特許 6779478 アバランシェフォトダイオード

(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】6779478

(24)【登録日】2020年10月16日

(45)【発行日】2020年11月4日

(54)【発明の名称】アバランシェフォトダイオード

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/107 20060101AFI20201026BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 B

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-113456(P2016-113456)

(22)【出願日】2016年6月7日

(65)【公開番号】特開2017-220550(P2017-220550A)

(43)【公開日】2017年12月14日

【審査請求日】2019年5月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】390005223

【氏名又は名称】株式会社タムラ製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】504209655

【氏名又は名称】国立大学法人佐賀大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002583

【氏名又は名称】特許業務法人平田国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100071526

【弁理士】

【氏名又は名称】平田 忠雄

(74)【代理人】

【識別番号】100124246

【弁理士】

【氏名又は名称】遠藤 和光

(74)【代理人】

【識別番号】100145171

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 浩行

(73)【特許権者】

【識別番号】515277942

【氏名又は名称】株式会社ノベルクリスタルテクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】110002583

【氏名又は名称】特許業務法人平田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 公平

(72)【発明者】

【氏名】大島 孝仁

【審査官】 小林 幹

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−３２７００１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０９９９１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１７６０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３００１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Takayoshi Oshima et al.，"Vertical Solar-Blind Deep-Ultraviolet Schottky Photodetectors Based on β-Ga2O3 Substrates"，Applied Physics Express，２００８年，Vol.1，pp.011202-1 - 011202-3

【文献】 X Z Liu et al.，"Characterization of vertical Au/β-Ga2O3 single-crystal Schottky photodiodes with MBE-grown high-resistivity epitaxial layer"，Chinese Physics B，２０１５年１２月 ８日，Vol.25，pp.017201-1 - 017201-5

【文献】 Andrew M. Armstrong et al.，"Role of self-trapped holes in the photoconductive gain of β-gallium oxide Schottky diodes"，Journal of Applied Physics，２０１６年 ３月１０日，Vol.119，pp.103102-1 - 103102-6

【文献】 Takayoshi Oshima et al.，"Formation of Semi-Insulating Layers on Semiconducting β-Ga2O3 Single Crystals by Thermal Oxidation"，Japanese Journal of Applied Physics，２０１３年，Vol.52，pp.051101-1 - 051101-5

【文献】 Rikiya Suzuki et al.，"Solar-blind photodiodes composed of a Au Schottky contact and a β-Ga2O3 single crystal with a high resistivity cap layer"，Applied Physics Letters，２０１１年，Vol.98，pp.131114-1 - 131114-3

【文献】 Rikiya Suzuki et al.，"Enhancement of responsivity in solar-blind β-Ga2O3 photodiodes with a Au Schottky contact fabricated on single crystal substrates by annealing"，Applied Physics Letters，２００９年，Vol.94，pp.222102-1 - 222102-3

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ３１／００−３１／２０

Ｇｏｏｇｌｅ Ｓｃｈａｌｏｒ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ型のＧａ_２Ｏ_３系単結晶層と、
前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層に積層された誘電体層と、
前記誘電体層に接続されたアノード電極と、
前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層に接続されたカソード電極と、
を有し、
前記アノード電極と前記カソード電極の間に逆方向電圧を印加することにより、前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層と前記誘電体層との接合部にアバランシェブレークダウンを生じさせることができる、
アバランシェフォトダイオード。

【請求項2】

前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層と前記誘電体層の価電子帯のバンドオフセットが１ｅＶ以下である、
請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。

【請求項3】

前記誘電体層がＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、又はＡｌ_２Ｏ_３からなる、
請求項２に記載のアバランシェフォトダイオード。

【請求項4】

前記誘電体層がＡｌ_２Ｏ_３からなる、
請求項３に記載のアバランシェフォトダイオード。

【請求項5】

前記誘電体層が第１の誘電体膜とその上の第２の誘電体膜の積層体から構成され、
前記第２の誘電体膜は、前記第１の誘電体膜よりも誘電率が高く、
前記第１の誘電体膜は、前記第２の誘電体膜よりも前記アノード電極との伝導帯のバンドオフセットが大きい、
請求項１に記載のアバランシェフォトダイオード。

