JP2006093338A - フォトダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】高速且つ高感度のフォトダイオードを提供すること。
【解決手段】光を吸収して電荷を発生する吸収層として機能する第１の半導体層と、該第１の半導体層に接して設けられた電荷輸送層として機能する第２の半導体層とを少なくとも含み、前記第１の半導体層で発生した電荷のいずれか一方の極性の電荷を、前記第１の半導体層から前記第２の半導体層へと移動するように、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に電界が印加されるフォトダイオードにおいて、前記第１の半導体層のキャリア濃度が１０¹⁷個／ｃｍ³以下であることを特徴とするフォトダイオード。
【選択図】 なし

Description

本発明は、光通信等、光を検出する受光素子として利用されるフォトダイオードに関するものである。

近年、光通信の高速化にともなって、受光素子の高速化がますます重要となってきている。光通信に利用される波長は石英ファイバー用の１．３μｍや１．５μｍ，プラスチックファイバーなどの８５０ｎｍや６５０ｎｍの近赤外から可視光まで広い範囲に渡り、また、遮断周波数も１ＧＨｚ以上が要求されるようになってきている。

従来、高速の受光素子はｐｉｎ構造を有するシリコンからなるフォトダイオードが代表的なものである。この受光素子は、光吸収をｐ層とｉ層の界面およびｉ層で行い、ｐ層とｎ層との間に印加された電圧により形成されるｉ層内の大きな電場勾配を利用して、光吸収によって発生し分離した一方の極性の電荷をｐ層側からｎ層側へと移動させることで、検出信号（電流）を得るものである。

しかしながら、シリコンは間接遷移のため赤や赤外の長波長領域に対しては、光吸収係数が低く、高感度を得るためにはｉ層を十分厚くする必要がある。一方、受光素子の応答性は、光吸収により発生し分離した一方の極性の電荷がｉ層を移動する時間に依存する。このため、ｐｉｎ構造を有するシリコンからなるフォトダイオードでは、長波長領域の光に対しては、感度と応答性とを両立させることが困難である。
また、感度を犠牲にしてｉ層を薄くした場合でも、素子全体の充電時間を左右する接合容量が大きくなるため、結果として応答を遅くするという問題があった。

また、光吸収は厚さ方向に指数関数的に発生するが、吸収係数が小さい赤や赤外領域では、光吸収はｉ層全域でおこるため電子と正孔とがｉ層全体でそれぞれ発生する。
一方、通常は、受光面に近い領域で発生した電荷のうち、ｉ層からｐ層方向へと移動する正孔は、これと逆方向に移動する電子に比べて短距離を移動することになる。しかし、ｉ層全体で光吸収が発生する場合には、受光面から離れた深部で発生した正孔が、ｉ層内を長距離横断してｐ層方向へと移動する必要がある。これに加えて、正孔の移動度は電子の移動度と比較して３倍も小さい。このため遅れて到達する電荷がフォトダイオードの応答を制限してしまうというという問題があった。また、さらには正孔の造る空間電荷のために内部電界が変調されて弱まり電子が移動する速度も十分に得られないという問題もあった。

一方、直接遷移型の半導体は吸収係数が大きく、電子の移動度も大きいという特徴があるが、正孔の移動度が電子の移動度と比較して１／１０以下と極端に小さく、吸収係数の小さい波長領域では応答性が遅くなってしまうという問題があった。これに対して、ｐ型のＩｎＧａＡｓを吸収層、ｉ型のＩｎＰ半導体を走行層（電荷輸送層）として用いたｐｉｎ型のフォトダイオードが提案されている（特許文献１参照）。このフォトダイオードのｐ型吸収層は、バイアスが印加された状態で空乏層化しないように一定以上のドーピング濃度に調整される。

しかしながら、光吸収はｐ層で発生するため、吸収係数の大きい直接遷移型半導体では、受光する光の強度が小さい場合には受光面近傍で光が吸収されても電荷が発生しないか、あるいは、光吸収により大量の電荷対が発生した場合でも、ｐ層からｉ層方向へと移動する一方の極性の電荷が、ドリフト移動できる空乏層まで拡散移動により到達するまでに時間がかかる上に、再結合などで失われる確率が高い。またこれらの半導体は誘電率が大きく接合容量を小さくするためには層厚を厚くする必要があり、結晶成長の面からもコスト的に不利であった。
このように、従来の受光素子では、感度と応答速度とを高いレベルで両立させることには問題があった。また、この他にも接合容量の増大に伴う応答速度の低下や、コスト面の問題等もある。
特開２００３−３３２６１２号公報

本発明は、上記問題点を解決することを課題とする。すなわち、本発明は、高速且つ高感度のフォトダイオードを提供することを課題とする。

上記課題は以下の本発明により達成される。すなわち、本発明は、
＜１＞
光を吸収して電荷を発生する吸収層として機能する第１の半導体層と、該第１の半導体層に接して設けられた電荷輸送層として機能する第２の半導体層とを少なくとも含み、
前記第１の半導体層で発生した電荷のいずれか一方の極性の電荷を、前記第１の半導体層から前記第２の半導体層へと移動するように、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に電界が印加されるフォトダイオードにおいて、
前記第１の半導体層のキャリア濃度が１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³以下であることを特徴とするフォトダイオードである。

＜２＞
前記第１の半導体層の吸収効率が６０％以上であることを特徴とする＜１＞に記載のフォトダイオードである。

＜３＞
前記第１の半導体層の吸収係数が、前記第２の半導体層の吸収係数よりも大きいことを特徴とする＜１＞に記載のフォトダイオードである。

＜４＞
前記第１の半導体層が直接遷移型半導体からなることを特徴とする＜１＞に記載のフォトダイオードである。

＜５＞
前記直接遷移型半導体が、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される１種以上の一元素を含む化合物半導体からなることを特徴とする＜４＞に記載のフォトダイオードである。

＜６＞
前記直接遷移型半導体が、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される１種以上の一元素と、Ｎとを含む窒化物系化合物半導体であることを特徴とする＜５＞に記載のフォトダイオードである。

＜７＞
前記直接遷移型半導体が、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される１種以上の一元素と、ＡｓおよびＰから選択される１種以上の元素とを含む化合物半導体であることを特徴とする＜５＞に記載のフォトダイオードである。

＜８＞
前記第２の半導体層が、間接遷移型半導体からなることを特徴とする＜１＞に記載のフォトダイオードである。

＜９＞
前記間接遷移型半導体が、シリコン系半導体であることを特徴とする＜８＞に記載のフォトダイオードである。

＜１０＞
前記シリコン系半導体が、炭素およびゲルマニウムから選択される１種以上の元素を含むことを特徴とする＜９＞に記載のフォトダイオードである。

＜１１＞
前記第１の半導体層の前記第２の半導体層が設けられた側と反対側の面に、酸化物導電体からなる透明電極が設けられたことを特徴とする＜１＞に記載のフォトダイオードである。

