JP3370929B2 - 光応答型高電子移動度トランジスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はマイクロ波やミリ
波などの超高周波帯の電波を扱うトランジスタに関し、
特に光に反応する特性をもたせたトランジスタに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】情報化社会を推進する技術として、高速
・大容量の通信技術がある。現在、有線の通信としては
光ファイバを用いた通信網が整備されており、広く利用
されている。一方、移動体に対する通信のためには、有
線通信は不向きであり、無線通信が必要である。無線通
信において、光ファイバの有線通信並の速度と容量を確
保する場合には、マイクロ波やミリ波などの超高速周波
帯を用いる必要がある。このように、有線では光ファイ
バが、無線ではマイクロ波やミリ波の通信がそれぞれ主
力である。

【０００３】ところで、実際に通信システムを構成する
場合には、有線と無線で別々の通信網を構成するのは好
ましくなく、有線と無線間のインターフェースを実現す
ることが重要である。このうち有線から無線へのインタ
ーフェースとしては、マイクロ波やミリ波の回路の中
に、光に応答する素子を設けて、光によりマイクロ波等
を変調する方法が考えられている。

【０００４】光に応答する素子の中で最も代表的な素子
は、いわゆるフォトダイオードであり、光センサとして
広く利用されている。しかしながら、マイクロ波を扱う
回路にそのまま応用すると、応答速度の面で限界があ
り、通信速度の高速化を図る上での障害となる。

【０００５】この問題を解決するために、光によって特
性の変動するトランジスタをマイクロ波回路に利用する
技術がある。例えば、ＩＥＥＥ Ｔransactions on Ｍ
icrowave Ｔheory and Ｔechniques, Ｖol. ＭＴＴ−
３５, Ｎｏ．１２，１９８７のＰ．１４４４−１４５５
（文献１）には、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの高電子移動
度トランジスタ（ＨＥＭＴ）や、ＧａＡｓのＭＥＳＦＥ
Ｔを光ファイバから照射される光で制御する技術が掲載
されている。

【０００６】ここで、半導体に光を照射した場合の吸収
特性について考える。一般に知られているように、光の
波長で決まるエネルギーと、半導体のバンドギャップと
の大小関係によりその半導体が光を吸収するか、あるい
は透過するかが決まる。すなわち、光の波長をλとした
場合、プランク定数をｈ、光の速度をｃ、半導体のバン
ドギャップエネルギーをＥｇとすると、 Ｅｇ＞ｈ〔ｃ／λ〕 ・・・（１） の関係にある場合には、光は半導体において吸収されず
に透過し、 Ｅｇ＜ｈ〔ｃ／λ〕 ・・・（２） の関係にある場合には、光は半導体によって吸収され
る。

【０００７】マイクロ波やミリ波のトランジスタで、一
般に用いられることの多い材質のバンドギャップをまと
めると、以下のようになる。

【０００８】

【表１】 また、光通信で用いられる半導体レーザでよく用いられ
ている、光の波長とエネルギーをまとめると以下のよう
になる。

【０００９】

【表２】 このうち、波長が６３５および８２０ｎｍの可視光領域
の光は、主として近距離の比較的低速の光通信に用いら
れており、波長が１３１０および１５５０ｎｍの赤外光
領域の光は、光ファイバの材料である石英の光伝搬損失
が極めて少なくなる波長帯であるため、長距離の大容量
通信に広く用いられている。

【００１０】ところで、先に説明した文献１では、用い
ているトランジスタの材質はＧａＡｓやＡｌＧａＡｓで
あり、バンドギャップと光の波長から考えると、波長が
６３５や８２０ｎｍの可視光の光しか吸収できず、波長
が１３１０や１５５０ｎｍの赤外光は吸収できず透過し
てしまう。従って、可視光をトランジスタに照射した場
合には確かに光により高周波特性を制御することができ
るが、赤外光を照射しても制御できず、高速な光通信と
のインターフェースには使えないことが分かる。実際、
文献１でも実験に用いた光の波長は８２０ｎｍであると
記述されている。

【００１１】以上のバンドギャップと光のエネルギーか
ら考えると、高速な光通信で用いられる、波長１３１０
や１５５０ｎｍの赤外光を吸収して、高周波特性を制御
可能なトランジスタを形成するにはＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａ
ｓやＩｎ_0.80Ｇａ_0.20Ａｓなどの材料を用いる必要があ
る。

【００１２】これらの材料を用いた、マイクロ波やミリ
波に利用できるトランジスタとしては、例えば特開平６
−１４０４３５号公報（文献２）に記載されているよう
なＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓのpseudomorphic ＨＥＭ
Ｔがある。この文献２に記載されている技術を用いて、
ミリ波領域で動作するトランジスタを構成すると、例え
ば図１０に示すようなトランジスタを作製することがで
きる。つまり、ＩｎＰ基板６１上に、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48
Ａｓバッファ層６２、Ｉｎ_0.8 Ｇａ_0.2 Ａｓチャネル層
６３、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓスペーサ層６４、Ｉｎ_0.52
Ａｌ_0.48Ａｓスペーサ層６５、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓプ
レーナドープ層６６、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓショットキ
ー層６７、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓキャップ層６８が順に
積層されている。さらに、表面の溝（リセス）６９内に
ゲート電極７０が配置されるとともに溝６９を挟むよう
にソースおよびドレイン電極７１，７２がキャップ層６
８の上に配置されている。

