JP2003023175A - Msm type semiconductor light receiving element - Google Patents
Msm type semiconductor light receiving elementInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明はMSM（Metal-Semic
onductor-Metal）型半導体受光素子に関し、特に受光面
積の増大化とキャリア分離効率の向上および素子作製工
程の簡略化に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to MSM (Metal-Semic
The present invention relates to an onductor-metal) type semiconductor light receiving element, and more particularly to an increase in light receiving area, improvement of carrier separation efficiency, and simplification of element manufacturing process.
【０００２】[0002]
【従来技術】図２は例えば、IEEE. Electron Device Le
tters Vol.EDL-2, No.5 p.p.112~114に示された従来のM
SM型フォトダイオードを示す断面図であり、図におい
て、１，２は相対するショットキ型電極、４は半絶縁性
GaAs基板、３は半絶縁性GaAs基板上に例えば有機金属気
相成長法（MOCVD法）等により成長させた光吸収層とし
てのアンドープGaAs層、５は入射光である。2. Description of the Related Art FIG. 2 shows, for example, IEEE. Electron Device Le
tters Vol.EDL-2, No.5 pp 112 ~ 114 Conventional M
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an SM photodiode, in which 1 and 2 are Schottky electrodes facing each other and 4 is a semi-insulating
GaAs substrate 3, 3 is an undoped GaAs layer as a light absorbing layer grown on a semi-insulating GaAs substrate by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD method), and 5 is incident light.
【０００３】次に動作について説明する。まず、相対す
る電極１，２にバイアス電圧を印加する。このときショ
ットキ電極１は逆バイアス、他方のショットキ電極２は
順方向バイアスとなる。この状態で光５が入射すると光
吸収層３０で吸収され、生成した電子、正孔は印加電界
によって電子は電極２に正孔は電極１に捕集され、光電
流として外部に取り出される。この様に構成されたMSM
型光検出器は半絶縁性GaAs基板に形成される。この構造
では装置全体が空乏層であり、且つ、電極間距離を小さ
くとれる櫛型電極とすることにより、高速応答に優れ、
光ファイバ情報通信の受光端末装置として採用されてい
る。Next, the operation will be described. First, a bias voltage is applied to the opposing electrodes 1 and 2. At this time, the Schottky electrode 1 is reverse biased and the other Schottky electrode 2 is forward biased. When the light 5 enters in this state, the light is absorbed by the light absorption layer 30, and the generated electrons and holes are collected by the electrode 2 in the electrons and the holes in the electrode 1 by the applied electric field, and taken out as a photocurrent to the outside. MSM configured in this way
Photodetector is formed on a semi-insulating GaAs substrate. In this structure, the entire device is a depletion layer, and by using a comb-shaped electrode that can reduce the distance between electrodes, excellent high-speed response can be achieved.
It is used as a light-receiving terminal device for optical fiber information communication.
【０００４】次に、異なる材料系と、異なる素子構造の
MSM型受光素子の例として、USP４６１４９６１にその例
があり図３に装置の概略図を示す。この受光装置の動作
について説明する。サファイア基板４上に波長１９０nm
以上の光を透過するAlNバッファ層３２と可視光を透過
するAlGaN半導体層３０をMOCVD法で形成し、表面にショ
ットキ電極１およびオーミック電極２を形成する。光は
サファイア基板側から入射され、紫外線のみAlGaN層３
０によって吸収され、電子はオーミック電極２に、正孔
はショットキ電極１に導かれ、光電流として外部に取り
出される。この材料系は可視領域に吸収がないので紫外
線検出器として構成した場合、可視光遮断フィルタを必
要としない優れた材料である。また、片側電極がオーミ
ック電極であることにより、印加電圧がなくても内部電
界によりキャリアが分離され、光電流として外部に取り
出せることが期待できる。Next, different material systems and different device structures are used.
As an example of the MSM type light receiving element, the example is given in USP 4614961, and FIG. 3 shows a schematic view of the apparatus. The operation of this light receiving device will be described. 190nm wavelength on sapphire substrate 4
The AlN buffer layer 32 that transmits the above light and the AlGaN semiconductor layer 30 that transmits the visible light are formed by the MOCVD method, and the Schottky electrode 1 and the ohmic electrode 2 are formed on the surface. Light is incident from the sapphire substrate side, and only ultraviolet rays are AlGaN layer 3
The electrons are absorbed by 0, the electrons are guided to the ohmic electrode 2, and the holes are guided to the Schottky electrode 1, and are taken out as a photocurrent to the outside. Since this material system has no absorption in the visible region, it is an excellent material that does not require a visible light cutoff filter when configured as an ultraviolet detector. Further, since the one-side electrode is an ohmic electrode, it can be expected that the carriers are separated by the internal electric field even if there is no applied voltage and can be taken out as a photocurrent to the outside.
