JP2003282929A

JP2003282929A - 受光素子の作製方法

Info

Publication number: JP2003282929A
Application number: JP2002080704A
Authority: JP
Inventors: Hikari Hirano; 光平野; Yoshikazu Yamamoto; 美和山本; Satoshi Kamiyama; 智上山; Hiroshi Amano; 浩天野; Isamu Akasaki; 勇赤崎
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2003-10-03

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】大面積、且つ高感度の受光素子の作製方法を
提供する。【解決手段】受光素子の作製方法であって、下地とな
る層上に、受光領域を含む単数または複数のＩＩＩ族窒
化物半導体層を備えてなるデバイス構造を有機金属気相
成長法によって形成する工程を含み、少なくとも上記受
光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化物の形成工程におい
て、上記ＩＩＩ族窒化物のＩＩＩ族元素の原料として使
用されるＩＩＩ族金属化合物の内の少なくとも１つが、
上記ＩＩＩ族元素に１以上の炭化水素基が直接結合され
てなる有機金属化合物であり、上記炭化水素基の少なく
とも１つに含まれる炭素数が２以上である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、受光素子の作製方
法に関し、詳細には、多層構造の受光素子を形成する際
に使用される堆積技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ＩＩＩ族窒化物半導体を用い
た受光素子が作製されている。これらのＩＩＩ族窒化物
半導体は直接遷移型の半導体であり、且つそのバンドギ
ャップエネルギは紫外域の光を吸収できる程度に広いた
め、紫外線受光素子の受光領域として採用することもで
きる。ただし、感度の良い受光素子が必要である場合に
は、受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化物半導体の結晶
品質が良好であることが求められるのだが、上述のＩＩ
Ｉ族窒化物半導体と下地の基板（一般的にはサファイア
基板）との間には格子定数（格子間隔）の不整合という
問題が存在する。両者の間に格子定数の不整合が存在す
る場合、基板上に成長するＩＩＩ族窒化物半導体に転位
が発生し、その転位による準位によって光キャリアがト
ラップされるなどして、受光感度が低下するという問題
が発生する。

【０００３】以上の問題点を克服するため、即ち、受光
領域の形成に係るＩＩＩ族窒化物半導体の結晶品質を良
好なものとするために、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ法）を用いて、まず、サファイア基板上に、低温（約
６００℃）で堆積されたＡｌＮ層と、結晶改善層である
ＧａＮ層と、低温堆積されたＡｌＮ層とが順次形成され
た下地構造を設け、その下地構造上に、有機金属気相エ
ピタキシー（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、例えば、ｎ型半
導体層、ｉ型半導体層（受光領域）、およびｐ型半導体
層などが順次積層され、その内の単数または複数の半導
体層により受光領域が形成されるデバイス構造を設けて
いた。このような、基板と、下地構造と、デバイス構造
とを備えてなる素子構造を採用した場合、デバイス構造
の形成に係るＩＩＩ族窒化物半導体と基板との間に存在
する格子不整合による影響が緩和され、デバイス構造に
含まれる受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化物半導体の
結晶品質を比較的良好なものとすることができていた。

【０００４】ここで、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ
法およびＭＯＶＰＥ法）を用いてＧａＮ、ＡｌＮ、Ａｌ
ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物半導体を
成長させる際に使用される原料については、Ｇａ源とし
てトリメチルガリウム：ＴＭＧａが使用され、Ａｌ源と
してトリメチルアルミニウム：ＴＭＡｌが使用され、Ｉ
ｎ源としてトリメチルインジウム：ＴＭＩｎが使用され
ることが一般的であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ここで、受光素子を火
炎センサとしての用途に使用する場合、太陽光や各種照
明機器からの室内光とは区別して、火炎からの光のみを
受光するという高い波長選択性を有することが要求され
る。具体的には、火炎の光の内の検出対象とする光の波
長範囲における感度が、検出対象としない光の波長範囲
における感度の一万倍以上である程度の波長選択性を有
することが求められる。尚、本明細書での説明において
「感度（単位はＡ／Ｗ）」とは、受光素子に照射される
光強度（Ｗ）に対して、どれだけの光電流（Ａ）が発生
したかを示すものであり、同じ強度の光を照射した場
合、発生する光電流が大きいほど感度が高いと言える。

【０００６】上述のように、高性能な受光素子に対して
は、高い波長選択性を有することが求められるのだが、
その受光素子を作製する場合に採用される有機金属気相
成長法において原料に使用した各有機金属化合物に含ま
れる炭素原子が、堆積された各膜中に取り込まれること
によって不純物準位が形成される。そして、この不純物
準位による光吸収のために、検出対象としない波長範囲
に感度が現れるといった問題が発生するため、検出対象
とする光の波長範囲における感度を検出対象としない光
の波長範囲における感度の一万倍以上とすることが困難
になるという問題が存在する。

【０００７】本発明は上記の問題点に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、大面積、且つ高感度の受光素子
の作製方法を提供する点にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明に係る受光素子の作製方法の第一の特徴構成
は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載の如く、下地
となる層上に、受光領域を含む単数または複数のＩＩＩ
族窒化物半導体層を備えてなるデバイス構造を有機金属
気相成長法によって形成する工程を含み、少なくとも前
記受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化物の形成工程にお
いて、前記ＩＩＩ族窒化物のＩＩＩ族元素の原料として
使用されるＩＩＩ族金属化合物の内の少なくとも１つ
が、前記ＩＩＩ族元素に１以上の炭化水素基が直接結合
されてなる有機金属化合物であり、前記炭化水素基の少
なくとも１つに含まれる炭素数が２以上である点にあ
る。

