WO2000017941A1

WO2000017941A1 - Photodetecteur a semi-conducteur

Info

Publication number: WO2000017941A1
Application number: PCT/JP1999/004993
Authority: WO
Inventors: Kazuyuki Tadatomo; Hiroaki Okagawa; Yoichiro Ouchi; Masahiro Koto; Kazumasa Hiramatsu; Yutaka Hamamura; Sumito Shimizu
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries, Ltd.; Nikon Corporation
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2000-03-30
Also published as: US6734515B1; KR20010079856A; TW445655B; EP1115161A4; EP1115161A1

Description

明細書

半導体受光素子

技術分野

本発明は、 G a N系半導体材料を用いた受光素子に関するものである。

背景技術 ― 集積回路の高密度化に伴い、その微細な回路パターンを形成するためのステツパ一（縮小投影露光装置）には、より高い解像度でより微細な描画を行なう能力が要求されている。そのため、露光に用いられるレーザ一光は、青色光から紫外線の領域へと、短い波長に移り変わつており、さらに、現在用いられている波長 2 4 8 n m光（K r Fエキシマレ一ザ一装置）から、波長 1 9 3 n m光（A r F エキシマレ一ザ一装置）への切り換えが検討されている。

上記ステッパーによる露光の工程では、レーザ一光の一部を受光素子で受け、出力の変動などをモニタ一している。その受光素子としてはフォトダイオード（ P D ) が有用である。 P Dには S i系半導体材料を用いたものがあるが、レーザ —光が、上記 2 4 8 n mのような強烈なエネルギーを持つ光になると、 S i系の P Dでは劣化が著しく、頻繁に新しいものと交換しなければならない状況となつている。

P Dには、多くの受光原理に基づくものがあり、そのなかの 1つにショットキ —障壁型の P Dがある。紫外線を受光対象とするショットキ一障壁型の P Dとしては、特開昭 6 1 - 9 1 9 7 7号公報に記載の発明が挙げられる。この P Dは、サファイア基板上に、 A 1 Nバッファ層を介して A 1 G a N層を成長させ、該 A

I G a N層上に、ショットキー電極（ショットキ一障壁が形成されるように接合された電極）と、ォ一ミック電極とを設けて P Dを構成している。

上記公報の P Dは、図 4 ( b ) に示すように、受光対象とする光 L 3を基板側から入射させ、ショットキ一電極 2 2 0の直下の領域（半導体側に広がる空乏層の部分） 2 1 0 bに到達させて受光する構造である。半導体層 2 1 0の上面 2 1

O aには、ォ一ミック電極 2 3 0も形成されている。この P Dが光を基板側から入射させるものであることは、ショットキ一電極が受光面に対して大面積を占有しており、光が基板側からしか入れない構造となつていることから明らかである

。また該公報自体にも「光子が、透明の A 1 ₂ 0 ₃ 基板を通って、ショットキ一障壁下の空乏領域に入って来ると、電子一正孔の対が作られる。」と明記されている。

ところが、上記公報の P Dには次のような問題点がある。

①受光すべき光を、サファイア基板から厚い A 1 G a N層を通過させてショッ卜キ一電極の裏面に導き受光する構成であるために、光が A 1 G a N層に吸収され、感度が低下する。特に、受光すべき紫外線の波長が短くなるにつれて、即ち、光のエネルギーが大きくなり A 1 G a Nのバンドギヤップから離れるにつれて、 A 1 G a N層での光の吸収係数は急激に大きくなり、光がショットキ一接合によつて形成される空乏層の領域またはその近傍に全く到達できない場合もある。

②上記①の理由によって、検出可能な光の波長域が、 A 1 G a Nのバンドギヤップ近傍の狭い範囲に限られる。即ち、有感の波長域が狭い。

また、 P Dには、光導電型がある。光導電型の P Dは、受光層（通常、高抵抗層とされた半導体結晶層）に光励起でキヤリアが発生し該結晶の導電率が変化する現象（光導電効果）を利用して電流を取出し、受光したことを検出する受光素子である。

従来の光導電素子は、図 8に示すように、受光層 1 1 0の表面を受光面としてその面上に正負両極のォ一ミック電極 1 2 0、 1 3 0を対向して配置した構成となっている。光 L 4は、半導体結晶層 1 1 0を励起しキャリアを発生させ得る光であって、キャリアの発生によって電極間の導電率が変化する。このような構成として、両電極 1 2 0、 1 3 0の間に電圧を印加しておくと、光が入射したことを電流の変化として検知することができる。

上記のような光導電素子の構造では、発生したキヤリアは受光面に沿って電極間を移動することになる。本発明者等はこのことに問題点を見いだした。

即ち、受光面は、文字通り受光層を形成する物質の表面または界面であり、また常に強烈なエネルギーの光にさらされることになるから、受光面とその表層には、実使用中に周囲から受ける汚染、入射光による半導体表面の劣化など、界面であることに起因する種々の品質上の問題がある。従って、受光面に沿ってキヤリァが表層を移動する従来の素子構造では、キヤリァの再結合速度が大きく変化し、検出結果の再現性は低くなり、光検出素子としての信頼性が損なわれるこ ΐ になる。

