(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体基板と、
前記第１導電型半導体基板の裏面に電気的に接続されるように形成された第１導電型電極と、
前記第１導電型半導体基板の裏面と対向する表面に形成された第１導電型半導体層と、
１次元的に配列するように前記第１導電型半導体層内に互いに離隔して複数個形成された第２導電型領域と、
複数の前記第２導電型領域の各々にそれぞれ電気的に接続されるように形成された個別の第２導電型電極と、
前記第１導電型半導体層の吸収端波長と同じ、およびそれよりも長い吸収端波長のいずれかを有した第１導電型光吸収層であって、前記第１導電型電極と前記第１導電型半導体層の間に少なくとも１層形成された前記第１導電型光吸収層と、
前記第２導電型領域を透過した入射光が透過する前記第１導電型光吸収層内の領域の少なくとも一部に形成された絶縁型領域と
を具備することを特徴とする受光素子アレイ。
【請求項２】
前記第１導電型電極が前記第１導電型半導体基板の裏面側から前記第２導電領域に入射光を入力可能なように一部除去されていることを特徴とする請求項１に記載の受光素子アレイ。
【請求項３】
前記第１導電型半導体基板がｎ型ＩｎＰ基板、前記第１導電型半導体層がｎ型ＩｎＰよりなる層、前記第１導電型光吸収層がｎ型ＩｎＧａＡｓよりなる層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の受光素子アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子アレイに関し、より詳細には、多チャネル化に対応した受光素子のような受光素子アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の波長多重通信等、光ファイバ通信技術の発展に伴い、より多チャネルの光を検出する受光素子が必要とされている。一方、多チャネル化に伴う装置の大型化を防ぐため、装置の小型集積化も同時に求められている。
【０００３】
これらの要求に対し、受光素子アレイを備えた光半導体装置は、多チャネルの受光が可能であり、かつ、小型であることから広く用いられている（特許文献１参照）。図１（ａ）は、従来の光半導体装置が有する受光素子アレイの構成例である。この受光素子アレイは、導電型半導体基板１２上に形成された光吸収層１３を有し、かつ、導電型半導体基板１３と逆の導電型の拡散領域１６を光吸収層１３の直上に設けられた導電型半導体層１４内に複数形成されている。ここで光吸収層１３は、絶縁性を有する絶縁型である。また導電型半導体基板１２には裏面電極１１が蒸着等により形成され、導電型半導体層１４には絶縁膜１５および表面電極１７が形成される。尚、表面電極１７は、拡散領域１６と電気的に接続されている。
【０００４】
光半導体素子を構成するための材料として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等が用いられる。ここでは、長距離の光ファイバ通信に広く用いられるＩｎＰ系の材料を用いて説明する。
【０００５】
導電型半導体基板１２はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3）、光吸収層１３は絶縁型（ｎ-型）インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ、キャリア濃度は１×１０14ｃｍ-3）、導電型半導体層１４はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０17ｃｍ-3）、導電型半導体層１４内に形成された拡散領域１６はＺｎドープされたｐ型のＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3）である。また、裏面電極１１および表面電極１７にはチタンおよび金が用いられ、絶縁膜１５は窒化シリコン（ＳｉＮ）が用いられている。絶縁膜１５は、半導体接合のパッシベーション機能、および光入射時の無反射コーティングを兼用する。
【０００６】
図１（ｂ）に、図１（ａ）に示す受光素子アレイの断面におけるｐ型拡散領域１６と光吸収層１３を含む受光素子部のバンド構造を示し、図１（ｃ）に、図１（ａ）に示す受光素子アレイの断面における隣接する受光素子との中間部のバンド構造を示す。
【０００７】
