フォトダイオード
【課題】受光領域に到達するまでに光の減衰をなるべく防止するとともに、界面でのメジャーキャリアを電子とし、受光領域の検出感度や応答速度が低下しないようなフォトダイオードを提供する。
【解決手段】Si基板1に、n型不純物ドープ領域1aが形成され、主としてn型不純物ドープ領域1aが形成されていないシリコン基板1上に積層されたGaN層2との界面が受光領域となっており、この界面でキャリアを分離している。GaNは可視光に対し透明で、不純物ドーピングによるpn接合を持たない。したがって、高感度、高安定性を実現できる。また、Si基板1とGaN層2との界面で光を受光すると、光電流が発生するが、光電流は、GaNとSiの界面を2次元性キャリアとして流れる。これにより、高速応答性を得ることができる。
【解決手段】Si基板1に、n型不純物ドープ領域1aが形成され、主としてn型不純物ドープ領域1aが形成されていないシリコン基板1上に積層されたGaN層2との界面が受光領域となっており、この界面でキャリアを分離している。GaNは可視光に対し透明で、不純物ドーピングによるpn接合を持たない。したがって、高感度、高安定性を実現できる。また、Si基板1とGaN層2との界面で光を受光すると、光電流が発生するが、光電流は、GaNとSiの界面を2次元性キャリアとして流れる。これにより、高速応答性を得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、透明半導体材料と、この材料とは異なる半導体とを利用した異種材料接合型のフォトダイオードに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、フォトダイオードといえばSiのpn接合型が基本であるが、p型層−i型層−n型層というpn層の間にi型層を挿入して、空乏層を広げ、端子間容量を小さくした層接合構造を持つPINフォトダイオードが主流となっており、高速応答が必要なところに使用されている。このフォトダイオードは、シリコンをベースとしているため、光の波長が短くなると感度が悪くなる。フォトダイオードは、pn接合型ではpn接合領域に、pin接合型ではi型層に光が入射すると最も光電流変換効率が大きくなる。しかし、波長が短くなるにつれ、シリコンの吸収係数が大きくなるため、深さ方向の光が届く距離が短くなる。
【0003】
シリコンでは、例えば、400nm付近の波長光では1000Å程度の深さに到達するのが限度となる。そのため、pn接合、pin接合を浅い部分に作る必要があり、この場合、p型層は浅く、薄く作製しなければならない。ところが、拡散やイオン注入などでp型不純物やn型不純物をドープすることにより、接合形成するのが一般的なSiでは、p型層を浅く、薄く形成するのは難しい。1000Åの深さまでの極めて浅い領域にp型層を作製することは最先端のLSIレベルで行うような技術であり、とてもフォトダイオードの値段に見合うコストで作れるものではない。
【0004】
またp型層を浅く、薄く形成したとしても、浅い領域だけで光誘起のキャリア生成が起こるとキャリアをフォトダイオードの外へ出す際の電極間の電流経路は狭いものとなって抵抗が高くなる。抵抗値を低くするには、p型層内の不純物濃度を高くすれば良いが、高くすると、不純物散乱を招き、キャリアの移動度を低下させることになり、応答速度が低下する。また、キャリアのライフタイムが悪化することにより光の検出感度の低下も招く。
【特許文献1】国際公開第2006/080099号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記問題を解決するために、特許文献1に示されるように、Si上にZnOが形成されたフォトダイオードが開示されているが、光の受光部となる接合領域をどのような判断基準で材料を選択して構成するかの基本的な設計思想は規定されていなかった。
【0006】
例えば、特許文献1の図2のように、ZnOのようなワイドギャップ半導体のフェルミ準位をCBM(伝導帯の底)とVBM(価電子帯の上端)との真中になるように作製することは不可能である。特許文献1では、図2のフェルミ準位だとすると、ZnOは真性半導体ということになるので、標準的な半導体理論によってキャリア濃度を計算すれば、1×10−9cm−3程度というあり得ない数字が算出される。実際のZnOのフェルミ準位はCBM又はVBMから大きく外れることはなく、仮にキャリア濃度が1×1013cm−3というレベルの殆ど絶縁体であったとしても、フェルミ準位はせいぜい500meVほどCBMから離れているに過ぎない。このように、特許文献1では、知見に誤りがあり、基本的な設計上の基準は全く得られていない。
【0007】
また、特許文献1では、n型SiとZnOとの界面にホール反転層を発生させているが、ホールの移動度は電子の移動度より遅く、本来は電子反転層を形成するのが良い。一方、p型SiとZnOとを接触させた例も開示されているが、特許文献1中の記載にもあるように、その場合、界面はpn接合を形成した形態となるので、反転層のようなキャリア蓄積が発生せず、逆に空乏領域が拡がってしまい、界面での電子キャリアの発生が望めない。
【0008】
さらに、特許文献1では、ZnOとSiを直接接触させているが、この場合にはよほどの注意をしないとZnO/Si界面に組成が中途半端なシリコン酸化物が形成され、界面準位を濃く発生させてしまう可能性が高い。界面準位はキャリアのトラップ、放出等が意図しない形で発生する原因となり、素子の特性に大きな影響を与えるため、実際の量産化は困難である。
【0009】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、受光領域に到達するまでに光の減衰をなるべく防止するとともに、界面でのメジャーキャリアを電子とし、受光領域の検出感度や応答速度が低下しないようなフォトダイオードを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、半導体の主面上に該半導体材料とは異なる材料で構成された光透過半導体層を備え、前記光透過半導体層の側から光を入射させるヘテロ接合型のフォトダイオードであって、前記光透過半導体層のフェルミ準位は、真空準位を基準としたときに前記半導体のフェルミ準位の位置よりも浅い位置に形成されていることを特徴とするフォトダイオードである。
【0011】
また、請求項2記載の発明は、前記光透過半導体層が400nm以上の光波長領域において70%以上の透過率を有することを特徴とする請求項1に記載のフォトダイオードである。
【0012】
また、請求項3記載の発明は、前記半導体はシリコンからなることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載のフォトダイオードである。
【0013】
また、請求項4記載の発明は、前記シリコンはp型不純物がドープされていることを特徴とする請求項3記載のフォトダイオードである。
【0014】
また、請求項5記載の発明は、前記光透過半導体層とシリコンとの間にシリコン窒化物又はシリコン酸化物を含む膜が形成されていることを特徴とする請求項3又は請求項4のいずれか1項に記載のフォトダイオードである。
【0015】
また、請求項6記載の発明は、前記光透過半導体層が窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のフォトダイオードである。
【0016】
また、請求項7記載の発明は、前記窒化物半導体は、GaN系材料で形成されていることを特徴とする請求項6に記載のフォトダイオードである。
【0017】
また、請求項8記載の発明は、前記GaN系材料は、n型であることを特徴とする請求項7に記載のフォトダイオードである。
【0018】
また、請求項9記載の発明は、前記n型GaN系材料のドナー不純部濃度がp型シリコンのアクセプタ不純物濃度よりも大きくなるように形成されたことを特徴とする請求項8に記載のフォトダイオードである。
【0019】
また、請求項10記載の発明は、前記GaN系材料がGa極性を持っていることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれか1項に記載のフォトダイオードである。
【0020】
また、請求項11記載の発明は、前記GaN系材料は、AlGaNであることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれか1項に記載のフォトダイオードである。
【0021】
