JP2005251890A - 上面入射型受光素子アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 二次元的或いは一次元的に複数の受光素子を１チップ上に並列させた上面入射型受光素子アレイにおいて裏面の共通電極で乱反射されて近接素子のｐｎ接合へ入り近接素子で光電流を発生させる漏れ光がある。それが光学的クロストークを引き起こす。近接素子間の光学的クロストークを低減することが目的である。
【解決手段】 受光層と同じ程度のバンドギャップか、それより狭いバンドギャップの光吸収層を、裏面電極と受光層の間に設ける。漏れ光は裏面電極で反射される前後で光吸収層を通るから２回吸収されて減衰し光学的クロストークは低減する。
【選択図】 図６

Description

この発明は、光学的クロストークを抑制した光通信用あるいは二次元センサ用の上面入射型受光素子アレイに関する。光通信分野では、波長の異なる複数の光信号を、一本の光ファイバによって送受信するＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）技術が普及しつつある。波長多重した光信号を分岐して個々の異なる波長の光信号を取り出すため、独立分離した受光素子（ＰＤ）を並列して使うこともあるが受光素子単位が複数個合体した受光素子アレイが使われることもある。

あるいは二次元一次元光学センサや、撮像のための素子として二次元一次元受光素子アレイが用いられる。その場合、隣接素子単位の間での電気的、光学的なクロストークを低く抑えるということが強く要望される。本発明は隣接素子単位間の光学的クロストークを抑制した受光素子アレイを提供する事を目的とする。

特開２００１−１４４２７８「受光素子アレイ」 特開２００１−３５２０９４「ホトダイオードアレイ」

図１によって従来例にかかる受光素子アレイの構造を述べる。ｎ型基板２の上に、ノンドープ（あるいは低濃度ｎドープ）の受光層３、ｎ型窓層４が順にエピタキシャル成長されている。上面をレジストでマスクしフォトリソグラフィで一定ピッチで一次元的に並ぶ開口部を開け開口部を通し上方からｐ型ドーパントを拡散して複数のｐ領域５を形成する。窓層４から受光層３にいたるｐｎ接合６が形成される。ｐ領域５の上面の一部にｐ電極７がオーミック接合される。ｐ領域５とｎ型窓層４の上面は反射防止膜９によって覆われている。ｎ型基板２の裏面には共通のｎ電極８が形成される。

ここでは４つの単位素子ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４からなるアレイを示すが、目的によって８連、１６連というように２の累乗の数のアレイが用いられる。実際には、このチップがパッケージに実装されｐ電極とリードピンがワイヤボンディングされてシールして製品となる。ここではパッケージやワイヤの図示を略す。ｎ型基板は光通信の場合はＩｎＰ基板が用いられる。ＩｎＰ基板の場合、受光層は三元混晶のＩｎＧａＡｓが、窓層はＩｎＰ層が用いられる。ｐ型ドーパントとしてはＺｎが用いられることが多い。フォトダイオードは基板によって分類するとＩｎＰ系、Ｓｉ系、ＧａＡｓ系などがある。

ここでは４つの波長の異なる信号光λ１、λ２、λ３、λ４が上方から各フォトダイオード単位ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４に入射する。これらの信号光は光ファイバによって、ここまで導かれ集光レンズによってＰＤ面に集光させたものである。上面から入射してきた信号光はｐｎ接合の両側に広がる空乏層で電子正孔対を生成する。

空乏層に掛かっている電界の作用により少数キャリヤがｐｎ接合に向かって走行しｐｎ接合を越えて多数キャリヤとなるその時に光電流が流れる。そのような連続的な構造であると電気的なクロストークが起こる可能性がある。ｎ型窓層４は導電性があるので隣接単位間で漏れ電流が流れるからである。

そこで図２のような分離溝２２によって素子分離をしたフォトダイオードアレイも提案されている。ｎ型基板２の上にノンドープ受光層３、ｐ領域５をエピタキシャル成長させる。ｐ領域５の上にｐ電極７、反射防止膜９を形成する。さらに素子分離のために縦に分離溝２２をエッチングによって形成し受光素子単位ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４を電気的に分離する。そのようにすればｐ領域の部分が完全に切り離されているから隣接素子間に電流が流れないはずである。実際には分離溝２２が空間であるとｐｎ接合が劣化したりして不都合である。だから分離溝２２はなんらかの層によって埋め込む。

特許文献１は図２に表したような分離溝を用いたＩｎＰ系のフォトダイオードアレイを提案している。分離溝２２によって隣接単位素子を切り離している。分離溝の横壁にはＳｉＮなどの絶縁膜をＣＶＤなどで形成してｐｎ接合を保護するようにしている。

