JP7024976B2 - 受光素子及び近赤外光検出器 - Google Patents
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Description
本発明は、受光素子及び近赤外光検出器に関する。より詳しくは、本発明は、ゲルマニウム（Ｇｅ）の吸収層を有し、当該吸収層において受光感度の大きな近赤外光を自由空間から効率的に受光でき、生産性が高く、かつ製造コストの低い受光素子、及び当該受光素子を備えた近赤外光検出器に関する。
従来、レーザーレーダー(ライダー)等の計測機器においては、例えば、アイセーフの観点から波長１５５０ｎｍの近赤外光を光源から投光し、その光を受光素子により受光することによって対象物の計測が行われている。現在、光源に関しては様々な選択肢があるものの、受光素子については選択肢が限られており、課題も多い。
これらの近赤外光に受光感度をもつ従来の受光素子としては、低ノイズであり、かつ応答速度が速いという観点から、例えば、インジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）といった化合物半導体が用いられることが多い。
しかし、インジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）を用いる方法は、生産性が非常に悪く、かつ製造コストを要するという問題がある。そこで、生産性が高く、かつ製造コストを抑えられる新しい受光素子が求められている。
しかし、インジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）を用いる方法は、生産性が非常に悪く、かつ製造コストを要するという問題がある。そこで、生産性が高く、かつ製造コストを抑えられる新しい受光素子が求められている。
ところで、インジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）を用いずに、波長１５５０ｎｍ付近の近赤外線領域に受光感度をもつ受光素子としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）を吸収層に用いた受光素子が知られている。
このような受光素子としては、真性半導体として、ゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）－ゲルマニウム（Ｇｅ）を用いることで、近赤外線領域の波長の光を吸収し、光通信等の用途で好適に使用できる光学素子が開示されている（特許文献１）。特許文献１では、ｐドープ領域、真性領域及びｎドープ領域を有し、ｐドープ領域及びｎドープ領域の少なくとも一方がアレイ状に配置されたアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：avalanche photodiode）が開示されている。
また、他の受光素子の例としては、シリコン（Ｓｉ）層上にゲルマニウム（Ｇｅ）を成長させることで、ゲルマニウム（Ｇｅ）を吸収層、シリコン（Ｓｉ）を増幅層としたアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の構成が開示されている（非特許文献１）。非特許文献１の受光素子によれば、ゲルマニウム（Ｇｅ）はノイズが多いことが知られているものの、シリコン（Ｓｉ）を増幅層とすることで、低ノイズであり、かつ上述した近赤外線領域の波長に感度を持つセンサーを製造することができることが記載されている。
これらの光学素子は光通信用の用途に用いることを想定したものであるため、低消費電力であり、かつ応答速度が速くなるように構成されている。そのため、通常、導波路状に形成された吸収層を用いて光を伝播、吸収する構成となっている（図１０参照）。導波路状の吸収層は、層厚を薄くしても、光を吸収するための相互作用長（図１０のＬ２）を長くとることができるので、暗電流等に起因するノイズを抑え、応答速度が速くすることができる。また、印加電圧を抑えられるため、消費電力も抑えることができる。
しかし、これらの光学素子は、光通信用の用途に用いることを想定したものであり、自由空間からの光を受光する用途に用いることは難しい。
特に、ゲルマニウム（Ｇｅ）は屈折率が４程度と非常に大きく、自由空間からの光は、入射角度が大きいものも多いため、吸収層表面で反射してしまう割合も大きく、吸収層にて効率的に吸収することができない。
また、光通信用の用途に用いられる受光素子は、上述したように、吸収層が薄くなっているため、自由空間からの光の受光するための受光素子に用いる場合には、光を吸収するための相互作用長（図３のＬ１）が短くなり、吸収層において、十分に光を吸収することができないという問題が生じる。また、ゲルマニウム（Ｇｅ）からなる吸収層は、ノイズが非常に大きいため、単に吸収層の層厚を厚くしただけでは、応答速度が遅くなるとともに、ノイズが非常に大きくなるため、自由空間からの光を受光する用途に用いることはできない。
特に、ゲルマニウム（Ｇｅ）は屈折率が４程度と非常に大きく、自由空間からの光は、入射角度が大きいものも多いため、吸収層表面で反射してしまう割合も大きく、吸収層にて効率的に吸収することができない。
また、光通信用の用途に用いられる受光素子は、上述したように、吸収層が薄くなっているため、自由空間からの光の受光するための受光素子に用いる場合には、光を吸収するための相互作用長（図３のＬ１）が短くなり、吸収層において、十分に光を吸収することができないという問題が生じる。また、ゲルマニウム（Ｇｅ）からなる吸収層は、ノイズが非常に大きいため、単に吸収層の層厚を厚くしただけでは、応答速度が遅くなるとともに、ノイズが非常に大きくなるため、自由空間からの光を受光する用途に用いることはできない。
Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，２０１０，４，５２７－５３４．
本発明は、上記問題・状況に鑑みてなされたものであり、その解決課題は、ゲルマニウム（Ｇｅ）の吸収層を有し、当該吸収層の受光領域である近赤外光を自由空間から効率的に受光でき、生産性が高く、かつ製造コストの低い受光素子、及び当該受光素子を備えた近赤外光検出器を提供することである。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、基板上に、増幅層、吸収層及び反射防止層を順に有し、前記増幅層は少なくともｐ－Ｓｉ層及びｎ－Ｓｉ層を有し、前記吸収層は少なくともｐ－Ｇｅ層を有する受光素子とすることによって、当該吸収層の受光感度の大きい近赤外光を自由空間から効率的に受光できることを見いだし、本発明に至った。
すなわち、本発明に係る上記課題は、以下の手段により解決される。
すなわち、本発明に係る上記課題は、以下の手段により解決される。
１．基板上に、シリコン（Ｓｉ）を含有する増幅層、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含有する吸収層及び反射防止層がこの順に積層されており、
前記増幅層が、ｎ型にドープされたｎ－Ｓｉ層と、ｐ型にドープされたｐ－Ｓｉ層とを前記基板上に少なくともこの順に有しており、
前記吸収層が、真性領域であるｉ－Ｇｅ層と、ｐ型にドープされたｐ－Ｇｅ層とを前記増幅層上に少なくともこの順に有する受光素子。
前記増幅層が、ｎ型にドープされたｎ－Ｓｉ層と、ｐ型にドープされたｐ－Ｓｉ層とを前記基板上に少なくともこの順に有しており、
前記吸収層が、真性領域であるｉ－Ｇｅ層と、ｐ型にドープされたｐ－Ｇｅ層とを前記増幅層上に少なくともこの順に有する受光素子。
２．前記吸収層が、前記ｉ－Ｇｅ層と前記増幅層との間に、第２のｐ－Ｇｅ層を有する第１項に記載の受光素子。
３．前記吸収層が、前記ｐ－Ｇｅ層よりも高濃度でｐ型にドープされたｐ＋－Ｇｅ層を有し、前記ｐ－Ｇｅ層上に前記ｐ＋－Ｇｅ層が積層されている第１項又は第２項に記載の受光素子。
４．前記増幅層が、ｎ－Ｓｉ層とｐ－Ｓｉ層との間に、真性領域であるｉ－Ｓｉ層を有する第１項から第３項までのいずれか一項に記載の受光素子。
５．前記反射防止層を形成する材料の屈折率が、１．２～３．５の範囲内である第１項から第４項までのいずれか一項に記載の受光素子。
６．前記反射防止層の表面には、微細な凹凸構造が形成されている第１項から第５項までのいずれか一項に記載の受光素子。
７．前記微細な凹凸構造は、モスアイ構造である第６項に記載の受光素子。
８．前記反射防止層が、複数の反射防止層が積層された多層構造を有する第１項から第
５項までのいずれか一項に記載の受光素子。
５項までのいずれか一項に記載の受光素子。
９．前記基板の前記吸収層が設けられた側とは反対側に、前記吸収層で受光対象となる光の少なくとも一部を反射する光反射層が形成されている第１項から第８項までのいずれか一項に記載の受光素子。
１０．第１項から第９項までのいずれか一項に記載の受光素子を備えた近赤外光検出器。
１１．前記受光素子が１次元又は２次元アレイ状に配列されている第１０項に記載の近赤外光検出器。
本発明の上記手段により、ゲルマニウム（Ｇｅ）の吸収層を有し、当該吸収層において受光感度の大きな近赤外光を自由空間から効率的に受光でき、生産性が高く、かつ製造コストの低い受光素子及び近赤外光検出器を提供することができる。
上記効果の作用機構は、以下のとおりである。
上記効果の作用機構は、以下のとおりである。
本発明の受光素子は、基板上に、シリコン（Ｓｉ）を含有する増幅層、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含有する吸収層及び反射防止層がこの順に積層されている。
ゲルマニウム（Ｇｅ）を含有する吸収層は、屈折率が非常に大きいため、自由空間からの光は、吸収層表面で反射しやすいが、反射防止層によって、受光素子表面での反射を防止することで、受光素子内部への入光量を増やすことができる。
また、本発明の受光素子は、吸収層が、ｐ型にドープされたｐ－Ｇｅ層を少なくとも有している。ｐ－Ｇｅ層は、キャリアの移動は遅いもののノイズが少ないので、例えば、ｐ－Ｇｅ層の割合を多くして吸収層を厚く設けることで、受光感度（量子効率）を向上させるとともに、ノイズも抑えることができる。
また、本発明は、シリコン（Ｓｉ）を含有する増幅層を有しているので、吸収層から移動したキャリアの移動を増幅させ、より大きな電流を流すことができる。また、Ｓｉを増幅層とすることで、ゲルマニウム（Ｇｅ）の吸収波長の光に感度を有しつつ、低ノイズであるセンサーとすることができる。
ゲルマニウム（Ｇｅ）を含有する吸収層は、屈折率が非常に大きいため、自由空間からの光は、吸収層表面で反射しやすいが、反射防止層によって、受光素子表面での反射を防止することで、受光素子内部への入光量を増やすことができる。
また、本発明の受光素子は、吸収層が、ｐ型にドープされたｐ－Ｇｅ層を少なくとも有している。ｐ－Ｇｅ層は、キャリアの移動は遅いもののノイズが少ないので、例えば、ｐ－Ｇｅ層の割合を多くして吸収層を厚く設けることで、受光感度（量子効率）を向上させるとともに、ノイズも抑えることができる。
