JPH04286373A - 赤外線検知装置 - Google Patents

赤外線検知装置

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JPH04286373A
JPH04286373A JP3050963A JP5096391A JPH04286373A JP H04286373 A JPH04286373 A JP H04286373A JP 3050963 A JP3050963 A JP 3050963A JP 5096391 A JP5096391 A JP 5096391A JP H04286373 A JPH04286373 A JP H04286373A
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    • HELECTRICITY
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    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体の多重量子井戸を
用いた赤外線検知装置に関する。近年、半導体の多重量
子井戸を用いた赤外線検知装置が、安定した電気的特性
、および該装置に用いる半導体基板として大面積のガリ
ウム砒素基板が容易に得られる等の利点が有ることより
、大規模の赤外線検知素子アレイ用として開発されてい
る。
【0002】そしてこのような赤外線検知装置に於いて
、高感度、即ちS/N比の大きい検知装置を得るために
、雑音の原因となる暗電流の低減を図ることが必要とさ
れている。
【0003】
【従来の技術】従来の多重量子井戸を用いた赤外線検知
装置として〔文献、Appl.Phys.Lett.5
3(4),25 July 1988 〕の構造がある
【0004】この構造は図5に示すように半絶縁性のガ
リウム砒素( GaAs) 基板1上に、厚さが1μm
 でn =2 ×1018/cm3の電子濃度のGaA
sのコンタクト層2−1 が形成され、その上にノンド
ープで厚さが300 ÅのAl0.31Ga0.69A
sのアルミニウム・ガリウム・砒素層よりなる障壁層3
と、厚さが40Åでn =2 ×1018/cm3の電
子濃度のGaAs層よりなる井戸層4とを組み合わせた
量子井戸層5が50周期にわたって形成され、その上に
厚さが0.5 μm のn =2 ×1018/cm3
の電子濃度のGaAsのコンタクト層2−2 が形成さ
れている。
【0005】そして上記上部のGaAsのコンタクト層
2−2 と井戸層4と厚さが300 ÅのAl0.31
Ga0.69Asのアルミニウム・ガリウム・砒素層よ
りなる障壁層3とを組み合わせた50周期の多重量子井
戸層31をメサエッチングした後、金・ゲルマニウム(
Au−Ge)の電極をコンタクト電極6として、コンタ
クト層2−1,2−2 上に接触して形成している。
【0006】このような多重量子井戸層で形成された従
来の赤外線検知装置の動作に付いて述べる。図6(a)
は上記したコンタクト電極間にバイアス電圧を印加しな
い場合の伝導帯のエネルギーバンド図である。図示する
ように、厚さが40Åでn =2 ×1018/cm3
の電子濃度のGaAs層よりなる井戸層4と厚さが30
0 ÅのAl0.31Ga0.69Asのアルミニウム
・ガリウム・砒素層よりなる障壁層3とが組となって5
0周期にわたって形成された多重量子井戸層31に於い
ては、伝導帯の電子のエネルギーは離散的になり、例え
ば図示するように、E1 とE2 に示すように2 つ
のエネルギー凖位が形成される。そして励起光の無い状
態では電子7は、殆んどE1 の凖位の位置に存在する
【0007】ところで図6(b)に示すように、上記装
置にバイアス電圧を印加した時の伝導帯のエネルギーバ
ンド図に示すように、フォトンエネルギーh ν=E2
 −E1 の赤外線が入射すると、E1 に存在する電
子7は赤外線を吸収して、E2 の凖位に矢印Aに示す
ように励起される。
【0008】赤外線が入射されず、電子が励起されてい
ない場合は、AlGaAs層の障壁層3によって、矢印
Bに示すように電流はトンネル電流のみが流れる。そし
て赤外線が入射すると該赤外線によって励起された電子
は、光電流となって矢印Cに示すようにAlGaAs層
の障壁層3を乗り越えて流れ易くなる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
赤外線検知装置に於いては、暗電流は障壁層3を通過す
るトンネル電流である。また雑音=(2qI)1/2 