特許文献２はＳｉフォトダイオードアレイの改良を提案する。Ｓｉフォトダイオードアレイの素子分離のためにエッチングによって分離溝を形成して分離溝にＳｉＯ_２絶縁層を作製する。それによって隣接素子単位間のクロストークを防ぐことができる。

フォトダイオードを二次元的あるいは一次元的に複数個並べたアレイの各素子間で電気的クロストークを抑制するための工夫がいろいろとなされている。光線は光ファイバに導かれレンズで集光されて単位素子に垂直に入ることが多い。だから光学的クロストークは存在しないものとされ光学的クロストークを問題にした従来例はない。しかし実は隣接素子単位間に光学的なクロストークが存在する。

上面入射型なのに光学的クロストークが存在するというのは訝しく思われるであろう。それはなかなか気付かないことかもしれない。が、実際に物を作って動作させてみると次第に気付いてくるものである。

図３によって隣接素子単位間の光学的クロストークを説明する。左側のＰＤ１に信号光λ１が入射したとする。光ファイバから出た光であって集光レンズで集光されたものであるが、幾分斜めに入るものもある。それは受光層３で殆ど吸収されｐｎ接合の近傍の空乏層では電子正孔対を発生させる。電界でｐｎ接合に向かって走ったキャリヤがｐｎ接合を越えると光電流を生ずる。

しかし受光層３が薄いので入射光の一部は受光層３を透過する。透過した漏れ光λ１はｎ型基板２を通過し底面にあるｎ電極８に当たる。ｎ電極８は金属面だから漏れ光はｎ電極８と基板の境界面で反射される。反射されたλ１は受光層３で再び吸収される。しかし残りのわずかな成分が隣接素子のｐｎ接合６に至り、そこで電子正孔対を発生させＰＤ２に光電流を発生させる。それは本来ＰＤ２の入射光でなく、ＰＤ１の信号光の漏れ光なのである。ＰＤ１の漏れ光がＰＤ２に入ったのであるから、それは光学的クロストークである。

そのような光学的クロストークは素子間に分離溝を掘っても防ぐことができない。図４に分離溝を有するフォトダイオードアレイ（特許文献１、２）の二つの単位部分だけを示す。ＰＤ１に入ったλ１は受光層３で殆どが吸収されＰＤ１の光電流となるが一部は受光層３を通り基板２を通り抜ける。それは底にあるｎ電極８で反射され基板２を上向きに進み隣接するＰＤ２の受光層３、ｐｎ接合６にいたる。それはＰＤに追加の光電流を生ずる。分離溝２２があっても反射光は基板２を通るから分離溝２２によって遮断されない。分離溝２２は光学的クロストークを防止できない。

入射光のエネルギーｈｃ／λは基板２のバンドギャップＥ_ｇｓよりも低い。受光層３のバンドギャップＥ_ｇｒは入射光のエネルギーｈｃ／λより低い。つまりＥ_ｇｒ＜ｈｃ／λ＜Ｅ_ｇｓである。吸収端波長でいうと、基板の吸収端波長をλ_ｇｓ、受光層の吸収端波長をλ_ｇｒとして、λ_ｇｓ＜λ＜λ_ｇｒである。そのように基板、受光層の材料を選ぶのである。

バンドギャップＥ_ｇの広い基板２での入射光λの減衰は小さく、バンドギャップＥ_ｇの狭い受光層３での入射光λの減衰は大きい。ＰＤ１の入射光λ１でＰＤ２に至る漏れ光は受光層３を通過するのだから、かなり減衰している筈であるが、それでもわずかに残っておりＰＤ２にノイズを生じることがある。

隣接フォトダイオード単位ＰＤ２だけでなくて、もっと離れた素子単位ＰＤ３、ＰＤ４、…にも漏れ光が到達することもある。ｎ電極８はｎ型基板２とオーミック接合をとらねばならず、高温に加熱して合金化処理されている。加熱によってｎ電極、基板の原子が相互拡散する。そのため基板・電極の境界面は平坦でなく波打っている。だから境界面で漏れ光は乱反射される。それでかなり離れた単位まで漏れ光が到達することもある。光学的クロストークがそのような原因でおこる。ｐｎ接合を一旦通過した光がｎ電極８で乱反射し再び隣接素子の受光層へ戻るということはなかなか気付かない。が、無視できないものである。

受光層３はバンドギャップＥ_ｇｒが狭くて信号光のエネルギーｈｃ／λ（λは波長、ｃは真空中での光速）より小さい（Ｅ_ｇｒ＜ｈｃ／λ）から信号光をよく吸収するのであるが薄いので完全に吸収しきれないこともある。

