JPH02252271A - 半導体デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体デバイスに関するもので、特に半導体検
出器、内部量子型光検出器、光電子放射体、２次電子放
射体等に用いると好適なものである。

〔従来の技術〕

少数キャリアの寿命は再結合断面積がどの程度であるか
により決まるために、用いる半導体の種類によって寿命
は決まる。少数キャリアの寿命が長いことを特徴とする
デバイスは種々あるが、そのためには用いる半導体は一
般に、キャリアの寿命が長い間接遷移の半導体に限られ
ていた。今回、我々は「−り遷移可能な半導体に３　Ｋ
　Ｖ　／　ｃ　ｍ以上の電界を印加した時、少数キャリ
アの寿命が延びることを発見した。本発明のように、外
部から電界を印加することで少数キャリアの寿命をコン
トロールした従来例は全くない。そこで、先行技術とし
て、この発明を利用した検出器と同じ目的である従来の
検出器を説明する。

キャリアを長距離走行させる必要があるデバイスとして
、高エネルギー用のフォトダイオードがある。第４図は
かかる先行技術の例（キャリアの寿命が長い半導体とし
て例えばＳｌを用いたｐｎ接合ダイオードの例）を図示
している。ｐ形５１４１とｎ形５ｉ４２との間に逆バイ
アス接合を形成しており、ここに空乏層４３を形成して
いる。

Ｘ線やγ線の照射によって空乏層４３内で発生した電子
（ｅ　　）は、ここに印加されている電界によって電極
４４まで走行されて電流となり、検出される。正孔につ
いても同様に電界によって電極４５に運ばれて電流にな
るが、キャリア寿命の関係で電子が電流に対して支配的
となっている。また、Ｅ　は１ｉｌＩｉｔａ子帯最上部
の二帯最上−、Ｅ、は伝導帯最下部のエネルギー、ＥＦ
はフェルミ準位である。

従来は、第４図に示した様な構造のものを、キャリア寿
命の長い間接遷移形半導体であるＳｌやＧｅで形成し°
ているものが多く、直接遷移形半導体で形成した例はな
い。また、奥深いところで発生したキャリアを表面まで
走行させるために必要な電界は、高いバイアス電・圧で
空乏層を広げるか、第５図の様にＬｉをドープして真性
化させ高抵抗化したものが用いることによって得られる
。但し、この場合にはＬｉの熱拡散を防ぐために、液体
窒素温度（７７Ｋ）での使用に限られている。

第５図はかかる先行技術の例（空乏層を厚く取るために
真性化領域を用いたｐｉｎ接合フォトダイオードの例）
を図示している。Ｌｉ　　ドープで真性化した５ｉ５１
を一介してｎ形Ｓｉ　５２とｐ形３１５３が接合されて
おり、このＳＩ　５１の真性化領域に電界がかかってい
るため、高エネルギー線照射によってここで発生した電
子は、電極５４まで走行されて電流となり検出される。

正孔についても同様に電界によって電極５５に運ばれて
電流になるが、キャリア寿命の関係で電子が電流に対し
て支配的となっている。

さらに、本発明を用いて奥深いところで発生したキャリ
アを効率よく表面に導き、表面の低電子親和力層から電
子放出させることを期待し、半絶縁性の基板に３　Ｋ　
Ｖ　／　ｃ　ｍ以上の電界を印加した光電子放射面も形
成できる。先行技術として、これと似た構造のもので、
ｎ形ＩｎＰにショットキー接合を形成し、ここに発生す
る電界によって電子を表面障壁よりエネルギー的に高い
Ｌバレーに導き、効率よく電子放出させることを狙った
ものがある。第６図はこのような先行技術の例として、
高電界加速によって通常電子が走行するｒ帯よりエネル
ギーの高いし帯へ電子を遷移させ、表面障壁を克服して
電子放射させることを試みた光電子放射面のバンド構薄
を示している。ｐ形のｒ−Ｌ遷移をする半導体（例えば
ＩｎＰ）６１の表面には、Ａｇの薄膜によるショットキ
ー電極６２が形成されている。この電極６２と裏面の電
極（図示せず）との間に逆バイアスを与えることによっ
て、価電子帯Ｅｖからのｒ伝導帯へ光励起された光電子
をＬ帯へ遷移させ、Ｃｕ０層６６によって低減された表
面障壁を越えて真空準位Ｅ。へと放出させる構造になっ
ている。