(但しq =電子の電荷でI は暗電流)で示されるの
で、暗電流が低減すると当然雑音も低下する。この暗電
流はAlGaAs層の障壁層3を通過するトンネル電流
であるので、AlGaAs層の障壁層3の厚さを厚くす
ると、暗電流の低減は可能である。
【0010】然し、AlGaAs層の障壁層3の厚さを
厚くすると、赤外線検知装置自体の厚さも増大し、光で
励起されたE2 の凖位に存在する電子が、光電流とな
ってこれらAlGaAs層の障壁層3を越えて流れ難く
なり、障壁層3とGaAs層よりなる井戸層4の多重量
子井戸層31の両端のコンタクト層2−1 、2−2 
に到達する確率は減少し、光電変換効率は低下し、S/
N 比は必ずしも改善されない。
【0011】本発明は上記した欠点を除去し、暗電流の
低減を図り、かつ信号量の低下を見ない、低雑音でかつ
高感度の多重量子井戸構造の赤外線検知装置の提供を目
的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の赤外線検知装置
は、半導体基板上に設けたコンタクト層間にエネルギー
バンドギャップの大きい障壁層とエネルギーバンドギャ
ップの小さい井戸層とを組み合わせて周期的に多層構造
に積層した多重量子井戸層を設け、該コンタクト層間に
電圧を印加する装置に於いて、前記コンタクト層に隣接
する多重量子井戸層の少なくとも片方の障壁層の厚さを
、前記多重量子井戸層を構成する障壁層の厚さより部分
的に厚くしてブロック層として設けたことを特徴とする
【0013】
【作用】本発明の装置では、コンタクト層に接触する障
壁層の内の少なくとも片側の障壁層の厚さを、多重量子
井戸層を構成する障壁層の厚さより部分的に厚くしたブ
ロック層を設けることにより、暗電流はコンタクト層に
隣接して設けた厚いAlGaAs層の障壁層よりなるブ
ロック層にてブロックされ低減するが、赤外線検知装置
の全体の厚さは殆ど増加せず、また光励起された光電流
は障壁層の有するエネルギーレベルよりもエネルギーが
大であるため、障壁層上を飛び越えてコンタクト層に流
れるので、光電流は殆ど減少せず、従って信号量は減少
しない。このようにして本発明の装置によれば、S/N
 比の良い高感度な赤外線検知装置が得られる。
【0014】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例につき詳
細に説明する。図1に示すように、半絶縁性のガリウム
砒素( GaAs) 基板1上に、厚さが1μm でn
 =2 ×1018/cm3の電子濃度のGaAsのコ
ンタクト層2−1が分子線エピタキシャル成長方法(M
oleculor Beam Epitaxy ; M
BE 方法)、或いは有機金属気相成長方法(Meta
l Chemical Organic Vapor 
Deposition;MOCVD方法) により形成
され、その上に本発明の厚さが600 Åのノンドープ
のAl0.31Ga0.69Asのアルミニウム・ガリ
ウム・砒素層より成る障壁層と同一組成のブロック層1
1が前記したMBE 方法、或いはMOCVD 方法に
より、従来の障壁層の2倍の厚さで形成されている。
【0015】そしてその上に厚さが40Åでn =2 
×1018/cm3の電子濃度のGaAs層よりなる井
戸層4と厚さが300 ÅのAl0.31Ga0.69
Asのアルミニウム・ガリウム・砒素層よりなる障壁層
3とよりなる量子井戸層5が、前記厚さを厚く形成した
ブロック層11も含めた状態で50周期にわたって前記
MBE 方法、或いはMOCVD 方法により形成され
、その上に厚さが1μm のn =2 ×1018/c
m3の電子濃度のGaAsのコンタクト層2−2がMB
E 方法、或いはMOCVD 方法により形成されてい
る。
【0016】そして上記上部のGaAsのコンタクト層
2−2 とGaAs層よりなる井戸層4と厚さが300
 ÅのAl0.31Ga0.69Asのアルミニウム・
ガリウム・砒素層よりなる障壁層3、および厚さが60
0 ÅのAl0.31Ga0.69Asのアルミニウム
・ガリウム・砒素層よりなる本発明のブロック層11と
をメサエッチングした後、蒸着およびリフトオフ法を用
い、金・ゲルマニウム(Au−Ge) 合金の電極をコ
ンタクト電極6として、コンタクト層2−1 上とコン
タクト層2−2 上に形成している。
【0017】このような本発明の装置の動作に付いて述
べると、図2に示すように、本発明の厚さが600 Å
のAl0.31Ga0.69Asのアルミニウム・ガリ
ウム・砒素層よりなるブロック層11に隣接するコンタ
クト層2−1 に接続するコンタクト電極に正の電圧を
