JP3286034B2

JP3286034B2 - 半導体受光素子

Info

Publication number: JP3286034B2
Application number: JP22921393A
Authority: JP
Inventors: ジェームズマロニー; 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-09-14
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 2002-05-27
Anticipated expiration: 2017-05-27
Also published as: JPH06177415A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光信号を電気信号に変
換するためのフォトダイオード等の半導体受光素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりデジタル光通信技術の研究や開
発が盛んに行われている。これは光信号伝送が電気信号
伝送より伝送速度や信号間の干渉等の点で優れているか
らである。しかし、光信号を直接デジタル処理できる実
用的なデバイスがこれまでなく、光信号を電気信号に変
換してアナログ的に処理する必要がある。このため、高
効率量子変換、高動作帯域幅の光・電気変換できる光検
出素子が望まれている。

【０００３】光検出素子としては従来よりフォトコンダ
クタ，フォトダイオード，アバランシェ・フォトダイオ
ード，フォトトランジスタなどが用いられている。フォ
トコンダクタは、光が照射されると電気抵抗が下がる効
果（光伝導効果）を利用して電流を取り出す素子で、図
１９に示されるようなＭＳＭ（Metal semiconductor Me
tal ）フォトコンダクタが広く知られている。図中、７
１はシリコン基板，７２は電極（アノード，カソード）
を示している。

【０００４】一般に、フォトコンダクタは、電流利得を
持つことができない。しかし、高い量子変換効率を持つ
ことができ、それはデバイスの動作帯域幅を狭くするこ
とを伴う。これは空間電荷中性による吸収効率に関係す
る。入射光により電子と正孔のペアが発生した後、外部
回路によって電圧を印加すると、正孔，電子はそれぞれ
アノード，カソードに向かう。正孔の走行時間は電子の
それより長い。これは特にIII-V 族の化合物半導体で顕
著である。そして、内部電荷中性を維持するために、正
孔が再結合するかアノードに到達するまで電子が注入さ
れる。

【０００５】このデバイスの量子変換効率は、電子の平
均走行時間に対する正孔の平均走行時間の比率で決ま
る。正孔の平均走行時間を長くすることにより、等価的
に高い量子変換効率が得られる。しかし、それは動作帯
域幅の狭化という犠牲を伴う。このように従来のフォト
コンダクタは、量子変換効率と動作帯域幅とを両立でき
ないという問題があった。

【０００６】図２０は、従来技術のｐｉｎフォトダイオ
ードの素子断面図である。このｐｉｎフォトダイオード
は、ｎ型半導体層８１，低濃度（ｉ型）半導体光吸収層
８２，ｐ型半導体層８３が積層された構造になってい
る。なお、図中、８４，８５は、それぞれアノード電
極，カソード電極を示している。

【０００７】ｐｉｎフォトダイオードは、フォトコンダ
クタと同様に電流利得を持たないが、通常のフォトコン
ダクタより広い動作帯域幅をもっている。ｐｉｎフォト
ダイオードは量子変換効率が原理的に１００％を越える
ことができず、大きな電圧出力を得るためには外部利得
が必要となる。

【０００８】これに対し、アバランシェ・フォトダイオ
ードは、通常のｐｉｎフォトダイオードの動作帯域幅と
ほぼ同様の動作帯域幅を有し、かつ電流利得（≧１０）
を持っている。しかし、電流利得を持たせるには、アバ
ランシェ・ブレークダウンを生じさせるのに十分な電源
電圧を必要とする他、アバランシェ利得を得るためのキ
ャリア増倍時間が必要である。このため、大きな利得を
得るためには動作帯域の低下を伴う。

【０００９】図２１は、従来技術のフォトトランジスタ
の素子断面図である。このフォトトランジスタは、ｎ型
半導体光吸収コレクタ層９１内にｐ型半導体層９２が拡
散形成され，このｐ型半導体層９２内にｎ型半導体層９
３が拡散形成された構造になっている。なお、図中、９
４，９５，９６は、それぞれエミッタ電極，コレクタ電
極，電源を示している。

