JP2024027667A

JP2024027667A - 半導体受光素子

Info

Publication number: JP2024027667A
Application number: JP2022130640A
Authority: JP
Inventors: 隆志加藤; Takashi Kato
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2022-08-18
Filing date: 2022-08-18
Publication date: 2024-03-01

Abstract

【課題】簡単に製造可能で、かつ暗電流を低減することが可能な半導体受光素子を提供する。【解決手段】第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層の上に設けられ、第１エネルギー障壁を形成する第１バリア層と、前記第１バリア層の上に設けられた第２半導体層と、を具備し、前記第１半導体層は第１導電型を有し、前記第２半導体層および前記第１バリア層は、前記第１導電型とは異なる第２導電型を有し、前記第１バリア層のドーピング濃度は前記第２半導体層のドーピング濃度よりも高い半導体受光素子。【選択図】図２

Description

本開示は半導体受光素子に関するものである。

半導体受光素子は、ガス分析などの分光システム、イメージングセンサなどに用いられる。半導体受光素子は、例えば波長が１μｍから３０μｍの赤外領域の光を受光して、電気信号を出力する。半導体受光素子の感度を高めるために、暗電流を低減することが求められる。超格子のバリア層を設けることで、キャリアの移動を抑制し、暗電流を低減する技術が開発されている（例えば非特許文献１）。

ＺｈａｏｂｉｎｇＴｉａｍｅｔ．ａｌ． "ＬｏｗＤａｒｋＣｕｒｒｅｎｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｒＬｏｎｇ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈＴｙｐｅ－ＩＩＳｔｒａｉｎｅｄＬａｙｅｒＳｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅＰｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ" Ｐｒｏｃ．ｏｆＳＰＩＥＶｏｌ．８７０４８７０４１５－１（２０１３）

しかし超格子層を結晶成長する工程は複雑である。良好な結晶性を有するバリア層を形成することは難しい。そこで、簡単に製造可能で、かつ暗電流を低減することが可能な半導体受光素子を提供することを目的とする。

本開示に係る半導体受光素子は、第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層の上に設けられ、第１エネルギー障壁を形成する第１バリア層と、前記第１バリア層の上に設けられた第２半導体層と、を具備し、前記第１半導体層は第１導電型を有し、前記第２半導体層および前記第１バリア層は、前記第１導電型とは異なる第２導電型を有し、前記第１バリア層のドーピング濃度は前記第２半導体層のドーピング濃度よりも高い。

本開示によれば、簡単に製造可能で、かつ暗電流を低減することが可能な半導体受光素子を提供することが可能である。

図１は第１実施形態に係る半導体受光素子を例示する断面図である。図２はエネルギーバンドを例示する図である。図３Ａはドーピング濃度とエネルギー障壁の高さとの関係を例示する図である。図３Ｂはドーピング濃度と暗電流密度との関係を例示する図である。図４は第２実施形態に係る半導体受光素子を例示する断面図である。図５はエネルギーバンドを例示する図である。図６は第３実施形態に係る半導体受光素子を例示する断面図である。図７はエネルギーバンドを例示する図である。図８は第４実施形態に係る半導体受光素子を例示する断面図である。図９はエネルギーバンドを例示する図である。図１０は暗電流密度を例示する図である。

