JP2006229156A - フォトダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 キャリア走行時間を短く保ち、かつ高い出力を実現する狭帯域動作が可能なフォトダイオードを提供すること。
【解決手段】 n型の半導体カソード層１１上に、低不純物濃度の、第1の半導体層１２、第２の半導体層１３、第３の半導体層１４、およびアノード電極１５が順次積層されており、半導体カソード層１１上の、第１の半導体層１２が形成されていない領域にカソード電極１６が接続されている。第２の半導体層１３のバンドギャップエネルギーは、半導体カソード層１１、第１の半導体層１２、および第３の半導体層１４それぞれのバンドギャップエネルギーよりも小さく、逆バイアス印加時に、第２の半導体層１３が光吸収層として作用するように決定されている。第２の半導体層１３の厚さは、第1の半導体層１２の厚さ以下であり、予め要求された帯域と効率との間のトレードオフを最適化するように設定された厚さ近傍以上である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フォトダイオードに関し、より詳細には、特に数１００ＧＨｚの動作速度が要求される超高速光信号処理に適する、長波長帯フォトダイオードに関する。

光と電波との中間の周波数帯である、１００ＧＨｚ−３ＴＨｚのいわゆるテラヘルツ帯は未開拓の周波数帯であり、近年、その応用が注目されている。特に、テラヘルツ波（テラヘルツ周波数帯の電磁波）は、分子分光やセンシングへの応用や、バイオエレクトロニクス、医療、材料等、様々な分野への応用に期待されている。

テラヘルツ波（ＴＨｚ波）は、従来のミリ波通信（４０−６０ＧＨｚ帯）に比べ格段に周波数が高く、電気的な手法でＴＨｚ波を発生させたとしても、これを電気アンプで増幅させることは難しい。よって、フォトミキシングなどの手法で光技術によりＴＨｚ波を直接的に発生させる方法が有利となる。現在、短波長帯で動作するＴＨｚ発生デバイスとしてはＧａＡｓ半導体で製作される「光伝導スイッチ」をベースとした技術が主であり、一部イメージセンシングや分子分光などに実験的に用いられている。一方、今後の実用化を考えると、光アンプが使える１．５μｍ帯に対応したＴＨｚデバイス技術が望ましい。

しかし、１．５μｍ帯の光吸収材料であるＩｎＧａＡｓは、その物性ゆえ光伝導スイッチには不向きであり、良好な応答特性を持つデバイスは実現されていない。よって、１．５μm帯動作のＴＨｚ波発生を目指すには「半導体フォトダイオード」を高速化するのが一つの方向と考えられる。

半導体フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）の基本構造は、ｐｎ接合ダイオードであり、動作速度の制限要因の一つは、光励起されたキャリアの走行時間（τ_ｔｒ）である。さらに、ｐｎ接合ダイオードに実質的に含まれる、寄生素子である接合容量（Ｃ_ｊ）とシリーズ抵抗（Ｒ_ｓ）とに依存する動作速度制限がある。ここで、本明細書において、接合容量（Ｃ_ｊ）とは、ｐｎ接合ダイオードのｐｎ接合部の空乏層の中での固定電荷分布に起因する容量のことを指し、シリーズ抵抗（Ｒ_ｓ）とは、ｐｎ接合ダイオードを形成するｐ型半導体領域およびｎ型半導体領域が有する抵抗等、寄生素子を有さない理想的なダイオードに実質的に直列に接続される直列抵抗のことを指す。

負荷をＲ_Ｌ＝５０Ωとする広帯域設計で、ＣＲ_Ｌ時定数の形で、また、狭帯域設計の場合は、Ｃ_ｊとＲ_ｓに依存した整合回路のロスの形で帯域が制限される。これらの要因はすべての接合形フォトダイオードに共通であり、原理的には微細化を行うことによりスケーリング則に従って動作速度は上がりうる。しかしながら、素子サイズが小さくなると発熱が大きくなるので、出力の低下は避けられない。言い換えると、ある一定の出力レベルが得られる素子サイズを選ぶと、最大動作周波数は制限されてしまう。

