JP2004104085A - アバランシェフォトトランジスタ - Google Patents

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Abstract

【課題】高出力で高速特性かつ多機能性を有するアバランシェフォトトランジスタを提供すること。
【解決手段】半導体基板１００上にコレクタ層１１０、ベース層１３０及びエミッタ層１９０が順次に積層され、各層に各々電位を印加し得るコレクタ電極１１５、ベース電極１３５及びエミッタ電極１９５の３端子を有している。エミッタ層１９０及びベース層１３０の間には、エミッタ光吸収層１７０と薄いアバランシェ利得構造層１６０が形成されている。ベース層１３０及びコレクタ層１１０の間にはホットエレクトロン転移層１２５が形成されている。光信号がエミッタ光吸収層１７０に吸収されつつ生じた励起電子は、薄いアバランシェ利得構造層１６０を通じて増倍され、ホットエレクトロン転移層１２５を通過しつつ高速化されてコレクタ層１１０にまで達する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アバランシェフォトトランジスタに関し、より詳細には、アバランシェ光検出器（Ａｖａｌａｎｃｈｅ　Ｐｈｏｔｏ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＡＰＤ）に係り、特に、３端子を使用するトランジスタ構造及びホットエレクトロン転移層を適用することにより、従来よりも低電圧、高速及び高感度、高機能特性を有するアバランシェフォトトランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超高速大容量光通信システム及び映像処理システムの需要の増大とあいまって、これらシステムに必須的に使われる光検出器に関する研究が活発になされつつある。このような研究のほとんどは、光検出器を高速化かつ高感度化させる方法に集中している。
【０００３】
従来の光検出器のほとんどは、構造が単純であるＰＩＮ光検出器であったものの、分子ビームエピタクシーや金属有機化学蒸着法などの半導体成長技術の発展と併せて様々な異種接合構造が実現可能になるに伴い、ＡＰＤがＰＩＮ光検出器を代えつつある。このＡＰＤはアバランシェ利得を利用するので、ＰＩＮ光検出器に比べて高い感度を有するといった長所がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、今まで知られているＡＰＤは、アバランシェフォトダイオードを利用したものである。このアバランシェフォトダイオードは、アバランシェ利得を得るために極めて高い電圧を要し、しかも速度が遅いといった短所があった。そればかりでなく、出力電流が低くて電気的前置増幅器が必ず必要であるといった点が限界として指摘されている。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、相対的に低い電圧を印加しても高い利得を成し遂げて感度が高められ、高飽和電流特性を有することに加えて、高出力で高速特性かつ多機能性を有するアバランシェフォトトランジスタを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、半導体基板上に、順次に積層されたコレクタ層，ベース層及びエミッタ層と、該エミッタ層及び前記ベース層の間に形成されたエミッタ光吸収層と、該エミッタ光吸収層及び前記ベース層の間に形成され、電荷層及び５，０００Å以下の増倍層を有する薄いアバランシェ利得構造層と、前記ベース層及び前記コレクタ層の間に形成されたホットエレクトロン転移層と、前記エミッタ層，前記ベース層及び前記コレクタ層に各々電位を印加するエミッタ電極，ベース電極及びコレクタ電極の３端子とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記エミッタ光吸収層は、バルクタイプ単一物質層、１，０００Å以下の薄膜層、自己組立て量子点構造層、量子井戸構造、２重障壁量子井戸や多重障壁量子井戸構造を用いて形成された垂直型量子点アレイ構造、または量子線のアレイ構造よりなることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記増倍層が、バルクタイプの単一物質層