(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型のＧａ２Ｏ３系単結晶層と、
前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層に積層された誘電体層と、
前記誘電体層に接続されたアノード電極と、
前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層に接続されたカソード電極と、
を有し、
前記アノード電極と前記カソード電極の間に逆方向電圧を印加することにより、前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層と前記誘電体層との接合部にアバランシェブレークダウンを生じさせることができる、
アバランシェフォトダイオード。
【請求項２】
前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層と前記誘電体層の価電子帯のバンドオフセットが１ｅＶ以下である、
請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項３】
前記誘電体層がＨｆＯ２、ＺｒＯ２、又はＡｌ２Ｏ３からなる、
請求項２に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項４】
前記誘電体層がＡｌ２Ｏ３からなる、
請求項３に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項５】
前記誘電体層が第１の誘電体膜とその上の第２の誘電体膜の積層体から構成され、
前記第２の誘電体膜は、前記第１の誘電体膜よりも誘電率が高く、
前記第１の誘電体膜は、前記第２の誘電体膜よりも前記アノード電極との伝導帯のバンドオフセットが大きい、
請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項６】
前記第１の誘電体膜がＳｉＯ２からなり、
前記第２の誘電体膜がＨｆＯ２からなる、
請求項５に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項７】
前記アノード電極がＰｔからなる、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項８】
前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層がガードリングを含む、
請求項１〜７のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項９】
前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層と前記誘電体層の積層体がメサ形状を有する、
請求項１〜７のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。
【請求項１０】
前記誘電体層がアンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層を介して前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層に積層された、
請求項１〜９のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アバランシェフォトダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる受光部を有する、ｐｎ接合型センサ素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載のｐｎ接合型センサ素子では、ｎ型のＧａ２Ｏ３単結晶基板とｐ型のＧａ２Ｏ３エピタキシャル層によりｐｎ接合を形成している。
【０００４】
また、従来、ｐｎ接合に逆方向電圧を印加したときに生ずるアバランシェブレークダウンと呼ばれる現象を利用したアバランシェフォトダイオードが知られている（例えば、特許文献２〜４参照）。
【０００５】
特許文献２、３に記載のアバランシェフォトダイオードでは、ｎ型とｐ型のＳｉ層によりｐｎ接合を形成している。特許文献４に記載のアバランシェフォトダイオードでは、ｎ型とｐ型のＺｎＳｅ層によりｐｎ接合を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９―７０９５０号公報
【特許文献２】特開２０００―２６１０２６号公報
【特許文献３】特開２００２―１７０９８３号公報
【特許文献４】特開２００３―１３３５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アバランシェフォトダイオードは、ｐｎ接合を形成する半導体層の吸収端より短い波長の光に応答するため、例えば、Ｓｉ層を半導体層とする場合はおよそ１１００ｎｍより短い波長の光に応答し、ＧａＡｓ層を半導体層とする場合はおよそ８７０ｎｍより短い波長の光に応答し、４Ｈ−ＳｉＣを半導体層とする場合はおよそ３８０ｎｍより短い波長の光に応答する。
【０００８】
Ｇａ２Ｏ３はおよそ２８０ｎｍより短い波長の光を吸収するため、Ｇａ２Ｏ３層を半導体層とするアバランシェフォトダイオードを製造することができれば、２８０ｎｍより短い波長の光にのみ応答するフォトダイオードが得られる。
