(57)【要約】【課題】受光感度の優れた光抵抗方式の受光素子を提供する。【解決手段】第１のIII族窒化物からなる第１層と、第１のIII族窒化物とは組成が異なる第２のIII族窒化物からなる第２層とが繰り返し交互に積層された超格子構造を有するコンタクト部を、第３のIII族窒化物からなる受光層の上において対向電極を構成する櫛歯状電極である第１の電極と第２の電極の電極指形成位置に対応させて形成したうえで、第１と第２の電極をそれぞれ、対応するコンタクト部を被覆しつつコンタクト部および受光層と接合形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光抵抗式の受光素子であって、
対向電極を構成する第１および第２の電極と、
第１のIII族窒化物からなる第１層と、前記第１のIII族窒化物とは組成が異なる第２のIII族窒化物からなる第２層とが繰り返し交互に積層された超格子構造を有するコンタクト部と、
第３のIII族窒化物からなる受光層と、
を備え、
前記コンタクト部が、前記受光層の上において、前記第１および第２の電極の形成位置に対応させて形成されてなり、
前記第１および第２の電極がそれぞれ、対応する前記コンタクト部を被覆しつつ前記コンタクト部および前記受光層に接合されてなる、
ことを特徴とする受光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の受光素子であって、
前記第１および第２の電極が櫛歯状電極であり、前記コンタクト部が、前記櫛歯状電極の電極指の形成位置に対応させて形成されてなる、
ことを特徴とする受光素子。
【請求項３】
請求項２に記載の受光素子であって、
前記コンタクト部が、前記電極指の長手方向に離散的に存在するように形成されてなる、
ことを特徴とする受光素子。
【請求項４】
請求項２に記載の受光素子であって、
前記コンタクト部が、前記電極指の長手方向に延在するように形成されてなる、
ことを特徴とする受光素子。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の受光素子であって、
前記受光層が、
前記第３のIII族窒化物からなるとともに所定のドーパントがドープされてなることで導電性を有する導電性層と、
前記第３のIII族窒化物からなり、非受光時には絶縁性を呈し、受光時には導電性を呈する光応答層と、
を積層形成することで構成されてなり、
前記光応答層の上に前記対向電極が設けられてなる、
ことを特徴とする受光素子。
【請求項６】
光抵抗式の受光素子の作製方法であって、
所定の基板の上に受光層を形成する受光層形成工程と、
前記受光層の上にコンタクト部を形成するコンタクト部形成工程と、
対向電極を構成する第１および第２の電極を形成する対向電極形成工程と、
を有し、
前記コンタクト部形成工程が、
第１のIII族窒化物からなる第１層と、前記第１のIII族窒化物とは組成が異なる第２のIII族窒化物からなる第２層とを、第３のIII族窒化物からなる前記受光層の上に繰り返し交互に積層することによって、超格子構造を有するコンタクト層を形成するコンタクト層形成工程と、
前記コンタクト層形成工程により得られた積層体の前記第１および第２の電極の形成位置以外の箇所をエッチングすることにより、前記第１および第２の電極の形成位置に対応させて前記コンタクト部を形成するコンタクト部形成工程と、
を備え、
前記対向電極形成工程においては、対応する前記コンタクト部を被覆しつつ前記コンタクト部および前記受光層と接合されるように前記第１および第２の電極を形成する、
ことを特徴とする受光素子の作製方法。
【請求項７】
請求項６に記載の受光素子の作製方法であって、
前記対向電極形成工程においては前記第１および第２の電極を櫛歯状電極として形成し、
前記コンタクト部形成工程においては前記櫛歯状電極の電極指の形成位置に対応させて前記コンタクト部を形成する、
ことを特徴とする受光素子の作製方法。
【請求項８】
請求項７に記載の受光素子の作製方法であって、
前記コンタクト部形成工程においては、前記コンタクト部を、前記電極指の長手方向に離散的に存在するように形成する、
ことを特徴とする受光素子の作製方法。
【請求項９】
請求項７に記載の受光素子の作製方法であって、
前記コンタクト部形成工程においては、前記コンタクト部を、前記電極指の長手方向に延在するように形成する、
ことを特徴とする受光素子の作製方法。
【請求項１０】
請求項６ないし請求項９に記載の受光素子の作製方法であって、
前記受光層形成工程が、
所定のドーパントをドープさせつつ前記第３のIII族窒化物からなる半導体層を前記所定の基板の上にエピタキシャル形成させることによって導電性を有する導電性層を形成する導電性層形成工程と、
前記導電性層の上に、前記第３のIII族窒化物からなる半導体層を前記導電層の上にエピタキシャル形成させることによって、非受光時には絶縁性を呈し、受光時には導電性を呈する光応答層を形成する光応答層形成工程と、
を含むことを特徴とする受光素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子、特にIII族窒化物半導体を用いて構成される受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ソーラーブラインド(太陽光からの紫外線を感知しない)の紫外線センサは、民生用としては火災検知器、工業用途としては各種工業炉、ボイラなどの失火検出、内燃機関用の燃焼監視、計測機器等などに用いられる。例えば、工業用途に用いられる紫外線センサとしては、光電管式のものが広く用いられている。
