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特許7329126パワーフォトダイオード構造体、その作製方法、及びその使用方法
(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】
(24)【登録日】2023-08-08
(45)【発行日】2023-08-17
(54)【発明の名称】パワーフォトダイオード構造体、その作製方法、及びその使用方法
(51)【国際特許分類】
H01L 31/10 20060101AFI20230809BHJP
H01L 31/08 20060101ALI20230809BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 A
H01L31/08 L
【請求項の数】
28
(21)【出願番号】P 2022500564
(86)(22)【出願日】2020-07-15
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-09-21
(86)【国際出願番号】 US2020042205
(87)【国際公開番号】W WO2021011705
(87)【国際公開日】2021-01-21
【審査請求日】2022-03-04
(31)【優先権主張番号】62/874,487
(32)【優先日】2019-07-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/978,281
(32)【優先日】2020-02-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】518096478
【氏名又は名称】エスエルティー テクノロジーズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＳＬＴ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．
(74)【代理人】
【識別番号】100073184
【弁理士】
【氏名又は名称】柳田 征史
(74)【代理人】
【識別番号】100175042
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 秀明
(72)【発明者】
【氏名】カードウェル，ドリュー ダブリュ
(72)【発明者】
【氏名】デヴリン，マーク，ピー
【審査官】原 俊文
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００２０２８４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１９５２０６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／００９１４６５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第０１／０３９２８０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０００－２７７７９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－２６１０２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０７０４６０７１（ＣＮ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１１５４９７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平０９－３０７１３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１３／０１４７１３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００２／０１５５６３４（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３１／０２－３１／０３９２
Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１１９
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
フォトダイオード構造体において：第１の表面及び第２の表面を有する基板であって、
前記第２の表面は前記第１の表面の反対側であり、
前記基板は、単結晶ＩＩＩ族金属窒化物であり、
前記基板の前記第１の表面は、（０００１）＋ｃ面、｛１０－１０｝ｍ面、若しくは｛１１－２±２｝、｛６０－６±１｝、｛５０－５±１｝、｛４０－４±１｝、｛３０－３±１｝、｛５０－５±２｝、｛７０－７±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±２｝、｛４０－４±３｝、｛５０－５±４｝、｛１０－１±１｝、｛１０－１±２｝、｛１０－１±３｝のうちの１つから選択される半極性面の、５°以内の結晶方位を有するか、又は（０００－１）と２°～５°だけ異なる、基板；
前記基板の前記第１の表面上に配置されたｎ型層及びｐ型層であって、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、ドーパント濃度が少なくとも１×１０１６ｃｍ－３である、ｎ型層及びｐ型層；
前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に配置された１つ以上の吸収体層であって、前記１つ以上の吸収体層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、表面転位密度が１０ ９ ｃｍ－２未満である、１つ以上の吸収体層；
前記ｐ型層上に配置されたｐ側電気接触層であって、前記ｐ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率と、３×１０－３Ωｃｍ２未満の接触抵抗とを有する、ｐ側電気接触層；
前記基板の前記第２の表面上に配置されたｎ側電気接触層であって、前記ｎ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率と、１×１０－３Ωｃｍ２未満の接触抵抗とを有する、ｎ側電気接触層；並びに
受光面であって、前記受光面は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長を有する、前記受光面にある角度で入射する光を、前記ｎ側電気接触層及び前記ｐ側電気接触層から少なくとも１回反射させるように位置合わせされる、受光面
を備える、フォトダイオード構造体。
【請求項2】
前記フォトダイオード構造体は、少なくとも５０％の曲線因子を特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項3】
前記曲線因子は、少なくとも１０Ａｃｍ－２の電流密度を生成する照明レベル下で達成される、請求項２に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項4】
前記曲線因子は少なくとも８０％である、請求項２に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項5】
前記曲線因子は少なくとも９０％である、請求項４に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項6】
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、（０００１）＋ｃ面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも１×１０１９ｃｍ－３のドーパント濃度を特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項7】
ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のうちの少なくとも一方を更に備え、前記ｎ型クラッド層は、前記ｎ型層と前記１つ以上の吸収体層との間にあり、前記ｎ型クラッド層は、少なくとも５×１０１８ｃｍ－３のドーパント濃度を有し、
前記ｐ型クラッド層は、前記吸収体層と前記ｐ型層との間にあり、前記ｐ型クラッド層は、少なくとも１×１０１９ｃｍ－３のドーパント濃度を有する、請求項１に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項8】
ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のうちの少なくとも一方を更に備え、前記ｎ型クラッド層は、前記ｎ型層と前記１つ以上の吸収体層との間にあり、
前記ｐ型クラッド層は、前記吸収体層と前記ｐ型層との間にあり、
前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層のうちの前記少なくとも一方は、前記吸収体層のインジウム濃度と前記ｎ型層又は前記ｐ型層のインジウム濃度との間のインジウム濃度を特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項9】
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、（０００－１）－ｃ面とは２°～５°だけ異なる結晶方位を特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項10】
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、｛１０－１０｝ｍ面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも２×１０１８ｃｍ－３のドーパント濃度を特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項11】
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、｛１０－１－２｝、｛１０－１－１｝、｛２０－２－１｝、及び｛３０－３－１｝から選択される半極性平面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも１×１０１８ｃｍ－３のドーパント濃度を特徴とする、請求項１に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項12】
前記ｐ側電気接触層は前記ｐ型層上に配置され、前記ｐ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも８０％の平均反射率と、１×１０－３Ωｃｍ２未満の接触抵抗とを有する、請求項１に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項13】
前記ｎ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも８０％の平均反射率と、５×１０－４Ωｃｍ２未満の接触抵抗とを有する、請求項１に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項14】
前記ｎ型層、前記１つ以上の吸収体層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、１０７ｃｍ－２未満の貫通転位密度を有する、請求項１に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項15】
前記ｎ型層、前記１つ以上の吸収体層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、１０６ｃｍ－２未満の貫通転位密度を有する、請求項１に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項16】
フォトダイオード構造体であって：１つ以上の吸収体層であって、前記１つ以上の吸収体層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含む、１つ以上の吸収体層；
ｎ型層及びｐ型層であって、
前記１つ以上の吸収体層は前記ｎ型層の上に配置され、
前記ｐ型層は前記１つ以上の吸収体層の上に配置され、
前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ、（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、少なくとも１×１０１６ｃｍ－３のドーパント濃度を有する、ｎ型層及びｐ型層；
第１の表面及び第２の表面を有するキャリア基板であって、
前記キャリア基板の前記第１の表面は、前記ｐ型層の上又は前記ｎ型層の下に配置され、
前記キャリア基板は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの波長において略透明である、キャリア基板；
前記ｐ型層と電気的に接触した状態で配置されたｐ側電気接触層であって、前記ｐ側電気接触層は３×１０－３Ωｃｍ２未満の接触抵抗を有する、ｐ側電気接触層；
前記ｐ型層及び前記キャリア基板の前記第２の表面のうちの一方の上に配置された、ｐ側反射層であって、前記ｐ側反射層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率を有する、前記ｐ側反射層；
前記ｎ型層と電気的に接触した状態で配置された、ｎ側電気接触層であって、前記ｎ側電気接触層は１×１０－３Ωｃｍ２未満の接触抵抗を有する、ｎ側電気接触層；
前記ｎ型層及び前記キャリア基板の前記第２の表面のうちの一方の上に配置された、ｎ側反射層であって、前記ｎ側反射層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率を有する、ｎ側反射層；並びに
受光面であって、前記受光面は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長を有する、前記受光面にある角度で入射する光を、前記ｎ側反射層及び前記ｐ側反射層から少なくとも１回反射させるように位置合わせされる、受光面
を備える、フォトダイオード構造体。
【請求項17】
前記フォトダイオード構造体は、少なくとも５０％の曲線因子を特徴とする、請求項１６に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項18】
前記曲線因子は、少なくとも１０Ａｃｍ－２の電流密度を生成する照明レベル下で達成される、請求項１７に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項19】
前記曲線因子は少なくとも８０％である、請求項１７に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項20】
前記曲線因子は少なくとも９０％である、請求項１９に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項21】
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、（０００１）＋ｃ面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも１×１０１９ｃｍ－３のドーパント濃度を特徴とする、請求項１６に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項22】
ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のうちの少なくとも一方を更に備え、前記ｎ型クラッド層は、前記ｎ型層と前記１つ以上の吸収体層との間にあり、前記ｎ型クラッド層は、少なくとも５×１０１８ｃｍ－３のドーパント濃度を有し、
前記ｐ型クラッド層は、前記吸収体層と前記ｐ型層との間にあり、前記ｐ型クラッド層は、少なくとも１×１０１９ｃｍ－３のドーパント濃度を有する、請求項１６に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項23】
ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のうちの少なくとも一方を更に備え、前記ｎ型クラッド層は、前記ｎ型層と前記１つ以上の吸収体層との間にあり、
前記ｐ型クラッド層は、前記吸収体層と前記ｐ型層との間にあり、
前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層のうちの前記少なくとも一方は、前記吸収体層のインジウム濃度と前記ｎ型層又は前記ｐ型層のインジウム濃度との間のインジウム濃度を特徴とする、請求項１６に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項24】
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、（０００－１）－ｃ面とは２°～５°だけ異なる結晶方位を特徴とする、請求項１６に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項25】
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、｛１０－１０｝ｍ面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも２×１０１８ｃｍ－３のドーパント濃度を特徴とする、請求項１６に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項26】
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、｛１０－１－２｝、｛１０－１－１｝、｛２０－２－１｝、及び｛３０－３－１｝から選択される半極性平面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも１×１０１８ｃｍ－３のドーパント濃度を特徴とする、請求項１６に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項27】
前記ｐ側電気接触層は前記ｐ型層上に配置され、前記ｐ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも８０％の平均反射率と、１×１０－３Ωｃｍ２未満の接触抵抗とを有する、請求項１６に記載のフォトダイオード構造体。
【請求項28】
前記ｎ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも８０％の平均反射率と、５×１０－４Ωｃｍ２未満の接触抵抗とを有する、請求項１６に記載のフォトダイオード構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は一般に、光ファイバを通した電力の伝送のための技法に関し、特にバルクガリウム及び窒素含有極性、半極性又は非極性材料上に作製された、高電流密度パワーフォトダイオード構造体のための技法に関する。本発明は、特に光ファイバ、他のオプトエレクトロニクスデバイス、及び同様の製品による、電気エネルギへの光エネルギの変換を含む用途に適用できる。
【背景技術】
【0002】
電力は典型的には、例えば銅線である電線を介して伝送される。しかしながらこのような電線は重く煩雑で高価なものとなる場合があり、また伝送される電力は電磁干渉を受ける場合がある。これらの制約のうちのいくつかは、光ファイバを介して電力を伝送することによって克服できるが、現在の性能ではこのようなアプローチは依然として商業的には実行不可能である。更に、現在のアプローチは一般に赤外波長の光を伴い、これは可視光に比べて、周囲環境の温度変動に対する感度が高いこと等の特定の欠点を有する。
【0003】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系オプトエレクトロニクスデバイス及び電子デバイスは、商業的に極めて重要である。これらのデバイスの中で最もよく開発されているものとしては、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオードが挙げられ、ＧａＮ系パワーダイオード及びトランジスタはますます重要になっている。新たな用途にも関心が集まっている。非特許文献１は、レーザダイオードを用いて電力を光パワーに変換する用途について記載しており、光パワーを光ファイバに結合して遠隔地に伝送した後、フォトダイオードを用いて光パワーを再び電力に変換する。レーザダイオード及びフォトダイオードはいずれもＧａＮ・オン・サファイアデバイスをベースとしており、システム性能は比較的低かった。フォトダイオードは特に課題となっており、報告された効率は１７％であった。ＧａＮ系太陽電池も多数のグループによって報告されており、これは典型的には低電力（約１太陽）用途のためにＧａＮ・オン・サファイア構造を利用するものである。他の材料系に関して当該技術分野で公知の集光型太陽電池構造でさえ、本発明の主な焦点である電流密度よりも大幅に低い電流密度しか生成できない。
【0004】
レーザダイオードについては、欠陥密度が大幅に低減されており、長年にわたって最適化及び改善が続けられてきたＧａＮ・オン・ＧａＮデバイスにおいては、優れた性能及び信頼性が得られることが公知である。フォトダイオードについては、実施された研究はかなり少ない。例えば特許文献１はＧａＮ・オン・ＧａＮフォトダイオードを開示しているが、詳細な性能特性は報告されておらず、またこのデバイスは、光ファイバを伴うパワーダイオード用途ではなく、光検出器用途のためのものであった。
【0005】
近赤外波長のＧａＡｓ系レーザ及びフォトダイオードを用いた、関連する用途が開示されている。しかしながら、窒化物ベースのフォトダイオードは、そのバンドギャップが大きいことにより、対応するＧａＡｓ系デバイス及びシステムに比べて、昇温下及び高い入力パワーレベルにおいて相当に高い開回路電圧及び優れた効率を可能とするはずである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】米国特許第６，８０６，５０８号明細書（Ｄ’Ｅｖｅｌｙｎ等）
【非特許文献】
【0007】
【文献】Ｄｅ Ｓａｎｔｉ， ａｎｄ ｃｏａｕｔｈｏｒｓ ［Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １１，１５３ （２０１８）］
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
