JP2007149887A

JP2007149887A - 半導体−金属−半導体（ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｍｅｔａｌ：ＭＳＭ）型受光素子

Info

Publication number: JP2007149887A
Application number: JP2005341028A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Tsuji; 正芳辻
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】半導体−金属−半導体（ＭＳＭ）型受光素子において、生成されたキャリアの走行速度を増大させ、素子応答速度を向上させる。
【解決手段】半絶縁性ＩｎＰ基板１０１上に、ノンドープのＩｎＰバッファ層１０２、ノンドープのＩｎＡｌＧａＡｓ組成傾斜光吸収層１０３を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて順次積層する。次に、該光吸収層１０３の表面に、ショットキー型陰電極１０４、ショットキー型陽電極１０５を蒸着法により形成する。組成傾斜光吸収層１０３は、Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ（禁制帯幅１．４９ｅＶ）から表面側のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ（禁制帯幅０．７７ｅＶ）までの組成傾斜構造で形成されている。その伝導帯及び過電子帯エネルギー差はそれぞれ０．５ｅＶ、０．２ｅＶとなる。
【選択図】図４

Description

本発明は、光通信用受光素子に関し、特に、メトロ・アクセス系光通信や光インターコネクションに用いられる面型受光素子としての金属-半導体-金属（ＭＳＭ）型受光素子に関するものである。

金属−半導体−金属（ＭＳＭ）型受光素子は、ＰＩＮ型フォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）と比較して、素子容量が小さいため、ＣＲ時定数制限による帯域の抑圧を少なくでき、高速応答に適した構造である。その素子は、例えば下記の非特許文献１に記載されている。図１に、従来のＭＳＭ型受光素子の断面図を示す。図１において、１、２は相対するショットキー電極であり、１はショットキー型陰電極、２はショットキー型陽電極を示し、３は半絶縁性ＧａＡｓ基板、４はアンドープのＧａＡｓ光吸収層、５は表面入射光を示したものである。

このＭＳＭ型受光素子の動作原理について説明する。まず、相対するショットキー電極（ショットキー型陰電極１、ショットキー型陽電極２）にバイアス電圧を印加する。このとき、ショットキー型陰電極１は逆バイアス、もう一方のショットキー陽電極２は順バイアスとなる。表面入射光５は、光吸収層４で吸収され、生成された電子及び正孔対は、印加電界により電子はショットキー型陽電極２へ、正孔はショットキー型陰電極１へ捕集され、光電流として外部に取り出される。この素子構造においては、半絶縁性ＧａＡｓ基板３の上にアンドープのＧａＡｓ光吸収層が積層されるため、素子全体が空乏領域と見なすことができ（素子容量小によるＣＲ時定数制限を緩和）、さらに、ショットキー陰電極１とショットキー陽電極２間の距離を短くできる櫛形電極構造とすることにより、走行距離を設計できるため、高速応答に優れる光通信用の受光素子として採用されている。一方、櫛形電極間を短距離とすることで、ＧａＡｓ光吸収層４内に形成される電位分布は電極周辺部のみとなり、半絶縁性ＧａＡｓ基板３に垂直方向の電界強度は不十分で、外部量子効率が小さくなるという課題を有している。
IEEE Electron Device Lettersvol. 2, No. 5, 112頁〜114頁(1981年)

上述のように、ＭＳＭ型受光素子においては、その高速応答性と外部量子効率の両立に課題がある。その課題を図２を用いて説明する。図２は、表面入射型ＭＳＭ受光素子の光吸収層における電位分布及び電子、正孔の移動を示したものである。ショットキー型陰電極１及びショットキー型陽電極２側からそれぞれ空乏層が伸びるが、電極間が狭いと図の電位分布に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板３に垂直方向には十分に電界を印加できず、ＧａＡｓ光吸収層４内に無電位の領域が発生する。

ＭＳＭ型受光素子の課題の一つ目は、表面に形成された電極による外部量子効率の低下である。ＭＳＭ型受光素子において、高速応答性をあげるために、電極を短距離に配置した櫛形電極構造が取られるが、それにより図２において、信号光の受光面積は、ショットキー型陰電極１およびショットキー型陽電極２の間の領域に制限される。つまり、各電極上に照射された信号光は、素子で吸収されることなく無駄となり、上記表面入射素子構造においては、受光面積と電極面積の比率により、外部量子効率が制限される。

