(57)【要約】【課題】低温プロセスで安価に製造可能で高性能なフォトダイオードを提供する。【解決手段】フォトダイオード１は、互いに対向して配置された第１電極２０及び第２電極３０と、第１電極２０と第２電極３０との間に、それぞれに接触して設けられた酸化物半導体層４０とを備え、酸化物半導体層４０は、互いに同一の導電型であるアモルファス酸化物半導体層４１と多結晶酸化物半導体層４２との積層構造を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向して配置された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に、それぞれに接触して設けられた酸化物半導体層とを備え、
前記酸化物半導体層は、互いに同一の導電型であるアモルファス酸化物半導体層と多結晶酸化物半導体層との積層構造を有する
フォトダイオード。
【請求項２】
前記酸化物半導体層は、前記第１電極及び前記第２電極の一方とショットキー接続され、前記第１電極及び前記第２電極の他方とオーミック接続されている
請求項１に記載のフォトダイオード。
【請求項３】
前記酸化物半導体層は、インジウム、ガリウム及び亜鉛の少なくとも１つの元素を含む
請求項１又は２に記載のフォトダイオード。
【請求項４】
前記アモルファス酸化物半導体層は、酸化インジウムガリウム亜鉛又は酸化ガリウムから形成され、
前記多結晶酸化物半導体層は、酸化亜鉛、酸化インジウム又は酸化インジウムガリウムから形成される
請求項１〜３のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項５】
前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方は、モリブデンを含む
請求項１〜４のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項６】
前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方は、白金、パラジウム又は有機金属を含む
請求項１〜５のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項７】
前記酸化物半導体層は、スパッタ法によって形成されている
請求項１〜６のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項８】
前記フォトダイオードは、前記酸化物半導体層に紫外光が入射した場合に、前記第１電極及び前記第２電極間に起電力を発生する
請求項１〜７のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項９】
さらに、
樹脂材料から形成され、前記第１電極及び前記第２電極の一方を支持する基板を備える
請求項１〜８のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項１０】
請求項８に記載のフォトダイオードと、
前記フォトダイオードを支持するシリコン基板と、
前記シリコン基板に形成された複数のトランジスタを含む制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記第１電極及び前記第２電極間に生じる起電力に基づいた電流信号を処理する
紫外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、フォトダイオード及び紫外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を利用したフォトダイオードが知られている。例えば、特許文献１には、プラズマを用いた分子線エピタキシー法（ＰＡＭＢＥ：Ｐｌａｓｍａ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いて形成したＺｎＯ系半導体層を備えるフォトダイオードが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１１２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来のＰＡＭＢＥ法では、成膜中のプロセス温度が高いという問題がある。このため、例えば、基板に樹脂材料などを用いることが難しく、フレキシブルなフォトダイオードを作製することが難しい。また、高品質なＺｎＯ膜を形成することができるものの、コストが高いという問題がある。
【０００５】
