JPH02116175A - 半導体受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光を検出して電気信号に変換する半導体受光
素子、特に、ヘテロ接合型の半導体受光素子に関するも
のである。

〔従来の技術〕

光検出、特に光フアイバ通信などに有用な１．３〜１．
５５μｍの波長を持つ近赤外光の光検出器として、従来
からヘテロ接合型受光素子がある。第３図に従来のヘテ
ロ接合型受光素子の構造を示す。この従来素子では、ｎ
−ＩｎＰ基板１上にシーＧａＩｎＡｓ層２およびｐ−Ｇ
ａＩｎＡｓ層３が設けられており、ｎ−１ｎＰ基板ｌの
裏側が受光用の窓となっている。ｎ−１ｎＰ基板１およ
びｐ−Ｑａ　ＩｎＡｓ層３にはそれぞれ電極４および５
が設けられており、ｎ−１ｎＰ基板１側に検出すべき光
８を導く光ファイバ６がエポキシ樹脂７によって固定さ
れている。

第４図のエネルギバンド図は、この受光素子に逆バイア
ス１１を印加したときのものであり、符号９で示す線が
伝導帯底レベル、符号１０で示す線が価電子帯上限レベ
ルである。光ファイバ６から与えられる近赤外光は、そ
のエネルギがＧａＩｎＡｓの禁制帯幅のエネルギと合致
しているので、ウィンド層であるｎ−１ｎＰ基板１を透
過し、吸収層であるシーＧａ　ＩｎＡｓ層２で吸収され
る。

この吸収によって光キャリアが発生し、光電流が得られ
る。なお、この受光素子については、フィジックス　オ
ブ　セミコンダクタ　デバイセズ（Ｓ、Ｍ、Ｓｚｅ；［
Ｐｈｙｓｌｃｓ　ｏｒ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　
Ｄｅｖｉｃｅｓ］２ｎｄ　ｅｄｉｔｉｏｎ、Ｊｏｈｎ　
Ｖｉｌｅｙ　＆　５ｏｎｓ、ｐ７８４．１９８１）に詳
述されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、この従来構造の受光素子では、暗電流として
のホール、および光電流に対応するホールが、プラス側
の電極４から流れ込む。一方、ホール移動度は電子移動
度よりも小さいため、ホールの走行時間が電子のそれに
比べて長く、このことは特に化合物半導体において顕著
である。したがって、プラス側の電極４からのホールの
流れ込みが、高速動作の妨げとなっていた。

本発明の課題は、このような問題点を解消することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明の半導体受光素子は
、光キャリアの通路の少なくとも一部に共鳴トンネル効
果を持つバリア層を挿入したものである。

〔作用〕

バリア層の挿入により形成されるウェル層での電子の量
子準位が、吸収層の伝導帯の底に一致するように逆バイ
アスを印加すると、共鳴トンネル効果により電子はバリ
ア層を通過する。しかし、このときのウェル層でのホー
ルの量子準位は、吸収層の価電子帯の上限レベルと一致
しないため、ホールはバリア層を通過できない。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例を示す断面図である。この
実施例は、光キャリアの通路にバリア層が設けられてい
る点において、第３図に示す従来の受光素子と大きく相
違する。°すなわち、ｎ　−ＩｎＰ基板１上に、７０Ａ
程度の厚さのシーＧａ　　　Ｉｎ　　　Ａｓからなるウ
ェル層２０を介０．４７　　０．５３ して、５０〜７０Ａ程度の厚さのシー１ｎＰからなるバ
リア層２１が形成されている。そして、バリア層２１の
上に１〜２μｍ程度の厚さを持つシーＧａ　　　Ｉｎ　
　　Ａｓからなる吸収層２が、さ０．４７　　０．５３ らにその上にｐ−ＧａＩｎＡｓ層が形成０．４７　　０
．５３ されている。電極４．５の配置および光ファイバ６の結
合構造は、第３図の従来素子と同じである。

なお、基板１上の各層は、ＭＢＥ、ＭＯＭＢＥまたはＯ
ＭＶＰＥなどのヘテロ界面の形成に適した結晶成長方法
により形成することができる。

第２図は、この素子に逆バイアス１１を印加したときの
エネルギバンド図である。ウェル層２１中には、電子の
量子準位２２およびホールの量子準位２３が発生する。

そして、電極４．５に逆バイアスを印加することにより
、図中の破線２４で示すように、電子の量子準位２２を
、吸収層２のバリア層２０と接する部分における伝導帯
底レベル９に一致させる。このよう設定すると、吸収層
２を走行してきた電子は、共鳴トンネル効果でバリア層
２０を通過することができる。一方、このときのウェル
層２１中のホールに関する量子準位２３は、吸収層２の
価電子帯上限レベル１０に一致しない。そのため、ホー
ルについては共鳴トンネル効果を得ることができず、バ
リア層２０を通過することができない。したがって、電
子の流れに同等悪影響を与えずに、プラス側電極４から
流れ込むホールを阻止することができる。なお、共鳴ト
ンネル効果については、たとえば、小長井誠；　「半導
体格子入門」、培風館、１９８８．などに詳しく説明さ
れている。

