JPH04236467A - 半導体積層構造及び光検出器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の強度を電流量に変
換して検出する光検出器およびそれを用いた光検出方法
に関し、特に被検出光をほとんど吸収しない光検出器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光強度を電気信号に変換して検出
する光検出器としては、ＰＩＮフォトダイオードやアバ
ランシェフォトダイオードなどが知られていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなフォトダイオードにおいては、被検出光を吸収し
、吸収した光のエネルギーによってキャリアを発生させ
ていたので、光がほとんど光検出器を通過しないという
問題点を有していた。例えば、フォトダイオードを、信
号光を複数の受信機でシリアルに受信するバス型の光通
信システムなどに適用した場合、通信経路の１番最初に
ある受信機のフォトダイオードが信号光を吸収してしま
い、２番目以降の受信機には光は到達しない。このため
、各受信機は、自分が受信したものと同じ信号光を半導
体レーザなどで新たに生成し、生成した信号光を次の受
信機に向けて送信しなければならなかった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、所定の光子エ
ネルギーを有する光を検出する光検出器を、基板上に、
複数の電子準位を有する量子井戸構造または量子細線構
造の第１および第２の半導体層と、これらの半導体層の
間に設けられた障壁層とを積層し、これらの半導体層上
および前記基板の下面にそれぞれ電極を設けた半導体素
子と、前記電極間に電界を印加して前記障壁層を通るト
ンネル電流を生じさせる手段と、前記トンネル電流を検
出する手段とから構成することを特徴とする。ここで、
前記第１の半導体層の異なる電子準位間のエネルギー差
が前記光子エネルギーよりもわずかに小さく、且つ、前
記第２の半導体層の異なる電子準位間のエネルギー差が
前記光子エネルギーよりもわずかに大きくなるように形
成する。そして、本発明の光検出器は、第１および第２
の半導体層に被検出光が入射すると光シュタルク効果に
よって電子準位がシフトし、これに伴って前記トンネル
電流が変化することを利用して被検出光の強度を検出す
るものである。このような特徴によって、本発明は、被
検出光をほとんど吸収しない光検出器を提供するという
目的を達成するものである。

【０００５】

【実施例】図１は本発明の光検出器の実施例を示す概略
斜視図である。また、図２はこの実施例の層構成を示す
略断面図である。

【０００６】図１および図２において、符号１はｎ型（
ｎ−）ＧａＡｓ基板、符号２は超格子バッファ層、符号
３は第１のｎ−ＧａＡｓ層、符号４は多重量子井戸構造
の光検出層、符号５は第２のｎ−ＧａＡｓ層を示す。 光検出層４は、ノンドープ（ｉ−）ＡｌＡｓ層１４、第
１のｉ−ＧａＡｓ井戸層１５、第１のｉ−ＡｌＡｓ障壁
層１６、第２のｉ−ＧａＡｓ井戸層１７、第２のｉ−Ａ
ｌＡｓ障壁層１８、第３のｉ−ＧａＡｓ井戸層１９およ
びｉ−ＡｌＡｓ層２０から構成される。また、第２のｎ
−ＧａＡｓ層５は、ｎ−ＧａＡｓ層２１と、層２１より
も不純物濃度が高いｎ−ＧａＡｓキャップ層２２から成
る。

【０００７】図１に示すように、第２のｎ−ＧａＡｓ層
５には被検出光１１の入射方向に沿って延びるストライ
プ状の凸部３０が形成されている。この凸部３０の下に
ある光検出層４の部分は、他の部分よりも実効的な屈折
率が高くなり、チャンネル型の光導波路を構成する。被
検出光１１は、光検出層４の一方の端面から入射して、
この光導波路を伝播し、光検出層４の他方の端面から透
過光１２として出射する。

【０００８】基板１の下面には、全面にＡｕ／Ｃｒから
成る第１の電極６が形成されている。この電極６とオー
ミックコンタクトを取るために、基板１、バッファ層２
および第１のｎ−ＧａＡｓ層３の一部には、Ａｕおよび
Ｃｒが拡散された領域１０が形成されている。一方、第
２のｎ−ＧａＡｓ層５上には、第２の電極７が形成され
ている。被検出光の透過部にできるだけ不純物を混入さ
せないために、電極７は第２のｎ−ＧａＡｓ層５上の凸
部３０以外の一部領域に形成されている。電極６および
７の間には、外部に接続された電圧源８より電圧が印加
されている。また、これらの電極には、電極間を流れる
電流を検出するための電流計９が接続されている。

