JP2009124010A - 光検出器 - Google Patents

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】半導体基板上に形成されたワイドギャップのエミッタ、ナロウギャップのベース及びコレクタよりなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、能動層は第一導電形の前記エミッタ、第二導電形の前記ベース、第二導電形の前記コレクタ及び第一導電形のサブコレクタよりなり、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の量子井戸層により構成され、該量子井戸層は前記コレクタ内に配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、光検出器に関する。

従来の光検出器としては、図７に示すような、ｎ基板７１、ｎ層７２、ｉ‐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（下記非特許文献１参照）、又は、図８に示すような、ｎ基板８１、ｎ‐サブコレクタ層８２、ｉ‐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又は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増幅率倍した電流が、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。

土屋治彦、三上修編著、「半導体フォトニクス工学」、第９章、コロナ社、１９９５年１月１０日 Ｏ．Ｖ．Ｓｕｌｉｍａ、Ｔ．Ｆ．Ｒｅｆａａｔ、Ｍ．Ｇ．Ｍａｕｋ，Ｊ．Ａ．Ｃｏｘ、Ｊ．Ｌｉ、Ｓ．Ｋ．Ｌｏｈｏｋａｒｅ、Ｍ．Ｎ．Ａｂｅｄｉｎ、Ｕ．Ｎ．Ｓｉｎｇｈ、Ｊ．Ａ．Ｒａｎｄ著、"ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＳｂ ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｆｏｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅ ａｒｏｕｎｄ ２μｍ"、ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ、２００４年６月１０日、Ｖｏｌ．４０、Ｎｏ．１２、ｐ．７６６

しかしながら、上述した従来の光検出器には、暗電流が大きいという問題がある。その理由は、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単位体積当りの暗電流が大きくなるため、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、もしくは、フォトトランジスタのベース又はコレクタ全体が構成される従来の場合は、その全体積に比例する暗電流が極めて大きくなるという問題がある。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点がある。

また、従来の光検出器には、長波長化に伴う信頼性の低下という問題がある。一般に長波長化に伴いバンドギャップの小さなＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ及びＨｇＣｄＴｅなどの半導体が基板として用いられるが、良質の結晶が得にくく転位密度が多い。このため、この基板上に成長した厚い受光層も転位や欠陥が多く信頼性に問題が起きやすい。

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の発明に係る光検出器は、
半導体基板上に形成されたワイドギャップのエミッタ、ナロウギャップのベース及びコレクタよりなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、
能動層は第一導電形の前記エミッタ、第二導電形の前記ベース、第二導電形の前記コレクタ及び第一導電形のサブコレクタよりなり、
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の量子井戸層により構成され、
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、
前記量子井戸層は前記ベース近傍に配置される
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、
歪を有する材料で構成された層は歪緩和が起きないような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の発明に係る光検出器は、第１の発明から第５の発明のいずれかひとつ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の発明に係る光検出器は、第１の発明から第６の発明のいずれかひとつに係る光検出器において、
前記半導体基板はＩｎＰからなる
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第８の発明に係る光検出器は、第１の発明から第７の発明のいずれかひとつに係る光検出器において、
前記量子井戸層はＩｎＡｓからなる
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第９の発明に係る光検出器は、第８の発明に係る光検出器において、
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１０の発明に係る光検出器は、第１の発明から第７の発明のいずれかひとつに係る光検出器において、
前記量子井戸層はＩｎＧａＡｓＳｂからなる
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第１１の発明に係る光検出器は、第１の発明から第１０の発明のいずれかひとつに係る光検出器において、
前記ベース、前記コレクタ及びバリア層はＡｌ_1-x-yＩｎ_yＧａ_xＡｓ_zＰ_1-z（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）である
ことを特徴とする。

本発明に係る光検出器によれば、暗電流を低減することができる。その理由は、ＭＱＷ層は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、従来のベース又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。また、ＭＱＷ光吸収層は、電界強度の弱いｐコレクタ中のベース端よりに配置されているため、トンネル電流の発生が抑制され、暗電流を低減することができる。

また、本発明に係る光検出器によれば、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。その理由は、薄いＭＱＷ層構成は、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り、したがって、従来では不可能であった長い波長領域の結晶が、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。

また、本発明に係る光検出器によれば、ＩｎＰ基板などの光通信素子に用いられる極めて良質の結晶を基板として利用できるため、転位や欠陥の少ない良質の受光層が製作できる。

