(57)【要約】【課題】欠陥の少ない半導体層部分のみを受光領域として使用することで、微弱な光を感度良く検出することができる受光素子を提供する。【解決手段】下地構造上に、ｎ型窒化物半導体層と、単数または複数の窒化物半導体層とが順次堆積され、前記ｎ型窒化物半導体層および前記単数または複数の窒化物半導体層の内の単数または複数の半導体層が、受光面である前記下地構造側の表面から入射される信号光を吸収する受光領域として作用し、前記受光領域の形成に係る半導体層が、前記受光面に対して垂直方向に形成される絶縁領域によって分断されることで、構造的に別個の複数の個別受光領域を前記受光面と平行面内に面状に配列形成し、所定の特性を呈する前記個別受光領域を挟むように設けられた複数の電極対を構成する第１電極および第２電極のそれぞれが電気的に共通となるように連結される。【選択図】  図１
2004288925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地構造上に、ｎ型窒化物半導体層と、単数または複数の窒化物半導体層とが順次堆積され、前記ｎ型窒化物半導体層および前記単数または複数の窒化物半導体層の内の単数または複数の半導体層が、受光面である前記下地構造側の表面から入射される信号光を吸収する受光領域として作用し、
前記受光領域の形成に係る半導体層が、前記受光面に対して垂直方向に形成される絶縁領域によって分断されることで、構造的に別個の複数の個別受光領域を前記受光面と平行面内に面状に配列形成し、
所定の特性を呈する前記個別受光領域を挟むように設けられた複数の電極対を構成する第１電極および第２電極のそれぞれが電気的に共通となるように連結される面配列型受光素子。
【請求項２】
前記個別受光領域のそれぞれを挟むように設けられた複数の電極対の内、少なくとも前記電極対を構成する前記第１電極および前記第２電極間に逆バイアス電圧を印加した場合に現れる暗電流が所定値以下である場合に、前記所定の特性を呈していると判定する請求項１に記載の面配列型受光素子。
【請求項３】
少なくとも前記第１電極および前記第２電極間に１Ｖの逆バイアス電圧を印加した場合に現れる暗電流が１ｐＡ／ｍｍ２以下である場合に、前記所定の特性を呈していると判定する請求項２に記載の面配列型受光素子。
【請求項４】
前記単数または複数の窒化物半導体層が、前記ｎ型窒化物半導体層と共にＰＮ接合型ダイオードを構成するｐ型窒化物半導体層を有する請求項１から請求項３の何れか１項に記載の面配列型受光素子。
【請求項５】
前記単数または複数の窒化物半導体層が、前記ｎ型窒化物半導体層と共にＰＩＮ接合型ダイオードを構成するｉ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する請求項１から請求項３の何れか１項に記載の面配列型受光素子。
【請求項６】
前記単数または複数の窒化物半導体層が、前記ｎ型窒化物半導体層上に堆積され、前記電極の一方と共にショットキーダイオードを構成するｉ型窒化物半導体層またはｎ−型窒化物半導体層を有する請求項１から請求項３の何れか１項に記載の面配列型受光素子。
【請求項７】
前記ｎ型窒化物半導体層がｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を含み、前記ｐ型窒化物半導体層が含むｐ−ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）のアルミニウム組成比ｙが、前記ｎ型窒化物半導体層のアルミニウム組成比ｘ以下である請求項４または請求項５に記載の面配列型受光素子。
【請求項８】
前記ｎ型窒化物半導体層がｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を含み、前記ｉ型窒化物半導体層が含むｉ−ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）のアルミニウム組成比ｚが、前記ｎ型窒化物半導体層のアルミニウム組成比ｘ以下である請求項５または請求項６に記載の面配列型受光素子。
【請求項９】
前記ｎ型窒化物半導体層がｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を含み、前記ｎ−型窒化物半導体層が含むｎ−−ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）のアルミニウム組成比ｚが、前記ｎ型窒化物半導体層のアルミニウム組成比ｘ以下である請求項６に記載の面配列型受光素子。
【請求項１０】
前記下地構造が、サファイア基板上に、ＡｌＮ層を基板表面温度１２００℃以上で成長させて形成される請求項１から請求項９の何れか１項に記載の面配列型受光素子。
【請求項１１】
前記下地構造が、ＺｒＢ２基板上に、窒化物緩衝層を基板表面温度１０５０℃以下で成長させて形成され、前記窒化物緩衝層が含むＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０．３≦ｗ≦１）のアルミニウム組成比ｗが、前記ｎ型窒化物半導体層が含むｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）のアルミニウム組成比ｘ以上であり、前記ＺｒＢ２基板が少なくとも一部分除去されて露出された表面から前記信号光が前記受光領域に入射される請求項１から請求項９の何れか１項に記載の面配列型受光素子。
【請求項１２】
前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方がＺｒＢ２を含んで構成され、少なくとも金を含む金属層が前記第１電極及び前記第２電極上に堆積されている請求項１から請求項１１の何れか１項に記載の面配列型受光素子。
【請求項１３】
電気的に共通に接続された前記第１電極および前記第２電極に挟まれる前記個別受光領域のそれぞれにおける前記信号光の入射断面積の合計が１ｍｍ２以上である請求項１から請求項１２の何れか１項に記載の面配列型受光素子。
【請求項１４】
電気的に共通に接続された前記第１電極および前記第２電極に挟まれる前記個別受光領域のそれぞれにおける前記信号光の入射断面積の合計が５ｍｍ２以上である請求項１３に記載の面配列型受光素子。
【請求項１５】
電気的に共通に接続された前記第１電極および前記第２電極に挟まれる前記個別受光領域のそれぞれにおける前記信号光の入射断面積の合計が５０ｍｍ２以上である請求項１４に記載の面配列型受光素子。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５の何れか１項に記載の面配列型受光素子を用いた火炎センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は性能の良い受光領域を平面に複数個配列して得られる面配列型受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素や水素が燃焼した時の紫外領域の火炎の発光を、太陽光や各種照明機器などからの室内光に代表される外乱光と区別して選択的に検出する紫外線受光素子を作製するために使用される半導体材料としてはＡｌＧａＮ等の窒化物半導体がある。ここで、受光素子の構造としては、ＰＮ接合型やＰＩＮ接合型のフォトダイオード構造、ショットキーダイオード構造がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
