JPH04261072A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH04261072A JPH04261072A JP3020600A JP2060091A JPH04261072A JP H04261072 A JPH04261072 A JP H04261072A JP 3020600 A JP3020600 A JP 3020600A JP 2060091 A JP2060091 A JP 2060091A JP H04261072 A JPH04261072 A JP H04261072A
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Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は半導体受光素子に関す
るものである。
るものである。
【０００２】
【従来の技術】図５はｐｎ接合を有する従来の半導体受
光素子を示す断面図である。図５において１はｎ−電極
、２は半導体基板でここではｎ型半導体基板、３はｐｎ
接合面、４はｐ型半導体領域、５はＳｉ３Ｎ４などの表
面保護膜、６はｐ−電極、７は受光部である。 図６
は半導体受光素子を使用するときの回路図である。図６
においてＩＬは光電流、ＲＬは負荷抵抗、Ｖｂｂはバイ
アス電源、ｈνは光量子である。
光素子を示す断面図である。図５において１はｎ−電極
、２は半導体基板でここではｎ型半導体基板、３はｐｎ
接合面、４はｐ型半導体領域、５はＳｉ３Ｎ４などの表
面保護膜、６はｐ−電極、７は受光部である。 図６
は半導体受光素子を使用するときの回路図である。図６
においてＩＬは光電流、ＲＬは負荷抵抗、Ｖｂｂはバイ
アス電源、ｈνは光量子である。
【０００３】次に動作について説明する。図６の回路図
に示されるようにｈνの光量子をもつ光が受光部７に入
射されると外部回路に光電流ＩＬが流れる。このときバ
イアス電圧Ｖｂがない状態が太陽電池であり、バイアス
電圧Ｖｂがブレークダウン電圧ＶＢ未満の逆方向電圧が
印加される状態（０＞Ｖｂ＞ＶＢ）がフォトダイオード
の場合であり、そしてバイアス電圧Ｖｂとしてブレーク
ダウン電圧ＶＢ近傍の逆方向電圧が印加される状態がア
バランシェフォトダイオードの場合である。ここではフ
ォトダイオードの場合について説明する。図５において
受光部７からｐ型半導体領域４に入射した光がｐｎ接合
面３近傍に入って来ると、光が吸収されたｐ型半導体領
域４およびｎ型半導体基板２では電子ー正孔対が発生す
る。 この電子正孔対は空乏層８中において、ｎ−電極１とｐ
−電極６との間のバイアス電圧Ｖｂによる電界により分
離し、ｎ−電極１とｐ−電極６との間に起電力を発生し
、光電流が得られる。
に示されるようにｈνの光量子をもつ光が受光部７に入
射されると外部回路に光電流ＩＬが流れる。このときバ
イアス電圧Ｖｂがない状態が太陽電池であり、バイアス
電圧Ｖｂがブレークダウン電圧ＶＢ未満の逆方向電圧が
印加される状態（０＞Ｖｂ＞ＶＢ）がフォトダイオード
の場合であり、そしてバイアス電圧Ｖｂとしてブレーク
ダウン電圧ＶＢ近傍の逆方向電圧が印加される状態がア
バランシェフォトダイオードの場合である。ここではフ
ォトダイオードの場合について説明する。図５において
受光部７からｐ型半導体領域４に入射した光がｐｎ接合
面３近傍に入って来ると、光が吸収されたｐ型半導体領
域４およびｎ型半導体基板２では電子ー正孔対が発生す
る。 この電子正孔対は空乏層８中において、ｎ−電極１とｐ
−電極６との間のバイアス電圧Ｖｂによる電界により分
離し、ｎ−電極１とｐ−電極６との間に起電力を発生し
、光電流が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記のように構成され
た半導体受光素子がたとえばフォトダイオードとして光
情報伝達に使用される場合、半導体受光素子は光ファイ
バと結合されて受光することになる。フォトダイオード
は通常気密封止パッケージに入っているので、光ファイ
バの終端からフォトダイオードの受光面まで間隔があり
、光ファイバの終端からフォトダイオードの受光面に直
接光をいれると光が拡がり受光面において光が弱まる。 これを防ぐため光ファイバの終端とフォトダイオードの