ここで図１（ａ）に示す受光素子の動作について説明する。図１（ａ）のように、表面電極１７側より絶縁膜１５を介して受光素子部に入力された入射光は、そのほとんどが光吸収層１３において光電変換され、電子―正孔の両キャリアとなる。ここで、図１（ｂ）に示すように、光吸収層１３（絶縁型ＩｎＧａＡｓ）は空乏化しているためバンドの領域が生じる。そのため、発生した電子、正孔の各キャリアはそれぞれ、導電型半導体基板１２（ｎ型ＩｎＰ）およびｐ型拡散領域１３（ｐ型ＩｎＰ）にドリフトにより移動し、最終的には裏面、表面に形成された裏面電極１１、表面電極１７より外部に出力される。
【０００８】
ここで、光吸収層１３に入力した入射光の一部は、光吸収層１３で完全に光電変換しきれず、基板内透過光となる。基板内透過光は裏面電極１１で反射し、再び光吸収層１３に入力されるが、図１（ａ）の矢印で示すように、ビーム広がりを持つ基板内透過光は、受光素子間の中間部に入力され光電変換される。
【０００９】
中間部における光吸収層１３で発生した電子―正孔の振る舞いは、図１（ｃ）に示すように、電子（黒丸）が拡散によって容易に隣接するｎ型ＩｎＰに移動するのに対し、正孔（白丸）が表面側ＩｎＰ層と裏面側ＩｎＰ層で形成されるバンドの谷に閉じ込められた状態となるため、容易には隣接するＩｎＰ層に移動できない。そのため、光吸収層１３（絶縁型ＩｎＧａＡｓ）中を横方向に拡散移動し、その一部は隣接する受光素子に到達する。これが隣接する受光素子への漏れ電流（クロストーク）の発生要因となる。
【００１０】
次に、図２に示す従来の光半導体装置について説明する（特許文献１参照）。これは図１（ａ）に示した光半導体装置の構成とほぼ同じであるが、受光素子間の中間部に第２の拡散領域１８を設けた点が異なっている。これは導電型半導体基板１２と同一の導電型（ｎ型）を有する。この構造の追加により、図１（ａ）の構造で発生した中間部における正孔の光吸収層１３中の横方向移動に対し、キャリアの再結合確率を増やす効果がある。すなわち、正孔のキャリア寿命が短縮し、隣接する受光素子へ到達するキャリアが減少する。よって、隣接する受光素子への漏れ電流を低減する効果をもたらす。
【００１１】
【特許文献１】特開昭６０−１７７６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、図２に示す従来の光半導体装置では、中間部における第２の拡散領域１８が受光素子部のｐ型拡散領域１６と接触すると、受光素子としての働きを失うため、拡散領域１６の幅を拡散領域１８がなかったときに比べ狭くしなければならない。また、表面から裏面に向けての拡散工程においては、その方向（縦方向）の拡散に限られる。また、図２に模式的に示すように、一般的に縦方向の拡散幅は深さ方向に従い減少する。よって、光吸収層１３における拡散幅が十分大きいとはいえず、キャリア（正孔）の拡散を十分低減できず、漏れ電流を防ぐことが容易ではなかった。
【００１３】
とりわけ、先に述べたように基板内透過光はビーム広がりを持つため、第２の拡散領域はある程度の大きさの拡散幅がないと、その拡散領域を超えて基板内透過光が隣接する受光素子部の光吸収層１３に到達するため意味をなさない。
【００１４】
以上のような問題点から、受光素子アレイの寸法を変えずに拡散領域１８を設けると同時に、受光素子部における受光径を大きくすることができないため、受光素子において入射光のケラレなどが発生し、受光感度が劣化するという課題があった。そのため、場合によっては、受光素子間の間隔を広げざるを得ず、素子アレイおよび装置の寸法が増大するという課題があった。
【００１５】
加えて、第２の拡散領域１８を設けるための工程が追加されるので、新たなマスクを必要とし、レジスト塗布、露光、および拡散の工程が必要になる。そのため、作製時間や作製コストが余分にかかるという課題があった。
【００１６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、受光素子間の漏れ電流を十分に低減し、小型、簡易な受光素子アレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、受光素子アレイであって、第１導電型半導体基板と、前記第１導電型半導体基板の裏面に電気的に接続されるように形成された第１導電型電極と、前記第１導電型半導体基板の裏面と対向する表面に形成された第１導電型半導体層と、１次元的に配列するように前記第１導電型半導体層内に互いに離隔して複数個形成された第２導電型領域と、複数の前記第２導電型領域の各々にそれぞれ電気的に接続されるように形成された個別の第２導電型電極と、前記第１導電型半導体層の吸収端波長と同じ、およびそれよりも長い吸収端波長のいずれかを有した第１導電型光吸収層であって、前記第１導電型電極と前記第１導電型半導体層の間に少なくとも１層形成された前記第１導電型光吸収層と、前記第２導電型領域を透過した入射光が透過する前記第１導電型光吸収層内の領域の少なくとも一部に形成された絶縁型領域とを具備することを特徴とする。