京都セミコンダクター、高さがわずか1.1mmで波長範囲の広い赤外線フォトダイオードを製品化：福田昭のデバイス通信（247）（1/2 ページ）

京都セミコンダクターが、受光波長範囲が広く、高さが1.1mmと薄型の赤外線フォトダイオード（PD）を製品化した。同製品を、PDの解説と併せて紹介する。

[福田昭，EE Times Japan]

SiとInGaAsの2つのフォトダイオードを積層

　光半導体デバイスの専門メーカーである京都セミコンダクターは2020年5月26日、受光波長範囲が400nm〜1700nmと広く、高さが1.1mmと薄型の赤外線フォトダイオード（PD）「KPMC29（KP-2 Two-tone PD）」を製品化したと発表した。医療分野における血液分析、産業分野における放射温度測定やガス分析などに向けた。表面実装タイプであり、なおかつ薄いので、ウェアラブル機器に組み込みやすい。

　開発した赤外線PDは、受光波長範囲が400nm〜1100nmのシリコン（Si）PDダイと受光波長範囲が1000nm〜1700nmのインジウムガリウムヒ素（InGaAs）PDダイを同じ光軸上に積層することで、400nm〜1700nmと広い受光波長範囲を実現している。シリコンPDダイの裏面にへこみを設けてInGaAs PDダイを収容することで、デバイス全体を薄くした。デバイスの外形寸法は長さ5.7mm×幅4mm×高さ1.1mmと小さい。過去にも京都セミコンダクターはSi PDダイとInGaAs PDダイを積層したフォトダイオードを製品化していた（挿入実装型の金属パッケージ品）。この従来品に比べ、今回の新製品は体積が8分の1と大幅に小さくなった。

　新製品「KPMC29（KP-2 Two-tone PD）」のサンプル出荷開始予定時期は2020年8月31日、量産開始予定時期は2021年4月1日である。初年度（量産開始後）の売り上げ数量は1万個を計画する。

赤外線フォトダイオード（PD）「KPMC29（KP-2 Two-tone PD）」の外観。大きさは長さ5.7mm×幅4mm×高さ1.1mm。出典：京都セミコンダクター

受光波長の範囲を広げることで応用分野を拡大

　フォトダイオード（PD）は、光を照射すると電流が流れるデバイスである。ダイオードのpn接合には、あらかじめ逆バイアスを印加しておく。このとき理想的なダイオードでは電流がゼロなのだが、現実には光を全く照射しなくともわずかな電流が流れる。この電流を「暗電流（Dark Current）」と呼ぶ。

　pn接合に逆バイアスを加えた状態でフォトダイオードに光を照射すると、pn接合で電子と正孔の対が発生し、バイアス電圧（電解）によって電子と正孔は逆方向に走行する。この結果、電流が生じる。

　ここで重要なのは、電流を発生させる光は、特定の波長範囲に限定されるということだ。この波長範囲は、フォトダイオード（PD）を構成する半導体材料のエネルギーバンドギャップ（Eg）によって決まる。Egに相当する波長よりも、短い波長の光だけを吸収し、電流（光電流）に変換する。今回の新製品を構成する材料の1つであるシリコン（Si）のEgは1.12eVなので、1240/Eg（1.12）＝1107nmがSi PDが光電流を流せる最も長い波長（吸収端波長）になる。

　Si PDの感度（光電力当たりの電流量、A/W）が最大となるのは、吸収端波長よりも少し短い波長である。Si PDでは波長が900nm付近の光に対する感度が最も大きい。

　もう1つの材料であるInGaAsはInとGaの組成比xによってエネルギーバンドギャップ（Eg）が変化する。厳密な表記はInxGa1-xAsである。基板として使われるインジウムリン（InP）とは、xが0.53のときに格子定数が一致する（高品質な結晶が成長する）ので、InGaAsデバイスにはxが0.53の組成比を採用することが多い。今回の新製品も組成比xに0.53を採用している。すなわちIn0.53Ga0.47Asである。

　In0.53Ga0.47Asのエネルギーバンドギャップ（Eg）は0.728eVなので、吸収端波長は1240/Eg（0.728）＝1703nmとなる。すなわちSi PDが波長1100nm以下の光、InGaAs PDが波長1700nm以下の光を吸収することで、フォトダイオード（PD）としては広い範囲の光を吸収し、電流に変換している。

シリコン（Si）PDとインジウムガリウムヒ素（InGaAs）PDの分光感度。出典：京都セミコンダクター（クリックで拡大）