光デバイス／受光素子

７．ｐiｎフォトダイオードの構造

　ｐｉｎフォトダイオードはｐｉｎ構造のダイオードですから、それほど多様な構造があるわけではなく、代表的なものとしては以下の図７－１と図７－２に示すような２種類があります(1)。

　シリコン（Ｓｉ）のフォトダイオードでは、受光する光の波長は0.8μｍ前後を対象とします。１μｍ以上の波長を対象とする化合物半導体のｐｉｎフォトダイオードの場合は少し構造がちがうこともありますが、基本的なところは同じです。

　図７－１はメサ型と呼ばれるタイプです。図は接合の断面図ですが、側面が斜めに切り落とされた構造をしているのが特徴です。発光ダイオードなどでも同じような構造が使われています。電極の外側の半導体を切り落とすのは、外側に電流が広がって無駄になるのを防ぐのが目的です。発光素子では順方向に電圧をかけて大きな電流を流すので、無駄な電流を減らし発熱を抑えるのが目的ですが、受光素子の場合は逆バイアスをかけたとき、光が当たっていないのに電流が流れる（暗電流と言います）のを防ぐのが主な目的です。

　この図の例では基板はｐ型のシリコンです。その上にｉ型のシリコン層をエピタキシャル成長させます。上層のｎ型層はｉ層の表面からリンを拡散して形成できますが、エピタクシャル成長してもよく、これでｐｉｎ構造ができます。ｉ層の不純物濃度は１０¹³ｃｍ^-３であるのに対し、ｎ層は１０¹⁹ｃｍ^-3とすることができ、ｉ層はｎ層に比べて６桁も不純物濃度が低くすることができます。

　この半導体構造のｎ型層表面とｐ型基板の裏面に電極を着けてダイオードとします。表面電極は２箇所にあるように図では見えますが、これは環状になっている電極の断面を示していて、一つの電極です。フォトダイオードですから光が半導体に当たらなければならず、環状の電極にするのは光をできるだけ遮らないようにするためです。

　環状電極の穴の開いた部分には反射防止膜を着けています。これはシリコンと空気の中間の屈折率をもった透明な誘電体層です。多層にすれば反射防止性能は向上します。またメサ構造の側面にはＳｉＯ₂膜などの絶縁膜を着けています。接合側面が剥き出しになっているとその表面を伝わって電流が流れてしまうことがあり、それを防ぐのが目的です。

　図７－２はプレーナ型と呼ばれるタイプです。多くの製品はこちらのタイプが使われていると思います。接合部分などほとんどの構造は図７－１と同じです。メサ構造を作らないので、その代わりに不純物濃度の高いｐ^＋層を環状電極の外側に設けています。ｎ型層は電極の内側部分だけに作られていて、外側のｉ層表面にこのｐ^＋層を作ります。このｐ^＋層には電圧をかけるわけではありませんが、ｎ層と逆の伝導型の層があるだけで、横方向に電流が流れるのを防ぎます。

　このようなｐｉｎ構造ではｉ層の不純物濃度と厚みを適切に選ぶことが重要です。不純物濃度は低いほど応答速度は速くなります。またｉ層の厚みは薄いほど応答速度は速くなります。

　しかしｉ層の厚みはある程度厚い必要があります。これは５項でも説明していますが、ｉ層内で光が十分に吸収されることによって、受光感度が高くなるからです。基本的にはｉ層の厚みを受光する光の波長での吸収係数の逆数以上にすればよいはずです。

　シリコンの波長830ｎｍでの吸収係数は約750ｃｍ^-1であるので、その逆数の13μｍ以上の厚みがあればよいことになります。この場合に速い応答速度を確保するにはｉ層の不純物濃度が上記のように１０¹³ｃｍ^-３程度と十分低い必要があります。

(1)特開昭55-033031号

.