JPH0567802A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH0567802A JPH0567802A JP3255878A JP25587891A JPH0567802A JP H0567802 A JPH0567802 A JP H0567802A JP 3255878 A JP3255878 A JP 3255878A JP 25587891 A JP25587891 A JP 25587891A JP H0567802 A JPH0567802 A JP H0567802A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体基板を透過するような長波長帯の光に
感度を有する受光素子を歪み超格子構造を以て形成す
る。 【構成】 ＧａＡｓ基板上には、ＧａＡｓ層と、ＩｎＧ
ａＡｓ層からなる超格子構造部が形成される。ＩｎＧａ
Ａｓ層のバンドギャップΔ2 は、ＧａＡｓ層のバドギャ
ップΔ6 やＧａＡｓ基板のバンドギャップΔ1より小さ
くされ、その結果、基板を透過する長波長帯の光にも感
度を有する。これらＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓ層は、格
子定数が異なるために臨界膜厚の制限が生ずるが、Ｇａ
Ａｓ層とＩｎＧａＡｓ層の間の格子不整合面には、厚み
ｘ1,ｘ3 の部分でポテンシャルが傾斜したグレーテッド
層が形成され、格子定数の差が緩和されて有効な膜厚で
の受光が可能となる。
感度を有する受光素子を歪み超格子構造を以て形成す
る。 【構成】 ＧａＡｓ基板上には、ＧａＡｓ層と、ＩｎＧ
ａＡｓ層からなる超格子構造部が形成される。ＩｎＧａ
Ａｓ層のバンドギャップΔ2 は、ＧａＡｓ層のバドギャ
ップΔ6 やＧａＡｓ基板のバンドギャップΔ1より小さ
くされ、その結果、基板を透過する長波長帯の光にも感
度を有する。これらＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓ層は、格
子定数が異なるために臨界膜厚の制限が生ずるが、Ｇａ
Ａｓ層とＩｎＧａＡｓ層の間の格子不整合面には、厚み
ｘ1,ｘ3 の部分でポテンシャルが傾斜したグレーテッド
層が形成され、格子定数の差が緩和されて有効な膜厚で
の受光が可能となる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光吸収層として歪み超格
子構造を有する半導体受光素子に関する。
子構造を有する半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＭＥＳ−ＦＥＴやレーザー素子の如き光
素子・電子素子を同一基板上に形成する場合には、Ｇａ
Ａｓ基板やＩｎＰ基板等の化合物半導体基板が一般に用
いられる。そして、高集積化や高速動作の要求から光電
子集積回路を３次元化した場合では、これらの化合物半
導体基板をその基板主面に垂直な方向に積層することが
行われ、その場合の光結合としては、基板を透過する波
長の光で３次元化された基板同士を結合することが考え
られる。
素子・電子素子を同一基板上に形成する場合には、Ｇａ
Ａｓ基板やＩｎＰ基板等の化合物半導体基板が一般に用
いられる。そして、高集積化や高速動作の要求から光電
子集積回路を３次元化した場合では、これらの化合物半
導体基板をその基板主面に垂直な方向に積層することが
行われ、その場合の光結合としては、基板を透過する波
長の光で３次元化された基板同士を結合することが考え
られる。
【０００３】化合物半導体材料には、それぞれ固有の吸
収端がある。すなわち、図７に示すような吸収係数の波
長依存性から、ＧａＡｓ基板では０．８５μｍより大き
い波長域で、また、ＩｎＰ基板では、０．９２μｍより
大きい波長域で、それぞれ吸収係数が小さくなる。吸収
係数が小さいことは、その波長で光が透過することであ
り、長波長側で光が透過し易くなる。
収端がある。すなわち、図７に示すような吸収係数の波
長依存性から、ＧａＡｓ基板では０．８５μｍより大き
い波長域で、また、ＩｎＰ基板では、０．９２μｍより
大きい波長域で、それぞれ吸収係数が小さくなる。吸収
係数が小さいことは、その波長で光が透過することであ
り、長波長側で光が透過し易くなる。
【０００４】従来、受光素子としては、ＰＩＮ型フォト
ダイオートやＭＳＭ型フォトダイオードなどの構造の素
子が知られている。これらの受光素子は、０．８５μｍ
以下の波長の光に対して感度を有し、前述のような化合
物半導体基板を透過する波長の光に対しては、その感度
が低下する。
ダイオートやＭＳＭ型フォトダイオードなどの構造の素
子が知られている。これらの受光素子は、０．８５μｍ
以下の波長の光に対して感度を有し、前述のような化合
物半導体基板を透過する波長の光に対しては、その感度
が低下する。
【０００５】そこで、最近のエピタキシ技術を利用し
