(57)【要約】【課題】汎用性が高く、いずれの波長域の光に対しても高速且つ高感度のフォトトランジスタおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】  第１の半導体と、該第１の半導体と導通可能に設けられ、前記第１の半導体と異なる異種材料からなり、且つ、光を吸収して電荷を発生する第２の半導体と、該第２の半導体と導通可能に設けられた第３の半導体と、を含み、前記第１の半導体が、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される少なくとも一つ以上の元素とＮとを含む化合物半導体からなり、前記第１の半導体のバンドギャップが前記第２の半導体のバンドギャップよりも大きく、前記第１の半導体、前記第２の半導体、前記第３の半導体が、それぞれエミッター、ベース、コレクターとして機能するフォトトランジスタにおいて、前記第２の半導体の電流の流れ方向に対する厚みが５００ｎｍ以下であり、前記光の波長における前記第２の半導体の吸収係数αが、１００００ｃｍ-1以上であることを特徴とするフォトトランジスタ。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体と、該第１の半導体と導通可能に設けられ、前記第１の半導体と異なる異種材料からなり、且つ、光を吸収して電荷を発生する第２の半導体と、該第２の半導体と導通可能に設けられた第３の半導体と、を含み、
前記第１の半導体が、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される少なくとも一つ以上の元素とＮとを含む化合物半導体からなり、前記第１の半導体のバンドギャップが前記第２の半導体のバンドギャップよりも大きく、
前記第１の半導体、前記第２の半導体、前記第３の半導体が、それぞれエミッター、ベース、コレクターとして機能するフォトトランジスタにおいて、
前記第２の半導体の電流の流れ方向に対する厚みが５００ｎｍ以下であり、前記光の波長における前記第２の半導体の吸収係数αが、１００００ｃｍ-1以上であることを特徴とするフォトトランジスタ。
【請求項２】
前記光の波長が２００〜７００ｎｍの範囲内であり、前記第２の半導体が、シリコン系半導体であることを特徴とする請求項１に記載のフォトトランジスタ。
【請求項３】
前記光の波長が５００ｎｍ以上であり、前記第２の半導体が、シリコンゲルマニウム系半導体およびゲルマニウム系半導体から選択されるいずれか１種であることを特徴とする請求項１に記載のフォトトランジスタ。
【請求項４】
前記光の波長が５００ｎｍ以下であり、前記第２の半導体が、下記化学式（１）に示される化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載のフォトトランジスタ。
・化学式（１）  Ａｌ(1-x)Ｇａ(1-y)Ｉｎ(1-z)Ｎ
〔但し、化学式（１）中、０≦ｘ，ｙ≦１．０、０≦ｚ＜０．２〕
【請求項５】
前記光の波長が５００ｎｍ以上であり、前記第２の半導体が、下記化学式（２）に示される化合物半導体、および、下記化学式（３）に示される化合物半導体から選択されるいずれか１種であることを特徴とする請求項１に記載のフォトトランジスタ。
・化学式（２）  Ａｌ(1-x)Ｇａ(1-y)Ｉｎ(1-z)Ｎ
〔但し、化学式（２）中、０≦ｘ，ｙ≦１．０、０．２≦ｚ≦１〕
・化学式（３）  Ａｌ(1-x)Ｇａ(1-y)Ｉｎ(1-z)Ｐ(1-b)Ａｓ(1-c)
〔但し、化学式（３）中、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１．０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜３．０、０≦ｂ，ｃ≦１．０、ｂ＋ｃ＜２．０〕
【請求項６】
第１の半導体と、電流の流れ方向に対する厚みが５００ｎｍ以下であり、入射する光の波長における吸収係数αが１００００ｃｍ-1以上であり、前記第１の半導体と直接的または間接的にヘテロ接合を形成し、且つ、前記光を吸収して電荷を発生する第２の半導体と、該第２の半導体と導通可能に設けられた第３の半導体と、を含み、
前記第１の半導体が、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される少なくとも一つ以上の元素とＮとを含む化合物半導体からなり、前記第１の半導体のバンドギャップが前記第２の半導体のバンドギャップよりも大きく、
前記第１の半導体、前記第２の半導体、前記第３の半導体が、それぞれエミッター、ベース、コレクターとして機能するフォトトランジスタの製造方法であって、
少なくとも、前記第２の半導体が形成された後のフォトトランジスタの作製が６００℃以下で行われることを特徴とするフォトトランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子等として利用されるフォトトランジスタおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信の高速化にともなって、受光素子の高速化がますます重要となってきている。さらに近接場光学などの微小光学系を用いた光読み出し機器との組合せからますます微弱光信号を測定する装置の小型化が必要となっている。
従来、高速の受光素子としては、ｐｉｎ構造を有するシリコンを用いたフォトダイオードが代表的なものである。この受光素子は光をｉ層で吸収して電荷を発生させると共に、ｐ層とｎ層との間に印加された電界により発生したｉ層内の大きな電場勾配を利用して、光吸収により発生し分離した正負それぞれの電荷を電場勾配に従ってｐ層側、ｎ層側へとそれぞれ移動させるものである。
【０００３】
しかしながらシリコンは間接遷移のため赤や赤外の長波長領域に対しては、光吸収係数が低く、十分な光感度を得るためにはｉ層を十分厚くする必要がある。一方、受光素子の応答性は、分離した電荷がｉ層を横切る時間に依存するため、応答性を向上させるためにはｉ層を薄くすることが必要である。従って、この場合、応答性を向上させるためには感度を犠牲しなければならないという問題があった。また、さらにｉ層が厚くなると外部から加えられる電圧によって形成されるｉ層内部の電界が小さくなり、光の照射により発生したキャリアの分離や速度が不十分となり感度や増幅機能が不十分になるという問題があった。
【０００４】
一方、感度を高くするためには増幅機能を備えたフォトトランジスタやアバランシェフォトダイオードが利用できる。
前者はエミッター・ベース・コレクターのｐｎｐ，ｎｐｎ構造をとるものである。フォトトランジスタの場合にはベースが光を吸収し電荷を発生させるとともに、この電荷の注入層となる。この場合の出力は増幅することができるが、応答性はベース内を電荷が移動する時間で決まる。ベースは光吸収層であるため十分な吸収を得るためには厚さが必要となり、電荷の移動時間が長くなるという問題が有った。
また、後者の電子なだれ現象を利用するものでは印加する電圧は通常の半導体回路の電源に比べると一桁高いものが多く利用できる条件が限られていた。
【０００５】
また、バイポーラトランジスタの高速化にはエミッターとベースとのヘテロ接合が必要でありヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）が使用される（例えば、特許文献１参照）。高速応答性を得るためには、ベースの薄膜化が必要であるが、ベースの熱拡散防止のために低温プロセスが必要であり、通常の結晶成長方法では困難である。
【０００６】
バンドギャップの異なった種類のｐ−ｎ半導体を組み合わせたヘテロｐｎ接合半導体素子は、同じバンドギャップを持つ同種の半導体によるｐｎ接合には無い特性が得られるため多くの研究が行われている。
しかしながら、格子定数が異なる二つの半導体の接合であるため、二つの半導体を接合した界面には、原子の結合手が他の原子と結合できずに切断したまま存在する状態（ダングリングボンド）が発生し、このダングリングボンドが界面準位を形成してしまう。
