TW445655B - Semiconductor light receiving device - Google Patents

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Kazuyuki Tadatomo
Hiroaki Okagawa
Youichiro Ouchi
Masahiro Koto
Kazumasa Hiramatsu
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Mitsubishi Cable Ind Ltd
Nippon Kogaku Kk
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Description

及 44565 A7 B7
煩請委員明示P年4月味日所提之 修正^44^無變更實質^.二"否准予修土。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（1 ) [技術領域] 本發明係為有關於使用GaN系半導體材料的受光元件 之創作。 [背景技術] 隨著積體電路的高密度化，用以形成此微細電路之型 樣（pattern)而使用的縮小投影曝光裝置（stepper)，係被要 求具有以更间解像度來進行更微細的描畫能力。因此，使 用於曝光之用的雷射光係由藍色光轉移至紫外線領域的短 波長’而且’亦檢討著現在正使用的248nm波長的光（KrF 準分子雷射（excimer laser)裝置）是否變換至波長193ηπι的 光（ArF準分子雷射裝置）的情形。 在上述之縮小投影曝光裝置的曝光工程中，係以受光 元件承受雷射光的一部分’並監視著輪出的變動。而作為 該受光元件而言，使用光電二極想（photodiode PD)較有 效。在PD上雖有使用Si系半導體材料者，但若雷射光係 具有如上述之248nm的強烈能量的光，則si系的PD會 明顯的惡化，造成必須常常更換新品的情形。 PD中有多種依據受光原理的元件，其中，有一種係 肖特基障（Schottky barrier)型的PD。作為以紫外線為受光 對象的肖特基障型的PD而言，可例舉特開昭61-91977號 公報所記載之發明。該PD係在藍寶石（Sapphire)基板上， 中介A1N緩衝層而生成AlGaN層’且在該AlGaN層上， 設置有肖特基電極（按可形成肖特基障型之方式予以結合的 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1(修正頁) 310843 445655 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 電極）和歐姆電極以構成PD。 上述公報之PD’如第4圖（b)所示，係一種使作為受 光對象的光L3自基板側入射，並到達肖特基電極220的 正下方的領域（擴張至半導趙側的空乏層（depletion layer 的部份）2106以便受光的構造。在半導體層210的上面210a 亦形成有歐姆電極230。該PD係令光自基板側入射者，此 事實可由肖特基電極對受光面，佔有較大面積，並在構造 上形成為光只能自基板側入射之事實而明瞭。另在該公報 内亦明記有「當光子（photon)經過透明的A1203基板而進入 肖特基障下的空乏領域之際，即可作成電子一電洞對 (electron-hole pair)」° 然而’在上述公報的PD，係有如下的問題點。 (1) 由於係一種將應受光的光自藍寶石基板通過厚的 AlGaN層而導入至肖特基電極的背面來受光，故光將被 AlGaN層所吸收’而感度即下降。特別是隨著應受光的紫 外線波長變短’亦即’隨著光的能量變大而自AlGaN的能 帶隙（band gap)脫離’在AlGaN層的光的吸收係數則急劇 地變大’以致光亦有全然無法到達由肖特基接合而形成的 空乏層領域或其近傍的情形發生。 (2) 根據上述（1)的理由’可檢測的光的波長域將被限制 於AlGaN的能帶隙近傍的狹窄範圍。亦即，有感度的波長 域較為狹窄 此外’ PD中有光導電型者。光導電型PD係—種利用 在^:光層（一般形成為高電阻層的半導體結晶層）由於光激 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 κ 297公釐） 310843 I 0,--------1--裝---— — — — — 訂·1-!1--絲 (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 445 65 5
