JP4978921B2

JP4978921B2 - 受光素子の作製方法

Info

Publication number: JP4978921B2
Application number: JP2006097516A
Authority: JP
Inventors: 孝志江川; チャンハオ; 実人三好; 光浩田中
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007273724A

Description

本発明は、III族窒化物を用いた受光素子およびその作製方法に関する。

III族窒化物半導体は、ワイドバンドギャップを有しバンド間遷移が直接遷移型であることから、短波長領域（青〜紫〜紫外）に受光領域を有する受光素子の構成材料として好適である。

III族窒化物を用いた受光素子は、サファイアやＳｉＣなどの単結晶基材の上にＡｌＮエピタキシャル膜を形成してなるいわゆるテンプレート基板（エピタキシャル基板等とも称する）上に、III族窒化物エピタキシャル膜によって下地層および受光素子として機能する機能層を形成することによって作製するのが一般的である。

例えば、係るテンプレート基板上に高温条件下でＧａＮからなる中間層を形成した上で、受光素子として機能する機能層をＡｌＧａＮによって形成することによって、紫外領域に受光領域を有する受光素子を形成する技術もすでに公知である（例えば、非特許文献１参照）。

"Reduction of threading dislocations in AlGaN layers grown on AlN/sapphire templates using high-temparature GaN interlayer", H.Jiang, T.Egawa, M.Hao, and Y.Liu, Applied Physics Letter, 87, 241911, (2005).

非特許文献１に開示されている受光素子においては、上述のようにＧａＮからなる中間層が介在させることによって、機能層における転位の低減が実現されている。しかしながら、係るＧａＮ層は紫外光を吸収してしまうために、テンプレート基板として該紫外光に対して透明な素材のものを用いたとしても、テンプレート側から入射する光に対しての受光能力が制限されてしまうという問題がある。

また、受光波長を短くしようとすればするほど、機能層をＡｌリッチな組成のＡｌＧａＮにて形成する必要があるが、中間層であるＧａＮとの組成差が大きくなるために、バファ層における組成変化を急激なものとする必要が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、紫外領域に受光領域を有し、機能層の転位が低減されてなるとともに、受光効率に優れた受光素子およびこれを作製する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、サファイア上にＡｌＮエピタキシャル膜を形成してなるテンプレート基板を用いて受光素子を作製する方法であって、前記テンプレート基板の上に下端層と傾斜組成層と上端層をこの順に積層形成することで下地層を形成する下地層形成工程と、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）なる組成を有し、３００ｎｍ以下の波長範囲に透過域を有する第１のIII族窒化物を用いて、前記下地層の上にｎ型導電層とアンドープ層とをこの順に積層形成することで、受光素子として機能する機能層を形成する機能層形成工程と、を備え、前記下地層形成工程においては、前記テンプレート基板を９００℃以上１１００℃以下である第１形成温度に加熱した状態で前記下端層をＡｌ_yＧａ_1-yＮ（ｘ＜ｙ≦１）なる組成を有する第２のIII族窒化物によって形成し、引き続き１１００℃以上１２８０℃以下であり前記第１形成温度よりも高い第２形成温度にまで前記テンプレート基板を昇温したうえで、前記傾斜組成層を、Ａｌ_zＧａ_1-zＮ（ｘ≦ｚ≦ｙ）なる組成式にて表現される第３のIII族窒化物からなり、前記下端層との界面近傍から前記上端層との界面近傍に向けてｚの値がｙからｘに漸次に低下するように形成し、かつ、前記第２形成温度にて前記上端層を前記第１のIII族窒化物と略同一の組成を有するように形成し、前記下地層形成工程に連続して、前記第２形成温度を維持して前記機能層形成工程を行う、ことを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載の受光素子の作製方法であって、前記下端層がＡｌＮからなる、ことを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の受光素子の作製方法であって、前記第１のIII族窒化物において０．４≦ｘ≦１である、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項３の発明によれば、３００ｎｍ以下の波長範囲に受光領域を有する受光素子であって、機能層における転位が従来よりも低減されてなり、受光効率の優れた受光素子が作製できる。特に、機能層におけるＡｌの混晶比が高い場合ほど、高い転位低減効果を得ることができる。