【０００９】
しかしながら、高品質なｐ型のＧａ２Ｏ３単結晶を形成することは非常に難しい。このため、Ｇａ２Ｏ３層を半導体層とするアバランシェフォトダイオードの製造を試みても、これを動作させることはできなかった。
【００１０】
本発明の目的は、Ｇａ２Ｏ３単結晶を用いた、短波長の光に応答するアバランシェフォトダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［１０］のアバランシェフォトダイオードを提供する。
【００１２】
［１］ｎ型のＧａ２Ｏ３系単結晶層と、前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層に積層された誘電体層と、前記誘電体層に接続されたアノード電極と、前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層に接続されたカソード電極と、を有し、前記アノード電極と前記カソード電極の間に逆方向電圧を印加することにより、前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層と前記誘電体層との接合部にアバランシェブレークダウンを生じさせることができる、アバランシェフォトダイオード。
【００１３】
［２］前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層と前記誘電体層の価電子帯のバンドオフセットが１ｅＶ以下である、前記［１］に記載のアバランシェフォトダイオード。
【００１４】
［３］前記誘電体層がＨｆＯ２、ＺｒＯ２、又はＡｌ２Ｏ３からなる、前記［２］に記載のアバランシェフォトダイオード。
【００１５】
［４］前記誘電体層がＡｌ２Ｏ３からなる、前記［３］に記載のアバランシェフォトダイオード。
【００１６】
［５］前記誘電体層が第１の誘電体膜とその上の第２の誘電体膜の積層体から構成され、前記第２の誘電体膜は、前記第１の誘電体膜よりも誘電率が高く、前記第１の誘電体膜は、前記第２の誘電体膜よりも前記アノード電極との伝導帯のバンドオフセットが大きい、前記［１］に記載のアバランシェフォトダイオード。
【００１７】
［６］前記第１の誘電体膜がＳｉＯ２からなり、前記第２の誘電体膜がＨｆＯ２からなる、前記［５］に記載のアバランシェフォトダイオード。
【００１８】
［７］前記アノード電極がＰｔからなる、前記［１］〜［６］のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。
【００１９】
［８］前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層がガードリングを含む、前記［１］〜［７］のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。
【００２０】
［９］前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層と前記誘電体層の積層体がメサ形状を有する、前記［１］〜［７］のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。
【００２１】
［１０］前記誘電体層がアンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層を介して前記Ｇａ２Ｏ３系単結晶層に積層された、前記［１］〜［９］のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、Ｇａ２Ｏ３単結晶を用いた、短波長の光に応答するアバランシェフォトダイオードを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの垂直断面図である。
【図２】図２は、Ｇａ２Ｏ３センサーの光応答特性と各種光源の発光スペクトルを比較した図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ誘電体層とＧａ２Ｏ３系単結晶層の価電子帯のバンドオフセットが小さい場合と大きい場合のキャリアの挙動を模式的に示す図である。
【図４】図４は、Ｇａ２Ｏ３と各種誘電体のバンドダイアグラムを示す。
【図５】図５は、第２の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの垂直断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの垂直断面図である。
【図７】図７は、第４の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの垂直断面図である。
【図８】図８は、第５の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの垂直断面図である。
【図９】図９は、実施例に係るシミュレーションに用いられた試料の垂直断面図である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層に加わる最大電界強度が６．５ＭＶ／ｃｍとなるように試料に対して逆方向電圧を印加したときの、誘電体層及びＧａ２Ｏ３系単結晶層中の電界強度分布を示す。
