(57)【要約】【課題】光電変換の効率を高める技術を提供する。【解決手段】本発明の一側面に係る受光素子は、第１面と第２面とを有する第１半導体層であって、入射光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ第１導電型の第１半導体層と、入射光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ第２導電型の第２半導体層と、入射光のエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する半導体で形成される光吸収層と、第１導電型の第３半導体層と、第２半導体層に接続する第１電極と、第３半導体層に接続する第２電極と、を備え、第２半導体層、光吸収層、及び、第３半導体層は、第１半導体層に近い方からこの順で、第１半導体層の第１面上に形成され、第２電極は、第３半導体層の面に設けられ、第１半導体層の第２面が入射光を入射させる面である。【選択図】図１
2015122441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面と第２面とを有する第１半導体層であって、入射光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ第１導電型の第１半導体層と、
前記入射光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ第２導電型の第２半導体層と、
前記入射光のエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する半導体で形成される光吸収層と、
前記第１導電型の第３半導体層と、
前記第２半導体層に接続する第１電極と、
前記第３半導体層に接続する第２電極と、
を備え、
前記第２半導体層、前記光吸収層、及び、前記第３半導体層は、前記第１半導体層に近い方からこの順で、前記第１半導体層の第１面上に形成され、
前記第１電極は、前記光吸収層が形成される前記第２半導体層の面のうち、前記光吸収層の形成されていない領域に設けられ、
前記第２電極は、前記光吸収層とは反対側に位置する前記第３半導体層の面に設けられ、
前記第１半導体層の第２面が前記入射光を入射させる面である、
受光素子。
【請求項２】
前記第２電極は、前記第３半導体層の前記面を覆うように形成されている、
請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
前記第１半導体層の第２面側に配置される半導体基板を更に備え、
前記半導体基板は、前記第１半導体層の第２面に入射光を入射させられるように、当該第２面まで達する開口を有する、
請求項１又は２に記載の受光素子。
【請求項４】
第１導電型の第１半導体層は、ｐ型のアルミニウムガリウムヒ素で形成され、
第２導電型の第２半導体層は、ｎ型のアルミニウムガリウムヒ素で形成され、
光吸収層は、ガリウムヒ素で形成されている、
請求項１から３のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項５】
前記第３半導体層は、前記入射光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体で構成される、
請求項１から４のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項６】
前記第３半導体層側から前記第１半導体層まで達する複数個の溝によって、前記入射光の光電変換を行う複数の受光エレメントに分割されている、
請求項１から５のいずれか１項に記載の受光素子。
【請求項７】
基板と、
請求項６に記載の受光素子と、
前記基板上に設けられ、前記受光素子に含まれる前記複数の受光エレメントを直列に接続する金属パターンと、を備え、
前記複数の受光エレメントは、それぞれ第１電極と第２電極を有し、
前記金属パターンは、前記複数の受光エレメントのうち、隣接する受光エレメントの第１電極と第２電極とを接続し、
前記受光素子は、前記第１電極と前記第２電極とが前記金属パターンに接触するように、アップサイドダウン方式で前記基板上にマウントされている、
光電変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子及び光電変換回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電波暗所、高精度医療機器周辺、高電圧送電装置付近では、電源から発生する電磁ノイズを極力避けるのが望ましい。これに対して、光電変換素子（以下、「受光素子」とも記載する）は電磁ノイズの発生がほとんどないため、このような電波暗所などの場所では、電力供給源として光電変換素子が好んで用いられる。
【０００３】
この光電変換素子は、一般的には、エピタキシャル成長等によって半絶縁性半導体基板上に結晶成長層を形成し、形成した結晶成長層に適宜電極を設けることで、形成される。この状態の光電変換素子でもそのまま利用することは可能であるが、通常、形成した結晶成長層の表面から半絶縁性半導体基板まで到達する溝を設けて、光電変換素子を複数個の受光エレメントに分割する。これによって、各受光エレメントをワイヤボンディング等によって直列に結線して、所望の出力電圧及び出力電流を得ることができるようになる。
【０００４】
なお、半導体には、入射させる光の波長に応じて、キャリアを励起させる半導体とキャリアを励起させない半導体とが存在する。そのため、このような光電変換素子を作製するためには、入射させる光の波長に応じて、適宜、利用可能な半導体が選択される。例えば、このような光電変換素子を作製するために用いられる半導体として、ＩｎＰ（リン化インジウム）−ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ素）系及びＧａＡｓ（ガリウムヒ素）−ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウムヒ素）系の半導体を挙げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／１０８０８２号明細書
