JP5025326B2 - Oxide semiconductor photo detector - Google Patents
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Description
この発明は、ZnO系酸化物半導体からなる受光層を備える酸化物半導体受光素子に関する。 The present invention relates to an oxide semiconductor light receiving element including a light receiving layer made of a ZnO-based oxide semiconductor.
ZnO(酸化亜鉛)を含むZnO系酸化物半導体は、バンドギャップがおよそ3.26eVと大きいため、紫外領域の波長の光のみに応答する、いわゆる可視(visible)ブラインド特性を備えている。また、ZnOにMgを添加して得られるMgZnO混晶は、そのMg組成を適切な値にすることにより、いわゆるソーラブラインド特性を備える。ソーラブラインド特性とは、オゾン層を通過して地球上に到達する太陽光よりも、紫外領域に相当するバンドギャップをもつ特性のことである。 A ZnO-based oxide semiconductor containing ZnO (zinc oxide) has a so-called visible blind characteristic that responds only to light having a wavelength in the ultraviolet region because the band gap is as large as about 3.26 eV. An MgZnO mixed crystal obtained by adding Mg to ZnO has a so-called solar blind characteristic by setting the Mg composition to an appropriate value. The solar blind characteristic is a characteristic having a band gap corresponding to the ultraviolet region rather than sunlight that passes through the ozone layer and reaches the earth.
ところで、紫外領域の波長の光にのみ感度をもつ受光素子は、炎感知器や半導体製造分野への応用が期待されている。そのような受光素子として、ZnO系酸化物半導体受光素子のほか、たとえば、シリコン受光素子、光電子倍増管が知られている。ところが、シリコンは、バンドギャップが小さいため、可視領域の光にも応答する。そのため、シリコン受光素子を紫外領域の波長の光にのみ応答させる場合、可視領域の光をカットするフィルターが必要となる。また、光電子倍増管を紫外領域の光にのみ応答させる場合には、数百Vの高電圧を印加する装置が必要となる。そのため、光電子倍増管を備えるシステムの小型化が困難であるという不具合がある。 By the way, a light receiving element having sensitivity only to light having a wavelength in the ultraviolet region is expected to be applied to a flame detector and a semiconductor manufacturing field. As such a light receiving element, in addition to a ZnO-based oxide semiconductor light receiving element, for example, a silicon light receiving element and a photomultiplier tube are known. However, since silicon has a small band gap, it also responds to light in the visible region. Therefore, when the silicon light receiving element is made to respond only to light having a wavelength in the ultraviolet region, a filter that cuts off light in the visible region is required. Further, when the photomultiplier tube is caused to respond only to light in the ultraviolet region, a device for applying a high voltage of several hundred volts is required. Therefore, there is a problem that it is difficult to reduce the size of the system including the photomultiplier tube.
一方、ZnOの結晶は、バンドギャップがおよそ3.26eVの直接遷移型半導体である。また、ZnOの結晶内における励起子は、束縛エネルギーがおよび60meVと大きく、室温でも安定に存在する。そのため、ZnO系酸化物半導体は、安価で環境負荷も小さい、青色領域から紫外領域までの発光デバイスへの応用も期待されている。さらに、ZnO系酸化物半導体は、耐放射性が高いため、人工衛星や宇宙ステーションに設けられる受光素子への応用も期待されている。 On the other hand, the crystal of ZnO is a direct transition semiconductor having a band gap of approximately 3.26 eV. In addition, the exciton in the ZnO crystal has a large binding energy and 60 meV, and exists stably at room temperature. Therefore, ZnO-based oxide semiconductors are expected to be applied to light emitting devices from the blue region to the ultraviolet region, which are inexpensive and have a low environmental load. Furthermore, since the ZnO-based oxide semiconductor has high radiation resistance, application to a light receiving element provided in an artificial satellite or a space station is also expected.
特許文献1では、ZnO系酸化物半導体からなる酸化物半導体受光素子として、p型のシリコン基板とn型のZnO薄膜とを組み合わせた、pn接合を有する受光素子が提案されている。このpn接合を有する受光素子の作製に際しては、まず、シリコン基板の表面がフッ酸(HF)で処理され、シリコン基板の表面上の自然酸化膜が除去される。次いで、フッ酸で処理された表面上に、スパッタリングによりZnOバッファ層が形成される。その後、このバッファ層上に、有機金属気相成長法(MOCVD法)によりZnO薄膜が成長させられる。こうして、pn接合を有する受光素子が得られる。
ところが、ZnO系酸化物半導体中には、格子間亜鉛などによる欠陥や酸素欠損が多く存在する。そのため、ZnO系酸化物半導体のバンドギャップ(禁制帯)中には、深い準位が形成される場合がある。ZnO系酸化物半導体のバンドギャップ中に深い準位が形成されると、作製される受光素子における暗電流の増加、受光素子の応答速度の低下など、受光素子の光学的特性が低下するおそれがある。 However, there are many defects and oxygen vacancies in the ZnO-based oxide semiconductor due to interstitial zinc or the like. Therefore, a deep level may be formed in the band gap (forbidden band) of the ZnO-based oxide semiconductor. If a deep level is formed in the band gap of a ZnO-based oxide semiconductor, the optical characteristics of the light receiving element, such as an increase in dark current and a decrease in response speed of the light receiving element, may be deteriorated. is there.
そこで、この発明の目的は、暗電流を低減するとともに、応答速度の低下を抑制することができる、ZnO系酸化物半導体からなる酸化物半導体受光素子を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an oxide semiconductor light-receiving element made of a ZnO-based oxide semiconductor that can reduce dark current and suppress a decrease in response speed.
上記目的を達成するための請求項1記載の発明は、基板と、前記基板上に形成され、n型MgxZn1−xO(ただし、0≦x≦1)からなり、1×10 16 cm −3 〜1×10 20 cm −3 の濃度で窒素がドーピングされた受光領域と、当該受光領域以外の窒素がドーピングされていない領域とが選択的に形成された受光層と、前記受光層の前記受光領域にショットキー接合されたショットキー電極と、前記受光層の前記受光領域以外の領域にオーミック接合されたオーミック電極とを含む、酸化物半導体受光素子である。
一般的に、半導体のバンドギャップ(Eg)は、Eg(eV)=1240/λ(nm)で表わされる式で求めることができる。ZnOは、Eg=約3.26eVであるので、ZnOでは、約380nm以下の波長の光が受光されて吸収される。
In order to achieve the above object, an invention according to
In general, the band gap (Eg) of a semiconductor can be obtained by an expression represented by Eg (eV) = 1240 / λ (nm). Since ZnO has Eg = about 3.26 eV, light having a wavelength of about 380 nm or less is received and absorbed by ZnO.
