JP2002261318A - 量子型フォトトランジスタ - Google Patents
量子型フォトトランジスタInfo
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 単純な構造、高集積、高感度及び低電力であ
り、単一キヤリアで光電流が流れるようにし、信号伝達
の速度が早く、増幅率が高い量子型フォトトランジスタ
を提供する。 【解決手段】 両電極５０，５１の間に、伝導電子また
は正孔の束縛エネルギーの差を与える量子構造で伝導領
域５３を形成し、その量子構造から発生する電子まは正
孔の部分的な空乏領域に光または電磁波が照射される場
合、その部分的に空乏領域に電子正孔対が発生し、空乏
化が解除され電流が流れるようにする。量子構造はポイ
ントコンタクト、量子細線及び量子ドットなど伝導領域
の量子効果、すなわち、電子または正孔の１乃至は０次
元電子の束縛エネルギーから発生する電位障壁を任意に
形成したものである。
り、単一キヤリアで光電流が流れるようにし、信号伝達
の速度が早く、増幅率が高い量子型フォトトランジスタ
を提供する。 【解決手段】 両電極５０，５１の間に、伝導電子また
は正孔の束縛エネルギーの差を与える量子構造で伝導領
域５３を形成し、その量子構造から発生する電子まは正
孔の部分的な空乏領域に光または電磁波が照射される場
合、その部分的に空乏領域に電子正孔対が発生し、空乏
化が解除され電流が流れるようにする。量子構造はポイ
ントコンタクト、量子細線及び量子ドットなど伝導領域
の量子効果、すなわち、電子または正孔の１乃至は０次
元電子の束縛エネルギーから発生する電位障壁を任意に
形成したものである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はポイントコンタク
ト、量子細線及び量子ドットなどの量子構造を半導体材
料に積極的に利用し、伝導領域の量子効果、すなわち、
電子または正孔の１乃至は０次元電子の束縛エネルギー
から発生する電位障壁を任意に形成し、その電位障壁を
制御して光または電磁波が照射される場合、電流の流れ
及び大きさが調節できる量子型フォトトランジスタに関
する。
ト、量子細線及び量子ドットなどの量子構造を半導体材
料に積極的に利用し、伝導領域の量子効果、すなわち、
電子または正孔の１乃至は０次元電子の束縛エネルギー
から発生する電位障壁を任意に形成し、その電位障壁を
制御して光または電磁波が照射される場合、電流の流れ
及び大きさが調節できる量子型フォトトランジスタに関
する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、フォトトランジスタは光または
電磁波エネルギーを電気的なエネルギーに変換するもの
で、光または電磁波が照射される場合、その照射された
光または電磁波のエネルギーにより電子及び正孔が発生
することになり、発生した電子及び正孔が外部回路に流
れる。この時、フォトトランジスタにあらかじめ逆方向
の電圧を印加しておくと、光または電磁波が照射されな
い場合、わずかの逆電流のみが流れることになる。そし
て、フォトトランジスタにあらかじめ逆方向の電圧を印
加した状態で光または電磁波が照射される場合、その照
射された光または電磁波によって電子と正孔が発生さ
れ、発生された電子と正孔により逆電流が増加し、入射
された光に対応する所定の電流が出力される。この出力
電流を光電流という。すなわち、フォトトランジスタは
光電管と同様な動作をする半導体素子であって、写真電
送やトッキーの再生及び穿孔テープの読取などに広く利
用される。またフォトトランジスタは光電管に比べて外
形を非常に小さく形成することができるので、狭い場所
で複数個を使用する場合に非常に便利であり、波長感度
の特性が視感度の範囲より赤外線方向によく延びている
ので、赤外線の通信、赤外線の検出及び赤外線の盗聴警
報機などにも広く使われている。
電磁波エネルギーを電気的なエネルギーに変換するもの
で、光または電磁波が照射される場合、その照射された
光または電磁波のエネルギーにより電子及び正孔が発生
することになり、発生した電子及び正孔が外部回路に流
れる。この時、フォトトランジスタにあらかじめ逆方向
の電圧を印加しておくと、光または電磁波が照射されな
い場合、わずかの逆電流のみが流れることになる。そし
て、フォトトランジスタにあらかじめ逆方向の電圧を印
加した状態で光または電磁波が照射される場合、その照
射された光または電磁波によって電子と正孔が発生さ
れ、発生された電子と正孔により逆電流が増加し、入射
された光に対応する所定の電流が出力される。この出力
電流を光電流という。すなわち、フォトトランジスタは
光電管と同様な動作をする半導体素子であって、写真電
送やトッキーの再生及び穿孔テープの読取などに広く利
用される。またフォトトランジスタは光電管に比べて外
形を非常に小さく形成することができるので、狭い場所
で複数個を使用する場合に非常に便利であり、波長感度
の特性が視感度の範囲より赤外線方向によく延びている
ので、赤外線の通信、赤外線の検出及び赤外線の盗聴警
報機などにも広く使われている。