以上から、ＧａＮ系パワーフォトダイオードを改良するための技法が強く望まれていることがわかる。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本開示の実施形態は、第１の表面及び第２の表面を有する基板を含むフォトダイオード構造体を提供でき、上記基板の上記第２の表面は上記第１の表面の反対側であり、上記基板は、単結晶ＩＩＩ族金属窒化物であり、上記基板の上記第１の表面は、（０００１）＋ｃ面、｛１０－１０｝ｍ面、若しくは｛１１－２±２｝、｛６０－６±１｝、｛５０－５±１｝、｛４０－４±１｝、｛３０－３±１｝、｛５０－５±２｝、｛７０－７±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±２｝、｛４０－４±３｝、｛５０－５±４｝、｛１０－１±１｝、｛１０－１±２｝、｛１０－１±３｝のうちの１つから選択される半極性面の、５°以内の結晶方位を有するか、又は（０００－１）と２°～５°だけ異なる。上記フォトダイオード構造体はまた：上記基板の上記第１の表面上に配置されたｎ型層及びｐ型層であって、上記ｎ型層及び上記ｐ型層はそれぞれＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、ドーパント濃度が少なくとも１×１０１７ｃｍ－３である、ｎ型層及びｐ型層；上記ｎ型層と上記ｐ型層との間に配置された１つ以上の吸収体層であって、上記１つ以上の吸収体層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、転位密度が約１０９ｃｍ－２未満である、１つ以上の吸収体層；上記ｐ型層上に配置されたｐ側電気接触層であって、上記ｐ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率と、３×１０－３Ωｃｍ２未満の接触抵抗とを有する、ｐ側電気接触層；上記基板の上記第２の表面上に配置されたｎ側電気接触層であって、上記ｎ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率と、１×１０－３Ωｃｍ２未満の接触抵抗とを有する、ｎ側電気接触層；並びに受光面であって、上記受光面は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長を有する、上記受光面にある角度で入射する光を、上記ｎ側電気接触層及び上記ｐ側電気接触層から少なくとも１回反射させるように位置合わせされる、受光面を含む。上記フォトダイオード構造体はまた、少なくとも１０Ａｃｍ－２の電流密度を生成する照明レベルの下で少なくとも５０％の曲線因子を特徴とすることができる。
【0010】
本開示の実施形態は更に：１つ以上の吸収体層であって、上記１つ以上の吸収体層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含む、１つ以上の吸収体層；ｎ型層及びｐ型層であって、上記１つ以上の吸収体層は上記ｎ型層の上に配置され、上記ｐ型層は上記１つ以上の吸収体層の上に配置される、ｎ型層及びｐ型層；第１の表面及び第２の表面を有するキャリア基板であって、上記キャリア基板の上記第１の表面は、上記ｐ型層の上又は上記ｎ型層の下に配置される、キャリア基板；上記ｐ型層と電気的に接触した状態で配置されたｐ側電気接触層であって、上記ｐ側電気接触層は３×１０－３Ωｃｍ２未満の接触抵抗を有する、ｐ側電気接触層；上記ｐ型層及び上記キャリア基板の上記第２の表面のうちの一方の上に配置された、ｐ側反射層であって、上記ｐ側反射層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率を有する、上記ｐ側反射層；上記ｎ型層と電気的に接触した状態で配置された、ｎ側電気接触層であって、上記ｎ側電気接触層は１×１０－３Ωｃｍ２未満の接触抵抗を有する、ｎ側電気接触層；上記ｎ型層及び上記キャリア基板の上記第２の表面のうちの一方の上に配置された、ｎ側反射層であって、上記ｎ側反射層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率を有する、ｎ側反射層；並びに受光面であって、上記受光面は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長を有する、上記受光面にある角度で入射する光を、上記ｎ側反射層及び上記ｐ側反射層から少なくとも１回反射させるように位置合わせされる、受光面を含む、フォトダイオード構造体を提供できる。上記ｎ型層及び上記ｐ型層はそれぞれＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、ドーパント濃度が少なくとも１×１０１６ｃｍ－３である。上記キャリア基板は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの波長において略透明である。
【0011】
本開示の実施形態は更に：第１の表面、第２の表面、及び第３の表面を有する、基板；上記基板の上記第１の表面の上に配置された、ｎ型層及びｐ型層；上記ｎ型層と上記ｐ型層との間に配置された、１つ以上の吸収体層；上記ｐ型層の上に配置された、ｐ型電極層；上記基板の上記第２の表面の上に配置された、ｎ型電極層；並びに受光面を含む、フォトダイオード構造体を提供でき、上記第３の表面は上記受光面を備え、これを通して受光された光を、上記ｎ型電極層と上記ｐ型電極層との間で少なくとも１回反射させるよう構成される。上記ｎ型電極層は、その中に形成された開口のアレイを含み、また３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの波長において少なくとも７０％の平均反射率を有する。上記ｐ型電極層は、その中に形成された開口のアレイを含み、また３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの波長において少なくとも７０％の平均反射率を有する。上記１つ以上の吸収体層は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ材料（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、約１０９ｃｍ－２未満の転位密度を有する。上記ｎ型層及び上記ｐ型層はそれぞれＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ材料（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、少なくとも１×１０１６ｃｍ－３のドーパント濃度を有する。上記基板の上記第２の表面は上記第１の表面の反対側であり、上記基板の上記第３の表面は上記第１の表面及び上記第２の表面に対してある角度で位置合わせされており、上記基板は単結晶ＩＩＩ族金属窒化物であり、上記基板の上記第１の表面は、（０００１）＋ｃ面、｛１０－１０｝ｍ面、若しくは｛１１－２±２｝、｛６０－６±１｝、｛５０－５±１｝、｛４０－４±１｝、｛３０－３±１｝、｛５０－５±２｝、｛７０－７±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±２｝、｛４０－４±３｝、｛５０－５±４｝、｛１０－１±１｝、｛１０－１±２｝、｛１０－１±３｝のうちの１つから選択される半極性面の、５°以内の結晶方位を有するか、又は（０００－１）と２°～５°だけ異なる。
【0012】
本開示の実施形態は、ｎ型層とｐ型層との間に存在する１つ以上の吸収体層を備える、フォトダイオード構造体を含んでよく、上記吸収体層並びに上記ｎ型層及び上記ｐ型層はそれぞれ、ＡｌｘＩｎｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、また約１０９ｃｍ－２未満の転位密度を有し、上記ｎ型非吸収体層及び上記ｐ型非吸収体層は少なくとも１×１０１６ｃｍ－３のドーパント濃度を特徴とし、上記吸収体層は、約３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの波長を有する光の、効率的な電力変換のために構成され、上記構造体は、少なくとも１０Ａｃｍ－２の電流密度を生成する照明レベルの下で少なくとも５０％の曲線因子を特徴とする。
【0013】
本開示の上述の特徴を詳細に理解できるように、上で概説した本開示の更に詳細な説明を、実施形態を参照して得ることができる。これらの実施形態の一部は添付の図面に図示されている。しかしながら、添付の図面は例示的な実施形態のみを図示したものであるため、本開示の範囲を制限するものとみなしてはならず、他の同等に有効な実施形態を認めることができることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本開示のある実施形態に従って調製された窒化物系パワーフォトダイオード構造体を示す簡略図
【図2】本開示のある実施形態に従って調製された代替的な窒化物系パワーフォトダイオード構造体を示す簡略図
【図3】本開示のある実施形態に従って調製された別の代替的な窒化物系パワーフォトダイオード構造体を示す簡略図
【図4】本開示のある実施形態によるフォトダイオードに関する曲線因子の定義を示す簡略図
【図5】本開示の第１の比較用実施形態によるフォトダイオードの照明時電流‐電圧挙動（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ‐ｖｏｌｔａｇｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ）及び曲線因子を示す簡略図
【図6】本開示の第２の比較用実施形態によるフォトダイオードの照明時電流‐電圧挙動及び曲線因子を示す簡略図
【図7】本開示のある実施形態によるフォトダイオード構造体内の半導体層の概略図を示す簡略図
【図8A】本開示のある実施形態によるフォトダイオード構造体に関する、印加された電流の関数としての光電流を示す概略図
【図8B】本開示のある実施形態によるフォトダイオード構造体内の位置の関数としての局所的帯域構造を示す簡略図
【図9A】本開示のある実施形態によるフォトダイオード構造体に関する、印加された電流の関数としての光電流を示す概略図
【図9B】本開示のある実施形態によるフォトダイオード構造体内の位置の関数としての局所的帯域構造を示す簡略図
【図10A】本開示のある実施形態によるフォトダイオード構造体に関する、印加された電流の関数としての光電流を示す概略図
【図10B】本開示のある実施形態によるフォトダイオード構造体内の位置の関数としての局所的帯域構造を示す簡略図
【図11】本開示のある実施形態による照明時のフォトダイオード構造体に関する、印加された電流の関数としての光電流を示す概略図
【図12】本開示のある実施形態による照明時のフォトダイオード構造体に関する、印加された電流の関数としての光電流を示す概略図
【図13A】本開示のある実施形態に従って調製された別の代替的な窒化物系パワーフォトダイオード構造体を示す概略図
【図13B】本開示のある実施形態による窒化物系パワーフォトダイオード構造体から基板を取り外すための方法を示す概略図
【図13C】本開示のある実施形態による窒化物系パワーフォトダイオード構造体から基板を取り外すための方法を示す概略図
【図13D】本開示のある実施形態に従って調製された別の代替的な窒化物系パワーフォトダイオード構造体を示す概略図
【図14A】本開示のある実施形態に従って調製された代替的なフォトダイオード構造体を示す概略図
【図14B】本開示のある実施形態に従って調製された代替的なフォトダイオード構造体を示す概略図
【図15】本開示の１つ以上の実施形態によるＩｎＧａＮ／ＧａＮフォトダイオード構造体の照明時Ｉ‐Ｖ性能特性の表
【発明を実施するための形態】
【0015】
理解を容易にするために、可能な場合は同一の参照番号を使用して、複数の図面に共通している同一の要素を示した。ある１つの実施形態の要素及び特徴を、更なる説明なしに、他の実施形態に有益なものとして組み込むことができることが企図されている。
【0016】
本開示によると、ＩＩＩ族金属窒化物及びガリウム系基板をベースとする、パワーフォトダイオード構造体及びデバイスの製造及び応用に関連する技法が提供される。より具体的には、本開示の実施形態は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＡｌＩｎＧａＮのうちの１つ以上を含むフォトダイオードデバイス、構造体及びデバイスを製作するための技法を含む。このような構造体又はデバイスは、オプトエレクトロニクスデバイス、フォトダイオード、光ファイバ給電（ｐｏｗｅｒ‐ｏｖｅｒ‐ｆｉｂｅｒ）レシーバ等を含む多様な用途に使用できる。
【0017】
上述のように、レーザ及びフォトダイオードは、ＧａＡｓ材料系で比較的良好に開発されている。ヒ化物系と窒化物系との間の材料特性の重要な違いの１つは、ヒ化物の場合は、例えばＡｌＧａＡｓによって、格子定数に対する影響を最小限に抑えてバンドギャップを容易に変更できるものの、窒化物の場合はそうではないことである。窒化物吸収体層を組み込んだ従来のフォトダイオードパッケージアーキテクチャでは、入射光の大半を吸収するために、数百ナノメートルのオーダーの吸収体層の厚さが必要となる場合がある。吸収体層の吸収係数を１×１０５ｃｍ－１とすると、１回に吸収される光は、５０、１００、２００、３００、及び４００ｎｍの厚さに関してそれぞれおよそ３９％、６３％、８７％、９５％、及び９８％である。窒化物の場合、青色又は紫色光を効率的に吸収するために十分なインジウム（Ｉｎ）を含む上述のような厚さのＩｎＧａＮは、歪みが大きくなりすぎて、転位の生成による又は割れによる緩和を回避できない可能性がある。本発明らは、この問題を回避するためのアプローチを発見した。上記アプローチには、比較的薄い吸収体層を用いた場合であっても１００％に近い光吸収を達成するための、吸収体層を通る長い光路が関与する。更なる利点としては、優れた熱放散、グリッドシャドー損失がゼロであるか又は極めて低いこと、及び長い有効少数キャリア寿命が挙げられる。ここで有効少数キャリア寿命（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｉｎｏｒｉｔｙ ｃａｒｒｉｅｒ ｌｉｆｅｔｉｍｅ）には、吸収体層が放出した光子の再吸収として定義される光子リサイクルが含まれる。
【0018】
更に、エピタキシャル成長層の積層体等のフォトダイオード構造体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオード（ＬＤ）の構造に対して、類似点及び相違点の両方を有する。例えばＬＥＤ及びＬＤ構造体は共に、アクティブ領域からの電子の損失を最小限に抑えて、アクティブ領域内での放射性キャリアの再結合を促進するために、通常、ｐ型層内に電子ブロッキング層を含む。しかしながらこのような構造は、フォトダイオード構造体の直列抵抗を増大させる可能性があり、逆効果になる可能性がある。同様に、ＬＤ構造体は通常、クラッド層、光閉じ込め層、及び分離閉じ込めヘテロ構造（ｓｅｐａｒａｔｅ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＳＣＨ）層のうちの１つ以上を含み、これらはフォトダイオードの性能を損なう可能性がある。というのは、これらの設計は本出願とは異なる考慮事項に依拠しているためである。
【0019】
フォトダイオードのための効果的なエピタキシャル構造を設計するために、一般的にも、またアクティブ層がＩｎＧａＮ若しくはＧａ（Ｉｎ）Ｎを含むか又はＩｎＧａＮ若しくはＧａ（Ｉｎ）Ｎからなる特定の場合に関しても、高いレベルの活性層の光吸収及び高いレベルの少数キャリアの回収効率により、検出感度及び動作電流Ｉｍｐが上昇する。点欠陥、並びに転位積層欠陥等の拡張欠陥の両方の欠陥濃度が低いと、ショックレー・リード・ホール（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ‐Ｒｅａｄ‐Ｈａｌｌ）非放射性再結合が低減され、これにより、より高い動作電圧Ｖｍｐが得られる。また、欠陥の濃度が低いと、光が強い条件（即ち光パワー（ワット）が高い条件）下でのフォトダイオードの性能を改善することもできる。フォトダイオードの効率ηは、η＝Ｖｍｐ×Ｉｍｐ／Ｐｉｎとして記述でき、ここでＰｉｎは入力放射パワーである。
【0020】
フォトダイオードの効率ηを表現する別の方法は、図４に概略図で示されているように、η＝Ｖｏｃ×Ｉｓｃ×ＦＦ／Ｐｉｎであり、ここでＶｏｃは開回路電圧であり、Ｉｓｃは短絡電流であり、ＦＦは曲線因子である。半導体フォトダイオードの効率ηを表現する更に別の方法は、η＝（ｅＶｏｃ／Ｅｇ）×ＯＡ×ＩＱＥ×ＦＦ×Ｅｇ／（ｈν）であり、ここでｅは電子の電荷であり、Ｅｇは半導体のバンドギャップであり、ＯＡは光吸収（又は吸収体層に吸収された入射光子の割合）であり、ＩＱＥは、内部効率（回収される電子‐正孔ペアを生成する、吸収された光子の割合）であり、ｈはプランク定数であり、νは光子エネルギである。好ましい実施形態では、ＦＦは５０％超、６０％超、７０％超、８０％超、又は９０％超である。
【0021】
大半がＧａＮ・オン・サファイア構造を用いて製作される、はるかに低い光子フラックス用に設計された従来技術のフォトダイオードに対して、ＧａＮ・オン・ＧａＮ構造を含む本発明のフォトダイオードは、半導体層の組成及びドーピングの注意深い最適化、並びに多反射励起アーキテクチャと共に使用するための高反射能と、高電流密度における横方向のオーミック損失を最小限に抑えるための非常に低い接触抵抗とを備えた、大面積のｐ側及びｎ側電気接点による、高い変換効率を特徴とする。特定の実施形態では、本発明のフォトダイオード構造体は、図２に概略図で示されているように、照明が単一のレーザ又は複数のレーザによって提供されて、縁部を通って又はアパーチャを通って構造体に入射する用途のために設計される。特定の実施形態では、レーザ光は、フォトダイオード構造体の縁部に、又はフォトダイオード構造体に形成されたアパーチャに、光ファイバ、レンズ、又は導波路を用いて結合される。特定の実施形態では、本発明のフォトダイオード構造体には更に、はるかに低い転位密度が組み込まれ、これは、より高い電流のためのより長い少数キャリア拡散長に加えて、より高い開回路電圧及び曲線因子のためのより長い少数キャリア寿命を有する。更に本発明のデバイスは、より簡潔な設計及び直列抵抗の低減のための、垂直配向パワーデバイスにおける垂直輸送を可能にする導電性基板と、吸収体層の屈折率と非常に類似した屈折率を有し、光損失を最小化する透明基板とを含んでよい。特定の実施形態では、基板は非極性又は半極性結晶方位を有し、これにより、最適なデバイス性能のための偏光場の微調整が可能である。
【0022】
図１～３は、ＩＩＩ族金属窒化物系フォトダイオード構造体の簡略図を示す。図１を参照すると、基板１０１が提供される。特定の実施形態では、基板１０１は単結晶ＩＩＩ族金属窒化物、ガリウム含有窒化物、又は窒化ガリウムを含む。基板１０１は、ＨＶＰＥによって、アモノサーマル成長によって、又はフラックス法によって、成長させることができる。特定の実施形態では、基板１０１は、単結晶ＩＩＩ族金属窒化物層１１０４をサファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）若しくはケイ素等の材料からなるか又はこれらの材料を含むテンプレート基板１１０１の上に堆積又は成長させた、テンプレートである。代替実施形態では、テンプレート基板１１０１は、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、ケイ素‐ゲルマニウム合金、ＭｇＡｌ２Ｏ４スピネル、ＺｎＯ、ＺｒＢ２、ＢＰ、ＩｎＰ、ＡｌＯＮ、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＹＦｅＺｎＯ４、ＭｇＯ、Ｆｅ２ＮｉＯ４、ＬｉＧａ５Ｏ８、Ｎａ２ＭｏＯ４、Ｎａ２ＷＯ４、Ｉｎ２ＣｄＯ４、アルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ２）、ＬｉＧａＯ２、Ｃａ８Ｌａ２（ＰＯ４）６Ｏ２、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなってよく、又はこれらを含んでよい。基板１０１の大面積表面のうちの一方又は両方は、研磨及び／又は化学機械研磨されていてよい。基板１０１の大面積表面１０２は、（０００１）＋ｃ面、（０００－１）－ｃ面、｛１０－１０｝ｍ面、｛１１－２±２｝、｛６０－６±１｝、｛５０－５±１｝、｛４０－４±１｝、｛３０－３±１｝、｛５０－５±２｝、｛７０－７±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±２｝、｛４０－４±３｝、｛５０－５±４｝、｛１０－１±１｝、｛１０－１±２｝、｛１０－１±３｝、｛２１－３±１｝、又は｛３０－３±４｝の５°以内、２°以内、１°以内、又は０．５°以内の結晶方位を有してよい。面｛３０－３±４｝は、｛３０－３４｝面及び｛３０－３－４｝面を意味するものと理解される。表面１０２は、（ｈｋｉｌ）半極性方位を有し、ここでｉ＝－（ｈ＋ｋ）であり、ｌと、ｈ及びｋのうちの少なくとも一方とは、ゼロでない。特定の実施形態では、テンプレート基板１１０１はサファイアからなるか又はサファイアを含み、（０００１）、（１０－１０）、（１０－１２）、（２２－４３）、又は（１１－２３）の５°以内、２°以内、１°以内、又は０．５°以内の結晶方位を有する大面積表面を有する。特定の実施形態では、テンプレート基板１１０１はサファイアからなるか又はサファイアを含み、｛１１－２０｝ａ面に向かって、｛１０－１０｝ｍ面に向かって、又はａ面とｍ面との間の面に向かって、（０００１）から約０．５°～約８°、又は約２°～約４°だけ方位がずれている、大面積表面を有する。特定の実施形態では、テンプレート基板１１０１は、立方構造と、｛１１１｝、｛１００｝、｛１１０｝、又は｛１１４｝の５°以内、２°以内、１°以内、又は０．５°以内の結晶方位を有する大面積表面とを有する。他の方位も選択できる。
【0023】
表面１０２は、約０．２ミリメートル～約６００ミリメートルの最大寸法、及び約０．２ミリメートル～約６００ミリメートルの最小寸法を有してよく、基板１０１は、約１０マイクロメートル～約１０ミリメートル、又は約１００マイクロメートル～約２ミリメートルの厚さを有してよい。特定の実施形態では、基板１０１は略円形であり、１つ以上のオリエンテーション・フラット（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｌａｔ）を有する。代替実施形態では、基板１０１は略長方形である。特定の実施形態では、大面積表面１０２は、約５０ｍｍ、１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、２５０ｍｍ、又は３００ｍｍの最大寸法を有する。大面積表面１０２の結晶方位の変動は、約５°未満、約２°未満、約１°未満、約０．５°未満、約０．２°未満、約０．１°未満、又は約０．０５°未満であってよい。
【0024】
基板１０１は、約１０７ｃｍ－２未満、約１０６ｃｍ－２未満、約１０５ｃｍ－２未満、約１０４ｃｍ－２未満、約１０３ｃｍ－２未満、又は約１０２ｃｍ－２未満の表面貫通転位密度を有してよい。基板１０１は、約１０４ｃｍ－１未満、約１０３ｃｍ－１未満、約１０２ｃｍ－１未満、約１０ｃｍ－１未満、又は約１ｃｍ－１未満の積層欠陥密度を有してよい。基板１０１は、約５００ａｒｃｓｅｃ未満、約３００ａｒｃｓｅｃ未満、約２００ａｒｃｓｅｃ未満、約１００ａｒｃｓｅｃ未満、約５０ａｒｃｓｅｃ未満、約３５ａｒｃｓｅｃ未満、約２５ａｒｃｓｅｃ未満、又は約１５ａｒｃｓｅｃ未満の対称Ｘ線ロッキングカーブ半値全幅（ＦＷＨＭ）を有してよい。基板１０１は、少なくとも１つ又は少なくとも２つの独立した又は直交する方向において、０．１メートル超、１メートル超、１０メートル超、１００メートル超、又は１０００メートル超の結晶曲率半径を有してよい。ある具体的実施形態では、基板１０１は、約１０５ｃｍ－２未満の表面貫通転位密度、約１０ｃｍ－１未満の積層欠陥密度、及び約５０ａｒｃｓｅｃ未満の対称Ｘ線ロッキングカーブ半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する。大半の従来技術のフォトダイオードに比べて基板の転位密度が低減されることによって、フォトダイオードの半導体層の転位密度の低下、並びに高電流密度における、より高い開回路電圧Ｖｏｃ及びより高い効率が得られると期待される。
【0025】