または超格子構造であることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記エミッタ光吸収層の上部及び下部にガイド層が導入されて光導波路型構造に形成されたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記コレクタ層及び前記半導体基板の間に光導波路構造層が導入されて光導波路−フェッド型構造に形成されたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記コレクタ層及び前記半導体基板の間にλ／４スタックよりなる下部ミラー層を導入し、前記エミッタ層上に多層の誘電膜を用いた上部ミラー層を積層して共振器型に形成されたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１，５又は６に記載の発明において、前記アバランシェ利得構造層にスペーサ層を設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１，４，５又は６に記載の発明において、前記アバランシェ利得構造層に漸進スペーサ層を設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ホットエレクトロン転移層は、前記ベース層及び前記コレクタ層より広いバンドギャップを有する半導体物質よりなることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ホットエレクトロン転移層は、ｐ型半導体，ｎ型半導体及び真性半導体を組み合わせて形成した多層膜であることを特徴とする。
【００１６】
このように、本発明のアバランシェフォトトランジスタは、半導体基板上に、コレクタ層，ベース層及びエミッタ層が順次に積層された構造であって、エミッタ層及びベース層の間には、光信号を吸収して電子を発するエミッタ光吸収層が形成されており、このエミッタ光吸収層及びベース層の間には、電荷層及び５，０００Å以下の増倍層を含む薄いアバランシェ利得構造層が形成されている。また、ベース層及びコレクタ層の間には、高速のホットエレクトロンを転移させるホットエレクトロン転移層が形成されており、エミッタ層，ベース層及びコレクタ層に各々電位を印加し得るエミッタ電極とベース電極及びコレクタ電極の３端子が形成されている。
【００１７】
ここで、エミッタ光吸収層は、バルクタイプ単一物質層、１，０００Å以下の薄膜層、自己組立て量子点構造層、量子井戸構造、２重障壁量子井戸や多重障壁量子井戸構造を用いて形成された垂直型量子点アレイ構造、または量子線のアレイ構造よりなる。そして、不純物の拡散、調節などのためのスペーサ層などを必要な所にさらに挿入することも可能である。
【００１８】
また、ホットエレクトロン転移層は、ベース層及びコレクタ層より広いバンドギャップを持った半導体物質よりなるので電子の加速化を司り、ベース層及びコレクタ層より広いバンドギャップを有する半導体物質をｐ型、ｎ型及び真性組み合わせて構成できる。
【００１９】
また、本発明のアバランシェフォトトランジスタにおいては、入射した信号光（赤外線）によりエミッタ光吸収層において電子のバンド間あるいはサブバンド間、換言すれば、バンド内遷移が起こる。外部電圧の適用時に、光信号の吸収によって生成された電子は、電荷層及び増倍層などを通って増倍され、ベース層及びコレクタ層の間のホットエレクトロン転移層を通過しつつ高速化され、高い電流（電気信号）が得られる。従って、比較的に低い電圧を印加しても結果的には高い利得が得られる。そして、本発明のアバランシェフォトトランジスタにおける薄い増倍層は、基本的にＡＰＤの速度及び雑音特性を改善させる。
【００２０】
