JP6876290B2 - 受光素子 - Google Patents
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Description
本発明は受光素子に関する。
受光素子の一例として、ＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ構造を用いたｐ型ゲート光ＦＥＴからなる紫外線受光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
上述の受光素子では、二次元電子ガス層を空乏化するｐ型ＧａＮ系半導体層が、受光面（光入射面）の最表面に存在する。この層の存在により、暗状態（受光すべき光が入射されない状態）での電流値を極めて低くすることはできるが、光入射時（受光すべき光が入射されている時）に、この層により入射光の一部が吸収されることで受光感度が低下するという問題点がある。
本発明の課題は、暗状態での電流値が極めて低く、光入射時の受光感度も良好な受光素子を提供することである。
本発明の課題は、暗状態での電流値が極めて低く、光入射時の受光感度も良好な受光素子を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の一態様である受光素子は、基板と、基板上に形成された第一窒化物半導体層と、第一窒化物半導体層上に形成された第二窒化物半導体層と、を有する。第一窒化物半導体層は、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａのうち少なくとも一つを含む窒化物半導体からなる。第二窒化物半導体層は、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａのうち少なくとも一つを含む窒化物半導体からなり、第一窒化物半導体層よりも格子定数が小さく、第一窒化物半導体層とは反対側の面に凹部を有する。凹部は第二窒化物半導体層の上面に一つだけ形成されていてもよいし、複数形成されていてもよい。
本発明の一態様によれば、暗状態での電流値が極めて低く、光入射時の受光感度も良好な受光素子が提供できる。
〔一態様の受光素子〕
本発明の一態様である受光素子（以下、「一態様の受光素子」と称する。）では、第一窒化物半導体層がチャネル層、第二窒化物半導体層がバリア層として機能し、チャネル層とバリア層との界面に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）層が存在する。そして、第二窒化物半導体層が第一窒化物半導体層とは反対側の面（第二窒化物半導体層の上面）に凹部を有することで、これらの層の界面の凹部直下の部分が空乏層となり、凹部を挟んだ両側の部分がソース・ドレイン領域となる。
本発明の一態様である受光素子（以下、「一態様の受光素子」と称する。）では、第一窒化物半導体層がチャネル層、第二窒化物半導体層がバリア層として機能し、チャネル層とバリア層との界面に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）層が存在する。そして、第二窒化物半導体層が第一窒化物半導体層とは反対側の面（第二窒化物半導体層の上面）に凹部を有することで、これらの層の界面の凹部直下の部分が空乏層となり、凹部を挟んだ両側の部分がソース・ドレイン領域となる。
よって、暗状態では、２ＤＥＧ層が空乏層によって電気的に切断されるため、ソース・ドレイン間には極僅かの電流しか流れない。つまり、この受光素子を、第二窒化物半導体層の上面を受光面として使用した場合、凹部を有さない点のみが異なる受光素子と比較して、暗状態での電流値を極めて低くできる。また、光入射時の受光感度は、凹部を有さない点のみが異なる受光素子と同等の値が得られる。また、凹部の底面上に光を吸収する層を設けないことで、光入射時の受光感度を高くすることができる。
＜好ましい態様１＞
一態様の受光素子は、第二窒化物半導体層の上記凹部以外の位置での厚さ（Ｔ１）に対する上記凹部の底面位置での厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ２／Ｔ１）が０．０５以上０．４以下であることが好ましい。
膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）が０．０５以上０．４以下の範囲にある受光素子は、後述の実施例での記載の通り、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）がこの範囲外にある受光素子よりも、暗状態での電流値が極めて低いことと光入射時の受光感度が高いことの両立という点で優れている。
一態様の受光素子は、第二窒化物半導体層の上記凹部以外の位置での厚さ（Ｔ１）に対する上記凹部の底面位置での厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ２／Ｔ１）が０．０５以上０．４以下であることが好ましい。
膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）が０．０５以上０．４以下の範囲にある受光素子は、後述の実施例での記載の通り、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）がこの範囲外にある受光素子よりも、暗状態での電流値が極めて低いことと光入射時の受光感度が高いことの両立という点で優れている。
＜好ましい態様２＞
一態様の受光素子は、第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層の界面のうち、上記凹部の直下を除く部分に、電子濃度が１×１０8ｃｍ-2以上の二次元電子ガス層（電子走行層）が存在することが好ましい。これにより、光入射時にソース・ドレイン間に大量の電流が流れるため、光入射時の受光感度が高くなる。
＜好ましい態様３＞
一態様の受光素子は、上記界面のうち、上記凹部の直下の部分に電子濃度が１×１０7ｃｍ−２以下の空乏層が存在することが好ましい。これにより、暗状態の電流値を極めて低くできる。
一態様の受光素子は、第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層の界面のうち、上記凹部の直下を除く部分に、電子濃度が１×１０8ｃｍ-2以上の二次元電子ガス層（電子走行層）が存在することが好ましい。これにより、光入射時にソース・ドレイン間に大量の電流が流れるため、光入射時の受光感度が高くなる。
＜好ましい態様３＞
一態様の受光素子は、上記界面のうち、上記凹部の直下の部分に電子濃度が１×１０7ｃｍ−２以下の空乏層が存在することが好ましい。これにより、暗状態の電流値を極めて低くできる。
＜好ましい態様４：第一窒化物半導体層および第二窒化物半導体層について＞
一態様の受光素子を構成する第一窒化物半導体層の材料としては、Ａｌ及びＧａのうち少なくとも一つの元素を含むものであれば特に限定されないが、一例としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。