１．３μｍ〜１．５５μｍを用いる光通信の受信系の場合、基板、窓層はＩｎＰ結晶を、受光層はＩｎＧａＡｓ混晶を用いる。ＩｎＰの吸収端波長は１．３μｍより短く、ＩｎＧａＡｓの吸収端波長は１．５５μｍより長い。
ＩｎＧａＡｓ受光層は基板のＩｎＰと格子定数も違い、あまり厚いものをエピタキシャル成長させることができない。１０μｍもの厚いＩｎＧａＡｓ層を付けようとすると不整合が顕著になって結晶性が劣化し不良となる。だから、せいぜい２μｍ〜４μｍ程度の厚みのＩｎＧａＡｓ受光層をエピタキシャル成長させることが多い。

光通信では１．５５μｍや１．３μｍの波長帯の信号光が用いられるので受光層は両者を吸収できるＩｎＧａＡｓになる。ＩｎＧａＡｓといっても正確にはＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓで表現される混晶でありｘによってバンドギャップ（Ｅ_ｇ＝ｈｃ／λ_ｇ）が違うし減衰定数も異なる。両方の波長帯に対して感度をもつよう、ＩｎＧａＡｓは１．６μｍ程度の吸収端波長をもつようなものが選ばれる。

そのような場合、１．３μｍ光に対するＩｎＧａＡｓの減衰係数αはα＝１．３×１０^４ｃｍ^−１＝１．３μｍ^−１である。ｄ＝４μｍ厚みの受光層の場合、ｅｘｐ（−αｄ）＝５×１０^−３である。１のパワーの入射光に対し、０．５％のパワーの光が透過するということである。

１．５５μｍ光に対するＩｎＧａＡｓの減衰係数はα＝７×１０^３ｃｍ^−１＝０．７μｍ^−１である。ｄ＝４μｍ厚みの受光層の場合、ｅｘｐ（−αｄ）＝６×１０^−２となる。１のパワーの入射光に対して、６％の光が透過するということである。それはｄ＝４μｍの場合であるが、ｄ＝３μｍやｄ＝２μｍの場合はもっと多くの光パワーが受光層を通過するわけである。それがｎ電極・基板の境界面で乱反射されて近傍のフォトダイオード素子のｐｎ接合へ至りノイズ光電流を発生する。本発明は二次元一次元受光素子アレイにおいて、そのような光学的クロストークを防ぐような工夫を与えることを目的とする。

本発明の受光素子アレイは、裏面電極と受光層の間に、入射する光のエネルギー（ｈｃ／λ）よりバンドギャップＥ_ｇａエネルギーの小さい（ｈｃ／λ＞Ｅ_ｇａ）材料よりなる１層あるいは２層以上の吸収層をエピタキシャル成長によって設けたものである。バンドギャップが入射光エネルギーより狭いから吸収層は入射光波長を吸収する。吸収層によって漏れ光を吸収減衰させる。漏れ光は受光層から裏面電極に至り、そこで反射されるのだから、裏面電極と受光層の間に一層の吸収層を設けると反射漏れ光は２回吸収される。２回吸収されるので隣接素子までゆかない。一般にｍ層の光吸収層を介在させると２ｍ回吸収される。

入射光｛λ｝のエネルギー｛ｈｃ／λ｝は予め分かっているから、それらの最小エネルギーよりも小さいバンドギャップＥ_ｇａの材料で、しかも受光素子の基板の上にエピタキシャル成長するものを光吸収層として選ぶ。

光通信の場合は各素子へ入る信号光は少しずつ波長が異なるが、それは僅かな違いであって、それらよりバンドギャップエネルギーが小さくてエピタキシャル成長する材料を探せば良い。光吸収層のバンドギャップＥ_ｇａでいえば、入射光の波長をλとして、Ｅ_ｇａ＜ｈｃ／λとなるような材料を選択する。同じことを吸収端波長λ_ｇａで表現するとＥ_ｇａ＝ｈｃ／λ_ｇａであるから、λ＜λ_ｇａとなるような吸収端波長λ_ｇａをもつ材料を光吸収層の材料とすれば良い。つまり入射光の波長よりも長い吸収端波長λ_ｇａを持つ材料で光吸収層を形成する。だから光吸収層は受光層と同じ組成、同じバンドギャップの材料であっても良いし、それよりバンドギャップの狭い材料でも良いということである。入射光の波長より長い吸収端波長を持てば良いのであるが、受光素子自体において入射光波長は定義されないから受光層の波長に準拠して光吸収層の材料を定義したのである。