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の受光素子アレイにおいて、前記第１導電型電極が前記第１導電型半導体基板の裏面側から前記第２導電領域に入射光を入力可能なように一部除去されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の受光素子アレイにおいて、前記第１導電型半導体基板がｎ型ＩｎＰ基板、前記第１導電型半導体層がｎ型ＩｎＰよりなる層、前記第１導電型光吸収層がｎ型ＩｎＧａＡｓよりなる層であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、光吸収層のキャリア濃度を導電型としたことで、容易に隣接する受光素子への漏れ電流を抑圧することでき、光強度検出時における誤差を少なくすることが可能になる。
【００２５】
また、受光素子間の拡散領域を不要としたことで、受光素子部における受光径を大きくすることが可能となり、受光素子における入射光のケラレなどによる受光感度の劣化を防ぐことが可能になる。
【００２６】
さらに、簡易な構成で受光素子間の間隔を小さくすることができ、安価に素子および装置の寸法を小型化することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２８】
（実施形態１）
図３（ａ）に、本発明の実施形態１に係る受光素子アレイの構成図を示す。この受光素子アレイは、導電型半導体基板２上に形成された光吸収層３を有し、かつ、導電型半導体基板２と逆の導電型の拡散領域５を光吸収層３の直上に設けられた導電型半導体層４内に複数形成されている。ここで光吸収層３は、導電型半導体基板２と同一の導電型を有する。また、導電型半導体基板２には、裏面電極１が蒸着等により形成され、導電型半導体層４には絶縁膜６および表面電極７が形成されている。
【００２９】
光半導体素子を構成するための材料として、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等が用いられる。ここでは、従来例と同様、長距離の光ファイバ通信に広く用いられているＩｎＰ系の材料を用いて説明する。
【００３０】
導電型半導体基板２はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3）で厚さ３５０μｍ、光吸収層３はｎ型ＩｎＧａＡｓ（キャリア濃度は１×１０16〜１×１０17ｃｍ-3）で厚さ３μｍ、導電型半導体層４はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3）で厚さ２μｍ、導電型半導体層４内に形成された拡散領域５はｐ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０18〜１×１０20ｃｍ-3）である。また、裏面電極１および表面電極７にはチタンおよび金が用いられ、絶縁膜６は窒化シリコン（ＳｉＮ）が用いられている。絶縁膜６は半導体接合のパッシベーション機能、および光入射時の無反射コーティングを兼用する。本実施形態１において図１に示した従来例と構造上異なる点は、光吸収層３のキャリア濃度を導電型とした点である。
【００３１】
図３（ｂ）に、実施形態１の断面における隣接する単位受光素子との中間部のバンド構造を示す。
【００３２】
この受光素子アレイの動作について説明する。図３（ａ）のように、表面電極７側より絶縁膜６を介して受光素子部に入力された入射光は、そのほとんどが光吸収層３において光電変換され、電子―正孔の両キャリアとなる。受光素子部で発生した電子、正孔の各キャリアはそれぞれ、導電型半導体基板２（ｎ型ＩｎＰ）およびｐ型拡散領域５（ｐ型ＩｎＰ）に移動し、最終的には表面、裏面に形成された表面電極７、裏面電極１より外部に出力される。
【００３３】
ここで光吸収層３に入力した入射光の一部は、光吸収層３で完全に光電変換しきれず、光吸収層３を透過して基板内透過光となる。基板内透過光は裏面電極１で反射し、再び光吸収層に入力されるが、図３（ａ）の矢印で示すように、ビーム広がりを持つ基板内透過光は、単位受光素子間の中間部に入力されて光電変換される。
【００３４】