【００１３】図１０から分かるように、このトランジス
タ（ＨＥＭＴ）はチャネル層６３にＩｎ_0.8 Ｇａ_0.2 Ａ
ｓを、スペーサ層６４やキャップ層６８にＩｎ_0.53Ｇａ
_0.47Ａｓを用いており、これらの層のバンドギャップは
波長１３１０や１５５０ｎｍの赤外光のエネルギーより
も小さいため、これら赤外光を吸収することができる。
このため、高速な光通信で用いられる赤外光によってト
ランジスタの高周波特性を制御できる可能性がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述したト
ランジスタは、あくまでも通常のマイクロ波やミリ波で
用いることを前提にしたトランジスタであり、本来、光
を照射することを考慮して作製されたものではない。

【００１５】従って、光を照射して高周波特性を制御で
きる可能性はあるものの、光を効果的に吸収し、高周波
特性の変動に結び付ける効率が低いという課題がある。
より詳しくは、光通信からマイクロ波／ミリ波の無線通
信へのインターフェースでは、光ファイバを伝搬する光
の点滅信号を用いて、マイクロ波やミリ波に変調を加え
るわけであるが、長距離を伝搬してきた光は強度が弱い
ため、このインターフェース回路は光に対する感度を高
く保つ必要がある。

【００１６】従って、上記インターフェース回路実現の
ためには、何らかの方法でトランジスタにおける光に対
する感度を高くする工夫が必要となる。また、上記文献
１に記載の例では、トランジスタのマイクロ波帯の高周
波特性を測定する一般的な測定装置にセットした状態
で、トランジスタの上方から光ファイバの光を照射して
いるにすぎず、照射方法に適した設計がなされているわ
けではない。

【００１７】さらに、光ファイバの接続方法により、例
えばトランジスタの上方ではなく下方（裏面）から光を
入射させる方が、インターフェース回路の部品配置や、
光の伝導に有利な場合も考えられ、照射方法により最適
なトランジスタの設計を行うことも、光に対する感度向
上には必要な課題である。

【００１８】そこで、この発明の目的は、光の吸収効率
を高め、光による高周波特性制御の感度を高めることが
できる光応答型高電子移動度トランジスタを提供するこ
とにある。

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の光応答
型高電子移動度トランジスタは、裏面から光が照射され
る半導体基板を、バンドギャップが照射する光の波長に
よって決まるエネルギーよりも大きくし、半導体基板上
においてチャネル層に隣接して配置され、バンドギャッ
プが照射する光の波長によって決まるエネルギーよりも
小さい光吸収層を備え、前記各々の層を、前記半導体基
板から表面に向かって、電子供給層、チャネル層、光吸
収層の順で積層し、裏面から照射した光の少なくとも一
部が光吸収層に到達して当該光により電子とホールが生
成するようにしたことを特徴としている。つまり、半導
体基板のバンドギャップを照射する光のエネルギーより
も大きくして光が透過するように設計しトランジスタの
裏面から光を照射できるようにし、さらに光吸収層を配
置し、裏面から照射した光の少なくとも一部がこの光吸
収層に達するように構成する。また、光吸収層のバンド
ギャップは、照射する光のエネルギーよりも小さくし
て、確実に光を吸収できるように構成する。

【００２３】このような構成をとることにより、光の吸
収効率を高め、光による高周波特性制御の感度を高める
ことができることとなるという作用・効果に加え、図１
０に示す従来のトランジスタに比べ、光による高周波特
性制御の感度を高めるとともに、トランジスタの裏面か
ら光を照射することができるため、光通信からマイクロ
波／ミリ波通信へのインターフェースを作製する場合
に、素子を配置しやすくなる。

【００２４】

【００２５】

【００２６】また、請求項２に記載のように、請求項１
に記載の光応答型高電子移動度トランジスタにおいて、
半導体基板はＩｎＰ基板であり、前記電子供給層はＩｎ
ＡｌＡｓであり、前記チャネル層および光供給層はＩｎ
ＧａＡｓであるものとすると、従来から周波数の高いミ
リ波帯で特に優れた性能を持つＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａ
Ａｓ ＨＥＭＴの特性を活かして、光で制御できるトラ
ンジスタを作製することができる。

【００２７】請求項３に記載のように、請求項１に記載
の光応答型高電子移動度トランジスタにおいて、前記チ
ャネル層と前記光吸収層との間に、両方の層よりもバン
ドギャップが大きく、かつ、電子がトンネルによって通
過できる厚みのバリア層を挿入したものとする。つま
り、チャネル層と光吸収層との間にバンドギャップの大
きいバリア層を挿入し、このバリア層の膜厚を電子がト
ンネルによって通過できる厚みに設定する。この構成を
とることにより、光の照射によって光吸収層内に生成さ
れた電子とホールのうち、ホールがチャネル層に移動す
る現象を抑制することができる。その結果、ホールが電
子と再結合し、電子の量を減少させて高周波性能を悪化
させる現象や、あるいは電子に比べて移動度の低いホー
ルが信号の伝達に携わることによって、光に対する応答
速度が低下する現象等を防止することができる。