内部増幅を伴わないＰＮ接合型およびＰＩＮ接合型フォトダイオードやショットキーダイオードを用いた受光素子の場合には、理論限界である量子効率１００％の場合でも約０．２Ａ／Ｗの感度が限界であり、実質的には０．１Ａ／Ｗ前後の感度を達成する素子が多い。この場合、１ｍｍ２の有効受光面積を有する素子が、仮に外部量子効率（素子のネットでの受光感度）が１００％近い値を示したとしても、約２０ｃｍ離れた場所のパイロット火炎（都市ガス１３Ａの投入量：１５０ｍｌ／ｍｉｎ）の点灯時に２ｐＡの光電流出力しか得られない。更に、火炎センサと炎の距離や炎の照射方向により、素子に到達する光強度がより小さい場合もあるため、実際の光電流出力が更に小さくなる可能性もある。
【０００４】
このように、受光素子に対する照射光強度が非常に小さい場合には素子から出力される光電流も小さくなるが、その場合の微小電流測定の精度を確保するためには、出力される光電流を積分する必要がある。例えば１００ｍｓｅｃ以下の応答速度で炎の点滅に応答するには、積分時間中に炎が点灯したり、失火する場合があることを考慮して、約５０ｍｓｅｃの積分時間で応答する電流計であることが目安とされる。この積分時間が確保できれば０．１ｎＡ程度の光電流出力があれば問題はなく、炎の点灯時に１０ｐＡ以上であればノイズシールド等の技術で対応できる水準である。しかし、光電流出力が１ｐＡ以下であれば、積分処理を行ってもその時間内で確実に火炎の点灯を検知することは一般的には困難であり、仮に可能であったとしても非常に複雑で高価な電流計測系が必要になることが明らかである。
【０００５】
従って、受光素子において１０ｐＡの光電流出力を得たい場合には５ｍｍ２以上の受光面積を確保することが必要である。他方で、受光領域の面積が大きくなるほどその受光領域には欠陥が多く含まれ、素子の性能を低下させる原因となる。例えば、火炎の発光強度が微弱である場合には、受光素子の受光領域で発生するキャリアの数と、受光素子中の結晶の欠陥に起因する準位にトラップされるキャリアの数が競合するような関係になるため、火炎の発光に対する応答速度を確保するには、トラップされるキャリア数が少なくなるように低欠陥成長されたＡｌＧａＮが必要とされる。更に、上述のような結晶の欠陥に起因する準位においては、温度上昇に伴って電子をトラップしたり放出する作用があるため、少なくとも１００℃以上の高温で動作することが要求される火炎センサにおいては、電子のトラップ・放出によって火炎の点滅を誤認識させる原因にもなり得る。
【０００６】
更に、暗電流と光電流とを明確に区別するためには、暗電流が光電流よりもはるかに小さいことが求められる。このため、ゼロバイアスの条件で受光素子を用いることにより暗電流の影響を抑制できるが、微小電流計測の入力インピーダンスは高くならざるを得ず、電圧のオフセットをゼロにすることは出来ない。最大では３００ｍＶ程度の入力端子間の電位差がある場合もある。その場合、欠陥密度の高い部分では暗電流が温度上昇とともに大きく増加するので、微小電流計のオフセット電位が印加されることで、受光素子の暗電流が大きく増加して火炎の発光による光電流と区別ができなくなる問題が生じる場合がある。
【０００７】
従って、大きな受光面積を確保した上で、受光素子の形成に係るＡｌＧａＮを低欠陥成長させることは必須である。従来からのＧａＮをベースにするＬＥＤなどの発光素子では、サファイア上にＡｌＮやＧａＮによる単層の低温堆積緩衝層堆積させた上にＬＥＤ構造を形成しているが、この手法では、ＬＥＤ構造におけるＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎの転移欠陥密度が１０１１／ｃｍ２にも達し、火炎センサに用いることはできない。そこで、サファイア上の低温堆積緩衝層の上に、約１μｍのＧａＮの結晶改善層と、低温堆積中間層（インターレーヤ）とを設けることも行われており、この場合にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．２≦ｘ）において、転移欠陥密度が１０９／ｃｍ２台の高品質結晶が得られる。
【０００８】
この方法は、大面積で均一な結晶成長に向くとされているが、窒化物半導体は、特にＡｌＮモル分率の高い場合に成長温度が１０００度を超えるため、基板温度を均一にすることは熱設計から困難である上、気相成長の圧力が高いことから、均一な結晶成長反応を大面積の基板全体に対して保証することは原理的に難しい。さらに、緩衝層や中間堆積層の技術による低転移化手法は、核の成長が確率的な現象である以上、結晶成長面において局所的に転位密度が上がる現象が避けにくいという問題がある。しかも、上述したように基板上に低温堆積緩衝層と結晶改善層（ＧａＮ）と低温堆積中間層とを設け、その上に受光領域を形成する場合には、ＧａＮの結晶改善層が紫外域の光吸収を行う特性を示すため、基板側からＧａＮの吸収端波長である波長３６０ｎｍ以下の光を受光領域へ入射させることはできない。
【０００９】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、欠陥の少ない半導体層部分のみを受光領域として使用することで、全体として暗電流が小さく、微弱な光を感度良く検出することができる受光素子を提供する点にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載の如く、下地構造上に、ｎ型窒化物半導体層と、単数または複数の窒化物半導体層とが順次堆積され、前記ｎ型窒化物半導体層および前記単数または複数の窒化物半導体層の内の単数または複数の半導体層が、受光面である前記下地構造側の表面から入射される信号光を吸収する受光領域として作用し、前記受光領域の形成に係る半導体層が、前記受光面に対して垂直方向に形成される絶縁領域によって分断されることで、構造的に別個の複数の個別受光領域を前記受光面と平行面内に面状に配列形成し、所定の特性を呈する前記個別受光領域を挟むように設けられた複数の電極対を構成する第１電極および第２電極のそれぞれが電気的に共通となるように連結される点にある。
【００１１】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項２に記載の如く、上記第一の特徴構成に加えて、前記個別受光領域のそれぞれを挟むように設けられた複数の電極対の内、少なくとも前記電極対を構成する前記第１電極および前記第２電極間に逆バイアス電圧を印加した場合に現れる暗電流が所定値以下である場合に、前記所定の特性を呈していると判定する点にある。
【００１２】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項３に記載の如く、上記第二の特徴構成に加えて、少なくとも前記第１電極および前記第２電極間に１Ｖの逆バイアス電圧を印加した場合に現れる暗電流が１ｐＡ／ｍｍ２以下である場合に、前記所定の特性を呈していると判定する点にある。
【００１３】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第四の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項４に記載の如く、上記第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記単数または複数の窒化物半導体層が、前記ｎ型窒化物半導体層と共にＰＮ接合型ダイオードを構成するｐ型窒化物半導体層を有する点にある。
【００１４】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第五の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項５に記載の如く、上記第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記単数または複数の窒化物半導体層が、前記ｎ型窒化物半導体層と共にＰＩＮ接合型ダイオードを構成するｉ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とを有する点にある。
