JP7163803B2 - 半導体受光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、半導体受光デバイスに関する。

非特許文献１は、エレクトロンバリア層及びホールバリア層を含むフォトダイオードを開示する。

N. Gautam, et. al., "Band engineered HOT mid wave infrared detectors based on type-II InAs/GaSb strained layer superlattices"、 Infrared Physics & Technology、ELSEVIER、2013.

光通信の光波長より長波の赤外線フォトダイオードの応用分野は、赤外線フォトダイオードが優れた応答特性を有することを求める。このフォトダイオードは、長波の赤外線を検知する小さいバンドギャップの半導体超格子を用いる。フォトダイオードは、この半導体超格子に起因する暗電流を低減するために、非特許文献１に開示されたフォトダイオードは、エレクトロンバリア層及びホールバリア層を含む。

非特許文献１のフォトダイオードは、光アブソーバー層とエレクトロンバリア層及びホールバリア層との間に２つのヘテロ界面を有する。発明者の検討によれば、このようなフォトダイオードの伝導帯は、光アブソーバー層とホールバリア層とのヘテロ界面において、光アブソーバー層内にノッチを有する。また、このノッチは深く、例えば０．３エレクトロンボルト程度の大きさを有する。

本発明の一側面は、良好な応答特性を有する半導体受光デバイスを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る半導体受光デバイスは、赤外線に感応する光アブソーバー層と、前記光アブソーバー層の価電子帯のエネルギーレベルに対して障壁を提供するタイプＩＩの第１超格子構造を含むホールバリア層と、前記光アブソーバー層と前記ホールバリア層との間に設けられ、前記光アブソーバー層のバンドギャップより小さいバンドギャップを有するタイプＩＩの第２超格子構造を含むセパレーター層と、を備える。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、良好な応答特性を有する半導体受光デバイスを提供できる。

図１の（ａ）部は、本実施形態に係る半導体受光デバイスの構造を示し、図１の（ｂ）部は、図１の（ａ）部に示された構造のバンドダイアグラムを示す図面である。 図２は、実験例１に係る半導体受光デバイスのバンドダイアグラムを示す図面である。 図３は、実験例２に係る半導体受光デバイスのバンドダイアグラムを示す図面である。 図４は、実験例３に係る半導体受光デバイスのバンドダイアグラムを示す図面である。

具体例を説明する。

具体例に係る半導体受光デバイスは、（ａ）赤外線に感応する光アブソーバー層と、（ｂ）前記光アブゾーバー層の価電子帯のエネルギーレベルに対して障壁を提供するタイプＩＩの第１超格子構造を含むホールバリア層と、（ｃ）前記光アブソーバー層と前記ホールバリア層との間に設けられ、前記光アブゾーバー層のバンドギャップより小さいバンドギャップを有するタイプＩＩの第２超格子構造を含むセパレーター層と、を備える。

この半導体受光デバイスによれば、光アブソーバー層が、価電子帯にオフセットを有するホールバリア層ではなく、セパレーター層に接合を成す。光アブソーバー層において生成された電子正孔対のうちの電子は、セパレーター層を通って光アブソーバー層からホールバリア層への方向に伝搬する。セパレーター層の第２超格子構造が、光アブソーバー層のバンドギャップより小さいバンドギャップを有しており、この小さいバンドギャップは、大きいバンドギャップの光アブソーバー層の伝導帯のエネルギーレベルより低いエネルギーレベルをセパレーター層の伝導帯に与えることができる。光アブソーバー層はセパレーター層に接合を成して、ヘテロ界面を形成する。このヘテロ界面は、光アブソーバー層ではなくセパレーター層にノッチを形成する。光アブソーバー層において生成された電子は、伝導帯において、光アブソーバー層内のノッチからセパレーター層のエネルギーレベルへ障壁を登ることなく、光アブソーバー層からセパレーター層に流れる。

具体例に係る半導体受光デバイスでは、前記セパレーター層は、ｎ型ドーパントを含む部分を有する。

この半導体受光デバイスによれば、セパレーター層へのドーパントの添加は、セパレーター層の第２超格子構造の伝導帯のエネルギーレベルをシフトさせる。

具体例に係る半導体受光デバイスでは、前記光アブソーバー層は、タイプＩＩの第３超格子構造を含むことができる。

光アブソーバー層の第３超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子層、ＩｎＧａＳｂバルク層、及びＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子層の少なくとも一つを含む。

半導体受光デバイスによれば、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子層、及びＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子層は、赤外線に感応する。

具体例に係る半導体受光デバイスでは、前記光アブソーバー層は、ＩｎＧａＳｂバルク層を含む。

この半導体受光デバイスによれば、ＩｎＧａＳｂ混晶は、赤外線に感応する。

具体例に係る半導体受光デバイスでは、前記セパレーター層の前記第２超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子を含む。

この半導体受光デバイスによれば、セパレーター層の第２超格子構造にはＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子が提供される。