上記、表面電極による外部量子効率の低下を回避するために、基板側から信号光を入射する、いわゆる裏面入射構造も考えられるが、ここで課題の二つめが問題となる。図２に光吸収層の電位分布を示したが、電極間で受光された光子（地点Ａ）は電子・正孔対を発生させ、電位により電子はショットキー型陽電極２へ、正孔はショットキー型陰電極１へドリフト移動し、捕集される。一方、受光された場所が地点Ｂの場合、電極から距離が遠く電界が印加されていない無電位領域であるため、そこで発生した電子・正孔対は電極に向かうエネルギーを得ることができず、再結合して消滅する。すなわち、外部量子効率の低下となる。また、地点Ｂで発生した電子・正孔対が、拡散によりある確率で電位印加領域にたどり着き、その後各電極に捕集されたとしても、その走行時間が長いために、高速応答性を低下させることになる。

また、裏面入射により、電極下部で光子が受光された場合を考える。地点Ｃで電子・正孔対が発生した場合、正孔は電位分布によりショットキー型陰電極１へドリフト移動し捕集されるが、電子は反対方向(基板側)へすすみ無電位領域に入り、再結合により消滅してしまう。また、無電位領域である地点Ｄで電子・正孔が発生した場合、地点Ｂの場合と同様に、再結合で消滅し外部量子効率を低下させる。

さらに、光通信に用いられる波長１〜１．７μｍの信号光を受光する場合のＭＳＭ型受光素子の課題点について述べる。このＭＳＭ型受光素子の一般的な構造を図３に示す。該ＭＳＭ型受光素子は、ＩｎＰ基板上にＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ光吸収層７、Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓキャップ層８を積層した構造を有している。上述のようにＭＳＭ型受光素子の原理を考えた場合、電極と光吸収層はなるべく隣接させ、光吸収層に形成される電位分布を強く取ることが望まれるが、ＩｎＧａＡｓ光吸収層７上のショットキー電極は、その電子に対する障壁の高さが０〜０．２ｅＶ程度と小さいため、暗電流が大きくなり、素子特性を低下させてしまう。よって、その障壁の高さを０．８ｅＶと大きくとれるＩｎＡｌＡｓキャップ層８とし、その表面にショットキー電極を形成している。しかしながら、この素子構造の場合、該ＩｎＡｌＡｓキャップ層８とＩｎＧａＡｓ光吸収層７のヘテロ界面の障壁が、電子及び正孔に対しそれぞれ０．５ｅＶ、０．２ｅＶと大きくなるため、光吸収層から電極側へ移動する電子及び正孔が該ヘテロ界面でトラップされ、素子の応答速度を低下させる新たな課題を引き起こしている。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明に関わるＭＳＭ型受光素子は、半導体基板上に光を吸収して電子正孔対を生成する光吸収層と、少なくとも１つのショットキー電極と、を有する半導体−金属−半導体（metal-semiconductor-metal：ＭＳＭ）型受光素子において、前記光吸収層が、組成傾斜層により構成されており、かつ、ＩｎＰ半導体基板にほぼ格子整合するＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）又は、Ａｌ_ｖＧａ_１−ｖＰ_ｗＳｂ_１−ｗ（０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１）半導体で構成されていることを特徴とする。

請求項２の発明に関わるＭＳＭ型受光素子は、半導体基板上に光を吸収して電子正孔対を生成する光吸収層と、少なくとも１つのショットキー電極と、を有する半導体−金属−半導体（metal-semiconductor-metal：ＭＳＭ）型受光素子において、前記光吸収層が、組成傾斜層により構成されており、かつ、ＩｎＰ半導体基板の格子定数に対し、０．５％以下の引っ張り歪みが付加されていることを特徴とする。

請求項３の発明に関わるＭＳＭ型受光素子は、半導体基板上に光を吸収して電子正孔対を生成する光吸収層と、少なくとも１つのショットキー電極と、を有する半導体−金属−半導体（metal-semiconductor-metal：ＭＳＭ）型受光素子において、前記光吸収層が、組成が階段状に変化した層により構成されていることを特徴とする。

請求項４の発明に関わるＭＳＭ型受光素子は、請求項３に記載のＭＳＭ型受光素子において、前記光吸収層が、ＩｎＰ半導体基板にほぼ格子整合するＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）又は、Ａｌ_ｖＧａ_１−ｖＰ_ｗＳｂ_１−ｗ（０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１）半導体で構成されていることを特徴とする。

請求項５の発明に関わるＭＳＭ型受光素子は、請求項３に記載のＭＳＭ型受光素子において、前記光吸収層が、ＩｎＰ半導体基板の格子定数に対し、０．５％以下の引っ張り歪みが付加されていることを特徴とする。