また、請求項12記載の発明は、前記AlGaNとシリコンとの間は、AlGaNからシリコンに向かう方向に、バンドギャップがAlGaNから順に小さくなるようにGaN系層が積層された積層体が形成されていることを特徴とする請求項11記載のフォトダイオードである。
【0022】
また、請求項13記載の発明は、前記積層体のシリコンに最も近い層は、InGaNからなることを特徴とする請求項12記載のフォトダイオードである。
【0023】
また、請求項14記載の発明は、前記シリコンで構成された半導体の主面が略(111)面であることを特徴とする請求項3〜請求項13のいずれか1項に記載のフォトダイオードである。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、半導体の主面上に該半導体材料とは異なる材料で構成された光透過半導体層を備え、前記光透過半導体層の側から光を入射させているので、受光領域に到達するまでの光の減衰を防止できる。また、光透過半導体層のフェルミ準位は、真空準位を基準としたときに前記半導体のフェルミ準位の位置よりも浅い位置に形成されているので、前記半導体側に電子が濃く集積した電子ガスを発生させることができ、この電子ガスにより高速応答性が確保できる。なお、電子ガスが2次元的であるときに、最も高い高速応答性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図1は本発明のフォトダイオードの構造の一例を示す。
【0026】
ここで、GaN系薄膜、GaN系材料等におけるGaN系とは、GaN(窒化ガリウム)をベースとした混晶材料であり、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN等の化合物を含むものである。
【0027】
図1では、シリコン(Si)基板1に、n型不純物ドープ領域1aが形成され、主としてn型不純物ドープ領域1aが形成されていないシリコン基板1上に積層されたGaN層2との界面が受光領域となっており、この界面でキャリアを分離している。Si基板1はn型でもp型でもどちらでも用いることができる。
【0028】
ところで、GaNに代表されるIII−V族系窒化物は、例えば、GaNのEg=3.3eV、AlNのEg=6.4eV等、そのバンドギャップ(Eg)が大きく、赤色から紫外の波長の光でも透過するという性質を有している。GaN層2は、アンドープGaN又はn型GaNで構成されており、p型不純物はドープされていないため、不純物ドーピングによるpn接合を持たない。したがって、高感度、高安定性を実現できる。また、n型シリコン基板1とGaN層2との界面で光を受光すると、光電流が発生するが、光電流は、GaNとSiの界面の濃い電子ガス層を、好適な状態の場合、2次元性キャリアとして流れる。これにより、高速応答性を得ることができる。
【0029】
ところで、半導体であるシリコン基板1と、光透過半導体層であるGaN層2とは異なる材料でありヘテロ接合となるので、異種界面を電子が走る。異種界面は、未結合手が多量に発生しやすく、界面準位密度が高くなりやすいため、フォトダイオードとして安定動作させるには表面処理の技術が重要になる。共有結合性半導体であるSiの表面には必ず表面準位が高密度に発生するので、パッシベーション処理してからGaNをMBEのような方法でソフトに作製するか、ゾルゲルなどで形成すれば良い。GaN自体の導電性は問題とはならないので、光透過半導体層としてGaN以外のGaN系材料を用いることができ、例えば、AlGaN、InGaN等が考えられる。
【0030】
図1のSi基板1をn型とし、n型Si基板1とGaN層2との接触界面におけるバンドプロファイルを示すのが、図2である。図2(a)に示すように、ECS及びECGは、CBMとも呼ばれ、伝導帯の底の位置を意味し、添字追加のS、Gは、それぞれSi、GaNを表わしている。またEFSはn型Siのフェルミ準位を、EFGはGaNのフェルミ準位を示す。EVSとEVGはVBMとも呼ばれ、それぞれSi、GaNの価電子帯上端を意味する。
【0031】
Siがn型であっても、Siのフェルミ準位EFSより、GaNのフェルミ準位EFGの方が浅くなる。これは、GaNの電子親和力(真空準位とECGとの差のエネルギー:3.5eV)がSiの電子親和力よりも小さく、かつ前述したように、GaNのようなワイドバンドギャップ半導体のフェルミ準位は、バンド端から大きくはずれないからである。
【0032】
SiとGaNとを接触させると、EFSがEFGより深いので、拡散平衡を得るために、電子がGaNからSiに移動する。したがって、GaNのバンドは上に曲がり、Siのバンドは下に曲がる。このとき、もともと存在したΔEC=|ECZ−ECG|、ΔEV=|EVG−EVS|は保持される。この状態で、図2(b)のように、拡散平衡達成後には、Siの伝導帯が下に曲がっていて、かつ、ΔEC>0であるので、バンド不連続により界面付近に蓄積され、Si側に電子蓄積層ができる。この電子蓄積層をチャネルとして使用できる。また、Siがp型ドープされていると、Siのフェルミ準位が、図2(a)に示されるフェルミ準位EFSよりもさらに下側に位置する(深くなる)ので、EFGとの開きが大きくなり、より好適な2次元電子ガス形成にとって好ましい。
【0033】
図1では、Si基板1の一部をn+インプランテーションして、n型不純物ドープ領域とした1aを電流取り出し部分にしており、このn型不純物ドープ領域1aと電極4、5とが接続されている。このように構成すると、Si基板1がp型であれば、n型不純物ドープ領域1aとの間にキャリア空乏領域が発生するので、光が照射されないときに電流が流れにくくなり、より望ましい。
【0034】
半導体(本実施例ではSi基板1)と、この半導体材料とは異なる材料で構成された光透過半導体層(本実施例ではGaN層2)とをヘテロ接合させた場合、光透過層のフェルミ準位が、真空準位からみて半導体のフェルミ準位の位置よりも浅い位置にあることが、半導体層側にキャリア蓄積層という光応答性に都合の良い領域の形成に寄与していることがわかる。また、電子の蓄積には、真空準位からみて、半導体の価電子帯の上端が光透過半導体層の価電子帯の上端よりも深いことが寄与している。
【0035】
上記のような、バンドプロファイル構成では、界面に2次元キャリアガスの発生が行われる条件が整っており、図2(b)に示したキャリア蓄積ガスより好適な2次元電子ガスが発生する。したがって、光透過半導体層材料としては、バンドギャップが広く、CBMが浅いものが適している。
【0036】
図3は、代表的な化合物等のバンド構造であるCBM、VBM、フェルミ準位(EF)を表わしたもので、「C.G. Van de Walle et.al.,Nature,vol.423,p626(2003)」を引用した。図3等からバンドギャップが大きく、CBMが浅いバンド構造のものを選択すると、III−V族系窒化物半導体が良いと考えられる。
【0037】
上述したSiとGaNとの界面に発生する電子蓄積層の発生を起こりやすくするためには、GaN系材料が部分的にでもガリウム極性を持つように形成することが望ましい。GaN系材料がガリウム極性を持っているとSi界面部分にGaN中のプラスの分極電荷が分布するのでSi側に電子蓄積層を発生させやすくなる。この作用や好適な形態である2次元キャリアガスの特徴については、特願2008−21953で詳しく述べた2次元電子ガスの発生が参考になると思われので、再度要点を以下に説明する。
【0038】
図5は、MgZnO上にZnOを形成した場合のMgZnO/ZnOの接合界面における面電荷密度(Sheet charge density)とMgZnOのMg組成比率との関係を示す。横軸がMg組成比率、縦軸が面電荷密度を表す。図中のΔPspの曲線(●を繋いだ曲線)は自発分極差に由来するものを、Ppiezoの曲線(点線の曲線)は圧電効果によるピエゾ分極に由来するものを示す。また、ΔPsp−Ppiezoの曲線(実線の曲線)は、上記自発分極とピエゾ分極に関する2つの曲線の差を示している。ΔPspとPpiezoの曲線が上下入れ替わっているところを見るとMg組成比率が0.05(5%)程度の値になっている。したがって、ZnOのpiezo電場テンソルの値には幅があるため、断言はできないが、5%当たりでΔPsp−Ppiezoの符合の逆転が起こると考えられる。これによって何か違う現象が起こるとすれば、Mg組成比率5%程度が境界となるはずである。
【0039】
