(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが窒化物半導体からなるｎ型層、活性層及びｐ型層を順に有する受光素子であって、
前記ｎ型層と前記活性層との間には、前記ｎ型層から順に、窒化物半導体からなる第１層と、窒化物半導体からなり前記第１層と前記活性層との間の格子定数の第２層と、を有し、
前記ｎ型層は、ｎ型不純物を含み、
前記第１層及び前記第２層は、アンドープであることを特徴とする受光素子。
【請求項２】
前記第１層のｎ型不純物濃度及び前記第２層のｎ型不純物濃度は１×１０ １７ｃｍ−３以下であり、
前記第１層の膜厚は０．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記第１層はＧａＮ、前記第２層はＩｎＧａＮよりなることを特徴とする請求項１又は２に記載された受光素子
【請求項４】
前記第１層は、前記ｎ型層及び前記第２層と接しており、
前記第２層は、前記第１層及び前記活性層と接していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された受光素子。
【請求項５】
前記活性層は、井戸層及び障壁層を備える多重量子井戸構造であり、
前記井戸層の膜厚は、前記障壁層の膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体を用いたフォトダイオードや太陽電池等の受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、短波長の光を検知する受光素子の１つとして、窒化物半導体を用いたものが知られている。窒化物半導体の受光素子の層構造としては、ｐｉｎ構造を採用したものや（特許文献１）、ｐｉｎ構造のうちｉ層として多重量子井戸構造を採用したもの（特許文献２）等がある。
【０００３】
窒化物半導体は、例えば６．０ｅＶ（ＡｌＮ）から０．６５ｅＶ（ＩｎＮ）までの広範囲なバンドギャップエネルギーを有する材料である。また、直接遷移型であるため、活性層を薄くでき、またダブルへテロ構造を用いることで、フィルタを介することなく例えば紫外光のみを検知し、可視光を検知しないなどといった、短波長側の特定の波長領域に限定した受光素子とすることも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３５９３９０号公報
【特許文献２】特開２００５−１９５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ＳｉやＧａＡｓなどと比較して、窒化物半導体は一般的に結晶性が悪い。そのため、窒化物半導体を用いて単純にｐｉｎ構造としたり、そのｉ層を多重量子井戸構造としても、良好な量子効率（電子取り出し効率）が得られ難いといった問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
それぞれが窒化物半導体からなるｎ型層、活性層及びｐ型層を順に有する受光素子であって、ｎ型層と活性層との間には、ｎ型層から順に、ｎ型層のｎ型不純物濃度よりも小さいｎ型不純物濃度の第１層と、第１層の格子定数よりも大きい格子定数の第２層と、を有することを特徴とする。
【０００７】
第１層のｎ型不純物濃度及び第２層のｎ型不純物濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下であり、第１層の膜厚は０．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下であることが好ましい。
【０００８】
第１層はＧａＮ、第２層はＩｎＧａＮよりなることが好ましい。
【０００９】
第１層はｎ型層及び第２層と接しており、第２層は第１層及び活性層と接していることが好ましい。
【００１０】
活性層は井戸層及び障壁層を備える多重量子井戸構造であり、井戸層の膜厚は障壁層の膜厚よりも大きいことが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る受光素子の断面構造を示す模式図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る受光素子の断面構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を実施するための形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための一例であって、本発明を以下に限定するものではない。
【００１３】
ここで、窒化物半導体とは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体において、Ｖ族元素として窒素を用いた半導体を意味する。典型的には一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示される。
【００１４】
