JP2000236109A - 量子波干渉層を有した受光素子 - Google Patents
量子波干渉層を有した受光素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】新規の構造による動作特性の向上
【解決手段】ｐｉｎ接合のｉ層において、第１層Ｗと第
１層Ｗよりもバンド幅の広いバンドを有する第２層Ｂと
を多重周期で積層した量子波干渉層Ｑ1〜Ｑ4とキャリア
閉込層Ｃ1〜Ｃ3を設けた。第１層Ｗと第２層Ｂの厚さを
キャリアの各層における量子波の波長の４分の１の偶数
倍に設定した。又、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界に、第
１層Ｗと第２層Ｂの厚さに比べて充分に薄く、エネルギ
バンドを急変させるδ層を形成した。この構造によりキ
ャリア閉込層Ｃ1〜Ｃ3に電子が光励起されるとｎ層から
ｐ層へ量子波干渉層を波動で伝搬し、光電流が高速に流
れる。
１層Ｗよりもバンド幅の広いバンドを有する第２層Ｂと
を多重周期で積層した量子波干渉層Ｑ1〜Ｑ4とキャリア
閉込層Ｃ1〜Ｃ3を設けた。第１層Ｗと第２層Ｂの厚さを
キャリアの各層における量子波の波長の４分の１の偶数
倍に設定した。又、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界に、第
１層Ｗと第２層Ｂの厚さに比べて充分に薄く、エネルギ
バンドを急変させるδ層を形成した。この構造によりキ
ャリア閉込層Ｃ1〜Ｃ3に電子が光励起されるとｎ層から
ｐ層へ量子波干渉層を波動で伝搬し、光電流が高速に流
れる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は新規構造の光電気変
換素子、即ち、受光素子に関する。
換素子、即ち、受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ｐｉｎ接合を有した受光素子が知
られている。この構造の受光素子では、ｐｉｎに逆方向
電圧が印加されており、通常、ｐ層側から入力した光が
ｉ層で吸収されて、電子正孔対が生成される。このｉ層
で励起された電子正孔対がｉ層中の逆方向電圧で加速さ
れて、電子はｎ層へ、正孔はｐ層へと移動する。これに
より、光強度に応じた強さの光電流を出力させることが
できる。
られている。この構造の受光素子では、ｐｉｎに逆方向
電圧が印加されており、通常、ｐ層側から入力した光が
ｉ層で吸収されて、電子正孔対が生成される。このｉ層
で励起された電子正孔対がｉ層中の逆方向電圧で加速さ
れて、電子はｎ層へ、正孔はｐ層へと移動する。これに
より、光強度に応じた強さの光電流を出力させることが
できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この構造の受光素子に
おいて、光／電気の変換効率を向上させるためには、光
が吸収されるｉ層を厚くすれば良い。しかし、このｉ層
を厚くすればする程、キャリアをｎ層、ｐ層へ引き出す
ための時間が長くなり、光／電気変換の応答速度が低下
する。この応答速度を向上させるためには、逆方向電圧
を大きくして、ｉ層における電界を大きくすれば良い。
しかし、逆方向電圧を大きくすると、素子分離が困難と
なり、漏れ電流を生じる原因となる。この結果、光が入
力していない時に流れる電流、即ち、暗電流が大きくな
るという問題がある。
おいて、光／電気の変換効率を向上させるためには、光
が吸収されるｉ層を厚くすれば良い。しかし、このｉ層
を厚くすればする程、キャリアをｎ層、ｐ層へ引き出す
ための時間が長くなり、光／電気変換の応答速度が低下
する。この応答速度を向上させるためには、逆方向電圧
を大きくして、ｉ層における電界を大きくすれば良い。
しかし、逆方向電圧を大きくすると、素子分離が困難と
なり、漏れ電流を生じる原因となる。この結果、光が入
力していない時に流れる電流、即ち、暗電流が大きくな
るという問題がある。
【０００４】よって、従来の受光素子では、受光感度、
検出速度、雑音電流との間に相互関連があり、受光素子
の性能に制限があった。
検出速度、雑音電流との間に相互関連があり、受光素子
の性能に制限があった。
【０００５】従って、本発明の目的は、受光素子におい
て、全く新規な構造を有したｐｉｎ接合により、受光感
度、応答速度を改善することである。
て、全く新規な構造を有したｐｉｎ接合により、受光感
度、応答速度を改善することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、第１
層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とを多重周期で
積層した量子波干渉層を有し、入力光を電気に変換する
受光素子において、第１層と第２層の各層の厚さを、各
層を伝導するキャリアの、各層における量子波の波長の
４分の１の偶数倍に設定した量子波干渉層を、第２層よ
りもバンド幅の狭いキャリア閉込層を介在させて複数配
設したことを特徴とする。
層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とを多重周期で
積層した量子波干渉層を有し、入力光を電気に変換する
受光素子において、第１層と第２層の各層の厚さを、各
層を伝導するキャリアの、各層における量子波の波長の
４分の１の偶数倍に設定した量子波干渉層を、第２層よ
りもバンド幅の狭いキャリア閉込層を介在させて複数配
設したことを特徴とする。
【０００７】請求項２の発明は、量子波の波長を決定す
るためのキャリアの運動エネルギをキャリアが電子であ
る場合には第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔で
ある場合には第２層の価電子帯の底付近に設定したこと
を特徴とする。
るためのキャリアの運動エネルギをキャリアが電子であ
る場合には第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔で
ある場合には第２層の価電子帯の底付近に設定したこと
を特徴とする。
【０００８】請求項３の発明は、第１層の厚さＤWと第
２層の厚さＤBを次のように設定したことを特徴とす
る。
２層の厚さＤBを次のように設定したことを特徴とす
る。
【数１】 ＤW＝ｎWλW／４＝ｎWｈ／４[２ｍW(Ｅ＋Ｖ)]1/2 …（１）
【数２】 ＤB＝ｎBλB／４＝ｎBｈ／４(２ｍBＥ)1/2 …（２） 但し、ｈはプランク定数、ｍWは第１層を伝導するキャ
リアの有効質量、ｍBは第２層におけるキャリアの有効
質量、Ｅは第２層を伝導する、第２層の最低エネルギレ
ベル付近におけるキャリアの運動エネルギ、Ｖは第１層
に対する第２層のバンド電位差、ｎW、ｎBは偶数であ
る。
リアの有効質量、ｍBは第２層におけるキャリアの有効
質量、Ｅは第２層を伝導する、第２層の最低エネルギレ
ベル付近におけるキャリアの運動エネルギ、Ｖは第１層
に対する第２層のバンド電位差、ｎW、ｎBは偶数であ
る。
【０００９】請求項４の発明は、量子波干渉層を、第２
層を伝導するキャリアの運動エネルギを複数の異なる値
Ｅk、第１層におけるその各運動エネルギをＥk＋Ｖと
し、第２層、第１層の各エネルギに対応した各量子波長
をλBk，λWkとする時、第２層、第１層をｎBkλBk／
４、ｎWkλWk／４の厚さで、Ｔk周期繰り返された部分
量子波干渉層Ｉkが値Ｅkの数だけ繰り返し形成された
層、但し、ｎWk、ｎBkは偶数、としたことを特徴とす
る。
層を伝導するキャリアの運動エネルギを複数の異なる値
Ｅk、第１層におけるその各運動エネルギをＥk＋Ｖと
し、第２層、第１層の各エネルギに対応した各量子波長
をλBk，λWkとする時、第２層、第１層をｎBkλBk／
４、ｎWkλWk／４の厚さで、Ｔk周期繰り返された部分