【特許文献２】特開２０１０−１１４２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、図１１Ａ及び図１１Ｂを用いて、従来例に係る受光素子８００を説明する。図１１Ａは、従来例に係る受光素子８００の断面を模式的に例示する。また、図１１Ｂは、従来例に係る受光素子８００を例示する斜視図である。以下では、従来例に係る受光素子８００として、８５０［ｎｍ（ナノメートル）］近傍波長の光で励起するＧａＡｓ系の半導体で形成される受光素子を説明する。
【０００７】
図１１Ａで例示されるように、従来例に係る受光素子８００では、半絶縁性ＧａＡｓ基板８０１上に、エピタキシャル成長等によって、ｎ型ＧａＡｓ層８０２、非ドープＧａＡｓ層８０３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層８０４、及びｎ型ＧａＡｓ層８０５がこの順で形成されている。そして、ｎ型ＧａＡｓ層８０５の表面から非ドープＧａＡｓ層８０３に到達するようにｐ型の不純物を拡散させることで、ｐ型拡散層８０６が形成されている。
【０００８】
この受光素子８００では、非ドープＧａＡｓ層８０３が入射光８５０を吸収して、キャリアを励起させる光吸収層となっている。そこで、この光吸収層で発生する電力を取り出せるように、ｎ型ＧａＡｓ層８０２は、その他の層に比べて幅広になっており、ｎ型ＧａＡｓ層８０２上にはｎ型電極８２０が設けられている。また、ｐ型拡散層８０６上にはｐ型電極８１０が設けられている。
【０００９】
更に、図１１Ａ及び図１１Ｂで例示されるように、この受光素子８００は、受光素子８００の表面（上面）から半絶縁性ＧａＡｓ基板８０１に到達する溝８３０によって、複数の扇形状の受光エレメント８４０に分割されている（図１１Ｂでは受光エレメント８４０の数は９個である）。そして、これらの受光エレメント８４０がワイヤボンディング等によって電気的に直列に接続されることで、この受光素子８００は、所望の出力電圧及び出力電流が取り出せるようになっている。
【００１０】
しかしながら、従来例に係る受光素子８００は次のような問題点を抱えていた。従来例に係る受光素子８００では、ｐ型拡散層８０６において入射光８５０を入射させる面にｐ型電極８１０が設けられている。そのため、ｐ型電極８１０が入射光８５０の入射を遮ってしまい、入射光８５０の一部は光吸収層である非ドープＧａＡｓ層８０３に到達しないおそれがあった。これによって、従来例に係る受光素子８００では、光電変換の効率が悪化してしまうという問題点があった。
【００１１】
これに対応すべく、従来例に係る受光素子８００では、ｐ型電極８１０は、入射光８５０を極力遮らず、ｐ型拡散層８０６との接触面積を拡げるため、図１１Ｂに例示されるように、メッシュ状に形成されている。しかしながら、入射光８５０を極力遮らないためには、ｐ型電極８１０の面積は小さい方がよいため、ｐ型電極８１０の接触面積を積極的に拡げることはできない。そのため、従来例に係る受光素子８００では、ｐ型電極８１０とｐ型拡散層８０６との間の接触抵抗を低減することができず、光電変換の効率を高めることが困難であるという問題点があった。
【００１２】
更に、従来例に係る受光素子８００はジャンクションアップ型であり、入射光８５０を吸収する非ドープＧａＡｓ層８０３は半絶縁性ＧａＡｓ基板８０１付近に設けられている。ここで、この半絶縁性ＧａＡｓ基板８０１は金属等に比べて熱抵抗が大きい。そのため、半絶縁性ＧａＡｓ基板８０１が障害となり、光電変換によって非ドープＧａＡｓ層８０３で発生した熱は、放出されにくく、受光素子８００内にこもりやすい。つまり、従来例に係る受光素子８００は、非ドープＧａＡｓ層８０３で発生する熱によって温度が上昇しやすくなっている。素子の温度が上昇すると光電変換の効率は悪化するため、従来例に係る受光素子８００では、このような光電変換の効率の悪化を引き起こしやすいという問題点があった。
【００１３】
すなわち、これらの理由によって、従来例に係る受光素子８００では、光電変換の効率が悪いという問題点があった。
【００１４】
本発明は、一側面では、このような実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、光電変換の効率を高める技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。
【００１６】
すなわち、本発明の第１形態は、第１面と第２面とを有する第１半導体層であって、入射光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ第１導電型の第１半導体層と、前記入射光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ第２導電型の第２半導体層と、前記入射光のエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する半導体で形成される光吸収層と、前記第１導電型の第３半導体層と、前記第２半導体層に接続する第１電極と、前記第３半導体層に接続する第２電極と、を備え、前記第２半導体層、前記光吸収層、及び、前記第３半導体層は、前記第１半導体層に近い方からこの順で、前記第１半導体層の第１面上に形成され、前記第１電極は、前記光吸収層が形成される前記第２半導体層の面のうち、前記光吸収層の形成されていない領域に設けられ、前記第２電極は、前記光吸収層とは反対側に位置する前記第３半導体層の面に設けられ、前記第１半導体層の第２面が前記入射光を入射させる面である、受光素子である。
【００１７】
当該構成に係る受光素子では、第１半導体層の第１面上に、第２半導体層、光吸収層、及び、第３半導体層が形成される。また、受光素子で発生した電力を取り出すための第１電極及び第２電極はそれぞれ、第２半導体層及び第３半導体層の面上に形成される。そして、第１半導体層の第２面が入射光の入射面となる。そのため、第２面から入射する入射光は、第１電極及び第２電極に遮られることなく、第１半導体層と第２半導体層とを通過して、光吸収層に到達することができる。
【００１８】
