JP2000340827A - 光応答型トランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】新規な構成にて光に対して高速動作させるとと
もに感度性能を向上させることができる光応答型トラン
ジスタを提供する。 【解決手段】半絶縁性ＩｎＰ基板１１の上に、ｉ−Ｉｎ
_0.52Ａｌ_0.48Ａｓバッファ層１２、ｉ−Ｉｎ_0.80Ｇａ
_0.20Ａｓ電子蓄積層１３、ｉ−Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓゲ
ートコンタクト層１５、ｉ−Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ光吸
収用半導体層１６、ｉ−Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓゲートコ
ンタクト層１７、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓキャップ層１８
が積層されている。キャップ層１８の上面にはソース電
極２０およびドレイン電極２２がオーム特性を示すよう
に形成されている。ゲート電極１９はショットキー接合
をするようにキャップ層１８をエッチングによって削
り、Ｉｎ _0.52Ａｌ_0.48Ａｓゲートコンタクト層１７と接
触させている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光信号を電気信
号に変換するための光応答型トランジスタに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】光信号を電気信号に変換する半導体受光
能動素子として、従来よりＩｎＰ系のへテロ接合フォト
トランジスタが提案されている（特開平５一２７５７３
０号公報、特開平５一３０４１６５号公報、特開平５一
９５１３０号公報等）。この構造の一例を図１５に示
す。図１５において、ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ型のＩ
ｎＰまたはｎ型のＩｎＧａＡｓ層１０２、ｎ型のＩｎＧ
ａＡｓ層１０３、ｐ型のＩｎＧａＡｓ層１０４、ｎ型の
ＩｎＰもしくはＩｎＧａＡｓ層１０５が順に積層されて
いる。ｎ型のＩｎＧａＡｓ層１０３がトランジスタのコ
レクタ部となり、ＩｎＧａＡｓ層１０３の上面の一部に
コレクタ電極１０６が配置されている。また、ｐ型のＩ
ｎＧａＡｓ層１０４がトランジスタのべース部となり、
ＩｎＧａＡｓ層１０４の上面の一部にベース電極１０７
が配置されている。さらに、ｎ型のＩｎＰもしくはＩｎ
ＧａＡｓ層１０５がトランジスタのエミッタ部となり、
ＩｎＰもしくはＩｎＧａＡｓ層１０５の上面にエミッタ
電極１０８が配置されている。各電極１０６，１０７，
１０８はオーミック接触している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなバイポーラ型のフォトトランジスタではｐ型とｎ型
領域を形成するために、電子が走行する層における電子
の不純物散乱が大きく、バルク結晶の物性で決定される
キャリアの移動度が非常に小さくなってしまう。すなわ
ち、高速動作が制限されるという問題がある。さらに、
光吸収によって生じた電子とホールを光電流として外部
に取り出すために、その感度が小さいという問題があっ
た。

【０００４】そこで、この発明の目的は、新規な構成に
て光に対して高速動作させるとともに感度性能を向上さ
せることができる光応答型トランジスタを提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、基板の上に、電子移動度が高い半導体による電子蓄
積層および電子供給層が配置されるとともに、ゲートコ
ンタクト層にショットキー接合するゲート電極が配置さ
れ、ゲート電極への印加電圧によって前記電子蓄積層中
の電子数を制御する光応答型トランジスタであって、ゲ
ートコンタクト層の内部に、所定の光を吸収する光吸収
用半導体層を配置したことを特徴としている。また、請
求項４に記載の発明は、電子移動度が高い半導体による
電子蓄積層および電子供給層が配置されるとともに、ゲ
ートコンタクト層にショットキー接合するゲート電極が
配置され、ゲート電極への印加電圧によって前記電子蓄
積層中の電子数を制御する光応答型トランジスタであっ
て、ゲートコンタクト層の内部に、所定の光を吸収する
ための多重量子井戸構造の光吸収用多層膜を配置したこ
とを特徴としている。

【０００６】この請求項１または４に記載のようなへテ
ロ接合型フォトトランジスタは、電子供給層と電子蓄積
層が分離した高電子移動度トランジスタを受光素子とし
て用いており、電子蓄積層での不純物によるキャリアの
散乱が少ない。一般的に高電子移動度トランジスタでは
ゲート金属とのショットキー接合により生じる空乏層容
量をゲート電極に印加する電圧によって制御し、ドレイ
ン電流の変化として外部に電波信号を取り出している
が、例えば、ゲート電極に、ある周波数を持った電波信
号を入射するとゲート直下の空乏層容量はその周期にし
たがって変化する。すると、その空乏層変化がドレイン
電流の振動として外部に取り出せる。

