JPH09186358A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH09186358A JPH09186358A JP7343313A JP34331395A JPH09186358A JP H09186358 A JPH09186358 A JP H09186358A JP 7343313 A JP7343313 A JP 7343313A JP 34331395 A JP34331395 A JP 34331395A JP H09186358 A JPH09186358 A JP H09186358A
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Links
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures
- H01L31/035245—Superlattices; Multiple quantum well structures characterised by amorphous semiconductor layers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- H—ELECTRICITY
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/22—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIBVI compounds
- H01L29/2203—Cd X compounds being one element of the 6th group of the Periodic Table
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Abstract
(57)【要約】
【課題】半導体受光素子において、低電圧駆動を可能と
しながらも高感度化及び低雑音化を図り、特に可視光に
対して高感度、低雑音とする。 【課題手段】少なくとも一方が透明な２つの電極間に、
非単結晶性材料で構成され光を吸収しフォトキャリアを
発生する光吸収層と、非単結晶性材料で構成され前記光
吸収層で発生したフォトキャリアを増倍するキャリア増
倍層と、を有する半導体受光素子であって、前記キャリ
ア増倍層は、非単結晶性のＺｎxＣｄ1-xＭ（０≦x≦１、
ＭはＳ，Ｓｅ及びＴｅから選ばれた１つ）から成り、前
記ＺｎxＣｄ1-x Ｍのxの値を変化させた組成比が異なる
複数の層を有する膜を積層して成る多層膜で構成するこ
とにより、禁制帯幅Ｅgに対して伝導帯のバンド不連続
量ΔＥcを大きくすることができ、電子によるイオン化
率を大きくし、イオン化の生じる場所を特定して高感度
化及び低雑音化を図り、低電圧駆動を可能とする。
しながらも高感度化及び低雑音化を図り、特に可視光に
対して高感度、低雑音とする。 【課題手段】少なくとも一方が透明な２つの電極間に、
非単結晶性材料で構成され光を吸収しフォトキャリアを
発生する光吸収層と、非単結晶性材料で構成され前記光
吸収層で発生したフォトキャリアを増倍するキャリア増
倍層と、を有する半導体受光素子であって、前記キャリ
ア増倍層は、非単結晶性のＺｎxＣｄ1-xＭ（０≦x≦１、
ＭはＳ，Ｓｅ及びＴｅから選ばれた１つ）から成り、前
記ＺｎxＣｄ1-x Ｍのxの値を変化させた組成比が異なる
複数の層を有する膜を積層して成る多層膜で構成するこ
とにより、禁制帯幅Ｅgに対して伝導帯のバンド不連続
量ΔＥcを大きくすることができ、電子によるイオン化
率を大きくし、イオン化の生じる場所を特定して高感度
化及び低雑音化を図り、低電圧駆動を可能とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複写機、ファクシ
ミリ等の画像読み取り用のラインイメージセンサ、およ
び、ビデオカメラなど画像入力用の２次元イメージセン
サなどに用いられる半導体受光素子に係り、特に、光に
よって生成されたキャリアを衝突電離により増幅するア
バランシェ効果を利用した半導体受光素子に関する。
ミリ等の画像読み取り用のラインイメージセンサ、およ
び、ビデオカメラなど画像入力用の２次元イメージセン
サなどに用いられる半導体受光素子に係り、特に、光に
よって生成されたキャリアを衝突電離により増幅するア
バランシェ効果を利用した半導体受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】アバランシェ増倍効果を利用したフォト
ダイオード（以下、ＡＰＤと記す）は、微弱な光を検出
できる高感度な半導体受光素子として注目されている。
このＡＰＤとしては、例えば図９（ａ）に示すように、
不純物がドーピングされたシリコンから成るｎ-電極２
０１、ＳｉＯ2層２０２、ｎ+層２０３、アバランシェ領
域となるｐ層２０４、光吸収領域となるｐ-層２０５、
ｐ+基板２０６、不純物がドーピングされたシリコンか
ら成るｐ-電極２０７を有する単結晶Ｓｉ ｐｉｎＡＰ
Ｄが存在する。図９（ｂ）は、上記したＡＰＤについ
て、逆バイアス印加時のバンド構造を模式的に示した図
である。ｎ-電極２０１側から光が入射されると、ｐ-層
２０５（光吸収層となる）で吸収され光電変換が行われ
る。ｐ-層２０５で生成された電子／正孔対は、おのお
のｎ-電極２０１およびｐ-電極２０７に向かって走行す
る。ｐ層２０４（キャリア増倍層となる）は強い電界を
有しているため、電子の走行過程での衝突電離により多
数の電子／正孔対を発生するアバランシェ現象が生じ、
光子１個に対して複数個の電子／正孔対を発生する増倍
作用が生じる。
ダイオード（以下、ＡＰＤと記す）は、微弱な光を検出
できる高感度な半導体受光素子として注目されている。
このＡＰＤとしては、例えば図９（ａ）に示すように、
不純物がドーピングされたシリコンから成るｎ-電極２
０１、ＳｉＯ2層２０２、ｎ+層２０３、アバランシェ領
域となるｐ層２０４、光吸収領域となるｐ-層２０５、
ｐ+基板２０６、不純物がドーピングされたシリコンか
ら成るｐ-電極２０７を有する単結晶Ｓｉ ｐｉｎＡＰ
Ｄが存在する。図９（ｂ）は、上記したＡＰＤについ
て、逆バイアス印加時のバンド構造を模式的に示した図
である。ｎ-電極２０１側から光が入射されると、ｐ-層
２０５（光吸収層となる）で吸収され光電変換が行われ
る。ｐ-層２０５で生成された電子／正孔対は、おのお
のｎ-電極２０１およびｐ-電極２０７に向かって走行す
る。ｐ層２０４（キャリア増倍層となる）は強い電界を
有しているため、電子の走行過程での衝突電離により多
数の電子／正孔対を発生するアバランシェ現象が生じ、
光子１個に対して複数個の電子／正孔対を発生する増倍
作用が生じる。
【０００３】この時の増倍の大きさは電子のイオン化率
αに依存し、αが大きいほど高い増倍率が得られる。こ
こで電子のイオン化率αとは、衝突電離において１個の
電子が単位距離走行した時に発生する電子／正孔対の数
であり、イオン化率αは電界強度の増加とともに指数関
数的に増加するので、電界強度を大きくすることにより
大きな増倍が得られる。
αに依存し、αが大きいほど高い増倍率が得られる。こ
こで電子のイオン化率αとは、衝突電離において１個の
電子が単位距離走行した時に発生する電子／正孔対の数
であり、イオン化率αは電界強度の増加とともに指数関
数的に増加するので、電界強度を大きくすることにより
大きな増倍が得られる。
【０００４】この単結晶Ｓｉ ｐｉｎ ＡＰＤは、可視
光から近赤外光（λ＝０．４５〜１．０μｍ）まで感度
を有し、微弱な入射光を検出できる高感度な半導体受光
素子として実用化されているものであるが、以下に示す
欠点を有している。 （１）外部から印加した電圧により高電界を加えてキャ
リアの衝突電離を起こさせているために、高い駆動電圧
（〜１００Ｖ）を必要とする。 （２）高電界動作のため、光が照射されていない時に発
生する漏れ電流（暗電流）が大きい。 （３）アバランシェ増倍にともなう雑音（過剰雑音）が
発生し、信号対雑音比（ＳＮ比）を低下させる。
光から近赤外光（λ＝０．４５〜１．０μｍ）まで感度
を有し、微弱な入射光を検出できる高感度な半導体受光
素子として実用化されているものであるが、以下に示す
欠点を有している。 （１）外部から印加した電圧により高電界を加えてキャ
リアの衝突電離を起こさせているために、高い駆動電圧
（〜１００Ｖ）を必要とする。 （２）高電界動作のため、光が照射されていない時に発
生する漏れ電流（暗電流）が大きい。 （３）アバランシェ増倍にともなう雑音（過剰雑音）が
発生し、信号対雑音比（ＳＮ比）を低下させる。
【０００５】上記したアバランシェ増倍過程において発
生する過剰雑音は、ＩＥＥＥ Ｔransactions Ｅlectro
n Ｄevice，Ｖol．13，p164，１９６６に掲載のＲ.Ｊ.
ＭcIntyreの論文によれば、電子のイオン化率をα、正
孔のイオン化率をβとすると、各々のイオン化率の比
（衝突電離係数比）ｋ＝β／αに依存し、過剰雑音を低
減するためには、電子増倍を行う時にはｋを小さく、正
孔増倍を行う時にはｋを大きく、すなわち増倍する一方
のキャリア（電子もしくは正孔）のイオン化率のみを大
きくすればよいことが明らかにされている。単結晶Ｓｉ
では、正孔のイオン化率βに対して電子のイオン化率α
が十分大きいので、過剰雑音を低減するにはαのみを大
きくする必要がある。しかしながら、単結晶Ｓｉ ｐｉ
ｎ ＡＰＤでは、電子のイオン化率α及び正孔のイオン
化率βはアバランシェ領域の電界強度により決定される
ためα、βの値を独立に制御することはできず、電界強
度が大きくなるほどｋの値も大きくなる。すなわち、大
きな増倍を得るために電界強度を大きくするほど、過剰
雑音が増加しＳＮ比が低下してしまう。
生する過剰雑音は、ＩＥＥＥ Ｔransactions Ｅlectro
n Ｄevice，Ｖol．13，p164，１９６６に掲載のＲ.Ｊ.