【０００３】図１は、従来のフォトトランジスタの構成
を示した断面図である。これに示されているように、従
来のフォトトランジスタは半導体基板(10)の上部に、ｎ
型コレクタ層(11)、ｐ型ベース層(12)及びｎ型エミッタ
層(13)が順に積層され、上記のｎ型エミッタ層(13)の上
部と半導体基板 (10)の下部にそれぞれ電極(14,15)が
形成されている。上記のｐ型ベース層(12)はマルチ量子
井戸(multi quantum well)の構造で形成される。このよ
うな構造を有する従来のフォトトランジスタは電源を印
加しない状態では図２（ａ）に示されているように、ｎ
型コレクタ層(11)及びｎ型エミッタ層(13)の伝導帯(con
duction band)(Ec)と価電子帯(valenceband)(Ev)がｐ型
ベース層(12)の伝導帯(Ec)及び価電子帯(Ev)より低いエ
ネルギーレベル(energy level)を有する。ここで、ｎ型
エミッタ層(13)に隣接したｐ型ベース層(12)の井戸(wel
l)(20)は他の部分の井戸(21)よりバンドギャップ(band
gap)がより小さく、幅をより大きく形成している。上記
井戸(20)は、モル(mole)濃度を他の部分の井戸(21)より
高くすることにより得られる。そして、電極(14,15)を
通じてｎ型エミッタ層(13)及び半導体基板(10)に電源を
印加する場合には、図２（ｂ）に示されているように、
ｎ型エミッタ層(13)の伝導帯(Ec)と価電子帯(Ev)は、エ
ネルギーのレベルが更に高くなり、相対的にｎ型コレク
タ層(11)の伝導帯(Ec)と価電子帯(Ev)は更に低くなる。
を示した断面図である。これに示されているように、従
来のフォトトランジスタは半導体基板(10)の上部に、ｎ
型コレクタ層(11)、ｐ型ベース層(12)及びｎ型エミッタ
層(13)が順に積層され、上記のｎ型エミッタ層(13)の上
部と半導体基板 (10)の下部にそれぞれ電極(14,15)が
形成されている。上記のｐ型ベース層(12)はマルチ量子
井戸(multi quantum well)の構造で形成される。このよ
うな構造を有する従来のフォトトランジスタは電源を印
加しない状態では図２（ａ）に示されているように、ｎ
型コレクタ層(11)及びｎ型エミッタ層(13)の伝導帯(con
duction band)(Ec)と価電子帯(valenceband)(Ev)がｐ型
ベース層(12)の伝導帯(Ec)及び価電子帯(Ev)より低いエ
ネルギーレベル(energy level)を有する。ここで、ｎ型
エミッタ層(13)に隣接したｐ型ベース層(12)の井戸(wel
l)(20)は他の部分の井戸(21)よりバンドギャップ(band
gap)がより小さく、幅をより大きく形成している。上記
井戸(20)は、モル(mole)濃度を他の部分の井戸(21)より
高くすることにより得られる。そして、電極(14,15)を
通じてｎ型エミッタ層(13)及び半導体基板(10)に電源を
印加する場合には、図２（ｂ）に示されているように、
ｎ型エミッタ層(13)の伝導帯(Ec)と価電子帯(Ev)は、エ
ネルギーのレベルが更に高くなり、相対的にｎ型コレク
タ層(11)の伝導帯(Ec)と価電子帯(Ev)は更に低くなる。
【０００４】このような状態で光または電磁波を照射す
ると（図１に矢印で示す）、正孔(hole)が照射された光
または電磁波によりバウンド(bound)状態からコンチニ
ウム(continuum)状態に浮き上がるようになり、印加さ
れた電源により正孔がｎ型エミッタ層(13)に移動するよ
うになる。この時、正孔がｎ型エミッタ層(13)に移動す
る途中に井戸(20)でよく拘束(confine)される。したが
って、井戸(20)の部分には正孔が多くなり、中性(neutr
ality)を満たすために多くの電子が井戸(20)に移動し、
井戸(20)に移動した電子は更にｎ型コレクタ層(11)に移
動して電流が流れるのである。
ると（図１に矢印で示す）、正孔(hole)が照射された光
または電磁波によりバウンド(bound)状態からコンチニ
ウム(continuum)状態に浮き上がるようになり、印加さ
れた電源により正孔がｎ型エミッタ層(13)に移動するよ
うになる。この時、正孔がｎ型エミッタ層(13)に移動す
る途中に井戸(20)でよく拘束(confine)される。したが
って、井戸(20)の部分には正孔が多くなり、中性(neutr
ality)を満たすために多くの電子が井戸(20)に移動し、
井戸(20)に移動した電子は更にｎ型コレクタ層(11)に移
動して電流が流れるのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来の
フォトトランジスタは電子の流れを円滑にするために、
ｎ型エミッタ層(13)のバランスバンドと伝導帯のエネル
ギーレベルを高め、コレクタ層の価電子帯と伝導帯のエ
ネルギーレベルを下げなければならず、エネルギーレベ
ルを下げるためには所定レベル以上の電源を印加しなけ
ればならないため、電力の消耗が多く、それゆえに、低
電圧の動作が要求されるフォトトランジスタには適合し
ない。また、上記の従来のフォトトランジスタは、その
