JPH0418765A

JPH0418765A - 半導体受光素子

Info

Publication number: JPH0418765A
Application number: JP2121134A
Authority: JP
Inventors: Toshimi Aketoshi; 明利　敏巳
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 1990-05-14
Filing date: 1990-05-14
Publication date: 1992-01-22
Anticipated expiration: 2013-11-18
Also published as: JP2825929B2

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］本発明は半導体受光素子に関し、詳しくは超格子構造を
利用し、一定の波長域、特にり、Ｏ〜３．０μｍの波長
域に対応し得る半導体受光素子に関する。

［従来の技術］最近の光情報処理に必要な光検出デバイスには光波長領
域の広がりとともに高感度化、高速応答性や２次元処理
、信頼性、簡便化の要求を満たす必要性が高くなってい
る。これらの要求に応えるために、かっての光電池、光
電子倍増管等がら半導体受光素子等が盛んに用いられる
ようになってきている。

このような半導体受光素子として、Ｇ　ａ、　Ａ　ｓや
ＩｎＧａＡｓ等の半導体が提案されている。

しかしながら、これらの半導体受光素子は第１図の半導
体エネルギーバンド図に示されるように、半導体基材の
有するエネルギーギャップＥｇ　１　＝Ｅｃ　−Ｅｖ　
　（Ｅｃ　：伝導帯エネルギー　Ｅｖ：価電子帯エネル
ギー）よりも大きなエネルギ（ｈν＞Ｅｇｌ　　・・・
　■）、っまり０式で決まる波長よりも短い波長の光に
ついてのみ感度を有する。

従って、■式で決まる波長よりも長い波長の光に感度を
有する受光素子を作製するには、より小さなエネルギー
ギャップ（Ｅｇ　２　＜Ｅｇ　１　）の半導体基材を用
意する必要があり、そのために新に原料、装置、作製条
件や方法を求めなければならない。

また受光素子の最適または最大感度およびその半値全幅
は半導体基材そのものでほぼ決定され設Ｊ１の自由度が
少ない。

一方、半導体として多重量子井戸型超格子構造を０゛す
るものか提案され一〇いる。ここでいう多重量子井戸型
超格子構造とは、異なる　２種類以上の゛４１導体薄膜
を同一周期で繰り返し積み重ねて得られ、第２図に示さ
れるような量子（ポテンシャル）月戸層（Ｂ）と障壁層
（Ａ）を有するＨ’Ｆ井戸構造を持つものである。同図
において、Ｌ２は量子井戸層の１＋、Ｌｎは量子障壁層
の厚みを示し、またΔＥｃ、ΔＥｖは伝導帯、価電子帯
の障壁の高さ（エネルギーバンドの不連続の大きさ）を
それぞれ示す。このような多重量子井戸型超格子構造を
有する半導体の一例としてＧａ　ＡｓとＡ１、Ｇａ、−
ｘＡｓとのへテロ接合からなるものがある。

この多重量子井戸型超格子構造を有する半導体は、次の
ようにして得られるものである。なお、この半導体にお
いて、Ａノ、　ｘ　Ｑ　ａＸ　Ａ　ｓのＸを０．３とし
たものである。

すなわち、上述した第２図において、半導体ノ、（祠Ａ
　（Ａ　Ｊ　Ｏ，３Ｇａ　Ｏ，７Ａｓ　）と半導体基材
Ｂ（ＧａＡｓ　）とを各々厚みＴ−１＋（３０ｎｍ以」
二）、ＬＺ　　（］Ｏｎｍ以ド）にとり交互に積層する
と、Ｂ部に形成される量−「井戸層内に、Ｂ（ＧａＡｓ
）部の伝導帯底より、 ΔＥｎ　（ｈ２／　２ｍ”　）（πｎ／Ｌｚ　）　２　
（ｎ＝　　１．　２．　３．　　・・）なるエネルキー位置にザブハンドか形成される。

ここでΔＥはエネルギー固有値、ｍ８は電子の有効質量
、ｈはブランク定数である。また、量コ１井戸層のＭ５
電子帯側にも同様のサブバンドか形成される。

ｎ＝　　１なるレベル八Ｅ１に電子が充満した状態、例
えばＧａ　Ａｓの量子井戸層にｎ型の不純物５ｉＳｎ　
　Ｓｅ等を１１０１６Ｃ″′３以−Ｌの密度でドーピン
グし２、熱エネルギーによりΔＥルベルに多数の電子が
存在する状態において、ΔＥｃ　　（０，３ｅＶ）より
エネルギーの大きい光（波長く　４μｍ）を照射スルト
ΔＥ、レベルの電子はへの量子障壁層を超えて励起され
自由電子となり、外部電界を印加することにより電流信
号と１７でとり出せる。

この場合の光吸収係数の光波長スペクトラムか第３図に
示されるピークである。同図に示されるように、１．０
μｍ未満のＧａ　Ａｓの光吸収に加えて、４．０μｍ近
傍に光吸収のピークが見られる。

