JP5609094B2 - Light receiving element - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物半導体を用いたフォトダイオードや太陽電池等の受光素子に関する。   The present invention relates to a light receiving element such as a photodiode or a solar cell using a nitride semiconductor.

従来、短波長の光を検知する受光素子の1つとして、窒化物半導体を用いたものが知られている。窒化物半導体の受光素子の層構造としては、pin構造を採用したものや(特許文献1)、pin構造のうちi層として多重量子井戸構造を採用したもの(特許文献2)等がある。   Conventionally, one using a nitride semiconductor is known as one of light receiving elements for detecting light having a short wavelength. As a layer structure of a light-receiving element made of a nitride semiconductor, there are a structure employing a pin structure (Patent Document 1), a structure employing a multiple quantum well structure as an i layer of the pin structure (Patent Document 2), and the like.

窒化物半導体は、例えば6.0eV(AlN)から0.65eV(InN)までの広範囲なバンドギャップエネルギーを有する材料である。また、直接遷移型であるため、活性層を薄くでき、またダブルへテロ構造を用いることで、フィルタを介することなく例えば紫外光のみを検知し、可視光を検知しないなどといった、短波長側の特定の波長領域に限定した受光素子とすることも可能である。   A nitride semiconductor is a material having a wide band gap energy from, for example, 6.0 eV (AlN) to 0.65 eV (InN). In addition, since it is a direct transition type, the active layer can be made thin, and by using a double hetero structure, for example, only ultraviolet light is detected without using a filter, and visible light is not detected. It is also possible to provide a light receiving element limited to a specific wavelength region.

特開2002−359390号公報JP 2002-359390 A 特開2005−19578号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-19578

しかし、SiやGaAsなどと比較して、窒化物半導体は一般的に結晶性が悪い。そのため、窒化物半導体を用いて単純にpin構造としたり、そのi層を多重量子井戸構造としても、良好な量子効率(電子取り出し効率)が得られ難いといった問題があった。   However, nitride semiconductors generally have poor crystallinity compared to Si, GaAs, and the like. For this reason, there is a problem that it is difficult to obtain good quantum efficiency (electron extraction efficiency) even if a nitride semiconductor is used to simply have a pin structure or the i layer has a multiple quantum well structure.

それぞれが窒化物半導体からなるn型層、活性層及びp型層を順に有する受光素子であって、n型層と活性層との間には、n型層から順に、n型層のn型不純物濃度よりも小さいn型不純物濃度の第1層と、第1層の格子定数よりも大きい格子定数の第2層と、を有することを特徴とする。   Each of the light-receiving elements has an n-type layer, an active layer, and a p-type layer made of a nitride semiconductor in order. A first layer having an n-type impurity concentration lower than the impurity concentration and a second layer having a lattice constant larger than the lattice constant of the first layer are provided.

第1層のn型不純物濃度及び第2層のn型不純物濃度は1×1017cm−3以下であり、第1層の膜厚は0.5nm以上4.0nm以下であることが好ましい。 The n-type impurity concentration of the first layer and the n-type impurity concentration of the second layer are 1 × 10 17 cm −3 or less, and the thickness of the first layer is preferably 0.5 nm or more and 4.0 nm or less.

第1層はGaN、第2層はInGaNよりなることが好ましい。   The first layer is preferably made of GaN and the second layer is preferably made of InGaN.

第1層はn型層及び第2層と接しており、第2層は第1層及び活性層と接していることが好ましい。   The first layer is preferably in contact with the n-type layer and the second layer, and the second layer is preferably in contact with the first layer and the active layer.

活性層は井戸層及び障壁層を備える多重量子井戸構造であり、井戸層の膜厚は障壁層の膜厚よりも大きいことが好ましい。   The active layer has a multiple quantum well structure including a well layer and a barrier layer, and the thickness of the well layer is preferably larger than the thickness of the barrier layer.

本発明の一実施の形態に係る受光素子の断面構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross-section of the light receiving element which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態に係る受光素子の断面構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross-section of the light receiving element which concerns on other embodiment of this invention.