【０００３】
しかしながら、光電管式の紫外線センサはそれ自体が高価であり、かつ寿命が短いという問題が一般に知られている。このような従来品に代えて、固体素子である半導体受光素子にて紫外線センサを構成すれば、安価でかつ長寿命の紫外線センサが実現できる可能性がある。なお、一般的な半導体受光素子の方式としては、光抵抗式(光導電式)、ショットキーダイオード式、ｐ（i）ｎダイオード式、アバランシェダイオード式などが公知である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
一方、III族窒化物半導体は、直接遷移型の広いバンドギャップを有し、かつ混晶組成の制御によりバンドギャップを変化させることができるため、可視〜紫外域を受発光波長領域とする発光素子および受光素子用の材料として利用可能であることが、広く知られている。例えば、ショットキーダイオード式のIII族窒化物半導体受光素子（例えば、非特許文献２参照）やｐｎダイオード式のIII族窒化物半導体受光素子（例えば、特許文献１参照）がすでに公知である。原理的には、III族窒化物半導体を用いて、上記の各方式による紫外線受光素子を形成することが可能である。
【０００５】
【非特許文献１】Ｓ．Ｍ．ジィー著、南日康夫、川辺光央、長谷川文夫訳、「半導体デバイス」、p.293-302
【非特許文献２】"Schottky barrier photodetectors based on AlGaN", A. Osinsky, S. Gangopadhyay, B. W. Lim, M. Z. Anwar, M. A. Khan, D.V. Kuksenkov, H. Temkin, APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.72, No.6, P.742-744
【特許文献１】特開２０００−１０１１２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
受光素子を紫外線センサ用途に展開する場合、基本性能として、受光感度が高いこと、すなわち、光電流(受光時の出力電流)が大きく暗電流(遮光時の出力電流)が小さいことが求められる。具体的には入射光強度１０μＷのときの光感度（Ｓ／Ｎ比）が５桁以上であり、光電流が１Ａ／Ｗ程度以上であることが望まれる。
【０００７】
光抵抗式の半導体受光素子は、ｐ型半導体またはｎ型半導体からなる半導体層に２つの電極をオーミック接合することにより構成を有するが、光抵抗式の半導体受光素子にて紫外線センサを構成しようとする場合には、暗電流を低減させるために、半導体層を高抵抗材料にて形成する必要がある。
【０００８】
この点に関し、紫外領域に発光波長を有するIII族窒化物は、バンドギャップが大きいこともあって、半導体層の形成材料として好適であるが、電極との間に良好なオーミック接合を得にくい、という問題がある。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、受光感度の優れた光抵抗方式の受光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、光抵抗式の受光素子であって、対向電極を構成する第１および第２の電極と、第１のIII族窒化物からなる第１層と、前記第１のIII族窒化物とは組成が異なる第２のIII族窒化物からなる第２層とが繰り返し交互に積層された超格子構造を有するコンタクト部と、第３のIII族窒化物からなる受光層と、を備え、前記コンタクト部が、前記受光層の上において、前記第１および第２の電極の形成位置に対応させて形成されてなり、前記第１および第２の電極がそれぞれ、対応する前記コンタクト部を被覆しつつ前記コンタクト部および前記受光層に接合されてなる、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載の受光素子であって、前記第１および第２の電極が櫛歯状電極であり、前記コンタクト部が、前記櫛歯状電極の電極指の形成位置に対応させて形成されてなる、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項２に記載の受光素子であって、前記コンタクト部が、前記電極指の長手方向に離散的に存在するように形成されてなる、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項２に記載の受光素子であって、前記コンタクト部が、前記電極指の長手方向に延在するように形成されてなる、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の受光素子であって、前記受光層が、前記第３のIII族窒化物からなるとともに所定のドーパントがドープされてなることで導電性を有する導電性層と、前記第３のIII族窒化物からなり、非受光時には絶縁性を呈し、受光時には導電性を呈する光応答層と、を積層形成することで構成されてなり、前記光応答層の上に前記対向電極が設けられてなる、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明は、光抵抗式の受光素子の作製方法であって、所定の基板の上に受光層を形成する受光層形成工程と、前記受光層の上にコンタクト部を形成するコンタクト部形成工程と、対向電極を構成する第１および第２の電極を形成する対向電極形成工程と、を有し、前記コンタクト部形成工程が、第１のIII族窒化物からなる第１層と、前記第