＜１２＞
前記透明電極と前記第１の半導体層との間に注入防止層を設けたことを特徴とする＜１１＞に記載のフォトダイオードである。

＜１３＞
前記透明電極が、ｐ型およびｎ型から選択されるいずれかの伝導型の半導体からなり、且つ、前記第１の半導体層が吸収する光の波長域（受光波長域）において、前記半導体の吸収係数が前記第１の半導体層の吸収係数よりも小さいことを特徴とする＜１１＞に記載のフォトダイオードである。

＜１４＞
前記第２の半導体層に接して電極が形成されていることを特徴とする＜１＞に記載のフォトダイオードである。

＜１５＞
前記第２の半導体に接してｐ型およびｎ型から選択されるいずれかの伝導型の第３の半導体層が設けられたことを特徴とする＜１＞に記載のフォトダイオードである。

以上に説明したように本発明によれば、高速且つ高感度のフォトダイオードを提供することができる。

本発明のフォトダイオードは、光を吸収して電荷を発生する吸収層として機能する第１の半導体層と、該第１の半導体層に接して設けられた電荷輸送層として機能する第２の半導体層とを少なくとも含み、前記第１の半導体層で発生した電荷のいずれか一方の極性の電荷を、前記第１の半導体層から前記第２の半導体層へと移動するように、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に電界が印加されるフォトダイオードにおいて、前記第１の半導体層のキャリア濃度が１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³以下であることを特徴とする。

本発明のフォトダイオードは、吸収層として機能する第１の半導体層のキャリア濃度が１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³以下であるため、電圧が印加された場合、電荷輸送層のみならず吸収層も空欠層を形成し、これら２つの層に渡って連続した電場勾配が形成される。このため、吸収層への光入射によって発生し分離し、吸収層から電荷輸送層へと移動する電荷（順走する電荷）は、吸収層内を横断する移動においてもドリフト移動することができる。

従って、順方向へと移動する電荷が、吸収層を横切り電荷輸送層へと到達する時間を短縮できると共に、電荷輸送層に到達するまでに逆極性の電荷との再結合により消失する確率を小さくすることができる。
さらに、本発明のフォトダイオードが、面内方向の厚みが一様な層からなる電荷輸送層と吸収層とを単純に積層した態様のように、光の入射方向と電流の流れる方向とが略一致する場合には、吸収層を透過し電荷輸送層に入射した光によって電荷輸送層で発生・分離し、電荷輸送層から吸収層へと逆走する電荷についても吸収層をドリフト移動できるため、逆走する電荷による応答性の低下を抑制することができる。なお、以下の説明においては、特に説明の無い限り、光の入射方向と電流の流れる方向とが略一致する場合を前提として説明する。

また、吸収層として機能する第１の半導体層のキャリア濃度は上述したように１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³以下であること必要であるが、１．０×１０¹⁶個／ｃｍ³以下であることが好ましく、１．０×１０¹⁵個／ｃｍ³以下であることがより好ましい。
キャリア濃度が１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³を超える場合には、電圧を印加しても吸収層内に十分な電場勾配が形成できない。このため、吸収層内を順走および逆走する電荷は、ドリフト移動ではなくより移動速度の遅い拡散移動によって移動するため、応答速度が低下してしまう。

ドリフト移動の可能な電場勾配の形成能力という点では、第１の半導体層のキャリア濃度は小さければ小さい程好ましいが、キャリア濃度が小さ過ぎて抵抗が高くなり過ぎる場合には、電荷輸送層に分配される電圧が低下し、電荷輸送層での電荷のドリフト移動が不充分となり、高速フォトダイオードとして機能しなくなる場合がある。このため、第１の半導体層のキャリア濃度は、１．０×１０¹⁰個／ｃｍ³以上であることが好ましく、１．０×１０¹²個／ｃｍ³以上であることがより好ましく、１．０×１０¹³個／ｃｍ³以上であることが更に好ましい。

なお、本発明において、キャリア濃度の測定には、標準的に利用される方法として、空乏層容量の測定、接合容量の測定、ホール効果測定による方法などを用いることができる。これらのなかでも、４電極によるｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法を用いることが望ましい。

また、本発明のフォトダイオードは、光を効率的に吸収する吸収層（第１の半導体層）と、電流として流れる電荷が高速に移動することができる電荷輸送層（第２の半導体層）とを有し、高感度および高速化の両立に適したいわゆる機能分離型のフォトダイオードであるが、上述したようにより高速化することができる。このように本発明のフォトダイオードは従来と同様の高い感度を得ることができるにもかかわらず更に高速化が可能であり、さらに近年要求される１ＧＨｚ以上の遮断周波数を得ることも容易である。

なお、第１の半導体層の吸収効率は６０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましい。吸収効率が６０％未満では十分な感度が得られない場合がある。また、吸収層で吸収しきれなかった光が電荷輸送層で吸収されて、電荷の発生を引き起こし遅い電荷による周波数特性の劣化を引き起こす場合がある。

ここで、当該吸収効率とは、下式（１）で定義される値である。
式（１） 吸収効率＝（ｉ₀−ｉ）／ｉ₀
但し、式（１）において、ｉ₀は第１の半導体層への光入射強度、ｉは強度ｉ₀で入射した光が第１の半導体層を透過する際の光の強度を表す。また、吸収効率は、透過率Ｔを用いて、吸収効率＝（１−Ｔ）としても表される。

この吸収効率は、光透過率Ｔを求めることで簡単に測定できる。光透過率は分光光度計を用いる。ここで、測定試料が、測定対象となる材料のみからなる場合には、この試料の光透過強度を試料の有無で比較する。また、基板上に形成した薄膜が測定対象である場合には、参照光には基板のみを用い、基板上に薄膜を形成した試料の測定値と比較することによって測定することができる。

また、第１の半導体層の吸収係数は、第２の半導体層の吸収係数よりも大きいことが好ましい。従って、本発明のフォトダイオードの構成が、光の入射方向と電流の流れる方向とが略一致する場合においては、第１の半導体層の厚さ（光の入射方向に対する厚み、すなわち、電流の流れる方向の厚み）を小さくすることができるため、第１の半導体層内を逆走する電荷の走行時間をより短くでき、より応答性を向上させることができる。

次に、本発明のフォトダイオードの具体例について図面を用いて説明する。
図１は、本発明のフォトダイオードの構成例を示す概略模式図であり、図１中、１０は透明電極、１１は吸収層（第１の半導体層）、１２は電荷輸送層（第２の半導体層）、１３は基板（第３の半導体層）、２０および２１は配線、１００はフォトダイオードである。
図１に示すフォトダイオード１００は、基板１３の片面上に電荷輸送層１２、吸収層１１、および、透明電極１０がこの順に積層されてなる。また、透明電極１０には配線２０が接続され、基板１３には配線２１が接続されており、吸収層１１に光が入射した際に発生したいずれか一方の極性の電荷を、吸収層１１から電荷輸送層１２へと電場勾配を利用してドリフト移動できるように電圧が印加される。

図２は、本発明のフォトダイオードの他の構成例を示す概略模式図であり、２００がフォトダイオードを表し、図１に示すフォトダイオード１００において、透明電極１０と吸収層１１との間に電荷注入防止層１４を設けたものである。また、図３は、本発明のフォトダイオードの他の構成例を示す概略模式図であり、３００がフォトダイオードを表し、図１に示すフォトダイオードにおいて、透明電極１０の代わりに、第１の半導体層１１よりもワイドバンドギャップの第４の半導体層１５を設けたものである。

