JP3544160B2 - 量子波干渉層を有した受光素子 - Google Patents

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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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の偶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。
【０００８】
請求項３の発明は、第１層の厚さＤ_Ｗと第２層の厚さＤ_Ｂを次のように設定したことを特徴とする。
【数１】
Ｄ_Ｗ＝ｎ_Ｗλ_Ｗ／４＝ｎ_Ｗｈ／４［２ｍ_Ｗ（Ｅ＋Ｖ）］^１／２ …（１）
【数２】
Ｄ_Ｂ＝ｎ_Ｂλ_Ｂ／４＝ｎ_Ｂｈ／４（２ｍ_ＢＥ）^１／２ …（２）
但し、ｈはプランク定数、ｍ_Ｗは第１層を伝導するキャリアの有効質量、ｍ_Ｂ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、ｎ_Ｗ、ｎ_Ｂは偶数である。
【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Ｅ_ｋ、第１層におけるその各運動エネルギをＥ_ｋ＋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，λ_Ｗｋとする時、第２層、第１層をｎ_Ｂｋλ_Ｂｋ／４、ｎ_Ｗｋλ_Ｗｋ／４の厚さで、Ｔ_ｋ周期繰り返された部分量子波干渉層Ｉ_ｋが値Ｅ_ｋの数だけ繰り返し形成された層、但し、ｎ_Ｗｋ、ｎ_Ｂｋは偶数、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λ_Ｗ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Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４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Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３が形成されている。又、図２は、１つの量子波干渉層Ｑ_１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Ｂ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Ｂから第１層Ｗ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Ｗから第２層Ｂ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Ｗと第２層Ｂ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Ｋ_Ｂ，Ｋ_Ｗとする時、次式で求められる。
【数３】
Ｒ＝（｜Ｋ_Ｗ｜−｜Ｋ_Ｂ｜）／（｜Ｋ_Ｗ｜＋｜Ｋ_Ｂ｜）
＝｛［ｍ_Ｗ（Ｅ＋Ｖ）］^１／２−（ｍ_ＢＥ）^１／２｝／｛［ｍ_Ｗ（Ｅ＋Ｖ）］^１／２＋（ｍ_ＢＥ）^１／２｝
＝｛１−［ｍ_ＢＥ／ｍ_Ｗ（Ｅ＋Ｖ）］^１／２｝／｛１＋［ｍ_ＢＥ／ｍ_Ｗ（Ｅ＋Ｖ）］^１／２｝…（３）
又、ｍ_Ｂ＝ｍ_Ｗと仮定すれば、反射率は次式で表される。
【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。
【数５】
Ｒ＝（１−ｘ^１／２）／（１＋ｘ^１／２） …（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】
ｘ≦０．１の時Ｒ≧０．５２となり、そのためのＥ，Ｖの関係は
【数６】
Ｅ≦Ｖ／９ …（６）
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、（６）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、この量子波干渉層へ注入され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Ｄ_Ｂ／Ｄ_Ｗは次式で求められる。
【数７】
Ｄ_Ｂ／Ｄ_Ｗ＝［ｍ_Ｗ／（ｍ_Ｂｘ）］^１／２ …（７）
【００１６】
ところが、第１層Ｗと第２層Ｂの厚さがこれらの各層における量子波の波長の１／４の偶数倍、例えば、量子波長の１／２となると、量子波干渉層に定在波が立ち、共鳴的伝導が生じるものと思われる。即ち、定在波による量子波の周期と量子波干渉層のポテンシャル周期とが一致する結果、各層でのキャリアの散乱が抑制され、高移動度の伝導が実現すると考えられる。図１に示すように、ｐｉｎ構造のｉ層において、このような量子波干渉層Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４をキャリア閉込層Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３をそれぞれ間に介在させて設けた受光素子において、ｉ層に光が入射すると、キャリア閉込層Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３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。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透過条件が満たされていないときは、電子は移動しない。即ち、図１で左端の量子波干渉層Ｑ_１を透過した少数の電子はキャリア閉込層Ｃ_１において基底レベルに緩和され、次の量子波干渉層Ｑ_２を透過できない。
