JP2004200703A5 - - Google Patents

Description

ショットキー接合接点を備えたユニポーラフォトダイオード

本発明は、光ネットワーク受信機に用いられるフォトダイオードに関するものである。とりわけ、本発明は、ユニポーラまたは単進行キャリヤ構造を備えたフォトダイオードに関するものである。

典型的には様々な型式のフォトダイオードであるところの半導体光検出器は、光子の形態で入射光を吸収し、吸収した光子を電流に変換する。半導体格子内の電流は、「自由キャリヤ」、または、ただ単に「キャリヤ」という語で表される場合が多い。すなわち、十分なエネルギーを備えた光子が半導体格子の原子と相互作用すると、原子に関連した電子が、価電子殻または価電子帯から、エネルギー・バンド・ギャップを横切って、半導体の伝導殻または伝導帯まで移動する。バンド・ギャップを横切って電子が移動すると、負のキャリヤ、すなわち、電子が生じ、「正孔」として知られる正のキャリヤが残される。光子の吸収によるキャリヤの発生後、半導体ベースの光検出器内のキャリヤ移動メカニズムによって、発生した正孔と電子が分離され、一般に光電流として知られる電流が生じることになる。一般に、電子と正孔は、両方とも、半導体内においてキャリヤの働きをし、光電流を生じさせることが可能である。こうして生じた光電流によって、光検出器は外部回路またはシステムとさまざまに相互作用することが可能になる。とりわけ、光通信ネットワークに用いられる光学受信機では、多くの応用でフォトダイオードが用いられる。

光検出器の性能は、バンド幅、効率、最大電流出力、及び、光波長範囲等によって評価される。バンド幅は、入射光信号または光源の変化に対する光検出器の応答速度の指標となる。効率によって、入射光信号のうちのどれだけがキャリヤに変換されるかが測定される。最大電流出力は、一般に、光検出器の半導体内における飽和状態によって決まるが、光波長範囲は、とりわけ、光検出器の所定の材料特性の関数である。一般に、光検出器の性能は、光検出器の構成材料の材料特性と、主として所定の光検出器の型及び／または構造に関連した光検出器の構造特性の組合せによって制限される。

例えば、図１（ａ）には、従来のＰＩＮフォトダイオード１０の断面が例示されている。ＰＩＮフォトダイオード１０には、ｐ型半導体層１２（ｐ層）とｎ型半導体層１５（ｎ層）の間に挟まれた真性半導体層すなわち軽くドープした半導体層１４（ｉ層）が含まれている。光子の吸収は主としてＰＩＮダイオード１０のｉ層１４に限定されるのが理想的であるため、ｉ層１４は、光活性または吸光層１４と呼ばれることが多い。一般に、アルミニウム（Ａｌ）のような被着材料、または、多量にドープされるポリシリコンのような別の導電性材料によって、ＰＩＮフォトダイオードと外部回路の間を電気的に接続する１対のオーム接点１７ａ、１７ｂが形成される。ｐ層に接続されたオーム接点１７ａは、陽極接点１７ａと呼ばれ、一方、ｎ層に接続されたオーム接点１７ｂは、陰極接点１７ｂと呼ばれる。一般に、ＰＩＮフォトダイオード１０は、半導体基板１９上に形成されて、構造的にそれによって支持されている。

図１（ｂ）には、図１（ａ）に例示のＰＩＮフォトダイオード１０のバンド図２０が例示されている。バンド図２０には、垂直すなわちｙ方向における電子ボルト（ｅＶ）、及び、水平すなわちｘ方向におけるデバイス内の伝導経路に沿った物理的長さまたは距離が描かれている。従って、バンド図２０には、ＰＩＮフォトダイオード１０の各層毎にバンド・ギャップ２３によって分離された、価電子帯エネルギー準位２１及び伝導帯エネルギー準位２２が例示されている。正孔３０及び電子３２が、光活性ｉ層１４による光子の吸収によって分離されると、正孔３０は、正孔に関するｐ層１２に固有の低いエネルギー準位によって形成される電位勾配の影響下において、ｉ層１４内をｐ層１２へと移動する。正孔がｐ層１２に到達すると、正孔は、外部回路（例示せず）によって供給される電子と結合する。電子３２は、電子に関するｎ層１５に固有の低いエネルギー準位によって形成される電位勾配の影響下において、ｉ層１４内をｎ層１５に向かって移動する。ｎ層１５内の電子は、陰極接点（例示せず）に入る。ｉ層１４内における電子３２及び正孔３０のドリフトまたは移動によって、ｎ層１５、ｐ層１２、及び、外部回路に電流が流れることになる。

従来のＰＩＮフォトダイオードに関連した性能限界には、ｉ層１４内における正孔３０及び電子３２の移動に必要な時間によるバンド幅限界がある。すなわち、正孔３０は、移動速度が電子３２よりもはるかに遅いことが知られている。正孔３０の移動速度が遅いので、結果として、正孔３０の移動時間は電子３２の移動時間よりはるかに長くなる。通常長い正孔の移動時間が律速となり、最終的にはＰＩＮフォトダイオード１０の応答時間またはバンド幅全体に制限を加えることになる。尚、従来のフォトダイオードの製造方法、或いはそのバンド構造の一例が、以下の特許文献１、２に記載される。更に、従来の高速光検出器に対するこうした整合層の適用については、関連して後述するように、以下の非特許文献１に説明される。
特開２００２−１５１７２７号 米国特許第５，８１８，０９６号 Ｙｉｈ−Ｇｕｅｉ Ｗｅｙ他著、「１１０ＧＨｚ ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐ−ｉ−ｎ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」、Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．１９９５年７月、第１３巻、第７号、ｐ．１４９０−１４９９

従って、本発明の目的は、正孔移動時間に関連したバンド幅の限界を克服し、更に、複雑性がＰＩＮフォトダイオードと同様であって、優れた効率をもたらすフォトダイオードを提供することによって、光ネットワーク通信用のフォトダイオードの分野における長年にわたる要求を叶えることにある。

本発明によれば、陰極接点としショットキー接点（ＳＣ）を用いるユニポーラまたは単進行キャリヤ（ＵＴＣ）フォトダイオードが得られる。すなわち、本発明によれば、フォトダイオードのコレクタ層または真性層（ｉ層）上に金属ショットキー接点が直接設けられる。ｉ層上のショットキー陰極接点は、従来のＵＴＣ ＰＩＮフォトダイオードのｉ層に接触したｎ型半導体層の代わりに用いられる。

本発明の態様の１つによれば、ユニポーラフォトダイオードが設けられる。ユニポーラフォトダイオードには、第１のドーピング濃度を有する、第１の伝導タイプの第１の半導体層または吸光層が含まれている。吸光層は、吸光を促進するバンド・ギャップ・エネルギーを有している。ユニポーラフォトダイオードには、更に、第２のドーピング濃度及びコレクタバンド・ギャップ・エネルギーを有する第２の半導体層またはコレクタ層が含まれている。吸光層は、コレクタ層の第１の側に隣接して、接触している。コレクタバンド・ギャップ・エネルギーは、吸光バンド・ギャップ・エネルギーより大きいので、コレクタ層は、吸光して導電性を示す傾向が比較的小さい。ユニポーラフォトダイオードには、更に、コレクタ層の第２の側に隣接して、接触しているショットキー陰極接点が含まれている。第２の側は、第１の側の反対側にある。ユニポーラフォトダイオードには、更に、吸光層に間接的に接合された陽極接点が含まれている。

本発明の他の１つの態様では、ユニポーラフォトダイオードを用いて、入射光を検出する方法、及び、本発明のユニポーラフォトダイオードを製造する方法が得られる。

本発明によれば、従来のＵＴＣフォトダイオードよりも単純なＵＴＣまたはユニポーラフォトダイオード構成が得られ、更に、従来のＵＴＣフォトダイオードと同等の飽和電流が得られる。更に、本発明のＳＣ−ＵＴＣフォトダイオードは、従来のＵＴＣフォトダイオードよりも単純であるが、従来のＵＴＣフォトダイオードに比べてバンド幅及び効率の向上を示す。更に、実施態様によっては、本発明のショットキー接点ユニポーラフォトダイオード内における層の順序は、本発明によるショットキー陰極接点を用いることによって部分的に容易化されることになり、この場合は、従来のＵＴＣ ＰＩＮフォトダイオードにおける層の順序に比べて逆になる点が利点となり得る。本発明のいくつかの実施態様には、上述の利点に加えて、或いは、それに代わる他の利点がある。上述の及びその他の特徴及び利点については、添付の図面に関連して、以下で詳述することにする。