【００１５】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第六の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項６に記載の如く、上記第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記単数または複数の窒化物半導体層が、前記ｎ型窒化物半導体層上に堆積され、前記電極の一方と共にショットキーダイオードを構成するｉ型窒化物半導体層またはｎ−型窒化物半導体層を有する点にある。
【００１６】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第七の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項７に記載の如く、上記第四または第五の特徴構成に加えて、前記ｎ型窒化物半導体層がｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を含み、前記ｐ型窒化物半導体層が含むｐ−ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）のアルミニウム組成比ｙが、前記ｎ型窒化物半導体層のアルミニウム組成比ｘ以下である点にある。
【００１７】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第八の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項８に記載の如く、上記第五または第六の特徴構成に加えて、前記ｎ型窒化物半導体層がｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を含み、前記ｉ型窒化物半導体層が含むｉ−ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）のアルミニウム組成比ｚが、前記ｎ型窒化物半導体層のアルミニウム組成比ｘ以下である点にある。
【００１８】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第九の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項９に記載の如く、上記第六の特徴構成に加えて、前記ｎ型窒化物半導体層がｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）を含み、前記ｎ−型窒化物半導体層が含むｎ−−ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）のアルミニウム組成比ｚが、前記ｎ型窒化物半導体層のアルミニウム組成比ｘ以下である点にある。
【００１９】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第十の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１０に記載の如く、上記第一から第九の何れかの特徴構成に加えて、前記下地構造が、サファイア基板上に、ＡｌＮ層を基板表面温度１２００℃以上で成長させて形成される点にある。
【００２０】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第十一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１１に記載の如く、上記第一から第九の何れかの特徴構成に加えて、前記下地構造が、ＺｒＢ２基板上に、窒化物緩衝層を基板表面温度１０５０℃以下で成長させて形成され、前記窒化物緩衝層が含むＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０．３≦ｗ≦１）のアルミニウム組成比ｗが、前記ｎ型窒化物半導体層が含むｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）のアルミニウム組成比ｘ以上であり、前記ＺｒＢ２基板が少なくとも一部分除去されて露出された表面から前記信号光が前記受光領域に入射される点にある。
【００２１】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第十二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１２に記載の如く、上記第一から第十一の何れかの特徴構成に加えて、前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方がＺｒＢ２を含んで構成され、少なくとも金を含む金属層が前記第１電極及び前記第２電極上に堆積されている点にある。
【００２２】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第十三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１３に記載の如く、上記第一から第十二の何れかの特徴構成に加えて、電気的に共通に接続された前記第１電極および前記第２電極に挟まれる前記個別受光領域のそれぞれにおける前記信号光の入射断面積の合計が１ｍｍ２以上である点にある。
【００２３】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第十四の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１４に記載の如く、上記第十三の特徴構成に加えて、電気的に共通に接続された前記第１電極および前記第２電極に挟まれる前記個別受光領域のそれぞれにおける前記信号光の入射断面積の合計が５ｍｍ２以上である点にある。
【００２４】
上記課題を解決するための本発明に係る面配列型受光素子の第十五の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１５に記載の如く、上記第十四の特徴構成に加えて、電気的に共通に接続された前記第１電極および前記第２電極に挟まれる前記個別受光領域のそれぞれにおける前記信号光の入射断面積の合計が５０ｍｍ２以上である点にある。
【００２５】
上記課題を解決するための本発明に係る火炎センサの特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１６に記載の如く、請求項１から請求項１５の何れか１項に記載の面配列型受光素子を用いた点にある。
【００２６】
以下に作用並びに効果を説明する。
本発明に係る面配列型受光素子の第一の特徴構成によれば、面状に配列されて形成された個別受光領域の内、所定の特性を呈する個別受光領域を挟むように設けられた複数の電極対を構成する第１電極および第２電極のそれぞれが共通となるように連結して面配列型受光素子を形成することで、受光素子を構成する上で好ましくない素子特性を示す個別受光領域が排除され、好ましい素子特性を示す個別受光領域のみで構成された面配列型受光素子を選択的に得ることができる。また、好ましくない素子特性を呈する部位を選択的に排除できることで生産歩留まりが向上するため、生産コストを低減させた上で性能の良い受光素子を作製することができる。
【００２７】
