JPH065784B2 - アバランシエ光検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光検出器に関し、さらに詳細にはアバランシェ
（電子なだれ）光検出器に関する。

光検出器は光学的な信号に応答して電気信号を発生する
デバイスであり、現在、種々の技術分野、たとえば光天
文学、光起電力太陽エネルギー変換装置等において使用
されており、また光通信システムの光検出器としても使
用されている。

現在知られている構成の光通信システムは、発光ダイオ
ード又はレーザー等の光源と、通常光ファイバーと呼ば
れているガラス製の伝送線を介して光源と光学的に結合
された光検出器とを有する。現在使用されている光ファ
イバーはシリカをベースとしており、1.0μｍから1.6μ
ｍの波長領域における損失が少ない。従って、この波長
領域における損失が少ないという光ファイバーの利点を
活用するために、将来の光通信システムの多くはこの波
長領域で動作するようになるものと考えられている。こ
れ以外の波長領域で動作するシステムも構成できるのは
明らかである。

光通信システムにおいて使用できる光検出器にはいくつ
かの種類がある。たとえば、ホトダイオード、ホトトラ
ンジスタ、アバランシェホトダイオード等が光通信シス
テムの光検出器として使用するのに適すると考えられて
いる。どの種類を選択するかにかかわらず、光検出器
は、所定の波長領域において適切な感度を示さなければ
ならないこと、応答時間が適切であること、雑音ができ
る限り少ないこと等のそれぞれのシステムに特定される
必要条件を満たしていなければならない。

アバランシェホトダイオードは、応答時間にすぐれ且つ
利得が高いので、光通信システムにおいて使用するのに
適しているが、一般に動作電圧が比較的高く、アバラン
シェ増幅プロセスの結果、雑音レベルが高くなる欠点が
ある。たとえば、ＩＥＥＥトランズアクションズ・オン
・エレクトロン・デバイスズ（ＩＥＥＥ Transactions
on Electron Devices）第１３版（１９６６年１月刊）
の１６４〜１６８ページに掲載されているアール・ジェ
ー・マックインタイヤ(R.J.McIntyre)の論文によれば、
電子と正孔に関するイオン化係数（α、β）の比を大き
くすることにより高い利得で雑音を低減することができ
る。この事実はかなり以前から認められていた。0.8μ
ｍ程度の波長で動作する現在の光通信システムでは、一
般に、α／β比が約５０である低雑音のシリコンアバラ
ンシェ光検出器に基づく光検出器を使用している。1.0
μｍから1.6μｍの範囲について使用される光検出器はI
II−Ｖ族の化合物半導体から製造されており、このよう
な化合物半導体を使用するアバランシェ光検出器の開発
が現在進められている。残念なことに、III−Ｖ族の化
合物の多くのもののα／β比は約１であるので、アバラ
ンシェ増幅により雑音が大きくなる。従って、α／β比
の大きいデバイスを得ることがきわめて重要な問題とな
る。

α／β比を高めるためのいくつかのアバランシェ光検出
器の構造が既に提案されている。たとえば、電子のイオ
ン化確率は著しく高くなるが、正孔のイオン化確率は高
くならないようにアバランシェ領域を傾斜させることに
より、αが約５βから１０βに等しいバンドギャップ傾
斜型アバランシェ光検出器が製造されている。この光検
出器は、１９８１年の９月に日本の大磯で開催された
“GaAs及び関連化合物に関するシンポジウム”において
発表された。エレクトロニクス・レターズ(Electronics
Letters)第１６号（１９８０年６月５日刊）の４６７
〜４６９ページには、超格子アバランシェ光検出器が提
案されている。この記事によれば、α／β比の大きなデ
バイスが得られる。比は２０と大きく、広いバンドギャ
ップ（禁止帯の幅）の層と狭いバンドギャップの層とを
交互に配置することによりエネルギー帯の縁部を不連続
状態とし、それによって衝突イオン化（衝突電離）を助
長して、大きなα／β比を得ている。伝導帯の不連続状
態を価電子帯の不連続状態より大きくすることにより、
電子のイオン化確率を高めている。量子源は、バンドギ
ャップの広い層の間のバンドギャップの狭い層により形
成されている。量子井戸の数が増し、少なくとも３０か
ら４０という数になると、α／β比が大きくなるものと
予測されているが、それ以上、量子井戸の数を増して
も、α／βは本質的に大きくならない。しかしながら、
価電子帯の不連続状態により、量子源の後端において正
孔がイオン化するのは避けられず、従って、アバランシ
ェプロセス（電子なだれ現象）の雑音が大きくなる。さ
らに、伝導帯の不連続状態は必然的に小さくなるので、
量子井戸に電子がトラップされない。そのため、電子の
イオン化確率をある一定の限度を越えて高めることがで
きず、また、不足分のイオン化エネルギーを供給するた
めに十分に高い電界を使用しなければならない。その結
果、正孔のイオン化もかなり多くなる。

