KR101027225B1

KR101027225B1 - 자외선 수광 소자

Info

Publication number: KR101027225B1
Application number: KR1020087031312A
Authority: KR
Inventors: 모토아키 이와야; 사토시 가미야마; 히로시 아마노; 이사무 아카사키
Original assignee: 각코우호우징 메이조다이가쿠
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2011-04-06
Also published as: JP4977695B2; EP2023403A1; JPWO2007135739A1; US20090166674A1; WO2007135739A1; KR20100075711A; EP2023403A4

Abstract

Ⅲ족 질화물 반도체를 이용한 자외 수광 소자에 있어서, 수광 감도를 높게 한 자외 수광 소자를 제공한다. 언도프층(44)의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 광을 조사함으로써, 공핍화한 층에 의해, 가전자대로부터 전도대(61)로 전자가 여기되어, 전자-정공 쌍이 생성된다. 이 생성된 전자-정공 쌍에 의해 밴드 구조가 변화되고, 그에 따라, 언도프층(43) 및 언도프층(44)의 계면에 전자의 의사 페르미 준위(62)보다 에너지가 낮은 개소가 생겨, 2차원 전자 가스(63)가 형성된다. 이러한 2차원 전자 가스(63)가 채널로서 작용하므로, 드레인 전극(46)-소스 전극(7) 사이에 전압을 인가하는 것에 의해 큰 전류가 흐른다.

Description

자외선 수광 소자{ULTRAVIOLET PHOTOSENSOR}

본 발명은 Ⅲ족 질화물 반도체를 이용한 자외선 수광 소자에 관한 것이다.

자외선 수광 소자로서는, 광전관이나, Si에 의한 포토다이오드, 포토트랜지스터 등이 기존의 디바이스로서 존재하고 있지만, 광전관은 비용이나 수명 등의 단점이 있고, Si에 의한 포토다이오드, 포토트랜지스터 등은 단파장화함에 따라 감도가 현저히 저하된다고 하는 문제점이 있었다. 또한, 자외선 수광 소자를 화염 센서에 이용할 경우, 화염 근방에 설치해야 하기 때문에, Si과 같이 밴드갭 에너지가 작은 재료의 경우에는, 열여기에 의해 암전류(dark current)가 증가하는 등, 사용환경에 의한 제한이 있었다.

상기한 문제점을 해결하기 위해, 최근 와이드갭 반도체인 Ⅲ족 질화물 반도체(GaN, AlN, InN 및 그들의 혼합결정)를 이용하는, pin 포토다이오드(예컨대, 특허 문헌 1), 포토트랜지스터(예컨대, 특허 문헌 2), MSM형 포토다이오드(예컨대, 특허 문헌 3) 등이 제안되어 있다.

이들 디바이스는, Ⅲ족 질화물 반도체라는 와이드갭 반도체를 이용하기 때문 에, Si에서 영향이 큰 암전류를 감소시킬 수 있고, p층 등의 광흡수층 이외의 부분에서의 흡수를 억제하여 감도를 올릴 수 있다라는 등의 특징을 갖는다. 또한, 반도체를 이용하고 있기 때문에, 광전관에 비해 저비용화가 가능하고, 장수명화가 가능할 것이 기대된다.

예컨대, 대표적인 Ⅲ족 질화물 반도체 수광 소자인 pin 포토다이오드의 구조를 도 1에 나타낸다. 기판(1) 상에, Si을 첨가함으로써 형성한 n형층(2) 및 Mg을 첨가한 p형층(3)의 사이에, 의도적으로 불순물을 첨가하지 않은 i층(4)을 끼운 것과 같은 구조로 되어 있다. n형층(2), p형층(3), i층(4)에는, GaN, AlGaN 또는 AlN이 사용되고 있고, 적용하고 싶은 파장영역에 따라 재료가 선택되고 있다.

또한, 기판(1)으로서는, 많은 경우에는 사파이어 또는 SiC이 사용되고 있고, 사파이어인 경우에는 저온 완충층을 이용하고, SiC인 경우에는 AlN을 포함하는 고온 버퍼층을 이용하여, 고품질 GaN 또는 AlGaN을 얻고 있다. 또한, 제작한 디바이스에는, n형층(2) 및 p형층(3) 상에 n전극(5) 및 p전극(6)이 형성되어 있다.

다음으로, 이 디바이스의 동작 원리를 설명한다. 도2는, 횡축에 도 1의 X 방향을 나타내고 있고, 종축에 전자의 에너지를 나타낸 밴드 다이어그램이다. 이 디바이스에서는, 보통, p형층(3)과 n형층(2)에 역바이어스 또는 제로 바이어스를 이용하는데, 이 경우, i층(4) 전체 및 n형층(2)과 p형층(3)의 일부로 공핍층(depleted layer)이 확대된다.