MgZnO/ZnOの接合界面では、圧縮歪をかけるとピエゾ分極は、自発分極の差を打ち消す方向に働く。しかし、図5を考慮すると、Mg組成比率が約5%以下となるようなMgZnOを用いない場合は、自発分極の方が変化が大きく、自発分極の差を打ち消すほど大きなピエゾ分極は発生しない。したがって、ほとんどの場合、MgZnO/ZnOの界面には、2次元電子ガス領域(電子蓄積層)が形成される。
【0040】
図6(a)は、Mg組成比率が約5%を越える大きい値のMgZnOを用いて、+C面成長のZnO/MgZnO/ZnO/MgZnOの積層構造とし、横方向から圧縮歪を加えたときの分極差の方向と大きさを示す図である。Pspが自発分極、Ppeがピエゾ分極、σがヘテロ界面における電荷密度を表わす。他方、図6(b)は、Mg組成比率が約5%以下の小さい値のMgZnOを用いて、+C面成長のZnO/MgZnO/ZnO/MgZnOの積層構造とし、横方向から圧縮歪を加えたときの分極差の方向と大きさを示す図である。なお、図6(a)、(b)の積層体の右側に描かれている折れ線は、左側の折れ線が結晶歪みがないときの分極差の大きさを、右側の折れ線は圧縮歪を加えて結晶歪みが発生したときの分極差の大きさを示している。このように、Mg組成比率が極めて小さいMgZnOを用いると、図6(b)に示すように、圧縮歪を加える前後で、分極差の大きさやパターンが変わり、2次元電子ガスの発生にも影響を与えると考えられる。
【0041】
次に、MgZnO/ZnOのヘテロ界面での状態を示すのが図7(a)である。縦軸は2次元電子移動度(cm2V−1s−1)を、横軸は測定温度(単位は絶対温度ケルビン)を示す。これは、図7(b)に示すように、ZnO基板上にZnO薄膜をエピタキシャル成長させ、その上に、Mg0.11ZnOを成長させて、Mg0.11ZnO/ZnOのヘテロ界面でのホール(Hall)効果を測定することにより求めた。ヘテロ界面における2次元電子ガスの伝導特性は、界面の出来栄え、すなわち上下結晶の純度を反映している。
【0042】
図7(a)より、MgZnO/ZnOのヘテロ界面における2次元電子ガスの電子移動度は、1.4×104cm2V−1s−1にも達することがわかる。図8(b)は、図7(b)の構成において、MgZnO/ZnOの量子ホール効果の測定を行うための構成を示し、図8(a)は、図8(b)の構成による量子ホール効果の測定結果を示す。図8(a)の向かって左側の縦軸が縦抵抗Rxxを示し、向かって右側の縦軸がホール抵抗Rxyを表わす。また、横軸が磁場強度を示す。
【0043】
図8(b)で、50は、図7(b)に記載されたMg0.11ZnO/ZnO/ZnO基板の積層体を示し、50以外の部分はZnO薄膜までエッチングされている。また、51、52、53は、測定用電極を、54、55は印加用電極を示している。図に示された矢印のように、電極54から電極55の方向に電流を流して、電極51と電極52との間の電圧を測定すると、電極51、52間の抵抗が測定でき、これが縦抵抗Rxxである。一方、図のように、磁場Bを発生させると、電極51と電極53との間にホール起電圧が発生する。このとき、電極51、53間の抵抗が測定でき、これがホール抵抗Rxyとなる。測定条件は、測定温度が0.5ケルビン、電極54、55間の電流は、19Hzの交流電流で10nAとした。
【0044】
このようにして、測定された図8(a)の結果を見ると、MgZnO/ZnO界面の電子が2次元のときに特有な特性となっていることがわかる。電子の存在範囲が2次元に制限されていると、磁場Bが印加されたとき、図7(b)のように、電子は平面内で回転運動を行う。回転している間に一度も散乱されない綺麗な状態になると量子化が起こり、電子は離散的なエネルギーしか取れない状態になる。その離散的な局在準位に電子が留まる間、ホール抵抗Rxyは変動しなくなるので、図のように、量子数毎に一定の値を維持する領域が発生する。また、縦抵抗Rxxについては、局在準位の中心に位置する非局在準位も離散的になるので、図のように振動する。
【0045】
図9は、図7(b)の構成における2次元電子ガスの2次元性を示す図である。縦軸は縦抵抗(RXX)を、横軸は磁場強度B(T)を示す。図のB⊥cは、MgZnO及びZnOのc軸方向と垂直な磁場成分を、B//cは、c軸方向と平行な磁場成分を示す。測定時の温度は2ケルビンである。
【0046】
図7(b)のように、2次元電子ガスが真に2次元である場合には、磁場がc軸と垂直、すなわちMgZnO又はZnOの薄膜面に対して磁場が平行であるため、磁気抵抗の変化はない。電子の運動とは垂直方向の磁場成分のみ、磁気抵抗に影響を与えるためである。したがって、図9の測定結果より、この構造では、界面に存在する電子が確実に2次元であることがわかる。
【0047】
以上のように、MgZnO/ZnO界面で電子移動度が、1.4×104cm2V−1s−1にも達する2次元電子ガスが発生していることがわかった。したがって、図4のように、ZnO系材料と同様の六方晶の結晶構造を有し、分極特性を持つGaNを+C面成長で、分極特性を持たないシリコン基板上に積層した場合、GaNには自発分極Pspのみが発生する。このように、GaNがガリウム極性を持っているとSi界面部分にプラスの分極電荷をもつのでSi側に電子が誘起され、2次元電子ガスの発生が起こりやすくなる。また、GaNに引っ張り歪みを発生させると、分極は自発分極Psp+ピエゾ分極Ppeとなってさらに大きくなり、好適である。
【0048】
次に、図1のフォトダイオードの基本的構造部分の製造方法を以下に述べる。Si基板1は、ラジカル酸化,ラジカルNH3を行って、絶縁膜となるSiO2、SiON、SiN等のいずれかを形成することが望ましい。通常の熱酸化でも良いが、より簡便にはラジカル酸素を用いて酸化させると、厚さの制御が行いやすく望ましい。次に、SiO2に開口部を開ける。そこにGaN層2を形成するが、Si上に成長させるには酸化を抑制するのが効果的であるため、真空装置内でGaNを形成するのが望ましい。Si基板をロードロック室に入れ、水分除去のために、1×10−5〜1×10−6Torr程度の真空環境で200℃、30分程度加熱する。
【0049】
SiO2に開口部を開ける。そこにGaNを形成するが、Si上に成長させるには酸化を抑制するのが効果的であるため、真空装置内でGaN形成するのが望ましい。フッ化物の場合はこの限りではない。基板をロードロック室に入れ、水分除去のために、1×10−5〜1×10−6Torr程度の真空環境で200℃、30分程度加熱する。
【0050】
分子線エピタキシー(MBE)用の装置を用いて、GaNを成長させる場合は、Ga、を加熱して昇華させ、Ga分子線として供給するために、クヌーセンセル(分子線セル)が用いられる。ワイドギャップ材料として必要なGaNをつくるためにはこれら金属元素を先に基板に照射しておくのが良い。窒素はNH3ガスを用い、電界研磨内面を持つSUS管を通じて供給する。基板の加熱には、W(タングステン)などでできた金属系のヒータが、純度が高く好適である。他にもランプ加熱、レーザー加熱方法により、加熱を行っても良い。
【0051】
また、AlGaNを結晶成長させる場合は、上記Gaに加えてAlをクヌーセンセルからAl分子線として供給する。InGaNであれば、Alの代わりにIn分子線をクヌーセンセルから供給する。なお、MOCVDで、前記GaN系薄膜を成長しても良い。なお、p型不純物等のドープ領域は、インプランテーション等により形成される。
【0052】
次に、図10は、本発明の構造を適用した、フォトダイオードの構成例を示す。図10(a)では、n型Si基板11上に絶縁膜となるSiO213を挟んでn型AlGaN層12が形成されている。SiO213が積層されているn型Si基板11の主面は、(111)面で構成されており、n型Si基板11は電子濃度が1013〜1017cm−3の範囲となるようにドナードープされている。また、n型Si基板11の両端の一部には、p型不純物ドープ領域11aが形成されており、電流を取り出すための電極14、15と各々接続されている。n型AlGaN層12は、電子濃度が1016〜1017cm−3の範囲となるようにドナードープされている。また、SiO213は、膜厚1nm〜100nmの範囲に形成されている。
【0053】
ここで、SiO213にはバンド構造は生じないが、SiO213を挟んで相対するn型Si基板11とn型AlGaN層12には、図2のようなバンドプロファイルが発生する。したがって、図10(a)の2DEG(2次元電子ガス)の領域、すなわち、図のn型Si基板11とSiO213との界面と図の点線との間の領域で2次元ホールガスが発生する。ここで、光がn型Si基板11とSiO213との界面に入射すると、電子が発生し、電極14と電極15の間に電流が流れるが、これらの電子は2DEGの電子ガスによって、早く移動することができるため、高速応答が得られる。
