JP3014389B2 - 量子波干渉層を有した受光素子 - Google Patents
量子波干渉層を有した受光素子Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は新規構造の光電気変
換素子、即ち、受光素子に関する。
換素子、即ち、受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ｐｉｎ接合を有した受光素子が知
られている。この構造の受光素子では、ｐｉｎに逆方向
電圧が印加されており、通常、ｐ層側から入力した光が
ｉ層で吸収されて、電子正孔対が生成される。このｉ層
で励起された電子正孔対がｉ層中の逆方向電圧で加速さ
れて、電子はｎ層へ、正孔はｐ層へと移動する。これに
より、光強度に応じた強さの光電流を出力させることが
できる。
られている。この構造の受光素子では、ｐｉｎに逆方向
電圧が印加されており、通常、ｐ層側から入力した光が
ｉ層で吸収されて、電子正孔対が生成される。このｉ層
で励起された電子正孔対がｉ層中の逆方向電圧で加速さ
れて、電子はｎ層へ、正孔はｐ層へと移動する。これに
より、光強度に応じた強さの光電流を出力させることが
できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この構造の受光素子に
おいて、光／電気の変換効率を向上させるためには、光
が吸収されるｉ層を厚くすれば良い。しかし、このｉ層
を厚くすればする程、キャリアをｎ層、ｐ層へ引き出す
ための時間が長くなり、光／電気変換の応答速度が低下
する。この応答速度を向上させるためには、逆方向電圧
を大きくして、ｉ層における電界を大きくすれば良い。
しかし、逆方向電圧を大きくすると、素子分離が困難と
なり、漏れ電流を生じる原因となる。この結果、光が入
力していない時に流れる電流、即ち、暗電流が大きくな
るという問題がある。
おいて、光／電気の変換効率を向上させるためには、光
が吸収されるｉ層を厚くすれば良い。しかし、このｉ層
を厚くすればする程、キャリアをｎ層、ｐ層へ引き出す
ための時間が長くなり、光／電気変換の応答速度が低下
する。この応答速度を向上させるためには、逆方向電圧
を大きくして、ｉ層における電界を大きくすれば良い。
しかし、逆方向電圧を大きくすると、素子分離が困難と
なり、漏れ電流を生じる原因となる。この結果、光が入
力していない時に流れる電流、即ち、暗電流が大きくな
るという問題がある。
【０００４】よって、従来の受光素子では、受光感度、
検出速度、雑音電流との間に相互関連があり、受光素子
の性能に制限があった。
検出速度、雑音電流との間に相互関連があり、受光素子
の性能に制限があった。
【０００５】従って、本発明の目的は、受光素子におい
て、全く新規な構造を有したｐｉｎ接合により、受光感
度、応答速度を改善することである。
て、全く新規な構造を有したｐｉｎ接合により、受光感
度、応答速度を改善することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、第１
層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とを多重周期で
積層した量子波干渉層を有し、入力光を電気に変換する
受光素子において、第１層と第２層の各層の厚さを、各
層を伝導するキャリアの、各層における量子波の波長の
４分の１の奇数倍に設定した量子波干渉層を、第２層よ
りもバンド幅の狭いキャリア閉込層を介在させて複数配
設したことを特徴とする。
層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とを多重周期で
積層した量子波干渉層を有し、入力光を電気に変換する
受光素子において、第１層と第２層の各層の厚さを、各
層を伝導するキャリアの、各層における量子波の波長の
４分の１の奇数倍に設定した量子波干渉層を、第２層よ
りもバンド幅の狭いキャリア閉込層を介在させて複数配
設したことを特徴とする。
【０００７】請求項２の発明は、量子波の波長を決定す
るためのキャリアの運動エネルギをキャリアが電子であ
る場合には第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔で
ある場合には第２層の価電子帯の底付近に設定したこと
を特徴とする。
るためのキャリアの運動エネルギをキャリアが電子であ
る場合には第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔で
ある場合には第２層の価電子帯の底付近に設定したこと
を特徴とする。
【０００８】請求項３の発明は、第１層の厚さＤW と第
２層の厚さＤB を次のように設定したことを特徴とす
る。
２層の厚さＤB を次のように設定したことを特徴とす
る。
【数１】 ＤW ＝ｎW λW ／４＝ｎW ｈ/ ４ [２ｍw （Ｅ＋Ｖ) ]1/2 …（１）
【数２】 ＤB ＝ｎB λB ／４＝ｎB ｈ/ ４ (２ｍB Ｅ)1/2 …（２） 但し、ｈはプランク定数、ｍw は第１層を伝導するキャ
リアの有効質量、ｍBは第２層におけるキャリアの有効
質量、Ｅは第２層を伝導する、第２層の最低エネルギレ
ベル付近におけるキャリアの運動エネルギ、Ｖは第１層
に対する第２層のバンド電位差、ｎW 、ｎB は奇数であ
る。
リアの有効質量、ｍBは第２層におけるキャリアの有効
質量、Ｅは第２層を伝導する、第２層の最低エネルギレ
ベル付近におけるキャリアの運動エネルギ、Ｖは第１層
に対する第２層のバンド電位差、ｎW 、ｎB は奇数であ
る。
【０００９】請求項４の発明は、量子波干渉層を、第２
層を伝導するキャリアの運動エネルギを複数の異なる値
Ｅk 、第１層におけるその各運動エネルギをＥk ＋Ｖと
し、第２層、第１層の各エネルギに対応した各量子波長
をλBk，λWkとする時、第２層、第１層をｎBkλBk／
