JP2009231599A - フォトダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 単独で広波長帯域の光を吸収することができるフォトダイオードを提供し、光電力の測定を煩雑な操作や複雑な装置を必要とせずに簡便化し、さらに精密な測定を可能とする。
【解決手段】 入射光が入射する第一半導体層と、該第一半導体層と接合して設けられ、該第一半導体層よりもエネルギー禁止帯幅が小さい第二半導体層とからなり、前記第一半導体層がｐｎ接合を有し、該第一半導体層の該第二半導体層と接触する部分の導電型と該第二半導体層の導電型が同じであることを特徴とするフォトダイオードである。
【選択図】 図１

Description

本発明は広い波長域の光を吸収し、光電流を発生させることができるフォトダイオードに関する。

半導体ｐｎ接合（以下、単にｐｎ接合と称すこともある）を基本構造とし、光のエネルギーを電気に変換する（光電変換を行う）フォトダイオード（ＰＤ）は様々な分野で使用されており、例えばメサ構造のフォトダイオード（下記特許文献１等参照）やプレーナ構造のフォトダイオード（下記特許文献２等参照）が多く用いられている。
フォトダイオードの用途としては、光の強さの測定、光の有無の検知、光に乗せられている信号（光信号）の電気信号への変換等、種々挙げることができる。さらに、このようなフォトダイオードの動作を利用して、光の持つ性質を知ることもできる。
具体的には、フォトダイオードを光電力計の検出器として用いる用途を挙げることができる。光電力計とは、検出器（フォトダイオード）で入射光を電気信号に変換し、変換した電気信号を処理することで、光の波長毎の光電力を測定・表示するものである。

但し、フォトダイオードは用いる半導体材料によって変換できる光の波長帯、つまり吸収できる波長帯が異なる。
例えば、シリコン（Ｓｉ）は４００〜１１００ｎｍの波長の光を吸収する。そのため、シリコン（Ｓｉ）を用いたフォトダイオード（Ｓｉ−ＰＤ）は、可視光（波長３６０〜１０００ｎｍ程度）を対象とした光電力計に用いることができる。また、ＣＤやＤＶＤなどの読み出し等にも用いることができる。
また、ゲルマニウム（Ｇｅ）やインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）は９００〜１７００ｎｍの波長の光を吸収するため、１３００〜１５５０ｎｍの近赤外線を吸収する必要がある石英製光ファイバを用いた光通信システム等に用いることができる。
加えて、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、水銀化合物半導体、鉛化合物半導体等は、ゲルマニウム（Ｇｅ）やインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）よりもさらに長い波長の光を吸収する。
このように、フォトダイオードは用いる半導体材料によって吸収することができる光の波長が異なる。その理由を以下説明する。

図１０は従来のプレーナ構造のフォトダイオード（５００）を示す図である。
図１０に示す如く、フォトダイオード（５００）の半導体層（５１）は、基板となるｐ^＋層（５１３）上のｐ層（５１２）の表面に所定の面積のｎ^＋層（５１１）を設けることにより形成されたｐｎ接合（Ｊ１）を有する。また、ｎ^＋層（５１１）表面には反射損失を小さくするための反射防止膜（図示せず）が設けられている。そして、電極（５２）に電圧を印加することにより、フォトダイオード（５００）のｐｎ接合（Ｊ１）に逆方向バイアス電圧（以下、単にバイアス電圧と称すこともある）を印加し、空乏層を形成した状態で入射光を入射させる。
入射光はｎ^＋層（５１１）側（図１０上側）の入射面（Ｆ１）から入射し、入射面（Ｆ１）にある反射防止膜を通り、半導体層（５１）中に入射される。そして、半導体層（５１）中に吸収されて電子・正孔対を生成し、光電流（光を入射したときに流れる電流）に寄与する。
具体的には、空乏層内で発生した電子・正孔対及び空乏層の端部から略拡散長以内の距離で発生し空乏層に到達した電子・正孔対が光電流となる。

ここで、半導体層（５１）は、用いる半導体材料により固有のエネルギー禁止帯幅を有し、エネルギー禁止帯幅よりも小さな光子エネルギーの光、即ちエネルギー禁止帯幅に相当する波長より長い波長の光を吸収しない。つまり、夫々の半導体材料における固有のエネルギー禁止帯幅により、吸収できる波長の長波長側での限界が決定される。

一方、波長が短くなるに伴って光の吸収係数（光が物質を透過する際に減少する割合、即ち光の吸収の割合）は増加し、吸収されやすくなる。そのため、波長が短くなる（吸収係数が増加する）に伴って、電子・正孔対の発生は入射面（Ｆ１）に近い領域に限定されるようになる。
また、入射光はｎ^＋層（５１１）から入射するが、ｎ^＋層（５１１）は不純物濃度が高いため、空乏層が殆ど広がらず、さらに電子・正孔対の拡散長も小さい。そのため、入射光が短波長になるにしたがって、殆どがｎ^＋層（５１１）表面で電子・正孔対を発生させ、空乏層に到達できなくなり光電流として寄与しなくなる。さらに、入射面（Ｆ１）では電子・正孔の再結合（表面再結合）が生じるため、電子・正孔の寿命時間も短くなる。従って、短波長の入射光の光電流への寄与は小さくなり、変換効率は低下する。つまり、フォトダイオードにおいて、一定の波長以下の光に対する光電変換効率は減少してしまう。

