JPH0614561B2 - 固体紫外線検出器とその製造方法 - Google Patents

固体紫外線検出器とその製造方法

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JPH0614561B2 JP22593885A JP22593885A JPH0614561B2 JP H0614561 B2 JPH0614561 B2 JP H0614561B2 JP 22593885 A JP22593885 A JP 22593885A JP 22593885 A JP22593885 A JP 22593885A JP H0614561 B2 JPH0614561 B2 JP H0614561B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は炎検知などへの応用のために長波長カツトオフ
を２２０〜３い６０ｎｍに設定し得る半導体紫外線検出
器（以下ＵＶ検出器と称する）およびそれを製造するMO
CVDプロセスに関する。該検出器はAlGaN材料系に基づ
く。
〔従来の技術〕
従来技術においては、紫外線を検出する光電陰極および
光電子増倍管が知られている。光電子増倍管は、高価か
つ大型であり、破損し易く、しかも高電圧が必要であ
る。更に、これらの検出器の長波長カツトオフは調整で
きず、３００ｎｍより長い波長に応答する。３００ｎｍ
以上の波長を除去するためにフイルタを用いることがで
きるが、更に大型になり、より高価になる。
本発明の固体AlGaN検出器は、小型，高信頼性，低価格
であり、紫外線に対し鋭いカツトオフ波長を有するの
で、光電子増倍管の理想的な代替品となる。
従来技術においてAlxGa1-xPのＵＶ検出器は文献に記載
されている。これらの記事の２件は同一の著者エイ・ア
ール・アンノエバ(A.R.Annoeva)氏らによる“可変ギヤ
ツプGa1-xAlxP表面障壁構造における光電高価(Photoele
ctric Effect in Variablq-Gap Ga1-xAlxP Surface-Bar
rier Structures)”Sov.Phys.Semicond.15(1) Jan.１９
８１，Ｐ６４〜６６および“可変ギヤツプGa1-xAlxPx
（Ｘｓ＝０．５＋０．１）表面障壁構造に基づく紫外線
検出器Ultra-violet Photodetector Based on a Variab
le-Gap Ga1-xAlxPx(Xs=0.5+0.1)Surface-Barrier Struc
ture)”，Sov.Phys.Semicond.15(6)June １９８１，Ｐ
６４６〜７である。
従来技術のAlGaPデバイスは液相成長(LPE)によつて成長
される。１９８１年２月付けの第３の記事は，ドナルド
・エル・スミス(Donald L.Smith)およびリチヤード・エ
ツチ・ブルース(Richard H.Bruce)による“電気光学素
子応用のためのAlGaN薄膜の成長(Growth of Alminum Ga
llium Nitride Films for Electro-optic Device Appli
cations)”で、米国海軍研究所への報告である。従来技
術においてカーン(Khan)氏らによる記事“低圧MOCVD法
によるAlxGa1-xNエピタキシヤル単結晶薄膜のイオン注
入の性質 (Properties of Ion Implantation of AlGa1-xN Epitax
ial Single Crystal Films Prepared by Low Pressure
Metal Organic Chemical Vapor Deposition)”Appl.Phy
sics Letters,Sept.１９８３は、スペクトルの紫外線領
域の光デバイスとして使用するためにサフアイア基板上
にAlxGa1-xNを成長させた１方法を教示している。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は、高温耐火物背景あるいは太陽放射に対して紫
外光を検出する問題を解決する紫外線用AlGaN検出器を
成長させる改良された方法を提供する。本発明の検出器
は、高温耐火物背景をもつ炉中の炎の紫外光を検出す
る、すなわち高温炉内部から放射される他の波長の光で
なく、紫外線のみに応答することができる。
〔問題点を解決するための手段〕
この紫外検出器は、AlGaN材料系への入射光のバンド間
吸収に基づく。半導体の固有吸収カツトオフがフイルタ
ーとして作用するので、この検出器は、フイルターを付
加することを必要としない。
