JP3484962B2 - 受光素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１波長の光を使い
一本の光ファイバによって双方向通信する為のシステム
において用いる受光素子（ＰＤ）に関する。より具体的
には、１．３μｍ帯で時間分割して、送信受信するTime
Compression Multiplexing（ＴＣＭ）、いわゆるピン
ポン伝送に好適に使用される受光素子に関する。

【０００２】図１は双方向通信の為の概略構成図であ
る。局側にはＬＤ１があり光信号を送信する。これが光
カプラ２によってファイバ３に入り、加入者側（一般家
庭など）で光カプラ４によってＰＤ２に入る。これが下
り系である。加入者側からの送信信号はＬＤ２によって
発信される。これは光カプラ４、ファイバ３、光カプラ
２を経て局側のＰＤ１に至る。これが上り系である。

【０００３】双方向通信には同時送受信をするものと、
時分割して交互に行うものがある。２以上の波長の光を
使う場合もあるが１波長だけのものもある。２波長を使
うとその他にＷＤＭが必要になる。本発明は１波長でし
かも時分割して送受信する単純な双方向通信の受光素子
の改良に関する。

【０００４】交互に送信と受信をするからピンポン伝送
という。１種類の光しか使わないのでもっとも単純な双
方向光通信である。それでも上りと下りの光を同じ光フ
ァイバに通すために光カプラが必要である。２本の光フ
ァイバを使えばカプラは不要であるがそうするとファイ
バ敷設により費用が掛かる。やはり１本の光ファイバで
送受信したい。１本の光ファイバで行き帰りの信号を送
ろうとすれば光カプラは必須の部品のように思える。二
つの光を分離し一方は受光素子に一方は発光素子から光
を送るのであるから光カプラは不可欠であるように見え
る。しかし光カプラは高価な部品であるから加入者側の
設備の価額を押し上げる。できれば光カプラを使わない
ような光通信が望ましい。しかしそのようなことが果た
して可能であろうか？

【０００５】

【従来の技術】それは可能なのである。本発明者はその
波長の光を半分吸収するように受光素子に工夫をして受
光素子と発光素子を直列に接続し送受信光を直線上に伝
搬させるようにした。受光素子がその波長の光を半分だ
け吸収するようにすれば、背後に発光素子をおけば発光
素子の光の半分は受光素子に吸収されるが残りの半分は
受光素子を透過することができる。送信光は発光素子−
受光素子−ファイバというように直線的に光ファイバに
入る。受信光は半分が受光素子に吸収され検出される。
残りの半分は透過して発光素子に当たるが、ピンポン伝
送でありその間は発光素子は不活性なので差し支えな
い。送信光は半分に受信光も半分になるがそれは差し支
えない。十分な光量の光を送受信すれば良い事である。
そうすると分岐がなくなるので高価な光カプラを省く事
ができる。

【０００６】図１のものも送信光、受信光ともに光カプ
ラで半分に減少しているのである。これは既に特願平９
−２５６１０７号（平成９年９月３日）として特許出願
している。これは、受光素子は１００％光を吸収すべき
ものという従来の常識を覆したものである。このように
半分だけ光を吸収する受光素子を半透過型あるいは単に
透過型受光素子と呼ぶ。

【０００７】図２はそのような透過型受光素子とレ−ザ
を組み合わせた光送受信モジュールの構成図である。フ
ァイバ６２−レンズ１２６−透過型受光素子６４−レ−
ザ７０が一直線に並んでいる。光カプラは存在しない。
極めて低コストの光送受信モジュール製作する事ができ
る。時分割によるピンポン伝送であるからこれで差し支
えないのである。

【０００８】半透過型の受光素子は受光層の厚みが薄い
のである。従来の受光素子は受光層が十分に厚い（４μ
ｍ程度）ので全部の光を吸収した。半透過型の場合は厚
みｄを吸収係数αに対して、ｄ＝ｌｎ２／αとすること
によって実現できる。ｌｎ２は２の自然対数である。こ
れは波長によるが受光層をＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ
Ｐにするとき０．７μｍ、１μｍといった極薄いものに
なる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】半透過型の受光素子は
極めて薄い受光層を持つので新たな問題を生じた。本発
明は半透過型受光素子のさらなる改良に関する。光通信
の応用が広まるにつれて、より広い温度範囲で、より低
い電源電圧で使用できる事が強く要望されるようになっ
てきた。従来は屋内のみの使用であったので温度は、０
℃〜４０℃の範囲で正常に作動すれば良かった。それが
屋外で使用したいということもあり、温度範囲は−４０
℃〜＋８５℃に広がって来た。このように広い範囲で安
定に動作するには前記の半透過型受光素子では難しいこ
とであった。さらに電源電圧も５Ｖでなくて、省エネル
ギ−のために３．３Ｖの電源電圧を使うようになってき
た。そのような低電圧ではｐｎ接合に十分な電圧がかか
らないということもあり良好に動作しないことがある。

【００１０】従来の受光層の厚い受光素子では温度特性
は問題なかったのであるが、本発明者が開発した受光層
の薄い半透過型の受光素子は低温で感度が低下するとい
う奇妙な現象が見られた。これは従来の受光素子には見
られなかった不思議な現象であった。

【００１１】図５は前記の半透過型の受光素子の電源電
圧ごとの温度特性を示すグラフである。横軸は温度
（℃）、縦軸は感度（Ａ／Ｗ）である。電源電圧は４Ｖ
〜１０Ｖ、３Ｖ、２Ｖ、１Ｖ、０Ｖである。電源電圧が
４Ｖ〜１０Ｖの時は低温でもそれほど感度は下がらな
い。大体０．４７Ａ／Ｗ程度である。ところが電源電圧
が３Ｖであると−４０℃以下で感度が半減する。感度の
低下は２Ｖではより早く始まる。２０℃から感度の低下
が始まり、−２０℃では感度は、０．１６Ａ／Ｗの程度
になる。このように常温に近い温度からの感度の急激な
低下は通常の受光素子にはないことである。であるから
常温近い温度で感度が急に低下すると言うような報告は
ない。

【００１２】これでは本発明者が折角発明した半透過型
の受光素子は屋外や寒冷地では使用できないと言う事に
なってしまう。実際にはＰＤは増幅器と組み合わせて使
われるので、たとえ電源電圧が３．３Ｖであっても、Ｐ
Ｄの両端に掛かる電圧は２Ｖ程度になる。このような低
電圧では温度特性が悪すぎる。２５℃以上の環境温度で
しかつかえない。

【００１３】寒冷地や屋外用には従来の完全吸収型の受
光素子と光カプラを組み合わせたものを使う必要がある
というのでは、半透過型受光素子を使った光カプラなし
の光送受信モジュールの有効性が著しく減殺される。

【００１４】低温で特性の劣化のない半透過型受光素子
を提供する事が本発明の第１の目的である。低電圧でも
動作する半透過型の受光素子を提供する事が本発明の第
２の目的である。

【００１５】本発明の受光素子の原理は受光素子の常識
に反するので理解しにくい。小手先の改良でないからで
ある。受光素子の原理にたち帰って考察しなければなら
ない。それゆえ従来から使われて来た受光素子と半透過
型の受光素子の内部構造を説明し、ｐｎ接合と逆バイア
スの意味について原理から説明することにする。

【００１６】［Ａ．従来の１００％吸収型ＰＤの構造］
従来のＩｎＰ系の受光素子は図３に示すような層構造と
不純物濃度分布を持っている。感度を上げるためには入
射光を全部吸収しなければならない。光を完全に吸収す
るため厚い受光層（４μｍ程度）を持っている。そのた
めにある波長より短い波長の全ての光は受光層に吸収さ
れるのである。半導体や絶縁体はそのバンドギャップ
（Ｅｇ）より小さいエネルギー（ｈν）の光を吸収でき
ない（Ｅｇ＞ｈν）。その光はエネルギー（ｈν）が足
らず（ｈν＜Ｅｇ）電子を価電子帯から伝導帯にたたき
上げることができないからである。反対にバンドギャッ
プ（Ｅｇ）より大きいエネルギーの光（ｈν＞Ｅｇ）は
吸収される。その光によって電子を伝導帯に上げること
ができる。つまり電子正孔対を造る事ができるからであ
る。