本発明を実施するための形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための一例であって、本発明を以下に限定するものではない。   A mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the form shown below is an example for embodying the technical idea of the present invention, and the present invention is not limited to the following.

ここで、窒化物半導体とは、III−V族半導体において、V族元素として窒素を用いた半導体を意味する。典型的には一般式AlInGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で示される。 Here, the nitride semiconductor means a semiconductor using nitrogen as a group V element in a group III-V semiconductor. Typically, it is represented by the general formula Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).

図1に、本実施の形態に係る受光素子の断面模式図を示す。本実施の形態の受光素子は、基板1上に、それぞれが窒化物半導体からなるn型層2、活性層5及びp型層6を順に有する受光素子であって、n型層2と活性層5との間には、n型層2から順に、n型層のn型不純物濃度よりも小さいn型不純物濃度の第1層3と、第1層の格子定数よりも大きい格子定数の第2層4と、を有する。ここで、n型層2にはn電極7が設けられており、p型層6にはp電極8が設けられている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the light receiving element according to the present embodiment. The light receiving element of the present embodiment is a light receiving element having an n-type layer 2, an active layer 5 and a p-type layer 6 each made of a nitride semiconductor on a substrate 1 in order, and the n-type layer 2 and the active layer 5, the first layer 3 having an n-type impurity concentration smaller than the n-type impurity concentration of the n-type layer, and the second lattice constant larger than the lattice constant of the first layer. And layer 4. Here, the n-type layer 2 is provided with an n-electrode 7, and the p-type layer 6 is provided with a p-electrode 8.

本実施の形態では、第1層3のn型不純物濃度をn型層2のn型不純物濃度よりも小さくすることで、n型層3から第1層4への不純物拡散を軽減させることができる。さらに、第2層4の格子定数を第1層4よりも大きくする(つまり、第2層4は第1層3及び活性層5の間の格子定数を有する)ことで、活性層5に生じる歪みを緩和させることができる。その結果、活性層5の結晶性を向上させることができるので、良好な量子効率が得られる。   In the present embodiment, the impurity diffusion from the n-type layer 3 to the first layer 4 can be reduced by making the n-type impurity concentration of the first layer 3 smaller than the n-type impurity concentration of the n-type layer 2. it can. Furthermore, when the lattice constant of the second layer 4 is made larger than that of the first layer 4 (that is, the second layer 4 has a lattice constant between the first layer 3 and the active layer 5), it is generated in the active layer 5. Distortion can be reduced. As a result, since the crystallinity of the active layer 5 can be improved, good quantum efficiency can be obtained.

以下、より詳細に説明する。まず、受光素子の目的は、活性層にて生じた電子をn型層を介して素子外部に取り出すことである。よって、活性層とn電極を有するn型層との間には、電子の取り出しの妨げになる層は設けないのが一般的である。しかし、本発明者は、Si等の他の半導体材料と比較して窒化物半導体は結晶性が悪いことに鑑み、活性層5の直前(n型層2と活性層5との間)に歪みを緩和させるための層(歪み緩和層)を設けることを見出した。ところが、n型層2の上に歪み緩和層となる第2層4を直接設けると、n型層から不純物が拡散してしまい、第1層3よりも格子定数を大きくしたことによる第2層4の悪い結晶性(窒化物半導体の格子定数を大きくするためにはInの組成比を大きくする必要があるが、一般的にInを大きくすればするほど結晶成長は難しくなり、その結晶性は悪くなる)をさらに悪化させてしまう(その結果、活性層5の結晶性がより低下する)。そこで、第2層4の下に結晶性の良い(Inの少ない)低不純物濃度の第1層3を設けることで、n型層2から第2層4へのn型不純物の拡散を防止し、第2層4の結晶性の低下を軽減させることができる(その結果、活性層5の結晶性の低下を効果的に抑制することができる)。   This will be described in more detail below. First, the purpose of the light receiving element is to extract electrons generated in the active layer to the outside of the element through the n-type layer. Therefore, in general, a layer that prevents extraction of electrons is not provided between the active layer and the n-type layer having the n-electrode. However, the present inventor has observed that a nitride semiconductor is poor in crystallinity compared to other semiconductor materials such as Si, so that it is strained immediately before the active layer 5 (between the n-type layer 2 and the active layer 5). It has been found that a layer (strain relaxation layer) for relaxing the above is provided. However, if the second layer 4 serving as a strain relaxation layer is directly provided on the n-type layer 2, impurities diffuse from the n-type layer, and the second layer is obtained by making the lattice constant larger than that of the first layer 3. 4 poor crystallinity (In order to increase the lattice constant of a nitride semiconductor, it is necessary to increase the composition ratio of In, but in general, the larger the In, the more difficult the crystal growth becomes. (As a result, the crystallinity of the active layer 5 is further reduced). Therefore, by providing the first layer 3 having a low impurity concentration with good crystallinity (low In) under the second layer 4, diffusion of the n-type impurity from the n-type layer 2 to the second layer 4 is prevented. The decrease in crystallinity of the second layer 4 can be reduced (as a result, the decrease in crystallinity of the active layer 5 can be effectively suppressed).