【０００７】つまり、光照射によってゲート電極に印加
されている電圧を変調させることができれば外部に電波
を取り出すフォトトランジスタ効果を生じさせることが
可能となる。

【０００８】それには、光応答型トランジスタのゲート
コンタクト層に所定の光を吸収するような光吸収層を挿
入すれば、高速フォトトランジスタが実現できる。光吸
収層を挿入したトランジスタは、光を入射すると、例え
ば図２に示すように、光吸収用半導体層または光吸収用
多層膜に吸収され、同領域において電子とホールを生成
する。生成した電子とホールは直ちにショットキー接合
によるエネルギーバンドの傾きおよびゲート印加電圧に
よって、電子は電子蓄積層側、ホールはゲート電極側へ
移動する。しかし、電子とホールの双方ともゲートコン
タクト層と光吸収用半導体層または光吸収用多層膜によ
る井戸型ポテンシャルによって、それぞれ電子蓄積層、
ゲート電極に達することができず、光吸収用半導体層ま
たは光吸収用多層膜のゲート電極側と電子蓄積層側に局
在する。すると、電子とホールはそれらの領域に電子は
負の空間電荷を、また、ホールは正の空間電荷を形成
し、ゲート電極に正電圧を印加した際と同様な効果を生
む。つまり、電子蓄積層の電子の数を制御することがで
き、例えば、強度変調された光信号を照射した際には、
電流振動が生じ、外部に電波を取り出すことができる。

【０００９】また、感度の小さい光電流を直接外部に取
り出しているのではなく、光強度によってゲートのショ
ットキーレベルを調整できるため、従来のバイポーラ型
フォトトランジスタに比べ、大きい感度が期待できる。

【００１０】また、移動度の高い電子の伝導を利用する
ため高速度な光変調に対してその応答性が高い。ここ
で、請求項２に記載のように、請求項１に記載の光応答
型トランジスタにおいて前記光吸収用半導体層は、ゲー
ト電極側ほど禁制帯幅が広くなっているものとしたり、
請求項３に記載のように、前記光吸収用半導体層は、Ｉ
ｎ_1-x Ｇａ _x Ａｓ（ｘ＜０．７）で形成され、ゲート電
極側ほどｘ値が大きくなっているものとすると、実用上
好ましい。

【００１１】また、請求項５に記載のように、請求項４
に記載の光応答型トランジスタにおいて前記光吸収用多
層膜は、ゲート電極側の光吸収層ほど禁制帯幅が広くな
っているものとしたり、請求項６に記載のように、前記
光吸収用多層膜は、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ／Ｉｎ_1-x Ｇ
ａ_x Ａｓ（ｘ＜０．７）で形成され、ゲート電極側の層
ほどｘ値が大きくなっているものとすると、実用上好ま
しい。

【００１２】また、請求項７，８に記載のように、前記
光吸収用半導体層または光吸収用多層膜におけるゲート
電極側界面部と基板側界面部の少なくともいずれか一方
に、ゲートコンタクト層および光吸収用半導体層または
光吸収用多層膜より禁制帯幅が広いバリア層を配置する
と、キャリアの拡散を防止できるため実用上好ましい。

【００１３】請求項９に記載のように、前記バリア層
は、Ｉｎ_1-x Ａｌ_x Ａｓ（ｘ＞０．４８）よりなるもの
としてもよい。請求項１０，１１に記載のように、前記
電子蓄積層よりも上で、かつ、前記光吸収用半導体層ま
たは光吸収用多層膜よりも下に、反射層を設けたること
もでき、さらに、請求項１２のように、前記反射層は、
多層膜よりなるものとしたり、請求項１３のように、前
記多層膜は、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓのへテロ接合を有する
ものとすることができる。あるいは、請求項１４に記載
のように、前記反射層は、超格子であるとしてもよい。

【００１４】また、請求項１５に記載のように、電子蓄
積層の下に不純物ドープ層を配置することもできる。ま
た、請求項１６，１７のように、前記ゲート電極とソー
ス電極の間、および、ゲート電極とドレイン電極の間に
おいて前記光吸収用半導体層または光吸収用多層膜を電
気的に遮断するもできる。このとき、請求項１８のよう
に、溝により電気的に遮断することができる。

【００１５】請求項１９に記載のように、ゲート電極に
受光回路形成用高周波伝送線路が接続され、ドレイン電
極側に、受光回路形成用のスタブおよび高周波伝送線路
からなる整合回路を接続してもよい。このようにするこ
とにより、例えば強度変調された光を照射した場合に、
所望の周波数を有する信号だけを感度よく取り出すこと
ができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、この
発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明
する。

