JP2010521802A - 高速光導電体 - Google Patents

Abstract

予め定められた波長領域について光導電性を有する半導体層（６４）をバンドギャップがこの光導電性半導体層（６４）よりも大きい２つの半導体境界層（６２）間に備えた積層（７２）を、基板（６０）上に有する光導電体。半導体境界層（６２）は、光導電性半導体層（６４）からの自由電荷キャリアを捕捉し、再結合するための深い不純物と、２つの電極とを有し、この電極は、光導電性半導体層（６４）に接続され、光導電性半導体層（６４）を通した電極間の横方向の電流を提供する。

Description

この発明は、光導電体およびその製造方法に関し、この光導電体は、たとえば、電磁テラヘルツ放射（ＴＨｚ＝テラヘルツ）を発生するために用いることができる。

画像化法は、現代医学において重要な役割を果たしている。ここでは、たとえば、超音波および核磁気共鳴のほかに、Ｘ線放射がますます用いられている。しかしながら、高エネルギＸ線放射の電離効果は、健康被害を及ぼす。人体の熱放射は、ＴＨｚ放射からなる微弱部分を含むので、Ｘ線放射に代わる代替手段を、たとえば、赤外線放射とマイクロ波放射との間にあるテラヘルツ領域に見ることができる。図１に見られるように、ＴＨｚ領域は、およそ０．１〜１０ＴＨｚの間にある。ＴＨｚ放射のさらなる利用分野として、たとえば、航空交通のための監視もしくはスクリーニングシステム、または燃料タンクに隠れたひびがないかどうかの確認などの安全工学におけるさらなる概念が考えられる。

ＴＨｚシステムは、たとえば、いわゆるフェムト秒レーザで実現化することができる。こういったレーザは、数フェムト秒（ｆｓ）持続する光フラッシュしか発しない。こういった短い光フラッシュを、光導電性半導体材料とその上に堆積された薄い導電性配線とからなるいわゆる光導電アンテナに向けた場合、光パルスによって励起された電子の加速によって、ＴＨｚ放射を発生させることができる。

しかしながらフェムト秒レーザは、非常に高価である。テラヘルツ放射を発生させるためのさらなる概念は、いわゆる光混合によって、高価でないレーザまたはレーザダイオードをそれぞれ介して得ることができる。ＴＨｚ放射を光混合によって発生させるためには、図２に示す原理を用いることができる。この原理では、２つのほぼ同一のレーザダイオードが用いられ、このレーザダイオードは、その発する光周波数ｆ１またはｆ２だけがわずかに異なる。ｆ１とｆ２とのあいだの周波数差Δｆは、差周波数ΔｆがＴＨｚ領域にあるよう、調節される。２つの光照射野を重畳することによって、差周波数Δｆを有する周波数ビートを得る。ビート信号は、いわゆる光導電アンテナ２０に伝達される。光導電アンテナ２０は、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）またはＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・ヒ素）などの光導電性半導体材料を有する。重畳された光と光効果とにより、まず可動電子が発生され、次に電極を介して印加された電圧によって加速され、これによりＴＨｚ領域の電磁放射が発せられる。発生する電荷キャリアすなわち電子−正孔対の数は、ビート信号の強度に依存し、すなわち、自由電荷キャリアの数は、ビート信号の周波数とともに周期的に変化する。アンテナ中の電流は、ビート周波数とともに変化し、よって、レーザダイオードの周波数の適宜選択によりＴＨｚ領域にある差周波数Δｆを有する電磁場２２が発せられる。

図３には、可能な光導電体３０の概略断面図が示されている。光導電体３０は、絶縁性または半絶縁性の半導体基板４０と、半導体基板４０上に堆積された光導電性の薄層４２とを含む。電極３６ａ、３６ｂは、大きな光導電性半導体層４２上に堆積されている。光導電アンテナ２０または光導電体を有するＴＨｚアンテナの概略図を、図４に上面図で示す。

ＴＨｚアンテナ２０は、絶縁性基板４０を含み、この基板上に２つの導電性配線３２ａおよび３２ｂが堆積されている。導電性配線は、たとえば、リソグラフィで堆積され、金からなる伝導性配線であり得る。図４に例示的に示すいわゆるＨ構造において、導電性配線３２ａおよび３２ｂはさらに、中央畝部を含み、この中央畝部は、その中央に数μｍの
間隙を有する。中央畝部の間隙において、大きな光導電性半導体層４２は、半導体基板４０上に堆積されており、２つの配線３２ａおよび３２ｂに電極３６ａ、３６ｂを介して導電性に接続されている。送信動作のために、電圧Ｕｂを電極３６ａ、３６ｂまたは導電性配線３２ａ、３２ｂを介して印加することができる。