이 상태에서, 밴드갭 에너지(BG) 이상의 에너지를 가진 광(11)이 입사되면, 가전자대(12)에 존재하던 전자(13)가 전도대(14)로 여기되고, 역바이어스 및 확산 전위에 의해, 전자(13)는 n형층(2)으로 확산되고, 정공(15)은 p형층(3)으로 확산하여, 전류가 흐른다. 이렇게 하여, 밴드갭 에너지(BG)보다 큰 에너지를 가진 광의 선택적인 수광이 가능해진다.

또한, 이미 설명한 바와 같이, GaN 및 AlGaN은 와이드갭이고 고온에서까지 화학적으로 안정하기 때문에, 예컨대, 불꽃의 근방 등에서 이용하는 것도 가능하기 때문에, 화염 센서 등에의 응용이 가능해지고, 또한, p형층(3) 또는 n형층(2)에 i층(4)보다 넓은 밴드갭 에너지를 가지는 재료를 선택함으로써, i층(4)만으로 선택적으로 수광하는 것이 가능해지고, 그에 따라, 고감도의 디바이스를 제작할 수 있다.

다음으로, MSM형 포토다이오드에 대하여 설명한다. 대표적인 MSM 포토 다이오드의 모식도를 도 3에 나타낸다. 기판(21) 상에, GaN 또는 AlGaN으로 이루어지는 언도프층(22)을 형성한다. 그 후, 제 1 전극(23) 및 제 2 전극(24)을 형성한다. 이 반도체에 형성한 제 1 및 제 2 전극(23,24)에 바이어스를 건 상태에서, 광(25)이 조사되면, 이 광의 에너지에 의해, 가전자대 중의 전자가 전도대로 여기된다. 이 여기된 전자와, 전자가 빠져나가서 생성된 가전자대 중의 정공이 움직이는 것에 의해 전류가 흐르고, 흐르는 전류를 측정함으로써, 자외선 수광 소자로서 동작한다.

또한, 도 4에 나타내는 것과 같은 npn 포토트랜지스터도 제안되어 있고, 이러한 npn 포토트랜지스터는 기판(31)과, 그 위에 형성된 제 1 n형층(32)과, 그 위에 형성된 p형층(33)과, 그 위에 형성된 제 2 n형층(34)과, 그 위에 형성된 에미터 전극(35)과, 제 1 n형층(32)에 형성된 콜렉터 전극(36)을 구비한다. 이것은, npn 트랜지스터에 있어서, 베이스층으로 수광할 수 있도록 설계하고, 광 조사에 의해 생성된 전자-정공 쌍이 베이스 전류의 역활을 하며, 그것에 의하여 수광이 행해지는 것이다.

상기한 바와 같이, Ⅲ족 질화물 반도체를 이용한 자외선 수광 소자의 연구가 한창 행해지고 있지만, 여전히 큰 문제점이 있다. 특히 큰 문제점은, pin 포토다이오드 및 MSM 포토다이오드에 관하여는, 얻어지는 광전류가 매우 작다는 것을 들 수 있다. 이것은, 예컨대, 화염의 불꽃을 검지하려고 한 경우, 수 마이크로와트 정도의 광을 수광해야 하지만, 그 광의 에너지를 모두 수광층에서 수광하여 전류로 변환했다고해도, 수 마이크로암페어 정도의 미약한 전류밖에 얻어지지 않는다.

또한, 그 밖의 자외선 수광 소자에의 응용도 마찬가지의 문제점이 있다. 또한, npn 포토트랜지스터의 경우, 현재, Ⅲ족 질화물 반도체의 트랜지스터에서 고성능의 디바이스가 존재하지 않고, 따라서, 포토트랜지스터로서도 고성능인 것은 존재하지 않는다. 즉, Ⅲ족 질화물 반도체를 이용한 자외선 수광 소자에 있어서, 수광 감도가 높은 자외선 수광 소자를 실현하는 것이 소망되고 있으며, 이와 같이 수광 감도가 높은 자외선 수광 소자는, 화염 센서나 의료용 센서등에의 응용이 기대되며, GaN/AlGaN 헤테로 구조를 이용한 것이 제안되어 있다(예컨대, 비특허 문헌1).

특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 제 2003-23175 호 공보

특허 문헌 2 : 일본 특허 공개 평 19-229763 호 공보

특허 문헌 3 : 일본 특허 공개 제 2003-23175 호 공보

비특허 문헌 1 : M.A.Khan, M.S.Shur, Q.C.Chen, J.N.Kuznia and C.J.Sun:Electronics Letters, Vol.31(1995) p.398-400.

발명이 해결하고자 하는 과제

그러나, GaN/AlGaN 헤테로 구조를 이용한 자외선 수광 소자에서도 우수한 명암비(light-dark ratio)를 실현하는 것이 곤란하기 때문에, 수광 감도를 높게 하는 것은 곤란하다.