【請求項6】

前記第１の誘電体膜がＳｉＯ_２からなり、
前記第２の誘電体膜がＨｆＯ_２からなる、
請求項５に記載のアバランシェフォトダイオード。

【請求項7】

前記アノード電極がＰｔからなる、
請求項１〜６のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。

【請求項8】

前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層がガードリングを含む、
請求項１〜７のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。

【請求項9】

前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層と前記誘電体層の積層体がメサ形状を有する、
請求項１〜７のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。

【請求項10】

前記誘電体層がアンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層を介して前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層に積層された、
請求項１〜９のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アバランシェフォトダイオードに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶からなる受光部を有する、ｐｎ接合型センサ素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１に記載のｐｎ接合型センサ素子では、ｎ型のＧａ_２Ｏ_３単結晶基板とｐ型のＧａ_２Ｏ_３エピタキシャル層によりｐｎ接合を形成している。

【0004】

また、従来、ｐｎ接合に逆方向電圧を印加したときに生ずるアバランシェブレークダウンと呼ばれる現象を利用したアバランシェフォトダイオードが知られている（例えば、特許文献２〜４参照）。

【0005】

特許文献２、３に記載のアバランシェフォトダイオードでは、ｎ型とｐ型のＳｉ層によりｐｎ接合を形成している。特許文献４に記載のアバランシェフォトダイオードでは、ｎ型とｐ型のＺｎＳｅ層によりｐｎ接合を形成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００９―７０９５０号公報

【特許文献2】特開２０００―２６１０２６号公報

【特許文献3】特開２００２―１７０９８３号公報

【特許文献4】特開２００３―１３３５８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

アバランシェフォトダイオードは、ｐｎ接合を形成する半導体層の吸収端より短い波長の光に応答するため、例えば、Ｓｉ層を半導体層とする場合はおよそ１１００ｎｍより短い波長の光に応答し、ＧａＡｓ層を半導体層とする場合はおよそ８７０ｎｍより短い波長の光に応答し、４Ｈ−ＳｉＣを半導体層とする場合はおよそ３８０ｎｍより短い波長の光に応答する。

【0008】

Ｇａ_２Ｏ_３はおよそ２８０ｎｍより短い波長の光を吸収するため、Ｇａ_２Ｏ_３層を半導体層とするアバランシェフォトダイオードを製造することができれば、２８０ｎｍより短い波長の光にのみ応答するフォトダイオードが得られる。

【0009】

しかしながら、高品質なｐ型のＧａ_２Ｏ_３単結晶を形成することは非常に難しい。このため、Ｇａ_２Ｏ_３層を半導体層とするアバランシェフォトダイオードの製造を試みても、これを動作させることはできなかった。

【0010】

本発明の目的は、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を用いた、短波長の光に応答するアバランシェフォトダイオードを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］〜［１０］のアバランシェフォトダイオードを提供する。

【0012】

［１］ｎ型のＧａ_２Ｏ_３系単結晶層と、前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層に積層された誘電体層と、前記誘電体層に接続されたアノード電極と、前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層に接続されたカソード電極と、を有し、前記アノード電極と前記カソード電極の間に逆方向電圧を印加することにより、前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層と前記誘電体層との接合部にアバランシェブレークダウンを生じさせることができる、アバランシェフォトダイオード。

【0013】

［２］前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層と前記誘電体層の価電子帯のバンドオフセットが１ｅＶ以下である、前記［１］に記載のアバランシェフォトダイオード。

【0014】

［３］前記誘電体層がＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、又はＡｌ_２Ｏ_３からなる、前記［２］に記載のアバランシェフォトダイオード。

【0015】

［４］前記誘電体層がＡｌ_２Ｏ_３からなる、前記［３］に記載のアバランシェフォトダイオード。

【0016】

［５］前記誘電体層が第１の誘電体膜とその上の第２の誘電体膜の積層体から構成され、前記第２の誘電体膜は、前記第１の誘電体膜よりも誘電率が高く、前記第１の誘電体膜は、前記第２の誘電体膜よりも前記アノード電極との伝導帯のバンドオフセットが大きい、前記［１］に記載のアバランシェフォトダイオード。

【0017】

［６］前記第１の誘電体膜がＳｉＯ_２からなり、前記第２の誘電体膜がＨｆＯ_２からなる、前記［５］に記載のアバランシェフォトダイオード。

【0018】

［７］前記アノード電極がＰｔからなる、前記［１］〜［６］のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。