【００２８】請求項４に記載のように、請求項３に記載
の光応答型高電子移動度トランジスタにおいて、前記半
導体基板はＩｎＰ基板であり、前記電子供給層およびバ
リア層はＩｎＡｌＡｓであり、前記チャネル層および光
供給層はＩｎＧａＡｓであるものとすると、請求項２に
記載の発明と同様に、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＨＥ
ＭＴの優れた高周波特性を活かして、光で制御できるト
ランジスタを作製することができる。

【００２９】請求項５に記載のように、請求項１〜４の
いずれか１項に記載の光応答型高電子移動度トランジス
タにおいて、前記半導体基板上に受動回路と共に集積さ
れるモノリシックマイクロ波集積回路に用いたものとす
る。つまり、請求項１〜４に記載のトランジスタを用い
て、モノリシックマイクロ波集積回路を作製する。この
構成をとることにより、光通信からマイクロ波／ミリ波
の通信へのインターフェース回路をより小型に、簡便
に、低コストで作製することが可能となる。

【００３０】請求項６に記載のように、請求項５に記載
の光応答型高電子移動度トランジスタにおいて、前記モ
ノリシックマイクロ波集積回路における光応答型高電子
移動度トランジスタの形成部分のみに光を選択的に照射
したものとすると、集積回路上に位置するトランジスタ
以外の素子が光によって特性変動を受け、集積回路の光
による変調特性に悪影響を及ぼす現象を防止することが
できる。

【００３１】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、この
発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。

【００３２】図１には、本実施の形態における光応答型
ＨＥＭＴの断面模式図を示す。半導体基板としてのＩｎ
Ｐ基板１上に、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓバッファ層２、Ｉ
ｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ光吸収層３、Ｉｎ_0.8 Ｇａ_0.2 Ａｓ
チャネル層４、Ｉｎ_{0. 53}Ｇａ_0.47Ａｓスペーサ層５、Ｉ
ｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓスペーサ層６、電子供給層としての
Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓプレーナドープ層７、Ｉｎ_0.52Ａ
ｌ_0.48Ａｓショットキー層８、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓキ
ャップ層９が順に積層されている。Ｉｎ _0.52Ａｌ_0.48Ａ
ｓバッファ層２の厚さは１００ｎｍ、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47
Ａｓ光吸収層３の厚さは２０ｎｍ、Ｉｎ_0.8 Ｇａ_0.2 Ａ
ｓチャネル層４の厚さは１６ｎｍ、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａ
ｓスペーサ層５の厚さは４ｎｍ、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ
スペーサ層６の厚さは５ｎｍである。Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48
Ａｓプレーナドープ層７は、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓスペ
ーサ層６を形成した後にＳｉをシートキャリア濃度ｎ_s
＝８×１０¹²cm^-2だけドープすることにより形成したも
のである。また、Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓショットキー層
８の厚さは２０ｎｍ、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓキャップ層
９の厚さは２０ｎｍである。Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓキャ
ップ層９はＳｉがｎ_d ＝１×１０¹⁹cm^-3だけｎ型ドープ
されている。プレーナドープ層７およびキャップ層９以
外の層は全てノンドープとしている。

【００３３】ここで、チャネル層４の構成材料であるＩ
ｎ_0.8 Ｇａ_0.2 Ａｓと、プレーナドープ層７の構成材料
であるＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓとは、表１で示したよう
に、そのバンドギャップがＩｎ_0.8 Ｇａ_0.2 Ａｓ（チャ
ネル層４）の方が小さく、プレーナドープ層７より供給
された電子が走行することができるようになっている。

【００３４】また、図１のＩｎＰ基板１の表面からは光
（赤外光）Ｌ１，Ｌ２が、また、裏面からは光（赤外
光）Ｌ３が照射されるようになっている。ここで、基板
１の構成材料であるＩｎＰはそのバンドギャップが照射
する赤外光の波長によって決まるエネルギーよりも大き
くなっている。また、チャネル層４に隣接して配置され
る光吸収層３においては、その構成材料であるＩｎ_0.53
Ｇａ_0.47Ａｓのバンドギャップが照射する赤外光Ｌ１〜
Ｌ３の波長によって決まるエネルギーよりも小さく、赤
外光Ｌ１〜Ｌ３の少なくとも一部が到達した際にはこの
光により電子とホールが生成するようになっている。

【００３５】この積層体の上面には溝（リセス）１０が
形成され、この溝１０はその深さ方向においてＩｎ_0.53
Ｇａ_0.47Ａｓキャップ層９を貫通しＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａ
ｓショットキー層８に達している。つまり、溝１０の底
部にはＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓショットキー層８が露出し
ている。より詳しい溝１０の底部の位置は、ショットキ
ー層８の表面から５ｎｍ下である。この溝１０の底部に
はゲート電極１１が配置されている。