具体例に係る半導体受光デバイスでは、前記セパレーター層は、前記光アブソーバー層の厚さより小さい厚さを有する。

この半導体受光デバイスによれば、光アブソーバー層が入射光から電子正孔対を十分に生成することを可能にする。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら半導体受光デバイスに係る実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１の（ａ）部は、本実施形態に係る半導体受光デバイスの構造を示す図面である。図１の（ｂ）部は、図１の（ａ）部に示された構造のバンドダイアグラム（価電子帯ＶＢ及び伝導帯ＣＢ）を示す図面である。

半導体受光デバイス１１は、赤外線に感応する。半導体受光デバイス１１は、光アブソーバー層１３、ホールバリア層１７及びセパレーター層１９を備える。光アブソーバー層１３は、例えば波長2～6マイクロメーターの赤外線に感応する。セパレーター層１９は、光アブソーバー層１３とホールバリア層１７との間に設けられる。ホールバリア層１７及びセパレーター層１９は、それぞれ、タイプＩＩの第１超格子構造２３及びタイプＩＩの第２超格子構造２５を含む。セパレーター層１９の第２超格子構造２５は、光アブソーバー層１３のバンドギャップより小さいバンドギャップを有する。ホールバリア層１７の第１超格子構造２３は、光アブソーバー層１３の価電子帯のエネルギーレベル（価電子帯レベルＶＢ１３として参照される）にエネルギー障壁を提供する価電子帯レベルＶＢ１７を有する。

半導体受光デバイス１１によれば、光アブソーバー層１３が、価電子帯に大きな障壁を有するホールバリア層１７ではなく、セパレーター層１９にヘテロ接合Ｈ１Ｊを成す。セパレーター層１９はホールバリア層１７にヘテロ接合Ｈ２Ｊを成す。

ホールバリア層１７の第１超格子構造２３、セパレーター層１９の第２超格子構造２５及び光アブソーバー層１３は、第１軸Ａｘ１の方向に配列されて、光アブソーバー層１３において生成された電子正孔対のうちの電子は、セパレーター層１９を通って光アブソーバー層１３からホールバリア層１７への方向に伝搬する。

ホールバリア層１７の第１超格子構造２３、セパレーター層１９の第２超格子構造２５及び光アブソーバー層１３は、それぞれ、第１バンドギャップＥＧ１、第２バンドギャップＥＧ２及び第３バンドギャップＥＧ３を有する。セパレーター層１９の第２バンドギャップＥＧ２が、光アブソーバー層１３の第３バンドギャップＥＧ３より小さい。この小さい第２バンドギャップＥＧ２は、大きい第３バンドギャップＥＧ３の光アブソーバー層１３の伝導帯のエネルギーレベル（以下、伝導帯レベルＣＢ１３として参照する）より低いエネルギーレベルをセパレーター層１９の伝導帯（以下、伝導帯レベルＣＢ１９）に与えることができる。この大小関係は、光アブソーバー層１３とセパレーター層１９とのヘテロ接合Ｈ１Ｊにおいて、光アブソーバー層１３ではなくセパレーター層１９内にノッチを形成することを可能にする。このヘテロ接合Ｈ１Ｊは、光アブソーバー層１３において生成された電子が、伝導帯において、光アブソーバー層１３からセパレーター層１９に伝搬することを可能にする。この伝搬に際して、電子が、光アブソーバー層１３に隣接する層のエネルギー障壁を光アブソーバー層１３内のノッチから上ることを避ける。

第１軸Ａｘ１の方向に配列される光アブソーバー層１３、セパレーター層１９及びホールバリア層１７を含む半導体受光デバイス１１では、セパレーター層１９の伝導帯レベルＣＢ１９は、光アブソーバー層１３の伝導帯レベルＣＢ１３及びホールバリア層１７の伝導帯レベルＣＢ１７に比べて低くなって、セパレーター層１９の伝導帯に第１井戸Ｗ１を形成する。また、セパレーター層１９の価電子帯レベルＶＢ１９は、光アブソーバー層１３の価電子帯レベル及びホールバリア層１７の価電子帯レベルＶＢ１７に比べて低くなって、セパレーター層１９の価電子帯に第２井戸Ｗ２を形成する。本実施例では、第１井戸Ｗ１は、第２井戸Ｗ２の深さより小さい深さを有する。光アブソーバー層１３とセパレーター層１９とのバンドギャップ差は、10～20 ミリエレクトロンボルトの範囲にあることができる。セパレーター層１９とホールバリア層１７とのバンドギャップ差は、200ミリエレクトロンボルト以上であることができる。

ホールバリア層１７では、第１超格子構造２３は、Ｖ族構成元素としてアンチモン及びヒ素を含むと共にＩＩＩ族構成元素としてインジウム及びガリウムを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。