ここで、第１半導体層及び第２半導体層はそれぞれ、入射光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ。そのため、第１半導体層及び第２半導体層では、入射光による光電効果はほとんど生じることはない。つまり、第２面から入射する入射光は、第１半導体層及び第２半導体層にほとんど吸収されることなく、光吸収層に到達することができる。なお、入射光のエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する半導体で光吸収層が形成されているため、光吸収層では、到達した入射光による光電変換が発生する。
【００１９】
すなわち、当該構成によれば、第１半導体層及び第２半導体層がそれぞれ入射光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つため、第３半導体層側ではなく、第１半導体層の第２面から入射光を入射させることが可能になる。これにより、電極によって入射光が遮られてしまうことを防ぐことが可能になるため、光電変換の効率を高めることができる。なお、第１導電型がｐ型である場合、第２導電型はｎ型である。また、第１導電型がｎ型である場合、第２導電型はｐ型である。すなわち、第２導電型は、第１導電型とは反対の導電型である。
【００２０】
また、本発明の第２形態は、前記第２電極が、前記第３半導体層の前記面を覆うように形成されている、上記第１形態に係る受光素子である。当該構成によれば、第３半導体層と第２電極との接触面積を拡げることができるため、第３半導体層と第２電極との間の接触抵抗を低減することができる。これによって、当該構成によれば、光電変換の効率を高めることが可能である。
【００２１】
また、本発明の第３形態は、前記第１半導体層の第２面側に配置される半導体基板を更に備え、前記半導体基板が、前記第１半導体層の第２面に入射光を入射させられるように、当該第２面まで達する開口を有する、上記第１形態又は第２形態に係る受光素子である。当該構成によれば、半導体基板により、受光素子の機械的強度を高めることができる。
【００２２】
また、本発明の第４形態は、第１導電型の第１半導体層が、ｐ型のアルミニウムガリウムヒ素で形成され、第２導電型の第２半導体層が、ｎ型のアルミニウムガリウムヒ素で形成され、光吸収層が、ガリウムヒ素で形成されている、上記第１形態から第３形態のいずれかの形態に係る受光素子である。アルミニウムガリウムヒ素のバンドギャップエネルギーは１．７９［ｅＶ（エレクトロンボルト）］であり、ガリウムヒ素のバンドギャップエネルギーは１．４２［ｅＶ］である。そのため、当該構成によれば、エネルギーがおよそ１．４６［ｅＶ］である８５０［ｎｍ］近傍の波長の入射光を電力に変換する受光素子を得ることができる。
【００２３】
また、本発明の第５形態は、前記第３半導体層は、前記入射光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体で構成される、上記第１形態から第４形態のいずれかの形態に係る受光素子である。光吸収層で吸収されなかった入射光は、第３半導体層を透過して、第２電極で反射され、光吸収層に戻る。当該構成によれば、第３半導体層は入射光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つため、第３半導体層で入射光を吸収してしまうことを抑えることができる。そのため、光電変換効率を高めることができる。
【００２４】
また、本発明の第６形態は、前記第３半導体層側から前記第１半導体層まで達する複数個の溝によって、前記入射光の光電変換を行う複数の受光エレメントに分割されている、上記第１形態から第５形態のいずれかの形態に係る受光素子である。当該構成によれば、複数の受光エレメントを適宜連結することで、所望の出力電圧及び出力電流を取り出すことができる。
【００２５】
また、本発明の第７形態は、基板と、請求項６に記載の受光素子と、前記基板上に設けられ、前記受光素子に含まれる前記複数の受光エレメントを直列に接続する金属パターンと、を備え、前記複数の受光エレメントは、それぞれ第１電極と第２電極を有し、前記金属パターンは、前記複数の受光エレメントのうち、隣接する受光エレメントの第１電極と第２電極とを接続し、前記受光素子は、前記第１電極と前記第２電極とが前記金属パターンに接触するように、アップサイドダウン方式で前記基板上にマウントされている、光電変換回路である。
【００２６】
当該構成に係る光電変換回路では、アップサイドダウン方式で基板上に受光素子がマウントされるため、基板上に設けられた金属パターンの近傍に入射光を吸収する光吸収層が配置される。ここで、金属は、半絶縁性の物質よりも熱抵抗が小さい。そのため、当該構成によれば、光吸収層の近傍に金属を配置することで、光吸収層で発生する熱を放出しやすくすることが可能になる。これによって、受光素子の温度上昇を抑え、光電変換の効率が悪化するのを防止することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、受光素子における光電変換の効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、実施の形態に係る受光素子を模式的に例示する断面図である。
【図２】図２は、実施の形態に係る受光素子を例示する斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、実施の形態に係る受光素子に含まれる複数の受光エレメントを連結した状態（光電変換回路）を模式的に例示する断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの状態で連結された複数の受光エレメントの等価回路を例示する。
【図４】図４は、実施の形態に係る受光素子の製造過程における一状態を例示する断面図である。
【図５】図５は、実施の形態に係る受光素子の製造過程における一状態を例示する断面図である。
【図６】図６は、実施の形態に係る受光素子の製造過程における一状態を例示する断面図である。
【図７】図７は、実施の形態に係る受光素子の製造過程における一状態を例示する断面図である。
【図８】図８は、実施の形態に係る受光素子の製造過程における一状態を例示する断面図である。
【図９】図９は、他の形態に係る光電変換回路を例示する断面図である。
