JP2762004B2 - 受光素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は可視から赤外光域におけ
る多層型半導体受光素子に関する。さらに詳しくは、特
定波長の近傍に強い光吸収性を有する層を光導電層
（Ａ）とし、特定波長近傍から離れた波長域は他の光吸
収層（Ｂ）により吸収除去する二層よりなり、入射光は
光吸収層（Ｂ）で特定波長を除き選択吸収され、透過
後、光導電層（Ａ）に吸収されるため、特定波長近傍で
のみ強い光感度を有する波長選択性の優れた受光素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、波長選択性を実現するには、入射
光からバンドパスフィルターやモノクロメーター等で特
定波長（λ１）を含む狭い波長帯域の光のみ取り出し
（図１）、広い帯域に受光感度を有する通常の受光素子
（図２）に照射することにより、図１の透過波長域での
み受光感度を有するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、受光素
子よりもフィルター寸法やモノクロメーターの寸法が遥
かに大きく、小型化が困難である。従って、多波長ハイ
ブリット化も困難であり、ＩＣ化は絶望的である。ま
た、波長選択型受光系が高価であり、その中でも、フィ
ルターやモノクロメーターの価格に占める割合が殆どで
ある。

【０００４】さらには、フィルターやモノクロメータを
透過した光は強度減衰を受けており、実効受光感度が低
下する。従って、特定波長でも受光感度を低下させるこ
となく、小型化が可能で、しかも安価な受光素子は未だ
得られていない。

【０００５】本発明の目的は、特定波長における受光感
度を低下させることなく、特定波長を含む狭帯域でのみ
受光感度を有し、かつ小型で安価な受光素子を提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、特定波長でキ
ャリア発生を伴なう強い光吸収特性を有する光導電性層
（Ａ）と特定波長近傍を除いて強い光吸収特性を有する
光吸収層（Ｂ）との互いに相補的関係にある組み合わせ
からなり、特定波長でのみ受光感度特性を生ずる波長選
択型受光素子である。

【０００７】すなわち、本発明の受光素子は、高濃度基
板の上に、低濃度光導電層（Ａ）を積層するとともに、
その低濃度光導電層の上に高濃度光吸収層（Ｂ）を積層
し、前記高濃度光吸収層側から光を受光するようにして
なる受光素子であって、前記低濃度光導電層の光吸収端
波長がλ１で、前記高濃度光導電層の光吸収端波長がλ
２とした場合に、両光吸収端波長λ１，λ２が、以下の
条件，を満たすようにした。 λ１＞λ２ ０．００６＜（λ１−λ２）／λ１＜０．０７２

【０００８】すなわち、本発明の受光素子は、光導電層
（Ａ）と光吸収層（Ｂ）との２種の半導体層の組み合わ
せからなる。この２種の半導体層は、各々均一な組成、
超格子構造または多層構造のいずれであってもよい。

【０００９】ここでいう光導電層（Ａ）とは、受光素子
の受光感度を発現させたい光波長において、光吸収を行
ない、発生したキャリア対（電子・ホール）により素子
電極端子間の電流変化または抵抗変化等が大きく生じる
ようにした素子の主要層であり、通常、低キャリア濃度
の高純度層を指す。そして、光吸収端波長がλ１である
ので、λ１以下の波長を吸収する。換言すると、λ１よ
りも大きい波長に対しては、光吸収がなく、感度がな
い。

【００１０】また、光吸収層（Ｂ）とは、受光素子の受
光感度を発現させたくない光波長において、光吸収を行
なうが、素子電極端子間の電流変化または抵抗変化等
が、受光感度を得たい光波長に比べ微少となるように付
加した層であり、ｐ型またｎ型の不純物を高濃度にドー
ピングした低抵抗層や吸収光エネルギーを熱エネルギー
等に変換する層を指す。そして、光吸収端波長がλ２で
あるので、λ２以下の波長を吸収する。換言すると、λ
２よりも大きい波長に対しては、光吸収がなく、感度が
ない。

【００１１】この２種の半導体層（光導電層及び光吸収
層）を構成する化合物としては、ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ，Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ等の周期
律表第ＩＩＩ族と第Ｖ族の組み合わせからなる化合物半
導体が好ましく用いられる。また、ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ
等の周期律表第ＩＩ族と第ＶＩ族の組合わせからなる化
合物半導体、ＧｅＳｅ，ＰｂＴｅ等の周期律表第ＩＶ族
と第ＶＩ族の組み合わせからなる化合物半導体も使用可
能である。