【0054】
一方、図10(a)の構造で、n型AlGaN層12を、電極14、15のどちらか一方に被せるように形成したのが、図10(b)である。このようにしても、光が照射されたときに、高速に光電流を取り出せるが、n型AlGaN層12が電極14、15の両方を覆い被せるように形成した場合には、AlGaN自体の絶縁化が困難なために、リークする可能性がある。
【0055】
ところで、図1のように、GaNとSiを直接接触させると不完全なシリコン酸化膜(SiOx)ができ,界面準位が濃く発生する可能性が高い。そこで、図10(a)、(b)のように、ラジカル酸素を用いてSiO2を形成したり、また、ラジカル酸素、ラジカルNH3を用いてSiN、SiONを形成すると、Siの(001)面でなくとも、ほぼ完全に化学量論比のSiO2、SiN、SiONができ、界面準位が非常に小さくできることが知られている。これにより界面準位が発生しやすいSiの表面を安定化した上でGaN系材料の形成が行える。
【0056】
また、上述したように、n型Si基板11の替わりにp型Si基板を用いることができる。この場合、p型Siのホール濃度よりもn型AlGaN層12の電子濃度の方を高くし、Siのアクセプタ不純物濃度<GaN系材料のドナー不純物濃度というようにドーピング設計するのが望ましい。このようにドーピングすると、Siのバンドの曲がりがより深くまで形成されるので、光誘起の電子の蓄積量を高めることができる。
【0057】
前述したように、n型Si基板11の結晶成長側主面は、(111)面で構成されているが、結晶成長させるGaN系材料が六方晶なので、格子整合性を取るためには、3回対称面であるSiの(111)面をエピタキシャル成長面とすることが望ましい。
【0058】
一方、図10(c)は、基板の種類と構造が少し異なるものである。n型InGaAs層41上にn型AlGaN層12が直接接合されている。また、41には、n型InGaAs層の替わりに、n型GaAs層やn型AlGaAs層等を用いることができる。n型InGaAs層41は電子濃度が1013〜1017cm−3の範囲となるようにドナードープされている。また、p型不純物ドープ領域41aは、p型不純物でドープされており、各p型不純物ドープ領域41aは、電極14、15と接続されている。なお、図10の各構造は、2次元電子ガスが既に界面に存在しているので、n型AlGaN層12上に金属の遮光膜をつけるなり、パッケージによって光が入らないようにしておけば、HEMTとして動作させることもできる。
【0059】
図10の各構成では、GaN系材料としてAlGaNを用いているが、AlGaNでは、GaNよりも大きな分極が発生するので、電子を界面に蓄積するのに都合が良い。しかしながら、GaN系材料の中で、AlGaNは硬く、結晶成長過程で熱歪み等により割れやすい性質を持っているので、AlGaNのバッファ層として、AlGaNからn型Si基板11やn型InGaAs層41に向かって、バンドギャップが順次小さくなっていくようなGaN系材料による積層構造を形成しても良い。例えば、n型AlGaN層12の下地層として、n型Si基板11に最も近い層にInGaN層を形成することができる。
【0060】
また、SiとGaN系材料とのフェルミ準位位置の乖離を大きくして、2次元電子ガスの形成が行われやすくするために、n型のGaN系材料であるn型AlGaN層12を用いている。SiとGaN系材料とのフェルミ準位位置の乖離を大きくする手段としては、他に、上述したように、11をp型不純物がドープされたp型Si基板で構成することができる。
【0061】
次に、図1や図10等の本発明の構造のフォトダイオードを光ディスクの光学系に応用した例を図11に示す。例えば、AlGaNを図11(a)のようにパターニングし、中央4分割の主ビーム用フォトダイオード22、主ビーム用フォトダイオード22の上下両側に2個の副ビーム用フォトダイオード21の合計6個のフォトダーオードを形成する。中央の主ビーム用フォトダイオード22では、光ディスクトラック上の主ビーム32の光を検出し、4つのフォトダイオードの出力差分をフィードバックして主ビーム32のフォーカスを行なう。合計値をとることでトラックの1、0信号を読み取る。
【0062】
副ビーム用フォトダイオード21の二つも副ビーム31の光を検出し、2つのフォトダイオードの出力差分を取ることで、主ビーム32のトラックからのズレを検知する。以上の差分を取ったり、その差分からのフィードバックをしたり、という機能が必要なうえ、ビットの読み取り時間は10nsecのオーダーなので、通常は制御ICと接続した形で使用する。
【図面の簡単な説明】
【0063】
【図1】本発明のフォトダイオードの基本構造を示す図である。
【図2】図1のフォトダイオードの界面のバンドプロファイルを示す図である。
【図3】主な化合物等のバンド構造を示す図である。
【図4】SiとGaNとの接合で発生する分極状態を示す図である。
【図5】MgZnO/ZnO界面の面電荷密度とMg組成比率との関係を示す図である。
【図6】Mg組成の割合により、MgZnO/ZnO界面の分極状態が変わることを示す図である。
【図7】MgZnO/ZnO界面の2次元電子ガスの電子移動度の測定構成と測定結果を示す図である。
【図8】縦抵抗と整数量子ホール効果の測定構成と測定結果を示す図である。
【図9】2次元電子ガスの2次元性を確認するための図である。
【図10】本発明の基本的構造を適用したフォトダイオードの構成例を示す。
【図11】本発明の構造のフォトダイオードを光ディスクの光学系に応用した例を示す。
【符号の説明】
【0064】
1 Si基板
1a n型不純物ドープ領域
2 GaN層
3 絶縁膜
4 電極
5 電極
【技術分野】
【0001】
本発明は、透明半導体材料と、この材料とは異なる半導体とを利用した異種材料接合型のフォトダイオードに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、フォトダイオードといえばSiのpn接合型が基本であるが、p型層−i型層−n型層というpn層の間にi型層を挿入して、空乏層を広げ、端子間容量を小さくした層接合構造を持つPINフォトダイオードが主流となっており、高速応答が必要なところに使用されている。このフォトダイオードは、シリコンをベースとしているため、光の波長が短くなると感度が悪くなる。フォトダイオードは、pn接合型ではpn接合領域に、pin接合型ではi型層に光が入射すると最も光電流変換効率が大きくなる。しかし、波長が短くなるにつれ、シリコンの吸収係数が大きくなるため、深さ方向の光が届く距離が短くなる。
【0003】
シリコンでは、例えば、400nm付近の波長光では1000Å程度の深さに到達するのが限度となる。そのため、pn接合、pin接合を浅い部分に作る必要があり、この場合、p型層は浅く、薄く作製しなければならない。ところが、拡散やイオン注入などでp型不純物やn型不純物をドープすることにより、接合形成するのが一般的なSiでは、p型層を浅く、薄く形成するのは難しい。1000Åの深さまでの極めて浅い領域にp型層を作製することは最先端のLSIレベルで行うような技術であり、とてもフォトダイオードの値段に見合うコストで作れるものではない。
【0004】
またp型層を浅く、薄く形成したとしても、浅い領域だけで光誘起のキャリア生成が起こるとキャリアをフォトダイオードの外へ出す際の電極間の電流経路は狭いものとなって抵抗が高くなる。抵抗値を低くするには、p型層内の不純物濃度を高くすれば良いが、高くすると、不純物散乱を招き、キャリアの移動度を低下させることになり、応答速度が低下する。また、キャリアのライフタイムが悪化することにより光の検出感度の低下も招く。
【特許文献1】国際公開第2006/080099号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記問題を解決するために、特許文献1に示されるように、Si上にZnOが形成されたフォトダイオードが開示されているが、光の受光部となる接合領域をどのような判断基準で材料を選択して構成するかの基本的な設計思想は規定されていなかった。
【0006】