본 발명의 목적은 Ⅲ족 질화물 반도체를 이용한 자외선 수광 소자에 있어서, 수광 감도를 높인 자외선 수광 소자를 제공하는 것이다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명에 따른 자외선 수광 소자는,

기판과,

상기 기판 상에 마련되고, GaN계 반도체에 의해 구성된 제 1 층과,

상기 제 1 층에 접촉하고, 소스 영역, 드레인 영역 및 채널 영역을 갖도록 GaN계 반도체에 의해 구성된, 상기 제 1 층과 동일 도전형의 제 2 층과,

상기 제 2 층에 접촉하고, 게이트 영역을 갖도록 GaN계 반도체에 의해 구성된 p형의 제 3 층을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 명세서 중, 「GaN계 반도체」란, GaN, AlN, InN 및 이들을 포함하는 혼합결정(mixed crystal)을 의미한다.

발명의 효과

본 발명에 의하면, 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 광이 자외선 수광 소자에 입사되지 않는 경우, 제 3 층에 의해 제 1 층 및 제 2 층의 일부가 공핍화하고, 전자의 의사 페르미 준위(quasi-Fermi level)보다 에너지가 낮은 개소가 존재하지 않고, 이 상태에서 소스-드레인 사이에 전압을 인가하더라도, 전류가 거의 흐르지 않는다.

제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 광이 자외선 수광 소자에 입사되면, 공핍화한 층에 의해 가전자대로부터 전도대로 전자가 여기되어, 전자-정공 쌍이 생성된다. 이와 같이 생성된 전자-정공 쌍에 의해 밴드 구조가 변화되며, 이것에 의해 제 1 층과 제 2 층 사이의 계면에 의사 페르미 준위보다 에너지가 낮은 개소가 생겨, 2차원 전자 가스가 형성된다. 이 2차원 가스가 채널로서 작용하기 때문에, 소스-드레인 사이에 전류가 흐른다.

본 발명에서는, pn 접합을 형성하며, 그에 따라 형성된 공핍층에 광을 조사하여 제어함으로써, 고성능의 자외선 수광 소자가 실현된다. 또한, 그 실현시에, 2차원 전자 가스 또는 종형 전도(vertical conduction)를 이용함으로써, 고성능, 즉, 고감도의 자외선 수광 소자가 실현된다. 또한, 제 1 층의 도전형과 제 2 층의 도전형을 동일하게 하는(즉, 제 1 층을 p 형으로 한 경우, 제 2 층도 p 형으로 하고, 제 1 층을 n 형으로 한 경우, 제 2 층도 n 형으로 한다.) 동시에, 제 3 층을 p형으로 하는 것에 의해 명암비를 얻을 수 있어, 자외선 수광 소자를 더욱 고감도로 한다. 또, 상기 제 1 층을 GaN에 의해 구성함과 동시에, 상기 제 2 층을 AlGaN에 의해 구성하여, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층이 GaN/AlGaN 헤테로 접합을 형성함으로써, 공핍층이 더욱 생기기 쉽게 된다.

상기 제 2 층에 도핑을 행함으로써, 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 광이 자외선 수광 소자에 입사될 때에 발생하는 2차원 전자 가스를 증가시킬 수 있고, 이것에 의해, 자외선 수광 소자의 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 경우, 상기 제 2 층에 언도프 스페이서층을 개재하거나 양자우물 또는 헤테로 구조를 형성하는 것이 또한 효과적이다.

광 가둠 구조(optical confinement structure)를 형성함으로써, 자외선 수광 소자의 특성을 또한 향상시킬 수 있고, 이 경우, 상기 광 가둠 구조를, 반도체 DBR 또는 유전체 다층막에 의해 구성할 수 있다. 공핍층을 언도프층쪽으로 넓히기 위해서는, p층과 n층의 캐리어 농도비를 크게 할 필요가 있고, 2자리수 이상의 캐리어 농도 차이로 하는 것이 중요해진다. 따라서, 상기 제 1 층을 언도프 또는 1× 1O¹⁸ cm^-3이하의 도핑 농도로 하고, 상기 제 3 층을 1× 1O¹⁶ cm^-3이상의 억셉터 농도로 하는 것이 바람직하다.

도 1은 종래의 Ⅲ족 질화물 반도체 pin 포토다이오드의 구조를 나타내는 도면,

도 2는 도 1의 소자 구조에 있어서의 밴드 다이어그램,

도 3은 종래의 Ⅲ족 질화물 반도체 MSM 포토다이오드의 구조를 나타내는 도면,

도 4는 종래 개시된 Ⅲ족 질화물 반도체 npn 포토트랜지스터를 도시하는 도면,

도 5는 본 발명에 따른 자외선 수광 소자의 제 1 실시 형태의 소자 구조를 나타내는 도면,

도 6은 p형층의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지를 가진 광이 입사되지 않는 상태에서의 도 5의 p형층 바로아래의 전도대의 에너지도,

도 7은 언도프층(44)의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 광을 조사했을 때의 도 5의 p형층 바로아래의 전도대의 에너지도,

도 8은 제 1 실시 형태에 따른 자외선 수광 소자의 소스-드레인 전압과 소스-드레인 전류간의 관계를 나타내는 도면,

도 9는 p 형층을 이용하지 않는 경우의 자외선 수광 소자의 소스-드레인 전압과 소스-드레인 전류간의 관계를 나타내는 도면,

도 10은 본 발명에 따른 자외선 수광 소자의 제 2 실시 형태의 소자 구조를 나타내는 도면이다.