中間部における光吸収層３で発生した電子―正孔の振る舞いは、図３（ｂ）に示されるように、図１（ｃ）で示した従来の構造と同様、正孔が表面側ＩｎＰ層と裏面側ＩｎＰ層、すなわち導電型半導体層４と導電型半導体基板２で形成されるバンドの谷に閉じ込められた状態となる。しかしながら、光吸収層３は電子を多数キャリアとする導電型となっているため、電子―正孔間の再結合確率が高く、光吸収層３中を横方向に拡散移動する正孔はその距離に従い大幅に減少する。よって、隣接する受光素子に到達する正孔が減少し、結果として隣接する受光素子への漏れ電流は抑圧される。
【００３５】
光吸収層３のキャリア濃度と漏れ電流の改善量についての定量的な見積もりを、少数キャリア濃度に対する拡散方程式（diffusion equation）を用いて計算した。
【００３６】
光吸収層３（ｎ型半導体）に光照射した時の少数キャリア（正孔）の分布ｐ（ｘ,ｔ）
は、次の拡散方程式に従う。
【００３７】
【数１】
0005368007.tif 000002
【００３８】
ここでｐ∞は拡散距離ｘ＝∞における正孔濃度、τpは正孔の再結合寿命（recombination lifetime）である。また、Ｄpは正孔の拡散定数（diffusion constant）であり、移動度μpとの間には、アインシュタインの関係（μp＝ｅＤp／ｋＴ）がある。式１を定常状態において解くと、下記のように求められる。
【００３９】
【数２】
0005368007.tif 000003
【００４０】
ここでｌp＝（Ｄpτp）1/2は拡散長（diffusion length）と定義され、τpは多数キャリア濃度Ｎ依存性を有する。
【００４１】
図４に、本実施形態１の受光素子アレイにおいて式２、すなわち光吸収層３の多数キャリア（電子）濃度Ｎをパラメータとした時の少数キャリア（正孔）の拡散距離ｘに対するキャリア濃度ｐを計算した結果を示す。尚、表１に本計算に使用した主要な定数値を示す。
【００４２】
【表１】
0005368007.tif 000004
【００４３】
ここで、図４から予想されるクロストークの抑圧量について説明する。図４における拡散距離ｘが０の地点が光入射位置と考える。そして光入射位置とは、図３の構成における基板内透過光が裏面での反射後に到達する中間部の位置である。その位置は入射光の開口数や裏面の荒さ状態等に依存するが、ここでは単位受光素子間の中間点、すなわち、単位受光素子間隔が２５０μｍである本計算では、その中間の１２５μｍの位置と仮定する。その場合、隣接する単位受光素子までの位置は概ねｘ＝１２５μｍといえる。
【００４４】
図４より、中間点からの隣接する単位受光素子の位置、すなわちｘ＝１２５μｍでの少数キャリア濃度は、多数キャリア濃度Ｎが大きいほど低くなる。例えば、Ｎ＝１×１０14ｃｍ-3の時の少数キャリア濃度ｐは７×１０20ｃｍ-3であり、Ｎ＝１×１０16ｃｍ-3の時の少数キャリア濃度ｐは６×１０18ｃｍ-3である。その濃度差は、すなわち隣接する単位受光素子での正孔拡散量であり、漏れ電流に相当するものである。この場合、およそ１／１００、すなわち−２０ｄＢ程度の漏れ電流の抑圧効果が期待できる。
【００４５】
この受光素子アレイを作製するにあたり、光吸収層３のキャリア濃度を高くする必要があるが、これは従来の作製方法（図１）がキャリア濃度を出来るだけ低くするように制御する困難さを有していたのに対し、本発明は高度な制御が不要でより作製が容易である。さらには、図２に示す受光素子アレイのように第２の拡散領域１８を形成するための追加拡散工程も不要であるため、工程が簡単である上に装置の小型化が容易となる。
【００４６】
本実施形態１においては、多数キャリア濃度Ｎの増大に伴う漏れ電流の改善は漸次的な効果であるため、光吸収層３の絶縁性、導電性を区別する明確な濃度は無い。但し、本明細書では、絶縁型と導電型の境界は、真性キャリア濃度の１０００倍を境界とする。すなわち、真性キャリア濃度の１０００倍未満を絶縁型と呼び、１０００倍以上を導電型と区別する。例えば、本実施形態１での光吸収層３ＩｎＧａＡｓの真性キャリア濃度は常温で約７×１０11ｃｍ-3である。よって、絶縁型とは７×１０14ｃｍ-3未満、導電型とは７×１０14ｃｍ-3以上である。
【００４７】
本実施形態１においては、導電型半導体基板２をｎ型としたが、逆の導電型のｐ型にした場合でも同様の改善効果を有する。その場合、導電型半導体基板２はｐ型、光吸収層３はｐ型、導電型半導体層４はｐ型、導電型半導体層４に形成された拡散領域５はｎ型となる。
【００４８】