本発明の様々な特徴及び利点については、同様の参照番号によって同様の構造要素が表示されている、添付の図面に関連して示される下記の詳細な説明を参照することによって容易に理解することが可能である。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適実施形態となるユニポーラフォトダイオードについて説明する。図２（ａ）には、本発明の実施態様による垂直照射を受けるショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００の断面図が例示されている。図２（ｂ）には、図２（ａ）に例示のショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００の実施態様に関するバンド図が例示されている。以下の論考のため、垂直照射フォトダイオードとして例示され説明されるが、垂直照射は、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。例えば、当業者であれば、以下の論考を示されれば、さほどの実験をしなくても、水平照射を受けるフォトダイオードまたは導波路フォトダイオードの形態をなすショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００についても容易に製造可能である。

ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００には、吸光層１１２、吸光層１１２の一方の側に固定されたキャリア通過またはコレクタ層１１４、吸光層１１２のコレクタ層１１４が固定されている側とは反対の側に固定されたキャリヤ阻止層１１６、及び、コレクタ層１１４の吸光層１１２に接続された側とは反対側にあたる、コレクタ層１１４の表面の一部に直接接続されて、これを被覆するショットキー金属接点１１８が含まれている。ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００には、更に、キャリヤ阻止層１１６に接続されたオーム接点１１７が含まれている。ショットキー金属接点１１８は、本発明によるショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００の陰極接点の働きをし、一方、オーム接点１１７は陽極接点の働きをする。実施態様によっては、半絶縁基板１１９の支持表面上にショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００を実装するか、形成することが可能なものもある。

吸光層１１２は、例えば、ｐ型半導体のような、第１の伝導型の半導体である。吸光層１１２の半導体は、問題となる光波長範囲内における吸光／変換を促進するバンド・ギャップを備えているのが望ましい。更に、吸光層１１２の半導体は、バイアスのかかった状態または条件下において、吸光層１１２の少なくとも一部における電荷の中性を維持するのに十分なドーピング濃度を備えている。換言すれば、吸光層１１２の半導体は、バンド・ギャップ・エネルギーが入射光子の平均値または平均エネルギー（例えば、ｈν）未満か、または、それにほぼ等しくなるように選択されている。更に、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００に電気的バイアスが加えられた場合、層１１２のドーピング濃度によって、キャリヤが少なくとも吸光層１１２の一部内においてほとんど減損しないようになっている。フォトダイオード１００は、例えば、出力電流レベルが低い場合のように、ゼロ・ボルト（Ｖ）のバイアスで動作させることが可能であるが、フォトダイオード１００が、フォトダイオード１００の降伏電圧までの逆バイアスが加えられる場合に、吸光層１１２は、少なくとも吸光層１１２の一部内においてほとんど減損しない状態を保つことが望ましい。

従って、例えば、吸光層１１２について限定するわけではないが、ｐ型ドーパントがドープされた砒化ガリウム・アルミニウム（ＧａＡｌＡｓ）のようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とすることが可能である。潜在的に吸光層１１２として用いるのに適する可能性のある、他のｐ型ドープされたＩＩＩ−Ｖ族半導体についても、限定するわけではないが、リン化インジウム（ＩｎＰ）またはＩｎＰと格子整合のとれる材料、砒化アンチモン化ガリウム（ＧａＡｓＳｂ）、砒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＡｓ）、砒化アンチモン化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＡｓＳｂ）、砒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＡｓ）、砒化リン化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＡｓＰ）が含まれる。こうしたｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体及び関連材料は、既知のように、吸光層１１２として用いるのに適したバンド・ギャップを備えている。更に、こうした半導体がバイアス条件下においてほとんど減損しない状態を保つことができるようにするのに十分なドーピング濃度は、実際に容易に実現可能である。例えば、Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓが吸光層１１２として用いられる場合、約ｐ＝２×１０^１７のドーピング濃度を利用することが可能である。当業者であれば、さほどの実験を実施しなくても、適合するドーピング濃度を容易に決定し、得られるようにすることができる。

フォトダイオード１００のコレクタ層１１４は、ドーパント濃度が吸光層１１２の半導体よりも低い半導体である。更に、コレクタ層１１４の半導体は、バンド・ギャップが吸光層１１２の半導体よりも大きいことが望ましい。実施態様によっては、コレクタ層１１４は、微量ドープ半導体またはアンドープ半導体であり、ドリフトまたは移動電界を支援し、従って、真性層（ｉ層）１４と同じものとして扱われるので、従来のＰＩＮフォトダイオード１０の真性層（ｉ層）とほぼ同様という場合もある。

上述のように、コレクタ層１１４は、バンド・ギャップが吸光層１１２よりも大きいことが望ましい。更に、コレクタ層２１ｂの伝導帯エネルギーに比べて吸光層２１ａの伝導帯エネルギーのオフセットが少ないことは、吸光層１１２からコレクタ層１１４への電子の移動を促進するのに望ましい場合が多い。結果として、吸光層１１２とコレクタ層１１４の間に価電子帯エネルギー準位２２の不整合２４’が生じることになる。不整合２４’は、吸光層１１２内の比較的高い価電子帯エネルギー準位２２ａからコレクタ層１１４のすぐ内部における低い価電子帯エネルギー準位２２ｂへの急激な変化として現れる。不整合２４’の存在は、吸光層１１２に生じる、及び／または、存在する正孔がコレクタ層１１４に入るのを阻止または妨害する。従って、不整合２４’は、コレクタ層１１４への正孔の進入に対する障壁２４の働きをする。

ただし、不整合２４’は障壁２４として機能するものの、コレクタ層１１４の電界は、当然コレクタ層１１４への正孔の進入を妨害するので、本発明によれば障壁２４は不可欠ではなく必要であるわけでもない。従って、正孔が発生すると、正孔は、ドリフト及び／または拡散（すなわち、移動）して、選択的に、コレクタ層１１４から離れ、キャリヤ阻止層１１６及びオーム接点１１７に向かうようにされ得る。正孔は、また、光電流によって生じる小電界で、コレクタ層１１４を離れて、キャリヤ阻止層１１６及びオーム接点１１７に向かうので、フォトダイオード１００全体にわたって電流の導通が維持されることになる。

吸光層１１２の場合と同様、コレクタ層１１４は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とすることが可能である。しかし、既述のように、コレクタ層１１４は、吸光層１１２に比べるとドーピング濃度が低く、バンド・ギャップ・エネルギーが大きい。従って、コレクタ層１１４は、限定するわけではないが、リン化インジウム（ＩｎＰ）のような微量ドープまたはアンドープ半導体とすることが可能である。コレクタ層１１４に適した他の材料には、限定するわけではないが、ＩｎＰと格子整合がとれるアンドープまたは微量ドープ砒化アンチモン化ガリウム（ＧａＡｓＳｂ）、アンドープまたは微量ドープ砒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＡｓ）、アンドープまたは微量ドープ砒化アンチモン化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＡｓＳｂ）、アンドープまたは微量ドープ砒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＡｓ）、アンドープまたは微量ドープ砒化リン化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＡｓＰ）が含まれる。例えば、コレクタ層１１４のバンド・ギャップが吸光層１１２より大きい場合、本発明の典型的なフォトダイオード１００において、ＧａＩｎＡｓが吸光層１１２の半導体として用いられると、ＩｎＰは、コレクタ層１１４の半導体として用いることが可能になる。

実施態様によっては、吸光層１１２とコレクタ層１１４の間に伝導帯整合層（図示せず）を用いて、吸光層１１２とコレクタ層１１４の間に形成される可能性のあるヘテロ接合伝導帯エネルギー障壁を抑制することが可能なものもある。コレクタ層１１４の伝導帯エネルギーが吸光層１１２よりも大きければ、吸光層１１２からコレクタ層１１４への電子の移動に対する障壁が生じることになる。伝導帯整合層は、この障壁を有効に抑制して、吸光層１１２からコレクタ層１１４への電子の進入を促進することによって、フォトダイオードの応答時間を短縮することが可能である。