同一の接合サイズ／容量の条件における動作特性を比較した場合、従来の一般的なフォトダイオード構造である通常のｐｉｎ形は、最もキャリア走行時間の制限を受けやすい。これは、ホールの走行速度が低いことに起因する。

これに対し、特許文献１では、光吸収層とキャリア走行層とを分離して、走行するキャリアを高速な電子のみとした「単一走行キャリア・フォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ）」が開示されている。これは、上述の課題の解決策の一つであり、動作速度の向上、帯域の拡大が実現できる。これまでに、３ｄＢ帯域として３１０ＧＨｚまでの性能が得られている（非特許文献１参照）。さらに、ＵＴＣ−ＰＤとアンテナとをＩｎＰ基板上に集積化したデバイスにおいては、１．５ＴＨｚまでの実験結果が報告されている（非特許文献２参照）。ただし、使われている素子の帯域が十分大きくないこと、接合サイズが小さいこと、寄生素子の影響が大きいことにより、得られた出力はμＷオーダの低い値に留まっている。

ＵＴＣ−ＰＤの変形として、光吸収層をｐ型中性層と空乏層とを結合した２層で構成し、受光感度の増大をねらったデバイス（二重光吸収層形）も提案され（特許文献２参照）、すでに実験結果も報告されている（非特許文献３参照）。

４番目のフォトダイオードの構造として、部分吸収層形のｐｉｎ接合フォトダイオード（ｐｉｎ−ＰＤ）がある（非特許文献４参照）。これは、空乏層（ｉ層部分）の一部を光吸収層としたものであり、特許文献２に記載の二重光吸収層形と比べると、原理的に帯域／効率トレードオフ、出力電流の点で劣る。ＵＴＣ−ＰＤとの比較では、速度は同程度であるが、最大出力電流が小さい。

なお、上記部分吸収層形のｐｉｎ−ＰＤに関する非特許文献４は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層とＩｎＰの空乏層とを接続した「部分吸収層形」の層構成についてその設計指針を示している。その計算は、電子とホールとの走行速度を「静的な電界速度特性」で与えられるとした仮定に基づいており、接合直径２５μｍの素子について、最適なＩｎＧａＡｓ光吸収層厚は０．１５μｍ、ＩｎＰ空乏層厚は０．７５μｍと結論した。しかしながら、この層厚比率１：５は、想定している接合サイズでの値にすぎず、部分吸収層形のｐｉｎ−ＰＤ全般に成立するものではない。すなわち、ＴＨｚ波発生に適したＰＤの設計指針は示されていない。

５番目のフォトダイオード構造として、ｐｎ接合ではなくショットキー接合を用いた形態がある。しかしながら、光通信を含む従来の応用においてはショットキー接合形を用いる利点がなく、ＩｎＰベースのショットキー接合形フォトダイオード技術は報告されていない。当然、ＴＨｚ波発生に適したＰＤの設計指針は示されていない。

特開平９−２７５２２４号公報 特開２００３−１７４１８４号公報 H.Ito et al., "InP/InGaAs uni-traveling-carrier photodiode with 310 Ghz bandwidth" Electron, Lett. 36, pp.1809-1810, 2000 H.Ito et al., "Photonic teraherz-wave generation using antenna-integrated uni-traveling-carrier photodiode" Electron. Lett. 39, pp.1828-1829, 2003 Y. Muratomo and T. Ishibashi, "InP/InGaAs pin photodiode structure maximizing bandwidth and efficiency" Electron, Lett. 39, pp.1749-1750, 2003 F.J. Effenberger and A.M. Josi, "Ultrafast, dual-depletion region InGaAs/InP p-i-n detector" J.Lightwave Tech. 14, pp.1859-1864, 1996