【００１０】ｎ型半導体光吸収コレクタ層９１とｎ型半
導体層９３との間の電流は、ｎ型半導体光吸収コレクタ
層９１で発生する光吸収キャリアがｐ型半導体層９２に
注入されることによって制御される。フォトトランジス
タは、高い電流利得（≧１００）を持つことができる
が、ベース領域のキャリア蓄積効果による速度低下の問
題があった。また、これらの従来技術は素子の出力が光
入力に対して線形的であり、依然アナログ的な電気処理
を伴うという問題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のフ
ォトコンダクタ，ｐｉｎフォトダイオード，フォトトラ
ンジスタ等の半導体受光素子では、デジタル光伝送の場
合においても、アナログ的な電気処理を伴わなければな
らず、高電流利得及び広動作帯域幅を両有し、且つ外部
回路を電気的なデジタルスイッチで置き換えることが困
難であるという問題があった。本発明は、上記事情を考
慮してなされたもので、その目的とするところは、次世
代情報処理システムにも対応できる半導体受光素子を提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の半導体受光素子（請求項１）は、半導体
基板上に設けられた第１導電型エミッタ領域と、この第
１導電型エミッタ領域との接合面側にキャリア再結合の
ためのノンドープ量子井戸層を有する第２導電型ベース
領域と、このベース領域上に接し、光吸収キャリアを発
生する第１導電型コレクタ領域とを備え、非能動状態に
おける、前記第１導電型エミッタ領域から前記ノンドー
プ量子井戸層に注入される第１極性型キャリアと、前記
第１導電型コレクタ領域から前記ノンドープ量子井戸層
に注入される第２極性型キャリアとが再結合消滅する速
度が、能動状態におけるそれより速いことを特徴とす
る。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【作用】本発明の半導体受光素子（請求項１）では、エ
ミッタ領域との接合面側にキャリア再結合速度制御機構
を有するベース領域を用いており、このキャリア再結合
速度制御機構の非能動状態における、前記エミッタ領域
から前記キャリア再結合速度制御機構に注入される第１
極性型のキャリアと、前記光吸収コレクタ領域から前記
結合速度制御機構に注入される第２極性型のキャリアと
が再結合して消滅する速度が、能動状態における場合の
それより速くなるよう構成するため、前記キャリア再結
合速度制御機構を有しない通常の半導体受光素子に比べ
て、動作状態から非動作状態に変化したときに、前記ベ
ース領域に残存する前記第２極性型のキャリアがより速
く消滅し、エミッタ層とベース層との間のバリアが元の
高さにより速く回復して、オフ状態への復帰が速くな
る。また、これと共に光入力強度に対して非線形的な出
力特性が得られるようになり、デジタル的な出力が可能
となり、外部電気回路にアナログ増幅器を用いずとも電
気的なデジタルスイッチで出力回路を構成することが可
能となる。

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１は、本発明の第１の実施例に係るフォトトラン
ジスタの構成を示す図であり、半導体基板上にエミッ
タ，ベース，コレクタが縦方向に積層された実施例であ
る。

【００１９】化合物半導体からなるｎ型半導体基板１上
には、ｎ型エミッタ層２が設けられている。このｎ型エ
ミッタ層２上には、多重量子井戸層３を有する高濃度の
薄いｐ型ベース層４が設けられている。

【００２０】この多重量子井戸層３（キャリア再結合速
度制御機構）は、ｎ型半導体層２側に形成されている。
また、オフ状態（非能動状態）における、ｎ型エミッタ
層２から多重量子井戸層３に注入される電子と、後述す
る半導体光吸収コレクタ層５から多重量子井戸層３に注
入される正孔とが結合して消滅する速度が、オン状態
（能動状態）における場合のそれより遥かに速くなるよ
うに、量子井戸数，量子井戸深さ，量子井戸幅等の量子
井戸層のパラメータが選ばれている。即ち、量子井戸は
単一の量子井戸であってもかまわず、量子井戸に印加さ
れる局所的な電界がオフ状態とオン状態とで大きく変わ
ることによる量子井戸の電界効果、特に波動関数の局在
や、伝導帯，価電子帯間のバンド間トンネル効果による
キャリア再結合割合が変化するように選ばれている。

【００２１】ｐ型ベース層４上には、入射光に対して吸
収性が良い真性半導体材料を含む半導体光吸収コレクタ
層５が設けられている。この半導体光吸収コレクタ層５
上には、入射光に対して光学的に透明なｎ型化合物半導
体材料からなり、コレクタ空乏層幅を規定するための化
合物半導体キャップ層６が設けられている。この化合物
半導体キャップ層６上には、カソード電極７が設けら
れ、また、ｎ型半導体基板１の裏面には、アノード電極
８が設けられている。これらカソード電極７とアノード
電極８との間には電源９よりバイアス電圧が印加されて
いる。

【００２２】ｎ型半導体基板１，ｎ型エミッタ層２，ｐ
型ベース層４，化合物半導体キャップ層６の半導体材料
としては、ｎ型化合物半導体基板１，ｎ型エミッタ層
２，化合物半導体キャップ層６のバンドギャップがｐ型
ベース層４のそれより遥かに大きくなるものを用いる。

【００２３】なお、ｎ型エミッタ層２、多重量子井戸層
３、ｐ型ベース層４、半導体光吸収コレクタ層５、化合
物半導体キャップ層６は、例えば、ＭＯＣＶＤ法等の成
長法によって連続成長形成する。

【００２４】図２は、このように構成されたフォトトラ
ンジスタのエネルギーバンド図で、これは半導体光吸収
コレクタ層５に光が照射されていないとき、つまり、非
能動状態の場合のものである。

