(57)【要約】【課題】個々のニーズに合った波長の光を検出、測定可能であると共に、高Ｓ／Ｎ比を実現可能な受光素子を提供する。【解決手段】半導体受光素子１であって、導電性を示すＳｉ系半導体からなる結晶基板２と、その一方側の面上に形成されたバッファ層３と、さらにその上方において、ＡｌＮ層からなる第１の光感受層１１とＧａＮ層からなる第２の光感受層１２とを少なくとも１層づつ交互に積層させることにより形成した第１の光感受層１１と第２の光感受層１２との超格子構造よりなる光感受層１０と、受光面４ａとなる上記光感受層４の一方側の面に備え設けられた、受光素子を構成する一方側の電極たるショットキー電極５と、結晶基板２の他方側の面に備え設けられた、受光素子を構成する他方側の電極７とからなる受光素子１とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体受光素子であって、
導電性を示すＳｉ系半導体からなる結晶基板と、
前記結晶基板の一方側の面上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上方において、ＡｌＮ層からなる第１の光感受層とＧａＮ層からなる第２の光感受層とを少なくとも１層ずつ交互に積層させることにより形成した第１の光感受層と第２の光感受層との超格子構造よりなる光感受層と、
受光面となる前記光感受層の一方側の面に備え設けられた、受光素子を構成する一方側の電極たるショットキー電極と、
前記結晶基板の他方側の面に備え設けられた、受光素子を構成する他方側の電極と、
からなることを特徴とする受光素子。
【請求項２】
前記結晶基板がｎ型ＳｉＣからなり、前記バッファ層がｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記光感受層は、前記第１の光感受層と前記第２の光感受層それぞれの積層厚を調整することにより、カットオフ波長のチューニングが行われることを特徴とする請求項１または２に記載の受光素子。
【請求項４】
前記ショットキー電極が、検出対象とする光の波長に対して透明な透光性の金属薄膜からなり、前記受光面略全面を被覆する様に形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の受光素子。
【請求項５】
前記他方側の電極がオーミック電極であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電気変換素子、所謂、受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ｉ）太陽光に代表される強い可視光中に僅かに含まれる紫外線成分（波長４００ｎｍから３２０ｎｍの所謂ＵＶＡ紫外線（以下、相対的な意味で長波長光ともいう）、波長３２０ｎｍから２９０ｎｍの所謂ＵＶＢ紫外線（以下、相対的な意味で中波長光ともいう）、そして波長２９０ｎｍ以下の所謂ＵＶＣ紫外線（以下、相対的な意味で短波長光ともいう）の各成分）の測定等のヘルスケア分野やｉｉ）炎検知分野（波長２８０ｎｍ以下の領域）等においては、４桁程度の高Ｓ／Ｎ比（短波長成分の検出値に対する長波長成分の検出値の信号比。外部光除去比）を有する紫外線センサが必要とされているところ、現状では、上記ｉ）の分野では高価な分光計が用いられ、またｉｉ）の分野では真空管センサが使用されている（代表例として、特許文献１および２参照）。
【０００３】
しかしながら、これらは高価であったり、また製造に手間を要する等の問題があり、上記各分野の事業の普及に際し一種の阻害要因ともなっていた。
それ故、比較的安価かつ容易に製造可能な半導体素子により、上記性能の紫外線センサを実現することが強く期待されている。
【０００４】
半導体紫外線センサに関しては、検出対象とする光の波長範囲のうちの長波長端の値で、光感受層に用いられるＩＩＩ族窒化物材料の最適組成が決定され、紫外線でも上記ｉ），ｉｉ）の波長域の光を対象とする場合には、光感受層はＡｌＮ層若しくはＧａＮ層からなるもの、または少なくともＡｌ、Ｇａ、Ｎの３つを含む混晶系、すなわちＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１。以下、「ＡｌＧａＮ」と略称する場合もある）からなるものとされる。
ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎの場合、ｘ、ｙを可変させることで、そのバンドギャップを広範な光子エネルギーにチューンすることが可能であり、個々のニーズに合った波長の光を受光可能な半導体受光素子として一般的となっている（代表例として、特許文献３参照）。
【０００５】
図３に、従来技術に係る半導体紫外線センサの一例を示す。
図３に示す受光素子１’は、導電性を示すＳｉ系半導体からなる結晶基板２と、その一方側の面上に形成されたバッファ層３と、さらにその上方に少なくとも１層形成された、絶縁性のＧａＮ系材料からなる光感受層４と、受光面４ａとなる上記光感受層４の一方側の面に備え設けられた、受光素子を構成する一方側の電極たるショットキー電極５と、結晶基板２の他方側の面に備え設けられた、受光素子を構成する他方側の電極７とからなっている。光感受層４は、ＡｌＮ若しくはＧａＮまたはＡｌＧａＮからなるものとされ得る。
この、図３に示す受光素子１’は、受光面積を最大限に取ることが出来、しかも安価に製造出来る、簡素で信頼性に優れた受光素子を提供するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３６９０６号公報
【特許文献２】特開２００６−１４５２１８号公報
【特許文献３】特開２００７−１２３５８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記各光感受層を備えた紫外線センサのＳ／Ｎ比について見てみると、ＡｌＮセンサやＧａＮセンサではＳ／Ｎ比が約４桁を実現できているのに対し、従来のＡｌＧａＮセンサでは３桁程度のＳ／Ｎ比しか実現できておらず、応用分野や形態が限定されていた。
【０００８】
したがって本発明は、４桁程度の高Ｓ／Ｎ比を有する紫外線センサを、より安価かつ容易に製造可能な半導体センサ、特に、個々のニーズに合った波長の光を検出、測定可能な半導体センサを提供することが可能なＡｌＧａＮセンサとして実現し、広範な事業領域で普及させ得るようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、本願発明者は、光感受層をＡｌＮ層とＧａＮ層とを交互に多層に積層させるＡｌＮ／ＧａＮマルチレイヤーで構成することにより、高Ｓ／Ｎ比のＡｌＧａＮ紫外線センサを実現可能なこと、具体的には、上記ＡｌＮ／ＧａＮマルチレイヤーにより量子的にバンドギャップをコントロールすることにより高Ｓ／Ｎ比のＡｌＧａＮ紫外線センサを実現可能なことを見い出し、本発明を完成させた。
【００１０】
上記課題を解決可能な本発明の受光素子は、（１）半導体受光素子であって、
導電性を示すＳｉ系半導体からなる結晶基板と、
前記結晶基板の一方側の面上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層の上方において、ＡｌＮ層からなる第１の光感受層とＧａＮ層からなる第２の光感受層とを少なくとも１層ずつ交互に積層させることにより形成した第１の光感受層と第２の光感受層との超格子構造よりなる光感受層と、
受光面となる前記光感受層の一方側の面に備え設けられた、受光素子を構成する一方側の電極たるショットキー電極と、
前記結晶基板の他方側の面に備え設けられた、受光素子を構成する他方側の電極と、
からなることを特徴とするものである。
【００１１】
なお、本発明に至った背景につき説明すると、これまでＡｌＮセンサやＧａＮセンサではＳ／Ｎ比が約４桁を実現できているのに対し、従来のＡｌＧａＮセンサではＳ／Ｎ比は約３桁に留まっていた。そして検討の結果、これはＡｌＧａＮの物性に起因する不純物準位が原因と考えられた。
今回、本願発明者はＡｌＧａＮセンサのＳ／Ｎ比の向上につき種々研究を重ねた結果、上記の通り、ＡｌＮ／ＧａＮマルチレイヤーにより量子的にバンドギャップをコントロールすることにより、高Ｓ／Ｎ比紫外線センサを実現するに至った。
【００１２】