本発明の目的は、紫外域の波長の光に対しても優れた耐性を有する受光素子を提供することである。

本発明の他の目的は、紫外域の波長の光に対しても優れた耐性を有することに加えて、新たな構成によって従来より優れた感度を有するショットキ一障壁型の受光素子を提供することである。

本発明の他の目的は、紫外域の波長の光に対しても優れた耐性を有することに加えて、受光面の汚染や劣化の影響を軽減し得る新たな構造を有する光導電型の受光素子を提供することである。

発明の開示

本発明の受光素子は、以下の特徴を有するものである。

( 1 ) G a Ν系半導体からなる受光層と、該受光層の一方の面を受光面として、該受光面に該受光層への光の入射を可能とする態様にて設けられた電極とを、有することを特徴とする半導体受光素子。

( 2 ) 当該受光素子がショットキ一障壁型の受光素子であって、上記受光層が第一導電型の層であり、上記受光面に設けられた上記電極が、少なくともショットキ一電極を含んでおり、該受光面のうち、ショットキ一電極に覆われている領域と、露出している領域との境界線の長さの合計が、受光面の外周の長さよりも長い、上記（1 ) 記載の受光素子。

( 3 ) 上記ショットキ一電極が、帯状導体を組み合わせてなる配線パターンとして形成されたものである上記（2 ) 記載の受光素子。

( 4 ) 上記帯状導体の帯の幅が、 0 . 1 z m〜 2 0 0 0 // mである上記（2 ) 記載の受光素子。

(5) 上記配線パターンが、クシ形のパターンである上記（2) 記載の受光素子。

(6) 上記受光層が、結晶基板上に第一導電型の G a N系半導体からなる層を 1層以上成長させてなる積層体の最上層であって、ォ一ミック電極が受光層以の層に設けられている上記（2) 記載の受光素子。

(7) 結晶基板が導電性を示す材料からなる基板であって、ォ一ミック電極が結晶基板に設けられている上記（6) 記載の受光素子。

(8) 当該受光素子が光導電型の受光素子であって、上記受光層が第一導電型の i層であり、上記受光面に設けられた上記電極が一方の極のォ一ミック電極であり、受光層の他方の面には、直接的にまたは、第一導電型で低抵抗の G a N系半導体層を介して、他方の極のォ一ミック電極が設けられている、上記（1) 記載の受光素子。

(9) 一方の極のォ一ミック電極が、光の入射を可能とする様、透明電極として設けられている上記（8) 記載の受光素子。

(10)一方の極のォ一ミック電極が不透明な電極であって、光の入射を可能とする様、受光面に、電極に覆われた電極領域と、電極に覆われていない入射領域が形成されている上記（8) 記載の受光素子。

(1 1) 上記他方の極のォ—ミック電極が第一導電型で低抵抗の G a N系半導体層を介して設けられる態様であって、結晶基板上に、前記低抵抗の G a N系半導体層、受光層が順に形成され、低抵抗の G a N系半導体層の上側の面が部分的に露出しており、この露出した面に他方の極のォ一ミック電極が設けられている上記（ 8 ) 記載の受光素子。

(12) 上記結晶基板がサファイア結晶基板であり、上記低抵抗の G a N系半導体層が n⁺ - G a N系半導体層であり、上記受光層が n- G a N系半導体層であって、上記受光面に設けられた一方の極のォ一ミック電極が、くし形電極である、上記（1 1) 記載の受光素子。図面の簡単な説明

図 1は、本発明による受光素子（特にショットキ一障壁型）の一例を示す図である。図 1 ( a ) は受光面を示す図であり、図 1 ( b ) は、図 1 ( a ) の X _ X 断面を部分的に示す端面図である。ハッチングは、電極を識別するために施している（以下同様）。

図 2は、本発明の受光素子における、受光面とショットキ一電極との形状の関係を示す図である。

図 3は、本発明の受光素子（特にショットキ一障壁型）の構造例を示す図である。図 1 ( a ) の切断線 X— Xと同様の位置で、受光素子を切断したときの端面図である。

図 4は、ショットキ一障壁の空乏層と光の入射に関して、本発明と従来例とを比較する図である。

図 5は、本発明による受光素子（特に光導電型）の構造例を示す断面図である。同図（a ) は透明電極の態様、同図（b ) は不透明電極の態様を示している。図 6は、本発明による受光素子（特に光導電型）の全体の形状例を示す斜視図、あな。

図 7は、実施例 3、 4で作製した受光素子の、受光感度の特性を示すグラフ図であり、照射した光の波長と、受光感度との関係を示している。実線で描いた曲線①は実施例 3を示し、破線で描いた曲線②は実施例 4を示している。受光感度を示す縦軸は任意目盛である。

