(57)【要約】【課題】  低貫通転位の窒化物半導体基板層上に、高品質のＡｌＧａＮを主とする受光層を形成することで、火炎センサとして使用可能な高性能なＧａＮ系化合物半導体受光素子を提供する。【解決手段】  一または複数の窒化物半導体層からなる下部半導体層１０と、下部半導体層１０上に形成された下部半導体層１０中の最大格子間隔より格子間隔の狭いＧａＮ系化合物半導体からなる上部半導体層１６，１７と、上部半導体層１６，１７上に、或いは、上部半導体層の表面層１７を含む上方に形成されたＡｌＧａＮを主とする受光層２０と、を備えてなり、第１層目の上部半導体層１６をＳｉを不純物として添加して成長させた後、第２層目の上部半導体層１７を前記不純物の添加を行わずに成長させる。【選択図】  図１
2005235910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一または複数の窒化物半導体層からなる下部半導体層と、
前記下部半導体層上に形成された前記下部半導体層中の最大格子間隔より格子間隔の狭いＧａＮ系化合物半導体からなる上部半導体層と、
前記上部半導体層上に、或いは、前記上部半導体層の表面層を含む上方に形成されたＡｌＧａＮを主とする受光層と、を備えてなり、
前記上部半導体層は、Ｓｉを不純物として添加して成長させた後、前記不純物の添加を行わずに成長させて形成されることを特徴とするＧａＮ系化合物半導体受光素子。
【請求項２】
前記下部半導体層は、基板上に形成された低温成長によるＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とするバッファ層と、前記バッファ層の上に形成されたＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とする第１半導体層と、前記第１半導体層の上に形成された前記第１半導体層表面を部分的に被覆するマスクパターン層と、前記マスクパターン層によって被覆されずに露出している前記第１半導体層の露出表面と前記マスクパターン層上に、前記第１半導体層表面と平行な方向に前記マスクパターン層から前記露出表面中央に向けて離間するほど厚くなるように、前記マスクパターン層のエッジ部分に沿った傾斜面を有する山形状に形成されたＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とするシード結晶層と、前記シード結晶層の上に直接にまたは低温成長によるＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とするバッファ層を形成した後に形成されたＡｌＧａＮを主とする第２半導体層と、を有することを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
【請求項３】
前記下部半導体層は、表面上に面内に分散した溝状または島状の窪みを有する基板上に、直接または低温成長によるＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とするバッファ層を形成した後に、前記基板表面と平行な方向に前記窪みの中心ほど厚くなるように、前記窪みのエッジ部分に沿った傾斜面を有する山形状に形成されたＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とするシード結晶層と、前記山形状のシード結晶層の上に、直接にまたは低温成長によるＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とするバッファ層を形成した後に形成されたＡｌＧａＮを主とする半導体層と、を有することを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系化合物半導体素子。
【請求項４】
前記受光層が、前記上部半導体層側にｐ型ＡｌＧａＮ層を配置したＰＩＮ接合型フォトダイオード構造を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
【請求項５】
前記受光層が、前記上部半導体層側にｎ型ＡｌＧａＮ層を配置したＰＩＮ接合型フォトダイオード構造を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
【請求項６】
前記受光層が、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｉ型ＡｌＧａＮ層の間に、超格子構造によりＡｌＮ組成比が前記ｉ型ＡｌＧａＮ層と同じ或いはより大きくなるように形成されたｐ型ＡｌＧａＮ超格子層を有することを特徴とする請求項４または５に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
【請求項７】
前記受光層が、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｉ型ＡｌＧａＮ層の間に、超格子構造により前記ｐ型ＡｌＧａＮ層より大きいＡｌＮ組成比となるように形成されたｐ型ＡｌＧａＮ超格子層を有することを特徴とする請求項４〜６の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
【請求項８】
前記受光層のｉ型ＡｌＧａＮ層のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上であることを特徴とする請求項４〜７の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
【請求項９】
前記受光層のｉ型ＡｌＧａＮ層のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上であることを特徴とする請求項４〜７の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
【請求項１０】
前記受光層のｉ型ＡｌＧａＮ層のバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上であることを特徴とする請求項４〜７の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線センサ等に応用可能なＧａＮ系化合物半導体受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系化合物半導体（一般式：ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ）は直接遷移型のエネルギバンド構造を有し、そのバンドギャップエネルギが室温で１．９ｅＶ〜６．２ｅＶに及ぶワイドバンドギャップであるため、紫外域から可視光域をカバーする発光ダイオード、レーザダイオード、及び、紫外線センサ等の受光素子として広範な応用が可能である。一般的に、検出対象とする波長範囲の光に対して感度を有する材料であれば受光素子として利用することができる。例えば、炭化水素が燃焼した場合に紫外域に現れる発光を選択的に検出することが要求される紫外線受光素子（火炎センサ）の場合には、紫外域に感度を有する材料として、ＡｌＧａＮ等のＧａＮ系化合物半導体が用いられる。ここで、受光領域のデバイス構造としては、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、フォトトランジスタ構造等が考えられる。しかし、火炎センサに応用する場合、受光素子の性能として幾つかの要求を満たさなければならない。
【０００３】
先ず、室内光や太陽光等の外乱光と区別して火炎光のみを選択的に受光するために、外乱光スペクトルの短波長端をカットオフ波長（感度域の長波長端）として設定すべく、受光領域を形成するＡｌｘＧａ１−ｘＮのバンドギャップエネルギ、つまり、ＡｌＮ組成比ｘ（ＡｌＮモル分率ともいう）を調整しなければいけない。しかし、欠陥準位や三元混晶による組成ずれによりバンドギャップ内に準位が形成され、これがカットオフ波長の長波長側でも感度を生じさせ、当該波長に対して光吸収が行われることで感度差が小さくなり、つまり、選択性が低下する。特に、ＡｌＮ組成比が大きくなる程に顕著となり、火炎センサとしての応用において、特に重要な課題となる。
