(57)【要約】【課題】低電圧駆動で動作可能であり入力光信号に対する応答の劣化を低減できる裏面入射型半導体受光素子を提供できる。【解決手段】基板１３の入射面１３ａから入射した光Ｌは、光吸収領域１５のｐ型半導体層２１とカソード半導体領域１５とによって構成されるｐｎ接合２３において電気信号Ｉｓに変換される。ｐｎ接合２３が、光吸収領域１７のｐ型半導体層２１とカソード半導体領域１５の境界にあるので、光吸収領域１７の電界は、カソード半導体領域１５からアノード半導体領域１９への方向に単調に変化する。光吸収領域１７のｐ型半導体層２１とカソード半導体領域１７との界面ＨＪの位置に合わせてｐｎ接合２３を設けることにより、素子全体において高い電界の領域を電子・正孔対の高い濃度の領域の一部又は全部に重ね合わせることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体受光素子であって、
当該半導体受光素子への入射光を受ける入射面と、該入射面に対して反対側の主面とを有する基板と、
カソード半導体領域及びアノード半導体領域の一方であり、前記基板の前記主面上に設けられる上流側半導体層と、
前記上流側半導体層上に設けられた光吸収領域と、
前記カソード半導体領域及び前記アノード半導体領域の他方であり、前記光吸収領域に接合を成す下流側半導体層と、
を備え、
前記光吸収領域は、前記上流側半導体層の導電性と逆導電型の半導体層を含み、
前記光吸収領域の前記半導体層は、前記上流側半導体層にｐｎ接合を成す、半導体受光素子。
【請求項２】
前記半導体層はｐ導電性を有しており、
前記ｐｎ接合における前記半導体層のアクセプタ濃度は前記ｐｎ接合における前記カソード半導体領域のドナー濃度より小さく、
前記カソード半導体領域及び前記アノード半導体領域のバンドギャップは、前記光吸収領域のバンドギャップより大きい、請求項１に記載された半導体受光素子。
【請求項３】
前記カソード半導体領域に接続されたカソード電極を更に備え、
前記上流側半導体層は、前記カソード半導体領域を含み、
前記カソード半導体領域の主面は、第１エリアと前記第１エリアを囲む第２エリアとを含み、
前記カソード半導体領域の前記第１エリアは半導体メサを搭載し、
前記半導体メサは前記カソード半導体領域及び前記アノード半導体領域を含み、
前記カソード電極は、前記カソード半導体領域の前記第２エリアに接合を成す、請求項１又は請求項２に記載された半導体受光素子。
【請求項４】
前記アノード半導体領域の上面に接続されたアノード電極を更に備え、
前記上流側半導体層は、前記アノード半導体領域を含み、
前記基板はＩｎＰからなり、
前記カソード半導体領域はｎ型ＩｎＰからなり、
前記光吸収領域は、ＩｎＧａＡｓからなり、
前記アノード半導体領域はｐ型ＩｎＰからなる、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体受光素子。
【請求項５】
前記光吸収領域の全体にわたってアクセプタが添加されている、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された半導体受光素子。
【請求項６】
前記半導体層は、ｐ導電性を有する第１部分及び第２部分を含み、
前記第１部分は、前記カソード半導体領域に前記ｐｎ接合を成し、
前記第２部分は、前記第１部分と前記アノード半導体領域との間に位置し、
前記半導体層の前記第１部分のアクセプタ濃度は、前記半導体層の前記第２部分のアクセプタ濃度より大きい、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された半導体受光素子。
【請求項７】
前記光吸収領域は、一又は複数の別のｐ型半導体層を含み、
前記ｐ型半導体層及び前記別のｐ型半導体層は、互いに離間されており、
前記ｐ型半導体層及び前記別のｐ型半導体層は、前記カソード半導体領域からアノード半導体領域への方向に配列されている、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された半導体受光素子。
【請求項８】
前記基板は、半導体からなり、
前記基板の前記入射面はモノリシックレンズ構造を有する、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された半導体受光素子。
【請求項９】
半導体受光素子であって、
当該半導体受光素子への入射光を受ける入射面と、該入射面に対して反対側の半導体面とを有する半導体構造体を備え、
前記半導体構造体は、基板と、前記基板の主面に設けられた半導体積層とを含み、
前記半導体積層は、カソード半導体領域及びアノード半導体領域の一方である上流側半導体層と、光吸収領域と、前記カソード半導体領域及び前記アノード半導体領域の他方である下流側半導体層とを含み、
前記上流側半導体層、前記光吸収領域、及び前記下流側半導体層は、前記半導体構造体の前記入射面から前記半導体面への入射方向軸に沿って順に配置されており、
前記基板及び前記半導体積層は前記入射方向軸に沿って順に配置されており、
前記光吸収領域は前記上流側半導体層と前記下流側半導体層との間に設けられ、
前記光吸収領域は、前記上流側半導体層の導電性と逆導電型の半導体層を含み、
前記光吸収領域の前記半導体層は、前記上流側半導体層にｐｎ接合を成す、半導体受光素子。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された半導体受光素子と、
前記半導体受光素子の前記入射面に光学的に結合された光導波路と、
前記半導体受光素子に接続された電源ラインを有し、前記半導体受光素子を搭載する支持体と、
を備える、光受光装置。
【請求項１１】
前記支持体の前記電源ラインに接続された電源を更に備え、
前記電源の電源電圧は２ボルト以下である、請求項１０に記載された光受光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子、及び光受光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体受光素子が記載されている。この半導体受光素子は、ｉＩｎＧａＡｓ光吸収層を含む。また、特許文献２には、プレーナー型の半導体受光素子が記載されている。半導体受光素子は、ｎ＋ＩｎＰ基板上に設けられたｎ型ＩｎＰバッファ層、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、及びＩｎＰキャップ層を含む。ｎ型光吸収層はｎ−領域及びｎ＋領域を含み、キャップ層は、ＺｎドープＩｎＰ層を含み、ＺｎドープＩｎＰ層上にはｐ側電極が設けられている。ｎ＋ＩｎＰ基板の裏面には、開口を有するｎ側電極が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０１−２５９５７８号公報