１．５μｍ帯フォトダイオードは、光通信システムヘの応用などにより技術が蓄積されており、現在、おおよそ１００ＧＨｚ帯までのデバイスが実用化されつつある。今後、２００−３００ＧＨｚ程度までは適用域を広げることができよう。しかしながら、それ以上のＴＨｚ領域までの展開は、上述の「キャリアの走行時間」と「寄生素子」の問題のため、従来技術の延長では困難と予想される。狭帯域設計の場合でも、一定以上の出力を得るためには素子サイズを小さくできず、Ｃ_ｊとＲ_ｓとの影響が周波数とともに顕著になる。すなわち、十分な実用性を持った１．５μｍ帯動作のＴＨｚ波発生技術はまだ確立されていないのが現状と言えよう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、キャリア走行時間を短く保ち、かつ高い出力を実現する狭帯域動作が可能なフォトダイオードを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、n型の半導体カソード層上に、第1の半導体層、第２の半導体層、第３の半導体層、およびアノード金属電極層が順次積層され、前記ｎ型の半導体カソード層上の、前記第１の半導体層が形成されていない領域に金属電極が接続されたフォトダイオードであって、前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記ｎ型の半導体カソード層、前記第１の半導体層、および前記第３の半導体層それぞれのバンドギャップエネルギーよりも小さく、該第２の半導体層が光吸収層として作用するように決定され、かつ前記第２の半導体層の厚さである第１の厚さは、前記第1の半導体層の厚さである第２の厚さ以下であり、予め要求された帯域と効率との間のトレードオフを最適化するように設定された厚さ近傍以上であることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記最適化するように設定さえた厚さは、前記第２の厚さの略１／３であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記第１の半導体層、前記第２の半導体層および前記第３の半導体層の少なくとも１つには、逆バイアスが印加されると空乏化する濃度で不純物がドーピングされていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層の間に設けられた、接続層としての第４の半導体層をさらに備え、前記第１の半導体層と前記第４の半導体層との間、および前記第４の半導体層と前記第２の半導体層との間の伝導体端不連続値は、前記第１の半導体層と第２の半導体層との間の伝導帯端不連続値よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記第２の半導体層および前記第３の半導体層の間に設けられた、接続層としての第５の半導体層をさらに備え、前記第２の半導体層と前記第５の半導体層との間、および前記第５の半導体層と前記第３の半導体層との間の伝導体端不連続値は、前記第２の半導体層と第３の半導体層との間の価電子帯端不連続値よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記第１の半導体層の、前記第４の半導体層に接する所定の領域にドナー不純物をドーピングし、前記第２の半導体層の、前記第４の半導体層に接する所定の領域にアクセプタ不純物をドーピングすることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記第２の半導体層の、前記第５の半導体層に接する所定の領域にドナー不純物をドーピングし、前記第３の半導体層の、前記第５の半導体層に接する所定の領域にアクセプタ不純物をドーピングすることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、前記第１、第２、第３、第４および第５の半導体層は、ＩｎＰにほぼ格子整合するＩｎＧａＡｓＰ混晶半導体、もしくはＩｎＧａＡｌＡｓ混晶半導体からなる材料であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、キャリア走行時間の短縮を通して、より高い動作周波数を維持しつつ、シリーズ抵抗によるロスを大幅に低減した、狭帯域動動作が可能なフォトダイオードを実現することができる。すなわち、一定の光入力において、従来のフォトダイオードに比べて最大出力が高く、ＴＨｚ波発生に、より適したフォトダイオードを提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係るフォトダイオードの原理的な構成を説明するための図であり、図１（ａ）は本実施形態に係るフォトダイオードの断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示されたフォトダイオードのバンドダイアグラムである。

図１（ａ）および（ｂ）において、符号１１は、ｎ型にドーピングされた半導体カソード層であり、該半導体カソード層１１上に、低不純物濃度の第１の半導体層（キャリア走行層とも呼ぶ）１２が形成されている。第１の半導体層１２上には、低不純物濃度の第２の半導体層（光吸収層とも呼ぶ）１３が形成され、第２の半導体層１３上には、低不純物濃度の第３の半導体層（バリア層とも呼ぶ）１４が形成されている。さらに、第３の半導体層１４上には、金属層であるアノード電極１５が形成され、また、半導体カソード層１１上の第１の半導体層１２が形成されていない領域には、金属電極であるカソード電極１６が形成されている。