【０００４】
また、受光素子に照射される火炎光が微弱である場合には、発生するキャリアの数と、膜中の欠陥準位にトラップされるキャリアの数とが競合するような関係になり、光照射に対する応答速度が非常に遅くなる場合がある。更に、トラップ準位からのキャリアの放出が温度に対して非常に敏感であるため、温度上昇に伴って急激にキャリアの放出が行われて暗電流が増加する場合がある。暗電流が大きいと、微弱な火炎光を吸収して発生した光電流が暗電流に埋もれてしまうため、この暗電流を非常に低いレベルにまで低減することが必要となる。
【０００５】
従って、紫外域の微弱な照射光を高温条件下で測定する必要がある火炎センサにとっては、受光領域のＡｌＧａＮのＡｌＮ組成比を所定のカットオフ波長となるように設定するとともに、当該ＡｌＮ組成比に対して、結晶品質が良好であり、キャリアをトラップする再結合中心となり得る貫通転位等の少ない半導体層をデバイス層（受光層）として得ることが必須の要件となる。
【０００６】
従来、デバイス層中の貫通転位密度をできるだけ低いレベルに低減するために、サファイア等の平坦性の高い基板上に、数１０ｎｍの厚さで低温堆積されたバッファ層（例えば、約１０５０℃以下の基板表面温度で成長）を設け、その上に受光領域を含むデバイス層を形成して受光素子を作製する方法がある。ここで、低温堆積されたバッファ層を設ける理由は、サファイア基板の結晶成長面の格子間隔（約０．２７５ｎｍ）と、受光領域のＡｌＧａＮの格子間隔（約０．３１〜約０．３２ｎｍ）との間の格子不整合を緩和し、格子不整合により発生し得る受光領域中の貫通転位を少なくさせることにある。
【０００７】
また、サファイア基板とデバイス層との間に単層のバッファ層ではなく、複数のバッファ層を設ける方法もある（例えば、下記の非特許文献１に開示されている）。例えば、サファイア基板上に、ＡｌＮからなる低温堆積バッファ層と、ＧａＮからなる結晶改善層と、ＡｌＮからなる低温堆積中間層という多層の窒化物半導体基板層（下地構造）を設け、その上にデバイス層を設けることで、単層のバッファ層を設けた場合以上に、基板と受光領域との間の格子不整合を緩和することが可能となる。これは、低温堆積中間層を介しても、低温堆積中間層上に成長させるＡｌＧａＮ層がＧａＮからなる結晶改善層の結晶品質を引き継いで成長する性質があり、しかも、低温堆積中間層によって、ＧａＮとＡｌＧａＮとの間の格子不整合によって、ＡｌＧａＮ層が臨界膜厚（弾性限界）を超えるとクラックが生じるという問題を解決できるためである。
【非特許文献１】Ｍ．  Ｉｗａｙａ，他，”Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｅｔｃｈ  Ｐｉｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｉｎ  Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｖａｐｏｒ  ＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ−Ｇｒｏｗｎ  ＧａＮ  ｏｎ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｂｙ  Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−Ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ  Ｂｕｆｆｅｒ  Ｌａｙｅｒ  ｂｅｔｗｅｅｎ  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−Ｇｒｏｗｎ  ＧａＮ”，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．３７  ｐｐ．Ｌ３１６−Ｌ３１８，１９９８年３月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、後者の多層の窒化物半導体基板層の場合でも、ＡｌＮ組成比が２０％以上では、貫通転位密度が１０９ｃｍ−２オーダーとなり、火炎センサとして使用するには、貫通転位が十分に低いレベルとはなっていなかった。
【０００９】
そこで、かかるデバイス層の下地構造となる窒化物半導体基板層を更に低貫通転位密度に形成することで、デバイス層の性能を向上させ、火炎センサとしての使用に耐え得る受光素子の実現が期待される。
【００１０】
このような低貫通転位密度の窒化物半導体基板層の作製技術として、ヘテロＥＬＯ（ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｌａｔｅｒａｌ  ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）技術が注目されている。ヘテロＥＬＯは、従来のＥＬＯを高いＡｌＮ組成比のＡｌＧａＮの低貫通転位化へ応用するために開発されたもので、ヘテロＥＬＯ窒化物半導体基板層を紫外線ＬＥＤに応用した研究発表等がなされている。
【００１１】
本発明の目的は、低貫通転位の窒化物半導体基板層上に、高品質のＡｌＧａＮを主とする受光層を形成することで、火炎センサとして使用可能な高性能なＧａＮ系化合物半導体受光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的を達成するための本発明に係るＧａＮ系化合物半導体受光素子の第一の特徴構成は、一または複数の窒化物半導体層からなる下部半導体層と、前記下部半導体層上に形成された前記下部半導体層中の最大格子間隔より格子間隔の狭いＧａＮ系化合物半導体からなる上部半導体層と、前記上部半導体層上に、或いは、前記上部半導体層の表面層を含む上方に形成されたＡｌＧａＮを主とする受光層と、を備えてなり、前記上部半導体層は、Ｓｉを不純物として添加して成長させた後、前記不純物の添加を行わずに成長させて形成される点にある。
【００１３】
上記第一の特徴構成によれば、上部半導体層の格子間隔が下部半導体層中の最大格子間隔より狭いため、結晶成長時に下部半導体層からの横方向（基板表面に平行な方向、ｃ軸と垂直な方向）から格子間隔を広げる方向への引っ張り応力が作用する。この結果、上部半導体層が弾性限界（臨界膜厚）を超えて堆積するとクラックが発生するが、Ｓｉ（シリコン）を不純物として添加することで、上方向（基板表面に垂直な方向、ｃ軸方向）での成長が促進されるため、通常の臨界膜厚以内でも幅がナノメートルオーダーの微小なクラック（ナノクラック）が発生する。引き続き、Ｓｉの添加を止めて結晶成長を続けると、抑制されていた横方向への成長が復帰して、ナノクラックを覆うように横方向及び上方へ成長する。この横方向成長により、上部半導体層内の転位が横方向に結合して減少するため、上部半導体層の表面へ貫通する貫通転位が減少して低貫通転位の上部半導体層が得られる。この結果、低貫通転位の上部半導体層上の受光層の結晶品質として良好なものが得られ、急峻な感度特性を有し、低暗電流の火炎センサとして使用し得る高性能な受光素子を実現することができる。
【００１４】
同第二の特徴構成は、上記第一の特徴構成に加えて、前記下部半導体層は、基板上に形成された低温成長によるＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とするバッファ層と、前記バッファ層の上に形成されたＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とする第１半導体層と、前記第１半導体層の上に形成された前記第１半導体層表面を部分的に被覆するマスクパターン層と、前記マスクパターン層によって被覆されずに露出している前記第１半導体層の露出表面と前記マスクパターン層上に、前記第１半導体層表面と平行な方向に前記マスクパターン層から前記露出表面中央に向けて離間するほど厚くなるように、前記マスクパターン層のエッジ部分に沿った傾斜面を有する山形状に形成されたＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とするシード結晶層と、前記シード結晶層の上に直接にまたは低温成長によるＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とするバッファ層を形成した後に形成されたＡｌＧａＮを主とする第２半導体層とを有する点にある。