請求項1記載の酸化物半導体受光素子では、受光領域がMgxZn1−xO(ただし、0≦x≦1)からなる。受光領域の組成を、ZnOにMgが含有されたMgxZn1−xO(ただし、0≦x≦1)にすることによって、受光領域のEgを大きくすることができる。そのため、受光領域で吸収可能な光の波長を、380nmより短波長側にシフトさせることができる。その結果、紫外領域の波長を受光して吸収するための受光素子として用いることができる。さらに、この酸化物半導体受光素子では、受光領域に窒素がドーピングされているので、受光素子における暗電流を低減するとともに、応答速度の低下を抑制することもできる。
In the oxide semiconductor light receiving element according to
また、受光領域にドーピングされている窒素のドーピング濃度を、1×1016cm−3〜1×1020cm−3の範囲にすることによって、受光素子の応答速度の低下を抑制するとともに、受光素子の暗電流を抑制することもできる。
Also, the doping concentration of nitrogen is doped in the light reception area, by a range of 1 × 10 16 cm -3 ~1 × 10 20 cm -3, while suppressing a decrease in response speed of the light receiving element, The dark current of the light receiving element can also be suppressed.
また、受光領域とショットキー電極とがショットキー接合されている。これにより、酸化物半導体受光素子の構成が、いわゆるショットキーダイオードの構成となる。このような構成の酸化物半導体受光素子では、受光領域におけるショットキー電極の接合部付近(空乏層)で光が吸収され、受光領域に起電力(電気信号)が発生する。受光領域にのみ窒素がドーピングされていれば、受光素子における暗電流の低減化および応答速度低下の抑制を図ることができる。すなわち、受光層の表面近傍にのみ窒素をドーピングするだけで、酸化物半導体受光素子における暗電流の低減化および応答速度低下の抑制を図ることができる。
また、請求項2記載の発明は、前記受光層は、窒素がドーピングされていない下層と、当該下層の上に形成され、1×10 16 cm −3 〜1×10 20 cm −3 の濃度で窒素がドーピングされた前記受光領域としての上層とを含み、当該上層から前記下層の表面が露出面として露出する深さまで積層界面を横切る方向にエッチングされており、前記ショットキー電極は、前記上層の表面にショットキー接合され、前記オーミック電極は、前記下層の前記露出面にオーミック接合されている、請求項1に記載の酸化物半導体受光素子である。
Also, it is Schottky junction and the light receiving region and the Schottky electrode. Thereby, the configuration of the oxide semiconductor light receiving element is a so-called Schottky diode configuration. In the oxide semiconductor light receiving element having such a structure, light is absorbed near the junction (depletion layer) of the Schottky electrode in the light receiving region, and an electromotive force (electric signal) is generated in the light receiving region. If nitrogen is doped only in the light receiving region, it is possible to reduce the dark current and suppress the response speed in the light receiving element. That is, only by doping nitrogen in the vicinity of the surface of the light receiving layer, it is possible to reduce the dark current and suppress the response speed in the oxide semiconductor light receiving element.
According to a second aspect of the present invention, the light receiving layer is formed on a lower layer not doped with nitrogen and on the lower layer, and has a concentration of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 . An upper layer as the light receiving region doped with nitrogen, and is etched in a direction across the stacking interface from the upper layer to a depth at which the surface of the lower layer is exposed as an exposed surface, and the Schottky electrode is 2. The oxide semiconductor light receiving element according to
さらに、請求項3記載の発明は、i型Mg x Zn 1−x O(ただし、0≦x≦1)からなり、1×10 16 cm −3 〜1×10 20 cm −3 の濃度で窒素がドーピングされた受光層と、前記受光層の一方表面側に形成された、窒素がドーピングされていないZnO系化合物半導体からなるp型酸化物半導体層と、前記受光層の前記一方表面側とは反対の他方表面側に形成された、窒素がドーピングされていないZnO系化合物半導体からなるn型酸化物半導体層とを含む積層部と、前記p型酸化物半導体層に接合されたp側電極と、前記n型酸化物半導体層に接合されたn側電極とを含み、前記p型酸化物半導体層および前記n型酸化物半導体層の少なくとも一方は、前記受光層よりバンドギャップが大きい、酸化物半導体受光素子である。
Furthermore, the invention described in
請求項3記載の酸化物半導体受光素子では、受光層の一方表面側にp型酸化物半導体層が形成されている。また、受光層の他方表面側にn型酸化物半導体層が形成されている。たとえば、受光層の残留キャリア密度を下げることにより、酸化物半導体受光素子の構成が、いわゆるPINダイオードの構成となる。また、p型酸化物半導体層およびn型酸化物半導体層の少なくとも一方は、受光層よりバンドギャップが大きい。そのため、上述したEg(eV)=1240/λ(nm)で表わされる式を用いて、受光層よりバンドギャップの大きい酸化物半導体層で吸収可能な光の波長を算出すると、その波長は、受光層で吸収可能な光の波長より小さくなる。つまり、受光層で吸収可能な波長の光は、p型および/またはn型の酸化物半導体層で吸収されない。そのため、外部からの光を受光層に確実に到達させることができ、受光領域に起電力(電気信号)を発生させることができる。
また、請求項4記載の発明は、前記n型酸化物半導体層に接するように、前記積層部を支持する基板をさらに含み、前記積層部は、前記p型酸化物半導体層から、前記受光層を貫通して前記n型酸化物半導体層の表面が露出面として露出する深さまで積層界面を横切る方向にエッチングされており、前記p側電極は、前記p型酸化物半導体層の表面にオーミック接合され、前記n側電極は、前記n型酸化物半導体層の前記露出面にオーミック接合されている、請求項3に記載の酸化物半導体受光素子である。