【特許文献２】特開平０３−０３８８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２の半導体受光素子では、ｎ＋型ＩｎＰエピ層上に、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層及びＰ＋型ＩｎＧａＡｓ層の分離領域が設けられている。また、特許文献２のプレーナー型の半導体受光素子では、ｐｎ接合は、キャップ層内のＺｎドープＩｎＰ層と光吸収層との接合に形成される。
【０００５】
小型で信頼性の高い送受信装置を低コストで提供する要求があり、この要求に応じるために受光素子に関して、また、送受信装置の小型化と同時に低消費電力化を実現することになる。なぜなら、商業的に入手可能な集積回路は、低い電圧駆動の下で使用される。この電源電圧に合わせて、受光素子の駆動電圧も低下することになる。受光素子に印加する電圧の大きさは、例えば低消費電力型の集積回路で使用される２ボルト以下（例えば、１ボルト程度）である。また、特に４０Ｇ／１００Ｇｂｐｓの高速光通信システムにおいては、高いパワー（例えば、３ｍＷ程度)の信号光が入射される使用状態においても高い光電変換効率（もしくは量子効率、例えば７０％以上）と高速の応答性（例えば、２０ＧＨｚ以上）が要求される。
【０００６】
本発明は、上記のような背景に基づき為されたものであり、低電圧駆動で動作可能であり入力光信号に対する応答の劣化を低減できる半導体受光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体受光素子は、（ａ）入射面と、該入射面に対して反対側の主面とを有する基板と、（ｂ）カソード半導体領域及びアノード半導体領域の一方であり、前記基板の前記主面上に設けられる上流側半導体層と、（ｃ）前記上流側半導体層上に設けられた光吸収領域と、（ｄ）前記カソード半導体領域及び前記アノード半導体領域の他方であり、前記光吸収層に接合を成す下流側半導体層とを備え、前記光吸収領域は、前記上流側半導体層の導電性と逆導電型の半導体層を含み、前記光吸収領域の前記半導体層は、前記上流側半導体層にｐｎ接合を成す。
【０００８】
例えば上流側半導体層がカソード半導体領域であると共に下流側半導体層がアノード半導体領域である形態を例示的に説明する。この半導体受光素子によれば、基板の入射面から入射した光は、光吸収層に入射して、光吸収領域のｐ型半導体層とカソード半導体領域とによって構成されるｐｎ接合において電気信号に変換される。また、ｐｎ接合が、光吸収領域のｐ型半導体層とカソード半導体領域の境界にあるので、光吸収領域の電界は、カソード半導体領域からアノード半導体領域に向けて単調に変化する。この電界の傾斜は、光電変換によって生成された電子・正孔対の移動のために外部印加電圧による電界を有効に利用して形成される。
【０００９】
また、半導体受光素子の裏面から光が入射されるので、入射した光は光吸収領域に入射するに際して、カソード半導体領域を介して光吸収領域のｐ型半導体層に至る。この故に、光吸収領域のｐ型半導体層とカソード半導体領域との界面から光吸収領域内において電子・正孔対が生成され、電子・正孔対の濃度は界面から離れるに従って低くなる。光吸収領域のｐ型半導体層とカソード半導体領域との界面に合わせてｐｎ接合を設けることにより、高い電界の領域を電子・正孔対の高い濃度の領域の一部又は全部に重ね合わせることができる。
【００１０】
本発明に係る半導体受光素子では、前記半導体層はｐ型導電性を有し、前記ｐｎ接合における前記ｐ型半導体層のアクセプタ濃度は前記ｐｎ接合における前記カソード半導体領域のドナー濃度より小さく、前記カソード半導体領域及び前記アノード半導体領域のバンドギャップは、前記光吸収層のバンドギャップより大きいことが好ましい。
【００１１】
この半導体受光素子によれば、前記上流側半導体領域はカソード半導体領域であり、ｐｎ接合においてアクセプタ濃度がドナー濃度より小さいので、ｐｎ接合における空乏層は主にｐ型半導体層に形成される。
【００１２】
本発明に係る半導体受光素子は、前記上流側半導体領域はカソード半導体領域であり、前記カソード半導体領域に接続されたカソード電極を更に備えることができる。前記カソード半導体領域の主面は、第１エリアと前記第１エリアを囲む第２エリアとを含み、前記カソード半導体領域の前記第１エリアは半導体メサを搭載し、前記半導体メサは前記カソード半導体領域及び前記アノード半導体領域を含み、前記カソード電極は、前記カソード半導体領域の前記第２エリアに接合を成すことができる。
【００１３】
この半導体受光素子によれば、カソード電極がカソード半導体領域の第２エリア上に設けられるので、基板は半絶縁性半導体からなることができる。また、カソード半導体領域の第１エリア上に半導体メサが設けられるので、カソード電極が裏面入射の妨げにならない。
【００１４】
本発明に係る半導体受光素子は、前記アノード半導体領域の上面に接続されたアノード電極を更に備えることができる。前記基板はＩｎＰからなり、前記カソード半導体領域はｎ型ＩｎＰからなり、前記光吸収領域は、ＩｎＧａＡｓからなり、前記アノード半導体領域はｐ型ＩｎＰからなることができる。
【００１５】
本発明に係る半導体受光素子では、前記光吸収領域の全体にわたってアクセプタが添加されていることができる。
【００１６】
本発明に係る半導体受光素子では、前記光吸収領域はｐ導電性を有し、前記半導体層は、第１部分と第２部分とを含み、前記第１部分は、前記カソード半導体領域に前記ｐｎ接合を成し、前記第２部分は、前記第１部分と前記アノード半導体領域との間に位置し、前記半導体層の前記第１部分のアクセプタ濃度は、前記半導体層の前記第２部分のアクセプタ濃度より大きいことができる。
【００１７】
この半導体受光素子によれば、ｐ型の半導体層の第１部分のアクセプタ濃度がｐ型の半導体層の第２部分のアクセプタ濃度より大きいので、ｐｎ接合近傍における電界を高めることができる。
【００１８】
本発明に係る半導体受光素子では、前記光吸収領域は、一又は複数の別のｐ型半導体層を含み、前記ｐ型半導体層及び前記別のｐ型半導体層は互いに離間されており、前記ｐ型半導体層及び前記別のｐ型半導体層は、前記カソード半導体領域からアノード半導体領域への方向に配列されていることができる。
【００１９】
この半導体受光素子によれば、電界の変化が、ｐ型半導体層及び別のｐ型半導体層の配列を含む領域に形成されることができる。この電界の変化により、ｐｎ接合近傍において生成された電子・正孔対の正孔が移動できる。
【００２０】
本発明に係る半導体受光素子では、前記基板は半導体からなり、前記基板の前記光入射面はモノリシックレンズ構造を有することができる。
