JP6506453B2 - Msm型紫外線受光素子、msm型紫外線受光装置 - Google Patents
Msm型紫外線受光素子、msm型紫外線受光装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6506453B2 JP6506453B2 JP2018110563A JP2018110563A JP6506453B2 JP 6506453 B2 JP6506453 B2 JP 6506453B2 JP 2018110563 A JP2018110563 A JP 2018110563A JP 2018110563 A JP2018110563 A JP 2018110563A JP 6506453 B2 JP6506453 B2 JP 6506453B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light receiving
- semiconductor layer
- nitride semiconductor
- ultraviolet light
- receiving element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 162
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 160
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 60
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 57
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 36
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 claims description 10
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 8
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 4
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 3
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 claims description 2
- 238000009281 ultraviolet germicidal irradiation Methods 0.000 claims 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 173
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 description 22
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 7
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 2
- ZSBXGIUJOOQZMP-JLNYLFASSA-N Matrine Chemical compound C1CC[C@H]2CN3C(=O)CCC[C@@H]3[C@@H]3[C@H]2N1CCC3 ZSBXGIUJOOQZMP-JLNYLFASSA-N 0.000 description 2
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005001 rutherford backscattering spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N triethylgallium Chemical compound CC[Ga](CC)CC RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004541 SiN Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000008093 supporting effect Effects 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004876 x-ray fluorescence Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/112—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor
- H01L31/1121—Devices with Schottky gate
- H01L31/1123—Devices with Schottky gate the device being a photo MESFET
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/02002—Arrangements for conducting electric current to or from the device in operations