本発明によれば、アバランシェ光検出器は第１の導電型
を有する第１の層と；第２の導電型を有する第２の層と
を含み、かつ、第１の層と第２の層との間に配置され、
狭いバンドギャップから広いバンドギャップへと変化す
る組成を有する少なくとも１つの組成変化層と、該広い
バンドギャップの後にあって一方の種類のキャリアのイ
オン化を助長する階段状遷移部（ステップバック）とを
具備する。

少数の原子層の中にあって、階段状遷移部は実質的に傾
きが急であるが、なだらかであっても良い。エネルギー
帯の階段状遷移部は一方の種類のキャリアのイオン化を
助長することにより、イオン化係数の比を大きくする。
一方のエネルギー帯における変化は他方のエネルギー帯
における変化の少なくとも２倍にすべきである。エネル
ギー帯の階段状遷移部の段差がバンドギャップの広い材
料に続くバンドギャップの狭い材料の領域におけるイオ
ン化エネルギーとほぼ等しいか又はそれより大きくなる
ように組成を選択するのが好ましい。しかしながら、段
差が小さくてもイオン化係数の比は大きくなる。光検出
器は複数の層を有し、各層の組成は狭いバンドギャップ
から広いバンドギャップに変化し、且つ各層には広いバ
ンドギャップの後に、再び狭いバンドギャップに続く傾
きの急な階段状遷移部が形成されているのが好ましい。
このような層の組成は直線的に又は他の方式により、た
とえば階段的に（少なくとも２階段）変化する。階段状
遷移部は主に伝導帯にあるのが好ましく、この場合、理
想的には電子のみがイオン化する。本発明のデバイス
は、分子ビームエピタキシャル成長法により製造すると
好都合である。

以下、添付の図面を後照して本発明のいくつかの実施例
について説明する。

第１図は、本発明によるデバイスの一実施例を概略的に
示す断面図である。明瞭に図示するため、デバイスの各
構成要素は拡大して示されている。この実施例について
説明した後、他のいくつかの実施例及びその変形例につ
いて述べる。その他の点に関しては、当業者には以下の
説明から明らかになるであろう。デバイス１は第１の導
電型を有する層３と、全体として５で示されている複数
の組成変化バンドギャップ傾斜層から構成されるアバラ
ンシェ領域と、第２の導電型を有する層７とを有する。
第１図にはバンドギャップ傾斜層は、１１、１３、１
５、１７及び１９で示すように、５つの層しか示されて
いないが、この数は単なる一例として挙げたものにすぎ
ず、それより多くても、少なくても良い。層３を基板と
し、その上にバンドギャップ傾斜層１１、１３、１５、
１７、１９を成長させても良い。層２０は層７にオーム
接触し、層３には接点９が接触している。光ｈνは、矢
印により示される方向から光検出器に入射する。デバイ
スの効率を最大にするには、光は最初に狭い空乏ギャッ
プ領域、すなわち第１の組成変化バンドギャップ傾斜層
１９のバンドギャップの狭い領域に吸収されなければな
らない。一般に、アバランシェプロセスは、より大きな
衝突イオン化係数を有する種類のキャリアにより開始さ
れることが望ましい。