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。

本開示の一形態は、（１）第１半導体層と、前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、前記光吸収層の上に設けられ、第１エネルギー障壁を形成する第１バリア層と、前記第１バリア層の上に設けられた第２半導体層と、を具備し、前記第１半導体層は第１導電型を有し、前記第２半導体層および前記第１バリア層は、前記第１導電型とは異なる第２導電型を有し、前記第１バリア層のドーピング濃度は前記第２半導体層のドーピング濃度よりも高い半導体受光素子である。第１バリア層が形成する第１エネルギー障壁が、第２半導体層から光吸収層へのキャリアの移動を抑制する。暗電流を低減することができる。高いドーピング濃度を有する第１バリア層は簡単に製造することができる。
（２）上記（１）において、前記第１バリア層のドーピング濃度は前記第２半導体層のドーピング濃度の１０倍以上でもよい。エネルギー障壁が高くなる。キャリアの移動を抑制し、暗電流を低減することができる。
（３）上記（１）または（２）において、前記第１バリア層と前記光吸収層との間に設けられた第３半導体層を具備し、前記第３半導体層は前記第２導電型を有し、前記第１バリア層のドーピング濃度は前記第３半導体層のドーピング濃度より高くてもよい。第３半導体層を設けることで、第１バリア層における自由キャリア吸収を抑制することができる。第１バリア層から光吸収層へのドーパントの拡散を抑制することができる。
（４）上記（１）または（２）において、前記第１バリア層は、前記光吸収層および前記第２半導体層に隣接してもよい。暗電流を効果的に抑制することができる。
（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、前記第１バリア層および前記第２半導体層はｐ型の導電型を有し、前記第１バリア層は伝導帯に前記第１エネルギー障壁を形成してもよい。第１エネルギー障壁は、第２半導体層で発生する電子の移動を妨げる。暗電流を効果的に抑制することができる。
（６）上記（１）から（５）のいずれかにおいて、前記第１半導体層と前記光吸収層との間に設けられ、第２エネルギー障壁を形成する第２バリア層を具備し、前記第２バリア層は前記第１導電型を有し、前記第２バリア層のドーピング濃度は前記第１半導体層のドーピング濃度よりも高くてもよい。第２バリア層がエネルギー障壁を形成する。エネルギー障壁が、第１半導体層から光吸収層へのキャリアの移動を抑制する。暗電流を低減することができる。高いドーピング濃度を有する第２バリア層は簡単に製造することができる。
（７）上記（６）において、前記第２バリア層のドーピング濃度は前記第１半導体層のドーピング濃度の１０倍以上でもよい。エネルギー障壁が高くなる。キャリアの移動を抑制し、暗電流を低減することができる。
（８）上記（６）または（７）において、前記第２バリア層と前記光吸収層との間に設けられた第４半導体層を具備し、前記第４半導体層は前記第１導電型を有し、前記第２バリア層のドーピング濃度は前記第４半導体層のドーピング濃度より高くてもよい。第４半導体層を設けることで、第２バリア層における自由キャリア吸収を抑制することができる。第２バリア層から光吸収層へのドーパントの拡散を抑制することができる。
（９）上記（６）または（７）において、前記第２バリア層は、前記光吸収層および前記第１半導体層に隣接してもよい。暗電流を効果的に抑制することができる。
（１０）上記（６）から（９）のいずれかにおいて、前記第１半導体層および前記第２バリア層はｎ型の導電型を有し、前記第２半導体層および前記第１バリア層はｐ型の導電型を有し、前記第２バリア層のｎ型ドーパントのドーピング濃度は前記第１半導体層のドーピング濃度よりも高く、前記第１バリア層のｐ型ドーパントのドーピング濃度は前記第２半導体層のドーピング濃度よりも高く、前記第１バリア層は伝導帯に前記第１エネルギー障壁を形成し、前記第２バリア層は価電子帯に前記第２エネルギー障壁を形成してもよい。第１半導体層および第２半導体層の両方からのキャリアの移動を抑制することで、暗電流を効果的に抑制することができる。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る半導体受光素子の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態に係る半導体受光素子１００を例示する断面図である。半導体受光素子１００は、基板１０、コンタクト層１２、半導体層１４（第１半導体層）、バリア層１６（第２バリア層）、半導体層１８（第４半導体層）、光吸収層２０、半導体層２２（第３半導体層）、バリア層２４（第１バリア層）、半導体層２６（第２半導体層）、コンタクト層２８を有する。

