JP2008227328A

JP2008227328A - 光検出器

Info

Publication number: JP2008227328A
Application number: JP2007066081A
Authority: JP
Inventors: Hideki Fukano; 秀樹深野; Manabu Mitsuhara; 学満原; Tomonari Sato; 具就佐藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】信頼性が高く、暗電流が小さく、かつ、高感度な光検出器を提供する。
【解決手段】第一導電形エミッタ１６と、第二導電形ベース１５と、第一導電形コレクタ１４とを有し、前記エミッタ１６のバンドギャップエネルギーが前記ベース１５のバンドギャップエネルギーより大きなヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、光を吸収する光吸収層１３を有し、該光吸収層１３を前記ベース１５及び前記コレクタ１４のバンドギャップより小さなバンドギャップよりなる単一又は多重構造の量子井戸層を有する量子井戸構造により構成し、該量子井戸層を前記コレクタ１４内に配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、光検出器に関する。

従来、光検出器として、図７に示すような、ｎ基板７１、ｎ層７２、光吸収層７４、ｐ層７６、ｐ電極７７及びｎ電極７８を備えたｐｉｎ接合よりなるフォトダイオード、または、図８に示すような、ｎ基板８１、ｎ‐サブコレクタ層８２、ｎ^-‐コレクタ層８４、ｐ‐ベース層８５、ｎ‐エミッタ層８６、エミッタ電極８７及びコレクタ電極８８を備えたｎｐｉｎ接合よりなるフォトトランジスタが知られている。上記のｉ層は、理想的には、不純物の一切存在しない半導体層であることを意味するが、現実的にはそれは不可能で、一般的にはｎ形の不純物濃度が小さく抑えられたｎ^-形の層となっている。フォトダイオードでは、ｉ層は光吸収層で構成され、光吸収により生成されたキャリアがそれぞれのｐ電極とｎ電極に引き抜かれて光電流として検出される。

また、フォトトランジスタでは、ｐまたはｉ層が光吸収層で構成され、光吸収により生成されたキャリアの内、ホールによる電流がベース層に流れ、このベース電流のトランジスタ電流利得倍した電流が、コレクタに流れることにより、電流増幅された光電流が検出される。上述したような光検出器の一例が下記非特許文献１，２に開示されている。

土屋治彦、三上修編著、「半導体フォトニクス工学」、コロナ社、１９９５年０１月１０日、ｐ．３６３−３６７Ｏ．Ｖ．Ｓｕｌｉｍａ、Ｔ．Ｆ．Ｒｅｆａａｔ、Ｍ．Ｇ．Ｍａｕｋ、Ｊ．Ａ．Ｃｏｘ、Ｊ．Ｌｉ、Ｓ．Ｋ．Ｌｏｈｏｋａｒｅ、Ｍ．Ｎ．Ａｂｅｄｉｎ、Ｕ．Ｎ．ＳｉｎｇｈａｎｄＪ．Ａ．Ｒａｎｄ、「ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＳｂｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓｆｏｒｓｐｅｃｔｒａｌｒａｎｇｅａｒｏｕｎｄ２μｍ」、ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ、１０ｔｈＪｕｎｅ２００４、Ｖｏｌ．４０、Ｎｏ．１２、ｐ．７６６

しかしながら、上述した従来の光検出器では、暗電流が大きいという問題がある。これは、バンドギャップが小さくなるほど熱励起過程による発生電流によって暗電流が大きくなるためであり、従来の近赤外から中赤外の波長領域の光受光を可能とする材料によって、フォトダイオードのｉ層全体が構成される場合や、フォトトランジスタのベースまたはコレクタ全体が構成される場合では、暗電流が極めて大きくなる。
さらに、バンドギャップ波長が２μｍ近くにまで長くなると、ｉ層中の電界により容易にキャリアのバンド間のトンネル現象が発生し、トンネル電流が大変大きくなるという問題もある。