量子波干渉層Ｉkが値Ｅkの数だけ繰り返し形成された
層、但し、ｎWk、ｎBkは偶数、としたことを特徴とす
る。
【００１０】請求項５の発明は、キャリア閉込層のバン
ド幅は、第１層のバンド幅に等しくしたことを特徴とす
る。請求項６の発明は、キャリア閉込層の厚さを、量子
波の波長λWとしたことを特徴とする。請求項７の発明
は、第１層と第２層との境界に、第１層と第２層の厚さ
に比べて充分に薄く、エネルギバンドを急変させるδ層
を設けたことを特徴とする。請求項８の発明は、受光素
子は、ｐｉｎ接合構造を有し、量子波干渉層及びキャリ
ア閉込層は、ｉ層に形成されていることを特徴とする。
請求項９の発明は、量子波干渉層及びキャリア閉込層
は、ｎ層、又は、ｐ層に形成されていることを特徴とす
る。請求項１０の発明は、受光素子は、ｐｎ接合構造を
有することを特徴とする。
ド幅は、第１層のバンド幅に等しくしたことを特徴とす
る。請求項６の発明は、キャリア閉込層の厚さを、量子
波の波長λWとしたことを特徴とする。請求項７の発明
は、第１層と第２層との境界に、第１層と第２層の厚さ
に比べて充分に薄く、エネルギバンドを急変させるδ層
を設けたことを特徴とする。請求項８の発明は、受光素
子は、ｐｉｎ接合構造を有し、量子波干渉層及びキャリ
ア閉込層は、ｉ層に形成されていることを特徴とする。
請求項９の発明は、量子波干渉層及びキャリア閉込層
は、ｎ層、又は、ｐ層に形成されていることを特徴とす
る。請求項１０の発明は、受光素子は、ｐｎ接合構造を
有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の作用及び効果】〔請求項１、２、３、８、９、
１０の発明〕本発明にかかる量子波干渉層の原理を図
１、図２に基づいて説明する。図１は、ｐ層とｎ層との
間に順方向に外部電圧が印加された状態を示している。
即ち、外部電圧によりｉ層のバンドは平坦となってい
る。図１では、ｉ層に４つの量子波干渉層Ｑ1，Ｑ2，Ｑ
3，Ｑ4が形成されており、各量子波干渉層の間には、キ
ャリア閉込層Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3が形成されている。又、図
２は、１つの量子波干渉層Ｑ1の伝導帯のバンド構造を
示している。
１０の発明〕本発明にかかる量子波干渉層の原理を図
１、図２に基づいて説明する。図１は、ｐ層とｎ層との
間に順方向に外部電圧が印加された状態を示している。
即ち、外部電圧によりｉ層のバンドは平坦となってい
る。図１では、ｉ層に４つの量子波干渉層Ｑ1，Ｑ2，Ｑ
3，Ｑ4が形成されており、各量子波干渉層の間には、キ
ャリア閉込層Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3が形成されている。又、図
２は、１つの量子波干渉層Ｑ1の伝導帯のバンド構造を
示している。
【００１２】電子が外部電界により図上左から右方向に
伝導するとする。伝導に寄与する電子は、第２層Ｂの伝
導帯の底付近に存在する電子と考えられる。この電子の
運動エネルギをＥとする。すると、第２層Ｂから第１層
Ｗに伝導する電子は第２層Ｂから第１層Ｗへのバンド電
位差Ｖにより加速されて、第１層Ｗにおける運動エネル
ギはＥ＋Ｖとなる。又、第１層Ｗから第２層Ｂへ伝導す
る電子は第１層Ｗから第２層Ｂへのバンド電位差Ｖによ
り減速されて、第２層Ｂにおける電子の運動エネルギは
Ｅに戻る。伝導電子の運動エネルギは、多重層構造のポ
テンシャルエネルギによりこのような変調を受ける。
伝導するとする。伝導に寄与する電子は、第２層Ｂの伝
導帯の底付近に存在する電子と考えられる。この電子の
運動エネルギをＥとする。すると、第２層Ｂから第１層
Ｗに伝導する電子は第２層Ｂから第１層Ｗへのバンド電
位差Ｖにより加速されて、第１層Ｗにおける運動エネル
ギはＥ＋Ｖとなる。又、第１層Ｗから第２層Ｂへ伝導す
る電子は第１層Ｗから第２層Ｂへのバンド電位差Ｖによ
り減速されて、第２層Ｂにおける電子の運動エネルギは
Ｅに戻る。伝導電子の運動エネルギは、多重層構造のポ
テンシャルエネルギによりこのような変調を受ける。
【００１３】一方、第１層Ｗと第２層Ｂの厚さが電子の
量子波長と同程度となると、電子は波動として振る舞
う。電子の量子波の波長は電子の運動エネルギを用い
て、（１）、（２）式により求められる。さらに、波の
反射率Ｒは第２層Ｂ、第１層Ｗにおける量子波の波数ベ
クトルをＫB，ＫWとする時、次式で求められる。
量子波長と同程度となると、電子は波動として振る舞
う。電子の量子波の波長は電子の運動エネルギを用い
て、（１）、（２）式により求められる。さらに、波の
反射率Ｒは第２層Ｂ、第１層Ｗにおける量子波の波数ベ
クトルをＫB，ＫWとする時、次式で求められる。
【数３】 Ｒ＝(｜ＫW｜−｜ＫB｜)／(｜ＫW｜＋｜ＫB｜) ＝｛[ｍW(Ｅ＋Ｖ)]1/2−(ｍBＥ)1/2｝／｛[ｍW(Ｅ＋Ｖ)]1/2＋(ｍBＥ)1/2｝ ＝｛1-[ｍBＥ／ｍW(Ｅ＋Ｖ)]1/2｝／｛1+[ｍBＥ／ｍW(Ｅ＋Ｖ)]1/2｝…(3) 又、ｍB＝ｍWと仮定すれば、反射率は次式で表される。
【数４】 Ｒ＝｛１−[Ｅ／(Ｅ＋Ｖ)]1/2｝／｛１＋[Ｅ／(Ｅ＋Ｖ)]1/2｝ …（４） Ｅ／(Ｅ＋Ｖ)＝ｘとおけば、（４）式は次式のように変
形できる。
形できる。
【数５】 Ｒ＝(１−ｘ1/2)／(１＋ｘ1/2) …（５） この反射率Ｒのｘに対する特性は図３のようになる。
【００１４】ｘ≦0.1の時Ｒ≧0.52となり、そのための
Ｅ，Ｖの関係は
Ｅ，Ｖの関係は
【数６】 Ｅ≦Ｖ／９ …（６） となる。第２層Ｂにおける伝導電子の運動エネルギＥは
伝導帯の底付近であることから、（６）式の関係が満足
され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５２
％以上となる。このようなバンド幅の異なる層で形成さ
れた多重層構造により、この量子波干渉層へ注入される
電子の量子波を効率良く反射させることができる。
伝導帯の底付近であることから、（６）式の関係が満足
され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５２
％以上となる。このようなバンド幅の異なる層で形成さ
れた多重層構造により、この量子波干渉層へ注入される
電子の量子波を効率良く反射させることができる。
【００１５】又、ｘを用いて第２層Ｂの厚さの第１層Ｗ
の厚さに対する比ＤB／ＤWは次式で求められる。
の厚さに対する比ＤB／ＤWは次式で求められる。
【数７】 ＤB／ＤW＝[ｍW／(ｍBｘ)]1/2 …（７）
【００１６】ところが、第１層Ｗと第２層Ｂの厚さがこ
れらの各層における量子波の波長の１／４の偶数倍、例
えば、量子波長の１／２となると、量子波干渉層に定在
波が立ち、共鳴的伝導が生じるものと思われる。即ち、
定在波による量子波の周期と量子波干渉層のポテンシャ
ル周期とが一致する結果、各層でのキャリアの散乱が抑
制され、高移動度の伝導が実現すると考えられる。図１
に示すように、ｐｉｎ構造のｉ層において、このような
量子波干渉層Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ4をキャリア閉込層
Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3をそれぞれ間に介在させて設けた受光素
子において、ｉ層に光が入射すると、キャリア閉込層Ｃ
1，Ｃ2，Ｃ3の伝導帯に光励起された電子が蓄積され
る。この光励起された電子は、印加された順方向電圧に
よりｐ層側に流れようとする。その光励起電子は、閉込
られたキャリア閉込層に対してｐ層側に存在する量子波
干渉層による透過条件が満たされていないときは、電子
は移動しない。即ち、図１で左端の量子波干渉層Ｑ1を
透過した少数の電子はキャリア閉込層Ｃ1において基底