なお、各半導体層１２、１３および１４のドーピング濃度は、各半導体層が動作状態で空乏化するように十分低く設定する。本明細書において、「低不純物濃度」とは、ドナーやアクセプタ等、半導体層にドーピングされる不純物の濃度であって、上記不純物をドーピングする半導体層が、フォトダイオードの動作状態（不純物がドーピングされた半導体層に逆バイアスが印加された状態）で空乏化するような濃度である。

また、各半導体層１２、１３および１４は、それぞれ、異なるバンドギャップエネルギーを有している。すなわち、半導体層１２、１３および１４の各層間はヘテロ接合となっている。

本実施形態では、図１（ｂ）に示されるように、第２の半導体層１３のバンドギャップエネルギーを他の半導体層（第１および第３の半導体層１２、１４）、および半導体カソード層１１のバンドギャップエネルギーよりも小さくすることが特徴である。このような構成により、光吸収を第２の半導体層１３（光吸収層）に制限することができる。また、第２の半導体層１３の厚さを第１の半導体層１２（キャリア走行層）の厚さ以下、予め要求された帯域と効率との間のトレードオフを最適化するように設定された厚さ近傍以上にすることも特徴である。このような構成により、後述するように、効率を確保しつつ、動作帯域を最大とすることができる。

第３の半導体層１４はショットキー接合のバリアを高くするために挿入するワイドギャップ半導体層（バリア層）であり、その厚さは全空乏層厚（第１、第２および第３の半導体層の膜厚の和）に比べ、無視できるほど薄く、例えば、全空乏層厚の略１／１０以下とする。このように、バリア層としての第３の半導体層１４を設けることにより、光吸収層としての第２の半導体層１３にて生成された電子（キャリア）がアノード電極１５へと拡散するのを防ぐことができる。背景技術の項で述べた非特許文献４における素子との比較では、「部分吸収層形」の概念は共通であるものの、本実施形態は、アノード電極と半導体層との間にショットキー接合を用いる点、および光吸収層厚の全空乏層厚に対する比が異なる。

本実施形態に係るフォトダイオードの動作について以下で説明する。
アノード電極１５とカソード電極１６とに逆バイアス電圧を印加した状態で、本実施形態に係るフォトダイオードに光を照射する。このとき、逆バイアスは、各半導体層１２、１３および１４が空乏化するように、ドーピング濃度に応じて設定すればよい。これにより、図１（ｂ）から分かるように、光吸収層１３に、光励起キャリア（電子−ホール対）を発生させる。発生したキャリアのうち電子は、光吸収層１３からキャリア走行層１２を通って半導体カソード層１１に到達する。一方、発生したキャリアのうちホールは、光吸収層１３からバリア層１４を通ってアノード電極１５に到達する。キャリアの動きに従って、半導体カソード層１１とアノード電極１５のイメージ電荷が変化し、誘導電流として外部回路に電気出力が発生する。

本実施形態に係るフォトダイオードの層構成は、第１には、アノードを従来の構造におけるｐ型半導体層ではなく金属層としていることが特徴である。これにより、ホール電流に起因するアノード側のシリーズ抵抗を極限まで低減することが可能となる。すなわち、従来のｐｎ接合を用いたフォトダイオードでは、ｐ型半導体層のバルク抵抗、およびアノード金属とｐ型半導体層と間のコンタクト抵抗の両者がフォトダイオードにシリーズ抵抗をもたらす。この両シリーズ抵抗は、従来の１００ＧＨｚ以下の動作速度ではあまり問題とならない。すなわち、ＣＲ時定数として、０．５−１ｐｓ（帯域として１５０−３００ＧＨｚ）は、従来のＩｎＰ系のプロセス技術で可能な範囲にある。しかし、動作速度が０．５−１ＴＨｚとなると、ＣＲ時定数を低減するのが難しく、大きな問題となってしまう。しかるに、本実施形態に係るショットキー接合では、ホールに対するバリアが存在せず、コンタクト抵抗が極めて小さくなる。

第2には、光吸収層１３の厚さ（Ｗ_Ａ）をキャリア走行層１２の厚さ（Ｗ_Ｄ）以下、所望の帯域と効率との間のトレードオフを最適化するように設定された厚さ近傍以上に設定することにより、以下に説明するように、効率を確保しつつ動作帯域を最大とすることができる。