これは、ｒ−Ｌ遷移による見かけ上の表面障壁の低下だ
けを狙ったもので、キャリアの寿命については何ら触れ
ていない。しかも基板はｐ型基板になっている。本発明
で言う光電子放射面は、Ｇａ　ＡｓやＩｎＰ等のｒ−Ｌ
遷移可能な半絶縁性の半導体に高電界を印加することに
よって、キャリアの長寿命化を可能としたことに特徴が
あり、先行技術の例は構造は似ているが、特徴とするこ
とは本発明のものとは全く異なるものである。

奥深いところで発生した少数キャリアを効率よく表面に
まで走行させ、表面から電子放出させるものへの応用と
して２次電子放射面がある。第７図は従来からある蒸着
Ｃｓ−３ｂによる２次電子放射面の例を示す。この構造
は、ＭＯ板７１上にＣｓ−３ｂ層７２を真空蒸着によっ
て形成させたものである。Ｃｓ−３ｂ層７２の表面は表
面準位によって低電子親和力化しており、表面から照射
された電子によって発生した２次電子は表面まで拡散し
、真空学位Ｅ。へと２次電子放射される。

従来の２次電子放射面は、第７図の様にＣｕ　−Ｂｅ、
Ｃｓ−３ｂ等で形成されているが、この物質中でのキャ
リアの平均寿命は短い。そのために、２次電子放出率δ
は電子打ち込みのエネルギーに対して頭打ちになる。従
って、キャリアの長寿命化が高δ面の鍵となるが、本発
明のように２次電子放射面に内部に強い電界を印加し、
キャリアの寿命を長くし高δ化を図った例はない。さら
には、半絶縁性半導体基板などの高抵抗基板を用いた例
はない。

ところで、高電界加速によってｒ−Ｌ遷移を起こさせる
デバイスとして、いわゆるＧＵＮＮダイオードが有るが
、これは発振を目的にしたデバイスであって本発明の検
出器とは全く異なるものである。本発明では、高電界加
速によってキャリアの寿命が延びることを利用しようと
するものであり、発振はむしろ妨げになる。発振をおこ
させないため本発明では、ｎ１積を１０１２以下に押え
込んで検出器を構成していることを特徴の一つとしてい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

キャリアの長距離走行を利用したデバイスは色々と有る
が、従来は間接遷移形の半導体を持つものに限られてい
た。これは、間接遷移形の方が直接遷移形の半導体に比
べて、キャリアの寿命が長いためである。用いる半導体
の種類がこの様な理由からかなり制限されるために、従
来技術ではデバイスのもつ本来の特性を充分に発揮でき
ていない。

第４図に示したＳｔやＧｅでｐｎ接合を形成したものは
、そのキャリアの自由行程は長くても良いが、飛程の長
いＸ線やγ線の様な高エネルギー線の検出の場合には空
乏層を広げる必要があり、そのために高バイアスが必要
となる。ｐｎ接合に高バイアスを印加する場合にはリー
ク電流が多くなり、これが原因のショット雑音が多く、
高分解のエネルギー同定にとって不利である。

また、空乏層をｐｎ接合ではなく真性化層（ｉ層）を利
用した第５図の様なものもあるが、真性化のために添加
しであるＬｉが再拡散しないために、液体窒素温度（７
７Ｋ）で使用しなくてはならない欠点がある。本発明の
方法に依れば、キャリアの寿命が長いために厚い検出器
が可能で、室温で真性化している半絶縁性のＧａ　Ａｓ
やＩｎＰが使え、更には、高抵抗のためリーク電流も小
さい等、先行技術の欠点を解決できる。

ＩｎＰを用いた第６図の光電子放射ショットキー接合に
よって高電界加速を行い、ｒ−Ｌ遷移によって光電子を
表面障壁よりもエネルギーの高いところに遷移させて光
電子放射させることを狙ったものであるが、ｐ形半導体
を用いているためにショットキー電極からのホールの注
入が容易に生じ、暗電流が多くなってしまう欠点がある
。また、加速電界が印加されているのは、ショットキー
接合による空乏層内だけであるので、キャリアの平均自
由行程が短い場合には光の吸収係数の短い短波長の光の
みに効果が期待でき、エネルギーギャップ付近の光には
期待できない。そのため、限界波長をエネルギーギャッ
プ近くにまで伸ばすためには、冷却してキャリアの寿命
を伸ばすことが必要となる等の欠点がある。また、同じ
理由から透過型の光電子放射面は形成しにくい。

