KR20010079856A - 반도체 수광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 GaN 계 반도체로 이루어지는 수광층(1)과, 상기 수광층의 한쪽 면을 수광면(la)으로 하고, 상기 수광면에 상기 수광층으로의 광(L)의 입사를 가능하게 하는 형태로써 설치된 전극(2)을 갖는 반도체 수광 소자이다. 해당 수광 소자가 쇼트키 장벽형인 경우에는, 상기 전극(2)은 적어도 쇼트키 전극을 포함하고 있고, 상기 수광면(1a) 중, 쇼트키 전극에 덮여진 영역과, 노출된 영역의 경계선 길이의 합계가 수광면(1a)의 바깥 둘레의 길이보다도 길게 되도록 쇼트키 전극을 설치한다. 또한, 해당 수광 소자가 광 도전형인 경우에는 상기 수광층(1)은 제1 도전형의 i층이고, 상기 전극(2)은 한쪽 극이 옴익 전극이며, 수광층(1)의 다른 쪽 면에는 직접적으로 또는 제1 도전형에서 낮은 저항의 GaN 계 반도체 층을 통해 다른 쪽 극의 옴익 전극이 설치된다.

Description

반도체 수광소자{SEMICONDUCTOR PHOTODETECTOR}

집적 회로의 고밀도화에 따라, 미세한 회로 패턴을 형성하기 위한 스테퍼(stepper; 축소 투영 노광 장치)에는 보다 높은 해상도로 보다 미세한 묘사를 행하는 능력이 요구되고 있다. 그러므로, 노광에 이용되는 레이저광은 청색광으로부터 자외선의 영역으로 변해가고 있고, 또한, 현재 이용되고 있는 248 nm 의 파장을 갖는 광(KrF 엑시머 레이저 장치)으로부터 193 nm 의 파장을 갖는 광(ArF 엑시머 레이저 장치)으로의 전환이 검토되고 있다.

상기 스테퍼에 의한 노광 공정 동안에 레이저광의 일부를 수광 소자로 받고, 출력의 변동 등을 모니터하고 있다. 수광 소자로서는 포토다이오드(PD)가 유용하다. 포토다이오드(PD)에는 Si 계 반도체 재료를 이용한 것이 있지만, 레이저광이 상기 248 nm 파장과 같은 강렬한 에너지를 갖는 광이면 Si 계의 포토다이오드(PD)에서는 열화가 현저하고, 빈번하게 새로운 것으로 교환해야 하는 상황이 발생한다.

포토다이오드(PD)에는 많은 수광 원리를 토대로 하는 것들을 포함하며, 그 중의 하나에 쇼트키 장벽형의 포토다이오드(PD)가 있다. 자외선을 수광 대상으로 삼는 쇼트키 장벽형의 포토다이오드(PD)로서는 일본 특개소 제61-91977호에 기재된발명을 들 수 있다. 이 포토다이오드(PD)는 사파이어 기판 상에 AlN 버퍼층을 통해 AlGaN 층을 성장시키고, 상기 AlGaN 층 상에 쇼트키 전극(쇼트키 장벽이 형성되도록 접합된 전극)과, 옴익(ohmic) 전극을 설치하여 포토다이오드(PD)를 구성하고 있다.

상기 공보의 포토다이오드(PD)는 도 4(b)에 도시한 바와 같이, 수광 대상으로 삼는 광(L3)을 기판측으로부터 입사시키고, 쇼트키 전극(220)의 바로 아래의 영역(반도체측으로 넓어지는 공핍층의 부분; 210b)에 도달시켜 수광하는 구조이다. 반도체 층(210)의 상부 표면(210a)에는 옴익 전극(230)이 또한 형성되어 있다. 이 포토다이오드(PD)가 광을 기판측으로부터 입사시키는 것은, 쇼트키 전극이 수광면에 대하여 큰 면적을 점유하고 있고, 광이 기판측으로 외에는 들어갈 수 없는 구조로 되어 있으므로 그 이유가 분명하다. 또한 상기 공보 자체에도 "광자가 투명한 Al₂O₃기판을 통하여 쇼트키 장벽하의 공핍 영역에 들어오면, 전자-정공의 쌍이 만들어진다." 라고 명기되어 있다.

그런데, 상기 공보의 포토다이오드(PD)에는 다음과 같은 문제점이 있다.

① 수광해야 할 광을 사파이어 기판으로부터 두꺼운 AlGaN 층을 통과시켜 쇼트키 전극의 이면에 유도하고 수광하는 구성이기 때문에, 광이 AlGaN 층에 흡수되어 감도가 저하된다. 특히, 수광해야 할 자외선의 파장이 줄어듦에 따라서, 즉, 광의 에너지가 커져 AlGaN 의 대역 갭으로부터 떨어짐에 따라서, AlGaN 층에서의 광의 흡수 계수는 급격히 커지고, 광이 쇼트키 접합에 의해서 형성되는 공핍층의 영역 또는 그 근방에 전혀 도달할 수 없는 경우도 있다.

② 상기 ① 의 이유에 의해서, 검출 가능한 광의 파장 영역이 AlGaN 의 대역 갭 근방의 좁은 범위에 한정된다. 즉, 느껴지는 파장 영역이 좁다.

또한, 포토다이오드(PD)에는 광 도전형이 있다. 광 도전형의 포토다이오드(PD)는 수광층(통상적으로, 고저항층으로 되는 반도체 결정층)에 광 여기(勵起)로 캐리어가 발생하고 상기 결정의 도전율이 변화되는 현상(광 도전 효과)을 이용하여 전류를 추출하며, 수광한 것을 검출하는 수광 소자이다.

종래의 광 도전 소자는 도 8에 도시한 바와 같이, 수광층(110)의 표면을 수광면으로 하여 그 면 상에 양ㆍ음 양극의 옴익 전극(120, 130)을 대향하여 배치한 구성으로 되어 있다. 광(L4)은 반도체 결정층(110)을 여기하고 캐리어를 발생시킬 수 있는 광으로서, 캐리어의 발생에 의해서 전극 사이의 도전율이 변화된다. 이러한 구성으로서 양 전극(120, 130) 사이에 전압을 인가해 두면, 광이 입사한 것을 전류의 변화로서 검지할 수 있다.