図 8は、従来の光導電型の受光素子の構造を示す模式図である。

発明の詳細な説明

本発明の受光素子は、例えば、図 1に示すように、 G a N系半導体からなる受光層 1と、該受光層の一方の面を受光面 1 aとして、受光面 1 aに設けられた電極 2とを有する。電極 2は、受光層 1に検出すべき光 Lの入射を可能とする態様にて設けられる。受光層の材料に G a N系半導体結晶を用いた受光素子であるから、 S i系半導体材料を用いた従来の P Dなどに比べて、耐紫外線性の改善された優れた受光素子となる。

本発明の受光素子の具体的な態様として、上記（2) のショットキ一障壁型の受光素子（PD) と、上記（8) の光導電型の受光素子（PD) が挙げられる。本発明でいう G a N系半導体は、式 I nx G av A 1 z N (0≤X≤ 1、 0≤ Y≤ l、 0≤Z≤ 1、 X + Y+Z= 1) で決定される化合物半導体である。 ― 受光層に用いられる G a N系半導体は、検出対象とする光の波長範囲のうちの長波長端の値で、その最適組成は決定される。例えば、 ①青色領域（480 nm 付近）およびそれよりも短い波長域の光を対象とする時には I nGaN、 ②紫外線でも 400 nm以下の短い波長域の光を対象とする時には I n組成の少ない I n G a N、 ③ 365 n m以下の紫外線だけを対象とする時には G a N、 A 1 G a Nが選ばれる。

本発明の受光素子が受光の対象とする光は、受光層に用いられる G a N系半導体のバンドギヤップで決定され、赤色光（波長 656 nm付近）よりも短い波長の光となる力青色から紫外線 · X線に至る短い波長の光を対象とするとき、本発明の有用性は顕著となる。特に、 K r Fエキシマレ一ザ一装置から発せられる波長 248 nmの光や、 A r Fエキシマレ一ザ一装置から発せられる波長 193 n mの光などの紫外線は、強烈なエネルギーを持つ光であるために従来の素子にとっては問題が多い。このような紫外線の受光に、 GaN系半導体を用いることによって、耐紫外線性の改善された優れた受光素子が得られる。

先ず、上記（2) の態様であるショットキ一障壁型の受光素子について説明する。この受光素子は、図 1に示すように、第一導電型の GaN系半導体からなる層を受光層 1として有する。 Lは検出すべき光である。該受光層 1の片側の面を受光面 1 aとして、該受光面 1 aにはショットキ一電極 2が少なくとも設けられる。このとき、被覆領域と露出領域との境界線の長さの合計（図 1 (a) の例では、ショットキ一電極の外形線全体の総延長）を、受光面の外周よりも長くなるように、ショットキ一電極を形成する。

上記（2) の態様でいう受光面とは、受光層の両面のうち光を受ける側の面全面をいう。この受光面を部分的に覆うようにショットキ一電極が設けられる。以下、受光面のうち、ショットキ一電極に覆われている領域を「電極領域」と呼び、露出している領域を「露出領域」と呼んで説明する。

上記（2 ) の態様は、ショットキ一障壁型の P Dである。従って、ショットキ一電極だけでなく、これに対する他方の電極が受光素子として機能し得るように設けられる。この他方の電極はォ一ミック電極であることが好ましい。ォ一ミツク電極については後述する。ショットキ一障壁を用いた光検出のメカニズム自体は、従来のショットキ一障壁型の P Dの場合と同様である。 n型の受光層について簡単に説明すると、両電極間に逆方向のバイアス電圧をかけて、ショットキ一電極から受光層へ電子が流れ込み易くしておき、受光層に光励起で発生した電子の流れを電流として検出するものである。

本発明の重要な特徴は、図 4 ( a ) に示すように、空乏層 1 bが、ショットキ一電極 2の直下だけでなく、該電極の周囲に微量だけ広がってはみ出していることに着目し、それを利用したことにある。電極周囲に微量だけはみ出しているこの空乏層の部分（以下「空乏層のはみ出し部分」）には、電極の上面側からも光 L 1が入射することができる。また、ショットキ一電極の直下であっても電極の周縁付近には、光 L 2のように斜め方向に入射する光も存在する。また、半導体中に入つた光も、回折作用によつて電極下の空乏層との相互作用を起こす。本発明では、この空乏層のはみ出し部分や、電極の周縁直下付近の空乏層部分を、より多く確保することによって、これを積極的に受光検出に利用するものである。そのために、電極領域と露出領域との境界線をより長くとることが重要である。本発明では、ショットキ一電極をより複雑な形状とすることによって、該境界線の長さを受光面の外周の全長よりも長くし、電極の上面側から照射される光を検出することを可能にしている。