上記の受光素子は、好ましくは、（２）前記結晶基板がｎ型ＳｉＣからなり、前記バッファ層がｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）からなる。
【００１３】
上記（１）、（２）の受光素子は、好ましくは、（３）前記光感受層が、前記第１の光感受層と前記第２の光感受層それぞれの積層厚を調整することにより、カットオフ波長のチューニングが行われる構成からなっている。
【００１４】
上記（１）〜（３）の受光素子は、より好ましくは、（４）前記ショットキー電極が、検出対象とする光の波長に対して透明な透光性の金属薄膜からなり、前記受光面略全面を被覆する様に形成されている。
【００１５】
上記（１）〜（４）の受光素子においては、（５）前記他方側の電極がオーミック電極であることが好ましい。
【００１６】
なお、本明細書において「超格子構造」とは、ヘテロ接合を数〜数１０原子層厚の一定周期で繰り返して形成される人工的な構造を言う。十分に短い周期で半導体超格子を構成したとき（短周期超格子）、その積層構造は実効的に超格子の寸法で決まる平均組成の混晶とほぼ等しい働きをすることが知られている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、４桁程度の高Ｓ／Ｎ比を有する紫外線センサを、より安価かつ容易に製造可能な半導体センサ、特に、個々のニーズに合った波長の光を検出、測定可能な半導体センサを提供することが可能なＡｌＧａＮセンサとして実現できる。
それゆえ、本発明の受光素子は、ｉ）太陽光中に僅かに含まれる紫外線成分の測定等のヘルスケア分野やｉｉ）炎検知分野を含む広範な事業領域に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の受光素子の一構成例を示す図であって、（ａ）は端面より見た斜視図、（ｂ）はその光感受層の詳細説明図である。
【図２】実験結果を示す図である。
【図３】従来技術を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の半導体受光素子（以下、「受光素子」という）の詳細に付き、一実施例を用いて説明する。なお、以下では、従来例の構成と共通する箇所については、同一の参照符を用いるものとするほか、説明が重複することとなる部分については適宜省略することとする。
【実施例】
【００２０】
図１は、本発明の受光素子の一構成例を示す図である。なお、図１（ａ）は適当な位置で本実施例の受光素子１を切断したときの端面図で、（ｂ）はその光感受層の詳細説明図である。図中のハッチングは、電極を識別するために施している。
【００２１】
なお、受光素子の性能は、主としてｉ）カットオフ波長と、ｉｉ）Ｓ／Ｎ比、により決定されるところ、光感受層がＡｌＮ層やＧａＮ層単体の場合には、４桁程度のＳ／Ｎ比を期待出来た。一方、光感受層をＡｌ、Ｇａ、Ｎの３つの混晶系からなるＡｌＧａＮ層とした場合では、カットオフ波長から長波長側にだらだら減衰することが影響して、Ｓ／Ｎ比が３桁程度に止まり、不十分な点が問題となっていた。
そこで、本発明では、以下に説明する構成とすることにより、光感受層をＡｌ、Ｇａ、Ｎの３つの混晶系からなる層とした場合におけるＳ／Ｎ比の向上を実現すると共に、光感受層の構成の調整如何によってカットオフ波長を自由にコントロール出来る様にした。
【００２２】
［構成］
図１（ａ）に、本実施例に係る受光素子の構成を示す。本発明の受光素子１は、図３に示す従来例同様、所謂ＭＩＳ型の構成を採るＰＤである。従って、ショットキー電極と、これに対応して設けられる他方の電極とが、受光素子として機能し得る態様で配置される。この他方の電極はオーミック電極であることが好ましい。ショットキー障壁を用いた光検出のメカニズム自体は、従来のショットキー障壁型のＰＤの場合と同様である。
【００２３】
図１（ａ）に示す本実施例の受光素子１は、昇華法等で作製したｎ型Ｓｉ系基板２上に、必要に応じバッファ層３を形成し、さらにその上に、光感受層１０を結晶成長させて構成したものである。本実施例では、上記の積層構造を、公知の手法を導入して有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により作製した。なお、光感受層１０の上には、Ｎｉ／Ａｕから成る透明ショットキー電極５が形成されている。