In the oxide semiconductor light receiving element according to
The invention according to claim 4 further includes a substrate that supports the stacked portion so as to be in contact with the n-type oxide semiconductor layer, and the stacked portion includes the p-type oxide semiconductor layer and the light receiving layer. And the n-type oxide semiconductor layer is etched in a direction crossing the stacked interface to a depth at which the surface of the n-type oxide semiconductor layer is exposed as an exposed surface, and the p-side electrode is in ohmic contact with the surface of the p-type oxide semiconductor layer 4. The oxide semiconductor light receiving element according to
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の第1の実施形態に係る光導電セル1を説明するための図解的な断面図である。
この光導電セル1は、基板2と、この基板2の上に成長させられたn型MgZnO層3(受光層)とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic sectional view for explaining a
The
基板2としては、たとえば、サファイア基板、ZnO基板などの高抵抗基板を適用することができる。高抵抗基板のなかでも、サファイア単結晶基板、ZnO単結晶基板などの単結晶基板が好ましい。単結晶基板を基板2に適用することによって、n型MgZnO層3を基板2上に成長させる際、n型MgZnO層3における結晶欠陥の発生を抑制することができる。
As the
n型MgZnO層3は、光導電セル1において光を受光して吸収する受光層であって、その全体で光を受光して吸収する。つまり、n型MgZnO層3は、その全体が光を受光して吸収する受光領域として機能する。
n型MgZnO層3は、ZnOにMgが含有されたMgxZnx−1O混晶からなる。ここで、xは、MgZnOにおけるMgの混晶比率であって、0≦x≦1であらわされる不等式を満たす。Mgの混晶比率(x)を変えることによって、n型MgZnO層3のバンドギャップを制御することができる。
The n-
The n-
一般的に、半導体のバンドギャップ(Eg)は、Eg(eV)=1240/λ(nm)で表わされる式(1)で求められる。ZnOは、Eg=約3.26eVであるので、ZnOからなる半導体では、約380nm以下の波長の光が受光されて吸収される。ところで、ZnOにMgを含有することより形成されるMgZnOのEgは、ZnOのEgより大きくなる。たとえば、n型MgZnO層3において、たとえば、Mgの混晶比率(x)を30にすれば、n型MgZnO層3のEgが約3.9eVとなり、約320nmの波長の光がn型MgZnO層3で吸収可能となる。すわなち、Mgの混晶比率(x)を適宜制御することによって、n型MgZnO層3で吸収可能な光の波長を380nmより短波長側にシフトさせることができる。その結果、n型MgZnO層3で紫外領域の波長を吸収することができる。なお、Mgの混晶比率(x)は、好ましくは、5(%)〜30(%)である。
In general, the band gap (Eg) of a semiconductor is obtained by the equation (1) represented by Eg (eV) = 1240 / λ (nm). Since ZnO has Eg = about 3.26 eV, a semiconductor made of ZnO receives and absorbs light having a wavelength of about 380 nm or less. By the way, Eg of MgZnO formed by containing Mg in ZnO is larger than Eg of ZnO. For example, in the n-
また、n型MgZnO層3は、その内部にZnO結晶構造から酸素が抜けた欠陥(酸素空孔)が存在するため、n型ドーパントを含んでいなくともn型の導電型を有し易い。なお、n型MgZnO層3は、n型ドーパントとして、たとえば、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)などを含んでいてもよい。n型ドーパントを含めることによって、n型MgZnO層3の導電特性を制御することができる。
Further, since the n-
また、n型MgZnO層3には、窒素がドーピングされている。n型MgZnO層3にドーピングされている窒素のドーピング濃度は、1×1016cm−3〜1×1020cm−3であることが好ましい。窒素のドーピング濃度がこの範囲であると、光導電セル1における暗電流の低減および応答速度低下の抑制に加えて、光導電セル1の受光感度の低下を抑制することもできる。また、n型MgZnO層3の層厚は、300nm〜1000nmであることが好ましい。
The n-
この光導電セル1において、n型MgZnO層3には、n型MgZnO層3における受光により発生する電気信号を取り出すためのオーミック電極4(オーミック電極41およびオーミック電極42)がオーミック接合されている。
オーミック電極4は、たとえば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、アルミニウム−チタン合金(Al−Ti合金)など、n型MgZnO層3とオーミック接合させることができる金属材料からなる。
In this
The ohmic electrode 4 is made of a metal material that can be in ohmic contact with the n-
次に、光導電セル1の製造方法について説明する。
図2は、n型MgZnO層3を形成するための分子エピタキシャル(MBE)成長装置5(以下、単に「MBE成長装置」とする。)の構成を説明するための図解図である。 このMBE成長装置5は、チャンバー6を備えている。チャンバー6内には、ヒータ8を内蔵した基板ホルダ7が配置されている。基板ホルダ7は、回転軸9に結合されており、この回転軸9は、チャンバー6外に配置された回転駆動機構10によって回転されるようになっている。これにより、基板ホルダ7に処理対象のウエハ11を保持させることにより、チャンバー6内でウエハ11を所定温度に昇温することができ、かつ、ウエハ11を回転させることができる。ウエハ11は、前述の基板2を構成する、たとえば、サファイア単結晶ウエハである。
Next, a method for manufacturing the
FIG. 2 is an illustrative view for explaining the configuration of a molecular epitaxial (MBE) growth apparatus 5 (hereinafter simply referred to as “MBE growth apparatus”) for forming the n-
チャンバー6の上部には、外部の真空ポンプ(図示せず)へつながる真空ライン12が接続されている。これにより、チャンバー6内の圧力を真空状態にすることができる。
チャンバー6における基板ホルダ7に対向する位置には、は、Oラジカルセル13、Nラジカルセル14、Znソースセル15、Mgソースセル16およびドーパント用ソースセル39が間隔を空けて取り付けられている。
A
An O