レベルに緩和され、次の量子波干渉層Ｑ2を透過できな
い。
れらの各層における量子波の波長の１／４の偶数倍、例
えば、量子波長の１／２となると、量子波干渉層に定在
波が立ち、共鳴的伝導が生じるものと思われる。即ち、
定在波による量子波の周期と量子波干渉層のポテンシャ
ル周期とが一致する結果、各層でのキャリアの散乱が抑
制され、高移動度の伝導が実現すると考えられる。図１
に示すように、ｐｉｎ構造のｉ層において、このような
量子波干渉層Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ4をキャリア閉込層
Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3をそれぞれ間に介在させて設けた受光素
子において、ｉ層に光が入射すると、キャリア閉込層Ｃ
1，Ｃ2，Ｃ3の伝導帯に光励起された電子が蓄積され
る。この光励起された電子は、印加された順方向電圧に
よりｐ層側に流れようとする。その光励起電子は、閉込
られたキャリア閉込層に対してｐ層側に存在する量子波
干渉層による透過条件が満たされていないときは、電子
は移動しない。即ち、図１で左端の量子波干渉層Ｑ1を
透過した少数の電子はキャリア閉込層Ｃ1において基底
レベルに緩和され、次の量子波干渉層Ｑ2を透過できな
い。
【００１７】ところが、このキャリア閉込層Ｃ1，Ｃ2，
Ｃ3に閉じこめられた電子が多くなると、より高レベル
に電子が存在するようになる。この高レベルに存在する
電子の運動エネルギが増加するため、上記の量子波干渉
層による透過条件を満たすようになる。この結果、電子
は量子波干渉層Ｑ2，Ｑ3，Ｑ4を透過してｐ層に流れ
る。これが光電流となる。
Ｃ3に閉じこめられた電子が多くなると、より高レベル
に電子が存在するようになる。この高レベルに存在する
電子の運動エネルギが増加するため、上記の量子波干渉
層による透過条件を満たすようになる。この結果、電子
は量子波干渉層Ｑ2，Ｑ3，Ｑ4を透過してｐ層に流れ
る。これが光電流となる。
【００１８】この受光素子には順方向電圧が印加される
ことから、低電圧駆動が可能となり、素子間の絶縁分離
が容易となる。又、光が入力されない状態では、電子は
量子波干渉層で高透過される状態ではないため、暗電流
を小さくすることができる。又、電子の移動は、量子波
干渉層を波動として伝搬すると考えられるので、応答速
度が高速となる。
ことから、低電圧駆動が可能となり、素子間の絶縁分離
が容易となる。又、光が入力されない状態では、電子は
量子波干渉層で高透過される状態ではないため、暗電流
を小さくすることができる。又、電子の移動は、量子波
干渉層を波動として伝搬すると考えられるので、応答速
度が高速となる。
【００１９】又、価電子帯においても、エネルギレベル
が周期的に変動するが、バンド電位差Ｖが伝導帯のバン
ド電位差と異なること、第１層Ｗ、第２層Ｂにおける正
孔の有効質量が電子の有効質量と異なること等のため、
電子に対して高透過性に設定された第１層Ｗと第２層Ｂ
の幅の設定値は正孔に対する高透過性が得られる条件に
はならない。よって、上記の構造の量子波干渉層は、電
子に対して高透過性（高移動度）となり、正孔に対して
高透過性（高移動度）にはならない。
が周期的に変動するが、バンド電位差Ｖが伝導帯のバン
ド電位差と異なること、第１層Ｗ、第２層Ｂにおける正
孔の有効質量が電子の有効質量と異なること等のため、
電子に対して高透過性に設定された第１層Ｗと第２層Ｂ
の幅の設定値は正孔に対する高透過性が得られる条件に
はならない。よって、上記の構造の量子波干渉層は、電
子に対して高透過性（高移動度）となり、正孔に対して
高透過性（高移動度）にはならない。
【００２０】又、逆に、価電子帯のバンド電位差、正孔
の有効質量を用いて、第１層Ｗ、第２層Ｂの厚さを設計
することで、量子波干渉層を正孔に対して高移動度と
し、電子に対して通常の移動度とする層とする正孔透過
層とすることも可能である。
の有効質量を用いて、第１層Ｗ、第２層Ｂの厚さを設計
することで、量子波干渉層を正孔に対して高移動度と
し、電子に対して通常の移動度とする層とする正孔透過
層とすることも可能である。
【００２１】以上の議論を、図４を用いて更に説明す
る。図４の（ａ）〜（ｈ）は、多重量子井戸構造のポテ
ンシャルにおける電子の量子波の反射と、多重量子井戸
の伝導帯を示すポテンシャルの周期との関係を示したも
のである。図４の（ａ）〜（ｄ）は、伝播する電子の量
子波の波長の１／４の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周
期的に形成された多重層を用いたときの関係を示し、図
４の（ｅ）〜（ｈ）は、伝播する電子の量子波の波長の
１／２の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成さ
れた多重層を用いたときの関係を示している。図４の
（ａ）〜（ｈ）では、各層の厚さを等しくしているが、
これは視覚的な理解を助けるためのものである。いま、
第２層Ｂの伝導帯の底付近にある電子が、図４の（ａ）
及び（ｅ）上左から右に流れ、図４の（ｂ）或いは
（ｆ）のように、第１層Ｗとの界面に到達するとする。
る。図４の（ａ）〜（ｈ）は、多重量子井戸構造のポテ
ンシャルにおける電子の量子波の反射と、多重量子井戸
の伝導帯を示すポテンシャルの周期との関係を示したも
のである。図４の（ａ）〜（ｄ）は、伝播する電子の量
子波の波長の１／４の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周
期的に形成された多重層を用いたときの関係を示し、図
４の（ｅ）〜（ｈ）は、伝播する電子の量子波の波長の
１／２の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成さ
れた多重層を用いたときの関係を示している。図４の
（ａ）〜（ｈ）では、各層の厚さを等しくしているが、
これは視覚的な理解を助けるためのものである。いま、
第２層Ｂの伝導帯の底付近にある電子が、図４の（ａ）
及び（ｅ）上左から右に流れ、図４の（ｂ）或いは
（ｆ）のように、第１層Ｗとの界面に到達するとする。
【００２２】図４の（ａ）のように、伝播する電子の量
子波の波長の１／４の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周
期的に形成された多重量子井戸に、電子の量子波が第２
層Ｂから第１層Ｗとの界面に到達すると、図４の（ｃ）
のように、入射波ＱＷ１に対し、透過波ＱＷ２と、透過
波ＱＷ２と同位相の反射波ＱＷ３が生じる。次に、図４
の（ｄ）のように、透過波ＱＷ２が第１層Ｗから第２層
Ｂとの界面に到達すると、透過波ＱＷ４と、透過波ＱＷ
４と逆位相の反射波ＱＷ５が生じる。界面での透過波と
反射波の位相のこれらの関係は、界面での伝導帯のポテ
ンシャルが下がるか、上がるかの違いによるものであ
る。また、やはり視覚的な理解を助けるため、ＱＷ１、
ＱＷ２、ＱＷ３、ＱＷ４、ＱＷ５はすべて同振幅で図示
してある。
子波の波長の１／４の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周
期的に形成された多重量子井戸に、電子の量子波が第２
層Ｂから第１層Ｗとの界面に到達すると、図４の（ｃ）
のように、入射波ＱＷ１に対し、透過波ＱＷ２と、透過
波ＱＷ２と同位相の反射波ＱＷ３が生じる。次に、図４
の（ｄ）のように、透過波ＱＷ２が第１層Ｗから第２層
Ｂとの界面に到達すると、透過波ＱＷ４と、透過波ＱＷ
４と逆位相の反射波ＱＷ５が生じる。界面での透過波と
反射波の位相のこれらの関係は、界面での伝導帯のポテ
ンシャルが下がるか、上がるかの違いによるものであ
る。また、やはり視覚的な理解を助けるため、ＱＷ１、
ＱＷ２、ＱＷ３、ＱＷ４、ＱＷ５はすべて同振幅で図示