【図１１】図１１（ａ）、（ｂ）は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層に加わる最大電界強度が６．５ＭＶ／ｃｍとなるように試料に対して逆方向電圧を印加したときの、誘電体層及びＧａ２Ｏ３系単結晶層中の電界強度分布を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
〔第１の実施の形態〕
（アバランシェフォトダイオードの構造）
図１は、第１の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード１の垂直断面図である。
【００２５】
アバランシェフォトダイオード１は、縦型の受光素子であり、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０と、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０に積層された誘電体層１１と、誘電体層１１に接続されたアノード電極１２と、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０に接続されたカソード電極１３とを有する。
【００２６】
アバランシェフォトダイオード１のアノード電極１２とカソード電極１３の間に逆方向電圧（アノード電極１２の電位がカソード電極１３の電位よりも高くなる電圧）を印加することにより、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０と誘電体層１１との接合部にアバランシェブレークダウンを生じさせることができる。
【００２７】
アバランシェフォトダイオード１に光を照射すると、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０中の電子が励起され、電子・ホール対が生成される。逆方向電圧によりＧａ２Ｏ３系単結晶層１０の誘電体層１１との界面近傍に形成された空乏層内においては、生成された電子が強い電界により加速されてＧａ２Ｏ３系単結晶層１０を構成する原子に衝突してイオン化させ、新たな電子・ホール対が生成される（衝突電離）。
【００２８】
この衝突電離により生成された電子によりさらに衝突電離が生じ、この繰り返しによって多数の電子・ホール対が生成される。このようにして生成された複数のホールは、空乏層中の強い電界により、誘電体層１１を越えてアノード電極１２まで移動する。また、複数の電子は、空乏層中の強い電界により、カソード電極１３まで移動する。これにより、大きな電流が生じる（アバランシェブレークダウン）。
【００２９】
このように、アバランシェフォトダイオード１においては、アバランシェブレークダウンを利用することにより、照射する光の強さに対して大きな電流を生じさせることができる。このため、アバランシェフォトダイオード１は優れた受光感度を有する。
【００３０】
Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０は、ドナーとしてのＳｉ、Ｓｎ等のIV族元素を含むｎ型のＧａ２Ｏ３系単結晶からなる。Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０の実効ドナー濃度（ドナー濃度Ｎｄからアクセプタ濃度Ｎａを引いたもの）は、アバランシェフォトダイオード１の動作電圧の大きさによって適宜設定される。例えば、アバランシェフォトダイオード１の動作電圧が５０〜２５０Ｖである場合には、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０の実効ドナー濃度はおよそ５×１０１７以上かつ３×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０の厚さは、例えば、５０〜６００μｍである。
【００３１】
ここで、Ｇａ２Ｏ３系単結晶とは、Ｇａ２Ｏ３単結晶、又は、Ａｌ、Ｉｎ等の元素が添加されたＧａ２Ｏ３単結晶をいう。例えば、Ａｌ及びＩｎが添加されたＧａ２Ｏ３単結晶である（ＧａｘＡｌｙＩｎ（１−ｘ−ｙ））２Ｏ３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）単結晶であってもよい。Ａｌを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Ｉｎを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。なお、上記のＧａ２Ｏ３単結晶は、β型の結晶構造を有する。
【００３２】
β−Ｇａ２Ｏ３のバンドギャップはおよそ４．５ｅＶである。このため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０がＧａ２Ｏ３単結晶からなる場合、およそ２８０ｎｍよりも短い波長の光を吸収する。この場合、アバランシェフォトダイオード１はおよそ２８０ｎｍよりも短い波長の光に応答する。
【００３３】
アバランシェフォトダイオード１の特性はＧａ２Ｏ３系単結晶層１０の主面の面方位にほとんど依存しないため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０の主面の面方位は特に限定されないが、例えば、結晶成長速度等の観点から、（００１）、（０１０）、（１１０）、（２１０）、（３１０）、（６１０）、（９１０）、（１０１）、（１０２）、（２０１）、（４０１）、（−１０１）、（−２０１）、（−１０２）又は（−４０１）であることが好ましい。