４、ｎWkλWk／４の厚さで、Ｔk 周期繰り返された部分
量子波干渉層Ｉk が値Ｅk の数だけ繰り返し形成された
層、但し、ｎWk、ｎBkは奇数、としたことを特徴とす
る。
層を伝導するキャリアの運動エネルギを複数の異なる値
Ｅk 、第１層におけるその各運動エネルギをＥk ＋Ｖと
し、第２層、第１層の各エネルギに対応した各量子波長
をλBk，λWkとする時、第２層、第１層をｎBkλBk／
４、ｎWkλWk／４の厚さで、Ｔk 周期繰り返された部分
量子波干渉層Ｉk が値Ｅk の数だけ繰り返し形成された
層、但し、ｎWk、ｎBkは奇数、としたことを特徴とす
る。
【００１０】請求項５の発明は、キャリア閉込層のバン
ド幅は、第１層のバンド幅に等しくしたことを特徴とす
る。請求項６の発明は、キャリア閉込層の厚さを、量子
波の波長λW としたことを特徴とする。請求項７の発明
は、第１層と第２層との境界に、第１層と第２層の厚さ
に比べて充分に薄く、エネルギバンドを急変させるδ層
を設けたことを特徴とする。請求項８の発明は、受光素
子は、ｐｉｎ接合構造を有し、量子波干渉層及びキャリ
ア閉込層は、ｉ層に形成されていることを特徴とする。
請求項９の発明は、量子波干渉層及びキャリア閉込層
は、ｎ層、又は、ｐ層に形成されていることを特徴とす
る。請求項１０の発明は、受光素子は、ｐｎ接合構造を
有することを特徴とする。
ド幅は、第１層のバンド幅に等しくしたことを特徴とす
る。請求項６の発明は、キャリア閉込層の厚さを、量子
波の波長λW としたことを特徴とする。請求項７の発明
は、第１層と第２層との境界に、第１層と第２層の厚さ
に比べて充分に薄く、エネルギバンドを急変させるδ層
を設けたことを特徴とする。請求項８の発明は、受光素
子は、ｐｉｎ接合構造を有し、量子波干渉層及びキャリ
ア閉込層は、ｉ層に形成されていることを特徴とする。
請求項９の発明は、量子波干渉層及びキャリア閉込層
は、ｎ層、又は、ｐ層に形成されていることを特徴とす
る。請求項１０の発明は、受光素子は、ｐｎ接合構造を
有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の作用及び効果】〔請求項１、２、３、８、９、
１０の発明〕本発明にかかる量子波干渉層の原理を図
１、図２に基づいて説明する。図１は、ｐ層とｎ層との
間に順方向に外部電圧が印加された状態を示している。
即ち、外部電圧によりｉ層のバンドは平坦となってい
る。図１では、ｉ層に４つの量子波干渉層Ｑ1 ，Ｑ2 ，
Ｑ3 ，Ｑ4 が形成されており、各量子波干渉層の間に
は、キャリア閉込層Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 が形成されてい
る。又、図２は、１つの量子波干渉層Ｑ1 の伝導帯のバ
ンド構造を示している。
１０の発明〕本発明にかかる量子波干渉層の原理を図
１、図２に基づいて説明する。図１は、ｐ層とｎ層との
間に順方向に外部電圧が印加された状態を示している。
即ち、外部電圧によりｉ層のバンドは平坦となってい
る。図１では、ｉ層に４つの量子波干渉層Ｑ1 ，Ｑ2 ，
Ｑ3 ，Ｑ4 が形成されており、各量子波干渉層の間に
は、キャリア閉込層Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 が形成されてい
る。又、図２は、１つの量子波干渉層Ｑ1 の伝導帯のバ
ンド構造を示している。
【００１２】電子が外部電界により図上左から右方向に
伝導するとする。伝導に寄与する電子は、第２層の伝導
帯の底付近に存在する電子と考えられる。この電子の運
動エネルギをＥとする。すると、第２層Ｂから第１層Ｗ
に伝導する電子は第２層から第１層へのバンド電位差Ｖ
により加速されて、第１層Ｗにおける運動エネルギはＥ
＋Ｖとなる。又、第１層Ｗから第２層Ｂへ伝導する電子
は第１層から第２層へのバンド電位差Ｖにより減速され
て、第２層Ｂにおける電子の運動エネルギはＥに戻る。
伝導電子の運動エネルギは、多重層構造のポテンシャル
エネルギによりこのような変調を受ける。
伝導するとする。伝導に寄与する電子は、第２層の伝導
帯の底付近に存在する電子と考えられる。この電子の運
動エネルギをＥとする。すると、第２層Ｂから第１層Ｗ
に伝導する電子は第２層から第１層へのバンド電位差Ｖ
により加速されて、第１層Ｗにおける運動エネルギはＥ
＋Ｖとなる。又、第１層Ｗから第２層Ｂへ伝導する電子
は第１層から第２層へのバンド電位差Ｖにより減速され
て、第２層Ｂにおける電子の運動エネルギはＥに戻る。
伝導電子の運動エネルギは、多重層構造のポテンシャル
エネルギによりこのような変調を受ける。
【００１３】一方、第１層と第２層の厚さが電子の量子
波長と同程度となると、電子は波動として振る舞う。電
子の量子波の波長は電子の運動エネルギを用いて、
（１）、（２）式により求められる。さらに、波の反射
率Ｒは第２層Ｂ、第１層Ｗにおける量子波の波数ベクト
ルをＫB ，ＫW とする時、次式で求められる。
波長と同程度となると、電子は波動として振る舞う。電
子の量子波の波長は電子の運動エネルギを用いて、
（１）、（２）式により求められる。さらに、波の反射
率Ｒは第２層Ｂ、第１層Ｗにおける量子波の波数ベクト
ルをＫB ，ＫW とする時、次式で求められる。
【数３】 Ｒ＝（｜ＫW ｜−｜ＫB ｜）／（｜ＫW ｜＋｜ＫB ｜） ＝([ｍw ( Ｅ＋Ｖ)]1/2-[ ｍB Ｅ]1/2)/([ｍw ( Ｅ＋Ｖ)]1/2+[ ｍB Ｅ]1/2) ＝[1- ( ｍB Ｅ/ ｍw ( Ｅ＋Ｖ))1/2]/[1+ (ｍB Ｅ/ ｍw ( Ｅ＋Ｖ))1/2] …（３） 又、ｍB ＝ｍw と仮定すれば、反射率は次式で表され
る。
る。