一態様の受光素子を構成する第二窒化物半導体層の材料としては、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａのうち少なくとも一つの元素を含む窒化物半導体層であれば特に限定されないが、一例としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。
一態様の受光素子を構成する第一窒化物半導体層の材料としては、Ａｌ及びＧａのうち少なくとも一つの元素を含むものであれば特に限定されないが、一例としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。
一態様の受光素子を構成する第二窒化物半導体層の材料としては、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａのうち少なくとも一つの元素を含む窒化物半導体層であれば特に限定されないが、一例としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が挙げられる。
一態様の受光素子は、第一窒化物半導体層がＡｌXＧａ(1-X)Ｎ（０≦Ｘ＜１）からなる層であり、第二窒化物半導体層がＡｌYＧａ(1-Y)Ｎ（０≦Ｘ＜Ｙ≦１）からなる層であることが好ましい。これにより、第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層との界面に存在する二次元電子層のガス濃度を高くすることができる。この界面に高濃度の二次元電子ガスが存在することで、光入射時にソース・ドレイン間に大量の電流が流れるため、光入射時の受光感度が高くなる。
なお、結晶性を担保する観点から、第一窒化物半導体層はアンドープ（例えば、不純物の濃度が１×１０16ｃｍ-3未満）のＡｌXＧａ(1-X)Ｎ（０≦Ｘ＜１）からなる層であることが好ましく、第二窒化物半導体層はアンドープのＡｌYＧａ(1-Y)Ｎ（０≦Ｘ＜Ｙ≦１）からなる層であることが好ましい。
なお、結晶性を担保する観点から、第一窒化物半導体層はアンドープ（例えば、不純物の濃度が１×１０16ｃｍ-3未満）のＡｌXＧａ(1-X)Ｎ（０≦Ｘ＜１）からなる層であることが好ましく、第二窒化物半導体層はアンドープのＡｌYＧａ(1-Y)Ｎ（０≦Ｘ＜Ｙ≦１）からなる層であることが好ましい。
＜好ましい態様５＞
一態様の受光素子は、第一窒化物半導体層がＡｌXＧａ(1-X)Ｎ（０．３≦Ｘ≦０．６）からなる層であり、第二窒化物半導体層がＡｌYＧａ(1-Y)Ｎ（０．６＜Ｙ≦０．９）からなる層であることが好ましい。これにより、第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層との界面に高濃度の二次元電子ガス層が形成される。
第一窒化物半導体層がＡｌXＧａ(1-X)Ｎ（０≦Ｘ＜１）からなる層であり、第二窒化物半導体層がＡｌYＧａ(1-Y)Ｎ（０≦Ｘ＜Ｙ≦１）からなる層である場合、ＸとＹとの差が大きい程、二次元電子ガス層の濃度が高くなる。しかし、この差が大きくなり過ぎると、格子定数の差により第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層との界面に欠陥が生じて、暗状態での電流値が高くなる恐れがある。これに対して、０．３≦Ｘ≦０．６且つ０．６＜Ｙ≦０．９を満たすこと、つまり、０．３＜Ｙ−Ｘ≦０．３を満たすことで、暗状態での電流値を低減できる。
一態様の受光素子は、第一窒化物半導体層がＡｌXＧａ(1-X)Ｎ（０．３≦Ｘ≦０．６）からなる層であり、第二窒化物半導体層がＡｌYＧａ(1-Y)Ｎ（０．６＜Ｙ≦０．９）からなる層であることが好ましい。これにより、第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層との界面に高濃度の二次元電子ガス層が形成される。
第一窒化物半導体層がＡｌXＧａ(1-X)Ｎ（０≦Ｘ＜１）からなる層であり、第二窒化物半導体層がＡｌYＧａ(1-Y)Ｎ（０≦Ｘ＜Ｙ≦１）からなる層である場合、ＸとＹとの差が大きい程、二次元電子ガス層の濃度が高くなる。しかし、この差が大きくなり過ぎると、格子定数の差により第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層との界面に欠陥が生じて、暗状態での電流値が高くなる恐れがある。これに対して、０．３≦Ｘ≦０．６且つ０．６＜Ｙ≦０．９を満たすこと、つまり、０．３＜Ｙ−Ｘ≦０．３を満たすことで、暗状態での電流値を低減できる。
＜好ましい態様６＞
一態様の受光素子では、上記界面のうち、上記凹部の直下の部分がゲート領域となり、上記凹部を挟んだ両側の部分がソース・ドレイン領域となるが、ゲート長となる上記凹部の寸法は０．５μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。これにより、ソース・ドレイン間に高電界を印加することが可能となり、光入射時にソース・ドレイン間に大量の電流を流すことができる。
＜好ましい態様７＞
一態様の受光素子は、第二窒化物半導体層の膜厚が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、二次元電子ガス層のキャリア濃度を調整し易くなる。
＜好ましい態様８＞
一態様の受光素子は、上記凹部の底面が露出していることが好ましい。これにより、一態様の受光素子を、凹部の底面を受光面として使用した場合の受光感度が高くなる。
一態様の受光素子では、上記界面のうち、上記凹部の直下の部分がゲート領域となり、上記凹部を挟んだ両側の部分がソース・ドレイン領域となるが、ゲート長となる上記凹部の寸法は０．５μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。これにより、ソース・ドレイン間に高電界を印加することが可能となり、光入射時にソース・ドレイン間に大量の電流を流すことができる。
＜好ましい態様７＞
一態様の受光素子は、第二窒化物半導体層の膜厚が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、二次元電子ガス層のキャリア濃度を調整し易くなる。
＜好ましい態様８＞
一態様の受光素子は、上記凹部の底面が露出していることが好ましい。これにより、一態様の受光素子を、凹部の底面を受光面として使用した場合の受光感度が高くなる。
＜好ましい態様９：基板について＞
一態様の受光素子を構成する基板としては、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａのうち少なくとも一つを含む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。基板の材料の具体例としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、あるいはこれらの混晶が挙げられる。また、基板には不純物が混入していても良い。
