JP2002151727A - フォトダイオード - Google Patents
フォトダイオードInfo
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- JP2002151727A JP2002151727A JP2000339977A JP2000339977A JP2002151727A JP 2002151727 A JP2002151727 A JP 2002151727A JP 2000339977 A JP2000339977 A JP 2000339977A JP 2000339977 A JP2000339977 A JP 2000339977A JP 2002151727 A JP2002151727 A JP 2002151727A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 暗電流が小さいフォトダイオードを提供す
る。 【解決手段】 フォトダイオードは、ＩnＰ基板１上
に、ｎ+−歪緩和バッファ層２、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収
層３、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４、及び、ｎ-−ＩnＡsＰ窓層
５がこの順に形成される。ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３
は、ＩnＰ基板１との間の格子定数差が１％以上大き
い。ｎ−ＩnＡsＰ窓層４は、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３
に比してバンドギャップエネルギーＥgが大きい。ｐｎ
接合は、ｐ+−ＩnＡsＰ窓層６とｎ−ＩnＡsＰ窓層４と
の間に形成される。空乏層は、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４内の
みに発生する。ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３は、赤外光を
光吸収し光生成キャリアを発生する。光生成キャリア
は、拡散によって空乏層に移動し、空乏層内の電界によ
って移動して、光電流を発生する。
る。 【解決手段】 フォトダイオードは、ＩnＰ基板１上
に、ｎ+−歪緩和バッファ層２、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収
層３、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４、及び、ｎ-−ＩnＡsＰ窓層
５がこの順に形成される。ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３
は、ＩnＰ基板１との間の格子定数差が１％以上大き
い。ｎ−ＩnＡsＰ窓層４は、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３
に比してバンドギャップエネルギーＥgが大きい。ｐｎ
接合は、ｐ+−ＩnＡsＰ窓層６とｎ−ＩnＡsＰ窓層４と
の間に形成される。空乏層は、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４内の
みに発生する。ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３は、赤外光を
光吸収し光生成キャリアを発生する。光生成キャリア
は、拡散によって空乏層に移動し、空乏層内の電界によ
って移動して、光電流を発生する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、フォトダイオード
に関し、より詳細には、ＩnＧaＡsの光吸収層を有し、
近赤外波長領域の赤外光を検出するフォトダイオードに
関するものである。
に関し、より詳細には、ＩnＧaＡsの光吸収層を有し、
近赤外波長領域の赤外光を検出するフォトダイオードに
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】受光素子では、種々の半導体材料が存在
し、この半導体材料の特性により受光素子の伝導帯と荷
電子帯とのエネルギー準位差が異なるので、それに応じ
て入力光信号に対して吸収し易い波長帯が異なる。光フ
ァイバー通信や分光分析等に使用される受光素子は、波
長約０．８μｍから２．５μｍまでの近赤外波長領域の
赤外光を対象とするので、ＩnＧaＡsを光吸収層の材料
に用いたフォトダイオードが採用される。
し、この半導体材料の特性により受光素子の伝導帯と荷
電子帯とのエネルギー準位差が異なるので、それに応じ
て入力光信号に対して吸収し易い波長帯が異なる。光フ
ァイバー通信や分光分析等に使用される受光素子は、波
長約０．８μｍから２．５μｍまでの近赤外波長領域の
赤外光を対象とするので、ＩnＧaＡsを光吸収層の材料
に用いたフォトダイオードが採用される。
【０００３】図３は、参考文献（E. Ishimura, T. Kimu
ra, T. Shiba, Y. Mihashi and H.Namizaki: "Dark cu