伝導帯整合層は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体またはＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の組合せとすることが可能である。伝導帯整合層の半導体は、例えば、ｐ型のような第１の伝導型、及び／または、例えば、ｎ型のような第２の伝導型とすることが可能である。従って、例えば、伝導帯整合層は、限定するわけではないが、砒化リン化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＡｓＰ）の単一層、または、それぞれ、適正にドープされた、異なるＧａＩｎＡｓＰ合金組成物によるいくつかの層といった、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とすることが可能である。潜在的に伝導帯整合層として用いるのに適合する可能性のある、ドープしたＩＩＩ−Ｖ族半導体には、限定するわけではないが、リン化インジウム（ＩｎＰ）またはＩｎＰとの格子整合がとれる材料、砒化アンチモン化ガリウム（ＧａＡｓＳｂ）、砒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＡｓ）、砒化アンチモン化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＡｓＳｂ）、砒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＡｓ）が含まれる。当業者であれば、さほどの実験を実施しなくても、伝導帯整合層に適したドーピング濃度の適合する半導体層を容易に決定し、得られるようにすることが可能である。高速光検出器に対するこうした整合層の適用については、参考までに本明細書において援用されている、Ｙｉｈ−Ｇｕｅｉ Ｗｅｙ他著、「１１０ＧＨｚ ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐ−ｉ−ｎ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」、Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．１９９５年７月、第１３巻、第７号、ｐ．１４９０−１４９９［非特許文献１］に解説がある。

キャリヤ阻止層１１６は、例えば、ｐ型半導体のような、第１の伝導型半導体である。キャリヤ阻止層１１６の半導体は、バンド・ギャップが吸光層１１２のバンド・ギャップより大きい。キャリヤ阻止層１１６のバンド・ギャップが吸光層１１２のバンド・ギャップより大きいと、吸光層１１２に生じる自由電子がキャリヤ阻止層１１６の方向に移動する可能性を低下させるが、好ましくは大幅に低下させるか或いはほとんどゼロにする。すなわち、キャリヤ阻止層１１６のバンド・ギャップは、吸光層１１２からキャリヤ阻止層１１６への電子の進入に対する障壁２５の働きをする。光子の吸収によって自由キャリヤが生じると、電子は選択的に境界から離れていく。従って、キャリヤ阻止層１１６によって、電子の流れは効果的にコレクタ層１１４に向かい、最終的には陰極接点１１８に到達することになる。

電子の流れがコレクタ層１１４に向けられるだけではなく、キャリヤ阻止層１１６のバンド・ギャップが比較的大きいことによって、キャリヤ阻止層１１６に入射する光子が、キャリヤ阻止層１１６内に１対の自由キャリヤを生じさせる可能性が低下する。従って、キャリヤの発光は、事実上選択的に吸光層１１２に限定される。更に、光電流は、主として、吸光層１１２からコレクタ層１１４を介してショットキー接点１１８に流入する光により生成された電子から構成される。

コレクタ層１１４及び吸光層１１２の場合と同様、キャリヤ阻止層１１６は、ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とすることが可能である。既述のように、キャリヤ阻止層１１６のバンド・ギャップは吸光層１１２のバンド・ギャップより大きい。すなわち、キャリヤ阻止層１１６は、限定するわけではないが、砒化リン化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＡｓＰ）のような、比較的多量にドープしたｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とすることが可能である。キャリヤ阻止層１１６として用いるのに適した他の多量ドープｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体については、限定するわけではないが、リン化インジウム（ＩｎＰ）またはＩｎＰとの格子整合がとれる材料、砒化アンチモン化ガリウム（ＧａＡｓＳｂ）、砒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＡｓ）、砒化アンチモン化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＡｓＳｂ）、砒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＡｓ）、砒化ガリウム・アルミニウム（ＧａＡｌＡｓ）が使用される。例えば、ドーピング濃度ｐが約２×１０^１７のＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓを吸光層１１２として用いる場合、ドーピング濃度ｐができれば２×１０^１７を超えるＧａ_０．２７Ｉｎ_０．７３Ａｓ_０．６Ｐをキャリヤ阻止層１１６として用いることが可能になる。本明細書の論考を示されれば、当業者であれば、さほどの実験をしなくても、キャリヤ阻止層１１６に適した材料の選択、及び、十分なドーピング濃度を容易に決定することが可能である。

実施態様によっては、吸光層１１２とキャリヤ阻止層１１６との間に、価電子帯整合層（図示せず）を用いて、吸光層１１２とキャリヤ阻止層１１６との間に形成される可能性のあるヘテロ接合価電子帯エネルギー障壁を抑制することが可能なものもある。吸光層１１２とキャリヤ阻止層１１６との間における価電子帯エネルギーのオフセットによって、吸光層１１２からキャリヤ阻止層１１６への、または、キャリヤ阻止層１１６から吸光層１１２への正孔の進入に対する障壁が生じることになる。価電子帯整合層は、吸光層１１２からキャリヤ阻止層１１６への正孔の進入を促進することによって直列抵抗を低減することが可能である。

価電子帯整合層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の組合せとすることが可能である。価電子帯整合層の半導体は、例えば、ｐ型といった、第１の伝導型とすることが可能である。従って、例えば、価電子帯整合層について、限定するわけではないが、砒化リン化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＡｓＰ）の単一層、または、それぞれ、適正にドープされた、異なるＧａＩｎＡｓＰ合金組成物によるいくつかの層といった、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成することが可能である。潜在的に価電子帯整合層として用いるのに適合する可能性のあるドープしたＩＩＩ−Ｖ族半導体には、限定するわけではないが、リン化インジウム（ＩｎＰ）またはＩｎＰとの格子整合がとれる材料、砒化アンチモン化ガリウム（ＧａＡｓＳｂ）、砒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＡｓ）、砒化アンチモン化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＡｓＳｂ）、砒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＡｓ）が含まれる。価電子帯整合層の概念は、上述の伝導帯整合層と同様である。当業者であれば、さほどの実験を実施しなくても、価電子帯整合層に適したドーピング濃度の適合する半導体層を容易に決定し、得られるようにすることができる。

ショットキー接点１１８は、コレクタ層１１４の表面上にあって、コレクタ層１１４としっかり接触した金属接点材料である。コレクタ層１１４としっかり接触した金属接点材料は、接点１１８の金属材料とコレクタ層１１４の半導体の格子との間の界面または境界にショットキー障壁を形成する。従って、金属接点材料は、ショットキー接点１１８を形成する。ショットキー接点１１８の金属材料は、限定するわけではないが、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、または、銅（Ｃｕ）を含む、金属接点を製作するための半導体製造に用いられる任意の金属とすることが可能である。当業者であれば、その全てが本発明の範囲内にある、ショットキー接点、及び、その製造、及び、それに用いられる金属材料に精通している。

オーム接点１１７は、キャリヤ阻止層１１６に隣接しそれに接合した電気接点である。金属オーム接点１１７は、限定するわけではないが、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、または銅（Ｃｕ）を含む、任意の導電性金属を用いて形成される。当業者であれば、その全てが本発明の範囲内にある、オーム接点、及びその製造、及びそれに用いられる金属材料に精通している。

オーム接点１１７は、キャリヤ阻止層１１６に直接または間接的に接合することが可能である。直接接合される場合、オーム接点１１７は、キャリヤ阻止層１１６の表面に金属または別の適合する接点材料を被着させることによって形成される。図２（ａ）には、直接接合されたオーム接点１１７の実施態様が例示されている。

間接的に結合又は接合される場合、オーム接点１１７とキャリヤ阻止層１１６との間にもう１つの層を用いることが可能である。他の層を用いることについて限定するわけではないが、直列抵抗及び／または接点１１７の接着性といった、オーム接点１１７の性能を向上させることが可能になる。

例えば、多量ドープした半導体材料層を利用して、オーム接点１１７とキャリヤ阻止層１１６を間接的に接続することが可能である。もう１つの例では、フォトダイオード１００を形成する処理中に、吸光層１１２の形成に用いられる層の一部１１２ａを吸光層１１２から物理的に分離することが可能である。次に、物理的に分離された部分１１２ａを用いて、オーム接点１１７をキャリヤ阻止層１１６に間接的に接合することが可能である。図２（ｃ）には、本発明の実施態様に従って間接的に接合されたオーム接点１１７を備える、垂直照射を受けるショットキー接点ユニポーラフォトダイオードの断面図が例示されている。