以上のことから、本発明は、信頼性が高く、暗電流が小さく、かつ、高感度な光検出器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明（請求項１に対応）に係る光検出器は、
第一導電形エミッタと、第二導電形ベースと、第一導電形コレクタとを有し、前記エミッタのバンドギャップエネルギーが前記ベースのバンドギャップエネルギーより大きいヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、
光を吸収する光吸収層を有し、
該光吸収層は前記ベース及び前記コレクタのバンドギャップより小さなバンドギャップよりなる単一又は多重構造の量子井戸層を有する量子井戸構造により構成され、
該量子井戸層は前記コレクタ内に配置される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明（請求項２に対応）に係る光検出器は、第１の発明に係る光検出器において、
前記コレクタ内の前記量子井戸層は前記ベースとは直接には接することのない位置に配置される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明（請求項３に対応）に係る光検出器は、第１の発明又は第２の発明に係る光検出器において、
前記光吸収層の組成は歪を有する材料で構成される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明（請求項４に対応）に係る光検出器は、第３の発明に係る光検出器において、
歪を有する層は歪緩和が起きない層構成で構成される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第５の発明（請求項５に対応）に係る光検出器は、第４の発明に係る光検出器において、
前記量子井戸層の歪は１．５％以上３．５％以下である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第６の発明（請求項６に対応）に係る光検出器は、第１の発明乃至第５の発明のいずれかに係る光検出器において、
前記光吸収層の波長帯は１．８μｍ以上３．０μｍ以下である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第７の発明（請求項７に対応）に係る光検出器は、第１の発明乃至第６の発明のいずれかに係る光検出器において、
前記量子井戸層はＩｎＡｓからなり、
前記ＩｎＡｓの厚さは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第８の発明（請求項８に対応）に係る光検出器は、第１の発明乃至第６の発明のいずれかに係る光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、
前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｓＰとからなる前記量子井戸層で構成される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第９の発明（請求項９に対応）に係る光検出器は、第１の発明乃至第６の発明のいずれかに係る光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、
前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＰとＡｌＩｎＧａＡｓとからなる前記量子井戸層で構成される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第１０の発明（請求項１０に対応）に係る光検出器は、第１の発明乃至第６の発明のいずれかに係る光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓで構成され、
前記光吸収層はＩｎＡｓとＩｎＧａＡｓとからなる前記量子井戸層で構成される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第１１の発明（請求項１１に対応）に係る光検出器は、第１の発明乃至第６の発明のいずれかに係る光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、
前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓＰとからなる前記量子井戸層で構成される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第１２の発明（請求項１２に対応）に係る光検出器は、第１の発明乃至第６の発明のいずれかに係る光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、
前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＳｂとＡｌＩｎＧａＡｓとからなる前記量子井戸層で構成される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第１３の発明（請求項１３に対応）に係る光検出器は、第１の発明乃至第６の発明のいずれかに係る光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓで構成され、
前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓとからなる前記量子井戸層で構成される
ことを特徴とする。

以上のように、本発明に係る光検出器は、第一導電形エミッタ、第二導電形ベース、第一導電形コレクタよりなる光検出器において、光吸収層がベース及びコレクタのバンドギャップエネルギーより小さなバンドギャップエネルギーよりなる単一又は多重構造の量子井戸層により構成され、この量子井戸層（ウェル吸収層）がコレクタ内に配置されている。

このように、本発明に係る光検出器は、ヘテロ接合フォトトランジスタ構造になっているため、光吸収により発生した光電流がトランジスタの電流利得倍されるため、光吸収層が極めて薄く、そのため、量子効率の低下により光電流が小さくても、電流利得作用により、出力電流は極めて大きくできる。従って、入射光量と出力電流の比で表される受光感度を１以上の大きな値にすることが可能である。

また、バンドギャップエネルギーの小さな光吸収層の厚さ、従って、体積が小さくできるため、光吸収層の体積に比例する暗電流も小さくなる。
さらに、光吸収層が量子井戸構造で構成されることにより、吸収波長の長い、格子定数の大きな結晶も、結晶成長段階で歪緩和が起きない程度の極めて薄い層とすること、及びその多重構造にすることが可能となり、結晶欠陥等を発生させることなく形成することができる。これにより、信頼性の高い結晶層構造が形成される。

また、一般的に、ｎ^-形コレクタ中の電界強度は、ベース端で最も大きく、離れるにつれ小さくなる。このため、量子井戸層がコレクタ中のベース端より離れた側に配置される構造を有する光検出器では、最もバンドギャップエネルギーの小さい多重量子井戸層の部分における電界強度が弱くなり、電界により増大するトンネル電流を抑制することができる。これにより、暗電流が小さく抑えられる。

