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JP7506872B2 - Avalanche Photodiode - Google Patents

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JP7506872B2 JP2020103902A JP2020103902A JP7506872B2 JP 7506872 B2 JP7506872 B2 JP 7506872B2 JP 2020103902 A JP2020103902 A JP 2020103902A JP 2020103902 A JP2020103902 A JP 2020103902A JP 7506872 B2 JP7506872 B2 JP 7506872B2
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Description

本発明は、アバランシェフォトダイオードに関する。 The present invention relates to an avalanche photodiode.

従来、Ga系単結晶層と、Ga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、Ga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)。 Conventionally, an avalanche photodiode has been known that has a Ga2O3 - based single crystal layer, a dielectric layer laminated on the Ga2O3 - based single crystal layer, an anode electrode connected to the dielectric layer, and a cathode electrode connected to the Ga2O3 -based single crystal layer (see Patent Document 1).

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、Ga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。 According to the avalanche photodiode described in Patent Document 1, avalanche breakdown can be generated at the junction between the Ga2O3 - based single crystal layer and the dielectric layer by applying a reverse voltage between the anode electrode and the cathode electrode. This makes it possible to obtain a large current relative to the intensity of the received light, resulting in excellent light receiving sensitivity.

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Ga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。 Furthermore, the avalanche photodiode described in Patent Document 1 uses a Ga2O3 - based single crystal layer having a wide band gap, and therefore can realize an ultra-sensitive solar blind sensor that responds only to light with short wavelengths and detects only flames in an environment where sunlight is pouring down, for example.

特開2017-220550号公報JP 2017-220550 A

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。 However, in the avalanche photodiode described in Patent Document 1, a current flows through the dielectric layer after light is received, and this dielectric layer may be degraded by the repeated flow of current, raising concerns about its long-term reliability.

本発明の目的は、Ga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。 An object of the present invention is to provide an avalanche photodiode that uses a Ga 2 O 3 based semiconductor, responds to light of a short wavelength, and has excellent long-term reliability.

本発明の一態様は、上記目的を達成するために、[1]~[]のアバランシェフォトダイオードを提供する。
In order to achieve the above object, one aspect of the present invention provides an avalanche photodiode according to any one of [1] to [ 7 ].

[1]Ga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Ga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]Ga系半導体からなるn型の第1の半導体層と、前記Ga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、Ga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。
]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。
]前記Ga系半導体層がガードリングを含む、上記[1]~[]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。
]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。
]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。
[1] An avalanche photodiode comprising: an n-type first semiconductor layer made of a Ga2O3 - based semiconductor; a p-type second semiconductor layer made of a semiconductor having a band gap larger than that of the Ga2O3 - based semiconductor and stacked on the first semiconductor layer; an anode electrode connected to the second semiconductor layer; and a cathode electrode connected to the first semiconductor layer, wherein an effective acceptor concentration of the second semiconductor layer is higher than an effective donor concentration of the first semiconductor layer, and an avalanche breakdown can be caused between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer by applying a reverse voltage between the anode electrode and the cathode electrode.
[2] An avalanche photodiode comprising: a first n-type semiconductor layer made of a Ga2O3 - based semiconductor; a second p-type semiconductor layer made of a semiconductor having a band gap larger than that of the Ga2O3 - based semiconductor; a third n-type semiconductor layer made of a Ga2O3 - based semiconductor sandwiched between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, the third semiconductor layer being i-type or having an effective donor concentration lower than that of the first semiconductor layer; an anode electrode connected to the second semiconductor layer; and a cathode electrode connected to the first semiconductor layer, wherein the effective acceptor concentration of the second semiconductor layer is higher than the effective donor concentration of the third semiconductor layer, and an avalanche breakdown can be caused between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer by applying a reverse voltage between the anode electrode and the cathode electrode.
[3] The avalanche photodiode according to the above [2], wherein the third semiconductor layer is in contact with the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and an effective donor concentration of the third semiconductor layer is 1×10 17 cm −3 or less.
[ 4 ] The avalanche photodiode according to any one of the above [1] to [3] , wherein the second semiconductor layer is made of diamond.
[ 5 ] The avalanche photodiode according to any one of the above [1] to [ 4 ], wherein the Ga 2 O 3 based semiconductor layer includes a guard ring.
[ 6 ] The avalanche photodiode according to the above [1], wherein the stack of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer has a mesa shape.
[ 7 ] The avalanche photodiode according to the above [2] or [3] , wherein a stack of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer has a mesa shape.

本発明によれば、Ga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。 According to the present invention, it is possible to provide an avalanche photodiode that uses a Ga 2 O 3 semiconductor and responds to light of a short wavelength, and that has excellent long-term reliability.

図1は、第1の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオードの垂直断面図である。FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of an avalanche photodiode according to a first embodiment. 図2は、各種光源の発光スペクトルを比較した図である。FIG. 2 is a diagram comparing the emission spectra of various light sources. 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の垂直断面図である。FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of an avalanche photodiode according to the second embodiment. 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の垂直断面図である。4A and 4B are vertical sectional views of an avalanche photodiode according to the third embodiment. 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の垂直断面図である。5A to 5C are vertical cross-sectional views of an avalanche photodiode according to the fourth embodiment.