受光面との間にレンズを配置し、受光面に収光して結合
部における光の減衰を防いでいる。しかしこのようにレ
ンズで収光した場合や、レンズ収光しない場合でも光束
そのものに、中心部の光強度が高くなるような光強度分
布がある場合には、光束の中心部の光強度が高く成りす
ぎることがあった。このように光強度が高く成りすぎる
と空間電荷効果により光電流の飽和現象が生じ、光強度
と光電流との線型性が劣化すると共にフォトダイオード
の応答速度が低下するという問題点があった。
た半導体受光素子がたとえばフォトダイオードとして光
情報伝達に使用される場合、半導体受光素子は光ファイ
バと結合されて受光することになる。フォトダイオード
は通常気密封止パッケージに入っているので、光ファイ
バの終端からフォトダイオードの受光面まで間隔があり
、光ファイバの終端からフォトダイオードの受光面に直
接光をいれると光が拡がり受光面において光が弱まる。 これを防ぐため光ファイバの終端とフォトダイオードの
受光面との間にレンズを配置し、受光面に収光して結合
部における光の減衰を防いでいる。しかしこのようにレ
ンズで収光した場合や、レンズ収光しない場合でも光束
そのものに、中心部の光強度が高くなるような光強度分
布がある場合には、光束の中心部の光強度が高く成りす
ぎることがあった。このように光強度が高く成りすぎる
と空間電荷効果により光電流の飽和現象が生じ、光強度
と光電流との線型性が劣化すると共にフォトダイオード
の応答速度が低下するという問題点があった。
【０００５】この発明はこのような問題点を解消するた
めになされたもので、半導体受光素子の受光面で受けた
光束の中心部のスポット径を回折格子により素子内で広
くして、光が吸収される領域に照射して光束の中心部の
光強度を低下させようとするものであり、ひいては光強
度と光電流との線型性の劣化が少なく、また応答速度の
低下しない半導体受光素子を提供するものである。
めになされたもので、半導体受光素子の受光面で受けた
光束の中心部のスポット径を回折格子により素子内で広
くして、光が吸収される領域に照射して光束の中心部の
光強度を低下させようとするものであり、ひいては光強
度と光電流との線型性の劣化が少なく、また応答速度の
低下しない半導体受光素子を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明に係わる半導体
受光素子は第１導電型の半導体基板に第２導電型半導体
領域を選択的に配置し、この第２導電型半導体領域に積
層して回折格子を配置したものである。また第１導電型
の光吸収層に第１導電型半導体の光透過層を積層し、光
吸収層に貫入する第２導電型半導体領域を選択的に光透
過層に配置し、この第２導電型半導体領域に積層して回
折格子を配置したものである。
受光素子は第１導電型の半導体基板に第２導電型半導体
領域を選択的に配置し、この第２導電型半導体領域に積
層して回折格子を配置したものである。また第１導電型
の光吸収層に第１導電型半導体の光透過層を積層し、光
吸収層に貫入する第２導電型半導体領域を選択的に光透
過層に配置し、この第２導電型半導体領域に積層して回
折格子を配置したものである。
【０００７】
【作用】この発明においては、半導体受光素子への入射
光、特に光束の中心部が回折格子により回折されスポッ
ト径を拡大して、光が吸収される領域に照射される。ま
た入射光、特に光束の中心部が回折格子により回折され
、光透過層の第２導電型半導体領域を通過する際にスポ
ット径を拡大し、光強度が低下して光吸収層に照射され
る。
光、特に光束の中心部が回折格子により回折されスポッ
ト径を拡大して、光が吸収される領域に照射される。ま
た入射光、特に光束の中心部が回折格子により回折され
、光透過層の第２導電型半導体領域を通過する際にスポ
ット径を拡大し、光強度が低下して光吸収層に照射され
る。
【０００８】
【実施例】実施例１．図１はこの発明による半導体受光
素子の断面図である。図１において、１〜８は従来例と
同様であるので説明を省略する。３０は回折格子で、こ
こでは平面回折格子である。なお回折格子３０の平面形
状は平行線状であっても同真円状であっても、種々な形
状の格子状でもよい。この回折格子３０は、たとえば金
属蒸着などにより形成される。
素子の断面図である。図１において、１〜８は従来例と
同様であるので説明を省略する。３０は回折格子で、こ