【００１７】
ところが、このキャリア閉込層Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３に閉じこめられた電子が多くなると、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透過条件を満たすようになる。この結果、電子は量子波干渉層Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４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高透過される状態ではないため、暗電流を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】
又、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ること、第１層Ｗ、第２層Ｂにおける正孔の有効質量が電子の有効質量と異なること等のため、電子に対して高透過性に設定された第１層Ｗと第２層Ｂの幅の設定値は正孔に対する高透過性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、電子に対して高透過性（高移動度）となり、正孔に対して高透過性（高移動度）にはならない。
【００２０】
又、逆に、価電子帯のバンド電位差、正孔の有効質量を用いて、第１層Ｗ、第２層Ｂの厚さを設計することで、量子波干渉層を正孔に対して高移動度とし、電子に対して通常の移動度とする層とする正孔透過層とすることも可能である。
【００２１】
以上の議論を、図４を用いて更に説明する。図４の（ａ）〜（ｈ）は、多重量子井戸構造のポテンシャルにおける電子の量子波の反射と、多重量子井戸の伝導帯を示すポテンシャルの周期との関係を示したものである。図４の（ａ）〜（ｄ）は、伝播する電子の量子波の波長の１／４の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重層を用いたときの関係を示し、図４の（ｅ）〜（ｈ）は、伝播する電子の量子波の波長の１／２の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重層を用いたときの関係を示している。図４の（ａ）〜（ｈ）では、各層の厚さを等しくしているが、これは視覚的な理解を助けるためのものである。いま、第２層Ｂの伝導帯の底付近にある電子が、図４の（ａ）及び（ｅ）上左から右に流れ、図４の（ｂ）或いは（ｆ）のように、第１層Ｗとの界面に到達するとする。
【００２２】
図４の（ａ）のように、伝播する電子の量子波の波長の１／４の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重量子井戸に、電子の量子波が第２層Ｂから第１層Ｗとの界面に到達すると、図４の（ｃ）のように、入射波ＱＷ１に対し、透過波ＱＷ２と、透過波ＱＷ２と同位相の反射波ＱＷ３が生じる。次に、図４の（ｄ）のように、透過波ＱＷ２が第１層Ｗから第２層Ｂとの界面に到達すると、透過波ＱＷ４と、透過波ＱＷ４と逆位相の反射波ＱＷ５が生じる。界面での透過波と反射波の位相のこれらの関係は、界面での伝導帯のポテンシャルが下がるか、上がるかの違いによるものである。また、やはり視覚的な理解を助けるため、ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ３、ＱＷ４、ＱＷ５はすべて同振幅で図示してある。
【００２３】
さて、図４の（ａ）のような、伝播する電子の量子波の波長の１／４の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重量子井戸においては、ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ４で構成される図上左から右へ伝播する電子の量子波と、２つの界面での反射による反射波ＱＷ３、ＱＷ５で構成される図上右から左へ伝播する電子の量子波は、互いに打ち消しあう関係にあることがわかる（図４の（ｄ））。ここから、図４の（ａ）のような、伝播する電子の量子波の波長の１／４の奇数倍厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重量子井戸においては、電子の量子波を打ち消す、即ち電子を伝播しない反射層として作用することが理解できる。
【００２４】
同様の議論で、図４の（ｅ）〜（ｈ）に示すように、伝播する電子の量子波の波長の１／４の偶数倍の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重量子井戸においては、電子の量子波を定在波とすることが理解できる。
【００２５】