してある。
【００２３】さて、図４の（ａ）のような、伝播する電
子の量子波の波長の１／４の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗ
とが周期的に形成された多重量子井戸においては、ＱＷ
１、ＱＷ２、ＱＷ４で構成される図上左から右へ伝播す
る電子の量子波と、２つの界面での反射による反射波Ｑ
Ｗ３、ＱＷ５で構成される図上右から左へ伝播する電子
の量子波は、互いに打ち消しあう関係にあることがわか
る（図４の（ｄ））。ここから、図４の（ａ）のよう
な、伝播する電子の量子波の波長の１／４の奇数倍厚さ
の第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重量子
井戸においては、電子の量子波を打ち消す、即ち電子を
伝播しない反射層として作用することが理解できる。
子の量子波の波長の１／４の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗ
とが周期的に形成された多重量子井戸においては、ＱＷ
１、ＱＷ２、ＱＷ４で構成される図上左から右へ伝播す
る電子の量子波と、２つの界面での反射による反射波Ｑ
Ｗ３、ＱＷ５で構成される図上右から左へ伝播する電子
の量子波は、互いに打ち消しあう関係にあることがわか
る（図４の（ｄ））。ここから、図４の（ａ）のよう
な、伝播する電子の量子波の波長の１／４の奇数倍厚さ
の第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重量子
井戸においては、電子の量子波を打ち消す、即ち電子を
伝播しない反射層として作用することが理解できる。
【００２４】同様の議論で、図４の（ｅ）〜（ｈ）に示
すように、伝播する電子の量子波の波長の１／４の偶数
倍の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された
多重量子井戸においては、電子の量子波を定在波とする
ことが理解できる。
すように、伝播する電子の量子波の波長の１／４の偶数
倍の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された
多重量子井戸においては、電子の量子波を定在波とする
ことが理解できる。
【００２５】即ち、図４の（ｅ）のような、伝播する電
子の量子波の波長の１／２の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗ
とが周期的に形成された多重量子井戸に電子の量子波が
第２層Ｂから第１層Ｗとの界面に到達すると、図４の
（ｇ）のように、入射波ＱＷ１に対し、透過波ＱＷ２
と、透過波ＱＷ２と同位相の反射波ＱＷ３が生じる。次
に図４の（ｈ）のように、透過波ＱＷ２が第１層Ｗから
次の第２層Ｂとの界面に到達すると、透過波ＱＷ４と、
透過波ＱＷ４と逆位相の反射波ＱＷ５が生じる。図４の
（ｅ）のような、伝播する電子の量子波の波長の１／２
の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多
重量子井戸においては、ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ４で構成
される図上左から右へ伝播する電子の量子波と、第２の
界面での反射による反射波ＱＷ５で構成される図上右か
ら左へ伝播する電子の量子波は、互いに強めあう関係に
あることがわかる（図４の（ｈ））。また逆に、反射波
ＱＷ３とＱＷ５が打ち消しあい、ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ
４で構成される図４の（ｅ）上左から右へ伝播する電子
の量子波が定在波となるとも理解できる。ここから、伝
播する電子の量子波の波長の１／４の偶数倍の厚さの第
２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重量子井戸
においては、電子の量子波を定在波とする、即ち電子に
対して高透過性（高移動度）となる透過層として作用す
ることが理解できる。
子の量子波の波長の１／２の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗ
とが周期的に形成された多重量子井戸に電子の量子波が
第２層Ｂから第１層Ｗとの界面に到達すると、図４の
（ｇ）のように、入射波ＱＷ１に対し、透過波ＱＷ２
と、透過波ＱＷ２と同位相の反射波ＱＷ３が生じる。次
に図４の（ｈ）のように、透過波ＱＷ２が第１層Ｗから
次の第２層Ｂとの界面に到達すると、透過波ＱＷ４と、
透過波ＱＷ４と逆位相の反射波ＱＷ５が生じる。図４の
（ｅ）のような、伝播する電子の量子波の波長の１／２
の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多
重量子井戸においては、ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ４で構成
される図上左から右へ伝播する電子の量子波と、第２の
界面での反射による反射波ＱＷ５で構成される図上右か
ら左へ伝播する電子の量子波は、互いに強めあう関係に
あることがわかる（図４の（ｈ））。また逆に、反射波
ＱＷ３とＱＷ５が打ち消しあい、ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ
４で構成される図４の（ｅ）上左から右へ伝播する電子
の量子波が定在波となるとも理解できる。ここから、伝
播する電子の量子波の波長の１／４の偶数倍の厚さの第
２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重量子井戸
においては、電子の量子波を定在波とする、即ち電子に
対して高透過性（高移動度）となる透過層として作用す
ることが理解できる。
【００２６】全く同様の議論が、正孔と、正孔の量子波
の波長の１／２の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的
に形成された多重量子井戸構造についても明らかに成り
立つ。
の波長の１／２の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的
に形成された多重量子井戸構造についても明らかに成り
立つ。
【００２７】上記のキャリアの透過機能を有する量子波
干渉層は、０Ｖから所定の（わずかな）バイアス電圧ま
でキャリアを高透過せず、所定の（わずかな）バイアス
電圧で高透過するので、光受光素子をｎ層だけ、又は、
ｐ層だけで形成し、上記の量子波干渉層とキャリア閉込
層を、ｎ層又はｐ層に形成しても良い。同様に、ｐｎ接
合の受光素子を形成し、そのｎ層、ｐ層に形成しても良
い。
干渉層は、０Ｖから所定の（わずかな）バイアス電圧ま
でキャリアを高透過せず、所定の（わずかな）バイアス
電圧で高透過するので、光受光素子をｎ層だけ、又は、
ｐ層だけで形成し、上記の量子波干渉層とキャリア閉込
層を、ｎ層又はｐ層に形成しても良い。同様に、ｐｎ接
合の受光素子を形成し、そのｎ層、ｐ層に形成しても良
い。
【００２８】〔請求項４の発明〕請求項４の発明は、図
５に示すように、第１層Ｗと第１層Ｗよりもバンド幅の
広い第２層Ｂとの多重周期から量子波干渉層を次のよう
に形成したことを特徴とする。 第１層Ｗ、第２層Ｂ
を、それぞれ、厚さＤWk，ＤBkで任意周期Ｔkだけ繰り
返して部分量子波干渉層Ｉkとする。但し、
５に示すように、第１層Ｗと第１層Ｗよりもバンド幅の
広い第２層Ｂとの多重周期から量子波干渉層を次のよう
に形成したことを特徴とする。 第１層Ｗ、第２層Ｂ
を、それぞれ、厚さＤWk，ＤBkで任意周期Ｔkだけ繰り
返して部分量子波干渉層Ｉkとする。但し、