五、發明巧明（3 ) 勵產生載子而該結晶的導電率起變化之現象（光導電效應） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 以取出電流，且檢測經已受光之狀態的受光元件。 習知之光導電元件，如第8圖所示，係作成為一種以 受光層110表面為受光面而在該表面上按相對向方式配置 有正負電極的歐姆電極12〇、13〇的構成。& L4係一種能 激勵半導體結晶層11〇以產生載子而得的光，並藉由截子 的產生而變化電極間的導電率d在如此構成下如施加電 壓於兩電極120、13〇之間，即能以電流的變化而檢知光的 入射情形。 如上述之光導電元件的構造中，所產生的載子將沿著 受光面而移動於電極之間。本案申請人則對此情形，發現 了問題所在。 亦即，受光面就如同字面上的意思，為形成受光層的 物質表面或界面，而且常為強烈能量的光所照射，故在受 光面和其表層上，有緣自於界面的關係而在實際使用中來 自週遭的污染，因入射光引起之半導體表面的劣化等的種 種質上的問題的存在。是故，在沿著受光面載子移動於 表層的習知技術的元件構造當中，載子的再結合速度將有 極大的變化，且檢測結果的複製率降低’以致有損於作為 光檢測元件所應具有的可靠性》 本發明之目的’係提供一種對於紫外線域之波長的光 亦具有優異耐性的受光元件。 本發明之另一目的，係除了對紫外線域之波長的光具 有優異耐性之外’亦藉由新的構成提供一種具有較習用者 --------!Γ I 裝！！—，訂J—-· i — <請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 3 310843 445 65 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（4 ) 更優異感度的肖特基障型的受光元件。 本發明之另外目的，係除了對紫外線域之波長的光具 有優異对性之外’亦提供一種具有能減輕受光面的污染或 劣化的影響的新構造的光導電型的受光元件。 [發明之揭示] 本發明之受光元件’為具有如下之特徵者。 (1) 一種半導體受光元件，其特徵為具有由GaN系半 導艘而成之受光層’及以該受光層的一側面作為受光面， 且在該受光面上按能使對該受光層的光入射之方式設置之 電極。 (2) 上述（1)所記載的受光元件中，該受光元件為肖特基 障型的受光元件，上述受光層為第丨導電型層，設置於上 述受光面上的上述電極至少含有肖特基電極，而該受光面 中’肖特基電極所覆蓋的領域與露出的領域之間的境界線 的長度之合計為較受光面的外周長度為長者。 (3) 上述（2)所記載的受光元件_，上述肖特基電極係一 種作為組合帶狀導體而成的配線型樣（pattern)而形成者。 (4) 上述（2)所記載之受光元件令，上述帶狀導體的帶的 寬幅為0_1"ηι至2000#ηι者。 (5) 上述（2)所記栽之受光元件中，上述配線型樣為梳子 形的型樣者。 (6) 上述（2)所記載之受光元件中，上述受光層為在結晶 基板上由第一導電型GaN系半導體而成之層成長丨層以上 而形成之積層體的最上層，而歐姆電極為設置於受光層以 — — — — — — III I— If ^ - I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂_ %·· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2]〇 χ 2耵公釐） 4 310843
I
445 65 5 A7 _____B7__ 五、發明說明（5 ) 外的層者。 (7) 上述（6)所記載之受光元件令’結晶基板為由顯示導 電性材料而成之基板’而歐姆電極設置於結晶基板者。 (8) 上述（1)所記載之受光元件中，該受光元件係一種光 導電型的受光元件，上述受光層為第1導電型i層、設置 於上述受光面的上述電極為一端電極的歐姆電極，而在受 光層的另一側面上’按直接或經由第一導電型且低電阻的 GaN系半導體層之方式設置有另一側電極的歐姆者。 (9) 上述（8)所記載之受光元件中，—側電極的歐姆電極 為按能使光入射之方式作為透明電極而設置者。 (10) 上述（8)所記載之受光元件中’一側電極的歐姆電 極為不透明電極，按能使光入射之方式，在受光面，形成 有為電極所覆蓋的電極領域和不為電極所覆蓋的入射領域 者。 (11) 上述（8)所記載之受光元件中，上述另一側電極的 歐姆電極為中介第1導電型且低電阻的GaN系半導體層而 設置之形態，而在結晶基板上依序形成有前述低電阻的
GaN系半導體層及受光層，而低電阻的GaN系半導體層的 上侧面有部份性的露出，而在該露出的面設置有另—側電 極的歐姆電極者。 (12) 上述（U)所記載之受光元件中，上述結晶基板為藍 寶石結晶基板、上述低電阻的GaN系半導體層為n + _ 系半導體層、上述受光層為n- _GaN系半導體層而設置 於上述受光面之一側電極的歐姆電極為梳子形電極者。 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） — ΊΙ — Jllllrf 裝 — !! — 訂 (請先閱讀背面之注意Ϋ項再填寫本頁》 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 310843 445 65 5
五、發明說明（6) [圖面之簡單說明] ^ mtj a 修正補充 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第1圖⑷及（b)為表示本發明之受先元件削是宵特 基障幻之例圖第！圖⑷為表示受光面之圖第1圖⑻ 為表示第1圖（a)的局部性X父齡 Π氐入斷面的斷面圖。陰影線係為 了識別電極而施加（以下相同）者。 第2圖為表示本發明的受光元件之受光面與肖特基電 極之形狀的關係圖。 第3圖⑷至（e)為表示本發明之受光元件（特別是肖特 基障型）的構造例圖。係在第！圖⑷的剖面線χ χ相同的 位置切斷受光元件時的斷面圖。 第4圖（a)及（b)為關於肖特基障的空乏層與光的入射 之本發明與習知例的比較圖。 第5圖為表示本發明之受光元件（特別是光導電型）的 構造例之斷面圖。第5圖（a)係表示透明電極之形態第5 圖（b)係表示不透明電極之形態。 第6圖（a)及（b)為表不本發明之受光元件（特別是光導 電型）之全體形狀例的斜視圖。 第7圖為表示實施例3、4所製作之受光元件的受光感 度之特性曲線圖’係表示照射光的波長與受光感度之間的 關係。實線所描畫的曲線①係表示實施例3，虛線所描畫 的曲線②係表示實施例4。表示受光感度的縱軸係按任意 刻度者。 第8圖為表示習知之光導電型的受光元件的構造之模 式圖。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 310843 -----,----.1 ^ ----— 訂-----|_錄 (諳先閲讀背面之注$項再填寫本頁)