【００２４】
又図１に示す通り、ｎ型Ｓｉ系基板２の裏面には、Ｔｉ／Ａｌからなるオーミック電極７が形成される。一方、透明ショットキー電極５の受光面の一部には、Ａｕからなるパッド電極６が形成されている。
本実施例の受光素子１では、透明ショットキー電極５側から光（紫外線）Ｌが入射すると、キャリアが発生し、電極５，７から光電流が取り出される。
【００２５】
次に、光感受層１０を構成する絶縁性のＩＩＩ族窒化物材料に関し、本実施例では、光感受層１０はＡｌＮ層１１とＧａＮ層１２との超格子構造（ＡｌＮ層１１とＧａＮ層１２とを交互に積層する構造。ＭＱＷ）からなっている。
具体的には、光感受層１０は、図１（ｂ）に示す通り、ＡｌＮ層１１（１１’、１１’’…１１ｎ）とＧａＮ層１２（１２’、１２’’…１２ｎ）とが交互に積層される構造となっている。
【００２６】
なお、従来例の場合、検出対象とする光の波長帯域に応じてその最適組成が決定され、例えば紫外域にある約３４０ｎｍの波長の光に対して感度をもつセンサを得るには光感受層４をＡｌＧａＮから形成するところ、本実施例では、ｉ）ＡｌＮ層１１、ＧａＮ層１２それぞれの積層厚を調整することにより、またはｉｉ）Ａｌの濃度を調整することにより、カットオフ波長のチューニングを行うことが可能である。
【００２７】
ここで、検討したところによれば、ＡｌＮ層１１が１０Åを超えるとトンネル電流がうまく流れず、紫外線センサとして動作しない可能性がある。したがって、ＡｌＮ層１１の厚さは、１０Åまでのなるべく薄い値とすることが好ましい。一方、ＧａＮ層１２の厚さについては、例えば１０〜５０Åの範囲で変化させて、バンドギャップの値を適宜調整することが好ましい。
【００２８】
このように、本実施例に係る受光素子１は、上記の通り、光感受層１０の構造が従来例と異なる。
【００２９】
本実施例では、ショットキー電極５には透明（透光性の金属薄膜）電極が用いられる。透明とは、検出対象とする光の波長に対して透明という意味である。ショットキー電極５の材料としては、Ａｕ、Ｐｔ若しくはＴｉＷ、又はそれらの組み合わせ（Ｎｉ／Ｐｔ、Ｎｉ／Ａｕ等）などが挙げられる。図３に示す従来例同様、この透明ショットキー電極５は、受光面４ａ略全面を被覆する様に形成されている。
なお、本実施例では、透光性の金属薄膜からなる透明ショットキー電極５と外部との接続を容易にするために、ショットキー電極５の上面に、Ａｕからなるパッド電極６を付加している。
【００３０】
オーミック電極７の材料としては、Ａｌ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｔｉ若しくはＴｉ、又はそれらの組み合わせなどが挙げられる。また、ショットキー電極５側が逆バイアスになるように電圧が印加されるので、オーミック電極７側がショットキー障壁を持っていても大きな問題にはならない。このことは、両電極をショットキー電極で形成していても、受光面の電極に逆バイアスの電圧を印加して使う場合、もう一方の電極には順バイアス状態になり、結果、オーミック電極と同等の働きをすることを意味している。
【００３１】
結晶基板２は、ＩＩＩ族窒化物材料の結晶成長が可能な、導電性を示すＳｉ系の半導体基板とされる。好適な基板としてはｎ型ＳｉＣやｎ型Ｓｉからなるものが挙げられる。本実施例では、結晶基板２上に、バッファ層３を介して光感受層１０を成長させている。一般的に、バッファ層３は、その上方に成長させるＩＩＩ族窒化物材料の結晶成長温度よりも低温で堆積させたものである。
なお、便宜上、ｎ型ＳｉＣやｎ型Ｓｉからなる結晶基板２の表面に、ＩＩＩ族窒化物結晶との格子定数や熱膨張係数の違いを緩和するためのｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）［ｎ型ＳｉＣ基板の場合］やｎ型ＳｉＣ［ｎ型Ｓｉ基板の場合］からなるバッファ層３を設けたものを基板とみなしても良く、さらにその上に光感受層４とは別のＩＩＩ族窒化物結晶の薄膜（例えば、基板等とはドーピングの濃度が異なるもの）を有するものを基板とみなしても構わない。
