JP5952105B2 - フォトダイオード - Google Patents

Description

本発明は、広帯域かつ高感度なフォトダイオードに関する。

フォトダイオードは、半導体光吸収層において吸収した光を電流に変換する素子である。フォトダイオードは、一般に、光吸収層を厚くするほど、入力光パワーに対する出力電流の比（以下、感度と呼ぶ）を大きくすることができる。一方、光吸収層を厚くし過ぎると周波数応答帯域が低下する。このように、感度と周波数応答帯域とは、トレードオフ関係にある。

感度と帯域のトレードオフ関係を改善する方法として、基板裏面から光を入射する裏面入射型（基板入射型）のフォトダイオードにおいて、光入射側とは反対側の受光部領域の表面上に反射膜を形成する方法がある（特許文献１参照）。この手法によると、光吸収層で吸収できなかった非吸収光が、再び光吸収層内に導入されて吸収されるため、広帯域かつ高感度なフォトダイオードを実現することが可能になる。

また、感度と帯域のトレードオフ関係を改善する別の技術として、第１の光吸収層と第２のｐ型光吸収層の比率を、実効的な全キャリア走行時間が最小となるように設定する方法がある（特許文献２参照）。この手法によると、帯域に寄与するキャリア走行時間が最小化されるために、広帯域かつ高感度なフォトダイオードを実現することが可能になる。

さらに、基板入射型のフォトダイオードの光入射側とは反対側の受光部領域の表面上に反射膜を形成しつつ、さらに第１の光吸収層と第２のｐ型光吸収層の比率を、実効的な全キャリア走行時間が最小となるように設定することにより、さらなる広帯域かつ高感度なフォトダイオードを実現する技術も提案されている（特許文献３参照）。

特開平５−２１８４８８号公報 特許第４０６１０５７号公報 特開２０１１−１８７６０７号公報

しかしながら、上述した技術では、特定の波長に対する帯域と感度のトレードオフ関係を改善することに主眼があり、要求される使用波長域全体に対してフォトダイオードの構造をどのように設計するかについての指針は示されていない。このため、要求される使用波長域全体で見ると、想定よりも感度が低い波長が存在してしまうことがあるなどの問題があった。

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、要求される使用波長域全体において、感度が向上し、周波数応答帯域の低下が抑制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、光入射側となる基板の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層と、第１半導体層の上に形成された半導体からなる光吸収層と、光吸収層の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層と、第２半導体層の上の周辺部に接続して形成された第１電極と、第１半導体層に接続された第２電極と、第１電極の内側の第２半導体層の上に形成された反射層とを少なくとも備え、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した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、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、基板の側より入射して反射層および第１半導体層と光吸収層との境界面で多重反射して往復する光のうち、基板の側より入射した第１の部分波に対する、第１の部分波が反射層および境界面で１回ずつ反射して１往復の光路差が生じた第２の部分波の位相差Δが、対象波長域の中心波長においてΔ＝π／２＋２Ｎπ（Ｎは整数）となる状態に、第１半導体層，光吸収層，第２半導体層，反射層の層厚および複素屈折率の少なくとも１つが設定されている。

上記フォトダイオードにおいて、光吸収層を、第１半導体層の側に形成されてアンドープとされた半導体からなる第１光吸収層と、第２半導体層の側に形成されて第２導電型の第１光吸収層と同じ半導体からなる第２光吸収層とから構成してもよい。この場合、第１導電型はｎ型であり第２導電型はｐ型である。

