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(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】2024-06-19
(45)【発行日】2024-06-27
(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 20060101AFI20240620BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 B
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020103902
(22)【出願日】2020-06-16
(65)【公開番号】P2021197476
(43)【公開日】2021-12-27
【審査請求日】2023-05-24
(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
(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
(74)【代理人】
【識別番号】110002583
【氏名又は名称】弁理士法人平田国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 公平
【審査官】吉岡 一也
(56)【参考文献】
【文献】特開昭５９－０８７８７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２２０５５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０９９９１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３７４９８０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０７３５８７８０（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２００４－０８７６５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】KIM, Hyun et al.，Ultrawide-Bandgap p-n Heterojunction of Diamond/β-Ga2O3 for a Solar-Blind Photodiode，ECS Journal of Solid State Science and Technology，The Electrochemical Society，2020年04月23日，Vol.9, No.4，Article number 045004，https://doi.org/10.1149/2162-8777/ab89b8
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３１／１０７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｇａ２Ｏ３系半導体からなるｎ型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層に積層された、前記Ｇａ２Ｏ３系半導体よりもバンドギャップの大きい半導体からなるｐ型の第２の半導体層と、
前記第２の半導体層に接続されたアノード電極と、
前記第１の半導体層に接続されたカソード電極と、
を備え、
前記第２の半導体層の実効アクセプター濃度が前記第１の半導体層の実効ドナー濃度よりも高く、
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、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間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】
Ｇａ２Ｏ３系半導体からなるｎ型の第１の半導体層と、前記Ｇａ２Ｏ３系半導体よりもバンドギャップの大きい半導体からなるｐ型の第２の半導体層と、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に挟まれた、Ｇａ２Ｏ３系半導体からなる、ｉ型又は前記第１の半導体層よりも実効ドナー濃度の低いｎ型の第３の半導体層と、
前記第２の半導体層に接続されたアノード電極と、
前記第１の半導体層に接続されたカソード電極と、
を備え、
前記第２の半導体層の実効アクセプター濃度が前記第３の半導体層の実効ドナー濃度よりも高く、
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、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間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3】
前記第３の半導体層が、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層に接触し、
前記第３の半導体層の実効ドナー濃度が、１×１０ １７ ｃｍ －３ 以下である、
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】
前記第２の半導体層がダイヤモンドからなる、請求項１～３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5】
前記Ｇａ２Ｏ３系半導体層がガードリングを含む、請求項１～４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6】
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の積層体がメサ形状を有する、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7】
前記第１の半導体層、前記第２の半導体層、前記第３の半導体層の積層体がメサ形状を有する、請求項２又は３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、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層と、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層に積層された誘電体層と、誘電体層に接続されたアノード電極と、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層に接続されたカソード電極とを有するアバランシェフォトダイオードが知られている（特許文献１参照）。
【0003】
特許文献１に記載のアバランシェフォトダイオードによれば、アノード電極とカソード電極の間に逆方向電圧を印加することにより、Ｇａ２Ｏ３系単結晶層と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。これにより、受光する光の強さに対して大きな電流を得ることができるため、優れた受光感度を有する。
