JP2588493B2 - 光・電子デバイスを有する装置 - Google Patents
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- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光電子半導体デバイス
に関わり、特に光電子量子井戸デバイスに関する。
に関わり、特に光電子量子井戸デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】光信号を効率良く且つ高感度で検知する
ことができる半導体デバイスは、種々の技術分野（例え
ば、光通信の分野）で明らかに有用であり、その半導体
基板が広い帯域幅（例えば、１ＧＨｚ以上の帯域幅、好
ましくは数ＧＨｚの帯域幅）を持つことができる場合に
は特に有益がある。従って、新規で効率的な半導体光検
知器は有益である。
ことができる半導体デバイスは、種々の技術分野（例え
ば、光通信の分野）で明らかに有用であり、その半導体
基板が広い帯域幅（例えば、１ＧＨｚ以上の帯域幅、好
ましくは数ＧＨｚの帯域幅）を持つことができる場合に
は特に有益がある。従って、新規で効率的な半導体光検
知器は有益である。
【０００３】公知の半導体フォト・ディテクター（光検
知器）は、入射光の強度に比例する（電気）出力を持
ち、入力増幅器（高感度の入力増幅器）を過負荷から保
護するための回路を具備する必要がある。或る適度なレ
ベルで飽和する出力を持つフォト・ディテクターが得ら
れれば、構成が簡単で従って安価でもある検知装置を得
ることが可能になるので、そのようなフォト・ディテク
ターは有益である。更に、高速で動作する公知の半導体
フォト・ディテクターは、代表的には入力増幅器に電圧
信号を供給するために負荷抵抗の使用を必要とする電流
源の特質を持っている。実質的に電圧源の特質を持つフ
ォト・ディテクターを得ることができれば、簡単な構成
の装置が得ることが可能となる。本出願はそのような有
益な特徴及びその他の特徴を有する新規なデバイスを開
示するものである。
知器）は、入射光の強度に比例する（電気）出力を持
ち、入力増幅器（高感度の入力増幅器）を過負荷から保
護するための回路を具備する必要がある。或る適度なレ
ベルで飽和する出力を持つフォト・ディテクターが得ら
れれば、構成が簡単で従って安価でもある検知装置を得
ることが可能になるので、そのようなフォト・ディテク
ターは有益である。更に、高速で動作する公知の半導体
フォト・ディテクターは、代表的には入力増幅器に電圧
信号を供給するために負荷抵抗の使用を必要とする電流
源の特質を持っている。実質的に電圧源の特質を持つフ
ォト・ディテクターを得ることができれば、簡単な構成
の装置が得ることが可能となる。本出願はそのような有
益な特徴及びその他の特徴を有する新規なデバイスを開
示するものである。
【０００４】フィジカル・レビュー・レターズ(Physica
l Review Letters)誌、第２５巻、２３１８〜２３２１
頁に掲載されているエフ・カパッソ(F. Capasso)氏らの
論文には、鋸歯状超格子における過渡的な電気分極現象
が記載されている。その作用は、図１に模式的に描かれ
ているようなｐドープ形傾斜ギャップＡｌＧａＡｓ構造
中で観察される。図１中、ＥC及びＥVはそれぞれ伝導帯
域端エネルギー・レベル及び価電子帯域端エネルギー・
レベルを示し、ＥFはフェルミ・エネルギー準位であ
る。同様に、図１には超格子の周期ｄが表わされてい
る。図１のようなバンド・ダイアグラムは当業者に周知
である。
l Review Letters)誌、第２５巻、２３１８〜２３２１
頁に掲載されているエフ・カパッソ(F. Capasso)氏らの
論文には、鋸歯状超格子における過渡的な電気分極現象
が記載されている。その作用は、図１に模式的に描かれ
ているようなｐドープ形傾斜ギャップＡｌＧａＡｓ構造
中で観察される。図１中、ＥC及びＥVはそれぞれ伝導帯
域端エネルギー・レベル及び価電子帯域端エネルギー・
レベルを示し、ＥFはフェルミ・エネルギー準位であ
る。同様に、図１には超格子の周期ｄが表わされてい
る。図１のようなバンド・ダイアグラムは当業者に周知
である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図１の構造を有する装
置では、高いエネルギー・レベルのフォトン（即ち、最
小バンドギャップより高いエネルギーを持つフォトン）
を急激に照射することによって実質的に過渡的変化を示
す電圧がその超格子を横断して発生し、この電圧がマッ
クスウエル緩和時間τMの台の時定数で急速に減衰する
ことが観察された。直流的な照射光の下では安定な分極
は観察されなかった。
置では、高いエネルギー・レベルのフォトン（即ち、最
小バンドギャップより高いエネルギーを持つフォトン）
を急激に照射することによって実質的に過渡的変化を示
す電圧がその超格子を横断して発生し、この電圧がマッ
クスウエル緩和時間τMの台の時定数で急速に減衰する
ことが観察された。直流的な照射光の下では安定な分極
は観察されなかった。
【０００６】この効果は、超格子の一つの周期ｄを横断
する電子通過時間τdがｐドープ形材料のマックスウエ
ル緩和時間τMより短いときに生じる。急峻な光パルス
によって、電子・正孔対が発生し、移動電子が電荷の局
所的平衡を一時的に乱す移動状態に設定される。超格子
が鋸歯状の非対称を成しているために、各周期で生じる
分極が累積し、熱電気と同様な超格子を横断する電圧を
発生する。この従来技術での過渡的な分極電圧の立ち上
がり時間は、やはりマックスウエル緩和時間τMの台で
ある。
する電子通過時間τdがｐドープ形材料のマックスウエ
ル緩和時間τMより短いときに生じる。急峻な光パルス
によって、電子・正孔対が発生し、移動電子が電荷の局
所的平衡を一時的に乱す移動状態に設定される。超格子
が鋸歯状の非対称を成しているために、各周期で生じる
分極が累積し、熱電気と同様な超格子を横断する電圧を
発生する。この従来技術での過渡的な分極電圧の立ち上
がり時間は、やはりマックスウエル緩和時間τMの台で
ある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の装置は、概略的
には実質的に電圧源の特質を有し、比較的小さい値の入
射フォトン・フラックスに対しては実質的に入射フォト
ン・フラックスに比例し、比較的大きい値の入射フォト
ン・フラックスに対しては最大値Ｖmaxに飽和する出力
電圧を持つ半導体フォト・ディテクター手段を具備す
る。これらの特質を持つフォト・ディテクター手段は、
例えばカパッソ氏らによって使用された種類の超格子構
造を過渡的な内部光学分極効果を発揮するように適当に
改変することによって作製することができることが発明
者らによって見出された。
には実質的に電圧源の特質を有し、比較的小さい値の入
射フォトン・フラックスに対しては実質的に入射フォト
ン・フラックスに比例し、比較的大きい値の入射フォト
ン・フラックスに対しては最大値Ｖmaxに飽和する出力
電圧を持つ半導体フォト・ディテクター手段を具備す
る。これらの特質を持つフォト・ディテクター手段は、
例えばカパッソ氏らによって使用された種類の超格子構
造を過渡的な内部光学分極効果を発揮するように適当に
改変することによって作製することができることが発明
者らによって見出された。
【０００８】更に詳細には、本発明のフォト・ディテク
ター手段は、主面及び化学的な組成が前記主面からの距
離の関数として周期的に変化するドーピング領域を有す
る。以下、このドーピング領域を「超格子領域」と呼
ぶ。この超格子領域中の半導体材料には、少数キャリヤ
ー有効寿命τeが関連している。この超格子領域中の組
成は、周期的に各周期において上記主面と平行な、どの
面内にも鏡像対称性を持たない状態で変化し、その結