rrent and diffusion length in InGaAs photodiodes g
rown on GaAs substrates", Appl. Phys. Lett. 56 (19
90) pp. 644-646.）に記載のフォトダイオードの構造を
示す。
ra, T. Shiba, Y. Mihashi and H.Namizaki: "Dark cu
rrent and diffusion length in InGaAs photodiodes g
rown on GaAs substrates", Appl. Phys. Lett. 56 (19
90) pp. 644-646.）に記載のフォトダイオードの構造を
示す。
【０００４】図３のフォトダイオードは、ｎ−ＧaＡs基
板１１上に、バッファ層１２、ｎ−ＩnＰ層１３、ｎ−
ＩnＧaＡs光吸収層１４、及び、ｎ−ＩnＰ層１５がこの
順に形成される。ｐ形層１６は、光が入射する所定の位
置に、ｎ−ＩnＰ層１５からｎ−ＩnＧaＡs光吸収層１４
までを含む領域に形成される。アノード電極８は、ｐ形
層１６とオーミック接触され、カソード電極９は、ｎ−
ＧaＡs基板１１とオーミック接触される。ｐ形層１６と
ｎ−ＩnＧaＡs光吸収層１４との間には、ｐｎ接合面が
形成され、ｎ−ＩnＧaＡs光吸収層１４内には、空乏層
が発生する。
板１１上に、バッファ層１２、ｎ−ＩnＰ層１３、ｎ−
ＩnＧaＡs光吸収層１４、及び、ｎ−ＩnＰ層１５がこの
順に形成される。ｐ形層１６は、光が入射する所定の位
置に、ｎ−ＩnＰ層１５からｎ−ＩnＧaＡs光吸収層１４
までを含む領域に形成される。アノード電極８は、ｐ形
層１６とオーミック接触され、カソード電極９は、ｎ−
ＧaＡs基板１１とオーミック接触される。ｐ形層１６と
ｎ−ＩnＧaＡs光吸収層１４との間には、ｐｎ接合面が
形成され、ｎ−ＩnＧaＡs光吸収層１４内には、空乏層
が発生する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のフォトダイ
オードでは、ＩnＰ基板に比して安価なＧaＡs基板であ
るｎ−ＧaＡs基板１１を用い、光吸収層にＩnＧaＡs材
料であるｎ−ＩnＧaＡs光吸収層１４を用いたものであ
る。
オードでは、ＩnＰ基板に比して安価なＧaＡs基板であ
るｎ−ＧaＡs基板１１を用い、光吸収層にＩnＧaＡs材
料であるｎ−ＩnＧaＡs光吸収層１４を用いたものであ
る。
【０００６】暗電流は、フォトダイオードにバイアス電
圧を印加した状態で光が入射しないときにも流れる電流
であり、感度に影響を与えるため、できるだけ小さくす
ることが好ましい。この暗電流は、結晶欠陥によって発
生することが知られている。結晶欠陥は、結晶の原子配
列の欠陥やずれ、又は、有限の寸法のために表面や境界
に特異な状態が生じることによって生ずる。
圧を印加した状態で光が入射しないときにも流れる電流
であり、感度に影響を与えるため、できるだけ小さくす
ることが好ましい。この暗電流は、結晶欠陥によって発
生することが知られている。結晶欠陥は、結晶の原子配
列の欠陥やずれ、又は、有限の寸法のために表面や境界
に特異な状態が生じることによって生ずる。
【０００７】フォトダイオードは、ＩnＰ基板上に格子
定数が一致するように成長したＩnＧaＡsの光吸収層に
用いると、ＩnＧaＡs層内の結晶欠陥密度が非常に低く
なり、暗電流が実用上ほとんど問題にならない程度に小
さくなる。格子定数は、結晶軸の大きさや方向を示し、
物質を同定する際に重要な観測要素である。
定数が一致するように成長したＩnＧaＡsの光吸収層に
用いると、ＩnＧaＡs層内の結晶欠陥密度が非常に低く
なり、暗電流が実用上ほとんど問題にならない程度に小
さくなる。格子定数は、結晶軸の大きさや方向を示し、
物質を同定する際に重要な観測要素である。
【０００８】一般に、ｐｎ接合が光吸収層内にあると、
バンドギャップ中央のトラップ順位を介したキャリアの
生成・再結合により生成再結合電流が発生するので、バ
ンドギャップが大きい材料であれば、暗電流が小さい。
従来のフォトダイオードは、バンドギャップが小さいＩ
nＧaＡsの光吸収層内にｐｎ接合を形成し、このｐｎ接
合による空乏層内で生成再結合電流が発生するので、暗
電流が極めて大きくなっていた。
バンドギャップ中央のトラップ順位を介したキャリアの
生成・再結合により生成再結合電流が発生するので、バ
ンドギャップが大きい材料であれば、暗電流が小さい。
従来のフォトダイオードは、バンドギャップが小さいＩ
nＧaＡsの光吸収層内にｐｎ接合を形成し、このｐｎ接
合による空乏層内で生成再結合電流が発生するので、暗
電流が極めて大きくなっていた。
【０００９】また、ハイドライド気相成長法（例えば、
K. Kimura, T. Torikai, H. Ishihara and K. Taguchi:
"Ga1-yInyAs/InAsxP1-x (y＞0.53, x＞0) pin photod
iodes for long wavelength regions(λ＞2μm) grown
by hydride vapour phase epitaxy", Electron. Lett.
