JPH03123087A

JPH03123087A - 光電変換素子

Info

Publication number: JPH03123087A
Application number: JP1260501A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Kakinuma; 柿沼　弘明
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1989-10-05
Filing date: 1989-10-05
Publication date: 1991-05-24
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: JP2763805B2

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、フォ１〜１〜ランジスタ、ショットキーダイ
オード、アバランシェダイオード等の受光素子や、発光
ダイオード、レーザ等の発光素子のような光電変換素子
、特にその光電変換素子を構成する超格子多層膜の構造
に関するものである。

（従来の技術）従来、このような分野の技術としては、例えは第２図に
示すようなものがあった。

第２図は、従来の光電変換素子の模式的な断面図である
。

この光電変換素子は、例えば光を電気信号に変換する受
光素子てあり、基板１に結晶シリコン（Ｓｊ）からなる
活性層２が形成されている。

活性層２上には、所定間隔隔てて互いに対向する電極３
．４が設けられている。

次に、動作を説明する。

電極３．４間に電圧Ｖを印加する。この電圧■の印加に
より、活性層２内に電界が発生ずる。外部から、例えば
赤外線領域のエネルギー（１，１〜１．５ｃＶ程度）を
有する入射光５が活性層２に入射すると、活性層２内に
キャリヤ（電子・正孔対）が発生ずる。このキャリヤは
、活性Ｍ２内の電界の作用によって電極３．４の方向へ
移動し、電極３．４間に電流が流れる。このようにして
、入射光５が電気信号に変換される。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記構成の光電変換素子では次のような
課題があった。

活性層２はＳｉで形成されている。ところが、Ｓｉは、
光の放出及び吸収を伴う電子の伝導帯価電子帯間の遷移
（光学遷移）が間接遷移型の半導体であり、その光学遷
移は第３図（ａ＞に示すようなプロセスで行われる。こ
こで、第３図は、第２図の活性層２における光学遷移の
エネルギー（Ｅ）・波数（ｋ）相関図である。

即ち、入射光５が活性層２に入射すると、入射光５のエ
ネルギーが活性層２に吸収されて、活性層２の伝導帯２
１、価電子帯２２に、それぞれ電子２３、正孔２４が発
生ずる。この電子２３・正孔２４対の発生には、次の■
、■の条件が満たされていなければならない。

■　入射光５は、伝導帯２１・価電子帯２２間のバンド
ギャップに相当するエネルギー（］、］−〜２、ＯｅＶ
程度）を持ったバンドギャップ光である必要がある。

■　活性層２を構成するＳｌの結晶の格子振動が所定の
波数ｋを有している必要がある。即ち、電子２３・正孔
２４対の発生に際して、電子２３はフォノンを媒介にし
てＳｊの結晶格子との間で所定の運動量の授受を行わな
ければならない。

したがって、例え■の条件を満たずバンドギャップ光か
入射したとしても、即座に活性層２によって吸収されな
い。このように、間接遷移型の半導体の場合には、電子
２３・正孔２４対の発生確率（遷移確率〉が低く、その
光吸収係数は小さい（＜　１０４ｃｍ−’）。入射光５
を十分に吸収するためには、活性層２の膜厚を厚く（〉
１）、ｚ＋ｎ）ｌ、なければならない。ところが、活性
層２の膜厚を厚くすると、この活性層２の抵抗が小さい
ためにオフ電流が上昇してしまうなとの問題かあった。

そこて、この問題を解決するために活性層２を非晶質半
導体であるアモルファスシリコン（２１Ｓｉ）で形成す
ることが考えられる６ａ−８ｊには、直接遷移型の半導
体と同一の構造が含まれている。第３図（ｂ　）に示す
ように、活性ノ田２を直接遷移型の半導体で形成した場
合には、活性層２に入射光５が入射すると、その半導体
の構成分子に運動量の変化を来すことなく、入射光５が
活性層２に吸収され、活性層２内に電子２３ａ・止孔２
４ａ対が発生する。そのため、直接遷移型の半導体では
、間接遷移型の半導体に比べて、光吸収係数は大きい。

したがって、ａ−３ｉの光吸収係数はＳｉに比べて大き
い。ところが、ａ−３ｉは非晶質半導体であり、その構
成原子の配列が不規則であるため、キャリアの移動度が
低くなってしまう。

