特許 5791026 紫外光検出デバイス及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5791026

(24)【登録日】2015年8月14日

(45)【発行日】2015年10月7日

(54)【発明の名称】紫外光検出デバイス及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/108 20060101AFI20150917BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 C

【請求項の数】7

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2011-45788(P2011-45788)

(22)【出願日】2011年3月3日

(65)【公開番号】特開2012-182396(P2012-182396A)

(43)【公開日】2012年9月20日

【審査請求日】2014年2月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(72)【発明者】

【氏名】角谷 正友

(72)【発明者】

【氏名】サン リウエン

(72)【発明者】

【氏名】リャオ メイヨン

(72)【発明者】

【氏名】小出 康夫

【審査官】 堀部 修平

(56)【参考文献】

【文献】 特開平７−３０２９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１９５８１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−５８９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１８１３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−１５３９８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／０８ − ３１／１１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＩＩＩ−Ｖ族化合物薄膜からなり、紫外光照射面を有する紫外光検出層と、前記紫外光検出層の一面に形成された絶縁部と、前記絶縁部の一面に形成された第１及び第２の電極部と、を有する紫外光検出デバイスであって、前記絶縁部がＩＩ族フッ化物であり、前記絶縁部の厚さが２０ｎｍ以下であり、前記２つの電極部はそれぞれ平面視くし形とされ、くし部がそれぞれ相互に互い違いになるように対向配置されており、前記電極部間の最短間隔が１０μｍとされていることを特徴とする紫外光検出デバイス。

【請求項2】

前記ＩＩ族フッ化物がＣａＦ_２、ＭｇＦ_２又はＢａＦ_２のいずれか一の化合物であることを特徴とする請求項１に記載の紫外光検出デバイス。

【請求項3】

前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物がＩＩＩ族窒化物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の紫外光検出デバイス。

【請求項4】

前記ＩＩＩ族窒化物がＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ又はＡｌＩｎＧａＮのいずれか一の化合物であることを特徴とする請求項３に記載の紫外光検出素子。

【請求項5】

前記第１及び第２の電極部が、仕事関数が４．５ｅＶ以上であり、融点が１０００℃以上である金属又は合金を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の紫外光検出デバイス。

【請求項6】

前記金属又は合金が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ、Ｉｒ又はＭｏのいずれか一の金属又は前記金属を含む合金であることを特徴とする請求項５に記載の紫外光検出デバイス。

【請求項7】

ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ又はＬＰＥのいずれか一の方法を用いて、基板にＩＩＩ−Ｖ族化合物薄膜からなる紫外光検出層を形成する工程と、
スパッタ法又はＣＶＤ法を用いて、前記紫外光検出層の一面にＩＩ族フッ化物を２０ｎｍ以下の膜厚で形成して、絶縁部を形成する工程と、
電子ビーム法又は蒸着法を用いて、前記絶縁部の一面に第１及び第２の電極部をそれぞれ平面視くし形で、くし部がそれぞれ相互に互い違いになるように対向配置し、最短間隔が１０μｍとなるように形成する工程と、を有することを特徴とする紫外光検出デバイスの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、紫外光検出デバイス及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

紫外光検出デバイスは、紫外光検出層に接続されたショットキー電極を介して得られる光電流電圧特性から、紫外光検出層に入射された紫外光の強度を算出可能なデバイスである。
紫外光検出デバイスとして、従来、紫外光検出部にＳｉを用いたフォトダイオードがある。しかし、Ｓｉはバンドギャップの点から、紫外光に対して感度が低く、紫外光検出デバイスとして適当でないという問題があった。

【0003】

近年、紫外光検出層にＩｎＧａＮ薄膜のようなＩＩＩ−Ｖ族窒化物薄膜を用いることが検討されている。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物薄膜からなる半導体薄膜は、紫外光を検出するのに適したバンドギャップを有しているためである。

【0004】

しかし、ＩｎＧａＮ薄膜は転位密度及び残留キャリア濃度が高く、リーク電流が大きいという問題があった。大きなリーク電流は、破壊電圧を低下させてデバイスとしての信頼性を低下させるという問題を発生させた。
また、ＩｎＧａＮ薄膜の高い転位密度及び高い残留キャリア濃度は、紫外光照射をした場合としない場合の電流値の差を小さくして、ＳＮ比を低下させるという問題を発生させた。

【0005】

また、ＩｎＧａＮ薄膜の高い転位密度及び高い残留キャリア濃度は、紫外光照射した場合と可視光照射した場合の感度（Ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ（Ａ／Ｗ））の差を小さくしてｏｎ／ｏｆｆ比を低下させるという問題も発生させた。
なお、感度は、光電流（Ａ／ｃｍ^２）を光量（Ｗ／ｃｍ^２）で割った値である。また、感度をエネルギー（ｅＶ単位）の逆数で割った値をゲイン（Ｇａｉｎ）と呼称する。ゲインは、デバイスに印加する電圧によって変化する。

