JP2017022361A - 量子井戸バンド間遷移に基づく光電検出器、光通信システム及び画像形成装置 - Google Patents

量子井戸バンド間遷移に基づく光電検出器、光通信システム及び画像形成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】量子井戸バンド間遷移に基づく光電検出器と、光通信システムと、画像形成装置を提供する。
【解決手段】光電検出器１００は、第１の導電タイプを有する第１の半導体層１１０と、第１の導電タイプとは異なる第２の導電タイプを有する第２の半導体層１３０と、第１の半導体層１１０と第２の半導体層１３０との間に設けられている光子吸収層１２０とを備えており、光子吸収層１２０は少なくとも一つの量子井戸層１２４と、量子井戸層１２４の両側に設けられている障壁層１２２とを備える。
【選択図】図１

Description

関連出願の交差引用
本開示は２０１５年０７月１０日に提出された、名称を「量子井戸バンド間遷移に基づく光電検出器」とする中国特許出願番号２０１５１０４０４２３１．３号の利益及び優先権を主張するものであり、引用することでその内容をすべてここに組み込まれる。
本発明は光電検出器と、光通信システムと、画像形成装置とに関し、特に、量子井戸バンド間遷移に基づく光電検出器と、光通信システムと、画像形成装置とに関する。
８００ｎｍ〜１５００ｎｍ波長域の赤外線検出器は、ＬＡＮ通信、長距離光通信、微弱光ナイトビジョン（low-light-level night vision）及び赤外線サーモグラフィなどの分野で重要な実用的価値を有している。このような検出器は一般的に、例えばＰＩＮフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード（avalanche photodiode）のようなフォトダイオードより構成されている。フォトダイオードは、波長が光子吸収層材料のバンドギャップＥｇに対応する光、又は波長が上記波長よりもわずかに短い光に対してのみ感知する。よって、光の波長域に応じて好適な光子吸収層材料を選択する必要がある。
一般的に使用されるフォトダイオードには、Ｓｉ、Ｇｅ及びＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ層を有するフォトダイオードが含まれる。Ｓｉのバンドギャップは１．１ｅＶであり、可視光から近赤外線波長域に対して感度を有する。Ｇｅのバンドギャップは０．６７ｅＶであり、赤外線波長域に対して感度を有する。ＩｎＰ基板にＩｎＧａＡｓ層を有するフォトダイオードは１．３μｍから１．５５μｍの光通信アプリケーションに常用される。
中国特許出願公開第103022218号明細書
これら常用される光電検出器において、十分な光吸収率を保証するために、通常は厚めの真性吸収層を採用している。例えば、９１０ｎｍ近傍の赤外線について言えば、真性Ｓｉ（ｉ−Ｓｉ）吸収層の厚さは１２μｍに達してはじめて、大部分の光が吸収されるように保証することができる。しかしながら、厚い真性吸収層ではキャリアの移動時間が長くなるため、フォトダイオードの応答速度が低減してしまう。しかも、厚めの真性吸収層はエピタキシャル成長のコスト増加を招く。ＩｎＰベースのＩｎＧａＡｓフォトダイオードについては、ＩｎＰ基板は高価で、しかも機械的強度が低いため、市場では低コストの検出器に対して長らく期待が持たれていた。
よって、高い効率で、低ノイズで、かつ低コストで製造可能な光電検出器が提供されることが望まれていた。
一般的には、歪み量子井戸（ＱＷ）のバンドギャップは大きな範囲内で調節を行うことができるにもかかわらず、歪みの累積による影響を受け、量子井戸構造の厚さは一般的に薄くなるため、バンド間遷移メカニズムを利用して光電検出器（photodetector）を形成するとき、量子効率が低下してしまうと考えられている。よって、好適なバルク材料と目標波長とが対応しているときには、一般的には量子井戸材料を考慮することはない。
本発明者らは、半導体ＰＮ接合は量子井戸構造吸収層での光子吸収過程にとって重要な影響があることを発見した。ＰＮ接合の出現により光子が量子井戸バンド間遷移過程を経て吸収された後、形成された光発生キャリアは予期したよりも更に高い効率で抽出することができる。このような現象では、量子井戸のエネルギー準位が連続状態でかつ非局在状態で現れて、吸収効率の顕著な増加をもたらす。この現象の発現によって、量子井戸バンド間遷移を用いて光電検出の実現が可能になっている。また理解すべき事項として、本発明における「量子井戸」とは一般的に量子ドット及び超格子をも含むことができ、説明の便宜上ここで単に「量子井戸」と総称する。
本発明の一態様によると、量子井戸バンド間遷移に基づく光電検出器を提供する。該光電検出器は、第１の導電タイプを有する第１の半導体層と、前記第１の導電タイプとは異なる第２の導電タイプを有する第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられている光子吸収層と、を備えてもよく、前記光子吸収層は少なくとも一つの量子井戸層と、各々の前記量子井戸層の両側に設けられている障壁層（barrier layer）とを含んでもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記第１の半導体層、前記第２の半導体層及び前記障壁層はＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ含んでもよく、前記量子井戸層は、歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸、ＩｎＡｓ量子ドット及びＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸中量子ドットからなるグループから選ばれる少なくとも１つの材料を含んでもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記第１の半導体層、前記第２の半導体及び障壁層はＩｎＰ又はＩｎＡｌｓを含んでもよく、前記量子井戸層は、歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸、ＩｎＡｓ量子ドット、