【０００９】上記課題を解決するための本発明に係る受
光素子の作製方法の第二の特徴構成は、特許請求の範囲
の欄の請求項２に記載の如く、下地となる層上に、受光
領域を含む単数または複数のＩＩＩ族窒化物半導体層を
備えてなるデバイス構造を気相成長法によって形成する
工程を含み、少なくとも前記受光領域の形成に係るＩＩ
Ｉ族窒化物の形成工程において、前記ＩＩＩ族窒化物の
ＩＩＩ族元素の原料として使用されるＩＩＩ族金属化合
物の内の少なくとも１つが、前記ＩＩＩ族元素に１以上
の水素原子が直接結合されてなる化合物である点にあ
る。

【００１０】上記課題を解決するための本発明に係る受
光素子の作製方法の第三の特徴構成は、特許請求の範囲
の欄の請求項３に記載の如く、上記第二の特徴構成に加
えて、前記ＩＩＩ族窒化物のＩＩＩ族元素の原料として
使用されるＩＩＩ族金属化合物の内の少なくとも１つ
が、前記ＩＩＩ族元素に少なくとも１つの水素原子と少
なくとも１つの炭化水素基とが直接結合されてなる化合
物である点にある。

【００１１】上記課題を解決するための本発明に係る受
光素子の作製方法の第四の特徴構成は、特許請求の範囲
の欄の請求項４に記載の如く、上記第三の特徴構成に加
えて、前記ＩＩＩ族元素に直接結合される前記炭化水素
基の少なくとも１つに含まれる炭素数が２以上である点
にある。

【００１２】上記課題を解決するための本発明に係る受
光素子の作製方法の第五の特徴構成は、特許請求の範囲
の欄の請求項５に記載の如く、上記第一から第四の何れ
かの特徴構成に加えて、前記受光領域の形成に係るＩＩ
Ｉ族窒化物中の含有炭素量が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であ
る点にある。

【００１３】上記課題を解決するための本発明に係る受
光素子の作製方法の第六の特徴構成は、特許請求の範囲
の欄の請求項６に記載の如く、上記第一から第五の何れ
かの特徴構成に加えて、前記デバイス構造を形成する工
程に先立って、前記基板上に、単数または複数の半導体
層を備えてなる、前記デバイス構造と前記基板との間の
格子不整合を緩和するための下地構造を有機金属気相成
長法により形成する工程を含む点にある。

【００１４】上記課題を解決するための本発明に係る受
光素子の作製方法の第七の特徴構成は、特許請求の範囲
の欄の請求項７に記載の如く、上記第一から第六の何れ
かの特徴構成に加えて、前記デバイス構造の光入射面側
に、前記デバイス構造における入射光の反射率を低減さ
せる反射防止手段を形成する工程を含む点にある。

【００１５】上記課題を解決するための本発明に係る受
光素子の作製方法の第八の特徴構成は、特許請求の範囲
の欄の請求項８に記載の如く、上記第一から第七の何れ
かの特徴構成に加えて、前記受光領域の形成に係るＩＩ
Ｉ族窒化物のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上
である点にある。

【００１６】上記課題を解決するための本発明に係る受
光素子の作製方法の第九の特徴構成は、特許請求の範囲
の欄の請求項９に記載の如く、上記第八の特徴構成に加
えて、前記受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化物のバン
ドギャップエネルギが４．０ｅＶ以下である点にある。

【００１７】上記課題を解決するための本発明に係る受
光素子の作製方法の第十の特徴構成は、特許請求の範囲
の欄の請求項１０に記載の如く、上記第八の特徴構成に
加えて、前記受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化物のバ
ンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上である点にあ
る。

【００１８】上記課題を解決するための本発明に係る受
光素子の作製方法の第十一の特徴構成は、特許請求の範
囲の欄の請求項１１に記載の如く、上記第十の特徴構成
に加えて、前記受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化物の
バンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上である点にあ
る。

【００１９】上記課題を解決するための本発明に係る火
炎センサの特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１
２に記載の如く、請求項８から請求項１１の何れか１項
に記載の受光素子の作製方法を用いて作製された点にあ
る。

【００２０】以下に作用並びに効果を説明する。本発明
に係る受光素子の作製方法の第一の特徴構成によれば、
少なくとも受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化物の形成
工程において、そのＩＩＩ族窒化物のＩＩＩ族元素の原
料として使用されるＩＩＩ族金属化合物の内の少なくと
も１つが、上記ＩＩＩ族元素に１以上の炭化水素基が直
接結合されてなる有機金属化合物であり、その炭化水素
基の少なくとも１つに含まれる炭素数が２以上であるこ
とから、ＩＩＩ族窒化物中に取り込まれた場合に、光吸
収に寄与する不純物準位を形成して、受光素子に対して
不必要な感度を持たせる働きをする炭素の膜中含有量を
少なくすることができる。その結果、波長選択性が良好
で、微弱な光が照射された場合であっても感度良く検出
することができる受光素子を提供することができる。

【００２１】本発明に係る受光素子の作製方法の第二の
特徴構成によれば、少なくとも受光領域の形成に係るＩ
ＩＩ族窒化物の形成工程において、そのＩＩＩ族窒化物
のＩＩＩ族元素の原料として使用されるＩＩＩ族金属化
合物の内の少なくとも１つが、上記ＩＩＩ族元素に１以
上の水素原子が直接結合されてなる化合物であることか
ら、ＩＩＩ族窒化物中に取り込まれた場合に、光吸収に
寄与する不純物準位を形成して、受光素子に対して不必
要な感度を持たせる働きをする炭素の膜中含有量を少な
くすることができる。その結果、波長選択性が良好で、
微弱な光が照射された場合であっても感度良く検出する
ことができる受光素子を提供することができる。