【0006】

また、ＩｎＧａＮ薄膜の高い転位密度及び高い残留キャリア濃度は、紫外光検出デバイスに対して紫外光照射をやめた後でも、光電流の流れを完全に止めることなく、一定時間光電流を流し続けるという問題もあった。一般に、この電流は永久光電流（ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ：ＰＰＣ）と呼称される。
永久光電流の流れ続ける時間が長いと、光電流の応答速度を速めることができないという問題を発生させた。

【0007】

紫外光検出デバイスの特性改善に関して、以下の報告がある。
例えば、非特許文献１には、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造の薄膜と電極との間にＳｉＯ_２の絶縁層を挿入することが記載されている。また、非特許文献２、３には、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造の薄膜と電極との間にＳｉ_３Ｎ_４の絶縁層を挿入することが記載されている。更に、非特許文献４、５には、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造の薄膜と電極との間にＭｇをドープしたＧａＮの絶縁層を挿入することが記載されている。

【0008】

非特許文献６には、ｐｎ接合中にＩｎＧａＮ−ＧａＮ量子井戸構造を使うことで、−５Ｖのときに暗電流を１０^−５Ａと極端に抑制できることが記載されている。また、非特許文献７には、ｎ−ＧａＮとショットキー電極（Ｎｉ／Ａｕ）との間にｐ−ＧａＮを使うことで、５Ｖのときに感度が０．３７Ａ／Ｗと向上することが記載されている。更に、非特許文献８には、ＣＦ_４プラズマでＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面を処理すると永久光電流が抑制できることが記載されている。
しかし、これらの文献に記載された技術を用いても、先に記載した問題を解決できず、特性を十分改善することはできなかった。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】Ｐ．Ｃ．Ｃｈａｎｇ，ｅｔ ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４３，２００８（２００４）

【非特許文献2】Ｄ．Ｊ．Ｃｈｅｎ，ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖ．Ｌｅｔｔ．，６，６０５（２００９）

【非特許文献3】Ｊ．Ｊ．Ｚｈｏｕ，ｅｔ ａｌ．，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｐｈｙｓ．， １６，２１２０（２００７）

【非特許文献4】Ｐ．Ｃ．Ｃｈａｎｇ，ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，９１，１４１１１３（２００７）

【非特許文献5】Ｃ．Ｌ．Ｙｕ，ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｔｅｃｈ Ｌ．，１９，８４６（２００７）．

【非特許文献6】Ｙｕ−Ｚｕｎｇ Ｃｈｉｏｕ，ｅｔ．ａｌ，“Ｈｉｇｈ Ｄｅｔｅｃｔｉｖｉｔｙ ＩｎＧａＮ−ＧａＮ Ｍｕｌｔｉｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ ｐ−ｎ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ”，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，３９ ６８１（２００３）

【非特許文献7】Ｓ．Ｊ．Ｃｈａｎｇ，Ｃ．Ｌ．Ｙｕ，Ｒ．Ｗ．Ｃｈｕａｎｇ，Ｐ．Ｃ．Ｃｈａｎｇ，Ｙ．Ｃ．Ｌｉｎ，Ｙ．Ｗ．Ｊｈａｎ，ａｎｄ Ｃ．Ｈ．Ｃｈｅｎ，“Ｎｉｔｒｉｄｅ−Ｂａｓｅｄ ＭＩＳ−Ｌｉｋｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ Ｗｉｔｈ Ｓｅｍｉｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ｍｇ−Ｄｏｐｅｄ ＧａＮ Ｃａｐ Ｌａｙｅｒｓ”ＩＥＥＥ ＳＥＮＳＯＲ ＪＯＵＲＮＡＬ，６，１０４３（２００６）

【非特許文献8】Ｂ．Ｋ．Ｌｉ，Ｗ．Ｋ．Ｇｅ，Ｊ．Ｎ．Ｗａｎｇ，ａｎｄ Ｋ．Ｊ．Ｃｈｅｎ，“Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｃａｒｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｆｌｕｏｒｉｎｅ ｐａｌｓｍａ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９２，０８２１０５（２００８）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明は、破壊電圧及び感度を高め、永久光電流を抑制して、ＳＮ比、ｏｎ／ｏｆｆ比及び応答速度を高めた紫外光検出デバイス及びその製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、以下の構成を有する。
本発明の紫外光検出デバイスは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物薄膜からなり、紫外光照射面を有する紫外光検出層と、前記紫外光検出層の一面に形成された絶縁部と、前記絶縁部の一面に形成された第１及び第２の電極部と、を有する紫外光検出デバイスであって、前記絶縁部がＩＩ族フッ化物であり、前記絶縁部の厚さが２０ｎｍ以下であり、前記２つの電極部はそれぞれ平面視くし形とされ、くし部がそれぞれ相互に互い違いになるように対向配置されており、前記電極部間の最短間隔が１０μｍとされていることを特徴とする。

