JP2012049235A - フォトダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】電子走行層および光吸収層の薄層化をすることなく、３ｄＢ帯域周波数が向上できるようにする。
【解決手段】基板１０１の上に形成されたｎ型の半導体からなるｎ型コンタクト層（第１半導体層）１０２と、基板１０１の上に形成された半導体からなる電子走行層１０３と、基板１０１の上に形成された半導体からなる光吸収層１０４と、基板１０１の上に形成されたｐ型の半導体からなるｐ型コンタクト層（第２半導体層）１０５と、ｎ型コンタクト層１０２に形成された第１電極１０６およびｐ型コンタクト層１０５に形成された第２電極１０７とを少なくとも備える。ｐ型コンタクト層１０５の電子伝導帯端は、光吸収層１０４の電子伝導帯端より高いエネルギー状態とされ、ｐ型コンタクト層１０５の価電子帯端は、光吸収層１０４の価電子帯端より高いエネルギー状態とされている。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、光通信用などに用いることができるフォトダイオードに関するものである。

フォトダイオードは、長波長帯（１．３μｍ帯〜１．５μｍ帯）の光通信システムに、レシーバ装置の受光デバイスとして広く使用されている。光通信システムでは、伝送容量の増大により動作速度の高速化が要求されており、高速動作が可能な化合物半導体によるフォトダイオードが主に用いられている。このようなフォトダイオードの中で、電子走行層を設けてキャリアの発生と走行とを分離し、応答速度および出力特性を向上させたフォトダイオード（単一走行キャリアフォトダイオード：ＵＴＣ−ＰＤ）がある（特許文献１，非特許文献１参照）。

この単一走行キャリアフォトダイオードは、図３Ａに示すように、半絶縁性の基板３０１の上に形成されたｎ型の半導体からなるｎ型コンタクト層３０２と、ｎ型コンタクト層３０２の上に形成された半導体からなる電子走行層３０３と、電子走行層３０３の上に形成された半導体からなる光吸収層３０４と、光吸収層３０４の上に形成されたｐ型の半導体からなるｐ型コンタクト層３０５と、ｎ型コンタクト層３０２に形成された第１電極３０６およびｐ型コンタクト層３０５に形成された第２電極３０７とを少なくとも備える。

ｎ型コンタクト層３０２，電子走行層３０３，光吸収層３０４，ｐ型コンタクト層３０５は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により形成されている。また、ｎ型コンタクト層３０２には、高濃度にｎ型不純物がドーピングされ、ｐ型コンタクト層３０５には、高濃度にｐ型不純物がドーピングされている。この単一走行キャリアフォトダイオードのバンドラインナップは、図３Ｂに示す構成となる。

ｎ型コンタクト層３０２、電子走行層３０３、ｐ型コンタクト層３０５のバンドギャップは検出対象である光信号（例えば波長：１．５５μｍ）のフォトンエネルギーと比較して大きいものとされている。従って、光信号が入射すると、電子・ホール対は光吸収層３０４で励起されるが、上述した他の層では励起されない。

光吸収層３０４はｐ型となるようにドーピングされているため、光励起されたホールは速やかに誘電緩和してフォトカレントに寄与せず、光励起される電子が、フォトカレントに寄与する。ホールと比較して電子の有効質量が小さく、従って優れた輸送特性が実現されることから、電子のみを走行キャリアとする単一走行キャリアフォトダイオードは優れた応答特性を示す。なお、この応答特性は、３ｄＢ帯域周波数ｆ３ｄＢによって与えられる。

上述した単一走行キャリアフォトダイオードの３ｄＢ帯域は、電子の走行とダイオードのＣＲ時定数により制限される。ＣＲ時定数の効果を除いた上記フォトダイオードの高周波特性Ｒ（ω）は、文献１に基づき角速度ωの関数として、以下の式（１）で表される（非特許文献１参照）。

なお、式（１）において、τ_e,a3は、厚さＷａ３とした光吸収層３０４中の電子の走行時間を示し、τ_e,c3は、厚さＷｃ３とした電子走行層３０３中の電子の走行時間を示している。

例えば、半絶縁性ＩｎＰ基板の上に、ＩｎＰからなるｎ型コンタクト層、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰからなる層厚２３０ｎｍの電子走行層、ｐ型にドーピングされたＩｎＧａＡｓからなる層厚３０ｎｍの光吸収層を備える単一走行キャリアフォトダイオードが、優れた３ｄＢ帯域を達成したことが発表されている（非特許文献２参照）。

