(57)【要約】【課題】微弱光に対して低ノイズ化を図ることにより高感度化したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を提供する。【解決手段】数倍の増倍作用を示す線形増倍部と従来のＡＰＤ増倍部とを集積した構造とすることで、ＡＰＤ増倍部起因の増倍のばらつきを抑制し、ＡＰＤの長所を保ちながら低ノイズ化、高感度化を実現する。特に、線形増倍部では、ヘテロ接合におけるバンドギャップ差で生じる加速電場を用いて、光吸収層で生成された光電子を加速することで、急激な加速領域を形成する。また、複数のヘテロ接合を直列に接続することで、この線形増倍部が所定の増倍率をもつようにすることもできる。例えば、上記ＡＰＤ増倍部をシリコン単結晶で形成し、また、上記線形増倍部におけるヘテロ接合は、水素化アモルファスシリコン層と水素化アモルファスシリコンカーバイド層との、ヘテロ接合とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ電極に接続されたＰ型半導体領域とＮ型半導体領域との間に、
入射光で光電子を生成する光吸収層と、
該光電子を線形に増倍する線形増倍層と、
該線形増倍層から出力された電子をアバランシェ増倍する高増倍率増倍層と、
を備えることを特徴とする高光検出効率アバランシェフォトダイオード。
【請求項２】
上記線形増倍層は、ヘテロ接合におけるバンドギャップ差で生じる加速電場を用いて上記光電子を加速し、加速された光電子が電子−正孔対を生成することによるものであることを特徴とする請求項１に記載の高光検出効率アバランシェフォトダイオード。
【請求項３】
上記線形増倍層は、複数のヘテロ接合を直列に接続したものであることを特徴とする請求項２に記載の高光検出効率アバランシェフォトダイオード。
【請求項４】
上記高増倍率増倍層はシリコン単結晶であり、
上記線形増倍層におけるヘテロ接合は、アモルファスシリコン層とアモルファスシリコンカーバイド層とのヘテロ接合であることを特徴とする請求項２または３のいずれか１つに記載の高光検出効率アバランシェフォトダイオード。
【請求項５】
上記ヘテロ接合は、アンドープ半導体層または高抵抗半導体層で構成したヘテロ接合であり、
上記線形増倍層と上記Ｎ型半導体領域との間に、Ｐ型半導体領域を設けたことを特徴とする請求項２から４のいずれか１つに記載の高光検出効率アバランシェフォトダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微弱光に対して低ノイズ化を図ることにより高感度化したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）では、よく知られているように、光電流発生部でキャリアを発生させ、アバランシェ効果によるキャリア増倍部でキャリア数を増倍するアバランシェ増倍を用いることで、増幅作用をもった光検出器を実現している。
【０００３】
アバランシェ増倍 では、キャリア（主に電子）が電場によって加速され他の電子と衝突して複数のキャリア対を生成し、生成されたキャリア電子もまた加速されて、累乗的にキャリア数が増倍される。これから、大きな信号出力を得、後段のアンプのノイズを凌駕することで高感度化が実現できる。図５に非特許文献１に記載されたＡＰＤの例を示す。図５（ａ）は、ガードリングをもち、図５（ｂ）は、ガードリングとｎ+-ｐ-π-ｐ+なる構造をもち、図５（ｃ）は、金属−半導体構造をもち、図５（ｄ）は、メサ構造をもち、図５（ｆ）は、ｐ+-ｎ-ｎ+構造をもち光を側面から入射するものである。
【０００４】
従来のＡＰＤでは、低雑音化するために、例えば、（１）上記の電場をＡＰＤ素子内で一定にするために、図5（ａ）のようにガードリングを設けたり、（２）非特許文献１の７７５頁の図６（ａ）５にリーチスルー（reach through）ＡＰＤとして記載されている様に、拡散層プロファイルをｐ+-π-ｐ-π-ｎ+として、キャリア増倍部の内部で光励起キャリアが発生しないようにするために、上記の電流発生部とキャリア増倍部との間にドリフト領域を設けて、入射光をこのドリフト領域内で減衰させたり、（３）図５（ｃ）と同様に、ショットキバリアＡＰＤにすることでキャリアをほぼ電子のみにしてキャリ増倍係数を均一にしたり、また、下記に示すように、（４）イオン化確率の異なる２つの領域でキャリア増倍領域を構成したり、（５）障壁層を鋸歯状のポテンシャル構造とした傾斜超格子構造としたり、（６）半導体光吸収層を設けたり、（７）半導体光吸収層の増倍を抑える増倍抑制層を設けたりすることが既に知られている。