【００１５】
同第三の特徴構成は、上記第一の特徴構成に加えて、前記下部半導体層は、表面上に面内に分散した溝状または島状の窪みを有する基板上に、直接または低温成長によるＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とするバッファ層を形成した後に、前記基板表面と平行な方向に前記窪みの中心ほど厚くなるように、前記窪みのエッジ部分に沿った傾斜面を有する山形状に形成されたＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とするシード結晶層と、前記山形状のシード結晶層の上に、直接にまたは低温成長によるＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とするバッファ層を形成した後に形成されたＡｌＧａＮを主とする半導体層とを有する点にある。
【００１６】
上記第二または第三の特徴構成によれば、ヘテロＥＬＯ技術を応用して作製されたシード結晶層上の第２半導体層または半導体層が低貫通転位に作製されるため、第２半導体層または半導体層の上に形成される上部半導体層に、第２半導体層または半導体層の結晶品質が引き継がれ、更に、上記第一の特徴構成の効果を発揮して、最終的に上部半導体層の表面での貫通転位密度を大幅に低減できる。
【００１７】
同第四の特徴構成は、上記何れかの特徴構成に加えて、前記受光層が、前記上部半導体層側にｐ型ＡｌＧａＮ層を配置したＰＩＮ接合型フォトダイオード構造を有する点にある。
【００１８】
上記第四の特徴構成によれば、受光層のＰＩＮ接合型のフォトダイオードのｎ型ＡｌＧａＮ層に接触するｎ型電極とｐ型ＡｌＧａＮ層に接触するｐ型電極間に逆バイアス電界を印加することにより、検出対象波長域の光エネルギによって受光領域であるｉ型ＡｌＧａＮ層で発生したキャリアを電流として外部に取り出し、検出対象波長域の光を検出することができる。また、上部から入射光を取り入れる場合に、入射光はｎ型ＡｌＧａＮ層を通過することになるが、ｎ型ＡｌＧａＮ層は、入射光の吸収を抑えるため、ＡｌＮ組成比をｉ型ＡｌＧａＮ層より大きくするのが好ましいが、ＡｌＮ組成比が大きくても十分にｎ型化（低抵抗化）するので、光電流の取り出しにおいて寄生抵抗の影響を少なくできる。
【００１９】
同第五の特徴構成は、上記第一乃至第三の何れかの特徴構成に加えて、前記受光層が、前記上部半導体層側にｎ型ＡｌＧａＮ層を配置したＰＩＮ接合型フォトダイオード構造を有する点にある。
【００２０】
上記第五の特徴構成によれば、受光層のＰＩＮ接合型のフォトダイオードのｎ型ＡｌＧａＮ層に接触するｎ型電極とｐ型ＡｌＧａＮ層に接触するｐ型電極間に逆バイアス電界を印加することにより、検出対象波長域の光エネルギによって受光領域であるｉ型ＡｌＧａＮ層で発生したキャリアを電流として外部に取り出し、検出対象波長域の光を検出することができる。また、上部から入射光を取り入れる場合に、入射光はｐ型ＡｌＧａＮ層を通過することになるが、ｐ型ＡｌＧａＮ層の最上層にＡｌＮ組成比２０％以下のｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を設け、ｐ型電極とのオーミック接触を確保し、且つ、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の膜厚を最小限に薄くして当該コンタクト層での入射光の吸収を防止することで、火炎センサとして使用し得る受光素子が実現できる。
【００２１】
同第六の特徴構成は、上記第四または第五の特徴構成に加えて、前記受光層が、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｉ型ＡｌＧａＮ層の間に、超格子構造によりＡｌＮ組成比が前記ｉ型ＡｌＧａＮ層と同じ或いはより大きくなるように形成されたｐ型ＡｌＧａＮ超格子層を有する点にある。
【００２２】
上記第六の特徴構成によれば、ｉ型ＡｌＧａＮ層と隣接する側でのキャリアの拡散を防止でき受光素子として更に高感度化が図れる。また、第四の特徴構成に適用する場合、ｉ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比を３５％〜４０％程度に設定すると、ｉ型ＡｌＧａＮ層に隣接するｐ型ＡｌＧａＮ層をバルク結晶で形成すると、ＡｌＮ組成比２０％以下のｐ型ＡｌＧａＮのコンタクト層との間で格子不整合が生じるが、これを超格子構造で実現すると応力緩和がなされ、格子不整合による性能劣化を防止できる。
【００２３】
同第七の特徴構成は、上記第四乃至第六の何れかの特徴構成に加えて、前記受光層が、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｉ型ＡｌＧａＮ層の間に、超格子構造により前記ｐ型ＡｌＧａＮ層より大きいＡｌＮ組成比となるように形成されたｐ型ＡｌＧａＮ超格子層を有する点にある。
【００２４】
上記第七の特徴構成によれば、ｐ型ＡｌＧａＮ層を、ＡｌＮ組成比２０％以下のｐ型ＡｌＧａＮのコンタクト層とｉ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比と同じか、より大きいＡｌＮ組成比のｐ型ＡｌＧａＮ層の２層に分離して構成する場合に、後者のｐ型ＡｌＧａＮ層をバルク結晶で形成するのに比べて、応力緩和やキャリア拡散を抑制できる高性能、高品質なｐ型ＡｌＧａＮ層が得られる。
【００２５】
同第八の特徴構成は、上記第四乃至第七の何れかの特徴構成に加えて、前記受光層のｉ型ＡｌＧａＮ層のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上である点にある。
【００２６】
上記第八の特徴構成によれば、バンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上のＡｌＧａＮを主とする受光領域を備えることにより、３．６ｅＶ以上のエネルギを有する光が吸収されることで、波長約３４４ｎｍ（３．６ｅＶ）以下の紫外線を選択的に検出することができる。
【００２７】
更に、バンドギャップエネルギが４．１ｅＶ、４．３ｅＶ、或は、４．６ｅＶ以上のＡｌＧａＮを主とする受光領域を備えるとすれば、上記受光領域において夫々４．１ｅＶ、４．３ｅＶ、或は、４．６ｅＶ以上のエネルギを有する光が吸収されることで、波長約３００ｎｍ（４．１ｅＶ）以下、約２９０ｎｍ（４．３ｅＶ）以下、或は、約２８０ｎｍ（４．６ｅＶ）以下の波長の紫外線を上記受光領域によって検出することができる。
【００２８】
同第九の特徴構成は、上記第四乃至第七の特徴構成に加えて、前記受光層のｉ型ＡｌＧａＮ層のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上である点にある。
【００２９】
上記第九の特徴構成によれば、バンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上のＡｌＧａＮを主とする受光領域を備えることにより、４．１ｅＶ以上のエネルギを有する光が吸収されることで、波長約３００ｎｍを超える波長の光、即ち、各種照明機器などからの室内光に対しては感度を有さないので、波長約３００ｎｍ（４．１ｅＶ）以下の紫外線を含む例えば火炎光に対して選択的に感度を有する火炎センサとして使用可能な受光素子が得られる。
【００３０】
また、バンドギャップエネルギが４．３ｅＶ以上のＡｌＧａＮを主とする受光領域を備えるとすれば、４．３ｅＶ以上（波長約２９０ｎｍ以下）のエネルギを有する光が吸収されることで、紫外線受光素子に照射される光に太陽光等の外乱光が含まれていたとしても、波長約２９０ｎｍ以下ではそれらの外乱光の光強度が非常に小さくなり、波長約２９０ｎｍ以下の紫外線を含む例えば火炎光に対して選択的に感度を有する、太陽光等の外乱光の影響を極めて受けにくい紫外線受光素子（火炎センサ）を得ることができる。