【数４】 Ｒ＝[1- ( Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ))1/2]/[1+ (Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ))1/2] …（４） Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ) ＝ｘとおけば、（４）式は次式のように
変形できる。
変形できる。
【数５】 Ｒ＝（１−ｘ1/2 ）／（１＋ｘ1/2 ） …（５） この反射率Ｒのｘに対する特性は図３のようになる。
【００１４】又、第２層Ｂと第１層ＷがそれぞれＳ層多
重化された場合の量子波の入射端面での反射率ＲS は次
式で与えられる。
重化された場合の量子波の入射端面での反射率ＲS は次
式で与えられる。
【数６】 ＲS ＝〔（１−ｘS ）／（１＋ｘS ）]2 …（６） ｘ≦１／１０の時Ｒ≧０．５２となり、そのためのＥ，
Ｖの関係は
Ｖの関係は
【数７】 Ｅ≦Ｖ／９ …（７） となる。第２層Ｂにおける伝導電子の運動エネルギＥは
伝導帯の底付近であることから、（７）式の関係が満足
され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５２
％以上となる。このようなバンド幅の異なる層で形成さ
れた多重層構造により、ｉ層を伝導する電子の量子波を
効率良く反射させることができる。
伝導帯の底付近であることから、（７）式の関係が満足
され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５２
％以上となる。このようなバンド幅の異なる層で形成さ
れた多重層構造により、ｉ層を伝導する電子の量子波を
効率良く反射させることができる。
【００１５】又、ｘを用いて第２層Ｂの厚さの第１層Ｗ
の厚さに対する比ＤB ／ＤW は次式で求められる。
の厚さに対する比ＤB ／ＤW は次式で求められる。
【数８】 ＤB ／ＤW ＝〔ｍw ／（ｍB ｘ）〕1/2 …（８）
【００１６】この状態において、ｉ層に光が入射する
と、キャリア閉込層Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3の伝導帯に光励起
された電子が蓄積される。この光励起された電子は、印
加された順方向電圧によりｐ層側に流れようとするが、
その光励起電子は閉込られたキャリア閉込層に対してｐ
層側に存在する量子波干渉層による反射条件が満たされ
ているので、電子は移動しない。
と、キャリア閉込層Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3の伝導帯に光励起
された電子が蓄積される。この光励起された電子は、印
加された順方向電圧によりｐ層側に流れようとするが、
その光励起電子は閉込られたキャリア閉込層に対してｐ
層側に存在する量子波干渉層による反射条件が満たされ
ているので、電子は移動しない。
【００１７】ところが、このキャリア閉込層Ｃ1 ，
Ｃ2 ，Ｃ3 の電子が多くなると、より高レベルに電子が
存在するようになる。この高レベルに存在する電子の運
動エネルギが増加するため、上記の量子波干渉層による
反射条件を満たさなくなる。この結果、電子は量子波干
渉層Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 を透過してｐ層に流れる。これが
光電流となる。
Ｃ2 ，Ｃ3 の電子が多くなると、より高レベルに電子が
存在するようになる。この高レベルに存在する電子の運
動エネルギが増加するため、上記の量子波干渉層による
反射条件を満たさなくなる。この結果、電子は量子波干
渉層Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 を透過してｐ層に流れる。これが
光電流となる。
【００１８】この受光素子には順方向電圧が印加される
ことから、低電圧駆動が可能となり、素子間の絶縁分離
が容易となる。又、光が入力されない状態では、電子は
量子波干渉層で効果的に反射されるために、電流は流れ
ず、暗電流を極めて小さくすることができる。又、電子
の移動は、量子波干渉層を波動として伝搬すると考えら
れるので、応答速度が高速となる。
ことから、低電圧駆動が可能となり、素子間の絶縁分離
が容易となる。又、光が入力されない状態では、電子は
量子波干渉層で効果的に反射されるために、電流は流れ
ず、暗電流を極めて小さくすることができる。又、電子
の移動は、量子波干渉層を波動として伝搬すると考えら
れるので、応答速度が高速となる。
【００１９】尚、量子波干渉層の価電子帯においても、
エネルギレベルが周期的に変動するが、バンド電位差Ｖ
が伝導帯のバンド電位差と異なり、さらに、第１層、第
２層における正孔の有効質量が電子の有効質量と異なる
ため、電子に対して反射率を高くするように設定された
第１層と第２層の幅の設定値は正孔に対する高反射率が
得られる条件にはならない。よって、上記の構造の量子
波干渉層は電子だけを反射するように第１層と第２層の
厚さが設計されているので、電子だけを反射させ正孔は
透過する。
エネルギレベルが周期的に変動するが、バンド電位差Ｖ
が伝導帯のバンド電位差と異なり、さらに、第１層、第
２層における正孔の有効質量が電子の有効質量と異なる
ため、電子に対して反射率を高くするように設定された
第１層と第２層の幅の設定値は正孔に対する高反射率が
得られる条件にはならない。よって、上記の構造の量子
波干渉層は電子だけを反射するように第１層と第２層の
厚さが設計されているので、電子だけを反射させ正孔は
透過する。
【００２０】よって、正孔に対して反射層として機能す
る正孔反射の量子波干渉層を上記の電子を反射する各量
子波干渉層に従属接続して設けても良い。
る正孔反射の量子波干渉層を上記の電子を反射する各量
子波干渉層に従属接続して設けても良い。
【００２１】上記のキャリアの反射機能を有する量子波
干渉層は、０Ｖから所定のバイアス電圧までキャリアを
反射させ、電流が流れない状態を形成できるので、光受