Sf年修正 補充 445655 A7 ________ _B7 五、發明說明（7 ) [符號說明] 1 η 型 InGaN 層、 受光層 1 a 受光面 lb 空乏層 2 肖特基電極 4 η型GaN系半導趙層 5 c面藍寶石基板 η型GaN結晶基板 6 緩衝層 10 受光層 10a 受光面 10b 受光層另一方的面 20 透明歐姆電極不透明歐姆電極 30 另一側歐姆電極 40 接觸層GaN系半導體層 50 結晶基板 110 半導體結晶 120 歐姆電極 130 歐姆電極 210 半導體層 210a 半導體之上面 210b 空乏層 220 肖特基電極 230 歐姆電極 [發明之詳細說明] 本發明之受光元件，例如第1 圖所示，具有：由GaN 系半導體而成的受光層1、： 和以該受光層的一側面作為受 光面U而設置於受光面la的電極電極2係以能使應 檢測光L入射之形態而設置於受先層1。由於該受光元件 之受光層的材料係使用GaN系半導體結晶，故比較使用Si 係半導體材料的習知的PD等者，係為經改善耐紫外線性 優異的受光元件。 本發明之受光元件的具體形態，可列舉例如上述 --Γ i I J---— · J I ! — 1 訂------- — I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2J0 297公釐） 310843 445655 A7 B7
五、發明說明（s ) 的肖特基障型的受光元件（PD)和上述（8)的光導電型的受 光元件（PD)。 本發明所述之GaN系半導體係以式子lnxGayAIzN(0 、OSy芸1、OSzSl、x+y+z=l)決定之化合物半導 體。 使用於受光層的GaN系半導體係以作為檢測對象的 光的波長範圍中的長波長之一端的值來決定該最佳組成。 例如’在①以藍色領域（4 80nm附近）及較其為短的波長域 的光作為對象時’係選擇InGaN ; 0以紫外線中400nm以 下的短波長域的光作為對象時係選擇In組成少的In GaN ; ③僅以365nm以下的紫外線為對象時係選擇GaN、AlGaN。 本發明之受光元件所作為受光對象的光，係以使用於 受光層的GaN系半導體的能帶隙來決定，雖係較紅色光（波 長656nm附近）為短的波長的光，但當以從藍色至紫外線· X線的短波長的光作為對象時，本發明之有用性則將更顯 著。特別是，由KrF準分子雷射裝置所發出之波長248nm 的光’或由ArF準分子雷射裝置所發出之波長193nm的光 等紫外線’因係具有強烈能量的光，故對習知技術的元件 而言存有諸多問題。為如此紫外線的受光，藉由GaN系半 導體的使用可獲得經改善之耐紫外線性優異的受光元件 首先’說明有關上述（2)之形態的肖特基障型的受光元 件。該受光元件’如第I圖所示，具有以第1導電型的GaN 系半導體而成的層作為受光層1。L係待檢測之光。以該 受光層〗的一側面作為受光面la，而在該受光面la上至 ----1'11!* ^ I I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) * =0 _ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 8 310843 445655 A7 五、發明說明（9) 少設置身特基電極2。此時，將被覆領域與露出領域的境 界線的長度的合計(第1圖⑷的例中係肖特基電極的外形 線全體的總延長）按能成為較受光面的外周為長的方式形 成肖特基電極。 在上述（2)的形態之受光面，係指受光層的兩面中受 光側的面之整個面之意。將此受光面以部份性覆蓋的方式 設置肖特基電極。以下’在受光面中’將宵特基電極所覆 蓋的領域稱為「電極領域」，而露出的領域稱為「露出領域」 以便說明。 上述（2)之形態係f特基障型的PD。故按非僅肖特基 電極，相對於此的另一端電極亦能作為受光元件發揮功能 之方式設置之。此另一端電極以歐姆電極最為理想。有關 歐姆電極則容後記述之。使用肖特基障之光檢測的機構自 身，係與習知之肖特基障型的PD相同。„型受光層簡單而 言’係在兩電極間施加逆方向的偏電壓，使電子易於自肖 特基電極流入受光層，並將在受光層因光激勵所發生之電 子的流動作為電流檢測者。 本發明之重要特徵’如第4圖（a)所示，在於著眼空之 層lb非僅在肖特基電極2的正下方且在該電極的周圍微量 擴張並溢出之事實’而利用此事實者。對電極周圍微量溢 出之該空乏層的部份（以下稱「空乏層的溢出部份」），光 L1亦可自電極的上面端側射入。而且，肖特基電極的正下 方之電極的周緣附近’亦存在有如光L2之斜方向射入的 光。另外，射入於半導體中的光，亦因繞射作用而產生與 請 先 閲 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 ， 填 J裝 頁 訂 經濟邨智慧財產局員工消費合作社印致 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 9 310843 奸年丨>3 心正 補充