ホールバリア層１７では、第１超格子構造２３は、第１セル１８の配列を含み、第１セル１８の配列は、第１バンドギャップＥＧ１、ホールバリア層１７の伝導帯レベルＣＢ１７及び価電子帯レベルＶＢ１７を生成する。ホールバリア層１７の第１バンドギャップＥＧ１は、セパレーター層１９の第２バンドギャップＥＧ２より大きい。ホールバリア層１７は、光アブソーバー層１３の価電子帯レベルＶＢ１３及びセパレーター層１９の価電子帯レベルＶＢ１９より大きな価電子帯レベルＶＢ１７を有して、光アブソーバー層１３からの正孔に対して障壁を提供する。

第１セル１８は、複数の半導体薄膜を含み、これら半導体薄膜は、互いに異なるＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。第１セル１８は、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜１８ａと、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜１８ｂとを含み、更に、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にアンチモンと異なるＶ族構成元素を含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜１８ｃを含むことができる。

具体的には、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜１８ａは、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含むことに加えてＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む二元又は三元の化合物であることができ、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜１８ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムとＶ族構成元素としてヒ素とを含む二元又は三元の化合物であることができる。ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜１８ｃは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムとＶ族構成元素としてアンチモンとを含む二元又は三元の化合物であることができる。必要な場合には、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜１８ａ、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜１８ｂ及びＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜１８ｃは、四元を超える構成元素を含む化合物であることができる。

ホールバリア層１７は、ｎ型ドーパントを含む部分を有する。第１セル１８は、第１超格子構造２３に電子の多数キャリアを提供できるように、ｎ型ドーパントを含む。

ホールバリア層１７の第１セル１８の例示。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜１８ａ：アンドープ又はｎドープの複数のＧａＳｂ層。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜１８ｂ：ｎドープの複数のＩｎＡｓ層。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜１８ｃ：アンドープ又はｎドープの単一のＩｎＳｂ層。
第１超格子構造２３の厚さ：２００～３００ナノメートル、例えば２００ナノメートル。
第１超格子構造２３のキャリア濃度：１×１０^１８～３×１０^１８ｃｍ^－３。
第１超格子構造２３は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子を含む。具体的には、ホールバリア層１７の第１超格子構造２３にはＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子が提供される。第１超格子構造２３は、例えば２５個の第１セル１８を含む。

セパレーター層１９では、第１超格子構造２３は、Ｖ族構成元素としてアンチモン及びヒ素を含むと共にＩＩＩ族構成元素としてインジウム及びガリウムを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。

セパレーター層１９では、第２超格子構造２５は、Ｖ族構成元素としてアンチモン及びヒ素を含むと共にＩＩＩ族構成元素としてインジウム及びガリウムを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。

第２超格子構造２５は、第２セル２０の配列を含む。第２セル２０の配列は、第２バンドギャップＥＧ２、セパレーター層１９の伝導帯レベルＣＢ１９及び価電子帯レベルＶＢ１９を生成する。セパレーター層１９の第２バンドギャップＥＧ２は、ホールバリア層１７の第１バンドギャップＥＧ１及び光アブソーバー層１３の第３バンドギャップＥＧ３より小さい。ホールバリア層１７は、光アブソーバー層１３の伝導帯レベルＣＢ１３より低い伝導帯レベルＣＢ１７を有して、光アブソーバー層１３からの電子に対して大きな障壁を生成しない。セパレーター層１９の伝導帯レベルＣＢ１９は、ホールバリア層１７の伝導帯レベルＣＢ１７より低く、光アブソーバー層１３からセパレーター層１９に流れる電子に対して大きな障壁を生成しない。

第２セル２０は、複数の半導体薄膜を含み、これら半導体薄膜は、互いに異なるＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。第２セル２０は、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２０ａと、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２０ｂとを含み、更に、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にアンチモンと異なるＶ族構成元素を含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２０ｃを含むことができる。

具体的には、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２０ａは、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含むことに加えてＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む二元又は三元の化合物であることができ、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２０ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムとＶ族構成元素としてヒ素とを含む二元又は三元の化合物であることができる。ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２０ｃは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にＶ族構成元素としてアンチモンを含む二元又は三元の化合物であることができる。必要な場合には、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２０ａ、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２０ｂ及びＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２０ｃは、四元を超える構成元素を含む化合物であることができる。

セパレーター層１９は、ｎ型ドーパントを含む部分を有する。第２セル２０は、第２超格子構造２５に電子の多数キャリアを提供できるように、ｎ型ドーパントを含む。

セパレーター層１９へのドーパントの添加は、セパレーター層１９の第２超格子構造２５の伝導帯レベルＣＢ１９をシフトさせる。具体的には、セパレーター層１９の一部及び全部にｎ型ドーパントを添加することにより、セパレーター層１９のフェルミレベルＥＦが変化する。セパレーター層１９のフェルミレベルＥＦの変化により、光アブソーバー層１３の伝導帯レベルＣＢ１３に対してセパレーター層１９の伝導帯レベルＣＢ１９が変化する。