【0012】

本発明の紫外光検出デバイスは、前記ＩＩ族フッ化物がＣａＦ_２、ＭｇＦ_２又はＢａＦ_２のいずれか一の化合物であることが好ましい。

【0013】

本発明の紫外光検出デバイスは、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物がＩＩＩ族窒化物であることが好ましい。
本発明の紫外光検出デバイスは、前記ＩＩＩ族窒化物がＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ又はＡｌＩｎＧａＮのいずれか一の化合物であることが好ましい。
本発明の紫外光検出デバイスは、前記第１及び第２の電極部が、仕事関数が４．５ｅＶ以上であり、融点が１０００℃以上である金属又は合金を有することが好ましい。

【0014】

本発明の紫外光検出デバイスは、前記金属又は合金が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ、Ｉｒ又はＭｏのいずれか一の金属又は前記金属を含む合金であることが好ましい。
本発明の紫外光検出デバイスの製造方法は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ又はＬＰＥのいずれか一の方法を用いて、基板にＩＩＩ−Ｖ族化合物薄膜からなる紫外光検出層を形成する工程と、スパッタ法又はＣＶＤ法を用いて、前記紫外光検出層の一面にＩＩ族フッ化物を２０ｎｍ以下の膜厚で形成して、絶縁部を形成する工程と、電子ビーム法又は蒸着法を用いて、前記絶縁部の一面に第１及び第２の電極部をそれぞれ平面視くし形で、くし部がそれぞれ相互に互い違いになるように対向配置し、最短間隔が１０μｍとなるように形成する工程と、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明の紫外光検出デバイスは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物薄膜からなり、紫外光照射面を有する紫外光検出層と、前記紫外光検出層の一面に形成された絶縁部と、前記絶縁部の一面に形成された第１及び第２の電極部と、を有する紫外光検出デバイスであって、前記絶縁部がＩＩ−ＶＩＩ族化合物である構成なので、破壊電圧及び感度を高め、永久光電流を抑制して、ＳＮ比、ｏｎ／ｏｆｆ比及び応答速度を高めることができる。

【0016】

本発明の紫外光検出デバイスの製造方法は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ又はＬＰＥのいずれか一の方法を用いて、基板にＩＩＩ−Ｖ族化合物薄膜からなる紫外光検出層を形成する工程と、スパッタ法又はＣＶＤ法を用いて、前記紫外光検出層の一面にＩＩ−ＶＩＩ族化合物を２０ｎｍ以下の膜厚で形成して、絶縁部を形成する工程と、電子ビーム法又は蒸着法を用いて、前記絶縁部の一面に第１及び第２の電極部を形成する工程と、を有する構成なので、破壊電圧及び感度を高め、永久光電流を抑制して、ＳＮ比、ｏｎ／ｏｆｆ比及び応答速度を高めた紫外光検出デバイスを容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の紫外光検出デバイスの一例を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図であり、（ｃ）は側面図である。

【図2】実施例１の紫外光検出デバイスを示す斜視図である。

【図3】ＩｎＧａＮ層の（０００２）面のＸ線回折（ＸＲＤ）の２θ−ωスキャンである。

【図4】ＩｎＧａＮ層の（０００２）面のＸＲＤロッキングカーブである。

【図5】ＩｎＧａＮ層の（１０−１１）面ＸＲＤロッキングカーブである。

【図6】実施例１及び比較例１の紫外光検出デバイスの暗電流−電圧特性である。

【図7】実施例１の紫外光検出デバイスのＩ−Ｖ特性であって、紫外光（３３８ｎｍ）照射下の光電流及び暗電流を示すグラフである。挿入図は光電流の感度−電圧特性である。

【図8】紫外光（３３８ｎｍ）照射下の、メカニカルチョッピング（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈｏｐｐｉｎｇ）法で得られた光電流の時間応答依存性である。

【図9】１００Ｈｚのｃｈｏｐｐｉｎｇ周波数、０．１Ｖのバイアス電圧での過渡反応時間測定である。

【図10】キセノン光照射下、１Ｖの印加電圧時の実施例１の紫外光検出デバイスの光電流スペクトルの波長依存性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態である紫外光検出デバイス及びその製造方法について説明する。