【０００７】
特に、半導体の形成に高温が必要で二つの半導体間での熱膨張率の差が大きい場合には、冷却後に大きなストレスが加わり、結合欠陥の発生を加速するのみならず、クラックやひび割れ、界面剥離などの構造的欠陥も引き起こす。このような接合界面での多量の界面準位の発生は、接合界面の特性を劣化させるため半導体素子として十分な特性を引き出すことができなくなる。
【０００８】
しかし、ヘテロ接合を利用した半導体素子は、ホモ接合を利用した半導体素子では実現が困難な、（１）電荷に対する障壁および閉じ込め効果、（２）電荷の分離、（３）電荷の加速、減速、等の特徴があり、この特徴を利用して高電子移動度トランジスタや超高速動作トランジスタなどの特徴ある半導体素子を作製することができる。
また、高温環境で動作する半導体素子においては、熱によりフェルミ準位が大きな影響を受けないワイドバンドギャップ半導体が注目されている。
【０００９】
またワイドバンドギャップ半導体としては、近年窒化物半導体か゛注目されている。しかしながら、この半導体はサファイア基板を用い１０００℃という高温で作製されており、低温プロセスの必要な素子には不適であった。
【００１０】
界面準位の発生や、低温プロセスへの対応という問題に対しては、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ等のＩＩＩａ族元素から選択される少なくとも一つ以上の元素とＮ等のＶａ族元素とを含む化合物半導体層上に、この半導体層と極性の異なる異種の半導体層を積層した構成を有するヘテロ接合半導体素子が提案されている（特許文献２参照）。
このようなヘテロ接合半導体素子は、接合界面での界面準位の発生を抑制できる上に、低温プロセスでの製造も可能である。しかし、この素子をフォトトランジスタとして利用しても感度や応答性の点で、必ずしも十分な性能が得られない場合があった。
【特許文献１】特開２００３−０２３０１１号公報
【特許文献２】特開２００３−０２４９６４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記問題点を解決することを課題とする。すなわち、本発明は、ベースの薄層化により、光通信に利用される波長域の光に対して高速且つ高感度のフォトトランジスタおよびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題は以下の本発明により達成される。すなわち、本発明は、
＜１＞
第１の半導体と、該第１の半導体と導通可能に設けられ、前記第１の半導体と異なる異種材料からなり、且つ、光を吸収して電荷を発生する第２の半導体と、該第２の半導体と導通可能に設けられた第３の半導体と、を含み、
前記第１の半導体が、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される少なくとも一つ以上の元素とＮとを含む化合物半導体からなり、前記第１の半導体のバンドギャップが前記第２の半導体のバンドギャップよりも大きく、
前記第１の半導体、前記第２の半導体、前記第３の半導体が、それぞれエミッター、ベース、コレクターとして機能するフォトトランジスタにおいて、
前記第２の半導体の電流の流れ方向に対する厚みが５００ｎｍ以下であり、前記光の波長における前記第２の半導体の吸収係数αが、１００００ｃｍ-1以上であることを特徴とするフォトトランジスタである。
【００１３】
＜２＞
前記光の波長が２００〜７００ｎｍの範囲内であり、前記第２の半導体が、シリコン系半導体であることを特徴とする＜１＞に記載のフォトトランジスタである。
【００１４】
＜３＞
前記光の波長が５００ｎｍ以上であり、前記第２の半導体が、シリコンゲルマニウム系半導体およびゲルマニウム系半導体から選択されるいずれか１種であることを特徴とする＜１＞に記載のフォトトランジスタである。
【００１５】
＜４＞
前記光の波長が５００ｎｍ以下であり、前記第２の半導体が、下記化学式（１）に示される化合物半導体であることを特徴とする＜１＞に記載のフォトトランジスタである。
・化学式（１）  Ａｌ(1-x)Ｇａ(1-y)Ｉｎ(1-z)Ｎ
〔但し、化学式（１）中、０≦ｘ，ｙ≦１．０、０≦ｚ＜０．２〕
【００１６】
＜５＞
前記光の波長が５００ｎｍ以上であり、前記第２の半導体が、下記化学式（２）に示される化合物半導体、および、下記化学式（３）に示される化合物半導体から選択されるいずれか１種であることを特徴とする＜１＞に記載のフォトトランジスタである。
・化学式（２）  Ａｌ(1-x)Ｇａ(1-y)Ｉｎ(1-z)Ｎ
〔但し、化学式（２）中、０≦ｘ，ｙ≦１．０、０．２≦ｚ≦１〕
・化学式（３）  Ａｌ(1-x)Ｇａ(1-y)Ｉｎ(1-z)Ｐ(1-b)Ａｓ(1-c)
〔但し、化学式（３）中、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１．０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜３．０、０≦ｂ，ｃ≦１．０、ｂ＋ｃ＜２．０〕
【００１７】
＜６＞
第１の半導体と、電流の流れ方向に対する厚みが５００ｎｍ以下であり、入射する光の波長における吸収係数αが１００００ｃｍ-1以上であり、前記第１の半導体と直接的または間接的にヘテロ接合を形成し、且つ、前記光を吸収して電荷を発生する第２の半導体と、該第２の半導体と導通可能に設けられた第３の半導体と、を含み、
前記第１の半導体が、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される少なくとも一つ以上の元素とＮとを含む化合物半導体からなり、前記第１の半導体のバンドギャップが前記第２の半導体のバンドギャップよりも大きく、
前記第１の半導体、前記第２の半導体、前記第３の半導体が、それぞれエミッター、ベース、コレクターとして機能するフォトトランジスタの製造方法であって、
少なくとも、前記第２の半導体が形成された後のフォトトランジスタの作製が６００℃以下で行われることを特徴とするフォトトランジスタの製造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
以上に説明したように本発明によれば、汎用性が高く、いずれの波長域の光に対しても高速且つ高感度のフォトトランジスタおよびその製造方法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】
【００１９】
本発明のフォトトランジスタは、第１の半導体と、該第１の半導体と導通可能に設けられ、前記第１の半導体と異なる異種材料からなり、且つ、光を吸収して電荷を発生する第２の半導体と、該第２の半導体と導通可能に設けられた第３の半導体と、を含み、前記第１の半導体が、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される少なくとも一つ以上の元素とＮとを含む化合物半導体からなり、前記第１の半導体のバンドギャップが前記第２の半導体のバンドギャップよりも大きく、前記第１の半導体、前記第２の半導体、前記第３の半導体が、それぞれエミッター、ベース、コレクターとして機能するフォトトランジスタにおいて、前記第２の半導体の電流の流れ方向に対する厚みが５００ｎｍ以下であり、前記光の波長における前記第２の半導体の吸収係数αが、１００００ｃｍ-1以上であることを特徴とする。
【００２０】
従って、本発明のフォトトランジスタは、アバランシェフォトダーオードのように電圧印加のための電源が不要であり汎用性が高い。また、光の吸収層として機能する第２の半導体の吸収係数が大きいために高感度であると共に、光の入射方向に対するベースの厚みを薄くできるため高速である。
【００２１】
なお、第２の半導体の吸収係数αは、上述したように１００００ｃｍ-1以上であることが必要であり、２００００ｃｍ-1以上であることがより好ましく、３００００ｃｍ-1以上であることが更に好ましい。吸収係数αが１００００ｃｍ-1未満の場合には、感度の低下や応答速度の低下が起こる。