いくつかの実施形態では、基板１０１は、貫通転位の濃度が比較的低い領域で隔てられた、貫通転位の濃度が比較的高い領域を含んでよい。比較的高濃度の領域における貫通転位の濃度は、約１０５ｃｍ－２超、約１０６ｃｍ－２超、約１０７ｃｍ－２超、又は約１０８ｃｍ－２超であってよい。比較的低濃度の領域における貫通転位の濃度は、約１０６ｃｍ－２未満、約１０５ｃｍ－２未満、又は約１０４ｃｍ－２未満であってよい。これと共に、又はこれとは別個に、基板１０１は、導電率が比較的低い領域で隔てられた、導電率が比較的高い領域を含んでよい。基板１０１は、約１０マイクロメートル～約１００ミリメートル、又は約０．１ミリメートル～約１０ミリメートルの厚さを有してよい。基板１０１は、少なくとも約５ミリメートル、少なくとも約１０ミリメートル、少なくとも約２５ミリメートル、少なくとも約５０ミリメートル、少なくとも約７５ミリメートル、少なくとも約１００ミリメートル、少なくとも約１５０ミリメートル、少なくとも約２００ミリメートル、少なくとも約３００ミリメートル、少なくとも約４００ミリメートル、又は少なくとも約６００ミリメートルの、直径を含む寸法を有してよい。ある具体的実施形態では、基板１０１は、約２５０マイクロメートル～約６００マイクロメートルの厚さ、約１５ミリメートル～約１６０ミリメートルの最大横方向寸法又は直径を有し、貫通転位の濃度が約１０４ｃｍ－２未満である領域を含む。
【0026】
基板１０１は、基板の残部、例えばテンプレート基板１１０１からの表面層１１０４の容易な分離のための離脱層１１０３を備えてよい。いくつかの実施形態では、離脱層１１０３は、テンプレート基板が略透明となって光吸収係数が５０ｃｍ－１未満となる少なくとも１つの波長において、１０００ｃｍ－１超の光吸収係数を有し、これにより、例えば少なくとも１つのデバイス構造体の製作後に、レーザリフトオフ技法によって基板を取り外すことができる。特定の実施形態では、離脱層１１０３は、Ｃｏで強くドープされてその光吸収係数が全可視スペクトルにわたって５０００ｃｍ－１超まで上昇したＧａＮを含むか、又はこれからなる。具体的な一実施形態では、厚さ０．５マイクロメートル～５０マイクロメートルのＣｏドープ離脱層１１０３は、鉱化剤への添加剤としてのＣｏＦ２と、高品質ＧａＮ種結晶からなるテンプレート１１０１とを用いて、テンプレート基板１１０１上にアモノサーマル成長によって形成される。別の具体的実施形態では、Ｃｏドープ離脱層１１０３は、シクロペンタジエニルコバルトジカルボニル（（Ｃ５Ｈ５）Ｃｏ（ＣＯ）２）、コバルト（ＩＩ）アセチルアセトネート（Ｃｏ（ＣＨ３Ｃ（Ｏ）ＣＨＣ（Ｏ）ＣＨ３）２）、コバルトトリカルボニルニトロシル（Ｃｏ（ＣＯ）３ＮＯ）、ジコバルトオクタカルボニル（Ｃｏ２（ＣＯ）８）、及びテトラコバルトドデカカルボニル（Ｃｏ４（ＣＯ）１２）のうちの少なくとも１つをドーパント前駆物質として使用して、高品質ＧａＮ基板１１０１上に、ＭＯＣＶＤによって形成される。更に別の具体的実施形態では、Ｃｏドープ離脱層１１０３は、シクロペンタジエニルコバルトジカルボニル（（Ｃ５Ｈ５）Ｃｏ（ＣＯ）２）、コバルト（ＩＩ）アセチルアセトネート（Ｃｏ（ＣＨ３Ｃ（Ｏ）ＣＨＣ（Ｏ）ＣＨ３）２）、コバルトトリカルボニルニトロシル（Ｃｏ（ＣＯ）３ＮＯ）、ジコバルトオクタカルボニル（Ｃｏ２（ＣＯ）８）、及びテトラコバルトドデカカルボニル（Ｃｏ４（ＣＯ）１２）のうちの少なくとも１つをドーパント前駆物質として使用して、高品質ＧａＮ基板１１０１上に、水素化物気相成長法（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ：ＨＶＰＥ）によって形成される。更なる詳細は米国特許第８，１４８，８０１号明細書に記載されており、上記文献は参照によりその全体が本出願に援用される。いくつかの実施形態では、離脱層１１０３はＩｎＧａＮを含み、以下で説明される吸収体層よりも低いバンドギャップを有し、これにより、例えば少なくとも１つのデバイス構造体の製作後に、光電気化学エッチング技法によって基板を取り外すことができる。ある具体的実施形態では、離脱層１１０３は、ＩｎＧａＮ及びＧａＮ又はＡｌＧａＮの歪み層超格子を含むか又はこれからなり、この歪み層超格子内のパーセント（％）インジウム（Ｉｎ）は吸収体層内よりも高く、またこの離脱層１１０３は高品質ＧａＮ基板１１０１上にＭＯＣＶＤによって成長させられる。ＩｎＧａＮ離脱層の更なる詳細は、米国特許第，８６６，１４９号明細書、及び米国特許出願公開第２０１９／００８８４９５号明細書に更に詳細に記載されており、これらの文献はそれぞれ、参照によりその全体が本出願に援用される。
【0027】
特定の実施形態では、基板１０１は、テンプレート基板１１０１の表面に結合した、又は上記表面上に形成された、ＩＩＩ族金属窒化物層１１０４からなる。ＩＩＩ族金属窒化物層１１０４はガリウムを含んでよい。ＩＩＩ族金属窒化物層は、ＨＶＰＥ、有機金属気相成長法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）等によって堆積させることができる。ＩＩＩ族金属窒化物層１１０４は、約１マイクロメートル～約１００マイクロメートル、約２マイクロメートル～約２５マイクロメートル、又は約３マイクロメートル～約１５マイクロメートルの厚さを有してよい。特定の実施形態では、ＩＩＩ族金属窒化物層１１０４は、ウルツ鉱結晶構造、及び（０００１）＋ｃ面、（０００－１）－ｃ面、｛１０－１０｝ｍ面、｛１１－２±２｝、｛６０－６±１｝、｛５０－５±１｝、｛４０－４±１｝、｛３０－３±１｝、｛５０－５±２｝、｛７０－７±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±２｝、｛４０－４±３｝、｛５０－５±４｝、｛１０－１±１｝、｛１０－１±２｝、｛１０－１±３｝、｛２１－３±１｝、又は｛３０－３±４｝の５°以内、２°以内、１°以内、又は０．５°以内の結晶方位を有する。特定の実施形態では、核形成層（図示せず）がテンプレート基板１１０１とＩＩＩ族金属窒化物層１１０４との間の境界に存在する。特定の実施形態では、上記核形成層は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、及び酸化亜鉛のうちの１つ以上からなるか、又はこれらを含む。特定の実施形態では、上記核形成層は、低温ＭＯＣＶＤ、スパッタリング、及び電子ビーム蒸着のうちの少なくとも１つによって、テンプレート基板１１０１上に堆積させられる。特定の実施形態では、上記核形成層は、約１ナノメートル～約２００ナノメートル、又は約１０ナノメートル～約５０ナノメートルの厚さを有する。特定の実施形態では、上記基板は更に、１つ以上の歪み管理層、例えばＡｌＧａＮ層又は歪み層超格子を含む。
【0028】
特定の実施形態では、表面１０２は、約１×１０１６ｃｍ－３超、約１×１０１７ｃｍ－３超、又は約１×１０１８ｃｍ－３超の、酸素（Ｏ）及び水素（Ｈ）のうちの少なくとも一方の原子不純物濃度を有する。特定の実施形態では、Ｏの原子不純物濃度に対するＨの原子不純物濃度の比は、約１．１～約１０００、又は約５～約１００である。特定の実施形態では、表面１０２は、約１×１０１５ｃｍ－３超、約１×１０１６ｃｍ－３超、約１×１０１７ｃｍ－３超、又は約１×１０１８ｃｍ－３超の、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、ホウ素（Ｂｒ）、及びヨウ素（Ｉ）のうちの少なくとも１つの不純物濃度を有する。特定の実施形態では、表面１０２は、較正済み二次イオン質量分析（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）によって定量化した場合にそれぞれ約１×１０１６ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３、約１×１０１６ｃｍ－３～２×１０１９ｃｍ－３、１×１０１７ｃｍ－３未満、１×１０１６ｃｍ－３未満、及び１×１０１６ｃｍ－３未満の、Ｏ、Ｈ、炭素（Ｃ）、Ｎａ、及びＫの不純物濃度を有する。別の実施形態では、表面１０２は、較正済み二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって定量化した場合にそれぞれ約１×１０１６ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３、約１×１０１６ｃｍ－３～２×１０１９ｃｍ－３、１×１０１７ｃｍ－３未満、及び約３×１０１５ｃｍ－３～１×１０１８ｃｍ－３の、Ｏ、Ｈ、Ｃ、並びにＮａ及びＫのうちの少なくとも一方の不純物濃度を有する。更に別の実施形態では、表面１０２は、較正済み二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって定量化した場合にそれぞれ約１×１０１６ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３、約１×１０１６ｃｍ－３～２×１０１９ｃｍ－３、１×１０１７ｃｍ－３未満、及び約１×１０１５ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３の、Ｏ、Ｈ、Ｃ、並びにＦ及びＣｌのうちの少なくとも一方の不純物濃度を有する。いくつかの実施形態では、表面１０２は較正済み二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって定量化した場合に約５×１０１７ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３の、Ｈの不純物濃度を有する。ある具体的実施形態では、基板１０１は、約３１７５ｃｍ－１において赤外線吸収ピークを有し、単位厚さあたりの吸光度は約０．０１ｃｍ－１超である。
【0029】
基板１０１は、いずれの立方体又は他の結晶構造を実質的に含まないウルツ鉱構造を特徴とすることができ、上記他の構造は、実質的にウルツ鉱である構造に対して、約０．１体積％未満である。
【0030】
基板１０１は、約２５マイクロメートル未満、約１０マイクロメートル未満、約５マイクロメートル未満、約２マイクロメートル未満、又は約１マイクロメートル未満の全体厚さ変動（ｔｏｔａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｖａｒｉａｔｉｏｎ：ＴＴＶ）、及び約２００マイクロメートル未満、約１００マイクロメートル未満、約５０マイクロメートル未満、約２５マイクロメートル未満、又は約１０マイクロメートル未満のマクロ屈曲（ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｂｏｗ）を特徴とすることができる。基板１０１は、約２ｃｍ－２未満、約１ｃｍ－２未満、約０．５ｃｍ－２未満、約０．２５ｃｍ－２未満、又は約０．１ｃｍ－２未満の、直径又は特性寸法が約１００マイクロメートル超である表面１０２上のマクロ欠陥の濃度を有してよい。基板１０１の大面積表面１０２にわたるミスカット角度の変動は、２つの直交する結晶学的方向それぞれにおいて約５°未満、約２°未満、約１°未満、約０．５°未満、約０．２°未満、約０．１°未満、約０．０５°未満、又は約０．０２５°未満であってよい。少なくとも１０μｍ×１０μｍの面積にわたって測定された表面１０２の２乗平均平方根表面粗度は、約０．５ナノメートル未満、約０．２ナノメートル未満、約０．１５ナノメートル未満、約０．１ナノメートル未満、又は約０．０５ナノメートル未満であってよい。基板１０１はｎ型導電率を特徴としてよく、ここでキャリア濃度は約１×１０１７ｃｍ－３～約３×１０１９ｃｍ－３であり、キャリア移動度は約１００ｃｍ２／Ｖ・ｓである。特定の実施形態では、基板１０１は透明度が高く、４０５ナノメートル又は４５０ナノメートルの波長における光吸収係数は、約１０ｃｍ－１未満、約５ｃｍ－１未満、約２ｃｍ－１未満、約１ｃｍ－１未満、約０．５ｃｍ－１未満、約０．２ｃｍ－１未満、又は約０．１ｃｍ－１未満である。
【0031】
特定の実施形態では、ＡｌｕＩｎｖＧａ１－ｕ－ｖＮ層（ただし０≦ｕ，ｖ，ｕ＋ｖ≦１）を含む１つ以上のｎ型の第１の非吸収体層１０５が、基板上に堆積させられる。特定の実施形態では、１つ以上の追加の層を堆積させることにより、全体的構造内の応力の管理を補助する。第１の非吸収体層１０５中のキャリア濃度は、約１０１６ｃｍ－３～１０２０ｃｍ－３であってよい。特定の実施形態では、ケイ素、ゲルマニウム、又は酸素が、第１の非吸収体層１０５中のドーパントである。特定の実施形態では、ゲルマニウムがｎ型ドーパントとして選択される。特定の実施形態では、第１の非吸収体層１０５中のキャリア濃度は、５×１０１７ｃｍ－３～１０２０ｃｍ－３又は２×１０１８ｃｍ－３～６×１０１９ｃｍ－３である。基板１０５が（０００１）＋ｃ面方位を有する場合、圧電場をより効果的にスクリーニングして効率的なキャリア回収を実施できるため、高いドーピングレベルが特に望ましいものとなり得る。第１の非吸収体層内の境界に、急激な又は段階的な組成又はドーピングプロファイルを組み込むことができる。堆積は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）を用いて実施できる。例えば上記基板を、ＭＯＣＶＤリアクタのサセプタ上に配置してよい。リアクタを閉じ、排気し、再充填した後、サセプタを窒素含有ガスの存在下で約８００～約１３５０℃の温度まで加熱してよい。ある具体的実施形態では、サセプタを、流動アンモニア下でおよそ１１８５℃まで加熱する。トリメチルガリウム（ｔｒｉｍｅｔｈｙｌ ｇａｌｌｉｕｍ：ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ｔｒｉｅｔｈｙｌ ｇａｌｌｉｕｍ：ＴＥＧ）、又はトリイソプロピルガリウムといったガリウム含有有機金属前駆物質の流れを、キャリアガス中で、合計流量およそ１～５０標準立方センチメートル／分（ｓｃｃｍ）で開始させてよい。キャリアガスは水素、ヘリウム、窒素、又はアルゴンを含んでよい。成長中のＩＩＩ族前駆物質（トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム）の流量に対するＶ族前駆物質（アンモニア）の流量の比は、約２０００～約１２０００である。合計流量が約０．１～１０ｓｃｃｍの、キャリアガス中のジシランの流れを開始させてよい。特定の実施形態では、ドーピングは、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４、ＧｅＨ４、ＧｅＣｌ４、Ｏ２、及びＨ２Ｏのうちの１つ以上を、流入するガスに添加することによって達成される。特定の実施形態では、１つ以上の非吸収体層は変成バッファ層であり、層間の格子定数の差の適合を容易にする。特定の実施形態では、第１の非吸収体層のドーピングレベルは、２つ以上のドーピングレベル及び／又は段階的なドーピングレベルを伴う不均一なものであってよい。特定の実施形態では、基板温度は第１の非吸収体層の堆積中に変動する。特定の実施形態では、基板温度は、第１の非吸収体層の第１の部分については、例えば１１００～１３５０℃という高い値に保持され、その後、第１の非吸収体層の第２の部分については、より低い値、例えば吸収体層の堆積時の温度と同一の温度、例えば約７００～約９５０℃へと低減される。特定の実施形態では、第１の非吸収体層の上記第２の部分の厚さは、約１ナノメートル～約２０ナノメートルである。
【0032】
所定の厚さを達成するための所定の期間にわたるｎ型の第１の非吸収体層１０５の堆積に続いて、吸収体層１０７を堆積させる。特定の実施形態では、上記吸収体層は、基板温度約７００～約９５０℃においてＭＯＣＶＤによって堆積させられる。ＭＯＣＶＤにおいてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）、及びトリイソプロピルインジウムのうちの少なくとも１つを前駆物質として使用することにより、インジウムを吸収体層に添加できる。上記吸収体層の堆積速度は、約０．００５～約１ナノメートル／秒、又は約０．０１～約０．５ナノメートル／秒、又は約０．０２～約０．２ナノメートル／秒となるように選択してよい。特定の実施形態では、上記吸収体層は意図せずドープされている。特定の実施形態では、上記吸収体層は、酸素、ケイ素、又はゲルマニウムをドーパントとして約５×１０１５ｃｍ－３～約５×１０１９ｃｍ－３、又は約５×１０１６ｃｍ－３～約５×１０１８ｃｍ－３のドーパント濃度で用いて、ｎ型ドープされる。特定の実施形態では、上記吸収体層は、Ｍｇをドーパントとして約５×１０１５ｃｍ－３～約５×１０１９ｃｍ－３、又は約５×１０１６ｃｍ－３～約５×１０１８ｃｍ－３のドーパント濃度で用いて、ｐ型ドープされる。上記吸収体層は、単一の量子井戸、又は２～５０個の量子井戸を含む複数の量子井戸を含んでよい。いくつかの実施形態では、上記吸収体層は約１０～約３０個の量子井戸を含む。量子井戸は、ＩｎＧａＮ井戸及びＧａＮバリア層を含んでよい。他の実施形態では、井戸層及びバリア層はそれぞれＡｌｗＩｎｘＧａ１－ｗ－ｘＮ及びＡｌｙＩｎｚＧａ１－ｙ－ｚＮ（ただし０≦ｗ，ｘ，ｙ，ｚ，ｗ＋ｘ，ｙ＋ｚ≦１、ｗ＜ｕ，ｙ及び／又はｘ＞ｖ，ｚ）を含み、これにより、１つ以上の井戸層のバンドギャップが、１つ以上のバリア層のバンドギャップ及び非吸収体層のバンドギャップ未満となる。井戸層及びバリア層はそれぞれ、約０．５ナノメートル～約２０ナノメートルの厚さを有してよい。特定の実施形態では、バリア層は、約１ナノメートル～約３ナノメートル、約３ナノメートル～約５ナノメートル、約５ナノメートル～１０ナノメートル、又は約１０ナノメートル～１５ナノメートルの厚さを有する。特定の実施形態では、井戸層は、０．５ナノメートル～約１．５ナノメートル、約１．５ナノメートル～約２．５ナノメートル、約２．５ナノメートル～約３．５ナノメートル、約３．５ナノメートル～約４．５ナノメートル、又は約４．５ナノメートル～約１０ナノメートルの厚さを有する。別の実施形態では、上記吸収体層は、厚さ約２０ｎｍ～約５００ｎｍのＩｎＧａＮ若しくはＡｌｗＩｎｘＧａ１－ｗ－ｘＮ層がＧａＮ若しくはＡｌｙＩｎｚＧａ１－ｙ－ｚＮ層に取り囲まれた（ただしｗ＜ｕ、ｙ及び／若しくはｘ＞ｖ、ｚ）、二重ヘテロ構造を含むか、又は上記二重ヘテロ構造からなる。特定の実施形態では、上記二重ヘテロ構造の厚さは、約１０ナノメートル～約２５ナノメートル、約２５ナノメートル～約４０ナノメートル、約４０ナノメートル～約６０ナノメートル、約６０ナノメートル～約１００ナノメートル、約１００ナノメートル～約２００ナノメートル、又は約２００ナノメートル超である。上記吸収体層内の境界に、急激な又は段階的な組成又はドーピングプロファイルを組み込むことができる。この活性層の組成及び構造は、事前に選択された波長における、例えば４０５ナノメートルにおける、又は４５０ナノメートルにける、光の吸収を提供するように選択される。特定の実施形態では、上記波長は約４００ナノメートル～約５００ナノメートルとなるように選択される。上記吸収体層は、フォトルミネッセンス分光法によって特性決定できる。特定の実施形態では、上記吸収体層の組成は、フォトルミネッセンススペクトルが、フォトダイオード構造体の所望の光吸収波長よりも５ナノメートル～５０ナノメートル又は１０ナノメートル～２５ナノメートルだけ長い波長のピークを有するように、選択される。特定の実施形態では、吸収体層内の品質及び層の厚さは、Ｘ線回折によって特性決定される。
【0033】
いくつかの実施形態では、１つ以上の追加の第２の非吸収体層１０９を次に堆積させる。第２の非吸収体層１０９はＡｌｓＩｎｔＧａ１－ｓ－ｔＮ（ただし０≦ｓ，ｔ，ｓ＋ｔ≦１）を含んでよく、吸収体層よりも高いバンドギャップを有し、ｐ型でドープされていてよい。ある具体的実施形態では、第２の非吸収体層１０９はＡｌＧａＮを含む。別の実施形態では、非吸収体層１０９はＡｌＧａＮ／ＧａＮ多重量子バリア（ｍｕｌｔｉ‐ｑｕａｎｔｕｍ ｂａｒｒｉｅｒ：ＭＱＢ）を含み、これは、厚さがそれぞれ約０．２ｎｍ～約５ｎｍの、ＡｌＧａＮ及びＧａＮの交互になった層を含む。特定の実施形態では、１つ以上の非吸収体層は変成バッファ層であり、層間の格子定数の差の適合を容易にする。上記第２の非吸収体層内の境界に、急激な又は段階的な組成又はドーピングプロファイルを組み込むことができる。いくつかの実施形態では、非吸収体層の光学的設計は、吸収体層を通って基板から伝送される光の約７０％超の光反射を達成するように微調整される。
【0034】
次にｐ型ドープＡｌｑＩｎｒＧａ１－ｑ－ｒＮ層１１１（ただし０≦ｑ，ｒ，ｑ＋ｒ≦１）を、吸収体層と、存在する場合は第２の非吸収体層との上に堆積させる。ｐ型層１１１は、約１０１６ｃｍ－３～１０２１ｃｍ－３のレベルまでＭｇでドープされていてよく、約５ナノメートル～約１マイクロメートル、約２０ナノメートル～約４００ナノメートル、又は約１００ナノメートル～約２５０ナノメートルの厚さを有してよい。特定の実施形態では、吸収体層に最も近いｐ型層中のＭｇの濃度は、１０１８ｃｍ－３～１０２１ｃｍ－３、３×１０１８ｃｍ－３～３×１０２０ｃｍ－３、又は１０１９ｃｍ－３～２×１０２０ｃｍ－３である。基板１０５が（０００１）＋ｃ面方位を有する場合、圧電場をより効果的にスクリーニングして効率的なキャリア回収を実施できるため、高いドーピングレベルが特に望ましいものとなり得る。ｐ型層の最も外側の１～３０ナノメートルは、層の残りの部分よりも強くドープされていてよく、これにより電気的接触を改善できる。特定の実施形態では、基板温度はｐ型ドープ層の堆積中に変動する。特定の実施形態では、基板温度は、ｐ型ドープ層の第１の部分については、低い値、例えば吸収体層の堆積時の温度と同一の温度、例えば約７００～約９５０℃に保持される。その後、ｐ型ドープ層の第２の部分について、基板温度をより高い温度、例えば約７５０～約１０００℃まで上昇させる。特定の実施形態では、ｐ型ドープ層の上記第１の部分の厚さは、約１ナノメートル～約２０ナノメートル、又は約２０ナノメートル～４０ナノメートルである。
【0035】
ある具体的実施形態では、トンネル接合及び別のｎ型層を、ｐ型層１１１の上に堆積させる。特定の実施形態では、１つ以上の追加の非吸収体層及び追加の吸収体層を、トンネル接合の上に堆積させる。
【0036】
ｎ型の第１の非吸収体層１０５、吸収体層１０７、１つ以上の任意のｐ型の第２の非吸収体層１０９、ｐ型層１１１を含み、また追加の吸収体層、１つ以上のｎ型クラッド層、及び１つ以上のｐ型クラッド層も含んでよい、複数の半導体層は、基板１０１の表面１０２の結晶方位の約２°以内、約１°以内、又は約０．５°以内までの同一の結晶方位を有し、極めて高い結晶品質を有し、窒素を含み、また１０９ｃｍ－２未満の表面転位密度を有してよい。上記半導体層は、１０８ｃｍ－２未満、１０７ｃｍ－２未満、１０６ｃｍ－２未満、１０５ｃｍ－２未満、１０４ｃｍ－２未満、１０３ｃｍ－２未満、又は１０２ｃｍ－２未満の表面転位密度を有してよい。いくつかの実施形態では、上記半導体層は略透明であり、約７００ｎｍ～約３０７７ｎｍの波長及び約３３３３ｎｍ～約６６６７ｎｍの波長において１００ｃｍ－１未満、５０ｃｍ－１未満、又は５ｃｍ－１未満の光吸収係数を有する。
【0037】
ある具体的実施形態では、上記半導体層はｍ面の５°以内の方位を有し、また上面の１－１００Ｘ線ロッキングカーブのＦＷＨＭは、３００ａｒｃｓｅｃ未満、１００ａｒｃｓｅｃ未満、又は５０ａｒｃｓｅｃ未満である。別の具体的実施形態では、上記半導体層はａ面の５°以内の方位を有し、また上面の１１－２０Ｘ線ロッキングカーブのＦＷＨＭは、３００ａｒｃｓｅｃ未満、１００ａｒｃｓｅｃ未満、又は５０ａｒｃｓｅｃ未満である。更に別の具体的実施形態では、上記半導体層は、｛１－１０±１｝、｛１－１０±２｝、｛１－１０±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±１｝、又は｛１１－２±２｝から選択される半極性方位の５°以内の方位を有し、また上面の最低次半極性対称Ｘ線ロッキングカーブのＦＷＨＭは、３００ａｒｃｓｅｃ未満、１００ａｒｃｓｅｃ未満、又は５０ａｒｃｓｅｃ未満である。別の具体的実施形態では、上記半導体層は（０００１）面の５°以内の方位を有し、また上面の０００２Ｘ線ロッキングカーブのＦＷＨＭは、３００ａｒｃｓｅｃ未満、１００ａｒｃｓｅｃ未満、又は５０ａｒｃｓｅｃ未満である。更に別の具体的実施形態では、上記半導体層は、（０００－１）ｃ面の１０°以内の方位を有し、また上面の０００２Ｘ線ロッキングカーブのＦＷＨＭは、３００ａｒｃｓｅｃ未満、１００ａｒｃｓｅｃ未満、又は５０ａｒｃｓｅｃ未満である。
