JP6593140B2 - フォトダイオード - Google Patents

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Description

本発明は、赤外線に感応するフォトダイオードに関する。
非特許文献１は、電流ブロック層を用いた赤外線光検出器を開示する。
APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 231107 (2010)
３〜５μｍの波長帯で動作する赤外イメージセンサは、絶対温度８０ケルビン（Ｋ）以下の低温において使用される。発明者の知見によれば、このような赤外イメージセンサの動作温度を上げることが有用である。しかしながら、動作温度を高めることは、暗電流を増加させることになる。非特許文献１によれば、赤外イメージセンサのフォトダイオードにバリア層を追加することを開示する。
本発明の一側面は、暗電流を低減でき赤外線に感応するフォトダイオードを提供することを目的とする。
本発明の一側面に係るフォトダイオードは、赤外線に感応するバンド構造を形成するように配列された第１１半導体層及び第１２半導体層を含む第１超格子構造を備える光吸収層と、ｐ型半導体領域と、前記ｐ型半導体領域と前記光吸収層との間に設けられた中間層と、を備え、前記中間層の伝導帯の底におけるエネルギーレベルは、前記ｐ型半導体領域の伝導帯の底におけるエネルギーレベルより低い。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明の一側面によれば、暗電流を低減でき赤外線に感応するフォトダイオードが提供される。
図１は、本実施形態に係るフォトダイオードを概略的に示す図面である。 図２は、図１に示されたフォトダイオードにおけるバンドダイアグラムを示す図面である。 図３は、第１超格子構造から第４超格子構造の各々に適用されるタイプＩＩ型のバンド構造を模式的に示す図面である。 図４は、３層からなるＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子セルにおけるＧａＳｂの厚さと、該セルを用いる超格子のバンドギャップとの関係を示す図面である。 図５は、構造１（ＰｔＩＮ構造）のバンドダイアグラムを示す図面である。 図６は、構造２（ＰＩＮ構造）のバンドダイアグラムを示す図面である。 図７は、構造３（ＰｂＩｂＮ構造）のバンドダイアグラムを示す図面である。 図８は、構造１〜構造３を有するフォトダイオードを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図９は、構造１（ＰｔＩＮ構造）、構造２（ＰＩＮ構造）及び構造３（ＰｂＩｂＮ構造）を有するフォトダイオードにおける暗電流の温度依存性を示す図面である。
いくつかの具体例を説明する。
一形態に係るフォトダイオードは、（ａ）赤外線に感応するバンド構造を形成するように配列された第１１半導体層及び第１２半導体層を含む第１超格子構造を備える光吸収層と、（ｂ）ｐ型半導体領域と、（ｃ）前記ｐ型半導体領域と前記光吸収層との間に設けられた中間層と、を備え、前記中間層の伝導帯の底におけるエネルギーレベルは、前記ｐ型半導体領域の伝導帯の底におけるエネルギーレベルより低い。
このフォトダイオードによれば、中間層の伝導帯における底のエネルギーレベルがｐ型半導体領域の伝導帯における底のエネルギーレベルより低いので、ｐ型半導体領域から光吸収層への方向に流れる電子が中間層の井戸ポテンシャルに捕獲されて、光吸収層、ｎ型半導体領域を通過してｎ型電極に到達する電子の数が減少する。電子に対する井戸ポテンシャルを提供できる中間層によれば、電子がｐ型半導体領域からｎ型電極に到達することを阻害することで暗電流を減らせる。
一形態に係るフォトダイオードでは、前記光吸収層の前記第１超格子構造は、前記第１１半導体層及び前記第１２半導体層を含む単位セルの配列を含み、前記第１１半導体層は、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素としてアンチモンを含み、前記第１２半導体層は、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含み、前記中間層は、第２１半導体層及び第２２半導体層を含む第２超格子構造を備え、前記中間層の前記伝導帯は、前記第２超格子構造によって提供され、前記中間層の前記第２超格子構造は、第２１半導体層及び第２２半導体層を含む単位セルの配列を含み、前記第２１半導体層は、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素としてアンチモンを含み、前記第２２半導体層は、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む。