【００２２】本発明に係る受光素子の作製方法の第三の
特徴構成によれば、上記ＩＩＩ族窒化物のＩＩＩ族元素
の原料として使用されるＩＩＩ族金属化合物の内の少な
くとも１つが、上記ＩＩＩ族元素に少なくとも１つの水
素原子と少なくとも１つの炭化水素基とが直接結合され
てなる化合物であることから、ＩＩＩ族窒化物中に取り
込まれた場合に、光吸収に寄与する不純物準位を形成し
て、受光素子に対して不必要な感度を持たせる働きをす
る炭素の膜中含有量を少なくすることができる。

【００２３】本発明に係る受光素子の作製方法の第四の
特徴構成によれば、上記ＩＩＩ族元素に直接結合される
上記炭化水素基の少なくとも１つに含まれる炭素数が２
以上であることから、ＩＩＩ族窒化物中に取り込まれた
場合に、光吸収に寄与する不純物準位を形成して、受光
素子に対して不必要な感度を持たせる働きをする炭素の
膜中含有量を少なくすることができる。

【００２４】本発明に係る受光素子の作製方法の第五の
特徴構成によれば、受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化
物中の含有炭素量が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であるので、
光吸収サイトをなり得る炭素の不純物準位の数が少な
く、その結果、波長選択性が良好で、微弱な光が照射さ
れた場合であっても感度良く検出することができる受光
素子を提供することができる。

【００２５】本発明に係る受光素子の作製方法の第六の
特徴構成によれば、基板上に、まず、デバイス構造にと
っての緩衝層となるべき単数または複数の半導体層が有
機金属気相成長法によって基板上に形成された後で、そ
のデバイス構造が形成されるので、デバイス構造と基板
との間の格子不整合が緩和され、その結果、デバイス構
造の結晶品質を良好なものとすることができる。

【００２６】本発明に係る受光素子の作製方法の第七の
特徴構成によれば、受光領域上の入射光側に反射防止手
段が設けられていることで、反射防止手段を設けていな
い場合に比べて受光領域に入射される光量（エネルギ
量）を増大させることができる。その結果、受光領域に
おける光電変換効率が増大されたことと等価であること
から、火炎からの光の強度が弱くても感度良く検出する
ことができる受光素子を提供することができる。

【００２７】本発明に係る受光素子の作製方法の第八の
特徴構成によれば、上記受光領域のバンドギャップエネ
ルギが３．６ｅＶ以上であることで、波長約３４４ｎｍ
（３．６ｅＶ）以下の波長の光、即ち、波長約３４４ｎ
ｍ以下の波長域に現れる火炎の光を上記受光領域によっ
て選択的に検出することができる受光素子を得ることが
できる。

【００２８】本発明に係る受光素子の作製方法の第九の
特徴構成によれば、上記受光領域において３．６ｅＶ以
上４．０ｅＶ以下のエネルギを有する光が吸収されるこ
とで、波長約３１０ｎｍ（４．０ｅＶ）〜３４４ｎｍ
（３．６ｅＶ）の範囲の波長の光、即ち、火炎の光の中
でも特に炭化水素を含む化合物を燃焼させた場合に観測
されるＯＨラジカルの発光に起因する発光ピークを良好
に検出することができる受光素子を得ることができる。
特に、受光素子の設置場所がエンジン内部などの閉鎖さ
れた空間である場合には、屋外に設置された場合には同
時に観測される各種照明機器からの室内光や太陽光とい
った光が存在することがないため、火炎の光のみを良好
に検出することができる。

【００２９】本発明に係る受光素子の作製方法の第十の
特徴構成によれば、上記受光領域のバンドギャップエネ
ルギが４．１ｅＶ以上であることで、波長約３００ｎｍ
（４．１ｅＶ）以下の波長の光、即ち、火炎の光を上記
受光領域によって検出することができる受光素子を得る
ことができる。更に、波長約３００ｎｍを超える波長の
光、即ち、各種照明機器などからの室内光に対しては上
記受光領域が感度を有さないので、火炎の光に対して選
択的に感度を有する受光素子を得ることができる。

【００３０】本発明に係る受光素子の作製方法の第十一
の特徴構成によれば、上記受光領域のバンドギャップエ
ネルギが４．４ｅＶ以上であることで、波長約２８０ｎ
ｍ（４．４ｅＶ）以下の波長の光、即ち、火炎の光を上
記受光領域によって検出することができる受光素子を得
ることができる。更に、波長約２８０ｎｍを超える波長
の光、即ち、各種照明機器などからの室内光および太陽
光（自然光）に対しては上記受光領域が感度を有さない
ので、火炎の光に対して選択的に感度を有する受光素子
を得ることができる。

【００３１】本発明に係る火炎センサの特徴構成によれ
ば、受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化物のバンドギャ
ップエネルギが火炎の光に対して選択的に感度を有する
ような値に調整され、同時に、受光素子に対して不必要
な感度を持たせる働きをする炭素の膜中含有量が低減さ
れた火炎センサが提供される。従って、検出対象とする
波長範囲（火炎の光が含まれる範囲）における感度と、
検出対象としない波長範囲（太陽光や室内光などの外乱
光が含まれる範囲）における感度との間の感度差が大き
い火炎センサが得られることから、照射される火炎の光
強度が小さい場合であっても、その存在を外乱光と区別
して感度良く検出することができる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明に
係る受光素子の作製方法について説明する。図１に例示
するのは、受光素子の作製が行われる半導体成長装置
（ＭＯＣＶＤ装置）の概略図であり、以下に半導体成長
工程について簡単に説明する。

