JP5288357B2 - ヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ - Google Patents

ヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ Download PDF

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Description

本発明は光検出素子（フォトディテクタ）に関し、特に化合物半導体系ヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ（ＨＰＴ：ｈｅｔｅｒｏ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の改良に関する。
シリコン系の素子では適用不可能な近紫外及び赤外領域に感度を有する化合物半導体系フォトディテクタや、それらを一次元ないし二次元に複数個並設して成るフォトディテクタアレイは、光通信や分光システム用検出器あるいは赤外線カメラとして、医療、防災、工業検査用途等に広範な需要がある。
特に近年では、一酸化炭素、二酸化炭素、亜酸化窒素、メタン等の環境ガスの基本吸収帯が存在する中赤外光領域での高感度フォトディテクタの開発が要求されている。この波長帯域の赤外線ディテクタは大気汚染監視、地球温暖化対策、防災安全対策、燃焼ガスモニターによる燃費改善などの用途として益々重要となる。これらの用途には従来から、ＨｇＣｄＴｅ系の化合物半導体による赤外線ディテクタが製造されているが、公害要因となるため生産量、用途が限定され、より安全な材料での赤外線ディテクタが求められている。また、ＩｎＳｂ系等のナローギャップ半導体を用いた赤外線ディテクタでは、熱励起や表面リークにより暗電流が大きく、これを主原因とした雑音により検出感度が制限されていた。従って、高感度を必要とする用途では、暗電流を抑制するため液体窒素あるいは機械式冷凍機等の大がかりな装置にて−１２０℃以下に素子を冷却する必要があった。
ナローギャップ半導体における暗電流を抑制するため、種々の工夫がなされてきた。周知のＳＲＨ（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ−Ｒｅａｄ−Ｈａｌｌ）統計によって明らかなように、電子及び正孔濃度の積が熱平衡状態のそれよりも小さい場合には電子正孔対が発生し、大きい場合には電子正孔対が再結合する。また、空乏状態の場合、真性キャリア濃度が大きいバンドギャップの狭い半導体の方が、キャリア生成速度は大きくなる。従って、中赤外光用のバンドギャップの狭い半導体では、電子正孔対の生成領域である空乏領域を小さくすることが暗電流を抑制する上で重要である。
アンチモン系中赤外光ディテクタでは、下記非特許文献１に開示されているように、広いバンドギャップを有する半導体層を、狭いバンドギャップを有するｎ型半導体の光吸収層と、同じく狭いバンドギャップを有するｎ型コンタクト層とで上下に挟んだ所謂ｎＢｎ構造による暗電流の抑制方法が示されている。
この構造においては、多数キャリアとなる電子による電流を広いバンドギャップの半導体層により形成された伝導帯に於ける障壁で阻止して、暗電流成分を抑制すると共に、フォトダイオード（ＰＤ）を構成するすべての半導体の価電子帯の障壁を除去し、価電子帯のバンドオフセットをほぼフラットにすることにより、光励起された正孔のみが、有効に光励起電流として検出される。
また、下記非特許文献２にはＩｎＡｌＡｓＳｂ等、広いバンドギャップを有する表面バリア層を適用し、ＩｎＡｓＳｂなどの光吸収層との界面で価電子帯の不連続を無くすことで、光照射で生成する正孔を効率よく捕捉し、波長４μｍ帯においても室温での高感度化を図った構造が示されている。
さらに、素子分離特性に優れたメサ型フォトダイオードにおいても、本発明者等の別途な研究により、メサ端面を同一導電型とし、狭いバンドギャップを有する半導体材料で形成されるｐｎ接合を端面に露出しない構造とすることで、プレーナ型と同等な暗電流の抑制が可能となった。
これらフォトダイオードは動作原理が簡単で定量性にも優れているが、フォトン一個に対して高々電子正孔対が一対しか生成されないため、微少光の検出時には電流出力が小さく、電気増幅器の雑音特性により検出限界が生ずる問題があった。そこで、化合物半導体系フォトディテクタとしても、内部に増幅作用を持つフォトトランジスタが開発されてきた。フォトンにより発生した正孔によりベースのポテンシャルを変化させて光電流を増幅するヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ（ＨＰＴ）は、同じく光電流の増倍作用を有するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）よりもノイズが少なく、高感度なフォトディテクタとして、１９８０年代から現在に至るまで、研究開発が継続している。
フォトトランジスタは、通常ベース・コレクタ接合をフォトダイオードとして兼用し、コレクタ領域において光生成されたキャリアをベース領域に注入することにより、バイポーラトランジスタにおいてベースを順方向にバイアスするのと同様な効果を発生させる。従って、ＨＰＴの特性は、フォトダイオード（ＰＤ）、ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の特性と、それらの電気的な接続方法により決定され、それぞれの構成要素において最適設計を行う必要がある。
ＨＰＴを多層膜から成るエピタキシャル成長で実現する場合、素子分離のためにエミッタ・ベース層あるいはベース・コレクタ層をメサ構造にする場合があるが、先に述べたような本発明者等の研究結果では、メサ端面を同一導電型にすることにより、トランジスタ部の電流利得の増強と暗電流抑制を同時に達成することができた。また、これもさらに本発明者等の別途な研究の結果、ＤＨ（ダブルヘテロ）型ＨＢＴと選択不純物拡散によるプレーナ型ＰＤとを積層した構造においても、ＰＤ部の暗電流を抑制することができた。
電子デバイスとしてのヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）においては、ベースに対して相対的にバンドギャップの大きな材料をエミッタとして用い、価電子帯のエネルギ準位をベースよりも低く設定、言い換えると、正孔が感じる静電ポテンシャルとしては高く設定することにより、ベースからエミッタへの正孔の移動を阻止し大きな電流利得を得ることができる。さらに、トランジスタの耐圧を向上するために、比較的大きなバンドギャップを持つ材料をコレクタとして用いたＤＨ型ＨＢＴも開発されている。