【0004】
また、特許文献１に記載のアバランシェフォトダイオードによれば、広いバンドギャップを有するＧａ２Ｏ３系単結晶層を用いているため、短波長の光にのみ応答し、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１７－２２０５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献１に記載のアバランシェフォトダイオードにおいては、受光後に誘電体層に電流が流れるため、この誘電体層が繰り返し流れる電流によって劣化するおそれがあり、長期信頼性に懸念がある。
【0007】
本発明の目的は、Ｇａ２Ｏ３系半導体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であって、長期信頼性に優れた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】
【0008】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、［１］～［７］のアバランシェフォトダイオードを提供する。
【0009】
［１］Ｇａ２Ｏ３系半導体からなるｎ型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層に積層された、前記Ｇａ２Ｏ３系半導体よりもバンドギャップの大きい半導体からなるｐ型の第２の半導体層と、前記第２の半導体層に接続されたアノード電極と、前記第１の半導体層に接続されたカソード電極と、を備え、前記第２の半導体層の実効アクセプター濃度が前記第１の半導体層の実効ドナー濃度よりも高く、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、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間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。
［２］Ｇａ２Ｏ３系半導体からなるｎ型の第１の半導体層と、前記Ｇａ２Ｏ３系半導体よりもバンドギャップの大きい半導体からなるｐ型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に挟まれた、Ｇａ２Ｏ３系半導体からなる、ｉ型又は前記第１の半導体層よりも実効ドナー濃度の低いｎ型の第３の半導体層と、前記第２の半導体層に接続されたアノード電極と、前記第１の半導体層に接続されたカソード電極と、を備え、前記第２の半導体層の実効アクセプター濃度が前記第３の半導体層の実効ドナー濃度よりも高く、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、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間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。
［３］前記第３の半導体層が、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層に接触し、前記第３の半導体層の実効ドナー濃度が、１×１０ １７ ｃｍ －３ 以下である、上記［２］に記載のアバランシェフォトダイオード。
［４］前記第２の半導体層がダイヤモンドからなる、上記［１］～［３］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。
［５］前記Ｇａ２Ｏ３系半導体層がガードリングを含む、上記［１］～［４］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。
［６］前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の積層体がメサ形状を有する、上記［１］に記載のアバランシェフォトダイオード。
［７］前記第１の半導体層、前記第２の半導体層、前記第３の半導体層の積層体がメサ形状を有する、上記［２］又は［３］に記載のアバランシェフォトダイオード。
［２］Ｇａ２Ｏ３系半導体からなるｎ型の第１の半導体層と、前記Ｇａ２Ｏ３系半導体よりもバンドギャップの大きい半導体からなるｐ型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に挟まれた、Ｇａ２Ｏ３系半導体からなる、ｉ型又は前記第１の半導体層よりも実効ドナー濃度の低いｎ型の第３の半導体層と、前記第２の半導体層に接続されたアノード電極と、前記第１の半導体層に接続されたカソード電極と、を備え、前記第２の半導体層の実効アクセプター濃度が前記第３の半導体層の実効ドナー濃度よりも高く、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、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間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。
［３］前記第３の半導体層が、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層に接触し、前記第３の半導体層の実効ドナー濃度が、１×１０ １７ ｃｍ －３ 以下である、上記［２］に記載のアバランシェフォトダイオード。
［４］前記第２の半導体層がダイヤモンドからなる、上記［１］～［３］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。
［５］前記Ｇａ２Ｏ３系半導体層がガードリングを含む、上記［１］～［４］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。
［６］前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の積層体がメサ形状を有する、上記［１］に記載のアバランシェフォトダイオード。
［７］前記第１の半導体層、前記第２の半導体層、前記第３の半導体層の積層体がメサ形状を有する、上記［２］又は［３］に記載のアバランシェフォトダイオード。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、Ｇａ２Ｏ３半導体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であって、長期信頼性に優れた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】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
【0013】
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、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０と、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０に積層されたダイヤモンド層１１と、ダイヤモンド層１１に接続されたアノード電極１２と、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０に接続されたカソード電極１３とを有する。