図1に、本実施の形態に係る受光素子の断面模式図を示す。本実施の形態の受光素子は、基板１上に、それぞれが窒化物半導体からなるｎ型層２、活性層５及びｐ型層６を順に有する受光素子であって、ｎ型層２と活性層５との間には、ｎ型層２から順に、ｎ型層のｎ型不純物濃度よりも小さいｎ型不純物濃度の第１層３と、第１層の格子定数よりも大きい格子定数の第２層４と、を有する。ここで、ｎ型層２にはｎ電極７が設けられており、ｐ型層６にはｐ電極８が設けられている。
【００１５】
本実施の形態では、第１層３のｎ型不純物濃度をｎ型層２のｎ型不純物濃度よりも小さくすることで、ｎ型層３から第１層４への不純物拡散を軽減させることができる。さらに、第２層４の格子定数を第１層４よりも大きくする（つまり、第２層４は第１層３及び活性層５の間の格子定数を有する）ことで、活性層５に生じる歪みを緩和させることができる。その結果、活性層５の結晶性を向上させることができるので、良好な量子効率が得られる。
【００１６】
以下、より詳細に説明する。まず、受光素子の目的は、活性層にて生じた電子をｎ型層を介して素子外部に取り出すことである。よって、活性層とｎ電極を有するｎ型層との間には、電子の取り出しの妨げになる層は設けないのが一般的である。しかし、本発明者は、Ｓｉ等の他の半導体材料と比較して窒化物半導体は結晶性が悪いことに鑑み、活性層５の直前（ｎ型層２と活性層５との間）に歪みを緩和させるための層（歪み緩和層）を設けることを見出した。ところが、ｎ型層２の上に歪み緩和層となる第２層４を直接設けると、ｎ型層から不純物が拡散してしまい、第１層３よりも格子定数を大きくしたことによる第２層４の悪い結晶性（窒化物半導体の格子定数を大きくするためにはＩｎの組成比を大きくする必要があるが、一般的にＩｎを大きくすればするほど結晶成長は難しくなり、その結晶性は悪くなる）をさらに悪化させてしまう（その結果、活性層５の結晶性がより低下する）。そこで、第２層４の下に結晶性の良い（Ｉｎの少ない）低不純物濃度の第１層３を設けることで、ｎ型層２から第２層４へのｎ型不純物の拡散を防止し、第２層４の結晶性の低下を軽減させることができる（その結果、活性層５の結晶性の低下を効果的に抑制することができる）。
【００１７】
ここで、第１層３及び第２層４のｎ型不純物濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下であり、第１層３の膜厚は０．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１８】
つまり、第１層３及び第２層４のｎ型不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であり、第２層４の格子定数が第１層３の格子定数よりも大きい（第２層４の禁止帯幅が第１層３の禁止帯幅よりも小さい）状態では、活性層５側から見みると、伝導帯において第１層３と第２層４との界面がポテンシャル障壁となり、活性層５からｎ型層２への電子の移動が妨げられてしまう。そこで、第１層３の膜厚を０．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下とすることにより、活性層の結晶性の低下を抑制すると共に、電子が第１層３をトンネルするので、電子の取り出しを効果的に向上させることができる。
【００１９】
より詳細には、第１層３及び第２層４のｎ型不純物濃度は、好ましくは５×１０１６ｃｍ−３以下、より好ましくは１×１０１６ｃｍ−３以下とすることができる。また、第１層３の膜厚は、好ましくは１．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下、より好ましくは１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とすることができる。これにより、上記効果をより効果的に得ることができる。
【００２０】
第１層３はＧａＮ、第２層４はＩｎＧａＮよりなることが好ましい。第１層３をＧａＮとすることで窒化物半導体においてその結晶性を最大限に良くすることができ、第２層４をＩｎＧａＮとすることで歪み緩和の役割を容易に果たすことができる（格子定数は大きくするにはＩｎの組成比を増やせばよい）。その結果、活性層５の結晶性の悪化を効果的に抑制し、高い量子効率の受光素子とすることができる。
【００２１】
第１層３はｎ型層２及び第２層４と接しており、第２層４は第１層３及び活性層５と接していることが好ましい。つまり、ｎ型層２と活性層５との間に、第１層３及び第２層４のみを設けることで、必要以上に多くの層を積層することによる結晶性の悪化を抑制することができるので、活性層の結晶性をより向上させることができる。さらに、第１の層３を１とすることにより、トンネル効果を最大限に利用することができるので、より高い量子効率とすることができる。
【００２２】
図２に、活性層を多重量子構造とした場合の断面模式図を示す。図２においては、活性層５以外の構成は図１と同様である。
【００２３】