【００１７】図１には、本実施の形態における光応答型
トランジスタの断面図を示す。半絶縁性ＩｎＰ基板１１
の上に、ｉ−Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓバッファ層１２が積
層され、その上に電子移動度が高い半導体によるｉ−Ｉ
ｎ_0.80Ｇａ_0.20Ａｓ電子蓄積層１３が積層されている。
なお、電子蓄積層１３はＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓでもよ
い。電子蓄積層１３の上にはｉ−Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ
層１５が積層されている。ただし、ｉ−Ｉｎ_0.52Ａｌ
_0.48Ａｓ層１５の中にはＳｉによってδドープされた電
子供給層（δドープ層）１４が配置されている。なお、
δドープ層１４は電子蓄積層１３の下層に形成してもよ
い。さらに、ｉ−Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層１５の上に
は、例えば波長が１．５５μｍの赤外光に対する光吸収
層となるｉ−Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ層１６が積層されて
いる。この光吸収用半導体層１６の上には、ｉ−Ｉｎ
_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層１７が積層されている。

【００１８】このように、本実施形態では、ｉ−Ｉｎ
_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層１５とｉ−Ｉｎ_{0. 52}Ａｌ_0.48Ａｓ層
１７によりゲートコンタクト層を構成しており、ゲート
コンタクト層１５，１７の内部に、所定の光を吸収する
光吸収用半導体層１６を配置している。

【００１９】ｉ−Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層１７上には、
ｎ型のＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓからなるキャップ層１８が
積層されている。キャップ層１８の上面にはソース電極
２０およびドレイン電極２２がオーム特性を示すように
形成されている。また、ゲート電極１９はショットキー
接合をするようにキャップ層１８をエッチングによって
削り、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓゲートコンタクト層１７と
接触させている。このゲート電極１９への印加電圧によ
って電子蓄積層１３中の電子数を制御することができ
る。

【００２０】なお、電極部以外は窒化シリコンや酸化シ
リコンなどの絶縁膜２１によって被覆されている。図１
５に示したＩｎＰ系のへテロ接合フォトトランジスタに
対し、図１のへテロ接合型フォトトランジスタ（受光素
子としての光応答型トランジスタ）は、電子供給層１４
と電子蓄積層１３が分離しており、電子蓄積層１３での
不純物によるキャリアの散乱が少なく、光に対する高速
動作が可能である。

【００２１】ここで、本例では、光応答型トランジスタ
のゲートコンタクト層１５，１７間に所定の光を吸収す
るような、例えば、光通信で用いられる１．５５μｍの
赤外光を吸収させる場合には、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ光
吸収用半導体層１６を挿入して、高速フォトトランジス
タとしている。

【００２２】本発明第１の実施形態である光応答型トラ
ンジスタの伝導帯および価電子帯のバンドダイヤグラム
を図２に示す。この光応答型トランジスタにゲート表面
側から波長１．５５μｍの赤外光を入射すると、そのフ
ォトンエネルギーがおよそ０．８ｅＶであるため、積層
した半導体の中で、禁制帯幅が０．８ｅＶ以下であるｎ
型のＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ光吸収用半導体層１６および
ｉ−Ｉｎ_0.80Ｇａ_0.20Ａｓ電子蓄積層１３で吸収される
ようとする。ここで、ｉ−Ｉｎ_0.80Ｇａ_0.20Ａｓ電子蓄
積層１３において光が吸収されると、電子蓄積層１３
に、電子と共に移動度の遅いホールが生成され、高速動
作性が低下する。そのため、本例では、電子蓄積層１３
で光がほとんど吸収されないように、ｎ型のＩｎ_0.53Ｇ
ａ_0.47Ａｓ光吸収用半導体層１６の厚さが入射光の強度
に応じて調整されている。

【００２３】光吸収用半導体層１６において光が吸収さ
れると、光吸収用半導体層１６において電子とホールが
生成される。生成した電子とホールは直ちにショットキ
ー接合による伝導帯および価電子帯のエネルギーバンド
の傾き、及び、ゲート印加電圧によって、電子は光吸収
用半導体層１６での電子蓄積層１３側に、ホールは光吸
収用半導体層１６でのゲート電極１９側に移動する。し
かし、電子とホールの双方とも光吸収用半導体層１６と
ゲートコンタクト層１７の間のバンド不連続および光吸
収用半導体層１６とゲートコンタクト層１５の間のバン
ド不連続によって、それぞれ電子蓄積層１３、ゲート電
極１９に達することができず、光吸収用半導体層１６で
のゲート電極１９側、電子蓄積層１３側に局在する。

