(57)【要約】【課題】短波長紫外線検出器として有用なＡｌＮ結晶もしくはＡｌ組成比が高いＡｌＧａＮ結晶においては、Ｐ型、Ｎ型のいずれの導電性においても低抵抗化が困難なため正常なオーミック特性が得られず、良好な感度を有する紫外線検出器が実現できなかった。【解決手段】バンドギャップの大きい半導体を光吸収層とし、光により励起されたキャリアを半導体層の横方向に走行させ、部分的に形成されている低抵抗層に導き、本低抵抗層に形成されている電極部から光電流を取り出すことにより、短波長紫外線を高感度で検出する。たとえばキャリア濃度の低いＡｌＮ結晶層もしくはＡｌＧａＮ結晶層に逆バイアスを印加し、空間電荷領域を横方向に広げることにより、広い光感度領域が得られ高感度な受光素子が得られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型を有する第１結晶層と第１結晶層よりバンドギャップエネルギーの大きな第２結晶層と第２結晶層上に部分的に形成されている第３結晶層とからなり、第３結晶層は第２結晶層より小さなバンドギャップエネルギーで第１結晶層とは異なる第２導電型を有し、逆バイアスを印加することにより第２結晶層に空間電荷領域を発生させ、光により励起されたキャリアを横方向に走行させることを特徴とする検出器。
【請求項２】
上記第２結晶層がＡｌ，Ｇａ，Ｎを主成分とする半導体結晶であることを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項３】
上記第２結晶層よりバンドギャップエネルギーが大きい第４半導体結晶が第２結晶層に接して形成されていることを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項４】
上記第２結晶層のキャリア濃度が1014/cm3台もしくはそれ以下とすることを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項５】
上記第３結晶層に並列に結線するかまたはそれぞれ独立に配線される複数の電極が形成されていることを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項６】
上記第３結晶層に複数のリング状電極が形成されていることを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項７】
上記第３結晶層にグリッド状電極が形成されていることを特徴とする請求項１記載の検出器。
【請求項８】
上記第３結晶層に複数電極を設け、これらの電極に異なる電圧を印加し光吸収領域に横方向の電位分布を形成することを特徴とする請求項１記載の検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光検出器に関し、特に窒化アルミニウム系半導体を用いた紫外線検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＮ系の結晶を用いて紫外線に感応する検出器を構成する場合に、Ａｌ組成比を高めるほど遮断波長を短くできるため、太陽光や照明灯などの背景光による雑音発生を抑制し所望する紫外線信号のみを検出できるので、検出波長の選択性が高まる。参考文献１は窒化ガリウム系でＰＮ接合からなる受光素子の例であるが、光吸収層はＩｎＧａＮ系で波長が約３６５ｎｍ以上に感度を有するものである。この系においてはＩｎ組成比が零のＧａＮを光吸収層とした場合でも遮断波長が約３６０ｎｍとなるため、波長３００ｎｍ程度まで広がっている太陽光の迷光に反応してしまい、目的とする紫外線を選別的に検出することができない。また、参考文献１においてはオーミックコンタクト層としてＰ型ＧａＮを用い、この上に電極金属が形成されており、電極に遮光されることにより光吸収領域が電極周辺に限られるため、実効的な光電変換効率が低くなってしまう欠点がある。参考文献２は透明電極をＰ型層の上に覆い、その一部に電流取り出し電極を形成することにより光電変換効率を高めたものであるが、透明電極は金属化合物であり光透過率は６０％程度、言い換えれば４０％程度の損失があり、かつ、波長３００ｎｍ近傍より短波長域では不透明となるため、３００ｎｍ以下の紫外線を検出する受光素子が得られない。また、光電変換効率を高める別の手段として、参考文献３のように櫛型電極を設ける方法もある。これは電極を櫛型に分岐してその隙間で受光するものであるが、電極で遮光されるため単位面積あたりの感度は低くなり、また、より広いＰＮ接合面積を必要とするためリーク電流が増え、信号対雑音比が低下する欠点がある。なお参考文献３はＰＮ接合型ではなくショットキー障壁型を用いた受光素子で、ＰＮ接合型に比べるとリーク電流が大きい。
【特許文献１】特許第３０１９１３２号