なお、図１〜３において、第１の半導体層１１および第２の半導体層１２はｉ型の半導体であり、第３の半導体層１３はｎ型あるいはｐ型の半導体であり、第４の半導体層１５はｐ型もしくはｐ^-型のワイドバンドギャップ半導体、又は、ｎ型もしくはｎ^-型のワイドバンドギャップ半導体である。
次に、図１〜３に示すフォトダイオード１００、２００、３００のバンドダイヤグラムを図面を用いて説明する。図４は図１に示すフォトダイオード１００のバンドダイヤグラムを示す図であり、図５は図２に示すフォトダイオード２００のバンドダイヤグラムを示す図であり、図６は図３に示すフォトダイオード３００のバンドダイヤグラムを示す図であり、これら図中の各符号は図１〜３中に示す各部材に対応している。また、図中の２つの点線の間隔で示される電位差（ΔＥ）はバイアス電位を表す。

図４〜６に示されるように、フォトダイオード１００、２００、３００は、電荷輸送層１２のみならず、吸収層１１も電位に対して勾配を形成してしているため、光の吸収層への入射により吸収層１１で発生・分離し、順走する負電荷は、吸収層１１内を移動する際もドリフト移動することができる。また、吸収層１１で吸収しきれずに電荷輸送層１２に入射した光により、電荷輸送層１２内で発生・分離し、逆走する正電荷も吸収層１１内を移動する際にもドリフト移動することができる。
更に、必要に応じて、第１の半導体層１１の配線２０側に第１の半導体層１１よりもバンドギャップの大きい電荷注入防止層１４や、第４の半導体層１５を設けることもできる。

次に、本発明のフォトダイオードを構成する吸収層や電荷輸送層、また、必要に応じて設けられるその他の層・部材等についてより詳細に説明する。
＜吸収層（第１の半導体層）＞
第１の半導体層は、上述したようなキャリア濃度を満たすことが必要であり、伝導型としてはｉ型のほかにｎ^-型やｐ^-型であっても良い。このキャリア濃度は不純物濃度により調整することができる。また、その電気抵抗は０．１〜１．０×１０¹⁵Ω・ｃｍの範囲内で設定されることが好ましく、１〜１．０×１０¹⁵Ω・ｃｍの範囲内で設定されることがより好ましい。また、電場が、吸収層あるいは電荷輸送層に偏ることを避けるために電荷輸送層と同程度の値に調整されることが好ましい。

吸収層の厚さは、上述したように吸収効率が６０％以上となるように選択されることが好ましい。このような要件を満たせない場合には既述したように周波数特性の劣化を引き起こしてしまう場合がある。また吸収層の厚さは、電荷が吸収層を横切って移動する通過時間を左右する。そのため所望の遮断周波数に必要な通過時間が得られるように、吸収層内の電場と、電荷の移動度とを考慮して吸収層の厚みを決定することができる。なお、吸収層内の電場は、空乏層を形成する吸収層および電荷輸送層に印加される電圧の分配電圧から決定できる。

吸収層に使用できる半導体材料としては、上述したようなキャリア濃度を満たすことができるのであれば特に限定されないが、直接遷移型半導体を用いることが好ましい。直接遷移型半導体としては、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される１種以上の一元素を含む化合物半導体を挙げることができ、この化合物半導体に更にＮを添加した窒化物半導体や、ＡｓおよびＰから選択される１種以上の元素を添加した化合物半導体を挙げることができる。

具体例としては、ＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＡｌＧａＩｎＡｓなどのＧａＡｓ系半導体、ＩｎＰ，ＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＰなどのＩｎＰ系、ＧａＮ，ＧａＩｎＮ，ＩｎＮなどの窒化物半導体を用いることが好ましい。また、Ａｌ_(1-x)Ｇａ_(1-y)Ｉｎ_(1-z)Ｎ_(1-a)Ｐ_(1-b)Ａｓ_(1-c)（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＜３、０≦ａ，ｂ，ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＜３）からなる化合物半導体を使用することも好ましい。中でもＡｌ_(1-x)Ｇａ_(1-y)Ｉｎ_(1-z)Ｎ系の窒化物半導体は耐絶縁性に優れる上に移動度が大きいため、応答性をより向上させることができる点で好適である。
またこれらの吸収層として用いることができる半導体材料は単結晶、微結晶、多結晶、非晶質であっても良い。また、これら無機系の半導体材料の代わりに、金属フタロシアニンなどの有機顔料やシアニン色素の蒸着して形成される膜などで吸収層が構成されていてもよい。

吸収層の吸収係数としては、少なくとも検出対象となる光の波長に対して２０００ｃｍ^-1以上であることが望ましい。従って、吸収係数が２０００ｃｍ^-1で、吸収効率が６０％を満たす吸収層の厚みは４５００ｎｍであるから、吸収層の厚みは１ｎｍ〜４５００ｎｍの範囲内で設定されることが好ましく、２ｎｍ〜３０００ｎｍの範囲内で設定されることが好ましい。厚みが４５００ｎｍを超えると応答性が低下してしまう場合があり、厚みが１ｎｍ未満の場合には十分な感度が得られない場合がある。

＜電荷輸送層（第２の半導体層）＞
電荷輸送層は、電圧が印加された際に、この層を流れる電荷がドリフト移動できるように電場勾配が形成できることが必要である。このような条件を満たすためには、電荷輸送層の不純物濃度を調整することによりそのキャリア濃度を１．０×１０¹⁰個／ｃｍ³〜１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³の範囲内とすることが好ましく、１．０×１０¹¹個／ｃｍ³〜１．０×１０¹⁶個／ｃｍ³の範囲内とすることがより好ましい。また、伝導型としてはｉ型のほかにｎ^-型やｐ^-型であっても良い。加えて、その電気抵抗は０．１〜１．０×１０¹⁶Ω・ｃｍの範囲内であることが好ましく、１〜１．０×１０¹⁵Ω・ｃｍの範囲内であることがより好ましい。。

電荷輸送層を流れる電荷は正孔、電子のいずれであっても良い。通常は、電荷輸送層を流れる電荷は移動度の大きい電子である場合が多いので、吸収層および電荷輸送層の伝導帯のエネルギー準位が一致することが望ましい。また、電荷輸送層を流れる電荷が正孔の場合には、吸収層および電荷輸送層の価電子帯のエネルギー準位が一致することが望ましい。これら２つの層のエネルギー準位は、吸収層および電荷輸送層を構成する半導体の組成を制御することにより一致させることができる。

電荷輸送層の材料としては電荷移動度が大きい材料が望ましい。また、吸収層と電荷輸送層との接合容量の増大による応答速度の低下を防ぐために誘電率が小さい材料を用いることが好ましい。この場合、電荷輸送層の膜厚を薄くできるため、内部電界が高く、電荷の移動速度が大きくなり、また、電荷が移動する距離が短くなるのでより高速化することができる。

