JP4047978B2 - 光電子デバイスの電流−電圧特性及び発振を制御する方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電子デバイスであるＭＳＭ（Metal-Semiconductor-Metal）フォトコンダクタ（photoconductor）の光照射制御方法に関し、特に、ＭＳＭフォトコンダクタの電流−電圧特性の線形性を改善する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、FeドープInP、低温成長(Low Temperature((LT-))GaAs、LT-InGaAsなどの高抵抗半導体材料を用いたＭＳＭフォトコンダクタ素子が、その低容量性、および数百GHzと高速な応答特性を示す光伝導効果の特徴から超高速光半導体デバイスとして注目されている。
【０００３】
ＭＳＭフォトコンダクタ素子は、半導体基板とオーミック電極で構成される。ＭＳＭフォトコンダクタの素子特性は、素子を構成する材料に依存する。例えば、FeドープInP基板、GaAs基板、又はLT-GaAs薄膜を半絶縁性GaAs基板に成長させたLT-GaAs/S.I.GaAs基板などの高抵抗半導体に、禁制帯エネルギギャップＥｇ以上のエネルギを有する光（このときの光の波長λは、λ＜1.24／Ｅｇとなる）を照射した場合、数十ＭΩのオーダである消光時の抵抗（オフ抵抗Roff）が、光励起された光生成キャリアにより、数十Ω以下のオーダの抵抗（オン抵抗Ron）に劇的に変化する。この抵抗値の変化は、光伝導効果による。光伝導効果による導伝率の変化は、
となる。ここで、σphotoは、光照射状態の導伝率、σdarkは、消光状態の導伝率、Δσは、光照射によって変化した導伝率を示す。ｅは、素電荷量、μは、電子の移動度、ｎは、キャリア密度であり、Δｎは、光励起された光生成キャリア密度を示す。ｎに対して、Δｎが非常に大きいため、光励起されたキャリアにより導伝率が劇的に変化し、そのため、抵抗が劇的に変化する。
【０００４】
この光照射状態の電流−電圧特性を測定すると、その電流−電圧特性は、
Ｉphoto＝ｋ・Ｖα・Ｐoptβ ・・・（２）
となることが分かっている。ここで、Ｉphotoは光電流、Ｖは印加電圧、Ｐoptは入射光の強さである。また、ｋは定数で、αは電圧指数で、βは光パワー指数である。ここで、光パワー指数βは、光が弱い範囲でほぼ１であり、光が強くなると１／２を示すことが分かっている。しかし、Ｉ∝Ｖαの見解については学会等でも空間電荷の影響であるとの報告はあるが、未だ結論は出ていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
高抵抗半導体材料であるGaAs、InP、LT-GaAs等のＭＳＭフォトコンダクタの電流−電圧特性は、光照射時は非線形性を示し、消光時は線形性を示すことが分かっている。ＭＳＭフォトコンダクタをサンプリング素子や超高速光電子デバイスに応用するためには、基本的特性である電流−電圧特性の解明と非線形性の改善が極めて重要である。
【０００６】
しかし、これらの特性についての原因は現在解明されていない。そこで、本発明は、高抵抗半導体材料であるGaAs、InP、LT-GaAs等のＭＳＭフォトコンダクタの光照射、光消光時の電流−電圧特性の電気伝導機構を明らかにし、光照射時の非線形性を改善して、光電子デバイスの制御をすることを、解決すべき課題とする。
【０００７】
そこで本発明は、上記の課題を解決することのできる、光電子デバイスの電流−電圧特性の線形性を改善する方法を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態は、ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）フォトコンダクタ素子の電流−電圧特性を変化させる方法であって、価電子帯から下部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する第１の光と、価電子帯から上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する第２の光とを、ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して選択的に照射して、ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性を変化させる方法を提供する。
【０００９】
本発明の第２の形態は、ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）フォトコンダクタ素子を有する回路と、価電子帯から下部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する第１の光と、価電子帯から上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する第２の光とを、ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して選択的に照射して、ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性を変化させる制御部とを備える装置を提供する。