【0019】

［８］前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層がガードリングを含む、前記［１］〜［７］のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。

【0020】

［９］前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層と前記誘電体層の積層体がメサ形状を有する、前記［１］〜［７］のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。

【0021】

［１０］前記誘電体層がアンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層を介して前記Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層に積層された、前記［１］〜［９］のいずれか１項に記載のアバランシェフォトダイオード。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を用いた、短波長の光に応答するアバランシェフォトダイオードを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、第１の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの垂直断面図である。

【図2】図２は、Ｇａ_２Ｏ_３センサーの光応答特性と各種光源の発光スペクトルを比較した図である。

【図3】図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ誘電体層とＧａ_２Ｏ_３系単結晶層の価電子帯のバンドオフセットが小さい場合と大きい場合のキャリアの挙動を模式的に示す図である。

【図4】図４は、Ｇａ_２Ｏ_３と各種誘電体のバンドダイアグラムを示す。

【図5】図５は、第２の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの垂直断面図である。

【図6】図６（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの垂直断面図である。

【図7】図７は、第４の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの垂直断面図である。

【図8】図８は、第５の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの垂直断面図である。

【図9】図９は、実施例に係るシミュレーションに用いられた試料の垂直断面図である。

【図10】図１０（ａ）、（ｂ）は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層に加わる最大電界強度が６．５ＭＶ／ｃｍとなるように試料に対して逆方向電圧を印加したときの、誘電体層及びＧａ_２Ｏ_３系単結晶層中の電界強度分布を示す。

【図11】図１１（ａ）、（ｂ）は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層に加わる最大電界強度が６．５ＭＶ／ｃｍとなるように試料に対して逆方向電圧を印加したときの、誘電体層及びＧａ_２Ｏ_３系単結晶層中の電界強度分布を示す。

【発明を実施するための形態】

【0024】

〔第１の実施の形態〕
（アバランシェフォトダイオードの構造）
図１は、第１の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード１の垂直断面図である。

【0025】

アバランシェフォトダイオード１は、縦型の受光素子であり、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０と、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０に積層された誘電体層１１と、誘電体層１１に接続されたアノード電極１２と、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０に接続されたカソード電極１３とを有する。

【0026】

アバランシェフォトダイオード１のアノード電極１２とカソード電極１３の間に逆方向電圧（アノード電極１２の電位がカソード電極１３の電位よりも高くなる電圧）を印加することにより、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０と誘電体層１１との接合部にアバランシェブレークダウンを生じさせることができる。

【0027】

アバランシェフォトダイオード１に光を照射すると、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０中の電子が励起され、電子・ホール対が生成される。逆方向電圧によりＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の誘電体層１１との界面近傍に形成された空乏層内においては、生成された電子が強い電界により加速されてＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０を構成する原子に衝突してイオン化させ、新たな電子・ホール対が生成される（衝突電離）。

【0028】

この衝突電離により生成された電子によりさらに衝突電離が生じ、この繰り返しによって多数の電子・ホール対が生成される。このようにして生成された複数のホールは、空乏層中の強い電界により、誘電体層１１を越えてアノード電極１２まで移動する。また、複数の電子は、空乏層中の強い電界により、カソード電極１３まで移動する。これにより、大きな電流が生じる（アバランシェブレークダウン）。

【0029】

このように、アバランシェフォトダイオード１においては、アバランシェブレークダウンを利用することにより、照射する光の強さに対して大きな電流を生じさせることができる。このため、アバランシェフォトダイオード１は優れた受光感度を有する。

【0030】

Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０は、ドナーとしてのＳｉ、Ｓｎ等のIV族元素を含むｎ型のＧａ_２Ｏ_３系単結晶からなる。Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の実効ドナー濃度（ドナー濃度Ｎｄからアクセプタ濃度Ｎａを引いたもの）は、アバランシェフォトダイオード１の動作電圧の大きさによって適宜設定される。例えば、アバランシェフォトダイオード１の動作電圧が５０〜２５０Ｖである場合には、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の実効ドナー濃度はおよそ５×１０^１７以上かつ３×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが好ましい。Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の厚さは、例えば、５０〜６００μｍである。

