JPH04297075A - 光電気信号変換装置 - 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、半導体装置に関し、特
に高速で光信号を電気信号に変換する半導体素子を含む
光電気信号変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、受光用半導体素子としては、ホト
トランジスタ、アバランシェホトダイオード、ｐｉｎホ
トダイオード、超格子を用いたダイオード等が知られて
いる。

【０００３】ホトトランジスタは、ｐｎｐ、ｎｐｎ等の
ように通常のバイポーラトランジスタと同様の構成を有
し、ベース電極の代わりに受光面を設け、ベース領域近
傍に光を入射し、一方の極性のキャリアをベース領域に
蓄積することによってベース領域をバイアスし、トラン
ジスタ動作をさせるものである。

【０００４】ｐｉｎダイオードは、ｐｉｎ構造を有し、
逆バイアスを印加してｉ領域に電界を形成し、入射光に
よってｉ領域で生じた電子・正孔対をそれぞれ逆方向に
電界によって加速し、信号電流を取出すダイオードであ
る。

【０００５】アバランシェホトダイオードは、アバラン
シェブレイクダウンを生じる直前の状態にダイオードを
逆バイアスし、入射光によって生じたキャリアが走行す
ると、アバランシェブレイクダウンを生じ、信号が増幅
されるようにしたダイオードである。

【０００６】超格子を用いたダイオードは、ダイオード
の活性領域に超格子を用い、特定の波長の光に感度を有
するように調整したダイオード等である。

【０００７】これら半導体受光素子は、入射光によって
電子・正孔対を発生させ、信号電流を取出すことが基本
となっており、用いる半導体材料によって波長に対する
受光感度特性が定まる。

【０００８】赤外領域の光に対して感度を持たせるため
には、バンドギャップの狭い半導体を用いればよい。た
とえば、ＨｇＣｄＴｅ、ＰｂＳｎＴｅ等のいわゆるナロ
ーギャップ半導体を用いる。しかしながら、これらのナ
ローギャップ半導体は、結晶性、加工プロセス等にまだ
問題がある。

【０００９】超格子を用いたダイオードは、受光感度特
性を調整することができるが、暗電流と明電流の差が少
なく、高いＳ／Ｎ比を得ることがむずかしい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の半導体受光素子は、用いる材料等によって波長感
度特性に制約があり、赤外領域で用いることのできるも
のは少なかった。また、赤外領域で用いることのできる
半導体受光素子は、結晶性、加工プロセス、Ｓ／Ｎ比等
の点で問題があった。

【００１１】本発明の目的は、光信号を電気信号に高速
で変換でき、その他の特性も優れた半導体受光素子を含
む光電気信号変換装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の光電気信号変換
装置は、エミッタ領域、共鳴トンネリングエミッタバリ
ア領域、ベース領域、コレクタバリア領域、コレクタ領
域、共鳴トンネリングエミッタバリア領域に光信号を導
入することのできる窓構造を有する共鳴トンネリングホ
ットキャリアトランジスタ構造と、エミッタ、ベース、
コレクタ各領域間にバイアス電圧を印加するバイアス源
を含む光電気信号変換装置において、バイアス電圧を印
加した動作状態において、共鳴トンネリングエミッタバ
リア領域で許容される第１の共鳴準位のキャリアは実質
的にコレクタ領域に到達できず、第１の共鳴準位から光
学遷移可能な第２の共鳴準位のキャリアはコレクタ領域
に到達可能であるように、共鳴トンネリングエミッタバ
リア領域、コレクタバリア領域のパラメータが選択され
ている。

【００１３】

【作用】共鳴トンネリングホットキャリアトランジスタ
は、エミッタバリアの設計によってエミッタバリア領域
内で許容されるエネルギ準位が変化する。したがって、
エミッタバリアの設計によって、第１準位と第２準位の
間のエネルギ差を所望の波長の光のエネルギに調整する
ことができる。