これに対して、従来のショットキ一障壁型の受光素子は、上述の公報および図 4 ( b ) に示すように、受光すべき光 L 3を基板側から入射させ、ショッ卜キー電極 2 2 0の裏面側に形成される空乏層 2 1 0 bの中央部で受けるものである。即ち、従来のものは、ショットキ一電極の面積をより大きく取ることが重要である。従来のショットキ一電極にも、電極の周囲に微量だけ空乏層部分が広がっているカ^ 電極面積をより効率よく大きく取ろうとするために、電極領域と露出領域との境界線の長さは短くなり、長くとも受光面の外周長さとなっている。受光に必要な空乏層幅は、ショットキ一障壁のギャップが大きいほど広がり、電極周囲へのはみ出し量も多くなる。従って、ショットキ一障壁のギャップがより大きく得られるように材料を選択することが好ましい。また、このような点から、ショットキ一障壁のギヤップが大きくなるように、受光層のキヤリア濃度を低くし、 i層とすることが好ましい。

上記（2 ) の態様では、受光層に用いられる G a N系半導体の導電型は、第一導電型（即ち、 p型または n型のいずれか）であればよいが、不純物濃度の制御性、電極形成の容易性の点から、 n型とするのが好ましい。

以下、受光層を n型とする態様を用いて上記（2 ) の態様を説明する。

ショットキ一電極とは、金属と半導体との接合によってショットキ一障壁と呼ばれる電位障壁が生じた状態の電極をいう。この電極は、例えば、 S . M. S z e著（南日康夫ら訳）， "半導体デバイス" ，産業図書（初版第 3刷） 1 6 4頁に記載の、金属と半導体との接触部のエネルギーバンド図で特徴付けられる金属で形成される。ショットキ一障壁の高さ q 0は、金属の仕事関数 0 _m と半導体の電子親和カズとの差であるから、 q = q ( _m - χ ) であり、 0 _m の比較的大きな材料が望まれる。

ショットキ一電極の材料としては、 A u、 P t、 T i W、 N i、 P dなどが挙げられる。また、これらの材料を組み合わせて用いてもよい。

ショットキ一電極を上面側から見たときの該電極の形状は、上記作用の説明で述べたように、該電極の上面側からの光だけでも受光を検出できる程度に、長くなる形状であればよい。これを単純なモデルを挙げて次に説明する。

図 2は、受光面を一辺 aの正方形とした場合のショットキ一電極の形状を示す図である。電極の形状は、クシ歯の数が 3本のクシ形の配線パターンである。クシ形全体としての縦横の寸法を 0 . 8 a X 0 . 8 aとし、クシ形を構成している帯状導体の幅を 0 . 2 aとすると、電極領域と露出領域との境界線の長さの合計は 5 . 6 aとなり、受光面の外周長さ 4 aの 1 . 4倍となる。

図 1のように、クシ歯の数を 8本とし、帯状導体（電極材料）の幅を 0 . l a とすると、境界線の長さの合計は約 1 3 aとなり、受光面の外周長さの約 3倍となる。

ショットキ一電極の形状を、図 1、図 2に示すようなクシ形の配線パタ一ンとする場合、クシの歯に相当する部分は、帯状導体が平行に並んだ縞状を呈することになる。素子の規模や、配置環境（光の強度など）にもよるが、クシの歯に相当する部分の帯状導体の幅を、 0 . Ι μ π！〜 2 0 0 0 / mとし、導体間の隙間の幅を 0 . 1 / m〜： 1 0 0 0 yt mとするのが好ましい。

ショットキ一電極が上記クシ形電極のように、帯状導体が平行に並んだ縞状を呈する場合、導体間の隙間は大きいほど受光感度が大きくなる。

受光層の材料に、例えば G a Nを用いた場合、隣合った帯状導体から互いの間隙へはみ出している空乏層の幅の和は、 0 . 1 m〜数十 m程度であり、帯状導体の幅はこの値を考慮して決定するのが好ましい。また、帯状導体の幅は、小さくしすぎると電極の抵抗が大きくなつてしまう。帯状導体の幅と導体間の隙間の幅との比は、帯状導体の幅 Z導体間の隙間の幅≤ 1程度とするのがよい。また、導体間の隙間の幅は、上記範囲のなかでも、空乏層の厚さと同じ値〜空乏層の厚さの 2倍程度とすることで、空乏層のはみ出し部分が導体間の隙間を覆い、しかも好ましくオーバラップする。このような状態とすることで、受光層の下層の導電層に空乏層が到達した状態で、しかも受光面全体が空乏層で満たされるため、受光効率が良い。

逆バイアス電圧を印加すると、空乏層の厚さ ·はみ出し量は広がるので、逆バィァス電圧を印加して受光する場合は、逆バイアス電圧の印加で広がった空乏層の厚さに対して、導体間の隙間の幅を決定するのがよい。

ショットキ一電極の形状は、上記クシ形以外にも、帯状導体を任意に組み合わせてなる配線パターンであってもよい。例えば、帯状導体が矩形波のように蛇行するパターンや、格子状に交差するパターンなどが挙げられる。帯状導体の帯の幅は、上記クシ形の場合と同様、 0 . 1 / m〜 2 0 0 0 / mとするのが好ましい。また、上記のパターン以外にも、任意の形状の開口を露出領域として有する態様であってもよい。開口の数が多いほど、電極領域と露出領域との境界線の長さの合計は増大する。