１のIII族窒化物とは組成が異なる第２のIII族窒化物からなる第２層とを、第３のIII族窒化物からなる前記受光層の上に繰り返し交互に積層することによって、超格子構造を有するコンタクト層を形成するコンタクト層形成工程と、前記コンタクト層形成工程により得られた積層体の前記第１および第２の電極の形成位置以外の箇所をエッチングすることにより、前記第１および第２の電極の形成位置に対応させて前記コンタクト部を形成するコンタクト部形成工程と、を備え、前記対向電極形成工程においては、対応する前記コンタクト部を被覆しつつ前記コンタクト部および前記受光層と接合されるように前記第１および第２の電極を形成する、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項６に記載の受光素子の作製方法であって、前前記対向電極形成工程においては前記第１および第２の電極を櫛歯状電極として形成し、前記コンタクト部形成工程においては前記櫛歯状電極の電極指の形成位置に対応させて前記コンタクト部を形成する、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項７に記載の受光素子の作製方法であって、前記コンタクト部形成工程においては、前記コンタクト部を、前記電極指の長手方向に離散的に存在するように形成する、ことを特徴とする。
【００１８】
請求項９の発明は、請求項７に記載の受光素子の作製方法であって、前記コンタクト部形成工程においては、前記コンタクト部を、前記電極指の長手方向に延在するように形成する、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項１０の発明は、請求項６ないし請求項９に記載の受光素子の作製方法であって、記受光層形成工程が、所定のドーパントをドープさせつつ前記第３のIII族窒化物からなる半導体層を前記所定の基板の上にエピタキシャル形成させることによって導電性を有する導電性層を形成する導電性層形成工程と、前記導電性層の上に、前記第３のIII族窒化物からなる半導体層を前記導電層の上にエピタキシャル形成させることによって、非受光時には絶縁性を呈し、受光時には導電性を呈する光応答層を形成する光応答層形成工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１ないし請求項１０の発明によれば、電極のオーミック接合面積が十分に確保されてなるとともに、コンタクト部に生成した２次元電子ガス領域に直接に金属電極を接触させることによって電極における電流の取り出し効率が高められてなることで、大きな光電流が得られ、かつ暗電流が十分に抑制された、紫外領域に検出波長範囲を有する光抵抗式の受光素子を実現することができる。
【００２１】
特に、請求項５および請求項１０の発明によれば、受光層を絶縁性の層のみで形成する場合に比してさらに大きな光電流が得られる、光抵抗式の受光素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
＜第１の実施の形態＞
＜受光素子の構造＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る受光素子１０の概観斜視図である。受光素子１０は、概略的には、図１に示すように、基板１と、III族窒化物半導体からなる受光層２と、それぞれが櫛歯状電極である電極３Ａと電極３Ｂとからなる対向電極３とを備える。受光素子１０は、外部からの光（対向電極３を透過した光）を受光した受光層２において光電変換により生成するキャリアを、対向電極３において電流として取り出す光抵抗式の受光素子である。なお、以降を含め、図中における各層のサイズおよび厚みの比率は、実際のものを反映したものではない。
【００２３】
図１に示すように、基板１は、基材１Ａと、その上にエピタキシャル形成されたIII族窒化物半導体からなるバッファ層１Ｂとから構成される。すなわち、基板１としては、いわゆるエピタキシャル基板（テンプレート基板）を用いることができる。
【００２４】
基材１Ａとしては、６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板を用いるのが好適な一例である。例えば、Ｎがドープされることで０．０１Ωｃｍ程度の比抵抗を有するｎ型導電性ＳｉＣ基板を用いることができる。ただし、その主面上に結晶性の良好なIII族窒化物半導体層を形成できるものであれば、基材１Ａの材質には特段の制限はない。例えば、III族窒化物半導体層の形成に一般的に用いられる、サファイア、Ｓｉ、ＧａＡｓ、スピネル、ＭｇＯ、ＺｎＯ、フェライト等から、適宜に選択して、基材１Ａとして用いることができる。また、基材１Ａの厚みには、特段の制限はなく、受光素子１０の全体サイズ等の要件に基づいて適宜に定められればよいが、取り扱いの便宜上は、数百μｍ〜数ｍｍ程度であるのが好適である。
【００２５】
バッファ層１Ｂは、その上に結晶品質の良好なIII族窒化物半導体層として受光層２を形成するための下地層として設けられる層である。バッファ層１Ｂは、数百ｎｍ程度の厚みに形成される。バッファ層１Ｂは、ＡｌＮにて形成されるのが好適な一例である。係る場合、バッファ層１Ｂは、１×１０7Ωｃｍ以上の高い比抵抗を有する高抵抗層（絶縁性層）として形成されることになる。
【００２６】
