JP4608609B2 - フォトダイオード - Google Patents
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Description
フォトダイオードの用途としては、光の強さの測定、光の有無の検知、光に乗せられている信号(光信号)の電気信号への変換等、種々挙げることができる。さらに、このようなフォトダイオードの動作を利用して、光の持つ性質を知ることもできる。
具体的には、フォトダイオードを光電力計の検出器として用いる用途を挙げることができる。光電力計とは、検出器(フォトダイオード)で入射光を電気信号に変換し、変換した電気信号を処理することで、光の波長毎の光電力を測定・表示するものである。
例えば、シリコン(Si)は400〜1100nmの波長の光を吸収する。そのため、シリコン(Si)を用いたフォトダイオード(Si−PD)は、可視光(波長360〜1000nm程度)を対象とした光電力計に用いることができる。また、CDやDVDなどの読み出し等にも用いることができる。
また、ゲルマニウム(Ge)やインジウムガリウムヒ素(InGaAs)は900〜1700nmの波長の光を吸収するため、1300〜1550nmの近赤外線を吸収する必要がある石英製光ファイバを用いた光通信システム等に用いることができる。
加えて、インジウムアンチモン(InSb)、インジウムヒ素(InAs)、水銀化合物半導体、鉛化合物半導体等は、ゲルマニウム(Ge)やインジウムガリウムヒ素(InGaAs)よりもさらに長い波長の光を吸収する。
このように、フォトダイオードは用いる半導体材料によって吸収することができる光の波長が異なる。その理由を以下説明する。
図10に示す如く、フォトダイオード(500)の半導体層(51)は、基板となるp+層(513)上のp層(512)の表面に所定の面積のn+層(511)を設けることにより形成されたpn接合(J1)を有する。また、n+層(511)表面には反射損失を小さくするための反射防止膜(図示せず)が設けられている。そして、電極(52)に電圧を印加することにより、フォトダイオード(500)のpn接合(J1)に逆方向バイアス電圧(以下、単にバイアス電圧と称すこともある)を印加し、空乏層を形成した状態で入射光を入射させる。
入射光はn+層(511)側(図10上側)の入射面(F1)から入射し、入射面(F1)にある反射防止膜を通り、半導体層(51)中に入射される。そして、半導体層(51)中に吸収されて電子・正孔対を生成し、光電流(光を入射したときに流れる電流)に寄与する。
具体的には、空乏層内で発生した電子・正孔対及び空乏層の端部から略拡散長以内の距離で発生し空乏層に到達した電子・正孔対が光電流となる。
また、入射光はn+層(511)から入射するが、n+層(511)は不純物濃度が高いため、空乏層が殆ど広がらず、さらに電子・正孔対の拡散長も小さい。そのため、入射光が短波長になるにしたがって、殆どがn+層(511)表面で電子・正孔対を発生させ、空乏層に到達できなくなり光電流として寄与しなくなる。さらに、入射面(F1)では電子・正孔の再結合(表面再結合)が生じるため、電子・正孔の寿命時間も短くなる。従って、短波長の入射光の光電流への寄与は小さくなり、変換効率は低下する。つまり、フォトダイオードにおいて、一定の波長以下の光に対する光電変換効率は減少してしまう。
しかしながら、Si−PDとGe−PDを併用する場合、波長900〜1000nmの範囲でフォトダイオードを切り替える必要がある。フォトダイオードの切り替えには光路を変更するための機械的構造が必要であり、また夫々の光電力計を個別に校正しなければならず、装置として複雑になるという問題を有していた。
また、光電力計を単独で用いる場合にも、夫々の波長帯で別々の光電力計を用いなければならず、広い波長帯での測定が必要な場合には光電力計の置き換えのために光路設定をしなければならないなど、煩雑な操作が必要であるという問題を有していた。特に波長900〜1000nmの範囲で光電力などを精密に測定する場合、このようなフォトダイオードの切り替えをすることは、煩雑となるばかりでなく、測定誤差を大きくする要因ともなっていた。
図1は本発明の実施形態に係るプレーナ構造のフォトダイオード(100)を示す図である。
第一半導体層(11)としては、シリコンを挙げることができる。さらにシリコンの他に、ガリウムヒ素(GaAs)、インジウム燐(InP)、ガリウム燐(GaP)、硫化カドミウム(CdS)、炭化ケイ素(SiC)、酸化亜鉛(ZnO)等を挙げることができる。
第一半導体層(11)としてシリコンを用いた場合、第一半導体層(11)により、400nm〜1100nmの入射光を吸収することができる。
p層(112)の不純物濃度及び厚さに応じてバイアス電圧を決定することにより、空乏層がヘテロ接合を越えて第二半導体層(12)に達し、第二半導体層(12)で発生した電子・正孔対を光電流に寄与させることができる。