上述のように、限定するわけではないが、吸光層１１２の分離部分１１２ａのような別の層を利用すると、オーム接点１１７の抵抗の低下を促進することが可能になる。すなわち、キャリヤ阻止層１１６に用いるのが望ましいような、バンド・ギャップ・エネルギーの大きい半導体材料上に、良好な低抵抗のオーム接点１１７を形成するのは困難である場合が多い。間接的接合によれば、より導電率の高い材料（例えば、バンド・ギャップ・エネルギーがキャリヤ阻止層１１６よりも小さい材料）を挿入して、全体としての抵抗が小さい、オーム接点１１７を形成することが可能になる。更に、吸光層１１２の分離部分１１２ａを用いて、オーム接点１１７をキャリヤ阻止層１１６に間接的に接合する場合には、上述の価電子帯整合層を用いることによって、直列抵抗が更に低下する。すなわち、こうした実施態様の場合、価電子帯整合層は、キャリヤ阻止層１１６から吸光層１１２への正孔の進入を促進することによって、直列抵抗を更に低下させ、これにより、オーム接点１１７の直列抵抗が更に低下するようにする。

図２（ａ）に例示の垂直照射を受けるショットキー接触ユニポーラフォトダイオード１００は、半絶縁基板１１９の位置によって表された側１１１に相当する（以下では、フォトダイオード１００の「下方」からと称することにする）方向から照射することが可能である。換言すれば、「下方」という表現は、フォトダイオード１００のショットキー接点１１８を含む側とは反対の側１１１を表わしている。すなわち、光子の形態をとる入射光１２０は、下方側１１１からフォトダイオード１００に入射して、半絶縁基板１１９を通過することが可能である。従って、半絶縁基板１１９は、入射光１２０に対して透明か、或いは、少なくとも半透明であることが望ましい。同様に、キャリヤ阻止層１１６は、入射光１２０に対して透明か、または、半透明であることが望ましい。

照射中、光子は、半絶縁基板１１９及びキャリヤ阻止層１１６を通過して、吸光層１１２に入射する。吸光層１１２内において、約ｈνに等しいエネルギーＥ_ｐを有する光子は、半導体格子に衝突して、１対の自由キャリヤ（例えば、正孔及び電子）を発生する。上述したように、こうして発生した電子は、部分的に、キャリヤ阻止層１１６、及びそれによって形成される障壁２５の存在及び作用によって、選択的に方向づけられ、コレクタ層１１４に向かって拡散する。電子は、コレクタ層１１４に入射すると、コレクタ層１１４におけるエネルギー勾配及び／または電界によって加速されて、ショットキー接点１１８に向かう。ショットキー接点１１８に達すると、電子は接点１１８によって吸収される。すなわち、光電流の電子は、ショットキー接点１１８に取り付けられた外部回路に流れることが可能になる。

同様に、光子の吸収によって発生した正孔は、選択的に方向づけられて、キャリヤ阻止層１１６に向かって拡散し、それを通過して、オーム接点１１７に到達する。主たるドリフトまたは移動方向は、大部分が、既に上述のように、コレクタ層１１４のエッジにおけるエネルギー不整合障壁２４の存在に起因するものである。オーム接点１１７において、正孔は、外部回路によって供給される電子と結合するか、または、それらによって充填されることが可能になる。換言すれば、正孔は、オーム接点１１７によってほとんど「吸収」される。従って、光電流は、ほぼ完全に、吸光層１１２からショットキー接点１１８に流入する電子の関数である。光電流は、移動度が多数キャリヤ（すなわち、正孔）よりもはるかに高い少数キャリヤ（すなわち、電子）だけから構成されているので、フォトダイオード１００の応答時間が従来のＰＩＮフォトダイオードに比べて短縮されるのが利点である。すなわち、応答時間の短縮によって、本発明のショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００のバンド幅が従来のＰＩＮフォトダイオードに比べて増すことになる。

図３（ａ）には、本発明のもう１つの実施態様による垂直照射を受けるショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００の断面図が例示されている。すなわち、図３（ａ）に例示の実施態様は、層内に擬似的な電界を有するか、または、擬似的な電界を生じる吸光層を含むショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００である。本明細書において用いられる限りにおいて、「擬似的な電界」は、主として、層内において制御下で各種材料を利用することによって生じる電界であり、生じた電界は、ほぼ、選択的に、半導体の中性荷電層（例えば、吸光層２１２）内における少数キャリヤ（例えば、電子）に対してのみ作用する。図３（ｂ）には、図３（ａ）に例示のショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００に関するバンド図が例示されている。

以下の論考の目的からして、垂直照射を受けるフォトダイオードとして例示され、解説されるが、垂直照射は、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。例えば、当業者であれば、本発明に従って、さほどの実験をしなくても、水平照射を受けるフォトダイオードまたは導波路フォトダイオードの形態をなす、擬似的な電界を用いたショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００が得られるようにすることが可能である。

ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００には、吸光「漸変バンド・ギャップ」層２１２、前記吸光層２１２に固定されたキャリア通過またはコレクタ層２１４、及び、コレクタ層２１４の表面の一部に直接接続されて、被覆するショットキー金属接点２１８が含まれている。ショットキー接点２１８が接続されるコレクタ層２１４の表面は、コレクタ層２１４の吸光層２１２に接続される側とは反対側にある。ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００には、更に、漸変バンド・ギャップ層２１２に接続されたオーム接点２１７が含まれている。ショットキー金属接点２１８は、陰極接点の働きをし、一方、オーム接点２１７は、本発明によるショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００のための陽極接点として機能する。実施態様によっては、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００は、半絶縁基板２１９の支持表面上に取り付けるか、または、形成することが可能なものもある。

コレクタ層２１４は、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００に関連して上述のコレクタ層１１４とほぼ同様であり、漸変バンド・ギャップ層２１２の一方の側に接続されている。すなわち、コレクタ層２１４には、漸変バンド・ギャップ層２１２のドーピング・レベルと比較して微量ドープまたはアンドープの半導体が含まれる。同様に、オーム接点２１７、ショットキー接点２１８、及び、半絶縁基板２１９は、それぞれ、既に開示済みのフォトダイオード１００に関連して上述のオーム接点１１７、ショットキー接点１１８、及び、半絶縁基板１１９とほぼ同様である。すなわち、ショットキー接点２１８は、コレクタ層２１４の漸変バンド・ギャップ層２１２に接続された側とは反対の側に直接接続されている。

本実施態様のショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００は、漸変バンド・ギャップ層２１２が吸光層１１２に取って代わるという点で、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００とは異なっている。すなわち、漸変バンド・ギャップ層２１２またはその一部が、入射光を吸収して、自由キャリヤに変換する。更に、漸変バンド・ギャップ装置２１２によって、少数キャリヤ（例えば、電子）がコレクタ層２１４に向かい、オーム接点２１７から遠ざかるように方向づけする擬似的な電界が生じる。擬似的な電界の存在及び作用の結果として、本実施態様のショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００では、既に開示したフォトダイオード１００の実施態様のキャリヤ阻止層１１６を省略できる点で利点となる。

漸変バンド・ギャップ層２１２には、漸変バンド・ギャップを備えた半導体材料が含まれている。更に、層２１２のコレクタ層２１４に接続された側に向けて少しずつ変化している。換言すれば、漸変バンド・ギャップ層２１２の半導体材料のバンド・ギャップは、一般に、層２１２のコレクタ層２１４に接続された側からの距離の関数として増大する。従って、バンド・ギャップは、一般に、漸変バンド・ギャップ層２１２のコレクタ層２１４に接続された側のほうが反対側よりも小さくなる。図３（ｂ）に例示のバンド図には、漸変バンド・ギャップが、漸変バンド・ギャップ層２１２内の伝導帯準位２１と価電子帯準位２２との間におけるエネルギー準位差の漸増としてグラフで描かれている。フォトダイオード１００の吸光層１１２の場合と同様、漸変バンド・ギャップ層２１２は、ドーピング濃度（例えば、ｐ型ドーピング）が所定のレベルを超えていて、フォトダイオード２００に逆バイアスがかけられた場合に、層２１２の少なくとも一部が減損しないようになっている。

実際には、バンド・ギャップの漸変は、化合物半導体の組成が層２１２のほぼ厚さ全体にわたって調整されるようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成することで実現され得る。例えば、ＧａＩｎＡｓＰを用いて、漸変バンド・ギャップ層２１２を構成する場合、成分元素であるガリウム、インジウム、砒素、及び、燐の比率を距離の関数として制御し、変化させることによって、バンド・ギャップの所望の漸変をもたらし、同時に、所望の格子定数を維持することが可能である。従って、例えば、バンド・ギャップ層２１２内におけるＧａ／Ｉｎ／Ａｓ／Ｐの比率を漸変させることによって、漸変バンド・ギャップ層２１２の一方の側からもう一方の側すなわち反対側までの間に、１００ｍｅＶ以上のバンド・ギャップの差を生じさせることが可能である。当業者であれば、漸変バンド・ギャップを備える半導体層の形成に精通している。