こでは平面回折格子である。なお回折格子３０の平面形
状は平行線状であっても同真円状であっても、種々な形
状の格子状でもよい。この回折格子３０は、たとえば金
属蒸着などにより形成される。
【０００９】図２はこの発明による半導体受光素子の回
折格子３０を拡大した断面図である。図２においてＬは
入射光、Ｌ０は入射光の光強度が高い中心光束、Ｗ０は
入射光の中心光束のスポット径、Ｄは光吸収領域までの
距離、Ｗは中心光束Ｌ０が回折格子３０により拡大され
光吸収領域に照射されるスポット径、ａはスリット幅、
ｂは光遮蔽部の幅、Ｉ０は入射光Ｌの回折される前の光
強度分布、Ｉは光吸収層に照射された光強度分布である
。
折格子３０を拡大した断面図である。図２においてＬは
入射光、Ｌ０は入射光の光強度が高い中心光束、Ｗ０は
入射光の中心光束のスポット径、Ｄは光吸収領域までの
距離、Ｗは中心光束Ｌ０が回折格子３０により拡大され
光吸収領域に照射されるスポット径、ａはスリット幅、
ｂは光遮蔽部の幅、Ｉ０は入射光Ｌの回折される前の光
強度分布、Ｉは光吸収層に照射された光強度分布である
。
【００１０】図１、図２において、受光部７に入射した
光Ｌが回折格子３０を通過するとき、入射光は回折され
る。すなわち、回折格子３０を円孔と考えたとき、円孔
の直径ａ、入射光の波長λ、回折格子３０から照射面ま
での距離Ｄとすると、Ｄ＞＞ａ２／λの場合はフラウン
ホーファ回折が、またＤ＜ａ２／λの範囲ではフレネル
回折が生じる。Ｉ０の光強度分布を持った入射光Ｌのう
ち、特に図２の様に中心光束Ｌ０が一つのスリットを通
過するようなときには、中心光束Ｌ０の光束は拡大され
、光吸収層に照射された光のスポット径はＷ０からＷに
拡大され、光強度分布はＩのようにピーク値が下がると
共になだらかな分布となる。その場合回折格子３０のう
ち中心光束Ｌ０が通過する部分は単一開口と同様に考え
られ、いまフラウンホーファ回折とした場合、方形開口
ではＷ＝２Ｄλ／ａとなり、円形開口ではＷ＝２．４４
Ｄλ／ａとなるので、スポット径の拡大率はそれぞれＷ
／Ｗ０＝２Ｄλ／ａ２およびＷ／Ｗ０＝２．４４Ｄλ／
ａ２となる。このように光強度分布のピーク値が下がる
と共になだらかな分布となると空間電荷効果が起き難く
なる。
光Ｌが回折格子３０を通過するとき、入射光は回折され
る。すなわち、回折格子３０を円孔と考えたとき、円孔
の直径ａ、入射光の波長λ、回折格子３０から照射面ま
での距離Ｄとすると、Ｄ＞＞ａ２／λの場合はフラウン
ホーファ回折が、またＤ＜ａ２／λの範囲ではフレネル
回折が生じる。Ｉ０の光強度分布を持った入射光Ｌのう
ち、特に図２の様に中心光束Ｌ０が一つのスリットを通
過するようなときには、中心光束Ｌ０の光束は拡大され
、光吸収層に照射された光のスポット径はＷ０からＷに
拡大され、光強度分布はＩのようにピーク値が下がると
共になだらかな分布となる。その場合回折格子３０のう
ち中心光束Ｌ０が通過する部分は単一開口と同様に考え
られ、いまフラウンホーファ回折とした場合、方形開口
ではＷ＝２Ｄλ／ａとなり、円形開口ではＷ＝２．４４
Ｄλ／ａとなるので、スポット径の拡大率はそれぞれＷ
／Ｗ０＝２Ｄλ／ａ２およびＷ／Ｗ０＝２．４４Ｄλ／
ａ２となる。このように光強度分布のピーク値が下がる
と共になだらかな分布となると空間電荷効果が起き難く
なる。
【００１１】実施例２．図３はこの発明による半導体受
光素子で、光情報伝達分野における半導体受光素子の一
例であり、ｐ＋拡散領域／ｎ−−ＩｎＧａＡｓ／ｎ−Ｉ
ｎＰ構造によるＰＩＮ型フォトダイオードの断面図であ
る。図３において、１〜８は従来例と同様であるので説
明は省略する。ただｐ型半導体領域４はここではｐ＋拡
散領域であり、後で説明する光透過層２４と光吸収層２
３とにまたがって配置されている。またｐｎ接合面３は
、ｐ＋拡散領域４と光吸収層２３および光透過層２４を
なす第１導電型半導体とのｐｎ接合の接合面である。２
１はｎ＋−ＩｎＰ半導体基板、２２はｎ−ＩｎＰバッフ
ァー層とから成り立っている。２３はｎ−−ＩｎＧａＡ
ｓの光吸収層である。２４はｎ−−ＩｎＧａＡｓＰの光
透過層である。この光透過層２４の材料はｎ−−ＩｎＰ
でもよい。２５はｐｎ接合による空乏層、２５は反射防
止膜、２６は電極コンタクトである。なおこのＰＩＮ型
フォトダイオードの場合、ｎ＋−ＩｎＰ半導体基板２１