帯域の見積もりに当たっては、従来の、電子とホールとの走行速度を「静的な電界速度特性」で与えられるとしたモデルではなく、両キャリアの走行速度は「過渡的な電界速度特性」で与えられるとしたモデルを用いる。サブミクロン以下の走行距離においては、この過渡的な電界速度特性がより現実的であると考えられる。

図２は、光吸収層としてＩｎＧａＡｓの材料パラメータを用いて計算した、逆バイアス電界４０ｋＶ／ｃｍにおける、電子とホールとの走行速度プロファイル（時間変化）である。図２において、ｖｅは電子速度であり、ｖｈはホール速度である。図２に示されるように、ＩｎＧａＡｓなどの化合物半導体中では、特に電子速度の時間変化が大きく、この過渡的に速度が大きくなる現象は、速度オーバーシュートと呼ばれている。光吸収層にて、光パルスでキャリアを発生させたとして、その後の電子とホールとの速度変化を追跡し、アノード／カソード間の誘導電流を計算することにより、本実施形態に係るフォトダイオードの光応答特性を解析することができる。

図３は、バリア層の厚さを便宜上0とし、Ｗ_Ａ＋Ｗ_Ｄ＝０．３μmの条件でＷ_ＡとＷ_Ｄとの比率を変えた際の３−ｄＢ低下帯域（ｆ３ｄＢ）、および相対的な効率の変化を示す図である。図３中の破線は、相対的なＤＣ受光感度を示しており、Ｗ_Ａ＝２×Ｗ_Ｄの時に１となる値に規格化している。

図３から分かるように、Ｗ_Ａ／Ｗ_Ｄを小さくするに従って、ｆ３ｄＢは、最初は急激に増大しその後飽和する傾向にある。ｆ３ｄＢが飽和する比率は、Ｗ_Ａ／Ｗ_Ｄ＝略１／３である。一方、効率は、Ｗ_Ａ／Ｗ_Ｄに比例して変化する。帯域と効率とを両立させるという設計指針においては、ｆ３ｄＢを飽和が始まるＷ_Ａ／Ｗ_Ｄ＝略１／３が一つの目安となる。また、Ｗ_Ａ／Ｗ_Ｄ＝１においてｆ３ｄＢ帯域は最大値（飽和した帯域の値）の７０％程度となっており、このＷ_Ａ／Ｗ_Ｄ＝略１／３という比率は、効率を確保しつつ動作帯域を最大とすることができる、という本実施形態の効果が明らかに認められる点である。

なお、本実施形態では、Ｗ_Ａ／Ｗ_Ｄ＝略１／３という比率に限らない。Ｗ_ＡとＷ_Ｄとの厚さの比率において重要なことは、それらの比率を決定する際に、効率と動作帯域とのトレードオフを最適にすることが重要であって、Ｗ_Ａ／Ｗ_Ｄ＝略１／３という比率が本質ではない。すなわち、Ｗ_ＡとＷ_Ｄとの厚さの比率は、効率を考慮し動作帯域がほぼ最大になる比率であればよい。このとき、Ｗ_ＡとＷ_Ｄとの厚さの比率を変える際に、動作帯域が増加する方向に飽和するのであれば、その飽和している帯域において効率を考慮して最適な比率を用いればよい。

部分吸収層形のｐｉｎ−ＰＤに関する非特許文献４によれば、最適なＩｎＧａＡｓ光吸収屠厚（Ｗ_Ａ’）は０．１５μｍ、ＩｎＰ空乏層厚（Ｗ_Ｐ）は０．７５μｍとなっており,このＷ_Ａ’／Ｗ_ｐ比は１／５に相当する。目指しているのは高速化であっても、最適パラメータは全く異なる。すなわち、非特許文献４には、ＴＨｚ波発生に適したＰＤの設計指針は示されていない。

結局、本実施形態に係るフォトダイオードの設計手法は、「従来の典型技術としては、世の中に存在せず」、また「過去の特許文献および非特許文献における指針とは大きく異なる」ものである。