【０００５】次に、図４は例えば、Applied Physics Le
tters 70(17), 2277 (1997).に示された従来構造の紫外
線検出器であり、図において、１は透明ショットキ電
極、２はオーミック電極、３０はGaN（0.4μm）、３１
はn+GaN( 1μm)、４はサファイア基板、５は入射光であ
る。Next, FIG. 4 shows, for example, Applied Physics Le.
TTers 70 (17), 2277 (1997). In the figure, 1 is a transparent Schottky electrode, 2 is an ohmic electrode, 30 is GaN (0.4 μm), 31
Is n + GaN (1 μm), 4 is a sapphire substrate, and 5 is incident light.
【０００６】次に動作について説明する。紫外線を含ん
だ入射光５が表面から照射され、半導体層３０で電子正
孔対が生成される。電子はn+GaN層に移動し、オーミッ
ク電極２を介して光電流として外部に取出される。Next, the operation will be described. Incident light 5 containing ultraviolet rays is irradiated from the surface, and electron-hole pairs are generated in the semiconductor layer 30. The electrons move to the n + GaN layer and are taken out as a photocurrent via the ohmic electrode 2.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】典型的な３つの従来型
MSM半導体受光素子の形態を示したが従来型構成では以
下の問題点が生じる。図２における構造は光吸収によっ
て生じた電子と正孔は同一の光吸収層を移動するので電
子と正孔とが再結合により失われる確立が生じている。
電極間距離が大きいと電子、正孔はより長い距離を移動
しなければならず、再結合確率が増大し取り出し効率の
低下を招きやすい。従って、この低下を小さくするた
め、両電極間距離を可能な限り短くする。これにより、
電極構造はMSM型に典型的な形態である櫛型構造となる
が、電極距離を小さくしてゆくと積算した電極面積が増
加し有効受光面積は小さくなり、かえって受光効率が低
下し、電流取り出し効率が低下してしまう。取出し効率
の向上には印加電圧を増大させ、電子正孔の移動速度を
増加させ、吸収層中のキャリアの滞在時間を短くするこ
とが有効であるが、このようにすると電極の端に電界が
集中し、暗電流の増加を来たしてしまうという欠点があ
る。[Problems to be Solved by the Invention] Three typical types
Although the form of the MSM semiconductor light receiving element is shown, the following problems occur in the conventional configuration. In the structure shown in FIG. 2, since electrons and holes generated by light absorption move in the same light absorption layer, it is established that electrons and holes are lost by recombination.
If the distance between the electrodes is large, the electrons and holes have to travel a longer distance, the recombination probability increases, and the extraction efficiency is likely to decrease. Therefore, in order to reduce this decrease, the distance between both electrodes is made as short as possible. This allows
The electrode structure is a comb structure, which is a typical form of the MSM type, but as the electrode distance is reduced, the integrated electrode area increases and the effective light-receiving area decreases, which in turn reduces the light-receiving efficiency and current extraction. The efficiency will decrease. In order to improve the extraction efficiency, it is effective to increase the applied voltage, increase the electron-hole moving speed, and shorten the residence time of carriers in the absorption layer. There is a drawback that the concentration is concentrated and the dark current is increased.
【０００８】次に図３の型の受光素子の問題点を考察す
る。片側電極をオーミック電極としたことによって、内
部電界を利用することができ、印加電圧が０でも電子正
孔対の分離がなされるという原理的利点はあるが、図３
の構成では光が基板側から入射されるため、この効果が
有効に作用していない。図５によってその理由を説明す
る。図５は上記図３の基板側光入射型受光素子の光吸収
層における電位分布および電子、正孔の移動の方向を示
したものである。A点は大きな面積の電極１の直下の位
置である。このA点の電位分布の変化は電極に垂直方向
である。この地点の正孔はショットキ電極に向かい、電
子は電極２に向かわずに図のC点の方向に移動する。B点
は二つの電極の中間点である。B点では正孔はショット
キ電極に、電子はオーミック電極に向かい外部に取出さ
れる。C点は電極から離れたバッファ層付近である。C点
では電位変化がなく、つまり電場がなく、この点の電子
正孔対は各々の電極に向かって移動しにくく、再結合し
消滅してしまう。基板側入射では、このC点において光
吸収が行われるのであるからキャリアの分離効果は限定
されたものとなり、効率の向上は期待できない。また、
図３のようなナイトライド材料ではバッファ層およびバ
ッファ層と光吸収層の界面はたくさんのトラップ準位が
存在しており、トラップは電子正孔の再結合中心として
働き、基板側からの入射方式は大きな欠点を有してい
る。Next, the problem of the light receiving element of the type shown in FIG. 3 will be considered. By using an ohmic electrode for one electrode, the internal electric field can be utilized, and there is a principle advantage that electron-hole pairs are separated even when the applied voltage is 0.