〔第1の実施の形態〕
(アバランシェフォトダイオードの構造)
図1は、第1の実施の形態に係るアバランシェフォトダイオード1の垂直断面図である。
First Embodiment
(Avalanche photodiode structure)
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of an avalanche photodiode 1 according to a first embodiment.

アバランシェフォトダイオード1は、縦型の受光素子であり、Ga系半導体層10と、Ga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、Ga系半導体層10に接続されたカソード電極13とを有する。 The avalanche photodiode 1 is a vertical light receiving element and has a Ga2O3 - based semiconductor layer 10, a diamond layer 11 laminated on the Ga2O3 -based semiconductor layer 10, an anode electrode 12 connected to the diamond layer 11, and a cathode electrode 13 connected to the Ga2O3 - based semiconductor layer 10.

Ga系半導体層10は、Ga系半導体からなるn型の半導体層である。Ga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。Ga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。Ga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。 The Ga 2 O 3 based semiconductor layer 10 is an n-type semiconductor layer made of a Ga 2 O 3 based semiconductor. The Ga 2 O 3 based semiconductor layer 10 contains a group IV element such as Si or Sn as a donor. The effective donor concentration (donor concentration Nd minus acceptor concentration Na) of the Ga 2 O 3 based semiconductor layer 10 is appropriately set according to the magnitude of the operating voltage of the avalanche photodiode 1, and is set to, for example, approximately 1×10 18 cm −3 or less. The thickness of the Ga 2 O 3 based semiconductor layer 10 is set, for example, within a range of 10 μm or more and 1000 μm or less.

なお、アバランシェフォトダイオード1の動作時にGa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Ga系半導体層10に印加され得るため、Ga系半導体層10を構成するGa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Ga系半導体の多結晶体であれば、Ga系半導体層10の材料として用いることができる。 In addition, since an electric field close to 5 to 8 MV/cm, which is predicted as the dielectric breakdown field strength of Ga2O3 during operation of the avalanche photodiode 1, can be applied to the Ga2O3 - based semiconductor layer 10, the Ga2O3 -based semiconductor constituting the Ga2O3 -based semiconductor layer 10 is preferably a single crystal having excellent resistance to the electric field. Also, any high-quality Ga2O3 -based semiconductor polycrystal that can withstand an electric field of 5 to 8 MV/cm can be used as the material for the Ga2O3 - based semiconductor layer 10.

ここで、Ga系半導体とは、Ga、又は、Al、Inなどの元素が添加されたGaであり、例えば、(GaAlIn(1-x-y)(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Ga系半導体は、β型の結晶構造を有する。 Here, the Ga2O3 - based semiconductor is Ga2O3 or Ga2O3 doped with elements such as Al and In, and has a composition expressed as ( GaxAlyIn (1-xy) ) 2O3 (0<x≦1, 0≦y<1, 0<x+y≦1). When Al is added, the band gap becomes wider, and when In is added, the band gap becomes narrower. The above Ga2O3 - based semiconductor has a β-type crystal structure.

アバランシェフォトダイオード1の特性はGa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、Ga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。 Since the characteristics of the avalanche photodiode 1 are hardly dependent on the plane orientation of the primary surface of the Ga2O3 - based semiconductor layer 10, the plane orientation of the primary surface of the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 is not particularly limited. However, from the viewpoint of, for example, crystal growth rate, it is preferable that the plane orientation be (001), (010), (110), (210), (310), (610), (910), (101), (102), (201), (401), (-101), (-201), (-102) or (-401).

ダイヤモンド層11は、Ga系半導体層10を構成するGa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Ga系半導体層10側に形成するために、Ga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Ga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。 The diamond layer 11 is a p-type semiconductor layer made of diamond having a band gap larger than that of the Ga 2 O 3 semiconductor constituting the Ga 2 O 3 semiconductor layer 10. The diamond layer 11 contains III group elements such as B, Al, Ga, In, and Tl as acceptors. The effective acceptor concentration (acceptor concentration Na minus donor concentration Nd) of the diamond layer 11 is set higher than the effective donor concentration of the Ga 2 O 3 semiconductor layer 10 in order to form a depletion layer mainly on the Ga 2 O 3 semiconductor layer 10 side, and is set within a range of, for example, about 1×10 18 cm −3 or more and 1×10 23 cm −3 or less. If the depletion layer is widely spread not only on the Ga 2 O 3 semiconductor layer 10 side but also on the diamond layer 11 side, the voltage required for the operation of the avalanche photodiode 1 becomes high, making it difficult to handle. Furthermore, in order to effectively suppress the spread of the depletion layer towards the diamond layer 11, it is preferable that the effective acceptor concentration of the diamond layer 11 is 1×10 18 cm −3 or more. The thickness of the diamond layer 11 is set within the range of, for example, 100 nm or more and 1 mm or less.

なお、ダイヤモンド層11の代わりに、Ga系半導体層10を構成するGa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、Ga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。 In addition, instead of the diamond layer 11, a p-type semiconductor layer made of a semiconductor other than diamond, such as AlGaN, AlN, MgO, etc., which has a larger band gap than the Ga 2 O 3 -based semiconductor that constitutes the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 10, may be used. The effective acceptor concentration of the p-type semiconductor layer is also set higher than the effective donor concentration of the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 10, similar to the effective acceptor concentration of the diamond layer 11, and is set within a range of, for example, about 1×10 18 or more and 1×10 21 cm −3 or less. However, since diamond is easier to be made p-type than the above-mentioned AlGaN, AlN, MgO, etc., it is preferable to use the diamond layer 11.