【0014】
Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０は、Ｇａ２Ｏ３系半導体からなるｎ型の半導体層である。Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０は、Ｓｉ、ＳｎなどのＩＶ族元素をドナーとして含む。Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０の実効ドナー濃度（ドナー濃度Ｎｄからアクセプター濃度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、例えば、およそ１×１０１８ｃｍ－３以下に設定される。Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０の厚さは、例えば、１０μｍ以上、１０００μｍ以下の範囲内に設定される。
【0015】
なお、アバランシェフォトダイオード１の動作時にＧａ２Ｏ３の絶縁破壊電界強度として予測されている５～８ＭＶ／ｃｍの電界に近い電界がＧａ２Ｏ３系半導体層１０に印加され得るため、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０を構成するＧａ２Ｏ３系半導体は、電界への耐性に優れる単結晶であることが好ましい。また、５～８ＭＶ／ｃｍの電界に耐えられるような高品質のＧａ２Ｏ３系半導体の多結晶体であれば、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０の材料として用いることができる。
【0016】
ここで、Ｇａ２Ｏ３系半導体とは、Ｇａ２Ｏ３、又は、Ａｌ、Ｉｎなどの元素が添加されたＧａ２Ｏ３であり、例えば、（ＧａｘＡｌｙＩｎ（１－ｘ－ｙ））２Ｏ３（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表される組成を有する。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Ｇａ２Ｏ３系半導体は、β型の結晶構造を有する。
【0017】
アバランシェフォトダイオード１の特性はＧａ２Ｏ３系半導体層１０の主面の面方位にほとんど依存しないため、Ｇａ２Ｏ３系半導体層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。
【0018】
ダイヤモンド層１１は、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０を構成するＧａ２Ｏ３系半導体よりもバンドギャップの大きいダイヤモンドからなるｐ型の半導体層である。ダイヤモンド層１１は、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＴｌなどのＩＩＩ族元素をアクセプターとして含む。ダイヤモンド層１１の実効アクセプター濃度（アクセプター濃度Ｎａからドナー濃度Ｎｄを引いたもの）は、空乏層を主にＧａ２Ｏ３系半導体層１０側に形成するために、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０の実効ドナー濃度よりも高く設定され、例えば、およそ１×１０１８ｃｍ－３以上、１×１０２３ｃｍ－３以下の範囲内で設定される。空乏層がＧａ２Ｏ３系半導体層１０側だけでなくダイヤモンド層１１側にも大きく拡がると、アバランシェフォトダイオード１の動作に必要な電圧が高くなり、取り扱い難くなってしまう。また、ダイヤモンド層１１側への空乏層の広がりを効果的に抑えるためには、ダイヤモンド層１１の実効アクセプター濃度が１×１０１８ｃｍ－３以上であることが好ましい。ダイヤモンド層１１の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上、１ｍｍ以下の範囲内に設定される。
【0019】
なお、ダイヤモンド層１１の代わりに、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０を構成するＧａ２Ｏ３系半導体よりもバンドギャップの大きい、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＭｇＯなどのダイヤモンド以外の半導体からなるｐ型の半導体層を用いてもよい。ｐ型の半導体層の実効アクセプター濃度も、ダイヤモンド層１１の実効アクセプター濃度と同様に、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０の実効ドナー濃度よりも高く設定され、例えば、およそ１×１０１８以上、１×１０２１ｃｍ－３以下の範囲内で設定される。ただし、上述のＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＭｇＯなどよりもダイヤモンドの方がｐ型化が容易であるため、ダイヤモンド層１１を用いることが好ましい。
【0020】
ダイヤモンド層１１を構成するダイヤモンドや、ダイヤモンド層１１の代わりに用いられるｐ型の半導体層を構成する半導体は、単結晶と多結晶のいずれであってもアバランシェフォトダイオード１の動作は可能であるが、デバイスの信頼性の観点からは単結晶であることが好ましく、製造コストの観点からは多結晶であることが好ましい。
【0021】
Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０が吸収する光の波長は、その組成（Ａｌ、Ｉｎの濃度）によるが、例えば、典型的な組成であるＧａ２Ｏ３は、およそ４．５ｅＶのバンドギャップを有するため、およそ２８０ｎｍよりも短い波長の光を吸収する。また、ダイヤモンド層１１は、およそ５．５ｅＶのバンドギャップを有するため、およそ２２５ｎｍよりも短い波長の光を吸収する。
【0022】
このため、アバランシェフォトダイオード１がダイヤモンド層１１側から光を受けると、波長が２２５ｎｍよりも長い光のみがダイヤモンド層１１を通過し、そのうちのＧａ２Ｏ３系半導体層１０の吸収端波長（Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０がＧａ２Ｏ３からなる場合は２８０ｎｍ）よりも短い波長の光がＧａ２Ｏ３系半導体層１０に吸収される。すなわち、アバランシェフォトダイオード１の受光可能な光の波長範囲は、およそ２２５ｎｍ以上、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０の吸収端波長以下の範囲である。
【0023】
なお、アバランシェフォトダイオードはｐｎ接合（ｐｉｎ接合）を利用しなければ作成することが困難である。そして、Ｇａ２Ｏ３系半導体はｐ型のものを形成することが困難であり、ダイヤモンドはｎ型のものを形成することが困難である。このため、アバランシェフォトダイオードの半導体層をＧａ２Ｏ３系半導体のみ、又はダイヤモンドのみで構成することは困難である。