既に上述のように、ＴＨｚ領域のビート信号が生じるよう、畝部の間隙にある光導電性半導体層４２に、互いにわずかに離調された２つの周波数ｆ１およびｆ２を備えた光の焦点を合わせる。光導電性半導体層４２中で、放射によって自由電荷キャリアが発生し、この自由電荷キャリアは、結晶格子欠陥によって速やかに捕獲される。これにより、電荷キャリア密度は、光強度に比例する。送信動作のために、電場が電極３６ａ、３６ｂ間に印加され、これは、電荷キャリアを電極３６ａ、３６ｂに向かって加速させる。これにより、電荷キャリア電流が電極３６ａ、３６ｂ間に生じる。光強度はＴＨｚ領域にあるビート信号によって調節されるので、ＴＨｚ周波数の交流電流も生じる。この交流電流によって、電磁場２２が、ＴＨｚ領域に発生し、すなわち、ＴＨｚ放射が導電性配線３２ａ、３２ｂを介して発せられる。ＴＨｚ放射の効率を高めるために、発せられたＴＨｚ放射を集中させる高抵抗性のシリコンレンズを、その出口領域、すなわち畝部間隙の上に堆積させることができる。

図４に示す光導電アンテナ２０は、ＴＨｚ放射の送信および受信の両方に用いることができる。

ＴＨｚ放射を光導電アンテナまたは光混合器２０によって発生および検出するためには、以下の特性を有する高速光導電体が必要である。

・照射がないと電気的に絶縁、すなわち高い暗抵抗
・特定の波長での感光性
・発生した光電荷キャリアの高い移動性
・照射を消した後の絶縁状態への高速減衰
光導電性の高速減衰は、高速再結合中心を表わす点欠陥を、光導電性半導体層４２に導入することによって得られる。顕著な例は、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によって低温で（＜２００℃）ＧａＡｓ上に堆積されるいわゆるＬＴ（Low Temperature：低温）ＧａＡｓ層である。分子線エピタキシー法は、結晶層を生成するための真空系の堆積法である。ＬＴ成長の結果、点欠陥または不純物クラスタの形態である深い不純物が生じ、この深い不純物は、サブピコ秒領域における再結合を引き起こす。したがって、ＬＴＧａＡｓは、光導電体ベースのＴＨｚアンテナのための標準材料として用いられる（たとえばＢ．Ｓ．グプタ（Gupta）、Ｊ．Ｆ．ウィテカー（Whitaker）、Ｇ．Ａ．モーロー（Mourou）、「分子線エピタキシー法により超低基板温度で成長されたＩＩＩ−Ｖ族半導体における超高速キャリア力学（Ultrafast carrier dynamics in III-V semiconductors grown by molecular-beam epitaxy at very low substrate temperatures）」、ＩＥＥＥ J. Quantum Electron.、２８、２４６４、（１９９２）、またはＤ．ミットルマン（Mittleman）（編者）、「テラヘルツ放射を用いたセンシング（Sensing with Terahertz Radiation）」、ＩＳＢＮ ３−５４０−４３１１０−１、シュプリンガーフェアラーク、ベルリン−ハイデルベルグ、ニューヨーク、２００３年、Ｓ．Ｍ．ダフィー（Duffy）、Ｓ．バルキーズ（Verghese）、Ｋ．Ａ．マッキントッシュ（McIntosh）の著した章「連続波テラヘルツ放射のための光混合器（Photomixer for Continuous-Wave Terahertz Radiation）」、ｐｐ．１９０、およびＩ．Ｓ．グレゴリー（Gregory）、Ｃ．ベーカー（Baker）、Ｗ．Ｒ．トライブ（Tribe）、Ｉ．Ｖ．ブラッドレー（Bradley）、Ｍ．Ｊ．エバンズ（Evans）、Ｅ．Ｈ．リンフィールド（Linfield）、Ａ．Ｇ．デービス（Davies）、Ｍ．ミズース（
Missous）、「連続波テラヘルツ放射のための光混合器およびアンテナの最適化（Optimization of photomixers and antennas for continuous-wave terahertz emission）」、ＩＥＥＥ J. Quantum Electronics、第４１巻、７１７（２００５）参照）。

この技術の一般的に不利な結果は、不純物は自由電荷キャリアに対して散乱中心としても働くため、光導電体中の電荷キャリアの移動度が著しく低下することである。半導体中の結晶欠陥のもう１つの悪影響は、エネルギバンドのバンド端が、このスペクトル領域における光放射での吸収挙動があまり有利でなくなるほどに、不明瞭でぼんやりしたものになることである。