【００３３】キャリアガスタンク１は、原料タンク３に
貯蔵された原料を反応室４へ搬送するためのキャリアガ
スを貯蔵しており、そのキャリアガスとしては、窒素ガ
スや水素ガスなどを使用することができる。キャリアガ
スタンク１を出たキャリアガスに対しては、ガス中に含
まれる酸素の除去が酸素除去装置２によって実施され
る。キャリアガスとして水素ガスを使用した場合の酸素
除去装置２の具体例としては、パラジウム膜を備えて構
成された水素透過膜などがあり、これは金属パラジウム
膜に水素ガスを流した際に、分子の大きさの小さい水素
ガスだけが選択的にパラジウム膜を通過できるという特
性を利用したものである。その結果、酸素除去装置２以
降のガス供給路における酸素濃度を、極めて低いレベル
にまで低減させることができる。

【００３４】酸素除去装置２を通過した後、酸素が除去
されたキャリアガスは、バルブＶ１によってその流量の
調整が行われた後で原料タンク３へ流れ込む。本実施形
態では、原料として液体の有機金属材料を想定している
ことから、原料タンク３内にバブラーを設けておくこと
で、気化された有機金属の原料がキャリアガスと共にバ
ルブＶ２を通って反応室４側へ流れ出すように構成する
ことができる。また、原料ガスの希釈を行いたい場合に
は、バルブＶ３の開度を調整して、キャリアガスのみを
反応室４側へ流せばよい。また、原料がガスである場合
には、原料タンク７にその原料を貯蔵し、バルブＶ４で
流量を調整しながら反応室４内に供給すればよい。

【００３５】尚、図１中では簡略化のため原料タンク３
を１つしか図示していないが、原料が複数ある場合は原
料タンク３を並列に複数設け、原料の量がそれぞれ調整
された原料ガスがそれぞれ反応室４側へ流入するように
構成すればよい。反応室４へ流入させる原料の量の調整
は、各原料タンク３の上流側にそれぞれ設けられるバル
ブＶ１の開度を調整して、原料タンク３内に流入するガ
スの量を調整し、各原料タンク３の下流側にそれぞれ設
けられるバルブＶ２の開度を調整することで行われる。

【００３６】反応室４内に供給された原料ガスは、反応
室４に設けられた原料ガスの活性化手段（図示せず）に
よって、サンプルホルダ５上に置かれた基板６の結晶成
長面に堆積する。また、サンプルホルダを加熱して、基
板６の温度を調整することも行われる。反応室４内は排
気されており、所定の圧力に調整される。原料ガスの活
性化手段としては、加熱手段、プラズマ発生手段などが
代表的なものであり、供給された原料ガスが複数種の元
素を含む場合には、活性化された各元素が化合物を形成
して基板６の結晶成長面に堆積成長される。尚、原料ガ
スの種類によってその活性化の度合は様々であり、基板
６の表面付近で分解される有機金属材料や、基板６の表
面に到達する以前に分解される有機金属材料などがあ
る。また、上記基板材料としては、堆積成長される物質
と相性の良い材料が用いられる。

【００３７】以上のような半導体成長工程を繰り返すこ
とで、基板６上に複数の半導体層のエピタキシャル成長
が行われ、結果として半導体積層構造を得ることができ
る。また、必要があれば不純物を注入して、各半導体層
をｐ型半導体やｎ型半導体にさせることができる。

【００３８】以下に、本発明に係る受光素子の作製方法
について例を挙げて詳細に説明する。図２に示す受光素
子３０は、基板１０上に、図１を参照して説明した有機
金属気相成長法により設けられた下地構造と、その下地
構造上に、同じく有機金属気相成長法により設けられた
デバイス構造とを備えてなる。下地構造は、基板１０上
に、低温堆積緩衝層１１と、結晶改善層１２と、低温堆
積中間層１３とを順次堆積することで得られる。また、
デバイス構造は、下地構造上に、ｎ型半導体層１４と、
受光領域として作用するｉ型半導体層１５と、ｐ型半導
体層１６と、ｐ型コンタクト層１７とを順次堆積し、そ
れらの堆積層を部分的にエッチングすることで露出され
たｎ型半導体層１４の表面に電極１８（負極）を設け、
ｐ型コンタクト層１７の表面に電極１９（正極）を設け
ることで得られる。

【００３９】上述した基板、下地構造、およびデバイス
構造の各材料は、例えば、基板１０はサファイアであ
り、低温堆積緩衝層１１はＡｌＮ（厚さ２０ｎｍ）であ
り、結晶改善層１２はＧａＮ（厚さ１μｍ）であり、低
温堆積中間層１３はＡｌＮ（厚さ２０ｎｍ）であり、ｎ
型半導体層１４（厚さ１μｍ）とｉ型半導体層１５（厚
さ１００〜２００ｎｍ）とｐ型半導体層１６（厚さ８０
ｎｍ）とは単結晶Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１）である。また、ｐ型コンタクト層１７
はｐ−ＧａＮまたはアルミニウム組成比ｙの小さいＡｌ
_yＧａ_1-yＮ（厚さ２０ｎｍ）である。更に、電極１８お
よび電極１９はＴｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕなどの金属を使
用して形成される。また、電極１８とｎ型半導体層１４
との間、および電極１９とｐ型コンタクト層１７との間
の電気的な特性はオーミックな状態である。また、光が
電極１９側からｉ型半導体層１５に入射するように構成
されているため、電極１９は光を透過させることができ
る構成であることが必要である。従って、電極１９は、
メッシュ状電極または透明導電性電極の形態で作製され
る。尚、上述した膜厚の値は用途に応じて他の値に変更
可能である。

【００４０】尚、上記下地構造の役割は、デバイス構造
の結晶品質を良好なものとすることである。サファイア
基板１０の結晶成長表面における格子間隔と、デバイス
構造を構成するＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１）の格子定数との間には大きな差が存在する
が、下地構造によってその格子不整合を緩和することが
できるため、デバイス構造を構成するＩｎＡｌＧａＮを
成長させる際に加わる格子不整合による応力を非常に小
さくさせることができる。その結果、デバイス構造中の
ＩｎＡｌＧａＮの結晶品質を良好にすることができる。