このような構成により、アバランシェ利得構造層、ホットエレクトロン転移層及び３端子を適用することにより、高利得の成し遂げによる高感度、低電圧を成し遂げ、高出力、高速化を成し遂げ、光検出器の降伏を下げて安定性などを確保できる。低電圧を使用するので多くの利点を持ち、高利得を成し遂げるので低い光吸収率も補償できる。また、多端子作動による新機能性及び多機能性が付与される。エミッタ光吸収層構造の選択自由度により様々な領域の赤外線信号の選択及び処理も可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。しかしながら、後述する本発明の実施形態は各種の形態に変形でき、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されることはない。本発明の実施形態は当業者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係るアバランシェフォトトランジスタの第１実施形態を説明するための断面図である。この図１から分かるように、本発明のアバランシェフォトトランジスタは、高利得，高出力，高速度及び３端子の特徴を有する。
【００２３】
本発明の第１実施形態によるアバランシェフォトトランジスタは、半導体基板１００上にコレクタ層１１０、ベース層１３０及びエミッタ層１９０が順次に積層された構造であり、各層に各々電位を印加し得るコレクタ電極１１５、ベース電極１３５及びエミッタ電極１９５の３端子を有している。特に、エミッタ電極１９５は、断面上２つに分離されたかのように見えるが、実際にはエミッタ層１９０上にリング状に形成されて受光部を限定し、外部から所定の電圧を印加し得るように構成されている。
【００２４】
エミッタ層１９０及びベース層１３０の間には、光信号を吸収して電子を発するエミッタ光吸収層１７０が形成されており、このエミッタ光吸収層１７０及びベース層１３０の間には、薄いアバランシェ利得構造層１６０が形成されており、エミッタ光吸収層１７０から発せられた電子の数を増倍させる。この時、アバランシェ利得構造層１６０は、電荷層１５０及び５，０００Å以下の薄い増倍層１４０を有している。この増倍層１４０は、バルクタイプの単一物質層であるか、それとも超格子構造である。
【００２５】
エミッタ光吸収層１７０にバンドギャップ以上のエネルギーを持った光信号が照射されれば、エミッタ光吸収層１７０内において電子が伝導帯に遷移して励起電子となり、価電子帯に正孔が生成される。このようなエミッタ光吸収層１７０は様々な構造に形成でき、例えば、バルクタイプ単一物質層、１，０００Å以下の薄膜層、自己組立て量子点構造層、量子井戸構造、２重障壁量子井戸や多重障壁量子井戸構造を用いて形成された垂直型量子点アレイ構造、または量子線のアレイ構造よりなることができる。一方、エミッタ光吸収層１７０及びエミッタ層１９０の間には、バッファ層として作用するスペーサ層１８０を選択的に含めても良い。
【００２６】
一方、ベース層１３０及びコレクタ層１１０の間には、ホットエレクトロン転移層１２５が形成されており、ベース層１３０から伝達された電子を高速化させてコレクタ層１１０に連結可能にする。このようなホットエレクトロン転移層１２５は、ベース層１３０及びコレクタ層１１０より広いバンドギャップを有する物質よりなり、多層膜１２１，１２２，１２３を有している。
【００２７】
以上のようなトランジスタ構造において、光信号がエミッタ光吸収層１７０に吸収されつつ生じた励起電子は、薄いアバランシェ利得構造層１６０を通じて増倍され、ホットエレクトロン転移層１２５を通過しつつ高速化されてコレクタ層１１０にまで達する。従って、従来よりも低い電圧を印加しても高感度、高利得、高出力及び高速度の特性が得られる。
【００２８】
フォトトランジスタは、エミッタ層１９０、ベース層１３０及びコレクタ層１１０をｐｎｐ型及びｎｐｎ型のどちらにも構成でき、このための各層及びその他の要素の不純物ドーピング濃度と物質の種類などはＡＰＤの利得、速度などの性能に重要な因子であるため、慎重に決定する必要がある。例えば、エミッタ層１９０はｐ＋−ＩｎＡｌＡｓ層とし、スペーサ層１８０はｉ−ＩｎＡｌＡｓ層にて構成する。
【００２９】
エミッタ光吸収層１７０は、１，０００Å以下のｉ−ＩｎＧａＡｓ単一物質にて構成し、アバランシェ利得構造層１６０は、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ電荷層１５０及び５，０００Å以下の薄いｉ−ＩｎＡｌＡｓ増倍層１４０を含めて薄く構成し、ベース層１３０は、２，０００〜３，０００Å以下の厚さを有するｎ−ＩｎＡｌＡｓ層またはｐ−ＩｎＡｌＡｓ層にて構成する。
【００３０】
ホットエレクトロン転移層１２５は、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層１２３、５００Å以下のｎ−ＩｎＡｌＡｓ層１２２及び２，０００Å程度のｉ−ＩｎＡｌＡｓ層１２１を含む多層膜であり、コレクタ層１１０は、ｎ−ＩｎＡｌＡｓ層とする。基板１００としてはｎ−ＩｎＰが使用できる。