以下、本発明に係る光検出器の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る光検出器の構造を示した模式図である。図１に示すように、本発明に係る光検出器は、ｎ基板１１上に、ｎサブコレクタ層１２、低濃度ｐ^-コレクタ層１３、多重量子井戸光吸収層（ＭＱＷ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。

次に、本発明に係る光検出器の動作について説明する。
本実施例に係る光検出器では、上方からの入射光はＭＱＷ層１４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、ホールがベース層１５側へ走行し、ホール電流となる。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、エミッタ層１６より大量の電子が注入され、コレクタ層１３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ＭＱＷ層１４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、高感度な受光器として動作できる。このとき、ＭＱＷ層１４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、従来のベース又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、井戸層の膜厚を小さくすることにより、歪量の大きな井戸層を有するＭＱＷ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、ＭＱＷ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。

コレクタ層１３は低濃度のｐ形半導体で構成されているため、空乏層の電界は図２に模式的に示したようにベース層１５の端部では弱く、サブコレクタ層１２の端部で最大になる。ＭＱＷ層１４は、電界強度の弱い、コレクタ層１３中のベース１５の端部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。

以下、本発明に係る光検出器の第１の実施例について説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る光検出器の構造を示した模式図である。図１に示すように、本実施例に係る光検出器は、ｎ‐ＩｎＰ基板１１上に、ｎ‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０¹⁷ｃｍ^-3）サブコレクタ層１２、０．３μｍ厚のＰ^-‐ＩｎＧａＡｓ（Ｐ＝１０¹⁶ｃｍ^-3）コレクタ層１３、アンドープＩｎＡｓウェル厚５ｎｍのＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層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。

ここで、ＩｎＡｓウェルはアンドープのものを用いたが、量子井戸で発生したキャリアが走行できる程度に電界が印加されるように１０¹⁷以下の濃度でｐ型にドープされていてもよい。なお、ＩｎＡｓウェルは薄すぎると結晶成長をする際に制御が困難であり、厚すぎると歪の緩和が生じ結晶の品質が低下する。そこで、ＩｎＡｓウェルの厚さは１ｎｍ以上１０ｍｍ以下であることが望ましい。

次に、本実施例に係る光検出器の製作方法について説明する。
本実施例に係る光検出器の製作方法は、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、０．３μｍ厚のｐ^-‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０¹⁶ｃｍ^-3）コレクタ層１３、ＩｎＡｓウェル厚５ｎｍのＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層（ＭＱＷ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、上面側には、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。

次に、本実施例に係る光検出器の動作について説明する。
本実施例に係る光検出器では、上方からの２．３μｍ波長の入射光はＭＱＷ層１４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、ホールがベース層１５側へ、走行する。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、エミッタ層１６より大量の電子が注入され、コレクタ層１３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ＭＱＷ層１４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、ＭＱＷ層１４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、従来のベース層又はコレクタ層すべてが、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、ＭＱＷ層１４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１３中のベース層１５の端部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、光吸収層は、薄いＭＱＷ層１４により構成することで、大きな歪を有するような成長も可能となる。従来のＩｎＰ基板上の厚い吸収層構成ではＩｎＡｓを受光層とすることは不可能であったが、ＩｎＡｓ層を歪が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。

本実施例では、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓのウェル層厚を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以上に増やすことも可能であり、波長３μｍ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ｐ＝１０¹⁶ｃｍ^-3としているが、ｐ＝１０¹⁷ｃｍ^-3程度以下であればよい。これは、量子井戸で発生したキャリアが走行できる程度に電界が印加されるようにするためである。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、したがって、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。

また、本実施例では、ＭＱＷ層１４は、ベース層１５に接して構成されているが、ｐ^-‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０¹⁶ｃｍ^-3）コレクタ層１３中でベース層１５に近い方に挿入されていれば、電界強度が低く抑えられるため、必ずしもベース層１５に接している必要はなく、吸収層のバンドギャップと電界によるトンネル電流との関係を考慮して、適当に設定すればよい。

電流増幅率は、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：ベース層１５中少数キャリア走行時間、τ_r：ベース層１５中少数キャリア再結合寿命）で与えられるため、所望の電流増幅率にあわせて、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。したがって、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、ウェル層が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。また、バリア層が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１６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、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。