いずれにしても、本実施形態では、光感受層１０を境にしてバッファ層３より下の各層（バッファ層３、結晶基板２及びオーミック電極７）については電極として一体的に取り扱って考えることが可能である。
【００３２】
［動作］
又以下では、本実施例に係る受光素子１の動作につき説明する。まず、透明ショットキー電極５側に負電圧、ｎ型層側すなわちオーミック電極７に正電圧を印加して、素子を逆バイアス状態とする。図の上方より入射する光Ｌは、透明ショットキー電極５を透過し、光感受層１０に達すると吸収され、伝導帯に電子を、価電子帯に正孔を発生させる。このとき、電子は電界によりｎ型半導体層である結晶基板２に移動する一方、正孔は透明ショットキー電極５に移動し、電極を通じて光電流として外部に取り出される。換言すれば、電子はオーミック電極７に、正孔はショットキー電極５に導かれ、光電流として外部に取り出される。
ここで、逆バイアス電圧を大きくすることにより、アバランシェ効果を起こさせ、電流増幅型素子として用いられることもある。
【００３３】
［実験結果］
図２に、本実施例に係る受光素子１の実験結果を示す。図２（ａ）は、本実施例に係る受光素子１の実験結果を示している。また図２（ｂ）は、光感受層４をＡｌＮ層若しくはＧａＮ層単独からなるもの、またはＡｌＧａＮ層（上記の通り、ＡｌｘＧａｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１））からなるものとした従来例に係る受光素子１’の実験結果を示している。ここで、図２（ｂ）には、ＡｌＧａＮ層に関しては、上記ｘとｙの比率を適宜変えた３種類の例が示されている。なお、図２（ｂ）は本実施例に係る受光素子１の実験結果との比較のため、Terubumi Saito et. al, “Group III-nitride semiconductor Schottky barrier photodiodes for radiometric use in the UV and VUV regions”, Metrologia, 46 (2009) S272-S276より引用したものである。
【００３４】
まず、従来例につき説明すると、図２（ｂ）のグラフを見ると、ＡｌＮ層またはＧａＮ層単独からなる従来例に係る受光素子１’のＳ／Ｎは比較的良い。次に、光受光層をＡｌ、Ｇａ、Ｎの３つの合金からなるＡｌＧａＮ層にしたときには、Ｓ／Ｎ比が悪化している。これについては、３つの混晶系の様な無秩序状態では、バンドギャップより小さいところで光電流がだらだら流れてしまい、それがＳ／Ｎ比の悪化に繋がっているものと考えられる。
【００３５】
一方、図２（ａ）のグラフに示す本実施例に係る受光素子の場合は、光感受層４をＡｌＮ層またはＧａＮ層単独からなるものとした従来例に係る受光素子１’と同様に、４桁のＳ／Ｎ比を実現できている。
このように、本発明に係る受光素子は、従来のＡｌＧａＮセンサ同様にカットオフ波長のチューニングを行うことが可能である一方で、４桁のＳ／Ｎ比を実現することが可能なものである。それゆえ、本発明の受光素子は、ｉ）太陽光中に僅かに含まれる紫外線成分の測定等のヘルスケア分野やｉｉ）炎検知分野を含む広範な事業領域に十分適用可能であることが明らかとなった。
【００３６】
以上、一実施例に基づき本発明に係る受光素子の詳細につき説明したが、本発明に係る受光素子については上記実施例に記載の構成に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【００３７】
このように、本発明は、個々のニーズに合った波長の光を検出、測定可能であると共に、高Ｓ／Ｎ比を実現可能な受光素子を提供する新規かつ有用なるものであることが明らかである。
【符号の説明】
【００３８】
Ｌ  入射光
１、１’  受光素子
２  結晶基板
３  バッファ層
４、１０  光感受層
１１、１１’、１１’’・・・１１ｎ  第１の光感受層
１２、１２’、１２’’・・・１２ｎ  第２の光感受層
４ａ  受光面
５  ショットキー電極
６  パッド電極
７  他方側の電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
2012156282.tif 000005