フォトトランジスタにおいて、その波長感度領域を拡大するためには、使用する波長帯域に対応するように、コレクタのエネルギバンドギャップを小さくすることが一般的である。しかし、ベース・コレクタ接合に電界が集中するために、エミッタ・コレクタ間の耐圧電圧が低下するという問題が発生する。一般に、半導体材料の耐圧は、バンドギャップを狭くするほど低下するため、長い波長領域に吸収端を持つ材料をコレクタとして用いることは不利になる。
一方、耐圧の観点では有利なＤＨ型ＨＢＴにおいては、伝導帯においてベースよりもコレクタの準位が高くなるため、電子のベースからコレクタへの走行が阻害される。また、相対的に大きなエネルギバンドギャップを有するコレクタ層の下に、検出する波長帯域に対応する光吸収層を形成した場合、光生成された正孔に対して、光吸収層の価電子帯のエネルギ準位が低くなり、正孔が光吸収層からコレクタを通してベースに至る経路が遮断される。そのため、ＤＨ型ＨＢＴは、微少光の検出を目的としたフォトトランジスタとしては適していない。
フォトトランジスタの場合、吸収されたフォトンに対応するサブｐＡレベルの光励起電流を増幅するためには、微少なベース電流においても、高い電流増幅率を持つ必要がある。また光検出器では、暗電流を抑制するために、素子を冷却することが一般的に行われている。このような、微少バイアス電流、低温動作という条件に於いては、大電流を増幅することを目的とする通常のＨＢＴでは、問題とならなかったわずかなバンドプロファイルの不連続が電子および正孔の走行を阻害するため、バンドプロファイルの新規設計が必要となる。
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体においては、その構成元素の組成割合により、伝導帯と価電子帯のポテンシャルを独立に設計することが可能である。特に、アンチモンを含む化合物半導体は電子親和度が小さく、コンダクションバンド準位が高くなる傾向がある。例えば、ＩｎＰに格子整合したＧａＡｓＳｂをＩｎＰ系ＤＨ−ＨＢＴのＩｎＧａＡｓベースと置き換えることにより、ベース層のコンダクションバンドをＩｎＰコレクタよりも高くし、しかも、ベース層の充満帯をＩｎＰエミッタよりは高く設計することができる。この点については下記非特許文献３，４を参考にすることができる。
また、下記特許文献１では、アンチモン系合物半導体を用いて、エミッタ、ベース、コレクタの伝導帯を階段状に下げるたり、界面のポテンシャルを一致させることにより、電子の移動を円滑にすることが提案されている。
ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓに於いては、ある程度の格子不整合条件を許して、Ｉｎ組成を増加した場合でも、波長２．２μｍまでが実用的な限界である。ＧａＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ等、アンチモン系半導体を光吸収層に用いると、感光波長をＩｎＧａＳｂ光吸収層で２．８μｍ程度まで、また、ＩｎＡｓＳｂ光吸収層で５μｍ程度まで、拡張することができる。ＨＰＴにおいても、電子デバイスとしてのＨＢＴと同様な設計思想で、大きな増幅作用を得るためにはエミッタ−ベース間の伝導帯のバンドオフセットを小さく、かつ価電子帯のバンドオフセットは大きくするのが望ましい。中赤外光ディテクタ用としては、具体的には下記非特許文献５，６に認められるように、ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＳｂ系ＨＰＴがＧａＳｂ基板上に製作され、室温近傍で利得５００Ａ／Ｗ〜１０００Ａ／Ｗを得ている。しかし、コレクタが光吸収層を兼ねているため、検出波長は高々２．５μｍ帯止まりである。
米国特許公開２００６／００６５９５２号公報
Ｓ．Ｍａｉｍｏｎ ａｎｄ Ｇ．Ｗ．Ｗｉｃｋｓ，"ｎＢｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ａｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｒｅｄｕｃｅｄ ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ"ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ｖｏｌ．８９，Ｏｃｔ．２００６，ｐ．１５１１０９． Ｈ．Ｓｈａｏ，Ｗ．Ｌｉ，Ａ．Ｔｏｒｆｉ，Ｄ．Ｍｏｓｃｉｃｋａ，ａｎｄ Ｗ．Ｉ．Ｗａｎｇ，"Ｒｏｏｍ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＩｎＡｓＳｂ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｍｉｄ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．１８，ＮＯ．１６，ＡＵＧＵＳＴ １５，（２００６）ｐ．１７５６−１７５８． Ｒ．Ｂｈａｔ，Ｗ−Ｐ．Ｈｏｎｇ，Ｃ．Ｃａｎｅａｕ，Ｍ．Ａ．Ｋｏｚａ，Ｃ−Ｋ．Ｎｇｕｙｅｎ，ａｎｄ Ｓ．Ｇｏｓｗａｍｉ，"ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ ａｎｄ ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＰ ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｔｅｒｏ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ａ ｃａｒｂｏｎ−ｄｏｐｅｄ ｂａｓｅ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ"，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．６８（７），Ｆｅｂ．１９９６ ｐｐ．９８５−９８７． Ｃ．Ｒ．Ｂｏｌｏｇｎｅｓｉ，Ｎ．Ｍａｔｉｎｅ，Ｍａｒｔｉｎ Ｗ．Ｄｖｏｒａｋ，Ｐ．Ｙｅｏ，Ｘ．Ｇ．Ｘｕ，ａｎｄ Ｓｉｍｏｎ Ｐ．Ｗａｔｋｉｎｓ，"ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ Ｄｏｕｂｌｅ ＨＢＴｓ：Ａ Ｎｅｗ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｆｏｒ ＩｎＰ−Ｂａｓｅｄ ＤＨＢＴｓ"，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ，ＶＯＬ．４８，ＮＯ．１１，Ｎｏｖ．２００１ ｐｐ．２３６１−２６３９． Ｍ．Ｎｕｒｕｌ Ａｂｅｄｉｎ，Ｔａｍｅｒ Ｆ．