JP2763805B2

JP2763805B2 - 光電変換素子

Info

Publication number: JP2763805B2
Application number: JP26050189A
Authority: JP
Inventors: 弘明柿沼
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1989-10-05
Filing date: 1989-10-05
Publication date: 1998-06-11
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: JPH03123087A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、フォトトランジスタ、ショットキーダイオ
ード、アバランシェダイオード等の受光素子や、発光ダ
イオード、レーザ等の発光素子のような光電変換素子、
特にその光電変換素子を構成する超格子多層膜の構造に
関するものである。

（従来の技術）従来、このような分野の技術としては、例えば第２図
に示すようなものがあった。

第２図は、従来の光電変換素子の模式的な断面図であ
る。

この光電変換素子は、例えば光を電気信号に変換する
受光素子であり、基板１上に結晶シリコン（Si）からな
る活性層２が形成されている。

活性層２上には、所定間隔隔てて互いに対向する電極
3,4が設けられている。

次に、動作を説明する。

電極3,4間に電圧Ｖを印加する。この電圧Ｖの印加に
より、活性層２内に電界が発生する。外部から、例えば
赤外線領域のエネルギー（1.1〜1.5eV程度）を有する入
射光５が活性層２に入射すると、活性層２内にキャリヤ
（電子・正孔対）が発生する。このキャリヤは、活性層
２内の電界の作用によって電極3,4の方向へ移動し、電
極3,4間に電流が流れる。このようにして、入射光５が
電気信号に変換される。

（発明が解決しよとする課題）しかしながら、上記構成の光電変換素子では次のよう
な課題があった。

活制層2Siで形成されている。ところが、Siは、光の
放出及び吸収を伴う電子の伝導帯・価電子帯間の遷移
（光学遷移）が間接遷移型の半導体であり、その光学遷
移は第３図（ａ）に示すようなプロセスで行われる。こ
こで、第３図は、第２図の活性層２における光学遷移の
エネルギー（Ｅ）・波数（ｋ）相関図である。

即ち、入射光５が活性層２に入射すると、入射光５の
エネルギーが活性層２に吸収されて、活性層２の伝導帯
21、価電子帯22に、それぞれ電子23、正孔24が発生す
る。この電子23・正孔24対の発生には、次の，の条
件が満たされていなければならない。

入射光５は、伝導体21・価電子帯22間のバンドギャ
ップに相当するエネルギー（1.1〜2.0eV程度）を持った
バンドギャップ光である必要がある。

活性層を構成するSiの結晶の格子振動が所定の波数
ｋを有している必要がある。即ち、電子23・正孔24対の
発生に際して、電子23はフォノンを媒介にしてSiの結晶
格子との間で所定の運動量の授受を行わなければならな
い。

したがって、例えの条件を満たすバンドギャップ光
が入射したとしても、即座に活性層２によって吸収され
ない。このように、間接遷移型の半導体の場合には、電
子23・正孔24対の発生確率（遷移確率）が低く、その光
吸収係数は小さい（＜10⁴cm^-1）。入射光５を充分に吸
収するためには、活性層２の膜厚を厚く（＞１μｍ）し
なければならない。ところが、活性層２の膜厚を厚くす
ると、この活性層２のの抵抗が小さいためにオフ電流が
上昇してしまうなどの問題があった。

そこで、この問題を解決するために活性層２を非晶質
半導体であるアモルファスシリコン（ａ−Si）で形成す
ることが考えられる。ａ−Siには、直接遷移型の半導体
と同一の構造が含まれている。第３図（ｂ）に示すよう
に、活性層２を直接遷移型の半導体で形成した場合に
は、活性層２に入射光５が入射すると、その半導体の構
成分子に運動量の変化を来すことなく、入射光５が活性
層２に吸収され、活性層２内に電子23a・正孔24a対が発
生する。そのため、直接遷移型の半導体では、間接遷移
型の半導体に比べて、光吸収係数は大きい。したがっ
て、ａ−Siの光吸収係数はSiに比べて大きい。ところ
が、ａ−Siは非晶質半導体であり、その構成原子の配列
が不規則であるため、キャリアの移動度が低くなってし
まう。