一方、本願による効果を用いた光電子放射面の実施例は
、半絶縁性基板に高電界を印加してキャリアの寿命を伸
ばしたもので、ｒ−Ｌ遷移による表面障壁克服の効果に
加えてフェルミ準位がエネギーバンドの中央にくるため
に、キャリアの注入が少なく暗電流が少ない特徴がある
。また、均一な高電界が厚さの制限なく形成することが
できるために、表面から深いところで発生したキャリア
も電子放出させることができ、透過形光電子放射面や外
部光電子注入形電子放射面の形成が容易になる。

２次電子放射面に応用した場合には、従来の第７図の様
な単一構造をしたものとに比べて、２次電子放射比δが
高いものの形成が容易になる。従来の２次電子放射面に
於いては、キャリアの寿命が充分に長くないため、δを
高くするために高エネルギーで電子を打ち込んだとして
も、有効に２次電子として放出されるのは表面付近で発
生した２次電子に限られ、高加速した特徴が生かせなか
った。そのため、δは低い値で頭打ちになっている。こ
れに対して、本願の発明を用いた２次電子放射面では、
キャリアの寿命が極めて長くする事ができるため、δは
高加速によって幾らでも高く取ることができる。

本発明は係る課題を解決することを目的としている。

〔課題を解決するたやの手段〕

本発明の半導体デバイスは、ｒ−Ｌ遷移が生じ得る半導
体に３　Ｋ　Ｖ　／　ｃ　ｍ以上かつイオン化が起こら
ない程度の電界を印加し少数キャリアの寿命の増加を図
ったｎｌ積が１０１２以下であることを特徴とする。

〔作用〕

本発明によれば、キャリアの長寿命化が図られるだけで
なく、発振が生じるのを抑えることができる。

〔実施例〕

具体的実施例の説明に先立ち、本発明の基本的内容を説
明する。

Ｇａ　ＡｓやＩｎＰ等の直接遷移型半導体に於ける少数
キャリアの寿命は、寿命を決めるキャリアの再結合がフ
ォノンの介在を要しないために一般に短い。これは、少
数キャリアを長い距離輸送させる必要がある場合には欠
点となる。本発明の特徴は、ｒ−Ｌ遷移を生じ得る半導
体に３ＫＶ／ｃｍ以上の高電界を印加した場合に少数キ
ャリアの寿命が延びる現象を発見したことにあり、３Ｋ
Ｖ　／　ｃ　ｍ以上という高電界を得るために、高抵抗
である半絶縁性基板を用いたことにある。この効果を応
用した様々なデバイスが考えられる。ただし、印加電界
の上限としてはキャリアの衝突イオン化が起こらないよ
うに設定するのがよい。衝突イオン化による増倍現象は
公知であるから、これは本発明に含まれない。この上限
値は材料によって異なるので一定ではないが、通常１０
０ＫＶ／ｃｍ程度である。また、高抵抗の半絶縁性基板
でない場合はｒ−Ｌ遷移によっていわゆる発振が生起し
、本発明の目的には妨害となるため、発振が起こらない
ように０１積が１０１２以下となるように高抵抗基板が
選ばれる。

例えば、第１図に示す高エネルギー線検出用のフォトダ
イオードがそれである。

第１図は本願発明の第１実施例に係るフォトダイオード
のエネルギーバンド図である。このフォトダイオードは
、半絶縁性の基板（例えばＧａＡｓ基板）１１の表面に
Ａｇ、Ａｕ、ＴＩやＡｇの電極１２を薄く形成したもの
で、裏面は適当な電極１３が接合されている構造に成っ
ている。この構造のフォトダイオイードに３　Ｋ　Ｖ　
／　ｃ　ｍ以上の電界強度になるようにバイアス電圧を
与える。

