光デバイス／受光素子

８．暗電流

　暗電流についてはすでに触れていますが、ここでは正面からこれを取り上げてみます。暗電流とは光電変換素子において光が照射されていないにも拘わらず流れてしまう電流のことです。英語の"dark current"からきている言葉です。

　光があるかないかを光電変換して検知する光検知器では、光がないのに電流が流れるのは誤った判断をする原因になるわけですから、この暗電流は極力減らすことが必要です。

　半導体受光素子の暗電流はなぜ流れるのでしょうか。ｐｎ接合（またはｐｉｎ接合）ダイオードを逆バイアスしたときは、順バイアスしたときに比べればほとんど電流は流れませんが、「ほとんど」であって「まったく」流れないわけではありません。

　その原因はいろいろありますが、重要なものはつぎの２つです。

（１）拡散電流 　可視光や近赤外光を検知するための受光素子に使う半導体は、その光のエネルギーに近いバンドギャップエネルギーをもっています。これは大体１ｅＶといった程度のエネルギーに当たりますが、このような半導体は例え純粋な真性半導体でも室温では僅かながら自由に動ける電子と正孔がいます。ｐ型やｎ型の半導体でも、正孔や電子の一方だけがあるわけでなく、少ないながら反対の電荷のキャリアがあります。これを小数キャリアと呼んでいます。

　ｐｎ接合（またはｐｉｎ接合）に逆バイアスをかけた状態でも、空乏層の両側には電界のかかっていないｐ型層、ｎ型層があり、そこには少数キャリアが少ないながらいます。空乏層には電界がかかっているので、電子、正孔ともそこに留まってはいられません。しかし小数キャリアは少しは濃度の大きいｐ型層、ｎ型層から空乏層へ拡散することができます。空乏層に入った電子と正孔はそこにある電界によって移動し電流となります。この拡散電流が暗電流の原因の一つになります。

（２）表面リーク電流 　ｐｉｎ型受光素子、とくにプレーナ構造の場合は、前項の図７－２のようにｉ層の表面の一部にｐ層（またはｎ層）を形成し、その上に環状の電極が着けられます。電極の外側の半導体表面は絶縁のためと保護のために絶縁膜が着けられるのが普通です。

　この表面の部分を拡大して示しているのが図８－１です。ｎ型基板（図示していない）上にｉ層に相当するｎ^－層を形成し、その表面の一部にｐ^＋領域が作られ、その表面に電極が設けられています。ｐ^＋層とｎ^－層の界面は端で表面に出て表面保護膜（絶縁膜）に接しています。図で＋と－の記号を記した部分が空乏層を意味します。空乏層も表面に出て絶縁膜に接しています。

　このように半導体の結晶が途切れ、違う物質（この場合は絶縁膜）と接しているような状態では半導体結晶の端の部分でどうしても原子の並びが乱れます。このような乱れがあるとそこに電子が捕らえられやすくなります。しかし捕らえられたら離れないわけではなく、比較的簡単に離れるような状態になります。このような状態（×で示されています）を界面準位と言います。

　これは絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）の半導体（Ｓｉ）とゲート絶縁膜（ＳｉＯ_２）の界面で起こることと同じです（ＩＧＦＥＴの７項参照）。本来は空乏層があるので、半導体中での電子、正孔の流れは抑えられるのですが、界面部分では図８－１（ａ）のようにこの界面準位に電子、正孔が捕らえられたり放されたりすることにより、電流 Ｉ_ｄｓが流れてしまいます。これが表面リーク電流と言われ、暗電流の主要な原因となります(1)。 　 　さらに電極に負の電圧Ｖｒがかかると界面付近の電子を遠ざけるはたらきをするので、図８－１（ｂ）のように界面付近だけ空乏層が横に広がり、界面準位が広い範囲で電子、正孔をやりとりするようになり、Ｉ_ｄｓは流れやすくなります。

　さらにＶｒが負方向に大きくなるとＩＧＦＥＴと同じように界面に反転層ができ、正孔が貯まって界面は導通状態になります（図８－１（ｃ））。表面保護膜との界面の準位は正孔で埋められはたらかなくなります。しかし反転層の下には空乏層が存在し、これが側方の表面に達します。側面の表面にも表面準位が存在するので、これを介してリーク電流が流れます。側面に表面保護膜が有るか無いか（図では無い）などによって状態は異なるので、（ｂ）の場合よりリーク電流が大きいかどうかは場合によります。

　このような暗電流を減らすにはどうしたらよいでしょうか。拡散電流は原理的に避けられないので、対策はあまりありません。一つの方法は受光素子を冷却することです。これによってキャリアを減らすことができます。しかし拡散電流が存在することが半導体受光素子の宿命的な特性の限界になっています。

　一方、表面リーク電流の方は減らす手段がいくつかあります。前項の図７－２に示した構造では電極の外側にｐ^＋層が設けられていました。この例では上側がｎ層ですから、それと反対のｐ^＋層を設けることにより反転層ができても外側へ広がるのを抑えることができます。これはチャンネルストッパーと呼ばれ、表面リーク電流を減らす手段の一つになっています。

　もう一つの方法は図８－２のように第３の電極を本来の電極（上面電極）の外側を囲むように設けます(2)。上面電極は環状ですが、第３の電極もそれを囲む環状電極とします。裏面電極との間に図のように逆バイアスＥをかけ出力端子で光電流を測定します。

　このとき第３の電極にも上面電極に対して逆バイアスがかかるようにします。こうした状態で出力端子で光電流を測定します。この回路のなかでのこの出力端子の位置が重要です。上面電極と第３の電極の間に逆バイアスがかかっているので、表面リーク電流は流れます。しかしこの回路ではそれは測定電流のなかには入ってきません。表面リーク電流は流れてはいるのですが、測定する光電流には含まれないことになるので、これでよいわけです。この第３電極はガードリングとかガード電極とか呼ばれます。

(1)特開平02-220480号

(2)特開平02-051284号

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