【特許文献２】特開２０００−２６１０２５
【特許文献３】特許３３７３７９４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来、困難であった短波長紫外線を高感度で検出する受光素子を提供するもので、たとえばＡｌＮモル分率を約５０％にしたＡｌＧａＮを光吸収層とする検出器の場合は、遮断波長が２８０ｎｍ以下となり、太陽光や室内光に感応することなく紫外線のみを検出できる。したがって、波長２５４ｎｍの殺菌光を検出する場合などは、特別な波長選択フィルターを装着することなく高感度な検出が可能となる。しかし、Ａｌ組成比が高いと、Ｐ型およびＮ型のいずれの導電性においても低抵抗層を形成するのが困難なため、正常なオーミック特性が得られず、良好な感度を有する紫外線検出器が実現できなかった。また、このような高抵抗層の上にＡｌ組成比が少ないＡｌＧａＮもしくはＧａＮ低抵抗層を形成する場合に、オーミック特性は得られるがＧａＮ層が紫外線を強く吸収し、本来の光吸収層に到達する光強度が減衰するため、充分な感度が得られなくなる問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の問題を解決するために、本発明はバンドギャップの大きい半導体を光吸収層とし、光により励起されたキャリアを半導体層の横方向に走行させ、部分的に形成されている低抵抗層に導き、本低抵抗層に形成されている電極部から光電流を取り出すことにより、短波長紫外線を高感度で検出できる紫外線検出器を提供することを目的とする。Ａｌ組成比の高いＡｌＧａＮ結晶ではオーミックコンタクトを形成するのに十分な低抵抗層を形成することが困難なため、低抵抗化ができる結晶層、たとえばＰ型ＧａＮ層を介して電極を形成する必要がある。従来の受光素子においては、光に励起されたホトキャリアを縦方向、すなわちエピタキシャル成長方向に走行させる構造となっているため、電極により遮光される問題があった。本発明ではホトキャリアを横方向に走行させることにより、広い光感度領域が得られ、高感度な受光素子が得られる。たとえばＡｌＮもしくはＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮ結晶を光吸収層とし、かつ、この層をホトキャリア走行層とすることにより実現される。
【発明の効果】
【０００５】
以上説明したように、バンドギャップエネルギーの大きな結晶材料ではオーミックコンタクトの形成が困難なため、良好なダイオード特性を有する紫外線検出器の実現が難しく、また、受光部表面に形成された電極で遮光されるため、実効的な光電変換効率の高い検出器が得られなかったが、本発明によれば、バンドギャップエネルギーの大きな結晶材料がもつ高抵抗性、言い替えれば低キャリア濃度性を生かし、横方向に空間電荷領域を広げ、従来と異なり、光により励起されたキャリアを半導体層の横方向に走行させることにより、遮光損失を大幅に減少させ、高感度な紫外線検出器が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
次に本発明の実施形態について図を用いて説明する。
【実施例１】
【０００７】
本発明に係る実施形態１の紫外線検出器は図１に示すように、たとえばサファイア基板１の上にＭＯＶＰＥやＭＢＥなどのエピタキシャル結晶成長法によりバッファー層２を成長させ、ついで第１結晶層であるＮ型ＧａＮ結晶３を約３μｍの厚みに成長させ、さらにその上に第２結晶層である約３μｍのＡｌ０．５Ｇａ ０．５Ｎを形成し、ついで第３結晶層であるＰ型ＧａＮを約１μｍ成長させることにより基本的な結晶構造が得られる。第１結晶層のＮ型および第３結晶層であるＰ型のキャリア濃度は、良好なオーミックコンタクトを形成するために１×１０１８／ｃｍ３以上であることが望ましい。第３結晶層の一部を残し残部を剥離した後、結晶表面を保護するためシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの誘電体膜７で覆う。次に電極を形成するために、ドライエッチングにより第１結晶層が露出するまで第１結晶層の一部を除去し、ここにＮ形電極８を設ける。この電極はＴｉおよびＡｕなどを真空蒸着して形成する。Ｐ型電極はＮｉやＡｕなどを第３結晶層上に真空蒸着して形成する。
【０００８】
入射光は誘電体膜７を透過して第２結晶層で吸収され、電子・正孔対が発生する。発生したこれらの電子、正孔を損失なく電流出力として得るために、ホトキャリア発生領域を空間電荷領域として、それぞれＮ型層およびＰ型層に高速に走行させる。空間電荷領域はＰＮ接合間に発生するが、図１に示したようにＮ型およびＰ型電極に逆バイアスを印加することにより空間電荷領域を拡大することができる。比較的低電圧で広い空間電荷領域を発生させるために、第２結晶層はキャリア濃度１０１４／ｃｍ３台もしくはそれ以下とする。このキャリア濃度は、高純度の結晶成長材料を用い、アンドープで第２結晶層を結晶成長することにより容易に得られる。