【0024】
図２は、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、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅはそれぞれガス炎、太陽光、白色ＬＥＤ、白熱電球、蛍光灯の発光スペクトルである。
【0025】
図２に示されるように、太陽光のスペクトル強度は３００ｎｍ以下でほぼゼロになる。一方で、図には表れていないが、ガス炎のスペクトル強度も２００ｎｍ以下になるとゼロに近づいていくことが確認されている。
【0026】
上述のように、アバランシェフォトダイオード１の受光可能な光の波長範囲はおよそ２２５～２８０ｎｍであるため、太陽、白色ＬＥＤ、白熱電球、蛍光灯からの光には応答せずに、ガス炎からの光に応答することができる。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。
【0027】
なお、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０を構成するＧａ２Ｏ３系半導体層に、吸収端を長波長側にシフトさせるＩｎなど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。
【0028】
アノード電極１２は、ダイヤモンド層１１のＧａ２Ｏ３系半導体層１０と反対側の面上に形成され、ダイヤモンド層１１に接続される。ここで、ダイヤモンド層１１への接続は、直接的な接続だけでなく、間接的な接続も含む。すなわち、アバランシェフォトダイオード１の受光素子としての動作を妨げない層を介してアノード電極１２とダイヤモンド層１１が接続されてもよい。
【0029】
アノード電極１２の材料は特に限定されず、例えば、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｌなどが用いられるが、アノード電極１２をダイヤモンド層１１に直接接続する場合には、デバイスの損失を抑える（動作電圧の増加を抑える）ために、ダイヤモンド層１１とオーミック接触するＴｉ、Ｍｏ、Ｔａなどが用いられることが好ましい。
【0030】
また、アバランシェフォトダイオード１は、アノード電極１２を通過させて光を受けるため、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。
【0031】
また、アノード電極１２の表面は反射防止膜で覆われていてもよい。この反射防止膜を用いることにより、アノード電極１２の表面での光の反射を抑え、アバランシェフォトダイオード１の受光量を増加させることができる。
【0032】
カソード電極１３は、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０のダイヤモンド層１１と反対側の面上に形成され、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０に接続される。ここで、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０への接続は、直接的な接続だけでなく、間接的な接続も含む。すなわち、アバランシェフォトダイオード１の受光素子としての動作を妨げない層を介してカソード電極１３とＧａ２Ｏ３系半導体層１０が接続されてもよい。
【0033】
カソード電極１３は、例えば、厚さ５０ｎｍのＴｉ膜上に厚さ３００ｎｍ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、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０の底面の形状と同じ四角形である。
【0034】
（アバランシェフォトダイオードの動作）
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、アバランシェブレークダウンが生じる電圧よりも若干小さい逆方向電圧（カソード電極１３の電位がアノード電極１２の電位よりも高くなる電圧）を印加することにより、受光したときにＧａ２Ｏ３系半導体層１０とダイヤモンド層１１との間で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１のアノード電極１２とカソード電極１３の間に、アバランシェブレークダウンが生じる電圧よりも若干小さい逆方向電圧（カソード電極１３の電位がアノード電極１２の電位よりも高くなる電圧）を印加することにより、受光したときにＧａ２Ｏ３系半導体層１０とダイヤモンド層１１との間で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。
【0035】
より具体的には、アバランシェフォトダイオード１が受光すると、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０のダイヤモンド層１１との界面近傍に形成された空乏層において、電子が励起されて電子・ホール対が生成される。逆方向電圧が印加された状態では、空乏層において励起された電子が強い電界により加速されてＧａ２Ｏ３系半導体層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）。
【0036】
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、ダイヤモンド層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）。
【0037】
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。
【0038】
（アバランシェフォトダイオードの製造方法）
以下、アバランシェフォトダイオード１の製造方法の一例について説明する。まず、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０としてのＧａ２Ｏ３系半導体の単結晶基板の表面と、ダイヤモンド層１１としてのダイヤモンドの単結晶基板の表面を貼り合わせる。
以下、アバランシェフォトダイオード１の製造方法の一例について説明する。まず、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０としてのＧａ２Ｏ３系半導体の単結晶基板の表面と、ダイヤモンド層１１としてのダイヤモンドの単結晶基板の表面を貼り合わせる。
【0039】
例えば、まず、ダイヤモンドの単結晶基板を７５℃のＨ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２（４：１）混合溶液（いわゆる硫酸過水）に１０分間浸けて、その表面をＯＨ基で終端させる。次に、Ｇａ２Ｏ３系半導体の単結晶基板の表面に、出力２００Ｗ、圧力６０Ｐａの条件で酸素プラズマを３０秒間照射し、ＯＨ基で終端させる。次に、大気中でダイヤモンドの単結晶基板とＧａ２Ｏ３系半導体の単結晶基板のＯＨ基で終端させた面同士を接触させ、乾燥のために３日程度保管する。その後、２５０℃で２４時間の加熱処理を施して、貼り合わせを完了する。
【0040】