In this configuration, since light is incident from the substrate side, this effect does not work effectively. The reason will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows the potential distribution in the light absorption layer of the substrate side light incident type light receiving element of FIG. 3 and the direction of movement of electrons and holes. Point A is a position directly below the electrode 1 having a large area. The change in the potential distribution at point A is vertical to the electrodes. The holes at this point move to the Schottky electrode, and the electrons move to the point C in the figure without going to the electrode 2. Point B is the midpoint between the two electrodes. At point B, holes are extracted to the outside toward the Schottky electrode and electrons toward the ohmic electrode. Point C is near the buffer layer away from the electrode. At point C, there is no potential change, that is, there is no electric field, and the electron-hole pairs at this point do not easily move toward each electrode, and recombine and disappear. When incident on the substrate side, since light is absorbed at this point C, the carrier separation effect is limited, and improvement in efficiency cannot be expected. Also,
In the nitride material as shown in FIG. 3, there are many trap levels at the buffer layer and at the interface between the buffer layer and the light absorption layer, and the trap acts as a recombination center of electron holes, and the trapping method from the substrate side is used. Has major drawbacks.
【０００９】次に、図４の型の受光素子の問題点を考察
する。この型の素子は生成した電子正孔対の一方のキャ
リアを分離するために新たな層を付加しキャリア分離効
率を上げようとする優れた構造である。電子は吸収層と
サファイア基板との間の層に移動してから、更にこの層
をオーミック電極の方向に移動する。しかしながら、図
4の型の受光素子は、次の欠点を有している。図６にこ
の型の受光素子の報告例に記された素子構造を正確に模
したバンド構造を示した。ショットキ障壁の高さを0.9e
Vとすると、空乏層厚みを次式により計算すると、概略
0.1μm程度となる。(２eFB/eN)1/2、ここで、eはGaNの
誘電率で約10×8.6×10-12F/m, FBはショットキ障壁の
高さで、約0.9eV、Nはドナ濃度で1017cm-3、eは電子電
荷である。この空乏層領域を図６の１０として示した。
従って、図６のように0.4μm長の光吸収層の残りの0.3
μmはフラットなバンドとなっている。吸収端付近の光
吸収係数は5x１０４cm-1程度であるので、電子正孔対は
この光吸収層の前半部で生成し、拡散により広がり、キ
ャリアはこのフラットな領域に漂う。従って、電子正孔
対の再結合確率が高くなることが示される。従って、本
構造を効率的な素子とするためには光吸収の厚みと、キ
ャリア濃度との厳密な規定が必要となる。また、例示さ
れた構造はメサエッチングを行って、光吸収層を取除い
た上にオーミック電極を形成しているが、複雑なプロセ
ス工程が加わり、製造コストが上昇する欠点を有してい
る。Next, the problem of the light receiving element of the type shown in FIG. 4 will be considered. This type of device has an excellent structure in which a new layer is added in order to separate one carrier of the generated electron-hole pair and the carrier separation efficiency is increased. The electrons move to the layer between the absorption layer and the sapphire substrate and then further to this layer towards the ohmic electrode. However, the figure
The type 4 light receiving element has the following drawbacks. FIG. 6 shows a band structure that accurately mimics the device structure described in the reported example of this type of light receiving device. Schottky barrier height 0.9e
Assuming V is the depletion layer thickness calculated by the following equation,
It will be about 0.1 μm. (2eF B / eN) 1/2 , where e is the dielectric constant of GaN, about 10 × 8.6 × 10 -12 F / m, F B is the height of the Schottky barrier, about 0.9 eV, N is the donor concentration At 10 17 cm -3 , e is the electronic charge. This depletion layer region is shown as 10 in FIG.
Therefore, as shown in FIG. 6, the remaining 0.3 μm of the 0.4 μm long light absorption layer
μm is a flat band. Since the light absorption coefficient near the absorption edge is about 5 × 10 4 cm -1 , electron-hole pairs are generated in the first half of the light absorption layer, spread by diffusion, and carriers float in this flat region. Therefore, it is shown that the recombination probability of electron-hole pairs increases. Therefore, in order to make this structure an efficient element, it is necessary to strictly define the light absorption thickness and the carrier concentration. In addition, the illustrated structure performs mesa etching to form the ohmic electrode after removing the light absorption layer, but has a drawback that a complicated process step is added and a manufacturing cost is increased.
【００１０】[0010]
【問題を解決するための手段】この発明に係わるMSM型
半導体受光素子は、光吸収層とキャリア分離蓄積層とを
有し、相対する電極をショットキ型とし、または前記相
対する電極をショットキ型とオーミック型とし、更に光
吸収層に接して高濃度にドーピングした一方のキャリア
の分離蓄積層を備えたMSM型半導体受光素子に於いて、
このキャリア分離蓄積層は一方の電極と光吸収層を介し
て電気的に接触しており、ショットキ電界により分離さ
れた一方のキャリアを効率よく分離蓄積するように層構
造を最適化し、この分離蓄積層と接触している電極に移
動させ、光電流として取り出すようにし、同時に、プロ
セスの簡単化を図ったものである。An MSM type semiconductor light receiving element according to the present invention has a light absorption layer and a carrier separation / accumulation layer, and the opposing electrodes are Schottky type or the opposing electrodes are Schottky type. In an MSM type semiconductor light receiving element that is an ohmic type and further includes a separate accumulation layer for one carrier that is in high concentration in contact with the light absorption layer,
This carrier separation / accumulation layer is in electrical contact with one electrode via the light absorption layer, and the layer structure is optimized to efficiently separate / accumulate one carrier separated by the Schottky electric field. By moving to the electrode which is in contact with the layer and taking out as a photocurrent, at the same time, the process is simplified.
