JPH08195504A - 受光素子 - Google Patents

受光素子

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JPH08195504A
JPH08195504A JP7035819A JP3581995A JPH08195504A JP H08195504 A JPH08195504 A JP H08195504A JP 7035819 A JP7035819 A JP 7035819A JP 3581995 A JP3581995 A JP 3581995A JP H08195504 A JPH08195504 A JP H08195504A
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JP
Japan
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light
layer
quantum dots
semiconductor
energy barrier
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Pending
Application number
JP7035819A
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English (en)
Inventor
Mitsuru Imaizumi
充 今泉
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Daido Steel Co Ltd
Original Assignee
Daido Steel Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 半導体受光素子において、光学フィルターを
使用せずに吸収波長帯域を設定可能にし、さらにその吸
収波長帯域の幅および中心波長を可変にさせる。 【構成】 受光層15に量子ドット14を使用して受光
素子を構成する。半導体結晶の材料物質、格子不整合
率、面方位、成長原料の供給量を変えて量子ドットの形
状、断面寸法および分布を変えることにより、受光素子
としての吸収波長帯域の幅および中心波長を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、光電変換機能を有す
る半導体受光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来使用されている半導体受光素子の受
光層には、主にバルク結晶と同じエネルギーバンド構造
を有する半導体結晶のp−n接合あるいはp−i−n接
合構造が使用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な構造では、受光層の半導体結晶のエネルギーギャップ
以上のエネルギーを有する光はすべて吸収し、光電変換
を行なって電気信号として出力してしまうため、ある波
長帯域の光のみを検知させたい場合には、受光素子の光
取込み面に光学フィルターを備えなければならず、受光
素子の低サイズ化あるいは低コスト化の障害となってい
た。また、受光素子が吸収し、光電変換を行なって電気
信号として出力できる光の最も小さいエネルギー値、す
なわち波長は、その半導体結晶のエネルギーギャップで
一義的に決定されてしまい、この値を変えることは不可
能であった。本発明の目的は、上記の問題点を解決し、
受光素子の光取込み面の光学フィルターを不必要せし
め、さらに光電変換を行なって電気信号として出力でき
る最も小さい光のエネルギー値、すなわち波長を可変せ
しむるものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】前述の問題点を解決する
ために本発明が提供する構造は、受光素子の受光層に、
大きさが電子のドブロイ波長程度の断面寸法を持つ半導
体からなる量子ドットを複数個有し、前記量子ドットを
囲み、ポテンシャルエネルギーが前記量子ドットのポテ
ンシャルエネルギーよりも高くエネルギー障壁として機
能する半導体を有し、これら量子ドットとエネルギー障
壁を含む層を用い、必要に応じてこの量子ドットを形成
する半導体結晶の格子定数と、エネルギー障壁を形成す
る半導体結晶の格子定数との間に不整合性を与えること
を特徴とする。さらに、上記受光層の形成にあたって
は、量子ドットを形成する半導体結晶の格子定数と、エ
ネルギー陣壁を形成する半導体結晶の格子定数とを一致
させないことにより、格子不整合系の3次元成長を用い
ることができる。また、量子ドットを形成する半導体結