即ち、図４の（ｅ）のような、伝播する電子の量子波の波長の１／２の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重量子井戸に電子の量子波が第２層Ｂから第１層Ｗとの界面に到達すると、図４の（ｇ）のように、入射波ＱＷ１に対し、透過波ＱＷ２と、透過波ＱＷ２と同位相の反射波ＱＷ３が生じる。次に図４の（ｈ）のように、透過波ＱＷ２が第１層Ｗから次の第２層Ｂとの界面に到達すると、透過波ＱＷ４と、透過波ＱＷ４と逆位相の反射波ＱＷ５が生じる。図４の（ｅ）のような、伝播する電子の量子波の波長の１／２の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重量子井戸においては、ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ４で構成される図上左から右へ伝播する電子の量子波と、第２の界面での反射による反射波ＱＷ５で構成される図上右から左へ伝播する電子の量子波は、互いに強めあう関係にあることがわかる（図４の（ｈ））。また逆に、反射波ＱＷ３とＱＷ５が打ち消しあい、ＱＷ１、ＱＷ２、ＱＷ４で構成される図４の（ｅ）上左から右へ伝播する電子の量子波が定在波となるとも理解できる。ここから、伝播する電子の量子波の波長の１／４の偶数倍の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重量子井戸においては、電子の量子波を定在波とする、即ち電子に対して高透過性（高移動度）となる透過層として作用することが理解できる。
【００２６】
全く同様の議論が、正孔と、正孔の量子波の波長の１／２の厚さの第２層Ｂと第１層Ｗとが周期的に形成された多重量子井戸構造についても明らかに成り立つ。
【００２７】
上記のキャリアの透過機能を有する量子波干渉層は、０Ｖから所定の（わずかな）バイアス電圧までキャリアを高透過せず、所定の（わずかな）バイアス電圧で高透過するので、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。
【００２８】
〔請求項４の発明〕
請求項４の発明は、図５に示すように、第１層Ｗと第１層Ｗよりもバンド幅の広い第２層Ｂ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Ｄ_Ｗｋ，Ｄ_Ｂｋで任意周期Ｔ_ｋだけ繰り返して部分量子波干渉層Ｉ_ｋとする。
但し、
【数８】
Ｄ_Ｗｋ＝ｎ_Ｗｋλ_Ｗｋ／４＝ｎ_Ｗｋｈ／４［２ｍ_Ｗｋ（Ｅ_ｋ＋Ｖ）］^１／２ …（８）
【数９】
Ｄ_Ｂｋ＝ｎ_Ｂｋλ_Ｂｋ／４＝ｎ_Ｂｋｈ／４（２ｍ_ＢｋＥ_ｋ）^１／２ …（９）
ここで、Ｅ_ｋ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、ｍ_Ｗｋは第１層における運動エネルギＥ_ｋ＋Ｖを有するキャリアの有効質量、ｍ_Ｂｋは第２層における運動エネルギＥ_ｋを有するキャリアの有効質量、ｎ_Ｗｋ、ｎ_Ｂｋは任意の偶数である。
このように形成された部分量子波干渉層Ｉ_ｋをＩ_１，…，Ｉ_ｊ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Ｅ_ｋ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高透過（高移動度）させることができる。
【００２９】
〔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λ_Ｗとしている。これにより、光励起されたキャリアの閉込（蓄積）を効果的に行うとともに、順方向電圧により、隣接する量子波干渉層とともにキャリアの高透過層（高移動度層）に変化し、量子波干渉効果を更に大きくすることができる。
【００３０】
〔請求項７〕
図６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。この効果としては、製造技術上の問題から生じる層間のバンドギャップを急峻にするためと考えられる。これを図７に示す。δ層を形成しないとき、図７（ａ）の如くバンドを形成しようとしても、積層時に第１層Ｗと第２層Ｂの成分が層間で一部混合し、急峻なバンドギャップが得られない（図７（ｂ））。しかし、図７（ｃ）の如く層間にδ層を形成するときは、成分が層間で一部混合したとしても、δ層を形成しないときに比較し、急峻なバンドギャップが得られるものと考えられる（図７（ｄ））。
【００３１】
このδ層は、図６（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６（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を有するバンドが形成されるように設けているが、図６（ｂ）に示すように、境界に第１層Ｗの底よりもさらに低い底を有するバンドを有するように形成しても良い。さらに、図６（ｃ）に示すように、境界に第２層Ｂよりも高いエネルギレベルを有し第１層Ｗよりも低いエネルギレベルを有する２つのδ層を形成しても良い。更に、前述の通り、図６（ｃ）で各層の両側の境界に設けられているδ層は、図６（ｄ）に示すように、片側の境界だけに設けても良い。
【００３２】
【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。
【００３３】
〔第１実施例〕