果、超格子領域中にフォトンが吸収されるとき、この超
格子領域を横断する電圧が現われる。本発明のフォト・
ディテクター手段はまた、上記超格子領域を横断して現
われる電圧を応答手段へ供給可能にする、前記半導体基
板との電気的接続手段を有する。
ター手段は、主面及び化学的な組成が前記主面からの距
離の関数として周期的に変化するドーピング領域を有す
る。以下、このドーピング領域を「超格子領域」と呼
ぶ。この超格子領域中の半導体材料には、少数キャリヤ
ー有効寿命τeが関連している。この超格子領域中の組
成は、周期的に各周期において上記主面と平行な、どの
面内にも鏡像対称性を持たない状態で変化し、その結
果、超格子領域中にフォトンが吸収されるとき、この超
格子領域を横断する電圧が現われる。本発明のフォト・
ディテクター手段はまた、上記超格子領域を横断して現
われる電圧を応答手段へ供給可能にする、前記半導体基
板との電気的接続手段を有する。
【０００９】特に、本発明によるデバイスの超格子領域
では、上記少数キャリヤー有効寿命τeが短く（代表的
に１０-9秒未満、好ましくは１０-10秒未満、或いは更
に１０-11秒未満）、上記半導体基板に入射する定常状
態のフォトン・フラックスによって超格子領域に亘る実
質的に一定な電圧が生じ、この電圧が比較的に小さい値
のフォトン・フラックスに対してはそのフラックスに比
例し、比較的に大きい値のフォトン・フラックスに対し
ては最大値Ｖmax（少数キャリヤー有効寿命τeに比例
し、室温では少なくとも約１ｍＶとなる電圧）に飽和す
るように選択される。
では、上記少数キャリヤー有効寿命τeが短く（代表的
に１０-9秒未満、好ましくは１０-10秒未満、或いは更
に１０-11秒未満）、上記半導体基板に入射する定常状
態のフォトン・フラックスによって超格子領域に亘る実
質的に一定な電圧が生じ、この電圧が比較的に小さい値
のフォトン・フラックスに対してはそのフラックスに比
例し、比較的に大きい値のフォトン・フラックスに対し
ては最大値Ｖmax（少数キャリヤー有効寿命τeに比例
し、室温では少なくとも約１ｍＶとなる電圧）に飽和す
るように選択される。
【００１０】必要とされる短い有効寿命は、何らかの適
当な手段によって達成することができる。これらの手段
の中には、格子欠陥をもたらす超格子領域のイオン打ち
込みや、比較的低温度での超格子領域の材料成長（例、
分子線結晶成長法による材料成長）、或いは超格子領域
の所定部分での誘導再結合がある。
当な手段によって達成することができる。これらの手段
の中には、格子欠陥をもたらす超格子領域のイオン打ち
込みや、比較的低温度での超格子領域の材料成長（例、
分子線結晶成長法による材料成長）、或いは超格子領域
の所定部分での誘導再結合がある。
【００１１】
【作用】本発明による装置は、実質的に電圧源の特質を
持つフォト・ディテクターを得、このようなフォト・デ
ィテクターにより装置の構成を簡単にする。
持つフォト・ディテクターを得、このようなフォト・デ
ィテクターにより装置の構成を簡単にする。
【００１２】
【実施例】図２から図５は、本発明による装置において
使用することができる超格子構造の一例を模式的に示し
ている。これらの図は全て、超格子と平行な面に鏡像対
称性を欠いていることを示している。このように鏡像対
称性を欠くことは、本発明による直流光学分極効果が存
在するために必要な条件である。図２から図５では、電
子が少数キャリヤーであるように、超格子にｐ形不純物
がドーピングされているものと想定する。これは必要条
件ではなく、本発明はｎ形不純物ドーピング超格子の実
施例も可能である。しかし、ここでは簡単化するために
主にｐ形不純物ドーピング構造によって説明を行ない、
多くは図２に示されているような単純な鋸歯状構造によ
って説明を進める。
使用することができる超格子構造の一例を模式的に示し
ている。これらの図は全て、超格子と平行な面に鏡像対
称性を欠いていることを示している。このように鏡像対
称性を欠くことは、本発明による直流光学分極効果が存
在するために必要な条件である。図２から図５では、電
子が少数キャリヤーであるように、超格子にｐ形不純物
がドーピングされているものと想定する。これは必要条
件ではなく、本発明はｎ形不純物ドーピング超格子の実
施例も可能である。しかし、ここでは簡単化するために
主にｐ形不純物ドーピング構造によって説明を行ない、
多くは図２に示されているような単純な鋸歯状構造によ
って説明を進める。
【００１３】本発明による超格子構造は、公知の手段、
例えば、ＧａＡｓ基板上へのＡｌ1- XＧａXＡｓのＭＢＥ
成長によって容易に得ることができ、ここでＸは所望の
傾斜状の変化またはステップ状の変化に帰着するように
変化する値である。超格子周期の周期数Ｎは１より大き
い数になるが、Ｎ＝１の場合でもその効果がある。しか
し、もしＮｄ ≦ α-1（但し、αは吸収係数）なる関係
が有る場合は、本発明によるデバイスの出力電圧はＮに
正比例するから、代表的にはＮは１より十分に大きい
数、例えば、１０の台の数であることが望ましい。
例えば、ＧａＡｓ基板上へのＡｌ1- XＧａXＡｓのＭＢＥ
成長によって容易に得ることができ、ここでＸは所望の
傾斜状の変化またはステップ状の変化に帰着するように
変化する値である。超格子周期の周期数Ｎは１より大き
い数になるが、Ｎ＝１の場合でもその効果がある。しか
し、もしＮｄ ≦ α-1（但し、αは吸収係数）なる関係
が有る場合は、本発明によるデバイスの出力電圧はＮに
正比例するから、代表的にはＮは１より十分に大きい
数、例えば、１０の台の数であることが望ましい。
【００１４】適切な直流照射光（即ち、少なくとも１０
τMの長さの周期の間、実質的に一定な照射光）の下で
は、電子・正孔対が代表的には超格子構造に亘ってほぼ
均一に発生し、再結合が少数キャリヤーの濃度が最高を
示す最小バンドギャップの位置（例えば、図２に示され
る位置２０）で支配的に起きる。多数キャリヤーの安定
した供給は、超格子の狭いバンドギャップ領域２０中に
必要な電流を生じさせる傾斜した正孔の擬フェルミ準位
ＥF,hによって与えられなければならない。外部からの
電流が無い場合には、電子フラックス及び正孔フラック
スはその超格子内のどの点でも同一である。その超格子
が非対称であるために、電子流は伝導帯の勾配に沿う方
向に流れるものが支配的である。この結果、正孔流には
実質的に一方向性が確保される。従って、正孔の擬フェ
ルミ準位のゼロでない差（その値をｅＶ1とする。但
し、ｅは電子の電荷である）が各超格子周期で発生す
る。これらの差が積算されて超格子の頂部層と底部層と
の間の有限の（定常的な）電圧Ｖとなる。発明者らの理
論的な解析では次式の関係が認められた。 Ｖ ＝ ＮＶ1 ＝ ＮＧｄ2（２μhｐo）＝φｄ（２μhｐo） （１） ここで、Ｖ、Ｎ、Ｖ1及びｄは既に定義されたものであ
り、対生成率ＧはＧ ＝αφで与えられ、φはフォトン
・フラックスであり、μhは正孔のも移動度であり、ｐo
はドーピングによって与えられる正孔濃度である。式１
の右辺の近似表現は、αＮｄがほぼ１になる（αＮｄ＝
１）ようにＮが選ばれているものと想定の下で成立し、
その結果、入射光の殆どが超格子によって吸収される。
τMの長さの周期の間、実質的に一定な照射光）の下で
は、電子・正孔対が代表的には超格子構造に亘ってほぼ
均一に発生し、再結合が少数キャリヤーの濃度が最高を
示す最小バンドギャップの位置（例えば、図２に示され
る位置２０）で支配的に起きる。多数キャリヤーの安定
した供給は、超格子の狭いバンドギャップ領域２０中に
必要な電流を生じさせる傾斜した正孔の擬フェルミ準位
ＥF,hによって与えられなければならない。外部からの
電流が無い場合には、電子フラックス及び正孔フラック
スはその超格子内のどの点でも同一である。その超格子
が非対称であるために、電子流は伝導帯の勾配に沿う方
向に流れるものが支配的である。この結果、正孔流には