經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 445655 A7 -----—___ 五、發明說明（I〇 ) 電極下方的空乏層之間的相互作用 本發明係藉由多確保該空乏層的溢出部份或電極之周 緣的正下方附近的空乏層部份，而將此積極利用為受光檢 測之用者。是故，將電極領域與露出領域之間的境界線取 得更長一事則極為重要。本發明係藉由將肖特基電極作成 更複雜之形狀以令該境界線長度較受光面外周的全長為 長，並使檢測來自電極上面端側所照射的光成為可能。 相對於此，習知之肖特基障型的受光元件，如上述之 公報及第4圖（b)所示’係使應受光的光L3i基板側射入， 並以形成於肖特基電極220的背面側之空乏層2 1〇b的中央 部受光者。亦即，習用者係以佔取較大肖特基電極的面積 為重要點。在習用之肖特基電極中，亦在電極的四周展開 著微量擴張空乏層部份，但由於為要取得更大且更有效率 的電極面積起見、電極領域與露出領域之間的境界線長度 即變短’而最長也僅為受光面的外周長度而已。 受光所需要的空乏層寬度，係肖特基障的間隙愈大則 愈寬’溢出於電極周圍的量亦增多。因此，按能取得愈大 的肖特基障的間隙之方式選擇材料最為理想。此外，由此 而論，最理想為按肖特基障的間隙能增大之方式降低受光 層的載子濃度，且作成為i層。 上述（2)的形態中，使用於受光層的GaN系半導體的 導電型係第1導電型（亦即p型或n型之任—者）即可但 基於不純物濃度的控制性、電極形成的容易性而言，以做 成η型最為理想。 本紐尺度中國國家標準（C^JS)A4規格⑵G x 297公董
------!-----II 裝 C锖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 幻· ;#- 10 310843 445655 A7 B7
五、發明說明（11) 下面以使用受光層作成η型之形態說明上述（2)的形 態。 肖特基電極係指因金屬與半導體之接合而產生稱為肖 特基障的電位障狀態的電極之意。該電極係例如是S M Sze著（南曰康夫等譯）之“半導體裝置”，產業圖書（第1 版第3刷）之164頁所記載，由金屬與半導體的接觸部的能 帶圖為特徵的金屬所形成。肖特基障的高度係為金屬 的功函數（work function) 與半導體的電子親和力义之 差，故而识阳比較大的材料最為理想。 作為肖特基電極的材料，可例舉Au、Pt、TiW、Ni ; Pd等。另外’組合這些材料使用亦可。 自上面側所見肖特基電極時的該電極的形狀，如上述 功用的說明所描述，係按僅來自該電極的上面側的光亦能 夠檢測受光情形的程度，做成長的形狀即可^以此，舉單 純的模式為例說明如下。 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 iJilIJ — — !.— ! 裝--I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> --綍· 第2圖係表示將受光面作成一邊為3之正方形之情形 的肖特基電極的形狀圖。電極的形狀係梳子櫛的數目為3 的梳子形配線型樣。如將梳子形狀的全體的橫豎方向尺寸 做成〇.8aX 〇‘8a’而構成梳子形的帶狀導體的寬做成〇 2a , 則電極領域與露出領域之間的境界線長度的合計將成為 5.6a ’而受光面的外周長度將成為43的！ 4倍。 如第1圖所示’如令梳子的櫛數為8，帶狀導體（電極 材料）的寬幅為0.U，則境界線的長度合計將成為l3a，而 成為受光面的外周長度的約3倍。 本紙張尺度適用中圏_^CNS)A4規格⑽χ挪公爱） 11 310843 445655 A7 B7 修正補充 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（12) 若令肖特基電極的形狀做成如第1圖、第2圖所示之 梳子形的配線型樣時，相當於梳子的櫛的部份係即呈狀導 體平行並列的條紋狀。雖因元件的規模或配置環境（光的強 度等）而有所不同，但令相當於梳子的掃的部份的帶狀導體 的寬幅做成為0. lpm至2000 m，導體間的間隙的寬幅做 成為O-1/im至lOOOjt/m最為理想。 肖特基電極如上述梳子形電極般地，呈帶狀導體平行 並列的條紋狀時，則導體間的間隙愈大受光感度將愈大。 受光層的材料例如使用GaN時，從相鄰的帶狀導體朝 向互相之間隙溢出的空乏層的寬幅的和為01/zrn至數拾 am的程度，而帶狀導體的寬幅則考量此值之後再作決定 最為理想。再者，帶狀導體的寬幅若做成過小，則電極的 電阻就會變大。帶狀導體的寬幅與導體間的間隙的寬幅 比’以做成帶狀導體的寬幅/導體間的間隙的寬幅為^丨程 度為宜。 此外’導體間的間隙的寬幅即使在上述範圍中，如做 成為與空乏層的厚度同值至空乏層厚度的2倍程度時，則 空之層的溢出部分將覆蓋導體間的間隙，而且以適宜的方 式重疊之。做成如此之狀態下’空乏層到達受光層下層的 導電層之狀態之下’且受光面全體將充滿空乏層，故受光 效率良好。 如施加反偏電壓’空乏層的厚度。溢出量將擴展，故 施加反偏電壓並受光時’最好對因反偏電壓的施加而擴展 之空乏層厚度決定導體間的間隙的寬幅。 -----------.裝--------.訂--------緯 (锖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公S ) 12 310843