このように、活性層２をａ−８ｉで形成しても、活性層
２をＳｉで形成した場合に生じる問題を十分に解決する
ことができなかった。

本発明は前記従来技術が持っていた課題として、活性層
２をＳｉで形成すると光吸収係数が小さくなる点と、活
性層２をａ−８ｉで形成した場合には移動度の低下を来
す点について解決した光電変換素子を提供するものであ
る。

（課題を解決するための手段）本発明は前記課題を解決するために、薄膜の４１戸層と
、前記井戸層と異なる材質の薄膜のバリア層とが、交互
に積層状態に形成された超格子多層膜を有する光電変換
素子において、前記井戸層及びバリア層を次のように形
成したものである。

即ち、前記井戸層は単結晶シリコンまたは多結晶シリコ
ンで形成し、前記バリア層はＣａＦ２゜ＧａＰ、ＡＮ　
ＰまたはＺｎＳのいずれかで形成している。

（作用）本発明によれば、以上のように光電変換素子を構成した
ので、井戸層は、その膜厚を所定の薄さにすることによ
って、そのエネルギー準位が量子化されるように働く。

バリア層は、井戸層の膜厚を所定の薄さにして、かつバ
リア層の膜厚を所定の薄さにすることによってトンネル
効果が生じるように働く。

したがって、前記課題を解決できるのである。

（実施例）第１図は、本発明の第１の実施例を示すもので、光電変
換素子であるプレーナ型の受光素子の模式的な断面図で
ある。

この光電変換素子は、例えば単結晶シリコン（ｃ−３ｉ
）からなる基板１１を有している。基板］１上には超格
子多層膜である活性層１２が形成されている。この活性
層１２は、例えば分子線エピタキシー法ＣＭＢＥ法〉、
反応性スパッタリング法、またはプラズマ、光、熱によ
るＣＶＤ法等によって形成される。

この活性層１２は、例えば多結晶シリコン（ｐｏ、ｆｌ
ｙ−３ｉ）からなる井戸層１２ａと、フッ化カルシウム
（Ｃａ、Ｆ２）からなるバリア層１２ｂとを、同一の堆
積方法により交互に所定層数積層した構造を成している
。ここで、井戸層１２ａの膜厚は１００人程変態下に、
バリア層１２ｂ（７）Ｍ厚も１００人程変態下に形成さ
れている。

活性層１２−１−には、アルミニウム（Ａ、ｆ））また
はクロム（Ｃｒ）等の導電性金属からなる電極１３．１
４が所定間隔隔てて対向配置されている。

次に、第４図を参照しつつ第１図の光電変換素子の動作
を説明する。

第４図は第１図の活性層］２のエネルギー準位図であり
、図中の３１は伝導帯、３２は価電子帯、３３は井戸層
、３４はバリア層、３５．３６は量子化により生したバ
ンド（ミニバンド）、Ｅはエネルギーをそれぞれ表わし
ている。

電極１３．１４間に電圧■を印加すると、活性層］２内
に電界が発生する。

外部から赤外線領域のエネルギー（１，１〜１５ｅＶ程
度）を有する入射光１５が活性層１２に入射すると、活
性層１２内にキャリア（電子・正孔対）が発生する。活
性層１２内に発生した六−ヤリアは、活性層１２内の電
界によって、電極１３１４に移動する。活性層１２内を
キャリアが移動する時、井戸層１２ａの膜厚は１００人
程変態下なので、量子効果によってそのキャリアのエネ
ルギー準位は離散的な値をとる。即ち、そのエネルギー
準位は個別準位に分裂（量子化）する。

さらに、バリア層］、　２　ｂの膜厚は１００人程変態
下なので、バリア層１−２　ｂにＩ〜ンネル効果が生じ
、井戸層１．２　ａの量子化された個別準位と同一のエ
ネルギー準位で、キャリアがバリア層１２ｂ内を移動す
る。