【００３４】
図２は、Ｇａ２Ｏ３センサーの光応答特性と各種光源の発光スペクトルを比較した図である。図中のＡはＧａ２Ｏ３センサーの光応答特性を示す曲線であり、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇはそれぞれ低圧水銀ランプ、ガス炎、太陽光、白色ＬＥＤ、白熱電球、蛍光灯の発光スペクトルである。
【００３５】
図２に示されるように、Ｇａ２Ｏ３センサーは低圧水銀ランプ及びガス炎の光に応答するが、太陽光、白色ＬＥＤ、白熱電球、蛍光灯には応答しない。このため、例えば、太陽光が降り注ぐ環境下において炎のみを検出する超高感度ソーラーブラインドセンサーとして、アバランシェフォトダイオード１を用いることができる。
【００３６】
なお、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０を構成するＧａ２Ｏ３単結晶に、吸収端を長波長側にシフトさせるＩｎ等の不純物を添加する場合には、その添加量を、太陽光を吸収しない程度に抑えればよい。
【００３７】
図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ誘電体層１１とＧａ２Ｏ３系単結晶層１０の価電子帯のバンドオフセット（価電子帯の上端のエネルギー差）が小さい場合と大きい場合のキャリアの挙動を模式的に示す図である。
【００３８】
図３（ａ）に示される例では、誘電体層１１とＧａ２Ｏ３系単結晶層１０の価電子帯のバンドオフセットが小さいため、光の照射及びその後の衝突電離によりＧａ２Ｏ３系単結晶層１０の空乏層内に生成されたホールが、空乏層中の強い電界により誘電体層１１を越えてアノード電極１２まで移動する。このため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０に吸収される波長の光を照射すると、アバランシェフォトダイオード１が応答する。
【００３９】
一方、図３（ｂ）に示される例では、誘電体層１１とＧａ２Ｏ３系単結晶層１０の価電子帯のバンドオフセットが大きいため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０の空乏層内に生成されたホールが誘電体層１１を越えることができず、誘電体層１１とＧａ２Ｏ３系単結晶層１０の界面に蓄積される。このため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０に吸収される波長の光を照射しても、アバランシェフォトダイオード１の動作が不安定になるおそれがある。
【００４０】
図３（ａ）に例示されるように、光の照射に対してアバランシェフォトダイオード１を十分に応答させるためには、誘電体層１１とＧａ２Ｏ３系単結晶層１０との価電子帯のバンドオフセットが１ｅＶ以下であることが好ましい。
【００４１】
図４は、Ｇａ２Ｏ３と各種誘電体のバンドダイアグラムを示す。バンドダイアグラム内の数値はバンドギャップの大きさ［ｅＶ］、バンドダイアグラムの上側の数値はＧａ２Ｏ３との伝導帯のバンドオフセット（伝導帯の下端のエネルギー差）［ｅＶ］、バンドダイアグラムの下側の数値はＧａ２Ｏ３との価電子帯のバンドオフセット［ｅＶ］をそれぞれ示す。
【００４２】
図４のバンドダイアグラムによれば、Ｇａ２Ｏ３との価電子帯のバンドオフセットが１ｅＶ以下である誘電体は、ＳｉＮｘ、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、及びＡｌ２Ｏ３である。このため、誘電体層１１とＧａ２Ｏ３系単結晶層１０との価電子帯のバンドオフセットを１ｅＶ以下とするために、誘電体層１１の材料としてＳｉＮｘ、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、又はＡｌ２Ｏ３を用いることが好ましい。
【００４３】
また、アバランシェフォトダイオード１においては、アノード電極１２と誘電体層１１の伝導帯のバンドオフセットよりも短い波長の光に対して受光感度を有する。つまり、例えば、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０が波長２８０ｎｍ以下の光に対してのみ感度を有していたとしても、アノード電極１２と誘電体層１１の伝導帯のバンドオフセットがＧａ２Ｏ３系単結晶層１０のバンドギャップよりも小さい場合、２８０ｎｍ以上の光も受光してしまい、暗電流（本来受光すべき光が照射されているときに流れる電流）が流れる。
【００４４】
受光素子の感度特性は、本来受光すべき波長の光が照射されているときとされていないときの電流の差で決まるため、暗電流の増加は、受光素子の感度の低下につながる。このため、アノード電極１２と誘電体層１１の伝導帯のバンドオフセットは、大きいほど好ましい。
【００４５】
図４のバンドダイアグラムによれば、ＳｉＮｘ、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、及びＡｌ２Ｏ３のうち、Ｇａ２Ｏ３との伝導帯のバンドオフセットが最も大きい誘電体はＡｌ２Ｏ３であり、このことから、アノード電極１２との伝導帯のバンドオフセットが最も大きくなる誘電体もＡｌ２Ｏ３であると考えられる。このため、暗電流の発生を抑えるためには、誘電体層１１の材料としてＡｌ２Ｏ３を用いることが特に好ましい。