なお、吸収係数αの上限は特に限定されず、大きければ大きい程好ましいが、第２の半導体を構成する材料の選択肢が限定される等の実用上の観点からは１０００００ｃｍ-1以下であることが好ましい。
【００２２】
なお、第２の半導体の光の入射方向に対する厚みは、吸収係数αにも依存するが、第２の半導体に入射する光の吸収率が少なくとも６０％以上を満たすように設定されることが好ましく、具体的には、１ｎｍ以上であることが好ましく、２ｎｍ以上であることが好ましく、大きければ大きい程好ましい。
第２の半導体の光の入射方向に対する厚みが１ｎｍ未満の場合には、十分な感度が得られない場合がある。
【００２３】
また、第２の半導体の電流の流れ方向に対する厚みは、５００ｎｍ以下であることが必要であり、３００ｎｍ以下であることが好ましく、小さければ小さい程好ましい。電流の流れ方向に対する厚みが５００ｎｍを超える場合には応答性の点で十分な速さが得られない。
【００２４】
ここで、本発明のフォトトランジスタの構成が、例えば、エミッター、ベース、コレクタの各々を単純に層状に積層し、エミッターを介してベースへと光を照射するような形態のように、第２の半導体の光の入射方向に対する厚みと、電流の流れ方向に対する厚みとが実質的に一致する場合には、感度と応答性とを高いレベルでバランスよく両立させるために、１〜５００ｎｍの範囲内で設定されることが好ましい。
一方、本発明のフォトトランジスタの構成が、例えば、エミッター、ベース、コレクタの各々を単純に層状に積層し、エミッターを介さずに、積層方向に対して垂直に交わる方向からベースに光を照射するような形態のように、第２の半導体の光の入射方向に対する厚みと、電流の流れ方向に対する厚みとが一致しない場合には、各々の方向に対する厚みを、上述したように感度、応答性の点から別々に設定することができるが、第２の半導体の電流の流れ方向に対する厚みは５００ｎｍ以下とする必要がある。
なお、以下の本発明の説明において、第２の半導体（層）の厚みとは、特に説明の無い限り、光の入射方向に対する厚みと、電流の流れ方向に対する厚みとが一致している場合のこれら方向に対する厚みを意味するものとする。
【００２５】
本発明のフォトトランジスタは、コレクター、ベースおよびエミッターがｐｎｐ構造、あるいは、ｎｐｎ構造を基本構造とするものであるが、ｎ型やｐ型の部分はそれそぞれｎ-，ｎ+，ｐ-，ｐ+型であっても良いし、ｉ型であっても良い。
また、ベースには、第２の半導体への光照射によって電流注入する。この場合、第２の半導体への光の照射は基本的にエミッターを介して行うが、エミッターを介さずに行ってもよい。加えて、エミッターを構成する第１の半導体は、検出対象となる光の波長よりバンドギャップが大きいことが必要である。
【００２６】
さらに、光の吸収によりベースで発生した電荷のうち、一方の極性の電荷のスムーズな移動およびもう一方の極性の電荷の移動の阻止を目的としてベースよりバンドギャップが大きくかつベースとコレクターとの間に、ベースよりバンドギャップが大きく、ベースからコレクターへの正孔あるいは電子の注入を阻止する障壁（中間層）を設けてもよい。
【００２７】
なお、ベースを構成する第２の半導体の材料としては、上述した吸収係数を満たすものであれば特に限定されないが、具体的には、検出対象となる光の波長（受光波長）に応じて以下のように選択することができる。
【００２８】
まず、受光波長が２００〜７００ｎｍの範囲内である場合には、第２の半導体としては、シリコン系半導体であることが好ましい。
また、受光波長が５００ｎｍ以上の長波長域である場合には、第２の半導体としては、シリコンゲルマニウム系半導体（Ｓｉ(1-x)Ｇｅx、０＜ｘ＜１．０）およびゲルマニウム系半導体から選択されるいずれか１種を用いることができる。
【００２９】
また、上述のシリコン系、シリコンゲルマニウム系、あるいは、ゲルマニウム系半導体以外に、Ａｌ(1-x)Ｇａ(1-y)Ｉｎ(1-z)Ｎ(1-a)Ｐ(1-b)Ａｓ(1-c)（但し、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１．０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜３．０、０≦ａ，ｂ，ｃ≦１．０、ａ＋ｂ＋ｃ＜３．０）系の化合物半導体を用いることもできる。
この化合物半導体材料を利用する場合には、受光波長に応じて、以下の組成からなる化合物半導体を利用することが好適である。
すなわち、受光波長が５００ｎｍ以下の短波長域である場合には、第２の半導体としては、Ａｌ(1-x)Ｇａ(1-y)Ｉｎ(1-z)Ｎ（０≦ｘ，ｙ≦１．０、０≦ｚ＜０．２）系の化合物半導体を用いることが好ましい。この化合物半導体は、耐絶縁性に優れると共にキャリア移動度が大きいため、より高速のフォトトランジスタを得ることができる。
【００３０】
また、受光波長が５００ｎｍ以下の場合は、Ａｌ(1-x)Ｇａ(1-y)Ｉｎ(1-z)Ｎ（０≦ｘ，ｙ≦１．０、０．２≦ｚ≦１）系の化合物半導体、または、Ａｌ(1-x)Ｇａ(1-y)Ｉｎ(1-z)Ｎ(1-a)Ｐ(1-b)Ａｓ(1-c)（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１．０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜３．０、０≦ａ，ｂ，ｃ≦１．０、ａ＋ｂ＋ｃ＜３．０）系の化合物半導体を用いることが好ましい。
なお、これらＡｌ(1-x)Ｇａ(1-y)Ｉｎ(1-z)Ｎ(1-a)Ｐ(1-b)Ａｓ(1-c)系（以下、「窒化物半導体」と略す）の半導体は単結晶、微結晶，多結晶、非晶質のいずれであっても良い。
【００３１】
コレクターを構成する第３の半導体の材料は特に限定されないが、コレクターとベースとの界面における格子定数のマッチングが取り易く、接合が連続的に形成できる点で、基本的に、ベースを構成する第２の半導体と同種の材料からなることが好ましい。例えば、ベースがシリコン系半導体の場合には、コレクターはシリコン系半導体で形成することが好ましい。また、ベースが化合物半導体の場合には、コレクターはシリコン系半導体で形成しても化合物半導体で形成しても良いが、同種の化合物半導体を使用することが好ましい。
【００３２】
エミッターを構成する第１の半導体は、ベースを構成する第２の半導体よりもバンドギャップが大きく、第２の半導体に対して異種材料から構成されることが必要である。このような第１の半導体を構成する材料としては、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される少なくとも一つ以上の元素とＮとを含む化合物半導体〔Ａｌ(1-x)Ｇａ(1-y)Ｉｎ(1-z)Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＜３）〕が用いられる。
なお、当該異種材料とは、第１の半導体と第２の半導体とを直接接合した場合に、ヘテロ接合が形成される程度に格子定数が異なる材料であることを意味する。
【００３３】
第１の半導体として上述した化合物半導体を用いた場合には、フォトトランジスタを設計する際の自由度を大きくできる（ベースを構成する第２の半導体の材料選択肢を広くすることができる）上に、第１の半導体と第２の半導体とのヘテロ接合の形成により、ホモ接合を利用したフォトトランジスタでは実現が困難な、（１）電荷に対する障壁および閉じ込め効果、（２）電荷の分離、（３）電荷の加速、減速の特性を利用して、応答速度の高いフォトトランジスタを得ることができる。なお、Ｉｎを用いる場合には、Ｉｎの濃度は、０＜Ｉｎ／（Ａｌ＋Ｇａ＋Ｉｎ）＜０．１の範囲内で調整されることが好ましい。
本発明のフォトトランジスタにおいて、電流は電子あるいは正孔のいづれかでも、両方による輸送でも良い。
【００３４】
本発明のフォトトランジスタは、特開２００３−２４９６４２号公報等に開示されたような公知の方法を利用して作製することができる。