実質的に一方向性が確保される。従って、正孔の擬フェ
ルミ準位のゼロでない差（その値をｅＶ1とする。但
し、ｅは電子の電荷である）が各超格子周期で発生す
る。これらの差が積算されて超格子の頂部層と底部層と
の間の有限の（定常的な）電圧Ｖとなる。発明者らの理
論的な解析では次式の関係が認められた。 Ｖ ＝ ＮＶ1 ＝ ＮＧｄ2（２μhｐo）＝φｄ（２μhｐo） （１） ここで、Ｖ、Ｎ、Ｖ1及びｄは既に定義されたものであ
り、対生成率ＧはＧ ＝αφで与えられ、φはフォトン
・フラックスであり、μhは正孔のも移動度であり、ｐo
はドーピングによって与えられる正孔濃度である。式１
の右辺の近似表現は、αＮｄがほぼ１になる（αＮｄ＝
１）ようにＮが選ばれているものと想定の下で成立し、
その結果、入射光の殆どが超格子によって吸収される。
【００１５】発明者らの解析では、また、電子・正孔対
の生成率が十分に高いか、またはＧτe ＞ ｐo（但し、
τeは少数キャリヤー有効寿命である）であるような長
い寿命、あるいはそれら双方である場合に、定常電圧が
次式で表わされるＶmaxで飽和することが見いだされ
た。 Ｖmax ＝ Ｎｄ2／２μhτe （２） 上記に引用したカパッソ氏らによる構成のデバイスに適
用可能なパラメータ値（即ち、Ｎ ＝ １０、ｄ ＝ ５０
ｎｍ（ナノ・メートル）、μh ≒ １００ｃｍ2／Ｖ、τ
e ≒ １０-8秒）を代入すると、従来の構造では、気付
くには余りに小さく、且つ、技術上の興味を引くにも余
りにも小さい、ほんの約１０-4Ｖの定常的な光電圧を生
じることができるにすぎないことが見いだされた。
の生成率が十分に高いか、またはＧτe ＞ ｐo（但し、
τeは少数キャリヤー有効寿命である）であるような長
い寿命、あるいはそれら双方である場合に、定常電圧が
次式で表わされるＶmaxで飽和することが見いだされ
た。 Ｖmax ＝ Ｎｄ2／２μhτe （２） 上記に引用したカパッソ氏らによる構成のデバイスに適
用可能なパラメータ値（即ち、Ｎ ＝ １０、ｄ ＝ ５０
ｎｍ（ナノ・メートル）、μh ≒ １００ｃｍ2／Ｖ、τ
e ≒ １０-8秒）を代入すると、従来の構造では、気付
くには余りに小さく、且つ、技術上の興味を引くにも余
りにも小さい、ほんの約１０-4Ｖの定常的な光電圧を生
じることができるにすぎないことが見いだされた。
【００１６】式１及び式２は、実質的に一定不変なτe
に関して超格子領域の全体に渡って導出される。しか
し、本発明は一定不変なτeに限定されない。発明者ら
は、例えば領域４０及び４１における少数キャリヤーの
寿命がτ1及びτ2であり、これらがτ2 ＜＜ （δ／
ｄ）τ1なる関係を持つ、図４に相当する場合を考える
と、次の二式が成立することを見いだしている。 Ｖ1 ＝Ｇｄ（ｄ − δ）／（２ｐoμh） （３） 及び Ｖmax ＝ ｄδ／(２μhτ2） （４） ここで、δは図４に定義されているとおりである。
に関して超格子領域の全体に渡って導出される。しか
し、本発明は一定不変なτeに限定されない。発明者ら
は、例えば領域４０及び４１における少数キャリヤーの
寿命がτ1及びτ2であり、これらがτ2 ＜＜ （δ／
ｄ）τ1なる関係を持つ、図４に相当する場合を考える
と、次の二式が成立することを見いだしている。 Ｖ1 ＝Ｇｄ（ｄ − δ）／（２ｐoμh） （３） 及び Ｖmax ＝ ｄδ／(２μhτ2） （４） ここで、δは図４に定義されているとおりである。
【００１７】上記のτ2 ＜＜ τ1なる状態では、適当な
波長（電子・正孔対を生成するフォトンの波長よりは長
く、且つ少なくとも最小エネルギー・ギャップに相当す
る波長に等しい波長）を持つフォトンが存在することに
よって誘導再結合が起きる。上記の結果を達成すること
ができる適当な光学空洞を実現する方法は、当業者が容
易に想到することができよう。
波長（電子・正孔対を生成するフォトンの波長よりは長
く、且つ少なくとも最小エネルギー・ギャップに相当す
る波長に等しい波長）を持つフォトンが存在することに
よって誘導再結合が起きる。上記の結果を達成すること
ができる適当な光学空洞を実現する方法は、当業者が容
易に想到することができよう。
【００１８】図３は鋸歯状超格子の変形例、即ち、障壁
分離帯を持つ鋸歯状超格子を示している。このような超
格子構造は導電性負荷（例えば、バイポーラ・トランジ
スター）の直流電圧を支持できないが、純粋な容量性負
荷（例えば、ＦＥＴ）と共に使用することができる。
分離帯を持つ鋸歯状超格子を示している。このような超
格子構造は導電性負荷（例えば、バイポーラ・トランジ
スター）の直流電圧を支持できないが、純粋な容量性負
荷（例えば、ＦＥＴ）と共に使用することができる。
【００１９】或るヘテロ構造材料（例えば、ＩｎＰと整
合した格子を持つ幾つかの三元素及び四元素（ＩＩＩ／
Ｖ）の化合物半導体）では、傾斜ギャップ鋸歯状超格子
を格子整合ヘテロ・エピタキシーの範囲内で達成するこ
とが困難である。しかし、組込まれた鋸歯状フィールド
が存在することは本発明によるデバイスに対する必須条
件ではない。鋸歯状構造ではない例は図５に図示されて
いる。大きな値の帯域不連続（即ち、ｅｘｐ（Δ／ｋ
Ｔ） ＞＞ τ1／τ2、但しτ1及びτ2はそれぞれ領域５
０及び５１に関連する有効寿命であり、Δはバンドギャ
ップ・エネルギー不連続であり、ｋはボルツマン定数で
あり、Ｔは絶対温度である）と、大きな値の拡散長λi
（即ち、λi ＞＞ ｄi、ｉ ＝ １、２）を想定すると、
次式が成立する。 Ｖ1 ＝Ｇｄｄ2／（２ｐoμh） （５） このように想定した場合では、電子フラックスが広いギ
ャップ領域から狭いギャップ領域内へ向けられる。も
し、ｅｘｐ（Δ／ｋＴ） ＜＜ τ1／τ2であれば、電子
フラックスは逆方向である。本発明は、τ＝ τ（ｘ）
とすると、Δ ＝ ０であるデバイスにおいてでさえ実施
することができる。従って、超格子に必要な非対称性に
は、バンドギャップが非対称である必要はなく、寿命が
非対称であればよい。
合した格子を持つ幾つかの三元素及び四元素（ＩＩＩ／
Ｖ）の化合物半導体）では、傾斜ギャップ鋸歯状超格子
を格子整合ヘテロ・エピタキシーの範囲内で達成するこ
とが困難である。しかし、組込まれた鋸歯状フィールド
が存在することは本発明によるデバイスに対する必須条
件ではない。鋸歯状構造ではない例は図５に図示されて
いる。大きな値の帯域不連続（即ち、ｅｘｐ（Δ／ｋ
Ｔ） ＞＞ τ1／τ2、但しτ1及びτ2はそれぞれ領域５
０及び５１に関連する有効寿命であり、Δはバンドギャ
ップ・エネルギー不連続であり、ｋはボルツマン定数で
あり、Ｔは絶対温度である）と、大きな値の拡散長λi
（即ち、λi ＞＞ ｄi、ｉ ＝ １、２）を想定すると、
次式が成立する。 Ｖ1 ＝Ｇｄｄ2／（２ｐoμh） （５） このように想定した場合では、電子フラックスが広いギ
ャップ領域から狭いギャップ領域内へ向けられる。も
し、ｅｘｐ（Δ／ｋＴ） ＜＜ τ1／τ2であれば、電子
フラックスは逆方向である。本発明は、τ＝ τ（ｘ）
とすると、Δ ＝ ０であるデバイスにおいてでさえ実施
することができる。従って、超格子に必要な非対称性に
は、バンドギャップが非対称である必要はなく、寿命が
非対称であればよい。
【００２０】図６は、本発明によるデバイスに対する、
計算の結果得られた開放光電圧対時間特性の曲線を示し
ている。この図では、鋸歯状構造で、マックスウエル緩
和時間τMがτM ＝ ε／（ｅμhｐo）、但しεは半導体
材料の誘電率、で与えられる５０τMの期間の光パルス
を用いた場合が想定されている。τMの値の一例は１ピ
コ秒である。曲線６０は本発明による（比較的に小さな
τcを持つ）デバイスの作用の様子を例示し、それに反
し曲線６１はカパッソ氏らのデバイスで観察される作用
の様子に幾分か近い作用の様子を例示している。μh及
びｐoが双方の場合で同一であると想定すると、曲線６