本発明に係る面配列型受光素子の第二の特徴構成によれば、面状に配列されて形成された個別受光領域の内、第１電極および第２電極間に逆バイアス電圧を印加した場合に現れる暗電流が所定値以下である個別受光領域を挟んでいる第１電極および第２電極のそれぞれが共通となるように連結して面配列型受光素子を形成することで、暗電流の大きな個別受光領域が排除され、暗電流の小さな個別受光領域のみで構成された面配列型受光素子を得ることができる。このように、受光領域の形成に係る半導体層に欠陥が含まれることで、その個別受光領域部分の素子特性が悪い（暗電流が大きい）場合であっても、その個別受光領域は面配列型受光素子の素子構成には含まれないので、得られる面配列型受光素子の素子特性が悪化することが防止される。特に、微弱な信号光を感度良く検出することが要求される場合には暗電流のレベルを低減させることが重要な課題となるのだが、本発明に係る面配列型受光素子を用いることでその課題を克服することができる。
【００２８】
本発明に係る面配列型受光素子の第三の特徴構成によれば、第１電極および第２電極間に１Ｖの逆バイアス電圧を印加した場合に現れる暗電流が１ｐＡ／ｍｍ２以下である個別受光領域のみを用いて面配列型受光素子を構成するので、得られる面配列型受光素子全体としての暗電流のレベルを低く抑えることができ、微弱な信号光であっても感度良く検出することができる。
【００２９】
本発明に係る面配列型受光素子の第四の特徴構成によれば、ｎ型窒化物半導体層上にｐ型窒化物半導体層が堆積されることで形成されるＰＮ接合型ダイオードによってフォトダイオードを構成することができる。
【００３０】
本発明に係る面配列型受光素子の第五の特徴構成によれば、ｎ型窒化物半導体層上にｉ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とが堆積されることで形成されるＰＩＮ接合型ダイオードによってフォトダイオードを構成することができる。
【００３１】
本発明に係る面配列型受光素子の第六の特徴構成によれば、ｎ型窒化物半導体層上に堆積されたｉ型窒化物半導体層またはｎ―型窒化物半導体層が、上記電極の一方と共にショットキーダイオードを構成し、それをフォトダイオードとして用いることができる。
【００３２】
本発明に係る面配列型受光素子の第七の特徴構成によれば、ｎ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギがｐ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギ以上に設定されるので、ｐ型窒化物半導体層にとってｎ型窒化物半導体層を光透過層として作用させることができる。
【００３３】
本発明に係る面配列型受光素子の第八の特徴構成によれば、ｎ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギがｉ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギ以上に設定されるので、ｉ型窒化物半導体層にとってｎ型窒化物半導体層を光透過層として作用させることができる。
【００３４】
本発明に係る面配列型受光素子の第九の特徴構成によれば、ｎ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギがｎ−型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギ以上に設定されるので、ｎ−型窒化物半導体層にとってｎ型窒化物半導体層を光透過層として作用させることができる。
【００３５】
本発明に係る面配列型受光素子の第十の特徴構成によれば、下地構造が、信号光である紫外域の火炎の光を透過させるサファイア基板およびＡｌＮ層とで構成されるので、信号光を、下地構造を透過させて受光領域に導入することができる。従って、受光領域で吸収されるべき光が下地構造によって光吸収や光散乱などの損失を受けることがないので、微弱な光を感度良く検出することができる受光素子が得られる。
【００３６】
本発明に係る面配列型受光素子の第十一の特徴構成によれば、下地構造が、ＺｒＢ２基板上に窒化物緩衝層を低温（約１０５０℃以下）堆積成長させて形成されることで、その上に堆積されるｎ型窒化物半導体層の結晶品質を良好にすることができる。そして、ＺｒＢ２基板が少なくとも一部分除去されて露出された窒化物緩衝層の表面が受光面として利用され、窒化物緩衝層のバンドギャップエネルギがｎ型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギ以上に設定されるので、ｎ型窒化物半導体層にとって窒化物緩衝層を光透過層として作用させることができる。従って、受光領域で吸収されるべき光が下地構造によって光吸収や光散乱などの損失を受けることがないので、大きな強度の光を受光領域に導入することができ、微弱な光を感度良く検出することができる受光素子が得られる。
【００３７】
本発明に係る面配列型受光素子の第十二の特徴構成によれば、上記第１電極及び上記第２電極の少なくとも一方がＺｒＢ２を含んで構成され、その電極表面には少なくとも金を含む金属層が堆積されているので、ＺｒＢ２を上記金属層で保護することができ、更にワイヤボンディングの際の電気的な接続性を導電性の良好な金によって高めることができる。
【００３８】
本発明に係る面配列型受光素子の第十三の特徴構成によれば、電気的に共通に接続された前記第１電極および前記第２電極に挟まれる個別受光領域のそれぞれへの信号光の入射断面積の合計が１ｍｍ２以上であることで、面配列型受光素子からの高電流出力の大きさを確保し、暗電流と区別して光を検出することができる。
【００３９】
本発明に係る面配列型受光素子の第十四の特徴構成によれば、電気的に共通に接続された前記第１電極および前記第２電極に挟まれる個別受光領域のそれぞれへの信号光の入射断面積の合計が５ｍｍ２以上であることで、面配列型受光素子からの高電流出力を十分な大きさで確保することができる。
【００４０】
本発明に係る面配列型受光素子の第十五の特徴構成によれば、電気的に共通に接続された前記第１電極および前記第２電極に挟まれる個別受光領域のそれぞれへの信号光の入射断面積の合計が５０ｍｍ２以上であることで、面配列型受光素子からの高電流出力を更に十分な大きさで確保することができる。
【００４１】
本発明に係る火炎センサの特徴構成によれば、上記面配列型受光素子の第一から第十五の特徴構成によるのと同様に、暗電流のレベルが小さく、微弱な火炎の光の照射を受けた場合であっても、その光の存在を感度良く検出することができる火炎センサを得ることができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）に示すのは面配列型受光素子の上面図であり、図１（ｂ）に示すのは線分ａ−ａ’における断面図である。
図１（ａ）および図１（ｂ）に示す構造の素子は、基板１上に、ＡｌＮ層２と、ｎ型窒化物半導体層３と、ｉ型窒化物半導体層４と、ｐ型窒化物半導体層５と、コンタクト層６とがまず順次堆積される。その後、コンタクト層６とｐ型窒化物半導体層５とｉ型窒化物半導体層４とｎ型窒化物半導体層３とを部分的にドライエッチングにより除去することで、受光面９に対して垂直方向に形成される絶縁領域１３によって受光領域の形成に係る半導体層が分断される。次に、露出されたｎ型窒化物半導体層３およびメサ構造の表面に絶縁性の保護膜１４を形成した後、ｎ型窒化物半導体層３およびコンタクト層６とが部分的に露出するようにその保護膜１４の一部を除去し、ｎ型窒化物半導体層３の露出面に電極７（第２電極：ｎ電極）を形成し、コンタクト層６の露出面に電極８（第１電極：ｐ電極）を形成する。ここで例示する素子は、ＰＩＮ接合型のフォトダイオードを利用した受光素子であり、受光領域として作用するｉ型窒化物半導体層４の入射断面１０へは受光面９側から光が導入され、受光領域（ｉ型窒化物半導体層４）において光吸収が行われる。