本願発明によれば、暗電流を低減することができる。これは、量子井戸層が極めて薄いためであり、その体積に比例する熱励起過程による発生電流は、従来のベースまたはコレクタすべてが、光吸収層で構成されている場合に比べ、桁違いに小さくなる。
さらに、量子井戸層は、電界強度の弱いコレクタ中のベース端より離れた側に配置されているため、トンネル電流の発生が抑制され、暗電流の低減を図ることができる。

また、本願発明によれば、信頼性の向上と受光波長の長波長化を図ることができる。これは、薄い量子井戸層により、大きな歪を有するような成長も可能とするためであり、従来では不可能であった材料組成の結晶成長も可能となる。従って、従来では不可能であった長い波長領域の結晶を、信頼性に影響の出やすい歪の緩和（結晶欠陥の発生）なく用いることができる。

本発明に係る光検出器の実施例について、図１〜図６を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る光検出器の断面図、図２は本発明の第１の実施例に係る光検出器のバンド構造の模式図、図３は本発明の第１の実施例に係る光検出器の暗電流の印加電圧依存性を示した図、図４は本発明の第２の実施例に係る光検出器の断面図、図５は本発明の第２の実施例に係る光検出器のバンド構造の模式図、図６は本発明の第２の実施例に係る光検出器の暗電流の印加電圧依存性を示した図である。

図１を参照すると、本発明の実施の形態は、ｎ基板１１上に、ｎサブコレクタ層１２、多重量子井戸光吸収層（ＭＱＷ層）１３、ｎ^-コレクタ層１４、ｐベース層１５、ｎエミッタ層１６、エミッタ電極１７、コレクタ電極１８よりなる。
〔動作の説明〕
上方からの入射光は多重量子井戸光吸収層１３で吸収され、発生したキャリアは電子がコレクタ電極１８側へ、ホールがｐベース層１５側へ走行し、ホール電流となる。ｐベース層１５に到達したホールはベース電位を下げ、その結果、エミッタ１６より大量の電子が注入され、コレクタ電極１８まで到達し、コレクタ電流として、外部に出力される。入射光により発生したホール電流により、大量の電子電流が生成されることになり、この比が、電流増幅率で与えられる。

このように、薄い多重量子井戸光吸収層１３により微弱光電流が大きく電流増幅され、出力電流として検出されることになり、高感度な受光器として動作できる。このとき、多重量子井戸光吸収層１３は極めて薄いため、その体積に比例する熱励起過程による発生電流は、従来のようにｐベース層１５またはｎ^-コレクタ層１４すべてが、光吸収層で構成されている場合に比べ、桁違いに小さくできる。

また、多重量子井戸光吸収層１３の膜厚を小さくすることにより、歪量の大きな多重量子井戸光吸収層１３を有する多重量子井戸構造も歪緩和による欠陥の発生なしに成長することが可能である。このため、従来のバンドギャップ波長は大きいが、圧縮歪が大きなため成長が困難だった組成に関しても、多重量子井戸構造を用いることにより、歪緩和による結晶欠陥の発生を抑制することができ、その結果として信頼性悪化への影響を抑えることができる。

また、多重量子井戸光吸収層１３は、図２に模式的に示したように、電界強度の弱い、コレクタ層１４中のｐベース層１５端部より離れた側に配置されているため、トンネル電流の発生が抑制され、暗電流の低減が図れる構造となっている。

〔実施例１の構成の説明〕
以下、本発明の第１の実施例に係る光検出器について説明する。
図１を参照すると、本発明の実施の形態は、ｎ‐ＩｎＰ基板１１上に、ｎ‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０¹⁷ｃｍ^-3）サブコレクタ層１２、ＩｎＡｓウェル厚５ｎｍのＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層（ＭＱＷ層）１３、０．３μｍ厚のｎ^-‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０¹⁶ｃｍ^-3）コレクタ層１４、０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０¹⁸ｃｍ^-3）ベース層１５、０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰ（ｎ＝５×１０¹⁷ｃｍ^-3）エミッタ層１６、エミッタ電極１７、コレクタ電極１８よりなる。エミッタ・ベース接合面積は、直径０．２５ｍｍである。