光素子をｎ層だけ、又は、ｐ層だけで形成し、上記の量
子波干渉層とキャリア閉込層を、ｎ層又はｐ層に形成し
ても良い。同様に、ｐｎ接合の受光素子を形成し、その
ｎ層、ｐ層に形成しても良い。
干渉層は、０Ｖから所定のバイアス電圧までキャリアを
反射させ、電流が流れない状態を形成できるので、光受
光素子をｎ層だけ、又は、ｐ層だけで形成し、上記の量
子波干渉層とキャリア閉込層を、ｎ層又はｐ層に形成し
ても良い。同様に、ｐｎ接合の受光素子を形成し、その
ｎ層、ｐ層に形成しても良い。
【００２２】〔請求項４の発明〕 請求項４の発明は、図４に示すように、第１層と第１層
よりもバンド幅の広い第２層との多重周期から量子波干
渉層を次のように形成したことを特徴とする。第１層
Ｗ、第２層Ｂを、それぞれ、厚さＤWk，Ｄ Bk で任意周期
Ｔk だけ繰り返して部分量子波干渉層Ｉk とする。但
し、
よりもバンド幅の広い第２層との多重周期から量子波干
渉層を次のように形成したことを特徴とする。第１層
Ｗ、第２層Ｂを、それぞれ、厚さＤWk，Ｄ Bk で任意周期
Ｔk だけ繰り返して部分量子波干渉層Ｉk とする。但
し、
【数９】 ＤWk＝ｎWkλWk／４＝ｎWkｈ/ ４ [２ｍwk（Ｅk ＋Ｖ) ]1/2 …（９）
【数１０】 ＤBk＝ｎBkλBk／４＝ｎBkｈ/ ４ (２ｍBkＥk )1/2 …（１０） ここで、Ｅk は第２層を伝導するキャリアの運動エネル
ギの複数の異なる値、ｍwkは第１層における運動エネル
ギＥk ＋Ｖを有するキャリアの有効質量、ｍBkは第２層
における運動エネルギＥk を有するキャリアの有効質
量、ｎWk、ｎBkは任意の奇数である。このように形成さ
れた部分量子波干渉層Ｉk をＩ1,…, Ｉj と、ｋの最大
値ｊだけ直列接続して量子波干渉層が形成される。この
運動エネルギＥk の離散間隔を狭くすれば、連続したあ
るエネルギ範囲にあるキャリアを反射させることができ
る。
ギの複数の異なる値、ｍwkは第１層における運動エネル
ギＥk ＋Ｖを有するキャリアの有効質量、ｍBkは第２層
における運動エネルギＥk を有するキャリアの有効質
量、ｎWk、ｎBkは任意の奇数である。このように形成さ
れた部分量子波干渉層Ｉk をＩ1,…, Ｉj と、ｋの最大
値ｊだけ直列接続して量子波干渉層が形成される。この
運動エネルギＥk の離散間隔を狭くすれば、連続したあ
るエネルギ範囲にあるキャリアを反射させることができ
る。
【００２３】〔請求項５、６〕請求項５は、キャリア閉
込層のバンド幅を第１層のバンド幅に等しくしている。
又、請求項６はそのキャリア閉込層の厚さをその層の量
子波の波長λW としている。これにより、光励起された
キャリアの閉込を効果的に行うことができる。
込層のバンド幅を第１層のバンド幅に等しくしている。
又、請求項６はそのキャリア閉込層の厚さをその層の量
子波の波長λW としている。これにより、光励起された
キャリアの閉込を効果的に行うことができる。
【００２４】〔請求項７〕請求項７は、図５に示すよう
に、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界において、エネルギバ
ンドを急変させる厚さが第１層Ｗ、第２層Ｂに比べて十
分に薄いδ層を設けても良い。境界での反射率は（５）
式で得られるが、境界にδ層を設けることで、バンド電
位差Ｖを大きくすることができｘ値が小さくなる。ｘ値
が小さいことから反射率Ｒが大きくなる。このδ層は、
図５（ａ）に示すように、各第１層Ｗの両側の境界に設
けられているが、片側の境界だけに設けても良い。又、
δ層は、図５（ａ）に示すように、境界に第２層Ｂのバ
ンドの底よりもさらに高い底のバンドが形成されるよう
に設けているが、図５（ｂ）に示すように、境界に第１
層のバンドの底よりもさらに低い底を有するように形成
しても良い。さらに、図５（ｃ）に示すように、境界に
第２層Ｂのバンドの底よりも高い底を有し、第１層Ｗの
バンドの底よりも低い底を有するバンドを形成するよう
に、δ層を形成しても良い。このようにすることで、第
１層Ｗと第２層Ｂとの境界での量子波の反射率を大きく
することができ、多重層に形成した場合に全体での量子
波の反射率を大きくすることができる。
に、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界において、エネルギバ
ンドを急変させる厚さが第１層Ｗ、第２層Ｂに比べて十
分に薄いδ層を設けても良い。境界での反射率は（５）
式で得られるが、境界にδ層を設けることで、バンド電
位差Ｖを大きくすることができｘ値が小さくなる。ｘ値
が小さいことから反射率Ｒが大きくなる。このδ層は、
図５（ａ）に示すように、各第１層Ｗの両側の境界に設
けられているが、片側の境界だけに設けても良い。又、
δ層は、図５（ａ）に示すように、境界に第２層Ｂのバ
ンドの底よりもさらに高い底のバンドが形成されるよう
に設けているが、図５（ｂ）に示すように、境界に第１
層のバンドの底よりもさらに低い底を有するように形成
しても良い。さらに、図５（ｃ）に示すように、境界に
第２層Ｂのバンドの底よりも高い底を有し、第１層Ｗの
バンドの底よりも低い底を有するバンドを形成するよう
に、δ層を形成しても良い。このようにすることで、第
１層Ｗと第２層Ｂとの境界での量子波の反射率を大きく
することができ、多重層に形成した場合に全体での量子
波の反射率を大きくすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。 〔第１実施例〕図６は量子波干渉層をｉ層に形成した受
光素子の断面図である。GaAsから成る基板１０の上に、
n-GaAsから成る厚さ0.3 μm 、電子濃度 2×1018/cm3の
バッファ層１２が形成され、その上にn-Ga0.51In0.49P
から成る厚さ0.13μm 、電子濃度 2×1018/cm3のｎ形コ
ンタクト層１４が形成されている。ｎ形コンタクト層１