【００１０】
本発明の第３の形態は、ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）フォトコンダクタ素子の電流−電圧特性からバルク負性抵抗効果を除去する方法であって、価電子帯から、下部伝導帯よりも高いエネルギ順位に存在する上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する光を、ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して照射して、ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性からバルク負性抵抗効果を除去する方法を提供する。
【００１１】
本発明の第４の形態は、ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）フォトコンダクタ素子を有する回路と、価電子帯から、下部伝導帯よりも高いエネルギ順位に存在する上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する光を、ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して照射して、ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性からバルク負性抵抗効果を除去する制御部とを備える装置を提供する。
【００１３】
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態はクレームにかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１５】
図１は、LT-GaAs薄膜をGaAs基板に低温成長させたLT-GaAs/S.I.GaAs基板を用いたＭＳＭフォトコンダクタ素子を示す図である。本発明の実施の形態において、このLT-GaAs/S.I.GaAs基板を用いたＭＳＭフォトコンダクタに光を照射した場合の電流−電圧特性について説明するが、別の半導体材料、例えば、InP、LT-InGaAsを用いたＭＳＭフォトコンダクタについても、以下の説明が当てはまる。まず、本発明の実施の形態について説明する前に、ｎ型GaAsの電流−電圧特性に、バルク負性抵抗が生じる理由について説明する。
【００１６】
図２は、バルク負性抵抗効果を説明するための、二谷構造半導体（ここでは、GaAs）における電界条件と電子分布の関係を示した図である。横軸は電子の運動量の波数ベクトルｐを表し、縦軸は電子のエネルギ準位を表す。
【００１７】
ｐ＝（０００）に下部主伝導帯が示され、ｐ＝（１００）に上部付随伝導帯が示される。GaAsは、６つの付随伝導帯を有するが、図２においては、説明を簡単にするため、そのうちの１つの付随伝導帯のみが示されている。上部伝導帯の電子の有効質量は下部伝導帯の有効質量より大きいので、上部伝導帯の電子の移動度は、下部伝導帯の電子の移動度よりも小さくなる。
【００１８】
熱平衡状態では、電子はこの伝導帯のエネルギ準位を低い方から順に占めて２つの伝導帯に分配されている。従って、下部伝導帯と上部伝導帯の間のエネルギ差がｋＴ（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）に比べて大きくない弱い電界下では、下部の伝導帯の電子だけが伝導に寄与している。しかし、GaAsに強い電界をかけていくと、電子の平均エネルギが大きくなるので、十分に強い電界では下部伝導帯に属していた電子は高いエネルギをもつようになり、上部のエネルギ的に高い伝導帯へ遷移して、移動度が減少する。電界が大きくなるとともに、小さい移動度をもつ電子の数が多くなるために、導伝率σが低下するので、負性抵抗が生じるようになる。
【００１９】
図３は、GaAsの電流−電界特性を示す。図示されるように、この電流−電界特性は、バルク負性抵抗を有する。GaAs、InP、InGaAs、CdTe、ZnSe等の半導体材料は、閃亜鉛鉱型半導体と呼ばれ、それらのバンド構造は図２に示した構造と同様である。従って、GaAsのみならず、他の閃亜鉛鉱型半導体である半導体材料も、図３に示されるバルク負性抵抗効果を示し、その電流−電圧特性は非線形性を示す。移動度μが電界に依存することにより生じる負性抵抗は、現在、マイクロ波発振に利用されている。以下に、LT-GaAs/S.I.GaAs基板を用いたＭＳＭフォトコンダクタの電流−電圧特性について説明する。
【００２０】
図４は、消光状態（オフ抵抗Ｒoff）における電流−電圧特性のグラフを示す。縦軸は暗電流を表し、横軸は電圧を表す。GaAsのような半導体材料には、Ｉ∝Ｖαなる関係があてはまり、図中には、暗電流と電圧の特性を示す近似曲線１０が示されている。Ｉ∝Ｖαなる関係より求めた電流−電圧特性曲線１０の電圧指数αは0.97であり、ほぼ１に等しい。
【００２１】
図５は、異なる波長を有する光を照射した状態（オン抵抗Ｒon）における電流−電圧特性のグラフを示す。特に、GaAsの吸収端λ＝870nmより少し高エネルギ側にある光源波長λ＝827nmの光照射状態の電流−電圧特性と、光源波長をλ＝674nmとした時の光照射状態の電流−電圧特性が示されている。
【００２２】