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸中量子ドット、ＩｎＳｂ量子井戸、ＩｎＡｓＳｂ量子井戸、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子からなるグループから選ばれる少なくとも１つの材料を含んでもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記第１の半導体層、前記第２の半導体及び前記障壁層はＧａＳｂを含んでもよく、前記量子井戸層は、歪みＩｎＳｂ量子井戸、ＩｎＡｓ量子井戸、ＩｎＡｓＳｂ量子井戸、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子からなるグループから選ばれる少なくとも１つの材料を含んでもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記第１の半導体層、前記第２の半導体及び前記障壁層はＳｉを含んでもよく、前記量子井戸層は、Ｇｅ量子井戸、ＧｅＳｉ量子井戸からなるグループから選ばれる少なくとも１つの材料を含んでもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記光子吸収層はｎ個の量子井戸層を含んでもよく、ｎは１から２００の間の正整数である。
本発明の例示的な実施形態において、前記量子井戸層の厚さは１〜６０ｎｍであってもよく、前記障壁層の厚さは１〜１００ｎｍであってもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記光電検出器は、前記光子吸収層の厚さが５０ｎｍから２０μｍの間であってもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記光電検出器は、さらに増倍層（multiplication layer）と、グラデーション層（graded layer）とを具備することができ、またはさらに増倍層と、グラデーション層と、電荷層とを具備することができ、前記増倍層は前記光子吸収層と前記第１の半導体層又は前記第２の半導体層との間に設けられてもよく、前記グラデーション層は、前記増倍層と前記光子吸収層との間に設けられてもよく、前記電荷層は、前記増倍層と前記グラデーション層との間に設けられてもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記光電検出器は、前記増倍層と前記光子吸収層との間に設けられている電荷層を更に含んでもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記光電検出器は、前記吸収層と前記電荷層との間に設けられているグラデーション層を更に含んでもよい。
前記第１の導電タイプはＰ型又はＮ型のうちの一タイプであってもよく、前記第２の導電タイプはＰ型又Ｎ型のうちの他方の一タイプであってもよく、前記量子井戸層及び前記障壁層は真性又は低濃度ドープの半導体であってもよい。前記光電検出器は赤外線光電検出器であってもよい。前記量子井戸層は赤外線光を吸収したとき、価電子帯と伝導帯との間のバンド間遷移が発生することができ、光発生キャリアを発生する。
本発明の例示的な実施形態では、半導体のＰＮ接合の量子井戸が関与する光吸収及び電子抽出過程に対する変調作用を利用して、量子井戸材料に基づく光電検出器の量子効率を大幅に向上させている。入射光が量子井戸バンド間遷移により吸収された後、ＰＮ接合での変調の下で、光発生キャリアは素早く連続状態となって、光電流を素早く形成する。このように、従来の光子−束縛電子−自由電子の変換という二段階手順から光子−自由電子の変換という一段階の手順とすることで、光電変換能力が直接的に向上している。
本発明の他の態様では、光通信システムを更に提供する。前記光通信システムは、光信号を受信し、受信した光信号を電気信号に変換するための受光素子を備えており、前記受光素子は光電検出器を備えており、前記光電検出器は、第１の導電タイプを有する第１の半導体層と、前記第１の導電タイプとは異なる第２の導電タイプを有する第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられている光子吸収層と、を備えており、前記光子吸収層は少なくとも一つの量子井戸層と、各々の前記量子井戸層の両側に設けられている障壁層とを具備する。
本発明の例示的な実施形態において、前記第１の半導体層、前記第２の半導体層及び前記障壁層はＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓを含んでもよく、前記量子井戸層は、歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸、ＩｎＡｓ量子ドット及びＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸中量子ドットからなるグループから選ばれる少なくとも１つの材料を含んでもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記第１の半導体層、前記第２の半導体及び障壁層はＩｎＰ又はＩｎＡｌＡｓを含んでもよく、前記量子井戸層は、歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸、ＩｎＡｓ量子ドット、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸中量子ドット、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子からなるグループから選ばれる少なくとも１つの材料を含んでもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記第１の半導体層、前記第２の半導体及び前記障壁層はＳｉを含んでもよく、前記量子井戸層は、Ｇｅ量子井戸、ＧｅＳｉ量子井戸を含んでもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記光子吸収層はｎ個の量子井戸層を含んでもよく、ｎは１から２００の間の正整数であってもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記量子井戸層の厚さは１〜５０ｎｍであってもよく、前記障壁層の厚さは１〜１００ｎｍであってもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記光子吸収層の厚さは５０ｎｍから２０μｍの間であってもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記光電検出器は、前記光子吸収層と前記第１の半導体層又は前記第２の半導体層との間に設けられている増倍層と、前記増倍層と前記光子吸収層との間に設けられている電荷層と、前記吸収層と前記電荷層との間に設けられているグラデーション層とを更に含んでもよい。
