JP2005057273A - 放射受光用半導体基体 - Google Patents

Abstract

【課題】放射受光用半導体素子において、検出すべき信号の妨害や誤りに対する保護をいっそう改善し、かつ技術的に多大なコストをかけずに製造できるように構成する。
【解決手段】放射受光用半導体基体は、放射吸収性活性領域２を有しλ_１とλ_２の間の波長範囲の電磁放射を受光し、ここでλ_２＞λ_１である。活性領域２と放射入力結合面９の間にフィルタ層５が設けられている。活性領域２はλ_２よりも短い波長をもつ電磁放射を検出する。フィルタ層５はλ_１よりも短い波長をもつ電磁放射を吸収し、かつλ_１よりも長い波長をもつ電磁放射を透過させる。
【選択図】図１

Description

本発明は放射受光用半導体基体に関する。この半導体基体は少なくとも１つの放射吸収性活性領域を有し、λ_１とλ_２の間の波長範囲の電磁放射を受光する。ただしλ_２＞λ_１である。本発明はたとえばフォトダイオードまたはフォトトランジスタとして形成された半導体基体に関する。

一般に、冒頭で述べた形式の半導体基体に集積されている放射受光用素子の出力は、周囲光または散乱光によって悪影響を受ける。信号またはデータの光学的自由空間伝送において、検出すべき信号はたいていのケースでは周囲光または散乱光によって妨害されたり誤りが引き起こされたりする。それゆえ検出器の前に光学フィルタが組み込まれていることも多く、それによって信号をこのような妨害光と分離するようにしている。もっとコストをかけるならばこの代案としてあるいはこれに加えて、信号を電子的に処理することも可能である。このような外部の措置によって、いっそう多くの時間とコストがかかるようになってしまう。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の放射受光用半導体素子において、検出すべき信号の妨害や誤りに対する保護をいっそう改善し、かつ技術的に多大な手間をかけずに製造できるように構成することにある。

本発明によればこの課題は、活性領域と放射入力結合面との間にフィルタ層が設けられており、前記活性領域はλ_２よりも短い波長をもつ電磁放射を検出し、前記フィルタ層はλ_１よりも短い波長をもつ電磁放射を吸収し、前記フィルタ層はλ_１よりも長い波長をもつ電磁放射を透過させることにより解決される。従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。

本発明によれば、少なくとも１つの放射吸収性活性領域を備えた放射受光用半導体基体はフィルタ層を有しており、このフィルタ層は活性領域と放射入力結合面との間に配置されている。活性領域はλ_２よりも小さい波長をもつ電磁放射だけを検出する。フィルタ層はλ_１よりも短い波長をもつ電磁放射を吸収し、λ_１よりも長い波長をもつ電磁放射を透過させる。フィルタ層により吸収された放射は有利なことにはλ_２よりも長い波長をもつ放射に変換され、したがって活性領域によっては検出されない。活性領域とフィルタ層の組み合わせによる働きによって、半導体基体はλ_１とλ_２の間の波長範囲内にある電磁放射を受光する。ただしλ_２＞λ_１である。

以下では、λ_２よりも長い波長をもつ放射を長い波長の放射と称し、λ_１よりも短い波長をもつ放射を短い波長の放射と称する。同じことは短い波長の光と長い波長の光についてもあてはまる。

有利であるのは、フィルタ層において活性領域とは反対側の表面によって少なくとも部分的に放射入力結合面が形成されることである。さらに有利であるのは放射入力結合面の側のコンタクト層がパターニングされることであり、これを少なくとも部分的にフィルタ層の上に設けることができる。このようにすることで、同等の慣用の構成素子よりもコンパクトな素子が実現される。

