JP2001111096A - 光応答型高電子移動度トランジスタ及び半導体受光素子 - Google Patents
光応答型高電子移動度トランジスタ及び半導体受光素子Info
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- JP2001111096A JP2001111096A JP28308099A JP28308099A JP2001111096A JP 2001111096 A JP2001111096 A JP 2001111096A JP 28308099 A JP28308099 A JP 28308099A JP 28308099 A JP28308099 A JP 28308099A JP 2001111096 A JP2001111096 A JP 2001111096A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】光吸収層の厚さを広げても光に対する応答速度
の低下を抑制できる光応答型高電子移動度トランジスタ
を提供する。 【解決手段】ＩｎＰ基板１上に、ｉ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48
Ａｓバッファ層２と、光吸収層３と、ｉ−Ｉｎ0.80Ｇａ
0.20Ａｓキャリア走行層４と、ｉ−Ｉｎ0.52Ａｌ 0.48Ａ
ｓゲートコンタクト層５と、ｉ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ
キャップ層７が積層されている。光吸収層３は、ｉ−Ｉ
ｎ1-x Ｇａx Ａｓよりなり、Ｇａの組成「ｘ」が厚さ方
向において０．５３から０．７まで増加している（０．
５３＜ｘ＜０．７）。これにより、光吸収層３の伝導帯
の底のエネルギーＥｃは、キャリア走行層４に近づくほ
ど低くなっている。
の低下を抑制できる光応答型高電子移動度トランジスタ
を提供する。 【解決手段】ＩｎＰ基板１上に、ｉ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48
Ａｓバッファ層２と、光吸収層３と、ｉ−Ｉｎ0.80Ｇａ
0.20Ａｓキャリア走行層４と、ｉ−Ｉｎ0.52Ａｌ 0.48Ａ
ｓゲートコンタクト層５と、ｉ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ
キャップ層７が積層されている。光吸収層３は、ｉ−Ｉ
ｎ1-x Ｇａx Ａｓよりなり、Ｇａの組成「ｘ」が厚さ方
向において０．５３から０．７まで増加している（０．
５３＜ｘ＜０．７）。これにより、光吸収層３の伝導帯
の底のエネルギーＥｃは、キャリア走行層４に近づくほ
ど低くなっている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、光ファイバー等
の光導波路を介して伝送された光信号を電気信号に変換
するための光応答型高電子移動度トランジスタ（光応答
型ＨＥＭＴ）に関するものである。
の光導波路を介して伝送された光信号を電気信号に変換
するための光応答型高電子移動度トランジスタ（光応答
型ＨＥＭＴ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１０には、従来より提案されているＩ
ｎＰ系のＨＥＭＴ型フォトトランジスタ（H.Mitra, B.
B.Pal, S.Singh, and R.U.Khan, IEEE Trans. Electron
Devices, Vol.45, No.1, 68 (1998)）の断面構造を示
すとともに、図１１には、伝導帯のバンドダイアグラム
を示す。
ｎＰ系のＨＥＭＴ型フォトトランジスタ（H.Mitra, B.
B.Pal, S.Singh, and R.U.Khan, IEEE Trans. Electron
Devices, Vol.45, No.1, 68 (1998)）の断面構造を示
すとともに、図１１には、伝導帯のバンドダイアグラム
を示す。
【０００３】図１０において、光に対する受光感度を向
上するために、キャリア走行層１０３に対し光吸収層１
０２を付加している。これによって、例えば、波長が
１．５５μｍの赤外光を照射した場合に生成する光キャ
リアが増大するため、受光感度が向上する。
上するために、キャリア走行層１０３に対し光吸収層１
０２を付加している。これによって、例えば、波長が
１．５５μｍの赤外光を照射した場合に生成する光キャ
リアが増大するため、受光感度が向上する。
【０００４】しかしながら、電子移動度が高い光吸収層
１０２は基板１００を構成するＩｎＰと比較するとその
格子定数が大きいため、結晶欠陥の原因となる格子緩和
が生じる臨界膜厚が決まっている。従って、新たに光吸
収層（１０２）を導入するときにはＩｎＰと格子整合す
るＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層１０２を積層しなければなら
なかった。
１０２は基板１００を構成するＩｎＰと比較するとその
格子定数が大きいため、結晶欠陥の原因となる格子緩和
が生じる臨界膜厚が決まっている。従って、新たに光吸
収層（１０２）を導入するときにはＩｎＰと格子整合す
るＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層１０２を積層しなければなら
なかった。
【０００５】ところで、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層１０２
で生成した電子はＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ（１−ｘ＜０．４
７）層１０３の方が電子親和力が大きいため、ある時間
後（定常状態）ではＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ（１−ｘ＜０．
４７）層１０３に拡散する。しかし、加えた光吸収層１
０２の膜厚を厚くすればするほど、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ
層１０３に移動するまでの時間がかかり、光に対する応
答速度が低下するという問題があった。
で生成した電子はＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ（１−ｘ＜０．４
７）層１０３の方が電子親和力が大きいため、ある時間