24 (1988) pp. 379-380.）、又は、有機金属気相成長法
（例えば、M. D'Hondt, I. Moerman, P. Van Deale and
P. Demeester: "Influence of buffer layer and proc
essing on the dark current of 2.5μm-wavelength 2%
-mismatched InGaAs photodiodes". IEE Proc. Optoele
ctron. 144 (1997) pp. 277-282.）等の結晶成長法で、
ＩnＰに比して格子定数が大きいＩnＧaＡsの光吸収層
を、ＩnＰ基板上に形成するフォトダイオードもある。
K. Kimura, T. Torikai, H. Ishihara and K. Taguchi:
"Ga1-yInyAs/InAsxP1-x (y＞0.53, x＞0) pin photod
iodes for long wavelength regions(λ＞2μm) grown
by hydride vapour phase epitaxy", Electron. Lett.
24 (1988) pp. 379-380.）、又は、有機金属気相成長法
（例えば、M. D'Hondt, I. Moerman, P. Van Deale and
P. Demeester: "Influence of buffer layer and proc
essing on the dark current of 2.5μm-wavelength 2%
-mismatched InGaAs photodiodes". IEE Proc. Optoele
ctron. 144 (1997) pp. 277-282.）等の結晶成長法で、
ＩnＰに比して格子定数が大きいＩnＧaＡsの光吸収層
を、ＩnＰ基板上に形成するフォトダイオードもある。
【００１０】図３のフォトダイオードと同様に、ＩnＰ
基板とＩnＧaＡsとの間には、大きな格子定数差があ
り、ＩnＧaＡsの光吸収層内で結晶欠陥密度が高く、バ
ンドギャップが小さいＩnＧaＡsの光吸収層内にｐｎ接
合及び空乏層があるので、暗電流が大きい。
基板とＩnＧaＡsとの間には、大きな格子定数差があ
り、ＩnＧaＡsの光吸収層内で結晶欠陥密度が高く、バ
ンドギャップが小さいＩnＧaＡsの光吸収層内にｐｎ接
合及び空乏層があるので、暗電流が大きい。
【００１１】本発明は、上記したような従来の技術が有
する問題点を解決するためになされたものであり、暗電
流が小さいフォトダイオードを提供することを目的とす
る。
する問題点を解決するためになされたものであり、暗電
流が小さいフォトダイオードを提供することを目的とす
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のフォトダイオードは、半導体基板上に光吸
収層及び窓層が、この順に形成されるフォトダイオード
において、前記窓層が、前記光吸収層に比してバンドギ
ャップエネルギーが大きなｐ型窓層及びｎ型窓層から形
成され、該ｐ型窓層及びｎ型窓層によって形成されるｐ
ｎ接合の界面付近に発生する空乏層が、前記窓層内のみ
に発生することを特徴とする。
に、本発明のフォトダイオードは、半導体基板上に光吸
収層及び窓層が、この順に形成されるフォトダイオード
において、前記窓層が、前記光吸収層に比してバンドギ
ャップエネルギーが大きなｐ型窓層及びｎ型窓層から形
成され、該ｐ型窓層及びｎ型窓層によって形成されるｐ
ｎ接合の界面付近に発生する空乏層が、前記窓層内のみ
に発生することを特徴とする。
【００１３】本発明のフォトダイオードは、ｐｎ接合が
光吸収層に比してバンドギャップエネルギーの大きい窓
層内に形成され、空乏層が窓層内にのみ発生することに
より、暗電流の主成分である生成再結合電流が小さくな
るので、暗電流が小さくなる。
光吸収層に比してバンドギャップエネルギーの大きい窓
層内に形成され、空乏層が窓層内にのみ発生することに
より、暗電流の主成分である生成再結合電流が小さくな
るので、暗電流が小さくなる。
【００１４】本発明のフォトダイオードでは、前記光吸
収層の材料がＩnＧaＡsであることが好ましい。この場
合、約０．８μｍから２．５μｍまでの近赤外波長領域
の赤外光を検出することができる。
収層の材料がＩnＧaＡsであることが好ましい。この場
合、約０．８μｍから２．５μｍまでの近赤外波長領域
の赤外光を検出することができる。
【００１５】また、本発明のフォトダイオードでは、格
子定数が厚み方向に順次異なる歪緩和バッファ層が、前
記半導体基板側の格子定数と等しく前記光吸収層側の格
子定数と等しいように、前記半導体基板と前記光吸収層
との間に、更に形成されることが好ましい。この場合、
光吸収層に働く格子不整合による歪みを緩和することに
より、結晶欠陥密度が低くなるので、暗電流が小さくな