【００１１】[0011]
【作用】この発明に係わるMSM型半導体受光素子は、光
吸収層とキャリア分離蓄積層とを有し、相対する電極を
ショットキ型とし、または前記相対する電極をショット
キ型とオーミック型とし、更に光吸収層に接して高濃度
にドーピングした一方のキャリアの分離蓄積層を備えた
MSM型半導体受光素子に於いて、このキャリア分離蓄積
層は一方の電極と光吸収層を介して電気的に接触してお
り、ショットキ電界により分離された一方のキャリアを
効率よく分離蓄積するように層構造を最適化し、この分
離蓄積層と接触している電極に移動させ、光電流として
取り出すようにし、同時に、プロセスの簡単化を図った
ものであるので、光吸収層で発生したキャリアはショッ
トキ電極とキャリア分離蓄積層との間の電界によって効
率よく分離され、キャリア分離蓄積層を経由して上記一
方の電極に到達することができ、更に、電極端部での電
界集中はないので暗電流が抑制され、また、櫛型電極構
造もとる必要がないので開口効率が向上し、総合的な入
射光感度が向上する。また、エッチング等のプロセス工
程が省略できるので、製造コストが低減される。The MSM type semiconductor light receiving element according to the present invention has a light absorption layer and a carrier separation / accumulation layer, and the opposing electrodes are of Schottky type, or the opposing electrodes are of Schottky type and ohmic type. Equipped with one carrier separated and accumulated layer which is heavily doped in contact with the absorption layer
In the MSM type semiconductor light receiving element, this carrier separation / accumulation layer is in electrical contact with one electrode through the light absorption layer, so that one carrier separated by the Schottky electric field can be separated and accumulated efficiently. The layer structure is optimized so that it can be transferred to the electrode that is in contact with this separation storage layer so that it can be taken out as a photocurrent, and at the same time, the process is simplified. It is efficiently separated by the electric field between the electrode and the carrier separation / accumulation layer, and can reach the above-mentioned one electrode via the carrier separation / accumulation layer. Furthermore, since there is no electric field concentration at the electrode end, there is no dark current. Is suppressed, and since it is not necessary to form a comb-shaped electrode structure, the aperture efficiency is improved and the overall incident light sensitivity is improved. Further, since the process steps such as etching can be omitted, the manufacturing cost can be reduced.
【００１２】[0012]
【発明の実施形態】以下、本発明の一実施例を図に基づ
いて説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００１３】図１は本発明の一実施例によるMSM型半導
体受光素子の断面であり、図において、１は５nmのNiか
らなる透明ショットキ電極、１１はNi/Au（５nm/600n
m）から成るショットキ電極で１と接触している。２はT
i/Al (30nm/600nm)からなるオーミック電極、３０は厚
み約0.3μmでドナのドーピング濃度n=1016cm -3のAl0.1G
A0.9N半導体層による光吸収層、３１は厚み約3μmでド
ナのドーピング濃度n=2 x 1018cm-3のAl0.1GA0.9N半導
体層によるキャリア分離蓄積層、３２は３０，３１の半
導体層の結晶品質を高めるために約１μmのGaNが形成さ
れている。図には示してないがサファイアとAlGaN半導
体層との間には約30nmの低温成長のAlNまたはGaNバッフ
ァ層が存在している。ナイトライド半導体層は公知のMO
CVD法により作製した。原料はGa原料としてTMG（トリメ
チルガリウム）、Al原料としてTMA（トリメチルアルミ
ニウム）、窒素原料としてアンモニアを用いた。キャリ
アガスは窒素ガスおよび水素ガスを使用し、成長温度は
１０８０℃で行った。FIG. 1 shows an MSM type semiconductor according to an embodiment of the present invention.
It is a cross section of the body light receiving element. In the figure, 1 is 5 nm Ni
Transparent Schottky electrode consisting of 11 and Ni / Au (5nm / 600n
m) is in contact with 1. 2 is T
Ohmic electrode made of i / Al (30nm / 600nm), 30 is thick
Doping concentration n = 10 at only about 0.3 μm16cm -3Al0.1G
A0.9N is a light absorption layer made of a semiconductor layer, and 31 is a thickness of about 3 μm
Na doping concentration n = 2 x 1018cm-3Al0.1GA0.9N semi-conductor
Carrier separation and accumulation layer by body layer, 32 is half of 30, 31
About 1 μm GaN was formed to improve the crystal quality of the conductor layer.
