(57)【要約】【課題】量子効率の高い光電面及びこれを用いた光検出器を提供する。【解決手段】光電面１０は、紫外線Ｌの入射に応じて光電子を生成する第１のIII族窒化物半導体層８と、III族窒化物半導体層８に隣接して設けられており、III族窒化物半導体層８のＡｌ組成よりも高いＡｌ組成を有すると共に、厚み方向にｃ軸配向性を有する薄膜結晶からなる第２のIII族窒化物半導体層６とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線の入射に応じて光電子を生成する第１のIII族窒化物半導体層と、
前記第１のIII族窒化物半導体層に隣接して設けられており、前記第１のIII族窒化物半導体層のＡｌ組成よりも高いＡｌ組成を有すると共に、厚み方向にｃ軸配向性を有する薄膜結晶からなる第２のIII族窒化物半導体層と、
を備える、光電面。
【請求項２】
第３のIII族窒化物半導体層を更に備え、
前記第２のIII族窒化物半導体層は、前記第３のIII族窒化物半導体層上に設けられている、請求項１に記載の光電面。
【請求項３】
前記紫外線が一方の面に入射されるガラス基板と、
前記ガラス基板の前記一方の面と対向する他方の面上に設けられており、前記ガラス基板と前記第２のIII族窒化物半導体層との間に配置される接着層と、
を更に備える、請求項１又は２に記載の光電面。
【請求項４】
紫外線の入射に応じて光電子を生成する第１のIII族窒化物半導体層と、
前記第１のIII族窒化物半導体層に隣接して設けられており、厚み方向に分極されている第２のIII族窒化物半導体層と、
を備える、光電面。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光電面と、
前記光電面から放出された光電子を出力信号として取り出すための陽極と、
を備える、光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体層を含む光電面及びこれを用いた光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ層を活性層として含む光電面が知られている（特許文献１参照）。この光電面では、ＧａＮ層に紫外線が入射されると、ＧａＮ層から光電子が放出される。
【特許文献１】特開平１０−２４１５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記光電面においても、ＧａＮ層が光電子を放出する際の量子効率は高められているけれども、更に活性層の量子効率を高めることが求められている。
【０００４】
本発明は、量子効率の高い光電面及びこれを用いた光検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するため、本発明の光電面は、紫外線の入射に応じて光電子を生成する第１のIII族窒化物半導体層と、前記第１のIII族窒化物半導体層に隣接して設けられており、前記第１のIII族窒化物半導体層のＡｌ組成よりも高いＡｌ組成を有すると共に、厚み方向にｃ軸配向性を有する薄膜結晶からなる第２のIII族窒化物半導体層とを備える。
【０００６】
なお、第１のIII族窒化物半導体層はＡｌを含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。
【０００７】
本発明の光電面では、第２のIII族窒化物半導体層が、厚み方向にｃ軸配向性を有する薄膜結晶からなるので、薄膜結晶のｃ軸方向の自発分極により第２のIII族窒化物半導体層内に内部電界が生じる。また、第２のIII族窒化物半導体層内に歪みがある場合には、当該歪みに起因するピエゾ電界によっても第２のIII族窒化物半導体層内に内部電界が生じる。この内部電界によって、第１のIII族窒化物半導体層のエネルギーバンドは曲げられる。このような第１のIII族窒化物半導体層に紫外線が入射すると、第１のIII族窒化物半導体層内で生成された光電子は、第１のIII族窒化物半導体層から外部に放出され易くなる。よって、光電面の量子効率を向上させることができる。
【０００８】
また、上記光電面は、第３のIII族窒化物半導体層を更に備え、前記第２のIII族窒化物半導体層は、前記第３のIII族窒化物半導体層上に設けられていることが好ましい。
【０００９】
この場合、第３のIII族窒化物半導体層上に設けられた第２のIII族窒化物半導体層の結晶品質を向上させることができる。このため、第２のIII族窒化物半導体層上に設けられた第１のIII族窒化物半導体層の結晶品質を向上させることができる。よって、光電面の量子効率を更に向上させることができる。
【００１０】
また、上記光電面は、前記紫外線が一方の面に入射されるガラス基板と、前記ガラス基板の前記一方の面と対向する他方の面上に設けられており、前記ガラス基板と前記第２のIII族窒化物半導体層との間に配置される接着層とを更に備えることが好ましい。この場合、透過型の光電面が得られる。