また、本発明は、シリコン（Ｓｉ）を含有する増幅層を有しているので、吸収層から移動したキャリアの移動を増幅させ、より大きな電流を流すことができる。また、Ｓｉを増幅層とすることで、ゲルマニウム（Ｇｅ）の吸収波長の光に感度を有しつつ、低ノイズであるセンサーとすることができる。
また、本発明の受光素子は、シリコン（Ｓｉ）層にゲルマニウム（Ｇｅ）を積層した受光素子であるため、ウエハサイズの大きなシリコンウエハを用いて生産することができる。そのため、ウエハサイズの小さいシリコンインジウム・ガリウム・ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）を用いる方法よりも、生産性が高く、かつ製造コストを低くおさえることができる。
本発明の受光素子は、基板上に、シリコン（Ｓｉ）を含有する増幅層、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含有する吸収層及び反射防止層がこの順に積層されており、前記増幅層が、ｎ型にドープされたｎ－Ｓｉ層と、ｐ型にドープされたｐ－Ｓｉ層とを前記基板上に少なくともこの順に有しており、前記吸収層が、真性領域であるｉ－Ｇｅ層と、ｐ型にドープされたｐ－Ｇｅ層とを前記増幅層上に少なくともこの順に有することを特徴とする。この特徴は、下記実施態様に共通する又は対応する技術的特徴である。
また、本発明の実施態様としては、応答速度を速くする観点から、前記吸収層が、前記ｉ－Ｇｅ層と前記増幅層との間に、第２のｐ－Ｇｅ層を有することが好ましい。
また、本発明の実施態様としては、前記吸収層が、前記ｐ－Ｇｅ層よりも高濃度でｐ型にドープされたｐ＋－Ｇｅ層を有し、前記ｐ－Ｇｅ層上に前記ｐ＋－Ｇｅ層が積層されていることが好ましい。これにより、キャリアの移動度を向上させ、応答速度を速くすることができる。また、バンド構造で、ｐ－Ｇｅ層とｐ＋－Ｇｅ層でフェルミ準位が異なるためバンド間で傾きが生じ、電極から電子を取り出しやすくなる。また、ｐ－Ｇｅ層上にｐ＋－Ｇｅ層が積層されていると、電子を増幅層側に導入しやすくできることが期待できる。さらに、電極との接触抵抗を下げることもできる。
また、本発明の実施態様としては、増幅層をｐiｎ構造とすることでより大きな増幅作用を得る観点から、前記増幅層が、ｎ－Ｓｉ層とｐ－Ｓｉ層との間に、真性領域であるｉ－Ｓｉ層を有することが好ましい。
また、本発明の実施態様としては、反射を抑えて受光感度を向上させる観点から、前記反射防止層を形成する材料の屈折率が、１．２～３．５の範囲内であることが好ましい。
また、本発明の実施態様としては、反射を抑えて受光感度を向上させる観点から、前記反射防止層の表面には、微細な凹凸構造が形成されていることが好ましい。また、前記微細な凹凸構造は、モスアイ構造であることが好ましい。
また、本発明の実施態様としては、反射防止性能を向上させることで受光感度を向上させる観点から、前記反射防止層が、複数の反射防止層が積層された多層構造を有することが好ましい。
また、本発明の実施態様としては、前記基板の前記吸収層が設けられた側とは反対側に、前記吸収層で受光対象となる光の少なくとも一部を反射する光反射層が形成されていることが好ましい。これにより、吸収層を通過した光を反射することで再度吸収層を通過させることができるため、光の吸収量を増加させることができ、受光感度を向上させることができる。
また、本発明の受光素子は、例えば、自由空間からの光を吸収するための近赤外光検出器に、好適に用いることができる。また、近赤外光検出器は、当該受光素子が１次元又は２次元アレイ状に配列されていることが好ましい。
以下、本発明とその構成要素、及び本発明を実施するための形態・態様について詳細な説明をする。なお、本願において、数値範囲を表す「～」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味で使用している。
［近赤外光検出器］
本発明の近赤外光検出器１００には、近赤外光を受光して電気に変換する受光素子１０が配置されている。また、近赤外光検出器１００は、受光素子１０が１次元又は２次元アレイ状に配列されていることが好ましい。図１にはその一例として、２行×５列の計１０個の受光素子１０がアレイ状に配列された構成を示す。また、図２には、図１のII-II部分の断面図を示す。
近赤外光検出器１００の各受光素子１０は、ゲルマニウム（Ｇｅ）の吸収層４０を有しているため、自由空間からの近赤外光を受光し検出する用途に好適に用いることができる。
本発明の近赤外光検出器１００には、近赤外光を受光して電気に変換する受光素子１０が配置されている。また、近赤外光検出器１００は、受光素子１０が１次元又は２次元アレイ状に配列されていることが好ましい。図１にはその一例として、２行×５列の計１０個の受光素子１０がアレイ状に配列された構成を示す。また、図２には、図１のII-II部分の断面図を示す。
近赤外光検出器１００の各受光素子１０は、ゲルマニウム（Ｇｅ）の吸収層４０を有しているため、自由空間からの近赤外光を受光し検出する用途に好適に用いることができる。
近赤外光検出器１００は、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハに、公知の方法を用いてパターニングすることによって製造することができる。
具体的には、例えば、米国特許第６８１２４９５号明細書、米国特許第６９４６３１８号明細書に記載されているように、シリコン（Ｓｉ）の基板２０上に、公知のＵＨＶ－ＣＶＤ法を用いてゲルマニウム（Ｇｅ）を成長させることにより製造することができる。
具体的には、例えば、米国特許第６８１２４９５号明細書、米国特許第６９４６３１８号明細書に記載されているように、シリコン（Ｓｉ）の基板２０上に、公知のＵＨＶ－ＣＶＤ法を用いてゲルマニウム（Ｇｅ）を成長させることにより製造することができる。