【００３１】
しかし、本発明は各種の半導体物質、導電型、不純物ドーピング濃度などに具現可能なのは言うまでもなく、ここに提示する例は本発明を限定するものではなく、当業者をして本発明を本明細書の記載から容易に実施可能ならしめるためのものであるという点が理解できる筈である。また、本明細書では電子が主なキャリアである場合に限って説明されているが、正孔が主なキャリアである場合にも同様の説明が適用可能であるという点に留意すべきである。
【００３２】
［第２実施形態］
図２は、本発明に係る共振器型アバランシェフォトトランジスタを説明するための断面図である。図２の構成要素のうち図１と同じものに対しては同じ参照番号を付して反復的な説明を省略する。
【００３３】
図１に提示した構造が利用でき、コレクタ層１１０及び基板１００の間に半導体λ／４スタックよりなる下部ミラー層１０１を導入し、エミッタ層１９０上には多層の誘電膜を利用した上部ミラー層１９１を積層する。例えば、下部ミラー層１０１は、基板１００に格子整合された構造であって、屈折率が相異なる半導体層を交互に色々な周期にて形成した半導体ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）に構成する。
【００３４】
本実施形態に従いミラー層構造を導入して共振器を形成すれば、量子効率が高められるので、素子の性能を向上させて高速化が成し遂げられる。従って、図２に示されたフォトトランジスタは超高速赤外線信号の検出素子として利用できる。
【００３５】
［第３実施形態］
図３は、本発明に係る光導波路型アバランシェフォトトランジスタを説明するための断面図である。この第３実施形態においては、エミッタ光吸収層２７０の上部及び下部にガイド層２７２，２６２が導入されている。例えば、ｐ＋−ＩｎＡｌＡｓエミッタ層２９０、ｉ−ＩｎＡｌＡｓ第１ガイド層２７２、ｉ−ＩｎＧａＡｓ薄膜のエミッタ光吸収層２７０、ｉ−ＩｎＡｌＡｓ第２ガイド層２６２、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ電荷層２５０及び２，０００Å以下の薄いｉ−ＩｎＡｌＡｓ増倍層２４０を含むアバランシェ利得構造層２６０、２，０００Å以下の薄いベース層２３０、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層２２３、５００Å以下のｎ−ＩｎＡｌＡｓ層２２２、２，０００Å程度のｉ−ＩｎＡｌＡｓ層２２１を含むホットエレクトロン転移層２２５及びｎ−ＩｎＡｌＡｓコレクタ層２１０を有している。
【００３６】
このような構造物は、ｎ−ＩｎＰのような半導体基板２００上に形成され、コレクタ層２１０、ベース層２３０及びエミッタ層２９０に各々電位を印加し得るコレクタ電極２１５、ベース電極２３５及びエミッタ電極２９５の３端子も設けられる。特に、エミッタ電極２９５はエミッタ層２９０上に板状に形成され、光信号はエミッタ光吸収層２７０の側面に入る（矢印方向）。その他に特別の言及がない要素は、上述した第１実施形態と同じものであると理解できる。
【００３７】
［第４実施形態］
図４は、本発明に係る第４実施形態による光導波路−フェッド型アバランシェフォトトランジスタを説明するための断面図である。この第４実施形態においては、コレクタ層３１０及び基板３００の間に光導波路構造層３０４が導入されている。
【００３８】
具体的には、ｐ＋−ＩｎＡｌＡｓエミッタ層３９０、ｉ−ＩｎＡｌＡｓスペーサ層３８０、ｉ−ＩｎＧａＡｓ薄膜のエミッタ光吸収層３７０、ｉ−ＩｎＧａＡｌＡｓ漸進スペーサ層３６１（ＩｎＧａ０．４７（１−ｘ）Ａｌ０．４７ｘＡｓ、ｘ＝１から０まで変わる）、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ電荷層３５０及び２，０００Å以下のｉ−ＩｎＡｌＡｓ増倍層３４０を含むアバランシェ利得構造層３６０、２，０００Å以下のベース層３３０、ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層３２３、５００Å以下のｎ−ＩｎＡｌＡｓ層３２２、２，０００Å程度のｉ−ＩｎＡｌＡｓ層３２１を含むホットエレクトロン転移層３２５及びｎ−ＩｎＡｌＡｓコレクタ層３１０、ＩｎＧａＡｌＡｓガイド層３０３及びＩｎＡｌＡｓ層３０２を含む光導波路構造層３０４に構成できる。