【００１１】
本発明の光電面は、紫外線の入射に応じて光電子を生成する第１のIII族窒化物半導体層と、前記第１のIII族窒化物半導体層に隣接して設けられており、厚み方向に分極されている第２のIII族窒化物半導体層とを備える。
【００１２】
本発明の光電面では、厚み方向の分極（例えば、自発分極や歪み分極）により第２のIII族窒化物半導体層内に内部電界が生じる。この内部電界によって、第１のIII族窒化物半導体層のエネルギーバンドは曲げられる。このような第１のIII族窒化物半導体層に紫外線が入射すると、第１のIII族窒化物半導体層内で生成された光電子は、第１のIII族窒化物半導体層から外部に放出され易くなる。よって、光電面の量子効率を向上させることができる。
【００１３】
本発明の光検出器は、上記光電面と、前記光電面から放出された光電子を出力信号として取り出すための陽極とを備える。本発明の光検出器によれば、光電面の量子効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、量子効率の高い光電面及びこれを用いた光検出器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
【００１６】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る光電面を模式的に示す断面図である。図２は、図１に示される光電面のバンドモデルを示す。図１には、反射型の光電面１０が示されている。光電面１０は、紫外線Ｌの入射に応じて光電子を生成する第１のIII族窒化物半導体層（活性層）８と、III族窒化物半導体層８に隣接して設けられた第２のIII族窒化物半導体層６とを備える。III族窒化物半導体層６は、III族窒化物半導体層８にヘテロ接合していることが好ましい。
【００１７】
光電面１０は第３のIII族窒化物半導体層４を更に備えることが好ましい。III族窒化物半導体層４は、Ｇａを含むことが好ましく、Ａｌ、Ｉｎ等を含んでいてもよい。III族窒化物半導体層４は、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）である。III族窒化物半導体層４は、基板２上に設けられていることが好ましい。基板２としては、例えば、厚さ２００〜３００μｍのＳｉ（１１１）基板又はサファイア基板等が挙げられる。III族窒化物半導体層６は、III族窒化物半導体層４上に設けられている。
【００１８】
III族窒化物半導体層６は、III族窒化物半導体層８のＡｌ組成よりも高いＡｌ組成を有すると共に厚み方向（結晶の成長方向）にｃ軸配向性を有する薄膜結晶からなる。III族窒化物半導体層６は、第１の面６ａと第２の面６ｂとを有している。面６ａが＋ｃ面（正のｃ極性方向の面、窒化物と化合物を形成するIII族元素面）である場合、面６ｂは−ｃ面（負のｃ極性方向の面、Ｎ面）となる。面６ａが−ｃ面である場合、面６ｂは＋ｃ面となる。
【００１９】
III族窒化物半導体層６は、その厚み方向に分極されている。III族窒化物半導体層６の自発分極係数（例えばＡｌＮでは０．０９Ｃ／ｍ２）は、III族窒化物半導体層８の自発分極係数（例えばＧａＮでは０．０３４Ｃ／ｍ２）よりも大きいことが好ましい。また、III族窒化物半導体層６のエネルギーバンドギャップは、III族窒化物半導体層８のエネルギーバンドギャップよりも大きいことが好ましい。これにより、III族窒化物半導体層６における紫外線Ｌの吸収を防止することができる。III族窒化物半導体層６のＡｌ組成を増加させると、自発分極が大きくなると共にエネルギーバンドギャップも増大する。
【００２０】
III族窒化物半導体層６は上記構成を有しているので、III族窒化物半導体層６内には内部電界が生じる。この内部電界は、上述のIII族窒化物半導体層６の自発分極や、III族窒化物半導体層６の歪み（引っ張り応力又は圧縮応力による歪み）に起因するピエゾ電界により生じる。自発分極による内部電界は例えば数ＭＶ／ｃｍに及ぶ。III族窒化物半導体層６の歪みは、例えばIII族窒化物半導体層４との格子定数の差によって発生する。III族窒化物半導体層６の歪み分極が増大すると内部電界も増大する。内部電界は、表面準位によってIII族窒化物半導体層６とIII族窒化物半導体層８との界面（後述するIII族窒化物半導体層８の面８ｂ）付近に集中する。
【００２１】
III族窒化物半導体層６は、Ｇａを含むことが好ましく、Ａｌ、Ｉｎ等を含んでいてもよい。III族窒化物半導体層６は、例えばＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる。III族窒化物半導体層６の導電型は、ｎ型、ｐ型及びｉ型のいずれであってもよい。III族窒化物半導体層６は、III族窒化物半導体層４とは異なる材料から構成されることが好ましい。この場合、適切な材料を選定することにより、III族窒化物半導体層６の歪み分極を制御することができる。