【００４６】
また、誘電体層１１は、絶縁破壊を起こし難い材料からなることが好ましい。絶縁破壊を起こしにくい材料とは、誘電率が大きいために内部の電界強度が抑えられる材料や、絶縁破壊電界強度が高い材料である。ＳｉＮｘ、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、及びＡｌ２Ｏ３のうちでは、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、及びＡｌ２Ｏ３が絶縁破壊を起こし難く、誘電体層１１の材料として好ましい。誘電体層１１の厚さは、リーク電流の原因となるピンホール等の発生を抑制するため、およそ２０ｎｍ以上であることが好ましい。また、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０中に広がる空乏層幅は最大で１μｍ程度となるため、電圧分配の点から、誘電体層１１の厚さはおよそ２００ｎｍ以下に設定される。
【００４７】
アノード電極１２は、誘電体層１１のＧａ２Ｏ３系単結晶層１０と反対側の面上に形成される。アノード電極１２の材料は特に限定されず、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇ、ＩＴＯ等が用いられる。これらの材料の中でも、電子親和力の大きいＰｔがアノード電極１２の材料として特に好ましい。アノード電極１２が電子親和力の大きい材料からなる場合、アノード電極１２と誘電体層１１の伝導体のオフセットが大きくなる。このため、暗電流が低く抑えられ、アバランシェフォトダイオード１の受光感度が高くなる。
【００４８】
アバランシェフォトダイオード１に照射された光はアノード電極１２を通過してＧａ２Ｏ３系単結晶層１０に吸収されるため、アノード電極１２の厚さは薄い方がよく、例えば、およそ１〜１０ｎｍであることが好ましい。また、アノード電極１２の形状は、典型的には円形又は四角形である。
【００４９】
また、アバランシェフォトダイオード１は、図１に示されるように、フィールドプレート構造を有していてもよい。この場合、誘電体層１１の上面の縁に沿って、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等からなる誘電体膜１６が設けられ、その誘電体膜１６の上にアノード電極１２の縁が乗り上げている。
【００５０】
このようなフィールドプレート構造を設けることにより、アノード電極１２の端部への電界集中を抑制することができる。また、誘電体膜１６は、第２の誘電体層１１の上面を流れる表面リーク電流を抑制するパッシベーション膜としても機能する。
【００５１】
また、図１に示される例では、アノード電極１２にパッド電極１４が接続されている。パッド電極１４は、誘電体膜１６上に形成されたＳｉＯ２等からなる絶縁体１５上に形成される。パッド電極１４は、例えば、厚さ５ｎｍのＴｉ膜上に厚さ５００ｎｍのＡｕ膜が積層された構造を有する。
【００５２】
カソード電極１３は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０の誘電体層１１と反対側の面上に形成される。カソード電極１３は、例えば、厚さ１００ｎｍのＴｉ膜上に厚さ１００ｎｍのＡｕ膜が積層された構造を有する。カソード電極１３の形状は、典型的には、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０の底面の形状と同じ四角形である。
【００５３】
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層の上面近傍にガードリングが含まれる点において、第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点においては、説明を省略又は簡略化する。
【００５４】
（アバランシェフォトダイオードの構造）
図５は、第２の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード２の垂直断面図である。
【００５５】
アバランシェフォトダイオード２は、アバランシェフォトダイオード１と同様に、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０と、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０に積層された誘電体層１１と、誘電体層１１に接続されたアノード電極１２と、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０に接続されたカソード電極１３とを有する。
【００５６】
そして、アバランシェフォトダイオード２のＧａ２Ｏ３系単結晶層１０の誘電体層１１との界面近傍には、ガードリング２０が形成されている。このガードリング２０を用いることにより、アノード電極１２の端部における電界集中を緩和することができる。
【００５７】
ガードリング２０は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０の上面のリング状の領域に、酸素アニールやＭｇ、Ｆｅ、Ｚｎ等のアクセプタイオンのイオン注入を選択的に施すことにより形成される。なお、ガードリング２０の形状や数は、アノード電極１２の端部における電界集中を緩和できる範囲内であれば、特に限定されない。