このように、活性層２をａ−Siで形成しても、活性層
２をSiで形成した場合に生じる問題を十分に解決するこ
とができなかった。

本発明は前記従来技術が持っていた課題として、活性
層２をSiで形成すると光吸収係数が小さくなる点と、活
性層２をａ−Siで形成した場合には移動度の低下を来す
点について解決した光電変換素子を提供するものであ
る。

（課題を解決するための手段）本発明は前記課題を解決するために、薄膜の井戸層
と、前記井戸層と異なる材質の薄膜のバリア層とが、交
互に積層状態に形成された超格子多層膜を有する光電変
換素子において、前記井戸層及びバリア層を次のように
形成したものである。

即ち、前記井戸層は単結晶シリコンまたは多結晶シリ
コンで形成し、前記バリア層はCaF₂,GaP,AlPまたはZns
のいずれかで形成している。

（作用）本発明によれば、以上のように光電変換素子を構成し
たので、井戸層は、その膜厚を所定の薄さにすることに
よって、そのエネルギー準位が量子化されるように働
く。バリア層は、井戸層が膜厚の所定の薄さにして、か
つバリア層の膜厚を所定の薄さにすることによってトン
ネル効果が生じるように働く。

したがって、前記課題を解決できるのである。

（実施例）第１図は、本発明の第１の実施例を示すもので、光電
変換素子であるプレーナ型の受光素子の模式的な断面図
である。

この光電交換素子は、例えば単結晶シリコン（ｃ−S
i）からなる基板11を有している。基板11上には超格子
多層膜である活性層12が形成されている。この活性層12
は、例えば分子線エピタキシー法（MBE法）、反応性ス
パッタリング法、またはプラズマ，光，熱によるCVD法
等によって形成される。

この活性層12は、例えば多結晶シリコン（poly−Si）
からなる井戸層12aと、フッ化カルシウム（CaF₂）から
なるバリア層12bとを、同一の堆積方法により交互に所
定層数積層した構造を成している。ここで、井戸層12a
の膜厚は100Å程度以下に、バリア層12bの膜厚も100Å
程度以下に形成されている。

活性層12上には、アルミニウム（Al）またはクロム
（Cr）等の導電性金属からなる電極13,14が所定間隔隔
てて対向配置されている。

次に、第４図を参照しつつ第１図の光電交換素子の動
作を説明する。

第４図は第１図の活性層12のエネルギー準位図であ
り、図中の31は伝導帯、32は価電子帯、33は井戸層、34
はバリア層、35,36は量子化により生じたバンド（ミニ
バンド）、Ｅはエネルギーをそれぞれ表わしている。

電極13,14間に電圧Ｖを印加すると、活性層12内に電
界が発生する。

外部から赤外線領域のエネルギー（1.1〜1.5eV程度）
を有する入射光15が活性層12に入射すると、活性層12内
にキャリア（電子・正孔対）が発生する。活性層12内に
発生したキャリアは、活性層12内の電界によって、電極
13,14に移動する。活性層12内をキャリアが移動する
時、井戸層12aの膜厚は100Å程度以下なので、量子効果
によってそのキャリアのエネルギー準位は離散的な値を
とる。即ち、そのエネルギー準位は個別準位に分裂（量
子化）する。

さらに、バリア層12bの膜厚は100Å程度以下なので、
バリア層12bにトンネル効果が生じ、井戸層12aの量子化
された個別準位と同一のエネルギー準位で、キャリアが
バリア層12b内を移動する。

したがって、活性層12内を移動するキャリアが占める
伝導帯31及び価電子帯32のエネルギー準位は、それぞれ
バンド35,36を形成する。このようにして、電極13,14間
にキャリアの移動（電流）が生じる。即ち、入射光15が
電気信号に変換される。