【００４１】以上のような受光素子を構成することで、
電極１９側から照射された光が、受光領域として作用す
るｉ型半導体層１５に入射し、ｉ型半導体層１５のバン
ドギャップエネルギに相当するエネルギの光を吸収して
光キャリアを発生する。そして、電極１８および電極１
９の間に印加された逆バイアス電圧によって上記光キャ
リアが光電流として取り出され、その電流の大きさから
受光した光の強度が導出される。

【００４２】上記のようにＩＩＩ族窒化物で構成された
受光素子を作製する場合、各層の作製にあたっては有機
金属気相成長法が用いられるのだが、ガリウム源として
トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用い、アルミニウム
源としてトリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）、インジ
ウム源としてトリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）、窒素
源としてアンモニアが用いられる。従って、図１を参照
すると、液体であるＴＥＧａとＴＥＡｌとＴＥＩｎとが
別個の原料タンク３に貯蔵され、キャリアガスに搬送さ
れて反応室４に供給される。また、アンモニアは原料タ
ンク７に貯蔵され、反応室４に供給される。尚、基板温
度を約１０００℃に設定して成膜を行った。

【００４３】また、ドーパントを用いてｎ型またはｐ型
の不純物半導体を作製する場合、Ｓｉドープの場合のド
ーパントとしてジシランまたはシランを使用し、Ｍｇド
ープの場合のドーパントとしてＭｅＣｐ₂Ｍｇ（ビスメ
チルシクロペンタンマグネシウム）またはＥｔＣｐ₂Ｍ
ｇ（ビスエチルシクロペンタンマグネシウム）を使用
し、Ｂｅドープの場合のドーパントとしてＣｐ₂Ｂｅ
（シクロペンタンベリリウム）またはＭｅＣｐ₂Ｂｅ
（ビスメチルシクロペンタンベリリウム）を使用するこ
とができる。

【００４４】一般に、ＩＩＩ族窒化物のＩＩＩ族元素の
原料として使用されるＩＩＩ族金属化合物は、トリメチ
ルガリウム（ＴＭＧａ）や、トリメチルアルミニウム
（ＴＭＡｌ）や、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）な
どの有機金属化合物であり、その有機金属化合物の１つ
の炭化水素基の炭素数は１（つまり、メチル基）であっ
た。しかし、本実施形態において、上述のように１つの
炭化水素基に含まれる炭素数が２（つまり、エチル基）
の有機金属化合物を使用したことで、表１に示すよう
に、得られたＩＩＩ族窒化物（ＡｌＧａＮ）中の含有炭
素量を低減させることができた。これはＩＩＩ族窒化物
としてＩｎＡｌＧａＮを用いた場合も同様である。

【００４５】

【表１】

【００４６】表１に示した結果は、ＴＭＧａおよびＴＭ
Ａｌの分子が比較的安定であり、基板付近において分解
されために、膜中に炭素が取り込まれ易くなる一方で、
ＴＥＧａおよびＴＥＡｌの分子は基板付近に到達する以
前で分解され、基板付近に到達する炭素ラジカルの数が
少なくなることによるものであると考察することができ
る。

【００４７】以上のように、本実施形態において得られ
たＩＩＩ族窒化物の含有炭素量を減少させることができ
ることから、その炭素による不純物準位が光吸収に寄与
することで、受光素子に不必要な感度が現れることを防
止することができる。その結果、波長選択性が良好で、
微弱な光が照射された場合であっても感度良く検出する
ことができる受光素子を提供することができる。特に、
検出対象とする波長域の光強度が微弱である状況で使用
される火炎センサとしてこの受光素子を使用する場合に
は、検出対象とする光の波長範囲における感度と、検出
対象としない光の波長範囲における感度との間の差が大
きいことが要求されるため、本実施形態の持つ意味が大
きくなる。

【００４８】ここで、受光領域として作用するｉ型半導
体層１５、並びにｎ型半導体層１４およびｐ型半導体層
１６を構成するＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１）のバンドギャップエネルギはインジウム組
成比ｘおよびアルミニウム組成比ｙを変えることで調整
され、インジウム組成比ｘおよびアルミニウム組成比ｙ
とＩｎＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギとは図３に
示すような関係で表される。図３から読み取れるよう
に、インジウム組成比ｘおよびアルミニウム組成比ｙを
変えることで、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮのバンドギャッ
プエネルギを１．９ｅＶから６．２ｅＶにまで調整する
ことができる。言い換えると、受光領域で吸収可能な光
の波長範囲は約２００ｎｍ〜約６５０ｎｍの間で調整可
能である。また、受光素子において火炎の光を検出する
場合には、図４の発光スペクトルに示すような火炎の発
光を吸収出来るだけのバンドギャップエネルギを有する
受光領域を形成すればよい。尚、図４に示す火炎の発光
スペクトルは、ガス（炭化水素）を燃焼させた際に発生
する火炎のスペクトルである。また、太陽光のスペクト
ルと、各種照明機器からの光による室内光のスペクトル
も同時に示す。

【００４９】以下には、紫外線受光素子として使用する
場合の好ましい受光領域のバンドギャップエネルギにつ
いて説明する。従って、バンドギャップエネルギを大き
くするために、インジウムを含まないものとして（イン
ジウム組成比ｘ＝０として）説明する。