【数８】 ＤWk＝ｎWkλWk／４＝ｎWkｈ／４[２ｍWk(Ｅk＋Ｖ)]1/2 …（８）
【数９】 ＤBk＝ｎBkλBk／４＝ｎBkｈ／４(２ｍBkＥk)1/2 …（９） ここで、Ｅkは第２層を伝導するキャリアの運動エネル
ギの複数の異なる値、ｍWkは第１層における運動エネル
ギＥk＋Ｖを有するキャリアの有効質量、ｍBkは第２層
における運動エネルギＥkを有するキャリアの有効質
量、ｎWk、ｎBkは任意の偶数である。このように形成さ
れた部分量子波干渉層ＩkをＩ1,…,Ｉjと、ｋの最大値
ｊだけ直列接続して量子波干渉層が形成される。この運
動エネルギＥkの離散間隔を狭くすれば、連続したある
エネルギ範囲にあるキャリアを高透過（高移動度）させ
ることができる。
ギの複数の異なる値、ｍWkは第１層における運動エネル
ギＥk＋Ｖを有するキャリアの有効質量、ｍBkは第２層
における運動エネルギＥkを有するキャリアの有効質
量、ｎWk、ｎBkは任意の偶数である。このように形成さ
れた部分量子波干渉層ＩkをＩ1,…,Ｉjと、ｋの最大値
ｊだけ直列接続して量子波干渉層が形成される。この運
動エネルギＥkの離散間隔を狭くすれば、連続したある
エネルギ範囲にあるキャリアを高透過（高移動度）させ
ることができる。
【００２９】〔請求項５、６〕請求項５は、キャリア閉
込層のバンド幅を第１層のバンド幅に等しくしている。
又、請求項６はそのキャリア閉込層の厚さをその層の量
子波の波長λWとしている。これにより、光励起された
キャリアの閉込（蓄積）を効果的に行うとともに、順方
向電圧により、隣接する量子波干渉層とともにキャリア
の高透過層（高移動度層）に変化し、量子波干渉効果を
更に大きくすることができる。
込層のバンド幅を第１層のバンド幅に等しくしている。
又、請求項６はそのキャリア閉込層の厚さをその層の量
子波の波長λWとしている。これにより、光励起された
キャリアの閉込（蓄積）を効果的に行うとともに、順方
向電圧により、隣接する量子波干渉層とともにキャリア
の高透過層（高移動度層）に変化し、量子波干渉効果を
更に大きくすることができる。
【００３０】〔請求項７〕図６に示すように、第１層Ｗ
と第２層Ｂとの境界において、エネルギバンドを急変さ
せる厚さが第１層Ｗ、第２層Ｂに比べて十分に薄いδ層
を設けても良い。この効果としては、製造技術上の問題
から生じる層間のバンドギャップを急峻にするためと考
えられる。これを図７に示す。δ層を形成しないとき、
図７（ａ）の如くバンドを形成しようとしても、積層時
に第１層Ｗと第２層Ｂの成分が層間で一部混合し、急峻
なバンドギャップが得られない（図７（ｂ））。しか
し、図７（ｃ）の如く層間にδ層を形成するときは、成
分が層間で一部混合したとしても、δ層を形成しないと
きに比較し、急峻なバンドギャップが得られるものと考
えられる（図７（ｄ））。
と第２層Ｂとの境界において、エネルギバンドを急変さ
せる厚さが第１層Ｗ、第２層Ｂに比べて十分に薄いδ層
を設けても良い。この効果としては、製造技術上の問題
から生じる層間のバンドギャップを急峻にするためと考
えられる。これを図７に示す。δ層を形成しないとき、
図７（ａ）の如くバンドを形成しようとしても、積層時
に第１層Ｗと第２層Ｂの成分が層間で一部混合し、急峻
なバンドギャップが得られない（図７（ｂ））。しか
し、図７（ｃ）の如く層間にδ層を形成するときは、成
分が層間で一部混合したとしても、δ層を形成しないと
きに比較し、急峻なバンドギャップが得られるものと考
えられる（図７（ｄ））。
【００３１】このδ層は、図６（ａ）に示すように、各
第１層Ｗの両側の境界に設けられているが、片側の境界
だけに設けても良い。又、δ層は、図６（ａ）に示すよ
うに、境界に第２層Ｂのバンドの底よりもさらに高い底
を有するバンドが形成されるように設けているが、図６
（ｂ）に示すように、境界に第１層Ｗの底よりもさらに
低い底を有するバンドを有するように形成しても良い。
さらに、図６（ｃ）に示すように、境界に第２層Ｂより
も高いエネルギレベルを有し第１層Ｗよりも低いエネル
ギレベルを有する２つのδ層を形成しても良い。更に、
前述の通り、図６（ｃ）で各層の両側の境界に設けられ
ているδ層は、図６（ｄ）に示すように、片側の境界だ
けに設けても良い。
第１層Ｗの両側の境界に設けられているが、片側の境界
だけに設けても良い。又、δ層は、図６（ａ）に示すよ
うに、境界に第２層Ｂのバンドの底よりもさらに高い底
を有するバンドが形成されるように設けているが、図６
（ｂ）に示すように、境界に第１層Ｗの底よりもさらに
低い底を有するバンドを有するように形成しても良い。
さらに、図６（ｃ）に示すように、境界に第２層Ｂより
も高いエネルギレベルを有し第１層Ｗよりも低いエネル
ギレベルを有する２つのδ層を形成しても良い。更に、
前述の通り、図６（ｃ）で各層の両側の境界に設けられ
ているδ層は、図６（ｄ）に示すように、片側の境界だ
けに設けても良い。
【００３２】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。
【００３３】〔第１実施例〕図８は量子波干渉層をｉ層
に形成したｐｉｎ受光素子の断面図である。GaAsから成
る基板１０の上に、n-GaAsから成る厚さ0.3μm、電子濃
度2×1018/cm3のバッファ層１２が形成され、その上にn
-Ga0.51In0.49Pから成る厚さ0.13μm、電子濃度2×1018
/cm3のｎ形コンタクト層１４が形成されている。ｎ形コ
ンタクト層１４の上には、n-Al0.51In0.49Pから成る厚
さ0.43μm、電子濃度1×1018/cm3のｎ層１６が形成され
ている。そのｎ層１６の上には、不純物無添加のｉ層１
８が形成され、そのｉ層１８の上にはAl0.51In0.49Pか
ら成る厚さ0.43μm、正孔濃度1×1018/cm3のｐ層２０が
形成されている。さらに、そのｐ層２０の上にp-Ga0.5 1
In0.49Pから成る厚さ0.13μm、正孔濃度2×1018/cm3の
第２ｐ形コンタクト層２２とp-GaAsから成る厚さ0.06μ
m、正孔濃度2×1018/cm3の第１ｐ形コンタクト層２４が
形成されている。さらに、基板１０の裏面には厚さ0.2
μmのAu/Geから成る電極２６が形成され、第１ｐ形コン
タクト層２６の上には厚さ0.2μmのAu/Znから成る電極
２８が形成されている。
に形成したｐｉｎ受光素子の断面図である。GaAsから成
る基板１０の上に、n-GaAsから成る厚さ0.3μm、電子濃
度2×1018/cm3のバッファ層１２が形成され、その上にn
-Ga0.51In0.49Pから成る厚さ0.13μm、電子濃度2×1018
/cm3のｎ形コンタクト層１４が形成されている。ｎ形コ
ンタクト層１４の上には、n-Al0.51In0.49Pから成る厚
さ0.43μm、電子濃度1×1018/cm3のｎ層１６が形成され
ている。そのｎ層１６の上には、不純物無添加のｉ層１
８が形成され、そのｉ層１８の上にはAl0.51In0.49Pか
ら成る厚さ0.43μm、正孔濃度1×1018/cm3のｐ層２０が
形成されている。さらに、そのｐ層２０の上にp-Ga0.5 1
In0.49Pから成る厚さ0.13μm、正孔濃度2×1018/cm3の
第２ｐ形コンタクト層２２とp-GaAsから成る厚さ0.06μ
m、正孔濃度2×1018/cm3の第１ｐ形コンタクト層２４が
形成されている。さらに、基板１０の裏面には厚さ0.2
μmのAu/Geから成る電極２６が形成され、第１ｐ形コン
タクト層２６の上には厚さ0.2μmのAu/Znから成る電極
２８が形成されている。
【００３４】上記のｉ層１８の中に、不純物無添加のGa
0.51In0.49Pから成る第１層Ｗと不純物無添加のAl0.51I
n0.49Pから成る第２層Ｂを１０周期多重化した量子波干
渉層Ｑ1、これと同様な構成の量子波干渉層Ｑ2,Ｑ3,Ｑ4
と全体で４組設けられている。１つの量子波干渉層Ｑ1