本実施例では、基板１がウィンド層を兼ねており、その
基板１およびバリア層２０にＩｎＰを用い、ウェル層２
１および吸収層２にＧａ　Ｉ　ｎＡｓをそれぞれ用いて
いるが、吸収層の禁制帯幅がウィンド層の禁制帯幅より
も狭く、しかも吸収層の禁制帯がウィンド層の禁制帯に
包含されるようなヘテロ接合を有し、ウィンド層と同様
の禁制帯を持つバリア層、およびウィンド層と同様の禁
制帯を持つウェル層を有していれば、その他の材料を用
いても本発明による半導体受光素子を構成することがで
きる。たとえば、基板にＩｎＰ、バリア層およびウィン
ド層にＡ、１）ＩｎＡｓ、ウェル層および吸収層にＧａ
　Ｉ　ｎＡｓを用いれば、本実施例と同様に１．３〜１
，５５μｍ程度の波長の光検出を行う受光素子とするこ
とができ、基板にＧａＡｓ、バリア層およびウィンド層
にＡｌＧａＡｓ。

ウェル層および吸収層にＧａＡｓを用いれば、０．７５
〜０．８５μｍ程度の波長の光検出を行う受光素子とす
ることができ、基板にＳｉまたはＧｅ、バリア層および
ウィンド層にＳｉ１ウ工ル層および吸収層にＧｅを用い
れば、可視光〜１μｍ程度の波長の光検出を行う受光素
子とすることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の半導体受光素子によれば
、光キャリアの通路に共鳴トンネル効果を持つバリア層
をエネルギ障壁として挿入することにより、その共鳴ト
ンネル効果による選択透過性を利用して、高速化に有用
な電子を透過させつつ高速化に有害なホールの通過を阻
止することができる。したがって、高速に動作させるこ
とができる。また、受光素子のノイズの主要因たる暗電
流は電子とホールの双方に基づくものであるが、本発明
によれば、バリア層の挿入によりホールの通過が阻止さ
れるために、暗電流を減少させることができる。

本発明の光半導体素子は、このような優れた効果を有す
るので、高速光パルスの検出あるいは高速光通信におけ
る光検出などにおいて極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す断面図、第２図は、
そのエネルギバンド図、第３図は、従来の半導体受光素
子を示す断面図、第４図は、そのエネルギバンド図であ
る。 １・・・ｎ−１ｎＰ基板、２・・・吸収層、３・・・９
層、４．５・・・電極、２０・・・バリア層、２１・・
・ウェル層。 特許出願人　　住友電気工業株式会社 代理人弁理士　　　長谷用　　芳　　樹間　　　　　　
　　　塩　　　１）　　辰　　　也第１図 曵凭梗１Ｊめエネ２１）（シｒ゛回 は 釆 １列 筑 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、禁制帯幅の異なる２種以上の半導体のヘテロ接合を
   用いた受光素子において、光キャリアの通路の少なくと
   も一部に共鳴トンネル効果を持つ薄いバリア層が挿入さ
   れていることを特徴とする半導体受光素子。 ２、第１の半導体により形成されたウインド層と、禁制
   帯が第１の半導体の禁制帯に包含されている第２の半導
   体により形成された吸収層とを有するヘテロ接合型半導
   体受光素子において、ウインド層と吸収層との間に第２
   の半導体によるウェル層および第１の半導体による共鳴
   トンネル効果を持つ薄いバリア層がウインド層側にウェ
   ル層が接するように挿入されていることを特徴とする半
   導体受光素子。 ３、第１の半導体がＩｎＰであり、第２の半導体がＧａ
   ＩｎＡｓである請求項２記載の半導体受光素子。 ４、第１の半導体がＡｌＩｎＡｓであり、第２の半導体
   がＧａＩｎＡｓである請求項２記載の半導体受光素子。 ５、第１の半導体がＡｌＧａＡｓであり、第２の半導体
   がＧａＡｓである請求項２記載の半導体受光素子。 ６、第１の半導体がＳｉであり、第２の半導体がＧｅで
   ある請求項２記載の半導体受光素子。