【００１２】本発明においては、光導電層（Ａ）の光吸
収端波長（λ１）と光吸収層（Ｂ）の光吸収端波長（λ
２）とが、λ１＞λ２であり、かつ０．００６＜（λ１
−λ２）／λ１＜０．０７２となるような２種の半導体
層を用いることが必要である。この範囲を逸脱した場合
には、特定波長における受光感度を低下させることな
く、特定波長を含む狭帯域でのみ受光感度を有すること
ができない。例えば、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓでは光吸収
端波長（λ）は０．８７〜３．５μｍ，ＧａＡｓでは光
吸収端波長（λ）は０．８７ｎｍ，Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡ
ｓでは光吸収端波長（λ）は０．８７〜０．６０μｍを
それぞれ示す。

【００１３】

【作用】入射光は、まず光吸収層（Ｂ）に入射する。す
ると、波長λ２以下の光は、その光吸収層で吸収され
る。その光吸収に伴い、キャリアが発生するが、高濃度
層のためこれにより導電率の変化は微少であり、電気信
号への寄与も微々たるものとなる。よって、λ２以下の
波長に対する感度は低くなる。

【００１４】その光吸収層で吸収されずに透過した光
（波長λ２よりも大きい）は、光導電層（Ａ）に至る。
光導電層は、波長λ１以下の光を吸収するため、入射光
がその波長領域にあると、そこで吸収され、キャリアが
発生する。この時、光導電層は低濃度であるので、その
キャリア発生に伴う導電率の変化が大きく、電気信号と
して取り扱うことができる。

【００１５】また、λ１よりも大きい波長の光は、この
光導電層でも吸収されない。そして、λ２以下の光は、
光吸収層ですでに吸収されているため、光導電層までは
到達しない。従って、光導電層で吸収されるのは、λ２
より大きく、λ１以下の波長領域のものとなる。よっ
て、λ２〜λ１の範囲の波長の光が選択的に受光できる
ようになる。

【００１６】つまり、特定波長の近傍に強い光吸収性を
有する層を光導電層（Ａ）とし、特定波長近傍から離れ
た波長域は他の光吸収層（Ｂ）により吸収除去する二層
よりなり、入射光は光吸収層（Ｂ）で特定波長を除き選
択吸収され、透過後、光導電層（Ａ）に吸収されるた
め、特定波長近傍でのみ強い光感度を有する波長選択性
の優れた受光素子となる。

【００１７】次に、光導電層（Ａ）としてＩｎ_ｘＧａ
_１−ｘＡｓエピタキシャル単結晶、光吸収層（Ｂ）とし
てＧａＡｓを用いた例を示す。

【００１８】図３は、ＧａＡｓ基板上に形成した光導電
層（Ａ）となるＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＜０．０５）
単結晶層の光導電性であり、ｘを０より増加すると図３
のピーク波長が増加する。

【００１９】図４に光吸収層（Ｂ）となるＧａＡｓの光
吸収特性を例示する。図よりｐ型キャリア濃度１．２×
１０^１８ｃｍ^−３の場合に、光子エネルギー１．４２ｅ
Ｖ以上（波長０．８７μｍ以下）にて３×１０^３ｃｍ
^−１以上の光吸収係数を有し、エネルギー１．３７ｅＶ
以下（波長０．９０５μｍ以上）では８×１０ｃｍ^−１
以下の光吸収係数となる。

【００２０】光吸収層（Ｂ）であるＧａＡｓの光吸収端
波長（λ２）は０．８７μｍと一定であるから、上記式
０．００６＜（λ１−λ２）／λ１＜０．０７２を満足
するには、光導電層（Ａ）であるＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ
の光吸収端波長（λ１）を０．８７５〜０．９３８とす
る必要がある。このためには、ＩｎとＧａの割合が適当
となるようにｘを調整する必要がある。例えば、ｘを
０．０１とし、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ａｓの光吸収
端波長（λ１）は０．９０５μｍとなる。この場合に
は、（λ１−λ２）／λ１＝０．０３８７となり、上記
要件を満足することとなる。

【００２１】図５は、ＧａＡｓ基板上に、バッファ層を
介して、ＩｎＧａＡｓ光導電層（Ａ）を設け、その上に
ＧａＡｓ光吸収層（Ｂ）を積層した構造を示す。入射光
は光吸収層（Ｂ）で０．８７μｍ以下の波長光を吸収さ
れ、透過後、光導電層（Ａ）で０．８７μｍ以上の波長
光として吸収され、光導電層（Ａ）にキャリアを発生す
る。光吸収層（Ｂ）とｎ−ＧａＡｓ基板間に電池を接続
すると、光照射時に大きな電流変化分として計測され
る。

【００２２】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明
する。 ＊実施例１ 図６（ａ）〜（ｃ）は、受光素子デバイスの製造工程を
示す断面図である。同図（ａ）に示されるごとく、ｎ−
ＧａＡｓ基板（キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３）上
にＳｉドープ（キャリア濃度１．５×１０^１８ｃ
ｍ^−３）のｎ−Ｉｎ_{０．００１}Ｇａ_{０．９９９}Ａｓ（３
０オングストローム）／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ（３
１オングストローム）超格子約３０ペアを積層しバッフ
ァ層とした。