の詳細なバンド構造が図６の（ａ）に示されている。第
１層Ｗの厚さは10nm、第２層Ｂの厚さは14nmであり、第
２層Ｂと第１層Ｗとの間には厚さ1.3nmの不純物無添加
のAl0.33Ga0.33In0.33Pから成るδ層が形成されてい
る。又、各量子波干渉層Ｑi，Ｑi+1間には厚さ20nm、不
純物無添加のGa0. 51In0.49Pから成るキャリア閉込層Ｃi
が形成されている。第２層Ｂと第１層Ｗの厚さの条件
は、外部電圧が印加されていない状態で、上記した
（１）、（２）式で決定されている。
0.51In0.49Pから成る第１層Ｗと不純物無添加のAl0.51I
n0.49Pから成る第２層Ｂを１０周期多重化した量子波干
渉層Ｑ1、これと同様な構成の量子波干渉層Ｑ2,Ｑ3,Ｑ4
と全体で４組設けられている。１つの量子波干渉層Ｑ1
の詳細なバンド構造が図６の（ａ）に示されている。第
１層Ｗの厚さは10nm、第２層Ｂの厚さは14nmであり、第
２層Ｂと第１層Ｗとの間には厚さ1.3nmの不純物無添加
のAl0.33Ga0.33In0.33Pから成るδ層が形成されてい
る。又、各量子波干渉層Ｑi，Ｑi+1間には厚さ20nm、不
純物無添加のGa0. 51In0.49Pから成るキャリア閉込層Ｃi
が形成されている。第２層Ｂと第１層Ｗの厚さの条件
は、外部電圧が印加されていない状態で、上記した
（１）、（２）式で決定されている。
【００３５】尚、ｐ層２０又はｎ層１６に接合する第２
層Ｂは10nmである。又、基板１０は、２インチ径の大き
さであり、基板の主面は面方位(100)に対して15°方位
[011]方向にオフセットしている。
層Ｂは10nmである。又、基板１０は、２インチ径の大き
さであり、基板の主面は面方位(100)に対して15°方位
[011]方向にオフセットしている。
【００３６】この受光素子は、ガスソースＭＢＥ法によ
り製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶のエレメン
ト材料全てを固体ソースから供給する従来形のＭＢＥ法
とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(AsH3,PH3)
の熱分解により供給し、III族エレメント(In,Ga,Al)は
固体ソースから供給する超高真空下の分子線結晶成長法
である。なお、有機金属ガス気相成長法（ＭＯＣＶＤ）
を用いることもできる。
り製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶のエレメン
ト材料全てを固体ソースから供給する従来形のＭＢＥ法
とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(AsH3,PH3)
の熱分解により供給し、III族エレメント(In,Ga,Al)は
固体ソースから供給する超高真空下の分子線結晶成長法
である。なお、有機金属ガス気相成長法（ＭＯＣＶＤ）
を用いることもできる。
【００３７】上記の構成の受光素子において、ｐ層２０
とｎ層１６との間に順方向に電圧Ｖを増加させて行く
と、図１に示すように、ｉ層１８のバンドの傾斜が平坦
となる電位が存在する。キャリア閉込層Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3
の存在により、キャリア閉込層Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3にキャリ
アが蓄積されていない場合には量子波干渉層Ｑ1〜Ｑ4に
おいて電子に対して透過条件が成立していない。
とｎ層１６との間に順方向に電圧Ｖを増加させて行く
と、図１に示すように、ｉ層１８のバンドの傾斜が平坦
となる電位が存在する。キャリア閉込層Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3
の存在により、キャリア閉込層Ｃ1，Ｃ2，Ｃ3にキャリ
アが蓄積されていない場合には量子波干渉層Ｑ1〜Ｑ4に
おいて電子に対して透過条件が成立していない。
【００３８】次に、キャリア閉込層Ｃ1〜Ｃ3のバンド幅
に共鳴したエネルギの光が入射すると、このキャリア閉
込層Ｃ1〜Ｃ3に電子が励起される。このキャリア閉込層
Ｃ1〜Ｃ3における電子濃度が高くなり、第２層Ｂの伝導
帯の底付近以上の電子が多く存在するようになると、ｎ
層１６の電子が隣のキャリア閉込層Ｃ1に伝導し、キャ
リア閉込層Ｃ1の電子は隣のキャリア閉込層Ｃ2に伝導す
る。このようにして、電子は各キャリア閉込層Ｃiを介
在させて、各量子波干渉層中は電子の波としての性質に
より高速に伝導すると考えられる。このようにして、光
励起により電子は高速にｎ層１６からｐ層２０へと伝導
すると考えられる。
に共鳴したエネルギの光が入射すると、このキャリア閉
込層Ｃ1〜Ｃ3に電子が励起される。このキャリア閉込層
Ｃ1〜Ｃ3における電子濃度が高くなり、第２層Ｂの伝導
帯の底付近以上の電子が多く存在するようになると、ｎ
層１６の電子が隣のキャリア閉込層Ｃ1に伝導し、キャ
リア閉込層Ｃ1の電子は隣のキャリア閉込層Ｃ2に伝導す
る。このようにして、電子は各キャリア閉込層Ｃiを介
在させて、各量子波干渉層中は電子の波としての性質に
より高速に伝導すると考えられる。このようにして、光
励起により電子は高速にｎ層１６からｐ層２０へと伝導
すると考えられる。
【００３９】尚、この光受光素子は、キャリア閉込層Ｃ
1〜Ｃ3に励起される電子がｎ層１６からｐ層２０への電
子の伝導に対してゲートスイッチの機能を有しているの
で、光電気変換効率が高い。さらに、キャリア閉込層Ｃ
1〜Ｃ3に電子が励起されていない場合には、量子波干渉
層Ｑ1〜Ｑ4は電子に対して透過条件が満たされていない
が、キャリア閉込層Ｃ1〜Ｃ3に電子が励起された場合に
のみ、電子の透過条件が満たされるようになり、量子波
干渉層Ｑ1〜Ｑ4を電子は量子波として伝導すると考えら
れるため、スイッチング速度も高速になると思われる。
1〜Ｃ3に励起される電子がｎ層１６からｐ層２０への電
子の伝導に対してゲートスイッチの機能を有しているの
で、光電気変換効率が高い。さらに、キャリア閉込層Ｃ
1〜Ｃ3に電子が励起されていない場合には、量子波干渉
層Ｑ1〜Ｑ4は電子に対して透過条件が満たされていない
が、キャリア閉込層Ｃ1〜Ｃ3に電子が励起された場合に
のみ、電子の透過条件が満たされるようになり、量子波
干渉層Ｑ1〜Ｑ4を電子は量子波として伝導すると考えら
れるため、スイッチング速度も高速になると思われる。
【００４０】この光受光素子のＶ−Ｉ特性を測定した。
図９に示すように、光を照射した場合には、わずかな順
方向電圧により、10-10〜10-7Aまで電流が立ち上がり、
0.8Vの順方向電圧により、電流は10-5Aまで急峻に増加
しているのが分かる。それに対して、暗電流は量子波干
渉層による電子の透過作用の影響が少なく、順方向電圧
を印加しても小さい値に抑制されている。尚、光電流の
暗電流に対する比は、順方向電圧が1.2V以下の範囲で１
００倍程度、1.5V付近でも１０倍程度あることが理解さ
れる。尚、ｉ層１８の電位を平坦にする順方向電圧は0.
5Vと考えられるが、この0.5Vの電圧で、光電流は約1×1
0-5Aとなっているのが分かる。
図９に示すように、光を照射した場合には、わずかな順
方向電圧により、10-10〜10-7Aまで電流が立ち上がり、
0.8Vの順方向電圧により、電流は10-5Aまで急峻に増加
しているのが分かる。それに対して、暗電流は量子波干
渉層による電子の透過作用の影響が少なく、順方向電圧
を印加しても小さい値に抑制されている。尚、光電流の
暗電流に対する比は、順方向電圧が1.2V以下の範囲で１
００倍程度、1.5V付近でも１０倍程度あることが理解さ
れる。尚、ｉ層１８の電位を平坦にする順方向電圧は0.