부호의 설명

1,21,31,41,71 : 기판

2,32,34,73,76 : n형층

3,33,45,74 : p형층

4 : i층 5 : n전극

6 : p전극 11,25 : 광

12 : 가전자대 13 : 전자

14,51,61 : 전도대 15 : 정공

22,43,44,75 : 언도프층

23,24 : 전극 35 : 에미터 전극

36 : 콜렉터 전극 42,72 : 완충층

46,77 : 드레인 전극 47,79 : 소스 전극

48,78 : 게이트 전극 52,62 : 의사 페르미 준위

63 : 2차원 전자 가스 BG : 밴드갭

본 발명에 따른 자외선 수광 소자의 실시 형태를, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 자외선 수광 소자의 제 1 실시 형태의 소자 구조를 나타내는 도면이다. 이러한 자외선 수광 소자를 제조함에 있어서, 유기 금속 화합 물 기상 성장법등의 방법에 의해, 기판(예컨대, 사파이어 기판)(41) 상에, 약 500℃에서 완충층(예컨대, 저온 AlN 완충층)(42)을 결정 성장하고, 약 1000℃에서 언도프층(예컨대, 언도프 GaN층)(43)을 약 2㎛ 결정 성장한다.

그 후, 언도프층(예컨대, 언도프 AlGaN 층)(44)을 15㎚ 적층하고, Mg를 첨가함으로써 얻어진 정공 캐리어 밀도 1× 1O¹⁸[cm^-3] 및 억셉터 밀도 3×10¹⁹[cm^-3]의 p형층(예컨대, p형 GaN층)(45)을 20㎚ 적층한다. 이와 같이 제작한 시료를, 질소 분위기 중에서 700℃에서 5분간 열처리를 행한 후에, 소자 분리를 행한다.

그 후, 포토리소그래피 기술을 이용하여 p형층(45)의 일부분에 마스크(예컨대, Ni 마스크)를 증착하고, 예컨대, 염소 플라즈마를 이용한 반응성 이온 에칭 장치를 이용하여 p형층(45)을 완전히 에칭해서 언도프층(44)을 노출시키고, 질산 등의 용액을 이용하여 마스크를 제거한다.

그 후, 노출된 언도프층(44)의 표면에, 포토리소그래피 기술을 이용하여, 예컨대, Ti/A1로 이루어지는 드레인 전극(46) 및 소스 전극(47)을 형성한다. 그 후, p형층(45)의 일부에, 예컨대, Ni/Au로 이루어지는 게이트 전극(48)을 형성한다. 이와 같이 형성된 자외선 수광 소자는, 언도프층(43)과 언도프층(44)의 사이 및 언도프층(44)과 p형층(45)의 사이에 헤테로 구조가 형성된다.

도 6에 도 5의 p형층(45) 바로아래의 전도대(51)의 에너지도를 나타낸다. 이 경우, 자외선 수광 소자에는 재료로 되는 언도프층(43,44), p형층(45)의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지를 가진 광이 입사되지 않고, 실온 부근에서의 데이터를 나타 내고 있다.

도 6에 있어서, 횡축은 도 5에 나타낸 X방향을 나타내고 있고, 종축은 전자의 에너지를 나타내고 있다. 도 6중의 전도대(51)에 주목하면, p형층(45)에 의해 언도프층(44,43)의 일부가 공핍화되어 있어, 전자의 의사 페르미 준위(52)보다 에너지가 낮은 개소는 존재하지 않고, 이 상태에서 드레인 전극(46)-소스 전극(47) 사이에 전압을 걸더라도, 전류는 거의 흐르지 않는다.

p형층(45)을 이용하지 않는 경우, 언도프층(43)과 언도프층(44)의 계면에는, 2차원 전자 가스가 형성되기 때문에, 드레인 전극(46)-소스 전극(47)에 전압을 인가하면, 전류가 흐른다. 또한, 2차원 전자 가스가 형성될지의 여부에 관하여는, p형층(45)의 억셉터 농도 및 막 두께, 언도프층(44)의 막두께 및 언도프층(44)을 구성하는 재료(예컨대, AlGaN)에 포함되는 잔류 불순물 농도, 및 언도프층(45)을 제어함으로써 실현된다.

다음으로, 도 7에, 제 1 실시 형태에 나타낸 도 5의 구조에 있어서, 언도프층(44)의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 광을 조사했을 때의 전도대의 에너지도(圖)를 나타낸다. 광을 조사함으로써, 공핍화한 층에 의해, 가전자대로부터 전도대(61)로 전자가 여기되어, 전자-정공 쌍이 생성된다. 그 생성된 전자-정공 쌍에 의해 밴드 구조가 변화되며, 그것에 의하여, 언도프층(43)과 언도프층(44)의 계면에 전자의 의사 페르미 준위(62)보다 에너지가 낮은 개소가 생겨, 2차원 전자 가스(63)가 형성된다.