吸収層の厚みｄであるが、漏れ光を吸収するのが目的であるから厚い方が吸収が大きくなるわけである。しかし厚くすると、きれいにエピタキシャル成長させるのが難しい。１０μｍもの吸収層は結晶性を損なう。反対にあまりに薄いと吸収が少なくて効果に乏しい。ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系であれば、目的とする入射光の波長λと吸収端波長λ_ｇｒの差が大きい程、減衰係数αが大きくなる。減衰定数αが大きいほど厚みｄは薄くても良い訳である。αが大きい場合はｄ＝１μｍ程度でも有効である。αによるが、適当な吸収層の厚み範囲は１μｍ〜５μｍの程度である。

漏れ光は吸収層を２回通過するからαが分かれば、減衰・透過パワーを計算することができる。
吸収層は裏面電極と受光層の間にあれば良い。だから３通りの場合がある。また基板、受光層、窓層がｎ型であり上面からｐ領域を拡散またはエピ成長で作るｎ型の受光素子アレイと、基板、受光層、窓層がｐ型であり上面からｎ領域を拡散又はエピ成長で作るｐ型の受光素子アレイとの場合がある。全部を列挙するのは煩雑であるから以下にはｎ型の受光素子アレイの分類を示す。

［１．上タイプ（図５、６）］
光吸収層が基板の上にあるもの。図５に示すように、ｎ型基板２の上に光吸収層２５を設け、その上にバッファ層３０、受光層３、窓層４をエピタキシャル成長によって設ける。そして絶縁物のマスクを通して上面からｐ型ドーパントを拡散して窓層４を貫き受光層３に至るｐ型領域５を必要数だけ形成する。ｐ領域５とｎ型領域の境界がｐｎ接合６である。ｐ領域５の上面の一部にｐ電極７をオーミック接合させる。その他のｐ領域の上面は反射防止膜９で覆う。それぞれのｐ領域５、ｐ電極７、反射防止膜９の組み合わせが受光素子単位ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４となる。ｎ型基板２の裏面はｎ電極８を全面に付ける。それは共通のｎ電極（カソード）となる。

ｎ型ＩｎＰ系の受光素子アレイの場合は、上から順に
ｐ電極７ ＡｕＺｎ 反射防止膜 ＳｉＯＮ、ＳｉＯ_２
ｐ領域５ Ｚｎ拡散
窓層４ ｎ型ＩｎＰ
受光層３ ｎ型ＩｎＧａＡｓ
バッファ層３０ ｎ型ＩｎＰ
光吸収層２５ ｎ型ＩｎＧａＡｓ
基板２ ｎ型ＩｎＰ
ｎ電極８ ＡｕＧｅＮｉ
のような層の構成とする。ｎ型ＩｎＰ窓層４がない構造でも良い。

［２．下タイプ（図７）］
光吸収層が基板の下にあるもの。図７に示すように、ｎ型基板２の下に光吸収層２６をエピタキシャル成長によって設ける。ｎ型基板２の上にバッファ層３０、受光層３、窓層４をエピタキシャル成長によって設ける。そして絶縁物のマスクを通して上面からｐ型ドーパントを拡散して窓層４を貫き受光層３に至るｐ型領域５を必要数だけ形成する。ｐ領域５とｎ型領域４、３の境界がｐｎ接合６である。ｐ領域５の上面の一部にｐ電極７をオーミック接合させる。その他のｐ領域の上面は反射防止膜９で覆う。それぞれのｐ領域５、ｐ電極７、反射防止膜９の組み合わせが受光素子単位ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４となる。ｎ型基板２の裏面の光吸収層２６にはｎ電極８を全面に付ける。それは共通のｎ電極（カソード）となる。

ＩｎＰ系の受光素子アレイの場合は、上から順に
ｐ電極７ ＡｕＺｎ 反射防止膜 ＳｉＯＮ、ＳｉＯ_２
ｐ領域５ Ｚｎ拡散
窓層４ ｎ型ＩｎＰ
受光層３ ｎ型ＩｎＧａＡｓ
バッファ層３０ ｎ型ＩｎＰ
基板２ ｎ型ＩｎＰ
光吸収層２６ ｎ型ＩｎＧａＡｓ
ｎ電極８ ＡｕＧｅＮｉ
のような層の構成とする。ｎ型ＩｎＰ窓層４がない構造でも良い。