本発明の光通信システムにおいて、受光素子に量子井戸バンド間遷移に基づく光電検出器を採用して、通常の光電検出器よりも更に大きな光電流を実現しているため、光通信システム全般における性能を向上させることができるとともに、該光電検出器は更に低コストで製造することができ、よって光通信システムのコストを削減することができる。
本発明の他の態様では、複数の画素を含む画像形成装置を更に提供する。各々の画素はフォトダイオードを備えてもよく、前記フォトダイオードは、第１の導電タイプを有する第１の半導体層と、前記第１の導電タイプとは異なる第２の導電タイプを有する第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられている光子吸収層と、を具備する。前記光子吸収層は、少なくとも一つの量子井戸層と、各々の前記量子井戸層の両側に設けられている障壁層とを含んでもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記量子井戸層は、歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸、ＩｎＡｓ量子井戸、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸中量子ドット、Ｇｅ量子井戸、ＧｅＳｉ量子井戸、ＩｎＡｓＳｂ量子井戸、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子及び歪みＩｎＳｂ量子井戸からなるグループから選ばれる少なくとも１つの材料を含んでもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記フォトダイオードは、前記光子吸収層と前記第１の半導体層又は前記第２の半導体層との間に設けられている増倍層と、前記増倍層と前記光子吸収層との間に設けられているグラデーション層と、前記増倍層と前記グラデーション層との間に設けられている電荷層とを更に具備してもよい。
本発明の例示的な実施形態において、前記光電検出器は赤外線光電検出器であってもよい。前記量子井戸層は赤外線光を吸収したとき、価電子帯と伝導帯との間のバンド間遷移が発生し、光発生キャリアを発生することができる。
本発明によれば、高い効率で、低ノイズで、かつ低コストで製造可能な光電検出器と、光通信システムと、画像形成装置とを提供することができる。
本発明の一実施形態に係る光電検出器の構造概略図。 図１に示す光電検出器のエネルギーバンドの概略図。 本発明の一実施形態に係る光電検出器の光ガルバノスペクトルを示す。 本発明の他の実施形態に係る光電検出器の構造概略図。 本発明の他の実施形態に係る光電検出器の構造概略図。 本発明の他の実施形態に係る光電検出器の構造概略図。 本発明の他の実施形態に係る光電検出器の構造概略図。 本発明の一実施形態に係る画像形成装置の画素ユニットの概略的な回路図。 本発明の一実施形態の光通信システムの概略図。
本開示がより詳細に理解されるために、各種実施形態の特徴を参照しながら、より具体的な説明を行うことができ、前記各種実施形態における一部の実施形態は図面にて示されている。しかしながら、図面は本開示の一部の関連する特徴を示すに過ぎず、これをもって制限的に理解されるべきではない。これはその他有効な特徴または構成要素にも適用することが可能だからである。
慣例により、図示する各構成要素は比例に従って作図する必要はないので、明確化するために、各構成要素のサイズは任意に拡大又は縮小することが可能である。また、一部図面には、所定デバイス、装置又はシステムにおける部材が図示されない場合がある。最後に、明細書及び図面では全般を通じて、類似する図面の記号は類似の構成要素を示すのに用いることができる。
以下に、図面を参照しながら、本発明の例示的な実施形態を説明する。また、例示的な実施形態は単に本発明の原理を図示するものであり、本発明を記載された精確な態様にまで限定するものではないことを理解されるべきである。そして、より多くの又はより少ない細部により本発明を実現することができる。図中にて、類似の構成要素は類似の記号で示し、その重複説明を省略する場合がある。
図１は本発明の一実施形態に係る光電検出器１００の構造概略図である。図１に示すように、光電検出器１００は基板１０２上に順次設けられている第１の半導体層１１０と、吸収層１２０と、第２の半導体層１３０とを備えている。光電検出器１００の構造は、通常のＰＩＮ型フォトダイオードと似ているが、Ｉ型吸収層が量子井戸構造を有する点で異なる。
図１に示すように、基板１０２は、例えばＳｉ基板、Ｇｅ基板、ＳｉＣ基板、ＳＯＩ基板、サファイヤ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＡａ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＳｂ基板などといった半導体分野で常用される基板を使うことができるが、これに限定されない。第１の半導体層１１０の材料に基づいて、好適な基板１０２を選択することができる。例えば、第１の半導体層１１０がＧａＡｓ、ＩｎＰ又はＧａＳｂによって形成される場合には、基板１０２としてＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板又はＧａＳｂ基板を採用することができる。
第１の半導体層１１０と同じ材料である基板１０２を選択することは、結晶格子不整合を最大限回避することができるので、最適な品質の第１の半導体層１１０のエピタキシャル成長が得られる。しかも、基板１０２上に第１の半導体層１１０を直接エピタキシャル成長させることで、工程時間及びコストを節約することができる。