【００５８】
〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層と誘電体層の積層体がメサ形状を有する点において、第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点においては、説明を省略又は簡略化する。
【００５９】
（アバランシェフォトダイオードの構造）
図６（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード３の垂直断面図である。
【００６０】
アバランシェフォトダイオード３は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層３０と、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層３０に積層された誘電体層３１と、誘電体層３１に接続されたアノード電極３２と、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層３０に接続されたカソード電極３３とを有する。
【００６１】
そして、アバランシェフォトダイオード３のＧａ２Ｏ３系単結晶層３０と誘電体層３１の積層体は、凸部がアノード電極３２側を向いたメサ形状を有する。アノード電極３２は、メサ形状に加工された誘電体層３１の上面に形成されており、アノード電極３２の端部の位置がメサ形状の上面の端部の位置とほぼ一致している。このような構造により、アノード電極３２の端部における電界集中を緩和することができる。
【００６２】
図６（ａ）に示される例では、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層３０と誘電体層３１の積層体は側面が垂直なメサ形状を有する。図６（ｂ）に示される例では、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層３０と誘電体層３１の積層体は側面がテーパー状に傾斜したメサ形状を有する。また、図６（ｃ）に示される例では、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層３０と誘電体層３１の積層体は側面が逆テーパー状に傾斜したメサ形状を有する。これら３種のメサ形状による電界集中緩和効果のうち、図６（ｃ）に示されるメサ形状によるものが最も大きい。
【００６３】
なお、アバランシェフォトダイオード３のＧａ２Ｏ３系単結晶層３０、誘電体層３１、アノード電極３２、カソード電極３３、パッド電極３４は、第１の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード１のＧａ２Ｏ３系単結晶層１０、誘電体層１１、アノード電極１２、カソード電極１３、パッド電極１４と、それぞれ同様の材料からなる。
【００６４】
また、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層３０と誘電体層３１の積層体のメサ形状部分の側面は、ＳｉＯ２等からなる絶縁体３５に覆われている。
【００６５】
〔第４の実施の形態〕
第４の実施の形態は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層と誘電体層の間にアンドープのＧａ２Ｏ３系単結晶層が形成されている点において、第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点においては、説明を省略又は簡略化する。
【００６６】
（アバランシェフォトダイオードの構造）
図７は、第４の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード４の垂直断面図である。
【００６７】
アバランシェフォトダイオード４は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０と、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０にアンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０を介して積層された誘電体層１１と、誘電体層１１に接続されたアノード電極１２と、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層１０に接続されたカソード電極１３とを有する。
【００６８】
アンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０は、意図的にドーパントが添加されていないＧａ２Ｏ３系単結晶層であり、アンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０がＧａ２Ｏ３系単結晶層１０と誘電体層１１の間に形成されることにより、誘電体層１１とアンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０の比誘電率及び厚さに応じて、印加電圧が分配される。
【００６９】