- H01L31/02005—Arrangements for conducting electric current to or from the device in operations for device characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
- H01L31/03048—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP comprising a nitride compounds, e.g. InGaN
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/108—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the Schottky type
- H01L31/1085—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the Schottky type the devices being of the Metal-Semiconductor-Metal [MSM] Schottky barrier type
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Description
−0.009×t+X+0.22−0.03≦Y≦−0.009×t+X+0.22+0.03…(1)
本発明における「MSM型紫外線受光素子」とは、第二窒化物半導体層と第一電極及び第二電極との間にショットキー接合が生じる紫外線受光素子であって、ソース・ドレイン電圧を3Vとした時の暗電流(暗状態で流れる電流)が1.0×10-8A/mm以下である紫外線受光素子をいう。ここで、ショットキー接合は、光入射時に消失する。
本発明の一態様であるMSM型紫外線受光素子(以下、「一態様の紫外線受光素子」と称する。)は、第一窒化物半導体層のAl組成比Xと第二窒化物半導体層のAl組成比Y及び膜厚tが上記(1)式を満たすことで、暗状態(紫外線が入射していない状態)での第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層との界面における二次元電子ガス層のキャリア濃度を、例えば1×1010cm-3以下と低くすることができる。
また、一態様の紫外線受光素子では、第一窒化物半導体層がAlXGa(1-X)N(0.45≦X≦0.90)を含む。第一窒化物半導体層のAl組成比Xを0.45以上0.90以下とすることで、太陽光や蛍光灯に含まれる290nm以上の波長の光に対する感度を低減(ソーラーブラインド)することができる。
一態様の紫外線受光素子では、紫外線を基板側から入射させてもよく、第二窒化物半導体層側から入射させてもよい。
<基板>
基板としては、その上に第一窒化物半導体層を形成可能なものであれば特に制限されない。具体的には、基板として、Si、SiC、MgO、Ga2O3、Al2O3、ZnO、GaN、InN、AlN、あるいはこれらの混晶基板等が挙げられる。また、基板には不純物が混入していても良い。
(第一および第二窒化物半導体層に含まれる元素の確認方法)
第一および第二窒化物半導体層に含まれる元素は、蛍光X線元素分析(XRF)、ラザフォード後方散乱分光(RBS)、二次イオン質量測定(SIMS)およびX線光電子分光(XPS)により確認できる。
第一窒化物半導体層のAlXGa(1-X)NのAl組成比(X)は、X線回折(XRD:X−ray Diffaction)法による2θ−ωスキャンおよび逆格子マッピング測定(RSM)を行うことで測定できる。
ここで、基板が所定の面方位に精度良く切断された基板(ジャスト基板)の場合には、上記のようにジャスト基板の面方位に対応する面指数の面について2θ−ωスキャンを行い、そのピーク位置から格子定数を求めることができる。基板が所定の面方位からオフ角を付与して切断された基板(オフ基板)の場合には、オフ基板の表面からオフ角の分だけずらした角度からX線を入射させて2θ−ωスキャンを行う必要がある。
aAB=XaA+(1−X)aB…(3)
(3)式中のaAはAlNの格子定数、aBはGaNの格子定数であり、aABはAlXGa(1-X)Nの格子定数である。ここで、aAやaBは「S.Strite and H.Morko,GaN,AIN,and InN:A review Journal of Vacuum Science&Technology B 10,1237(1992);doi:10.1116/1.585897」に記載された値(aA=3.112Å、aB=3.189Å)を使用することができる。
一方、2θ−ωスキャンだけでは緩和率を求めることができないため、正確なX(Al組成比)を算出することができない。そこで、(10−15)面および(20−24)面などの非対称面において、逆格子マッピングを行うことが有用である。具体的には、最も基板とAlXGa(1-X)N層が逆格子空間で分離される(20−24)面で、基板の2θ−ωピークが最大となる点を測定する。そこからωを0.01°間隔で変化させながら2θ−ωをスキャンする。これを繰り返し、得られたQx、Qyをマッピングすることにより、AlXGa(1-X)N層が基板に対してどれだけ緩和しているかを算出できる。この緩和率と上記で算出された格子定数を基に、正確なX(Al組成比)を得ることできる。