請求項６の発明に関わるＭＳＭ型受光素子は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のＭＳＭ型受光素子において、前記光吸収層と前記ショットキー電極との間に、ＩｎＡｌＡｓキャップ層が挿入されていることを特徴とする。

請求項７の発明に関わるＭＳＭ型受光素子は、請求項６に記載のＭＳＭ型受光素子において、前記光吸収層と前記ＩｎＡｌＡｓキャップ層との間が、組成傾斜層により接続されていることを特徴とする。

請求項８の発明に関わるＭＳＭ型受光素子は、請求項６に記載のＭＳＭ型受光素子において、前記光吸収層と前記ＩｎＡｌＡｓキャップ層との間が、組成が階段状に変化した層により接続されていることを特徴とする。

請求項９記載の発明に関わるＭＳＭ型受光素子は、請求項７又は請求項８に記載のＭＳＭ型受光素子において、前記半導体基板側から信号光が入射される、いわゆる裏面入射型構造であることを特徴とする。

上述の構成および方法により、本発明では、帯域２０ＧＨｚ以上の特性を有し、且つ、６５％以上の外部量子効率を有するＭＳＭ型受光素子を提供することができる。また、電子及び正孔に対するショットキー障壁を大きく取ることにより、暗電流が少ない素子特性も合わせて実現することできる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
まず、本発明によるＭＳＭ型受光素子の第１の実施の形態を説明する。図４はＭＳＭ型受光素子の構造を示す図である。また、図５は光吸収層のバンド構造を示す図である。図４に示すＭＳＭ型受光素子の構造は、半絶縁性ＩｎＰ基板１０１上にノンドープのＩｎＰバッファ層１０２、ノンドープのＩｎＡｌＧａＡｓ組成傾斜光吸収層１０３を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて順次積層し、更に、該ＩｎＡｌＧａＡｓ組成傾斜光吸収層（以下、単に「組成傾斜光吸収層」という）１０３の表面に、Ｎｉ／Ａｕ（２０ｎｍ／５００ｎｍ）からなるショットキー型陰電極１０４、とＴｉ／Ａｕ（３０ｎｍ／５００ｎｍ）からなるショットキー型陽電極１０５を蒸着法にて積層したものである。ここで、該ショットキー型陰電極１０４と、該ショットキー型陽電極１０５は、それぞれ交互に配置した櫛形形状で形成した場合について示している。なお、上述のようにノンドープのＩｎＡｌＧａＡｓ組成傾斜光吸収層１０３を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて積層した場合を示したが、これに限定されることはなく、分子線エピタキシー成長（ＭＢＥ）法等、他の結晶成長方法を用いてもよい。

図５に示すように、上記組成傾斜光吸収層１０３は、半絶縁性ＩｎＰ基板（以下、単に「ＩｎＰ基板」という）１０１側のＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ（禁制帯幅１．４９ｅＶ）から表面側（ＩｎＰ基板１０１と反対側）のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ（禁制帯幅０．７７ｅＶ）まで組成が傾斜した構造であり、ＩｎＰ基板１０１の格子定数にほぼ一致するように結晶成長を行った（格子整合）。その組成傾斜光吸収層１０３の厚さは、１．７μｍである。格子整合により、該組成傾斜光吸収層１０３は歪みによる結晶欠陥が無い、良好な結晶性を保有することができた。

組成傾斜光吸収層１０３は、上述したように、ＩｎＰ基板１０１側のＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ（禁制帯幅１．４９ｅＶ）から表面側のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ（禁制帯幅０．７７ｅＶ）までの組成傾斜構造で形成されており、その伝導帯及び過電子帯エネルギー差はそれぞれ０．５ｅＶ、０．２ｅＶとなる（図３参照）。該組成傾斜光吸収層１０３の厚さが１．７μｍの場合、該バンド構造は、電子に対して３．０ｋＶ／ｃｍ、正孔に対して１．２ｋＶ／ｃｍの電界を与えることになる。即ち、光吸収により発生した電子及び正孔は、外部電界無しに、電極方向へのドリフトエネルギーを得ることができる。

入射信号光の波長を１．１μｍと仮定すると、組成傾斜光吸収層１０３の領域において、受光可能な領域は、その禁制帯幅からの計算では表面側１μｍ程度となるが、バンドテールを考慮すると１．２μｍ程度の領域で受光可能となる。この１．２μｍの実効的な組成傾斜光吸収層１０３の厚さにより、入射信号光の７０％程度を受光できる。上述のように、組成傾斜光吸収層１０３には外部電界に加え、組成傾斜による内部電界も印加されており、実効受光領域で発生した電子・正孔対は、効率よく各電極に捕集される。一方、組成傾斜光吸収層１０３の厚さ１．７μｍ全体は空乏化されているため素子容量は小さく、ＣＲ時定数制限を２５ＧＨｚ以上に設計することができる。