まず、GaAsの吸収端より少し高エネルギ側にある波長を有する光を照射した状態の電流−電圧特性について説明する。黒塗りの四角形でプロットされた点から分かるように、この電流−電圧特性は非線形性を示す。この四角形のプロット点から式（２）における電圧指数αを求めると、電圧指数αは0.68となる。
【００２３】
このとき、光電流は、式（２）から、
Ｉphoto＝0.5822Ｖ0.6818 （λ＝827nm）
となる。式（２）により導き出される光電流と電圧の関係式が、電流−電圧特性曲線２０として図中に示されている。電圧指数αの値は、線形性を示す１の値から大きくずれており、Ｉ∝Ｖαの関係に従い、この電流−電圧特性は、非線形性を示すことがわかる。
【００２４】
次に、GaAsの吸収端よりも、所定のエネルギ分だけ高い光を照射した状態の電流−電圧特性について説明する。黒塗りの菱形でプロットされた点から分かるように、この電流−電圧特性はほぼ線形性を示す。この菱形のプロット点から式（２）における電圧指数αを求めると、電圧指数は0.87となる。
【００２５】
この場合、光電流は、式（２）から、
Ｉphoto＝0.4315Ｖ0.866 （λ＝674nm）
となる。式（２）により導き出される光電流と電圧の関係式が、電流−電圧特性曲線３０として図中に示されている。
【００２６】
電流−電圧特性曲線２０と３０を比較すると、光源波長λ＝827nm（曲線２０）よりも、光源波長λ＝674nm（曲線３０）のときの方が、電流−電圧特性の線形性が優れていることが分かる。すなわち、光源波長を827nmから674nmに変えることによって、電圧指数αが、0.68から0.87に改善され、その結果、電流−電圧特性の線形性が改善されたことが分かる。
【００２７】
図４及び５に表された実験結果が生じた理由の解析を行う。上記各条件での電圧指数αは以下の通りである。
Ａ 消光状態 α＝0.97
Ｂ 照射状態 α＝0.68 （λ＝827nm、すなわち、1.50ｅＶ）
Ｃ 照射状態 α＝0.87 （λ＝674nm、すなわち、1.84ｅＶ）
【００２８】
ここで、λ＝1.24／Ｅｇである。図２に示された二谷伝導帯モデルの、GaAsにおける主伝導帯（下部(L)伝導帯）と付随伝導帯（上部(U)伝導帯）のエネルギギャップを以下に示す。
Ｅｇ(L)＝1.42ｅＶ ・・・ 下部伝導帯
Ｅｇ(U)＝1.78ｅＶ ・・・ 上部伝導帯
下部伝導帯と上部伝導帯のエネルギ差をΔＥとすると、
Ｅｇ(U)＝Ｅｇ(L)＋ΔＥ
となる。ここで、ΔＥ＝0.36ｅＶである。なお、ここでは、LT-GaAsを理想なGaAsとして定義し、説明の便宜上、下部伝導帯と上部伝導帯の2つの伝導帯のみを考える。
【００２９】
条件Ａについて
条件Ａにおいては、図４に示されたとおり、電圧指数αがほぼ１になり、電流−電圧特性が線形性を示す。8.3×104Ｖ／ｍ（＠0.5Ｖ）以上の高電界にも関わらず、電流−電圧特性の線形性が維持されているのは、電流が電波として放射されずに半導体バルク中を導伝しているからである。ドーピングが無い高抵抗な半絶縁性のLT-GaAsでは、電気伝導に寄与するための伝導キャリアが、下部伝導帯にあまり存在していない。従って、伝導キャリアは、上部伝導帯に電界励起することなく下部伝導帯にとどまるので、電流−電圧特性が線形性を示す。
【００３０】
条件Ｂについて
条件Ｂにおいては、エネルギギャップＥｇ(L)と、波長λ＝827nmの光により、価電子帯から伝導帯に光励起された光生成キャリアにより電気伝導に寄与する伝導キャリアの大部分が、下部伝導帯に存在するため、電界によるドリフト電流が支配的に起こる。低電界では大部分の電子が下部伝導帯に存在するが、電界が少し高くなると、下部伝導帯における電子の一部は電界からエネルギを得て、上部伝導帯に励起する。更に電界を十分に高くすると、大部分の電子が上部伝導帯に遷移する。前述したとおり、上部伝導帯の電子の移動度は、下部伝導帯の電子の移動度よりも小さいので、電界を高くしていくと、導伝率σが小さくなり、電流−電圧特性が、非線形性を示すようになる。高抵抗LT-GaAsに827nm(1.5eV)の光エネルギを与えて光キャリアを生成することは、低抵抗ｎ型GaAsにドーパントをドーピングすることによって電気伝導を制御することに近似すると考えることができる。
【００３１】
条件Ｃについて
条件Ｃにおいては、エネルギギャップＥｇ(U)(1.78eV)と、波長λ=674nm(1.84eV)の光により、価電子帯から下部伝導帯を飛び越して直接上部伝導帯の伝導帯に光励起された光生成キャリアが発生する。ほとんどの電子が下部伝導帯よりエネルギ的に上位にある上部伝導帯に遷移するので、条件Ｂにおいて電界エネルギにより下部伝導帯から上部伝導帯に電子が遷移するといった現象が生じず、バルク負性抵抗効果が減少し、電流−電圧特性の非線形性が改善される。このことは、半導体材料のエネルギバンド構造に適した光源波長を選択すれば、電流−電圧特性の線形性が良好になることを示している。
【００３２】