そこで、本開示は、低温プロセスで安価に製造可能で高性能なフォトダイオード及び紫外線センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本開示の一態様に係るフォトダイオードは、互いに対向して配置された第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に、それぞれに接触して設けられた酸化物半導体層とを備え、前記酸化物半導体層は、互いに同一の導電型であるアモルファス酸化物半導体層と多結晶酸化物半導体層との積層構造を有する。
【０００７】
また、本開示の一態様に係る紫外線センサは、前記フォトダイオードと、前記フォトダイオードを支持するシリコン基板と、前記シリコン基板に形成された複数のトランジスタを含む制御回路とを備え、前記制御回路は、前記第１電極及び前記第２電極間に生じる起電力に基づいた電流信号を処理する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、低温プロセスで安価に製造可能で高性能なフォトダイオードなどを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係るフォトダイオードの断面図である。
【図２】実施の形態１に係るフォトダイオードの電流−電圧特性を示す図である。
【図３】比較例１に係るフォトダイオードの断面図である。
【図４】比較例２に係るフォトダイオードの断面図である。
【図５】比較例１に係るフォトダイオードに紫外光を照射したときに流れる電流の検出結果を示す図である。
【図６】比較例２に係るフォトダイオードに紫外光を照射したときに流れる電流の検出結果を示す図である。
【図７】実施の形態１の実施例に係るフォトダイオードに紫外光を照射したときに流れる電流の検出結果を示す図である。
【図８】実施の形態１に係るフォトダイオードに照射した紫外光の照度と流れる電流との関係を示す図である。
【図９】実施の形態１に係るフォトダイオードの光の波長に対する感度を示す図である。
【図１０】実施の形態２に係る紫外線センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本開示の概要）
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るフォトダイオードは、互いに対向して配置された第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に、それぞれに接触して設けられた酸化物半導体層とを備え、前記酸化物半導体層は、互いに同一の導電型であるアモルファス酸化物半導体層と多結晶酸化物半導体層との積層構造を有する。
【００１１】
アモルファス酸化物半導体層と多結晶酸化物半導体層との積層構造は、例えば、スパッタ法などの低温プロセスによって形成することができるので、低コストで当該フォトダイオードを実現することができる。なお、スパッタ法などの低温プロセスにより形成されたアモルファス酸化物半導体には、同じ照度の光を照射した場合でも検出値が再現しない場合がある。また、スパッタ法などの低温プロセスにより形成された多結晶酸化物半導体層には、感度が低いという問題がある。これらに対して、アモルファス酸化物半導体層と多結晶酸化物半導体層との積層構造を形成することで、高感度及び高再現性を実現することができた。したがって、本開示の一態様によれば、低温プロセスで安価に製造可能で、かつ、高性能なフォトダイオードを提供することができる。
【００１２】
また、例えば、前記酸化物半導体層は、前記第１電極及び前記第２電極の一方とショットキー接続され、前記第１電極及び前記第２電極の他方とオーミック接続されていてもよい。
【００１３】
これにより、フォトダイオードは、いわゆるショットキーダイオードを構成する。したがって、ＰＮ接合ダイオードに比べて簡易な構成で実現することができる。
【００１４】
また、例えば、前記酸化物半導体層は、インジウム、ガリウム及び亜鉛の少なくとも１つの元素を含んでもよい。
【００１５】
これにより、良好なダイオード特性を実現することができ、高性能なフォトダイオードを提供することができる。
【００１６】
また、例えば、前記アモルファス酸化物半導体層は、酸化インジウムガリウム亜鉛又は酸化ガリウムから形成され、前記多結晶酸化物半導体層は、酸化亜鉛、酸化インジウム又は酸化インジウムガリウムから形成されてもよい。
【００１７】
これにより、良好なダイオード特性を実現することができ、高性能なフォトダイオードを提供することができる。
【００１８】
また、例えば、前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方は、モリブデンを含んでもよい。
【００１９】
これにより、良好なショットキー接続及びオーミック接続を実現できるので、高性能なフォトダイオードを提供することができる。
【００２０】