^45655 五、發明說明（13) 肖特基電極的形狀，除了上述梳子形之外，亦可為任 (靖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 意组合帶狀導體而成的配線型樣。例如，可列舉帶狀導體 呈矩形波般的蛇行型樣，或交叉呈格子狀的型樣等。帶狀 導體的線帶寬幅為與上述梳子形之情形相同做成為私 m至2000 μπι為宜。另外，上述型樣之外，可為具有任意 形狀之開口作為露出領域的形態。開口數目愈多，則電極 領域與露出領域之間的境界線的長度合計將增大。 本發明之上述（2)的受光元件’理想上和一般的半導體 發光元件相同’係在結晶基板上使GaN系半導體的層結晶 長成而成之積層體的構成者。此情形時，受光層係位於積 層體的最上層。該積層體的構造’以及肖特基電極與歐姆 電極之間的位置關係即示於第3圖。 第3圖（a)的例中’在結晶基板5上，中介緩衝層6而 使結晶成長有由π型GaN系半導體而成的受光層1，歐姆 電極設置於和肖特基電極相同的受光面。 經濟部智慧財產局具工消費合作社印製 第3圖（b)的例中’用以設置歐姆電極的^型GaN系 半導體層4係與受光層分開設置者。如此之形態，係由於 能容易分別設定適合於各肖特基電極，歐姆電極的載子濃 度，故為一種理想的形態。歐姆電極係設置於層4的上面， 但平面性的配置型樣而言亦可’按全周包圍受光層的周圍 之方式設置。 第3圖（c)的例’係結晶基板為由顯示導電性的材料而 成之基板’而歐姆電極為設置於結晶基板上的例子。 歐姆電極係一種不顯示金屬-半導體之接觸的整流 本紙張尺度適用中國圉家標準（CNS)A4規袼（210 X 297公釐） 13 310843
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 性（與施加電壓的方向無關而接觸電阻為幾乎可忽視的 狀態者’例如參考S.M.Sze著（南日康夫等譯），“半導體 裝置’產業圖書（初版第3刷、〗63頁、174頁）所記載之 内容。經高濃度摻雜之半導體與金屬的接觸’因所形成之 空乏層幅寬即顯著的狹窄，而通道電流易於流動之故，易 形成歐姆特性。 作為歐姆電極的材料（積層體的情形時標記上侧材料/ 下側材料）’可例舉Al/Ti、Au/Ti、Ti、Ai。又，使用這些 材料的組合亦可。 且’肖特基電極側因按能形成逆偏麼狀態之方式施加 電壓，故即使歐姆電極側具有肖特基障亦不致形成大問 題。此情形乃意味著，即使以肖特基電極形成兩電極，而 在受光面的電極施加逆偏壓的電壓來使用時，另一端電極 則形成順偏壓之狀態’其結果發揮與歐姆電極相同的機能 之意。 結晶基板只要係GaN系半導體能夠結晶成長的材料 即可，可例舉藍寶石、水晶、SiC等，或GaN系半導體結 晶。 若欲令結晶基板為絕緣體時，最理想是藍寶石的c 面、A面’特別是C面藍寶石基板《另，若結晶基板必須 具有導電性時，理想上是6H-SiC基板或GaN系半導體結 晶。此外’如第3圖（a)所示，在藍寶石結晶基板等的表面 上，可將設有用以緩和與GaN系半導趙結晶的格子常數或 熱膨張係數之差的ZnO、MgO、A1N等的緩衝廣之積層體 f讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 14 310843 445 65 5 Α7 Β7 A7 五、發明說明（15) 視為基板，且在其上具有GaN系主# ^ 斤'半導體結晶的薄膜者亦 "tfj* 〇 下面，說明上述（8)之形態的弈 〇 j先導電型的受光元件。該 受光元件如第5圖（a)、（b)所示，係 係具有由GaN系半導體 而成的第1導電型L(該圖中是為„ 、 馬《型）的]層作為受光層 10。受光層10的-側面係光匕將入射之受光面i〇a。在受 光面10a上設置有-側電極的歐姆電極20β該歐姆電極20 係按光L能入射之形態形成之。另外，在受光層另一側面 ⑽，中介與受光層相同的導電型且低電阻的㈣系半導 體層40’而設有另-電極的歐姆電極⑼以構成光導電元 件。另-電極的歐姆電極3〇亦可直接設置在受光層的另一 側面1 Ob。以下，將用於母栗H t , 时用於*丈置另—電極的歐姆電極的GaN 系半導體層40 ’簡稱「接觸層」。 1層係低濃度層的總稱、係_種n型低濃度層（稱為^ 層而書寫為1Γ)、或係一種p型低濃度廣（稱為瓦層而書寫 為ρ)。 — ΡΊ — — — — — I ΙΓΙ 裝·· I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 緯· 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 Μ 上述（8)形態的光導電型的受光元件，其關於用以來檢 測党光之基本機構方面，係和習知技術所說明者的相同， 係利用光導電效應以取得電流並檢測已受光之事實者。 上述（8)的受光元件的重要特徵，係在於一種在受光層 的受光面上’僅設置一側電極的歐姆電極、而另一側電極 的歐姆電極係在受光面的背面直接地或中介其他的結晶層 (與受光層相同的導電型的高濃度層）而設置的構成。依據 此構成’由於光的入射而產生於受光層的載子，並非僅沿 本紙i尺度適用t國國冢—標準（CNS)A4 “⑵〇 χ 297 )一" ----- 310843