ＭcIntyreの論文によれば、電子のイオン化率をα、正
孔のイオン化率をβとすると、各々のイオン化率の比
（衝突電離係数比）ｋ＝β／αに依存し、過剰雑音を低
減するためには、電子増倍を行う時にはｋを小さく、正
孔増倍を行う時にはｋを大きく、すなわち増倍する一方
のキャリア（電子もしくは正孔）のイオン化率のみを大
きくすればよいことが明らかにされている。単結晶Ｓｉ
では、正孔のイオン化率βに対して電子のイオン化率α
が十分大きいので、過剰雑音を低減するにはαのみを大
きくする必要がある。しかしながら、単結晶Ｓｉ ｐｉ
ｎ ＡＰＤでは、電子のイオン化率α及び正孔のイオン
化率βはアバランシェ領域の電界強度により決定される
ためα、βの値を独立に制御することはできず、電界強
度が大きくなるほどｋの値も大きくなる。すなわち、大
きな増倍を得るために電界強度を大きくするほど、過剰
雑音が増加しＳＮ比が低下してしまう。
【０００６】また、上記論文によれば一方のキャリアの
みを増倍させた場合には、過剰雑音指数Ｆ＝２となるこ
とが述べられている。理想的な無雑音増倍の場合にはＦ
＝１となるはずであり、まだ何らかの雑音発生機構が残
されていることを示している。この発生機構としては、
イオン化の起こる場所が半導体受光素子内でゆらぐため
に全体の増倍率がゆらぐ、すなわち雑音源となるという
現象が考えられる。これを抑制し、さらに高いＳＮ比を
得るには素子内でのイオン化が生じる場所を特定するこ
とが有効であると考えられる。
みを増倍させた場合には、過剰雑音指数Ｆ＝２となるこ
とが述べられている。理想的な無雑音増倍の場合にはＦ
＝１となるはずであり、まだ何らかの雑音発生機構が残
されていることを示している。この発生機構としては、
イオン化の起こる場所が半導体受光素子内でゆらぐため
に全体の増倍率がゆらぐ、すなわち雑音源となるという
現象が考えられる。これを抑制し、さらに高いＳＮ比を
得るには素子内でのイオン化が生じる場所を特定するこ
とが有効であると考えられる。
【０００７】上述した単結晶Ｓｉ ｐｉｎ ＡＰＤの問
題点を解消するため、非晶質Ｓｉ系半導体による超格子
構造を用いたＡＰＤが提案されている（ＩＥＥＥ Ｔra
ns.Ｅlectron Ｄevices，Ｖol.35,p1279,1988）。この
ＡＰＤについて、図１０（ａ）〜（ｃ）を参照しながら
説明する。非晶質Ｓｉ系半導体による超格子構造を用い
たＡＰＤは、図１０（ａ）に示すように、ガラス基板３
０１上にＩＴＯからなる透明電極３０２、ｐ+ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層３０３、光吸収層とキャリア増倍層を兼ねた超
格子層３０６、ｎ+ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０７、Ａｌからな
る電極３０８を積層して構成されている。前記超格子層
３０６は、井戸層となるａ−Ｓｉ：Ｈ層３０４と、障壁
層となるａ−ＳｉＣ：Ｈ層３０５とを交互に１０層積み
重ねて構成されている。また、ｐ+ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０
３と透明電極３０２、ｎ+ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０７と電極
３０８は、それぞれオーミック接触して構成されてい
る。
題点を解消するため、非晶質Ｓｉ系半導体による超格子
構造を用いたＡＰＤが提案されている（ＩＥＥＥ Ｔra
ns.Ｅlectron Ｄevices，Ｖol.35,p1279,1988）。この
ＡＰＤについて、図１０（ａ）〜（ｃ）を参照しながら
説明する。非晶質Ｓｉ系半導体による超格子構造を用い
たＡＰＤは、図１０（ａ）に示すように、ガラス基板３
０１上にＩＴＯからなる透明電極３０２、ｐ+ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層３０３、光吸収層とキャリア増倍層を兼ねた超
格子層３０６、ｎ+ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０７、Ａｌからな
る電極３０８を積層して構成されている。前記超格子層
３０６は、井戸層となるａ−Ｓｉ：Ｈ層３０４と、障壁
層となるａ−ＳｉＣ：Ｈ層３０５とを交互に１０層積み
重ねて構成されている。また、ｐ+ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０
３と透明電極３０２、ｎ+ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０７と電極
３０８は、それぞれオーミック接触して構成されてい
る。
【０００８】図１０（ｂ）は、上記ＡＰＤ素子の電圧無
印加時のバンド構造を模式的に示した図であり、ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ／ａ−ＳｉＣ：Ｈのヘテロ接合における伝導帯お
よび価電子帯のエネルギーバンドの不連続量をΔＥc、
ΔＥvで示してある。ａ−Ｓｉ：Ｈ／ａ−ＳｉＣ：Ｈの
ヘテロ接合におけるバンド不連続量は、伝導帯のほうが
大きく、ΔＥc＝０．３５ｅＶ、ΔＥv＝０．１０ｅＶで
ある。
印加時のバンド構造を模式的に示した図であり、ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ／ａ−ＳｉＣ：Ｈのヘテロ接合における伝導帯お
よび価電子帯のエネルギーバンドの不連続量をΔＥc、
ΔＥvで示してある。ａ−Ｓｉ：Ｈ／ａ−ＳｉＣ：Ｈの
ヘテロ接合におけるバンド不連続量は、伝導帯のほうが
大きく、ΔＥc＝０．３５ｅＶ、ΔＥv＝０．１０ｅＶで
ある。
【０００９】図１０（ｃ）は、上記ＡＰＤ素子の逆バイ
アス印加時のバンド構造を模式的に示した図である。ｐ
+ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０３側より光が入射されると、超格
子層３０６により吸収され光電変換が行われる。生成さ
れた電子／正孔対は、おのおのｎ+ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０
７およびｐ+ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０３に向かって走行す
る。電界により加速された電子が超格子層３０６の障壁
層３０５から井戸層３０４に入る時、電子は伝導帯のバ
ンド不連続量ΔＥcだけ高いエネルギー状態となるため
に、それだけ電子によるイオン化率αは大きくなる。電
子は、これの繰り返しによりキャリアの数を増加させて
いく。一方、正孔は価電子帯のバンド不連続量ΔＥvが
小さいため電子のようなことが起こらない。このよう
に、上記ＡＰＤの構造によると、電子のイオン化率αの
みを大きくすることができ、さらにイオン化の生じる場
所をヘテロ接合部に特定できるため、高感度、低過剰雑
音特性が得られる。また、キャリアはヘテロ構造のバン
ドオフセットによりエネルギーを受けるため、キャリア
のイオン化に必要な電界強度を小さくすることができ、
低電圧駆動が可能となる。
アス印加時のバンド構造を模式的に示した図である。ｐ
+ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０３側より光が入射されると、超格
子層３０６により吸収され光電変換が行われる。生成さ
れた電子／正孔対は、おのおのｎ+ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０
７およびｐ+ａ−Ｓｉ：Ｈ層３０３に向かって走行す
る。電界により加速された電子が超格子層３０６の障壁
層３０５から井戸層３０４に入る時、電子は伝導帯のバ
ンド不連続量ΔＥcだけ高いエネルギー状態となるため
に、それだけ電子によるイオン化率αは大きくなる。電
子は、これの繰り返しによりキャリアの数を増加させて
いく。一方、正孔は価電子帯のバンド不連続量ΔＥvが
小さいため電子のようなことが起こらない。このよう
に、上記ＡＰＤの構造によると、電子のイオン化率αの
みを大きくすることができ、さらにイオン化の生じる場
所をヘテロ接合部に特定できるため、高感度、低過剰雑
音特性が得られる。また、キャリアはヘテロ構造のバン
ドオフセットによりエネルギーを受けるため、キャリア
のイオン化に必要な電界強度を小さくすることができ、
低電圧駆動が可能となる。
【００１０】１９９５年テレビジョン学会年次大会予稿
集、ｐ７３に掲載の澤田らの論文では、ａ−Ｓｉ：Ｈ／
ａ−ＳｉＣ：Ｈ 超格子において、障壁層を鋸歯状のポ
テンシャル構造とした傾斜超格子構造のＡＰＤが示され
ている。このＡＰＤについて、図１１（ａ）〜（ｃ）を
参照しながら説明する。傾斜超格子構造のＡＰＤは、図
１１（ａ）に示すように、ｎ型単結晶Ｓｉ基板４０１上
に、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ４０２、光吸収層とキャリア増倍
層を兼ねた傾斜超格子層４０５、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ４０
６、ｐ型半導体層４０７、Ａｕからなる透明電極４０８
を積層して構成されている。前記傾斜超格子層４０５
は、井戸層となるｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層４０４と、障壁層
となるｉ型ａ−Ｓｉ1-xＣx：Ｈ（x＝０〜１）層４０３
とを交互に６層積み重ねた構造から構成されている。
集、ｐ７３に掲載の澤田らの論文では、ａ−Ｓｉ：Ｈ／
ａ−ＳｉＣ：Ｈ 超格子において、障壁層を鋸歯状のポ
テンシャル構造とした傾斜超格子構造のＡＰＤが示され
ている。このＡＰＤについて、図１１（ａ）〜（ｃ）を
参照しながら説明する。傾斜超格子構造のＡＰＤは、図
１１（ａ）に示すように、ｎ型単結晶Ｓｉ基板４０１上
に、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ４０２、光吸収層とキャリア増倍
層を兼ねた傾斜超格子層４０５、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ４０
６、ｐ型半導体層４０７、Ａｕからなる透明電極４０８
を積層して構成されている。前記傾斜超格子層４０５
は、井戸層となるｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層４０４と、障壁層
となるｉ型ａ−Ｓｉ1-xＣx：Ｈ（x＝０〜１）層４０３
とを交互に６層積み重ねた構造から構成されている。
【００１１】図１１（ｂ）は、上記ＡＰＤ素子の電圧無
印加時のバンド構造を模式的に示した図である。障壁層
となるｉ型ａ−Ｓｉ1-xＣx：Ｈ（x＝０〜１）層４０３
を着膜する際に、ａ−Ｓｉ1-xＣx：Ｈ層組成比をx＝０
〜１の間で連続的に変化させることにより、鋸歯状にバ