상기와 같은 광 도전 소자의 구조에서는 발생한 캐리어는 수광면을 따라서 전극 사이를 이동하게 된다. 본 발명자들은 이것의 문제점을 발견했다.

즉, 수광면은 문자 그대로 수광층을 형성하는 물질의 표면 또는 계면이고, 또한 항상 강렬한 에너지의 광에 접하게 되므로, 수광면과 그 표면층에는 실제 사용 중에 주위로부터 받는 오염, 입사광에 의한 반도체 표면의 열화 등, 계면인 것에 기인하는 여러 가지의 품질상의 문제가 있다. 따라서, 수광면을 따라서 캐리어가 표면층을 이동하는 종래의 소자 구조에서는 캐리어의 재결합 속도가 크게 변화되고, 검출 결과의 재현성이 낮아져 광 검출 소자로서의 신뢰성이 손상된다.

본 발명의 목적은 자외선 영역의 파장의 광에 대해서도 우수한 내성을 갖는 수광 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 자외선 영역의 파장의 광에 대해서도 우수한 내성을 갖는 것에 더하여, 새로운 구성에 의해서 종래보다 우수한 감도를 갖는 쇼트키 장벽형의 수광 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 자외선 영역의 파장의 광에 대해서도 우수한 내성을 갖는 것에 더하여, 수광면의 오염이나 열화의 영향을 감소시킬 수 있는 새로운 구조를 갖는 광 도전형의 수광 소자를 제공하는 것이다.

본 발명은 GaN 계 반도체 재료를 이용한 수광 소자에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 수광 소자(특히 쇼트키 장벽형)의 하나의 예를 도시한 도면. 도 1(a)는 수광면을 도시한 도면이며, 도 1(b)는 도 1(a)의 X-X 단면을 부분적으로 도시하는 단면도. 해칭은 전극을 식별하기 위해 제공되었다.(이하 마찬가지).

도 2는 본 발명에 따른 수광 소자의 수광면과 쇼트키 전극의 형상의 관계를 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 수광 소자(특히 쇼트키 장벽형)의 구조 예로서, 도 1(a)의 절단선 X-X와 마찬가지의 위치에서 수광 소자를 절단했을 때의 단면도.

도 4는 쇼트키 장벽의 공핍층과 광의 입사에 관해서 본 발명과 종래 예를 비교하는 도면.

도 5는 본 발명에 의한 수광 소자(특히 광 도전형)의 구조예를 도시하는 단면도. 도 5(a)는 투명 전극의 형태, 도 5(b)는 불투명 전극의 형태를 도시하는 도면.

도 6은 본 발명에 의한 수광 소자(특히 광 도전형)의 전체의 형상 예를 도시하는 사시도.

도 7은 실시예 3, 4에서 제작한 수광 소자의 수광 감도의 특성을 도시하는 그래프로서, 조사된 광의 파장과 수광 감도의 관계를 도시하는 도면. 실선으로 그린 곡선 ①은 실시예 3을 도시하고, 파선으로 그린 곡선 ②는 실시예 4를 도시하고 있다. 수광 감도를 도시하는 종축은 임의 눈금.

도 8은 종래의 광 도전형의 수광 소자의 구조를 도시하는 개략도.

본 발명의 수광 소자는 이하의 특징을 갖는 것이다.

1) GaN계 반도체로 이루어지는 수광층과 상기 수광층의 한쪽 면을 수광면으로 하고, 상기 수광면을 통한 상기 수광층으로의 광의 입사를 가능하게 하는 형태로써 설치된 전극을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 수광 소자.

2) 해당 수광 소자가 쇼트키 장벽형의 수광 소자로서, 상기 수광층이 제1 도전형 층이고, 상기 수광면에 설치된 상기 전극이 적어도 쇼트키 전극을 포함하고 있으며, 상기 수광면 중 쇼트키 전극에 덮여진 영역과 노출된 영역의 경계선의 길이의 합계가 수광면의 외주의 길이보다 긴 상기 1) 기재의 수광 소자.

3) 상기 쇼트키 전극이 띠형 도체를 조합시켜 이루어지는 배선 패턴으로서 형성된 것인 상기 2) 기재의 수광 소자.

4) 상기 띠형 도체의 띠의 폭이 0.1 μm∼2000 μm인 상기 2) 기재의 수광소자.

5) 상기 배선 패턴이 빗살형의 패턴인 상기 2) 기재의 수광 소자.

6) 상기 수광층이 결정 기판 상에 제1 도전형의 GaN 계 반도체로 이루어지는 층을 1층 이상 성장시켜 이루어지는 적층체의 최상층으로서, 옴익 전극이 수광층 이외의 층에 설치되어 있는 상기 2) 기재의 수광 소자.

7) 결정 기판이 도전성을 도시하는 재료로 이루어지는 기판으로서, 옴익 전극이 결정 기판에 설치되어 있는 상기 6) 기재의 수광 소자.

8) 해당 수광 소자가 광 도전형의 수광 소자로서, 상기 수광층이 제1 도전형의 i층이고, 상기 수광면에 설치된 상기 전극의 한쪽 극은 옴익 전극이며, 수광층의 다른 쪽 면에는 직접적으로 또는 제1 도전형에서 낮은 저항의 GaN 계 반도체 층을 통해 다른 쪽 극의 옴익 전극이 설치되어 있는 상기 1) 기재의 수광 소자.

9) 한쪽 극의 옴익 전극이 광의 입사를 가능하게 하도록 투명 전극으로 설치되어 있는 상기 8) 기재의 수광 소자.

10) 한쪽 극의 옴익 전극이 불투명한 전극으로서, 광의 입사를 가능하게 하기 위해 전극에 덮여진 전극 영역과, 전극에 덮여져 있지 않은 입사 영역이 수광면에 형성되어 있는 상기 8) 기재의 수광 소자.

11) 상기 다른 쪽 극의 옴익 전극이 제1 도전형에서 낮은 저항의 GaN 계 반도체 층을 통해 설치되는 형태로서, 결정 기판 상에 상기 낮은 저항의 GaN 계 반도체 층, 수광층이 순서대로 형성되고, 낮은 저항의 GaN 계 반도체 층의 상부 표면이 부분적으로 노출되어 있으며, 이 노출된 면에 다른 쪽 극의 옴익 전극이 설치되어있는 상기 8) 기재의 수광 소자.