［受光素子］
本発明の受光素子１０は、基板２０上に、シリコン（Ｓｉ）を含有する増幅層３０、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含有する吸収層４０及び反射防止層５０がこの順に積層されており、増幅層３０が、ｎ型にドープされたｎ－Ｓｉ層３１と、ｐ型にドープされたｐ－Ｓｉ層３３とを基板２０上に少なくともこの順に有しており、吸収層４０が、真性領域であるｉ－Ｇｅ層と、ｐ型にドープされたｐ－Ｇｅ層とを前記増幅層上に少なくともこの順に有することを特徴とする。
本発明の受光素子１０は、基板２０上に、シリコン（Ｓｉ）を含有する増幅層３０、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含有する吸収層４０及び反射防止層５０がこの順に積層されており、増幅層３０が、ｎ型にドープされたｎ－Ｓｉ層３１と、ｐ型にドープされたｐ－Ｓｉ層３３とを基板２０上に少なくともこの順に有しており、吸収層４０が、真性領域であるｉ－Ｇｅ層と、ｐ型にドープされたｐ－Ｇｅ層とを前記増幅層上に少なくともこの順に有することを特徴とする。
受光素子１０の層構成としては、具体的には、以下の例を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
(i) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｐ－Ｇｅ層/反射防止層
(ii) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/反射防止層
(iii) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/ｐ＋－Ｇｅ層/反射防止層
(iv) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｐ－Ｇｅ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/反射防止層
(v) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｐ－Ｇｅ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/ｐ＋－Ｇｅ層/反射防止層
(vi) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｉ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｐ－Ｇｅ層/反射防止層
(vii) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｉ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/反射防止層
(viii)基板/ｎ－Ｓｉ層/ｉ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/ｐ＋－Ｇｅ層/反射防止層
(ix) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｉ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｐ－Ｇｅ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/反射防止層
(x) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｉ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｐ－Ｇｅ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/ｐ＋－Ｇｅ層/反射防止層
(i) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｐ－Ｇｅ層/反射防止層
(ii) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/反射防止層
(iii) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/ｐ＋－Ｇｅ層/反射防止層
(iv) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｐ－Ｇｅ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/反射防止層
(v) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｐ－Ｇｅ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/ｐ＋－Ｇｅ層/反射防止層
(vi) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｉ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｐ－Ｇｅ層/反射防止層
(vii) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｉ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/反射防止層