Ｒｅｆａａｔ，Ｏｌｅｇ Ｖ．Ｓｕｌｉｍａ，ａｎｄ Ｕｐｅｎｄｒａ Ｎ．Ｓｉｎｇｈ，"ＡｌＧａＡｓＳｂ−ＩｎＧａＡｓＳｂ ＨＰＴｓ Ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｇａｉｎ ａｎｄ Ｗｉｄｅ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｇｅ"，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ，ＶＯＬ．５１，ＮＯ．１２，ＤＥＣＥＭＢＥＲ ２００４，ｐ．２０１３−２０１８． Ｔａｍｅｒ Ｆ．Ｒｅｆａａｔ，Ｍ．Ｎｕｒｕｌ Ａｂｅｄｉｎ，Ｏｌｅｇ Ｖ．Ｓｕｌｉｍａ，Ｓｙｅｄ Ｉｓｍａｉｌ，ａｎｄ Ｕｐｅｎｄｒａ Ｎ．Ｓｉｎｇｈ，"２．４−μｍ−Ｃｕｔｏｆｆ ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＳｂ Ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｓｈｏｒｔｗａｖｅ−ＩＲ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ，ＶＯＬ．５４，ＮＯ．１１，ＮＯＶＥＮＢＥＲ ２００７ ｐ．２８３７−２８４２．
上記のアンチモン系合物半導体は、高移動度材料でもあることから、テラヘルツ帯用超高速電子デバイス用途としても注目されてきた。ＨＢＴにおいて、ベース層のバンドギャップが論理振幅を決定することから、ナローバンドギャップ半導体材料を含み、かつ、大きなバンオフセットを有するＡｌＳｂ／ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ系材料が着目され始めている。具体的には、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系およびＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系ＨＢＴのベース層をＧａＡｓＳｂに置き換えて伝導帯のノッチを除去すること（上記非特許文献３，４参照）や、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系ＨＢＴよりも論理振幅を下げるために、本発明者等の別途な研究ではＩｎＧａＳｂ等をベース層に、ＩｎＡｌＡｓＳｂ等をエミッタ層およびコレクタ層として用いることが試みられている。この場合も、論理振幅の低減や、消費電力を下げるために、ベース・コレクタ境界の伝導帯でのノッチを除去するため、コレクタ材料の組成選択に特段の留意が必要である。
但し、ナローバンドギャップ半導体をベース層に用いることにより、オージエ効果による再結合効果の増大や、耐圧の低下が生ずる。従来開示されている文献群においては、中赤外光検出器用のＨＰＴとして動作せる場合に留意すべき事項の開示はされていない。
赤外フォトトランジスタは、フォトダイオード部にトランジスタ部が積層された構造であるので、（ａ）フォトダイオードの高感度化のための暗電流の抑制、（ｂ）発生した光生成電荷の移送、および（ｃ）トランジスタ電流増幅効果の確保、を同時に満たす必要がある。
すなわち、フォトトランジスタにおいては、まず、その感光波長を長波長域に拡大するために、（１）光吸収層となるＰＤ部の暗電流を抑制する必要がある。そのためにはＰＤの表面に於いて、ナローバンドギャップ半導体のＰＮ接合が露出しない構造を取る必要がある。また、バルク内部で発生する暗電流を抑制するためには、伝導帯にポテンシャル障壁を設け、電子による電流成分をブロックすることも有効である。
次に、（２）ＰＤ部で発生した電荷が滞りなくトランジスタ部に移送されるように、光生成された正孔に対して光吸収層からベース層に至る価電子帯のポテンシャル障壁を除去、すなわち、バリアフリー構造にする必要がある。
さらに、（３）トランジスタ部において、微少ベース電流に応じて大きな電流利得が得られる構造を採る必要がある。それには、（３−１）エミッタ・ベース接合の端面に於いて、表面再結合が抑制されること、（３−２）エミッタ・ベース接合において、価電子帯に十分な高さのポテンシャル障壁が形成されること、（３−３）ベース・コレクタに至る伝導帯において、電子の走行を妨げるポテンシャル障壁が無いこと、すなわち、バリアフリー構造にすること、（３−４）素子の使用温度に対して、エミッタ・ベース間オン電圧が過大とならないこと、また、実用的な使用環境においては、（３−５）ベース・コレクタ逆方向耐圧電圧が十分大きいこと、等が要求される。
コレクタ層で光吸収層を兼ねる場合には、波長に応じてコレクタ層のバンドギャップを狭くする必要がある。一方ベース・コレクタ逆方向耐圧電圧を増加させるためには、ベース層およびコレクタ層を構成する材料のバンドギャップをある程度大きくする必要がある。従って、中赤外領域である程度印可電圧耐性の大きなＨＰＴを実現するには、光吸収層とコレクタ層を分離して、コレクタ層には、比較的大きなバンドギャップ材料を使用する必要が生じる。
しかしながら、コレクタ層に比較的大きなバンドギャップ材料を使用したＤＨ型ＨＢＴは、微少電流に対する電流利得が不十分で、ＨＰＴへの応用には適していない。
また、光吸収層とコレクタ界面における正孔の輸送を円滑に行う必要がある。
また、コレクタ層の伝導帯がベースよりも高い場合には、コレクタベース界面に形成されるヘテロバリアが、電子の注入効率を低下させる。このようなコレクタ界面に発生する伝導帯のバリアは、電子の走行を妨げるため、特に、低温動作時の、微弱電流の増幅作用を阻害する。
本発明は、既掲の従来例群の持つ欠点を解消ないし緩和し、特に中赤外光領域を検出対象とするＨＰＴにおいて、暗電流に起因するノイズ特性を大きく抑制し、高感度でしかも広波長帯域特性を有する光検出素子を提供せんとするものである。そのためにまず、大概して言えば、素子構造とバンドギャップエンジニアリング手法を用いて、トランジスタ部およびフォトダイオード部の最適化を図る。すなわち、伝導帯および価電子帯のエネルギプロファイルを独立に最適設計して、フォトダイオード部で生成した光キャリアを円滑にトランジスタ部に導くとともに、端面におけるリーク電流の発生を抑制する。
そこで、本発明では、このような条件を満たすヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタとして、
第一導電型の半導体層により構成された光吸収層と、該光吸収層の上にコレクタ兼バリア層、ベース層、エミッタ層が順に積層されることで構成されたトランジスタ部とを有するフォトトランジスタにおいて；
