光デバイス／受光素子

６．ｐiｎフォトダイオード

　フォトダイオードとしてもっとも普通に使われているのがｐｉｎフォトダイオードです。このｐｉｎ（大文字でPINと書かれることもあります）はｐ型－ｉ型－ｎ型という半導体の層構造を表しています。そしてこのｉは真性（intrinsic）半導体の頭文字です。ｉ層はノンドープ層とかアンドープ層とか呼ばれる場合もあります。

　真性半導体は不純物を含まない半導体物質そのものの性質（とくにキャリア濃度）をもった半導体のことですから、厳密に言うとこれとノンドープとは異なります。ノンドープとは意図的に不純物をドープしていないだけで、実際にはまったく不純物を含まないわけではありません。ただしデバイスとして見たときには、十分に不純物濃度が低ければ、ほぼ真性半導体を使っているとみなすことができるので、あまり厳密な区別は不要です。

　これまで説明してきたように、フォトダイオードはｐｎ接合があれば実現できます。なぜｉ層を挟むのでしょうか。前項でｐｎ接合に逆バイアスをかけ、空乏層を広げた方が、感度、応答速度とも向上することを説明しました。ｉ層はもともとキャリアが少ないので、逆バイアスをかけるとこのｉ層の部分にほとんどの電界がかかります。

　図６－１はｐｉｎフォトダイオードのエネルギーバンド図です(1)。左側がｐ層、真ん中がｉ層、右側がｎ層です。エネルギーバンド図は電子（マイナス電荷）に対して描かれますから、図はｐ層側にマイナス、ｎ層側にプラスの電圧をかけた逆バイアス状態を示しています。

　ここで注目すべきは電位が傾斜しているのはｉ層部分だけで、この部分だけに電界がかかっていることが示されています。ｉ層にはもともとキャリアが少ないので、はじめから空乏層があるようなものです。

　これに対してｐｎ接合で空乏層をこのように広げるためには、かなりの電圧をかけてｐ層とｎ層の正孔と電子を電極側に引き寄せなければなりません。ｐｉｎ構造にすることによってこの電圧を下げることができます。

　ｐｉｎフォトダイオードの特許を調べてみると、日本でもっとも早いのは、東北大の西沢潤一、渡辺寧の両先生による1953年の出願です(2)。ｐ型半導体とｎ型半導体の間に高抵抗薄層を挟んだ構造が提案されています。この特許にはｐｉｎ構造という語はまだ書かれていないようですが、抵抗の高い層がｉ層に相当します。ｐｉｎ構造にすることによって印加電圧を下げることができる利点についてすでに指摘がされています。

　以上のような目的ならｉ層１層だけ用いて両側に電極を着ければよいような気がします。ｐｉｎ構造にする意味はどこにあるのでしょうか。ｉ層のみに電極を着けた場合は電極とｉ層の界面に電界がかかります。電極付近に大きな電界があると、半導体表面に障壁があったとしても、電極からキャリアが注入されやすくなります。光が当たっていなくてもこれによって電流が流れるのは受光素子にとっては好ましくありません。

　ｐｉｎ構造の場合は図からもわかりますが、ｐ層、ｎ層にはほとんど電界がかかりません。このため電極付近の電界は小さく、半導体表面に少しでも障壁があれば、キャリアは入って来ません。両側にｐ層、ｎ層があると、光が当たっていないときに流れる電流が少ないという利点があります。

　図のような構造のｐｉｎフォトダイオードのｉ層に光が当たるようにすると、できた電子と正孔が移動して光電流となります。どのようにｉ層に効率よく光を吸収させるかという問題は、フォトダイオードの具体的な構造によって工夫されています。

　不純物濃度が10¹⁷ｃｍ^-3に達しない程度の低濃度不純物ドープ層のことをｐ^－層、ｎ^－層と言う場合があります。さらにｐ^－層をπ（パイ）層、ｎ^－層をν（ニュー）層と言うこともあります。これに対して10¹⁹ｃｍ^-3以上の不純物濃度の層をｐ^＋層、ｎ^＋層と言う場合があります。これらは慣用的は呼称ですから、とくにこれを使わなければばらないということはありません。

　言葉の話をもう少ししておきます。ｐｉｎフォトダイオードは「ピン」フォトダイオードと発音されるのが普通です。「ピーアイエヌ」と言っても構いませんが、ピンの方が言いやすいでしょう。しかし書くときは「ｐｉｎ（またはPIN）」とアルファベットで書くべきです。 　ｐｉｎは幸か不幸か英語の単語です。画鋲のような紙を壁に留める針のことを意味します。日本語でピンというとむしろ髪を留めるものを言うような気がしますが、英語では留め針が主要な意味です。このため英文のなかで”pin photodiode”と書かれると知らない人はこの英単語の意味ととってしまうのは仕方のないことです。英文から翻訳した外国特許などでは「ピンフォトダオード」と書かれていることが多く、「ピン留めフォトダイオード」という珍訳を見たこともあります。このような取り違えをなくすためにも日本語の文献にはｐｉｎと書いていただきたいと思います。

(1)例えば特公昭40-023055号

(2)特公昭30-008969号

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