すると、キャリアの寿命が長くなるために、本来Ｇａ　
Ａｓ中では到達できないＸ線やγ線などの飛程の長い高
エネルギー線照射によって半導体奥深くで発生したキャ
リアも表面電極まで到達することができ、その結果、Ｇ
ａ　Ａｓ半絶縁性基板を用いても効率よく、シかも入射
エネルギーの同定が可能となる。この場合、表面電極は
入射する高エネルギー線に対して、できるだけ損失を与
えないように軽元素°で構成する必要があるが、特にエ
ネルギーの同定を目的としない場合には、これにこだわ
らない。従来のＳｉやＧｅ等のキャリアの寿命が長い半
導体で厚い検出器を構成した場合には、半絶縁化の、た
めに液体窒素温度での使用に限られていたが、本発明は
これを室温でも安定なＧａＡｓやＩｎＰの半絶縁性基板
が使えるようしたことに特徴がある。

次に、光電子放射面に応用した場合の代表的な構造につ
いて説明する。

第２図は本願発明の第２実施例に係る光電子放射面のエ
ネルギーバンド図である。半絶縁性基板（例えばＧａ　
Ａｓ基板）２１の表面に、ＡｇやＡｇ等の金属あるいは
半導体で、光入射及び光電子放射の妨げとならない様な
薄膜あるいはメツシュ状電極２２を形成し、３　Ｋ　Ｖ
　／　ｃ　ｍ以上の電界を与えられる構造になっている
。裏面の金属電極２３は半導体２１との間にショットキ
ー接合による障壁を形成している。この障壁にそれ以上
のエネルギーを持った光が照射されると、裏面の金属か
ら半導体への内部光電子放射が生じる。この光電子は、
半絶縁性基板２１にかかっている強電界によって長い寿
命を得て、厚い半絶縁性基板を走行して表面にたどり若
く。光電子は、表面にたどり若くまでにホットエレクト
ロンと成っているか、或はｒ−Ｌ遷移によって表面障壁
よりも高いエネルギーを得て真空準位Ｅ。へと電子放射
される。

このタイプの光電子放射面の光電子発生は真空の電子放
出側とは反対になり、光電子は長距離を走行することに
なりがちであるが、強電界の印加によってキャリアの寿
命を伸ばし厚い半絶縁性基板を用いても、効率よく光電
子を表面にまで到達用きるようにしたことにこの実施例
の特徴がある。

さらに、２次電子放射面に本発明の手法を応用した場合
の実施例を、第３図により説明する。

第３図は本願発明の実施例に係る２次電子放射面のエネ
ルギーバンド図である。この構造はｒ−り遷移をする半
導体（例えばＧａＡｓ）３１の表面に入射する電子線に
対して透明な軽元素（例えば、Ｂｅ）薄膜の電極３２を
形成し、裏面の電極３３との間に３　Ｋ　Ｖ　／　ｃ　
ｍ以上の電界が印加されている。高エネルギーで照射さ
れた電子は軽元素薄膜による電極３２を透過して、表面
から奥深いところまで到達し、その間に２次電子を発生
させる。発生した２次電子は厚さ方向に存在する電界に
よって表面に向かって走行するが、高電界のためその平
均自由行程は大幅に長くなっているため、電子はすべて
表面に到達する。２次電子は発生したときから大きなエ
ネルギーを持つことと、高電界加速によってエネルギー
を得ることができるために、表面障壁を容易に越えて真
空準位Ｅ。へと電子放出される。２次電子放出率δは理
論的には入射する電子のエネルギーに比例する。しかし
、入射する電子のエネルギーが大きくなると、２次電子
放射面中での飛程は長くなり、ついにはキャリアの自由
行程以上になり、２次電子放射面内で発生した２次電子
全てが表面に到達することができなくなるために、放出
率δは頭打ちになる。

本発明では［’−Ｌ遷移する半導体に高電界を印加する
ことにより、キャリアの平均自由行程を飛躍的に伸ばし
、２次電子放出率δの頭打ちを大幅に改浮することを特
徴としている。なお強い電界を容品に得るために、ここ
では半絶縁性の基板を用いているが、これは、ここでは
本質ではなく、高抵抗基板やｐｎ接合でできる空乏層を
用いてこの強い電界を得てもよい。

