JP2825930B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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Description
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)2(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。
(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)2(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レ
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。
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レ
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
が使用できるようになった。
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。
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)
- 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2121135A JP2825930B2 (ja) | 1990-05-14 | 1990-05-14 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2121135A JP2825930B2 (ja) | 1990-05-14 | 1990-05-14 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0418766A JPH0418766A (ja) | 1992-01-22 |
JP2825930B2 true JP2825930B2 (ja) | 1998-11-18 |
Family
ID=14803742
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2121135A Expired - Fee Related JP2825930B2 (ja) | 1990-05-14 | 1990-05-14 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2825930B2 (ja) |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4894526A (en) * | 1987-01-15 | 1990-01-16 | American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories | Infrared-radiation detector device |
JPS63241554A (ja) * | 1987-03-30 | 1988-10-06 | Toshiba Corp | 電子写真感光体 |
JPS63241556A (ja) * | 1987-03-30 | 1988-10-06 | Toshiba Corp | 電子写真感光体 |
JPS6459978A (en) * | 1987-08-31 | 1989-03-07 | Fujitsu Ltd | Method of controlling forbidden band width of semiconductor superlattice |
-
1990
- 1990-05-14 JP JP2121135A patent/JP2825930B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0418766A (ja) | 1992-01-22 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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