電荷輸送層を構成する半導体材料としては、間接遷移型半導体を用いることが好ましく、具体的にはシリコン系半導体を使用することができる。シリコン系半導体は誘電率が低いため接合容量をより小さくすることが容易であり、より高速化することが可能である。
また、シリコン系半導体は、炭素やゲルマニウムを含むものであってもよい。シリコンに炭素を加えることによって誘電率を更に小さくできるため、電荷輸送層の厚みを所望の周波数応答性を確保するための接合容量を達成するために必要な薄さに調整することができ、結果として電荷輸送層を流れる電荷の移動時間を短くすることができる。また、さらにワイドバンドギャップ化することができるため暗電流の発生を抑えることもできる。

一方、シリコンにゲルマニウムを加えることによって、電子や正孔の移動度を増大させることができる。これにより、より高速のフォトダイオードを得ることができる。但し、ゲルマニウムの添加は誘電率を増加させるため、接合容量の増大を抑えるために電荷輸送層の膜厚を厚くすることが必要となる場合がある。このため、シリコン系半導体に含まれるゲルマニウムの量は、電荷の移動度向上による応答性の向上効果から、電荷輸送層の膜厚増大に伴う応答性の低下による相殺効果を差し引いた分が極大となるように選択されることが好ましい。
また窒化物半導体のような広い範囲でバンドギャップを調整することができる半導体を使用することもできる。この場合、電荷輸送層としての吸収係数やキャリア濃度の条件は上記した場合と同じである。なお、電荷輸送層には吸収層を透過する光が入射してしまう場合がある。従って、移動速度の遅いキャリアの発生を抑制するために、電荷輸送層に入射する光は、吸収されにくいことが望ましい。そのため入射波長が５００ｎｍ以下の短波長の場合には、電荷輸送層が窒化物半導体から構成される場合には、その組成は、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）において、Ｚ＜０．３であることが望ましい。

これらの電荷輸送層の膜厚は、印加される電圧と、接合容量と、この層を流れる電荷の移動速度とを考慮して決定されるが、１００ｎｍから３００００ｎｍの範囲内であることが好ましい。膜厚が１００ｎｍ未満では接合容量の増加により応答性が低下してしまう場合があり、３００００ｎｍを超える場合には、電荷輸送層を流れる電荷の移動時間が長くなり応答性が低下してしまう場合がある。

電荷輸送層は、吸収層で吸収しきれずに電荷輸送層に入射する光による電荷の発生を抑制するために、吸収係数が小さい材料からなることが好ましく、上述した間接遷移型半導体や、吸収層よりバンドギャップが大きい半導体から構成されていることが好ましい。
これらの電荷輸送層としては、第３の半導体層としても機能するシリコン基板上に形成されたシリコン系半導体（薄膜）が好ましく使用できる。なお、シリコン基板としてはｐ型あるいはｎ型が使用できる。このシリコン基板に対してさらに電流の引き出し電極を設けることができる。これらの電荷輸送層を構成する半導体は単結晶、微結晶、多結晶、非晶質のいずれであっても良い。

＜透明電極等、その他の構成＞
吸収層の光が入射する側の面（吸収層の電荷輸送層が設けられた側と反対側の面）には透明電極を設けることもでき、この場合、光は、透明電極を介して吸収層に入射する。

また、透明電極と吸収層との間には電荷注入防止層を形成しても良い。電荷注入防止層を設けることにより、透明電極からの正孔あるいは電子の吸収層への注入を抑えて、暗電流を低減することができる。
この電荷注入防止層は、吸収層よりバンドギャップの広い半導体を用いて作製することができる。電荷輸送層を流れる電荷が吸収層で発生した電子である場合には、透明電極は負の電圧を印加するため電子が注入しないように伝導帯に障壁を作り、吸収層で発生した正孔が界面で蓄積しないように価電子帯が吸収層と障壁を作らない構成が望ましい。

また、透明電極の吸収層が設けられた側と反対側の面には、吸収層へ十分な光を入射させるために反射防止層を設けても良い。
なお、透明電極として、ｐ型（あるいはｐ^-型）、および、ｎ型（あるいはｎ^-型）から選択されるいずれかの伝導型の半導体を用いることもできる。この透明電極として機能する半導体の吸収係数は、吸収層が吸収する光の波長域（受光波長域）において、吸収層の吸収係数よりも小さいことが好ましい。

＜窒化物半導体＞
次に、本発明のフォトダイオードの吸収層を構成する材料として好適な窒化物半導体の形成についてより詳細に説明する。
本発明のフォトダイオードに用いることができる窒化物半導体には、後述するような不純物を添加して上述したキャリア濃度を満たす範囲内で、ｉ型のみならず、ｐ^-型やｎ^-型の半導体としてもよい。
また、窒化物半導体の組成は、測定対象となる光の波長に応じてその組成を調整することができる。例えば、５００ｎｍ以下の短波長の光に対しては、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）において、Ｚ＜０．３であることが望ましく、５００ｎｍ以上においては、０．３≦Ｚとすることが望ましい。
また、窒化物半導体が、水素原子を０．１原子％から４０原子％の範囲内で含んでいても良い。窒化物半導体は単結晶でも非晶質でも微結晶、多結晶でも多結晶でも良い。但し、窒化物半導体はが、微結晶，多結晶の場合には結合欠陥、転位欠陥や結晶粒界の欠陥などが多いため、窒化物半導体中に水素やハロゲン元素など添加することによって、これら欠陥を不活性化することが好ましい。水素やハロゲンの窒化物半導体中への添加は、その成膜時や、成膜後の後工程を含めて、６００℃以下の低温で行われることが好ましい。

水素やハロゲン元素は結晶内の結合欠陥や結晶粒界の欠陥などに取り込まれ電気的な補償を行う作用を有する。このため、水素やハロゲン元素を添加した窒化物半導体では、光を吸収した際に発生する電荷や、電荷の拡散・移動に影響を及ぼすトラップが無くなり、優れた光電気的特性を得ることが可能である。なお、窒化物半導体中の水素量についてはハイドロジェンフォワードスキャタリング（ＨＦＳ）により絶対値を測定することができるし、赤外吸収スペクトルを利用して推定することもできる。

この窒化物半導体は非晶質でも微結晶、多結晶、あるいは、単結晶のいずれであっても良い。結晶系は立方晶あるいは６方晶系が混合していても良いし、いずれか一つであっても良い。面方位は複数であっても良いが、一種類であることが望ましい。さらに成膜時の積層方向に対する成長断面は柱状構造をとっていても、平滑な単結晶でも良い。

なお、当該単結晶とは、例えば透過電子線回折パターンや反射電子線回折においてスポット状の輝点が主であり、リング状の回折パターンでなくほとんどスポット状に近いものからスポット状さらにストリーク状のものまたＸ線回折では一つの面方位がほぼ全体の強度の８０％以上を占めているものを指す。

これらの窒化物半導体を用いてフォトダイオードとするためには例えばｎ型シリコン基板上にｉ型Ｓｉ層を形成した基板を用いた場合には、このｉ型Ｓｉ層上に直接ｉ型の窒化物化合物半導体を形成することができる。
なお、窒化物半導体は、６００℃以下の温度で作製することが望ましい。特にＩｎ量が多い場合には５００℃以下が望ましい。