以上説明したように、この第１の実施の形態によれば、電極に印加される外部電界に加えて、組成傾斜光吸収層１０３の内部電界により、受光により発生した電子及び正孔に電界エネルギーを与えることができる。これにより、電子及び正孔の走行速度を増大させ、走行時間を短縮することができる。また、このことは、従来の課題で説明した、光吸収層内の無電位領域を無くすことを意味しており、光吸収層で生成された電子・正孔対を効率よく各電極に捕集することができる。これにより、電子及び正孔の走行時間の短縮に加え、外部量子効率を大幅に改善することができる。この素子構造により、帯域２０ＧＨｚ、外部量子効率６５％の素子特性を得ることができることになる。

（第２の実施の形態）
まず、本発明によるＭＳＭ型受光素子の第２の実施の形態を説明する。図６はＭＳＭ型受光素子の構造を示す図である。また、図７は光吸収層のバンド構造を示す図である。図６に示すＭＳＭ型受光素子の構造は、半絶縁性ＩｎＰ基板１０１上にノンドープのＩｎＰバッファ層１０２、ノンドープのＩｎＡｌＧａＡｓ組成階段状光吸収層１０６を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて順次積層し、更に、該ＩｎＡｌＧａＡｓ組成階段状光吸収層（以下、単に「組成階段状光吸収層」という）１０６の表面に、Ｎｉ／Ａｕ（２０ｎｍ／５００ｎｍ）からなるショットキー型陰電極１０４と、Ｔｉ／Ａｕ（３０ｎｍ／５００ｎｍ）からなるショットキー型陽電極１０５を蒸着法にて積層したものである。ここで、該ショットキー型陰電極１０４と、該ショットキー型陽電極１０５は、それぞれ交互に配置した櫛形形状に形成した場合について示している。なお、上述のようにノンドープのＩｎＡｌＧａＡｓ組成階段状光吸収層１０６を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて積層下場合を示したが、これに限定されることはなく、分子線エピタキシー成長（ＭＢＥ）法等、他の結晶成長方法を用いてもよい。

図７に示すように、上記組成階段状光吸収層１０６は、半絶縁性ＩｎＰ基板（以下、単に「ＩｎＰ基板」という）１０１側のＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ(禁制帯幅１．４９ｅＶ)から表面側（ＩｎＰ基板１０１と反対側）のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ（禁制帯幅０．７７ｅＶ）まで組成が階段状に形成された構造であり、階段状に形成された各ステップの組成は、ＩｎＰ基板１０１の格子定数に対して0.5%以内の引っ張り歪みを付加している。その組成階段状光吸収層１０６の厚さは、１．７μｍとしたが、該歪み量を臨界膜厚内に制御することにより、歪みによる結晶欠陥が無い、良好な結晶性を保有することができた。

組成階段状光吸収層１０６は、上述したように、ＩｎＰ基板１０１側のＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ(禁制帯幅１．４９ｅＶ）から表面側のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ（禁制帯幅０．７７ｅＶ）までの組成が階段状に形成されており、その伝導帯及び過電子帯エネルギー差はそれぞれ０．５ｅＶ、０．２ｅＶとなる。組成階段状構造においては、電子及び正孔は各ステップの厚さが２０ｎｍ程度の場合は、平均エネルギーで禁制帯幅を感じるので、擬似的に組成傾斜と見なすことができる。該組成階段状光吸収層１０６の厚さは１．７μｍであるから、該バンド構造は電子に対して３．０ｋＶ／ｃｍ、正孔に対して１．２ｋＶ／ｃｍの電界を与えることになる。即ち、光吸収により発生した電子及び正孔は、外部電界無しに、電極方向へのドリフトエネルギーを得ることができる。

さらに、該組成階段状光吸収層１０６には、０．５％程度以内の引っ張り歪みを付加している。引っ張り歪みを付加した場合、過電子帯バンド構造の変化（基板と垂直方向において、重い正孔バンドの曲率半径が小さくなり、即ち、基底準位の正孔質量が軽くなる。）により、正孔の走行速度を増大させることができる。この歪みによるバンド構造の変化は、例えば、ジャーナルオブアプライドフィジックス(J. of Appl. Phys.) vol.67、(1990)、pp.344-352に記載されている。