上記コレクタ兼バリア層は、伝導帯におけるエネルギ準位が該光吸収層のそれより高く、価電子帯におけるエネルギ準位が該光吸収層のそれにほぼ一致するか高い、相対的に該光吸収層よりワイドギャップな半導体層から成り；
上記コレクタ兼バリア層の上に形成された上記ベース層は、該コレクタ兼バリア層に比して相対的にナローギャップで、その伝導帯におけるエネルギ準位は該コレクタ兼バリア層との界面において該コレクタ兼バリア層のそれに一致するか高く；
上記ベース層の上に形成された上記エミッタ層は、該ベース層に比して相対的にワイドギャップで、価電子帯におけるエネルギ準位は該ベース層のそれよりは低い上記第一導電型の半導体層から成ること；
を特徴とするヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタを提案する。
上記の基本構成の下で、上記ベース層は、上記第一導電型とは逆極性の第二導電型の半導体層から成るものであっても良い。
また、本発明の下位態様としては、上記ベース層は、その中央部分は上記第一導電型の半導体層から成るが、周辺部は、該中央部分とは逆極性の第二導電型となっているヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタも提案する。
さらに、本発明の特定の態様においては、上記光吸収層と上記コレクタ兼バリア層がメサ構造として構成され、該メサ構造の露呈側面部分が上記第一導電型あるいは該第一導電型とは逆極性の第二導電型に統一され、該光吸収層と該コレクタ兼バリア層により構成されるｐｎ接合部分が側面において露出しないヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタも提案する。
本発明のまた別な下位態様として、材質的な工夫をするならば、上記光吸収層をＩｎＧａＡｓ、上記コレクタ兼バリア層をＩｎＧａＡｓＰＳｂ、上記ベース層をＩｎＧａＡｓＰＳｂ、上記エミッタ層をＩｎＰ半導体で構成するか、あるいは、上記光吸収層をＩｎＡｓあるいはＩｎＡｓＳｂ、上記コレクタ兼バリア層をＩｎＡｌＡｓＳｂ、上記ベース層をＩｎＧａＳｂあるいはＩｎＧａＡｓＳｂ半導体、そして上記エミッタ層をＩｎＡｌＡｓＳｂ半導体で構成すると望ましい。
本発明による素子においては、光吸収層とベース層の間に、光吸収層よりもワイドギャップで価電子帯におけるエネルギ準位が光吸収層のそれにほぼ一致するか高いコレクタ兼バリア層を有している。これは、光吸収層とコレクタ兼バリア層が所謂タイプ２型ヘテロ接合を形成していることであり、光照射により光吸収層内で発生した正孔を障壁なしにベース層に注入し、もってベース層のポテンシャルを下げ、エミッタ層からの電子のベース層への注入を制御できることを意味する。一方、エミッタ層からベース層を通過してバリア層に到達する電子は、所定のバイアスが印加されれば伝導帯における障壁なしに、光吸収層に導かれる。
さらに、光吸収層がナローバンドギャップ材料であっても、例えば光吸収層をｎ型にして、熱平衡状態における正孔濃度を下げることにより、光照射がない場合の光吸収層からバリア層への正孔の流入を抑制することができる。一方、コレクタ兼バリア層はワイドバンドギャップ半導体で構成されるため、熱平衡状態での電子濃度を低く設計すれば、コレクタ兼バリア層からの電子電流の発生も抑制できる。さらに、光吸収層とコレクタ兼バリア層の伝導帯におけるエネルギ準位差分だけ、光吸収層での電界が緩和され、光照射がない場合の空乏領域での電子正孔対の生成が抑制される。
本発明に従えばコレクタ兼バリア層と光吸収層の接合がタイプ２型のヘテロ接合になることは、伝導帯及び価電子帯のそれぞれにおいて、電子に対してはコレクタ兼バリア層から光吸収層へ、正孔に対しては光吸収層からコレクタ兼バリア層へのポテンシャル勾配が障壁なしに、すなわちバリアフリーに形成し得ることを意味する。電子と正孔の流れは互いに逆向きで、平面的にもある程度分離されている。従って本発明のＨＰＴでは、ベース層とエミッタ層は電子デバイスとして増幅率等の観点から、光吸収層とコレクタ兼バリア層はフォトダイオードとして量子効率等の観点からというように、それぞれ独立の観点に立っての最適設計が可能となる。
トランジスタ部の構成に関しては、素子の耐圧を上げるためにコレクタ層のバンドギャップを大きくすることが有効であるが、ダブルヘテロ（ＤＨ）型ＨＢＴにおいては、ベース・コレクタ間に伝導帯のポテンシャル障壁が発生し、微少電流の増幅が困難となる。しかし、この点に関しては、本発明を適用した上で、既掲の非特許文献３，４に準じて、ベース層の伝導体エネルギ準位をコレクタ領域のそれに一致させるか、高くすることにより、低温あるいは、低照度における電流増幅作用を増強することができる。
トランジスタ部のベース層はエミッタ層とは逆の極性を持つが、その場合、トランジスタのオン電圧はｐｎ接合のビルトインポテンシャルに支配される。ビルトインポテンシャルを低くするためには、バンドギャップを小さくすることが必要であるが、再結合やキャリアの熱励起、耐電圧の低下をもたらす。従って、通常のｎｐｎあるいはｐｎｐ型バイポーラトランジスタのオン電圧は、低温、低照度での仕様条件では過大になりやすい。ところが、本発明の特定の態様に従い、ベース層の上に形成されたエミッタ層は、ベース層に比して相対的にワイドギャップで、伝導帯におけるエネルギ準位はベース層との界面においてベース層のそれに一致するか低くなっているため、エミッタ層から注入されるキャリアを制御する伝導帯のバリアの高さは、必ずしもベース層材料のエネルギバンドギャップに依存しない。そこで、比較的大きなエネルギバンドギャップを持つ材料をベース層に用いれば、比較的小さなオン電圧を実現することが可能となる。ベース層の周囲をｐ型に反転し、当該ｐ型層から正孔を注入することにより、ベース層の伝導帯のポテンシャルを制御できる。
通常のトランジスタ増幅回路に於いては、エミッタ・ベースおよびベース・コレクタ間に適切な抵抗を配線し、バイアス電流や利得を設計するのが一般的である。しかし、ｐＷレベルの微弱光検出を目的としたＨＰＴの場合、最適な抵抗のレンジがＧΩとなり、特殊な高抵抗と回路基板を使用する必要が生じる。しかし、本発明によれば、開放ベースＨＰＴの場合においても、ベース層の伝導帯のポテンシャルを設計することにより、自由にバイアス条件を設定することが可能となり、二端子素子として、装置への組み込みが容易となる。
一般に、結晶の表面欠陥密度は結晶内部よりも大きく、また結晶欠陥準位によるキャリア再結合および生成効果は、平衡キャリア濃度に比例する。従って、キャリア再結合によるトランジスタの電流利得の低下や、キャリア生成による暗電流の増加を抑制するためには、表面に露出するｐｎ接合をワイドバンドギャップ半導体のみで形成し、ナロウバンドギャップ表面では、単一導電性として、熱平衡条件を保つことが有効である。本発明の特定の態様は、そのような暗電流抑制機構も具現している。