【００３１】
同第十の特徴構成は、上記第四乃至第七の特徴構成に加えて、前記受光層のｉ型ＡｌＧａＮ層のバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上である点にある。
【００３２】
上記第十の特徴構成によれば、バンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上のＡｌＧａＮを主とする受光領域を備えることにより、４．４ｅＶ以上のエネルギを有する光が吸収されることで、波長約２８０ｎｍを超える波長の光、即ち、各種照明機器などからの室内光及び太陽光（自然光）に対しては感度を有さないので、波長約２８０ｎｍ（４．４ｅＶ）以下の紫外線を含む例えば火炎光に対して選択的に感度を有する火炎センサとして使用可能な受光素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明に係るＧａＮ系化合物半導体受光素子（以下、適宜「本発明素子」という。）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。
【００３４】
〈第１実施形態〉
図１に第１実施形態に係る本発明素子２の断面構造を示す。本発明素子２は、基板１上に、下部半導体層１０と上部半導体層１６，１７と受光層２０とを順次積層して形成される。ここで、基板１、下部半導体層１０、及び、上部半導体層１６，１７が、受光層２０に対する基板構造部となる。
【００３５】
図１及び図２に示すように、下部半導体層１０は、先ず、（０００１）サファイア基板１上に、３００℃〜８００℃の温度範囲内、例えば５００℃の低温でＡｌＮの低温堆積緩衝層（バッファ層）１１と、約１０００℃でＧａＮの第１半導体層１２が、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法（有機金属化合物気相成長法）を用いて順次形成される（図２（Ａ））。ここで、一旦、ＭＯＣＶＤ装置から作製途中の本発明素子２を取り出し、第１半導体層１２の表面を部分的に被覆する例えば、マスク幅及び開口幅が夫々５μｍの周期的ストライプ状のＳｉＯ２からなるマスクパターン層１３を結晶方位〈１１／２０〉（／２は上線付きの２を意味する）に沿って形成する（図２（Ｂ））。引き続き、ＭＯＣＶＤ法で、マスクパターン層１３の開口部からＧａＮの選択成長（ＥＬＯ成長）を約１０００℃で行い、マスクパターン層１３のエッジ部分に沿った、即ち、ストライプの長手方向と平行に延伸する傾斜面を有する垂直断面形状が山形状のシード結晶層１４が形成される（図２（Ｃ））。引き続き、ＭＯＣＶＤ法で、シード結晶層１４上に、直接、ＡｌＧａＮの第２半導体層１５が約１０００℃で形成される（図２（Ｄ））。第２半導体層１５が形成されると、その表面は平坦化される。
【００３６】
図１及び図２に示すように、下部半導体層１０が形成された後引き続き、表面が平坦化された第２半導体層１５上に、１層目の上部半導体層１６のＡｌＧａＮをＭＯＣＶＤ法で、第２半導体層１５と同じＡｌＮ組成比で形成する（図２（Ｅ））。ここで、上部半導体層１６の結晶成長時に、Ｓｉ（シリコン）を１０１８ｃｍ−３以上の注入濃度で添加する。他の成長条件は、第２半導体層１５と同じである。具体的には、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、Ｓｉの原料ガスとして、ＳｉＨ４（モノシラン）ガスを流しながら、Ｓｉを注入（ドープ）した上部半導体層１６を成長させる。この時、下部半導体層１０にはＡｌＧａＮより格子間隔の大きいＧａＮを含むため、Ｓｉを注入したことでより上方への成長が顕著となった上部半導体層１６に対して基板１の表面と平行な横方向への引っ張り応力が作用して、上部半導体層１６の表面に幅がナノメートルオーダーの微小クラック１８が一様に発生する。図１及び図２では、微小クラック１８を拡大して模式的に示している。
【００３７】
引き続き、ＳｉＨ４ガスの供給を停止して、２層目の上部半導体層１７のＡｌＧａＮを１層目と同条件でＭＯＣＶＤ法により成長させる（図２（Ｆ））。ここで、微小クラック１８の上には直接ＡｌＧａＮは成長しないため、１層目の上部半導体層１６の表面１６ａ（微小クラック１８以外の部分）から選択的にＡｌＧａＮが成長するが、微小クラック１８の上部が開放されており、更に、Ｓｉの注入が停止して抑制されていた横方向成長が元の状態に復帰したため、２層目の上部半導体層１７のＡｌＧａＮの選択成長部分が徐々に横方向に成長して、微小クラック１８の上部を山形形状に塞ぐ。従って、微小クラック１８は断面ダイアモンド形の微小な空間となって残される。１層目の上部半導体層１６の表面１６ａに現れた貫通転位は、２層目の上部半導体層１７内で一部が横方向に進み、他の転位と結合して低転位化が図られる。この結果、第２半導体層１５から２層目の上部半導体層１７にかけて更に貫通転位の低減が図られることになる。また、微小クラック１８によって下部半導体層１０からの引っ張り応力が緩和されるため、２層目の上部半導体層１７でのクラック発生が防止できる。
【００３８】
本実施形態では、第２半導体層１５と上部半導体層１６，１７のＡｌＮ組成比は、直接その上層に形成される受光層２０の最下層に当たるｐ型ＡｌＧａＮ層２１のＡｌＮ組成比と同じ２０％とし、格子不整合を防いでいる。
【００３９】
図１に示すように、上記要領で形成された下部半導体層１０と上部半導体層１６，１７を備えた基板構造部の上に、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２２、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３、及び、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４を順次積層して受光層２０を形成する。
【００４０】
ｐ型ＡｌＧａＮ層２１は、ＭＯＣＶＤ法を用い、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、ｐ型不純物の原料ガスとして、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）ガスを流しながら、Ｍｇ（マグネシウム）を注入（ドープ）したｐ型ＡｌＧａＮ層２１を成長させる。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１は、後述するｐ型電極２５とのオーミック接触を確実にし、十分なｐ型活性化を行って低抵抗化するために、ＡｌＮ組成比を２０％以下とする。尚、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１と、下部半導体層１０の第２半導体層１５及び上部半導体層１６，１７のＡｌＮ組成比を共に２０％とすることで、各層間の格子不整合をなくし、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１の膜厚を厚く（約１μｍ）成長させることができ、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１の横方向の寄生抵抗成分を低減することができる。
【００４１】
ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２２は、膜厚２ｎｍのｐ型ＧａＮ層（井戸層）と膜厚３ｎｍのＡｌＮ層（バリア層）を順次積層したもの（膜厚５ｎｍ）を２０層繰り返し積層した多重量子井戸として形成される。この結果、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２２は、ＡｌＮ組成比が実行的に４０％となるｐ型ＡｌＧａＮ層と等価な膜厚１００ｎｍの半導体層となる。ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２２のｐ型ＧａＮ層とＡｌＮ層は、夫々ＭＯＣＶＤ法を用いて作成され、ｐ型ＧａＮ層のｐ型不純物のドーピングは、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１と同じ要領で行われる。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２２のＡｌＮ組成比は、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３のＡｌＮ組成比以上とし、本実施形態では、両層ともに４０％とする。尚、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２２のＡｌＮ組成比は、ｐ型ＧａＮ層とＡｌＮ層の膜厚比を調整することで変更できる。引き続き、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３が、ＭＯＣＶＤ法を用いて膜厚約１００ｎｍ〜２００ｎｍで形成される。
【００４２】
ｎ型ＡｌＧａＮ層２４は、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、ｎ型不純物の原料ガスとして、ＳｉＨ４ガスを流しながら、Ｓｉを注入したｎ型ＡｌＧａＮ層２４を成長させる。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４は、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４の上部から入射する検出対象波長の入射光を受光領域のｉ型ＡｌＧａＮ層２３まで吸収されずに到達させるために、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３のＡｌＮ組成比より大きなＡｌＮ組成比に設定される。ｎ型ＡｌＧａＮの場合は、ｐ型ＡｌＧａＮと異なり、ＡｌＮ組成比が８０％程度でも十分な低抵抗化が図れるため、本実施形態では、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４のＡｌＮ組成比を７０％とする。
【００４３】
ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２２を、超格子構造（多重量子井戸構造）を用いて形成することで、バルクｐ型ＡｌＧａＮ中に生成される欠陥によるバンドギャップ内のトラップ準位によって、受光感度域より長波長側、２８０ｎｍ〜３６０ｎｍ程度の波長範囲に感度が発生し、キャリアが拡散するのを抑制し、更に、バルクｐ型ＡｌＧａＮとｐ型ＡｌＧａＮ層２１との間の格子不整合による応力が緩和される。
【００４４】
上記要領で、受光層２０が積層形成された後、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１が部分的に露出するように受光層２０をエッチング除去し、その露出部位にｐ型電極２５が形成され、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４上にはｎ型電極２６が形成される。尚、ｐ型電極２５及びｎ型電極２６は、それぞれｐ型ＡｌＧａＮ層２１及びｎ型ＡｌＧａＮ層２４との間の電気的な特性がオーミックなものとなるオーミック電極である。ここで、ｐ型電極２５及びｎ型電極２６は、夫々の極性に応じてＡｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ等の公知の材料を公知の方法で作製すればよい。例えば、ｐ型電極２５として、第１層にＰｄ（パラジウム）、第２層にＡｕ（金）を夫々１０ｎｍずつ蒸着し所定の平面形状にパターニングする。また、ｐ型電極２５またはｎ型電極２６として、ＺｒＢ2を電極材料として用いてもよい。尚、ｎ型電極２６は、ｎ型電極２６を通して入射光を受光層２０へ導く必要があるため、光を透過させるために、メッシュ状または受光領域へ光を透過させる他の形状または素材で形成される。
【００４５】
尚、下部半導体層１０及び上部半導体層１６，１７を有する基板構造部の目的は、受光層２０の結晶品質を良好なものとすることである。サファイア基板１の結晶成長表面における格子間隔と、受光層２０を構成するＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の格子定数との間には大きな差が存在するが、下部半導体層１０によってその格子不整合を緩和し、ＡｌＧａＮ層を成長させる際に加わる格子不整合による応力を小さくすることができる。更に、基板構造部の形成過程で、貫通転位を低減が図られる。その結果、受光層２０のＡｌＧａＮ層の結晶品質を良好にすることができる。
【００４６】
具体的には、低温堆積緩衝層１１によって第１半導体層１２中の貫通転位を減少させるとともに、第１半導体層１２表面に達して貫通転位の一部を、マスクパターン層１３でブロックするとともに、ＥＬＯ成長によるシード結晶層１４によって更に上方に向って成長する転位の一部が横方向に結合して消滅する。更に、上部半導体層１６，１７によって低貫通転位化が図られ、２層目の上部半導体層１７の表面での貫通転位密度は、１０７ｃｍ−２が得られる。この結果、受光層２０における受光特性の高性能化が図れる。
【００４７】
尚、本実施形態では、シード結晶層１４上に、直接、ＡｌＧａＮの第２半導体層１５を形成しているが、シード結晶層１４上に第２のＡｌＮ低温堆積緩衝層（バッファ層）を２０ｎｍ程堆積させてから第２半導体層１５を形成しても構わない。
【００４８】
図１に示した本発明素子２に対して外部から光が照射された場合、その光はメッシュ状のｎ型電極２６とｎ型ＡｌＧａＮ層２４とを透過して受光領域であるｉ型ＡｌＧａＮ層２３に入射して吸収され、光キャリアが発生する。ｐ型電極２５及びｎ型電極２６の間には所定の逆バイアス電界が印加されており、発生された光キャリアは光電流として外部に出力される。
【００４９】
受光層２０を構成する各ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦ｘ≦１）のバンドギャップエネルギはＡｌＮ組成比ｘを変えることで調整され、ＡｌＮ組成比ｘとバンドギャップエネルギとは図３に示すような関係で示される。図３から読み取れるように、ＡｌＮ組成比ｘを変えることで、ＡｌxＧａ1-xＮのバンドギャップエネルギを３．４２ｅＶから６．２ｅＶにまで調整することができる。従って、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３で吸収可能な光の波長範囲（感度域）の長波長端は約３６０ｎｍ〜約２００ｎｍの間で調整可能である。
【００５０】
また、本発明素子２において火炎の光を検出する場合には、図４の発光スペクトルに示すような火炎の発光を吸収できるだけのバンドギャップエネルギを有する受光領域を形成すればよい。尚、図４に示す火炎の発光スペクトルは、ガス（炭化水素）を燃焼させた際に発生する火炎のスペクトルである。また、太陽光のスペクトルと、各種照明機器からの光による室内光のスペクトルも同時に示す。
【００５１】