【００４３】
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、受光領域の形成に係るｉ型窒化物半導体層４は、受光面９に対して垂直方向に形成される絶縁領域１３によって分断されることで、ｐ型窒化物半導体層５およびコンタクト層６と共に構造的に別個の複数の個別受光領域を形成するように分離されている。その結果、複数のメサ構造の素子が面配列された受光素子が得られる。そして、ｎ型窒化物半導体層３上に形成された電極７（ｎ電極）は各個別受光領域に対して共通であり、各コンタクト層６上に形成された電極８（ｐ電極）は互いに独立であることから、それぞれ電極７と電極８とを一対の電極として、各個別受光領域をそれぞれ別個の素子として機能させることができる。また、各個別受光領域にとってｎ型窒化物半導体層３は共通であるため電極７はｎ型窒化物半導体層３上の少なくとも一部分に形成されていればよいが、図中に示すように電極７を各個別受光領域に隣接して面状に広く分散して形成することで、ｎ型窒化物半導体層３の低抵抗化に寄与することができる。更に、各メサ構造の側面に絶縁性の保護膜１４を形成したことで、暗電流を増大させる原因となるメサ構造側面を流れる沿面電流を大幅に低減させることができる。
【００４４】
素子の具体的な構造としては、基板１はサファイアであり、ＡｌＮ層２は約０．３μｍ以上の厚さであり、ｎ型窒化物半導体層３は単結晶のｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）（厚さ１μｍ）であり、ｉ型窒化物半導体層４はアンドープの単結晶ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）（厚さ０．１〜０．２μｍ）であり、ｐ型窒化物半導体層５は単結晶のｐ−ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）（厚さ８０ｎｍ）であり、コンタクト層６はｐ−ＧａＮ（厚さ２０ｎｍ）である。電極７（ｎ電極）は、ｎ型窒化物半導体層３との間でオーミックな接触を形成することのできるようなアルミニウム：Ａｌ、金：Ａｕ、ニッケル：Ｎｉ等の金属やＺｒＢ２などの化合物を用いて作製され、電極８（ｐ電極）は、コンタクト層６との間でオーミックな接触を形成することのできるように、単一または複数種の金属（例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ等）を用いた単層または複数層の電極で構成される。保護膜１４としては、ＣＶＤ法などの通常の成膜方法を用いて堆積されるＳｉＯ２やＳｉＮなどが使用可能であるが、受光素子の使用温度範囲内で耐熱性のある材料であれば他の材料に置き換えることもできる。尚、各窒化物層は有機金属気相成長法を使用して堆積されるのだが、その際の基板温度やキャリアガスの種類は各層にとって好適な条件に調整される。例えば、ＡｌＮ層２を成長させる場合には、基板温度を約１２００℃以上とし、キャリアガス中の窒素分圧を５０％以上にすればよい。
【００４５】
図１（ａ）および図１（ｂ）に例示する面配列型受光素子における各メサ構造は、図中に示しているように半径０．４ｍｍの円柱形であり、入射断面１０の面積は約０．５ｍｍ２である。上述したように各個別受光領域を挟む電極対を構成するｎ電極（電極７）およびｐ電極（電極８）の内、ｎ電極（電極７）は共通であることから、電極８（ｐ電極）を互いに接続することで、各個別受光領域をまとめて１つの受光素子として使用することができる。
【００４６】
また図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、各電極８の間はワイヤ接続されている。尚、図１（ａ）および図１（ｂ）では図示していないが、ボンディングワイヤ１１の内、受光素子から右側に飛び出して描かれている５本のボンディングワイヤ１１は互いに接続されており、その結果、ボンディングワイヤ１１が接着されている各電極８は全て電気的に共通である。また、ワイヤ接続する場合、電極８には、ボンディングワイヤを接着可能なだけの表面積が必要である。例えば、直径２５μｍのボンディングワイヤ１１を使用する場合、電極８には図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように２つのボンディングワイヤが接着されることから、電極８の表面積は約０．００５ｍｍ２以上であることが好ましく、更には約０．０２ｍ２以上であることが好ましい。図１（ａ）および図１（ｂ）に示す電極８は半径０．３ｍｍであり、その表面積は約０．２８ｍｍ２である。
【００４７】
上述の受光素子を構成する窒化物半導体層の成長の基点となる核の生成が確率的な現象である以上、局所的に欠陥密度が高くなる場所が窒化物半導体層中にどうしても残る。従って、ＡｌＧａＮで大面積の受光素子を作成した場合、図１（ａ）および図１（ｂ）に示したような各個別受光領域毎の性能（暗電流の小ささ）のばらつきが大きくなる問題が生じるため、局所的にできてしまう高欠陥部分を排除した受光素子が必要とされる。従って、本発明に係る面配列型受光素子は、図１（ａ）および図１（ｂ）に例示したような各個別受光領域の全てを使用して素子を構成するのではなく（図１（ａ）の右下の電極８にはボンディングワイヤ１１が接続されていない）、まず、各個別受光領域に対して性能試験を実施し、所定の特性を呈する性能の良好な個別受光領域部分のみを選別して使用する。
【００４８】
本実施形態において行われる性能試験では、対となる電極７（ｎ電極）と電極８（ｐ電極）の間に逆バイアス電圧を印加し、計測される電流（暗電流）の大きさが所定値以下である個別受光領域を選別する。暗電流には、メサ界面を伝わる電流と、接合面やショットキー電極の空乏層界面を流れるトンネル電流がある。メサ界面の電流はメサ構造の外周の長さに凡そ比例し、トンネル電流は、欠陥密度とメサの面積またはショットキー電極の面積に比例する。このため、受光感度を極大化させ、なるべく信号／トンネル電流の比を大きくとり、できれば、信号／メサ界面電流の比も大きくする必要がある。
【００４９】
メサの界面（周囲）の長さに暗電流は比例することから、メサ周囲の長さ／受光面積の比をなるべく下げることが必要である。このため、相似形の受光面をもった受光素子であれば、小さいほどメサ界面の電流の比率が高くなる。また、円形に近い形の受光面ほど、メサ周囲の長さ／面積の比率を小さくすることができる。従って、構成要素の受光素子を必要以上に小さくすることは、暗電流を減らす上で、不利に働く要素となる。このように、メサ界面の影響とトンネルの影響は、受光素子の面積に対してトレードオフの関係あるため、構成素子は小さすぎても大きすぎても、暗電流の問題を解決する障害となる
【００５０】
図２に示すのは、メサ構造の直径が２ｍｍである受光領域に対して逆バイアス電圧を印加した場合に計測された暗電流をグラフ化したものである。但し、図３に例示するように、暗電流はメサ構造の周囲長さが増大するにつれて減少し、他方で各メサ構造で構成される素子の不良率（含まれる欠陥の数が所定値以上である確率）は、メサ構造の周囲長さが増大すると伴って増大する。これは、メサ構造の周囲長さが増大し、メサ構造の断面積が増大することで欠陥が含まれ易くなるからである。尚、図３に示すのはＰＩＮ型のフォトダイオード（受光領域の形成に係るｉ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ型半導体層の厚さは２００ｎｍで、欠陥密度が６×１０９／ｃｍ２）である単体のメサ構造（個別受光領域）について、メサ構造の直径−暗電流の関係と直径−不良率の関係を示すグラフである。