【００２４】すると、電子とホールはそれらの領域に、
電子は負の空間電荷を、また、ホールは正の空間電荷を
形成する。そのために、図２で破線で示すように、伝導
帯および価電子帯の傾斜が緩和する方向に変化する。

【００２５】これによって、ゲート電極１９の直下の空
乏層容量は大きくなり、電子蓄積層１３の電子の数が増
加する。つまり、ゲート電極１９に正電圧を印加した際
と同様な効果を生み、ドレイン・ソース間の電流が増加
する。つまり、電子蓄積層１３の電子の数を制御するこ
とができ、例えば、強度変調された赤外光信号を照射し
た際には、電流振動が生じ、外部に電波を取り出すこと
ができる。

【００２６】この場合、電子蓄積層１３における電子移
動度が同領域の電子の有効質量を反映して極めて高いた
めに、高速動作が可能となる。つまり、感度の小さい光
電流を直接外部に取り出しているのではなく、光強度に
よってゲートのショットキーレベルを調整できるため、
従来のバイポーラ型フォトトランジスタに比べ、大きい
感度が期待できる。

【００２７】このように、本実施の形態は下記の特徴を
有する。 （イ）高電子移動度トランジスタを光応答型トランジス
タとし、かつ、ゲートコンタクト層１５，１７の内部
に、所定の光を吸収する光吸収用半導体層１６を配置し
た。よって、電子蓄積層１３での不純物によるキャリア
の散乱が少なく、ゲートコンタクト層１５，１７に所定
の光を吸収するような光吸収用半導体層１６を挿入する
ことにより、電子とホールを光吸収用半導体層１６のゲ
ート電極１９側と電子蓄積層１３側に局在させ、正負の
空間電荷を形成し、電子蓄積層１３の電子の数を制御す
ることができ、強度変調された光信号を電流振動として
外部に電波を取り出すことができる。さらに、感度の小
さい光電流を直接外部に取り出しているのではなく、光
強度によってゲートのショットキーレベルを調整できる
ため、従来のバイポーラフォトトランジスタに比べ、大
きい感度が得られる。このようにして、光に対して高速
動作させるとともに感度性能を向上させることができ
る。 （第２の実施の形態）次に、第２の実施の形態を、第１
の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００２８】図３には、本実施の形態による光応答型ト
ランジスタ（高電子移動度フォトトランジスタ）の断面
図を示す。図１と同一機能・構成をなす部材については
同一の符号を付すことによりその説明は省略する。

【００２９】本実施形態においては、図１のｉ−Ｉｎ
_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ光吸収用半導体層１６の代わりに、光
吸収用半導体層２５を用いている。この光吸収用半導体
層２５は、図４に示すように、ゲート電極１９側ほど禁
制帯幅Ｅｇが広くなっている。具体的には、光吸収用半
導体層２５は、図５に示すように、Ｉｎ_1-x Ｇａ_x Ａｓ
（ｘ＜０．７）で形成され、ゲート電極１９側ほどｘ値
が大きくなっている。

【００３０】詳しくは、光吸収用半導体層であるＩｎ
_1-x Ｇａ_x Ａｓ層の組成ｘを表面のゲート電極１９側に
向かうに従って、ｘ＝０．２０から０．７０まで変化さ
せている。つまり、Ｉｎ_1-x Ｇａ_x Ａｓ層２５の組成ｘ
を表面側に向かうに従って、ｘ＝０．２０から０．７０
まで変化させ、伝導帯のバンド傾斜を大きくしている。

【００３１】電子蓄積層１３の移動度は前述のように移
動度が極めて高いため、入射する変調光に対する応答性
を左右するのはゲートコンタクト層１５，１７に誘起さ
れる空間電荷が形成される速さである。本発明第２の実
施形態では、伝導帯のバンド傾斜を大きくすることによ
って、ｉ−Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層１５の上層に生じさ
せる負の空間電荷が形成する時間を短縮することができ
る。

【００３２】このように、本実施の形態は下記の特徴を
有する。 （イ）光吸収用半導体層２５をＩｎ_1-x Ｇａ_x Ａｓ（ｘ
＜０．７）で形成し、ゲート電極１９側ほどｘ値を大き
くすることにより、ゲート電極１９側ほど禁制帯幅Ｅｇ
が広くなっているので、応答性を向上することができ
る。 （第３の実施の形態）次に、第３の実施の形態を、第１
の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００３３】図６には、本実施の形態による光応答型ト
ランジスタ（高電子移動度フォトトランジスタ）の断面
図を示す。図１と同一機能・構成をなす部材については
同一の符号を付すことによりその説明は省略する。