【００３９】
このような構造物は、ｎ−ＩｎＰなどの半導体基板３００上に形成され、コレクタ層３１０、ベース層３３０及びエミッタ層３９０に各々電位を印加し得るコレクタ電極３１５、ベース電極３３５及びエミッタ電極３９５の３端子も設けられる。エミッタ電極３９５はエミッタ層３９０上に板状に形成され、光信号は光導波路構造層３０４の側面に入る（矢印方向）。その他に特別の言及がない要素は、上述した第１実施形態と同じものであるということが理解できる。
【００４０】
上述した第１乃至第４実施形態において説明した通り、本発明のアバランシェフォトトランジスタは、既存のＡＰＤとして使われてきたアバランシェフォトダイオードと比較してみる時、ベース層及びホットエレクトロン転移層をさらに含み、これにより、極めて薄いアバランシェ利得構造層が導入できるので、既存のアバランシェフォトダイオードに比べて一層高い利得、高速特性、高飽和電流、高出力の特性を有する。また、３端子を適用することにより多機能性や新機能性を有する。
【００４１】
（エミッタ光吸収層の例）
次に、本発明のアバランシェフォトトランジスタにエミッタ光吸収層として導入できる構造の例を説明する。後述するように、本発明のエミッタ光吸収層として選択できる構造は極めて様々である。このような構造の選択自由度により様々な領域の赤外線信号の選択及び処理が可能になる。
【００４２】
図５（ａ）乃至図１０（ｂ）は、図１乃至図４のエミッタ光吸収層１７０，２７０，３７０に適用できる各構造の水平断面図と横断面図である。各図面において、（ａ）は基板に水平な水平断面図であり、（ｂ）は基板に垂直な横断面図である。便宜上図１または図２のエミッタ光吸収層１７０に対するものを例に取って説明するが、図３のエミッタ光吸収層２７０、図４のエミッタ光吸収層３７０にも同じ説明が適用可能であるということは当業者であれば理解できるであろう。
【００４３】
まず、図５（ａ），（ｂ）は、エミッタ光吸収層１７０としてバルクタイプ単一物質層または１０００Å以下の薄膜層を形成した場合を示すものである。上述した実施形態において、エミッタ光吸収層１７０としてｉ−ＩｎＧａＡｓ薄膜を形成する場合を紹介したことがある。
【００４４】
次に、図６（ａ）〜（ｃ）は、自己組立て量子点アレイ構造層にて構成されたエミッタ光吸収層１７０を示す図である。特に、図６の（ｃ）のように自己組立て量子点アレイ構造層を多数回積層して形成することも可能である。よく知られているように、自己組立て量子点は格子定数の小さい物質１６３ａ上に格子定数の大きい物質１６３ｂを薄く積層し、格子定数の大きい物質１６３ｂにストレインをかけて凝集させた後、その上に再び格子定数の小さい物質１６３ａを積層して形成する。
【００４５】
一般的に、格子定数の小さい物質が格子定数の大きい物質の方よりバンドギャップが広いので、格子定数の小さい物質１６３ａに取り囲まれた凝集された格子定数の大きい物質１６３ｂは広いバンドギャップ間に挟まれた狭いバンドギャップをなして量子点になる。実施に当って、参照番号“１６３ａ”は例えばＧａＡｓ層であり、“１６３ｂ”はＩｎＡｓ量子点である。
【００４６】
図７（ａ），（ｂ）は、２重障壁量子井戸構造の水平的束縛過程を通じてエミッタ光吸収層１７０として量子点アレイ層構造を形成した場合を示す図である。例えば、参照番号“１６４ａ”はｉ−ＩｎＡｌＡｓ層よりなる量子障壁層であり、“１６４ｂ”は１００Å以下のＩｎＧａＡｓ量子井戸層を利用した量子点であり、“１６４ｃ”はＳｉＮなどの絶縁層である。よく知られているように、量子障壁層とは、量子井戸層に比べてバンドギャップが広い物質層を意味する。
【００４７】
図８（ａ），（ｂ）は、２重障壁量子井戸型エピ構造において、水平的束縛過程を通じてエミッタ光吸収層１７０として量子線構造を形成した場合である。参照番号“１６５ａ”はｉ−ＩｎＡｌＡｓ層よりなる量子障壁層であり、“１６５ｂ”は１００Å以下のＩｎＧａＡｓ量子井戸層を利用した量子線であり、“１６５ｃ”は絶縁層である。
【００４８】
図９（ａ），（ｂ）は、エミッタ光吸収層１７０構造にて３重障壁量子井戸型エピ構造において水平的束縛過程を通じて垂直型量子点アレイを形成した構造である。実施に当って、参照番号“１６６ａ”はｉ−ＡｌＡｓ層であり、“１６６ｂ”は１００Å以下のＧａＡｓ量子井戸層を利用した量子点構造であり、“１６６ｃ”は絶縁層である。このような構造を形成する方法は、図７の場合と類似である。