る。
子定数が厚み方向に順次異なる歪緩和バッファ層が、前
記半導体基板側の格子定数と等しく前記光吸収層側の格
子定数と等しいように、前記半導体基板と前記光吸収層
との間に、更に形成されることが好ましい。この場合、
光吸収層に働く格子不整合による歪みを緩和することに
より、結晶欠陥密度が低くなるので、暗電流が小さくな
る。
【００１６】前記ｐ型窓層又はｎ型窓層の一方又は双方
が、不純物濃度が異なる複数の層から成ることも本発明
の好ましい態様である。この場合、光吸収層との間の格
子定数差がなくなるように窓層の組成を形成し、窓層の
結晶欠陥密度が低くできるので、暗電流を小さくでき
る。
が、不純物濃度が異なる複数の層から成ることも本発明
の好ましい態様である。この場合、光吸収層との間の格
子定数差がなくなるように窓層の組成を形成し、窓層の
結晶欠陥密度が低くできるので、暗電流を小さくでき
る。
【００１７】本発明のフォトダイオードは、前記光吸収
層の格子定数が、前記半導体基板の格子定数よりも１％
以上大きいこともできる。
層の格子定数が、前記半導体基板の格子定数よりも１％
以上大きいこともできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態例に基づ
いて、本発明のフォトダイオードについて図面を参照し
て説明する。図１は、本発明の一実施形態例のフォトダ
イオードの構造を示す。本実施形態例のフォトダイオー
ドは、ＩnＰ基板１上に、ｎ+−歪緩和バッファ層２、ｎ
-−ＩnＧaＡs光吸収層３、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４、及び、
ｎ-−ＩnＡsＰ窓層５がこの順に形成される。
いて、本発明のフォトダイオードについて図面を参照し
て説明する。図１は、本発明の一実施形態例のフォトダ
イオードの構造を示す。本実施形態例のフォトダイオー
ドは、ＩnＰ基板１上に、ｎ+−歪緩和バッファ層２、ｎ
-−ＩnＧaＡs光吸収層３、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４、及び、
ｎ-−ＩnＡsＰ窓層５がこの順に形成される。
【００１９】ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３及びｎ-−ＩnＡ
sＰ窓層５は、キャリア濃度が約５×１０15ｃｍ-3以下
のｎ形半導体であり、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４は、約１×１
０16〜１×１０17ｃｍ-3のｎ形半導体であり、ｐ+−Ｉn
ＡsＰ窓層６は、約１×１０1 8ｃｍ-3以上のｐ形半導体
である。
sＰ窓層５は、キャリア濃度が約５×１０15ｃｍ-3以下
のｎ形半導体であり、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４は、約１×１
０16〜１×１０17ｃｍ-3のｎ形半導体であり、ｐ+−Ｉn
ＡsＰ窓層６は、約１×１０1 8ｃｍ-3以上のｐ形半導体
である。
【００２０】ｐ+−ＩnＡsＰ窓層６は、ｎ-−ＩnＡsＰ窓
層５の表面からのＺn等のｐ形不純物の選択的な熱拡散
により、ｎ-−ＩnＡsＰ窓層５の層厚方向の全部の領域
の導電性が変化し、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４の層厚方向の一
部の領域まで導電性が変化して、ｐ型の層として光が入
射される所定の位置に形成される。反射防止膜７は、ｐ
+−ＩnＡsＰ窓層６上に形成される。
層５の表面からのＺn等のｐ形不純物の選択的な熱拡散
により、ｎ-−ＩnＡsＰ窓層５の層厚方向の全部の領域
の導電性が変化し、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４の層厚方向の一
部の領域まで導電性が変化して、ｐ型の層として光が入
射される所定の位置に形成される。反射防止膜７は、ｐ
+−ＩnＡsＰ窓層６上に形成される。
【００２１】ｎ−ＩnＡsＰ窓層４とｐ+−ＩnＡsＰ窓層
６との間には、ｐｎ接合面が形成される。空乏層は、ｐ
ｎ接合面の境界面付近に発生し、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４及
びｐ +−ＩnＡsＰ窓層６内のみに存在する。アノード電
極８は、ｐ+−ＩnＡsＰ窓層６とオーミック接触され、
カソード電極９は、ＩnＰ基板１とオーミック接触され
る。
６との間には、ｐｎ接合面が形成される。空乏層は、ｐ
ｎ接合面の境界面付近に発生し、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４及
びｐ +−ＩnＡsＰ窓層６内のみに存在する。アノード電
極８は、ｐ+−ＩnＡsＰ窓層６とオーミック接触され、