【０００９】上記の光検出器に用いられる半導体素子は
、例えば以下のようにして作製された。

【００１０】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１の（１００）面
上に、各々が数Å〜数十Åの厚さを有するＧａＡｓ層お
よびＡｌＡｓ層を交互に積層し、全体の厚さが０．５μ
ｍの超格子バッファ層２を形成した。次に、このバッフ
ァ層２上に、厚さ０．５μｍのｎ−ＧａＡｓ層３、厚さ
２０Åのｉ−ＡｌＡｓ層１４、厚さ４０Åのｉ−ＧａＡ
ｓ井戸層１５、厚さ２２Åのｉ−ＡｌＡｓ障壁層１６、
厚さ４３Åのｉ−ＧａＡｓ井戸層１７、厚さ２２Åのｉ
−ＡｌＡｓ障壁層１８、厚さ４０Åのｉ−ＧａＡｓ井戸
層１９および厚さ２０Åのｉ−ＡｌＡｓ層２０を順次成
長させた。続いて、ｉ−ＡｌＡｓ層２０上に、厚さ０．
５μｍのｎ−ＧａＡｓ層２１と、厚さ０．３μｍのｎ−
ＧａＡｓキャップ層２２を成長させた。ここで、各半導
体層の形成には、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法
を用いた。また、各ｎ型半導体層にドーピングされたＳ
ｉの濃度は、ｎ−ＧａＡｓ層３および２１において１×
１０１８ｃｍ−３、ｎ−ＧａＡｓキャップ層２２におい
て１×１０１９ｃｍ−３となるように制御した。

【００１１】次に、ストライプ状の領域を残して、半導
体層５の一部をメサエッチングし、凸部３０を形成した
。そして、基板１の下面にＡｕ膜およびＣｒ膜を蒸着し
、電極６を形成した。その後、基板１を４００℃の水素
雰囲気中において、ＡｕおよびＣｒを拡散させ、領域１
０を形成した。また、半導体層５上の一部にＡｕ膜およ
びＣｒ膜を蒸着し、電極７を形成した。

【００１２】図３は、前述の実施例の光検出層４のポテ
ンシャルを模式的に表した図である。各層のポテンシャ
ルには、図２の符号と同一の符号を付した。各井戸層１
５、１７および１９は十分に薄く形成されているので、
量子サイズ効果によってサブバンドを生じている。即ち
、各井戸層はそれぞれ複数の電子準位を有している。 ここで、井戸層１７の厚さ等は、この井戸層１７の電子
準位間のエネルギー差が、被検出光の光子エネルギーよ
りもわずかに大きくなるように調整されている。一方、
井戸層１５および１９の厚さ等は、これらの井戸層の電
子準位間のエネルギー差が、被検出光の光子エネルギー
よりもわずかに小さくなるように調整されている。即ち
、井戸層１７のサブバンドの固有エネルギーを小さい方
からＥＮａ，ＥＮｂ，…、井戸層１５および１９のサブ
バンドの固有エネルギーを小さい方からＥＷａ，ＥＷｂ
，…、被検出光の光子エネルギーをｈωとすると、以下
の式を満足する。