本発明により構築されるＨＰＴは、フォトトランジスタを構成する要素をバンドギャップエンジニアリング技術と表面処理技術により最適設計されたものとなり、従来提供されていた中赤外光検出素子に比し、暗電流は一桁以上抑制できる上に、高い増幅率を備え、室温に近い動作環境でもより高感度、広帯域な中赤外光検出素子となる。
本発明の望ましい一実施形態としてのＨＰＴのバンドプロファイルの説明図である。 本発明の望ましい一実施形態を満たすための材料構成例を示す概略図である。 図２（Ａ）とは異なる、他の望ましい材料構成例を示す概略図である。 図２Ａ，図２Ｂとはさらに異なる、また別な望ましい材料構成例を示す概略図である。 本発明の望ましい一実施形態におけるＨＰＴを平面図で示した概略構成図である。 図３Ａ中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 本発明の望ましい一実施形態として図２に示した材料構成によるバリアフリー型ＨＰＴの光照射前後のバンドプロファイルの説明図である。 本発明ＨＰＴと従来構造のＨＰＴとを光入力、電流出力特性の観点から比較した特性図である。 本発明の他の望ましい一実施形態としてＩｎＡｓを光吸収層に用いたＨＰＴの光照射前後のバンドプロファイルの説明図である。 図６に示したＨＰＴの光入力、電流出力特性の温度依存性を示した図である。 本発明のさらに他の望ましい一実施形態としてＩｎＧａＡｓＳｂを光吸収層に用いたＨＰＴの光照射前後のバンドプロファイルの説明図である。 図８に示したＨＰＴの光入力、電流出力特性の、ＩｎＧａＡｓＳｂ光吸収層のキャリア濃度依存性を示した図である。 本発明のまた別な一実施形態として、ベース層の周囲にリング状に不純物を拡散したＨＰＴの平面図による概略構成図である。 図１０Ａ中のＢ−Ｂ線に沿う断面端面図である。 従来構造のＤＨ型ＨＰＴのバンド構造に関するシミュレーション結果の説明図である。 従来構成のＨＰＴのバンドプロファイルの説明図である。
以下、図１以降に即し、本発明の望ましい実施形態に就き説明して行くが、全図を通じ、同じ符号は同じか、または同様の構成要素を示している。従って本明細書中、各図に即しての個別的な説明の中でその図面に記載されている符号付きの構成要素に就き説明が無い場合でも、要すれば他の図面に関する説明の中でなされている同じ符号の構成要素に関する説明を援用することができる。
ヘテロバイポーラフォトトランジスタ（ＨＰＴ）は、ヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）にフォトダイオード（ＰＤ）が積層した形になる。図１２に示すように、古典的なＨＢＴにナローバンドギャップの光吸収層を加えた従来例におけるバンドギャッププロファイルに認められるように、これまでは通常、ヘテロバイポーラトランジスタのベース層４'はホールを効率よく閉じ込めるためにバンドギャップを小さくし、コレクタ層５'はブレイクダウン電圧を確保するためにバンドギャップが大きい方が望ましいとだけされていた。しかし、ベース層４'にナローバンドギャップの材料を用いる場合、エミッタ層３'からコレクタ層５'に至る伝導帯に、界面位置Ｐｃ'で示すようにバンドオフセット（バリア）が発生し、黒丸で示す電子の矢印Ｆｅ方向の走行が阻害される。また赤外に感度を持つナローギャップの光吸収層６'を用いる場合に、コレクタ層５'と光吸収層６'の界面位置Ｐｖ'において価電子帯にバンドオフセット（バリア）が発生する。そのため、白抜きの丸で示す正孔に関しても矢印Ｆｈ方向の流れが阻害され、感度及びトランジスタ増幅特性が著しく低下する。
これに対し、本発明に従って構築されるＨＰＴでは、図１に示すような、上述したヘテロ界面でのバリアのない、バリアフリー型バンド構造が提供できる。すなわち、本発明におけるコレクタ兼バリア層５は、伝導帯におけるエネルギ準位がその下の光吸収層６のそれよりは高く、価電子帯におけるエネルギ準位は光吸収層６のそれにほぼ一致するか高い、相対的に光吸収層６よりワイドギャップな半導体層から成っている。このような構成によって、まず、光吸収層６との界面位置Ｐｖにおいて、価電子帯にバリアが生じないようにすることができ、もって矢印Ｆｈ方向の正孔の流れを阻害しない。光吸収層６において光生成された正孔は、バリアで妨げられること無くベース層４に導かれ、エミッタ・ベース接合界面Ｂｈで留まり、順方向にベースバイアスを加える効果により電流増幅作用を起こす。
また、コレクタ兼バリア層５の上に形成されたベース層４は、コレクタ兼バリア層５に比して相対的にナローギャップで、その伝導帯におけるエネルギ準位はコレクタ兼バリア層５との界面位置Ｐｃにおいて当該コレクタ兼バリア層５のそれに一致するか高く、ここにバリアを生じない。さらに、ベース層４の上に形成されたエミッタ層３は、ベース層４に比して相対的にワイドギャップで、伝導帯におけるエネルギ準位はベース層４との界面において当該ベース層４のそれに一致するか低く、価電子帯におけるエネルギ準位はベース層４のそれよりは低い第一導電型の半導体層から成っている。こうすることで、ベース・コレクタ接合の界面位置Ｐｃでの伝導帯におけるバリアを小さくすることができ、矢印Ｆｅ方向の電子電流も停留することなく光吸収層６の側へ流れるようになる。
図１のようなバリアフリー型バンド構造は、例えば図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すような材料構成例で実現できる。まず一つには図２（Ａ）に示すように、基板（図示せず）をＩｎＰ基板とした場合、それに格子整合したＩｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓを光吸収層６に、Ｉｎ0.45Ｇａ0.55Ａｓ0.47Ｐ0.31Ｓｂ0.21をｎ型にドープしてコレクタ兼バリア層５に、同じくｐ型にドープしてベース層４に用いることにより実現できる。この化合物半導体のバンドギャップは、０．９５ｅＶであり、伝導帯はＩｎＰエミッタ層３に、価電子帯はＩｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓ光吸収層６に一致している。ＩｎＰに格子整合する三元化合物半導体として、Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓに加えてＧａＡｓ0.5Ｓｂ0.5を混合すると、格子整合を保ちながら、バンドギャップに加えて電子親和度を材料設計することが可能になる。すなわち、ＧａＡｓＳｂの電子親和度が小さいので、当該ＧａＡｓＳｂとバンドギャップの大きなＩｎＰ、バンドギャップの小さなＩｎＧａＡｓの三者の組成を調整し、例えばＩｎＰ：ＩｎＧａＡｓ：ＧａＡｓＳｂ＝０．３２：０．２５：０．４３の割合で混合すれば、Ｉｎ0.45Ｇａ0.55Ａｓ0.47Ｐ0.31Ｓｂ0.21を構成できる。なお、光吸収層６に上記の材料を用いた場合、その感光波長は１．６μｍ程度までとなる。また、エミッタコンタクト層２としては、Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓを用いている。その他、図２（Ｂ），（Ｃ）に示す組成例に関しては、後に改めて説明する。