図１１は半導体材料としてシリコン（Ｓｉ）を用いたフォトダイオード（Ｓｉ−ＰＤ）と、ゲルマニウム（Ｇｅ）を用いたフォトダイオード（Ｇｅ−ＰＤ）について、入射光の波長に対する分光感度を示す図である。なお、フォトダイオードの構造は共に図１０に示す構造である。また、図１１において、（ｎ）がＳｉ−ＰＤの分光感度、（ｏ）がＧｅ−ＰＤの分光感度を示し、縦軸に光電変換効率として量子効率（％）を示しており、横軸に波長（ｎｍ）を示している。

図１１に示す如く、Ｓｉ−ＰＤ及びＧｅ−ＰＤのいずれも、ある波長より短くなると感度（光電変換効率）が減少する。また長波長側では半導体のエネルギー禁止帯幅に相当する波長以上の波長になると感度が低下する。具体的には、Ｓｉ−ＰＤは波長４００〜１１００ｎｍの光しか（図１１（ｎ）参照）、Ｇｅ−ＰＤは波長９００〜１６００ｎｍの光しか（図１１（ｏ）参照）変換することができない。なお、Ｇｅ−ＰＤは可視光にも感度があるが、Ｓｉ−ＰＤと比べると感度は低くなる。

このような事情により、分光光度計や光スペクトルアナライザ等に光電力計を用いる場合、広い波長域を高感度で測定するためには、例えば、波長４００〜１１００ｎｍの光を吸収するＳｉ−ＰＤと、波長９００〜１７００ｎｍの光を吸収するＧｅ−ＰＤを併用する必要があった。
しかしながら、Ｓｉ−ＰＤとＧｅ−ＰＤを併用する場合、波長９００〜１０００ｎｍの範囲でフォトダイオードを切り替える必要がある。フォトダイオードの切り替えには光路を変更するための機械的構造が必要であり、また夫々の光電力計を個別に校正しなければならず、装置として複雑になるという問題を有していた。
また、光電力計を単独で用いる場合にも、夫々の波長帯で別々の光電力計を用いなければならず、広い波長帯での測定が必要な場合には光電力計の置き換えのために光路設定をしなければならないなど、煩雑な操作が必要であるという問題を有していた。特に波長９００〜１０００ｎｍの範囲で光電力などを精密に測定する場合、このようなフォトダイオードの切り替えをすることは、煩雑となるばかりでなく、測定誤差を大きくする要因ともなっていた。

特開２００１−１１０７９９公報 特開平１０−１３５４８９号公報

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、単独で広波長帯域の光を吸収することができるフォトダイオードを提供し、光電力の測定を煩雑な操作や複雑な装置を必要とせずに簡便化し、さらに精密な測定を可能とすることを解決課題とする。

請求項１に係る発明は、入射光が入射する第一半導体層と、該第一半導体層と接合して設けられ、該第一半導体層よりもエネルギー禁止帯幅が小さい第二半導体層とからなり、前記第一半導体層がｐｎ接合を有し、該第一半導体層の該第二半導体層と接触する部分の導電型と該第二半導体層の導電型が同じであることを特徴とするフォトダイオードに関する。

請求項２に係る発明は、前記第一半導体層がシリコンであり、前記第二半導体層がゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）のうちいずれか一種以上からなることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオードに関する。

請求項３に係る発明は、前記第一半導体層がｎ^＋層とｐ層からなるｐｎ接合を有し、前記第二半導体層がｐ型であることを特徴とする請求項１又は２記載のフォトダイオードに関する。

請求項４に係る発明は、前記第一半導体層がシリコンであり、前記ｎ^＋層において厚さが０．５μｍ以下であり、前記ｐ層において不純物濃度が２×１０^１６ｃｍ^−３以下、厚さが１μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載のフォトダイオードに関する。

請求項５に係る発明は、前記ｎ^＋層が前記ｐ層よりも大きなエネルギー禁止帯幅を有する半導体層であることを特徴とする請求項３記載のフォトダイオードに関する。

請求項６に係る発明は、前記第一半導体層がｐ^＋層とｎ層からなるｐｎ結合を有し、前記第二半導体層がｎ型であることを特徴とする請求項１又は２記載のフォトダイオードに関する。

請求項７に係る発明は、前記ｐ^＋層が前記ｎ層よりも大きなエネルギー禁止帯幅を有する半導体層であることを特徴とする請求項６記載のフォトダイオードに関する。

請求項１に係る発明によれば、入射光が入射する第一半導体層と、該第一半導体層と接合して設けられ、該第一半導体層よりもエネルギー禁止帯幅が小さい第二半導体層とからなり、前記第一半導体層がｐｎ接合を有し、該第一半導体層の該第二半導体層と接触する部分の導電型と該第二半導体層の導電型が同じであることにより、第一半導体層の波長域と第二半導体層の波長域の光を吸収することができるため、広波長帯域の光を吸収することができる。それにより、光電力の測定を煩雑な操作や複雑な装置を必要とせずに簡便化することができる。加えて、フォトダイオードの切り替えを行う必要がないため、波長９００〜１０００ｎｍの範囲で光電力を測定する場合でも、測定誤差を小さくすることができる。