図５に、図３（ａ）に示す構成では、入射光は表面側から入力されるが、裏面電極の一部を除去することにより裏面側から入力することも可能である。その場合も同様に、光吸収層３のキャリア濃度を導電型とすることにより、隣接する単位受光素子への漏れ電流を改善することができる。図５の構成では、拡散領域５を透過した入射光は絶縁膜６を介して外部に出射してしまうので、拡散領域５を透過した入射光を受光素子部に反射させるための層を設けてもよい。
【００４９】
また、本実施形態１では、図３（ａ）、図５に示すように、光吸収層３は導電型半導体基板２と導電型半導体層４の間に１層あるのみであるが、光吸収層３は裏面電極１と導電型半導体層４との間のどこにあってもよく、複数層形成されていてもよい。このような場合にも、図３（ａ）、図５の構成の場合と同様な効果を得られる。
【００５０】
（実施形態２）
図６（ａ）に、本発明の実施形態２に係る受光素子アレイの構成を示す。この受光素子アレイは、導電型半導体基板２上に形成された光吸収層３を有し、かつ、導電型半導体基板２と逆の導電型の拡散領域５を光吸収層３内に複数形成されている。ここで、光吸収層３は、導電型半導体基板２と同一の導電型を有する。また、本実施形態２では、前述の実施形態１と異なり、光吸収層３の直上には導電型半導体層が設けられておらず、拡散領域５は光吸収層３内に形成される。
【００５１】
導電型半導体基板２はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3）で厚さ３５０μｍ、光吸収層３はｎ型ＩｎＧａＡｓ（キャリア濃度は１×１０16〜１×１０17ｃｍ-3）で厚さ５μｍ、光吸収層３内に形成された拡散領域５はｐ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０18〜１×１０20ｃｍ-3）である。その他電極等の構成は実施形態１と同じである。
【００５２】
図６（ｂ）に、実施形態２の断面におけるバンド構造を模式的に示す。これは、隣接する単位受光素子との中間部におけるバンド構造である。
【００５３】
この受光素子アレイの動作について説明する。図３（ａ）のように、表面電極７側より絶縁膜を介して受光素子部に入力された入射光は、そのほとんどが光吸収層３および拡散領域５において光電変換され、電子―正孔の両キャリアとなる。受光素子部で発生した電子、正孔の各キャリアはそれぞれ、導電型半導体基板２（ｎ型ＩｎＰ）およびｐ型拡散領域５（ｐ型ＩｎＰ）に移動し、最終的には表面、裏面に形成された表面電極７、裏面電極１より外部に出力される。
【００５４】
ここで光吸収層３に入力した入射光の一部は、光吸収層３で完全に光電変換しきれず、基板内透過光となる。基板内透過光は裏面電極１で反射し、再び光吸収層３に入力されるが、図６（ａ）の矢印で示すように、ビーム広がりを持つ基板内透過光は、単位受光素子間の中間部に入力され光電変換される。
【００５５】
図６（ｂ）に、中間部における光吸収層３で発生した電子―正孔の振る舞いを説明する模式図を示す。図１（ｃ）で示した従来の構造とは若干異なるものの、正孔が光吸収層３と裏面側ＩｎＰ層、すなわち導電型半導体基板２で形成されるバンドの谷に閉じ込められた状態となる。しかしながら、光吸収層３は電子を多数キャリアとする導電型となっているため、電子―正孔間の再結合確率が高く、光吸収層３を横方向に拡散移動する正孔はその距離に従い大幅に減少する。よって、隣接する単位受光素子に到達する正孔が減少し、結果として隣接する単位受光素子への漏れ電流は抑圧される。
【００５６】
図７に、裏面側から光を入射する実施形態２に係る受光素子アレイの構成を示す。図６（ａ）に示す構成では、入射光は表面側から入力されるが、実施形態１と同様に、裏面電極の一部を除去することにより裏面側から入力することも可能である。その場合も同様に、光吸収層３のキャリア濃度を導電型とすることにより、隣接する受光素子への漏れ電流を改善することができる。図７の構成では、拡散領域５を透過した入射光は絶縁膜６を介して外部に出射してしまうので、拡散領域５を透過した入射光を受光素子部に反射させるための層を設けてもよい。
【００５７】
また、本実施形態２では、図６（ａ）、図７に示すように、光吸収層３は導電型半導体層４上に１層あるのみであるが、光吸収層３は導電型半導体基板２内のどこにあってもよく、複数層形成されていてもよい。このような場合にも、図６（ａ）、図７の構成の場合と同様な効果を得られる。
【００５８】
（実施形態３）