【００２１】
この半導体受光素子によれば、光吸収領域内における集光領域をモノリシックレンズを用いて調整できる。
【００２２】
本発明に係る半導体受光素子は、当該半導体受光素子への入射光を受ける入射面と、該入射面に対して反対側の半導体面とを有する半導体構造体を備える。前記半導体構造体は、基板と、前記基板の主面に設けられた半導体積層とを含み、前記半導体積層は、カソード半導体領域及びアノード半導体領域の一方である上流側半導体層と、光吸収領域と、前記カソード半導体領域及び前記アノード半導体領域の他方である下流側半導体層とを含み、前記上流側半導体層、前記光吸収領域、及び前記下流側半導体層は、前記半導体構造体の前記入射面から前記半導体面への入射方向軸に沿って順に配置されており、前記基板及び前記半導体積層は前記入射方向軸に沿って順に配置されており、前記光吸収層は前記上流側半導体層と前記下流側半導体層との間に設けられ、前記光吸収領域は、前記上流側半導体層の導電性と逆導電型の半導体層を含み、前記光吸収領域の前記半導体層は、前記上流側半導体層にｐｎ接合を成す。
【００２３】
本発明に係る光受光装置は、（ａ）上記の半導体受光素子と、（ｂ）前記半導体受光素子の前記入射面に光学的に結合された光導波路と、（ｃ）前記半導体受光素子に接続された電源ラインを有し、前記半導体受光素子を搭載する支持体とを備える。
【００２４】
また、本発明に係る光受光装置は、前記支持体の前記電源ラインに接続された電源を更に備えることができる。前記電源の電源電圧は１．５ボルト以下である。
【００２５】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、低電圧駆動で動作可能であり入力光信号に対する応答の劣化を低減できる半導体受光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本実施の形態に係る半導体受光素子の構造を示す図面である。
【図２】図２は、図１に示されたフォトダイオード内部のドーパントプロアイルを示す図面である。
【図３】図３は、実施例１のフォトダイオードの構造を示す図面である。
【図４】図４は、図３に示されたフォトダイオード内部のドーパントプロファイル、電界強度のプロファイル及びキャリア濃度のプロファイルを示す図面である。
【図５】図５は、図３に示されたドーパント濃度プロファイル、電界強度プロファイル、発生及び再結合キャリア密度プロファイルを示す。
【図６】図６は、実施例２のフォトダイオードの構造を示す図面である。
【図７】図７は、図６に示されたフォトダイオード内部のドーパントプロアイル、電界強度のプロファイル及びキャリア濃度のプロファイルを示す図面である。
【図８】図８は、実施例３のフォトダイオードの構造を示す図面である。
【図９】図９は、図８に示されたフォロダイオード内部のドーパントプロアイル、電界強度のプロファイル及びキャロア濃度のプロファイルを示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体受光素子、及び光受光装置に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２９】
図１は、本実施の形態に係る半導体受光素子の構造を示す図面である。この実施の形態では、この実施の形態では、カソード半導体領域及びアノード半導体領域の一方である上流側半導体層（入射光の進行方向に関して上流）としてカソード半導体領域を用い、カソード半導体領域及びアノード半導体領域の他方である下流側半導体層（入射光の進行方向に関して下流）として、アノード半導体領域を用いる。また引き続く例示的な説明では、半導体受光素子は裏面入射型を有する。
【００３０】
裏面入射型半導体受光素子１１は、基板１３と、カソード半導体領域１５と、光吸収領域１７と、アノード半導体領域１９とを備える。基板１３は、入射面（基板裏面）１３ａ及び主面１３ｂを有しており、主面１３ｂは入射面１３ａに対して反対側にある。カソード半導体領域１５は、基板１３の主面１３ｂ上に設けられる。光吸収領域１７は、カソード半導体層１５上に設けられる。アノード半導体領域１９は、光吸収層１７に接合を成す。光吸収領域１７は、アクセプタが添加されたｐ導電性の半導体層２１を含み、このｐ型半導体層２１はカソード半導体領域１５にｐｎ接合２３を成す。カソード半導体領域１５及びアノード半導体領域１９のバンドギャップは、光吸収層１７のバンドギャップより大きい。
【００３１】
この裏面入射型半導体受光素子１１によれば、基板１３の入射面１３ａから入射した光Ｌは、基板１３を関して、カソード半導体領域１５及びアノード半導体領域１９のバンドギャップより小さいバンドギャップを有する光吸収層１５に入射して、光吸収領域１５のｐ型半導体層２１とカソード半導体領域１５とによって構成されるｐｎ接合２３において電気信号Ｉｓに変換される。また、ｐｎ接合２３が、光吸収領域１７のｐ型半導体層２１とカソード半導体領域１５の境界にあるので、光吸収領域１７の電界は、カソード半導体領域１５からアノード半導体領域１９への方向に単調に変化する。
【００３２】
ｐｎ接合２３が光吸収領域１５のｐ型半導体層２１とカソード半導体領域１５の界面又は界面近傍に位置する。光吸収領域１５の電界の傾斜は、光電変換によって生成された電子（Ｅ）・正孔（Ｈ）対の移動のために外部印加電圧による電界を利用して形成される。
【００３３】
また、半導体受光素子１１の裏面から光Ｌが入射されるので、入射した光は光吸収領域１７に入射するに際して、カソード半導体領域１５を介して光吸収領域１７のｐ型半導体層２１に至る。この故に、光吸収領域１７のｐ型半導体層２１とカソード半導体領域１７との界面から光吸収領域内１７において電子・正孔対が生成され、電子・正孔対の濃度は界面ＨＪから離れるに従って低くなる。
【００３４】
光吸収領域１７のｐ型半導体層２１とカソード半導体領域１７との界面ＨＪの位置に合わせてｐｎ接合２３を設けることにより、素子全体において、高い電界の領域を電子・正孔対の高い濃度の領域の一部又は全部に重ね合わせることができる。
【００３５】
この構造により、外部印加電圧を有効に利用して光吸収領域１７内に電界を形成できると共に、この電界はカソードからアノードに向けて傾斜する。この傾斜の向きは、光吸収領域とアノード半導体領域との界面に設けられたｐｎ接合を有する受光素子における電界の向きと反対である。
【００３６】
裏面入射型半導体受光素子１１では、ｐｎ接合２３におけるｐ型半導体層２１のアクセプタ濃度はｐｎ接合２３におけるカソード半導体領域１５のドナー濃度より小さいことが好ましい。ｐｎ接合２３においてアクセプタ濃度がドナー濃度より小さいので、ｐｎ接合２３における空乏層は主にｐ型半導体層２１に形成される。