特開平９−２７５２２４号公報

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ところで、Ｒ（ω）には各層の走行時間が寄与するので、３ｄＢ帯域向上には各層の薄層化（Ｗａ３、Ｗｃ３の低減）が必要となる。しかしながら、光吸収層の薄層化（Ｗａ３の低減）は、受光感度の低下を招き、実用上充分な受光感度が確保できなくなるという問題を生じさせる。また、電子走行層の薄層化（Ｗｃ３の低減）は、フォトダイオードの容量増加、ひいてはＣＲ時定数の影響増大という問題を生じさせる。

以上のように、前述した単一走行キャリアフォトダイオードでは、電子走行層と光吸収層いずれについても薄層化によるｆ３ｄＢ増加が困難であるという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、電子走行層および光吸収層の薄層化をすることなく、３ｄＢ帯域周波数が向上できるようにすることを目的とする。

本発明に係るフォトダイオードは、基板の上に形成されたｎ型の半導体からなる第１半導体層と、基板の上に形成された半導体からなる電子走行層と、基板の上に形成された半導体からなる光吸収層と、基板の上に形成されたｐ型の半導体からなる第２半導体層と、第１半導体層に形成された第１電極および第２半導体層に形成された第２電極とを少なくとも備え、第１半導体層，電子走行層，光吸収層，および第２半導体層は、これらの順に積層され、光吸収層は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層，電子走行層、および第２半導体層は、光吸収層を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、第１半導体層および第２半導体層は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、電子走行層および光吸収層は、第１半導体層および第２半導体層よりも不純物濃度が低い状態とされ、第２半導体層の電子伝導帯端は、光吸収層の電子伝導帯端より高いエネルギー状態とされ、第２半導体層の価電子帯端は、光吸収層の価電子帯端より高いエネルギー状態とされている。

上記フォトダイオードにおいて、光吸収層は、電子走行層および第２半導体層の少なくとも一方とは格子定数が異なる半導体から構成されて歪みを有するようにしてもよい。例えば、光吸収層は、電子走行層および第２半導体層の少なくとも一方より格子定数が小さい半導体から構成されて歪みを有するものとすればよい。

以上説明したように、本発明によれば、第２半導体層の電子伝導帯端は、光吸収層の電子伝導帯端より高いエネルギー状態とされ、第２半導体層の価電子帯端は、光吸収層の価電子帯端より高いエネルギー状態とされているようにしたので、電子走行層および光吸収層の薄層化をすることなく、３ｄＢ帯域周波数が向上できるようになるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるフォトダイオードの構成を示す構成図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１におけるフォトダイオードのバンドラインナップを示すバンド図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態２におけるフォトダイオードの構成を示す構成図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態２におけるフォトダイオードのバンドラインナップを示すバンド図である。 図３Ａは、電子走行層を備えるフォトダイオードの構成を示す構成図である。 図３Ｂは、電子走行層を備えるフォトダイオードのバンドラインナップを示すバンド図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１におけるフォトダイオードの構成を示す構成図である。図１Ａでは、フォトダイオードの断面を模式的に示している。また、図１Ｂは、本実施の形態１におけるフォトダイオードのバンドラインナップを示すバンド図である。

このフォトダイオードは、基板１０１の上に形成されたｎ型の半導体からなるｎ型コンタクト層（第１半導体層）１０２と、基板１０１の上に形成された半導体からなる電子走行層１０３と、基板１０１の上に形成された半導体からなる光吸収層１０４と、基板１０１の上に形成されたｐ型の半導体からなるｐ型コンタクト層（第２半導体層）１０５と、ｎ型コンタクト層１０２に形成された第１電極１０６およびｐ型コンタクト層１０５に形成された第２電極１０７とを少なくとも備える。

ここで、ｎ型コンタクト層１０２，電子走行層１０３，光吸収層１０４，およびｐ型コンタクト層１０５は、これらの順に積層されている。なお、本実施の形態１では、基板１０１の側より、ｎ型コンタクト層１０２，電子走行層１０３，光吸収層１０４，およびｐ型コンタクト層１０５の順に積層されている。また、光吸収層１０４は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、ｎ型コンタクト層１０２，電子走行層１０３、およびｐ型コンタクト層１０５は、光吸収層１０４を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成されている。