本実施例では、ＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体を用いているが、ＳｉＧｅ等のＩＶ−ＩＶ族系の半導体やＰｂＳ、ＰｂＴｅ等のＩＶ−ＶＩ族系半導体でも同様の思想でデバイスを作製できる。
また、本実施例では、基板にはＩｎＰを用いたが、能動層を形成する半導体に応じてＩｎＰ以外のＧａＡｓ、Ｓｉ等の半導体基板を用いることができる。

本実施例は、ｎｐｎ層からなるトランジスタ構造をしているが、各層の導電性はそれぞれを反転したｐｎｐ層からなるトランジスタ構造としてもよい。

以下、本発明に係る光検出器の第２の実施例について説明する。
図４は、本発明の第２の実施例に係る光検出器の構造を示した模式図である。図４に示すように、本実施例に係る光検出器は、ｎ‐ＩｎＰ基板４１上に、ｎ‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０¹⁷ｃｍ^-3）サブコレクタ層４２、０．３μｍ厚のｐ^-‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０¹⁶ｃｍ^-3）コレクタ層４３、ＩｎＧａＡｓＳｂウェル厚５ｎｍのＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層（ＭＱＷ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、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。

次に、本実施例に係る光検出器の製作方法について説明する。
本実施例に係る光検出器の製作方法は、ｎ‐ＩｎＰ基板４１上に、ｎ‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０¹⁷ｃｍ^-3）サブコレクタ層４２、０．３μｍ厚のｐ^-‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０¹⁶ｃｍ^-3）コレクタ層４３、ＩｎＧａＡｓＳｂウェル厚５ｎｍのＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層（ＭＱＷ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、上面側には、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。

次に、本実施例に係る光検出器の動作について説明する。
本実施例に係る光検出器では、上方からの１．９μｍ波長の入射光はＭＱＷ層４４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、ホールがベース層４５側へ、走行する。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、エミッタ層４６より大量の電子が注入され、コレクタ層４３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ＭＱＷ層４４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、６Ａ／Ｗの良好な結果が得られている。また、ＭＱＷ層４４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、従来のベース又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、ＭＱＷ層４４は、図５に模式的に示したように、電界強度の弱い、コレクタ層４３中のベース層４５端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ＭＱＷ層構成は、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。従来の厚い吸収層をＩｎＰ基板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、本構成では、ＩｎＧａＡｓＳｂ層を歪が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ＩｎＰ基板上の結晶において、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のウェル層厚を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以上に増やすことも可能であり、波長３μｍ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ｐ＝１０¹⁶ｃｍ^-3としているが、ｐ＝１０¹⁷ｃｍ^-3程度以下であればよい。これは、量子井戸で発生したキャリアが走行できる程度に電界が印加されるようにするためである。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、したがって、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。

また、本実施例では、ＭＱＷ層４４は、ベース層４５に接して構成されているが、ｐ^-‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０¹⁶ｃｍ^-3）コレクタ層４３中でベース層４５に近い方に挿入されていれば、電界強度が低く抑えられるため、必ずしもベース層４５に接している必要はなく、吸収層のバンドギャップと電界によるトンネル電流との関係を考慮して、適当に設定すればよい。

電流増幅率は、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、所望の電流増幅率にあわせて、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。したがって、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、ウェル層が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、バリア層が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４６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、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。

本実施例では、ＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体を用いているが、ＳｉＧｅ等のＩＶ−ＩＶ族系の半導体やＰｂＳ、ＰｂＴｅ等のＩＶ−ＶＩ族系半導体でも同様の思想でデバイスを作製できる。
また、本実施例では、基板にはＩｎＰを用いたが、能動層を形成する半導体に応じてＩｎＰ以外のＧａＡｓ、Ｓｉ等の半導体基板を用いることができる。

本実施例は、ｎｐｎ層からなるトランジスタ構造をしているが、各層の導電性はそれぞれを反転したｐｎｐ層からなるトランジスタ構造としてもよい。

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、ウェル層厚は１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が望ましい。ウェル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出来る。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を用いても良い。
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０．３μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓＰ（１．１μｍの組成波長、ｐ＝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。
そして、この構造のフォ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。

以上のように、本発明に係る光検出器は、半導体上に形成されたワイドギャップのエミッタ、ナロウギャップのベース及びコレクタより成るヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、能動層は第一導電形のエミッタ、第二導電形のベース、第二導電形のコレクタ及び第一導電形のサブコレクタよりなり、光吸収層は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の量子井戸層により構成され、この量子井戸層はコレクタ内に配置されている。