バンドギャップ傾斜層の厚さは一般に重要ではないが、
デバイスがバイアスされたときに空乏状態となることが
できないほど層を厚くしてはならない。従って、良く知
られているように、厚さの限界値は不純物（ドーピン
グ）濃度と、層の数とによって決まる。層が薄すぎる
と、必要なバイアス電界を印加したときに、大量の正孔
イオン化が生じる。バイアス電界は、トラッピングをで
きる限り少なくするような十分な強さを有していなけれ
ばならない。バンドギャップ傾斜層の厚さは、約５０Å
（５ｎｍ）から１００００Å（１μｍ）の範囲にあるの
が普通であるが、不純物濃度が低ければ、これより厚く
しても良い。不純物濃度は、デバイスがバイアスされた
とき層が空乏状態となるように、十分に低くすべきであ
る。

ゼロ電界が印加された場合の本発明によるデバイスのア
バランシェ領域５のエネルギー帯の構造を第２図に示
す。第２図には、３つのバンドギャップ傾斜層２１、２
３及び２５が示されている。この実施例においては、各
層は厚さｌを有し、接合面において隣接する層の狭いバ
ンドギャップに向かって急激にエネルギー帯が階段状に
遷移するように、狭いバンドギャップから広いバンドギ
ャップへと変化する組成を有する直線傾斜型接合の層で
ある。第２図に示すように、最小バンドギャップはE
g₁、最大バンドギャップはEg₂である。伝導帯の階段状
遷移部、すなわち不連続部分の大きさはΔEc、価電子帯
の階段状遷移部の大きさはΔEvで示されている。伝導帯
の階段状遷移府の大きさΔEcは、価電子帯の階段状遷移
部の大きさΔEvより大きくすべきであり、ΔEvの少なく
とも２倍であるのが好ましい。図示されている伝導帯の
階段状遷移部の大きさΔEeは、III−Ｖ族の異種接合の
多くについて通常見られるようなバンドギャップ差の殆
どのものの原因となる。好ましい実施例においては、伝
導帯の階段状遷移部の大きさΔEcが、この階段状遷移部
に続ぐ狭いバンドギャップにおいて生じる電子のイオン
化エネルギーとほぼ等しいか又はそれほり大きくなるよ
うに材料を選択している。階段状遷移部を小さくしても
良いが、この場合には、イオン化エネルギーと、階段状
遷移部の大きさとの間に電界印加により差を生じさせな
ければならないので、高電圧を印加することが必要にな
る。同様に、急激な不連続領域を有する伝導帯の代わり
に組成的にバンドギャップが傾斜している階段状遷移層
を使用しても良いが、そのときはエネルギー損失を光学
フォノンの放出に置きかえるために高電圧を印加しなけ
ればならないであろう。

第３図は第２図に示したようなエネルギー帯を有する多
層アバランシェ領域を使用するアバランシェ光検出器に
バイアスを印加した場合のエネルギー帯の構造を示す。
光検出器はＮ型の基板３９と、複数のバンドギャップ傾
斜層３１、３３、３５及び３７と、Ｎ型の層３０とから
構成されている。第１の導電型はＰ型、第２の導電型は
Ｎ型である。基板３９は、第１図に示される前面照射デ
バイスの層３に対応し、層３０は層７に対応する。４つ
のバンドギャップ傾斜層が図示されているが、層の数は
これより多くても、少なくとも良い。層３０は、入射光
がこの層に吸収されないように選択されたバンドギャッ
プの広い材料から形成されているのが望ましい。層３０
内に光が吸収されると、キャリアが空乏領域、すなわち
組成変化バンドギャップ傾斜層へと拡散し、デバイスの
動作速度が低下するので、層３０に光が吸収されるのは
望ましくない。入射光は第１のバンドギャップ傾斜層、
すなわち層３１に吸収されるのが好ましい。