図８は量子波干渉層をｉ層に形成したｐｉｎ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０．３μｍ、電子濃度２×１０^１８／ｃｍ^３のバッファ層１２が形成され、その上にｎ−Ｇａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐから成る厚さ０．１３μｍ、電子濃度２×１０^１８／ｃｍ^３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１４の上には、ｎ−Ａｌ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐから成る厚さ０．４３μｍ、電子濃度１×１０^１８／ｃｍ^３のｎ層１６が形成されている。そのｎ層１６の上には、不純物無添加のｉ層１８が形成され、そのｉ層１８の上にはＡｌ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐから成る厚さ０．４３μｍ、正孔濃度１×１０^１８／ｃｍ^３のｐ層２０が形成されている。さらに、そのｐ層２０の上にｐ−Ｇａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐから成る厚さ０．１３μｍ、正孔濃度２×１０^１８／ｃｍ^３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２×１０^１８／ｃｍ^３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０．２μｍのＡｕ／Ｇｅから成る電極２６が形成され、第１ｐ形コンタクト層２６の上には厚さ０．２μｍのＡｕ／Ｚｎから成る電極２８が形成されている。
【００３４】
上記のｉ層１８の中に、不純物無添加のＧａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐから成る第１層Ｗと不純物無添加のＡｌ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐから成る第２層Ｂを１０周期多重化した量子波干渉層Ｑ_１、これと同様な構成の量子波干渉層Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４と全体で４組設けられている。１つの量子波干渉層Ｑ_１の詳細なバンド構造が図６の（ａ）に示されている。第１層Ｗの厚さは１０ｎｍ、第２層Ｂの厚さは１４ｎｍであり、第２層Ｂと第１層Ｗとの間には厚さ１．３ｎｍの不純物無添加のＡｌ_０．３３Ｇａ_０．３３Ｉｎ_０．３３Ｐから成るδ層が形成されている。又、各量子波干渉層Ｑ_ｉ，Ｑ_ｉ＋１間には厚さ２０ｎｍ、不純物無添加のＧａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐから成るキャリア閉込層Ｃ_ｉが形成されている。第２層Ｂと第１層Ｗの厚さの条件は、外部電圧が印加されていない状態で、上記した（１）、（２）式で決定されている。
【００３５】
尚、ｐ層２０又はｎ層１６に接合する第２層Ｂは１０ｎｍ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。
【００３６】
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（ＡｓＨ_３，ＰＨ_３）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。
【００３７】
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。キャリア閉込層Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３の存在により、キャリア閉込層Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３にキャリアが蓄積されていない場合には量子波干渉層Ｑ_１〜Ｑ_４において電子に対して透過条件が成立していない。
【００３８】
次に、キャリア閉込層Ｃ_１〜Ｃ_３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Ｃ_１〜Ｃ_３に電子が励起される。このキャリア閉込層Ｃ_１〜Ｃ_３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Ｃ_１に伝導し、キャリア閉込層Ｃ_１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Ｃ_ｉ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２０へと伝導すると考えられる。
【００３９】
尚、この光受光素子は、キャリア閉込層Ｃ_１〜Ｃ_３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Ｃ_１〜Ｃ_３に電子が励起されていない場合には、量子波干渉層Ｑ_１〜Ｑ_４は電子に対して透過条件が満たされていないが、キャリア閉込層Ｃ_１〜Ｃ_３に電子が励起された場合にのみ、電子の透過条件が満たされるようになり、量子波干渉層Ｑ_１〜Ｑ_４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。
【００４０】