【００２２】
III族窒化物半導体層６の厚さは、３〜１００ｎｍであることが好ましい。III族窒化物半導体層６の厚さが３ｎｍ未満であると、結晶性及び平坦性が低下する傾向にある。一方、III族窒化物半導体層６の厚さが１００ｎｍを超えると、III族窒化物半導体層６の内部電界が小さくなる傾向にある。
【００２３】
III族窒化物半導体層８は、Ｇａを含むことが好ましく、Ａｌ、Ｉｎ等を含んでいてもよい。III族窒化物半導体層８がＡｌを含む場合、Ａｌ組成比を制御することにより、紫外線Ｌのうち所望の波長域の紫外線をカットオフすることができる。III族窒化物半導体層８がＩｎを含む場合、光電面１０は、紫外線Ｌのうち長波長側の紫外線のセンサーに好適に使用される。III族窒化物半導体層８は、薄膜結晶からなることが好ましい。III族窒化物半導体層８の導電型は、ｎ型及びｐ型のいずれであってもよく、III族窒化物半導体層６の導電型と同一であることが好ましい。III族窒化物半導体層８がＭｇを含む場合、ｐ型のIII族窒化物半導体層８が得られる。
【００２４】
III族窒化物半導体層８は、第１の面８ａと第２の面８ｂとを有している。面８ａは−ｃ面（負のｃ極性方向の面、Ｎ面）であることが好ましい。これにより、III族窒化物半導体層８から光電子が放出され易くなる。この場合、面８ｂは＋ｃ面（正のｃ極性方向の面、窒化物と化合物を形成するIII族元素面）となる。面８ａが＋ｃ面である場合、面８ｂは−ｃ面となる。
【００２５】
III族窒化物半導体層８の厚さは、１００〜２００ｎｍであることが好ましい。III族窒化物半導体層８の厚さが１００ｎｍ未満であると、III族窒化物半導体層８の結晶品質が劣化するため、量子効率の向上効果が低下する傾向にある。一方、III族窒化物半導体層８の厚さが２００ｎｍを超えると、III族窒化物半導体層８内のキャリア数が増加することによりエネルギーバンドが平坦化するため、量子効率の向上効果が低下する傾向にある。
【００２６】
III族窒化物半導体層８のキャリア濃度は、１×１０１５〜１×１０１９ｃｍ−３であることが好ましい。III族窒化物半導体層８のキャリア濃度が１×１０１５未満であると、III族窒化物半導体層８の作製が困難になる傾向にある。一方、III族窒化物半導体層８のキャリア濃度が１×１０１９を超えると、内部電界によるエネルギーバンド変調が極表面近傍に限られるので、量子効率の向上効果が低下する傾向にある。
【００２７】
III族窒化物半導体層８において、単位面積当たりのキャリア数（III族窒化物半導体層８の厚さとキャリア濃度との積）は、１×１０１０〜２×１０１４ｃｍ−２であることが好ましい。
【００２８】
本実施形態の光電面１０では、例えば歪みに起因するピエゾ電界や、薄膜結晶のｃ軸方向の自発分極によりIII族窒化物半導体層６内に内部電界が生じる。この内部電界によって、III族窒化物半導体層８のエネルギーバンドは曲げられる（図２参照）。III族窒化物半導体層６がＡｌＮからなり、かつ、III族窒化物半導体層８がＧａＮからなる場合、自発分極係数の差から０．６６Ｖ／ｎｍの電界が形成されると考えられる。この場合、III族窒化物半導体層６の厚さを例えば３ｎｍとすると、理論上、III族窒化物半導体層８では２ｅＶのエネルギーバンド上昇が生じることとなる。なお、１ｅＶ＝１．６０２×１０−１９Ｊである。エネルギーバンド上昇が生じると、III族窒化物半導体層８の面８ａにおける表面ポテンシャルは変調される。このようなIII族窒化物半導体層８に紫外線Ｌが入射すると、III族窒化物半導体層８内で生成された光電子は、III族窒化物半導体層８から外部に放出され易くなる。したがって、光電面１０の量子効率を向上させることができる。
【００２９】
また、光電面１０がIII族窒化物半導体層４を備えると、基板２上に直接III族窒化物半導体層６を形成する場合に比べて、III族窒化物半導体層６の結晶品質を向上させることができる。III族窒化物半導体層４を厚くすると、III族窒化物半導体層６の結晶品質を更に向上させることができる。また、III族窒化物半導体層６の層厚均一性及び平坦性が向上する。その結果、III族窒化物半導体層８の結晶品質を向上させることができる。したがって、光電面１０の量子効率を更に向上させることができる。
【００３０】
図３は、光電面１０の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図である。まず、図３(ａ)に示されるように、基板２を準備する。続いて、図３(ｂ)に示されるように、基板２上にIII族窒化物半導体層４を形成する。さらに、図３(ｃ)に示されるように、III族窒化物半導体層４上にIII族窒化物半導体層６を形成する。その後、図３(ｄ)に示されるように、III族窒化物半導体層６上にIII族窒化物半導体層８を形成する。III族窒化物半導体層４，６，８は、例えばＭＯＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長により形成される。このようにして、量子効率の高い光電面１０が得られる。