ンド構造が変化した傾斜超格子とすることができる。
印加時のバンド構造を模式的に示した図である。障壁層
となるｉ型ａ−Ｓｉ1-xＣx：Ｈ（x＝０〜１）層４０３
を着膜する際に、ａ−Ｓｉ1-xＣx：Ｈ層組成比をx＝０
〜１の間で連続的に変化させることにより、鋸歯状にバ
ンド構造が変化した傾斜超格子とすることができる。
【００１２】図１１（ｃ）は、上記ＡＰＤ素子の逆バイ
アス印加時のバンド構造を模式的に示した図である。ア
バランシェ増倍の機構は、基本的には前述の図１０に示
した超格子ＡＰＤと同じであるが、この素子の場合、電
子の走行方向に対してヘテロ接合部において電子に対す
るエネルギー障壁が存在しないため、井戸層４０４から
障壁層４０３に入る時にエネルギーが失われる電子のク
ーリング（cooling）や、井戸層４０４への電子の蓄積
が生じて外部に信号として取り出されないことを防止
し、より一層の高感度化及び低雑音化を図ることができ
る。
アス印加時のバンド構造を模式的に示した図である。ア
バランシェ増倍の機構は、基本的には前述の図１０に示
した超格子ＡＰＤと同じであるが、この素子の場合、電
子の走行方向に対してヘテロ接合部において電子に対す
るエネルギー障壁が存在しないため、井戸層４０４から
障壁層４０３に入る時にエネルギーが失われる電子のク
ーリング（cooling）や、井戸層４０４への電子の蓄積
が生じて外部に信号として取り出されないことを防止
し、より一層の高感度化及び低雑音化を図ることができ
る。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】上述した非晶質Ｓｉ系
半導体による超格子構造を用いたＡＰＤは、格子定数不
整合の問題がないため自由なバンド構造を実現でき、可
視光に対して高感度、高ＳＮ比、さらには低電圧駆動可
能なＡＰＤを得ることができるが、その一方で次のよう
な問題点が存在する。
半導体による超格子構造を用いたＡＰＤは、格子定数不
整合の問題がないため自由なバンド構造を実現でき、可
視光に対して高感度、高ＳＮ比、さらには低電圧駆動可
能なＡＰＤを得ることができるが、その一方で次のよう
な問題点が存在する。
【００１４】先ず、上述した非晶質Ｓｉ系半導体による
超格子ＡＰＤでは、伝導帯のバンド不連続量が約０．３
４ｅＶであり、井戸層であるｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈの禁制帯
幅Ｅg＝１．７０ｅＶに比べると小さい。そのため、必
ずしもヘテロ接合部においてイオン化が生じず、低雑音
化に対する効果が不十分である。また、高いイオン化率
を得るには、ある程度の電界をキャリア増倍層に加える
必要があるため低電圧駆動が困難であり、キャリア増倍
層への高電界の印加は暗電流の増大や、電界による正孔
のイオン化のためＳＮ比の低下という問題を併発させ
る。
超格子ＡＰＤでは、伝導帯のバンド不連続量が約０．３
４ｅＶであり、井戸層であるｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈの禁制帯
幅Ｅg＝１．７０ｅＶに比べると小さい。そのため、必
ずしもヘテロ接合部においてイオン化が生じず、低雑音
化に対する効果が不十分である。また、高いイオン化率
を得るには、ある程度の電界をキャリア増倍層に加える
必要があるため低電圧駆動が困難であり、キャリア増倍
層への高電界の印加は暗電流の増大や、電界による正孔
のイオン化のためＳＮ比の低下という問題を併発させ
る。
【００１５】また、非晶質Ｓｉ系半導体による超格子Ａ
ＰＤによると、超格子層３０６、４０５は光吸収層とキ
ャリア増倍層とを兼ねているので、キャリア増倍層で入
射光が吸収されフォトキャリア（電子／正孔対）を発生
する場合、生成されたフォトキャリアの増倍率は吸収の
生じた場所により異なり、光吸収層に近い場所で生じた
フォトキャリアほど、キャリア増倍層の走行距離が長く
なり大きな増倍を受ける。一般に入射光の波長が短いほ
ど表面近傍で吸収されるため、短波長の光に対しては増
倍率が大きくなり、長波長の光に対しては増倍率は小さ
くなる、という入射光の波長による増倍率の変動が生じ
る。また、低雑音化をはかるには、増倍する一方のキャ
リアのみをキャリア増倍層に注入することが望ましく、
キャリア増倍層で生じたフォトキャリアはＳＮ比を低下
させる原因となる。
ＰＤによると、超格子層３０６、４０５は光吸収層とキ
ャリア増倍層とを兼ねているので、キャリア増倍層で入
射光が吸収されフォトキャリア（電子／正孔対）を発生
する場合、生成されたフォトキャリアの増倍率は吸収の
生じた場所により異なり、光吸収層に近い場所で生じた
フォトキャリアほど、キャリア増倍層の走行距離が長く
なり大きな増倍を受ける。一般に入射光の波長が短いほ
ど表面近傍で吸収されるため、短波長の光に対しては増
倍率が大きくなり、長波長の光に対しては増倍率は小さ
くなる、という入射光の波長による増倍率の変動が生じ
る。また、低雑音化をはかるには、増倍する一方のキャ
リアのみをキャリア増倍層に注入することが望ましく、
キャリア増倍層で生じたフォトキャリアはＳＮ比を低下
させる原因となる。
【００１６】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、低電圧駆動を可能としながらも高感度且つ低雑音で
あり、特に可視光に対して高感度、低雑音であり、ま
た、入射光の波長による増倍率の変動が少ない半導体受
光素子を提供することを目的としている。
で、低電圧駆動を可能としながらも高感度且つ低雑音で
あり、特に可視光に対して高感度、低雑音であり、ま
た、入射光の波長による増倍率の変動が少ない半導体受
光素子を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、少なくとも一方が透明な２つの電極間に、非
単結晶性材料で構成され光を吸収しフォトキャリアを発
生する光吸収層と、非単結晶性材料で構成され前記光吸
収層で発生したフォトキャリアを増倍するキャリア増倍
層と、を有する半導体受光素子であって、次の構成を含
む。前記キャリア増倍層は、非単結晶性のＺｎxＣｄ1-x
Ｍ（０≦x≦１、ＭはＳ，Ｓｅ及びＴｅから選ばれた１
つ）から成り、前記ＺｎxＣｄ1-x Ｍのxの値を変化させ
た組成比が異なる複数の層を有する膜を、積層して成る
多層膜で構成されている。
本発明は、少なくとも一方が透明な２つの電極間に、非
単結晶性材料で構成され光を吸収しフォトキャリアを発
生する光吸収層と、非単結晶性材料で構成され前記光吸
収層で発生したフォトキャリアを増倍するキャリア増倍
層と、を有する半導体受光素子であって、次の構成を含
む。前記キャリア増倍層は、非単結晶性のＺｎxＣｄ1-x
Ｍ（０≦x≦１、ＭはＳ，Ｓｅ及びＴｅから選ばれた１
つ）から成り、前記ＺｎxＣｄ1-x Ｍのxの値を変化させ
た組成比が異なる複数の層を有する膜を、積層して成る
多層膜で構成されている。
【００１８】本発明の半導体受光素子によれば、非単結
晶性のＺｎxＣｄ1-xＭ（０≦x≦１、ＭはＳ，Ｓｅ及びＴ
ｅから選ばれた１つ）の組成比が異なる複数の層を有す
る膜を積層して成る多層膜からキャリア増倍層を構成し
ているので、禁制帯幅Ｅgに対して伝導帯のバンド不連
続量ΔＥcを大きくすることができ、電子によるイオン
化率を大きくし、イオン化の生じる場所を特定して高感
度化及び低雑音化を図り、更に低電圧駆動を可能とす
る。
晶性のＺｎxＣｄ1-xＭ（０≦x≦１、ＭはＳ，Ｓｅ及びＴ
ｅから選ばれた１つ）の組成比が異なる複数の層を有す
る膜を積層して成る多層膜からキャリア増倍層を構成し
ているので、禁制帯幅Ｅgに対して伝導帯のバンド不連
続量ΔＥcを大きくすることができ、電子によるイオン
化率を大きくし、イオン化の生じる場所を特定して高感
度化及び低雑音化を図り、更に低電圧駆動を可能とす
る。
【００１９】また、キャリア増倍層の禁制帯幅が光吸収
層の禁制帯幅に比べて広いため、キャリア増倍層でのフ
ォトキャリアの発生がなく、入射光の波長による増倍率
の変動が少なく、低雑音な半導体受光素子とすることが
できる。
層の禁制帯幅に比べて広いため、キャリア増倍層でのフ
ォトキャリアの発生がなく、入射光の波長による増倍率
の変動が少なく、低雑音な半導体受光素子とすることが
できる。
【００２０】また、光吸収層とキャリア増倍層との接合
部において、可視光に高感度となる光吸収層に対してキ
ャリア増倍層のエネルギーバンドを下方に位置させるこ
とができ、前記接合部において電子に対するエネルギー
障壁が存在しないため、この部分における電子のクーリ
ングや蓄積を防止し、高感度化及び低雑音化が図れる。
部において、可視光に高感度となる光吸収層に対してキ
ャリア増倍層のエネルギーバンドを下方に位置させるこ
とができ、前記接合部において電子に対するエネルギー
障壁が存在しないため、この部分における電子のクーリ
ングや蓄積を防止し、高感度化及び低雑音化が図れる。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明による半導体受光素子の実
施の形態の一例について、その構造およびバンド構造を
図１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。図１
（ａ）は本発明の半導体受光素子の構造を示す断面図で
あり、図１（ｂ）は半導体受光素子の電圧無印加時のバ
ンド構造を模式的に示した図であり、図１（ｃ）は半導
体受光素子の逆バイアス印加時のバンド構造を模式的に
示した図である。本発明による半導体受光素子は、基板
１０１上に、透明電極１０２、電荷注入阻止層となるｐ
型半導体層１０３、光吸収層１０４、キャリア増倍層１
０６、電荷注入阻止層となるｎ型半導体層１０７、電極
１０８をそれぞれ電気的に接続して構成されている。
施の形態の一例について、その構造およびバンド構造を
図１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。図１
（ａ）は本発明の半導体受光素子の構造を示す断面図で
あり、図１（ｂ）は半導体受光素子の電圧無印加時のバ
ンド構造を模式的に示した図であり、図１（ｃ）は半導
体受光素子の逆バイアス印加時のバンド構造を模式的に
示した図である。本発明による半導体受光素子は、基板
１０１上に、透明電極１０２、電荷注入阻止層となるｐ
型半導体層１０３、光吸収層１０４、キャリア増倍層１
０６、電荷注入阻止層となるｎ型半導体層１０７、電極
１０８をそれぞれ電気的に接続して構成されている。
【００２２】キャリア増倍層１０６は、非単結晶性Ｚｎ
xＣｄ1-xＳ層１０５を複数層重ねた多層膜で構成され、
各ＺｎxＣｄ1-xＳ層１０５を着膜する際にＺｎxＣｄ1-x
Ｓの組成比を連続的に変化させて（０≦x≦１）、エネ
ルギーバンドが周期的に変化する超格子を構成してい
る。各ＺｎxＣｄ1-xＳ層１０５は、ＺｎxＣｄ1-xＳの組
成比を光吸収層１０４側においてx＝０、ｎ型半導体層