この光受光素子のＶ−Ｉ特性を測定した。図９に示すように、光を照射した場合には、わずかな順方向電圧により、１０^−１０〜１０^−７Ａまで電流が立ち上がり、０．８Ｖの順方向電圧により、電流は１０^−５Ａまで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透過作用の影響が少なく、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、順方向電圧が１．２Ｖ以下の範囲で１００倍程度、１．５Ｖ付近でも１０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０．５Ｖと考えられるが、この０．５Ｖの電圧で、光電流は約１×１０^−５Ａとなっているのが分かる。
【００４１】
〔比較例〕
比較のため、上記と同様な受光素子のｉ層に形成した量子波干渉層を以下のように形成したものを作製した。即ち、ｉ層１８は、Ｇａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐから成る厚さ５ｎｍの第１層ＷとＡｌ_０．５１Ｉｎ_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１．３ｎｍの不純物無添加のＡｌ_０．３３Ｇａ_０．３３Ｉｎ_０．３３Ｐ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Ｑ_１と、これと同一構造の量子波干渉層Ｑ_２，…，Ｑ_４とを合わせて、全体で４組設けた。１つの量子波干渉層Ｑ_１の詳細なバンド構造は図６（ａ）に示すものと同様である。又、各量子波干渉層Ｑ_ｉ，Ｑ_ｉ＋１間には厚さ２０ｎｍ、不純物無添加のＧａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐから成るキャリア閉込層Ｃ_１〜Ｃ_３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、ｎ_Ｗ、ｎ_Ｂを１（奇数）として決定したものである。これは本発明者らが、本発明のキャリア透過層に対し、逆の働きを持つキャリア反射層と考えているものである。これはすでに図４（ａ）乃至（ｄ）を用いて説明したものに相当する。尚、ｎ層１６又はｐ層２０に接合する第２層Ｂは０．０５μｍとした。
【００４２】
この光受光素子のＶ−Ｉ特性を測定した。図１０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が、その値は１０^−７Ａと、図９に示す上記実施例の１０^−５Ａに比して小さい。また、図１０の比較例は、微電圧では電流は全く流れないが、図９に示す上記実施例ではわずかな順方向電圧で電流が生じている。
【００４３】
上記実施例とこの比較例とを検討すると、光電流と暗電流とでのＶ−Ｉ特性の差、本発明にかかる実施例と比較例とでのＶ−Ｉ特性の差が生ずるのは、単に多重量子井戸構造にしたがためではなく、多重量子井戸構造の各層の膜厚に大きく依存しているためと理解できる。このように、本発明によれば、キャリアを高速に移動させるキャリア透過層となる多重量子井戸構造の量子波干渉層を提供できることがわかった。
【００４４】
又、上記実施例では、Ｑ_１〜Ｑ_４の４つの量子波干渉層をキャリア閉込層Ｃ_１〜Ｃ_３を介在させて直列に接続したが、本発明はこれら量子波干渉層とキャリア閉込層の数には限定されない。少なくとも量子波干渉層Ｑ_１，キャリア閉込層Ｃ_１，量子波干渉層Ｑ_２の様に、１組形成されていれば良い。
【００４５】
上記の実施例の受光素子は、電子の波動的性質を用いたものである。よって電子／正孔透過層における電子／正孔の移動速度は波の伝搬速度となり、高速応答が実現できるとともに、使用帯域を拡大できる。上記実施例では、δ層を形成している。このδ層によりポテンシャル界面でのバンドギャップエネルギの変化を急峻とし、量子波干渉効果（高透過）を著しく向上させることができる。効果は低下するもののδ層がない多重量子井戸構造でも良い。又、上記実施例では、量子波干渉層をＧａ_０．５１Ｉｎ_０．４９ＰとＡｌ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐとの多重層で構成し、δ層をＡｌ_０．３３Ｇａ_０．３３Ｉｎ_０．３３Ｐで構成したが、多重層を構成する第１層及び第２層、並びにδ層は、４元系のＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ或いはＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｓ（０≦ｘ，ｙ，ｘ＋ｙ≦１の任意の値）で組成比を異にして形成しても良い。
【００４６】
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。具体的には下記のような組み合わせが望ましい。尚、バンド幅の広い層／バンド幅の狭い層／／基板を意味し、ｘ、ｙは明記していない場合は、それぞれ０＜ｘ，ｙ＜１の任意の値である。
＜１＞ Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＰ／Ｇａ_ｙＩｎ_１−ｙＰ／／ＧａＡｓ
＜２＞ Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／ＧａＡｓ／／ＧａＡｓ
＜３＞ Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ／ＩｎＰ／／ＩｎＰ