【００１４】ホットキャリアトランジスタは、高速動作
が可能である。また、ホットキャリアトランジスタは、
既に開発された技術を用いて作成することができる。

【００１５】エミッタバリア中の第１準位のエネルギを
有するキャリアが、コレクタ領域に実質的に到達できな
いようにバリアを設計することによって雑音成分を低減
することができる。第２準位のキャリアは、コレクタ領
域に到達可能であるようにすることによって、信号電流
を得ることができる。バリアおよびバイアス電圧の選択
によって、高いＳ／Ｎ比を有する半導体受光装置を構成
することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を実施例に沿って説明する。

【００１７】図１は、本発明の第１の実施例による光電
気信号変換装置を示す。図１（Ａ）は構成を断面で示す
。なお、図中、左側に各構成材料の伝導帯エネルギを示
す。図１（Ｂ）は動作状態における伝導帯のポテンシャ
ル分布を示す。

【００１８】図１（Ａ）において、ｉ型ＧａＡｓ層１１
の上に、ｎ型ＧａＡｓ層１２、１３が形成されている。 ｎ型ＧａＡｓ層１２は、露出した表面を有し、その上に
コレクタ電極２４が形成されている。

【００１９】なお、ｉ型ＧａＡｓ層１１は、ｉ型基板か
ら形成され、上部構造形成後、基板をエッチングするこ
とによって所望の厚さ、たとえば約１００μｍにされる
。ｎ型ＧａＡｓ層１２は、たとえば厚さ約３００ｎｍ、
不純物密度約５Ｅ１８ｃｍ−３を有する。また、ｎ型Ｇ
ａＡｓ層１３は、たとえば厚さ約１００ｎｍ、不純物密
度約１Ｅ１８ｃｍ−３を有する。これらのｎ型ＧａＡｓ
層１２、１３は、コレクタ領域を形成する。

【００２０】コレクタ領域１２、１３の上には、ｉ型Ａ
ｌＧａＡｓ層１４が形成される。このｉ型ＡｌＧａＡｓ
層１４は、ｉ−Ａｌｘ　Ｇａ１−ｘ　Ａｓ（ｘ＝０．２
５）で形成され、たとえば厚さ約３００ｎｍに形成され
る。ＡｌＧａＡｓは、ＧａＡｓとほぼ同等の格子定数を
有し、Ａｌ組成の増加と共にバンドギャップが増大する
混晶半導体である。Ａｌ組成を選択することによって、
ＧａＡｓに対して適当な電位障壁を形成することができ
る。

【００２１】コレクタバリアを形成するｉ型ＡｌＧａＡ
ｓ層１４の上に、ｎ型ＧａＡｓ層１５が形成され、ベー
ス領域を形成する。このｎ型ＧａＡｓ層１５は、たとえ
ば厚さ約３０ｎｍ、不純物密度約１Ｅ１８ｃｍ−３を有
する。また、このベース層１５の表面は一部露出し、そ
の上にベース電極２３を形成する。

【００２２】ベースを構成するｎ型ＧａＡｓ層１５の上
には、ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１６、ｉ型ＧａＡｓ層１７、
ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１８が積層され、共鳴エミッタバリ
アを形成する。ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１６、１８は、たと
えばＡｌ組成約０．５を有する厚さ約５．０９ｎｍの層
である。また、ｉ型ＧａＡｓ層１７は、たとえば厚さ約
８．２３ｎｍを有する。このような共鳴バリア構造によ
れば、波長約１０μｍの赤外光を吸収する第１準位と第
２準位が形成される。

【００２３】共鳴エミッタバリア１６、１７、１８の上
には、ｎ型ＧａＡｓ層１９、２０が形成され、エミッタ
領域を構成する。ｎ型ＧａＡｓ層１９は、たとえば厚さ
約１００ｎｍ、不純物密度約１Ｅ１８ｃｍ−３を有する
。 また、ｎ型ＧａＡｓ層２０は、たとえば厚さ約３００ｎ
ｍ、不純物密度約５Ｅ１８ｃｍ−３を有する。ｎ型Ｇａ
Ａｓ層２０の上には、エミッタ電極２２が形成される。