＜受光素子の構成＞
図１は、本実施の形態に係る作製方法によって作成される受光素子の一例としての、受光素子１０の構成を模式的に示すための図である。受光素子は、特定波長領域の光のエネルギーを電気的エネルギーに変換する光電変換素子であるが、本実施の形態に係る受光素子１０は、特に、紫外光領域の光を主たる受光対象とするよう構成されてなる紫外光受光素子である。

受光素子１０は、数百μｍ程度の厚みのサファイア単結晶からなる基材１ａの上に数ミクロン程度の厚みのＡｌＮ層１ｂがエピタキシャル形成されてなるテンプレート基板１の上に、後述する所定のIII族窒化物によって、下地層２と、受光素子として実質的に機能する機能層３とが積層形成された積層構造を有する。また、機能層３の上面には、アノード電極４が形成されてなる。一方、機能層３の一部はエッチング等によって露出させられてなり、その露出面にはカソード電極５が形成されてなる。なお、図１には、下地層２および機能層３を構成するIII族窒化物におけるＡｌの混晶比（全III族元素中のモル比）を併せて示している。

機能層３は、ｎ型導電層３ａと、アンドープ層３ｂとの二層構造を有してなる。ｎ型導電層３ａと、アンドープ層３ｂとはいずれも、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）なる組成を有し、３００ｎｍ以下の波長範囲に透過域を有するIII族窒化物を用いて構成されてなる。より好ましくは、２８０ｎｍ以下の波長範囲に透過域を有するIII族窒化物を用いて構成されてなる。一般には、Ａｌの混晶比の値がｘが大きいIII族窒化物ほど、紫外光の波長領域を受光波長領域とする受光素子の形成により好適であるとされる。例えば、０．４≦ｘ≦１であるのがその好適な一例である。また、ｎ型導電層３ａには、ｎ型のドーパントとして作用する元素、例えばＳｉがドープされてなる。Ｓｉの場合であれば、１０¹⁸／ｃｍ³〜１０²⁰／ｃｍ³の濃度となるようにドープされるのがその好適な一例である。

ｎ型導電層３ａは、０．５μｍ〜１０μｍ程度の厚みに形成されるのがその好適な一例である。また、アンドープ層３ｂは、０．１μｍ〜２μｍ程度の厚みに形成されるのがその好適な一例である。

下地層２は、結晶品質の良好な機能層３の形成を実現すべく、テンプレート基板１と機能層３との間に設けられる。従って、下地層２を好適に形成することで、機能層３の結晶品質はより高められることになる。下地層２は、下端層２ａと傾斜組成層２ｂと上端層２ｃとの三層構造を有してなる。

下端層２ａは、図１に示すように、テンプレート基板１の上にＡｌ_yＧａ_1-yＮ（ｘ＜ｙ≦１）なる組成を有するIII族窒化物によって数十ｎｍ程度の厚みに形成される。すなわち、下端層２ａは、機能層３よりもＡｌリッチなIII族窒化物にて形成される。好ましくは、下端層２ａは、ＡｌＮにて形成される。

上端層２ｃは、図１に示すように、その上に形成される機能層と略同一の組成のIII族窒化物によって、すなわち、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）なる組成のIII族窒化物によって、数百ｎｍ程度の厚みに形成される。

傾斜組成層２ｂは、これら下端層２ａと上端層２ｃとの間に形成されるが、図１に示すように、下端層２ａとの近傍では下端層２ａと略同一の組成となるように、かつ上端層２ｃとの近傍では上端層２ｃと略同一の組成となるように、さらにはそのあいだではＡｌの混晶比が漸次に減少していくように形成される。すなわち、傾斜組成を有するように形成される。なお、図１においては係るＡｌの混晶比が一次関数的に変化するような態様を示しているが、傾斜組成の態様はこれに限られず、曲線的な変化であってもよい。

傾斜組成層２ｂは、少なくとも５０ｎｍ以上の厚みに形成されるのが好ましい。さらには、１００ｎｍ以上の厚みに形成されるのがより好ましい。係る場合、機能層３における転位の低減が実現される。図２は、その一例として示す、傾斜組成層２ｂの膜厚を代えつつ、下端層２ａをＡｌＮによって形成温度１０００℃として形成し、傾斜組成層２ｂ、上端層２ｃ、および機能層３をＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎによって形成温度を１２００℃として形成した場合の、すなわち、ｘ＝０．４、ｙ＝１．０の場合の、傾斜組成層２ｂの膜厚と機能層３の転位密度との関係を示す図である。厚みが５０ｎｍ以上の場合、転位密度が５×１０^-8／ｃｍ³以下という低転位の機能層３が実現される。また、１００ｎｍ以上の場合には、２×１０^-8／ｃｍ³以下という、さらに低転位の機能層３が実現される。