図３Ａ，図３Ｂは図１に示したバンド構造を持つ本発明ＨＰＴの望ましい一実施形態を素子構造的に示したもので、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。第一の導電型、例えばｎ型化合物半導体による基板８上に第一半導体層としての光吸収層６、その上に第一の導電型で第二半導体層となるコレクタ兼バリア層５、さらに、第一導電型とは逆極性の第二の導電型、例えばｐ型化合物半導体による第三半導体層となるベース層４が積層されている。ベース層４上には、当該ベース層４に比して相対的にワイドギャップな半導体から成る第一導電型、すなわちこの場合はｎ型半導体のエミッタ層３が第四の半導体層として積層形成されている。
エミッタ層３の上部には高濃度のエミッタコンタクト層２を介してエミッタ電極１が形成されている。一方、第一半導体層である光吸収層６の下には、第一導電型であるｎ型であって、当該光吸収層６に比して相対的にワイドギャップな半導体から成るワイドギャップバッファ層７があり、これは基板８上に形成されていて、基板８の裏側にコレクタ電極９が接触している。
基板側から上方に見て順に積層関係にある光吸収層６、コレクタ兼バリア層５，ベース層４、そしてエミッタ層３は、メサエッチングにより島状に切り出されたメサ構造１０となっており、従ってその側面は周方向に沿ってぐるりと全て空間に露呈した露呈側面となっている。エミッタ層３上のエミッタコンタクト層２は、やはりメサエッチングにより、主たるメサ構造１０よりは小さな面積の第二のメサ構造１１として切り出され、素子中心部分に位置している。
メサ構造１０の露呈側面から素子の内部に向かっては、所定の横方向寸法分だけ、所定の不純物を用いてベース層４と同一導電型、すなわち第二導電型の半導体層に転換された拡散層１２が設けられている。こうすることで、素子表面に形成されるｐｎ接合は、エミッタ層側のｐｎ接合１４もバッファ層側のｐｎ接合１５も、いずれも結晶欠陥の影響が小さいワイドバンドギャップ半導体上に形成されることになる。素子の試作においては、プラズマＣＶＤ等による厚さ２００ｎｍ程度のＳｉＮｘ薄膜を選択的に開口し、それを拡散マスク１３として、Ｚｎを開管あるいは閉管中にて拡散した。
図４には、図３Ａ，図３Ｂに示した構造を満たすように作製した本発明バリアフリー型ＨＰＴのバンド構造のシミュレーション例が示されている。バイアス電圧は２Ｖで、光吸収層６は直径６０μｍであって、中心部に直径４μｍのエミッタコンタクト層２が形成されている。エミッタコンタクト層２は厚さ１００ｎｍでキャリア濃度１・１０19ｃｍ-3と、厚さ２００ｎｍでキャリア濃度１・１０18ｃｍ-3のｎ型ＩｎＧａＡｓの二層構造で、既述した図２Ａに示す組成関係に従い、エミッタ層３には厚み２３０ｎｍ，ｎ型濃度１・１０16ｃｍ-3のＩｎＰを、ベース層４には厚み１００ｎｍ，ｐ型濃度１・１０17ｃｍ-3のＩｎ0.45Ｇａ0.55Ａｓ0.47Ｐ0.31Ｓｂ0.21を、コレクタ兼バリア層５には厚み２００ｎｍ，ｎ型濃度１・１０15ｃｍ-3のＩｎ0.45Ｇａ0.55Ａｓ0.47Ｐ0.31Ｓｂ0.21を、そして光吸収層６には厚み１５００ｎｍ，ｎ型濃度１・１０15ｃｍ-3のｎ型Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓを用いてそれらを積層関係としている。
ベース層４およびコレクタ兼バリア層５に用いたＩｎ0.45Ｇａ0.55Ａｓ0.47Ｐ0.31Ｓｂ0.21のバンドギャップは室温にて０．９５ｅＶで、その伝導帯はＩｎＰエミッタ層３のそれに、その価電子帯はＩｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓ光吸収層６のそれに、それぞれ整合されている。
さらに、図３Ａ，図３Ｂに示したメサ構造１０，１１の形成後、Ｚｎ拡散層１２が深さ１μｍに渡って形成されている。本シミュレーションにおいては、表面結晶欠陥を設けているが、メサ構造側面からのＺｎ拡散により表面電流が効果的に阻止される。
ベース層４とエミッタ層３間には伝導帯上でバリアＢｅを、価電子帯上にはバリアＢｈを持つバンドプロファイルが形成される。エミッタ電極１に対しコレクタ電極９を正にバイアスした状態で光を照射すると、光吸収層６中で生成した正孔は表面側にドリフト電界を受けてベース層４に注入され、注入された正孔はバリアＢｈによりベース層４内に閉じ込められる。この際、ベース層４のバンドプロファイルが下がり、すなわちエミッタ層３中の電子の移動を阻止していたバリアＢｅが小さくなり、エミッタ層４から電子が注入され、その大部分は再結合することなくベース層４を経由してコレクタ兼バリア層５に流れ出て、光照射で生成した正孔が電子電流として大きく増幅される。
一方、図１１は、従来構造のＤＨ型ＨＰＴのバンド構造のシミュレーション結果を示している。符号はダッシュが付されて本発明の素子における各層との対応が取られている。すなわち、エミッタコンタクト層は符号２'で、エミッタ層は符号３'で、ベース層は符号４'で、コレクタ層は符号５'で、光吸収層層は符号６'で、そしてバッファ層は符号７'で、それぞれ示されているが、ベース層４'を、本発明とは異なり、バンドギャップ０．９５ｅＶのＩｎ0.86Ｇａ0.28Ａｓ0.61Ｐ0.29に置き換えた他は、図４に示した本発明に従う場合と同じ形状、組成である。この従来構造の場合には、伝導帯においてエミッタ層３'とベース層４'間にバリアＢｅ'が生じ、価電子帯においてはコレクタ層５'と光吸収層６'との界面位置Ｐｖ'にバリアが生じて不連続であるのに対し、図４においては、それらの不連続点が除去され、バリアフリーとなっている。
図５は、２００Ｋにおける光入力、電流出力特性を実線で示す本発明ＨＰＴの場合と破線で示す従来構造のＨＰＴの場合で比較した図である。ベース層にＩｎＧａＡｓＳｂを用いた本発明ＨＰＴにおいては、光入力に対して電流出力は１０ｆＷ程度に相当する素子内励起電流１０ｆＡ付近からリニアに増加するのに対し、ベース層にＩｎＧａＡｓを用いた従来構造のＨＰＴでは１０ｆＷ程度以下で電流出力が遮断されている。またいくつかの電流出力変曲点が生じており、光入力に対する線形応答性が阻害されている。このように、従来のＨＰＴでは、ＰＤ部の暗電流を抑制するために素子を冷却すると、トランジスタ部におけるキャリア走行がヘテロ界面のバンド不連続により阻害され、結果として、素子を冷却しても必ずしも感度の向上に繋がっていなかった。これに対し、本発明によれば、低温環境下での極微弱光入射時においてもトランジスタ部の電流増幅機能が担保され、数ｆＷ以下の検出感度を得ることができる。