第二窒化物半導体層のAl組成比Yも、上述の第一窒化物半導体層のAl組成比(X)の測定方法と同じ方法で求めることができる。
一態様の紫外線受光素子では、第一窒化物半導体層が、AlXGa(1-x)N(0.48≦X≦0.60)を含むことが好ましい。
一態様の紫外線受光素子では、第二窒化物半導体層の膜厚tが10≦t≦20を満たすことが好ましい。
一態様の紫外線受光素子では、第一電極及び第二電極が、それぞれ、基部から複数の歯が突出した櫛状部を含み、第一電極の歯と第二電極の歯が交互に隣り合う配置になっていることが好ましい。
一態様の紫外線受光素子では、第一窒化物半導体層の膜厚が20nm以上1000nm以下であることが好ましい。
一態様の紫外線受光素子では、第一窒化物半導体層と前記第二窒化物半導体層との界面に、電子密度が1×1011cm-2以上6×1012cm-2以下の二次元電子ガス層が存在することが好ましい。二次元電子ガス層の厚さは2nm以上30nm以下であることが好ましい。
一態様の紫外線受光素子では、光ルミネッセンスにより生じる発光の波長λ(nm)と前記第一窒化物半導体層のAl組成比Xが、下記の(2)式を満たすことが好ましい。
1.24×10-3/(X2+1.86X+3.42)−10≦λ≦1.24×10-3/(X2+1.86X+3.42)+10・・・(2)
Is=S×A*×T2×exp(−φB/kT)…(4)
(4)式中、Sは受光面積、A*はリチャードソン係数、Tは絶対温度、kはボルツマン係数である。
一態様の紫外線受光素子では、第一電極と第二電極との間の距離が1.0μm以上30μm以下であることが好ましい。第一電極および第二電極の一方がソース電極、他方がドレイン電極となる。
一態様の紫外線受光素子では、ソース電極とドレイン電極との間の距離(以下、「SD間距離」と称する。)が1.0μm以上30μm以下であることが好ましい。ソース電極及びドレイン電極は、紫外線受光素子にバイアス電圧を印加し、入射光により発生した電流を取り出すものである。SD間距離を1.0μm以上30μm以下とすることで、紫外線受光素子に十分なバイアス電圧を印加することができる。
一態様の紫外線受光素子では、波長250nmの紫外線照射時において、受光感度が1×105A/W以上であり、暗電流に対する光電流の比(S/N)が1×104以上であることが好ましい。
一態様の紫外線受光素子は、受光面積が500μm2以上15000μm2以下であることが好ましい。
一態様の紫外線受光素子では、第一窒化物半導体層を構成する結晶の非対称面である(10−12)面における、基板に対する緩和率が0%以上5%以下であることが好ましい。
一態様の紫外線受光素子では、波長250nmの紫外線照射での立ち下がり時間(応答速度)が0.1μsec以上1msec以下であることが好ましい。
この応答速度は以下の方法で確認できる。一態様の紫外線受光素子に、3Vの一定電圧を印加した状態で、波長が280nm以下で強度が10μW/cm2に調整された紫外線を十分に照射してから、紫外線の照射を停止する。この停止時から、電流値が停止前の値の1/e倍に減衰するまでにかかる時間を、立ち下がり時間として計測する。
さらに、一態様の紫外線受光素子は、波長290nm以下の光入射時における受光感度が、波長290nm超の光入射時の受光感度よりも1×104A/W以上大きいことが好ましく、1×105A/W以上大きいことがさらに好ましい。このような紫外線受光素子は受光波長の選択性が特に高いものである。
<第一窒化物半導体層>
上述のように、第一窒化物半導体層の膜厚は20nm以上1000nm以下であることが好ましいが、50nm以上900nm以下であることがより好ましい。
二次元電子ガス層を第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層の界面に形成する観点から、第一窒化物半導体層はアンドープであることが好ましい。ここで、アンドープとは、不純物の濃度が1×1016cm-3未満の状態を意味する。その他の場合に「アンドープ」という文言を使用する場合にも、同様の意味を有するものとする。
第二窒化物半導体層の膜厚を評価する方法としては断面透過型電子顕微鏡(TEM)が挙げられる。
一態様の紫外線受光素子では、第二窒化物半導体層の膜厚を5μm以上25μm以下としているが、8nm以上20nm以下であることが好ましく、10nm以上15nm以下であることがより好ましい。
また、結晶性を担保する観点から、第二窒化物半導体層はアンドープであることが好ましい。
一態様の紫外線受光素子は、基板と第一窒化物半導体層との間にバッファ層をさらに備えてもよい。これにより、第一窒化物半導体層の結晶性を向上させ、さらに受光感度を高めることが可能となる。バッファ層の材料としては、AlN、AlGaN等を用いることができる。
第一電極および第二電極の材料としては、コンタクト抵抗低減の観点から、特にV、Al、Mo及びAuを含む合金であることが好ましい。この場合、第一電極および第二電極の形成方法としては、第二窒化物半導体層上にVを10nm以上30nm、Alを70nm以上90nm以下、Moを30nm以上50nm以下、Auを40nm以上60nm以下の膜厚でこの順に堆積させた後、温度範囲600℃以上900℃以下、昇温率7.5℃/sec以上20℃/sec以下、時間30秒以上300秒以下の条件で熱処理する方法が挙げられる。
また、Moの代わりに、膜厚が30nm以上50nm以下のNiを用いることも好ましい。