［３．上下タイプ（図８）］
光吸収層が基板の上にも下にもあるもの。図８に示すように、ｎ型基板２の下に第２光吸収層２８をエピタキシャル成長によって設ける。ｎ型基板２の上に第１光吸収層２７、バッファ層３０、受光層３、窓層４をエピタキシャル成長によって設ける。そして絶縁物のマスクを通して上面からｐ型ドーパントを拡散して窓層４を貫き受光層３に至るｐ型領域５を作る。ｐ領域５とｎ型領域４、３の境界がｐｎ接合６である。ｐ領域５の上面の一部にｐ電極７をオーミック接合させる。その他のｐ領域の上面は反射防止膜９で覆う。それぞれのｐ領域５、ｐ電極７、反射防止膜９の組み合わせが受光素子単位ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４…となる。ｎ型基板２の裏面の第２光吸収層２８にはｎ電極８を全面に付ける。それは共通のｎ電極（カソード）となる。

ＩｎＰ系の受光素子アレイの場合は、上から順に
ｐ電極７ ＡｕＺｎ 反射防止膜 ＳｉＯＮ、ＳｉＯ_２
ｐ領域５ Ｚｎ拡散
窓層４ ｎ型ＩｎＰ
受光層３ ｎ型ＩｎＧａＡｓ
バッファ層３０ ｎ型ＩｎＰ
第１光吸収層２７ ｎ型ＩｎＧａＡｓ
基板２ ｎ型ＩｎＰ
第２光吸収層２８ ｎ型ＩｎＧａＡｓ
ｎ電極８ ＡｕＧｅＮｉ
のような層の構成とする。ｎ型ＩｎＰ窓層４がない構造でも良い。

図６によって上タイプ（図５）のアレイの場合の光吸収層２５の作用を述べよう。ｎ電極８（カソード）は正に、ｐ電極７（アノード）は負になるよう逆バイアスされている。ｐｎ接合６の下にはｎ側空乏層が、上にはｐ側空乏層ができている。

ＰＤ１の信号光λ１がＰＤ１入ったとする。反射防止膜９、ｐ領域５を通り、受光層３の中であってｐｎ接合６の両側に形成された空乏層に至る。受光層３はバンドギャップが狭いので入射光λ１の殆どが吸収される。それは受光層で電子正孔対を生成する。主にｎ側空乏層でできた正孔が電界の作用でｐｎ接合へ走りｐ領域へ入り光電流を生ずる。しかし一部のλ１は受光層３を通り抜ける。バッファ層３０はそのまま通過する。漏れ光は狭いバンドギャップＥ_ｇａの光吸収層２５でｅｘｐ（−αｓ）の形で減衰する。αは光吸収層の減衰係数、ｓは光吸収層２５の上端から経路にそった座標である。光線の傾斜角をΥとすると、光吸収層２５の厚みｄ_ａが実効的にｄ_ａｓｅｃΥに増える。だから光吸収層２５を透過することによってｅｘｐ（−αｄ_ａｓｅｃΥ）に減衰する。基板２はバンドギャップが広いから、ここでは殆ど吸収がない。そのまま通過し底面の電極８に当たる。ここで乱反射されて一部が隣接素子ＰＤ２、ＰＤ３…へ向かう。基板２はそのまま通るが、再び光吸収層２５が行く手を遮る。ここで同じような減衰ｅｘｐ（−αｄ_ａｓｅｃΥ’）を受ける。乱反射だからΥ’はΥに必ずしも等しくない。光吸収層２５のため合計ｅｘｐ（−αｄ_ａｓｅｃΥ−αｄ_ａｓｅｃΥ’）分の減衰を受ける。ために隣接素子ＰＤ２、ＰＤ３のｐｎ接合６には殆ど到達できない。これによって１／１０００程度の消光比を実現できる。

図７に示した光吸収層下タイプのアレイにおいても同様に光学的クロストークを防ぐことができる。ＰＤ１の入射光がそのｐｎ接合６の近傍の受光層３で吸収しきれなかったとする。漏れ光はｎ型基板２を経て厚みｄ_ａの光吸収層２６に至る。光吸収層２６のバンドギャップは光のエネルギーより低いので漏れ光がやはりｅｘｐ（−αｓ）の形で減衰する（αは光吸収層２６の減衰係数）。ｎ電極８でΥ’の方向へ反射されて斜め上に向かうが、すぐ上の光吸収層２６で再び吸収される。先ほどの例と同じように光吸収層２６を上から下へ下から上へ透過するので２回減衰する。上、下を合わせた、合計ｅｘｐ（−αｄ_ａｓｅｃΥ−αｄ_ａｓｅｃΥ’）分の減衰を受ける。それによって隣接素子単位間の光学的クロストークを−３０ｄＢ程度に抑えることができる。