12) 상기 결정 기판이 사파이어 결정 기판이고, 상기 낮은 저항의 GaN 계 반도체 층이 n⁺- GaN 계 반도체 층이며, 상기 수광층이 n^-- GaN 계 반도체 층으로서, 상기 수광면에 설치된 한쪽 극의 옴익 전극이 빗살형 전극인 상기 11) 기재의 수광 소자.

본 발명의 수광 소자는 예컨대, 도 1에 도시한 바와 같이, GaN 계 반도체로 이루어지는 수광층(1)과, 상기 수광층의 한쪽 면을 수광면(1a)으로 하여 수광면(1a)에 설치된 전극(2)을 갖는다. 전극(2)은 수광층(1)에 검출해야 할 광(L)의 입사를 가능하게 하는 형태로써 설치된다. 수광층의 재료는 GaN 계 반도체 결정을 이용한 수광 소자이므로, Si 계 반도체 재료를 이용한 종래의 포토다이오드(PD) 등과 비교하여 내자외선성이 개선된 우수한 수광 소자이다.

본 발명의 수광 소자의 구체적인 형태로서 상기 2)의 쇼트키 장벽형의 수광 소자(PD)와, 상기 8)의 광 도전형의 수광 소자(PD)를 들 수 있다.

본 발명에서 설명하는 GaN 계 반도체는 식 In_xGa_yAI_zN (0≤X≤1, 0≤Y≤1, 0≤Z≤1, X+Y+Z=1)으로 결정되는 화합물 반도체이다.

수광층에 이용되는 GaN 계 반도체는 검출 대상으로 삼는 광의 파장 범위 중의 장파장 끝의 값으로 그 최적 조성이 결정된다. 예컨대, ① 청색 영역(480 nm 부근) 및 그 보다도 짧은 파장 영역의 광을 대상으로 삼는 때에는 InGaN, ② 자외선에서도 400 nm 이하의 짧은 파장 영역의 광을 대상으로 삼는 때에는 In 조성이 적은 InGaN, ③ 365 nm 이하의 자외선만을 대상으로 삼는 때에는 GaN, AlGaN이 선택된다.

본 발명의 수광 소자가 수광의 대상으로 삼는 광은 수광층에 이용되는 GaN 계 반도체 대역 갭에서 결정되고, 적색광(파장 656 nm 부근)보다도 짧은 파장의 광이 되지만, 청색으로부터 자외선ㆍX선에 이르는 짧은 파장의 광을 대상으로 삼을 때, 본 발명의 유용성은 현저해진다. 특히, KrF 엑시머 레이저 장치로부터 발생하는 248 nm 파장의 광이나, ArF 엑시머 레이저 장치로부터 발생하는 193 nm 파장의 광 등의 자외선은 강렬한 에너지를 갖는 광이기 때문에 종래의 소자에 있어서는 문제가 많다. 이러한 자외선의 수광에 GaN 계 반도체를 이용함에 따라, 내자외선성이 개선된 우수한 수광 소자를 얻을 수 있다.

우선, 상기 2)의 형태인 쇼트키 장벽형의 수광 소자에 관해서 설명한다. 이 수광 소자는 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 도전형의 GaN 계 반도체로 이루어지는 층을 수광층(1)으로서 갖는다. L 은 검출해야 할 광이다. 상기 수광층(1)의 한쪽 면을 수광면(1a)으로 하고 상기 수광면(1a)에는 적어도 쇼트키 전극(2)이 설치된다. 이 때, 피복 영역과 노출 영역 사이의 경계선 길이의 합계[도 1(a)의 예에서는 쇼트키 전극의 외형선 전체의 총 연장]를 수광면의 바깥 둘레보다도 길게 되도록 쇼트키 전극을 형성한다.

상기 2)의 형태에서 말하는 수광면이란, 수광층의 양면 중 광을 받는 측의 전체 표면을 말한다. 이 수광면을 부분적으로 덮도록 쇼트키 전극이 설치된다. 이하, 수광면 중, 쇼트키 전극에 덮여지고 있는 영역을 "전극 영역"이라고 하고, 노출하고 있는 영역을 "노출 영역"이라고 한다.

상기 2)의 형태는 쇼트키 장벽형의 포토다이오드(PD)이다. 따라서, 쇼트키-전극뿐만 아니라, 이에 대한 다른 쪽의 전극이 수광 소자로서 기능할 수 있도록 설치된다. 이 다른 쪽의 전극은 옴익 전극인 것이 바람직하다. 옴익 전극에 관해서는 후술한다. 쇼트키 장벽을 이용한 광 검출 메커니즘 자체는 종래의 쇼트키 장벽형의 포토다이오드(PD)의 경우와 같다. n형의 수광층에 관해서 간단히 설명하면, 양 전극 사이에 역 방향의 바이어스 전압을 걸어 쇼트키 전극으로부터 수광층으로 전자가 쉽게 유입하도록 해 두고, 수광층에 광 여기로 발생한 전자의 흐름을 전류로서 검출하는 것이다.

본 발명의 중요한 특징은 도 4(a)에 도시한 바와 같이, 공핍층(1b)이 쇼트키 전극(2)의 바로 아래뿐만 아니라, 상기 전극의 주위가 약간 넓어져 돌출하고 있는 것에 착안하여 그것을 이용한 것에 있다. 전극 주위에 약간 돌출하고 있는 이 공핍층의 부분(이하 "공핍층의 돌출 부분")에는 전극의 상부 표면 측으로부터 광(L1)이 입사할 수 있다. 또한, 쇼트키 전극의 바로 아래일지라도 전극의 둘래 부근에는 광(L2)과 같이 경사 방향으로부터 입사하는 광도 존재한다. 또한, 반도체 중에 들어간 광은 회절 작용에 의해서 전극 밑의 공핍층과 상호 작용을 일으킨다.