バンドギャップの広い材料と、バンドギャップの狭い材
料との間に急激な階段状の遷移を生じるデバイスの好ま
しい実施例に関して、アバランシェプロセス（電子なだ
れ効果）について簡単に説明する。光ｈνはＰ型の層３
０の次の空乏領域、すなわち、バンドギャップ傾斜層３
１に吸収され、層３０に隣接して光電子が発生する。バ
イアス電界εと傾斜電界ΔＥｃ／ｌとの結合効果によ
り、光電子は第１の伝導帯の階段に向かってドリフトす
る。この結合電界は、光電子が伝導帯の階段に達するま
で衝突イオン化することのないように十分に弱い電界で
ある。第１の伝導帯に達した後、エネルギー帯の階段の
段差（ディスコンティニユイティ）は、電子のイオン化
エネルギーに等しいか又はそれより大きく、たとえ電子
のイオン化エネルギーより小さい場合でも、電界の印加
により何らかの欠乏状態が生じているため、電子は衝突
イオン化する。衝突イオン化は各々のバンドギャップ傾
斜層で繰返される。この階段状遷移を繰返しながら電子
は、バンドギャップ傾斜領域を通過し、その間に、次の
バンドギャップが広い領域とバンドギャップが狭い領域
との間の界面に続くバンドギャップの狭い領域において
衝突イオン化に使用される電位エネルギーを獲得する。
光子の吸収又は衝突イオン化により発生する正孔は、電
界又は価電子帯の不連続領域からイオン化するのに十分
な量のエネルギーを獲得しないのが理想的である。価電
子帯が不連続であると、正孔のイオン化を助けるので好
ましくない。

層ごとのアバランシェ利得（電子なだれ効果にもとづく
利得）各々の電子がそれぞれの伝導帯の階段を通過した
後に衝突イオン化するたびに、正確に２となるのが理想
的である。実際には、δを衝突イオン化しない電子の割
合とするときアバランシェ利得は２−δと表わされる。
従って、層の数をＮとすれば、光検出器の総利得Ｍは
（２−δ）^Ｎである。電子のエネルギーがイオン化エネ
ルギーより電子ボルトの十分の一以上大きければ、殆ど
の電子は衝突イオン化するのが普通である。状態密度と
の関連によりイオン化エネルギーを越えるようにイオン
化横断面が二乗されると、イオン化確率が高くなるとい
う仮定が成立つ。これと相反する損失のメカニズムとし
て光学フォノンの放出があり、いくつかのフォノンが放
出されて電子のエネルギーをイオン化エネルギーより低
くしてしまうことは避けられない。

δが約0.1か又はそれより小さいとき、過剰雑音係数Ｆ
＝１＋δ（１−２^-N／２であり、Ｎが大きくなればＦ＝
１＋δ／２となる。比較のために、従来のアバランシェ
（なだれ）増幅について述べると、正孔がイオン化され
ない場合でも、Ｍが大きな数であるときの最小過剰雑音
係数は２であった。本発明の光検出器の場合、電子の多
くが各々の階段で衝突イオン化するため、従来のアバラ
ンシェ光検出器に比べて衝突イオン化確率が高いので、
過剰雑音は少ない。

本発明の光検出器において得られる利点をより良く理解
するために、さらに別の好ましい実施例について説明す
る。各層がGaSbから格子整合AlGaAsSbを介してAlAs_0.08
Sb_0.92へ傾斜接合された構造を有し、各層の厚さが約３
０００Å（３００nm）であるような５つの層よりなる光
検出器のＭの値はほぼ３２に等しい。バイアス電界が３
×１０^４Ｖ／cmである場合、Al_0.065Ga_.935As_0.05Sb
_.995の組成における共振正孔イオン化を考慮したとして
も、平均正孔イオン化率は低い。電界を１０^４Ｖ／cmま
で低くすることにより有効電子電界は低下し、傾斜接合
領域における電子イオン化率は、きわめて低くなる。電
子移動は飽和速度で行なわれるのが好ましく、平均電子
エネルギーは電子ボルトeVの数十パーセントである。従
って、総動作電圧が約５ボルトであるとき、0.08eVの不
足が生じるにもかかわらず、大多数の電子は伝導帯の階
段で衝突イオン化する。