【００４９】
最後に、図１０（ａ），（ｂ）は、エミッタ光吸収層１７０の構造であって、３重障壁量子井戸構造を利用した垂直量子線アレイ構造層を示すものである。その形成方法は図８の場合と類似であるということが理解できる。例えば、参照番号“１６７ａ”はｉ−ＩｎＡｌＡｓ層よりなる量子障壁層であり、“１６７ｂ”は１００Å以下のＩｎＧａＡｓ量子井戸層を利用した量子線であり、“１６７ｃ”は絶縁層である。
【００５０】
（エネルギーバンドダイヤグラム）
一方、図１１Ａ及び図１１Ｂは、本発明のアバランシェフォトトランジスタにおけるエネルギー状態を示すエネルギーバンドダイヤグラムである。特に、図１乃至図４のエミッタ光吸収層１７０，２７０，３７０として量子構造を適用していないケースに該当する。図面において、（Ｅ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、公知のように、エミッタ層、ベース層、コレクタ層を各々表わし、ＥＣは伝導帯、ＥＶは価電子帯である。
【００５１】
まず、図１１Ａは、電圧が印加されておらず、かつ、熱平衡状態である時のエネルギーバンドを示すものである。この状態で、ＶＢ１は、エミッタ光吸収層及びアバランシェ利得構造層の間のビルトイン電圧であり、Ｖ’Ｂ１は、ベース層及びコレクタ層の間のビルトイン電圧である。
【００５２】
次に、図１１Ｂは、外部電圧の適用時の動作状態を示すものである。エミッタ光吸収層内において電子が赤外線を吸収すれば、伝導帯にバンド間遷移する。遷移された電子は電荷層及び増倍層を通過しつつ外部印加電圧（Ｖ１，Ｖ２）及びトランジスタ内部のビルトイン電圧（ＶＢ１、Ｖ’Ｂ１）により増倍される。アバランシェ利得構造層における電場の強度はアバランシェ利得構造層の両端に印加された電圧により調節される。Ｖ１は、エミッタ層及びベース層の間に印加された電圧であり、Ｖ２は、ベース層及びコレクタ層の間に印加される電圧であって、互いに反対極性を持つ。
【００５３】
すなわち、電子を利用した増倍構造である場合、Ｖ１は負のバイアスとなり、Ｖ２は正のバイアスとなる。増倍された電子は続いてホットエレクトロン転移層を通り過ぎつつ加速化されてコレクタ層に達する。これにより、大きい電気信号（出力）が生成される。
【００５４】
エミッタ光吸収層において生じた電子が電荷層及び増倍層を通過しつつ増倍される理由は、外部逆電圧の印加時に、極めて大きい電場効果によって増倍層において衝突イオン化が引き起こされるからである。すなわち、エミッタ層のエネルギー準位と比較してアバランシェ利得構造層のエネルギー準位がＶ１だけさらに低まりつつ電位差が大きくなり、電場の強度が大きくなって衝突イオン化効果によるアバランシェ利得が得られるのである。また、増倍された電子がホットエレクトロン転移層を通り過ぎつつ加速化される理由は、ホットエレクトロン転移層にもＶ２だけの電位差が追加されて電子のホットエレクトロン化が可能になるからである。
【００５５】
これにより、以上のように電位差が印加されたアバランシェフォトトランジスタは外部より印加される光信号の強度が極めて小であるとしても敏感に感知できるといった長所があり、高飽和電流、高出力の特性を合わせ持つＡＰＤとして適用できる。
【００５６】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明のアバランシェフォトトランジスタにエミッタ光吸収層として量子構造を適用した場合に対するエネルギーバンドダイヤグラムである。すなわち、図１乃至図４のエミッタ光吸収層１７０，２７０，３７０として量子井戸構造、量子点構造、量子点や量子線のアレイ構造が適用された場合である。図１１Ａ及び図１１Ｂのように、図中の（Ｅ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はエミッタ層、ベース層、コレクタ層を各々表わし、ＥＣは伝導帯である。
【００５７】
まず、図１２Ａは、電圧が印加されておらず、且つ、熱平衡状態である時のエネルギーバンドを示すものである。この状態で、ＶＢＩは、量子構造のエミッタ光吸収層及びアバランシェ利得構造層の間のビルトイン電圧であり、Ｖ’ＢＩは、ベース層及びコレクタ層の間のビルトイン電圧である。量子構造のエミッタ光吸収層を適用したため、示されたように、エミッタ光吸収層側にはエネルギーバンドが数多くのサブバンドにスプリットされている。