【００２５】この状態では、ｐ型ベース層４が電子ｅ₁
に対して高いバリアとなっている。このため、半導体光
吸収コレクタ層５に電子ｅ₁ が流れ込むことがなく、素
子の電圧，電流が高電圧，小電流となる非能動状態が保
たれる。

【００２６】図３は、半導体光吸収コレクタ層５に比較
的強度の強い光が照射されたとき、つまり、能動状態の
場合のエネルギーバンド図である。半導体光吸収コレク
タ層５に光１０が照射されると、この半導体光吸収コレ
クタ層５内で電子ｅと正孔ｈとの対が発生する。電子ｅ
は、カソード電極７へ押し流され、デバイスの外に排出
される。一方、正孔ｈは、ｐ型ベース層４に流れ込み、
ｐ型ベース層４とｎ型エミッタ層２との間に形成された
空乏層を小さくする。この結果、ベース層４のバリア高
さが低くなり、ｎ型半導体基板１内に蓄積された電子ｅ
₁ が、カソード電極７側に大量に流れ、素子の電圧，電
流が低電圧，大電流となる能動状態が実現される。

【００２７】なお、光吸収コレクタ層５に比較的弱い光
が照射されたとき、つまり、低レベル光入力の場合、光
吸収コレクタ層５内で発生した正孔ｈはｐ型ベース層４
に注入され、一部はエミッタ層２の電子をベース層４側
へ誘起し、ｐ型ベース層４のバリアを低下させるが、ほ
とんどの正孔は量子井戸層３に注入され、エミッタ層か
ら供給される電子と再結合して消滅する。この状態では
光入力があるにもかかわらず、エミッタ層２から光吸収
コレクタ層５に流れる電子は少なく、非能動状態が保持
される。そして、光入力が強まり量子井戸層で再結合す
る正孔がある程度に増加すると、正孔に誘起されるエミ
ッタ層２の電子も増加し、量子井戸層３に印加される電
界強度が低下するようになる。即ち、光入力がある程度
になると、量子井戸層３のバンド構造が変化する。この
とき同時に量子井戸層３でのキャリア再結合速度が低下
し、再結合消滅する正孔の量が急激に減少する。したが
って、この状態になると、ベース層４に注入された正孔
がエミッタ層２の電子をベース層４側に誘引する効果が
高まり、急激に素子が能動状態に変わる。

【００２８】そして、半導体光吸収コレクタ層５に光１
０が照射されなくなると、半導体光吸収コレクタ層５内
での電子ｅと正孔ｈとの対の発生が停止し、ｐ型ベース
層４に正孔ｈが供給されなくなるため、ｐ型ベース層４
のバリアが元の高さに回復し、非能動状態に戻る。

【００２９】このとき、非能動状態におけるｎ型エミッ
タ層２から多重量子井戸層３に注入される電子ｅ₁ と、
半導体光吸収コレクタ層５から多重量子井戸層３に注入
される正孔h とが結合して消滅する速度が、能動状態に
おける場合のそれより遥かに速いため、能動状態から非
能動状態に変わるときに、多重量子井戸層３内の電子と
正孔とが速やかに再結合消滅し、従来より高速に非能動
状態に戻すことができる。

【００３０】更に、光入力強度に対して非線形的な出力
特性が得られるため、デジタル的な出力が可能となり、
外部電気回路にアナログ増幅器を用いずとも電気的なデ
ジタルスイッチで出力回路を構成することが可能とな
る。

【００３１】ここで、量子井戸層３のキャリア再結合速
度が変化するのは、量子井戸層３に加わる電界強度でバ
ンド構造が変化することによるものであり、電界強度が
大きいとき、即ち、バンド構造が変形しているとき（非
能動状態）は、バンド間トンネル効果が大きくなるた
め、キャリア再結合速度が速くなり、逆に、電界強度が
小さいとき、即ち、バンド構造が平坦化しているとき
（能動状態）は、バンド間トンネル効果が小さくなるた
め、キャリア再結合速度が相対的に遅くなるものであ
る。

【００３２】この具体的特性例を以下に示す。図１のｎ
型半導体基板１をキャリア濃度約１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ
型ＩｎＰ，ｎ型エミッタ層２をキャリア濃度約１×１０
¹⁷ｃｍ^-3で厚さ０．５５μｍのｎ型ＩｎＰ，量子井戸層
３をノンドープで厚さ５〜１５ｎｍのＩｎ_0.53Ｇａ_0.47
Ａｓ（単一量子井戸），ｐ型ベース層４をキャリア濃度
約２×１０¹⁷ｃｍ^-3で厚さ１０ｎｍのｐ型Ｉｎ_0.65Ｇａ
_0.35Ａｓ_0.79Ｐ_0.21，光吸収コレクタ層５をノンドープ
（キャリア濃度２×１０¹⁴ｃｍ^-3以下）で厚さ２μｍの
Ｉｎ_0.65Ｇａ_0.35Ａｓ_0.79Ｐ_0.21，ｎ型キャップ層６を
キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ１μｍのｎ型Ｉｎ
Ｐとし、電極７，８をＡｕＧｅ等のオーミック性電極と
した場合の特性例を図４，図５に示す。