以上説明したことにより、本発明によれば、要求される使用波長域全体において、感度が向上し、周波数応答帯域の低下が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態におけるフォトダイオードの構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態におけるフォトダイオードにおいて、光吸収層に生じる多重反射光において１往復だけ光路差のある２つの部分波の位相差Δが、光吸収層厚に対してどのように変化するかを計算した結果を示す特性図である。 図３は、本発明の実施の形態におけるフォトダイオードにおいて、光吸収層厚に対する感度の変化を計算した結果を示す特性図である。 図４は、本発明の実施の形態におけるフォトダイオードにおいて、光吸収層に多重反射が生じる場合に、１．５７±０．０５μｍの範囲の波長に対して位相差Δと感度がどのように変化するかを、図２の点Ａの光吸収層厚について計算した結果を示す特性図である。 図５は、本発明の実施の形態におけるフォトダイオードにおいて、光吸収層に多重反射が生じる場合に、１．５７±０．０５μｍの範囲の波長に対して位相差Δと感度がどのように変化するかを、図２の点Ｂの光吸収層厚について計算した結果を示す特性図である。 図６は、本発明の実施の形態におけるフォトダイオードにおいて、１．５２〜１．６２μｍの波長範囲における感度の最大値と最小値を、各光吸収層厚に対して求めた計算結果を示す特性図である。

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。図１は、本発明の実施の形態におけるフォトダイオードの構成を示す断面図である。このフォトダイオードは、まず、光入射側となる基板１０１の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層１０２を備える。また、第１半導体層１０２の上に形成されてアンドープとされた半導体からなる第１光吸収層１０３ａと、第１光吸収層１０３ａの上に形成されて第１光吸収層１０３ａと同じ半導体からなり第２導電型とされた第２光吸収層１０３ｂとを備える。また、第２光吸収層１０３ｂの上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層１０４を備える。なお、第１導電型は、ｎ型であり、第２導電型は、ｐ型である。

また、第２半導体層１０４の上の周辺部には、第１電極１０５が接続して形成され、第１半導体層１０２には、第２電極１０６が接続して形成されている。例えば、第１光吸収層１０３ａ，第２光吸収層１０３ｂ，第２半導体層１０４は、円柱形状にパターニングされ、この円柱部の周囲の第１半導体層１０２上に、第２電極１０６が形成されている。

また、第２半導体層１０４の上には、誘電体層１０７を介して反射層１０８が形成されている。反射層１０８は、第１電極１０５の内側の第２半導体層１０４の上に形成されていればよい。反射層１０８は、例えば金属から構成されている。また、基板１０１の光入射側の裏面には、反射防止層１０９が形成されている。

なお、第１光吸収層１０３ａ，第２光吸収層１０３ｂ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した半導体から構成されていればよい。これら光吸収層は、対象とする光の波長（使用波長）におけるフォトンエネルギーよりもバンドギャップの小さい材料から構成されていればよい。また、第１半導体層１０２，および第２半導体層１０４は、第１光吸収層１０３ａ，第２光吸収層１０３ｂ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。

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、第１半導体層１０２は、ｎ型不純物が高濃度に導入されたｎ⁺−ＩｎＰから構成されていればよい。また、第１光吸収層１０３ａは、アンドープのＩｎＧａＡｓから構成され、第２光吸収層１０３ｂは、ｐ型不純物が導入されたｐ−ＩｎＧａＡｓから構成されていればよい。第２半導体層１０４は、ｐ型の不純物が高濃度に導入されたｐ⁺−ＩｎＧａＡｓＰから構成されていればよい。なお、誘電体層１０７は、ＴｉＯ₂およびＳｉＯ₂の積層から構成されていればよい。

以下、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の上に、ｎ型のＩｎＰ（第１半導体層１０２）、アンドープのＩｎＧａＡｓ（第１光吸収層１０３ａ）、ｐ型のＩｎＧａＡｓ（第２光吸収層１０３ｂ）、およびｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（第２半導体層１０４）を順次堆積する。これらは、よく知られた有機金属気相成長法により形成すればよい。また、ｎ型の層は、例えばＳｉを不純物として用いればよく、ｐ型の層は、例えばＺｎを不純物として用いればよい。

