JPH05160429A - 赤外線検知器 - Google Patents
赤外線検知器Info
- Publication number
- JPH05160429A JPH05160429A JP3323533A JP32353391A JPH05160429A JP H05160429 A JPH05160429 A JP H05160429A JP 3323533 A JP3323533 A JP 3323533A JP 32353391 A JP32353391 A JP 32353391A JP H05160429 A JPH05160429 A JP H05160429A
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- JP
- Japan
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- layer
- band
- electrons
- ray sensor
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- Pending
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- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
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- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 タイプIIの超格子構造を用いた赤外線検知器
において、吸収係数を大きくすることにより高感度化を
実現する。 【構成】 空間的な間接遷移をもつタイプIIの超格子構
造では電子と正孔の波動関数は別々のところにある。ひ
とつの薄膜層の中で、組成を制御することにより電子に
対するポテンシャルエネルギーを低い方から高い方へと
徐々に変化させると、ひとつの層の中では電子と正孔は
別々の界面のところに局在する。これに周期性をもたせ
るとポテンシャル構造は鋸刃状になり、界面近傍では隣
合う層の電子と正孔の波動関数の重なりが大きくなり、
光学的な遷移確率が増し、吸収係数の増大をもたらし、
この超格子構造の層を光吸収層とすればより高感度の赤
外線検知器が得られる。
において、吸収係数を大きくすることにより高感度化を
実現する。 【構成】 空間的な間接遷移をもつタイプIIの超格子構
造では電子と正孔の波動関数は別々のところにある。ひ
とつの薄膜層の中で、組成を制御することにより電子に
対するポテンシャルエネルギーを低い方から高い方へと
徐々に変化させると、ひとつの層の中では電子と正孔は
別々の界面のところに局在する。これに周期性をもたせ
るとポテンシャル構造は鋸刃状になり、界面近傍では隣
合う層の電子と正孔の波動関数の重なりが大きくなり、
光学的な遷移確率が増し、吸収係数の増大をもたらし、
この超格子構造の層を光吸収層とすればより高感度の赤
外線検知器が得られる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体の超格子構造を用
いた赤外線検知器に関するものである。
いた赤外線検知器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に赤外線検知器、特に８〜１２μｍ
の赤外線を吸収する検知器として、ＨｇＣｄＴｅのバン
ド間の直接遷移を用いたもの、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ
超格子構造のサブバンド間での遷移を用いたもの、Ｉｎ
ＡｓＳｂ／ＩｎＳｂ歪超格子のバンド間での空間的な間
接遷移を用いたものが知られている。
の赤外線を吸収する検知器として、ＨｇＣｄＴｅのバン
ド間の直接遷移を用いたもの、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ
超格子構造のサブバンド間での遷移を用いたもの、Ｉｎ
ＡｓＳｂ／ＩｎＳｂ歪超格子のバンド間での空間的な間
接遷移を用いたものが知られている。
【０００３】この中でＨｇＣｄＴｅを用いた赤外線検知
器は、結晶成長時の組成の制御性，再現性が難しく、ま
た材料が非常に脆いためにプロセスする上で種々の制約