【００３６】また、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓキャップ層９
の上面においてゲート電極１１を挟むようにソース電極
１２とドレイン電極１３とが配置されている。次に、こ
のように構成した光応答型ＨＥＭＴの作用を説明する。

【００３７】トランジスタに、波長１３１０ｎｍや１５
５０ｎｍの赤外光Ｌ１〜Ｌ３を入射させた場合、バンド
ギャップと光のエネルギーの関係から、ＩｎＡｌＡｓで
構成された層２，６，７，８およびＩｎＰ基板１は光が
透過し、ＩｎＧａＡｓで構成された層３，４，５，９は
光が吸収される。

【００３８】より詳しくは、表面から赤外光Ｌ１が入射
すると、つまり、ゲート電極１１の近傍からトランジス
タに入射した場合には、光はまずＩｎＧａＡｓスペーサ
層５とチャネル層４で一部が吸収され、残りの光はＩｎ
ＧａＡｓ光吸収層３に達し、吸収される。また、表面か
ら赤外光Ｌ２が入射すると、つまり、ＩｎＧａＡｓキャ
ップ層９から入射した場合には、光は、一部がこのキャ
ップ層９で吸収された後、残りの光がスペーサ層５とチ
ャネル層４で一部が吸収され、その残りの光が光吸収層
３で吸収される。

【００３９】これとは別に、裏面から赤外光Ｌ３が入射
すると、光は、ＩｎＰ基板１およびＩｎＡｌＡｓバッフ
ァ層２に関しては光を透過し、ＩｎＧａＡｓ光吸収層３
によって吸収される。さらに、光吸収層３にて吸収され
なかった光は、ＩｎＧａＡｓチャネル層４およびＩｎＧ
ａＡｓスペーサ層５、さらにはＩｎＧａＡｓキャップ層
９によっても吸収することができる。

【００４０】ここで、裏面から光Ｌ３を入射させる本例
においては、基板１の裏面の加工状態を良好に保つべ
く、基板表面と同様に裏面に関しても鏡面研磨加工を施
し、光の乱反射を防止している。

【００４１】図１の構造体に対し、光が照射された場合
のトランジスタ特性の変動について、図５を用いてさら
に詳しく説明する。図５は、図１のゲート電極１１直下
のバンド構造を模式的に示したものである。照射する波
長が１３１０ｎｍや１５５０ｎｍの赤外光の場合、前述
したようにＩｎＧａＡｓで構成されたチャネル層４、ス
ペーサ層５、光吸収層３の各層によって光が吸収され、
他の層では透過する。

【００４２】ここで、光吸収層３で光が吸収された場合
を例にとると、光の吸収により電子とホールが生成され
る。生成された電子とホールは、それぞれポテンシャル
の低い部分に移動するため、この構造においては主とし
てチャネル層４内に移動することになる。その結果、元
々チャネル層４に蓄積されているキャリアの量を増加さ
せることになり、トランジスタ内部の電位分布を変動さ
せるとともに、チャネルのコンダクタンスにも影響を与
える。これらの現象は、トランジスタ外部から観察する
と、ゲート容量の変化や増幅率の変動等、高周波特性の
変動となって現れることになる。

【００４３】図５では、便宜上、光吸収層３で光が吸収
された場合のメカニズムについて説明したが、チャネル
層４やスペーサ層５で光が吸収された場合にも、同じ現
象が発生し、トランジスタの高周波特性が変動する。

【００４４】なお、光吸収層３の膜厚に関しては、膜厚
が厚いほど光の吸収効率が高くなることはいうまでもな
いが、あまり厚くすると、図１０に示した従来の構造の
トランジスタに比べてピンチオフ電圧が負側にずれた
り、相互コンダクタンスが低下して高周波利得の減少を
もたらしたりするデメリットが発生するため、このトラ
ンジスタを用いる回路の性能を満足する範囲でなるべく
厚く設定すればよい。

【００４５】このように、本実施の形態は、下記の特徴
を有する。 （イ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に、照射
した光を吸収できる光吸収層３を設け、ＨＥＭＴの表面
から照射した光Ｌ１，Ｌ２の少なくとも一部が、該光吸
収層３に達するように構成し、さらに、この光吸収層３
のバンドギャップを、照射する光のエネルギーよりも小
さくして、確実に光を吸収できるように構成した。よっ
て、光吸収層３に光が達すると、光吸収層３内では電子
とホールが生成され、生成された電子はトランジスタ内
部の電界によってチャネル層４内に移動し、チャネル層
４に蓄積される電子量を増加させる。その結果、トラン
ジスタの増幅率の変動や、ゲート電極１１に発生するキ
ャパシタンス容量の変動が発生し、高周波特性を変動さ
せることができる。