【００１７】受光層（Ｅｇ₂ ）はその他の層つまり基
板、バッファ層、窓層バンドギャップ（Ｅｇ₁ ）に比べ
て狭いバンドギャップを持つ（Ｅｇ₂ ＜Ｅｇ₁ ）。受光
層バンドギャップ（Ｅｇ₂ ）よりも高くてその他の層の
バンドギャップ（Ｅｇ₁ ）よりも低いエネルギーの光
（Ｅｇ₂ ＜ｈν＜Ｅｇ₁ ）は自由に他の層を透過できる
が受光層で吸収される。

【００１８】それで１．３μｍや１．５５μｍの検出の
為の受光素子はＩｎＰ基板、ＩｎＰバッファ層、ＩｎＰ
窓層をもち、ＩｎＧａＡｓの受光層をもつ。広いバンド
ギャップのＩｎＰはこれら１．３μｍや１．５５μｍの
波長の光を全部透過させる。狭いバンドギャップのＩｎ
ＧａＡｓは１．３μｍや１．５５μｍを吸収し検出す
る。受光層としてよりバンドギャップの広い四元のＩｎ
ＧａＡｓＰを使う事もある。これは１．５５μｍより高
いエネルギーギャップなので１．５５μｍには感じない
で、１．３μｍだけを感受する。

【００１９】このように受光層はバンドギャップが低
く、光を電子正孔対に変換する層である。活性層とも呼
ばれるのはそのようなエネルギー変換を行う事ができる
からである。受光層が十分に厚いとそのバンドギャップ
より短い波長の全ての光を吸収することができる。当然
に感度も高い。感度を高めるために受光層を厚くする必
要があった。図３ではＩｎＧａＡｓ受光層は４μｍ厚み
としている。

【００２０】受光層の他に重要な要素はもちろんｐｎ接
合である。ｐｎ接合がないとフォトダイオードでない。
ｐｎ接合は逆バイアスがかかるために必要である。これ
は従来必ず受光層にできるようになっていた。これは当
然のことであった。逆バイアスによって電子正孔対を引
き離すためである。

【００２１】ｎ型の素子の場合は、ｎ型半導体層（窓
層、受光層）にｐ型不純物をドープすることによってｐ
ｎ接合ができる。ｐ型不純物として亜鉛、カドミウム、
マグネシウムを使う事ができるが、通常は亜鉛Ｚｎを熱
拡散してｐ領域を作る。ｎ型半導体のドナー密度とｐ型
半導体のアクセプタ密度が均衡した部分が面状にできる
がこれがｐｎ接合である。

【００２２】図３は標準（従来の典型的な）ＩｎＰ系フ
ォトダイオードの層の構造と亜鉛の拡散濃度を示す。横
軸が層構造を示し、窓層、受光層、バッファ層、基板と
なっている。縦軸はログスケールの亜鉛濃度である。ｎ
型ＩｎＰ窓層の不純物密度は例えばｎ＝２×１０¹⁵ｃｍ
^-3である。ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層の不純物濃度は例え
ばｎ＝１０¹⁵ｃｍ^-3である。ｎ型ＩｎＰ窓層の方から亜
鉛が熱拡散し（イ→ロ）、ＩｎＧａＡｓ受光層（ロ→
ハ）にまで拡散してゆく。窓層から拡散するから亜鉛の
濃度は窓層から遠ざかるにしたがって低下する。

【００２３】ｐ型不純物濃度がもともとのｎ型不純物濃
度より大きいところはｐ領域になる。窓層はｎ＝２×１
０¹⁵ｃｍ^-3程度のｎ型不純物があるので亜鉛濃度はそれ
以上高濃度であることが必要である。さらにより低抵抗
にするために高濃度（ｐ＞１０¹⁸ｃｍ^-3）とする。これ
が高濃度のｐ⁺ 領域（Ａ領域）である。窓層と受光層の
境界も高密度ｐ型領域になる。

【００２４】ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層はｎ型といって
も、もともと不純物密度が低くｎ＝１０¹⁵ｃｍ^-3の程度
である。それ以上の亜鉛があればｐ領域でありうる（Ｂ
領域；ロ〜ハ）。受光層の内部でＺｎ濃度ｐは急激に減
少する。

【００２５】拡散した亜鉛拡散の密度ｐがＩｎＧａＡｓ
受光層の内部でｐ＝１０¹⁵ｃｍ^-3となる点ハがある。こ
こでｎ型不純物数とｐ型不純物数が均衡する。ｎ＝ｐで
ある。これがｐｎ接合である。ｐｎ接合は受光層の内部
にできる。

【００２６】それより下の受光層では依然ｎ型である
（ｎ＞ｐ）。バッファ層や基板には亜鉛が殆ど拡散しな
い。受光層は低密度のｎ^- 型であるから、ｐｎ接合の近
傍はｐ型不純物密度も少ない。電気伝導度を高めて抵抗
を減らす必要があるので、かなりの厚みがある基板はキ
ャリヤ濃度が高い。

【００２７】従来の受光素子は受光層が４μｍもあって
十分に厚い。ｐｎ接合も受光層内部にある。空乏層は受
光層にある。強い電界は空乏層だけにある。

【００２８】
外部から長波長の光（ｈν）が窓層（バンドギャップＥ
ｇ₁ ）にはいってくると、ｈν＜Ｅｇ₁ の場合、窓層は
そのまま透過し受光層に至る。受光層バンドギャップＥ
ｇ₂ より光のエネルギー（ｈν）が高い（Ｅｇ₁ ＞ｈν
＞Ｅｇ₂ ）と、光はここで電子正孔対を作り出す。でき
たての電子は強い電界によってｎ側へ、正孔はｐ側へ引
っ張られるので互いに引き離され再結合できない。電子
正孔がそれぞれｎ側領域、ｐ側領域へ流れることによっ
て電極に電流が流れる。これが光電流である。ために光
を電流に変えて検出することができるのである。

【００２９】電源電圧は空乏層に電界を発生させ空乏層
はｐｎ接合の両側にできる。だからｐｎ接合が受光層に
あるのは強い電界を受光層に存在させ、創成された電子
と正孔を引き離すためである。だからフォトダイオード
において受光層にｐｎ接合があるのは当然なのである。
そうでなければならなかったのである。

【００３０】［Ｂ．本発明者が先に提案した半透過型受
光素子の構造］図４は本発明者がかつて提案した半透過
型のフォトダイオードの亜鉛拡散濃度を示す。受光層は
低いバンドギャップを持つＩｎＧａＡｓである。ＩｎＧ
ａＡｓの吸収係数をαとすると厚みｄを、ｌｎ２／α
（ｌｎは自然対数）とすることによって、光の半分を吸
収し半分を透過するようになっている。１．３μｍに対
してα＝０．９９μｍ^-1であるから、厚みｄ＝０．７μ
ｍとなっている。従来のものの１／６程度の薄いもので
ある。

【００３１】ｎ型ＩｎＰ窓層に低抵抗のｐ型層を形成す
るためには亜鉛の拡散濃度ｐはかなり高く（ｐ＞１０¹⁸
ｃｍ^-3）ないといけない。ＩｎＧａＡｓ受光層は薄い
（０．７μｍ）のでその内部にｐｎ接合を持ってくる
（ｎ＝ｐ）ためには極めて浅い拡散をしなければならな
い。ところが拡散はシャープな分布の切れを作る事がで
きない。受光層の最奥部（リ）にｐｎ接合を作るとして
も窓層と受光層のヘテロ境界（チ）は亜鉛濃度が１０¹⁸
ｃｍ^-3より低くなる事もある。すると窓層と受光層のヘ
テロ界面でのｐ領域は弱いｐ領域であってバンドギャッ
プの差異が正孔側に現れ易くなる。もっともこれはｎ型
窓層のｎ型不純物濃度をもっと下げれば窓層でつねにｐ
＞ｎとできるので２重の接合ができるのを避ける事はで
きる。