セパレーター層１９の第２セル２０の例示。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２０ａ：アンドープ又はｎドープの単一のＧａＳｂ層。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２０ｂ：ｎドープの単一のＩｎＡｓ層。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２０ｃ：アンドープ又はｎドープの単一のＩｎＳｂ層。
第２超格子構造２５の厚さ：200～300ナノメートル、例えば３００ナノメートル。
第２超格子構造２５のキャリア濃度：５×１０^１７～３×１０^１８ｃｍ^－３。
第２超格子構造２５のキャリア濃度は、第１超格子構造２３のキャリア濃度より小さいか、または等しい。
第２超格子構造２５は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子を含む。具体的には、セパレーター層１９の第２超格子構造にはＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子が提供される。第２超格子構造２５は、例えば５０個の第２セル２０を含む。

半導体受光デバイス１１は、主要な光電流を生成するバンド構造を光アブソーバー層１３に与える。このバンド構造は、既に説明された第３バンドギャップＥＧ３を有する。第３バンドギャップＥＧ３は、セパレーター層１９の第２バンドギャップＥＧ２より大きく、ホールバリア層１７の第１バンドギャップＥＧ１より小さい。具体的には、光アブソーバー層１３は、タイプＩＩの超格子構造及びＩＩＩ－Ｖ半導体バルク層の少なくともいずれか一方を含むことができる。光アブソーバー層１３は、セパレーター層１９の厚さより大きい厚さを有する。

光アブソーバー層１３は、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含むと共にＩＩＩ族構成元素としてインジウム及びガリウムを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。必要な場合には、光アブソーバー層１３は、Ｖ族構成元素としてアンチモン及びヒ素を含むと共にＩＩＩ族構成元素としてインジウム及びガリウムを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。

光アブソーバー層１３へのドーパントの添加は、ｐｎ接合の位置及び光アブソーバー層１３における空乏層の広がりを規定する。例えば、光アブソーバー層１３は、ｐ型ドーパントを含む部分を有することができる。具体的には、光アブソーバー層１３の一部及び全部に、軽くｐ型ドーパントを添加することができる。

タイプＩＩの第３超格子構造２１を含む光アブソーバー層１３では、光アブソーバー層１３は、Ｖ族構成元素としてアンチモン及びヒ素を含むと共にＩＩＩ族構成元素としてインジウム及びガリウムを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。具体的には、第３超格子構造２１は、第３セル２２の配列を含み、第３セル２２の配列は、第３バンドギャップＥＧ３、光アブソーバー層１３の伝導帯レベルＣＢ１３及び価電子帯レベルＶＢ１３を生成する。光アブソーバー層１３は、第３バンドギャップＥＧ３のバンドギャップ波長をより短い波長の光に応答して、電子・正孔対を生成する。

第３セル２２は、複数の半導体薄膜を含み、これら半導体薄膜は、互いに異なるＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。第３セル２２は、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２２ａと、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２２ｂとを含み、更に、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にアンチモンと異なるＶ族構成元素を含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２２ｃを含むことができる。

具体的には、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２２ａは、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含むことに加えてＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む二元又は三元の化合物であることができ、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２２ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むことに加えてＶ族構成元素としてヒ素を含む二元又は三元の化合物であることができる。ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２２ｃは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムとＶ族構成元素としてアンチモンとを含む二元又は三元の化合物であることができる。必要な場合には、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２２ａ、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２２ｂ及びＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２２ｃは、四元を超える構成元素を含む化合物であることができる。

光アブソーバー層１３の第３セル２２の例示。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２２ａ：アンドープの単一のＧａＳｂ層。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２２ｂ：アンドープ又はｐドープの単一のＩｎＡｓ層。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２２ｃ：アンドープの単一のＩｎＳｂ層。
第３超格子構造２１の厚さ：800～1200ナノメートル、例えば１０００ナノメートル。
第３超格子構造２１のキャリア濃度：１×１０^１５～１×１０^１６ｃｍ^－３。
第３超格子構造２１は、例えば２００個の第３セル２２を含む。

具体的には、第３超格子構造２１は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子層、及びＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子層の少なくとも一つを含むことができる。

この半導体受光デバイス１１によれば、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子層、ＩｎＧａＳｂバルク層、及びＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子層は、赤外線に感応する。

タイプＩＩの超格子構造ではなくバルク半導体層を含む光アブソーバー層１３では、光アブソーバー層１３のバルク半導体層が、第３バンドギャップＥＧ３、光アブソーバー層１３の伝導帯レベルＣＢ１３及び価電子帯レベルＶＢ１３を生成する。光アブソーバー層１３は、第３バンドギャップＥＧ３のバンドギャップ波長をより短い波長の光に応答して、電子・正孔対を生成する。

バルク半導体層は、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にＶ族構成元素としてアンチモンを含む三元又は四元のＩＩＩ－Ｖ半導体からなる。ＩＩＩ－Ｖ半導体は、四元を超える構成元素を含む化合物であることができる。
具体的には、光アブソーバー層１３は、ＩｎＧａＳｂバルク層といったアンチモン化合物からなる。