なお、受光素子の受光感度を決定する重要な特性の１つに暗電流密度がある。暗電流密度が小さいほど、受光素子の受光感度は高いといえるが、暗電流密度は機能層３の転位密度の増加に伴い増加する関係にある。従って、機能層３の低転位密度化は、高感度な受光素子を得る上で極めて重要である。

受光素子１０は、以上のような層構成を有することによって、３００ｎｍ以下の波長領域に透過域を有する物質のみによって構成されることになるので、係る波長領域の光に対する受光効率が優れているといえる。

アノード電極４は、例えばＮｉ／Ａｕ合金により、機能層３との間でショットキー接合を有するように形成されてなる。

カソード電極５は、例えばＮｉ／Ａｕ合金とＴｉ／Ａｌ合金とにより、機能層３との間でオーミック接合を有するように形成されてなる。

＜受光素子の作製方法＞
次に、本実施の形態において、上述のような構成を有する受光素子１０を作製する方法について説明する。図３は、テンプレート基板１の上に、下地層２と機能層３を形成する成膜処理に係る処理の流れを示す図である。

まず、テンプレート基板１を用意し、公知のＭＯＣＶＤ装置に保持した状態で（ステップＳ１）、第１形成温度にまでテンプレート基板１を加熱する（ステップＳ２）。第１形成温度にまで達すると、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、およびＮＨ₃を所定のキャリアガスとともに所定の流量・圧力条件にて供給することによって、Ａｌ_yＧａ_1-yＮなる組成の下端層２ａを所定の厚みに形成する（ステップＳ３）。第１形成温度については後述する。

下端層２ａが形成されると、いったんガスの供給を停止し、第１形成温度よりも高い温度である第２形成温度にまでテンプレート基板１を加熱する（ステップＳ４）。第２形成温度にまで達すると、上述のガスを用いて傾斜組成層２ｂを所定の厚みに形成する（ステップＳ５）。第２形成温度については後述する。

傾斜組成層２ｂの形成については、その開始時には、下端層２ａと同一の条件でガス供給を行うが、それぞれのガス流量を漸次に変化させることによって、傾斜組成が実現されるようにする。そして、ガスの供給条件が、この後に形成する機能層３と略同一のＡｌ_xＧａ_1-xＮなる組成と略同一のIII族窒化物が形成される条件に達した時点で、ガス流量を固定し、引き続いて、その成長条件を維持したまま、上端層２ｃを所定の厚みに形成する（ステップＳ６）。

上端層２ｃを形成後、さらにその成長条件を維持したまま、さらにシランガスをキャリアガスともども供給することによって、上端層２ｃの形成に連続して、ｎ型のドーパントとしてＳｉがドープされたｎ型導電層３ａを所定の厚みに形成する（ステップＳ７）。Ｓｉの濃度は、シランガスの供給条件によって設定される。

ｎ型導電層３ａの形成がなされると、シランガスの供給を中止し、他のガスについては供給を維持することによって、所定の厚みのアンドープ層３ｂを形成する（ステップＳ８）。

アンドープ層３ｂが形成されると、ガスの供給と加熱とを停止し、降温させることで、成膜処理を終了する（ステップＳ９）。

その後、エッチング処理によって機能層３の一部を露出させたうえで、カソード電極５を形成する。また、機能層３の上にはアノード電極４を形成する。これらはいずれも、公知の手法を適用可能である。

本実施の形態においては、このようなプロセスによって受光素子１０を作製するが、係るプロセスは、上述した第１形成温度および第２形成温度を所定の条件に設定することで、機能層３における転位の低減を実現することができる点で特徴的である。

具体的には、下地層２のうち、下端層２ａの形成については、第１形成温度にて行い、その後の傾斜組成層２ｂおよび上端層２ｃの形成については、第１形成温度よりも高い温度である第２形成温度で行い、さらに、上端層２ｃの形成に連続して該第２形成温度にて機能層３の形成を行うようにすることで、機能層３の低転位化が実現されることが、確認されている。