実際には、p層(112)の不純物濃度に応じて、p層(112)の厚さを5μm以下で設定すればよい。例えば、p層(112)としてシリコンを用いた場合、不純物濃度が2×1016cm−3以下で、厚さが1μm以下とすることが好ましい。それにより、比較的小さいバイアス電圧(具体的には20〜30V)で、空乏層をヘテロ接合(I)を越えて第二半導体層(12)にまで形成することができ、第二半導体層(12)で発生した電子・正孔対を光電流に寄与させることができるからである。
なお、本願発明者らは、p層(112)の不純物濃度を1×1016cm−3程度、厚さを1μmとした場合、印加するバイアス電圧を10V以上とすることで、フォトダイオードが好適に動作することを確かめている。
第二半導体層(12)として、ゲルマニウム(Ge)やインジウムガリウムヒ素(InGaAs)を用いた場合、第二半導体層(12)により波長900nm〜1700nmの入射光を吸収することができる。
また、インジウムアンチモン(InSb)、インジウムヒ素(InAs)、ガリウムアンチモン(GaSb)、水銀化合物半導体、鉛化合物半導体を用いることにより、ゲルマニウム(Ge)やインジウムガリウムヒ素(InGaAs)よりも長い波長の光を吸収することができる。
なお、第二半導体層(12)の不純物濃度は特に限定されないが、第二半導体層(12)中に比較的低い電圧(例えば10〜20V)で十分な幅の空乏層を延ばすためには、不純物濃度を1×1016cm−3以下にすることが好ましい。
具体的には、ウェーハボンディング法により、第一半導体層(11)と第二半導体層(12)の原子同士を接着することでヘテロ接合を形成する。ウェーハボンディング法とは、夫々の結晶表面を清浄にした後、純水又は真空中で接触させることにより原子同士を結合させ、さらに熱処理を加えることで接合を強固にする技術である。
例えば第一半導体層(11)にシリコン(Si)を用い、第二半導体層(12)にゲルマニウム(Ge)を用いた場合、第一半導体層(11)(Si)の格子定数が5.431Å、第二半導体層(12)(Ge)の格子定数が5.646Åとなるが、このように格子定数が大きく異なっていたとしても、ウェーハボンディング法によりヘテロ接合(I)を好適に形成することができる。
また、第二半導体層(12)上へエピタキシャル結晶成長法によりp層(112)を成長させ、その後不純物拡散法やイオン注入法によりn+層(111)を形成する方法も挙げることができるが、第一半導体層(11)の結晶成長温度が第二半導体層(12)の融点を超えるため、第二半導体層(12)にダメージを与えてしまうので一般的には好ましくない。
第一電極(21)は、光の入射を妨げないように、できる限り面積を小さくして形成することが好ましい。
一方、第二電極(22)は、光の入射を妨げることがないため、面積に制限はなく、第二半導体層(12)の全面に渡って形成してもよい。
フォトダイオード(100)では入射面(F)から入射光を入射させる。入射光は反射防止膜(図示せず)を通り、半導体層(1)に入射される。半導体層(1)中で光は吸収されて電子・正孔対を生成する。
このとき、第一電極(21)、第二電極(22)間にバイアス電圧を印加し、空乏層を形成した状態で動作させる。具体的には、フォトダイオード(100)ではp層(112)から第二半導体層(12)まで空乏層を形成するようバイアス電圧を印加する。そして、入射光により空乏層内で生成された電子・正孔対は空乏層電界により加速されてドリフト電流として光電流に寄与する。また、空乏層以外で発生した電子・正孔対も、空乏層からの距離が拡散長と呼ばれる一定の距離以内であれば空乏層に達し、光電流として寄与する。
フォトダイオード(100)は、空乏層がp層(112)(具体的にはpn接合(J)の部分)から第二半導体層(12)まで広がっているため、第一半導体層(11)が吸収することができる波長の光と第二半導体層(12)が吸収することができる波長の光の両方の光を吸収し、第一半導体層(11)で発生した電子・正孔対及び第二半導体層(12)で発生した電子を利用して光電流として寄与させることができる。例えば、フォトダイオード(100)において、第一半導体層(11)としてシリコン(Si)を用い、第二半導体層(12)としてゲルマニウム(Ge)を用いた場合、第一半導体層(11)で400〜1100nmの光を、第二半導体層(12)で900〜1700nmの光を吸収することができる。つまり、ヘテロ界面を越えて空乏層が伸びるに十分なバイアス電圧を印加すれば、フォトダイオード(100)全体として、400nmの短波長から1700nmの長波長までの感度を有することができる。以下、第二半導体層(12)における光の吸収について詳細に説明する。