また、例えば、前記第１電極及び前記第２電極の少なくとも一方は、白金、パラジウム又は有機金属を含んでもよい。
【００２１】
これにより、良好なショットキー接続を実現できるので、高性能なフォトダイオードを提供することができる。
【００２２】
また、例えば、前記酸化物半導体層は、スパッタ法によって形成されていてもよい。
【００２３】
これにより、低温プロセスでフォトダイオードを形成することができる。したがって、例えば、フレキシブル樹脂基板上にフォトダイオードを形成することができる。
【００２４】
また、例えば、前記フォトダイオードは、前記酸化物半導体層に紫外光が入射した場合に、前記第１電極及び前記第２電極間に起電力を発生してもよい。
【００２５】
これにより、紫外光に感度を有する安価で高性能なフォトダイオードを提供することができる。
【００２６】
また、例えば、前記フォトダイオードは、さらに、樹脂材料から形成され、前記第１電極及び前記第２電極の一方を支持する基板を備えてもよい。
【００２７】
これにより、例えば、フレキシブル樹脂基板上にフォトダイオードを形成することができる。
【００２８】
また、例えば、本開示の一態様に係る紫外線センサは、前記フォトダイオードと、前記フォトダイオードを支持するシリコン基板と、前記シリコン基板に形成された複数のトランジスタを含む制御回路とを備え、前記制御回路は、前記第１電極及び前記第２電極間に生じる起電力に基づいた電流信号を処理する。
【００２９】
これにより、制御回路とフォトダイオードとを一体形成することができる。したがって、配線面積の増加などを抑制しつつ、信号の増幅回路などを実現できるので、小型で安価な紫外線センサを提供することができる。
【００３０】
以下では、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００３１】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、製造工程、製造工程の順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００３２】
また、本明細書において、「上方」及び「下方」という用語は、絶対的な空間認識における上方向（鉛直上方）及び下方向（鉛直下方）を指すものではなく、積層構成における積層順を基に相対的な位置関係により規定される用語として用いる。また、「上方」及び「下方」という用語は、２つの構成要素が互いに間隔をあけて配置されて２つの構成要素の間に別の構成要素が存在する場合のみならず、２つの構成要素が互いに密着して配置されて２つの構成要素が接する場合にも適用される。
【００３３】
（実施の形態１）
［１．構成］
まず、実施の形態１に係るフォトダイオード１の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係るフォトダイオード１の断面図である。
【００３４】
図１に示すように、フォトダイオード１は、基板１０と、第１電極２０と、第２電極３０と、酸化物半導体層４０とを備える。フォトダイオード１は、酸化物半導体層４０に紫外光が入射した場合に、第１電極２０及び第２電極３０間に起電力を発生する。したがって、第１電極２０と第２電極３０との間に負荷を接続した場合、当該負荷に電流が流れる。当該電流を検出することで、酸化物半導体層４０に入射した紫外光の照度を測定することができる。
【００３５】
以下、フォトダイオード１が備える構成要素について詳細に説明する。
【００３６】
［１−１．基板］
基板１０は、第１電極２０を支持する支持基板である。基板１０は、例えば、シリコン基板などの半導体基板である。あるいは、基板１０は、ソーダガラス、石英ガラス、無アルカリガラス又は高耐熱性ガラスなどのガラス材料で構成されるガラス基板でもよい。あるいは、基板１０は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミドなどの樹脂材料からなる樹脂基板などであってもよい。
【００３７】
また、基板１０は、リジッド基板ではなく、フレキシブルガラス基板又はフレキシブル樹脂基板などのシート状又はフィルム状の可撓性を有するフレキシブル基板であってもよい。フレキシブル樹脂基板としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのフィルム材料の単層又は積層で構成された基板を用いることができる。基板１０が樹脂材料から形成される場合は、基板１０と第１電極２０との間に水分の浸透を抑制する防湿膜（バリア層）を形成してもよい。
【００３８】
基板１０は、紫外光に対して透過性を有してもよい。第１電極２０も同様に紫外光に対して透過性を有する場合、フォトダイオード１は、基板１０側から照射される紫外光を検出することができる。