構造が複雑で製造し難く、感度を向上させるためには寸
法を大きく形成しなければならないため、小型化が困難
である問題点があった。
フォトトランジスタは電子の流れを円滑にするために、
ｎ型エミッタ層(13)のバランスバンドと伝導帯のエネル
ギーレベルを高め、コレクタ層の価電子帯と伝導帯のエ
ネルギーレベルを下げなければならず、エネルギーレベ
ルを下げるためには所定レベル以上の電源を印加しなけ
ればならないため、電力の消耗が多く、それゆえに、低
電圧の動作が要求されるフォトトランジスタには適合し
ない。また、上記の従来のフォトトランジスタは、その
構造が複雑で製造し難く、感度を向上させるためには寸
法を大きく形成しなければならないため、小型化が困難
である問題点があった。
【０００６】本発明の目的は、単純な構造、高集積、高
感度及び低電力で駆動可能な量子型フォトトランジスタ
を提供することにある。本発明の他の目的は、単一キャ
リアで光電流が流れるようにし、信号伝達の速度が速
く、増幅率が高い量子型フォトトランジスタを提供する
ことにある。
感度及び低電力で駆動可能な量子型フォトトランジスタ
を提供することにある。本発明の他の目的は、単一キャ
リアで光電流が流れるようにし、信号伝達の速度が速
く、増幅率が高い量子型フォト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】このような目的を達成す
るための本発明の量子型フォトトランジスタは、伝導電
子または正孔の束縛エネルギー差を両電極間に与える量
子構造で伝導領域を形成し、その量子構造から発生する
電子または正孔の部分的な空乏領域に光または電磁波が
照射される場合、その部分的な空乏領域に電子-正孔対
が発生して空乏化が解除され、電流が流れるようにする
ことを特徴とする。
るための本発明の量子型フォトトランジスタは、伝導電
子または正孔の束縛エネルギー差を両電極間に与える量
子構造で伝導領域を形成し、その量子構造から発生する
電子または正孔の部分的な空乏領域に光または電磁波が
照射される場合、その部分的な空乏領域に電子-正孔対
が発生して空乏化が解除され、電流が流れるようにする
ことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、添付した図３〜図１１の図
面を参照しながら、本発明の量子型フォトトランジスタ
を詳細に説明する。図３（ａ）に示されているように、
ソース電極(30)とドレイン電極(31)間の伝導帯(32)の空
乏領域に該当する電位障壁(potential barrier)(33)を
フェルミエネルギーレベル(34)より高く設定した状態
で、光または電磁波を照射しない場合にはその電位障壁
(33)により電子(35)の流れが制御される。しかし、光ま
たは電磁波を照射する場合には、図３（ｂ）に示されて
いるようにその照射した光または電磁波により発生され
る正孔(36)が価電子帯(37)の部分空乏領域(38)に蓄積さ
れ、蓄積された正孔(36)により相対的に電位障壁(33)の
高さが低くなり、これによってソース電極(30)とドレイ
ン電極(31)との間で電子(35)が流れるようになる。
面を参照しながら、本発明の量子型フォトトランジスタ
を詳細に説明する。図３（ａ）に示されているように、
ソース電極(30)とドレイン電極(31)間の伝導帯(32)の空
乏領域に該当する電位障壁(potential barrier)(33)を
フェルミエネルギーレベル(34)より高く設定した状態
で、光または電磁波を照射しない場合にはその電位障壁
(33)により電子(35)の流れが制御される。しかし、光ま
たは電磁波を照射する場合には、図３（ｂ）に示されて
いるようにその照射した光または電磁波により発生され
る正孔(36)が価電子帯(37)の部分空乏領域(38)に蓄積さ
れ、蓄積された正孔(36)により相対的に電位障壁(33)の
高さが低くなり、これによってソース電極(30)とドレイ
ン電極(31)との間で電子(35)が流れるようになる。
【０００９】これと同様な原理で図４（ａ）に示されて
いるように、ソース電極(40)とドレイン電極(41)間の価
電子帯(42)の空乏領域に該当する電位障壁(43)をフェル
ミエネルギーレベル(44)より高く設定した状態で光また
は電磁波が照射されない場合には、その電位障壁(43)に
より正孔(45)の流れが制御される。しかし、光または電
磁波を照射した場合には、図４（ｂ）に示されているよ
うにその光または電磁波の照射により発生された電子(4
6)が、伝導帯(47)の部分空乏領域(48)に蓄積され、相対
的に電位障壁(43)の高さが低くなり、これによってソー
ス電極(40)とドレイン電極(41)との間で正孔(45)が流れ
る。このように流れる電子(35)及び正孔(45)は照射され
る光または電磁波に伴う電流として信号伝達される。す
なわち、光または電磁波を照射する場合、価電子帯(37)
の部分空乏領域(38)に蓄積された正孔(36)の数が少なく
ても多くの電流が流れ、また伝導対(47)の部分空乏領域
(48)に蓄積された電子(46)の数が少なくても多くの電流
が流れるもので、わずかな光または電磁波が照射されて