１０７側においてx＝１とすることにより、光吸収層１
０４側の端部がＣｄＳ膜、ｎ型半導体層１０７側の端部
がＺｎＳ膜となり、図１（ｂ）において右上がりに上昇
するエネルギーバンドを形成し、キャリア増倍層１０６
のヘテロ接合部におけるバンド不連続量はΔＥc＝０．
８９ｅＶとなる。また、キャリア増倍層１０６の禁制帯
幅は、Ｅg＝２．５３（ＣｄＳ膜）〜３．５４（ＺｎＳ
膜）ｅＶとなる。
xＣｄ1-xＳ層１０５を複数層重ねた多層膜で構成され、
各ＺｎxＣｄ1-xＳ層１０５を着膜する際にＺｎxＣｄ1-x
Ｓの組成比を連続的に変化させて（０≦x≦１）、エネ
ルギーバンドが周期的に変化する超格子を構成してい
る。各ＺｎxＣｄ1-xＳ層１０５は、ＺｎxＣｄ1-xＳの組
成比を光吸収層１０４側においてx＝０、ｎ型半導体層
１０７側においてx＝１とすることにより、光吸収層１
０４側の端部がＣｄＳ膜、ｎ型半導体層１０７側の端部
がＺｎＳ膜となり、図１（ｂ）において右上がりに上昇
するエネルギーバンドを形成し、キャリア増倍層１０６
のヘテロ接合部におけるバンド不連続量はΔＥc＝０．
８９ｅＶとなる。また、キャリア増倍層１０６の禁制帯
幅は、Ｅg＝２．５３（ＣｄＳ膜）〜３．５４（ＺｎＳ
膜）ｅＶとなる。
【００２３】前記光吸収層１０４は、多結晶性材料、非
晶質材料あるいは微結晶性材料である非単結晶性材料で
構成され、例えば可視光に対して高感度を有するａ−Ｓ
ｉ膜で形成されている。非単結晶性材料で光吸収層１０
４とキャリア増倍層１０６を構成することにより、上記
半導体受光素子を格子不整合の問題のない超格子ＡＰＤ
とすることができる。
晶質材料あるいは微結晶性材料である非単結晶性材料で
構成され、例えば可視光に対して高感度を有するａ−Ｓ
ｉ膜で形成されている。非単結晶性材料で光吸収層１０
４とキャリア増倍層１０６を構成することにより、上記
半導体受光素子を格子不整合の問題のない超格子ＡＰＤ
とすることができる。
【００２４】次に、本発明による半導体受光素子による
作用について説明する。アバランシェ増倍機構の動作原
理は、従来例の非晶質Ｓｉ系半導体による超格子ＡＰＤ
と同様であり、光吸収層１０４で発生したフォトキャリ
アのうち、電子は超格子構造を有するキャリア増倍層１
０６に入り、超格子構造における伝導帯のバンド不連続
によりイオン化のエネルギーを受け、アバランシェ増倍
される。この際に、上記半導体受光素子の構造によれ
ば、非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳ超格子をキャリア増倍層
１０６としているので、キャリア増倍層１０６のヘテロ
接合部におけるバンド不連続量がΔＥc＝０．８９ｅＶ
であり、ヘテロ接合部で大きなイオン化のエネルギーを
受けるため、大きな増倍効果が得られ高感度特性が得ら
れる。また、イオン化の生じる場所をヘテロ接合部に特
定できるため、低過剰雑音特性が得られる。さらに、高
電界のアシストを必要としないため低電圧駆動が可能と
なる。
作用について説明する。アバランシェ増倍機構の動作原
理は、従来例の非晶質Ｓｉ系半導体による超格子ＡＰＤ
と同様であり、光吸収層１０４で発生したフォトキャリ
アのうち、電子は超格子構造を有するキャリア増倍層１
０６に入り、超格子構造における伝導帯のバンド不連続
によりイオン化のエネルギーを受け、アバランシェ増倍
される。この際に、上記半導体受光素子の構造によれ
ば、非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳ超格子をキャリア増倍層
１０６としているので、キャリア増倍層１０６のヘテロ
接合部におけるバンド不連続量がΔＥc＝０．８９ｅＶ
であり、ヘテロ接合部で大きなイオン化のエネルギーを
受けるため、大きな増倍効果が得られ高感度特性が得ら
れる。また、イオン化の生じる場所をヘテロ接合部に特
定できるため、低過剰雑音特性が得られる。さらに、高
電界のアシストを必要としないため低電圧駆動が可能と
なる。
【００２５】また、従来例で示した非晶質Ｓｉ系半導体
による超格子ＡＰＤは暗電流が大きいという問題を有し
ていた。暗電流の原因としては、電極から注入されるキ
ャリア、素子内部で欠陥準位、ヘテロ接合部における界
面準位などを介して熱的に発生するキャリアなどが挙げ
られるが、本質的には禁制帯幅の大きさに依存し、禁制
帯幅が大きいほど熱的に発生するキャリアは少なくな
る。しかしながら、非晶質Ｓｉ系半導体超格子ＡＰＤ
は、暗電流を抑制するに十分な禁制帯幅を有していな
い。
による超格子ＡＰＤは暗電流が大きいという問題を有し
ていた。暗電流の原因としては、電極から注入されるキ
ャリア、素子内部で欠陥準位、ヘテロ接合部における界
面準位などを介して熱的に発生するキャリアなどが挙げ
られるが、本質的には禁制帯幅の大きさに依存し、禁制
帯幅が大きいほど熱的に発生するキャリアは少なくな
る。しかしながら、非晶質Ｓｉ系半導体超格子ＡＰＤ
は、暗電流を抑制するに十分な禁制帯幅を有していな
い。
【００２６】これに対して上記半導体受光素子の構造に
よれば、非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳ超格子でキャリア増
倍層１０６を形成しているので、キャリア増倍層１０６
の禁制帯幅をＥg＝２．５３〜３．５４ｅＶと大きくす
ることができ、熱的に発生するキャリアが少なく暗電流
を抑制することができる。また、キャリア増倍層１０６
の禁制帯幅をＥg＝２．５３〜３．５４ｅＶとすること
により、キャリア増倍層１０６においては可視光に対し
ての感度がなく可視光による光吸収が生じない。したが
って、可視光による光吸収は専ら光吸収層１０４で行れ
るため、キャリア増倍層１０６での入射光波長による増
倍率の変動がなく、高ＳＮ比が得られる。
よれば、非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳ超格子でキャリア増
倍層１０６を形成しているので、キャリア増倍層１０６
の禁制帯幅をＥg＝２．５３〜３．５４ｅＶと大きくす
ることができ、熱的に発生するキャリアが少なく暗電流
を抑制することができる。また、キャリア増倍層１０６
の禁制帯幅をＥg＝２．５３〜３．５４ｅＶとすること
により、キャリア増倍層１０６においては可視光に対し
ての感度がなく可視光による光吸収が生じない。したが
って、可視光による光吸収は専ら光吸収層１０４で行れ
るため、キャリア増倍層１０６での入射光波長による増
倍率の変動がなく、高ＳＮ比が得られる。
【００２７】また、上記半導体受光素子ではキャリア増
倍層１０６として非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳ超格子を使
用したが、キャリア増倍層１０６として、非単結晶性Ｚ
ｎxＣｄ1-xＳｅ層を複数層重ねた多層膜で構成し、各Ｚ
ｎxＣｄ1-xＳｅ層を着膜する際にＺｎxＣｄ1-xＳｅの組
成比を連続的に変化させて（０≦x≦１）、エネルギー
バンドが周期的に変化する超格子を用いることによって
も、キャリア増倍層１０６のヘテロ接合部におけるバン
ド不連続量をΔＥc＝０．８６ｅＶと大きな値にするこ
とができる。また、キャリア増倍層１０６として、非単
結晶性ＺｎxＣｄ1-xＴｅ層を複数層重ねた多層膜で構成
し、各ＺｎxＣｄ1-xＴｅ層を着膜する際にＺｎxＣｄ1-x
Ｔｅの組成比を連続的に変化させて（０≦x≦１）、エ
ネルギーバンドが周期的に変化する超格子を用いること
によっても、キャリア増倍層１０６のヘテロ接合部にお
けるバンド不連続量をΔＥc＝０．７５ｅＶと大きな値
にすることができる。
倍層１０６として非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳ超格子を使
用したが、キャリア増倍層１０６として、非単結晶性Ｚ
ｎxＣｄ1-xＳｅ層を複数層重ねた多層膜で構成し、各Ｚ
ｎxＣｄ1-xＳｅ層を着膜する際にＺｎxＣｄ1-xＳｅの組
成比を連続的に変化させて（０≦x≦１）、エネルギー
バンドが周期的に変化する超格子を用いることによって
も、キャリア増倍層１０６のヘテロ接合部におけるバン
ド不連続量をΔＥc＝０．８６ｅＶと大きな値にするこ
とができる。また、キャリア増倍層１０６として、非単
結晶性ＺｎxＣｄ1-xＴｅ層を複数層重ねた多層膜で構成
し、各ＺｎxＣｄ1-xＴｅ層を着膜する際にＺｎxＣｄ1-x
Ｔｅの組成比を連続的に変化させて（０≦x≦１）、エ
ネルギーバンドが周期的に変化する超格子を用いること
によっても、キャリア増倍層１０６のヘテロ接合部にお
けるバンド不連続量をΔＥc＝０．７５ｅＶと大きな値
にすることができる。
【００２８】したがって、非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳｅ
超格子または非単結晶性ＺｎxＣｄ1 -xＴｅをキャリア増
倍層とした半導体受光素子においても、バンド不連続量
を大きくできるので（ΔＥc＝０．８６ｅＶ、ΔＥc＝
０．７５ｅＶ）、ヘテロ接合部で大きなイオン化のエネ
ルギーを受けるため、大きな増倍効果が得られ高感度特
性が得られる。また、イオン化の生じる場所をヘテロ接
合部に特定できるため、低過剰雑音特性が得られる。さ
らに、高電界のアシストを必要としないため低電圧駆動
が可能となる。
超格子または非単結晶性ＺｎxＣｄ1 -xＴｅをキャリア増
倍層とした半導体受光素子においても、バンド不連続量
を大きくできるので（ΔＥc＝０．８６ｅＶ、ΔＥc＝
０．７５ｅＶ）、ヘテロ接合部で大きなイオン化のエネ
ルギーを受けるため、大きな増倍効果が得られ高感度特
性が得られる。また、イオン化の生じる場所をヘテロ接
合部に特定できるため、低過剰雑音特性が得られる。さ
らに、高電界のアシストを必要としないため低電圧駆動
が可能となる。
【００２９】半導体受光素子のキャリア増倍層１０６と
して、非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳ超格子、非単結晶性Ｚ
ｎxＣｄ1-xＳｅ超格子、非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＴｅ超
格子をそれぞれ用いた場合において、キャリア増倍層の
ヘテロ接合部におけるバンド不連続量ΔＥc、キャリア
増倍層の禁制帯Ｅgの値について、図１１に示した非晶
質Ｓｉ系半導体による超格子構造のＡＰＤ（井戸層の材
料はｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ）との比較を表１に示す。非単結
晶性ＺｎxＣｄ1-xＳｅ超格子において、xを０≦x≦１と
連続的に変化させた場合のキャリア増倍層の禁制帯Ｅg
は１．７０（ＣｄＳｅ膜）〜２．６７（ＺｎＳｅ膜）ｅ
Ｖとなる。非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＴｅ超格子におい
て、xを０≦x≦１と連続的に変化させた場合のキャリア