図８に示した光吸収層上下タイプのアレイにおいては、より完全に光学的クロストークを防ぐことができる。ＰＤ１の入射光がそのｐｎ接合６の近傍の受光層３で吸収しきれなかったとする。漏れ光はバッファ層３０のすぐ下のバンドギャップの狭い（厚みｄ_ａ１の）第１光吸収層２７で吸収されｅｘｐ（−α_１ｓ）の形で減衰する（α_１は第１光吸収層２７の減衰係数）。そこを漏れ出たものはｎ型基板２を経て（厚みｄ_ａ２の）第２光吸収層２８に至る。第２光吸収層２８のバンドギャップも光のエネルギーより低いので漏れ光がやはりｅｘｐ（−α_２ｓ）の形で減衰する（α_２は第２光吸収層２８の減衰係数）。ｎ電極８で反射されて斜め上に向かうが、すぐ上の第２光吸収層２８で再び吸収される。先ほどの例と同じように光吸収層２８を上から下へ下から上へ透過するので２回減衰する。上、下タイプの両方の作用があり、合計ｅｘｐ｛−（α_１ｄ_ａ１＋α_２ｄ_ａ２）（ｓｅｃΥ＋ｓｅｃΥ’）｝分の減衰を受ける。それによって隣接素子単位間の光学的クロストークを例えば−６０ｄＢ程度に抑えることができる。減衰定数αは入射光の波長によるので波長が異なればクロストークの減衰も異なる。入射光の波長λが短いほど減衰が大きく本発明は効果的である。

例えば、ｎ型ＩｎＰ基板の上に、３μｍ厚みのＩｎＧａＡｓ吸収層を形成し、その上に２μｍのＩｎＰバッファ層、４μｍのＩｎＧａＡｓ受光層、１．５μｍのＩｎＰ窓層をエピタキシャル成長させＳｉＮをマスクとしてＺｎ拡散させ電極、反射防止膜を付けて４連の受光素子アレイを作製したとする。
この場合、上面から１．３μｍの波長の信号光をＰＤ１に入射したとして、隣接素子ＰＤ２単位に入射するのは、最大でも０．０００２３％である。これは受光層（ｄ_ｒ）の４μｍ、吸収層（ｄ_ａ）の３μｍの２倍で合計厚み（２ｄ_ａ＋ｄ_ｒ）が１０μｍになり、減衰係数をα＝１．３μｍ^−１として計算したものである。ｅｘｐ｛−α（２ｄ_ａ＋ｄ_ｒ）｝＝ｅｘｐ（−１．３×１０）＝２．３×１０^−６となる。極めて小さい漏れ光パワーである。

或いは上面から１．５５μｍの波長の信号光をＰＤ１に入射したとして、隣接素子ＰＤ２単位に入射するのは、最大でも０．０９％である。これは受光層（ｄ_ｒ）の４μｍ、吸収層（ｄ_ａ）の３μｍの２倍で合計厚み（２ｄ_ａ＋ｄ_ｒ）が１０μｍになり、減衰係数をα＝０．７μｍ^−１として計算したものである。ｅｘｐ（−α（２ｄ_ａ＋ｄ_ｒ））＝ｅｘｐ（−０．７×１０）＝９×１０^−４となる。これも小さい漏れ光パワーである。

実際には、ＰＤ１から入射して裏面電極で反射したものは大部分がＰＤ１に戻る筈であるから、ＰＤ２へ行くものはもっと弱いものである。それに光線の方向が吸収層に対し斜めになるから実効的な膜厚ｄがもっと増え（ｄｓｅｃΥになる）漏れ光はさらに減衰する。

ＩｎＰ基板で受光層がＩｎＧａＡｓである場合は、光信号の波長が１．３μｍ〜１．５５μｍであることが多いから、ＩｎＧａＡｓの３元混晶であって吸収端波長が１．６μｍ程度のものを選べば良い。

［一次元受光素子アレイ（上タイプ：Ｍ×１）］
図９によって本発明の上タイプの実施例（図５：基板の上に光吸収層）にかかる受光素子アレイを述べる。図９では４つの単位素子を図示しているが、もっと数が多くても良い。８、１６、３２…というように２の累乗個の単位を含むものを作ると光通信の受信部に好適である。ピッチは光ファイバクラッドの直径１２５μｍかその整数倍にするとよい。一次元の光センサとする場合は個数Ｍ、ピッチＰともに目的に応じて自在に決めれば良い。

３５０μｍ厚み硫黄ドープのｎ型ＩｎＰ基板２（ｎ＝３×１０^１８ｃｍ^−３）の上に、受光層と同じ吸収端波長をもつｎ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２５（厚さ３μｍ、Ｓｉドープ、ｎ＝１×１０^１８ｃｍ^−３）、ｎ型ＩｎＰバッファ層３０（厚さ２μｍ、ノンドープ、ｎ＝１×１０^１５ｃｍ^−３）、ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層３（厚さ４μｍ、ノンドープｎ＝１×１０^１５ｃｍ^−３；ＩｎＰに格子整合）、ＩｎＰ窓層４（厚さ１．５μｍ、ノンドープ、ｎ＝１×１０^１５ｃｍ^−３）を、順次ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相エピタキシ−）によってエピタキシャル成長させた。