【００３９】
［１−２．第１電極及び第２電極］
第１電極２０及び第２電極３０は、互いに対向して配置された一対の電極である。第１電極２０及び第２電極３０の少なくとも一方は、所定の波長の光に対する透過性を有する。所定の波長の光は、具体的には、紫外光である。本実施の形態では、第２電極３０が４００ｎｍ以下の波長の紫外光を透過する。本実施の形態では、第１電極２０は、基板１０上に積層された下部電極であり、第２電極３０は、第１電極２０の上方に設けられた上部電極である。
【００４０】
第１電極２０は、酸化物半導体層４０とショットキー接続されている。第２電極３０は、酸化物半導体層４０とオーミック接続されている。すなわち、本実施の形態に係るフォトダイオード１は、いわゆるショットキーダイオードである。
【００４１】
第１電極２０及び第２電極３０は、例えば、金属材料から形成される。具体的には、第１電極２０及び第２電極３０の少なくとも一方は、モリブデン（Ｍｏ）を含む。なお、本実施の形態では、第２電極３０が紫外光を透過するので、第２電極３０は、紫外光を透過可能な程度の金属薄膜から形成される。例えば、第１電極２０は、厚さが５０ｎｍのＭｏ膜から形成され、第２電極３０は、厚さが５ｎｍのＭｏ膜から形成される。
【００４２】
第１電極２０は、例えば、スパッタ法により形成される。第２電極３０は、例えば、電子ビーム蒸着法により形成される。なお、第１電極２０及び第２電極３０の形成方法は、これらに限定されない。
【００４３】
なお、第１電極２０及び第２電極３０の少なくとも一方は、Ｍｏに限らず、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）などから形成されてもよい。あるいは、第１電極２０及び第２電極３０の少なくとも一方は、モリブデンタングステン（ＭｏＷ）などの合金から形成されてもよい。あるいは、第１電極２０及び第２電極３０の少なくとも一方は、導電性高分子などの有機金属を含んでもよい。導電性高分子としては、例えば、ポリアニリン、ポリチオフェン、ＰＥＤＯＴなどを用いることができる。あるいは、第１電極２０及び第２電極３０の少なくとも一方は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）などの透明導電性酸化膜から形成されてもよい。
【００４４】
［１−３．酸化物半導体層］
酸化物半導体層４０は、第１電極２０と第２電極３０との間に、それぞれに接触して設けられた酸化物半導体層である。図１に示すように、酸化物半導体層４０は、アモルファス酸化物半導体層４１と、多結晶酸化物半導体層４２との積層構造を有する。
【００４５】
アモルファス酸化物半導体層４１は、第１電極２０の上面に接触して積層されている。アモルファス酸化物半導体層４１は、第１電極２０にショットキー接続されている。多結晶酸化物半導体層４２は、アモルファス酸化物半導体層４１の上面に接触して積層されている。多結晶酸化物半導体層４２は、第２電極３０にオーミック接続されている。
【００４６】
本実施の形態では、アモルファス酸化物半導体層４１と多結晶酸化物半導体層４２とは、互いに同一の導電型である。例えば、アモルファス酸化物半導体層４１及び多結晶酸化物半導体層４２はともに、ｎ型の酸化物半導体層である。あるいは、アモルファス酸化物半導体層４１及び多結晶酸化物半導体層４２はともに、ｐ型の酸化物半導体層でもよい。酸化物半導体層４０は、全体として所定の導電型の酸化物半導体層である。
【００４７】
酸化物半導体層４０は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）及び亜鉛（Ｚｎ）の少なくとも１つの元素を含んでいる。具体的には、アモルファス酸化物半導体層４１は、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩｎＧａＺｎＯ）、又は、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）から形成される。多結晶酸化物半導体層４２は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）又は酸化インジウムガリウム（ＩｎＧａＯ）から形成される。
【００４８】
酸化物半導体層４０は、スパッタ法によって形成されている。具体的には、アモルファス酸化物半導体層４１及び多結晶酸化物半導体層４２は、この順で、それぞれスパッタ法によって形成される。
【００４９】