【0031】

ここで、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶とは、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶、又は、Ａｌ、Ｉｎ等の元素が添加されたＧａ_２Ｏ_３単結晶をいう。例えば、Ａｌ及びＩｎが添加されたＧａ_２Ｏ_３単結晶である（Ｇａ_ｘＡｌ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}）_２Ｏ_３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）単結晶であってもよい。Ａｌを添加した場合にはバンドギャップが広がり、Ｉｎを添加した場合にはバンドギャップが狭くなる。なお、上記のＧａ_２Ｏ_３単結晶は、β型の結晶構造を有する。

【0032】

β−Ｇａ_２Ｏ_３のバンドギャップはおよそ４．５ｅＶである。このため、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０がＧａ_２Ｏ_３単結晶からなる場合、およそ２８０ｎｍよりも短い波長の光を吸収する。この場合、アバランシェフォトダイオード１はおよそ２８０ｎｍよりも短い波長の光に応答する。

【0033】

アバランシェフォトダイオード１の特性はＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の主面の面方位にほとんど依存しないため、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の主面の面方位は特に限定されないが、例えば、結晶成長速度等の観点から、（００１）、（０１０）、（１１０）、（２１０）、（３１０）、（６１０）、（９１０）、（１０１）、（１０２）、（２０１）、（４０１）、（−１０１）、（−２０１）、（−１０２）又は（−４０１）であることが好ましい。

【0034】

図２は、Ｇａ_２Ｏ_３センサーの光応答特性と各種光源の発光スペクトルを比較した図である。図中のＡはＧａ_２Ｏ_３センサーの光応答特性を示す曲線であり、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇはそれぞれ低圧水銀ランプ、ガス炎、太陽光、白色ＬＥＤ、白熱電球、蛍光灯の発光スペクトルである。

【0035】

図２に示されるように、Ｇａ_２Ｏ_３センサーは低圧水銀ランプ及びガス炎の光に応答するが、太陽光、白色ＬＥＤ、白熱電球、蛍光灯には応答しない。このため、例えば、太陽光が降り注ぐ環境下において炎のみを検出する超高感度ソーラーブラインドセンサーとして、アバランシェフォトダイオード１を用いることができる。

【0036】

なお、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０を構成するＧａ_２Ｏ_３単結晶に、吸収端を長波長側にシフトさせるＩｎ等の不純物を添加する場合には、その添加量を、太陽光を吸収しない程度に抑えればよい。

【0037】

図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ誘電体層１１とＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の価電子帯のバンドオフセット（価電子帯の上端のエネルギー差）が小さい場合と大きい場合のキャリアの挙動を模式的に示す図である。

【0038】

図３（ａ）に示される例では、誘電体層１１とＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の価電子帯のバンドオフセットが小さいため、光の照射及びその後の衝突電離によりＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の空乏層内に生成されたホールが、空乏層中の強い電界により誘電体層１１を越えてアノード電極１２まで移動する。このため、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０に吸収される波長の光を照射すると、アバランシェフォトダイオード１が応答する。

【0039】

一方、図３（ｂ）に示される例では、誘電体層１１とＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の価電子帯のバンドオフセットが大きいため、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の空乏層内に生成されたホールが誘電体層１１を越えることができず、誘電体層１１とＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の界面に蓄積される。このため、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０に吸収される波長の光を照射しても、アバランシェフォトダイオード１の動作が不安定になるおそれがある。

【0040】

図３（ａ）に例示されるように、光の照射に対してアバランシェフォトダイオード１を十分に応答させるためには、誘電体層１１とＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０との価電子帯のバンドオフセットが１ｅＶ以下であることが好ましい。

【0041】

図４は、Ｇａ_２Ｏ_３と各種誘電体のバンドダイアグラムを示す。バンドダイアグラム内の数値はバンドギャップの大きさ［ｅＶ］、バンドダイアグラムの上側の数値はＧａ_２Ｏ_３との伝導帯のバンドオフセット（伝導帯の下端のエネルギー差）［ｅＶ］、バンドダイアグラムの下側の数値はＧａ_２Ｏ_３との価電子帯のバンドオフセット［ｅＶ］をそれぞれ示す。

【0042】

図４のバンドダイアグラムによれば、Ｇａ_２Ｏ_３との価電子帯のバンドオフセットが１ｅＶ以下である誘電体は、ＳｉＮ_ｘ、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、及びＡｌ_２Ｏ_３である。このため、誘電体層１１とＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０との価電子帯のバンドオフセットを１ｅＶ以下とするために、誘電体層１１の材料としてＳｉＮ_ｘ、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、又はＡｌ_２Ｏ_３を用いることが好ましい。