エピタキシャル成長の原料ガスとして、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アルシン（ＡｓＨ_３）、ホスフィン（ＰＨ_３）を用いた。

ｎ型ドーパントとしてのＳｉを含む原料としてはモノシラン（ＳｉＨ_４）ガスを用いた。エピタキシャル成長の圧力は４０Ｔｏｒｒ（５．３２×１０^３Ｐａ）、成長温度は６５０℃であった。

ｐｎ接合は、ＳｉＮｘ膜をＩｎＰ窓層の上に形成し一定ピッチで穴をあけたものをマスクとしてＺｎを穴から選択拡散して形成した。

反射防止膜はＳｉＯＮ膜である。ｐ電極はＡｕＺｎによって、ｎ電極はＡｕＧｅＮｉによって形成した。
チップをパッケージに取り付けワイヤボンディングしシールした。こうしてＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４を含む４素子のアレイができた。

１．５５μｍ光を第１受光素子ＰＤ１にのみ、垂直に近い角度で入射して感度を測定した。そのときのＰＤ１の感度は１Ａ／Ｗであった。隣接する第２受光素子ＰＤ２の感度は０．００１Ａ／Ｗ以下であった。つまりＰＤ１からの漏れ光でＰＤ２にいたる光は極めて弱くて１／１０００程度以下であるということである。

裏面電極・基板の境界で反射しやすいように、１．５５μｍ光を、斜めに第１ＰＤ１に入射させた。この光は境界で反射してＰＤ２に入っている筈であるがＰＤ２の感度は０．００１Ａ／Ｗ以下であった。ＰＤ３以下はもっと微弱であった。

そのように本発明は吸収層を基板と受光層の間に入れることによって１／１０００の消光比（−３０ｄＢ）が得られた。

［二次元タイプ（Ｍ×Ｎ：上タイプ）］
本発明は上面入射型受光素子の二次元アレイにも適用できる。図１０にその一部平面図を、図１１に一部断面図を示す。これは１チップ上にＭ×Ｎ個の受光素子単位を形成したものである。上面には縦横に並ぶ、ｐ領域５、ｐ電極７が見える。上面は実際には反射防止膜９とｐ電極７で相補的に覆われている。チップの１辺、２辺、３辺あるいは４辺にｐ電極につながる電極パッド４０が数多く設けられる。電極パッド４０は配線４２によって個々の受光素子単位のｐ電極７に接続される。ｎ電極８は共通でチップの底面にあるからパッケージのステムにボンディングされる。電極パッド４０はワイヤボンディングによってパッケージのピンに接続される。

図１１に示すように、基板２と受光層３の間に光エネルギーより小さいバンドギャップの光吸収層２５がある。これが漏れ光を２回吸収するから素子間の光学的クロストークを減らすことができる。

配線４２はチップの上面に設けられる。Ｍ×Ｎの数が大きくなると配線の数も増える。そうすると配線のための上面面積が増える。受光素子の入射面積が減少する。しかし、それは素子単位の間隔を広げることになり光学的クロストークの低減には有利に働く。

ｎ型基板、受光層、連続する複数のｐ領域とｐ電極、基板裏面の共通のｎ電極からなり複数の受光素子単位ＰＤ１、ＰＤ２…を有する上面入射型受光素子アレイの従来例を示す断面図。 ｎ型基板、受光層、複数のｐ領域とｐ電極、基板裏面の共通のｎ電極をもち複数の受光素子単位ＰＤ１、ＰＤ２…を含み、分離溝によって受光素子単位が電気的に分離されてなり特開２００１−１４４２７８、特開２００１−３５２０９４等に提案されている上面入射型受光素子アレイの従来例を示す断面図。 図１に示す従来例の上面入射型受光素子アレイにおいて一つの素子に入った光が底面の電極で反射されて隣接素子のｐｎ接合に至り隣接素子にクロストークを発生させることを説明するためのアレイ一部の断面図。 図２に示す従来例の上面入射型受光素子アレイにおいて一つの素子に入った光が、その素子の受光層で吸収しきれず一部が透過し底面の電極で反射されて隣接素子のｐｎ接合に至り隣接素子にクロストークを発生させることを説明するためのアレイ一部の断面図。 基板の上、受光層の下に入射光を吸収できるバンドギャップの光吸収層を設けた本発明の上タイプの上面入射型受光素子アレイの断面図。 基板の上、受光層の下に光吸収層を設けた上タイプの本発明の上面入射型受光素子アレイにおいて一つの素子に入った光が、その素子の受光層で吸収しきれないとしても光吸収層で吸収され底面のｎ電極で反射した後も光吸収層で再び吸収されるので隣接単位のｐｎ接合には到達せず光学的クロストークが抑制されることを示す断面図。 基板の下に入射光を吸収できるバンドギャップの光吸収層を設けた本発明の下タイプの上面入射型受光素子アレイの断面図。 基板の下と上に入射光を吸収できるバンドギャップの光吸収層を二つ設けた本発明の上下タイプの上面入射型受光素子アレイの断面図。 基板の上に一つの光吸収層を設けた上タイプの実施例１の構造を示すための断面図。 二次元的に素子単位が配列されている本発明実施例２にかかる上面入射型の受光素子アレイの平面図。 図１０の二次元配列したアレイの断面図。