受光層２は、受光素子１０において受光部（光電変換部）となる層である。受光層２も、基板１の上に（バッファ層１Ｂの上に）エピタキシャル形成されるIII族窒化物半導体層である。なお、受光素子１０を作製するにあたっては、基板１として上述のエピタキシャル基板を用意し、その上に受光層２を形成するようにしてもよいし、基材１Ａの上に、バッファ層１Ｂおよび受光層２を連続的に形成する態様であってもよい。以降において、基板１の上に受光層２を形成したものを、受光素子用エピタキシャル基板と称することがある。
【００２７】
受光層２は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）なる組成のIII族窒化物からなる層である。受光層２は、受光状態に応じて、その導電特性が変化する層である。すなわち、非受光時には１×１０7Ωｃｍ以上の高い比抵抗を有する高抵抗層（絶縁性層）となるが、受光時には、光電変換が起こって入射光のエネルギーに応じた量のキャリアが生成することで、受光層２の導電抵抗は低下する。すなわち、電極３Ａ、３Ｂに接続された受光層２が導電性を帯びることになる。これにより、電極３Ａ、３Ｂの間において光電流が流れる。係る受光層２は、数百ｎｍ〜数μｍ程度の厚みに形成される。例えば、１μｍの厚みに形成するのが好適な一例である。
【００２８】
本実施の形態に係る受光素子１０においては、このように受光層２がＡｌxＧａ1-xＮにて形成されることで、紫外領域に検出波長範囲を有するものとされてなる。また、受光層２の形成材料としてワイドバンドギャップ半導体であるＡｌxＧａ1-xＮを用いる場合には、高絶縁性の半導体層を比較的容易に形成することができ、ひいては暗電流が抑制された受光素子を形成することができる。
【００２９】
図２は、対向電極３の上面図である。対向電極３は、受光層２の表面にオーミック接合されてなる。対向電極３において、電極３Ａと電極３Ｂとはそれぞれ櫛歯状電極である。電極３Ａはバスバー部３Ａｂとこれに接続する複数の電極指３Ａｆとから構成される。電極３Ｂはバスバー部３Ｂｂとこれに接続する複数の電極指３Ｂｆとから構成される。電極３Ａの複数の電極指３Ａｆと電極３Ｂの複数の電極指３Ｂｆのそれぞれは、交互に配列してなる。
【００３０】
また、図３は、電極３Ａおよび電極３Ｂの電極指３Ａｆと電極指３Ｂｆとに共通する内部構造を模式的に示す断面図である。電極指３Ａｆと電極指３Ｂｆとは、図２に示すようにその内部に電極指３Ａｆと電極指３Ｂｆの長手方向（図２のＹ軸方向）に延在するコンタクト部４Ａ、４Ｂを備えているとともに、図３に示すように、金属電極膜３Ａｍ、３Ｂｍが受光層２にオーミック接合されるとともにこれらコンタクト部４Ａ、４Ｂにもこれらを被覆しつつオーミック接合される構成を有する。
【００３１】
コンタクト部４Ａおよび４Ｂは、図３に示すように、受光層２の上に（より詳細には、受光層２の表面に形成された凸部２Ｃの上に）、バンドギャップが相異なる２つのIII族窒化物半導体からなる薄膜層を交互に積層した超格子構造を有してなる。詳細にいえば、それぞれ数十ｎｍ程度の厚みを有する、Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎ（０≦ｙ１≦１）なる組成のIII族窒化物からなる第１層４Ａαまたは４Ｂαと、Ａｌy2Ｇａ1-y2Ｎ（０≦ｙ２≦１）なる組成のIII族窒化物からなる第２層２４βまたは４Ｂβとを（ただしｘ１≠ｘ２）、繰り返し交互に積層させることで、コンタクト部４Ａおよび４Ｂが構成される。なお、第１層４Ａαおよび４Ｂαと、第２層４Ａβおよび４Ｂβとに、Ｓｉなどのドナー不純物がドープされることで、コンタクト層４Ａおよび４Ｂがｎ型の導電性を呈する態様であってもよい。例えば、１×１０18／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3の濃度でＳｉがドープされるのが好適である。
【００３２】
一方、金属電極膜３Ａｍ、３Ｂｍは、それぞれに十数ｎｍ〜百数十ｎｍ程度の厚みを有するＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる多層金属電極として形成されるのが好適な一例である。
【００３３】
このようなコンタクト部４および対向電極３の形成は、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とにより行うことができる。
【００３４】
なお、バスバー部３Ａｂおよび３Ｂｂの長手方向（図２においてはＸ軸方向）のサイズＬ１とこれに直交する方向（図２においてはＸ軸方向）のサイズＬ２とはそれぞれ、受光素子１０の平面サイズに相当する。サイズＬ１、Ｌ２は例えば数百μｍ〜数ｍｍ程度である。また、電極指３Ａｆと電極指３Ｂｆの電極幅ｄ１、および、それぞれの電極指３Ａｆと電極指３Ｂｆの間隔は、いずれもおおよそ数μｍ〜数十μｍ程度であるのが好ましい。コンタクト部４Ａ、４Ｂの幅ｄ３（図３）は、電極幅ｄ１の１／４〜１／２程度であるのが好適である。電極３Ａの電極指３Ａｆと電極３Ｂの電極指３Ｂｆとの重なり部分のサイズである交差幅ｗは、数百μｍ程度であるのが好ましい。これらのサイズ要件をみたす場合、数ｍｍ〜数十ｍｍ程度の総電極幅（電極３Ａと電極３Ｂとの対向部分の総延長）を有する受光素子１０が実現される。
【００３５】
本実施の形態に係る受光素子１０においては、上述のように受光層２の上にコンタクト部４Ａ、４Ｂを設けるとともに、該コンタクト部４Ａ、４Ｂを金属電極膜３Ａｍ、３Ｂｍにて被覆する態様にて電極指３Ａｆ、３Ｂｆを構成することで、電極指３Ａｆおよび電極指３Ｂｆが受光層２にのみ接続される場合に比して、より大きなオーミック接合面積が確保されてなる。
【００３６】
