JP3373794B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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Description
なかでもショットキー障壁型の素子の技術分野に属する
ものであり、なかでもGaN系材料を用いた素子に関す
るものである。
回路パターンを形成するためのステッパー(縮小投影露
光装置)には、より高い解像度でより微細な描画を行な
う能力が要求されている。そのため、露光に用いられる
レーザー光は、青色光から紫外線の領域へと、短い波長
に移り変わっており、さらに、現在用いられている波長
248nm光(KrFエキシマレーザー装置)から、波
長193nm光(ArFエキシマレーザー装置)への切
り換えが検討されている。
光の一部を受光素子で受け、出力の変動などをモニター
している。受光素子としてはフォトダイオード(PD)
が有用である。PDにはSi系半導体材料を用いたもの
があるが、レーザー光が、上記248nmのような強烈
なエネルギーを持つ光になると、Si系のPDでは劣化
が著しく、頻繁に新しいものと交換しなければならない
状況となっている。
のがあり、そのなかの1つにショットキー障壁型のPD
がある。紫外線を受光対象とするショットキー障壁型の
PDとしては、特開昭61−91977号公報に記載の
発明が挙げられる。このPDは、サファイア基板上に、
AlNバッファ層を介してAlGaN層を成長させ、該
AlGaN層上に、ショットキー電極(ショットキー障
壁が形成されるように接合された電極)と、オーミック
電極とを設けてPDを構成している。
に、受光対象とする光L3を基板側から入射させ、ショ
ットキー電極20の直下の領域(半導体側に広がる空乏
層の部分)10bに到達させて受光する構造である。半
導体層10の上面10aには、オーミック電極30も形
成されている。このPDが光を基板側から入射させるも
のであることは、ショットキー電極が受光面に対して大
面積を占有しており、光が基板側からしか入れない構造
となっていることから明らかである。また該公報自体に
も「光子が、透明のAl2 O3 基板を通って、ショット
キー障壁下の空乏領域に入って来ると、電子−正孔の対
が作られる。」と明記されている。
PDには次のような問題点がある。 受光すべき光を、サファイア基板から厚いAlGaN
層を通過させてショットキー電極の裏面に導き受光する
構成であるために、受光すべき光がAlGaN層に吸収
され、感度が低下する。特に、受光すべき紫外線の波長
が短くなるにつれて、即ち、光のエネルギーが大きくな
りAlGaNのバンドギャップから離れるにつれて、A
lGaN層での光の吸収係数は急激に大きくなり、光が
ショットキー接合によって形成される空乏層の領域また
はその近傍に全く到達できない場合もある。 上記の理由によって、検出可能な光の波長域が、A
lGaNのバンドギャップ近傍の狭い範囲に限られる。
即ち、有感の波長域が狭い。
より優れた感度を有し、紫外域の波長の光に対しても優
れた耐性を有するショットキー障壁型の半導体受光素子
を提供することである。
は、以下の特徴を有するものである。 (1)ショットキー障壁型の半導体受光素子であって、
第一導電型のGaN系半導体からなる層を受光層として
有し、該受光層の両面のうち光を受ける側の面を受光面
とし、該受光面には不透明なショットキー電極が少なく
とも設けられ、該受光面のうち、ショットキー電極に覆
われている領域と、露出している領域との境界線の長さ
の合計が、受光面の外周の長さよりも長くなるように、
該ショットキー電極が設けられ、それによって、該ショ
ットキー電極の上面側から照射される光を検出し得る構
成とされていることを特徴とする半導体受光素子。
み合わせてなる配線パターンとして形成されたものであ
る上記(1)記載の半導体受光素子。
m〜2000μmである上記(2)記載の半導体受光素
子。
ーンである上記(2)記載の半導体受光素子。
電型のGaN系半導体からなる層を1層以上成長させて