【００３７】
また、カソード半導体領域１５の主面１５ａは、第１エリア１５ｂ及び第２エリア１５ｃを含み、第２エリア１５ｃは第１エリア１５ｂを囲む。裏面入射型半導体受光素子１１は、カソード半導体領域１５に接続されたカソード電極２５を更に備えることができる。カソード半導体領域１７の第１エリア１７ｂは半導体メサ２７を搭載する。この半導体メサ２７は光受光領域１７及びアノード半導体領域１８を含み、またカソード半導体領域１５の一部分を含むことができる。カソード電極２５は、カソード半導体領域１５の第２エリア１５ｃに接合Ｊｋを成すことができる。
【００３８】
カソード電極２５がカソード半導体領域１５の第２エリア１５ｃ上に設けられるので、基板１３は半絶縁性半導体からなることができる。また、カソード半導体領域１５の第１エリア１５ｂ上に半導体メサ２７が設けられるので、カソード電極２５が裏面入射の妨げにならない。
【００３９】
裏面入射型半導体受光素子１１はアノード電極２９を更に備えることができ、アノード電極２９はアノード半導体領域１９の上面１９ａに接続されて接合Ｊａを形成する。基板１３は例えばＩｎＰからなり、カソード半導体領域１５は例えばｎ型ＩｎＰからなり、光吸収領域１５は例えばＩｎＧａＡｓからなり、アノード半導体領域１９は例えばｐ型ＩｎＰからなることができる。
【００４０】
光受光装置３１は、本実施の形態に記載される裏面入射型半導体受光素子１１と、光導波路３３と、支持体３５とを備える。光導波路３３は、裏面入射型半導体受光素子１１の入射面１３ｂに光学的に結合され、例えば光ファイバ、光学レンズ等であることができる。支持体３５は、裏面入射型半導体受光素子１１を搭載すると共に電源ライン３７（３７ａ、３７ｂ）を備える。電源ライン３７（３７ａ、３７ｂ）は裏面入射型半導体受光素子１１に接続され、より具体的には、裏面入射型半導体受光素子１１のアノード電極２９は電源ライン３７ａに接続され、裏面入射型半導体受光素子１１のカソード電極２７は電源ライン３７ｂに接続される。
【００４１】
また、光受光装置３１は電源３９を更に備えることができ、電源３９は支持体３５の電源ライン３７に接続される。電源３９の電源電圧は２ボルト以下であり、更には１．５ボルト以下であることができる。裏面入射型半導体受光素子１１のアノード電極２９は電源ライン３７ａを介して電源３９に接続され、裏面入射型半導体受光素子１１のカソード電極２７は電源ライン３７ｂを介して電源３９に接続される。
【００４２】
光受光装置３１では、支持体３３が、裏面入射型半導体受光素子１１と、光導波路３３と、支持体３５と、電源３９とを支持し、また収容する。
【００４３】
裏面入射型半導体受光素子１１では、基板１３は半導体からなり、基板１３の光入射面１３ｂはモノリシックレンズ構造を有することができる。
【００４４】
この裏面入射型半導体受光素子によれば、光吸収領域内における集光領域をモノリシックレンズを用いて調整できる。
【００４５】
裏面入射型半導体受光素子１１の一実施例では、図２の（ａ）部に示されるように、光吸収領域１７の全体にわたってアクセプタが添付されてｐ型半導体層２１が形成されていることができる。ｐ型半導体層２１はアノード半導体領域１９にｐｐ接合２３ｂを成す。この裏面入射型半導体受光素子１１によれば、カソード電極及びアノード電極により入射光が妨げられないので、高い量子効率（高い受光感度）を有し、かつ高速光信号応答を有する受光素子を実現できる。光吸収領域１７のアクセプタ濃度は１×１０１４ｃｍ−３以上であり、１×１０１５ｃｍ−３以下であることができる。また、アノード半導体領域１９のアクセプタ濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であり、１×１０１９ｃｍ−３以下であることができる。カソード半導体領域１５のドナー濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であり、１×１０１９ｃｍ−３以下であることができる。光吸収領域１７の電界は、カソード半導体領域１５からアノード半導体領域１９への方向に単調に変化する。
【００４６】
裏面入射型半導体受光素子１１の一実施例では、図２の（ｂ）部に示されるように、ｐ型半導体層２１は、第１部分２１ａと第２部分２１ｂとを含む。第１部分２１ａは、カソード半導体領域１５にｐｎ接合２３を成す。第２部分２１ｂは、第１部分２１ａとアノード半導体領域１９との間に位置し、本実施例では、第２部分２１ｂはアノード半導体領域１９に接合を成し、また第１部分２１ａに接合２３ｄを成す。ｐ型半導体層２１の第１部分２１ａのアクセプタ濃度は、ｐ型半導体層２１の第２部分２１ｂのアクセプタ濃度より大きいことができる。この裏面入射型半導体受光素子１１によれば、第１部分２１ａのアクセプタ濃度が第２部分２１ｂのアクセプタ濃度より大きいので、ｐｎ接合２３近傍における電界を高めることができる。
【００４７】
裏面入射型半導体受光素子１１の一実施例では、図２の（ｃ）部に示されるように、光吸収領域１７は、ｐ型半導体層及び一又は複数の別のｐ型半導体層２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆを含み、これらの半導体層の間にそれぞれ位置する半導体層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆを含むことができる。光吸収領域１７のｐ型半導体層２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｄ（２２）は互いに離間されており、ｐ型半導体層２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｄは、カソード半導体領域１５からアノード半導体領域１９への方向に配列されている。ｐ型半導体層２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ及び半導体層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆが交互に配列されている。ｐ型半導体層２１はアノード半導体領域１９にｐｐ接合２３ｂを成す。この裏面入射型半導体受光素子１１によれば、電界の変化が、ｐ型半導体層２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆ及び半導体層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆの配列を含む領域に形成されることができる。この電界の変化により、ｐｎ接合２３近傍において生成された電子・正孔対の正孔が移動できる。