【0043】

また、アバランシェフォトダイオード１においては、アノード電極１２と誘電体層１１の伝導帯のバンドオフセットよりも短い波長の光に対して受光感度を有する。つまり、例えば、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０が波長２８０ｎｍ以下の光に対してのみ感度を有していたとしても、アノード電極１２と誘電体層１１の伝導帯のバンドオフセットがＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０のバンドギャップよりも小さい場合、２８０ｎｍ以上の光も受光してしまい、暗電流（本来受光すべき光が照射されているときに流れる電流）が流れる。

【0044】

受光素子の感度特性は、本来受光すべき波長の光が照射されているときとされていないときの電流の差で決まるため、暗電流の増加は、受光素子の感度の低下につながる。このため、アノード電極１２と誘電体層１１の伝導帯のバンドオフセットは、大きいほど好ましい。

【0045】

図４のバンドダイアグラムによれば、ＳｉＮ_ｘ、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、及びＡｌ_２Ｏ_３のうち、Ｇａ_２Ｏ_３との伝導帯のバンドオフセットが最も大きい誘電体はＡｌ_２Ｏ_３であり、このことから、アノード電極１２との伝導帯のバンドオフセットが最も大きくなる誘電体もＡｌ_２Ｏ_３であると考えられる。このため、暗電流の発生を抑えるためには、誘電体層１１の材料としてＡｌ_２Ｏ_３を用いることが特に好ましい。

【0046】

また、誘電体層１１は、絶縁破壊を起こし難い材料からなることが好ましい。絶縁破壊を起こしにくい材料とは、誘電率が大きいために内部の電界強度が抑えられる材料や、絶縁破壊電界強度が高い材料である。ＳｉＮ_ｘ、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、及びＡｌ_２Ｏ_３のうちでは、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、及びＡｌ_２Ｏ_３が絶縁破壊を起こし難く、誘電体層１１の材料として好ましい。誘電体層１１の厚さは、リーク電流の原因となるピンホール等の発生を抑制するため、およそ２０ｎｍ以上であることが好ましい。また、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０中に広がる空乏層幅は最大で１μｍ程度となるため、電圧分配の点から、誘電体層１１の厚さはおよそ２００ｎｍ以下に設定される。

【0047】

アノード電極１２は、誘電体層１１のＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０と反対側の面上に形成される。アノード電極１２の材料は特に限定されず、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇ、ＩＴＯ等が用いられる。これらの材料の中でも、電子親和力の大きいＰｔがアノード電極１２の材料として特に好ましい。アノード電極１２が電子親和力の大きい材料からなる場合、アノード電極１２と誘電体層１１の伝導体のオフセットが大きくなる。このため、暗電流が低く抑えられ、アバランシェフォトダイオード１の受光感度が高くなる。

【0048】

アバランシェフォトダイオード１に照射された光はアノード電極１２を通過してＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０に吸収されるため、アノード電極１２の厚さは薄い方がよく、例えば、およそ１〜１０ｎｍであることが好ましい。また、アノード電極１２の形状は、典型的には円形又は四角形である。

【0049】

また、アバランシェフォトダイオード１は、図１に示されるように、フィールドプレート構造を有していてもよい。この場合、誘電体層１１の上面の縁に沿って、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等からなる誘電体膜１６が設けられ、その誘電体膜１６の上にアノード電極１２の縁が乗り上げている。

【0050】

このようなフィールドプレート構造を設けることにより、アノード電極１２の端部への電界集中を抑制することができる。また、誘電体膜１６は、第２の誘電体層１１の上面を流れる表面リーク電流を抑制するパッシベーション膜としても機能する。

【0051】

また、図１に示される例では、アノード電極１２にパッド電極１４が接続されている。パッド電極１４は、誘電体膜１６上に形成されたＳｉＯ_２等からなる絶縁体１５上に形成される。パッド電極１４は、例えば、厚さ５ｎｍのＴｉ膜上に厚さ５００ｎｍのＡｕ膜が積層された構造を有する。