一態様の紫外線受光素子は表面保護層を備えていても良い。表面保護層としてはSiO2、SiN、Al2O3、AlNなどが挙げられるが、この限りではない。
<紫外線受光素子の製造方法>
一態様の紫外線受光素子の製造方法は、基板上に有機金属堆積法(MOCVD法)を用いて第一窒化物半導体層を堆積させる工程と、第一窒化物半導体層上に第二窒化物半導体層を堆積させる工程と、第二窒化物半導体層上(第二窒化物半導体層の第一窒化物半導体層とは反対の面)にソース電極及びドレイン電極を形成する工程とを含む。
第二窒化物半導体層上に第一電極及び第二電極を形成する方法としては、レジストマスクを用いて電子線蒸着(EB)法によって金属を蒸着させる等の種々の方法が挙げられる。
以下、本発明を実施するための形態(以下、「実施形態」と称する。)について説明するが、本発明は以下に示す実施形態に限定されない。以下に示す実施形態では、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がなされているが、この限定は本発明の必須要件ではない。また、図は模式的なものであり、各層の厚さは現実のものとは異なり、各層の厚さの比率も現実のものとは異なる。具体的な厚さと寸法は、本実施形態や実施例の説明を参酌して判断すべきものである。
基板2はサファイア基板からなる。第一窒化物半導体層3はAlXGa(1-X)N(0.45≦X≦0.60)からなる層である。第一窒化物半導体層3の膜厚は20nm以上1000nm以下である。基板2と第一窒化物半導体層3との間にAlNからなるバッファ層を有する。第二窒化物半導体層4はAlYGa(1-Y)Nからなる層であり、第二窒化物半導体層4の膜厚t(nm)が5以上25以下である。
−0.009×t+X+0.22−0.03≦Y≦−0.009×t+X+0.22+0.03…(1)
ソース電極5及びドレイン電極6は、第二窒化物半導体層4側からV、Al、Mo、Auがこの順に堆積された積層体に、熱処理が施されて得られた合金である。また、SD間距離(ソース電極5とドレイン電極6との距離)Wが1.0μm以上30μm以下である。
実施形態のMSM型紫外線受光素子1によれば、暗状態での第一窒化物半導体層3と第二窒化物半導体層4との界面における二次元電子ガス層のキャリア濃度を、例えば1×1010cm-3以下と低くすることができる。また、光入射時には、例えば10-7A/mmを超えるような大きな光電流が得られる。このように、実施形態のMSM型紫外線受光素子1によれば、暗電流(ノイズ)の抑制効果と光電流(シグナル)の増加効果とが両立するため、非常に高いS/Nを得ることができる。
実施例1〜55および比較例1〜28の紫外線受光素子は、図1に示す実施形態のMSM型紫外線受光素子1と同様に、サファイアからなる基板2、第一窒化物半導体層3、第二窒化物半導体層4、ソース電極5、およびドレイン電極6を備え、基板2と第一窒化物半導体層3との間にバッファ層を有する。
2インチのサファイアウエハからなる基板上に、基板の表面温度を1250℃に保った状態で、有機金属堆積法によりAlN層(バッファ層)を3μm成長させた。次に、AlN層の表面温度を1050℃に保った状態で、AlN層上に、AlXGa(1-X)N(X=0.47)からなる第一窒化物半導体層を150nm成長させた。次に、第一窒化物半導体層3の表面温度を1050℃に保った状態で、第一窒化物半導体層3上に、AlYGa(1-Y)N(Y=0.65)からなる第二窒化物半導体層を6nm成長させた。
次に、レジストマスクを除去した後、各素子に対して、第二窒化物半導体層上に、20μm間隔でソース電極およびドレイン電極を形成する積層体を、EB蒸着法により形成した。具体的には、第二窒化物半導体層側からV、Al、Mo、Auの順に堆積し、各層の膜厚をV:20nm、Al:80nm、Mo:50nm、Au:40nmとした。
次に、サファイアウエハをダイシングすることで、複数の紫外線受光素子を得た。
得られた紫外線受光素子の特性を以下の方法で測定した。
紫外線入射時の電流(光電流)の測定には、光源として疑似太陽光光源を用い、分光器を併用した。そして、第二窒化物半導体層の上面に波長250nmの紫外光を強度10μW/cm2で照射し、ソース・ドレイン電圧を3Vとした時のソース・ドレイン電極間に流れる電流を測定した。紫外線照射を行わない暗状態での電流(暗電流)の測定も、ソース・ドレイン電圧を3Vとして行った。なお、電流電圧測定には、パラメーターアナライザーおよびプローブ測定器を用いた。
[実施例2〜43]
AlXGa(1-X)Nからなる第一窒化物半導体層のAl組成比Xと、AlYGa(1-Y)Nからなる第二窒化物半導体層のAl組成比Yおよび膜厚tが表1に示す値となるようにした以外は実施例1と同じ方法で、実施例2〜43の紫外線受光素子を作製し、各紫外線受光素子の特性を上述の方法で測定した。その結果も表1に示す。
AlXGa(1-X)Nからなる第一窒化物半導体層のAl組成比Xと、AlYGa(1-Y)Nからなる第二窒化物半導体層のAl組成比Yおよび膜厚tが表2に示す値となるようにした以外は実施例1と同じ方法で、比較例1〜24の紫外線受光素子を作製し、各紫外線受光素子の特性を上述の方法で測定した。その結果を表2に示す。
図4は、X=0.47である実施例1〜9と比較例1〜4について、第二窒化物半導体層のAl組成比Yと膜厚tとの関係を示すグラフである。