ここで、第1層3及び第2層4のn型不純物濃度は、1×1017cm−3以下であり、第1層3の膜厚は0.5nm以上4.0nm以下であることが好ましい。 Here, the n-type impurity concentration of the first layer 3 and the second layer 4 is 1 × 10 17 cm −3 or less, and the film thickness of the first layer 3 is 0.5 nm or more and 4.0 nm or less. preferable.

つまり、第1層3及び第2層4のn型不純物濃度が1×1017cm−3以下であり、第2層4の格子定数が第1層3の格子定数よりも大きい(第2層4の禁止帯幅が第1層3の禁止帯幅よりも小さい)状態では、活性層5側から見みると、伝導帯において第1層3と第2層4との界面がポテンシャル障壁となり、活性層5からn型層2への電子の移動が妨げられてしまう。そこで、第1層3の膜厚を0.5nm以上4.0nm以下とすることにより、活性層の結晶性の低下を抑制すると共に、電子が第1層3をトンネルするので、電子の取り出しを効果的に向上させることができる。 That is, the n-type impurity concentration of the first layer 3 and the second layer 4 is 1 × 10 17 cm −3 or less, and the lattice constant of the second layer 4 is larger than the lattice constant of the first layer 3 (second layer 4 is smaller than the forbidden band width of the first layer 3), when viewed from the active layer 5 side, the interface between the first layer 3 and the second layer 4 becomes a potential barrier in the conduction band, The movement of electrons from the active layer 5 to the n-type layer 2 is hindered. Therefore, by setting the film thickness of the first layer 3 to 0.5 nm or more and 4.0 nm or less, the crystallinity of the active layer is suppressed and electrons tunnel through the first layer 3. It can be improved effectively.

より詳細には、第1層3及び第2層4のn型不純物濃度は、好ましくは5×1016cm−3以下、より好ましくは1×1016cm−3以下とすることができる。また、第1層3の膜厚は、好ましくは1.0nm以上3.5nm以下、より好ましくは1.5nm以上3.0nm以下とすることができる。これにより、上記効果をより効果的に得ることができる。 More specifically, the n-type impurity concentration of the first layer 3 and the second layer 4 is preferably 5 × 10 16 cm −3 or less, more preferably 1 × 10 16 cm −3 or less. The film thickness of the first layer 3 is preferably 1.0 nm to 3.5 nm, more preferably 1.5 nm to 3.0 nm. Thereby, the said effect can be acquired more effectively.

第1層3はGaN、第2層4はInGaNよりなることが好ましい。第1層3をGaNとすることで窒化物半導体においてその結晶性を最大限に良くすることができ、第2層4をInGaNとすることで歪み緩和の役割を容易に果たすことができる(格子定数は大きくするにはInの組成比を増やせばよい)。その結果、活性層5の結晶性の悪化を効果的に抑制し、高い量子効率の受光素子とすることができる。   The first layer 3 is preferably made of GaN, and the second layer 4 is preferably made of InGaN. By making the first layer 3 GaN, the crystallinity of the nitride semiconductor can be maximized, and by making the second layer 4 InGaN, the role of strain relaxation can be easily achieved (lattice To increase the constant, the In composition ratio should be increased). As a result, the deterioration of the crystallinity of the active layer 5 can be effectively suppressed, and a light receiving element with high quantum efficiency can be obtained.

