JP5791026B2 - 紫外光検出デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
紫外光検出デバイスとして、従来、紫外光検出部にSiを用いたフォトダイオードがある。しかし、Siはバンドギャップの点から、紫外光に対して感度が低く、紫外光検出デバイスとして適当でないという問題があった。
また、InGaN薄膜の高い転位密度及び高い残留キャリア濃度は、紫外光照射をした場合としない場合の電流値の差を小さくして、SN比を低下させるという問題を発生させた。
なお、感度は、光電流(A/cm2)を光量(W/cm2)で割った値である。また、感度をエネルギー(eV単位)の逆数で割った値をゲイン(Gain)と呼称する。ゲインは、デバイスに印加する電圧によって変化する。
永久光電流の流れ続ける時間が長いと、光電流の応答速度を速めることができないという問題を発生させた。
例えば、非特許文献1には、InGaN/GaN量子井戸構造の薄膜と電極との間にSiO2の絶縁層を挿入することが記載されている。また、非特許文献2、3には、InGaN/GaN量子井戸構造の薄膜と電極との間にSi3N4の絶縁層を挿入することが記載されている。更に、非特許文献4、5には、InGaN/GaN量子井戸構造の薄膜と電極との間にMgをドープしたGaNの絶縁層を挿入することが記載されている。
しかし、これらの文献に記載された技術を用いても、先に記載した問題を解決できず、特性を十分改善することはできなかった。
本発明の紫外光検出デバイスは、III−V族化合物薄膜からなり、紫外光照射面を有する紫外光検出層と、前記紫外光検出層の一面に形成された絶縁部と、前記絶縁部の一面に形成された第1及び第2の電極部と、を有する紫外光検出デバイスであって、前記絶縁部がII族フッ化物であり、前記絶縁部の厚さが20nm以下であり、前記2つの電極部はそれぞれ平面視くし形とされ、くし部がそれぞれ相互に互い違いになるように対向配置されており、前記電極部間の最短間隔が10μmとされていることを特徴とする。
本発明の紫外光検出デバイスは、前記III族窒化物がInGaN、GaN、AlGaN、AlInN又はAlInGaNのいずれか一の化合物であることが好ましい。
本発明の紫外光検出デバイスは、前記第1及び第2の電極部が、仕事関数が4.5eV以上であり、融点が1000℃以上である金属又は合金を有することが好ましい。
本発明の紫外光検出デバイスの製造方法は、MOCVD、MBE、HVPE又はLPEのいずれか一の方法を用いて、基板にIII−V族化合物薄膜からなる紫外光検出層を形成する工程と、スパッタ法又はCVD法を用いて、前記紫外光検出層の一面にII族フッ化物を20nm以下の膜厚で形成して、絶縁部を形成する工程と、電子ビーム法又は蒸着法を用いて、前記絶縁部の一面に第1及び第2の電極部をそれぞれ平面視くし形で、くし部がそれぞれ相互に互い違いになるように対向配置し、最短間隔が10μmとなるように形成する工程と、を有することを特徴とする。
<紫外光検出デバイス>
図1は、本発明の実施形態である紫外光検出デバイスの一例を示す図であって、(a)は斜視図であり、(b)は平面図であり、(c)は側面図である。
図1に示すように、本発明の実施形態である紫外光検出デバイス11は、基板21と、基板21に形成された紫外光検出層22と、紫外光検出層22の一面22aに形成された絶縁部23と、絶縁部23の一面23aに形成された第1及び第2の電極部31、32と、を有して概略構成されている。なお、紫外光検出層22は、紫外光照射面35を有しており、紫外光照射可能とされている。
紫外光検出デバイス11は、金属−半導体−金属(metal−semiconductor−metal:MSM)型のデバイスである。
また、II−VII族化合物を用いることにより、界面準位を低減することができるとともに、空乏層内に存在する欠陥を制御することができ、光電流−電圧特性を向上させることができる。
絶縁部23は完全な膜として形成されていてもよいが、アイランド状に形成されていてもよい。アイランド状に形成されていても、紫外光照射をしていない状態では、絶縁性を高く保ち、暗電流の発生を抑制するとともに、紫外光照射下においては光電流を容易に流す効果を高めることができる。
前記II−VII族化合物がIII族窒化物であることが好ましい。より具体的には、前記III族窒化物がInGaN、GaN、AlGaN、AlInN又はAlInGaNのいずれか一の化合物であることが好ましい。
例えば、III−V族窒化物薄膜はIII族(Al、Ga、In)の混晶比を制御することで、検出する紫外光の波長範囲を自由に制御可能である。また、In10%、Ga90%程度の混晶比を持つIn0.1Ga0.9Nからなる半導体薄膜は、紫外光の95%を占めるUVA領域(波長:320−400nm)の紫外光を検出するのに適したバンドギャップ(3eV程度)を有している。