バンド・ギャップをコレクタ層２１４に向かって漸減させる結果として、擬似的な電界が生じることになる。すなわち、少数キャリヤ（例えば、電子）が、擬似的な電界の影響下において、選択的にコレクタ層２１４に向かって移動する。例えば、漸変バンド・ギャップ層２１２両端間におけるバンド・ギャップの１００ｍｅＶの差によって、電子の移動を方向づけるのに適した強度の擬似的な電界が生じることになる。とりわけ、擬似的な電界は、漸変バンド・ギャップ層２１２内における吸光によって生じる自由電子をコレクタ層２１４の方向に選択的に加速することによって、フォトダイオード２００の応答時間を短縮する。

原理的には、図３（ａ）及び３（ｂ）に例示したフォトダイオード２００の実施態様の漸変バンド・ギャップ層２１２は、第１の領域または部分２１２ａと第２の領域または部分２１２ｂに分割することが可能である。第１の部分２１２ａは、コレクタ層２１４に隣接している。第１の部分２１２ａは、漸変バンド・ギャップ層２１２の一部であり、そのバンド・ギャップは入射光子の概算エネルギーｈν以下である。第２の部分２１２ｂは、存在すれば、半絶縁基板２１９に隣接する。第２の部分２１２ｂのバンド・ギャップは、一般に、第２の部分２１２ｂ内の入射光子のエネルギーを超える。結果として、第１の部分２１２ａは、自由キャリヤの発生が随伴する、入射光の事実上選択的な吸収を可能にし、一方、第２の部分２１２ｂは、吸光によって比較的少数の自由キャリヤを生じさせる。

従って、第１の部分２１２ａは、フォトダイオード１００の吸光層１１２と機能的に同等の吸光部分２１２ａとみなすことが可能である。一般に、バンド・ギャップが第１の部分２１２ａのバンド・ギャップより大きい第２の部分２１２ｂは、フォトダイオード１００のキャリヤ阻止層１１６と機能的に同等とみなすことが可能である。もちろん、漸変バンド・ギャップ層２１２全体が、実際には、全体として、擬似的な電界の存在によって、電子がコレクタ層２１４に向かうように方向づけする働きをする。従って、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００の実施態様に関して、漸変バンド・ギャップ層２１２全体が、フォトダイオード１００のキャリヤ阻止層１１６にほぼ取って代わることになる。

他の実施態様には、漸変バンド・ギャップ層２１２’に加えて、キャリヤ阻止層２１６を用いることが可能なものもある。図４（ａ）には、漸変バンド・ギャップ層２１２’を備え、更に、キャリヤ阻止層２１６を含むショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００’のバンド図が例示されている。こうした実施態様の場合、キャリヤ阻止層２１６のバンド・ギャップは、漸変バンド・ギャップ層２１２’における最大バンド・ギャップを超えることが望ましい。漸変バンド・ギャップ層２１２’の最大バンド・ギャップが、入射光子のエネルギー以下であり、一方、キャリヤ阻止層２１６のバンド・ギャップが入射光子のエネルギーを超えるのが、更に望ましい。

更にもう１つの実施態様では、漸変バンド・ギャップ層２１２、２１２’が、漸変ドーピング濃度（例えば、ｐ型）を備える層２１２”に置き換えられた、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００”を実現することが可能である。図４（ｂ）には、漸変ドーピング濃度層２１２”を用いるショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００”のバンド図が例示されている。漸変ドーピング濃度層２１２”のドーピング濃度は、漸変バンド・ギャップ層２１２、２１２’のバンド・ギャップがコレクタ層２１４に向かって漸変するのとほぼ同様にコレクタ層２１４に向かって漸変する。更に、漸変ドーピング濃度によって電子と正孔の両方が移動する電界が生じる。漸変ドーピング濃度層２１２”は、電界の存在によって、電子がコレクタ層２１４に向かうように方向づけする働きをする。また、漸変ドーピング濃度層２１２”は、電界の存在によって、正孔が阻止層２１６に向かうように方向づけする働きもする。上述のショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００、２００’のバンド・ギャップ漸変実施態様の場合と同様、漸変ドーピング濃度層２１２”を用いたショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００”は、キャリヤ阻止層２１６があってもなくても（図示せず）、やはり、本発明の範囲内において実現可能である。

図５（ａ）には、本発明によるショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００の実施態様に関する斜視図が例示されている。すなわち、図５（ａ）には、本発明によるショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００の典型的な「ピルボックス」または同心接点スタイルの実施態様が例示されている。論考だけを目的として、本明細書において用いられる限りにおいて、「上部」は、図５（ａ）に例示のフォトダイオード１００の配向のように、フォトダイオード１００のショットキー接点１１８を含む側を表わしている。更に、本明細書において用いられる限りにおいて、「底部」という表現は、フォトダイオード１００の上部とは反対側を表わしている。図５（ａ）に例示するように、陽極接点の働きをするオーム接点１１７は、キャリヤ阻止層１１６の上部にあって、それに接続されている。更に、オーム接点１１７は、フォトダイオード１００の中央スタック部分のまわりに環状に配置されている。中央スタック部分には、キャリヤ阻止層１１６の一部、キャリヤ阻止層１１６の上部にある吸光層１１２、吸光層１１２の上部にあるコレクタ層１１４、及び、スタックの上部にあるショットキー接点１１８の陰極接点が含まれている。図５（ａ）には、半絶縁基板１１９によって支持されたフォトダイオード１００の実施態様が例示されている。入射光は、下方から典型的なフォトダイオード１００に入射し、半絶縁基板１１９を通過してから、フォトダイオード１００に入射するのが望ましい。図５（ａ）に関して例示されたものと同様の構造を利用して、後述するフォトダイオード２００の他の実施態様２００、２００’、２００”を製作することも可能である。

好都合なことに、図５（ａ）の垂直照射を受けるフォトダイオード１００、２００、２００’、２００”の実施態様では、光は、キャリヤ阻止層１１６、２１６を通過するが、ほとんど吸収されない。吸光層１１２、２１２の通過時に吸収されるのは、光のほんの一部である。従って、光は、ほとんど吸収されることなく、コレクタ層１１４、２１４を通過し、ショットキー金属接点１１８、２１８によって反射される。反射した光は、再び、ただし、逆方向にフォトダイオード層を通過する。二度目に、吸光層１１２、２１２を通過する際、より多くの光が吸収される。光がショットキー金属接点１１８、２１８から反射する結果、より多くの光電流が生じ、反射しない場合に比べて、フォトダイオードの効率が高くなる。

図５（ｂ）には、本発明によるショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００のもう１つの典型的な実施態様の斜視図が例示されている。図５（ｂ）に例示の典型的な実施態様は、図５（ａ）に例示のフォトダイオード１００の実施態様の主として垂直照射を受ける応用例とは対照的に、水平照射を受けるフォトダイオードまたは導波路フォトダイオードを実現するのに適している。垂直照射時、入射光は、フォトダイオード１００のこの典型的な実施態様に下方から入射する。水平照射を受けるフォトダイオードまたは導波路フォトダイオードとして用いられる場合、入射光は、側方から吸光層１１２に入射するのが望ましい。入射光は、フォトダイオード１００の長さに対して垂直な側方から入射するのがより望ましい。図５（ｂ）の矢印１２０は、水平照射を受けるフォトダイオードまたは導波路フォトダイオードの実施態様における入射光が辿る光路が例示されている。図５（ｂ）に例示のものと同様の構造を用いて、本発明に従って、後述するフォトダイオード２００の他の実施態様２００、２００’、２００”を製造することも可能である。