半導体受光デバイス１１は、光アブソーバー層１３にＩｎＧａＳｂバルク層を与え、ＩｎＧａＳｂバルク層は、赤外線に感応する。

半導体受光デバイス１１は、エレクトロンバリア層２７を更に含むことができる。エレクトロンバリア層２７は、タイプＩＩの第４超格子構造２９を含む。第４超格子構造２９は、Ｖ族構成元素としてアンチモン及びヒ素を含むと共にＩＩＩ族構成元素としてインジウム及びガリウムを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。

エレクトロンバリア層２７の第４超格子構造２９は、第４バンドギャップＥＧ４を有する。第４バンドギャップＥＧ４は、光アブソーバー層１３の第３バンドギャップＥＧ３及びセパレーター層１９の第２バンドギャップＥＧ２より大きい。エレクトロンバリア層２７は、光アブソーバー層１３の伝導帯レベルＣＢ１３より大きな伝導帯レベルＣＢ２７を有して、光アブソーバー層１３からの電子に対して障壁を提供する。

本実施例では、エレクトロンバリア層２７は、光アブソーバー層１３にヘテロ接合Ｈ３Ｊを成す。このヘテロ接合Ｈ３Ｊは、価電子帯において、光アブソーバー層１３及びエレクトロンバリア層２７に、それぞれ、小さいスパイク及び小さいノッチを生成する。ヘテロ接合Ｈ３Ｊは、光アブソーバー層１３において生成された正孔が、価電子帯において光アブソーバー層１３内のスパイク及びエレクトロンバリア層２７内のノッチを通過して、光アブソーバー層１３からエレクトロンバリア層２７に流れることを可能にする。

エレクトロンバリア層２７では、第４超格子構造２９は、第４セル２８の配列を含み、第４セル２８の配列は、第４バンドギャップＥＧ４、エレクトロンバリア層２７の伝導帯レベルＣＢ２７及び価電子帯レベルＶＢ２７を生成する。

第４セル２８は、複数の半導体薄膜を含み、これら半導体薄膜は、互いに異なるＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。第４セル２８は、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２８ａと、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２８ｂとを含み、更に、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にアンチモンと異なるＶ族構成元素を含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２８ｃを含むことができる。

具体的には、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２８ａは、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含むことに加えてＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む二元又は三元の化合物であることができ、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２８ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むことに加えてＶ族構成元素としてヒ素を含む二元又は三元の化合物であることができる。ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２８ｃは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムとＶ族構成元素としてアンチモンとを含む二元又は三元の化合物であることができる。必要な場合には、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２８ａ、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２８ｂ及びＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２８ｃは、四元を超える構成元素を含む化合物であることができる。

エレクトロンバリア層２７は、ｐ型ドーパントを含む部分を有する。第４セル２８は、第４超格子構造２９に正孔の多数キャリアを提供できるように、ｐ型ドーパントを含む。

エレクトロンバリア層２７の第４セル２８の例示。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２８ａ：アンドープの複数のＧａＳｂ層。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２８ｂ：アンドープの複数のＩｎＡｓ層。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜２８ｃ：アンドープの単一のＩｎＳｂ層。
第４超格子構造２９の厚さ：150～200ナノメートル、例えば２００ナノメートル。
第４超格子構造２９のキャリア濃度：０．１×１０^１６～１×１０^１６ｃｍ^－３。
第２超格子構造２５のｎ型のキャリア濃度は第４超格子構造２９の自然にｐ型化した背景キャリア濃度より大きい。
第４超格子構造２９は、例えば２０個の第４セル２８を含む。
エレクトロンバリア層２７は、例えばｐ型導電性を示し、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造を含む。

セパレーター層１９は、光アブソーバー層１３の厚さより小さい厚さを有する。光アブソーバー層１３が入射光から電子正孔対を十分に生成することを可能にする。

セパレーター層１９は、ホールバリア層１７の厚さより大きい厚さを有する。ヘテロ接合Ｈ１Ｊ（光アブソーバー層１３とセパレーター層１９との接合界面）において、ノッチがセパレーター層１９内に形成される。厚いセパレーター層１９は、ノッチによるバンドの曲がりをホールバリア層１７及びヘテロ接合Ｈ２Ｊ（ホールバリア層１７とセパレーター層１９との接合界面）から離すことができる。また、セパレーター層１９は、エレクトロンバリア層２７の厚さより大きい厚さを有する。

半導体受光デバイス１１は、更に、ｎ型超格子層４１及びｐ型超格子層４３を備えることができる。

ｎ型超格子層４１は、Ｖ族構成元素としてアンチモン及びヒ素を含むと共にＩＩＩ族構成元素としてインジウム及びガリウムを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。