基板をなす材料がサファイア、ＡｌＮ、またはＧａＮであると、第一窒化物半導体層との格子定数差が小さく、格子整合系で成長させることができるため、貫通転位を少なくできる。
つまり、一態様の受光素子は、基板が、サファイア基板、ＡｌＮ基板、またはＧａＮ基板であることが好ましい。
一態様の受光素子を構成する基板としては、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａのうち少なくとも一つを含む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。基板の材料の具体例としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、あるいはこれらの混晶が挙げられる。また、基板には不純物が混入していても良い。
基板をなす材料がサファイア、ＡｌＮ、またはＧａＮであると、第一窒化物半導体層との格子定数差が小さく、格子整合系で成長させることができるため、貫通転位を少なくできる。
つまり、一態様の受光素子は、基板が、サファイア基板、ＡｌＮ基板、またはＧａＮ基板であることが好ましい。
＜好ましい態様１０＞
一態様の受光素子は、基板と第一窒化物半導体層との間にＡｌＮからなるバッファ層をさらに備えることが好ましい。これにより、第一窒化物半導体層の結晶性を向上させ、光入射時の受光感度をさらに高めることができる。
＜好ましい態様１１＞
一態様の受光素子は、第二窒化物半導体層上の凹部を挟んだ両側に、ソース電極及びドレイン電極をさらに備えることが好ましい。
ソース電極及びドレイン電極は、第二窒化物半導体層上に形成され、受光素子にバイアス電圧を印加することが可能であり、入射した光によって発生した電流を取り出すことが可能なものであれば特に限定されない。
一態様の受光素子は、基板と第一窒化物半導体層との間にＡｌＮからなるバッファ層をさらに備えることが好ましい。これにより、第一窒化物半導体層の結晶性を向上させ、光入射時の受光感度をさらに高めることができる。
＜好ましい態様１１＞
一態様の受光素子は、第二窒化物半導体層上の凹部を挟んだ両側に、ソース電極及びドレイン電極をさらに備えることが好ましい。
ソース電極及びドレイン電極は、第二窒化物半導体層上に形成され、受光素子にバイアス電圧を印加することが可能であり、入射した光によって発生した電流を取り出すことが可能なものであれば特に限定されない。
＜好ましい態様１２＞
一態様の受光素子は、ソース電極およびドレイン電極がＴｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｏ、およびＺｒのうち少なくとも一つを含む材料からなることが好ましい。これにより、コンタクト抵抗を低減することができる。
＜好ましい態様１３＞
一態様の受光素子は、第二窒化物半導体層上にゲート電極が存在しないことが好ましい。ゲート電極が存在しないことでバイアス電圧の印加が不要となる。また、ゲート電極の形成工程が不要となるため、素子形成の製造コストが軽減される。
一態様の受光素子は、ソース電極およびドレイン電極がＴｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｏ、およびＺｒのうち少なくとも一つを含む材料からなることが好ましい。これにより、コンタクト抵抗を低減することができる。
＜好ましい態様１３＞
一態様の受光素子は、第二窒化物半導体層上にゲート電極が存在しないことが好ましい。ゲート電極が存在しないことでバイアス電圧の印加が不要となる。また、ゲート電極の形成工程が不要となるため、素子形成の製造コストが軽減される。
＜好ましい態様１４＞
一態様の受光素子は、波長２００ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の光が入射されたときのみにソース電極とドレイン電極との間に１０-8Ａ／ｍｍ以上の電流が流れることが好ましい。これにより、受光波長の選択性が高いものとなる。
＜好ましい態様１５＞
一態様の受光素子は、波長２５０ｎｍの光が入射されたときの応答速度が１ｍｓ以下であることが好ましい。
一態様の受光素子は、波長２００ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の光が入射されたときのみにソース電極とドレイン電極との間に１０-8Ａ／ｍｍ以上の電流が流れることが好ましい。これにより、受光波長の選択性が高いものとなる。
＜好ましい態様１５＞
一態様の受光素子は、波長２５０ｎｍの光が入射されたときの応答速度が１ｍｓ以下であることが好ましい。
＜好ましい態様１６＞
一態様の受光素子は、受光波長が２００ｎｍ以上３６５ｎｍ以下であり、暗状態での電流値が１０-9Ａ／ｍｍ以下であることが好ましい。
＜好ましい態様１７＞
一態様の受光素子は、波長２００ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の光が入射されたときの受光感度が１×１０2Ａ／Ｗ以上であることが好ましい。
一態様の受光素子は、受光波長が２００ｎｍ以上３６５ｎｍ以下であり、暗状態での電流値が１０-9Ａ／ｍｍ以下であることが好ましい。
＜好ましい態様１７＞
一態様の受光素子は、波長２００ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の光が入射されたときの受光感度が１×１０2Ａ／Ｗ以上であることが好ましい。
＜表面保護層＞
一態様の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。
＜第一窒化物半導体層がＡｌまたはＧａを含むことの確認方法＞
第一窒化物半導体層がＡｌまたはＧａを含むことは、蛍光Ｘ線元素分析装置（ＸＲＦ）、ラザフォード後方散乱分光装置（ＲＢＳ）、二次イオン質量測定装置（ＳＩＭＳ）およびＸ線光電子分光装置（ＸＰＳ）を用いて確認できる。
一態様の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。
＜第一窒化物半導体層がＡｌまたはＧａを含むことの確認方法＞
第一窒化物半導体層がＡｌまたはＧａを含むことは、蛍光Ｘ線元素分析装置（ＸＲＦ）、ラザフォード後方散乱分光装置（ＲＢＳ）、二次イオン質量測定装置（ＳＩＭＳ）およびＸ線光電子分光装置（ＸＰＳ）を用いて確認できる。
＜第一窒化物半導体層のＡｌXＧａ(1-X)ＮのＡｌ組成比Ｘの測定方法＞
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。
具体的には、先ず、Ｘ線回折で、基板表面の面方位に対応する面の面指数の２θ−ωスキャンを行い、そのピーク位置から第一窒化物半導体層のＡｌXＧａ(1-X)Ｎの格子定数を求める。
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。