【００３４】本実施形態においては、図１の光吸収用半
導体層１６の代わりに、多重量子井戸構造の光吸収用多
層膜３１を用いている。つまり、ゲートコンタクト層１
５，１７の内部に、所定の光を吸収するための多重量子
井戸構造の光吸収用多層膜３１を配置している。

【００３５】詳しくは、光吸収用多層膜３１は、ゲート
コンタクト層をなすｉ−Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層１５，
１７の中において、図７に示すように、ｉ−Ｉｎ_0.53Ｇ
ａ_{0. 47}Ａｓ層３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄとｉ−Ｉ
ｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層３１ｅ，３１ｆ，３１ｇを交互に
積層することにより多重量井戸構造（ＭＱＷ）としたも
のである。

【００３６】ところで、高速強度変調された光に応じ
て、高周波信号を出力するためには、ｉ−Ｉｎ_0.52Ａｌ
_0.48Ａｓゲートコンタクト層１７の下層およびｉ−Ｉｎ
_0.52Ａｌ_0.48Ａｓゲートコンタクト層１５の上層側に引
き寄せられている電子やホールによる空間電荷が高速で
誘起され、消滅しなければならない。そのためには、電
子とホールの再結合速度をある程度速くしなければなら
ない。ここで、本実施の形態では、光吸収用多層膜３１
をＭＱＷ構造にすることで、電子とホールの再結合速度
を向上している。

【００３７】図７で示すように、光吸収用多層膜３１で
生成した電子とホールは伝導帯や価電子帯の傾きによ
り、それぞれ空間的に反対側に引き寄せられる。しか
し、光吸収用多層膜３１がＭＱＷ構造となっているた
め、電子とホールの再結合速度が速く、高速に強度変調
された光を照射した際に、それに追従した出力信号が得
られる。

【００３８】このように、本実施の形態は下記の特徴を
有する。 （イ）ゲートコンタクト層１５，１７の内部に、所定の
光を吸収するための多重量子井戸構造の光吸収用多層膜
３１を配置したので、第１の実施の形態と同様な作用・
効果により、光に対して高速動作させるとともに感度性
能を向上させることができる。

【００３９】なお、本実施形態においても、第２の実施
の形態で説明したように、光吸収用多層膜３１（ｉ−Ｉ
ｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ層３１ａ〜３１ｄおよびｉ−Ｉｎ
_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層３１ｅ〜３１ｇ）は、ゲート電極側
の光吸収層３１ａ〜３１ｄほど禁制帯幅Ｅｇが広くなっ
ており、具体的には、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ／Ｉｎ_1-x
Ｇａ_x Ａｓ（ｘ＜０．７）で形成され、ゲート電極１９
側の層ほどｘ値が大きくなっているものとすることがで
きる。 （第４の実施の形態）次に、第４の実施の形態を、第１
の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００４０】図８には、本実施の形態による光応答型ト
ランジスタ（高電子移動度フォトトランジスタ）の断面
図を示す。図１と同一機能・構成をなす部材については
同一の符号を付すことによりその説明は省略する。

【００４１】本実施形態においては、図１の光吸収用半
導体層１６におけるゲート電極１９側界面部と基板１１
側界面部に、ゲートコンタクト層１５，１７および光吸
収用半導体層１６より禁制帯幅Ｅｇが広いバリア層４
１，４２を配置している（図９参照）。

【００４２】詳しくは、ｉ−Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓゲー
トコンタクト層１５の上にはＡｌＡｓバリア層４１が積
層されている。ＡｌＡｓはｉ−Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓと
比較すると禁制帯幅Ｅｇが大きい。バリア層４１の上に
は、ｉ−Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ光吸収用半導体層１６が
積層されている。さらに、光吸収用半導体層１６の上に
はＡｌＡｓバリア層４２が積層されている。バリア層４
２上にｉ−Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓゲートコンタクト層１
７が積層されている。

【００４３】図９に示すように、ＡｌＡｓバリア層４
１，４２により、電子およびホールがそれぞれ電子蓄積
層１３、ゲート電極１９に熱拡散やトンネル現象によっ
て流れ込まないようなポテンシャルバリアを形成してい
る。そのため、電子、ホールによる空間電荷が大きくな
り、電子蓄積層１３中の電流に対する変調感度が高い。
さらに、ｉ_- Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓゲートコンタクト層
１５，１７中を走行するキャリアが少なくなり、トラン
ジスタの耐圧が向上するというメリットが得られる。