がある。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子構造を用いたも
のは、光吸収の原理上、試作されている素子は主に光伝
導型のものであり、また層に垂直に入射する光に対する
光学遷移がないため、消費エネルギーの点、及び構造上
の点で二次元アレイ化には問題がある。
器は、結晶成長時の組成の制御性，再現性が難しく、ま
た材料が非常に脆いためにプロセスする上で種々の制約
がある。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子構造を用いたも
のは、光吸収の原理上、試作されている素子は主に光伝
導型のものであり、また層に垂直に入射する光に対する
光学遷移がないため、消費エネルギーの点、及び構造上
の点で二次元アレイ化には問題がある。
【０００４】これに対し、ＩｎＡｌＳｂ／ＩｎＳｂ歪超
格子構造を用いた赤外線検知器はＨｇＣｄＴｅを用いた
ものに比べて結晶成長、プロセスにおける前述した問題
点，制限は少なく、またＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子
構造を用いたものに比べて光起電力型の素子が可能であ
り、層に垂直な入射光に対する光学遷移があるため、二
次元アレイ素子を製作するには適している。
格子構造を用いた赤外線検知器はＨｇＣｄＴｅを用いた
ものに比べて結晶成長、プロセスにおける前述した問題
点，制限は少なく、またＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子
構造を用いたものに比べて光起電力型の素子が可能であ
り、層に垂直な入射光に対する光学遷移があるため、二
次元アレイ素子を製作するには適している。
【０００５】ＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＳｂ歪超格子構造に関
して、そのエネルギーバンド構造及び光学特性について
は雑誌“アプライド・フィジックス・レターズ（ＡＰＰ
ＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ），第５３
巻，２１６頁，１９８８年”にまた、赤外線検知器のデ
バイス構造，特性については雑誌“アイ・イー・イー・
イー，エレクトロン・デバイス・レターズ（ＩＥＥＥ
ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥ ＬＥＴＴＥＲＳ），
１１巻，５４頁，１９９０年”に掲載されている。また
図３にタイプIIの超格子であるＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＳｂ
歪超格子の電子，正孔のポテンシャル構造を示す。
して、そのエネルギーバンド構造及び光学特性について
は雑誌“アプライド・フィジックス・レターズ（ＡＰＰ
ＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ），第５３
巻，２１６頁，１９８８年”にまた、赤外線検知器のデ
バイス構造，特性については雑誌“アイ・イー・イー・
イー，エレクトロン・デバイス・レターズ（ＩＥＥＥ
ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥ ＬＥＴＴＥＲＳ），
１１巻，５４頁，１９９０年”に掲載されている。また
図３にタイプIIの超格子であるＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＳｂ
歪超格子の電子，正孔のポテンシャル構造を示す。
【０００６】組成及び各層厚より、ＩｎＳｂ２１の価電
子帯とＩｎＡｓＳｂ２２の伝導帯の間のエネルギーギャ
ップを１０〜１２μｍに設定することができ、ＩｎＳｂ
２１からＩｎＡｓＳｂ２２への空間的な間接遷移２３に
より赤外線の吸収を生じること、これをもとにＩｎＡｓ
Ｓｂ／ＩｎＳｂ歪超格子を含むＰＩＮ構造を有した光起
電力型の赤外線検知器を製作し、１０μｍ帯の波長で感
度の指標と言える比検出能として１０10ｃｍＨｚ1/2 ／
Ｗ程度の値を得ていることが上記２つの文献に述べられ
ている。
子帯とＩｎＡｓＳｂ２２の伝導帯の間のエネルギーギャ
ップを１０〜１２μｍに設定することができ、ＩｎＳｂ
２１からＩｎＡｓＳｂ２２への空間的な間接遷移２３に
