JPH01140679A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH01140679A JPH01140679A JP62299118A JP29911887A JPH01140679A JP H01140679 A JPH01140679 A JP H01140679A JP 62299118 A JP62299118 A JP 62299118A JP 29911887 A JP29911887 A JP 29911887A JP H01140679 A JPH01140679 A JP H01140679A
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- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
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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
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体受光素子に関し、特に１．５５μｍの波
長の光を選択的に吸収する半導体受光素子に関する。
長の光を選択的に吸収する半導体受光素子に関する。
従来の半導体受光素子に動作原理は、第３図に示すよう
に、ｐ領域とｎ領域の接点であるｐｎ接合部に形成され
る空乏層中でのバンド間光吸収を利用している。すなわ
ち、光は空乏層中で吸収されてキャリアを生成する。こ
の生成したキャリアが空乏層端にたどりつき光電流とな
って光電変換がなされる。
に、ｐ領域とｎ領域の接点であるｐｎ接合部に形成され
る空乏層中でのバンド間光吸収を利用している。すなわ
ち、光は空乏層中で吸収されてキャリアを生成する。こ
の生成したキャリアが空乏層端にたどりつき光電流とな
って光電変換がなされる。
上述したように従来の半導体受光素子の動作原理は、ｐ
ｎ接合部に形成される空乏層でのバンド間光吸収を利用
している。そのため、禁制帯幅以上のエネルギーを有す
る光については、全て吸収してしまい波長に選択性に乏
しく、ある波長領域に含まれる完全体を光電変換するこ
とは可能であっても、特定の波長のみを選択的に光電変
換することはできない。このため、例えば第４図におい
て、受光感度領域２４を有する半導体受光素子で第４図
に示す光スペクトル分布を有する光を受光した場合には
、受光感度領域２４に含まれるすべての波長の光を光電
変換することになる。特にスペクトル２１とスペクトル
２２を分離して、スぺクトル２２のみを受光したい場合
には、分波器と組み合せて、スペクトル２２の波長番含
む受光感度領域２５を有する半導体受光素子を′構成し
ている。この場合でも信号成分のスペクトル２２の他に
受光感度領域２２に含まれる迷光成分２３を受光してし
まう欠点がある。このような欠点は、例えば光通信分野
で今後波長多重通信方式がさかんに行われるようになる
と、特に重要な問題となってくる可能性がある。
ｎ接合部に形成される空乏層でのバンド間光吸収を利用
している。そのため、禁制帯幅以上のエネルギーを有す
る光については、全て吸収してしまい波長に選択性に乏
しく、ある波長領域に含まれる完全体を光電変換するこ
とは可能であっても、特定の波長のみを選択的に光電変
換することはできない。このため、例えば第４図におい
て、受光感度領域２４を有する半導体受光素子で第４図
に示す光スペクトル分布を有する光を受光した場合には
、受光感度領域２４に含まれるすべての波長の光を光電
変換することになる。特にスペクトル２１とスペクトル
２２を分離して、スぺクトル２２のみを受光したい場合
には、分波器と組み合せて、スペクトル２２の波長番含
む受光感度領域２５を有する半導体受光素子を′構成し
ている。この場合でも信号成分のスペクトル２２の他に
受光感度領域２２に含まれる迷光成分２３を受光してし
まう欠点がある。このような欠点は、例えば光通信分野
で今後波長多重通信方式がさかんに行われるようになる
と、特に重要な問題となってくる可能性がある。
本発明の半導体受光素子は禁制帯幅が０．８ｅＶよりも
大きい半導体で構成されたｐｉｎ構造を有しており、か
つ低キヤリア濃度領域すなわちｉ領域にエルビウム（Ｅ
ｒ）がドーピングされている。
大きい半導体で構成されたｐｉｎ構造を有しており、か
つ低キヤリア濃度領域すなわちｉ領域にエルビウム（Ｅ