従来のアバランシェ光検出器においては、イオン化エネ
ルギは印加される電界を介して徐々に電子に供給される
が、本発明のこの好ましい実施例によるデバイスでは、
イオン化エネルギーは伝導帯の階段により急激に電子に
供給される。この事実を考慮すれば、本発明の光検出器
の動作電圧が低いことは容易に理解できる。従って、イ
オン化に逆行する作用を与えるフォノンの放出によるエ
ネルギー損失ははるかに少なく、印加される電圧の大部
分は電子と正孔の対を発生させるために使用される。さ
らに、動作電圧が低いと、デバイスの漏れ電流も最小限
に抑えられる。電子のドリフト領域が狭くなれば、イオ
ン化に必要なエネルギーを有する電子の数が少なくな
り、利得は約３２から約１まで変化する。その結果とし
て得られる電圧変数利得は、ダイナミックレンジの広い
受信機に有用であり、この利点はループタィーダ等の可
変長システムにおいて有効に利用することができる。

価電子帯の階段は正孔のイオン化を助長しないので、正
孔のイオン化は全て、印加される電界εが原因となって
発生するものである。傾斜接合領域を横切って電子を移
動させるために、バイアス電界εは伝導帯の電界ΔEe/
δを相殺し且つ小さな別の成分を提供して、拡散搬送で
はなくむしろドリフトを確保しなければならない。従っ
て、この電界における正孔イオン化率が低くなるように
デバイスを設計すれば良い。最大増倍は層の数により決
定されるが、層の数は、実現しうる最小の真性領域不純
物添加量に対する空乏領域の幅によって決まる。

デバイスの製造には数多くの材料を使用することがで
き、所望の波長に応じて特定の材料を選択すれば良い。
たとえば、III−Ｖ族又はII-VI族の化合物半導体を使用
できる。現在最も関心が集まっている波長領域、すなわ
ち1.0μｍから1.6μｍの波長については、最適の材料は
III−Ｖ族の化合物半導体構造、たとえばGaSbの基板の
上にAlGaAsSb/GaSbを成長させたもの、InPの基板の上に
InGaAlAs/InGaAsを成長させたもの、GaSbの基板の上にI
nGaAsSb/GaSbを成長させたもの等である。格子整合構造
の基板の上にHg_1-xCd_xTeを成長させたもののようなII-V
I族の半導体を使用しても良い。前述のように、最初に
挙げた材料を使用した場合の最小電子イオン化エネルギ
ーは0.80eV(GaSb)であり、最大バンドギャップ差は0.85
eVである。この最大バンドギャップ差の約８５％は伝導
帯に現われて、約0.72eVの伝導帯階段を形成する。0.08
eVの不足分は電子のドリフト電界により容易に供給され
る。

２番目の挙げた材料の組合せでは、伝導帯が放物線形で
ないためにイオン化閾値が約1eVと高く、伝導帯の階段
はわずか約0.6eVと小さいための、それほど有望ではな
いと思われる。実験によれば、イオン化エネルギーはGa
Sbの場合よりも明らかに大きく、また、サテライトレバ
ー(Satellite Valley)がエネルギー帯の縁部から約0.08
eVに対応する分しか高くないためにGaSbのフォノンの拡
散がはるかに大きいにもかかわらず、イオン化率は約１
単位分低いということがわかっている。InPの基板の上
にInGaAsP/InPを成長させた構造は、伝導帯と価電子帯
の階段が共に大きいため、望ましくない。