【００１３】 ＥＷｂ−ＥＷａ＜ｈω＜ＥＮｂ−ＥＮａ　　　　（１）
ｈω＝ＥＷｂ−ＥＷａ−δＷ　　　　　　　　　　　　
　　（２）ｈω＝ＥＮｂ−ＥＮａ−δＮ　　　　　　　
　　　　　　　　（３）｜δＷ｜＜＜ｈω　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　（４）｜δＷ｜＜＜ｈω
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）ここ
で、δＷ＜０およびδＮ　＞０である。前述の実施例に
おいては、被検出光の波長を２．８μｍとして、ＥＷｂ
−ＥＷａ＝４２２ｍｅＶ、ＥＮｂ−ＥＮａ＝４６５ｍｅ
Ｖに調整されている。上記δＷおよびδＮは非常に小さ
いので、各井戸層に被検出光が入射すると光シュタルク
効果が得られる。本発明は、この光シュタルク効果を利
用して光を検出するものである。以下に、光シュタルク
効果について説明する。原子などにおいて、一般に電子
が離隔化されたエネルギー準位を持っているときに、そ
の準位間隔に一致はしないが、それに近い光子エネルギ
ーを持つ光を原子に当てると、電子のエネルギー準位が
シフトする。それを光シュタルク効果という。本発明の
場合、離隔化された準位というのは、量子井戸構造のサ
ブバンドのエネルギー準位である。したがって、本発明
の場合、サブバンド間仮想遷移による光シュタルク効果
と呼ぶべきものである。

【００１４】一方、井戸層１７の１番目の準位のエネル
ギーの幅をΓＮａ、井戸層１５および１９の１番目の準
位のエネルギーの幅をΓＷａとすると、以下の式を満足
する。

【００１５】 ｜ＥＷａ−ＥＮａ｜≧ΓＷａ＋ΓＮａ　　　　　　（６
）前述の実施例では、具体的にＥＷａとＥＮａのエネル
ギー差を１３．８ｍｅＶとしている。

【００１６】また、上記半導体素子は、次の条件式を満
足し、被検出光をほとんど吸収しない。 ｜δＷ｜≧ΓＷａ＋ΓＷｂ　　　　　　　　　　　　　
　　　（７）｜δＮ｜≧ΓＮａ＋ΓＮｂ　　　　　　　
　　　　　　　　　（８）ｈω＞＞ｈωＬＯ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　（９）ここで、ｈ
ωＬＯはロングィテューディナル・オプティカル（ＬＯ
）フォノンエネルギーである。音響モードの横波，縦波
のフォノンなどの各種フォノンの中で、ＬＯフォノンは
振動エネルギーが最も大きい。このため、被検出光の光
子エネルギーがこのＬＯフォノンエネルギーよりも大き
ければ、フォノンによる被検出光の吸収は無視できる程
小さくなる。この条件は、例えば数１０Å程度の比較的
薄い厚さの井戸層を持つ、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓの交互層
から成る量子井戸構造（ＱＷＳ）において満足される。

【００１７】上記の条件を図で表すと、図４のような吸
収スペクトルになる。図４において、横軸は光子エネル
ギー、縦軸は吸収を示す。Ｅａは、伝導キャリアを有す
るＱＷＳの井戸層の第１番目の準位の固有エネルギー、
Ｅｂは第２番目の準位の固有エネルギーを示す。また、
Γａはこの井戸層の第１番目の準位のエネルギーの幅、
Γｂは第２番目の準位のエネルギーの幅である。ここで
、被検出光の光子エネルギーはＥ１またはＥ２に設定さ
れる。Ｅ１またはＥ２とＥｂ−Ｅａとの差δは、｜δ｜
≧Γａ　＋Γｂを満たす。　　以下に、本実施例の動作
を説明する。

【００１８】まず、図３のＱＷＳに光が当たってないと
きを考える。井戸層１５に電極から供給された電子は、
サブバンドの第１の準位Ｅａの状態に落ち込む。ここで
、井戸層１５と１９との間には、電圧源８により電圧Ｖ
が印加されているので、電子は井戸層１５から井戸層１
９へトンネリングしようとする。ところが、本実施例で
は、その途中にある井戸層１７のサブバンドエネルギー
の第１の準位ＥＮａが井戸層１５および１９のサブバン
ドエネルギーの第１の準位ＥＷａよりも十分高くなって
いるので、即ち、（６）式の関係を満たしているので、
トンネル確率は小さい。つまり、ＱＷＳに光が当たって
いないときには、電流はほとんど流れず、電流計９は電
流を検出しない。