後（定常状態）ではＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ（１−ｘ＜０．
４７）層１０３に拡散する。しかし、加えた光吸収層１
０２の膜厚を厚くすればするほど、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ
層１０３に移動するまでの時間がかかり、光に対する応
答速度が低下するという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明の目
的は、光吸収層の厚さを広げても光に対する応答速度の
低下を抑制できる光応答型高電子移動度トランジスタを
提供することにある。
的は、光吸収層の厚さを広げても光に対する応答速度の
低下を抑制できる光応答型高電子移動度トランジスタを
提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、伝導帯の底のエネルギーをキャリア走行層に近
づくほど低くすることによって、伝導帯に傾きが生じ、
電子親和力が大きいキャリア走行層に光吸収層で生成し
た電子が拡散する速度が大きくなる。よって、光吸収層
の厚さを広げても光に対する応答速度の低下を抑制する
ことができる。
よれば、伝導帯の底のエネルギーをキャリア走行層に近
づくほど低くすることによって、伝導帯に傾きが生じ、
電子親和力が大きいキャリア走行層に光吸収層で生成し
た電子が拡散する速度が大きくなる。よって、光吸収層
の厚さを広げても光に対する応答速度の低下を抑制する
ことができる。
【０００８】また、請求項２に記載の発明によれば、光
を照射したときの光応答性が向上し、より効果的であ
る。特に、請求項５に記載のように、キャリア走行層と
光吸収層を電子移動度の高いＩｎ0.80Ｇａ0.20ＡｓとＩ
ｎ1-x Ｇａx Ａｓ（例えば、０．５３＜ｘ＜０．７）で
構成すれば、光を照射したときの光応答性が向上し、よ
り効果的である。
を照射したときの光応答性が向上し、より効果的であ
る。特に、請求項５に記載のように、キャリア走行層と
光吸収層を電子移動度の高いＩｎ0.80Ｇａ0.20ＡｓとＩ
ｎ1-x Ｇａx Ａｓ（例えば、０．５３＜ｘ＜０．７）で
構成すれば、光を照射したときの光応答性が向上し、よ
り効果的である。
【０００９】一方、このように光吸収層を構成する半導
体の伝導帯の底のエネルギーをキャリア走行層に向かっ
て低くすると、価電子帯のバンドダイアグラムにも傾き
が生じ、正孔がキャリア走行層に拡散する構造となり、
正孔がキャリア走行領域に拡散すると、電子が正孔の正
の電荷によって散乱を受けるため、電子移動度が大幅に
低下する。それを解決するには、請求項６に記載のよう
に、キャリア走行層と光吸収層の界面にそれらの半導体
材料より禁制帯幅の広い半導体（バリア層）を挿入すれ
ば、バリア層をトンネルによって抜ける確率がキャリア
の有効質量に反比例するため、有効質量の小さい電子の
方がキャリア走行層に速く到達することができる。よっ
て、キャリア走行層における電子の散乱を減少させて光
応答速度を向上することができる。
体の伝導帯の底のエネルギーをキャリア走行層に向かっ
て低くすると、価電子帯のバンドダイアグラムにも傾き
が生じ、正孔がキャリア走行層に拡散する構造となり、
正孔がキャリア走行領域に拡散すると、電子が正孔の正
の電荷によって散乱を受けるため、電子移動度が大幅に
低下する。それを解決するには、請求項６に記載のよう
に、キャリア走行層と光吸収層の界面にそれらの半導体
材料より禁制帯幅の広い半導体（バリア層）を挿入すれ
ば、バリア層をトンネルによって抜ける確率がキャリア
の有効質量に反比例するため、有効質量の小さい電子の
方がキャリア走行層に速く到達することができる。よっ
て、キャリア走行層における電子の散乱を減少させて光
応答速度を向上することができる。
【００１０】とりわけ、請求項７に記載にようにバリア
層としてＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓを用いれば、基板として
ＩｎＰを用いた場合に格子整合するために結晶欠陥を低
減できる。
層としてＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓを用いれば、基板として
ＩｎＰを用いた場合に格子整合するために結晶欠陥を低
減できる。
【００１１】また、請求項３または４に記載のように、
光吸収層としてｎ型・ｐ型半導体の積層体構造（または
真性半導体を挟んだｎ型・ｐ型半導体の積層体構造）と
することによっても、前述した効果と同様な効果を得る
ことができる。つまり、この構造によっても同様に伝導
帯の底のエネルギーに傾斜をつけることができ、光吸収
層で生成した電子をキャリア走行層に高速に拡散させる
ことができる。
光吸収層としてｎ型・ｐ型半導体の積層体構造（または
真性半導体を挟んだｎ型・ｐ型半導体の積層体構造）と
することによっても、前述した効果と同様な効果を得る
ことができる。つまり、この構造によっても同様に伝導
帯の底のエネルギーに傾斜をつけることができ、光吸収
層で生成した電子をキャリア走行層に高速に拡散させる
ことができる。
【００１２】ここで、請求項８に記載にように積層体構
造の光吸収層をＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓで構成すれば、波
長が１．５５μｍの赤外光を照射した際に感度を有する
ことができるとともに、基板としてＩｎＰを用いた場合
に格子整合するため結晶性良く作製できる。
造の光吸収層をＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓで構成すれば、波
長が１．５５μｍの赤外光を照射した際に感度を有する
ことができるとともに、基板としてＩｎＰを用いた場合
に格子整合するため結晶性良く作製できる。
【００１３】また、請求項９に記載のように、ｎ型ドー
プ材料としてシリコン、ｐ型ドープ材料としてベリリウ
ムを用いれば、再現性がよい半導体受光装置が構築でき
る。請求項１０に記載のように、請求項１〜９に記載の
トランジスタの出力側に高周波用の整合回路を設けるこ
とによって、ある周波数の信号のみを外部に取り出すこ
とができる。
プ材料としてシリコン、ｐ型ドープ材料としてベリリウ
ムを用いれば、再現性がよい半導体受光装置が構築でき
る。請求項１０に記載のように、請求項１〜９に記載の
トランジスタの出力側に高周波用の整合回路を設けるこ