また、ｎ型コンタクト層１０２およびｐ型コンタクト層１０５は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、電子走行層１０３および光吸収層１０４は、ｎ型コンタクト層１０２およびｐ型コンタクト層１０５よりも不純物濃度が低い状態とされている。ｎ型コンタクト層１０２およびｐ型コンタクト層１０５は、例えば、ノンドープとされていればよい。

加えて、本実施の形態におけるフォトダイオードでは、ｐ型コンタクト層１０５の電子伝導帯端（伝導帯最下端）が、光吸収層１０４の電子伝導帯端より高いエネルギー状態とされ、ｐ型コンタクト層１０５の価電子帯端（価電子帯最上端）が、光吸収層１０４の価電子帯端より高いエネルギー状態とされている。

例えば、基板１０１は、半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板であればよい。また、ｎ型コンタクト層１０２は、高濃度にｎ型不純物がドーピングされたＩｎＰから構成されていればよい。また、電子走行層１０３は、ノンドープとされ、バンドギャップエネルギーが０．９ｅＶとされ、ＩｎＰ（基板１０１）に格子整合するＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。

また、光吸収層１０４は、ノンドープとされてＩｎＰ（基板１０１）に格子整合するＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。また、ｐ型コンタクト層１０５は、高濃度にｐ型不純物がドーピングされ、ＩｎＰ（基板１０１）に格子整合するＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ_0.51Ｓｂ_0.49から構成されていればよい。高濃度にｐ型不純物が導入されたＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ_0.51Ｓｂ_0.49が、良好な電気特性を示すことは非特許文献３に示されている。

なお、電子走行層１０３，光吸収層１０４，およびｐ型コンタクト層１０５は、所望とする形状にパターニングされ、一部のｎ型コンタクト層１０２は露出し、この露出領域に、第１電極１０６が形成されている。

次に、本実施の形態におけるフォトダイオードの製造方法について簡単に説明する。まず、半絶縁性のＩｎＰからなる基板１０１上に、ｎ型のＩｎＰ（ｎ型コンタクト層１０２）、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ（電子走行層１０３）、ノンドープのＩｎＧａＡｓ（光吸収層１０４）、および高濃度にｐ型不純物が導入されたＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ_0.51Ｓｂ_0.49（ｐ型コンタクト層１０５）をエピタキシャル成長により順次堆積する。これらは、よく知られたＭＯＶＰＥ法により形成（エピタキシャル成長）すればよい。また、ｎ型の層は、例えば、シリコンを不純物として用いればよい。また、ｐ型の層は、例えば、Ｚｎを不純物として用いればよい。

次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術（例えばウエットエッチング）によりパターニングして電子走行層１０３，光吸収層１０４，ｐ型コンタクト層１０５が積層したメサ構造を形成する。次いで、メサ構造の形成により露出したｎ型コンタクト層１０２の上に第１電極１０６を形成し、ｐ型コンタクト層１０５の上に第２電極１０７を形成する。第１電極１０６はチタン層／白金層／金層の３層構造、第２電極１０７は白金層／チタン層／白金層／金層の４層構造とし、各半導体層にオーミック接続していればよい。

上述した本実施の形態におけるフォトダイオードの、ｎ型コンタクト層１０２，電子走行層１０３，光吸収層１０４，ｐ型コンタクト層１０５，および第２電極１０７におけるバンドラインナップは、図１Ｂに示すようになる。図１Ｂは、逆バイアス電圧が印加された状態におけるバンドラインナップを示している。

ｐ型コンタクト層１０５の伝導帯端と光吸収層１０４との伝導帯端のエネルギー差ΔＥ_cは、０．３５ｅＶであり、ｐ型コンタクト層１０５側が高エネルギーに位置する（非特許文献４参照）。ｐ型コンタクト層１０５の価電子帯端と光吸収層１０４との価電子帯端のエネルギー差ΔＥ_vは０．２ｅＶであり、ｐ型コンタクト層１０５側が高エネルギーに位置する。さらに、ｐ型コンタクト層１０５のバンドギャップは０．９ｅＶであり、波長１．５５ｍの入射光（フォトンエネルギー０．８ｅＶ）に対して透明である。

本実施の形態におけるフォトダイオードでは、波長１．５５ｍの入射光に対して電子・ホール対が光吸収層１０４中のみに励起され、ｎ型コンタクト層１０２およびｐ型コンタクト層１０５中には励起されない。光の入射により光吸収層１０４中に励起された電子は、逆バイアス電圧および内在するビルトイン電圧の効果により発生するドリフト電界によって、光吸収層１０４→電子走行層１０３→ｎ型コンタクト層１０２と走行する。これに対し、励起された電子は、ΔＥ_cの作用によって、光吸収層１０４からｐ型コンタクト層１０５へと流入することはない。