図5に「○」で示す実施例10〜18は、−0.009×t+X+0.22−0.03≦Y≦−0.009×t+X+0.22+0.03と5≦t≦25とを満たす範囲に存在し、図5に「×」で示す比較例5〜8はこの範囲から外れた位置に存在する。表1および表2に示すように、実施例10〜18では、受光感度が1×105A/W以上であり、暗電流に対する光電流の比(S/N)が5×104以上となっていたが、比較例5〜8ではS/Nが5.0×102以下であった。なお、比較例7の紫外線受光素子はオーミック接触を有するため、MSM型紫外線受光素子ではない。
図6に「○」で示す実施例19〜27は、−0.009×t+X+0.22−0.03≦Y≦−0.009×t+X+0.22+0.03と5≦t≦25とを満たす範囲に存在し、図6に「×」で示す比較例9〜12はこの範囲から外れた位置に存在する。表1および表2に示すように、実施例19〜27では、受光感度が5×104A/W以上であり、暗電流に対する光電流の比(S/N)が1×104以上となっていたが、比較例9〜12ではS/Nが2.5×102以下であった。なお、比較例11の紫外線受光素子はオーミック接触を有するため、MSM型紫外線受光素子ではない。
図7に「○」で示す実施例28〜32は、−0.009×t+X+0.22−0.03≦Y≦−0.009×t+X+0.22+0.03と5≦t≦25とを満たす範囲に存在し、図7に「×」で示す比較例13〜16はこの範囲から外れた位置に存在する。表1および表2に示すように、実施例28〜32では、受光感度が7×104A/W以上であり、暗電流に対する光電流の比(S/N)が7×105以上となっていたが、比較例13,14,16では受光感度が2.0A/W以下、S/Nが2.0×10以下であった。なお、比較例15では、受光感度が1.0×106A/W、S/Nが1.0×102A/Wであったが、比較例15の紫外線受光素子はオーミック接触を有するため、MSM型紫外線受光素子ではない。
図8に「○」で示す実施例33〜37は、−0.009×t+X+0.22−0.03≦Y≦−0.009×t+X+0.22+0.03と5≦t≦25とを満たす範囲に存在し、図8に「×」で示す比較例17〜20はこの範囲から外れた位置に存在する。表1および表2に示すように、実施例33〜37では、受光感度が1×104A/W以上であり、暗電流に対する光電流の比(S/N)が1×105以上となっていたが、比較例17〜19では受光感度が1.0A/W以下、S/Nが1.0×10以下であった。なお、比較例20では、受光感度が8.0×105A/W、S/Nが8.0×10A/Wであったが、比較例20の紫外線受光素子はオーミック接触を有するため、MSM型紫外線受光素子ではない。
図9に「○」で示す実施例38〜43は、−0.009×t+X+0.22−0.03≦Y≦−0.009×t+X+0.22+0.03と5≦t≦25とを満たす範囲に存在し、図9に「×」で示す比較例21〜24はこの範囲から外れた位置に存在する。表1および表2に示すように、実施例38〜43では、受光感度が3×103A/W以上であり、暗電流に対する光電流の比(S/N)が3×103以上となっていたが、比較例21、22、24では受光感度が1.0A/W以下、S/Nが1.0×10以下であった。なお、比較例23では、受光感度が6.0×105A/W、S/Nが6.0×10A/Wであったが、比較例23の紫外線受光素子はオーミック接触を有するため、MSM型紫外線受光素子ではない。
図10および図11のグラフから、実施例1〜43の紫外線受光素子のうち第二窒化物半導体層の膜厚tが8nm以上20nm以下である例では、波長250nmの光入射時において、受光感度が1×104A/W以上であり、暗電流に対する光電流の比(S/N)が1×104以上となっていることが分かる。
AlXGa(1-X)Nからなる第一窒化物半導体層のAl組成比Xを0.52とし、AlYGa(1-Y)Nからなる第二窒化物半導体層のAl組成比Yを0.60とし、SD間距離Wを2μm、10μm、25μm、20μmとし、膜厚tを15μmとした以外は実施例1と同じ方法で、実施例44〜46の紫外線受光素子を作製し、各紫外線受光素子の特性を上述の方法で測定した。
AlXGa(1-X)Nからなる第一窒化物半導体層のAl組成比Xを0.52とし、AlYGa(1-Y)Nからなる第二窒化物半導体層のAl組成比Yを0.70とし、SD間距離Wを0.5μm、35μmとし、膜厚tを3μmとした以外は実施例1と同じ方法で、比較例25,26の紫外線受光素子を作製し、各紫外線受光素子の特性を上述の方法で測定した。
AlXGa(1-X)Nからなる第一窒化物半導体層のAl組成比Xを0.52とし、AlYGa(1-Y)Nからなる第二窒化物半導体層のAl組成比Yを0.60とし、SD間距離(ソース電極とドレイン電極との間の距離)Wを20μmとし、膜厚tを15μmとし、ソース・ドレイン電極を表4に示す構成とした以外は実施例1と同じ方法で、実施例47〜55の紫外線受光素子を作製し、各紫外線受光素子の特性を上述の方法で測定した。
AlXGa(1-X)Nからなる第一窒化物半導体層のAl組成比Xを0.52とし、AlYGa(1-Y)Nからなる第二窒化物半導体層のAl組成比Yを0.62とし、SD間距離Wを5μmとし、膜厚tを15μmとし、ソース・ドレイン電極を表4に示す構成とした以外は実施例1と同じ方法で、比較例27,28の紫外線受光素子を作製し、各紫外線受光素子の特性を上述の方法で測定した。
実施例44〜55および比較例25〜28の構成と測定結果を、表3および表4に示す。