請求項２に係る発明によれば、前記第一半導体層がシリコンであり、前記第二半導体層がゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）のうちいずれか一種以上からなることにより、可視光から近赤外線までの広波長帯域の光を吸収することができる。

請求項３に係る発明によれば、前記第一半導体層がｎ^＋層とｐ層からなるｐｎ接合を有し、前記第二半導体層がｐ型であることにより、第一半導体層と第二半導体層の結合を好適に行うことができる。

請求項４に係る発明によれば、前記第一半導体層がシリコンであり、前記ｎ^＋層において厚さが０．５μｍ以下であり、前記ｐ層において不純物濃度が２×１０^１６ｃｍ^−３以下、厚さが１μｍ以下であることにより、短波長の光から長波長の光まで確実に吸収することができる。

請求項５に係る発明によれば、前記ｎ^＋層が前記ｐ層よりも大きなエネルギー禁止帯幅を有することにより、ｐ層で吸収できる波長の光がｎ^＋層で吸収されることを抑制することができる。そのため、ｎ^＋層を厚くしたとしても、ｐ層で吸収できる波長の光をｐ層にまで到達させ、光電流に寄与させることができる。

請求項６に係る発明によれば、前記第一半導体層がｐ^＋層とｎ層からなるｐｎ結合を有し、前記第二半導体層がｎ型であることにより、第一半導体層と第二半導体層の結合を好適に行うことができる。

請求項７に係る発明によれば、ｐ^＋層がｎ層よりも大きなエネルギー禁止帯幅を有することにより、ｎ層で吸収できる波長の光がｐ^＋層で吸収されることを抑制することができる。そのため、ｐ^＋層を厚くしたとしても、ｎ層で吸収できる波長の光をｎ層にまで到達させ、光電流に寄与させることができる。

以下、本発明に係るフォトダイオードについて図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の実施形態に係るプレーナ構造のフォトダイオード（１００）を示す図である。

フォトダイオード（１００）は半導体層（１）、電極（２）よりなり、半導体層（１）は第一半導体層（１１）と第二半導体層（１２）よりなる。また、第一半導体層（１１）と第二半導体層（１２）はヘテロ結合により結合している。

第一半導体層（１１）は、後述する第二半導体層（１２）の半導体材料よりもエネルギー禁止帯幅が大きい半導体材料からなる層である。つまり、第二半導体層（１１）よりも短波長の光を吸収する層である。
第一半導体層（１１）としては、シリコンを挙げることができる。さらにシリコンの他に、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）、ガリウム燐（ＧａＰ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を挙げることができる。
第一半導体層（１１）としてシリコンを用いた場合、第一半導体層（１１）により、４００ｎｍ〜１１００ｎｍの入射光を吸収することができる。

第一半導体層（１１）はｎ^＋層（１１１）とｐ層（１１２）から構成されたｐｎ接合（Ｊ）を有する層である。例えば、第一半導体層（１１）がシリコンからなる場合、ｎ^＋層（１１１）はｎ^＋−Ｓｉとなり、ｐ層（１１２）はｐ−Ｓｉとなる。そして、ｎ^＋層（１１１）における入射面（Ｆ）から入射光が入射する。

ｎ^＋層（１１１）の厚さは、特に限定されないが、できる限り薄くすることが好ましい。例えば、第一半導体層（１１）がシリコンからなる場合、０．５μｍ以下とすることが好ましい。ｎ^＋層（１１１）は不純物濃度が高く、拡散長も小さいため、ｎ^＋層（１１１）で発生した電子・正孔対は空乏層まで到達しにくく光電流に寄与しにくいが、ｎ^＋層（１１１）の厚さを薄く（シリコンの場合０．５μｍ以下）することにより、波長の短い光でもｐ層（１２）まで到達し、ｐ層で発生した電子・正孔対が光電流に寄与するからである。実際には、第一半導体層（１１）としてシリコンを用いた場合、不純物拡散法、イオン注入法、エピタキシャル成長法等により、０．１μｍ程度まで薄くすることができる。

また、ｐ層（１１２）の厚さは、フォトダイオード（１００）に印加したバイアス電圧下において、空乏層がヘテロ接合を越えてｐ層（１１２）（具体的にはｐｎ接合（Ｊ）の部分）から第二半導体層（１２）に達するように設定すればよい。換言すると、所定の動作をさせるためにフォトダイオード（１００）のバイアス電圧をｐ層（１１２）の不純物濃度及び厚さに応じて決定する。
ｐ層（１１２）の不純物濃度及び厚さに応じてバイアス電圧を決定することにより、空乏層がヘテロ接合を越えて第二半導体層（１２）に達し、第二半導体層（１２）で発生した電子・正孔対を光電流に寄与させることができる。
実際には、ｐ層（１１２）の不純物濃度に応じて、ｐ層（１１２）の厚さを５μｍ以下で設定すればよい。例えば、ｐ層（１１２）としてシリコンを用いた場合、不純物濃度が２×１０^１６ｃｍ^−３以下で、厚さが１μｍ以下とすることが好ましい。それにより、比較的小さいバイアス電圧（具体的には２０〜３０Ｖ）で、空乏層をヘテロ接合（Ｉ）を越えて第二半導体層（１２）にまで形成することができ、第二半導体層（１２）で発生した電子・正孔対を光電流に寄与させることができるからである。
なお、本願発明者らは、ｐ層（１１２）の不純物濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３程度、厚さを１μｍとした場合、印加するバイアス電圧を１０V以上とすることで、フォトダイオードが好適に動作することを確かめている。