製作方法は、ｎ‐ＩｎＰ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０¹⁷ｃｍ^-3）サブコレクタ層１２、ＩｎＡｓウェル厚５ｎｍのＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層１３、０．３μｍ厚のｎ^-‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０¹⁶ｃｍ^-3）コレクタ１４、０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０¹⁸ｃｍ^-3）ベース層１５、０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰ（ｎ＝５×１０¹⁷ｃｍ^-3）エミッタ層１６を順に成長し、通常のフォトリソグラフィと半導体エッチング技術を用いてメサを形成する。その後、表面側には、リング状のエミッタ電極１７をリフトオフ法により形成する。下面側には全面に真空蒸着法によりコレクタ電極１８を形成している。

〔実施例１の動作の説明〕
上方からの２．３μｍ波長の入射光はＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層１３で吸収され、発生したキャリアは電子がコレクタ電極１８側へ、ホールがｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層１５側へ、走行する。ｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層１５に到達したホールはベース電位を下げ、その結果、エミッタ電極１７より大量の電子が注入され、コレクタ電極１８まで到達し、コレクタ電流として、外部に出力される。コレクタ電流は、入射光により発生したホール電流が電流増幅率倍だけ増幅されて大きな値となっている。

本実施例では、電流増幅率として、５００が得られ、薄いＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層１３による微弱光電流が大きく電流増幅され、出力電流として検出されることになり、受光感度は、１０Ａ／Ｗの良好な結果が得られている。また、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層１３は極めて薄いため、その体積に比例する熱励起過程による発生電流は、従来のようにベースまたはコレクタすべてが、光吸収層で構成されている場合に比べ、桁違いに小さくできる。

また、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層１３は、図２に模式的に示したように、電界強度の弱い、ｎ^-‐ＩｎＧａＡｓコレクタ層１４中のｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層１５の端部より離れた側に配置されているため、トンネル電流の発生が抑制され、暗電流の低減が図られる構造となっている。図３は、暗電流のコレクタ・エミッタ電圧依存性である。上記非特許文献２に比べ、１桁以上、暗電流が低減されている。

また、薄いＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層１３は、大きな歪を有するようなウェル吸収層（量子井戸層）の成長も可能とすることができる。このため、従来のｎ‐ＩｎＰ基板１１上の厚い吸収層ではＩｎＡｓを受光層とすることは不可能であったが、本実施例に係る光検出器ではＩｎＡｓ層を歪は内在するが、歪の緩和（結晶欠陥の発生）のない、５ｎｍに薄層化して用いているため、良好な結晶が得られ、従来では不可能であった波長２．４μｍまで、受光波長を伸ばすことが可能となった。
なお、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層１３の歪量はＩｎＰに対して３．２％である。また、歪緩和の影響を考慮すると、ＩｎＡｓ層の層厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が可能である。

本実施例では、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層１３のウェル吸収層厚を５ｎｍ、層数を５としているが、歪補償技術や低温成長技術などを用いることにより、厚さを５ｎｍ以上へとさらに厚く、また、層数を５以上にふやすことも可能であり、波長３．０μｍ程度まで受光波長を伸ばすこと、また、受光感度をさらに向上させることが可能である。

本実施例では、コレクタキャリア濃度はｎ＝１０¹⁶ｃｍ^-3としているが、ｎ＝１０¹⁷ｃｍ^-3程以下であればよい。また、コレクタ厚は、０．３μｍとしているが、ビルトイン電圧で空乏化する厚さ程度になっていればよく、従って、コレクタ濃度が低ければ、コレクタ厚は１μｍ以上となってもよいことは言うまでもない。

電流利得は、理想的なエミッタ・ベースヘテロ接合の場合、τ_r／τ_t（τ_t：ベース中少数キャリア走行時間、τ_r：ベース中少数キャリア再結合寿命）で与えられるため、所望の電流利得にあわせて、主に走行時間に支配的に寄与するベース層厚と主に再結合寿命に支配的に寄与するベース濃度を適当に設定すればよい。従って、ベース濃度はｐ＝１０¹⁷ｃｍ^-3程度まで低減してもトランジスタ動作を可能とする設計にすることは可能である。

