JPH0480974A - 半導体受光素子 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体の光電効果を利用して光検出を行う半
導体受光素子に関するものである。

〔従来の技術〕

従来は、半導体受光素子によって受光できる可視光から
近赤外光の波長は、その半導体活性層のエネルギーバン
ドギャップに対応する波長よりも短いものに限られてい
た。たとえば、光電変換部分にＧａ　Ａｓを用いた半導
体受光素子は、室温では約０．９μｍより短い波長の光
に対して有効であり、波長的１．１μｍまでの光にはＳ
１１またそれ以上の波長の光に対してはＧｅやＧａ１ｎ
Ａｓ　　（Ｐ）を用いた半導体受光素子がそれぞれ使い
分けられていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、現在、ＧｅやＧａ　Ｉｎ　Ａｓ　　（Ｐ）を用
いて作製された、波長１〜２μｍ程度の赤外光用の一般
的な半導体受光素子は、雑音の原因となる暗電流や熱雑
音か大きい、製造コストか高い、電子回路との集積化か
困難という問題点をもっている。

また、一般に長波長受光素子は冷却を必要とするものか
多い。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はこのような課題を解決するためになされたもの
であり、第１図のエネルギバンド図に示すように、半導
体受光素子において活性層（］）に深いバンド間準位（
４）を多くもつ半絶縁性半導体を用いて、この半導体の
エネルギー・ｑンドギャップに対応する波長よりも長い
（エネルギーの低い）波長の光（６１−１，６１−２）
をノ１ント間準位（４）から伝導帯（２）への電子（６
３−１）の励起（６２−１）、もしくは価電子帯（３）
への正孔（６３−２）の励起（６３−２）によって、室
温において検出しようとするものである。なお図中に共
に示した、価電子帯（３）からの伝導帯（２）へのエネ
ルギーバンドギャップに対応する波長よりも短い（エネ
ルギーの高い）波長の光（７１）による電子（７Ｂ−１
）および正孔（７３−２）の励起（７２）は、従来から
一般に行われているものである。

〔作用〕

これによって、たとえば従来不可能であったＧａ　Ａｓ
による波長的０，９μｍ以上の光の受光動作が可能にな
り、実質的に波長感度領域が広くなる。またＧａ　Ａｓ
を用いて作製された受光素子は、一般的に暗電流や熱雑
音が小さく、製造コストが低く、また電子回路との集積
化が容易であるため、ＧｅやＧａ　Ｉｎ　Ａｓ　　（Ｐ
）で作製された波長１〜２μｍ程度の赤外光用の従来型
の半導体受光素子に比較して、感度の点ては劣るものの
、それに代わるメリットも大きい。

〔実施例〕

次に本発明の実施例として、半導体基板に半絶縁性Ｇａ
　Ａｓ基板を用いて作製した場合を例に挙げて説明する
。ここで半絶縁性Ｇａ　Ａｓ基板は活性層を兼ねている
。一般に半絶縁性Ｇａ　Ａｓには、室温での熱平衡状態
において伝導帯に存在する電子を補償して数を減らすた
めに、ＣｒやＯ（酸素）などＧａ　Ａｓ内において深い
バンド間準位を形成する不純物元素を多量にドーピング
してある。

Ｇａ　Ａｓ中にドーピングされたこれらの元素は、室温
において伝導帯から約０．７ｅＶ下のバンドギャップ間
に準位を形成し、本来伝導帯にあるべき電子をトラップ
している。第２図には、このような半導体基板（２１）
を活性層として用い、電極として左右対称に１対の金属
薄膜（Ａ、Ｑ、Ａｕ。

Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ等）（２２−１，２２−２）をこの半
導体の同一面内に接触させてショットキ接合を形成した
形の、いわゆる金属−半導体一金属椹造の受光素子を示
してある。なお、符号２３は絶縁膜である。この受光素
子は超高速応答であることが特徴である。この受光素子
は２個の電極（２２−１，２２−２）間に外部バイアス
を印加して用いるもので、通常のＧａ　Ａｓを用いた受
光素子のもつ、バンド間遷移を利用した波長的０．９μ
ｍ以下の光のほかに、バンド間中央付近にトラップされ
ている電子を伝導帯に励起するような波長０．９μｍ以
上の光に対しても感度を有している。