【００５０】受光素子に波長選択性を持たせるために
は、受光領域（Ａｌ_yＧａ_1-yＮ）におけるＡｌの組成比
を調整して、そのバンドギャップエネルギを所望の値に
設定することが行われる。例えば、波長約３４４ｎｍ以
下の波長域に比較的大きい強度で現れる火炎の光を選択
的に受光することのできる火炎センサを作製したい場合
には、受光領域のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ
以上となるようにアルミニウム組成比ｙ＝０．０５、或
いはそれ以上とすればよい。或いは、約３００ｎｍ以上
の波長域に含まれる、各種照明機器からの光（室内光）
を受光せずに、検出対象波長範囲にある火炎の光を受光
するような火炎センサを作製したい場合には、受光領域
のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上となるよう
にアルミニウム組成比ｙ＝０．２５、或いはそれ以上と
すればよい。また或いは、約２８０ｎｍ以上の波長域に
含まれる、太陽光からの光を受光せずに、検出対象波長
範囲にある火炎の光のみを受光するような火炎センサを
作製したい場合には、受光領域のバンドギャップエネル
ギが４．４ｅＶ以上となるようにアルミニウム組成比ｙ
＝０．３５、或いはそれ以上とすればよい。

【００５１】或いは、弱い光強度であれば太陽光などの
外乱光が受光領域において吸収されても構わない場合に
は、受光領域のバンドギャップエネルギが４．３ｅＶ以
上（波長約２９０ｎｍ以下）となるようにアルミニウム
組成比ｙ＝０．３１、或いはそれ以上とすればよい。波
長約２９０ｎｍ以下では図４に示すようにそれらの外乱
光の光強度が非常に小さくなり、他方で火炎の光は大き
いので、結果として火炎の光が存在することを検知する
ことができる。

【００５２】更に、受光素子がエンジン内部などの閉鎖
空間に設置され、そこで燃焼される燃料の発光を検出し
たい場合には、上述した室内光や太陽光が存在しないた
め、それらを排除するような大きいバンドギャップエネ
ルギを設定する必要はない。そのため、検出対象波長範
囲にある火炎の光の中でも特に炭化水素を含む化合物
（エンジンで燃焼される燃料）を燃焼させた場合に観測
されるＯＨラジカルの発光に起因する発光ピーク（波長
約３１０ｎｍ（３１０ｎｍ±１０ｎｍ）：４．０ｅＶ）
の光（波長３１０ｎｍ以上３４４ｎｍ以下の火炎の光）
を選択的に受光することのできる受光素子を作製した場
合には、受光領域のバンドギャップエネルギが３．６ｅ
Ｖ以上４．０ｅＶ以下となるように、アルミニウム組成
比ｙを０．０５以上０．２３以下とすればよい。

【００５３】尚、上述したインジウム組成比ｘおよびア
ルミニウム組成比ｙとＩｎＡｌＧａＮのバンドギャップ
エネルギとの関係は理論値に基づいて説明したものであ
り、インジウム組成比ｘおよびアルミニウム組成比ｙを
理論値通りにして成膜を行ったとしても実際に得られる
ＩｎＡｌＧａＮ層のバンドギャップエネルギが異なる可
能性もある。例えば、三元混晶化合物であるＡｌＧａＮ
の場合には、二元化合物であるＧａＮが生成され易く、
その結果、バンドギャップエネルギが低エネルギ側（長
波長側）にシフトする傾向にある。従って、理論値通り
のバンドギャップエネルギを得たい場合には、アルミニ
ウム組成比を予め大きく設定した上で成膜することが行
われることもある。

【００５４】以上のように、デバイス構造中の受光領域
のバンドギャップを調整し、所望の波長の光を受光する
ことについて説明を行ったが、受光領域以外の部分（例
えば、図２のｐ型半導体層とｎ型半導体層）のバンドギ
ャップエネルギを受光領域のバンドギャップエネルギ以
上に設計した場合には別の効果を得ることができる。つ
まり、受光領域以外の部分を光透過特性の良好な、受光
領域にとっての窓にすることができるので、受光領域に
入射される光の強度を大きく確保することができる。従
って、外部から受光素子に照射される光が微弱であって
も、その光強度を減衰させることなく受光領域にまで到
達させることができる。

【００５５】また、光吸収サイトとなり得る不純物準位
を形成する炭素の膜中含有量は、少なくとも受光領域と
して作用するｉ型半導体層１５において低減させること
が要求されるため、受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化
物半導体を形成する場合にのみ本発明に係る受光素子の
形成方法を適用することが可能である。但し、受光領域
の形成に係るＩＩＩ族窒化物半導体を挟んで配置された
半導体層（受光領域から光キャリアの拡散距離内にある
半導体層）を形成する際にも本発明に係る受光素子の形
成方法を適用することが好ましく、その場合には、得ら
れる受光素子が検出対象とする光の波長範囲における感
度と検出対象としない光の波長範囲における感度との差
を大きくすることができる。

【００５６】＜別実施形態＞＜１＞以上のように受光素子の構成について説明した
が、素子表面で光が反射され、受光領域に入射する光の
強度が小さくなるという問題があり、それを防止するよ
うな反射防止機能を受光素子に備えさせることについて
図５を参照して説明する。

【００５７】図５（ａ）は、反射防止機能を備えた受光
素子３１の構成図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示
した反射防止機能部分の説明図であり、図５（ｃ）は反
射防止機能を備えていない場合の比較例の説明図であ
る。

【００５８】まず、図５（ａ）に示す受光素子３１は、
図２に例示した素子構造と同様である。異なる点は、電
極１９の構成と、電極１９が設けられていないｐ型コン
タクト層１７上の部分に、反射防止手段として作用する
光透過層２０が設けられている点である。ここで使用し
た光透過層２０はＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）であ
り、原子の組成を異ならせることで屈折率を調整するこ
とができる。他にも、弗化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、
弗化カルシウム（ＣａＦ₂）、二酸化珪素（ＳｉＯ ₂）等
を用いることができる。尚、Ａｌ_yＧａ_1-yＮを用いた場
合には、各半導体層と同じ成膜プロセスにおいて作製で
きるという利点がある。