【図１０】図１０は、他の形態に係る受光素子を模式的に例示する斜視図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、従来例に係る受光素子を模式的に例示する断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、従来例に係る受光素子を例示する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。ただし、以下で説明する本実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。つまり、本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。
【００３０】
§１  構成例
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態に係る受光素子１００の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る受光素子１００を模式的に例示する断面図である。また、図２は、本実施形態に係る受光素子１００を例示する斜視図である。なお、説明の便宜のため、図１の上下方向を「上下」と、図１の左右方向を「左右」と称することとする。後述する図４〜図８においても同様に、これらの方向の名称を利用する。
【００３１】
図１で例示されるように、本実施形態に係る受光素子１００は、ｐ型のＡｌＧａＡｓで形成されたｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１を備える。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１は、５０〜１００［μｍ（マイクロメートル）］程度の厚さ（上下方向の長さ）に形成され、上面１０１０及び下面１０１１を有している。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１の上面１０１０には、ｎ型のＡｌＧａＡｓで形成されたｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２が積層されている。このｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２は、２［μｍ］程度の厚さに形成される。ここで、ＡｌＧａＡｓのバンドギャップエネルギーは、その組成比により調節することができる。ただし、Ａｌの割合を多くすると、ＧａＡｓの格子定数とＡｌＧａＡｓの格子定数との間の差が大きくなり、受光素子１００内で歪みが生じ、リーク電流が大きくなってしまう。そこで、ＡｌＧａＡｓのバンドギャップエネルギーを後述する入射光６００のエネルギーよりも大きくし、かつ、リーク電流の発生を抑えるため、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２に用いられるＡｌＧａＡｓは、Ａｌの組成比が３０％程度であることが好ましい。
【００３２】
なお、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１は本発明の第１半導体層に相当し、上面１０１０及び下面１０１１はそれぞれ本発明の第１面及び第２面に相当する。また、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２は本発明の第２半導体層に相当する。そして、本実施形態では、本発明の第１導電型はｐ型であり、本発明の第２導電型はｎ型である。
【００３３】
ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２の上面の一部には、非ドープのＧａＡｓ（真性のＧａＡｓ）で形成される非ドープＧａＡｓ層１０３が積層されており、それ以外の部分ではｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２が外部に露出している。ここで、非ドープＧａＡｓ層１０３は、本発明の光吸収層に相当する。非ドープＧａＡｓ層１０３は、３［μｍ］程度の厚さに形成される。
【００３４】
非ドープＧａＡｓ層１０３の上面には、ｎ型のＡｌＧａＡｓで形成されるｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０４及びｎ型のＧａＡｓで形成されるｎ型ＧａＡｓ層１０５が、非ドープＧａＡｓ層１０３から近い順にこの順で、積層されている。ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０４は１［μｍ］程度の厚さに形成され、ｎ型ＧａＡｓ層１０５は０．０１［μｍ］程度の厚さに形成される。
【００３５】
そして、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０４及びｎ型ＧａＡｓ層１０５に、カドミウム（Ｃｄ）、亜鉛等の不純物を拡散させることで、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０４及びｎ型ＧａＡｓ層１０５の一部の領域は、ｐ型に反転したｐ型拡散層１０６となっている。ｐ型拡散層１０６は、非ドープＧａＡｓ層１０３の上面に到達するように形成されている。ｐ型拡散層１０６は、本発明の第３半導体層に相当する。
【００３６】
ｐ型拡散層１０６の上面には、ｐ型拡散層１０６の上面全面をほぼ覆うように、ｐ型電極１１０が形成されている。ｐ型電極１１０は、本発明の第２電極に相当する。また、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２の上面のうち、非ドープＧａＡｓ層１０３の形成されていない外部に露出した領域には、ｎ型電極１２０が形成されている。ｎ型電極１２０は、本発明の第１電極に相当する。なお、例えば、ｐ型電極１１０及びｎ型電極１２０はそれぞれ、クロム、ニッケル、及び金の組み合わせ、又はチタン、白金、及び金の組み合わせによって構成される。これらの構成要素のうち、金は、半導体との接触抵抗を下げるのに好ましい。
【００３７】
このように構成される受光素子１００では、図１及び図２で例示されるように、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１の下面１０１１から入射光６００が入射される。すなわち、各半導体層が積層される上面１０１０とは反対側の面である下面１０１１が入射光６００の入射面となる。そのため、図１から明らかなように、入射光６００は、ｐ型電極１１０及びｎ型電極１２０に遮られることなく、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２を通過して、非ドープＧａＡｓ層１０３に到達することができる。