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。 The diamond constituting the diamond layer 11 and the semiconductor constituting the p-type semiconductor layer used in place of the diamond layer 11 can operate as an avalanche photodiode 1 whether they are single crystal or polycrystalline. From the viewpoint of device reliability, however, single crystal is preferable, and from the viewpoint of manufacturing costs, polycrystalline is preferable.

Ga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Ga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。 The wavelength of light absorbed by the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 depends on its composition (concentration of Al and In), but for example, Ga2O3 , which is a typical composition, has a band gap of about 4.5 eV and therefore absorbs light with a wavelength shorter than about 280 nm. Also, the diamond layer 11 has a band gap of about 5.5 eV and therefore absorbs light with a wavelength shorter than about 225 nm.

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Ga系半導体層10の吸収端波長(Ga系半導体層10がGaからなる場合は280nm)よりも短い波長の光がGa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、Ga系半導体層10の吸収端波長以下の範囲である。 Therefore, when the avalanche photodiode 1 receives light from the diamond layer 11 side, only light having a wavelength longer than 225 nm passes through the diamond layer 11, and among the light, light having a wavelength shorter than the absorption edge wavelength of the Ga2O3 -based semiconductor layer 10 (280 nm when the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 is made of Ga2O3 ) is absorbed by the Ga2O3 - based semiconductor layer 10. That is, the wavelength range of light that can be received by the avalanche photodiode 1 is approximately 225 nm or more and the absorption edge wavelength of the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 or less.

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、Ga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Ga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。 In addition, it is difficult to make an avalanche photodiode without using a pn junction (pin junction). It is difficult to make a p-type Ga2O3 - based semiconductor, and it is difficult to make an n-type diamond. For this reason, it is difficult to make the semiconductor layer of an avalanche photodiode only from a Ga2O3 - based semiconductor or only from diamond.

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。 Figure 2 is a comparison of the emission spectra of various light sources. A, B, C, D, and E in the figure are the emission spectra of a gas flame, sunlight, a white LED, an incandescent bulb, and a fluorescent lamp, respectively.

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。 As shown in Figure 2, the spectral intensity of sunlight is nearly zero below 300 nm. On the other hand, although not shown in the figure, it has been confirmed that the spectral intensity of a gas flame also approaches zero below 200 nm.

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。 As described above, the wavelength range of light that the avalanche photodiode 1 can receive is approximately 225 to 280 nm, so it is able to respond to light from a gas flame but not to light from the sun, white LEDs, incandescent bulbs, or fluorescent lights. For this reason, the avalanche photodiode 1 can be used, for example, as an ultra-sensitive solar blind sensor that detects only flames in an environment where sunlight is pouring down.

なお、Ga系半導体層10を構成するGa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。 When an impurity such as In that shifts the absorption edge to the long wavelength side is added to the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer constituting the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 10, the amount of the impurity added should be suppressed to a level that does not absorb solar light.

アノード電極12は、ダイヤモンド層11のGa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。 The anode electrode 12 is formed on the surface of the diamond layer 11 opposite to the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 10, and is connected to the diamond layer 11. Here, the connection to the diamond layer 11 includes not only a direct connection but also an indirect connection. That is, the anode electrode 12 and the diamond layer 11 may be connected via a layer that does not interfere with the operation of the avalanche photodiode 1 as a light receiving element.

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。 The material of the anode electrode 12 is not particularly limited, and may be, for example, Ti, Mo, Ta, Pt, Au, Ni, or Al. However, when the anode electrode 12 is directly connected to the diamond layer 11, it is preferable to use Ti, Mo, Ta, or the like, which is in ohmic contact with the diamond layer 11, in order to suppress device losses (suppress an increase in the operating voltage).

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。 Since the avalanche photodiode 1 receives light by passing through the anode electrode 12, the thickness of the anode electrode 12 is preferably thin, for example, about 1 to 10 nm. The shape of the anode electrode 12 is typically circular or rectangular.

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。 The surface of the anode electrode 12 may be covered with an anti-reflection film. By using this anti-reflection film, it is possible to suppress the reflection of light on the surface of the anode electrode 12 and increase the amount of light received by the avalanche photodiode 1.

カソード電極13は、Ga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、Ga系半導体層10に接続される。ここで、Ga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Ga系半導体層10が接続されてもよい。 The cathode electrode 13 is formed on the surface of the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 opposite to the diamond layer 11, and is connected to the Ga2O3 -based semiconductor layer 10. Here, the connection to the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 includes not only a direct connection but also an indirect connection. That is, the cathode electrode 13 and the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 may be connected via a layer that does not interfere with the operation of the avalanche photodiode 1 as a light receiving element.

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、Ga系半導体層10の底面の形状と同じ四角形である。 The cathode electrode 13 has a structure in which, for example, a 300 nm thick Au film is laminated on a 50 nm thick Ti film. The shape of the cathode electrode 13 is typically rectangular, the same as the shape of the bottom surface of the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 10.