【００５１】
図３に示したのは単体のメサ構造についての暗電流と不良率であるが、本実施形態では複数のメサ構造（個別受光領域）を電気的に接続して面配列受光素子を形成するため、１つのメサ構造（個別受光領域）当たりの不良率および暗電流を極力小さくしておく必要がある。図３からは、メサ構造の直径が５００μｍ付近から不良率が急激に上昇していることが分かる。そのため、暗電流を小さくすることと考え併せて、メサ構造の直径を約５００μｍとすることを１つの基準とすることができる。また、断面が四角形である場合には、その一辺が約５００μｍであることが好ましい。但し、ここで例示したのは、特定の素子についての暗電流と不良率とを元にして導出された値であり、他の素子を用いた場合には、好ましいメサ構造の直径や周囲長の値が異なることもある。
【００５２】
また、受光素子を火炎センサとして用いるためには火炎の光を選択的に吸収することが要求されるのは当然のことである。図４に示すのは、メタンを燃焼させた際に発生する火炎の発光スペクトルと、太陽光のスペクトルと、照明機器などによる室内光のスペクトルである。火炎の発光スペクトルにはＯＨラジカルの発光に起因する３１０ｎｍ付近のピークが最も大きく見られ、そのピークのすそが波長約３４０ｎｍ付近にまで広がっている。また、短波長側には波長約２７０ｎｍ付近の小さなピークと、波長約２８０ｎｍ〜波長約３００ｎｍに見られるピークとが存在する。従って、火炎の発光のみを感度良く検出するためには、紫外線受光素子において吸収される光に含まれる火炎の光強度をできるだけ大きくし、逆に吸収される光に含まれる太陽光および室内光の光強度をできるだけ小さくすればよい。例えば、吸収される光に含まれる火炎の光強度の割合を大きくするために、上述したピーク波長付近に受光層のバンドギャップエネルギを設定すること、或いは、紫外線受光素子の光入射側に光フィルタを装着して太陽光や室内光を遮断することなどが行われる。尚、ここに記載した火炎の発光スペクトルは燃焼されるガスの成分などによって変化することもある。
【００５３】
受光素子を火炎センサとして用いるためには、太陽光線や室内光に応答がなく、且つ火炎の紫外領域の発光２８０ｎｍ以下に応答するものが最も汎用性が高いが、一般的に波長２８０ｎｍ以下の光強度は１ｎＷ／ｃｍ２程度しか期待できず、設置角度や火炎からの距離の問題でさらに低くなることが予想される。また、３２０ｎｍ以下の光を全て検出する構成であっても、高々１０ｎＷ／ｃｍ２程度の光強度しか期待できない。
【００５４】
このため、火炎の点灯を示す光信号は内部増幅をしない受光素子であるＰＩＮダイオード、ＰＮフォトダイオード、またはショットキーダイオードにおいて、波長２８０ｎｍ以下の光を検知する場合は、２ｐＡ／ｍｍ２、３２０ｎｍ以下の光を含んで検知をする場合でも、２０ｐＡ／ｍｍ２程度の大きさの光電流出力しか期待できない。このため、発生する光電流と暗電流とを明確に区別するためには、各個別受光領域での暗電流が１ｐＡ／ｍｍ２以下であることは必要最小限度として要求される。
【００５５】
従って、１（Ｖ）の逆バイアス電圧を印加した際に計測される暗電流が１ｐＡ／ｍｍ２以下であれば、微弱な光が照射された場合に発生する光電流と暗電流とを区別して検出することができるため、それを選別条件として個別受光領域の性能試験を行う。その結果、図１（ａ）の右下の受光領域（図１（ｂ）の右端の受光領域）の暗電流が上述の選別条件を満たすことができなかったため、ボンディングワイヤ１１によって接続されておらず、面配列型受光素子から排除されている。
【００５６】
但し、火炎センサは、２ｐＡ／ｍｍ２が一般的な光電流出力の期待値であり、ＯＨラジカルによる波長約３１０ｎｍ周辺の高輝度の発光を使える場合でも、２０ｐＡ／ｍｍ２の光電流出力が限界である。実際には、これよりも低い光電流出力しか得られない場合に対しても余裕をもった設計が必要である。一般にこのような微小電流の測定には、積分時間が必要であり、従来の受光管と同じ時間程度で積分することを求める必要がある。１０ｐＡ以下の光電流であれば、１６ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃ以上の積分時間が必要であるため、所望の応答時間を実現するには、１０ｐＡ以上の光電流出力が常に期待できる水準であり、応答速度が維持できる水準として、望ましくは１００ｐＡ程度の光電流出力を有するものが必要である。従って、できるだけ大きな項電流出力を得るためには、性能試験を経て選別され、電気的に共通に接続された電極８（ｐ電極）および電極７（ｎ電極）に挟まれる個別受光領域のそれぞれによる入射断面１０の断面積の合計は５ｍｍ２、好ましくは５０ｍｍ２必要であり、少なくとも１ｍｍ２は必要である。
【００５７】
次に、火炎の光を検出対象光とした場合の面配列型受光素子（火炎センサ）において、各窒化物半導体層のバンドギャップエネルギについて説明する。
まず、ｉ型窒化物半導体層４（ＡｌｚＧａ１−ｚＮ：０≦ｚ≦１）のバンドギャップエネルギを所望の値に設定するために、そのアルミニウム組成比ｚを調整することが行われる。例えば、波長約３４４ｎｍ以下の波長域に広がる検出対象波長域にある火炎の光を選択的に受光することのできる火炎センサを作製したい場合には、受光領域（ｉ型窒化物半導体層４）のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上となることで、３．６ｅＶ以上のエネルギを有する光が選択的に吸収されるように、アルミニウム組成比ｚ＝０．０５、或いはそれ以上となるように成膜される。或いは、約３００ｎｍ以上の波長域に含まれる、各種照明機器からの光（室内光）を受光せずに、検出対象波長域にある火炎の光を受光するような火炎センサを作製したい場合には、受光領域（ｉ型窒化物半導体層４）のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上となることで、４．１ｅＶ以上のエネルギを有する光が選択的に吸収されるように、アルミニウム組成比ｚ＝０．２５、或いはそれ以上となるように成膜される。また或いは、約２８０ｎｍ以上の波長域に含まれる、太陽光からの光を受光せずに、検出対象波長域にある火炎の光のみを受光するような火炎センサを作製したい場合には、受光領域（ｉ型窒化物半導体層４）のバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上となることで、４．４ｅＶ以上のエネルギを有する光が選択的に吸収されるように、アルミニウム組成比ｚ＝０．３７、或いはそれ以上となるように成膜される。
【００５８】
或いは、弱い光強度であれば太陽光などの外乱光が受光領域において吸収されても構わない場合には、受光領域（ｉ型半窒化物導体層４）のバンドギャップエネルギが４．３ｅＶ以上（波長約２９０ｎｍ以下）となることで、４．３ｅＶ以上のエネルギを有する光が選択的に吸収されるように、アルミニウム組成比ｚ＝０．３１、或いはそれ以上となるように成膜される。波長約２９０ｎｍ以下では図４に示すようにそれらの外乱光の光強度が非常に小さくなり、他方で火炎の光は大きいので、結果として火炎の光が存在することを検知することができる。
【００５９】
更に、火炎センサとして使用される紫外線受光素子が給湯器内部やエンジン内部などの閉鎖空間に設置され、そこでの火炎の発光を検出したい場合には、上述した室内光や太陽光が存在しないため、それらの存在を考慮する必要はない。そのため、検出対象波長域にある火炎の光の中でも特に炭化水素を含む化合物（都市ガスに含まれるメタンや、エンジンで燃焼される燃料）を燃焼させた場合に観測されるＯＨラジカルの発光に起因する発光ピーク（波長約３１０ｎｍ（３１０ｎｍ±１０ｎｍ）：４．０ｅＶ）の光を選択的に受光することのできる紫外線受光素子を作製する場合には、受光領域のバンドギャップエネルギを４．０ｅＶ付近に設定し、約４．０ｅＶ以上のエネルギを有する光が選択的に吸収されるように、アルミニウム組成比ｘ＝０．２３となるように成膜すればよい。