ｒ）がドーピングされている。
すなわち、従来の半導体受光素子が価電子帯と伝導体の
バンド間光吸収を利用した動作原理であるのに対し、本
発明の半導体受光素子はエルビウム（Ｅｒ）の４ｆ軌軌
道値に関与した原子内準位を利用している点に特徴があ
る。
バンド間光吸収を利用した動作原理であるのに対し、本
発明の半導体受光素子はエルビウム（Ｅｒ）の４ｆ軌軌
道値に関与した原子内準位を利用している点に特徴があ
る。
〔実施例−１〕
次に本発明の一実施例について図面を参照して説明する
。
。
第１図は本発明の第１の実施例の縦断面図である。図中
、１はｎ”−ＩｎＰ層からなる半導体基板、２はＩｎＰ
からなるｎ型半導体層、３はｎ”−−ＩｎＰ層からなり
、かつエルビウム（Ｅｒ）がドーピングされた低キヤリ
ア濃度の半導体層、４はｎ−ＩｎＰからなる半導体層で
、選択的にＺｎ拡散によってｐ −Ｉ ｎ Ｐよりなる
半導体領域５が形成されている。半導体層４及び５の上
Ｇこは表面保護膜６が形成されており、ｎ型半導体領域
５に接触するように、表面電極７が形成され、半導体基
板１の裏面には裏面電極８が形成されている。 ここで
重要なことは、まず第１に、波長１．５５μｍの光に対
して少なくとも半導体層２．３．４のバンド間光吸収が
ないように半導体層２，３．４のバンドギ１ヤ・ツブが
０．８ｅＶよりも大きいことである。第２に、少くとも
電極７゜８間に逆バイアスを印加した動作状態におし）
て、ｐｎ接合部９に形成される空乏層が半導体層２ｃこ
達するように半導体層３の濃度及び厚さ及びｐｎ接合部
９の位置を設計するこが重要である。この場合、ｐｎ接
合部９の位置は半導体Ｎ３の内に位置してもかまわない
。
、１はｎ”−ＩｎＰ層からなる半導体基板、２はＩｎＰ
からなるｎ型半導体層、３はｎ”−−ＩｎＰ層からなり
、かつエルビウム（Ｅｒ）がドーピングされた低キヤリ
ア濃度の半導体層、４はｎ−ＩｎＰからなる半導体層で
、選択的にＺｎ拡散によってｐ −Ｉ ｎ Ｐよりなる
半導体領域５が形成されている。半導体層４及び５の上
Ｇこは表面保護膜６が形成されており、ｎ型半導体領域
５に接触するように、表面電極７が形成され、半導体基
板１の裏面には裏面電極８が形成されている。 ここで
重要なことは、まず第１に、波長１．５５μｍの光に対
して少なくとも半導体層２．３．４のバンド間光吸収が
ないように半導体層２，３．４のバンドギ１ヤ・ツブが
０．８ｅＶよりも大きいことである。第２に、少くとも
電極７゜８間に逆バイアスを印加した動作状態におし）
て、ｐｎ接合部９に形成される空乏層が半導体層２ｃこ
達するように半導体層３の濃度及び厚さ及びｐｎ接合部
９の位置を設計するこが重要である。この場合、ｐｎ接
合部９の位置は半導体Ｎ３の内に位置してもかまわない
。
ここで、動作原理を説明する前にエルビウム（Ｅｒ）及
びエルビウムが属するランタニド系列の特徴を簡単に説
明する。ランタニド系列は４ｆ軌道を有する元素で、こ
の４ｆ軌道は原子核近傍に位置している。このため他の
元素との化学結合は、４ｆ軌道よりもずっと空間的に拡
がった電子軌道を有する５ｄ電子軌道のみが関与してν
）る。
びエルビウムが属するランタニド系列の特徴を簡単に説
明する。ランタニド系列は４ｆ軌道を有する元素で、こ
の４ｆ軌道は原子核近傍に位置している。このため他の
元素との化学結合は、４ｆ軌道よりもずっと空間的に拡
がった電子軌道を有する５ｄ電子軌道のみが関与してν
）る。
よってこの４ｆ軌道の電子は、化学結合等による他の軌
道電子との相互作用が極めて少なし）。そのため、４ｆ
軌道電子間の発光吸収スペクトル（ま極めてスペクトル
幅が狭く、かつ化学結合状態の変化によってスペクトル
が変化しない特徴を有している。このランタニド系列の
元素のうち、エルビウム（Ｅｒ）は波長が１．５５μｍ
の吸収スペクトルを有している。
道電子との相互作用が極めて少なし）。そのため、４ｆ
軌道電子間の発光吸収スペクトル（ま極めてスペクトル
幅が狭く、かつ化学結合状態の変化によってスペクトル
が変化しない特徴を有している。このランタニド系列の
元素のうち、エルビウム（Ｅｒ）は波長が１．５５μｍ
の吸収スペクトルを有している。
次に本発明の半導体受光素子の動作原理を第２図を用い
て説明する。本発明の半導体受光素子に適当な逆バイア
ス電圧を印加した動作状態でのバンド構造を第２図に示
す。ここで１１はｎ型半導体領域、１２はエルビウム（
Ｅｒ）ドーピングされた低キヤリア濃度なｉ型半導体領
域、１３はｎ型半導体領域を示し１４はエルビウム（Ｅ