晶としてAlGa1−xAs(0≦x≦1)を、エネ
ルギー障壁を形成する半導体結晶としてGaAs1−y
(0≦y≦1)を利用することが可能である。
【0005】
【作用】上述の構造の受光素子では、受光面に入射した
光のうち、量子ドット中の量子準位で決定されるエネル
ギー、すなわち波長を持つ光のみが受光層で吸収され、
光電変換されて電気信号として出力される。この量子準
位は、量子ドットの断面寸法と、量子ドットを形成する
半導体結晶の格子定数と、エネルギー障壁を形成する半
導体結晶の格子定数の差から量子ドット結晶内に生ずる
格子歪み量の大きさによって変化する。よって、これら
量子ドットの断面寸法と格子歪み量の大きさを制御する
ことで、吸収される光のエネルギーすなわち波長を変化
させることができる。また、これら量子ドットの断面寸
法や格子歪み量の大きさに分布を与えることにより、吸
収され、光電変換される光のエネルギーの帯域、つまり
波長帯域を設定することが可能である。
【0006】
【実施例】次に図面を参照して本発明の実施例について
説明する。第1図は本発明の一実施例の量子ドットを含
む層を受光層として用いた受光素子を示す断面図であ
る。この受光素子はn型GaPからなる半導体基板10
上にn型GaPからなるバッファ層11、n型GaAs
0.600.40からなるベース層(厚さ3μm)1
2、i型GaAs0.600.40エネルギー障壁層
13およびGaAs量子ドット14からなる受光層(厚
さ0.2μm)15、p型GaAs0.600.40
からなるエミッタ層(厚さ0.4μm)16、p型Ga
Pからなるウィンドウ層17(厚さ0.5μm)、およ
びp電極18、n電極19を形成した構造となってい
る。これら半導体結晶のエピタキシャル成長は、有機金
属気相成長法(MOCVD)により行なった。まず、n
型GaP半導体基板10上にn型GaPバッファ層1
1、n型GaAs0.600.40ベース層12、を
形成し、i型GaAs0.600.40エネルギー障
壁層13を設計膜厚の1/2の厚さだけ形成し、次にG
aAs量子ドット14を形成した。続いてこのGaAs
量子ドット14を埋め込むようにi型GaAs0.60
0.40エネルギー障壁層13を設計膜厚の1/2の
厚さ形成し、p型GaAs0.600.40エミッタ
層16を形成し、p型GaPウィンドウ層17を形成
し、最後にp電極18およびn電極19を形成した。
【0007】このGaAs量子ドット14の形成に用い
た方法は、格子不整合系のエピタキシャル成長で見られ
る、一般にS−Kモード成長と呼ばれる3次元成長を利
用したものである。この実施例の場合i型GaAs
0.600.40エネルギー障壁層にあたる下地結晶
の格子定数に対して、この実施例の場合GaAs量子ド
ット14にあたる、格子不整合率を有する、つまり格子
定数の異なる結晶をエピタキシャル成長させようとする
と、成長初期には結晶は3次元的な島状の形状となるこ
とが知られている。このまま結晶成長を続けると、これ
ら島状の結晶が大きくなって合体し、2次元的な膜へと
形状が変わっていく。この成長初期の3次元的な島状結
晶の形状、断面寸法、密度および2次元的な膜へと形状
が変わる厚さは、半導体結晶の物質、格子不整合率、下
地結晶の面方位に依存する。また、島状結晶の寸法は、
2次元膜を形成する以前においては成長原料の供給量に
ほぼ比例している。従って、これら半導体結晶の材料物
質、格子不整合率、下地結晶の面方位、成長原料の供給
量を適宜選択することによって、所望の形状、断面寸
法、密度の量子ドットを形成することが可能である。量
子ドットは、キャリアを0次元に閉じ込めた量子井戸で
あり、量子ドット中のキャリアの状態密度関数はデルタ
関数的になる。従って、これを受光層に用いると、量子
準位で決定されるエネルギーの光以外、つまりそれより
高いエネルギーの光も低いエネルギーの光も理想的には
吸収されないため、外付けの光学フィルターを必要とせ
ずに極端に狭い波長帯域の受光素子が実現される。実際
には量子ドットの形状、断面寸法などにゆらぎが存在す
るため、波長帯域はある程度の幅を持つ。このことは、
故意にドットの形状、断面寸法に分布を与えることによ
って、所望の波長帯域の設定が可能であることを示して
いる。この実施例において、第1図におけるn型GaP
半導体基板10の面方位に、(100)ジャスト基板と
(100)2°オフ<110>基板を用いてGaAs量
子ドット14までを形成し、その時点で結晶成長を中止
した。その表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、
(100)ジャスト基板と(100)2°オフ<110
>基板で量子ドットの寸法の分布に差がみられた。ひと