【００５９】図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した受光素
子３１中の半導体構造上に備えられた反射防止機能部分
を説明する図である。図中では、空気中の屈折率を
ｎ₀、光透過層の屈折率をｎ₁（ｎ₁＞ｎ₀）、ｐ型コンタ
クト層１７の屈折率をｎ₂（ｎ₂＞ｎ₁）としている。更
に、比較例として図５（ｃ）には、反射防止機能が備わ
っていない場合の反射について説明する。

【００６０】まず、図５（ａ）および図５（ｂ）に示す
ように、ｐ型コンタクト層１７と光透過層２０が設けら
れ、上記光透過層２０が空気中に露出している場合と、
光透過層２０が設けられておらず、ｐ型コンタクト層１
７が空気中に露出している場合の２例について、ｐ型コ
ンタクト層１７に垂直に入射する入射光に対する反射率
Ｒ₁およびＲ₂を以下の数１および数２に示す。ここで、
光透過層２０の膜厚ｄ ₂₀は、入射光の四分の一波長を自
身の屈折率で割った値：ｄ₂₀＝λ（入射光）／４ｎ₁に
設定される。尚、入射光の波長とは、透過させたい光の
波長であり、例えば、火炎の光に対応する２６０ｎｍ〜
２８０ｎｍの波長である。

【００６１】

【数１】Ｒ₁＝（ｎ₀・ｎ₂−ｎ₁）²／（ｎ₀・ｎ₂＋ｎ₁）²

【００６２】

【数２】Ｒ₂＝（ｎ₀−ｎ₂）²／（ｎ₀＋ｎ₂）²

【００６３】ここで、ｐ型コンタクト層１７の屈折率ｎ
₂は、光透過層２０の屈折率ｎ₁よりも大きいことから、
ｎ₀＝１とすると、数１と数２とを比較することで、Ｒ₂
＞Ｒ ₁であることが分かる。従って、光透過層２０を設
けた場合にｐ型コンタクト層１７に入射する光の強度
は、設けなかった場合にｐ型コンタクト層１７に入射す
る光よりも大きくなり、実効的に受光素子の光電変換効
率を増大させることができたことになる。その結果、照
射される光を効率よく受光領域に導入することができる
受光素子が提供される。

【００６４】＜２＞上述の実施形態においては、電極１
８および電極１９の材料としてＴｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ
などの金属を使用できることを説明したが、他の材料を
用いても構わない。例えば、ＺｒＢ₂を電極として使用
することができる。その電極の材料となるＺｒＢ₂は、
イオンビームスパッタ、レーザアブレーション、ＣＶＤ
などの蒸着方法により作製することができるが、Ｚｒ源
としてＺｒ［Ｎ（Ｃ₂Ｈ₅）₂］₄、またはＺｒ（ＢＨ₄）₄
などを使用し、Ｂ源としてトリメチルボロンを使用した
ＭＯＣＶＤ法を利用してＺｒＢ₂を作製する場合、図１
を参照して説明した成膜装置を使用して、ＩＩＩ族窒化
物と同様のプロセスで作製できるという利点がある。
尚、作製されたＺｒＢ₂電極上にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔ
ｉなどの金属を更に形成してＺｒＢ₂電極を保護するよ
うな多層電極を形成してもよい。

【００６５】更に、電極材料にＺｒＢ₂を使用した場合
には、下地の半導体層との間の電気的な特性をオーミッ
クなものとすることができるという利点がある。例え
ば、電極の材料にＡｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉなどを使用し
た場合、これらの材料ではＩｎ _xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層
（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）との間の電気的な特性をオ
ーミックなものとするためには、アルミニウム組成比ｙ
の値を小さくすることが要求された。しかし、電極の材
料としてＺｒＢ₂を使用した場合には、アルミニウム組
成比に制限されず、アルミニウム組成比ｙの値が大きい
場合にも、電極とＩｎＡｌＧａＮ層との界面の電気的な
特性をオーミックなものとすることができる。

【００６６】＜３＞上述の実施形態では、ＩＩＩ族窒化
物半導体の原料として使用される全てのＩＩＩ族金属化
合物に含まれる１つの炭化水素基に含まれる炭素数が２
以上である場合について説明したが、本発明はこれに限
定されない。例えば、膜形成のために、ガリウム源とし
てのＴＥＧａとアルミニウム源としてのＴＥＡｌとイン
ジウム源としてのＴＥＩｎとを使用するのではなく、ガ
リウム源についてのみＴＭＧａを使用するなどの改変
や、ガリウム源についてはＴＭＧａを使用し、アルミニ
ウム源についてはＴＭＡｌを使用し、インジウム源につ
いてはＴＥＩｎを使用する場合等の改変、または他の組
み合わせも可能である。

【００６７】尚、上述の実施形態において、ＩＩＩ族窒
化物のＩＩＩ族元素（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎなど）の原料と
して使用されるＩＩＩ族金属化合物の１つの炭化水素基
に含まれる炭素数が３以上であっても、同様の効果を得
ることができる。更には、炭化水素基に含まれる炭素数
を増やすのではなく、炭化水素基を水素に置換すること
で、得られる膜中に含まれる炭素数を減少させることも
できる。