【００３２】このようにして作った半透過型フォトダイ
オードは図５のように温度特性が悪い。低温での感度低
下が著しい。特に電源電圧が低いと低温では感度が下が
る。このような事は従来のＰＤではなかったことであ
る。どうしてであろうか？原因を調べるために本発明者
は、感度を温度の逆数の関数としてプロットした。その
結果が図６である。横軸は１０００／Ｔ（Ｋ^-1）であ
る。縦軸は感度の対数である。電源電圧を０Ｖ、１Ｖ、
２Ｖ、３Ｖ、４Ｖ、５Ｖにした。データは図５と同一で
あるが横軸を摂氏温度から絶対温度の逆数に変えたもの
である。０Ｖ、１Ｖ、２Ｖ、３Ｖの時に綺麗な直線にな
る。この勾配から活性化エネルギーΔＥ_d は０．２９ｅ
Ｖである事が分かる。活性化エネルギーというのは現象
の強さの温度依存性が、ｅｘｐ（−ΔＥ_d ／ｋＴ）と書
ける（ｋはボルツマン定数）ときに絶対温度Ｔの分母の
上に乗る分子の価である。もともとはアレニウスがΔの
ポテンシャルの壁をこえる必要がある反応が起こる確率
の温度依存性がこのような形にかけるときにそのエネル
ギーを活性化エネルギーといったものである。

【００３３】つまりこの薄い受光層をもつフォトダイオ
ードは０．２９ｅＶのポテンシャルの壁を突き抜けて起
こっている現象なのだ、ということである。図６の意味
はそういうことである。何故そのようなポテンシャルの
壁ができるのか？どこにポテンシャルの不連続が生じる
のか？

【００３４】本発明者は、半透過型受光素子の温度依存
性が顕著であることの原因を様々の角度から検討調査し
た。温度依存性からこの現象は、０．２９ｅＶの活性化
エネルギーを伴うことがわかった。これはいったいなに
か？ＩｎＰのバンドギャップが１．３５ｅＶ、ＩｎＧａ
Ａｓのバンドギャップが０．７５ｅＶであるので、０．
２９ｅＶはその差の半分に近いということに本発明者は
気づいた。ＩｎＰとＩｎＧａＡｓのヘテロ界面にこのよ
うなエネルギー差が実際に現れるのではないか？先述の
半透過型受光素子では、受光層を薄くししかもｐｎ接合
をＩｎＧａＡｓ受光層の中に形成することに重点をおい
た。ｐｎ接合はｎ型不純物濃度をｐ型不純物濃度が等し
くなる点をつないだ面（ｐ＝ｎ）であるが、ｎ型ＩｎＧ
ａＡｓ受光層はもともと不純物濃度が低い。

【００３５】すると薄い（０．７μｍ程度）受光層の中
でｐ不純物の濃度を下げなければならない。Ｚｎは熱拡
散するから深さ方向の濃度変化はあまり急峻にはならな
い。するとＩｎＰ窓層とＩｎＧａＡｓ受光層の境界面
（ヘテロ界面）でもＺｎ濃度を高くできない。ヘテロ界
面でのＺｎ濃度は低い。Ｚｎ濃度が低いので窓層、受光
層のヘテロ界面にできるポテンシャル障壁にキャリヤが
トラップされるのではないか？と考えられる。そのポテ
ンシャル障壁の高さは、（１．３５−０．７５）／２＝
０．３ｅＶ程度と推測される。このヘテロ界面でのポテ
ンシャル障壁をキャリヤが乗り越えるに必要なエネルギ
ーは約０．３ｅＶ程度であろう。先述の感度温度特性の
活性化エネルギー０．２９ｅＶは、窓層受光層の障壁を
飛び越えるエネルギーにほぼ等しい。温度が下がると熱
運動による擾乱がへるので、ポテンシャルを乗り越える
確率が減るのである。そのために低電源電圧、低温で感
度が低くなるのではないか？と考えた。

【００３６】実際にＳＩＭＳ（Secondary ion microspe
ctroscopy）によってウエハ中の、深さ方向のＺｎ濃度
プロフィルを調べた。従来の厚い受光層を持つ受光素子
については図３のようであった。また本発明者の創案に
なる薄い受光層をもつ半透過型受光素子については図４
のようであった。図３の従来の素子では、窓層（ｎ＝１
０¹⁸ｃｍ^-3）と受光層（ｎ＝１０¹⁵ｃｍ^-3）のヘテロ界
面のＺｎ濃度は１０¹⁸ｃｍ^-3以上である。それに反して
図４の半透過型素子ではヘテロ界面でのＺｎ濃度は１０
¹⁸ｃｍ^-3よりかなり低い。窓層受光層のヘテロ界面で高
濃度のｐ⁺ になっていないのである。

【００３７】より具体的に説明すると、Ｚｎの拡散は、
教科書によく書いて有るように、高濃度の領域ｐ⁺ が一
様にできるのではない。図３に示すように、高濃度のＡ
領域が有るが、その後に急激に濃度の減少するＢ領域が
ある。さらにそのあとに穏やかに尾を引くＣ領域が存在
する。ｐｎ接合は（ｎ＝ｐ）は低濃度のＣ領域ででき
る。ところがヘテロ接合でバンドギャップ差ができる。
バンドギャップ差はキャリヤにとって障壁となる。キャ
リヤ濃度が低かったり低温であったりするとバンドギャ
ップ差を飛び越える事ができない。つまりヘテロ界面の
位置と、Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域を上手く配置しない
と、ＰＤは良好に動作しない。薄い受光層にｐｎ接合を
もってくるとどうしてもヘテロ界面のエネルギー障壁が
邪魔になる。

【００３８】

【課題を解決するための手段】本発明の受光素子は、半
導体基板、バッファ層、受光層、窓層よりなる受光素子
において、ｐｎ接合を受光層でなくバッファ層に設け
る。ｎ型基板にｎ型バッファ層、ｎ型受光層、ｎ型窓層
よりなるエピタキシャルウエハに、ｐ不純物をドープし
てｐ領域を造る場合は、窓層、受光層、バッファ層に及
ぶｐ領域を作製する。ｎ型基板は伝導性を高くするため
ｎ型不純物濃度が高い方がよい。たとえば基板の不純物
濃度はｎ＝１０¹⁸〜１０¹⁹ｃｍ^-3とする。バッファ層は
不純物濃度が低い方が良いので（ｐｎ接合を内部に引き
込むため）ｎ＝０．５〜３×１０¹⁵ｃｍ^-3程度である。
ＩｎＧａＡｓ叉はＩｎＧａＡｓＰ受光層のｎ型不純物濃
度は０．５〜３×１０¹⁵ｃｍ^-3の程度とする。ｎ型窓層
はやはり低濃度の方がよいから１〜４×１０¹⁵ｃｍ^-3の
程度である。窓層はｐ型になった状態で低抵抗であれば
良くｎ型不純物濃度は伝導に関係ない。窓層と受光層の
ヘテロ界面でのｐ型不純物濃度は例えばｐ＝１〜５×１
０¹⁸ｃｍ^-3とする。受光層とバッファ層のヘテロ界面で
のｐ型不純物の濃度は３×１０¹⁵ｃｍ^-3以上とする。バ
ッファ層のｎ型不純物濃度と同じになる（ｐ＝ｎ）とこ
ろがｐｎ接合でありこれがバッファ層にあるのだから受
光層・バッファ層界面でのｐ型不純物濃度（３×１０¹⁵
ｃｍ^-3以上）が、バッファ層のｎ型不純物濃度（ｎ＝
０．５〜３×１０¹⁵ｃｍ^-3）以上であるのは当然であ
る。