一方、励起されたホールは、上記ドリフト電界により光吸収層１０４→ｐ型コンタクト層１０５と走行する。ここで、ｐ型コンタクト層１０５の価電子帯端が光吸収層１０４の価電子帯端と比較して低エネルギー位置にある場合（ΔＥ_v＜０）、光吸収層１０４中で発生したホールがｐ型コンタクト層１０５へ流入することを阻害するポテンシャルバリアが形成され、光吸収層１０４中にホールが蓄積し、このホール蓄積に伴う電界の緩和が生ずる。この電界の緩和という阻害効果は、入射光強度が強く、光吸収層１０４中に励起されるホール濃度が高いほど著しくなる。

これに対し、本実施の形態によれば、ｐ型コンタクト層１０５の価電子帯端を、光吸収層１０４の価電子帯端より高エネルギー位置にあるようにした。このため、ΔＥ_vは、入射光強度によらずｐ型コンタクト層１０５中に到達したホールが、再度光吸収層１０４へ逆流することを抑止する作用、すなわち、ホールを速やかにｐ型コンタクト層１０５へ走行させる作用を有する。このように、ｐ型コンタクト層１０５と光吸収層１０４と間のヘテロ接合をタイプＩＩとすることにより、光吸収層１０４中に励起された電子とホールについて理想的な輸送特性が実現できるようになる。

本実施の形態におけるフォトダイオードの応答は、光吸収層１０４の過渡応答（電子、ホールの輸送特性）、電子走行層１０３の過渡応答（電子の輸送特性）、およびフォトダイオードのＣＲ時定数の３つの要素により決定される。ノンドープとした光吸収層（層厚Ｗａ１）およびノンドープとした電子走行層１０３（層厚Ｗｃ１）からなる不純物を含まない層の全層厚（Ｗａ１＋Ｗｃ１）を、従来構造における不純物を含まない電子走行層の層厚（Ｗｃ３）と同じく２３０ｎｍとすることで、ＣＲ時定数の影響を従来構造と同じにできる。

以下、電子およびホールの輸送特性についてより詳細に説明する。光励起される電子の走行距離は、光吸収層１０４の層厚と電子走行層１０３の層厚との和に等しい。従って、電子の光吸収層１０４および電子走行層１０３中の速度をｖ_eで表すと、電子の走行時間τ_eは、各層からの寄与τ_e,a1、τ_e,c1の和となる以下の式（２）で表される。

また、光励起されるホールの走行距離は光吸収層１０４の層厚に等しいので、この速度をｖ_hで表すと、ホールの走行時間τ_hは、以下の式（３）で表される。

本実施の形態においては、電子速度については速度オーバーシュート効果によりｖ_e＝４×１０⁷ｃｍ／ｓと推定される。また、ホールについては、ｖ_h＝５×１０⁶ｃｍ／ｓと推定される。不純物を含まない層の全層厚（Ｗａ１＋Ｗｃ１）が、従来の形態（Ｗｃ３）と同じく２３０ｎｍであるので、Ｗａ１を２９ｎｍ以下とすることで、τ_eよりも短いτ_hを実現できる。従って、本実施の形態によれば、ホールの速度が電子の速度と比較して低いことによる３ｄＢ帯域上の問題を回避することが可能となる。

ここで、理論上は、Ｗａ１＝０、Ｗｃ１＝Ｗｃ３という極限の状態（形態）が考えられる。この場合、電子・ホール対は、電子走行層とｐ型コンタクト層との界面で生成され、ホールは直ちに誘電緩和するため究極的な３ｄＢ帯域が実現可能となる。しかしながら、電子・ホール対の生成は、電子走行層とｐ型コンタクト層との界面付近に限定されるので、実用上有意な感度の実現は困難である。

電子走行の観点から、本実施の形態のフォトダイオードを従来構造と比較すると、本実施の形態では、ｐ型の吸収層の層厚（Ｗａ３）を０とした構造に相当する。従って、本実施の形態においては、従来構造におけるｐ型吸収層の走行時間分だけ、キャリア走行時間が短縮されるようになり、従来と比較してより応答速度の高いフォトダイオードが実現できるようになる。このように、本実施の形態によれば、電子走行層および光吸収層の薄層化をすることなく、３ｄＢ帯域周波数が向上できるようになる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図２Ａは、本発明の実施の形態２におけるフォトダイオードの構成を示す構成図である。図２Ａでは、フォトダイオードの断面を模式的に示している。また、図２Ｂは、本実施の形態２におけるフォトダイオードのバンドラインナップを示すバンド図である。