【0019】

（本発明の実施形態）
＜紫外光検出デバイス＞
図１は、本発明の実施形態である紫外光検出デバイスの一例を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図であり、（ｃ）は側面図である。
図１に示すように、本発明の実施形態である紫外光検出デバイス１１は、基板２１と、基板２１に形成された紫外光検出層２２と、紫外光検出層２２の一面２２ａに形成された絶縁部２３と、絶縁部２３の一面２３ａに形成された第１及び第２の電極部３１、３２と、を有して概略構成されている。なお、紫外光検出層２２は、紫外光照射面３５を有しており、紫外光照射可能とされている。
紫外光検出デバイス１１は、金属−半導体−金属（ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｍｅｔａｌ：ＭＳＭ）型のデバイスである。

【0020】

絶縁部２３は、ＩＩ−ＶＩＩ族化合物からなる絶縁層である。ＩＩ−ＶＩＩ族化合物はワイドギャップ材料であるので、ショットキー電極と半導体層との間で、絶縁層たる絶縁部２３を形成することができる。絶縁部２３を形成することにより、リーク電流を抑え、光電流の流れを効率的に制御し、破壊電圧を高めることができる。
また、ＩＩ−ＶＩＩ族化合物を用いることにより、界面準位を低減することができるとともに、空乏層内に存在する欠陥を制御することができ、光電流−電圧特性を向上させることができる。

【0021】

前記ＩＩ−ＶＩＩ族化合物がＩＩ族フッ化物であることが好ましい。より具体的には、前記ＩＩ族フッ化物がＣａＦ_２、ＭｇＦ_２又はＢａＦ_２のいずれか一の化合物であることが好ましい。これにより、よりリーク電流を抑え、より破壊電圧を高めることができる。

【0022】

絶縁部２３をＩＩ−ＶＩＩ族化合物からなる絶縁層で形成することにより、紫外光照射をしていない状態では、絶縁性を高く保ち、暗電流の発生を抑制するとともに、紫外光照射下においては光電流を容易に流すことが可能となる。これにより、紫外光照射下の光電流と暗電流の電流値の差を大きくすることができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

【0023】

絶縁部２３の厚さが２０ｎｍ以下であることが好ましく、１５ｎｍ以下がより好ましく、１０ｎｍ以下が更に好ましい。絶縁部２３の厚さが２０ｎｍ以下とすることにより、紫外光照射をしていない状態では、絶縁性を高く保ち、暗電流の発生を抑制するとともに、紫外光照射下においては光電流を容易に流す効果を高めることができる。
絶縁部２３は完全な膜として形成されていてもよいが、アイランド状に形成されていてもよい。アイランド状に形成されていても、紫外光照射をしていない状態では、絶縁性を高く保ち、暗電流の発生を抑制するとともに、紫外光照射下においては光電流を容易に流す効果を高めることができる。

【0024】

なお、図１では、絶縁部２３は、第１及び第２の電極部３１、３２の紫外光照射層２２側のみに形成されているが、紫外光照射層２２の一面を覆うように形成されていてもよい。紫外光照射層２２の一面を覆うように形成しても、厚さが２０ｎｍ以下であるので、紫外光照射面３５への紫外光照射を妨げることがなく、紫外光検出デバイスの光電流−電圧特性等を低下させることはない。

【0025】

紫外光検出層２２は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物薄膜からなる。ＩＩＩ−Ｖ族化合物はＵＶＡ領域（波長：３２０−４００ｎｍ）の紫外光を検出するのに適したバンドギャップ（３ｅＶ程度）を有しているので、紫外光照射下において、光電流を効率的に発生させることができる。
前記ＩＩ−ＶＩＩ族化合物がＩＩＩ族窒化物であることが好ましい。より具体的には、前記ＩＩＩ族窒化物がＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ又はＡｌＩｎＧａＮのいずれか一の化合物であることが好ましい。
例えば、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物薄膜はＩＩＩ族（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）の混晶比を制御することで、検出する紫外光の波長範囲を自由に制御可能である。また、Ｉｎ１０％、Ｇａ９０％程度の混晶比を持つＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなる半導体薄膜は、紫外光の９５％を占めるＵＶＡ領域（波長：３２０−４００ｎｍ）の紫外光を検出するのに適したバンドギャップ（３ｅＶ程度）を有している。

【0026】

第１及び第２の電極部３１、３２が、仕事関数が４．５ｅＶ以上であり、融点が１０００℃以上である金属又は合金を有することが好ましい。仕事関数が４．５ｅＶ以上の金属又は合金を有することにより、ショットキー電極を形成することができ、光電流−電圧特性を安定させることができる。また、融点が１０００℃以上である金属又は合金を有することにより、温度変化に伴う特性の劣化を抑制することができる。更に、高温で使用可能なデバイスとすることができる。