本実施例では、ウェル吸収層はＩｎＡｓであるが、ＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなど他の材料組成やＩｎＧａＡｓＮ等の他の材料系でも、歪の緩和（結晶欠陥の発生）のないように層厚や歪量を設定すればよい。なお、バリア層であるＩｎＧａＡｓは、ＩｎＰと格子整合する組成を有するものであり、層厚は２０ｎｍである。ここで、バリア層にはウェル吸収層の圧縮歪を補償するため０．１％から１．０％までの引っ張り歪を有するＩｎＧａＡｓを用いてもよい。また、バリア層には、他にもＩｎＧａＡｓＰやＡｌＩｎＧａＡｓなど他の材料系を用いてもよい。

本実施例では、エミッタにＩｎＰを用いているが、ＡｌＩｎＧａＡｓなどの他の材料系でもよい。
また、本実施例では、ｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層１５には、電極を設けていないが、ベース電極を形成した３端子構造とし、ヘテロ接合フォトトランジスタのベース電位をバイアスして用いてもよいことは言うまでもない。

〔実施例２の構成の説明〕
以下、本発明の第２の実施例に係る光検出器について説明する。
図４を参照すると、本発明の実施の形態は、ｎ‐ＩｎＰ基板４１上に、ｎ‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０¹⁷ｃｍ^-3）サブコレクタ層４２、ＩｎＧａＡｓＳｂウェル厚５ｎｍのＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層（ＭＱＷ層）４３、０．３μｍ厚のｎ^-‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０¹⁶ｃｍ^-３）コレクタ層４４、０．１２μｍ厚のｐ‐ｌｎＧａＡｓ（ｐ＝１０¹⁸ｃｍ^-3）ベース層４５、０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰ（ｎ＝５×１０¹⁷ｃｍ^-3）エミッタ層４６、エミッタ電極４７、コレクタ電極４８よりなる。エミッタ・ベース接合面積は、直径０．２５ｍｍである。

製作方法は、ｎ‐ＩｎＰ基板４１上に、ｎ‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０¹⁷ｃｍ^-3）サブコレクタ層４２、ＩｎＧａＡｓＳｂウェル厚５ｎｍのＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層４３、０．３μｍ厚のｎ^-‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０¹⁶ｃｍ^-3）コレクタ層４４、０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０¹⁸ｃｍ^-3）ベース層４５、０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰ（ｎ＝５×１０₁₇ｃｍ_-3）エミッタ層４６を順に成長し、通常のフォトリソグラフィと半導体エッチング技術を用いてメサを形成する。その後、表面側には、リング状のエミッタ電極４７をリフトオフ法により形成する。下面側には全面に真空蒸着法によりコレクタ電極４８を形成している。

〔実施例２の動作の説明〕
上方からの１．９μｍ波長の入射光は４３のＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層４３で吸収され、発生したキャリアは電子がコレクタ電極４８側へ、ホールがｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層４５側へ、走行する。ｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層４５に到達したホールはベース電位を下げ、その結果、エミッタ４６より大量の電子が注入され、コレクタ電極４８まで到達し、コレクタ電流として、外部に出力される。コレクタ電流は、入射光により発生したホール電流が電流増幅率倍に増幅されて大きな値となっている。

本実施例では、電流増幅率として、３００が得られ、薄いＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層４３による微弱光電流が大きく電流増幅され、出力電流として検出されることになり、受光感度は、３Ａ／Ｗの良好な結果が得られている。また、ＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層４３は極めて薄いため、その体積に比例する熱励起過程による発生電流は、従来のようにベースまたはコレクタすべてが、光吸収層で構成されている場合に比べ、桁違いに小さくできる。

また、ＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層４３は、図５に模式的に示したように、電界強度の弱い、ｎ^-‐ＩｎＧａＡｓコレクタ層４４中のｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層４５の端部より離れた側に配置されているため、トンネル電流の発生が抑制され、暗電流の低減が図れる構造となっている。図６は、暗電流のコレクタ・エミッタ電圧依存性である。上記非特許文献２に比べ、１桁以上、暗電流が低減されている。

また、薄いＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層４３は、大きな歪を有するようなウェル吸収層の成長も可能とすることができる。従来の厚いウェル吸収層をｎ‐ＩｎＰ基板４１上に結晶欠陥なく成長することは困難であり、従来は、格子整合系のＧａＳｂ基板を使用することが必須であった。

しかし、本実施例に係る光検出器では、ＩｎＧａＡｓＳｂ層を歪は内在するが、歪の緩和（結晶欠陥の発生）のない、５ｎｍに薄層化して用いているため、良好結晶が得られ、従来では不可能であったｎ‐ＩｎＰ基板４１上の結晶において、波長２．０μｍまで受光波長を伸ばすことが可能となった。