とによって、ある周波数の信号のみを外部に取り出すこ
とができる。
【００１４】一方、基板全面に光反射を防止する膜を形
成して感度をあげようとすると、一般的に半導体に光を
照射すると抵抗が小さくなるが、半導体受光回路におい
て、光応答型ＨＥＭＴ部分以外に光が照射されてしまう
と、回路素子（例えば、抵抗成分）の特性を変化させて
しまい、半導体受光回路から出力される電波信号の雑音
となる。
成して感度をあげようとすると、一般的に半導体に光を
照射すると抵抗が小さくなるが、半導体受光回路におい
て、光応答型ＨＥＭＴ部分以外に光が照射されてしまう
と、回路素子（例えば、抵抗成分）の特性を変化させて
しまい、半導体受光回路から出力される電波信号の雑音
となる。
【００１５】そこで、請求項１１に記載のように、基板
の表面における光応答型高電子移動度トランジスタ形成
領域のみに反射防止膜を形成することによって、出力信
号の雑音を低減することができる。つまり、光応答型Ｈ
ＥＭＴ以外の部分は空気と基板の屈折率差により、入射
光を反射させる。
の表面における光応答型高電子移動度トランジスタ形成
領域のみに反射防止膜を形成することによって、出力信
号の雑音を低減することができる。つまり、光応答型Ｈ
ＥＭＴ以外の部分は空気と基板の屈折率差により、入射
光を反射させる。
【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。
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、本実施形態における光応答型高
電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ型フォトトランジス
タ）の断面図を示す。また、図２には、半導体の伝導帯
および価電子帯のバンドダイアグラムを示す。
電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ型フォトトランジス
タ）の断面図を示す。また、図２には、半導体の伝導帯
および価電子帯のバンドダイアグラムを示す。
【００１８】図１において、半絶縁性ＩｎＰ基板１上
に、ｉ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓバッファ層２と、光吸収
層３と、ｉ−Ｉｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓキャリア走行層４
と、ｉ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓゲートコンタクト層５
と、ｉ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ層７が積層され
ている。ただし、ゲートコンタクト層５中には、Ｓｉに
よるδドープ層６が形成されている。ＩｎＰ基板１上の
各層２，３，４，５，７はエピタキシャル成長法によっ
て積層したものである。
に、ｉ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓバッファ層２と、光吸収
層３と、ｉ−Ｉｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓキャリア走行層４
と、ｉ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓゲートコンタクト層５
と、ｉ−Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ層７が積層され
ている。ただし、ゲートコンタクト層５中には、Ｓｉに
よるδドープ層６が形成されている。ＩｎＰ基板１上の
各層２，３，４，５，７はエピタキシャル成長法によっ
て積層したものである。
【００１９】ここで、光吸収層３は、電子移動度の高い
半導体よりなる。具体的には、ｉ−Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓ
よりなり、図３に示すように、Ｇａの組成「ｘ」が厚さ
方向において０．５３から０．７まで増加している
（０．５３＜ｘ＜０．７）。詳しくは、Ｇａの組成
「ｘ」が０．０４／１ｎｍで増加している。このよう
に、光吸収層３を構成する複合半導体における元素成分
の比率を厚さ方向に変化させることにより、図２に示す
ように、光吸収層３の伝導帯の底のエネルギーＥｃは、
キャリア走行層４に近づくほど低くなっている。
半導体よりなる。具体的には、ｉ−Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓ
よりなり、図３に示すように、Ｇａの組成「ｘ」が厚さ
方向において０．５３から０．７まで増加している
（０．５３＜ｘ＜０．７）。詳しくは、Ｇａの組成
「ｘ」が０．０４／１ｎｍで増加している。このよう
に、光吸収層３を構成する複合半導体における元素成分
の比率を厚さ方向に変化させることにより、図２に示す
ように、光吸収層３の伝導帯の底のエネルギーＥｃは、
キャリア走行層４に近づくほど低くなっている。
【００２０】一方、図１において、キャップ層７の上面
にはソース電極８およびドレイン電極９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１０はシ
ョットキー接合するようにキャップ層７をエッチング
（ウェットエッチング）によって削ることによって、ｉ
−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓゲートコンタクト層５と接触さ
せている。ソース・ドレイン電極８，９はＴｉ／Ｐｔ／
Ａｕによって構成されている。
にはソース電極８およびドレイン電極９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１０はシ
ョットキー接合するようにキャップ層７をエッチング
（ウェットエッチング）によって削ることによって、ｉ
−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓゲートコンタクト層５と接触さ
せている。ソース・ドレイン電極８，９はＴｉ／Ｐｔ／
Ａｕによって構成されている。
【００２１】そして、このフォトトランジスタに、例え
ば、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ｉ−
Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓ（０．５３＜ｘ＜０．７）から成る
光吸収層３およびｉ−Ｉｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓから成るキ
ャリア走行層４で光が吸収される。
ば、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ｉ−
Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓ（０．５３＜ｘ＜０．７）から成る
光吸収層３およびｉ−Ｉｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓから成るキ
ャリア走行層４で光が吸収される。
【００２２】そして、光照射によって光吸収層３で生じ
た電子は該領域における伝導帯の傾きから、キャリア走
行層であるＩｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓ層４に高速で拡散する
ことができる。
た電子は該領域における伝導帯の傾きから、キャリア走
行層であるＩｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓ層４に高速で拡散する
ことができる。
【００２３】このように本実施形態は下記の特徴を有す
る。 （イ）光吸収層３を構成する複合半導体における元素成
分の比率を厚さ方向に変化させることにより、伝導帯の
底のエネルギーＥｃを、キャリア走行層４に近づくほど
低くするようにしたので、伝導帯に傾きが生じ、電子親
和力が大きいキャリア走行層４に光吸収層３で生成した
電子が拡散する速度が大きくなり、光吸収層３の厚さを
広げても光に対する応答速度の低下を抑制できる。 （ロ）キャリア走行層４と光吸収層３を電子移動度の高
いＩｎ0.80Ｇａ0.20ＡｓとＩｎ1-x Ｇａx Ａｓ（０．５
３＜ｘ＜０．７）で構成したので、光を照射したときの
光応答性が向上し、より効果的である。 （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。
る。 （イ）光吸収層３を構成する複合半導体における元素成
分の比率を厚さ方向に変化させることにより、伝導帯の
底のエネルギーＥｃを、キャリア走行層４に近づくほど
低くするようにしたので、伝導帯に傾きが生じ、電子親
和力が大きいキャリア走行層４に光吸収層３で生成した
電子が拡散する速度が大きくなり、光吸収層３の厚さを
広げても光に対する応答速度の低下を抑制できる。 （ロ）キャリア走行層４と光吸収層３を電子移動度の高
いＩｎ0.80Ｇａ0.20ＡｓとＩｎ1-x Ｇａx Ａｓ（０．５
３＜ｘ＜０．７）で構成したので、光を照射したときの
光応答性が向上し、より効果的である。 （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。
【００２４】図４には、本実施形態における光応答型高
電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ型フォトトランジス
タ）の断面図を示す。本例では、光吸収層２０を３層積
層体構造としている。つまり、キャリア走行層４側をｎ
型不純物をドーピングした半導体層２１とするととも
に、ＩｎＰ基板１側をｐ型不純物をドーピングした半導
体層２２とし、さらに、ｎ型半導体層２１とｐ型半導体
層２２との間に真性半導体層２３を配置している。これ
により、図５に示すように、光吸収層２０における伝導
帯の底のエネルギーＥｃを、キャリア走行層４に近づく
ほど低くなっている。
電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ型フォトトランジス
タ）の断面図を示す。本例では、光吸収層２０を３層積
層体構造としている。つまり、キャリア走行層４側をｎ
型不純物をドーピングした半導体層２１とするととも
に、ＩｎＰ基板１側をｐ型不純物をドーピングした半導
体層２２とし、さらに、ｎ型半導体層２１とｐ型半導体
層２２との間に真性半導体層２３を配置している。これ
により、図５に示すように、光吸収層２０における伝導
帯の底のエネルギーＥｃを、キャリア走行層４に近づく
ほど低くなっている。
【００２５】より具体的には、半絶縁性ＩｎＰ基板１上
に、ｉ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓバッファ層２を積層し、
次に、ｐ型のＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層２２を積層してい
る。そして、ｐ型のＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層２２上に真
性半導体であるＩｎ0.53Ｇａ 0.47Ａｓ層（ドーピングを
施さない半導体層）２３を積層し、その上にｎ型のＩｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓ層２１を積層している。詳しくは、ｎ
型半導体層２１は不純物としてのシリコンを一様にドー
ピングすることにより構成するとともに、ｐ型半導体層
２２は不純物としてのベリリウムを一様にドーピングす
ることにより構成している。よって、再現性がよい半導
体受光装置が構築できる。また、真性半導体層２３を挿
入することによって、ｎ型不純物およびｐ型不純物がお
互いの領域に拡散することを抑制している。
に、ｉ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓバッファ層２を積層し、
次に、ｐ型のＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層２２を積層してい
る。そして、ｐ型のＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層２２上に真
性半導体であるＩｎ0.53Ｇａ 0.47Ａｓ層（ドーピングを
施さない半導体層）２３を積層し、その上にｎ型のＩｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓ層２１を積層している。詳しくは、ｎ
型半導体層２１は不純物としてのシリコンを一様にドー
ピングすることにより構成するとともに、ｐ型半導体層
２２は不純物としてのベリリウムを一様にドーピングす
ることにより構成している。よって、再現性がよい半導