具体的には、先ず、Ｘ線回折で、基板表面の面方位に対応する面の面指数の２θ−ωスキャンを行い、そのピーク位置から第一窒化物半導体層のＡｌXＧａ(1-X)Ｎの格子定数を求める。
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の面指数の２θ−ωスキャンにおける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。
次に、得られたＡｌXＧａ(1-X)Ｎの格子定数から、Ｖｅｇａｒｄ則を用いてＡｌXＧａ(1-X)ＮのＸ（Ａｌ組成比）を決定する。Ｖｅｇａｒｄ則は具体的には以下の式（１）で表される。
ａAB＝ＸａA＋（１−Ｘ）ａB…（１）
次に、得られたＡｌXＧａ(1-X)Ｎの格子定数から、Ｖｅｇａｒｄ則を用いてＡｌXＧａ(1-X)ＮのＸ（Ａｌ組成比）を決定する。Ｖｅｇａｒｄ則は具体的には以下の式（１）で表される。
ａAB＝ＸａA＋（１−Ｘ）ａB…（１）
(1)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。
よって、ａA＝３．１１２Å、ａB＝３．１８９Åと、得られたＡｌXＧａ(1-X)Ｎの格子定数の値(ａAB)とを用い、式（１）からＸ（Ａｌ組成比）の値を求めることができる。
よって、ａA＝３．１１２Å、ａB＝３．１８９Åと、得られたＡｌXＧａ(1-X)Ｎの格子定数の値(ａAB)とを用い、式（１）からＸ（Ａｌ組成比）の値を求めることができる。
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、（１０５）面および（２０４）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（２０４）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。
＜受光素子の製造方法＞
一態様の受光素子の製造方法について説明する。
受光素子の製造方法は、基板上に有機金属堆積法（ＭＯＣＶＤ法）により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の第一窒化物半導体層とは反対の面（上面）に凹部を形成する工程と、を含む。第二窒化物半導体層の上面に凹部を形成する方法としては、エッチング等種々の方法が挙げられる。
一態様の受光素子の製造方法について説明する。
受光素子の製造方法は、基板上に有機金属堆積法（ＭＯＣＶＤ法）により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の第一窒化物半導体層とは反対の面（上面）に凹部を形成する工程と、を含む。第二窒化物半導体層の上面に凹部を形成する方法としては、エッチング等種々の方法が挙げられる。
第一窒化物半導体層及び第二窒化物半導体層を形成する際に、Ａｌ原料、Ｉｎ原料及びＧａ原料のうち少なくとも一方と、Ｎ原料とを用いることができる。基板と第一窒化物半導体層との間にバッファ層を形成する場合も、これらの材料を用いることができる。
Ａｌ原料としては、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いることができる。Ｉｎ原料としては、例えばトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を用いることができる。Ｇａ原料としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）やトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）などを用いることができる。Ｎ原料としては例えば、アンモニア（ＮＨ３）を用いることができる。
Ａｌ原料としては、例えばトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いることができる。Ｉｎ原料としては、例えばトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を用いることができる。Ｇａ原料としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）やトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）などを用いることができる。Ｎ原料としては例えば、アンモニア（ＮＨ３）を用いることができる。
〔実施形態〕
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。
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。
図１に示すように、実施形態の受光素子１は、基板２と、基板２上に形成された第一窒化物半導体層３と、第一窒化物半導体層３上に形成された第二窒化物半導体層４と、第二窒化物半導体層４上に形成されたソース電極５、ドレイン電極６を有する。
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（０．３≦Ｘ≦０．６）からなる層であり、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（０．６＜Ｙ≦０．９）からなる。第二窒化物半導体層４の上面（第一窒化物半導体層３とは反対側の面）４０に凹部４１が形成されている。
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（０．３≦Ｘ≦０．６）からなる層であり、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（０．６＜Ｙ≦０．９）からなる。第二窒化物半導体層４の上面（第一窒化物半導体層３とは反対側の面）４０に凹部４１が形成されている。
第二窒化物半導体層４の凹部４１以外の位置での厚さ（Ｔ１）に対する凹部４１の底面４１ａの位置での第二窒化物半導体層４の厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ２／Ｔ１）は、０．０５以上０．４以下である。
第一窒化物半導体層３と第二窒化物半導体層４の界面のうち、凹部４１の直下の部分３４ａには電子濃度が１×１０7ｃｍ-2以下の空乏層が存在し、凹部４１の直下を除く部分３４ｂには電子濃度が１×１０8ｃｍ-2以上の二次元電子ガス層が存在する。つまり、両層の界面のうち凹部４１の直下の部分３４ａがゲート領域となり、凹部４１の直下を除く部分（凹部４１を挟んだ両側の部分）３４ｂがソース・ドレイン領域となる。ソース電極５およびドレイン電極６は、上面４０の凹部４１を挟んだ両側に形成されている。
また、実施形態の受光素子１は、第二窒化物半導体層４の上面４０が受光面であり、凹部４１の底面４１ａが露出している。
