JPH05343731A - 受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 受光感度及び受光効率が高く、暗電流特性及
び高速応答性も良好な受光素子を実現する。 【構成】 半絶縁性半導体基板１上に吸収層２を設け、
この吸収層２上にショットキーコンタクト層３を設け
る。このショットキーコンタクト層３上に直接ショット
キー電極４を設けるとともに、吸収層２及びショットキ
ーコンタクト層３中に半絶縁性半導体基板１に達するよ
うに設けた低抵抗の拡散層６上にオーミック電極５をシ
ョットキー電極４と対向して設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、受光素子に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体を用いた受光素子として、
ＧａＡｓ基板上に金属−半導体−金属（ＭＳＭ）フォト
ダイオードまたはｐｉｎフォトダイオードを形成したも
のがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来の受光素子
は波長０．８５μｍ以下の光に対して感度を有するが、
この波長の光はＧａＡｓ基板を透過することができない
ため、表面側からの光の入射によってのみ受光動作が可
能である。ところが、このように表面側から光の入射を
行う場合には、受光素子の表面に形成されるショットキ
ー電極やオーミック電極などにより入射光が遮られるた
め、受光感度が低下してしまうという問題がある。

【０００４】この問題は、基板の裏面側からの光の入射
が可能であれば解決することができる。これに関し、本
出願人は、特願平３−２５２７５８号において、ＧａＡ
ｓ／Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓ超格子を吸収層として用いるこ
とにより、ＧａＡｓ基板を透過可能な光のうち０．９〜
１．０μｍ程度の波長領域の光に感度を有する、裏面側
からの光の入射が可能なプレーナ型の受光素子を提案し
た。この受光素子においては、裏面側からの光の入射を
行った場合に高い光強度が得られる吸収層での電界強度
がプレーナ構造により低くなってしまうために受光効率
が低いという問題があるが、上記特願平３−２５２７５
８号においては、この問題についても、受光素子の二つ
の電極の直下にイオン注入法などにより低抵抗の拡散層
を形成して吸収層での電界強度分布を一様にすることに
より解決することが可能であることを述べた。ところ
が、この場合には、暗電流の増加や寄生容量の増加が生
じることにより、受光素子の性能が低下してしまうとい
う問題が新たに生じる。

【０００５】従って、この発明の目的は、基板の裏面側
から光の入射を行う場合に高い受光感度及び受光効率を
得ることができる受光素子を提供することにある。

【０００６】この発明の他の目的は、良好な暗電流特性
及び高速応答性を得ることができる受光素子を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明による受光素子は、半導体基板（１）と、
半導体基板（１）上に設けられた吸収層（２）と、吸収
層（２）中に設けられた拡散層（６）上に設けられたオ
ーミック電極（５）と、吸収層（２）上にオーミック電
極（５）と対向して設けられたショットキー電極（４）
とを有する。

【０００８】ここで、基板の裏面側から光の入射を行う
場合、半導体基板（１）としては、吸収層（２）が感度
を有する波長の光に対して透明なものが用いられる。

【０００９】また、拡散層（６）は、好適には、半導体
基板（１）に達するように設けられる。

【００１０】

【作用】上述のように構成されたこの発明による受光素
子によれば、動作時にショットキー電極（４）及びオー
ミック電極（５）の間に印加される逆バイアス電圧によ
り、拡散層（６）と吸収層（２）との接合部の空乏層は
ショットキー電極（４）及びオーミック電極（５）の間
の部分の吸収層（６）の全体に広がる。そして、この部
分の吸収層（６）中には、基板表面とほぼ平行な方向の
強い電界がほぼ一様に存在する。特に、拡散層（６）を
半導体基板（１）に達するように設けた場合には、ショ
ットキー電極（４）及びオーミック電極（５）の間の部
分の吸収層（６）の全体で電界強度をほぼ一様にするこ
とができる。

【００１１】このため、半導体基板（１）は透過し、吸
収層（２）に対しては感度を有する波長の光を半導体基
板（１）の裏面側から入射させた場合、光入射により対
生成される電子及び正孔をショットキー電極（４）及び
オーミック電極（５）に効率良く、しかも迅速に収集す
ることができ、これによって高い受光感度及び受光効率
を得ることができる。