【0052】

カソード電極１３は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の誘電体層１１と反対側の面上に形成される。カソード電極１３は、例えば、厚さ１００ｎｍのＴｉ膜上に厚さ１００ｎｍのＡｕ膜が積層された構造を有する。カソード電極１３の形状は、典型的には、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の底面の形状と同じ四角形である。

【0053】

〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層の上面近傍にガードリングが含まれる点において、第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点においては、説明を省略又は簡略化する。

【0054】

（アバランシェフォトダイオードの構造）
図５は、第２の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード２の垂直断面図である。

【0055】

アバランシェフォトダイオード２は、アバランシェフォトダイオード１と同様に、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０と、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０に積層された誘電体層１１と、誘電体層１１に接続されたアノード電極１２と、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０に接続されたカソード電極１３とを有する。

【0056】

そして、アバランシェフォトダイオード２のＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の誘電体層１１との界面近傍には、ガードリング２０が形成されている。このガードリング２０を用いることにより、アノード電極１２の端部における電界集中を緩和することができる。

【0057】

ガードリング２０は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０の上面のリング状の領域に、酸素アニールやＭｇ、Ｆｅ、Ｚｎ等のアクセプタイオンのイオン注入を選択的に施すことにより形成される。なお、ガードリング２０の形状や数は、アノード電極１２の端部における電界集中を緩和できる範囲内であれば、特に限定されない。

【0058】

〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層と誘電体層の積層体がメサ形状を有する点において、第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点においては、説明を省略又は簡略化する。

【0059】

（アバランシェフォトダイオードの構造）
図６（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード３の垂直断面図である。

【0060】

アバランシェフォトダイオード３は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層３０と、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層３０に積層された誘電体層３１と、誘電体層３１に接続されたアノード電極３２と、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層３０に接続されたカソード電極３３とを有する。

【0061】

そして、アバランシェフォトダイオード３のＧａ_２Ｏ_３系単結晶層３０と誘電体層３１の積層体は、凸部がアノード電極３２側を向いたメサ形状を有する。アノード電極３２は、メサ形状に加工された誘電体層３１の上面に形成されており、アノード電極３２の端部の位置がメサ形状の上面の端部の位置とほぼ一致している。このような構造により、アノード電極３２の端部における電界集中を緩和することができる。

【0062】

図６（ａ）に示される例では、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層３０と誘電体層３１の積層体は側面が垂直なメサ形状を有する。図６（ｂ）に示される例では、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層３０と誘電体層３１の積層体は側面がテーパー状に傾斜したメサ形状を有する。また、図６（ｃ）に示される例では、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層３０と誘電体層３１の積層体は側面が逆テーパー状に傾斜したメサ形状を有する。これら３種のメサ形状による電界集中緩和効果のうち、図６（ｃ）に示されるメサ形状によるものが最も大きい。

【0063】

なお、アバランシェフォトダイオード３のＧａ_２Ｏ_３系単結晶層３０、誘電体層３１、アノード電極３２、カソード電極３３、パッド電極３４は、第１の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード１のＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０、誘電体層１１、アノード電極１２、カソード電極１３、パッド電極１４と、それぞれ同様の材料からなる。

【0064】

また、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層３０と誘電体層３１の積層体のメサ形状部分の側面は、ＳｉＯ_２等からなる絶縁体３５に覆われている。

【0065】

〔第４の実施の形態〕
第４の実施の形態は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層と誘電体層の間にアンドープのＧａ_２Ｏ_３系単結晶層が形成されている点において、第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点においては、説明を省略又は簡略化する。

【0066】

（アバランシェフォトダイオードの構造）
図７は、第４の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード４の垂直断面図である。

【0067】

アバランシェフォトダイオード４は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０と、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０にアンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０を介して積層された誘電体層１１と、誘電体層１１に接続されたアノード電極１２と、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層１０に接続されたカソード電極１３とを有する。

【0068】

アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０は、意図的にドーパントが添加されていないＧａ_２Ｏ_３系単結晶層であり、アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０がＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０と誘電体層１１の間に形成されることにより、誘電体層１１とアンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０の比誘電率及び厚さに応じて、印加電圧が分配される。

【0069】

例えば、誘電体層１１がＨｆＯ_２からなるとして、その比誘電率を２２と仮定し、アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０の比誘電率を１０と仮定した場合、誘電体層１１の厚さを２０ｎｍ、アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０の厚さを５０ｎｍとして、アノード電極１２とカソード電極１３の間に３８．５Ｖの電圧を印加すると、誘電体層１１には５．９Ｖ、アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０には３２．６Ｖの電圧が印加される。