このフォトダイオードによれば、上記の構成元素を備える第１超格子構造は、タイプＩＩ型のバンド構造の実現を容易にし、また上記の構成元素を備える第２超格子構造は、光吸収層のバンド構造に適合した井戸ポテンシャルの実現を容易にする。
一形態に係るフォトダイオードでは、前記ｐ型半導体領域の伝導帯は、第３超格子構造によって提供され、前記ｐ型半導体領域の伝導帯は、前記第２超格子構造によって提供され、前記中間層の伝導帯の底におけるエネルギーレベルは、前記光吸収層の伝導帯の底におけるエネルギーレベルより低い。
このフォトダイオードによれば、第３超格子構造の採用は、中間層が光吸収層及びｐ型半導体領域に対して井戸ポテンシャルを実現することを容易にすると共に、中間層及びｐ型半導体領域の配列が光吸収層における光電変換による電子・正孔対のうちの正孔の流れに対する大きな妨げにならない価電子帯の形成を容易にする。
一形態に係るフォトダイオードでは、前記中間層は、ｐ導電性を有する。
このフォトダイオードによれば、ｐ型の導電性を中間層の価電子帯のバンドオフセットを小さくするために利用できる。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、フォトダイオードに係る実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図１は、本実施形態に係るフォトダイオードを概略的に示す図面である。図２は、図１に示されたフォトダイオードにおけるバンドダイアグラムを示す図面である。フォトダイオード１１は、光吸収層１３、中間層１５、ｐ型半導体領域１７、及びｎ型半導体領域１９を備える。光吸収層１３は第１超格子構造３１を備え、第１超格子構造３１は、赤外線に感応するバンド構造を形成するように配列された第１１半導体層３１ａ及び第１２半導体層３１ｂを含む。光吸収層１３は、ｐ型半導体領域１７とｎ型半導体領域１９との間に設けられている。ｐ型半導体領域１７はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はｐ型ドーパント（例えば、ベリリウム）を備える。中間層１５は光吸収層１３とｐ型半導体領域１７との間に設けられる。ｎ型半導体領域１９は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はｎ型ドーパント（例えば、シリコン）を備える。図２に示されるように、中間層１５の伝導帯の底におけるエネルギーレベルＥｃ（ｍ）は、ｐ型半導体領域１７の伝導帯の底におけるエネルギーレベルＥｃ（ｐ）より低い。光吸収層１３の伝導帯の底のエネルギーレベルＥｃ（ａ）及び価電子帯の底のエネルギーレベルＥｖ（ａ）は、第１超格子構造３１によって提供される。
フォトダイオード１１によれば、光吸収層１３は、赤外線に感応するバンド構造を有しており、フォトダイオード１１へ入射した赤外線を感応して、光電効果により光電流を生成する。ｐ型半導体領域１７内の電子ＥＬは、ｎ型半導体領域１９への方向にｐ型半導体領域１７の伝導帯を流れる。ｎ型半導体領域１９内の正孔ＨＬは、ｐ型半導体領域１７への方向にｎ型半導体領域１９の価電子帯を流れる。発明者の知見によれば、フォトダイオード１１内の半導体領域、例えばｐ型半導体領域１７内で発生し、光吸収層１３、ｎ型半導体領域１９を通過してｎ型電極に到達する電子ＥＬは、結果として、フォトダイオード１１における暗電流を増加させることになる。図１に示されるように、フォトダイオード１１は、光吸収層１３とｐ型半導体領域１７との間に設けられた中間層１５を備え、この中間層１５の伝導帯の底におけるエネルギーレベルＥｃ（ｍ）は、図２に示されるように、ｐ型半導体領域１７の伝導帯の底におけるエネルギーレベルＥｃ（ｐ）より低い。これ故に、中間層１５は、ｐ型半導体領域１７からの電子に対して井戸ポテンシャルを提供できる。ｐ型半導体領域１７から光吸収層１３への方向に流れる電子ＥＬは、中間層１５の井戸ポテンシャルに捕獲されて、光吸収層１３に到達する電子の数が減少する。電子に対する井戸ポテンシャルを提供できる中間層１５によれば、光吸収層１３における再結合によって生じる暗電流を減らせる。中間層１５の伝導帯における井戸ポテンシャルに捕獲された電子は、中間層１５の価電子帯の正孔との再結合により消失する。中間層１５の厚さは、例えば１００〜１０００ｎｍである。中間層１５の厚さが１００ｎｍより薄いと、中間層１５内のエネルギー準位が高くなり、捕獲された電子が容易に光吸収層１３に励起されて暗電流低減の効果が薄れる。１０００ｎｍより厚いと、入射した光が光吸収層１３に到達する前に中間層１５で吸収され、フォトダイオード１１の感度が低下する。