(viii)基板/ｎ－Ｓｉ層/ｉ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/ｐ＋－Ｇｅ層/反射防止層
(ix) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｉ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｐ－Ｇｅ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/反射防止層
(x) 基板/ｎ－Ｓｉ層/ｉ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｐ－Ｇｅ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/ｐ＋－Ｇｅ層/反射防止層
また、以下に一例を示すように、基板２０の底面側（吸収層４０が設けられた側とは反対側）に、さらに光反射層６０が積層された構成とすることも好ましい。
(xi) 光反射層/基板/ｎ－Ｓｉ層/ｉ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/ｐ＋－Ｇｅ層/反射防止層
(xi) 光反射層/基板/ｎ－Ｓｉ層/ｉ－Ｓｉ層/ｐ－Ｓｉ層/ｉ－Ｇｅ層/ｐ－Ｇｅ層/ｐ＋－Ｇｅ層/反射防止層
図４には、一例として、上記（viii）の層構成である、基板２０上に、ｎ－Ｓｉ層３１、ｉ－Ｓｉ層３２及びｐ－Ｓｉ層３３から形成される増幅層３０と、ｉ－Ｇｅ層４１、ｐ－Ｇｅ層４２及びｐ＋－Ｇｅ層４３から形成される吸収層４０と、反射防止層５０とがこの順で積層された受光素子１０を示した。
また、図４に示すように、例えば、ｎ－Ｓｉ層３１に接する箇所と、吸収層４０の上面に、それぞれ電極７０，７１が設けられている。これらの電極７０，７１は図示しない配線等により回路を形成しており、電極間に電位差を生じさせることができるとともに、吸収層４０が光を吸収することによって生じた電子を取り出すことができるようになっている。
なお、電極７０，７１を設ける位置は、上述したように、電位差を生じさせることができ、光を吸収することによって生じた電子を取り出すことができれば、適宜変更可能である。
また、図４に示すように、例えば、ｎ－Ｓｉ層３１に接する箇所と、吸収層４０の上面に、それぞれ電極７０，７１が設けられている。これらの電極７０，７１は図示しない配線等により回路を形成しており、電極間に電位差を生じさせることができるとともに、吸収層４０が光を吸収することによって生じた電子を取り出すことができるようになっている。
なお、電極７０，７１を設ける位置は、上述したように、電位差を生じさせることができ、光を吸収することによって生じた電子を取り出すことができれば、適宜変更可能である。
また、図５には、図４に示した上記（viii）の層構成とした受光素子１０について、逆バイアスの電圧を印加した際のバンド構造を示した。
基板２０としては、本発明の効果が得られるものであれば特に限られないが、例えば、シリコン基板が用いられる。
増幅層３０は、ｎ型にドープされたｎ－Ｓｉ層３１と、ｐ型にドープされたｐ－Ｓｉ層３３とを基板２０上に少なくともこの順に有しており、吸収層４０から移動したキャリアの移動を増幅させ、より大きな電流を流させる機能を果たしている。
また、増幅層３０は、増幅量を増やす観点から、ｎ－Ｓｉ層３１と、ｐ型にドープされたｐ－Ｓｉ層３３との間に、真性領域であるｉ－Ｓｉ層３２を有する構成とし、ｐｉｎ構造によって形成されていることが好ましい。
また、増幅層３０は、増幅量を増やす観点から、ｎ－Ｓｉ層３１と、ｐ型にドープされたｐ－Ｓｉ層３３との間に、真性領域であるｉ－Ｓｉ層３２を有する構成とし、ｐｉｎ構造によって形成されていることが好ましい。
また、受光素子１０に設けられた電極間に高い逆バイアスをかけることで、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：avalanche photodiode）として動作させることが好ましい。アバランシェ効果により、１０～１００倍程度の増倍率といった増幅効果を得ることができる。
ｎ－Ｓｉ層３１やｐ－Ｓｉ層３３のドープ領域は、例えば、公知のイオン注入法や熱拡散法による方法によって、形成することができる。
ｎ－Ｓｉ層３１やｐ－Ｓｉ層３３のドープ領域は、例えば、公知のイオン注入法や熱拡散法による方法によって、形成することができる。
増幅層３０の厚さは、印加電圧に応じて適宜変更可能であり、用途に応じて十分な増幅効果を得られれば、特に制限はない。
吸収層４０は、ｐ型にドープされたｐ－Ｇｅ層４２を少なくとも有しており、ゲルマニウム（Ｇｅ）の吸収波長の光を吸収する機能を果たしている。本発明の吸収層４０では、特に近赤外線領域である波長１４００～１５５０ｎｍの範囲内の光を吸収するのに適している。
また、吸収層４０は、使用用途に応じて求められるノイズレベルや応答速度によって、以下のように適宜層構成を変更して用いることが好ましい。
例えば、ノイズを小さくすることが求められる場合には、吸収層４０のうち、ｐ－Ｇｅ層４２の占める割合を大きくすることが好ましく、すべてをｐ－Ｇｅ層４２によって形成してもよい。
また、応答速度を速くすることが求められる場合には、吸収層４０が、真性領域であるｉ－Ｇｅ層４１を有する構成とし、具体的には、増幅層３０上に、ｉ－Ｇｅ層４１、ｐ－Ｇｅ層４２がこの順に積層された構成とすることが好ましい。ｉ－Ｇｅ層４１は、ｐ－Ｇｅ層４２とｐ－Ｓｉ層３３の間に位置しているため、ｐ－Ｇｅ層４２とｐ－Ｓｉ層３３のフェルミ準位の差によって、逆バイアスの電圧をかけると、バンド構造では図５に示すような傾きが生じる。したがって、ｉ－Ｇｅ層４１において、キャリアの移動速度を速め、応答速度を速くすることができる。