図８（ａ）に、本発明の実施形態３に係る導電型半導体層を有する受光素子アレイの構成を示す。この受光素子アレイは、導電型半導体基板２上に形成された光吸収層３を有し、かつ、導電型半導体基板２と逆の導電型の拡散領域５を光吸収層３および光吸収層３の直上に設けられた導電型半導体層４内に複数形成されている。ここで、光吸収層３は、導電型半導体基板２と同一の導電型を有する。本実施形態３において他の実施形態と異なる点は、拡散領域を導電型半導体層４のみならず、光吸収層３にも形成し、拡散領域５を透過した入射光が透過する光吸収層３の領域うち拡散された領域を絶縁型とした拡散領域８を有することである。
【００５９】
導電型半導体基板２はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3）で厚さ３５０μｍ、光吸収層３はｎ型ＩｎＧａＡｓ（キャリア濃度は１×１０16〜１×１０17ｃｍ-3）で厚さ３μｍ、導電型半導体層４はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3）で厚さ２μｍ、光吸収層３および導電型半導体層４に形成された拡散領域５はｐ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０18〜１×１０20ｃｍ-3）である。また、光吸収層３の内拡散された領域は絶縁型（ｎ-型）ＩｎＧａＡｓ（キャリア濃度は５×１０13〜１×１０14ｃｍ-3）である。その他電極等の構成は実施形態１、２と同じである。
【００６０】
この実施形態３に係る受光素子アレイの動作原理について説明する。図７に示すように、表面電極７側より絶縁膜６を介して受光素子部に入力された入射光は、そのほとんどが光吸収層３において光電変換され、電子―正孔の両キャリアとなる。受光素子部で発生した電子、正孔の各キャリアはそれぞれ、導電型半導体基板２（ｎ型ＩｎＰ）およびｐ型拡散領域５（ｐ型ＩｎＰ）に移動し、最終的には表面、裏面に形成された表面電極７、裏面電極１より外部に出力される。
【００６１】
ここで光吸収層３に入力した入射光の一部は、光吸収層３で完全に光電変換しきれず、基板内透過光となる。基板内透過光は裏面電極１で反射し、再び光吸収層３に入力される。
【００６２】
中間部における光吸収層３で発生した電子―正孔の振る舞いは図３（ｂ）に示したように、正孔が表面側ＩｎＰ層と裏面側ＩｎＰ層、すなわち導電型半導体層４と導電型半導体基板２で形成されるバンドの谷に閉じ込められた状態となる。しかしながら、光吸収層３は、電子を多数キャリアとする導電型となっているため、電子―正孔間の再結合率が高く、光吸収層３中を横方向に拡散移動する正孔は、その距離に従い大幅に減少する。よって、隣接する受光素子に到達する正孔が減少し、結果として隣接する受光素子への漏れ電流は抑圧される。
【００６３】
実施形態３においては、前述の実施形態１、２と異なり、拡散領域を導電型半導体層４のみならず光吸収層３内にも形成し、光吸収層３のうち拡散された領域を絶縁型とした。
【００６４】
前述の実施形態１、２では、受光素子部の光吸収層３が導電型であるため、光吸収層３内でのキャリアの移動はドリフトではなく拡散による。そのため、絶縁型の光吸収層３の場合に比べ、動作速度が低下する傾向を有する。加えて、図４の計算結果から推測されるところによると、拡散距離ｘ＝０での少数キャリア濃度ｐは、多数キャリア濃度Ｎの増加に伴い減少する。よって、あまりＮを大きくし過ぎると受光感度が低下する傾向を有する。
【００６５】
それに対し、本実施形態３の構成では、上記動作速度の低下と受光感度の低下の両課題を改善することが出来る。すなわち、光吸収層３が絶縁型であるため、そのバンド構造は図１（ａ）と同様、光吸収層３（絶縁型ＩｎＧａＡｓ）が欠乏しているためバンドの傾斜が生じる。そのため、発生した電子、正孔の各キャリアはそれぞれ、導電型半導体基板２（ｎ型ＩｎＰ）およびｐ型拡散領域５（ｐ型ＩｎＰ）にドリフトにより移動し、最終的には表面、裏面に形成された表面電極７、裏面電極１より外部に出力される。また、多数キャリア濃度Ｎが極めて小さいため、図４から推測されるように、発生するキャリア数が増大する。よって、隣接する受光素子への漏れ電流が改善するというこれまでの効果に加え、高速の動作と高い受光感度が得られる。本実施形態３においては、光吸収数層３のうち拡散領域８を絶縁型とした。これは受光素子表面からｐ型ドーピングによる拡散を行う際、光吸収層３のｎ型キャリアを相殺することにより形成される。本工程は、例えば実施形態１ではｐ型拡散を光吸収層３直上の導電型半導体層４のみに行うが、そこからさらに拡散時間を長くし、光吸収層３まで拡散させることにより形成可能である。拡散時間は長くなるが、新たなマスクなどを要しないため、非常に容易に作製可能である。
【００６６】