図１に示されたフォトダイオード１１では、ｐ型半導体領域１７、光吸収層１３、中間層１５、ｎ型半導体領域１９、及びｎ型コンタクト層２１が、第１軸Ａｘ１の方向に配列されており、第１軸Ａｘ１は、直交座標系ＳのＺ軸の方向に向いている。また、ｐ型半導体領域１７、光吸収層１３、中間層１５、ｎ型半導体領域１９、及びｎ型コンタクト層２１は、半導体メサ２３を構成する。半導体メサ２３は、別のｐ型半導体領域２４上に搭載さている。別のｐ型半導体領域２４は、基板２５の主面２５ａ上に設けられている。基板２５は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、例えばＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ等を備える。基板２５の厚さは、例えば２００〜７００μｍである。基板２５の主面２５ａは、直交座標系ＳのＸ軸及びＹ軸の方向に延在している。別のｐ型半導体領域２４の表面、及び半導体メサ２３の表面は、絶縁膜２７によって覆われており、絶縁膜２７は例えばシリコン系無機絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜）を備える。絶縁膜２７は、半導体メサ２３の上面に位置する第１開口２７ａを含み、半導体メサ２３の上面には第１電極２９ａが第１開口２７ａを介して接触を成す。絶縁膜２７は、別のｐ型半導体領域２４の表面に位置する第２開口２７ｂを含み、第２電極２９ｂが第２開口２７ｂを介して接触を成す。本実施例では、第１電極２９ａがカソード電極として働き、第２電極２９ｂがアノード電極として働く。フォトダイオード１１においては、光吸収層１３は、基板２５の裏面２５ｂを介して入射した光ＬＩＮを検知する。
図１は、単一のフォトダイオード１１を示すけれども、本実施形態に係るフォトダイオードは、フォトダイオード１１と実質的に同等のフォトダイオードの一次元又は二次元アレイを備えることができる。これらのアレイは、赤外線イメージセンサとして利用される。
フォトダイオード１１の一実施例では、光吸収層１３の第１超格子構造３１は単位セルの配列を有することができ、単位セルは、第１１半導体層３１ａ及び第１２半導体層３１ｂを含む。光吸収層１３の伝導帯における底のエネルギーレベルＥｃ（ａ）及び価電子帯における底のエネルギーレベルＥｖ（ａ）は、第１超格子構造３１によって提供される。第１１半導体層３１ａは、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素としてアンチモンを含む二元又は三元のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はアンドープである。第１２半導体層３１ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む二元又は三元のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はアンドープまたはｐ型不純物ドープである。上記の構成元素を備える第１超格子構造３１は、タイプＩＩ型のバンド構造の実現を容易にする。
中間層１５は第２超格子構造３３を備え、第２１半導体層３３ａ及び第２２半導体層３３ｂを含む。中間層１５の伝導帯における底のエネルギーレベルＥｃ（ｍ）及び価電子帯における底のエネルギーレベルＥｖ（ｍ）は、第２超格子構造３３によって提供される。第２１半導体層３３ａは、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素としてアンチモンを含む二元又は三元のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、例えばアンドープ又はｐ型不純物ドープであることができる。第２２半導体層３３ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む二元又は三元のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、例えばアンドープ又はｐ型であることができる。上記の構成元素を備える第２超格子構造３３は、第２１半導体層３３ａおよび第２２半導体層３３ｂの層厚を調整することで、光吸収層のバンド構造（エネルギーレベルＥｃ（ａ）、Ｅｖ（ａ））に整合した井戸ポテンシャルの実現を容易にする。図２に示されるように、光吸収層１３は、中間層１５の伝導帯の電子に対して障壁△Ｅｃを提供できる。この障壁△Ｅｃは、中間層１５内の電子が光吸収層１３の伝導帯に移動することを妨げる。