基板１０の上面にコンタクト層１２が設けられている。コンタクト層１２の上面のうち一部に電極３０が設けられている。コンタクト層１２の上面であって、電極３０から離間した位置に、半導体層１４が設けられている。

半導体層１４の上面にバリア層１６が設けられている。バリア層１６の上面に半導体層１８が設けられている。半導体層１８の上面に光吸収層２０が設けられている。光吸収層２０の上面に半導体層２２が設けられている。半導体層２２の上面にバリア層２４が設けられている。バリア層２４の上面に半導体層２６が設けられている。半導体層２６の上面にコンタクト層２８が設けられている。半導体層１４、バリア層１６、半導体層１８、光吸収層２０、半導体層２２、バリア層２４、半導体層２６、およびコンタクト層２８は、メサ２９を形成する。コンタクト層２８の上面に電極３２が設けられている。

半導体受光素子１００は、光を吸収し、電気信号を出力する。半導体受光素子１００に例えば－０．２Ｖの逆バイアス電圧を印加する。電極３０には正の電圧が入力される。電極３２には負の電圧が入力される。基板１０の裏面（コンタクト層１２が設けられた面とは反対の面）から、半導体受光素子１００に光が入射する。半導体受光素子１００のカットオフ波長は例えば１．７μｍである。光吸収層２０は、例えば赤外領域の光を吸収し、キャリア（電子正孔対）を発生させる。電子は光吸収層２０から半導体層１４に向けて流れる。ホール（正孔）は光吸収層２０から半導体層２６に向けて流れる。これにより電流が流れる。

半導体受光素子１００の感度を向上するためには、暗電流を低減することが重要である。熱励起したキャリアに起因して、暗電流が発生する。半導体層２６においては電子が発生する。電子は半導体層２６から半導体層１４に向けて流れる。半導体層１４においてはホールが発生する。ホールは半導体層１４から半導体層２６に向けて流れる。キャリアの移動によって、暗電流が発生する。

暗電流を低減するために、キャリアの移動を抑制すればよい。半導体受光素子１００のバリア層１６およびバリア層２４は、キャリアの移動を抑制する。

基板１０は例えば半絶縁性のインジウムリン（ＩｎＰ）で形成されている。コンタクト層１２は例えばｎ型（第１導電型）のインジウムリン（ｎ－ＩｎＰ）で形成されている。半導体層１４および半導体層１８は例えばｎ型のガリウムインジウム砒素（ｎ－ＧａＩｎＡｓ）で形成されている。半導体層１４の厚さは例えば０．１μｍ以上、１μｍ以下である。半導体層１８の厚さは例えば０．０１μｍ以上、０．２μｍ以下である。半導体層１４および半導体層１８のバンドギャップ波長は１．６μｍから０．９μｍである。

光吸収層２０は例えばノンドープのガリウムインジウム砒素（Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ、０．４５≦ｘ≦０．４９）で形成されている。光吸収層２０の厚さは例えば０．５μｍ以上、７μｍ以下である。光吸収層２０のバンドギャップは、半導体層１４、１８、２２および２６のバンドギャップよりも小さい。半導体層２２および半導体層２６は例えばｐ型（第２導電型）のＧａＩｎＡｓ（ｐ－ＧａＩｎＡｓ）で形成されている。半導体層２２の厚さは例えば０．０１μｍ以上、０．２μｍ以下である。半導体層２６の厚さは例えば０．１μｍ以上、１μｍ以下である。半導体層２２および半導体層２６のバンドギャップ波長は１．６μｍから０．９μｍである。コンタクト層２８は例えばｐ‐ＧａＩｎＡｓで形成されている。