例えば、組成比Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ：Ｏ＝１：１：１：４のターゲット材を用いた、酸素（Ｏ２）とアルゴン（Ａｒ）との混合ガス雰囲気でのスパッタリングによって、第１電極２０上にアモルファスＩｎＧａＺｎＯ膜を、アモルファス酸化物半導体層４１として成膜する。続いて、酸化亜鉛（Ｚｎ：Ｏ＝１：１）をターゲット材として用いて、酸素（Ｏ２）とアルゴン（Ａｒ）との混合ガス雰囲気でのスパッタリングによって、アモルファス酸化物半導体層４１上に多結晶ＺｎＯ膜を、多結晶酸化物半導体層４２として成膜する。
【００５０】
本実施の形態では、アモルファス酸化物半導体層４１及び多結晶酸化物半導体層４２の各々の厚みを５０ｎｍとしたが、これに限定されない。
【００５１】
［２．電流−電圧特性］
図２は、本実施の形態に係るフォトダイオード１の電流−電圧特性を示す図である。図２において、横軸は、第１電極２０と第２電極３０との間に印加した電圧、縦軸は、第１電極２０から第２電極３０に流れる電流を示している。
【００５２】
第１電極２０は、厚さが５０ｎｍのＭｏ膜であり、第２電極３０は、厚さが５ｎｍのＭｏ膜である。ここでは、第２電極３０を接地（０Ｖ）した状態で、第１電極２０に印加する電圧を変化させることで、第１電極２０から第２電極３０に流れる電流を測定した結果をプロットしている。
【００５３】
図２に示すように、フォトダイオード１では、第１電極２０と酸化物半導体層４０との間にショットキーコンタクトが形成されていることが推察される。
【００５４】
なお、図２に示すように、印加電圧が−１Ｖの場合には、マイナスの電流が僅かに流れている。このため、第１電極２０としては、より仕事関数の大きい金属材料を用いてもよい。
【００５５】
ここで、一例として、第１電極２０及び第２電極３０の両方にＭｏＷ（又は、Ｍｏ）などの金属材料を用いた場合に、第１電極２０が酸化物半導体層４０にショットキー接続され、かつ、第２電極３０が酸化物半導体層４０にオーミック接続される理由について説明する。
【００５６】
本実施の形態では、第１電極２０を形成した後、酸化物半導体層４０をスパッタ法により形成する。スパッタ法としては、例えば、数％（具体的には、１％〜２０％）の酸素を含む環境下で成膜を行う反応性スパッタ法を用いることができる。この場合、第１電極２０の界面は、酸素に曝されて酸化する。したがって、第１電極２０の界面には、酸化モリブデンが多く含まれている。
【００５７】
酸化モリブデンは、モリブデンと比較して、仕事関数が高い。このため、第１電極２０と酸化物半導体層４０とは、ショットキー接続される。
【００５８】
このように、ショットキー接続は、酸化物半導体層４０を形成する際に、第１電極２０の界面が酸化されることにより良好に形成される。つまり、ショットキー接続は、酸化物半導体層４０の材料ではなく、成膜プロセスに起因して形成される。このため、第１電極２０に接触する酸化物半導体層（下層）は、アモルファス酸化物半導体層４１及び多結晶酸化物半導体層４２のいずれでもよい。
【００５９】
また、第１電極２０の界面が酸化されればよいので、例えば、酸化物半導体層４０にスパッタ法を利用しない場合には、酸素プラズマ処理をしてもよい。これにより、第１電極２０の界面を酸化し、酸化物半導体層４０と第１電極２０とを良好にショットキー接続させることができる。
【００６０】
一方で、モリブデンは仕事関数が低いので、第２電極３０と酸化物半導体層４０とは、オーミック接続される。なお、オーミック接続の要因としては、仕事関数が低いことだけではなく、膜中欠陥サイトを介して電流が流れやすくなっていることも考えられる。膜中欠陥サイトは、金属（第２電極３０）の成膜時に酸化物半導体層４０が受けるダメージによって、酸化物半導体層４０の界面に形成される。
【００６１】
このように、オーミック接続は、第２電極３０を形成する際に、酸化物半導体層４０の界面がダメージを受けることにより膜中欠陥サイトが形成されることで、良好に形成される。つまり、オーミック接続は、酸化物半導体層４０の材料ではなく、第２電極３０の成膜プロセスに起因して形成される。このため、第２電極３０に接触する酸化物半導体層（上層）は、アモルファス酸化物半導体層４１及び多結晶酸化物半導体層４２のいずれでもよい。
【００６２】
［３．比較例との対比］
本発明者らは、本実施の形態に係るフォトダイオード１の有用性を示すために、比較例１及び２に係るフォトダイオード１ａ及び１ｂを作製し、これらの特性を比較した。以下では、その結果について説明する。
【００６３】
［３−１．実施例及び比較例に係る構成］
本実施の形態に係るフォトダイオード１の実施例では、第１電極２０がＭｏ膜であり、アモルファス酸化物半導体層４１がＩｎＧａＺｎＯ膜であり、多結晶酸化物半導体層４２がＺｎＯ膜であり、第２電極３０がＭｏ膜である。第１電極２０、アモルファス酸化物半導体層４１及び多結晶酸化物半導体層４２はそれぞれ、スパッタ法によって厚さ５０ｎｍ成膜した。第２電極３０は、電子ビーム蒸着法により厚さ５ｎｍ成膜した。各々の成膜工程におけるプロセス温度は、室温（例えば、２５℃）である。