【００１２】また、受光素子に必要な二つの電極の一方
の電極はショットキー電極（４）であることから、この
ショットキー電極（４）と下地層とのショットキー接合
により暗電流を抑えることができ、これによって良好な
暗電流特性を得ることができる。

【００１３】さらに、拡散層（６）は、もう一方の電極
であるオーミック電極（５）の下側だけに設けられてい
るので、寄生容量の増加を最小限に抑えることができ、
これによって良好な高速応答性を得ることができる。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照しながら説明する。

【００１５】図１及び図２はこの発明の一実施例による
受光素子を示す。ここで、図１は斜視図、図２は図１の
ＩＩ−ＩＩ線に沿っての拡大断面図である。

【００１６】図１及び図２に示すように、この実施例に
よる受光素子においては、半絶縁性半導体基板１上に吸
収層２が設けられ、この吸収層２上にショットキーコン
タクト層３が設けられている。この場合、半絶縁性半導
体基板１は、吸収層２に対して感度を有する波長の光に
対して透明になっている。吸収層２及びショットキーコ
ンタクト層３の厚さは必要に応じて選ばれるが、典型的
な例では吸収層２の厚さは１〜数μｍ、ショットキーコ
ンタクト層３の厚さは〜５０ｎｍである。

【００１７】ショットキーコンタクト層３上には、くし
型の平面形状を有するショットキー電極４がこのショッ
トキーコンタクト層３とショットキー接触して設けられ
ている。ショットキーコンタクト層３上にはさらに、こ
のショットキー電極４と対向して、このショットキー電
極４と同様なくし型の平面形状を有するオーミック電極
５が設けられている。これらのショットキー電極４及び
オーミック電極５の間の距離は必要に応じて選ばれる
が、典型的な例では１〜２μｍである。

【００１８】さらに、この場合、オーミック電極５の直
下のショットキーコンタクト層３及び吸収層２中には、
このオーミック電極５とほぼ同一の平面形状を有する例
えばｎ⁺ 型の低抵抗の拡散層６が半絶縁性半導体基板１
に達するように設けられている。そして、オーミック電
極５はこの拡散層６とオーミック接触している。

【００１９】また、ショットキーコンタクト層３の表面
のうちショットキー電極４及びオーミック電極５で覆わ
れていない部分は、例えばＳｉＯ₂ 膜のような絶縁膜７
（図１においては図示せず）で覆われている。

【００２０】上述のように構成されたこの実施例による
受光素子は次のようにして製造される。

【００２１】すなわち、図１及び図２に示すように、ま
ず例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により半絶縁
性半導体基板１上に吸収層２及びショットキーコンタク
ト層３を順次エピタキシャル成長させる。

【００２２】次に、ショットキーコンタクト層３上に拡
散層６に対応する部分が開口したイオン注入マスク（図
示せず）を形成した後、このイオン注入マスクを用い
て、半絶縁性半導体基板１に達する深さまでｎ型不純物
を選択的にイオン注入する。次に、このイオン注入マス
クを除去した後、所定条件でアニールを行うことにより
注入不純物の電気的活性化を行う。これによって、吸収
層２及びショットキーコンタクト層３中に半絶縁性半導
体基板１に達する拡散層６が形成される。なお、この拡
散層６は熱拡散法により形成することも可能である。

【００２３】次に、ショットキーコンタクト層３の全面
に絶縁膜７を形成した後、この絶縁膜７上に、オーミッ
ク電極５の形成部に対応する部分が開口したレジスト
（図示せず）を形成する。次に、例えば真空蒸着法やス
パッタ法などによりオーミック金属膜を全面に形成した
後、レジストをその上に形成された金属膜とともに除去
する（リフトオフ）。これによって、拡散層６上にオー
ミック電極５が形成される。

【００２４】次に、絶縁膜７上に、ショットキー電極４
の形成部に対応する部分が開口したレジスト（図示せ
ず）を形成した後、例えば真空蒸着法やスパッタ法など
によりショットキー金属膜を全面に形成する。この後、
レジストをその上に形成された金属膜とともに除去す
る。これによって、ショットキー電極４がショットキー
コンタクト層３と直接接触して形成される。