【００４６】従って、このような構成をとることによ
り、従来の光照射を考慮しないトランジスタに比べ、光
の吸収効率を高め、光による高周波特性制御の感度を高
めることができる。 （ロ）ＩｎＰ基板１のバンドギャップを照射する光のエ
ネルギーよりも大きくして光が透過するように設計しト
ランジスタの裏面から光Ｌ３を照射できるようにした。
さらに光吸収層３を配置し、裏面から照射した光Ｌ３の
少なくとも一部がこの光吸収層３に達するように構成し
た。また、光吸収層３のバンドギャップは、照射する光
のエネルギーよりも小さくして、確実に光を吸収できる
ように構成した。このような構成をとることにより、
（イ）の作用・効果に加え、従来のトランジスタに比
べ、光による高周波特性制御の感度を高めるとともに、
トランジスタの裏面から光を照射することができるた
め、光通信からマイクロ波／ミリ波通信へのインターフ
ェースを作製する場合に、素子を配置しやすくなる。 （ハ）ＩｎＰ基板１から表面に向かって、光吸収層３、
チャネル層４、プレーナドープ層（電子供給層）７の順
で積層した。この構成をとることにより、マイクロ波や
ミリ波回路で一般に用いられている従来構造のＨＥＭＴ
の膜構成と類似の構成でトランジスタを作製できるた
め、従来構造の高周波特性をほとんど損なうことなく、
光に対する制御感度のみを高くすることができる。 （ニ）半導体基板１をＩｎＰで、プレーナドープ層（電
子供給層）７をＩｎＡｌＡｓで、チャネル層４および光
吸収層３をＩｎＧａＡｓで、それぞれ構成した。この構
成をとることにより、従来から周波数の高いミリ波帯で
特に優れた性能を持つＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ Ｈ
ＥＭＴの特性を活かして、光で制御できるトランジスタ
を作製することができる。 （第２の実施の形態）次に、第２の実施の形態を、第１
の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００４７】図２には、本実施の形態における光応答型
ＨＥＭＴの断面模式図を示す。トランジスタの構成要素
と膜厚は図１に示した第１の実施形態と同じであり、膜
を積層する順番が異なっている。以下にはこの膜の積層
順のみ説明する。

【００４８】ＩｎＰ基板１上に、ＩｎＡｌＡｓバッファ
層２、ＩｎＡｌＡｓプレナードープ層７、ＩｎＡｌＡｓ
スペーサ層６、ＩｎＧａＡｓスペーサ層５、ＩｎＧａＡ
ｓチャネル層４、ＩｎＧａＡｓ光吸収層３、ＩｎＡｌＡ
ｓショットキー層８、ｎ−ＩｎＧａＡｓキャップ層９が
順に積層されている。ソース電極１２およびドレイン電
極１３はキャップ層９上に、ゲート電極１１はショット
キー層８を５ｎｍエッチングした表面上にそれぞれ配置
されている。

【００４９】このように、本実施形態は、図１の第１の
実施形態の構造をほぼ逆さに重ねた構造をとり、いわゆ
る逆ＨＥＭＴを構成したものである。従って、トランジ
スタの動作原理や光を入射した場合の高周波特性の変動
等も第１の実施形態とほぼ同じ原理で動作する。

【００５０】第２の実施形態が第１の実施形態に対して
有利な点は、プレーナドープ層７がゲート電極１１から
見て遠い側に位置するため、ゲートのリーク電流が少な
く、耐圧が増加する点、および、光をＬ１やＬ２のよう
に表面から入射させた場合に、光吸収層３が表面に近い
側に位置するため、吸収効率が高くなる点である。ま
た、不利な点は、逆ＨＥＭＴ構造をとることにより相互
コンダクタンスがやや低下する点、および裏面から光Ｌ
３を入射させた場合には、吸収効率が悪くなる点であ
る。従って、トランジスタを使う目的や、光の照射方法
などによって適宜、第１の実施形態と第２の実施形態の
構造を使い分ければよい。

【００５１】このように、本実施の形態は、下記の特徴
を有する。 （イ）ＩｎＰ基板１から表面に向かって、プレナードー
プ層（電子供給層）７、チャネル層４、光吸収層３の順
で積層した。この構成をとることにより、光に対する制
御感度を高くできることに加えて、いわゆる逆ＨＥＭＴ
といわれる構造を実現できるために、トランジスタの耐
圧を高くすることができる。 （第３の実施の形態）次に、第３の実施の形態を、第１
の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００５２】図３には、本実施の形態における光応答型
ＨＥＭＴの断面模式図を示す。トランジスタを構成する
膜の種類や膜厚、積層の順番、電極の形成方法などは図
１の第１の実施形態とほとんど同じであり、唯一ＩｎＧ
ａＡｓ光吸収層３とＩｎＧａＡｓチャネル層４との間
に、膜厚５ｎｍのＩｎＡｌＡｓバリア層２０が挿入され
ている点が異なる。このバリア層２０は、Ｉｎ_0.52Ａｌ
_0.48Ａｓよりなり、Ｉｎ_0.8 Ｇａ_0.2 Ａｓチャネル層４
とＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ光吸収層３の両方の層よりもバ
ンドギャップが大きく（表１参照）、かつ、電子がトン
ネルによって通過できる厚みとなっている。

【００５３】照射する光が赤外線の場合には、このＩｎ
ＡｌＡｓバリア層２０は光を透過するため、光吸収の面
ではなんら特性に影響することはなく、主として電子と
ホールの分布を制御し、トランジスタの高周波動作の妨
げとなるホールがチャネル層４に流入するのを防止する
効果がある。