また、コンタクト部４Ａ、４Ｂを超格子構造とすることで、第１層４Ａαと第２層４Ａβとのヘテロ界面近傍に、横方向（ここでは、第１層４Ａαと第２層４Ａβとの積層方向に直交する方向のことを意味する）に電子が高濃度に分布する２次元電子ガス領域が形成される。これにより、電極指３Ａｆ、３Ｂｆにおいては、より効率的な電流の取り出しが実現される。
【００３７】
このような構成を有することで、受光素子１０においては、紫外光を受光した場合に、１Ａ／Ｗよりはるかに大きな光電流が流れることになる。この結果は、入射光強度１０μＷのときの光感度（ＳＮ比）が５桁以上という、受光素子１０を紫外線センサ用途に用いる場合の要件を十分にみたすものである。
【００３８】
すなわち、本実施の形態によれば、受光層の上に超格子構造を有するコンタクト部を設け、電極指を形成する金属電極膜を受光層のみならず該コンタクト部とオーミック接合させるようにすることで、大きな光電流が流れるとともに暗電流が十分に抑制された受光素子を実現することができる。
【００３９】
＜受光素子の作製方法＞
次に、上述のような構造を有する受光素子１０の作製方法について説明する。図４は、受光素子１０の作製過程において得られる構造体の構造を模式的に示す断面図である。なお、以降においては、バッファ層１Ｂと、受光層２と、コンタクト部４Ａおよび４Ｂとなるコンタクト層４（図４）との形成を、ＭＯＣＶＤ法を用いて連続的に行う場合を対象に説明を行う。ただし、良好な結晶性を有するように各層を形成できる手法であれば、他のエピタキシャル成長手法、例えば、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ、ＬＰＥなど、種々の気相成長法や液相成長法の中から適宜選択した手法を用いてもよいし、異なる成長法を組み合わせて用いる態様であってもよい。
【００４０】
なお、以下においては、１つの基材１Ａから、多数個の受光素子１０を同時に作製する場合（多数個取りする場合）を対象に説明する。
【００４１】
バッファ層１Ｂ、受光層２、およびコンタクト層４の作製は、公知のＭＯＣＶＤ炉を用いて行うことができる。具体的には、Ａｌ、Ｇａについての有機金属（ＭＯ）原料ガス（ＴＭＡ、ＴＭＧ）や、Ｓｉドープのためのドーパント源であるシラン（ＳｉＨ4）ガスと、アンモニアガスと、水素ガスと、窒素ガスとをリアクタ内に供給可能に構成されてなるＭＯＣＶＤ炉を用いる。
【００４２】
まず、例えば（０００１）面方位の２インチ径のｎ導電性６Ｈ−ＳｉＣ基板などを基材１Ａとして用意し、該基材１Ａを、ＭＯＣＶＤ炉のリアクタ内に設けられたサセプタの上に設置する。リアクタ内を真空ガス置換した後、リアクタ内圧力を５ｋＰａ〜５０ｋＰａの間の所定の値（例えば３０ｋＰａ）に保ちつつ、水素／窒素混合フロー状態の雰囲気を形成した上で、サセプタ加熱によって基板を昇温する。
【００４３】
サセプタ温度がバッファ層形成温度である（９５０℃〜１２５０℃の間の所定温度（例えば１０５０℃）に達すると、Ａｌ原料ガスとＮＨ3ガスをリアクタ内に導入し、バッファ層１ＢとしてのＡｌＮ層を形成する。
【００４４】
ＡｌＮ層が形成されると、サセプタ温度を所定の受光層形成温度（９５０℃〜１２５０℃の間の所定温度（例えば１０５０℃））に保ち、ＴＭＡと、ＴＭＧと、アンモニアガスとをリアクタ内に導入し、受光層２としてのＡｌxＧａ1-xＮ層の形成を開始する。所定の厚みに達した時点で、引き続き、第１層４αと第２層４βとが繰り返し交互に形成された超格子構造として、コンタクト層４を形成する。具体的には、第１層４αが、Ａｌy1Ｇａ1-y1Ｎなる組成を有するように形成され、第２層４βは、Ａｌy2Ｇａ1-y2Ｎなる組成を有するように形成される。ここで、第１層４αは、コンタクト部４Ａ、４Ｂの第１層４Ａα、４Ｂαとなる層である。第２層４βは、コンタクト部４Ａ、４Ｂの第２層４Ａβ、４Ｂβとなる層である。各層は、原料ガスの流量比を適宜に調整することで、所望の組成を有するように形成される。なお、コンタクト層４を形成する際にシランガスを所定の流量比で導入した場合には、コンタクト層４がｎ型の導電型を呈するように形成される。以上により、図４（ａ）に示すような積層構造体が形成される。
【００４５】
係る構造体が得られると、これを用いて受光素子１０を作製する。なお、以降の各工程は、公知の手法で実現されるものである。
【００４６】
まず、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法とを用い、電極指３Ａｆ、３Ｂｆの形成予定位置以外の領域について、コンタクト層４の厚みよりも数十〜数百μｍ程度大きな深さにまでエッチングを行うことで、図４（ｂ）に示すような、受光層２の凸部２Ｃの上にコンタクト部４Ａ、４Ｂが形成された状態を得る。
【００４７】
その後、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法を用いて、対向電極形成予定位置に、金属電極膜３Ａｍ、３ＢｍとしてＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなる金属パターンを形成する（図４（ｃ））。次いで、金属電極膜３Ａｍ、３Ｂｍのオーミック性を良好なものにするため、６５０℃〜１０００℃の間の所定温度の窒素ガス雰囲気中において数十秒間の熱処理を施す。
【００４８】
その後、ダイシングにより所定のサイズにチップ化することで、多数個の受光素子１０が得られる。なお、ダイシングに先立って、図示しないボンディング用電極パッドが、対向電極３の上の所定位置に形成される。ボンディング用電極パッドは、それぞれに十数ｎｍ〜百数十ｎｍ程度の厚みを有するＴｉ／Ａｌからなる多層金属電極として形成される。また、得られた受光素子１０に対しては、適宜にダイボンディングやワイヤボンディングが施される。