五、發明說明（， 著光面而於表層移動，而且朝受光層的厚度方向移動 Λ45 65 5 即，對載子的移動路徑，表層部份所佔的比率變少，相反 的高品質狀態的深層部份所佔的比率變多，因此載子的 結合時間將更為安定。 受光層的導電型只要係第一冑電型（亦gp 的任-），但自降低暗電流以提昇S/N比的㈣而言，㈣ 或η型低濃度層^層）或】層最為理想。受光層（D的載 子濃度如為lx 1017cm-3以下即可。其下限可例舉如h 1013cnr3的程度。 受光層的厚度雖無限制，但最好是作成空乏層的厚度 以上的厚度，且因必須藉由光吸收而在層全體上產生載 子，故最好是O.ljtim至程度。 受光層材料只要係屬於GaN系半導體即可，但對於波 長較365nm為長的光，最好*InGaN者’對於波長較365nm 為短的紫外線則最好是GaN或AlGaN者。 兩個電極為更高感度方式檢測因光導電效應引起之電 阻的變化起見，係歐姆電極。 形成於受光面的歐姆電極，係按光能入射受光層的形 態形成。如此構成之電極可例舉如第5圖（a)所示之透明電 極。另外，如第5圖（b)所示，即使是不透明之電極，亦可 考慮在受光面l〇a設置不為電極所覆蓋的入射領域以確保 需要量以上的光L入射量，並取得入射領域與電極所覆蓋 的電極領域的平衡。 設置於受光面的歐姆電極，如受光層為η型低濃度層 -Ί — — — — — ΙΓ I 裝· — — 1 訂 *1 — — ^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁〕 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（2i0 x 297公釐} 16 310843 445655 A7 B7
五、發明說明（17) ί請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 的情形時，作為透明電極可例舉Au(厚度5Onm)/Ti(厚度 lOOnm)等，而作為不透明電極可例舉Au(厚度1 μ m)/Ti(厚 度lOOmn)等。再者，如受光層為P型低濃度層的情形時， 作為透明電極可例舉Au(厚度50nm)/Ni(厚度lOOnm)等， 而作為不透明電極則可例舉An(厚度500nm)/Ni(厚度 lOOnm)、A卜丁丨等。上述電極的厚度，特別是不透明電極 的厚度，僅為一個例子而已，並非僅限於此。 由於低載子濃度的情形時，實際上有難以取得歐姆式 接觸的問題存在。故為解決此問題，在受光層與電極之間， 插入自由電子（或電洞）濃度lx 1018cm-3、厚ϊ〇ητη至5〇ηιη 程度的層，以作為取得歐姆式接觸之用的層（稱為歐姆式 接觸用層）最為理想。如習知技術之在受光面上形成有一 對電極而沿著受光面電流流通的型式，係必須在電極間切 斷分離歐姆式接觸用層’而本發明則是維持不變的設置此 層即可》 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 設置於受光面的歐姆電極的形成型樣，如為透明電極 的情形時’係可為受光面的—部份或全面。如為不透明電 極的情形時’係形成被電極覆蓋的電極領域’和不為電極 覆蓋的入射領域。例如，可例舉梳子型或格子狀等的電極 型樣。 另一側歐姆電極係如上述，係直接設置於受光層的背 面’或中介接觸層而設置之。而從補足受光層的薄度而言， 理想上是後者的形態者，且即使是此種情形，最好是如第 5圖⑷、(b)所不，將成為最初的基礎的結晶基板50上， 卜紙張尺度剌t 17(修正頁） 310843 445655 A7 B7
,修正補充I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（18) 做成為依次成長接觸層40、受光層】〇之積層體。在結晶 基板與接觸層之間，係可因應需要而再設置其他的GaN系 半導體層。若結晶基板50係如藍寶石基板般的絕緣體，則 如第5圖所示，使接觸層40的上側面露出，並在該露出面 設置另一側歐姆電極，則為最理想的形態。 接觸層係最好使之與受光層相同的導電型，且使之低 電阻，亦即令載子濃度為lx l〇17em_3以上。載子濃度的上 限係可例舉Ιχ I019cnT3的程度。 接觸層的厚度，從確保受先層的結晶性的觀點而言’ 令其為l.〇em至5.0yni的程度最理想。 受光層和接觸層的材料的組合例極多，以（受光層材料 /接觸層材料）表示並可例舉： (n'-GaN/n+-GaN) ' (n'-AlGaN/n + *GaN) > (rr-AlGaN/n+-AlGaN)、 (TT-InGaN/ii+-GaN)、 (n、GaN/n + -AlGaN)等。 如第3圖(b)’第5圖所示之形態的情形時元件整體 的形狀’將正方體或圓柱體如第6圖⑷之方式組合成僅朝 1方向之階梯形狀’或如第6圖⑻之方式組合成全方向 性的階㈣狀均可’由於容易製S’或特性上為理想的考 量可作適當的選擇。另外，如第6圖（b)的情形時設置 於接觸層40上面的電極3〇係設計成按包圍元件外周之形 態或局部性的設計均可行。 