増倍層の禁制帯Ｅgは１．５３（ＣｄＴｅ膜）〜２．２
５（ＺｎＴｅ膜）ｅＶとなる。
して、非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳ超格子、非単結晶性Ｚ
ｎxＣｄ1-xＳｅ超格子、非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＴｅ超
格子をそれぞれ用いた場合において、キャリア増倍層の
ヘテロ接合部におけるバンド不連続量ΔＥc、キャリア
増倍層の禁制帯Ｅgの値について、図１１に示した非晶
質Ｓｉ系半導体による超格子構造のＡＰＤ（井戸層の材
料はｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ）との比較を表１に示す。非単結
晶性ＺｎxＣｄ1-xＳｅ超格子において、xを０≦x≦１と
連続的に変化させた場合のキャリア増倍層の禁制帯Ｅg
は１．７０（ＣｄＳｅ膜）〜２．６７（ＺｎＳｅ膜）ｅ
Ｖとなる。非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＴｅ超格子におい
て、xを０≦x≦１と連続的に変化させた場合のキャリア
増倍層の禁制帯Ｅgは１．５３（ＣｄＴｅ膜）〜２．２
５（ＺｎＴｅ膜）ｅＶとなる。
【００３０】
【表１】 表１ Ｓ Ｓｅ Ｔｅ 従来例 ΔＥc ０．８９ ０．８６ ０．７５ ０．３４ Ｅg 2.53〜3.54 1.70〜2.67 1.53〜2.25 １．７０
【００３１】また、可視光に高感度なａ−Ｓｉ膜で形成
された光吸収層１０４に対して、キャリア増倍層１０６
を非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳ超格子、非単結晶性Ｚｎx
Ｃｄ1 -xＳｅ超格子、非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＴｅ超格
子で形成することにより、光吸収層１０４とキャリア増
倍層１０６との接合部において、光吸収層１０４に対し
てキャリア増倍層１０６の伝導帯のエネルギーバンドを
下方に位置させることができる。すなわち、光吸収層１
０４をａ−Ｓｉとした場合に対するそれぞれのバンドオ
フセットは、キャリア増倍層がＺｎＣｄＳの場合には
０．７４ｅＶ、ＺｎＣｄＳｅの場合には０．９０ｅＶ、
ＺｎＣｄＴｅの場合には０．２３ｅＶとなる。したがっ
て、光吸収層１０４とキャリア増倍層１０６との接合部
において電子に対するエネルギー障壁が存在しないた
め、この部分における電子のクーリングや蓄積を防止
し、高感度化及び低雑音化が図れる。
された光吸収層１０４に対して、キャリア増倍層１０６
を非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳ超格子、非単結晶性Ｚｎx
Ｃｄ1 -xＳｅ超格子、非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＴｅ超格
子で形成することにより、光吸収層１０４とキャリア増
倍層１０６との接合部において、光吸収層１０４に対し
てキャリア増倍層１０６の伝導帯のエネルギーバンドを
下方に位置させることができる。すなわち、光吸収層１
０４をａ−Ｓｉとした場合に対するそれぞれのバンドオ
フセットは、キャリア増倍層がＺｎＣｄＳの場合には
０．７４ｅＶ、ＺｎＣｄＳｅの場合には０．９０ｅＶ、
ＺｎＣｄＴｅの場合には０．２３ｅＶとなる。したがっ
て、光吸収層１０４とキャリア増倍層１０６との接合部
において電子に対するエネルギー障壁が存在しないた
め、この部分における電子のクーリングや蓄積を防止
し、高感度化及び低雑音化が図れる。
【００３２】尚、キャリア増倍層１０６を形成するのに
非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＭ（Ｍ＝Ｓ,Ｓｅ,Ｔｅ）を用い
て超格子を形成する例を述べたが、超格子のようにエネ
ルギーバンドが周期的に変化する構造としなくても、ア
バランシェ増倍が発生するようなバンド不連続量ΔＥc
を有するように組成比を異ならせた多層膜を形成すれば
よい。
非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＭ（Ｍ＝Ｓ,Ｓｅ,Ｔｅ）を用い
て超格子を形成する例を述べたが、超格子のようにエネ
ルギーバンドが周期的に変化する構造としなくても、ア
バランシェ増倍が発生するようなバンド不連続量ΔＥc
を有するように組成比を異ならせた多層膜を形成すれば
よい。
【００３３】
【実施例】次に、本発明による半導体受光素子の具体的
な実施例について説明する。 （実施例１）図２は第１の実施例にかかる半導体受光素
子を示すもので、（ａ）はその断面図、（ｂ）は電圧無
印加時のバンド構造の模式図、（ｃ）は逆バイアス印加
時のバンド構造の模式図である。この半導体受光素子
は、ガラス基板１１１上に、クロム（Ｃｒ）からなる電
極１１２、超格子層によるキャリア増倍層１１５、ｉ型
ａ−Ｓｉ：Ｈからなる光吸収層１１６、ＩＴＯからなる
透明電極１１７を積層して構成されている。キャリア増
倍層１１５は、ＺｎＳからなる障壁層１１３、ＣｄＳか
らなる井戸層１１４を交互に同一の厚膜に積層し、周期
的なバンド構造を有する超格子層を形成している。
な実施例について説明する。 （実施例１）図２は第１の実施例にかかる半導体受光素
子を示すもので、（ａ）はその断面図、（ｂ）は電圧無
印加時のバンド構造の模式図、（ｃ）は逆バイアス印加
時のバンド構造の模式図である。この半導体受光素子
は、ガラス基板１１１上に、クロム（Ｃｒ）からなる電
極１１２、超格子層によるキャリア増倍層１１５、ｉ型
ａ−Ｓｉ：Ｈからなる光吸収層１１６、ＩＴＯからなる
透明電極１１７を積層して構成されている。キャリア増
倍層１１５は、ＺｎＳからなる障壁層１１３、ＣｄＳか
らなる井戸層１１４を交互に同一の厚膜に積層し、周期
的なバンド構造を有する超格子層を形成している。
【００３４】上記半導体受光素子は次のようにして作製
する。先ず、ガラス基板１１１上に、スパッタ法により
Ｃｒ電極１１２を形成する。次に、ＺｎＳおよびＣｄＳ
をターゲットに用いた２元スパッタ法により多結晶性Ｚ
ｎＳからなる障壁層１１３を１〜１００ｎｍ、多結晶性
ＣｄＳからなる井戸層１１４を１〜１００ｎｍを交互に
連続成膜し、３〜１００層の超格子層を形成してキャリ
ア増倍層１１５を形成する。次いで、プラズマＣＶＤ法
によりＳｉＨ4を原料ガスとし、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈを
１．１μｍの膜厚に着膜して光吸収層１１６を形成す
る。最後に、スパッタ法によりＩＴＯを６０ｎｍの膜厚
に着膜して透明電極１１７を形成する。
する。先ず、ガラス基板１１１上に、スパッタ法により
Ｃｒ電極１１２を形成する。次に、ＺｎＳおよびＣｄＳ
をターゲットに用いた２元スパッタ法により多結晶性Ｚ
ｎＳからなる障壁層１１３を１〜１００ｎｍ、多結晶性
ＣｄＳからなる井戸層１１４を１〜１００ｎｍを交互に
連続成膜し、３〜１００層の超格子層を形成してキャリ
ア増倍層１１５を形成する。次いで、プラズマＣＶＤ法
によりＳｉＨ4を原料ガスとし、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈを
１．１μｍの膜厚に着膜して光吸収層１１６を形成す
る。最後に、スパッタ法によりＩＴＯを６０ｎｍの膜厚
に着膜して透明電極１１７を形成する。
【００３５】前記電極１１２の材料としては、Ｔａ，Ｔ
ｉ，Ｍｏ，Ａｌ，ＩＴＯなどを用いてもよく、透明電極
１１７の材料としてはＳｎＯ2やＡｕ，Ｃｒ，Ｐｄなど
の半透明金属を用いてもよい。また、光吸収層１１６と
しては、可視光に対して感度を有する非単結晶性材料が
適用でき、例えばpoly−Ｓｉ，μｃ−Ｓｉ，ａ−Ｓｉ
Ｃ：Ｈ，ａ−ＳｉＧｅ：Ｈなど、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｈ
の中の少なくとも１種以上の材料とＳｉとの化合物から
なる非単結晶性材料を用い、またこれらの膜を積層して
用いてもよい。非単結晶性材料を用いるのは、格子定数
不整合の問題を回避するためである。さらに、障壁層１
１３および井戸層１１４を形成する材料は、ＺｎxＣｄ
1-xＳ（x＝０〜１）の中から、障壁層１１３と井戸層１
１４の伝導帯のバンド不連続量が大きく、価電子帯のバ
ンド不連続量が小さくなるような任意のxの値を用い
る。
ｉ，Ｍｏ，Ａｌ，ＩＴＯなどを用いてもよく、透明電極
１１７の材料としてはＳｎＯ2やＡｕ，Ｃｒ，Ｐｄなど
の半透明金属を用いてもよい。また、光吸収層１１６と
しては、可視光に対して感度を有する非単結晶性材料が
適用でき、例えばpoly−Ｓｉ，μｃ−Ｓｉ，ａ−Ｓｉ
Ｃ：Ｈ，ａ−ＳｉＧｅ：Ｈなど、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｈ
の中の少なくとも１種以上の材料とＳｉとの化合物から
なる非単結晶性材料を用い、またこれらの膜を積層して
用いてもよい。非単結晶性材料を用いるのは、格子定数
不整合の問題を回避するためである。さらに、障壁層１
１３および井戸層１１４を形成する材料は、ＺｎxＣｄ
1-xＳ（x＝０〜１）の中から、障壁層１１３と井戸層１
１４の伝導帯のバンド不連続量が大きく、価電子帯のバ
ンド不連続量が小さくなるような任意のxの値を用い
る。
【００３６】上記半導体受光素子の構造によれば、電圧
無印加時および逆バイアス印加時のバンド構造は、それ
ぞれ図２（ｂ）および（ｃ）に示すようになる。キャリ
ア増倍層１１５の禁制帯幅Ｅgは、ＣｄＳから成る井戸
層１１４のＥgが２．５３ｅＶ、ＺｎＳから成る障壁層
１１３のＥgが３．５４ｅＶであり、禁制帯幅が大きい
ため熱的に発生するキャリアを抑制でき、暗電流を低く
することができる。また、キャリア増倍層１１５におい
ては、波長４００〜７００ｎｍの可視光はほとんど吸収
しないため、フォトキャリアの生成がなく、入射光の波
長による増倍率の変動およびＳＮ比の低下がない。ま
た、キャリア増倍層１１５のヘテロ接合部におけるバン
ド不連続量は、伝導帯側がΔＥc＝０．８９ｅＶ、価電
子帯側はΔＥv＝０．１２ｅＶであり、ΔＥcが大きくΔ
Ｅvが小さいため、電子はアバランシェ増倍を生じる
が、正孔のアバランシェ増倍は生じず高いＳＮ比が得ら
れる。さらにΔＥcが大きいためヘテロ接合部で確実に
イオン化を起こすことが可能となり、イオン化の発生場
所を特定することにより増倍率のゆらぎを抑制でき低雑
音特性が得られる。
無印加時および逆バイアス印加時のバンド構造は、それ
ぞれ図２（ｂ）および（ｃ）に示すようになる。キャリ
ア増倍層１１５の禁制帯幅Ｅgは、ＣｄＳから成る井戸
層１１４のＥgが２．５３ｅＶ、ＺｎＳから成る障壁層
１１３のＥgが３．５４ｅＶであり、禁制帯幅が大きい
ため熱的に発生するキャリアを抑制でき、暗電流を低く
することができる。また、キャリア増倍層１１５におい