但し、本発明のフォトトランジスタにおいては、上述したように、高い応答性を得るために、ベースを構成する第２の半導体の厚みは、十分な感度が確保できる範囲内でできるだけ薄くする必要がある。
【００３５】
このため、例えば、コレクター、ベース、エミッターの順に積層する工程を経て本発明のフォトトランジスタを作製する場合には、ベース（第２の半導体）の形成や、ベースを形成した後の後工程で形成されるエミッター（第１の半導体）の形成時の温度が高いと、ドーパント等の熱拡散が顕著になるため、薄く且つ界面での組成・物性変化の急峻なベースが形成できなくなり、十分な感度や応答速度が得られなくなる場合がある。
従って、ベース形成後の後工程は８００℃以下で実施されることが好ましく、６００℃以下で実施されることがより好ましい。これは、ベースの形成時についても同様である上に、後述する欠陥の制御の点からもこのような低温プロセスの適用が好ましい。
【００３６】
また、ベース形成後のドーパントの熱拡散を考慮して、ベース形成時のドーパントの濃度を設計値よりも高めに設定する方法や、ベースを積層するための基材（上述の例では、コレクターを構成する第３の半導体）と、ベースを構成する材料とを互いに格子定数の異なる異種材料とすることにより、ベースから基材へのドーパントの熱拡散を困難にする方法も利用できる。これらの方法は、上述した低温プロセスと組み合わせて用いることが好ましい。
【００３７】
次に、本発明のフォトトランジスタの具体的な構成を図面を用いて説明する。
図１は本発明のフォトトランジスタの構成例を示す模式図である。図１中、１０は電極、１１はエミッター、１２はベース、１３はコレクターであり、２０，２１は配線を表す。
図１に示すフォトトランジスタは、ベース１２の片面側にエミッター１１と、電極１０とがこの順に積層され、ベース１２のもう一方の面側にコレクター１３が積層されてなり、電極１０には配線２０が接続され、コレクター１３には配線２１が接続されている。
【００３８】
図２は本発明のフォトトランジスタの他の構成例を示す模式図である。図２中、１４は電極、１５は窒化物半導体からなるエミッター、１６はエミッター１５とヘテロ接合を形成する異種の半導体からなるベース、１７はコレクター、１８は電極、２２，２３、２４は配線を表す。
図２に示すフォトトランジスタは、コレクター１７の片面側にベース１６、エミッター１５、および電極１４がこの順に積層され、コレクター１７のもう一方の面側に電極１８が積層されてなり、電極１４には配線２２が接続され、ベース１６には配線２３が接続され、電極１８には配線２４が接続されてたバイポーラタイプのフォトトランジスタである。
【００３９】
図３は本発明のフォトトランジスタの他の構成例を示す模式図であり、フォトトランジスタをコレクターの機能を有する同一の基板上に複数形成したものである。図３中、２５、２５’はエミッター、２６、２６’はベース、２７はコレクターの機能を有する基板を表す。
図３に示す例では、コレクターの機能を有する基板２７の片面上に、ベース２６とエミッター２５とがこの順に積層されてなる第１のフォトトランジスタと、ベース２６’とエミッター２５’とがこの順に積層されてなる第２のフォトトランジスタと、が設けられている
【００４０】
本発明のフォトトランジスタには、第１〜第３の半導体として、必要に応じて、種々の半導体材料を組み合わせて利用できるが、エミッターを構成する第１の半導体としては、バンドギャップの大きい窒化物半導体を用いることが好ましく、ベースを構成する第２の半導体には上述したように受光波長に応じて窒化物半導体を用いることができ、第３の半導体としても必要に応じて窒化物系半導体を用いることができる。
【００４１】
本発明のフォトトランジスタに用いることができる窒化物半導体は、水素原子を０．１原子％から４０原子％の範囲内で含んでいても良い。窒化物半導体は単結晶でも非晶質でも微結晶，多結晶でも多結晶でも良い。但し、窒化物半導体はが、微結晶，多結晶の場合には結合欠陥、転位欠陥や結晶粒界の欠陥などが多いため、窒化物半導体中に水素やハロゲン元素など添加することによって、これら欠陥を不活性化することが好ましい。水素やハロゲンの窒化物半導体中への添加は、その成膜時や、成膜後の後工程を含めて、６００℃以下の低温で行われることが好ましい。
【００４２】
水素やハロゲン元素は結晶内の結合欠陥や結晶粒界の欠陥などに取り込まれ電気的な補償を行う作用を有する。このため、水素やハロゲン元素を添加した窒化物半導体では、光を吸収した際に発生する電荷や、電荷の拡散・移動に影響を及ぼすトラップが無くなり、優れた光電気的特性を得ることが可能である。なお、窒化物半導体中の水素量についてはハイドロジェンフォワードスキャタリング（ＨＦＳ）により絶対値を測定することができるし、赤外吸収スペクトルを利用して推定することもできる。
【００４３】
この窒化物半導体は非晶質でも微結晶、多結晶、あるいは、単結晶のいずれであっても良い。結晶系は立方晶あるいは６方晶系が混合していても良いし、いずれか一つであっても良い。面方位は複数であっても良いが、一種類であることが望ましい。さらに成膜時の積層方向に対する成長断面は柱状構造をとっていても、平滑な単結晶でも良い。
【００４４】
なお、当該単結晶とは、例えば透過電子線回折パターンや反射電子線回折においてスポット状の輝点が主であり、リング状の回折パターンでなくほとんどスポット状に近いものからスポット状さらにストリーク状のものまたＸ線回折では一つの面方位がほぼ全体の強度の８０％以上を占めているものを指す。
【００４５】
これらの窒化物半導体を用いて第１の半導体と第２の半導体との間にヘテロ接合を形成するためには、例えば、ｎ型層とｐ型層、あるいは、ｐ型層とｎ型層とからなる２層構成のシリコン基板を用いて本発明のフォトトランジスタを作製する場合にはこの基板上に直接窒化物化合物半導体を形成し、シリコン基板との間にヘテロ接合を形成することができる。例えば、シリコン基板のｎ型層上にはｐ型の窒化物半導体、シリコン基板のｐ型層上に対してはｎ型の窒化物半導体を形成することができる。
【００４６】
なお、シリコン基板のｐ型の半導体層上に、単結晶、微結晶あるいは多結晶等の結晶性の窒化物半導体を形成する場合には、この窒化物半導体は、Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎから選ばれる一つ以上の元素を含んでいてもよい。
また、シリコン基板のｎ型の半導体層上に、単結晶、微結晶あるいは多結晶等の結晶性の窒化物半導体を形成する場合には、この窒化物半導体は、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒから選ばれる一つ以上の元素を含んでいてもよい。
このように窒化物半導体に不純物元素を添加することによって、シリコンと窒化物半導体との界面にバンドギャップの異なる接合が形成され大きな拡散電位が形成されることによって、優れた整流特性や大きな増幅性能が得られる。また、例えば、このシリコン基板のｐ型層とｎ型窒化物半導体との間には中間的な伝導型としてｉ型のシリコンやｉ型の窒化物半導体層を設けても良い。
【００４７】
シリコン基板のｐ型の半導体層上にヘテロ接合を形成するために使用できる窒化物半導体としては、ｎ型ＡｌX1ＧａY1Ｎやｎ+型ＡｌX2ＧａY2Ｎの他，ｉ型ＡｌX1ＧａY1Ｎ／ｎ型ＡｌX2ＧａY2Ｎ等が挙げられる。
またシリコン基板のｎ型の半導体層上にヘテロ接合を形成するために使用できる窒化物半導体としては、ｐ型ＡｌX1ＧａY1Ｎやｐ+型ＡｌX2ＧａY2Ｎの他，ｉ型ＡｌX1ＧａY1Ｎ／ｐ型ＡｌX2ＧａY2Ｎ等が挙げられる。なお、上記窒化物半導体を示す化学式において、０＜Ｘ１、Ｙ１、Ｘ２、Ｙ２＜１である。
【００４８】
一方、上述の単結晶のシリコン基板の他に、微結晶，多結晶や多結晶、非晶質のシリコン基板に対しても同様な構成が可能である。