Has been. Sapphire and AlGaN semiconductors not shown
Approximately 30 nm low-temperature grown AlN or GaN buffer between the body layer
Layer exists. The nitride semiconductor layer is a known MO
It was made by the CVD method. The raw material is T
Chill gallium), TMA (trimethylaluminum) as Al raw material
Ammonia was used as the nitrogen source. Carry
Nitrogen gas and hydrogen gas are used as agas, and the growth temperature is
It was carried out at 1080 ° C.
【００１４】金属電極の形成は公知のフォトリソグラフ
ィ法と抵抗加熱真空蒸着およびリフトオフ法によって行
った。透明ショットキ電極は受光面積比率の向上に効果
的であるが必須の条件ではない。また、基板としては、
サファイア基板を用いたが、例えば、炭化珪素（SiC）
や珪素（Si）,GaAs基板など、公知の結晶成長技術を用
いることにより、採用することができる。また、第一の
実施例では、光吸収層としてAlGaNを用いたが例えば、
青色領域まで光感度を持たせるときにはGaInNを光吸収
層として利用する。更に、キャリア分離蓄積層との間の
結晶の格子歪を緩和するためにAlGaInN4元半導体を用い
ることもできる。The metal electrode was formed by the known photolithography method, resistance heating vacuum deposition and lift-off method. The transparent Schottky electrode is effective in improving the light receiving area ratio, but is not an essential condition. Also, as the substrate,
Although a sapphire substrate was used, for example, silicon carbide (SiC)
It can be adopted by using a known crystal growth technique such as silicon, silicon (Si) or GaAs substrate. In the first embodiment, AlGaN is used as the light absorption layer, but
GaInN is used as the light absorption layer when the photosensitivity is extended to the blue region. Further, an AlGaInN quaternary semiconductor can be used to alleviate the crystal lattice strain between itself and the carrier separation / accumulation layer.
【００１５】次に動作について説明する。本実施例のMS
M型半導体受光素子に入射した光５は光吸収層３０に達
する。入射光のなかで入射エネルギが光吸収層のバンド
ギャップより大きい光のみが吸収され、電子正孔対が生
成される。光吸収層の半導体組成がAl0.1Ga0.9Nである
ときは波長３３７nmより短波長の紫外線が吸収される。
光吸収層３０の下部に低抵抗AlGaN層３１があり、ショ
ットキ電界は光吸収層の中を垂直に貫いている。理想的
な光吸収層の構造は、バンドギャップより大きな入射光
をほぼ１００％吸収するに必要な最低限の厚みを有し、
且つショットキ空乏層の厚みがこの厚みに概略一致して
いることである。例えば、Al0.1Ga0.9NのNi金属ショッ
トキの場合、ドナのドーピング濃度1016cm-3であると、
空乏層巾は約0.3μmとなる。光吸収は0.3μmでほぼ１０
０％吸収されるので、ドナのドーピング濃度が1016c
m-3、且つ厚みが0.3μmの光吸収層はよく適合した構造
である。図７は無印加電圧のときの透明ショットキ電極
１と下部キャリア分離蓄積層３１との間のバンド構造を
示したものである。光吸収層で吸収され生成した電子正
孔対のうち電子はキャリア分離蓄積層へ、そして正孔は
ショットキ電極へ素早く走行する。キャリア分離蓄積層
とオーミック電極との間には極薄の光吸収層を介してい
るが、小さくエネルギ障壁は図８に示すように無印加時
においても容易に外部に電子を取出すことができる。Next, the operation will be described. MS of this example
The light 5 incident on the M-type semiconductor light receiving element reaches the light absorption layer 30. Only light having incident energy larger than the band gap of the light absorption layer is absorbed, and electron-hole pairs are generated. When the semiconductor composition of the light absorption layer is Al 0.1 Ga 0.9 N, ultraviolet rays having a wavelength shorter than 337 nm are absorbed.
The low-resistance AlGaN layer 31 is located below the light absorption layer 30, and the Schottky electric field penetrates the light absorption layer vertically. An ideal light absorbing layer structure has a minimum thickness necessary to absorb almost 100% of incident light larger than the band gap,
In addition, the thickness of the Schottky depletion layer is approximately equal to this thickness. For example, in the case of Al 0.1 Ga 0.9 N Ni metal Schottky, if the doping concentration of the donor is 10 16 cm -3 ,
The depletion layer width is about 0.3 μm. Light absorption is about 10 μm at 0.3 μm
Since the absorption is 0%, the doping concentration of dona is 10 16 c
The light absorbing layer having m −3 and a thickness of 0.3 μm has a well suited structure. FIG. 7 shows the band structure between the transparent Schottky electrode 1 and the lower carrier separation storage layer 31 when no voltage is applied. Of the electron-hole pairs generated by being absorbed in the light absorption layer, electrons quickly travel to the carrier separation storage layer, and holes quickly travel to the Schottky electrode. Although an extremely thin light absorption layer is interposed between the carrier separation accumulation layer and the ohmic electrode, the energy barrier is small and electrons can be easily taken out to the outside even when no voltage is applied as shown in FIG.