【００４９】
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態においては、電極指４Ａｆ、４Ｂｆの長手方向に沿って長尺状のコンタクト部４Ａ、４Ｂが、設けられてなるが、コンタクト部の形成態様はこれに限られるものではない。
【００５０】
図５は、第２の実施の形態において受光素子１０が備える対向電極３の上面図である。図６は、本実施の形態に係る受光素子１０が備える電極指３Ａｆの長手方向に平行な断面の構造を模式的に示す図である。本実施の形態においては、他の電極指３Ａｆおよび電極指３Ｂｆについても、同様の構成を有する。なお、対向電極３およびコンタクト部４Ａ、４Ｂ以外の構成要素については第１の実施の形態と同様であるので、その説明は省略する。
【００５１】
本実施の形態においては、図５および図６に例示するように、各々の電極指４Ａｆ、４Ｂｆの内部で複数のコンタクト部４Ａ、４Ｂが電極指３Ａｆ、電極指３Ｂｆの長手方向（図２のＹ軸方向）に離散的に存在（点在）し、金属電極膜３Ａｍ、３Ｂｍがこれら全てのコンタクト部４Ａ、４Ｂを被覆する態様にて、個々の電極指３Ａｆ、３Ｂｆが構成されてなる。ただし、それぞれのコンタクト部４Ａ、４Ｂは、第１の実施の形態と同様に、超格子構造と有してなる。なお、このようなコンタクト部４Ａ、４Ｂを有するように受光素子１０を作製することは、第１の実施の形態において説明した作製方法に即して受光素子１０を作成する途中において行う、コンタクト層４のエッチングを、本実施の形態におけるコンタクト部４Ａ、４Ｂの形状に合致するエッチングパターンにて行いさえすれば、後は第１の実施の形態と同様の手順を実行することで実現される。なお、図５および図６においては、それぞれのコンタクト部４Ａ、４Ｂが略等ピッチで存在する場合を例示しているが、コンタクト部４Ａ、４Ｂは必ずしもこのように略等ピッチにて設けられなくともよい。
【００５２】
係る構造態様にて対向電極を備えた受光素子１０においては、第１の実施の形態よりもさらに大きなオーミック接合面積が確保される。また、コンタクト部が超格子構造であることの効果は、第１の実施の形態と同様に得られるので、本実施の形態においては、第１の実施の形態よりもさらに大きな光電流が流れるとともに暗電流が十分に抑制された受光素子が実現される。
【００５３】
＜第３の実施の形態＞
第１および第２の実施の形態においては、受光層２が、単一層として形成される場合を対象に説明しているが、受光層２の構造はこれに限られるものではない。
【００５４】
図７は、第３の実施の形態に係る受光素子２０の断面図である。受光素子２０は、受光層２を除いては第１あるいは第２の実施の形態に係る受光素子１０と同一の構成を有する。よって、本実施の形態においては、受光素子１０と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。なお、電極３Ａおよび電極３Ｂは第１あるいは第２の実施の形態において示した構造のいずれを有していてもよいが、図７においては図示を簡略化している。
【００５５】
本実施の形態においては、受光層２が、導電性層２Ａと光応答層２Ｂとから構成される。本実施の形態においても、受光層２は、基板１の上に（バッファ層１Ｂの上に）エピタキシャル形成されるIII族窒化物半導体層である。なお、受光素子２０を作製するにあたっては、基板１として上述のエピタキシャル基板を用意し、その上に受光層２を形成するようにしてもよいし、基材１Ａの上に、バッファ層１Ｂおよび受光層２を連続的に形成する態様であってもよい。
【００５６】
導電性層２Ａは、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）なる組成のIII族窒化物に、１×１０17／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3の濃度で例えばＳｉなどのドナー不純物がドープされてなる層である。係る態様にてドナー不純物を含むことにより、導電性層２Ａは、受光時／非受光時を問わず、ｎ型の導電性を有する。係る導電性層２Ａは、数百ｎｍ〜数μｍ程度の厚みに形成される。例えば、２μｍの厚みに形成するのが好適な一例である。また、Ｓｉをドープする場合であれば、ドーパント濃度が５×１０18／ｃｍ3となるようにドープが行われるのが好適な一例である。また、導電性層２Ａの抵抗率は、III族窒化物の組成やドーパント濃度によっても異なるが、０．００１Ωｃｍ〜０．１Ωｃｍ程度である。
【００５７】
光応答層２Ｂは、ＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）なる組成のIII族窒化物からなる層である。光応答層２Ｂは、受光状態に応じて、その導電特性が変化する層である。すなわち、非受光時には１×１０7Ωｃｍ以上の高い比抵抗を有する高抵抗層（絶縁性層）となるが、受光時には導電性層として機能する。係る光応答層２Ｂは、数百ｎｍ〜数μｍ程度の厚みに形成される。例えば、１μｍの厚みに形成するのが好適な一例である。
【００５８】
なお、第１の実施の形態と同様に受光層２の形成にＭＯＣＶＤ法を利用する場合は、受光層２の形成開始時にIII族窒化物の原料ガスとともにシランガスを所定の流量で導入することで導電性層２Ａの形成を行い、導電性層２Ａが所定の厚みに形成された時点でシランガスのみ導入は停止し、その後は他の原料ガスのみを引き続き供給することによって光応答層２Ｂを形成するようにすればよい。
