窒化ガリウム(GaN)は第3世代の広帯域ギャップ半導体材料として、広い帯域ギャップ幅(3.4eV)、高い臨界破壊電場、高い電子飽和ドリフト速度、強い放射線耐性などの優れた特性を持っています。紫外線検出の分野で広範な応用の可能性を示しています。特に紫外線天文学、環境モニタリング、宇宙通信などの最先端分野では、GaNフォトディテクターは雪崩フォトダイオード(APD)と同様に、単一光子レベルでの高い感度検出を実現できます。デバイス構造に関わらず、エピタキシャル材料の品質(基板の選択、バッファ層設計、ドーピング分布、欠陥密度制御など)は、暗電流、利得、破壊電圧、信頼性などのAPDのコア性能を直接決定します。

1. GaNベースのAPDのエピタクシャル基礎

1.1 基質の選択

バルクGaN基質は希少かつ高価なため、ほとんどのGaNエピタキシーは異質な基質上で行われます。一般的な基質とその主要パラメータの比較を以下に示します。

異質基板の主な課題は大きな格子および熱的不一致であり、これらはバッファ層技術によってストレスを解放し、フィルターの転位を解消する必要があります。例えば、シリコン基板上でGaNを成長させる際、通常はAlNの核生成層と段階化された(Al,Ga)Nバッファ層を使用します。サファイア基板では、低温のGaNまたはAlNの核生成層がよく用いられます。

1.2 バッファ層設計

バッファ層は基質欠陥が外延層に伸びるのを防ぎ、熱応力を管理する役割を果たします。Hamdaouiら(2024年)は、約1.5μm厚(Al,Ga)Nの超格子バッファーと高温AlN核生成層を組み合わせた高品質なGaN-on-Si APD構造を報告し、約5×10⁸cm⁻²のスレッド転位密度を実現しました。サファイア基板では、低温のGaNバッファーの後に高温のGaN層を重ねることで転位密度がさらに低減されます。適切なバッファ層設計はウェハーの反りを調整し、大径基板上の均一性を向上させることも可能です。

1.3 ドーピング制御と欠陥密度

GaNエピタキシーにおけるN型ドーピング制御は通常、シラン(SiH₄)を用い、ドーピング濃度は5×10¹⁵cm⁻³(軽度ドーピングドリフト層)から5×10¹⁸cm⁻³(n⁺接触層)までさまざまです。P型ドーピングはビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(Cp₂Mg)を用いますが、Mgの活性化エネルギーがGaNで約170meV高いため、活性化には高温アニーリングが必要であり、実効ドーピング濃度は通常化学量論的濃度よりもはるかに低いです。欠陥密度、特にねじ切り転位は逆漏れ電流を悪化させ、破壊電圧を低下させ、早期のデバイス故障を引き起こします。したがって、欠陥密度の低減がエピタクシャル最適化の核心的な目的です。

2. 紫外線アバランシェフォトダイオードのGaNエピタクシャル構造設計

2.1 GaN光検出器p-i-n構造エピタクシー

GaN光検出器の最も基本的な構造はp-i-n構造です。典型的なエピタキシャル層の配列は、基質上でn⁺-GaN接触層、軽度または意図せずドーピングされたi-GaN層(吸収領域および増殖領域として機能)、p-GaN層を順次成長させます。Leiらは、サファイアを基盤としたp-i-n構造APDエピタクシーを逆照光モードで報告し、UV光がサファイア側から入り、i-GaN層が主な吸収・増殖領域として機能します。特に、GaNにおける正孔衝突電離係数は電子よりも大きいため、裏面照明(乗算領域への正孔注入)は余分なノイズを低減します。関連する研究では、独立したGaN基板上のn-i-p構造はダーク電流密度をさらに1.5×10⁻⁵A/cm²に低減し、最大10⁵の利得を達成していることが示されています。