１のτe及びＧは、各々、曲線６０のτe及びＧの１０倍
である。
計算の結果得られた開放光電圧対時間特性の曲線を示し
ている。この図では、鋸歯状構造で、マックスウエル緩
和時間τMがτM ＝ ε／（ｅμhｐo）、但しεは半導体
材料の誘電率、で与えられる５０τMの期間の光パルス
を用いた場合が想定されている。τMの値の一例は１ピ
コ秒である。曲線６０は本発明による（比較的に小さな
τcを持つ）デバイスの作用の様子を例示し、それに反
し曲線６１はカパッソ氏らのデバイスで観察される作用
の様子に幾分か近い作用の様子を例示している。μh及
びｐoが双方の場合で同一であると想定すると、曲線６
１のτe及びＧは、各々、曲線６０のτe及びＧの１０倍
である。
【００２１】本発明による（領域Ａの）無装荷状態のデ
バイスの作用の様子は、Ｃd＝εＡ／ｄ、Ｒd＝ｄ／（ｅ
μhｐoＡ）、Ｒτ＝Ｒdｐo／（Ｇτe）及びＬτ＝τeＲ
τである図７の等価回路によってモデル化することがで
きる。電流源７０は、光がそのデバイス上に入射すると
きに電流Ｉ＝ＡｅＧｄ／２を生成し、それ以外ではＩ＝
０である。
バイスの作用の様子は、Ｃd＝εＡ／ｄ、Ｒd＝ｄ／（ｅ
μhｐoＡ）、Ｒτ＝Ｒdｐo／（Ｇτe）及びＬτ＝τeＲ
τである図７の等価回路によってモデル化することがで
きる。電流源７０は、光がそのデバイス上に入射すると
きに電流Ｉ＝ＡｅＧｄ／２を生成し、それ以外ではＩ＝
０である。
【００２２】本発明による分極作用を持つ超格子ディテ
クターは、ＦＥＴのような電圧応答デバイスと共に使用
することができる利点がある。これら超格子ディテクタ
ーはまた、バイポーラ・トランジスターのような電流応
答デバイスと共に使用することもができる。しかし、そ
の場合には、図３の構造のような構造は使用されるべき
ではない。複合体の一例が、図８に模式的に図示されて
おり、図中、８０は半導体基板であり、８５は多層超格
子であり、８１及び８２はそれぞれソース電極及びドレ
イン電極であり、８３及び８４は適当なドーピングが為
された半導体領域であり、８６は多層超格子８５を横断
してゲート領域８８へ電圧を供給する金属被膜であり、
８７は絶縁層である。入射している放射線は波線の矢印
で示されている。
クターは、ＦＥＴのような電圧応答デバイスと共に使用
することができる利点がある。これら超格子ディテクタ
ーはまた、バイポーラ・トランジスターのような電流応
答デバイスと共に使用することもができる。しかし、そ
の場合には、図３の構造のような構造は使用されるべき
ではない。複合体の一例が、図８に模式的に図示されて
おり、図中、８０は半導体基板であり、８５は多層超格
子であり、８１及び８２はそれぞれソース電極及びドレ
イン電極であり、８３及び８４は適当なドーピングが為
された半導体領域であり、８６は多層超格子８５を横断
してゲート領域８８へ電圧を供給する金属被膜であり、
８７は絶縁層である。入射している放射線は波線の矢印
で示されている。
【００２３】図８に例示されている複合体の効率ηは、
Ｍαｄ／２として表わすことができる。但しＭ＝ｇmＲ
intである。この効率ηは、超格子に入射するフォトン
当たりのＦＥＴのドレインに流れる電子数として定義さ
れ、ｇmはＦＥＴの相互コンダクタンスであり、１／Ｒ
intは成長方向、即ち半導体領域８３と金属被膜８６と
の間における超格子のコンダクタンスである。
Ｍαｄ／２として表わすことができる。但しＭ＝ｇmＲ
intである。この効率ηは、超格子に入射するフォトン
当たりのＦＥＴのドレインに流れる電子数として定義さ
れ、ｇmはＦＥＴの相互コンダクタンスであり、１／Ｒ
intは成長方向、即ち半導体領域８３と金属被膜８６と
の間における超格子のコンダクタンスである。
【００２４】非対称超格子には二つの可能な方位がある
ので、ＦＥＴ内の同じ種類の伝導度について、非対称超
格子は照射光に関して増大するか或いは減少するドレイ
ン電流を持つことができる。
ので、ＦＥＴ内の同じ種類の伝導度について、非対称超
格子は照射光に関して増大するか或いは減少するドレイ
ン電流を持つことができる。
【００２５】図８で例示されている複合体の応答時間τ
は、τ＝τg（Ｍ ＋ １）＋τMであることを証明するこ
とができる。但し、τg＝Ｃg／ｇmで与えられる小信号
ゲート遅延であり、ＣgはＦＥＴのゲート容量である。
は、τ＝τg（Ｍ ＋ １）＋τMであることを証明するこ
とができる。但し、τg＝Ｃg／ｇmで与えられる小信号
ゲート遅延であり、ＣgはＦＥＴのゲート容量である。
【００２６】上記効率ηはまた、次式ように表わすこと
ができる。 η＝（ｄ／２ｄg）（εgＡg／εＡ）（τM／τg） ここで、Ａg、ｄg及びεgはそれぞれ、ゲート領域と、
ゲート絶縁膜の厚さ及び誘電率である。上記の式では、
Ｎ＝（αｄ）-1であることが想定されている。
ができる。 η＝（ｄ／２ｄg）（εgＡg／εＡ）（τM／τg） ここで、Ａg、ｄg及びεgはそれぞれ、ゲート領域と、
ゲート絶縁膜の厚さ及び誘電率である。上記の式では、
Ｎ＝（αｄ）-1であることが想定されている。
【００２７】図９は、本発明による装荷状態のデバイ
ス、例えば、図８のディテクターとＦＥＴの複合体をモ
デル化するために使用することができる等価回路を示し
ている。数字９０はＦＥＴを指し、Ｓ、Ｇ及びＤは、そ
れぞれソース、ゲート及びドレインを表わしている。回
路素子の値、Ｒτtot、Ｌτtot、Ｒint、Ｃint、Ｒb tot
及びＣb totは、それぞれＮＲτ、τeＲτtot、ＮＲd、
Ｃd／Ｎ、ＮＲb及びＣb／Ｎである。Ｒτ、Ｒd及びＣd
は上記で定義されている。Ｒbは一つの障壁に関連する
抵抗であって、この抵抗は超格子がもし障壁を持ってい
ない場合には零になり、ＣbはＣb ＝εＡ／ｂで与えら
れ、ここでｂは一つの障壁の厚さである。
ス、例えば、図８のディテクターとＦＥＴの複合体をモ
デル化するために使用することができる等価回路を示し
ている。数字９０はＦＥＴを指し、Ｓ、Ｇ及びＤは、そ
れぞれソース、ゲート及びドレインを表わしている。回
路素子の値、Ｒτtot、Ｌτtot、Ｒint、Ｃint、Ｒb tot
及びＣb totは、それぞれＮＲτ、τeＲτtot、ＮＲd、
Ｃd／Ｎ、ＮＲb及びＣb／Ｎである。Ｒτ、Ｒd及びＣd
は上記で定義されている。Ｒbは一つの障壁に関連する
抵抗であって、この抵抗は超格子がもし障壁を持ってい
ない場合には零になり、ＣbはＣb ＝εＡ／ｂで与えら
れ、ここでｂは一つの障壁の厚さである。
【００２８】例えば、τg ＝ ５ピコ秒を持つ従来構造
のＦＥＴと、（Ｎ＝１０において）αｄ＝０．１及びτ
M ＝ １ピコ秒によって特徴付けられる超格子とを有す
る、本発明による超格子とＦＥＴの複合体は、η＝５％
において応答時間τ＝１０ピコ秒を有し、η＝１００％
において応答時間τ＝２００ピコ秒を有する。利用でき
る広帯域応答特性によって、本発明による複合体を種々
の異なる用途に対して最適化することが可能になる。
のＦＥＴと、（Ｎ＝１０において）αｄ＝０．１及びτ
M ＝ １ピコ秒によって特徴付けられる超格子とを有す
る、本発明による超格子とＦＥＴの複合体は、η＝５％
において応答時間τ＝１０ピコ秒を有し、η＝１００％
において応答時間τ＝２００ピコ秒を有する。利用でき
る広帯域応答特性によって、本発明による複合体を種々
の異なる用途に対して最適化することが可能になる。
【００２９】例えば、低い照射光レベルにおける小信号
動作には、極端に短い少数キャリヤー 寿命τeは必要で
はない。幾つかの場合では、実質的に１０-9秒より短く
はないτeが容認可能であろう。他方、ノイズを考慮す
ると、τeは実質的にｅｄ2／（２μhｋＴ）未満である
ことが望ましくなる。例えば、室温での動作であり、ｄ
≦ ２００ｎｍであり、且つ、μh ≧ ５０ｃｍ2／Ｖ
秒であると想定すると、τeは実質的に１０-10秒未満で
ある利点がある。このような短い寿命は、例えば超格子
