JP2825930B2 - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は半導体受光素子に関し、詳しくは超格子構造
を利用し、一定の波長域に対応し得る半導体受光素子に
関する。
[従来の技術] 最近の光情報処理に必要な光検出デバイスには光波長
領域の広がりとともに高感度化、高速応答性や2次元処
理、信頼性、簡便化の要求を満たす必要性が高くなって
いる。これらの要求に応えるために、かっての光電池、
光電子倍増等から半導体受光素子等が盛んに用いられる
ようになってきている。
このような半導体受光素子として、GaAsやInGaAs等の
半導体が提案されている。
しかしながら、これらの半導体受光素子は第1図の半
導体エネルギーバンド図に示されるように、半導体基材
の有するエネルギーギャップEg1=Ec−Ev(Ec:伝導帯エ
ネルギー、Ev:価電子帯エネルギー)よりも大きなエネ
ルギー(hν>Eg1…)、つまり式で決まる波長よ
りも短い波長の光についてのみ感度を有する。
従って、式で決まる波長より長い波長の光に感度を
有する受光素子を作製するには、より小さなエネルギー
ギャップ(Eg2<Eg1)の半導体基材を用意する必要があ
り、そのために新に原料、装置、作製条件や方法を求め
なければならない。
また受光素子の最適または最大感度およびその半値全
幅は半導体基材そのものでほぼ決定され設計の自由度が
少ない。
一方、半導体として多重量子井戸型超格子構造を有す
るものが提案されている。ここでいう多重量子井戸型超
格子構造とは、異なる、2種類以上の半導体薄膜を同一
周期で繰り返し積み重ねて得られ、第2図に示されるよ
うな量子(ポテンシャル)井戸層(B)と障壁層(A)
を有する量子井戸構造を持つものである。同図において
は、LZは量子井戸層の巾、LBは障壁層の厚みを示し、ま
たΔEc、ΔEvは伝導帯、価電子帯の障壁の高さ(エネル
ギーバンドの不連続の大きさ)をそれぞれ示す。このよ
うな多重量子井戸型超格子構造を有する半導体の一例と
してGaAsとAlXGa1-XAsとのヘテロ接合からなるものがあ
る。
この多重量子井戸型超格子構造を有する半導体は、次
のようにして得られるものである。なお、この半導体に
おいて、Al1-XGaXAsのxを0.3としたものである。
すなわち、上述した第2図において、半導体基材A
(Al0.3Ga0.7As)と半導体基材B(GaAs)とを各々厚み
LB(30nm以上)、LZ(10nm以下)にとり交互に積層する
と、B部に形成される量子井戸層内に、B(GaAs)部の
伝導帯底より、 ΔEn(h2/2m)(πn/LZ(n=1,2,3,…) なるエネルギー位置にサブバンドが形成される。ここで
ΔEはエネルギー固有値、m電子の有効質量、hはプ
ランク定数である。また、量子井戸層の価電子帯側にも
同様のサブバンドが形成される。
n=1なるレベルΔE1に電子が充満した状態、例えば
GaAsの量子井戸層にn型の不純物Si,Sn,Se等を1016cm-3
以上の密度でドーピングし、熱エネルギーによりΔE1
ベルに多数の電子が存在する状態において、ΔEc(0.3e
V)よりエネルギーの大きい光(波長<4μm)を照射
するとΔE1レベルの電子はAの量子障壁層を超えて励起
され自由電子となり、外部電界を印加することにより電
流信号としてとり出せる。
この場合の光吸収係数の光波長スペクトラムが第3図
に示されるピークである。同図に示されるように、1.0
μm未満のGaAsの光吸収に加えて、4.0μm近傍に光吸
収のピークが見られる。このピーク半値全幅はGaAs量子
井戸層が1〜2個の場合であり、多数の同一量子井戸層
を形成することにより、ピーク半値全幅は狭められる。
本発明の目的は、半導体基材(GaAs)のエネルギーギ
ャップに相当する光波長(光吸収端)よりも長い所定の
波長域(λ≧0.9μm)に対応することができ得る半導
体受光素子を提供することにある。
[課題を解決するための手段] 本発明の上記目的は2種類以上の半導体基材薄膜を交
互に積層して作成される超格子構造を形成する半導体薄
膜の組成割合を特定することによって達成される。
すなわち本発明の半導体受光素子は、超格子構造を形
成する半導体薄膜の組成割合を特定することにより、障
壁層の高さを調整し、伝導帯障壁層の高さに相当するエ
ネルギーギャップを光吸収領域として使用したことを特
徴とする。
本発明に用いられる超格子構造とは、上述のように異
なる2種類以上の半導体薄膜を積み重ねて得られ、第2
図に示されるような量子井戸層と障壁層を有する多重量
子井戸型構造を持つものである。
この多重量子井戸型超格子構造を構成する半導体基材
は、2種以上の半導体によるヘテロ接合である。また、
ここで用いられる半導体としてはGaAs、AlAs、AlXGa1-X
As、InXGa1-XAs等の周期律表第III族と第V族の組合
せ、ZnSe、ZnTe等の周期律表第II族と第VI族の組合せ、
GeSe、PbTe等の周期律表第IVと第VI族の組合せ、もしく
はGe、Siといった単一元素半導体が挙げられる。また、
これらの半導体は、ドナーやアクセプターといった不純
物をドーピングしたn型またはp型、もしくはアンドー
プのi型が適宜選択される。
この多重量子井戸型超格子構造は、分子線エピタキシ
ー(MBE)や有機金属気相たい積(MOCVD)法によって得
られるが、特にガスセルを用いるガスソースMBEによっ
て得られたものが皮膜の安定性、均一性等から好ましく
採用される。
本発明では、これらの半導体薄膜の組成割合を特定す
る。この組成割合を特定するには、上記したMBE法等に
よる半導体薄膜の成長時に、各半導体薄膜原料の供給量