Oラジカルセル13およびNラジカルセル14は、たとえば、RF(Radio Frequency)コイルから高周波(RF)をかけることによってOプラズマおよびNプラズマを発生させるRFセルで構成されている。これにより、O2およびN2をプラズマ化させて、OプラズマおよびNプラズマをウエハ11に照射することができる。
Znソースセル15、Mgソースセル16およびドーパント用ソースセル39は、たとえば、Zn、Mgおよびドーパント(たとえば、上記したn型ドーパント)の材料源が収容されるルツボを備えており、このルツボの周囲にヒータ(図示せず)が設けられている。また、ルツボの正面には、開閉可能なシャッタ(図示せず)が設けられている。これにより、ルツボをヒータで加熱して材料源を蒸発させるとともに、シャッタを開けることにより、Zn、Mgおよびドーパントをウエハ11に照射することができる。
The O
The
そして、このMBE成長装置5を使用してウエハ11の上にn型MgZnO層3を成長させるには、まず、超高真空中(10−7Pa以下)のチャンバー6内において、ウエハ11を基板ホルダ7に保持させる。次いで、ヒータ8への通電が行われ、ウエハ11の温度が400℃〜900℃まで昇温される。その後、Oラジカルセル13、Nラジカルセル14、Znソースセル15およびMgソースセル16から、Oプラズマ、Nプラズマ、ZnおよびMgがそれぞれウエハ11に照射され、ウエハ11上に、窒素(N)がドーピングされたMgZnO系化合物が成長する。このとき、MgZnO系化合物は、その内部に酸素空孔が存在するため、自ずとn型の導電型を示し易い。そのため、ウエハ11上のMgZnO系化合物には、ドーパント用ソースセル39からドーパントを照射してドーピングを行なわなくても、高抵抗なn型MgZnO層3が成長する。なお、n型MgZnO層3の成長条件は、以下の条件であることが好ましい。
(n型MgZnO層3の成長条件)
ウエハ11の温度:700℃〜900℃
Oプラズマの照射条件:電力200W〜400Wで、RFセルへのO2供給流量0.5sccm〜3sccm
Nプラズマの照射条件:電力200W〜400Wで、RFセルへのN2供給流量0.5sccm〜3sccm
Znの照射条件:10−6Pa〜10−4Pa
Mgの照射条件:10−6Pa〜10−4Pa
上述した成長条件でn型MgZnO層3を成長させることによって、Mgの混晶比率(x):5(%)〜30(%)、窒素のドーピング濃度:1×1016cm−3〜1×1020cm−3、層厚:100nm〜1000nmのn型MgZnO層3をウエハ11上に成長させることができる。
In order to grow the n-
(Growth conditions for n-type MgZnO layer 3)
O plasma irradiation conditions: Power supply 200 W to 400 W, O 2 supply flow rate to RF cell 0.5 sccm to 3 sccm
N plasma irradiation conditions: with power of 200 W to 400 W, N 2 supply flow rate to RF cell 0.5 sccm to 3 sccm
Zn irradiation conditions: 10 −6 Pa to 10 −4 Pa
Mg irradiation conditions: 10 −6 Pa to 10 −4 Pa
By growing the n-
その後は、n型MgZnO層3が成長したウエハ11がMBE成長装置5から取り出され、公知のスパッタ装置(図示せず)や蒸着装置(図示せず)に入れられる。スパッタ装置や蒸着装置では、金属材料の成膜とフォトリソグラフィーを用いたパターン形成技術により、n型MgZnO層3の上に、オーミック電極41およびオーミック電極42が形成(オーミック接合)される。こうして、図1に示す光導電セル1が得られる。
Thereafter, the
以上のように、この実施形態によれば、n型MgZnO層3に窒素がドーピングされている。そのため、光導電セル1における暗電流を低減するとともに、応答速度の低下を抑制することができる。とくに、この光導電セル1では、窒素のドーピング濃度が1×1016cm−3〜1×1020cm−3なので、光導電セル1の応答速度の低下を抑制するとともに、光導電セル1の受光感度の低下を抑制することもできる。
As described above, according to this embodiment, the n-
なお、この実施形態では、基板2(ウエハ11)の上に、n型MgZnO層3が形成されているとしたが、基板2とn型MgZnO層3との間に、ZnO系化合物からなるバッファ層が形成されていてもよい。バッファ層が形成されることによって、n型MgZnO層3を成長させる際、n型MgZnO層3における結晶欠陥の発生を一層抑制することができる。また、基板2上に形成されるMgZnO層は、導電型がn型のn型MgZnO層3であるとしたが、導電型がp型のMgZnO層であってもよい。
図3は、この発明の第2の実施形態に係るショットキーダイオード35を説明するための図解的な断面図である。なお、この図3において、前述の図1に示された各部に相当する部分には、同一の参照符号を付して示す。
In this embodiment, the n-
FIG. 3 is a schematic sectional view for explaining a
このショットキーダイオード35は、基板2と、この基板2の上に成長させられたn型MgZnO層17(受光層)とを備えている。
n型MgZnO層17には、窒素がドーピングされている。n型MgZnO層17におけるその他の物性(Mg混晶比率、窒素のドーピング濃度、層厚)については、前述のn型MgZnO層3と同様である。
The
The n-
このショットキーダイオード35において、n型MgZnO層17には、n型MgZnO層17における受光により発生する電気信号を取り出すためのショットキー電極18およびオーミック電極19が形成されている。ショットキー電極18が形成されていることにより、n型MgZnO層17におけるショットキー電極18との接合部付近には、空乏層20(受光領域)が存在する。そして、このショットキーダイオード35では、空乏層20で光が吸収される。また、ショットキー電極18は、たとえば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)、ニッケル(Ni)、ロジウム(Rh)など、n型MgZnO層17とショットキー接合させることができる金属材料からなる。
In this
一方、オーミック電極19は、n型MgZnO層17にオーミック接合されている。なお、オーミック電極19は、前述のオーミック電極4と同様の金属材料からなる。
次に、ショットキーダイオード35の製造方法について説明する。 ショットキーダイオード35を製造するには、まず、たとえば、図2に示したMBE成長装置5を使用して、基板2の上にn型MgZnO層17が成長させられる。n型MgZnO層17の成長条件については、Nを照射するタイミングおよび位置を除いて、前述のn型MgZnO層3の成長条件と同様である。Nの照射は、空乏層20が形成されるべき位置までn型MgZnO層が成長したタイミングで行なえばよい。また、Nの照射位置については、空乏層20が形成されるべき位置(ショットキー電極18が形成されるべき位置)にのみ照射すればよい。
On the other hand, the
Next, a method for manufacturing the
基板2の上にn型MgZnO層17が成長させられた後には、光導電セル1の場合と同様に、公知のスパッタ装置や蒸着装置を用いて、金属材料の成膜とフォトリソグラフィーを用いたパターン形成技術により、n型MgZnO層17の表面に、ショットキー電極18およびオーミック電極19が形成される。こうして、図3に示すショットキーダイオード35が得られる。
図4は、この発明の第3の実施形態に係るショットキーダイオード36を説明するための図解的な断面図である。なお、この図4において、前述の図1に示された各部に相当する部分には、同一の参照符号を付して示す。
After the n-
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a
このショットキーダイオード36は、基板2と、この基板2の上に成長させられたMgZnO積層部40(受光層)とを備えている。