＜フォトダイオードの製造方法＞
次に、本発明のフォトダイオードの製造方法の具体例について図面を用いて説明する。
図７は本発明のフォトダイオードの製造に用いられる成膜装置の一例を示す概略模式図であり、１は真空に排気しうる容器（反応容器）、２は排気口、３は基板ホルダー、４は基板加熱用のヒーター、５，６は容器１に接続された石英管、７は高周波コイル、８はマイクロ導波管、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄはガス導入管を表す。

この成膜装置は、反応容器１と、反応容器１内に設けられた基板ホルダー３と、基板ホルダー３の一方の面側に近接して設けられたヒータ４と、反応容器１と連通し、基板ホルダー３のヒーター４が設けられた側（以下、「下側」、「下方」と略す）に接続された排気口２と、反応容器１と連通し、基板ホルダー３の上方側にＶ字を成すように接続された２本の石英管５，６から構成されている。

なお、石英管５は、容器１と接続された側と反対側に設けられたガス導入管９ａと、側面に設けられたガス導入管９ｃと連通しており、石英管５のガス導入管９ａとガス導入管９ｃとが設けられた間にはマイクロ導波管８が取り付けられている。また、石英管６は、容器１と接続された側と反対側に設けられたガス導入管９ｂと、側面に設けられたガス導入管９ｄと連通しており、石英管５のガス導入管９ａとガス導入管９ｃとが設けられた間には高周波コイル７が取り付けられている。

この成膜装置を利用して窒化物半導体からなる半導体層を形成する場合、チッ素元素源として、例えば、Ｎ₂を用いガス導入管９ａから石英管５に導入することができる。
この際、マグネトロンを用いたマイクロ波発振器（図示せず）に接続されたマイクロ導波管８に２．４５ＧＨｚのマイクロ波が供給され石英管５内に放電を発生させる。

また、別のガス導入管９ｂから、例えば、Ｈ₂を石英管６に導入する。この際、高周波発振器（図示せず）から高周波コイル７に１３．５６ＭＨｚの高周波を供給し、石英管６内に放電を発生させる。
さらに、この石英管６内の放電空間の下流側よりトリメチルガリウムをガス導入管９ｃより導入することによって、基板ホルダー３上に設置された基板上にチッ化ガリウム結晶を成膜することができる。

ここで、基板温度が高い場合、および／または、ガリウム等のＩＩＩ族元素を含む原料ガスの流量が少ない場合には、基板上に形成される窒化物半導体は結晶になりやすい。なお、結晶性−非晶質性の度合いは、基板の種類、基板温度、ガスの流量や圧力、放電出力等の条件にも依存するため、これらの条件も調整することによって、基板上に形成される窒化物半導体の結晶性−非晶質性の度合いを制御することができる。

窒化物半導体を形成する場合、基板温度は一般的に１００℃〜６００℃の範囲内に設定することが好ましい。
また、結晶性／非結晶性の制御という観点からは、基板温度が３００℃より高い場合には結晶化しやすく、それ以下では非晶質化しやすい。但し、基板温度が３００℃より低い場合でもＩＩＩ族を含む原料ガスの流量を少なくすれば結晶化しやすくなる。また、例えばＨ₂を導入して放電を行った場合にはさらに結晶化を進めることができる。

なお、ＩＩＩ族元素を含む原料ガスとしては、トリメチルガリウムの代わりに、例えば、インジウム、アルミニウムを含む有機金属化合物を用いることもできるし、２種以上の有機金属化合物からなるガスを混合して利用することもできる。また、上述したようにトリメチルガリウム等の１種類の有機金属化合物をガス導入管９ｄから導入する場合に、他の種類の有機金属化合物を更に導入する場合にはガス導入管９ｃから別々に導入しても良い。

一方、本発明のフォトダイオードを構成する吸収層（第１の半導体層）や電荷輸送層（第２の半導体層）、また必要に応じて設けられる他の半導体層には、ｐ，ｎ制御のために元素をドープすることができる。
ｎ型用の元素としてはＩａ族のＬｉ，Ｉｂ族のＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，ＩＩａ族のＭｇ、Ｉ
Ｉｂ族のＺｎ，ＩＶａ族のＳｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，ＶＩａ族のＳ，Ｓｅ，Ｔｅを用いることができる。
また、ｐ型用の元素としてはＩａ族のＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｉｂ族のＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｉ
Ｉａ族のＢｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｒａ，ＩＩｂ族のＺｎ，Ｃｄ，Ｈｇ，ＩＶａ族のＣ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，ＶＩａ族のＳ，Ｓｅ，Ｔｅ、ＶＩｂ族のＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，ＶＩＩＩａ族のＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどを用いることができる。
中でもｎ型用の元素としては、特に、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎが好ましく、ｐ型用の元素としては、特に、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒが好ましい。

ドーピングの方法としてはｎ型用としてはＳｉＨ₄，Ｓｉ₂Ｈ₆，ＧｅＨ₄，ＧｅＦ₄，ＳｎＨ₄を、ｐ型用としてはＢｅＨ₂，ＢｅＣｌ₂，ＢｅＣｌ₄，ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、ジメチルカルシウム、ジメチルストロンチウム、ジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛、などをガス状態で使用できる。また、これら元素を第１〜第３の半導体の各々に必要に応じてドーピングするには、熱拡散法、イオン注入法等の公知の方法を採用することができる。

具体的には、Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎから選ばれた少なくとも一つ以上の元素を含むガス、あるいはＢｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｓｒから選ばれた少なくとも１つ以上の元素を含むガスを、高周波コイル７や、マイクロ導波管８による放電空間の下流側（ガス導入管９ｃ又はガス導入管９ｄ）から導入することによってｎ型、ｐ型等任意の伝導型の窒化物半導体を得ることができる。なお、ドーピング元素がＣの場合には、条件によっては有機金属化合物に含まれる炭素を利用することもできる。

但し、吸収層（第１の半導体層）への上述した元素のドープは、既述したようにキャリア濃度が１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³以下となるように調整される必要があり、ｉ型、ｎ^-型あるいはｐ^-型となるように調整され、電荷輸送層（第２の半導体層）に関してもｉ型、ｎ^-型あるいはｐ^-型となるように調整される必要がある。

上述のような成膜装置において、放電エネルギーにより形成される活性チッ素あるいは活性水素を独立に制御してもよいし、ＮＨ₃のようなチッ素と水素原子を同時に含むガスを用いてもよい。さらにＨ₂を加えてもよい。また、有機金属化合物から活性水素が遊離生成する条件を用いることもできる。
このようにすることによって、基板上には活性化されたＩＩＩ族原子と、チッ素原子とが制御された状態で存在し、かつ、活性化された水素原子が有機金属化合物に含まれるメチル基やエチル基等の炭化水素基をメタンやエタン等の不活性分子にするために、低温での成膜においても形成される窒化物半導体膜中の欠陥を抑制することができる。

上述の成膜装置において活性化手段として、高周波発振器、マイクロ波発振器、エレクトロサイクロトロン共鳴方式やヘリコンプラズマ方式であっても良いし、これらを一つを用いても良いし、二つ以上を用いてもよい。また、二つ共マイクロ波発振器であっても良いし、２つ共高周波発振器で有っても良い。また高周波放電の場合、誘導型でも容量型でも良い。また２つ共エレクトロンサイクロトロン共鳴方式を用いても良い。