て、格子定数の異なる層を積層させた歪み超格子構造を
形成し、ＧａＡｓ基板を透過可能な０．９〜１．０μｍ
程度の波長の光を吸収する歪み超格子構造を有する受光
素子を形成することが進められている。
て、格子定数の異なる層を積層させた歪み超格子構造を
形成し、ＧａＡｓ基板を透過可能な０．９〜１．０μｍ
程度の波長の光を吸収する歪み超格子構造を有する受光
素子を形成することが進められている。
【０００６】図８は、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ歪み超格
子構造の受光素子のバンド構造を示す図である。ハンド
ギャップの狭い方がＩｎＧａＡｓ層であり、図中ｄ1 は
ＩｎＧａＡｓ層の井戸幅である。ＧａＡｓ層はバンドギ
ャップの広い層であり、ｄ2がその超格子のＧａＡｓ層
の幅（厚み）である。ＧａＡｓ基板の吸収端よりも長波
長の光は、ＩｎＧａＡｓ層の量子化準位に対応して吸収
され、電子−ホールのペアを発生させる。
子構造の受光素子のバンド構造を示す図である。ハンド
ギャップの狭い方がＩｎＧａＡｓ層であり、図中ｄ1 は
ＩｎＧａＡｓ層の井戸幅である。ＧａＡｓ層はバンドギ
ャップの広い層であり、ｄ2がその超格子のＧａＡｓ層
の幅（厚み）である。ＧａＡｓ基板の吸収端よりも長波
長の光は、ＩｎＧａＡｓ層の量子化準位に対応して吸収
され、電子−ホールのペアを発生させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、歪み超
格子構造には臨界膜厚と呼ばれる作製上の限界がある。
このため光通信で有効な１．３μｍ帯や１．５μｍ帯の
波長の光にまで、感度を拡げようとする際には、その臨
界膜厚の限界を越えた井戸幅の歪み超格子構造の素子を
形成する必要がある。
格子構造には臨界膜厚と呼ばれる作製上の限界がある。
このため光通信で有効な１．３μｍ帯や１．５μｍ帯の
波長の光にまで、感度を拡げようとする際には、その臨
界膜厚の限界を越えた井戸幅の歪み超格子構造の素子を
形成する必要がある。
【０００８】すなわち、図９に示すように、より長波長
帯の波長まで受光感度を有するように素子を構成するた
めには、バンドギャップ（禁制帯幅）を狭くする必要が
あり、例えばＧａＡｓ系を用いる場合では、ＧａＡｓの
点ＸからＩｎＡｓの点Ｙに沿って、ＧａＡｓに対するＩ
ｎの比率を大きくすれば良い。しかしながら、この場合
には、格子定数の差がＩｎの比率を大きくする分だけ拡
大することになり、前述の臨界膜厚の制限から十分な膜
厚のナローギャップ層が形成できないことになる。ま
た、その膜厚が薄すぎる場合には、量子化準位が高くな
り、長波長域の受光が困難となる。
帯の波長まで受光感度を有するように素子を構成するた
めには、バンドギャップ（禁制帯幅）を狭くする必要が
あり、例えばＧａＡｓ系を用いる場合では、ＧａＡｓの
点ＸからＩｎＡｓの点Ｙに沿って、ＧａＡｓに対するＩ
ｎの比率を大きくすれば良い。しかしながら、この場合
には、格子定数の差がＩｎの比率を大きくする分だけ拡
大することになり、前述の臨界膜厚の制限から十分な膜
厚のナローギャップ層が形成できないことになる。ま
た、その膜厚が薄すぎる場合には、量子化準位が高くな
り、長波長域の受光が困難となる。
【０００９】そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑
み、臨界膜厚の制限を越えることで長波長な光に対して
も高感度とされる半導体受光素子の提供を目的とする。
み、臨界膜厚の制限を越えることで長波長な光に対して
も高感度とされる半導体受光素子の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述の技術的な課題を解
決するため、本発明の半導体受光素子は、格子定数が異
なり且つそのうちの少なくとも１層が光吸収層となる複
数の化合物半導体層を積層して構成された超格子構造を
有し、その格子不整合面に格子定数の差を緩和するグレ
ーテッド層を形成してなることを特徴とする。
決するため、本発明の半導体受光素子は、格子定数が異
なり且つそのうちの少なくとも１層が光吸収層となる複
数の化合物半導体層を積層して構成された超格子構造を
有し、その格子不整合面に格子定数の差を緩和するグレ
ーテッド層を形成してなることを特徴とする。
【００１１】ここで、前記グレーテッド層とは、当該グ
レーテッド層を挟む一方の層の格子定数から他方の層の
格子定数まで、その組成の変化によって格子定数が変化
する層である。この組成の変化のさせ方は、例えば直線
的な変化でも良く、放物線的な変化でも良く、誤差関数
的な変化でも良い。
レーテッド層を挟む一方の層の格子定数から他方の層の
格子定数まで、その組成の変化によって格子定数が変化
する層である。この組成の変化のさせ方は、例えば直線
的な変化でも良く、放物線的な変化でも良く、誤差関数
的な変化でも良い。