MgZnO積層部40は、基板2上に積層されたn型MgZnO層21と、n型MgZnO層21上に積層されたn型MgZnO層22とを備えている。
n型MgZnO層21は、前述のn型MgZnO層3と同様に、ZnOにMgが含有されたMgxZnx−1O混晶からなる。また、n型MgZnO層21の層厚は、1μm〜5μmであることが好ましい。n型MgZnO層21におけるその他の物性(Mg混晶比率)については、前述のn型MgZnO層3と同様である。ただし、n型MgZnO層21には、n型ドーパントがドーピングされていてもよい。n型ドーピングがされていれば、n型MgZnO層21上に、オーミック電極24(後述)を得られ易くなる。また、n型MgZnO層21には、窒素がドーピングされていない。
The
The MgZnO stacked unit 40 includes an n-
The n-
n型MgZnO層22は、MgZnO積層部40において光を受光して吸収する層である。n型MgZnO層22には、窒素がドーピングされている。また、n型MgZnO層22の層厚は、300nm〜1000nmであることが好ましい。n型MgZnO層22におけるその他の物性(Mg混晶比率、窒素のドーピング濃度)については、前述のn型MgZnO層3と同様である。
The n-type MgZnO layer 22 is a layer that receives and absorbs light in the MgZnO stacked portion 40. The n-type MgZnO layer 22 is doped with nitrogen. The layer thickness of the n-type MgZnO layer 22 is preferably 300 nm to 1000 nm. Other physical properties (Mg mixed crystal ratio, nitrogen doping concentration) in the n-type MgZnO layer 22 are the same as those of the n-
また、MgZnO積層部40は、断面略矩形となるようにn型MgZnO層22からn型MgZnO層21が露出する深さまで積層界面を横切る方向にエッチングされている。そして、n型MgZnO層21の露出した露出面21aには、オーミック電極24がオーミック接合されている。一方、n型MgZnO層22の表面には、ショットキー電極23がショットキー接合されている。ショットキー電極23が形成されていることにより、n型MgZnO層22におけるショットキー電極23との接合部付近には、空乏層48(受光領域)が存在する。そして、このショットキーダイオード35では、n型MgZnO層22における空乏層48で光が吸収される。なお、オーミック電極24およびショットキー電極23は、それぞれ、前述のオーミック電極4およびショットキー電極18と同様の金属材料からなる。
Further, the MgZnO stacked portion 40 is etched in a direction crossing the stacked interface from the n-type MgZnO layer 22 to a depth at which the n-
そして、このショットキーダイオード36を製造するには、まず、たとえば、図2に示したMBE成長装置5を使用して、基板2の上にn型MgZnO層21が成長させられ(窒素照射なし)、次いで、n型MgZnO層22を成長させられる(窒素照射あり)。これにより、基板2の上に、MgZnO積層部40が形成される。
MgZnO積層部40が形成された後には、n型MgZnO層22からn型MgZnO層21の層厚中間部に至るまでエッチングされて、n型MgZnO層21の露出面21aが露出する。
In order to manufacture this
After the MgZnO stacked portion 40 is formed, etching is performed from the n-type MgZnO layer 22 to the middle thickness portion of the n-
その後は、光導電セル1の場合と同様に、公知のスパッタ装置や蒸着装置を用いて、金属材料の成膜とフォトリソグラフィーを用いたパターン形成技術により、n型MgZnO層22の表面にショットキー電極23が形成され、n型MgZnO層21の露出面21aにオーミック電極24が形成される。こうして、図4に示すショットキーダイオード35が得られる。 以上のように、第2および第3の実施形態によれば、n型MgZnO層17およびn型MgZnO層22に窒素がドーピングされている。そのため、ショットキーダイオード35およびショットキーダイオード36における暗電流を低減するとともに、応答速度の低下を抑制することができる。とくに、これらショットキーダイオード35およびショットキーダイオード36では、光を受光して吸収する領域である、n型MgZnO層17の表面近傍に存在する空乏層20およびn型MgZnO層22の表面近傍に存在する空乏層48にのみに窒素がドーピングされていれば、暗電流の低減化および応答速度低下の抑制を図ることができるので、窒素のドーピング量を低減することができる。なお、第2および第3の実施形態においても、第1の実施形態と同様に、基板2とn型MgZnO層17(n型MgZnO層21)との間に、ZnO系化合物からなるバッファ層が形成されていてもよい。
図5は、この発明の第4の実施形態に係るPINダイオード37を説明するための図解的な断面図である。なお、この図5において、前述の図1に示された各部に相当する部分には、同一の参照符号を付して示す。
After that, as in the case of the
FIG. 5 is a schematic sectional view for explaining a
このPINダイオード37は、i型MgZnO層26、n型MgZnO層25およびp型MgZnO層27からなるMgZnO積層部46を備えている。
i型MgZnO層26は、MgZnO積層部46において光を受光して吸収する層であって、その全体で光を受光して吸収する。つまり、i型MgZnO層26は、MgZnO積層部46において光を受光して吸収する受光領域として機能する。i型MgZnO層26は、前述のn型MgZnO層3と同様に、ZnOにMgが含有されたMgxZnx−1O混晶からなり、その導電型がi型である真性半導体、または十分に比抵抗の高いn型もしくはp型の半導体である。また、i型MgZnO層26には、窒素がドーピングされている。また、i型MgZnO層26のバンドギャップ(Eg)は、たとえば、3.24eV〜3.7eVである。i型MgZnO層26のEgを、このようなEgにするには、i型MgZnO層26におけるMgの混晶比率(x)を0(%)〜25(%)にしておけばよい。また、i型MgZnO層26の層厚は、300nm〜1000nmであることが好ましい。i型MgZnO層26におけるその他の物性(窒素のドーピング濃度)については、前述のn型MgZnO層3と同様である。
The
The i-type MgZnO layer 26 is a layer that receives and absorbs light in the MgZnO stacked portion 46, and receives and absorbs light as a whole. That is, the i-type MgZnO layer 26 functions as a light receiving region that receives and absorbs light in the MgZnO stacked portion 46. Like the n-
n型MgZnO層25は、i型MgZnO層26の一方表面26aに形成されており、前述のn型MgZnO層3と同様に、ZnOにMgが含有されたMgyZny−1O(ただし、0≦y≦1)混晶からなる。また、n型MgZnO層25の層厚は、100nm〜3000nmであることが好ましい。なお、n型MgZnO層25には、窒素がドーピングされていない。
The n-