材料の低温ＭＢＥデポジッションにより、或いはイオン
注入の手段によって得ることができる。この点では、例
えば、アール・ビー・マーカス（Ｒ．Ｂ．Ｍａｒｃｕ
ｓ）氏編の「半導体及び半金属（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒｓａｎｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ）」誌、巻２８
の特に８５から９８頁、「アプライド・フィジックス・
レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ）」誌、巻３８（１）、４７から５０頁に記載され
ているアール・ピー・スミス（Ｒ．Ｐ．Ｓｍｉｔｈ）氏
らの論文、及び「アプライド・フィジックス・レターズ
（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」
誌、巻４６（４）、３９６から３９８頁に記載されてい
るピー・エム・ダウニー（Ｐ．Ｍ．Ｄｏｗｎｅｙ）氏ら
の論文を参照することができる。
動作には、極端に短い少数キャリヤー 寿命τeは必要で
はない。幾つかの場合では、実質的に１０-9秒より短く
はないτeが容認可能であろう。他方、ノイズを考慮す
ると、τeは実質的にｅｄ2／（２μhｋＴ）未満である
ことが望ましくなる。例えば、室温での動作であり、ｄ
≦ ２００ｎｍであり、且つ、μh ≧ ５０ｃｍ2／Ｖ
秒であると想定すると、τeは実質的に１０-10秒未満で
ある利点がある。このような短い寿命は、例えば超格子
材料の低温ＭＢＥデポジッションにより、或いはイオン
注入の手段によって得ることができる。この点では、例
えば、アール・ビー・マーカス（Ｒ．Ｂ．Ｍａｒｃｕ
ｓ）氏編の「半導体及び半金属（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒｓａｎｄ Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ）」誌、巻２８
の特に８５から９８頁、「アプライド・フィジックス・
レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ）」誌、巻３８（１）、４７から５０頁に記載され
ているアール・ピー・スミス（Ｒ．Ｐ．Ｓｍｉｔｈ）氏
らの論文、及び「アプライド・フィジックス・レターズ
（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）」
誌、巻４６（４）、３９６から３９８頁に記載されてい
るピー・エム・ダウニー（Ｐ．Ｍ．Ｄｏｗｎｅｙ）氏ら
の論文を参照することができる。
【００３０】上記のように、本発明の一実施例は、最小
バンドギャップ・エネルギーにほぼ相当する波長の電磁
放射線が超格子領域に存在することによる誘導放出に関
わる。そのような実施例は例えば従来の端面発光レーザ
ー内にあるような破断したファセット面、または光学的
にポンピング（励起）される縦型空洞表面発光レーザー
内にあるようなプレーナ型四分の一波長誘電体ミラー・
スタックを有する。これらのタイプのレーザは両方とも
周知である。例えば、「アプライド・フィジックス・レ
ターズ(Applied Physics Letters)」誌、１９９０年、
巻５６、２１７２〜２１７４頁に記載されているディ・
ジー・ディッペ(D. G. Deppe)氏らの論文を参照するこ
とができる。
バンドギャップ・エネルギーにほぼ相当する波長の電磁
放射線が超格子領域に存在することによる誘導放出に関
わる。そのような実施例は例えば従来の端面発光レーザ
ー内にあるような破断したファセット面、または光学的
にポンピング（励起）される縦型空洞表面発光レーザー
内にあるようなプレーナ型四分の一波長誘電体ミラー・
スタックを有する。これらのタイプのレーザは両方とも
周知である。例えば、「アプライド・フィジックス・レ
ターズ(Applied Physics Letters)」誌、１９９０年、
巻５６、２１７２〜２１７４頁に記載されているディ・
ジー・ディッペ(D. G. Deppe)氏らの論文を参照するこ
とができる。
【００３１】光学的ポンピングＧがレーザ動作開始しき
い値レベル以上であることを想定すると、上記で言及し
た本発明の実施例は、図４の超格子構造と電気的な作用
の様子を持ち、誘導放射寿命τr stによって達成され、
１０-13秒程に短くなり得るτ2を持つ。この場合の光誘
起電圧Ｖ1は、Ｖ1＝Ｇｄ（ｄ−δ）／（２ｐoμh）によ
って極めて正確に表わされる。
い値レベル以上であることを想定すると、上記で言及し
た本発明の実施例は、図４の超格子構造と電気的な作用
の様子を持ち、誘導放射寿命τr stによって達成され、
１０-13秒程に短くなり得るτ2を持つ。この場合の光誘
起電圧Ｖ1は、Ｖ1＝Ｇｄ（ｄ−δ）／（２ｐoμh）によ
って極めて正確に表わされる。
【００３２】時間的に変動する光学的ポンピング（即
ち、Ｇが、Ｇ＝Ｇo＋δＧ（ｔ）で表わされる）の下で
は、本実施例は双方がδＧ（ｔ）をＴＨz領域内の帯域
幅まで忠実に追従する光出力と電気出力とを同期して生
成することができる。その上、このデバイスの光出力の
波長は、適当な環境の下では、直流ポンピング・レベル
Ｇoの強度によって或る範囲まで制御可能であろう。こ
の効果はシュタルク偏光（Ｓｔａｒｋ ｓｈｉｆｔ）に
起因して鋸歯状構造内の接地電子エネルギー・レベルの
分極フィールドにより起きる。
ち、Ｇが、Ｇ＝Ｇo＋δＧ（ｔ）で表わされる）の下で
は、本実施例は双方がδＧ（ｔ）をＴＨz領域内の帯域
幅まで忠実に追従する光出力と電気出力とを同期して生
成することができる。その上、このデバイスの光出力の
波長は、適当な環境の下では、直流ポンピング・レベル
Ｇoの強度によって或る範囲まで制御可能であろう。こ
の効果はシュタルク偏光（Ｓｔａｒｋ ｓｈｉｆｔ）に
起因して鋸歯状構造内の接地電子エネルギー・レベルの
分極フィールドにより起きる。
【００３３】超格子の更に他の例が図１０に模式的に表
わされている。（ｐ形不純物ドーピング）超格子の各周
期には二つの量子井戸、即ち、内部の定常的な電流及び
分極電圧を生じる非対称な吸収が得られるような、一方
の比較的に狭い量子井戸１００と他方の比較的に広い量
子井戸１０１とを有する。
わされている。（ｐ形不純物ドーピング）超格子の各周
期には二つの量子井戸、即ち、内部の定常的な電流及び
分極電圧を生じる非対称な吸収が得られるような、一方
の比較的に狭い量子井戸１００と他方の比較的に広い量
子井戸１０１とを有する。
【００３４】上記広い量子井戸１０１内の電子の第一励
起エネルギー・レベル１０２が上記狭い量子井戸１００
内の接地レベル１０３に縮退するものと想定する。広い
量子井戸１０１内の光学的遷移は、もし入射放射線の線
幅ｈΔν（但し、ｈはプランクの定数）が広い量子井戸
１０１内の第二エネルギー・レベル１０４の有限寿命幅
Γより狭い場合は、抑圧することができる。発明者ら
は、Γ＝ ２πｈ／τcで表わされるレベルの広がりが内
部サブバンドのばらつきによって起こり、その値が典型
的には約１０ｍｅＶであると想定している。他方、狭い
量子井戸１００内の接地レベルの広がりは主に、その量
子井戸１００から広い量子井戸１０１内へのトンネル作
用１０６による有限寿命τtに起因する。この広がりは
励起光の線幅の台、即ちΔντt＝（２π）-1で表わさ
れる値のものであり、広い量子井戸１０１のレベルの入
射の広がりより相当に小さい、即ち、τt ＞＞ τcなる
レベルのものであると想定される。
起エネルギー・レベル１０２が上記狭い量子井戸１００
内の接地レベル１０３に縮退するものと想定する。広い
量子井戸１０１内の光学的遷移は、もし入射放射線の線
幅ｈΔν（但し、ｈはプランクの定数）が広い量子井戸
１０１内の第二エネルギー・レベル１０４の有限寿命幅