次に、第２半導体層１０４となるＩｎＧａＡｓＰの層の上に、第１電極１０５を形成する。例えば、第１電極１０５の形成領域が開放したレジストパターンを形成し、この上に、電子ビーム蒸着法により、Ｐｔ，Ｔｉ，Ａｕを順次蒸着して，Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕ多層膜を形成する。この後、レジストパターンを除去すればＰｔ／Ｔｉ／Ａｕ多層膜から構成された第１電極１０５できる（リフトオフ法）。第１電極１０５は、例えば、平面視で中央に開口を有するリング状に形成すればよい。

次に、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチングにより、アンドープのＩｎＧａＡｓの層，ｐ型のＩｎＧａＡｓの層，およびｐ型のＩｎＧａＡｓＰの層をパターニングし、円柱状の第１光吸収層１０３ａ，第２光吸収層１０３ｂ，および第２半導体層１０４を形成する。次に、このパターニングにより露出した第１半導体層１０２の所望の箇所に、上述した第１電極１０５と同様にすることで、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉ多層膜から構成された第２電極１０６を形成する。

次に、誘電体層１０７を形成する。例えば、ＴｉＯ₂の層およびＳｉＯ₂の層を順次にスパッタ法で堆積し、ＴｉＯ₂およびＳｉＯ₂の積層からなる誘電体層１０７を形成すればよい。ここで、誘電体層１０７の機能としては、ＳｉＯ₂のみで十分であるが、第２半導体層１０４とＳｉＯ₂との界面の密着性および濡れ性などを向上させることを目的として、ＴｉＯ₂の層を挿入する。

次に、反射層１０８を形成する。例えば、電子ビーム法により選択的にＡｕを堆積することで、反射層１０８を形成すればよい。反射層１０８は、少なくとも、第１電極１０５の形成領域より内側の領域に形成されていればよい。また、基板１０１の裏面に、反射防止層１０９を形成する。

上述した構成とした本実施の形態におけるフォトダイオードは、第１半導体層１０２および第２半導体層１０４は、第１光吸収層１０３ａ，第２光吸収層１０３ｂ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しているので、対象とする波長の入射光は、透過する。これに対し、第１光吸収層１０３ａ，第２光吸収層１０３ｂは、使用波長におけるフォトンエネルギーよりもバンドギャップの小さい材料から構成しているので、入射光を吸収し光電流に変換することができる。

なお、ＩｎＰから構成した基板１０１および第１半導体層１０２と、ＩｎＧａＡｓから構成した第１光吸収層１０３ａ，第２光吸収層１０３ｂとは、バンドギャップが異なると同時に、一般に屈折率も異なる。例えば、波長１．５５μｍにおいて、ＩｎＰは屈折率が３．１７であり、ＩｎＧａＡｓは、屈折率が３．５９である。従って、各々の材料の組み合わせによって、第１光吸収層１０３ａと第１半導体層１０２，あるいは、第１半導体層１０２と基板１０１との界面には、屈折率差が形成されることになる。

ここで、上記構成とした本実施の形態のフォトダイオードでは、基板１０１の側より入射して第１光吸収層１０３ａ，第２光吸収層１０３ｂを透過した入射光は、第２半導体層１０４，誘電体層１０７を透過して反射層１０８で反射され、再び第１光吸収層１０３ａ，第２光吸収層１０３ｂに導かれて吸収される。さらに、反射層１０８で反射して第１光吸収層１０３ａ，第２光吸収層１０３ｂを透過した一部の反射光は、屈折率差が存在する上述した界面で反射され、再再度、第１光吸収層１０３ａ，第２光吸収層１０３ｂに導かれて吸収されることになる。このように、第１光吸収層１０３ａ，第２光吸収層１０３ｂを挟んで、多重反射が発生していることが分かる。