このフォトダイオードは、基板２０１の上に形成されたｎ型の半導体からなるｎ型コンタクト層（第１半導体層）２０２と、基板２０１の上に形成された半導体からなる電子走行層２０３と、基板２０１の上に形成された半導体からなる光吸収層２０４と、基板２０１の上に形成されたｐ型の半導体からなるｐ型コンタクト層（第２半導体層）２０５と、ｎ型コンタクト層２０２に形成された第１電極２０６およびｐ型コンタクト層２０５に形成された第２電極２０７とを少なくとも備える。

ここで、ｎ型コンタクト層２０２，電子走行層２０３，光吸収層２０４，およびｐ型コンタクト層２０５は、これらの順に積層されている。また、光吸収層２０４は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、ｎ型コンタクト層２０２，電子走行層２０３、およびｐ型コンタクト層２０５は、光吸収層２０４を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成されている。

また、ｎ型コンタクト層２０２およびｐ型コンタクト層２０５は、不純物を導入することで各々の導電型とされ、電子走行層２０３および光吸収層２０４は、ｎ型コンタクト層２０２およびｐ型コンタクト層２０５よりも不純物濃度が低い状態とされている。ｎ型コンタクト層２０２およびｐ型コンタクト層２０５は、例えば、ノンドープとされていればよい。

また、本実施の形態におけるフォトダイオードにおいても、前述した実施の形態１と同様に、ｐ型コンタクト層２０５の電子伝導帯端は、光吸収層２０４の電子伝導帯端より高いエネルギー状態とされ、ｐ型コンタクト層２０５の価電子帯端は、光吸収層２０４の価電子帯端より高いエネルギー状態とされている。加えて、本実施の形態におけるフォトダイオードでは、光吸収層２０４は、電子走行層２０３およびｐ型コンタクト層２０５の少なくとも一方とは格子定数が異なる半導体から構成されて歪みを有するものとした。光吸収層２０４以外の各層は、基板２０１に対してエピタキシャルに成長させることで形成している場合、光吸収層２０４の格子定数を、基板２０１の格子定数とは異なる状態とすればよい。例えば、光吸収層２０４は、電子走行層２０３およびｐ型コンタクト層２０５の少なくとも一方より格子定数が小さい半導体から構成されて歪みを有するものであればよい。

例えば、基板２０１は、半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板であればよい。また、ｎ型コンタクト層２０２は、高濃度にｎ型不純物がドーピングされたＩｎＰから構成されていればよい。また、電子走行層２０３は、ノンドープとされ、バンドギャップエネルギーが０．９ｅＶとされ、ＩｎＰ（基板２０１）に格子整合するＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。

また、光吸収層２０４は、ノンドープとされてＩｎＰ（基板２０１）とは格子整合しない（格子不整合な）ＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。例えば、光吸収層２０４は、Ｉｎ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓから構成すればよい。また、ｐ型コンタクト層２０５は、高濃度にｐ型不純物がドーピングされ、ＩｎＰ（基板２０１）に格子整合するＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ_0.51Ｓｂ_0.49から構成されていればよい。

なお、電子走行層２０３，光吸収層２０４，およびｐ型コンタクト層２０５は、所望とする形状にパターニングされ、一部のｎ型コンタクト層２０２は露出し、この露出領域に、第１電極２０６が形成されている。

次に、本実施の形態におけるフォトダイオードの製造方法について簡単に説明する。まず、半絶縁性のＩｎＰからなる基板２０１上に、ｎ型のＩｎＰ（ｎ型コンタクト層２０２）、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰ（電子走行層２０３）を、エピタキシャル成長により順次堆積する。引き続いて、ＩｎＰとは格子不整合なノンドープのＩｎ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓ（光吸収層２０４）を成長させ、次に、高濃度にｐ型不純物が導入されたＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ_0.51Ｓｂ_0.49（ｐ型コンタクト層２０５）を成長させる。これらは、よく知られたＭＯＶＰＥ法により形成すればよい。また、ｎ型の層は、例えば、シリコンを不純物として用いればよい。また、ｐ型の層は、例えば、Ｚｎを不純物として用いればよい。