また、貼り合わせの他に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを用いて、ダイヤモンド層１１としてのダイヤモンドの単結晶基板の表面にＧａ２Ｏ３系半導体の結晶を成長させてＧａ２Ｏ３系半導体層１０を形成したり、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０としてのＧａ２Ｏ３系半導体の単結晶基板の表面にダイヤモンドの結晶を成長させてダイヤモンド層１１を形成したりする方法を用いてもよいが、これらの結晶成長は容易ではないため、貼り合わせによる方法を用いることが好ましい。
【0041】
その後、真空蒸着やＲＦ（高周波）スパッタなどによって、ダイヤモンド層１１とＧａ２Ｏ３系半導体層１０の表面に、それぞれアノード電極１２とカソード電極１３を形成する。アノード電極１２とカソード電極１３は、それぞれダイヤモンド層１１とＧａ２Ｏ３系半導体層１０にオーミック接合される。
【0042】
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、空乏層の幅を制御するための半導体層を用いる点において、第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の記載においては、上述の実施の形態で用いられている部材と同じ又は実質的に同じ部材には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略化する場合がある。
第２の実施の形態は、空乏層の幅を制御するための半導体層を用いる点において、第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の記載においては、上述の実施の形態で用いられている部材と同じ又は実質的に同じ部材には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略化する場合がある。
【0043】
（アバランシェフォトダイオードの構造）
図３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。
図３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。
【0044】
アバランシェフォトダイオード２は、縦型の受光素子であり、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０と、ダイヤモンド層１１と、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０とダイヤモンド層１１との間に挟まれた、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１と、ダイヤモンド層１１に接続されたアノード電極１２と、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０に接続されたカソード電極１３とを有する。
【0045】
Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０は、Ｇａ２Ｏ３系半導体からなるｎ型の半導体層である。Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０は、Ｓｉ、ＳｎなどのＩＶ族元素をドナーとして含む。Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０の実効ドナー濃度は、例えば、およそ１×１０１８ｃｍ－３以上に設定される。Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０の厚さは、例えば、１０μｍ以上、１０００μｍ以下の範囲内に設定される。
【0046】
アバランシェフォトダイオード２の特性はＧａ２Ｏ３系半導体層２０の主面の面方位にほとんど依存しないため、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０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。
【0047】
Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１は、Ｇａ２Ｏ３系半導体からなるｉ型又はｎ型の半導体層である。Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１の実効ドナー濃度は、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０をほとんど空乏化させずにＧａ２Ｏ３系半導体層２１をほぼ完全に空乏化させるように、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０の実効ドナー濃度よりも低く設定され、例えば、およそ１×１０１７ｃｍ－３以下に設定される。Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０をほとんど空乏化させずにＧａ２Ｏ３系半導体層２１をほぼ完全に空乏化させるためには、例えば、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０とＧａ２Ｏ３系半導体層２１の実効ドナー濃度が１桁以上異なることが好ましい。
【0048】
Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１は、実効ドナー濃度の大きさによってｉ型又はｎ型として振る舞うが、ｉ型とｎ型のいずれであってもよい。Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１にドナーを添加する場合は、Ｓｉ、ＳｎなどのＩＶ族元素をドナーとして用いる。基本的には、ドナーを添加しなければＧａ２Ｏ３系半導体層２１はｉ型になるが、意図しない不純物の混入などによるｎ型化を防ぐために、ｉ型とする場合にはＭｇ、Ｎ、Ｚｎ、Ｆｅなどのディープアクセプター（深い準位を形成するアクセプター）を添加してもよい。また、酸素アニール処理などによりｎ型のＧａ２Ｏ３系半導体層２０の表面に酸素を拡散させることでも、ｉ型のＧａ２Ｏ３系半導体層２１を形成することができる。Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１の厚さは、例えば、０．２μｍ以上、２μｍ以下の範囲内に設定される。
【0049】
また、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０、２１を構成するＧａ２Ｏ３系半導体は、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０を構成するＧａ２Ｏ３系半導体と同様に、電界への耐性に優れる単結晶であることが好ましい。また、５～８ＭＶ／ｃｍの電界に耐えられるような高品質のＧａ２Ｏ３系半導体の多結晶体であれば、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０、２１の材料として用いることができる。