【００１６】本構造のB-B断面に於けるオーミック接続
の無印加時のバンド図を図８に示す。TiAl/GaN接触は容
易にオーミック接触になることが公知であり、光吸収層
は図のように実質的にキャリアの抵抗層となることはな
く、容易に外部に取出される。むしろ、この光吸収層を
残すことでエッチング工程を省略することの製造上の利
点は大きい。FIG. 8 shows a band diagram of the present structure in the cross section BB when ohmic connection is not applied. It is known that the TiAl / GaN contact easily becomes an ohmic contact, and the light absorption layer does not substantially become a resistance layer of carriers as shown in the figure, and is easily taken out to the outside. Rather, leaving the light absorption layer and omitting the etching step has a great manufacturing advantage.
【００１７】本構造においては、光吸収層の中には電界
の弱い場所はなく平均して３０KV/cm程度の電界が発生
しており、移動度の小さい正孔でも、１ns以内で電極に
捕獲され、吸収層内での再結合確率は非常に小さくほぼ
１００％の分離が期待できる。In this structure, there is no place where the electric field is weak in the light absorption layer, and an electric field of about 30 KV / cm is generated on average, and even holes with low mobility are captured by the electrode within 1 ns. Therefore, the recombination probability in the absorption layer is very small and almost 100% separation can be expected.
【００１８】次に本受光素子の改良型として光吸収層の
上部に光吸収層よりもバンドギャップの大きい半導体層
をキャップ層として備えてもよい。こうすることによっ
て、光吸収の先端部を再結合中心のある金属・半導体界
面から離し、電子正孔対の再結合を極限まで少なくする
ことができ、さらに効率が高まることが期待できる。Next, as an improved type of the present light receiving element, a semiconductor layer having a band gap larger than that of the light absorbing layer may be provided as a cap layer on the light absorbing layer. By doing so, the tip of light absorption can be separated from the metal-semiconductor interface having a recombination center, recombination of electron-hole pairs can be minimized, and further improvement in efficiency can be expected.
【００１９】次にキャリア分離蓄積層のドーピング濃度
はフェルミレベルが概略伝導帯の底付近に存在しておれ
ばよく、その濃度は概略5x１０１７cm-3以上である。キ
ャリア濃度は高い方が望ましいが、余りにドーピング濃
度を大きくすると結晶性の悪化を招き易いので、窒化物
の場合はドーピング濃度は5 x 1019cm-3以下に制限され
る。Next, the doping concentration of the carrier separation and accumulation layer should be such that the Fermi level is approximately in the vicinity of the bottom of the conduction band, and the concentration is approximately 5 × 10 17 cm -3 or more. It is desirable that the carrier concentration is high, but if the doping concentration is too high, the crystallinity is likely to be deteriorated. Therefore, in the case of nitride, the doping concentration is limited to 5 × 10 19 cm −3 or less.
【００２０】以上、一実施例の形態にて本発明を説明し
たが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。例えば、キャリア分離蓄
積層に通ずる電極をオーミック電極としたがショットキ
電極としてもよく、バイアス電圧の値を適合させること
でオーミック電極の場合と同様の効果を得ることができ
る。The present invention has been described above with reference to the embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, the electrode that communicates with the carrier separation and accumulation layer is an ohmic electrode, but it may be a Schottky electrode, and by adjusting the bias voltage value, the same effect as in the case of an ohmic electrode can be obtained.
【００２１】また、光吸収層の厚みは、上記実施例では
計算上は空乏層厚みと一致させたが、２分の一から２倍
の厚みの変化はバイアス電圧の調節によって、効率よく
キャリアの分離ができる。Although the thickness of the light absorption layer is made to coincide with the depletion layer thickness in the above embodiment, the change of the thickness from 1/2 to 2 times is efficiently adjusted by adjusting the bias voltage. Can be separated.
【００２２】また、上記の実施の形態では、AlGaNを半
導体に用いたがInGaNまたはInAlGaN半導体とすることに
より紫外線の吸収開始波長を任意に調節することができ
る。Although AlGaN is used as the semiconductor in the above embodiment, the absorption start wavelength of ultraviolet rays can be arbitrarily adjusted by using InGaN or InAlGaN semiconductor.
【００２３】また、上記の実施の形態では、窒化物半導
体による紫外線検知の形態であるが、材料系を多材料
に、例えばAlGaAs系またはAlGaInP系とすれば、赤外線
領域または可視光領域の検知装置として、本発明を適用
できる。Further, in the above embodiment, the ultraviolet detection is performed by the nitride semiconductor, but if the material system is multi-material, for example, AlGaAs system or AlGaInP system, the detection device in infrared region or visible light region. The present invention can be applied as
【００２４】また、本発明の光検知器構造と電子素子、
例えば、増幅用電界効果トランジスタとの一体化も可能
である。Further, the photodetector structure and electronic device of the present invention,
For example, it can be integrated with a field effect transistor for amplification.