も量子効果による電位障壁(33)(43)を超えて電気的信号
として伝えられる。
いるように、ソース電極(40)とドレイン電極(41)間の価
電子帯(42)の空乏領域に該当する電位障壁(43)をフェル
ミエネルギーレベル(44)より高く設定した状態で光また
は電磁波が照射されない場合には、その電位障壁(43)に
より正孔(45)の流れが制御される。しかし、光または電
磁波を照射した場合には、図４（ｂ）に示されているよ
うにその光または電磁波の照射により発生された電子(4
6)が、伝導帯(47)の部分空乏領域(48)に蓄積され、相対
的に電位障壁(43)の高さが低くなり、これによってソー
ス電極(40)とドレイン電極(41)との間で正孔(45)が流れ
る。このように流れる電子(35)及び正孔(45)は照射され
る光または電磁波に伴う電流として信号伝達される。す
なわち、光または電磁波を照射する場合、価電子帯(37)
の部分空乏領域(38)に蓄積された正孔(36)の数が少なく
ても多くの電流が流れ、また伝導対(47)の部分空乏領域
(48)に蓄積された電子(46)の数が少なくても多くの電流
が流れるもので、わずかな光または電磁波が照射されて
も量子効果による電位障壁(33)(43)を超えて電気的信号
として伝えられる。
【００１０】このような原理を利用する本発明の量子型
フォトトランジスタは、図５に示されているようにソー
ス(50)とドレイン(51)との間の伝導領域(52)の一部に幅
が数百ｎｍ以下の量子寸法を有する瓶の首構造の通過部
(53)を形成する。このように瓶の首構造の通過部(53)を
有する本発明は光または電磁波を照射しない場合、瓶の
首構造の通過部(53)で半導体材料に現れる表面空乏現象
と同様な量子サイズ効果による伝導キャリアの空乏化現
象が発生する。したがって、外部の光または電磁波が照
射されなかったり、ソース(50)とドレイン(51)との間に
適当な電圧を印加しない場合、電子や正孔の流れるによ
る電流としての信号が伝導帯の電位障壁や価電子帯の電
位障壁を通じて伝えられなくなる。そして、わずかな光
または電磁波が照射される場合には前述のように相対的
に伝導帯の電位障壁や価電子帯の電位障壁が低くなり、
電子や正孔が通過部(53)を通過、及び電流が流れるよう
になる。
フォトトランジスタは、図５に示されているようにソー
ス(50)とドレイン(51)との間の伝導領域(52)の一部に幅
が数百ｎｍ以下の量子寸法を有する瓶の首構造の通過部
(53)を形成する。このように瓶の首構造の通過部(53)を
有する本発明は光または電磁波を照射しない場合、瓶の
首構造の通過部(53)で半導体材料に現れる表面空乏現象
と同様な量子サイズ効果による伝導キャリアの空乏化現
象が発生する。したがって、外部の光または電磁波が照
射されなかったり、ソース(50)とドレイン(51)との間に
適当な電圧を印加しない場合、電子や正孔の流れるによ
る電流としての信号が伝導帯の電位障壁や価電子帯の電
位障壁を通じて伝えられなくなる。そして、わずかな光
または電磁波が照射される場合には前述のように相対的
に伝導帯の電位障壁や価電子帯の電位障壁が低くなり、
電子や正孔が通過部(53)を通過、及び電流が流れるよう
になる。
【００１１】また、本発明を実施するにおいては、上記
と同一な概念で図６に示されているように、伝導領域(5
2)の一部にナノサイズの幅を有する空乏誘導物質(60)を
付加することにより、その空乏誘導物質(60)部分のフェ
ルミ準位を上昇させて上記の瓶の首構造の通過部(53)と
同様な効果を有するように形成できるなど、多様な方法
で簡単に製作できる。
と同一な概念で図６に示されているように、伝導領域(5
2)の一部にナノサイズの幅を有する空乏誘導物質(60)を
付加することにより、その空乏誘導物質(60)部分のフェ
ルミ準位を上昇させて上記の瓶の首構造の通過部(53)と
同様な効果を有するように形成できるなど、多様な方法
で簡単に製作できる。
【００１２】このような本発明は、半導体表面に量子化
された伝導領域を形成するためにバルク型半導体に直接
形成したり、または図７に示されているようにシリコン
基板(70)の上部にシリコン酸化膜(71)及びシリコン薄膜
(72)を順に形成したSOI(Silicon On Insulator)構造で
シリコン薄膜(72)を物理的及び化学的に蝕刻し、図５及
び図６に示されているような伝導領域(52)を形成した
後、イオン注入を通じて電子及び正孔のフェルミ準位を
上昇させて常に電流が流れる状態として形成する。この
時、部分的な空乏領域を形成するために、瓶の首構造の
通過部(53)や空乏誘導物質(60)にはイオンが注入されな
いようにし、電子及び正孔のフェルミ準位が部分的な空
乏領域のエネルギー準位よりは低く形成されるようにす
る。すなわち、伝導領域(52)の一部分に、伝導電子の量
子効果発生のための伝導電子及び正孔層の低次元構造を
作り、部分的な絶縁領域を形成し、この絶縁領域の影響
で伝導電子層及び正孔の内部が部分空乏化する。
された伝導領域を形成するためにバルク型半導体に直接
形成したり、または図７に示されているようにシリコン