【００３３】図４は、量子井戸３の厚さを１０ｎｍ，素
子印加電圧を５Ｖとした場合のパルス幅２００ｐｓの光
パルスに対する応答（素子電圧）特性を示している。図
４から分かるように、この場合、光入力強度が３μＷ付
近を境に大きく変化しており、光入力強度変化に対する
素子電圧変化は直線的でない。特に、光入力が２μＷ以
下と１０μＷ以上では明確な違いがあり、光入力信号の
低レベルが２μＷ以下，高レベルが１０μＷ以上となる
デジタル光入力に対しては、外部回路による増幅，波形
再生を行なわずとも直接、電気的なデジタル信号に変換
することが可能になる。しかも、その応答特性は十分速
く、５Ｇｂ／ｓ程度の信号速度にも適用することが可能
である。

【００３４】また、図４に示した素子応答変化の境界値
は素子パラメータにより変化させることが可能であり、
その一例として量子井戸層３の厚さによる変化を図５に
示す。図５では量子井戸３の厚さを５ｎｍから１５ｎｍ
まで変化させた場合の光入力強度に対する素子電圧（応
答出力）変化を静特性で示した。図５のように量子井戸
幅を変えることで素子応答変化の境界（しきい値入力）
を変化，制御可能なことが分かる。また、このしきい値
入力値は光吸収コレクタ層の厚さ（光吸収効率）を変え
ても同様に変化可能であり、エミッタ層，ベース層，コ
レクタ層のパラメータを変えることによるトランジスタ
としての電流輸送効率等を変えても同様である。

【００３５】かくして本実施例によれば、非能動状態と
能動状態とで、電子と正孔とが再結合して消滅する速度
が異なるｐ型ベース層４を用いることにより、従来より
高速なスイッチングタイムを有し、且つ外部電気回路に
アナログ増幅器を用いずとも電気的なデジタルスイッチ
で出力回路を構成することが可能なフォトトランジスタ
が得られる。

【００３６】なお、本実施例では、能動状態と非能動状
態とで、電子と正孔とが再結合して消滅する速度を変え
るために、多重量子井戸層３を有するｐ型ベース層４を
用いたが、他の手法によって実現しても良く、また、エ
ミッタ，ベース，コレクタの各領域が半導体基板上に横
方向に配置されていてもかまわない。

【００３７】図６は、本発明の第２の実施例に係るショ
ットキーバリアフォトダイオードの構成を示す図であ
る。ｎ型半導体基板２１の表面部分には、半導体光吸収
層２３と、バンドキャップが半導体光吸収層２３のそれ
より大きい化合物半導体層２２とが交互に形成されてお
り、また、最下層及び最上層は化合物半導体層２２であ
る。

【００３８】即ち、全ての半導体光吸収層２３が化合物
半導体層２２で挾持されるように形成されている。な
お、半導体光吸収層２３の材料としては、入射光に対し
て光学的に透明なものを用いる。

【００３９】また、基板表面には、高濃度のｎ型半導体
層２４が形成されている。このようなｎ型半導体層２４
は、例えば、半導体光吸収層２３，化合物半導体層２２
を形成した後、拡散法やイオン注入を用いて、ｎ型不純
物を基板表面に導入することにより形成できる。このと
き、ｎ型不純物の濃度分布が半導体光吸収層２３，化合
物半導体層２２の領域において一様になるようにする。

【００４０】高濃度のｎ型半導体層２４の表面には、ア
ノード電極２５が設けられ、そして、化合物半導体層２
２の表面には、カソード電極２６が設けられている。即
ち、高濃度のｎ型半導体層２４ではオーミックコンタク
トが形成され、化合物半導体層２２ではショットキーコ
ンタクトが形成される。これらアノード電極２５とカソ
ード電極２６との間には電源２７によりバイアス電圧が
印加されている。

【００４１】図７は、このように構成されたショットキ
ーバリアフォトダイオードのエネルギーバンド図で、こ
れは半導体光吸収層２３に光が照射されていないときの
ものである。

【００４２】この状態では、基板表面に形成されたオー
ミックコンタクトとショットキーコンタクトとにより、
高濃度のｎ型半導体層２４と、化合物半導体層２２と半
導体光吸収層２３とからなる積層半導体層と間のにバリ
アが形成される。このため、高濃度のｎ型半導体層２４
内の電子ｅ₁ は、上記バリアによってカソード電極２６
側に流れることができず、高電圧，小電流のオフ状態が
保たれる。