また、シリコン基板の他に用いることのできる半導体（あるいは半導体基板）としては、ＧａＡｓ，ＧａＡｌＡｓ，ＧａＡｌＰ，ＧａＰ，ＡｌＧａＰ，ＩｎＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＰ，ＧａＡｓＮなどのＩＩＩ族元素と、ＰやＡｓ、Ｎ等とのｐ型あるいはｎ型の化合物半導体を使用することができる。さらにＣｕＩｎＳｅ2，ＣｕＩｎＳ2、ＣｕＧａＳｅ2，ＣｕＩｎＧａＳｅ2などのカルコパイライト化合物半導体を使用することができる。さらにＣｄＳやＣｄＳｅ，ＣｄＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族系の化合物半導体を使用することもできる。
【００４９】
次に、本発明のフォトトランジスタの製造方法の具体例について図面を用いて説明する。
図４は本発明のフォトトランジスタの製造に用いられる成膜装置の一例を示す概略模式図であり、１は真空に排気しうる容器（反応容器）、２は排気口、３は基板ホルダー、４は基板加熱用のヒーター、５，６は容器１に接続された石英管、７は高周波コイル、８はマイクロ導波管、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄはガス導入管を表す。
【００５０】
この成膜装置は、反応容器１と、反応容器１内に設けられた基板ホルダー３と、基板ホルダー３の一方の面側に近接して設けられたヒータ４と、反応容器１と連通し、基板ホルダー３のヒーター４が設けられた側（以下、「下側」、「下方」と略す）に接続された排気口２と、反応容器１と連通し、基板ホルダー３の上方側にＶ字を成すように接続された２本の石英管５，６から構成されている。
【００５１】
なお、石英管５は、容器１と接続された側と反対側に設けられたガス導入管９ａと、側面に設けられたガス導入管９ｃと連通しており、石英管５のガス導入管９ａとガス導入管９ｃとが設けられた間にはマイクロ導波管８が取り付けられている。また、石英管６は、容器１と接続された側と反対側に設けられたガス導入管９ｂと、側面に設けられたガス導入管９ｄと連通しており、石英管５のガス導入管９ａとガス導入管９ｃとが設けられた間には高周波コイル７が取り付けられている。
【００５２】
この成膜装置を利用して窒化物半導体からなる半導体層を形成する場合、チッ素元素源として、例えば、Ｎ2を用いガス導入管９ａから石英管５に導入することができる。
この際、マグネトロンを用いたマイクロ波発振器（図示せず）に接続されたマイクロ導波管８に２．４５ＧＨｚのマイクロ波が供給され石英管５内に放電を発生させる。
【００５３】
また、別のガス導入管９ｂから、例えば、Ｈ2を石英管６に導入する。この際、高周波発振器（図示せず）から高周波コイル７に１３．５６ＭＨｚの高周波を供給し、石英管６内に放電を発生させてもよい。
さらに、この石英管５内の放電空間の下流側よりトリメチルガリウムをガス導入管９ｃより導入することによって、基板ホルダー３上に設置された基板上にチッ化ガリウム結晶を成膜することができる。
【００５４】
ここで、基板温度が高い場合、および／または、ガリウム等のＩＩＩ族元素を含む原料ガスの流量が少ない場合には、基板上に形成される窒化物半導体は結晶になりやすい。なお、結晶性−非晶質性の度合いは、基板の種類、基板温度、ガスの流量や圧力、放電出力等の条件にも依存するため、これらの条件も調整することによって、基板上に形成される窒化物半導体の結晶性−非晶質性の度合いを制御することができる。
【００５５】
窒化物半導体を形成する場合、基板温度は一般的に１００℃〜６００℃の範囲内に設定することが好ましい。
また、結晶性／非結晶性の制御という観点からは、基板温度が３００℃より高い場合には結晶化しやすく、それ以下では非晶質化しやすい。但し、基板温度が３００℃より低い場合でもＩＩＩ族を含む原料ガスの流量を少なくすれば結晶化しやすくなる。また、例えばＨ2を導入して放電を行った場合にはさらに結晶化を進めることができる。また、複数の放電源を併用すれば、所望の膜質を実現できる成膜条件の範囲を広くすることができる。
なお、ＩＩＩ族元素を含む原料ガスとしては、トリメチルガリウムの代わりに、例えば、インジウム、アルミニウムを含む有機金属化合物を用いることもできるし、２種以上の有機金属化合物からなるガスを混合して利用することもできる。また、上述したようにトリメチルガリウム等の１種類の有機金属化合物をガス導入管９ｃから導入する場合に、他の種類の有機金属化合物を更に導入する場合にはガス導入管９ｄから別々に導入しても良い。
【００５６】
一方、本発明のフォトトランジスタを構成する第１〜第３の半導体の各々には、ｐ，ｎ制御のために元素をドープすることができる。
ｎ型用の元素としてはＩａ族のＬｉ，Ｉｂ族のＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，ＩＩａ族のＭｇ、Ｉ
Ｉｂ族のＺｎ，ＩＶａ族のＳｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，ＶＩａ族のＳ，Ｓｅ，Ｔｅを用いることができる。
また、ｐ型用の元素としてはＩａ族のＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｉｂ族のＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｉ
Ｉａ族のＢｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｒａ，ＩＩｂ族のＺｎ，Ｃｄ，Ｈｇ，ＩＶａ族のＣ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，ＶＩａ族のＳ，Ｓｅ，Ｔｅ、ＶＩｂ族のＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，ＶＩＩＩａ族のＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどを用いることができる。
中でもｎ型用の元素としては、特に、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎが好ましく、ｐ型用の元素としては、特に、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒが好ましい。
【００５７】
ドーピングの方法としてはｎ型用としてはＳｉＨ4，Ｓｉ2Ｈ6，ＧｅＨ4，ＧｅＦ4，ＳｎＨ4を、ｐ型用としてはＢｅＨ2，ＢｅＣｌ2，ＢｅＣｌ4，ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、ジメチルカルシウム、ジメチルストロンチウム、ジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、などをガス状態で使用できる。また、これら元素を第１〜第３の半導体の各々に必要に応じてドーピングするには、熱拡散法、イオン注入法等の公知の方法を採用することができる。
【００５８】
具体的には、Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎから選ばれた少なくとも一つ以上の元素を含むガス、あるいはＢｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒから選ばれた少なくとも１つ以上の元素を含むガスを、高周波コイル７や、マイクロ導波管８による放電空間の下流側（ガス導入管９ｃ又はガス導入管９ｄ）から導入することによってｎ型、ｐ型等任意の伝導型の窒化物半導体を得ることができる。なお、ドーピング元素がＣの場合には、条件によっては有機金属化合物に含まれる炭素を利用することもできる。
【００５９】
上述のような成膜装置において、放電エネルギーにより形成される活性チッ素あるいは活性水素を独立に制御してもよいし、ＮＨ3のようなチッ素と水素原子を同時に含むガスを用いてもよい。さらにＨ2を加えてもよい。また、有機金属化合物から活性水素が遊離生成する条件を用いることもできる。