本実施例では、ＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層４３のウェル吸収層厚を５ｎｍ、層数を５としているが、歪補償技術や低温成長技術などを用いることにより５ｎｍ以上にさらに厚く、また、層数を５以上にふやすことも可能であり、波長３ｍ程度まで受光波長を伸ばすこと、また、受光感度をさらに向上させることが可能である。

本実施例では、コレクタキャリア濃度はｎ＝１０¹⁶ｃｍ^-3としているが、ｎ＝１０¹⁷ｃｎ^-3程度以下であればよい。また、コレクタ厚は、０．３μｍとしているが、ビルトイン電圧で空乏化する厚さ程度になっていればよく、従って、コレクタ濃度が低ければ、コレクタ厚は１μｍ以上となってもよいことは言うまでもない。

本実施例では、ウェル吸収層はＩｎＧａＡｓＳｂであるが、ＩｎＡｓＳｂなど他の材料組成でも、歪の緩和（結晶欠陥の発生）のないように層厚や歪量を設定すればよい。また、バリア層であるＩｎＧａＡｓはＩｎＧａＡｓＰやＡｌＩｎＧａＡｓなど他の材料系でもよい。
本実施例では、エミッタ層にＩｎＰを用いているが、ＡｌＩｎＧａＡｓなどの他の材料系でもよい。

また、本実施例では、ｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層４５には、電極を設けていないが、ベース電極を形成した３端子構造とし、ヘテロ接合フォトトランジスタのベース電位をバイアスして用いてもよいことは言うまでもない。

以下、本発明の第３の実施例に係る光検出器について説明する。なお、本発明の第３の実施例に係る光検出器は、下記以外の構成については第１の実施例に係る光検出器と同様の構造を有する。

本実施例の特徴は、光吸収層であるウェル吸収層（量子井戸層）において、ウェル吸収層にＩｎＧａＡｓ、バリア層にウェル吸収層よりもエネルギーギャップの大きい（組成波長が短波長である）ＩｎＧａＡｓを用いる点である。

具体的には、ウェル吸収層のＩｎＧａＡｓはＩｎＰ基板に対して１．５％程度の圧縮歪を有し、バリア層のＩｎＧａＡｓはＩｎＰと格子整合する組成を有するものである。ウェル吸収層の厚さは４．０ｎｍ程度で層数は７層であり、バリア層の厚さは１０ｎｍ程度で層数は８層である。吸収する光の波長は２．０μｍ程度である。ここで、ウェル吸収層の組成歪、層厚、層数は上記に限らない。

組成歪は歪緩和を考慮すると最大３．５％程度が有効である。また、層厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下、層数は１層以上１０層以下が望ましい。層厚の増加により吸収光の波長を２．２μｍ程度まで長波長化することができる。ここで、バリア層にはウェル吸収層の圧縮歪を補償するため０．１％から１．０％までの引っ張り歪を有するＩｎＧａＡｓを用いてもよい。
そして、本実施例に係る光検出器の特性を測定した結果、暗電流が低減され高感度な良好な特性が得られた。

以下、本発明の第４の実施例に係る光検出器について説明する。なお、本発明の第４の実施例に係る光検出器は、下記以外の構成については第１の実施例に係る光検出器と同様の構造を有する。

本実施例の特徴は、光吸収層である多重量子井戸構造は吸収光の波長が１．３μｍ程度であってウェル吸収層（量子井戸層）にＩｎＧａＡｓＰ、バリア層にウェル吸収層よりもエネルギーギャップの大きい（組成波長が短波長である）ＩｎＧａＡｓＰを用いる点である。

具体的には、ウェル吸収層のＩｎＧａＡｓＰはＩｎＰ基板に対して０．８％程度の圧縮歪を有し層厚は３ｎｍ程度で層数は１０層、バリア層のＩｎＧａＡｓＰはＩｎＰと格子整合する１．１μｍの組成波長を有するものである。ここで、ウェル吸収層の組成歪、層厚、層数は上記に限らない。