本発明による上記（2 ) の受光素子は、一般的な半導体発光素子と同様、結晶基板上に G a N系半導体の層を結晶成長させてなる積層体として構成されるのが好ましい。その場合、受光層は積層体の最上層に位置する。この積層体の構造、およびショットキ一電極とォ一ミック電極との位置関係を図 3に例示する。

図 3 ( a ) の例では、結晶基板 5上に、バッファ層 6を介して n型 G a N系半導体からなる受光層 1を結晶成長させており、ォ一ミック電極はショットキ一電極と同じ受光面に設けられている。

図 3 ( b ) の例では、ォ一ミック電極を設けるための n型 G a N系半導体層 4 が受光層とは別に設けられている。このような態様は、ショットキー電極、ォ一ミック電極の各々に適したキヤリァ濃度を別々に設定することが容易であるために、好ましい態様である。ォ一ミック電極は層 4の上面に設けられるが、平面的な配置パターンとしては受光層の周囲を全周取り巻くように設けてもよい。

図 3 ( c )、の例では、結晶基板が導電性を示す材料からなる基板であって、ォ —ミック電極が結晶基板に設けられた例である。

ォーミック電極とは、金属一半導体の接触が整流特性を示さず（印加する電圧の向きにかかわらずに）、接触抵抗がほとんど無視できる状態のものであって、例えば、 S . M. S z e著（南日康夫ら訳）， "半導体デバイス" ，産業図書（初版第 3刷、 1 6 3頁、 1 7 4頁）の記載が参照される。高濃度にドーピングされた半導体と金属との接触は、形成される空乏層幅が著しく狭まり、トンネル電流が流れやすくなるために、ォ一ミック性になり易い。

ォーミック電極の材料（積層体の場合には、上側の材料/下側の材料と表記する）としては、 A l ZT i、 A u / T i、 T i、 A lなどが挙げられる。また、これらの材料を組み合わせて用いてもよい。

また、ショットキ一電極側が逆バイアスになるように電圧が印加されるので、ォ一ミック電極側がショットキ一障壁を持っていても大きな問題にはならない。このことは、両電極をショットキ一電極で形成していても、受光面の電極に逆バィァスの電圧を印加して使う場合、もう一方の電極には順バイアス状態になり、結果、ォ一ミック電極と同等の働きをすることを意味している。

結晶基板は、 G a N系半導体が結晶成長可能なものであればよく、サファイア、水晶、 S i C等や、 G a N系半導体結晶が挙げられる。

結晶基板を絶縁体とするならば、サファイアの C面、 A面、特に C面サフアイァ基板が好ましい。また、結晶基板が導電性を必要とするならば、 6 H— S i C 基板や、 G a N系半導体結晶が好ましい。また、図 3 ( a ) のように、サフアイァ結晶基板などの表面に、 G a N系半導体結晶との格子定数や熱膨張係数の違いを緩和するための Z n O、 M g O、 A 1 N等のバッファ層を設けた積層体を基板とみなしても良く、さらにその上に G a N系半導体結晶の薄膜を有するものでもよい。

次に、上記（8 ) の態様である光導電型の受光素子について説明する。この受光素子は、図 5 ( a ) 、 ( b ) に示すように、 G a N系半導体からなる第一導電型（同図では n型）の i層を受光層 1 0として有する。受光層 1 0の一方の面は光 Lが入射する受光面 1 0 aである。受光面 1 0 aには一方の極のォ一ミック電極 2 0が設けられる。該ォ一ミック電極 2 0は、光 Lが入射し得る態様にて形成される。また、受光層の他方の面 1 0 bには、受光層と同じ導電型で低抵抗の G a N系半導体層 4 0を介して、他方の極のォ一ミック電極 3 0が設けられており、光導電素子を構成している。他方の極のォ一ミック電極 3 0は、受光層の他方の面 1 0 bに直接設けられてもよい。以下、他方の極のォ一ミック電極を設けるための G a N系半導体層 4 0を、単に「コンタクト層」とも呼ぶ。

i層とは、低濃度層の総称であって、 n型低濃度層（層と呼ばれ n _ と書かれる）、または P型低濃度層（7Γ層と呼ばれと書かれる）を意味する。上記（8 ) の態様である光導電型の受光素子は、受光を検出するための基本的なメカニズムに関しては、従来の技術で説明したものと同様であり、光導電効果を利用して電流を取出し、受光したことを検出するものである。

上記（8 ) の受光素子の重要な特徴は、受光層の受光面上には片方の極のォ一ミック電極だけが設けられ、他方の極のォ一ミック電極は、受光面の裏面に直接または他の結晶層（受光層と同じ導電型の高濃度層）を介して設けられた構成となっている点である。この構成によって、光の入射によって受光層に生じたキヤリアは、受光面に沿って表層だけを移動するのではなく、受光層の厚さ方向に移動する。即ち、キャリアの移動経路に対して、表層部分が占める割合が少なくなつており、逆に、高品質な状態の深層部分が占める割合が多くなつているために、キャリアの再結合時間はより安定する。