第1層3はn型層2及び第2層4と接しており、第2層4は第1層3及び活性層5と接していることが好ましい。つまり、n型層2と活性層5との間に、第1層3及び第2層4のみを設けることで、必要以上に多くの層を積層することによる結晶性の悪化を抑制することができるので、活性層の結晶性をより向上させることができる。さらに、第1の層3を1とすることにより、トンネル効果を最大限に利用することができるので、より高い量子効率とすることができる。   The first layer 3 is preferably in contact with the n-type layer 2 and the second layer 4, and the second layer 4 is preferably in contact with the first layer 3 and the active layer 5. That is, by providing only the first layer 3 and the second layer 4 between the n-type layer 2 and the active layer 5, it is possible to suppress deterioration in crystallinity caused by stacking more layers than necessary. Therefore, the crystallinity of the active layer can be further improved. Furthermore, since the tunnel effect can be utilized to the maximum by setting the first layer 3 to 1, higher quantum efficiency can be achieved.

図2に、活性層を多重量子構造とした場合の断面模式図を示す。図2においては、活性層5以外の構成は図1と同様である。   FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view when the active layer has a multiple quantum structure. In FIG. 2, the configuration other than the active layer 5 is the same as that in FIG.

活性層5は井戸層5a及び障壁層5bを備える多重量子井戸構造であり、井戸層5aの膜厚は障壁層5bの膜厚よりも大きいことが好ましい。受光素子の場合、光を吸収させるために井戸層はある程度の厚さを要する(厚すぎると結晶性が落ち量子効率が落ちる)。一方、井戸層の質を上げるため障壁層は厚くしたいが、厚過ぎると電子取出しの妨げになる。そこで、「障壁層の膜厚<井戸層の膜厚」とすることにより、光吸収と電子取り出しを両立した受光素子とすることができる。   The active layer 5 has a multiple quantum well structure including a well layer 5a and a barrier layer 5b, and the thickness of the well layer 5a is preferably larger than the thickness of the barrier layer 5b. In the case of a light receiving element, the well layer needs to have a certain thickness in order to absorb light (if it is too thick, crystallinity falls and quantum efficiency falls). On the other hand, the barrier layer is desired to be thick in order to improve the quality of the well layer, but if it is too thick, it will hinder electron extraction. Therefore, by setting “the thickness of the barrier layer <the thickness of the well layer”, it is possible to obtain a light receiving element that achieves both light absorption and electron extraction.

以下、本実施の形態の主な構成要素について説明する。   Hereinafter, main components of the present embodiment will be described.

(n型層)
n型層2の材料は特に限定されないが、好ましくはAlx1Ga1−x1N(0≦x1<1)、より好ましくはGaNとすることができる。換言すると、Inを含有しないAlGaNとすることで比較的良い結晶性とすることができるので好ましく、In及びAlを含有しないGaNとすることでさらに良い結晶性とすることができるのでより好ましい。n型層2は他の層3〜6の下地となるので、n型層2の結晶性がよければ他の層3〜6の結晶性も良くなるといえるからである。
(N-type layer)
The material of the n-type layer 2 is not particularly limited, but is preferably Al x1 Ga 1-x1 N (0 ≦ x1 <1), more preferably GaN. In other words, AlGaN containing no In is preferable because relatively good crystallinity can be obtained, and GaN containing no In and Al is more preferable because better crystallinity can be obtained. This is because the n-type layer 2 serves as a base for the other layers 3 to 6, so that the crystallinity of the other layers 3 to 6 can be improved if the crystallinity of the n-type layer 2 is good.