ｎ型超格子層４１は、第５バンドギャップＥＧ５を有する。第５バンドギャップＥＧ５は、光アブソーバー層１３の第３バンドギャップＥＧ３及びセパレーター層１９の第２バンドギャップＥＧ２より大きく、ホールバリア層１７の第１バンドギャップＥＧ１より小さい。ホールバリア層１７は、セパレーター層１９とｎ型超格子層４１との間に設けられ、本実施例では、ｎ型超格子層４１にヘテロ接合Ｈ４Ｊを成す。ｎ型超格子層４１は、ホールバリア層１７の伝導帯レベルＣＢ１７と実質的に同じ伝導帯レベルＣＢ４１を有して、光アブソーバー層１３からの電子は、ホールバリア層１７を介してｎ型超格子層４１の伝導帯レベルＣＢ４１に流れる。

ｎ型超格子層４１は、タイプＩＩの超格子を提供する第５セル４０の配列を含み、第５セル４０の配列は、第５バンドギャップＥＧ５、ｎ型超格子層４１の伝導帯レベルＣＢ４１及び価電子帯レベルＶＢ４１を生成する。

第５セル４０は、複数の半導体薄膜を含み、これら半導体薄膜は、互いに異なるＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。第５セル４０は、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４０ａと、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４０ｂとを含み、更に、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にアンチモンと異なるＶ族構成元素を含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４０ｃを含むことができる。

具体的には、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４０ａは、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含むことに加えてＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む二元又は三元の化合物であることができ、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４０ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むことに加えてＶ族構成元素としてヒ素を含む二元又は三元の化合物であることができる。ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４０ｃは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムとＶ族構成元素としてアンチモンとを含む二元又は三元の化合物であることができる。必要な場合には、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４０ａ、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４０ｂ及びＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４０ｃは、四元を超える構成元素を含む化合物であることができる。

ｎ型超格子層４１は、ｎ型ドーパントを含む部分を有する。第５セル４０は、ｎ型超格子層４１に電子の多数キャリアを提供できるように、ｎ型ドーパントを含む。

ｎ型超格子層４１の第５セル４０の例示。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４０ａ：アンドープ又はｎドープの複数のＧａＳｂ層。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４０ｂ：ｎドープの複数のＩｎＡｓ層。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４０ｃ：アンドープ又はｎドープの単一のＩｎＳｂ層。
ｎ型超格子層４１の厚さ：例えば２８５ナノメートル。
ｎ型超格子層４１のキャリア濃度：１×１０^１８～３×１０^１８ｃｍ^－３。
ｎ型超格子層４１は、例えば５０個の第５セル４０を含む。
ｎ型超格子層４１は、例えばｎ型導電性を示し、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造を含む。

ｐ型超格子層４３は、Ｖ族構成元素としてアンチモン及びヒ素を含むと共にＩＩＩ族構成元素としてインジウム及びガリウムを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。

ｐ型超格子層４３は、第６バンドギャップＥＧ６を有する。第６バンドギャップＥＧ６は、光アブソーバー層１３の第３バンドギャップＥＧ３及びセパレーター層１９の第２バンドギャップＥＧ２より大きく、エレクトロンバリア層２７の第４バンドギャップＥＧ４より小さい。エレクトロンバリア層２７は、光アブソーバー層１３とｐ型超格子層４３との間に設けられ、本実施例では、ｐ型超格子層４３にヘテロ接合Ｈ５Ｊを成す。ｐ型超格子層４３は、エレクトロンバリア層２７の価電子帯レベルＶＢ２７と実質的に同じ価電子帯レベルＶＢ４３を有して、光アブソーバー層１３からの正孔は、ホールバリア層１７を介してｐ型超格子層４３の価電子帯レベルＶＢ４３に流れる。

ｐ型超格子層４３は、タイプＩＩの超格子を提供する第６セル４２の配列を含み、第６セル４２の配列は、第６バンドギャップＥＧ６、ｐ型超格子層４３の伝導帯レベルＣＢ４３及び価電子帯レベルＶＢ４３を生成する。

第６セル４２は、複数の半導体薄膜を含み、これら半導体薄膜は、互いに異なるＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。第６セル４２は、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４２ａと、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４２ｂとを含み、更に、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むと共にアンチモンと異なるＶ族構成元素を含む一又は複数のＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４２ｃを含むことができる。

具体的には、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４２ａは、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含むことに加えてＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む二元又は三元の化合物であることができ、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４２ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むことに加えてＶ族構成元素としてヒ素を含む二元又は三元の化合物であることができる。ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４２ｃは、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムとＶ族構成元素としてアンチモンとを含む二元又は三元の化合物であることができる。必要な場合には、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４２ａ、ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４２ｂ及びＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４２ｃは、四元を超える構成元素を含む化合物であることができる。