この感度は通常のバンド間遷移を利用した波長領域の感
度に比べて低くなるのが普通であるが、Ｇａ　Ａｓ基板
中にドーピングする不純物元素の量を多くすることによ
ってこの感度を高めることができる。このためにはこの
元素の量を１立方センチメートルあたり１０１６個以上
ドーピングすることか望ましい。

ここで、深い準位とは半導体エネルギーバンドギャップ
の中央付近に位置するものを指すこととする。この深い
準位の存在によって、半導体は補償効果を受は絶縁性が
高くなる。これは、後述のように空乏層を厚くして光感
度を高くするために必要である。このように、本発明は
深い準位をもつ半絶縁性半導体において有効となるため
、主たる適用半導体はＧａＡｓ、ＩｎＰ等であり、これ
らは室温においても実用可能な特徴を有する。

なお、ＳｉにＡｕをドーピングしたものを用いて作製し
た、半導体の比較的浅いバンド間準位からの励起を利用
した遠赤外光用の受光素子か従来から使われているか、
この素子は極低温に冷却して使用するものであり、この
点において本実施例とは異なるものである。

また、受光素子の構造としては第２図に例として示した
もののほかに、ｐｉｎ型、ショットキ型、あるいは半導
体の同一面内に１対のオーミック電極を設けたいわゆる
光導電型の受光素子であってもよい。

第３図は素子構造かｐｌｎ型のフォトダイオードの場合
、第４図はショットキ型のフォトダイオードの場合、第
５図は光導電型受光素子の場合の実施具体例をそれぞれ
示したもである。ここで、各半導体活性層（３１−］）
、（４１−１）、（５１−１）には、半絶縁性半導体基
板を用い、その半導体内において深いバンド間準位を形
成するためにふされしい不純物元素を、多量にドーピン
グしてある。なお、これらの図において、符号（３１−
２）、（４１−２）、（５１−２）はｎ＋型の半導体層
、（３１−３）はｐ＋型の半導体層、（３２−１）　　
、　（３２−２）　　、　（４２−２）　　、　（４２
−３）は電極、（３３）、（５３）は保護膜および反射
轄子膜として機能する絶縁膜、（４３）は保護膜として
機能する絶縁膜、（５２−１）、（５２−２）はオーミ
ック接触電極である。

いずれの場合にも、活性層として深いバンド間準位をも
つ半絶縁性半導体を用いることによって、分光感度を通
常の波長領域よりもさらに長波長側に延ばすことができ
る。この場合、この波長領域では半導体の単位厚み当り
の光の吸収係数は、感度が低い分だけ小さくなるので、
高い感度を得ようとする場合、光吸収長、すなわち活性
層の厚みは１０μｍ以上であることが望ましい。

以上の説明によって、半導体受光素子の通常の波長感度
領域に加えて、それよりも長波長側にさらに感度をもた
せることができる。特に実施例に示したように、Ｇａ　
Ａｓ基板を用いて波長的０．９μｍ以上の光に対して感
度をもたせることかできるので、波長１〜２μｍ程度の
赤外光用に従来用いられてきたＧｅやＧａ　Ｉｎ　Ａｓ
　　（Ｐ）を用いた受光素子に比べて、暗電流や熱雑音
が少なく、製造コストが低く、また電子回路との集積化
が容易になる。これは光ファイノ・通信用の受光素子な
いし光電子集積回路として最適であり、特に０．８μｍ
帯と１．３　（１，５５）ｕｍ帯の両方の波長帯域を用
いる場合に非常に便利である。また、Ｇａ　Ａｓのキャ
リヤの速度がＳｉよりも早いことを利用して作製される
受光素子、すなわち上記実施例に示したようなＧａ　Ａ
ｓ基板を用いた超高速応答の受光素子は、波長１．０６
μｍのＮｄ　：ＹＡＧレーザパルスの波形測定用として
Ｓｉに代わる性能を有せしめることかできる。

