JP4393584B2 - オージェ発生プロセス抑止を使用した半導体ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、室温で性能を向上させる半導体ダイオード構造体に関する。
従来、ナローギャップ半導体は室温ではほとんど使用されていなかった。これは、真性キャリヤ濃度が高すぎてドーピング濃度をマスクしてしまい、その結果、熱発生率がきわめて高くなって、漏れ電流と雑音が多くなり、エミッタの放射効率が低下するためである。したがって、ナローギャップ半導体は一般に冷却される。
ナローギャップデバイスの潜在的な超高速度ときわめて低い電力損失を利用するために、オージェ抑止デバイスが発明された（たとえばProc.SPIE,Infra-red Technology XI Vol 572（Aug20,San Diego California）1085,pp123-132を参照）。電子手段によって、周囲温度以上であってもアクティブゾーン内のキャリア濃度を低下させ、それによって外因性挙動を得る。
これは、特殊な特性を持った界面を有する二つの接触ゾーンの間に、軽くドーピングした層を挟むことによって行う。第一のゾーンは排除界面を形成し、アクティブゾーンと同じタイプの高濃度のドーピング、高いバンドギャップ、同じタイプの低濃度のドーピング、または両方の特徴の組合せを有することができる。第一のゾーンの重要な特徴は、少数濃度がきわめて低いため、逆方向バイアス（アクティブゾーン内の少数キャリアを界面から追い出す）において、キャリアが第一のゾーンから補給されずにアクティブゾーンから除去されることである。このようなゾーンと少数キャリアが中に入ることができない層（この場合はアクティブ層）との間の界面は、排除界面で知られている。
たとえば、カドミウム水銀テルライド（ＣＭＴ）では、室温でこの現象が広範囲の材料パラメータにわたって存在する。接触ゾーン内の少数キャリア濃度がアクティブゾーンよりも低いということのみで十分である。アクティブ層における典型的なドーピングは、接触ゾーンが１０¹⁷を超えるｐ型で、数倍ｋＴの接触ゾーンにバンドギャップ増大がある場合もない場合も、５×１０¹⁵未満のｐ型である。
排除層の厚さは、バイアス接触自体からの少数キャリアの内部拡散を最小限にするのに十分な数マイクロメートルとすることができる。
アクティブ層の厚さは数マイクロメートルとすることができる。アクティブゾーン内の少数キャリアの拡散距離を大幅に超えないようにするのが普通であり、それよりかなり薄くするのが好ましい。ｐ型アクティブ層の場合、５マイクロメートルが典型的な値である。ｎ型ドーピングの場合、典型的な値はそれよりかなり小さくなる（２マイクロメートル未満）。これについては欧州特許公報ＥＰ０４０１３５２Ｂ１号に記載されている。
アクティブ層の長さにかかわらず、抑止はある程度起こる。アクティブ層は、接合部におけるように逆の型のドーピングを使用した第二の接触ゾーンで終わらせる。この場合も、この最終層内の少数キャリア濃度は低いほどよく、（ドーピングが反対の型である以外は）この場合も第一の接触ゾーンと同様の説明が適用される。
前と同じ方向のバイアスでは、界面で少数キャリアが捕捉され、戻ることができない（この場合は、逆方向バイアスが加えられた接合部に存在する通常の障壁のためである）。少数キャリアは、一部はバイアス電界の影響により、一部は拡散によって、接合部に移行する。二つのゾーンの間でキャリアを一方向に通過させるが他方の方向には通過させない、二つのゾーンの間のこのような界面を、注出界面と呼ぶ。
全体的効果は、注出接触部で少数キャリアが除去され、排除接触部で補給されないことである。少数キャリアの当初の濃度は高く、真性濃度に近い。バイアスを印加した後はきわめて低くなることができ、典型的には１０¹³未満になり、ドーピングとバイアスによっては、しばしばそれよりもかなり低くなる。この低濃度は空間電荷バランスにわずかに寄与し、その結果、対応する数の多数キャリアが失われることによって高い割合の少数キャリアの除去が実現され、アクティブゾーンにおいて、少数キャリア（きわめて少ない）とイオン化ドーピング濃度に近い濃度の多数キャリアとを含む空間電荷バランスが生じる。