【００５４】図５の第１の実施形態に関する説明で述べ
たように、半導体層で光が吸収された場合には電子とと
もに同数のホールも生成される。ここで、移動度の高い
電子は、トランジスタ（ＨＥＭＴ）の多数キャリアとし
て振る舞い、チャネル内を高速に移動して高周波信号を
伝達する役割を担う。これに対しホールは電子に比べて
移動度が低いため、チャネル内に多数存在するとチャネ
ル内のキャリアの平均的な移動速度を下げてしまう。さ
らに、チャネル層４以外、例えば光吸収層３内で発生し
たホールがチャネル層４に移動する速度も遅いため、光
を受けてから、高周波特性に影響を及ぼすまでの時間も
長くかかってしまう。また、一部のホールがチャネル内
で電子と再結合してキャリアの量を減少させてしまうと
いう問題も発生する可能性がある。以上の現象は、特に
光が強く、光吸収層３内で多数のホールが発生する場合
に顕著になる問題である。

【００５５】第３の実施形態のバリア層２０は、このよ
うな第１の実施形態で懸念される問題を解決する構造で
ある。この点を、図６を用いてさらに詳しく説明する。
この図６は図３に示した本例において、ゲート電極１１
直下のバンド構造を模式的に示したものである。

【００５６】バリア層２０の膜厚は、予め電子がトンネ
ルできる程度の膜厚に設定されている。従って、光を照
射することによって、光吸収層３内で発生した電子とホ
ールのうち電子はバリア層２０をトンネルしてチャネル
層４に到達する。一方、ホールは電子に比べて有効質量
が大きく、トンネル確率が低いため、バリア層２０をほ
とんど透過することができず、光吸収層３内にとどま
る。従って、光吸収層３内で発生したホールがチャネル
層４に達することはなく、上述したようなホールによる
悪影響を防止することができる。

【００５７】もちろん、チャネル層４やＩｎＧａＡｓス
ペーサ層５で光が吸収された場合には、ホールが発生す
るが、予め光吸収層３で十分光を吸収するように設計し
ていれば、全体のキャリア量から考えればホールの影響
を小さく保つことができる。

【００５８】以上のことから、この第３の実施形態は、
光吸収層３を厚めに設定するか、あるいは光の強度を強
く設定し、光吸収層３でのホールの発生量が多い場合、
特に、光を裏面から入射させることにより、入射した光
の大半を光吸収層３で吸収する場合に有効となる構造で
ある。

【００５９】このように、本実施の形態は、下記の特徴
を有する。 （イ）チャネル層４と光吸収層３との間にバンドギャッ
プの大きいバリア層２０を挿入し、このバリア層２０の
膜厚を電子がトンネルによって通過できる厚みに設定し
た。よって、光の照射によって光吸収層３内に生成され
た電子とホールのうち、ホールがチャネル層４に移動す
る現象を抑制することができる。その結果、ホールが電
子と再結合し、電子の量を減少させて高周波性能を悪化
させる現象や、あるいは電子に比べて移動度の低いホー
ルが信号の伝達に携わることによって、光に対する応答
速度が低下する現象等を防止することができる。 （ロ）半導体基板１をＩｎＰで、プレーナドープ層（電
子供給層）７およびバリア層２０をＩｎＡｌＡｓで、チ
ャネル層４および光吸収層３をＩｎＧａＡｓで、それぞ
れ構成した。この構成をとることにより、ＩｎＡｌＡｓ
／ＩｎＧａＡｓＨＥＭＴの優れた高周波特性を活かし
て、光で制御できるトランジスタを作製することができ
る。 （第４の実施の形態）次に、第４の実施の形態を、第３
の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００６０】図４には、本実施の形態における光応答型
ＨＥＭＴの断面模式図を示す。この第４の実施形態は、
図３で説明した第３の実施形態の膜の積層順を逆にし
て、逆ＨＥＭＴを構成した例に相当する。すなわち、第
１の実施形態の膜積層順を逆にして第２の実施形態を構
成したのと同様の効果を狙ったものであり、第４の実施
形態は、第３の実施形態の積層順を逆にしたもの、ある
いは第２の実施形態において光吸収層３とチャネル層４
との間にバリア層２０を挿入したものと考えることがで
きる。

【００６１】第４の実施形態における膜の構成要素は、
第３の実施形態と同じため、バリア層２０の効果も第３
の実施形態と同じく、光吸収層３で発生したホールが、
チャネル層４に達することによる悪影響を回避すること
ができる。

【００６２】また、第４の実施形態が第３の実施形態に
対して有利な点は、逆ＨＥＭＴ構造をとることによる耐
圧の向上と、表面から光Ｌ１，Ｌ２を当てた場合の光吸
収効率が優れる点であり、不利な点は、相互コンダクタ
ンスがやや低下する点と、裏面から光Ｌ３を当てた場合
の効果が少ない点である。やはり、このトランジスタを
使う用途に応じて、第３の実施形態と第４の実施形態と
を使い分ければよい。