【0038】
特定の実施形態では、プロセス開発の目的のために、上述の層のうちの１つ以上が欠けている構造を製造することが有用である場合がある。例えば、以下で説明されるような反射性ｐ側電気接点を改善又は最適化する目的で、ｐ型ＧａＮ層及び吸収体層を省略してもよい。吸収体層の電気的特性、光学特性、及び材料特性を改善又は最適化する目的で、ｐ側接触層及びｐ型層のうちの１つ以上を省略してもよい。
【0039】
上記半導体層の結晶方位、並びにドーピング及びバンドギャッププロファイルは、フォトダイオードの性能に大きな影響を及ぼし得る。ヘテロ構造を含む＋ｃ面ＧａＮ系デバイスに関して、ウルツ鉱結晶構造内のＧａ‐Ｎ結合の強い極性及び反転対称性の欠如を原因とする自発的な圧電的分極により、望ましくないデバイス性能につながり得る強力な電場が生成される可能性があることが公知である。本発明者らは、これらの電場が、特に高電流密度下においてフォトダイオード構造体の性能に悪影響を及ぼし得ることを発見し、またこれらの影響を克服するための複数のアプローチを特定し、本明細書で開示している。
【0040】
＋ｃ面基板、即ち結晶方位が（０００１）の５°以内、２°以内、１°以内、又は０．５°以内である基板の使用は、高出力フォトダイオード構造体及びフォトダイオードに関して、以下を含む複数の利点を有する：１）大面積のｅｐｉ‐ｒｅａｄｙ基板を備えた、より成熟した商業用サプライチェーン；２）十分に確立された、安定的なエピタキシャル成長条件；及び３）数桁に及ぶドーパント濃度の比較的容易な制御。しかしながら、以下の比較例で示されているように、比較的標準的なＬＥＤタイプの構造体を使用すると、高い曲線因子を有するフォトダイオードは実現できない場合がある。
【0041】
特定の実施形態では、＋ｃ面フォトダイオードの自発的な圧電場の有害な影響は、吸収体層のＩｎのパーセントが上昇するにつれて次第に深刻になるが、吸収体層のｎ側及びｐ側両方において高いドーピングレベルを使用することによって軽減される。高電流密度下でのフォトダイオードの性能に対する、バンドギャップアラインメント及び自発的な圧電場の影響を調査した。フォトダイオード性能の分析に使用した上記半導体層を、図７に概略図で示す。吸収体層７３０は、ｎ型ドープ層７１０とｐ型ドープ層７５０との間に位置決めされる。任意に、ｎ型クラッド層７２０がｎ型ドープ層７１０と吸収体層７３０との間に挿入される。任意に、ｐ型クラッド層７４０が吸収体層７３０とｐ型ドープ層７５０との間に挿入される。簡潔にするために、吸収体層７３０を厚さ４０ナノメートルの二重ヘテロ構造としてモデル化したが、吸収体層が多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなるか又はこれを含む場合にも、同様の効果が期待される。
【0042】
約４７３ナノメートル以下の波長を有する光の吸収に適した、Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎを含む１つ以上の層を含む吸収体層の場合、図８Ａに示されているように、吸収体層の第１の側部と接触したｎ型層のドーピングレベルが２．０×１０１９ｃｍ－３であり、かつ吸収体層の第２の側部と接触したｐ型層のドーピングレベルが２．０×１０１９ｃｍ－３であるとき、短絡電流及び曲線因子は極めて低い。この極めて低い性能は、図８Ｂに示されているように、ＩｎＧａＮとＧａＮとの間の極性の不連続及びバンドオフセットに関連する電場のスクリーニングの不良によるものと考えられる。しかしながら、吸収体層の第１の側部と接触したｎ型層のドーピングレベルを３．５×１０１９ｃｍ－３まで上昇させ、かつ吸収体層の第２の側部と接触したｐ型層のドーピングレベルを６．０×１０２０ｃｍ－３まで上昇させると、図９Ａに示されているように照明時Ｉ‐Ｖ性能ははるかに良好なものとなる。この大幅に改善された性能は、図９Ｂに示されているように、吸収体層内及びＧａＮ‐ＩｎＧａＮ境界の付近における電場のはるかに良好なスクリーニングによるものである。図１５に示された表に示されているように、曲線因子ＦＦの改善は、吸収体層と接触した両方の層のドーピングレベルを上昇させることで達成できる。特に、９０％を超える曲線因子は、ｎ型ドープ層を約３．５×１０１９ｃｍ－３以上の濃度でドープすることによって、及び約２．０×１０２０ｃｍ－３以上の濃度のｐ型層の活性化ドーピングレベルによって、達成できる。
【0043】
いくつかの実施形態では、フォトダイオード構造体は、ｎ型層、少なくとも１つの吸収体層、及びｐ型層を含み、これらはそれぞれ、１０７ｃｍ－２未満の貫通転位密度を有する。フォトダイオード構造体はまた、（０００－１）－ｃ面と２°～５°だけ異なる結晶方位を有する、１つ以上の吸収体層、ｎ型層、及びｐ型層を含んでもよい。フォトダイオード構造体はまた、｛１０－１０｝ｍ面の５°以内の結晶方位を有する、１つ以上の吸収体層、ｎ型層、及びｐ型層を含んでもよく、ｎ型層及びｐ型層はそれぞれ、少なくとも４×１０１８ｃｍ－３のドーパント濃度を特徴とする。フォトダイオード構造体はまた、｛１０－１－２｝、｛１０－１－１｝、｛２０－２－１｝、及び｛３０－３－１｝から選択される半極性平面の５°以内の結晶方位を有する、１つ以上の吸収体層、ｎ型層、及びｐ型層を含んでもよく、ｎ型層及びｐ型層はそれぞれ、少なくとも２×１０１８ｃｍ－３のドーパント濃度を特徴とする。
【0044】
図１５は、図７に概略図で示されている構造を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮフォトダイオード構造体の照明時Ｉ‐Ｖ性能特性を含む。簡潔にするために、吸収体層は厚さ４０ナノメートルの二重ヘテロ構造としてモデル化されている。
【0045】
約４３５ナノメートル以下の波長を有する光の吸収に適した、Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ｎを含む１つ以上の層を含む吸収体層の場合、吸収体層の第１の側部と接触したｎ型層のドーピングレベルが２．０×１０１９ｃｍ－３であり、かつ吸収体層の第２の側部と接触したｐ型層のドーピングレベルが８．０×１０１８ｃｍ－３であるとき、曲線因子は６０％未満となる。しかしながら、吸収体層の第２の側部と接触したｐ型層のドーピングレベルを２．０×１０１９ｃｍ－３まで上昇させると、曲線因子は略８０％まで上昇し、吸収体層の第２の側部と接触したｐ型層のドーピングレベルを１．０×１０２０ｃｍ－３まで更に上昇させると、曲線因子は約９３％まで上昇する。図１５の表の中の結果は、吸収体層に隣接するクラッド層のドーピングレベルを、ｐ型ドープ層のドーピングレベルに比べて低下させると、曲線因子が大幅に低下することを示している。この結果は重要である。というのは、ドープされていない吸収体層の堆積までは、完全なドーピングを達成することが困難となり、従って、９５０℃未満の温度で堆積させたドープされていない吸収体層から、かなり高い温度で堆積させた所望のドーピングレベルを有するｐ型ドープ層へと切り替えるとすぐに、ドーピングプロファイルに急峻な遷移が生じる可能性があるためである。しかしながら、これも図１５の表に示されているように、曲線因子ＦＦの改善は、吸収体層のｎ型側部及びｐ型側部のうちの一方又は両方の上にドープされたクラッド層を導入することによっても達成でき、これは、特に上記クラッド層が、吸収体層のインジウム濃度とｎ型ドープ層及び／又はｐ型ドープ層のインジウム濃度との中間のインジウム濃度を有する場合である。クラッド層の中間インジウム濃度は、均一であっても、連続的に傾斜していても、又は階段状に傾斜していてもよい。クラッド層は、歪み層超格子を含んでよい。いくつかの実施形態では、フォトダイオード構造体は、ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のうちの少なくとも一方を含み、ｎ型クラッド層はｎ型層と１つ以上の吸収体層との間にあり、ｎ型クラッド層は少なくとも２×１０１９ｃｍ－３のドーパント濃度を有し、またｐ型クラッド層は１つ以上の吸収体層とｐ型層との間にあり、ｐ型クラッド層は少なくとも５×１０１９ｃｍ－３のドーパント濃度を有する。
【0046】
特定の実施形態では、＋ｃ面フォトダイオードの自発的な圧電場の有害な影響は、（０００－１）の１０°以内、例えば６°以内、５°以内、４°以内、３°以内、２°以内、又は１°以内の結晶方位を有する－ｃ面基板の使用によって軽減される。特定の実施形態では、基板及び半導体層は（０００－１）と２°～５°だけ異なる結晶方位を有する。特定の実施形態では、基板及び半導体層は、（０００－１）から＜１０－１０＞ｍ方向に向かって方位がずれている。特定の実施形態では、基板及び半導体層は、（０００－１）から＜１１－２０＞ａ方向に向かって方位がずれている。図１５の表を再び参照すると、吸収体層のすぐ隣のｎ型ドープ層及びｐ型ドープ層における、１．０×１０１６ｃｍ－３、又は１．０×１０１７ｃｍ－３、又は１．０×１０１８ｃｍ－３のドーピング濃度は、吸収体層における１２％及び１８％のインジウム濃度の両方に関して高い曲線因子を達成するために十分なものであることが分かる。基板及び半導体層がそれぞれ－ｃ結晶方位を有する場合、ｎ型ドープ層及びｐ型ドープ層におけるドーピング濃度が１．０×１０１６ｃｍ－３～１．０×１０２０ｃｍ－３であれば、８％を超える曲線因子を達成できると考えられる。ある例では、フォトダイオード構造体は、少なくとも１０Ａｃｍ－２の電流密度を生成する照明レベルの下で少なくとも５０％の曲線因子を特徴とする。
【0047】
特定の実施形態では、＋ｃ面フォトダイオードの自発的な圧電場の有害な影響は、ｍ面基板、即ち方位が（１０－１０）の５°以内、２°以内、１°以内、又は０．５°以内である基板の使用によって軽減される。図１５の表を再び参照すると、吸収体層のすぐ隣のｎ型ドープ層及びｐ型ドープ層における、２．０×１０１９ｃｍ－３のドーピング濃度は、吸収体層における１２％及び１８％のインジウム濃度の両方に関して９０％を超える曲線因子を達成するために十分なものであることが分かる。
【0048】
特定の実施形態では、＋ｃ面フォトダイオードの自発的な圧電場の有害な影響は、｛２０－２－１｝又は｛３０－３－１｝の５°以内、２°以内、１°以内、又は０．５°以内の結晶方位を有する半極性基板の使用によって軽減される。図１５の表を再び参照すると、吸収体層のすぐ隣のｎ型ドープ層及びｐ型ドープ層における、８．０×１０１８ｃｍ－３のドーピング濃度は、吸収体層における１２％及び１８％のインジウム濃度の両方に関して約９０％を超える曲線因子を達成するために十分なものであることが分かる。
【0049】
特定の実施形態では、Ｎ極性又は半極性ＩｎＧａＮ層の炭素含有量を低減するために、従来のものに近いトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）ではなく、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）及びトリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）を有機金属前駆物質として使用する。例えば、半導体層の炭素含有量は、１×１０１８ｃｍ－３未満、又は１×１０１７ｃｍ－３未満であってよい。特定の実施形態では、水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）キャリアガスとの比、基板温度、及び圧力は、Ｎ極性半導体層に小さな隆起が形成されるのを最小限に抑えるために最適化される。
【0050】
特定の実施形態では、半導体層をアニーリングに供して、ｐ型ドーパントを電気的に活性化させる。特定の実施形態では、このアニーリングは、半導体層を堆積させるために使用されたＭＯＣＶＤリアクタ内においてその場で、例えばＮ２を流しながら約５００℃～約９００℃の温度まで、実施される。特定の実施形態では、炉内又は急速熱アニーリング（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＲＴＡ）オーブン内で、例えばＮ２を流しながら約４００℃～約９００℃の温度まで、実施される。特定の実施形態では、アニーリングプロセス中の雰囲気は、Ｏ２等の酸化ガスを含有してもよい。特定の実施形態では、アニーリング雰囲気中の上記酸化ガスの割合は、約５％～約９５％である。特定の実施形態では、アニーリングプロセスの持続時間は、約１秒～約５時間、又は約１０秒～約１時間である。特定の実施形態では、アニーリング後、半導体層の表面を清掃して、更なる堆積のための準備ができた状態にする。特定の実施形態では、この清掃は、塩酸、硝酸、若しくは王水といった鉱酸による処理、ピラニアエッチング、緩衝酸化物エッチング、ドライエッチング、又はアルゴンプラズマ等のプラズマによる処理のうちの１つ以上を含むか、あるいはこれらのうちの１つ以上からなる。
【0051】
特定の実施形態では、透明伝導層をｐ型半導体層上に堆積させる。特定の実施形態では、上記透明伝導層は、酸化インジウムスズ又はアルミニウム酸化亜鉛等の透明伝導性酸化物（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｏｘｉｄｅ：ＴＣＯ）を含む。特定の実施形態では、上記透明伝導層は、熱蒸着、電子ビーム蒸着、及びスパッタリングのうちの１つ以上によって堆積させられる。特定の実施形態では、堆積させたＴＣＯ層を、約３００～７００℃の酸素を含有する制御された雰囲気下でアニーリングして、ＴＣＯ層の光学特性／透明性と電気的特性とを同時に最適化する。特定の実施形態では、上記透明伝導層は約１０ナノメートル～約１０００ナノメートルの厚さを有する。
【0052】
本開示に記載されているフォトダイオード構造体は、多重反射性幾何学形状を有するパッケージ化されたフォトダイオードで使用するために設計されている。従って、上記構造体の前面及び背面の反射能を最大化することが重要となる。更に、フォトダイオードの効率を最大化するために、接点の電気抵抗を最小限に抑えることが重要となる。そこで図１を再び参照すると、反射性ｐ側電気接点１１３をｐ型半導体層１１１上に堆積させてよい。ある好ましい実施形態では、反射性ｐ側電気接点の平均反射能は、動作中の光のある特定の入射角又はある特定の範囲の入射角において、７０％超、８０％超、８５％超、又は９０％超である。一般に、本明細書中で使用される場合、用語「平均反射能（ａｖｅｒａｇｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）」は広義には、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルのある特定の波長における、またデバイスの動作中のある範囲の入射角の代表例となる、層の表面に対する１つ以上の角度における、ある表面上の少なくとも２つの反射率測定データ点を平均することによって算出された反射率値を指すことを意図している。フォトダイオード構造体の動作中、いくつかの実施形態では、光（又は光放射）は、フォトダイオード構造体の垂直な縁部又は略垂直な縁部に結合され、内部における反射層（例えば図２の反射ミラー層１１３又はｎ側電気接点１１４）に対する光の入射角は、反射層の平面から測定した場合に約０．１～約３０°、約０．２～約２０°、又は約０．３～約１０°である。ある例では、図２に示されている受光面２５２は、フォトダイオード構造体の垂直な縁部、又はフォトダイオード構造体内の垂直な平面として配向される。フォトダイオード構造体のいくつかの実施形態では、光は、フォトダイオード構造体の垂直でない縁部に結合され、内部における反射層に対する入射角は、反射層の平面から測定した場合に約０．１～約６０°、約０．２～約４０°、又は約０．３～約２０°である。フォトダイオード構造体の他の実施形態では、光はアパーチャを介して、フォトダイオード構造体の大面積表面に結合され、内部における反射層に対する入射角は、反射層の平面から測定した場合に約３０～９０°、約４５～９０°、又は約６０～９０°である。フォトダイオード構造体の更に他の実施形態では、光はアパーチャを介して、フォトダイオード構造体の大面積表面に結合されて、斜めの角度で内部反射し、内部における反射層に対する入射角は、反射層の平面から測定した場合に約０．１～約４５°、約０．３～約３０°、又は約０．５～約２０°である。反射性ｐ側電気接点の接触抵抗は、３×１０－３Ωｃｍ２未満、１×１０－３Ωｃｍ２未満、５×１０－４Ωｃｍ２未満、２×１０－４Ωｃｍ２未満、１０－４Ωｃｍ２未満、５×１０－５Ωｃｍ２未満、２×１０－５Ωｃｍ２未満、又は１０－５Ωｃｍ２未満である。好ましい実施形態では、接触抵抗は５×１０－５Ωｃｍ２未満である。反射性ｐ側電気接点は、銀、金、アルミニウム、ニッケル、白金、ロジウム、パラジウム、チタン、クロム、ゲルマニウム、ルテニウム、マグネシウム、スカンジウム等のうちの少なくとも１つを含んでよい。いくつかの実施形態では、反射性ｐ側電気接点は、少なくとも２つの層を含んでよく、又は少なくとも２つの層からなってよく、第１の層は、良好な電気接点を提供するものであり、白金、ニッケル、アルミニウム、又はチタンを含み、０．１～５ナノメートルの厚さを有し、また第２の層は、優れた光反射能を提供するものであり、銀、金、又はニッケルを含み、０．４ナノメートル～１マイクロメートルの厚さを有する。特定の実施形態では、反射性ｐ側接点は、少なくとも３つの層、少なくとも４つの層、若しくは少なくとも５つの層を含んでよく、又は少なくとも３つの層、少なくとも４つの層、若しくは少なくとも５つの層からなってよい。特定の実施形態では、反射性ｐ側接点は３つの層を含み、第１の層は銀を含み、厚さが約１ナノメートル～約２００ナノメートルであり、第２の層は適度な好酸素性を有する金属を含み、厚さが約０．５ナノメートル～約２ナノメートルであり、第３の層は銀を含み、厚さが約５０ナノメートル～約２００ナノメートルである。特定の実施形態では、適度な好酸素性を有する金属は、ニッケルを含むか又はニッケルからなる。特定の実施形態では、適度な好酸素性を有する金属は、銅、コバルト、鉄、及びマンガンのうちの１つ以上を含むか、又は銅、コバルト、鉄、及びマンガンのうちの１つ以上からなる。特定の実施形態では、反射性ｐ側電気接点を堆積させた後にアニーリングして、その反射能を改善し、及び／又はその接触抵抗を低減する。特定の実施形態では、このアニーリングはＲＴＡ炉内において約３００℃～約１０００℃の温度まで実施される。特定の実施形態では、反射性ｐ側接点を、約０．１Ｔｏｒｒ～約２００Ｔｏｒｒの分圧の酸素を含有する制御された雰囲気下で、約５００～約９００℃の温度までアニーリングすることにより、適度な好酸素性を有する金属と銀との間の相互拡散、及び反射性ｐ側接触層中への制御された濃度の酸素の導入を発生させる。好ましい実施形態では、酸素の分圧を約１０‐４Ｔｏｒｒ未満に低減した後、約２５０℃未満の温度に反射性ｐ側接点を冷却することにより、過剰な酸化銀の形成を回避する。特定の実施形態では、反射性ｐ側接点は酸素を、約１×１０２０ｃｍ－３～約７×１０２０ｃｍ－の最大局所濃度で含む。更なる詳細は、参照によりその全体が本出願に援用される米国特許第９，９１７，２２７号明細書に記載されている。反射性ｐ側電気接点は、熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング、又は別の好適な技法によって堆積させることができる。ある好ましい実施形態では、反射性電気接点は、パワーフォトダイオードのｐ側電極として機能する。特定の実施形態では、反射性ｐ側接点は平面であり、かつ半導体層に対して平行であり、これは、反射性ｐ側接点の反射能の最大化に役立ち得る。代替実施形態では、反射性ｐ側接点はパターン形成又はテクスチャ形成されており、これは、例えばアパーチャ内の光の入射又は抽出に役立ち得る。
【0053】
特定の実施形態では、特定の反射性表面の反射率の測定は、少なくとも２つの試料タイプを準備することによって実施でき、上記少なくとも２つの試料タイプの一方は反射性表面が無傷のままとされたものであり、もう一方は反射性表面が除去されたものである。これら両方の試料は、測定プローブ光は第１の表面を介して低反射率で結合され、測定対象の反射性表面に相当する第２の表面から反射及び屈折し、第３の表面を介して低内部反射率で結合されるように製作できる。いくつかの実施形態では、第１及び第３の表面での反射は、プローブ光の波長に対して微調整された誘電体反射防止コーティングの適用によって、最小限に抑えられる。第１及び第３の表面での反射は、光が略垂直に入射して第１及び第３の表面を通って伝送されるように試料を製作することによって、更に低減できる。反射性表面に相当する表面及び第３の表面から伝送される光パワーを、両方の試料タイプに関して測定し、これを用いて、当該技術分野で公知の方法に従って、反射性表面の反射率を算出する。
【0054】
特定の実施形態では、約７０％超の平均反射能を有する反射性ｎ側電気接点１１４を、基板１０１上に堆積させる。ある好ましい実施形態では、反射性ｎ側電気接点の平均反射能は、動作中の光のある特定の入射角又はある特定の範囲の入射角において、８０％超、８５％超、又は９０％超である。反射性ｎ側電気接点の接触抵抗は、３×１０－３Ωｃｍ２未満、１×１０－３Ωｃｍ２未満、５×１０－４Ωｃｍ２未満、２×１０－４Ωｃｍ２未満、１０‐４Ωｃｍ２未満、５×１０－５Ωｃｍ２未満、２×１０－５Ωｃｍ２未満、又は１０－５Ωｃｍ２未満である。好ましい実施形態では、接触抵抗は５×１０－５Ωｃｍ２未満である。反射性ｎ側電気接点は、銀、金、アルミニウム、ニッケル、白金、ロジウム、パラジウム、チタン、クロム等のうちの少なくとも１つを含んでよい。いくつかの実施形態では、反射性ｎ側電気接点は、少なくとも２つの層を含んでよく、又は少なくとも２つの層からなってよく、第１の層は、良好な電気接点を提供するものであり、アルミニウム又はチタンを含み、０．１～５ナノメートルの厚さを有し、また第２の層は、優れた光反射能を提供するものであり、アルミニウム、ニッケル、白金、金、又は銀を含み、１０ナノメートル～１０マイクロメートルの厚さを有する。特定の実施形態では、反射性ｎ側接点は、少なくとも３つの層、少なくとも４つの層、若しくは少なくとも５つの層を含んでよく、又は少なくとも３つの層、少なくとも４つの層、若しくは少なくとも５つの層からなってよく、これにより、反射能（最大化）、接触抵抗（最小化）、及び堅牢性（最大化）を同時に最適化できる。反射性ｎ側電気接点は、熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング、又は別の好適な技法によって堆積させることができる。ある特定の実施形態では、反射性ｎ側電気接点は、パワーフォトダイオードのｎ側電極として機能する。特定の実施形態では、反射性ｎ側接点は平面であり、かつ半導体層に対して平行であり、これは、反射性ｎ側接点の反射能の最大化に役立ち得る。代替実施形態では、反射性ｎ側接点はパターン形成又はテクスチャ形成されており、これは、例えばアパーチャ内の光の入射又は抽出に役立ち得る。
【0055】
特定の実施形態、特に反射性ｎ側接点がアルミニウムを含む実施形態では、反射性ｎ側接点の接触抵抗を低減するために、基板１０１の裏側を、塩素含有ガス又はプラズマを用いた反応性イオンエッチング（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）で処理する。ある具体的実施形態では、上記塩素含有ガス又はプラズマはＳｉＣｌ４を含む。特定の実施形態では、反応性ｎ側接点の接触抵抗を低減するために、更なる清掃ステップを実施する。特定の実施形態では、これらの更なる清掃ステップは、塩酸、硝酸、若しくは王水といった鉱酸による処理、緩衝酸化物エッチング、ドライエッチング、又はアルゴンプラズマ等のプラズマによる処理のうちの１つ以上を含むか、あるいはこれらのうちの１つ以上からなる。