基板(70)の上部にシリコン酸化膜(71)及びシリコン薄膜
(72)を順に形成したSOI(Silicon On Insulator)構造で
シリコン薄膜(72)を物理的及び化学的に蝕刻し、図５及
び図６に示されているような伝導領域(52)を形成した
後、イオン注入を通じて電子及び正孔のフェルミ準位を
上昇させて常に電流が流れる状態として形成する。この
時、部分的な空乏領域を形成するために、瓶の首構造の
通過部(53)や空乏誘導物質(60)にはイオンが注入されな
いようにし、電子及び正孔のフェルミ準位が部分的な空
乏領域のエネルギー準位よりは低く形成されるようにす
る。すなわち、伝導領域(52)の一部分に、伝導電子の量
子効果発生のための伝導電子及び正孔層の低次元構造を
作り、部分的な絶縁領域を形成し、この絶縁領域の影響
で伝導電子層及び正孔の内部が部分空乏化する。
【００１３】このような本発明は、一つのバルク型半導
体またはSOIに複数個を構成し、これを直列、並列また
はマトリックスに連結して使用することができるもの
で、出力電流を増大化させるか、またはイメージセンサ
ーなどにして使用することができる。
体またはSOIに複数個を構成し、これを直列、並列また
はマトリックスに連結して使用することができるもの
で、出力電流を増大化させるか、またはイメージセンサ
ーなどにして使用することができる。
【００１４】図８は、このような工程により形成された
構造のエネルギーバンドのダイヤグラムを表す。図８で
はシリコン基板を一例として伝導キャリアを部分的な空
乏構造である瓶の首構造の通過部(53)を作る物性的な意
味を説明する。ソース(50)とドレイン(51)との間の高濃
度でイオンがドーピングされた領域のエネルギーバンド
のダイヤグラムは、図９（ａ）のように伝導電子のフェ
ルミ準位(90)が上昇して常時自由電子が伝導帯(81)に満
ちていることを表す。反対に、瓶の首構造の通過部(53)
では蝕刻により残された伝導領域が数百ｎｍ以下にな
り、半導体表面におけるフェルミ準位(90)がピニング(p
inning)される現象と同一な電位障壁が発生する。これ
は、MOSFETで現れる現象と同様にシリコン膜とシリコン
酸化膜の間に図９（ｂ）に示されているように伝導帯(8
1)と価電子帯(82)が上方へ上昇して伝導電子が空乏化し
てしまう。
構造のエネルギーバンドのダイヤグラムを表す。図８で
はシリコン基板を一例として伝導キャリアを部分的な空
乏構造である瓶の首構造の通過部(53)を作る物性的な意
味を説明する。ソース(50)とドレイン(51)との間の高濃
度でイオンがドーピングされた領域のエネルギーバンド
のダイヤグラムは、図９（ａ）のように伝導電子のフェ
ルミ準位(90)が上昇して常時自由電子が伝導帯(81)に満
ちていることを表す。反対に、瓶の首構造の通過部(53)
では蝕刻により残された伝導領域が数百ｎｍ以下にな
り、半導体表面におけるフェルミ準位(90)がピニング(p
inning)される現象と同一な電位障壁が発生する。これ
は、MOSFETで現れる現象と同様にシリコン膜とシリコン
酸化膜の間に図９（ｂ）に示されているように伝導帯(8
1)と価電子帯(82)が上方へ上昇して伝導電子が空乏化し
てしまう。
【００１５】このような本発明は、非常に簡単な構成か
らなっていながらも、伝導可能な多くの電子及び正孔を
量子効果によりあらかじめ空乏化させ、少ない正孔及び
電子により多くの電子及び正孔を流れるようにすること
が可能であるために高感度及び高増配のフォトトランジ
スタとして作用する。このような本発明のフォトトラン
ジスタの光伝導特性を測定して図１０（ａ）及び図１０
（ｂ）のような結果を得た。ここでは、ソース(50)とド
レイン(51)との間に適当な電圧を印加した場合に瓶の首
構造の通過部(53)の幅の変化と照射された光の強度によ
る、ソース(50)とドレイン(51)との間の伝導特性を表し
ている。
らなっていながらも、伝導可能な多くの電子及び正孔を
量子効果によりあらかじめ空乏化させ、少ない正孔及び
電子により多くの電子及び正孔を流れるようにすること
が可能であるために高感度及び高増配のフォトトランジ
スタとして作用する。このような本発明のフォトトラン
ジスタの光伝導特性を測定して図１０（ａ）及び図１０
（ｂ）のような結果を得た。ここでは、ソース(50)とド
レイン(51)との間に適当な電圧を印加した場合に瓶の首
構造の通過部(53)の幅の変化と照射された光の強度によ
る、ソース(50)とドレイン(51)との間の伝導特性を表し
ている。
【００１６】図１０（ａ）から明らかなように絶縁領域
の幅を大きくすれば、ソース(50)とドレイン(51)との間
のコンダクタンスは大きくなるが、絶縁領域の幅をあま
り大きくしたり、量子効果による瓶の首構造の通過部(5
3)を作らない場合、及び伝導電子層が切断された絶縁領
域の構造ではフォトトランジスタとしての動作を表さな
い。特に、図１０（ｂ）の特性では瓶の首構造の通過部
(53)の幅が200ｎｍの場合に最も応答特性が良く現れて
いるが、これは材料の特性と伝導キャリアの種類によっ
て変化可能な特性であると言える。
の幅を大きくすれば、ソース(50)とドレイン(51)との間