次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術（例えばウエットエッチング）によりパターニングして電子走行層２０３，光吸収層２０４，ｐ型コンタクト層２０５が積層したメサ構造を形成する。次いで、メサ構造の形成により露出したｎ型コンタクト層２０２の上に第１電極２０６を形成し、ｐ型コンタクト層２０５の上に第２電極２０７を形成する。第１電極２０６はチタン層／白金層／金層の３層構造、第２電極２０７は白金層／チタン層／白金層／金層の４層構造とし、各半導体層にオーミック接続していればよい。

上述した本実施の形態におけるフォトダイオードの、ｎ型コンタクト層２０２，電子走行層２０３，光吸収層２０４，ｐ型コンタクト層２０５，および第２電極２０７におけるバンドラインナップは、図２Ｂに示すようになる。図２Ｂは、逆バイアス電圧が印加された状態におけるバンドラインナップを示している。

上述した本実施の形態２によれば、光吸収層２０４の格子定数が、基板２０１の格子定数とは異なる状態とされているので、バイアス電圧が印加されている動作時において、高強度の光が入力されても、ホールの走行速度低下が抑制できるようになる。

光吸収層２０４の格子定数を基板２０１とは異なる状態として光吸収層２０４が歪みを有する状態とすると、光吸収層２０４の価電子帯において、重いホールのバンド（ホールの走行方向の有効質量が大きいバンド、ヘビーホールバンド）と軽いホールのバンド（ホールの走行方向の有効質量が小さいバンド、ライトホールバンド）との間にエネルギー準位差が生じるようになり、これら２つのバンドが分離するようになる。

例えば、光吸収層２０４の格子定数を基板２０１より小さくして光吸収層２０４に伸張性の歪みを発生させると、光吸収層２０４の価電子帯が、図２Ｂに示すように、禁制帯側のライトホールバンド２０４ａと、これよりエネルギー準位の低いヘビーホールバンド２０４ｂとに分離する。

このように、価電子帯における２つのバンドを分離させることで、受光により光吸収層２０４で発生したホールの散乱後の状態密度が低下するために散乱頻度が低下し、ホールの移動度がより速くなる。

また、上述したように光吸収層２０４を基板２０１と比較して格子定数が小さな半導体材料により構成し、光吸収層２０４に伸張性の歪みを与えると、次に示すように、ホールの移動度をさらに向上させることができる。この場合、光吸収層２０４の価電子帯が、禁制帯側のライトホールバンド２０４ａと、これよりエネルギー準位の低いヘビーホールバンド２０４ｂとに分離する。

この状態では、光吸収層２０４のライトホールバンド２０４ａ、ヘビーホールバンド２０４ｂいずれに対しても、ｐ型コンタクト層２０５の伝導帯端は、高エネルギー側に位置する（ΔＥ_v＞０）。従って、光吸収層２０４中のホールは、ライトホールバンド２０４ａおよびヘビーホールバンド２０４ｂいずれに属するホールであれ、速やかにｐ型コンタクト層２０５中へ走行する。この結果、光励起されたホールの有効質量が、より小さくなり、光吸収層２０４中のホールの速度が向上する。電子走行層２０３の層厚Ｗｃ２と光吸収層２０４の層厚Ｗａ２の和を、前述した実施の形態１の構成と等しくした状態で、光吸収層２０４をより厚くすること（Ｗｃ２＋Ｗａ２＝Ｗｃ１＋Ｗａ１、Ｗａ２＞Ｗａ１）により、τ_e＝τ_hが成り立つ。τ_eの値は、実施の形態１と等しいので、本実施の形態２により、実施の形態１と同じ３ｄＢ帯域を有し、かつ実施の形態１と比較して厚い受光層（高い受光感度）を有するフォトダイオードが実現できる。

ここで、室温（３００Ｋ）に相当するエネルギーが、およそ２５ｍｅＶになる。このため、ライトホールバンドとヘビーホールバンドとのエネルギー準位の差が上記エネルギー値と同程度あるいはそれ以上にならないと、室温での動作においては、温度の揺らぎなどにより、エネルギー準位の異なる２つのバンドを形成したことにならない。従って、ライトホールバンドとヘビーホールバンドとのエネルギー準位の差が上記エネルギー値と同程度あるいはそれ以上となるように、光吸収層２０４に歪みが発生しているようにすることが重要となる。