【００６４】
図３は、比較例１に係るフォトダイオード１ａの断面図である。
【００６５】
比較例１に係るフォトダイオード１ａは、図３に示すように、基板１０と、第１電極２０と、アモルファス酸化物半導体層４１と、第２電極３０とを備える。すなわち、フォトダイオード１ａは、多結晶酸化物半導体層４２を備えない点だけがフォトダイオード１と異なる。つまり、フォトダイオード１ａは、アモルファス酸化物半導体層４１の単層構造を有するフォトダイオードである。材料、膜厚、成膜方法などはフォトダイオード１の場合と同じである。
【００６６】
図４は、比較例２に係るフォトダイオード１ｂの断面図である。
【００６７】
比較例２に係るフォトダイオード１ｂは、図４に示すように、基板１０と、第１電極２０と、多結晶酸化物半導体層４２と、第２電極３０とを備える。すなわち、フォトダイオード１ｂは、アモルファス酸化物半導体層４１を備えない点だけがフォトダイオード１と異なる。つまり、フォトダイオード１ａは、多結晶酸化物半導体層４２の単層構造を有するフォトダイオードである。材料、膜厚、成膜方法などはフォトダイオード１の場合と同じである。
【００６８】
［３−２．紫外光の照射］
本発明者らは、実施例に係るフォトダイオード１、比較例１に係るフォトダイオード１ａ及び比較例２に係るフォトダイオード１ｂの各々に紫外光を照射した。照射した紫外光は、水銀ランプから発せられた主成分の波長が２５４ｎｍの紫外光である。紫外光は、所定の時間間隔で間欠的に同じ照度で照射した。第１電極２０及び第２電極３０間には、逆バイアスとして−１Ｖの電圧を印加しておき、紫外光の照射時に第１電極２０及び第２電極３０間に流れる電流を検出した。
【００６９】
図５は、比較例１に係るフォトダイオード１ａに紫外光を照射したときに流れる電流の検出結果を示す図である。図５において、横軸は時間であり、縦軸は第１電極２０及び第２電極３０間に流れる電流の電流値である。
【００７０】
図５に示すように、紫外光を照射する度に、流れる電流の電流値が増加している。また、紫外光を照射していない場合においても電流が僅かに流れている（すなわち、０に戻らない）。
【００７１】
このように、比較例１に係るフォトダイオード１ａでは、いわゆる履歴効果が顕著に現れている。この現象は、酸化物半導体でよく見られる永久光電流（ＰＰＣ：Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ  Ｐｈｏｔｏ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）が主要因と考えられる。
【００７２】
以上の点から、比較例１に係るフォトダイオード１ａでは、再現性が低く、ＵＶセンサとして利用するのは難しい。
【００７３】
図６は、比較例２に係るフォトダイオード１ｂに紫外光を照射したときに流れる電流の検出結果を示す図である。図６において、横軸は時間であり、縦軸は第１電極２０及び第２電極３０間に流れる電流の電流値である。
【００７４】
図６に示すように、比較例２に係るフォトダイオード１ｂでは、図５に示した履歴効果はほとんど現れていない。しかしながら、紫外光を照射したときに流れる電流の電流値が約４×１０−７Ａであり、非常に小さい。
【００７５】
以上の点から、比較例２に係るフォトダイオード１ｂでは、履歴効果は抑制されているものの、感度が低く、ＵＶセンサとして利用するのは難しい。
【００７６】
図７は、実施例に係るフォトダイオード１に紫外光を照射したときに流れる電流の検出結果を示す図である。図７において、横軸は時間であり、縦軸は第１電極２０及び第２電極３０間に流れる電流の電流値である。
【００７７】
図７に示すように、実施例に係るフォトダイオード１では、履歴効果はほとんど現れていない。さらに、フォトダイオード１では、流れる電流の電流値が約２×１０−６Ａであり、比較例２に係るフォトダイオード１ｂの場合に比べて大きな電流が流れている。
【００７８】
以上の点から、アモルファス酸化物半導体層４１と多結晶酸化物半導体層４２とを積層することで、再現性が高く、かつ、感度が高いフォトダイオードが実現できることが分かった。
【００７９】
［４．紫外光の照度と電流値との関係］
以下では、紫外光の照度と電流値との関係について説明する。
【００８０】
図８は、本実施の形態に係るフォトダイオード１に照射した紫外光の照度と流れる電流との関係を示す図である。図８において、横軸は、フォトダイオード１に照射した紫外光の照度を示し、縦軸は、第１電極２０及び第２電極３０間に流れる電流の電流値を示している。黒四角は実測値であり、実線は実測値を線形補間したものである。
【００８１】