図４と図５は、その一例として示す、下端層２ａをＡｌＮにて形成し、機能層３をＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎにて形成した場合の、すなわち、ｘ＝０．４、ｙ＝１．０の場合の、第１および第２形成温度と転位密度との関係を説明するための図である。

まず、図４は、第１形成温度を１０００℃とした場合の第２形成温度と機能層３の転位密度との関係を示す図である。図４からは、第２形成温度が１０００℃から１３００℃のの間に転位密度が極小となっており、なかでも、１１００℃以上１２８０℃以下においては、２×１０^-8／ｃｍ³以下という低転位の機能層３が実現されていることがわかる。

一方、図５は、第２形成温度を１２００℃とした場合の第１形成温度と機能層３の転位密度との関係を示す図である。図５からは、第１形成温度が７００℃から１２００℃の間に転位密度が極小となっており、なかでも、第１形成温度が９００℃以上１１００℃以下の場合に、約１×１０^-8／ｃｍ³程度という、低転位の機能層３が実現されていることがわかる。

これにより、上述の組成の場合であれば、第１形成温度を９００℃以上１１００℃以下の温度に設定し、第２形成温度をこれよりも高い温度である１１００℃以上１２８０℃以下の温度に設定することで、転位が良好に低減された機能層３の形成が実現されることになる。このことは、他の組成の下地層および機能層の形成の場合についても同様である。

（実施例）
上述のような構成を有する受光素子１０を形成した。その際には、機能層３におけるＡｌの混晶比が０．２、０．３、０．４、および０．４５の４種の受光素子１０形成した。

テンプレート基板１には、基材１ａとしての２インチ径の厚さ４００μｍの（００１）面サファイア単結晶の上に、１μｍ厚のＡｌＮ層１ｂが形成されてなるものを用いた。

公知のＭＯＣＶＤ装置を用い、第１形成温度を１０００℃として、下端層２ａとしてＡｌＮ層を形成した。その後、第２形成温度を１２００℃として、０．１μｍ厚の傾斜組成層２ｂ、０．１μｍ厚の上端層２ｃ、１μｍ厚のｎ型導電層３ａ、および０．５μｍ厚のアンドープ層３ｂを順次に形成した。なおｎ型導電層３ａにおけるＳｉの濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³とした。

この状態で、機能層３におけるＡｌの混晶比が０．２、０．３、０．４のものについて、それぞれの機能層３の転位密度をＴＥＭ像により評価した。

その後、アノード電極４およびカソード電極５を形成することにより、４種の受光素子１０を得た。

また、機能層３におけるＡｌの混晶比が０．４５の受光素子について、暗電流密度を評価した。

（比較例１）
比較例１として、下端層２ａ及び傾斜組成層２ｂを設けない以外は実施例と同様の構成を有する受光素子を形成し、実施例と同様の評価を行った。

（比較例２）
比較例２として、下端層２ａをＧａＮにて形成するとともに、傾斜組成層２ｂの無い受光素子を形成し、実施例と同様の評価を行った。

（比較例３）
比較例３として、傾斜組成層２ｂを設けない以外実施例と同様の構成を有する受光素子を形成し、実施例と同様の評価を行った。

（実施例と比較例の比較）
図６は、機能層のＡｌの混晶比が０．２、０．３、０．４の場合の、上述の実施例および比較例についての機能層の転位密度を示す図である。機能層のＡｌの混晶比によらず、実施例の受光素子においてはいずれの比較例に係る受光素子よりも転位密度が低減されていることがわかる。これは、本実施の形態に係る受光素子１０の構成が、従来の構成よりも、機能層３における転位の低減に有効であることを意味するものである。

また、図６からは、機能層のＡｌの混晶比が大きいほど、転位の低減の効果が大きいことも分かる。このことは、Ａｌ混晶比の大きいIII族窒化物を機能層に用いて紫外光領域に受光領域を有する受光素子を作製するうえで、本実施の形態に係る作製方法が優れていることを意味するものである。

一方、図７は、実施例に係る受光素子と比較例１に係る受光素子とにおける暗電流密度の印加電圧依存性を、機能層におけるＡｌの混晶比が０．４５の受光素子について示す図である。実施例に係る受光素子の場合、暗電流特性の指標となる−５Ｖ印加時の暗電流密度は３．６×１０^-10Ａ／ｃｍ²と良好な値が得られている。一方、比較例１に係る受光素子の場合は、−５Ｖ印加時の暗電流密度は３．８×１０^-9Ａ／ｃｍ²以上であった。すなわち、実施例に係る受光素子と比較して暗電流密度が大きく、良好な受光感度を得ることが出来なかった。