したがって、活性層」２内を移動するキャリアが占める
伝導帯３１及び価電子帯３２のエネルギー準位は、それ
ぞれバンド３５．３６を形成する。

このようにして、電極１３．１４間にキャリアの移動（
電流）が生じる。即ち、入射光１５が電気信号に変換さ
れる。

本実施例は、次のような利点を有している。

（Ａ）　　第２図の活性層２に用いた薄膜化されていな
いＳｉであるバルク（ｂｕ、Ｉ）ｋ）Ｓｉの場合は、そ
の光学遷移が間接遷移型であり、光吸収係数が小さかっ
た。ところが、本実施例に示した井戸層１２ａのように
、Ｓｉを薄膜化（＜１００人）し、かつバリア層１２ｂ
を薄膜化（＜１００人）することによってバンド３５．
３６が形成されると、Ｓｉに対する光学遷移の選択則が
破れ、その光学遷移は直接遷移化する。そのため、Ｓｉ
のバンドギヤラフ責１．１〜２．ＯｅＶ程度）に相当す
るエネルギーの入射光に対して光吸収係数が大きく増加
する。

したがって、活性層１２を薄くしたままで（〈１μｍ）
、例えば赤外線領域（１，１〜１．５ｅｅＶ程度）の光
に対して吸収率の高い受光素子を実現できる。

（Ｂ）　　バリア！１２ｂに用いたＣ　ａ　Ｆ　２は、
井戸層１２ａのＳｉに比べて伝導帯３１及び価電子帯３
２間のバンドへニヤツブが大きいので、バリア（障壁）
としての機能を有すると共に、Ｃａ　Ｆ　２の格子定数
は約５．４６人であり、Ｓｉの格子定数（約５．４３人
）に極めて近い。そのため、井戸層］。２ａ及びバリア
層１２１つ間の格子定数差が小さく、活性層１２があた
かもひとつの格子定数を有するようになり、各層の界面
における欠陥（点欠陥及び粒界等）が極めて少なくなる
。これによって、該光電変換素子の動作特性が向１する
。

（Ｃ）　　同一の堆積方法によって積層された井戸層１
２ａ及びバリア層１２ｂ間の界面には、不純物が混入し
たり、各層の構成分子が互いに他の層０に混じったりして各層間に混合層が形成されることが少
ない。そのため、各層間の界面は急俊であり、該光電変
換素子の良好な動作特性が期待できる。（Ｄ＞　　活性
層１２には、非晶質半導体を使用しないので、活性層１
２でのキャリアの移動度を高くできる。

第５図は、本発明の第２の実施例を示すもので、光電変
換素子であるサンドイッチ型の受光素子の模式的な断面
図である。

この光電変換素子は、カラス等の基板４］上に、Ａ、０
またはＣｒ等の導電性金属膜からなる電極４２が設けら
れている。電極４２」二には、活性層４３が形成されて
いる。活性層４３は、ｐｏｎｙＳｉからなる井戸層４３
ａと、Ｃａ　Ｆ　２からなるバリア層４．３　ｂとを交
互に積層した構造を成している。さらに、活性層４３」
−には、透明導電膜からなる電極４４か設けられている
。

以上のように構成される光電変換素子でも、第１の実施
例とほぼ同様の動作が得られ、赤外線領域を含むエネル
ギー（１，］−〜２．ＯｅＶ程度）を有する入射光を電
気信号に変換し、て検出することができる。

第２の実施例は、第１の実施例と同様の利点（Ａ）〜（
Ｄ）を有している。さらには、電極４２．４４間に印加
する電圧■によって活性層４３内に発生ずる電界の分布
が第１の実施例の場合に比べて均一になるなどの利点が
ある。

第６図は、本発明の第３の実施例を示すものて、電流注
入型の発光素子の模式的な断面図である。

図中、第５図の要素と共通の要素には、共通の符号か付
されている。

この第３の実施例が前記第２の実施例と異なる点は、基
板４１と活性層４３との間に、Ｓｊにリン（Ｐ）をドー
ピングしてなるｎ＋形の半導体層４５が、活性層４３と
電極４４との間に、Ｓｉにホウ素（Ｂ）をドーピングし
てなるｐ　形の半導体層４６がそれぞれ設けられている
ことである。

以上のように構成される発光素子は次のように動作する
。

電極４２に電圧Ｖの正極側を、電極４４に電圧１ ■の負極側をそれぞれ接続し、電極４２．４４間に電圧
Ｖを印加する。電圧Ｖの印加により、第１゜２の実施例
と同様に井戸層４３ａは直接遷移化する。電極４２及び
半導体層４５を介して電子か活性層４３内に注入される
と、電極４４及び半導体層４６を介して正孔が活性層４
３内に移動する。

