実施の形態においては、第１の結晶成長においてｐ型層７４を作製し、その後に第２の結晶成長によってアンドープ層７５及び第２のｎ型層７６を形成しているが、これは、結晶成長の順番を逆にし、第１の結晶成長においてアンドープ層７５及び第２のｎ型層７６を作製し、第２の結晶成長でｐ型層７４を形成するという作製方法でも、同様の特性が得られる。

また、素子内部に半導体ＤＢＲや誘電体多層膜により光を閉じ込めることにより、高性能化が可能である。また、第２の実施の形態において電極構造をストライプ構造にして説明しているが、これはどのような構造でも所望の特性が得られる。

Claims

基板と、
前記基板上に設けられ、ＧａＮ系半導体によって構成された第１層と、
前記第１層に接触し、ソース領域、ドレイン領域及びチャネル領域を有するようＧａＮ系半導体によって構成された、前記第１層と同一の導電型の第２層と、
前記第２層に接触し、ゲート領域を有するようにＧａＮ系半導体によって構成されたｐ型の第３層とを具えることを特徴とする紫外線受光素子。
前記第１層をＧａＮによって構成するとともに、前記第２層をＡｌＧａＮによって構成し、前記第１層及び前記第２層がＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ接合を形成したことを特徴とする請求項１記載の紫外線受光素子。
前記第２層にドーピングを行ったことを特徴とする請求項１又は２記載の紫外線受光素子。
前記第２層にアンドープのスペーサ層を介在し又は量子井戸若しくはヘテロ構造を組み込むことを特徴とする請求項３記載の紫外線受光素子。
光閉じ込め構造を組み込むことを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の紫外線受光素子。
前記光閉じ込め構造を、半導体ＤＢＲ又は誘電体多層膜によって構成したことを特徴とする請求項５記載の紫外線受光素子。
前記第１層をアンドープ又は１×１０^１８ｃｍ^−３以下のドーピング濃度としたことを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の紫外線受光素子。
前記第３層を１×１０^１６ｃｍ^−３以上のアクセプタ濃度としたことを特徴とする請求項１から７のうちのいずれか１項に記載の紫外線受光素子。