これらの濃度は冷却状態では一般的であり、アクティブゾーンは外因性条件にあり、これを利用したデバイスを作製することができる。
漏れ電流が存在する。その一部はアクティブゾーンにおける残留熱発生および光発生による。熱発生率はかなり低減される（キャリア濃度の低減による「オージェ抑止」）が、ゼロにはならない。これは、上記のドーピング上考慮すべき条件を理想的に近く満たすほど低くなる。漏れ電流の原因は、上記に加えてほかにもある。
注出接触ゾーン内の少数キャリア濃度が十分に低くないため、注出接合部に漏れ電流が存在することがある。界面におけるドーピングを相当程度、たとえば０．５マイクロメートルにわたって傾斜状にした場合、接合部の近くに低濃度ドーピングの、したがって少数キャリア濃度が比較的高い領域が生じる。熱発生によって、不完全接合ダイオードの通常の方式で漏れ電流が生じる。
同様に、排除接合部には、好ましい仕様を満たさない狭い低ドーピング／低バンドギャップ領域との傾斜状界面があることがあり、それによって不要なキャリアの発生と漏れが生じる。
他の効果として、高濃度ドーピング領域から低濃度ドーピング領域へのキャリアのデバイ遮蔽流出があり、これによって金属層界面の最も急峻なものであっても実質的に傾斜状になり、そのような傾斜状界面のテールに少数キャリアが発生する。
ドーピングとバンドギャップが同じ場所で急激に変化し、それによって普通ならバンドエッジのレベルにおいて周期的に切り替わるはずのところに一時的な中断が生じることがあり（いわゆる「グリッチ」）、それによってデバイス電流の適切な流れが妨げられるために、さらに問題が生じることがある。
本発明によると、ダイオードが複数エピタキシャル層半導体材料を含み、少なくとも二つの注出界面と少なくとも二つの排除界面とによって特徴付けられる。
好ましい実施例は、
大量にドーピングされたｐ型材料の層と、
軽くドーピングされたｐ型材料の第一の緩衝層と、
軽くドーピングされたｐ型材料のアクティブ層と、
軽くドーピングされたｎ型材料の第二のバッファ層と、
大量にドーピングされたｎ型材料の層とを含み、
前記アクティブ層と緩衝層のバンドギャップは、各前記緩衝層の少数キャリア濃度が前記アクティブ層の小数キャリア濃度の１０分の１未満となるようになっており、
前記各層が、第一の緩衝層がアクティブ層と大量にドーピングされたｐ型材料の層との間に挟まれてそれぞれの層との排除界面を形成し、第二の緩衝層がアクティブ層と大量にドーピングされたｎ型材料の層との間に挟まれてそれぞれの層との注出界面を形成するようにスタック状に配置されている。
他の好ましい実施例では、大量にドーピングされた層のドーピング濃度が２×１０¹⁷ｃｍ^-3を超える。
他の好ましい実施例では、アクティブ層のドーピング濃度は５×１０¹⁶ｃｍ^-3未満である。各緩衝層のドーピング濃度は、アクティブ層とそれに隣接する大量にドーピングされた層との間であり、アクティブ層の濃度に近いことが好ましい。
本明細書では、「注出」および「排除」という用語をデバイス内の層間の界面について使用した場合、デバイスのアクティブ層に対する界面の性質を示すものと解釈されたい。さらに、本明細書に記載の特定の実施例では、ｐ型アクティブ層を示すが、これは限定的なものとみなしてはならない。本発明は、ｎ型アクティブ層を持つデバイスにも等しく適用可能であり、その場合は記載の実施例に対して他のｎ型層およびｐ型層の役割が逆転されることになる。
本発明は、ハイブリッド検出器または高速ＦＥＴなどのアクティブ回路要素など、様々な電子デバイスにハイブリッド化、サイト中での成長、またはその他の方法によって組み込むのに適したデバイスを提供する。
以下に、本発明について非限定的な例として第１図および第２図を参照しながら説明する。第１図には、従来技術の典型的なデバイス構造を有するオージェ抑止フォトダイオードの略図が図示されている。第２図には、本発明の典型的なデバイス構造を有するフォトダイオードの略図が図示されている。