【００３１】
図４は、本実施形態に係る光検出器を模式的に示す断面図である。図４に示される光検出器２０は、光電面１０と、光電面１０から放出された光電子を出力信号として取り出すための陽極１４とを備える。光電面１０及び陽極１４は、チャンバ１２内に配置される。光検出器２０としては、例えば光電管等が挙げられる。
【００３２】
チャンバ１２内は、例えばポンプ等を用いて真空に維持される。チャンバ１２の端部１２ａには、紫外線Ｌをチャンバ１２内に導入するための入射窓１８が接続されている。入射窓１８によって、チャンバ１２内は密閉される。陽極１４は、リード線１６に電気的に接続されている。光電面１０は、リード線１７に電気的に接続されている。この光検出器２０では、光電面１０の量子効率を向上させることができるので、高感度に紫外線Ｌを検出することができる。
【００３３】
火炎の自然発光には、太陽や室内照明に含まれない短波長の紫外線が含まれている。光検出器２０を用いれば、短波長の紫外線を選択的にかつ効率的に検出することができる。また、光電面１０は、主として窒化物系半導体材料から構成されるので、高温動作環境においても光電特性が好適に維持される。よって、ごみ焼却炉やガスコンロ等の火炎センサーとして光検出器２０を好適に用いることができる。
【００３４】
［第２実施形態］
図５は、第２実施形態に係る光電面を模式的に示す断面図である。図５には、透過型の光電面３０が示されている。光電面３０は、光電面１０と同様に、III族窒化物半導体層６，８を備える。したがって、光電面３０においても、量子効率を向上させることができる。
【００３５】
光電面３０は、紫外線Ｌが一方の面２６ａに入射されるガラス基板２６と、ガラス基板２６の面２６ａと対向する他方の面２６ｂ上に設けられており、ガラス基板２６とIII族窒化物半導体層６との間に配置される接着層２４とを更に備えることが好ましい。III族窒化物半導体層６と接着層２４との間には、必要に応じてIII族窒化物半導体層６，８を保護するための保護層９が設けられていてもよい。保護層９は例えばIII族窒化物半導体からなる。
【００３６】
図６及び図７は、光電面３０の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図である。まず、図６(ａ)に示されるように、基板２を準備する。続いて、図６(ｂ)に示されるように、基板２上に緩衝層２２を形成する。例えばＭＯＣＶＤ装置を用いて、基板２上に緩衝層２２を形成することができる。さらに、図６(ｃ)に示されるように、緩衝層２２上にIII族窒化物半導体層８を形成する。その後、図７(ａ)に示されるように、III族窒化物半導体層８上にIII族窒化物半導体層６を形成する。次に、図７(ｂ)に示されるように、III族窒化物半導体層６上に保護層９を必要に応じて形成する。III族窒化物半導体層６，８及び保護層９は、例えばＭＯＣＶＤ装置を用いてエピタキシャル成長により形成される。次に、図７(ｃ)に示されるように、保護層９上に接着層２４を形成する。次に、図７(ｄ)に示されるように、接着層２４上にガラス基板２６を載置する。その後、基板２及び緩衝層２２を例えばウェットエッチングにより除去することで、図７(ｅ)に示される光電面３０が得られる。
【００３７】
図８は、本実施形態に係る光検出器を模式的に示す断面図である。図８に示される光検出器４０は、光電面３０と、光電面３０から放出された光電子を出力信号として取り出すための陽極１４とを備える。陽極１４は、チャンバ１２内に配置される。光検出器４０としては、例えば光電管等が挙げられる。
【００３８】
チャンバ１２内は、例えばポンプ等を用いて真空に維持される。チャンバ１２の端部１２ａには、紫外線Ｌが入射される光電面３０が接続されている。光電面３０によって、チャンバ１２内は密閉される。陽極１４は、リード線１６に電気的に接続されている。光電面３０は、リード線１７に電気的に接続されている。この光検出器４０では、光電面３０の量子効率を向上させることができるので、高感度に紫外線Ｌを検出することができる。
【００３９】
また、光検出器４０を用いれば２次元的なイメージングをすることができるので、例えばごみ焼却炉において、ごみを効率的に処理することができる。その結果、ダイオキシン等の発生を抑制することができる。
【００４０】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４２】
（実施例１）