体受光装置が構築できる。また、真性半導体層２３を挿
入することによって、ｎ型不純物およびｐ型不純物がお
互いの領域に拡散することを抑制している。
【００２６】この光応答型高電子移動度トランジスタ
（ＨＥＭＴ型フォトトランジスタ）に、例えば、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、ｐ型お
よび真性のＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層２０（光吸収層）お
よびキャリア走行層であるＩｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓ層４に
おいて光が吸収される。そして、光照射によって光吸収
層２０で生じた電子は該領域における伝導帯の傾きか
ら、キャリア走行層であるＩｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓ層４に
高速で拡散することができる。
（ＨＥＭＴ型フォトトランジスタ）に、例えば、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、ｐ型お
よび真性のＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層２０（光吸収層）お
よびキャリア走行層であるＩｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓ層４に
おいて光が吸収される。そして、光照射によって光吸収
層２０で生じた電子は該領域における伝導帯の傾きか
ら、キャリア走行層であるＩｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓ層４に
高速で拡散することができる。
【００２７】このように本実施形態は下記の特徴を有す
る。 （イ）光吸収層２０を３層積層体構造とし、そのうちの
キャリア走行層４側をｎ型半導体層２１、ＩｎＰ基板１
側をｐ型半導体層２２、両層２１，２２間を真性半導体
層２３とすることにより、伝導帯の底のエネルギーＥｃ
を、キャリア走行層４に近づくほど低くするようにし
た。よって、伝導帯の底のエネルギーＥｃに傾斜をつけ
ることができ、光吸収層２０で生成した電子をキャリア
走行層４に高速に拡散させることができる。 （ロ）３つの層２１，２２，２３をＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａ
ｓによって構成しているので、波長が１．５５μｍの赤
外光を照射した際に感度を有することができるととも
に、ＩｎＰ基板１と格子整合するため結晶性良く作製で
きる。
る。 （イ）光吸収層２０を３層積層体構造とし、そのうちの
キャリア走行層４側をｎ型半導体層２１、ＩｎＰ基板１
側をｐ型半導体層２２、両層２１，２２間を真性半導体
層２３とすることにより、伝導帯の底のエネルギーＥｃ
を、キャリア走行層４に近づくほど低くするようにし
た。よって、伝導帯の底のエネルギーＥｃに傾斜をつけ
ることができ、光吸収層２０で生成した電子をキャリア
走行層４に高速に拡散させることができる。 （ロ）３つの層２１，２２，２３をＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａ
ｓによって構成しているので、波長が１．５５μｍの赤
外光を照射した際に感度を有することができるととも
に、ＩｎＰ基板１と格子整合するため結晶性良く作製で
きる。
【００２８】なお、図４，５では光吸収層２０を３層積
層体構造（ｐ型半導体層／真性半導体層／ｎ型半導体
層）としたが、真性半導体層２３を介在させない２層積
層体構造（ｐ型半導体層／ｎ型半導体層）としてもよ
い。 （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。
層体構造（ｐ型半導体層／真性半導体層／ｎ型半導体
層）としたが、真性半導体層２３を介在させない２層積
層体構造（ｐ型半導体層／ｎ型半導体層）としてもよ
い。 （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。
【００２９】図６には、本実施形態における光応答型高
電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ型フォトトランジス
タ）の断面図を示す。図７には、バンドダイアグラムを
示す。
電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ型フォトトランジス
タ）の断面図を示す。図７には、バンドダイアグラムを
示す。
【００３０】ｉ−Ｉｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓキャリア走行層
４とｉ−Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓ光吸収層３の間にバリア層
３０を挿入しており、バリア層３０は両層３，４より禁
制帯幅が広い半導体であるＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓよりな
る。つまり、図７において、Ｅｇ３＞Ｅｇ１，Ｅｇ３＞
Ｅｇ２となっている。
４とｉ−Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓ光吸収層３の間にバリア層
３０を挿入しており、バリア層３０は両層３，４より禁
制帯幅が広い半導体であるＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓよりな
る。つまり、図７において、Ｅｇ３＞Ｅｇ１，Ｅｇ３＞
Ｅｇ２となっている。
【００３１】ここで、第１の実施形態で説明したように
光吸収層３を構成する半導体の伝導帯の底のエネルギー
Ｅｃをキャリア走行層４に向かって低くすると、価電子
帯のバンドダイアグラムにも傾きが生じ、正孔がキャリ
ア走行層４に拡散する構造となる。そして、正孔がキャ
リア走行層４に拡散すると、電子が正孔の正の電荷によ
って散乱を受けるため、電子移動度が大幅に低下する。
これに対し、本実施形態では、キャリア走行層４と光吸
収層３の界面にそれらの半導体材料より禁制帯幅の広い
半導体（バリア層）３０を挿入することにより、バリア
層３０をトンネルによって抜ける確率がキャリアの有効
質量に反比例するため、有効質量の小さい電子の方がキ