【0056】
いくつかの実施形態では、図２に示されているように、反射性ｐ側電気接点は、不連続ｐ電極２１５及び反射ミラー層１１３を含む２要素ミラー／ｐ電極を備える。不連続ｐ電極２１５は電気接点として最適化され、例えば、ニッケル又は白金の厚さが約２０～２００ｎｍ、金の厚さが約１００ｎｍ～１マイクロメートルであるニッケル／金、又は白金／金積層体で作製できる。ある好適な実施形態では、不連続ｐ電極２１５は、１辺が約１マイクロメートル～０．１ｃｍのグリッド開口を有するグリッド電極である。反射ミラー層１１３は、銀、金、アルミニウム、白金、ロジウム、パラジウム、クロム等のうちの少なくとも１つを含んでよく、ｐ型層１１１上及びグリッドｐ電極２１５上に堆積させることができる。好ましくは、ミラー層は、相互拡散を低減するために、不連続ｐ電極の何らかのアニーリング処理後に堆積させられる。任意に、ニッケル、ロジウム、白金、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、レニウム、タングステン、モリブデン、ニオブ、タンタル、又はＭＣｘＮｙＯｚ（ここでＭは、アルミニウム、ホウ素、ケイ素、チタン、バナジウム、クロム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、又は希土類金属といった金属元素を含み、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ０～３である）等の拡散バリア層を、不連続ｐ電極２１５とミラー層１１３との間に配置する。動作電流密度が１０Ａ／ｃｍ２であり、ｐ型層に関してシート抵抗が４×１０５Ω／ｓｑであり、また電流がｐ型層からグリッド状の不連続ｐ電極接点２１５のみに伝導され、反射ミラー層１１３に直接伝導されないとすると、ｐ型層内での横方向の伝導を原因とするパワー損失の、算出される百分率は、２、５、及び１０マイクロメートルのグリッドの間隔に関して、それぞれおよそ０．６、３．６、及び１４．５％である。不連続ｐ電極２１５は、グリッド構成の代わりに、ドット、長方形、円等のアレイとして配設できる。ｐ電極アレイ素子２１５の間隔は、好ましくは約１マイクロメートル～０．１ｃｍである。反射性金属ｐ電極、又は反射ミラー層と不連続電極との組み合わせの使用により、ｐドープ層を通る長距離の横方向キャリア輸送を必要とすることなく、従ってデバイス内の横方向のオーミック損失及び直列抵抗を最小限に抑えながら、大面積のパワーフォトダイオードの製作が可能となる。不連続ｐ電極による寄生光吸収は、電極パターンを設計し、不連続ｐ電極パターンに入射する光が大幅に回避されるように光伝播経路を配向することによって、最小限に抑えることができる。
【0057】
フォトダイオード構造体は、ｐ型層の上に配置されたｐ側電気接触層を含んでよく、上記ｐ側電気接触層は、動作中の光のある特定の入射角又はある特定の範囲の入射角において、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの波長に関して少なくとも８０％の平均反射率と、１×１０－３Ωｃｍ２未満の接触抵抗とを有する。
【0058】
上述のように、本開示に記載されているフォトダイオード構造体は、多重反射性幾何学形状を有するパッケージ化されたフォトダイオードで使用するために設計されている。いくつかの実施形態では、動作中、パッケージ化されたフォトダイオードは、照明源２５１から１つ以上の波長の光を受け取るように構成される。照明源２５１は、レーザ又は他の有用な照射源を含んでよい。フォトダイオードのパワー効率を最適化するために、上記構造体の前面及び背面、並びに個片化後の個々のフォトダイオードダイの側部の反射能を最大化することが重要となる。更に、接点の電気抵抗を最小限に抑え、反射性接点構造体（例えば反射性ｐ側接点及び反射性ｎ側接点）に対するフォトダイオードの受光面２５２の配置を構成することが重要となる。図２を再び参照すると、例えば４０５ナノメートル又は４５０ナノメートルである所望の波長の光は、受光面２５２を含むアパーチャ（図示せず）を介してフォトダイオード構造体に入射し、基板１０１及び半導体層内を伝播２５３して、反射性ｐ側接点１１３及び反射性ｎ側接点１１４から、並びに縁部反射体（図示せず）から反射できる。受光面２５２は一般に、図２に概略図で示されているように、ｐ型反射性接点１１３とｎ型反射性接点１１４との間に配置されたフォトダイオードの領域に向かって照明源２５１から放出される放射を提供するように位置決め及び位置合わせされた、フォトダイオードデバイス（又はフォトダイオードダイ）の一部分を含む。いくつかの実施形態では、受光面２５２は、図２に概略図で示されているように、フォトダイオードデバイスの縁部上の領域を含んでよい。他の実施形態では、受光面２５２は、表面２５５及び２５６のうちの一方の上の開放領域を含んでよく、これらはそれぞれｐ型反射性接点１１３又はｎ型反射性接点１１４を形成するために使用された材料の一部を含まない。この構成では、上記開放領域は、照明源２５１から放出された照射を、ｐ型反射性接点１１３とｎ型反射性接点１１４との間に配置されたフォトダイオードの領域に入射させるよう設計される。いくつかの実施形態では、受光面２５２は、照明源２５１から送達された光をｐ型反射性接点１１３とｎ型反射性接点１１４との間で少なくとも１回反射するように、フォトダイオードデバイスに対して位置合わせされる。照明源２５１から送達される光は例えば、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長を有することができる。
【0059】
特定の実施形態では、これもまた図２に示されているように、反射性ｎ側電気接点は、不連続ｎ電極２１７及び反射ミラー層１１４を含む２要素ミラー／ｎ電極を備える。不連続ｎ電極２１７は電気接点として最適化され、例えば、チタンの厚さが約５～２００ｎｍ、アルミニウム又は金の厚さが約１００ｎｍ～１マイクロメートルであるチタン／アルミニウム、又はチタン／アルミニウム／金積層体で作製できる。ある好適な実施形態では、不連続ｎ電極２１７は、１辺が約１マイクロメートル～１センチメートルのグリッド開口を有するグリッド電極である。動作電流密度が１０Ａ／ｃｍ２であり、ｎ型ＧａＮ基板に関してシート抵抗が０．２７Ω／ｓｑであるとすると、基板内での横方向の伝導を原因とするパワー損失の、算出される百分率は、０．２、０．５、及び１ｃｍのグリッドの間隔に関して、それぞれおよそ０．４、２．５、及び９．８％である。特定の実施形態では、この構造体から作製された、個片化されたダイの側部のｎ側接点を、裏側のｎ側接点に加えて、又は裏側のｎ側接点の代わりに、追加する。特定の実施形態では、必要に応じて、ｎ型ドープ層又はｐ型ドープ層それぞれへのトレンチの形成後に、ｎ接点及びｐ接点をダイの同じ側に追加する。これらのトレンチは、当該技術分野で公知であるように、リソグラフィ及びドライ又はウェットエッチングによって形成できる。反射性ｎ側ミラー層１１４は、銀、金、アルミニウム、白金、ロジウム、パラジウム、クロム等のうちの少なくとも１つを含んでよく、基板１０１の裏側上及びグリッドｎ電極２１７上に堆積させることができる。好ましくは、ミラー層は、相互拡散を低減するために、不連続ｎ電極の何らかのアニーリング処理後に堆積させられる。任意に、ニッケル、ロジウム、白金、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、レニウム、タングステン、モリブデン、ニオブ、タンタル、又はＭＣｘＮｙＯｚ（ここでＭは、アルミニウム、ホウ素、ケイ素、チタン、バナジウム、クロム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、又は希土類金属といった金属元素を含み、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ０～３である）等の拡散バリア層を、不連続ｎ電極２１７とミラー層１１４との間に配置する。不連続ｎ電極２１７は、グリッド構成の代わりに、ドット、長方形、円等のアレイとして配設できる。ｎ電極アレイ素子２１７の間隔は、好ましくは約１マイクロメートル～０．１ｃｍである。反射性金属ｎ電極、及び反射ミラー層と不連続電極との組み合わせの使用により、基板１０１を通る長距離の横方向キャリア輸送を必要とすることなく（これは、透明性を最適化するために基板１０１のキャリア濃度が低い場合、又は基板１０１が極めて薄い、例えば約１００マイクロメートル未満、約５０マイクロメートル未満、若しくは約２５マイクロメートル未満である場合に、重要となり得る）、大面積のパワーフォトダイオードの製作が可能となる。不連続ｎ電極による寄生光吸収は、不連続ｎ電極パターンに入射する光が大幅に回避されるように電極パターン及び光伝播経路を設計することによって、最小限に抑えることができる。
【0060】
フォトダイオード構造体はｎ側電気接触層を含んでよく、上記ｎ側電気接触層は、動作中の光のある特定の入射角又はある特定の範囲の入射角において、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの波長に関して少なくとも８０％の平均反射率を有し、また５×１０－４Ωｃｍ２未満の接触抵抗を有する。
【0061】
いくつかの実施形態では、図３に示されているように、反射性ｐ側電気接点及び反射性ｎ側電気接点のうちの少なくとも一方は、半透明電流拡散層３２１を更に備える。半透明電流拡散層３２１は、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化ニッケル／金（ＮｉＯ／Ａｕ）、ＮｉＯ／Ａｇ、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ｐ型酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）等のうちの少なくとも１つを含んでよい。半透明電流拡散層３２１は、ｐ型ＧａＮ層１１１へ又は基板１０１への電気的接触、例えばオーミック又は準オーミック挙動を促進する。半透明電流拡散層３２１における光吸収を最小限に抑えるために、この層は、好ましくは約１ｎｍ～約１００ｎｍの厚さを有し、７０％を超える光透過率を有する。動作電流密度が１０Ａ／ｃｍ２であり、ｐ型層の上にある半透明電流拡散層３２１に関してシート抵抗が２５Ω／ｓｑであるとすると、電流拡散層での横方向の伝導を原因とするパワー損失の、算出される百分率は、０．０２、０．０５、及び０．１ｃｍのグリッドの間隔に関して、それぞれおよそ０．４、２．３、及び９．１％である。
【0062】
いくつかの実施形態では、透明誘電体３１９を、半透明電流拡散層３２１の一部分の上、並びにｐ側電気接点３１５の間、及び／又はｎ側電気接点３１７の間に配置する。上記透明誘電体は、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯｘＮｙ、Ａｌ２Ｏ３、及びＭｇＦ２のうちの少なくとも１つを含んでよい。透明誘電体３１９は、１／４波長の厚さであってよく、即ち空気中の入射光子波長の１／４を誘電体媒体の屈折率で除算したものにおおよそ等しい厚さを有してよい。例えば、フォトダイオード構造体が４０５ナノメートルの設計波長を有し、透明誘電体が屈折率およそ２．２８のＴａ２Ｏ５からなる場合、透明誘電体３１９の厚さは、約４０５／２．２８／４＝４４ナノメートルとして選択できる。透明誘電体３１９は開放領域を含み、そこにｐ側電気接点材料３１５又はｎ側電気接点材料３１７が配置される。ｐ側電気接点材料３１５及びｎ側電気接点材料３１７は、ニッケル（Ｎｉ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、チタン‐タングステン／金（Ｔｉ‐Ｗ／Ａｕ）のうちの少なくとも１つを含んでよい。ある好ましい実施形態では、ｐ側電気接点材料３１５及び／又はｎ側電気接点材料３１７は、透明誘電体上に延在しない。反射性ｐ側電気接点１１３は透明誘電体及び電気接点材料の上に配置され、様々なグリッド開口において電気接点材料３１５を電気的に相互接続する。反射性ｎ側電気接点１１４は透明誘電体及び電気接点材料の上に配置され、様々なグリッド開口において電気接点材料３１７を電気的に相互接続する。反射ミラー層１１３及び１１４はまた、透明誘電体３１９と協働して、デバイス内で光を反射させるための反射体を画定する。反射性金属接点の更なる変形例は、参照によりその全体が本出願に援用される米国特許第７，１１９，３７２号明細書に記載されている。
【0063】
別の一連の実施形態では、図１３Ａ及び１３Ｂに概略図で示されているように、半導体層は１つ以上のキャリア基板１３１３に転写され、テンプレート基板１１０１が除去される。図３に概略図で示されている構造体と比較すると、ｐ側電気接点は同様に半透明電流拡散層３２１及び不連続ｐ電極３１５を備えてよく、また半透明電流拡散層３２１の一部の上に配置された透明誘電体３１９を更に備えてよい。キャリア基板１３１３は、ｐ型層１１１、（存在する場合は）半透明電流拡散層３２１、（存在する場合は）不連続ｐ側電極３１５、及び（存在する場合は）透明誘電体３１９のうちの１つ以上に結合される。キャリア基板１３１３のこの結合は：接着剤を用いて；キャリア基板１３１３の第１の表面及びそれが結合させられることになる表面のうちの少なくとも一方の上に堆積させた１つ以上の接着層（図示せず）の間の熱圧縮結合を用いて；又は当該技術分野で公知の別の結合方法によって、達成できる。特定の実施形態では、キャリア基板１３１３及び接着層は、フォトダイオードに関する関心対象の波長、例えば３９０ナノメートル～４６０ナノメートルにおいて、透明である。特定の実施形態では、キャリア基板１３１３は、ガラス、透明セラミック、シリカガラス、ボロシリケートガラス、アルミノシリケートガラス、石英、サファイア、ＭｇＡｌ２Ｏ４スピネル、酸化亜鉛、及び酸窒化アルミニウムのうちの１つ以上を含むか、又はこれらからなる。接着層は、ＳｉＯｘ、ＧｅＯｘ、ＳｉＮｘ、ＡｌＮｘ、ＧａＯｘ、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、Ｒ２Ｏ３（Ｒは希土類元素である）、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｔｌ、及びＰｂのうちの少なくとも１つ、又はその酸化物、窒化物、若しくは酸窒化物を含んでよく、あるいはこれらからなってよい。接着層は、熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング、化学蒸着、プラズマ強化化学蒸着等によって、又は堆積させた金属フィルムの熱酸化によって、堆積させることができる。接着層の厚さは、約１ナノメートル～約１０マイクロメートル、又は約１０ナノメートル～約１マイクロメートルであってよい。１つ以上の接着層を、例えば約３００℃～約１０００℃の温度までアニーリングしてよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの接着層を化学機械研磨に供する。ある好ましい実施形態では、少なくとも１つの接着層の２乗平均平方根表面粗度は、２０×２０μｍ２の面積にわたって約０．５ナノメートル未満、又は約０．３ナノメートル未満である。特定の実施形態では、熱圧縮結合は、空気中に１立方センチメートルあたり１０，０００個未満、１，０００個未満、１００個未満、又は１０個未満の粒子を有する、クリーンルームで実施される。粒子は、ウェハ結合の直前に：スプレー；ブラッシング；又はイオン化された窒素、ＣＯ２ジェット、ＣＯ２スノー、抵抗率が高い水、有機溶媒（例えばメタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトン）等を用いたすすぎによって、上記表面のうちの少なくとも１つから除去できる。いくつかの実施形態では、対向する表面を、液体に浸漬しながら接触させる。任意に、上記表面のうちの少なくとも１つをプラズマに曝露して、ウェハ結合を強化する。熱圧縮結合プロセス中の対向する表面の間の圧力は、約０．１メガパスカル～約１００メガパスカルであってよく、約５分～約１０時間の期間にわたって温度を約３０℃～約９５０℃、約３０℃～約４００℃、又は約３０℃～約２００℃に維持してよい。
【0064】
ｐ側反射層１３１５を、キャリア基板１３１３の、フォトダイオード構造体から反対側の表面に堆積させる。ｐ側反射層１３１５は、銀、誘電体ミラー、及び分布Ｂｒａｇｇ反射器（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）のうちの１つ以上を含んでよく、又はこれらからなってよい。ｐ側反射層１３１５は、動作中の光のある特定の入射角又はある特定の範囲の入射角において、例えば３６０ナノメートル～４６０ナノメートルであるフォトダイオードの設計波長で約８０％超、約８５％超、約９０％超、又は約９５％超の反射能を有してよい。
【0065】
フォトダイオード構造体は、図１３Ｂに概略図で示されているように、レーザリフトオフ法によってテンプレート基板１１０１から分離できる。レーザビーム１３２１で、基板１０１の裏側全体を水平走査してよい。窒化物層１１０４をサファイア等のテンプレート基板１１０１上に堆積させる特定の実施形態では、紫外線レーザビームを窒化物１１０４とテンプレート基板１１０１との間の境界に集束させて、窒化物層１１０４の裏側の局所的な分解、及びＮ２のマイクロ又はナノ気泡の形成を引き起こすことができ、これにより、テンプレート基板１１０１を、フォトダイオード構造体の残りの部分から分離させることができる。窒化物層１１０４を、テンプレート基板１１０１の残りの部分が光吸収係数５０ｃｍ－１未満で実質的に透明となる少なくとも１つの波長において１０００ｃｍ－１超の光吸収係数を有する離脱層１１０３上に堆積させる、特定の実施形態では、離脱層１１０３が強力に吸収している波長を有するレーザビーム１３２１を離脱層１１０３上に集束させて、局所的分解及びＮ２のマイクロ又はナノ気泡の形成を引き起こすことができ、これにより、テンプレート基板１１０１を、フォトダイオード構造体の残りの部分から分離させることができる。高品質エピタキシャル層又は半導体構造に望ましくない損傷を引き起こさずに、境界を弱化させる最適な程度は、フォトダイオード構造体の温度、レーザ出力、レーザスポットサイズ、レーザパルス幅、及び／又はレーザパルス数を調整することで達成できる。分離をもたらすレーザのフルエンスは、３００～９００ミリジュール／平方センチメートル、又は約４００ｍＪ／ｃｍ２～約７５０ｍＪ／ｃｍ２であってよい。レーザビーム１３２１の均一性は、ビーム経路にビームホモジナイザを含めることによって改善でき、ビームサイズは約４ｍｍ×４ｍｍであってよい。いくつかの実施形態では、レーザビーム１３２１は、静止状態で保持されるのではなく、離脱層を走査又は水平走査する。分離は、分解によって生じる金属の融点より高い温度、例えばガリウム金属の場合は約３０℃より高い温度で実施してよい。
【0066】
あるいは図１３Ｃに概略図で示されているように、離脱層１１０３がＩｎＧａＮを含み、吸収体層のバンドギャップより小さなバンドギャップを有する場合には、光電気化学エッチングによってフォトダイオード構造体をテンプレート基板１１０１から分離できる。トレンチ１３２１は、隣接したキャリア基板１３１３の間に、各半導体層を通って離脱層１１０３に至るまで形成でき、これによってメサ（ｍｅｓａ）が形成される。トレンチ１３２１は、当該技術分野で公知であるように、従来のリソグラフィの後にドライエッチング又はウェットエッチングを行うことによって形成できる。次にフォトダイオード構造体を光電気化学エッチング液に浸漬し、離脱層１１０３が強力に吸収するが他の半導体層は吸収しない波長を有する光で照明する。特定の実施形態では、エッチング液は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、過硫酸カリウム（Ｋ２Ｓ２Ｏ８）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、エチレングリコール及び水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）のうちの１つ以上を含む。ＫＯＨは、０．０１～１０モル又は約０．１モル～約２モルの濃度を有してよい。特定の実施形態では、光源は、半導体層が強力に吸収する波長を除外するためのフィルタと結合された、水銀アークランプ、水銀キセノンランプ、タングステンランプ、又はＬＥＤ等の広帯域光源を含む。光源のフルエンスは約１Ｗ／ｃｍ２～約５０Ｗ／ｃｍ２であってよい。特定の実施形態では、フォトダイオード構造体はアノードに電気的に接続され、別個のカソードはエッチング液に浸漬され、電流が通過すると離脱層１１０３の溶解が引き起こされ、これはトレンチ１３２１の基部から始まって横方向に延伸する。他の実施形態では、光電気化学エッチングプロセスは無電解であり、離脱層の酸化及び溶解は、エッチング液中に存在するＫ２Ｓ２Ｏ８等の酸化剤によって推進される。所定の時間にわたるエッチングの後、離脱層１１０３は略溶解され、フォトダイオード構造体をテンプレート基板１１０１から容易に取り外すことができるようになる。
【0067】
テンプレート基板１１０１を取り外した後、図１３Ｄに概略図で示されているように、また上述したように、動作中の光のある特定の入射角又はある特定の範囲の入射角において約７０％超、約８０％超、又は約９０％超の反射能を有する反射性ｎ側電気接点１３１９を、窒化物層１１０４の新たに露出した裏側表面１３１７上に堆積させてよい。いくつかの実施形態では、反射性ｎ側接点１３１９の堆積の前に、湿式プロセス及び乾式プロセスのうちの１つ以上によって表面１３１７を清掃する。動作中、照明源２５１からの光はアパーチャ又は受光面１３５２を通過し、ビーム１３５３としてキャリア基板１３１３に入射し、ｐ側反射層１３１５と反射性ｎ側接点１３１９との間で複数回反射される。
【0068】
テンプレート基板の取り外し及びキャリア基板の結合の多様なプロセスが可能である。例えば、図１４Ａに概略図で示されているように、不透明の第１のキャリア基板１４１１を反射性ｐ側接触層１１３に結合させてよい。そしてテンプレート基板１１０１を取り外した後、図１４Ｂに概略図で示されているように、また上述したように、半透明電流拡散層３２１を、窒化物層１１０４の新たに露出した裏側表面１４１７上に堆積させてよい。半透明電流拡散層３２１は、ｎ型ＧａＮ層１１０４への電気的接触、例えばオーミック又は準オーミック挙動を促進する。いくつかの実施形態では、透明誘電体３１９は、半透明電流拡散層３２１の一部分の上、かつ不連続ｎ側電気接点３１７の間に配置される。次に、関心対象の波長において透明である第２のキャリア基板１４１３の第１の表面を、層３２１、３１７、及び／又は３１９に結合させてよい。その後、ｎ側反射層１４１４を第２のキャリア基板１４１３の第２の表面上に堆積させる。すると、照明源２５１からの光はアパーチャ又は受光面１４５２を通過し、ビーム１４５３としてキャリア基板１３１３に入射し、反射性ｐ側接触層１１３とｎ側反射層１４１４との間で複数回反射される。
【0069】