入射信号光の波長を１．１μmと仮定すると、組成階段状光吸収層１０６の領域において、受光可能な領域は、その禁制帯幅からの計算では表面側１μｍ程度となるが、バンドテールを考慮すると１．２μｍ程度の領域で受光可能となる。この１．２μｍの実効的な光吸収層の厚さにより、入射信号光の７０％程度を受光できる。上述のように、組成階段状光吸収層には外部電界に加え、組成傾斜による内部電界も印加されており、実効受光領域で発生した電子・正孔対は、効率よく各電極に捕集される。一方、組成階段状光吸収層の厚さ１．７μｍ全体は空乏化されているため素子容量は小さく、ＣＲ時定数制限を２５ＧＨｚ以上に設計することができる。

以上説明したように、この第２の実施の形態によれば、電極に印加される外部電界に加えて、組成階段状光吸収層１０６の内部電界により、受光により発生した電子及び正孔に電界エネルギーを与えることができる。これにより、電子及び正孔の走行速度を増大させ、走行時間を短縮することができる。また、このことは、従来の課題で説明した、光吸収層内の無電位領域を無くすことを意味しており、光吸収層で生成された電子・正孔対を効率よく各電極に捕集することができる。これにより、電子及び正孔の走行時間の短縮に加え、外部量子効率を大幅に改善することができた。さらに、上記組成階段状光吸収層１０６には、０．５％以内の引っ張り歪みが印可されており、これにより基板に垂直方向の正孔の走行速度を増大させることができた。この素子構造により、帯域２２ＧＨｚ、外部量子効率６５％の素子特性を得ることができた。

（第３の実施の形態）
まず、本発明によるＭＳＭ型受光素子の第３の実施の形態を説明する。図８はＭＳＭ型受光素子の構造を示す図である。また、図９はキャップ層から光吸収層までのバンド構造を示す図である。図８に示すＭＳＭ型受光素子の構造は、半絶縁性ＩｎＰ基板１０１上にノンドープのＩｎＰバッファ層１０２、ノンドープのＩｎＡｌＧａＡｓ組成傾斜光吸収層１０３、ＩｎＡｌＧａＡｓ傾斜型パイルアップ抑制層１０８、ＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて順次積層し、更に、該ＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９の表面に、Ｎｉ／Ａｕ（２０ｎｍ／５００ｎｍ）からなるショットキー型陰電極１０４、とＴｉ／Ａｕ（３０ｎｍ／５００ｎｍ）からなるショットキー型陽電極１０５を蒸着法にて積層したものである。ここで、該ショットキー型陰陰電極１０４と、該ショットキー型陰陽極電極１０５は、それぞれ交互に配置した櫛形形状で形成した場合について示している。なお、上述のようにＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて積層した場合を示したが、これに限定されることはなく、分子線エピタキシー成長（ＭＢＥ）法等、他の結晶成長方法を用いてもよい。

図９に示すように、上記組成傾斜光吸収層１０３は、ＩｎＰ基板１０１側のＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓから表面側（ＩｎＰ基板１０１と反対側）のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓまで組成が傾斜した構造であり、ＩｎＰ基板１０１の格子定数にほぼ一致するように結晶成長を行った（格子整合）。その組成傾斜光吸収層１０３の厚さは、１．７μｍである。格子整合により、該組成傾斜光吸収層１０３は歪みによる結晶欠陥が無い、良好な結晶性を保有することができた。

組成傾斜光吸収層１０３は、上述したように、ＩｎＰ基板１０１側のＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ(禁制帯幅１．４９ｅＶ)から表面側のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ（禁制帯幅０．７７ｅＶ）までの組成傾斜構造で形成されており、その伝導帯及び過電子帯エネルギー差はそれぞれ０．５ｅＶ、０．２ｅＶとなる（図３参照）。該組成傾斜光吸収層１０３の厚さが１．７μｍの場合、該バンド構造は電子に対して３．０ｋＶ／ｃｍ、正孔に対して１．２ｋＶ／ｃｍの電界を与えることになる。即ち、光吸収により発生した電子及び正孔は、外部電界無しに、電極方向へのドリフトエネルギーを得ることができる。