ＧａＡｓは、８５０ｎｍ未満の波長を有するスペクトル領域でのみ、感受性があり、かつ適用可能である。よって、１μｍ〜１．６μｍの波長を有する例示的なスペクトル領域に特定的な問題は、光導電体として有用な、ＩｎＰ（インジウムリン）上の開始物質ＩｎＧａＡｓが、部分的にＬＴ−ＧａＡｓとは異なった挙動をＬＴ成長中にすることから生じる。一方では、電子の捕捉と高速再結合とのために必要な結晶欠陥も生じるが、並行して、電荷キャリア濃度および暗伝導度がたとえばＴＨｚアンテナにおける利用が有用でなくなるほどに急上昇する（Ｈ．キュンツェル（Kuenzel）、Ｊ．ベッチャー（Boettcher）、Ｒ．ギビス（Gibis）、およびＧ．ウルマン（Urmann）、「低温分子線エピタキシー法によるＩｎＰ上のＩｎ_０.５３Ｇａ_０.４７Ａｓの材料特性（Material Properties of In_0.53 Ga_0.47 As on InP by Low-Temperature Molecular Beam Epitaxy）」、Appl. Phys. Lett.、第６１巻、１３４７（１９９２）参照）。よって、ＩｎＰ上のＩｎＧａＡｓ材料システムについて、結晶欠陥と高速再結合中心とを発生させるための代替技術が開発されており、たとえばＦｅ原子の注入（Ｍ．スズキ（Suzuki）およびＭ．トノウチ（Tonouchi）、「１．５６μｍフェムト秒光パルスによってトリガされたＦｅ注入ＩｎＧａＡｓ光導電性テラヘルツ検出器（Fe-implanted InGaAs photoconductive terahertz detectors triggered by 1.56 μm femtosecond optical pulses）」、Appl. Phys. Lett.、第８６巻、１６３５０４、（２００５）参照）、またはＢｒイオンを用いた衝撃（Ｎ．シモ（Chimot）、Ｊ．マンジェニー（Mangenery）、Ｌ．ジューロード（Joulaud）、Ｐ．クロザ（Crozat）、Ｈ．バーナス（Bernas）、Ｋ．ブラリー（Blary）、およびＪ．Ｆ．ランパン（lampin）、「１．５５μｍで励起された重イオン照射Ｉｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ光導電アンテナからのテラヘルツ放射（Terahertz radiation from heavy-ion-irradiated In_0.53Ga_0.47As photoconductive antenna excited at 1.55 μm）」、Appl. Phys. Lett.、第８７巻、１９３５１０、（２００５）参照）である。しかしながら、ＬＴ−ＧａＡｓと比較して良好な結果は得られなかった。したがって、現在、１．５μｍ波長のスペクトル領域のための光導電体ベースのＴＨｚアンテナには、一応満足できるものがなく、その一方で、現在、高価ではない半導体レーザおよびさまざまなファイバ構成要素が利用可能であるので、このアンテナは非常に魅力的である。

ＧａＡｓ上でのＩｎＧａＡｓのＬＴ成長も試験された（Ｃ．ベーカー（Baker）、Ｉ．Ｓ．グレゴリー（Gregory）、Ｍ．Ｊ．エバンズ（Evans）、Ｗ．Ｒ．トライブ（Tribe）、Ｅ．Ｈ．リンフィールド（Linfield）、Ｍ．ミズース（Missous）、「低温成長ＩｎＧａＡｓ光混合器を用いた全光電子型テラヘルツシステム（All-optoelectronic terahertz
system using low-temperature-grown InGaAs photomixers）」、Optics Express、第１３巻、９６３９、（２００５））。しかしながら、この材料システムにおいて、波長領域は１μｍをわずかに超えてしか偏移されず、ＬＴ−ＧａＡｓと比較して相当劣った特性が得られた。

したがって、この発明は、電荷キャリアの移動度および暗伝導度について向上された特性を備え、かつ２μｍまでの波長領域に適した光導電体を提供することを目的とする。

この目的は、請求項１に従った光導電体および請求項１６に従った光導電体の製造方法によって達成される。

さらに、この発明は、この発明の光導電体ベースの、ＴＨｚ放射の送信および／または受信のための光導電アンテナを提供する。

電荷キャリアの高い移動度および低い暗伝導度は、異なる組成および異なる特性の異なる半導体層を、絶縁性または半絶縁性の半導体基板上に交互に堆積することによって得ることができることは、この発明に関する知識である。そこでは、所望される波長領域において光導電性を有する半導体材料は、より大きなバンドキャップ、すなわち価電子帯と伝導帯との間のより大きなエネルギギャップ、を有する半導体境界層の間に埋込まれ、結晶格子不純物は、自由光電荷キャリアの捕捉およびその後の高速再結合のために、境界層に導入される。

１つの実施例に従って、光導電性半導体層は、非常に薄く、たとえば、３０ｎｍ（ナノメートル）未満の範囲、より一層好ましくは、２０ｎｍ未満または１５ｎｍ未満の範囲に保たれる。これにより、自由光電荷キャリアは、隣接する半導体境界層およびその深い結晶格子不純物まで、層レベルに垂直に短い経路で、よって速やかに到達することができる。