を制御することによりなされる。
以下、本発明の内容をさらに詳細に示す。
先ず、半導体基材A(Al1-XGaXAs)と半導体基材B
(GaAs)を用い、多重量子井戸型超格子構造を製造する
際に、半導体基材AにおけるAl+Gaに対するGaの組成割
合(x)を0.8とすると第4図に示されるようなエネル
ギー帯図となり、伝導帯障壁層の高さに相当するエネル
ギーギャップ(ΔEc)が0.6eVとなり、一定波長の入射
光によって伝動帯井戸層のサブレベルに位置する電子は
伝導帯障壁層を超えて自由電子に遷移する。すなわちΔ
Ecが0.6eVのときには光吸収係数の光波長スペクトラム
は第5図に示されるように、波長2.0μm近傍で鋭角的
なピークが得られる。
また、x=0.2と変えることによって、第6図に示さ
れるようなエネルギー帯図となり、伝導帯障壁層の高さ
に相当するエネルギーギャップ(ΔEc)が0.2eVとな
り、一定波長の入射光によって伝導帯井戸層のサブレベ
ルに位置する電子は伝導帯障壁層を超えて自由電子に遷
移する。すなわち、ΔEcが0.2eVのときには光吸収係数
の光波長スペクトラムは第7図に示されるように、波長
6.0μm近傍で鋭角的なピークが得られる。
従って、AlXGa1-Xにおけるxを0<x<1の範囲で変
えることによって、半導体基材GaAsのエネルギーギャッ
プに相当する光波長(光吸収端)よりも長い波長におい
て、最大感度を有する半導体受光素子が任意に得られ
る。なお、この説明はAlXGa1-XAsとGaAsの組み合わせで
説明したが他の半導体薄層を組合せた超格子構造でも同
様である。
[実施例] 以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。
実施例1 n−GaAs基板(キャリア密度n=2×1018cm-3)上
に、n−GaAsエピタキシャル層(キャリア密度n=1×
1018cm-3、厚み0.2μm)、多重量子井戸型超格子層
(A層はAl0.8Ga0.2Asでアンドーピング型、厚み300Å;
B層はn−GaAsで、キャリア濃度約5×1016cm-3のSiを
ドーピング、厚み80Å;井戸数約50)、n−GaAsオーミ
ック層(キャリア濃度n=1×1018cm-3、厚み0.2μ
m)を順次積層した。n−GaAs基板側にはAuGe/Ni金属
を蒸着し、n−GaAsオーミック層側にはAuGe/Niのリン
グ状電極を形成し、第8図に示されるような光検出デバ
イスを得た。
ウエハ両面の電極間に直流バイアスを加えると、第5
図に相当する波長で光電流が流れた。
実施例2 半絶縁性GaAs基板上に、アンドーピング型GaAs層(厚
み0.3μm)、多重量子井戸型超格子層(A層はAl0.2Ga
0.8Asでアンドーピング型、厚み300Å;B層はn−GaAs
で、キャリア濃度3×1018cm-3のSiをドーピング、厚み
80Å;井戸数約50)、n−GaAsオーミック層(キャリア
濃度n=1×1018cm-3)を順次積層した。n−GaAsオー
ミック層面にAuGe/Ni金属による対向電極を形成し、第
9図に示されるような光検出デバイスを得た。
直流バイアスを印加すると、第7図に対応する波長で
光電流が得られた。
[発明の効果] 従来の受光素子が受光波長ごとに異なる半導体基材を
使用せざるを得なかったのに対し、本発明によると、次
のような効果を奏する。
(1)同一材料を使用し、超格子構造を形成する半導体
薄膜の組成割合を変化させるので、受光波長に最適感度
を有する受光素子を設計できる。
(2)最適受光感度を有する波長を連続的に変化させた
受光素子を設計できる。
(3)吸収波長域上、従来使用できなかった半導体基材
が使用できるようになった。
【図面の簡単な説明】
第1図は、単一半導体のエネルギーバンド図、 第2図は、多重量子井戸型超格子構造のエネルギー帯
図、 第3図は、GaAsの吸収係数および多重量子井戸型超格子
構造の光吸収係数の光波長スペクトラム、 第4図は、本発明に係る多重量井戸型超格子構造のエネ
ルギー帯図の一例、 第5図は、本発明に係る多重量子井戸型超格子構造の光
吸収係数の光波長スペクトラムの一例、 第6図は、本発明に係る多重量井戸型超格子構造のエネ
ルギー帯図の他の例、 第7図は、本発明に係る多重量子井戸型超格子構造の光
吸収係数の光波長スペクトラムの他の例、そして、 第8〜9図は、実施例1〜2によりそれぞれ得られた光
検出デバイス。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 31/10

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2種類以上の半導体基材薄膜を交互に積層
    して作成される量子井戸層と障壁層を有する多重量子井
    戸型構造の超格子構造を形成する半導体薄膜の組成割合
    を特定することによって、前記障壁層の高さを調整し、 隣接する伝導帯側の量子井戸層と伝導帯側の障壁層間
    で、その伝導帯側の量子井戸層内の量子化レベルにある
    電子が、受光した光吸収により前記伝導帯側の障壁層以
    上に光励起されて自由電子にすることにより前記伝導帯
    側の障壁層の高さに相当するエネルギーギャップ(ΔE
    c)を光吸収領域として使用したことを特徴とする半導
    体受光素子。
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JPS63241554A (ja) * 1987-03-30 1988-10-06 Toshiba Corp 電子写真感光体
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