特定の実施形態では、フォトダイオード構造体を、個片化の前に特性決定してよい。例えば、透過率又は反射率等の光学特性を、光吸収分光法によって調査してよい。１つ以上の層の形態を、微分干渉顕微鏡（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＤＩＣＭ、若しくはＮｏｍａｒｓｋｉ）及び／又は原子間力顕微鏡によって特性決定してよい。１つ以上のエピタキシャル層のルミネッセンス特性を、フォトルミネッセンス分光法、フォトルミネッセンス顕微鏡、及びマイクロ蛍光のうちの１つ以上によって特性決定してよい。１つ以上の層の不純物濃度を、較正済み二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって特性決定してよい。１つ以上のエピタキシャル成長層の結晶化度を、ｘ線回折によって特性決定してよい。１つ以上の層の電気的特性を、ホール測定、ファンデルパウ測定、又は非接触抵抗率測定によって特性決定してよい。ｐ側及びｎ側接点のうちの１つ以上、並びに１つ以上の層の、接触抵抗及び直列抵抗を、伝送線測定（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ：ＴＬＭ）によって調査してよい。フォトダイオードの電気的特性及びパワー変換効率を、暗所での、又は様々な強度の従来の光源若しくはレーザ光源による照明下での電流‐電圧（Ｉ‐Ｖ）測定によって特性決定してよい。フォトダイオード構造体内での少数キャリアの回収を、量子効率測定によって定量化してよい。フォトダイオード構造体を、エレクトロルミネッセンス測定によって更に特性決定してよい。
【0070】
ウェハレベルの製作の後、個々のフォトダイオードダイを、例えばレーザスクライビング及び分割、レーザ切断、ダイのソーイング等によって分離してよい。結晶軸に対するスクライビング及び分割の方向を選択することにより、縁部の形態を制御できる。例えばｃ面は、平滑な分割面のためにｍ面に沿って分割してもよく、又はｍ面のファセットで構成された粗い分割面のためにａ面に沿って分割してもよい。
【実施例】
【0071】
本開示によって提供される実施形態を、以下の比較例及び例示的なプロセス例を参照して更に説明する。本開示の範囲から逸脱することなく、材料及び方法の両方に対する様々な変更を実施可能であることは、当業者には明らかであろう。
【0072】
比較例１
比較のポイントとして、＋ｃ面、ＧａＮ・オン・ＧａＮダイを、およそ４０５ナノメートルで発光する市販のＬＥＤから得て、フォトダイオードとして利用した。ＬＥＤ構造体は、ｐ型ＧａＮ層の下にあるＡｌＧａＮ電子ブロッキング層と、ＩｎＧａＮ井戸層及びＧａＮバリア層を備える多重量子井戸ＭＱＷ構造体とを含むと考えられる。ＬＥＤ構造体は、ＭＱＷ層のすぐ隣にある高ドープ層、又はドープされバンドギャップが低減された層を含まないと考えられる。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録した。結果を図５において「ＬＩＶ」曲線として示す。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．７４Ｖ、Ｅｇ＝３．０６ｅＶ、Ｉｓｃ＝２．６Ａ／ｃｍ２、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８９、及びＦＦ＝４６％として評価された。Ｖｏｃ及びＩｓｃの値は比較的良好であるように見えるが、曲線因子の値の低さは、デバイスの設計の改善が必要であることを示している。対照的に、比較的高い曲線因子を有する曲線が、比較のために図５に示されている。
比較のポイントとして、＋ｃ面、ＧａＮ・オン・ＧａＮダイを、およそ４０５ナノメートルで発光する市販のＬＥＤから得て、フォトダイオードとして利用した。ＬＥＤ構造体は、ｐ型ＧａＮ層の下にあるＡｌＧａＮ電子ブロッキング層と、ＩｎＧａＮ井戸層及びＧａＮバリア層を備える多重量子井戸ＭＱＷ構造体とを含むと考えられる。ＬＥＤ構造体は、ＭＱＷ層のすぐ隣にある高ドープ層、又はドープされバンドギャップが低減された層を含まないと考えられる。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録した。結果を図５において「ＬＩＶ」曲線として示す。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．７４Ｖ、Ｅｇ＝３．０６ｅＶ、Ｉｓｃ＝２．６Ａ／ｃｍ２、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８９、及びＦＦ＝４６％として評価された。Ｖｏｃ及びＩｓｃの値は比較的良好であるように見えるが、曲線因子の値の低さは、デバイスの設計の改善が必要であることを示している。対照的に、比較的高い曲線因子を有する曲線が、比較のために図５に示されている。
【0073】
比較例２
Ｓｉドーパントを２×１０１８ｃｍ－３の濃度で含有する５００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、Ｓｉドーパントを４×１０１８ｃｍ－３の濃度で含有する１００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた吸収体層と；これに続く、Ｍｇを１×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する９０ナノメートルのｐ型ドープ層と；これに続く、Ｍｇを１×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する１０ナノメートルのｐ＋型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００１）からおよそ０．４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させた。吸収体層は意図せずドープされており、７ナノメートルのＧａＮ層と、これに続く、交互になった合計１０層の４ナノメートルのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ井戸層及び７ナノメートルのＧａＮバリア層とからなっていた。上記構造を、およそ４４７ナノメートルのエレクトロルミネッセンスピークによって特性決定した。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録した。結果を図６に示す。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．３２Ｖ、Ｅｇ＝２．７７ｅＶ、Ｉｓｃ＝６．５×１０－３Ａ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８４、及びＦＦ＝３３％として評価された。Ｖｏｃ及びＩｓｃの値は比較的良好であるように見えるが、曲線因子の値の低さは、デバイスの設計の改善が必要であることを示している。
Ｓｉドーパントを２×１０１８ｃｍ－３の濃度で含有する５００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、Ｓｉドーパントを４×１０１８ｃｍ－３の濃度で含有する１００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた吸収体層と；これに続く、Ｍｇを１×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する９０ナノメートルのｐ型ドープ層と；これに続く、Ｍｇを１×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する１０ナノメートルのｐ＋型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００１）からおよそ０．４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させた。吸収体層は意図せずドープされており、７ナノメートルのＧａＮ層と、これに続く、交互になった合計１０層の４ナノメートルのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ井戸層及び７ナノメートルのＧａＮバリア層とからなっていた。上記構造を、およそ４４７ナノメートルのエレクトロルミネッセンスピークによって特性決定した。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録した。結果を図６に示す。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．３２Ｖ、Ｅｇ＝２．７７ｅＶ、Ｉｓｃ＝６．５×１０－３Ａ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８４、及びＦＦ＝３３％として評価された。Ｖｏｃ及びＩｓｃの値は比較的良好であるように見えるが、曲線因子の値の低さは、デバイスの設計の改善が必要であることを示している。
【0074】
比較例３
Ｓｉドーパントを２．０×１０１８ｃｍ－３の濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、Ｓｉドーパントを２×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する３０ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた吸収体層と；これに続く、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する５０ナノメートルのｐ型ドープ層と；これに続く、Ｍｇを１×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する１０ナノメートルのｐ＋型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００１）からおよそ０．４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させた。吸収体層は意図せずドープされており、４０ナノメートルの二重ヘテロ構造Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ層からなっていた。上記構造を、およそ４３５ナノメートルのエレクトロルミネッセンスピークによって特性決定した。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録した。結果を図１１に示す。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．４３Ｖ、Ｅｇ＝２．８５ｅＶ、Ｉｓｃ＝０．０１３Ａ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８５、及びＦＦ＝３８％として評価された。Ｖｏｃ及びＩｓｃの値は比較的良好であるように見えるが、曲線因子の値の低さは、デバイスの設計の改善が必要であることを示している。
Ｓｉドーパントを２．０×１０１８ｃｍ－３の濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、Ｓｉドーパントを２×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する３０ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた吸収体層と；これに続く、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する５０ナノメートルのｐ型ドープ層と；これに続く、Ｍｇを１×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する１０ナノメートルのｐ＋型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００１）からおよそ０．４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させた。吸収体層は意図せずドープされており、４０ナノメートルの二重ヘテロ構造Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ層からなっていた。上記構造を、およそ４３５ナノメートルのエレクトロルミネッセンスピークによって特性決定した。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録した。結果を図１１に示す。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．４３Ｖ、Ｅｇ＝２．８５ｅＶ、Ｉｓｃ＝０．０１３Ａ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８５、及びＦＦ＝３８％として評価された。Ｖｏｃ及びＩｓｃの値は比較的良好であるように見えるが、曲線因子の値の低さは、デバイスの設計の改善が必要であることを示している。
【0075】
比較例４
Ｓｉドーパントを２．０×１０１８ｃｍ－３の濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、Ｓｉドーパントを５．０×１０１７ｃｍ－３の濃度で含有する１００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた吸収体層と；これに続く、Ｍｇを２×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する５０ナノメートルのｐ型ドープ層と；これに続く、Ｍｇを１×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する１０ナノメートルのｐ＋型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００１）からおよそ０．４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させる。吸収体層は意図せずドープされており、４０ナノメートルの二重ヘテロ構造Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層からなる。上記構造を、およそ４７３ナノメートルのエレクトロルミネッセンスピークによって特性決定する。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録する。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．２０Ｖ、Ｅｇ＝２．６２ｅＶ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８４、及びＦＦ＝４５％として評価される。Ｖｏｃ値は比較的良好であるように見えるが、曲線因子の値の低さは、デバイスの設計の改善が必要であることを示している。
Ｓｉドーパントを２．０×１０１８ｃｍ－３の濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、Ｓｉドーパントを５．０×１０１７ｃｍ－３の濃度で含有する１００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた吸収体層と；これに続く、Ｍｇを２×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する５０ナノメートルのｐ型ドープ層と；これに続く、Ｍｇを１×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する１０ナノメートルのｐ＋型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００１）からおよそ０．４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させる。吸収体層は意図せずドープされており、４０ナノメートルの二重ヘテロ構造Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層からなる。上記構造を、およそ４７３ナノメートルのエレクトロルミネッセンスピークによって特性決定する。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録する。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．２０Ｖ、Ｅｇ＝２．６２ｅＶ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８４、及びＦＦ＝４５％として評価される。Ｖｏｃ値は比較的良好であるように見えるが、曲線因子の値の低さは、デバイスの設計の改善が必要であることを示している。
【0076】
実施例１
Ｓｉドーパントを２．０×１０１８ｃｍ－３の濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、Ｓｉドーパントを３．０×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する３０ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた吸収体層と；これに続く、Ｍｇを３×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する５０ナノメートルのｐ型ドープ層と；これに続く、Ｍｇを１×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する１０ナノメートルのｐ＋型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００１）からおよそ０．４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させる。吸収体層は意図せずドープされており、４０ナノメートルの二重ヘテロ構造Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ層からなる。上記構造を、およそ４３５ナノメートルのエレクトロルミネッセンスピークによって特性決定する。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録する。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．４３Ｖ、Ｅｇ＝２．８５ｅＶ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８５、及びＦＦ＝８５％として評価される。
Ｓｉドーパントを２．０×１０１８ｃｍ－３の濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、Ｓｉドーパントを３．０×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する３０ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた吸収体層と；これに続く、Ｍｇを３×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する５０ナノメートルのｐ型ドープ層と；これに続く、Ｍｇを１×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する１０ナノメートルのｐ＋型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００１）からおよそ０．４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させる。吸収体層は意図せずドープされており、４０ナノメートルの二重ヘテロ構造Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ層からなる。上記構造を、およそ４３５ナノメートルのエレクトロルミネッセンスピークによって特性決定する。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録する。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．４３Ｖ、Ｅｇ＝２．８５ｅＶ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８５、及びＦＦ＝８５％として評価される。
【0077】
実施例２
Ｓｉドーパントを２．０×１０１８ｃｍ－３の平均濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、Ｓｉを４．０×１０１９ｃｍ－３の平均濃度で含有する３０ｎｍのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた吸収体層と；これに続く、Ｍｇを２×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する５０ナノメートルのｐ型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００１）からおよそ０．４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させる。吸収体層は意図せずドープされており、４０ナノメートルの二重ヘテロ構造Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層からなる。上記構造を、およそ４７３ナノメートルのフォトルミネッセンスピークによって特性決定する。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録する。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．２０Ｖ、Ｅｇ＝２．６２ｅＶ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８４、及びＦＦ＝９１％として評価される。
Ｓｉドーパントを２．０×１０１８ｃｍ－３の平均濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、Ｓｉを４．０×１０１９ｃｍ－３の平均濃度で含有する３０ｎｍのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた吸収体層と；これに続く、Ｍｇを２×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する５０ナノメートルのｐ型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００１）からおよそ０．４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させる。吸収体層は意図せずドープされており、４０ナノメートルの二重ヘテロ構造Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層からなる。上記構造を、およそ４７３ナノメートルのフォトルミネッセンスピークによって特性決定する。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録する。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．２０Ｖ、Ｅｇ＝２．６２ｅＶ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８４、及びＦＦ＝９１％として評価される。
【0078】
実施例３