【００２４】このような構成は、たとえばｉ型ＧａＡｓ
基板１１の上に、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ等によって各半導
体層をエピタキシャルに成長し、選択エッチングを行な
い、電極を形成することによって作成することができる
。なお、必要に応じて基板１１は裏面からエッチングし
、所望の厚さまで低減する。

【００２５】上述のような材料の組合わせ積層によって
、図１（Ａ）左側に示すようなポテンシャル分布が形成
される。

【００２６】エミッタ領域１９、２０に存在する電子は
、バリア層１６、１８および井戸層１７の形成する共鳴
バリアを通過すると、ベース領域１５に達する。ベース
領域１５とコレクタ領域１２、１３の間には、コレクタ
バリア１４が存在し、ベース領域１５の電子がコレクタ
領域１２、１３に輸送されることを防止する。

【００２７】動作状態においては、エミッタ領域１９、
２０に対して、ベース領域１５およびコレクタ領域１２
、１３を正電位にバイアスする。このようなバイアス印
加状態において、伝導帯は図１（Ｂ）に示すようなポテ
ンシャル分布を示す。

【００２８】エミッタ領域１９、２０に対して、バリア
層１８、１６は、電位障壁を形成している。これらの電
位障壁１８、１６に挾まれた井戸層１７においては、エ
ネルギ状態が量子化され、離散的エネルギ準位を形成す
る。エネルギの低い方から第１準位をＥ１、第２準位を
Ｅ２で示す。

【００２９】第１準位Ｅ１に電子が存在し、外部から入
射した光２６がこの電子を第１準位Ｅ１から第２準位Ｅ
２に励起するエネルギを有すると、第１準位Ｅ１の電子
は第２準位Ｅ２に遷移される。たとえば、上述のバリア
構成においては、第１準位Ｅ１と第２準位Ｅ２とのエネ
ルギ差は波長約１０μｍの光に対応する。

【００３０】波長約１０μｍの光が入射した時に、第１
準位Ｅ１の電子は第２準位Ｅ２に光学遷移するが、他の
波長の光によってはこの遷移は生じない。ベース領域１
５は、バイアス電圧によってエミッタ領域１９、２０よ
りも低いポテンシャルを有する。コレクタバリア領域１
４は、ベース領域１５に対して所定の障壁高さを有する
バリアを形成する。図示のポテンシャル分布においては
、第１準位Ｅ１の電子はバリア層１６をトンネリングで
通過しても、コレクタバリア１４によって阻止される構
成となっている。輸送を阻止された電子は、ベース領域
１５内に落下し、ベース電流となる。コレクタバリア１
４の障壁高さ、および実質的障壁幅は、第１準位Ｅ１の
電子に対しては十分な障壁を形成するが、第２準位Ｅ２
のキャリアに対しては実質的な障壁とならない高さに設
定される。このため、エミッタバリア構造内で第２準位
Ｅ２のエネルギを持つ電子が、バリア層１６をトンネリ
ングで通過すると、コレクタバリア１４を飛越し、コレ
クタ領域１２、１３に進む。

【００３１】すなわち、エミッタバリア１６、１７、１
８内の第１準位Ｅ１に十分な量の電子を存在させ、コレ
クタバリア１４を、第１準位Ｅ１の電子は阻止するが、
第２準位Ｅ２の電子は通過させるように設定することに
よって、信号光によって励起された電子のみをコレクタ
領域１２、１３に到達させることができる。

【００３２】共鳴バリアの井戸層１７内に、第１準位Ｅ
１の電子を十分量存在させることは、エミッタ領域１９
、２０に多量の電子を存在させること、バリア層１８を
トンネルしやすく構成すること、井戸層１７にもドーピ
ングを行なうこと等によって達成することができる。