以上の解析に基づいて、本発明の第１の実施例は、バルク負性抵抗効果を示す半導体材料で構成したＭＳＭフォトコンダクタ素子の電気伝導を制御する方法を提供する。この実施例においては、ＭＳＭフォトコンダクタ素子に、価電子帯から下部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する光と、価電子帯から上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する光とを選択的に照射する。これらの光を選択的に照射することによって、ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性を選択的に変えることが可能となる。電流−電圧特性が非線形性であってよいときには、価電子帯から下部伝導帯までのエネルギギャップよりも少し大きいエネルギを有する光をＭＳＭフォトコンダクタ素子に照射する。一方、電流−電圧特性の非線形性を改善したいときには、価電子帯から上部伝導帯までのエネルギギャップよりも少し大きいエネルギを有する光をＭＳＭフォトコンダクタ素子に照射する。
【００３３】
本発明の第２の実施例においては、バルク負性抵抗効果によりガン発振しているＭＳＭフォトコンダクタ素子の発振を制御する方法を提供する。低抵抗のバルク負性抵抗半導体材料に対して、そのエネルギバンド構造に適した光源波長を選択すると、電流−電圧特性におけるバルク負性抵抗を除去することができる。例えば、バルク負性抵抗効果を示す半導体にガン発振閾値電圧を印加し、ガン発振している半導体に上部伝導帯の光子エネルギを光照射すれば、下部伝導帯、上部伝導帯間で行われているバルク負性抵抗効果が除去される。このとき、電気伝導は、上部伝導帯のみで行われ、ガン発振は停止する。すなわち、ガン発振中の半導体デバイスに所定の波長を示す光を照射又は消光することにより、ガン発振のオフ／オンの切り替えを行うことができる。
【００３４】
また、本発明の第３の実施例においては、ＭＳＭフォトコンダクタ素子のガン発振を制御する光源を備えたガン発振制御装置を提供する。この光源は、ガン発振中の半導体デバイスに、価電子帯から上部伝導帯までのエネルギギャップ以上の光子エネルギを光照射することができる。この光源が、上部伝導帯までのエネルギギャップに基づいて定められる波長の光を照射又は消光することにより、ガン発振のオフ／オンの切り替えを行うことが可能となる。
【００３５】
以上のように、バルク負性抵抗効果を示す半導体材料を用いて構成されたＭＳＭフォトコンダクタの電流−電圧特性の線形性を改善するためには、半導体材料のエネルギバンド構造を把握し、そのエネルギバンド構造に基づいて定められた波長を有する光によって、電子を適切な伝導帯に遷移させればよい。また、バルク負性抵抗効果によるガン発振を選択的に停止させるためには、所定の波長の光によって電子を適切な伝導帯に遷移させればよい。
【００３６】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることができることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、光伝導効果によるＭＳＭフォトコンダクタの所定の波長を示す光を照射することにより、光照射時の電流−電圧特性の線形性を改善する、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＳＭフォトコンダクタ素子の一例である。
【図２】二谷構造半導体における電界条件と電子分布の関係を示した図である。
【図３】 GaAsの電流−電界特性を示す。
【図４】消光状態における電流−電圧特性のグラフを示す。
【図５】異なる波長を光を照射した状態における電流−電圧特性のグラフを示す。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電子デバイスであるＭＳＭ（Metal-Semiconductor-Metal）フォトコンダクタ（photoconductor）の光照射制御方法に関し、特に、ＭＳＭフォトコンダクタの電流−電圧特性の線形性を改善する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、FeドープInP、低温成長(Low Temperature((LT-))GaAs、LT-InGaAsなどの高抵抗半導体材料を用いたＭＳＭフォトコンダクタ素子が、その低容量性、および数百GHzと高速な応答特性を示す光伝導効果の特徴から超高速光半導体デバイスとして注目されている。
【０００３】
ＭＳＭフォトコンダクタ素子は、半導体基板とオーミック電極で構成される。ＭＳＭフォトコンダクタの素子特性は、素子を構成する材料に依存する。例えば、FeドープInP基板、GaAs基板、又はLT-GaAs薄膜を半絶縁性GaAs基板に成長させたLT-GaAs/S.I.GaAs基板などの高抵抗半導体に、禁制帯エネルギギャップＥｇ以上のエネルギを有する光（このときの光の波長λは、λ＜1.24／Ｅｇとなる）を照射した場合、数十ＭΩのオーダである消光時の抵抗（オフ抵抗Roff）が、光励起された光生成キャリアにより、数十Ω以下のオーダの抵抗（オン抵抗Ron）に劇的に変化する。この抵抗値の変化は、光伝導効果による。光伝導効果による導伝率の変化は、
【０００４】
この光照射状態の電流−電圧特性を測定すると、その電流−電圧特性は、
Ｉphoto＝ｋ・Ｖα・Ｐoptβ ・・・（２）
となることが分かっている。ここで、Ｉphotoは光電流、Ｖは印加電圧、Ｐoptは入射光の強さである。また、ｋは定数で、αは電圧指数で、βは光パワー指数である。ここで、光パワー指数βは、光が弱い範囲でほぼ１であり、光が強くなると１／２を示すことが分かっている。しかし、Ｉ∝Ｖαの見解については学会等でも空間電荷の影響であるとの報告はあるが、未だ結論は出ていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