符号の説明

２ ｎ型基板
３ 受光層
４ 窓層
５ ｐ領域
６ ｐｎ接合
７ ｐ電極
８ ｎ電極
９ 反射防止膜
２２ 分離溝
２５ 光吸収層
２６ 光吸収層
２７ 第１光吸収層
２８ 第２光吸収層
４０ 電極パッド
４２ 配線

Claims (6)

1. 第１導電型の半導体基板と、半導体基板の裏面に設けられた第１導電型の電極と、基板表面側に形成された第１導電型の受光層と、一次元的又は二次元的に配列するように受光層の中に複数個離隔して形成された第２導電型領域と、複数の第２導電型領域の一部に設けられた個別の第２導電型電極と、第２導電型領域の残りの部分を覆い入射光の反射を防ぐ反射防止膜と、受光層の吸収端波長λ_ｇｒと同じか、またはそれよりも長い吸収端波長λ_ｇａ（λ_ｇａ≧λ_ｇｒ）をもつ光吸収層を第１導電型電極と受光層の間に少なくとも一つ設けたことを特徴とする上面入射型受光素子アレイ。
2. 受光層の吸収端波長λ_ｇｒよりも短い吸収端波長λ_ｇｂをもつバッファ層（λ_ｇｂ＜λ_ｇｒ）を、受光層と光吸収層の間に設けたことを特徴とする請求項１に記載の上面入射型受光素子アレイ。
3. 受光層の吸収端波長λ_ｇｒよりも短い吸収端波長λ_ｇｗをもつ窓層（λ_ｇｗ＜λ_ｇｒ）を受光層の上に設け、受光層、窓層ともに一次元的又は二次元的に配列するように第２導電型領域が複数個離隔して形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の上面入射型受光素子アレイ。
4. 受光層、光吸収層、窓層及びバッファ層が半導体基板の上にエピタキシャル成長によって形成されたことを特徴とする請求項３に記載の上面入射型受光素子アレイ。
5. ｎ型ＩｎＰ基板と、ｎ型ＩｎＰ基板の裏面に設けられた共通のｎ電極と、ｎ型ＩｎＰ基板の表面側にエピタキシャル成長した受光層の吸収端波長と同じか、またはそれよりも長い吸収端波長をもつｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層と、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の上にエピタキシャル成長したｎ型ＩｎＰバッファ層と、ｎ型ＩｎＰバッファ層の上にエピタキシャル成長したｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層と、ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層の上にエピタキシャル成長したｎ型ＩｎＰ窓層と、ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層とｎ型ＩｎＰ窓層の中に一次元的または二次元的に配列された複数個のｐ領域及びｐｎ接合と、個個のｐ領域の上面一部に設けられたｐ電極と、ｐ電極以外のｐ領域上面を覆う反射防止膜とよりなることを特徴とする上面入射型受光素子アレイ。
6. ｎ型ＩｎＰ基板上と、ｎ型ＩｎＰ基板の裏面に設けられた共通のｎ電極と、ｎ型ＩｎＰ基板の表面側にエピタキシャル成長した受光層の吸収端波長と同じか、またはそれよりも長い吸収端波長をもつｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層と、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の上にエピタキシャル成長したｎ型ＩｎＰバッファ層と、ｎ型ＩｎＰバッファ層の上にエピタキシャル成長したｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層と、ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層の中に一次元的または二次元的に配列された複数個のｐ領域及びｐｎ接合と、個個のｐ領域の上面一部に設けられたｐ電極と、ｐ電極以外のｐ領域上面を覆う反射防止膜とよりなることを特徴とする上面入射型受光素子アレイ。
   

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