本発明によるデバイスの層は分子線エピタキシャル成長
法により成長させると好都合である。AlXGa_1-xAs_ySb_1-y
/GaSbの格子整合構造の場合、バンドギャップの最も狭
い材料(GaSb)のバンドギャップは0.73eVに対応し、バン
ドギャップの最も広い材料(AlAs_0.08Sb_0.92)のバンドギ
ャップは1.58eVに対応する。これら２つの材料の間の傾
斜は、ｙ＝０．０８ｘ格子整合線の上になければならな
い。分子線エピタキシャル成長法が望ましいのは、次に
挙げるいくつかの理由による。まず第１に、４種類の成
分全ての蒸気圧がいくつかの圧力段階について流出セル
の温度に従って直線的に変化するためである。第２に、
Al、Ga及びSbの固着係数は典型的な成長温度である５０
０℃から６５０℃の範囲内において本質的に１であり、
As₄の固着係数はそれよりはるかに低い。従ってAl、Ga
及びSbの３つの分圧のみを制御し、Asの過圧状態を維持
しておくことにより、所望の固体組成構造を成長させる
ことができる。分圧は炉温度を変化させることにより変
えるのが好都合である。炉温度を連続的に変化させる
と、階段状に組成が連続的に変化して、組成上の階段が
形成される。化学的気相析出法（ＣＶＤ）や気相エピタ
キシー等の他の方法を利用しても良い。ＣＶＤ法を利用
すると階段がゆるやかになり、正孔のトラップが減少す
るものと考えられる。構造は従来の構成のうち任意のも
のを採用すれば良く、たとえば平坦であっても、メサ構
造であっても良い。

以上説明した実施例においては、各々の階段においてバ
ンドギャップの狭い組成からバンドギャップの広い組成
へ組成が直線状に傾斜していた。この種の傾斜接合のい
くつかの例について簡単に説明する。第４図は、別の実
施例のエネルギー帯の構造を示す。４１は組成変化層、
４０はＰ型の層、４５はＮ型の層である。この実施例に
おいて、各組成変化層はそれぞれのバンドギャップ階段
の後に、イオン化を生じさせる電子の割合を増すための
無傾斜の又はゆるやかな傾斜のバンドギャップの狭い領
域４３を有する。無傾斜の又はゆるやかな傾斜のバンド
ギャップの狭い領域４３の長さはイオン化領域長さの数
倍である。第５図のエネルギー帯構造に示されているよ
うに、各々の階段の前に無傾斜の又はゆるやかな傾斜の
バンドギャップの広い領域を付加的に設けることによ
り、階段におけるイオン化確率を高めることができる。
第５図に示される実施例において、５１は一次組成変化
傾斜接合領域、５３は無傾斜の又はゆるやかな傾斜のバ
ンドギャップの広い領域を示す。また、５０はＰ型層、
５５はＮ型層である。無傾斜の又はゆるやかな傾斜のバ
ンドギャップの広い領域５３においては、組成変化によ
る逆向きの疑似電界の作用が全くないので、電子は印加
される電界の作用をすべて受ける。そのため、エネルギ
ー帯の縁部を越える平均電子エネルギーが増すと共に、
階段におけるイオン化確率も高くなる。さらに、長い波
長の光を入射する光検出器の場合、第１の層が始まる箇
所にバンドギャップの狭い吸収領域を付加することによ
り、第４図に示す層構造に似た第１の層の構造が得られ
る。

空乏領域の電界は、適切なドーパントを添加することに
より制御すれば良い。たとえば、空乏領域にＰ型のドー
パントを添加すれば負に帯電されたコアが残り、Ｎ型の
ドーパントを添加すれば正に帯電されたコアが残る。こ
のことは、たとえば、階段において電界電圧を高くして
電子イオン化率を高くするか、又は階段において価電子
障壁をつき抜ける量を多くすることにより正孔のトラッ
ピングを少なくすることが望まれる場合に有用であろ
う。第３図から第７図のデバイスの階段の電界電圧を高
くするには、各々の階段の前でバンドギャップの広い領
域にＰ型のドーパントを添加し且つ各々の階段の後でバ
ンドギャップの狭い領域にＮ型のドーパントを添加すれ
ば良い。その結果として階段部に形成される完全空乏Ｐ
Ｎ接合は、外部から印加される電界に加わる。電界電圧
の高い領域は、帯から帯へのつき抜けを避けるために十
分に短くすべきである。この不純物添加技術を、アバラ
ンシェ領域の始まる箇所にあるギャップの狭い領域又は
各々の階段の後にあるギャップの狭い領域の電界を低下
させるために利用しても良い。不純物添加の量は、アバ
ランシェ領域が完全に空乏状態となるように十分に少な
くなければならない。