、ｎ−ＩｎＰバッファー層２２、光吸収層２３および光
透過層２４が図５の場合のｎ型半導体基板２に相当する
。この場合の受光部７の幅は３０μｍ程度である。受光
部７に入射した光Ｌの中心光束Ｌ０が回折格子２０を通
過すると、光透過層２４を通過して光吸収層２３に照射
されるのでスポット径の拡大はより効果的に行われる。 この場合Ｄは光透過層２４の厚みである。
光素子で、光情報伝達分野における半導体受光素子の一
例であり、ｐ＋拡散領域／ｎ−−ＩｎＧａＡｓ／ｎ−Ｉ
ｎＰ構造によるＰＩＮ型フォトダイオードの断面図であ
る。図３において、１〜８は従来例と同様であるので説
明は省略する。ただｐ型半導体領域４はここではｐ＋拡
散領域であり、後で説明する光透過層２４と光吸収層２
３とにまたがって配置されている。またｐｎ接合面３は
、ｐ＋拡散領域４と光吸収層２３および光透過層２４を
なす第１導電型半導体とのｐｎ接合の接合面である。２
１はｎ＋−ＩｎＰ半導体基板、２２はｎ−ＩｎＰバッフ
ァー層とから成り立っている。２３はｎ−−ＩｎＧａＡ
ｓの光吸収層である。２４はｎ−−ＩｎＧａＡｓＰの光
透過層である。この光透過層２４の材料はｎ−−ＩｎＰ
でもよい。２５はｐｎ接合による空乏層、２５は反射防
止膜、２６は電極コンタクトである。なおこのＰＩＮ型
フォトダイオードの場合、ｎ＋−ＩｎＰ半導体基板２１
、ｎ−ＩｎＰバッファー層２２、光吸収層２３および光
透過層２４が図５の場合のｎ型半導体基板２に相当する
。この場合の受光部７の幅は３０μｍ程度である。受光
部７に入射した光Ｌの中心光束Ｌ０が回折格子２０を通
過すると、光透過層２４を通過して光吸収層２３に照射
されるのでスポット径の拡大はより効果的に行われる。 この場合Ｄは光透過層２４の厚みである。
【００１２】実施例３．実施例１及び実施例２では平面
の回折格子を用いた場合について説明したが、回折格子
としてホログラムを用いてもよい。図４はこの発明によ
る半導体受光素子で、ホログラムを用いた場合の断面図
である。３１はホログラムである。ホログラムの一例と
してホログラフィックグレーティングがあり、このグレ
ーティングはレーザーからの二つの点光源による干渉縞
をホトレジストなどのレリーフ型感光材料に記録し、現
像処理により干渉縞の分布に対応した凹凸を作りその面
を蒸着することにより実現される。このようなホログラ
ム３１を使用することにより回折格子の性能が向上し、
効率よく光強度を低下することが出来る。
の回折格子を用いた場合について説明したが、回折格子
としてホログラムを用いてもよい。図４はこの発明によ
る半導体受光素子で、ホログラムを用いた場合の断面図
である。３１はホログラムである。ホログラムの一例と
してホログラフィックグレーティングがあり、このグレ
ーティングはレーザーからの二つの点光源による干渉縞
をホトレジストなどのレリーフ型感光材料に記録し、現
像処理により干渉縞の分布に対応した凹凸を作りその面
を蒸着することにより実現される。このようなホログラ
ム３１を使用することにより回折格子の性能が向上し、
効率よく光強度を低下することが出来る。
【００１３】ところで上記説明ではおもにフォトダイオ
ードについてのべたが、太陽電池やアバランシェフォト
ダイオードのみならず、他の受光素子の、光強度と光電
流との線型性の改善に利用できることは云うまでもない
。
ードについてのべたが、太陽電池やアバランシェフォト
ダイオードのみならず、他の受光素子の、光強度と光電
流との線型性の改善に利用できることは云うまでもない
。
【００１４】
【発明の効果】以上のようにこの発明によれば上記のよ
うに構成したので、光束の中心部の光強度を低下し光電
流の飽和を防いで、光強度と光電流との線型性の劣化及
び応答速度の低下を防ぐことができる。
うに構成したので、光束の中心部の光強度を低下し光電
流の飽和を防いで、光強度と光電流との線型性の劣化及
び応答速度の低下を防ぐことができる。
【図１】この発明による半導体受光素子の断面図である
。
。
【図２】この発明による半導体受光素子の回折格子の断
面図である。
面図である。
【図３】この発明によるＰＩＮ型フォトダイオードの断
面図である。
面図である。
【図４】この発明による半導体受光素子の断面図である
。
。
【図５】従来の半導体受光素子を示す断面図である。
【図６】半導体受光素子を使用するときの回路図である