図８（ｂ）に、本発明の実施形態３に係る導電型半導体層を有さない受光素子アレイの構成を示す。図８（ｂ）に示す受光素子アレイの構成は、図８（ａ）に示す受光素子アレイの導電型半導体層４を光吸収層３に置き換えたものである。この構成は、実施形態２の構成の拡散領域５と導電型半導体基板２との間に絶縁型の拡散領域８を追加した構成でもある。実施形態１、２の振る舞いは非常に似通っていることからも分かる通り、図８（ｂ）に示す構成の受光素子アレイも図８（ａ）に示す構成の受光素子アレイと同様な効果を奏し、高速の動作と高い受光感度が得られる。
【００６７】
図９（ａ）、（ｂ）に、実施形態３に係る裏面側から光を入射する受光素子アレイの構成を示す。図８（ａ）、（ｂ）に示す構成では、入射光は表面側から入力されるが、実施形態１、２と同様に、裏面電極の一部を除去することにより裏面側から入力することも可能である。その場合も同様に、光吸収層３のキャリア濃度を導電型とすることにより、隣接する受光素子への漏れ電流を改善することができる。図９（ａ）、（ｂ）の構成では、拡散領域５を透過した入射光は絶縁膜６を介して外部に出射してしまうので、拡散領域５を透過した入射光を受光素子部に反射させるための層を設けてもよい。
【００６８】
また、本実施形態３では、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、光吸収層３は１層あるのみであるが、複数層形成されていてもよい。このような場合にも、図８（ａ）、（ｂ）の構成の場合と同様な効果を得られる。
【００６９】
（実施形態４）
図１０（ａ）〜（ｃ）に、本発明の実施形態４に係る受光素子アレイの構成を示す。図１０（ａ）に示す受光素子アレイは、導電型半導体基板２上に形成された光吸収層３を有し、かつ、導電型半導体基板２と逆の導電型の拡散領域５が光吸収層３の直上に設けられた導電型半導体層４内に複数形成されている。ここで、光吸収層３は導電型半導体基板２と同一の導電型を有する。本実施形態４において前述した他の実施形態と異なる点は、受光素子間の中間部に光吸収層３を分断する溝を設けたことである。
【００７０】
導電型半導体基板２はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3）で厚さ３５０μｍ、光吸収層３はｎ型ＩｎＧａＡｓ（キャリア濃度は１×１０16〜１×１０17ｃｍ-3）で厚さ３μｍ、導電型半導体層４はｎ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3）で厚さ２μｍ、導電型半導体層４に形成された拡散領域５はｐ型ＩｎＰ（キャリア濃度は１×１０18〜１×１０20ｃｍ-3）である。その他電極等の構成は実施形態１〜３と同じである。
【００７１】
この実施形態４に係る光半導体装置の動作原理について説明する。図１０に示すように、表面より絶縁膜６を介して受光素子部に入力された入射光は、そのほとんどが光吸収層３において光電変換され、電子―正孔の両キャリアとなる。受光素子部で発生した電子、正孔の各キャリアはそれぞれ、導電型半導体基板２（ｎ型ＩｎＰ）およびｐ型拡散領域５に移動し、最終的には表面、裏面に形成された表面電極７、裏面電極１から外部に出力される。
【００７２】
ここで光吸収層３に入力した入射光の一部は、光吸収層３で完全に光電変換しきれず、基板内透過光となる。基板内透過光は裏面電極で反射し、再び光吸収層３に入力される。
【００７３】
中間部における光吸収層３で発生した電子―正孔の振る舞いは、図３（ｂ）に示したように、正孔が表面側ＩｎＰ層と裏面側ＩｎＰ層、すなわち導電型半導体層４と導電型半導体基板２で形成されるバンドの谷に閉じ込められた状態となる。しかしながら、光吸収層３は電子を多数キャリアとする導電型となっているため、電子―正孔間の再結合確率が高く、光吸収層３を横方向に拡散移動する正孔はその距離に従い大幅に減少する。よって、隣接する受光素子に到達する正孔が減少し、結果として隣接する受光素子への漏れ電流は抑圧される。
【００７４】
さらに、本実施形態４においては、前述の実施形態１〜３と異なり、受光素子中間部に光吸収層３を分断する溝を追加しているため、さらに正孔の隣接する受光素子への到達量が減少し、その結果、漏れ電流がより抑圧される。
【００７５】
図１０（ｂ）に示す受光素子アレイは、実施形態２の構成に上述の溝を追加した構成であり、図１０（ｃ）に示す受光素子アレイは、実施形態３の構成に上述の溝を追加した構成である。これら図１０（ｂ）、（ｃ）に示す構成においても、図１０（ａ）に関して述べた漏れ電流の抑圧効果が同様に働く。
【００７６】