第一窒化物半導体層３と第二窒化物半導体層４の界面のうち、凹部４１の直下の部分３４ａには電子濃度が１×１０7ｃｍ-2以下の空乏層が存在し、凹部４１の直下を除く部分３４ｂには電子濃度が１×１０8ｃｍ-2以上の二次元電子ガス層が存在する。つまり、両層の界面のうち凹部４１の直下の部分３４ａがゲート領域となり、凹部４１の直下を除く部分（凹部４１を挟んだ両側の部分）３４ｂがソース・ドレイン領域となる。ソース電極５およびドレイン電極６は、上面４０の凹部４１を挟んだ両側に形成されている。
また、実施形態の受光素子１は、第二窒化物半導体層４の上面４０が受光面であり、凹部４１の底面４１ａが露出している。
本実施形態の受光素子１によれば、暗状態では、２ＤＥＧ層が空乏層によって電気的に切断されるため、ソース電極５とドレイン電極６との間には極僅かの電流しか流れない。また、底面４１ａが露出しているため、底面４１ａ上に光を吸収する層を有する受光素子よりも、光入射時の受光感度を高くすることができる。
また、本実施形態の受光素子１によれば、第二窒化物半導体層４の凹部４１の膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）が０．０５以上０．４以下の範囲にあるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）がこの範囲を外れるものと比較して、暗状態での電流値が極めて低いことと受光感度が高いことの両立という点で特に優れたものになる。
なお、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）が０．０５以上０．４以下の範囲を外れるものであっても、凹部４１を有さないものとの比較では、暗状態での電流値が極めて低いことと受光感度が高いことの両立という点で優れたものになる。
また、本実施形態の受光素子１によれば、第二窒化物半導体層４の凹部４１の膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）が０．０５以上０．４以下の範囲にあるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）がこの範囲を外れるものと比較して、暗状態での電流値が極めて低いことと受光感度が高いことの両立という点で特に優れたものになる。
なお、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）が０．０５以上０．４以下の範囲を外れるものであっても、凹部４１を有さないものとの比較では、暗状態での電流値が極めて低いことと受光感度が高いことの両立という点で優れたものになる。
以下、本発明の実施例および比較例について説明する。
実施例１〜６の受光素子は、図１に示す実施形態の受光素子１と同様に、サファイアからなる基板２、バッファ層、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、第二窒化物半導体層４の上面に凹部４１が形成されている。比較例１の受光素子は、これと同じ層構成を有するが、第二窒化物半導体層４の上面に凹部４１が形成されていない。
実施例１〜６の受光素子は、図１に示す実施形態の受光素子１と同様に、サファイアからなる基板２、バッファ層、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、第二窒化物半導体層４の上面に凹部４１が形成されている。比較例１の受光素子は、これと同じ層構成を有するが、第二窒化物半導体層４の上面に凹部４１が形成されていない。
［実施例１］
２インチのサファイアウエハからなる基板２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１１００℃に保った状態で、ＡｌＮ層上に、ＡｌXＧａ(1-X)Ｎ（Ｘ＝０．５２）からなる第一窒化物半導体層３を５００ｎｍ成長させた。次に、第一窒化物半導体層３の表面温度を１１００℃に保った状態で、第一窒化物半導体層３上に、ＡｌYＧａ(1-Y)Ｎ（Ｙ＝０．７）からなる第二窒化物半導体層４を２５ｎｍ成長させた。
２インチのサファイアウエハからなる基板２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１１００℃に保った状態で、ＡｌＮ層上に、ＡｌXＧａ(1-X)Ｎ（Ｘ＝０．５２）からなる第一窒化物半導体層３を５００ｎｍ成長させた。次に、第一窒化物半導体層３の表面温度を１１００℃に保った状態で、第一窒化物半導体層３上に、ＡｌYＧａ(1-Y)Ｎ（Ｙ＝０．７）からなる第二窒化物半導体層４を２５ｎｍ成長させた。
この状態の基板２について、Ｃ−Ｖ測定を実施したところ、第一窒化物半導体層３と第二窒化物半導体層４との界面に誘起された二次元電子ガス（２ＤＥＧ）層のキャリア濃度は８×１０12ｃｍ-2であった。
次に、この状態の基板２を洗浄し、第一窒化物半導体層３上に、３０μｍ×１００μｍの開口部を複数有するレジストマスクを形成した。次に、このレジストマスクを用いてＡｌＮ層までメサ分離を行うことにより、ウエハ上に形成する複数の素子間を電気的に絶縁した。
次に、この状態の基板２を洗浄し、第一窒化物半導体層３上に、３０μｍ×１００μｍの開口部を複数有するレジストマスクを形成した。次に、このレジストマスクを用いてＡｌＮ層までメサ分離を行うことにより、ウエハ上に形成する複数の素子間を電気的に絶縁した。
次に、各素子に対して、第二窒化物半導体層４上に、８μｍ間隔でソース電極５およびドレイン電極６を蒸着法により形成した。ソース電極５およびドレイン電極６は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる積層構造であって、各層の膜厚がＴｉ：２０ｎｍ、Ａｌ：８０ｎｍ、Ｎｉ：３５ｎｍ、Ａｕ：１００ｎｍである。
次に、この状態の基板２の第二窒化物半導体層４上に、２μｍ（ゲート長）×１００μｍ（ゲート幅）の開口部を複数有するレジストマスクを形成した。複数の開口部は、各素子のソース電極５とドレイン電極６との間となる位置に設けてある。次に、レジストマスクの開口部に存在する第二窒化物半導体層４に対してＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を行うことで、各素子の第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成した。
次に、この状態の基板２の第二窒化物半導体層４上に、２μｍ（ゲート長）×１００μｍ（ゲート幅）の開口部を複数有するレジストマスクを形成した。複数の開口部は、各素子のソース電極５とドレイン電極６との間となる位置に設けてある。次に、レジストマスクの開口部に存在する第二窒化物半導体層４に対してＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を行うことで、各素子の第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成した。
次に、レジストマスクを除去し、サファイアウエハをダイシングすることで、複数の受光素子１を得た。