Γより狭い場合は、抑圧することができる。発明者ら
は、Γ＝ ２πｈ／τcで表わされるレベルの広がりが内
部サブバンドのばらつきによって起こり、その値が典型
的には約１０ｍｅＶであると想定している。他方、狭い
量子井戸１００内の接地レベルの広がりは主に、その量
子井戸１００から広い量子井戸１０１内へのトンネル作
用１０６による有限寿命τtに起因する。この広がりは
励起光の線幅の台、即ちΔντt＝（２π）-1で表わさ
れる値のものであり、広い量子井戸１０１のレベルの入
射の広がりより相当に小さい、即ち、τt ＞＞ τcなる
レベルのものであると想定される。
【００３５】これらの条件の下では、広い量子井戸１０
１内の光吸収は狭い量子井戸１００内の光吸収に比し
て、２πΔντc ＝ τc／τt ＜＜ １で表わされる要
因だけ抑圧され、その結果、狭い量子井戸１００内の基
本遷移に同調された単色光１０５をそのシステムに照射
することによって、主にその量子井戸１０１内に電子・
正孔対が発生する。τc ＜＜ τtなる状況では、その障
壁突き抜け率は、狭い量子井戸のレベルが広い量子井戸
のレベルの幅Γ内に含まれている限り、それら二つのレ
ベルの実際の整合とは実際上関係していない。例え、上
記二つの量子井戸内の再結合が同一であるとしても、吸
収率が非対称であるために分極が起きるものと思われ
る。この光の強度はその正孔移動に関わる障壁抵抗に依
存し、広い範囲で同調されることができる。妥当な近似
を得るために、この状況は図７の等価回路及びこの等価
回路に関連して開示されている回路素子の値によって記
述することが可能であり、この状況ではｄが、二つの量
子井戸内で働く電子波動の中心間の間隔として取られ、
μhはその超格子と垂直方向の正孔の移動度として取ら
れる。
１内の光吸収は狭い量子井戸１００内の光吸収に比し
て、２πΔντc ＝ τc／τt ＜＜ １で表わされる要
因だけ抑圧され、その結果、狭い量子井戸１００内の基
本遷移に同調された単色光１０５をそのシステムに照射
することによって、主にその量子井戸１０１内に電子・
正孔対が発生する。τc ＜＜ τtなる状況では、その障
壁突き抜け率は、狭い量子井戸のレベルが広い量子井戸
のレベルの幅Γ内に含まれている限り、それら二つのレ
ベルの実際の整合とは実際上関係していない。例え、上
記二つの量子井戸内の再結合が同一であるとしても、吸
収率が非対称であるために分極が起きるものと思われ
る。この光の強度はその正孔移動に関わる障壁抵抗に依
存し、広い範囲で同調されることができる。妥当な近似
を得るために、この状況は図７の等価回路及びこの等価
回路に関連して開示されている回路素子の値によって記
述することが可能であり、この状況ではｄが、二つの量
子井戸内で働く電子波動の中心間の間隔として取られ、
μhはその超格子と垂直方向の正孔の移動度として取ら
れる。
【００３６】この連結量子井戸技術には、二つの量子井
戸に全く異なる再結合時間の設計、共振空洞内の誘導再
結合の使用等を含む、更に多くの変形例が可能である。
広い量子井戸１０１内の、例えば共振空洞内誘導放出に
よって与えられる極端に短い再結合時間の極限では、各
周期毎に発生される光電圧は上記幅Γによって制限され
る。その理由は、その光電圧より高い電圧がトンネル共
鳴を離調することになるからである。しかし、周期の数
は相当に多くすることができ、且つ、１Ｖ台の分極電圧
がその中で得られるように思われる。上記トンネル効果
光分極の応答時間はτtによって定められ、τc ＜＜ τ
tなる不等式を満たしながらサブピコ秒の範囲に入るこ
とが可能である。
戸に全く異なる再結合時間の設計、共振空洞内の誘導再
結合の使用等を含む、更に多くの変形例が可能である。
広い量子井戸１０１内の、例えば共振空洞内誘導放出に
よって与えられる極端に短い再結合時間の極限では、各
周期毎に発生される光電圧は上記幅Γによって制限され
る。その理由は、その光電圧より高い電圧がトンネル共
鳴を離調することになるからである。しかし、周期の数
は相当に多くすることができ、且つ、１Ｖ台の分極電圧
がその中で得られるように思われる。上記トンネル効果
光分極の応答時間はτtによって定められ、τc ＜＜ τ
tなる不等式を満たしながらサブピコ秒の範囲に入るこ
とが可能である。
【００３７】本発明による装置は、ＧaＡsやＩnＰのよ
うなＩＩＩ属或いはＶ属の化合物半導体系（及びそれら
と関係する三元材料系及び四元材料系）を含む種々の材
料系で実現することができることは、当業者によって十
分に認めるであろう。本発明によるデバイスの特徴であ
る短いキャリヤー寿命の観点では、Ｓi上におけるＧaＡ
sのようなヘテロ・エピタキシー系での実施例も、やは
り利益があると思われる。
うなＩＩＩ属或いはＶ属の化合物半導体系（及びそれら
と関係する三元材料系及び四元材料系）を含む種々の材
料系で実現することができることは、当業者によって十
分に認めるであろう。本発明によるデバイスの特徴であ
る短いキャリヤー寿命の観点では、Ｓi上におけるＧaＡ
sのようなヘテロ・エピタキシー系での実施例も、やは
り利益があると思われる。
【００３８】例Ｉ： 図８に示されるタイプのデバイスが、次のようにして作
成される。ｐ形ＧaＡs基板上に１μｍの厚さのｐ（１０
16／ｃｍ3）形ＧaＡs、５０ｎｍの厚さの非ドープＡl
o.35Ｇa0.65Ａs、及び、１００ｎｍの厚さのＧaＡsが、
ＭＢＥ法によって成長される（Ｓiは、１０19／ｃｍ3の
密度にドープされている）。４００ｎｍの厚さのＳiＯ2
を沈積した後、標準的なリソグラフィーを使用して１μ
ｍ幅のフォトレジスト・ストリップによるチャンネル領
域が区劃される。フォトレジストが被覆されていない領
域から、先に成長された材料が緩衝帯を除いて公知の方
法で除去され、ソース領域とドレイン領域とが上記被覆
されていない部分に２００ｎｍの深さまでＳi（２×１
０18／ｃｍ3）を注入することによって形成される。ゲ
ート領域からフォトレジストとＳiＯ2とを除去した後、
５００ｎｍの厚さのＳiＯ2が全面に沈積され、且つ、５
５μｍ角の広い窓がソース領域上のＳiＯ2に開口され
る。この窓内にＭＢＥ法によって次のような層構造、即
ち、i）５０ｎｍの厚さのｐ+（１０19／ｃｍ3 Ｂe）形
ＧaＡsエッチング阻止層；ii）５０ｎｍの厚さのｐ
+（１０19／ｃｍ3 Ｂe）形ＡlＡs層；iii）各々が１０
０ｎｍの厚さを持つ１０個のｐ（１０17／ｃｍ3 Ｂe）
形傾斜ＡlxＧa1-xＡs層（ｘは０から０．１５まで変化
する値）；及び、iv）７０ｎｍの厚さのｐ+（１０19／
ｃｍ3 Ｂe）形ＧaＡs層から成る層構造が成長される。
上記iii）の層以外の層は全て、通例の温度（４５０
℃）で成長されるが、超格子層iii）は比較的に短い少
数キャリヤー有効寿命の材料を生じるために、比較的に
低い温度（３５０℃）で成長される。このようにして形
成された多層構造の中央の５０×５０μｍ角の領域がフ
ォトレジストで被覆され、この多層構造の被覆されてい
ない領域が（上記、i）のＧaＡsエッチング阻止層を含
まない層まで、下層方向へ）除去される。フォトレジス
トと残りのＳiＯ2が除去された後、素子分離操作及びチ
ャンネル幅区劃操作が、標準的なリソグラフィーと化学
的メサ・エッチングによって達成され、５μｍ幅（及び
１μｍ長）のチャンネルが得られる。全面に１００ｎｍ
の厚さのＳi3Ｎ4を沈積した後、ソース領域、超格子領
域、ゲート領域及びドレイン領域の各々に窓が開口さ
れ、超格子領域をゲート領域へ電気的に接続する金属被
膜の被着操作が従来方法で履行なされる。測定の結果、
上記の式１及び式２に従う、１０-9秒未満の寿命τ
c（τc ＜ １０-9秒）が得られた。
成される。ｐ形ＧaＡs基板上に１μｍの厚さのｐ（１０
16／ｃｍ3）形ＧaＡs、５０ｎｍの厚さの非ドープＡl
o.35Ｇa0.65Ａs、及び、１００ｎｍの厚さのＧaＡsが、