【００４３】図８は、半導体光吸収層２３に光が照射さ
れたときのエネルギーバンド図である。半導体光吸収層
２３に光２８が照射されると、この半導体光吸収層２３
内で電子ｅと正孔ｈとの対が発生する。電子ｅは、カソ
ード電極２６側に形成されたショットキーバリア（−ｑ
Ｖ_D ：ｑは電子の電荷、Ｖ_D はカソード電極２６の電
圧）により、カソード電極２６に流れ込み、正孔ｈは、
アノード電極２５に流れ込む。この結果、バリア高さが
低くなり、高濃度のｎ型半導体層２４内に蓄積された電
子ｅ₁ が、カソード電極２６に大量に流れ、低電圧，大
電流の能動状態が実現される。

【００４４】このとき、半導体光吸収層２３は、エネル
ギーバンドギャップが半導体光吸収層２３のそれより大
きい化合物層２３で挟まれているため、電流のチャネル
として機能する。このため、電子ｅ₁ は、ポテンシャル
の井戸に閉じ込められて流れるので、結晶内の不純物等
の散乱を受け難くなり、従来に比べて、電流利得等の素
子特性が改善され、しかも、電流利得等の素子特性を大
きくしても高速動作が可能となる。

【００４５】そして、半導体光吸収層２３に光２８が照
射されなくなると、半導体光吸収層２３内での電子ｅと
正孔ｈとの対の発生が停止するため、ショットキーバリ
アが元の高さ（−ｑＶ_D ）に回復し、オフ状態に戻る。
このような光２８によるショットキーバリアの制御によ
るオン，オフは、半導体光吸収層２３及び化合物半導体
層２２の厚みや枚数を適当に選択すれば実現できる。

【００４６】なお、図９に示すように、基板表面に低濃
度の半導体層２９を形成し、この上にカソード電極１８
を設けてショットキーコンタクトを実現しても良い。図
１０は、本発明の第３の実施例に係るショットキーバリ
アフォトダイオードの構成を示す図である。なお、図６
のショットキーバリアフォトダイオードと対応する部分
には図６と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略す
る。

【００４７】本実施例のショットキーバリアフォトダイ
オードが先の実施例のそれと異なる点は、半導体基板２
１上に第１の反射鏡３１と第２の反射鏡３２とが交互に
積層されてなる多層膜反射鏡３０が設けられ、この多層
膜反射鏡３０上の半導体分離層３３に図６の素子構造が
形成されていることにある。

【００４８】第１の反射鏡３１の屈折率と第２の反射鏡
３２の屈折率とは異なっており、また、第１の反射鏡３
１の厚さ及び第２の反射鏡３２の厚さは伴に入射光の波
長の１／４になっている。即ち、多層膜反射鏡３０はブ
ラッグ反射鏡として機能するように、第１の反射鏡３
１，第２の反射鏡３２が選ばれている。

【００４９】このように構成されたショットキーバリア
フォトダイオードでも、先の実施例と同様な効果が得ら
れる。更に、本実施例の場合、半導体光吸収層２３で吸
収されなかった基板表面から入射された光は、多層膜反
射鏡３０で基板表面側に反射され、再度半導体光吸収層
２３に入射し、このとき、半導体光吸収層２３で吸収さ
れなかった光は基板表面で反射され再度半導体光吸収層
２３に入射する。このような入射光の反射が繰り返され
るため、先の実施例より高い電流利得のショットキーバ
リアフォトダイオードが得られる。

【００５０】なお、本実施例の場合も、図１１に示すよ
うに、先の実施例と同様に、低濃度の半導体層２９上に
カソード電極１８を設けてショットキーコンタクトを形
成しても良い。

【００５１】図１２は、本発明の本発明の第４の実施例
に係るフォトダイオードの構成を示す図である。半絶縁
性のｎ型半導体基板４１の表面部分には、ＧａＩｎＡｓ
等からなる半導体光吸収層４３と、バンドキャップが半
導体光吸収層４３のそれより大きい化合物半導体層４２
とが交互に形成されており、且つ全ての半導体光吸収層
４３が化合物半導体層４３で挾持されるように形成され
ている。半導体光吸収層４３の材料としては、入射光に
対して光学的に透明なものを用いる。ｎ型半導体基板４
１，化合物半導体層４２，半導体光吸収層４３の材料と
しては、例えば、それぞれＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓ，Ａｌ
ＩｎＡｓを用いる。

【００５２】また、基板表面には、高濃度のｎ型半導体
層４４，ｎ型半導体層４５，高濃度のｐ型半導体層４６
が形成されている。高濃度のｐ型半導体層４６は、ｎ型
半導体層４５と対向する側の高濃度のｎ型半導体層４４
の側部に薄膜に形成されている。