本実施例は、次のような利点を有している。

（Ａ）第２図の活性層２に用いた薄膜化されていない
Siであるバルク（bulk）Siの場合は、その光学遷移が間
接遷移型であり、光吸収係数が小さかった。ところが、
本実施例に示した井戸層12aのように、Siを薄膜化（＜1
00Å）し、かつバリア層12bを薄膜化（＜100Å）するこ
とによってバンド35,36が形成されると、Siに対する光
学遷移の選択則が破れ、その光学遷移は直接遷移化す
る。そのため、Siのバンドギャップ（1.1〜2.0eV程度）
に相当するエネルギーの入射光に対して光吸収係数が大
きく増加する。

したがって、活性層12を薄くしたままで（＜１μ
ｍ）、例えば赤外線領域（1.1〜1.5eV程度）の光に対し
て吸収率の高い受光素子を実現できる。

（Ｂ）バリア層12bに用いたCaF₂は、井戸層12aのSiに
比べて伝導帯31及び価電子帯32間のバンドギャップが大
きいので、バリア（障壁）としての機能を有すると共
に、CaF₂の格子定数は約5.46Åであり、Siの格子定数
（約5.43Å）に極めて近い。そのため、井戸層12a及び
バリア層12b間の格子定数差が小さく、活性層12があた
かもひとつの格子定数を有するようになり、各層の界面
における欠陥（点欠陥及び粒界等）が極めて少なくな
る。これによって、該光電変換素子の動作特性が向上す
る。

（Ｃ）同一の堆積方法によって積層された井戸層12a
及びバリア層12b間の界面には、不純物が混入したり、
各層の構成分子が互いに他の層に混じったりして各層間
に混合層が形成されることが少ない。そのため、各層間
の界面は急俊であり、該光電変換素子の良好な動作特性
が期待できる。（Ｄ）活性層12には、非晶質半導体を
使用しないので、活性層12でのキャリアの移動度を高く
できる。

第５図は、本発明の第２の実施例を示すもので、光電
変換素子であるサンドイッチ型の受光素子の模式的な断
面図である。

この光電変換素子は、ガラス等の基板41上に、Alまた
はCr等の導電性金属膜からなる電極42が設けられてい
る。電極42上には、活性層43が形成されている。活性層
43は、poly−Siからなる井戸層43aと、CaF₂からなるバ
リア層43bとを交互に積層した構造を成している。さら
に、活性層43上には、透明導電膜からなる電極44が設け
られている。

以下のように構成される光電変換素子でも、第１の実
施例とほぼ同様の動作が得られ、赤外線領域を含むエネ
ルギー（1.1〜2.0eVT程度）を有する入射光を電気信号
に変換して検出することができる。

第２の実施例は、第１図の実施例と同様の利点（Ａ）
〜（Ｄ）を有している。さらには、電極42,44間に印加
する電圧Ｖによって活性層43内に発生する電界の分布が
第１の実施例の場合に比べて均一になるなどの利点があ
る。

第６図は、本発明の第３の実施例を示すもので、電流
注入型の発光素子の模式的な断面図である。図中、第５
図の要素と共通の要素には、共通の符号が付されてい
る。

この第３の実施例が前記第２の実施例と異なる点は、
基板41と活性層43との間に、Siにリン（Ｐ）をドーピン
グしてなるn⁺形の半導体層45が、活性層43と電極44との
間に、Siにホウ素（Ｂ）をドーピングしてなるp⁺形の半
導体層46がそれぞれ設けられていることである。