すると、活性層４３内で、電子と正孔が結合する。

その結合時に、電子の持っていたエネルギーが光４７と
して放出され、この光４７は半導体層４６及び電極４４
を透過して、外部に放出される。

この第３の実施例では、次のような利点が挙げられる。

活性層４３に構成する井戸層４３ａが直接遷移化するの
で、その光学遷移（この場合は電子の伝導帯から価電子
帯への遷移）の遷移確率は、間接遷移型の場合に比べて
極めて高く、光４７が放出されやすい。したがって、発
光効率の極めて高い発光素子が実現される。

なお、本発明は上記第１．．２．３の実施例に限定され
ず、種々の変形が可能である。その変形例コ２としでは、例えば次のようなものがある。

（ａ）　」−記第１．２．３の実施例に示した光電変換
素子において、その光電変換素子の種類に応じて、その
構造及び構成材料等には種々の変形が可能である。その
−例を■、■に示ず。

■　構造の変形例としては、電極１３．ｌｄを活性層１
２の両端面に設けるようにしてもよい。

また、例えば活性層１２と、電極］、３．１．４もしく
は基板］１との間などに新たな半導体層を挿入したりし
てもよい。

■　構成材料の変形例としては、井戸層１２ａは単結晶
シリコンで形成できる。バリア層１２ｂはリン化ガリウ
ム（ＧａＰ）　、リン化アルミニウム（Ａ、ＱＰ）及び
硫化亜鉛（ＺｎＳ）で形成できる。Ｇ　ａ　Ｐ　、Ａ、
　、１）　Ｐ及びＺ　ｎ　Ｓも、Ｓｉに比べてバンドギ
ャップが大きく、かつＳｉと格子定数が極めて近いため
、」ユ記実施例と同様の作用・効果が得られる。基板１
１□４］の材料は、光電変換素子の種類に応じて適宜変
更が可能である。

（ｂ）　　第１．．２．３の実施例に示した光電変換３４素子は、種々の光電変換素子を実現する。例えば、第１
．２の実施例によれば、その構造を適宜変更することに
よって種々のフォトダイオード、フォトトランジスタ及
び赤外線センサ等を実現できる。

また、第３の実施例によれば、その構造等を適宜変更し
て、電流注入型の赤外線領域の発光ダイオード及びレー
ザ等を実現することかできる。

（発明の効果）以上詳細に説明したように本発明によれば、光電変換素
子に、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンからなる薄
膜の井戸層と、Ｃａ、Ｆ２　、ＧａＰ、ＡＪＩＰまたは
ＺｎＳのいずれかて形成される薄膜のバリア層とを交互
に積層して形成した超格子多層膜を設けた。そのため、
井戸層のエネルギー準位が量子化され、バリア層にトン
ネル効果か生しる。これによって、井戸層の単結晶シリ
コンまたは多結晶シリコンはその光学遷移が直接遷移化
する。

したがって、超格子多層膜の膜厚を十分に薄くしつつ、
該光電変換素子の光学遷移の遷移確率を大幅に増大させ
、光吸収係数及び発光効率の向−にを達成することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１−図は本発明の第１の実施例を示すプレーナ型の受
光素子の模式的な断面図、第２図は従来の光電変換素子
の模式的な断面図、第３図は第２図の活性層における光
学遷移のエネルギー・波数相関図、第４図は第１図の活
性層のエネルギー準位図、第５図は本発明の第２の実施
例を示すサンドイッチ型の受光素子の模式的な断面図、
第６図は本発明の第３の実施例を示す電流注入型の発光
素子の模式的な断面図である。１．１．．４１・・・・・・基板、１２．４３・・曲活
性層、１、２　ａ　、　４３　ａ−−−・−・井戸層、
１−２　ｂ　　４３　ｂバリア層、１Ｂ、１．４，４２
，４．４・・・山電極。

Claims

【特許請求の範囲】薄膜の井戸層と、前記井戸層と異なる材質の薄膜のバリア層とが、交互に
積層状態に形成された超格子多層膜を有する光電変換素
子において、前記井戸層は単結晶シリコンまたは多結晶シリコンで形
成し、前記バリア層はＣａＦ＿２、ＧａＰ、ＡｌＰまたはＺｎ
Ｓのいずれかで形成したことを特徴とする光電変換素子
。