【００４４】なお、バリア層４１，４２はいずれか一方
のみ設けてもよい。このように、本実施の形態は下記の
特徴を有する。 （イ）光吸収用半導体層１６におけるゲート電極１９側
界面部と基板１１側界面部の少なくともいずれか一方
に、ゲートコンタクト層１５，１７および光吸収用半導
体層１６より禁制帯幅が広いバリア層４１，４２を配置
したので、変調感度を高くすることができる。

【００４５】なお、バリア層４１，４２は、Ｉｎ_1-x Ａ
ｌ_x Ａｓ（ｘ＞０．４８）よりなるものとしてもよい。
また、この構成を第３の実施の形態において適用しても
よい。つまり、図６，７の光吸収用多層膜３１における
ゲート電極１９側界面部と基板１１側界面部の少なくと
もいずれか一方に、ゲートコンタクト層１５，１７およ
び光吸収用多層膜３１より禁制帯幅が広いバリア層を配
置してもよい。 （第５の実施の形態）次に、第５の実施の形態を、第１
の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００４６】図１０は、本実施の形態による光応答型ト
ランジスタ（高電子移動度フォトトランジスタ）の断面
図を示している。図１と同一機能・構成をなす部材につ
いては同一の符号を付すことによりその説明は省略す
る。

【００４７】本実施形態においては、図１の電子蓄積層
１３よりも上で、かつ、光吸収用半導体層１６よりも下
に、反射層５１を設けている。詳しくは、電子蓄積層１
３上にＩｎＡｓ／ＡｌＡｓヘテロ接合の超格子層５１が
積層されている。つまり、反射層５１は多層膜であっ
て、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓヘテロ接合を有し、かつ超格子
である。その上にはＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓゲートコンタ
クト層１５、さらには、ｉ−Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ光吸
収用半導体層１６が積層されている。

【００４８】そして、例えばフォトンエネルギーが０．
８ｅＶである波長１．５５μｍの赤外光を表面から照射
した際に、電子蓄積層１３では、禁制帯幅がそれより小
さいために光を吸収する。しかし、電子蓄積層１３にお
いて光吸収が起こると、電子とともに移動度が小さいホ
ールが生成してしまい、高速性が低下してしまう。ここ
で、本実施の形態では、電子蓄積層１３の上層に配置し
たＩｎＡｓ／ＡｌＡｓヘテロ接合である多層膜（超格
子）層５１によってゲート表面から入射した光が反射さ
れ、電子蓄積層１３で吸収されないようになる。つま
り、ＩｎＡｓとＡｌＡｓの屈折率の違いにより、ゲート
表面から入射した光が多層膜（超格子）層５１で反射
し、光吸収用半導体層１６以外での光吸収を抑制してい
る。

【００４９】このように、本実施の形態は下記の特徴を
有する。 （イ）電子蓄積層１３よりも上で、かつ、光吸収用半導
体層１６よりも下に、反射層５１を設けたので、ホール
を生成しにくくできる。

【００５０】なお、この構成を第３の実施の形態におい
て適用してもよい。つまり、図６の電子蓄積層１３より
も上で、かつ、光吸収用多層膜３１よりも下に、反射層
を設けてもよい。 （第６の実施の形態）次に、第６の実施の形態を、第１
の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００５１】図１１は、本実施の形態による光応答型ト
ランジスタ（高電子移動度フォトトランジスタ）を示す
断面図を示している。図１と同一機能・構成をなす部材
については同一の符号を付すことによりその説明は省略
する。

【００５２】図１１，１２に示すように、ｉ−Ｉｎ_0.52
Ａｌ_0.48Ａｓバッファ層１２の内部にＳｉによってδド
ープされた不純物ドープ層６１が配置されている。この
ように、電子蓄積層１３の下にδドープされた不純物ド
ープ層６１を配置すると、電子蓄積層１３に電子を容易
に供給することができるようになる。

【００５３】これは、他の実施の形態（例えば、第３の
実施の形態）でも適用できる。 （第７の実施の形態）次に、第７の実施の形態を、第１
の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００５４】図１３には、本実施の形態による光応答型
トランジスタ（高電子移動度フォトトランジスタ）の断
面図を示す。図１と同一機能・構成をなす部材について
は同一の符号を付すことによりその説明は省略する。

【００５５】本実施形態においては、ゲート電極１９と
ソース電極２０の間、および、ゲート電極１９とドレイ
ン電極２２の間において深い溝７１を形成することによ
り光吸収用半導体層１６を電気的に遮断している。

【００５６】詳しくは、ゲート電極１９とソース電極２
０、およびゲート電極１９とドレイン電極２２の間の半
導体層１６，１７，１８はエッチングによって削られ、
ｉ−Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ光吸収用半導体層１６で発生
した電子がドレイン・ソース間、ゲート・ソース間等に
流れて、その領域がサブチャネルとならないようにして
いる。