これらの金属は、仕事関数はNi(5.15eV)、Au(5.1eV)、Pt(5.65eV)、Pd(5.1、5.6(111))、W(4.55eV)、Cr(4.5eV)、Ir(5.27eV)又はMo(4.6eV)であり、すべて、4.5eV以上である。また、融点はNi(1453℃)、Au(1064℃)、Pt(1772℃)、Pd(1554℃)、W(3410℃)、Cr(1857℃)、Ir(2419℃)又はMo(2617℃)であり、1000℃以上であるためである。
合金としては、例えば、WCを挙げることができる。仕事関数は4.5eVであり、融点は2800℃である。
また、多層構造として形成してもよい。例えば、図1に示すように、絶縁部23の上に第1の金属24を形成し、第1の金属24上に第2の金属25を形成した2層構造として第1及び第2の電極部31、32を形成してもよい。例えば、第1の金属24としてNiを用い、第2の金属25としてAuを用いることができる。
また、第1及び第2の電極部31、32は互いに異なる材料で形成してもよい。
本発明の実施形態である紫外光検出デバイスの製造方法は、紫外光検出層形成工程(第1工程)と、絶縁部を形成する工程(第2工程)と、第1及び第2の電極部を形成する工程(第3工程)と、を有する。
第1工程は、有機金属化学堆積法(MOCVD)、MBE(molecular beam epitaxy)、HVPE(hydride vapor phase epitaxy)又はLPE(liquid vapor epitaxy)のいずれか一の方法を用いて、基板にIII−V族化合物薄膜からなる紫外光検出層を形成する工程である。
MOCVD法により形成することが好ましい。MOCVD法を用いることにより、III−V族化合物薄膜の平坦性を高めることができるとともに、密着性を高めて形成することができ、III−V族化合物薄膜の品質を向上させることができる。これにより、紫外光検出デバイスの光電流−電圧特性等を向上させることができる。
なお、通常、サファイア基板等の平坦性の高い基板の一面に、バッファー層としてGaN薄膜を形成してから、紫外光検出層として用いるInGaN薄膜を形成する。バッファー層を形成することにより、InGaN薄膜の平坦性を高め、品質を向上させることができる。
第2工程は、スパッタ法又はCVD法を用いて、前記薄膜の一面にII−VII族化合物を20nm以下の膜厚で形成して、絶縁部を形成する工程である。
前記II−VII族化合物がII族フッ化物であることが好ましく、CaF2、MgF2又はBaF2のいずれか一の化合物であることが好ましい。これにより、よりリーク電流を抑え、より破壊電圧を高めることができる。
第2工程は、電子ビーム法又は蒸着法を用いて、前記絶縁部の一面に第1及び第2の電極部を形成する工程である。
前記絶縁部の一面に所定の形状のマスクを配置して、電子ビーム法等により、仕事関数が4.5eV以上であり、融点が1000℃以上である金属、例えば、Ni、Au、Pt、Pd、W、Cr、Ir又はMoのいずれか一の金属又は前記金属を含む合金を成膜することによって、ショットキー電極となる第1及び第2の電極部を形成できる。
以上の工程により、本発明の実施形態である紫外光検出デバイスを製造することができる。
<紫外光検出デバイスの作製>
金属−半導体−金属(metal−semiconductor−metal:MSM)型InGaN薄膜からなる紫外光検出デバイスを、次のようにして作製した。
まず、所定の大きさのサファイア基板を用意した。
次に、有機金属化学堆積法(MOCVD)により、前記サファイア基板上にバッファー層としてGaN薄膜を成長させた。具体的には、まず、MOCVD装置のチャンバー内に、c面を上にして前記サファイア基板を配置した。次に、前記チャンバー内を減圧してから、トリメチルGaと、アンモニアガスを反応装置に導入して、c面サファイア基板上に1μm膜厚のGaN薄膜を成長した。
次に、電子ビーム蒸着法により、CaF2層上に20nm膜厚のNi及び20nm膜厚のAuをこの順序で堆積した。これにより、Ni(厚さ20nm)/Au(厚さ20nm)からなる2層型のショットキー電極を2つ形成した。
以上の工程により、図2に示す実施例1の紫外光検出デバイスを作製した。
CaF2層を設けない他は実施例1と同様にして、比較例1の紫外光検出デバイスを作製した。
次に、実施例1及び比較例1の紫外光検出デバイスの評価を行った。
図3は、実施例1の試料のInGaN層の(0002)面のX線回折(XRD)の2θ−ωスキャンである。
34.55degにGaNのピークがあり、34.2degにInGaNのピークが見られた。34.4deg付近及び34.1deg付近に干渉縞に基づくシグナルが見られた。これにより、GaNとInGaNの各層がそれぞれ平坦であり、密着して接合していることが分かった。
比較例1の紫外光検出デバイスでは、印加電圧を0Vから3Vにすると暗電流が1E−13(A)から1E−4(A)となり、3Vから10Vでは暗電流は1E−4(A)でほとんど一定となった。