【００５３】このようなｎ型半導体層４４，４５，ｐ型
半導体層４６は、例えば、半導体光吸収層４３，化合物
半導体層４２を形成した後、拡散法やイオン注入を用い
て、ｎ型不純物，ｐ型不純物を基板表面に導入すること
により形成できる。このとき、高濃度のｎ型半導体層４
４のｎ型不純物の濃度分布が、半導体光吸収層４３，化
合物半導体層４２の領域において一様になるように形成
する。同様に、ｎ型半導体層４５のｎ型不純物の濃度分
布，高濃度のｐ型半導体層４６のｐ型不純物の濃度分布
も、半導体光吸収層４３，化合物半導体層４２の領域に
おいて一様になるように形成する。

【００５４】ｎ型半導体層４４，４５の表面には、それ
ぞれオーミックコンタクトするアノード電極４７，カソ
ード電極４８が設けられ、これらアノード電極４７とカ
ソード電極４８との間には電源４９により逆バイアス電
圧が印加されている。

【００５５】図１３は、このように構成されたフォトダ
イオードのエネルギーバンド図で、これは半導体光吸収
層４３に光が照射されていないときのものである。この
状態では、高濃度のｐ型半導体層４６に空乏層が形成さ
れ、この高濃度のｐ型半導体層４６が電子ｅ₁ に対して
高いバリアとなっている。このため、カソード電極４８
に電子ｅ₁ が流れ込むことがなく、高電圧，小電流のオ
フ状態が保たれる。しかも、本実施例の場合、高濃度の
ｐ型半導体層４６によりバリアを形成しているので、先
の実施例のショットキーバリアフォトダイオードの場合
よりも安定したバリアを実現できる利点がある。

【００５６】図１４は、半導体光吸収層４３に光５０が
照射されたときのエネルギーバンド図である。半導体光
吸収層４３（図中のｉ）に光５０が照射されると、この
半導体光吸収層４３内で電子ｅと正孔ｈとの対が発生す
る。電子ｅは、カソード電極４８へ押し流され、デバイ
スの外に排出される。一方、正孔ｈは、高濃度のｐ型半
導体層４６に流れ込み、このｐ型半導体層ース層４６内
に形成された空乏層を小さくする。この結果、バリア高
さが低くなり、ｎ型半導体基板４１内に蓄積された電子
ｅ₁ が、カソード電極４８に大量に流れ、低電圧，大電
流のオン状態が実現される。

【００５７】このとき、半導体光吸収層４３は、エネル
ギーバンドギャップが半導体光吸収層４３のそれより大
きい化合物層４３で挟まれているため、電流のチャネル
として機能する。このため、電子ｅ₁ は、ポテンシャル
の井戸に閉じ込められて流れるので、結晶内の不純物等
の散乱を受け難くなり、従来に比べて、電流利得等の素
子特性が改善される。

【００５８】そして、半導体光吸収層４３に光５０が照
射されなくなると、半導体光吸収層４３内での電子ｅと
正孔ｈとの対の発生が停止するため、ｐ型半導体層４６
のバリアが元の高さに回復し、オフ状態に戻る。このよ
うな光５０によるｐ型半導体層４６のバリアの制御によ
るオン，オフは、半導体光吸収層２３及び化合物半導体
層２２の厚みや枚数を適当に選択すれば実現できる。

【００５９】図１５は、本発明の第５の実施例に係るフ
ォトダイオードの構成を示す図である。なお、図１２の
フォトダイオードと対応する部分には図１２と同一符号
を付してあり、詳細な説明は省略する。

【００６０】本実施例のフォトダイオードが先の実施例
のそれと異なる点は、ｎ型半導体基板４１上に、第１の
反射鏡５１と第２の反射鏡５２とが交互に積層されてな
る多層膜反射鏡５３が設けられ、そし、この多層膜反射
鏡５３上に設けられた半導体分離層５４上に図１２の素
子構造が形成されていることにある。

【００６１】第１の反射鏡５１の屈折率と第２の反射鏡
５２の屈折率とは異なっており、また、第１の反射鏡５
１の厚さ及び第２の反射鏡５２の厚さは伴に入射光の波
長の１／４になっている。即ち、多層膜反射鏡５３がブ
ラッグ反射鏡として働くように、第１の反射鏡５１，第
２の反射鏡５２が選ばれている。

【００６２】このように構成されたフォトダイオードで
も、先の実施例と同様な効果が得られるは勿論のこと、
本実施例の場合、多層膜反射鏡３０を用いているので、
基板表面から入射された光を有効に利用でき、より高い
電流利得のショットキーバリアフォトダイオードが得ら
れる。