【0070】

また、誘電体層１１の厚さを２０ｎｍ、アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０の厚さを３００ｎｍとして、アノード電極１２とカソード電極１３の間に２０１Ｖの電圧を印加すると、誘電体層１１には５．９Ｖ、アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０には１９５．１Ｖの電圧が印加される。

【0071】

また、誘電体層１１の厚さを２００ｎｍ、アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０の厚さを５０ｎｍとして、アノード電極１２とカソード電極１３の間に９１．５Ｖの電圧を印加すると、誘電体層１１には５９Ｖ、アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０には３２．５Ｖの電圧が印加される。

【0072】

また、誘電体層１１の厚さを２０ｎｍ、アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０の厚さを１０００ｎｍとして、アノード電極１２とカソード電極１３の間に６５６Ｖの電圧を印加すると、誘電体層１１には５．９Ｖ、アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０には６５０．１Ｖの電圧が印加される。

【0073】

そして、上記の３つの例のいずれの場合においても、誘電体層１１中の電界強度はおよそ３ＭＶ／ｃｍ、アンドープＧａ_２Ｏ_３系単結晶層４０中の電界強度はおよそ６．５ＭＶ／ｃｍになる。

【0074】

なお、アバランシェフォトダイオード４に、第２の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード２のガードリング構造や、第３の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード３のメサ構造を適用してもよい。この場合、アノード電極１２の端部における電界集中を緩和することができる。

【0075】

〔第５の実施の形態〕
第５の実施の形態は、誘電体層が異なる材料からなる２枚の誘電体膜の積層体から構成される点において、第１の実施の形態と異なる。なお、第１の実施の形態と同様の点においては、説明を省略又は簡略化する。

【0076】

（アバランシェフォトダイオードの構造）
図８は、第５の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード５の垂直断面図である。

【0077】

アバランシェフォトダイオード５は、第１の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード１の誘電体層１１の代わりに、第１の誘電体膜５１ａと第２の誘電体膜５１ｂの積層体からなる誘電体層５１を有する。第１の誘電体膜５１ａはＧａ_２Ｏ_３系単結晶層１０上に形成され、第２の誘電体膜５１ｂは第１の誘電体膜５１ａ上に形成される。

【0078】

第２の誘電体膜５１ｂは、第１の誘電体膜５１ａよりも誘電率が高い。また、第１の誘電体膜５１ａは、第２の誘電体膜５１ｂよりもアノード電極１２との伝導帯のバンドオフセットが大きい。例えば、第１の誘電体膜５１ａ、第２の誘電体膜５１ｂは、それぞれＳｉＯ_２、ＨｆＯ_２からなる。

【0079】

誘電体膜の誘電率が大きいほど、その誘電体膜中の電界が弱まる。このため、アノード電極１２と接する第２の誘電体膜５１ｂとして誘電率の高い膜を用いることにより、アノード電極１２と誘電体層５１との界面を流れるリーク電流を効果的に抑制することができる。

【0080】

一方で、アノード電極１２と接する第２の誘電体膜５１ｂとアノード電極１２の伝導帯のバンドオフセットが小さいと、暗電流が大きくなるという問題がある。そこで、第２の誘電体膜５１ｂの下層に第２の誘電体膜５１ｂよりもアノード電極１２との伝導帯のバンドオフセットが大きい第１の誘電体膜５１ａを挿入して伝導帯にバリアを形成することにより、暗電流を低減することができる。

【0081】

第１の誘電体膜５１ａの厚さは、例えば、２０ｎｍ以上かつ５００ｎｍ以下であり、第２の誘電体膜５１ｂの厚さは、例えば、２０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下である。

【0082】

（実施の形態の効果）
上記第１〜５の実施の形態によれば、Ｇａ_２Ｏ_３単結晶を用いた、短波長の光に応答するアバランシェフォトダイオードを提供することができる。これにより、例えば、太陽光が降り注ぐ環境下において炎のみを検出する、超高感度ソーラーブラインドセンサーを実現することができる。

