(57)【要約】【課題】量子効率が高く、かつ、高速特性を具備した青色光対応のＭＳＭ型半導体受光素子を提供すること。【解決手段】本発明に係るＭＳＭ型半導体受光素子は、半導体基板１と、半導体基板１上に形成された光吸収層２と、光吸収層２上に形成されたショットキー電極４、５と、光吸収層２上においてショットキー電極が形成された以外の領域に形成された光透過絶縁層３と、光透過絶縁層３上に形成され、受光波長に対して透明な材料からなるゲート電極６と、を備えるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成されたショットキー電極と、
前記光吸収層上において前記ショットキー電極が形成された以外の領域に形成された光透過絶縁層と、
前記光透過絶縁層上に形成され、受光波長に対して透明な材料からなるゲート電極と、を備えるＭＳＭ型半導体受光素子。
【請求項２】
前記ゲート電極への電圧印加により、前記光吸収層と前記光透過絶縁層との界面に２次元チャネルが形成されることを特長とする請求項１に記載のＭＳＭ型半導体受光素子。
【請求項３】
前記光吸収層がＳｉ層を含んでいることを特長とする請求項１又は２に記載のＭＳＭ型半導体受光素子。
【請求項４】
前記光透過絶縁層がＳｉＯ２層を含んでいることを特長とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のＭＳＭ型半導体受光素子。
【請求項５】
前記ゲート電極がＩＴＯ層を含んでいることを特長とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のＭＳＭ型半導体受光素子。
【請求項６】
前記ショットキー電極が、受光波長に対して透明な材料からなることを特長とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のＭＳＭ型半導体受光素子。
【請求項７】
受光波長が３５０〜５５０ｎｍであることを特長とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のＭＳＭ型半導体受光素子。
【請求項８】
半導体基板上に光吸収層を形成し、
前記光吸収層上に光透過絶縁層を形成し、
前記光透過絶縁層上に受光波長に対して透明な材料からなるゲート電極を形成し、
前記ゲート電極が形成された以外の領域の前記光吸収層上にショットキー電極を形成するＭＳＭ型半導体受光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＳＭ型半導体受光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
映像や音声などのデータ記録のニーズは拡大の一途を辿っており、家庭用でも、発光素子として青色半導体レーザを用いたデジタル録画機が普及期を迎えている。この青色光（波長４０５ｎｍ）は、従来の赤色光（６５０ｎｍ）に比べて、光子エネルギーが高いため、受光感度が低いという原理的な課題を有する。また、光ディスクの記録密度の拡大により、高速応答の要請も高まっている。
【０００３】
赤色光の受光素子としては、一般的なＰＩＮ型ＰＤ（Photo Diode）が用いられてきた。光吸収層をＳｉ層とした場合、波長感度が１μｍ近傍まであるため、青色光用の受光素子としても用いられている。ＰＩＮ型ＰＤの基本構造は、非特許文献１に開示されている。
【０００４】
典型的なＳｉからなるＰＩＮ型ＰＤの構造を図６に示す。この素子では、ｎ＋型Ｓｉ半導体基板１０１上にｎ−型光吸収層１０２が形成されている。ｎ−型光吸収層１０２の一部にｐ＋型Ｓｉ層１０３が形成されている。そして、ｎ−型光吸収層１０２上面にｐ電極１０４、ｎ＋型Ｓｉ半導体基板１０１の裏面側にｎ電極１０５が形成されている。図面上側から光が入射される。
【０００５】
この素子では、入射光がｐ＋型Ｓｉ層１０３を透過して、ｎ−型光吸収層１０２で吸収される。そこで、電子正孔対が発生し、電子はｎ電極１０５、正孔はｐ電極１０４へ走行し、光電流として外部へ取り出される。
【０００６】
Ｓｉ材料系の受光素子では、波長が１μｍより短い光はＳｉ禁制帯幅より高エネルギーとなる。そのため、素子内のＳｉ層で入射光が吸収されることになる。つまり、図６のＰＩＮ型ＰＤでは、Ｓｉ光吸収層１０２に届く前に、ｐ＋型Ｓｉ層１０３でも光が吸収される。
【０００７】
この吸収の割合は吸収係数α（ｃｍ−１）で表すことができ、Ｓｉ層に入射すると、入射光は指数関数的に減少する。このＳｉ層の吸収係数αは波長に応じて決まる物性値である。この逆数（１／α）が侵入長となり、赤外光（７８０ｎｍ）で８．７８μｍ、赤色光（６５０ｎｍ）で３．４５μｍ、そして青色光（４０５ｎｍ）で０．１５μｍと見積もられる。
【０００８】