ｐ型半導体領域１７は、第３超格子構造３５を備える。第３１半導体層３５３ａ及び第３２半導体層３５ｂを含む。ｐ型半導体領域１７の伝導帯のエネルギーレベルＥｃ（ｐ）及び価電子帯のエネルギーレベルＥｖ（ｐ）は、第３超格子構造３５によって提供される。第３１半導体層３５ａは、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素としてアンチモンを含む二元又は三元のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、例えばベリリウム添加によるｐ導電性を有する。第３２半導体層３５ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む二元又は三元のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、例えばベリリウム添加によるｐ導電性を有する。上記の構成元素を備える第３超格子構造３５は、光吸収層１３のバンド構造に整合した伝導帯および価電子帯のエネルギーレベルの実現を容易にする。中間層１５の伝導帯における底のエネルギーレベルＥｃ（ｍ）は、ｐ型半導体領域１７の伝導帯のエネルギーレベルＥｃ（ｐ）及び光吸収層１３の伝導帯の底におけるエネルギーレベルＥｃ（ａ）より低い。
このフォトダイオード１１によれば、光吸収層１３は、図２に示されるように、中間層１５内に捕獲の電子に対してエネルギーバリアを提供するので、中間層１５内の電子が、熱的な励起により光吸収層１３に到達することを低減できる。第２超格子構造３３の採用は、中間層１５が光吸収層１３及びｐ型半導体領域１７に対して井戸ポテンシャルを実現することを容易にすると共に、中間層１５及びｐ型半導体領域１７の配列が光吸収層における光電変換による電子・正孔対のうちの正孔の流れに対する大きな妨げにならない価電子帯の形成を容易にする。本実施例では、中間層１５は、光吸収層１３とｐ型半導体領域１７との間に位置して、光吸収層１３に第１接合２０ａを成すと共にｐ型半導体領域１７に第２接合２０ｂを成す。限定されるものではないが、光吸収層１３はｎ型半導体領域１９に第３接合２０ｃを成す。
ｎ型半導体領域１９は、第４超格子構造３７を備える。第４１半導体層３７ａ及び第４２半導体層３７ｂを含む。ｐ型半導体領域１７の伝導帯のエネルギーレベルＥｃ（ｎ）及び価電子帯のエネルギーレベルＥｖ（ｎ）は、第４超格子構造３７によって提供される。第４１半導体層３７ａは、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素としてアンチモンを含む二元又は三元のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、アンドープとする。第４２半導体層３７ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む二元又は三元のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を備え、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、シリコン添加によるｎ導電性を有する。上記の構成元素を備える第４超格子構造３７は、光吸収層のバンド構造に整合した伝導帯および価電子帯のエネルギーレベルの実現を容易にする。
第４超格子構造３７の採用は、光吸収層１３及びｎ型半導体領域１９の配列が光吸収層１３における光電変換による電子・正孔対のうちの正孔の流れに対する大きな妨げにならない価電子帯の形成を容易にする。
第１超格子構造３１から第４超格子構造３７の各々は、図３に示されるようなタイプＩＩ型のバンド構造を有している。個々の超格子構造は、図３に破線で示される伝導バンドＥｃＢ及び価電子バンドＥｖＢを形成する。伝導バンドＥｃＢの底と価電子バンドＥｖＢの底とのエネルギー差がバンドギャップＥＧに対応する。このバンドギャップＥＧは、光吸収層においては赤外線を感知できる程度に小さく、バンドギャップＥＧは、例えば０．０８〜０．２５エレクトロンボルトである。
フォトダイオード１１の一例。
光吸収層１３の第１超格子構造３１のセル：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）。
セル繰り返し：２００セル。
中間層１５の第２超格子構造３３のセル：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ５．０６ｎｍ）／ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）。
セル繰り返し：５２セル。
ｐ型半導体領域１７の第３超格子構造３５のセル：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）。