図６は、図２Ｂの材料構成例に従い、光吸収層６をＩｎＡｓとして感光波長領域を３．５μｍまで拡張した場合のバンドプロファイルを示す。図中、実線は暗状態の場合、破線は強度０．１Ｗ／ｃｍ2の光を照射した場合のバンドプロファイルである。計算を実行する上での具体的材料パラメータは、エミッタ層３は厚み１００ｎｍ，ｎ型濃度２・１０16ｃｍ-3のＩｎ0.58Ａｌ0.42Ａｓ0.56Ｓｂ0.44、ベース層４は厚み１００ｎｍ，ｐ型濃度３・１０17ｃｍ-3のＩｎ0.2ＧａＡｓＳｂ、コレクタ兼バリア層５は厚み１００ｎｍ，ｎ型濃度２・１０15ｃｍ-3のＩｎ0.69Ａｌ0.31Ａｓ0.65Ｓｂ0.35、そして光吸収層６は厚み４００ｎｍ，ｎ型濃度２・１０15ｃｍ-3と厚み２μｍ、濃度２・１０16ｃｍ-3のｎ型ＩｎＡｓを用いてそれらを積層したものであるとした。
なおエミッタ層３のバンドギャップおよび電子親和度はそれぞれ０．９５ｅＶ、４．２ｅＶ、Ｉｎ0.2ＧａＡｓＳｂベース層４のバンドギャップおよび電子親和度は０．６２ｅＶ、４．１７ｅＶ、コレクタ兼バリア層５のバンドギャップおよび電子親和度はそれぞれ０．７５ｅＶ、４．４ｅＶ、とした。また、ＩｎＡｓのバンドギャップおよび電子親和度を室温にて０．３５ｅＶ、４．９ｅＶとして計算した。さらに、計算を実行する上で、図２Ｂに示した具体的なＨＰＴの寸法として、エミッタコンタクト層２を含む第二メサ構造の直径は４μｍ、ベース層４を規定する第一メサ構造の領域部分、即ち光吸収層６で光の実質的な吸収領域として機能する領域部分の直径は２４μｍとしている。コレクタ電圧は１Ｖとした。
本図のバンドギャッププロファイルにおいても、伝導帯においては、エミッタ層３からベース層４への接合部分においてコレクタ電流を制御するためのポテンシャルバリアが形成されていることを除いて、ベース層４，コレクタ兼バリア層５および光吸収層６に沿って、電子を基板方向に加速する方向にポテンシャル勾配が形成されている。一方、価電子帯においては、光吸収層６からコレクタ兼バリア層５を経由してベース層４に至る経路において、正孔を表面側方向に加速する電界が形成されている。
図７は、図６に示したバンドプロファイルを有するＨＰＴのコレクタ電流を、当該ＨＰＴに光照射発生した励起電流に対し、素子温度をパラメータとしてシミュレーションし、プロットしたものである。計算を実行する上で、図２Ｂに示した具体的なＨＰＴの寸法として、エミッタコンタクト層２を含む第二メサ構造の直径は４μｍ、ベース層４を規定する第一メサ構造の領域部分、即ち光吸収層６で光の実質的な吸収領域として機能する領域の直径を２４μｍとしている。コレクタ電圧は１Ｖとした。ちなみに、第二メサ構造の寸法が小さい程、光の入射し得る面積は拡がることは当然である。
図７において、例えば２００Ｋ（約−７０℃）での計算結果に着目すると、ＩｎＡｓ光吸収層６における励起光電流値１０-10Ａに対応する動作点でのコレクタ電流は１０-5Ａ程度となり、本実施例でのＨＰＴの感度は、１０5Ａ／Ｗ程度となる。これは例えば上述した非特許文献５，６に開示されている従来素子に比し、２〜４桁以上大きく改善された値である。
なお、動作環境温度をさらに下げると、電子正孔対の生成が抑制されるため、暗電流は大きく減少し、例えば１５０Ｋ（約−１２０℃）程度の動作では、暗電流は約２ｎＡ程度まで小さくなり、光強度に対するダイナミックレンジも５桁以上拡大される。
コレクタ兼バリア層５には、使用する環境温度で電子正孔対の生成が少ないバンドギャップを有する半導体が選択される。例えば室温近傍動作であれば１ｅＶ以上の半導体が望ましい。また正孔もしくは電子のトンネリングによる通過を避けるため、数１０ｎｍ以上の厚みに設定するのが望ましい。
本実施形態では、光吸収層６にＩｎＡｓを用い、吸収波長帯を３．５μｍ程度までを想定しているが、より長波長の中赤外光ディテクタとするには、例えばＩｎＡｓＳｂ系の半導体を光吸収層６に用いれば良い。この場合約５μｍまでの波長の光を検出できる。
図８は図２Ｃに示した材料構成に従い、光吸収層６をＩｎＧａＡｓＳｂとし、感光波長領域を５μｍ付近まで拡張した場合のバンドプロファイルを示す。図中、実線は暗状態の場合、破線は強度０．１Ｗ／ｃｍ2の光を照射した場合のバンドプロファイルである。計算を実行する上での具体的材料パラメータは、エミッタ層３は厚み１００ｎｍ，ｎ型濃度２・１０16ｃｍ-3のＩｎ0.8Ａｌ0.2Ａｓ0.74Ｓｂ0.26、ベース層４は厚み１００ｎｍ，ｐ型濃度３・１０17ｃｍ-3のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ0.14Ｓｂ0.86、コレクタ兼バリア層５は厚み１００ｎｍ，ｎ型濃度２・１０15ｃｍ-3のＩｎ0.8Ａｌ0.2Ａｓ0.74Ｓｂ0.26、そして光吸収層６は厚み２μｍ、濃度２・１０17ｃｍ-3のｎ型Ｉｎ0.95Ｇａ0.05Ａｓ0.86Ｓｂ0.14であるとした。
なおＩｎ0.8Ａｌ0.2Ａｓ0.74Ｓｂ0.26エミッタ層３およびコレクタ兼バリア層５のバンドギャップおよび電子親和度はそれぞれ０．６９ｅＶ、４．４１ｅＶ、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ0.14Ｓｂ0.86ベース層４のバンドギャップおよび電子親和度は０．５６ｅＶ、４．１４ｅＶとした。また、Ｉｎ0.95Ｇａ0.05Ａｓ0.86Ｓｂ0.14光吸収層６のバンドギャップおよび電子親和度を室温にて０．２７ｅＶ、４．８８ｅＶとして計算した。
図９は、光吸収層６をｎ型Ｉｎ0.95Ｇａ0.05Ａｓ0.86Ｓｂ0.14とし、そのキャリア濃度をそれぞれ２・１０17ｃｍ-3（実線）と２・１０15ｃｍ-3（破線）とした場合の受光により素子内部に発生した電流とコレクタ電流をプロットしたものである。光吸収層６のバンドギャップが狭くなると熱励起によるキャリアの影響により暗電流が増加する傾向にある。しかし、本素子では、ｎＢｎ構造に準じて、多数キャリアである電子流を遮断しているため、光吸収層の電子濃度を増すことにより、暗電流の原因となる正孔濃度が減少する。実際、図９において光吸収層の電子濃度を増加することにより、暗電流が減少している。
下記の表１は、近中赤外帯および中赤外感度波長帯におけるバリアフリー（ＢＦ）型ＨＰＴのエピタキシャル層構成の設計例を示す。