【００１２】このようなクレーテッド層は、ＭＯＣＶＤ
法やＭＢＥ法によって、組成を変化させながら結晶成長
させても良く、格子不整合面における臨界膜厚を少し越
える程度の膜厚で異なる格子定数の層を積層して歪み超
格子構造を構成し、その後のアニールによる結晶性の回
復によっても形成できる。
法やＭＢＥ法によって、組成を変化させながら結晶成長
させても良く、格子不整合面における臨界膜厚を少し越
える程度の膜厚で異なる格子定数の層を積層して歪み超
格子構造を構成し、その後のアニールによる結晶性の回
復によっても形成できる。
【００１３】超格子構造を構成する化合物半導体層とし
ては、基板材料と、その基板材料よりも禁制帯幅の狭い
化合物半導体層が選ばれる。例えば、基板材料をＧａＡ
ｓとした場合には、光吸収層材料としてＩｎＧａＡｓ，
ＧａＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＡｓＳｂ等が
用いられ、基板材料をＩｎＰとした場合には、光吸収層
材料としてＧａＩｎＡｓＰ，ＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＰＳ
ｂ等が用いられ、基板材料をＧａＳｂとした場合には、
光吸収層材料としてＧａＩｎＳｂ等が用いられ、基板材
料をＩｎＡｓとした場合には、光吸収層材料としてＩｎ
ＡｓＳｂ等が用いられる。
ては、基板材料と、その基板材料よりも禁制帯幅の狭い
化合物半導体層が選ばれる。例えば、基板材料をＧａＡ
ｓとした場合には、光吸収層材料としてＩｎＧａＡｓ，
ＧａＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＡｓＳｂ等が
用いられ、基板材料をＩｎＰとした場合には、光吸収層
材料としてＧａＩｎＡｓＰ，ＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＰＳ
ｂ等が用いられ、基板材料をＧａＳｂとした場合には、
光吸収層材料としてＧａＩｎＳｂ等が用いられ、基板材
料をＩｎＡｓとした場合には、光吸収層材料としてＩｎ
ＡｓＳｂ等が用いられる。
【００１４】
【作用】本発明の半導体受光素子において、光吸収層は
超格子構造を構成する化合物半導体層の中の一層であ
り、格子不整合面にグレーテッド層が形成されるため、
該光吸収層が熱的に安定して存在することになる。ま
た、グレーテッド層の存在によって、該光吸収層の井戸
幅（膜厚）を臨界膜厚よりも大きくしても良く、その結
果、当該光吸収層の量子化準位を低いレベルに保つこと
ができ、より長波長の光に感度を有することになる。
超格子構造を構成する化合物半導体層の中の一層であ
り、格子不整合面にグレーテッド層が形成されるため、
該光吸収層が熱的に安定して存在することになる。ま
た、グレーテッド層の存在によって、該光吸収層の井戸
幅（膜厚）を臨界膜厚よりも大きくしても良く、その結
果、当該光吸収層の量子化準位を低いレベルに保つこと
ができ、より長波長の光に感度を有することになる。
【００１５】本発明の好適な実施例を図面を参照しなが
ら説明する。
ら説明する。
【００１６】〔第１の実施例〕本実施例はＧａＡｓ基板
上にＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系の超格子構造を形成した
受光素子の例であり、直線的な組成変化を示すグレーテ
ッド層を介在させた例である。
上にＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系の超格子構造を形成した
受光素子の例であり、直線的な組成変化を示すグレーテ
ッド層を介在させた例である。
【００１７】図１に模式的な構造を示す。ＧａＡｓ基板
１の表面に一対の低抵抗化領域４，４が形成され、これ
ら低抵抗化領域４，４の間の領域に、超格子構造部３が
形成されている。超格子構造部３は、互いに格子定数の
異なるＧａＡｓ層６とＩｎＧａＡｓ層２とを有し、Ｇａ
Ａｓ層６とＩｎＧａＡｓ層２の格子不整合な界面５にグ
レーテッド層が形成されている。低抵抗化領域４，４の
表面には、電極７，７が設けられており、受光によりＩ
ｎＧａＡｓ層２で発生した電荷が電極７，７から電流の
形で取り出される。
１の表面に一対の低抵抗化領域４，４が形成され、これ
ら低抵抗化領域４，４の間の領域に、超格子構造部３が
形成されている。超格子構造部３は、互いに格子定数の
異なるＧａＡｓ層６とＩｎＧａＡｓ層２とを有し、Ｇａ
Ａｓ層６とＩｎＧａＡｓ層２の格子不整合な界面５にグ
レーテッド層が形成されている。低抵抗化領域４，４の
表面には、電極７，７が設けられており、受光によりＩ
ｎＧａＡｓ層２で発生した電荷が電極７，７から電流の
形で取り出される。
【００１８】図２は本実施例の超格子構造部３を中心と
したバンド構造を示す図である。膜厚ｘ4 のＧａＡｓ層
６に対する禁制帯幅Δ6 は、ＩｎＧａＡｓ層２に対する
禁制帯幅Δ2 よりも広い。また、ＧａＡｓ層６の禁制帯