既述のように、本発明によるショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００は、逆バイアス条件または状態で動作させることが可能である。すなわち、フォトダイオード１００に逆バイアスをかけて、ショットキー接点１１８とコレクタ層１１４との界面に逆バイアス電圧が生じるようにすることが可能である。多数キャリヤが吸光層１１２の一部に生じる場合とか、平均電流密度Ｊ_０が得られる場合といった、こうした逆バイアス条件下において、層１１２の厚さＷと層１１２の導電率σの間の関係を指定することが可能である。すなわち、導電率σが一定の場合、層導電率σと層厚Ｗは、方程式（１）によって示される関係を満たすのが望ましい
（Ｊ_０×Ｗ）／２σ≦（△Ｅ_Γ−Ｌ）／ｑ （１）
ここで、△Ｅ_Γ−Ｌは、Γ谷／Ｌ谷エネルギー分離であり、ｑは電子の電荷である。導電率σが一定ではなく、ある分布を示す状況では、層導電率σと層厚Ｗは、方程式（２）によって示される関係を満たすのが望ましい。

ここで、△Ｅ_Γ−Ｌは、Γ谷／Ｌ谷エネルギー分離であり、ｑは電子の電荷であり、ｘは吸光層１１２の位置である。これらの関係の根拠及び説明については、参考までに本明細書において援用されている、Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ他による米国特許第５，８１８，０９６号明細書［特許文献２］に記載がある。当業者であれば、さほどの実験をしなくても、方程式（１）及び／または（２）をショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００、２００’、２００”に適用することが可能である。

図６（ａ）には、従来のユニポーラまたは単進行キャリヤ（ＵＴＣ）・フォトダイオード３００の断面図が例示されている。図６（ｂ）には、従来のＵＴＣフォトダイオード３００のバンド図が例示されている。従来のＵＴＣフォトダイオード３００には、吸光層３１２、吸光層３１２の第１の側に接続されたキャリア通過またはコレクタ層３１４、及び、吸光層３１２の第１の側とは反対の第２の側に接続されたキャリヤ阻止層３１６が含まれている。キャリア通過またはコレクタ層３１４は、電極層３１５に隣接し、接続されている。陰極接点３１７ａは、キャリア通過またはコレクタ層３１４の下方にある電極層３１５に第１のオーム接点３１７ａを接続することによって形成される。陽極接点３１７ｂは、層スタックの上部にあるキャリヤ阻止層３１６に第２のオーム接点３１７ｂを接続することによって形成される。更に、電極層３１５は、伝導型が吸光層３１２とは異なる、多量ドープ半導体である。例えば、吸光層３１２がｐ型半導体の場合、電極層３１５は、多量ドープｎ型半導体である。従来のＵＴＣフォトダイオードは、逐次、半絶縁基板３１９の上に電極層３１５をスタックし、電極層３１５の上にキャリア通過またはコレクタ層３１４をスタックし、キャリア通過またはコレクタ層３１４の上に吸光層３１２をスタックし、更に、吸光層３１２の上にキャリヤ阻止層３１６をスタックすることによって形成される。第１のオーム接点３１７ａすなわち陰極接点は、電極層３１５の露出部分に接続され、一方、第２のオーム接点３１７ｂすなわち陽極接点は、スタック上部のキャリヤ阻止層３１６に接続されている。

本発明のショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００、２００、２００’、２００”は、いくつかの点において、従来のユニポーラまたは単進行キャリヤ（ＵＴＣ）・フォトダイオードとは著しく異なっている。すなわち、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００、２００、２００’、２００”には、陰極接点として、第１のオーム接点３１７ａの代わりに、ショットキー接点１１８、２１８が含まれている。とりわけ、ショットキー接点１１８、２１８のおかげで、従来のＵＴＣフォトダイオードの電極層３１５が不要になることによって、フォトダイオード１００、２００、２００’、２００”が単純化されるのが好都合である。

好都合なことに、ショットキー接点１１８、２１８によれば、オーム接点の場合に可能であるよりも応答時間を速くし、効率を高めることが可能になるという特定の性能上の利点が得られる。更に、ショットキー接点１１８、２１８によれば、本応用例において、オーム接点の場合に可能であるよりも実効直列抵抗を低くすることが可能になる。直列抵抗が低下すると、フォトダイオード１００、２００、２００’、２００”の応答時間が短縮される。更に、図５（ａ）によって示されたフォトダイオード１００の垂直照射を受ける実施態様の場合、ショットキー金属接点からの光の反射が、オーム接点からの光の反射を超えるので、結果として、オーム接点を用いたフォトダイオードによって得られる可能性のある効率よりも効率を高めることが可能になる。

図７には、本発明によるショットキー接点ユニポーラフォトダイオードを用いて、入射光を検出する方法４００が例示されている。この方法４００には、フォトダイオードの光活性部分において、光子の形態をなす光を吸収するステップ４１０が含まれている。この方法４００には、更に、吸収した光子から電子と正孔を発生するステップ４２０が含まれている。この方法４００には、更に、発生した電子を選択的にフォトダイオードの収集部分に送り込むステップ４３０と、同時に、正孔を選択的に収集部分から遠ざけるステップ４４０が含まれている。実施態様によっては、発生した電子を選択的に送り込むステップ４３０に、バンド・ギャップが、吸光部分の収集部分とは反対の側におけるバンド・ギャップよりも大きいキャリヤ阻止層を用いるステップが含まれるものもある。吸光部分とキャリヤ阻止ブロック層とのバンド・ギャップの差によって、キャリヤ阻止層に向かう電子の流れが有効に妨げられ、その結果、電子が選択的に収集部分に向かうことになる。他の実施態様には、漸変バンド・ギャップまたは漸変ドーピング濃度を用いて、擬似的な電界を発生させ、これによって、選択的に電子をフォトダイオードの収集部分に向かわせる（４３０）ことが可能なものもある。

収集部分における電界及び収集部分と吸光部分とのバンド・ギャップの差によって、収集部分への正孔の進入が有効に阻止され、その結果、正孔は選択的に収集部分から遠ざかることになる（４４０）。更に、フォトダイオード及び外部回路全体にわたって、光電流の導通状態を維持する起電力によって、選択的に正孔が収集部分から遠ざかり（４４０）、オーム接点に向かうことになる。

この方法４００には、更に、ショットキー金属接点によって収集部分から発生した電子を受け取るステップ４５０が含まれている。すなわち、ショットキー金属接点によって受け取る電子は、吸光部分において発生して、収集部分を通過する電子である。ショットキー金属接点は、フォトダイオードの陰極の働きをする。この方法４００には、更に、陽極接点の働きをするオーム接点で正孔を吸収するステップ４６０が含まれている。

図８には、本発明によるショットキー接点ユニポーラフォトダイオードを製作する方法５００のフローチャートが例示されている。この方法５００には、半絶縁基板の上部表面上または表面内にキャリヤ阻止層を形成するステップ５１０が含まれる。キャリヤ阻止層は、半絶縁基板の上部表面に半導体層のエピタキシャル被着を利用して形成することが可能である（５１０）。半導体層の被着に適したありとあらゆるエピタキシャル被着法を用いて、キャリヤ阻止層を形成することが可能である（５１０）。例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）または有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）を用いて、エピタキシャル被着を施すことによって、ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を形成することが可能である（５１０）。或いはまた、イオン注入によるような、基板の選択的ドーピングによって、半絶縁基板の上部表面内に、キャリヤ阻止層を形成することも可能である（５１０）。選択的ドーピングによって、キャリヤ阻止層は、半絶縁基板格子内の「ウェル」として形成される（５１０）。形成される（５１０）キャリヤ阻止層は、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００に関連して上述のキャリヤ阻止層１１６の特性を備えている。

この方法には、更に、形成されたキャリヤ阻止層の上に吸光層を被着させるステップ５２０が含まれている。被着５２０は、エピタキシャル被着、または、当該技術において既知の、半導体製造に適した他の任意の被着技法によって実施可能である。例えば、ＭＢＥまたはＭＯＣＶＤを利用して、キャリヤ阻止層の上に、ｐ型ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を被着させることが可能である（５２０）。被着した（５２０）吸光層は、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００に関連して上述の吸光層１１２と同様であって、吸光層１１２の特性を備えていることが望ましい。

この方法には、更に、吸光層の上にコレクタ層を被着させるステップ５３０が含まれている。被着５３０は、エピタキシャル被着、または、半導体製造に適した他の任意の被着技法によって実施可能である。例えば、ＭＢＥまたはＭＯＣＶＤを利用して、吸光層の上に、ｎ型またはアンドープＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を被着させることが可能である（５３０）。被着した（５３０）コレクタ層は、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００に関連して上述のコレクタ層１１４と同様であって、コレクタ層１１４の特性を備えていることが望ましい。