ャリア走行層４に速く到達することができる。その結
果、キャリア走行層４における電子の散乱を減少させて
光応答速度を向上することができる。
光吸収層３を構成する半導体の伝導帯の底のエネルギー
Ｅｃをキャリア走行層４に向かって低くすると、価電子
帯のバンドダイアグラムにも傾きが生じ、正孔がキャリ
ア走行層４に拡散する構造となる。そして、正孔がキャ
リア走行層４に拡散すると、電子が正孔の正の電荷によ
って散乱を受けるため、電子移動度が大幅に低下する。
これに対し、本実施形態では、キャリア走行層４と光吸
収層３の界面にそれらの半導体材料より禁制帯幅の広い
半導体（バリア層）３０を挿入することにより、バリア
層３０をトンネルによって抜ける確率がキャリアの有効
質量に反比例するため、有効質量の小さい電子の方がキ
ャリア走行層４に速く到達することができる。その結
果、キャリア走行層４における電子の散乱を減少させて
光応答速度を向上することができる。
【００３２】また、バリア層３０としてＩｎ0.52Ａｌ
0.48Ａｓを用いており、ＩｎＰ基板１と格子整合するの
で結晶欠陥を低減できる。 （第４の実施の形態）次に、第４の実施の形態を、第１
〜３の実施の形態との相違点を中心に説明する。
0.48Ａｓを用いており、ＩｎＰ基板１と格子整合するの
で結晶欠陥を低減できる。 （第４の実施の形態）次に、第４の実施の形態を、第１
〜３の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３３】図８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１〜３の実施の形態で説明してき
た光応答型高電子移動度トランジスタ（高電子移動度フ
ォトトランジスタ）４０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４１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４
２およびスタブ４３から構成される出力整合回路４４が
接続されている。さらに、スタブ４３および伝送線路４
１にはコンデンサ（金属−絶縁体−金属コンデンサ）４
５，４６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４０，４１，４２，４３，４５，４６は
同一基板の上に形成されている。
回路を示している。第１〜３の実施の形態で説明してき
た光応答型高電子移動度トランジスタ（高電子移動度フ
ォトトランジスタ）４０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４１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４
２およびスタブ４３から構成される出力整合回路４４が
接続されている。さらに、スタブ４３および伝送線路４
１にはコンデンサ（金属−絶縁体−金属コンデンサ）４
５，４６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４０，４１，４２，４３，４５，４６は
同一基板の上に形成されている。
【００３４】このように、ゲート側に伝送線路４１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４４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。
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４４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。
【００３５】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４１
を接続し、ドレイン電極側に、受光回路形成用のスタブ
４３および高周波伝送線路４２からなる整合回路４４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。つまり、トランジスタの出力側に高
周波用の整合回路４４を設けることによって、ある周波
数の信号のみを外部に取り出すことができる。 （第５の実施の形態）次に、第５の実施の形態を、第４
の実施の形態との相違点を中心に説明する。
有する。 （イ）ゲート電極に受光回路形成用高周波伝送線路４１
を接続し、ドレイン電極側に、受光回路形成用のスタブ
４３および高周波伝送線路４２からなる整合回路４４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。つまり、トランジスタの出力側に高
周波用の整合回路４４を設けることによって、ある周波
数の信号のみを外部に取り出すことができる。 （第５の実施の形態）次に、第５の実施の形態を、第４
の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３６】図９には、本実施形態における光応答型高
電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ型フォトトランジス
タ）を具備したＯＥＩＣ（半導体受光素子）の断面図を
示す。
電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ型フォトトランジス
タ）を具備したＯＥＩＣ（半導体受光素子）の断面図を
示す。
【００３７】基板１の全面に光反射を防止する膜を形成
して感度をあげようとすると、一般的に半導体に光を照
射すると抵抗が小さくなるが、半導体受光回路におい
て、光応答型ＨＥＭＴ部分以外に光が照射されてしまう
と、回路素子（例えば、抵抗成分）の特性を変化させて
しまい、半導体受光回路から出力される電波信号の雑音
となる。
して感度をあげようとすると、一般的に半導体に光を照
射すると抵抗が小さくなるが、半導体受光回路におい
て、光応答型ＨＥＭＴ部分以外に光が照射されてしまう
と、回路素子（例えば、抵抗成分）の特性を変化させて
しまい、半導体受光回路から出力される電波信号の雑音
となる。
【００３８】これに対し本例では、ＩｎＰ基板１の表面
における受光デバイス（ＨＥＭＴの活性層）がある部分
にのみ誘電体反射防止膜５０を形成している。つまり、
基板１の上に光応答型ＨＥＭＴが形成されるが、基板１
における光ファイバー５１から光の照射を受ける面での
ＨＥＭＴ形成領域にのみ誘電体反射防止膜５０を配置し
ている。