5Vと考えられるが、この0.5Vの電圧で、光電流は約1×1
0-5Aとなっているのが分かる。
【００４１】〔比較例〕比較のため、上記と同様な受光
素子のｉ層に形成した量子波干渉層を以下のように形成
したものを作製した。即ち、ｉ層１８は、Ga0.51In0.49
Pから成る厚さ5nmの第１層ＷとAl0.51In0.49Pから成る
厚さ7nmの第２層Ｂと第１層Ｗの両側に形成された厚さ
1.3nmの不純物無添加のAl0.33Ga0.33In0.33Pから成るδ
層とを１組として１０周期繰り返された量子波干渉層Ｑ
1と、これと同一構造の量子波干渉層Ｑ2,…,Ｑ4とを合
わせて、全体で４組設けた。１つの量子波干渉層Ｑ1の
詳細なバンド構造は図６（ａ）に示すものと同様であ
る。又、各量子波干渉層Ｑi,Ｑ i+1間には厚さ20nm、不
純物無添加のGa0.51In0.49Pから成るキャリア閉込層Ｃ1
〜Ｃ3が形成されている。第２層Ｂと第１層Ｗの厚さの
条件は、電極２８と電極２６間に順方向電圧を印加し
て、ｉ層１８に電位傾斜がない状態において上記した
（１）、（２）式で、ｎW、ｎBを１（奇数）として決定
したものである。これは本発明者らが、本発明のキャリ
ア透過層に対し、逆の働きを持つキャリア反射層と考え
ているものである。これはすでに図４（ａ）乃至（ｄ）
を用いて説明したものに相当する。尚、ｎ層１６又はｐ
層２０に接合する第２層Ｂは0.05μmとした。
素子のｉ層に形成した量子波干渉層を以下のように形成
したものを作製した。即ち、ｉ層１８は、Ga0.51In0.49
Pから成る厚さ5nmの第１層ＷとAl0.51In0.49Pから成る
厚さ7nmの第２層Ｂと第１層Ｗの両側に形成された厚さ
1.3nmの不純物無添加のAl0.33Ga0.33In0.33Pから成るδ
層とを１組として１０周期繰り返された量子波干渉層Ｑ
1と、これと同一構造の量子波干渉層Ｑ2,…,Ｑ4とを合
わせて、全体で４組設けた。１つの量子波干渉層Ｑ1の
詳細なバンド構造は図６（ａ）に示すものと同様であ
る。又、各量子波干渉層Ｑi,Ｑ i+1間には厚さ20nm、不
純物無添加のGa0.51In0.49Pから成るキャリア閉込層Ｃ1
〜Ｃ3が形成されている。第２層Ｂと第１層Ｗの厚さの
条件は、電極２８と電極２６間に順方向電圧を印加し
て、ｉ層１８に電位傾斜がない状態において上記した
（１）、（２）式で、ｎW、ｎBを１（奇数）として決定
したものである。これは本発明者らが、本発明のキャリ
ア透過層に対し、逆の働きを持つキャリア反射層と考え
ているものである。これはすでに図４（ａ）乃至（ｄ）
を用いて説明したものに相当する。尚、ｎ層１６又はｐ
層２０に接合する第２層Ｂは0.05μmとした。
【００４２】この光受光素子のＶ−Ｉ特性を測定した。
図１０に示す。光を照射した場合には、0.2Vの順方向電
圧により、電流は４桁程急峻に増加しているが、その値
は10 -7Aと、図９に示す上記実施例の10-5Aに比して小さ
い。また、図１０の比較例は、微電圧では電流は全く流
れないが、図９に示す上記実施例ではわずかな順方向電
圧で電流が生じている。
図１０に示す。光を照射した場合には、0.2Vの順方向電
圧により、電流は４桁程急峻に増加しているが、その値
は10 -7Aと、図９に示す上記実施例の10-5Aに比して小さ
い。また、図１０の比較例は、微電圧では電流は全く流
れないが、図９に示す上記実施例ではわずかな順方向電
圧で電流が生じている。
【００４３】上記実施例とこの比較例とを検討すると、
光電流と暗電流とでのＶ−Ｉ特性の差、本発明にかかる
実施例と比較例とでのＶ−Ｉ特性の差が生ずるのは、単
に多重量子井戸構造にしたがためではなく、多重量子井
戸構造の各層の膜厚に大きく依存しているためと理解で
きる。このように、本発明によれば、キャリアを高速に
移動させるキャリア透過層となる多重量子井戸構造の量
子波干渉層を提供できることがわかった。
光電流と暗電流とでのＶ−Ｉ特性の差、本発明にかかる
実施例と比較例とでのＶ−Ｉ特性の差が生ずるのは、単
に多重量子井戸構造にしたがためではなく、多重量子井
戸構造の各層の膜厚に大きく依存しているためと理解で
きる。このように、本発明によれば、キャリアを高速に
移動させるキャリア透過層となる多重量子井戸構造の量
子波干渉層を提供できることがわかった。
【００４４】又、上記実施例では、Ｑ1〜Ｑ4の４つの量
子波干渉層をキャリア閉込層Ｃ1〜Ｃ3を介在させて直列
に接続したが、本発明はこれら量子波干渉層とキャリア
閉込層の数には限定されない。少なくとも量子波干渉層
Ｑ1，キャリア閉込層Ｃ1，量子波干渉層Ｑ2の様に、１
組形成されていれば良い。
子波干渉層をキャリア閉込層Ｃ1〜Ｃ3を介在させて直列
に接続したが、本発明はこれら量子波干渉層とキャリア
閉込層の数には限定されない。少なくとも量子波干渉層
Ｑ1，キャリア閉込層Ｃ1，量子波干渉層Ｑ2の様に、１
組形成されていれば良い。
【００４５】上記の実施例の受光素子は、電子の波動的
性質を用いたものである。よって電子／正孔透過層にお
ける電子／正孔の移動速度は波の伝搬速度となり、高速
応答が実現できるとともに、使用帯域を拡大できる。上
記実施例では、δ層を形成している。このδ層によりポ
テンシャル界面でのバンドギャップエネルギの変化を急
峻とし、量子波干渉効果（高透過）を著しく向上させる
ことができる。効果は低下するもののδ層がない多重量
子井戸構造でも良い。又、上記実施例では、量子波干渉
層をGa0.51In0.49PとAl0.51In0.49Pとの多重層で構成
し、δ層をAl0.33Ga0.33In0.33Pで構成したが、多重層
を構成する第１層及び第２層、並びにδ層は、４元系の
AlxGayIn1-x-yP或いはAlxGayIn1-x-yAs(0≦x,y,x+y≦1
の任意の値)で組成比を異にして形成しても良い。
性質を用いたものである。よって電子／正孔透過層にお
ける電子／正孔の移動速度は波の伝搬速度となり、高速
応答が実現できるとともに、使用帯域を拡大できる。上
記実施例では、δ層を形成している。このδ層によりポ
テンシャル界面でのバンドギャップエネルギの変化を急
峻とし、量子波干渉効果（高透過）を著しく向上させる
ことができる。効果は低下するもののδ層がない多重量
子井戸構造でも良い。又、上記実施例では、量子波干渉
層をGa0.51In0.49PとAl0.51In0.49Pとの多重層で構成
し、δ層をAl0.33Ga0.33In0.33Pで構成したが、多重層
を構成する第１層及び第２層、並びにδ層は、４元系の
AlxGayIn1-x-yP或いはAlxGayIn1-x-yAs(0≦x,y,x+y≦1
の任意の値)で組成比を異にして形成しても良い。
【００４６】さらに、量子波干渉層は、他のIII族-V族
化合物半導体、II族-VI族化合物半導体、Si/Ge、その他
の異種半導体の多重接合で構成することが可能である。
具体的には下記のような組み合わせが望ましい。尚、バ
ンド幅の広い層／バンド幅の狭い層／／基板を意味し、
x、yは明記していない場合は、それぞれ0＜x,y＜1の任
意の値である。 ＜1＞ AlxIn1-xP／GayIn1-yP／／GaAs ＜2＞ AlxGa1-xAs／GaAs／／GaAs ＜3＞ GaxIn1-xP／InP／／InP ＜4＞ GaxIn1-xP／GayIn1-yAs／／GaAs ＜5＞ AlAs／AlxGa1-xAs／／GaAs 0.8≦x≦0.9 ＜6＞ InP／GaxIn1-xAsyP1-y／／GaAs ＜7＞ Si／SiGex／／任意 0.1≦x≦0.3 ＜8＞ Si／SiGexCy／／任意 0.1≦x≦0.3, 0＜y≦0.1 ＜9＞ Alx1Gay1In1-x1-y1N／Alx2Gay2In1-x2-y2N／／Si,SiC,GaN,サファイア 0≦x1,x2,y1,y2,x1+y1,x2+y2≦1 ＜10＞ Alx1Gay1In1-x1-y1Nx2Py2As1-x2-y2 ／Alx3Gay3In1-x3-y3Nx4Py4As1-x4-y4／／任意 0≦x1,x3,y1,y3,x1+y1,x3+y3≦1, 0＜x2,x4＜1, 0≦y2,y4,x2+y2,x4+y4≦1
化合物半導体、II族-VI族化合物半導体、Si/Ge、その他