第二半導体層（１２）は第一半導体層（１１）の半導体材料よりもエネルギー禁止帯幅が小さい半導体材料からなる層である。つまり、第一半導体層（１１）よりも長波長の光を吸収する層である。そして、接触する層（ｐ層（１１２））と同じ導電型（ｐ層）を有する。これにより第二半導体層（１２）で発生した電子・正孔対のうち、電子が第一半導体層（１１）に注入されることになる。

第一半導体層（１１）がシリコンの場合、第二半導体層（１２）としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、水銀化合物半導体、鉛化合物半導体等やこれらの混合物を挙げることができる。
第二半導体層（１２）として、ゲルマニウム（Ｇｅ）やインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）を用いた場合、第二半導体層（１２）により波長９００ｎｍ〜１７００ｎｍの入射光を吸収することができる。
また、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、水銀化合物半導体、鉛化合物半導体を用いることにより、ゲルマニウム（Ｇｅ）やインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）よりも長い波長の光を吸収することができる。
なお、第二半導体層（１２）の不純物濃度は特に限定されないが、第二半導体層（１２）中に比較的低い電圧（例えば１０〜２０Ｖ）で十分な幅の空乏層を延ばすためには、不純物濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３以下にすることが好ましい。

また、第二半導体層（１２）はｐ層（１１２）と結晶学的に原子同士が結合したヘテロ接合を形成している。一般に第一半導体層（１１）と第二半導体層（１２）は格子定数が大きく異なっている。そのため、第一半導体層（１１）と第二半導体層（１２）をヘテロ接合として好適に結合させるためには作製上様々な工夫が必要である。
具体的には、ウェーハボンディング法により、第一半導体層（１１）と第二半導体層（１２）の原子同士を接着することでヘテロ接合を形成する。ウェーハボンディング法とは、夫々の結晶表面を清浄にした後、純水又は真空中で接触させることにより原子同士を結合させ、さらに熱処理を加えることで接合を強固にする技術である。
例えば第一半導体層（１１）にシリコン（Ｓｉ）を用い、第二半導体層（１２）にゲルマニウム（Ｇｅ）を用いた場合、第一半導体層（１１）（Ｓｉ）の格子定数が５．４３１Å、第二半導体層（１２）（Ｇｅ）の格子定数が５．６４６Åとなるが、このように格子定数が大きく異なっていたとしても、ウェーハボンディング法によりヘテロ接合（Ｉ）を好適に形成することができる。

なお、半導体層（１）の製造方法としては、第二半導体層（１２）を基板としてその上にｐ層（１１２）、ｎ^＋層（１１１）をエピタキシャル結晶成長法により順次形成する方法や、第一半導体層（１１）を基板としてその上に第二半導体層（１２）をエピタキシャル結晶成長法により形成する方法も挙げることができる。しかし、このようなエピタキシャル成長法による製造方法の場合、第一半導体層（１１）の格子定数と第二半導体層（１２）の格子定数が大きく異なった状態を維持したまま両層（１１，１２）を形成するのは非常に高度な技術と煩雑な工程が必要であることが知られている。
また、第二半導体層（１２）上へエピタキシャル結晶成長法によりｐ層（１１２）を成長させ、その後不純物拡散法やイオン注入法によりｎ^＋層（１１１）を形成する方法も挙げることができるが、第一半導体層（１１）の結晶成長温度が第二半導体層（１２）の融点を超えるため、第二半導体層（１２）にダメージを与えてしまうので一般的には好ましくない。

また、第二半導体層（１２）における光吸収はヘテロ界面（Ｉ）から始まり、Ｓｉ−ＰＤにおけるｎ^＋層のような生成キャリアを再結合させるような層がないため、吸収係数が大きくても分光感度の低下を防止することができる。

電極（オーム性電極）（２）は、フォトダイオード（１００）に逆方向バイアス電圧を印加するためのものであり、入射面（Ｆ）に形成された第一電極（２１）と第二半導体層（１２）に接して形成された第二電極（２２）よりなる。即ち、半導体層（１）の両側（入射面（Ｆ）側とその反対側）の面に電極（２１，２２）が形成される。
第一電極（２１）は、光の入射を妨げないように、できる限り面積を小さくして形成することが好ましい。
一方、第二電極（２２）は、光の入射を妨げることがないため、面積に制限はなく、第二半導体層（１２）の全面に渡って形成してもよい。

また、フォトダイオード（１００）において、ｎ^＋層（１１１）表面（入射面（Ｆ））には反射防止膜（図示せず）を設けていることが好ましい。反射防止膜を設けることにより、反射損失を小さくすることができ、光電変換効率を向上させることができる。