第１図を参照すると、従来技術の典型的なオージェ抑止デバイスは、軽くドーピングされたアクティブ（ｎ型）層２と、アクティブ層２との排除界面を形成するｎ型材料の大量にドーピングされた層３と、アクティブ層２との注出界面を形成するｐ型材料の大量にドーピングされた高バンドギャップの層４とを有する多層構造を含む。
この層構造は、たとえば化学気相蒸着（ＣＶＤ）など当業者に周知の標準のデポジションテクニックによって適切な基板５上に成長させる。電極６によって、このデバイスへの電圧の印加を容易にする。
第２図を参照すると、本発明のデバイス７は、第１図のデバイスにおけるものと同様の役割を果たす要素２〜６を含む。さらに、本発明のデバイスは、軽くドーピングされたｐ型緩衝層８と、軽くドーピングされたｎ型緩衝層９とを含み、層９と層３が複合接触ゾーンを形成し、層８と層４も複合接触ゾーンを形成するように構成されている。緩衝層８および９はアクティブ層２を基準にして広いバンドギャップを有する。
緩衝層９が組み込まれていることによって生じる接触ゾーン内のドーピングの低減によって、アクティブ層２との排除界面における流出とドーピングテールの問題が軽減される。層９のドーピングはアクティブ層２のドーピングに近いかまたは等しくすることができると好都合である。バンドギャップが同じ場合、これによって通常は排除効果が損なわれることになる。したがって、層９におけるバンドギャップを広くする。原理上は、完全な排除が起こるほど広くすることが可能なはずである。しかし実際には、この変更は、材料成長に困難が生じるほど大きくすることが必要になり、必然的なテールがアクティブゾーン内に延びることによってアクティブゾーンを妨害する可能性がある。傾斜をきわめて急峻にすることに留意しなければならない。バンドギャップの適切な拡大は、固有キャリア濃度を１０ないし１００分の１に下げるものであろう。
接触ゾーン内にさらに（正確な距離は重要ではない）高濃度ドーピングに向かう傾斜を形成する（層３）。この傾斜は数マイクロメートルにわたっていてもよく、これも重要ではない。この広いギャップ材料内では、少数キャリア濃度はすでにアクティブ領域よりもかなり低くなっており、（従来の技術の場合のように）高濃度ドーピングとの新しい界面はそれ自体で排除界面として機能することができる。バイアスを印加すると、高濃度ドーピングゾーンとアクティブゾーンとの間の低濃度ドーピング領域が実質的に排除され、その領域の少数キャリア濃度が大幅に低減される（典型的には１０¹²以下）。したがって、層９および層３がアクティブゾーンにとってきわめて効率的な複合接触部を形成し、少数キャリアをまったく供給しない。
ドーピングの状況によっては、注出（アクティブゾーンからの拡散による少数キャリアの損失）も起こるほど接触部のキャリア濃度が低くなることがある。
同様にして、緩衝層８におけるドーピングを低く維持し、バンドギャップは大きくすると（この場合も、真性キャリア濃度を典型的には１０ないし１００分の１に低減するなどして）、緩衝層８とアクティブ層２との間に注出界面が生じる。比較的大量にドーピングされた層４が緩衝層８との第二の注出界面を形成して、少数キャリア濃度がさらに低下するゾーンが生じ、接合部の漏れが防止される。
本明細書に記載のように高効率接触ゾーンを設けることによって、これらのデバイスの残留電流範囲は、ほとんど全部、バイアスを印加したときのアクティブ電流における残留発生によるものとなるように保証される。この最小の電流によって、最大電流（排除／注出の開始の直前に達成される）最大電流と最終電流との比が最大化され、それに付随する負抵抗効果が最大化される。
本発明のデバイスは、気相エピタキシなどの標準の手続きを使用して製作することができる。接点は使用する材料向けの標準ものでよい。
第１表に、本発明の典型的なデバイスの構造とドーピング濃度を示す。このデバイスの各層の材料は、Ｈｇ_(1-x)Ｃｄ_xＴｅ族の材料であり、値ｘで特定される。この表で、ｐおよびｎは材料内のドーピングの型を示し、上付符号−および＋は、それぞれ軽いドーピングと大量なドーピングを示し、下線は高バンドギャップの材料、Πはアクティブ層を示す。