ここでは、電子照射と２次電子放出とが同じ面である反
射型の例であったが、キャリアの平均自由行程が長いの
で、裏面の電極を電子透過電極にすれば裏面から電子を
照射し、２次電子を表面に放出させる透過型２次電子放
射面も形成することができる。また、電子透過電極とし
ては軽元素薄膜のほかに、開口率は悪くはなるがメツシ
ュ状にした電極でもよい。本発明のこの実施例の特徴は
、高電界印加によるキャリアの平均自由行程の増加で、
δの頭打ちを無くしたことにある。

〔１発明の効果〕 キャリアを長距離にわたって伝送させる必要があるデバ
イスがある。従来、この様なデバイスを形成させようと
した場合には、キャリアの寿命が長いＳＩやＧｅのよう
な間接遷移を持つ半導体を用いなければならなかった。

しかし、デバイスによっては他の半導体が持つ特徴をも
同時に利用したい場合もある。発明は全ての半導体に利
用できるものではないが、従来キャリアの寿命が短いと
されていたＧａ　ＡｓやＩｎＰなどのｒ−Ｌ遷移をもつ
半導体のキャリアの寿命を高電界加速で延ばしたことに
ある。従って、本発明によってＧａＡｓやＩｎＰが持つ
性質を利用しながら、キャリアの長距離伝送を必要とす
るデバイスの形成が可能となる。

具体的な例としては、室温で安定な半絶縁性基板中での
キャリアの長距離走行が可能となるために、現在は低温
での使用に限られる高エネルギー線のエネルギー弁別が
室温で可能となる。さらには、光電子放射面に応用すれ
ば暗電流の少ない赤外域の光電子放射面の形成が容易に
なり、微弱広域の光検出を利用した様々な応用を赤外域
にまで広げることができる。また、２次電子放射面に応
用すれば２次電子放出率δの高いものが得られるため、
極めて小型の光電子増倍管等が形成でき、新しい微弱光
の応用分野を広げることができる。

本発明の本質は、高電界加速によって、キャリアの寿命
を延ばしたことに有るのであって、様々なデバイスに応
用することでき、その効果はここに挙げた例にとどまら
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は本発明の実施例のエネル
ギーバンド図、第４図、第５図、第６図および第７図は
従来例のエネルギーバンド図である。 特許出願人　　浜松ホトニクス株式会社代理人弁理士　
　　長浴用　　芳　　樹ＶＬ伝導帯最下部エネルギー 本発明の第１実施例 第】図 第２図 本発明の第３実施例 第３図 第５ 図 従来の第１例 第４図 従来の第３例 第６図 手続苔１″Ｊ正書

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Γ−Ｌ遷移が生じ得る半導体に３ＫＶ／ｃｍ以上か
   つイオン化が起こらない程度の電界を印加し少数キャリ
   アの寿命の増加を図ったｎｌ積が１０＾１＾２以下であ
   る半導体デバイス。 ２、請求項１記載の半導体デバイスにおいて、３ＫＶ／
   ｃｍ以上の高電界を得るために高抵抗の半導体基板、或
   は半絶縁性の半導体基板、さらには逆バイアスされた空
   乏層を利用した半導体検出器用の半導体デバイス。 ３、請求項１記載の半導体デバイスにおいて、３ＫＶ／
   ｃｍ以上の高電界を得るために高抵抗の半導体基板、或
   は半絶縁性の半導体基板、さらには逆バイアスされた空
   乏層を利用した半導体構造を用いたフォトダイオードな
   どの内部量子型光検出器用の半導体デバイス。 ４、請求項１記載の半導体デバイスにおいて、３ＫＶ／
   ｃｍ以上の高電界を得るために高抵抗の半導体基板、或
   は半絶縁性の半導体基板、さらには逆バイアスされた空
   乏層を利用した、とくにＧａＡｓやＩｎＰ等の半絶縁性
   基板を用いた光電子放射体用の半導体デバイス。 ５、請求項１記載の半導体デバイスにおいて、３ＫＶ／
   ｃｍ以上の高電界を得るために高抵抗の半導体基板、或
   は半絶縁性の半導体基板、さらには逆バイアスされた空
   乏層を利用した構造を用いた２次電子放射体用の半導体
   デバイス。