。
。
２ 半導体基板
４ 第２導電型半導体領域
２３ 光吸収層
２４ 光透過層
３０ 回折格子
Claims (2)
- 【請求項１】 第１導電型の半導体基板と、この半導
体基板の主面に選択的に配置された第２導電型半導体領
域と、この第２導電型半導体領域に積層して配置された
回折格子とを備えた半導体受光素子。 - 【請求項２】 第１導電型の半導体基板と、この半導
体基板の主面に積層された第１導電型半導体の光吸収層
と、この光吸収層に積層された第１導電型半導体の光透
過層と、この光透過層に選択的に配置されると共に上記
光吸収層に貫入するように配置された第２導電型半導体
領域と、この第２導電型半導体領域に積層して配置され
た回折格子とを備えた半導体受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3020600A JPH04261072A (ja) | 1991-02-14 | 1991-02-14 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3020600A JPH04261072A (ja) | 1991-02-14 | 1991-02-14 | 半導体受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04261072A true JPH04261072A (ja) | 1992-09-17 |
Family
ID=12031761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3020600A Pending JPH04261072A (ja) | 1991-02-14 | 1991-02-14 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04261072A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006170729A (ja) * | 2004-12-14 | 2006-06-29 | Hamamatsu Photonics Kk | 発光素子試験装置及び発光素子試験装置用光検出素子 |
| JP2007027206A (ja) * | 2005-07-12 | 2007-02-01 | Hamamatsu Photonics Kk | 発光素子試験装置及び光検出素子 |
| JP2009267251A (ja) * | 2008-04-28 | 2009-11-12 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体受光素子 |
| WO2017038542A1 (ja) * | 2015-09-03 | 2017-03-09 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 固体撮像素子、および電子装置 |
-
1991
- 1991-02-14 JP JP3020600A patent/JPH04261072A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006170729A (ja) * | 2004-12-14 | 2006-06-29 | Hamamatsu Photonics Kk | 発光素子試験装置及び発光素子試験装置用光検出素子 |
| JP2007027206A (ja) * | 2005-07-12 | 2007-02-01 | Hamamatsu Photonics Kk | 発光素子試験装置及び光検出素子 |
| JP2009267251A (ja) * | 2008-04-28 | 2009-11-12 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体受光素子 |
| WO2017038542A1 (ja) * | 2015-09-03 | 2017-03-09 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 固体撮像素子、および電子装置 |
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