しかし、バイアス電圧を増加させ、空乏層をp層(112)(具体的にはpn接合(J)の部分)から第二半導体層(12)まで広げると、ヘテロ界面(I)には空乏層による電界が生じる。それにより、第二半導体層(12)で発生した電子・正孔対のうち、電子がヘテロ界面(I)を乗り越えることができるようになる。つまり、第一半導体層(11)で吸収されずに第二半導体層(12)まで透過した光は、第二半導体層(12)内で吸収されて電子・正孔対を生成し、電子・正孔対のうちの電子がヘテロ界(I)を乗り越えてp層(112)に注入され、光電流に寄与することとなる。そのため、第二半導体層(12)に吸収された入射光も光電流に寄与することとなる。
n+層(111)とp層(112)が同一の場合、p層(112)で吸収できる波長の光が、n+層(111)でも吸収されてしまうが、n+層(111)は不純物濃度が高く、拡散長も小さいため、n+層(111)で発生した電子・正孔対は空乏層まで到達しにくく光電流に寄与しにくい。そのため、n+層(111)を薄くする必要がある。
しかしながら、n+層(111)がp層(112)よりも大きなエネルギー禁止帯幅を有することにより、n+層(111)ではp層(112)が吸収する光よりも短波長側の光を吸収することとなる。つまり、p層(112)で吸収できる波長の光がn+層(111)で吸収されることを抑制することができる。そのため、n+層(111)を厚くしたとしても、p層(112)で吸収できる波長の光をp層(112)にまで到達させ、光電流に寄与させることができる。
半導体材料の組み合わせとしては、例えば、p層(112)がシリコンの場合、n+層(111)としては、炭化ケイ素(SiC)や酸化亜鉛(ZnO)を挙げることができる。これにより、n+層(111)を厚く(0.5μm以上)したとしても、シリコンからなるp層(112)で吸収できる400〜1100nmの光をp層(112)にまで到達させることができる。
さらに、図3に示す参考形態の如く、フォトダイオード(100,200)の導電型を反対にした構造を有するフォトダイオード(300)、即ち第一半導体層(11)がp+層(113)とn層(114)からなり、第二半導体層(12)がn層からなるフォトダイオード(300)も挙げることができる。
また、フォトダイオード(300)においても、p+層がn層よりも大きなエネルギー禁止帯幅を有するように半導体材料を選択し、p+層(113)とn層(114)からなるp+−nヘテロ接合を形成してもよい。それにより、p+層(113)において、n層(114)で吸収できる波長の光が吸収されることを抑制することができる。そのため、p+層(113)を厚くしたとしても、n層(114)で吸収できる波長の光をn層(114)にまで到達させ、光電流に寄与させることができる。
なお、図2,3のフォトダイオード(200,300)はプレーナ構造であり、入射面(F)に存する二つの電極(21,21)間にバイアス電圧を印加する。
図4は、本発明に係るフォトダイオードの効果を検証するためのメサ構造のフォトダイオード(400)を示す図である。
図4に示すフォトダイオード(400)はシリコン(Si)からなる第一半導体層(11)とゲルマニウム(Ge)からなる第二半導体層(12)を有する。また、第一半導体層(11)はn+層(111)とp層(112)からなるpn接合(J)を有し、第二半導体層(12)は第一半導体層(11)における第二半導体層(12)と接触する部分と同じ導電型(p型)を有する。つまり、フォトダイオード(400)はn+Si/pSi/pGeという層構造を有する。
また、第一半導体層(11)と第二半導体層(12)間は、ウェーハボンディング法によりヘテロ接合が形成されている。
また、フォトダイオード(400)において、n+層(111)の厚さが20μm、p層(112)の厚さが1μm、第二半導体層(12)の厚さが300μmであり、p層(112)の不純物濃度は1×1016cm−3である。
一方、1100nmより長波長の入射光に対する感度は有さなかった。その理由は、1100nmより長波長の入射光は第一半導体層(11)で吸収されずに第二半導体層(12)にまで達し、第二半導体層(12)で吸収され電子・正孔対を発生するが、これらの電子・正孔対はヘテロ界面(I)を乗り越えることができず、光電流として寄与しないからである。
上記したように、バイアス電圧が3Vの場合、波長800nm以下の入射光については感度が低下し、波長1100nm以上の入射光については感度を有さないことから、Si−PDと類似した分光感度を示すこととなった。
一方、短波長光は第一半導体層(11)で吸収され、上記したように光電流となり図5中(b)に示した分光感度となる。
図6で示す如く、波長800nmの光(第一半導体層(11)で吸収される光)(図6中(c)参照)は0Vから光電流が観測できるが、波長1200nmの入射光(図6中(d)参照)はバイアス電圧2V付近からしか光電流が増加しないことがわかる。つまり、波長800nmの光は第一半導体層(11)で吸収されるが、波長1200の光は第一半導体層(11)では吸収されないため、第二半導体層(12)付近まで空乏層が到達するバイアス電圧を印加していないと、光電流が流れないことがわかる。