のコンダクタンスは大きくなるが、絶縁領域の幅をあま
り大きくしたり、量子効果による瓶の首構造の通過部(5
3)を作らない場合、及び伝導電子層が切断された絶縁領
域の構造ではフォトトランジスタとしての動作を表さな
い。特に、図１０（ｂ）の特性では瓶の首構造の通過部
(53)の幅が200ｎｍの場合に最も応答特性が良く現れて
いるが、これは材料の特性と伝導キャリアの種類によっ
て変化可能な特性であると言える。
【００１７】また、本発明は図１１に示されているよう
に、照射される光または電磁波の強度が大きくなるほど
電流が大きくなるが、その傾度を通じて、10万A/W以上
の感度乃至は10万以上の増配率を有する量子型フォトト
ランジスタが実現されることが分かる。
に、照射される光または電磁波の強度が大きくなるほど
電流が大きくなるが、その傾度を通じて、10万A/W以上
の感度乃至は10万以上の増配率を有する量子型フォトト
ランジスタが実現されることが分かる。
【００１８】以上では本発明を特定の望ましい実施例に
関連して示して説明したが、本発明はこれに限定される
ものでなく、特許請求の範囲により裏付けられる本発明
の精神や分野を離脱しない限度内で多様に改造及び変化
できることを当業界における通常の知識を有する者であ
れば容易に分かる。
関連して示して説明したが、本発明はこれに限定される
ものでなく、特許請求の範囲により裏付けられる本発明
の精神や分野を離脱しない限度内で多様に改造及び変化
できることを当業界における通常の知識を有する者であ
れば容易に分かる。
【００１９】例えば、上記では光信号の電気的な信号へ
の変換において、電子または正孔だけを伝導性分として
使用し、単にいくつの正孔または電子でも量子効果によ
る瓶の首構造の通過部の電位障壁を下げる構造になって
いて、高感度を実現し、一括の工程でナノサイズの素子
を同時に高集積化させることができる。また、図５では
面内に伝導電子層の空乏領域を形成しているが、上下が
同一な構造を立体的にも製造可能である。量子効果によ
る伝導電子層の部分絶縁領域は必ずしも中心にある必要
がなく、角部などに偏っても関係なく、量子効果による
部分絶縁領域は必ずしも化学的な蝕刻で形成する必要は
ないもので、金属電極などを利用して電気的に空乏化さ
せても構わない。また、部分絶縁領域構造とソースまた
はドレインとの間隔が狭い方が、全体の抵抗を小さくす
るため電流を大きくする。また上記の部分的な電位障壁
はシリコン基板に高誘電常数の物質を蒸着させて形成す
ることができる。
の変換において、電子または正孔だけを伝導性分として
使用し、単にいくつの正孔または電子でも量子効果によ
る瓶の首構造の通過部の電位障壁を下げる構造になって
いて、高感度を実現し、一括の工程でナノサイズの素子
を同時に高集積化させることができる。また、図５では
面内に伝導電子層の空乏領域を形成しているが、上下が
同一な構造を立体的にも製造可能である。量子効果によ
る伝導電子層の部分絶縁領域は必ずしも中心にある必要
がなく、角部などに偏っても関係なく、量子効果による
部分絶縁領域は必ずしも化学的な蝕刻で形成する必要は
ないもので、金属電極などを利用して電気的に空乏化さ
せても構わない。また、部分絶縁領域構造とソースまた
はドレインとの間隔が狭い方が、全体の抵抗を小さくす
るため電流を大きくする。また上記の部分的な電位障壁
はシリコン基板に高誘電常数の物質を蒸着させて形成す
ることができる。
【００２０】そして、図５、図６及び図７は、シリコン
半導体を利用した絶縁体上の薄膜型シリコン構造で形成
した場合を例示したものであり、III-Ｖ族半導体を利用
した変調ドーピング量子井戸またはヘテロ接合構造で形
成したり、金属、ゲルマニウム、バルク型シリコン基板
などを利用したり、他の物質または他の編成でも光また
は電磁波に対応する伝導性があれば、同様な目的を達成
することができ、図５の面型構造を垂直型構造で製作し
ても同様な目的が達成可能であるため、他の素子との積
層化が容易である。
半導体を利用した絶縁体上の薄膜型シリコン構造で形成
した場合を例示したものであり、III-Ｖ族半導体を利用
した変調ドーピング量子井戸またはヘテロ接合構造で形
成したり、金属、ゲルマニウム、バルク型シリコン基板
などを利用したり、他の物質または他の編成でも光また
は電磁波に対応する伝導性があれば、同様な目的を達成
することができ、図５の面型構造を垂直型構造で製作し
ても同様な目的が達成可能であるため、他の素子との積
層化が容易である。
【００２１】
【発明の効果】以上にて詳細に説明したように、本発明
のフォトトランジスタは構造が単純であり、光または電
磁波に非常に敏感な感度を表すので、光検出器または光
センサーとして利用可能であり、より高性能のフォトト
ランジスタであるので、従来のフォトトランジスタと代
替したり新機能の素子として使用することができる。ま
た本発明は、簡単に複数個の接続が可能であるため、出
力を更に増大させたり、増幅回路を一括工程により同一
なチップ上に形成することにより、1次元または2次元の
イメージセンサーとして使用することができ、出力電流
が大きいので、発光ダイオードなどの発光素子を電源を