幅Δ6 は、ＧａＡｓ基板１の禁制帯幅Δ1 と同じであ
る。グレーテッド層は、それぞれ直線状に傾斜したバン
ド構造を有し、図中ｘ1,ｘ3 の厚みの領域がグレーテッ
ド層である。
したバンド構造を示す図である。膜厚ｘ4 のＧａＡｓ層
６に対する禁制帯幅Δ6 は、ＩｎＧａＡｓ層２に対する
禁制帯幅Δ2 よりも広い。また、ＧａＡｓ層６の禁制帯
幅Δ6 は、ＧａＡｓ基板１の禁制帯幅Δ1 と同じであ
る。グレーテッド層は、それぞれ直線状に傾斜したバン
ド構造を有し、図中ｘ1,ｘ3 の厚みの領域がグレーテッ
ド層である。
【００１９】ＩｎＧａＡｓ層２の組成は、ＩｎXＧａ1-X
Ａｓ（０＜Ｘ＜１）であり、そのＸの値はＩｎＧａＡｓ
層２の膜厚ｘ2 の範囲内では変化しない。ところが、グ
レーテッド層は、その組成がＩｎYＧａ1-YＡｓであり、
特にＧａＡｓ層６側で変数Ｙは零であり、ＩｎＧａＡｓ
層２側で変数Ｙは値Ｘを取る。変数ＹはＧａＡｓ層６側
とＩｎＧａＡｓ層２側の間で膜厚に応じて一定の割合で
変化する。従って、グレーテッド層のバンド構造は直線
的に傾斜したバンド構造を示す。グレーテッド層を挟む
ＧａＡｓ層６及びＩｎＧａＡｓ層２の両界面において格
子定数のギャップはなく、禁制帯も段差なく連続する。
Ａｓ（０＜Ｘ＜１）であり、そのＸの値はＩｎＧａＡｓ
層２の膜厚ｘ2 の範囲内では変化しない。ところが、グ
レーテッド層は、その組成がＩｎYＧａ1-YＡｓであり、
特にＧａＡｓ層６側で変数Ｙは零であり、ＩｎＧａＡｓ
層２側で変数Ｙは値Ｘを取る。変数ＹはＧａＡｓ層６側
とＩｎＧａＡｓ層２側の間で膜厚に応じて一定の割合で
変化する。従って、グレーテッド層のバンド構造は直線
的に傾斜したバンド構造を示す。グレーテッド層を挟む
ＧａＡｓ層６及びＩｎＧａＡｓ層２の両界面において格
子定数のギャップはなく、禁制帯も段差なく連続する。
【００２０】この構造において、膜厚ｘ2 のＩｎＧａＡ
ｓ層２では、ＧａＡｓ層６に比べて禁制帯幅Δ2 が狭い
ため、低エネルギーな比較的に波長の長い帯域の光につ
いても感度を有することになり、特に、基板材料である
ＧａＡｓの禁制帯幅Δ1 （＝Δ6 ）よりも、禁制帯幅Δ
2 が狭いため、ＧａＡｓ基板１を透過するような波長の
光であっても、ＩｎＧａＡｓ層２で受光感度を有するよ
うにすることができ、基板裏面からの光についても感度
を有することになる。
ｓ層２では、ＧａＡｓ層６に比べて禁制帯幅Δ2 が狭い
ため、低エネルギーな比較的に波長の長い帯域の光につ
いても感度を有することになり、特に、基板材料である
ＧａＡｓの禁制帯幅Δ1 （＝Δ6 ）よりも、禁制帯幅Δ
2 が狭いため、ＧａＡｓ基板１を透過するような波長の
光であっても、ＩｎＧａＡｓ層２で受光感度を有するよ
うにすることができ、基板裏面からの光についても感度
を有することになる。
【００２１】このようなグレーテッド層を形成すること
で、ＧａＡｓ層６に対する臨界膜厚の問題が解消され、
熱的安定性を有する光吸収層としてのＩｎＧａＡｓ層２
が十分な膜厚ｘ2 を以て得られることになり、十分な井
戸幅から感度の高い受光が可能である。また、ＩｎＧａ
Ａｓ層２が十分な膜厚ｘ2を以て形成されることで、そ
のポテンシャル井戸内の量子化準位を伝導帯側で低く抑
えることができ、長波長化を図る場合に有利である。
で、ＧａＡｓ層６に対する臨界膜厚の問題が解消され、
熱的安定性を有する光吸収層としてのＩｎＧａＡｓ層２
が十分な膜厚ｘ2 を以て得られることになり、十分な井
戸幅から感度の高い受光が可能である。また、ＩｎＧａ
Ａｓ層２が十分な膜厚ｘ2を以て形成されることで、そ
のポテンシャル井戸内の量子化準位を伝導帯側で低く抑
えることができ、長波長化を図る場合に有利である。
【００２２】なお、光電流を取り出すための電極７，７
の構造は、図１の如き対向電極を用いることもでき、櫛
型の対向電極を形成するようにしても良い。また、電極
について、ショットキー電極を形成することもでき、オ
ーミック電極を形成することもできる。一対の低抵抗化
領域４，４は、イオン注入によりｎ型若しくはｐ型の不
純物を導入し、アニールして形成されるが、省略するこ
とも可能である。
の構造は、図１の如き対向電極を用いることもでき、櫛
型の対向電極を形成するようにしても良い。また、電極
について、ショットキー電極を形成することもでき、オ
ーミック電極を形成することもできる。一対の低抵抗化
領域４，４は、イオン注入によりｎ型若しくはｐ型の不
純物を導入し、アニールして形成されるが、省略するこ
とも可能である。
【００２３】〔第２の実施例〕本実施例はＧａＡｓ基板
上にＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系の超格子構造を形成した
受光素子の例であり、誤差関数的な組成変化を示すグレ
ーテッド層を介在させた例である。
上にＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系の超格子構造を形成した