本発明の１つの有利な実施形態によれば２つのミラーの間に活性領域が配置されており、その際、活性領域と放射入力結合面との間に配置されたミラーは部分透過性である。この部分透過性ミラーを、少なくともλ_１とλ_２の間の波長範囲に対して部分透過性にすると有利である。さらに有利であるのは、ミラーをブラッグミラーとして構成することである。有利なことに構造的な干渉によって、検出すべき信号が増幅される。さらにミラーを、λ_１とλ_２の間の波長範囲における放射に合わせて整合された共振器を成すよう活性領域の周囲に配置することができる。この種の共振器のもつ利点とは、所望の波長範囲すなわちλ_１とλ_２の間の波長範囲において素子の感度が高められることである。さらにミラーを半導体材料から製造するのが有利である。

１つの別の実施形態によれば活性領域を半導体材料から製造することができ、量子井戸構造として形成することができる。活性領域における量子井戸構造によって、スペクトルの感度ならびに選択性を高めることができて有利である。

フィルタ層を層列として形成するのが有利であり、さらに有利であるのはこの層列を種々の半導体材料によって製造することである。その場合にフィルタ層を、その下に位置する活性領域および場合によってはミラーと同じエピタキシャル製造ステップで成長させると有利である。つまり活性領域、フィルタ層および場合によっては２つのミラーを１つのエピタキシャルステップで基板上に成長させることができる。このようにすることで製造にあたり時間とコストを節約できる。

さらに１つの有利な実施形態によれば、フィルタ層は１つの量子井戸構造を有している。フィルタ層において吸収された光によって電荷キャリアが生成され、それらの電荷キャリアは再発光の前に量子井戸に捕獲され、そこにおいてエネルギー的に緩和される。量子井戸構造においてそれらの電荷キャリアが再結合し、有利にはλ_２よりも長い波長をもつ放射すなわち長い波長の放射が発せられる。この長い波長の放射は、半導体基体におけるその他の層もしくはその他の構造においては実質的に吸収されない。これによって長い波長の放射は、検出されることなく半導体基体から出て行くことになる。この場合、フィルタ層は、λ_１よりも短い波長をもつ短い波長の光を吸収し長い波長の光を通過させるエッジフィルタのように機能する。したがって活性領域と共働して、妨害光をフィルタリングして取り除くバンドパスフィルタが形成され、その結果、λ_１とλ_２の間の波長範囲の光だけが検出されるようになる。

１つの有利な実施形態によれば、半導体基体はフォトダイオードまたはフォトトランジスタとして構成されている。

次に、図１〜図３を参照しながら実施例に基づき本発明の特徴ならびに利点についてさらに詳しく説明する。なお、図中、同じ働きをする素子には同じ参照符号が付されている。また、わかりやすくするため殊に層の厚さなどは縮尺どおりには描かれていない。

図１に示されている半導体基体はたとえば共振フォトダイオードとして構成されている。半導体基体は活性領域２を有しており、これはたとえば複数のＧａＡｓ量子井戸をもつ量子井戸構造を有している。活性領域２を２つのミラー３，４の間に配置させると有利である。ミラー３，４を半導体ブラッグミラーとして構成することができ、これらはたとえば複数のＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ周期を有している。ミラー４を少なくとも検出すべき信号に対して部分透過性であると有利であり、たとえばｐドーピングされており、ミラー３は相応にｎドーピングされている。これら２つのミラー３，４は共振器１０を成しており、これは検出すべき信号の光に合わせて精確に整合されている。たとえばミラー３は３６個の周期を有しており、ミラー４は１０個の周期を有している。活性領域２において吸収される放射によって自由な電荷キャリアが生成され、これらにより電界中で光電流が引き起こされる。

ミラー４の上にフィルタ層５を成長させると有利であり、この層は検出すべき信号の光に対して十分に透過性の材料から成る。このため波長範囲に応じてＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓベースのフィルタ層５を用いることができる。フィルタ層５を活性領域２と同じエピタキシャルステップにおいて成長させると有利である。

短い波長の光はフィルタ層５において十分に吸収される。やはりこのフィルタ層５中に存在している生成された電荷キャリアは再発光の前に量子井戸に捕獲され、そこにおいてエネルギー的に緩和する。たとえば量子井戸構造はＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓから成る。これらの電荷キャリアは量子井戸内で再結合して長い波長の放射が発生し、この放射はこの半導体基体の他のいかなる層によっても実質的に吸収される可能性がない。