すなわち、青色光用のＰＩＮ型ＰＤとしては、ｐ＋型Ｓｉ層１０３を０．１５μｍ以下に薄膜化することが望まれる。一方、この薄膜化は、光吸収による電子正孔対がＳｉ表面近傍で発生することとなる。そのため、表面再結合により、発生した電子正孔対が消滅するという新たな課題が生じる。したがって、ｐ＋型Ｓｉ層１０３を極力薄膜化でき、かつ、キャリアの表面再結合を抑制できる構造が求められている。
【０００９】
さらに、高速化に関する課題もある。素子の高速化には、ＣＲ時定数制限を回避することが重要である。素子容量Ｃは、Ｃ＝εＳ／ｄで表すことができ、誘電率εは材料固有の物性値であるため、受光面積Ｓを一定とすれば、空乏層厚ｄを厚膜化することが低容量化に効果的である。図６では、空乏化できるｎ−型光吸収層１０２を厚膜化することが重要となる。しかしながら、ｎ−型光吸収層１０２を厚膜化すると、電子正孔対がそれぞれの電極に到達する距離が増大し、キャリア走行時間律速により素子の高速化が阻害される。したがって、素子容量の低減も求められている。
【００１０】
ＰＩＮ型ＰＤよりも素子容量を小さくすることができる構造として、金属−半導体−金属（ＭＳＭ）型ＰＤが知られている（例えば、非特許文献２）。図７に、典型的なＭＳＭ型ＧａＡｓ受光素子の断面図を示す。このＭＳＭ型ＧａＡｓ受光素子は、半絶縁性ＧａＡｓ基板２０１、アンドープのＧａＡｓ光吸収層２０２、対向して形成されたショットキー電極２０４、２０５を備える。ＧａＡｓ光吸収層２０２は波長１μｍ以下の光に対して感度を有する。
【００１１】
この素子の動作原理について説明する。まず、対向して形成されたショットキー電極２０４、２０５にバイアス電圧を印加する。このとき、一方のショットキー電極２０４は逆バイアス、他方のショットキー電極２０５は順バイアスとなる。表面入射光は、光吸収層２０２で吸収され、生成された電子及び正孔対は、印加電界により電子は電極２０５へ、正孔は電極２０４へ捕集され、光電流として外部に取り出される。この素子構造では、光吸収層２０２がアンドープ層であるため、素子全体を空乏領域と見なすことができ、素子容量が小さくなることによりＣＲ時定数制限が緩和される。さらに、ショットキー電極２０４と２０５とを互い違いに形成された櫛形電極とすると、両者間の距離すなわちキャリアの走行距離が短くなり、応答速度が高速化する。ただし、櫛形電極を通常の金属材料で形成すると、入射光が遮蔽されるので、電極面積分の量子効率が低下することになる。なお、本発明の関連技術として、特許文献１〜４を挙げることができる。
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−２００６８５号公報
【特許文献２】特開２００７−１０９６８６号公報
【特許文献３】特開平２−１６２７７６号公報
【特許文献４】特開平５−２１８４９０号公報
【非特許文献１】光通信素子工学（工学図書、米津宏雄著）、ｐ．３６４−３６８
【非特許文献２】IEEE Electron Device Letters、１９８１年、ｖｏｌ．２、Ｎｏ．５、ｐ．１１２−１１４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ＭＳＭ型半導体受光素子を青色光（４０５ｎｍ）の受光素子に適用した場合を考える。この場合、上述の通り、青色光の侵入長が０．１５μｍと短く、かつ、ＭＳＭ型半導体受光素子では光吸収層表面が露出している。そのため、誘起されるキャリアは表面準位に捕獲され、電流として取り出せる効率は極めて低くなる。
【００１４】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、量子効率が高く、かつ、高速特性を具備した青色光（波長３５０〜５５０ｎｍ）対応のＭＳＭ型半導体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】
【００１５】
本発明に係るＭＳＭ型半導体受光素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成されたショットキー電極と、
前記光吸収層上において前記ショットキー電極が形成された以外の領域に形成された光透過絶縁層と、
前記光透過絶縁層上に形成され、受光波長に対して透明な材料からなるゲート電極と、を備えるものである。
【００１６】
本発明に係るＭＳＭ型半導体受光素子の製造方法は、
半導体基板上に光吸収層を形成し、
前記光吸収層上に光透過絶縁層を形成し、
前記光透過絶縁層上に受光波長に対して透明な材料からなるゲート電極を形成し、
前記ゲート電極が形成された以外の領域の前記光吸収層上にショットキー電極を形成するものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、量子効率が高く、かつ、高速特性を具備した青色光対応のＭＳＭ型半導体受光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１９】