また、異種基板を選択してもよい。異なる材料の第１の半導体層１１０と基板１０２との間で結晶の格子整合を実現するために、先に基板１０２上にバッファ層１０４を成長させることができる。バッファ層１０４の材料及び厚さは基板１０２の格子定数と第１の半導体層１１０の格子定数により選択することができる。一の実施形態において、バッファ層１０４の成分を制御することにより、バッファ層１０４が両端にてそれぞれ基板１０２及び第１の半導体層１１０との結晶格子整合ができる。
第１の半導体層１１０は基板１０２上にエピタキシャル成長させたＮ型又はＰ型半導体層とすることができる。本発明において、各種通常の薄膜エピタキシャル成長又は堆積方法を採用して、各々の半導体層を作製することができ、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの薄膜堆積技術を含むが、これに限定されない。一部の実施形態において、第１の半導体層１１０は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂなど半導体材料で形成することができる。第１の半導体層１１０の厚さは１００ｎｍから１０μｍの範囲とすることができる。
基板１０２は、半絶縁基板であってもよく、図１に示すように、基板１０２上にエピタキシャル成長した第１の半導体層１１０とすることができる。他の一部の実施形態において、基板１０２は、導電性基板であってもよく、その上に第１の半導体層１１０を成長させることができ、又は基板１０２自身を直接第１の半導体層１１０とすることができる。例えば、基板１０２は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＳｂの単結晶導電性基板又はドープド井戸領域とすることができる。
光子吸収層１２０はエピタキシャル成長技術により第１の半導体層１１０上に設けられている。図１には図示していないが、光子吸収層１２０と第１の半導体層１１０との間の結晶格子整合のために、両者の間にバッファ層を形成してもよい。光子吸収層１２０は交互に積層された障壁層１２２と量子井戸層１２４とを含んでもよく、各々の量子井戸層１２４の両側は障壁層１２２によって囲まれている。
量子井戸層１２４及び障壁層１２２は真性又は低濃度ドープの半導体層とすることができ、その材料は第１の半導体層１１０の材料により好適に選択することができる。例えば、第１の半導体層１１０がＮ型又はＰ型ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ層であるとき、障壁層１２２は真性のＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ半導体層とし、量子井戸層１２４は、例えば歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸層、ＩｎＡｓ量子ドット層、又はＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸中量子ドット層とすることができる。
第１の半導体層１１０がＮ型又はＰ型のＩｎＰ又はＩｎＡｌＡｓ層であるとき、障壁層１２２は真性のＩｎＰ又はＩｎＡｌＡｓ半導体層とし、量子井戸層１２４は歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸層、ＩｎＡｓ量子ドット層、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸中量子ドット層、ＩｎＳｂ量子井戸層、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子又はＩｎＡｓＳｂ量子井戸層などとすることができる。
第１の半導体層１１０がＮ型又はＰ型ＧａＳｂ層であるとき、障壁層１２２は真性のＧａＳｂ半導体層とし、量子井戸層１２４は例えば歪みＩｎＳｂ量子井戸層、ＩｎＡｓ量子井戸層、ＩｎＡｓＳｂ量子井戸層、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子などとすることができる。第１の半導体層１１０がＮ型又はＰ型のＳｉであるとき、障壁層１２２は真性のＧｅ又はＧｅＳｉ半導体層とし、量子井戸層１２４は例えばＧｅ量子井戸層、ＧｅＳｉ量子井戸層などとすることができる。
これら例示した構造において、量子井戸のバンドギャップにより異なる用途を持たせることができる。例えば、ＩｎＳｂ量子井戸、ＩｎＡｓＳｂ量子井戸は３〜５μｍの赤外線サーモグラフィなどの分野に用いることができ、その他残りの量子井戸は１．１〜１．５５μｍの光通信、赤外線サーモグラフィなどの分野に用いることができる。
障壁層１２２の厚さは１〜１００ｎｍの間とすることができ、好ましくは２〜５０ｎｍの間であり、より好ましくは３〜３０ｎｍの間である。量子井戸層１２４の厚さは１〜６０ｎｍの間とすることができ、好ましくは２〜４０ｎｍの間であり、より好ましくは３〜２０ｎｍの間である。
光子吸収層１２０は周期数がｎである量子井戸構造を含むことができ、つまり量子井戸層１２４をｎ個とそれぞれ量子井戸層１２４ごとの両側にある障壁層１２２の合計ｎ＋１個とを含むことができ、このうちｎは１と２００の間の正整数とすることができ、好ましくは５と１００との間であり、より好ましくは１０と５０との間である。また、光子吸収層１２０の総厚さは５０ｎｍから２０μｍの間とすることができ、好ましくは１００ｎｍから１５μｍの間であり、より好ましくは１５０ｎｍから１０μｍの間である。
第２の半導体層１３０は光子吸収層１２０の上にエピタキシャル成長している。好ましい実施形態において、第２の半導体層１３０は第１の半導体層１１０と材料が同じで、導電タイプが反対となる半導体層とすることができる。例えば、第１の半導体層１１０がＮ型又はＰ型ＧａＡｓ層、ＩｎＰ層又はＧａＳｂ層であるとき、第２の半導体層１３０はＰ型又はＮ型ＧａＡｓ層、ＩｎＰ層又はＧａＳｂ層とすることができる。第２の半導体層１３０の厚さは１００ｎｍから１０μｍの範囲とすることができる。
第１の半導体層１１０及び第２の半導体層１３０上には、それぞれ金属電極１１２及び１３２が更に形成されてもよい。第２の半導体層１３０上の金属電極１３２には、入射光を透過させるための開口パターンを形成することができる。開口内の第２の半導体層１３０上には、光子吸収層１２０上に入射される光量を増大させるように、反射防止膜１３４が更に形成されてもよく、前記反射防止膜１３４は例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２により形成されてもよい。