付けて直接駆動することができる。この時、光出力を光
入力より大きくすることができるので、暗視カメラとし
て利用したり、光増幅器などの光メモリーとして、アナ
ログ及びデジタルの光回路としての応用も可能である。
また、量子効果による伝導電子の空乏エネルギー準位を
任意的に調節することにより、任意の波長の光または電
磁波に応答するフォトトランジスタと任意の増配率を有
するフォトトランジスタを構成することができる。
のフォトトランジスタは構造が単純であり、光または電
磁波に非常に敏感な感度を表すので、光検出器または光
センサーとして利用可能であり、より高性能のフォトト
ランジスタであるので、従来のフォトトランジスタと代
替したり新機能の素子として使用することができる。ま
た本発明は、簡単に複数個の接続が可能であるため、出
力を更に増大させたり、増幅回路を一括工程により同一
なチップ上に形成することにより、1次元または2次元の
イメージセンサーとして使用することができ、出力電流
が大きいので、発光ダイオードなどの発光素子を電源を
付けて直接駆動することができる。この時、光出力を光
入力より大きくすることができるので、暗視カメラとし
て利用したり、光増幅器などの光メモリーとして、アナ
ログ及びデジタルの光回路としての応用も可能である。
また、量子効果による伝導電子の空乏エネルギー準位を
任意的に調節することにより、任意の波長の光または電
磁波に応答するフォトトランジスタと任意の増配率を有
するフォトトランジスタを構成することができる。
【図１】 従来のフォトトランジスタの構成を示した断
面図である。
面図である。
【図２】 （ａ）（ｂ）は従来のフォトトランジスタに
電源を印加する前と電源を印加した後のエネルギーバン
ド構造を示した図である。
電源を印加する前と電源を印加した後のエネルギーバン
ド構造を示した図である。
【図３】 （ａ）（ｂ）は本発明の量子型フォトトラン
ジスタの動作原理を説明するための図である。
ジスタの動作原理を説明するための図である。
【図４】 （ａ）（ｂ）は本発明の量子型フォトトラン
ジスタの動作原理を説明するための図である。
ジスタの動作原理を説明するための図である。
【図５】 本発明の量子型フォトトランジスタの一実施
例の構成原理を説明するための図である。
例の構成原理を説明するための図である。
【図６】 本発明の量子型フォトトランジスタの他の実
施例の構成原理を説明するための図である。
施例の構成原理を説明するための図である。
【図７】 本発明の量子型フォトトランジスタをSOI構
造で形成する例を示した断面図である。
造で形成する例を示した断面図である。
【図８】 本発明の量子型フォトトランジスタのエネル
ギーダイヤグラムを示した図である。
ギーダイヤグラムを示した図である。
【図９】 （ａ）（ｂ）は本発明の量子型フォトトラン
ジスタのエネルギーダイヤグラムを示した図である。
ジスタのエネルギーダイヤグラムを示した図である。
【図１０】 （ａ）（ｂ）は本発明の量子型フォトトラ
ンジスタの伝導特性を測定して示した図である。
ンジスタの伝導特性を測定して示した図である。
【図１１】 本発明の量子型フォトトランジスタの感度
特性を測定して示した図である。
特性を測定して示した図である。
３０，４０ ソース電極 ３１，４１ ドレイン電極 ３２，４７ 伝導帯 ３３，４３ 電位障壁 ３５，４６ 電子 ３６，４５ 正孔 ３７，４２ 価電子帯 ３８，４８ 部分空乏領域 ５０ ソース ５１ ドレイン ５３ 通過部
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１３年６月２８日（２００１．６．２
８）
８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１９】例えば、上記では光信号の電気的な信号へ
の変換において、電子または正孔だけを伝導性分として
使用し、単にいくつの正孔または電子でも量子効果によ
る瓶の首構造の通過部の電位障壁を下げる構造になって
いて、高感度を実現し、一括の工程でナノサイズの素子
を同時に高集積化させることができる。また、図５では
面内に伝導電子層の空乏領域を形成しているが、上下が
同一な構造を立体的にも製造可能である。量子効果によ
る伝導電子層の部分絶縁領域は必ずしも中心にある必要
がなく、角部などに偏っても関係なく、量子効果による
部分絶縁領域は必ずしも化学的な蝕刻で形成する必要は
ないもので、金属電極などを利用して電気的に空乏化さ
せても構わない。また、部分絶縁領域構造とソースまた
はドレインとの間隔が狭い方が、全体の抵抗を小さくす
るため電流を大きくする。また上記の部分的な電位障壁
はシリコン基板に高誘電率を持つ物質を蒸着させて形成
することができる。
の変換において、電子または正孔だけを伝導性分として
使用し、単にいくつの正孔または電子でも量子効果によ
る瓶の首構造の通過部の電位障壁を下げる構造になって
いて、高感度を実現し、一括の工程でナノサイズの素子
を同時に高集積化させることができる。また、図５では
面内に伝導電子層の空乏領域を形成しているが、上下が
同一な構造を立体的にも製造可能である。量子効果によ