例えば、ノイズを小さくすることが求められる場合には、吸収層４０のうち、ｐ－Ｇｅ層４２の占める割合を大きくすることが好ましく、すべてをｐ－Ｇｅ層４２によって形成してもよい。
また、応答速度を速くすることが求められる場合には、吸収層４０が、真性領域であるｉ－Ｇｅ層４１を有する構成とし、具体的には、増幅層３０上に、ｉ－Ｇｅ層４１、ｐ－Ｇｅ層４２がこの順に積層された構成とすることが好ましい。ｉ－Ｇｅ層４１は、ｐ－Ｇｅ層４２とｐ－Ｓｉ層３３の間に位置しているため、ｐ－Ｇｅ層４２とｐ－Ｓｉ層３３のフェルミ準位の差によって、逆バイアスの電圧をかけると、バンド構造では図５に示すような傾きが生じる。したがって、ｉ－Ｇｅ層４１において、キャリアの移動速度を速め、応答速度を速くすることができる。
また、吸収層４０が、ｉ－Ｇｅ層４１と増幅層３０との間に、第２のｐ－Ｇｅ層４４を有する構成とすることもできる（図６）。
また、ｐ－Ｇｅ層４２の上に、ｐ－Ｇｅ層４２よりも高濃度でｐ型にドープされたｐ＋－Ｇｅ層４３を有する構成とすることが好ましい。これにより、キャリアの移動度を向上させ、応答速度を速くすることができる。また、バンド構造で、ｐ－Ｇｅ層４２とｐ＋－Ｇｅ層４３でフェルミ準位が異なるためバンド間で傾きが生じるため、電極７１から電子を取り出しやすくなる。また、ｐ－Ｇｅ層４２上にｐ＋－Ｇｅ層４３が積層されていると、電子を増幅層３０側に導入しやすくできることが期待できる。さらに、電極７１との接触抵抗を下げることもできる。
また、本明細書でいうｐ＋－Ｇｅ層４３とは、上述したように、ｐ－Ｇｅ層４２よりも高濃度でｐ型にドープされたＧｅ層であると定義している。
また、本明細書でいうｐ＋－Ｇｅ層４３とは、上述したように、ｐ－Ｇｅ層４２よりも高濃度でｐ型にドープされたＧｅ層であると定義している。
ｐ－Ｇｅ層４２やｐ＋－Ｇｅ層４３のドープ領域は、例えば、公知のイオン注入法や熱拡散法による方法によって、形成することができる。
吸収層４０は、例えば、基板２０及び増幅層３０を６００℃程度に加熱をして、ゲルマニウム（Ｇｅ）の原料ガスであるＧｅＨ４を用いて、エピタキシャル成長によってＧｅを増幅層３０上に堆積することによって形成することができる。
吸収層４０の厚さＬは、受光対象とする光の波長におけるゲルマニウム（Ｇｅ）の吸収係数をαとしたとき、下記式を満たすことが好ましい。
ｅｘｐ（－Ｌ×α）＞０．８
〔αは、受光対象とする光の波長におけるゲルマニウム（Ｇｅ）の吸収係数を表す。〕
また、上記式をＬについて計算すると下記式（１）のようになる。
式（１）：Ｌ＜（ｌｎ０．８）／α
ｅｘｐ（－Ｌ×α）＞０．８
〔αは、受光対象とする光の波長におけるゲルマニウム（Ｇｅ）の吸収係数を表す。〕
また、上記式をＬについて計算すると下記式（１）のようになる。
式（１）：Ｌ＜（ｌｎ０．８）／α
上記式（１）を満たすということは、吸収層４０の厚さをＬとした場合に、受光対象の光の８０％を、吸収層４０で吸収できる厚さであることを意味している。
また、吸収層４０の厚さが２００ｎｍ、５００ｎｍ、３μｍ（３０００ｎｍ）、５μｍ（５０００ｎｍ）である場合について、複素屈折率の虚部にｋ＝０．１２３を使用して、吸収波長（ｎｍ）と吸光度の関係を計算した結果を図８に示す。図８からわかるように、例えば、１５５０ｎｍの光の吸収を計算すると、３μｍの厚さで、９０％を超え、１００％近くの光を吸収することができる。
以上より、光を十分に吸収し受光感度を向上させる観点からは、吸収層４０の厚さＬが、３μｍ以上であることが好ましい。
以上より、光を十分に吸収し受光感度を向上させる観点からは、吸収層４０の厚さＬが、３μｍ以上であることが好ましい。
ところで、仮に吸収層４０のすべてをｐ－Ｇｅ層４２とした場合、吸収層４０に電界をかけない場合には、電子は拡散速度で吸収層４０を移動することとなる。この場合、電子が正孔と再結合して消滅するまで平均時間（いわゆる少数キャリア寿命）の間、電子が拡散速度で移動するとした場合、移動距離は約７μｍ程度となる。したがって、吸収層４０から増幅層３０に電子にキャリアを移動させやすくする観点からは、吸収層４０の厚さが７μｍ以下であることが好ましい。また、吸収層４０の厚さを７μｍ以下とすることで、計測用のデバイスに使用する際に十分な応答速度を得ることができる。
反射防止層５０としては、吸収層４０表面での反射を効率的に抑える観点から、反射防止層５０を形成する材料の屈折率が、１．２～３．５の範囲内であることが好ましく、１．４～３．０の範囲内であることが特に好ましい。
ここで、反射防止層５０の有無と光反射率の関係を示したグラフを図９に示す。反射防止層５０を設けなかった場合の吸収層４０での光反射率は、図９の（ａ）に示すとおり、約３６％である。また、屈折率が、それぞれ（ｂ）１．２、（ｃ）１．４、（ｄ）２．０、（ｅ）３．０、（ｆ）３．５の材料からなり、厚さが最適化された反射防止層５０を設けた場合の光反射率（％）をそれぞれ図９に示す。図９の（ｄ）からわかるとおり、屈折率２．０の材料からなる反射防止層５０では、波長約１５５０ｎｍの光の反射率をほぼ０程度に抑えることができ、吸収層４０表面での反射を効率的に抑えることができる。また、屈折率が１．２～３．５の材料によって形成された反射防止層５０を設けた場合には、本発明に係る吸収層４０に適した波長１４００～１５５０ｎｍの範囲内の光の反射を好適に抑えることができる。
屈折率が１．２～３．５の範囲内となる材料としては、例えば、屈折率約２．０の窒化ケイ素（ＳｉＮ）や屈折率約１．５の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、屈折率約３．５のケイ素（Ｓｉ）を用いることが好ましい。