以下に図１に示す実施形態の光電検出器１００の一部の具体例を説明する。明確及び完全な開示のために、これら実施例中にて数多くの細部を提供する。本発明はこれら特定の細部に限定されるものではなく、請求の範囲によって特定される範囲から逸脱しない範囲で数多くの変化が可能であることを理解すべきである。
実施例１
有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で直接ＧａＡｓ半絶縁基板１０２上に、Ｎ型ＧａＡｓ半導体層１１０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＳｉで、ドープ濃度が１×１０１８ｃｍ-３で、厚さが３００ｎｍである。その後、光子吸収層１２０をエピタキシャル成長させ、前記光子吸収層１２０は、真性ＧａＡｓ障壁層１２２及び歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸層１２４を含み、厚さがそれぞれ３０ｎｍ及び２０ｎｍであり、重複周期が３０である。その後、Ｐ型ＧａＡｓ半導体層１３０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＭｇ、ドープ濃度が５×１０１７ｃｍ-３、厚さが２００ｎｍである。その後、フォトエッチング工程により堆積パターンを形成するとともに、第１の半導体層１１０及び第２の半導体層１３０上に金属電極１１２及び１３２を形成する。
実施例２
有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法でＧａＡｓ導電性基板１０２上に、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ半導体層１１０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＭｇで、ドープ濃度が５×１０１７ｃｍ-３で、厚さが３００ｎｍである。その後、光子吸収層１２０をエピタキシャル成長させ、前記光子吸収層１２０は、真性ＡｌＧａＡｓ障壁層１２２及びＩｎＡｓ量子ドット層１２４を含み、厚さがそれぞれ３０ｎｍ及び２０ｎｍであり、重複周期が２０である。その後、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体層１３０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＳｉで、ドープ濃度が１×１０１８ｃｍ-３で、厚さが２００ｎｍである。その後、フォトエッチング工程により堆積パターンを形成するとともに、第１の半導体層１１０及び第２の半導体層１３０上に金属電極１１２及び１３２を形成する。
実施例３
有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で直接ＧａＡｓ半絶縁基板１０２上に、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体層１１０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＳｉで、ドープ濃度が５×１０１８ｃｍ-３で、厚さが４００ｎｍである。その後、光子吸収層１２０をエピタキシャル成長させ、前記光子吸収層１２０は、真性ＡｌＧａＡｓ障壁層１２２及びＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸中量子ドット層１２４含み、厚さがそれぞれ３０ｎｍ及び３０ｎｍ、重複周期が２０である。その後、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ半導体層１３０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＺｎで、ドープ濃度が５×１０１７ｃｍ-３で、厚さが２００ｎｍである。その後、フォトエッチング工程により堆積パターンを形成するとともに、第１の半導体層１１０及び第２の半導体層１３０上に金属電極１１２及び１３２を形成する。
実施例４
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法でＩｎＰ導電性基板１０２上に、Ｎ型ＩｎＰ第１の半導体層１１０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＳｉで、ドープ濃度が１×１０１８ｃｍ-３で、厚さが３００ｎｍである。その後、光子吸収層１２０をエピタキシャル成長させ、前記光子吸収層１２０は、真性ＩｎＰ障壁層１２２及び歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸層１２４を含み、厚さがそれぞれ３０ｎｍ及び２０ｎｍであり、重複周期が２０である。その後、Ｐ型ＩｎＰ半導体層１３０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＭｇで、ドープ濃度が５×１０１７ｃｍ-３で、厚さが２００ｎｍである。その後、フォトエッチング工程により堆積パターンを形成するとともに、第１の半導体層１１０及び第２の半導体層１３０上に金属電極１１２及び１３２を形成する。
実施例５
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法でＩｎＰ半絶縁基板１０２上に、Ｎ型ＩｎＡｌＡｓ第１の半導体層１１０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＳｉで、ドープ濃度が１×１０１８ｃｍ-３で、厚さが３００ｎｍである。その後、光子吸収層１２０をエピタキシャル成長させ、前記光子吸収層１２０は、真性ＩｎＡｌＡｓ障壁層１２２及びＩｎＡｓ量子ドット層１２４を含み、厚さがそれぞれ３０ｎｍ及び２０ｎｍであり、重複周期が２０である。その後、Ｐ型ＩｎＡｌＡｓ半導体層１３０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＭｇで、ドープ濃度が５×１０１７ｃｍ-３で、厚さが２００ｎｍである。その後、フォトエッチング工程により堆積パターンを形成するとともに、第１の半導体層１１０及び第２の半導体層１３０上に金属電極１１２及び１３２を形成する。