【実施例】

【0083】

上記第１〜４の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード１〜４の誘電体層１１における、比誘電率と内部の電界強度との関係をシミュレーションにより求めた。

【0084】

図９は、本実施例に係るシミュレーションに用いられた試料６の垂直断面図である。試料６は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層６０と、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層６０に積層された誘電体層６１と、誘電体層６１のＧａ_２Ｏ_３系単結晶層６０と反対側の面上に形成されたアノード電極６２と、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層６０の誘電体層６１と反対側の面上に形成されたカソード電極６３とを有する。

【0085】

このシミュレーションでは、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層６０を実効ドナー濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３であるＧａ_２Ｏ_３膜とした。また、誘電体層６１をＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ、ＨｆＯ_２、又はＡｌ_２Ｏ_３からなる厚さ５０ｎｍの誘電体膜とした。

【0086】

図１０（ａ）、（ｂ）及び図１１（ａ）、（ｂ）は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層６０に加わる最大電界強度が６．５ＭＶ／ｃｍとなるように試料６に対して逆方向電圧を印加したときの、誘電体層６１及びＧａ_２Ｏ_３系単結晶層６０中の電界強度分布を示す。

【0087】

ここで、図１０（ａ）は誘電体層６１がＳｉＯ_２（比誘電率４）からなる場合の電界強度分布、図１０（ｂ）は誘電体層６１がＳｉＮ_ｘ（比誘電率７）からなる場合の電界強度分布、図１１（ａ）は誘電体層６１がＡｌ_２Ｏ_３（比誘電率９．５）からなる場合の電界強度分布、図１１（ｂ）は誘電体層６１がＨｆＯ_２（比誘電率２０）からなる場合の電界強度分布を示す。

【0088】

図１０（ａ）、（ｂ）及び図１１（ａ）、（ｂ）の横軸は、誘電体層６１の上面の位置を基準とした深さ方向の位置を示す。すなわち、横軸の位置が０〜５０ｎｍの領域は、厚さ５０ｎｍの誘電体層６１中の領域であり、横軸の位置が５０ｎｍより大きい領域は、Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層６０中の領域である。

【0089】

図１０（ａ）によれば、ＳｉＯ_２からなる誘電体層６１中の最大電界強度が１６ＭＶ／ｃｍと非常に大きく、ＳｉＯ_２の絶縁破壊電界強度を超えている可能性が高い。また、これほどの電界強度になると、量子力学的トンネル電流が非常に大きくなるため、暗電流が極めて大きくなる。また、図１０（ｂ）によれば、ＳｉＮ_ｘからなる誘電体層６１中の最大電界強度は９．３ＭＶ／ｃｍであり、ＳｉＮ_ｘの絶縁破壊電界強度を超えている可能性がある。

【0090】

これらの結果から、上記第１〜４の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード１〜４の誘電体層１１又は誘電体層３１の材料として、ＳｉＯ_２及びＳｉＮ_ｘを用いる場合、絶縁破壊が生じないように印加電圧の大きさ等の制限が求められる場合がある。

【0091】

一方、図１１（ａ）、（ｂ）によれば、Ａｌ_２Ｏ_３からなる誘電体層６１中の電界強度はおよそ７ＭＶ／ｃｍ、ＨｆＯ_２からなる誘電体層６１中の電界強度はおよそ３．３ＭＶ／ｃｍであり、絶縁破壊電界強度及びトンネル電流の点では問題ないと考えられる。

【0092】

このため、上記第１〜４の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード１〜４の誘電体層１１又は誘電体層３１の材料として、Ａｌ_２Ｏ_３及びＨｆＯ_２は適しているといえる。また、ＺｒＯ_２はＨｆＯ_２とほぼ同じ材料物性を有するため、ＨｆＯ_２と同様に、誘電体層１１又は誘電体層３１の材料として適しているといえる。

【0093】

以上、本発明の実施の形態、実施例を説明したが、本発明は、上記実施の形態、実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。

【0094】

また、上記に記載した実施の形態、実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態、実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

【符号の説明】

【0095】

１、２、３、４…アバランシェフォトダイオード、 １０、３０…Ｇａ_２Ｏ_３系単結晶層、 １１、３１、５１…誘電体層、 １２、３２…アノード電極、 １３、３３…カソード電極、 ５１ａ…第１の誘電体膜、 ５１ｂ…第２の誘電体膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】