例えば、特許文献1の図2のように、ZnOのようなワイドギャップ半導体のフェルミ準位をCBM(伝導帯の底)とVBM(価電子帯の上端)との真中になるように作製することは不可能である。特許文献1では、図2のフェルミ準位だとすると、ZnOは真性半導体ということになるので、標準的な半導体理論によってキャリア濃度を計算すれば、1×10−9cm−3程度というあり得ない数字が算出される。実際のZnOのフェルミ準位はCBM又はVBMから大きく外れることはなく、仮にキャリア濃度が1×1013cm−3というレベルの殆ど絶縁体であったとしても、フェルミ準位はせいぜい500meVほどCBMから離れているに過ぎない。このように、特許文献1では、知見に誤りがあり、基本的な設計上の基準は全く得られていない。
【0007】
また、特許文献1では、n型SiとZnOとの界面にホール反転層を発生させているが、ホールの移動度は電子の移動度より遅く、本来は電子反転層を形成するのが良い。一方、p型SiとZnOとを接触させた例も開示されているが、特許文献1中の記載にもあるように、その場合、界面はpn接合を形成した形態となるので、反転層のようなキャリア蓄積が発生せず、逆に空乏領域が拡がってしまい、界面での電子キャリアの発生が望めない。
【0008】
さらに、特許文献1では、ZnOとSiを直接接触させているが、この場合にはよほどの注意をしないとZnO/Si界面に組成が中途半端なシリコン酸化物が形成され、界面準位を濃く発生させてしまう可能性が高い。界面準位はキャリアのトラップ、放出等が意図しない形で発生する原因となり、素子の特性に大きな影響を与えるため、実際の量産化は困難である。
【0009】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、受光領域に到達するまでに光の減衰をなるべく防止するとともに、界面でのメジャーキャリアを電子とし、受光領域の検出感度や応答速度が低下しないようなフォトダイオードを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、半導体の主面上に該半導体材料とは異なる材料で構成された光透過半導体層を備え、前記光透過半導体層の側から光を入射させるヘテロ接合型のフォトダイオードであって、前記光透過半導体層のフェルミ準位は、真空準位を基準としたときに前記半導体のフェルミ準位の位置よりも浅い位置に形成されていることを特徴とするフォトダイオードである。
【0011】
また、請求項2記載の発明は、前記光透過半導体層が400nm以上の光波長領域において70%以上の透過率を有することを特徴とする請求項1に記載のフォトダイオードである。
【0012】
また、請求項3記載の発明は、前記半導体はシリコンからなることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載のフォトダイオードである。
【0013】
また、請求項4記載の発明は、前記シリコンはp型不純物がドープされていることを特徴とする請求項3記載のフォトダイオードである。
【0014】
また、請求項5記載の発明は、前記光透過半導体層とシリコンとの間にシリコン窒化物又はシリコン酸化物を含む膜が形成されていることを特徴とする請求項3又は請求項4のいずれか1項に記載のフォトダイオードである。
【0015】
また、請求項6記載の発明は、前記光透過半導体層が窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のフォトダイオードである。
【0016】
また、請求項7記載の発明は、前記窒化物半導体は、GaN系材料で形成されていることを特徴とする請求項6に記載のフォトダイオードである。
【0017】
また、請求項8記載の発明は、前記GaN系材料は、n型であることを特徴とする請求項7に記載のフォトダイオードである。
【0018】
また、請求項9記載の発明は、前記n型GaN系材料のドナー不純部濃度がp型シリコンのアクセプタ不純物濃度よりも大きくなるように形成されたことを特徴とする請求項8に記載のフォトダイオードである。
【0019】
また、請求項10記載の発明は、前記GaN系材料がGa極性を持っていることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれか1項に記載のフォトダイオードである。
【0020】
また、請求項11記載の発明は、前記GaN系材料は、AlGaNであることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれか1項に記載のフォトダイオードである。
【0021】
また、請求項12記載の発明は、前記AlGaNとシリコンとの間は、AlGaNからシリコンに向かう方向に、バンドギャップがAlGaNから順に小さくなるようにGaN系層が積層された積層体が形成されていることを特徴とする請求項11記載のフォトダイオードである。
【0022】
また、請求項13記載の発明は、前記積層体のシリコンに最も近い層は、InGaNからなることを特徴とする請求項12記載のフォトダイオードである。
【0023】
また、請求項14記載の発明は、前記シリコンで構成された半導体の主面が略(111)面であることを特徴とする請求項3〜請求項13のいずれか1項に記載のフォトダイオードである。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、半導体の主面上に該半導体材料とは異なる材料で構成された光透過半導体層を備え、前記光透過半導体層の側から光を入射させているので、受光領域に到達するまでの光の減衰を防止できる。また、光透過半導体層のフェルミ準位は、真空準位を基準としたときに前記半導体のフェルミ準位の位置よりも浅い位置に形成されているので、前記半導体側に電子が濃く集積した電子ガスを発生させることができ、この電子ガスにより高速応答性が確保できる。なお、電子ガスが2次元的であるときに、最も高い高速応答性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図1は本発明のフォトダイオードの構造の一例を示す。
【0026】
ここで、GaN系薄膜、GaN系材料等におけるGaN系とは、GaN(窒化ガリウム)をベースとした混晶材料であり、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN等の化合物を含むものである。
【0027】
図1では、シリコン(Si)基板1に、n型不純物ドープ領域1aが形成され、主としてn型不純物ドープ領域1aが形成されていないシリコン基板1上に積層されたGaN層2との界面が受光領域となっており、この界面でキャリアを分離している。Si基板1はn型でもp型でもどちらでも用いることができる。
【0028】
ところで、GaNに代表されるIII−V族系窒化物は、例えば、GaNのEg=3.3eV、AlNのEg=6.4eV等、そのバンドギャップ(Eg)が大きく、赤色から紫外の波長の光でも透過するという性質を有している。GaN層2は、アンドープGaN又はn型GaNで構成されており、p型不純物はドープされていないため、不純物ドーピングによるpn接合を持たない。したがって、高感度、高安定性を実現できる。また、n型シリコン基板1とGaN層2との界面で光を受光すると、光電流が発生するが、光電流は、GaNとSiの界面の濃い電子ガス層を、好適な状態の場合、2次元性キャリアとして流れる。これにより、高速応答性を得ることができる。
【0029】
ところで、半導体であるシリコン基板1と、光透過半導体層であるGaN層2とは異なる材料でありヘテロ接合となるので、異種界面を電子が走る。異種界面は、未結合手が多量に発生しやすく、界面準位密度が高くなりやすいため、フォトダイオードとして安定動作させるには表面処理の技術が重要になる。共有結合性半導体であるSiの表面には必ず表面準位が高密度に発生するので、パッシベーション処理してからGaNをMBEのような方法でソフトに作製するか、ゾルゲルなどで形成すれば良い。GaN自体の導電性は問題とはならないので、光透過半導体層としてGaN以外のGaN系材料を用いることができ、例えば、AlGaN、InGaN等が考えられる。
【0030】
図1のSi基板1をn型とし、n型Si基板1とGaN層2との接触界面におけるバンドプロファイルを示すのが、図2である。図2(a)に示すように、ECS及びECGは、CBMとも呼ばれ、伝導帯の底の位置を意味し、添字追加のS、Gは、それぞれSi、GaNを表わしている。またEFSはn型Siのフェルミ準位を、EFGはGaNのフェルミ準位を示す。EVSとEVGはVBMとも呼ばれ、それぞれSi、GaNの価電子帯上端を意味する。