(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Ga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。
(Avalanche Photodiode Operation)
By applying a reverse voltage (a voltage that makes the potential of the cathode electrode 13 higher than the potential of the anode electrode 12) slightly smaller than the voltage at which avalanche breakdown occurs between the anode electrode 12 and the cathode electrode 13 of the avalanche photodiode 1, it is possible to cause an avalanche breakdown between the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 when light is received.

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、Ga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Ga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)。 More specifically, when the avalanche photodiode 1 receives light, electrons are excited to generate electron-hole pairs in a depletion layer formed in the vicinity of the interface between the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 and the diamond layer 11. When a reverse voltage is applied, the electrons excited in the depletion layer are accelerated by a strong electric field and collide with and ionize atoms constituting the Ga2O3 - based semiconductor layer 10, generating new electron-hole pairs (impact ionization).

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)。 The electrons generated by this impact ionization cause further impact ionization, and this process is repeated to generate many electron-hole pairs. The multiple holes generated in this way move across the diamond layer 11 to the anode electrode 12 due to the strong electric field in the depletion layer. The multiple electrons also move to the cathode electrode 13 due to the strong electric field in the depletion layer. This generates a large current (avalanche breakdown).

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。 In this way, the avalanche photodiode 1 can generate a large current relative to the intensity of the irradiated light by utilizing the avalanche breakdown. This allows the avalanche photodiode 1 to have excellent light receiving sensitivity.

(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、Ga系半導体層10としてのGa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。
(Manufacturing method of avalanche photodiode)
The following describes an example of a method for manufacturing the avalanche photodiode 1. First, a surface of a Ga2O3 - based semiconductor single crystal substrate serving as the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 and a surface of a diamond single crystal substrate serving as the diamond layer 11 are bonded together.

例えば、まず、ダイヤモンドの単結晶基板を75℃のHSO/H(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、Ga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Ga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。 For example, first, a diamond single crystal substrate is immersed in a 75°C H2SO4 / H2O2 (4:1) mixed solution (so-called sulfuric acid/hydrogen peroxide) for 10 minutes , and its surface is terminated with OH groups. Next, the surface of a Ga2O3 - based semiconductor single crystal substrate is irradiated with oxygen plasma for 30 seconds under the conditions of an output of 200W and a pressure of 60Pa, and is terminated with OH groups. Next, the diamond single crystal substrate and the Ga2O3 - based semiconductor single crystal substrate, which are terminated with OH groups, are brought into contact with each other in the atmosphere, and are stored for about 3 days to dry. After that, a heat treatment is performed at 250°C for 24 hours, and the bonding is completed.

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Ga系半導体の結晶を成長させてGa系半導体層10を形成したり、Ga系半導体層10としてのGa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。 In addition to bonding, a method may be used in which Ga2O3 - based semiconductor crystals are grown on the surface of a diamond single crystal substrate as the diamond layer 11 using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like to form the Ga2O3 - based semiconductor layer 10, or diamond crystals are grown on the surface of a Ga2O3 - based semiconductor single crystal substrate as the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 to form the diamond layer 11. However, since these crystal growth methods are not easy, it is preferable to use a bonding method.

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Ga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Ga系半導体層10にオーミック接合される。 Thereafter, the anode electrode 12 and the cathode electrode 13 are formed on the surfaces of the diamond layer 11 and the Ga2O3 - based semiconductor layer 10, respectively, by vacuum deposition, RF (radio frequency) sputtering, etc. The anode electrode 12 and the cathode electrode 13 are ohmic-contacted to the diamond layer 11 and the Ga2O3 - based semiconductor layer 10, respectively.

〔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。
Second Embodiment
The second embodiment differs from the first embodiment in that a semiconductor layer is used to control the width of the depletion layer. In the description of this embodiment, the same or substantially the same members as those used in the above-mentioned embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted or simplified.

(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。
(Avalanche photodiode structure)
FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of an avalanche photodiode 2 according to the second embodiment.

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、Ga系半導体層20と、ダイヤモンド層11と、Ga系半導体層20とダイヤモンド層11との間に挟まれた、Ga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、Ga系半導体層20に接続されたカソード電極13とを有する。 The avalanche photodiode 2 is a vertical light receiving element and has a Ga2O3 - based semiconductor layer 20, a diamond layer 11, a Ga2O3 -based semiconductor layer 21 sandwiched between the Ga2O3 - based semiconductor layer 20 and the diamond layer 11, an anode electrode 12 connected to the diamond layer 11, and a cathode electrode 13 connected to the Ga2O3 - based semiconductor layer 20.

Ga系半導体層20は、Ga系半導体からなるn型の半導体層である。Ga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。Ga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。Ga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。 The Ga2O3 - based semiconductor layer 20 is an n-type semiconductor layer made of a Ga2O3 - based semiconductor. The Ga2O3- based semiconductor layer 20 contains a group IV element such as Si or Sn as a donor. The effective donor concentration of the Ga2O3 - based semiconductor layer 20 is set to, for example, approximately 1× 1018 cm -3 or more. The thickness of the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 is set to, for example, within a range of 10 μm or more and 1000 μm or less.

アバランシェフォトダイオード2の特性はGa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、Ga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。 Since the characteristics of the avalanche photodiode 2 are hardly dependent on the plane orientation of the primary surface of the Ga2O3 - based semiconductor layer 20, the plane orientation of the primary surface of the Ga2O3 - based semiconductor layer 20 is not particularly limited. However, from the viewpoint of, for example, crystal growth rate, it is preferable that the plane orientation be (001), (010), (110), (210), (310), (610), (910), (101), (102), (201), (401), (-101), (-201), (-102) or (-401).