また、図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、裏面側から光を入射する実施形態４に係る受光素子アレイの構成を示す。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す構成では、入射光は表面側から入力されるが、実施形態１〜３と同様に、裏面電極の一部を除去することにより裏面側から入力することも可能である。その場合も同様に、光吸収層３のキャリア濃度を導電型とすることにより、隣接する受光素子への漏れ電流を改善することができる。図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の構成では、拡散領域５を透過した入射光は絶縁膜６を介して外部に出射してしまうので、拡散領域５を透過した入射光を受光素子部に反射させるための層を設けてもよい。
【００７７】
また、本実施形態４では、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、光吸収層３は１層あるのみであるが、複数層形成されていてもよい。このような場合にも、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の構成の場合と同様な効果を得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】（ａ）は、従来の光半導体装置が有する受光素子アレイの構成例を示す図である。（ｂ）は、図１（ａ）に示す受光素子アレイの断面におけるｐ型拡散領域と光吸収層を含む受光素子部のバンド構造を示す図であり、（ｃ）は、図１（ａ）に示す受光素子アレイの断面における隣接する受光素子との中間部のバンド構造を示す図である。
【図２】従来の光半導体装置が有する受光素子間の中間部に第２の拡散領域を設けた受光素子アレイの構成例を示す図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施形態１に係る受光素子アレイの構成図を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態１の断面における隣接する単位受光素子との中間部のバンド構造を示す図である。
【図４】本発明の実施形態１の受光素子アレイにおいて式２に基づき少数キャリア（正孔）の拡散距離ｘに対するキャリア濃度ｐを計算した結果を示すグラフである。
【図５】裏面側から光を入射する本発明の実施形態１に係る受光素子アレイの構成を示す図である。
【図６】（ａ）は、本発明の実施形態２に係る受光素子アレイの構成を示す図であり、（ｂ）は、実施形態２の断面におけるバンド構造を模式的に示す図である。
【図７】裏面側から光を入射する本発明の実施形態２に係る受光素子アレイの構成を示す図である。
【図８】（ａ）は、本発明の実施形態３に係る導電型半導体層を有する受光素子アレイの構成を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態３に係る導電型半導体層を有さない受光素子アレイの構成を示す図である。
【図９】（ａ）は、本発明の実施形態３に係る裏面側から光を入射する導電型半導体層を有する受光素子アレイの構成を示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態３に係る裏面側から光を入射する導電型半導体層を有さない受光素子アレイの構成を示す図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態４に係る受光素子アレイの構成を示す図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態４に係る裏面側から光を入射する受光素子アレイの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１、１１  裏面電極
２、１２  導電型半導体基板
３、１３  光吸収層
４、１４  導電型半導体層
５、８、１６、１８  拡散領域
６、１５  絶縁膜
７、１７  表面電極
【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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【図１０】
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【図１１】
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