이 2차원 전자 가스(63)가 채널로서 작용하기 때문에, 드레인 전극(46)-소스 전극(47) 사이에 전압을 인가함으로써 큰 전류가 흐른다. 따라서, 상기 제 1 실시 형태에 있어서, 광을 조사하지 않을 때에는 전류가 흐르지 않고, 광을 조사했을 때에는 전류가 흐르는 이상적인 자외선 수광 소자가 실현가능하다. 또한, 제 1 실시 형태에서, 광은 p형층(45) 바로아래의 밴드구조를 변화시키는 역할을 하며, pin 포토다이오드와 같이, 광자의 개수가 전류에 영향을 주는 소자에 비해서 전류치를 크게 할 수 있다. 또한, 공핍층을 언도프층쪽으로 확장하기 위해서는, p층과 n층의 캐리어 농도비를 크게 할 필요가 있고, 2자리수 이상의 캐리어 농도차로 하는 것이 중요해진다.

도 8은 제 1 실시 형태에 따른 자외선 수광 소자의 소스-드레인 전압과 소스-드레인 전류간의 관계를 나타내는 도면이다. 언도프층(44)의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 광(예컨대, 파장이 254㎚인 광)을 조사하지 않는 경우, 곡선 a로 나타낸 바와 같이, 흐르는 전류가 100nA 이하이지만, 언도프층(44)의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 광(예컨대, 파장이 254㎚인 광)을 조사한 경우, 곡선 b로 나타낸 바와 같이, 흐르는 전류가 1mA 정도로 된다. 따라서, 상기 제 1 실시 형태에 따른 자외선 수광 소자에 의하면, 광을 조사했을 때에 흐르는 전류가 수 ㎂ 이하인 종래의 pin 포토다이오드에 비교하여 3자리수 이상도 광전류를 향상시키는 것이 가능해졌다. 이들의 특징은, 화염 센서나 의료용 센서등 미약한 자외광을 검지하는 자외선 수광 소자로서 매우 적합한 것이다.

p형층(45)을 이용하지 않을 때에는, 언도프층(44)의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 광(예컨대, 파장이 254㎚의 광)을 조사하지 않는 경우, 흐르는 전류가 10mA 정도가 되고(도 9a 참조), 언도프층(44)의 밴드갭 에너지보다 큰 에너지의 광(예컨대, 파장이 254㎚의 빛)을 조사한 경우, 흐르는 전류가 30mA 정도까지 도달한다. 따라서, p형층(45)을 이용하지 않은 경우에는, 명암비를 실현하는 것이 곤란해지기 때문에, 수광 감도를 높게 하는 것이 곤란하다.

또한, 본 실시 형태에서는 p형층(45)의 바로위의 일부에 게이트 전극(48)을 형성하고 있지만, 게이트 전극(48)을 p형층(45)의 전면(全面)에 형성한 구조 또는 게이트 전극(48)을 이용하지 않는 구조이어도 같은 효과가 얻어진다. 또한, p형층(45) 상에 형성하는 게이트 전극(48)은, 예컨대 ITO나 수㎚ 정도의 매우 얇은 금속 전극과 같이 자외광을 투과할 수 있는 전극을 이용하는 것이 효과적이고, 예컨대, 게이트 전극(48)의 구조를 메쉬 형상으로 하는 것도 매우 효과적이다. 또한, 드레인 전극(46) 및 소스 전극(47)의 재료는, 오믹 특성이 얻어질 수 있으면 어떠한 종류의 금속이라도 이용할 수 있지만, 바람직하게는, Ti, Al, Au, Ta, W 등을 포함하는 것이 좋다.

한편, p형층(45) 상에 형성하는 게이트 전극(48)의 재료로서는, 오믹 접촉인 것이 바람직하지만, 쇼트키 접촉이라도 좋고, 임의의 전극 재료를 이용할 수 있다. 또한, 전극 사이에 SiO₂나 SiN_X 등의 절연막을 사이에 두는 것이나 p형층(45) 상에 반도체를 형성하는 것도, 암전류의 감소 등이 가능해지기 때문에 효과적이다.

한편, 언도프층(44)에 불순물을 의도적으로 첨가하는 것도 효과적이고, 특히 Si나 Ge를 도핑함으로써, 광을 조사했을 때에 발생하는 2차원 전자 가스(63)를 증 가시키는 효과가 있고, 자외선 수광 소자 특성의 향상이 가능하다.

또한, 언도프층(44)에 불순물을 첨가하는 경우, 언도프의 스페이서층(예컨대, AlGaN 스페이서층)을 끼우는 것도 효과가 있고, AlGaN 내에 양자우물이나 헤테로 접합을 형성하는 것도 효과적이다. 또한, 상기한 도핑 농도를 임의로 설정할 수 있지만, 바람직하게는 도너(doner) 농도를 1×1O¹⁹[cm^-3] 이하로 한다.