（第２の実施形態）
図１で説明した第１の実施形態に係るフォトダイオードの原理的な構成においては、キャリア走行層１２と光吸収層１３との間、および光吸収層１３とバリア層１４との間にヘテロ接合界面が存在し、それに伴うバンド不連続が生じうる。これは、キャリア（光吸収層で生成された電子とホール）の反射を起こしたり、ヘテロ界面のノッチ部にキャリアをトラップしたりするので、キャリアの平均速度の低下の原因となる。

そこで、本実施形態では、キャリア走行層１２と光吸収層１３との間、および光吸収層１３とバリア層１４との間に、バンド不連続を緩和するための接続層を設ける。この接続層を設けることによって、上述のキャリア反射／トラップを制御することができる。

上記接続層としては、接続層を挟む半導体層の各々の中間のバンドギャップエネルギーを有する半導体層、もしくはバンドギャップエネルギーが大きい半導体層からバンドギャップエネルギーが小さい半導体層に向かって、バンドギャップエネルギーの差を緩和するように傾斜させたバンドギャップエネルギーを有する半導体層とすればよい。

より具体的には、キャリア走行層１２と光吸収層１３との間に設けられる接続層にあっては、キャリア走行層１２と光吸収層１３との接続部（界面）における伝導帯端不連続値が、図１に示した接続層が設けられていない場合に比べて小さくなるように設定する。同様に、光吸収層１３とバリア層１４との間に設けられる接続層にあっては、光吸収層１３とバリア層１４との接続部（界面）における価電子帯端不連続値が、図１に示した接続層が設けられていない場合に比べて小さくなるように設定する。

図４は、本実施形態に係るフォトダイオードのバンドダイアグラムである。
図４において、キャリア走行層１２と光吸収層１３との間に、キャリア走行層１２と光吸収層１３とのバンドギャップエネルギーの差を緩和するようにバンドギャップエネルギーが傾斜した第４の半導体層（接続層）１７が設けられている。また、光吸収層１３とバリア層１４との間には、光吸収層１３とバリア層１４とのバンドギャップエネルギーの差を緩和するようにバンドギャップエネルギーが傾斜した第５の半導体層（接続層）１８が設けられている。

このように、キャリア走行層１２と光吸収層１３との間の伝導帯端不連続がより小さく,また光吸収層１３とバリア層１４との間の価電子帯端不連続がより小さくなる様に、各層間それぞれに、該各層の中間的なバンドギャップエネルギーを持った接続層１７、１８を挿入するので、キャリア反射やキャリアトラップを低減することができる。よって、キャリアの平均速度の低下を抑えることができる。

なお、本実施形態では、接続層１７および１８をそれぞれ一層ずつ設けているが、これに限定されない。バンド不連続を緩和するように、接続層１７および１８を半導体層の積層体としてもよい。その際に、接続層を挟む半導体層間の伝導帯端不連続値または価電子端不連続値を小さくするように、積層体を構成する。

また、本実施形態では、各半導体層間それぞれに接続層を挿入しているが、光吸収層１３とキャリア走行層１２との間にのみ接続層を挿入した形態、あるいは光吸収層１３とバリア層１４との間にのみ接続層を挿入した形態でもよい。

（第３の実施形態）
第２の実施形態で説明した図４に示した構成において、接続層１７および１８内には、ヘテロ構造に固有の、電子とホールとに対して異なった電界強度値が発生する。その電界により、接続層１７の電子に対する電界、および接続層１８のホールに対する電界は、ともに低下する。この電界降下は、光吸収層１３にて光励起されたそれぞれのキャリアの加速効果を弱めるものであり、通常は動作速度を落とす方向に作用してしまう。

そこで、本実施形態では、更なる動作速度の向上のために、接続層を挟む半導体層のそれぞれ一部（接続層との界面側）に、ドナー不純物またはアクセプタ不純物をドーピングし、ドナーとアクセプタの対ドーピングを行う。このようにして形成されたドナーがドーピングされた層（ドナードープ層とも呼ぶ）とアクセプタがドーピングされた層（アクセプタドープ層とも呼ぶ）とによって、接続層が挟まれるようになる。