【００２５】[0025]
【発明の効果】以上のように、この発明に係わるMSM型
半導体受光素子は光吸収層とキャリア分離蓄積層とを有
し、相対する電極をショットキ型とし、または前記相対
する電極をショットキ型とオーミック型とし、更に光吸
収層に接して高濃度にドーピングした一方のキャリアの
分離蓄積層を備えたMSM型半導体受光素子に於いて、こ
のキャリア分離蓄積層は一方の電極と光吸収層を介して
電気的に接触しており、ショットキ電界により分離され
た一方のキャリアを効率よく分離蓄積するように層構造
を最適化し、この分離蓄積層と接触している電極に移動
させ、光電流として取り出すようにし、同時に、プロセ
スの簡単化を図ったものであるので、光吸収層で発生し
たキャリアはショットキ電極とキャリア分離蓄積層との
間の電界によって効率よく分離され、キャリア分離蓄積
層を経由して上記一方の電極に到達することができ、更
に、電極端部での電界集中はないので暗電流が抑制さ
れ、また、櫛型電極構造もとる必要がないので開口効率
が向上し、総合的な入射光感度が向上し、また、エッチ
ング等のプロセス工程が省略できるので、製造コストが
低減される効果がある。As described above, the MSM type semiconductor light receiving element according to the present invention has the light absorption layer and the carrier separation and accumulation layer, and the opposing electrodes are Schottky type, or the opposing electrodes are Schottky type. In an MSM type semiconductor photodetector that is an ohmic type and further has a high-concentration carrier separation separation storage layer in contact with the light absorption layer, this carrier separation storage layer has one electrode and the light absorption layer interposed therebetween. Are in electrical contact with each other, and the layer structure is optimized so that one carrier separated by the Schottky electric field can be efficiently separated and accumulated, and it is moved to the electrode that is in contact with this separated accumulation layer and extracted as a photocurrent. At the same time, since the process is simplified, the carriers generated in the light absorption layer are efficiently generated by the electric field between the Schottky electrode and the carrier separation storage layer. Can be reached to the above-mentioned one electrode via the carrier separation / accumulation layer, and since no electric field is concentrated at the electrode end, dark current is suppressed, and a comb-type electrode structure is required. As a result, the aperture efficiency is improved, the overall incident light sensitivity is improved, and the process steps such as etching can be omitted, so that the manufacturing cost can be reduced.
【００２６】[0026]
【図１】本発明の一実施例によるMSM型半導体受光素子
の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of an MSM type semiconductor photo detector according to an embodiment of the present invention.
【図２】従来のMSM型半導体受光素子の断面図である。FIG. 2 is a sectional view of a conventional MSM type semiconductor light receiving element.
【図３】窒化ガリウム半導体材料を用いた一つの構造の
MSM型半導体受光素子の断面図である。FIG. 3 shows one structure using a gallium nitride semiconductor material.
It is a sectional view of an MSM type semiconductor light receiving element.
【図４】窒化ガリウム半導体材料を用いた別の構造のMS
M型半導体受光素子の断面図である。Fig. 4 MS of another structure using gallium nitride semiconductor material
It is a sectional view of an M type semiconductor light receiving element.
【図５】図３の従来のMSM型半導体受光素子の動作を説
明するための電位分布と電子正孔の移動を示した図であ
る。5 is a diagram showing a potential distribution and movement of electron holes for explaining the operation of the conventional MSM type semiconductor light receiving element of FIG.
【図６】図４の従来の窒化ガリウム半導体を用いた受光
素子のバンド構造である。6 is a band structure of a light receiving element using the conventional gallium nitride semiconductor of FIG.
【図７】本発明の一実施例である図１のショットキ障壁
を含むA-A断面のバンド構造図である。7 is a band structure diagram of an AA cross section including the Schottky barrier of FIG. 1 which is an embodiment of the present invention.
【図８】本発明の一実施例である図１のオーミック接合
を含むB-B断面のバンド構造図である。8 is a band structure diagram of a BB section including the ohmic junction of FIG. 1 which is an embodiment of the present invention.
１： 透明ショットキ型電極
１１： ショットキ型電極
２： オーミック型電極
３０： 光吸収層
３１： AlxGa1-xN半導体キャリア分離蓄積
層
３２： GaN層またはAlNバッファ層
４： サファイア基板
４１： 半絶縁性GaAs層
５： 入射光
６： フェルミレベル
７： 伝導帯端
８： 価電子帯端
９： 再結合消滅過程
１０： 光吸収層の中の空乏層領域
A―A： 図８に示すバンド図の位置
B―B： 図９に示すバンド図の位置1: Transparent Schottky type electrode 11: Schottky type electrode 2: Ohmic type electrode 30: Light absorption layer 31: Al x Ga 1-x N semiconductor carrier separation / accumulation layer 32: GaN layer or AlN buffer layer 4: Sapphire substrate 41: Half Insulating GaAs layer 5: Incident light 6: Fermi level 7: Conduction band edge 8: Valence band edge 9: Recombination annihilation process 10: Depletion layer region in light absorption layer AA: Band diagram shown in FIG. Position BB: Position of band diagram shown in FIG.