【００６３】さらに、バリア層２０を入れた構造（第３
および第４の実施形態）とバリア層２０を入れない構造
（第１および第２の実施形態）との比較に関しては、上
述したように光吸収層３が厚い場合や光の強度が強い場
合など、光吸収層３でのホール発生量が多い場合に、バ
リア層２０を入れた構造が有効である。これに対し、バ
リア層２０を電子がトンネルするときの確率を完全に１
００％にはできない（すなわち一部の電子がチャネルに
達することができない）ことを考えると、光が弱く、光
吸収層３内であまり多数の電子およびホールが生成され
ない場合には、バリア層２０がない方がかえって電子の
寄与率が多くなり、光に対する高周波特性の制御感度が
高くなることも考えられる。 （第５の実施の形態）次に、第５の実施の形態を、第１
〜第４の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００６４】この第５の実施形態は、第１〜第４の実施
形態で説明したような、光による高周波の制御効率を改
善したトランジスタを用いて、電圧制御発振器（ＶＣ
Ｏ）のモノリシックマイクロ波ＩＣ（ＭＭＩＣ）を作製
した例である。この実施形態の回路図を図７に示す。

【００６５】図７に示すように、ＶＣＯは発振回路３０
にバッファアンプ４０を接続した構成をなし、発振回路
３０にはトランジスタ３１が、バッファアンプ４０には
トランジスタ４１が接続されている。また、周波数を制
御するための電圧は、抵抗３２を介してトランジスタ３
１に加わるようにしている。

【００６６】トランジスタ３１および４１には、光によ
って高周波特性が制御可能なトランジスタで、かつ光吸
収層を用いて光に対する制御効率を高めたトランジスタ
を用いており、例えば図１〜図４に示したような、第１
〜第４の実施形態のものを用いている。

【００６７】以下では、このうち、トランジスタとして
図１のトランジスタ、あるいは図３のトランジスタを用
いた場合の特性について説明する。図８は、図７で説明
したＶＣＯのＭＭＩＣにおいて、発振回路３０に内蔵さ
れたトランジスタ３１に、半導体基板の裏面より光Ｌ３
（図１，３参照）を照射した場合の、発振周波数の変動
量を測定した結果である。トランジスタとしては、図１
のトランジスタ、図３のトランジスタに加え、比較のた
めに図１０の従来のトランジスタについても測定を行っ
た。照射した光は、半導体レーザの光をシングルモード
の光ファイバを用いて半導体基板の裏面に導いたもので
あり、波長は１５５０ｎｍ、強度は２ｍＷ、ビームの径
は１０μｍ程度である。

【００６８】図８において、横軸はＶＣＯに加える制御
電圧、縦軸は発振周波数の変動量（光を当てない場合の
発振周波数−光を当てた場合の発振周波数）を示す。な
お、これらのＶＣＯの光を当てない場合の発振周波数は
おおよそ３８ＧＨｚである。

【００６９】図８から分かるように、図１０のトランジ
スタを用いた場合、光を当てた場合の周波数の変動量が
−２０〜−４０ＭＨｚ程度であるのに対し、図１，３の
トランジスタを用いた場合には、いずれのトランジスタ
でも周波数変動量が−１００〜−１８０ＭＨｚ程度と、
飛躍的に大きくなっており、図１，３のトランジスタを
用いることにより、光によるミリ波の変調効率を高くで
きることが分かる。

【００７０】なお、上記の実験では、発振回路３０のト
ランジスタ３１に光を照射することにより、光によって
ミリ波の周波数を制御する、即ち周波数変調を行う場合
について示したが、回路の構成や、光を照射する場所に
よっては他の変調方式を実現することも可能である。例
えば、図７の回路において、バッファアンプ４０のトラ
ンジスタ４１に光を照射した場合には、振幅変調や位相
変調を加えることができる。 （第６の実施の形態）次に、第６の実施の形態を、第１
〜第５の実施の形態との相違点を中心に説明する。図９
は、本実施形態における光／高周波信号処理装置を示す
図である。光／高周波信号処理装置は、光を照射するこ
とにより特性が変動する素子を有するモリノリシックマ
イクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）５０と、このＭＭＩＣ５
０の表面より光を照射するための光ファイバ（光照射部
材）５４を備えている。

【００７１】モリノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭ
ＩＣ）５０には、光によって特性が変動する素子として
のトランジスタ５１と、このトランジスタ５１の半導体
膜の構造と同様の材質を用いた抵抗５２，５３等が配置
されている。トランジスタ５１は図１〜図４に示した構
造となっている。このトランジスタ５１と受動回路構成
素子としての抵抗５２，５３がＩｎＰ基板１上に集積さ
れている。

【００７２】図９において、ＭＭＩＣ５０のトランジス
タ５１の上方には光ファイバ５４が配置され、光ファイ
バ５４の下端（開口部）がトランジスタ５１を向いてい
る。光ファイバ５４の先端には、球状に加工した先球レ
ンズ５５が取り付けられている。この先球レンズ５５に
より、光ファイバ５４から放出された光Ｌ１０はトラン
ジスタ５１のみに集光され（トランジスタ５１のみに光
が照射され）、他の素子（例えば、抵抗５２，５３）等
には照射されないようになっている。