カソード電極９は、ＩnＰ基板１とオーミック接触され
る。
【００２２】ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３は、ＩnＰ基板
１に比して、格子定数が約２％程度大きい。ｎ+−歪緩
和バッファ層２は、材料にＩnＡsＰを用いて、ＩnＰ基
板１の格子定数からｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３の格子定
数まで、徐々に変化するように、Ａｓ組成を増加しなが
ら成長する傾斜組成層として形成される。ｎ+−歪緩和
バッファ層２は、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３内に働く格
子不整合による歪みを緩和し、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層
３の結晶欠陥密度を低くする。
１に比して、格子定数が約２％程度大きい。ｎ+−歪緩
和バッファ層２は、材料にＩnＡsＰを用いて、ＩnＰ基
板１の格子定数からｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３の格子定
数まで、徐々に変化するように、Ａｓ組成を増加しなが
ら成長する傾斜組成層として形成される。ｎ+−歪緩和
バッファ層２は、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３内に働く格
子不整合による歪みを緩和し、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層
３の結晶欠陥密度を低くする。
【００２３】同図の上方からの光は、反射防止膜７、ｐ
+−ＩnＡsＰ窓層６、及び、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４を透過
し、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３に入射する。ｎ-−ＩnＧ
aＡs光吸収層３は、約０．８μｍから２．５μｍまでの
近赤外波長領域の赤外光を光吸収し、光生成キャリアを
発生する。
+−ＩnＡsＰ窓層６、及び、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４を透過
し、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３に入射する。ｎ-−ＩnＧ
aＡs光吸収層３は、約０．８μｍから２．５μｍまでの
近赤外波長領域の赤外光を光吸収し、光生成キャリアを
発生する。
【００２４】ｎ-−ＩnＡsＰ窓層５及びｎ−ＩnＡsＰ窓
層４は、不純物濃度が互いに異なる２層構造を成し、ｎ
-−ＩnＧaＡs光吸収層３と格子定数が一致するようにＡ
s及びＰの組成を制御して成長したＩnＡsＰ層である。
層４は、不純物濃度が互いに異なる２層構造を成し、ｎ
-−ＩnＧaＡs光吸収層３と格子定数が一致するようにＡ
s及びＰの組成を制御して成長したＩnＡsＰ層である。
【００２５】図２（ａ）〜（ｃ）は、フォトダイオード
のエネルギー帯構造図である。同図（ａ）は、ｐ+−Ｉn
ＡsＰ窓層６を形成する以前のフォトダイオードの製作
途中にあるエピタキシャルウェハのエネルギー帯構造を
示す。バンドギャップエネルギーは、伝導帯と荷電子帯
とのレベル差を示し、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３が最も
低い。
のエネルギー帯構造図である。同図（ａ）は、ｐ+−Ｉn
ＡsＰ窓層６を形成する以前のフォトダイオードの製作
途中にあるエピタキシャルウェハのエネルギー帯構造を
示す。バンドギャップエネルギーは、伝導帯と荷電子帯
とのレベル差を示し、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３が最も
低い。
【００２６】図２（ｂ）は、図１のフォトダイオードの
断面Ａ−Ｂ方向におけるエネルギー帯構造を示す。ｎ−
ＩnＡsＰ窓層４内では、形成されたｐ+−ＩnＡsＰ層に
より、残りのｎ−ＩnＡsＰ層との間で、ｐｎ接合が形成
される。空乏層は、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４内に発生する。
断面Ａ−Ｂ方向におけるエネルギー帯構造を示す。ｎ−
ＩnＡsＰ窓層４内では、形成されたｐ+−ＩnＡsＰ層に
より、残りのｎ−ＩnＡsＰ層との間で、ｐｎ接合が形成
される。空乏層は、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４内に発生する。
【００２７】図２（ｃ）は、逆バイアスされた図１のフ
ォトダイオードのエネルギー帯構造を示す。ｎ−ＩnＡs
Ｐ窓層４は、ｐ+−ＩnＡsＰ窓層６に比して、キャリア