実施例に従って、半導体層構造中での半導体境界層と、光導電性半導体層と、半導体境界層との周期的な繰り返しが用いられ、これは、より効果的でより大きな光効果をもたらす。

光導電を一方で行なうことと、他方で光電荷キャリアを捕捉し、再結合することとは、半導体層の配置により空間的に分離されており、異なる半導体層の中で実行される。よって、異なる層は、その層それぞれの機能のために独立して最適化することができ、１つの層の最適化は、他のそれぞれの層の機能に影響を与えない。

よって、この発明の利点は、この発明の概念に従って実現化され、異なる半導体層を含む光導電体を用いて、高い暗抵抗と、特定の波長での高い感光性と、光放射で発生した光電荷キャリアの高い移動度と、照射を消した後の絶縁状態への高速減衰とを得ることができることである。

有利な実施例およびさらなる発展は、下位クレームに開示されている。
この発明の好ましい実施例は、添付の図面を参照して以下に述べられる．

ＴＨｚ領域の位置を示すための周波数スペクトルの概略図である。 ＴＨｚ放射の可能な発生を示す概略図である。 可能な光導電体構造の断面図である。 光導電アンテナの概略図である。 この発明のある実施例に従った光導電体の製造方法を説明するためのフロー図である。 この発明のもう１つの実施例に従った光導電体の製造のためのさまざまな方法ステップを説明する図である。 この発明のもう１つの実施例に従った光導電体の製造のためのさまざまな方法ステップを説明する図である。 この発明のもう１つの実施例に従った光導電体の製造のためのさまざまな方法ステップを説明する図である。 この発明のもう１つの実施例に従った光導電体の製造のためのさまざまな方法ステップを説明する図である。 この発明のある実施例に従った電極を有する光導電体の図である。 この発明のある実施例に従った光導波路に結合された光導電体層を有する光導電体構造の図である。 この発明のもう１つの実施例に従った半導体積層を有する光導電体の図である。 成長温度に対して示されたＩｎＡｌＡｓに埋め込まれたＩｎＧａＡｓのさまざまな特性を説明する図である。 成長温度に対して示されたＩｎＡｌＡｓに埋め込まれたＩｎＧａＡｓのさまざまな特性を説明する図である。 成長温度に対して示されたＩｎＡｌＡｓに埋め込まれたＩｎＧａＡｓのさまざまな特性を説明する図である。

なお、以下の説明に関して、異なる実施例において同様または等しい機能要素は同じ参照番号を有し、こういった機能要素についての説明は、以下に示される異なる実施例において互いに交換可能である。

図５には、この発明のある実施例に従った光導電体の製造方法を説明するためのフロー図が概略的に示されている。

第１のステップＳ１において、予め定められた波長領域について光導電性を有する半導体層をバンドギャップがこの光導電性半導体層よりも大きい２つの半導体境界層の間に有する積層を、基板上に堆積し、半導体境界層は、光導電性半導体層からの自由電荷キャリアを捕捉し、再結合するためのエネルギ的に深い不純物を有する。第２のステップＳ２において、２つの電極間の光導電性半導体層を通る横方向の電流のために、光導電性半導体層をこの２つの電極とコンタクトさせる。

ステップＳ１における、積層を基板上に堆積するステップは、以下の図６ａから図６ｄを参照してより詳細に述べられる。

図６ａには、この発明の実施例に従って、ＩｎＰ半導体基板（ＩｎＰ＝インジウムリン）またはＧａＡｓ半導体基板であり得る半導体基板６０が示されている。

図６ａに描写される第１のステップにおいて、第１の半導体境界層６２をエピタキシャル成長によって第１の温度Ｔ_１で半導体基板６０上に成長させる。エピタキシャル成長は、いわゆる分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によって行なわれる。実施例に従って、第１の半導体境界層６２のための半導体材料は、ＩｎＡｌＡｓ（インジウム・アルミニウム・ヒ素）である。

第１の半導体境界層６２を分子線エピタキシー法によって基板６０上に第１の温度Ｔ_１で成長させた後、図６ｂに示された次のステップにおいて、光導電性半導体材料を分子線エピタキシー法によって第１の半導体境界層６２上に第２の温度Ｔ_２で成長させる。実施例に従って、光導電性半導体層６４は、ＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・ヒ素）またはＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・ヒ素・リン）からなる半導体層である。

図６ｃに示されたもう１つのステップにおいて、再び第１の温度Ｔ_１で、もう１つの半導体境界層６２を光導電性半導体層６４上に分子線エピタキシー法によって成長させる。
これは、予め定められた波長領域について光導電性を有する半導体層６４を、バンドギャップがこの光導電性半導体層６４よりも大きい２つの半導体境界層６２間に備える積層をもたらす。