Ga系半導体層21は、Ga系半導体からなるi型又はn型の半導体層である。Ga系半導体層21の実効ドナー濃度は、Ga系半導体層20をほとんど空乏化させずにGa系半導体層21をほぼ完全に空乏化させるように、Ga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。Ga系半導体層20をほとんど空乏化させずにGa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、Ga系半導体層20とGa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。 The Ga 2 O 3 based semiconductor layer 21 is an i-type or n-type semiconductor layer made of a Ga 2 O 3 based semiconductor. The effective donor concentration of the Ga 2 O 3 based semiconductor layer 21 is set lower than the effective donor concentration of the Ga 2 O 3 based semiconductor layer 20, for example, set to about 1×10 17 cm −3 or less, so that the Ga 2 O 3 based semiconductor layer 21 is almost completely depleted without almost depleting the Ga 2 O 3 based semiconductor layer 20. In order to almost completely deplete the Ga 2 O 3 based semiconductor layer 21 without almost depleting the Ga 2 O 3 based semiconductor layer 20, for example, it is preferable that the effective donor concentrations of the Ga 2 O 3 based semiconductor layer 20 and the Ga 2 O 3 based semiconductor layer 21 are different by one digit or more.

Ga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。Ga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Ga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Ga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Ga系半導体層21を形成することができる。Ga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。 The Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 21 behaves as an i-type or n-type depending on the magnitude of the effective donor concentration, but may be either i-type or n-type. When a donor is added to the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 21, a group IV element such as Si or Sn is used as the donor. Basically, if no donor is added, the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 21 becomes an i-type, but in order to prevent the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 21 from becoming an n-type due to the inclusion of unintended impurities, a deep acceptor (an acceptor that forms a deep level) such as Mg, N, Zn, or Fe may be added to make the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 21 an i-type. In addition, the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 21 can also be formed by diffusing oxygen on the surface of the n-type Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 20 by oxygen annealing treatment or the like. The thickness of the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 21 is set, for example, within a range of 0.2 μm or more and 2 μm or less.

また、Ga系半導体層20、21を構成するGa系半導体は、Ga系半導体層10を構成するGa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Ga系半導体の多結晶体であれば、Ga系半導体層20、21の材料として用いることができる。 The Ga2O3 - based semiconductor constituting the Ga2O3-based semiconductor layers 20 and 21 is preferably a single crystal having excellent resistance to an electric field, similar to the Ga2O3 - based semiconductor constituting the Ga2O3 - based semiconductor layer 10. Any high-quality Ga2O3 - based semiconductor polycrystal capable of withstanding an electric field of 5 to 8 MV/cm can be used as the material for the Ga2O3 - based semiconductor layers 20 and 21.

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Ga系半導体層21側に形成するために、Ga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。 The diamond layer 11 is a p-type semiconductor layer made of diamond, similar to the first embodiment. The effective acceptor concentration of the diamond layer 11 is set higher than the effective donor concentration of the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 21 in order to form a depletion layer mainly on the Ga 2 O 3 -based semiconductor layer 21 side, and is set within a range of, for example, approximately 1×10 18 cm −3 or more and 1×10 23 cm −3 or less. In order to effectively suppress the spread of the depletion layer toward the diamond layer 11 side, it is preferable that the effective acceptor concentration of the diamond layer 11 is 1×10 18 cm −3 or more. The thickness of the diamond layer 11 is set within a range of, for example, 100 nm or more and 1 mm or less.

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、Ga系半導体層10を構成するGa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。 Also, similarly to the first embodiment, instead of the diamond layer 11, a p- type semiconductor layer made of a semiconductor other than diamond, such as AlGaN, AlN, MgO, etc., having a band gap larger than that of the Ga2O3 - based semiconductor constituting the Ga2O3 -based semiconductor layer 10, may be used.

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。 As in the first embodiment, the diamond constituting the diamond layer 11 and the semiconductor constituting the p-type semiconductor layer used in place of the diamond layer 11 can operate the avalanche photodiode 2 whether they are single crystal or polycrystalline, but from the viewpoint of device reliability, single crystal is preferable, and from the viewpoint of manufacturing costs, polycrystalline is preferable.

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、Ga系半導体層21の吸収端波長以下の範囲である。Ga系半導体層21は、アバランシェフォトダイオード1のGa系半導体層10と同様にGa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。 The wavelength range of light that can be received by the avalanche photodiode 2 is approximately 225 nm or more and the absorption edge wavelength or less of the Ga2O3 -based semiconductor layer 21. The Ga2O3 -based semiconductor layer 21 is made of a Ga2O3 -based semiconductor like the Ga2O3 -based semiconductor layer 10 of the avalanche photodiode 1 , so the avalanche photodiode 2 can respond to light in the same wavelength range as the avalanche photodiode 1. Therefore, the avalanche photodiode 2 can be used for the same applications as the avalanche photodiode 1.