【００３３】なお、入射光２６を効率的にエミッタバリ
ア領域に入射させるためには、基板１１を図１（Ａ）に
示すように斜めにエッチングすることが好ましい。上述
のような共鳴バリア構造においては、積層方向の電子の
自由度は制限されているため、共鳴バリア構造に垂直に
光を入射させることが好ましい。

【００３４】図２は、本発明の他の実施例による光電気
信号変換装置を示す。図２（Ａ）は、半導体素子の構成
を断面で示す。また、図１（Ａ）と同様、図中左側には
伝導帯のポテンシャル分布を概略的に示す。図２（Ｂ）
は、動作状態における伝導帯のポテンシャル分布を示す
。

【００３５】本構成においては、エミッタバリア領域が
異なるＡｌ組成を有する２つのｉ型ＡｌＧａＡｓ層３１
、３２、井戸層１７、ｉ型ＡｌＧａＡｓ層１８で形成さ
れている。他の点は、図１に示す実施例と同様である。

【００３６】たとえば、ｉ型ＡｌＧａＡｓ層３１は、Ａ
ｌ組成約０．２５を有し、隣接するｉ型ＡｌＧａＡｓ層
３２は、Ａｌ組成約０．５を有する。また、ｉ型ＡｌＧ
ａＡｓ層１８は、Ａｌ組成約０．５を有する。

【００３７】このような構成とすると、井戸層１７で許
容されるエネルギ準位は、図１に示した実施例と同様と
なり、波長約１０μｍの光に対して感度を有する。Ａｌ
組成の低いｉ型ＡｌＧａＡｓ層３１は、第１準位の電子
に対しては電位障壁を形成するが、第２準位の電子に対
しては、もはや電位障壁を形成しない。このため、第１
準位のキャリア２９は、ベース領域１５側にはトンネリ
ングしにくく、エミッタ領域１９、２０からバリア層１
８を介してトンネリングした第１準位Ｅ１の電子は、井
戸層１７に留まりやすい。信号光の吸収によって第２準
位Ｅ２に励起された電子２８は、バリア層１６をトンネ
リングによって通過し、コレクタバリア１４を越えてコ
レクタ領域１２、１３に到達する。

【００３８】すなわち、本実施例においては、井戸層１
７の第１準位Ｅ１の電子は、ベース領域１５に移動しに
くく、高いＳ／Ｎ比が得やすくなっている。なお、バリ
ア層３１、３２の位置を交換しても、同様の効果が得ら
れる。ただし、許容されるエネルギ準位が少し変化を受
ける。

【００３９】図１、図２に示した構成において、各半導
体層は波長約１０μｍの光に対して透明であり、入射し
た光を吸収せずに効率よく共鳴エミッタバリアに導くこ
とができる。

【００４０】図３は、本発明の他の実施例による光電気
信号変換装置を示す。図３（Ａ）は半導体素子の構成を
断面で示す。また、図中左側には、伝導帯のポテンシャ
ル分布を概略的に示す。図３（Ｂ）は動作中の伝導帯の
ポテンシャル分布を示す。

【００４１】図３（Ａ）の構成において、ｉ型ＩｎＰ層
４１の上に、バッファ層としてｉ型ＩｎＡｌＡｓ層４２
がエピタキシャルに成長され、その上にｎ型ＩｎＧａＡ
ｓ層４３、４４がエピタキシャル成長され、コレクタ領
域を構成する。なお、ｉ型ＩｎＰ層４１は、たとえば厚
さ約２００μｍの基板で構成される。また、バッファ層
４２は厚さ約３００ｎｍ、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層４３は、
厚さ約３００ｎｍ、不純物密度約５Ｅ１８ｃｍ−３を有
する。ｎ型ＩｎＧａＡｓ層４４は、たとえば厚さ約１０
０ｎｍ、不純物密度約１Ｅ１８ｃｍ−３を有する。ｎ型
ＩｎＧａＡｓ４３の表面は一部露出され、その上にコレ
クタ電極５４が形成される。