【0027】

前記金属又は合金が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ、Ｉｒ又はＭｏのいずれか一の金属又は前記金属を含む合金であることが好ましい。
これらの金属は、仕事関数はＮｉ（５．１５ｅＶ）、Ａｕ（５．１ｅＶ）、Ｐｔ（５．６５ｅＶ）、Ｐｄ（５．１、５．６（１１１））、Ｗ（４．５５ｅＶ）、Ｃｒ（４．５ｅＶ）、Ｉｒ（５．２７ｅＶ）又はＭｏ（４．６ｅＶ）であり、すべて、４．５ｅＶ以上である。また、融点はＮｉ（１４５３℃）、Ａｕ（１０６４℃）、Ｐｔ（１７７２℃）、Ｐｄ（１５５４℃）、Ｗ（３４１０℃）、Ｃｒ（１８５７℃）、Ｉｒ（２４１９℃）又はＭｏ（２６１７℃）であり、１０００℃以上であるためである。
合金としては、例えば、ＷＣを挙げることができる。仕事関数は４．５ｅＶであり、融点は２８００℃である。

【0028】

第１及び第２の電極部３１、３２は、これらの金属を含む合金から構成してもよい。
また、多層構造として形成してもよい。例えば、図１に示すように、絶縁部２３の上に第１の金属２４を形成し、第１の金属２４上に第２の金属２５を形成した２層構造として第１及び第２の電極部３１、３２を形成してもよい。例えば、第１の金属２４としてＮｉを用い、第２の金属２５としてＡｕを用いることができる。
また、第１及び第２の電極部３１、３２は互いに異なる材料で形成してもよい。

【0029】

なお、本実施形態では、ＭＳＭ型デバイスを例示したが、これに限られるものではなく、ｐｎ型デバイス又はｐｉｎ（ｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−ｎ）型デバイスに適用してもよい。

【0030】

＜紫外光検出デバイスの製造方法＞
本発明の実施形態である紫外光検出デバイスの製造方法は、紫外光検出層形成工程（第１工程）と、絶縁部を形成する工程（第２工程）と、第１及び第２の電極部を形成する工程（第３工程）と、を有する。

【0031】

（第１工程）
第１工程は、有機金属化学堆積法（ＭＯＣＶＤ）、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）、ＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）又はＬＰＥ（ｌｉｑｕｉｄ ｖａｐｏｒ ｅｐｉｔａｘｙ）のいずれか一の方法を用いて、基板にＩＩＩ−Ｖ族化合物薄膜からなる紫外光検出層を形成する工程である。
ＭＯＣＶＤ法により形成することが好ましい。ＭＯＣＶＤ法を用いることにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物薄膜の平坦性を高めることができるとともに、密着性を高めて形成することができ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物薄膜の品質を向上させることができる。これにより、紫外光検出デバイスの光電流−電圧特性等を向上させることができる。
なお、通常、サファイア基板等の平坦性の高い基板の一面に、バッファー層としてＧａＮ薄膜を形成してから、紫外光検出層として用いるＩｎＧａＮ薄膜を形成する。バッファー層を形成することにより、ＩｎＧａＮ薄膜の平坦性を高め、品質を向上させることができる。

【0032】

（第２工程）
第２工程は、スパッタ法又はＣＶＤ法を用いて、前記薄膜の一面にＩＩ−ＶＩＩ族化合物を２０ｎｍ以下の膜厚で形成して、絶縁部を形成する工程である。
前記ＩＩ−ＶＩＩ族化合物がＩＩ族フッ化物であることが好ましく、ＣａＦ_２、ＭｇＦ_２又はＢａＦ_２のいずれか一の化合物であることが好ましい。これにより、よりリーク電流を抑え、より破壊電圧を高めることができる。

【0033】

（第３工程）
第２工程は、電子ビーム法又は蒸着法を用いて、前記絶縁部の一面に第１及び第２の電極部を形成する工程である。
前記絶縁部の一面に所定の形状のマスクを配置して、電子ビーム法等により、仕事関数が４．５ｅＶ以上であり、融点が１０００℃以上である金属、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ、Ｉｒ又はＭｏのいずれか一の金属又は前記金属を含む合金を成膜することによって、ショットキー電極となる第１及び第２の電極部を形成できる。
以上の工程により、本発明の実施形態である紫外光検出デバイスを製造することができる。