また、実施例49の紫外線受光素子は、実施例47のV側にZrをさらに有する構成のソース・ドレイン電極を備えていることで、波長250nmでの受光感度が1.5×105A/Wとなり、実施例47の7.5×103A/Wよりも著しく高い受光感度を得ることができる。
さらに、ソース・ドレイン電極が五つの金属からなる合金で構成されている場合(実施例48,49)と、ソース・ドレイン電極を構成する合金にNb、Hf、W、およびTaのいずれかが含まれている場合(実施例51〜54)には、波長250nmでの受光感度を1×105A/W以上とすることができる。
2 基板
3 第一窒化物半導体層
4 第二窒化物半導体層
5 第一電極(ソース電極)
51 基部
52 歯
6 第二電極(ドレイン電極)
61 基部
62 歯
7 実装基板
10 MSM型紫外線受光装置
Claims (19)
- 基板と、
前記基板上に形成され、AlXGa(1-x)N(0.45≦X≦0.90)を含む第一窒化物半導体層と、
前記第一窒化物半導体層上に形成され、AlYGa(1-Y)N(Y≦1)を含み、膜厚t(nm)が5≦t≦25を満たす第二窒化物半導体層と、
前記第二窒化物半導体層上に形成され、Ti、Al、Au、Ni、V、Mo、Hf、Ta、W、Nb、Zn、Ag、Cr及びZrのうち少なくとも三つを含む第一電極及び第二電極と、
を備え、
前記第一窒化物半導体層のAl組成比Xと前記第二窒化物半導体層のAl組成比Y及び膜厚tが下記の(1)式を満たし、
前記第二窒化物半導体層と前記第一電極及び前記第二電極との間に、光照射によって消失するショットキー接合が生じるMSM型紫外線受光素子。
−0.009×t+X+0.22−0.03≦Y≦−0.009×t+X+0.22+0.03・・・(1) - 前記第一窒化物半導体層は、AlXGa(1-x)N(0.48≦X≦0.60)を含む請求項1に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 前記第二窒化物半導体層の膜厚tは、10≦t≦20を満たす請求項1または2に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 平面視で、前記第一電極及び前記第二電極はそれぞれ、基部から複数の歯が突出した櫛状部を含み、前記第一電極の前記歯と前記第二電極の前記歯が交互に隣り合う配置になっている請求項1〜3の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 前記第一電極及び前記第二電極は、Al、Mo及びAuを少なくとも含む請求項1〜4の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 前記第一窒化物半導体層の膜厚は、20nm以上1000nm以下である請求項1〜5の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 前記第一窒化物半導体層と前記第二窒化物半導体層との界面に、電子密度が1×1011cm-2以上6×1012cm-2以下の二次元電子ガス層が存在する請求項1〜6の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 前記二次元電子ガス層の厚さは2nm以上30nm以下である請求項7に記載のMSM型紫外線受光素子。
- フォトルミネッセンスにより生じる発光の波長λ(nm)と前記第一窒化物半導体層のAl組成比Xが、下記の(2)式を満たす請求項1〜8の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
1.24×10-3/(X2+1.86X+3.42)−10≦λ≦1.24×10-3/(X2+1.86X+3.42)+10・・・(2) - 波長250nmの紫外線照射時のショットキー障壁の高さが0.1eV以上0.5eV以下である請求項1〜9の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 前記第一電極と前記第二電極との間の距離が1.0μm以上30μm以下である請求項1〜10の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 前記基板は、サファイア基板、AlN基板、及びGaN基板の何れかである請求項1〜11の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 波長250nmの紫外線照射時において、受光感度が1×105A/W以上であり、暗電流に対する光電流の比(S/N)が1×104以上である請求項1〜12の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 前記基板はAlN基板またはサファイア基板であり、前記基板の波長265nmの紫外線に対する吸収係数が5cm-1以上50cm-1以下である請求項1〜13の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 受光面積が500μm2以上15000μm2以下である請求項1〜14の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 前記第一窒化物半導体層を構成する結晶の非対称面である(10−12)面における前記基板に対する緩和率が0%以上5%以下である請求項1〜15の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 前記第一窒化物半導体層を構成する結晶の非対称面である(10−12)面におけるXRDロッキングカーブの半価幅が50arcsec以上1000arcsec以下である請求項1〜16の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 波長250nmの紫外線照射において、紫外線照射の停止時から、電流値が紫外線照射の停止前の値の1/e倍に減衰するまでにかかる時間である立ち下がり時間が0.1μsec以上1msec以下である請求項1〜17の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子。