본 발명에서는 이 공핍층의 돌출 부분이나 전극의 둘레 가장자리 바로 아래 부근의 공핍층 부분을 보다 많이 확보함으로써, 이것을 적극적으로 수광 검출에 이용하는 것이다. 그러므로, 전극 영역과 노출 영역의 경계선을 보다 길게 취하는 것이 중요하다. 본 발명에서는 쇼트키 전극을 보다 복잡한 형상으로 함으로써, 상기경계선의 길이를 수광면의 바깥 둘레의 전체 길이보다도 길게 하고, 전극의 상부 표면 측으로부터 조사되는 광을 검출하는 것을 가능하게 하고 있다.

이에 대하여, 종래의 쇼트키 장벽형의 수광 소자는 전술한 공보 및 도 4(b)에 도시한 바와 같이, 수광해야 할 광(L3)을 기판 측으로부터 입사시키고, 쇼트키 전극(220)의 이면 측에 형성되는 공핍층(210b)의 중앙부에서 받는 것이다. 즉, 종래의 것은 쇼트키 전극의 면적을 보다 크게 취하는 것이 중요하다. 종래의 쇼트키 전극에도 전극의 주위에 미량만큼 공핍층 부분이 넓어져 있지만, 전극 면적을 보다 효율적으로 크게 취하려고 하기 때문에, 전극 영역과 노출 영역의 경계선의 길이는 줄어들고, 길어봤자 수광면의 바깥 둘레 길이와 같게된다.

수광에 필요한 공핍층 폭은 쇼트키 장벽의 갭이 클수록 넓어지고, 전극 주위로의 돌출량도 많아진다. 따라서, 쇼트키 장벽의 갭이 보다 크게 얻어지도록 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 점에서 쇼트키 장벽의 갭이 커지도록 수광층의 캐리어 농도를 낮게 하고, i층으로 하는 것이 바람직하다.

상기 2)의 형태에서는 수광층에 이용되는 GaN 계 반도체의 도전형은 제1 도전형(즉, p형 또는 n형 중 어느 하나)이면 좋지만, 불순물 농도의 제어성, 전극 형성의 용이성의 점에서 n형으로 하는 것이 바람직하다.

이하, 수광층을 n형으로 하는 형태를 이용하여 상기 2)의 형태를 설명한다.

쇼트키 전극이란 금속과 반도체의 접합에 의해서 쇼트키 장벽이라고 불리는 전위 장벽이 생긴 상태의 전극을 말한다. 이 전극은 예컨대, 산업 도서(초판 제3쇄) 164 페이지에 기재되어 있으며, (난니치 야스오 등이 번역한) S. M. Sze 가 저술한 "반도체 디바이스"에 기술되었으며, 금속과 반도체 접점부의 에너지 대역 도면에서 특징지어지는 금속으로 형성된다. 쇼트키 장벽의 높이(qΦ)는 금속의 일의 함수(Φ_m)와 반도체의 전자 친화력(X)의 차이이므로 qΦ = q(Φ_m- X)이며, Φ_m이 비교적 큰 재료가 요구된다.

쇼트키 전극의 재료로서는 Au, Pt, Ti, W, Ni, Pd 등을 들 수 있다. 또한, 이들의 재료를 조합하여 이용할 수도 있다.

쇼트키 전극을 상부 표면 측에서 보았을 때의 상기 전극의 형상은 상기 작용의 설명에서 진술한 바와 같이, 상기 전극의 상부 표면 측으로부터의 광만이라도 수광을 검출할 수 있는 정도로 길게 되는 형상이면 된다. 이를 단순한 모델을 예로 들어 다음에 설명한다.

도 2는 수광면을 한 변의 길이가 a 인 정사각형으로 한 경우의 쇼트키 전극의 형상을 도시한 도면이다. 전극의 형상은 빗살의 수가 세 개인 빗살형의 배선 패턴이다. 빗살형 전체로서의 종횡의 치수를 0.8a ×0.8a로 하고 빗살형을 구성하고 있는 띠형 도체의 폭을 0.2a 라고 하면, 전극 영역과 노출 영역의 경계선 길이의 합계는 5.6a 가 되고 수광면의 바깥 둘레 길이 4a 의 1.4 배가 된다.

도 1과 같이, 빗살의 수를 8개로 하고 띠형 도체(전극 재료)의 폭을 0.1a라고 하면, 경계선의 길이의 합계는 약 13a 가 되고 수광면의 바깥 둘레 길이의 약 3 배가 된다.

쇼트키 전극의 형상을 도 1, 도 2에 도시한 바와 같은 빗살형의 배선 패턴으로 하는 경우, 빗살의 이에 상당하는 부분은 띠형 도체가 평행하게 나열한 줄무늬형을 나타내게 된다. 소자의 규모나, 배치 환경(광의 강도 등)에도 의하지만, 빗살의 이에 상당하는 부분의 띠형 도체의 폭을 0.1 μm∼2000 μm로 하고, 도체 사이의 간극의 폭을 0.1 μm∼1OOO μm로 하는 것이 바람직하다.

쇼트키 전극이 상기 빗살형 전극과 같이, 띠형 도체를 평행하게 나열한 줄무늬형을 나타내는 경우, 도체 사이의 간극이 클수록 수광 감도가 커진다.

수광층의 재료에, 예컨대 GaN 을 이용한 경우, 인접한 띠형 도체로부터 서로의 간극으로 돌출되어 있는 공핍층의 폭의 합은 0.1 μm∼수십 μm 정도이며, 띠형 도체의 폭은 이 값을 고려하여 결정하는 것이 바람직하다. 또한, 띠형 도체의 폭은 지나치게 작으면 전극의 저항이 커져 버린다. 띠형 도체의 폭과 도체 사이의 간극의 폭의 비는 띠형 도체의 폭/도체 사이의 간극의 폭 ≤ 1 정도로 하는 것이 좋다.

또한, 도체 사이의 간극의 폭은 상기 범위 중에서도 공핍층의 두께와 동일한 값∼공핍층의 두께의 2배 정도로 함으로써 공핍층의 돌출 부분이 도체 사이의 간극을 덮고, 더욱 바람직하게 오버랩한다. 이러한 상태로 함으로써 수광층 밑층의 도전층에 공핍층이 도달한 상태에서, 더욱이 수광면 전체가 공핍층으로 채워지기 때문에 수광 효율이 좋다.