ｐ型超格子層４３は、ｐ型ドーパントを含む部分を有する。第６セル４２は、ｐ型超格子層４３に正孔の多数キャリアを提供できるように、ｐ型ドーパントを含む。

ｐ型超格子層４３の第６セル４２の例示。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４２ａ：ｐドープの複数のＧａＳｂ層。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４２ｂ：ｐドープの複数のＩｎＡｓ層。
ＩＩＩ－Ｖ半導体薄膜４２ｃ：ｐドープの単一のＩｎＳｂ層。
ｐ型超格子層４３の厚さ：例えば２３５ナノメートル。
ｐ型超格子層４３のキャリア濃度：１×１０^１７～３×１０^１７ｃｍ^－３。
ｐ型超格子層４３は、例えば６０個の第６セル４２を含む。
ｐ型超格子層４３は、例えばｐ型導電性を示し、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ構造を含む。

半導体受光デバイス１１は、更に、ｎ型バルク半導体層４５及びｐ型バルク半導体層４７を備えることができる。

ｎ型バルク半導体層４５は、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含むと共にＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。ｎ型超格子層４１は、ｎ型バルク半導体層４５とホールバリア層１７との間に設けられ、本実施例では、ｎ型バルク半導体層４５はｎ型超格子層４１にヘテロ接合Ｈ６Ｊを成す。
ｎ型バルク半導体層４５：ｎ型ＧａＳｂ、２５００ｎｍ厚。
ｎ型バルク半導体層４５は、伝導帯レベルＣＢ４５及び価電子帯レベルＶＢ４５を有する。伝導帯レベルＣＢ４５は、伝導帯レベルＣＢ４１に実質的に同じである。

ｐ型バルク半導体層４７は、Ｖ族構成元素としてアンチモンを含むと共にＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。
ｐ型超格子層４３は、ｐ型バルク半導体層４７とエレクトロンバリア層２７との間に設けられ、本実施例では、ｐ型バルク半導体層４７はｐ型超格子層４３にヘテロ接合Ｈ７Ｊを成す。
ｐ型バルク半導体層４７：ｐ型ＧａＳｂ、２００ｎｍ厚。
ｐ型バルク半導体層４７は、伝導帯レベルＣＢ４７及び価電子帯レベルＶＢ４７を有する。価電子帯レベルＶＢ４７は、価電子帯レベルＶＢ４３に実質的に同じである。

本実施例では、ｎ型バルク半導体層４５、ｎ型超格子層４１、ホールバリア層１７、セパレーター層１９、光アブソーバー層１３、エレクトロンバリア層２７、ｐ型超格子層４３、及びｐ型バルク半導体層４７が、第１軸Ａｘ１に沿って並ぶことができる。

半導体受光デバイス１１は、更に、ｎ型バルク半導体層４５に接続される第１電極４９ａ、及びｐ型バルク半導体層４７に接続される第２電極４９ｂを備えることができる。

半導体受光デバイス１１は、更に、支持体５１及び半導体積層５３を備える。半導体積層５３は支持体５１上に設けられる。半導体積層５３は、ｎ型バルク半導体層４５、ｎ型超格子層４１、ホールバリア層１７、セパレーター層１９、光アブソーバー層１３、エレクトロンバリア層２７、ｐ型超格子層４３、及びｐ型バルク半導体層４７を含む。

図１の（ａ）部を参照すると、半導体積層５３は、メサ構造５５を有する。本実施例では、メサ構造５５は、ｐ型バルク半導体層４７、ｐ型超格子層４３、エレクトロンバリア層２７、光アブソーバー層１３、セパレーター層１９、ホールバリア層１７、ｎ型超格子層４１、及びｎ型バルク半導体層４５の上部４５ａを含む。ｎ型バルク半導体層４５は、メサ構造５５の外側に設けられる下部４５ｂを有する。メサ構造５５は、シリコン系無機絶縁体といったパッシベーション膜５７で覆われている。第１電極４９ａは、パッシベーション膜５７の第１開口５７ａを介してｎ型バルク半導体層４５の下部４５ｂに接触を成し、第２電極４９ｂは、パッシベーション膜５７の第２開口５７ｂを介してｐ型バルク半導体層４７に接触を成す。パッシベーション膜５７のシリコン系無機絶縁体は、例えばシリコン酸化物であることができる。支持体５１は、例えばｎ型ＧａＳｂを含む。

図２は、実験例１に係る半導体受光デバイスのバンドダイアグラムを示す図面である。図３は、実験例２に係る半導体受光デバイスのバンドダイアグラムを示す図面である。図４は、実験例３に係る半導体受光デバイスのバンドダイアグラムを示す図面である。実験例２及び実験例３に係る半導体受光デバイスは、実験例１に係る半導体受光デバイスのセパレーター層１９に替えて、中間層１６を有する。中間層１６は、光アブソーバー層１３のバンドギャップとホールバリア層１７のバンドギャップとの間のバンドギャップを有する。セパレーター層１９のバンドギャップは、光アブソーバー層１３のバンドギャップ及びホールバリア層１７のバンドギャップより小さい。

実験例１に係る半導体受光デバイス。
光アブソーバー層１３：ＢｅドープＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子構造（２１）。
光アブソーバー層１３のＢｅドーパント濃度：１×１０^１６ｃｍ^－３。
光アブソーバー層１３のバンドギャップ：０．２３エレクトロンボルト。