セル繰り返し：５０セル。
ｎ型半導体領域１９の第４超格子構造３７のセル：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）。
セル繰り返し：５０セル。
ｎ型コンタクト層２１：ＩｎＡｓ（厚さ：２０ｎｍ）。
別のｐ型半導体領域２４：Ｂｅ添加ＧａＳｂ（厚さ：１０００ｎｍ）。
基板２５のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体：Ｔｅ添加のｎ型ＧａＳｂ。
光吸収層１３は、ＩｎＡｓＳｂのバルク層を備えることができる。このＩｎＡｓＳｂ層は、離散化された量子レベルを形成しない程度の膜厚を有しており、赤外線に感応する。
中間層１５の価電子帯の底におけるエネルギーレベルと、光吸収層１３の価電子帯の底におけるエネルギーレベルとの差（バンドオフセット）は、５２ミリエレクトロンボルト（絶対温度２００Ｋにおける３×ｋＢ×Ｔ、ｋＢはボルツマン定数、ｋ＝８．６１７１×１０−５エレクトロンボルト）以下であることが良い。上記の実施例における価電子帯のバンドオフセットは４ミリエレクトロンボルトである。
中間層１５の伝導帯の底におけるエネルギーレベルと、光吸収層１３の伝導帯の底におけるエネルギーレベルとの差（バンドオフセット）は、５２ミリエレクトロンボルト（絶対温度２００Ｋにおける３×ｋＢ×Ｔ、ｋＢはボルツマン定数）以上であることが良い。上記の実施例における伝導帯のバンドオフセットは１２４ミリエレクトロンボルトである。
図４は、ＩｎＳｂ／ＩｎＡｓ／ＧａＳｂからなるセルにおけるＧａＳｂの厚さと、該セルを用いる超格子のバンドギャップとの関係を示す図面である。横軸はセルにおけるＧａＳｂの厚さ（ｎｍ）を示し、縦軸は超格子バンドのギャップＥｇを示す。ＩｎＳｂの厚さは、モノレイヤ（単一層）に対応する値、例えば１である。１．２１ｎｍ、１．５１ｎｍ、１．８２ｎｍ、２．１２ｎｍ、２．４２ｎｍ、２．７３ｎｍ、３．０３ｎｍ、３．３３ｎｍ、３．６３ｎｍ、３．９４ｎｍ、４．２４ｎｍ、４．８５ｎｍ、５．１５ｎｍ厚さのＩｎＡｓにおいて、超格子バンドのギャップＥｇの傾向がＧａＳｂの厚さを独立変数として示されている。なお、これらは室温での値である。
ＧａＳｂ：格子定数（０．６０９５９ｎｍ）、バンドギャップ（０．７２６エレクトロンボルト）。
ＩｎＡｓ：格子定数（０．６０５８３ｎｍ）、バンドギャップ（０．３５４エレクトロンボルト）。
ＩｎＳｂ：格子定数（０．６４７９４ｎｍ）、バンドギャップ（０．１７エレクトロンボルト）。
図４に示される例示によれば、ギャップＥｇは、０．０２エレクトロンボルトから０．５エレクトロンボルトの範囲で変更されることができる。この実施例では、光吸収層１３の第１超格子構造３１、ｐ型半導体領域１７の第３超格子構造３５、及びｎ型半導体領域１９の第４超格子構造３７は、互いに同じ層構造を有しており、中間層１５の第２超格子構造３３は、これらの超格子と異なる層構造を有して、伝導帯に井戸ポテンシャルを形成している。
図４の見積もりを用いて、光吸収層１３の第１超格子構造３１、中間層１５の第２超格子構造３３、ｐ型半導体領域１７の第３超格子構造３５、ｎ型半導体領域１９の第４超格子構造３７の各々におけるギャップＥｇを所望の値に設計できる。
この実施例においては、中間層１５の第２超格子構造３３は、ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ５．０６ｎｍ）／ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１０ｎｍ）の単位セルの配列（５２セル）を有し、ｐ型半導体領域１７の第３超格子構造３５は、ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）の単位セルの配列（５０セル）を有する。ＩｎＳｂは、単位セルにおける格子歪みの低減のために用いられる。中間層１５の第２２半導体層３３ｂ（厚さ５．０６ｎｍのＩｎＡｓ）は、ｐ型半導体領域１７の第３２半導体層３５ｂ（厚さ２．７４ｎｍのＩｎＡｓ）より厚い。この層構造によれば、第２２半導体層３３ｂ及び第３２半導体層３５ｂにおける膜厚の関係は、中間層１５の伝導帯の底におけるエネルギーレベルがｐ型半導体領域の伝導帯の底におけるエネルギーレベルより低くすることを容易にする。