【0034】

本発明の実施形態である紫外光検出デバイス１１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物薄膜からなり、紫外光照射面３５を有する紫外光検出層２２と、紫外光検出層２２の一面２２ａに形成された絶縁部２３と、絶縁部２３の一面２３ａに形成された第１及び第２の電極部３１、３２と、を有する紫外光検出デバイスであって、絶縁部２３がＩＩ−ＶＩＩ族化合物である構成なので、紫外光照射をしていない状態では、絶縁性を高く保ち、暗電流の発生を抑制するとともに、紫外光照射下においては光電流を容易に流すことが可能となる。これにより、紫外光照射下の光電流と暗電流の電流値の差を大きくすることができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。また、破壊電圧及び感度を高め、永久光電流を抑制して、ｏｎ／ｏｆｆ比及び応答速度を高めることができる。

【0035】

本発明の実施形態である紫外光検出デバイス１１は、前記ＩＩ−ＶＩＩ族化合物がＩＩ族フッ化物である構成なので、紫外光照射をしていない状態では、絶縁性を高く保ち、暗電流の発生を抑制するとともに、紫外光照射下においては光電流を容易に流すことが可能となる。これにより、紫外光照射下の光電流と暗電流の電流値の差を大きくすることができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。また、破壊電圧を高め、永久光電流を抑制して、ｏｎ／ｏｆｆ比及び応答速度を高めることができる。

【0036】

本発明の実施形態である紫外光検出デバイス１１は、前記ＩＩ族フッ化物がＣａＦ_２、ＭｇＦ_２又はＢａＦ_２のいずれか一の化合物である構成なので、紫外光照射をしていない状態では、絶縁性を高く保ち、暗電流の発生を抑制するとともに、紫外光照射下においては光電流を容易に流すことが可能となる。これにより、紫外光照射下の光電流と暗電流の電流値の差を大きくすることができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。また、破壊電圧を高め、永久光電流を抑制して、ｏｎ／ｏｆｆ比及び応答速度を高めることができる。

【0037】

本発明の実施形態である紫外光検出デバイス１１は、絶縁部２３の厚さが２０ｎｍ以下である構成なので、紫外光照射をしていない状態では、絶縁性を高く保ち、暗電流の発生を抑制するとともに、紫外光照射下においては光電流を容易に流すことが可能となる。これにより、紫外光照射下の光電流と暗電流の電流値の差を大きくすることができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。また、破壊電圧を高め、永久光電流を抑制して、ｏｎ／ｏｆｆ比及び応答速度を高めることができる。

【0038】

本発明の実施形態である紫外光検出デバイス１１は、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物がＩＩＩ族窒化物である構成なので、紫外光を検出するのに適したバンドギャップ（３ｅＶ程度）を有し、紫外光照射下において、光電流を効率的に発生させることができ、感度を高めることができ、ＳＮ比、ｏｎ／ｏｆｆ比及び応答速度を高めることができる。また、混晶比を制御することで、検出する紫外線の波長範囲を自由に制御できる。

【0039】

本発明の実施形態である紫外光検出デバイス１１は、前記ＩＩＩ族窒化物がＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ又はＡｌＩｎＧａＮのいずれか一の化合物である構成なので、紫外光を検出するのに適したバンドギャップ（３ｅＶ程度）を有し、紫外光照射下において、光電流を効率的に発生させることができ、ＳＮ比、ｏｎ／ｏｆｆ比及び応答速度を高めることができる。また、混晶比を制御することで、検出する紫外線の波長範囲を自由に制御できる。

【0040】

本発明の実施形態である紫外光検出デバイス１１は、第１及び第２の電極部３１、３２が、仕事関数が４．５ｅＶ以上であり、融点が１０００℃以上である金属又は合金を有する構成なので、ショットキー電極を形成することができるとともに、温度変化に伴う特性の劣化を抑制することができる。更に、高温で使用可能なデバイスとすることができる。

【0041】

本発明の実施形態である紫外光検出デバイス１１は、前記金属又は合金が、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ、Ｃｒ、Ｉｒ又はＭｏのいずれか一の金属又は前記金属を含む合金である構成なので、ショットキー電極を形成することができるとともに、温度変化に伴う特性の劣化を抑制することができる。更に、高温で使用可能なデバイスとすることができる。

【0042】

本発明の実施形態である紫外光検出デバイス１１の製造方法は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ又はＬＰＥのいずれか一の方法を用いて、基板２１にＩＩＩ−Ｖ族化合物薄膜からなる紫外光検出層２２を形成する工程と、スパッタ法又はＣＶＤ法を用いて、紫外光検出層２２の一面２２ａにＩＩ−ＶＩＩ族化合物を２０ｎｍ以下の膜厚で形成して、絶縁部２３を形成する工程と、電子ビーム法又は蒸着法を用いて、絶縁部２３の一面２３ａに第１及び第２の電極部３１、３２を形成する工程と、を有する構成なので、破壊電圧及び感度を高め、永久光電流を抑制し、ＳＮ比、ｏｎ／ｏｆｆ比及び応答速度を高めた紫外光検出デバイスを容易に製造することができる。