活性層５は井戸層５ａ及び障壁層５ｂを備える多重量子井戸構造であり、井戸層５ａの膜厚は障壁層５ｂの膜厚よりも大きいことが好ましい。受光素子の場合、光を吸収させるために井戸層はある程度の厚さを要する（厚すぎると結晶性が落ち量子効率が落ちる）。一方、井戸層の質を上げるため障壁層は厚くしたいが、厚過ぎると電子取出しの妨げになる。そこで、「障壁層の膜厚＜井戸層の膜厚」とすることにより、光吸収と電子取り出しを両立した受光素子とすることができる。
【００２４】
以下、本実施の形態の主な構成要素について説明する。
【００２５】
（ｎ型層）
ｎ型層２の材料は特に限定されないが、好ましくはＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）、より好ましくはＧａＮとすることができる。換言すると、Ｉｎを含有しないＡｌＧａＮとすることで比較的良い結晶性とすることができるので好ましく、Ｉｎ及びＡｌを含有しないＧａＮとすることでさらに良い結晶性とすることができるのでより好ましい。ｎ型層２は他の層３〜６の下地となるので、ｎ型層２の結晶性がよければ他の層３〜６の結晶性も良くなるといえるからである。
【００２６】
（第１層）
第１層３は、ｎ型層２と第１層４の間に介在させるものであり、これにより、ｎ型層２から第２層４へのｎ型不純物の拡散を抑制し且つ活性層５の結晶性を向上させるものである。そのため、第１層３のｎ型不純物濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下、好ましくは５×１０１６ｃｍ−３以下、より好ましくは１×１０１６ｃｍ−３以下とすることができる。これにより第２層４へのｎ型不純物の拡散を抑制し（第１層３のｎ型不純物濃度が低いほど第２層４への拡散は抑制される）、且つ、下地層として効果的に機能する（ｎ型不純物濃度が低いほど結晶性は良くなる）。なお、上記のｎ型不純物の濃度範囲には、ｎ型不純物を意図的にドープしない所謂アンドープの状態も含むものとする。
【００２７】
ｎ型層２及び第１層３のｎ型不純物は特に限定されるものではないが、ＳｉやＧｅ、好ましくはＳｉを用いることができる。一般的には、窒化物半導体のｎ型不純物としてＳｉが広く知られている。
【００２８】
第１層３の材料は特に限定されないが、好ましくはＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）、より好ましくはＧａＮとすることができる。換言すると、Ｉｎを含有しないＡｌＧａＮとすることで比較的良い結晶性とすることができるので好ましく、Ｉｎ及びＡｌを含有しないＧａＮとすることでさらに良い結晶性とすることができるのでより好ましい。第１層３は他の層４〜６の下地となるので、第１層３の結晶性がよければ他の層４〜６の結晶性も良くなるといえるからである。
【００２９】
（第２層）
第２層４は、第１層３と活性層５の間に介在させるものであり、第１層３よりも大きい格子定数（第１層３と活性層５との間の格子定数）を有する。これにより、活性層５の歪みを緩和させることができ、その結晶性を向上させることができる。
【００３０】
第２層４の材料は特に限定されるものではないが、好ましくはＩｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１＜１）を用いることができる。Ｉｎを増減させることにより格子定数の制御が容易となり、四元混晶のＡｌＩｎＧａＮと比べてより良い結晶性を実現できるからである。ただし、ＩｎＧａＮはＧａＮと比べて結晶性が悪いので、第２層４としてＩｎＧａＮを用いる場合には、その下地となる第１層３をできるだけ結晶性良く成長させることが重要である。
【００３１】
第２層４の膜厚は特に限定されるものではないが、好ましくは０．５ｎｍ以上４．０ｎｍ以下、より好ましくは０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下、さらに好ましくは１．０ｎｍ以上２．０ｎｍ以下とすることができる。第２層４が厚くなると結晶性が損なわれるので好ましくなく、薄くなると歪み緩和の役割を果たし難いので好ましくない。また、活性層が単層からなる場合は単層自体からみて、活性層が多重量子井戸構造からなる場合は井戸層からみて、伝導帯において第２層４が障壁とみなせる場合であっても、薄いほうがトンネル効果を得られやすいので好ましい。
【００３２】
（活性層）
活性層５は特に限定されるものではないが、単層構造（図１参照）や多重量子井戸構造（図２参照）を用いることができる。単層構造としては、例えばＩｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０＜ｙ２＜１、ｙ１＜ｙ２）を用いることがでる。多重量子井戸構造としては、例えば井戸層としてＩｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０＜ｙ２＜１、ｙ１＜ｙ２）、障壁層としてＩｎｙ３Ｇａ１−ｙ３Ｎ（０≦ｙ３＜１、ｙ３＜ｙ２）を用いることができる。
【００３３】