【００４８】
これまでに説明された形態では、光吸収領域１５内にｎ−／ｎ＋型領域を形成せず、光吸収領域１５の全領域に半導体部分（ｐ型、濃度レベルＮＡ２が例えば1e15/cm3程度）を配置する。ここで、表記「1e15」は１×１０１５を意味する。或いは、光吸収領域１５は基板に近いヘテロ界面に半導体部分（高濃度ｐ＋型、濃度レベルＮＡ３、例えば1e16〜1e17/cm3程度）を、またｐ−電極に近い半導体部分（アンドープ、濃度レベルＮＡ０）または半導体部分（低濃度ｐ−型、(濃度レベルＮＡ２、例えば1e14〜1e15/cm3程度））を配置する。或いは、光吸収領域１５は半導体部分（高濃度ｐ＋型、濃度レベルＮＡ３、例えば1e16〜1e17/cm3程度）と、半導体部分（アンドープ、濃度レベルＮＡ０）または半導体部分（低濃度ｐ−型、濃度レベルＮＡ２、例えば1e14〜1e15/cm3程度）を周期的に配置することができる。
【００４９】
上記の光吸収領域１５の構造にとれば、光吸収層全領域内の発生キャリア密度のプロファイルと、電界強度のプロファイルは傾向が同様である。
【００５０】
図２の（ａ）部に示されるドーパントプロファイルでは、基板１３に違い位置に光吸収領域に係るヘテロ界面で高くなっている。高い光入射条件の場合、空間電荷効果によるキャリアの再結合密度が上昇し、ｐｎ接合に係るヘテロ界面での電界強度が低くなる傾向にあるけれども、低い駆動電圧でも光吸収領域（アノードへのキャリア走行領域）内で最も高い電界強度が、基板に近いヘテロ界面で維持されており、かつ光吸収領域（ここでは、キャリア走行領域）内でアノード電極へのキャリア（正孔）飽和速度を達成できる電界強度を確保できる。これ故に、走行遅延による高周波応答劣化が回避される。
【００５１】
図２の（ｂ）部に示されるドーパントプロファイルでは、発生キャリア密度の高い、基板に近いヘテロ界面近傍での電界をより強くできる。この故に、より高い光入射条件（もしくはより低電圧駆動）の場合において、電界強度が低下を抑えることができ、低い駆動電圧でも光吸収領域（アノードへのキャリア走行領域）内で最も高い電界強度が、基板に近いヘテロ界面で維持されており、かつ光吸収領域（ここでは、キャリア走行領域）内でアノード電極へのキャリア（正孔）飽和速度を達成できる電界強度を確保できる。これ故に、走行遅延による高周波応答劣化が回避される。
【００５２】
図２の（ｃ）部に示されるドーパントプロファイルでは、発生キャリア密度の高く基板に近いヘテロ界面近傍での電界をより強くしているだけでなく周期的に配置している。高い光入射条件の場合において、光吸収層全体に電界強度低下の影響を光吸収層内全体に分散している。ｐ−電極へのキャリア（正孔）走行時間だけでなく、基板側へのキャリア（電子）走行時間へ影響も抑えることができる。
【００５３】
再び図１を参照すると、半導体受光素子１１は、当該半導体受光素子１１への入射光を受ける入射面１３ｂと、該入射面１３ｂに対して反対側の半導体面４３ａ（メサ上面）とを有する半導体構造体４１とを備える。半導体構造体４１は、基板１３と、基板１４の主面１３ａに設けられた半導体積層４３とを含む。半導体積層４３は、基板１３の主面１３ａ上に設けられカソード半導体領域１５及びアノード半導体領域１９の一方の領域（上流側半導体層）と、カソード半導体領域及びアノード半導体領域の他方の領域（下流側半導体層）と、カソード半導体領域及びアノード半導体領域の間に設けられた光吸収領域１７とを含む。上流側半導体層は、光吸収層１７に接合を成す。上流側半導体層、光吸収領域、及び下流側半導体層は、半導体構造体４１の入射面１３ｂから半導体面４３ａへの入射方向軸Ａｘに沿って順に配置されている。基板１３及び半導体積層４３は入射方向軸Ａｘに沿って順に配置されている。光吸収領域１７は上流側半導体層の導電性と逆導電型の半導体層２１を含む。光吸収領域１７の半導体層２１は、上流側半導体層にｐｎ接合２３を成す。
【００５４】
（実施例１）
図３の（ａ）部は、実施例１のフォトダイオードの構造を示す図面である。図４は、図３の（ａ）部に示されたフォロダイオード内部のドーパントプロアイル、電界強度のプロファイル及びキャロア濃度のプロファイルを示す図面である。半絶縁性ＩｎＰ基板１０１に以下の層構造を順に積層する。
ｎ型（例えば、ＮＤ１：Ｓｉドープ濃度1e18/cm3）のＩｎＰ層１０２（例えば、厚さ0.5μｍ）。
ｐ型（例えば、ＮＡ２：Ｚｎドープ濃度1e15/cm3）のＩｎＧａＡｓ層１０３（例えば、1μｍ）。
ｐ型ＩｎＰ層１０４（例えば、ＮＡ１：Ｚｎドープ濃度1e18/cm3）。
【００５５】
この層構造において、誘電体保護膜（例えば、ＳｉＮ膜）を用いてｎ型ＩｎＰ 層１０２が露出するまで化学エッチングを行って、半導体メサ（InP/InGaAs-pin-PD 構造）を形成する。アノード電極１０５（例えば、Au/Zn/Au、Pt/Ti/Pt/Au等）及びカソード電極１０６（例えば、Au/Ge/Au、Pt/Ti/Pt/Au等）を、それそれ、ｐ型ＩｎＰ１０４層上及びｎ型ＩｎＰ層１０２上に形成する。
基板１０１の裏面に、信号光を効率的に受光領域に結合させる集光レンズ１１０をドライエッチングにより形成する。レンズ１１０の表面には反射防止膜を形成してもよい。この反射防止膜は、例えばＳｉＮ膜を用いることができる。
【００５６】
図３の（ｂ）部を参照すると、光吸収層にｎ導電性を付与した裏面入射型フォトダイオードの構造を示す。図５の（ａ）部及び（ｂ）部は、図３の（ｂ）部に示されたドーパント濃度プロファイル、電界強度プロファイル、発生及び再結合キャリア密度プロファイルを示す。光吸収層はｎ型（濃度レベルＮＤ２、例えば1e15/cm3 程度）である。基板に近いヘテロ界面では、発生キャリア密度は高い。しかし、光吸収層内の電界強度は発生キャリアプロファイルとは逆傾向となり、基板に近いヘテロ界面で低くなる。図５の（ｂ）部に示される高い光入射条件に対応するプロファイルでは、空間電荷効果によるキャリアの再結合密度が上昇し、基板に近いヘテロ界面での電界強度が低下してしまう。この故に、駆動電圧が低いとき、アノード電極への正孔走行遅延が発生して、この結果、高周波応答劣化が生じる。これは、高速光通信システムにおける送受信装置の電子回路の小型化及び低消費電力化には適さない。一方、光吸収層内部の電界強度を上げるために、光吸収層の厚さを薄くすると信号光を光吸収層で十分に吸収できなくなってしまう。
【００５７】
受光素子として使用するためには、７０パーセント以上の量子効率が必要である。アノード電極による反射を利用することで折り返して光吸収層で再度の吸収を行わせることで、光吸収層の厚さは少なくとも１μｍ程度を必要である。
【００５８】