この多重反射の発生において、本実施の形態におけるフォトダイオードは、基板１０１の側より入射して反射層１０８と第１半導体層１０２との間を反射して往復する光の１往復の光路差のある２つの部分波Ｅ１および部分波Ｅ２の位相差Δが、対象波長域の中心波長においてπ／４＋２Ｎπ≦Δ≦３π／４＋２Ｎπ（Ｎは整数）となる状態に、第１半導体層１０２，光吸収層，第２半導体層１０４，反射層１０８の層厚および複素屈折率の少なくとも１つが設定されているようにした。例えば、第１光吸収層１０３ａおよび第２光吸収層１０３ｂからなる光吸収層の厚さを、上記式が成立する状態に設定すればよい。

このように、第１光吸収層１０３ａおよび第２光吸収層１０３ｂからなる光吸収層において生じる多重反射光において、１往復だけ光路差のある２つの部分波Ｅ１と部分波Ｅ２の位相差Δ、言い換えると、部分波Ｅ１に対する部分波Ｅ２の位相差Δを利用すると、波長に対する感度変化の形状を制御することが可能になる。以下、具体例とともに本発明の原理を説明する。なお、以下では、第１光吸収層１０３ａおよび第２光吸収層１０３ｂをあわせて光吸収層とする。

図２は、本発明の実施の形態におけるフォトダイオードにおいて、光吸収層に生じる多重反射光において１往復だけ光路差のある２つの部分波の位相差、すなわち、図１に示す部分波Ｅ１に対する部分波Ｅ２の位相差Δが、光吸収層厚（第１光吸収層１０３ａと第２光吸収層１０３ｂの厚さの和）に対してどのように変化するかを計算したものである。また図３は、光吸収層厚に対する感度の変化を計算したものである。

ここで、光の波長は１．５７μｍとし、基板１０１、および第１半導体層１０２はＩｎＰの屈折率を用いた。また、光吸収層はＩｎＧａＡｓの複素屈折率を用いており、波長が長波長になるほど吸収係数が単調に減少するよう屈折率の虚部を設定した。また第２半導体層１０４，誘電体層１０７，反射層１０８は、Ａｕの複素屈折率で代表させた。また、光吸収層における第１光吸収層１０３ａと第２光吸収層１０３ｂとの比は一定にした。また位相差Δは±πラジアンの間の値で表した。

また図３において、多重反射を考慮した場合の計算結果を実線で示している。一方、屈折率差に伴う多重反射が発生しない場合、すなわち基板１０１および第１半導体層１０２層の屈折率が光吸収層と等しく、行きと帰りの１往復のみを考慮すれば良い場合の計算結果を点線で示した。また、感度は、単位Ａ／Ｗで表した。また入射光は光吸収層の面に対し垂直に入射するものとした。

図２に示すように、光吸収層厚が増加すると部分波Ｅ１から部分波Ｅ２に至る伝播距離が増加するために位相差Δが増加する。また位相差Δは、光吸収層厚に比例する位相成分だけでなく、各層の境界面における反射に伴う位相シフトも含まれている。ここで、光吸収層厚１μｍ近傍に注目し、位相差Δが＋π／２ラジアンおよび−π／２ラジアンとなる点を、各々点Ａおよび点Ｂと呼ぶことにする。また、図２において、グレーで示した領域は、当該波長において、位相差Δがπ／４＋２Ｎπ≦Δ≦３π／４＋２Ｎπ（Ｎは整数）であることを示しており、点Ａもこの領域に含まれる。

図３に示すように、屈折率差に伴う多重反射が発生しない場合（点線）は、光吸収層厚が増加すると感度が単調増加する。ところが、多重反射を考慮した場合（実線）は、点線に対して感度が増加する場合や減少する場合がある。図２の位相差Δと照らし合わせると、位相差が、＋π／２ラジアンとなる点Ａおよび−π／２ラジアンとなる点Ｂでは、感度はほとんど変わらないが、位相差が０ラジアン，πラジアンでは、多重反射の影響により、各々感度がおおむね極大値，極小値を示すことが分かる。