その方法は、最初にサフアイア基板上にAlN層を成長さ
せ、次いで光検出構造がその上に組立てられるAlGaN層
を成長させることを含む。
〔実施例〕
本発明は、固体AlxGa1-xN紫外線検出器およびその製造
方法に関する。
鋭い波長カツトオフ特性を持たせるために、アクテイブ
レーザー物質は、直接固有バンド間吸収が急峻である単
結晶半導体が選ばれる。AlxGa1-xN系は、好ましい選択
である。というのは、それはエネルギーの紫外線領域に
広いバンドギヤツプをもち、しかもアルミニウムとガリ
ウムの比率を変えることによつてそのスペクトル応答を
応用に適合させることができるからである。このように
して、３．５ ３eV(350nm）と4.64eV(267ｎｍ)の間に
ピーク感度をもつ検出器を製造するに必要な成分範囲に
MOCVDによつてAlGaNが成長させられた。
このMOCVDプロセスは、（ハイライドトランスポートＣ
ＶＤ方と異り）アルミニウム−ガリウム合金系の成長に
よく採用されている。何故ならば、アルミニウムとガリ
ウムの比率は、容易に制御可能であるからである。
吸収された光子を電気的に検出するためには、つくられ
た電子と正孔が再結合する前に、それらを分離しなけれ
ばならない。それは、シヨツトキー障壁あるいは光電導
方法によつて与えられる電界内のドリフトによつて具合
よく達成される。シヨツトキー障壁金属−半導体結合
は、AlGaN半導体の空乏領域をつくる。光により空乏領
域に発生した電子と正孔は、必要に応じてバイアスを加
えて強化される固有の電界によつて分離される。
AlGaN材料の不純物濃度が高い（〜1018cm-3)ｎ型である
と、空乏層は、非常に狭く、シヨツトキー障壁を通り抜
けて半導体に達する電子は、良好なシヨツトキー障壁接
触の代りに漏洩電流すなわち抵抗性接触(ohmic contac
t)になるであろう。
不純物濃度が余り低いと、すなわちフエルミ準位が伝導
帯より数KT以上低いと、バルク材料の電気抵抗は極めて
高くなるであろう。
AlGaN系で、良好なシヨツトキー障壁を形成するには、
浅い部分の正味不順物納度は1016cm-3程度が要求され
る。
第１図は、基底面をもつたサフアイア(Al2O3)基板１１
をもつ太陽光を関知しない固体紫外線検出器１０を示
す。
デバイスの用意には、基板をMOCVD(metal-organic Chem
ical vapor deposition)反応器に入れ、高周波誘導など
で１０００℃に加熱する。次にNH3および(CH3)3Alある
いは(C2H5)3Alを成長室に導入し、エピタキシヤル成長
を約１０分間継続し、基板の表面１３上に厚さ約０．５
μｍの単結晶のAlN層１２を得る。AlＮのバツフアー層
１２は、次いでその上に成長させるエピタキシヤルAlxG
a1-xNの電子移動度を極めて高くする。次に(C2H5)3Ga
も、成長室に導入し、AlxGa1-xNのエピタキシヤル成長
を約２時間行う。この結果、厚さ約２μｍの単結晶AlxG
a1-xN層１４が得られる。選択されるＸの値は数種のガ
スのガス流量を調節することによつて希望する値に制御
することができる。AlxGa1-xN成長の間の温度は１００
０℃から下げられ、選択されるＸの値によつて選ばれ
る。１実施例では、我々は、カツトオフ波長が２９０ｎ
ｍになるＸ値、すなわち約０．３５をもつ活性AlxGa1-x
N層を成長させた。そのAlxGa1-xN層は、Nd≒5×1016／
ｃｃでｎ型である。
金属シヨツトキー障壁１５は、AlGaN層の上に組立てら
れる。シヨツトキー障壁１５の組立ておよびAlxGa1-xN
層１４の表面１７上にシヨツトキー障壁１５と抵抗性接
触１６を組立てるために、表面１７は、接触部１６を形
成するためにマスクされ、金または他の適当な金属の厚
さ３０００Åの層が最初に、接触部１６のために形成さ
れ、次いで流動するNH3の下で７００℃で約５分間焼鈍
される。
表面１７は再びフオトレジストでマスクされ、シヨツト
キー障壁の位置を形成する。次いで、障壁１５のため
に、例えば高周波スパツタリング装置を用いて、表面１
７上にAu／TiW／Au(100Å／1000Å／5000Å)が形成され
る。この特定のシヨツトキー金属被覆において、TiW
は、金の5000Å層の拡散障壁として作用する。
シヨツトキー障壁１５と抵抗性接触部１６の間に、導線
１８，１９、バツテリなどの直流電源２０および得られ
る光電流測定用の電流計２１の直列回路が付加される。
〔動作〕
動作としては、シヨツトキー障壁は、逆バイアス（例え
ば２〜３Ｖ）に保たれ、外部回路には漏洩電流のみが流
れる。光子（炎からの紫外線）が、透明のAl2O3基板