このように、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増幅率倍されるため、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、電流増幅作用により、出力電流は極めて大きくできる。したがって、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が薄く、したがって、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、結晶欠陥などを発生す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。

一般的な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。一方、コレクタを低濃度のｐ形にすると、コレクタ中の電界強度は、ベース端で最も小さくなる。このため、コレクタを低濃度のｐ形にし、多重量子井戸層がコレクタ中のベース寄りに配置されていることを特徴とする光検出器構造では、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。

また、本発明に係る光検出器によれば、暗電流を低減することができる。その理由は、ＭＱＷ層は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、従来のベース又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。また、ＭＱＷ光吸収層は、電界強度の弱いｐコレクタ中のベース端よりに配置されているため、トンネル電流の発生が抑制され、暗電流を低減することができる。

また、本発明に係る光検出器によれば、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。その理由は、薄いＭＱＷ層構成は、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り、したがって、従来では不可能であった長い波長領域の結晶が、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。

また、本発明に係る光検出器によれば、ＩｎＰ基板などの光通信素子に用いられる極めて良質の結晶を基板として利用できるため、転位や欠陥の少ない良質の受光層が製作できる。

本発明は、例えば、光検出器に利用することが可能であり、特に高感度で暗電流の小さな赤外光検出器に利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構造を示した模式図である。 本発明の第１の実施例に係る光検出器のバンド構造を示した模式図である。 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である。 本発明の第２の実施例に係る光検出器の構造を示した模式図である。 本発明の第２の実施例に係る光検出器のバンド構造を示した模式図である。 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。 従来のフォトダイオードの構造を示した模式図である。 従来のフォトトランジスタの構造を示した模式図である。

符号の説明

１１ ｎ‐ＩｎＰ基板
１２ ｎ‐ＩｎＧａＡｓサブコレクタ層
１３ ０．３μｍ厚のｐ^-‐ＩｎＧａＡｓコレクタ層
１４ ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層
１５ ０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層
１６ ０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰエミッタ層
１７ エミッタ電極
１８ コレクタ電極
４１ ｎ‐ＩｎＰ基板
４２ ｎ‐ＩｎＧａＡｓサブコレクタ層
４３ ０．３μｍ厚のｐ^-‐ＩｎＧａＡｓコレクタ層
４４ ＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層
４５ ０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層
４６ ０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰエミッタ層
４７ エミッタ電極
４８ コレクタ電極
７１ ｎ基板
７２ ｎ層
７４ ｉ‐光吸収層
７６ ｐ層
７７ ｐ電極
７８ ｎ電極
８１ ｎ基板
８２ ｎ‐サブコレクタ層
８４ ｉ‐コレクタ層
８５ ｐ‐ベース層
８６ ｎ‐エミッタ層
８７ エミッタ電極
８８ コレクタ電極

Claims (11)

1. 半導体基板上に形成されたワイドギャップのエミッタ、ナロウギャップのベース及びコレクタよりなるヘテロ接合フォトトランジスタにおいて、
   能動層は第一導電形の前記エミッタ、第二導電形の前記ベース、第二導電形の前記コレクタ及び第一導電形のサブコレクタよりなり、
   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の量子井戸層により構成され、
   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。
2. 請求項１に記載の光検出器において、
   前記量子井戸層は前記ベース近傍に配置される
   ことを特徴とする光検出器。
3. 請求項１又は請求項２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。
4. 請求項３に記載の光検出器において、
   歪を有する材料で構成された層は歪緩和が起きないような層構成で構成される
   ことを特徴とする光検出器。
5. 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。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項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。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光検出器において、
   前記半導体基板はＩｎＰからなる
   ことを特徴とする光検出器。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光検出器において、
   前記量子井戸層はＩｎＡｓからなる
   ことを特徴とする光検出器。
9. 請求項８に記載の光検出器において、
   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。
10. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光検出器において、
    前記量子井戸層はＩｎＧａＡｓＳｂからなる
    ことを特徴とする光検出器。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の光検出器において、
    前記ベース、前記コレクタ及びバリア層はＡｌ_1-x-yＩｎ_yＧａ_xＡｓ_zＰ_1-z（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）である
    ことを特徴とする光検出器。

Images