このピーク半値全幅はＧａ　Ａｓ　ｆｆｉ子井戸層が１
〜２個の場合であり、多数の同−量子井戸層を形成する
ことにより、ピーク″−Ｖ値全幅は狭められる。

しかしながら、このような多重量子井戸型超格子構造を
用いても、コ１′導体薄膜の材料を変更することなく、
所望の波長域、特に１．０〜３．０Ｉ１ｍの波長域に対
応し７得る」壬導体受光素子は未だ得らていない。

本発明の目的は、半導体基Ｈのエネルギーギャップに相
当する光波長（光吸収端）よりも長い波長域、特に　１
．０〜３．０μｍの波長域に対応することができ得る半
導体受光素子を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明の」二足ｌ」的は２種類以上の半導体基材薄膜を
交−１ｑに積層して作成される超格子構造を形成する半
導体薄膜に、不純物を一定ギャリア濃度でドーピングす
ることによって達成される。

すなわち本発明の半導体受光素子は、超格子＋１°１１
造を形成する半導体薄膜に不純物をドーピングすること
により、障壁層および量子井戸層のエネルギーレベルを
調整し、伝導帯障壁層の高さや伝導帯井戸層と隣接する
価電子帯井戸層のエネルギレベルの差に相当する電子エ
ネルギーの遷移により等量のエネルギーの光を吸収すべ
く使用ｌまたことを特徴とする。

本発明に用いられる超格子構造とは、上述のように異な
る２種類以上の半導体薄膜を積み重ねて得られ、第２図
に示されるような量子井戸層と障壁層を有する多重量子
井戸型構造を持つものである。

この多重量子井戸型超格子構造を構成する半導体基材は
２種以上の半導体によるヘテロ接合である。また、ここ
で用いられる半導体とし一〇はＧａＡｓ　、、Ａ、、ｉ
！Ａｓ　、Ａハｃａ　ｌ−Ｘ　Ａｓ　、　　１１　。

Ｇ　ａ　＋、−ｘ　Ａ　ｓ等の周期律表第■族と第■族
の組合ぜ、Ｚｎ　Ｓｅ　％　Ｚｎ　Ｔｅ等の周期律表第
■族と第■族の４１１合せ、Ｇｅ　Ｓｅ　、Ｐｂ　Ｔｅ
等の周期律表第■族と第■族の組合ぜ、もしくはＧｃ、
Ｓｔとい−）だ単一元素半導体が挙げられる。

この多重量子井戸型超格子構造は、分子線エピタキシー
（ＭＢＥ）や有機金属気相たい積（ＭＯＣＶＤ）法によ
って得られるが、特にガスセルを用いるガスソースＭＢ
Ｅによって得られたものが皮膜の安定性、均−性等から
好ましく採用される。

本発明では、これらの半導体薄膜に一定のキャリア濃度
を有するドナーやアクセプターといった不純物をドーピ
ングし、ｎ型やｐ型とし、障壁層および量子井戸層のエ
ネルギーレベルを調整する。

ｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｃ、Ｓｎ等が例示され、
また、ｐ型不純物としては、Ｂｅ、Ｍｎ。

Ｇｃ等が例示される。このような半導体薄膜に不純物を
ドーピングするには、上記したＭＢＥ法等による半導体
薄膜の成長時に、不純物を半導体薄膜原料と共に、例え
ば蒸発源セルを用い、これを熱分解したり、電子銃によ
り基板表面に照射することによりなされる。

以下、本発明の内容をさらに詳細に示す。

先ず、半導体基材Ａ　（ＡＪ　Ｏ，３Ｇａ　Ｏ，７Ａｓ
　）と半導体基材Ｂ　（Ｇａ　Ａｓ　）を用い、多重量
子井戸型超格子構造を製造する際に、半導体基材Ａをｐ
型不純物を一定のギヤリア濃度でドーピングし、一方、
半導体基材Ｂにｎ型不純物を一定のキャリア濃度でドー
ピングすると、第４図に示されるようなエネルギー帯図
となり、伝導帯障壁層の高さに相当するエネルギーギャ
ップ（ΔＥｃ）がｐ型およびｎ型不純物量により可変と
なり、一定波長の入射光によって伝動Ｈ）井戸層のサブ
レベルに位ｊＮする電子はｉ＋Ｊ変の伝導帯障壁層を超
えて自由電子に遷移する。すなわち、例えばΔＥｃが０
．６ｅＶのときには光吸収係数の光波長スペクトラムは
第５図に示されるように、波長２，０μｍ近傍で鋭角的
なピークが得られる。

また、１〕型またはＩ〕型不純物の種類やキャリア濃度
を変えることによって、第６図に示されるようなエネル
ギー帯図となり、価電子帯井戸層のザブレベルに位置す
る電子が隣接する伝動帯井戸層に遷移する。例えば両者
の幅に相当するエネルギギャップ（ΔＥｘ）が１．２　
ｅＶのときには光吸収係数の光波長スペクトラムは第７
図に示されるように波長１．．０１１ｍ近傍で鋭角的な
ピークが得られる。

従って、本発明により半導体基材のエネルギーｔツヤツ
ブに相当する光波長（光吸収端）よりも長い波長、特に
１．０〜３．０μｍの波長域において、最大感度を有す
る圭導体受光素子が不純物のドビング量を変えることに
よって任意に得られる。