【0031】
Siがn型であっても、Siのフェルミ準位EFSより、GaNのフェルミ準位EFGの方が浅くなる。これは、GaNの電子親和力(真空準位とECGとの差のエネルギー:3.5eV)がSiの電子親和力よりも小さく、かつ前述したように、GaNのようなワイドバンドギャップ半導体のフェルミ準位は、バンド端から大きくはずれないからである。
【0032】
SiとGaNとを接触させると、EFSがEFGより深いので、拡散平衡を得るために、電子がGaNからSiに移動する。したがって、GaNのバンドは上に曲がり、Siのバンドは下に曲がる。このとき、もともと存在したΔEC=|ECZ−ECG|、ΔEV=|EVG−EVS|は保持される。この状態で、図2(b)のように、拡散平衡達成後には、Siの伝導帯が下に曲がっていて、かつ、ΔEC>0であるので、バンド不連続により界面付近に蓄積され、Si側に電子蓄積層ができる。この電子蓄積層をチャネルとして使用できる。また、Siがp型ドープされていると、Siのフェルミ準位が、図2(a)に示されるフェルミ準位EFSよりもさらに下側に位置する(深くなる)ので、EFGとの開きが大きくなり、より好適な2次元電子ガス形成にとって好ましい。
【0033】
図1では、Si基板1の一部をn+インプランテーションして、n型不純物ドープ領域とした1aを電流取り出し部分にしており、このn型不純物ドープ領域1aと電極4、5とが接続されている。このように構成すると、Si基板1がp型であれば、n型不純物ドープ領域1aとの間にキャリア空乏領域が発生するので、光が照射されないときに電流が流れにくくなり、より望ましい。
【0034】
半導体(本実施例ではSi基板1)と、この半導体材料とは異なる材料で構成された光透過半導体層(本実施例ではGaN層2)とをヘテロ接合させた場合、光透過層のフェルミ準位が、真空準位からみて半導体のフェルミ準位の位置よりも浅い位置にあることが、半導体層側にキャリア蓄積層という光応答性に都合の良い領域の形成に寄与していることがわかる。また、電子の蓄積には、真空準位からみて、半導体の価電子帯の上端が光透過半導体層の価電子帯の上端よりも深いことが寄与している。
【0035】
上記のような、バンドプロファイル構成では、界面に2次元キャリアガスの発生が行われる条件が整っており、図2(b)に示したキャリア蓄積ガスより好適な2次元電子ガスが発生する。したがって、光透過半導体層材料としては、バンドギャップが広く、CBMが浅いものが適している。
【0036】
図3は、代表的な化合物等のバンド構造であるCBM、VBM、フェルミ準位(EF)を表わしたもので、「C.G. Van de Walle et.al.,Nature,vol.423,p626(2003)」を引用した。図3等からバンドギャップが大きく、CBMが浅いバンド構造のものを選択すると、III−V族系窒化物半導体が良いと考えられる。
【0037】
上述したSiとGaNとの界面に発生する電子蓄積層の発生を起こりやすくするためには、GaN系材料が部分的にでもガリウム極性を持つように形成することが望ましい。GaN系材料がガリウム極性を持っているとSi界面部分にGaN中のプラスの分極電荷が分布するのでSi側に電子蓄積層を発生させやすくなる。この作用や好適な形態である2次元キャリアガスの特徴については、特願2008−21953で詳しく述べた2次元電子ガスの発生が参考になると思われので、再度要点を以下に説明する。
【0038】
図5は、MgZnO上にZnOを形成した場合のMgZnO/ZnOの接合界面における面電荷密度(Sheet charge density)とMgZnOのMg組成比率との関係を示す。横軸がMg組成比率、縦軸が面電荷密度を表す。図中のΔPspの曲線(●を繋いだ曲線)は自発分極差に由来するものを、Ppiezoの曲線(点線の曲線)は圧電効果によるピエゾ分極に由来するものを示す。また、ΔPsp−Ppiezoの曲線(実線の曲線)は、上記自発分極とピエゾ分極に関する2つの曲線の差を示している。ΔPspとPpiezoの曲線が上下入れ替わっているところを見るとMg組成比率が0.05(5%)程度の値になっている。したがって、ZnOのpiezo電場テンソルの値には幅があるため、断言はできないが、5%当たりでΔPsp−Ppiezoの符合の逆転が起こると考えられる。これによって何か違う現象が起こるとすれば、Mg組成比率5%程度が境界となるはずである。
【0039】
MgZnO/ZnOの接合界面では、圧縮歪をかけるとピエゾ分極は、自発分極の差を打ち消す方向に働く。しかし、図5を考慮すると、Mg組成比率が約5%以下となるようなMgZnOを用いない場合は、自発分極の方が変化が大きく、自発分極の差を打ち消すほど大きなピエゾ分極は発生しない。したがって、ほとんどの場合、MgZnO/ZnOの界面には、2次元電子ガス領域(電子蓄積層)が形成される。
【0040】
図6(a)は、Mg組成比率が約5%を越える大きい値のMgZnOを用いて、+C面成長のZnO/MgZnO/ZnO/MgZnOの積層構造とし、横方向から圧縮歪を加えたときの分極差の方向と大きさを示す図である。Pspが自発分極、Ppeがピエゾ分極、σがヘテロ界面における電荷密度を表わす。他方、図6(b)は、Mg組成比率が約5%以下の小さい値のMgZnOを用いて、+C面成長のZnO/MgZnO/ZnO/MgZnOの積層構造とし、横方向から圧縮歪を加えたときの分極差の方向と大きさを示す図である。なお、図6(a)、(b)の積層体の右側に描かれている折れ線は、左側の折れ線が結晶歪みがないときの分極差の大きさを、右側の折れ線は圧縮歪を加えて結晶歪みが発生したときの分極差の大きさを示している。このように、Mg組成比率が極めて小さいMgZnOを用いると、図6(b)に示すように、圧縮歪を加える前後で、分極差の大きさやパターンが変わり、2次元電子ガスの発生にも影響を与えると考えられる。
【0041】
次に、MgZnO/ZnOのヘテロ界面での状態を示すのが図7(a)である。縦軸は2次元電子移動度(cm2V−1s−1)を、横軸は測定温度(単位は絶対温度ケルビン)を示す。これは、図7(b)に示すように、ZnO基板上にZnO薄膜をエピタキシャル成長させ、その上に、Mg0.11ZnOを成長させて、Mg0.11ZnO/ZnOのヘテロ界面でのホール(Hall)効果を測定することにより求めた。ヘテロ界面における2次元電子ガスの伝導特性は、界面の出来栄え、すなわち上下結晶の純度を反映している。
【0042】
図7(a)より、MgZnO/ZnOのヘテロ界面における2次元電子ガスの電子移動度は、1.4×104cm2V−1s−1にも達することがわかる。図8(b)は、図7(b)の構成において、MgZnO/ZnOの量子ホール効果の測定を行うための構成を示し、図8(a)は、図8(b)の構成による量子ホール効果の測定結果を示す。図8(a)の向かって左側の縦軸が縦抵抗Rxxを示し、向かって右側の縦軸がホール抵抗Rxyを表わす。また、横軸が磁場強度を示す。
【0043】
図8(b)で、50は、図7(b)に記載されたMg0.11ZnO/ZnO/ZnO基板の積層体を示し、50以外の部分はZnO薄膜までエッチングされている。また、51、52、53は、測定用電極を、54、55は印加用電極を示している。図に示された矢印のように、電極54から電極55の方向に電流を流して、電極51と電極52との間の電圧を測定すると、電極51、52間の抵抗が測定でき、これが縦抵抗Rxxである。一方、図のように、磁場Bを発生させると、電極51と電極53との間にホール起電圧が発生する。このとき、電極51、53間の抵抗が測定でき、これがホール抵抗Rxyとなる。測定条件は、測定温度が0.5ケルビン、電極54、55間の電流は、19Hzの交流電流で10nAとした。
【0044】
このようにして、測定された図8(a)の結果を見ると、MgZnO/ZnO界面の電子が2次元のときに特有な特性となっていることがわかる。電子の存在範囲が2次元に制限されていると、磁場Bが印加されたとき、図7(b)のように、電子は平面内で回転運動を行う。回転している間に一度も散乱されない綺麗な状態になると量子化が起こり、電子は離散的なエネルギーしか取れない状態になる。その離散的な局在準位に電子が留まる間、ホール抵抗Rxyは変動しなくなるので、図のように、量子数毎に一定の値を維持する領域が発生する。また、縦抵抗Rxxについては、局在準位の中心に位置する非局在準位も離散的になるので、図のように振動する。
【0045】