ｒ）の４ｆ軌道電子によるエルビウムの原子内準位を示
している。ここで図中ｎ型半導体領域１１側から構成す
る半導体禁制帯幅１８よりも大きいエネルギーを有する
光ｈｖｌ、波長１．５５μｍの光ｈシ２．禁制帯幅１８
よりも小さいエネルギーでかつ波長が１６５５μｍでな
い光ｈν３が入射したとする。ｈν１の光は図中１５に
示すバンド間遷移で吸収される。ここで半導体表面がら
空乏層領域までの距離すなわち、図中の例ではｎ型半導
体領域の厚さをキャリアの拡散長よりも十分太き・くか
つｈν１の光の吸収長に比べて数倍以上に設定すると、
ｎ型半導体領域１１で光励起によって発生したキャリア
は再結合し、光電流は発生せず、またｈνｌのエネルギ
ーを有する光は空乏層が形成されているｉ型半導体領域
１２に到達しえない。また禁制帯幅１８は０．８ｅＶ以
上であるので１．５５μｍの波長の光は空乏層が形成さ
れているｉ型半導体領域１２に到達する。このｉ型半導
体領域１２では１．５５μｍの波長の光はエルビウム（
Ｅｒ）の原子内準位を利用した遷移１６によって吸収さ
れ、トンネル過程または熱励起過程を併用して伝導帯へ
電子励起が起こる。しかしながら禁制帯幅１８よりも小
さいエネルギーを有しかつ波長が１．５５μｍでない光
ｈν３１７は吸収されない（図中１７）。ここで空乏層
が形成されている領域１２にのみエルビウム（Ｅｒ）を
ドーピングすることにより１．５５μｍの波長のみが光
電変換されることがわかる。
て説明する。本発明の半導体受光素子に適当な逆バイア
ス電圧を印加した動作状態でのバンド構造を第２図に示
す。ここで１１はｎ型半導体領域、１２はエルビウム（
Ｅｒ）ドーピングされた低キヤリア濃度なｉ型半導体領
域、１３はｎ型半導体領域を示し１４はエルビウム（Ｅ
ｒ）の４ｆ軌道電子によるエルビウムの原子内準位を示
している。ここで図中ｎ型半導体領域１１側から構成す
る半導体禁制帯幅１８よりも大きいエネルギーを有する
光ｈｖｌ、波長１．５５μｍの光ｈシ２．禁制帯幅１８
よりも小さいエネルギーでかつ波長が１６５５μｍでな
い光ｈν３が入射したとする。ｈν１の光は図中１５に
示すバンド間遷移で吸収される。ここで半導体表面がら
空乏層領域までの距離すなわち、図中の例ではｎ型半導
体領域の厚さをキャリアの拡散長よりも十分太き・くか
つｈν１の光の吸収長に比べて数倍以上に設定すると、
ｎ型半導体領域１１で光励起によって発生したキャリア
は再結合し、光電流は発生せず、またｈνｌのエネルギ
ーを有する光は空乏層が形成されているｉ型半導体領域
１２に到達しえない。また禁制帯幅１８は０．８ｅＶ以
上であるので１．５５μｍの波長の光は空乏層が形成さ
れているｉ型半導体領域１２に到達する。このｉ型半導
体領域１２では１．５５μｍの波長の光はエルビウム（
Ｅｒ）の原子内準位を利用した遷移１６によって吸収さ
れ、トンネル過程または熱励起過程を併用して伝導帯へ
電子励起が起こる。しかしながら禁制帯幅１８よりも小
さいエネルギーを有しかつ波長が１．５５μｍでない光
ｈν３１７は吸収されない（図中１７）。ここで空乏層
が形成されている領域１２にのみエルビウム（Ｅｒ）を
ドーピングすることにより１．５５μｍの波長のみが光
電変換されることがわかる。
さて、以上説明したような本発明の半導体受光素子に、
第４図に示す光スペクトル分布を有する光を受光した場
合について考えてみる。ここで本発明の半導体受光素子
の受光感度領域はエルビウム（Ｅｒ）の４ｆ軌道電子の
吸収スペクトルで決まる１、５５μｍの波長の光のみで
あるのでこれを第４図中２６で表現する。特に検出した
い信号成分の光が図中のスペクトル２２であるとし、こ
の信号成分の光もエルビウム（Ｅｒ）の４で軌道の準位
を利用した発光スペクトルであるとすると、この４ｆ軌
軌道値は温度やエルビウムの化学績き状態によって変化
しないので、スペクトル２２の波長と本発明の受光感度
領域２６は完全に一致し、他の波長の光は受光しない。
第４図に示す光スペクトル分布を有する光を受光した場
合について考えてみる。ここで本発明の半導体受光素子
の受光感度領域はエルビウム（Ｅｒ）の４ｆ軌道電子の
吸収スペクトルで決まる１、５５μｍの波長の光のみで
あるのでこれを第４図中２６で表現する。特に検出した
い信号成分の光が図中のスペクトル２２であるとし、こ
の信号成分の光もエルビウム（Ｅｒ）の４で軌道の準位
を利用した発光スペクトルであるとすると、この４ｆ軌
軌道値は温度やエルビウムの化学績き状態によって変化
しないので、スペクトル２２の波長と本発明の受光感度