【００５７】なお、この構成を第３の実施の形態におい
て適用してもよい。つまり、図６のゲート電極１９とソ
ース電極２０の間、および、ゲート電極１９とドレイン
電極２２の間において光吸収用多層膜３１を電気的に遮
断してもよい。 （第８の実施の形態）次に、第８の実施の形態を、第１
〜７の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００５８】図１４は、本実施の形態における半導体受
光回路を示している。第１〜７の実施の形態で説明して
きた光応答型トランジスタ（高電子移動度フォトトラン
ジスタ）８０に対し、ゲート電極に例えばコプレナー型
高周波伝送線路８１が接続されている。また、ドレイン
電極には、コプレナー型高周波伝送線路８２およびスタ
ブ８３から構成される出力整合回路８４が接続されてい
る。さらに、スタブ８３および伝送線路８１にはコンデ
ンサ８５，８６が高周波信号の接地用として接続されて
いる。これらの各素子８０，８１，８２，８３，８５，
８６は同一基板の上に形成されている。

【００５９】なお、各素子８０，８１，８２，８３，８
５，８６を各チップに形成し、ハイブリッドタイプとし
てもよい。このように、ゲート側に伝送線路８１を接続
すると、出力ポートから取り出される電波信号の感度を
高くすることができる。また、例えば入射する光の強度
変調を行った場合、ドレイン側に出力整合回路８４を接
続することによって所望の周波数信号を感度よく取り出
すことができる。

【００６０】また、図１５においては、ベース電極１０
７およびコレクタ電極１０６を形成するために半導体膜
を複雑な形にしなければならず、他のデバイスとの集積
化が困難という問題があった。これに対し、本実施形態
では、フォトトランジスタの他のデバイスへの整合性を
確保することができる。つまり、従来のフォトトランジ
スタのようにｐ型不純物領域を形成する必要がなく、他
のデバイスとの整合性がよく、集積化し易いというメリ
ットも有している。

【００６１】このように、本実施の形態は下記の特徴を
有する。 （イ）ゲート電極に受光回路形成用高周波伝送線路８１
を接続し、ドレイン電極側に、受光回路形成用のスタブ
８３および高周波伝送線路８２からなる整合回路８４を
接続した。よって、例えば強度変調された光を照射した
場合に、所望の周波数を有する信号だけを感度よく取り
出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施の形態における光応答型トランジ
スタを示す概略断面図。

【図２】 第１の実施の形態における光応答型トランジ
スタのバンドダイアグラム。

【図３】 第２の実施の形態における光応答型トランジ
スタを示す概略断面図。

【図４】 第２の実施の形態における光応答型トランジ
スタのバンドダイアグラム。

【図５】 膜の組成分布を説明するための図。

【図６】 第３の実施の形態における光応答型トランジ
スタを示す概略断面図。

【図７】 第３の実施の形態における光応答型トランジ
スタのバンドダイアグラム。

【図８】 第４の実施の形態における光応答型トランジ
スタを示す概略断面図。

【図９】 第４の実施の形態における光応答型トランジ
スタのバンドダイアグラム。

【図１０】 第５の実施の形態における光応答型トラン
ジスタを示す概略断面図。

【図１１】 第６の実施の形態における光応答型トラン
ジスタを示す概略断面図。

【図１２】 第６の実施の形態における光応答型トラン
ジスタのバンドダイアグラム。

【図１３】 第７の実施の形態における光応答型トラン
ジスタを示す概略断面図。

【図１４】 第８の実施の形態における光応答型トラン
ジスタを示す概略断面図。

【図１５】 従来技術を説明するための図。

【符号の説明】

１１…半絶縁性ＩｎＰ基板、１３…ｉ−Ｉｎ_0.80Ｇａ
_0.20Ａｓ電子蓄積層、１４…電子供給層（δドープ
層）、１５…ｉ−Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓゲートコンタク
ト層、１６…光吸収用半導体層、１７…Ｉｎ_0.53Ｇａ
_0.47Ａｓゲートコンタクト層、１９…ゲート電極、２５
…光吸収用半導体層、３１…光吸収用多層膜、４１，４
２…バリア層、５１…反射層、６１…不純物ドープ層、
８１，８２…コプレナー型高周波伝送線路、８３…スタ
ブ、８４…出力整合回路。