４の上には、n-Al0.51In0.49P から成る厚さ0.2 μm 、
電子濃度 1×1018/cm3のｎ層１６が形成されている。そ
のｎ層１６の上に不純物無添加のｉ層１８を形成した。
そのｉ層１８の上にはAl0.51In0.49P から成る厚さ0.2
μm 、正孔濃度1×1018/cm3のｐ層２０が形成されてい
る。さらに、そのｐ層２０の上にp-Ga0.51In0.49P から
成る厚さ0.13μm 、正孔濃度 2×1018/cm3の第２ｐ形コ
ンタクト層２２とp-GaAsから成る厚さ0.06μm 、正孔濃
度 2×1018/cm3の第１ｐ形コンタクト層２４が形成され
ている。さらに、基板１０の裏面には厚さ0.2 μm のAu
/Geから成る電極２６が形成され、第１ｐ形コンタクト
層２４の上には厚さ0.2 μmのAu/Zn から成る電極２８
が形成されている。
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。 〔第１実施例〕図６は量子波干渉層をｉ層に形成した受
光素子の断面図である。GaAsから成る基板１０の上に、
n-GaAsから成る厚さ0.3 μm 、電子濃度 2×1018/cm3の
バッファ層１２が形成され、その上にn-Ga0.51In0.49P
から成る厚さ0.13μm 、電子濃度 2×1018/cm3のｎ形コ
ンタクト層１４が形成されている。ｎ形コンタクト層１
４の上には、n-Al0.51In0.49P から成る厚さ0.2 μm 、
電子濃度 1×1018/cm3のｎ層１６が形成されている。そ
のｎ層１６の上に不純物無添加のｉ層１８を形成した。
そのｉ層１８の上にはAl0.51In0.49P から成る厚さ0.2
μm 、正孔濃度1×1018/cm3のｐ層２０が形成されてい
る。さらに、そのｐ層２０の上にp-Ga0.51In0.49P から
成る厚さ0.13μm 、正孔濃度 2×1018/cm3の第２ｐ形コ
ンタクト層２２とp-GaAsから成る厚さ0.06μm 、正孔濃
度 2×1018/cm3の第１ｐ形コンタクト層２４が形成され
ている。さらに、基板１０の裏面には厚さ0.2 μm のAu
/Geから成る電極２６が形成され、第１ｐ形コンタクト
層２４の上には厚さ0.2 μmのAu/Zn から成る電極２８
が形成されている。
【００２６】上記のｉ層１８には、Ga0.51In0.49P から
成る厚さ5nm の第１層ＷとAl0.51In 0.49P から成る厚さ
7nm の第２層Ｂと第１層Ｗの両側に形成された厚さ1.3n
m の不純物無添加のAl0.33Ga0.33In0.33P から成るδ層
とを１組として１０周期繰り返された量子波干渉層Ｑ1
と、これと同一構造の量子波干渉層Ｑ2,…, Ｑ4 とを合
わせて、全体で４組設けられている。１つの量子波干渉
層Ｑ1 の詳細なバンド構造は図５（ａ）に示すものであ
る。又、各量子波干渉層Ｑi,Ｑi+1 間には厚さ20nm、不
純物無添加のGa0.51In0.49P から成るキャリア閉込層Ｃ
1 〜Ｃ3 が形成されている。第２層Ｂと第１層Ｗの厚さ
の条件は、電極２８と電極２６間に順方向電圧を印加し
て、ｉ層１８に電位傾斜がない状態において上記した
（１）、（２）式で決定されている。
成る厚さ5nm の第１層ＷとAl0.51In 0.49P から成る厚さ
7nm の第２層Ｂと第１層Ｗの両側に形成された厚さ1.3n
m の不純物無添加のAl0.33Ga0.33In0.33P から成るδ層
とを１組として１０周期繰り返された量子波干渉層Ｑ1
と、これと同一構造の量子波干渉層Ｑ2,…, Ｑ4 とを合
わせて、全体で４組設けられている。１つの量子波干渉
層Ｑ1 の詳細なバンド構造は図５（ａ）に示すものであ
る。又、各量子波干渉層Ｑi,Ｑi+1 間には厚さ20nm、不
純物無添加のGa0.51In0.49P から成るキャリア閉込層Ｃ
1 〜Ｃ3 が形成されている。第２層Ｂと第１層Ｗの厚さ
の条件は、電極２８と電極２６間に順方向電圧を印加し
て、ｉ層１８に電位傾斜がない状態において上記した
（１）、（２）式で決定されている。
【００２７】尚、ｎ層１６又はｐ層２０に接合する第２
層Ｂは0.05μm である。このように最初の第２層Ｂを厚
くしたのは、ｎ層１６又はｐ層２０からキャリアが第１
層Ｗにトンネル伝導することを防止するためである。
又、基板１０は、２インチ径の大きさであり、基板の主
面は面方位(100) に対して15°方位[011] 方向にオフセ
ットしている。
層Ｂは0.05μm である。このように最初の第２層Ｂを厚
くしたのは、ｎ層１６又はｐ層２０からキャリアが第１
層Ｗにトンネル伝導することを防止するためである。
又、基板１０は、２インチ径の大きさであり、基板の主
面は面方位(100) に対して15°方位[011] 方向にオフセ
ットしている。
【００２８】この受光素子は、ガスソースＭＢＥ法によ
り製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶のエレメン
ト材料全てを固体ソースから供給する従来形のＭＢＥ法
とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(AsH3,PH3)
の熱分解により供給し、III族エレメント(In,Ga,Al)は
固体ソースから供給する超高真空下の分子線結晶成長法
である。なお、有機金属ガス気相成長法（ＭＯＣＶＤ）
を用いることもできる。
り製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶のエレメン
ト材料全てを固体ソースから供給する従来形のＭＢＥ法
とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(AsH3,PH3)
の熱分解により供給し、III族エレメント(In,Ga,Al)は
固体ソースから供給する超高真空下の分子線結晶成長法