なる積層体の最上層であって、オーミック電極が受光層
以外の層に設けられている上記(1)記載の半導体受光
素子。
る基板であって、オーミック電極が結晶基板に設けられ
ている上記(5)記載の半導体受光素子。
うち光を受ける側の面全面をいう。この受光面を部分的
に覆うようにショットキー電極が設けられる。以下、受
光面のうち、ショットキー電極に覆われている領域を
「電極領域」と呼び、露出している領域を「露出領域」
と呼んで説明する。
は、ショットキー障壁型のPDである。従って、ショッ
トキー電極だけでなく、これに対する他方の電極が受光
素子として機能し得るように設けられる。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。オーミック
電極については後述する。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。n型の受光層について簡単に
説明すると、両電極間に逆方向のバイアス電圧をかけ
て、受光層からショットキー電極へ電子が流れ込み易く
しておき、受光層に光励起で発生した電子の流れを電流
として検出するものである。
ように、空乏層1bが、ショットキー電極2の直下だけ
でなく、該電極の周囲に微量だけ広がってはみ出してい
ることに着目し、それを利用したことにある。電極周囲
に微量だけはみ出しているこの空乏層の部分(以下「空
乏層のはみ出し部分」)には、電極の上面側からも光L
1が入射することができる。また、ショットキー電極の
直下であっても電極の周縁付近には、光L2のように斜
め方向に入射する光も存在する。また、半導体中に入っ
た光も、回折作用によって電極下の空乏層との相互作用
を起こす。
や、電極の周縁直下付近の空乏層部分を、より多く確保
することによって、これを積極的に受光検出に利用する
ものである。そのために、電極領域と露出領域との境界
線をより長くとることが重要である。本発明では、ショ
ットキー電極をより複雑な形状とすることによって、該
境界線の長さを受光面の外周の全長よりも長くし、電極
の上面側から照射される光を検出することを可能にして
いる。
の受光素子は、上述の公報および図4(b)に示すよう
に、受光すべき光L3を基板側から入射させ、ショット
キー電極20の裏面側に形成される空乏層10bの中央
部で受けるものである。即ち、従来のものは、ショット
キー電極の面積をより大きく取ることが重要である。従
来のショットキー電極にも、電極の周囲に微量だけ空乏
層部分が広がっているが、電極面積をより効率よく大き
く取ろうとするために、電極領域と露出領域との境界線
の長さは短くなり、長くとも受光面の外周長さとなって
いる。
ように、第一導電型のGaN系半導体からなる層を受光
層1として有する。該受光層1の片側の面を受光面1a
として、該受光面1aにはショットキー電極2が少なく
とも設けられる。このとき、被覆領域と露出領域との境
界線の長さの合計(図1(a)の例では、ショットキー
電極の外形線全体の総延長)を、受光面の外周よりも長
くなるように、ショットキー電極を形成する。図1中、
Lは検出すべき光である。
GaY AlZ N(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦Z≦
1、X+Y+Z=1)で決定される化合物半導体であ
る。
は、第一導電型(即ち、p型またはn型のいずれか)で
あればよいが、不純物濃度の制御性、電極形成の容易性
の点から、n型とするのが好ましい。以下、全て、受光
層をn型とする態様を用いて本発明を説明する。
対象とする光の波長範囲のうちの長波長端の値で、その
最適組成は決定される。例えば、青色領域(480n
m付近)およびそれよりも短い波長域の光を対象とする
時にはInGaN、紫外線でも400nm以下の短い
波長域の光を対象とする時にはIn組成の少ないInG
aN、365nm以下の紫外線だけを対象とする時に
はGaN、AlGaNが選ばれる。
接合によってショットキー障壁と呼ばれる電位障壁が生
じた状態の電極をいう。この電極は、例えば、S.M.