バリア層１６は例えば（ｎ＋）－ＧａＩｎＡｓで形成されている。バリア層２４は例えば（ｐ＋）－ＧａＩｎＡｓで形成されている。バリア層１６およびバリア層２４の厚さは例えば０．０１μｍ以上、０．２μｍ以下である。バリア層１６および２４のバンドギャップは、例えば半導体層１４、１８、２２および２６のバンドギャップに等しい。半導体受光素子１００の各半導体層は上記以外の半導体で形成されてもよい。半導体層１４、１８、２２および２６、バリア層１６および２４は、例えばガリウムインジウムリン砒素（ＧａＩｎＰＡｓ）で形成されてもよいし、ＩｎＰで形成されてもよい。

半導体層１４および１８、ならびにバリア層１６はｎ型の導電型を有しており、ｎ型のドーパントとしてシリコン（Ｓｉ）、テルル（Ｔｅ）、およびスズ（Ｓｎ）などがドープされる。半導体層２２および２６、ならびにバリア層２４はｐ型の導電型を有しており、ｐ型のドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）およびベリリウム（Ｂｅ）などがドープされる。

半導体層１４、１８、２２および２６におけるドーピング濃度は、例えば１×１０^２３ｍ^－３以上、１×１０^２４ｍ^－３以下である。バリア層１６およびバリア層２４におけるドーピング濃度は、半導体層１４などのドーピング濃度よりも高く、例えば１×１０^２４ｍ^－３以上、１×１０^２６ｍ^－３以下である。バリア層１６およびバリア層２４のドーピング濃度を高くすることで、エネルギー障壁を形成する。エネルギー障壁によりキャリアの移動を抑制し、暗電流を低減させる。

図２はエネルギーバンドを例示する図である。半導体層１４から半導体層２６までのエネルギーを示している。図２中で、電子を黒丸で示し、ホールは白丸で示す。

図２に示すように、バリア層１６の価電子帯のホールに対するエネルギーは、半導体層１４および半導体層１８のエネルギーよりも高い。すなわち、バリア層１６は価電子帯にエネルギー障壁（第２エネルギー障壁）を形成する。半導体層１４の価電子帯のエネルギーを基準とした、バリア層１６のエネルギー障壁の高さをΔＥｖとする。バリア層２４の伝導帯の電子に対するエネルギーは、半導体層２２および半導体層２６のエネルギーよりも高い。すなわち、バリア層２４は伝導帯にエネルギー障壁（第１エネルギー障壁）を形成する。半導体層２６の伝導帯のエネルギーを基準とした、バリア層２４のエネルギー障壁の高さをΔＥｃとする。

熱励起によって、半導体層１４の価電子帯にホールが発生する。バリア層１６のエネルギー障壁がホールの移動を妨げる。半導体層２６の伝導帯に電子が発生する。バリア層２４のエネルギー障壁が電子の移動を妨げる。これにより暗電流を低減することができる。

光吸収層２０は、光を吸収することでキャリア（電子正孔対）を発生させる。光吸収層２０の伝導帯の電子は、光吸収層２０から半導体層１４へと流れる。光吸収層２０からバリア層１６までに、伝導帯にエネルギー障壁が発生しない。電子の有効質量が真空中より小さいため、電子はバリア層１６と半導体層１４との間のエネルギー障壁の影響を受けにくい。電子は光吸収層２０から半導体層１４へと流れやすい。光吸収層２０の価電子帯のホールは、光吸収層２０から半導体層２６へと流れる。光吸収層２０からバリア層２４までに、価電子帯にエネルギー障壁が発生しない。ホールは光吸収層２０から半導体層２６へと流れやすい。

バリア層１６およびバリア層２４により、暗電流を低減することができる。バリア層１６およびバリア層２４は、光吸収層２０で発生するキャリアの移動を阻害しにくい。したがって、半導体受光素子１００の受光感度の低下は抑制される。