異なる活性化手段（励起手段）を用いる場合には、同じ圧力で同時に放電が生起できるようにする必要があり、石英管５，６の放電領域内と成膜部（反応容器１内）とに圧力差を設けても良い。また、同一圧力で行う場合、異なる活性化手段（励起手段）、例えば、マイクロ波と高周波放電を用いると励起種の励起エネルギーを大きく変えることができ、形成される窒化物半導体からなる膜の膜質制御に有効である。

この他にも通常の有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法を使用することが出来るが、活性窒素あるいは活性水素を同時に使用することは有効である。チッ素原料としてはＮ₂，ＮＨ₃，ＮＦ₃，Ｎ₂Ｈ₄、メチルヒドラジンなどの気体や液体を気化あるいは電荷ガスでバブリングすることによって使用することができる。

なお、上述のような成膜装置を用いてシリコン系の半導体を形成する場合には、放電エネルギーにより形成される活性水素をもちいて、シランやジシラン、ゲルマンなどの原料ガスをガス導入管９ｃやガス導入管９ｄから、ジボランやホスフィンなどのドーピングガスとともに導入することができる。
また、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎから選択される一種以上の元素と、ＡｓおよびＰから選択される一種以上の元素とを含む化合物半導体を形成する場合には、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム等の有機金属化合物およびアルシン、ホスフィンなどの水素化物を原料にする有機金属着気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や、固体のガリウム、アルミニウム、インジウム、砒素、りんなどの原料を高真空中で溶解あるいは昇華せしめて基板上に結晶を成長させる分子線エピタキシー成長法（ＭＢＥ）法を用いることができる。さらにこれらのＩＩＩ族およびＶ族の二種類の元素を原子層一層づづ交互に積み重ねる原子層成長法（ＡＬＥ）などを使用することもできる。

上述したような方法を利用して、第１の半導体層が窒化物半導体からなり、第２の半導体層がシリコン系半導体からなるフォトダイオードを作製する場合、水素を含む低温成長による成膜法により接合界面での結合欠陥を不活性化すると同時に互いに異なる熱膨張による成膜後の欠陥の発生を防止し良好なヘテロ接合を形成することができる。
このような、ヘテロ接合を有する本発明のフォトダイオードは、高速且つ高感度であるのみならず、耐電圧性、耐光性、耐熱性、耐酸化性にも優れる。

以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例
に制限されるものではない。
なお、以下の実施例、比較例に示すフォトダイオードは、ｎ型のシリコンからなる市販の半導体基板（第３の半導体層）上に、電荷輸送層（第２の半導体層）、吸収層（第１の半導体層）、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）からなる透明電極とを順に積層し、半導体基板側とＩＴＯ電極側とに配線を取り付けたものである。

（実施例１）
フォトダイオードの作製には、１０％の弗化水素酸水溶液でエッチングした面方位（１００）の抵抗率が０．５Ωｃｍのｎ型Ｓｉ基板上に、エピタキシャル成長により、抵抗率１０００Ωｃｍで膜厚が４μｍのｉ型シリコン層を積層したウェハーを用いた。次に、このｉ型シリコン層上に膜厚０．４μｍのＩｎＮ結晶層（Ｍｇをドープしたｉ型の水素化ＩｎＮ膜）を上述した成膜装置を利用してリモートプラズマＭＯＣＶＤ法で形成し、さらにＩｎＮ結晶層上に電極として膜厚０．１μｍの透明導電膜（ＩＴＯ）を形成した。最後にＳｉ基板表面とＩＴＯ電極に設けられた引出し端子より配線を取り出し、同軸のコネクターに接続してフォトダイオードを得た。
ここで、受光面積はＩＴＯ薄膜のサイズで決定する。また、ＩＴＯは電子ビーム蒸着法などでマスクを用いて作製することができるため、フォトダイオードの構成を簡単にすることができる。このため基板の低コスト化とあわせてフォトダイオードの製造コストの低価格化が実現できる。

なお、ＩｎＮ結晶層は以下のようにして作製した。まず、ｎ型Ｓｉ基板上にｉ型シリコン層を積層した基板を、ｉ型シリコン層を上向きにしてホルダー３に載せ、排気口２を介して容器１内を真空排気後、ヒーター４により基板を４００℃に加熱した。次にＮ₂ガスをガス導入管９ａより直径２５ｍｍの石英管５内に２０００ｓｃｃｍ導入し、マイクロ波導波管８を介して２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力２５０Ｗにセットしチューナでマッチングを取り放電を行った。この時の反射波は０Ｗであった。またＨ₂ガスをガス導入管９ｂより直径３０ｍｍの石英管６内に１００ｓｃｃｍ導入し、高周波コイル７の高周波の出力を１００Ｗにセットした。この時の反射波は０Ｗであった。この状態でガス導入管９ｃより２０℃で保持されたトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）の蒸気を水素をキャリアガスとして用いバブリングしながらマスフローコントローラーを通して１ｓｃｃｍ導入した。さらにシクロペンタジエニルマグネシウム錯体を、インジウム元素に対してマグネシウム元素が０．１ａｔ％になるように導入した。この時のバラトロン真空計で測定した容器１内の反応圧力は６５Ｐａであった。
この状態で成膜を６０分行い、膜厚０．４μｍで、Ｍｇをドープしたｉ型の水素化ＩｎＮ膜をＳｉ基板のｉ型シリコン層上に形成した。なお、この水素化ＩｎＮ膜のキャリア濃度、電気抵抗、吸収係数、吸収効率を表１に示す。

（実施例２）
実施例１と同じｎ型Ｓｉ基板上にｉ型シリコン層を積層したウエハーを用い、このｉ型シリコン層上に、ＩｎＰ結晶層を以下のようにして積層した。
まず、高真空排気が可能な分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）装置に、ウエハーを設置した。続いて原料としてＩｎ金属とＰ（黄燐）とを別々の坩堝に仕込んだ。その後、装置内を圧力が１×１０^-3Ｐａとなるまで排気した。この状態で、ウエハーを５００℃に加熱した。さらにＩｎを仕込んだ坩堝を５００℃に加熱し、Ｐを仕込んだ坩堝は４００℃に加熱した。各々の坩堝の温度が一定になった状態でそれぞれの坩堝のシャッターを開けて、ウエハーのｉ型シリコン層上にｉ型のＩｎＰ結晶を成長させた。
この状態で成膜を１２０分行い、膜厚０．５μｍで、アンドープのｉ型ＩｎＰ結晶層を積層した。このＩｎＰ膜のキャリア濃度、電気抵抗、吸収係数、吸収効率等を表１に示す。

（実施例３）
ｉ型シリコン層の代わりに膜厚５μｍのｉ型Ｓｉ_0.8Ｇｅ_0.2層をｎ型Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長させた基板を用いた以外は、実施例１と同様にしてフォトダイオードを作製した。