Sze著(南日康夫ら訳),“半導体デバイス”,産業
図書(初版第3刷)164頁に記載の、金属と半導体と
の接触部のエネルギーバンド図で特徴付けられる金属で
形成される。ショットキー障壁の高さqφは、金属の仕
事関数φm と半導体の電子親和力χとの差であるから、
qφ=q(φm −χ)であり、φm の比較的大きな材料
が望まれる。
Pt、TiWなどが挙げられる。また、これらの材料を
組み合わせて用いてもよい。
該電極の形状は、上記作用の説明で述べたように、該電
極の上面側からの光だけでも受光を検出できる程度に、
長くなる形状であればよい。これを単純なモデルを挙げ
て次に説明する。
合のショットキー電極の形状を示す図である。電極の形
状は、クシ歯の数が3本のクシ形の配線パターンであ
る。クシ形全体としての縦横の寸法を0.8a×0.8
aとし、クシ形を構成している帯状導体の幅を0.2a
とすると、電極領域と露出領域との境界線の長さの合計
は5.6aとなり、受光面の外周長さ4aの1.4倍と
なる。図1のように、クシ歯の数を8本とし、帯状導体
(電極材料)の幅を0.1aとすると、境界線の長さの
合計は約13aとなり、受光面の外周長さの約3倍とな
る。
示すようなクシ形の配線パターンとする場合、クシの歯
に相当する部分は、帯状導体が平行に並んだ縞状を呈す
ることになる。素子の規模や、配置環境(光の強度な
ど)にもよるが、クシの歯に相当する部分の帯状導体の
幅を、0.1μm〜2000μmとし、導体間の隙間の
幅を0.1μm〜1000μmとするのが好ましい。
外にも、帯状導体を任意に組み合わせてなる配線パター
ンであってもよい。例えば、帯状導体が矩形波のように
蛇行するパターンや、格子状に交差するパターンなどが
挙げられる。帯状導体の帯の幅は、上記クシ形の場合と
同様、0.1μm〜2000μmとするのが好ましい。
また、上記のパターン以外にも、任意の形状の開口を露
出領域として有する態様であってもよい。開口の数が多
いほど、電極領域と露出領域との境界線の長さの合計は
増大する。
発光素子と同様、結晶基板上にGaN系材料の層を結晶
成長させてなる積層体として構成されるのが好ましい。
その場合、受光層は積層体の最上層に位置する。この積
層体の構造、およびショットキー電極とオーミック電極
との位置関係を図3に例示する。
バッファ層B2を介してn型GaN系結晶からなる受光
層1を成長させており、オーミック電極はショットキー
電極と同じ受光面に設けられている。図3(b)の例で
は、オーミック電極を設けるためのn型GaN系結晶層
4が受光層とは別に設けられている。このような態様
は、ショットキー電極、オーミック電極の各々に適した
キャリア濃度を別々に設定することが容易であるため
に、好ましい態様である。オーミック電極は層4の上面
に設けられるが、平面的な配置パターンとしては受光層
の周囲を全周取り巻くように設けてもよい。図3(c)
の例では、結晶基板が導電性を示す材料からなる基板で
あって、オーミック電極が結晶基板に設けられた例であ
る。
が整流特性を示さず(印加する電圧の向きにかかわらず
に)、接触抵抗がほとんど無視できる状態のものであっ
て、例えば、S.M.Sze著(南日康夫ら訳),“半
導体デバイス”,産業図書(初版第3刷、163頁、1
74頁)の記載が参照される。高濃度にドーピングされ
た半導体と金属との接触は、形成される空乏層幅が著し
く狭まり、トンネル電流が流れやすくなるために、オー
ミック性になり易い。
i、Au/Ti、Tiなどが挙げられる。また、これら
の材料を組み合わせて用いてもよい。また、ショットキ
ー電極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。
能なものであればよく、サファイア、水晶、SiC等
や、GaN系結晶が挙げられる。結晶基板を絶縁体とす
るならば、サファイアのC面、A面、特にC面サファイ
ア基板が好ましい。また、結晶基板が導電性を必要とす
るならば、6H−SiC基板や、GaN系結晶が好まし
い。また、図3(a)のように、サファイア結晶基板な
どの表面に、GaN系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ZnO、MgOやAlN等のバッ
ファ層を設けたものを基板とみなしても良く、さらにそ
の上にGaN系結晶の薄膜を有するものでもよい。
は、受光層に用いられるGaN系材料にもよるが、青色
から紫外線・X線に至る短い波長の光を対象とすると
き、本発明の有用性は顕著となる。特に、KrFエキシ
マレーザー装置から発せられる波長248nmの光や、
ArFエキシマレーザー装置から発せられる波長193
nmの光など、短い波長の紫外線は、強烈なエネルギー
を持つ光であるがために問題が多い。このような短い波
長の紫外線の受光に、GaN系半導体を用いることによ
って、耐紫外線性の改善された優れた受光素子が得られ
る。