【００６３】図１６は、本発明の第６の実施例に係るア
バランシェフォトダイオードの構成を示す図である。半
絶縁性の半導体基板６１上には、化合物半導体からなる
複数のアバランシェ単位層６２が設けられている。この
アバランシェ単位層６２は、図１７に示すように、バン
ドギャップが大きいｐ型半導体層６２₁ ，バンドギャッ
プが大きいアンドープ半導体層６２₂ ，バンドギャップ
が小さいアンドープ半導体層６２₃ ，バンドギャップが
小さいｎ型半導体層６２₄ ，バンドギャップが小さいア
ンドープ半導体層６２₅ ，バンドギャップが大きいアン
ドープ６２₆ が積層された構造になっている。

【００６４】なお、ｐ型半導体層６２₁ ，アンドープ半
導体層６２₂ ，アンドープ半導体層６２₃ ，ｎ型半導体
層６２₄ ，アンドープ半導体層６２₅ ，アンドープ６２
₆ は、例えば、ＭＯＣＶＤ法等の成長法によって連続成
長形成する。

【００６５】これら半導体層６２₁ 〜６２₆ の材料とし
ては、入射光に対して吸収性が高いものを用いる。ま
た、半導体層６２₁ 〜６２₆ のキャリア濃度及び厚さ
は、電子の衝突電離係数が正孔のそれより遥かに大きく
なるように選ぶ。電子の衝突電離係数を大きくするの
は、単一のキャリアの場合の方が増倍ノイズ（Multipli
cation noise）が小さくなるからである。コミュニケー
ションや情報処理等の分野に最適な光に感度を持つIII-
V 化合物半導体材料の電子電離係数は、通常、正孔電離
係数より小さい。しかし、本実施例では、アバランシェ
単位層６２を用いているので、電子電離係数の方を大き
くするのが容易である。

【００６６】最上層のアバランシェ単位層６２上には、
電気的に繋がった複数のアノード電極６３，カソード電
極６４が設けられている。これらアノード電極６３，カ
ソード電極６４は絶縁キャップ層６５で覆われ、そし
て、この絶縁キャップ層６５の表面は金属膜６６でコー
ティングされている。また、アノード電極６３とカソー
ド電極６４との間には電源６７により逆バイアス電圧が
印加されている。

【００６７】アノード電極６３，カソード電極６４の形
状や配列等の幾何学的特徴及びアノード電極６３，カソ
ード電極６４，電源６７の電圧レベルは、アバランシェ
単位層６２内で発生した電子，正孔に、アバランシェ増
倍に必要な電界が効果的に与えられるように選ばれてい
る。

【００６８】半絶縁性の半導体基板６１の表面からアバ
ランシェ単位層６２に光が入射すると、１次の電子・正
孔対が発生する。これら電子，正孔がアバランシェ単位
層６２の原子と衝突し、２次の電子・正孔対が発生する
と、これら電子，正孔の衝突イオン化によって電子が優
先的に発生して、カソード電極６４とアノード電極との
間に電流が流れてオン状態になる。

【００６９】アバランシェ単位層６２に光が入射されな
くなると、１次の電子・正孔対の発生が停止し、カソー
ド電極６４とアノード電極との間に電流が流れなくなり
オフ状態になる。アノード電極６３，カソード電極６４
の形状や配列等の幾何学的特徴が、電子，正孔にアバラ
ンシェ増倍に必要な電界が効果的に与えられるように選
ばれているため、従来に比べて、１次，２次の電子・正
孔はより近い領域で発生し、そして、アノード電極６
３，カソード電極６４の方向により速く加速されてい
る。このため、１次の電子・正孔対の発生が停止する
と。素子内にあった電子，正孔がアノード電極６３，カ
ソード電極６４に速やかに排出され、従来より極めて速
くオフ状態に切り替えることができる。

【００７０】なお、半導体基板６１，バンドキャップの
大きい半導体層６１₁ ，６１₂ ，６１₆ ，バンドキャッ
プの小さい半導体層６１₃ ，６１₄ ，６１₅ の材料とし
ては、入射光の波長によって変わるが、情報ネットワー
ク等で普通に用いられている長い波長（自由空間のおい
て１．０〜１．６μｍ）の場合には、例えば、半導体基
板６１としてＩｎＰ，また、半導体層６１₁ ，６１₂ ，
６１₆ としてＡｌＩｎＡｓ、そして、半導体層６１₃ ，
６１₄ ，６１₅ としてＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓを用いるこ
とができる。また、絶縁キャップ層６５としてはＳｉ₃
Ｎ₄ やＳｉＯ₂を用いることができる。

【００７１】図１８は、本発明の第７の実施例に係るア
バランシェフォトダイオードの構成を示す模式図であ
る。なお、図１６のアバランシェフォトダイオードと対
応する部分には図１６と同一符号を付してあり、詳細な
説明は省略する。

【００７２】本実施例のアバランシェフォトダイオード
が先の実施例のそれと異なる点は、アノード電極６４，
カソード電極６５の端側の基板裏面に、回折格子６８を
設けたことにある。この回折格子６８はエッチングによ
り形成する。