＜４＞ Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ／Ｇａ_ｙＩｎ_１−ｙＡｓ／／ＧａＡｓ
＜５＞ ＡｌＡｓ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／／ＧａＡｓ ０．８≦ｘ≦０．９
＜６＞ ＩｎＰ／Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ／／ＧａＡｓ
＜７＞ Ｓｉ／ＳｉＧｅ_ｘ／／任意 ０．１≦ｘ≦０．３
＜８＞ Ｓｉ／ＳｉＧｅ_ｘＣ_ｙ／／任意 ０．１≦ｘ≦０．３， ０＜ｙ≦０．１
＜９＞ Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｙ１Ｉｎ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ／Ａｌ_ｘ２Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ／／Ｓｉ，ＳｉＣ，ＧａＮ，サファイア
０≦ｘ_１，ｘ_２，ｙ_１，ｙ_２，ｘ_１＋ｙ_１，ｘ_２＋ｙ_２≦１
＜１０＞ Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｙ１Ｉｎ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ_ｘ２Ｐ_ｙ２Ａｓ_{１−ｘ２−ｙ２}／Ａｌ_ｘ３Ｇａ_ｙ３Ｉｎ_{１−ｘ３−ｙ３}Ｎ_ｘ４Ｐ_ｙ４Ａｓ_{１−ｘ４−ｙ４}／／任意
０≦ｘ_１，ｘ_３，ｙ_１，ｙ_３，ｘ_１＋ｙ_１，ｘ_３＋ｙ_３≦１， ０＜ｘ_２，ｘ_４＜１，０≦ｙ_２，ｙ_４，ｘ_２＋ｙ_２，ｘ_４＋ｙ_４≦１
【図面の簡単な説明】
【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。
【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】本発明の概念を説明するための説明図。
【図７】本発明の概念を説明するための説明図。
【図８】本発明の実施例に係る受光素子の構造を示した断面図。
【図９】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。
【図１０】比較例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。
【符号の説明】
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
Ｑ_１〜Ｑ_４…量子波干渉層
Ｂ…第２層
Ｗ…第１層
Ｃ，Ｃ_１〜Ｃ_３…キャリア閉込層

Claims (10)

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の偶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。
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。
3. 前記第１層における前記量子波の波長λ_Ｗはλ_Ｗ＝ｈ／［２ｍ_Ｗ（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λ_Ｂはλ_Ｂ＝ｈ／（２ｍ_ＢＥ）^１／２で決定され、前記第１層の厚さＤ_ＷはＤ_Ｗ＝ｎ_Ｗλ_Ｗ／４、前記第２層の厚さＤ_ＢはＤ_Ｂ＝ｎ_Ｂλ_Ｂ／４で決定される、但し、ｈはプランク定数、ｍ_Ｗは第１層におけるキャリアの有効質量、ｍ_Ｂ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、ｎ_Ｗ、ｎ_Ｂは偶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。
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Ｅ_ｋ、前記第１層におけるその各運動エネルギをＥ_ｋ＋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，λ_Ｗｋとする時、第２層、第１層をｎ_Ｂｋλ_Ｂｋ／４、ｎ_Ｗｋλ_Ｗｋ／４の厚さで、Ｔ_ｋ周期繰り返された部分量子波干渉層Ｉ_ｋが前記値Ｅ_ｋの数だけ繰り返し形成された層、但し、ｎ_Ｗｋ、ｎ_Ｂｋは偶数、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。
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。
6. 前記キャリア閉込層の厚さは、前記量子波の波長λ_Ｗ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。
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。
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。
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。
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。

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