【００３９】ｐｎ接合がバッファ層にありｐｎ接合の両
側にできる空乏層が受光層にかからないようにする。そ
のためバッファ層はある程度の厚みが必要である。空乏
層は不純物濃度と電圧によるが１μｍ〜３μｍ程度には
なるので、バッファ層は３μｍ以上あることが望まし
い。例えば４μｍ程度である。ＩｎＧａＡｓ受光層は、
０．７μｍとすると長波長光（１．３μｍ帯と１．５５
μｍ帯）を半分透過する。厳密に半分でなくても良いの
で、厚みは０．５μｍ〜０．９μｍの程度であるように
する。ＩｎＧａＡｓＰ受光層は、１μｍとすると長波長
光（１．３μｍ帯）を半分透過する。厳密に半分でなく
ても良いので、厚みは０．８μｍ〜１．２μｍの程度で
あるようにする。

【００４０】ここでＩｎＧａＡｓとかＩｎＧａＡｓＰと
か簡単に書いているが実際にはＩｎＰ層と格子整合する
のである。三元ＩｎＧａＡｓの場合は一意的に組成が決
まる。組成がきまるのでバンドギャップも一つ厳密に決
まる。四元ＩｎＧａＡｓＰの場合は格子整合だけでは組
成が一義的に決まらない。組成を自由パラメータとする
ことができる。バンドギャップ波長が例えば１．４０μ
ｍ〜１．４４μｍとすることができる。そのように選ぶ
と、１．３μｍだけを検出できる。

【００４１】本発明は、バッファ層にｐｎ接合を設ける
ところに要点があり基板やバッファ層の伝導型にはよら
ない。ｐ型基板の素子にも適用できる。ｐ型基板にｐ型
バッファ層、ｐ型受光層、ｐ型窓層を成長させたエピタ
キシャルウェファに、ｎ型不純物をドープする場合は、
窓層、受光層、バッファ層までｎ型領域にする。つまり
不純物をより深くまでドープする。不純物ドープの方法
は熱拡散でもイオン注入でも良い。要するに不純物を奥
深くまで送り込んでｐｎ接合を受光層でなくバッファ層
に形成するのである。ｐｎ接合をバッファ層に形成した
受光素子はもちろん類例がない。ｐｎ接合は受光層（活
性層ともいう）に設けるべきものであった。ｐｎ接合は
逆バイアス電圧の殆ど全てが掛かるのでこにに強い電界
を生じる。受光層は光を吸収し電子正孔対を生じるがこ
れがそこに存在する電界によって引き離される。それで
光電流が流れるのである。

【００４２】本発明はそうでなくバッファ層に電界を作
りながらも、受光層でキャリヤ対を作り出す。逆バイア
ス電界の存在場所（バッファ層）とキャリヤ対生成の場
所（受光層）が異なる。しかし受光層には不純物濃度の
勾配がありこれによって作り付けの電界が存在する。こ
れによって創成されたキャリヤ対が引き離される。だか
ら作り付け電界によって光電流が流れるのである。逆バ
イアス電圧でキャリヤを引き離す従来の受光素子とは全
く異なる原理による受光素子である。

【００４３】

【発明の実施の形態】従来の受光素子は必ず受光層にｐ
ｎ接合がある。薄い受光層を持つ半透過型の受光素子で
は受光層にｐｎ接合を作ると低温で感度が低下する。そ
こで本発明者は発想を転換した。これまでの受光素子は
例外無く受光層の内部にｐｎ接合が存在した。しかしｐ
ｎ接合は本当にかならず受光層内部にないといけないの
であろうか？どうして従来の受光素子は、受光層にｐｎ
接合を作製したのか？この理由を考察した。

【００４４】従来のＰＤ（受光素子）は、高速動作（数
ＭｂｐｓからＧｂｐｓ）をするために、（ａ）キャリヤ
を高速で引っ張るための電界を受光層（光吸収層）に集
中させる事、（ｂ）ｐｎ接合の上下に空乏層を作りその
厚みを増やす事によって静電容量を下げること、

【００４５】を目的としてｐｎ接合を受光層に設けてい
るのである。（ａ）において、光はバンドギャップの狭
いＩｎＧａＡｓ受光層でのみ吸収されここでキャリヤが
生成する。そこに強い電界がないと再結合してしまう。
ｐｎ接合は電源電圧の殆ど全てが掛かるので強い電界が
存在する。（ｂ）は容量の問題であるが空乏層の厚みｄ
が厚いほど容量が減る。空乏層はｐｎ接合にできるが電
圧を増やすほどｄが増え容量が減る。そのために受光層
にｐｎ接合を作るのである。しかしながら（ｂ）につい
ては容量を減らすため厚みｄを増やしさえすれば良いの
で空乏層が何処にあっても良いはずである。電源電圧を
増やすと空乏層厚みは増え容量が減る。それは空乏層が
どこにあっても変わらない。

【００４６】（ａ）が問題である。光によって電子正孔
対ができたときに強い電界がないと再結合して消滅す
る。強い電界を形成するためにｐｎ接合を逆バイアスす
る必要があった。しかしｐｎ接合逆バイアス以外に電界
を形成できる代替手段が有れば受光層にｐｎ接合がなく
てもよい。そこで図３のＢ領域でのＺｎ濃度の急な傾斜
に注目した。不純物の濃度勾配が有るという事はここに
なにがしかの電位分布ができて内部電界ができているは
ずである。Ｂ領域のような急峻なｐ型不純物濃度の勾配
によってもキャリヤを加速できるかも知れない。逆バイ
アス電圧による電界に限らず、強い電界が有りさえすれ
ば良いのでそれが不純物濃度勾配によってできるもので
あっても良い。

【００４７】もしも濃度勾配によって生成キャリヤを加
速できるものならばＢ領域を受光層につくり、ｐｎ接合
はより下のバッファ層に押しやっても差し支えない。そ
のはずである。ｐｎ接合と空乏層をバッファ層に追いや
った構造の受光素子では、つぎのような現象で電流が流
れるはずである。フォトン一つが受光層に入ると電子正
孔対ができる。電子はバッファ層へ進むが空乏層、ｐｎ
接合に至りここで強電界にであってさらに加速され高速
でバッファ層を横切る。そして高濃度で低抵抗のｎ型Ｉ
ｎＰ基板に到達する。

【００４８】一方正孔はｐ側にすすみｐ⁺ 領域に到達す
る。正孔はｐｎ接合による加速を受けない。ｐｎ接合を
バッファ層に移動させるのが主な目的ではない。そうで
なくてＩｎＰ窓層と、ＩｎＧａＡｓ受光層のヘテロ境界
面のＺｎ濃度を増やすのが目的である。ｐｎ接合をより
深くバッファ層にもってくると、ヘテロ界面のＺｎ濃度
をより高くする事ができる。１０¹⁸ｃｍ^-3以上のＺｎ濃
度にできる。界面での不純物濃度が高いと低抵抗になり
正孔がギャップにトラップされなくなる。正孔がここの
０．２９ｅＶのギャップを容易に飛び越える事ができる
ようになれば、図５のような低温での感度劣化という問
題が克服できるはずである。

【００４９】窓層受光層ヘテロ界面にポテンシャル障壁
ができるが、従来はここでのｐ型不純物濃度が高いので
キャリヤが障壁を乗り越えていたのである。ところが半
透過型受光素子でｐｎ接合を薄い受光層にもってくる
と、ヘテロ界面でのｐ型不純物濃度が低くなり障壁をこ
える事が難しい。ところがｐｎ接合をより深くバッファ
層に押し込むとヘテロ界面のＺｎ濃度が十分に高くなり
ポテンシャル障壁を容易にこえる事ができるようにな
る。そのような予想に基づいて本発明がなされている。

【００５０】本発明は、バッファ層にｐｎ接合を、受光
層には不純物濃度勾配による内部電界を形成する。これ
によって低温、低電圧でも感度が低下しない半透過型の
受光素子を提供する。