得られた受光素子の基板面に垂直な断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて解析したところ、凹部４１の底面４１ａの位置での第二窒化物半導体層４の厚さ（Ｔ２）は２．０ｎｍであった。第二窒化物半導体層４の凹部４１以外の位置での厚さ（Ｔ１）は２５ｎｍであるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）は０．０８となる。
得られた受光素子の特性を以下の方法で測定した。
得られた受光素子の基板面に垂直な断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて解析したところ、凹部４１の底面４１ａの位置での第二窒化物半導体層４の厚さ（Ｔ２）は２．０ｎｍであった。第二窒化物半導体層４の凹部４１以外の位置での厚さ（Ｔ１）は２５ｎｍであるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）は０．０８となる。
得られた受光素子の特性を以下の方法で測定した。
光入射時の電流（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４の上面４０に波長２５０ｎｍの紫外光を強度４５μＷ／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。
測定の結果、暗電流は１．０×１０-10Ａ／ｍｍであり、光電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は３．３×１０5Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は３．０×１０5であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
測定の結果、暗電流は１．０×１０-10Ａ／ｍｍであり、光電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は３．３×１０5Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は３．０×１０5であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
［実施例２］
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成する工程で、ＲＩＥによるエッチング深さを実施例１よりも浅くして、凹部４１の底面４１ａの位置での第二窒化物半導体層４の厚さ（Ｔ２）を３．０ｎｍにした。第二窒化物半導体層４の凹部４１以外の位置での厚さ（Ｔ１）は２５ｎｍであるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）は０．１２となる。これ以外の点は実施例１と同じ方法で受光素子１を得た。
得られた受光素子の特性を実施例１に記載の方法で測定したところ、暗電流は３．０×１０-10Ａ／ｍｍであり、光電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は３．３×１０5Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は１．０×１０5であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成する工程で、ＲＩＥによるエッチング深さを実施例１よりも浅くして、凹部４１の底面４１ａの位置での第二窒化物半導体層４の厚さ（Ｔ２）を３．０ｎｍにした。第二窒化物半導体層４の凹部４１以外の位置での厚さ（Ｔ１）は２５ｎｍであるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）は０．１２となる。これ以外の点は実施例１と同じ方法で受光素子１を得た。
得られた受光素子の特性を実施例１に記載の方法で測定したところ、暗電流は３．０×１０-10Ａ／ｍｍであり、光電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は３．３×１０5Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は１．０×１０5であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
［実施例３］
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成する工程で、ＲＩＥによるエッチング深さを実施例１よりも浅くして、凹部４１の底面４１ａの位置での第二窒化物半導体層４の厚さ（Ｔ２）を５．０ｎｍにした。第二窒化物半導体層４の凹部４１以外の位置での厚さ（Ｔ１）は２５ｎｍであるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）は０．２０となる。これ以外の点は実施例１と同じ方法で受光素子１を得た。
得られた受光素子の特性を実施例１に記載の方法で測定したところ、暗電流は５．０×１０-10Ａ／ｍｍであり、光電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は３．３×１０4Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は６．０×１０4であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成する工程で、ＲＩＥによるエッチング深さを実施例１よりも浅くして、凹部４１の底面４１ａの位置での第二窒化物半導体層４の厚さ（Ｔ２）を５．０ｎｍにした。第二窒化物半導体層４の凹部４１以外の位置での厚さ（Ｔ１）は２５ｎｍであるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）は０．２０となる。これ以外の点は実施例１と同じ方法で受光素子１を得た。
得られた受光素子の特性を実施例１に記載の方法で測定したところ、暗電流は５．０×１０-10Ａ／ｍｍであり、光電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は３．３×１０4Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は６．０×１０4であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
［実施例４］
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成する工程で、ＲＩＥによるエッチング深さを実施例１よりも浅くして、凹部４１の底面４１ａの位置での第二窒化物半導体層４の厚さ（Ｔ２）を９．０ｎｍにした。第二窒化物半導体層４の凹部４１以外の位置での厚さ（Ｔ１）は２５ｎｍであるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）は０．３６となる。これ以外の点は実施例１と同じ方法で受光素子１を得た。