Claims (9)
キ電極とを含むMSM型半導体受光素子であって、光吸収
層により生成した電子または正孔の一方のキャリアを上
記他方のキャリアから分離蓄積させる領域を備え、この
領域を経由して上記一方のキャリアが一方の電極に導通
することを特徴としたMSM型半導体受光素子において、
前記光吸収層の厚みLは、入射光強度Io, Lの距離の光強
度をIとしたとき、I=Io exp（- aL）で定義される半導
体の光吸収係数aに対して、a L =1以上10以下であるこ
とを特徴とするMSM型半導体受光素子。1. An MSM type semiconductor photodetector including a semiconductor layer of the same conductivity type and a Schottky electrode, wherein a carrier for one of electrons and holes generated by a light absorption layer is separately accumulated from the other carrier. In the MSM type semiconductor photodetector characterized in that the one carrier is electrically connected to one electrode via this region,
The thickness L of the light absorption layer is a with respect to the light absorption coefficient a of the semiconductor defined by I = I o exp (-aL), where I is the light intensity at the distance between the incident light intensities I o and L An MSM type semiconductor light receiving element characterized in that L = 1 or more and 10 or less.
ョットキ接合による空乏層巾が上記光吸収層厚み、Lの1
/２から２倍となるように規定された濃度であることを
特徴とする請求項１に記載のMSM型半導体受光素子。2. The carrier concentration of the light absorption layer is such that the width of the depletion layer due to the Schottky junction is 1 of the thickness of the light absorption layer and L.
The MSM type semiconductor light receiving element according to claim 1, wherein the concentration is defined so as to be doubled from / 2.
大きいキャップ層とバンドギャップの小さい層との2層
で構成されたことを特徴とする請求項２記載のMSM型半
導体受光素子。3. The MSM type semiconductor light receiving element according to claim 2, wherein the light absorption layer is composed of two layers, a cap layer having a large band gap and a layer having a small band gap.
V族化合物半導体により構成されたことを特徴とする請
求項２または請求項３記載のMSM型半導体受光素子。4. The material of the semiconductor layer is III-
The MSM type semiconductor light receiving element according to claim 2 or 3, which is formed of a group V compound semiconductor.
ニウム、ガリウム、インジウムの内の少なくとも一成分
を含むAlxGayIn1-x-yN (0≦x≦1, 0≦y≦1) 半導体で構
成されたことを特徴とする請求項4記載のMSM型半導体受
光素子。5. The material of the semiconductor layer is composed of an Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) semiconductor containing at least one of aluminum, gallium and indium. The MSM type semiconductor light receiving element according to claim 4, wherein
から0.3μmのAlｘGa１− ｘN（０≦ｘ<１）および前記キ
ャリア分離蓄積領域として厚み0.1μmから5μmおよびア
クセプタまたはドナのドーピング濃度５ｘ１０１９cm
−３から５ｘ１０１ ７cm−３のAlｘGa１−ｘN（０≦ｘ<
１）層で構成されたことを特徴とする請求項５記載のMS
M型半導体受光素子。6. The thickness of the light absorption layer is 0.03 μm
To 0.3 μm of Al x Ga 1- x N (0 ≦ x <1) and a thickness of 0.1 μm to 5 μm as the carrier separation / accumulation region and a doping concentration of acceptor or donor of 5 × 10 19 cm
-3 from 5x10 1 7 cm -3 Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <
The MS according to claim 5, wherein the MS is composed of 1) layers.
M type semiconductor photo detector.
mから0.3μmのInｘGa１ −ｘN（０≦ｘ≦１）の光吸収層
および前記キャリア分離蓄積領域において厚み0.1μmか
ら5μmおよびアクセプタまたはドナのドーピング濃度５
ｘ１０１９cm− ３から５ｘ１０１７cm−３のInxGa1-xN
(0≦x≦1)で構成された請求項５記載のMSM型半導体受光
素子。7. The thickness of the light absorption layer is 0.03 μm.
m to 0.3 μm In x Ga 1 -x N (0 ≦ x ≦ 1) light absorption layer and the carrier separation / accumulation region has a thickness of 0.1 μm to 5 μm and an acceptor or donor doping concentration of 5
x10 19 cm - 3 to 5x10 17 cm -3 In x Ga 1 -x N
The MSM type semiconductor light receiving element according to claim 5, wherein the MSM type semiconductor light receiving element is constituted by (0 ≦ x ≦ 1).
キャリア分離蓄積層と接続されて成ることを特徴とする
請求項６または請求項７記載のMSM型半導体受光素子8. The MSM type semiconductor photodetector according to claim 6, wherein the one electrode is connected to a carrier separation / accumulation layer through the light absorption layer.
ことを特徴とする請求項８記載のMSM型半導体受光素子9. The MSM type semiconductor light receiving element according to claim 8, wherein the one electrode is an ohmic electrode.
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