濃度が低い。空乏層の厚さｔは、キャリア濃度をｎにす
ると、下記に示す関係がある。
ォトダイオードのエネルギー帯構造を示す。ｎ−ＩnＡs
Ｐ窓層４は、ｐ+−ＩnＡsＰ窓層６に比して、キャリア
濃度が低い。空乏層の厚さｔは、キャリア濃度をｎにす
ると、下記に示す関係がある。
【００２８】ｔ ∝ ｎ1/2 ・・・・ （１）
【００２９】式（１）に示すように、空乏層の厚さｔ
は、キャリア濃度ｎの１／２乗に比例する。逆バイアス
された状態の空乏層の厚さｔを１μｍ以下に設定し、ｎ
−ＩnＡsＰ窓層４の厚さを空乏層の厚さｔに比して大き
く設計する。空乏層は、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４内のみに発
生する。
は、キャリア濃度ｎの１／２乗に比例する。逆バイアス
された状態の空乏層の厚さｔを１μｍ以下に設定し、ｎ
−ＩnＡsＰ窓層４の厚さを空乏層の厚さｔに比して大き
く設計する。空乏層は、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４内のみに発
生する。
【００３０】ここで、暗電流の発生要因について説明す
る。暗電流Ｉ0は、拡散電流（Diffusion Current）をＩ
1とし、生成再結合電流（Generation-recombination Cu
rrent）をＩ2とし、トンネル電流（Tunneling Curren
t）をＩ3とすると、下記のように示される。（例えば、
S. R. Forrest, R. F. Leheny, R. E. Nahory and M.
A. Pollack: "In0.53Ga0.47As photodiodes with dark
current limited by generation-recombination and t
unneling", Appl. Phys. Lett. 37 (1980) pp. 322-32
5.）
る。暗電流Ｉ0は、拡散電流（Diffusion Current）をＩ
1とし、生成再結合電流（Generation-recombination Cu
rrent）をＩ2とし、トンネル電流（Tunneling Curren
t）をＩ3とすると、下記のように示される。（例えば、
S. R. Forrest, R. F. Leheny, R. E. Nahory and M.
A. Pollack: "In0.53Ga0.47As photodiodes with dark
current limited by generation-recombination and t
unneling", Appl. Phys. Lett. 37 (1980) pp. 322-32
5.）
【００３１】 Ｉ0 ＝ Ｉ1 ＋ Ｉ2 ＋ Ｉ3 ・・・・ （２）
【００３２】生成再結合電流Ｉ2は、ｐｎ接合がある
と、バンドギャップ中央のトラップ順位を介したキャリ
アの生成・再結合により発生する。従来例のようにＩn
ＧaＡsの光吸収層内にｐｎ接合が形成される場合、基板
と光吸収層との格子定数が大きく異なり、光吸収層内の
結晶欠陥密度が高く、バンドギャップ内に形成される結
晶欠陥に起因する欠陥順位密度が高くなる。生成再結合
電流Ｉ2は、空乏層内の高い欠陥順位密度により、暗電
流Ｉ0の主成分となるので、下記のように示される。
と、バンドギャップ中央のトラップ順位を介したキャリ
アの生成・再結合により発生する。従来例のようにＩn
ＧaＡsの光吸収層内にｐｎ接合が形成される場合、基板
と光吸収層との格子定数が大きく異なり、光吸収層内の
結晶欠陥密度が高く、バンドギャップ内に形成される結
晶欠陥に起因する欠陥順位密度が高くなる。生成再結合
電流Ｉ2は、空乏層内の高い欠陥順位密度により、暗電
流Ｉ0の主成分となるので、下記のように示される。
【００３３】Ｉ0 ≒ Ｉ2 ・・・・ （３）
【００３４】また、真性キャリア密度をｎ1、バンドギ
ャップエネルギーをＥg、ボルツマン定数をｋ、温度
［Ｋ］をＴとすると、下記のような関係がある。
ャップエネルギーをＥg、ボルツマン定数をｋ、温度
［Ｋ］をＴとすると、下記のような関係がある。
【００３５】 Ｉ2 ∝ ｔ × ｎ1 ・・・・ （４） ｎ1 ∝ exp｛−Ｅg／（２×ｋ×Ｔ）｝ ・・・・ （５）
【００３６】式（５）から、温度Ｔが一定でバンドギャ
ップエネルギーＥgが大きければ、真性キャリア密度ｎ1
は、指数関数的に小さくなる。
ップエネルギーＥgが大きければ、真性キャリア密度ｎ1
は、指数関数的に小さくなる。
【００３７】ＩnＧaＡsの光吸収層は、ＩnＰ基板に比し
て格子定数が約２％大きい。ＩnＧaＡsのバンドギャッ
プエネルギーＥgは、約０．６ｅＶであり、ＩnＡsＰの
バンドギャップエネルギーＥgは、約０．９５ｅＶであ
る。式（５）から温度Ｔを室温（３００Ｋ）として計算