次いで、フォトダイオード（１００）の動作について説明する。
フォトダイオード（１００）では入射面（Ｆ）から入射光を入射させる。入射光は反射防止膜（図示せず）を通り、半導体層（１）に入射される。半導体層（１）中で光は吸収されて電子・正孔対を生成する。
このとき、第一電極（２１）、第二電極（２２）間にバイアス電圧を印加し、空乏層を形成した状態で動作させる。具体的には、フォトダイオード（１００）ではｐ層（１１２）から第二半導体層（１２）まで空乏層を形成するようバイアス電圧を印加する。そして、入射光により空乏層内で生成された電子・正孔対は空乏層電界により加速されてドリフト電流として光電流に寄与する。また、空乏層以外で発生した電子・正孔対も、空乏層からの距離が拡散長と呼ばれる一定の距離以内であれば空乏層に達し、光電流として寄与する。
フォトダイオード（１００）は、空乏層がｐ層（１１２）（具体的にはｐｎ接合（Ｊ）の部分）から第二半導体層（１２）まで広がっているため、第一半導体層（１１）が吸収することができる波長の光と第二半導体層（１２）が吸収することができる波長の光の両方の光を吸収し、第一半導体層（１１）で発生した電子・正孔対及び第二半導体層（１２）で発生した電子を利用して光電流として寄与させることができる。例えば、フォトダイオード（１００）において、第一半導体層（１１）としてシリコン（Ｓｉ）を用い、第二半導体層（１２）としてゲルマニウム（Ｇｅ）を用いた場合、第一半導体層（１１）で４００〜１１００ｎｍの光を、第二半導体層（１２）で９００〜１７００ｎｍの光を吸収することができる。つまり、ヘテロ界面を越えて空乏層が伸びるに十分なバイアス電圧を印加すれば、フォトダイオード（１００）全体として、４００ｎｍの短波長から１７００ｎｍの長波長までの感度を有することができる。以下、第二半導体層（１２）における光の吸収について詳細に説明する。

第一半導体層（１１）で吸収されない長波長の入射光は、第二半導体層（１２）にまで達し、第二半導体層（１２）で吸収され電子・正孔対を発生するが、バイアス電圧が低い（空乏層がｐ層（１１２）から第二半導体層（１２）まで広がっていない）と、第二半導体層（１２）で発生した電子・正孔対はヘテロ界面（Ｉ）を乗り越えることができず、光電流として寄与しない。
しかし、バイアス電圧を増加させ、空乏層をｐ層（１１２）（具体的にはｐｎ接合（Ｊ）の部分）から第二半導体層（１２）まで広げると、ヘテロ界面（Ｉ）には空乏層による電界が生じる。それにより、第二半導体層（１２）で発生した電子・正孔対のうち、電子がヘテロ界面（Ｉ）を乗り越えることができるようになる。つまり、第一半導体層（１１）で吸収されずに第二半導体層（１２）まで透過した光は、第二半導体層（１２）内で吸収されて電子・正孔対を生成し、電子・正孔対のうちの電子がヘテロ界（Ｉ）を乗り越えてｐ層（１１２）に注入され、光電流に寄与することとなる。そのため、第二半導体層（１２）に吸収された入射光も光電流に寄与することとなる。

上記したように、フォトダイオード（１００）は広範囲の波長の光を吸収することができる。そのため、例えばフォトダイオード（１００）を光電力計に用いた場合、広範囲の波長の光を吸収する場合でも、一つのフォトダイオード（１００）のみを用いればよく、フォトダイオードの切り替えのための光路を変更するための機器を用いたり、光電力計の置き換えのために光路設定をしたりする必要がないので、光電力の測定を簡便化することができる。加えて、フォトダイオードの切り替えを行う必要がないため、波長９００〜１０００ｎｍの範囲で光電力を測定する場合も、測定誤差を小さくすることができる。

また、上記説明では、フォトダイオード（１００）におけるｎ^＋層（１１１）とｐ層（１１２）を同一の半導体材料としたが、ｎ^＋層（１１１）がｐ層（１１２）よりも大きなエネルギー禁止帯幅を有するように半導体材料を選択し、ｎ^＋層（１１１）とｐ層（１１２）からなるｎ^＋−ｐヘテロ接合を形成してもよい。
ｎ^＋層（１１１）とｐ層（１１２）が同一の場合、ｐ層（１１２）で吸収できる波長の光が、ｎ^＋層（１１１）でも吸収されてしまうが、ｎ^＋層（１１１）は不純物濃度が高く、拡散長も小さいため、ｎ^＋層（１１１）で発生した電子・正孔対は空乏層まで到達しにくく光電流に寄与しにくい。そのため、ｎ^＋層（１１１）を薄くする必要がある。
しかしながら、ｎ^＋層（１１１）がｐ層（１１２）よりも大きなエネルギー禁止帯幅を有することにより、ｎ^＋層（１１１）ではｐ層（１１２）が吸収する光よりも短波長側の光を吸収することとなる。つまり、ｐ層（１１２）で吸収できる波長の光がｎ^＋層（１１１）で吸収されることを抑制することができる。そのため、ｎ^＋層（１１１）を厚くしたとしても、ｐ層（１１２）で吸収できる波長の光をｐ層（１１２）にまで到達させ、光電流に寄与させることができる。
半導体材料の組み合わせとしては、例えば、ｐ層（１１２）がシリコンの場合、ｎ^＋層（１１１）としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）を挙げることができる。これにより、ｎ^＋層（１１１）を厚く（０．５μｍ以上）したとしても、シリコンからなるｐ層（１１２）で吸収できる４００〜１１００ｎｍの光をｐ層（１１２）にまで到達させることができる。