【００４２】ｎ型ＩｎＧａＡｓ層４４の上には、たとえ
ば厚さ約３００ｎｍのｉ型ＩｎＡｌＡｓ層４５が形成さ
れ、コレクタバリアを構成する。

【００４３】コレクタバリアの上には、たとえば厚さ約
３０ｎｍ、不純物密度約１Ｅ１８ｃｍ−３を有するｎ型
ＩｎＧａＡｓ層４６がエピタキシャル成長され、ベース
領域を構成する。このベース領域４６の一部表面は露出
され、その上にベース電極５３が形成される。

【００４４】ベース領域４６上には、たとえば厚さ約６
．４６ｎｍのｉ型ＩｎＡｌＡｓ層４７、厚さ約４．４０
ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓ層４８、厚さ約６．４６ｎｍの
ｉ型ＩｎＡｌＡｓ層４９がエピタキシャルに成長される
。これら３つの層４７、４８、４９が共鳴エミッタバリ
アを構成する。

【００４５】エミッタバリアの上には、厚さ約１００ｎ
ｍ、不純物密度約１Ｅ１８ｃｍ−３を有するｎ型ＩｎＧ
ａＡｓ層５０、厚さ約３００ｎｍ、不純物密度約５Ｅ１
８ｃｍ−３を有するｎ型ＩｎＧａＡｓ層５１がエピタキ
シャルに成長され、エミッタ領域を構成する。ｎ型Ｉｎ
ＧａＡｓ層５１表面上には、エミッタ電極５２が形成さ
れる。　　本構成においては、基板としてＩｎＰを用い
、その上に積層する各半導体層は、ＩｎＰと格子整合す
る組成を選択する。

【００４６】上述の共鳴エミッタバリア構造によれば、
井戸層４８で許容される第１準位Ｅ１と第２準位Ｅ２と
のエネルギ差は、波長約５μｍの光に対応する。

【００４７】図３（Ｂ）に示すように、エミッタ領域５
０、５１、ベース領域４６、コレクタ領域４３に、所定
のバイアス電圧を印加し、図示のポテンシャル分布を形
成する。

【００４８】前述のように、第１準位Ｅ１の電子２９は
コレクタバリア４５によって阻止され、第２準位Ｅ２の
電子２８はコレクタバリア４５を飛越えて、コレクタ領
域４３に進行する。

【００４９】所定波長（前述の構造パラメータの場合、
波長約５μｍ）の光がエミッタバリア構造に入射すると
、第１準位Ｅ１の電子は第２準位Ｅ２に光学遷移によっ
て励起される。この励起された電子の内、ベース側バリ
ア層４７をトンネリングで通過した電子２８は、コレク
タバリア４５を越えてコレクタ領域に到達し、信号電流
を形成する。第１準位Ｅ１の電子は、たとえベース側バ
リア層４７をトンネリングしても、コレクタバリア４５
によってその進行を阻止され、ベース領域４６に落下し
てベース電流となる。

【００５０】なお、図１、図２の実施例同様、井戸層４
８の第１準位Ｅ１に十分量の電子を存在させるためには
、エミッタ領域５０、５１の不純物濃度を高くすること
、エミッタ側バリア層４９をトンネリングしやすく形成
すること、井戸層４８にもドーピングすること等が有効
である。

【００５１】また、図２に示す実施例同様、ベース側バ
リア層４７を複数層で構成し、第１準位Ｅ１の電子のト
ンネリングを低下させると共に、第２準位Ｅ２の電子は
ベース側にトンネリングしやすくすることも有効である
。

【００５２】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。

【００５３】たとえば、各図（Ａ）左側、および各図（
Ｂ）に示したポテンシャル分布を構成するものであれば
、どのような半導体材料を用いることもできる。導電型
は反転してもよい。また、検出したい入射光の波長に合
わせて、共鳴エミッタバリア構造のパラメータを選択す
ることができる。