太陽盲特性を必要とするAlGaN APDでは、エピタクシーは高Al組成のAlGaN吸収層(例:Al₀.₄Ga₀.₆N)と低Al組成のAlGaN増殖層(例:Al₀.₂Ga₀.₈N)を組み込んでいます。しかし、自然のホモエピタキシアル基質が存在しないため、AlGaNエピタキシーはサファイアまたはAlN基質上で成長しなければならず、その結果、欠損密度が高くなります。段階的に段階的に調整されたn型層(n-GaN → n-Al₀.₀₂Ga₀.₉₈N)を挿入することで、暗電流密度を6.5×10⁻⁵A/cm²から1×10⁻⁷A/cm²以下に低減できます。

2.2 GaN分離吸収増殖(SAM)構造エピタクシー

SAM構造は、吸収層と増幅層の間に電荷層を挿入し、増幅領域に高い電場を集中させ、吸収領域に低い電場を集中させることでノイズを低減し利得を増加させることで電場工学を実現します。典型的なAlGaN SAM構造のAPDエピタキシーには、p-AlGaN接触層/AlGaN増殖層/AlGaN荷電層/AlGaN吸収層/n-AlGaN層/基質が含まれます。増幅層は低いAl組成(例:Al₀.₂Ga₀.₈N)を用いて、高い正孔衝突電離係数を実現します。吸収層は太陽盲特性のために高いAl組成(例:Al₀.₄Ga₀.₆N)を使用します。電荷層はドーピング濃度と厚さを正確に制御し、2層間の電場分布を調整します。文献で報告されている構造では、高低アル組成の二重乗算層設計が用いられており、破壊電圧を116.3Vから96.9Vに下げています。さらに、SAM構造の背面に一次元のフォトニック結晶フィルタ層を挿入することで、太陽盲検出能力がさらに強化されます。

2.3 偏光強化エピタクシー設計

III窒化ヘテロ接合における強い自発的および圧電的偏極効果は、内蔵電界を増強するために利用でき、APDの動作電圧を低下させることができます。この手法は偏光工学として知られています。研究者たちは、p-i-n APDのp-GaN層をp-In₀.₀₅Ga₀.₉₅Nに置き換えることを提案しています。InGaNとGaN間の分極電荷により、増幅領域はより低いバイアスで臨界電界に達し、破壊電圧を26V以上低下させます。さらに、SAM構造に高極性のSc₀.₀₅Ga₀.₉₅N層を導入すると、内部電界は2.8 MV/cmとなり、利得は60%増加して7.2×10⁴となります。このような偏光工学は、低消費電力・高感度のGaN光検出器の開発に新たなアプローチを提供します。

3. 商用GaN光検出器エピタクシー仕様

上記のエピタキシャル設計原則に基づき、PWGはカスタマイズ可能な構造を持つ様々な商用エピタクシーGaNフォトディテクターウェハを提供し、異なる基板や応用要件に対応しています。以下に、サファイアベースの逆光APDとシリコンベースの低コストUV検出に対応する2つの典型的な製品構造を示します。

1) サファイアベースの逆照りp-i-n構造

2) シリコンベースのp-i-n構造

注:特定の厚さやドーピング値はカスタマイズ可能です。

上記の商用エピタキシー製品は、エピタキシャル層の厚さ、ドーピング濃度、基板タイプ(サファイア、SiC、シリコン、GaNなど)に関する様々な応用シナリオの異なる要件を十分に考慮しています。ユーザーは適切な標準製品を選択するか、デバイス構造に応じてカスタムエピタクシー(p-i-n構造、SAM構造など)をリクエストできます。

参考文献:

1. レイ、Q.、リー、L.、ルー、W.、タオ、J.、リン、R.、張、L.、...&ガオ、F.(2025年)。GaNベースの雪崩光検出器の準備と研究進捗。微細構造、5巻4号、N-A.

2. ハムダウイ, Y., ミクラー, S., ビドー, A., ジウシュ, K., メジュドゥブ, F.(2024年)。1200Vの完全垂直GaNオンシリコンピンダイオードで、雪崩能力を持ち、10A以上の高いオン状態電流を持つ。IEEE Transactions on Electron Devices, 72(1), 338-343。