また、上記ではｎ^＋層（１１１）が全面に渡っている構造のフォトダイオード（１００）を用いて説明したが、本発明のフォトダイオードとしては、図２に示す如く、ｐ層（１１２）の表面の一部に所定の面積のｎ^＋層（１１１）が設けられた構造のフォトダイオード（２００）も挙げることができる。
さらに、図３に示す如く、フォトダイオード（１００，２００）の導電型を反対にした構造を有するフォトダイオード（３００）、即ち第一半導体層（１１）がｐ^＋層（１１３）とｎ層（１１４）からなり、第二半導体層（１２）がｎ層からなるフォトダイオード（３００）も挙げることができる。
また、フォトダイオード（３００）においても、ｐ^＋層がｎ層よりも大きなエネルギー禁止帯幅を有するように半導体材料を選択し、ｐ^＋層（１１３）とｎ層（１１４）からなるｐ^＋−ｎヘテロ接合を形成してもよい。それにより、ｐ^＋層（１１３）において、ｎ層（１１４）で吸収できる波長の光が吸収されることを抑制することができる。そのため、ｐ^＋層（１１３）を厚くしたとしても、ｎ層（１１４）で吸収できる波長の光をｎ層（１１４）にまで到達させ、光電流に寄与させることができる。
なお、図２，３のフォトダイオード（２００，３００）はプレーナ構造であり、入射面（Ｆ）に存する二つの電極（２１，２１）間にバイアス電圧を印加する。

以下、本発明の実施例を示すことにより、本発明の効果をより明確なものとする。
図４は、本発明に係るフォトダイオードの効果を検証するためのメサ構造のフォトダイオード（４００）を示す図である。
図４に示すフォトダイオード（４００）はシリコン（Ｓｉ）からなる第一半導体層（１１）とゲルマニウム（Ｇｅ）からなる第二半導体層（１２）を有する。また、第一半導体層（１１）はｎ^＋層（１１１）とｐ層（１１２）からなるｐｎ接合（Ｊ）を有し、第二半導体層（１２）は第一半導体層（１１）における第二半導体層（１２）と接触する部分と同じ導電型（ｐ型）を有する。つまり、フォトダイオード（４００）はｎ^＋Ｓｉ／ｐＳｉ／ｐＧｅという層構造を有する。
また、第一半導体層（１１）と第二半導体層（１２）間は、ウェーハボンディング法によりヘテロ結合が形成されている。
また、フォトダイオード（４００）において、ｎ^＋層（１１１）の厚さが２０μｍ、ｐ層（１１２）の厚さが１μｍ、第二半導体層（１２）の厚さが３００μｍであり、ｐ層（１１２）の不純物濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３である。

そして、フォトダイオード（４００）にｎ^＋層（１１１）側の入射面（Ｆ）から入射光（Ｌ１）を入射し、印加するバイアス電圧を変化させて分光感度を測定した。図５はバイアス電圧３Ｖ，１１Ｖの場合の分光感度を示した図である。なお、図５中（ａ）がバイアス電圧３Ｖ、（ｂ）がバイアス電圧１１Ｖの分光感度を示す。また、縦軸に相対的分光感度を示し、横軸に波長（ｎｍ）を示す。

図５に示す如く、バイアス電圧３Ｖを印加した場合、第一半導体層（１１）（Ｓｉ）では１１００ｎｍより短波長側の入射光を吸収し、ｎ^＋層（１１１）及びｐ層（１１２）において吸収係数に応じた割合で入射光が吸収された。しかし、波長８００ｎｍ以下の入射光については、感度が低下した。その理由は、８００ｎｍ以下の入射光は、吸収係数が１０００ｃｍ^−１を超えるため、殆どが厚さ２０μｍのｎ^＋層（１１１）の表面近くで吸収され、光電流に寄与されなかったからである。つまり、ｎ^＋層（１１１）で吸収されなかった僅かな光だけしかｐ層（１１２）に達しなかったため、光電流に寄与した光が少なかったからである。
一方、１１００ｎｍより長波長の入射光に対する感度は有さなかった。その理由は、１１００ｎｍより長波長の入射光は第一半導体層（１１）で吸収されずに第二半導体層（１２）にまで達し、第二半導体層（１２）で吸収され電子・正孔対を発生するが、これらの電子・正孔対はヘテロ界面（Ｉ）を乗り越えることができず、光電流として寄与しないからである。
上記したように、バイアス電圧が３Ｖの場合、波長８００ｎｍ以下の入射光については感度が低下し、波長１１００ｎｍ以上の入射光については感度を有さないことから、Ｓｉ−ＰＤと類似した分光感度を示すこととなった。

これに対して、バイアス電圧を５〜６Ｖ以上とした場合、バイアス電圧１１Ｖの場合の分光感度（図５中（ｂ）参照）のように、短波長からＧｅ（第二半導体層（１２））の波長限界である１６００ｎｍまで感度を有することとなった。その理由は、バイアス電圧を５〜６Ｖ以上にすると、空乏層がヘテロ界面（Ｉ）を越して第二半導体層（１２）にまで達するからである。空乏層がヘテロ界面（Ｉ）を越して第二半導体層（１２）にまで達することにより、ヘテロ界面（Ｉ）に空乏層による電界が生じ、第二半導体層（１２）で発生した電子・正孔対のうち、電子がヘテロ界面（Ｉ）を乗り越えることができるようになる。つまり、第一半導体層（１１）で吸収されずに第二半導体層（１２）まで透過した長波長光は、第二半導体層（１２）内で吸収されて電子・正孔対を生成し、電子・正孔対のうちの電子がヘテロ界面（Ｉ）を乗り越えてｐ層（１１２）に注入され、光電流に寄与する。
一方、短波長光は第一半導体層（１１）で吸収され、上記したように光電流となり図５中（ｂ）に示した分光感度となる。