【００６８】以上のことから、本発明に係る受光素子の
作製方法においてＩＩＩ族窒化物のＩＩＩ族元素の原料
として使用可能な原料を例示すると、ＩＩＩ族元素の１
以上の炭化水素基が直接結合されてなる有機化合物であ
り、その炭化水素基の少なくとも１つに含まれる炭素数
が２以上である化合物の例としては、ＩＩＩ族元素に２
つのメチル基と１つのエチル基（またはプロピル基な
ど）とが直接結合された化合物（（ＣＨ₃）₂（Ｃ₂Ｈ₅）
Ａｌなど）や、ＩＩＩ族元素に３つのエチル基（または
プロピル基など）が直接結合された化合物（（Ｃ₂Ｈ₅）
₃Ａｌなど）などがある。他にも、ＩＩＩ族元素に１つ
の水素原子と２つの炭化水素基（メチル基、エチル基、
プロピル基など）が直接結合された化合物（Ｈ（ＣＨ
３）₂Ａｌなど）や、ＩＩＩ族元素に１つの水素原子と
１つのメチル基と１つのエチル基（またはプロピル基な
ど）が直接結合された化合物（Ｈ（ＣＨ₃）（Ｃ₂Ｈ₅）
Ａｌなど）や、ＩＩＩ族元素に３つの水素原子が直接結
合された化合物（ＡｌＨ₃）などがある。

【００６９】＜４＞上述の実施形態では、デバイス構造
がＰＩＮダイオード型である受光素子を例に説明をおこ
なったが、ＰＮ型、ショットキー型、フォトコンダクタ
などの他の受光素子を構成する場合、それぞれの受光領
域の形成に係る半導体層の形成工程についても本発明を
適用することで上述と同様の効果を得ることができる。
例えば、ＰＮダイオード型であれば、ｐ型半導体層とｎ
型半導体層との界面に形成される空乏領域が受光領域と
して作用するため、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の両方
が受光領域の形成に係る半導体層であるが、その両方の
半導体層を本発明に係る受光素子の作製方法に従って形
成すればよい。また、本実施形態では、半導体と電極と
の間にコンタクト層を設けた場合を説明したが、必ずし
もコンタクト層を設ける必要はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体成長装置の概略図である。

【図２】受光素子の断面図である。

【図３】ＩｎＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギを示
すグラフである。

【図４】火炎の光、太陽光、および室内光のスペクトル
を示すグラフである。

【図５】（ａ）は別の受光素子の断面図であり、（ｂ）
および（ｃ）は反射防止手段の機能を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１キャリアガスタンク２酸素除去装置３原料タンク４反応室５サンプルホルダ６基板７原料タンク１０基板１１低温堆積緩衝層１２結晶改善層１３低温堆積中間層１４ｎ型半導体層１５ｉ型半導体層１６ｐ型半導体層１７ｐ型コンタクト層１８電極１９電極２０光透過層（反射防止手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上山智愛知県名古屋市天白区塩釜口１―501 名城大学理工学部内 (72)発明者天野浩愛知県名古屋市天白区塩釜口１―501 名城大学理工学部内 (72)発明者赤崎勇愛知県名古屋市天白区塩釜口１―501 名城大学理工学部内Ｆターム(参考） 5F045 AA04 AB09 AB14 AB17 AB18 AC01 AC07 AC08 AC09 BB12 CA13 5F049 MA04 MB07 NA01 NA10 PA04 PA18 SS01 SZ03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下地となる層上に、受光領域を含む単数
または複数のＩＩＩ族窒化物半導体層を備えてなるデバ
イス構造を有機金属気相成長法によって形成する工程を
含み、少なくとも前記受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化物の
形成工程において、前記ＩＩＩ族窒化物のＩＩＩ族元素
の原料として使用されるＩＩＩ族金属化合物の内の少な
くとも１つが、前記ＩＩＩ族元素に１以上の炭化水素基
が直接結合されてなる有機金属化合物であり、前記炭化
水素基の少なくとも１つに含まれる炭素数が２以上であ
る受光素子の作製方法。
【請求項２】下地となる層上に、受光領域を含む単数
または複数のＩＩＩ族窒化物半導体層を備えてなるデバ
イス構造を気相成長法によって形成する工程を含み、少なくとも前記受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化物の
形成工程において、前記ＩＩＩ族窒化物のＩＩＩ族元素
の原料として使用されるＩＩＩ族金属化合物の内の少な
くとも１つが、前記ＩＩＩ族元素に１以上の水素原子が
直接結合されてなる化合物である受光素子の作製方法。
【請求項３】前記ＩＩＩ族窒化物のＩＩＩ族元素の原
料として使用されるＩＩＩ族金属化合物の内の少なくと
も１つが、前記ＩＩＩ族元素に少なくとも１つの水素原
子と少なくとも１つの炭化水素基とが直接結合されてな
る化合物である請求項２に記載の受光素子の作製方法。
【請求項４】前記ＩＩＩ族元素に直接結合される前記
炭化水素基の少なくとも１つに含まれる炭素数が２以上
である請求項３に記載の受光素子の作製方法。
【請求項５】前記受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化
物中の含有炭素量が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である請求項
１から請求項４の何れか１項に記載の受光素子の作製方
法。
【請求項６】前記デバイス構造を形成する工程に先立
って、前記基板上に、単数または複数の半導体層を備え
てなる、前記デバイス構造と前記基板との間の格子不整
合を緩和するための下地構造を有機金属気相成長法によ
り形成する工程を含む請求項１から請求項５の何れか１
項に記載の受光素子の作製方法。
【請求項７】前記デバイス構造の光入射面側に、前記
デバイス構造における入射光の反射率を低減させる反射
防止手段を形成する工程を含む請求項１から請求項６の
何れか１項に記載の受光素子の作製方法。
【請求項８】前記受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化
物のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上である請
求項１から請求項７の何れか１項に記載の受光素子の作
製方法。
【請求項９】前記受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒化
物のバンドギャップエネルギが４．０ｅＶ以下である請
求項８に記載の受光素子の作製方法。
【請求項１０】前記受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒
化物のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上である
請求項８に記載の受光素子の作製方法。
【請求項１１】前記受光領域の形成に係るＩＩＩ族窒
化物のバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上である
請求項１０に記載の受光素子の作製方法。
【請求項１２】請求項８から請求項１１の何れか１項
に記載の受光素子の作製方法を用いて作製された火炎セ
ンサ。