【００５９】
次に、上述のような構成を有する受光素子２０における動作について説明する。図８は、受光素子２０の受光層２における非受光時および受光時の様子を模式的に示す図である。
【００６０】
図８（ａ）に示す非受光時においては、導電性層２Ａは導電性を有しているものの、電極３Ａ、３Ｂと接続される光応答層２Ｂは絶縁性を呈している。従って、電極３Ａ、３Ｂの間には電流は流れない（厳密にいえば、ごくわずかな暗電流は流れる）。
【００６１】
一方、図８（ｂ）に示すように、受光時においては、導電性層２Ａおよび光応答層２Ｂにおいて光電変換が起こって入射光のエネルギーに応じた量のキャリアが生成する。これに伴い、非受光時には絶縁性を呈していた光応答層２Ｂの導電抵抗が低下する。換言すれば、光応答層２Ｂが入射光に応答して導電性を帯びることになる。電極３Ａ、３Ｂに接続された光応答層２Ｂが導電性を帯びることで、電極３Ａ、３Ｂの間において光電流が流れることになる。
【００６２】
しかも、図８（ｃ）に示すように、本実施の形態に係る受光素子２０の場合、光応答層２Ｂのみならず、光応答層２Ｂに隣接してなり、あらかじめ導電性が付与されている導電性層２Ａも、光電流の導電経路となる。導電性を帯びることで光応答層２Ｂの導電抵抗が低下するとはいえ、導電性層２Ａと同レベルの導通性を得るにまでは至らないが、導電性層２Ａも導電経路として利用されることで、受光層２が光応答層２Ｂのみからなる場合よりも導電抵抗がより低下した状態での導通が実現される。なお、導電性層２Ａにおいてもキャリア生成は起こりうるので、その結果生成するキャリアも光電流として利用される。
【００６３】
このような動作が実現されることで、受光素子２０においては、紫外光を受光した場合に、１Ａ／Ｗよりはるかに大きな光電流が流れることになる。具体的な電流量やカットオフ波長（波長の検出下限）は受光層２の組成によって異なるが、この結果は、入射光強度１０μＷのときの光感度（ＳＮ比）が５桁以上という、受光素子１０を紫外線センサ用途に用いる場合の要件を十分にみたすものである。
【００６４】
すなわち、本実施の形態によれば、第１あるいは第２の実施の形態で示した電極構造を有するようにするとともに、受光時／非受光時を問わず導電性を有する導電性層と、非受光時は絶縁性を呈するものの受光時には導電性を呈する光応答層との２層構造にて受光層を形成し、光応答層に対向電極をオーミック接合するようにすることで、さらに大きな光電流が流れるとともに暗電流が十分に抑制された受光素子を実現することができる。
【実施例】
【００６５】
図９は、３つの実施例と２つの比較例とに係る受光素子についての、受光層の形成条件と、受光感度を測定した結果とを一覧にして示す図である。
【００６６】
以下、それぞれについて具体的に説明する。
【００６７】
（実施例１）〜（実施例２）
実施例１〜実施例２として、第２の実施の形態に係る受光素子１０であって、受光層２の組成が異なる２種の受光素子１０を作製した。受光素子１０は、チップサイズが１ｍｍ×１ｍｍ、総電極幅が１２ｍｍ、電極間隔が２０μｍとなるように設計した。
【００６８】
いずれの受光素子についても、基材１Ａとしては（０００１）面方位の２インチ径のｎ導電性６Ｈ−ＳｉＣ基板を用いた。該ＳｉＣ基板にはドーパントとしてＮがドープされていた。厚みは４００μｍであり、比抵抗は０．０１Ωｃｍであった。
【００６９】
係る基材１Ａに対して、バッファ層１Ｂ、受光層２、およびコンタクト層４をＭＯＣＶＤ法により形成した。形成温度は１０５０℃であった。
【００７０】
バッファ層１ＢとしてはＡｌＮ層を０．５μｍの厚みに形成した。
【００７１】
受光層２は、実施例１においてはＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎにて形成した。実施例２においてはＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎにて形成した。いずれの場合も、受光層２の厚みは１μｍとした。
【００７２】
コンタクト層４は、実施例１においてはＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎからなる第１層２Ａαと、Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎからなる第２層２Ａβとを、ＭＯＣＶＤ法にてそれぞれ２５ｎｍの厚みで繰り返し交互に形成することにより、総厚が２００ｎｍとなるように形成した。
【００７３】
一方、実施例２においてはＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎからなる第１層２Ａαと、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなる第２層２Ａβとを、ＭＯＣＶＤ法にてそれぞれ２５ｎｍの厚みで繰り返し交互に形成することにより、総厚が２００ｎｍとなるように形成した。なお、実施例２においては、Ｓｉがドナー不純物として５×１０18／ｃｍ3の濃度で含まれるようにした。
【００７４】
得られたそれぞれの受光素子用エピタキシャル基板について、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥ法とを用いて、電極指形成予定箇所以外を約３００μｍの深さにエッチングした。その際には、コンタクト部４Ａ、４Ｂの図５におけるＸ軸方向およびＹ軸方向それぞれについてのサイズが１０μｍとなるように、かつ、両方向についてのコンタクト部４Ａ、４Ｂのピッチがいずれも２０μｍとなるように、エッチングを行った。