実施例１では、基板１０１の裏面に入射した信号光（例えば、波長１．３１μｍまたは波長１．５５μｍ）は光吸収層で吸収される。光吸収層を通過した光は、さらにアノード電極１０５による反射を利用することで再度、光吸収層を通過して、光電変換に寄与する。この使用形態において、光吸収層は、実効的に所定の量子効率を満たす厚さを備えるように形成されることができる。
【００５９】
２ボルト以下（例えば、１ボルト程度）の低いバイアス電圧を印加するとき、1e15/cm3 程度のキャリア濃度で、光吸収層が１μｍ以上の厚さで空乏化する為、光吸収層全域を空乏化する。
【００６０】
図４の（ａ）部には、低い光入力条件（例えば１００μＷ以下）が示されており、また図４の（ｂ）部には、高い光入力条件（例えば１ｍＷ以上）が示されている。図４を参照すると、フォトダイオードのドーパントプロファイルに示されるように、光吸収層にｎ型（Ｓｉ）ドーピング領域を形成せず、光吸収層の全領域がｐ型（Ｚｎ）ドーピングされているので、電界強度プロファイルに示されるように、キャリア走行領域内で最も高い電界強度（例えば３０ｋＶ／ｃｍ程度）を、基板に近い光吸収領域のヘテロ界面ＨＪに形成できる。キャリアプロファイルに示されるように、この高い電界強度の位置が、基板１０１の裏面から入射した信号光が吸収層により光電変換されて生成された発生キャリアのキャリア密度プロファイル及び再結合キャリアのキャリア密度プロファイルにおける分布傾向に一致する。
【００６１】
高い光入射条件（例えば、３ｍＷ）の場合、光吸収層がｎ導電性を示しフォトダイオードでは、基板に近い光吸収領域で空間電荷効果によるキャリアの再結合密度が上昇し、基板に近い光吸収領域のヘテロ界面での電界強度が低下して、逆にアノード電極に近い光吸収領域のヘテロ界面での電界強度は上昇してしまう。しかしながら、実施例１のフォトダイオードでは、低い駆動電圧でも光吸収層（本実施例では、キャリア走行領域）内において最も高い電界強度が位置し、かつ最も高いキャリア密度が、基板１０１に近い光吸収領域のヘテロ界面近傍でに形成される。このとき、光吸収層（キャリア走行領域）をアノード電極に向けて走行する正孔の飽和速度を得るために必要な電界強度（２０ｋＶ／ｃｍ以上）を生成できる。正孔の飽和速度の達成は、走行遅延による高周波応答劣化を回避することを可能にする。
【００６２】
本実施例では、高い量子効率を確保し、高い光入射条件の場合でも２ボルト以下(例えば、１ボルト程度)の低電圧駆動で高速光信号に応答できるようにした裏面入射型のフォトダイオードを提供できる。
【００６３】
（実施例２）
図６は、実施例２のフォトダイオードの構造を示す図面である。図７は、図６に示されたフォロダイオード内部のドーパントプロアイル、電界強度のプロファイル及びキャロア濃度のプロファイルを示す図面である。
半絶縁性ＩｎＰ基板１０１に以下の層構造を順に積層する。
ｎ型（例えば、ＮＤ１：Ｓｉドープ濃度1e18/cm3）のＩｎＰ層１０２（例えば、厚さ０．５μｍ）。
ＩｎＧａＡｓ層１０３（例えば、１μｍ）。
ｐ＋型（例えば、ＮＡ３：Ｚｎドープ濃度1e16/cm3）のＩｎＧａＡｓ層１０３−１（例えば、０．１μｍ）。
アンドープ又はｐ型（例えば、ＮＡ２：Ｚｎドープ濃度1e14/cm3）のＩｎＧａＡｓ層１０３−２（例えば、０．９μｍ）。
ｐ型ＩｎＰ層１０４（例えば、ＮＡ１：Ｚｎドープ濃度1e18/cm3）。
【００６４】
この層構造において、誘電体保護膜（例えば、ＳｉＮ膜）を用いてｎ型ＩｎＰ 層１０２が露出するまで化学エッチングを行って、半導体メサ（InP/InGaAs-pin-PD 構造）を形成する。アノード電極１０５（例えば、Au/Zn/Au、Pt/Ti/Pt/Au等）及びカソード電極１０６（例えば、Au/Ge/Au、Pt/Ti/Pt/Au等）を、それそれ、ｐ型ＩｎＰ１０４層上及びｎ型ＩｎＰ層１０２上に形成する。基板１０１の裏面に、信号光を効率的に受光領域に結合させる集光レンズ１１０をドライエッチングにより形成する。レンズ１１０の表面には反射防止膜を形成してもよい。この反射防止膜は、例えばＳｉＮ膜を用いることができる。
【００６５】
基板１０１から入射した信号光（例えば、波長１．３１μｍ または波長１．５５μｍ等）は光吸収層で吸収され、光吸収層を通過した光はアノード電極１０５により反射させて、さらに折り返して再度光吸収層に入射させて光吸収層により吸収させることができる。光吸収層は、実効的に所望の量子効率を満たす厚さに作成される。
【００６６】
２ボルト以下（例えば、１ボルト程度）の低いバイアス電圧を印加するとき、1e15/cm3 程度のキャリア濃度で、光吸収層に１μｍ以上の空乏層が形成される。このため、光吸収層全域を空乏化できる。図７に示された電界強度プロファイルを参照すると、光吸収層にｎ型（Ｓｉ）ドーピング領域がないので、ｐ＋型（例えば、ＮＡ３：Ｚｎドープ濃度1e16/cm3）の第一ＩｎＧａＡｓ層１０３−１内において、電界強度（３００ｋＶ／ｃｍ程度）が、基板に近い光吸収領域のヘテロ界面において達成される。この電界強度は、実施例１のヘテロ界面における値よりも大きい。大きな電界の位置が、基板から入射した信号光により生成されるキャリアの発生及び再結合密度の大きな位置に一致する。図７の（ｂ）部に示される、高い光入射の条件（例えば、実施例１の条件よりも高い３０ｍＷ）において、基板に近い光吸収層の領域で空間電荷効果によるキャリアの再結合密度が上昇する。しかし、基板に近い光吸収層のヘテロ界面における電界強度が低下する傾向があるけれどもアノード電極に近い光吸収領域のヘテロ界面における電界強度が逆に上昇することはなく、低い駆動電圧でもｐ＋型ＩｎＧａＡｓ層（例えば、ＮＡ３：Ｚｎドープ濃度1e16/cm3）１０３−１内で最も高い電界強度が基板に近いヘテロ界面において達成されている。このとき、発生及び再結合キャリア密度の小さいｐ−型ＩｎＧａＡｓ層１０３−２内では、実施例１よりも小さいドーパント濃度（例えば、ＮＡ２：Ｚｎドープ濃度1e14/cm3）にすることにより、アノード電極への正孔飽和速度を得る電界強度（２０ｋＶ／ｃｍ以上）を確保でき、この２層構造の光吸収層により、走行遅延による高周波応答劣化を回避できる。
【００６７】
光吸収層１０３は、２層構造に限定されることなく、基板に近いヘテロ接合からアノード電極に近いヘテロ接合に向けて、段階的、或いは連続的にドーパントプロファイルを傾斜させることができる。この傾斜により、基板から入射した信号光が光吸収層で光電変換されたキャリアの発生及び再結合キャリア密度プロファイルと傾向に一致させることが可能になる。
【００６８】
（実施例３）
図８の（ａ）部は、実施例３のフォトダイオードの構造を示す図面である。図９は、図８の（ａ）部に示されたフォロダイオード内部のドーパントプロファイル、電界強度のプロファイル及びキャロア濃度のプロファイルを示す図面である。
【００６９】