【００５１】また、ヘテロ界面でのポテンシャル障壁を
直接に低くする手段として、三元系のＩｎＧａＡｓの替
わりに、四元系のＩｎＧａＡｓＰを受光層とすることも
有効である。ＩｎＧａＡｓＰはバンドギャップ波長λｇ
が１．４２μｍとなるように組成を選ぶとバンドギャッ
プＥｇが０．８７ｅＶであるから、ＩｎＰ（Ｅｇ＝１．
３５ｅＶ）との差の半分は０．２４ｅＶである。障壁が
０．２９ｅＶから０．２４ｅＶに減る。障壁の高さその
ものが減るので温度特性が改善される。

【００５２】但しＩｎＧａＡｓＰ（Ｅｇ＝０．８７ｅ
Ｖ）を受光層にすると、ＩｎＧａＡｓＰ（Ｅｇ＝０．７
５ｅＶ）にくらべて、０．７５〜０．８７ｅＶの光に対
する感度がなくなる。１．５５μｍを感じなくなるが、
１．３μｍ帯だけの受光素子とする場合は差し支えな
い。本発明の受光素子は低温で感度低下しないで良好に
機能するがどうしてそうなるのか？動作を理解するため
に解決しなければならない問題は二つある。一つは逆バ
イアスの替わりに電子正孔対を加速する電界は何処から
くるのか？ということである。もう一つは、バッファ層
にｐｎ接合を置く事によってどうして温度特性が改善さ
れるのか？と言う事である。

【００５３】［Ａ．受光層にできる作り付けの（内蔵）
電界］本発明の受光素子において、受光層にはｐｎ接合
がないので逆バイアスが受光層に掛からない。しかし受
光層にはＺｎ濃度の急激な変化がある。ｐ不純物によっ
てアクセプタレベルができるがこれの濃度に勾配がある
とフェルミレベルに勾配ができる。フェルミレベルの勾
配は電子や正孔に対してポテンシャルの勾配になる。フ
ェルミレベルの勾配が作り付けの電界を与えるのであ
る。フェルミレベル勾配がそれほど大きい電界を形成す
るのか？これが問題である。図１２は伝導帯、価電子帯
の間にある禁制帯のなかにあるフェルミレベルＥｆが、
アクセプタ濃度Ｎａによってどのように変動するかを示
すグラフである。真性半導体の場合は禁制帯の大体半分
の高さにフェルミレベルがある（電子正孔の有効質量の
比の対数が入る）。ｐ型半導体の場合はアクセプタレベ
ルと価電子帯Ｅｖの間にフェルミレベルがある。それで
アクセプタ濃度（ｐ型不純物）を増やすとフェルミレベ
ルＥｆが減少する。その依存性は

【００５４】 Ｅｆ＝Ｅｖ−ｋＴｌｎ｛２（２πｍｋＴ／ｈ² ）^3/2 ／Ｎ_a ｝ （１）

【００５５】ｍは正孔の有効質量、ｈはプランク定数、
Ｔは絶対温度である。対数の中にある値はほとんどが定
数であり不純物濃度Ｎ_a だけが変数である。Ｎ_a がｐ₁
からｐ₂ に変動すると、

【００５６】 ΔＥｆ＝ｋＴｌｎ｛ｐ₂ ／ｐ₁ ｝ ＝０．０２５７ｌｎ｛ｐ₂ ／ｐ₁ ｝ （２）

【００５７】というフェルミエネルギーの変化がある。
例えばＩｎＧａＡｓＰ受光層は１μｍという薄いもので
あるが、はじめの０．５μｍでｐ₁ ＝１０¹⁸ｃｍ^-3から
ｐ₂ ＝１０¹⁶ｃｍ^-3までＺｎ濃度が低下したとする。こ
の０．５μｍの間でのフェルミレベルの低下分ΔＥｆ
は、温度が２５℃のとき（Ｔ＝２９８Ｋ）

【００５８】 ΔＥｆ₁₂＝０．１１８ｅＶ （３）

【００５９】である。ＩｎＧａＡｓＰ中の後半の０．５
μｍでは、ｐ₂ ＝１０¹⁶ｃｍ^-3からｐ₃ ＝５×１０¹⁵ｃ
ｍ^-3に変化するとしてフェルミレベルの低下分は

【００６０】 ΔＥｆ₂₃＝０．０１７８ｅＶ （４）

【００６１】となる。それぞれ０．５μｍの厚みである
から電界強度はこれらを０．５μｍとｅで割って、 前半部 Ｅ₁ ＝２３６０Ｖ／ｃｍ （５） 後半部 Ｅ₂ ＝ ３５６Ｖ／ｃｍ （６）

【００６２】である。受光層は本発明の受光素子ではｐ
領域にある。光によって電子正孔対ができたとして正孔
は多数キャリヤである。多数キャリヤはそのままｐ電極
に流れる。個々のキャリヤの速度は動作速度に殆ど関係
しない。電子は少数キャリヤになる。これがｎ側半導体
まで流れることによって光電流が流れる。少数キャリヤ
の速度が遅いと再結合によって消えるので感度が悪い。
ところが受光層は薄くてかつ電子のモビリティはμ＝５
０００ｃｍ² ／Ｖｓｅｃと高い。ｄ₁ 、ｄ₂ を通過する
のに要する時間τ_d1、τ_d2は、

【００６３】 前半部 τ_d1＝４．２ ｐｓｅｃ （７） 後半部 τ_d2＝２８ ｐｓｅｃ （８）

【００６４】である。電子は受光層からバッファ層の方
へ流れてｎ領域に入り多数キャリヤとなるので、前半部
でできた電子はτ_d1＋τ_d2の時間だけ掛かってバッファ
層に入る。約３０ｐｓｅｃでｎ領域までいたるので１０
ＧＨｚの応答速度を有する。受光層のみの遮断周波数ｆ
ｃ（応答出力が−３ｄＢ低下する周波数）を求めると、

【００６５】 ｆｃ＝２．７８／２π（τ_d1＋τ_d2）＝１３ＧＨｚ （９）

【００６６】となる。受光層の遮断周波数が１３ＧＨｚ
であるから、１０ＧＨｚに応答することが確認された。

【００６７】上の例は、ｄ₁ ＝０．５μｍ、ｄ₂ ＝０．
５μｍとしたが、より拡散が急であって、ｄ₁ ＝０．２
μｍ、ｄ₂ ＝０．８μｍとすると、 前半部 τ_d1＝ １．７ ｐｓｅｃ （１０） 後半部 τ_d2＝４５ ｐｓｅｃ （１１） となる。合計のトランジット時間は４６．７ｐｓｅｃで
あり遮断周波数は９．１ＧＨｚとなる。これでも１０Ｇ
Ｈｚに近い応答速度を有する。

【００６８】通常の受光素子ではｐｎ接合の空乏層に掛
かる逆バイアスによって加速する。本発明の作り付け電
界による加速と、従来の受光素子の空乏層での加速と比
較する。空乏層の厚みは逆バイアス（電源電圧）と不純
物濃度に依存するが例えば５Ｖ印加の時、空乏層厚みは
３μｍ程度である。空乏層の電界は、１．６×１０⁴Ｖ
／ｃｍ程度である。（５）（６）の作り付け電界に比較
して大きい。空乏層の通過時間τ₃ は

【００６９】τ₃ ＝３×１０^-4／［｛５／（３×１
０^-4）｝×５０００］＝３．６ｐｓｅｃ

【００７０】である。同じように遮断周波数を求める
と、ｆｃ＝１２０ＧＨｚになる。本発明の半透過型受光
素子の受光層の遮断周波数は１０ＧＨｚ程度でこれに比
べて約１／１０に過ぎない。しかし通常の数１０Ｍｂｐ
ｓから数Ｇｂｐｓのデジタル通信には本発明の受光素子
で十分に間に合う。受光層での電子の運動は以上のよう
である。