これに対する代案として、生成された電荷キャリアの再結合を表面準位において行わせることができる。このケースでは通常、放射は送出されない。表面準位による再結合が殊に可能であるのは、フィルタ層５が比較的薄く形成されているときであり、すなわち１０^−６ｍまでのオーダのときである。フィルタ層５が比較的薄ければ、電荷キャリアが表面に到達し、そこにおいて表面準位で再結合する確率が高くなる。

フィルタ層５の上にはコンタクト層６が設けられる。有利にはコンタクト層６がパターニングされる。この実施例ではコンタクト層６はＡｕ：Ｚｎベースでｐ型にドーピングされる。コンタクト層６によって覆われていないフィルタ層５の平面は放射入力結合平面９を成している。検出すべき信号は矢印８によって表されている。

ミラー３が基板１の上に配置されており、これにはたとえばＧａＡｓが含まれている。有利には基板１は導電性である。基板１においてミラー３とは反対側の表面にはコンタクト層７が設けられている。この場合、たとえばコンタクト層７は面全体にわたって設けられている。この実施例ではコンタクト層７はｎ型にドーピングされており、これにはＡｕＧｅから成る合金が含まれている。

図２には半導体基体の種々の層のバンドギャップが示されている。これらのバンドギャップは、水平方向軸に沿って描かれている層の順序に対して書き込まれている。

フィルタ層５の上に配置されているキャップ層１３以外、図２に示されている半導体基体は図１に示した実施例と同じ構造を有している。キャップ層１３はたとえばＧａＡｓから成り、著しく薄く（１０^−９ｍのオーダで）形成されている。この層は、フィルタ層５を酸化から保護するために用いられる。一般にフィルタ層５には比較的高い濃度のアルミニウムが含まれており、これは周囲に空気があるとすぐに酸化してしまう可能性がある。キャップ層１３にはアルミニウム成分が含まれていないかまたはほとんど含まれていないと有利であり、これによって空気と半導体との境界面におけるアルミニウムの酸化が回避される。このような酸化が生じると、半導体層列の電気的な特性に妨害が及ぼされるおそれがある。

矢印１１によって短い波長の光がシンボリックに表されている。短い波長の光１１はフィルタ層５まで半導体基体中に侵入する。この場合、短い波長の光１１は十分に吸収され、たとえばフィルタ層５内に設けられた量子井戸構造によって長い波長の光に変換される。オプションとしてフィルタ層５に、放射入力結合面９に向いた表面のところで電荷キャリアに対し高いエネルギー障壁５ａをもたせることができる。このようなエネルギー障壁５ａには通常、フィルタ層５の他の部分よりも格段に高い濃度のアルミニウムが含まれている。図２には、大きい垂直方向のバンドギャップによってフィルタ層５内と活性領域２内に量子井戸構造が存在している様子が示されている。

ここでは矢印１２によって、長い波長の光がシンボリックに表されている。長い波長の光には、フィルタ層５によって変換された光と長い波長の周囲光とが含まれており、これは半導体基体を十分に通過するものである。さらに矢印８によって、λ_１とλ_２の間に位置する波長をもつ検出すべき放射が表されている。放射８はフィルタ層５および部分透過性ミラー４を十分に通過するものである。ミラー４，３により形成される共振器１０の共振波長は、放射８の波長と実質的に一致する。

図３には一例として、図２と同じ半導体基体の層におけるインジウムとアルミニウムの濃度が示されている。図２を参照しながら図３を見るとわかるように、アルミニウムの濃度が他よりも高いところはバンドギャップが他よりも高いところと一致している。これとは逆にインジウムの濃度が他よりも高いところは低いバンドギャップと一致している。

本発明の権利保護範囲は、実施例に基づく本発明の既述の説明に限定されるものではなく、本発明はどのような新規な特徴もそれらのあらゆる組み合わせも含むものであり、これにはたとえば特許請求の範囲における特徴のいかなる組み合わせを含むものであって、このことはそのような組み合わせがたとえ特許請求の範囲に明示的には挙げられていないとしてもあてはまる。