受光素子の例であり、誤差関数的な組成変化を示すグレ
ーテッド層を介在させた例である。
【００２４】本実施例は、概ね第１の実施例の半導体受
光素子と同様の構造を有し、グレーテッド層の組成変化
のみ異なっているため、その相違点について図３を参照
しながら説明する。
光素子と同様の構造を有し、グレーテッド層の組成変化
のみ異なっているため、その相違点について図３を参照
しながら説明する。
【００２５】図３は本実施例の半導体受光素子の超格子
構造部のバンド構造を示す図である。狭い禁制帯幅の部
分は、ＩｎＧａＡｓ層であり、その組成は第１の実施例
と同様なＩｎXＧａ1-XＡｓ（０＜Ｘ＜１）である。広い
禁制帯幅の部分は、ＧａＡｓ層であり、基板と同じ幅の
禁制帯幅を有する。
構造部のバンド構造を示す図である。狭い禁制帯幅の部
分は、ＩｎＧａＡｓ層であり、その組成は第１の実施例
と同様なＩｎXＧａ1-XＡｓ（０＜Ｘ＜１）である。広い
禁制帯幅の部分は、ＧａＡｓ層であり、基板と同じ幅の
禁制帯幅を有する。
【００２６】膜厚ｘ11，ｘ12の部分に該当する本実施例
のグレーテッド層の組成は、その組成がＩｎYＧａ1-YＡ
ｓであり、特にＧａＡｓ層側で変数Ｙは零であり、Ｉｎ
ＧａＡｓ層側で変数Ｙは値Ｘを取ることについては、第
１の実施例と同様であるが、その変数ＹはＧａＡｓ層側
とＩｎＧａＡｓ層側の間で膜厚に応じて誤差関数的に変
化する。従って、グレーテッド層のバンド構造は、Ｇａ
Ａｓ層側でＧａＡｓ層と同程度の禁制帯幅の部分が連続
し、当該グレーテッド層の中心付近で禁制帯幅は比較的
に大きく変化し、ＩｎＧａＡｓ層側で再びＩｎＧａＡｓ
層と同程度の禁制帯幅の部分が連続する。このようなバ
ンドギャップの連続性は、組成変化が連続していること
に起因し、グレーテッド層を挟むＧａＡｓ層及びＩｎＧ
ａＡｓ層の両界面において格子定数も連続的とされる。
のグレーテッド層の組成は、その組成がＩｎYＧａ1-YＡ
ｓであり、特にＧａＡｓ層側で変数Ｙは零であり、Ｉｎ
ＧａＡｓ層側で変数Ｙは値Ｘを取ることについては、第
１の実施例と同様であるが、その変数ＹはＧａＡｓ層側
とＩｎＧａＡｓ層側の間で膜厚に応じて誤差関数的に変
化する。従って、グレーテッド層のバンド構造は、Ｇａ
Ａｓ層側でＧａＡｓ層と同程度の禁制帯幅の部分が連続
し、当該グレーテッド層の中心付近で禁制帯幅は比較的
に大きく変化し、ＩｎＧａＡｓ層側で再びＩｎＧａＡｓ
層と同程度の禁制帯幅の部分が連続する。このようなバ
ンドギャップの連続性は、組成変化が連続していること
に起因し、グレーテッド層を挟むＧａＡｓ層及びＩｎＧ
ａＡｓ層の両界面において格子定数も連続的とされる。
【００２７】このようなグレーテッド層を形成すること
で、臨界膜厚を越えた光吸収層としてのＩｎＧａＡｓ層
が得られることになり、十分な井戸幅から感度の高い受
光が可能であり、また、その量子化準位が伝導帯側で高
くならないために、受光波長の長波長化を図る場合に有
利である。
で、臨界膜厚を越えた光吸収層としてのＩｎＧａＡｓ層
が得られることになり、十分な井戸幅から感度の高い受
光が可能であり、また、その量子化準位が伝導帯側で高
くならないために、受光波長の長波長化を図る場合に有
利である。
【００２８】〔第３の実施例〕本実施例は放物線関数的
に変化する組成のグレーテッド層を有する半導体受光素
子の例であり、第１の実施例とグレーテッド層の組成だ
けが異なるため、その相違点について図４を参照しなが
ら説明する。
に変化する組成のグレーテッド層を有する半導体受光素
子の例であり、第１の実施例とグレーテッド層の組成だ
けが異なるため、その相違点について図４を参照しなが
ら説明する。
【００２９】図４は本実施例の半導体受光素子の超格子
構造部のバンド構造を示す図である。狭い禁制帯幅の部
分は、ＩｎＧａＡｓ層であり、その組成は第１の実施例
と同様なＩｎXＧａ1-XＡｓ（０＜Ｘ＜１）である。広い
禁制帯幅の部分は、ＧａＡｓ層であり、基板と同じ幅の
禁制帯幅を有する。
構造部のバンド構造を示す図である。狭い禁制帯幅の部
分は、ＩｎＧａＡｓ層であり、その組成は第１の実施例
と同様なＩｎXＧａ1-XＡｓ（０＜Ｘ＜１）である。広い
禁制帯幅の部分は、ＧａＡｓ層であり、基板と同じ幅の
禁制帯幅を有する。
【００３０】膜厚ｘ21，ｘ22の部分に該当する本実施例
のグレーテッド層の組成は、その組成がＩｎYＧａ1-YＡ
ｓであり、特にＧａＡｓ層側で変数Ｙは零であり、Ｉｎ
ＧａＡｓ層側で変数Ｙは値Ｘを取ることについては、第
１の実施例と同様であるが、その変数ＹはＧａＡｓ層側
とＩｎＧａＡｓ層側の間で膜厚に応じて放物線関数的に
変化する。すなわち、グレーテッド層の組成は、ＧａＡ
ｓ層側でＧａＡｓ層と同じ組成のものからその組成が膜
厚に従って変化し、ＩｎＧａＡｓ層側ではＩｎXＧａ1-X
Ａｓの組成に徐々に近づく。従って、グレーテッド層の
ＩｎＧａＡｓ層側では、ほぼ連続した禁制帯幅が得ら