（実施例４）
Ｍｇをドープした水素化ＩｎＮ膜の成膜に際して、シクロペンタジエニルマグネシウム錯体を、インジウム元素に対してマグネシウム元素が０．０５ａｔ％（５００ｐｐｍ）になるように導入した以外は実施例１と同様にしてフォトダイオードを作製した。

（実施例５）
Ｍｇをドープした水素化ＩｎＮ膜の成膜に際して、シクロペンタジエニルマグネシウム錯体を、インジウム元素に対してマグネシウム元素が０．０２ａｔ％（２００ｐｐｍ）になるように導入した以外は実施例１と同様にしてフォトダイオードを作製した。

（実施例６）
Ｍｇをドープした水素化ＩｎＮ膜の成膜に際して、シクロペンタジエニルマグネシウム錯体を、インジウム元素に対してマグネシウム元素が０．０１ａｔ％（１００ｐｐｍ）になるように導入した以外は実施例１と同様にしてフォトダイオードを作製した。

（実施例７）
Ｍｇをドープした水素化ＩｎＮ膜の成膜に際して、シクロペンタジエニルマグネシウム錯体を、インジウム元素に対してマグネシウム元素が０．００５ａｔ％（５０ｐｐｍ）になるように導入した以外は実施例１と同様にしてフォトダイオードを作製した。

（実施例８）
Ｍｇをドープした水素化ＩｎＮ膜の成膜に際して、シクロペンタジエニルマグネシウム錯体を、インジウム元素に対してマグネシウム元素が０．００２ａｔ％（２０ｐｐｍ）になるように導入した以外は実施例１と同様にしてフォトダイオードを作製した。

（比較例１）
Ｍｇをドープした水素化ＩｎＮ膜の成膜に際して、シクロペンタジエニルマグネシウム錯体を、インジウム元素に対してマグネシウム元素が０．５ａｔ％になるように導入した以外は、実施例１と同様にしてフォトダイオードを作製した。

（比較例２）
Ｍｇをドープした水素化ＩｎＮ膜の成膜に際して、その膜厚を０．１５μｍとした以外は、比較例１と同様にしてフォトダイオードを作製した。

（比較例３）
浜松ホトニクス製Ｓｉｐｉｎフォトダイオード（Ｓ５９７３、受光径０．４ｍｍ、遮断周波数１．２ＧＨｚ，８３０ｎｍの感度は０．３７Ａ／Ｗ）を比較例３のフォトダイオードとして用いた。
なお、この市販のｐｉｎフォトダイオードは、薄いｐ層と厚いｉ層とｎ層とから構成されており、ｉ層を空乏層として吸収層と電荷輸送層との機能を兼ねた働きをしている（吸収層と電荷輸送層とが分離したものでは無い）。

（評価）
以上の実施例１〜３および比較例１〜３のフォトダイオードの遮断周波数（相対値）および相対感度を計算により求めた結果を表１および表２に示す。

表１および表２からわかるように本発明のフォトダイオードは、従来のシリコンを用いたｐｉｎ型フォトダイオードや、吸収層のキャリア濃度が高く、この層内の電荷の移動が拡散移動によるタイプのフォトダイオードと比べると応答速度が２〜３倍であり、感度についてもより優れており、より高速且つ高感度であることがわかった。

なお、表１および表２中に示すキャリア濃度、電気抵抗、吸収係数、吸収効率の測定と、遮断周波数、相対感度の計算は以下のようにして行った。
−キャリア濃度−
キャリア濃度は、ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法を利用して以下のように測定した。
まず、大きさ約１０ｍｍの試料を用い、４隅にＩｎを用いてオーミックコンタクトを取った電極を形成した。次に、試料表面に反時計回りでａｂｃｄの４電極を形成した。
測定に際しては、磁場の強さは約２５４０Ｇａｕｓｓとし、２端子に流す測定電流は１から５ｍＡまで、１ｍＡ毎に５水準とした。
この状態で、垂直な磁場中に置かれた試料の電極ａｂ間に電流Ｉａｂを流すと、電極ｃｄ間に電圧Ｖｃｄが発生する。また、試料の電極ｂｃ間に電流Ｉｂｃを流すと、電極ｄａ間に電圧Ｖｄａが発生する。
ここで、Ｒａｂ，ｃｄ＝Ｖｃｄ／Ｉａｂ，Ｒｂｃ，ｄａ＝Ｖｄａ／Ｉｂｃとすると、
試料の抵抗率ρは下式（２）で表される。
・式（２） ρ＝πｔ（Ｒａｂ，ｃｄ＋Ｒｂｃ，ｄａ）ｆ／（２ｌｎ２）
但し、式（２）において、ｆは試料の形状ファクターであり、ｔは膜厚である。
なお、ｆはＲａｂ，ｃｄとＲｂｃ，ｄａとを用いた近似式で求めることができる。

次に、ｂｄ間に電流を流し、垂直に磁場を印加すると電極ａｃ間に電圧が生じる。さらに、Ｈａｌｌ係数Ｒ_Hは磁場の無い時と有る時のＲｂｄ，ａｃを測定することにより、下式（３）から求めることができる。
・式（３） Ｒ_H＝ｔΔＲｂｄ，ａｃ／（Ｈ×１０⁸）
但し、式（３）中、ΔＲｂｄ，ａｃ＝（（Ｖａｃ−Ｖａｃ０）／Ｉｂｄ）であり、Ｈは磁束密度を表し、Ｖａｃは磁場が印加された状態の電極ａｃ間の電圧、Ｖａｃ０は磁場が印加されない状態の電極ａｃ間の電圧を表す。

ここで、キャリア密度は下式（４）から求めることができる。
・式（４） キャリア密度＝γＨ／（ｅｔΔＲｂｄ，ａｃ）
但し、式（４）中、γはキャリア速度の統計的分布のための補正係数であり、γとして０．８５を用いた。また、ｅは、電気素量である。

−電気抵抗−
電気抵抗はｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法を用いて測定した。

−吸収係数および吸収効率−
吸収層の吸収係数は、フォトダイオードを作製する時と同一の成膜条件でサファイヤ基板に成膜した半導体膜の膜厚と吸光度とを測定し、下式（５）を利用して求めた。
・式（５） Ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ₀）＝−αｄ
ここで、式（５）中、Ｉ₀は、半導体膜に入射する光の強度、Ｉは半導体膜を透過した光の強度、αは半導体膜の吸収係数、ｄは半導体膜の膜厚を表す。
ここで、吸光度は、同一の成膜条件でサファイヤ基板に成膜した半導体膜を分光光度計（日立社製、Ｕ３０００）によって測定して求めた。この時、参照としては半導体膜を形成しないサファイア基板を用いた。また、この半導体膜の膜厚は触針式の表面粗さ測定装置（東京精密社製、サーフコム５５０）と走査型電子顕微鏡（日本電子社製、ＪＳＭ−６７００Ｆ）により撮影した半導体膜の断面写真とを併用して測定した。また、吸収効率は、既述したように透過率Ｔ（＝Ｉ／Ｉ₀）から求めた。