以下は、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３のバンドギャップエネルギとＡｌＮ組成比の関係について説明する。他のｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２２とｎ型ＡｌＧａＮ層２４のＡｌＮ組成比は、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３のＡｌＮ組成比との相対的な関係で決定される。本発明素子２に波長選択性を持たせるためには、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３におけるＡｌＮ組成比を調整して、そのバンドギャップエネルギを所望の値に設定することが行われる。例えば、波長約３４４ｎｍ以下の波長域に比較的大きい強度で現れ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、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上となるようにＡｌＮ組成比ｘ＝０．０５（５％）、或いはそれ以上とすればよい。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、検出対象波長範囲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、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上となるようにＡｌＮ組成比ｘ＝０．２５（２５％）、或いはそれ以上とすればよい。また、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、検出対象波長範囲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、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３のバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上となるようにＡｌＮ組成比ｘ＝０．３５（３５％）、或いはそれ以上とすればよい。本実施形態では、ＡｌＮ組成比を４０％としている。
【００５２】
更に、弱い光強度であれば太陽光などの外乱光がｉ型ＡｌＧａＮ層２３において吸収されても構わない場合には、受光領域のバンドギャップエネルギが４．３ｅＶ以上（波長約２９０ｎｍ以下）となるようにＡｌＮ組成比ｘ＝０．３１（３１％）、或いはそれ以上とすればよい。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出することができる。
【００５３】
更に、本発明素子２がエンジン内部などの閉鎖空間に設置され、そこで燃焼される燃料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、それらを排除するような大きいバンドギャップエネルギを設定する必要はない。そのため、検出対象波長範囲にある火炎の光の中でも特に炭化水素を含む化合物（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（波長３１０ｎｍ以上３４４ｎｍ以下の火炎の光）を選択的に受光することのできる受光素子を作製した場合には、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上４．０ｅＶ以下となるように、ＡｌＮ組成比ｘを０．０５（５％）以上０．２３（２３％）以下とすればよい。
【００５４】
尚、上述したＡｌＮ組成比ｘとバンドギャップエネルギとの関係は理論値に基づいて説明したものであり、ＡｌＮ組成比ｘが同じになるように成膜を行ったとしても実際に得られるＡｌＧａＮ層のバンドギャップエネルギが異なる可能性もある。例えば、三元混晶化合物であるＡｌＧａＮの場合には、二元化合物であるＧａＮが生成され易く、その結果、バンドギャップエネルギが低エネルギ側（長波長側）にシフトする傾向にある。従って、理論値通りのバンドギャップエネルギを得たい場合には、ＡｌＮ組成比を予め大きく設定した上で成膜することが行われることもある。
【００５５】
〈第２実施形態〉
図５に第２実施形態に係る本発明素子３の断面構造を示す。本発明素子３は、基板１上に、下部半導体層１０と上部半導体層１６，１７と受光層３０とを順次積層して形成される。下部半導体層１０と上部半導体層１６，１７は基本的に、第１実施形態と同じであるので、重複する説明は割愛するが、第２実施形態では、第２半導体層１５のＡｌＮ組成比を２５％とし、上部半導体層１６，１７のＡｌＮ組成比を、直接その上層に形成される受光層３０の最下層に当たるｎ型ＡｌＧａＮ層３１のＡｌＮ組成比と同じ４０％としている。これにより、第２半導体層１５上に直接、ｎ型ＡｌＧａＮ層３１を堆積した場合の格子不整合を上部半導体層１６，１７によって緩和している。
【００５６】
図５に示すように、第１実施形態と同じ要領で形成された下部半導体層１０と上部半導体層１６，１７を備えた基板構造部上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層３１、ｉ型ＡｌＧａＮ層３２、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層３３、及び、ｐ型ＡｌＧａＮ層３４を順次積層して受光層３０を形成する。
【００５７】
ｎ型ＡｌＧａＮ層３１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、ｎ型不純物の原料ガスとして、ＳｉＨ４ガスを流しながら、Ｓｉを注入したｎ型ＡｌＧａＮ層３１を成長させる。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ層３１のＡｌＮ組成比は、ｉ型ＡｌＧａＮ層３２のＡｌＮ組成比以上とし、本実施形態では、両層ともに４０％とする。引き続き、ｉ型ＡｌＧａＮ層３２が、ＭＯＣＶＤ法を用いて膜厚約１００ｎｍ〜２００ｎｍで形成される。
【００５８】
尚、ｎ型ＡｌＧａＮ層３１と下部半導体層１０の上部半導体層１６，１７のＡｌＮ組成比を共に４０％とすることで、両層間の格子不整合をなくし、ｎ型ＡｌＧａＮ層３１の膜厚を厚く（約０．３μｍ以上）成長させることができる。ｐ型ＡｌＧａＮ層２１を厚く成長させることで、横方向の寄生抵抗成分を低減することができるほか、ｎ型ＡｌＧａＮ層３１を超格子ｐ型ＧａＮ／ＡｌＮで形成することも可能である。この場合、より横方向の寄生抵抗成分を低減することができる。
【００５９】
次に、ｉ型ＡｌＧａＮ層３２の上に、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層３３を形成する。ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層３３は、膜厚２ｎｍのｐ型ＧａＮ層（井戸層）と膜厚３ｎｍのＡｌＮ層（バリア層）を順次積層したもの（膜厚５ｎｍ）を２０層繰り返し積層した多重量子井戸として形成される。この結果、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層３３は、ＡｌＮ組成比が実行的に４０％となるｐ型ＡｌＧａＮ層と等価な膜厚１００ｎｍの半導体層となる。ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層３３のｐ型ＧａＮ層とＡｌＮ層は、夫々ＭＯＣＶＤ法を用いて作成され、ｐ型ＧａＮ層のｐ型不純物のドーピングは、第１実施形態のｐ型ＡｌＧａＮ層２１と同じ要領で行われる。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層３３のＡｌＮ組成比は、ｉ型ＡｌＧａＮ層３２のＡｌＮ組成比以上とし、本実施形態では、両層ともに４０％とする。尚、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層３３のＡｌＮ組成比は、ｐ型ＧａＮ層とＡｌＮ層の膜厚比を調整することで変更できる。尚、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層３３の膜厚は入射光の吸収を抑制するためにも薄い方が好ましい。また、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層３３は第１実施形態のｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２２と同様の効果（キャリア拡散防止）を有する。
【００６０】