る伝導電子層の部分絶縁領域は必ずしも中心にある必要
がなく、角部などに偏っても関係なく、量子効果による
部分絶縁領域は必ずしも化学的な蝕刻で形成する必要は
ないもので、金属電極などを利用して電気的に空乏化さ
せても構わない。また、部分絶縁領域構造とソースまた
はドレインとの間隔が狭い方が、全体の抵抗を小さくす
るため電流を大きくする。また上記の部分的な電位障壁
はシリコン基板に高誘電率を持つ物質を蒸着させて形成
することができる。
Claims (13)
- 【請求項１】 半導体基板の両方に形成され光電流を出
力する二つの電極;前記半導体基板の前記二つの電極の
間に備えられ、正孔及び電子が移動する伝導領域;及び
前記伝導領域に瓶の首構造で形成され、前記電子及び正
孔の流れを遮断する部分的な電位障壁をなし、光または
電磁波が入射される場合、その電位障壁が解除され前記
電子及び正孔が流れるようにする通過部で構成されるこ
とを特徴とする量子型フォトトランジスタ。 - 【請求項２】 前記部分的電位障壁は;複数個を有する
ことを特徴とする請求項１記載の量子型フォトトランジ
スタ。 - 【請求項３】 前記部分的電位障壁は;伝導帯に形成さ
れ、電子からなる光電流が正孔により流れるように構成
されることを特徴とする請求項１または２記載の量子型
フォトトランジスタ。 - 【請求項４】 前記部分的電位障壁は;価電子帯に形成
され、正孔からなる光電流が電子により流れるように構
成されることを特徴とする請求項１または２記載の量子
型フォトトランジスタ。 - 【請求項５】 前記瓶の首構造の通過部は;量子線で形
成されることを特徴とする請求項１記載の量子型フォト
トランジスタ。 - 【請求項６】 前記瓶の首構造の通過部は;量子ドット
で形成されることを特徴とする請求項１記載の量子型フ
ォトトランジスタ。 - 【請求項７】 前記伝導領域は;バルクシリコン基板に
形成されることを特徴とする請求項１記載の量子型フォ
トトランジスタ。 - 【請求項８】 前記伝導領域を金属材料とし、部分的な
空乏領域を絶縁物質として形成することを特徴とする請
求項１記載の量子型フォトトランジスタ。 - 【請求項９】 前記基板は;III-Ｖ族半導体を利用した
変調ドーピング量子井戸またはヘテロ接合構造で形成さ
れることを特徴とする請求項１記載の量子型フォトトラ
ンジスタ。 - 【請求項１０】 前記基板は;MOS構造のシリコン基板で
あることを特徴とする請求項１記載の量子型フォトトラ
ンジスタ。 - 【請求項１１】 前記基板は;金属薄膜及び酸化膜を形
成したシリコン基板であることを特徴とする請求項１記
載の量子型フォトトランジスタ。 - 【請求項１２】 前記基板は;SOI基板であることを特徴
とする請求項１記載の量子型フォトトランジスタ。 - 【請求項１３】 前記部分的な電位障壁は;シリコン基
板に高誘電常数の物質を蒸着させて形成することを特徴
とする請求項１記載の量子型フォトトランジスタ。
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|---|---|---|---|
| KR1020010009788A KR20020069577A (ko) | 2001-02-26 | 2001-02-26 | 양자형 포토 트랜지스터 |
| KR2001-9788 | 2001-02-26 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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| JP (1) | JP2002261318A (ja) |
| KR (1) | KR20020069577A (ja) |
| CN (1) | CN1371135A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7372067B2 (en) | 2004-09-30 | 2008-05-13 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Refractive index changing apparatus and method |
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|---|---|---|---|---|
| KR100499956B1 (ko) * | 2002-10-24 | 2005-07-05 | 전자부품연구원 | 양자채널이 형성된 모스펫을 이용한 포토디텍터 및 그제조방법 |
| CN103904178B (zh) * | 2014-04-11 | 2016-08-17 | 浙江大学 | 量子点发光器件 |
| CN105158979B (zh) * | 2015-10-23 | 2019-01-18 | 武汉华星光电技术有限公司 | 一种显示装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2001
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