高抵抗半導体材料であるGaAs、InP、LT-GaAs等のＭＳＭフォトコンダクタの電流−電圧特性は、光照射時は非線形性を示し、消光時は線形性を示すことが分かっている。ＭＳＭフォトコンダクタをサンプリング素子や超高速光電子デバイスに応用するためには、基本的特性である電流−電圧特性の解明と非線形性の改善が極めて重要である。
【０００６】
しかし、これらの特性についての原因は現在解明されていない。そこで、本発明は、高抵抗半導体材料であるGaAs、InP、LT-GaAs等のＭＳＭフォトコンダクタの光照射、光消光時の電流−電圧特性の電気伝導機構を明らかにし、光照射時の非線形性を改善して、光電子デバイスの制御をすることを、解決すべき課題とする。
【０００７】
そこで本発明は、上記の課題を解決することのできる、光電子デバイスの電流−電圧特性の線形性を改善する方法を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態は、ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）フォトコンダクタ素子の電流−電圧特性を変化させる方法であって、価電子帯から下部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する第１の光と、価電子帯から上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する第２の光とを、ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して選択的に照射して、ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性を変化させる方法を提供する。
【０００９】
本発明の第２の形態は、ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）フォトコンダクタ素子を有する回路と、価電子帯から下部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する第１の光と、価電子帯から上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する第２の光とを、ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して選択的に照射して、ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性を変化させる制御部とを備える装置を提供する。
【００１０】
本発明の第３の形態は、ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）フォトコンダクタ素子の電流−電圧特性からバルク負性抵抗効果を除去する方法であって、価電子帯から、下部伝導帯よりも高いエネルギ順位に存在する上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する光を、ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して照射して、ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性からバルク負性抵抗効果を除去する方法を提供する。
【００１１】
本発明の第４の形態は、ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）フォトコンダクタ素子を有する回路と、価電子帯から、下部伝導帯よりも高いエネルギ順位に存在する上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する光を、ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して照射して、ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性からバルク負性抵抗効果を除去する制御部とを備える装置を提供する。
【００１３】
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態はクレームにかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１５】
図１は、LT-GaAs薄膜をGaAs基板に低温成長させたLT-GaAs/S.I.GaAs基板を用いたＭＳＭフォトコンダクタ素子を示す図である。本発明の実施の形態において、このLT-GaAs/S.I.GaAs基板を用いたＭＳＭフォトコンダクタに光を照射した場合の電流−電圧特性について説明するが、別の半導体材料、例えば、InP、LT-InGaAsを用いたＭＳＭフォトコンダクタについても、以下の説明が当てはまる。まず、本発明の実施の形態について説明する前に、ｎ型GaAsの電流−電圧特性に、バルク負性抵抗が生じる理由について説明する。
【００１６】