＜変形例＞
本発明の作製方法を適用可能な受光素子の構成は、上述の実施の形態に係る受光素子１０のような態様に限られない。図８は、受光素子１０とは異なる構成態様の受光素子２０を示す図である。なお、受光素子２０において受光素子１０と同様の作用効果を示す構成要素については、同一の符号を付してその説明は省略する。

図８に示す受光素子２０は、機能層３がｎ型導電層３ａとアンドープ層３ｂとｐ型導電層３ｃの三層構造を有してなり、機能層３の最上層となった該ｐ型導電層３ｃの上にアノード電極４が形成されてなる点で、受光素子１０と異なる。ｐ型導電層３ｃは、ｎ型導電層３ａとアンドープ層３ｂとの形成に用いられるのと同じ組成のIII族窒化物を用いて構成される。ただし、ｐ型導電層３ｃには、例えばＭｇなどのｐ型のドーパントが、所定の濃度となるようにドープされる。ｐ型導電層は、数百ｎｍ程度の厚みに形成されるのがその好適な一例である。

係る構成を有する受光素子２０の作製は、上述示した受光素子１０の作製フローにおけるアンドープ層の形成に引き続いて、第２形成温度を維持したままｐ型導電層３ｃを形成するようにすることで行える。

係る構成を有する受光素子２０についても、機能層における低転位が実現される。

受光素子１０の構成を模式的に示す図である。傾斜組成層２ｂの膜厚と機能層３の転位密度との関係を示す図である。テンプレート基板１の上に、下地層２と機能層３を形成する成膜処理に係る処理の流れを示す図である。第１形成温度を１０００℃とした場合の第２形成温度と機能層３の転位密度との関係を示す図である。第２形成温度を１２００℃とした場合の第１形成温度と機能層３の転位密度との関係を示す図である。実施例および比較例についての、機能層の転位密度を示す図である。実施例および比較例についての、暗電流密度の印加電圧依存性を示す図である。変形例に係る受光素子の構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１テンプレート基板
１ａ基材
１ｂＡｌＮ層
２下地層
２ａ下端層
２ｂ傾斜組成層
２ｃ上端層
３機能層
３ａｎ型導電層
３ｂアンドープ層
３ｃｐ型導電層
４アノード電極
５カソード電極
１０、２０受光素子

Claims

サファイア上にＡｌＮエピタキシャル膜を形成してなるテンプレート基板を用いて受光素子を作製する方法であって、
前記テンプレート基板の上に下端層と傾斜組成層と上端層をこの順に積層形成することで下地層を形成する下地層形成工程と、
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）なる組成を有し、３００ｎｍ以下の波長範囲に透過域を有する第１のIII族窒化物を用いて、前記下地層の上にｎ型導電層とアンドープ層とをこの順に積層形成することで、受光素子として機能する機能層を形成する機能層形成工程と、を備え、
前記下地層形成工程においては、
前記テンプレート基板を９００℃以上１１００℃以下である第１形成温度に加熱した状態で前記下端層をＡｌ_yＧａ_1-yＮ（ｘ＜ｙ≦１）なる組成を有する第２のIII族窒化物によって形成し、
引き続き１１００℃以上１２８０℃以下であり前記第１形成温度よりも高い第２形成温度にまで前記テンプレート基板を昇温したうえで、前記傾斜組成層を、Ａｌ_zＧａ_1-zＮ（ｘ≦ｚ≦ｙ）なる組成式にて表現される第３のIII族窒化物からなり、前記下端層との界面近傍から前記上端層との界面近傍に向けてｚの値がｙからｘに漸次に低下するように形成し、かつ、
前記第２形成温度にて前記上端層を前記第１のIII族窒化物と略同一の組成を有するように形成し、
前記下地層形成工程に連続して、前記第２形成温度を維持して前記機能層形成工程を行う、
ことを特徴とする受光素子の作製方法。
請求項１に記載の受光素子の作製方法であって、
前記下端層がＡｌＮからなる、
ことを特徴とする受光素子の作製方法。
請求項１または請求項２に記載の受光素子の作製方法であって、
前記第１のIII族窒化物において０．４≦ｘ≦１である、
ことを特徴とする受光素子の作製方法。