ては、波長４００〜７００ｎｍの可視光はほとんど吸収
しないため、フォトキャリアの生成がなく、入射光の波
長による増倍率の変動およびＳＮ比の低下がない。ま
た、キャリア増倍層１１５のヘテロ接合部におけるバン
ド不連続量は、伝導帯側がΔＥc＝０．８９ｅＶ、価電
子帯側はΔＥv＝０．１２ｅＶであり、ΔＥcが大きくΔ
Ｅvが小さいため、電子はアバランシェ増倍を生じる
が、正孔のアバランシェ増倍は生じず高いＳＮ比が得ら
れる。さらにΔＥcが大きいためヘテロ接合部で確実に
イオン化を起こすことが可能となり、イオン化の発生場
所を特定することにより増倍率のゆらぎを抑制でき低雑
音特性が得られる。
【００３７】また、キャリア増倍層１１５を非単結晶性
ＺｎxＣｄ1-xＳ超格子で形成することにより、可視光に
対して感度を有する非単結晶性材料で形成された光吸収
層１１６に対するキャリア増倍層１１５（井戸層１１
４）の伝導帯のバンドオフセットを０．７４ｅＶとする
ことができ、光吸収層１１６とキャリア増倍層１１５と
の接合部において、光吸収層１１６に対してキャリア増
倍層１１５のエネルギーバンドを下方に位置させて電子
に対するエネルギー障壁を存在させないため、この部分
における電子のクーリングや蓄積を防止し、高感度化及
び低雑音化が図れる。
ＺｎxＣｄ1-xＳ超格子で形成することにより、可視光に
対して感度を有する非単結晶性材料で形成された光吸収
層１１６に対するキャリア増倍層１１５（井戸層１１
４）の伝導帯のバンドオフセットを０．７４ｅＶとする
ことができ、光吸収層１１６とキャリア増倍層１１５と
の接合部において、光吸収層１１６に対してキャリア増
倍層１１５のエネルギーバンドを下方に位置させて電子
に対するエネルギー障壁を存在させないため、この部分
における電子のクーリングや蓄積を防止し、高感度化及
び低雑音化が図れる。
【００３８】本実施例では、ガラス基板１１１、電極１
１２、キャリア増倍層１１５、光吸収層１１６、透明電
極１１７の順に積層する構造を示したが、これに限定さ
れるものではなく、基板、電極、光吸収層、キャリア増
倍層、透明電極の順に積層する構造や、基板に透光性基
板を用いて、透光性基板、透明電極、光吸収層、キャリ
ア増倍層、電極の順に積層する構造、あるいは透光性基
板、透明電極、キャリア増倍層、光吸収層、電極の順に
積層する構造でもよく、これらの構造においても同様な
効果が得られる。
１２、キャリア増倍層１１５、光吸収層１１６、透明電
極１１７の順に積層する構造を示したが、これに限定さ
れるものではなく、基板、電極、光吸収層、キャリア増
倍層、透明電極の順に積層する構造や、基板に透光性基
板を用いて、透光性基板、透明電極、光吸収層、キャリ
ア増倍層、電極の順に積層する構造、あるいは透光性基
板、透明電極、キャリア増倍層、光吸収層、電極の順に
積層する構造でもよく、これらの構造においても同様な
効果が得られる。
【００３９】（実施例２）図３は第２の実施例にかかる
半導体受光素子を示すもので、（ａ）はその断面図、
（ｂ）は電圧無印加時のバンド構造の模式図、（ｃ）は
逆バイアス印加時のバンド構造の模式図である。この半
導体受光素子は、ガラス基板１２１上に、クロム（Ｃ
ｒ）からなる電極１２２、超格子層によるキャリア増倍
層１２６、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる光吸収層１２７、
ＩＴＯからなる透明電極１２８を積層して構成されてい
る。キャリア増倍層１２６は、ＺｎＳ層１２３、Ｚｎ
0.5Ｃｄ0.5Ｓ層１２４、ＣｄＳ層１２５を積層して成る
層を複数層重ねることにより、周期的なバンド構造を有
する超格子層を形成している。
半導体受光素子を示すもので、（ａ）はその断面図、
（ｂ）は電圧無印加時のバンド構造の模式図、（ｃ）は
逆バイアス印加時のバンド構造の模式図である。この半
導体受光素子は、ガラス基板１２１上に、クロム（Ｃ
ｒ）からなる電極１２２、超格子層によるキャリア増倍
層１２６、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる光吸収層１２７、
ＩＴＯからなる透明電極１２８を積層して構成されてい
る。キャリア増倍層１２６は、ＺｎＳ層１２３、Ｚｎ
0.5Ｃｄ0.5Ｓ層１２４、ＣｄＳ層１２５を積層して成る
層を複数層重ねることにより、周期的なバンド構造を有
する超格子層を形成している。
【００４０】上記半導体受光素子は次のようにして作製
する。先ず、ガラス基板１２１上に、スパッタ法により
Ｃｒ電極１２２を形成する。次に、ＺｎＳおよびＣｄＳ
をターゲットに用いた２元スパッタ法により多結晶性Ｚ
ｎＳ層１２３を１〜１００ｎｍ、多結晶性Ｚｎ0.5Ｃｄ
0.5Ｓ層１２４を１〜１００ｎｍ、多結晶性ＣｄＳ層１
２５を１〜１００ｎｍを連続成膜し、３〜１００層の超
格子層を形成してキャリア増倍層１２６を形成する。次
いで、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4を原料ガスと
し、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈを１．１μｍの膜厚に着膜した光
吸収層１２７形成する。最後に、スパッタ法によりＩＴ
Ｏを６０ｎｍの膜厚に着膜して透明電極１２８を形成す
る。
する。先ず、ガラス基板１２１上に、スパッタ法により
Ｃｒ電極１２２を形成する。次に、ＺｎＳおよびＣｄＳ
をターゲットに用いた２元スパッタ法により多結晶性Ｚ
ｎＳ層１２３を１〜１００ｎｍ、多結晶性Ｚｎ0.5Ｃｄ
0.5Ｓ層１２４を１〜１００ｎｍ、多結晶性ＣｄＳ層１
２５を１〜１００ｎｍを連続成膜し、３〜１００層の超
格子層を形成してキャリア増倍層１２６を形成する。次
いで、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4を原料ガスと
し、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈを１．１μｍの膜厚に着膜した光
吸収層１２７形成する。最後に、スパッタ法によりＩＴ
Ｏを６０ｎｍの膜厚に着膜して透明電極１２８を形成す
る。
【００４１】上記半導体受光素子の構造によれば、電圧
無印加時および逆バイアス印加時のバンド構造は、それ
ぞれ図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、キャリア増
倍層１２６における伝導帯を階段状のポテンシャル構造
とすることができる。実施例１（図２）に示した超格子
構造においては、井戸層１１４から障壁層１１３に電子
が通過するためには、ヘテロ接合部におけるエネルギー
障壁以上の運動エネルギーを電子が有する必要がある。
この運動エネルギーは外部電界から受けることになる
が、電界により加速され半導体中を走行する電子は熱振
動する格子原子と衝突して散乱され、電子の運動エネル
ギーは格子振動として格子に与えられ電子の運動エネル
ギーは失われる。電界強度が大きくなると加速された電
子が格子原子と衝突する頻度が増加するため、電界強度
を大きくしても電子のもつ運動エネルギーは格子原子と
の散乱で抑えられ、電子の平均的な運動エネルギーは飽
和し一定となる。
無印加時および逆バイアス印加時のバンド構造は、それ
ぞれ図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、キャリア増
倍層１２６における伝導帯を階段状のポテンシャル構造
とすることができる。実施例１（図２）に示した超格子
構造においては、井戸層１１４から障壁層１１３に電子
が通過するためには、ヘテロ接合部におけるエネルギー
障壁以上の運動エネルギーを電子が有する必要がある。
この運動エネルギーは外部電界から受けることになる
が、電界により加速され半導体中を走行する電子は熱振
動する格子原子と衝突して散乱され、電子の運動エネル
ギーは格子振動として格子に与えられ電子の運動エネル
ギーは失われる。電界強度が大きくなると加速された電
子が格子原子と衝突する頻度が増加するため、電界強度
を大きくしても電子のもつ運動エネルギーは格子原子と
の散乱で抑えられ、電子の平均的な運動エネルギーは飽
和し一定となる。
【００４２】一方、実施例２（図３）では、キャリア増
倍層１２６における伝導帯を階段状のポテンシャル構造
とし、各段差部における電子のエネルギー障壁の大きさ
を、上述した外部電界により得られる平均的な電子の運
動エネルギーより小さくすることにより、大多数の電子
がヘテロ接合部のエネルギー障壁を通過することを可能
としたものであり、実施例１の場合に比べて電子による
アバランシェ増倍を効率よく起こさせることができる。
倍層１２６における伝導帯を階段状のポテンシャル構造
とし、各段差部における電子のエネルギー障壁の大きさ
を、上述した外部電界により得られる平均的な電子の運
動エネルギーより小さくすることにより、大多数の電子
がヘテロ接合部のエネルギー障壁を通過することを可能
としたものであり、実施例１の場合に比べて電子による
アバランシェ増倍を効率よく起こさせることができる。
【００４３】（実施例３）図４は第３の実施例にかかる
半導体受光素子を示すもので、（ａ）はその断面図、
（ｂ）は電圧無印加時のバンド構造の模式図、（ｃ）は
逆バイアス印加時のバンド構造の模式図である。この半
導体受光素子は、ガラス基板１３１上に、クロム（Ｃ
ｒ）からなる電極１３２、超格子層によるキャリア増倍
層１３４、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる光吸収層１３５、
ＩＴＯからなる透明電極１３６を積層して構成されてい
る。キャリア増倍層１３４は、xの値をx＝０〜１と連続
的に変化させたＺｎxＣｄ1-xＳ層１３３を複数層重ねる
ことにより、周期的なバンド構造を有する超格子層を形
成している。
半導体受光素子を示すもので、（ａ）はその断面図、
（ｂ）は電圧無印加時のバンド構造の模式図、（ｃ）は
逆バイアス印加時のバンド構造の模式図である。この半
導体受光素子は、ガラス基板１３１上に、クロム（Ｃ
ｒ）からなる電極１３２、超格子層によるキャリア増倍
層１３４、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる光吸収層１３５、
ＩＴＯからなる透明電極１３６を積層して構成されてい
る。キャリア増倍層１３４は、xの値をx＝０〜１と連続
的に変化させたＺｎxＣｄ1-xＳ層１３３を複数層重ねる
ことにより、周期的なバンド構造を有する超格子層を形
成している。
【００４４】上記半導体受光素子は次のようにして作製
する。先ず、ガラス基板１３１上に、スパッタ法により
Ｃｒ電極１３２を形成する。次に、多元ＥＢ蒸着法によ
りＺｎＳ、ＣｄＳ、Ｓを蒸着源とし、ＺｎＳおよびＣｄ
Ｓの蒸着速度を制御することにより、その組成がx＝１
（ＺｎＳ）からx＝０（ＣｄＳ）へと連続的に変化する
ような非晶質ＺｎxＣｄ1-xＳ層１３３を１０〜１００ｎ