すると、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４の真性キャリア密度ｎ
1は、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３の真性キャリア密度ｎ1
の約１／１０００になる。
て格子定数が約２％大きい。ＩnＧaＡsのバンドギャッ
プエネルギーＥgは、約０．６ｅＶであり、ＩnＡsＰの
バンドギャップエネルギーＥgは、約０．９５ｅＶであ
る。式（５）から温度Ｔを室温（３００Ｋ）として計算
すると、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４の真性キャリア密度ｎ
1は、ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３の真性キャリア密度ｎ1
の約１／１０００になる。
【００３８】生成再結合電流Ｉ2は、式（４）から、ｎ-
−ＩnＧaＡs光吸収層３内にｐｎ接合及び空乏層が形成
される場合に比して、約３桁減少する。式（３）は、光
吸収層内で欠陥準位密度が大きく、ｐｎ接合により発生
する空乏層内で成り立つ。ｎ−ＩnＡsＰ窓層４は、ｎ-
−ＩnＧaＡs光吸収層３上に形成されることにより、光
吸収層内と同様の欠陥準位密度である。式（３）に従っ
て、暗電流Ｉ0は、小さくなる。
−ＩnＧaＡs光吸収層３内にｐｎ接合及び空乏層が形成
される場合に比して、約３桁減少する。式（３）は、光
吸収層内で欠陥準位密度が大きく、ｐｎ接合により発生
する空乏層内で成り立つ。ｎ−ＩnＡsＰ窓層４は、ｎ-
−ＩnＧaＡs光吸収層３上に形成されることにより、光
吸収層内と同様の欠陥準位密度である。式（３）に従っ
て、暗電流Ｉ0は、小さくなる。
【００３９】ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層３には、空乏層が
発生しないので、大きな電界が存在しない。ｎ-−ＩnＧ
aＡs光吸収層３の光吸収で発生した光生成キャリアは、
拡散によって、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４内の空乏層に移動す
る。光生成キャリアは、空乏層に達すると、空乏層内の
電界によって移動し、入射した赤外光に応じた光電流を
発生する。
発生しないので、大きな電界が存在しない。ｎ-−ＩnＧ
aＡs光吸収層３の光吸収で発生した光生成キャリアは、
拡散によって、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４内の空乏層に移動す
る。光生成キャリアは、空乏層に達すると、空乏層内の
電界によって移動し、入射した赤外光に応じた光電流を
発生する。
【００４０】なお、上記実施形態例では、ＩnＰ基板上
に形成したフォトダイオードの場合について説明した
が、Ｓi又はＧaＡs等の基板上に形成したフォトダイオ
ードの場合でも同様な効果がある。
に形成したフォトダイオードの場合について説明した
が、Ｓi又はＧaＡs等の基板上に形成したフォトダイオ
ードの場合でも同様な効果がある。
【００４１】また、上記実施形態例に示すように、ｎ−
ＩnＡsＰ窓層５及びｎ−ＩnＡsＰ窓層４から成る２層構
造を、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４から成る１層構造に代えて、
ｎ−ＩnＡsＰ窓層４内にｐｎ接合及び空乏層が形成され
る構造でもよい。
ＩnＡsＰ窓層５及びｎ−ＩnＡsＰ窓層４から成る２層構
造を、ｎ−ＩnＡsＰ窓層４から成る１層構造に代えて、
ｎ−ＩnＡsＰ窓層４内にｐｎ接合及び空乏層が形成され
る構造でもよい。
【００４２】上記実施形態例によれば、ｐｎ接合が光吸
収層に比してバンドギャップエネルギーの大きい窓層内
に形成され、空乏層が窓層内のみに発生することによ
り、暗電流の主成分である生成再結合電流が小さくなる
ので、暗電流が小さくなる。
収層に比してバンドギャップエネルギーの大きい窓層内
に形成され、空乏層が窓層内のみに発生することによ
り、暗電流の主成分である生成再結合電流が小さくなる
ので、暗電流が小さくなる。
【００４３】以上、本発明をその好適な実施形態例に基
づいて説明したが、本発明のフォトダイオードは、上記
実施形態例の構成にのみ限定されるものでなく、上記実
施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したフォト
ダイオードも、本発明の範囲に含まれる。
づいて説明したが、本発明のフォトダイオードは、上記
実施形態例の構成にのみ限定されるものでなく、上記実
施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したフォト
ダイオードも、本発明の範囲に含まれる。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のフォトダ