【０００５】
例えば、特許文献１（特開２００６−４０９１９号公報）には、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層の間に半導体増倍層を含み、半導体増倍層と第２導電型半導体層の間に半導体光吸収層を含んでなるアバランシェフォトダイオードにおいて、半導体光吸収層と第２導電型半導体層の間にさらに半導体光吸収層の増倍を抑える増倍抑制層を０．６μm以下の厚さに形成し、半導体  光吸収層の厚さが０．５μm以上に設定したＡＰＤが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２（米国特許第５４５７３２７号明細書）には、光を吸収して電子−正孔対を生成する光吸収層と、電界緩和層と、光増倍層とを含む多層構造のＡＰＤが開示されている。その光増倍層では、２種類の半導体層をくり返し積層したもので、それは、電子の進行方向に、バンドギャップが徐々に増加する層と、徐々に減少する層である。この構造により、ＡＰＤに電圧が印加された状態では、バンドの伝導帯端が電子の進行方向に階段状になる。
【０００７】
また、特許文献３（特開平９−２３７９１３号公報）には、下部電極と上部電極間に、受光によりフォトキャリアを生じる光吸収層と、前記光吸収層で発生したフォトキャリアを増幅する増幅層とを有する半導体受光素子において、前記増幅層は、アバランシェ現象を引き起こす井戸層と前記光吸収層よりも大きなバンドギャップを有する障壁層とから構成されるＡＰＤが開示されている。
【０００８】
また、非特許文献２には、水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）層と水素化アモルファスシリコンカーバイド（a-SiC:H）層をバンドが階段状になるように積層したフォトダイオードが記載されている。これは、図６（ａ）に示す様に、伝導帯のバンド不連続部を電子が通過する際に起こる電子の増倍現象を用いたもので、水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）層と水素化アモルファスシリコンカーバイド（a-SiC:H）層を積層し、動作電圧を印加した場合のバンド図が電子の進行方向について段差を設け、この段差を電子が通過するたびに電子数を増倍させて増幅するものである。図６（ｂ）に示す様に、このフォトダイオードは、通常のシリコンAPDと比較して、良好なノイズ特性を示すことが報告されている。
【０００９】
非特許文献３には、図７に示す様に、ｎ型単結晶シリコン上に、水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）層と水素化アモルファスシリコンカーバイド（a-SiC:H）層を積層したフォトダイオードが記載されている。このフォトダイオードでは、水素化アモルファスシリコン（a-Si:H）層で、キャリアのアバランシェ増倍が起きる。
【００１０】
しかし、上記従来例の電子の増倍過程による最終的な出力電子数（増倍率）は一定ではなくある分布を持っている（増倍率揺らぎ）。例えば平均１００倍の増倍率といっても、全く増倍しないで１個の電子しか出力しない場合もあれば、１０００倍にもなることもある。たまたま低い増倍率に当たった電子の場合は、後段のアンプのノイズを凌駕できず光を検出できない。あるいは、増倍率が大きく揺らぐため、光子が１個入射したのか２個入射したのか分からないという欠点もあつた。このような増倍率揺らぎがＡＰＤの高感度化を阻む要因となっていた。
【００１１】
この様に、ＡＰＤでは、バイアス電圧一定の条件のもとでも、同じ強度の光に対して、その検出出力が時間的に変動することが知られている。これは、ＡＰＤに光が入射して、１個の光電子が生成された場合に、バイアス電圧による電界で加速され原子と衝突して電子雪崩現象を起こす事によって生成される電子数にばらつきがあるためである。
【００１２】
例えば、図８（ａ）は、バイアス電圧を調整して、平均２０個と１００個の電子が生成される場合について、生成される電子のバラつきを示す図である。この図８（ａ）から、生成される電子数は大幅にばらつくものであり、平均１００個の電子が生成される場合、つまり増倍係数が大きい場合の方がこのばらつきが大きいことが分かる。