(第1層)
第1層3は、n型層2と第1層4の間に介在させるものであり、これにより、n型層2から第2層4へのn型不純物の拡散を抑制し且つ活性層5の結晶性を向上させるものである。そのため、第1層3のn型不純物濃度は、1×1017cm−3以下、好ましくは5×1016cm−3以下、より好ましくは1×1016cm−3以下とすることができる。これにより第2層4へのn型不純物の拡散を抑制し(第1層3のn型不純物濃度が低いほど第2層4への拡散は抑制される)、且つ、下地層として効果的に機能する(n型不純物濃度が低いほど結晶性は良くなる)。なお、上記のn型不純物の濃度範囲には、n型不純物を意図的にドープしない所謂アンドープの状態も含むものとする。
(First layer)
The first layer 3 is interposed between the n-type layer 2 and the first layer 4, thereby suppressing the diffusion of n-type impurities from the n-type layer 2 to the second layer 4 and the active layer 5. This improves the crystallinity. Therefore, the n-type impurity concentration of the first layer 3 can be 1 × 10 17 cm −3 or less, preferably 5 × 10 16 cm −3 or less, more preferably 1 × 10 16 cm −3 or less. As a result, the diffusion of n-type impurities into the second layer 4 is suppressed (the lower the n-type impurity concentration of the first layer 3 is, the more the diffusion into the second layer 4 is suppressed). Functions (the lower the n-type impurity concentration, the better the crystallinity). The concentration range of the n-type impurity includes a so-called undoped state where the n-type impurity is not intentionally doped.

n型層2及び第1層3のn型不純物は特に限定されるものではないが、SiやGe、好ましくはSiを用いることができる。一般的には、窒化物半導体のn型不純物としてSiが広く知られている。   The n-type impurity of the n-type layer 2 and the first layer 3 is not particularly limited, but Si or Ge, preferably Si can be used. In general, Si is widely known as an n-type impurity of a nitride semiconductor.

第1層3の材料は特に限定されないが、好ましくはAlx1Ga1−x1N(0≦x1<1)、より好ましくはGaNとすることができる。換言すると、Inを含有しないAlGaNとすることで比較的良い結晶性とすることができるので好ましく、In及びAlを含有しないGaNとすることでさらに良い結晶性とすることができるのでより好ましい。第1層3は他の層4〜6の下地となるので、第1層3の結晶性がよければ他の層4〜6の結晶性も良くなるといえるからである。 The material of the first layer 3 is not particularly limited, but is preferably Al x1 Ga 1-x1 N (0 ≦ x1 <1), more preferably GaN. In other words, AlGaN containing no In is preferable because relatively good crystallinity can be obtained, and GaN containing no In and Al is more preferable because better crystallinity can be obtained. This is because the first layer 3 serves as a base for the other layers 4 to 6, and therefore the crystallinity of the other layers 4 to 6 can be improved if the crystallinity of the first layer 3 is good.

(第2層)
第2層4は、第1層3と活性層5の間に介在させるものであり、第1層3よりも大きい格子定数(第1層3と活性層5との間の格子定数)を有する。これにより、活性層5の歪みを緩和させることができ、その結晶性を向上させることができる。
(Second layer)
The second layer 4 is interposed between the first layer 3 and the active layer 5 and has a larger lattice constant than that of the first layer 3 (lattice constant between the first layer 3 and the active layer 5). . Thereby, the distortion of the active layer 5 can be relieved and the crystallinity can be improved.

第2層4の材料は特に限定されるものではないが、好ましくはIny1Ga1−y1N(0<y1<1)を用いることができる。Inを増減させることにより格子定数の制御が容易となり、四元混晶のAlInGaNと比べてより良い結晶性を実現できるからである。ただし、InGaNはGaNと比べて結晶性が悪いので、第2層4としてInGaNを用いる場合には、その下地となる第1層3をできるだけ結晶性良く成長させることが重要である。 The material of the second layer 4 is not particularly limited, but In y1 Ga 1-y1 N (0 <y1 <1) can be preferably used. This is because the lattice constant can be easily controlled by increasing / decreasing In, and better crystallinity can be realized as compared with quaternary mixed crystal AlInGaN. However, since InGaN has poor crystallinity as compared with GaN, when InGaN is used as the second layer 4, it is important to grow the first layer 3 serving as the underlying layer with as high crystallinity as possible.