図２は、バルク負性抵抗効果を説明するための、二谷構造半導体（ここでは、GaAs）における電界条件と電子分布の関係を示した図である。横軸は電子の運動量の波数ベクトルｐを表し、縦軸は電子のエネルギ準位を表す。
【００１７】
ｐ＝（０００）に下部主伝導帯が示され、ｐ＝（１００）に上部付随伝導帯が示される。GaAsは、６つの付随伝導帯を有するが、図２においては、説明を簡単にするため、そのうちの１つの付随伝導帯のみが示されている。上部伝導帯の電子の有効質量は下部伝導帯の有効質量より大きいので、上部伝導帯の電子の移動度は、下部伝導帯の電子の移動度よりも小さくなる。
【００１８】
熱平衡状態では、電子はこの伝導帯のエネルギ準位を低い方から順に占めて２つの伝導帯に分配されている。従って、下部伝導帯と上部伝導帯の間のエネルギ差がｋＴ（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）に比べて大きくない弱い電界下では、下部の伝導帯の電子だけが伝導に寄与している。しかし、GaAsに強い電界をかけていくと、電子の平均エネルギが大きくなるので、十分に強い電界では下部伝導帯に属していた電子は高いエネルギをもつようになり、上部のエネルギ的に高い伝導帯へ遷移して、移動度が減少する。電界が大きくなるとともに、小さい移動度をもつ電子の数が多くなるために、導伝率σが低下するので、負性抵抗が生じるようになる。
【００１９】
図３は、GaAsの電流−電界特性を示す。図示されるように、この電流−電界特性は、バルク負性抵抗を有する。GaAs、InP、InGaAs、CdTe、ZnSe等の半導体材料は、閃亜鉛鉱型半導体と呼ばれ、それらのバンド構造は図２に示した構造と同様である。従って、GaAsのみならず、他の閃亜鉛鉱型半導体である半導体材料も、図３に示されるバルク負性抵抗効果を示し、その電流−電圧特性は非線形性を示す。移動度μが電界に依存することにより生じる負性抵抗は、現在、マイクロ波発振に利用されている。以下に、LT-GaAs/S.I.GaAs基板を用いたＭＳＭフォトコンダクタの電流−電圧特性について説明する。
【００２０】
図４は、消光状態（オフ抵抗Ｒoff）における電流−電圧特性のグラフを示す。縦軸は暗電流を表し、横軸は電圧を表す。GaAsのような半導体材料には、Ｉ∝Ｖαなる関係があてはまり、図中には、暗電流と電圧の特性を示す近似曲線１０が示されている。Ｉ∝Ｖαなる関係より求めた電流−電圧特性曲線１０の電圧指数αは0.97であり、ほぼ１に等しい。
【００２１】
図５は、異なる波長を有する光を照射した状態（オン抵抗Ｒon）における電流−電圧特性のグラフを示す。特に、GaAsの吸収端λ＝870nmより少し高エネルギ側にある光源波長λ＝827nmの光照射状態の電流−電圧特性と、光源波長をλ＝674nmとした時の光照射状態の電流−電圧特性が示されている。
【００２２】
まず、GaAsの吸収端より少し高エネルギ側にある波長を有する光を照射した状態の電流−電圧特性について説明する。黒塗りの四角形でプロットされた点から分かるように、この電流−電圧特性は非線形性を示す。この四角形のプロット点から式（２）における電圧指数αを求めると、電圧指数αは0.68となる。
【００２３】
このとき、光電流は、式（２）から、
Ｉphoto＝0.5822Ｖ0.6818 （λ＝827nm）
となる。式（２）により導き出される光電流と電圧の関係式が、電流−電圧特性曲線２０として図中に示されている。電圧指数αの値は、線形性を示す１の値から大きくずれており、Ｉ∝Ｖαの関係に従い、この電流−電圧特性は、非線形性を示すことがわかる。
【００２４】
次に、GaAsの吸収端よりも、所定のエネルギ分だけ高い光を照射した状態の電流−電圧特性について説明する。黒塗りの菱形でプロットされた点から分かるように、この電流−電圧特性はほぼ線形性を示す。この菱形のプロット点から式（２）における電圧指数αを求めると、電圧指数は0.87となる。
【００２５】
この場合、光電流は、式（２）から、
Ｉphoto＝0.4315Ｖ0.866 （λ＝674nm）
となる。式（２）により導き出される光電流と電圧の関係式が、電流−電圧特性曲線３０として図中に示されている。
【００２６】
電流−電圧特性曲線２０と３０を比較すると、光源波長λ＝827nm（曲線２０）よりも、光源波長λ＝674nm（曲線３０）のときの方が、電流−電圧特性の線形性が優れていることが分かる。すなわち、光源波長を827nmから674nmに変えることによって、電圧指数αが、0.68から0.87に改善され、その結果、電流−電圧特性の線形性が改善されたことが分かる。
【００２７】
図４及び５に表された実験結果が生じた理由の解析を行う。上記各条件での電圧指数αは以下の通りである。
Ａ 消光状態 α＝0.97
Ｂ 照射状態 α＝0.68 （λ＝827nm、すなわち、1.50ｅＶ）
Ｃ 照射状態 α＝0.87 （λ＝674nm、すなわち、1.84ｅＶ）
【００２８】
ここで、λ＝1.24／Ｅｇである。図２に示された二谷伝導帯モデルの、GaAsにおける主伝導帯（下部(L)伝導帯）と付随伝導帯（上部(U)伝導帯）のエネルギギャップを以下に示す。
Ｅｇ(L)＝1.42ｅＶ ・・・ 下部伝導帯
Ｅｇ(U)＝1.78ｅＶ ・・・ 上部伝導帯
下部伝導帯と上部伝導帯のエネルギ差をΔＥとすると、
Ｅｇ(U)＝Ｅｇ(L)＋ΔＥ