上述の好ましい実施例による光検出器は、(1)伝導帯の
階段の段差がイオン化エネルギーより大きいか又はそれ
とほぼ等しく、(2)階段においてバンドギャップの広い
材料から狭い材料への傾斜が急であり、且つ(3)階段間
に連続的な組成上の傾斜があるため、理想的である。実
施例によっては、これらの条件を変えても良い。たとえ
ば、伝導帯の階段の段差をイオン化エネルギーより小さ
くし、イオン化に必要なエネルギーの不足分を電界の印
加により供給しても良い。しかしながら、このように印
加される電界は正孔に作用するので、正孔のイオン化係
数は、無視できない値となり、デバイスの雑音が増大す
る結果となる。しかし、有効電子イオン化電位は低下
し、従来のアバランシェ光検出器に比べてα／β比は大
きくなる。

階段の段差がイオン化エネルギーより小さいと、イオン
化確率は低くなり、任意の増倍率を得るためには、通常
さらに多くの層が必要となる。第５図の構造は、このよ
うな場合に特に好ましい構造である。

更に、本発明によるデバイスにおいては、徐々に組成が
遷移してもイオン化が生じるので、すなわち、階段の傾
きは急ではなく、むしろ漸進的なものであるので、バン
ドギャップの広い材料から狭い材料へ急激に移行する階
段を形成する必要はない。このようなデバイスの場合、
イオン化は、階段の組成上の傾斜と印加される電界との
組合せ効果により発生する擬似電界によって起こる。階
段のバンドギャップが急激に遷移するのではなく、徐々
に遷移するために、イオン化エネルギーを得る前に、電
子は光学フォノンにエネルギーを吸収される。この効果
は、傾斜が急な階段の場合には得られない。従って、補
償のために印加電界の電圧を高くしなければならず、動
作電圧は第１図から第５図に関して説明したデバイスの
動作電圧より高くなる。電界電圧が高くなると、正孔の
イオン化率が高くなるので、デバイスの雑音は増す。し
かしながら、急激な遷移を示す界面の製造が困難である
というような場合には、成長技術という観点から、この
ようなデバイスが好ましい。階段を徐々に傾斜させるこ
とにより正孔のトラッピングは減少する。

さらに別のエネルギー帯の構造を第６図に示す。６０は
Ｐ型の層、６５はＮ型の層、６１は組成変化層である。
この実施例において、価電子層の階段は正孔のトラッピ
ングが全く起こらないような構造になっている。当面の
認識が正しければ、この実施例はInGaAsSb/GaSb構造に
より製造できる。

第７図に示されるさらに別の実施例では、組成上の傾斜
は連続的ではなく段階的である。図中、７０はＰ型の
層、７５はＮ型の層であり、各々の層７１は複数の二次
層７１１、７１３及び７１５をさらに含んでいる。この
デバイスの動作原理は連続傾斜型のデバイスと同様であ
るが、二次層間の伝導層の階段における電子のトラッピ
ングを阻止するために、電界電圧を十分に高くしなけれ
ばならない。階段の数（少なくとも３つは設けるべきで
ある）が増えるに連れて、電界電圧を低くすることがで
きる。階段の数が少ないと、大量の電子がトラッピング
されるか又は階段部により正孔のイオン化が促進される
ので望ましくない。また、階段の傾斜が急であっても、
なだらかであっても良く、いくつかの階段を独立して形
成しても良い。この実施例は、組成の異なる複数の二次
層を成長させるより１つの連続傾斜型層を成長させる方
が困難である場合に特に有利である。

さらに、上述の実施例は正孔のイオン化を阻止又は低減
すると共に電子のイオン化確率を高める。これは、伝導
帯の階段の段差を大きくすることにより達成される。さ
らに、主な不連続部分が伝導帯ではなく価電子帯にある
場合には、正孔のイオン化が多くなり、電子のイオン化
は阻止される。このような場合、価電子帯の階段の段差
を伝導帯の階段の段差の少なくとも２倍にするのが好ま
しい。さらに、各層のバンドギャップの広い部分はＰ型
側に近く、バンドギャップの狭い部分はＮ型の層に近い
方にある。光はデバイスのＮ型側で吸収されるのが望ま
しい。組成変化層の傾斜はバンドギャップの狭い部分か
ら広い部分へと遷移し、その後、階段状遷移を介して戻
る。正孔イオン化デバイスを構成するために電子イオン
化デバイスをさらにどのように変形すれば良いかは、当
業者には明らかであろう。