図9は、図7(b)の構成における2次元電子ガスの2次元性を示す図である。縦軸は縦抵抗(RXX)を、横軸は磁場強度B(T)を示す。図のB⊥cは、MgZnO及びZnOのc軸方向と垂直な磁場成分を、B//cは、c軸方向と平行な磁場成分を示す。測定時の温度は2ケルビンである。
【0046】
図7(b)のように、2次元電子ガスが真に2次元である場合には、磁場がc軸と垂直、すなわちMgZnO又はZnOの薄膜面に対して磁場が平行であるため、磁気抵抗の変化はない。電子の運動とは垂直方向の磁場成分のみ、磁気抵抗に影響を与えるためである。したがって、図9の測定結果より、この構造では、界面に存在する電子が確実に2次元であることがわかる。
【0047】
以上のように、MgZnO/ZnO界面で電子移動度が、1.4×104cm2V−1s−1にも達する2次元電子ガスが発生していることがわかった。したがって、図4のように、ZnO系材料と同様の六方晶の結晶構造を有し、分極特性を持つGaNを+C面成長で、分極特性を持たないシリコン基板上に積層した場合、GaNには自発分極Pspのみが発生する。このように、GaNがガリウム極性を持っているとSi界面部分にプラスの分極電荷をもつのでSi側に電子が誘起され、2次元電子ガスの発生が起こりやすくなる。また、GaNに引っ張り歪みを発生させると、分極は自発分極Psp+ピエゾ分極Ppeとなってさらに大きくなり、好適である。
【0048】
次に、図1のフォトダイオードの基本的構造部分の製造方法を以下に述べる。Si基板1は、ラジカル酸化,ラジカルNH3を行って、絶縁膜となるSiO2、SiON、SiN等のいずれかを形成することが望ましい。通常の熱酸化でも良いが、より簡便にはラジカル酸素を用いて酸化させると、厚さの制御が行いやすく望ましい。次に、SiO2に開口部を開ける。そこにGaN層2を形成するが、Si上に成長させるには酸化を抑制するのが効果的であるため、真空装置内でGaNを形成するのが望ましい。Si基板をロードロック室に入れ、水分除去のために、1×10−5〜1×10−6Torr程度の真空環境で200℃、30分程度加熱する。
【0049】
SiO2に開口部を開ける。そこにGaNを形成するが、Si上に成長させるには酸化を抑制するのが効果的であるため、真空装置内でGaN形成するのが望ましい。フッ化物の場合はこの限りではない。基板をロードロック室に入れ、水分除去のために、1×10−5〜1×10−6Torr程度の真空環境で200℃、30分程度加熱する。
【0050】
分子線エピタキシー(MBE)用の装置を用いて、GaNを成長させる場合は、Ga、を加熱して昇華させ、Ga分子線として供給するために、クヌーセンセル(分子線セル)が用いられる。ワイドギャップ材料として必要なGaNをつくるためにはこれら金属元素を先に基板に照射しておくのが良い。窒素はNH3ガスを用い、電界研磨内面を持つSUS管を通じて供給する。基板の加熱には、W(タングステン)などでできた金属系のヒータが、純度が高く好適である。他にもランプ加熱、レーザー加熱方法により、加熱を行っても良い。
【0051】
また、AlGaNを結晶成長させる場合は、上記Gaに加えてAlをクヌーセンセルからAl分子線として供給する。InGaNであれば、Alの代わりにIn分子線をクヌーセンセルから供給する。なお、MOCVDで、前記GaN系薄膜を成長しても良い。なお、p型不純物等のドープ領域は、インプランテーション等により形成される。
【0052】
次に、図10は、本発明の構造を適用した、フォトダイオードの構成例を示す。図10(a)では、n型Si基板11上に絶縁膜となるSiO213を挟んでn型AlGaN層12が形成されている。SiO213が積層されているn型Si基板11の主面は、(111)面で構成されており、n型Si基板11は電子濃度が1013〜1017cm−3の範囲となるようにドナードープされている。また、n型Si基板11の両端の一部には、p型不純物ドープ領域11aが形成されており、電流を取り出すための電極14、15と各々接続されている。n型AlGaN層12は、電子濃度が1016〜1017cm−3の範囲となるようにドナードープされている。また、SiO213は、膜厚1nm〜100nmの範囲に形成されている。
【0053】
ここで、SiO213にはバンド構造は生じないが、SiO213を挟んで相対するn型Si基板11とn型AlGaN層12には、図2のようなバンドプロファイルが発生する。したがって、図10(a)の2DEG(2次元電子ガス)の領域、すなわち、図のn型Si基板11とSiO213との界面と図の点線との間の領域で2次元ホールガスが発生する。ここで、光がn型Si基板11とSiO213との界面に入射すると、電子が発生し、電極14と電極15の間に電流が流れるが、これらの電子は2DEGの電子ガスによって、早く移動することができるため、高速応答が得られる。
【0054】
一方、図10(a)の構造で、n型AlGaN層12を、電極14、15のどちらか一方に被せるように形成したのが、図10(b)である。このようにしても、光が照射されたときに、高速に光電流を取り出せるが、n型AlGaN層12が電極14、15の両方を覆い被せるように形成した場合には、AlGaN自体の絶縁化が困難なために、リークする可能性がある。
【0055】
ところで、図1のように、GaNとSiを直接接触させると不完全なシリコン酸化膜(SiOx)ができ,界面準位が濃く発生する可能性が高い。そこで、図10(a)、(b)のように、ラジカル酸素を用いてSiO2を形成したり、また、ラジカル酸素、ラジカルNH3を用いてSiN、SiONを形成すると、Siの(001)面でなくとも、ほぼ完全に化学量論比のSiO2、SiN、SiONができ、界面準位が非常に小さくできることが知られている。これにより界面準位が発生しやすいSiの表面を安定化した上でGaN系材料の形成が行える。
【0056】
また、上述したように、n型Si基板11の替わりにp型Si基板を用いることができる。この場合、p型Siのホール濃度よりもn型AlGaN層12の電子濃度の方を高くし、Siのアクセプタ不純物濃度<GaN系材料のドナー不純物濃度というようにドーピング設計するのが望ましい。このようにドーピングすると、Siのバンドの曲がりがより深くまで形成されるので、光誘起の電子の蓄積量を高めることができる。
【0057】
前述したように、n型Si基板11の結晶成長側主面は、(111)面で構成されているが、結晶成長させるGaN系材料が六方晶なので、格子整合性を取るためには、3回対称面であるSiの(111)面をエピタキシャル成長面とすることが望ましい。
【0058】
一方、図10(c)は、基板の種類と構造が少し異なるものである。n型InGaAs層41上にn型AlGaN層12が直接接合されている。また、41には、n型InGaAs層の替わりに、n型GaAs層やn型AlGaAs層等を用いることができる。n型InGaAs層41は電子濃度が1013〜1017cm−3の範囲となるようにドナードープされている。また、p型不純物ドープ領域41aは、p型不純物でドープされており、各p型不純物ドープ領域41aは、電極14、15と接続されている。なお、図10の各構造は、2次元電子ガスが既に界面に存在しているので、n型AlGaN層12上に金属の遮光膜をつけるなり、パッケージによって光が入らないようにしておけば、HEMTとして動作させることもできる。
【0059】
図10の各構成では、GaN系材料としてAlGaNを用いているが、AlGaNでは、GaNよりも大きな分極が発生するので、電子を界面に蓄積するのに都合が良い。しかしながら、GaN系材料の中で、AlGaNは硬く、結晶成長過程で熱歪み等により割れやすい性質を持っているので、AlGaNのバッファ層として、AlGaNからn型Si基板11やn型InGaAs層41に向かって、バンドギャップが順次小さくなっていくようなGaN系材料による積層構造を形成しても良い。例えば、n型AlGaN層12の下地層として、n型Si基板11に最も近い層にInGaN層を形成することができる。
【0060】
また、SiとGaN系材料とのフェルミ準位位置の乖離を大きくして、2次元電子ガスの形成が行われやすくするために、n型のGaN系材料であるn型AlGaN層12を用いている。SiとGaN系材料とのフェルミ準位位置の乖離を大きくする手段としては、他に、上述したように、11をp型不純物がドープされたp型Si基板で構成することができる。
【0061】