역바이어스 전압을 인가하면 공핍층의 두께·돌출량은 넓어지기 때문에, 역바이어스 전압을 인가하여 수광하는 경우는 역바이어스 전압의 인가로 넓어진 공핍층의 두께에 대하여 도체 사이의 간극의 폭을 결정하는 것이 좋다.

쇼트키 전극의 형상은 상기 빗살형 이외에도, 띠형 도체를 임의로 조합하여 이루어지는 배선 패턴이라도 좋다. 예컨대, 띠형 도체가 직사각형파와 같이 사행하는 패턴이나, 격자형으로 교차하는 패턴 등을 들 수 있다. 띠형 도체의 띠의 폭은 상기 빗살형의 경우와 마찬가지로 0.1 μm∼2000 μm로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기한 패턴 이외에도, 임의의 형상의 개구를 노출 영역으로서 갖는 형태라도 좋다. 개구의 수가 많을수록 전극 영역과 노출 영역의 경계선의 길이의 합계는 증대한다.

본 발명에 의한 상기 2)의 수광 소자는, 일반적인 반도체 발광 소자와 마찬가지로 결정 기판 상에 GaN 계 반도체의 층을 결정 성장시켜 이루어지는 적층체로서 구성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 수광층은 적층체의 최상층에 위치한다. 이 적층체의 구조 및 쇼트키 전극과 옴익 전극의 위치 관계를 도 3에 예시한다.

도 3(a)의 예에서는 결정 기판(5) 상에 버퍼층(6)을 통해 n형 GaN 계 반도체로 이루어지는 수광층(1)을 결정 성장시키고 있고, 옴익 전극은 쇼트키 전극과 동일한 수광면에 설치되어 있다.

도 3(b)의 예에서는 옴익 전극을 설치하기 위한 n형 GaN 계 반도체 층(4)이 수광층과는 별도로 설치되어 있다. 이러한 형태는 쇼트키 전극, 옴익 전극의 각각에 알맞은 캐리어 농도를 따로따로 설정하는 것이 용이하기 때문에 바람직한 형태이다. 옴익 전극은 층(4)의 상부 표면에 설치되지만, 평면적인 배치 패턴으로서는 수광층의 주위 전체를 둘러싸도록 설치해도 좋다.

도 3(c)의 예에서 결정 기판은 도전성 재료로 이루어지는 기판으로서, 옴익 전극이 결정 기판에 설치된 예이다.

옴익 전극이란, 금속-반도체의 접촉이 (인가하는 전압의 방향에 관계없이)정류 특성을 나타내지 않고, 접촉 저항이 거의 무시할 수 있는 상태의 것으로서, 예컨대, 산업 도서(초판 제3쇄, 163, 174 페이지)에 기재되어 있으며, (난니치 야스오 등이 번역하고) S. M. Sze 가 저술한 "반도체 디바이스"에 기술되어있는 것을 참조한다. 고농도로 도핑된 반도체와 금속의 접촉은 형성되는 공핍층 폭이 현저히 좁아지고, 터널 전류가 흐르기 쉽게 되기 때문에 옴익 전극이 쉽게 만들어진다.

옴익 전극의 재료(적층체의 경우에는 상부측의 재료/하부측의 재료라 표기함)로서는, A1/Ti, Au/Ti, Ti, A1 등을 들 수 있다. 또한, 이들의 재료를 조합시켜 이용할 수도 있다.

또한, 쇼트키 전극측이 역바이어스 되도록 전압이 인가되기 때문에, 옴익 전극측이 쇼트키 장벽을 가지고 있어도 큰 문제가 되지 않는다. 이것은 양전극을 쇼트키 전극으로 형성하고 있어도, 수광면의 전극에 역바이어스 전압을 인가하여 사용하는 경우, 또 한쪽의 전극에는 순바이어스 상태가 되므로, 결과적으로 옴익 전극과 동등한 기능을 하는 것을 의미하고 있다.

결정 기판은 GaN 계 반도체가 결정 성장 가능한 것이면 좋고, 사파이어, 수정, SiC 등이나, GaN 계 반도체 결정을 들 수 있다.

결정 기판을 절연체로 하면 사파이어의 C면, A면, 특히 C면 사파이어 기판이 바람직하다. 또한, 결정 기판이 도전성을 필요로 하면, 6H-SiC 기판이나, GaN 계 반도체 결정이 바람직하다. 또한, 도 3(a)와 같이, 사파이어 결정 기판 등의 표면에 GaN계 반도체 결정과의 격자 정수나 열팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 ZnO, MgO, AlN 등의 버퍼층을 설치한 적층체를 기판으로 간주해도 좋고, 또한 나아가서GaN 계 반도체 결정의 박막을 갖는 것이라도 좋다.

다음에, 상기 8)의 형태인 광 도전형의 수광 소자에 관해서 설명한다. 이 수광 소자는 도 5(a), (b)에 도시한 바와 같이, GaN 계 반도체로 이루어지는 제1 도전형(본 도면에서는 n형)의 i층을 수광층(1O)으로서 갖는다. 수광층(1O)의 한쪽 면은 광(L)이 입사하는 수광면(10a)이다. 수광면(10a)에는 한쪽 극의 옴익 전극(20)이 설치된다. 상기 옴익 전극(20)은 광(L)이 입사할 수 있는 형태로써 형성된다. 또한, 수광층의 다른 쪽 면(10b)에는 수광층과 동일한 도전형에서 낮은 저항의 GaN 계 반도체 층(40)을 통해 다른 쪽 극의 옴익 전극(30)이 설치되고 있고, 광 도전 소자를 구성하고 있다. 다른 쪽 극의 옴익 전극(30)은 수광층의 다른 쪽 면(10b)에 직접 설치될 수도 있다. 이하, 다른 쪽 극의 옴익 전극을 설치하기 위한 GaN 계 반도체 층(40)을 단순히 "컨택트층" 이라고도 부른다.

i층이란, 저농도층의 총칭으로서, n형 저농도층(ν층이라고 불리고 n^-라고 쓰여짐), 또는 p형 저농도층(π층이라고 불리고 p^-라고 쓰여짐)을 의미한다.

상기 8)의 형태인 광 도전형의 수광 소자의 수신 광을 검출하기 위한 기본적인 메커니즘에 관해서는 종래의 기술에서 설명한 것과 마찬가지이며, 광 도전 효과를 이용하여 전류를 추출하고 수광한 것을 검출하는 것이다.