クシ形の配線パターンとし、ショットキー電極とオーミ
ック電極とを共に受光面上に設けた場合の例である。図
3(a)に示すように、C面サファイア基板B1上に、
GaNバッファ層B2を介してn型AlGaN層(受光
層)1を成長させた。AlGaN層は、バンドギャップ
が約3.67eVとなる組成比であり、厚さ3μm、受
光面の外周形状は5mm×5mmの正方形、キャリア濃
度は1×1017cm-3である。
μmの方形領域内にくし形のパターンのショットキー電
極を設け、残る領域内に方形のオーミック電極を設けて
対向させた。ショットキー電極は、厚さ500nmのA
uからなり、歯の数が500本のクシ形のパターンとし
た。このとき電極領域と露出領域との境界線の長さの合
計は、受光面の外周の約230倍であった。オーミック
電極は、受光面上にTi層、Al層の順に形成した。
状態で、受光面に対して垂直な方向から種々の波長の光
を照射し、受光の性能を調べたところ、約340nm以
下の紫外線に対して感度があることがわかった。340
nm以下の波長域については、従来のように基板側から
光を入射させていた場合に問題となるAlGaNの光吸
収特性が、本発明では逆にそのまま受光感度に寄与する
ことになるので、フラットな特性となった。また、34
0nmよりも長い波長域については、光を吸収しないた
め、素子の温度が上がることも少なく、全く感度がなか
った。
パターンとし、オーミック電極をn型半導体からなる結
晶基板に設けた。図3(c)に示すように、n型GaN
結晶基板B1上に、n型InGaN層(受光層)1を成
長させた。InGaN層は、バンドギャップが約2.9
3eVとなる組成比であり、厚さ5μm、受光面の外周
形状は1mm×1mmの正方形、キャリア濃度は1×1
018cm-3である。
からなり、歯の数が200本のクシ形のパターンであっ
て、電極領域と露出領域との境界線の長さの合計は、受
光面の外周の約86倍であった。オーミック電極は、n
型GaN結晶基板B1の裏面にTi層、Al層の順に形
成した。
状態で、実施例1と同様に受光の性能を調べたところ、
約425nm以下の紫外線に対して感度があることがわ
かった。425nm以下の波長域については、実施例1
と同様、フラットな特性であり、また、425nmより
も長い波長域についても、全く感度がなかった。
は、GaN系材料を用いているために紫外線に対して優
れた耐性を有する。また、ショットキー障壁型のPDで
あり不透明な電極を用いたものでありながら、ショット
キー電極の上面側からの光を受光する構造である。この
ため、受光すべき光は、GaN系材料からなる層を通過
することなく、また電極側からの入射でありながら直接
的に空乏層に入射することができる。これによって、青
色〜紫外域の波長の光に対しても優れた感度を有するも
のとなり、特に、波長が短くなっても感度が減少するこ
とがない。
図1(a)は受光面を示す図であり、図1(b)は図1
(a)のX−X断面を部分的に示す端面図である。ハッ
チングは、電極を識別するために施している。
キー電極との形状の関係を示す図である。
1(a)の切断線X−Xと同様の位置で、受光素子を切
断したときの端面図である。ハッチングは、電極を識別
するために施している。
て、本発明と従来例とを比較する図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 ショットキー障壁型の半導体受光素子で
あって、第一導電型のGaN系半導体からなる層を受光
層として有し、該受光層の両面のうち光を受ける側の面
を受光面とし、該受光面には不透明なショットキー電極
が少なくとも設けられ、 該受光面のうち、ショットキー電極に覆われている領域
と、露出している領域との境界線の長さの合計が、受光
面の外周の長さよりも長くなるように、該ショットキー
電極が設けられ、それによって、該ショットキー電極の
上面側から照射される光を検出し得る構成とされている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 【請求項2】 ショットキー電極が、帯状導体を組み合
わせてなる配線パターンとして形成されたものである請
求項1記載の半導体受光素子。 - 【請求項3】 上記帯状導体の帯の幅が、0.1μm〜
2000μmである請求項2記載の半導体受光素子。 - 【請求項4】 上記配線パターンが、クシ形のパターン
である請求項2記載の半導体受光素子。 - 【請求項5】 上記受光層が、結晶基板上に第一導電型
のGaN系半導体からなる層を1層以上成長させてなる
積層体の最上層であって、オーミック電極が受光層以外
の層に設けられている請求項1記載の半導体受光素子。 - 【請求項6】 結晶基板が導電性を示す材料からなる基
板であって、オーミック電極が結晶基板に設けられてい
る請求項5記載の半導体受光素子。
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