このようにすることによって、基板上には活性化されたＩＩＩ族原子と、チッ素原子とが制御された状態で存在し、かつ、活性化された水素原子が有機金属化合物に含まれるメチル基やエチル基等の炭化水素基をメタンやエタン等の不活性分子にするために、低温での成膜においても形成される窒化物半導体膜中の欠陥を抑制することができる。
【００６０】
上述の成膜装置において活性化手段として、高周波発振器、マイクロ波発振器、エレクトロサイクロトロン共鳴方式やヘリコンプラズマ方式であっても良いし、これらを一つを用いても良いし、二つ以上を用いてもよい。また、二つ共マイクロ波発振器であっても良いし、２つ共高周波発振器で有っても良い。また高周波放電の場合、誘導型でも容量型でも良い。また２つ共エレクトロンサイクロトロン共鳴方式を用いても良い。
【００６１】
異なる活性化手段（励起手段）を用いる場合には、同じ圧力で同時に放電が生起できるようにする必要があり、石英管５，６の放電領域内と成膜部（反応容器１内）とに圧力差を設けても良い。また、同一圧力で行う場合、異なる活性化手段（励起手段）、例えば、マイクロ波と高周波放電を用いると励起種の励起エネルギーを大きく変えることができ、形成される窒化物半導体からなる膜の膜質制御に有効である。
【００６２】
この他にも通常の有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法を使用することが出来るが、活性窒素あるいは活性水素を同時に使用することは有効である。チッ素原料としてはＮ2，ＮＨ3，ＮＦ3，Ｎ2Ｈ4、メチルヒドラジンなどの気体や液体を気化あるいは電荷ガスでバブリングすることによって使用することができる。
【００６３】
上述したような方法を利用して、第１の半導体および／または第２の半導体として窒化物半導体を利用した本発明のフォトトランジスタを作製した場合、水素を含む低温成長による成膜法により接合界面での結合欠陥を不活性化すると同時に互いに異なる熱膨張による成膜後の欠陥の発生を防止し良好なヘテロ接合を形成することができる。
第１の半導体および／または第２の半導体として窒化物半導体を形成し、第１の半導体にワイドバンドギャップの窒化物半導体を採用し、第２の半導体との間にヘテロ接合を形成した場合には、高電圧や高電力かつ耐光性、耐熱性、耐酸化性にすぐれたフォトトランジスタとして使用することができる。
【実施例】
【００６４】
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに制限されるものではない。
なお、以下の実施例、比較例に示すフォトトランジスタは、図４に示した成膜装置を利用して、コレクターとして機能するシリコン等からなる市販の半導体基板（第３の半導体）上にベース（第２の半導体）と、エミッター（第１の半導体）とを構成する半導体薄膜を順に積層、あるいは、コレクターおよびベースとして機能する市販の半導体基板にエミッター（第１の半導体）を構成する半導体薄膜を積層し、何らの中間層を設けること無く３層構成のフォトトランジスタを形成したものである。
【００６５】
（実施例１）
１０％の弗化水素酸水溶液でエッチングした面方位（１００）の抵抗率が１Ωｃｍ以下のｎ型Ｓｉ結晶の上に、膜厚５００ｎｍ、抵抗率２Ωｃｍのｐ型Ｓｉ層が形成されたｎｐ型シリコン基板のｎ型Ｓｉ結晶側の面にＡｕを蒸着し、オーミックコンタクト電極を作製した。
このｎｐ型シリコン基板を、ｐ型Ｓｉ層が上向きとなるようにホルダー３に載せ、排気口２を介して容器１内を真空排気後、ヒーター４により基板を３５０℃に加熱した。続いて、Ｎ2ガスをガス導入管９ａより直径２５ｍｍの石英管５内に２０００ｓｃｃｍ導入し、マイクロ波導波管８を介して２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力２５０Ｗにセットしチューナでマッチングを取り放電を行った。この時の反射波は０Ｗであった。また、Ｈ2ガスをガス導入管９ｂより直径３０ｍｍの石英管６内に５００ｓｃｃｍ導入し、高周波コイル７のマイクロ波の出力を１００Ｗにセットした。この時の反射波は０Ｗであった。この状態でガス導入管９ｃより０℃に保持されたトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）の蒸気を窒素をキャリアガスとして用いバブリングしながらマスフローコントローラーを通して１ｓｃｃｍ導入した。さらに水素ガスで希釈したシランを１ａｔ％になるように導入した。この時、バラトロン真空計で測定した容器１内の反応圧力は６５Ｐａであった。
【００６６】
この状態で成膜を６０分行い、膜厚０．１μｍのＳｉをドープしたｎ型の水素化ＧａＮ膜をシリコン基板のｐ型Ｓｉ層上に直接成膜した。
この水素化ＧａＮ膜の水素組成をＨＦＳ（ハイドロジェン・フォワード・スキャタリング）にて測定したところ５ａｔ％であった。また、この水素化ＧａＮ膜のバンドギャップは３．２ｅＶで、３８０ｎｍよりも長波長域の光に対しては透過性を有することがわかった。
【００６７】
次に、水素化ＧａＮ膜の表面に直径０．２ｍｍのＡｕ電極を蒸着し、フォトトランジスタを得た。このフォトトランジスタの電流電圧特性を測定したところ順方向と逆方向で整流性が見られた。この時±２Ｖから４Ｖの範囲で順逆電流比は２００〜４００倍であり十分なダイオード特性をしめすことが分かった。さらに、±５Ｖ、１ｋＨｚの正弦波の交流をこのフォトトランジスタに導入したところ出力として半波整流された交流が得られ、ダイオードとして使用できることが分かった。このことはＳｉをドープしたｎ型の水素化ＧａＮ膜がｐ型Ｓｉ層とヘテロｐｎ接合を形成しており優れた機能を有していることを示している。
【００６８】
ｎｐ型シリコン基板のｐ型Ｓｉ層上に、Ｓｉをドープしたｎ型の水素化ＧａＮ膜を成膜したこのフォトトランジスタは、ｎ型Ｓｉが第３の半導体でコレクター、ｐ型Ｓｉ層が第２の半導体でベース、ｎ型ＧａＮが第１の半導体でエミッターとして機能する。
なお、第２の半導体層（ｐ型Ｓｉ層）の波長５００ｎｍにおける吸収係数を測定したところ、１００００ｃｍ-1であった。また、ｐ型Ｓｉ層は、膜厚が５００ｎｍであることから、波長５００ｎｍの光の吸収率は４０％以上であり、入射された光を効率良く電荷に変換することができる。また、膜厚、負電荷のシリコン中の移動度等、電流として流れる負電荷の第２の半導体層内の移動時間は１ｎｓ以下であると見積もられる。
続いて、波長５００ｎｍの色素レーザーを用いてこのフォトトランジスタの遮断周波数と、増幅率とを評価したところ、各々１００ＭＨｚ、１０であり、ベースの吸収率と増幅率との積から推算される感度は４であり、応答性および感度ともに優れていることがわかった。
【００６９】
（比較例１）
第２の半導体層として、膜厚６００ｎｍ、波長５００ｎｍにおける吸収係数が１００００ｃｍ-1、吸収効率が４６％あるｐ型Ｓｉ層が形成されたｎｐ型シリコン基板を用いた以外は実施例１と同様にしてフォトトランジスタを作製し、同様の評価を行った。その結果、遮断周波数および増幅率は、各々５０ＭＨｚ、３．０であり、ベースの吸収量と増幅率との積から推算される感度は１．３８であり、感度および応答性が不充分であることがわかった。
【００７０】
（比較例２）
比較例１のフォトトランジスタにおいて、ｐ型Ｓｉ層の膜厚を２０００ｎｍとした以外は比較例１と同様にしてフォトトランジスタを作製し、８５０ｎｍの半導体レーザーを用いて同様の評価を行った。なお、ｐ型Ｓｉ層の波長８５０ｎｍにおける吸収係数は５００ｃｍ-1、吸収効率は１０％である。その結果、遮断周波数および増幅率は、各々５ＭＨｚ、０．５であり、ベースの吸収量と増幅率との積から推算される感度は０．０５であり、感度および応答性が不充分であることがわかった。
【００７１】
（実施例２）
１０％の弗化水素酸水溶液でエッチングした面方位（１００）の抵抗率が１Ωｃｍ以下であるｎ型Ｓｉ結晶の上に、膜厚３００ｎｍ、抵抗率２Ωｃｍのｐ型Ｓｉ0.5Ｇｅ0.5層を７００℃で形成したｎｐ型のシリコン基板を用い、第１の半導体の形成に際しては、ガス導入管９ｃより、２０℃で保持したトリメチルアルミニウムと、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とを、ＡｌとＧａとの元素比が１：５となるように混合して導入してＳｉドーピングしたｎ型の水素化ＡｌＧａＮ膜を形成した以外は、実施例１と同様にしてフォトトランジスタを作製した。