である。なお、有機金属ガス気相成長法（ＭＯＣＶＤ）
を用いることもできる。
【００２９】上記の構成の受光素子において、ｐ層２０
とｎ層１６との間に順方向に電圧Ｖを増加させて行く
と、図１に示すように、ｉ層１８のバンドの傾斜が平坦
となる電位が存在する。この状態では、量子波干渉層Ｑ
1 〜Ｑ4 において電子に対して反射条件が設立するの
で、電子は流れない。
とｎ層１６との間に順方向に電圧Ｖを増加させて行く
と、図１に示すように、ｉ層１８のバンドの傾斜が平坦
となる電位が存在する。この状態では、量子波干渉層Ｑ
1 〜Ｑ4 において電子に対して反射条件が設立するの
で、電子は流れない。
【００３０】次に、キャリア閉込層Ｃ1 〜Ｃ3 のバンド
幅に共鳴したエネルギの光が入射すると、このキャリア
閉込層Ｃ1 〜Ｃ3 に電子が励起される。このキャリア閉
込層Ｃ1 〜Ｃ3 における電子濃度が高くなり、第２層Ｂ
の伝導帯の底付近以上の電子が多く存在するようになる
と、ｎ層１６の電子が隣のキャリア閉込層Ｃ1 に伝導
し、キャリア閉込層Ｃ1 の電子は隣のキャリア閉込層Ｃ
2 に伝導する。このようにして、電子は各キャリア閉込
層Ｃ1 を介在させて、各量子波干渉層中は電子の波とし
ての性質により高速に伝導すると考えられる。このよう
にして、光励起により電子は高速にｎ層１６からｐ層２
０へと伝導すると考えられる。
幅に共鳴したエネルギの光が入射すると、このキャリア
閉込層Ｃ1 〜Ｃ3 に電子が励起される。このキャリア閉
込層Ｃ1 〜Ｃ3 における電子濃度が高くなり、第２層Ｂ
の伝導帯の底付近以上の電子が多く存在するようになる
と、ｎ層１６の電子が隣のキャリア閉込層Ｃ1 に伝導
し、キャリア閉込層Ｃ1 の電子は隣のキャリア閉込層Ｃ
2 に伝導する。このようにして、電子は各キャリア閉込
層Ｃ1 を介在させて、各量子波干渉層中は電子の波とし
ての性質により高速に伝導すると考えられる。このよう
にして、光励起により電子は高速にｎ層１６からｐ層２
０へと伝導すると考えられる。
【００３１】尚、この光受光素子は、キャリア閉込層Ｃ
1 〜Ｃ3 に励起される電子がｎ層１６からｐ層２０への
電子の伝導に対してゲートスイッチの機能を有している
ので、光電気変換効率が高い。さらに、キャリア閉込層
Ｃ1 〜Ｃ3 に電子が励起されていない場合には、量子波
干渉層Ｑ1 〜Ｑ4 は電子に対して反射条件が満たされて
いるが、キャリア閉込層Ｃ1 〜Ｃ3 に電子が励起された
場合にのみ、電子の反射条件が満たされなくなり、量子
波干渉層Ｑ1 〜Ｑ4 を電子は量子波として伝導すると考
えられるため、スイッチング速度も高速になると思われ
る。
1 〜Ｃ3 に励起される電子がｎ層１６からｐ層２０への
電子の伝導に対してゲートスイッチの機能を有している
ので、光電気変換効率が高い。さらに、キャリア閉込層
Ｃ1 〜Ｃ3 に電子が励起されていない場合には、量子波
干渉層Ｑ1 〜Ｑ4 は電子に対して反射条件が満たされて
いるが、キャリア閉込層Ｃ1 〜Ｃ3 に電子が励起された
場合にのみ、電子の反射条件が満たされなくなり、量子
波干渉層Ｑ1 〜Ｑ4 を電子は量子波として伝導すると考
えられるため、スイッチング速度も高速になると思われ
る。
【００３２】この光受光素子のＶ−Ｉ特性を測定した。
図７に示す。光を照射した場合には、０．２Ｖの順方向
電圧により、電流は４桁程急峻に増加しているのが分か
る。それに対して、暗電流は量子波干渉層による電子の
反射作用により順方向電圧を印加しても小さい値に抑制
されている。尚、光電流の暗電流に対する比は１０００
倍程度あることが理解される。尚、ｉ層１８の電位を平
坦にする順方向電圧は１Ｖと考えられるが、この１Ｖの
電圧で、光電流は５×１０-6Ａ以上となっているのが分
かる。
図７に示す。光を照射した場合には、０．２Ｖの順方向
電圧により、電流は４桁程急峻に増加しているのが分か
る。それに対して、暗電流は量子波干渉層による電子の
反射作用により順方向電圧を印加しても小さい値に抑制
されている。尚、光電流の暗電流に対する比は１０００
倍程度あることが理解される。尚、ｉ層１８の電位を平
坦にする順方向電圧は１Ｖと考えられるが、この１Ｖの
電圧で、光電流は５×１０-6Ａ以上となっているのが分
かる。
【００３３】又、別の実施例として、図８に示すｎｉｐ
ｉｎ構造の受光素子を製造した。領域ａ１、ａ２、ａ３
は、上記実施例のｎｉｐ構造の光受光素子と同一であ
り、ｉ層ａ２に量子波干渉層とキャリア閉込層とが形成
されている。領域ａ４、ａ５はｐ領域ａ３に流入した光
電流を逆バイアス電圧により引き抜くためのものであ
る。この型の受光素子について、光を照射してＶ−Ｉ特
性を測定した。その結果を図９に示す。光電流の暗電流
に対する比は約１０００倍以上が得られている。
ｉｎ構造の受光素子を製造した。領域ａ１、ａ２、ａ３
は、上記実施例のｎｉｐ構造の光受光素子と同一であ
り、ｉ層ａ２に量子波干渉層とキャリア閉込層とが形成
されている。領域ａ４、ａ５はｐ領域ａ３に流入した光
電流を逆バイアス電圧により引き抜くためのものであ
る。この型の受光素子について、光を照射してＶ−Ｉ特
性を測定した。その結果を図９に示す。光電流の暗電流
に対する比は約１０００倍以上が得られている。
【００３４】次に、他の実施例として、図１０に示す構
造のSiとGeとの化合物半導体系の受光素子を形成した。
この素子では、第１層Ｗは厚さ５nmのSi0.8Ge0.2で形成
し、第２層Ｂは厚さ７nmのSiで形成した。又、キャリア
閉込層Ｃ1 〜Ｃ3 は、厚さ20nmのSi0.8Ge0.2で形成し
た。但し、本実施例では、δ層を設けなかった。
造のSiとGeとの化合物半導体系の受光素子を形成した。
この素子では、第１層Ｗは厚さ５nmのSi0.8Ge0.2で形成
し、第２層Ｂは厚さ７nmのSiで形成した。又、キャリア
閉込層Ｃ1 〜Ｃ3 は、厚さ20nmのSi0.8Ge0.2で形成し
た。但し、本実施例では、δ層を設けなかった。