より赤外線の吸収を生じること、これをもとにＩｎＡｓ
Ｓｂ／ＩｎＳｂ歪超格子を含むＰＩＮ構造を有した光起
電力型の赤外線検知器を製作し、１０μｍ帯の波長で感
度の指標と言える比検出能として１０10ｃｍＨｚ1/2 ／
Ｗ程度の値を得ていることが上記２つの文献に述べられ
ている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この赤
外線検知器には赤外線吸収の原理上、大きな欠点が存在
する。
外線検知器には赤外線吸収の原理上、大きな欠点が存在
する。
【０００８】従来例でも述べたが、このようなタイプII
の超格子構造の光学遷移はＩｎＳｂ２１の価電子帯から
ＩｎＡｓＳｂ２２の伝導帯への空間的な間接遷移２３に
より生じる。赤外線が吸収される割合即ち吸収係数は、
価電子帯の正孔の波動関数のＩｎＡｓＳｂ層へのしみ出
し２４と、伝導帯の電子の波動関数のＩｎＳｂ層へのし
み出し２５の大きさによって決まる。しみ出しの割合は
組成や各層の厚さにもよるが、この構造では原理上それ
ほど大きくすることはできず、従って、空間的な間接遷
移２３による遷移確率は非常に小さいものとする。吸収
係数の値は、直接遷移を用いた半導体では数千〜一万以
上あるのに対し、この場合は１００程度である。吸収係
数は感度に直接影響を与えるため従来のタイプIIの超格
子構造を用いたＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＳｂ歪超格子の赤外
線検知器では、十分な特性を持つ素子を実現するのは困
難である。
の超格子構造の光学遷移はＩｎＳｂ２１の価電子帯から
ＩｎＡｓＳｂ２２の伝導帯への空間的な間接遷移２３に
より生じる。赤外線が吸収される割合即ち吸収係数は、
価電子帯の正孔の波動関数のＩｎＡｓＳｂ層へのしみ出
し２４と、伝導帯の電子の波動関数のＩｎＳｂ層へのし
み出し２５の大きさによって決まる。しみ出しの割合は
組成や各層の厚さにもよるが、この構造では原理上それ
ほど大きくすることはできず、従って、空間的な間接遷
移２３による遷移確率は非常に小さいものとする。吸収
係数の値は、直接遷移を用いた半導体では数千〜一万以
上あるのに対し、この場合は１００程度である。吸収係
数は感度に直接影響を与えるため従来のタイプIIの超格
子構造を用いたＩｎＡｓＳｂ／ＩｎＳｂ歪超格子の赤外
線検知器では、十分な特性を持つ素子を実現するのは困
難である。
【０００９】本発明の目的は、この欠点を除いた赤外線
検知器を提供することにある。
検知器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体超格子
のタイプIIの構造の空間的な間接遷移を用いた赤外線検
知器において、前記半導体超格子の一つの界面から次の
界面の間で電子に対するポテンシャルエネルギーの低い
組成から高い組成へと徐々に変化している層が周期的に
繰り返されて成る構造の超格子を光吸収層に持つことを
特徴とする。
のタイプIIの構造の空間的な間接遷移を用いた赤外線検
知器において、前記半導体超格子の一つの界面から次の
界面の間で電子に対するポテンシャルエネルギーの低い
組成から高い組成へと徐々に変化している層が周期的に
繰り返されて成る構造の超格子を光吸収層に持つことを
特徴とする。
【００１１】
【作用】本発明の赤外線検知器の光吸収層に用いられる
半導体超格子の電子，正孔のポテンシャル構造を図１に
示し、これを用いて本発明の作用を説明する。
半導体超格子の電子，正孔のポテンシャル構造を図１に
示し、これを用いて本発明の作用を説明する。
【００１２】タイプIIの超格子の場合、電子に対するポ
テンシャルエネルギーの低い組成においては、正孔に対
するポテンシャルエネルギーは高く、従って各々の波動
関数は空間的には別のところに局在する。一つの界面Ａ
４から次の界面Ｂ５の間で半導体層の組成を電子に対す
るポテンシャルエネルギーの低いほうから高いほうへと
徐々に変化させると、電子の波動関数３は界面Ａ４の近
傍に、正孔の波動関数２は界面Ｂ５の近傍に局在する。
本発明ではこれらが周期的に繰り返されているために、
ポテンシャル構造は鋸刃状になり、各界面近傍において
は電子の波動関数と正孔の波動関数が、空間的に非常に
近い位置に存在する。その結果、波動関数どうしの重な
りが従来の構造に比べ非常に大きくなり、光学的な遷移
確率が増し、吸収係数の増大をもたらす。これにより感