引き続き、ＭＯＣＶＤ法を用い、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、ｐ型不純物の原料ガスとして、Ｃｐ２Ｍｇガスを流しながら、Ｍｇを注入したｐ型ＡｌＧａＮ層３４を成長させる。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮ層３４は、後述するｐ型電極３６とのオーミック接触を確実にし、十分なｐ型活性化を行って低抵抗化するために、ＡｌＮ組成比を２０％以下とする。但し、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層３３と同様に、入射光の吸収を低減するために膜厚は約２０ｎｍとする。
【００６１】
上記要領で、受光層３０が積層形成された後、ｎ型ＡｌＧａＮ層３１が部分的に露出するように受光層３０をエッチング除去し、その露出部位にｎ型電極３５が形成され、ｐ型ＡｌＧａＮ層３４上にはｐ型電極３６が形成される。ここで、ｐ型電極３６及びｎ型電極３５は、第１実施形態と同様に夫々の極性に応じてＡｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ等の公知の材料を公知の方法で作製すればよい。尚、ｐ型電極３６は、第１実施形態のｎ型電極２６と同様に、ｐ型電極３６を通して入射光を受光層３０へ導く必要があるため、光を透過させるために、メッシュ状または受光領域へ光を透過させる他の形状または素材で形成される。ところで、ｐ型電極３６とオーミック接触するｐ型ＡｌＧａＮ層３４は、第１実施形態のｎ型ＡｌＧａＮ層２４と比べて低抵抗化が困難で膜厚も薄いため、メッシュ間隔を第１実施形態のｎ型電極２６と比較して狭くする必要がある。
【００６２】
本発明素子３の動作原理、及び、火炎センサへ適用した場合の感度域とｉ型ＡｌＧａＮ層３２のＡｌＮ組成比の関係は、第１実施形態の本発明素子２と同様であるので、重複する説明は割愛する。
【００６３】
〈第３実施形態〉
図６に第３実施形態に係る本発明素子５の断面構造を示す。本発明素子５は、基板４上に、下部半導体層４０と上部半導体層１６，１７と受光層２０とを順次積層して形成される。上部半導体層１６，１７と受光層２０は、第１実施形態と同じであるので、重複する説明は割愛する。
【００６４】
図６及び図７に示すように、下部半導体層４０は、（０００１）サファイア基板４上に形成されるが、基板４として、基板表面に周期的ストライプ状の凹凸加工を施したものを用意してこれを使用する（図７（Ａ））。具体的には、凹部（窪み）４ａと凸部４ｂの夫々の幅が５μｍの結晶方位〈１１／２０〉（／２は上線付きの２を意味する）に沿って周期的ストライプ状になるように、深さが２μｍの凹部４ａをドライエッチング加工する。かかる凹凸加工を施した基板４上に、先ず、３００℃〜８００℃の温度範囲内、例えば５００℃の低温でＡｌＮの低温堆積緩衝層（バッファ層）４１が、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、アンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法を用いて形成される（図７（Ｂ））。引き続き、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法で、主として凸部４ｂの上部の低温堆積緩衝層１１からＧａＮの選択成長（ＥＬＯ成長）を約１０００℃で行い、周期的ストライプ（凹凸部４ａ，４ｂ）のエッジ部分に沿った、即ち、ストライプの長手方向と平行に延伸する傾斜面を有する垂直断面形状が山形状のシード結晶層４２が形成される（図７（Ｃ））。引き続き、上記各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法で、シード結晶層４２上に、直接、ＡｌＧａＮの半導体層４３が約１０００℃で形成される（図７（Ｄ））。半導体層４３が形成されると、その表面は平坦化される。
【００６５】
図６及び図７に示すように、下部半導体層１０が形成された後引き続き、表面が平坦化された半導体層４３上に、第１実施形態と同じ要領で、１層目の上部半導体層１６のＡｌＧａＮをＭＯＣＶＤ法で、半導体層４３と同じＡｌＮ組成比でを形成し（図７（Ｅ））、引き続き、２層目の上部半導体層１７のＡｌＧａＮを１層目と同条件でＭＯＣＶＤ法により形成する（図７（Ｆ））。本実施形態では、半導体層４３と上部半導体層１６，１７のＡｌＮ組成比は、直接その上層に形成される受光層２０の最下層に当たるｐ型ＡｌＧａＮ層２１のＡｌＮ組成比と同じ２０％とし、格子不整合を防いでいる。
【００６６】
図６に示すように、上記要領で形成された下部半導体層４０と上部半導体層１６，１７を備えた基板構造部の上に、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２２、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３、及び、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４を順次積層して受光層２０を形成する。
【００６７】
尚、下部半導体層４０及び上部半導体層１６，１７を有する基板構造部の目的は、受光層２０の結晶品質を良好なものとすることである。サファイア基板１の結晶成長表面における格子間隔と、受光層２０を構成するＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の格子定数との間には大きな差が存在するが、下地半導体層１０によってその格子不整合を緩和し、ＡｌＧａＮ層を成長させる際に加わる格子不整合による応力を小さくすることができる。更に、基板構造部の形成過程で、貫通転位を低減が図られる。その結果、受光層２０のＡｌＧａＮ層の結晶品質を良好にすることができる。
【００６８】
具体的には、低温堆積緩衝層４１によってシード結晶層４２に対して応力緩和を施しながら、ＥＬＯ成長によるシード結晶層４２によって上方に向って成長する転位の一部を横方向に結合して消滅させる。更に、上部半導体層１６，１７によって低貫通転位化が図られ、２層目の上部半導体層１７の表面での貫通転位密度は、１０７ｃｍ−２が得られる。この結果、受光層２０における受光特性の高性能化が図れる。尚、本実施形態では、シード結晶層４２上、直接、ＡｌＧａＮの半導体層４３を形成しているが、シード結晶層４２上に第２のＡｌＮ低温堆積緩衝層（バッファ層）を２０ｎｍ程堆積させてから半導体層４３を形成しても構わない。
【００６９】
本発明素子５の動作原理、及び、火炎センサへ適用した場合の感度域とｉ型ＡｌＧａＮ層２３のＡｌＮ組成比の関係は、第１実施形態の本発明素子２と同様であるので、重複する説明は割愛する。
【００７０】
〈第４実施形態〉
図８に第４実施形態に係る本発明素子６の断面構造を示す。本発明素子６は、基板４上に、下部半導体層４０と上部半導体層１６，１７と受光層３０とを順次積層して形成される。本発明素子６は、第３実施形態に係る本発明素子５の下部半導体層４０上に、第２実施形態に係る本発明素子３の上部半導体層１６，１７と受光層３０を順次積層したもので、下部半導体層４０と上部半導体層１６，１７と受光層３０は、夫々第３実施形態及び第２実施形態と同じであるので、重複する説明は割愛する。
【００７１】
〈１〉上記各実施形態では、第２層目の上部半導体層１７を成長させる時に、単にＳｉの添加を停止しただけであったが、Ｓｉ添加の停止に加えて、Ｌｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ等の横方向（基板表面と平行な方向）への結晶成長を促進させる物質を添加しても構わない。この場合、上部半導体層１７のＡｌＧａＮをｐ型ＡｌＧａＮとし、受光層２０，３０の最下層部として兼用する構成でも構わない。
【００７２】
〈２〉上記各実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１，３４及びｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２２，３３の成長に係るｐ型不純物としてＭｇを用いたが、ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比が２０％以上の場合においても十分なｐ型活性化を得ようとすれば、ｐ型不純物としてＭｇに代えてＢｅ（ベリリウム）を用いるのも好ましい実施形態である。