となる。ここで、ΔＥ＝0.36ｅＶである。なお、ここでは、LT-GaAsを理想なGaAsとして定義し、説明の便宜上、下部伝導帯と上部伝導帯の2つの伝導帯のみを考える。
【００２９】
条件Ａについて
条件Ａにおいては、図４に示されたとおり、電圧指数αがほぼ１になり、電流−電圧特性が線形性を示す。8.3×104Ｖ／ｍ（＠0.5Ｖ）以上の高電界にも関わらず、電流−電圧特性の線形性が維持されているのは、電流が電波として放射されずに半導体バルク中を導伝しているからである。ドーピングが無い高抵抗な半絶縁性のLT-GaAsでは、電気伝導に寄与するための伝導キャリアが、下部伝導帯にあまり存在していない。従って、伝導キャリアは、上部伝導帯に電界励起することなく下部伝導帯にとどまるので、電流−電圧特性が線形性を示す。
【００３０】
条件Ｂについて
条件Ｂにおいては、エネルギギャップＥｇ(L)と、波長λ＝827nmの光により、価電子帯から伝導帯に光励起された光生成キャリアにより電気伝導に寄与する伝導キャリアの大部分が、下部伝導帯に存在するため、電界によるドリフト電流が支配的に起こる。低電界では大部分の電子が下部伝導帯に存在するが、電界が少し高くなると、下部伝導帯における電子の一部は電界からエネルギを得て、上部伝導帯に励起する。更に電界を十分に高くすると、大部分の電子が上部伝導帯に遷移する。前述したとおり、上部伝導帯の電子の移動度は、下部伝導帯の電子の移動度よりも小さいので、電界を高くしていくと、導伝率σが小さくなり、電流−電圧特性が、非線形性を示すようになる。高抵抗LT-GaAsに827nm(1.5eV)の光エネルギを与えて光キャリアを生成することは、低抵抗ｎ型GaAsにドーパントをドーピングすることによって電気伝導を制御することに近似すると考えることができる。
【００３１】
条件Ｃについて
条件Ｃにおいては、エネルギギャップＥｇ(U)(1.78eV)と、波長λ=674nm(1.84eV)の光により、価電子帯から下部伝導帯を飛び越して直接上部伝導帯の伝導帯に光励起された光生成キャリアが発生する。ほとんどの電子が下部伝導帯よりエネルギ的に上位にある上部伝導帯に遷移するので、条件Ｂにおいて電界エネルギにより下部伝導帯から上部伝導帯に電子が遷移するといった現象が生じず、バルク負性抵抗効果が減少し、電流−電圧特性の非線形性が改善される。このことは、半導体材料のエネルギバンド構造に適した光源波長を選択すれば、電流−電圧特性の線形性が良好になることを示している。
【００３２】
以上の解析に基づいて、本発明の第１の実施例は、バルク負性抵抗効果を示す半導体材料で構成したＭＳＭフォトコンダクタ素子の電気伝導を制御する方法を提供する。この実施例においては、ＭＳＭフォトコンダクタ素子に、価電子帯から下部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する光と、価電子帯から上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する光とを選択的に照射する。これらの光を選択的に照射することによって、ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性を選択的に変えることが可能となる。電流−電圧特性が非線形性であってよいときには、価電子帯から下部伝導帯までのエネルギギャップよりも少し大きいエネルギを有する光をＭＳＭフォトコンダクタ素子に照射する。一方、電流−電圧特性の非線形性を改善したいときには、価電子帯から上部伝導帯までのエネルギギャップよりも少し大きいエネルギを有する光をＭＳＭフォトコンダクタ素子に照射する。
【００３３】
本発明の第２の実施例においては、バルク負性抵抗効果によりガン発振しているＭＳＭフォトコンダクタ素子の発振を制御する方法を提供する。低抵抗のバルク負性抵抗半導体材料に対して、そのエネルギバンド構造に適した光源波長を選択すると、電流−電圧特性におけるバルク負性抵抗を除去することができる。例えば、バルク負性抵抗効果を示す半導体にガン発振閾値電圧を印加し、ガン発振している半導体に上部伝導帯の光子エネルギを光照射すれば、下部伝導帯、上部伝導帯間で行われているバルク負性抵抗効果が除去される。このとき、電気伝導は、上部伝導帯のみで行われ、ガン発振は停止する。すなわち、ガン発振中の半導体デバイスに所定の波長を示す光を照射又は消光することにより、ガン発振のオフ／オンの切り替えを行うことができる。
【００３４】
また、本発明の第３の実施例においては、ＭＳＭフォトコンダクタ素子のガン発振を制御する光源を備えたガン発振制御装置を提供する。この光源は、ガン発振中の半導体デバイスに、価電子帯から上部伝導帯までのエネルギギャップ以上の光子エネルギを光照射することができる。この光源が、上部伝導帯までのエネルギギャップに基づいて定められる波長の光を照射又は消光することにより、ガン発振のオフ／オンの切り替えを行うことが可能となる。
【００３５】
以上のように、バルク負性抵抗効果を示す半導体材料を用いて構成されたＭＳＭフォトコンダクタの電流−電圧特性の線形性を改善するためには、半導体材料のエネルギバンド構造を把握し、そのエネルギバンド構造に基づいて定められた波長を有する光によって、電子を適切な伝導帯に遷移させればよい。また、バルク負性抵抗効果によるガン発振を選択的に停止させるためには、所定の波長の光によって電子を適切な伝導帯に遷移させればよい。