実施例に従って、温度Ｔ_１およびＴ_２は、光導電性半導体層６４が不純物がほとんどない可能な限りよい結晶品質で成長し、その一方で深い不純物が、特定的に半導体境界層６２に導入され、光導電性半導体層６２からの自由電荷キャリアを速やかに捕捉し（好ましくはピコ秒またはサブピコ秒領域で）、この自由電化キャリアを再結合するよう、選択される。

純粋結晶の固有の物理的特性とは別に、半導体の電気的特性は、伝導帯と価電子帯との間のギャップにおけるエネルギレベルによって相当決定される。こういったエネルギレベルは、たとえば、結晶格子の特定の不純物によって、半導体材料の製造時に起こる。格子中に存在する不純物は、価電子帯からの電子を受取る（アクセプタ）または伝導帯へ電子を放出する（ドナー）ことができる。これは、追加の正孔および電子をもたらし、この正孔および電子は、半導体の電気的特性を特定的に変化させる。不純物のエネルギレベルが禁制帯のほぼ中央にある場合、この不純物は、深い不純物と呼ばれる。およそ３００Ｋ（ケルビン）という温度で、実施例に従って、深い不純物は、伝導帯および価電子帯まで３０ミリ電子ボルト（ｍｅＶ）以上の距離を有する。

光導電性半導体層６４を半導体境界層６２から独立に、すなわち切り離して考える場合、これは影響を受けない状態を意味し、光導電性半導体層６４の材料は、たとえば３００Ｋで、特定の濃度の自由電荷キャリアを有し、すると半導体境界層６２にある深い不純物の濃度は、光導電性半導体層６４にある自由電荷キャリアの濃度以上でなくてはならず、すなわち、半導体境界層６２にある深い不純物の、光導電性半導体層６４にある自由電荷キャリアに対する濃度比は、好ましくは１以上である。

１つの実施例に従って、光導電性半導体層６４は、光放射によって発生する自由光電荷キャリアが、半導体境界層６２およびその深い不純物まで、層レベルに垂直に短い経路で、よって速やかに到達することができるよう、非常に薄く、たとえば、３〜３０ｎｍの範囲に保たれる。

十分に効果的かつ大きな光効果を得るために、第１の半導体層境界層６２と、光導電性層６４と、第２の半導体境界層６２とからなる層シーケンスを、周期的に繰返すことができる。図６ｄを参照して、この意味するところは、再び光導電性半導体層６４を、最上層の半導体境界層６２上に分子線エピタキシー法で温度Ｔ_２で堆積し、続いてもう１つの半導体境界層６２を温度Ｔ_１で分子線エピタキシャル成長させることなどである。

明らかに、積層内の半導体層の層シーケンスは、異なるように選択することもできる。たとえば、まず、光導電性半導体層６４を基板６０上に堆積させ、次に半導体境界層６２、続いて再び光導電性半導体層６４を堆積させ得るなどである。最終層についても同様である。最終層は、境界層６２のうち１つか、光導電性層６４のうち１つかのいずれかであることができる。

光導電ＴＨｚアンテナを実現化するため、積層の製造後または既に製造中から、特に、光導電性半導体層６４は、電極に導電性に接続されており、このため、電圧を電極に印加し、光を予め定められた波長領域で放射すると、電極間の光導電性半導体層（６４）を通る横方向の電流が可能になる。

上述の半導体材料、すなわちＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰを光導電性材料として
、かつＩｎＡｌＡｓを半導体境界層６２に用いるとき、光導電性層６４にある電極が価電子帯から伝導帯へ上昇する光の予め定められた波長領域の範囲は、０．５μｍ〜２μｍ、特に、１μｍ〜１．６μｍである。

この発明のある実施例に従った上述の方法によって製造される光導電体構造は、図７に示されている。

図７には、４つの半導体境界層６２を有し、半導体基板６０上にある光導電体構造７０が示されており、この半導体境界層の各々の間に、１つの光導電性半導体層６４が埋め込まれている。半導体境界層６２と光導電性半導体層６４とからなる積層７２は、電圧が電極３６ａ、３６ｂに印加されると光導電性半導体層６４を通る横方向の電流を可能にするために、積層の対向する側面で、電極３６ａ、３６ｂによりコンタクトされている。図７には、薄層の増倍効果のための周期的な層シーケンスと、横方向のコンタクトすなわち電極３６ａ、３６ｂを備えたいわゆるメサ構造とを備えた好ましい変形例が示されている。こういった横方向のコンタクト３６ａ、３６ｂによって、すべての層は−より深い層でさえも−、金属コンタクトに直接接続され、これは、電流路の長さが、どこにおいても同じで短いことを意味する。