の異種半導体の多重接合で構成することが可能である。
具体的には下記のような組み合わせが望ましい。尚、バ
ンド幅の広い層／バンド幅の狭い層／／基板を意味し、
x、yは明記していない場合は、それぞれ0＜x,y＜1の任
意の値である。 ＜1＞ AlxIn1-xP／GayIn1-yP／／GaAs ＜2＞ AlxGa1-xAs／GaAs／／GaAs ＜3＞ GaxIn1-xP／InP／／InP ＜4＞ GaxIn1-xP／GayIn1-yAs／／GaAs ＜5＞ AlAs／AlxGa1-xAs／／GaAs 0.8≦x≦0.9 ＜6＞ InP／GaxIn1-xAsyP1-y／／GaAs ＜7＞ Si／SiGex／／任意 0.1≦x≦0.3 ＜8＞ Si／SiGexCy／／任意 0.1≦x≦0.3, 0＜y≦0.1 ＜9＞ Alx1Gay1In1-x1-y1N／Alx2Gay2In1-x2-y2N／／Si,SiC,GaN,サファイア 0≦x1,x2,y1,y2,x1+y1,x2+y2≦1 ＜10＞ Alx1Gay1In1-x1-y1Nx2Py2As1-x2-y2 ／Alx3Gay3In1-x3-y3Nx4Py4As1-x4-y4／／任意 0≦x1,x3,y1,y3,x1+y1,x3+y3≦1, 0＜x2,x4＜1, 0≦y2,y4,x2+y2,x4+y4≦1
【図１】本発明の概念を説明するための説明図。
【図２】本発明の理論を説明するための説明図。
【図３】第２層におけるキャリアの運動エネルギの第１
層における運動エネルギに対する比ｘに対する反射率Ｒ
の関係を示した特性図。
層における運動エネルギに対する比ｘに対する反射率Ｒ
の関係を示した特性図。
【図４】本発明の概念を説明するための説明図。
【図５】本発明の概念を説明するための説明図。
【図６】本発明の概念を説明するための説明図。
【図７】本発明の概念を説明するための説明図。
【図８】本発明の実施例に係る受光素子の構造を示した
断面図。
断面図。
【図９】その受光素子における光の非照射時、照射時の
Ｖ−Ｉ特性の測定図。
Ｖ−Ｉ特性の測定図。
【図１０】比較例の受光素子における光の非照射時、照
射時のＶ−Ｉ特性の測定図。
射時のＶ−Ｉ特性の測定図。
１０…基板 １２…バッファ層 １４…ｎ形コンタクト層 １６…ｎ層 １８…ｉ層 ２０…ｐ層 ２２…第２ｐ形コンタクト層 ２４…第１ｐ形コンタクト層 ２６，２８…電極 Ｑ1〜Ｑ4…量子波干渉層 Ｂ…第２層 Ｗ…第１層 Ｃ，Ｃ1〜Ｃ3…キャリア閉込層
Claims (10)
- 【請求項１】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有し、入力
光を電気に変換する受光素子において、 前記第１層と前記第２層の各層の厚さを、各層を伝導す
るキャリアの、各層における量子波の波長の４分の１の
偶数倍に設定した量子波干渉層を、前記第２層よりもバ
ンド幅の狭いキャリア閉込層を介在させて複数配設した
ことを特徴とする量子波干渉層を有した受光素子。 - 【請求項２】 前記量子波の波長を決定するための前記
キャリアの運動エネルギをキャリアが電子である場合に
は第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔である場合
には前記第２層の価電子帯の底付近に設定したことを特
徴とする請求項１に記載の量子波干渉層を有した受光素
子。 - 【請求項３】 前記第１層における前記量子波の波長λ
WはλW＝ｈ/[２ｍW（Ｅ＋Ｖ)]1/2で決定され、前記第２
層における前記量子波の波長λBはλB＝ｈ/(２ｍBＥ)
1/2で決定され、前記第１層の厚さＤWはＤW＝ｎWλW／
４、前記第２層の厚さＤBはＤB＝ｎBλB／４で決定され
る、但し、ｈはプランク定数、ｍWは第１層におけるキ
ャリアの有効質量、ｍBは第２層におけるキャリアの有
効質量、Ｅは第２層に流入されるキャリアの運動エネル
ギ、Ｖは第１層に対する第２層のバンド電位差、ｎW、
ｎBは偶数であることを特徴とする請求項１又は請求項
２に記載の量子波干渉層を有した受光素子。 - 【請求項４】 前記量子波干渉層は、前記第２層を伝導
するキャリアの運動エネルギを複数の異なる値Ｅk、前
記第１層におけるその各運動エネルギをＥk＋Ｖとし、
第２層、第１層の各エネルギに対応した各量子波長をλ
Bk，λWkとする時、第２層、第１層をｎBkλBk／４、ｎ
WkλWk／４の厚さで、Ｔk周期繰り返された部分量子波
干渉層Ｉkが前記値Ｅkの数だけ繰り返し形成された層、
但し、ｎWk、ｎBkは偶数、であることを特徴とする請求
項１又は請求項２に記載の量子波干渉層を有した受光素
子。 - 【請求項５】 前記キャリア閉込層のバンド幅は、前記
第１層のバンド幅に等しいことを特徴とする請求項１乃
至請求項４のいずれか１項に記載の量子波干渉層を有し
た受光素子。 - 【請求項６】 前記キャリア閉込層の厚さは、前記量子
波の波長λWであることを特徴とする請求項５に記載の
量子波干渉層を有した受光素子。 - 【請求項７】 前記第１層と前記第２層との境界には、
前記第１層と前記第２層の厚さに比べて充分に薄く、エ
ネルギバンドを急変させるδ層が設けられていることを
特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載
の量子波干渉層を有した受光素子。 - 【請求項８】 前記受光素子は、ｐｉｎ接合構造を有
し、前記量子波干渉層及び前記キャリア閉込層は、ｉ層
に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項
７のいずれか１項に記載の量子波干渉層を有した受光素
子。 - 【請求項９】 前記量子波干渉層及び前記キャリア閉込
層は、ｎ層、又は、ｐ層に形成されていることを特徴と
する請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の量子
波干渉層を有した受光素子。 - 【請求項１０】 前記受光素子は、ｐｎ接合構造を有す
ることを特徴とする請求項９に記載の量子波干渉層を有
した受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35997499A JP3544160B2 (ja) | 1998-12-17 | 1999-12-17 | 量子波干渉層を有した受光素子 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35893598 | 1998-12-17 | ||
| JP10-358935 | 1998-12-17 | ||
| JP35997499A JP3544160B2 (ja) | 1998-12-17 | 1999-12-17 | 量子波干渉層を有した受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000236109A true JP2000236109A (ja) | 2000-08-29 |
| JP3544160B2 JP3544160B2 (ja) | 2004-07-21 |
Family
ID=26580870
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35997499A Expired - Fee Related JP3544160B2 (ja) | 1998-12-17 | 1999-12-17 | 量子波干渉層を有した受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3544160B2 (ja) |
-
1999
- 1999-12-17 JP JP35997499A patent/JP3544160B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3544160B2 (ja) | 2004-07-21 |
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|---|---|---|---|
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