図３Ａはドーピング濃度とエネルギー障壁の高さとの関係を例示する図である。図１の半導体受光素子１００についてエネルギーを計算している。横軸は対数目盛であり、バリア層のドーピング濃度を表す。縦軸はエネルギー障壁の高さを表す。図３Ａ中の円はバリア層２４のエネルギー障壁の高さΔＥｃを表す。三角はバリア層１６のエネルギー障壁の高さΔＥｖを表す。半導体層１４、１８、２２および２６のドーピング濃度は、１×１０^２３ｍ^－３である。

図３Ａに示すように、ドーピング濃度が高いほど、エネルギー障壁も高くなる。ドーピング濃度が２×１０^２５ｍ^－３程度まではエネルギー障壁は数十ｍｅＶである。ドーピング濃度が約２×１０^２５ｍ^－３以上になると、エネルギー障壁は１００ｍｅＶ以上になる。ΔＥｖの変化率は、ΔＥｃの変化率よりも大きい。

図３Ｂはドーピング濃度と暗電流密度との関係を例示する図である。図１の半導体受光素子１００における暗電流密度を計算している。横軸は対数目盛であり、バリア層のドーピング濃度を表す。縦軸は暗電流密度を表す。ドーピング濃度が高くなると、暗電流密度は低下する。バリア層のエネルギー障壁が高くなり、キャリアの移動を抑制するためである。

半導体受光素子１００の製造方法について説明する。例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ－ｏｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）などにより、基板１０の上面に、コンタクト層１２、半導体層１４、バリア層１６、半導体層１８、光吸収層２０、半導体層２２、バリア層２４、半導体層２６、およびコンタクト層２８を、この順番でエピタキシャル成長する。

半導体層１４の成長後、原料ガスは変更せず、ドーピングのためのガス流量を多くすることで、バリア層１６を形成することができる。バリア層１６の成長後、ドーピングのためのガス流量を減少させることで、半導体層１８を形成することができる。半導体層２２の成長後、原料ガスは変更せず、ドーピングのためのガス流量を多くすることで、バリア層２４を形成することができる。バリア層２４の成長後、ドーピングのためのガス流量を減少させることで、半導体層２６を形成することができる。

コンタクト層２８の成長後、レジストパターニングおよびエッチングを行い、メサ２９を形成する。例えば真空蒸着により、電極３０および電極３２を形成する。

第１実施形態によれば、半導体受光素子１００はバリア層１６およびバリア層２４を有する。バリア層１６は光吸収層２０と半導体層１４との間に設けられている。バリア層１６のドーピング濃度は、半導体層１４および１８のドーピング濃度よりも高い。バリア層２４は光吸収層２０と半導体層２６との間に設けられている。バリア層２４のドーピング濃度は、半導体層２６および２２のドーピング濃度よりも高い。図２に示すように、バリア層１６およびバリア層２４はエネルギー障壁を形成する。バリア層１６は、半導体層１４から光吸収層２０へのキャリア（ホール）の流れを抑制する。バリア層２４は、半導体層２６から光吸収層２０へのキャリア（電子）の流れを抑制する。キャリアの移動が抑制されることで、図３Ｂに示すように暗電流を低減することができる。

バリア層を超格子層とすると、製造工程が複雑であり、高い結晶性を持ったバリア層を形成することが困難である。第１実施形態によれば、ｎ型ドーパントの濃度を変えることで、半導体層１４、バリア層１６および半導体層１８を連続して成長することができる。ｐ型ドーパントの濃度を変えることで、半導体層２２、バリア層２４および半導体層２６を連続して成長することができる。半導体受光素子１００を簡単に製造することができる。

バリア層をバンドギャップの大きい半導体層とすることで、暗電流を抑制することができる。しかし、ｐ型バリア層の価電子帯にもエネルギー障壁が形成される。ｎ型バリア層の伝導帯にもエネルギー障壁が形成される。バリア層が、光吸収層２０で生成されるキャリアの流れも阻害する。受光感度が低下する恐れがある。