【００７３】このような回折格子６８を設けることによ
り、アバランシェ単位層６２で吸収されなかった入射光
が、回折格子６８でアノード電極６４，カソード電極６
５の方向に反射され、量子吸収効率が改善され、先の実
施例より高い電流増幅率を実現できる。

【００７４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、電
流利得，高速動作の特性を改善でき、次世代情報処理シ
ステムに対応できる光検出素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るフォトトランジス
タの構成を示す図。

【図２】図１のフォトトランジスタのオフ状態における
エネルギーバンド図。

【図３】図１のフォトトランジスタのオン状態における
エネルギーバンド図。

【図４】図１のフォトトランジスタの光パルス入力に対
する応答特性図。

【図５】図１のフォトトランジスタの入出力特性の量子
井戸幅依存性を示す図。

【図６】本発明の第２の実施例に係るショットキーバリ
アフォトダイオードの構成を示

【図７】図６のショットキーバリアフォトダイオードの
オフ状態におけるエネルギーバンド図。

【図８】図６のショットキーバリアフォトダイオードの
オン状態におけるエネルギーバンド図。

【図９】図６のショットキーバリアフォトダイオードの
変形例を示す図。

【図１０】本発明の第３の実施例に係るショットキーバ
リアフォトダイオードの構成を示す図。

【図１１】図１０のショットキーバリアフォトダイオー
ドの変形例を示す図。

【図１２】本発明の本発明の第４の実施例に係るフォト
ダイオードの構成を示す図。

【図１３】図１２のフォトダイオードのオフ状態におけ
るエネルギーバンド図。

【図１４】図１２のフォトダイオードのオン状態におけ
るエネルギーバンド図。

【図１５】本発明の第５の実施例に係るフォトダイオー
ドの構成を示す図。

【図１６】本発明の第６の実施例に係るアバランシェフ
ォトダイオードの構成を示す図。

【図１７】図１６のアバランシェフォトダイオードのア
バランシェ単位層を構成を示す断面図。

【図１８】本発明の第７の実施例に係るアバランシェフ
ォトダイオードの構成を示す図。

【図１９】従来のフォトコンダクタの斜視図。

【図２０】従来のｐｉｎフォトダイオードの素子断面
図。

【図２１】従来のフォトトランジスタの素子断面図。

【符号の説明】

１…ｎ型半導体基板、２…ｎ型エミッタ層、３…多重量
子井戸層、４…ｐ型ベース層、５…半導体光吸収コレク
タ層、６…化合物半導体キャップ層、７…カソード電
極、８…アノード電極、９…電源、１０…光、２１…ｎ
型半導体基板、２２…化合物半導体層、２３…半導体光
吸収層、２４…ｎ型半導体層、２５…アノード電極、２
６…カソード電極、２７…電源、２８…光、２９…半導
体層、３０…多層膜反射鏡、３１…第１の反射鏡、３２
…第２の反射鏡、３３…半導体分離層、４１…ｎ型半導
体基板、４２…化合物半導体層、４３…半導体光吸収
層、４４…高濃度のｎ型半導体層、４５…ｎ型半導体
層、４６…ｐ型半導体層、４７…アノード電極、４８…
カソード電極、４９…電源、５０…光、５１…第１の反
射鏡、５２…第２の反射鏡、５３…多層膜反射鏡、５４
…半導体分離層、６１…半導体基板、６２…アバランシ
ェ単位層、６３…アノード電極、６４…カソード電極、
６５…絶縁キャップ層、６６…金属膜、６７…電源、６
８…回折格子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−265178（ＪＰ，Ａ) 特開平３−183169（ＪＰ，Ａ) 特開平４−343273（ＪＰ，Ａ) 特開平５−343731（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−124584（ＪＰ，Ａ) 特開平５−41534（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 31/10 - 31/119

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に設けられた第１導電型エミ
ッタ領域と、この第１導電型エミッタ領域との接合面側にキャリア再
結合のためのノンドープ量子井戸層を有する第２導電型
ベース領域と、このベース領域上に接し、光吸収キャリアを発生する第
１導電型コレクタ領域とを具備してなり、非能動状態における、前記第１導電型エミッタ領域から
前記ノンドープ量子井戸層に注入される第１極性型キャ
リアと、前記第１導電型コレクタ領域から前記ノンドー
プ量子井戸層に注入される第２極性型キャリアとが再結
合消滅する速度が、能動状態におけるそれより速いこと
を特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】前記非能動状態における、前記第１導電型
エミッタ領域から前記ノンドープ量子井戸層に注入され
る第１極性型キャリアと、前記第１導電型コレクタ領域
から前記ノンドープ量子井戸層に注入される第２極性型
キャリアとの再結合消滅は、バンド間トンネル効果によ
る再結合消滅を含むことを特徴とする請求項１記載の半
導体受光素子。