さらに、前述の様々な組成変化を単一のデバイスに組合
せて利用しても良い。たとえば、第１の組成変化層は直
線的に組成が変化し、階段の傾斜が急であるのに対し、
第２の組成変化層は段階的に組成が変化し、階段はなだ
らかであるような構造が考えられる。組成が連続的に変
化するデバイスの場合、変化は直線的にするか又は放物
線状などとすれば良い。さらに、層に第４図に示すよう
な無傾斜の又はゆるやかな傾斜のバンドギャップの狭い
領域や、第５図に示すような無傾斜の又はゆるやかな領
域のバンドギャップの広い領域を設けても良い。また、
たとえば階段部における電界電圧を高めるための空乏領
域への不純物添加を、第１の層が始まる箇所にバンドギ
ャップの狭い光学的吸収領域を設ける等の他の実施例と
組合せて採用しても良い。さらに、このような傾斜接合
層と無傾斜領域とを組合せて使用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるデバイスの断面図、 第２図は、本発明によるデバイスにバイアス電圧を印加
しないときの組成変化層のエネルギー帯の構造を示す
図、 第３図から第７図は、本発明による様々なデバイスのエ
ネルギー帯の構造を示す図である。 １…デバイス ３…第１の層 ５…組成変化バンドギャップ傾斜層 ７…第２の層 １１、１３、１５、１７、１９…バンドギャップ傾斜
層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ガレス・フア−ド・ウイリアムズ アメリカ合衆国07901ニユ−ジヤ−シイ・ ユニオン・サミツト・ヴアン・ダイク・プ レイス９

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の型のキャリアが少数キャリアである
   第１の層（例えば、３）と、 該第１の型のキャリアが多数キャリアである第２の層
   （例えば、７）と、 該第１の層（例えば、３）と該第２の層（例えば、７）
   の間に配置された複数の組成変化層（例えば、１１、１
   ３、１５、１７、１９）であって、その各々が該第１の
   層により近い狭いバンドギャップ組成から該第２の層に
   より近い広いバンドギャップ組成へと変化する組成を有
   する複数の組成変化層（例えば、１１、１３、１５、１
   ７、１９）と、 該組成変化層の隣接する２層間、および該第１の層と、
   隣接する組成変化層との間にあって、 該組成変化層内における変化に比較して急な傾きを有
   し、該第１の型のキャリアのインオ化を助長するエネル
   ギー帯階段状遷移部を含み、該第１および第２の層は検
   出されるべき光が吸収されないような広さのバンドギャ
   ップ組成のものであるアバランシェ光検出器。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載のアバランシ
   ェ光検出器において、 該組成変化層が、該狭いバンドギャップ組成と広いバン
   ドギャップ組成との間で実質的に連続的に傾斜している
   ことを特徴とするアバランシェ光検出器。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項に記載のアバランシ
   ェ光検出器において、該連続的な傾斜が実質的に直線的
   な組成変化であることを特徴とするアバランシェ光検出
   器。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１、第２または第３項に
   記載のアバランシェ光検出器において、該エネルギー帯
   階段状遷移部が、該階段状遷移部の後にある狭いギャッ
   プ材料中の該第１の型のキャリアのイオン化エネルギー
   とほぼ等しいか又はそれより大きいことを特徴とするア
   バランシェ光検出器。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項から第４項のいずれ
   かに記載のアバランシェ光検出器において、該エネルギ
   ー帯階段状遷移部が主に電導帯にあり、該第１の型のキ
   ャリアが電子であることを特徴とするアバランシェ光検
   出器。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第１項から第５項のいずれ
   かに記載のアバランシェ光検出器において、該階段状遷
   移部が少数の電子層内にあることを特徴とするアバラン
   シェ光検出器。