図６はフォトダイオード（４００）において、波長８００ｎｍの光（第一半導体層（１１）で吸収される光）及び波長１２００ｎｍの光（第一半導体層（１１）を透過し第二半導体層（１２）で吸収される光）を入射光として用いた場合の逆方向バイアス電圧依存性を示した図である。なお、（ｃ）が波長８００ｎｍの光、（ｄ）が波長１２００ｎｍの光の逆方向バイアス電圧依存性を示す。また、縦軸に相対的分光感度を示し、横軸に逆方向バイアス電圧（Ｖ）を示す。
図６で示す如く、波長８００ｎｍの光（第一半導体層（１１）で吸収される光）（図６中（ｃ）参照）は０Ｖから光電流が観測できるが、波長１２００ｎｍの入射光（図６中（ｄ）参照）はバイアス電圧２Ｖ付近からしか光電流が増加しないことがわかる。つまり、波長８００ｎｍの光は第一半導体層（１１）で吸収されるが、波長１２００の光は第一半導体層（１１）では吸収されないため、第二半導体層（１２）付近まで空乏層が到達するバイアス電圧を印加していないと、光電流が流れないことがわかる。
また、１２００ｎｍの光の分光感度は７Ｖ付近で飽和している。７Ｖという電圧は、空乏層がヘテロ界面（Ｉ）を越して第二半導体層（１２）にまで達する電圧であることから、空乏層が第二半導体層（１２）にまで達することにより、第二半導体層（１２）で吸収された光により発生した電子が、ヘテロ界面（Ｉ）を乗り越えて第一半導体層（１２）側へと流れることができ、光電流に寄与することもわかる。

次に、入射光（Ｌ２）をｐ層（１１２）に直接入射させた場合のフォトダイオード（４００）の特性を示す。図７は入射光（Ｌ１）と入射光（Ｌ２）の分光感度を示した図であり、（ｅ）が入射光（Ｌ１）、（ｆ）が入射光（Ｌ２）の分光感度を示す。なお、縦軸に光電変換効率として量子効率（％）を示し、横軸に波長（ｎｍ）を示す。また、図７の実験におけるバイアス電圧は１５Ｖである。なお、図７では、図５における分光感度の測定に用いたフォトダイオードと同じ構造のフォトダイオードを用いているが、図７中（ｅ）に示す分光感度と図５中（ｂ）に示す分光感度は若干異なる。その原因は、素子間のばらつきやバイアス電圧の違いによるものである。
図７で示す如く、入射光（Ｌ２）がｐ層に直接入射することにより、ｎ^＋層（１１１）で光が吸収されることがないため、入射光はｐ層（１１２）及び第二半導体層（１２）で吸収され、空乏層がヘテロ界面（Ｉ）を越えるに十分な逆方向バイアス電圧（本実施例では１０Ｖ以上）が印加されていれば、光で生成された電子・正孔対は光電流に寄与することができ、Ｓｉ−ＰＤとＧｅ−ＰＤとを合わせた分光感度、即ち、４００ｎｍの短波長から１７００ｎｍの長波長に渡って感度のあるフォトダイオードを実現することができることがわかる。なお、図７では良好な感度を示す光は波長が１６００ｎｍまでの光である。
また、図７では、入射光（Ｌ１）の場合には上記したように、１１００ｎｍより短波長では感度が減少するのに対して、入射光（Ｌ２）の場合には短波長でも感度の減少は僅かであり、測定した６００〜１６００ｎｍの広い波長域で略平坦な分光感度を有することを示している。つまり、短波長の光の多くはｎ^＋層（１１１）により吸収されることがわかる。
但し、図４で示すメサ構造のフォトダイオード（４００）は、光入射法において現実に用いる場合、安定な動作をさせることが難しい。

そこで、図１に示すフォトダイオード（１００）を用い、本発明の効果を検証する。なお、下記実施例では第一半導体層（１１）としてシリコン（Ｓｉ）を用い、第二半導体層（１２）としてゲルマニウム（Ｇｅ）を用いている。
図８はフォトダイオード（１００）、Ｓｉ−ＰＤ、Ｇｅ−ＰＤの分光感度を示す図である。
図８中（ｇ）はフォトダイオード（１００）においてｎ^＋層（１１１）の厚さを０．２μｍ、ｐ層（１１２）の厚さを１μｍ、第二半導体層（１２）に伸びる空乏層の厚さを５μｍとして、計算により求めた分光感度を示した図である。また、図８中（ｈ）はＳｉ−ＰＤの分光感度、（ｉ）はＧｅ−ＰＤの分光感度を示している。また、フォトダイオード（１００）において、第二半導体層（１２）に伸びる空乏層の厚さを５μｍとする場合、バイアス電圧はおよそ３０Ｖ以上とする必要がある。なお、縦軸に光電変換効率として量子効率（％）を示し、横軸に波長（ｎｍ）を示す。
図８で示す如く、本発明によるフォトダイオード（１００）の分光感度は、単独のＳｉ−ＰＤとＧｅ−ＰＤの分光感度を合わせた特性を持ち、広い波長範囲で良好な感度を有することがわかる。特に単独のフォトダイオードの感度が低下する７００〜１１００ｎｍの波長帯で、いずれのフォトダイオードよりも大きな受光感度が得られることがわかる。その理由は、Ｓｉにおける吸収係数が低下し感度が減少することをＧｅの光吸収で補っているからである。
なお、Ｇｅにおける光吸収はヘテロ界面（Ｉ）から始まり、Ｓｉ−ＰＤにおけるｎ^＋層（１１１）のような生成キャリアを再結合させるような層がないため、吸収係数が大きくても分光感度の低下を防止することができる。

図９はｎ^＋層（１１１）の厚さを０．０１μｍ（図９（ｊ）参照）、０．１μｍ（図９（ｋ）参照）、１μｍ（図９（ｌ）参照）、１０μｍ（図９（ｍ）参照）として、計算により求めた分光感度を示した図である。また、ｐ層（１１２）の厚さを１μｍ、第二半導体層（１２）に伸びる空乏層の厚さを５μｍとした。なお、縦軸に光電変換効率として量子効率（％）を示し、横軸に波長（ｎｍ）を示す。
図９に示す如く、ｎ^＋層（１１１）の厚さを薄くするにしたがって、短波長の波長まで吸収することができることがわかる。この理由は、ｎ^＋層（１１１）を薄くすることにより、ｎ^＋層（１１１）で吸収されずにｐ層（１１２）まで到達する入射光が増加するからである。
図９から、使用する波長域を６００〜１５００ｎｍとした場合、より短波長まで光感度を低下させないためには、ｎ^＋層（１１１）の厚さが０．５μｍ以下であることが好ましいといえる。
なお、図１０，１１では、ゲルマニウムの光吸収係数について、長波長側の限界が１５００ｎｍとして計算したが、実際のＧｅ−ＰＤでは素子構造の工夫により長波長側の限界は１７００ｎｍまで伸ばすことができる。ちなみに図７中（ｅ）ではＧｅ−ＰＤにおいて１７００ｎｍまで感度があることを示している。

本発明に係るフォトダイオードは、分光光度計や光スペクトルアナライザ等に用いられる光電力計等に好適に利用可能である。

本発明の実施形態に係るフォトダイオードを示す図である。 本発明の他の実施形態に係るフォトダイオードを示す図である。 本発明の他の実施形態に係るフォトダイオードを示す図である。 本発明に係るフォトダイオードの効果を検証するためのフォトダイオードを示す図である。 バイアス電圧３Ｖ，１１Ｖを印加した場合の分光感度を示した図である。 波長８００ｎｍの光及び波長１２００ｎｍの光を入射光として用いた場合の逆方向バイアス電圧依存性を示した図である。 異なる方向からの入射光を入射した場合の分光感度を示した図である。 本発明に係るフォトダイオード、Ｓｉ−ＰＤ、Ｇｅ−ＰＤの分光感度を示す図である。 ｎ^＋層の厚さを変化させた場合の分光感度を示した図である。 従来のフォトダイオードを示す図である。 Ｓｉ−ＰＤとＧｅ−ＰＤについて、入射光の波長に対する分光感度を示す図である。

符号の説明

１ 半導体層
１１ 第一半導体層
１１１ ｎ^＋層
１１２ ｐ層
１１３ ｐ^＋層
１１４ ｎ層
１２ 第二半導体層
２ 電極

Claims (7)

1. 入射光が入射する第一半導体層と、
   該第一半導体層と接合して設けられ、該第一半導体層よりもエネルギー禁止帯幅が小さい第二半導体層とからなり、
   前記第一半導体層がｐｎ接合を有し、該第一半導体層の該第二半導体層と接触する部分の導電型と該第二半導体層の導電型が同じであることを特徴とするフォトダイオード。
2. 前記第一半導体層がシリコンであり、
   前記第二半導体層がゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムヒ素（ＩｎＡｓ）、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）のうちいずれか一種以上からなることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
3. 前記第一半導体層がｎ^＋層とｐ層からなるｐｎ接合を有し、
   前記第二半導体層がｐ型であることを特徴とする請求項１又は２記載のフォトダイオード。
4. 前記第一半導体層がシリコンであり、
   前記ｎ^＋層において厚さが０．５μｍ以下であり、
   前記ｐ層において不純物濃度が２×１０^１６ｃｍ^−３以下、厚さが１μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載のフォトダイオード。
5. 前記ｎ^＋層が前記ｐ層よりも大きなエネルギー禁止帯幅を有する半導体層であることを特徴とする請求項３記載のフォトダイオード。
6. 前記第一半導体層がｐ^＋層とｎ層からなるｐｎ結合を有し、
   前記第二半導体層がｎ型であることを特徴とする請求項１又は２記載のフォトダイオード。
7. 前記ｐ^＋層が前記ｎ層よりも大きなエネルギー禁止帯幅を有する半導体層であることを特徴とする請求項６記載のフォトダイオード。

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