この方法には、更に、コレクタ層の上部表面にショットキー接点を形成するステップ５４０が含まれている。ショットキー接点は、ショットキー接点の形成に適した任意の技法によって、コレクタ層の上部表面に形成することが可能である。すなわち、コレクタ層の上部表面に形成された可能性のある酸化物層を除去した後、上部表面に蒸着またはスパッタリングで金属を被着させることが可能である。形成された（５４０）ショットキー接点は、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００に関連して上述のショットキー接点１１８の特性を備えていることが望ましい。すなわち、形成された（５４０）ショットキー接点は、フォトダイオード用の陰極接点である。

この方法には、更に、キャリヤ阻止層または吸光層の上部表面にオーム接点を形成するステップ５５０が含まれている。オーム接点は、キャリヤ阻止層の上部表面に形成することもできるし（５５０）、或いは、吸光層の独立した部分のような、キャリヤ阻止層の上部表面上にある別の層の上部表面に形成することも可能である（５５０）。オーム接点は、オーム接点の形成に適した任意の技法によって形成することが可能である（５５０）。すなわち、キャリヤ阻止層の上部表面、または、キャリヤ阻止層の上部表面上にある別の層の上部表面に、蒸着またはスパッタリングで金属を被着させることが可能である。表面から形成された可能性のある酸化物層を除去した後で、金属を被着させるのが望ましい。形成されたオーム接点は、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００に関連して上述のオーム接点１１７の特性を備えていることが望ましい。すなわち、形成されたオーム接点は、フォトダイオード用の陽極接点である。

ショットキー接点の形成（５４０）と同時に、オーム陽極接点を形成して、キャリヤ阻止層または吸光層に接続することも可能である。或いはまた、フォトダイオード製造方法５００実施中の別の時間に、オーム接点を形成して、接続することも可能である。同様に、フォトダイオード制作方法５００の実施中の別の時間に、フォトダイオードの１つ以上の層に対するエッチングまたは別の形式の機械的整形を実施することも可能であり、やはり、本発明の範囲内である。

更に、本発明によるショットキー接点ユニポーラフォトダイオード１００の製造に関して上に述べてきたが、当業者であれば、吸光層の代わりに漸変バンド・ギャップ層または漸変ドーピング層が用いられる、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００、２００’、２００”を製作するように、方法５００の実施態様５００’を簡単に適応させることが可能である。すなわち、方法５００’の場合、吸光層を被着させる（５２０）代わりに、漸変バンド・ギャップ層または漸変ドーピング層を被着させる（５２０’）ことが可能である。更に、方法５００’の場合、漸変バンド・ギャップ層及び／または漸変ドーピング層を備えた、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード２００、２００’、２００”にとって、キャリヤ阻止層はオプションであるため、キャリヤ阻止層の形成５１０を省略することが可能である。

こうして、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオード、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオードを利用した光の検出方法、及び、ショットキー接点ユニポーラフォトダイオードの製造方法のいくつかの実施態様について述べてきた。もちろん、上述の実施態様は、ただ単に、本発明の原理を明らかにする多くの特定の実施態様のいくつかについて例証するためのものでしかない。当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、他の様々な構成を容易に考案することが可能である。

上述の実施形態に即して本発明を説明すると、本発明は、コレクタバンド・ギャップ・エネルギーを有するキャリア通過またはコレクタ層１１４、２１４と、該コレクタ層１１４、２１４の第１の側に隣接して、接触し、吸光を促進する吸光バンド・ギャップ・エネルギーを有する吸光層１１２、２１２、２１２’、２１２”と、コレクタ層１１４、２１４の第１の側とは反対側の第２の側に隣接して、接触している、陰極接点であるショットキー接点１１８、２１８と、吸光層１１２、２１２、２１２’、２１２”と間接的に結合した陽極接点１１７、２１７を具備し、コレクタバンド・ギャップ・エネルギーが、吸光バンド・ギャップ・エネルギーを超え、コレクタ層１１４、２１４がほとんど吸光しないことを特徴とするユニポーラフォトダイオード１００、２００、２００’、２００”を提供する。

好ましくは、追加的に、コレクタ層１１４、２１４の反対側にある吸光層１１２、１１２ａ、２１２’、２１２”の側に、吸光層１１２、１１２ａ、２１２’、２１２”に隣接したキャリヤ阻止層１１６、２１６を具備すること、陽極接点１１７、２１７がキャリア阻止層１１６、２１６に接合していること、及びキャリヤ阻止層１１６、２１６が、吸光バンド・ギャップ・エネルギーを超える阻止バンド・ギャップ・エネルギーを備えていて、吸光層と前記キャリヤ阻止層１１６、２１６の間に阻止層エネルギー障壁２５が形成される。

好ましくは、更に、陽極接点１１７、２１７とキャリヤ阻止層１１６、２１６層との間にもう１つの層１１２ａを具備しており、当該層１１２ａによって、陽極接点１１７、２１７がキャリヤ阻止層１１６、２１６に間接的に結合されている。

好ましくは、吸光層１１２、２１２’、２１２”によって、光子が電子と正孔を含む１対の自由キャリヤに変換されること、電子が選択的に阻止層のエネルギー障壁２５から離れてコレクタ層１１４、２１４に入り込むこと、電子がコレクタ層１１４、２１４で加速されて、ショットキー陰極接点１１８、２１８に送られること、及び正孔が選択的にコレクタ層のエネルギー障壁２４から離れて、陽極接点１１７、２１７に対するキャリヤ阻止層１１６、２１６に入り込むことが特徴とされる。

好ましくは、キャリヤ・ブロック層１１６、２１６のバンド・ギャップ・エネルギーが、吸光層１１２、２１２’、２１２”のバンド・ギャップ・エネルギーを超えると、キャリヤ阻止層１１６、２１６が吸光に対して不伝導性になる。

好ましくは、吸光層２１２’、２１２”の吸光バンド・ギャップ・エネルギーに、擬似的な電界を生じる漸変バンド・ギャップ・エネルギーが含まれること、漸変バンドギャップ・エネルギーが、キャリヤ阻止層２１６に隣接した吸光層２１２’、２１２”の第１の側における大きいバンド・ギャップ・エネルギーから、コレクタ層２１４に隣接した吸光層２１２’、２１２”の第２の側における比較的小さいバンド・ギャップ・エネルギーまで低下すること、及び吸光層２１２’、２１２”が、吸光層２１２’、２１２”の少なくとも一部において光を吸収することが特徴とされる。

好ましくは、吸光層２１２、２１２ａ、２１２ｂ、２１２’、２１２”の吸光バンド・ギャップ・エネルギーに、漸変するバンド・ギャップ・エネルギーが含まれること、漸変バンド・ギャップ・エネルギーによって擬似的な電界が生じること、漸変バンド・ギャップ・エネルギーが、コレクタ層２１４に隣接した吸光層２１２、２１２’、２１２”の第１の側からの距離の関数として増大すること、陽極接点２１７が、吸光層２１２、２１２’、２１２”に接合されていること、及びバンド・ギャップ・エネルギーの比較的大きい吸光層２１２、２１２’、２１２”の領域２１２ｂが、バンド・ギャップ・エネルギーの比較的小さい吸光層２１２、２１２’、２１２”の領域２１２ａよりも、吸光に対する伝導性が低いことが特徴とされる。

好ましくは、吸光層１１２、２１２、２１２’、２１２”が、第１の伝導タイプと第１のドーピング濃度を備えていること、コレクタ層１１４、２１４が、吸光層１１２、２１２、２１２’、２１２”の第１のドーピング濃度より低い第２のドーピング濃度を備えていること、オプションとされるキャリヤ阻止層１１６、２１６が、コレクタ層１１４、２１４の第２のドーピング濃度より高い第３のドーピング濃度を備えていること、及び第１のドーピング濃度によって、吸光層１１２、２１２、２１２’、２１２”の少なくとも一部における電荷の中性が維持されることが特徴とされる。

好ましくは、更に陽極接点１１７、２１７を支持し、更に層１１２、２１２、２１２’、２１２”、１１４、２１４、及びショットキー陰極接点１１８、２１８をスタック関係をなすように支持する半絶縁基板１１９、２１９が含まれること、スタック関係に、吸光層１１２、２１２、２１２’、２１２”、コレクタ層１１４、２１４、及びショットキー陰極接点１１８、２１８の半絶縁基板１１９、２１９の表面からの特定の順序が含まれること、陽極接点１１７、２１７がスタック層から分離されていることが特徴とされる。