p型MgZnO層27は、i型MgZnO層26の一方表面26aとは反対の他方表面26bに形成されており、前述のn型MgZnO層3と同様に、ZnOにMgが含有されたMgzZnz−1O(ただし、0≦z≦1)混晶からなる。また、p型MgZnO層27の層厚は、100nm〜3000nmであることが好ましい。なお、p型MgZnO層27には、窒素がドーピングされていない。
The p-
そして、n型MgZnO層25および/またはp型MgZnO層27は、i型MgZnO層26よりバンドギャップが大きいことが好ましい。たとえば、n型MgZnO層25および/またはp型MgZnO層27のバンドギャップ(Eg)は、3.3eV〜3.9eVであることが好ましい。この実施形態では、p型MgZnO層27のEgが3.3eV〜3.9eVである。p型MgZnO層27のEgを、この範囲のEgにするには、p型MgZnO層27におけるMgの混晶比率(z)を3(%)〜30(%)にしておけばよい。なお、n型MgZnO層25のEgは、p型MgZnO層27と同じであってもよく、i型MgZnO層26と同じであってもよい。p型MgZnO層27と同じにする場合には、Mgの混晶比率(y)を3(%)〜30(%)にしておけばよい。
The n-
第1の実施形態で示したEg(eV)=1240/λ(nm)で表わされる式(1)を用いて、i型MgZnO層26よりバンドギャップの大きいp型MgZnO層27で吸収可能な光の波長を算出すると、その波長は、i型MgZnO層26で吸収可能な光の波長より小さくなる。つまり、i型MgZnO層26で吸収可能な波長の光は、p型MgZnO層27で吸収されない。そのため、p型MgZnO層27の表面へと入射される光を、i型MgZnO層26に確実に到達させることができる。
Light that can be absorbed by the p-
p型MgZnO層27の表面には、p型MgZnO層27の表面が露出するように、オーミック電極28がオーミック接合されている。p型MgZnO層27の表面を露出させておくことにより、外部の光を当該露出面からp型MgZnO層27を通過させて、確実にi型MgZnO層26に到達させることができる。一方、n型MgZnO層25の表面には、当該表面の略全域を覆うように、オーミック電極29がオーミック接合されている。オーミック電極28は、たとえば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)、ニッケル(Ni)、ロジウム(Rh)から選ばれる金属材料からなる。一方、オーミック電極29は、前述のオーミック電極4と同様の金属材料からなる。
An
次に、PINダイオード37の製造方法について説明する。 PINダイオード37を製造するには、まず、たとえば、図2に示したMBE成長装置5を使用して、たとえば、ZnO基板(図示せず)の上にn型MgZnO層25(窒素照射なし)、i型MgZnO層26(窒素照射あり)およびp型MgZnO層27(窒素照射なし)がこの順に成長させられる。これにより、ZnO基板の上にMgZnO積層部46が形成される。
Next, a method for manufacturing the
MgZnO積層部46が形成された後には、ZnO基板の全部もしくはその一部が除去される。ZnO基板の除去は、エッチング処理やCMP(化学的機械的研磨)処理などによって行なうことができる。ZnO基板を除去することにより、n型MgZnO層25の表面の全部もしくはその一部が露出する。
その後は、光導電セル1の場合と同様に、公知のスパッタ装置や蒸着装置を用いて、金属材料の成膜とフォトリソグラフィーを用いたパターン形成技術により、p型MgZnO層27の表面にオーミック電極28が形成され、n型MgZnO層25の露出した表面にオーミック電極29が形成される。こうして、図5に示すPINダイオード37が得られる。
図6は、この発明の第5の実施形態に係るPINダイオード38を説明するための図解的な断面図である。なお、この図6において、前述の図1に示された各部に相当する部分には、同一の参照符号を付して示す。
After the MgZnO stacked portion 46 is formed, the entire ZnO substrate or a part thereof is removed. The removal of the ZnO substrate can be performed by an etching process, a CMP (chemical mechanical polishing) process, or the like. By removing the ZnO substrate, all or part of the surface of the n-
After that, as in the case of the
FIG. 6 is an illustrative sectional view for explaining a
このPINダイオード38は、基板2と、この基板2の上に成長させられたMgZnO積層部47(受光層)とを備えている。
MgZnO積層部47は、n型MgZnO層30と、i型MgZnO層31(受光領域)と、p型MgZnO層32とを備え、これら各MgZnO層は、この順に積層されている。
The
The MgZnO
n型MgZnO層30、i型MgZnO層31およびp型MgZnO層32の物性(Eg、Mgの混晶比率、窒素のドーピング濃度、層厚)については、それぞれ、前述のn型MgZnO層25、i型MgZnO層26およびp型MgZnO層27と同様である。
また、MgZnO積層部46は、断面略矩形となるようにp型MgZnO層32から、i型MgZnO層31を貫通してn型MgZnO層30が露出する深さまで積層界面を横切る方向にエッチングされている。そして、n型MgZnO層30の露出した露出面30aには、オーミック電極34がオーミック接合されている。一方、p型MgZnO層32の表面には、オーミック電極33がオーミック接合されている。オーミック電極33は、たとえば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)、ニッケル(Ni)、ロジウム(Rh)から選ばれる金属材料からなる。一方、オーミック電極34は、それぞれ、前述のオーミック電極4と同様の金属材料からなる。
Regarding the physical properties (Eg, Mg mixed crystal ratio, nitrogen doping concentration, layer thickness) of the n-
Further, the MgZnO laminated portion 46 is etched in a direction crossing the laminated interface from the p-
そして、このPINダイオード38を製造するには、まず、たとえば、図2に示したMBE成長装置5を使用して、基板2の上にn型MgZnO層25(窒素照射なし)、i型MgZnO層26(窒素照射あり)およびp型MgZnO層27(窒素照射なし)がこの順に成長させられる。これにより、サファイア基板の上にMgZnO積層部47が形成される。
In order to manufacture the
MgZnO積層部47が形成された後には、p型MgZnO層32から、i型MgZnO層31を貫通して、n型MgZnO層30の層厚中間部に至るまでエッチングされて、n型MgZnO層30の露出面30aが露出する。
その後は、光導電セル1の場合と同様に、公知のスパッタ装置や蒸着装置を用いて金属材料の成膜とフォトリソグラフィーを用いたパターン形成技術により、p型MgZnO層32の表面にオーミック電極33が形成され、n型MgZnO層30の露出面30aにオーミック電極34が形成される。こうして、図6に示すPINダイオード38が得られる。 以上のように、第4および第5の実施形態によれば、i型MgZnO層26およびi型MgZnO層31に窒素がドーピングされている。そのため、PINダイオード37およびPINダイオード38における暗電流を低減するとともに、応答速度の低下を抑制することができる。なお、第5の実施形態においても、第1の実施形態と同様に、基板2とn型MgZnO層30との間に、ZnO系化合物からなるバッファ層が形成されていてもよい。また、第4および第5の実施形態において、n型MgZnO層25(n型MgZnO層30)およびp型MgZnO層27(p型MgZnO層32)に挟まれるMgZnO層は、i型でなくてもよく、たとえば、n型MgZnO層25(n型MgZnO層30)よりドーパント濃度の小さい高抵抗のn型であってもよい。