における受光デバイス（ＨＥＭＴの活性層）がある部分
にのみ誘電体反射防止膜５０を形成している。つまり、
基板１の上に光応答型ＨＥＭＴが形成されるが、基板１
における光ファイバー５１から光の照射を受ける面での
ＨＥＭＴ形成領域にのみ誘電体反射防止膜５０を配置し
ている。
【００３９】このように、半導体受光回路の基板表面に
おける光応答型ＨＥＭＴ形成領域のみに誘電体反射防止
膜４１を形成することによって、出力信号の雑音を低減
することができる。つまり、ＨＥＭＴ以外の部分は空気
とＩｎＰ基板１の屈折率差により、入射光を反射させ
る。
おける光応答型ＨＥＭＴ形成領域のみに誘電体反射防止
膜４１を形成することによって、出力信号の雑音を低減
することができる。つまり、ＨＥＭＴ以外の部分は空気
とＩｎＰ基板１の屈折率差により、入射光を反射させ
る。
【図１】 第１の実施の形態における光応答型高電子移
動度トランジスタの断面図。
動度トランジスタの断面図。
【図２】 バンドダイアグラムを示す図。
【図３】 組成を説明するための図。
【図４】 第２の実施の形態における光応答型高電子移
動度トランジスタの断面図。
動度トランジスタの断面図。
【図５】 バンドダイアグラムを示す図。
【図６】 第３の実施の形態における光応答型高電子移
動度トランジスタの断面図。
動度トランジスタの断面図。
【図７】 バンドダイアグラムを示す図。
【図８】 第４の実施の形態における半導体受光回路の
構成図。
構成図。
【図９】 第５の実施の形態におけるＯＥＩＣの断面
図。
図。
【図１０】 従来技術を説明するための光応答型高電子
移動度トランジスタの断面図。
移動度トランジスタの断面図。
【図１１】 従来技術を説明するためのバンドダイアグ
ラム。
ラム。
１…ＩｎＰ基板、２…ｉ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓバッフ
ァ層、３…光吸収層、４…Ｉｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓキャリ
ア走行層、５…ｉ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓゲートコンタ
クト層、７…Ｉｎ052 Ａｌ0.48Ａｓキャップ層、８…ソ
ース電極、９…ドレイン電極、１０…ゲート電極、２１
…半導体層、２２…半導体層、２３…真性半導体層、３
０…バリア層、４１…伝送線路、４２…伝送線路、４３
…スタブ、４４…整合回路、５０…反射防止膜。
ァ層、３…光吸収層、４…Ｉｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓキャリ
ア走行層、５…ｉ−Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓゲートコンタ
クト層、７…Ｉｎ052 Ａｌ0.48Ａｓキャップ層、８…ソ
ース電極、９…ドレイン電極、１０…ゲート電極、２１
…半導体層、２２…半導体層、２３…真性半導体層、３
０…バリア層、４１…伝送線路、４２…伝送線路、４３
…スタブ、４４…整合回路、５０…反射防止膜。
Claims (11)
- 【請求項１】 基板（１）上に、電子移動度の高い半導
体による光吸収層（３）が積層されるとともに、その上
にキャリア走行層（４）が積層された光応答型高電子移
動度トランジスタであって、 前記光吸収層（３）の伝導帯の底のエネルギーを、キャ
リア走行層（４）に近づくほど、低くするようにしたこ
とを特徴とする光応答型高電子移動度トランジスタ。 - 【請求項２】 請求項１に記載の光応答型高電子移動度
トランジスタにおいて、 前記光吸収層（３）を構成する複合半導体における元素
成分の比率を厚さ方向に変化させることにより、伝導帯
の底のエネルギーを、キャリア走行層（４）に近づくほ
ど低くするようにしたことを特徴とする光応答型高電子
移動度トランジスタ。 - 【請求項３】 請求項１に記載の光応答型高電子移動度
トランジスタにおいて、 前記光吸収層（２０）を２層積層体構造とし、そのうち
のキャリア走行層（４）側をｎ型半導体層（２１）とす
るとともに、基板（１）側をｐ型半導体層（２２）とす
ることにより、伝導帯の底のエネルギーを、キャリア走
行層（４）に近づくほど低くするようにしたことを特徴
とする光応答型高電子移動度トランジスタ。 - 【請求項４】 請求項１に記載の光応答型高電子移動度
トランジスタにおいて、 前記光吸収層（２０）を３層積層体構造とし、そのうち
のキャリア走行層（４）側をｎ型半導体層（２１）、基
板（１）側をｐ型半導体層（２２）、両層（２１，２
２）間を真性半導体層（２３）とすることにより、伝導
帯の底のエネルギーを、キャリア走行層（４）に近づく
ほど低くするようにしたことを特徴とする光応答型高電
子移動度トランジスタ。 - 【請求項５】 請求項２に記載の光応答型高電子移動度
トランジスタにおいて、 ゲートコンタクト層（５）がＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓから
なり、キャリア走行層（４）がＩｎ0.80Ｇａ0.20Ａｓか
らなり、光吸収層（３）がＩｎ1-x Ｇａx Ａｓから構成
されていることを特徴とする光応答型高電子移動度トラ
ンジスタ。 - 【請求項６】 請求項２に記載の光応答型高電子移動度
トランジスタおいて、 キャリア走行層（４）と光吸収層（３）の間に、該半導
体より禁制帯幅が広い半導体よりなるバリア層（３０）
を挿入したことを特徴とする光応答型高電子移動度トラ
ンジスタ。 - 【請求項７】 請求項６に記載の光応答型高電子移動度
トランジスタおいて、 バリア層（３０）がＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓにて構成され
ていることを特徴とする光応答型高電子移動度トランジ
スタ。 - 【請求項８】 請求項３または４に記載の光応答型高電
子移動度トランジスタにおいて、 前記積層体構造の光吸収層（２０）がＩｎ0.53Ｇａ0.47
Ａｓによって構成されていることを特徴とする光応答型
高電子移動度トランジスタ。 - 【請求項９】 請求項３または４に記載の光応答型高電
子移動度トランジスタにおいて、 ｎ型半導体層（２１）は不純物としてのシリコンを一様
にドーピングすることにより構成するとともに、ｐ型半
導体層（２２）は不純物としてのベリリウムを一様にド
ーピングすることにより構成したことを特徴とする光応