また、光吸収層１３の第１超格子構造３１は、ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）の単位セルの配列（２００セル）を有する。中間層１５の第２超格子構造３３は、ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ５．０６ｎｍ）／ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１０ｎｍ）の単位セルの配列（５２セル）を有する。中間層１５の第２２半導体層３３ｂ（厚さ５．０６ｎｍのＩｎＡｓ）は、光吸収層１３の第１２半導体層３１ｂ（厚さ２．７４のＩｎＡｓ）より厚い。この層構造によれば、第１２半導体層３１ｂ及び第２２半導体層３３ｂにおける膜厚の関係は、光吸収層１３の伝導帯の底を中間層の伝導帯の底におけるエネルギーレベルにおけるエネルギーレベルより高くすることを容易にする。また、中間層１５の第２１半導体層３３ａ（厚さ２．１３ｎｍのＧａＳｂ）は、光吸収層１３の第１１半導体層３１ａ（厚さ２．１０のＧａＳｂ）と同程度の厚さである。この層構造によれば、価電子帯のオフセットを小さく抑えながらバンドギャップを変化させることが可能である。
中間層１５における価電子帯の底と伝導帯の底との差（バンドギャップ）は、光吸収層１３における価電子帯の底と伝導帯の底との差（バンドギャップ）より小さい。このフォトダイオードによれば、中間層１５の伝導帯が、電子に対する井戸ポテンシャルを提供できることに加えて、中間層１５の価電子帯が、光吸収層１３における光電変換によって生成された電子・正孔対のうちの正孔の流れに対する妨げとなる大きなバンドオフセットを生成しない。
中間層１５はｐ導電性を有することが良い。中間層１５のｐ導電性は、中間層１５のバンド構造におけるフェルミレベルを価電子帯に近づけるように作用して、中間層１５と光吸収層１３との境界における価電子帯のバンドオフセットを小さく、或いは実質的にゼロにするために有効である。
中間層１５の正孔濃度は、４．８×１０１６ｃｍ−３以上２．６×１０１７ｃｍ−３以下であることができる。また、ｐ型半導体領域１７の正孔濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０１７ｃｍ−３以下であることができる。この正孔濃度によれば、中間層１５とｐ型半導体領域１７の価電子帯のバンドオフセットを１７ミリエレクトロンボルト（絶対温度２００ＫにおけるｋＢ×Ｔ）以内に抑えることが可能である。
（実施例）
実施例においては、以下の３つの構造、構造１、構造２、構造３を有するフォトダイオードを作製した。結晶成長には、分子線エピタキシー法が用いられた。これらの構造は、Ｔｅ添加のｎ型ＧａＳｂ基板上に形成された。具体的には、厚さ１０００ｎｍのＢｅ添加のｐ型ＧａＳｂ層がｎ型ＧａＳｂ基板上に成長され、個々の構造がｐ型ＧａＳｂ層上に成長され、また個々の構造上に厚さ２０ｎｍのｎ型ＩｎＡｓ層が成長された。
構造１（ＰｔＩＮ構造）。
ｎ型半導体領域の第４超格子構造のセル（Ｓｉドープ）：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）。
セル繰り返し：５０セル。
光吸収層の第１超格子構造のセル（Ｂｅドープ）：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）。
セル繰り返し：２００セル。
中間層の第２超格子構造のセル（Ｂｅドープ）：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ５．０６ｎｍ）／ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１０ｎｍ）。
セル繰り返し：５２セル。
ｐ型半導体領域の第３超格子構造のセル（Ｂｅドープ）：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）。
セル繰り返し：２００セル。
光吸収層の超格子構造のセル、ｐ型半導体領域の超格子構造のセル及びｎ型半導体領域の超格子構造のセルは同じ構造を有する。ｐｎ接合は光吸収層とｎ型半導体領域との境界付近にある。中間層は、ＧａＳｂ基板と光吸収層との間に位置する。この構造によれば、中間層がｐ型半導体領域から光吸収層に移動する電子のみを捕獲し、光吸収層で発生した光電流には影響せず、フォトダイオードの感度を低下させることを防ぐことが可能である。
構造２（ＰＩＮ構造）。
ｎ型半導体領域の超格子構造のセル（Ｓｉドープ）：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）。
セル繰り返し：５０セル。
光吸収層の超格子構造のセル（Ｂｅドープ）：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）。
セル繰り返し：２００セル。
ｐ型半導体領域の超格子構造のセル（Ｂｅドープ）：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）。
セル繰り返し：２００セル。
構造３（ＰｂＩｂＮ構造）。