領域２６は完全に一致し、他の波長の光は受光しない。
したがって、この場合には極めて受信感度の高い受信シ
ステムが可能となる。
ステムが可能となる。
〔実施例−２〕
本発明の半導体受光素子の第２の実施例を第５図に示す
。この第２の実施例は裏面入射型の受光素子に本発明を
適用した例であり、図中３１はｎ＋−ＩｎＰからなる半
導体基板、３２はＩｎＰからなるｎ型半導体層、３３は
ｎ−−ＩｎＰからなり、エルビウム（Ｅ ｒ 、’）が
ドーピングされた低キヤリア濃度のｉ型半導体層、３４
はｎ−ＩｎＰからなる半導体層で、選択的にＺｎ拡散に
よってｐ−ＩｎＰよりなる半導体領域３５が形成されて
いる。半導体層３４及び３５の上には表面保護膜３６が
形成されており、ｐ型半導体領域３５に接触するように
電極３７が形成され、一方、半導体基板３１の裏面には
裏面電極３８と、光入射窓部に位置して無反射コート膜
３９が形成されている。
。この第２の実施例は裏面入射型の受光素子に本発明を
適用した例であり、図中３１はｎ＋−ＩｎＰからなる半
導体基板、３２はＩｎＰからなるｎ型半導体層、３３は
ｎ−−ＩｎＰからなり、エルビウム（Ｅ ｒ 、’）が
ドーピングされた低キヤリア濃度のｉ型半導体層、３４
はｎ−ＩｎＰからなる半導体層で、選択的にＺｎ拡散に
よってｐ−ＩｎＰよりなる半導体領域３５が形成されて
いる。半導体層３４及び３５の上には表面保護膜３６が
形成されており、ｐ型半導体領域３５に接触するように
電極３７が形成され、一方、半導体基板３１の裏面には
裏面電極３８と、光入射窓部に位置して無反射コート膜
３９が形成されている。
この第２の実施例においても第１の実施例で説明したの
と同様の原理により、エルビウム（Ｅｒ）の４で軌道準
位に関与した１、５５μｍの波長のみを選択的に光電変
換することが可能である。
と同様の原理により、エルビウム（Ｅｒ）の４で軌道準
位に関与した１、５５μｍの波長のみを選択的に光電変
換することが可能である。
以上説明したように本発明の半導体受光素子は、ｐ ｉ
ｎｉ造を有する半導体受光素子において、ｐ、ｉ、ｎ
の各領域を構成する半導体の禁制帯幅が０．８ｅＶより
も大きく、かつ空乏層が形成される低キヤリア濃度のｉ
領域にエルビウム（Ｅｒ）をドーピングすることにより
、エルビウムの４ｆ＠道準位に関与した１゜５５μｍの
波長のみを選択的に光電変換する効果がある。
ｎｉ造を有する半導体受光素子において、ｐ、ｉ、ｎ
の各領域を構成する半導体の禁制帯幅が０．８ｅＶより
も大きく、かつ空乏層が形成される低キヤリア濃度のｉ
領域にエルビウム（Ｅｒ）をドーピングすることにより
、エルビウムの４ｆ＠道準位に関与した１゜５５μｍの
波長のみを選択的に光電変換する効果がある。
第１図、第５図は各々本発明の半導体受光素子の第１及
び第２の実施例の縦断面図、第２図は本発明の半導体受
光素子の動作原理を示すエネルギーバンド構造図、第３
図は従来の半導体受光素子の動作原理を示すエネルギー
バンド構造図、第４図は従来の半導体受光素子と本発明
の半導体受光素子の受光感度領域を説明する図である。 １．３１・・・半導体基板、２．３２・・・ｎ型半導体
層、３．３３・・・エルビウム（Ｅｒ）をドープした低
キヤリア濃度の半導体層、４，３４・・・ｎ型半導体層
、５．３５・・・ｐ型半導体領域、６，３６・・・表面
保護膜、７，３７・・・電極、８，３８・・・裏面電極
、９・・・ｐｎ接合面、３つ・・・無反射コート膜、１
１・・・ｐ型半導体領域、１２・・・エルビウムをドー
ピングした低キヤリア濃度の半導体領域、１３・・・ｎ
型半導体領域、１４・・・エルビウムの４ｆ軌軌道値、
１５・・・パン１〜間光吸収、１６・・・エルビウムの
４ｆ軌軌道値間光吸収、１７・・・吸収されない光、１
８・・・禁制帯幅、２１．２２・・・スペクトル、２３
・・・逆光成分、２４・・・従来の半導体受光素子の受
光感度領域、２５・・・分波器と組み合せた場合の従来
の半導体受光素子の受光感度領域、２６・・・本発明の
半導体受光素子の受光感度領域。
び第２の実施例の縦断面図、第２図は本発明の半導体受
光素子の動作原理を示すエネルギーバンド構造図、第３
図は従来の半導体受光素子の動作原理を示すエネルギー
バンド構造図、第４図は従来の半導体受光素子と本発明
の半導体受光素子の受光感度領域を説明する図である。 １．３１・・・半導体基板、２．３２・・・ｎ型半導体
層、３．３３・・・エルビウム（Ｅｒ）をドープした低
キヤリア濃度の半導体層、４，３４・・・ｎ型半導体層
、５．３５・・・ｐ型半導体領域、６，３６・・・表面