【００７３】このように、第１〜第４の実施形態のトラ
ンジスタを用いて、アンプや位相器等の回路を備えたＭ
ＭＩＣを作製した場合でも、トランジスタ部分に光を照
射することにより、それぞれ振幅変調や位相変調を加え
ることが可能となる。

【００７４】なお、図９において、高周波用のコネクタ
５６によりＭＭＩＣ５０と外部とが接続されている。こ
のように本実施形態は、下記の特徴を有する。 （イ）図１〜図４のいずれかの構成のＨＥＭＴを用い
て、ＩｎＰ基板１上に受動回路と共に集積されるモノリ
シックマイクロ波集積回路を作製したので、光通信から
マイクロ波／ミリ波の通信へのインターフェース回路を
より小型に、簡便に、低コストで作製することが可能と
なる。 （ロ）モノリシックマイクロ波集積回路における光応答
型ＨＥＭＴの形成部分のみに光を選択的に照射したの
で、集積回路上に位置するトランジスタ５１以外の素子
５２，５３が光によって特性変動を受け、集積回路の光
による変調特性に悪影響を及ぼす現象を防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施の形態における光応答型ＨＥＭＴ
の断面図。

【図２】 第２の実施の形態における光応答型ＨＥＭＴ
の断面図。

【図３】 第３の実施の形態における光応答型ＨＥＭＴ
の断面図。

【図４】 第４の実施の形態における光応答型ＨＥＭＴ
の断面図。

【図５】 第１の実施の形態における光応答型ＨＥＭＴ
の動作原理説明図。

【図６】 第３の実施の形態における光応答型ＨＥＭＴ
の動作原理説明図。

【図７】 第５の実施の形態における光応答型ＨＥＭＴ
を備えたＶＣＯの回路構成図。

【図８】 第５の実施の形態における周波数変動量の測
定結果を示す図。

【図９】 第６の実施の形態における装置を示す図。

【図１０】 従来技術によるＨＥＭＴの断面図。

【符号の説明】

１…ＩｎＰ基板、２…Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓバッファ
層、３…Ｉｎ_0.53Ｇａ_{0. 47}Ａｓ光吸収層、４…Ｉｎ_0.8
Ｇａ_0.2 Ａｓチャネル層、５…Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓス
ペーサ層、６…Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓスペーサ層、７…
Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓプレーナドープ層、８…Ｉｎ_0.52
Ａｌ_0.48Ａｓショットキー層、９…Ｉｎ_{0. 53}Ｇａ_0.47Ａ
ｓキャップ層、２０…ＩｎＡｌＡｓバリア層、５０…モ
リノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）、５１…
トランジスタ、５２…抵抗、５３…抵抗

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−140435（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−114082（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−131056（ＪＰ，Ａ) ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＴＨＥＯ ＲＹ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ, 米国，Ｖｏｌ．ＭＴＴ−35，Ｎｏ．12, ｐ．1444−1455 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/338 H01L 27/095 H01L 29/778 H01L 29/812 H01L 31/10

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 裏面から光が照射され、バンドギャップ
   が照射する光の波長によって決まるエネルギーよりも大
   きい半導体基板と、 前記半導体基板上に形成され、不純物をドープした電子
   供給層と、 前記半導体基板上に形成され、前記電子供給層よりもバ
   ンドギャップが小さい材質で構成され、電子供給層より
   供給された電子が走行するチャネル層と、 前記半導体基板上において前記チャネル層に隣接して配
   置され、バンドギャップが照射する光の波長によって決
   まるエネルギーよりも小さい光吸収層と、 を備え、 前記各々の層を、前記半導体基板から表面に向かって、
   電子供給層、チャネル層、光吸収層の順で積層し、裏面 から照射した光の少なくとも一部が前記光吸収層に
   到達して当該光により電子とホールが生成するようにし
   たことを特徴とする光応答型高電子移動度トランジス
   タ。
2. 【請求項２】 前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、前
   記電子供給層はＩｎＡｌＡｓであり、前記チャネル層お
   よび光吸収層はＩｎＧａＡｓであることを特徴とする請
   求項１に記載の光応答型高電子移動度トランジスタ。
3. 【請求項３】 前記チャネル層と前記光吸収層との間
   に、両方の層よりもバンドギャップが大きく、かつ、電
   子がトンネルによって通過できる厚みのバリア層を挿入
   したことを特徴とする請求項１に記載の光応答型高電子
   移動度トランジスタ。
4. 【請求項４】 前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、前
   記電子供給層およびバリア層はＩｎＡｌＡｓであり、前
   記チャネル層および光供給層はＩｎＧａＡｓであること
   を特徴とする請求項３に記載の光応答型高電子移動度ト
   ランジスタ。
5. 【請求項５】 前記半導体基板上に受動回路と共に集積
   されるモノリシックマイクロ波集積回路に用いたことを
   特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光応答
   型高電子移動度トランジスタ。
6. 【請求項６】 前記モノリシックマイクロ波集積回路に
   おける光応答型高電子移動度トランジスタの形成部分の
   みに光を選択的に照射したことを特徴とする 請求項５に
   記載の光応答型高電子移動度トランジスタ。