【００７１】つぎにＩｎＰバッファ層の空乏層での電子
の運動について考える。逆バイアス電圧が２Ｖとする
と、空乏層が２μｍと仮定して、電界は１００００Ｖ／
ｃｍである。電子の通過（トランジット）時間はτ₄ ＝
４ｐｓｅｃである。遮断周波数ｆｃ＝１１０ＧＨｚとな
る。電子はバッファ差の空乏層を４ｐｓｅｃで通過し遮
断波長は１１０ＧＨｚであるから、先ほどの受光層での
応答速度１０ＧＨｚの妨げにならない。またバッファ層
の空乏層以外の部分はｎ型でありここでは電子は多数キ
ャリヤになるから移動速度を考慮しなくて良い。

【００７２】むしろバッファ層の動作で応答速度を限定
するものは、接合容量である。接合容量と負荷抵抗の積
ＣＲが時定数であるが、２πＣＲの逆数が遮断波長を与
える。実施例の受光素子は受光径が１４０μｍであるか
ら、ｐｎ接合の静電容量Ｃ_j＝２ｐＦ（Ｖ_r ＝２Ｖ）と
なる。増幅器の入力抵抗を１ｋΩとすると、この場合の
遮断周波数ｆｃは

【００７３】 ｆｃ＝１／（２πＣ_j Ｒ）＝７９．６ＭＨｚ （１２）

【００７４】となる。この応答速度はデジタル通信では
１００Ｍｂｐｓまで使える速さである。これは負荷抵抗
を１ｋΩと仮定しているが、そうではなくて負荷抵抗を
５０Ωとすると遮断周波数は１．６ＧＨｚとなる。

【００７５】［Ｂ．拡散電流の可能性］ 先ほど述べた
受光層での電子運動の駆動力はフェルミレベルの曲がり
による電界（内蔵電界）であった。つぎに拡散による電
子運動の可能性について考える。つまり受光層で電子正
孔対が沢山できるが窓層に近い方から光が入るので電子
濃度の勾配ができる。濃度勾配があれば拡散電流が流れ
る。ＩｎＧａＡｓの中での電子の拡散係数は、Ｄ_n ＝２
５９ｃｍ² ／ｓｅｃである。拡散電流の遮断周波数ｆ
_diffは、

【００７６】 ｆ_diff＝２．４Ｄｎ／２πｄ² （１３）

【００７７】である。ｄ＝１μｍであるから、ｆ_diff＝
９．９ＧＨｚとなる。これはフェルミ面の彎曲による電
界作用によるものよりも遅い。しかしそれでもデジタル
通信において１００Ｍｂｐｓの信号速度には十分に使用
できる。ＩｎＧａＡｓＰの場合は、ＩｎＧａＡｓよりＤ
ｎが小さい。だから遮断周波数は９ＧＨｚより低いがそ
れでも１００Ｍｂｐｓの通信速度であれば受信機受光素
子として十分に使える。

【００７８】つぎに受光層で電子が再結合しない理由に
ついて説明する。逆バイアスに比べて弱い電界であるか
ら光によって作られた電子正孔対のうち電子が受光層で
どうして吸収されないのか？これが問題である。ｐ⁺ の
領域のトランジット時間は４．２ｐｓｅｃである。ｐ層
での電子のライフタイムは２００ｐｓｅｃ（ＩｎＧａＡ
ｓの例）である。ｐ⁺ 層で生じた電子はｐ層を２９ｐｓ
ｅｃで通過する。ライフタイムの約１／１０であるから
再結合しない。フェルミ準位の勾配による電界であって
も十分に電子を加速できるから再結合損失は少ないので
ある。

【００７９】バッファ層にｐｎ接合があり、受光層はｐ
型になっている半透過型の受光素子についてつぎのよう
な結論が得られる。 Ｚｎの濃度プロフィルから生じる内蔵電界によるフ
ォトキャリヤのドリフトで、遮断周波数が１０ＧＨｚ程
度になることが説明される。 受光層が１μｍ程度でごく薄いために、拡散電流と
考えても１０ＧＨｚ程度の応答速度が得られることの説
明ができる。 実使用時は、プリアンプの実質的な入力抵抗１ｋΩ
と、容量Ｃ_j ＝２ｐＦの積で決まる遮断周波数８０ＭＨ
ｚによって律速される（入力抵抗を下げるとこの値は大
きくなる）。 ｐ層で発生したファトキャリヤは、内蔵電界によっ
て加速され、少数キャリヤのライフタイムよりも１桁短
い時間でｐ層を抜けて行き光電流になる。 結論として、受光層をｐ型に変換し、高速に動く電
子だけを考慮すればよいデバイス構造になっているので
本発明の半透過型ＰＤが高速動作するのである。

【００８０】［Ｃ．低温での温度特性が改善される理
由］本発明の受光素子は受光層をｐ型にしてしまってい
る。ｐｎ接合をバッファ層に押し込めることによって薄
い受光層を全部ｐ型にすることができる。本発明の受光
素子の温度特性は図１１に示すように−２０℃でも感度
が殆ど低下しない。図５、図６のものと比べると特性改
善が一目瞭然である。それでは本発明の受光素子は何故
に低温で劣化しないのか？これが残された問題である。
それは半導体のバンド構造の変化を考察しなければなら
ない。

【００８１】図１４は図３に示すような厚い受光層をも
つ標準的な受光素子のバンド構造を示す。受光層の厚み
（４μｍ）が空乏層の厚み（２〜３μｍ）より広いとす
る。ｐ層が左、ｎ層が右に書いて有る。空乏層の厚みを
ｓｔとする。受光層の厚みをｅｆとする。受光層はＩｎ
ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰで、両側の（窓層、バッフ
ァ層）よりもバンドギャップが小さいのでバンドに不連
続ができる。従来の受光素子では空乏層ｓｔが受光層ｅ
ｆに含まれる。

【００８２】窓層受光層の境界ｅ点を考える。ここはｐ
領域であるから価電子帯に不連続ができない。受光層窓
層は価電子帯が滑らかにつながる。レ点では伝導帯にギ
ャップがありこれはＩｎＰ窓層（１．３５ｅＶ）と受光
層のバンドギャップに等しい。受光層がＩｎＧａＡｓ
（０．７５ｅＶ）であれば、レ点でのギャップは０．６
ｅＶである。受光層がＩｎＧａＡｓＰ（０．８７ｅＶ）
であればギャップは０．４８ｅＶである。

【００８３】空乏層ｓｔには電荷を失ったｐ型とｎ型不
純物があるのでバンドが降下する。伝導帯はソツ間で低
下し、価電子帯はネナ間で低下する。受光層とバッファ
層のもう一方の境界ｆはｎ領域であるから伝導帯は連続
し、価電子帯は非連続になる。ラ点で価電子帯にギャッ
プが生じる。受光層がＩｎＧａＡｓの時は０．６ｅＶで
ある。これは逆バイアスを少し掛けた状態でありｐ領域
では正孔があり、ｎ領域では電子が存在する。受光層で
光が電子正孔対を作り出すと電子は逆バイアスの掛かっ
た勾配ソツを滑ってｎ領域の電子の海に入る。正孔はナ
ネを滑って正孔の海にはいる。ギャップレ、ラは経路上
にないから何等邪魔にならない。

【００８４】図１５は本発明者が先願で提案した半透過
型のＰＤのバンド図である。受光層は０．７μｍとか１
μｍの程度で極薄く、空乏層ｓｔより狭い。空乏層で価
電子帯テエケマ、伝導帯ムウクヤが傾斜する。逆バイア
スが掛かっているからｐ領域には正孔が、ｎ領域には電
子がある。受光層はバンドギャップが狭くて、両側の窓
層、バッファ層はバンドギャップが広いので、境界ｅｆ
でバンドにギャップができる。ところが受光層は空乏層
中に有るからフェルミレベルが禁制帯のほぼ中央にあり
その両側も空乏層であるからフェルミレベルが禁制帯中
央にある。ためにギャップが伝導帯と価電子帯に半分づ
つ配分される。伝導帯にはウノ、オクのギャップがあ
る。これは０．３ｅＶの程度である。価電子帯はエコ、
フケのギャップがある。これも０．３ｅＶである。