【００２３】その上に高純度のアンドープ−Ｉｎ_ｘＧａ
_１−ｘＡｓ光導電層（Ａ）（ｘ＝０．０１、光吸収端波
長（λ１）＝０．９０５、キャリア濃度５×１０^１６ｃ
ｍ^−３以下）を１．５μｍ積層した。

【００２４】最上層は２層からなり、まず、Ｂｅドープ
（キャリア濃度１．２×１０^１８ｃｍ^−３）のｐ−Ｇａ
Ａｓ（３０オングストローム）／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８
Ａｓ（３１オングストローム）の超格子層を約１０〜３
０ペア積層し、表面の平滑性を得た後、キャリア濃度
１．２×１０^１８ｃｍ^−３のｐ−ＧａＡｓ光吸収層
（Ｂ）（光吸収端波長（λ２）＝０．８７）を１μｍ積
層した。

【００２５】次に、図６（ｂ）に示すように、エピタキ
シャル成長層側をフォトレジスト法によりマスキング
し、０．８ｍｍ□のメサ型にエッチングをした。さら
に、図６（ｃ）のように、メサ傾斜部にＳｉＯ_２保護膜
を、エピタキシャル面上には、ＳｉＯ_２の無反射（Ａ
Ｒ）コート膜を各々スパッタリングにより形成し、最後
に、ｎ−ＧａＡｓ基板側及びｐ−ＧａＡｓ層側に、Ａｕ
やＡｌ等の電極をそれぞれ蒸着し、４２０℃／分間（Ｎ
_２ガス中）の合金化処理を施した。

【００２６】得られた受光素子デバイスの受光感度と波
長との関係を図７に示す。同図より特定波長を含む狭帯
域でのみ受光感度を有していることが判る。

【００２７】＊実施例２ 半絶縁性Ｓｉ−ＧａＡｓ基板上に図６と同様にバッファ
層からＧａＡｓ光吸収層までを積層し、メサ形成後、エ
ピタキシャル面上にＡｕやＡｌ等の電極を形成し、図８
に示すような受光素子デバイスを得た。

【００２８】この受光素子デバイスの受光感度は、実施
例１による測定結果である図７と同等以上であった。本
実施例は、ＰＩＮ型受光素子に類似しているが、実施例
１による縦電流型、実施例２による横電流型いずれの場
合にも高い受光感度を有する点に特徴がある。

【００２９】

【発明の効果】以上のような本発明によって、次のよう
な効果を奏する。 バンドパスフィルターまたはモノクロメータと受光素
子の組み合わせによる狭帯域型（波長選択型）受光素子
が、本発明により単一半導体チップにより実現する。感
度と波長特性の立ち上がり（下がり）は干渉型多層膜ガ
ラスフィルターのオーダー以下（半値減衰に１０ｎｍ以
下）である。 光導電層（Ａ）及び光吸収層（Ｂ）を高品位の半導体
結晶とすることにより、半導体固有の光吸収バンド端で
の急峻な吸収係数変化を利用でき、再現性の良い製作が
可能である。 小型、軽量、低価格化が可能であり、多波長光分光分
析用のＩＣ化の用途への利用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術における光透過率と波長との関係を示
すグラフである。

【図２】従来技術における受光感度と波長との関係を示
すグラフである。

【図３】ＩｎＧａＡｓの抵抗変化出力と波長との関係を
示すグラフである。

【図４】ＧａＡｓの光子エネルギーと吸収係数の関係を
示すグラフである。

【図５】本発明の受光素子チップの構造の一例を示す断
面図である。

【図６】実施例１の受光素子デバイスの製造工程を示す
断面図である。

【図７】実施例１における受光感度と波長との関係を示
すグラフである。

【図８】実施例２における受光素子デバイスを示す断面
図である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高濃度基板の上に、低濃度光導電層を積
   層するとともに、その低濃度光導電層の上に高濃度光吸
   収層を積層し、前記高濃度光吸収層側から光を受光する
   ようにしてなる受光素子であって、 前記低濃度光導電層の光吸収端波長がλ１で、前記高濃
   度光導電層の光吸収端波長がλ２とした場合に、両光吸
   収端波長λ１，λ２が、 λ１＞λ２で、かつ０．００６＜（λ１−λ２）／λ１＜０．０７２ となるようにし、 前記高濃度光吸収層にて導電率の変化を抑えつつ波長λ
   ２以下の光を吸収させ、その高濃度光吸収層で吸収され
   ずに透過した波長λ２より大きい光のうち、波長λ１以
   下の光を前記低濃度光導電層で吸収させることにより導
   電率を大きく変化させるようにしてなることを特徴とす
   る受光素子。