本発明による半導体基体の実施例を略示する断面図である。 放射入力結合面から基板に至るまでの半導体基体の種々の層におけるバンドギャップを示すダイアグラムである。 放射入力結合面から基板に至るまでの半導体基体の種々の層におけるインジウムとアルミニウムの濃度を示すダイアグラムである。

符号の説明

１ 基板
２ 活性領域
３，４ ミラー
５ フィルタ層
６，７ コンタクト層
８ 検出すべき光
９ 放射入力結合面
１０ 共振器
１１ 短い光の波長
１２ 長い光の波長
１３ キャップ層

Claims (16)

1. 少なくとも１つの放射吸収性活性領域（２）を有しλ_１とλ_２の間の波長範囲の電磁放射を受光しここでλ_２＞λ_１である放射受光用半導体基体において、
   前記活性領域（２）と放射入力結合面（９）との間にフィルタ層（５）が設けられており、
   前記活性領域（２）はλ_２よりも短い波長をもつ電磁放射を検出し、
   前記フィルタ層（５）はλ_１よりも短い波長をもつ電磁放射を吸収し、
   前記フィルタ層（５）はλ_１よりも長い波長をもつ電磁放射を透過させることを特徴とする、
   放射受光用半導体基体。
2. 前記フィルタ層（５）は少なくとも１つの量子井戸構造を有する、請求項１記載の半導体基体。
3. 前記フィルタ層（５）は、該フィルタ層（５）により吸収される光をλ_２よりも長い波長をもつ光に変換する、請求項１または２記載の半導体基体。
4. 前記放射入力結合面（９）は、フィルタ層（５）において活性領域（２）とは反対側の表面またはその上に設けられた半導体層によって形成されている、請求項１から３のいずれか１項記載の半導体基体。
5. 前記フィルタ層（５）は半導体層列として形成されている、請求項１から４のいずれか１項記載の半導体基体。
6. 前記活性領域（２）は量子井戸構造として形成されている、請求項１から５のいずれか１項記載の半導体基体。
7. 少なくとも部分的に前記フィルタ層（５）の上に第１のコンタクト層（６）が設けられており、該第１のコンタクト層（６）は、前記活性領域（２）からみて放射入力結合面（９）に向いた側に配置されている、請求項１から６のいずれか１項記載の半導体基体。
8. 前記活性領域（２）からみて放射入力結合面（９）とは反対側の半導体基体に第２のコンタクト層（７）が設けられており、該第２のコンタクト層（７）と前記活性領域（２）との間に基板（１）が配置されている、請求項１から７のいずれか１項記載の半導体基体。
9. 前記基板（１）は導電性である、請求項８記載の半導体基体。
10. 前記活性領域（２）は２つのミラー（３，４）の間に配置されており、前記活性領域（２）と前記放射入力結合面（９）との間に配置されたミラー（４）は部分透過性である、請求項１から９のいずれか１項記載の半導体基体。
11. 前記活性領域（２）と前記放射入力結合面（９）との間に配置されたミラー（４）は、少なくともλ_１とλ_２の間の波長範囲の放射に対して部分透過性である、請求項１０記載の半導体基体。
12. 前記ミラー（３，４）はブラッグミラーとして形成されている、請求項１０または１１記載の半導体基体。
13. 前記２つのミラー（３，４）により共振器が形成され、該共振器はλ_１とλ_２の間の波長範囲の放射に合わせて整合されている、請求項１０から１２のいずれか１項記載の半導体基体。
14. 前記ミラー（４）は放射入力結合面（９）の側でフィルタ層（５）と活性領域（２）の間に配置されている、請求項１から１３のいずれか１項記載の半導体基体。
15. 前記ミラー（３，４）は半導体材料を含む、請求項１から１４のいずれか１項記載の半導体基体。
16. フォトダイオードまたはフォトトランジスタとして形成されている、請求項１から１５のいずれか１項記載の半導体基体。

Images