本実施の形態２においては、基板２０１を半絶縁性ＩｎＰ基板とし、光吸収層２０４をＩｎ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓにより構成している。この場合、ライトホールバンド２０４ａとヘビーホールバンド２０４ｂとの間のエネルギー差を２５ｍｅＶとすることができ、室温（３００Ｋ）相当のエネルギー（２５ｍｅＶ）にほぼ等しくなる。このため、ホールのエネルギー分布の広がり（＝室温相当のエネルギー）に拘わらず、上記効果により有意なホールの有効質量の低下、ホール速度の向上が実現できる。

また、光吸収層２０４を、第１半導体層１０２に配置した第１光吸収層と、この上に形成した第２光吸収層とから構成し、第１光吸収層に歪みが発生しているようにするとよりよい。第１光吸収層が、基板に対して異なる格子定数の半導体から構成されていればよい。このようにすることで、光吸収層２０４として所望の層厚を維持した状態で、格子定数が異なって歪みを有している第１光吸収層の層厚を小さくすることができる。歪みを有している層厚を小さくすることで、転位などの発生がなく結晶性が維持される臨界膜厚の範囲で、格子定数の差をより大きくすることができ、より大きな歪みを導入することができる。歪みが大きいほどライトホールバンドとヘビーホールバンドとのエネルギー準位の差を大きくすることができ、ホールの移動度をさらに向上させることができる。なお、歪みの効果については、非特許文献５に示されている。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの組み合わせおよび変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、ｐ型コンタクト層（第２半導体層）を、高濃度にｐ型不純物が導入されたＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ_0.51Ｓｂ_0.49によって構成しているが、これに限るものではない。ｐ型コンタクト層は、価電子帯端（価電子帯最上端）が光吸収層の価電子帯端より高いエネルギー状態とされ、かつ、そのバンドギャップエネルギーが光吸収層を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する限りに於いて、任意の組成が可能である。例えば、ｐ型コンタクト層は、高濃度にｐ型不純物が導入されてＩｎＰ基板に格子整合するＡｌとＧａの組成比が異なる４元混晶、例えばＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ_0.51Ｓｂ_0.49から構成してもよい。さらに、ｐ型コンタクト層の厚さを臨界膜厚以下とする限りにおいて、ＩｎＰ基板に格子整合しない組成であってもよい。

また、例えば、上述した実施の形態では、光吸収層にｐ型コンタクト層（第２半導体層）を接して形成したが、これに限るものではない。例えば、ｐ型コンタクト層と同じ材料でノンドープとした半導体からなる中間層を、光吸収層とｐ型コンタクト層との間に配置してもよい。上述した実施の形態では、光吸収層からｐ型コンタクト層にかけて、材料が急峻な状態で変化し、加えて、不純物導入の状態も急峻な状態で変化している。これに対し、上記中間層を用いることで、不純物分布の状態がよりなだらかな状態となる。

また、上述した実施の形態では、光吸収層に電子走行層を接して形成したが、これに限るものではない。本発明は、ノンドープの半導体から光吸収層を構成し、光吸収層とｐ型コンタクト層をタイプＩＩのヘテロ接合により構成することにある。従って、例えば、電子走行層と同じ半導体から構成されてｎ型とされた半導体層（電界制御層）を、光吸収層とｐ型コンタクト層との間に配置し、光吸収層中の電界強度を高める構成としてもよい。例えば、ｎ型不純物を層状にドーピングした電界制御層を用いればよい。このような電界制御層を用いることで、バイアス電圧が印加されている動作時において、電子走行層の電界強度を低くすることができ、動作に必要なバイアス電圧を低くすることが可能となる。

電界制御層を持たない場合、光吸収層から電子走行層にかけて変化のない一定な電界強度分布を持つ状態となる。これに対し、電界制御層を備えることで、光吸収層の電界強度に対して電子走行層の電界強度を低くすることができる。例えば、電界制御層のドナー電荷により、電子走行層の電界強度が低くなる。

光吸収層内は、光吸収により発生した電子とホールの両者が走行するのに対し、電子走行層内では、電子のみが走行するので、電界強度を高くする必要ない。例えば、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰより構成されている電子走行層では、電子移動度が高く、約５ｋＶ／ｃｍ以上あれば、電子は飽和速度域に達する。従って、電子走行層の電界強度が５ｋＶ／ｃｍ以上あれば、この値に関わらず、フォトダイオードの動作帯域は一定に保たれる。