【００１３】
また、ＡＰＤからの出力を受けて信号処理する回路、例えば、増幅器では、微小ではあるが、有限のノイズを発生する。このため、ＡＰＤの出力は、そのノイズ信号よりも大きくないとそれらを区別できない。例えば図８（ａ）の閾値で示す点が、この区別の閾値である。図８（ａ）から分かるように、ＡＰＤの特性として、上記の閾値の強度以下の出力電子数の発生確率の方が高い。
【００１４】
しかし、上記電子雪崩の種になる電子数（ｎ）が２以上の場合は、上記図８（ａ）とは異なる分布を得ることができる。図８（ｂ）は、ｎ＝１、２、４について、増倍率（Ｍ）に対するその発生確率密度を示す図である。図８（ｂ）から、ｎが増加するに従って、確率密度分布のピークが高増倍率側に移動することが分かる。増倍されない場合、つまり増倍率が１の場合の確率密度は、ｎの増加と共に減少する。図中、ｋは、電子のイオン化率に対するホールのイオン化率の比である。ｋ＝０．０１の場合は、ほぼ電子のみがイオン化される場合に相当する。また、この場合は、電子注入の方がノイズが小さいことが知られている。
【００１５】
また、上記図８（ａ）に示す様に、生成される電子が平均２０個の場合よりも、平均１００個の場合の方が、発生確率はなだらかに高像倍率の方に伸びており、閾値を越えた領域の割合がより大きい。この特性から、一般に、ＡＰＤの増倍率が大きくなるに従って、光電子の数え落としが減少する。図８（ｃ）は、さらに、種となる電子が１個と２個の場合について、ｋ＝０．０１で閾値＝１０電子の場合の光電子検出効率を示すものである。この図８（ｃ）から分かるように、２個の方が光電子検出効率が高い。これから、１つの光子に対して種となる電子が２個発生する場合の方が、その光子の数え落としが少ないことが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００６−４０９１９号公報
【特許文献２】米国特許第５４５７３２７号明細書
【特許文献３】特開平９−２３７９１３号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】S. M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices" 2nd Ed., pp. 773 , 1981.
【非特許文献２】K. Sawada, M. Akiyama, and M. Ishida, "Excess noise characteristics of amorphous silicon staircase photodiode films", App. Phys. Lett., Vol. 75, No. 10, Month9Day6Year19996 September 1999, 1470-1472.
【非特許文献３】大竹、他８名、“Ａｕ／ｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈ／ａ−ＳｉＣ：Ｈ／ｎ型ｃ−ＳｉＣ構造フォトダイオードにおける光電流・暗電流のｎ型ｃ−Ｓｉ不純物濃度依存性”、ITE Technical Report Vol.21.No.80,pp.19〜２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、微弱光に対して低ノイズ化を図ることにより高感度化したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
一般に、フォトダイオード（ＰＤ）では一つの光子により１対の電子−正孔対が生成される。しかし、上記の様に、ＡＰＤでは、上記の様にキャリア数が累乗で増倍するので、最初に入射する電子数によりＡＰＤの出力電子数分布は大きく変わる。つまり、入射電子数が１個から２個になっただけで、増倍が小さくなる確率が格段に減る（大きな増倍の確率が増える）のである。もし、光が発生した１個の電子を確実に２倍以上にし、それを従来のＡＰＤ増倍層に入れれば、この効果により光を検出できる確率が増大する。また、増倍率揺らぎも同時に減少し、光子１個と２個を区別できる可能性も出てくる。
【００２０】