受光層の導電型は、第一導電型（即ち、 p型または n型のいずれか）であればよいが、暗電流を下げて S ZN比を向上させる点から n型低濃度層（層）または i層とするのが好ましい。受光層（ i層）のキヤリア濃度は、 1 X 1 0 ^{1 7} c m 一³以下であればよい。下限としては 1 X 1 0 ^{1 3} c m一³程度が挙げられる。

受光層の厚さは、限定されないが、空乏層の厚さ以上の厚さとすることが好ましく、光吸収によって層全体にキャリアを発生させる必要から、 0 . l / m〜5 m程度が好ましい。

受光層の材料は G a N系半導体であればよいが、 3 6 5 n mより波長の長い光に対しては I n G a Nが好ましく、 3 6 5 n mより波長の短い紫外線に対しては G a Nまたは A 1 G a Nが好ましい。

両電極は、光導電効果による抵抗の変動をより高感度に検出するためォ一ミック電極である。

受光面に形成されるォーミック電極は、光が受光層に入射し得る様に形成する。このような電極としては、例えば、図 5 ( a ) に示すような透明電極が挙げられる。また、図 5 ( b ) に示すように、不透明な電極であっても、受光面 1 0 a に電極に覆われていない入射領域を設けて光 Lの入射量を必要量以上確保し、入射領域と電極に覆われた電極領域とのバランスを考慮すればよい。

受光面に設けられるォ一ミック電極は、受光層が n型低濃度層の場合、透明電極として A u (厚さ 5 0 n m) / T i (厚さ 1 0 0 n m) などが挙げられ、不透明電極として A u (厚さ 1 / m) / T i (厚さ 1 0 0 n m) などが挙げられる。また、受光層が p型低濃度層の場合、透明電極として A u (厚さ 5 0 n m) /N i (厚さ 1 0 0 n m) などが挙げられ、不透明電極として A u (厚さ 5 0 0 n m /N i (厚さ 1 0 0 n m) 、 A 1、 T iなどが挙げられる。上記電極の厚さ、特に不透明電極の厚さは、一例であって、これに限定されるものではない。

ここで、低キヤリア濃度の場合、ォ一ミックコンタク卜が取り難くなる現実的な問題がある。これを解決するためには、ォ一ミックコンタクトを取る為の層（ォ一ミックコンタク卜用層と呼ぶ）として、自由電子（または正孔）濃度 1 X 1 0 ^{1 8} c m ³、厚さ 1 0 η π！〜 5 0 n m程度の層を、受光層と電極との間に入れることが好ましい。従来のように受光面上に一対の電極が形成され受光面に沿って電流が流れるタイプでは、ォ一ミッタコンタクト用層を電極間で切断分離しなければならないが、本発明では、このような層が設けられたままでよい。

受光面に設けられるォ一ミック電極の形成パターンは、透明電極の場合には、受光面の一部でも全面でもよい。また、不透明電極の場合には、電極に覆われた電極領域と、電極に覆われていない入射領域を形成する。例えば、クシ型や格子状などの電極パターンが挙げられる。

他方のォ一ミック電極は、上記したように、受光層の裏面に直接設けるか、またはコンタクト層を介して設ける。受光層の薄さを補う点からは、後者の態様が好ましく、またその場合でも、図 5 ( a ) 、 ( b ) のように、最初の基礎となる結晶基板 5 0上に、コンタクト層 4 0、受光層 1 0を順に成長させた積層体とするのが好ましい。結晶基板とコンタクト層との間には、必要に応じてさらに他の G a N系半導体層を設けてもよい。結晶基板 5 0がサファイア基板のような絶縁体であるならば、図 5のようにコンタクト層 4 0の上側の面を露出させ、その露出面に他方のォ一ミック電極を設けるのが好ましい態様となる。

コンタクト層は、受光層と同じ導電型とし、低抵抗、即ち、キャリア濃度を 1 X 1 0¹⁷ cm— ³以上とするのが好ましい。キャリア濃度の上限は、 1 X 1 0¹⁹c m一³程度が挙げられる。

コンタクト層の厚さは、受光層の結晶性を確保する点から 1. 0 //m〜5. 0 〃m程度とするのが好ましい。

受光層とコンタクト層の材料の組合わせ例は数多く存在するが、（受光層の材料/コンタクト層の材料）と表記し例を挙げると、（n— -GaN/n⁺ —G a N) 、（n- — A 1 G a N/n⁺ — G a N)、（ n - - A 1 G a N/ n ⁺ — A 1 GaN) 、（n - 一 I n G a N/n⁺ — G a N) 、（ n - 一 G a N/ n ⁺ — A 1 G a N) などが挙げられる。