−遮断周波数−
表１に示す遮断周波数は、比較例３に示すシリコンからなるｐｉｎフォトダイオードの遮断周波数を基準値とし、その相対値として求めた。
なお、個々のフォトダイオードの遮断周波数は、下式（６）および得られたフォトダイオードの各種特性値（仮定値、推定値含む）を基に以下のようにして算出した。
・式（６） ｆｔ＝０．３５／√（τ_CR ²＋Ｔｒ²）
ただし、式（６）中、ｆｔは遮断周波数、τ_CRは接合容量で決まる応答時間、Ｔｒはキャリアの移動時間（１０−９０％）を表す。

従って、遮断周波数ｆｔを求めるためには、応答時間τ_CRおよびキャリアの移動時間Ｔｒを各々求める必要がある。
この応答時間τ_CRは、下式（７）で表すことができる。
・式（７） τ_CR＝１／Ｒ（ε_r1／ｄ₁＋ε_r2／ｄ₂）ｄ₁ｄ₂／（Ｓε₀ε_r1ε_r2）
ここで、式（７）中、Ｒは、インピーダンスを表し、高速応答性確保の観点から、遮断周波数の計算に際しては５０Ωと仮定した。また、ε_r1は吸収層の比誘電率、ｄ₁は吸収層の層厚、ε_r2は電荷輸送層の比誘電率、ｄ₂は電荷輸送層の層厚、Ｓは受光部の面積（ＩＴＯ電極の面積）であり、これら５つのパラメータで求められる 。
なお、各層の誘電率はＳ．Ｍ．ＳＺＥ “Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ”、半導体技術（東京大学出版）庄野克房著等によった。

一方、移動時間Ｔｒは下式（８）で表すことができる。
・式（８） Ｔｒ＝電荷輸送層の層厚／電荷輸送層を移動するキャリアの速度
ここで、電荷輸送層を移動するキャリアの速度は、電界Ｅと移動度μととの積μＥとして求めることができる。
移動時間Ｔｒの計算に際しては、全体の印加電圧は３Ｖとした。また、移動度は、半導体の組成がＳｉの場合には、電子移動度を１５００ｃｍ²／Ｖｓ、正孔移動度を４５０ｃｍ²／Ｖｓ、Ｓｉ_0.8Ｇｅ_0.2の場合は、電子移動度を２７００ｃｍ²／Ｖｓ、正孔移動度を８００ｃｍ²／Ｖｓと仮定した（Ｓ．Ｍ．ＳＺＥ “Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ”、半導体技術（東京大学出版）庄野克房）。

−相対感度−
表１に示す相対感度は、比較例３に示すシリコンからなるｐｉｎフォトダイオードの感度を基準値とし、その相対値として求めた。なお、比較例３に示すシリコンからなるｐｉｎフォトダイオードにおいては、正孔の移動距離は電子の１／３と仮定した。また、実施例および比較例に示す全てのフォトダイオードにおいて、吸収層で吸収し発生したキャリアが感度に寄与するものと仮定した。
また感度は吸収層の吸収光量と輸送層での吸収量を基にした。輸送層での正孔と電子の移動度の違いから、応答性への影響を吸収量の深さ方向の分布を考慮して決定した。
加えて、感度は、最大効率であると仮定した（光の吸収により生成したキャリアの量子効率を１．０と仮定し、電荷輸送層へのキャリアの注入効率を１．０と仮定した）。この場合、感度は吸収層による光吸収効率で決定される。また比較例３のＳｉｐｉｎフォトダイオードの場合には光生成キャリアはｉ層の空乏層で行われるためｉ層における吸収効率と、各例の吸収層の光吸収効率との比較によって相対感度を求めた。ここで薄い吸収層内で光吸収が起こりかつ電場が形成されない場合（比較例１）には吸収層内での再結合による損失が起こるため１／３の損失を仮定した。

本発明のフォトダイオードの構成例を示す概略模式図である。 本発明のフォトダイオードの他の構成例を示す概略模式図である。 本発明のフォトダイオードの他の構成例を示す概略模式図である。 図１に示すフォトダイオード１００のバンドダイヤグラムを示す図である。 図２に示すフォトダイオード２００のバンドダイヤグラムを示す図である。 図３に示すフォトダイオード３００のバンドダイヤグラムを示す図である。 本発明のフォトダイオードの製造に用いられる成膜装置の一例を示す概略模式図である。

符号の説明

１ 真空に排気しうる容器（反応容器）
２ 排気口
３ 基板ホルダー
４ 基板加熱用のヒーター
５，６ 石英管
７ 高周波コイル
８ マイクロ導波管
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄガス導入管
１０ 透明電極
１１ 吸収層（第１の半導体層）
１２ 電荷輸送層（第２の半導体層）
１３ 基板（第３の半導体層）
１４ 電荷注入防止層
１５ 第４の半導体層
２０、２１ 配線
１００、２００、３００ フォトダイオード

Claims (15)

1. 光を吸収して電荷を発生する吸収層として機能する第１の半導体層と、該第１の半導体層に接して設けられた電荷輸送層として機能する第２の半導体層とを少なくとも含み、
   前記第１の半導体層で発生した電荷のいずれか一方の極性の電荷を、前記第１の半導体層から前記第２の半導体層へと移動するように、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に電界が印加されるフォトダイオードにおいて、
   前記第１の半導体層のキャリア濃度が１．０×１０¹⁷個／ｃｍ³以下であることを特徴とするフォトダイオード。
2. 前記第１の半導体層の吸収効率が６０％以上であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
3. 前記第１の半導体層の吸収係数が、前記第２の半導体層の吸収係数よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
4. 前記第１の半導体層が直接遷移型半導体からなることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
5. 前記直接遷移型半導体が、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される１種以上の一元素を含む化合物半導体からなることを特徴とする請求項４に記載のフォトダイオード。
6. 前記直接遷移型半導体が、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される１種以上の一元素と、Ｎとを含む窒化物系化合物半導体であることを特徴とする請求項５に記載のフォトダイオード。
7. 前記直接遷移型半導体が、Ａｌ，ＧａおよびＩｎから選択される１種以上の一元素と、ＡｓおよびＰから選択される１種以上の元素とを含む化合物半導体であることを特徴とする請求項５に記載のフォトダイオード。
8. 前記第２の半導体層が、間接遷移型半導体からなることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
9. 前記間接遷移型半導体が、シリコン系半導体であることを特徴とする請求項８に記載のフォトダイオード。
10. 前記シリコン系半導体が、炭素およびゲルマニウムから選択される１種以上の元素を含むことを特徴とする請求項９に記載のフォトダイオード。
11. 前記第１の半導体層の前記第２の半導体層が設けられた側と反対側の面に、酸化物導電体からなる透明電極が設けられたことを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
12. 前記透明電極と前記第１の半導体層との間に注入防止層を設けたことを特徴とする請求項１１に記載のフォトダイオード。
13. 前記透明電極が、ｐ型およびｎ型から選択されるいずれかの伝導型の半導体からなり、且つ、前記第１の半導体層が吸収する光の波長域（受光波長域）において、前記半導体の吸収係数が前記第１の半導体層の吸収係数よりも小さいことを特徴とする請求項１１に記載のフォトダイオード。
14. 前記第２の半導体層に接して電極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
15. 前記第２の半導体に接してｐ型およびｎ型から選択されるいずれかの伝導型の第３の半導体層が設けられたことを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。

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