第2層4の膜厚は特に限定されるものではないが、好ましくは0.5nm以上4.0nm以下、より好ましくは0.5nm以上3.0nm以下、さらに好ましくは1.0nm以上2.0nm以下とすることができる。第2層4が厚くなると結晶性が損なわれるので好ましくなく、薄くなると歪み緩和の役割を果たし難いので好ましくない。また、活性層が単層からなる場合は単層自体からみて、活性層が多重量子井戸構造からなる場合は井戸層からみて、伝導帯において第2層4が障壁とみなせる場合であっても、薄いほうがトンネル効果を得られやすいので好ましい。   The thickness of the second layer 4 is not particularly limited, but is preferably 0.5 nm to 4.0 nm, more preferably 0.5 nm to 3.0 nm, and still more preferably 1.0 nm to 2.0 nm. It can be as follows. If the second layer 4 is thick, it is not preferable because the crystallinity is impaired. Further, when the active layer is composed of a single layer, when viewed from the single layer itself, when the active layer is composed of a multiple quantum well structure, even when the second layer 4 can be regarded as a barrier in the conduction band, The thinner one is preferable because the tunnel effect can be easily obtained.

(活性層)
活性層5は特に限定されるものではないが、単層構造(図1参照)や多重量子井戸構造(図2参照)を用いることができる。単層構造としては、例えばIny2Ga1−y2N(0<y2<1、y1<y2)を用いることがでる。多重量子井戸構造としては、例えば井戸層としてIny2Ga1−y2N(0<y2<1、y1<y2)、障壁層としてIny3Ga1−y3N(0≦y3<1、y3<y2)を用いることができる。
(Active layer)
The active layer 5 is not particularly limited, but a single layer structure (see FIG. 1) or a multiple quantum well structure (see FIG. 2) can be used. As the single layer structure, for example, In y2 Ga 1-y2 N (0 <y2 <1, y1 <y2) can be used. As the multiple quantum well structure, for example, In y2 Ga 1-y2 N (0 <y2 <1, y1 <y2) is used as the well layer, and In y3 Ga 1-y3 N (0 ≦ y3 <1, y3 <y2) is used as the barrier layer. ) Can be used.

第2層4は活性層5(単層の場合は受光層となる単層そのもの、多重量子井戸の場合は受光層となる井戸層)の歪みを緩和するための層であるから、第2層4の格子定数は第1層3及び活性層5(単層の場合は単層そのもの、多重量子井戸の場合は井戸層)の間の値を有することが好ましい。第2層4と井戸層との間に障壁層がある場合であっても、下からの歪みは井戸層に影響するので、第2層4の格子定数は第1層3及び井戸層の間の値を有することが重要である。   The second layer 4 is a layer for alleviating the distortion of the active layer 5 (a single layer itself serving as a light receiving layer in the case of a single layer, or a well layer serving as a light receiving layer in the case of multiple quantum wells). The lattice constant of 4 preferably has a value between the first layer 3 and the active layer 5 (in the case of a single layer, the single layer itself, in the case of a multiple quantum well). Even when there is a barrier layer between the second layer 4 and the well layer, since the strain from below affects the well layer, the lattice constant of the second layer 4 is between the first layer 3 and the well layer. It is important to have a value of

なお、活性層5を多重量子井戸構造とする場合、井戸層から始まって井戸層で終わるか、井戸層から始まって障壁層で終わるか、障壁層から始まって障壁層で終わるか、障壁層から始まって井戸層で終わるかは任意で決定すればよい。   When the active layer 5 has a multiple quantum well structure, it starts from the well layer and ends with the well layer, starts from the well layer and ends with the barrier layer, starts from the barrier layer and ends with the barrier layer, or from the barrier layer. Whether it starts and ends with a well layer may be determined arbitrarily.

(p型層)
p型層6の材料は特に限定されないが、好ましくはAlx1Ga1−x1N(0≦x1<1)、より好ましくはGaNとすることができる。Inを含有しないAlGaNとすることで比較的良い結晶性とすることができ、In及びAlを含有しないGaNとすることでさらに良い結晶性とすることができる。なお、p型不純物としてはMg等公知のものを利用することができる。
(P-type layer)
The material of the p-type layer 6 is not particularly limited, but is preferably Al x1 Ga 1-x1 N (0 ≦ x1 <1), more preferably GaN. Relatively good crystallinity can be obtained by using AlGaN that does not contain In, and even better crystallinity can be obtained by using GaN that does not contain In and Al. As the p-type impurity, a known one such as Mg can be used.