【００６０】
従って、図１に示した面配列型受光素子を火炎センサに使用する場合を想定すると、受光領域の形成に係るｉ型窒化物半導体層（ｉ−ＡｌｚＧａ１−ｚＮ）４のアルミニウム組成比は０．２≦ｚ≦１であることが好ましく、受光領域にとっての透過窓層として作用させるｎ型窒化物半導体層（ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）３のアルミニウム組成比は０．３≦ｘ≦１であることが好ましく、そして、ｐ型窒化物半導体層（ｐ−ＡｌｙＧａ１−ｙＮ）５のアルミニウム組成比は０．２≦ｙ≦１であることが好ましい。
【００６１】
また、受光領域のバンドギャップエネルギを調整するだけでなく、受光領域の光入射面側（本実施形態では基板側）に配置される半導体層のバンドギャップエネルギが、受光領域のバンドギャップエネルギ以上であるように構成し、光損失の少ない窓層として作用させることも行われる。言い換えると、ｎ型窒化物半導体層（ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）３のバンドギャップエネルギを、受光領域として作用するｉ型窒化物半導体層（ＡｌｚＧａ１−ｚＮ）４のバンドギャップエネルギ以上に設定したヘテロ構造を採用することで、ｉ型窒化物半導体層４で吸収されるべき波長範囲の光が、ｎ型窒化物半導体層３で光吸収や光散乱などによる光損失を被らないように設計することができる。この場合、アルミニウム組成比ｘ、ｚの関係は、ｘ＞ｚである。
【００６２】
例えば、ｎ型窒化物半導体層（ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）３のアルミニウム組成比ｘ＝０．３とした場合には、波長約２９０ｎｍ以上の光をｉ型窒化物半導体層４側に良好に透過させることができる。更に、ｎ型窒化物半導体層３においては、波長約２９０ｎｍよりも短い波長の光を吸収するため、ｉ型窒化物半導体層（ＡｌｚＧａ１−ｚＮ）４のアルミニウム組成比をｚ＝０．２とした場合には、ｉ型窒化物半導体層４において波長約２９０ｎｍ〜約３１０ｎｍの光を選択的に吸収する紫外線受光素子が得られる。
【００６３】
上述のように、受光領域の形成に係る半導体層のバンドギャップエネルギと、それよりも光入射面側に配置される半導体層のバンドギャップエネルギとを調整することで、所定の波長範囲の光を選択的に吸収し、光キャリアを発生させる紫外線受光素子を作製することができる。このような紫外線受光素子の応用例としては、ＵＶ−Ａ（波長３１５ｎｍ〜波長４００ｎｍ）、ＵＶ−Ｂ（波長２８０ｎｍ〜波長３１５ｎｍ）、ＵＶ−Ｃ（波長２８０ｎｍ〜波長１００ｎｍ）といった波長範囲に存在する紫外線の強度を測定するための素子が挙げられる。
【００６４】
例えば、ＵＶ−Ｂの光を選択的に検出する紫外線受光素子を作製する場合には、ｎ型窒化物半導体層１３のバンドギャップエネルギをＵＶ−Ｂの短波長端である約４．４ｅＶ（波長２８０ｎｍ）に設定し、受光領域の形成に係るｉ型窒化物半導体層４のバンドギャップエネルギをＵＶ−Ｂの長波長端である約３．９ｅＶ（波長３１５ｎｍ）に設定すればよい。上述の条件は、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮのアルミニウム組成比ｘを約０．３５とし、ｉ−ＡｌｚＧａ１−ｚＮのアルミニウム組成比ｚを約０．１９とすることで満たされる。つまり、ＵＶ−Ｂの波長範囲である３５ｎｍの範囲の光を選択的に検出するためには、ｘ＝ｚ＋０．１６となるように各アルミニウム組成比ｘ、ｚを調整すればよい。
【００６５】
図６に断面図で示す面配列型受光素子は、メサ構造の個別受光領域の配置などは図１（ａ）および図１（ｂ）に例示した面配列型受光素子と類似であるが、基板の材料にＺｒＢ２基板を使用している点で異なっている。
具体的には、ＺｒＢ２基板２１上に、低温堆積緩衝層２２と、ｎ型窒化物半導体層２３と、ｉ型窒化物半導体層２４と、ｐ型窒化物半導体層２５と、コンタクト層２６とを順次堆積し、コンタクト層２６とｐ型窒化物半導体層２５とｉ型窒化物半導体層２４とｎ型窒化物半導体層２３とを部分的にドライエッチングにより除去することで、受光面９に対して垂直方向に形成される絶縁領域１３によって受光領域の形成に係る半導体層が分断される。次に、露出されたｎ型窒化物半導体層２３およびメサ構造の表面に絶縁性の保護膜１４を形成した後、ｎ型窒化物半導体層２３およびコンタクト層２６とが部分的に露出するようにその保護膜１４の一部を除去し、コンタクト層２６の露出面に電極２８（ｐ電極）を形成する。更に、ＺｒＢ２基板２１の少なくとも一部をＨＦ／ＨＮＯ３の混合溶液などを用いて除去し、残されたＺｒＢ２基板２１の表面に金属層２７を堆積させ、残されたＺｒＢ２基板２１と上記金属層２７とを合わせて電極（ｎ電極）とする。そして、露出した受光面９から、受光領域として作用するｉ型窒化物半導体層２４の入射断面１０へ光が導入され、受光領域において光吸収が行われる。
【００６６】
素子の具体的な構造としては、低温堆積緩衝層２２は１０５０℃以下の基板温度で堆積されたＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０．３≦ｗ≦１）であり、ｎ型窒化物半導体層２３は単結晶のｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦１）（厚さ１μｍ）であり、ｉ型窒化物半導体層２４はアンドープの単結晶ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）（厚さ０．１〜０．２μｍ）であり、ｐ型窒化物半導体層２５は単結晶のｐ−ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）（厚さ８０ｎｍ）であり、コンタクト層２６はｐ−ＧａＮ（厚さ２０ｎｍ）である。電極２７（ｎ電極）は、ｎ型窒化物半導体層２３との間でオーミックな接触を形成することのできるようなアルミニウム：Ａｌ、金：Ａｕ、ニッケル：Ｎｉ等の金属やＺｒＢ２などの化合物を用いて作製され、電極２８（ｐ電極）は、コンタクト層２６との間でオーミックな接触を形成することのできるように、単一または複数種の金属（例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ等）を用いた単層または複数層の電極で構成される。保護膜１４としては、ＣＶＤ法などの通常の成膜方法を用いて堆積されるＳｉＯ２やＳｉＮなどが使用可能であるが、受光素子の使用温度範囲内で耐熱性のある材料であれば他の材料に置き換えることもできる。
【００６７】
基板材料として使用したＺｒＢ２基板の結晶成長面の格子間隔（約２．７５Å）と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）の格子定数（約３．１Å〜約３．２Å）とは近い値であるため、ＺｒＢ２基板上に堆積される結晶に加わる応力を小さくすることができる。更に、ＺｒＢ２基板の結晶成長面の格子間隔と、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの格子定数との間の更なる格子整合のためにＺｒＢ２基板上に低温堆積緩衝層を設けたことで、格子不整合により発生し得る半導体中の欠陥を少なくさせることができる。
【００６８】