【０００９】
第２結晶層のキャリア濃度を１×１０１４／ｃｍ３とした場合は、Ｐ型電極６の間隔を約４０μｍとする。この場合約５０Ｖの逆バイアス電圧を印加することにより、Ｐ型電極間は空間電荷領域となりホトキャリアは再結合損失することなく、ほぼ１００％出力電流に寄与する。第２結晶層のキャリア濃度を１×１０１２／ｃｍ３とした場合は、Ｐ型電極６の間隔を約４００μｍとする。Ｐ型電極の幅は４μｍ程度でよいので、電極により遮光される割合は１／１００以下となり極めて効率の高い紫外線検出器が得られる。また、一般に最適なＰ型電極間隔Ｄは
Ｄ（μｍ）≒６×１０７×（Ｖｂ／Ｎｃ）１／２
で与えられる。ここにＶｂ（Ｖ）はバイアス電圧、Ｎｃ（／ｃｍ３）はキャリア濃度を示す。紫外線検出器としての感度はＰ型電極間隔Ｄに比例し、Ｄは逆バイアス電圧の１／２乗に比例する。光吸収層のＮｃが１０１２／ｃｍ３であれば数Ｖもしくは０Ｖの逆バイアス電圧で動作可能である。Ｎｃが１０１４／ｃｍ３程度かそれ以上では数Ｖから数１０Ｖの印加が望ましい。また、第２結晶層を転位などの結晶欠陥を極力低減し、かつ、高純度な結晶成長を行うことにより、少数キャリアの再結合速度を遅くできるので、空間電荷領域外の空間電荷領域周辺で発生したホトキャリアも拡散により空間電荷領域内に流入し出力に寄与するので、上記で定義した電極間隔より広い電極間隔にすることができ、より遮光損失の少ない紫外線検出器が得られる。
【実施例２】
【００１０】
本発明の異なる実施例を図２に示す。図２においては光吸収層である第２結晶層の上に第２結晶層よりバンドギャップエネルギーの大きい第４半導体結晶層９を形成したもので、第４半導体結晶層９には、たとえばＡｌＮ結晶を用いる。実施例１との違いを、バンドギャップの構造を示す図３および図４を用いて説明する。図３は実施例１の場合で、光吸収層４で発生したキャリアのうち、電子はＮ型層３に走行し、正孔は表面方向からＰ型電極に走行する様子を示す。図４は実施例２の場合で、バンドギャップエネルギーの大きい第４半導体結晶層９は光を透過させるが、バンドギャップ段差により光吸収層４で発生したホトキャリアが結晶表面で再結合して消滅するのを防止し、より高い量子効率が得られる。また、正孔は印加されたバイアス電圧で加速されるため、電極近傍のバンドギャップ段差を乗り越え、出力に寄与する。以上は第４半導体結晶層を表面再結合防止のために用いた例であるが、第４半導体結晶層の結晶組成を変え、バンドギャップエネルギーを調節することにより光フィルターとして用い、特定の波長帯域のみ検出する受光素子を作ることができる。この場合は、結晶層９を光入射域にのみ形成するのが有効である。
【実施例３】
【００１１】
本発明の電極パターンの実施例を図５に示す。リング電極１０，１１に引き出し電極１２，１３が接続されており、引き出し電極は配線用の電極パッド１４に接続されている。このような複数の電極は、バイアス電圧を高めることなく光感度領域を拡大するのに有効である。
【実施例４】
【００１２】
本発明の電極パターンの実施例を図６に示す。１５，１６は田の字型電極であり、１６は配線用のパッドである。図５，６以外に短冊形などさまざまな電極パターンを形成することが可能である。また図１においては、２つのＰ型電極を結合した配線を示しているが、それぞれ独立に配線して、光強度分布を計測などの用途に使えることは言うまでもない。また、上記第３結晶層に複数電極を設け、これらの電極に異なる電圧を印加し、光吸収領域に横方向の電位分布を形成することは、本発明の効果を高めるうえで好ましい実施例である。なお本発明の実施例として第１結晶層をＰ型、第３結晶層をＮ型にすることや、第２結晶層をＰ型やＮ型の伝導型にするドーピングをすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による紫外線検出器の断面図及び使用例
【図２】異なる実施例を説明するための紫外線検出器の断面図
【図３】図１の動作を説明するエネルギーバンド構造
【図４】図２の動作を説明するエネルギーバンド構造
【図５】電極パターンの例
【図６】異なる電極パターンの例
【符号の説明】
【００１４】
１：単結晶基板
２：バッファー層
３：第１結晶層
４：第２結晶層
５：第３結晶層
６：電極
７：誘電体膜
８：電極
９：第４結晶層
１０，１１：リング電極
１２，１３：引き出し電極
１４，１７：電極パッド
１５，１６：電極
【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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