イオードでは、暗電流の主成分である生成再結合電流が
小さくなることにより、暗電流が小さくなるので、高い
周波数応答を要しないが、高いＳＮ比を要する高感度赤
外受光素子として、分光分析等に使用できる。
イオードでは、暗電流の主成分である生成再結合電流が
小さくなることにより、暗電流が小さくなるので、高い
周波数応答を要しないが、高いＳＮ比を要する高感度赤
外受光素子として、分光分析等に使用できる。
【図１】本発明の一実施形態例のフォトダイオードの構
造を示す。
造を示す。
【図２】同図（ａ）〜（ｃ）は、フォトダイオードのエ
ネルギー帯構造図である。
ネルギー帯構造図である。
【図３】参考文献に記載のフォトダイオードの構造を示
す。
す。
１ ＩnＰ基板 ２ ｎ+−歪緩和バッファ層 ３ ｎ-−ＩnＧaＡs光吸収層 ４ ｎ−ＩnＡsＰ窓層 ５ ｎ-−ＩnＡsＰ窓層 ６ ｐ+−ＩnＡsＰ窓層 ７ 反射防止膜 ８ アノード電極 ９ カソード電極 １１ ｎ−ＧaＡs基板 １２ バッファ層 １３ ｎ−ＩnＰ層 １４ ｎ−ＩnＧaＡs光吸収層 １５ ｎ−ＩnＰ層 １６ ｐ形層
Claims (5)
- 【請求項１】半導体基板上に光吸収層及び窓層が、この
順に形成されるフォトダイオードにおいて、 前記窓層が、前記光吸収層に比してバンドギャップエネ
ルギーが大きなｐ型窓層及びｎ型窓層から形成され、該
ｐ型窓層及びｎ型窓層によって形成されるｐｎ接合の界
面付近に発生する空乏層が、前記窓層内のみに発生する
ことを特徴とするフォトダイオード。 - 【請求項２】前記光吸収層の材料がＩnＧaＡsである、
請求項１に記載のフォトダイオード。 - 【請求項３】格子定数が厚み方向に順次異なる歪緩和バ
ッファ層が、前記半導体基板側の格子定数と等しく前記
光吸収層側の格子定数と等しいように、前記半導体基板
と前記光吸収層との間に、更に形成される、請求項１又
は２に記載のフォトダイオード。 - 【請求項４】前記ｐ型窓層又はｎ型窓層の一方又は双方
が、不純物濃度が異なる複数の層から成る、請求項１〜
３の何れかに記載のフォトダイオード。 - 【請求項５】前記光吸収層の格子定数が、前記半導体基
板の格子定数よりも１％以上大きい、請求項１〜４の何
れかに記載のフォトダイオード。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000339977A JP2002151727A (ja) | 2000-11-08 | 2000-11-08 | フォトダイオード |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000339977A JP2002151727A (ja) | 2000-11-08 | 2000-11-08 | フォトダイオード |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002151727A true JP2002151727A (ja) | 2002-05-24 |
Family
ID=18814962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000339977A Withdrawn JP2002151727A (ja) | 2000-11-08 | 2000-11-08 | フォトダイオード |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002151727A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008546150A (ja) * | 2005-06-01 | 2008-12-18 | インテヴァック インコーポレイテッド | 光電陰極構造及び使用方法 |
| US7538367B2 (en) * | 2005-09-12 | 2009-05-26 | Mitsubishi Electric Corporation | Avalanche photodiode |
-
2000
- 2000-11-08 JP JP2000339977A patent/JP2002151727A/ja not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008546150A (ja) * | 2005-06-01 | 2008-12-18 | インテヴァック インコーポレイテッド | 光電陰極構造及び使用方法 |
| US7538367B2 (en) * | 2005-09-12 | 2009-05-26 | Mitsubishi Electric Corporation | Avalanche photodiode |
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