感度波長が２．５μｍまでの用途には、光吸収層としてＩｎＧａＡｓＳｂコレクタ層を兼用できる。バンドギャップが小さくなる程、熱励起による暗電流成分が増加するため、使用波長に応じて、光吸収層のバンドギャップを最適化することが重要である。ベース層をＩｎＧａＡｓＳｂ、コレクタ兼バリア層をＩｎＡｌＡｓＳｂ系にすることにより、電子走行に関してコンダクションバンドをバリアフリーとする。一方、価電子帯は、ＩｎＡｌＡｓＳｂコレクタ層とＩｎＡｓもしくはＩｎＡｓＳｂ光吸収層とにおいてほぼバリアフリーとなるバンドプロファイルが実現できる。
ＰＤ部の表面電流を抑制するために、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、コレクタ露呈表面１６とベース層４およびエミッタ層３の側面１７をドーナツ型にｐ型選択拡散することにより、電気的に接続した構造も有効である。図１０（Ａ）は平面図、図１０（Ｂ）は図（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う断面図であるが、本実施形態においては図３に示した構造におけると同じないし同様の構成要素には同じ符号を示しており、ここでの説明を省略するものに就いては、既になした図３に即しての説明を援用できる。但し、第一のメサ構造１０'は光吸収層６やコレクタ兼バリア層５を含まず、ベース層４とエミッタ層３とで構成されている。
この実施形態の構造において表面リーク電流を抑制するためには、コレクタ層５が光吸収層６に比べてワイドバンドギャップである必要がある。すなわち、このＨＰＴのトランジスタ部はＤＨ型ＨＢＴとなり、従来構造ではベース・コレクタ間のヘテロバリアにより、微弱光における電流増幅機能が阻害される。また、光吸収層６とコレクタ兼バリア層５間のヘテロバリアは、光生成された正孔のベース層４への移動を阻害する。そこで、ベース層４、コレクタ兼バリア層５、および光吸収層６に対し、既掲の表１に示した材料系を用いることにより、ベース層４の伝導帯の準位を持ち上げ、光吸収層６とコレクタ兼バリア層５の価電子帯を整合させることにより、耐電圧に優れ、暗電流が抑制されたＨＰＴを実現することができる。実際、この実施形態のＨＰＴでも、本発明に従い各層組成関係を選択することで、光照射に伴い、ベース層のバリアが消滅してバリアフリーとなり、良好な導通状態になる結果が得られている。但し、素子温度が下がると、細かなバンド不連続により電子や正孔の輸送が阻害されるため、ヘテロ界面の組成を徐々に変化させる、グレード組成構造を併用することが望ましい。
エミッタ・ベース接合のビルトインポテンシャルに関しては、使用する素子温度に対応する熱エネルギｋＴの１０倍程度が適当である。すなわち、室温に於けるｋＴは２５ｍｅＶであるので、室温動作デバイスでは０．２５ｅＶ程度が適当であるが、素子温度を下げるに従って、ポテンシャルバリアを低くしないと、出力電流を確保できない。一般に、ｐｎ接合のターン・オン電圧は、その接合を形成する材料のバンドギャップ程度になるため、当該ターン・オン電圧を下げるためには、その接合を形成する材料のバンドギャップを狭くする必要がある。しかし、バンドギャップの狭い材料は一般的に再結合速度が大きく、暗電流の抑制や電流利得の確保が困難になる。なお、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すＨＰＴのベース層４はｐ型でも良いし、コンダクションバンドを高くしたｎ型半導体層でも良い。
また、これまで述べてきた所では、本発明ＨＰＴとして、第一メサ構造１０（１０'）の中央部に第二メサ構造１１が配置された構造例に就き説明して来たが、第一メサ構造１０（１０'）の周縁に沿った部分（外周部）に第二メサ構造１１を配置しても良いし、第二メサ構造１１が複数個所に分かたれて形成されていても良い。

Claims (6)

  1. 第一導電型の半導体層により構成された光吸収層と、該光吸収層の上にコレクタ兼バリア層、ベース層、エミッタ層が順に積層されることで構成されたトランジスタ部とを有するフォトトランジスタにおいて；
    上記コレクタ兼バリア層は、伝導帯におけるエネルギ準位が該光吸収層のそれより高く、価電子帯におけるエネルギ準位が該光吸収層のそれにほぼ一致するか高い、相対的に該光吸収層よりワイドギャップな半導体層から成り；
    上記コレクタ兼バリア層の上に形成された上記ベース層は、該コレクタ兼バリア層に比して相対的にナローギャップで、その伝導帯におけるエネルギ準位は該コレクタ兼バリア層との界面において該コレクタ兼バリア層のそれに一致するか高く；
    上記ベース層の上に形成された上記エミッタ層は、該ベース層に比して相対的にワイドギャップで、価電子帯におけるエネルギ準位は該ベース層のそれよりは低い上記第一導電型の半導体層から成ること；
    を特徴とするヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ。
  2. 上記ベース層は、上記第一導電型とは逆極性の第二導電型の半導体層から成ること；
    を特徴とする請求項１記載のヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ。
  3. 上記ベース層は、その中央部分は上記第一導電型の半導体層から成るが、周辺部は該中央部分とは逆極性の第二導電型となっていること；
    を特徴とする請求項１記載のヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ。
  4. 上記光吸収層と上記コレクタ兼バリア層がメサ構造として構成され、該メサ構造の露呈側面部分が上記第一導電型あるいは該第一導電型とは逆極性の第二導電型に統一され、該光吸収層と該コレクタ兼バリア層により構成されるｐｎ接合部分が側面において露出しないこと；
    を特徴とする請求項１記載のヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ。
  5. 上記光吸収層をＩｎＧａＡｓ、上記コレクタ兼バリア層をＩｎＧａＡｓＰＳｂ、上記ベース層をＩｎＧａＡｓＰＳｂ、上記エミッタ層をＩｎＰ半導体で構成したこと；
    を特徴とする請求項１記載のヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ。
  6. 上記光吸収層をＩｎＡｓあるいはＩｎＡｓＳｂ、上記コレクタ兼バリア層をＩｎＡｌＡｓＳｂ、上記ベース層をＩｎＧａＳｂあるいはＩｎＧａＡｓＳｂ半導体、そして上記エミッタ層をＩｎＡｌＡｓＳｂ半導体で構成したこと；
    を特徴とする請求項１記載のヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ。
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