【００７２】
なお、第２の半導体層（ｐ型Ｓｉ0.5Ｇｅ0.5層）の波長７８０ｎｍにおける吸収係数を測定したところ、１００００ｃｍ-1であり、吸収効率は２６％であった。
続いて、波長７８０ｎｍの半導体レーザーを用いてこのフォトトランジスタの遮断周波数と、増幅率とを評価したところ、各々１００ＭＨｚ、２０であり、ベースの吸収量と増幅率との積から推算される感度は２．６であり、応答性および感度ともに優れていることがわかった。
【００７３】
（比較例３）
第２の半導体層として、膜厚６００ｎｍ、波長７８０ｎｍにおける吸収係数が１００００ｃｍ-1、吸収効率が４６％であるｐ型Ｓｉ0.5Ｇｅ0.5層が形成されたｎｐ型シリコン基板を用いた以外は実施例２と同様にしてフォトトランジスタを作製し、同様の評価を行った。その結果、遮断周波数および増幅率は、各々２０ＭＨｚ、５．０であり、ベースの吸収量と増幅率との積から推算される感度は２．３であり、感度は良好であったものの応答性が不充分であることがわかった。
【００７４】
（比較例４）
比較例３のフォトトランジスタにおいて、ｐ型Ｓｉ0.5Ｇｅ0.5層の膜厚を１０００ｎｍとした以外は比較例３と同様にしてフォトトランジスタを作製し、８５０ｎｍの半導体レーザーを用いて同様の評価を行った。なお、ｐ型Ｓｉ0.5Ｇｅ0.5層の波長８５０ｎｍにおける吸収係数は８０００ｃｍ-1、吸収効率は５５％である。その結果、遮断周波数および増幅率は、各々０．５ＭＨｚ、１．０であり、ベースの吸収量と増幅率との積から推算される感度は０．５５であり、感度および応答性が不充分であることがわかった。
【００７５】
（実施例３）
１０％の弗化水素酸水溶液でエッチングした面方位（１００）の抵抗率が２Ωｃｍのｐ型Ｓｉ基板の片面にＡｕを蒸着し、オーミックコンタクト電極を作製した。
続いてこのＳｉ基板の電極が形成されていない面を上向きにしてホルダー３に載せ、排気口２を介して容器１内を真空排気後、ヒーター４により基板を３００℃に加熱した。次に、Ｎ2ガスをガス導入管９ａより直径２５ｍｍの石英管５内に２０００ｓｃｃｍ導入し、マイクロ波導波管８を介して２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力２５０Ｗにセットしチューナでマッチングを取り放電を行った。この時の反射波は０Ｗであった。また、Ｈ2ガスをガス導入管９ｂより直径３０ｍｍの石英管６内に５００ｓｃｃｍ導入し、高周波コイル７のマイクロ波の出力を１００Ｗにセットした。この時の反射波は０Ｗであった。
【００７６】
この状態でガス導入管９ｃより５０℃で保持されたトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）の蒸気と０℃で保持されたトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）の蒸気を、ＧａとＩｎの元素比が０．７：０．３になるように混合し、水素をキャリアガスとして用いバブリングしながらマスフローコントローラーを通して１ｓｃｃｍ導入した。さらに、ドーパントとして水素希釈シランをマスフローコントローラーを通して１ｓｃｃｍ導入した。この時バラトロン真空計で測定した容器１内の反応圧力は６５Ｐａであった。
この状態で成膜を１０分間行い、膜厚５０ｎｍのシリコンをドープしたｎ型の水素化Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ膜をｐ型Ｓｉ基板上に直接作製した。
この膜のバンドギャップは２．１ｅＶ、吸収係数は波長４０５ｎｍで２００００ｃｍ-1、吸収効率は１０％であった。
【００７７】
なお、ダイオード特性を評価するために、このｐ型Ｓｉ基板／ｎ型の水素化Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ膜からなる素子の水素化Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ膜表面に直径０．２ｍｍのＡｕ電極を蒸着した。このヘテロ接合素子の電流電圧特性を測定したところ順方向と逆方向で整流性が見られた。この時±２Ｖから４Ｖの範囲で順逆電流比は２００〜４００倍であり十分なダイオード特性をしめすことが分かった。さらに、±５Ｖ、１ｋＨｚの正弦波の交流をこの素子に導入したところ出力として半波整流された交流が得られ、ダイオードとして使用できることが分かった。このことはｎ型の水素化ＩｎＧａＮがｐ型シリコンとヘテロｐｎ接合を形成しており優れた機能を有していることを示している。
【００７８】
一方、水素化Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ膜の電極を設けなかった表面に、Ｓｉの代わりにＭｇをドープした以外は、実施例１と同様にしてｐ型の水素化ＧａＮ膜を直接成膜し、さらにこの水素化ＧａＮ膜の表面に直径０．２ｍｍのＡｕ電極を蒸着することによって、フォトトランジスタを得た。
続いて、波長４０５ｎｍの半導体レーザーを用いてこのフォトトランジスタの遮断周波数と、増幅率とを評価したところ、各々２ＧＨｚ、５０であり、ベースの吸収量と増幅率との積から推算される感度は５であり、応答性および感度ともに優れていることがわかった。
【００７９】
（比較例５）
第２の半導体として、膜厚６００ｎｍ、波長４０５ｎｍにおける吸収係数が２００００ｃｍ-1、吸収効率が７０％であるシリコンをドープしたｎ型の水素化Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ膜を形成した以外は実施例３と同様にしてフォトトランジスタを作製し、同様の評価を行った。その結果、遮断周波数および増幅率は、各々２０ＭＨｚ、３．０であり、ベースの吸収量と増幅率との積から推算される感度は２．１であり、感度は良好であったものの応答性が不充分であることがわかった。
【００８０】
（比較例６）
比較例５のフォトトランジスタにおいて、ｎ型の水素化Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ膜の膜厚を２０００ｎｍとした以外は比較例５と同様にしてフォトトランジスタを作製し、波長６５０ｎｍの半導体レーザーにて同様の評価を行った。なお、水素化Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ｎ膜の波長６５０ｎｍにおける吸収係数は１０００ｃｍ-1、吸収効率は１９％である。その結果、遮断周波数および増幅率は、各々０．２ＭＨｚ、１．０であり、ベースの吸収量と増幅率との積から推算される感度は０．１９であり、感度および応答性が不充分であることがわかった。
【００８１】
（実施例４）
１０％の弗化水素酸水溶液でエッチングした面方位（１００）の抵抗率が１Ωｃｍ以下のｎ型Ｓｉ基板の片面にＡｕを蒸着し、オーミックコンタクト電極を作製した。
続いてこのＳｉ基板の電極が形成されていない面を上向きにしてホルダー３に載せ、排気口２を介して容器１内を真空排気後、ヒーター４により基板を３００℃に加熱した。その後、Ｎ2ガスをガス導入管９より直径２５ｍｍの石英管５内に２０００ｓｃｃｍ導入し、マイクロ波導波管８を介して２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力２５０Ｗにセットしチューナでマッチングを取り放電を行った。この時の反射波は０Ｗであった。また、Ｈ2ガスをガス導入管９ｂより直径３０ｍｍの石英管６内に５００ｓｃｃｍ導入し、高周波コイル７のマイクロ波の出力を１００Ｗにセットした。この時の反射波は０Ｗであった。
【００８２】