セパレーター層１９：ＳｉドープＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子構造（２５）
セパレーター層１９のドーパント濃度：１×１０^１８ｃｍ^－３。
セパレーター層１９のバンドギャップ（ＥＧ２）：０．２１エレクトロンボルト。

実験例２に係る半導体受光デバイス。
光アブソーバー層１３：ＢｅドープＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子構造（２１）。
光アブソーバー層１３のＢｅドーパント濃度：１×１０^１８ｃｍ^－３。
光アブソーバー層１３のバンドギャップ：０．２３エレクトロンボルト。

中間層１６：ＳｉドープＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子構造（２５）
中間層１６のドーパント濃度：１×１０^１８ｃｍ^－３。
中間層１６のバンドギャップ（ＥＧＭ）：０．３０７エレクトロンボルト。

実験例３に係る半導体受光デバイス。
光アブソーバー層１３：ＢｅドープＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子構造（２１）。
光アブソーバー層１３のＢｅドーパント濃度：１×１０^１８ｃｍ^－３。
光アブソーバー層１３のバンドギャップ：０．２３エレクトロンボルト。

中間層１６：ＳｉドープＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子構造（２５）
中間層１６のドーパント濃度：１×１０^１８ｃｍ^－３。
中間層１６のバンドギャップ（ＥＧＭ）：０．４１０エレクトロンボルト。

実験例１に係る半導体受光デバイスは、伝導帯においてセパレーター層１９にノッチＮ１９を形成する。しかし、実験例２及び実験例３に係る半導体受光デバイスは、中間層１６ではなく光アブソーバー層１３にノッチＮ１３を形成する。このノッチは、光アブソーバー層１３において生成された電子に対して障壁として働く。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

以上説明したように、本実施形態によれば、良好な応答特性を有する半導体受光デバイスを提供でき、また、光入射のない動作中に検知される暗電流を低減できる半導体受光デバイスを提供できる。

１１…半導体受光デバイス、１３…光アブソーバー層、１７…ホールバリア層、１９…セパレーター層、２１…第３超格子構造、２３…第１超格子構造、２５…第２超格子構造、Ａｘ１…第１軸、ＥＧ１…第１バンドギャップ、ＥＧ２…第２バンドギャップ、ＥＧ３…第３バンドギャップ。

Claims (11)

1. 半導体受光デバイスであって、
   赤外線に感応する光アブソーバー層と、
   前記光アブソーバー層の価電子帯のエネルギーレベルに対して障壁を提供するタイプＩＩの第１超格子構造を含むホールバリア層と、
   前記光アブソーバー層と前記ホールバリア層との間に設けられ、前記光アブソーバー層のバンドギャップより小さいバンドギャップを有するタイプＩＩの第２超格子構造を含むセパレーター層と、
   を備え、
   前記光アブソーバー層は、前記セパレーター層に接合を成す、半導体受光デバイス。
2. 前記セパレーター層は、ｎ型ドーパントを含む部分を有する、請求項１に記載された半導体受光デバイス。
3. 前記光アブソーバー層は、タイプＩＩの第３超格子構造を含み、
   前記光アブソーバー層の前記第３超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子、及びＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子の少なくとも一つを含む、請求項１又は請求項２に記載された半導体受光デバイス。
4. 前記光アブソーバー層は、ＩｎＧａＳｂ混晶を含む、請求項１又は請求項２に記載された半導体受光デバイス。
5. 前記セパレーター層の前記第２超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子を含む、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載された半導体受光デバイス。
6. 前記セパレーター層は、前記光アブソーバー層の厚さより小さい厚さを有する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載された半導体受光デバイス。
7. 半導体受光デバイスであって、
   赤外線に感応する光アブソーバー層と、
   前記光アブソーバー層の価電子帯のエネルギーレベルに対して障壁を提供するタイプＩＩの第１超格子構造を含むホールバリア層と、
   前記光アブソーバー層と前記ホールバリア層との間に設けられ、前記光アブソーバー層のバンドギャップより小さいバンドギャップを有するタイプＩＩの第２超格子構造を含むセパレーター層と、
   を備え、
   前記セパレーター層は、ｎ型ドーパントを含む部分を有する、半導体受光デバイス。
8. 前記光アブソーバー層は、タイプＩＩの第３超格子構造を含み、
   前記光アブソーバー層の前記第３超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ超格子、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子、及びＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ超格子の少なくとも一つを含む、請求項７に記載された半導体受光デバイス。
9. 前記光アブソーバー層は、ＩｎＧａＳｂ混晶を含む、請求項７に記載された半導体受光デバイス。
10. 前記セパレーター層の前記第２超格子構造は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ／ＩｎＳｂ超格子を含む、請求項７から請求項９のいずれか一項に記載された半導体受光デバイス。
11. 前記セパレーター層は、前記光アブソーバー層の厚さより小さい厚さを有する、請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載された半導体受光デバイス。
    

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