【００７５】
その後、対向電極形成予定箇所に、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（それぞれの膜厚は２５／７５／１５／１００ｎｍ）からなる対向電極３のパターンを形成した。続いて、窒素中で８５０℃、３０秒間の熱処理を行った。
【００７６】
さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とを用いて、対向電極３上の所定の形成位置にＴＩ／Ａｌ（それぞれの膜厚は２５／５００ｎｍ）なるボンディング電極パッドのパターンを形成した。このように電極パターンが形成された受光素子用エピタキシャル基板を、ダイシングによりチップ化することで、実施例１〜実施例３のそれぞれについて、多数の受光素子１０を得た。
【００７７】
得られた受光素子１０に対してダイボンディングおよびワイヤボンディングを行ったうえで、１Ｖ印加時の暗電流と光電流とを測定した。また、入射波長を違えることで、カットオフ波長を求めた。これにより、図９に示す結果が得られた。
【００７８】
（実施例３）
実施例３として、第３の実施の形態に係る受光素子２０を作製した。具体的には、実施例１と同様にバッファ層１ＢとしてのＡｌＮ層を形成した後、引き続き、サセプタ温度を１０５０℃に保ち、ＴＭＡと、ＴＭＧと、シランガスと、アンモニアガスとをリアクタ内に導入し、導電性層２ＡとしてのＡｌxＧａ1-xＮ層を２μｍの厚みに形成したうえで、シランガスのみ導入を停止し、引き続き光応答層２ＢとしてのＡｌyＧａ1-yＮ層を１μｍの厚みにするようにしたほかは、実施例１と同様の処理を行った。得られた受光素子２０について、その受光感度を評価した。これにより、図９に示す結果が得られた。
【００７９】
（比較例１）
コンタクト部４Ａ、４Ｂを設けず、受光層２の形成に際して、Ｓｉがドナー不純物として５×１０18／ｃｍ3の濃度で含まれるようにしたほかは、実施例１と同様の手順で受光素子を作製し、その受光感度を評価した。これにより、図９に示す結果が得られた。
【００８０】
（比較例２）
コンタクト部４Ａ、４Ｂを超格子構造ではなく、単一のＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ層にて形成し、Ｓｉがドナー不純物として５×１０18／ｃｍ3の濃度で含まれるようにしたほかは、実施例１と同様の手順で受光素子を作製し、その受光感度を評価した。これにより、図９に示す結果が得られた。
【００８１】
（実施例と比較例との対比）
図９に示すように、実施例１〜実施例３に係る受光素子１０においては、いずれもカットオフ波長が紫外領域に含まれるので、紫外領域に検出波長範囲を有する受光素子が得られていることが確認された。さらに、実施例１〜実施例３に係る受光素子１０においては、暗電流は比較例１と同程度であるが、光電流については、コンタクト部４Ａ、４Ｂを備えていない比較例１に係る受光素子よりも３オーダー以上大きな値が得られており、コンタクト部４Ａ、４Ｂは備えているもののコンタクト部４Ａ、４Ｂが超格子構造を有していない比較例２に係る受光素子よりも１オーダー以上大きな値が得られている。これらより、対向電極３に超格子構造を有するコンタクト部４Ａ、４Ｂを設けることは、大きな光電流を得る上で効果があるといえる。
【００８２】
また、実施例１〜実施例３を比較すると、実施例３に係る受光素子２０においては実施例１および実施例２に係る受光素子１０の６倍の光電流が得られている。これは、受光層２を導電性層２Ａと光応答層２Ｂとの２層構造としたことの効果であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】第１の実施の形態に係る受光素子１０の概観斜視図である。
【図２】対向電極３の上面図である。
【図３】電極指３Ａｆと電極指３Ｂｆとに共通する内部構造を模式的に示す断面図である。
【図４】受光素子１０の作製過程において得られる構造体の構造を模式的に示す断面図である。
【図５】第２の実施の形態において受光素子１０が備える対向電極３の上面図である。
【図６】電極指３Ａｆの長手方向に平行な断面の構造を模式的に示す図である。
【図７】第３の実施の形態に係る受光素子２０の構造を示す模式断面図である。
【図８】受光素子２０の受光層２における非受光時および受光時の様子を模式的に示す図である。
【図９】実施例と比較例とに係る受光素子についての、受光層の形成条件と、受光感度を測定した結果とを一覧にして示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１  基板
１Ａ  基材
１Ｂ  バッファ層
２  受光層
２Ａ  導電性層
２Ｂ  光応答層
３  対向電極
３Ａ、３Ｂ  電極
３Ａｂ  （電極３Ａの）バスバー部
３Ａｆ  （電極３Ａの）電極指
３Ｂｂ  （電極３Ｂの）バスバー部
３Ｂｆ  （電極３Ｂの）電極指
４  コンタクト層
４Ａ    （電極３Ａの）コンタクト部
４Ｂ    （電極３Ｂの）コンタクト部
１０、２０  受光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010080481.tif 000008
【図７】
2010080481.tif 000009
【図８】
2010080481.tif 000010
【図９】
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