【0050】
ダイヤモンド層１１は、第１の実施の形態と同様の、ダイヤモンドからなるｐ型の半導体層である。ダイヤモンド層１１の実効アクセプター濃度は、空乏層を主にＧａ２Ｏ３系半導体層２１側に形成するために、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１の実効ドナー濃度よりも高く設定され、例えば、およそ１×１０１８ｃｍ－３以上、１×１０２３ｃｍ－３以下の範囲内で設定される。また、ダイヤモンド層１１側への空乏層の広がりを効果的に抑えるためには、ダイヤモンド層１１の実効アクセプター濃度が１×１０１８ｃｍ－３以上であることが好ましい。ダイヤモンド層１１の厚さは、例えば、１００ｎｍ以上、１ｍｍ以下の範囲内に設定される。
【0051】
また、第１の実施の形態と同様に、ダイヤモンド層１１の代わりに、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０を構成するＧａ２Ｏ３系半導体よりもバンドギャップの大きい、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＭｇＯなどのダイヤモンド以外の半導体からなるｐ型の半導体層を用いてもよい。
【0052】
また、第１の実施の形態と同様に、ダイヤモンド層１１を構成するダイヤモンドや、ダイヤモンド層１１の代わりに用いられるｐ型の半導体層を構成する半導体は、単結晶と多結晶のいずれであってもアバランシェフォトダイオード２の動作は可能であるが、デバイスの信頼性の観点からは単結晶であることが好ましく、製造コストの観点からは多結晶であることが好ましい。
【0053】
アバランシェフォトダイオード２の受光可能な光の波長範囲は、およそ２２５ｎｍ以上、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１の吸収端波長以下の範囲である。Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１は、アバランシェフォトダイオード１のＧａ２Ｏ３系半導体層１０と同様にＧａ２Ｏ３系半導体からなるため、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と同等の波長範囲の光に応答することができる。このため、アバランシェフォトダイオード２はアバランシェフォトダイオード１と同様の用途に用いることができる。
【0054】
アバランシェフォトダイオード２は、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０とダイヤモンド層１１の間に、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０よりも実効ドナー濃度が低いＧａ２Ｏ３系半導体層２１を有するため、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１がほぼ空乏層となる。すなわち、アバランシェフォトダイオード２においてはＧａ２Ｏ３系半導体層２１の厚さがほぼ空乏層の幅となるため、空乏層幅の制御が容易である。
【0055】
なお、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においては、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０の実効ドナー濃度により空乏層の幅を制御するが、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０の実効ドナー濃度を高い精度で制御することは容易ではない。
【0056】
このため、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と比較して、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１を設けるために製造コストが大きくなるが、空乏層の幅の制御が容易であるため、空乏層幅のばらつきをより抑えたり、空乏層幅をより大きくしたりすることができるという有意点がある。空乏層幅のばらつきを抑えることにより、アバランシェフォトダイオード２の製品ごとの受光感度のばらつきを抑え、歩留まりを向上させることができる。また、空乏層幅を大きくすることにより、光を効率的に吸収し、アバランシェフォトダイオード２の感度を向上させることができる。
【0057】
（アバランシェフォトダイオードの動作）
アバランシェフォトダイオード２のアノード電極１２とカソード電極１３の間に、アバランシェブレークダウンが生じる電圧よりも若干小さい逆方向電圧を印加することにより、受光したときにＧａ２Ｏ３系半導体層２０とダイヤモンド層１１との間で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２のアノード電極１２とカソード電極１３の間に、アバランシェブレークダウンが生じる電圧よりも若干小さい逆方向電圧を印加することにより、受光したときにＧａ２Ｏ３系半導体層２０とダイヤモンド層１１との間で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。
【0058】
より具体的には、アバランシェフォトダイオード２が受光すると、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１に形成された空乏層において、電子が励起されて電子・ホール対が生成される。逆方向電圧が印加された状態では、空乏層において励起された電子が強い電界により加速されてＧａ２Ｏ３系半導体層２１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）。
【0059】
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、ダイヤモンド層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、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０を超えてカソード電極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）。
【0060】
このように、アバランシェフォトダイオード２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２は優れた受光感度を有する。
【0061】
（アバランシェフォトダイオードの製造方法）
以下、アバランシェフォトダイオード２の製造方法の一例について説明する。まず、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０としてのＧａ２Ｏ３系半導体の単結晶基板上に、ＣＶＤ法などにより、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１としてのＧａ２Ｏ３系半導体の単結晶膜をエピタキシャル成長させる。