そこで、本発明では、数倍の線形増倍部と従来のＡＰＤ増倍部とを組み合わせた構造とすることで、光電子の数を低倍ではあるが確実に増倍した上でＡＰＤの長所を保ちながら高感度化を実現するものである。この線形増倍部には、例えば、非特許文献２に記載されたもので図６（ａ）に示すバンド構造をもったフォトダイオードを用いる。このフォトダイオードの過剰雑音指数（excess noise factor）は、図６（ｂ）に示す様に、６倍までの増倍率に対してほぼ１のままである。この特性から、このフォトダイオードでは、ショットノイズが殆ど無く、本発明の線形増倍部に適していることが分かる。
【００２１】
本発明の高光検出効率アバランシェフォトダイオードは、それぞれ電極に接続されたＰ型半導体領域とＮ型半導体領域との間に、入射光で光電子を生成する光吸収層と、該光電子数を線形に増倍する線形増倍層と、該線形増倍層から出力された電子をアバランシェ増倍する高増倍率増倍層と、を備えるものである。この線形増倍層は、イオン化確率が高い半導体領域であって、ここでの加速電圧は低く増倍率も低く設定する。例えば、増倍率を２から１０倍の範囲の所定の値に設定することが望ましい。
【００２２】
また、上記線形増倍層では、ヘテロ接合におけるバンドギャップ差で生じる加速電場を用いて上記光電子を加速するようにすることで、急激な加速領域を形成することができる。
【００２３】
上記線形増倍層は、複数のヘテロ接合を直列に接続することで、全体で所定の増倍率となるようにしたものでもよい。
【００２４】
特に、上記高増倍率増倍層をシリコン単結晶で形成し、また、上記線形増倍層におけるヘテロ接合は、水素化アモルファスシリコン層と水素化アモルファスシリコンカーバイド層と、のヘテロ接合とすると、通常のシリコン半導体集積回路上に形成することが容易である。
【００２５】
上記ヘテロ接合を、アンドープ半導体層または高抵抗半導体層でヘテロ接合を形成することによって、Ｐ型半導体領域、アンドープ半導体層または高抵抗半導体層、Ｐ−型半導体領域、Ｎ型半導体領域とする。この構成にすることによって、リーチスルー構造に類似の構造となり、上記アンドープ半導体層または高抵抗半導体層よりも上記Ｐ−型半導体領域における電界勾配がより大きくすることができ、上記高増倍率増倍層の増倍率を大きく設定することができる。
【発明の効果】
【００２６】
数倍の線形増倍部と従来のＡＰＤ増倍部とを組み合わせた構造とすることで、雑音を減少させ高感度化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（ａ）は、本発明のＡＰＤの構造の模式図を示し、（ｂ）は、そのバンド図を示す。
【図２】図１における上記の水素化アモルファスシリコンカーバイド層７から水素化アモルファスシリコン層６に移動する際に表れる接合部のバンドギャップを、２つにしたものである。
【図３】（ａ）に、拡散層プロファイルがｐ+−π−ｐ−ｎ+であるリーチスルーＡＰＤと類似の構造を実現した構造を、（ｂ）にそのバンド図を示す。
【図４】（ａ）は、図３の水素化アモルファスシリコンカーバイド層７から水素化アモルファスシリコン層６に移動する際に表れる接合部のバンドギャップを、２つにしたものであり、（ｂ）はそのバンド図を示す。
【図５】非特許文献１に記載されたＡＰＤの例を示す図である。
【図６】は、非特許文献２に記載されたフォトダイオードの、（ａ）バンド図と（ｂ）ノイズ特性を示す図である。
【図７】非特許文献３に記載されたＡＰＤの構成を示す図である。
【図８】従来のＡＰＤの、（ａ）平均２０個と１００個の電子が生成される場合について、その生成される電子のバラつきを示す図であり、（ｂ）電子雪崩の種になる電子数（ｎ）が、ｎ＝１、２、４について、増倍率（Ｍ）に対するその発生確率密度を示す図であり、（ｃ）は、さらに、種となる電子が１個と２個の場合について、ｋ＝０．０１で閾値＝１０電子の場合の光電子検出効率を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった構成物に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例１】
【００２９】
本発明のＡＰＤの構造の模式図を図１（ａ）に示す。この構造では、金属電極１に接続したｎ型単結晶シリコン領域４上に、例えばエピタキシャル成長によって、高抵抗（π型）単結晶シリコン領域５ａを設ける。π型単結晶シリコン領域５ａ上には、例えばＣＶＤ（化学的気相成長）プロセスによって、水素化アモルファスシリコン層６（１００ｎｍ厚）、水素化アモルファスシリコンカーバイド層７（５０ｎｍ厚）、水素化アモルファスシリコン層８（５０ｎｍ厚）、およびｐ型水素化アモルファスシリコン層９（２００ｎｍ厚）と積層し、図１（ａ）の様にパターンニングした後、保護膜２で被覆し、コンタクト窓を設けて、光が透過する程度の厚さの金属電極３（金、２０ｎｍ厚）を設けたものである。このＡＰＤには、金属電極１と２には、それぞれ正負の電圧を印加する。