【００３８】
ここで、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２に用いられるＡｌＧａＡｓのバンドギャップエネルギーは１．７９［ｅＶ］である。一方、非ドープＧａＡｓ層１０３に用いられるＧａＡｓのバンドギャップエネルギーは１．４２［ｅＶ］である。そして、本実施形態では、入射光６００は、１．４２［ｅＶ］以上１．７９［ｅＶ］以下のエネルギーを有するように設定される。この入射光６００のエネルギーＥは、波長λ［ｎｍ］とすると、数１のように表現することができる。
【００３９】
【数１】
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【００４０】
そのため、本実施形態では、およそ６９３［ｎｍ］〜８７３［ｎｍ］の波長の光が入射光６００として用いられる。なお、入射光６００として、例えば、波長８５０［ｎｍ］近傍の光が用いられてよい。波長８５０［ｎｍ］近傍の光は、およそ１．４６［ｅＶ］のエネルギーとなる。
【００４１】
このように入射光６００が設定されると、受光素子１００のｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２は、入射光６００よりも大きなバンドギャップエネルギーを持つようになる。そのため、下面１０１１から入射される入射光６００は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２においてほぼ光電効果を生じさせることはない。つまり、下面１０１１から入射した入射光６００は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２を透過して、そのまま非ドープＧａＡｓ層１０３に到達することができる。
【００４２】
一方、光吸収層としての非ドープＧａＡｓ層１０３は、入射光６００よりも小さなバンドギャップエネルギーを持つようになる。そのため、非ドープＧａＡｓ層１０３に到達した入射光６００は、非ドープＧａＡｓ層１０３において光電効果を生じさせる。つまり、非ドープＧａＡｓ層１０３は、光吸収層として、入射光６００を吸収して電力を発生させる。
【００４３】
したがって、本実施形態に係る受光素子１００では、ｐ型電極１１０及びｎ型電極１２０の配置された受光素子１００の上面ではなく、受光素子１００の下面から入射光６００を入射させて、非ドープＧａＡｓ層１０３に入射光６００を到達させることができる。そのため、入射光６００は、ｐ型電極１１０及びｎ型電極１２０等の障害物に進路を遮られることなく、光吸収層である非ドープＧａＡｓ層１０３に到達することができる。これによって、本実施形態に係る受光素子１００では、入射光６００のほぼ全てを光吸収層に到達させることが可能になるため、光電変換の効率を高めることができる。
【００４４】
これに対して、従来例に係る受光素子８００では、半絶縁性ＧａＡｓ基板８０１が用いられている。半絶縁性ＧａＡｓ基板８０１は、光吸収層である非ドープＧａＡｓ層８０３とほぼ同じバンドギャップエネルギーを有する。そのため、従来例に係る受光素子８００では、受光素子８００の下面から入射光８５０を入射させると、半絶縁性ＧａＡｓ基板８０１に入射光８５０が吸収されてしまう。従って、従来例に係る受光素子８００では、本実施形態に係る受光素子１００のように下面側から入射光８５０を入射させることはできなかった。換言すると、従来例に係る受光素子８００では、半絶縁性ＧａＡｓ基板８０１の下面を入射光８５０の入射面として用いることはできなかった。
【００４５】
また、本実施形態に係る受光素子１００では、受光素子１００の上面から入射光６００を入射しないため、従来例とは異なり、ｐ型電極１１０とｐ型拡散層１０６との接触面積を積極的に拡げることが可能である。例えば、本実施形態のように、ｐ型拡散層１０６の上面全面をほぼ覆うように、ｐ型電極１１０を形成することができる。そのため、本実施形態では、ｐ型電極１１０とｐ型拡散層１０６との接触抵抗を低減することができるため、光電変換の効率を高めることが可能である。なお、「ｐ型拡散層１０６の上面全面をほぼ覆うように」とは、ｐ型拡散層１０６の上面をｐ型電極１１０が完全に覆う状態の他、光電変換の効率に影響を与えない程度に、ｐ型拡散層１０６の上面の一部がｐ型電極１１０に覆われていない状態を含んでもよい。
【００４６】
また、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０４は１［μｍ］程度の厚さであり、ｎ型ＧａＡｓ層１０５は０．０１［μｍ］程度の厚さであるため、第３半導体層に相当するｐ型拡散層１０６は、ほぼｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０４の領域によって構成されている。このｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０４をｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２と同様に形成すると、第３半導体層は、入射光６００のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体（ＡｌＧａＡｓ）で構成されることになる。
【００４７】
ここで、下面１０１１から入射した入射光６００は非ドープＧａＡｓ層１０３で吸収されるが、入射光６００の一部は、非ドープＧａＡｓ層１０３で吸収されずに透過する可能性がある。非ドープＧａＡｓ層１０３を透過した入射光６００は、ｐ型拡散層１０６（第３半導体層）を通って、ｐ型電極１１０で反射する。そして、その入射光６００は、再びｐ型拡散層１０６（第３半導体層）を経由して、非ドープＧａＡｓ層１０３に戻ってくる。
【００４８】