次に、図４および図５は、本発明の実施の形態におけるフォトダイオードにおいて、光吸収層に多重反射が生じる場合に、１．５７±０．０５μｍの範囲の波長に対して位相差Δと感度がどのように変化するかを、図２の点Ａおよび点Ｂの光吸収層厚について各々計算した結果である。

点Ａの計算結果を表す線Ａは、多重反射光の中心波長における位相差が＋π／２ラジアンであり、中心波長よりも長波長側においては同位相になる方向に位相差Δが変化するため、量子効率が向上する。これにより、長波長側における光吸収層材料の吸収係数の減少に伴う感度低下を補うことが可能になる。

これに対し、点Ｂの計算結果を表す線Ｂは、多重反射光の中心波長における位相差が−π／２ラジアンであり、中心波長よりも長波長側においては逆位相になる方向に位相差Δが変化するため、量子効率が低下する。これにより、長波長側における光吸収層材料の吸収係数の減少とあいまって感度が低下する。

また、図５において、線Ａに対する感度の最大値と最小値を、各々ＡｍａｘとＡｍｉｎとし、線Ｂに対して各々ＢｍａｘとＢｍｉｎとすると、Ａｍａｘ／Ａｍｉｎ＝１．０３、Ｂｍａｘ／Ｂｍｉｎ＝１．１７となる。このように、明らかに線Ａの方が感度の平坦性が良く、１．５２〜１．６２μｍの波長に対する感度変動を３％程度に抑制できる。

図６は、１．５２〜１．６２μｍの波長範囲における感度の最大値と最小値を、各光吸収層厚に対して求めた計算結果である。Ａｍａｘ，Ａｍｉｎ，Ｂｍａｘ，Ｂｍｉｎの各点は、図５における定義と同じである。図６において、点Ａ付近において最大値と最小値が近接しているのはグレーで示した領域である。さらに、中心波長１．５７μｍに対する位相差Δ（図２）と照らし合わせると、グレーで示した領域、すなわち中心波長の位相差Δが、「π／４＋２Ｎπ≦Δ≦３π／４＋２Ｎπ（Ｎは整数）」である場合に最大値と最小値が近接していることが分かる。

以上に説明したように、本発明によれば、基板の側より入射して反射層と第１半導体層との間を反射して往復する光の１往復の光路差のある２つの部分波Ｅ１および部分波Ｅ２の位相差Δが、対象波長域の中心波長においてπ／４＋２Ｎπ≦Δ≦３π／４＋２Ｎπ（Ｎは整数）となる状態にしたので、要求される使用波長域全体において、感度が向上し、周波数応答帯域の低下が抑制できるようになる。

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、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、長波長側において光吸収層材料の吸収係数の減少により感度が長波長側で低下する場合について説明したが、使用する波長帯における吸収係数の波長依存性、および量子効率と感度の波長に対する関係に応じて位相差Δを設定することにより感度の平坦化を実現してもよい。また、感度を平坦化する効果に注目して説明したが、特定波長の感度が向上するよう位相差Δを設定しても良い。

また、位相差Δを設定するためのパラメータとして光吸収層厚を用いたが、各層の境界面における反射に伴う位相シフトが位相差Δに関わることを用いて、光吸収層以外の層の複素屈折率や厚さをパラメータとして位相差Δを設定してもよい。また、光吸収層厚１μｍ近傍に注目して説明したが、他の光吸収層厚であっても良い。また、基板の裏面（素子と反対側）から光が入射する構造について説明したが、基板の上面（素子側）から光を入射し、光吸収層を透過した光を反射層で反射させることにより光吸収層に多重反射を発生させる構造であってもよい。

また、上述では、光吸収層を、第１半導体層の側に形成されてアンドープとされた半導体からなる第１光吸収層と、第２半導体層の側に形成されて第２導電型の第１光吸収層と同じ半導体からなる第２光吸収層とから構成したが、これに限るものではない。光吸収層は、アンドープの半導体から一体に構成してもよい。また、光吸収層は、第１半導体層および第２半導体層よりも低い濃度範囲で不純物が導入された半導体から一体に構成してもよい。