実施の形態
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係るＭＳＭ型半導体受光素子の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩＢ−ＩＢ断面図である。本発明の実施の形態に係るＭＳＭ型半導体受光素子は、高抵抗半導体基板１、光吸収層２、光透過絶縁層３、ショットキー型ｎ電極４、ショットキー型ｐ電極５、ゲート電極６を備える。
【００２０】
図１（ｂ）に示すように、例えばＳｉからなる高抵抗半導体基板１上に、例えばＳｉからなる光吸収層２が形成されている。光吸収層２上には、例えば金属や透明導電膜からなるショットキー型ｎ電極４及びショットキー型ｐ電極５が形成されている。
【００２１】
ここで、図１（ａ）に示すように、ショットキー型ｎ電極４及びショットキー型ｐ電極５はそれぞれが櫛形電極であり、一方の電極の櫛歯同士の間に他方の櫛歯が形成されている。換言すれば、一方の電極の櫛歯が他方の電極の櫛歯と互い違いに配置されている。このｎ電極４とｐ電極５との間（櫛歯間距離）の距離をＤとする。また、櫛形電極の材料として、ＩＴＯなどの透明導電膜を用いると、入射光を遮断することなく受光できるため、高量子効率を得ることができる。
【００２２】
そして、ショットキー型ｎ電極４及びショットキー型ｐ電極５が形成された以外の光吸収層２の表面には、例えばＳｉＯ２からなる光透過絶縁層３が形成されている。すなわち、ショットキー型ｎ電極４とショットキー型ｐ電極５との間には、光透過絶縁層３が形成されている。さらに、光透過絶縁層３上に例えばＩＴＯなどの透明導電膜からなるゲート電極６が形成されている。
【００２３】
図２は、図１（ｂ）における点線円内の拡大図である。図２には、青色光が入射した場合のキャリアの誘起、移動状況が示されている。青色入射光は、光透過絶縁層３及びゲート電極６を透過し、光吸収層２で吸収される。ゲート電極６に電圧を印加することにより、光吸収層２の光透過絶縁層３との界面には、２次元チャネル層７が形成される。この２次元チャネル７の厚さはゲート電圧により制御でき、通常０．５μｍ程度に設定される。青色入射光の場合、物性値から見積もられるＳｉ吸収層２への浸透長は、０．１５μｍ程度に留まる。そのため、２次元チャネル層７内において入射光のほとんどが吸収されることになる。
【００２４】
また、Ｓｉ光吸収層２の表面には、ＳｉＯ２光透過絶縁層３とのヘテロ接合により、表面準位の少ない極めて良好な界面が形成される。このため、電子及び正孔の表面再結合速度はともに１０２ｃｍ／ｓｅｃ以下と、従来の１／１０以下となる。これらにより、青色入射光は、２次元チャネル層７内で吸収され、かつ、Ｓｉ光吸収層２の表面での再結合割合が小さくなる。そのため、光電変換に寄与しないキャリアの割合を大幅に低減できる。そして、誘起された電子８はｐ電極５に向かって、一方、誘起された正孔９はｎ電極６に向かって、いずれのキャリアも２次元チャネル層７内をバリスティック伝導に近い速度で走行することができる。２次元チャネル層７を介したバリスティック伝導により、キャリア走行速度としてバルク結晶中の走行速度の約２．５倍とすることができる。
【００２５】
図３は、本ＭＳＭ型半導体受光素子へ、青色光（４０５ｎｍ）と赤色光（６５０ｎｍ）とを入射した場合に発生するキャリア分布を比較したグラフである。いずれの入射光でも、光透過絶縁層３及びゲート電極６での光吸収及びキャリア発生は無視できるレベルで小さく、光透過絶縁層３及びゲート電極６での入射光の損失は無視できる。
【００２６】
青色光では、Ｓｉ光吸収層２への侵入長が小さいため、キャリア発生分布もＳｉ光吸収層２の表面から０．５μｍ程度までに留まっている。キャリア分布数が多いことから、表面再結合が十分に抑制されていることが分かる。
【００２７】
以上、説明したように、本発明の作用効果を発現する上で重要な点は、以下の３点である。
（１）光吸収層２／光透過絶縁層３の界面の状態が良好となり、キャリアの捕獲準位（Ｓｉ表面準位）の発生が十分抑制できること。
（２）ゲート電極６への電圧印加により、厚さ０．５μｍ程度の２次元チャネル層７が形成され、光誘起された電子が２次元チャネル層７をバリスティック走行すること。
（３）ゲート電極６が入射光に対して透明であること。
これらにより、量子効率が高く、かつ、高速特性を具備した青色光対応の受光素子を実現できる。
【００２８】
一方、赤色光（６５０ｎｍ）では、図３に示すように、キャリア発生分布がＳｉ光吸収層２の表面から深さ３μｍ以上まで拡がっている。そのため、上記（２）を満足することができない。つまり、キャリアが２次元チャネル層７に到達するまでの走行時間分が付加されるため、応答特性は青色光入射光の場合より低下する。