本実施形態では、ｐ型拡散層１０６（第３半導体層）は、入射光６００のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体でほとんどの領域を構成されている。そのため、非ドープＧａＡｓ層１０３を透過した入射光６００を、ｐ型拡散層１０６（第３半導体層）ではほとんど吸収させずに、非ドープＧａＡｓ層１０３に戻すことができる。つまり、非ドープＧａＡｓ層１０３を透過した入射光６００を、ｐ型拡散層１０６（第３半導体層）で吸収させずに、再び非ドープＧａＡｓ層１０３で吸収させることができる。これにより、本実施形態では、受光素子１００の光電変換効率を高めることが可能である。なお、ｎ型ＧａＡｓ層１０５を省略して、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０４の領域のみでｐ型拡散層１０６を形成してもよい。この場合、更に、第３半導体層における入射光６００の吸収を抑え、光電変換効率を高めることができる。
【００４９】
なお、図１及び図２で例示されるように、本実施形態に係る受光素子１００は、受光素子１００の表面（上面）からｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１に到達する複数個の溝１３０によって、複数個の扇形状の受光エレメント３００に分割されている。図１で例示されるように、各受光エレメント３００は、溝１３０で分離された、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２、非ドープＧａＡｓ層１０３、ｐ型拡散層１０６、ｐ型電極１１０、及びｎ型電極１２０を含む。そのため、各受光エレメント３００は、入射光の光電変換を単独で行うことができる。
【００５０】
ここで、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１とｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２との間には、ＰＮ接合による空乏層が生じている。この空乏層は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１とｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２以上の層とを電気的に分離する。つまり、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２以上の層で生じる電気の流れから絶縁されている。そのため、本実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１に到達する溝１３０によって、各受光エレメント３００を電気的に分離することができる。これによって、次の図３Ａ及び図３Ｂで例示されるような光電変換回路４００を構成することができる。
【００５１】
図３Ａ及び図３Ｂは、各受光エレメント３００を連結させた光電変換回路４００を例示する。図３Ａで例示されるように、アルミニウム、銅等のワイヤ４０１を用いたワイヤボンディング等によって、隣接する受光エレメント３００のｐ型電極１１０とｎ型電極１２０とを電気的に接続した光電変換回路４００を構成することができる。このとき、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２以上の層で生じる電気の流れからｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１は絶縁されている。そのため、図３Ａで例示されるように隣接する受光エレメント３００間でｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１を連結しても、隣接する受光エレメント３００それぞれのｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２以上の層が、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１を介して導通することはない。つまり、各受光エレメント３００は電気的に分離されているため、この光電変換回路４００は、図３Ｂで例示されるように、各受光エレメント３００が直列に連結した回路となる。よって、連結する受光エレメント３００の数を調節することで、所望の出力電圧及び出力電流が取り出せる光電変換回路４００を構成することができる。
【００５２】
§２  製造工程
次に、図４〜図８を用いて、本実施形態に係る受光素子１００の製造工程を説明する。図４〜図８は、本実施形態に係る受光素子１００の製造過程における一状態を例示する。なお、以下で説明する製造工程は、本実施形態に係る受光素子１００を製造する方法の一例に過ぎず、各製造工程は実施の形態に応じて、適宜、変更されてもよい。
【００５３】
まず、第１工程として、図４で例示されるように、ＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，有機金属気層熱分解法）等によって、半絶縁性ＧａＡｓ基板２００上に、各層をエピタキシャル成長させる。本実施形態では、半絶縁性ＧａＡｓ基板２００上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２、非ドープＧａＡｓ層１０３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０４、及びｎ型ＧａＡｓ層１０５が、この順で、形成される。半絶縁性ＧａＡｓ基板２００は、各層を成長させる母体となる。この第１工程が完了すると、次の第２工程に進む。
【００５４】
次の第２工程では、図５で例示されるように、ｐ型拡散層１０６を形成する。本実施形態では、亜鉛などを用いた閉管拡散法によって、ｎ型ＧａＡｓ層１０５の上面から非ドープＧａＡｓ層１０３の上面に到達するまで、ｐ型の不純物を拡散させる。これによって、非ドープＧａＡｓ層１０３に接触するｐ型拡散層１０６が形成される。この第２工程が完了すると、次の第３工程に進む。
【００５５】
次の第３工程では、図６で例示されるように、非ドープＧａＡｓ層１０３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０４、及びｎ型ＧａＡｓ層１０５の一部をエッチングにより除去することで、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２の上面を一部露出させる。この第３工程は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２の上面にｎ型電極１２０を形成する部分を確保するための工程である。この第３工程が完了すると、次の第４工程に進む。