ｎ型窒化物半導体層２３、ｉ型窒化物半導体層２４、およびｐ型窒化物半導体層２５のバンドギャップエネルギの設計は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示した面配列型受光素子の場合と同様である。窒化物緩衝層２２のバンドギャップエネルギは、受光面９側から照射された信号光を透過させて、ｉ型窒化物半導体層２４に良好に入射させるように、ｎ型窒化物半導体層２３のバンドギャップエネルギ以上である必要がある。従って、窒化物緩衝層（ＡｌｗＧａ１−ｗＮ）２２のアルミニウム組成比ｗの値は、ｎ型窒化物半導体層（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ）２３のアルミニウム組成比ｘの値以上であることが必要である。
【００６９】
＜別実施形態＞
＜１＞
以上の実施形態では、ＰＩＮ接合型のフォトダイオード構造を用いた面配列型受光素子の例を挙げて説明を行ったが、他にも図７に例示するＰＮ接合型のフォトダイオード構造や、図８に例示するショットキー型のフォトダイオード構造を用いた面配列型受光素子であっても構わない。また、図１および図６に例示したように基板材料を変更することも可能である。
【００７０】
図７に示す面配列型受光素子（ＰＮ接合型のフォトダイオード）は、基板１上に、ＡｌＮ層２と、ｎ型窒化物半導体層３と、ｐ型窒化物半導体層５と、コンタクト層６とを順次堆積し、コンタクト層６とｐ型窒化物半導体層５とｎ型窒化物半導体層３とを部分的にドライエッチングにより除去することで、受光面９に対して垂直方向に形成される絶縁領域１３によって受光領域の形成に係る半導体層が分断される。次に、露出されたｎ型窒化物半導体層３およびメサ構造の表面に絶縁性の保護膜１４を形成した後、ｎ型窒化物半導体層３およびコンタクト層６とが部分的に露出するようにその保護膜１４の一部を除去し、ｎ型窒化物半導体層３の露出面に電極７（ｎ電極）を形成し、コンタクト層６の露出面に電極８（ｐ電極）を形成する。この場合、ｎ型窒化物半導体層３とｐ型窒化物半導体層５との間の空乏領域が受光領域として作用する。そして、入射断面１０へは、受光面９側から光が導入され、受光領域において光吸収が行われる。各半導体層のバンドギャップエネルギの値については、信号光の波長範囲や、受光領域へ大きな強度の信号光を到達させることを目的として、上述の実施形態と同様に設計することができる。
【００７１】
図８に示す面配列型受光素子（ショットキー型のフォトダイオード）は、基板１上に、ＡｌＮ層２と、ｎ型窒化物半導体層３と、高抵抗なｉ型窒化物半導体層４とを順次堆積し、ｉ型窒化物半導体層４とｎ型窒化物半導体層３とを部分的にドライエッチングにより除去することで、受光面９に対して垂直方向に形成される絶縁領域１３によって受光領域の形成に係る半導体層が分断される。次に、露出されたｎ型窒化物半導体層３およびメサ構造の表面に絶縁性の保護膜１４を形成した後、ｎ型窒化物半導体層３およびｉ型窒化物半導体層４とが部分的に露出するようにその保護膜１４の一部を除去し、ｎ型窒化物半導体層３の露出面に電極７（ｎ電極）を形成し、ｉ型窒化物半導体層４の表面に電極１２（ショットキー電極）を形成する。この場合、ｉ型窒化物半導体層４とショットキー電極１２との間の空乏領域が受光領域として作用する。そして、入射断面１０へは、受光面９側から光が導入され、受光領域において光吸収が行われる。尚、図８中では受光領域としてアンドープのｉ型窒化物半導体層４を用いた場合について説明したが、それに代えてｎ型窒化物半導体層３よりも高抵抗なｎ−型窒化物半導体層（ｎ−−ＡｌｚＧａ１−ｚＮ：０≦ｚ≦１）を用いることもできる。各半導体層のバンドギャップエネルギの値については、信号光の波長範囲や、受光領域へ大きな強度の信号光を到達させることを目的として、上述の実施形態と同様に設計することができる。
【００７２】
＜２＞
上述の実施形態では、各電極８（或いは、電極１２）をボンディングワイヤ１１を用いて互いに接続していたが、その接続手段はボンディングワイヤに限定されるものではない。例えば、性能の良好な個別受光領域を備えたメサ構造上に設けられた電極８（或いは、電極１２）の上に導電性の接着剤（またはそれに代わるもの）を塗布し、その上に金属製の平板を設けることで、所望の電極８（或いは、電極１２）のみが互いに電気的に共通となるように接続される。
【００７３】
＜３＞
上述の実施形態では、各個別受光領域が所定の特性を呈するか否かの判定が、逆バイアス電圧を印加した場合の暗電流が所定値以下であるか否かで行われているが、個別受光領域に要求される特性はそれに限定されない。例えば、各個別受光領域を加熱して熱電子放出特性を測定し、放出される熱電子量の少ない個別受光領域を選別するような判定方法もある。
【００７４】
＜４＞
上述の実施形態では、所定の特性を呈する個別受光領域の全てを選択的に面配列受光素子に組み入れる場合について説明したが、所定の特性を呈する個別受光領域の一部のみを選択的に面配列受光素子に組み入れてもよい。例えば、個別受光領域に対して要求されている暗電流の上限値に加えて、面配列型受光素子における暗電流合計の上限値が条件として設定されている場合、暗電流の小さい個別受光領域から順番に選択して両電極を共通に接続し、それらの暗電流の和が面配列型受光素子における暗電流合計の上限値に達した時点で個別受光領域の選択を中止する方法もある。
【００７５】
＜５＞
上述の受光素子で設けられている各電極の表面に、電極保護用の金属層を堆積させることもできる。例えば、図１（ｂ）に例示した受光素子の電極７及び電極８を他の金属層で覆い、電極７及び電極８を保護するような構成にすることもできる。また、図６に例示した受光素子の金属層２７は、電極を構成するＺｒＢ２基板２１の保護部として機能している。そして、ワイヤボンディングの際の電気的な接続性を良好にするためには、上記金属層は少なくとも金を含んで構成されることが好ましい。更に、ワイヤボンディングの作業を行うためには、金属層は厚く堆積されている方が好ましく、例えば５０ｎｍ〜１００ｎｍ以上の厚さに堆積される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る面配列型受光素子の上面図であり、（ｂ）は（ａ）の線ａ−ａ’に沿った断面図である。
【図２】逆バイアス電圧と暗電流との関係を示すグラフである。
【図３】メサ構造の直径と、暗電流および不良率の関係を示すグラフである。
【図４】太陽光、室内光、および火炎の光のスペクトルを示すグラフである。
【図５】ＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギとアルミニウム組成比との関係を示すグラフである。
【図６】別の面配列型受光素子の断面図である。
【図７】別の面配列型受光素子の断面図である。
【図８】別の面配列型受光素子の断面図である。
【符号の説明】
１  基板
２  ＡｌＮ層
３  ｎ型窒化物半導体層
４  ｉ型窒化物半導体層
５  ｐ型窒化物半導体層
６  コンタクト層
７  電極（ｎ電極）
８  電極（ｐ電極）
９  受光面
１０  入射断面
１１  ボンディングワイヤ
１２  電極（ショットキー電極）
１３  絶縁領域
１４  保護膜
【図１】
2004288925.tif 000003
【図２】
2004288925.tif 000004
【図３】
2004288925.tif 000005
【図４】
2004288925.tif 000006
【図５】
2004288925.tif 000007
【図６】
2004288925.tif 000008
【図７】
2004288925.tif 000009
【図８】
2004288925.tif 000010