【0043】

本発明の実施形態である紫外光検出デバイス及びその製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【実施例】

【0044】

（実施例１）
＜紫外光検出デバイスの作製＞
金属−半導体−金属（ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｍｅｔａｌ：ＭＳＭ）型ＩｎＧａＮ薄膜からなる紫外光検出デバイスを、次のようにして作製した。
まず、所定の大きさのサファイア基板を用意した。
次に、有機金属化学堆積法（ＭＯＣＶＤ）により、前記サファイア基板上にバッファー層としてＧａＮ薄膜を成長させた。具体的には、まず、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバー内に、ｃ面を上にして前記サファイア基板を配置した。次に、前記チャンバー内を減圧してから、トリメチルＧａと、アンモニアガスを反応装置に導入して、ｃ面サファイア基板上に１μｍ膜厚のＧａＮ薄膜を成長した。

【0045】

続いて、有機金属化学堆積法（ＭＯＣＶＤ）により、前記サファイア基板上に紫外線検出層としてＩｎＧａＮ薄膜を成長させた。具体的には、まず、前記チャンバー内を減圧した状態で、トリメチルＧａと、トリメチルＩｎと、アンモニアガスを反応装置に導入して、前記サファイア基板上のＧａＮ薄膜の一面上に３００ｎｍ膜厚のＩｎＧａＮ薄膜を成長した。なお、この際、トリメチルＧａとトリメチルＩｎの量を調節して、ＩｎＧａＮ薄膜の組成をＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎに制御した。

【0046】

次に、スパッタ法により、ＩｎＧａＮ薄膜上に５ｎｍ膜厚のＣａＦ_２層を堆積した。
次に、電子ビーム蒸着法により、ＣａＦ_２層上に２０ｎｍ膜厚のＮｉ及び２０ｎｍ膜厚のＡｕをこの順序で堆積した。これにより、Ｎｉ（厚さ２０ｎｍ）／Ａｕ（厚さ２０ｎｍ）からなる２層型のショットキー電極を２つ形成した。

【0047】

なお、前記２つのショットキー電極はそれぞれ幅が１０μｍの平面視略くし状とした。２つのくし部の凹凸を、間隔が１０μｍとなるように、互いに組み合わせて配置した。受光面積は５．２×１０^−２ｍｍ^２とした。
以上の工程により、図２に示す実施例１の紫外光検出デバイスを作製した。

【0048】

（比較例１）
ＣａＦ_２層を設けない他は実施例１と同様にして、比較例１の紫外光検出デバイスを作製した。

【0049】

＜紫外光検出デバイスの評価＞
次に、実施例１及び比較例１の紫外光検出デバイスの評価を行った。
図３は、実施例１の試料のＩｎＧａＮ層の（０００２）面のＸ線回折（ＸＲＤ）の２θ−ωスキャンである。
３４．５５ｄｅｇにＧａＮのピークがあり、３４．２ｄｅｇにＩｎＧａＮのピークが見られた。３４．４ｄｅｇ付近及び３４．１ｄｅｇ付近に干渉縞に基づくシグナルが見られた。これにより、ＧａＮとＩｎＧａＮの各層がそれぞれ平坦であり、密着して接合していることが分かった。

【0050】

図４は、ＩｎＧａＮ層の（０００２）面のＸＲＤロッキングカーブである。ＩｎＧａＮ層の半値幅は３１７（ａｒｃｓｅｃ）であり、結晶性が高い膜が形成できたことを示した。

【0051】

図５は、ＩｎＧａＮ層の（１０−１１）面のＸＲＤロッキングカーブである。ＩｎＧａＮ層の半値幅は４５８（ａｒｃｓｅｃ）であり、結晶性が高い膜が形成できたことを示した。

【0052】

図６は、実施例１及び比較例１の紫外光検出デバイスの暗電流−電圧特性である。
比較例１の紫外光検出デバイスでは、印加電圧を０Ｖから３Ｖにすると暗電流が１Ｅ−１３（Ａ）から１Ｅ−４（Ａ）となり、３Ｖから１０Ｖでは暗電流は１Ｅ−４（Ａ）でほとんど一定となった。
一方、実施例１の紫外光検出デバイスでは、１０Ｖでも１Ｅ−５（Ａ）と暗電流は流れにくくなった。
５Ｖの値で比較すると、比較例１の紫外光検出デバイスの暗電流値は、１．１２×１０^−４Ａであり、実施例１の紫外光検出デバイスは、１．４７×１０^−１０Ａであった。
５Ｖ未満の低電圧側では熱電子放出（Ｔｈｅｒｍｏｎｉｃ ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＴＦＥ）理論に支配され、５Ｖ以上の高電圧側ではトラップアシストトンネリング（Ｔｒａｐ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ：ＴＡＴ）理論に支配されると考え、行ったシミュレーション結果と測定結果はほぼ一致した。
この暗電流の電圧依存性から、ＩＩＩ族窒化物デバイスにおいて、ＣａＦ_２が絶縁層として有効に機能し、ＣａＦ_２は印加電圧に応じて低電圧時には絶縁層として機能し、高電圧時にはトラップを介して電流が流れる材料であることが分かった。