例えば、誘電体層１１がＨｆＯ２からなるとして、その比誘電率を２２と仮定し、アンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０の比誘電率を１０と仮定した場合、誘電体層１１の厚さを２０ｎｍ、アンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０の厚さを５０ｎｍとして、アノード電極１２とカソード電極１３の間に３８．５Ｖの電圧を印加すると、誘電体層１１には５．９Ｖ、アンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０には３２．６Ｖの電圧が印加される。
【００７０】
また、誘電体層１１の厚さを２０ｎｍ、アンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０の厚さを３００ｎｍとして、アノード電極１２とカソード電極１３の間に２０１Ｖの電圧を印加すると、誘電体層１１には５．９Ｖ、アンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０には１９５．１Ｖの電圧が印加される。
【００７１】
また、誘電体層１１の厚さを２００ｎｍ、アンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０の厚さを５０ｎｍとして、アノード電極１２とカソード電極１３の間に９１．５Ｖの電圧を印加すると、誘電体層１１には５９Ｖ、アンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０には３２．５Ｖの電圧が印加される。
【００７２】
また、誘電体層１１の厚さを２０ｎｍ、アンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０の厚さを１０００ｎｍとして、アノード電極１２とカソード電極１３の間に６５６Ｖの電圧を印加すると、誘電体層１１には５．９Ｖ、アンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０には６５０．１Ｖの電圧が印加される。
【００７３】
そして、上記の３つの例のいずれの場合においても、誘電体層１１中の電界強度はおよそ３ＭＶ／ｃｍ、アンドープＧａ２Ｏ３系単結晶層４０中の電界強度はおよそ６．５ＭＶ／ｃｍになる。
【００７４】
なお、アバランシェフォトダイオード４に、第２の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード２のガードリング構造や、第３の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード３のメサ構造を適用してもよい。この場合、アノード電極１２の端部における電界集中を緩和することができる。
【００７５】
〔第５の実施の形態〕
第５の実施の形態は、誘電体層が異なる材料からなる２枚の誘電体膜の積層体から構成される点において、第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点においては、説明を省略又は簡略化する。
【００７６】
（アバランシェフォトダイオードの構造）
図８は、第５の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード５の垂直断面図である。
【００７７】
アバランシェフォトダイオード５は、第１の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード１の誘電体層１１の代わりに、第１の誘電体膜５１ａと第２の誘電体膜５１ｂの積層体からなる誘電体層５１を有する。第１の誘電体膜５１ａはＧａ２Ｏ３系単結晶層１０上に形成され、第２の誘電体膜５１ｂは第１の誘電体膜５１ａ上に形成される。
【００７８】
第２の誘電体膜５１ｂは、第１の誘電体膜５１ａよりも誘電率が高い。また、第１の誘電体膜５１ａは、第２の誘電体膜５１ｂよりもアノード電極１２との伝導帯のバンドオフセットが大きい。例えば、第１の誘電体膜５１ａ、第２の誘電体膜５１ｂは、それぞれＳｉＯ２、ＨｆＯ２からなる。
【００７９】
誘電体膜の誘電率が大きいほど、その誘電体膜中の電界が弱まる。このため、アノード電極１２と接する第２の誘電体膜５１ｂとして誘電率の高い膜を用いることにより、アノード電極１２と誘電体層５１との界面を流れるリーク電流を効果的に抑制することができる。
【００８０】
一方で、アノード電極１２と接する第２の誘電体膜５１ｂとアノード電極１２の伝導帯のバンドオフセットが小さいと、暗電流が大きくなるという問題がある。そこで、第２の誘電体膜５１ｂの下層に第２の誘電体膜５１ｂよりもアノード電極１２との伝導帯のバンドオフセットが大きい第１の誘電体膜５１ａを挿入して伝導帯にバリアを形成することにより、暗電流を低減することができる。
【００８１】
第１の誘電体膜５１ａの厚さは、例えば、２０ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下であり、第２の誘電体膜５１ｂの厚さは、例えば、２０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下である。
【００８２】
（実施の形態の効果）
上記第１〜５の実施の形態によれば、Ｇａ２Ｏ３単結晶を用いた、短波長の光に応答するアバランシェフォトダイオードを提供することができる。これにより、例えば、太陽光が降り注ぐ環境下において炎のみを検出する、超高感度ソーラーブラインドセンサーを実現することができる。