アバランシェフォトダイオード2は、Ga系半導体層20とダイヤモンド層11の間に、Ga系半導体層20よりも実効ドナー濃度が低いGa系半導体層21を有するため、Ga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Ga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。 The avalanche photodiode 2 has a Ga2O3- based semiconductor layer 21 between the Ga2O3 - based semiconductor layer 20 and the diamond layer 11, the Ga2O3 -based semiconductor layer 21 having a lower effective donor concentration than the Ga2O3 -based semiconductor layer 20, so that the Ga2O3 -based semiconductor layer 21 almost becomes a depletion layer. That is, in the avalanche photodiode 2, the thickness of the Ga2O3 - based semiconductor layer 21 almost becomes the width of the depletion layer, so that the width of the depletion layer can be easily controlled.

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、Ga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、Ga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。 In the avalanche photodiode 1 according to the first embodiment, the width of the depletion layer is controlled by the effective donor concentration of the Ga2O3 - based semiconductor layer 10. However, it is not easy to control the effective donor concentration of the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 with high accuracy.

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、Ga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。 Therefore, compared to the avalanche photodiode 1, the avalanche photodiode 2 has a higher manufacturing cost due to the provision of the Ga2O3 - based semiconductor layer 21, but has the advantage that the width of the depletion layer can be easily controlled and therefore the variation in the depletion layer width can be further suppressed or the depletion layer width can be made larger. By suppressing the variation in the depletion layer width, the variation in the light receiving sensitivity of each product of the avalanche photodiode 2 can be suppressed and the yield can be improved. Furthermore, by increasing the depletion layer width, light can be efficiently absorbed and the sensitivity of the avalanche photodiode 2 can be improved.

(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Ga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。
(Avalanche Photodiode Operation)
By applying a reverse voltage slightly smaller than the voltage at which avalanche breakdown occurs between the anode electrode 12 and the cathode electrode 13 of the avalanche photodiode 2, it is possible to cause avalanche breakdown between the Ga2O3 - based semiconductor layer 20 and the diamond layer 11 when light is received.

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、Ga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Ga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)。 More specifically, when the avalanche photodiode 2 receives light, electrons are excited to generate electron-hole pairs in a depletion layer formed in the Ga2O3 - based semiconductor layer 21. When a reverse voltage is applied, the electrons excited in the depletion layer are accelerated by a strong electric field and collide with and ionize atoms constituting the Ga2O3 -based semiconductor layer 21, generating new electron-hole pairs (impact ionization).

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、Ga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)。 The electrons generated by this impact ionization further cause impact ionization, and this process is repeated to generate many electron-hole pairs. The multiple holes generated in this manner move across the diamond layer 11 to the anode electrode 12 due to the strong electric field in the depletion layer. The multiple electrons also move across the Ga2O3 - based semiconductor layer 20 to the cathode electrode 13 due to the strong electric field in the depletion layer. This generates a large current (avalanche breakdown).

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。 In this way, the avalanche photodiode 2 can generate a large current relative to the intensity of the irradiated light by utilizing the avalanche breakdown. This allows the avalanche photodiode 2 to have excellent light receiving sensitivity.

(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、Ga系半導体層20としてのGa系半導体の単結晶基板上に、CVD法などにより、Ga系半導体層21としてのGa系半導体の単結晶膜をエピタキシャル成長させる。
(Manufacturing method of avalanche photodiode)
Hereinafter, a description will be given of an example of a method for manufacturing the avalanche photodiode 2. First, a single crystal film of a Ga2O3 - based semiconductor as the Ga2O3 -based semiconductor layer 21 is epitaxially grown by a CVD method or the like on a single crystal substrate of a Ga2O3 - based semiconductor as the Ga2O3 - based semiconductor layer 20.

ここで、i型のGa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Ga系半導体層20の表面に酸素を拡散させ、Ga系半導体層20の表面付近のi型に変化した部分をGa系半導体層21として用いてもよい。i型のGa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Ga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。 Here, when forming the i-type Ga2O3 -based semiconductor layer 21, oxygen may be diffused into the surface of the n-type Ga2O3 - based semiconductor layer 20 by oxygen annealing treatment or the like, and a portion near the surface of the Ga2O3 - based semiconductor layer 20 that has changed to i-type may be used as the Ga2O3 -based semiconductor layer 21. When the method of diffusing oxygen into the surface of the Ga2O3-based semiconductor layer 20 by oxygen annealing treatment or the like is used to form the i-type Ga2O3 - based semiconductor layer 21, the manufacturing cost of the avalanche photodiode 2 can be reduced compared to the case of epitaxially growing a crystal by a CVD method or the like.

次に、Ga系半導体層20上に形成されたGa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Ga系半導体層10としてのGa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、Ga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Ga系半導体の結晶を成長させてGa系半導体層21、20を形成してもよい。 Next, the surface of the Ga2O3 - based semiconductor layer 21 formed on the Ga2O3 - based semiconductor layer 20 is bonded to the surface of the diamond single crystal substrate as the diamond layer 11. This bonding can be performed in the same process as the bonding of the Ga2O3 - based semiconductor single crystal substrate as the Ga2O3 -based semiconductor layer 10 in the first embodiment and the diamond single crystal substrate as the diamond layer 11. In addition, the diamond layer 11 may be formed by growing diamond crystal on the Ga2O3 - based semiconductor layer 21 by CVD or the like, or conversely, the Ga2O3 -based semiconductor layers 21, 20 may be formed by growing Ga2O3 -based semiconductor crystal on the diamond single crystal substrate as the diamond layer 11.