第１実施形態のバリア層１６は、高いｎ型ドーピング濃度を有する。バリア層２４は、高いｐ型ドーピング濃度を有する。高ドーピング濃度の影響で、バリア層１６は価電子帯にエネルギー障壁を有する。バリア層２４は伝導帯にエネルギー障壁を有する。このため暗電流が抑制される。一方、バリア層１６は伝導帯にエネルギー障壁を有さない。バリア層２４は価電子帯にエネルギー障壁を有さない。光吸収層２０で生成されるキャリアの移動は、バリア層１６およびバリア層２４によって阻害されにくい。このため受光感度の低下が抑制される。バリア層１６およびバリア層２４のバンドギャップは、半導体層１４および半導体層２６のバンドギャップと同程度でよい。バリア層１６の伝導帯およびバリア層２４の価電子帯にエネルギー障壁が生じにくい。

バリア層１６のドーピング濃度を半導体層１４および１８のドーピング濃度の１０倍以上としてもよい。バリア層２４のドーピング濃度を半導体層２６および２２のドーピング濃度の１０倍以上としてもよい。高いエネルギー障壁が形成されるため、電子およびホールの移動を抑制し、暗電流を低減することができる。バリア層１６のドーピング濃度は、半導体層１４および１８のドーピング濃度より高く、例えば半導体層１４および１８のドーピング濃度の５倍以上、１０倍以上、２０倍以上、３０倍以上、１００倍以上でもよい。バリア層２４のドーピング濃度は、半導体層２６および２２のドーピング濃度より高く、例えば半導体層２６および２２のドーピング濃度の５倍以上、１０倍以上、２０倍以上、３０倍以上、１００倍以上でもよい。

バリア層１６およびバリア層２４は、半導体層１４および半導体層２６に比べて多くのキャリアを含む。自由キャリア吸収が発生する恐れがある。つまり、半導体受光素子１００に照射される光が、バリア層１６およびバリア層２４のキャリアに吸収される。自由キャリア吸収が発生すると、光吸収層２０が受光する光の強度が低下する。バリア層１６およびバリア層２４から光吸収層２０にドーパントが拡散すると、光吸収層２０のうちドーパントが拡散した部分に印加される電界が小さくなる。半導体受光素子の応答速度が低下する恐れがある。

図１に示すように、バリア層１６と光吸収層２０との間に半導体層１８が設けられている。バリア層２４と光吸収層２０との間に半導体層２２が設けられている。半導体層１８および半導体層２２のドーピング濃度は、半導体層１４および半導体層２６のドーピング濃度と同程度である。半導体層１８および半導体層２２が設けられているため、バリア層１６およびバリア層２４による自由キャリア吸収が抑制される。光の強度の低下が抑制される。バリア層１６およびバリア層２４から光吸収層２０へのドーパントの拡散も抑制され、電界が低下しにくい。応答速度の低下が抑制される。

半導体層１８および半導体層２２が厚いと、これらの層で熱励起したキャリアによって暗電流が発生する恐れがある。半導体層１８および半導体層２２の厚さは、例えばバリア層の厚さと同程度でよい。半導体層１８および２２の影響による暗電流の増加を抑制することができる。

バリア層１６の厚さおよびバリア層２４の厚さは、例えば０．０１μｍ以上、０．２μｍ以下である。バリア層１６およびバリア層２４が厚いと、自由キャリア吸収が起こりやすくなる。したがって厚さは０．２μｍ以下とする。バリア層１６およびバリア層２４が厚いと、トンネル効果によって暗電流が発生する恐れがある。したがって厚さは０．０１μｍ以上とする。

図１に示す半導体受光素子１００は１つのメサ２９を有する。半導体受光素子１００は複数のメサを有するアレイセンサでもよい。アレイセンサの複数のメサにバリア層１６およびバリア層２４を設けることで、暗電流を低減することができる。