以上のように構成される発光素子は次のように動作す
る。

電極42に電圧Ｖの正極側を、電極44に電圧Ｖの負極側
をそれぞれ接続し、電極42,44間に電圧Ｖを印加する。
電圧Ｖの印加により、第1,第２の実施例と同様に井戸層
43aは直接遷移化する。電極42及び半導体層45を介して
電子が活性層43内に注入されると、電極44及び半導体層
46を介して正孔が活性層43内に移動する。すると、活性
層43内で、電子と正孔が結合する。その結合時に、電子
の持っていたエネルギーが光47として放出され、この光
47は半導体層46及び電極44を透過して、外部に放出され
る。

この、第３の実施例では、次のような利点が挙げられ
る。

活性層43に構成する井戸層43aが直接遷移化するの
で、その光学遷移（この場合は電子の伝導帯から価電子
帯への遷移）の遷移確率は、関接遷移型の場合に比べて
極めて高く、光47が放出されやすい。したがって、発光
効率の極めて高い発光素子が実現される。

なお、本発明は上記第1,2,3の実施例に限定されず、
種々の変形が可能である。その変形例としては、次のよ
うなものがある。

（ａ）上記第1,2,3の実施例に示した光電変換素子に
おいて、その光電変換素子の種類に応じて、その構造及
び構成材料等には種々の変形が可能である。その一例を
，に示す。

構造の変形例としては、電極13,14を活性層12の
両端面に設けるようにしてもよい。また、例えば活性層
12と、電極13,14もしくは基板11との間などに新たな半
導体層を挿入したりしてもよい。

構成材料の変形例としては、井戸層12aは単結晶
シリコンで形成できる。バリア層12bはリン化ガリウム
（GaP），リン化アルミニウム（AlP）及び硫化亜鉛（Zn
S）で形成できる。GaP、AlP及びZnSも、Siに比べてバン
ドギャップが大きく、かつSiと格子定数が極めて近いた
め、上記実施例と同様の作用・効果が得られる。基板1
1,41の材料は、光電変換素子の種類に応じて適宜変更が
可能である。

（ｂ）第1,2,3の実施例に示した光電変換素子は、種
々の光電変換素子を実現する。例えば、第1,2の実施例
によれば、その構造を適宜変更することによって種々の
フォトダイオード、フォトトランジスタ及び赤外線セン
サ等を実現できる。また、第３の実施例によれば、その
構造等を適宜変更して、電流注入型の赤外線領域の発光
ダイオード及びレーザ等を実現することができる。

（発明の効果）以上詳細に説明したように本発明によれば、光電変換
素子に、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンからなる
薄膜の井戸層と、CaF₂,GaP,AlPまたはZnSのいずれかで
形成される薄膜のバリア層とを交互に積層して形成した
超格子多層膜を設けた。そのため、井戸層のエネルギー
準位が量子化され、バリア層にトンネル効果が生じる。
これによって、井戸層の単結晶シリコンまたは多結晶シ
リコンはその光学遷移が直接遷移化する。

したがって、超格子多層膜の膜厚を十分に薄くしつ
つ、該光電変換素子の光学遷移の遷移確率を大幅に増大
させ、光吸収係数及び発光効率の向上を達成することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示すプレーナ型の受光
素子の模式的な断面図、第２図は従来の光電変換素子の
模式的な断面図、第３図は第２図の活性層における光学
遷移のエネルギー・波数相関図、第４図は第１図の活性
層のエネルギー準位図、第５図は本発明の第２の実施例
を示すサンドイッチ型の受光素子の模式的な断面図、第
６図は本発明の第３の実施例を示す電流注入型の発光素
子の模式的な断面図である。 11,41……基板、12,43……活性層、12a,43a……井戸
層、12b,43b……バリア層、13,14,42,44……電極。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】薄膜の井戸層と、前記井戸層と異なる材質の薄膜のバリア層とが、交互に積層状態に形成された超格子多層膜を有する光電
変換素子において、前記井戸層は単結晶シリコンまたは多結晶シリコンで形
成し、前記バリア層はCaF₂、GaP、AlPまたはZnSのいずれかで
形成したことを特徴とする光電変換素子。