以下、アバランシェフォトダイオード２の製造方法の一例について説明する。まず、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０としてのＧａ２Ｏ３系半導体の単結晶基板上に、ＣＶＤ法などにより、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１としてのＧａ２Ｏ３系半導体の単結晶膜をエピタキシャル成長させる。
【0062】
ここで、ｉ型のＧａ２Ｏ３系半導体層２１を形成する場合は、酸素アニール処理などによりｎ型のＧａ２Ｏ３系半導体層２０の表面に酸素を拡散させ、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０の表面付近のｉ型に変化した部分をＧａ２Ｏ３系半導体層２１として用いてもよい。ｉ型のＧａ２Ｏ３系半導体層２１の形成にこの酸素アニール処理などによりＧａ２Ｏ３系半導体層２０の表面に酸素を拡散させる方法を用いる場合、ＣＶＤ法などにより結晶をエピタキシャル成長させる場合よりも、アバランシェフォトダイオード２の製造コストを低減することができる。
【0063】
次に、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０上に形成されたＧａ２Ｏ３系半導体層２１の表面と、ダイヤモンド層１１としてのダイヤモンドの単結晶基板の表面を貼り合わせる。この貼り合わせは、第１の実施の形態に係るＧａ２Ｏ３系半導体層１０としてのＧａ２Ｏ３系半導体の単結晶基板とダイヤモンド層１１としてのダイヤモンドの単結晶基板の貼り合わせと同様の工程で実施することができる。また、ＣＶＤ法などにより、Ｇａ２Ｏ３系半導体層２１上にダイヤモンドの結晶を成長させてダイヤモンド層１１を形成してもよく、反対に、ダイヤモンド層１１としてのダイヤモンドの単結晶基板上にＧａ２Ｏ３系半導体の結晶を成長させてＧａ２Ｏ３系半導体層２１、２０を形成してもよい。
【0064】
その後、真空蒸着やＲＦ（高周波）スパッタなどによって、ダイヤモンド層１１とＧａ２Ｏ３系半導体層２０の表面に、それぞれアノード電極１２とカソード電極１３を形成する。アノード電極１２とカソード電極１３は、それぞれダイヤモンド層１１とＧａ２Ｏ３系半導体層２０にオーミック接合される。
【0065】
〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態は、アバランシェフォトダイオードがフィールドプレート構造やガードリング構造を有する点において、第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の記載においては、上述の実施の形態で用いられている部材と同じ又は実質的に同じ部材には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略化する場合がある。
第３の実施の形態は、アバランシェフォトダイオードがフィールドプレート構造やガードリング構造を有する点において、第１の実施の形態と異なる。なお、本実施の形態の記載においては、上述の実施の形態で用いられている部材と同じ又は実質的に同じ部材には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略化する場合がある。
【0066】
（アバランシェフォトダイオードの構造）
図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第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、４の垂直断面図である。
図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第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、４の垂直断面図である。
【0067】
図４（ａ）に示されるアバランシェフォトダイオード３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と同様に、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０と、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０に積層されたダイヤモンド層１１と、ダイヤモンド層１１に接続されたアノード電極１２と、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０に接続されたカソード電極１３とを有する。
【0068】
そして、アバランシェフォトダイオード３においては、ダイヤモンド層１１の上面の縁に沿って、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などからなる誘電体膜３０が設けられ、その誘電体膜３０の上にアノード電極１２の縁が乗り上げている。
【0069】
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の端部付近への電界集中を抑制することができる。また、誘電体膜３０は、第２のダイヤモンド層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。
【0070】
また、図４（ａ）に示される例では、アノード電極１２にパッド電極３２が接続されている。パッド電極３２は、誘電体膜３０上に形成されたＳｉＯ２などからなる絶縁体３１上に形成される。パッド電極３２は、例えば、厚さ５ｎｍのＴｉ膜上に厚さ５０００ｎｍのＡｕ膜が積層された構造を有する。
【0071】
なお、アバランシェフォトダイオード３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にフィールドプレート構造を加えた構造を有するが、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にフィールドプレート構造を加えた構造を有してもよい。
【0072】
図４（ｂ）に示されるアバランシェフォトダイオード４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と同様に、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０と、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０に積層されたダイヤモンド層１１と、ダイヤモンド層１１に接続されたアノード電極１２と、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０に接続されたカソード電極１３とを有する。
【0073】
そして、アバランシェフォトダイオード４においては、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０のダイヤモンド層１１との界面近傍に、ガードリング４０が形成されている。このガードリング４０を用いることにより、アノード電極１２の端部付近における電界集中を緩和することができる。
【0074】