【００１９】次に、ＱＷＳに光が当たった場合を述べる
。この被検出光は、マルチフォノン吸収や自由キャリア
吸収を避けるために、その電界ベクトルがＺ方向、即ち
、各半導体層の面に垂直となるような偏光状態とされて
いる。また、同時に、前述のように各井戸層のサブバン
ド間隔は、ＬＯフォノンエネルギーの数倍以上に設定さ
れている。ここで、光が照射されると、前述の光シュタ
ルク効果によって、電子準位は以下のようにシフトする
。

【００２０】 　　　　ＥＮａ　　→　　ＥＮａ−（ｅμＮε）２　／
δＮ　　　　　　　　　　（１０）　　　　ＥＷａ　　
→　　ＥＷａ−（ｅμＷε）２　／δＷ　　　　　　　
　　　　（１１）ここで、ｅは単位電荷、εは電界強度
、μＮは井戸層１７の第１の準位から第２の準位への遷
移双極子の長さ、μＷは井戸層１５および１９の第１の
準位から第２の準位への遷移双極子の長さである。

【００２１】δＷ　＜０およびδＮ＞０であるので、上
記（１０）および（１１）式より、図３に矢印で示すよ
うに、井戸層１７の第１の準位ＥＮａは低い方へ、井戸
層１５及び１９の第１の準位ＥＷａは高い方へシフトす
る。その結果、｜ＥＮａ−ＥＷａ｜が小さくなる（すな
わち、｜ＥＮａ−ＥＷａ｜＜ΓＷａ＋ΓＮａとなる）の
で、井戸層１５から井戸層１７を通って井戸層１９へ電
子がトンネリングする確率が増加し、電流計９によって
電流が検出される。上記電子準位のシュタルクシフトの
量は、光強度ε２に比例するので、この電流量は光強度
を反映したものとなり、電流量から光強度を逆算出来る
。図５に本実施例における光強度−電流特性を模式的に
示す。図５において、横軸は光検出器に入射する光の強
度、縦軸は検出される電流である。

【００２２】前述の準位間遷移の双極子モーメントの長
さは、一般的に原子などでは精々数Å程度である。しか
しながら、本実施例のようなＱＷＳでは、双極子モーメ
ントの長さは、井戸層の数分の１の大きさを持つので、
１０Å以上の大きな値となる。つまり、ＱＷＳのサブバ
ンド間の仮想遷移による光シュタルク効果は通常より大
きく、それが、前述のように光の電界ベクトルを各半導
体層の面に垂直にすること、および、｜δ｜を十分小さ
くすることと相俟って、本発明の光検出器の感度を大き
くするのに寄与している。

【００２３】上記の例では、ＥＷａ＜ＥＮａであったが
、ＥＷａ＞ＥＮａ、つまり井戸層１５および１９の第１
の準位ＥＷａを井戸層１７の第１の準位ＥＮａよりも十
分高くしても良い。この場合、（１）式の不等号は逆に
なって、シュタルクシフトの方向は図３の矢印とは逆に
なる。即ち、光が当たると、井戸層１５および１９の第
１の準位が下がり、井戸層１７の第１の準位が上がって
、トンネル電流が増加することになる。

【００２４】また、本発明において、（６）式と反対に
、光が当たっていないときに以下の式を満足するように
しても良い。

【００２５】 ｜ＥＮａ−ＥＷａ｜＜ΓＷａ＋ΓＮａ　　　　　　（１
２）この場合、光検出器は、図６のように光が入射して
いないときに大きな電流が流れ、光強度が大きくなるに
従って電流量が減少していく特性を示す。また、この場
合にシュタルクシフトの方向は、図３の場合と同方向で
も、逆方向でも構わない。前者の場合には、光が当たる
と井戸層１７の第１の準位が相対的に低くなって電流量
が減少する。後者の場合には、光が当たると井戸層１７
の第１の準位が相対的に高くなって電流量が減少する。

【００２６】図７は、本発明の光検出器を用いた光通信
システムの一例を示すブロック図である。図７において
、光信号送信機２３から発した光信号は、光ファイバー
２９によって直列に接続された複数の光信号受信機２４
１，２４２，…に送られる。各光信号受信機は、図１の
ような構成の光検出器２５１，２５２を有しており、上
記光信号は、これらの光検出器で検出される。このとき
、光検出器２５１は光をほとんど吸収しない。従って、
光検出器２５１は、光信号を減衰させることなく光検出
器２５２に向けて透過する。また、光検出器２５２も光
信号を減衰させることなく次の光検出器に向けて透過す
る。 このため、本発明の光検出器を用いた光通信システムに
おいては、伝送路中に光信号増幅器を設けたり、各受信
機ごとに光源を設けたりすることなく、複数の受信機を
接続することが出来る。