図７に示された実施例とは対照的に、実施例に従って、第１の電極３６ａおよび第２の電極３６ｂの両方は、光導電性半導体層６４にのみ接続されることもあり得る。

電極３６ａ、３６ｂが各々、図４に関して説明されたように金属導体ストリップ３２ａ、３２ｂに結合される場合、この発明のＴＨｚアンテナは、図７に示された構造で実現化することができ、この発明の光導電性積層７２は、大きな光導電体層４２と置き換わる。さらに、従来の半導体基板４０を、この発明のある実施例に従った半導体基板６０、すなわち、ＩｎＰまたはＧａＡｓ半導体基板で置き換えるまたは補完することができる。特定の利点は、既に説明したメサ構造である。

光電荷キャリアを捕捉し、再結合させることを、光導電体層から隣接する半導体境界層６２に移すことによって、光導電体層６４の高い結晶品質が可能となり、自由光電荷キャリアの高い移動度と、明確なバンド端とを維持することができる。自由光電荷キャリアが境界層６２まで層レベルに垂直に短い経路で、よって非常に速やかに到達するように、光導電性層６４が十分に薄いことは重要であり、この境界層で、自由光電荷キャリアは、捕捉され、その後深い不純物によって再結合される。

したがって、要請によっては、数ナノメートルの範囲内の非常に薄い層が必要となり得る。そのような薄い被放射層の光吸収は、低い。

加えて、光効果の効率は、２つの異なる方策によって相当向上させることができる。
この効果を増倍させるために、薄い光導電性層６４と再結合中心を備えた境界層６２とを交互に備えた層パケット７２を用いることができる。光吸収および光導電性に関して有効な総厚みが増大し、その一方で個々の薄層は、各々その特性を維持する。

放射は、横方向に各層レベルに並行に行なうことができ、これにより、層厚みと吸収長とは、基本的に互いから切り離される。ここで、光を薄層に結合することが問題となる。しかしながら、これは、図８に概略的に示されるように、光導電性層６４を、たとえば光導波路と一体にすると、解決することができる。

図８には、基板６０上に堆積された半導体層６２、６４、６２を有するこの発明の光導電体構造７０が示されており、光導電性半導体層６４は、両側が光導波路８０に接続され
ている。

まず、外部光信号を、（厚い）導波路構造８０に非常に効率的に結合することができる。誘導された光は、一体となった光導電性層６４に衝突し、連続してかつ効率的に吸収される。

上述の２つの方法は、層パケット７２中への横方向の光放射によっても組合せることができる。

高い電荷キャリア移動度を備え、１．６５μｍ波長までのスペクトル領域に好適な光導電性半導体は、ＩｎＰ上のＩｎＧａＡｓである。半導体境界層６２に特に適した材料は、ＩｎＡｌＡｓであり、ＩｎＡｌＡｓもＩｎＰ上に格子が適合するように成長させることができる。ＩｎＡｌＡｓは、必要に応じて、ＩｎＧａＡｓよりも大きなバンドギャップを有し、よって、１μｍを超えた波長のスペクトル領域において透過性であり、非常に高い絶縁挙動を示し、これは、光導電体層６４と平行な電流路を発生しないことを意味する。さらに、低温成長中−ＧａＡｓに類似して−非常に効果的かつ高速の再結合中心が起きる。

２００℃未満の温度Ｔ_１で成長され、よって高速再結合中心を示すＩｎＡｌＡｓからなる境界層中に埋め込まれた、２００℃を超えた温度Ｔ_２で成長され、よって良好な結晶品質および移動度を備えたＩｎＧａＡｓからなる薄い光導電体層６４は、この発明の好ましい実施例に対応する。

しかしながら、一様でない温度Ｔ_１およびＴ_２を用いたエピタキシャル成長は、製造プロセスをより難しくする。よって、境界層６２および光導電性層６４に対する一定の成長温度、すなわちＴ_１＝Ｔ_２を備えた単純化された構造も、興味深い。ここで、好ましい境界層材料ＩｎＡｌＡｓは、さらに興味深い特性を示す。ＩｎＡｌＡｓが３５０−５００℃の範囲内の温度Ｔ_１で分子線エピタキシー法によって成長される場合、必要な捕捉と再結合中心とは、さらなる処理なしに成長中に直接生じる。この３５０−５００℃の範囲内の均一温度でのＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ積層の単純化された成長は、光導電体層６４の良好な結晶品質を、よって高い移動度をもたらし、同時に、光導電体層６４からの電子を捕捉し、再結合させるための、境界層６２中の結晶欠陥の形成をもたらす。

図９に示された方式に類似して、１２ｎｍ厚ＩｎＧａＡｓ光導電体層と８ｎｍ厚ＩｎＡｌＡｓ境界層とが交互する１００周期からなる光導電体構造は、さまざまな一定成長温度Ｔ＝Ｔ_１＝Ｔ_２で分子線エピタキシー法によって成長されている。