＜第２実施形態＞
図４は第２実施形態に係る半導体受光素子２００を例示する断面図である。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。半導体受光素子２００は、半導体層１８および半導体層２２を有さない。バリア層１６は光吸収層２０に隣接する。バリア層２４は光吸収層２０に隣接する。言い換えれば、バリア層１６は光吸収層２０の１つの面に接触する。バリア層２４は光吸収層２０のもう１つの面に接触する。半導体層１４、バリア層１６、光吸収層２０、バリア層２４および半導体層２６が、この順番で積層されている。

図５はエネルギーバンドを例示する図である。図５に示すように、バリア層１６は価電子帯にエネルギー障壁を有する。バリア層２４は伝導帯にエネルギー障壁を有する。

第２実施形態によれば、バリア層１６は、半導体層１４から光吸収層２０へのホールの流れを抑制する。バリア層２４は、半導体層２６から光吸収層２０への電子の流れを抑制する。暗電流を低減することができる。

バリア層１６およびバリア層２４は光吸収層２０に隣接する。バリア層と光吸収層２０との間に半導体層が設けられていないため、暗電流を効果的に抑制することができる。

＜第３実施形態＞
図６は第３実施形態に係る半導体受光素子３００を例示する断面図である。第１実施形態および第２実施形態のいずれかと同じ構成については説明を省略する。図６に示すように、半導体受光素子３００はバリア層１６および半導体層１８を有さない。半導体層１４、光吸収層２０、半導体層２２、バリア層２４および半導体層２６が、この順番で積層されている。

図７はエネルギーバンドを例示する図である。図７に示すように、半導体層１４と光吸収層２０との間にエネルギー障壁は形成されない。バリア層２４は伝導帯にエネルギー障壁を有する。

第３実施形態によれば、バリア層２４は、半導体層２６から光吸収層２０への電子の流れを抑制する。暗電流を低減することができる。暗電流において、ホールによる電流成分に比べて、電子による電流成分が大きい。すなわち、ｎ型の半導体層１４のホールに比べて、ｐ型の半導体層２６で生じる電子による寄与が大きい。半導体層２６と光吸収層２０との間にバリア層２４を設けることで、電子の流れを抑制する。暗電流を効果的に低減することができる。

半導体層１４と光吸収層２０との間にバリア層を設けないため、自由キャリア吸収を抑制することができる。

＜第４実施形態＞
図８は第４実施形態に係る半導体受光素子４００を例示する断面図である。第１実施形態から第３実施形態のいずれかと同じ構成については説明を省略する。図８に示すように、半導体受光素子４００はバリア層１６、半導体層１８、および半導体層２２を有さない。半導体層１４、光吸収層２０、バリア層２４および半導体層２６が、この順番で積層されている。

図９はエネルギーバンドを例示する図である。図９に示すように、半導体層１４と光吸収層２０との間にエネルギー障壁は形成されない。バリア層２４は伝導帯にエネルギー障壁を有する。

第４実施形態によれば、バリア層２４は、半導体層２６から光吸収層２０への電子の流れを抑制する。暗電流を低減することができる。バリア層２４と光吸収層２０との間に半導体層を設けないため、暗電流を効果的に抑制することができる。半導体層１４と光吸収層２０との間にバリア層を設けないため、自由キャリア吸収を抑制することができる。

図１０は暗電流密度を例示する図である。横軸はバイアス電圧を表す。縦軸は暗電流密度を表す。図９の半導体受光素子４００に電圧を印加したときの暗電流密度を計算している。温度は３００Ｋとしている。点線は、バリア層２４のドーピング濃度が１×１０^２３ｍ^－３の例である。破線は、バリア層２４のドーピング濃度が１×１０^２４ｍ^－３の例である。実線は、バリア層２４のドーピング濃度が５×１０^２４ｍ^－３の例である。