【００５６】
次の第４工程では、図７で例示されるように、第３工程で露出させたｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２の上面にｎ型電極１２０を形成する。また、第２工程で形成したｐ型拡散層１０６の上面にｐ型電極１１０を形成する。本実施形態では、ｐ型電極１１０は、ｐ型拡散層１０６の上面全面をほぼ覆うように形成される。この第４工程が完了すると、次の第５工程に進む。
【００５７】
次の第５工程では、図８で例示されるように、エッチングによって、受光素子１００の表面（上面）からｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１に到達する複数個の溝１３０を形成する。これによって、受光素子１００は複数個の受光エレメント３００に分割される。なお、本実施形態では、第３工程において、非ドープＧａＡｓ層１０３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０４、及びｎ型ＧａＡｓ層１０５の一部が除去されている。そのため、この第６工程では、第３工程で露出させたｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２の上面からｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１の一部を除去する。また、各受光エレメント３００にｎ型電極１２０が配置されるようにするため、図８の例では、左右方向の両側に配置されるｎ型電極１２０の外側に溝１３０が設けられる。この第５工程が完了すると、次の第６工程に進む。
【００５８】
最後に、第６工程として、入射光６００を吸収する半絶縁性ＧａＡｓ基板２００を、例えば、ＮＨ4ＯＨ（水酸化アンモニウム）とＨ2Ｏ2（過酸化水素水）とを１：２０で混合した水溶液を用いたエッチングによって、選択的に除去する。この第６工程で、受光素子１００を製造する工程が完了する。なお、この第６工程において、この半絶縁性ＧａＡｓ基板２００を完全に除去することで、図１で例示されるような、半絶縁性ＧａＡｓ基板２００を備えない受光素子１００を形成することができる。
【００５９】
§３  変形例
以上、本発明の実施の形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。
【００６０】
例えば、図２で例示される受光素子１００は、８個の溝１３０によって８個の受光エレメント３００に分割されている。しかしながら、受光素子１００を分割する形態はこのような例に限定されず、溝１３０及び受光エレメント３００の数は、実施の形態によって、適宜、選択されてよい。また、受光エレメント３００の形状は、扇形に限定されず、実施の形態によって、適宜、設定されてよい。
【００６１】
また、上記受光素子１００の具体的な構成に関して、実施の形態に応じて、適宜、構成要素の省略、置換、及び、追加が行われてもよい。例えば、光吸収層は、受光素子で光電変換の対象とする入射光のエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを持つように構成されるのであれば、いかなる素材及び形状で構成されてもよい。同様に、光吸収層と入射面との間の層（上記実施形態では、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１及びｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２）は、その入射光のエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つように構成されるのであれば、いかなる素材及び形状で構成されてもよい。
【００６２】
また、例えば、ｎ型ＧａＡｓ層１０５は省略されてもよい。ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０４及びｎ型ＧａＡｓ層１０５に代えて、ｐ型のＡｌＧａＡｓ層又はｐ型のＧａＡｓ層を形成してもよい。ｐ型拡散層１０６は、図１等で例示されるように、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０４及びｎ型ＧａＡｓ層１０５の一部ではなく全体に形成されてもよい。ｐ型電極１１０は、ｐ型拡散層１０６の上面の一部に形成されればよく、ｐ型拡散層１０６の上面全面を覆うように形成されていなくてもよい。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１に代えて、半絶縁性ＡｌＧａＡｓで形成される半絶縁性ＡｌＧａＡｓ層が用いられてもよい。なお、半絶縁性の半導体とは、比抵抗率が１０〜１００［MEGΩcm］付近の半導体を指す。半絶縁性の半導体を製造する工程は特に限定されなくてもよい。
【００６３】
また、上記受光素子１００の各層の導電型を逆転させても、換言すると、ｐ型の層をｎ型に反転し、ｎ型の層をｐ型に反転させても、上記受光素子１００と同様の受光素子が得られることは明らかである。そのため、上記受光素子１００の各層の導電型は逆転してもよい。
【００６４】
また、上記受光素子１００の非ドープＧａＡｓ層１０３に代えて、ｎ型のＧａＡｓで形成された光吸収層が用いられてもよい。この場合に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０２及びｐ型拡散層１０６の不純物濃度がそれぞれ「ｎ+」及び「ｐ+」と表現されるときに、光吸収層には、「ｎ-」程度の不純物濃度のＧａＡｓが用いられる。ここで、「ｎ-」は、「5×1015cm-3」よりも低い濃度を指すものとする。また、「ｎ+」及び「ｐ+」は、「1×1018cm-3」よりも高い濃度を指すものとする。
【００６５】