実施例６〜８
実施例６〜８の構造は、量子井戸層１２４にそれぞれＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸中量子ドット層、ＩｎＳｂ量子井戸層及びＩｎＡｓＳｂ量子井戸層を採用することを除いて、実施例４又は５と基本的に同様とすることができるため、ここでは繰り返さないことにする。
実施例９
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法で直接ＧａＳｂ半絶縁基板１０２上に、Ｎ型ＧａＳｂ半導体層を成長させ、ドープ剤がＴｅで、ドープ濃度が１×１０１８ｃｍ-３で、厚さが５００ｎｍである。その後、光子吸収層１２０をエピタキシャル成長させ、前記光子吸収層１２０は、真性ＧａＳｂ障壁層１２２及び歪みＩｎＳｂ量子井戸層１２４を含み、厚さがそれぞれ３０ｎｍ及び２０ｎｍであり、重複周期が３０である。その後、Ｐ型ＧａＳｂ半導体層１３０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＢｅ、ドープ濃度が５×１０１７ｃｍ-３、厚さが３００ｎｍである。その後、フォトエッチング工程により堆積パターンを形成するとともに、第１の半導体層１１０及び第２の半導体層１３０上に金属電極１１２及び１３２を形成する。
実施例１０〜１１
実施例１０〜１１の構造は、量子井戸層１２４にそれぞれＩｎＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｓＳｂ量子井戸層を採用することを除いて、実施例９と基本的に同様とすることができる。
実施例１２
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法でＳｉ半絶縁基板１０２上に、Ｎ型Ｓｉ第１の半導体層１１０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＰで、ドープ濃度が１×１０１８ｃｍ-３で、厚さが３００ｎｍである。その後、光子吸収層１２０をエピタキシャル成長させ、前記光子吸収層１２０は、真性Ｓｉ障壁層１２２及びＧｅ量子井戸層１２４を含み、厚さがそれぞれ３０ｎｍ及び２０ｎｍであり、重複周期が２０である。その後、Ｐ型Ｓｉ半導体層１３０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＢで、ドープ濃度が５×１０１７ｃｍ-３で、厚さが２００ｎｍである。その後、フォトエッチング工程により堆積パターンを形成するとともに、第１の半導体層１１０及び第２の半導体層１３０上に金属電極１１２及び１３２を形成する。
実施例１３
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法でＳｉ半絶縁基板１０２上に、Ｎ型Ｓｉ第１の半導体層１１０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＰで、ドープ濃度が１×１０１８ｃｍ-３で、厚さが３００ｎｍである。その後、光子吸収層１２０をエピタキシャル成長させ、前記光子吸収層１２０は、真性Ｓｉ障壁層１２２及びＧｅＳｉ量子井戸層１２４を含み、厚さがそれぞれ３０ｎｍ及び２０ｎｍであり、重複周期が２０である。その後、Ｐ型Ｓｉ半導体層１３０をエピタキシャル成長させ、ドープ剤がＢで、ドープ濃度が５×１０１７ｃｍ-３で、厚さが２００ｎｍである。その後、フォトエッチング工程により堆積パターンを形成するとともに、第１の半導体層１１０及び第２の半導体層１３０上に金属電極１１２及び１３２を形成する。
以上、一部例示的な製造方法について簡略に説明した。当業者にとって、これら半導体層及び量子井戸層の具体的な製造工程は既知であるため、本発明が必要以上にあいまいになるのを避けるために、ここではこれらに対する具体的な説明を省略する。
図２は図１に示す光電検出器のエネルギーバンド図を示す。図２に示すように、光電検出器１００の動作が逆バイアスとなる下で、光子吸収層１２０における障壁層１２２及び量子井戸層１２４は異なるバンドギャップを有する。具体的には、量子井戸層１２４のバンドギャップは障壁層１２２のバンドギャップより小さくしてもよい。エネルギーｈνを有する光子が反射防止膜１３４及び第２の半導体層１３０を介して光子吸収層１２０中の量子井戸層１２４上に入射されたとき、価電子帯と伝導帯との間のバンド間遷移が発生し、電子−ホール対が生成される。
内部電界及びバイアス電界の共同作用により、電子はＮ型半導体層側に移動し、ホールはＰ型半導体層側に移動して、光発生電流が形成される。半導体ＰＮ接合での変調作用にて、光発生キャリアが素早く連続状態に入る。このように、従来の光子−電子の束縛−自由電子の変換という二段階手順から光子−自由電子の変換という一段階の手順に変わり、量子井戸が関与する光電変換過程の効率が大幅に向上している。
図３には上記実施例１の光電検出器の光ガルバノスペクトルを示す。該光電検出器において、上述のとおり、量子井戸層１２４は歪みＩｎＧａＡｓにより形成され、障壁層１２２は真性ＧａＡｓ材料により形成されている。図３に示すように、ＩｎＧａＡｓ量子井戸に対応する約１．３５ｅＶエネルギーのところの光電流はＧａＡｓ障壁に対応する約１．４７ｅＶエネルギーのところの光電流よりも遥かに高く、前者は後者の三倍余りである。量子井戸にて大きな光電流が発生する物理的原因はまだ完全に解明されているわけではないが、ＰＮ接合の変調作用は量子井戸層がバンド間遷移により高い効率の光電変換を実現するのに助けとなると信じている。
以下に、図４を参照して、本発明の他の実施形態に係る光源検出器２００を説明する。図４にて示す光電検出器２００において、図１に示す光電検出器１００と同一の構成要素は同一の符号で示し、ここで重複する説明は省略する。
図４に示すように、光電検出器２００は、第１の半導体層１１０と光子吸収層１２０との間に設けられているグラデーション層２１０と増倍層２２０とをさらに含み、増倍層２２０は第１の半導体層１１０上に設けられ、グラデーション層２１０は増倍層２２０上に設けられている。