つのGaAs量子ドットの平面像における径の平均値の
分布は、(100)ジャスト基板では11±3nmであ
り、(100)2゜オフ<110>基板では10±5n
mであった。第2図は、上述のGaAs量子ドットを受
光層に用いて作製した受光素子の吸収波長帯域を示した
ものである。図中(a)は(100)ジャスト基板を使
用したものであり、(b)は(100)2°オフ<11
0>基板を使用したものであり、(c)は従来の量子ド
ットを用いない、GaAs0.800.20のp/n
接合を用いたものである。従来技術を用いた(c)では
長波長側に感度の落ち込みがないのに対し、本発明によ
る(a)および(b)では長波長側にも感度の落ち込み
がみられ、吸収波長帯域をフィルタなしで形成してい
る。また、(a)と(b)とを比較すると、量子ドット
の寸法の分布の差を反映して、吸収波長帯域幅と中心波
長に差が表れている。吸収波長帯域の中心波長を変更す
るには、成長原料の供給量を変え、量子ドットの断画寸
法を変更することもひとつの方法である。これはつま
り、光電変換を行なって電気信号として出力できる最も
小さい光のエネルギー値の制御が実現可能であることを
示すのに他ならないなお、本実施例ではGaAsP系混
晶半導体を材料として選択したが、これに関わらず例え
ばlnGaAsP系など他の半導体材料を用いても本発
明は実現できる。また、上述の実施例ではMOCVDを
用いて結晶のエピタキシャル成長を行なったが、分子線
結晶成長法(MBE)など、他の方法を用いても良い。
さらに、上述の実施例では格子不整合系の3次元成長を
用いて量子ドットを形成したが、別の方法、例えば選択
成長などを用いて量子ドットを形成しても良い。格子不
整合がない場合は、選択成長の際の成長抑止膜に設ける
成長窓の寸法や形状を変化させることで量子ドットの形
状や断面寸法を変化させることが可能である。加えて、
上述の実施例では受光素子としてフォトダイオードを作
製したが、本発明はアバランシェフォトダイオード、太
陽電池などの他の受光素子にも適用可能である。
【0008】
【発明の効果】このように本発明によれば、光取込み面
に光学フィルターを使用せずに受光素子の波長帯域を設
定・変化させることが可能となり、さらに光電変換を行
なって電気信号として出力できる最も小さい光のエネル
ギー値、すなわち波長が可変となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例を示す断面図
【図2】 この実施例における受光素子の吸収波長帯域
を示すグラフ
【符号の説明】
10…半導体基板、11…バッファ層、12…n型Ga
As0.600.40ベース層、13…i型GaAs
0.600.40エネルギー障壁層、14…GaAs
量子ドット、16…p型GaAs0.600.40
ミッタ層、17p型GaPウィンドウ層、18…p電
極、19…n電極。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 受光素子において、その受光層に大きさ
    が電子のドブロイ波長程度の断面寸法を持つ半導体から
    なる量子ドットを複数個有し、前記量子ドットを囲み、
    ポテンシャルエネルギーが前記量子ドットのポテンシャ
    ルエネルギーよりも高くエネルギー障壁として機能する
    半導体を有し、これら量子ドットとエネルギー障壁を含
    む層を受光層として用いる受光素子。
  2. 【請求項2】 前記受光素子において、量子ドット構造
    の形成にあたっては、量子ドットを形成する半導体結晶
    の格子定数と、エネルギー障壁を形成する半導体結晶の
    格子定数とが異なる結晶材料で形成した請求項1の受光
    素子。
  3. 【請求項3】 前記受光層の半導体結晶材料には、量子
    ドットを形成する半導体結晶としてAlGa1−x
    s(0≦x≦1)を、エネルギー障壁を形成する半導体
    結晶としてGaAs1−y(0≦y≦1)を用いた
    請求項1および2の受光素子。
JP7035819A 1995-01-17 1995-01-17 受光素子 Pending JPH08195504A (ja)

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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100398316B1 (ko) * 2001-09-19 2003-09-19 광주과학기술원 공진 터널링 전자장치
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