- 請求項1〜18の何れか一項に記載のMSM型紫外線受光素子と、実装基板と、を備え、
前記実装基板に対して前記MSM型紫外線受光素子がフリップチップ実装されているMSM型紫外線受光装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017116187 | 2017-06-13 | ||
JP2017116187 | 2017-06-13 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019004145A JP2019004145A (ja) | 2019-01-10 |
JP6506453B2 true JP6506453B2 (ja) | 2019-04-24 |
Family
ID=64562767
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018110563A Active JP6506453B2 (ja) | 2017-06-13 | 2018-06-08 | Msm型紫外線受光素子、msm型紫外線受光装置 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US10424684B2 (ja) |
JP (1) | JP6506453B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110047968A (zh) * | 2019-04-17 | 2019-07-23 | 中南大学 | 一种AlGaN基3D倒装焊MSM阵列紫外探测器的制备方法 |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11154763A (ja) * | 1997-11-20 | 1999-06-08 | Osaka Gas Co Ltd | 受光素子、火炎センサ及び受光素子の製造方法 |
JP3708703B2 (ja) | 1998-03-13 | 2005-10-19 | 日本電信電話株式会社 | 半導体光メモリ |
JP2000183373A (ja) | 1998-12-11 | 2000-06-30 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | 光導電素子 |
JP2002247287A (ja) * | 2001-02-13 | 2002-08-30 | Masao Otsuka | 画像読み取り素子 |
US6825559B2 (en) * | 2003-01-02 | 2004-11-30 | Cree, Inc. | Group III nitride based flip-chip intergrated circuit and method for fabricating |
CN100479201C (zh) * | 2005-06-09 | 2009-04-15 | 中国科学院半导体研究所 | 减小表面态影响的氮化镓基msm结构紫外探测器 |
EP2023403A4 (en) | 2006-05-24 | 2010-10-13 | Univ Meijo | ULTRAVIOLET PHOTOSENSOR |
US7498645B2 (en) | 2006-10-04 | 2009-03-03 | Iii-N Technology, Inc. | Extreme ultraviolet (EUV) detectors based upon aluminum nitride (ALN) wide bandgap semiconductors |
JP5100413B2 (ja) * | 2008-01-24 | 2012-12-19 | 株式会社東芝 | 半導体装置およびその製造方法 |
JP2010073814A (ja) | 2008-09-17 | 2010-04-02 | Ngk Insulators Ltd | 受光素子および受光素子の作製方法 |
JP5363055B2 (ja) | 2008-09-24 | 2013-12-11 | 日本碍子株式会社 | 受光素子および受光素子の作製方法 |
US8362476B2 (en) | 2009-03-18 | 2013-01-29 | University Of Central Florida Research Foundation, Inc. | Cubic semiconductor alloys for deep UV applications |
CN102361046B (zh) * | 2011-09-30 | 2013-06-05 | 天津大学 | AlGaN基MSM结构日盲型紫外探测器及其制备方法 |