以上、この発明の複数の実施形態について説明したが、上述した、光導電セル1、ショットキーダイオード35および36、PINダイオード37および38は、たとえば、簡便性に優れた、耐放射線性が高い紫外線モニターなどとして応用することができる。
After the MgZnO
Thereafter, as in the case of the
Although a plurality of embodiments of the present invention have been described above, the above-described
また、この発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。 Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
次に、本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、この発明は下記の実施例によって限定されるものではない。
実施例1
図2に示した構成を有するMBE成長装置における基板ホルダに、サファイア基板を保持させ、このサファイア基板上に、下記に示す成長条件で、導電型がn型のMgZnO層を成長させた。次いで、このn型MgZnO層の表面に、スパッタ法により、オーミック電極を2つ形成した。これによって、窒素がドーピングされたn型MgZnO層(Mg混晶比率:30(%)、層厚:1000nm、窒素ドーピング濃度:1×1019cm−3)を備える光導電セルを得た。
(n型MgZnO層の成長条件)
ウエハ温度:750℃
Oプラズマの照射条件:電力300Wで、RFセルへのO2供給流量0.5sccm
Nプラズマの照射条件:電力300Wで、RFセルへのN2供給流量0.5sccm
Znの照射条件:10−5Pa
Mgの照射条件:10−6Pa
比較例1
実施例1と同様の方法により、n型MgZnO層を備える光導電セルを作製した。ただし、n型MgZnO層を成長させる際、サファイア基板に窒素(N)を照射しなかった。こうして、窒素がドーピングされていないn型MgZnO層(Mg混晶比率:30(%)、層厚:1000nm)を備える光導電セルを得た。
Next, although this invention is demonstrated based on an Example and a comparative example, this invention is not limited by the following Example.
Example 1
A sapphire substrate was held on a substrate holder in the MBE growth apparatus having the configuration shown in FIG. 2, and an n-type MgZnO layer of conductivity type was grown on the sapphire substrate under the growth conditions shown below. Next, two ohmic electrodes were formed on the surface of the n-type MgZnO layer by sputtering. As a result, a photoconductive cell including an n-type MgZnO layer doped with nitrogen (Mg mixed crystal ratio: 30 (%), layer thickness: 1000 nm, nitrogen doping concentration: 1 × 10 19 cm −3 ) was obtained.
(Growth conditions for n-type MgZnO layer)
Wafer temperature: 750 ° C.
O plasma irradiation condition: power 300 W, O 2 supply flow rate to RF cell 0.5 sccm
N plasma irradiation condition: power 300 W, N 2 supply flow rate to RF cell 0.5 sccm
Zn irradiation conditions: 10 −5 Pa
Mg irradiation conditions: 10 −6 Pa
Comparative Example 1
A photoconductive cell comprising an n-type MgZnO layer was produced by the same method as in Example 1. However, when growing the n-type MgZnO layer, the sapphire substrate was not irradiated with nitrogen (N). Thus, a photoconductive cell including an n-type MgZnO layer (Mg mixed crystal ratio: 30 (%), layer thickness: 1000 nm) not doped with nitrogen was obtained.
光応答速度の測定
実施例1および比較例1により得られた光導電セルのオーミック電極間に3Vの電圧を印加した。この加電圧状態で、各光導電セルに波長300nmの光を5秒間照射した後、照射を止めた。光を照射したときに出力される光電流値の経時変化を図7に示す。なお、図7において、T1は、実施例1の光電流値が最大値A1の10%から95%に上昇するまでの立ち上がり時間を示している。また、T2は、実施例1の光電流値が最大値A1の100%から10%に降下するまでの立ち下がり時間を示している。また、T3は、比較例1の光電流値が最大値A2の10%から95%に上昇するまでの立ち上がり時間を示している。また、T4は、比較例1の光電流値が最大値A2の100%から10%に降下するまでの立ち下がり時間を示している。
Measurement of photoresponse speed A voltage of 3 V was applied between the ohmic electrodes of the photoconductive cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1. In this applied voltage state, each photoconductive cell was irradiated with light having a wavelength of 300 nm for 5 seconds, and then the irradiation was stopped. FIG. 7 shows changes with time in the photocurrent value output when light is irradiated. In FIG. 7, T1 indicates the rise time until the photocurrent value of Example 1 increases from 10% to 95% of the maximum value A1. T2 represents the fall time until the photocurrent value in Example 1 drops from 100% to 10% of the maximum value A1. T3 indicates the rise time until the photocurrent value in Comparative Example 1 increases from 10% to 95% of the maximum value A2. T4 represents the fall time until the photocurrent value of Comparative Example 1 drops from 100% to 10% of the maximum value A2.