また、1200nmの光の分光感度は7V付近で飽和している。7Vという電圧は、空乏層がヘテロ界面(I)を越して第二半導体層(12)にまで達する電圧であることから、空乏層が第二半導体層(12)にまで達することにより、第二半導体層(12)で吸収された光により発生した電子が、ヘテロ界面(I)を乗り越えて第一半導体層(12)側へと流れることができ、光電流に寄与することもわかる。
図7で示す如く、入射光(L2)がp層に直接入射することにより、n+層(111)で光が吸収されることがないため、入射光はp層(112)及び第二半導体層(12)で吸収され、空乏層がヘテロ界面(I)を越えるに十分な逆方向バイアス電圧(本実施例では10V以上)が印加されていれば、光で生成された電子・正孔対は光電流に寄与することができ、Si−PDとGe−PDとを合わせた分光感度、即ち、400nmの短波長から1700nmの長波長に渡って感度のあるフォトダイオードを実現することができることがわかる。なお、図7では良好な感度を示す光は波長が1600nmまでの光である。
また、図7では、入射光(L1)の場合には上記したように、1100nmより短波長では感度が減少するのに対して、入射光(L2)の場合には短波長でも感度の減少は僅かであり、測定した600〜1600nmの広い波長域で略平坦な分光感度を有することを示している。つまり、短波長の光の多くはn+層(111)により吸収されることがわかる。
但し、図4で示すメサ構造のフォトダイオード(400)は、光入射法において現実に用いる場合、安定な動作をさせることが難しい。
図8はフォトダイオード(100)、Si−PD、Ge−PDの分光感度を示す図である。
図8中(g)はフォトダイオード(100)においてn+層(111)の厚さを0.2μm、p層(112)の厚さを1μm、第二半導体層(12)に伸びる空乏層の厚さを5μmとして、計算により求めた分光感度を示した図である。また、図8中(h)はSi−PDの分光感度、(i)はGe−PDの分光感度を示している。また、フォトダイオード(100)において、第二半導体層(12)に伸びる空乏層の厚さを5μmとする場合、バイアス電圧はおよそ30V以上とする必要がある。なお、縦軸に光電変換効率として量子効率(%)を示し、横軸に波長(nm)を示す。
図8で示す如く、本発明によるフォトダイオード(100)の分光感度は、単独のSi−PDとGe−PDの分光感度を合わせた特性を持ち、広い波長範囲で良好な感度を有することがわかる。特に単独のフォトダイオードの感度が低下する700〜1100nmの波長帯で、いずれのフォトダイオードよりも大きな受光感度が得られることがわかる。その理由は、Siにおける吸収係数が低下し感度が減少することをGeの光吸収で補っているからである。
なお、Geにおける光吸収はヘテロ界面(I)から始まり、Si−PDにおけるn+層(111)のような生成キャリアを再結合させるような層がないため、吸収係数が大きくても分光感度の低下を防止することができる。
図9に示す如く、n+層(111)の厚さを薄くするにしたがって、短波長の波長まで吸収することができることがわかる。この理由は、n+層(111)を薄くすることにより、n+層(111)で吸収されずにp層(112)まで到達する入射光が増加するからである。
図9から、使用する波長域を600〜1500nmとした場合、より短波長まで光感度を低下させないためには、n+層(111)の厚さが0.5μm以下であることが好ましいといえる。
なお、図10,11では、ゲルマニウムの光吸収係数について、長波長側の限界が1500nmとして計算したが、実際のGe−PDでは素子構造の工夫により長波長側の限界は1700nmまで伸ばすことができる。ちなみに図7中(e)ではGe−PDにおいて1700nmまで感度があることを示している。
11 第一半導体層
111 n+層
112 p層
113 p+層
114 n層
12 第二半導体層
2 電極
Claims (2)
- 入射光が入射する第一半導体層と、
該第一半導体層と接合して設けられ、該第一半導体層よりもエネルギー禁止帯幅が小さい第二半導体層とからなり、
前記第一半導体層がシリコンであってn + 層とp層からなるpn接合を有し、前記n + 層において厚さが0.5μm以下であり、前記p層において不純物濃度が2×10 16 cm −3 以下、厚さが1μm以下であり、
前記第二半導体層がp型であってゲルマニウム(Ge)、インジウムガリウムヒ素(InGaAs)、インジウムヒ素(InAs)、ガリウムアンチモン(GaSb)、インジウムアンチモン(InSb)のうちいずれか一種以上からなり、
該第一半導体層の該第二半導体層と接触する部分の導電型と該第二半導体層の導電型が同じであることを特徴とするフォトダイオード。 - 前記pn接合において、前記n + 層が前記p層よりも大きなエネルギー禁止帯幅を有する半導体層であることを特徴とする請求項1記載のフォトダイオード。
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