ここでは、上述した実施例に係るフォトダイオード１に、紫外光発光ダイオード（ＵＶ−ＬＥＤ：Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を用いて、波長が２８０ｎｍの紫外光を複数回異なる照度で照射した。第１電極２０及び第２電極３０間には、逆バイアスとして−１Ｖの電圧を印加しておき、紫外光の照射時に第１電極２０及び第２電極３０間に流れる電流を検出した。
【００８２】
図８に示すように、紫外光の照度に対して、電流値は略線形に応答している。したがって、フォトダイオード１をＵＶセンサとして利用することができる。
【００８３】
図９は、本実施の形態に係るフォトダイオード１の光の波長に対する感度を示す図である。図９において、横軸は、フォトダイオード１に照射した光の波長であり、縦軸は、光が照射されたときのフォトダイオード１の感度を分光感度測定により測定した結果を示している。
【００８４】
ここでは、上述した実施例に係るフォトダイオード１に、波長が３００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲で光を照射した。図９に示すように、波長が３００ｎｍの光に対しては、感度が５０ｍＡ／Ｗであり、充分な感度を有することが分かる。また、波長が４００ｎｍ以上の光に対しては、感度は略０ｍＡ／Ｗである。
【００８５】
以上のように、本実施の形態に係るフォトダイオード１は、波長が４００ｎｍ以上の可視光領域の光に対しては、感度を有さない。すなわち、フォトダイオード１は、紫外領域にのみ感度を有する。つまり、フォトダイオード１は、可視光を検出せずに、紫外光のみを検出することができる。
【００８６】
したがって、可視光領域の光をカットするための波長カットフィルタなどを用いなくても紫外光を精度良く検出することができる。つまり、本実施の形態に係るフォトダイオード１を利用することで、簡易な構成でＵＶセンサを実現することができる。
【００８７】
［５．まとめ］
以上のように、本実施の形態に係るフォトダイオード１は、互いに対向して配置された第１電極２０及び第２電極３０と、第１電極２０と第２電極３０との間に、それぞれに接触して設けられた酸化物半導体層４０とを備え、酸化物半導体層４０は、互いに同一の導電型であるアモルファス酸化物半導体層４１と多結晶酸化物半導体層４２との積層構造を有する。
【００８８】
これにより、低温プロセスで安価に製造可能で、かつ、高性能なフォトダイオードを提供することができる。
【００８９】
（実施の形態２）
続いて、本実施の形態に係るＵＶセンサ（紫外線センサ）について、図１０を用いて説明する。
【００９０】
図１０は、本実施の形態に係るＵＶセンサ１００の断面図である。図１０に示すように、ＵＶセンサ１００は、フォトダイオード１と、トランジスタ１１０を含む制御回路１２０とを備える。ＵＶセンサ１００は、さらに、フォトダイオード１を保護するための透光性の保護膜１３０を備える。保護膜１３０は、例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜などである。また、制御回路１２０（トランジスタ１１０）とフォトダイオード１（具体的には、第１電極２０）の間には、層間絶縁膜１４０が形成されている。層間絶縁膜１４０は、例えば、シリコン酸化膜である。
【００９１】
本実施の形態では、基板１０は、シリコン基板である。なお、基板１０は、シリコン基板に限らず、ＧａＡｓ基板などの半導体基板又はガラス基板などを用いてもよい。
【００９２】
制御回路１２０は、基板１０に形成された複数のトランジスタ１１０を含んでいる。なお、図１０には、１つのみのトランジスタ１１０を示している。
【００９３】
制御回路１２０は、第１電極２０及び第２電極３０間に生じる起電力に基づいた電流信号を処理する。具体的には、制御回路１２０は、フォトダイオード１の第１電極２０及び第２電極３０に電気的に接続されている。制御回路１２０は、酸化物半導体層４０に紫外光が入射されたときに流れる電流を取得する。制御回路１２０は、複数のトランジスタ１１０を含む複数の回路素子から形成される増幅回路、電流電圧変換回路などを含んでいる。これにより、制御回路１２０は、電流信号の電圧への変換、及び、その増幅などを行う。
【００９４】
トランジスタ１１０は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電界効果トランジスタである。例えば、トランジスタ１１０は、バイポーラトランジスタでもよい。
【００９５】
トランジスタ１１０は、図１０に示すように、ゲート電極１１１と、ソース電極１１２と、ドレイン電極１１３と、ゲート絶縁膜１１４とを備える。トランジスタ１１０は、さらに、基板１０の表面に設けられたチャネル領域１１５、ソース領域１１６及びドレイン領域１１７を備える。ソース領域１１６及びドレイン領域１１７は、所定のドナー又はアクセプタがドープされている。