入射信号光の波長を１．１μmと仮定すると、組成傾斜光吸収層１０３の領域において、受光可能な領域は、その禁制帯幅からの計算では表面側１μｍ程度となるが、バンドテールを考慮すると１．２μｍ程度の領域で受光可能となる。この１．２μｍの実効的な組成傾斜光吸収層１０３の厚さにより、入射信号光の７０％程度を受光できる。上述のように、組成傾斜光吸収層１０３には外部電界に加え、組成傾斜による内部電界も印加されており、実効受光領域で発生した電子・正孔対は、効率よく各電極に捕集される。一方、組成傾斜光吸収層１０３の厚さ１．７μｍ全体は空乏化されているため素子容量は小さく、ＣＲ時定数制限を２５ＧＨｚ以上に設計することができる。さらに、裏面入射構造であるため、表面電極による受光面積の制限は無くなり、外部量子効率のさらなる改善が可能となった。

一方、電極はＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓキャップ層上に形成した。これは、Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ上にショットキー型電極を形成した場合、電子側のショットキー障壁が〜０．２ｅＶ程度と小さく、暗電流による素子特性劣化が懸念されるため、ＩｎＡｌＡｓキャップ層上にショットキー電極を形成した。この場合、電子及び正孔に対する該障壁はそれぞれ０．８ｅＶ、０．７ｅＶとなり、暗電流抑制には十分な高さを得ることができた。

しかしながら、ＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９と、表面側の組成傾斜光吸収層１０３の間には、伝導帯及び過電子帯エネルギー差がそれぞれ０．５ｅＶ、０．２ｅＶ存在し、電子及び正孔のパイルアップによる高速応答性の低下が懸念された。そこで、ＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９と組成傾斜光吸収層１０３の間に、組成傾斜パイルアップ防止層１０８を挿入している。

以上説明したように、この第３の実施の形態によれば、電極に印加される外部電界に加えて、組成傾斜光吸収層１０３の内部電界により、受光により発生した電子及び正孔に電界エネルギーを与えることができる。これにより、電子及び正孔の走行速度を増大させ、走行時間を短縮することができる。また、このことは、従来の課題で説明した、光吸収層内の無電位領域を無くすことを意味しており、光吸収層で生成された電子・正孔対を効率よく各電極に捕集することができる。これにより、電子及び正孔の走行時間の短縮に加え、外部量子効率を大幅に改善することができた。また、ＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９上にショットキー電極を形成することにより、暗電流耐性を増大させ、また、組成傾斜光吸収層１０３からＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９への不連続エネルギーを組成傾斜層（パイルアップ防止層１０８）で接続することにより、素子の高速応答性を確保した。この素子構造により、暗電流が低く、且つ、帯域２０ＧＨｚ、外部量子効率７５％の素子特性を得ることができることになる。

（第４の実施の形態）
まず、本発明によるＭＳＭ型受光素子の第４の実施の形態を説明する。図１０はＭＳＭ型受光素子の構造を示す図である。また、図１１はキャップ層から光吸収層までのバンド構造を示す図である。図１０に示すＭＳＭ型受光素子の構造は、半絶縁性ＩｎＰ基板１０１上にノンドープのＩｎＰバッファ層１０２、ノンドープのＩｎＡｌＧａＡｓ組成階段状光吸収層１０６、ＩｎＡｌＧａＡｓ階段型パイルアップ抑制層１１０、ＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて順次積層し、更に、該ＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９の表面に、Ｎｉ／Ａｕ（２０ｎｍ／５００ｎｍ）からなるショットキー型陰電極１０４、とＴｉ／Ａｕ（３０ｎｍ／５００ｎｍ）からなるショットキー型陽電極１０５を蒸着法にて積層したものである。ここで、該ショットキー型陰陰電極１０４、と該ショットキー型陰陽電極１０５電極は、それぞれ交互に配置した櫛形形状で形成した場合について示している。なお、上述のようにＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて積層した場合を示したが、これに限定されることはなく、分子線エピタキシー成長（ＭＢＥ）法等、他の結晶成長方法を用いてもよい。

図１１に示すように、上記組成階段状光吸収層１０６は、基板ＩｎＰ基板１０１上にノンドープのＩｎＰバッファ層１０２、ノンドープのＩｎＡｌＧａＡｓ組成階段状光吸収層１０６側のＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓから表面側のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓまで組成が階段状に変化した構造であり、階段状に形成された各ステップの組成は、ＩｎＰ基板１０１の格子定数に対して０．５％以内の引っ張り歪みを付加している。その組成階段状光吸収層の厚さは１．７μｍとしたが、該歪み量を臨界膜厚内に制御することにより、歪みによる結晶欠陥が無い、良好な結晶性を保有することができた。