第２層４は活性層５（単層の場合は受光層となる単層そのもの、多重量子井戸の場合は受光層となる井戸層）の歪みを緩和するための層であるから、第２層４の格子定数は第１層３及び活性層５（単層の場合は単層そのもの、多重量子井戸の場合は井戸層）の間の値を有することが好ましい。第２層４と井戸層との間に障壁層がある場合であっても、下からの歪みは井戸層に影響するので、第２層４の格子定数は第１層３及び井戸層の間の値を有することが重要である。
【００３４】
なお、活性層５を多重量子井戸構造とする場合、井戸層から始まって井戸層で終わるか、井戸層から始まって障壁層で終わるか、障壁層から始まって障壁層で終わるか、障壁層から始まって井戸層で終わるかは任意で決定すればよい。
【００３５】
（ｐ型層）
ｐ型層６の材料は特に限定されないが、好ましくはＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）、より好ましくはＧａＮとすることができる。Ｉｎを含有しないＡｌＧａＮとすることで比較的良い結晶性とすることができ、Ｉｎ及びＡｌを含有しないＧａＮとすることでさらに良い結晶性とすることができる。なお、ｐ型不純物としてはＭｇ等公知のものを利用することができる。
【実施例１】
【００３６】
Ｃ面を主面とするサファイアよりなる基板１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、水素雰囲気において温度を１１６０度まで加熱することにより基板表面の浄化を行った後、温度を５２０℃にして、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、アンモニアを用い、ＡｌＧａＮよりなるバッファ層（図示せず）を２５０オングストロームの膜厚で成長させた。
【００３７】
その後、温度を１１４０度まであげトリメチルガリウム、アンモニアを用いて下地となるＧａＮ層（図示せず）を１．５ｕｍ形成し、引き続きトリメチルガリウム、アンモニア、モノシランを用いてＧａＮからなるｎ型層２を４．５ｕｍの膜厚で形成した。
【００３８】
ｎ型層２形成後、雰囲気を窒素とし、温度を８２０度に下げて、トリメチルガリウム、アンモニアを用いてＧａＮからなる第１層３を２．５ｎｍ形成し、引き続きトリメチルインジウム、トリメチルガリウム、アンモニアを用いてＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる第２層４を１．３ｎｍの膜厚で形成した。このとき、第１層３及び第２層４共にＳｉをドープせずに成長させており、それぞれのｎ型不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下であった。
【００３９】
引き続きトリメチルインジウム、トリメチルガリウム、アンモニアを用いてＩｎ０．１６Ｇａ０．８４Ｎからなる井戸層５ａを膜厚４．５ｎｍで形成した後、トリメチルインジウムの供給を止めトリメチルガリウムとアンモニアを用いてＧａＮからなる障壁層５ｂを膜厚４．０ｎｍで形成して多重量子井戸構造の活性層５を形成した。このとき井戸層５ａと障壁層５ｂを1周期として合計３０周期繰り返した。
【００４０】
活性層５を形成後、再び雰囲気を水素とし、温度を８５０℃としてトリメチルガリウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いてキャリア濃度が約２．９×１０１７／ｃｍ３のＧａＮ層を形成し、引き続きトリメチルガリウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いてキャリア濃度が約６．４×１０１８／ｃｍ３のＧａＮ層を形成して、２層構造からなるｐ型層６を形成した。
【００４１】
この構成により得られた受光素子の４０５ｎｍの光に対する量子効率は約８８％と良好なものであった。
【実施例２】
【００４２】
活性層５を多重量子井戸構造ではなく単層構造とした以外は実施例１と同様にして、受光素子を作成した（図１参照）。つまり、第２層４を作成した後、Ｉｎ０．１６Ｇａ０．８４Ｎからなる活性層５を膜厚１５０ｎｍで形成した。このときの量子効率は約７７％となり、実施例１（図２参照）には劣るものの第１層３及び第２層４がない比較例に比較して良好なものであった。
【比較例】
【００４３】
第１層３及び第２層４を用いなかった以外は、実施例１と同様にして受光素子を作成した。こときの量子効率は約５０％であった。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明にの受光素子は、フォトダイオードや太陽電池等、比較的短波長の光を検出可能な受光素子に利用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１・・・基板
２・・・ｎ型層
３・・・第１層
４・・・第２層
５・・・活性層
６・・・ｐ型層
７・・・ｎ電極
８・・・ｐ電極
【図１】
0005609094.tif 000002
【図２】
0005609094.tif 000003