ｍ成膜し、これを繰り返し３〜１００層の超格子層を形
成してキャリア増倍層１３４を形成する。次いで、プラ
ズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4を原料ガスとし、ｉ型ａ−
Ｓｉ：Ｈを１．１μｍの膜厚に着膜して光吸収層１３５
を形成する。最後に、スパッタ法によりＩＴＯを６０ｎ
ｍの膜厚に着膜して透明電極１３６を形成する。
する。先ず、ガラス基板１３１上に、スパッタ法により
Ｃｒ電極１３２を形成する。次に、多元ＥＢ蒸着法によ
りＺｎＳ、ＣｄＳ、Ｓを蒸着源とし、ＺｎＳおよびＣｄ
Ｓの蒸着速度を制御することにより、その組成がx＝１
（ＺｎＳ）からx＝０（ＣｄＳ）へと連続的に変化する
ような非晶質ＺｎxＣｄ1-xＳ層１３３を１０〜１００ｎ
ｍ成膜し、これを繰り返し３〜１００層の超格子層を形
成してキャリア増倍層１３４を形成する。次いで、プラ
ズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4を原料ガスとし、ｉ型ａ−
Ｓｉ：Ｈを１．１μｍの膜厚に着膜して光吸収層１３５
を形成する。最後に、スパッタ法によりＩＴＯを６０ｎ
ｍの膜厚に着膜して透明電極１３６を形成する。
【００４５】上記半導体受光素子の構造によれば、電圧
無印加時および逆バイアス印加時のバンド構造は、それ
ぞれ図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、キャリア増
倍層１３４の伝導帯を鋸歯状のポテンシャル構造とする
ことができる。その結果、電子の走行方向に対してヘテ
ロ接合部においてのエネルギー障壁を無くすことがで
き、実施例２（図３）に比べてさらに効率よく電子によ
るアバランシェ増倍を起こさせることができる。
無印加時および逆バイアス印加時のバンド構造は、それ
ぞれ図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、キャリア増
倍層１３４の伝導帯を鋸歯状のポテンシャル構造とする
ことができる。その結果、電子の走行方向に対してヘテ
ロ接合部においてのエネルギー障壁を無くすことがで
き、実施例２（図３）に比べてさらに効率よく電子によ
るアバランシェ増倍を起こさせることができる。
【００４６】（実施例４）図５は第４の実施例にかかる
半導体受光素子の断面図であり、ガラス基板１４１上
に、ＩＴＯからなる透明電極１４２、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ
からなる光吸収層１４３、ａ−ＳｉＮx：Ｈからなる緩
衝層１４４、超格子層によるキャリア増倍層１４７、Ａ
ｌからなる電極１４８を積層して構成されている。キャ
リア増倍層１４７は、ＣｄＳからなる井戸層１４５とＺ
ｎＳからなる障壁層１４６と交互に積層した層を複数重
ねて構成されている。
半導体受光素子の断面図であり、ガラス基板１４１上
に、ＩＴＯからなる透明電極１４２、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ
からなる光吸収層１４３、ａ−ＳｉＮx：Ｈからなる緩
衝層１４４、超格子層によるキャリア増倍層１４７、Ａ
ｌからなる電極１４８を積層して構成されている。キャ
リア増倍層１４７は、ＣｄＳからなる井戸層１４５とＺ
ｎＳからなる障壁層１４６と交互に積層した層を複数重
ねて構成されている。
【００４７】上記半導体受光素子は次のようにして作製
する。先ず、ガラス基板１４１上に、スパッタ法により
ＩＴＯを６０ｎｍの膜厚に着膜して透明電極１４２を形
成する。次に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4を原料
ガスとし、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈを１．１μｍの膜厚に着膜
して光吸収層１４３を形成する。次に、プラズマＣＶＤ
法によりＳｉＨ4、ＮＨ３を原料ガスとし、ａ−ＳｉＮx
を５０ｎｍの膜厚に着膜して緩衝層１４４を形成する。
次いで、ＺｎＳおよびＣｄＳをターゲットに用いた２元
スパッタ法により多結晶性ＺｎＳからなる障壁層１４６
を１〜１００ｎｍ、多結晶性ＣｄＳからなる井戸層１４
５を１〜１００ｎｍを連続成膜し、３〜１００層の超格
子層を形成してキャリア増倍層１４７を形成する。最後
に、スパッタ法によりＡｌを５００ｎｍの膜厚に着膜し
て電極１４８を形成する。
する。先ず、ガラス基板１４１上に、スパッタ法により
ＩＴＯを６０ｎｍの膜厚に着膜して透明電極１４２を形
成する。次に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4を原料
ガスとし、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈを１．１μｍの膜厚に着膜
して光吸収層１４３を形成する。次に、プラズマＣＶＤ
法によりＳｉＨ4、ＮＨ３を原料ガスとし、ａ−ＳｉＮx
を５０ｎｍの膜厚に着膜して緩衝層１４４を形成する。
次いで、ＺｎＳおよびＣｄＳをターゲットに用いた２元
スパッタ法により多結晶性ＺｎＳからなる障壁層１４６
を１〜１００ｎｍ、多結晶性ＣｄＳからなる井戸層１４
５を１〜１００ｎｍを連続成膜し、３〜１００層の超格
子層を形成してキャリア増倍層１４７を形成する。最後
に、スパッタ法によりＡｌを５００ｎｍの膜厚に着膜し
て電極１４８を形成する。
【００４８】上記半導体受光素子の構造によれば、緩衝
層１４４の存在により、光吸収層１４３とキャリア増倍
層１４７のヘテロ接合部における界面準位を低減し、光
吸収層１４３で発生したフォトキャリアを効率よくキャ
リア増倍層１４７に注入できるため感度が向上する。ま
た、界面準位に起因する熱的キャリアの発生が減少し、
暗電流を抑制することができる。さらに、光吸収層１４
３とキャリア増倍層１４７の界面における相互拡散が抑
制でき、経時変化による劣化がおさえられ信頼性が向上
する。
層１４４の存在により、光吸収層１４３とキャリア増倍
層１４７のヘテロ接合部における界面準位を低減し、光
吸収層１４３で発生したフォトキャリアを効率よくキャ
リア増倍層１４７に注入できるため感度が向上する。ま
た、界面準位に起因する熱的キャリアの発生が減少し、
暗電流を抑制することができる。さらに、光吸収層１４
３とキャリア増倍層１４７の界面における相互拡散が抑
制でき、経時変化による劣化がおさえられ信頼性が向上
する。
【００４９】緩衝層１４４を構成する材料としては、光
吸収層１４３である非単結晶性Ｓｉ系半導体およびキャ
リア増倍層１４７である非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳとの
界面準位が少なく、拡散係数の低い材料が望ましく、
Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｈの中の少なくとも１種以上の材料とＳｉ
との化合物からなる非単結晶性材料、例えば、ａ−Ｓｉ
Ｎx：Ｈ、ａ−ＳｉＯx：Ｈ、ａ−ＳｉＯＮx：Ｈ、Ｚｎ
Ｏなどが挙げられる。
吸収層１４３である非単結晶性Ｓｉ系半導体およびキャ
リア増倍層１４７である非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳとの
界面準位が少なく、拡散係数の低い材料が望ましく、
Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｈの中の少なくとも１種以上の材料とＳｉ
との化合物からなる非単結晶性材料、例えば、ａ−Ｓｉ
Ｎx：Ｈ、ａ−ＳｉＯx：Ｈ、ａ−ＳｉＯＮx：Ｈ、Ｚｎ
Ｏなどが挙げられる。
【００５０】また、緩衝層１４４の厚さが薄いと上述し
た効果が十分に得られず、厚すぎると光吸収層１４３と
緩衝層１４４の界面にフォトキャリアが蓄積され、キャ
リア増倍層１４７に注入されないという問題を生じるの
で、緩衝層１４４の膜厚としては５〜１００ｎｍがよ
く、上記効果を十分に発揮させるためには、膜厚１０〜
５０ｎｍであることが望ましい。
た効果が十分に得られず、厚すぎると光吸収層１４３と
緩衝層１４４の界面にフォトキャリアが蓄積され、キャ
リア増倍層１４７に注入されないという問題を生じるの
で、緩衝層１４４の膜厚としては５〜１００ｎｍがよ
く、上記効果を十分に発揮させるためには、膜厚１０〜
５０ｎｍであることが望ましい。
【００５１】（実施例５）図６は第５の実施例にかかる
半導体受光素子を示すもので、（ａ）はその断面図、
（ｂ）は逆バイアス印加時のバンド構造の模式図であ
る。この半導体受光素子は、ガラス基板１５１上に、Ｉ
ＴＯからなる透明電極１５２、ｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈから
なる電荷注入阻止層１５３、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる
光吸収層１５４、超格子層から構成されるキャリア増倍
層１５７、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる電荷注入阻止層１
５８、Ａｌからなる電極１５９を積層して構成されてい
る。キャリア増倍層１５７は、ＣｄＳからなる井戸層１
５５、ＺｎＳからなる障壁層１５６を交互に積層した層
を複数重ねることにより、周期的なバンド構造を有する
超格子層を形成している。
半導体受光素子を示すもので、（ａ）はその断面図、
（ｂ）は逆バイアス印加時のバンド構造の模式図であ
る。この半導体受光素子は、ガラス基板１５１上に、Ｉ
ＴＯからなる透明電極１５２、ｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈから
なる電荷注入阻止層１５３、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる
光吸収層１５４、超格子層から構成されるキャリア増倍
層１５７、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる電荷注入阻止層１
５８、Ａｌからなる電極１５９を積層して構成されてい
る。キャリア増倍層１５７は、ＣｄＳからなる井戸層１
５５、ＺｎＳからなる障壁層１５６を交互に積層した層
を複数重ねることにより、周期的なバンド構造を有する
超格子層を形成している。
【００５２】上記半導体受光素子は次のようにして作製
する。先ず、ガラス基板１５１上に、スパッタ法により
ＩＴＯを１００ｎｍの膜厚に着膜して透明電極１５２を
形成する。次に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4、Ｃ
Ｈ4、Ｂ2Ｈ6を原料ガスとし、ｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈを５
０ｎｍの膜厚に着膜して電荷注入阻止層１５３を形成す