（代表的厚さ１mm）を通つて、シヨツトキー障壁下の空
乏領域に入つて来ると、電子−正孔の対がつくられる。
すなわち、エネルギーＥ＞Eg（EgはAlxGa1-xNのバンド
間エネルギーである）をもつた紫外線光子が活性層に入
射されると、電子−正孔の対がつくられ、電界によつて
引張られ、信号電流が外部回路で検出される。信号電流
は、紫外線光子が活性層で吸収されたときにのみ発生
し、したがつてデバイスは、活性AlxGa1-xN層のバンド
ギヤツプによつて決定される波長で非常に急峻に導通す
る応答を示す。
実施例の装置では動作のために負バイアスをかけたもの
として説明したが、紫外線以下を除いて信号零が可能で
あるように、フエールセーフにするゼロバイアス光電圧
モードで動作させることもできる。
電子−正孔対したがつて信号電流は、入射光の波長がｇ
以下の場合にのみ発生する。
ここに、ｇ＝hc／Eg、ｈはプランク定数、Ｃは光速、Ｅ
ｇはAlxGa1-xNのバンドギヤツプである。
他の種類の光検出器の構造，光電導もまた用いることが
できる。この場合、金属接触部１５，１６の両方とも抵
抗性接触であり、電界バイアス源が必要とされる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の方法により製造された紫外線検出器
の略図である。 １０……固体紫外線検出器 １１……サフアイア基板 １２……AlNバツフア層 １３……基板の表面 １４……AlxGa1-xN層 １５……金属シヨツトキー障壁 １６……抵抗性接触部 １８，１０……導線 ２０……電池 ２１……電流計
フロントページの続き (72)発明者 リチヤード・エイ・スコツグマン アメリカ合衆国 55447 ミネソタ州 プ リマス 13番 アベニユー ノース 17110

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】MOCVD(metal organic chemical vapor dep
    osition)法によつて固体紫外線検出器を製造する方法で
    あつて、 基底平面をもつたサフアイア(Al2O3)基板をMOCVD反応器
    の成長室に装入し、 上記反応器の成長室を約１０００℃に加熱し、 NH3および金属有機化合物を含んだAlを上記加熱された
    成長室に導入して、Al2O3基板上に厚さ０．５μｍ程度
    のAlNバツフア層を成長させ、 更に、NH3および金属有機化合物を含むＡｌとともに、
    金属有機化合物を含むGaを上記AlNバツフア層上に所望
    のＸ値をもつAlxGa1-xN層を成長させるに充分な時間、
    上記加熱された成長室に導入し、 上記AlxGa1-xN層上に光検出構造を組立てる、ステツプ
    からなることを特徴とする固体紫外線検出器の製造方
    法。
  2. 【請求項２】上記金属有機化合物を含むAlは(CH3)3Alで
    ある第(1)項記載の製造方法。
  3. 【請求項３】上記金属有機化合物を含むAlは(C2H5)3Al
    である第(1)項記載の製造方法。
  4. 【請求項４】上記金属有機化合物を含むGaは(C2H5)3Ga
    である第(1)項記載の製造方法。
  5. 【請求項５】上記光検出構造は、Au-TiW-Auシヨツトキ
    ー障壁である第(1)項記載の製造方法。
  6. 【請求項６】上記光検出構造は、光電導体である第(1)
    項記載の製造方法。
  7. 【請求項７】基底平面をもつサフアイア(Al2O3)基板
    と、 上記基板の表面上に成長されたエピタキシヤル単結晶Al
    N層と、 上記AlN層上に成長されたエピタキシヤル単結晶AlxGa
    1-xN層と、 上記AlxGa1-xN層の表面に組み立てられた光検出構造
    と、 からなることを特徴とする固体紫外線検出器。
  8. 【請求項８】上記AlN層は、厚さ０．５μｍ程度である
    第(7)項記載の紫外線検出器。
  9. 【請求項９】上記AlxGa1-xN層は、厚さは２μｍ程度で
    ある第(7)項記載の紫外線検出器。
  10. 【請求項１０】上記光検出構造は、シヨツトキー障壁で
    ある第(7)項記載の紫外線検出器。
  11. 【請求項１１】上記シヨツトキー障壁は、Au，TiWおよ
    びAuの層からなる第(10)項記載の紫外線検出器。
  12. 【請求項１２】上記光検出構造は、光電導体である第
    (7)項記載の紫外線検出器。
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