図１０ａには電荷キャリア密度または濃度、図１０ｂには比電気抵抗ρ、図１０ｃにはＩｎＧａＡｓ光導電体層６４の積分光ルミネセンスが、それぞれ成長温度Ｔ＝Ｔ_１＝Ｔ_２に対して示されている。

３５０−５００℃の範囲における成長によって、電荷キャリア濃度ｎは、大幅に低下し（図１０ａ）、比抵抗ρは、けた違いに増大する（図１０ｂ）ことがわかる。発光強度もこの領域において低下する（図１０ｃ）。これは、境界層６２とその中の深い不純物とが、ＩｎＧａＡｓ光導電体層６４中の自由電荷キャリアに与える影響である。自由電荷キャリアは、捕捉されて除かれ、これより、低い電荷キャリア濃度ｎと高い抵抗ρとが引き起こされる。次に、電子は、放射せずにかつ速やかに深い不純物にわたって再結合し、これは、ＩｎＧａＡｓの低い発光強度に見られる。ＩｎＧａＡｓ光導電体層６４中の電子の移動度は、境界層６２中の不純物によってわずかにしか影響されない。４００℃で成長させた構造については、４０００ｃｍ^２／Ｖｓという非常に良好な電子移動度を、１０ＭΩに近いシート抵抗と組合せ得る。この実施例は、深い不純物を光導電体層６４から境界層６
２中に移す、この発明の概念の機能を具体化する。

別の実施例において、この実施例も、単純化された方法で均一な成長温度で実現されるので有利であり、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ層パケットは、２００℃未満の温度で均一に成長される。光導電体層６４は、その最適移動度を有さないが、こういった条件下でさえも、境界層６２の影響は相当な利点を有し、これは、一連の成長に基づいて実験的に発見された。この一連の成長は、温度１３０℃で、既知のＩｎＧａＡｓ光導電体から開始して行なわれ、どんな改善がこの発明の概念、すなわち薄層６４の導入およびこの薄層のＩｎＡｌＡｓ境界層６２間への埋込によって得られるのかが調べられた。この一連の成長において、Ｂｅドーピング（Ｂｅ＝ベリリウム）という既知の方法が用いられ、Ｂｅドーピングは、積層全体を通して一定であり、すべての成長した構造に対して同様である。ここで、Ｂｅドーピングは、アクセプタとして作用し、自由電子を部分的に補償する。

同一の製造条件および他の点は同等の構造で、光導電体層６４が境界層６２と比較してより薄くなることによってのみ、１^*１０^１２ｃｍ^−２という層電荷キャリア濃度（１μｍの厚い大きな層）は、６^*１０^１０ｃｍ^−２（２０ｎｍの薄い埋込まれた光導電体層）を介して２^*１０^１０ｃｍ^−２（１２ｎｍの薄い埋込まれた光導電体層）および１^*１０^１０ｃｍ^−２（６ｎｍの薄い埋込まれた光導電体層）まで低下させることができ、対応して、シート抵抗は、５０ｋΩ／□または５０ｋΩ／ｓｑから、１３０ｋΩ／ｓｑを介して６００ｋΩ／ｓｑおよび１．４ＭΩ／ｓｑまで増大させることができると判断し得る。よってまた、Ｂｅドーピングによって最適化された大きなＬＴ ＩｎＧａＡｓ層は、境界層６２の影響によって相当増大させることができる。これらの結果は、表１にまとめられている。

言い換えれば、所与の材料−ここではＩｎＧａＡｓ−のシート抵抗は、より高いバンドギャップと深い不純物とを有する半導体境界層の間にある薄層として材料を埋込むことによって、１〜２桁−ここでは５０，０００Ω／ｓｑから１，４００，０００Ω／ｓｑまで−増大させることができる。

ＴＨｚ放射の放出および受信のためのアンテナまたは導電性配線は、図９に示す、１２ｎｍの光導電体厚、８ｎｍの境界層厚、および１００周期を有するこの発明の光導電体構造上に堆積させることができる。このアンテナは、たとえば、１．５５μｍでのパルス励起を備えたいわゆる時間領域分光計において用いることができ、ＴＨｚ放出および２ＴＨｚ超までの周波数の検出を実行することができる。

こういった結果を伴い、ＩｎＡｌＡｓ境界層を備えたこの発明のＩｎＧａＡｓ光導電体は、１．５５μｍの波長領域のための光導電ＴＨｚアンテナにおける画期的な進歩を示す。この発明の概念を用いて、光導電アンテナまたは光混合器によるＴＨｚ放射を発生するまたは検出するための光導電体を提供することができ、この光導電体は、照射がなければ電気的に絶縁性であり、予め定められた波長領域における高い感光性と、発生した光電荷キャリアの高い移動度と、照射を消した後の絶縁状態への高速減衰とを有する。