【実施例】
【００８３】
上記第１〜４の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード１〜４の誘電体層１１における、比誘電率と内部の電界強度との関係をシミュレーションにより求めた。
【００８４】
図９は、本実施例に係るシミュレーションに用いられた試料６の垂直断面図である。試料６は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層６０と、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層６０に積層された誘電体層６１と、誘電体層６１のＧａ２Ｏ３系単結晶層６０と反対側の面上に形成されたアノード電極６２と、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層６０の誘電体層６１と反対側の面上に形成されたカソード電極６３とを有する。
【００８５】
このシミュレーションでは、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層６０を実効ドナー濃度が１×１０１８ｃｍ−３であるＧａ２Ｏ３膜とした。また、誘電体層６１をＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＨｆＯ２、又はＡｌ２Ｏ３からなる厚さ５０ｎｍの誘電体膜とした。
【００８６】
図１０（ａ）、（ｂ）及び図１１（ａ）、（ｂ）は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層６０に加わる最大電界強度が６．５ＭＶ／ｃｍとなるように試料６に対して逆方向電圧を印加したときの、誘電体層６１及びＧａ２Ｏ３系単結晶層６０中の電界強度分布を示す。
【００８７】
ここで、図１０（ａ）は誘電体層６１がＳｉＯ２（比誘電率４）からなる場合の電界強度分布、図１０（ｂ）は誘電体層６１がＳｉＮｘ（比誘電率７）からなる場合の電界強度分布、図１１（ａ）は誘電体層６１がＡｌ２Ｏ３（比誘電率９．５）からなる場合の電界強度分布、図１１（ｂ）は誘電体層６１がＨｆＯ２（比誘電率２０）からなる場合の電界強度分布を示す。
【００８８】
図１０（ａ）、（ｂ）及び図１１（ａ）、（ｂ）の横軸は、誘電体層６１の上面の位置を基準とした深さ方向の位置を示す。すなわち、横軸の位置が０〜５０ｎｍの領域は、厚さ５０ｎｍの誘電体層６１中の領域であり、横軸の位置が５０ｎｍより大きい領域は、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層６０中の領域である。
【００８９】
図１０（ａ）によれば、ＳｉＯ２からなる誘電体層６１中の最大電界強度が１６ＭＶ／ｃｍと非常に大きく、ＳｉＯ２の絶縁破壊電界強度を超えている可能性が高い。また、これほどの電界強度になると、量子力学的トンネル電流が非常に大きくなるため、暗電流が極めて大きくなる。また、図１０（ｂ）によれば、ＳｉＮｘからなる誘電体層６１中の最大電界強度は９．３ＭＶ／ｃｍであり、ＳｉＮｘの絶縁破壊電界強度を超えている可能性がある。
【００９０】
これらの結果から、上記第１〜４の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード１〜４の誘電体層１１又は誘電体層３１の材料として、ＳｉＯ２及びＳｉＮｘを用いる場合、絶縁破壊が生じないように印加電圧の大きさ等の制限が求められる場合がある。
【００９１】
一方、図１１（ａ）、（ｂ）によれば、Ａｌ２Ｏ３からなる誘電体層６１中の電界強度はおよそ７ＭＶ／ｃｍ、ＨｆＯ２からなる誘電体層６１中の電界強度はおよそ３．３ＭＶ／ｃｍであり、絶縁破壊電界強度及びトンネル電流の点では問題ないと考えられる。
【００９２】
このため、上記第１〜４の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード１〜４の誘電体層１１又は誘電体層３１の材料として、Ａｌ２Ｏ３及びＨｆＯ２は適しているといえる。また、ＺｒＯ２はＨｆＯ２とほぼ同じ材料物性を有するため、ＨｆＯ２と同様に、誘電体層１１又は誘電体層３１の材料として適しているといえる。
【００９３】
以上、本発明の実施の形態、実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態、実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【００９４】
また、上記に記載した実施の形態、実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態、実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００９５】
１、２、３、４…アバランシェフォトダイオード、  １０、３０…Ｇａ２Ｏ３系単結晶層、  １１、３１、５１…誘電体層、  １２、３２…アノード電極、  １３、３３…カソード電極、  ５１ａ…第１の誘電体膜、  ５１ｂ…第２の誘電体膜
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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