図５は、本実施形態に係るフォトダイオードのバンドダイアグラムである。
図５において、キャリア走行層１２の接続層１７側の一部にドナー不純物１９ａをドーピングしており、かつ光吸収層１３の接続層１７側の一部にアクセプタ不純物１９ｂをドーピングしている。このようにして、キャリア走行層１２の、接続層１７に接する所定の領域をドナードープ層２１とし、光吸収層１３の、接続層１７に接する所定の領域をアクセプタドープ層２２とする。

同様に、光吸収層１３の接続層１８側の一部にドナー不純物２０ａをドーピングしており、かつバリア層１４の接続層１８側の一部にアクセプタ不純物２０ｂをドーピングしている。このようにして、光吸収層１３の、接続層１８に接する所定の領域をドナードープ層２３とし、バリア層１４の、接続層１８に接する所定の領域をアクセプタドープ層２４とする。

このドナーとアクセプタとの対ドーピングは、それらのドーピング量を同一に設定することにより、ドープされた層の間の電界のみを変調することができる。例えば、ドナー不純物１９ａおよびアクセプタ不純物１９ｂのドーピング濃度を２×１０^１７／ｃｍ^３、（ドナーまたはアクセプタ）ドープ層２１、２２の厚さを１００Åとすると、電荷量は２×１０^１１／ｃｍ^３となり、３０ｋＶ／ｃｍ程度の電界変調を行うことができる。

すなわち、図４に示すような、各ドープ層が設けられていない場合の接続層１７には電界降下が生じてしまうが、本実施形態のように、接続層１７の両側を挟む様にドナードープ層２１とアクセプタドープ層２２とを形成すると、図５に示すように、接続層１７について、電界降下を抑えたバンドプロファイルを実現できる。
同様に、接続層１８を挟むようにドナードープ層２３およびアクセプタドープ層２４とが形成されているので、接続層１８について、電界降下を抑えたバンドプロファイルを実現できる。
よって、電子とホールとに作用する電界を素子全体にわたり高く保つことが可能となり、動作速度の低下を抑えることができる。

なお、本実施形態では、各半導体層間それぞれに接続層を挿入しているが、光吸収層１３とキャリア走行層１２との間にのみ接続層を挿入した形態、あるいは光吸収層１３とバリア層１４との間にのみ接続層を挿入した形態でもよい。

また、ドナーとアクセプタとの対ドーピングは、キャリア走行層１２および光吸収層１３、または光吸収層１３およびバリア層１４のいずれか一方に行うようにしてもよい。

（第４の実施形態）
第１〜第３の実施形態では、各半導体層１２、１３および１４は、低不純物濃度で不純物がドーピングされているが、これに限定されない。すなわち、各半導体層１２、１３および１４の少なくとも１つに、低不純物濃度で不純物をドーピングしても良いし、各半導体層１２、１３および１４全てに、不純物をドーピングしなくてもよい。

また、第１〜第３の実施形態で説明したフォトダイオードにおいて、第１〜第５の半導体層の材料構成は、ＩｎＰ基板にほぼ格子整合する半導体材料、すなわち、ＩｎＰにほぼ格子整合するＩｎＧａＡｓＰ混晶半導体（III−Ｖ族化合物半導体）、もしくはＩｎＧａＡｌＡｓ混晶半導体からなる材料であることが好ましい。
すなわち、キャリア走行層１２は、ＩｎＰからなる材料とすると、光吸収層１３を、ＩｎＰにほぼ格子整合するＩｎＧａＡｓからなる材料とし、バリア層１４をＩｎＰにほぼ格子整合するＩｎＡｌＡｓからなる材料とするのが好ましい。また、接続層１７を、ＩｎＰにほぼ格子整合するＩｎＧａＡｓＰとし、接続層１８を、ＩｎＰにほぼ格子整合するＩｎＧａＡｌＡｓとするのが好ましい。