半導体受光素子の使用時、半導体受光素子には逆バイアス電圧（図１０における負の電圧）が印加される。バイアス電圧がゼロから離れると暗電流は増加する。ドーピング濃度が高いほど、暗電流は低くなる。ドーピング濃度が高くなると、バリア層２４のエネルギー障壁が高くなり、キャリアの移動を抑制するためである。

半導体受光素子は、ｎ型のバリア層１６およびｐ型のバリア層２４のうち少なくとも一方を有していればよい。図１および図４のように、半導体受光素子がバリア層１６およびバリア層２４の両方を有してもよい。半導体層１４および半導体層２６の両方からのキャリアの流れを抑制し、暗電流を効果的に低減することができる。図６および図８のように、半導体受光素子がｐ型のバリア層２４を有し、ｎ型のバリア層１６を有さなくてもよい。暗電流には電子の寄与が大きい。バリア層２４が、半導体層２６で発生する電子の流れを抑制する。暗電流を効果的に抑制することができる。半導体受光素子がｎ型のバリア層１６を有し、ｐ型のバリア層２４を有さなくてもよい。バリア層１６が、半導体層１４で発生するホールの流れを抑制する。

以上、本開示の実施形態について詳述したが、本開示は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０基板
１２、２８コンタクト層
１４、１８、２２、２６半導体層
１６、２４バリア層
２０光吸収層
２９メサ
３０、３２電極
１００、２００、３００、４００半導体受光素子

Claims

第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられた光吸収層と、
前記光吸収層の上に設けられ、第１エネルギー障壁を形成する第１バリア層と、
前記第１バリア層の上に設けられた第２半導体層と、を具備し、
前記第１半導体層は第１導電型を有し、
前記第２半導体層および前記第１バリア層は、前記第１導電型とは異なる第２導電型を有し、
前記第１バリア層のドーピング濃度は前記第２半導体層のドーピング濃度よりも高い半導体受光素子。
前記第１バリア層のドーピング濃度は前記第２半導体層のドーピング濃度の１０倍以上である請求項１に記載の半導体受光素子。
前記第１バリア層と前記光吸収層との間に設けられた第３半導体層を具備し、
前記第３半導体層は前記第２導電型を有し、
前記第１バリア層のドーピング濃度は前記第３半導体層のドーピング濃度より高い請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
前記第１バリア層は、前記光吸収層および前記第２半導体層に隣接する請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
前記第１バリア層および前記第２半導体層はｐ型の導電型を有し、
前記第１バリア層は伝導帯に前記第１エネルギー障壁を形成する請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
前記第１半導体層と前記光吸収層との間に設けられ、第２エネルギー障壁を形成する第２バリア層を具備し、
前記第２バリア層は前記第１導電型を有し、
前記第２バリア層のドーピング濃度は前記第１半導体層のドーピング濃度よりも高い請求項１または請求項２に記載の半導体受光素子。
前記第２バリア層のドーピング濃度は前記第１半導体層のドーピング濃度の１０倍以上である請求項６に記載の半導体受光素子。
前記第２バリア層と前記光吸収層との間に設けられた第４半導体層を具備し、
前記第４半導体層は前記第１導電型を有し、
前記第２バリア層のドーピング濃度は前記第４半導体層のドーピング濃度より高い請求項６に記載の半導体受光素子。
前記第２バリア層は、前記光吸収層および前記第１半導体層に隣接する請求項６に記載の半導体受光素子。
前記第１半導体層および前記第２バリア層はｎ型の導電型を有し、
前記第２半導体層および前記第１バリア層はｐ型の導電型を有し、
前記第２バリア層のｎ型ドーパントのドーピング濃度は前記第１半導体層のドーピング濃度よりも高く、
前記第１バリア層のｐ型ドーパントのドーピング濃度は前記第２半導体層のドーピング濃度よりも高く、
前記第１バリア層は伝導帯に前記第１エネルギー障壁を形成し、
前記第２バリア層は価電子帯に前記第２エネルギー障壁を形成する請求項６に記載の半導体受光素子。