ここで、反射防止層５０の有無と光反射率の関係を示したグラフを図９に示す。反射防止層５０を設けなかった場合の吸収層４０での光反射率は、図９の（ａ）に示すとおり、約３６％である。また、屈折率が、それぞれ（ｂ）１．２、（ｃ）１．４、（ｄ）２．０、（ｅ）３．０、（ｆ）３．５の材料からなり、厚さが最適化された反射防止層５０を設けた場合の光反射率（％）をそれぞれ図９に示す。図９の（ｄ）からわかるとおり、屈折率２．０の材料からなる反射防止層５０では、波長約１５５０ｎｍの光の反射率をほぼ０程度に抑えることができ、吸収層４０表面での反射を効率的に抑えることができる。また、屈折率が１．２～３．５の材料によって形成された反射防止層５０を設けた場合には、本発明に係る吸収層４０に適した波長１４００～１５５０ｎｍの範囲内の光の反射を好適に抑えることができる。
屈折率が１．２～３．５の範囲内となる材料としては、例えば、屈折率約２．０の窒化ケイ素（ＳｉＮ）や屈折率約１．５の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、屈折率約３．５のケイ素（Ｓｉ）を用いることが好ましい。
また、反射防止層５０としては、吸収層４０表面での反射を効率的に抑える観点から、微細な凹凸構造５１が形成されることも好ましい。微細な凹凸構造５１としては、例えば、吸収層４０に近づくにつれて実質的な屈折率が上昇する形状を有することが好ましく、このような凹凸構造５１として、モスアイ構造を用いることが好ましい。
モスアイ構造としては、図７に模式図を示すように、例えば、錐体形状の凸部を複数設けることにより形成することができる。
また、モスアイ構造における錐体形状は、特に限定されるものではなく、円錐形状、角錐形状、円錐台形状、角錐台形状、釣鐘形状、楕円錐台形状など、反射防止機能を有する錐体形状であれば適宜選択可能である。
モスアイ構造としては、図７に模式図を示すように、例えば、錐体形状の凸部を複数設けることにより形成することができる。
また、モスアイ構造における錐体形状は、特に限定されるものではなく、円錐形状、角錐形状、円錐台形状、角錐台形状、釣鐘形状、楕円錐台形状など、反射防止機能を有する錐体形状であれば適宜選択可能である。
モスアイ構造における実質的な屈折率は、モスアイ構造を形成する材料の材質、錐体形状の厚さ方向における構造体と空間の割合の変化率、凹凸のピッチ及び深さなどにより決定されるため、これらを適宜調節することで、屈折率を上述した１．２～３．５の範囲内となるように調整すればよい。凹凸のピッチは、例えば、１０００～１６００ｎｍであることが好ましく、凹凸の深さは、ピッチの０．５～５倍であることが好ましく、１～３倍であることがさらに好ましい。
また、反射防止層５０としては、反射防止性能を向上させることで受光感度を向上させる観点から、複数の反射防止層５０が積層された多層構造を有する構成とすることが好ましい。
また、吸収層４０表面での反射を効率的に抑える観点からは、受光対象となる光の波長をλとしたとき、光学層厚が（λ／４）の奇数倍の反射防止層５０が、一層又は複数層積層されていることが好ましい。これにより、反射防止層５０に設けた各層における上面及び下面で反射した光が打消しあうため、光の反射を効果的に防止することができる。
また、吸収層４０表面での反射を効率的に抑える観点からは、受光対象となる光の波長をλとしたとき、光学層厚が（λ／４）の奇数倍の反射防止層５０が、一層又は複数層積層されていることが好ましい。これにより、反射防止層５０に設けた各層における上面及び下面で反射した光が打消しあうため、光の反射を効果的に防止することができる。
（反射率とＳＮ比の関係について）
光学素子に逆バイアスをかけてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）として動作させる際に、ＳＮ比を以下式（Ａ１）によって計算することができる。
光学素子に逆バイアスをかけてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）として動作させる際に、ＳＮ比を以下式（Ａ１）によって計算することができる。
上記式（Ａ１）において、Ｓ：信号、Ｎ：ノイズ、ｑ：電荷、η：量子効率、Ｐｏｐｔ：入射光のパワー、ｈ：プランク定数、ν：光周波数、Ｉｐ：ショットノイズ電流、ＩＢ：背景光ノイズ電流、ＩＤ：暗電流、Ｆ（Ｍ）：ノイズファクター、Ｂ：帯域、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度、Ｒｅｑ：負荷抵抗、Ｍ：増倍率を表す。
なお、シリコン（Ｓｉ）によって構成される増幅層３０でのノイズは、ゲルマニウム（Ｇｅ）によって構成される吸収層４０のノイズの１／１００以下であるため、上記計算では無視している。
なお、シリコン（Ｓｉ）によって構成される増幅層３０でのノイズは、ゲルマニウム（Ｇｅ）によって構成される吸収層４０のノイズの１／１００以下であるため、上記計算では無視している。
本発明の受光素子１０では、図９に示したように、反射防止層５０を設けない場合には、吸収層４０における波長１５５０ｎｍの光の反射率は約３６％程度であり、屈折率約２．０の窒化ケイ素（ＳｉＮ）により形成された反射防止層５０を設けた場合の反射率は、ほぼ０％とすることができる。