なお、接続層１８は、連続的なバンドギャップ傾斜層ではなく、階段的に組成を変化させた多層のＩｎＧａＡｓＰ層でも同じ機能を実現できる。一方、接続層１８の表面層であるバリア層１４はＩｎＡｌＡｓであるので、接続層１８は、ＩｎＧａＡｌＡｓとする方が、価電子帯端をスムースに接続できるので好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、これまで困難とされていた「１．５μｍ帯の光技術によるテラヘルツ波発生」を実現し、様々なテラヘルツ波の応用システムの構築に寄与することができる。

（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るフォトダイオードの原理的な構成を説明するための図であり、（ａ）は本実施形態に係るフォトダイオードの断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示されたフォトダイオードのバンドダイアグラムである。 本発明の一実施形態に係る、電子とホールとの走行速度プロファイル（時間変化）を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、第２の半導体層の厚さ（Ｗ_Ａ）と第１の半導体層の厚さ（Ｗ_Ｄ）との比率を変えた際の３−ｄＢ低下帯域（ｆ３ｄＢ）、および相対的な効率の変化を示す図である。 本発明の一実施形態に係るフォトダイオードのバンドダイアグラムである。 本発明の一実施形態に係るフォトダイオードのバンドダイアグラムである。

符号の説明

１１ 半導体カソード層
１２ キャリア走行層
１３ 光吸収層
１４ バリア層
１５ アノード電極
１６ カソード電極
１７ 接続層
１８ 接続層
１９ａ、２０ａ ドナー不純物
１９ｂ、２０ｂ アクセプタ不純物
２１、２３ ドナードープ層
２２、２４ アクセプタドープ層

Claims (8)

1. n型の半導体カソード層上に、第1の半導体層、第２の半導体層、第３の半導体層、およびアノード金属電極層が順次積層され、前記ｎ型の半導体カソード層上の、前記第１の半導体層が形成されていない領域に金属電極が接続されたフォトダイオードであって、
   前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記ｎ型の半導体カソード層、前記第１の半導体層、および前記第３の半導体層それぞれのバンドギャップエネルギーよりも小さく、該第２の半導体層が光吸収層として作用するように決定され、かつ前記第２の半導体層の厚さである第１の厚さは、前記第1の半導体層の厚さである第２の厚さ以下であり、予め要求された帯域と効率との間のトレードオフを最適化するように設定された厚さ近傍以上であることを特徴とするフォトダイオード。
2. 前記最適化するように設定された厚さは、前記第２の厚さの略１／３であることを特徴とする請求項１記載のフォトダイオード。
3. 前記第１の半導体層、前記第２の半導体層および前記第３の半導体層の少なくとも１つには、逆バイアスが印加されると空乏化する濃度で不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項１または２記載のフォトダイオード。
4. 前記第１の半導体層および前記第２の半導体層の間に設けられた、接続層としての第４の半導体層をさらに備え、
   前記第１の半導体層と前記第４の半導体層との間、および前記第４の半導体層と前記第２の半導体層との間の伝導体端不連続値は、前記第１の半導体層と第２の半導体層との間の伝導帯端不連続値よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフォトダイオード。
5. 前記第２の半導体層および前記第３の半導体層の間に設けられた、接続層としての第５の半導体層をさらに備え、
   前記第２の半導体層と前記第５の半導体層との間、および前記第５の半導体層と前記第３の半導体層との間の伝導体端不連続値は、前記第２の半導体層と第３の半導体層との間の価電子帯端不連続値よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフォトダイオード。
6. 前記第１の半導体層の、前記第４の半導体層に接する所定の領域にドナー不純物をドーピングし、前記第２の半導体層の、前記第４の半導体層に接する所定の領域にアクセプタ不純物をドーピングすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のフォトダイオード。
7. 前記第２の半導体層の、前記第５の半導体層に接する所定の領域にドナー不純物をドーピングし、前記第３の半導体層の、前記第５の半導体層に接する所定の領域にアクセプタ不純物をドーピングすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のフォトダイオード。
8. 前記第１、第２、第３、第４および第５の半導体層は、ＩｎＰにほぼ格子整合するＩｎＧａＡｓＰ混晶半導体、もしくはＩｎＧａＡｌＡｓ混晶半導体からなる材料であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のフォトダイオード。
   

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