【００５８】
次に、図１２Ｂは、外部電圧の適用時の動作状態の例である。エミッタ光吸収層内において電子が赤外線吸収により急激な励起準位にバンド内遷移する。この時、励起準位に遷移された電子が、図１１Ｂに基づき説明したように、外部印加電圧Ｖ１、Ｖ２及び素子内部のビルトイン電圧ＶＢ１、Ｖ’Ｂ１により、電荷層、増倍層において増幅され、ベース層を通り過ぎつつホットエレクトロン転移層を経てコレクタ層に達する。赤外線吸収波長は量子点、量子井戸、あるいは量子線の束縛エネルギー準位によって決められる。
【００５９】
以上、本発明を望ましい実施形態を挙げて詳細に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な思想を逸脱しない範囲内において様々な変形及び変更が可能であるという点は当業者にとって自明である。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、アバランシェ利得構造層、ホットエレクトロン転移層及び３端子を適用することにより、高利得成就による高感度、低電圧特性を成し遂げ、高出力、高速化を成し遂げ、光検出器の降伏を下げて安定性などを確保できる。低電圧を使用するので多くの利点を持ち、高利得を成し遂げるので低い光吸収率も補償できる。また、多端子作動による新機能性及び多機能性が付与される。エミッタ光吸収層構造の選択自由度により、様々な領域の赤外線信号の選択及び処理も可能になる。
【００６１】
また、特に長距離通信用、フォトンレベルにて木目細かく感知する必要がある場合など、極めて高い感度を要する分野においても使用可能である。高い利得の成し遂げはアバランシェフォトダイオードに必ず必要とされる前置増幅器の機能に代えうるので、高速及び高出力の光検出器、高速赤外線信号探知器及び増幅器、光受信機に応用できる。そして、３端子以上の多端子作動による自由度の増加により、超高速スイッチング装置及び論理装置、新機能／多機能の高速赤外線論理装置などへの応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアバランシェフォトトランジスタの第１実施形態を説明するための断面図である。
【図２】本発明に係る共振器型アバランシェフォトトランジスタを説明するための断面図である。
【図３】本発明に係る光導波路型アバランシェフォトトランジスタを説明するための断面図である。
【図４】本発明に係る第４実施形態による光導波路−フェッド型アバランシェフォトトランジスタを説明するための断面図である。
【図５】本発明のアバランシェフォトトランジスタに適用されるエミッタ光吸収層構造の例を示す図（その１）である。
【図６】本発明のアバランシェフォトトランジスタに適用されるエミッタ光吸収層構造の例を示す図（その２）である。
【図７】本発明のアバランシェフォトトランジスタに適用されるエミッタ光吸収層構造の例を示す図（その３）である。
【図８】本発明のアバランシェフォトトランジスタに適用されるエミッタ光吸収層構造の例を示す図（その４）である。
【図９】本発明のアバランシェフォトトランジスタに適用されるエミッタ光吸収層構造の例を示す図（その５）である。
【図１０】本発明のアバランシェフォトトランジスタに適用されるエミッタ光吸収層構造の例を示す図（その６）である。
【図１１Ａ】本発明に係るアバランシェフォトトランジスタにおいて、平衡状態である時及び電圧下におけるエネルギーバンドダイヤグラム（その１）である。
【図１１Ｂ】本発明に係るアバランシェフォトトランジスタにおいて、平衡状態である時及び電圧下におけるエネルギーバンドダイヤグラム（その２）である。
【図１２Ａ】本発明に係るアバランシェフォトトランジスタに量子構造のエミッタ光吸収層を導入した場合、平衡状態である時及び電圧下におけるエネルギーバンドダイヤグラム（その１）である。
【図１２Ｂ】本発明に係るアバランシェフォトトランジスタに量子構造のエミッタ光吸収層を導入した場合、平衡状態である時及び電圧下におけるエネルギーバンドダイヤグラム（その２）である。
【符号の説明】
１００　半導体基板
１１０　コレクタ層
１１５　コレクタ電極
１２１，１２２，１２３　多層膜