【００８５】光が入射すると受光層で価電子帯から伝導
帯へ電子が上げられる。電子は井戸型ポテンシャルであ
るウノオクに溜まる。正孔も井戸型ポテンシャルである
ケフコエに溜まる。そこまでは同じであるが、ここから
電子正孔について非対称性がある。電子は有効質量が小
さく平均自由行程が長く緩和時間が長くモビリティが高
い。ために運動エネルギーを得易い。それで０．３ｅＶ
の壁を易々と越えて流れる。正孔は有効質量が大きく平
均自由行程が短くモビリティが低く緩和時間が短い。た
めにポテンシャルの傾斜にそって流れてもすぐに衝突し
てエネルギーを失う。そのために０．３ｅＶの壁コエを
飛び越える事が難しい。温度が高いと壁コエを飛び越え
ることもできるが低温になると壁コエを飛び越える事が
できない。正孔がｐ領域に流れなくても電子が流れるか
ら差し支えないのではないか、と思うがそうでない。正
孔がコエの壁に遮られて流れないと、電子正孔対がどん
どんできても電子が高密度の正孔と再結合して電子も流
れにくくなる。これが図５、図６に現れた低温での感度
低下の原因である。活性化エネルギー０．２９ｅＶの温
度依存性は、正孔が０．３ｅＶの障壁に遮られることに
よるのである。

【００８６】図１６は本発明の受光素子のバンド図であ
る。空乏層ｓｔが受光層ｅｆから右方向にずれる。受光
層の左側のヘテロ界面はｐ領域にはいるから価電子帯セ
モは連続である。代わりに伝導帯はアサ、キユの非連続
ができる。両側のＩｎＰとのバンドギャップ差んに応じ
た段差ができる。段差はＩｎＧａＡｓの場合約０．３ｅ
Ｖである。空乏層の端が受光層とバッファ層のヘテロ界
面に掛かっているから、伝導帯段差ユキは０．３Ｖ、価
電子帯段差モヒも０．３Ｖである。サキ、セモはＺｎ濃
度勾配によるフェルミレベル勾配で傾いている。空乏層
コミ、ユヒは、中和されないｐ型ｎ型不純物の為に傾い
ている。逆バイアスのためにｐ領域には正孔が、ｎ領域
には電子が存在する。受光層で価電子帯の電子が光によ
って伝導帯に引上げられる。同時にできた正孔ははじめ
から多数キャリヤであるからｐ電極に向かう電流を引き
起こす。ポテンシャル勾配によってそのまま流れてしま
う。図１５の壁コエのように、正孔が捕らえられて電流
を制限すると言うような事がない。電子の方は井戸型ポ
テンシャルであるアサキユに捕捉される。しかし電子は
有効質量が小さく（自由電子質量の０．０８倍程度）、
モビリティが大きく（５０００ｃｍ² ／Ｖｓｅｃ）、平
均自由行程ｌが長く、加速されやすい。ためにギャップ
を乗り越えられるエネルギーを電界から得る事ができ
る。これによってギャップ高さユキを乗り越えることが
できる。電子は空乏層ユミ間で加速されてｎ領域に入
る。このように正孔の流れがポテンシャルギャップによ
って妨げられないから、温度特性が改善されるのであ
る。受光層がｐ領域にあるので正孔の運動に問題がなく
なるのである。

【００８７】

【実施例】図７に示すように、基礎吸収端波長がλｇ＝
１．４２μｍであるＩｎＧａＡｓＰ四元層にした受光層
を持つ実施例を説明する。これは１．３μｍに対して５
０％の透過率をもたせるために厚みを１μｍとする。Ｉ
ｎＧａＡｓを受光層とする場合は、透過率を５０％〜３
０％にするため厚みを、０．５μｍ〜０．９μｍにする
必要がある。それ以外は同様であるので以下ＩｎＧａＡ
ｓＰについて説明する。

【００８８】図３の従来例の層厚み、不純物分布と比較
すれば本発明の考え方が良く理解されよう。受光層を薄
くしたのが本発明の特徴の一つであるが、受光層が薄く
なった分バッファ層をより厚くし、バッファ層にｐｎ接
合が確実に形成されるようにする。

【００８９】まず図７の構造を具体化した、図８により
具体的な透過型ＰＤの構造を示し、その製造手順を図９
に示す。 （１）硫黄Ｓを添加したｎ型ＩｎＰ基板（厚み３５０μ
ｍ、キャリヤ濃度ｎ＝５×１０¹⁸ｃｍ^-3）３１の上に、
クロライドＶＰＥ法によって、ＩｎＰバッファ層３２
（厚み４μｍ、ｎ＝１×１０¹⁵ｃｍ^-3）、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ受光層３３（厚み１μｍ、ｎ＝１×１０¹⁵ｃｍ^-3）、
ＩｎＰ窓層３４（厚み２μｍ、ｎ＝２×１０¹⁵ｃｍ^-3）
をエピタキシャル成長させた。

【００９０】（２）つぎにＳｉＮ膜３５によってエピタ
キシャルウェファを被覆した。フォトリソグラフィによ
って、ＳｉＮ膜の素子中央部と周辺部に窓を明けた。残
ったＳｉＮ膜はパッシベーション膜となる。ＳｉＮ膜を
マスクとしてＺｎ拡散して、素子の中央部にｐ⁺ 領域３
６と周辺部にｐ⁺ 領域３７を生成した。ｎ型不純物とｐ
型不純物が釣り合う部分がｐｎ接合である。中央部のｐ
ｎ接合３８と周辺部のｐｎ接合３９ができる。

【００９１】（３）Ｚｎ拡散は、閉管法によった、原料
はＺｎ、Ａｓ、Ｐである。拡散条件は６００℃、１４分
である。中央のｐ領域は受光部である、周辺のｐ領域
は、周辺部に入射した光がフォトキャリヤを生成しても
それが受光部に流れ込まないようにするためのものであ
る。拡散遮蔽領域と呼ぶ。これによって周辺部に入射し
た光による遅れを防ぐことができる。

【００９２】図１０に１素子分の平面図を示す。中央部
には受光面５０があり、その廻りにｐ電極４０がある。
これは単純な円形でない。ワイヤをボンドするためのパ
ッドが一部にあるからである。さらにその廻りをパッシ
ベーション膜のパターン５１がある。その外側は拡散遮
蔽領域５２である。

【００９３】（４）拡散時に、ＩｎＰのモニタ基板を横
に配置して、Ｚｎ拡散深さを調べた。Ａ領域（ｐ＞１０
¹⁸ｃｍ^-3以上）とＢ領域（ｐ＜１０¹⁸ｃｍ^-3）の折れ曲
がり点（ｐ＝１０¹⁸ｃｍ^-3）が丁度ＩｎＰ窓層とＩｎＧ
ａＡｓＰ受光層のヘテロ界面に（深さ２μｍ）に合致す
る事が分かった。図７にエピタキシャルウェファのＺｎ
分布を示す。これは完成したＰＤチップのＳＩＭＳ測定
から求めたものである。またキャリヤ濃度と深さの関係
（ｎ−ｄプロフィル）からｐｎ接合はバッファ層の中に
形成されていることを確認した。

【００９４】（５）その後、ｐ領域３６の上にｐ側電極
（ＡｕＺｎ系）４０をリング状に形成した。ＩｎＰ基板
３１は裏面研磨して厚みを１００μｍに減らした。光学
長を短くして後方の半導体レ−ザ光をファイバに結合し
易くする為である。ＩｎＰ基板３１の裏面にはリング状
にｎ側電極４２（ＡｕＧｅＮｉ系）を形成した。ｐ側電
極４０によって囲まれる受光部には反射防止膜４１を被
覆した。これはＳｉＯＮのλ／４膜である。ｎ側電極で
囲まれる領域にも同じように反射防止膜４３を被覆し
た。