【００３５】このような構造の光受光素子を製造して、
受光特性を測定した。その結果を図１１に示す。この場
合にも光電流の暗電流に対する比は約１０００倍以上と
なっていることが分かる。又、順方向の電圧０．１〜
０．２Ｖ（ｐ型基板のＡｌ電極の電位に対するＳｉのＡ
ｕショットキー電極の電位に対する電位では、−０．１
〜−０．２Ｖ）位で光電流は急峻に立ち上がっているこ
とが分かる。この実施例において、更に、δ層を設ける
ことで、更に特性が向上するものと思われる。
受光特性を測定した。その結果を図１１に示す。この場
合にも光電流の暗電流に対する比は約１０００倍以上と
なっていることが分かる。又、順方向の電圧０．１〜
０．２Ｖ（ｐ型基板のＡｌ電極の電位に対するＳｉのＡ
ｕショットキー電極の電位に対する電位では、−０．１
〜−０．２Ｖ）位で光電流は急峻に立ち上がっているこ
とが分かる。この実施例において、更に、δ層を設ける
ことで、更に特性が向上するものと思われる。
【００３６】このように、本発明の構造の光受光素子に
より、従来の光受光素子に比べて、Ｓ／Ｎ比の大きい光
受光素子を得ることができる。
より、従来の光受光素子に比べて、Ｓ／Ｎ比の大きい光
受光素子を得ることができる。
【００３７】δ層を形成することで、反射率を向上させ
ることができるが、δ層がなくとも多重反射による反射
率の増加の効果は見られるので、δ層はなくとも良い。
又、上記実施例では、Ｑ1 〜Ｑ4 の４つの量子波干渉層
をキャリア閉込層Ｃを介在させて直列に接続したが、量
子波干渉層の多重化される層の数は任意である。又、量
子波干渉層をGa0.51In0.49P とAl0.51In0.49P との多重
層で構成したが、４元系のAlxGa1-yIn1-x-yP(0≦x,y ≦
1 の任意の値) で組成比を異にして形成しても良い。さ
らに、量子波干渉層は、他のIII 族-V族化合物半導体、
II族-VI族化合物半導体、Si/Ge 、その他の異種半導体
の多重接合で構成することが可能である。
ることができるが、δ層がなくとも多重反射による反射
率の増加の効果は見られるので、δ層はなくとも良い。
又、上記実施例では、Ｑ1 〜Ｑ4 の４つの量子波干渉層
をキャリア閉込層Ｃを介在させて直列に接続したが、量
子波干渉層の多重化される層の数は任意である。又、量
子波干渉層をGa0.51In0.49P とAl0.51In0.49P との多重
層で構成したが、４元系のAlxGa1-yIn1-x-yP(0≦x,y ≦
1 の任意の値) で組成比を異にして形成しても良い。さ
らに、量子波干渉層は、他のIII 族-V族化合物半導体、
II族-VI族化合物半導体、Si/Ge 、その他の異種半導体
の多重接合で構成することが可能である。
【図１】本発明の概念を説明するための説明図。
【図２】本発明の理論を説明するための説明図。
【図３】第２層におけるキャリアの運動エネルギの第１
層における運動エネルギに対する比ｘに対する反射率Ｒ
の関係を示した特性図。
層における運動エネルギに対する比ｘに対する反射率Ｒ
の関係を示した特性図。
【図４】本発明の概念を説明するための説明図。
【図５】本発明の概念を説明するための説明図。
【図６】本発明の実施例に係る受光素子の構造を示した
断面図。
断面図。
【図７】同実施例素子における光の非照射時、照射時の
Ｖ−Ｉ特性の測定図。
Ｖ−Ｉ特性の測定図。
【図８】本発明の他の実施例に係る受光素子の構造を示
した説明図。
した説明図。
【図９】その実施例素子における光の非照射時、照射時
のＶ−Ｉ特性の測定図。
のＶ−Ｉ特性の測定図。
【図１０】他の実施例に係る受光素子の構造を示した断
面図。
面図。
【図１１】その受光素子における光の非照射時、照射時
のＶ−Ｉ特性の測定図。
のＶ−Ｉ特性の測定図。
１０…基板 １２…バッファ層 １４…ｎ形コンタクト層 １６…ｎ層 １８…ｉ層 ２０…ｐ層 ２２…第２ｐ形コンタクト層 ２４…第１ｐ形コンタクト層 ２６，２８…電極 Ｑ1 〜Ｑ4 …量子波干渉層 Ｂ…第２層 Ｗ…第１層 Ｃ，Ｃ1 〜Ｃ3 …キャリア閉込層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ ｓ，Ｖｏｌ．29，Ｎｏ．11，Ｎｏｖｅｍ ｂｅｒ，1990，ｐｐ．Ｌ1977−Ｌ1980 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏ ｌ．91，Ｎｏ．２（ＯＱＥ91 １− 17），1991，ｐｐ．73−78 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏ ｌ．91，Ｎｏ．15（ＥＤ91 １−７）, 1991，ｐｐ．15−21 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 31/10 H01L 29/861 H01L 29/864 - 29/87 H01L 29/88 - 29/96 H01L 29/06 H01L 31/02 H01L 31/04 H01L 31/10 H01L 33/00 H01S 5/30 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (10)
- 【請求項１】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有し、入力
光を電気に変換する受光素子において、 前記第１層と前記第２層の各層の厚さを、各層を伝導す
るキャリアの、各層における量子波の波長の４分の１の
奇数倍に設定した量子波干渉層を、前記第２層よりもバ
ンド幅の狭いキャリア閉込層を介在させて複数配設した
ことを特徴とする量子波干渉層を有した受光素子。 - 【請求項２】 前記量子波の波長を決定するための前記
キャリアの運動エネルギをキャリアが電子である場合に
は第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔である場合