１２５　ホットエレクトロン転移層
１３５　ベース電極
１４０　増倍層
１５０　電荷層
１６０　利得構造層
１７０　エミッタ光吸収層
１８０　スペーサ層
１９０　エミッタ層
１９５　エミッタ電極
２１０　ｎ−ＩｎＡｌＡｓコレクタ層
２２１　ｉ−ＩｎＡｌＡｓ層
２２２　ｎ−ＩｎＡｌＡｓ層
２２３　ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層
２２５　ホットエレクトロン転移層
２３０　薄いベース層
２４０　薄いｉ−ＩｎＡｌＡｓ増倍層
２５０　ｐ−ＩｎＡｌＡｓ電荷層
２６０　アバランシェ利得構造層
２６２，２７２　ガイド層
２７０　光吸収層
２９０　ｐ＋−ＩｎＡｌＡｓエミッタ層
３００　基板
３０２　ＩｎＡｌＡｓ層
３０３　ＩｎＧａＡｌＡｓガイド層
３０４　光導波路構造層
３１０　コレクタ層
３２１　ｉ−ＩｎＡｌＡｓ層
３２２　ｎ−ＩｎＡｌＡｓ層
３２３　ｐ−ＩｎＡｌＡｓ層
３２５　ホットエレクトロン転移層
３３０　ベース層
３４０　ｉ−ＩｎＡｌＡｓ増倍層
３５０　ｐ−ＩｎＡｌＡｓ電荷層
３６０　アバランシェ利得構造層
３６１　ｉ−ＩｎＧａＡｌＡｓ漸進スペーサ層
３７０　エミッタ光吸収層
３８０　ｉ−ＩｎＡｌＡｓスペーサ層
３９０　ｐ＋−ＩｎＡｌＡｓエミッタ層

Claims (10)

  1. 半導体基板上に、順次に積層されたコレクタ層，ベース層及びエミッタ層と、
    該エミッタ層及び前記ベース層の間に形成されたエミッタ光吸収層と、
    該エミッタ光吸収層及び前記ベース層の間に形成され、電荷層及び５，０００Å以下の増倍層を有する薄いアバランシェ利得構造層と、
    前記ベース層及び前記コレクタ層の間に形成されたホットエレクトロン転移層と、
    前記エミッタ層，前記ベース層及び前記コレクタ層に各々電位を印加するエミッタ電極，ベース電極及びコレクタ電極の３端子と
    を備えたことを特徴とするアバランシェフォトトランジスタ。
  2. 前記エミッタ光吸収層は、バルクタイプ単一物質層、１，０００Å以下の薄膜層、自己組立て量子点構造層、量子井戸構造、２重障壁量子井戸や多重障壁量子井戸構造を用いて形成された垂直型量子点アレイ構造、または量子線のアレイ構造よりなることを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトトランジスタ。
  3. 前記増倍層が、バルクタイプの単一物質層または超格子構造であることを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトトランジスタ。
  4. 前記エミッタ光吸収層の上部及び下部にガイド層が導入されて光導波路型構造に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトトランジスタ。
  5. 前記コレクタ層及び前記半導体基板の間に光導波路構造層が導入されて光導波路−フェッド型構造に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトトランジスタ。
  6. 前記コレクタ層及び前記半導体基板の間にλ／４スタックよりなる下部ミラー層を導入し、前記エミッタ層上に多層の誘電膜を用いた上部ミラー層を積層して共振器型に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトトランジスタ。
  7. 前記アバランシェ利得構造層にスペーサ層を設けたことを特徴とする請求項１、５又は６に記載のアバランシェフォトトランジスタ。
  8. 前記アバランシェ利得構造層に漸進スペーサ層を設けたことを特徴とする請求項１、４、５又は６に記載のアバランシェフォトトランジスタ。
  9. 前記ホットエレクトロン転移層は、前記ベース層及び前記コレクタ層より広いバンドギャップを有する半導体物質よりなることを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトトランジスタ。
  10. 前記ホットエレクトロン転移層は、ｐ型半導体，ｎ型半導体及び真性半導体を組み合わせて形成した多層膜であることを特徴とする請求項１に記載のアバランシェフォトトランジスタ。
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