ＭＢＥ法によって成長される（Ｓiは、１０19／ｃｍ3の
密度にドープされている）。４００ｎｍの厚さのＳiＯ2
を沈積した後、標準的なリソグラフィーを使用して１μ
ｍ幅のフォトレジスト・ストリップによるチャンネル領
域が区劃される。フォトレジストが被覆されていない領
域から、先に成長された材料が緩衝帯を除いて公知の方
法で除去され、ソース領域とドレイン領域とが上記被覆
されていない部分に２００ｎｍの深さまでＳi（２×１
０18／ｃｍ3）を注入することによって形成される。ゲ
ート領域からフォトレジストとＳiＯ2とを除去した後、
５００ｎｍの厚さのＳiＯ2が全面に沈積され、且つ、５
５μｍ角の広い窓がソース領域上のＳiＯ2に開口され
る。この窓内にＭＢＥ法によって次のような層構造、即
ち、i）５０ｎｍの厚さのｐ+（１０19／ｃｍ3 Ｂe）形
ＧaＡsエッチング阻止層；ii）５０ｎｍの厚さのｐ
+（１０19／ｃｍ3 Ｂe）形ＡlＡs層；iii）各々が１０
０ｎｍの厚さを持つ１０個のｐ（１０17／ｃｍ3 Ｂe）
形傾斜ＡlxＧa1-xＡs層（ｘは０から０．１５まで変化
する値）；及び、iv）７０ｎｍの厚さのｐ+（１０19／
ｃｍ3 Ｂe）形ＧaＡs層から成る層構造が成長される。
上記iii）の層以外の層は全て、通例の温度（４５０
℃）で成長されるが、超格子層iii）は比較的に短い少
数キャリヤー有効寿命の材料を生じるために、比較的に
低い温度（３５０℃）で成長される。このようにして形
成された多層構造の中央の５０×５０μｍ角の領域がフ
ォトレジストで被覆され、この多層構造の被覆されてい
ない領域が（上記、i）のＧaＡsエッチング阻止層を含
まない層まで、下層方向へ）除去される。フォトレジス
トと残りのＳiＯ2が除去された後、素子分離操作及びチ
ャンネル幅区劃操作が、標準的なリソグラフィーと化学
的メサ・エッチングによって達成され、５μｍ幅（及び
１μｍ長）のチャンネルが得られる。全面に１００ｎｍ
の厚さのＳi3Ｎ4を沈積した後、ソース領域、超格子領
域、ゲート領域及びドレイン領域の各々に窓が開口さ
れ、超格子領域をゲート領域へ電気的に接続する金属被
膜の被着操作が従来方法で履行なされる。測定の結果、
上記の式１及び式２に従う、１０-9秒未満の寿命τ
c（τc ＜ １０-9秒）が得られた。
【００３９】例ＩＩ： 本発明によるデバイスが実質的に例Ｉで説明されたよう
にして作成されるが、上記多層構造上に５０×５０μｍ
角の領域を区劃する前に、その超格子構造内のτeが更
に減少するように選ばれた条件で、全面にイオン打ち込
みによる露光が行われる。
にして作成されるが、上記多層構造上に５０×５０μｍ
角の領域を区劃する前に、その超格子構造内のτeが更
に減少するように選ばれた条件で、全面にイオン打ち込
みによる露光が行われる。
【００４０】例ＩＩＩ： 図８に示されるタイプの更に他のデバイスが、次のよう
にして作成される。僅か（５×１０14／ｃｍ3）にドー
ピングされた、座標面＜１００＞の位置のｐ形Ｓi基板
上に、公知なＦＥＴ構造を形成するための能動領域（５
５×６５μｍ角）とフィールド領域とが区劃される。上
記能動領域内に１５ｎｍの厚さのゲート酸化膜が従来方
法で成長された後、このゲート酸化膜を介してＢが注入
され（５×１０12／ｃｍ2、５０ｋｅＶ）、０．５μｍ
の厚さのポリ・シリコーン層が全面に沈積され、単位面
積当たり２０Ωの面積抵抗を生じるためにＰが従来方法
でドーピングされ、続いてチャンネル領域を区劃するた
めにポリ・シリコーン層のパターン焼き付けが行なわれ
る。実質的にソース領域及びドレイン領域が（Ａs、１
０1 6／ｃｍ2、３０ｋｅＶの）自己整合イオン注入法に
よって区劃され、ここで注入された原子が全て従来方法
で活性化された。上記チャンネルは、ソース領域が５５
×５５μｍ角の大きさになるように、位置決めされる。
次に、（５００ｎｍの厚さの）ＣＶＤ窒化膜層が沈積さ
れ、その上にフォトレジスト層が形成され、５５×５５
μｍ角の窓がソース領域上に開口されるようにパターン
焼き付けが行なわれる。この窓内で、窒化膜とゲート酸
化膜が異方性エッチングによって除去され、続いてフォ
トレジスト層の除去が行なわれる。次いで、上記窓の領
域内に次ぎのような多層構造、即ち、i）１００ｎｍの
厚さのｐ+（１０19／ｃｍ3 Ｂe）形ＧaＡsエッチング阻
止層；ii）５０ｎｍの厚さのｐ+（１０19／ｃｍ3Ｂe）
形ＡlＡs層；iii）例Ｉで説明されているような１０層
の超格子構造、及び、iv）７０ｎｍの厚さのｐ+（１０
19／ｃｍ3 Ｂe）形ＧaＡs層から成る層構造が成長され
る。この多層構造は、例Ｉで説明されているようにＭＢ
Ｅ法によって成長される。上記多層構造領域の中央で５
５×５５μｍ角の領域を被覆した後で、この多層構造領
域の被覆されていない部分がメサ・エッチングにより、
上記ＧaＡsエッチング阻止層の上面まで、下層方向へ除
去され、上記フォトレジストと窒化膜が除去される。最
後に、１００ｎｍの厚さの窒化膜が沈積され、ソース電
極、ドレイン電極、及び超格子とゲートとの相互接続を
行なうための窓が、窒化膜及び残りのゲート酸化膜をド
ライ・エッチングすることによって開口され、金属被膜
が従来方法で付加される。測定の結果、上記の式１及び
式２に従う、１０-9秒未満の寿命τc（τc ＜ １０
-9秒）が得られた。
にして作成される。僅か（５×１０14／ｃｍ3）にドー
ピングされた、座標面＜１００＞の位置のｐ形Ｓi基板
上に、公知なＦＥＴ構造を形成するための能動領域（５
５×６５μｍ角）とフィールド領域とが区劃される。上
記能動領域内に１５ｎｍの厚さのゲート酸化膜が従来方
法で成長された後、このゲート酸化膜を介してＢが注入
され（５×１０12／ｃｍ2、５０ｋｅＶ）、０．５μｍ
の厚さのポリ・シリコーン層が全面に沈積され、単位面
積当たり２０Ωの面積抵抗を生じるためにＰが従来方法
でドーピングされ、続いてチャンネル領域を区劃するた
めにポリ・シリコーン層のパターン焼き付けが行なわれ
る。実質的にソース領域及びドレイン領域が（Ａs、１
０1 6／ｃｍ2、３０ｋｅＶの）自己整合イオン注入法に
よって区劃され、ここで注入された原子が全て従来方法
で活性化された。上記チャンネルは、ソース領域が５５
×５５μｍ角の大きさになるように、位置決めされる。
次に、（５００ｎｍの厚さの）ＣＶＤ窒化膜層が沈積さ
れ、その上にフォトレジスト層が形成され、５５×５５
μｍ角の窓がソース領域上に開口されるようにパターン
焼き付けが行なわれる。この窓内で、窒化膜とゲート酸
化膜が異方性エッチングによって除去され、続いてフォ
トレジスト層の除去が行なわれる。次いで、上記窓の領
域内に次ぎのような多層構造、即ち、i）１００ｎｍの
厚さのｐ+（１０19／ｃｍ3 Ｂe）形ＧaＡsエッチング阻
止層；ii）５０ｎｍの厚さのｐ+（１０19／ｃｍ3Ｂe）
形ＡlＡs層；iii）例Ｉで説明されているような１０層
の超格子構造、及び、iv）７０ｎｍの厚さのｐ+（１０
19／ｃｍ3 Ｂe）形ＧaＡs層から成る層構造が成長され
る。この多層構造は、例Ｉで説明されているようにＭＢ
Ｅ法によって成長される。上記多層構造領域の中央で５
５×５５μｍ角の領域を被覆した後で、この多層構造領
域の被覆されていない部分がメサ・エッチングにより、
上記ＧaＡsエッチング阻止層の上面まで、下層方向へ除
去され、上記フォトレジストと窒化膜が除去される。最
後に、１００ｎｍの厚さの窒化膜が沈積され、ソース電
極、ドレイン電極、及び超格子とゲートとの相互接続を
行なうための窓が、窒化膜及び残りのゲート酸化膜をド
ライ・エッチングすることによって開口され、金属被膜
が従来方法で付加される。測定の結果、上記の式１及び
式２に従う、１０-9秒未満の寿命τc（τc ＜ １０
-9秒）が得られた。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば実