【００７３】
この場合、各ｐ型ＡｌＧａＮ層は、ＭＯＣＶＤ法を用いて、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記実施形態と同様に、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）等の各原料ガスを使用し、ｐ型不純物の原料ガスとして、Ｃｐ２Ｂｅ（ビスシクロペンタジエニルベリリウム）ガスを流しながら、Ｂｅを注入したｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させる。
【００７４】
更に、ｐ型不純物の原料ガスとして、（Ｒ−Ｃｐ）２Ｂｅガス［ビス（Ｒ−シクロペンタジエニル）ベリリウム］ガス（Ｒは１〜４価のアルキル基）を用いるのも更に好ましい。特に、Ｒが２〜４価のアルキル基の（Ｒ−Ｃｐ）２Ｂｅガスを用いるのがより好ましい。当該原料ガスを用いることにより、有機金属化合物気相成長法を用いてｐ型、ｎ型及びｉ型半導体を所定の順序で段階的に形成するにあたり、各型に対応する不純物原料を結晶成長させる反応室内に配管を通して供給する場合に、各半導体層の成長を切り換えるときに、不純物原料の供給も切り換えるが、同じ配管を使用する場合に、配管内壁に残留した残留不純物による影響（メモリ効果）が無視できずに各半導体層間の界面近傍において所期の不純物濃度が達成できないという問題に対して、改善効果を発揮するからである。つまり、当該原料ガスの分子サイズが、Ｃｐ２Ｂｅより大きく、分極による分子間力が弱まるため、配管内壁への残留が少なくなるため、上記メモリ効果を抑制することができ、より効果的にｐ型活性化が促進される。
【００７５】
〈３〉上記実施形態では、受光層２０，３０は、夫々ＰＩＮ構造で構成され、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３，３２に隣接するｐ型ＡｌＧａＮ層として超格子構造によりｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２２，３３として形成したが、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３，３２のＡｌＮ組成比が小さい場合等において、超格子構造を採用せず、バルク単結晶で形成しても構わない。
【００７６】
〈４〉上記各実施形態では、受光層２０，３０として、ＰＩＮ接合型フォトダイオードで構成されるものを例示したが、受光層２０，３０は、ＰＩＮ接合型フォトダイオード構造以外に、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３、３２のないＰＮ接合型フォトダイオード構造、ショットキー型フォトダイオード構造であってもよい。更に、受光機構として、フォトダイオード構造以外に、フォトコンダクタ構造、フォトトランジスタ構造を採用してもよい。
【００７７】
〈５〉上記各実施形態では、基板１，４として、（０００１）サファイア基板を用いたが、基板１，４はこれに限定されるものではなく、他の面方位のサファイア基板、或いは、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｒＢ２等の他の単結晶基板を用いても同様の効果は得られる。
【００７８】
〈６〉上記第１及び第２実施形態の下部半導体層１０では、第１半導体層１２とシード結晶層１４はＧａＮであったが、また、上記第３及び第４実施形態の下部半導体層４０では、シード結晶層４２はＧａＮであったが、夫々ＡｌＧａＮでも構わない。但し、ＡｌＮ組成比を大きくすると多結晶の析出が顕著となるので、ＡｌＮ組成比はあまり大きくできない。
【００７９】
また、低温堆積緩衝層１１，４１もＡｌＮではなくＡｌＧａＮであっても構わない。更に、上記第１及び第２実施形態の下部半導体層１０のマスクパターン層１３はＳｉＯ２の他、ＳｉＮｘ等であってもよく、その形状もストライプ状に限定されるものではなく、例えば、格子状パターンであっても構わない。また、上記第３及び第４実施形態の基板４表面の凹凸加工の平面形状もストライプ状に限定されるものではなく、例えば、格子状パターンであっても構わない。
【００８０】
〈７〉上記各実施形態では、下部半導体層１０，４０はヘテロＥＬＯを適用した構造のものを例示したが、上部半導体層１６，１７を採用する効果は、下部半導体層１０，４０の構造に拘わらず発揮され、下部半導体層の構造は、上記各実施形態の下部半導体層１０，４０のものに限定されるものではない。従って、上部半導体層１６，１７に対して、上記各実施形態の下部半導体層１０、４０とは別の下地構造を用いても構わない。
【００８１】
〈８〉上記各実施形態において例示した、各層の膜厚、成長温度、使用原料、材料は、あくまでも一例であり、本発明の技術思想の範囲内において適宜変更可能である。また、各半導体層は、ＭＯＣＶＤ法を用いたが、一部または全部を他の成膜方法を用いて形成しても構わない。例えば、受光層２０，３０或いは受光層２０，３０の内のｉ型ＡｌＧａＮ層２３，３２をＭＢＥ（分子線エピタキシ）法を用いて形成しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体受光素子の第１実施形態の概略構成を示す素子断面図
【図２】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体受光素子の第１実施形態の下部半導体層と上部半導体層の作製過程を示す素子断面図
【図３】ＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギを示すグラフ
【図４】火炎の光、太陽光、および室内光のスペクトルを示すグラフ
【図５】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体受光素子の第２実施形態の概略構成を示す素子断面図
【図６】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体受光素子の第３実施形態の概略構成を示す素子断面図
【図７】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体受光素子の第３実施形態の下部半導体層と上部半導体層の作製過程を示す素子断面図
【図８】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体受光素子の第４実施形態の概略構成を示す素子断面図
【符号の説明】
【００８３】
１，４          基板
２，３，５，６  本発明に係るＧａＮ系化合物半導体受光素子
１０，４０      下部半導体層
１１，４１      低温堆積緩衝層（ＡｌＮまたはＡｌＧａＮのバッファ層）
１２            第１半導体層（ＧａＮまたはＡｌＧａＮ）
１３            マスクパターン層
１４，４２      シード結晶層（ＧａＮまたはＡｌＧａＮ）
１５            第２半導体層（ＡｌＧａＮ）
４３            半導体層（ＡｌＧａＮ）
１６，１７      上部半導体層（ＡｌＧａＮ）
１８            微小クラック
２０，３０      受光層
２１，３４      ｐ型ＡｌＧａＮ層
２２，３３      ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層
２３，３２      ｉ型ＡｌＧａＮ層
２４，３１      ｎ型ＡｌＧａＮ層
２５，３６      ｐ型電極
２６，３５      ｎ型電極
【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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【図７】
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【図８】
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