【００９６】
ゲート電極１１１は、ゲート絶縁膜１１４を挟んでチャネル領域１１５に対向する位置に設けられている。ソース電極１１２及びドレイン電極１１３はそれぞれ、ソース領域１１６及びドレイン領域１１７に接触するように設けられている。また、本実施の形態では、ドレイン電極１１３は、第１電極２０に電気的に接続されている。ゲート電極１１１、ソース電極１１２及びドレイン電極１１３は、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料又はポリシリコンなどの導電性材料から形成される。
【００９７】
ゲート絶縁膜１１４は、ゲート電極１１１とチャネル領域１１５との間に設けられている。ゲート絶縁膜１１４は、例えば、シリコン酸化膜などの絶縁性材料から形成される。
【００９８】
以上のように、本実施の形態に係るＵＶセンサ１００では、フォトダイオード１と複数のトランジスタ１１０を含む制御回路１２０とが一体で形成されている。これは、フォトダイオード１の製造工程において、スパッタ法などの低温プロセスを用いており、高温プロセスを用いないためである。例えば、従来のＰＡＭＢＥによってＺｎＯ膜を形成する場合、ＺｎＯ膜の成膜中にデバイスが高温下に置かれるので、トランジスタ１１０の特性が低下し（又は、破壊され）、電流信号を処理することができなくなる。
【００９９】
本実施の形態では、酸化物半導体層４０の成膜を低温プロセスで行うことで、制御回路１２０とフォトダイオード１とを一体で形成することができる。これにより、ＵＶセンサ１００の小型化を実現することができる。
【０１００】
（他の実施の形態）
以上、１つ又は複数の態様に係るフォトダイオード及び紫外線センサについて、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、及び、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の範囲内に含まれる。
【０１０１】
例えば、上記の実施の形態では、酸化物半導体層４０がアモルファス酸化物半導体層４１と多結晶酸化物半導体層４２との２層から形成される例について示したが、これに限らない。酸化物半導体層４０は、３層以上の酸化物半導体層から形成されてもよい。
【０１０２】
また、例えば、上記の実施の形態では、アモルファス酸化物半導体層４１が下層であり、多結晶酸化物半導体層４２が上層である例について示したが、これに限らない。多結晶酸化物半導体層４２が下層であり、アモルファス酸化物半導体層４１が上層でもよい。すなわち、多結晶酸化物半導体層４２が第１電極２０にショットキー接続され、アモルファス酸化物半導体層４１が第２電極３０にオーミック接続されてもよい。
【０１０３】
また、例えば、酸化物半導体層４０は、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎ以外の元素を含んでもよい。例えば、酸化物半導体層４０は、Ｗ、Ｓｉなどを含んでもよい。また、酸化物半導体層４０は、紫外光に限らず、可視光が入射した場合に第１電極２０及び第２電極３０間に起電力を発生してもよい。
【０１０４】
また、上記の各実施の形態は、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本開示は、低温プロセスで安価に製造可能で高性能なフォトダイオードとして利用でき、例えば、紫外線センサなどの光検出器などに利用することができる。
【符号の説明】
【０１０６】
１、１ａ、１ｂ  フォトダイオード
１０  基板
２０  第１電極
３０  第２電極
４０  酸化物半導体層
４１  アモルファス酸化物半導体層
４２  多結晶酸化物半導体層
１００  ＵＶセンサ
１１０  トランジスタ
１１１  ゲート電極
１１２  ソース電極
１１３  ドレイン電極
１１４  ゲート絶縁膜
１１５  チャネル領域
１１６  ソース領域
１１７  ドレイン領域
１２０  制御回路
１３０  保護膜
１４０  層間絶縁膜
【図１】
2017028103.tif 000003
【図２】
2017028103.tif 000004
【図３】
2017028103.tif 000005
【図４】
2017028103.tif 000006
【図５】
2017028103.tif 000007
【図６】
2017028103.tif 000008
【図７】
2017028103.tif 000009
【図８】
2017028103.tif 000010
【図９】
2017028103.tif 000011
【図１０】
2017028103.tif 000012