【００５４】その他、種々の変更、改良、組み合わせ等
が可能なことは当業者に自明であろう。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高性能で信頼性の高い光電気信号変換装置が提供される
。

【００５６】基本素子として、共鳴トンネリングホット
キャリアトランジスタを用いているため、極めて高速の
光電気信号変換が可能である。

【００５７】共鳴トンネリングエミッタバリアの設計に
よって、感度波長を調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による光電気信号変換装置を示
す。図１（Ａ）は構成を示し、図１（Ｂ）は動作中のポ
テンシャル分布を示す。

【図２】本発明の他の実施例による光電気信号変換装置
を示す。図２（Ａ）は構成を示し、図２（Ｂ）は動作中
のポテンシャル分布を示す。

【図３】本発明の他の実施例による光電気信号変換装置
を示す。図３（Ａ）は構成を示し、図３（Ｂ）は動作中
のポテンシャル分布を示す。

【符号の説明】

１１　　ｉ型ＧａＡｓ層 １２、１３　　ｎ型ＧａＡｓ層 １４　　ｉ型ＡｌＧａＡｓ層 １５　　ｎ型ＧａＡｓ層 １６、１８　　ｉ型ＡｌＧａＡｓ層 １７　　ｉ型ＧａＡｓ層 １９、２０　　ｎ型ＧａＡｓ層 ２２　　エミッタ電極 ２３　　ベース電極 ２４　　コレクタ電極 ２６　　入射光 ２８　　第２準位の電子 ２９　　第１準位の電子 ３１、３２　　ｉ型ＡｌＧａＡｓ層 ４１　　ｉ型ＩｎＰ層 ４２　　ｉ型ＩｎＡｌＡｓ層 ４３、４４　　ｎ型ＩｎＧａＡｓ層 ４５　　ｉ型ＩｎＡｌＡｓ層 ４６　　ｎ型ＩｎＧａＡｓ層 ４７、４９　　ｉ型ＩｎＡｌＡｓ層 ４８　　ｉ型ＩｎＧａＡｓ層 ５０、５１　　ｎ型ＩｎＧａＡｓ層 Ｅ１　　第１準位 Ｅ２　　第２準位

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　エミッタ領域（１９、２０）、共鳴ト
   ンネリングエミッタバリア領域（１６、１７、１８）、
   ベース領域（１５）、コレクタバリア領域（１４）、コ
   レクタ領域（１２、１３）、前記共鳴トンネリングエミ
   ッタバリア領域に光信号を導入することのできる窓構造
   （１１）を有する共鳴トンネリングホットキャリアトラ
   ンジスタ構造と、前記エミッタ、ベース、コレクタ各領
   域間にバイアス電圧を印加するバイアス源を含む光電気
   信号変換装置において、バイアス電圧を印加した動作状
   態において、前記共鳴トンネリングエミッタバリア領域
   で許容される第１の共鳴準位のキャリアは実質的にコレ
   クタ領域に到達できず、前記第１の共鳴準位から光学遷
   移可能な第２の共鳴準位のキャリアはコレクタ領域に到
   達可能であるように、前記共鳴トンネリングエミッタバ
   リア領域、前記コレクタバリア領域のパラメータが選択
   されている光電気信号変換装置。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の光電気信号変換装置に
   おいて、前記共鳴トンネリングエミッタバリア領域は、
   ベース側にエミッタ側より厚いバリア層を有する光電気
   変換装置。
3. 【請求項３】　　請求項２記載の光電気信号変換装置で
   あって、前記共鳴トンネリングエミッタバリア領域のベ
   ース側バリア層は、前記第１共鳴準位より高く、前記第
   ２共鳴準位より低い電位バリアを形成する層と、前記第
   ２共鳴準位より高い電位バリアを形成する層とを含む光
   電気信号変換装置。