【００３６】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることができることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、光伝導効果によるＭＳＭフォトコンダクタの所定の波長を示す光を照射することにより、光照射時の電流−電圧特性の線形性を改善する、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＳＭフォトコンダクタ素子の一例である。
【図２】二谷構造半導体における電界条件と電子分布の関係を示した図である。
【図３】 GaAsの電流−電界特性を示す。
【図４】消光状態における電流−電圧特性のグラフを示す。
【図５】異なる波長を光を照射した状態における電流−電圧特性のグラフを示す。
Claims (6)
- ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）フォトコンダクタ素子の電流−電圧特性を変化させる方法であって、
価電子帯から下部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する第１の光と、価電子帯から上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する第２の光とを、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して選択的に照射して、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性を変化させる方法。 - 前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子をガン発振させる電圧を、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子に供給し、
ガン発振をオンする場合には、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して前記第１の光を照射し、ガン発振をオフする場合には、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して前記第２の光を照射する請求項１に記載の方法。 - ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）フォトコンダクタ素子を有する回路と、
価電子帯から下部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する第１の光と、価電子帯から上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する第２の光とを、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して選択的に照射して、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性を変化させる制御部とを備える装置。 - 前記回路は、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子をガン発振させる電圧を、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子に供給する電圧源を更に有し、
前記制御部は、ガン発振をオンする場合には、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して前記第１の光を照射し、ガン発振をオフする場合には、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して前記第２の光を照射する請求項３に記載の装置。 - ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）フォトコンダクタ素子の電流−電圧特性からバルク負性抵抗効果を除去する方法であって、
価電子帯から、下部伝導帯よりも高いエネルギ順位に存在する上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する光を、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して照射して、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性からバルク負性抵抗効果を除去する方法。 - ＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）フォトコンダクタ素子を有する回路と、
価電子帯から、下部伝導帯よりも高いエネルギ順位に存在する上部伝導帯までのエネルギギャップに相当するエネルギを電子に与えることのできる波長を有する光を、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子に対して照射して、前記ＭＳＭフォトコンダクタ素子の電流−電圧特性からバルク負性抵抗効果を除去する制御部とを備える装置。
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