図7において、実施例1の、T1は1s、T2は6sである。一方、比較例1の、T3は2s、T4は18sである。これにより、窒素がドーピングされたn型MgZnO層を備える実施例1の光導電セルは、窒素がドーピングされていないn型MgZnO層を備える比較例1の光導電セルに比べて、光に対する応答速度が速いことが確認された。 In FIG. 7, in Example 1, T1 is 1 s and T2 is 6 s. On the other hand, in Comparative Example 1, T3 is 2 s and T4 is 18 s. Accordingly, the photoconductive cell of Example 1 including the n-type MgZnO layer doped with nitrogen has a response speed to light as compared with the photoconductive cell of Comparative Example 1 including the n-type MgZnO layer not doped with nitrogen. Was confirmed to be fast.
1 光導電セル
3 n型MgZnO層
4 オーミック電極
17 n型MgZnO層
18 オーミック電極
19 ショットキー電極
20 空乏層
21 n型MgZnO層
22 n型MgZnO層
23 ショットキー電極
24 オーミック電極
25 n型MgZnO層
26 i型MgZnO層
27 p型MgZnO層
28 オーミック電極
29 オーミック電極
30 n型MgZnO層
31 i型MgZnO層
32 p型MgZnO層
33 オーミック電極
34 オーミック電極
35 ショットキーダイオード
36 ショットキーダイオード
37 PINダイオード
38 PINダイオード
40 MgZnO積層部
41 オーミック電極
42 オーミック電極
46 MgZnO積層部
47 MgZnO積層部
48 空乏層
1 Photoconductive cell 3 n-type MgZnO layer 4 ohmic electrode 17 n-
Claims (4)
前記基板上に形成され、n型MgxZn1−xO(ただし、0≦x≦1)からなり、1×10 16 cm −3 〜1×10 20 cm −3 の濃度で窒素がドーピングされた受光領域と、当該受光領域以外の窒素がドーピングされていない領域とが選択的に形成された受光層と、
前記受光層の前記受光領域にショットキー接合されたショットキー電極と、
前記受光層の前記受光領域以外の領域にオーミック接合されたオーミック電極とを含む、酸化物半導体受光素子。 A substrate,
Formed on the substrate, made of n-type Mg x Zn 1-x O (where 0 ≦ x ≦ 1), and doped with nitrogen at a concentration of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 A light receiving layer in which a light receiving region and a region not doped with nitrogen other than the light receiving region are selectively formed ;
A Schottky electrode that is Schottky joined to the light receiving region of the light receiving layer;
An oxide semiconductor light receiving element including an ohmic electrode that is ohmic-bonded to a region other than the light receiving region of the light receiving layer .
前記ショットキー電極は、前記上層の表面にショットキー接合され、
前記オーミック電極は、前記下層の前記露出面にオーミック接合されている、請求項1に記載の酸化物半導体受光素子。 The light receiving layer is formed as a lower layer not doped with nitrogen, and the light receiving region formed on the lower layer and doped with nitrogen at a concentration of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 . And is etched in a direction across the lamination interface from the upper layer to a depth at which the surface of the lower layer is exposed as an exposed surface,
The Schottky electrode is Schottky bonded to the surface of the upper layer,
The oxide semiconductor light receiving element according to claim 1, wherein the ohmic electrode is in ohmic contact with the exposed surface of the lower layer .
前記受光層の一方表面側に形成された、窒素がドーピングされていないZnO系化合物半導体からなるp型酸化物半導体層と、
前記受光層の前記一方表面側とは反対の他方表面側に形成された、窒素がドーピングされていないZnO系化合物半導体からなるn型酸化物半導体層とを含む積層部と、
前記p型酸化物半導体層に接合されたp側電極と、
前記n型酸化物半導体層に接合されたn側電極とを含み、
前記p型酸化物半導体層および前記n型酸化物半導体層の少なくとも一方は、前記受光層よりバンドギャップが大きい、酸化物半導体受光素子。 a light-receiving layer made of i-type Mg x Zn 1-x O (where 0 ≦ x ≦ 1) and doped with nitrogen at a concentration of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 ;
A p-type oxide semiconductor layer made of ZnO-based compound semiconductor not doped with nitrogen , formed on one surface side of the light-receiving layer;
Wherein the said one surface side of the light-receiving layer formed on the other surface side opposite to the n-type oxide semiconductor layer and the including stacked unit nitrogen is made of ZnO based compound semiconductor which is not doped,
And the p-side electrode joined before Symbol p-type oxide semiconductor layer,
And a n-side electrode which is joined to the n-type oxide semiconductor layer,
At least one of the p-type oxide semiconductor layer and the n-type oxide semiconductor layer, a band gap larger than the light receiving layer, oxides semiconductor photodetector.
前記積層部は、前記p型酸化物半導体層から、前記受光層を貫通して前記n型酸化物半導体層の表面が露出面として露出する深さまで積層界面を横切る方向にエッチングされており、 The stacked portion is etched in a direction crossing the stacked interface from the p-type oxide semiconductor layer to a depth that penetrates the light receiving layer and exposes a surface of the n-type oxide semiconductor layer as an exposed surface,
前記p側電極は、前記p型酸化物半導体層の表面にオーミック接合され、 The p-side electrode is in ohmic contact with the surface of the p-type oxide semiconductor layer,
前記n側電極は、前記n型酸化物半導体層の前記露出面にオーミック接合されている、請求項3に記載の酸化物半導体受光素子。 The oxide semiconductor light receiving element according to claim 3, wherein the n-side electrode is in ohmic contact with the exposed surface of the n-type oxide semiconductor layer.
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