れ、ＩｎＧａＡｓ層側の界面において格子定数も連続的
とされる。
のグレーテッド層の組成は、その組成がＩｎYＧａ1-YＡ
ｓであり、特にＧａＡｓ層側で変数Ｙは零であり、Ｉｎ
ＧａＡｓ層側で変数Ｙは値Ｘを取ることについては、第
１の実施例と同様であるが、その変数ＹはＧａＡｓ層側
とＩｎＧａＡｓ層側の間で膜厚に応じて放物線関数的に
変化する。すなわち、グレーテッド層の組成は、ＧａＡ
ｓ層側でＧａＡｓ層と同じ組成のものからその組成が膜
厚に従って変化し、ＩｎＧａＡｓ層側ではＩｎXＧａ1-X
Ａｓの組成に徐々に近づく。従って、グレーテッド層の
ＩｎＧａＡｓ層側では、ほぼ連続した禁制帯幅が得ら
れ、ＩｎＧａＡｓ層側の界面において格子定数も連続的
とされる。
【００３１】このようなグレーテッド層を形成すること
で、第１，２の実施例と同様に、臨界膜厚を越えた光吸
収層としてのＩｎＧａＡｓ層が得られることになり、十
分な井戸幅から感度の高い受光が可能であり、また、そ
の量子化準位が伝導帯側で高くならないために、受光波
長の長波長化を図る場合に有利である。
で、第１，２の実施例と同様に、臨界膜厚を越えた光吸
収層としてのＩｎＧａＡｓ層が得られることになり、十
分な井戸幅から感度の高い受光が可能であり、また、そ
の量子化準位が伝導帯側で高くならないために、受光波
長の長波長化を図る場合に有利である。
【００３２】〔第４の実施例〕本実施例は、そのグレー
テッド層の作成方法に特徴を有する半導体受光素子の実
施例である。超格子構造部における格子定数の違いを緩
和するために形成されるグレーテッド層は、ＭＯＣＶＤ
法やＭＢＥ法により、例えば１原子毎や数原子毎の厚み
で徐々に組成を変化させるように結晶成長させるように
しても形成することができるが、本実施例のように、臨
界膜厚を越えた厚みで結晶成長させ、その後のアニール
処理によってもグレーテッド層を形成することが可能で
ある。
テッド層の作成方法に特徴を有する半導体受光素子の実
施例である。超格子構造部における格子定数の違いを緩
和するために形成されるグレーテッド層は、ＭＯＣＶＤ
法やＭＢＥ法により、例えば１原子毎や数原子毎の厚み
で徐々に組成を変化させるように結晶成長させるように
しても形成することができるが、本実施例のように、臨
界膜厚を越えた厚みで結晶成長させ、その後のアニール
処理によってもグレーテッド層を形成することが可能で
ある。
【００３３】ここで、初めに臨界膜厚について説明する
と、臨界膜厚に関して２つの主要な理論が挙げられる。
１つはＭＢ理論（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｂａｌａｎｃ
ｅＭｏｄｅｌ）であり、もう１つはＥＢ理論（Ｅｎｅｒ
ｇｙ Ｂａｌａｎｃｅ Ｍｏｄｅｌ）である。図５はこ
れら２つの理論により導かれる格子不整合と臨界膜厚の
関係を示す図である。両方とも格子不整合が小さいほど
厚い膜厚で成長可能であることを示しており、また、不
整合率が約３％以下の領域では、ＭＢ理論の方が臨界膜
厚が薄くされる。
と、臨界膜厚に関して２つの主要な理論が挙げられる。
１つはＭＢ理論（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｂａｌａｎｃ
ｅＭｏｄｅｌ）であり、もう１つはＥＢ理論（Ｅｎｅｒ
ｇｙ Ｂａｌａｎｃｅ Ｍｏｄｅｌ）である。図５はこ
れら２つの理論により導かれる格子不整合と臨界膜厚の
関係を示す図である。両方とも格子不整合が小さいほど
厚い膜厚で成長可能であることを示しており、また、不
整合率が約３％以下の領域では、ＭＢ理論の方が臨界膜
厚が薄くされる。
【００３４】次に、本件発明者らが行った実験について
説明すると、その実験は、超格子構造をＧａＡｓ／Ｉｎ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓの積層構造とし、１００Å，２００
Å，３００Å，５００ÅのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓの各膜
厚において、６５０℃〜９５０℃の範囲でＡｓ圧の下で
アニールした結果をＲＢＳ／チャネリング法で結晶性を
評価したものである。その結晶性は規格化最小収率χ
min で表され、＜１００＞軸方向の後方散乱収率を規格
化したものである。この規格化最小収率χminが小さい
程結晶性に優れる。
説明すると、その実験は、超格子構造をＧａＡｓ／Ｉｎ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓの積層構造とし、１００Å，２００
Å，３００Å，５００ÅのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓの各膜
厚において、６５０℃〜９５０℃の範囲でＡｓ圧の下で
アニールした結果をＲＢＳ／チャネリング法で結晶性を
評価したものである。その結晶性は規格化最小収率χ