度の高い赤外線検知器が得られる。
テンシャルエネルギーの低い組成においては、正孔に対
するポテンシャルエネルギーは高く、従って各々の波動
関数は空間的には別のところに局在する。一つの界面Ａ
４から次の界面Ｂ５の間で半導体層の組成を電子に対す
るポテンシャルエネルギーの低いほうから高いほうへと
徐々に変化させると、電子の波動関数３は界面Ａ４の近
傍に、正孔の波動関数２は界面Ｂ５の近傍に局在する。
本発明ではこれらが周期的に繰り返されているために、
ポテンシャル構造は鋸刃状になり、各界面近傍において
は電子の波動関数と正孔の波動関数が、空間的に非常に
近い位置に存在する。その結果、波動関数どうしの重な
りが従来の構造に比べ非常に大きくなり、光学的な遷移
確率が増し、吸収係数の増大をもたらす。これにより感
度の高い赤外線検知器が得られる。
【００１３】
【実施例】次に、本発明の実施例を図１，図２を用いて
説明する。
説明する。
【００１４】図２は本発明による赤外線検知器の断面図
を示すものである。この赤外線検知器は、次のようにし
て製造した。ＭＢＥ法によりｎ−ＩｎＳｂ基板１１上に
ｎ−ＩｎＳｂバッファ層１２、ｉ−ＩｎＡｓ1-x Ｓｂx
超格子光吸収層１３、ｐ−ＩｎＳｂキャップ層１４を順
次成長した。各層の層厚は各々、１μｍ，３μｍ，１μ
ｍであり、ｎ層及びｐ層のキャリア濃度は１×１０17ｃ
ｍ-3程度である。ｉ−ＩｎＡｓ1-x Ｓｂx 超格子光吸収
層１３については、各層１５０オングストロームを２０
０周期とした。組成に関しては図１を用いて説明する
が、ＩｎＡｓ1-x Ｓｂx １の電子のポテンシャルの低い
部分ではｘ＝０．８５、高い部分ではｘ＝１とし、その
間で組成を徐々に変化させた。これを周期的に繰り返す
ことにより鋸刃状のポテンシャル構造を形成した。結晶
成長後、素子分離のためメサ型にエッチングし直径２０
０μｍφの受光部を形成し、最後にｐ電極１５，ｎ電極
１６を形成した。
を示すものである。この赤外線検知器は、次のようにし
て製造した。ＭＢＥ法によりｎ−ＩｎＳｂ基板１１上に
ｎ−ＩｎＳｂバッファ層１２、ｉ−ＩｎＡｓ1-x Ｓｂx
超格子光吸収層１３、ｐ−ＩｎＳｂキャップ層１４を順
次成長した。各層の層厚は各々、１μｍ，３μｍ，１μ
ｍであり、ｎ層及びｐ層のキャリア濃度は１×１０17ｃ
ｍ-3程度である。ｉ−ＩｎＡｓ1-x Ｓｂx 超格子光吸収
層１３については、各層１５０オングストロームを２０
０周期とした。組成に関しては図１を用いて説明する
が、ＩｎＡｓ1-x Ｓｂx １の電子のポテンシャルの低い
部分ではｘ＝０．８５、高い部分ではｘ＝１とし、その
間で組成を徐々に変化させた。これを周期的に繰り返す
ことにより鋸刃状のポテンシャル構造を形成した。結晶
成長後、素子分離のためメサ型にエッチングし直径２０
０μｍφの受光部を形成し、最後にｐ電極１５，ｎ電極
１６を形成した。
【００１５】つぎに実際の動作について説明する。１０
μｍ帯の赤外光１７は素子の上部、ｐ側より入射しｉ−
ＩｎＡｓ1-x Ｓｂx 超格子光吸収層１３に達する。ｉ−
ＩｎＡｓ1-x Ｓｂx 超格子光吸収層１３はその組成及び
ポテンシャル構造より、最低のエネルギー準位として１
０μｍ程度の波長域にバンドギャップを持つ。赤外光１
７はこの層で吸収され電子，正孔が生成される。作用の
項でも述べたが、電子の波動関数３と正孔の波動関数２
とは空間的には分離されているものの各界面近傍に局在
しており、それらの重なりは大きいため、価電子帯から
伝導帯への遷移確率は高い。従ってより多くの電子，正
孔が生成される。これらはｐ−ｎ接合間の逆バイアスに
より引っ張られ、各電極に到達し電気信号として取り出
される。その際の感度は、光吸収層での吸収係数が大き
いため、従来のタイプIIの超格子を用いた赤外線検知器
に比べかなり高いものとなり、特性の優れた赤外線検知
器が得られることとなる。
μｍ帯の赤外光１７は素子の上部、ｐ側より入射しｉ−
ＩｎＡｓ1-x Ｓｂx 超格子光吸収層１３に達する。ｉ−
ＩｎＡｓ1-x Ｓｂx 超格子光吸収層１３はその組成及び
ポテンシャル構造より、最低のエネルギー準位として１
０μｍ程度の波長域にバンドギャップを持つ。赤外光１
７はこの層で吸収され電子，正孔が生成される。作用の
項でも述べたが、電子の波動関数３と正孔の波動関数２
とは空間的には分離されているものの各界面近傍に局在
しており、それらの重なりは大きいため、価電子帯から