質的に電圧源の特質を持つフォト・ディテクターを得る
ことができ、このようなフォト・ディテクターにより装
置の構成を簡単にすることができる。
質的に電圧源の特質を持つフォト・ディテクターを得る
ことができ、このようなフォト・ディテクターにより装
置の構成を簡単にすることができる。
【００４２】
【図１】従来技術の過渡的な光学分極を説明するために
使用される、鋸歯状の超格子構造を模式的に示す図であ
る。
使用される、鋸歯状の超格子構造を模式的に示す図であ
る。
【図２】本発明を実施する際に使用することができる、
超格子構造の一例を模式的に示す図である。
超格子構造の一例を模式的に示す図である。
【図３】本発明を実施する際に使用することができる、
超格子構造の他の例を模式的に示す図である。
超格子構造の他の例を模式的に示す図である。
【図４】本発明を実施する際に使用することができる、
超格子構造の更に他の例を模式的に示す図である。
超格子構造の更に他の例を模式的に示す図である。
【図５】本発明を実施する際に使用することができる、
超格子構造の更に他の例を模式的に示す図である。
超格子構造の更に他の例を模式的に示す図である。
【図６】光誘起電圧の計算値の一例を示す図である。
【図７】本発明による、無装荷状態でのデバイスの等価
回路を示す図である。
回路を示す図である。
【図８】本発明によるデバイスの一例を模式的に示す図
である。
である。
【図９】本発明による、無装荷状態でのデバイスの等価
回路を示す図である。
回路を示す図である。
【図１０】本発明を実施する際に使用することができ
る、超格子構造の更に他の例を模式的に示す図である。
る、超格子構造の更に他の例を模式的に示す図である。
２０ 最小バンドギャップの位置 ４０ 少数キャリヤーの寿命がτ1である領域 ４１ 少数キャリヤーの寿命がτ2である領域 ５０ 有効寿命τ1が関連する領域 ５１ 有効寿命τ2が関連する領域 ６０ 本発明によるデバイスの作用の様子を例示する
曲線 ６１ カパッソ氏らによって観察されたものと幾分か
似かよっている 作用の様子を例示する曲線 ７０ 電流源 ８０ 半導体基板 ８１ ソース電極 ８２ ドレイン電極 ８３ 適切な不純物拡散を有する半導体領域 ８４ 適切な不純物拡散を有する半導体領域 ８５ 多層超格子 ８６ 金属配線層 ８７ 絶縁層 ８８ ゲート領域 ９０ 電界効果トランジスター（ＦＥＴ） １００ 比較的に狭い量子井戸 １０１ 比較的に広い量子井戸 １０２ 第一励起エネルギー・レベル １０３ 接地レベル １０４ 第二エネルギー・レベル １０５ 単色光 １０６ トンネル作用 ｄ 超格子の周期 ｄ1 領域５０における周期 ｄ2 領域５１における周期 ｈν 入射放射線 Ｅc 伝導帯域端エネルギー・レベル Ｅf フェルミ・エネルギー準位 Ｅv 荷電子帯域端エネルギー・レベル ＥF,e 電子の擬フェルミー準位 ＥF,h 正孔の擬フェルミー準位 τe 少数キャリヤー有効寿命 τM マックスウエル緩和時間 τ1 領域４０における少数キャリヤーの寿命 τ2 領域４１における少数キャリヤーの寿命 δ 領域４１の幅 Ｉ 電流源電流 Ｃint、Ｃb tot、Ｌτ、Ｌτtot、Ｒτ、Ｒτtot、Ｒb、
Ｒb tot、Ｒd、Ｒint、Ｃd 等価回路上の回路素子
曲線 ６１ カパッソ氏らによって観察されたものと幾分か
似かよっている 作用の様子を例示する曲線 ７０ 電流源 ８０ 半導体基板 ８１ ソース電極 ８２ ドレイン電極 ８３ 適切な不純物拡散を有する半導体領域 ８４ 適切な不純物拡散を有する半導体領域 ８５ 多層超格子 ８６ 金属配線層 ８７ 絶縁層 ８８ ゲート領域 ９０ 電界効果トランジスター（ＦＥＴ） １００ 比較的に狭い量子井戸 １０１ 比較的に広い量子井戸 １０２ 第一励起エネルギー・レベル １０３ 接地レベル １０４ 第二エネルギー・レベル １０５ 単色光 １０６ トンネル作用 ｄ 超格子の周期 ｄ1 領域５０における周期 ｄ2 領域５１における周期 ｈν 入射放射線 Ｅc 伝導帯域端エネルギー・レベル Ｅf フェルミ・エネルギー準位 Ｅv 荷電子帯域端エネルギー・レベル ＥF,e 電子の擬フェルミー準位 ＥF,h 正孔の擬フェルミー準位 τe 少数キャリヤー有効寿命 τM マックスウエル緩和時間 τ1 領域４０における少数キャリヤーの寿命 τ2 領域４１における少数キャリヤーの寿命 δ 領域４１の幅 Ｉ 電流源電流 Ｃint、Ｃb tot、Ｌτ、Ｌτtot、Ｒτ、Ｒτtot、Ｒb、
Ｒb tot、Ｒd、Ｒint、Ｃd 等価回路上の回路素子
Claims (12)
- 【請求項１】 （ａ）主面を有し、かつ、化学的な組成
が前記主面からの距離の関数として周期的に変化する
「超格子領域」と呼ばれるドーピング領域を有し、この
超格子領域には少数キャリヤーの有効寿命τe及び最小
バンドギャップ・エネルギーΔが関係付けられ、この超
格子領域中の前記化学的な組成がこの超格子領域が前記
主面と垂直な方向における鏡像対称性を欠くように変化
している半導体基板と、 （ｂ）前記超格子領域を横断して現われる電圧を応答手
段へ供給することを可能にする前記半導体基板との電気
的接続手段とを有する装置において、 プランク定数をｈとし、超格子の周期を示す１以上の整
数をＮとして、前記少数キャリヤー有効寿命τeがΔ／
ｈで与えられる値より大きい周波数νを有する一定フラ
ックスの電磁信号放射線が前記半導体基板に入射すると
きに前記超格子領域を横断して現われる実質的に一定な
電圧が、比較的に小さい値の前記フラックスに対しては
そのフラックスに比例し、比較的に大きい値の前記フラ
ックスに対しては０．０１ボルトの少なくともＮ倍の値
を有するＶmaxに飽和するように、選択されることを特
徴とする光・電子デバイスを有する装置。 - 【請求項２】 前記少数キャリヤー有効寿命τeが１０
-9秒未満（τe ＜ １０-9）であることを特徴とする、
請求項１記載の装置。 - 【請求項３】 前記少数キャリヤー有効寿命τeが１０
-10秒未満（τe ＜１０-10）であることを特徴とする、
請求項１記載の装置。 - 【請求項４】 超格子の周期数Ｎが２以上（Ｎ ≧ ２）
であることを特徴とする、請求項１記載の装置。 - 【請求項５】 更に、ゲート電極が前記半導体基板との
前記電気的接続手段へ電気的に接続されている電界効果
トランジスターを有することを特徴とする、請求項１記
載の装置。 - 【請求項６】 前記電界効果トランジスターが前記半導
体基板に集積されていることを特徴とする、請求項５記
載の装置。 - 【請求項７】 更に、ベース電極が前記半導体基板との
前記電気的接続手段へ電気的に接続されているバイポー
ラ・トランジスターを有することを特徴とする、請求項
１記載の装置。 - 【請求項８】 前記バイポーラ・トランジスターが前記
半導体基板に集積されていることを特徴とする、請求項
７記載の装置。 - 【請求項９】 前記化学的組成が、距離の関数として実
質的に鋸歯状に変化することを特徴とする、請求項１記
載の装置。 - 【請求項１０】 前記超格子領域には最大バンドギャッ
プ・エネルギーΔma xが関連し、且つ、周波数νがΔmax
／ｈで与えられる値とほぼ同等かまたはそれ以上である
ことを特徴とする、請求項１記載の装置。 - 【請求項１１】 更に、前記半導体基板を包含する光学
的空洞を形成するように配置されている反射手段と、Δ
／ｈで与えられる値とほぼ同等かまたはそれ以上である
が前記電磁信号放射線の周波数よりは低い周波数を持つ
電磁的ポンピング放射線を前記半導体基板に印加する手
段とを有することを特徴とする、請求項１記載の装置。 - 【請求項１２】 前記半導体基板がシリコーンＳｉから
成り、且つ、更にこのシリコーン半導体基板上にエピタ
キシャル成長された化合物半導体材料を有することを特
徴とする、請求項１記載の装置。
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