JPH0418766A - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JPH0418766A
JPH0418766A JP2121135A JP12113590A JPH0418766A JP H0418766 A JPH0418766 A JP H0418766A JP 2121135 A JP2121135 A JP 2121135A JP 12113590 A JP12113590 A JP 12113590A JP H0418766 A JPH0418766 A JP H0418766A
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semiconductor
barrier layer
superlattice structure
gaas
light
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Toshimi Aketoshi
明利 敏巳
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Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
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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!!IF] 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
電子倍増管等か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、Ga AsやInG
aAs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Egl−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ー(hν>Egl  ・・・ 
■)、つまり■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計の自由度が少
ない。
一方、甲導体として多重量子井戸型超格子構造を有する
ものが提案されている。ここでいう多重量−r井戸型超
格子構造とは、異なる 2種類以上の半導体薄膜を同一
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(13)と障壁層(A
)を有する量子井戸構造を持−つものである。同図にお
いC,,,L2は量子井戸層の巾、L8は障壁層の厚み
を示し、またΔEc、ΔEν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
゛1′導体の一例としてGa AsとAノxGa1−X
AS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゛t’導体
において、AJ’ 1−x Ga x AsのXを0.
3とし、たちのである。
すなイっち、上述した第2図において、半導体基材A 
(A J o、  Ga o、  As )と半導体基
材B(Ga As )とを各々厚みLB(30nrrl
以−]二)L z (10n+++以下)にとり交互に
積層すると、B部に形成される量子井戸層内に、B (
Ga As )部の伝導帯底より、 ΔE、(h2/ 2m″)(πn/Lz ) 2 (r
]=  1.、 2. 3.・・・) なるエネルギー位置にザブバンドが形成される。
ここでΔEはエネルギー固有値、mlは電子の有効質量
、hはブランク定数である。また、量子井戸層の価電子
帯側にも同様のサブハンドが形成される。
n−1なるレベルΔE1に電r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5tSn、Sc
等を10”cm−3以上の密度でドーピングし、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)を照射するとΔEルベルの電子は
A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I−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が第3図に
示されるピークである。同図に示されるjこうに、 ]
、071m未満のGa Asの光吸収に加えて、4.0
1zm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 fA量子井戸層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、ピーク半値全幅は狭められる。
本発明の目的は、半導体基材(Ga As )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
所定の波長域(λ≧0.9μl11)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。
[課題を解決するだめの手段] 本発明の上記]」的は2種類以上の半導体基材薄膜を交
互に積層して作成される超格子構造を形成する半導体薄
膜の組成割合を特定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、超格子構造を形成
する半導体薄膜の組成割合を特定することにより、障壁
層の高さを調整し、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。
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てはGaAs 、A、fAs 
、、AJx Ga +−x As %  In xG 
a +−x A S等の周期律表第■族と第V族の組合
せ、Zn Se 、Zn Te等の周期律表第■族と第
V族の組合せ、Ge Se 、P1〕Te等の周期律表
第■族と第V族の組合せ、もしくはG e % S +
 といった単一元素半導体が挙げられる。また、これら
の半導体は、ドナーやアクセプターといった不純物をド
ーピングしたn型またはp型、もしくはアンドープのi
型が適宜選択される。
この多重量子井戸型超格子構造は、分子線エビタキシー
(MBE)や有機金属気相たい積(MOCVD)法によ
ってjLIられるか、特にガスセルを用いるガスソース
M B Eによって得られたものが皮II々の安定性、
均−性等から好ましく採用される。
本定明では、これらの半導体薄膜の組成割合を特定する
。この組成割合を特定するには、上記したMBE法等に
よる半導体薄膜の成長時に、各半導体薄膜原料の供給量
を制御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+−Ga 、As )と゛
↑′導体基+48(GaAs)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におけるA、
f+Gaに対するGaの組成割合(x)を08とすると
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0゜G cVとなり、定波長の入射光によって伝動帯
井戸層のサブレベルに位置する電子は伝導帯障壁層を超
えて自由電子に遷移する。すなイつち、ΔEcが0.8
 eV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、x−0,2と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、伝導帯障壁層の高さ
に相当するエネルギーギャップ(ΔEc)か0.2 e
Vとなり、一定波長の入射光によって伝動帯井戸層のザ
ブレベルに位置する電子は伝導帯障壁層を超えて自由電
子に遷移する。すなわち、八Ecが0.2 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6層0μm近傍で鋭角的なピークが得ら
れる。
従って、A J、 x Ga I−XにおけるXを0<
x<1の範囲で変えることによって、半導体基材GaA
sのエネルギーギャップに相当する光波長(光吸収端)
よりも長い波長において、最大感度を有する半導体受光
素子が任意に得られる。なお、この説明はA J x 
Ga l−X AsとGa Asの組み合イっせで説明
したが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1 n−GaAs基板(キャリア密度n −2X 1018
cm−3)上に、n−GaAsエピタキシャル層(キャ
リア密度n = LX 1.018cm−3、厚み0.
2μm )、多重量子井戸型超格子構造(A層はA」。
 Ga。2ASでアンド−ピング型、厚み300人:8
層はn−GaAsで、キャリア濃度的5X 1.016
cm−’のSjをドーピング、厚み80人;井戸数的5
0)、r〕−G+iAsオーミック層(キャリア濃度n
=  IX 10110l8’、厚み0.2μm)を順
次積層した。nGa As基板側にはAu Ge /N
i金属を蒸着し、n−GaAsオーミック層側にはAu
 Ge /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基板上に、アンド−ピング型Ga 
AS層(厚み0.3μl11)、多重量子井戸型超格子
層(A層はAJ O,2Ga o、s Asでアンドピ
ング型、厚み300人;8層はn−GaAsで、キャリ
ア濃度3XLO”cm−3のSiをドーピング、厚み8
0人;井戸数的50) 、n−Ga Asオッミック層
(キャリア濃度n =  lx 1018cm−3)を
順次積層した。n−GaAsオーミック層面にAu G
e/ 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
電流が得られた。
[発明の効果] 従来の受光素子が受光波長ご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
薄膜の組成割合を変化させるのみで、受光波長に最適感
度を有する受光素子を設計できる。
(2)最適受光感度を資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
か使用できるようになった。
【図面の簡単な説明】
第1図は、弔−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] ポ腎暮甲盆せ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、超格子構造を形成する半導体薄膜の組成割合を特定
    することによって、量子障壁層の高さを調整し、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。
JP2121135A 1990-05-14 1990-05-14 半導体受光素子 Expired - Fee Related JP2825930B2 (ja)

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63241554A (ja) * 1987-03-30 1988-10-06 Toshiba Corp 電子写真感光体
JPS63241556A (ja) * 1987-03-30 1988-10-06 Toshiba Corp 電子写真感光体
JPS63246626A (ja) * 1987-01-15 1988-10-13 エイ・ティ・アンド・ティ・コーポレーション 赤外線検出器デバイスおよび赤外線を検出するための方法
JPS6459978A (en) * 1987-08-31 1989-03-07 Fujitsu Ltd Method of controlling forbidden band width of semiconductor superlattice

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