【００９５】（６）こうして完成したＰＤチップをパッ
ケージにＡｕＳｎ半田によってダイボンドした。電極と
ピンの間を直径２０μｍのＡｕ線によってワイヤボンデ
イングした。さらに、レンズを用いてＰＤとシングルモ
ードファイバとを光学的に結合させピグテール型のＰＤ
モジュールを完成した。

【００９６】（７）このＰＤモジュールの温度特性を測
定した。その結果を図１１に示す。電源電圧が２Ｖであ
る場合を示す。２Ｖの場合図５のものは２５℃から感度
が著しく低下し始めたが、本発明の場合は、２５℃から
の低下はない。−４０℃の低温でも十分な感度をもって
いる。２５℃で０．４７Ａ／Ｗであり、−４５℃でも
０．４６Ａ／Ｗである。−４０℃〜＋８０℃で、０．４
６Ａ／Ｗ〜０．４９Ａ／Ｗという極めて安定した感度特
性を示した。また静電容量も２Ｖで２．０ｐＦと極めて
低い。５０Ｍｂｐｓの通信には十分な特性であった。

【００９７】

【発明の効果】半透過型の受光素子であるから光カプラ
が不要なピンポン伝送型の光通信システムを構築でき
る。半透過型の受光素子自体が本発明者の創案になる新
規なものである。受光層にｐｎ接合を持つ半透過型受光
素子は図５に示すように温度特性が悪いが本発明の半透
過型受光素子は低温でも感度が下がらない。バッファ層
にｐｎ接合を位置させるからである。屋内だけでなくて
屋外設置の光加入者系の受信機にも適用する事ができ
る。ますます安価に光通信を実用化する道を開くもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】時分割双方向光通信の為の概略構成図。

【図２】本発明者が以前に創作した半透過型の受光素子
モジュールの断面図。

【図３】従来の厚い受光層をもつ受光素子の層構造とＺ
ｎ拡散濃度の図。

【図４】本発明者が創作した半透過型の受光素子の層構
造とＺｎ拡散濃度の図。

【図５】本発明者が創作した半透過型受光素子の電源電
圧をパラメータとする受光感度の温度依存性を示すグラ
フ。

【図６】本発明者が創作した半透過型受光素子の電源電
圧をパラメータとする感度の温度変化を示すグラフ。

【図７】本発明にかかる半透過型受光素子の層構造とＺ
ｎ拡散濃度分布図。

【図８】本発明の半透過型受光素子の断面図。

【図９】本発明の半透過型受光素子の製造工程を示す
図。

【図１０】本発明の受光素子のチップ平面図。

【図１１】本発明の受光素子の感度の温度依存性を示す
グラフ。

【図１２】アクセプタ濃度によってｐ型半導体のフェル
ミレベルが変化する事を示すグラフ。横軸はｐ型不純物
濃度、縦軸はフェルミレベルを表す。

【図１３】本発明の受光素子の受光層に於けるアクセプ
タ濃度分布図。受光層は１μｍの厚みであるが前半の
０．５μｍは高濃度ｐ⁺ 後半の０．５μｍは低濃度であ
る。

【図１４】厚い受光層の中にｐｎ接合を形成して、空乏
層が受光層のなかに含まれる従来から標準品として製造
される受光素子のバンド図。

【図１５】薄い受光層の中に、ｐｎ接合を形成して、空
乏層が受光層を含むような層構造となっている半透過型
のＰＤのバンド図。

【図１６】薄い受光層はｐ領域にあり、空乏層がバッフ
ァ層の中にある本発明の受光素子のバンド図。

【符号の説明】

３１ ｎ−ＩｎＰ基板 ３２ ｎ−ＩｎＰバッファ層 ３３ ＩｎＧａＡｓ受光層 ３４ ｎ−ＩｎＧａＡｓ層 ３５ パッシベーション膜 ３６ ｐ⁺ −ＩｎＰ窓層 ３７ 拡散遮蔽層 ３８ 中央のｐｎ接合 ３９ 周辺部のｐｎ接合 ４０ ｐ側電極 ４１ 反射防止膜 ４２ ｎ側電極 ４３ 反射防止膜

フロントページの続き (72)発明者 寺内 均 大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電気工業株式会社大阪製作所内 (56)参考文献 特開 平１−205477（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−269440（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−246867（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−326344（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−262379（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−110177（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 31/10

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｎ型ＩｎＰ基板と、その上にエピタキシ
   ャル成長されたキャリヤ濃度が０．５〜３×１０^１５ｃ
   ｍ^−３のｎ型ＩｎＰバッファ層、キャリヤ濃度が０．５
   〜３×１０^１５ｃｍ^−３で厚みが０．５μｍ〜０．９μ
   ｍのｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層、ｎ型ＩｎＰ窓層と、窓層
   の側からマスクを介してｐ型不純物を拡散することによ
   ってＩｎＰ窓層、ＩｎＧａＡｓ受光層を通り、ＩｎＰバ
   ッファ層までに達するように形成されＩｎＰバッファ層
   の一部を含むｐ領域と、ＩｎＰバッファ層の内部に形成
   されたｐｎ接合と、ＩｎＰ窓層のｐ領域の上に形成され
   たｐ電極と、ｎ型ＩｎＰ基板に形成された光を通すため
   の開口部を有するｎ電極とよりなることを特徴とする受
   光素子。
2. 【請求項２】 ｎ型ＩｎＰ基板と、その上にエピタキシ
   ャル成長されたキャリヤ濃度が０．５〜３×１０^１５ｃ
   ｍ^−３のｎ型ＩｎＰバッファ層、キャリヤ濃度が０．５
   〜３×１０^１５ｃｍ^−３で厚みが０．８μｍ〜１．２μ
   ｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ受光層、ｎ型ＩｎＰ窓層と、窓
   層の側からマスクを介してｐ型不純物を拡散することに
   よってＩｎＰ窓層、ＩｎＧａＡｓＰ受光層を通り、Ｉｎ
   Ｐバッファ層までに達するように形成されＩｎＰバッフ
   ァ層の一部を含むｐ領域と、ＩｎＰバッファ層の内部に
   形成されたｐｎ接合と、ＩｎＰ窓層のｐ領域の上に形成
   されたｐ電極と、ｎ型ＩｎＰ基板に形成された光を通す
   ための開口部を有するｎ電極とよりなることを特徴とす
   る受光素子。
3. 【請求項３】 ｐ型不純物が亜鉛Ｚｎである事を特徴と
   する請求項１又は２に記載の受光素子。
4. 【請求項４】 ｎ型ＩｎＰ基板のキャリヤ濃度がｎ＝１
   〜１０×１０^１８ｃｍ^−３であり、ＩｎＰ窓層のキャリ
   ヤ濃度がｎ＝１〜４×１０^１５ｃｍ^−３であることを特
   徴とする請求項１〜３の何れかに記載の受光素子。
5. 【請求項５】 受光部の外側にも、亜鉛拡散により別異
   のｐｎ接合を形成したことを特徴とする請求項４に記載
   の受光素子。
6. 【請求項６】 Ｚｎの拡散によるキャリヤ濃度がＩｎＰ
   窓層と、ＩｎＧａＡｓ若しくはＩｎＧａＡｓＰ受光層と
   の界面において、１〜５×１０^１８ｃｍ^−３であること
   を特徴とする請求項５に記載の受光素子。
7. 【請求項７】 Ｚｎの拡散によるキャリヤ濃度が、Ｉｎ
   ＧａＡｓ受光層又はＩｎＧａＡｓＰ受光層と、ＩｎＰバ
   ッファ層との界面において、３×１０^１５ｃｍ^−３以上
   であることを特徴とする請求項６に記載の受光素子。
8. 【請求項８】 ＩｎＧａＡｓＰ層の組成がバンドギャッ
   プ波長にしてλｇ＝１．４０μｍ〜１．４４μｍである
   ことを特徴とする請求項２に記載の受光素子。