また、本実施例において、サブコレクタ層にｎ‐ＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍの組成波長、ｎ＝１０¹⁷ｃｍ^-3）、コレクタ層に０．８μｍ厚のｎ‐ＩｎＧａＡｓＰ（１．ｌμｍの組成波長、ｎ＝１０¹⁵ｃｍ^-3）、ベース層に０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍの組成波長、ｐ＝１０¹⁸ｃｍ^-3）を用いる。
この構造のフォトトランジスタの特性を測定した結果、暗電流が低減され高感度な良好な特性が得られた。

本発明は、例えば、高感度で暗電流の小さな赤外光検出器に適用することが可能である。

本発明の第１の実施例に係る光検出器の断面図本発明の第１の実施例に係る光検出器のバンド構造の模式図本発明の第１の実施例に係る光検出器の暗電流の印加電圧依存性を示した図本発明の第２の実施例に係る光検出器の断面図本発明の第２の実施例に係る光検出器のバンド構造の模式図本発明の第２の実施例に係る光検出器の暗電流の印加電圧依存性を示した図従来のｐｉｎ接合よりなるフォトダイオードの断面図従来のｎｐｉｎ接合よりなるフォトトランジスタの断面図

符号の説明

１１ｎ‐ＩｎＰ基板（ｎ基板）
１２ｎ‐ＩｎＧａＡｓサブコレクタ層（ｎサブコレクタ層）
１３ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層（多重量子井戸光吸収層）
１４ｎ^-‐ＩｎＧａＡｓコレクタ層（ｎ^-コレクタ層）
１５ｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層（ｐベース層）
１６ｎ‐ＩｎＰエミッタ層（ｎエミッタ層）
１７エミッタ電極
１８コレクタ電極
４１ｎ‐ＩｎＰ基板
４２ｎ‐ＩｎＧａＡｓサブコレクタ層
４３ＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層
４４ｎ^-‐ＩｎＧａＡｓコレクタ層
４５ｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層
４６ｎ‐ＩｎＰエミッタ層
４７エミッタ電極
４８コレクタ電極
７１ｎ基板
７２ｎ層
７４光吸収層
７６ｐ層
７７ｐ電極
７８ｎ電極
８１ｎ基板
８２ｎ‐サブコレクタ層
８４ｎ^-‐コレクタ層
８５ｐ‐ベース層
８６ｎ‐エミッタ層
８７エミッタ電極
８８コレクタ電極

Claims

第一導電形エミッタと、第二導電形ベースと、第一導電形コレクタとを有し、前記エミッタのバンドギャップエネルギーが前記ベースのバンドギャップエネルギーより大きなヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、
光を吸収する光吸収層を有し、
該光吸収層は前記ベース及び前記コレクタのバンドギャップより小さなバンドギャップよりなる単一又は多重構造の量子井戸層を有する量子井戸構造により構成され、
該量子井戸層は前記コレクタ内に配置される
ことを特徴とする光検出器。
請求項１に記載の光検出器において、
前記コレクタ内の前記量子井戸層は前記ベースとは直接には接することのない位置に配置される
ことを特徴とする光検出器。
請求項１又は請求項２のいずれかに記載の光検出器において、
前記光吸収層の組成は歪を有する材料で構成される
ことを特徴とする光検出器。
請求項３に記載の光検出器において、
歪を有する層は歪緩和が起きない層構成で構成される
ことを特徴とする光検出器。
請求項４に記載の光検出器において、
前記量子井戸層の歪は１．５％以上３．５％以下である
ことを特徴とする光検出器。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光検出器において、
前記光吸収層の波長帯は１．８μｍ以上３．０μｍ以下である
ことを特徴とする光検出器。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光検出器において、
前記量子井戸層はＩｎＡｓからなり、
前記ＩｎＡｓの厚さは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である
ことを特徴とする光検出器。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、
前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｓＰとからなる前記量子井戸層で構成される
ことを特徴とする光検出器。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、
前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＰとＡｌＩｎＧａＡｓとからなる前記量子井戸層で構成される
ことを特徴とする光検出器。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓで構成され、
前記光吸収層はＩｎＡｓとＩｎＧａＡｓとからなる前記量子井戸層で構成される
ことを特徴とする光検出器。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、
前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓＰとからなる前記量子井戸層で構成される
ことを特徴とする光検出器。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、
前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＳｂとＡｌＩｎＧａＡｓとからなる前記量子井戸層で構成される
ことを特徴とする光検出器。
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓで構成され、
前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓとからなる前記量子井戸層で構成される
ことを特徴とする光検出器。