請 先 閲 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 填 ί裝 頁 L 訂 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公麓 18 310843 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 445655 --π Α7 难Ρ月丨》日修^ ' --------B7_L 補充_ 五、發明說明（19 ) [實施例] 用以下之實施例更具體的顯示本發明之特點。 [實施例1 ] 在本實施例中，製作上述（2)的肖特基障型的PD做成 為將設置於受光面之肖特基電極的形狀作成梳子形的配線 型樣，且宵特基電極與歐姆電極均同時設置於受光面之形 態。 如第3圖（a)所示’在C面藍寶石基板5上。經由GaN 緩衝層6而使n型八1(3心層（受光層）】成長。AmaN層係 能帶隙為約3.67eV的組成比，厚3/zm，受光面的外圍形 狀為5mmx 5mm正方形，載子濃度為ιχ i〇I7cm.3。 受光面的正方形之中，在5mmx 4840 的方形領域 内故置梳子形的型樣的肖特基電極，在剩餘之領域内則設 置方形的歐姆電極且作成相對向。 肖特基電極係由厚500nm的Αυ而成，作成櫛數為5〇〇 條的梳子的型樣。此時，電極領域與露出領域之間的境界 線的長度合計約為受光面外周的230倍。 歐姆電極係在受光面上依順序形成Ti層、A1層。 在兩電極間施加5V的反方向偏壓的狀態下，從對受 光面成垂直之方向照射種種波長的光，並檢視受光的性 能’結果發現對約340nm以下的紫外線具有感度存在。就 340nm以下之波長領域而言，由於如習知技術之自基板側 入射光線時成為問題的AlGaN的吸收特性，在本發明中 卻反而直接有助於受光感度，故形成了扁平的特性》再者， ---I-----—ΙΪ--- 裝---I----:訂-------轉 (請先閱讀背面之注音爹項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 19 310843 445655 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 A7 B7 五、發明說明（20) 就較340nm為長的波長領域而言’因不吸收光線，故並無 元件之溫度的上昇情形，完全無感度存在。 [實施例2] 本實施例争’製作上述（2)的肖特基障型的PD的另一 形態。將肖特基電極的形狀作成為梳子形的配線型樣，且 設置歐姆電極於11型半導體而成的結晶基板上。 如第3圖（c)所示，在η型GaN結晶基板5上，使n 型InGaN層（受光層）】成長。InGaN層係能帶隙為約2 93eV 的組成比’厚5em，受光面的外周形狀為1 mmx 1 mm的 正方形，載子濃度為1X l〇ucin-8。 肖特基電極為由厚20nm的Αιι而成，櫛數為200條 的梳子形的型樣’電極領域與露出領域的境界線之間的長 度合計約為受光面之外周的86倍。 歐姆電極係在η型GaN結晶基板5的背面，依次形成 Ti層、A1層。 在兩電極間施加3V的反方向偏壓的狀態下，和實施 例1 一樣’檢視受光的性能’結果發現對約425nm以下的 紫外線具感度存在。而就42 5nm以下的波長領域而言’則 與實施例I相同，具有扁平的特性，且對於波長較425nm 為長的領域亦完全無感度。 [實施例3] 本實施例中，製作具有第5圖（a)所示之電極形態’和 第6圖（b)所示之元件形狀等的上述（8)的光導電型受光元 件。 I I 裝-------1訂 ί—---!*% (靖先閱請背面之注意事項再填寫本頁)
310843 445 85 5 A7 B7 y年4月/心匕乂匕補无 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*J衣 五、發明說明（21) 在藍寶石C面基板50上經由GaN緩衝層（未圖示）而 使n-GaN層（厚3以m，摻質Si，載子濃度lx l〇18cm_3)成 長而作成接觸層40’且在其上面成長n_GaN層（厚3从m， 摻質Si ’載子濃度l〇Mcm-3)而作成受光層1〇，進而再 成長η-GaN層（厚50nm，摻質Si，載子濃度1χ 1018cm_3) 作為歐姆式接觸用層（未圖示）。 在受光面10a上’經由歐姆式接觸用層而形成透明 歐姆電極20、A1(厚50nm)/Ti(厚50nm)，且保留中央部 份並藉由RIE(反應性離子蝕刻）將外周緣部進行深度2 2 pm的姓刻以使接觸層40露出，並在露出面上形成A1(厚 5 00nm) /Ti(厚l〇nm)作為歐姆電極30，而製得光導電型受 光元件。 作為待受光的光L ’照射較45Onm為短的種種波長的 光，並檢視受光感度，結果發現如第7圖之曲線圖之實線 所畫之曲線①所示’有自365nm附近上昇，而對於較此以 下的短波長的光則具有扁平的特性存在^ [實施例4] 本實施例中’係將Al^Ga。.9：^作為受光層材料，及除 了將設置於受光層上的歐姆電極的形態作成如第5圖（1))所 示的不透明電極20以外，其餘則和實施例3同樣，製作 了上述（8)的光導電型的受光元件。 受光層]0上的歐姆電極20係作成為A1(厚〇.5 " m)/Ti(厚0.1 " m)。