なお、この説明はＡＪ　ｘ　Ｇａ　ｌ−Ｘ　ＡｓとＧ　
ａ　Ａ　ｓの組み合わせの内で、Ｘが０３の場合を使用
したが、０＜ｘ＜Ｉの範囲において同様に適応できる。

また、上述のように他の半導体薄層を組合せた超格子構
造でも同様である。

［実施例］以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。

実施例１ｎ−Ｇａ、Ａｓ基板（キャリア密度ｎ　＝　２Ｘ　１０
１８ｃｍ−３）上に、ｎ−ＧａＡｓエピタキシャル層（
ギヤリア密度ｎ−ＬＸ　１０”Ｃｍ３、厚み０．２μｍ
　）、多重量子井戸型超格子層（Ａ層はｐ−ＡＪ。

Ｇａｏ７Ａｓでキャリア濃度的３×１０１７ｃｍ−３の
Ｂｅをドーピング、厚み３００人；８層はｎ−ＧａＡｓ
で、キャリア濃度的５Ｘ　１０１６ｃ＋ｕ−３のＳｉを
ドピング、厚み８０人；井戸数的５０）　　ｎ−ＧａＡ
ｓオーミック層（キャリア濃度ｎ＝ＩＸＩｏ１８ｃｍ−
３、厚み０．２μｍ）を順次積層した。ｒｌ−ＧａＡｓ
基板側にはＡｕＧｅ／Ｎｉ金属を蒸着し、［］−ＧａＡ
ｓオーミック層側にはＡｕＧｃ／Ｎｉのリング状電極を
形成し、第８図に示されるような光検出デバイスを得た
。

ウェハ両面の電極間に直流バイアスを加えると、第５図
に相当する波長で光電流が流れた。

実施例２半絶縁性Ｇａ　Ａｓ基板」二に、アンド−ピング型Ｇａ
　Ａｓ層（厚み０３μｍ）、多重量子井戸型超格子層（
Ａ層はｐ−Ａ）０．３　　Ｇａ　Ｏ，７Ａｓでキャリア
濃度９ｘ　１．０１７〜２ｘ　１０”’ｃｍ−３のＢｅ
をドーピング、厚み２９０人；８層はｎ−ＧａＡｓで、
キャリア濃度的　５Ｘ　１０１６ｃｍ−３のＳｉをドー
ピング、厚み８０人；井戸数的５０）　、ｎ−Ｇａ　Ａ
ｓオーミック層（キャリア濃度ｎ　＝　　Ｌｘ　１０Ｉ
８ｃ１０ｌ８を順次積層した。ｎ−ＧａＡｓオーミック
層面にＡｕ　Ｇｅ／　Ｎ　ｉ金属による対向電極を形成
し、第９図に示されるような光検出デバイスを得た。

直流バイアスを印加すると、第７図に対応する波長で光
電流か得られた。

［発明の効果］従来の受光素子か受光波長ことに異なる半導体基材を使
用せざるを得なかったのに対し、本発明によると、次の
ような効果を奏する。

（１）同一材料を使用し、超格子構造を形成する半導体
薄膜の不純物のドーピング量を変化させるのみて、受光
波長に最適感度を有する受光素子を設計できる。

（２）最適受光感度を有する波長を連続的に変化させた
受光素子を設計できる。

（３）吸収波長域上、従来使用できなかった半導体基材
が使用できるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１−図は、単一半導体のエネルギーバンド図、第２図
は、多重量子井戸型超格子構造のエネルギー帯図、第３図は、Ｇａ　Ａｓの吸収係数および多重量子井戸型
超格子構造の光吸収係数の光波長スペクトラム、第４図は、本発明に係る多重量井戸型超格子構］　２造のエネルギー帯図の一例、第５図は、本発明に係る多重量子井戸型超格子構造の光
吸収係数の光波長スペクトラムの一例、第６図は、本発
明に係る多重量井戸型超格子構造のエネルギー帯図の他
の例、第７図は、本発明に係る多重量子井戸型超格子構造の光
吸収係数の光波長スペクトラムの他の例、そして、第８〜９図は、実施例１〜２によりそれぞれ得られた光
検出デバイス。特許出願人　三井金属鉱業株式会社代　　理　　人　　弁理士　　伊　　東　　辰　　雄状
　　理　　人　　弁理士　　伊　　東　　哲　　也製銑
襖眞ポイ邸５盆丑

Claims

【特許請求の範囲】１、超格子構造を形成する半導体薄膜に不純物をドーピ
ングすることにより、障壁層および量子井戸層のエネル
ギレベルを調整し、伝導帯障壁層の高さに相当するエネ
ルギーギャップを光吸収領域として使用したことを特徴
とする半導体受光素子。２、超格子構造を形成する半導体薄膜に不純物をドーピ
ングすることにより、障壁層および量子井戸層のエネル
ギーレベルを調整し、伝導帯井戸層と隣接する価電子帯
井戸層のエネルギーレベルの差に相当する電子エネルギ
ーの遷移により等量のエネルギーの光を吸収すべく使用
したことを特徴とする半導体受光素子。