半絶縁性ＩｎＰ基板１０１に以下の層構造を順に積層する。
ｎ型（例えば、ＮＤ１：Ｓｉドープ濃度1e18/cm3）のＩｎＰ層１０２（例えば、厚さ０．１μｍ）。
ＩｎＧａＡｓ層１０３（例えば、1μｍ）。
ｐ＋型（例えば、ＮＡ３：Ｚｎドープ濃度1e17/cm3）のＩｎＧａＡｓ層１０３−１（例えば、０．００１μｍ）。
アンドープ又はｐ型（例えば、ＮＡ２：Ｚｎドープ濃度1e14/cm3）のＩｎＧａＡｓ層１０３−２（例えば、０．１μｍ）。
ＩｎＧａＡｓ層１０３−１及びＩｎＧａＡｓ層１０３−２を周期的に（ＩｎＧａＡｓ層１０３−２：ＩｎＧａＡｓ層１０３−１＝１００：１、例えば０．００１μｍ）に配置している。
ｐ型ＩｎＰ層１０４（例えば、ＮＡ１：Ｚｎドープ濃度1e18/cm3）。
【００７０】
この層構造において、誘電体保護膜（例えば、ＳｉＮ膜）を用いてｎ型ＩｎＰ 層１０２が露出するまで化学エッチングを行って、半導体メサ（InP/InGaAs-pin-PD 構造）を形成する。アノード電極１０５（例えば、Au/Zn/Au、Pt/Ti/Pt/Au等）及びカソード電極１０６（例えば、Au/Ge/Au、Pt/Ti/Pt/Au等）を、それそれ、ｐ型ＩｎＰ１０４層上及びｎ型ＩｎＰ層１０２上に形成する。基板１０１の裏面に、信号光を効率的に受光領域に結合させる集光レンズ１１０をドライエッチングにより形成する。レンズ１１０の表面には反射防止膜を形成してもよい。この反射防止膜は、例えばＳｉＮ膜を用いることができる。
【００７１】
基板１０１から入射した信号光（例えば、波長１．３１μｍ または波長１．５５μｍ等）は光吸収層で吸収され、光吸収層を通過した光はアノード電極１０５により反射させて、さらに折り返して再度光吸収層に入射させて光吸収層により吸収させることができる。光吸収層は、実効的に所望の量子効率を満たす厚さに作成される。
【００７２】
２ボルト以下（例えば、１ボルト程度）の低いバイアス電圧を印加するとき、1e15/cm3程度のキャリア濃度の半導体では少なくとも１μｍ以上の空乏層を形成できるので、本実施例の光吸収層の全域は空乏化される。
【００７３】
ｐ＋型（例えば、ＮＡ３：Ｚｎドープ濃度1e17/cm3）のＩｎＧａＡｓ層１０３−１及びＩｎＧａＡｓ層（例えばアンドープ）１０３−２の交互の配置により、基板からアノード電極への方向に光吸収領域（キャリア走行領域）内に階段状に低下する電界プロファイルを構成できる。この電界分布の傾向は、基板から入射した信号光が光吸収層で光電変換により生成されたキャリアの発生及び再結合キャリア密度プロファイルに一致する。図９の（ｂ）部に示される高い光入射の条件（例えば、３ｍＷ）においては、空間電荷効果によるキャリアの再結合密度が、基板に近い光吸収領域のヘテロ界面付近で上昇して、基板に近いヘテロ界面での電界強度が低下してしまうが、光吸収層全体に電界強度低下の影響を光吸収層内全体に分散している。実施例３の構造によれば、アノード電極への正孔走行時間だけでなく、基板への電子走行時間へ影響も抑えることができる。低い駆動電圧において、ｐ＋型ＩｎＧａＡｓ層（例えば、ＮＡ３：Ｚｎドープ濃度1e17/cm3）１０３−１内で最も高い電界強度を基板に近い光吸収領域のヘテロ界面において達成できる。このとき、ｐ＋型ＩｎＧａＡｓ層１０３−１及びＩｎＧａＡｓ層１０３−２からなる周期構造では、アノード電極への正孔飽和速度を得る電界強度（２０ｋＶ／ｃｍ以上）を確保するので、走行遅延による高周波応答劣化を回避できる。
【００７４】
光吸収層内においてドーパント濃度の極大及び極小を交互に配置する実施例では、以下に示すようにいくつかの形態がある。光吸収領域を構成する２種類の層（これらを「第一層」及び「第二層」と記す）の厚さ、及びキャリア濃度が周期的に変化している。また、図８の（ｂ）部のように、第一層の厚さ及びドーパント濃度並びに第二層の厚さ及びドーパント濃度を表記する。
【００７５】
基本形：第一層及び第二層の厚さが一定であり、第一及び第二層のキャリア濃度が一定である。
NA31=NA32=・・・・・・=NA3(n-1)=NA3n=NA3。
W31=W32=・・・・・・=W3(n-1)=W3n。
(W31+W32+・・・・・・+WA(n-1)+W3n=W3×n)。
NA01=N02=・・・・・・=N0(n-1)=N0n =NA0 or NA2。
W01=W02=・・・・・・=W0(n-1)。
(W01+W02+・・・・・・+W0(n-1)=W0 x n)。
【００７６】
変形例１：第一層の厚さを基板からアノード電極に向けて減らす。
NA31=NA32=・・・・・・=NA3(n-1)=NA3n=NA3。
W31＞W32＞・・・・・・＞W3(n-1)＞W3n。
(W31+W32+・・・・・・+WA(n-1)+W3n=W3× n) 。
NA01=N02=・・・・・・=N0(n-1)=N0n =NA0 or NA2。
W01=W02=・・・・・・=W0(n-1) 。
(W01+W02+・・・・・・+W0(n-1)=W0×n) 。
【００７７】
変形例２：第二層の厚さを基板からアノード電極に向けて増やす(第一層の周期を長くする)。
NA31=NA32=・・・・・・=NA3(n-1)=NA3n=NA3。
W31=W32=・・・・・・=W3(n-1)=W3n。
(W31+W32+・・・・・・+WA(n-1)+W3n=W3×n) 。
NA01=N02=・・・・・・=N0(n-1)=N0n =NA0 or NA2。
W01＜W02＜・・・・・・＜W0(n-1)。
(W01+W02+・・・・・・+W0(n-1)=W0×n) 。
【００７８】
変形例３：変形例１及び変形例２の組み合わせ。
NA31=NA32=・・・・・・=NA3(n-1)=NA3n=NA3。
W31＞W32＞・・・・・・＞W3(n-1)＞W3n。
(W31+W32+・・・・・・+WA(n-1)+W3n=W3×n) 。
NA01=N02=・・・・・・=N0(n-1) =NA0 or NA2。
W01＜W02＜・・・・・・＜W0(n-1)。
(W01+W02+・・・・・・+W0(n-1)=W0×n) 。
【００７９】
変形例４：第一層のキャリアの濃度を基板からアノード電極に向けて減らす。
NA31＞NA32＞・・・・・・＞NA3(n-1)＞NA3n。
W31=W32=・・・・・・=W3(n-1)=W3n。
(W31+W32+・・・・・・+WA(n-1)+W3n=W3×n)。
(NA31×W31+NA32×W32+・・・・・・＋NA3(n-1)×W3(n-1)＋NA3n×W3n＝NA3×W3×n)。
NA01=N02=・・・・・・=N0(n-1)=NA0 or NA2。
W01=W02=・・・・・・=W0(n-1) 。
(W01+W02+・・・・・・+W0(n-1)=W0×n) 。
【００８０】