光子吸収層１２０中にて発生した光発生キャリア、例えば電子及びホールはそれぞれＮ領域、例えば第１の半導体層１１０及びＰ領域の第２の半導体層１３０に移動したとき、キャリア例えば電子は増倍層２２０を通過する。増倍層２２０は接触している半導体層（ここでは、第１の半導体層１１０である）の導電タイプとは異なり、真性で故意にドーピングされていない半導体層とすることができ、高電界領域を形成する。
増倍層２２０中にて、電子は十分な平均速度にまで加速され、担持するエネルギーは衝突しきい値エネルギーを超えるので、結晶格子の衝突電離現象が発生し、二次的な電子・ホール対が発生するとともに、新たに発生した電子・ホール対は増倍層中で加速され、衝突電離を継続的に発生させることができるため、光電検出器が内部ゲインを有するようになり、最初の光発生キャリアを増幅させることができる。
グラデーション層２１０は吸収層１２０と増倍層２２０との間に設けられている。吸収層１２０と増倍層２２０との間に大きめのバンドギャップ差が存在するとき、増倍層２２０に移動するキャリアが阻害されて速度が大幅に減少するので、増倍効率及び光電検出器の応答時間に影響を及ぼす。この問題を解決するために、吸収層１２０と増倍層２２０との間にグラデーション層２１０を設けている。
グラデーション層２１０のバンドギャップは吸収層１２０と増倍層２２０との間に介在するとともに、グラデーション層２１０の材料の成分を次第に変化させることで、バンドを両端の吸収層１２０と増倍層２２０とにそれぞれ整合させることを可能にする。このように、光電検出器２００は高速で、高い量子効率及び優れた利得性能というこれら長所を兼備しており、より大きな実用価値を実現することができる。
図４に示す実施形態において、増倍層２２０は第１の半導体層１１０と吸収層１２０との間に設けられているが、図５に示すように、増倍層３２０は第２の半導体層１３０と吸収層１２０との間に設けられるようにしてもよい。図５に示す光電検出器３００には、吸収層１２０上に設けられているグラデーション層３１０と、グラデーション層３１０上に設けられている増倍層３２０とが含まれている。第２の半導体層１３０は増倍層３２０上に設けられている。半導体材料は電子及びホールに対して異なるイオン化率を有し得るから、増倍層の材料に応じてその位置を設定してもよい。
図６には本発明の他の実施形態に係る光電検出器４００を示しているが、増倍層３２０とグラデーション層３１０との間に電荷層４１０が更に設けられている点を除いて、図５に示されている光電検出器３００と基本的には同様である。電荷層４１０は、電界制御層とも称することができ、吸収層中の電界強度を調節して、キャリアの短い移動時間を確保し、ひいては高い応答速度を実現すると同時に、意図しないドーピングされた真性増倍層が単独で増倍領域幅を制御することが許容されているので、高い利得−帯域幅積を実現する。
図示はしていないが、電荷層も図４に示す光電検出器２００におけるグラデーション層２１０と増倍層２２０との間に設けられてもよい。
上述の実施形態において、電極１１２及び１３２はいずれも基板の同一側に形成されている。またほかの実施形態において、電極１１２及び１３２は基板の両側に形成されてもよい。図７に示すように、光電検出器５００は、電極５１２を除いて、図６に示す光電検出器４００と基本的に同様の構造を有する。電極５１２は導電基板１０２の下表面上に設けられるとともに、表面全体を覆う。電極５１２は更に反射層としてもよく、光子吸収層１２０を透過して吸収されなかった光を光子吸収層１２０中に反射させることで、光電変換効率を向上させる。
図示していない更なる一部の実施形態において、光は基板の下表面から入射して、基板１０２及び第１の半導体層１１０を透過して光子吸収層１２０中に入射するようにしてもよい。この場合、電極５１２は、光を透過させる開口を有するようにパターンニングされることができ、開口中における基板１０２の表面上に反射防止層１３４を形成することができる。電極１３２は第２の半導体層１３０の上表面全体を覆うとともに、光反射層とすることができる。
本発明の光電検出器は各種光電デバイス及び回路中に応用することができる。例えば、歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸、ＩｎＡｓ量子井戸、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸中量子ドット、Ｇｅ量子井戸、ＧｅＳｉ量子井戸を有する光電検出器は１．１〜１．５５μｍの光通信及び赤外線画像形成などの分野に応用することができ、そしてＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子、ＩｎＡｓＳｂ量子井戸、歪みＩｎＳｂ量子井戸を有する光電検出器は３〜５μｍの赤外線サーモグラフィなどの分野に応用することができる。図８には本発明に係る一実施形態の画像形成装置６００を示す。図８に示すように、画像形成装置６００は行コントローラ６１０と、行及び列に配列されている複数の画素６２０と、列方向に延在している複数本のビットライン６３０とを備えている。
各々の画素６２０はフォトダイオード６２２を備えてもよく、上述の光電検出器におけるいずれか一つとしてもよい。フォトダイオード６２２が赤外線光を感知したとき、信号電荷を生成する。転送トランジスタ６２４は行コントローラ６１０によって送出された転送制御信号ＴＲＳを受信したときに導通して、フォトダイオード６２２によって生成された信号電荷をフローティング拡散領域ＦＤに転送する。
増幅トランジスタ６２８はフローティング拡散領域ＦＤ中の信号電荷を増幅して、増幅信号を出力するとともに、選択トランジスタ６２９を介してビットライン６３０に出力する。選択トランジスタ６２９は、行コントローラ６１０から送信された選択制御信号ＳＥＬを受信したときに導通し、増幅トランジスタ６２８の出力信号をビットライン６３０に提供する。他の実施形態において、選択トランジスタ６２９は省略してもよい。
画素６２０は、リセットトランジスタ６２６を更に備えることができ、前記リセットトランジスタ６２６は、行コントローラ６１０から送信されたリセット制御信号ＲＳＴを受信したときに導通し、フローティング拡散領域ＦＤ箇所の電位を所定電位、例えばグランド電位に設定する。