〔発明の効果〕

本発明により、光フアイバ通信に用いられている波長１
．３μｍや１，５５μｍの光信号を受光するための素子
として、従来のＧｅやＧａＩｎＡｓ　　（Ｐ）を用いた
受光素子に代わって、雑音が少なく、製造コストが低く
、電子回路との集積化が容易なＧａ　Ａｓを用いて受光
素子を作製することかできる。また波長１，０６μｍの
Ｎｄ：ＹＡＧレーサバルスの波形測定用としてＧａ　Ａ
ｓを用いた超高速応答の受光素子を作製することかでき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体受光素子の動作の仕組みを
示したエネルギーバンド図、第２図は本発明による半導
体受光素子の実施例として、波長約０，９μｍ以上の光
感度を有する、Ｇａ　Ａｓを用いた金属−半導体−金属
構造の受光素子を示す斜視図、第３図は本発明による半
導体受光素子の実施例として、エネルギーバンドギャッ
プに対応する波長よりも長い波長に感度を有する、ｐｉ
ｎ型のフォトダイオードを示す断面図、第４図は本発明
による半導体受光素子の実施例として、エネルギーバン
ドギャップに対応する波長よりも長い波長に感度を有す
る、ショットキ型のフォトタイオードを示す断面図、第
５図は本発明による半導体受光素子の実施例として、エ
ネルギーバンドギャップに対応する波長よりも長い波長
に感度を有する、光導電型受光素子を示す断面図である
。 １・多くの深いバンド間準位をもった半絶縁性半導体の
活性層、２・・伝導帯、３・・・価電子帯、４・不純物
元素のドーピングや欠陥による、もしくはＥＬ２等の深
いバント間準位、２］・・Ｃｒや０（酸素）なとＧａ　
Ａｓ内において深いバンド間準位を形成する不純物元素
が多量にドーピングされた半絶縁性Ｇａ　Ａｓ基板、２
２−１．　２２　２はショットキ接合電極、２３・・絶
縁膜、３１−１・・半絶縁性半導体、３１−２・・ｎ＋
型の半導体層、３１−３・・ｐ＋型の半導体層、３２−
１．　３２　２・・・電極、３３・・・絶縁膜（保護膜
、反射帽子膜）、４１−１・・半絶縁性半導体、４１−
２・・・ｎ＋型の半導体層、４２−１・・・ショットキ
電極接合、４２−２４２−３・・電極、４３は絶縁膜（
保護膜）、５１−１・・半絶縁性半導体、５１−２・・
・ｎ＋型の半導体層、５２−１．５２−２・・オーミッ
ク接触電極、５３・・絶縁膜（保護膜、反射帽子膜）、
６１−１゜６１−２・・エネルギーバンドギャップに対
応する波長よりも長い波長の入射光、６２−１・・・電
子の光励起、６２−２・・・正孔の光励起、６３−１・
・・励起によって生じた電子、６３−２・・・励起によ
って生じた正孔、７１・・エネルギーバンドギャップに
応答する波長よりも短い波長の入射光、７２・・・光励
起、７３−１７３−２・・・励起によって生じた電子お
よび正孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半絶縁性半導体が受光活性層であって、該半導体の
   内部欠陥あるいは不純物に起因する深いバンド間準位か
   ら、伝導帯への電子の励起、もしくは価電子帯への正孔
   の励起によって光電変換を行うようになされた、該半導
   体のエネルギーバンドギャップに対応する波長よりも長
   い波長に応答する半導体受光素子。 ２、請求項１において、１０μｍ以上の厚さの半絶縁性
   半導体を受光活性層に用いたｐｉｎ構造の半導体受光素
   子。 ３、請求項１において、１０μｍ以上の厚さの半絶縁性
   半導体と金属薄膜がショットキ接合をなしているショッ
   トキ型半導体受光素子。 ４、請求項１において、半絶縁性半導体の同一平面内に
   、左右対称に１対のショットキ接合をもった、金属−半
   導体−金属構造の半導体受光素子。 ５、請求項１において、半絶縁性半導体の同一平面内に
   、左右対称に１対のオーミック接触をもった、光導電型
   の半導体受光素子。 ６、請求項１において、半導体内部においてエネルギー
   バンドギャップ内の中央付近に深いバンド間準位を形成
   する元素を、半導体活性層に不純物として、密度が１立
   方センチメートルあたり１０＾１＾６個以上ドーピング
   してある半導体受光素子。 ７、請求項６において、半導体活性層が半絶縁性ＧａＡ
   ｓであり、これにＣｒをドーピングすることによって深
   いバンド間準位が形成されている半導体受光素子。 ８、請求項６において、半導体活性層が半絶縁性ＧａＡ
   ｓであり、これにＯ（酸素）をドーピングすることによ
   って深いバンド間準位が形成されている半導体受光素子
   。 ９、請求項６において、半導体活性層が半絶縁性ＩｎＰ
   であり、これにＦｅをドーピングすることによって深い
   バンド間準位が形成されている半導体受光素子。