C面を主面とするサファイアよりなる基板1をMOVPE反応容器内にセットし、水素雰囲気において温度を1160度まで加熱することにより基板表面の浄化を行った後、温度を520℃にして、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、アンモニアを用い、AlGaNよりなるバッファ層(図示せず)を250オングストロームの膜厚で成長させた。   A substrate 1 made of sapphire with the C-plane as the main surface is set in a MOVPE reaction vessel, and the substrate surface is purified by heating to 1160 degrees in a hydrogen atmosphere. A buffer layer (not shown) made of AlGaN was grown to a thickness of 250 Å using aluminum, trimethylgallium, and ammonia.

その後、温度を1140度まであげトリメチルガリウム、アンモニアを用いて下地となるGaN層(図示せず)を1.5um形成し、引き続きトリメチルガリウム、アンモニア、モノシランを用いてGaNからなるn型層2を4.5umの膜厚で形成した。   Thereafter, the temperature is raised to 1140 ° C., and 1.5 μm of a GaN layer (not shown) as a base is formed using trimethyl gallium and ammonia, and then the n-type layer 2 made of GaN is formed using trimethyl gallium, ammonia and monosilane. The film thickness was 4.5 um.

n型層2形成後、雰囲気を窒素とし、温度を820度に下げて、トリメチルガリウム、アンモニアを用いてGaNからなる第1層3を2.5nm形成し、引き続きトリメチルインジウム、トリメチルガリウム、アンモニアを用いてIn0.05Ga0.95Nからなる第2層4を1.3nmの膜厚で形成した。このとき、第1層3及び第2層4共にSiをドープせずに成長させており、それぞれのn型不純物濃度は1×1016cm−3以下であった。 After forming the n-type layer 2, the atmosphere is changed to nitrogen, the temperature is lowered to 820 ° C., and the first layer 3 made of GaN is formed to 2.5 nm using trimethylgallium and ammonia. Subsequently, trimethylindium, trimethylgallium and ammonia are added. The second layer 4 made of In 0.05 Ga 0.95 N was formed to a thickness of 1.3 nm. At this time, both the first layer 3 and the second layer 4 were grown without doping Si, and each n-type impurity concentration was 1 × 10 16 cm −3 or less.

引き続きトリメチルインジウム、トリメチルガリウム、アンモニアを用いてIn0.16Ga0.84Nからなる井戸層5aを膜厚4.5nmで形成した後、トリメチルインジウムの供給を止めトリメチルガリウムとアンモニアを用いてGaNからなる障壁層5bを膜厚4.0nmで形成して多重量子井戸構造の活性層5を形成した。このとき井戸層5aと障壁層5bを1周期として合計30周期繰り返した。 Subsequently, after forming a well layer 5a made of In 0.16 Ga 0.84 N with a film thickness of 4.5 nm using trimethylindium, trimethylgallium and ammonia, the supply of trimethylindium is stopped and GaN using trimethylgallium and ammonia is used. An active layer 5 having a multiple quantum well structure was formed by forming a barrier layer 5b made of a film having a thickness of 4.0 nm. At this time, the well layer 5a and the barrier layer 5b were set as one cycle, and the cycle was repeated for a total of 30 cycles.

活性層5を形成後、再び雰囲気を水素とし、温度を850℃としてトリメチルガリウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いてキャリア濃度が約2.9×1017/cmのGaN層を形成し、引き続きトリメチルガリウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いてキャリア濃度が約6.4×1018/cmのGaN層を形成して、2層構造からなるp型層6を形成した。 After forming the active layer 5, the atmosphere is again hydrogen, the temperature is set to 850 ° C., and a GaN layer having a carrier concentration of about 2.9 × 10 17 / cm 3 is formed using trimethyl gallium, ammonia, and cyclopentadienyl magnesium. Subsequently, trimethyl gallium, ammonia, and cyclopentadienyl magnesium were used to form a GaN layer having a carrier concentration of about 6.4 × 10 18 / cm 3 to form a p-type layer 6 having a two-layer structure.