得られた受光素子の特性を実施例１に記載の方法で測定したところ、暗電流は８．０×１０-10Ａ／ｍｍであり、光電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は３．３×１０4Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は３．８×１０4であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成する工程で、ＲＩＥによるエッチング深さを実施例１よりも浅くして、凹部４１の底面４１ａの位置での第二窒化物半導体層４の厚さ（Ｔ２）を９．０ｎｍにした。第二窒化物半導体層４の凹部４１以外の位置での厚さ（Ｔ１）は２５ｎｍであるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）は０．３６となる。これ以外の点は実施例１と同じ方法で受光素子１を得た。
得られた受光素子の特性を実施例１に記載の方法で測定したところ、暗電流は８．０×１０-10Ａ／ｍｍであり、光電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は３．３×１０4Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は３．８×１０4であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
［実施例５］
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成する工程で、ＲＩＥによるエッチング深さを実施例１よりも浅くして、凹部４１の底面４１ａの位置での第二窒化物半導体層４の厚さ（Ｔ２）を１２．５ｎｍにした。第二窒化物半導体層４の凹部４１以外の位置での厚さ（Ｔ１）は２５ｎｍであるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）は０．５０となる。これ以外の点は実施例１と同じ方法で受光素子１を得た。
得られた受光素子の特性を実施例１に記載の方法で測定したところ、暗電流は３．０×１０-9Ａ／ｍｍであり、光電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は３．３×１０5Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は１．０×１０４であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成する工程で、ＲＩＥによるエッチング深さを実施例１よりも浅くして、凹部４１の底面４１ａの位置での第二窒化物半導体層４の厚さ（Ｔ２）を１２．５ｎｍにした。第二窒化物半導体層４の凹部４１以外の位置での厚さ（Ｔ１）は２５ｎｍであるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）は０．５０となる。これ以外の点は実施例１と同じ方法で受光素子１を得た。
得られた受光素子の特性を実施例１に記載の方法で測定したところ、暗電流は３．０×１０-9Ａ／ｍｍであり、光電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は３．３×１０5Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は１．０×１０４であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
［実施例６］
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成する工程で、ＲＩＥによるエッチング深さを実施例１よりも深くして、凹部４１の底面４１ａの位置での第二窒化物半導体層４の厚さ（Ｔ２）を１．０ｎｍにした。第二窒化物半導体層４の凹部４１以外の位置での厚さ（Ｔ１）は２５ｎｍであるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）は０．０４となる。これ以外の点は実施例１と同じ方法で受光素子１を得た。
得られた受光素子の特性を実施例１に記載の方法で測定したところ、暗電流は９．０×１０-11Ａ／ｍｍであり、光電流は８．０×１０-6Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は８．９×１０4Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は８．９×１０4であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成する工程で、ＲＩＥによるエッチング深さを実施例１よりも深くして、凹部４１の底面４１ａの位置での第二窒化物半導体層４の厚さ（Ｔ２）を１．０ｎｍにした。第二窒化物半導体層４の凹部４１以外の位置での厚さ（Ｔ１）は２５ｎｍであるため、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）は０．０４となる。これ以外の点は実施例１と同じ方法で受光素子１を得た。
得られた受光素子の特性を実施例１に記載の方法で測定したところ、暗電流は９．０×１０-11Ａ／ｍｍであり、光電流は８．０×１０-6Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は８．９×１０4Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は８．９×１０4であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
［比較例１］
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成する工程を行わなかった。これ以外の点は実施例１と同じ方法で受光素子１を得た。
得られた受光素子の特性を実施例１に記載の方法で測定したところ、暗電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであり、光電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は３．３×１０5Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は１．０であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を形成する工程を行わなかった。これ以外の点は実施例１と同じ方法で受光素子１を得た。