図 3 (b) 、図 5に示す態様の場合、素子全体の形状は、直方体や円柱を、図 6 (a) のように 1方向にのみ階段状となるよう組合わせた形状であっても、図 6 (b) のように全方向に階段状となるよう組合わせた形状であってもよく、製造が容易である点や、特性上好ましい点などから、適宜選択してよい。また、図 6 (b) の場合には、コンタクト層 4 0上面に設ける電極 3 0は、素子の外周を取り巻くように設けても、部分的に設けてもよい。

実施例

以下に、実施例を示し、本発明をより具体的に示す。

実施例 1

本実施例では、上記（2) のショットキ一障壁型の PDを製作した。受光面に設けるショットキ一電極の形状をクシ形の配線パターンとし、ショットキ一電極とォ一ミック電極とを共に受光面上に設ける態様とした。

図 3 (a) に示すように、 C面サファイア基板 5上に、 GaNバッファ層 6を介して n型 A 1 G a N層（受光層） 1を成長させた。 A 1 G a N層は、バンドギャップが約 3. 6 7 eVとなる組成比であり、厚さ 3 m、受光面の外周形状は 5 mmx 5 mmの正方形、キヤリァ濃度は 1 X 1 0¹⁷ c m— ³である。受光面の正方形のうち、 5mmx 4 8 4 0 y«mの方形領域内にくし形のパターンのショットキ一電極を設け、残る領域内に方形のォ一ミック電極を設けて対向させた。

ショットキ一電極は、厚さ 5 0 0 nmの Auからなり、歯の数が 5 0 0本のクシ形のパターンとした。このとき電極領域と露出領域との境界線の長さの合計は、受光面の外周の約 2 3 0倍であった。

ォ一ミック電極は、受光面上に T i層、 A 1層の順に形成した。

両電極間に 5 Vの逆方向バイアスをかけた状態で、受光面に対して垂直な方向から種々の波長の光を照射し、受光の性能を調べたところ、約 3 4 0 nm以下の紫外線に対して感度があることがわかった。 3 4 0 nm以下の波長域については、従来のように基板側から光を入射させていた場合に問題となる A 1 G a Nの光吸収特性が、本発明では逆にそのまま受光感度に寄与することになるので、フラッ卜な特性となった。また、 3 4 0 nmよりも長い波長域については、光を吸収しないため、素子の温度が上がることも少なく、全く感度がなかった。

実施例 2

本実施例では、上記（2) のショットキ一障壁型の PDの他の態様を製作した。ショットキ一電極の形状をクシ形の配線パターンとし、ォ一ミック電極を n型半導体からなる結晶基板に設けた。

図 3 (c) に示すように、 n型 G a N結晶基板 5上に、 n型 I nG a N層（受光層） 1を成長させた。 I nG a N層は、バンドギャップが約 2. 9 3 e Vとなる組成比であり、厚さ 5 ;«m、受光面の外周形状は l mm X 1 mmの正方形、キャリア濃度は 1 X 1 0¹⁸ cm ³である。

ショットキ一電極は、厚さ 2 0 nmの A uからなり、歯の数が 2 0 0本のクシ形のパターンであって、電極領域と露出領域との境界線の長さの合計は、受光面の外周の約 8 6倍であった。

ォ一ミック電極は、 n型 G aN結晶基板 5の裏面に T i層、 A 1層の順に形成した。両電極間に 3 Vの逆方向バイアスをかけた状態で、実施例 1と同様に受光の性能を調べたところ、約 4 2 5 nm以下の紫外線に対して感度があることがわかつた。 4 2 5 nm以下の波長域については、実施例 1と同様、フラッ卜な特性であり、また、 4 2 5 nmよりも長い波長域についても、全く感度がなかった。

実施例 3

本実施例では、図 5 (a) に示す電極の態様と、図 6 (b) に示す素子の形状とを有する、上記（8) の光導電型の受光素子を製作した。

サファイア C面基板 5 0上に G a Nバッファ層（図示せず）を介して、 n— G a N層（厚さ 3 ^m、ド一パント S i、キヤリア濃度 1 x 1 0¹⁸ c m一³) を成長させてコンタクト層 4 0とし、その上に n— — G a N層（厚さ 3 m、ド一パント S i、キャリア濃度 1 X 1 0¹⁵ c m_³) を成長させて受光層 1 0とし、更に、 n— G a N層（厚さ 5 0 nm、ドーパン卜 S i、キヤリァ濃度 1 x 1 0¹⁸ cm— ³ ) を成長させてォ一ミックコンタクト用層（図示せず）とした。

受光面 1 0 a上に、ォ一ミックコンタクト用層を介して、透明ォ一ミック電極 2 0、 A 1 (厚さ 5 0 nm) /T i (厚さ 5 0 nm) を形成し、中央部を残して外周縁を R I Eによって深さ 2. 2〃mだけエッチングしてコンタクト層 4 0を露出させ、露出面上にォ一ミック電極 3 0として A 1 (厚さ 5 0 0 nm) /T i (厚さ 1 0 nm) を形成し、光導電型の受光素子を得た。