変形例５：変形例１及び変形例４の組み合わせ。
NA31＞NA32＞・・・・・・＞NA3(n-1)＞NA3n。
W31＞W32＞・・・・・・＞W3(n-1)＞W3n。
(W31+W32+・・・・・・+WA(n-1)+W3n=W3×n) 。
(NA31×W31+NA32×W32+・・・・・・＋NA3(n-1)×W3(n-1)＋NA3n×W3n＝NA3×W3×n) 。
NA01=N02=・・・・・・=N0(n-1)=NA0 or NA2。
W01=W02=・・・・・・=W0(n-1)。
(W01+W02+・・・・・・+W0(n-1)=W0×n) 。
【００８１】
変形例６：変形例２及び変形例４の組み合わせ。
NA31＞NA32＞・・・・・・＞NA3(n-1)＞NA3n。
W31=W32=・・・・・・=W3(n-1)=W3n。
(W31+W32+・・・・・・+WA(n-1)+W3n=W3×n) 。
(NA31×W31+NA32×W32+・・・・・・＋NA3(n-1)×W3(n-1)＋NA3n×W3n＝NA3×W3×n) 。
NA01=N02=・・・・・・=N0(n-1)=N0n =NA0 or NA2。
W01＜W02＜・・・・・・＜W0(n-1)。
(W01+W02+・・・・・・+W0(n-1)=W0×n) 。
【００８２】
変形例７：変形例１、変形例２及び変形例４の組み合わせ。
NA31＞NA32＞・・・・・・＞NA3(n-1)＞NA3n。
W31＞W32＞・・・・・・＞W3(n-1)＞W3n。
(W31+W32+・・・・・・+WA(n-1)+W3n=W3 x n) 。
(NA31×W31+NA32×W32+・・・・・・＋NA3(n-1)×W3(n-1)＋NA3n×W3n＝NA3×W3×n) 。
NA01=N02=・・・・・・=N0(n-1)=N0n =NA0 or NA2。
W01＜W02＜・・・・・・＜W0(n-1)。
(W01+W02+・・・・・・+W0(n-1)=W0×n) 。
【００８３】
実施例１〜３においては、以下のような改変が可能である。
実施例１〜３では光吸収層がＩｎＧａＡｓ層であるけれども、これに制限されない。例えば、光吸収層は、信号光波長より長いバンドギャップ波長の組成を有するＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等からなることができる。例えば、基板から入射した信号光が光吸収層で光電変換された発生及び再結合キャリア密度プロファイルを平均化するように、基板から光吸収層への方向（以下「入射方向」と記す）に、多段もしくは連続的な傾斜構成により信号光波長と光吸収層のバンドギャップ波長との差（吸収係数）を大きくしても良い。
【００８４】
実施例１〜３では、例えば、電界強度プロファイルが、光吸収層で信号光から光電変換されたキャリアの発生及び再結合密度プロファイルに一致する構成を裏面入射型フォトダイオードを参照しながら説明している。本実施の形態のフォトダイオードの特徴は、キャリアの発生及び再結合密度プロファイルに電界強度プロファイルが一致することにあり、これを実施例１〜３と異なる他の構造のフォトダイオードに適用可能である。
【００８５】
実施例１〜３では、半導体材料として、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ材料系を例示しながらフォトダイオードを説明している。半導体材料として、これらの材料に限定されない。たとえば、ホモＩｎＧａＡｓ−ｐｉｎフォトダイオードに本実施例の構造を適用できる。また、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓヘテロ界面に替えて、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓヘテロ界面を設けても良い。また、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系のフォトダイオードに本実施例の構造を適用することもできる。
【００８６】
実施例１〜３ではｐｉｎ構造のフォトダイオードを説明しているけれども、発生キャリア走行層ＩｎＧａＡｓより上層に形成されるエピ構造については限定されるものではない。例えば、本実施例の構造をアバランシャフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche  Photo  Diode）構造に適用できる。
【００８７】
上記で示した実施例のフォトダイオード構造については、導電性は逆でも良い。上記で示した実施例では、誘電体膜(反射防止膜)としてＳｉＮ膜を例示したが、材料としてはこれらに限定されない。シリコン、アルミニウム、チタン等のフッ化物、酸化物、窒化物でも良い。上記で示したＰＤ構造については、同一半絶縁ＩｎＰ基板上にＩｎＰ系電子デバイス(例えば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)、キャパシタ、抵抗を形成し、光電変換回路を形成しても良い。
【００８８】
以上、本発明を実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、その要旨に逸脱しない範囲において変更可能である。
【００８９】
以上、説明したように本実施の形態に係る受光素子は、高い量子効率を確保し、高い光入射条件の場合でも２ボルト以下（例えば、１ボルト程度）の低電圧駆動で高速光信号応答できる。また、本実施の形態に係る受光素子を用いて、送受信装置の電子回路の小型化及び低消費電力化を実現できる。さらに、小型で環境負荷の少ない送受信装置を４０Ｇ／１００Ｇｂｐｓ高速光通信システムに対して提供することに寄与する。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、低電圧駆動で動作可能であり入力光信号に対する応答の劣化を低減できる裏面入射型半導体受光素子が提供される。
【符号の説明】
【００９１】
１１…裏面入射型半導体受光素子、１３…基板、１３ａ…入射面（基板裏面）、１３ｂ…主面、１５…カソード半導体領域、ＨＪ…ヘテロ界面、１７…光吸収領域、１９…アノード半導体領域、Ｉｓ…電気信号、２５…カソード電極、２７…半導体メサ、２９…アノード電極、３１…光受光装置、３３…光導波路、３５…支持体、３７（３７ａ、３７ｂ）…電源ライン、３９…電源。
【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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【図９】
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