상기 8)의 수광 소자의 중요한 특징은, 수광층의 수광면 상에는 한 쪽 극의 옴익 전극만이 설치되고, 다른 쪽 극의 옴익 전극은 수광면의 이면에 직접 또는 다른 결정층(수광층과 동일한 도전형의 고농도층)을 통해 설치되는 구성으로 되어 있는 점이다. 이 구성에 의해서, 광의 입사에 의해서 수광층에 생긴 캐리어는 수광면을 따라서 표면층만을 이동하는 것은 아니고, 수광층의 두께 방향으로 이동한다. 즉, 캐리어의 이동 경로에 대하여 표면층 부분이 차지하는 비율이 적어지며, 반대로, 고품질인 상태의 심층 부분이 차지하는 비율이 많아지기 때문에 캐리어의 재결합 시간은 보다 안정된다.

수광층의 도전형은 제 1도전형(즉, p형 또는 n형 중 어느 하나)이면 좋지만, 암전류를 내려 S/N비를 향상시키는 점에서 n형 저농도층(ν층) 또는 i층으로 하는 것이 바람직하다. 수광층(i층)의 캐리어 농도는 1 ×1O¹³cm^-3이하이면 좋다. 하한으로서는 1 ×1O¹³cm^-3정도를 들 수 있다.

수광층의 두께는 한정되지 않지만, 공핍층의 두께 이상의 두께로 하는 것이 바람직하고, 광 흡수에 의해서 층 전체에 캐리어를 발생시킬 필요가 있으므로 0.1 μm∼5 μm 정도가 바람직하다.

수광층의 재료는 GaN 계 반도체이면 좋지만, 365 nm 보다 파장이 긴 광에 대해서는 InGaN 이 바람직하고, 365 nm 보다 파장이 짧은 자외선에 대해서는 GaN 또는 AlGaN 이 바람직하다.

양전극은 광 도전 효과에 의한 저항의 변동을 보다 고감도로 검출하기 때문에 옴익 전극이다.

수광면에 형성되는 옴익 전극은 광이 수광층에 입사할 수 있도록 형성된다. 이러한 전극으로서는, 예컨대, 도 5(a)에 도시한 바와 같은 투명 전극을 들 수 있다. 또한, 도 5(b)에 도시한 바와 같이, 불투명한 전극이라도 수광면(10a)에 전극에 덮여져 있지 않은 입사 영역을 설치하여 광(L)의 입사량을 필요량 이상 확보하고, 입사 영역과 전극에 덮여진 전극 영역과 밸런스를 고려하면 된다.

수광면에 설치되는 옴익 전극은 수광층이 n형 저농도층인 경우, 투명 전극으로서 Au(두께 50 nm)/Ti(두께 100 nm) 등을 들 수 있고, 불투명 전극으로서 Au(두께 1 μm)/Ti(두께 100 nm) 등을 들 수 있다. 또한, 수광층이 p형 저농도층인 경우, 투명 전극으로서 Au(두께 50 nm)/Ni(두께 100 nm) 등을 들 수 있고, 불투명 전극으로서 Au(두께 500 nm/Ni(두께 100 nm), A1, Ti 등을 들 수 있다. 상기 전극의 두께, 특히 불투명 전극의 두께는 단지 일례일 뿐이며, 이것에 한정되는 것은 아니다.

여기서, 캐리어 농도가 낮은 경우, 옴 컨택트를 취하기 어려운 현실적인 문제가 있다. 이것을 해결하기 위해서는 옴 컨택트를 취하기 위한 층(옴 컨택트용층이라고 부름)으로서, 자유 전자(또는 정공) 농도 1 ×1O¹⁸cm^-3, 두께 1O nm∼5O nm 정도의 층을 수광층과 전극 사이에 넣는 것이 바람직하다. 종래와 같이 수광면 상에 한 쌍의 전극이 형성되고 수광면을 따라서 전류가 흐르는 타입에서는 옴 컨택트용 층을 전극 사이에서 절단 분리해야 하지만, 본 발명에서는 이러한 층이 설치된 채로 가능하다.

수광면에 설치되는 옴익 전극의 형성 패턴은 투명 전극의 경우에는, 수광면의 일부 또는 전체 면에 형성될 수 있다. 또한, 불투명 전극의 경우에는 전극에 덮여진 전극 영역과, 전극에 덮여져 있지 않은 입사 영역을 형성한다. 예컨대, 빗살형이나 격자형 등의 전극 패턴을 들 수 있다.

다른 쪽의 옴익 전극은 상기한 바와 같이, 수광층의 이면에 직접 설치하거나 또는 컨택트층을 통해 설치한다. 얇은 수광층을 보충하는 점에서는 후자의 형태가 바람직하고, 또한 그 경우에도, 도 5(a), (b)와 같이 최초의 기초가 되는 결정 기판(50) 상에 컨택트층(40), 수광층(10)을 순서대로 성장시킨 적층체로 하는 것이 바람직하다. 결정 기판과 컨택트층 사이에는 필요에 따라서 또 다른 GaN 계 반도체 층을 설치할 수 있다. 결정 기판(50)이 사파이어 기판과 같은 절연체이면, 도 5와 같이 컨택트층(40)의 상부 측의 표면을 노출시키고, 그 노출면에 다른 쪽의 옴익 전극을 설치하는 것이 바람직한 형태이다.

컨택트층은 수광층과 동일한 도전형으로 하고, 낮은 저항, 즉, 캐리어 농도를 1 ×1O¹⁷cm^-3이상으로 하는 것이 바람직하다. 캐리어 농도의 상한은 1 ×1O¹⁹cm^-3정도를 들 수 있다.

컨택트층의 두께는 수광층의 결정성을 확보하기 위하여 1.0 μm∼5.0 μm 정도로 하는 것이 바람직하다.

수광층과 컨택트층의 재료의 조합예는 많지만, 표기예(수광층의 재료/컨택트층의 재료)를 들면, (n^--GaN / n⁺-GaN), (n^--AlGaN / n⁺-GaN), (n^--AlGaN / n⁺-AlGaN), (n^--InGaN / n⁺-GaN), (n^--GaN / n⁺-AlGaN) 등을 들 수 있다.