【0053】

図７は、実施例１の紫外光検出デバイスのＩ−Ｖ特性であって、紫外光（３３８ｎｍ）照射下の光電流及び暗電流を示すグラフである。挿入図は光電流の感度−電圧特性である。
実施例１の紫外光検出デバイスでは、紫外光（３３８ｎｍ）照射下の光電流は０．１Ｖで１Ｅ−７（Ａ）となり、１Ｖで１Ｅ−６（Ａ）となり、光電流は多く流れた。一方、暗電流は０．１Ｖで１Ｅ−１４（Ａ）であり、１．５Ｖで１Ｅ−１２（Ａ）であり、暗電流はほとんど流れなかった。これにより、ＳＮ比（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）は大きく改善した。また、ＣａＦ_２を挿入することによってリーク電流が抑えられた。
また、紫外光（３３８ｎｍ）照射下の光電流の感度は印加電圧に対し線形に依存した。２Ｖのバイアス時には１０．４Ａ／Ｗ（ｇａｉｎ ４０）、６桁のｏｎ／ｏｆｆ比を実現した。
ＣａＦ_２は界面に深い準位を形成しないために、ＡｌＧａＮやダイヤモンドでも得られなかった高いゲインが得られたと推察した。

【0054】

図８は、紫外光（３３８ｎｍ）照射下の、メカニカルチョッピング（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｈｏｐｐｉｎｇ）法で得られた光電流の時間応答依存性である。
紫外光が機械的に遮断されると、０．３ｓ以内に３×Ｅ−６（Ａ）から１Ｅ−９（Ａ）へ電流値が下がった。
永久光電流は、図８において「スローコンポーネント」と記した部分である。

【0055】

図９は、チョッピング（ｃｈｏｐｐｉｎｇ）周波数１００Ｈｚでの光感度を示すグラフである。１ＭΩのインピーダンスを有するオシロスコープ（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ（ＴＤＳ ５０００Ｂ））を用い、３５０ＭＨｚで測定した。また、バイアス電圧は０．１Ｖ又は５Ｖとした。
バイアス電圧は０．１Ｖの場合、紫外光が機械的に照射されると７４７μｓ以内の立ち上がり応答時間（ｒｉｓｉｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ）で、光感度はベース値から最大値まで上昇した。バイアス電圧５Ｖの場合、立ち上がり応答時間は１．６８ｍｓｅｃであった。
ＣａＦ_２は界面に深い準位を形成しないために、ＡｌＧａＮやダイヤモンドでも得られなかった早い立ち上がり応答時間（７４７μｓ）が得られたと推察した。

【0056】

図１０は、キセノン光照射下、印加電圧１Ｖで測定された光電流スペクトルである。
高感度、高応答速度に加えて、実施例１の紫外光検出デバイスは、紫外光（３３８ｎｍ） の感度が４×Ｅ５（ａ．ｕ．）であるのに対し、可視光での感度が４×Ｅ−１（ａ．ｕ．）であり、紫外光（３３８ｎｍ）と可視光での感度の差が６桁以上であった。このような大きな差を有する紫外光検出デバイスについてはこれまで報告がなかった。

【産業上の利用可能性】

【0057】

本発明の紫外光検出デバイス及びその製造方法は、電極／半導体界面への絶縁層挿入の構成を有し、破壊電圧及び感度を高め、永久光電流を抑制して、ＳＮ比、ｏｎ／ｏｆｆ比及び応答速度を高めた紫外光検出デバイスに関するものであり、紫外光検出デバイスをはじめとする光デバイス製造産業において利用可能性がある。また、本構成に基づく、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物薄膜界面を利用した受光デバイスでの光誘起電流の輸送に関する知見は、同じ受光デバイスであるＩＩＩ−Ｖ族窒化物薄膜太陽電池の高効率化に展開できる。更に、本構成は発光デバイス及びトランジスターへの応用が期待できる。

【符号の説明】

【0058】

１１…紫外光検出デバイス、２１…基板、２２…紫外線検出層、２２ａ…一面、２３…絶縁部、２３ａ…一面、２４…第１の金属、２５…第２の金属、３１…第１の電極部、３２…第２の電極部、３５…紫外線照射面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】