得られた受光素子の特性を実施例１に記載の方法で測定したところ、暗電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであり、光電流は３．０×１０-5Ａ／ｍｍであった。光電流を換算して得られた受光感度は３．３×１０5Ａ／Ｗであった。また、得られた暗電流値に対する光電流値（２５０ｎｍ紫外光照射時の電流値）の比（光電流／暗電流）は１．０であった。また、紫外光照射時（光入射時）の応答速度は１μｓｅｃ以下であった。
実施例１〜６および比較例１の受光素子を構成する第二窒化物半導体層の構成と、測定により得られた各受光素子の性能を下記の表１にまとめて示す。
この結果から以下のことが分かる。
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を有する実施例１〜６の受光素子は、凹部４１を有さない比較例１の受光素子と比較して、暗電流値が極めて低い。実施例１〜６の受光素子の光電流値および受光感度は、比較例１の受光素子の光電流値および受光感度と同じである。つまり、実施例１〜６の受光素子は、暗状態での電流値が極めて低く、光入射時の受光感度が高い受光素子である。
第二窒化物半導体層４の上面４０に凹部４１を有する実施例１〜６の受光素子は、凹部４１を有さない比較例１の受光素子と比較して、暗電流値が極めて低い。実施例１〜６の受光素子の光電流値および受光感度は、比較例１の受光素子の光電流値および受光感度と同じである。つまり、実施例１〜６の受光素子は、暗状態での電流値が極めて低く、光入射時の受光感度が高い受光素子である。
実施例１〜６の受光素子のうち、実施例５の受光素子の暗電流値は、実施例１〜４の受光素子よりも一桁大きい。また、実施例６の受光素子では、暗電流値が実施例１〜４の受光素子よりも一桁小さいが、光電流値および受光感度が実施例１〜５の受光素子よりも一桁小さい。そして、実施例１〜４の受光素子では、第二窒化物半導体層４の凹部４１の膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）が０．０５以上０．４以下の範囲にあるが、実施例５および実施例６の受光素子では膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）がこの範囲外にある。
よって、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）が０．０５以上０．４以下の範囲にある受光素子は、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）がこの範囲外にある受光素子よりも、暗状態での電流値が極めて低いことと光入射時の受光感度が高いことの両立という点で優れている。
よって、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）が０．０５以上０．４以下の範囲にある受光素子は、膜厚比（Ｔ２／Ｔ１）がこの範囲外にある受光素子よりも、暗状態での電流値が極めて低いことと光入射時の受光感度が高いことの両立という点で優れている。
１ 受光素子
２ 基板
３ 第一窒化物半導体層
３４ａ 第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層の界面のうち、凹部の直下の部分
３４ｂ 第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層の界面のうち、凹部の直下を除く部分
４ 第二窒化物半導体層
４０ 第二窒化物半導体層の上面（第一窒化物半導体層とは反対側の面）
４１ 凹部
４１ａ 凹部の底面
５ ソース電極
６ ドレイン電極
２ 基板
３ 第一窒化物半導体層
３４ａ 第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層の界面のうち、凹部の直下の部分
３４ｂ 第一窒化物半導体層と第二窒化物半導体層の界面のうち、凹部の直下を除く部分
４ 第二窒化物半導体層
４０ 第二窒化物半導体層の上面（第一窒化物半導体層とは反対側の面）
４１ 凹部
４１ａ 凹部の底面
５ ソース電極
６ ドレイン電極
Claims (11)
- 基板と、
前記基板上に形成され、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａのうち少なくとも一つを含む窒化物半導体からなる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た第二窒化物半導体層であって、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａのうち少なくとも一つを含む窒化物半導体からなり、前記第一窒化物半導体層よりも格子定数が小さく、前記第一窒化物半導体層とは反対側の面に凹部を有する第二窒化物半導体層と、を有し、
前記第一窒化物半導体層はＡｌ X Ｇａ (1-X) Ｎ（０．３≦Ｘ≦０．６）からなる層であり、
前記第二窒化物半導体層はＡｌ Y Ｇａ (1-Y) Ｎ（０．６＜Ｙ≦０．９）からなる層であり、
前記凹部の底面が露出している受光素子。 - 前記第二窒化物半導体層の前記凹部以外の位置での厚さ（Ｔ１）に対する前記凹部の底面位置での厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ２／Ｔ１）が０．０５以上０．４以下である請求項１記載の受光素子。
- 前記第一窒化物半導体層と前記第二窒化物半導体層の界面のうち、前記凹部の直下を除く部分に、電子濃度が１×１０8ｃｍ-2以上の二次元電子ガス層が存在する請求項１または請求項２記載の受光素子。
- 前記界面のうち、前記凹部の直下の部分には、電子濃度が１×１０7ｃｍ-2以下の空乏層が存在する請求項３記載の受光素子。
- 前記第一窒化物半導体層と前記第二窒化物半導体層の界面のうち、前記凹部の直下の部分がゲート領域であり、前記凹部を挟んだ両側の部分がソース・ドレイン領域であり、ゲート長となる前記凹部の寸法が０．５μｍ以上５μｍ以下である請求項１〜４の何れか一項に記載の受光素子。
- 前記第二窒化物半導体層の前記凹部以外の位置での膜厚が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である請求項１〜５の何れか一項に記載の受光素子。
- 前記基板は、サファイア基板、ＡｌＮ基板、またはＧａＮ基板である請求項１〜６の何れか一項に記載の受光素子。
- 前記基板と前記第一窒化物半導体層との間にＡｌＮからなるバッファ層をさらに備える請求項１〜７の何れか一項に記載の受光素子。
- 前記第二窒化物半導体層上の前記凹部を挟んだ両側に、ソース電極及びドレイン電極をさらに備える請求項１〜８の何れか一項に記載の受光素子。
- 前記ソース電極およびドレイン電極は、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｏ、およびＺｒのうち少なくとも一つを含む材料からなる請求項９記載の受光素子。
- 前記第二窒化物半導体層上にゲート電極が存在しない請求項１〜１０の何れか一項に記載の受光素子。
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