保護膜、７，３７・・・電極、８，３８・・・裏面電極
、９・・・ｐｎ接合面、３つ・・・無反射コート膜、１
１・・・ｐ型半導体領域、１２・・・エルビウムをドー
ピングした低キヤリア濃度の半導体領域、１３・・・ｎ
型半導体領域、１４・・・エルビウムの４ｆ軌軌道値、
１５・・・パン１〜間光吸収、１６・・・エルビウムの
４ｆ軌軌道値間光吸収、１７・・・吸収されない光、１
８・・・禁制帯幅、２１．２２・・・スペクトル、２３
・・・逆光成分、２４・・・従来の半導体受光素子の受
光感度領域、２５・・・分波器と組み合せた場合の従来
の半導体受光素子の受光感度領域、２６・・・本発明の
半導体受光素子の受光感度領域。
Claims (1)
- ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域の間に低濃度半導体
領域を少くとも備えた構造を有する半導体受光素子にお
いて、前記各領域を構成する各半導体の禁制帯幅が０．
８ｅＶよりも大きく、かつ低濃度半導体領域にエルビウ
ム（Ｅｒ）をドーピングしたことを特徴とする半導体受
光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62299118A JPH01140679A (ja) | 1987-11-26 | 1987-11-26 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62299118A JPH01140679A (ja) | 1987-11-26 | 1987-11-26 | 半導体受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01140679A true JPH01140679A (ja) | 1989-06-01 |
Family
ID=17868354
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62299118A Pending JPH01140679A (ja) | 1987-11-26 | 1987-11-26 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01140679A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0480974A (ja) * | 1990-07-24 | 1992-03-13 | Hamamatsu Photonics Kk | 半導体受光素子 |
| EP0993053A1 (en) * | 1998-10-09 | 2000-04-12 | STMicroelectronics S.r.l. | Infrared detector integrated with a waveguide and method of manufacturing |
| GB2383679A (en) * | 2001-12-27 | 2003-07-02 | Bookham Technology Plc | PIN photodiode with intrinsic region implanted with deep band gap levels |
| US7115464B2 (en) * | 2002-03-01 | 2006-10-03 | Advanced Micro Devices, Inc. | Semiconductor device having different metal-semiconductor portions formed in a semiconductor region and a method for fabricating the semiconductor device |
| JP2007503130A (ja) * | 2003-05-29 | 2007-02-15 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | 不純物に基づく導波路検出器 |
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1987
- 1987-11-26 JP JP62299118A patent/JPH01140679A/ja active Pending
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