【００２７】各光検出器２５１，２５２で検出された信
号は、信号復調回路２６１，２６２で復調され、カソー
ド・レイ・チューブ（ＣＲＴ）等の表示装置２７１，２
７２に表示される。また、これらの信号復調回路および
表示装置は、制御回路２８１，２８２によってコントロ
ールされる。

【００２８】本発明は、以上説明した実施例の他にも種
々の応用が可能である。例えば、実施例では量子井戸構
造（ＱＷＳ）の半導体層によって光検出器を形成したが
、更に半導体層を微小な幅のストライプ状とした量子細
線構造（ＱＬＳ）によって光検出器を形成しても良い。 また、実施例は３つの井戸層を形成した例を示したが、
井戸層は３つよりも多くても良いし、１つあるいは２つ
でも構わない。井戸層が１つの場合には、この井戸層の
電子準位と、障壁層を挟んで井戸層と隣り合う半導体層
のポテンシャルとの差が、光シュタルク効果によって変
化するようにすれば良い。また、井戸層が２つの場合に
は、各々の井戸層のシュタルクシフトの方向が互いに異
なるように形成することによって感度を向上させること
ができる。更に半導体層の材料もＧａＡｓおよびＡｌＡ
ｓに限定されず、例えばＩｎＧａＡｓＰ、ＺｎＳ、Ｚｎ
Ｔｅ、ＣｄＳ、ＣｕＣｌ等、種々の材料を用いることが
できる。本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない限りに
おいて、このような応用例を全て包含するものである。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の光検出器は
、被検出光の入射による光シュタルク効果で電子準位が
シフトし、これに伴ってトンネル電流が変化することを
利用して被検出光の強度を検出するようにしたので、被
検出光の吸収をほとんどなくすことができた。このよう
な光検出器は、光信号の伝送路中に置いても光信号を減
衰させないため、光通信システムなどに非常に有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光検出器の実施例を示す概略斜視図で
ある。

【図２】図１の実施例の層構成を示す略断面図である。

【図３】図１の実施例におけるポテンシャルを示す概略
図である。

【図４】図１の実施例の光吸収スペクトルを示す図であ
る。

【図５】図１の実施例における被検出光の強度と検出電
流との関係を示す図である。

【図６】本発明の変形例における被検出光の強度と検出
電流との関係を示す図である。

【図７】本発明の光検出器を用いた光通信システムの構
成例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１　　ｎ−ＧａＡｓ基板 ２　　超格子バッファ層 ３　　第１のｎ−ＧａＡｓ層 ４　　光検出層 ５　　第２のｎ−ＧａＡｓ層 ６　　第１の電極 ７　　第２の電極 ８　　電圧源 ９　　電流計

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　所定の光子エネルギーを有する光を検
   出する光検出器において、基板上に、複数の電子準位を
   有する量子井戸構造または量子細線構造の第１および第
   ２の半導体層と、これらの半導体層の間に設けられた障
   壁層とを積層し、これらの半導体層上および前記基板の
   下面にそれぞれ電極を設けた半導体素子と、前記電極間
   に電界を印加して前記障壁層を通るトンネル電流を生じ
   させる手段と、前記トンネル電流を検出する手段とから
   成り、前記第１の半導体層の異なる電子準位間のエネル
   ギー差が前記光子エネルギーよりもわずかに小さく、且
   つ、前記第２の半導体層の異なる電子準位間のエネルギ
   ー差が前記光子エネルギーよりもわずかに大きくなるよ
   うに形成することによって、第１および第２の半導体層
   に被検出光が入射すると光シュタルク効果によって電子
   準位がシフトし、これに伴って前記トンネル電流が変化
   することを利用して被検出光の強度を検出することを特
   徴とする光検出器。