또한, p형층(45)을 GaN으로 구성하는 경우, 제 1 실시 형태에서는 정공 캐리어 농도 1× 1O¹⁸[cm^-3], 억셉터 농도 3×1O¹⁹[cm^-3] 인 것을 이용하고 있지만, 이것에 관하여는 p형인 것이 중요하고, 캐리어 농도, 억셉터 농도 및 막 두께는 임의로 설정하면 된다. 또한, 막 두께에 관하여는, 1㎚ 이상의 두께를 확보하고 있으면, 원하는 디바이스 특성을 실현할 수 있다.

이 경우, 베이스층으로서 언도프층(43)을 GaN으로 구성하지만, Mg, 카본 등의 불순물을 첨가하여도 좋다. 또한, 기판(1)으로서 사파이어 기판 이외의 기판을 이용하더라도 같은 효과가 가능하지만, 바람직하게는 SiC, Si, ZrB₂, AlN, GaN, AlGaN 등 Ⅲ족 질화물 반도체가 성장가능하면, 어떠한 기판을 이용하더라도 같은 효과가 실현된다.

또한, GaN의 p형층(45) 대신에 AlN이나 InN을 포함하는 혼합결정을 사용할 수도 있다. 또한, 마찬가지로, 모든 층에 있어서, AlN이나 InN을 포함하는 것에 의해서도 고성능 자외선 수광 소자가 실현가능하다. 또한, 제 1 실시 형태의 구조에 있어서, 특성을 향상시키기 위해서는, 드레인 전극(46), 소스 전극(47)의 부분 에 높은 캐리어 밀도의 층을 이용하는 것이 유효하며, 콘택트를 취할 층에만 선택적으로 이온주입하는 방법이나, 선택 성장에 의해 고농도 n형층을 형성하고, 결정 성장 등에 의해 높은 도너 농도의 얇은 n형층(AlGaN 또는 GaN)을 삽입하는 것은 매우 효과적이다.

또한, 상기 제 1 실시 형태에서는, 구조를 유기 금속 기상 성장법에 의해 제작했지만, n형 GaN계 반도체층을 드레인·소스로 하고, p형 GaN계 반도체층을 게이트 전극으로 하는 구조가 실현가능하면, 예컨대, 분자선 에피택시, 이온 주입법 등의 다른 수법을 이용하더라도 같은 효과가 있다. 또한, 상기 제 1 실시 형태의 구조에서는 헤테로 접합을 이용하여 실시했지만, 특별히 헤테로 접합을 이용할 필요는 없고, 호모 접합이라도 상관없다.

또한, 상기 제 1 실시 형태에서는, 언도프층(43) 상에 언도프층(44) 및 p형 GaN층(45)을 적층함으로써 실현하고 있지만, n형층과 p형층을 교체하더라도, 같은 효과가 가능하고, 고성능 자외 수광 소자로서 동작한다. 또, 제 1 실시 형태에서는, 드레인 전극(46) 및 소스 전극(47)을 형성하기 위해서 에칭 프로세스에 의해 언도프층(44)을 노출시키고 있지만, 이것은 어떠한 방법이라도 좋고, 예컨대, 선택 횡방향 성장 등을 이용하여 행하는 방법, 또, 이온 주입에 의해서, p형층을 n형층으로 반전시키는 방법 등도 이용하는 것이 가능하다.

또한, 광은, 소자의 상부나 기판측의 어느 쪽으로부터 입사하는 것도 가능하고, 어느 쪽을 이용하여도 좋다. 또한, 광이 입사하지 않는 방향에, 반도체 DBR나 유전체 다층막을 형성하여, 광을 가두는 것에 의해, 고성능화가 가능하다. 또한, 상기 제 1 실시 형태에서 전극 구조를 스트라이프 구조로 하여 설명하고 있지만, 이것은 어떠한 구조로도 원하는 특성이 얻어진다.

도 10은 본 발명에 따른 자외 수광 소자의 제 2 실시 형태의 소자 구조를 나타내는 도면이다. 유기 금속 화합물 기상 성장법에 의해, 기판(예컨대, 사파이어 기판)(71) 상에 결정 성장에 의해, 약 500℃에서 완충층(예컨대, 저온 AlN 완충층)(72)을 형성하고, 약1000℃에서 H₂ 희석한 SiH₄를 이용하는 것에 의해, Si 첨가한 제 1 n형층(예컨대, n형 GaN층)(Si 농도: 5×10¹⁸ cm^-3)(73)을 약 3㎛ 성장시키고, 계속해서, Mg를 첨가한 p형층(예컨대, p형 GaN층)(74)(Mg 농도: 3×10¹⁹ cm^-3)를 0.5㎛ 성장시킨다.