には前記第２層の価電子帯の底付近に設定したことを特
徴とする請求項１に記載の量子波干渉層を有した受光素
子。 - 【請求項３】 前記第１層における前記量子波の波長λ
W はλW ＝ｈ/[２ｍw（Ｅ＋Ｖ) ]1/2で決定され、前記
第２層における前記量子波の波長λB はλB ＝ｈ/(２ｍ
B Ｅ)1/2で決定され、前記第１層の厚さＤW はＤW ＝ｎ
W λW ／４、前記第２層の厚さＤB はＤB ＝ｎB λB ／
４で決定される、但し、ｈはプランク定数、ｍw は第１
層におけるキャリアの有効質量、ｍB は第２層における
キャリアの有効質量、Ｅは第２層に流入されるキャリア
の運動エネルギ、Ｖは第１層に対する第２層のバンド電
位差、ｎW 、ｎB は奇数であることを特徴とする請求項
１又は請求項２に記載の量子波干渉層を有した受光素
子。 - 【請求項４】 前記量子波干渉層は、前記第２層を伝導
するキャリアの運動エネルギを複数の異なる値Ｅk 、前
記第１層におけるその各運動エネルギをＥk ＋Ｖとし、
第２層、第１層の各エネルギに対応した各量子波長をλ
Bk，λWkとする時、第２層、第１層をｎBkλBk／４、ｎ
WkλWk／４の厚さで、Ｔk 周期繰り返された部分量子波
干渉層Ｉk が前記値Ｅk の数だけ繰り返し形成された
層、但し、ｎWk、ｎBkは奇数、であることを特徴とする
請求項１又は請求項２に記載の量子波干渉層を有した受
光素子。 - 【請求項５】 前記キャリア閉込層のバンド幅は、前記
第１層のバンド幅に等しいことを特徴とする請求項１乃
至請求項４のいずれか１項に記載の量子波干渉層を有し
た受光素子。 - 【請求項６】 前記キャリア閉込層の厚さは、前記量子
波の波長λW であることを特徴とする請求項５に記載の
量子波干渉層を有した受光素子。 - 【請求項７】 前記第１層と前記第２層との境界には、
前記第１層と前記第２層の厚さに比べて充分に薄く、エ
ネルギバンドを急変させるδ層が設けられていることを
特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載
の量子波干渉層を有した受光素子。 - 【請求項８】 前記受光素子は、ｐｉｎ接合構造を有
し、前記量子波干渉層及び前記キャリア閉込層は、ｉ層
に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項
７のいずれか１項に記載の量子波干渉層を有した受光素
子。 - 【請求項９】 前記量子波干渉層及び前記キャリア閉込
層は、ｎ層、又は、ｐ層に形成されていることを特徴と
する請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の量子
波干渉層を有した受光素子。 - 【請求項１０】 前記受光素子は、ｐｎ接合構造を有す
ることを特徴とする請求項９に記載の量子波干渉層を有
した受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11118953A JP3014389B2 (ja) | 1998-04-28 | 1999-04-27 | 量子波干渉層を有した受光素子 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13433598 | 1998-04-28 | ||
| JP10-134335 | 1998-04-28 | ||
| JP11118953A JP3014389B2 (ja) | 1998-04-28 | 1999-04-27 | 量子波干渉層を有した受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000022196A JP2000022196A (ja) | 2000-01-21 |
| JP3014389B2 true JP3014389B2 (ja) | 2000-02-28 |
Family
ID=26456778
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11118953A Expired - Fee Related JP3014389B2 (ja) | 1998-04-28 | 1999-04-27 | 量子波干渉層を有した受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3014389B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6369042B2 (ja) * | 2013-11-05 | 2018-08-08 | 日本精工株式会社 | 光学式エンコーダユニット及び光学式エンコーダ |
-
1999
- 1999-04-27 JP JP11118953A patent/JP3014389B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１１，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，１９９０，ｐｐ．Ｌ１９７７−Ｌ１９８０ |
| 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏｌ．９１，Ｎｏ．１５（ＥＤ９１ １−７），１９９１，ｐｐ．１５−２１ |
| 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏｌ．９１，Ｎｏ．２（ＯＱＥ９１ １−１７），１９９１，ｐｐ．７３−７８ |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000022196A (ja) | 2000-01-21 |
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