ガードリング４０は、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０の上面のリング状の領域に、酸素アニールやＭｇ、Ｎ、Ｚｎ、Ｆｅなど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、酸化領域やアクセプタイオン含有領域である。なお、ガードリング４０の形状や数は、アノード電極１２の端部付近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。
【0075】
また、図４（ｂ）に示されるように、アバランシェフォトダイオード４は、アバランシェフォトダイオード３と同様にフィールドプレート構造を有していてもよい。
【0076】
なお、アバランシェフォトダイオード４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にガードリング構造を加えた構造を有するが、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にガードリング構造を加えた構造を有してもよい。
【0077】
〔第４の実施の形態〕
第４の実施の形態は、Ｇａ２Ｏ３系半導体層とダイヤモンド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、本実施の形態の記載においては、上述の実施の形態で用いられている部材と同じ又は実質的に同じ部材には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略化する場合がある。
第４の実施の形態は、Ｇａ２Ｏ３系半導体層とダイヤモンド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、本実施の形態の記載においては、上述の実施の形態で用いられている部材と同じ又は実質的に同じ部材には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略化する場合がある。
【0078】
（アバランシェフォトダイオードの構造）
図５（ａ）～（ｃ）は、それぞれ第４の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード５の垂直断面図である。
図５（ａ）～（ｃ）は、それぞれ第４の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード５の垂直断面図である。
【0079】
アバランシェフォトダイオード５は、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０と、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０に積層されたダイヤモンド層１１と、ダイヤモンド層１１に接続されたアノード電極１２と、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０に接続されたカソード電極１３とを有する。
【0080】
そして、アバランシェフォトダイオード５のＧａ２Ｏ３系半導体層１０とダイヤモンド層１１の積層体は、凸部がアノード電極１２側を向いたメサ形状を有する。アノード電極１２は、メサ形状に加工されたダイヤモンド層１１の上面に形成されており、アノード電極１２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１２の端部付近における電界集中を緩和することができる。
【0081】
図５（ａ）に示される例では、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０とダイヤモンド層１１の積層体は側面が垂直なメサ形状を有する。図５（ｂ）に示される例では、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０とダイヤモンド層１１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５（ｃ）に示される例では、Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０とダイヤモンド層１１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５（ｃ）に示されるメサ形状によるものが最も大きい。
【0082】
アバランシェフォトダイオード５のＧａ２Ｏ３系半導体層１０とダイヤモンド層１１の積層体のメサ形状部分の側面は、ＳｉＯ２等からなる絶縁体５０に覆われている。
【0083】
また、図５（ａ）～（ｃ）に示される例では、アノード電極１２にパッド電極５１が接続されている。パッド電極５１は、絶縁体５０上に形成され、例えば、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のパッド電極３２と同様の構成を有する。
【0084】
なお、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Ｇａ２Ｏ３系半導体層１０とダイヤモンド層１１の積層体をメサ形状に加工した構造を有するが、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Ｇａ２Ｏ３系半導体層２０、２１とダイヤモンド層１１の積層体をメサ形状に加工した構造を有してもよい。
【0085】
（実施の形態の効果）
上記第１～４の実施の形態によれば、Ｇａ２Ｏ３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。また、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は、電流経路となる層に絶縁体（誘電体）を用いていないため、電流が繰り返し流れても劣化が少なく、長期信頼性に優れる。
上記第１～４の実施の形態によれば、Ｇａ２Ｏ３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。また、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は、電流経路となる層に絶縁体（誘電体）を用いていないため、電流が繰り返し流れても劣化が少なく、長期信頼性に優れる。
【0086】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、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。また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
【0087】
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】
【0088】
１、２、３、４、５…アバランシェフォトダイオード、 １０、２０、２１…Ｇａ２Ｏ３系半導体層、 １１…ダイヤモンド層、 １２…アノード電極、 １３…カソード電極、 ４０…ガードリング
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】