まず、サファイア基板（基板２）上に厚さ６００ｎｍのＧａＮ下地層（III族窒化物半導体層４）を形成した。さらに、減圧（７６Ｔｏｒｒ）下、ＧａＮ下地層上に厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層（III族窒化物半導体層６）を形成した。なお、１Ｔｏｒｒ＝１３３．３２２Ｐａである。その後、ＡｌＮ層上に厚さ２００ｎｍのＧａＮ活性層（III族窒化物半導体層８）を形成した。このようにして実施例１の光電面を得た。
【００４３】
（実施例２）
ＡｌＮ層の厚さを５０ｎｍ、ＧａＮ活性層の厚さを１００ｎｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、実施例２の光電面を得た。
【００４４】
（比較例１）
サファイア基板上に厚さ２０ｎｍのＧａＮ緩衝層を形成した後、ＧａＮ緩衝層上に厚さ３００ｎｍのＧａＮ活性層を形成した。このようにして比較例１の光電面を得た。
【００４５】
（評価結果）
実施例１，２及び比較例１の光電面について、各波長に対する量子効率を測定した。
【００４６】
図９は、光電面に入射する紫外線の波長と光電面の量子効率との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、紫外線の波長（ｎｍ）を示す。グラフの縦軸は、光電面の量子効率（％）を示す。図９のグラフ中、データＤ１，Ｄ２はそれぞれ実施例１，２の測定結果を示し、データＣ１は比較例１の測定結果を示す。グラフより、実施例１，２の光電面の量子効率は、比較例１の光電面の量子効率よりも高いことが分かる。これは、ＧａＮ活性層のＡｌＮ層側の表面（表面８ｂ）付近の空乏化によって表面（表面８ｂ）で光励起された電子が表面（表面８ａ）に向かって加速されるような電界が形成されていることを示す。
【００４７】
図１０は、エネルギー分布関数と印加電圧との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、印加電圧（Ｖ）を示す。グラフの縦軸は、エネルギー分布関数（相対値）を示す。エネルギー分布関数は、直径１０ｍｍの円に１μＷのエネルギーを与える低圧水銀ランプを用いて、引き出し電圧を−１０Ｖ〜＋２０Ｖとしたときに得られる光電流を微分することにより得られる。データＥ１は、Ｇａ面を表面とする厚さ３００ｎｍのＧａＮ薄膜の測定結果を示す。データＥ２は、Ｎ面を表面とする厚さ３００ｎｍのＧａＮ薄膜の測定結果を示す。データＥ１では＋０．１Ｖでピークを示すが、データＥ２では−０．１〜０Ｖでピークを示す。よって、Ｎ面を表面とするＧａＮ薄膜の方が光電子を放出し易いことが分かる。Ｎ面を表面とするＧａＮ薄膜と、Ｇ面を表面とするＧａＮ薄膜とが共に同じ光電子の放出確率を有している場合、ピークの位置の差は表面ポテンシャルの障壁の差を示すことになる。表面準位を考慮しない計算では、Ｇａ面で正孔が蓄積されるので、Ｇａ面とＮ面との表面ポテンシャルの差は３ｅＶになる。なお、現実には、Ｇａ面での正孔の蓄積が表面準位での＋電荷の蓄積に置き換わるため、３ｅＶといった大きな差にはならない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施形態に係る光電面を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示される光電面のバンドモデルを示す。
【図３】第１実施形態に係る光電面の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図である。
【図４】第１実施形態に係る光検出器を模式的に示す断面図である。
【図５】第２実施形態に係る光電面を模式的に示す断面図である。
【図６】第２実施形態に係る光電面の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図である。
【図７】第２実施形態に係る光電面の製造方法の一例を模式的に示す工程断面図である。
【図８】第２実施形態に係る光検出器を模式的に示す断面図である。
【図９】光電面に入射する紫外線の波長と光電面の量子効率との関係を示すグラフである。
【図１０】エネルギー分布関数と印加電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
４…第３のIII族窒化物半導体層、６…第２のIII族窒化物半導体層、８…第１のIII族窒化物半導体層、１０，３０…光電面、１４…陽極、２０，４０…光検出器、２４…接着層、２６…ガラス基板、２６ａ…ガラス基板の一方の面、２６ｂ…ガラス基板他方の面、Ｌ…紫外線。
【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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