また、誘電体層は、ＴｉＯ₂/ＳｉＯ₂の積層構造として説明したが、入射光の波長帯で大きな吸収係数を持たない限り、Ａｌ₂Ｏ₃およびＴａ₂Ｏ₅などの他の酸化物、また、Ｓｉ₃Ｎ₄，ＴｉＮ，およびＡｌＮなどの窒化物から構成してもよい。また、誘電体層を形成する半導体表面との密着性および濡れ性が十分にある場合は、ＴｉＯ₂/ＳｉＯ₂のように多層構造にする必要はない。材料を変更しても、誘電体層の層厚はＴｉＯ₂/ＳｉＯ₂の場合と同様に、プロセスに支障をきたさないために必要最低限度以上の層厚で、かつ反射率が最大となる層厚にすればよい。

また、反射層を構成する金属はＡｕとして説明したが、入射光の波長に対する反射率が十分に確保できる金属材料で、かつ組み合わせて用いる誘電体層に拡散および誘電体層と合金化しないものであればよい。例えば、反射層を構成する材料としては、Ａｇ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｗ，Ｃｕ，およびＴｉなどが挙げられる。

また上述では、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系化合物半導体を用いるようにしたが、これに限るものではない。例えば、Ｐ系、Ａｓ系、Ｎ系、Ｓｂ系、などの化合物半導体を用いるようにしてもよく、またＧｅ系、Ｓｉ系などの単元素半導体材料でもよい。

また、導電型を入れ替えてもよいことはいうまでもない。例えば、基板の側より、ｐ型とした半導体層，ｐ型光吸収層，ノンドープの光吸収層，ｎ型とした半導体層の順に積層し、ｎ型とした半導体層の上に、誘電体層を介して反射層を形成してもよい。

また、上述では、反射層を設ける側の電極を円形のリング状に形成したが、これに限るものではない。例えば、四角形および六角形などの外形の枠状に形成してもよく、基板の側より入射してきた光を反射することができる領域が、電極を形成する反射層に備えられるようにされていればよい。

１０１…基板、１０２…第１半導体層、１０３ａ…第１光吸収層、１０３ｂ…第２光吸収層、１０４…第２半導体層、１０５…第１電極、１０６…第２電極、１０７…誘電体層、１０８…反射層、１０９…反射防止層。

Claims (2)

1. 光入射側となる基板の上に形成された第１導電型の半導体からなる第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に形成された半導体からなる光吸収層と、
   前記光吸収層の上に形成された第２導電型の半導体からなる第２半導体層と、
   前記第２半導体層の上の周辺部に接続して形成された第１電極と、
   前記第１半導体層に接続された第２電極と、
   前記第１電極の内側の前記第２半導体層の上に形成された反射層と
   を少なくとも備え、
   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した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、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、
   前記基板の側より入射して前記反射層および前記第１半導体層と前記光吸収層との境界面で多重反射して往復する光のうち、前記基板の側より入射した第１の部分波に対する、前記第１の部分波が前記反射層および前記境界面で１回ずつ反射して１往復の光路差が生じた第２の部分波の位相差Δが、対象波長域の中心波長においてΔ＝π／２＋２Ｎπ（Ｎは整数）となる状態に、前記第１半導体層，前記光吸収層，前記第２半導体層，前記反射層の層厚および複素屈折率の少なくとも１つが設定されている
   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、前記第１半導体層の側に形成されてアンドープとされた半導体からなる第１光吸収層と、前記第２半導体層の側に形成されて第２導電型の前記第１光吸収層と同じ半導体からなる第２光吸収層とから構成され、
   第１導電型はｎ型であり第２導電型はｐ型であることを特徴とするフォトダイオード。