次に、図1や図10等の本発明の構造のフォトダイオードを光ディスクの光学系に応用した例を図11に示す。例えば、AlGaNを図11(a)のようにパターニングし、中央4分割の主ビーム用フォトダイオード22、主ビーム用フォトダイオード22の上下両側に2個の副ビーム用フォトダイオード21の合計6個のフォトダーオードを形成する。中央の主ビーム用フォトダイオード22では、光ディスクトラック上の主ビーム32の光を検出し、4つのフォトダイオードの出力差分をフィードバックして主ビーム32のフォーカスを行なう。合計値をとることでトラックの1、0信号を読み取る。
【0062】
副ビーム用フォトダイオード21の二つも副ビーム31の光を検出し、2つのフォトダイオードの出力差分を取ることで、主ビーム32のトラックからのズレを検知する。以上の差分を取ったり、その差分からのフィードバックをしたり、という機能が必要なうえ、ビットの読み取り時間は10nsecのオーダーなので、通常は制御ICと接続した形で使用する。
【図面の簡単な説明】
【0063】
【図1】本発明のフォトダイオードの基本構造を示す図である。
【図2】図1のフォトダイオードの界面のバンドプロファイルを示す図である。
【図3】主な化合物等のバンド構造を示す図である。
【図4】SiとGaNとの接合で発生する分極状態を示す図である。
【図5】MgZnO/ZnO界面の面電荷密度とMg組成比率との関係を示す図である。
【図6】Mg組成の割合により、MgZnO/ZnO界面の分極状態が変わることを示す図である。
【図7】MgZnO/ZnO界面の2次元電子ガスの電子移動度の測定構成と測定結果を示す図である。
【図8】縦抵抗と整数量子ホール効果の測定構成と測定結果を示す図である。
【図9】2次元電子ガスの2次元性を確認するための図である。
【図10】本発明の基本的構造を適用したフォトダイオードの構成例を示す。
【図11】本発明の構造のフォトダイオードを光ディスクの光学系に応用した例を示す。
【符号の説明】
【0064】
1 Si基板
1a n型不純物ドープ領域
2 GaN層
3 絶縁膜
4 電極
5 電極
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体の主面上に該半導体材料とは異なる材料で構成された光透過半導体層を備え、前記光透過半導体層の側から光を入射させるヘテロ接合型のフォトダイオードであって、
前記光透過半導体層のフェルミ準位は、真空準位を基準としたときに前記半導体のフェルミ準位の位置よりも浅い位置に形成されていることを特徴とするフォトダイオード。
【請求項2】
前記光透過半導体層が400nm以上の光波長領域において70%以上の透過率を有することを特徴とする請求項1に記載のフォトダイオード。
【請求項3】
前記半導体はシリコンからなることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
【請求項4】
前記シリコンはp型不純物がドープされていることを特徴とする請求項3記載のフォトダイオード。
【請求項5】
前記光透過半導体層とシリコンとの間にシリコン窒化物又はシリコン酸化物を含む膜が形成されていることを特徴とする請求項3又は請求項4のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
【請求項6】
前記光透過半導体層が窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
【請求項7】
前記窒化物半導体は、GaN系材料で形成されていることを特徴とする請求項6に記載のフォトダイオード。
【請求項8】
前記GaN系材料は、n型であることを特徴とする請求項7に記載のフォトダイオード。
【請求項9】
前記n型GaN系材料のドナー不純物濃度がp型シリコンのアクセプタ不純物濃度よりも大きくなるように形成されたことを特徴とする請求項8に記載のフォトダイオード。
【請求項10】
前記GaN系材料がGa極性を持っていることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
【請求項11】
前記GaN系材料は、AlGaNであることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
【請求項12】
前記AlGaNとシリコンとの間は、AlGaNからシリコンに向かう方向に、バンドギャップがAlGaNから順に小さくなるようにGaN系層が積層された積層体が形成されていることを特徴とする請求項11記載のフォトダイオード。
【請求項13】
前記積層体のシリコンに最も近い層は、InGaNからなることを特徴とする請求項12記載のフォトダイオード。
【請求項14】
前記シリコンで構成された半導体の主面が略(111)面であることを特徴とする請求項3〜請求項13のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
【請求項1】
半導体の主面上に該半導体材料とは異なる材料で構成された光透過半導体層を備え、前記光透過半導体層の側から光を入射させるヘテロ接合型のフォトダイオードであって、
前記光透過半導体層のフェルミ準位は、真空準位を基準としたときに前記半導体のフェルミ準位の位置よりも浅い位置に形成されていることを特徴とするフォトダイオード。
【請求項2】
前記光透過半導体層が400nm以上の光波長領域において70%以上の透過率を有することを特徴とする請求項1に記載のフォトダイオード。
【請求項3】
前記半導体はシリコンからなることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
【請求項4】
前記シリコンはp型不純物がドープされていることを特徴とする請求項3記載のフォトダイオード。
【請求項5】
前記光透過半導体層とシリコンとの間にシリコン窒化物又はシリコン酸化物を含む膜が形成されていることを特徴とする請求項3又は請求項4のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
【請求項6】
前記光透過半導体層が窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
【請求項7】
前記窒化物半導体は、GaN系材料で形成されていることを特徴とする請求項6に記載のフォトダイオード。
【請求項8】
前記GaN系材料は、n型であることを特徴とする請求項7に記載のフォトダイオード。
【請求項9】
前記n型GaN系材料のドナー不純物濃度がp型シリコンのアクセプタ不純物濃度よりも大きくなるように形成されたことを特徴とする請求項8に記載のフォトダイオード。
【請求項10】
前記GaN系材料がGa極性を持っていることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
【請求項11】
前記GaN系材料は、AlGaNであることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
【請求項12】
前記AlGaNとシリコンとの間は、AlGaNからシリコンに向かう方向に、バンドギャップがAlGaNから順に小さくなるようにGaN系層が積層された積層体が形成されていることを特徴とする請求項11記載のフォトダイオード。
【請求項13】
前記積層体のシリコンに最も近い層は、InGaNからなることを特徴とする請求項12記載のフォトダイオード。
【請求項14】
前記シリコンで構成された半導体の主面が略(111)面であることを特徴とする請求項3〜請求項13のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2009−278003(P2009−278003A)
【公開日】平成21年11月26日(2009.11.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−129833(P2008−129833)
【出願日】平成20年5月16日(2008.5.16)
【出願人】(000116024)ローム株式会社 (3,539)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年11月26日(2009.11.26)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年5月16日(2008.5.16)
【出願人】(000116024)ローム株式会社 (3,539)
【Fターム(参考)】
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