【００２９】
本発明では、青色光（４０５ｎｍ）受光時に、３ｄＢ  ｄｏｗｎ遮断周波数が５ＧＨｚ、外部量子効率≧６０％の特性を有する、受光径９００μｍφのＭＳＭ型半導体受光素子を実現できた。
【００３０】
なお、ゲート電極３の材料としてはＩＴＯを例に挙げた。しかしながら、入射光に対して透明となる導電材料であれば、ゲート電極３として適用可能である。例えば、ＺｎＯ、ＧａＯ、ＩｎＯ、ＳｎＯ、ＭｇＯ等の導電性酸化物でもよい。さらに、これらの導電性酸化物をショットキー型電極にも適用することで、入射光の光吸収層２への遮蔽物を減らすことができ、量子効率をさらに高めることもできる。
【実施例１】
【００３１】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。まず、本発明によるＭＳＭ型半導体受光素子の第１の実施例を説明する。図４は素子の製造の工程図である。まず、高抵抗Ｓｉ基板１１上に、ｎ−型Ｓｉ光吸収層１２を１μｍエピタキシャル成長する（図４（ａ））。次に、その上にＳｉＯ２光透過絶縁層１３を０．４μｍ積層する（図４（ｂ））。次に、ゲート電極形成領域のＳｉＯ２光透過絶縁層１３を深さ０．２５μｍエッチオフし、ＩＴＯ（Indium-Tin Oxide）からなる透明ゲート電極１６を形成する（図４（ｃ））。次に、ショットキー電極形成領域のＳｉＯ２光透過絶縁層１３を完全にエッチオフし、Ｓｉ光吸収層１２の表面を露出させ、そこにＮｉ／Ａｕ（２０ｎｍ／５００ｎｍ）からなるショットキー型のｎ電極１４とＴｉ／Ａｕ（３０ｎｍ／５００ｎｍ）からなるショットキー型のｐ電極１５を蒸着により形成する（図４（ｄ））。ここで、ｎ電極１４及びｐ電極１５は、いずれも図１（ａ）に示すように、櫛形電極である。そして、それぞれの櫛歯が互い違いに配置されている。このｎ電極１４とｐ電極１５との間（櫛歯間距離）の距離Ｄは６μｍとした。
【００３２】
この試作素子においては、受光径９００μｍφにおいて、青色光（４０５ｎｍ）入射時に、量子効率＝６１％、３ｄＢ  ｄｏｗｎ遮断周波数＝５．０ＧＨｚを得ることができた。大口径９００μｍにおいても高速特性が実現できた理由は、高抵抗Ｓｉ基板１１上へ素子が形成されているため、基板１１面方向への空乏層の伸びが長く取れ、素子容量が低減されているためである。また、誘起された光キャリアは２次元チャネルに沿って水平方向にドリフトするため、高速でショットキー電極に達することができる。
【実施例２】
【００３３】
第２の実施例に係るＭＳＭ型半導体受光素子は、ｎ電極１４とｐ電極１５とを、金属膜からＩＴＯ膜へ置換した構成である。ＩＴＯ膜はスパッタリングにより形成した。それ以外の構成は、実施例１と同様であり、説明を省略する。櫛形電極間の距離Ｄは６μｍとした。
【００３４】
この試作素子においては、受光径９００μｍφにおいて、青色光（４０５ｎｍ）入射時に、量子効率≧８５％、３ｄＢ  ｄｏｗｎ遮断周波数＝５．０ＧＨｚを得ることができた。ショットキー電極に透明導電膜を用いることにより、量子効率が向上した。
【００３５】
以上説明したとおり、本発明によれば、帯域５ＧＨｚ以上の特性を有し、且つ、６０％以上の外部量子効率を有する青色光（４０５ｎｍ）に対応する受光素子を提供することができる。なお、本発明は、上記実施形態に具体的に示した構成、方法に限定されるものではなく、発明の趣旨に沿うものであれば種々のバリエーションが考えられる。例えば、Ｓｉ光吸収層においてはＳｉ−Ｇｅ層との複合構造により、水平方向のキャリア移動度をより高めてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態に係るＭＳＭ型半導体受光素子の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図２】図１（ｂ）における点線円内の拡大図である。
【図３】光誘起によるキャリア発生分布を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例１及び実施例２に係るＭＳＭ型半導体受光素子の製造工程を示す図である。
【図５】関連技術のＰＩＮ型ＰＤの断面図である。
【図６】関連技術のＭＳＭ型ＰＤの断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１、１１  高抵抗半導体基板
２、１２  光吸収層
３、１３  光透過絶縁層
４、１４  ショットキー型ｎ電極
５、１５  ショットキー型ｐ電極
６  ゲート電極
７  ２次元チャネル
８  電子
９  正孔
【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】
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