min で表され、＜１００＞軸方向の後方散乱収率を規格
化したものである。この規格化最小収率χminが小さい
程結晶性に優れる。
【００３５】実験結果は、図６に示すように、３００Å
以下の膜厚においては、６５０℃〜９５０℃の範囲のア
ニール処理により良好な結晶性が得られていることが判
る。５００Å以上では、十分な結晶性であるとは言えな
い。この点について前述の臨界膜厚（図５）と比較して
みると、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓの臨界膜厚は、図５より
１５０Å程度であるから、本来１５０Å〜３００Åでは
臨界膜厚を越えてしまい、その結果格子不整合により転
位等が多発するはずであるが、アニール処理によって結
晶性が回復することが判る。これはアニール処理によっ
て、格子定数の異なる層の原子同士が相互に拡散し、転
位が吸収されて局部的にグレーテッド層が形成されたた
めであると推測される。従って、臨界膜厚を多少越えた
膜厚の層を積層した後、アニール処理によって良好な結
晶性の光吸収層を形成することが可能であると言うこと
ができ、グレーテッド層の作成方法の１つの方法となる
ことが示されたことになる。
以下の膜厚においては、６５０℃〜９５０℃の範囲のア
ニール処理により良好な結晶性が得られていることが判
る。５００Å以上では、十分な結晶性であるとは言えな
い。この点について前述の臨界膜厚（図５）と比較して
みると、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓの臨界膜厚は、図５より
１５０Å程度であるから、本来１５０Å〜３００Åでは
臨界膜厚を越えてしまい、その結果格子不整合により転
位等が多発するはずであるが、アニール処理によって結
晶性が回復することが判る。これはアニール処理によっ
て、格子定数の異なる層の原子同士が相互に拡散し、転
位が吸収されて局部的にグレーテッド層が形成されたた
めであると推測される。従って、臨界膜厚を多少越えた
膜厚の層を積層した後、アニール処理によって良好な結
晶性の光吸収層を形成することが可能であると言うこと
ができ、グレーテッド層の作成方法の１つの方法となる
ことが示されたことになる。
【００３６】なお、上述の各実施例では、ＧａＡｓ／Ｉ
ｎＧａＡｓ系の超格子構造を形成したが、これに限定さ
れず、他の超格子構造のものを形成しても良い。
ｎＧａＡｓ系の超格子構造を形成したが、これに限定さ
れず、他の超格子構造のものを形成しても良い。
【００３７】
【発明の効果】本発明の半導体受光素子は、格子不整合
面にグレーテッド層が形成されるため、超格子構造の化
合物半導体層による光吸収層が熱的に安定して存在し、
該光吸収層の井戸幅（膜厚）を臨界膜厚を越えて形成で
きる。さらに、その光吸収層の膜厚を厚くすることで、
当該光吸収層の量子化準位を低いレベルに保つことがで
き、より長波長の光に対して高感度化を図ることができ
る。
面にグレーテッド層が形成されるため、超格子構造の化
合物半導体層による光吸収層が熱的に安定して存在し、
該光吸収層の井戸幅（膜厚）を臨界膜厚を越えて形成で
きる。さらに、その光吸収層の膜厚を厚くすることで、
当該光吸収層の量子化準位を低いレベルに保つことがで
き、より長波長の光に対して高感度化を図ることができ
る。
【図１】本発明の半導体受光素子の第１の実施例の要部
断面図である。
断面図である。
【図２】本発明の半導体受光素子の第１の実施例の超格
子構造部分のバンド構造を示すエネルギーポテンシャル
図である。
子構造部分のバンド構造を示すエネルギーポテンシャル
図である。
【図３】本発明の半導体受光素子の第２の実施例の超格
子構造部分のバンド構造を示すエネルギーポテンシャル
図である。
子構造部分のバンド構造を示すエネルギーポテンシャル
図である。
【図４】本発明の半導体受光素子の第３の実施例の超格
子構造部分のバンド構造を示すエネルギーポテンシャル
図である。
子構造部分のバンド構造を示すエネルギーポテンシャル
図である。
【図５】格子不整合と臨界膜厚の関係を示す図である。
【図６】ＲＢＳ／チャネリング法によるアニール温度と
規格化最小収率（χmin ）の関係を示す特性図である。
規格化最小収率（χmin ）の関係を示す特性図である。
【図７】各種半導体結晶の吸収係数と吸収端の関係を示
す特性図である。
す特性図である。
【図８】ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系の超格子構造を有す
る受光素子の要部のバンド構造を示すエネルギーポテン
シャル図である。
る受光素子の要部のバンド構造を示すエネルギーポテン
シャル図である。
【図９】ＩＩＩ−Ｖ族を中心とする半導体の格子定数と
禁制帯幅の分布を示す図である。
禁制帯幅の分布を示す図である。
１…ＧａＡｓ基板 ２…ＩｎＧａＡｓ層 ３…超格子構造部 ４…低抵抗化領域 ５…界面 ６…ＧａＡｓ層 ７…電極