この構成により得られた受光素子の405nmの光に対する量子効率は約88%と良好なものであった。   The quantum efficiency of the light receiving element obtained by this configuration with respect to light of 405 nm was as good as about 88%.

活性層5を多重量子井戸構造ではなく単層構造とした以外は実施例1と同様にして、受光素子を作成した(図1参照)。つまり、第2層4を作成した後、In0.16Ga0.84Nからなる活性層5を膜厚150nmで形成した。このときの量子効率は約77%となり、実施例1(図2参照)には劣るものの第1層3及び第2層4がない比較例に比較して良好なものであった。 A light receiving element was prepared in the same manner as in Example 1 except that the active layer 5 was not a multiple quantum well structure but a single layer structure (see FIG. 1). That is, after the second layer 4 was formed, the active layer 5 made of In 0.16 Ga 0.84 N was formed with a film thickness of 150 nm. The quantum efficiency at this time was about 77%, which was inferior to Example 1 (see FIG. 2), but was better than that of the comparative example without the first layer 3 and the second layer 4.

比較例Comparative example

第1層3及び第2層4を用いなかった以外は、実施例1と同様にして受光素子を作成した。こときの量子効率は約50%であった。   A light receiving element was produced in the same manner as in Example 1 except that the first layer 3 and the second layer 4 were not used. The quantum efficiency of Kotoki was about 50%.

本発明にの受光素子は、フォトダイオードや太陽電池等、比較的短波長の光を検出可能な受光素子に利用することができる。   The light receiving element of the present invention can be used as a light receiving element capable of detecting light having a relatively short wavelength, such as a photodiode or a solar cell.

1・・・基板
2・・・n型層
3・・・第1層
4・・・第2層
5・・・活性層
6・・・p型層
7・・・n電極
8・・・p電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 2 ... n-type layer 3 ... 1st layer 4 ... 2nd layer 5 ... Active layer 6 ... p-type layer 7 ... n electrode 8 ... p electrode

Claims (5)

それぞれが窒化物半導体からなるn型層、活性層及びp型層を順に有する受光素子であって、
前記n型層と前記活性層との間には、前記n型層から順に、窒化物半導体からなる第1層と、窒化物半導体からなり前記第1層と前記活性層との間の格子定数の第2層と、を有し、
前記n型層は、n型不純物を含み、
前記第1層及び前記第2層は、アンドープであることを特徴とする受光素子。
Each of the light receiving elements has an n-type layer, an active layer, and a p-type layer, each of which is made of a nitride semiconductor,
Between the n-type layer and the active layer, in order from the n-type layer, a lattice constant between the first layer made of a nitride semiconductor and the first layer made of a nitride semiconductor and the active layer A second layer of
The n-type layer includes an n-type impurity,
The light receiving element, wherein the first layer and the second layer are undoped.
前記第1層のn型不純物濃度及び前記第2層のn型不純物濃度は1×10 17cm−3以下であり、
前記第1層の膜厚は0.5nm以上4.0nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の受光素子。
The n-type impurity concentration of the first layer and the n-type impurity concentration of the second layer are 1 × 10 17 cm −3 or less,
2. The light receiving element according to claim 1, wherein the film thickness of the first layer is not less than 0.5 nm and not more than 4.0 nm.
前記第1層はGaN、前記第2層はInGaNよりなることを特徴とする請求項1又は2に記載された受光素子   3. The light receiving element according to claim 1, wherein the first layer is made of GaN and the second layer is made of InGaN. 前記第1層は、前記n型層及び前記第2層と接しており、
前記第2層は、前記第1層及び前記活性層と接していることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載された受光素子。
The first layer is in contact with the n-type layer and the second layer;
And the second layer, the light-receiving element according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in contact with the first layer and the active layer.
前記活性層は、井戸層及び障壁層を備える多重量子井戸構造であり、
前記井戸層の膜厚は、前記障壁層の膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載された受光素子。
The active layer has a multiple quantum well structure including a well layer and a barrier layer,
5. The light receiving element according to claim 1, wherein the thickness of the well layer is larger than the thickness of the barrier layer.
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