Ｓｉドーパントを２．０×１０１８ｃｍ－３の平均濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、Ｓｉを５．０×１０１７ｃｍ－３の平均濃度で含有する１００ｎｍのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、最初の組成がＧａＮであり、最後の組成がおよそＩｎ０．１８Ｇａ０．７２Ｎであり、Ｓｉドーパント濃度がおよそ５．０×１０１７ｃｍ－３であり、厚さおよそ６ｎｍ厚の、組成の勾配を有するＩｎＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた吸収体層と；これに続く、Ｍｇを２×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する５０ナノメートルのｐ型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００１）からおよそ０．４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させる。吸収体層は意図せずドープされており、４０ナノメートルの二重ヘテロ構造Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層からなる。上記構造を、およそ４７３ナノメートルのフォトルミネッセンスピークによって特性決定する。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録する。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．２０Ｖ、Ｅｇ＝２．６２ｅＶ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８４、及びＦＦ＝８５％として評価される。
Ｓｉドーパントを２．０×１０１８ｃｍ－３の平均濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、Ｓｉを５．０×１０１７ｃｍ－３の平均濃度で含有する１００ｎｍのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、最初の組成がＧａＮであり、最後の組成がおよそＩｎ０．１８Ｇａ０．７２Ｎであり、Ｓｉドーパント濃度がおよそ５．０×１０１７ｃｍ－３であり、厚さおよそ６ｎｍ厚の、組成の勾配を有するＩｎＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた吸収体層と；これに続く、Ｍｇを２×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する５０ナノメートルのｐ型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００１）からおよそ０．４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させる。吸収体層は意図せずドープされており、４０ナノメートルの二重ヘテロ構造Ｉｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層からなる。上記構造を、およそ４７３ナノメートルのフォトルミネッセンスピークによって特性決定する。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録する。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．２０Ｖ、Ｅｇ＝２．６２ｅＶ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８４、及びＦＦ＝８５％として評価される。
【0079】
実施例４
Ｓｉドーパントを３．５×１０１８ｃｍ－３の平均濃度で含有する３００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、ＩｎＧａＮ‐ＧａＮ歪み層超格子（ｓｔｒａｉｎｅｄ‐ｌａｙｅｒ‐ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ：ＳＬＳ）と；これに続く、最初の組成がおよそＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎであり、最後の組成がおよそＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎであり、Ｓｉドーパント濃度がおよそ４．０×１０１７ｃｍ－３であり、厚さおよそ６ｎｍ厚の、組成の勾配を有するＩｎＧａＮ層と；これに続く、３ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ井戸及び９ｎｍのＧａＮバリア層で構成され、Ｓｉドーパントをおよそ３×１０１７ｃｍ－３の濃度で含む、９周期多重量子井戸構造と；これに続く、Ｍｇをおよそ２×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する１００ナノメートルのｐ型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、窒化物エピタキシャル層の［０００１］の５°以内に対して垂直な基板表面を有するサファイア基板上で、成長させた。吸収体層は、９周期多重量子井戸構造からなっていた。上記構造を、およそ４５７ナノメートルのフォトルミネッセンスピークによって特性決定した。製作されたデバイスの逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録した。結果を図１２に示す。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．３４Ｖ、Ｅｇ＝２．７１ｅＶ、Ｉｓｃ＝０．０１１４Ａ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８６、及びＦＦ＝７８％として評価された。Ｖｏｃ、Ｉｓｃ、及びＦＦの値は比較的良好であるように見える。測定されたＦＦは、ｎ金属接点を電気的にプローブする方法によって生じる直列抵抗により、人為的に低くなっている。
Ｓｉドーパントを３．５×１０１８ｃｍ－３の平均濃度で含有する３００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、ＩｎＧａＮ‐ＧａＮ歪み層超格子（ｓｔｒａｉｎｅｄ‐ｌａｙｅｒ‐ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ：ＳＬＳ）と；これに続く、最初の組成がおよそＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎであり、最後の組成がおよそＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎであり、Ｓｉドーパント濃度がおよそ４．０×１０１７ｃｍ－３であり、厚さおよそ６ｎｍ厚の、組成の勾配を有するＩｎＧａＮ層と；これに続く、３ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ井戸及び９ｎｍのＧａＮバリア層で構成され、Ｓｉドーパントをおよそ３×１０１７ｃｍ－３の濃度で含む、９周期多重量子井戸構造と；これに続く、Ｍｇをおよそ２×１０２０ｃｍ－３の濃度で含有する１００ナノメートルのｐ型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、窒化物エピタキシャル層の［０００１］の５°以内に対して垂直な基板表面を有するサファイア基板上で、成長させた。吸収体層は、９周期多重量子井戸構造からなっていた。上記構造を、およそ４５７ナノメートルのフォトルミネッセンスピークによって特性決定した。製作されたデバイスの逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録した。結果を図１２に示す。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．３４Ｖ、Ｅｇ＝２．７１ｅＶ、Ｉｓｃ＝０．０１１４Ａ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８６、及びＦＦ＝７８％として評価された。Ｖｏｃ、Ｉｓｃ、及びＦＦの値は比較的良好であるように見える。測定されたＦＦは、ｎ金属接点を電気的にプローブする方法によって生じる直列抵抗により、人為的に低くなっている。
【0080】
実施例５
Ｓｉドーパントを１．０×１０１８ｃｍ－３の平均濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた、２ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ井戸及び４ｎｍのＧａＮバリア層で構成された２０周期多重量子井戸構造と；これに続く、Ｍｇをおよそ２×１０１８ｃｍ－３の濃度で含有する５０ナノメートルのｐ型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００－１）からおよそ４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させる。吸収体層は９周期多重量子井戸構造からなっていた。上記構造を、およそ４７０ナノメートルのフォトルミネッセンスピークによって特性決定する。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録する。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．２０Ｖ、Ｅｇ＝２．６３ｅＶ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８４、及びＦＦ＝８８％として評価される。
Ｓｉドーパントを１．０×１０１８ｃｍ－３の平均濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた、２ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ井戸及び４ｎｍのＧａＮバリア層で構成された２０周期多重量子井戸構造と；これに続く、Ｍｇをおよそ２×１０１８ｃｍ－３の濃度で含有する５０ナノメートルのｐ型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、［１０－１０］に向かって（０００－１）からおよそ４°だけミスカットされたバルクＧａＮ基板上に堆積させる。吸収体層は９周期多重量子井戸構造からなっていた。上記構造を、およそ４７０ナノメートルのフォトルミネッセンスピークによって特性決定する。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録する。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．２０Ｖ、Ｅｇ＝２．６３ｅＶ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８４、及びＦＦ＝８８％として評価される。
【0081】
実施例６
Ｓｉドーパントを５．０×１０１８ｃｍ－３の平均濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた、２ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ井戸及び４ｎｍのＧａＮバリア層で構成された２０周期多重量子井戸構造と；これに続く、Ｍｇをおよそ１×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する１００ナノメートルのｐ型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、（３０－３－１）の０．１°以内の結晶方位を有するバルクＧａＮ基板上に堆積させる。上記構造を、およそ４７０ナノメートルのフォトルミネッセンスピークによって特性決定する。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録する。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．２０Ｖ、Ｅｇ＝２．６３ｅＶ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８４、及びＦＦ＝８８％として評価される。
Ｓｉドーパントを５．０×１０１８ｃｍ－３の平均濃度で含有する１０００ナノメートルのｎ型ドープＧａＮ層と；これに続く、意図せずドープされた、２ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ井戸及び４ｎｍのＧａＮバリア層で構成された２０周期多重量子井戸構造と；これに続く、Ｍｇをおよそ１×１０１９ｃｍ－３の濃度で含有する１００ナノメートルのｐ型ドープ層とを含む、エピタキシャル構造を、（３０－３－１）の０．１°以内の結晶方位を有するバルクＧａＮ基板上に堆積させる。上記構造を、およそ４７０ナノメートルのフォトルミネッセンスピークによって特性決定する。逆電流‐電圧特性を、暗所条件下、及び市販の４０５ｎｍレーザダイオードによって照明が提供される明所条件下で記録する。測定された結果から、Ｖｏｃは、２．２０Ｖ、Ｅｇ＝２．６３ｅＶ、ｅＶｏｃ／Ｅｇ＝０．８４、及びＦＦ＝８８％として評価される。
【0082】
以上は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく、本開示の他の実施形態及び更なる実施形態を考案でき、その範囲は特許請求の範囲によって決定される。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
フォトダイオード構造体において：
第１の表面及び第２の表面を有する基板であって、
前記第２の表面は前記第１の表面の反対側であり、
前記基板は、単結晶ＩＩＩ族金属窒化物であり、
前記基板の前記第１の表面は、（０００１）＋ｃ面、｛１０－１０｝ｍ面、若しくは｛１１－２±２｝、｛６０－６±１｝、｛５０－５±１｝、｛４０－４±１｝、｛３０－３±１｝、｛５０－５±２｝、｛７０－７±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±２｝、｛４０－４±３｝、｛５０－５±４｝、｛１０－１±１｝、｛１０－１±２｝、｛１０－１±３｝のうちの１つから選択される半極性面の、５°以内の結晶方位を有するか、又は（０００－１）と２°～５°だけ異なる、基板；
前記基板の前記第１の表面上に配置されたｎ型層及びｐ型層であって、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれＡｌ ｘ Ｉｎ ｙ Ｇａ １－ｘ－ｙ Ｎ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、ドーパント濃度が少なくとも１×１０ １６ ｃｍ －３ である、ｎ型層及びｐ型層；
前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に配置された１つ以上の吸収体層であって、前記１つ以上の吸収体層は、Ａｌ ｘ Ｉｎ ｙ Ｇａ １－ｘ－ｙ Ｎ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、転位密度が約１０ ９ ｃｍ －２ 未満である、１つ以上の吸収体層；
前記ｐ型層上に配置されたｐ側電気接触層であって、前記ｐ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率と、３×１０ －３ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗とを有する、ｐ側電気接触層；
前記基板の前記第２の表面上に配置されたｎ側電気接触層であって、前記ｎ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率と、１×１０ －３ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗とを有する、ｎ側電気接触層；並びに
受光面であって、前記受光面は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長を有する、前記受光面にある角度で入射する光を、前記ｎ側電気接触層及び前記ｐ側電気接触層から少なくとも１回反射させるように位置合わせされる、受光面
を備える、フォトダイオード構造体。
実施形態２
前記フォトダイオード構造体は、少なくとも５０％の曲線因子を特徴とする、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態３
前記曲線因子は、少なくとも１０Ａｃｍ －２ の電流密度を生成する照明レベル下で達成される、実施形態２に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態４
前記曲線因子は少なくとも８０％である、実施形態２に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態５
前記曲線因子は少なくとも９０％である、実施形態４に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態６
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、（０００１）＋ｃ面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも１×１０ １９ ｃｍ －３ のドーパント濃度を特徴とする、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態７
ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のうちの少なくとも一方を更に備え、
前記ｎ型クラッド層は、前記ｎ型層と前記１つ以上の吸収体層との間にあり、前記ｎ型クラッド層は、少なくとも５×１０ １８ ｃｍ －３ のドーパント濃度を有し、
前記ｐ型クラッド層は、前記吸収体層と前記ｐ型層との間にあり、前記ｐ型クラッド層は、少なくとも１×１０ １９ ｃｍ －３ のドーパント濃度を有する、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態８
ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のうちの少なくとも一方を更に備え、
前記ｎ型クラッド層は、前記ｎ型層と前記１つ以上の吸収体層との間にあり、
前記ｐ型クラッド層は、前記吸収体層と前記ｐ型層との間にあり、
前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層のうちの前記少なくとも一方は、前記吸収体層のインジウム濃度と前記ｎ型層又は前記ｐ型層のインジウム濃度との間のインジウム濃度を特徴とする、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態９
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、（０００－１）－ｃ面とは２°～５°だけ異なる結晶方位を特徴とする、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１０
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、｛１０－１０｝ｍ面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも２×１０ １８ ｃｍ －３ のドーパント濃度を特徴とする、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１１
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、｛１０－１－２｝、｛１０－１－１｝、｛２０－２－１｝、及び｛３０－３－１｝から選択される半極性平面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも１×１０ １８ ｃｍ －３ のドーパント濃度を特徴とする、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１２
前記ｐ側電気接触層は前記ｐ型層上に配置され、前記ｐ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも８０％の平均反射率と、１×１０ －３ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗とを有する、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１３
前記ｎ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも８０％の平均反射率と、５×１０ －４ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗とを有する、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１４
前記ｎ型層、前記１つ以上の吸収体層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、１０ ７ ｃｍ －２ 未満の貫通転位密度を有する、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１５
前記ｎ型層、前記１つ以上の吸収体層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、１０ ６ ｃｍ －２ 未満の貫通転位密度を有する、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１６
フォトダイオード構造体であって：
１つ以上の吸収体層であって、前記１つ以上の吸収体層は、Ａｌ ｘ Ｉｎ ｙ Ｇａ １－ｘ－ｙ Ｎ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含む、１つ以上の吸収体層；
ｎ型層及びｐ型層であって、
前記１つ以上の吸収体層は前記ｎ型層の上に配置され、
前記ｐ型層は前記１つ以上の吸収体層の上に配置され、
前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれＡｌ ｘ Ｉｎ ｙ Ｇａ １－ｘ－ｙ Ｎ、（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、少なくとも１×１０ １６ ｃｍ －３ のドーパント濃度を有する、ｎ型層及びｐ型層；
第１の表面及び第２の表面を有するキャリア基板であって、
前記キャリア基板の前記第１の表面は、前記ｐ型層の上又は前記ｎ型層の下に配置され、
前記キャリア基板は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの波長において略透明である、キャリア基板；
前記ｐ型層と電気的に接触した状態で配置されたｐ側電気接触層であって、前記ｐ側電気接触層は３×１０ －３ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗を有する、ｐ側電気接触層；
前記ｐ型層及び前記キャリア基板の前記第２の表面のうちの一方の上に配置された、ｐ側反射層であって、前記ｐ側反射層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率を有する、前記ｐ側反射層；
前記ｎ型層と電気的に接触した状態で配置された、ｎ側電気接触層であって、前記ｎ側電気接触層は１×１０ －３ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗を有する、ｎ側電気接触層；