また、上記受光素子１００はＧａＡｓ系の半導体で形成されている。しかしながら、受光素子１００の素材はＧａＡｓ系の半導体に限定されなくてもよく、ＧａＡｓ系以外の半導体で受光素子１００が形成されてもよい。受光素子１００の素材として、例えば、ゲルマニウム等が用いることができる。この場合、入射光６００の波長は、光吸収層のバンドギャップエネルギーよりも大きなエネルギーであって、第１半導体層及び第２半導体層のバンドギャップエネルギーよりも小さなエネルギー、を有するように、適宜、選択されてもよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、ワイヤ４０１で連結された受光エレメント３００によって構成される光電変換回路４００を説明した。しかしながら、受光素子１００を用いて構成される光電変換回路は、このような例に限定されず、実施の形態に応じて、適宜、構成されてもよい。図９を用いて、光電変換回路のその他の一形態を説明する。
【００６７】
図９は、他の形態に係る光電変換回路７００を例示する。図９で例示される光電変換回路７００は、ワイヤ４０１に代えて、金属パターン７２０で隣接する受光エレメント３００を連結する。具体的には、光電変換回路７００は、セラミック又はＳｉ（シリコン）の基板７１０を備える。基板７１０上には、隣接する受光エレメント３００のｐ型電極１１０とｎ型電極１２０とを電気的に接続する金属パターン７２０が設けられている。
【００６８】
図３Ａで例示される受光素子１００は、図９で例示されるように、隣接する受光エレメント３００のｐ型電極１１０とｎ型電極１２０とが金属パターン７２０に接触するように、アップサイドダウン方式で基板７１０上にマウントされる。このように構成することで、上記光電変換回路４００と同様に、各受光エレメント３００を直列に連結した回路を構成することができる。
【００６９】
この光電変換回路７００によれば、アップサイドダウン方式で基板７１０上に受光素子１００がマウントされる。そのため、基板７１０上に設けられた金属パターン７２０の近傍に、入射光を吸収する非ドープＧａＡｓ層１０３を配置することが可能になる。すなわち、熱抵抗の小さい金属パターン７２０付近に熱の発生する非ドープＧａＡｓ層１０３を配置することが可能になり、受光素子１００の熱排出の効率を高めることができる。そのため、受光素子１００の温度上昇を抑え、光電変換の効率が悪化するのを防止することができる。
【００７０】
なお、基板７１０は、本発明の光電変換回路に係る基板に相当する。ここで、複数の受光エレメントのいずれかを「第１の受光エレメント」と称し、当該「第１の受光エレメント」に隣接する受光エレメントを「第２の受光エレメント」と称してもよい。この場合、各金属パターン７２０に接触するｎ型電極１２０を、「第１の受光エレメントの第１電極」と称してもよい。また、各金属パターン７２０に接触するｐ型電極１１０を、「当該第１の受光エレメントに隣接する第２の受光エレメントの第２電極」と称してもよい。
【００７１】
また、上記図１で例示する受光素子１００及び受光素子１００の製造工程では、各層をエピタキシャル成長させる母体となる半絶縁性ＧａＡｓ基板２００を完全に除去する例を説明した。しかしながら、受光素子１００はこのような形態に限定されなくてもよく、上記第６工程では、半絶縁性ＧａＡｓ基板２００の一部を残してもよい。図１０を用いて、この例を説明する。なお、この半絶縁性ＧａＡｓ基板２００は、本発明の半導体基板に相当する。
【００７２】
図１０は、半絶縁性ＧａＡｓ基板２００の一部を残した場合における受光素子１００を模式的に例示する。図１０は、上記第６工程において、半絶縁性ＧａＡｓ基板２００の一部が除去されることで、半絶縁性ＧａＡｓ基板２００の上面から下面にかけて貫通する開口９００が形成された場面を例示している。この開口９００は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１の下に設けられる。すなわち、図１０で例示される受光素子１００では、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１の下面１０１１は、当該開口９００によって露出している。
【００７３】
そのため、受光素子１００の下面から入射させた入射光は、半絶縁性ＧａＡｓ基板２００に吸収されることなく、開口９００を介して、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０１の下面１０１１に入射することができる。これによって、光電効果の効率を悪化させることなく、半絶縁性ＧａＡｓ基板２００の一部を残すことが可能になる。そして、半絶縁性ＧａＡｓ基板２００で支持する分だけ、受光素子１００の機械的強度を高めることができるようになる。すなわち、受光素子１００の破損する可能性を低減することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１００…受光素子（光電変換素子）、１０１０…上面（第１面）、
１０１１…下面（第２面）、
１０１…ｐ型ＡｌＧａＡｓ層（第１半導体層）、
１０２…ｎ型ＡｌＧａＡｓ層（第２半導体層）、
１０３…非ドープＧａＡｓ層（光吸収層）、１０４…ｎ型ＡｌＧａＡｓ層、
１０５…ｎ型ＧａＡｓ層、１０６…ｐ型拡散層（第３半導体層）、
１１０…ｐ型電極（第２電極）、１２０…ｎ型電極（第１電極）、
１３０…溝、
２００…半絶縁性ＧａＡｓ基板（半導体基板）、
３００…受光エレメント、
４００…光電変換回路、４０１…ワイヤ、
６００…入射光、
７００…光電変換回路、７１０…基板、７２０…金属パターン、
９００…開口
【図１】
2015122441.tif 000004
【図２】
2015122441.tif 000005
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
2015122441.tif 000008
【図５】
2015122441.tif 000009
【図６】
2015122441.tif 000010
【図７】
2015122441.tif 000011
【図８】
2015122441.tif 000012
【図９】
2015122441.tif 000013
【図１０】
2015122441.tif 000014
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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