도 3(b), 도 5에 도시하는 형태의 경우, 소자 전체의 형상은 직방체나 원주를 도 6(a)와 같이 한 방향으로만 계단형이 되도록 조합한 형상이라도, 도 6(b)와 같이 전 방향으로 계단형이 되도록 조합한 형상이라도 가능하고, 제조가 용이한 점이나, 특성상 바람직한 점 등으로 적절하게 선택할 수 있다. 또한, 도 6(b)의 경우에는 컨택트층(40) 상면에 설치하는 전극(30)은 소자의 바깥 둘레를 둘러싸도록 설치하거나 또는 부분적으로 설치할 수 있다.

이하에, 실시예를 예시하고, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예 1

본 실시예에서는 상기 2)의 쇼트키 장벽형의 포토다이오드(PD)를 제작했다. 수광면에 설치하는 쇼트키 전극의 형상을 빗살형의 배선 패턴으로 하고, 쇼트키 전극과 옴익 전극을 함께 수광면 상에 설치하는 형태로 구성됐다.

도 3(a)에 도시한 바와 같이, C면 사파이어 기판(5) 상에 GaN 버퍼층(6)을 통해 n형 AlGaN 층(수광층; 1)을 성장시켰다. AlGaN 층은 대역 갭이 약 3.67 eV 가 되는 조성비이며, 두께 3 μm, 수광면의 바깥 둘레 형상은 5 mm ×5 mm 의 정사각형, 캐리어 농도는 1 ×1O¹⁷cm^-3이다.

수광면의 정사각형 중, 5 mm ×4840 μm의 사각형 영역 내에 빗살형의 패턴의 쇼트키 전극을 설치하고, 남는 영역 내에 사각형의 옴익 전극을 설치하여 대향시켰다.

쇼트키 전극은 두께 500 nm 의 Au 로 이루어지고, 빗살의 수가 500개인 빗살형의 패턴으로 했다. 이 때 전극 영역과 노출 영역의 경계선 길이의 합계는 수광면의 바깥 둘레의 약 230배였다.

옴익 전극은 수광면 상에 Ti층, Al층의 순서로 형성했다.

양전극 사이에 5 V의 역바이어스를 건 상태에서, 수광면에 대하여 수직한 방향으로부터 여러 가지의 파장의 광을 조사하고 수광의 성능을 조사한 바, 약 340 nm 이하의 자외선에 대하여 감도가 있는 것을 알았다. 340 nm 이하의 파장 영역에 관해서는, 종래와 같이 기판측으로부터 광을 입사시키고 있었던 경우에 문제가 되는 AlGaN 의 광흡수 특성이 본 발명에서는 반대로 그대로 수광 감도에 기여하는 것이 되기 때문에, 단조로운 특성이 되었다. 또한, 340 nm 보다도 긴 파장 영역에 관해서는, 광을 흡수하지 않기 때문에 소자의 온도가 오르는 일도 적고 전혀 감도가 없었다.

실시예 2

본 실시예에서는 상기 2)의 쇼트키 장벽형의 포토다이오드(PD)의 다른 형태를 제작했다. 쇼트키 전극의 형상을 빗살형의 배선 패턴으로 하고, 옴익 전극을 n형 반도체로 이루어지는 결정 기판에 설치했다.

도 3(c)에 도시한 바와 같이, n형 GaN 결정 기판(5) 상에 n형 InGaN 층(수광층; 1)을 성장시켰다. InGaN 층은 대역 갭이 약 2.93 eV 가 되는 조성비이며, 두께 5 μm, 수광면의 바깥 둘레 형상은 1 mm × 1 mm 의 정사각형, 캐리어 농도는 1 ×1O¹⁸cm^-3이다.

쇼트키 전극은 두께 20 nm 의 Au 로 이루어지고 빗살의 수가 200개인 빗살형의 패턴으로서, 전극 영역과 노출 영역의 경계선의 길이의 합계는 수광면의 바깥 둘레의 약 86배였다.

옴익 전극은 n형 GaN 결정 기판(5)의 이면에 Ti층, Al층의 순서로 형성했다.

양전극 사이에 3 V 의 역바이어스를 건 상태에서 실시예 1과 마찬가지로 수광의 성능을 조사한 바, 약 425 nm 이하의 자외선에 대하여 감도가 있는 것을 알았다. 425 nm 이하의 파장 영역에 관해서는 실시예 1과 마찬가지로 단조로운 특성이고, 또한, 425 nm 보다도 긴 파장 영역에 관해서도 전혀 감도가 없었다.

실시예 3

본 실시예에서는 도 5(a)에 도시하는 전극의 형태와, 도 6(b)에 도시하는 소자의 형상을 갖는 상기 8)의 광 도전형의 수광 소자를 제작했다.

사파이어 C면 기판(50) 상에 GaN 버퍼층(도시하지 않음)을 통해 n-GaN 층(두께 3 μm, 불순물 Si, 캐리어 농도 1 ×10¹⁸cm^-3)을 성장시켜 컨택트층(40)으로 하고, 그 위에 n^--GaN층(두께 3 μm, 불순물 Si, 캐리어 농도 1 × 1O¹⁵cm^-3)을 성장시켜 수광층(10)으로 하며, 또한, n^--GaN층(두께 50 nm, 불순물 Si, 캐리어 농도 1 ×10¹⁸cm^-3)을 성장시켜 옴 컨택트용 층(도시하지 않음)으로 했다.

수광면(1Oa) 상에 옴 컨택트용 층을 통해 투명 옴익 전극(20), Al(두께 50 nm)/Ti(두께 50nm)을 형성하고, 중앙부를 남기고 바깥 둘레 가장자리를 RIE에 의해서 깊이 2.2 μm 만큼 에칭하여 컨택트층(40)을 노출시키며, 노출면 상에 옴익 전극(30)으로서 Al(두께 500 nm)/Ti(두께 1O nm)을 형성하여 광 도전형의 수광 소자를 얻었다.

수광해야 할 광(L)으로서 450 nm 보다 짧은 여러 가지의 파장의 광을 조사하고 수광 감도를 조사한 바, 도 7의 그래프에 실선으로 그린 곡선 ①로 도시한 바와 같이, 365 nm 부근에서부터 상승하고, 그 이하의 짧은 파장의 광에 대해서는 단조로운 특성을 갖는 것을 알았다.