ｎ型半導体領域の超格子構造のセル（Ｓｉドープ）：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）。
セル繰り返し：５０セル。
正孔バリア層の超格子構造のセル（Ｓｉドープ）：ＩｎＳｂ（厚さ０．１７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ３．０３ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ０．３０５ｎｍ）／ＡｌＳｂ（厚さ１．５３ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ０．３０５ｎｍ）。
セル繰り返し：６０セル。
光吸収層の超格子構造のセル（Ｂｅドープ）：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）。
セル繰り返し：２００セル。
電子バリア層の超格子構造のセル（アンドープ）：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ１．２１ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ３．６６ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ１．２１ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ３．６６ｎｍ）。
セル繰り返し：１６セル。
ｐ型半導体領域の超格子構造のセル（Ｂｅドープ）：ＩｎＳｂ（厚さ０．２７ｎｍ）／ＩｎＡｓ（厚さ２．７４ｎｍ）／ＧａＳｂ（厚さ２．１３ｎｍ）。
セル繰り返し：５０セル。
図５、図６及び図７は、それぞれ、構造１（ＰｔＩＮ構造）、構造２（ＰＩＮ構造）及び構造３（ＰｂＩｂＮ構造）のバンドダイアグラムを示す。
比較のために、構造１（ＰｔＩＮ構造）、構造２（ＰＩＮ構造）及び構造３（ＰｂＩｂＮ構造）におけるｐ型半導体領域の超格子構造のセル、光吸収層の超格子構造のセル及びｎ型半導体領域の超格子構造のセルは、同じ構造を有する。図５に示されるように、構造１（ＰｔＩＮ構造）は、本実施形態の構造を実現する実施例であり、中間層の井戸ポテンシャルの深さ（バンドオフセット）△Ｅｃは１２４ｍｅＶである。構造２（ＰＩＮ構造）は、図６に示されるように、最もシンプルな光検知構造を有する。構造３（ＰｂＩｂＮ構造）は、図７に示されるように、電子及び正孔それぞれのための電子バリア層及び正孔バリア層を有しており、個々の接合におけるバンドオフセットは以下の値である。
△Ｅｃ（ｅｂ）：２１８〜１８５ｍｅＶ。
△Ｅｃ（ａ）：３２０〜２８７ｍｅＶ。
△Ｅｃ（ｈｂ）：９０〜１１０ｍｅＶ。
△Ｅｃ（ｎ）：６ｍｅＶ。
△Ｅｖ（ｈｂ）：２６４ｍｅＶ。
△Ｅｖ（ａ）：−２〜１０ｍｅＶ。
△Ｅｖ（ｅｂ）：２〜１０ｍｅＶ。
△Ｅｖ（ｐ）：６ｍｅＶ。
図８を参照しながら、構造１〜構造３の作製方法を説明する。３枚のＧａＳｂ基板を準備した。図８の（ａ）部に示されるように、ＧａＳｂ基板上に分子線エピタキシー法により、厚さ１０００ｎｍのＢｅ添加ＧａＳｂのｐ型バッファ層を成長した。この後に、構造１、構造２及び構造３それぞれのためのエピタキシャル成長を行うと共に、個々の構造の上に厚さ２０ｎｍのｎ型ＩｎＡｓのキャップ層を成長した。これらの成長により、３枚のエピタキシャル基板が作製された。エピタキシャル成長において、ｎ導電性のためにシリコンをドーパントとして添加すると共にｐ導電性のためにベリリウムをドーパントとして添加した。
図８の（ｂ）部に示されるように、半導体メサのためのマスクＭ１を個々のエピタキシャル基板上に形成する。マスクＭ１は、一辺２００μｍの正方形のパターンを有しており、例えばＳｉＮからなる。図８の（ｃ）部に示されるように、マスクＭ１を用いて個々のエピタキシャル基板をエッチングして、半導体メサＭＥＳＡを形成した。エッチングは、ｐ型バッファ層に到達する深さまで行われた。ドライエッチングの後に、図８の（ｄ）部に示されるように、バッファードフッ酸を用いてマスクＭ１を除去した。除去の後に、図８の（ｅ）部に示されるように、半導体メサＭＥＳＡの表面及びｐ型バッファ層の露出表面を覆うようにシリコン酸化膜ＰＡＳ（ＳｉＯ２膜、厚さ３００ｎｍ）を堆積した。シリコン酸化膜ＰＡＳを成長した後に、図８の（ｆ）部に示されるように、半導体メサＭＥＳＡの上面及びｐ型バッファ層の表面上に、それぞれ、第１開口ＯＰ１及び第２開口ＯＰ２を形成した。第１開口ＯＰ１及び第２開口ＯＰ２の位置に合わせて、ｎ側電極Ｎ−ＥＤ及びｐ側電極Ｐ−ＥＤを作製した。ｎ側電極Ｎ−ＥＤ及びｐ側電極Ｐ−ＥＤは、白金（Ｐｔ）からなる。これらの工程により、３種類のフォトダイオードが作製された。