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の上に、電子移動度が高い半導体に
   よる電子蓄積層および電子供給層が配置されるととも
   に、ゲートコンタクト層にショットキー接合するゲート
   電極が配置され、ゲート電極への印加電圧によって前記
   電子蓄積層中の電子数を制御する光応答型トランジスタ
   であって、 前記ゲートコンタクト層の内部に、所定の光を吸収する
   光吸収用半導体層を配置したことを特徴とする光応答型
   トランジスタ。
2. 【請求項２】 前記光吸収用半導体層は、ゲート電極側
   ほど禁制帯幅が広くなっていることを特徴とする請求項
   １に記載の光応答型トランジスタ。
3. 【請求項３】 前記光吸収用半導体層は、Ｉｎ_1-x Ｇａ
   _x Ａｓ（ｘ＜０．７）で形成され、ゲート電極側ほどｘ
   値が大きくなっていることを特徴とする請求項２に記載
   の光応答型トランジスタ。
4. 【請求項４】 基板の上に、電子移動度が高い半導体に
   よる電子蓄積層および電子供給層が配置されるととも
   に、ゲートコンタクト層にショットキー接合するゲート
   電極が配置され、ゲート電極への印加電圧によって前記
   電子蓄積層中の電子数を制御する光応答型トランジスタ
   であって、 前記ゲートコンタクト層の内部に、所定の光を吸収する
   ための多重量子井戸構造の光吸収用多層膜を配置したこ
   とを特徴とする光応答型トランジスタ。
5. 【請求項５】 前記光吸収用多層膜は、ゲート電極側の
   光吸収層ほど禁制帯幅が広くなっていることを特徴とす
   る請求項４に記載の光応答型トランジスタ。
6. 【請求項６】 前記光吸収用多層膜は、Ｉｎ_0.52Ａｌ
   _0.48Ａｓ／Ｉｎ_1-x Ｇａ_x Ａｓ（ｘ＜０．７）で形成さ
   れ、ゲート電極側の層ほどｘ値が大きくなっていること
   を特徴とする請求項５に記載の光応答型トランジスタ。
7. 【請求項７】 前記光吸収用半導体層におけるゲート電
   極側界面部と基板側界面部の少なくともいずれか一方
   に、ゲートコンタクト層および光吸収用半導体層より禁
   制帯幅が広いバリア層を配置したことを特徴とする請求
   項１に記載の光応答型トランジスタ。
8. 【請求項８】 前記光吸収用多層膜におけるゲート電極
   側界面部と基板側界面部の少なくともいずれか一方に、
   ゲートコンタクト層および光吸収用多層膜より禁制帯幅
   が広いバリア層を配置したことを特徴とする請求項４に
   記載の光応答型トランジスタ。
9. 【請求項９】 前記バリア層は、Ｉｎ_1-x Ａｌ_x Ａｓ
   （ｘ＞０．４８）よりなることを特徴とする請求項７ま
   たは８に記載の光応答型トランジスタ。
10. 【請求項１０】 前記電子蓄積層よりも上で、かつ、前
    記光吸収用半導体層よりも下に、反射層を設けたことを
    特徴とする請求項１に記載の光応答型トランジスタ。
11. 【請求項１１】 前記電子蓄積層よりも上で、かつ、前
    記光吸収用多層膜よりも下に、反射層を設けたことを特
    徴とする請求項４に記載の光応答型トランジスタ。
12. 【請求項１２】 前記反射層は、多層膜よりなる請求項
    １０または１１に記載の光応答型トランジスタ。
13. 【請求項１３】 前記多層膜は、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓの
    へテロ接合を有するものであることを特徴とする請求項
    １２に記載の光応答型トランジスタ。
14. 【請求項１４】 前記反射層は、超格子である請求項１
    ２に記載の光応答型トランジスタ。
15. 【請求項１５】 電子蓄積層の下に不純物ドープ層を配
    置したことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項
    に記載の光応答型トランジスタ。
16. 【請求項１６】 前記ゲート電極とソース電極の間、お
    よび、ゲート電極とドレイン電極の間において前記光吸
    収用半導体層を電気的に遮断したことを特徴とする請求
    項１に記載の光応答型トランジスタ。
17. 【請求項１７】 前記ゲート電極とソース電極の間、お
    よび、ゲート電極とドレイン電極の間において前記光吸
    収用多層膜を電気的に遮断したことを特徴とする請求項
    ４に記載の光応答型トランジスタ。
18. 【請求項１８】 溝により電気的に遮断したことを特徴
    とする請求項１６または１７に記載の光応答型トランジ
    スタ。
19. 【請求項１９】 ゲート電極に受光回路形成用高周波伝
    送線路が接続され、ドレイン電極側に、受光回路形成用
    のスタブおよび高周波伝送線路からなる整合回路を接続
    したことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に
    記載の光応答型トランジスタ。