계속해서, 포토리소그래피와, 예컨대, Cl₂가스를 이용한 반응성 이온 에칭을 이용하여, p형층(74)의 일부분에, 폭 200㎚의 스트라이프 형상의 오목부를 형성한다. 이 오목부는 바람직하게는 p형층(74)이 완전히 에칭되어 있고, n형층(73)이 노출되어 있다. 그 후, 왕수(王水), 불산이나 황산, 유기 세정 등의 적절한 반도체 기판 처리를 행한 후에, 다시 한번, 유기 금속 화합물 기상 성장법에 의해 언도프층(예컨대, 언도프 GaN층)(75)을 0.5㎛ 성장시키고, Si 첨가한 제 2 n형층(예컨대, n형 GaN층)(76)(Si 농도 5× 1O¹⁸ cm^-3)을 O.5㎛ 결정 성장시킨다.

이와 같이 제작한 시료를, 질소 분위기 중 700℃에서 5분간 열처리를 행한 후에, 포토리소그래피 및 반응성 이온 에칭 장치에 의해, p형층(74) 및 제 1 n형 층(73)의 일부분을 노출시킨다. 그리고, 제 1 n형층(73)에 Ti/Al로 이루어지는 드레인 전극(77), p형층(74)에 Ni/Au로 이루어지는 게이트 전극(78), 제 2 n형층(76)에 Ti/Al로 이루어지는 소스 전극(79)을 순차적으로 형성하여, 자외선 수광 소자가 이루어진다.

또, 소스 전극(79)을, 바람직하게는, 도 10과 같이 언도프층(75)의 바로위 이외의 개소에 형성한다. 또한, 전류를 퍼지게 하기 위해서 메쉬 전극이나 반투명 전극을 언도프층(75)의 바로위에 형성하는 것도 효과적이다.

제 2 실시 형태에서는, 게이트 전압이 0V에서, p형층(74) 및 언도프층(75)의 억셉터 농도 및 전자 농도는 각각, 3×1O¹⁹ cm^-3 및 1×1O¹⁷ cm^-3로 되어 있다. 이 때, 언도프층(75)에는, p형층(74)에 의해서 공핍층이 넓어져 있고, 상기 폭으로 제작한 경우, 언도프층(75)은 완전히 공핍화되어 있을 것으로 생각된다.

따라서, 광을 조사하지 않고, 또한, 게이트 전압을 0V로 하면, 드레인 전극(77)-소스 전극(79) 사이에 20V의 전압을 걸었을 때의 드레인에 의한 리크 전류는 100mA 정도이며, pn 접합을 이용한 게이트이기 때문에, 대단히 암전류가 적다.

다음으로, 이 소자에 이용한 반도체의 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 가진 광을 조사하면, 언도프층(75)의 일부 또는 전부가 공핍화되어 있지 않은 상태가 되고, 그 상태에서 드레인 전극(77)-소스 전극(79) 사이에 전압을 인가하면, 전류를 흘리는 것이 가능해진다. 즉, 광을 조사하지 않고 있을 때에 전류가 흐르지 않고, 광을 조사했을 때에 전류가 흐르는 이상적인 자외선 수광 소자로서의 동작이 가능 해진다.

또한, 제 2 실시 형태에서는, 스트라이프 구조의 폭을 200㎚로 했지만, 이 폭은, p형층(74)의 억셉터 농도 및 언도프층(75)의 전자 농도에 따라 적절한 값으로 설정할 수 있다. 또한, 제 2 실시 형태에서는, 언도프층(75)을 이용하고 있지만, 이것은, 예컨대, Si, Ge, C 등의 다른 불순물을 의도적으로 첨가하더라도, 트랜지스터로서 동작하고, 공핍층의 넓이를 고려하여 디바이스를 제작하면, 원하는 특성의 디바이스 제작이 가능하다.

이러한 구조의 이점으로서, 멀티-채널화가 용이하기 때문에, 광을 수광하는 면적을 넓게 할 수 있어, 자외광의 수광 감도가 좋아진다. 또한, 제 2 실시 형태에서는, 사파이어 기판(71)을 예로 들어 설명하고 있지만, 기판에 관하여는, SiC, Si, ZrB₂, AlN, GaN, AlGaN 등의 GaN계 반도체가 성장할 수 있으면, 어떠한 기판을 이용하더라도 같은 효과가 실현된다.

또한, GaN계 발광 다이오드에서 널리 사용되고 있는 레이저 리프트오프 등의 기판 박리 기술을 이용하는 것이나, SiC 기판, ZrB₂기판, GaN 기판 등의 도전성을 갖는 기판을 이용하는 경우에 제 1 n형층(73)에 형성한 드레인 전극(77)을 판 박리 후의 이면 또는 기판의 이면에 형성하는 것은, 더욱 디바이스의 고성능화 및 디바이스의 실장을 쉽게 하는 기술로서 유용하다.