また、電子走行層の電界強度は低いので、光吸収層の厚さを多少薄くし、この分の電圧降下を電子走行層に振り分けることにより、広い空乏層厚を確保することができる。電界制御層を設けることで電子走行層の電界強度が低くなり、これにより、電界制御層を持たない場合に比較して必要なバイアス電圧を下げることができる。言い換えると、電界制御層を用いることで、一定のバイアス電圧に対して空乏層を広く保つことができる。この結果、フォトダイオードにおける接合容量を低減することが可能となる。このように、電界制御層を用いることで、フォトダイオードをより低いバイアス電圧で動作させても、より高い感度が得られるようになる（非特許文献６参照）。

また、光吸収層と電子走行層と間には、電子に対するポテンシャル障壁が存在する。電子の有効質量が小さく従って速度オーバーシュート効果により光吸収層中で充分高いエネルギーを獲得するために、上記ポテンシャル障壁が電子の走行を著しく阻害することはない。ただし、例えば、光吸収層と電子走行層との間に、両者の中間のバンドギャップエネルギーを有する薄層を挿入することで、上記ポテンシャル障壁の影響を緩和することが可能である。

また、上述した実施の形態では、ｐ型不純物をドープした層により構成されるｐ型コンタクト層を用いるようにしたが、これに限るものではない。例えば、ノンドープの半導体層に対して局所的にｐ型不純物（例えばＺｎ）を表面から拡散させることにより、ｐ型コンタクト層を形成するようにしてもよい。また、上述した実施の形態では、基板の上に、ｎ型コンタクト層，電子走行層，光吸収層，ｐ型コンタクト層を積層したが、これに限るものではない。上述した実施の形態とは上下逆に、基板の上に、ｐ型コンタクト層，光吸収層，電子走行層，およびｎ型コンタクト層が積層されるようにしてもよい。

以上に説明した本発明によれば、光吸収層とｐ型コンタクト層間のバンドラインナップをタイプＩＩのヘテロ接合とし、光吸収層中に励起される電子のｐ型コンタクト層への流入を抑止し、励起されるホールが速やかにｐ型コンタクト層へ引き抜かれるようにした。この結果、本発明によれば、光吸収層厚と電子走行層厚の比を最適化し、電子とホールの走行時間を等しくすることで、長波長帯超高速フォトダイオードの帯域を拡大させることができる。

また、上述した構成に加え、光吸収層に歪みが加わった状態とし、光吸収層における価電子帯最上端におけるホールのバンドをヘビーホールとライトホールに分離すれば、ホールの走行速度を増加させることができるようになる。これにより、より厚い光吸収層としても、ホールの走行時間を電子走行時間と等しくすることができるので、受光感度を向上させることが可能となる。

１０１…基板、１０２…ｎ型コンタクト層（第１半導体層）、１０３…電子走行層、１０４…光吸収層、１０５…ｐ型コンタクト層（第２半導体層）、１０６…第１電極、１０７…第２電極。

Claims (3)

1. 基板の上に形成されたｎ型の半導体からなる第１半導体層と、
   前記基板の上に形成された半導体からなる電子走行層と、
   前記基板の上に形成された半導体からなる光吸収層と、
   前記基板の上に形成されたｐ型の半導体からなる第２半導体層と、
   前記第１半導体層に形成された第１電極および前記第２半導体層に形成された第２電極と
   を少なくとも備え、
   前記第１半導体層，前記電子走行層，前記光吸収層，および前記第２半導体層は、これらの順に積層され、
   前記光吸収層は、対象とする光の波長に対応するバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、
   前記第１半導体層，前記電子走行層、および前記第２半導体層は、前記光吸収層を構成する半導体より大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体から構成され、
   前記第１半導体層および前記第２半導体層は、不純物を導入することで各々の前記導電型とされ、
   前記電子走行層および前記光吸収層は、前記第１半導体層および前記第２半導体層よりも不純物濃度が低い状態とされ、
   前記第２半導体層の電子伝導帯端は、前記光吸収層の電子伝導帯端より高いエネルギー状態とされ、
   前記第２半導体層の価電子帯端は、前記光吸収層の価電子帯端より高いエネルギー状態とされている
   ことを特徴とするフォトダイオード。
2. 請求項１記載のフォトダイオードにおいて、
   前記光吸収層は、前記電子走行層および前記第２半導体層の少なくとも一方とは格子定数が異なる半導体から構成されて歪みを有する
   ことを特徴とするフォトダイオード。
3. 請求項２記載のフォトダイオードにおいて、
   前記光吸収層は、前記電子走行層および前記第２半導体層の少なくとも一方より格子定数が小さい半導体から構成されて歪みを有する
   ことを特徴とするフォトダイオード。

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