、他のコンタクト層2−2 に接続するコンタクト電極
に負の電圧を印加する。すると赤外線を照射しないで光
励起されない基底状態のE1 のエネルギーレベルの井
戸層4に存在する電子は矢印Bに示すようにトンネル電
流と成って障壁層3を通過しようとするが、厚さの厚い
本発明のブロック層11に阻止されてコンタクト層2−
1 に到達しない。
【0018】一方、赤外線の照射に依って光励起を受け
た電子は、E2 のエネルギーレベルに到達し、障壁層
3よりエネルギーが大となって障壁層3を飛び越えて矢
印Cに示すように光電流となってコンタクト層2−1 
に向かって流れるために、障壁層を厚くしたブロック層
11を形成しても影響を受けない。
【0019】このような本発明の装置と従来の装置に於
いて、暗電流の値を比較した結果を図3に示す。図の曲
線21は従来の装置に於けるバイアス電圧と暗電流の関
係曲線で、図の曲線22は本発明の装置に於けるバイア
ス電圧と、暗電流の関係曲線である。図示するようにゼ
ロバイアス時点に於ける暗電流は従来の装置では3 ×
10−7A であるが、本発明の装置では1 ×10−
9A と約1/300 に減少していることが判る。
【0020】また同様に光電流を測定したところ、図4
に示す結果を得た。図の縦軸はレスポンシビティを、横
軸はバイアス電圧を示す。図中、白丸は本発明の装置で
の値で、黒丸は従来装置での値であり、レスポンシリテ
ィには大差は無く、結果的に本発明の装置は従来の装置
に比較してS/N比は飛躍的に向上したことになる。
【0021】なお、本実施例では600 ÅのAl0.
31Ga0.69Asのアルミニウム・ガリウム・砒素
層よりなるブロック層を、下部のコンタクト層2−1 
上に積層して設けたが、他の実施例として、上部のコン
タクト層2−2 の下部に上記本発明の600 ÅのA
l0.31Ga0.69Asのアルミニウム・ガリウム
・砒素層よりなるブロック層11を追加して被着し、こ
のようなブロック層を両方のコンタクト層2−1,2−
2 に接続して設けても良い。
【0022】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の検知装置に
よれば、光電流の減少は見られず、暗電流が大幅に減っ
たS/N比の大きい低雑音、高感度な高品質な赤外線検
知装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】  本発明の赤外線検知装置の構造を示す断面
図である。
【図2】  本発明の装置のエネルギーバンド図である
【図3】  本発明の装置と従来の装置の特性曲線の比
較図である。
【図4】  本発明の装置と従来の装置のレスポンシビ
ティとバイアス電圧の比較図である。
【図5】  従来の赤外線検知装置の構造を示す断面図
である。
【図6】  従来の装置に於けるエネルギーバンド図で
ある。
【符号の説明】
1  GaAs基板 2−1,2−2  コンタクト層 3  障壁層 4  井戸層 5  量子井戸層 6  コンタクト電極 7  電子 11  ブロック層 21  従来の装置のバイアス電圧と暗電流との関係曲
線22  本発明の装置のバイアス電圧と暗電流との関
係曲線31  多重量子井戸層

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  半導体基板(1) 上に設けたコンタ
    クト層(2−1,2−2) 間にエネルギーバンドギャ
    ップの大きい障壁層(3) とエネルギーバンドギャッ
    プの小さい井戸層(4) とを組み合わせて周期的に多
    層構造に積層した多重量子井戸層(31)を設け、該コ
    ンタクト層(2−1,2−2) 間に電圧を印加する装
    置に於いて、前記コンタクト層(2−1,2−2) に
    隣接する多重量子井戸層(31)の少なくとも片方の障
    壁層(3) の厚さを、前記多重量子井戸層(31)を
    構成する障壁層(3) の厚さより厚くしてブロック層
    (11)として設けたことを特徴とする赤外線検知装置
JP3050963A 1991-03-15 1991-03-15 赤外線検知装置 Expired - Lifetime JP2797738B2 (ja)

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EP0509247B1 (en) 1996-11-06
DE69214991T2 (de) 1997-06-05
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