このとき、上記式（Ａ１）によって、ＳＮ比が１となる入射光のパワー（Ｗ）を計算すると、反射率が仮に４０％の場合は１００ｎＷ程度であり、反射率が仮に０％の場合は２０ｎＷとなる。また、反射率４０％と反射率０％では、吸収層４０に入光する光の強さは、（１．０－０．４）：（１．０－０）＝３：５となる。ここで、ＳＮ比には、入射光のパワーが（Ｐｏｐｔ）２乗で効果があるため、反射防止層５０によって反射率を４０％から０％にした場合には、受光感度は５２／３２倍、すなわち約２．８倍程度向上することができる。
このとき、上記式（Ａ１）によって、ＳＮ比が１となる入射光のパワー（Ｗ）を計算すると、反射率が仮に４０％の場合は１００ｎＷ程度であり、反射率が仮に０％の場合は２０ｎＷとなる。また、反射率４０％と反射率０％では、吸収層４０に入光する光の強さは、（１．０－０．４）：（１．０－０）＝３：５となる。ここで、ＳＮ比には、入射光のパワーが（Ｐｏｐｔ）２乗で効果があるため、反射防止層５０によって反射率を４０％から０％にした場合には、受光感度は５２／３２倍、すなわち約２．８倍程度向上することができる。
光反射層６０は、基板２０の下面（吸収層４０が設けられた側とは反対側）に設けられており、吸収層４０を通過した光があった場合に、基板２０を通過した光の少なくとも一部を反射させて再度吸収層４０を通過できるようにしている。これにより、吸収層４０における吸収率を向上させることができる。
光反射層６０としては、受光対象となる近赤外光の少なくとも一部を反射することができれば特に限られず、無機、有機いずれの材料を用いて形成しても良く、形成方法も特に限定されない。
具体的には、例えば、無機材料としてはＩＴＯ（酸化インジウムスズ）やＡＴＯ（アンチモンドープ酸化スズ）等を、また、有機材料としてはポリカーボネート樹脂等を用いることができる。
光反射層６０としては、受光対象となる近赤外光の少なくとも一部を反射することができれば特に限られず、無機、有機いずれの材料を用いて形成しても良く、形成方法も特に限定されない。
具体的には、例えば、無機材料としてはＩＴＯ（酸化インジウムスズ）やＡＴＯ（アンチモンドープ酸化スズ）等を、また、有機材料としてはポリカーボネート樹脂等を用いることができる。
以上で説明した本発明の実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。すなわち、本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
本発明の受光素子は、自由空間からの光を効率的に受光することができ、生産性が高く、かつ製造コストが低いため、レーザーレーダー(ライダー)等の計測機器に用いられる受光素子として好適に利用することができる。
１０ 受光素子
２０ 基板
３０ 増幅層
３１ ｎ－Ｓｉ層
３２ ｉ－Ｓｉ層
３３ ｐ－Ｓｉ層
４０ 吸収層
４１ ｉ－Ｇｅ層
４２ ｐ－Ｇｅ層
４３ ｐ＋－Ｇｅ層
４４ 第２のｐ－Ｇｅ層
５０ 反射防止層
５１ 凹凸構造
６０ 光反射層
１００ 近赤外光検出器
２０ 基板
３０ 増幅層
３１ ｎ－Ｓｉ層
３２ ｉ－Ｓｉ層
３３ ｐ－Ｓｉ層
４０ 吸収層
４１ ｉ－Ｇｅ層
４２ ｐ－Ｇｅ層
４３ ｐ＋－Ｇｅ層
４４ 第２のｐ－Ｇｅ層
５０ 反射防止層
５１ 凹凸構造
６０ 光反射層
１００ 近赤外光検出器
Claims (11)
- 基板上に、シリコン（Ｓｉ）を含有する増幅層、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含有する吸収層及び反射防止層がこの順に積層されており、
前記増幅層が、ｎ型にドープされたｎ－Ｓｉ層と、ｐ型にドープされたｐ－Ｓｉ層とを前記基板上に少なくともこの順に有しており、
前記吸収層が、真性領域であるｉ－Ｇｅ層と、ｐ型にドープされたｐ－Ｇｅ層とを前記増幅層上に少なくともこの順に有する受光素子。 - 前記吸収層が、前記ｉ－Ｇｅ層と前記増幅層との間に、第２のｐ－Ｇｅ層を有する請求項１に記載の受光素子。
- 前記吸収層が、前記ｐ－Ｇｅ層よりも高濃度でｐ型にドープされたｐ＋－Ｇｅ層を有し、前記ｐ－Ｇｅ層上に前記ｐ＋－Ｇｅ層が積層されている請求項１又は請求項２に記載の受光素子。
- 前記増幅層が、ｎ－Ｓｉ層とｐ－Ｓｉ層との間に、真性領域であるｉ－Ｓｉ層を有する請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の受光素子。
- 前記反射防止層を形成する材料の屈折率が、１．２～３．５の範囲内である請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の受光素子。
- 前記反射防止層の表面には、微細な凹凸構造が形成されている請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の受光素子。
- 前記微細な凹凸構造は、モスアイ構造である請求項６に記載の受光素子。
- 前記反射防止層が、複数の反射防止層が積層された多層構造を有する請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の受光素子。
- 前記基板の前記吸収層が設けられた側とは反対側に、前記吸収層で受光対象となる光の少なくとも一部を反射する光反射層が形成されている請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の受光素子。
- 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の受光素子を備えた近赤外光検出器。
- 前記受光素子が１次元又は２次元アレイ状に配列されている請求項１０に記載の近赤外光検出器。
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