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Ga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Ga系半導体層20にオーミック接合される。 Thereafter, the anode electrode 12 and the cathode electrode 13 are formed on the surfaces of the diamond layer 11 and the Ga2O3 - based semiconductor layer 20, respectively, by vacuum deposition, RF (radio frequency) sputtering, etc. The anode electrode 12 and the cathode electrode 13 are ohmic-contacted to the diamond layer 11 and the Ga2O3 - based semiconductor layer 20, respectively.

〔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。
Third embodiment
The third embodiment differs from the first embodiment in that the avalanche photodiode has a field plate structure and a guard ring structure. In the description of this embodiment, the same or substantially the same members as those used in the above-mentioned embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted or simplified.

(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。
(Avalanche photodiode structure)
4A and 4B are vertical cross-sectional views of avalanche photodiodes 3 and 4 according to the third embodiment, respectively.

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、Ga系半導体層10と、Ga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、Ga系半導体層10に接続されたカソード電極13とを有する。 The avalanche photodiode 3 shown in FIG. 4( a) has a Ga2O3 -based semiconductor layer 10, a diamond layer 11 laminated on the Ga2O3 -based semiconductor layer 10, an anode electrode 12 connected to the diamond layer 11, and a cathode electrode 13 connected to the Ga2O3 -based semiconductor layer 10, similar to the avalanche photodiode 1 according to the first embodiment.

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、SiO、Al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。 In the avalanche photodiode 3 , a dielectric film 30 made of SiO 2 , Al 2 O 3 or the like is provided along the edge of the upper surface of the diamond layer 11 , and the edge of the anode electrode 12 rides up onto the dielectric film 30 .

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。 By providing such a field plate structure, it is possible to suppress electric field concentration near the end of the anode electrode 12. In addition, the dielectric film 30 also functions as a passivation film that suppresses surface leakage current flowing on the upper surface of the second diamond layer 11.

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SiO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。 4A, a pad electrode 32 is connected to the anode electrode 12. The pad electrode 32 is formed on an insulator 31 made of SiO2 or the like that is formed on a dielectric film 30. The pad electrode 32 has a structure in which an Au film with a thickness of 5000 nm is laminated on a Ti film with a thickness of 5 nm, for example.

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。 The avalanche photodiode 3 has a structure in which a field plate structure is added to the avalanche photodiode 1 according to the first embodiment, but may also have a structure in which a field plate structure is added to the avalanche photodiode 2 according to the second embodiment.

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、Ga系半導体層10と、Ga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、Ga系半導体層10に接続されたカソード電極13とを有する。 The avalanche photodiode 4 shown in FIG. 4(b) has a Ga2O3 -based semiconductor layer 10, a diamond layer 11 laminated on the Ga2O3 -based semiconductor layer 10, an anode electrode 12 connected to the diamond layer 11, and a cathode electrode 13 connected to the Ga2O3 -based semiconductor layer 10, similar to the avalanche photodiode 1 according to the first embodiment.

そして、アバランシェフォトダイオード4においては、Ga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。 In the avalanche photodiode 4, a guard ring 40 is formed in the vicinity of the interface between the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 and the diamond layer 11. By using this guard ring 40, electric field concentration in the vicinity of the end of the anode electrode 12 can be alleviated.

ガードリング40は、Ga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。 The guard ring 40 is an oxidized region or an acceptor ion-containing region formed by selectively performing oxygen annealing or ion implantation of acceptor ions such as Mg, N, Zn, or Fe in a ring-shaped region on the upper surface of the Ga2O3 -based semiconductor layer 10. The shape and number of the guard rings 40 are not particularly limited as long as they are within a range in which electric field concentration near the end of the anode electrode 12 can be alleviated.

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。 Also, as shown in FIG. 4(b), the avalanche photodiode 4 may have a field plate structure similar to the avalanche photodiode 3.

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。 The avalanche photodiode 4 has a structure in which a guard ring structure is added to the avalanche photodiode 1 according to the first embodiment, but may have a structure in which a guard ring structure is added to the avalanche photodiode 2 according to the second embodiment.

〔第4の実施の形態〕
第4の実施の形態は、Ga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。
Fourth embodiment
The fourth embodiment is different from the first embodiment in that the laminate of the Ga2O3 - based semiconductor layer and the diamond layer has a mesa shape.In the description of this embodiment, the same or substantially the same members as those used in the above-mentioned embodiment are given the same reference numerals, and the description thereof may be omitted or simplified.

(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。
(Avalanche photodiode structure)
5(a) to 5(c) are vertical cross-sectional views of an avalanche photodiode 5 according to the fourth embodiment.

アバランシェフォトダイオード5は、Ga系半導体層10と、Ga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、Ga系半導体層10に接続されたカソード電極13とを有する。 The avalanche photodiode 5 has a Ga2O3 - based semiconductor layer 10, a diamond layer 11 laminated on the Ga2O3 -based semiconductor layer 10, an anode electrode 12 connected to the diamond layer 11, and a cathode electrode 13 connected to the Ga2O3 - based semiconductor layer 10.