好ましくは、入射光１２０が、スタック層を支持する表面とは異なる半絶縁基板１１９、２１９の表面からフォトダイオード１００、２００、２００’、２００”に入って、スタック層に向かい、入射光１２０は、まず吸光層１１２、２１２、２１２’、２１２”によって光子として吸収され、吸光層１１２、２１２、２１２’、２１２”によって、光子が電子及び正孔に変換され、次に、電子は、吸光層１１２、２１２、２１２’、２１２”からショットキー陰極接点１１８、２１８に向かって、コレクタ層１１４、２１４内を移動し、一方、正孔は、吸光層１１２、２１２、２１２’、２１２”から陽極接点１１７、２１７に向かって移動することと、異なる表面がスタック層を支持する前記表面と反対側にあるか、または、それに隣接していて、フォトダイオードフォトダイオード１００、２００、２００’、２００”の垂直または水平照射が施される。

（ａ）は、従来の垂直照射を受けるＰＩＮフォトダイオードの断面図であり、（ｂ）は（ａ）に例示のＰＩＮフォトダイオードに関するバンド図である。 （ａ）は、本発明の実施態様による垂直照射を受けるショットキー接点ユニポーラフォトダイオードの断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に例示のショットキー接点ユニポーラフォトダイオードの実施態様に関するバンド図であり、（ｃ）は、本発明の実施態様による間接的に接合したオーム接点を備える垂直照射を受けるショットキー接点ユニポーラフォトダイオードの断面図である。 （ａ）は、本発明の他の１つの実施態様による垂直照射を受けるショットキー接点ユニポーラフォトダイオードの断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に例示するショットキー接点ユニポーラフォトダイオードの実施態様に関するバンド図である。 （ａ）は、本発明の実施態様による漸変バンド・ギャップ層とキャリヤ阻止層の両方を備えたショットキー接点ユニポーラフォトダイオードのバンド図であり、（ｂ）は、本発明による漸変ドーピング濃度層を備えたショットキー接点ユニポーラフォトダイオードのもう１つの実施態様のバンド図である。 （ａ）は、本発明によるショットキー接点ユニポーラフォトダイオードの実施態様の斜視図であり、（ｂ）は、本発明によるショットキー接点ユニポーラフォトダイオードのもう１つの実施態様の斜視図である。 （ａ）は、従来の垂直照射を受ける単進行キャリヤ（ＵＴＣ）フォトダイオードの断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に例示のＵＴＣフォトダイオードに関するバンド図である。 本発明の実施態様によるショットキー接点ユニポーラフォトダイオードを用いて入射光を検出する方法のフローチャートである。 本発明の実施態様によるショットキー接点ユニポーラフォトダイオードを製作する方法のフローチャートである。

符号の説明

１００ ユニポーラフォトダイオード
１１２ 吸光層
１１４ キャリヤコレクタ層
１１６ キャリヤ阻止層
１１７ 陽極接点
１１８ ショットキー陰極接点
１１９ 半絶縁基板
２００ ユニポーラフォトダイオード
２００’ ユニポーラフォトダイオード
２００” ユニポーラフォトダイオード
２１２ 吸光層
２１２’ 吸光層
２１２” 吸光層
２１４ キャリヤコレクタ層
２１６ キャリヤ阻止層
２１７ 陽極接点
２１８ ショットキー陰極接点
２１９ 半絶縁基板

Claims (10)

1. コレクタバンド・ギャップ・エネルギーを有するコレクタ層と、
   該コレクタ層の第１の側に隣接して接触し、吸光を促進する吸光バンド・ギャップ・エネルギーを有する吸光層と、
   前記コレクタ層の第１の側とは反対側の第２の側に隣接して接触する、陰極接点であるショットキー接点と、
   前記吸光層と間接的に結合される陽極接点とを具備し、
   前記コレクタバンド・ギャップ・エネルギーは、前記吸光バンド・ギャップ・エネルギーよりも大きくされ、前記コレクタ層は実質的に吸光しないことを特徴とするユニポーラフォトダイオード。
2. 前記吸光層の前記コレクタ層の側とは逆側に、前記吸光層に隣接したキャリヤ阻止層を具備することと、前記陽極接点が前記キャリヤ阻止層に接合していることと、該キャリヤ阻止層は、前記吸光バンド・ギャップ・エネルギーより大きな阻止バンド・ギャップ・エネルギーを備えていて、前記吸光層と前記キャリヤ阻止層の間に阻止層エネルギー障壁が形成されるようにしたことを特徴とする、請求項１に記載のユニポーラフォトダイオード。
3. 前記吸光層によって、光子は、電子と正孔を含む１対の自由キャリヤに変換されることと、前記電子は、前記阻止層エネルギー障壁から離れる方向に移動して前記コレクタ層に入り込み、該コレクタ層で加速されて前記ショットキー接点に送られることと、前記正孔は、前記吸光層内を、該吸収層と前記コレクタ層との間に形成されたコレクタ層エネルギー障壁から離れる方向に移動して、前記陽極接点に面する前記キャリヤ阻止層に入り込むことを特徴とする、請求項２に記載のユニポーラフォトダイオード。
4. 前記キャリヤ阻止層の前記バンド・ギャップ・エネルギーは、前記吸光層の前記バンド・ギャップ・エネルギーより大きくされ、前記キャリヤ阻止層では電気伝導性を生じる吸光を生じないことを特徴とする、請求項３に記載のユニポーラフォトダイオード。
5. 前記吸光層の前記吸光バンド・ギャップ・エネルギーは、漸変するバンド・ギャップ・エネルギーを含み、擬似的な電界を生ぜしめることと、前記漸変バンド・ギャップ・エネルギーは、前記キャリヤ阻止層の側に位置する比較的大きなバンド・ギャップ・エネルギーから前記コレクタ層の側に位置する比較的小さなバンド・ギャップ・エネルギーへと変化するようにされ、前記吸光層は、少なくとも一部で吸光の動作をすることを特徴とする、請求項２に記載のユニポーラフォトダイオード。
6. 前記陽極接点と前記キャリヤ阻止層との間に他の１つの層を具備しており、該層によって、前記陽極接点が前記キャリヤ阻止層に間接的に結合されるようにしたことを特徴とする、請求項２に記載のユニポーラフォトダイオード。
7. 前記吸光層の前記吸光バンド・ギャップ・エネルギーは、漸変するバンド・ギャップ・エネルギーを含み、擬似的な電界を生ぜしめることと、前記漸変バンド・ギャップ・エネルギーは、前記コレクタ層に隣接した前記吸光層の一側からの距離の関数として増大することと、バンド・ギャップ・エネルギーの大きい前記吸光層の領域は、バンド・ギャップ・エネルギーの小さい前記吸光層の領域よりも、吸光に対する電気伝導性が小さいことを特徴とする、請求項２に記載のユニポーラフォトダイオード。
8. 前記吸光層は、第１の伝導タイプと第１のドーピング濃度を備えていることと、前記コレクタ層が、前記吸光層の前記第１のドーピング濃度より低い第２のドーピング濃度を備えていることと、前記キャリヤ阻止層は、前記コレクタ層の前記第２のドーピング濃度より高い第３のドーピング濃度を備えていることと、前記第１のドーピング濃度によって、前記吸光層の少なくとも一部における電荷の中性が維持されることを特徴とする、請求項２に記載のユニポーラフォトダイオード。
9. さらに、前記陽極接点を支持し、且つ少なくとも前記コレクタ層、前記吸光層及び前記ショットキー接点を、スタック関係を成すように支持する半絶縁基板が含まれることと、前記スタック関係は、前記半絶縁基板の表面からの順番が、前記吸光層、前記コレクタ層、及び前記ショットキー陰極接点となるようにするものであることと、前記陽極接点は、少なくともスタックされた前記吸光層及び前記コレクタ層から前記半絶縁基板の面内方向に分離されていることを特徴とする、請求項１に記載のユニポーラフォトダイオード。
10. 入射光は、前記半絶縁基板の表面であって、スタックされる層を支持する表面とは異なる表面から前記フォトダイオードに入るようにされ、前記入射光は、前記吸光層によって光子として吸収され、該光子は、前記吸光層によって電子及び正孔に変換され、次に、前記電子は、前記吸光層から前記ショットキー陰極接点に向かって前記コレクタ層内を移動し、一方、前記正孔は、前記吸光層から前記陽極接点に向かって移動することを特徴とする、請求項９に記載のユニポーラフォトダイオード。