【００２５】以上により、図１及び図２に示すような目
的とする受光素子が完成される。

【００２６】次に、この実施例による受光素子の動作に
ついて説明する。

【００２７】ショットキー電極４及びオーミック電極５
の間には、拡散層６と吸収層２及びショットキーコンタ
クト層３との接合が逆バイアスされるように所定の電圧
を印加しておく。そして、半絶縁性半導体基板１は透過
し、吸収層２に対しては感度を有する波長の光を半絶縁
性半導体基板１の裏面側から入射させる（図２）。この
光の入射により吸収層２で対生成された電子及び正孔は
ショットキー電極４及びオーミック電極５の間に印加さ
れた電圧によりそれぞれオーミック電極５及びショット
キー電極４に引き寄せられて収集される。この結果、こ
れらのショットキー電極４及びオーミック電極５の間に
光電流が流れて受光作用が得られる。

【００２８】図３はこの実施例による受光素子における
受光部の近傍のエネルギーバンド構造の一例を示す。図
３中、Ｅ_C は伝導帯の底のエネルギー、Ｅ_V は価電子帯
の頂上のエネルギーである。また、図４はこの実施例に
よる受光素子における受光部の近傍の電位分布を等電位
線で示したものである。

【００２９】図３からわかるように、この実施例による
受光素子においては、ショットキー電極４及びオーミッ
ク電極５の間の吸収層２の全体にわたってエネルギーバ
ンドが傾斜しており、従って強い電界が存在している。
これは、半絶縁性半導体基板１に達するように設けられ
た拡散層６と吸収層２及びショットキーコンタクト層３
との接合部の空乏層がショットキー電極４及びオーミッ
ク電極５の間の部分の吸収層２の全体に広がっているこ
とによるものである。

【００３０】また、図４において、ショットキー電極４
及びオーミック電極５の間の部分の吸収層２及びショッ
トキーコンタクト層３における等電位線がほぼ基板表面
と垂直になっていることからわかるように、この部分に
おける電界（その方向は等電位線と垂直）は基板表面と
ほぼ平行になっている。

【００３１】このように、この実施例によれば、吸収層
２及びショットキーコンタクト層３中に設けられた低抵
抗の拡散層６上にオーミック電極５が設けられているこ
とにより、ショットキー電極４及びオーミック電極５の
間の部分の吸収層２には基板表面とほぼ平行な方向の強
い電界がほぼ一様に存在している。このため、半絶縁性
半導体基板１の裏面側から光の入射を行った場合、この
光入射によって対生成される電子及び正孔は、この一様
な強い電界によりそれぞれオーミック電極５及びショッ
トキー電極４に効率良く、しかも迅速に収集される。こ
れによって、高い受光感度及び受光効率を得ることがで
きる。

【００３２】また、この受光素子に必要な二つの電極の
うち一方の電極がショットキー電極４であるので、この
ショットキー電極４とショットキーコンタクト層３との
ショットキー接合により暗電流を有効に抑えることがで
き、これによって良好な暗電流特性を得ることができ
る。

【００３３】さらに、拡散層６はもう一方の電極である
オーミック電極５側だけに設けられているので、この拡
散層６を設けることによる寄生容量の増加を最小限に抑
えることができ、これによって良好な高速応答性を得る
ことができる。

【００３４】さらに、この実施例によれば、次のような
利点をも得ることができる。すなわち、図５に示すよう
に、吸収層と障壁層とによるヘテロ接合を有し、光入射
によって生成されたキャリアがそのヘテロ界面に垂直な
電界により移動する受光素子があるが、この受光素子に
おいては、この光入射によって生成されたキャリアがヘ
テロ界面に垂直に移動する際に、このヘテロ界面に存在
するバンドギャップの不連続によりこのヘテロ界面にお
いて正孔（図５において○で示す）のパイルアップが生
じ、それによるスクリーニング効果により光電流の飽和
が起きてしまうという問題がある。これに対して、この
実施例による受光素子においては、ショットキー電極４
及びオーミック電極５の間の部分の吸収層２における電
界は基板表面とほぼ平行な方向であり、従ってこの部分
では光入射によって生成されたキャリアは基板表面とほ
ぼ平行な方向に移動する。このため、上述のような正孔
のパイルアップが生じることはなく、従ってこのパイル
アップに起因する光電流の飽和の問題は生じない。これ
によって、例えば数ｍＷ程度の光出力まで、良好な線形
応答性を得ることができる。