そして、アバランシェフォトダイオード5のGa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。 The laminate of the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 and diamond layer 11 of the avalanche photodiode 5 has a mesa shape with a convex portion facing the anode electrode 12. The anode electrode 12 is formed on the upper surface of the diamond layer 11 processed into a mesa shape, and the position of the end of the anode electrode 12 is approximately aligned with the position of the end of the upper surface of the mesa shape. With this structure, it is possible to reduce electric field concentration near the end of the anode electrode 12.

図5(a)に示される例では、Ga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、Ga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、Ga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。 In the example shown in Fig. 5(a), the laminate of the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 has a mesa shape with vertical sides. In the example shown in Fig. 5(b), the laminate of the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 has a mesa shape with tapered sides. In the example shown in Fig. 5(c), the laminate of the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 has a mesa shape with reverse tapered sides. Of the three types of mesa shapes that have an effect of reducing electric field concentration, the mesa shape shown in Fig. 5(c) has the greatest effect.

アバランシェフォトダイオード5のGa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、SiO等からなる絶縁体50に覆われている。 The side surface of the mesa-shaped portion of the laminate of the Ga 2 O 3 based semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 of the avalanche photodiode 5 is covered with an insulator 50 made of SiO 2 or the like.

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。 In the example shown in FIGS. 5(a) to (c), a pad electrode 51 is connected to the anode electrode 12. The pad electrode 51 is formed on an insulator 50 and has a configuration similar to that of the pad electrode 32 of the avalanche photodiode 3 according to the third embodiment, for example.

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Ga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Ga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。 The avalanche photodiode 5 has a structure in which the laminate of the Ga2O3 - based semiconductor layer 10 and the diamond layer 11 of the avalanche photodiode 1 according to the first embodiment is processed into a mesa shape, but may have a structure in which the laminate of the Ga2O3 - based semiconductor layers 20, 21 and the diamond layer 11 of the avalanche photodiode 2 according to the second embodiment is processed into a mesa shape.

(実施の形態の効果)
上記第1~4の実施の形態によれば、Ga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。
(Effects of the embodiment)
According to the first to fourth embodiments, it is possible to provide an avalanche photodiode that uses Ga 2 O 3 single crystal and responds to light of a short wavelength. This makes it possible to realize, for example, an ultra-sensitive solar blind sensor that detects only flames in an environment where sunlight is pouring down. In addition, since the avalanche photodiodes according to the first to fourth embodiments do not use an insulator (dielectric) in the layer that becomes the current path, they are less likely to deteriorate even if current flows repeatedly, and have excellent long-term reliability.

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。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of the invention. Furthermore, the components of the above embodiment can be combined in any manner without departing from the spirit of the invention.

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。 Furthermore, the embodiments and examples described above do not limit the invention according to the claims. It should also be noted that not all of the combinations of features described in the embodiments and examples are necessarily essential means for solving the problems of the invention.

1、2、3、4、5…アバランシェフォトダイオード、 10、20、21…Ga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 REFERENCE SIGNS LIST 1, 2, 3, 4, 5...avalanche photodiode, 10, 20, 21... Ga2O3 - based semiconductor layer, 11...diamond layer, 12...anode electrode, 13...cathode electrode, 40...guard ring

Claims (7)

Ga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Ga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。
An n-type first semiconductor layer made of a Ga2O3 - based semiconductor;
a p-type second semiconductor layer made of a semiconductor having a band gap larger than that of the Ga 2 O 3 -based semiconductor and laminated on the first semiconductor layer;
an anode electrode connected to the second semiconductor layer;
a cathode electrode connected to the first semiconductor layer;
Equipped with
an effective acceptor concentration of the second semiconductor layer is higher than an effective donor concentration of the first semiconductor layer;
By applying a reverse voltage between the anode electrode and the cathode electrode, an avalanche breakdown can be caused between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
Avalanche photodiode.
Ga系半導体からなるn型の第1の半導体層と、
前記Ga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、Ga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。
An n-type first semiconductor layer made of a Ga2O3 - based semiconductor;
a p-type second semiconductor layer made of a semiconductor having a band gap larger than that of the Ga2O3 - based semiconductor;
a third semiconductor layer sandwiched between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, the third semiconductor layer being made of a Ga2O3 - based semiconductor and being of i-type or of n-type having an effective donor concentration lower than that of the first semiconductor layer;
an anode electrode connected to the second semiconductor layer;
a cathode electrode connected to the first semiconductor layer;
Equipped with
an effective acceptor concentration of the second semiconductor layer is higher than an effective donor concentration of the third semiconductor layer;
By applying a reverse voltage between the anode electrode and the cathode electrode, an avalanche breakdown can be caused between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
Avalanche photodiode.
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、the third semiconductor layer is in contact with the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
前記第3の半導体層の実効ドナー濃度が、1×10The effective donor concentration of the third semiconductor layer is 1×10 1717 cmcm -3-3 以下である、Below is the
請求項2に記載のアバランシェフォトダイオード。3. The avalanche photodiode according to claim 2.
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。
The second semiconductor layer is made of diamond.
4. The avalanche photodiode according to claim 1 .
前記Ga系半導体層がガードリングを含む、
請求項1~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。
The Ga 2 O 3 -based semiconductor layer includes a guard ring;
The avalanche photodiode according to any one of claims 1 to 4 .
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。
a stack of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer having a mesa shape;
2. The avalanche photodiode according to claim 1.
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。
a stack of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer has a mesa shape;
4. The avalanche photodiode according to claim 2 or 3 .
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