組成階段状光吸収層１０６は、上述したように、ＩｎＰ基板１０１側のＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓ(禁制帯幅１．４９ｅＶ）から表面側のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ（禁制帯幅０．７７ｅＶ）までの組成が階段状に形成されており、その伝導帯及び過電子帯エネルギー差はそれぞれ０．５ｅＶ、０．２ｅＶとなる。組成階段状構造においては、電子及び正孔は各ステップの厚さが20nm程度の場合は、平均エネルギーで禁制帯幅を感じるので、擬似的に組成傾斜と見なすことができる。該組成階段状光吸収層１０６の厚さは１．７μｍであるから、該バンド構造は電子に対して３．０ｋＶ／ｃｍ、正孔に対して１．２ｋＶ／ｃｍの電界を与えることになる。即ち、光吸収により発生した電子及び正孔は、外部電界無しに、電極方向へのドリフトエネルギーを得ることができる。

入射信号光の波長を１．１μｍと仮定すると、組成傾斜光吸収層１０３の領域において、受光可能な領域は、その禁制帯幅からの計算では表面側１μｍ程度となるが、バンドテールを考慮すると１．２μｍ程度の領域で受光可能となる。この１．２μｍの実効的な組成階段状光吸収層１０６の厚さにより、入射信号光の７０％程度を受光できる。上述のように、組成階段状光吸収層１０６には外部電界に加え、組成傾斜による内部電界も印加されており、実効受光領域で発生した電子・正孔対は、効率よく各電極に捕集される。一方、組成階段状光吸収層１０６の厚さ１．７μｍ全体は空乏化されているため素子容量は小さく、ＣＲ時定数制限を２５ＧＨｚ以上に設計することができる。さらに、裏面入射構造であるため、表面電極による受光面積の制限は無くなり、外部量子効率のさらなる改善が可能となった。

一方、電極はＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓキャップ層１０９上に形成した。これは、Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ上にショットキー型電極を形成した場合、電子側のショットキー障壁が〜０．２ｅＶ程度と小さく、暗電流による素子特性劣化が懸念されるため、ＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９上にショットキー電極を形成した。この場合、電子及び正孔に対する該障壁はそれぞれ０．８ｅＶ、０．７ｅＶとなり、暗電流抑制には十分な高さを得ることができた。

しかしながら、ＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９と、表面側の組成傾斜光吸収層の間には、伝導帯及び過電子帯エネルギー差がそれぞれ０．５ｅＶ、０．２ｅＶ存在し、電子及び正孔のパイルアップによる高速応答性の低下が懸念された。そこで、ＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９と組成傾斜光吸収層１０３の間に、組成階段状のパイルアップ防止層１１０を挿入している。

以上説明したように、この第４の実施の形態によれば、電極に印加される外部電界に加えて、組成階段状光吸収層１０６の内部電界により、受光により発生した電子及び正孔に電界エネルギーを与えることができる。これにより、電子及び正孔の走行速度を増大させ、走行時間を短縮することができる。また、このことは、従来の課題で説明した、組成階段状光吸収層１０６内の無電位領域を無くすことを意味しており、組成階段状光吸収層１０６で生成された電子・正孔対を効率よく各電極に捕集することができる。これにより、電子及び正孔の走行時間の短縮に加え、外部量子効率を大幅に改善することができた。また、ＩｎＡｌＡｓキャップ層１０９上にショットキー電極を形成することにより、暗電流耐性を増大させ、また、組成階段状光吸収層１０６からキャップ層１０９への不連続エネルギーを組成階段層（パイルアップ防止層１１０）で接続することにより、素子の高速応答性を確保した。この素子構造により、暗電流が低く、且つ、帯域２２ＧＨｚ、外部量子効率７５％の素子特性を得ることができた。

以上、本発明の第１〜第４の実施の形態の説明を行った。しかし、本発明は、これら実施形態に具体的に示した構成、方法に限定されるものではなく、発明の趣旨に沿うものであれば種々のバリエーションが考えられる。例えば、前述の実施例においては、光吸収層の組成としてＩｎＡｌＧａＡｓを用いたが、本発明は、これらに限られず、ＩｎＰ基板にほぼ格子整合するＡｌＧａＰＳｂ材料を用いても、ＩｎＧａＡｓＰ材料を用いても、同様の構成をなすことが可能である。また、ＧａＡｓ基板に対してＡｌＧａＡｓ材料、ＧａＳｂ基板に対してＡｌＧａＡｓＳｂ材料等が適用できる。さらには、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等を用いて青色または紫外線用光源用のＭＳＭ型受光素子を構成することができる。