第１表に示す構造は、９．５μｍのカットオフ波長と１０Ａｍ^-2の最小漏れ電流を有するものである。

Claims (12)

1. 大量にドーピングされたｐ型材料の第一の外側層（４）と、
   軽くドーピングされたｎ型半導体材料のアクティブ層（２）と、
   大量にドーピングされたｎ型材料の第二の外側層（３）とを含む半導体材料の複数のエピタキシャル層を含むダイオードであって、
   ダイオードは、
   軽くドーピングされたｐ型材料の第一の緩衝層（８）と、
   軽くドーピングされたｎ型材料の第二の緩衝層（９）とをさらに含み、
   層（２、３、４、８、９）は、第一の緩衝層（８）がアクティブ層（２）と第一の外側層（４）との間に挟まれ、逆方向バイアスが印加されるとそれぞれの層との間でアクティブ層の少数キャリアが戻ることができない注出界面を形成し、第二の緩衝層（９）がアクティブ層（２）と第二の外側層（３）との間に挟まれ、逆方向バイアスが印加されるとそれぞれの層との間でアクティブ層の少数キャリアをアクティブ層に補給しない排除界面を形成するように、スタック状に配置されていることを特徴とするダイオード。
2. アクティブ層（２）の厚さが少数キャリアの拡散距離を大幅に超えない、請求の範囲第１項に記載のダイオード。
3. アクティブ層（２）の厚さが２μｍよりも小さい、請求の範囲第１項または第２項に記載のダイオード。
4. 大量にドーピングされたｐ型材料の第一の外側層（４）と、
   軽くドーピングされたｐ型半導体材料のアクティブ層（２）と、
   大量にドーピングされたｎ型材料の第二の外側層（３）とを含む半導体材料の複数のエピタキシャル層を含むダイオードであって、
   ダイオードは、
   軽くドーピングされたｐ型材料の第一の緩衝層（８）と、
   軽くドーピングされたｎ型材料の第二の緩衝層（９）とをさらに含み、
   層（２、３、４、８、９）は、第一の緩衝層（８）がアクティブ層（２）と第一の外側層（４）との間に挟まれ、逆方向バイアスが印加されるとそれぞれの層との間でアクティブ層の少数キャリアをアクティブ層に補給しない排除界面を形成し、第二の緩衝層（９）がアクティブ層（２）と第二の外側層（３）との間に挟まれ、逆方向バイアスが印加されるとそれぞれの層との間でアクティブ層の少数キャリアが戻ることができない注出界面を形成するように、スタック状に配置されていることを特徴とするダイオード。
5. アクティブ層（２）の厚さが少数キャリアの拡散距離を大幅に超えない、請求の範囲第４項に記載のダイオード。
6. アクティブ層（２）の厚さが５μｍよりも小さい、請求の範囲第４項または第５項に記載のダイオード。
7. 第一の緩衝層（８）と第二の緩衝層（９）は両方ともアクティブ層（２）のドーピング濃度に近いかまたは等しいドーピング濃度を有し、前記アクティブ層（２）と緩衝層（８，９）のバンドギャップは、各前記緩衝層（８，９）の少数キャリア濃度が前記アクティブ層（２）の少数キャリア濃度の１０分の１未満となるようになっている、請求の範囲第１項から第６項のいずれか一項に記載のダイオード。
8. 大量にドーピングされた材料のドーピング濃度が２×１０¹⁷ｃｍ^-3よりも大きい、請求の範囲第１項から第７項のいずれか一項に記載のダイオード。
9. アクティブ層（２）のドーピング濃度が５×１０¹⁶ｃｍ^-3よりも小さい、請求の範囲第１項から第８項のいずれか一項に記載のダイオード。
10. 半導体材料が、式Ｈｇ_(1-x)Ｃｄ_xＴｅを有し、０＜ｘ＜１であるカドミウム水銀テルライド化合物である請求の範囲第１項から第９項のいずれか一項に記載のダイオード。
11. 大量にドーピングされた半導体材料と軽くドーピングされた半導体材料との間の遷移が、数マイクロメートルの距離にわたって起こる、請求の範囲第１項から第１０項のいずれか一項に記載のダイオード。
12. ダイオードが、第一の外側層（４）と接する基板（５）をさらに含む請求の範囲第１項から第１１項のいずれか一項に記載のダイオード。

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