この状態でガス導入管９ｃより５０℃で保持されたトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）の蒸気を、窒素をキャリアガスとして用いて、さらに、ドーパントとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウムと共に、マスフローコントローラーを通して１ｓｃｃｍ導入した。この時バラトロン真空計で測定した容器１内の反応圧力は６５Ｐａであった。
この状態で成膜を１０分行い、膜厚１００ｎｍで、Ｍｇをドープしたｐ型の水素化ＩｎＮ膜をｎ型Ｓｉ基板上に直接作製した。
この膜のバンドギャップは１．７ｅＶで、吸収係数は波長８５０ｎｍで２００００ｃｍ-1であり、吸収効率は１９％であった。
【００８３】
なお、、ダイオード特性を評価するために、ｎ型Ｓｉ基板／ｐ型の水素化ＩｎＮ膜からなる素子の水素化ＩｎＮ膜表面に直径０．２ｍｍのＡｕ電極を蒸着した。この素子の電流電圧特性を測定したところ順方向と逆方向で整流性が見られた。この時±２Ｖから４Ｖの範囲で順逆電流比は２００−４００倍であり十分なダイオード特性をしめすことが分かった。さらに、±５Ｖ、１ｋＨｚの正弦波の交流をこの素子に導入したところ出力として半波整流された交流が得られ、ダイオードとして使用できることが分かった。このことはｐ型の水素化ＩｎＮ膜がｎ型シリコン基板とヘテロｐｎ接合を形成しており優れた機能を有していることを示している。
【００８４】
一方、水素化ＩｎＮ膜の電極を設けなかった表面に、実施例１と同様にしてｎ型の水素化ＧａＮ膜を直接成膜し、さらにこの水素化ＧａＮ膜の表面に直径０．２ｍｍのＡｕ電極を蒸着することによって、フォトトランジスタを得た。
続いて、波長８５０ｎｍの半導体レーザーを用いてこのフォトトランジスタの遮断周波数と、増幅率とを評価したところ、各々１ＧＨｚ、５０であり、ベースの吸収量と増幅率との積から推算される感度は１０であり、応答性および感度ともに優れていることがわかった。
【００８５】
（比較例７）
第２の半導体層として、膜厚６００ｎｍ、波長８５０ｎｍにおける吸収係数が２００００ｃｍ-1、吸収効率が７０％であるＭｇをドープしたｐ型の水素化ＩｎＮ膜を形成した以外は実施例４と同様にしてフォトトランジスタを作製し、同様の評価を行った。その結果、遮断周波数および増幅率は、各々３０ＭＨｚ、２．０であり、ベースの吸収量と増幅率との積から推算される感度は１．４であり、応答性および感度ともに不充分であることがわかった。
【００８６】
（比較例８）
比較例７のフォトトランジスタにおいて、ｐ型の水素化ＩｎＮ膜の膜厚を２０００ｎｍとした以外は比較例５と同様にしてフォトトランジスタを作製し、波長１３００ｎｍの半導体レーザーを用いて同様の評価を行った。なお、ｐ型水素化ＩｎＮ膜の波長１３００ｎｍにおける吸収係数は１０００ｃｍ-1、吸収効率は１９％である。
その結果、遮断周波数および増幅率は、各々１．０ＭＨｚ、１．２であり、ベースの吸収量と増幅率との積から推算される感度は０．１９であり、感度および応答性が不充分であることがわかった。
【００８７】
（吸収係数の測定）
なお、第２の半導体の吸収係数αは、フォトトランジスタを作製する時と同一の成膜条件でサファイヤ基板に成膜した半導体膜の膜厚と吸光度とを測定し、下式（１）を利用して求めた。
・式（１）  Ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ0）＝−αｄ
ここで、式（１）中、Ｉ0は、半導体膜に入射する光の強度、Ｉは半導体膜を透過した光の強度、αは半導体膜（第２の半導体）の吸収係数、ｄは半導体膜（第２の半導体）の膜厚を表す。
ここで、吸光度は、同一の成膜条件でサファイヤ基板に成膜した半導体膜を分光光度計（日立社製、ＵＶ３００）によって測定して求めた。この時、参照としては半導体膜を形成しないサファイア基板を用いた。また、この半導体膜の膜厚は触針式の段差測定装置（東京精密社製、表面粗さ計）と走査型電子顕微鏡（日立社製、Ｓ−４００）により撮影した半導体膜の断面写真とを併用して測定した。
以上の結果を表１，２に示す。
【００８８】
【表１】
2006073738.tif 000002
【００８９】
【表２】
2006073738.tif 000003
【００９０】
（評価）
なお、表１および表２に示すフォトトランジスタの評価は、光を第１の半導体層表面に対して略垂直に照射し、エミッターを介してベースへ入射させておこなった。また、各々の実施例、比較例で得られたフォトトランジスタの評価に用いた光源の種類およびその波長は表１および表２に示した通りである。
【００９１】
（評価方法）
また、フォトトランジスタの応答性および感度は、遮断周波数と増幅率を測定することによって求めた。以下に各々の評価方法の詳細と、表１，２に示す評価基準について説明する。
【００９２】
−遮断周波数−
遮断周波数は、下式（２）で表される値である。
・式（２）  遮断周波数＝１／〔２π（ＣBEγE＋τB＋τC）〕
ここで、式（２）中、ＣBEはベースとエミッターの接合容量、γEはエミッターの微分抵抗、τBはベース走行時間、τCはベースコレクターの充放電時間である。
なお、式（２）中の“ＣBEγE＋τB＋τC”で表される値は、ベースに入力するレーザなどの高速光パルスに対するエミッターベース間出力の応答性を、高速オシロスコープで観測した際に、応答パルスの立ち上がり時間と立下り時間を観測し、主に立下り時間の半値幅から応答時間τとして求めることができる。このため、応答時間τを求めることによって、遮断周波数（＝１／〔２πτ〕）を算出した。
また、表１，２中に示す評価基準は以下の通りである。
◎：遮断周波数が１ＧＨｚ以上
○：遮断周波数が１００ＭＨｚ以上１ＧＨｚ未満
×：遮断周波数が１００ＭＨｚ未満
【００９３】
−増幅率−
増幅率は、フォトトランジスタに入射された光入力信号の強度に対する出力信号の強度比から求めた。
なお、光入力信号および出力信号の強度は、出力を校正したＳｉ−ｐｉｎフォトダイオード（リファレンス）を用いて、光変調したレーザーの電気出力を高速オシロスコープを用いて測定した。増幅率は、各実施例／比較例のフォトトランジスタ（サンプル）からの出力を同様にして高速オシロスコープに導入し、リファレンスを用いて測定した光出力から換算した受光面積当たりの出力とレーザー照射時のサンプルからの出力との強度比から求めた。なお、測定に際しては、サンプルのエミッターとコレクターとの間には５Ｖの一定電圧を印加した。
また、表１，２中に示す評価基準は以下の通りである。
◎：増幅率が５０以上
○：増幅率が１０以上５０未満
×：増幅率が１０未満
【００９４】
−感度−
感度は、増幅率と吸収効率との積から推算した。また、表１，２中に示す評価基準は以下の通りである。
◎：感度が１０以上
○：感度が２以上１０未満
×：感度が２未満
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明のフォトトランジスタの構成例を示す模式図である。
【図２】本発明のフォトトランジスタの他の構成例を示す模式図である。
【図３】本発明のフォトトランジスタの他の構成例を示す模式図である。
【図４】本発明のフォトトランジスタの製造に用いられる成膜装置の一例を示す概略模式図である。
【符号の説明】
【００９６】
１  真空に排気しうる容器（反応容器）
２  排気口
３  基板ホルダー
４  基板加熱用のヒーター
５，６  石英管
７  高周波コイル
８  マイクロ導波管
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄガス導入管
１０  電極
１１  エミッター
１２  ベース
１３  コレクター
２０，２１  配線
１４  電極、
１５  エミッター
１６  ベース
１７  コレクター
１８  電極
２２，２３、２４  配線
２５、２５’  エミッター
２６、２６’  ベース
２７  コレクターの機能を有する基板
【図１】
2006073738.tif 000004
【図２】
2006073738.tif 000005
【図３】
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【図４】
2006073738.tif 000007