受光すべき光 Lとして 4 5 0 nmより短い種々の波長の光を照射し、受光感度を調べたところ、図 7のグラフ図に実線で描いた曲線①で示すように、 3 6 5 η m付近から立ち上がり、それ以下の短い波長の光に対してフラッ卜な特性を有することがわかった。

実施例 4

本実施例では、受光層の材料を A l o. i G a ₀.9 Nとし、受光層上に設けるォ —ミック電極の態様を図 5 (b) に示す不透明電極 2 0とした以外は、実施例 3 と同様、上記（8) の光導電型の受光素子を製作した。

受光層 1 0上のォ一ミック電極 2 0は、 A 1 (厚さ 5 βπι) /T i (厚さ 0 . 1 μ τη ) とした。また、受光面 1 0 a上に描かれた電極 2 0のパターンは、 1本の帯状導体を幹線としてそこから多数の帯状導体が分枝した「くし形」電極とした。

実施例 3と同様に受光感度を調べたところ、図 7のグラフ図に破線で描いた曲線②で示すように、 3 4 0 n m付近から立ち上がり、それ以下の短い波長の光に対してフラッ卜な特性を有することがわかった。

産業上の利用可能性

以上説明したように、本発明の受光素子は、 G a N系半導体を用いているために紫外線に対して優れた耐性を有する。

また、上記（2 ) の態様であるショットキ一障壁型の受光素子では、ショットキー障壁型であり不透明な電極を用いたものでありながら、ショットキ一電極の上面側からの光を受光する構造である。このため、受光すべき光は、 G a N系半導体からなる層を通過することなく、また電極側からの入射でありながら直接的に空乏層に入射することができる。これによつて、青色〜紫外域の波長の光に対しても優れた感度を有するものとなり、特に、波長が短くなつても感度が減少することがない。

また、上記（8 ) の態様である光導電形の受光素子では、発生したキャリアが受光層の厚さ方向に移動する構造であるから、受光面付近の汚染や劣化などの結晶状態が、感度に対して大きな影響を与えない。

本出願は日本で出願された平成 1 0年特許願第 2 6 5 5 0 6号および平成 1 0 年特許願第 2 6 5 5 1 6号を基礎としており、それらの内容は本明細書に全て包含される。

Claims

請求の範囲

1 . G a N系半導体からなる受光層と、該受光層の一方の面を受光面として、該受光面に該受光層への光の入射を可能とする態様にて設けられた電極とを、有することを特徴とする半導体受光素子。

2 . 当該受光素子がショットキ—障壁型の受光素子であって、上記受光層が第一導電型の層であり、上記受光面に設けられた上記電極が、少なくともショットキ一電極を含んでおり、該受光面のうち、ショットキ一電極に覆われている領域と、露出している領域との境界線の長さの合計が、受光面の外周の長さよりも長い、請求の範囲 1記載の受光素子。

3 . 上記ショットキ一電極が、帯状導体を組み合わせてなる配線パターンとして形成されたものである請求の範囲 2記載の受光素子。

4 . 上記帯状導体の帯の幅が、 0 . 1 m〜 2 0 0 0 / mである請求の範囲 2 記載の受光素子。

5 . 上記配線パターンが、クシ形のパターンである請求の範囲 2記載の受光素子。

6 . 上記受光層が、結晶基板上に第一導電型の G a N系半導体からなる層を 1 層以上成長させてなる積層体の最上層であって、ォ一ミック電極が受光層以外の層に設けられている請求の範囲 2記載の受光素子。

7 . 結晶基板が導電性を示す材料からなる基板であって、ォ一ミック電極が結晶基板に設けられている請求の範囲 6記載の受光素子。

8 . 当該受光素子が光導電型の受光素子であって、上記受光層が第一導電型の i層であり、上記受光面に設けられた上記電極が一方の極のォ一ミック電極であり、

受光層の他方の面には、直接的にまたは、第一導電型で低抵抗の G a N系半導体層を介して、他方の極のォ一ミック電極が設けられている、請求の範囲 1記載の受光素子。

9 . 一方の極のォ一ミック電極が、光の入射を可能とする様、透明電極として設けられている請求の範囲 8記載の受光素子。

1 0 . 一方の極のォ一ミック電極が不透明な電極であって、光の入射を可能とする様、受光面に、電極に覆われた電極領域と、電極に覆われていない入射領域が形成されている請求の範囲 8記載の受光素子。

1 1 . 上記他方の極のォ一ミック電極が第一導電型で低抵抗の G a N系半導体層を介して設けられる態様であって、結晶基板上に、前記低抵抗の G a N系半導体層、受光層が順に形成され、低抵抗の G a N系半導体層の上側の面が部分的に露出しており、この露出した面に他方の極のォ一ミック電極が設けられている請求の範囲 8記載の受光素子。

1 2 . 上記結晶基板がサファイア結晶基板であり、上記低抵抗の G a N系半導体層が n ⁺ - G a N系半導体層であり、上記受光層が n - - G a N系半導体層であって、上記受光面に設けられた一方の極のォ一ミック電極が、くし形電極である、請求の範囲 1 1記載の受光素子。