JP6628133B2 (ja) * | 2015-11-05 | 2020-01-08 | 学校法人 名城大学 | 紫外線受光素子 |
US9780181B1 (en) * | 2016-12-07 | 2017-10-03 | Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. | Semiconductor device with multi-function P-type diamond gate |
-
2018
- 2018-06-08 JP JP2018110563A patent/JP6506453B2/ja active Active
- 2018-06-08 US US16/003,591 patent/US10424684B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2019004145A (ja) | 2019-01-10 |
US10424684B2 (en) | 2019-09-24 |
US20180358500A1 (en) | 2018-12-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4164563B2 (ja) | 酸化物半導体pn接合デバイス及びその製造方法 | |
US7928471B2 (en) | Group III-nitride growth on silicon or silicon germanium substrates and method and devices therefor | |
CN101872798B (zh) | 一种紫外红外双色探测器及制作方法 | |
KR20180099654A (ko) | 적층체 | |
KR20150033943A (ko) | 반도체 광 검출 소자 | |
US9691933B2 (en) | Radiation and temperature hard multi-pixel avalanche photodiodes | |
US8350290B2 (en) | Light-receiving device and manufacturing method for a light-receiving device | |
JP2007201393A (ja) | 光起電力型紫外線センサ | |
CN111463326A (zh) | 半导体器件及其制备方法 | |
JP6506453B2 (ja) | Msm型紫外線受光素子、msm型紫外線受光装置 | |
US20190165032A1 (en) | Gallium nitride photodetector with substantially transparent electrodes | |
KR101619110B1 (ko) | 반도체 광전소자 및 이의 제조방법 | |
JP6266490B2 (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
JP6917350B2 (ja) | 赤外線検出素子 | |
JP6628133B2 (ja) | 紫外線受光素子 | |
JP5597933B2 (ja) | Iii族窒化物半導体層貼り合わせ基板およびその製造方法 | |
US7973379B2 (en) | Photovoltaic ultraviolet sensor | |
JP6876290B2 (ja) | 受光素子 | |
JP6614486B2 (ja) | 紫外線受光素子 | |
KR102473352B1 (ko) | 광 검출 소자 | |
JP7076092B2 (ja) | 紫外線受光素子及び紫外線受光素子の製造方法 | |
KR20220100749A (ko) | 고효율 질화물계 광 검출기 | |
WO2017221863A1 (ja) | Iii族窒化物積層体、及び該積層体を備えた縦型半導体デバイス | |
JP2022121193A (ja) | 紫外線受光素子及び紫外線受光素子の製造方法 | |
Zheng | Studies on plasma assisted molecular beam epitaxial growth of GaN-based multilayer heterostructures on Si for photodetector application |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180919 |
|
A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20181018 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20181211 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190212 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190312 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190328 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6506453 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |