JP2016522578A - 高速光検出器 - Google Patents

Abstract

高速のＰＩＮベースの光検出器は、非常に低い電界に曝されるドリフト層（１０４）と結合した、印加電界が高い薄い光吸収層（１０２）を備える。より高い移動度を有する電荷キャリアのみがドリフト層（１０４）を走行しなければならず、より低い移動度を有する電荷キャリアは、光吸収層（１０２）の厚み未満又は最大でもそれに等しい距離を走行すれば済む。ドリフト層（１０４）のバンドギャップエネルギー（２０８）は、光吸収層（１０２）のバンドギャップエネルギー（２０６）よりも大きい。より高い電界の光吸収層からより低い電界のドリフト層への移行は、傾斜層（１０５）によって実施される。光吸収層（１０２）に対するドリフト層（１０４）における電界の減少は、光吸収層（１０２）、ドリフト層（１０４）及び傾斜層（１０５）におけるドーパント濃度の分布によって実現される。【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体ベースの光検出器に関し、より具体的には、速度応答が向上した高速光検出器の構造及びそれを製造する方法に関する。

検出可能な電気信号に光信号を変換することができる半導体ベースの光検出器は、光通信ネットワーク等の様々な技術分野において広く使用されている。即ち、ＰＩＮフォトダイオードとも呼ばれるｐ‐ｉ‐ｎ接合に基づくフォトダイオードは、ｐ−ｎ接合と比較して入射光に対する迅速な応答から、高速光検出器として特に適している。従来のｐ‐ｉ‐ｎ接合は、ｐ型の半導体層（ｐ層）、ｎ型の半導体層（ｎ層）、及びｐ層とｎ層に挟まれたｉ層とも呼ばれる真性の（ドープされていない又は軽度にドープされた）半導体層を含む。光検出器として動作する際、ｐ‐ｉ‐ｎ接合は、逆バイアス状況にある場合が多く、基本的に光が無ければ電流を伝導しない。価電子帯レベルから伝導帯レベルに電子を励起するのに十分なエネルギーを備える光子がｉ層によって吸収されると、一対の「自由な」電子‐正孔キャリアが生成される。正孔にはｐ層によって、電子にはｎ層によって夫々提供されるより低いエネルギーレベルによって形成される強い電位勾配の影響下で、「自由な」電子及び正孔キャリアは、夫々ｎ層及びｐ層に向かってｉ層内を反対方向に素早く移動し、それにより、外部回路によって電子信号として検出されて入射光信号と関連付けられることができる光電流を生成する。従来は、ｐ層及びｎ層の夫々の上にオーミックコンタクトが設けられ、それにより、ＰＩＮフォトダイオードのアノードコンタクト及びカソードコンタクトを夫々提供する。

従来のＰＩＮ光検出器では、光電流は、基本的に、光吸収層として機能する真性層に生じる「自由な」キャリアに起因する。光吸収と、ｐ型及びｎ型の半導体領域との間での光生成キャリアの輸送には、同一の空乏半導体層が使用されるため、従来のＰＩＮ光検出器の帯域幅、即ち、入射光に対する応答速度は、電子キャリアと比べて真性層内の正孔キャリアの非常に遅い輸送時間によって制限されることが多い。

光検出器の帯域幅を拡大する一般的な方法は、電荷キャリアの輸送時間を減少するように光吸収層の垂直長さ（即ち、高さ又は厚み）を減少することである。これは、より大きな比容量に直接つながるため、容量を特定の規定値未満に維持するために、フォトダイオードの面積及びそれによる光検出面積を減少しなければならない。同時に、フォトダイオードの量子効率又は応答性は、光吸収領域の厚みの減少と共に減少する。

従って、ＰＩＮベースの光検出器特性の向上は、一方で帯域幅、他方で光検出領域の応答性及びサイズの間のトレードオフを示唆しており、これらのパラメータの内のいずれが光検出器の目的の用途に最も重要であるかによって決定されることが多い。

比容量を減少するためのアプローチは、対象の波長域の光を吸収しない真性のドリフト層を導入することにある。概略的に言えば、光吸収層において発生したキャリアは、電界及び夫々のキャリア移動度に比例するドリフト速度で収集層及び電極へ走行する。一般的に、キャリア速度は、それが飽和するまで電界と共に増加する。しかしながら、電子キャリアに関する飽和速度は、通常、正孔キャリアに関する飽和速度よりも低い電界において達成される。従って、大抵の従来のシステムの場合のように、印加される外部電界が制限され、正孔キャリアは、その飽和速度に到達しない場合が多い。正孔は電子よりも遅く走行するので、フォトダイオードの照射はｐ側から行われることが多く、正孔が走行する実効距離はより短くなることが分かるはずである。より速いキャリア（電子）のみがさらなるドリフト層を走行しなければならないように光検出器を設計することによって、ドリフト層は、輸送時間全体に対しては僅かに寄与するだけであるが、フォトダイオードの比容量を減少することには大きな効果を有する。

ＰＩＮフォトダイオードの周波数応答及び飽和出力を向上するためのアプローチが、特許ＵＳ５，８１８，０９６に提案されている。このアプローチは、従来のＰＩＮフォトダイオードのように同一の空乏の真性半導体層を使用する代わりに、２つの半導体層間で光吸収とキャリア走行の機能を分離することにある。特に、ｐ型半導体層は、光吸収層として使用され、真性の非吸収半導体層は、キャリア輸送層として使用される。この構成では、キャリア走行層へのキャリア注入の応答時間は、基本的に、ｐ型光吸収層における電子の拡散時間によって決まる。正孔キャリアは光吸収層内の電子の移動に関して応答するだけなので、光吸収層における正孔キャリアの応答時間は極めて短いため、電子輸送層における正孔キャリアのより遅いドリフト速度は、フォトダイオード応答に直接的には寄与しない。この結果、周波数応答及び飽和出力が向上される。しかしながら、この飽和出力における増大は、フォトダイオードの応答性が低くなることを示唆している。

公開特許出願ＵＳ２００７／００９６２４０Ａ１は、飽和出力が低くなることと引き換えに応答性を改善するフォトダイオード構造を提案している。提案のフォトダイオード構造は、一般的な真性の光吸収層に加えて、さらなる光吸収層としてｐドープ層やｎドープ層を含む。この場合、ドープされた（非空乏化）吸収層内の少数キャリア（即ち、ドーピングキャリアとは反対の極性のキャリア）の移動は、基本的に、夫々の拡散時間によって決まる。さらに、少数キャリアは、この時、ドープされた吸収層から真性層まで急速に拡散し、従って、従来のＰＩＮフォトダイオードと比べて合計の輸送時間には大きく影響しない。さらなるドープ吸収層は、全体的な光吸収体積を増加するので、フォトダイオード応答性も高まる。

特許出願ＷＯ０３／０６５４１６は、帯域幅を大きく減少することなくデバイスの応答性を高めるために改良したＰＩＮフォトダイオードを記載している。提案のフォトダイオードは、光吸収層として機能する第２のｐ型半導体層によって結合されたｐ型半導体層及びｎ型半導体層を有する。第２のｐ型半導体層は、キャリアのパスに沿って、アノード付近の高い値からカソードへ向かって低い値へ変化する傾斜ｐドーピング濃度を有する。傾斜ｐドーピング濃度は、吸収層内のキャリアの輸送時間を大幅に減少することなくフォトダイオードの正味吸収を増大する。かかる傾斜したドーピングは、同一の厚みの真性半導体と比べて容量を増大するが、傾斜したドーピングによって生成された疑似電界は、電子に対して、増大した容量を補償するより速い速度を与える可能性がある。

従って、光検出器の応答性と容量の間との望ましいバランスを維持しながら向上した応答時間を提供することができる高速光検出器が必要とされている。

本発明は、既存のシステムの上述の欠点及び不利益を考慮してなされたものであり、その目的は、光検出器の量子効率及び比容量を所望のレベル内に維持しながら向上した応答速度を有する光検出器を提供することである。

この目的は、独立請求項の主題によって解決される。有益な実施形態は、従属請求項の主題によって規定される。

本発明によれば、光検出器であって、意図する範囲内の波長の光を吸収するように構成された第１のバンドギャップエネルギーを有する第１の半導体材料を含む第１の層と、前記第１の層の隣接側と接続する第２の層であって、前記第１のバンドギャップエネルギーよりも高い第２のバンドギャップエネルギーを有する第２の半導体材料を含む第２の層とを備え、前記第１の層、前記第２の層、及び前記第１と第２の層との間の領域うちの少なくとも一つにおけるドーピング濃度の分布は、前記第２の層内に確立された非ゼロ電界が、同一の逆バイアス状況下で前記第１の層内に確立された電界よりも小さくなるというものである光検出器が提供される。

本発明のさらなる発展形態では、前記ドーピング濃度は、前記第１の層の少なくとも一部が、前記逆バイアス状況下で実質的に空乏状態であるようなものである。

本発明のさらなる発展形態によれば、前記第２の層における前記ドーピング濃度は、前記第１の層における前記ドーピング濃度よりも高い。

本発明のさらなる発展形態によれば、前記第２の層に隣接する前記第１の層の領域における前記ドーピング濃度は、前記第１の層の前記領域外の前記第１の層の大部分における前記ドーピング濃度よりも高い。

本発明の他の発展形態では、前記第１の層に隣接する前記第２の層の領域における前記ドーピング濃度は、前記第２の層の前記領域外の前記第２の層の大部分における前記ドーピング濃度よりも高い。

本発明のさらなる発展形態では、前記第２の半導体材料は、軽度にｎ型にドープされた半導体材料でもよい。

本発明のさらなる発展形態では、前記第１のバンドギャップエネルギー及び前記第２のバンドギャップエネルギーは、前記第１の層及び前記第２の層の厚みに沿って実質的に均一である。

本発明のさらなる発展形態では、前記光検出器は、さらに、前記第１の層を前記第２の層と接続させる第３の層であって、前記第３の層の厚みに沿って傾斜バンドギャップエネルギーを有する第３の半導体材料を備える前記第３の層を備える。

本発明のさらなる発展形態では、前記傾斜バンドギャップエネルギーは、前記第１の層に面する前記第３の層の側における前記第１のバンドギャップエネルギーに実質的に等しい値から、前記第２の層に面する前記第３の層の側における前記第２のバンドギャップエネルギーに実質的に等しい値に増大する。

本発明のさらなる発展形態によれば、前記第３の半導体材料は、前記第１の層に面する前記第３の層の前記側において前記第１の半導体材料と実質的に等しい組成から、前記第２の層に面する前記第３の層の前記側において前記第２の半導体材料と実質的に等しい組成に徐々に変化する傾斜組成を有してもよい。それに加えて、又はその代わりに、前記第３の半導体材料は、前記第２の層のドーパントと同一の型のドーパントがドープされた領域を含んでもよい。

本発明のさらなる発展形態では、前記第３の層は、前記第２の層及び／又は前記第１の層に含まれ、前記第３の層は、前記第２の層及び／又は前記第１の層の端側に設けられる。

本発明のさらなる発展形態によれば、前記光検出器は、さらに、外部電気回路に結合されるように構成される第１のオーミックコンタクトと、前記第１のオーミックコンタクトと前記第２の層とは反対側の前記第１の層の隣接側との間に配置される第４の層であって、第４のバンドギャップエネルギー及び第４のドーピング濃度を有する第４の半導体材料を備える第４の層とを備え、前記第４の層は、前記第１の層から前記第１のオーミックコンタクトへの輸送電流の抽出を容易にするための電流拡散層として機能するように構成される。

前記第４のバンドギャップエネルギーは、前記第４の層が窓層であるように前記第１のバンドギャップエネルギーよりも高くてもよい。

本発明のさらなる他の発展形態では、前記光検出器は、さらに、外部電気回路に結合されるように構成される第２のオーミックコンタクトと、前記第２のオーミックコンタクトと前記第１の層とは反対側の前記第２の層の隣接側との間に配置された第５の層であって、第５のバンドギャップエネルギー及び第５のドーピング濃度を有する第５の半導体材料を備える第５の層とを備え、前記第５の層は、前記第２の層から前記第２のオーミックコンタクトへの輸送電流の抽出を容易にするための電流拡散層として機能するように構成される。

さらなる発展形態では、前記第１及び第２のオーミック電極の少なくとも一方はリング形状を有する。

本発明のさらなる発展形態によれば、前記光検出器は、さらに、前記第２の層と前記第５の層の間に配置された第７の層であって、第７のバンドギャップエネルギー及び第７のドーピング濃度を有する第７の半導体材料を備える第７の層を備え、前記第７のバンドギャップエネルギーは、前記第７の層を通る少数キャリアの流れが遮断されるように前記第２のバンドギャップエネルギー及び前記第５のバンドギャップエネルギーよりも高い。

本発明のさらなる発展形態によれば、前記第１の半導体材料はＧａＡｓ化合物を備え、前記第２〜第７の半導体材料のうち少なくとも一つはＡｌＧａＡｓ化合物を備える。

添付の図面は、本発明の原理を説明するために本明細書に組み込まれてその一部を形成する。図面は、本発明がどのようになされて使用されることができるかを図示及び記載した例のみに本発明を限定するものと解釈されるべきではない。図面は、本発明がどのように実施されて使用されることができるかの有利な例や代替的な例を示す目的しかなく、図示の実施形態のみに本発明を限定するものと解釈されるべきではない。さらに、本実施形態のいくつかの態様は、個々に、又は様々な組み合わせにおいて、本発明に係る課題解決法を形成してもよい。以下に説明する実施形態は、従って、単独又はその任意の組み合わせのいずれかにおいて検討することができる。

さらなる特徴及び利点は、添付の図面に示す本発明の様々な実施形態の以下のより具体的な記載から明らかになり、図面では、同様の参照記号は同様の要素を指している。
本発明の一実施形態に係る光検出器の断面図を示す。 図１に示す光検出器のバンド図を示す。

本発明によって構成された光検出器の有利な実施形態を、添付の図面を参照してさらに詳細に説明する。

後述のように、「真性半導体」という用語は、純粋な、ドープされていないという当該技術のその一般的な意味の範囲内で理解されるべきであり、非意図的にドープされた軽度にドープされた半導体も含んでもよい。「ドープされた」という用語は、後述する真性半導体のドーピング濃度よりも高いドーピング濃度を有するｎ型又はｐ型にドープされた半導体を指すために使用される。

図１は、本発明の一実施形態に係る光検出器の断面図を示す。図示の実施形態では、光検出器１００は、基板１０１とは反対の光検出器１００の側である上側から垂直に照射される。しかしながら、入射光が底側、即ち、光検出器基板１０１の側を照らす他の構成が構想されてもよい。さらに、「上」及び「底」という用語は、光検出器１００の相対する側を特定することだけを目的として使用される相対的な用語と解釈されるべきであり、使用時の光検出器１００の物理的な向きに関して限定するものと解釈されるべきではない。

光検出器１００は、光吸収層として機能する第１の半導体層１０２と、入射光１０６の側とは反対の光吸収層１０２の隣接側に配置され、光吸収層１０２に接続する第２の半導体層１０４とを備える。第２の半導体層１０４は、後述のように、ドリフト層とも呼ばれるキャリア走行層として機能する。光検出器１００は、さらに、光吸収層１０２とドリフト層１０４との間に配置された第３の半導体層１０５を備え、第３の半導体層１０５は、光吸収層１０２とドリフト層１０４の隣接側同士を接続している。第３の半導体層１０５は、後に説明するように、傾斜バンドギャップエネルギー層、即ち単純な傾斜層である。

ドリフト層１０４に隣接する側とは反対の光吸収層１０２の隣接側において、フォトダイオード１００は、さらに、ドープされた半導体材料からなる第４の半導体層１１０を備え、第４の半導体層１１０は、後述のように、電流拡散層として機能する。第４の半導体層１１０と同じ型のドープされた半導体材料、図示の実施形態ではｐ型半導体を含む第１のコンタクト層１１２が、電流拡散層１１０の上部に設けられている。第１のコンタクト層１１２は、光検出器構造の上部に堆積した第１のオーミックコンタクト１１４との電流拡散層１１０の電気的接触を改善するためのものである。第１のコンタクト層１１２は、キャッピング層として機能してもよい。コンタクト層１１２上に形成される第１のオーミックコンタクト１１４は、好ましくは、下方の半導体層を完全には被覆せず、垂直な入射光１０６がｐ型コンタクト層１１２を直接照らすことができるようにリング形状を有する。第１のオーミックコンタクト１１４のこの設計により、入射光１０６は、オーミックコンタクト１１４を通らずに下方の半導体層に直接伝達される。他の実施形態では、第１のオーミックコンタクト１１４は、閉鎖円形状等の他の設計を備えてもよい。

光検出器１００は、さらに、光吸収層１０２に隣接する側とは反対のドリフト層１０４の側に配置された第５の半導体層１１６を備える。第５の半導体層１１６も、光検出器１００のこの側で電流拡散層として機能するので、第５の半導体層１１６は、第４の半導体層１１０とは反対の極性のキャリアを提供する不純物がドープされた半導体材料を備える。第５の半導体層１１６と基板１０１の間には、第５の半導体層１１６と同じドーピング型の半導体材料を含む第２のコンタクト層１１８が設けられる。図１に示すように、第２のコンタクト層１１８は、上方に形成された垂直に積層された半導体層の範囲を超えて基板１０１上に延在している。第２のコンタクト層１１８は、電流拡散層１１６と第２のコンタクト層１１８上に堆積した第２のオーミックコンタクト１２０との間の電気的結合を向上する。第１のオーミックコンタクト１１４と同様に、第２のオーミックコンタクト１２０は、好ましくは、第２のコンタクト層１１８上に堆積して半導体層の垂直積層構造の周りに同心的に配置された平らなリングの設計を備える。他の実施形態では、第２のオーミックコンタクト１２０は、その他の設計を採用してもよく、例えば、垂直積層構造の各側にて第２のコンタクト層１１８上に堆積した２つの平行なストライプ電極として設けられてもよい。

第１のオーミックコンタクト１１４及び第２のオーミックコンタクト１２０は、好ましくは、アルミニウム、銀、金又は銅等の導電性材料からなる。本実施形態では、第１及び第２のオーミックコンタクトは、夫々、フォトダイオード１００を外部回路（図示せず）に電気的に接続するためのアノードコンタクト及びカソードコンタクトとして機能する。

図１を参照して説明するように、光検出器１００は、基板１０１上に垂直に積層された層のヘテロ構造として形成される。本実施形態では、基板は、ＧａＡｓ化合物からなる。しかしながら、その他の種類の基板が使用されてもよい。即ち、基板は、ＡｌＧａＡｓ化合物等の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を提供するのに適した材料のものでもよい。他の実施形態では、第２のコンタクト層１１８自体は、光検出器構造の基板として機能してもよい。

光検出器１００を形成する層のさらなる細部を図２を参照して説明し、図２は、図１に示す光検出器１００に関するバンド図を示す。バンド図２００は、図１に示す垂直方向１２４における光検出器層の厚みに沿う伝導帯端２０２と価電子帯端２０４の
変化を概略的に示す。各層に関するバンドギャップエネルギーは、バンド図２００の垂直方向における各層の伝導帯端２０２と価電子帯端２０４との間の分離として描かれている。バンド図２００における水平方向は、図１に示される光検出器１００のアノード１１４とカソード１２０との間のキャリアの導電パスを表す。

光検出器１００の構造の基礎となる原理は、トリミングしたドーピングプロファイルによって大幅に低い電界において高い移動度によって特定されるドリフト層と結合した、印加された電界が高い薄い光吸収層を使用することにある。

より高い移動度を備える電荷キャリアのみがドリフト層１０４を走行しなければならないように光検出器１００を設計すると有利である。この原理は、ＧａＡｓ及びＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（Ｘ＝０…１）化合物等の、電子が正孔よりも高い移動度を有する半導体材料に対して特に有利である一実施形態によって示されている。本実施形態は、電子のみ（より高い移動度を備えるキャリア）がドリフト層１０４を走行しなければならないが、正孔（より低い移動度を備えるキャリア）は、電流拡散層１１０に到達する前に光吸収層１０２の厚み未満又は最大でもそれに等しい距離を走行するだけでよい。

光検出器１００では、吸収層１０２は、真性の半導体材料を備え、対象の範囲内の波長を有する光子の吸収によって光吸収層１０２内での電子‐正孔対の発生を可能にするバンドギャップエネルギー２０６を有する。対象範囲が８５０ｎｍの波長に近いという特定の場合において、光吸収層１０２は、好ましくは、真性のＧａＡｓ（ｉ‐ＧａＡｓ）半導体材料からなる。他の真性半導体材料に対するドープされていないＧａＡｓのより低いバンドギャップエネルギーは、光通信において対象の波長における光吸収に適している。光吸収層１０２の垂直長さ（厚み）は、光検出器１００にとって望ましい特定の特性に応じてカスタマイズされてもよい。光吸収層１０２の厚みに適した範囲は、約０．１μｍ〜２μｍである。そのドープされていない状態のため、光吸収層１０２は、基本的に、光検出器１００の動作中は空乏状態にあり、必要に応じて光吸収層１０２内に高電界プロファイル（電位勾配）が確立されることを支援する。高電界により、光吸収層１０２内の「自由な」キャリアの輸送時間を減少することが可能になる。

ドリフト層１０４は、ドリフト層１０４が基本的にキャリア輸送層として機能するようにバンドギャップエネルギー２０８を有する半導体材料を備える。図２に示すように、ドリフト層１０４のバンドギャップエネルギー２０８は、光吸収層１０２のバンドギャップエネルギー２０６よりも大きい。特に、バンドギャップエネルギー２０８は、対象の範囲内の光波長においてドリフト層１０４によって光の吸収を防止、又は少なくとも大幅に減少するのに十分に大きい。図示の実施形態では、ドリフト層１０４は、真性又は軽度にｎ型にドープされたＡｌＧａＡｓ（Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ，Ｘ＝０…１）化合物半導体合金を含む。好ましくは、ドリフト層１０４には、最大５μｍの垂直厚みが使用されてもよい。使用される特定の厚みは、その他の層、特に光吸収層１０２の相対的な厚みによって決まり、光検出器１００に対して所望の特徴に応じてカスタマイズされてもよい。

ドリフト層１０４における電界は、後で説明するように光吸収層１０２における電界よりも低い。光吸収層１０２に対するドリフト層１０４における電界の減少は、光吸収層１０２に関する価電子帯端２０４及び伝導帯端２０２におけるより高い勾配からドリフト層１０４に関するより低い勾配への変化として図２に描かれている。この特有の勾配プロファイルは、上述の背景技術等の既知のＰＩＮフォトダイオード構造における吸収及び収集層の構造全体に現れる従来の一定の勾配とは対照的である。図２に描かれるように光吸収層１０２とドリフト層１０４との間の価電子帯端及び伝導帯端の勾配の差にも拘らず、光吸収層１０２及びドリフト層１０４のバンドギャップエネルギーは、夫々の層の厚みに沿って本質的に均一なままである。

本実施形態では、より高い電界の光吸収層１０２からより低い電界のドリフト層１０４への移行は、傾斜層１０５によって行われる。傾斜層１０５は、その垂直厚みに沿って徐々に変化する組成を有する半導体材料を備える。かかる半導体組成の段階的変化は、バンドギャップエネルギーの対応する段階的変化によって達成される。好ましくは、傾斜層１０５内の半導体組成は、バンドギャップエネルギーが、光吸収層１０２に直接隣接する傾斜層１０５の側では、光吸収層１０２のバンドギャップエネルギー２０６に実質的に等しく、ドリフト層１０４に直接隣接する傾斜層１０５の側ではドリフト層１０４のバンドギャップエネルギー２０８に実質的に等しい第２のバンドギャップエネルギーに向かって傾斜層１０５の垂直厚みに沿って徐々に変化するように、変化する。本実施形態では、半導体材料の組成は、図２に示すドリフト層１０４に向かって傾斜層１０５に沿うバンドギャップエネルギーの段階的な増加が得られるように変化する。

光吸収層１０２に対するドリフト層１０４での電界の減少は、光吸収層１０２、ドリフト層１０４、及びそれら２つの層の間の、図示の実施形態では傾斜層１０５を含む領域におけるドーパント濃度の分布によって実現される。有利な実施形態では、ドリフト層１０４における電界は、光吸収層１０２に隣接する傾斜層１０５の領域をｎ型ドーピングすることによって減少する。このドープされた領域は、傾斜層１０５よりも実質的に薄くてもよいが、傾斜層１０５と同じ厚みでもよい。ドリフト層１０４における電界の所望の減少を達成するのに、薄いドープ領域ほど高いドーピングレベルを要するが、厚い領域ほど低いドーピングレベルで済む。ドリフト層１０４における電界の特定の減少を達成する主な要因は、光吸収層１０２に直接隣接するドープされた領域に導入されたｎ型ドーパントによる合計の固定の比電荷であると認められる。本発明の他の実施形態では、ドリフト層１０４における電界の減少は、ドリフト層１０４自体の大部分のｎ型ドーピングによって達成される。また、この実施形態では、ドリフト層１０４における電界の減少は、単位面積当たりのｎ型ドーパントによる合計固定電荷によって制御されると認められる。その他の実施形態は、傾斜層１０５の一部のドーピングとドリフト層１０４の一部又は全体のドーピングを組み合わせてもよい。いずれにしても、ドリフト層１０４内で電界の所望の減少を生じるｎ型ドーパントの濃度は、キャリア輸送には関与するが対象領域において光を基本的に吸収しない層、即ち、傾斜層１０５及びドリフト層１０４に分布される。さらに他の実施形態は、ドリフト層１０４、又は、層１０５及び１０４を含む領域、及び／又は、層１０４に隣接する層１０２の領域における特定の箇所に置かれた大幅に高いドーピングレベルを備える１つ又は数か所の非常に狭い領域に沿って分布する可変のドーピングレベルを使用してもよい。上述のドーパント濃度の分布は、当該技術において周知であるため本明細書には記載していないドーピング技術を使用して達成されてもよい。

また、一般に、電荷キャリアは、真性半導体材料においてより高い移動度を有すること、及び、この移動度は、この材料におけるドーピング濃度の上昇とともに低下することが認められる。従って、真性又は軽度にドープされたドリフト層１０４を採用すると有利である可能性があるが、ドリフト層１０４における電界の減少は、主に、キャリアの輸送時間に対する低下した移動度（ドーピングによって生じる）の影響が大きくならないように傾斜層１０５のほんの一部だけをドーピングすることによって達成される。

光吸収層１０２が真性ＧａＡｓ半導体材料を備え、ドリフト層１０４が真性又は軽度にｎドープされたＡｌＧａＡｓ化合物を備える図示の実施形態では、傾斜層１０５は、傾斜濃度ｘのアルミニウムを含む軽度にｎドープされたＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ化合物を備える。パラメータｘは、このとき、光吸収層１０２に直接隣接する側にてほぼゼロの値（ＧａＡｓ）を採用し、ドリフト層１０４に直接隣接する側にて、ドリフト層１０４に使用されるＡｌ_xＧａ_1-xＡｓのｘ濃度と類似の値に到達するまで傾斜層１０５に亘って徐々に増加する。傾斜バンドギャップエネルギーは、基本的に、少数キャリア、即ち、ｎドープされた半導体層の場合は正孔に対して作用する疑似電界を傾斜層１０５内に生成する。本実施形態では、傾斜層１０５は、僅かにドープされたｎ型半導体である。従って、生成された疑似電界は、基本的に、正孔の輸送速度を上げることによってドリフト層１０４から注入される正孔キャリアに作用する。この効果は、図２において、傾斜層１０５の価電子帯端の増大した勾配によって描かれている。また、傾斜層１０５は、光吸収層１０２とドリフト層１０４との間のバンドギャップエネルギーの差から生じる光吸収層１０２とドリフト層１０４の価電子帯端の間の不一致を補償する。さらに、光吸収層１０２に近い領域内の傾斜層１０５のバンドギャップエネルギーは、光吸収層１０２のバンドギャップエネルギーと同等であるため、入射光子は、傾斜層１０５の一部の上方で吸収される可能性もある。他の実施形態では、傾斜層１０５は、傾斜半導体化合物に加えて、又はその代わりに、傾斜したドーピング濃度を示してもよい。傾斜したドーピング濃度は、両方の種類のキャリア、即ち、正孔及び電子に作用するさらなる電界を生成し、従って、夫々の輸送時間を減少することに寄与する。従って、ｐ‐ｉ‐ｎ結合に亘って変化する電界を慎重に調整することで、両種類のキャリアのより短い輸送時間を達成することができる。

他の実施形態では、傾斜層１０５は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ化合物の２つ以上の層の複層構造として実施されてもよく、各層は、先立つ層（１つ又は複数）における濃度ｘに対して徐々に増加する濃度ｘを有する。他の実施形態では、バンドギャップ傾斜効果提供傾斜層１０５は、光吸収層１０２及びドリフト層１０４の何れか又は両方に組み込まれる傾斜組成の領域によって置き換えられてもよい。この構成では、傾斜層１０５は物理的には存在しないが、光吸収層１０２及び／又はドリフト層１０４に含まれており、光吸収層１０２とドリフト層１０４は、この場合、夫々の対応する隣接側によって直接接続されている。上述の傾斜層１０５と類似の材料組成における傾斜は、光吸収層１０２（又はドリフト層１０４）の大部分の材料組成やドーピングからのドリフト層１０４（又は光吸収層１０２）の大部分の材料組成やドーピングへの段階的移行が達成されるように、ドリフト層１０４と接続する光吸収層１０２の端領域内、又は光吸収層１０２と接続するドリフト層１０４の端領域内で実施することができる。

上述のように、光吸収層１０２とｐコンタクト層１１２との間にはｐ側電流拡散層１１０が配置されている。ｐ側電流拡散層１１０は、アノード１１４へ光検出器１００の電流を抽出することを支援する機能を有する。即ち、アノード１１４がリングコンタクトである場合、ｐ側電流拡散層１１０は、光検出器１００の抵抗を減少することを支援する。好ましくは、ｐ側電流拡散層１１０は、直接隣接する光吸収層１０２に光吸収を制限するように光吸収層１０２のバンドギャップエネルギー２０６よりも十分に高いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料を含む。この意味で、ｐ側電流拡散層１１０は、光検出器１００の上側（即ち、図示の実施形態ではｐ側）に入射する光が減衰せずに通過することを可能にするため、窓層として機能する。さらに、光吸収層１０２と比べてｐ側電流拡散層１１０の非常に高いバンドギャップエネルギーも、光吸収層１０２に生じた電子キャリアがアノード１１４に向かって流れることを防止する。また、ｐ側電流拡散層１１０は、光検出器１００の光応答にノイズ成分を追加するアノード１１４から光吸収層１０２への電子の流れを遮断することにも寄与する。好ましくは、ｐ側電流拡散層１１０に使用される半導体材料は、ｐドープされたＡｌＧａＡｓ化合物である。ｐ側電流拡散層１１０のドーピング濃度は、好ましくは、光吸収層１０２のドーピング濃度よりも高く、ｐコンタクト層１１２のドーピング濃度よりも大幅に低い。好ましくは、ｐコンタクト層１１２は、ｐドープされたＧａＡｓ化合物等の重度にドープされたｐ型半導体である。

上述のように、光検出器１００は、光検出器１００のｎ側にも電流拡散層１１６を備える。ｎ側電流拡散層１１６は、ｐ側電流拡散層１１０と類似の機能を提供するが、光検出器１００のｎドープ側の特性に適応させている。特に、ｎ側電流拡散層１１６は、好ましくは、対象の波長における入射光の吸収に寄与せず、アノード１１４に向かう光生成正孔キャリアの移動を促進するように、ドリフト層１０４、傾斜層１０５及び光吸収層１０２のバンドギャップエネルギー２０８よりも高いバンドギャップエネルギーを有するｎドープされた半導体材料を備える。さらに、ｎ側電流拡散層１１６のバンドギャップエネルギーは、ｎコンタクト層１１８のバンドギャップエネルギーよりも大幅に高い。従って、ｎコンタクト層１１８からドリフト層１０４への正孔キャリアの流れも遮断され、それにより、光検出器１００の応答におけるノイズ成分を減少する。好ましくは、ｎ側電流拡散層１１６は、ｎドープされたＡｌＧａＡｓ化合物層として設けられる。ｎコンタクト層１１８に適した材料は、ｎドープされたＧａＡｓ材料である。

電流拡散層の厚みは、光検出器構造のその他の層の厚み等の光検出器１００の特性に応じてカスタマイズされ、それらの特定のドーピング濃度は、所望の電流拡散機能を提供するために当該技術において一般的に使用されている任意のものでもよい。好ましくは、ｐ側電流拡散層１１０及び／又はｎ側電流拡散層１１６の厚みは、実質的に１μｍから２μｍとの間である。その他の実施形態では、光検出器のｐ側及び／又はｎ側における電流拡散層の存在は省略してもよい。例えば、光検出器が、基板としても機能するｎコンタクト層を有する実施形態では、光検出器の底部全体が導電性であるため、光検出器のｎ側における電流拡散層の機能はあまり重要ではない。かかる構成では、ｎ側電流拡散層は省略してもよい。

カソード側からドリフト層１０４及び光吸収層１０２への正孔キャリアの流れを阻止するためのさらなる寄与が、ドリフト層１０４とｎ側電流拡散層１１６の間に配置された薄い半導体バリア層１２２によって提供されてもよい。カソード側からの正孔キャリアがドリフト層１０４に進入してしまった場合、正孔キャリアは、アノード１１４に向かってドリフト及び吸収領域内へ掃き出され、光検出器応答においてさらなるノイズ成分を生じる。かかるノイズ成分が重要ではない場合、バリア層１２２は、光検出器１００の構造において省略してもよい。バリア層１２２に関するドーピング濃度及びバンドギャップエネルギーは、バリア層１２２自体における少数キャリア、即ち、ドーピングの極性とは反対の極性のキャリアの流れに対抗する所望のキャリア遮蔽効果を提供するように選択される。好ましくは、バリア層１２２のバンドギャップエネルギーは、隣接するドリフト層１０４のバンドギャップエネルギー及びｎ側電流拡散層１１６のバンドギャップエネルギーよりも大きい。図示の実施形態では、バリア層１２２は、略２０ｎｍの垂直厚みを有するｎドープされたＡｌＧａＡｓ化合物からなる。しかしながら、その他の半導体材料及び／又はドーピング濃度は、バリア層に関する所望の遮断効果を達成するために光検出器の特定のパラメータに基づいて、当業者によって容易に決定することができる。他の実施形態では、バリア層１２２は、エッチング停止層としても機能してもよい。

他の実施形態では、光検出器１００は、さらに、アノード１１４から光吸収層１０２への電子キャリアの流れを遮断するように光吸収層１０２とｐ側電流拡散層１１０との間に配置されたｐドープされた半導体のバリア層を備えていてもよい。ｐドープ及びｎドープされたバリア層は、このとき、特定の用途に応じて光検出器のｐ側及びｎ側の両方又は一方のみに設けられてもよい。

上述のように光検出器１００のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓベースの構造を形成するために使用されるドーピングレベル及び厚みの例示的な値が表１にまとめられている。当該技術において一般的に使用されているように、ｐ^＋＋という記号は、重度にｐドープされた材料を指し、ｐ^＋及びｎ^＋は、夫々、適度なレベルのｐドーピング及びｎドーピングを指す。

図１及び図２には示されていないが、光検出器１００は、性能を改善するためのさらなる機能層を備えていてもよい。例えば、より低ドーピングの「セットバック」層が、真性半導体層の隣に挿入されてもよい。さらに、上述の実施形態は、ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓ材料に基づく層のヘテロ構造を有する光検出器を参照して説明したが、本発明は、選択された半導体材料が、上述のバンドギャップエネルギー及び／又はドーピング濃度の相対関係に従うバンドギャップエネルギー及び／又はドーピング濃度を有する限り、ＧａＡａ及びＡｌＧａＡｓの代わりに夫々その他の化合物又は基本的な半導体材料を使用して実施してもよい。さらに、本発明は垂直に照らされる構造を参照して記載されているが、本発明の原理は、導波路構造を有する光検出器に適用してもよい。当業者には容易に認識されるように、「垂直に照らされる」及び「垂直積層構造」という用語は、光検出器の使用又は構造を垂直な向きに限定することを意図せず、水平積層構造に沿う光信号の検出及び／又は垂直積層構造を有する光検出器等、その他の向きが採用されてもよい。さらに、上述の光検出器構造の原理は、共振空洞増強（ＲＣＥ）型の光検出器に埋め込むことができるので有利である。

１００ 光検出器
１０１ 基板
１０２ 光吸収層
１０４ ドリフト層
１０６ 入射光
１０５ 傾斜バンドギャップ層（傾斜層）
１１０ 窓、ｐ型電流拡散層
１１２ キャッピング及びｐコンタクト層
１１４ アノード
１１６ ｎ側電流拡散層
１１８ ｎコンタクト層
１２０ カソード
１２２ 少数キャリア（正孔）に対するバリア（及びエッチング停止として機能することができる）
１２４ 垂直方向
２００ バンドギャップ図
２０２ 伝導帯端
２０４ 価電子帯端
２０６ 光吸収層のバンドギャップエネルギー
２０８ ドリフト層のバンドギャップエネルギー

Claims (15)

1. 光検出器であって、
   意図する範囲内の波長の光を吸収するように構成された第１のバンドギャップエネルギー（２０６）を有する第１の半導体材料を含む第１の層（１０２）と、
   前記第１の層（１０２）の隣接側と接続する第２の層（１０４）とを備え、
   前記第２の層（１０４）は、前記第１のバンドギャップエネルギー（２０６）よりも高い第２のバンドギャップエネルギー（２０８）を有する第２の半導体材料を含み、
   前記第１の層（１０２）、前記第２の層（１０４）、及び前記第１と第２の層との間の領域うちの少なくとも一つにおけるドーピング濃度の分布は、前記第２の層（１０４）内に確立される非ゼロ電界が、同一の逆バイアス状況下で前記第１の層（１０２）内に確立される電界よりも小さくなるというものである光検出器。
2. 前記ドーピング濃度は、
   前記第１の層（１０２）の少なくとも一部が、前記逆バイアス状況下で実質的に空乏状態である、及び／又は、
   前記第２の層（１０４）における前記ドーピング濃度は、前記第１の層（１０２）における前記ドーピング濃度よりも高いというものである、
   請求項１に記載の光検出器。
3. 前記第２の層（１０４）に隣接する前記第１の層（１０２）の領域における前記ドーピング濃度は、前記第１の層（１０２）の前記領域外の前記第１の層（１０２）の大部分における前記ドーピング濃度よりも高い、又は
   前記第１の層（１０２）に隣接する前記第２の層（１０４）の領域における前記ドーピング濃度は、前記第２の層（１０４）の前記領域外の前記第２の層（１０４）の大部分における前記ドーピング濃度よりも高い、
   請求項１又は請求項２に記載の光検出器。
4. 前記第２の半導体材料は、軽度にｎ型にドープされた半導体材料である、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の光検出器。
5. 前記第１のバンドギャップエネルギー（２０６）及び前記第２のバンドギャップエネルギー（２０８）は、前記第１の層（１０２）及び前記第２の層（１０４）の厚みに沿って実質的に均一である、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の光検出器。
6. 前記第１の層（１０２）を前記第２の層（１０４）に接続させる第３の層（１０５）を更に備え、
   前記第３の層（１０５）は、前記第３の層（１０５）の厚みに沿って傾斜バンドギャップエネルギーを有する第３の半導体材料を備える、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の光検出器。
7. 前記傾斜バンドギャップエネルギーは、前記第１の層（１０２）に面する前記第３の層（１０５）の側における前記第１のバンドギャップエネルギー（２０６）に実質的に等しい値から、前記第２の層（１０４）に面する前記第３の層（１０５）の側における前記第２のバンドギャップエネルギー（２０８）に実質的に等しい値に増大する、
   請求項６に記載の光検出器。
8. 前記第３の半導体材料は、前記第１の層（１０２）に面する前記第３の層（１０５）の前記側において前記第１の半導体材料と実質的に等しい組成から、前記第２の層（１０４）に面する前記第３の層（１０５）の前記側において前記第２の半導体材料と実質的に等しい組成に徐々に変化する傾斜組成を有する、及び／又は、
   前記第３の半導体材料は、前記第２の層（１０４）のドーパントと同一の型のドーパントによってドープされた領域を備える、
   請求項６又は請求項７に記載の光検出器。
9. 前記第３の層（１０５）は、前記第２の層（１０４）及び／又は前記第１の層（１０２）に含まれ、
   前記第３の層（１０５）は、前記第２の層（１０４））及び／又は前記第１の層（１０２）の端側に設けられる、
   請求項５〜８のいずれか一項に記載の光検出器。
10. 外部電気回路に結合されるように構成された第１のオーミックコンタクト（１１４）と、
    前記第１のオーミックコンタクト（１１４）と、前記第２の層（１０４）とは反対の前記第１の層（１０２）の隣接側との間に配置される第４の層（１１０）とをさらに備え、
    前記第４の層（１１０）は、第４のバンドギャップエネルギー及び第４のドーピング濃度を有する第４の半導体材料を含み、
    前記第４の層（１１０）は、前記第１の層（１０２）から前記第１のオーミックコンタクト（１１４）への輸送電流の抽出を容易にするための電流拡散層として機能するように構成される、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の光検出器。
11. 前記第４のバンドギャップエネルギーは、前記第４の層（１１０）が窓層であるように、前記第１のバンドギャップエネルギー（２０６）よりも高い、
    請求項１０に記載の光検出器。
12. 外部電気回路に結合されるように構成された第２のオーミックコンタクト（１２０）と、
    前記第２のオーミックコンタクト（１２０）と、前記第１の層（１０２）とは反対の前記第２の層（１０４）の隣接側との間に配置された第５の層（１１６）とをさらに備え、
    前記第５の層（１１６）は、第５のバンドギャップエネルギー及び第５のドーピング濃度を有する第５の半導体材料を含み、
    前記第５の層（１１６）は、前記第２の層（１０４）から前記第２のオーミックコンタクト（１２０）への輸送電流の抽出を容易にするための電流拡散層として機能するように構成される、
    請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光検出器。
13. 前記第１及び第２のオーミック電極の少なくとも一方はリング形状を有する、
    請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の光検出器。
14. 前記第２の層（１０４）と前記第５の層（１１６）との間に配置された第７の層（１２２）をさらに備え、
    前記第７の層（１２２）は、第７のバンドギャップエネルギー及び第７のドーピング濃度を有する第７の半導体材料を含み、
    前記第７のバンドギャップエネルギーは、前記第７の層（１２２）を通る少数キャリアの流れが遮断されるように前記第２のバンドギャップエネルギー（２０８）及び前記第５のバンドギャップエネルギーよりも高い、
    請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光検出器。
15. 前記第１の半導体材料はＧａＡｓ化合物を備え、
    前記第２〜第７の半導体材料のうちの少なくとも一つはＡｌＧａＡｓ化合物を備える、
    請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光検出器。

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