另外’描繪於受先面1〇a上的電極2〇 的型樣，係作成為以1條帶狀導體為幹線而自此多數的帶 ------------ 裝---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂--------_ 未紙張尺度適財S國家標準（CNS)A4規格（2]0 X 297公爱） 21(修正頁) 310843 445 65 5 jUr^1 1 ί 啦 I ^月/) ej ^多正補充 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（r 狀導體分歧之「'梳子形」電極。 與實施例3同樣作受光感度的檢視，結果發現如第7 圖的曲線圖的虛線所畫之曲線②所示，係自34〇nm附近上 昇，而對此以下的短波長的光則具有扁平的特性存在。 [產業上的利用可能性] 誠如以上所說明，本發明的受光元件因係使用GaN系 半導體，故對紫外線具有優異的耐性。 再者’上述（2)形態的宵特基障型的受光元件雖係一種 使用肖特基障型的不透明電極者’惟仍係一種將來自肖特 基電極的上面側的光接收的構造。是故，應接收的光線不 致通過由GaN系半導體而成的層，再者，雖係來自電極側 的入射’但可直接入射至空乏層，因此，對藍色至紫外線 領域之波長的光亦成為具有優異的感度者，特別是即使波 長變短，感度不致減少。 此外’上述（8)形態的光導電型受光元件，因係一種所 產生之載子移動於朝向受光層的厚度方向移動的構造，故 受光面附近的污染或劣化等的結晶狀態對感度不致帶來甚 大的影響。 本案係以在日本提出申請的平成1〇年特願平第 265506號申請案及平成1〇年特願平第265516號申請案為 基礎’而這些内容完全包含於本案說明書中 22 ----------ί -裝---- {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 #: 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 22 310843

Claims (1)

  1. 煩婧-1¾¾明"^年4月所提之 經濟部中央標準局員工福利委員會印製 修正本有無變更實質内容是否准予修正。 1 445655 第88115885號專利申請案 申請專利範圍修正本 (90年4月16曰） 1. -種半導體受光元件’其特徵為具有：由㈣系半導 體而成之受光層；及以該受光層的一側面作為受光面， 且在該受光面上按能使對該受光層的光入射之方 置之電極， ""α 該半導艘受光元件為肖特基障型受光元件，上述 受光層為第1導電型的層’設置於上述受光面上的上 述電極至少含有肖特基電極，而該受光面中，肖特基 電極所覆蓋的領域與露出的領域之間的境界線的長度 之合計為較受光面的外周長度為長者。 2. 如申請專利範圍第丨項之半導體受光元件，其中，上 述肖特基電極係作為組合帶狀導趙而成的配線型樣而 形成者。 3-如申請專利範圍第2項之半導體受光元件，其中，上 述帶狀導體的帶的寬幅為〇.Mmi 2〇〇〇ym者。 4.如申請專利範圍第2項之半導體受光元件，其中，上 述配線型樣為梳子形之型樣者。 5·如申請專利範圍第〗項之半導體受光元件，其中，上 述該受光層為在結晶基板上由第1導電型GaN系半導 體而成的層成長1層以上而成之積層體的最上層，而 歐姆電極為設置於受光層以外的層者。 6.如申請專利範圍第5項之半導體受光元件，其中，尹 本紙張/Ut適用中國國緖準（CNS)A4規格（210X297公發) 310843 445655 __H3 晶基板為由顯示導電性的材料而成之基板，而歐姆電 極為設置於結晶基板者。 7. —種半導體受光元件，其特徵為具有：由GaN系半導 體而成之受光層，及以該受光層的一侧面作為受光面， 且在該受光面上按能使對該受光層的光入射之方式設 置之電極， 該受光元件為光導電型的受光元件，上述受光層 為第1導電型i層，設置於上述受光面的上述電極為 一側電極的歐姆電極，而在受光層的另一側面上，按 直接或經由第1導電型且低電阻的GaN系半導想層之 方式設置有另一側電極的歐姆電極者。 8. 如申請專利範圍第7項之半導體受光元件，其中，一 側電極歐姆電極為按能使光入射之方式作為透明電極 而設置者。 經濟部中央標準局員工福利委員會印製 9-如申請專利範圍第7項之半導體受光元件，其中，一 側電極的歐姆電極為不透明電極，按能使光入射之方 式’在受光面上形成有為電極所覆蓋的電極領域和不 為電極所覆蓋的入射領域者。 10.如申請專利範圍第7項之半導體受光元件，其中，上 述另一侧電極的歐姆電極為中介第丨導電型且低電阻 的GaN系半導體層而設置之形態，而在結晶基板上依 順序形成有前述低電阻的GaN系半導體層及受光層， 而低電阻的GaN系半導體層的上側的面有部份性的露 出，而在該露出的面設置有另一侧電極的歐姆電極者。 本紙張中國國緖準（c N s ) A 4規格（21〇 χ 297公爱) 2 310843 445655 H3 11.如申請專利範圍第10項之半導體受光元件，其中，上 述結晶基板為藍寶石結晶基板，上述低電阻的GaN系 半導體層為n+- GaN系半導體層，上述受光層為tr_ GaN 系半導體層，而設置於上述受光面之一側電極的歐姆 電極為梳子形電極者。 經濟部中央標準局員工福利委員會印製 本紙張瓦度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210X297公赞) 3 310843
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