一方、実施例1の紫外光検出デバイスでは、10Vでも1E−5(A)と暗電流は流れにくくなった。
5Vの値で比較すると、比較例1の紫外光検出デバイスの暗電流値は、1.12×10−4Aであり、実施例1の紫外光検出デバイスは、1.47×10−10Aであった。
5V未満の低電圧側では熱電子放出(Thermonic field emission:TFE)理論に支配され、5V以上の高電圧側ではトラップアシストトンネリング(Trap assisted tunnelling:TAT)理論に支配されると考え、行ったシミュレーション結果と測定結果はほぼ一致した。
この暗電流の電圧依存性から、III族窒化物デバイスにおいて、CaF2が絶縁層として有効に機能し、CaF2は印加電圧に応じて低電圧時には絶縁層として機能し、高電圧時にはトラップを介して電流が流れる材料であることが分かった。
実施例1の紫外光検出デバイスでは、紫外光(338nm)照射下の光電流は0.1Vで1E−7(A)となり、1Vで1E−6(A)となり、光電流は多く流れた。一方、暗電流は0.1Vで1E−14(A)であり、1.5Vで1E−12(A)であり、暗電流はほとんど流れなかった。これにより、SN比(signal−to−noise ratio)は大きく改善した。また、CaF2を挿入することによってリーク電流が抑えられた。
また、紫外光(338nm)照射下の光電流の感度は印加電圧に対し線形に依存した。2Vのバイアス時には10.4A/W(gain 40)、6桁のon/off比を実現した。
CaF2は界面に深い準位を形成しないために、AlGaNやダイヤモンドでも得られなかった高いゲインが得られたと推察した。
紫外光が機械的に遮断されると、0.3s以内に3×E−6(A)から1E−9(A)へ電流値が下がった。
永久光電流は、図8において「スローコンポーネント」と記した部分である。
バイアス電圧は0.1Vの場合、紫外光が機械的に照射されると747μs以内の立ち上がり応答時間(rising response time)で、光感度はベース値から最大値まで上昇した。バイアス電圧5Vの場合、立ち上がり応答時間は1.68msecであった。
CaF2は界面に深い準位を形成しないために、AlGaNやダイヤモンドでも得られなかった早い立ち上がり応答時間(747μs)が得られたと推察した。
高感度、高応答速度に加えて、実施例1の紫外光検出デバイスは、紫外光(338nm) の感度が4×E5(a.u.)であるのに対し、可視光での感度が4×E−1(a.u.)であり、紫外光(338nm)と可視光での感度の差が6桁以上であった。このような大きな差を有する紫外光検出デバイスについてはこれまで報告がなかった。
Claims (7)
- III−V族化合物薄膜からなり、紫外光照射面を有する紫外光検出層と、前記紫外光検出層の一面に形成された絶縁部と、前記絶縁部の一面に形成された第1及び第2の電極部と、を有する紫外光検出デバイスであって、前記絶縁部がII族フッ化物であり、前記絶縁部の厚さが20nm以下であり、前記2つの電極部はそれぞれ平面視くし形とされ、くし部がそれぞれ相互に互い違いになるように対向配置されており、前記電極部間の最短間隔が10μmとされていることを特徴とする紫外光検出デバイス。
- 前記II族フッ化物がCaF2、MgF2又はBaF2のいずれか一の化合物であることを特徴とする請求項1に記載の紫外光検出デバイス。
- 前記III−V族化合物がIII族窒化物であることを特徴とする請求項1又は2に記載の紫外光検出デバイス。
- 前記III族窒化物がInGaN、GaN、AlGaN、AlInN又はAlInGaNのいずれか一の化合物であることを特徴とする請求項3に記載の紫外光検出素子。
- 前記第1及び第2の電極部が、仕事関数が4.5eV以上であり、融点が1000℃以上である金属又は合金を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の紫外光検出デバイス。
- 前記金属又は合金が、Ni、Au、Pt、Pd、W、Cr、Ir又はMoのいずれか一の金属又は前記金属を含む合金であることを特徴とする請求項5に記載の紫外光検出デバイス。
- MOCVD、MBE、HVPE又はLPEのいずれか一の方法を用いて、基板にIII−V族化合物薄膜からなる紫外光検出層を形成する工程と、
スパッタ法又はCVD法を用いて、前記紫外光検出層の一面にII族フッ化物を20nm以下の膜厚で形成して、絶縁部を形成する工程と、
電子ビーム法又は蒸着法を用いて、前記絶縁部の一面に第1及び第2の電極部をそれぞれ平面視くし形で、くし部がそれぞれ相互に互い違いになるように対向配置し、最短間隔が10μmとなるように形成する工程と、を有することを特徴とする紫外光検出デバイスの製造方法。
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