【００３０】
このＡＰＤのバンド図を図１（ｂ）に示す。ｐ型水素化アモルファスシリコン層９と水素化アモルファスシリコン層８は、光吸収層として働き、光励起キャリアを生成する。ここで生成された電子は、まず水素化アモルファスシリコンカーバイド層７から水素化アモルファスシリコン層６に移動する際に、その接合部のバンドギャップで加速される。バンドギャップが均一に形成されることから、この加速は、均一に行なわれる。この様に加速された電子が、新たにキャリアを生成することは、上記の非特許文献３の記載と同様であり、増倍係数は大きくないものの、入射光の強度に比例した電子数が得られる事が知られている。つまり、この領域は、線形増倍層として動作する。
【００３１】
この様に増倍された電子は、単結晶シリコン領域５aで通常のＡＰＤと同様に増倍される。ここで、単結晶シリコンとアモルファスシリコンの比誘電率は、約１２であり、アモルファスシリコンカーバイドの比誘電率は、約３．５である。このため、図１（ａ）に示す構造では、アモルファス多層膜領域の電場勾配と単結晶領域の電場勾配とは、ほぼ同じと考えることができる。しかし、単結晶領域はアモルファス多層膜領域に比べて、平均自由工程が大きく、従って、電子の獲得できる運動エネルギーが大きい。このため、この電子増倍領域で生成される電子数は、上記の場合に比べて、大きく設定することができる。つまり、この領域は、アバランシェ増倍層として動作する。
【００３２】
図２（ａ）は、上記の水素化アモルファスシリコンカーバイド層７から水素化アモルファスシリコン層６に移動する際に表れる接合部のバンドギャップを、２つにしたものである。図２（ｂ）はそのバンド図を示す。水素化アモルファスシリコンカーバイド層７ｂと水素化アモルファスシリコン層６ｂの対をさらに増やすことで、このバンドギャップの数をさらに増やし、線形増倍層の増倍係数をさらに増大させる事は容易である。
【実施例２】
【００３３】
図３（ａ）に、図１（ａ）のπ型単結晶シリコン領域５aの代わりにｐ型単結晶シリコン領域５ｂを設けて、拡散層プロファイルがｐ+-π-ｐ-ｎ+であるリーチスルーＡＰＤと類似の構造を実現することができる。このリーチスルーＡＰＤの場合は、図３（ｂ）に示すバンド図を持つ。図３（ｂ）は、動作時の電圧が印加された状態でのバンド図を示す。ｐ型単結晶シリコン領域５ｂでの電界勾配が大きく、この部分がアバランシェ増倍層として動作する。
【００３４】
図４（ａ）は、図３の水素化アモルファスシリコンカーバイド層７から水素化アモルファスシリコン層６に移動する際に表れる接合部のバンドギャップを、２つにしたものである。図４（ｂ）はそのバンド図を示す。この場合も、水素化アモルファスシリコンカーバイド層７ｂと水素化アモルファスシリコン層６ｂの対をさらに増やすことで、このバンドギャップの数をさらに増やし、線形増倍層の増倍係数をさらに増大させる事は容易である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
上記においては、アモルファスシリコンとアモルファスシリコンカーバイドを用いるＡＰＤの例を示した。このＡＰＤは、近赤外線領域と可視光領域で用いることができるが、半導体を適宜選択することで遠赤外線領域や、紫外線領域で低雑音でありながら高感度であるＡＰＤを容易に実用化することができる。その構造は、上記の構造と同じかまたは僅かに修正したものとすればよい。
【符号の説明】
【００３６】
１  金属電極
２  保護膜
３  金属電極
４  ｎ型単結晶シリコン領域
５ａ  高抵抗（π型）単結晶シリコン領域
５ｂ  ｐ型単結晶シリコン領域
６、６ａ、６ｂ  水素化アモルファスシリコン層
７、７ａ、７ｂ  水素化アモルファスシリコンカーバイド層
８  水素化アモルファスシリコン層
９  ｐ型水素化アモルファスシリコン層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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