Claims (1)
- 【請求項１】 格子定数が異なり且つそのうちの少なく
とも１層が光吸収層となる複数の化合物半導体層を積層
して構成された超格子構造を有する半導体受光素子にお
いて、 その格子不整合面に格子定数の差を緩和するグレーテッ
ド層を形成してなることを特徴とする半導体受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3255878A JPH0567802A (ja) | 1991-09-09 | 1991-09-09 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3255878A JPH0567802A (ja) | 1991-09-09 | 1991-09-09 | 半導体受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0567802A true JPH0567802A (ja) | 1993-03-19 |
Family
ID=17284824
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3255878A Pending JPH0567802A (ja) | 1991-09-09 | 1991-09-09 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0567802A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05315637A (ja) * | 1992-05-08 | 1993-11-26 | Hikari Gijutsu Kenkyu Kaihatsu Kk | 超格子受光素子 |
| JP2011171486A (ja) * | 2010-02-18 | 2011-09-01 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 赤外線センサ |
| JP2012209357A (ja) * | 2011-03-29 | 2012-10-25 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 量子型赤外線センサ |
| JP2012207968A (ja) * | 2011-03-29 | 2012-10-25 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法および量子型赤外線センサ |
| JP2019197794A (ja) * | 2018-05-09 | 2019-11-14 | 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 | 光導波路型受光素子 |
| WO2023233720A1 (ja) * | 2022-06-03 | 2023-12-07 | 浜松ホトニクス株式会社 | 半導体受光素子 |
-
1991
- 1991-09-09 JP JP3255878A patent/JPH0567802A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05315637A (ja) * | 1992-05-08 | 1993-11-26 | Hikari Gijutsu Kenkyu Kaihatsu Kk | 超格子受光素子 |
| JP2011171486A (ja) * | 2010-02-18 | 2011-09-01 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 赤外線センサ |
| JP2012209357A (ja) * | 2011-03-29 | 2012-10-25 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 量子型赤外線センサ |
| JP2012207968A (ja) * | 2011-03-29 | 2012-10-25 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 量子型赤外線センサ用化合物半導体積層体の製造方法および量子型赤外線センサ |
| JP2019197794A (ja) * | 2018-05-09 | 2019-11-14 | 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 | 光導波路型受光素子 |
| WO2023233720A1 (ja) * | 2022-06-03 | 2023-12-07 | 浜松ホトニクス株式会社 | 半導体受光素子 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20000808 |