図９には本発明の一実施形態に係る光通信システムを示す。図９に示すように、光通信システム７００は発光素子７１０と、光ファイバ７２０と、受光素子７３０とを備えている。発光素子７１０には、例えばレーザ素子のような光源７１２を備えることができる。光源７１２が出射したレーザ光はモジュレータ７１４により変調されて、通信信号を担持して、その後光ファイバ７２０に送られる。受光素子７３０は光ファイバ７２０からの光通信信号を受信する。受光素子７３０は、上述の光通信に用いることができる光電検出器とすることができる光電検出器７３２を備えることができる。光電検出器７３２は、更なる処理に供するように、例えば、復調器（図示しない）にて有用な通信信号として復調して、光通信信号を電気信号に変換する。
以上、例示的な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこれに限定されることはない。当業者にとって、本発明の範囲及び技術思想から逸脱しない限り、形式及び細部上での各種変化及び修正を行うことが可能であることは明らかである。本発明の技術的範囲は別紙の特許請求の範囲及びその均等物のみにより特定される。
１００、２００、３００、４００、５００、７３２ 光電検出器
１１０ 第１の半導体層
１０２ 基板
１０４ バッファ層
１１２、１３２、５１２ 電極
１２０ 光子吸収層
１２２ 障壁層
１２４ 量子井戸層
１３０ 第２の半導体層
２１０、３１０ グラデーション層
２２０、３２０ 増倍層
４１０ 電荷層
６００ 画像形成装置
６１０ 行コントローラ
６２０ 画素
６２２ フォトダイオード
６２４ 転送トランジスタ
６２６ リセットトランジスタ
６２８ 増幅トランジスタ
６２９ 選択トランジスタ
６３０ ビットライン
７００ 光通信システム
７１０ 発光素子
７１２ 光源
７１４ モジュレータ
７２０ 光ファイバ
７３０ 受光素子
ＦＤ フローティング拡散領域
ＳＥＬ 選択制御信号
ＲＳＴ リセット制御信号

Claims (8)

  1. 光電検出器であって、
    第１の導電タイプを有する第１の半導体層と、
    前記第１の導電タイプとは異なる第２の導電タイプを有する第２の半導体層と、
    前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられている光子吸収層と、を備えており、前記光子吸収層は少なくとも一つの量子井戸層と、各前記量子井戸層の両側に設けられている障壁層とを備える光電検出器。
  2. 前記第１の半導体層、前記第２の半導体層及び前記障壁層がＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓを含む場合、前記量子井戸層は、歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸、ＩｎＡｓ量子ドット及びＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸中量子ドットからなるグループから選ばれる少なくとも１つの材料を含み、
    前記第１の半導体層、前記第２の半導体層及び前記障壁層がＩｎＰ又はＩｎＡｌＡｓを含む場合、前記量子井戸層は、歪みＩｎＧａＡｓ量子井戸、ＩｎＡｓ量子ドット、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸中量子ドット、歪みＩｎＳｂ量子井戸、ＩｎＡｓＳｂ量子井戸、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子からなるグループから選ばれる少なくとも１つの材料を含み、
    前記第１の半導体層、前記第２の半導体層及び前記障壁層がＧａＳｂを含む場合は、前記量子井戸層は、歪みＩｎＳｂ量子井戸、ＩｎＡｓ量子井戸、ＩｎＡｓＳｂ量子井戸、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＧａＩｎＳｂ超格子、ＩｎＡｓ／ＩｎＡｓＳｂ超格子からなるグループから選ばれる少なくとも１つの材料を含み、
    前記第１の半導体層、前記第２半導体層及び前記障壁層がＳｉを含む場合は、前記量子井戸層は、Ｇｅ量子井戸及びＧｅＳｉ量子井戸からなるグループから選ばれる少なくとも１つの材料を含む請求項１に記載の光電検出器。
  3. 前記第１の導電タイプはＰ型又はＮ型のうちの一のタイプであり、前記第２の導電タイプはＰ型又Ｎ型のうちの他の一のタイプであり、前記量子井戸層及び前記障壁層は真性又は低濃度ドープの半導体である請求項１または請求項２に記載の光電検出器。
  4. 前記光子吸収層は量子をｎ個含み、ｎは１から２００の間の正整数であり、または前記光子吸収層は厚さが５０ｎｍ〜２０μｍであり、または、前記量子井戸層は厚さが１〜６０ｎｍであり、または前記障壁層は厚さが１〜１００ｎｍである請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光電検出器。
  5. 前記光電検出器は、さらに増倍層と、グラデーション層とを具備し、またはさらに増倍層と、グラデーション層と、電荷層とを具備し、
    前記増倍層は、前記光子吸収層と前記第１の半導体層又は前記第２の半導体層との間に設けられ、
    前記グラデーション層は、前記増倍層と前記光子吸収層との間に設けられ、
    前記電荷層は、前記増倍層と前記グラデーション層との間に設けられている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光電検出器。
  6. 前記量子井戸層は光を吸収したとき、価電子帯と伝導帯との間の遷移が発生し、光発生キャリアを発生する請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光電検出器。
  7. 光通信システムであって、
    光信号を受信するとともに、受信した光信号を電気信号に変換するための受光素子を備えており、前記受光素子は請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光電検出器を具備する光通信システム。
  8. 画像形成装置であって、
    複数の画素を備えており、画素ごとに請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光電検出器であるフォトダイオードを具備する、画像形成装置。
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