【００３５】なお、この実施例による受光素子は、プレ
ーナ構造を有することにより、ＦＥＴなどの他の素子と
の集積化が容易であるという利点もある。

【００３６】この実施例において、半絶縁性半導体基板
１として半絶縁性ＧａＡｓ基板を用い、吸収層２として
例えばＧａＡｓ／Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓ超格子を用い、シ
ョットキーコンタクト層３としてＧａＡｓ層やＡｌＧａ
Ａｓ層を用いた場合には、短距離通信に好適に用いられ
る波長０．８２〜１．３μｍの光の検出に用いられる高
性能の受光素子を実現することができる。

【００３７】また、半絶縁性半導体基板１として半絶縁
性ＩｎＰ基板を用い、吸収層２として例えばＩｎ_x Ｇａ
_1-x Ａｓ層を用い、ショットキーコンタクト層３として
例えばＩｎ_y Ａｌ_1-y Ａｓ層を用いた場合には、波長
１．６５μｍ以下の光の検出に用いられる高性能の受光
素子を実現することができる。より具体的な例を挙げる
と、例えばｘ＝０．５３としたＩｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓ層を
吸収層２として用い、ｙ＝０．５２としたＩｎ_y Ａｌ
_1-y Ａｓ層をショットキーコンタクト層３として用いた
場合には、波長１．３〜１．５５μｍの光の検出用の受
光素子を実現することができる。

【００３８】さらに、半絶縁性半導体基板１として半絶
縁性ＩｎＰ基板を用い、吸収層２として例えばＩｎ_x Ｇ
ａ_1-x Ａｓ／ＩｎＡｓ超格子を用い、ショットキーコン
タクト層３としてＩｎ_y Ａｌ_1-y Ａｓ層を用いた場合に
は、波長１．６５〜３．４μｍの光の検出に用いられる
高性能の受光素子を実現することができる。

【００３９】以上、この発明の一実施例について具体的
に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定される
ものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変
形が可能である。

【００４０】例えば、上述の実施例においては、半絶縁
性半導体基板１の裏面側から光の入射を行っているが、
表面側から光の入射を行っても受光作用を得ることが可
能である。このように表面側から光の入射を行う場合に
は、半絶縁性半導体基板１として半絶縁性ＧａＡｓ基板
を用い、吸収層２としてＧａＡｓ層を用い、ショットキ
ーコンタクト層３としてＡｌＧａＡｓ層を用いることも
可能である。

【００４１】また、上述の実施例においては、吸収層２
上にショットキーコンタクト層３を設け、その上にショ
ットキー電極４を設けているが、吸収層２上にショット
キー電極４を直接設けてもショットキー接触を得ること
が可能である場合には、ショットキーコンタクト層３を
省略することが可能である。

【００４２】さらに、上述の実施例においては、ショッ
トキー電極４及びオーミック電極５はくし型の平面形状
を有するが、これらのショットキー電極４及びオーミッ
ク電極５の平面形状は上述の実施例と異なる形状として
もよい。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
基板の裏面側から光の入射を行う場合に高い受光感度及
び受光効率を得ることができるとともに、良好な暗電流
特性及び高速応答性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による受光素子を示す斜視
図である。

【図２】図１のＩＩ−Ｉ１線に沿っての拡大断面図であ
る。

【図３】この発明の一実施例による受光素子における受
光部の近傍のエネルギーバンド構造の一例を示すエネル
ギーバンド図である。

【図４】この発明の一実施例による受光素子における受
光部の近傍の電位分布の一例を示す断面図である。

【図５】ヘテロ界面における正孔のパイルアップを説明
するためのエネルギーバンド図である。

【符号の説明】

１ 半絶縁性半導体基板 ２ 吸収層 ３ ショットキーコンタクト層 ４ ショットキー電極 ５ オーミック電極 ６ 拡散層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、 上記半導体基板上に設けられた吸収層と、 上記吸収層中に設けられた拡散層上に設けられたオーミ
   ック電極と、 上記吸収層上に上記オーミック電極と対向して設けられ
   たショットキー電極とを有する受光素子。
2. 【請求項２】 上記吸収層が感度を有する波長の光に対
   して上記半導体基板が透明である請求項１記載の受光素
   子。
3. 【請求項３】 上記半導体基板に達するように上記拡散
   層が設けられている請求項１または２記載の受光素子。