従来のＭＳＭ型受光素子の断面図である。従来の表面入射型ＭＳＭ受光素子の光吸収層における電位分布等と示す図である。従来の波長１〜１．７μｍ帯ＭＳＭ型受光素子の課題を説明するための図である。本発明の第１の実施の形態におけるＭＳＭ型受光素子の構成を示す概略的な断面図である。本発明の第１の実施の形態におけるＭＳＭ型受光素子の光吸収層のバンド構造である。本発明の第２の実施の形態におけるＭＳＭ型受光素子の構成を示す概略的な断面図である。本発明の第２の実施の形態におけるＭＳＭ型受光素子の光吸収層のバンド構造である。本発明の第３の実施の形態におけるＭＳＭ型受光素子の構成を示す概略的な断面図である。本発明の第３の実施の形態におけるＭＳＭ型受光素子のキャップ層から光吸収層までのバンド構造である。本発明の第４の実施の形態におけるＭＳＭ型受光素子の構成を示す概略的な断面図である。本発明の第４の実施の形態におけるＭＳＭ型受光素子のキャップ層から光吸収層までのバンド構造である。

符号の説明

１ショットキー型陰電極
２ショットキー型陽電極
３半絶縁性ＧａＡｓ基板
４ＧａＡｓ光吸収層
５表面入射光
６裏面入射光
７ＩｎＧａＡｓ光吸収層
８ＩｎＡｌＡｓキャップ層
１０１半絶縁性ＩｎＰ基板
１０２ＩｎＰバッファ層
１０３ＩｎＡｌＧａＡｓ組成傾斜光吸収層
１０４Ｎｉ／Ａｕショットキー型陰電極
１０５Ｔｉ／Ａｕショットキー型陽電極
１０６ＩｎＡｌＧａＡｓ組成階段状光吸収層
１０７Ｔｉ／Ａｕオーミック型陽電極
１０８組成傾斜パイルアップ防止層
１０９ＩｎＡｌＡｓキャップ層
１１０組成階段状パイルアップ防止層

Claims

半導体基板上に光を吸収して電子正孔対を生成する光吸収層と、少なくとも１つのショットキー電極と、を有する半導体−金属−半導体（metal-semiconductor-metal：ＭＳＭ）型受光素子において、
前記光吸収層が、組成傾斜層により構成されており、かつ、半導体基板にほぼ格子整合するＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）又は、Ａｌ_ｖＧａ_１−ｖＰ_ｗＳｂ_１−ｗ（０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１）半導体で構成されていることを特徴とするＭＳＭ型受光素子。
半導体基板上に光を吸収して電子正孔対を生成する光吸収層と、少なくとも１つのショットキー電極と、を有する半導体−金属−半導体（metal-semiconductor-metal：ＭＳＭ）型受光素子において、
前記光吸収層が、組成傾斜層により構成されており、かつ、半導体基板の格子定数に対し、０．５％以下の引っ張り歪みが付加されていることを特徴とするＭＳＭ型受光素子。
半導体基板上に光を吸収して電子正孔対を生成する光吸収層と、少なくとも１つのショットキー電極と、を有する半導体−金属−半導体（metal-semiconductor-metal：ＭＳＭ）型受光素子において、
前記光吸収層が、組成が階段状に変化した層により構成されていることを特徴とするＭＳＭ型受光素子。
請求項３に記載のＭＳＭ型受光素子において、
前記光吸収層が、半導体基板にほぼ格子整合するＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）又は、Ａｌ_ｖＧａ_１−ｖＰ_ｗＳｂ_１−ｗ（０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１）半導体で構成されていることを特徴とするＭＳＭ型受光素子。
請求項３に記載のＭＳＭ型受光素子において、
前記光吸収層が、半導体基板の格子定数に対し、０．５％以下の引っ張り歪みが付加されていることを特徴とするＭＳＭ型受光素子。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のＭＳＭ型受光素子において、
前記光吸収層と前記ショットキー電極との間に、ＩｎＡｌＡｓキャップ層が挿入されていることを特徴とするＭＳＭ型受光素子。
請求項６に記載のＭＳＭ型受光素子において、
前記光吸収層と前記ＩｎＡｌＡｓキャップ層との間が、組成傾斜層により接続されていることを特徴とするＭＳＭ型受光素子。
請求項６に記載のＭＳＭ型受光素子において、
前記光吸収層と前記ＩｎＡｌＡｓキャップ層との間が、組成が階段状に変化した層により接続されていることを特徴とするＭＳＭ型受光素子。
請求項７又は請求項８に記載のＭＳＭ型受光素子において、
前記半導体基板側から信号光が入射される、いわゆる裏面入射型構造であることを特徴とするＭＳＭ型受光素子。