答型高電子移動度トランジスタ。 - 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれか１項に記載の
光応答型高電子移動度トランジスタにおいて、 ゲート電極に受光回路形成用高周波伝送線路（４１）を
接続するとともに、ドレイン電極側に、受光回路形成用
のスタブ（４３）および高周波伝送線路（４２）からな
る整合回路（４４）を接続したことを特徴とする光応答
型高電子移動度トランジスタ。 - 【請求項１１】 請求項１〜１０のいずれか１項に記載
の光応答型高電子移動度トランジスタを用いたものであ
って、 基板（１）の表面における光応答型高電子移動度トラン
ジスタ形成領域のみに反射防止膜（５０）を形成したこ
とを特徴とする半導体受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28308099A JP2001111096A (ja) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | 光応答型高電子移動度トランジスタ及び半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28308099A JP2001111096A (ja) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | 光応答型高電子移動度トランジスタ及び半導体受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001111096A true JP2001111096A (ja) | 2001-04-20 |
Family
ID=17660962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28308099A Pending JP2001111096A (ja) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | 光応答型高電子移動度トランジスタ及び半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001111096A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002091485A1 (fr) * | 2001-05-02 | 2002-11-14 | Anritsu Corporation | Element recepteur optique a semi-conducteur dote de couches espaceurs d'acceleration intercalees entre plusieurs couches d'absorption de lumiere et son procede de production |
| WO2007094493A1 (ja) * | 2006-02-14 | 2007-08-23 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | 光電界効果トランジスタ、及びそれを用いた集積型フォトディテクタ |
-
1999
- 1999-10-04 JP JP28308099A patent/JP2001111096A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002091485A1 (fr) * | 2001-05-02 | 2002-11-14 | Anritsu Corporation | Element recepteur optique a semi-conducteur dote de couches espaceurs d'acceleration intercalees entre plusieurs couches d'absorption de lumiere et son procede de production |
| US6756609B2 (en) | 2001-05-02 | 2004-06-29 | Anritsu Corporation | Semiconductor light receiving element provided with acceleration spacer layers between plurality of light absorbing layers and method for fabricating the same |
| WO2007094493A1 (ja) * | 2006-02-14 | 2007-08-23 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | 光電界効果トランジスタ、及びそれを用いた集積型フォトディテクタ |
| GB2445313A (en) * | 2006-02-14 | 2008-07-02 | Nat Inst Of Advanced Ind Scien | Photo field effect transitor and intergrated photodetector using same |
| US7759698B2 (en) | 2006-02-14 | 2010-07-20 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Photo-field effect transistor and integrated photodetector using the same |
| GB2445313B (en) * | 2006-02-14 | 2011-03-23 | Nat Inst Of Advanced Ind Scien | Photo field effect transistor and integrated photodetector using same |
| JP4963120B2 (ja) * | 2006-02-14 | 2012-06-27 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 光電界効果トランジスタ，及びそれを用いた集積型フォトディテクタ |
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|
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