なお、最後に、光導電体構造の構造および製造はさまざまであり得るので、この発明は、説明された構造または述べられた製造方法に限定されない。用いられた用語は、単に特定の実施例を説明することを意図されるに過ぎず、限定する意味では用いられていない。単数形または不定冠詞が説明中で用いられている場合、文脈全体が明らかに他のものを示さない限り、この単数形または不定冠詞は、複数のこういった要素にも関する。逆もまた同様である。

Claims (20)

1. 予め定められた波長領域について光導電性を有する半導体層（６４）をバンドギャップが前記光導電性半導体層（６４）よりも大きい２つの半導体境界層（６２）間に含む積層（７２）を、基板（６０）上に備え、前記半導体境界層（６２）は、前記光導電性半導体層（６４）からの自由電荷キャリアを捕捉し、再結合するための深い不純物を含み、さらに
   ２つの電極（３６ａ、３６ｂ）を備え、前記電極は、前記電極（３６ａ、３６ｂ）間の前記光導電性半導体層（６４）を通る横方向の電流のために、前記光導電性半導体層（６４）に接続されている
   光導電体。
2. 前記光導電性半導体層（６４）の厚みの範囲は、３０ｎｍ未満である、請求項１に記載の光導電体。
3. 前記半導体境界層（６２）の有する前記深い不純物の濃度は、前記半導体境界層（６２）の影響がない前記光導電性半導体層（６４）にある自由電荷キャリアの濃度以上である、請求項１または２に記載の光導電体。
4. 前記積層（７２）は、２つの半導体境界層（６２）間にある光導電性半導体層（６４）の周期的な繰り返しである、請求項１から３のいずれかに記載の光導電体。
5. 前記積層（７２）は、前記電極（３６ａ、３６ｂ）による前記光導電性半導体層（６４）の横方向のコンタクトを備えたメサ構造として実装される、請求項１から４のいずれかに記載の光導電体。
6. 前記予め定められた波長領域の範囲は、０．５μｍ〜２μｍである、請求項１から５のいずれかに記載の光導電体。
7. 前記基板は、ＩｎＰまたはＧａＡｓ半導体基板である、請求項１から６のいずれかに記載の光導電体。
8. 前記光導電性半導体層（６４）は、ＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ半導体材料を含む、請求項１から７のいずれかに記載の光導電体。
9. 前記光導電性層（６４）は、光が前記光導電性層（６４）中に光導波路（８０）を介して横方向に照射されることができるように、前記光導波路（８０）に結合されている、請求項１から８のいずれかに記載の光導電体。
10. 前記光導電性半導体層（６４）は、ベリリウムでドープされている、請求項１から９のいずれかに記載の光導電体。
11. 前記半導体境界層（６２）は、ＩｎＡｌＡｓ半導体材料を含む、請求項１から１０のいずれかに記載の光導電体。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の光導電体を含む、テラヘルツ放射を放出し、受信するためのアンテナであって、前記光導電体の前記電極（３６ａ、３６ｂ）は、前記アンテナの導電性配線に接続されている、アンテナ。
13. 光導電体を製造する方法であって、
    予め定められた波長領域について光導電性を有する半導体層（６４）をバンドギャップが前記光導電性半導体層（６４）よりも大きい２つの半導体境界層（６２）間に含む積層を、基板（６０）上に堆積するステップを備え、前記半導体境界層（６２）は、前記光導電性半導体層（６４）からの自由電荷キャリアを捕捉し、再結合するための深い不純物を含み、さらに
    ２つの電極（６２ａ、６２ｂ）間の前記光導電性半導体層（６４）を通る横方向の電流のために、前記光導電性半導体層（６４）を前記電極間で電気的にコンタクトさせるステップを備える、方法。
14. 基板としてＩｎＰまたはＧａＡｓ半導体基板を用いる、請求項１３に記載の方法。
15. 前記光導電性層（６４）および前記半導体境界層（６２）を各々、分子線エピタキシー法によって成長させる、請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記光導電性半導体層（６４）を、２００℃を超えた温度（Ｔ_２）で成長させる、請求項１５に記載の方法。
17. 前記半導体境界層（６２）を各々、２００℃未満の温度（Ｔ_１）で成長させる、請求項１５または１６に記載の方法。
18. 前記光導電性半導体層（６４）および前記半導体境界層（６２）を各々、同じ温度（Ｔ_１、Ｔ_２）で成長させる、請求項１５に記載の方法。
19. 前記同じ温度（Ｔ_１、Ｔ_２）の範囲は、３５０℃〜５００℃である、請求項１８に記載の方法。
20. 前記同じ温度（Ｔ_１、Ｔ_２）の範囲は、２００℃未満である、請求項１８に記載の方法。

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