構造１（ＰｔＩＮ構造）、構造２（ＰＩＮ構造）及び構造３（ＰｂＩｂＮ構造）を有するフォトダイオードの暗電流を測定した。図９は、構造１（ＰｔＩＮ構造）、構造２（ＰＩＮ構造）及び構造３（ＰｂＩｂＮ構造）を有するフォトダイオードにおける暗電流の温度依存性を示す。ＰＩＮ構造のフォトダイオードと比較すると、ＰｂＩｂＮ構造のフォトダイオードの暗電流密度は、絶対温度７７ケルビン（Ｋ）より低い温度領域において低い暗電流密度を示す。絶対温度７７ケルビン（Ｋ）より高い温度領域における暗電流密度に関しては、ＰＩＮ構造のフォトダイオード及びＰｂＩｂＮ構造のフォトダイオードの暗電流密度は、同等の値である。この結果は、絶対温度７７ケルビン（Ｋ）より高い温度領域において、ＰｂＩｂＮ構造のバリアは有効に機能していないことを示す。これに対して、ＰｔＩＮ構造のフォトダイオードの暗電流密度は、絶対温度７７ケルビン（Ｋ）より低い温度領域において、ＰＩＮ構造のフォトダイオード及びＰｂＩｂＮ構造のフォトダイオードの暗電流密度より小さい。ＰｔＩＮ構造のフォトダイオードの暗電流密度は、絶対温度７７ケルビン（Ｋ）より高い温度領域において、ＰＩＮ構造のフォトダイオード及びＰｂＩｂＮ構造のフォトダイオードの暗電流密度より小さい。図９の結果は、ＰｔＩＮ構造の井戸ポテンシャルは、絶対温度７７ケルビン（Ｋ）より高い温度領域においては有効に機能していることを示す。
１×１０−４Ａ／ｃｍ２を暗電流密度の上限のための目安とするとき、ＰＩＮ構造及びＰｂＩｂＮ構造のフォトダイオードの使用は、絶対温度１２０ケルビン（Ｋ）以下において可能になる。ＰｔＩＮ構造のフォトダイオードの使用は、絶対温度１９０ケルビン（Ｋ）以下において可能になる。絶対温度１２０ケルビン（Ｋ）以下へ冷却はスターリングクーラといった冷凍機を必要とする一方で、絶対温度１９０ケルビンへ冷却は４段のペルチェ素子で可能である。これ故に、ＰｔＩＮ構造のフォトダイオードは、赤外線検出器の小型化及び低コスト化に寄与できる。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
以上説明したように、本実施形態によれば、暗電流を低減でき赤外線に感応するフォトダイオードが提供される。
１１…フォトダイオード、１３…光吸収層、１５…中間層、１７…ｐ型半導体領域、１９…ｎ型半導体領域、３１…第１超格子構造、３１ａ…第１１半導体層、３１ｂ…第１２半導体層、３３…第２超格子構造、３５…第３超格子構造、３７…第４超格子構造。

Claims (4)

  1. フォトダイオードであって、
    赤外線に感応するバンド構造を形成するように配列された第１１半導体層及び第１２半導体層を含む第１超格子構造を備える光吸収層と、
    ｐ型半導体領域と、
    前記ｐ型半導体領域と前記光吸収層との間に設けられた中間層と、
    を備え、
    前記中間層の伝導帯の底におけるエネルギーレベルは、前記ｐ型半導体領域の伝導帯の底におけるエネルギーレベルより低く、
    前記中間層の伝導帯の底におけるエネルギーレベルは、前記光吸収層の伝導帯の底におけるエネルギーレベルより低い、フォトダイオード。
  2. 前記光吸収層の前記第１超格子構造は、前記第１１半導体層及び前記第１２半導体層を含む単位セルの配列を含み、
    前記第１１半導体層は、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素としてアンチモンを含み、
    前記第１２半導体層は、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含み、
    前記中間層は、第２１半導体層及び第２２半導体層を含む第２超格子構造を備え、前記中間層の前記伝導帯は、前記第２超格子構造によって提供され、
    前記中間層の前記第２超格子構造は、第２１半導体層及び第２２半導体層を含む単位セルの配列を含み、
    前記第２１半導体層は、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素としてアンチモンを含み、
    前記第２２半導体層は、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む、請求項１に記載されたフォトダイオード。
  3. 前記ｐ型半導体領域の前記伝導帯は、第３超格子構造によって提供される、請求項１又は請求項２に記載されたフォトダイオード。
  4. 前記中間層は、ｐ導電性を有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載されたフォトダイオード。
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