前記ｎ側層及び前記キャリア基板の前記第２の表面のうちの一方の上に配置された、ｎ側反射層であって、前記ｎ側反射層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率を有する、ｎ側反射層；並びに
受光面であって、前記受光面は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長を有する、前記受光面にある角度で入射する光を、前記ｎ側反射層及び前記ｐ側反射層から少なくとも１回反射させるように位置合わせされる、受光面
を備える、フォトダイオード構造体。
実施形態１７
前記フォトダイオード構造体は、少なくとも５０％の曲線因子を特徴とする、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１８
前記曲線因子は、少なくとも１０Ａｃｍ －２ の電流密度を生成する照明レベル下で達成される、実施形態１７に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１９
前記曲線因子は少なくとも８０％である、実施形態１７に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２０
前記曲線因子は少なくとも９０％である、実施形態１９に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２１
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、（０００１）＋ｃ面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも１×１０ １９ ｃｍ －３ のドーパント濃度を特徴とする、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２２
ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のうちの少なくとも一方を更に備え、
前記ｎ型クラッド層は、前記ｎ型層と前記１つ以上の吸収体層との間にあり、前記ｎ型クラッド層は、少なくとも５×１０ １８ ｃｍ －３ のドーパント濃度を有し、
前記ｐ型クラッド層は、前記吸収体層と前記ｐ型層との間にあり、前記ｐ型クラッド層は、少なくとも１×１０ １９ ｃｍ －３ のドーパント濃度を有する、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２３
ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のうちの少なくとも一方を更に備え、
前記ｎ型クラッド層は、前記ｎ型層と前記１つ以上の吸収体層との間にあり、
前記ｐ型クラッド層は、前記吸収体層と前記ｐ型層との間にあり、
前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層のうちの前記少なくとも一方は、前記吸収体層のインジウム濃度と前記ｎ型層又は前記ｐ型層のインジウム濃度との間のインジウム濃度を特徴とする、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２４
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、（０００－１）－ｃ面とは２°～５°だけ異なる結晶方位を特徴とする、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２５
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、｛１０－１０｝ｍ面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも２×１０ １８ ｃｍ －３ のドーパント濃度を特徴とする、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２６
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、｛１０－１－２｝、｛１０－１－１｝、｛２０－２－１｝、及び｛３０－３－１｝から選択される半極性平面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも１×１０ １８ ｃｍ －３ のドーパント濃度を特徴とする、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２７
前記ｐ側電気接触層は前記ｐ型層上に配置され、前記ｐ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも８０％の平均反射率と、１×１０ －３ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗とを有する、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２８
前記ｎ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも８０％の平均反射率と、５×１０ －４ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗とを有する、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
フォトダイオード構造体において：
第１の表面及び第２の表面を有する基板であって、
前記第２の表面は前記第１の表面の反対側であり、
前記基板は、単結晶ＩＩＩ族金属窒化物であり、
前記基板の前記第１の表面は、（０００１）＋ｃ面、｛１０－１０｝ｍ面、若しくは｛１１－２±２｝、｛６０－６±１｝、｛５０－５±１｝、｛４０－４±１｝、｛３０－３±１｝、｛５０－５±２｝、｛７０－７±３｝、｛２０－２±１｝、｛３０－３±２｝、｛４０－４±３｝、｛５０－５±４｝、｛１０－１±１｝、｛１０－１±２｝、｛１０－１±３｝のうちの１つから選択される半極性面の、５°以内の結晶方位を有するか、又は（０００－１）と２°～５°だけ異なる、基板；
前記基板の前記第１の表面上に配置されたｎ型層及びｐ型層であって、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれＡｌ ｘ Ｉｎ ｙ Ｇａ １－ｘ－ｙ Ｎ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、ドーパント濃度が少なくとも１×１０ １６ ｃｍ －３ である、ｎ型層及びｐ型層；
前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に配置された１つ以上の吸収体層であって、前記１つ以上の吸収体層は、Ａｌ ｘ Ｉｎ ｙ Ｇａ １－ｘ－ｙ Ｎ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、転位密度が約１０ ９ ｃｍ －２ 未満である、１つ以上の吸収体層；
前記ｐ型層上に配置されたｐ側電気接触層であって、前記ｐ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率と、３×１０ －３ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗とを有する、ｐ側電気接触層；
前記基板の前記第２の表面上に配置されたｎ側電気接触層であって、前記ｎ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率と、１×１０ －３ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗とを有する、ｎ側電気接触層；並びに
受光面であって、前記受光面は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長を有する、前記受光面にある角度で入射する光を、前記ｎ側電気接触層及び前記ｐ側電気接触層から少なくとも１回反射させるように位置合わせされる、受光面
を備える、フォトダイオード構造体。
実施形態２
前記フォトダイオード構造体は、少なくとも５０％の曲線因子を特徴とする、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態３
前記曲線因子は、少なくとも１０Ａｃｍ －２ の電流密度を生成する照明レベル下で達成される、実施形態２に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態４
前記曲線因子は少なくとも８０％である、実施形態２に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態５
前記曲線因子は少なくとも９０％である、実施形態４に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態６
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、（０００１）＋ｃ面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも１×１０ １９ ｃｍ －３ のドーパント濃度を特徴とする、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態７
ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のうちの少なくとも一方を更に備え、
前記ｎ型クラッド層は、前記ｎ型層と前記１つ以上の吸収体層との間にあり、前記ｎ型クラッド層は、少なくとも５×１０ １８ ｃｍ －３ のドーパント濃度を有し、
前記ｐ型クラッド層は、前記吸収体層と前記ｐ型層との間にあり、前記ｐ型クラッド層は、少なくとも１×１０ １９ ｃｍ －３ のドーパント濃度を有する、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態８
ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のうちの少なくとも一方を更に備え、
前記ｎ型クラッド層は、前記ｎ型層と前記１つ以上の吸収体層との間にあり、
前記ｐ型クラッド層は、前記吸収体層と前記ｐ型層との間にあり、
前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層のうちの前記少なくとも一方は、前記吸収体層のインジウム濃度と前記ｎ型層又は前記ｐ型層のインジウム濃度との間のインジウム濃度を特徴とする、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態９
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、（０００－１）－ｃ面とは２°～５°だけ異なる結晶方位を特徴とする、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１０
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、｛１０－１０｝ｍ面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも２×１０ １８ ｃｍ －３ のドーパント濃度を特徴とする、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１１
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、｛１０－１－２｝、｛１０－１－１｝、｛２０－２－１｝、及び｛３０－３－１｝から選択される半極性平面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも１×１０ １８ ｃｍ －３ のドーパント濃度を特徴とする、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１２
前記ｐ側電気接触層は前記ｐ型層上に配置され、前記ｐ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも８０％の平均反射率と、１×１０ －３ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗とを有する、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１３
前記ｎ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも８０％の平均反射率と、５×１０ －４ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗とを有する、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１４
前記ｎ型層、前記１つ以上の吸収体層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、１０ ７ ｃｍ －２ 未満の貫通転位密度を有する、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１５
前記ｎ型層、前記１つ以上の吸収体層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、１０ ６ ｃｍ －２ 未満の貫通転位密度を有する、実施形態１に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１６
フォトダイオード構造体であって：
１つ以上の吸収体層であって、前記１つ以上の吸収体層は、Ａｌ ｘ Ｉｎ ｙ Ｇａ １－ｘ－ｙ Ｎ（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含む、１つ以上の吸収体層；
ｎ型層及びｐ型層であって、
前記１つ以上の吸収体層は前記ｎ型層の上に配置され、
前記ｐ型層は前記１つ以上の吸収体層の上に配置され、
前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれＡｌ ｘ Ｉｎ ｙ Ｇａ １－ｘ－ｙ Ｎ、（ただし０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１）を含み、少なくとも１×１０ １６ ｃｍ －３ のドーパント濃度を有する、ｎ型層及びｐ型層；
第１の表面及び第２の表面を有するキャリア基板であって、
前記キャリア基板の前記第１の表面は、前記ｐ型層の上又は前記ｎ型層の下に配置され、
前記キャリア基板は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの波長において略透明である、キャリア基板；
前記ｐ型層と電気的に接触した状態で配置されたｐ側電気接触層であって、前記ｐ側電気接触層は３×１０ －３ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗を有する、ｐ側電気接触層；
前記ｐ型層及び前記キャリア基板の前記第２の表面のうちの一方の上に配置された、ｐ側反射層であって、前記ｐ側反射層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率を有する、前記ｐ側反射層；
前記ｎ型層と電気的に接触した状態で配置された、ｎ側電気接触層であって、前記ｎ側電気接触層は１×１０ －３ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗を有する、ｎ側電気接触層；
前記ｎ側層及び前記キャリア基板の前記第２の表面のうちの一方の上に配置された、ｎ側反射層であって、前記ｎ側反射層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも７０％の平均反射率を有する、ｎ側反射層；並びに
受光面であって、前記受光面は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長を有する、前記受光面にある角度で入射する光を、前記ｎ側反射層及び前記ｐ側反射層から少なくとも１回反射させるように位置合わせされる、受光面
を備える、フォトダイオード構造体。
実施形態１７
前記フォトダイオード構造体は、少なくとも５０％の曲線因子を特徴とする、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１８
前記曲線因子は、少なくとも１０Ａｃｍ －２ の電流密度を生成する照明レベル下で達成される、実施形態１７に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態１９
前記曲線因子は少なくとも８０％である、実施形態１７に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２０
前記曲線因子は少なくとも９０％である、実施形態１９に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２１
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、（０００１）＋ｃ面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも１×１０ １９ ｃｍ －３ のドーパント濃度を特徴とする、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２２
ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のうちの少なくとも一方を更に備え、
前記ｎ型クラッド層は、前記ｎ型層と前記１つ以上の吸収体層との間にあり、前記ｎ型クラッド層は、少なくとも５×１０ １８ ｃｍ －３ のドーパント濃度を有し、
前記ｐ型クラッド層は、前記吸収体層と前記ｐ型層との間にあり、前記ｐ型クラッド層は、少なくとも１×１０ １９ ｃｍ －３ のドーパント濃度を有する、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２３
ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のうちの少なくとも一方を更に備え、
前記ｎ型クラッド層は、前記ｎ型層と前記１つ以上の吸収体層との間にあり、
前記ｐ型クラッド層は、前記吸収体層と前記ｐ型層との間にあり、
前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層のうちの前記少なくとも一方は、前記吸収体層のインジウム濃度と前記ｎ型層又は前記ｐ型層のインジウム濃度との間のインジウム濃度を特徴とする、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２４
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、（０００－１）－ｃ面とは２°～５°だけ異なる結晶方位を特徴とする、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２５
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、｛１０－１０｝ｍ面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも２×１０ １８ ｃｍ －３ のドーパント濃度を特徴とする、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２６
前記１つ以上の吸収体層、前記ｎ型層、及び前記ｐ型層はそれぞれ、｛１０－１－２｝、｛１０－１－１｝、｛２０－２－１｝、及び｛３０－３－１｝から選択される半極性平面の５°以内の結晶方位を特徴とし、前記ｎ型層及び前記ｐ型層はそれぞれ、少なくとも１×１０ １８ ｃｍ －３ のドーパント濃度を特徴とする、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２７
前記ｐ側電気接触層は前記ｐ型層上に配置され、前記ｐ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも８０％の平均反射率と、１×１０ －３ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗とを有する、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
実施形態２８
前記ｎ側電気接触層は、３９０ナノメートル～４６０ナノメートルの少なくとも１つの波長について少なくとも８０％の平均反射率と、５×１０ －４ Ωｃｍ ２ 未満の接触抵抗とを有する、実施形態１６に記載のフォトダイオード構造体。
【符号の説明】
【0083】
１０１ 基板
１０２ 大面積表面、表面
１０５ 第１の非吸収体層
１０７ 吸収体層
１０９ 第２の非吸収体層
１１１ ｐ型半導体層、ｐ型層、ｐ型ＧａＮ層
１１３ 反射性ｐ側電気接点、反射ミラー層、反射性ｐ側接触層
１１４ ｎ側電気接点、反射ミラー層、反射性ｎ側ミラー層
２１５ 不連続ｐ電極、グリッドｐ電極、ｐ電極アレイ素子
２１７ 不連続ｎ電極、グリッドｎ電極、ｎ電極アレイ素子
２５１ 照明源
２５２、１３５２、１４５２ 受光面
２５３ 伝播
２５５、２５６ 表面
３１５ ｐ側電気接点、ｐ側電気接点材料
３１７ ｎ側電気接点、ｎ側電気接点材料
３１９ 透明誘電体
３２１ 半透明電流拡散層
７１０ ｎ型ドープ層
７２０ ｎ型クラッド層
７３０ 吸収体層
７４０ ｐ型クラッド層
７５０ ｐ型ドープ層
１１０１ テンプレート基板、テンプレート、高品質ＧａＮ基板
１１０３ 離脱層
１１０４ 単結晶ＩＩＩ族金属窒化物層、表面層、窒化物層
１３１３ キャリア基板
１３１５ ｐ側反射層
１３１７、１４１７ 窒化物層１１０４の新たに露出した裏側表面、表面
１３１９ 反射性ｎ側接点
１３２１ レーザビーム
１３５３、１４５３ ビーム
１４１１ 第１のキャリア基板
１４１３ 第２のキャリア基板
１４１４ ｎ側反射層
１０２ 大面積表面、表面
１０５ 第１の非吸収体層
１０７ 吸収体層
１０９ 第２の非吸収体層
１１１ ｐ型半導体層、ｐ型層、ｐ型ＧａＮ層
１１３ 反射性ｐ側電気接点、反射ミラー層、反射性ｐ側接触層
１１４ ｎ側電気接点、反射ミラー層、反射性ｎ側ミラー層
２１５ 不連続ｐ電極、グリッドｐ電極、ｐ電極アレイ素子
２１７ 不連続ｎ電極、グリッドｎ電極、ｎ電極アレイ素子
２５１ 照明源
２５２、１３５２、１４５２ 受光面
２５３ 伝播
２５５、２５６ 表面
３１５ ｐ側電気接点、ｐ側電気接点材料
３１７ ｎ側電気接点、ｎ側電気接点材料
３１９ 透明誘電体
３２１ 半透明電流拡散層
７１０ ｎ型ドープ層
７２０ ｎ型クラッド層
７３０ 吸収体層
７４０ ｐ型クラッド層
７５０ ｐ型ドープ層
１１０１ テンプレート基板、テンプレート、高品質ＧａＮ基板
１１０３ 離脱層
１１０４ 単結晶ＩＩＩ族金属窒化物層、表面層、窒化物層
１３１３ キャリア基板
１３１５ ｐ側反射層
１３１７、１４１７ 窒化物層１１０４の新たに露出した裏側表面、表面
１３１９ 反射性ｎ側接点
１３２１ レーザビーム
１３５３、１４５３ ビーム
１４１１ 第１のキャリア基板
１４１３ 第２のキャリア基板
１４１４ ｎ側反射層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図13D】
【図14A】
【図14B】
【図15】