실시예 4

본 실시예에서는 수광층의 재료를 Al_0.1Ga_0.9N 으로 하고, 수광층 상에 설치하는 옴익 전극의 형태를 도 5(b)에 도시하는 불투명 전극(20)으로 한 이외에는 실시예 3과 마찬가지로 상기 8)의 광 도전형의 수광 소자를 제작했다.

수광층(10) 상의 옴익 전극(20)은 Al(두께 0.5 μm)/Ti(두께 0.1 μm)로 했다. 또한, 수광면(10a) 상에 그려진 전극(20)의 패턴은 한 개의 띠형 도체를 본선으로 하여 거기로부터 다수의 띠형 도체를 분지한 "빗살형" 전극으로 했다.

실시예 3과 마찬가지로 수광 감도를 조사한 바, 도 7의 그래프에 파선으로 그린 곡선 ②로 도시한 바와 같이, 340 nm 부근에서부터 상승하고, 그 이하의 짧은 파장의 광에 대하여 단조로운 특성을 갖는 것을 알았다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 수광 소자는 GaN 계 반도체를 이용하고 있기 때문에 자외선에 대하여 우수한 내성을 갖는다.

또한, 상기 2)의 형태인 쇼트키 장벽형의 수광 소자에서는, 쇼트키 장벽형이고 불투명한 전극을 이용한 것이면서 쇼트키 전극의 상부 표면 측으로부터의 광을 수광하는 구조이다. 그러므로, 수광해야 할 광은 GaN 계 반도체로 이루어지는 층을 통과하는 일없이, 또한 전극 측으로부터의 입사되며 직접적으로 공핍층에 입사할 수 있다. 이에 의해서, 청색∼자외 영역의 파장의 광에 대해서도 우수한 감도를 갖게 되고, 특히, 파장이 줄어들어도 감도가 감소하는 일이 없다.

또한, 상기 8)의 형태인 광 도전형의 수광 소자에서는 발생한 캐리어가 수광층의 두께 방향으로 이동하는 구조이므로, 수광면 부근의 오염이나 열화 등의 결정 상태가 감도에 대하여 큰 영향을 주지 않는다.

본 출원은 일본에서 출원된 평성 10년 특허원 제265506호 및 평성 10년 특허원 제265516호를 토대로 하며, 이 참조 문헌의 내용은 본 명세서에 모두 포함된다.

Claims (12)

1. 반도체 수광 소자에 있어서,

   GaN 계 반도체로 이루어지는 수광층과,

   상기 수광층의 한쪽 면을 수광면으로 하고, 상기 수광면에 상기 수광층으로의 광 입사를 가능하게 하는 형태로써 설치된 전극을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 수광 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 수광 소자는 쇼트키 장벽형의 수광 소자이고, 상기 수광층이 제1 도전형의 층이고, 상기 수광면에 설치된 상기 전극이 적어도 쇼트키 전극을 포함하고 있으며, 상기 수광면 중 상기 쇼트키 전극에 덮여진 영역과 노출된 영역의 경계선의 길이의 합계가 상기 수광면의 바깥 둘레의 길이보다도 긴 것인 반도체 수광 소자.
3. 제2항에 있어서, 상기 쇼트키 전극은 띠형 도체를 조합시켜 이루어지는 배선 패턴으로서 형성된 것인 반도체 수광 소자.
4. 제2항에 있어서, 상기 띠형 도체의 띠의 폭이 0.1 μm∼2000 μm 인 반도체 수광 소자.
5. 제2항에 있어서, 상기 배선 패턴은 빗살형의 패턴인 반도체 수광 소자.
6. 제2항에 있어서, 상기 수광층은 결정 기판 상에 제1 도전형의 GaN 계 반도체로 이루어지는 층을 1층 이상 성장시켜 이루어지는 적층체의 최상층이고, 옴익(ohmic) 전극이 상기 수광층 이외의 층에 설치되어 있는 것인 반도체 수광 소자.
7. 제6항에 있어서, 상기 결정 기판은 도전성을 나타내는 재료로 이루어지는 기판이고, 상기 옴익 전극이 결정 기판에 설치되어 있는 것인 반도체 수광 소자.
8. 제1항에 있어서, 상기 수광 소자는 광 도전형의 수광 소자이고, 상기 수광층은 제1 도전형의 i층이고, 상기 수광면에 설치된 상기 전극이 한쪽 극의 옴익 전극이며, 상기 수광층의 다른 쪽 면에는 직접적으로 또는, 제1 도전형에서 낮은 저항의 GaN 계 반도체 층을 통해 다른 쪽 극의 옴익 전극이 설치되어 있는 것인 반도체 수광 소자.
9. 제8항에 있어서, 상기 한쪽 극의 옴익 전극은 광의 입사를 가능하게 하도록 투명 전극으로서 설치되어 있는 것인 반도체 수광 소자.
10. 제8항에 있어서, 상기 한쪽 극의 옴익 전극은 불투명한 전극이고, 광 입사를가능하게 하도록 전극으로 덮여진 전극 영역과, 전극으로 덮여져 있지 않은 입사 영역을 상기 수광면에 형성하고 있는 것인 반도체 수광 소자.
11. 제8항에 있어서, 상기 다른 쪽 극의 옴익 전극은 제1 도전형에서 낮은 저항의 GaN 계 반도체 층을 통해 설치되는 형태이고, 결정 기판 상에 상기 낮은 저항의 GaN 계 반도체 층 및 수광층이 순서대로 형성되고, 낮은 저항의 GaN 계 반도체 층의 상부측 표면이 부분적으로 노출되어 있으며, 이 노출된 표면에 다른 쪽 극의 옴익 전극이 설치되어 있는 것인 반도체 수광 소자.
12. 제11항에 있어서, 상기 결정 기판은 사파이어 결정 기판이고, 상기 낮은 저항의 GaN 계 반도체 층은 n⁺-GaN 계 반도체 층이며, 상기 수광층은 n^--GaN 계 반도체 층이고, 상기 수광면에 설치된 한쪽 극의 옴익 전극은 빗살형 전극인 것인 수광 소자.