伝導帯への遷移確率は高い。従ってより多くの電子，正
孔が生成される。これらはｐ−ｎ接合間の逆バイアスに
より引っ張られ、各電極に到達し電気信号として取り出
される。その際の感度は、光吸収層での吸収係数が大き
いため、従来のタイプIIの超格子を用いた赤外線検知器
に比べかなり高いものとなり、特性の優れた赤外線検知
器が得られることとなる。
【００１６】本実施例ではタイプIIの超格子としてＩｎ
ＡｓＳｂ／ＩｎＳｂ系の材料を用いたが、本発明の要求
を満たすものであれば他の材料、例えばＩｎＡｓ／Ａｌ
ＧａＳｂ系等の材料を用いてもよい。またデバイス構
造、各層の組成，厚さ，キャリア濃度も本実施例に限る
ものではない。
ＡｓＳｂ／ＩｎＳｂ系の材料を用いたが、本発明の要求
を満たすものであれば他の材料、例えばＩｎＡｓ／Ａｌ
ＧａＳｂ系等の材料を用いてもよい。またデバイス構
造、各層の組成，厚さ，キャリア濃度も本実施例に限る
ものではない。
【００１７】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明はタ
イプIIの超格子のポテンシャル構造を鋸刃状にすること
で赤外光に対する吸収係数を大きくすることにより、従
来のものに比べて感度の高い赤外線検知器を提供するも
のである。
イプIIの超格子のポテンシャル構造を鋸刃状にすること
で赤外光に対する吸収係数を大きくすることにより、従
来のものに比べて感度の高い赤外線検知器を提供するも
のである。
【図１】本発明によるタイプIIの超格子のポテンシャル
構造を説明するための図である。
構造を説明するための図である。
【図２】本発明の実施例である赤外線検知器の断面図で
ある。
ある。
【図３】従来のタイプIIの超格子による赤外線検知器の
光吸収層のポテンシャル構造を説明するための図であ
る。
光吸収層のポテンシャル構造を説明するための図であ
る。
１ ＩｎＡｓ1-x Ｓｂx ２ 正孔の波動関数 ３ 電子の波動関数 ４ 界面Ａ ５ 界面Ｂ １１ ｎ−ＩｎＳｂ基板 １２ ｎ−ＩｎＳｂバッファ層 １３ ｉ−ＩｎＡｓ1-x Ｓｂx 超格子光吸収層 １４ ｐ−ＩｎＳｂキャップ層 １５ ｐ電極 １６ ｎ電極 １７ 赤外光 ２１ ＩｎＳｂ ２２ ＩｎＡｓＳｂ ２３ 空間的な間接遷移 ２４ 正孔の波動関数のＩｎＡｓＳｂ層へのしみ出し ２５ 電子の波動関数のＩｎＳｂ層へのしみ出し
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 27/14
Claims (1)
- 【請求項１】半導体超格子のタイプIIの構造の空間的な
間接遷移を用いた赤外線検知器において、前記半導体超
格子の一つの界面から次の界面の間で電子に対するポテ
ンシャルエネルギーの低い組成から高い組成へと徐々に
変化している層が周期的に繰り返されて成る構造の超格
子を光吸収層に持つことを特徴とする赤外線検知器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3323533A JPH05160429A (ja) | 1991-12-09 | 1991-12-09 | 赤外線検知器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3323533A JPH05160429A (ja) | 1991-12-09 | 1991-12-09 | 赤外線検知器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05160429A true JPH05160429A (ja) | 1993-06-25 |
Family
ID=18155766
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3323533A Pending JPH05160429A (ja) | 1991-12-09 | 1991-12-09 | 赤外線検知器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05160429A (ja) |
Cited By (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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