또한, p형층(74)에는, AlN이나 InN을 포함하는 혼합결정이라도 특성은 변하지 않고, AlN을 포함하는 것에 따라, 단파장의 광만을 선택적으로 수광 가능해지 고, 또한, InN을 포함하는 것에 따라, 가시영역에 감도를 가지는 소자를 실현할 수 있다. 마찬가지로, 제 1 n형층(73), 언도프층(75), 제 2 n형층(76) 등의 모든 층에서, AlN이나 InN을 포함하는 것에 의해서도 자외선 수광 소자가 실현가능하고, 각각의 층 중에 헤테로 접합을 갖는 것도 디바이스 특성 향상을 위해 유용하다.

제 2 실시 형태에서는, 전극 재료로서 Ni/Au 또는 Ti/Al을 이용하고 있지만, 전극 재료에 관하여는 어떠한 재료를 이용하더라도 좋고, 바람직하게는, Ti, Al, Au, Ta, W 등을 포함하는 것이 좋다. 또한, 제 2 실시 형태에 있어서, 특성을 향상시키기 위해서는, 드레인 전극(77) 및 소스 전극(79)의 부분에 높은 캐리어 밀도의 층을 이용하는 것이 유효하며, 콘택트를 취할 층에만 선택적으로 이온 주입하는 방법, 선택 성장에 의해 고농도 n형층을 형성하는 방법 및 얇은 n형층을 삽입하는 것은, 매우 효과적이다.

또한, 제 2 실시 형태에서는, 유기 금속 기상 성장법을 실시했지만, 분자선에피택시, 이온 주입법 등의 임의의 수법을 이용하여 같은 특성의 자외 수광 소자가 실현된다. 또한, 제 2 실시 형태에서는, p형층(74)을 먼저 형성하고, 그 후 재성장에 의해 원하는 구조를 얻고 있지만, 이것에 관하여는 어떠한 방법으로 실현되더라도 좋고, 선택 성장법, Mg의 이온 주입 등에 의해 n형층을 p형층으로 반전시키는 방법 등도 이용하는 것이 가능하고, 게이트층에 극성이 다른 층을 이용하고, 그것에 의해 공핍층을 발생시켜, 그것에 의하여 전류를 제어하는 구조를 갖고 있으면 좋다.

또한, 제 2 실시 형태에서는, 전류가 흐르는 채널층을 n형층으로서 제작했지 만, p형층을 채널층으로서 이용하더라도, 게이트에 n형층을 이용하면 반도체 트랜지스터를 구성할 수 있다. 또한, 제 2 실시 형태에 있어서는, 제 1 결정 성장에 있어서 p형층(74)을 제작하고, 그 후에 제 2 결정 성장에 의해 언도프층(75) 및 제 2 n형층(76)을 형성하고 있지만, 이것은, 결정 성장의 순서를 반대로 하여, 제 1 결정 성장에 있어서 언도프층(75) 및 제 2 n형층(76)을 제작하고, 제 2 결정 성장으로 p형층(74)을 형성하는 제작 방법으로 해도, 마찬가지의 특성이 얻어진다.

또한, 소자 내부에 반도체 DBR이나 유전체 다층막에 의해 광을 가두는 것에 의해 고성능화가 가능하다. 또한, 제 2 실시 형태에서는 전극 구조를 스트라이프 구조로 하여 설명하고 있지만, 이것은 어떠한 구조라도 원하는 특성이 얻어진다.

Claims

기판과,

상기 기판 상에 마련되고, GaN계 반도체로 구성된 제 1 층과,

상기 제 1 층에 접촉하고, 소스 영역, 드레인 영역 및 채널 영역을 갖도록 GaN계 반도체로 구성된, 상기 제 1 층과 동일 도전형의 제 2 층과,

상기 제 2 층에 접촉하고, 게이트 영역을 갖도록 GaN계 반도체에 의해 구성된 p형의 제 3 층

을 구비하는 것을 특징으로 하는 자외선 수광 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 층을 GaN에 의해 구성하고, 또한, 상기 제 2 층을 AlGaN에 의해 구성하여, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층이 GaN/AlGaN 헤테로 접합을 형성한 것을 특징으로 하는 자외선 수광 소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제 2 층에 도핑을 행한 것을 특징으로 하는 자외선 수광 소자.
제 3 항에 있어서,

상기 제 2 층 내에, 언도프(undope)의 스페이서층을 개재하거나, 양자우물 또는 헤테로 구조를 형성한 것을 특징으로 하는 자외선 수광 소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

광 가둠 구조(optic confinement structure)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 수광 소자.
제 5 항에 있어서,

상기 광 가둠 구조를 반도체 DBR 또는 유전체 다층막에 의해 구성한 것을 특징으로 하는 자외선 수광 소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제 1 층을 언도프 또는 1×1O¹⁸ cm^-3이하의 도핑 농도로 한 것을 특징으로 하는 자외선 수광 소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제 3 층을 1×1O¹⁶ cm^-3 이상의 억셉터 농도한 것을 특징으로 하는 자외선 수광 소자.