る。次に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4を原料ガス
としｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる光吸収層１５４を１．５
μｍ形成する。次いで、ＺｎＳおよびＣｄＳをターゲッ
トに用いた２元スパッタ法により多結晶性ＺｎＳからな
る障壁層１５６を１〜１００ｎｍ、多単結晶性ＣｄＳか
らなる井戸層１５５を１〜１００ｎｍを連続成膜し、３
〜１００層の超格子層を形成してキャリア増倍層１５７
を形成する。次いで、プラズマＣＶＤ法によりＳｉ
Ｈ4、ＰＨ3を原料ガスとし、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈを５０ｎ
ｍの膜厚に着膜して電荷注入阻止層１５８を形成する。
最後に、スパッタ法によりＡｌを５００ｎｍの膜厚に着
膜して電極１５９を形成する。
する。先ず、ガラス基板１５１上に、スパッタ法により
ＩＴＯを１００ｎｍの膜厚に着膜して透明電極１５２を
形成する。次に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4、Ｃ
Ｈ4、Ｂ2Ｈ6を原料ガスとし、ｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈを５
０ｎｍの膜厚に着膜して電荷注入阻止層１５３を形成す
る。次に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4を原料ガス
としｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる光吸収層１５４を１．５
μｍ形成する。次いで、ＺｎＳおよびＣｄＳをターゲッ
トに用いた２元スパッタ法により多結晶性ＺｎＳからな
る障壁層１５６を１〜１００ｎｍ、多単結晶性ＣｄＳか
らなる井戸層１５５を１〜１００ｎｍを連続成膜し、３
〜１００層の超格子層を形成してキャリア増倍層１５７
を形成する。次いで、プラズマＣＶＤ法によりＳｉ
Ｈ4、ＰＨ3を原料ガスとし、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈを５０ｎ
ｍの膜厚に着膜して電荷注入阻止層１５８を形成する。
最後に、スパッタ法によりＡｌを５００ｎｍの膜厚に着
膜して電極１５９を形成する。
【００５３】上記半導体受光素子の構造によれば、逆バ
イアス印加時のバンド構造は図６（ｂ）に示すような
り、電荷注入阻止層１５３の存在により透明電極１５２
から光吸収層１５４への電子の注入、電荷注入阻止層１
５８の存在により電極１５９からキャリア増倍１５７へ
の正孔の注入がぞれぞれ阻止されることにより、暗電流
の低減、高ＳＮ比が得られる。上記電荷注入阻止層は、
いずれか一方のみを形成した場合でも、電子あるいは正
孔の注入を阻止できるため、暗電流の低減、高ＳＮ比に
対する効果が得られるが、より一層の暗電流の低減、高
ＳＮ比を実現するには電子注入阻止層としての電荷注入
阻止層１５３、正孔注入阻止層としての電荷注入阻止層
１５８をともに設けたほうが好ましい。
イアス印加時のバンド構造は図６（ｂ）に示すような
り、電荷注入阻止層１５３の存在により透明電極１５２
から光吸収層１５４への電子の注入、電荷注入阻止層１
５８の存在により電極１５９からキャリア増倍１５７へ
の正孔の注入がぞれぞれ阻止されることにより、暗電流
の低減、高ＳＮ比が得られる。上記電荷注入阻止層は、
いずれか一方のみを形成した場合でも、電子あるいは正
孔の注入を阻止できるため、暗電流の低減、高ＳＮ比に
対する効果が得られるが、より一層の暗電流の低減、高
ＳＮ比を実現するには電子注入阻止層としての電荷注入
阻止層１５３、正孔注入阻止層としての電荷注入阻止層
１５８をともに設けたほうが好ましい。
【００５４】電荷注入阻止層１５３を形成する材料とし
ては、ｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈの他にｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈなど
ｐ型の導電性を示す非単結晶性材料が使用できるが、光
吸収層１５４に効率よく光を吸収させるためには光吸収
層１５４より禁制帯幅の広い材料を用いるのが好まし
い。電荷注入阻止層１５８を形成する材料としては、ｎ
型ａ−Ｓｉ：Ｈの他にｎ型ａ−ＳｉＣ：Ｈ、ｎ型ａ−Ｓ
ｉＧｅ：Ｈなどｎ型の導電性を示す非単結晶性材料や非
単結晶性ＣｅＯ2などが使用できる。
ては、ｐ型ａ−ＳｉＣ：Ｈの他にｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈなど
ｐ型の導電性を示す非単結晶性材料が使用できるが、光
吸収層１５４に効率よく光を吸収させるためには光吸収
層１５４より禁制帯幅の広い材料を用いるのが好まし
い。電荷注入阻止層１５８を形成する材料としては、ｎ
型ａ−Ｓｉ：Ｈの他にｎ型ａ−ＳｉＣ：Ｈ、ｎ型ａ−Ｓ
ｉＧｅ：Ｈなどｎ型の導電性を示す非単結晶性材料や非
単結晶性ＣｅＯ2などが使用できる。
【００５５】（実施例６）図７は第６の実施例にかかる
半導体受光素子を示すもので、（ａ）はその断面図、
（ｂ）は電圧無印加時のバンド構造の模式図である。こ
の半導体受光素子は、ガラス基板１６１上に、ＩＴＯか
らなる透明電極１６２、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる光吸
収層１６３、超格子層から構成されるキャリア増倍層１
６６、Ａｌからなる電極１６７を積層して構成されてい
る。キャリア増倍層１６６は、ＣｄＳｅからなる井戸層
１６４、ＺｎＳｅからなる障壁層１６５とを交互に積層
した膜を複数重ねることにより、周期的なバンド構造を
有する超格子層を形成している。
半導体受光素子を示すもので、（ａ）はその断面図、
（ｂ）は電圧無印加時のバンド構造の模式図である。こ
の半導体受光素子は、ガラス基板１６１上に、ＩＴＯか
らなる透明電極１６２、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈからなる光吸
収層１６３、超格子層から構成されるキャリア増倍層１
６６、Ａｌからなる電極１６７を積層して構成されてい
る。キャリア増倍層１６６は、ＣｄＳｅからなる井戸層
１６４、ＺｎＳｅからなる障壁層１６５とを交互に積層
した膜を複数重ねることにより、周期的なバンド構造を
有する超格子層を形成している。
【００５６】上記半導体受光素子は次のようにして作製
する。先ず、ガラス基板１６１上に、スパッタ法により
ＩＴＯを６０ｎｍの膜厚に着膜して透明電極１６２を形
成する。次に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4を原料
ガスとし、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈを１．１μｍの膜厚に着膜
して光吸収層１６３を形成する。次いで、ＺｎＳｅおよ
びＣｄＳｅをターゲットに用いた２元スパッタ法により
多結晶性ＺｎＳｅからなる障壁層１６５を１〜１００ｎ
ｍ、多結晶性ＣｄＳｅからなる井戸層１６４を１〜１０
０ｎｍを連続成膜し、３〜１００層の超格子層を形成し
てキャリア増倍層１６６を形成する。最後に、スパッタ
法によりＡｌを５００ｎｍの膜厚に着膜してる電極１６
７を形成する。
する。先ず、ガラス基板１６１上に、スパッタ法により
ＩＴＯを６０ｎｍの膜厚に着膜して透明電極１６２を形
成する。次に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＨ4を原料
ガスとし、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈを１．１μｍの膜厚に着膜
して光吸収層１６３を形成する。次いで、ＺｎＳｅおよ
びＣｄＳｅをターゲットに用いた２元スパッタ法により
多結晶性ＺｎＳｅからなる障壁層１６５を１〜１００ｎ
ｍ、多結晶性ＣｄＳｅからなる井戸層１６４を１〜１０
０ｎｍを連続成膜し、３〜１００層の超格子層を形成し
てキャリア増倍層１６６を形成する。最後に、スパッタ
法によりＡｌを５００ｎｍの膜厚に着膜してる電極１６
７を形成する。
【００５７】上記半導体受光素子の構造によれば、電圧
無印加時のバンド構造は図７（ｂ）に示すように、ヘテ
ロ接合部におけるバンド不連続量は伝導帯側でΔＥc＝
０．８６ｅＶとなる。これは、井戸層１６４であるＣｄ
Ｓｅの禁制帯幅Ｅg＝１．７０ｅＶに対して大きな値で
あり、ヘテロ接合部において電子が受けるエネルギーの
割合は、上述した実施例１（図２）の半導体受光素子に
比べると大きく、その結果、大きな増倍効果すなわち高
感度化を実現することができる。一方、価電子帯におけ
るバンド不連続量はΔＥv＝０．０７ｅＶと小さいた
め、正孔のアバランシェ増倍は生じず実施例１の半導体
受光素子と同様に高いＳＮ比が得られる。
無印加時のバンド構造は図７（ｂ）に示すように、ヘテ
ロ接合部におけるバンド不連続量は伝導帯側でΔＥc＝
０．８６ｅＶとなる。これは、井戸層１６４であるＣｄ
Ｓｅの禁制帯幅Ｅg＝１．７０ｅＶに対して大きな値で
あり、ヘテロ接合部において電子が受けるエネルギーの
割合は、上述した実施例１（図２）の半導体受光素子に
比べると大きく、その結果、大きな増倍効果すなわち高
感度化を実現することができる。一方、価電子帯におけ
るバンド不連続量はΔＥv＝０．０７ｅＶと小さいた
め、正孔のアバランシェ増倍は生じず実施例１の半導体
受光素子と同様に高いＳＮ比が得られる。
【００５８】本実施例の半導体受光素子においては、キ
ャリア増倍層１６６を構成するＣｄＳｅの禁制帯幅がＥ
g＝１．７４ｅＶであり、光吸収層１６３を構成するｉ
型ａ−Ｓｉ：Ｈの禁制帯幅Ｅg＝１．７０ｅＶと概略等
しいため、キャリア増倍層１６６側から光を入射した場
合には、キャリア増倍層１６６においても可視光に対し
て光吸収を生じフォトキャリアを発生するので、電極１
６７、キャリア増倍層１６６、光吸収層１６３、透明電
極１６２の順に積層し、光吸収層１６３側から光を入射
させる構造であることが好ましい。
ャリア増倍層１６６を構成するＣｄＳｅの禁制帯幅がＥ
g＝１．７４ｅＶであり、光吸収層１６３を構成するｉ
型ａ−Ｓｉ：Ｈの禁制帯幅Ｅg＝１．７０ｅＶと概略等
しいため、キャリア増倍層１６６側から光を入射した場
合には、キャリア増倍層１６６においても可視光に対し
て光吸収を生じフォトキャリアを発生するので、電極１
６７、キャリア増倍層１６６、光吸収層１６３、透明電
極１６２の順に積層し、光吸収層１６３側から光を入射
させる構造であることが好ましい。
【００５９】なお、ここではキャリア増倍層１６６のバ
ンド構造が単純な超格子構造とした場合について示した
が、非晶質ＺｎxＣｄ1-xＳｅの組成比を変化させること
により、実施例２（図３）で示した階段状のポテンシャ
ル、実施例３（図４）で示した鋸歯状のポテンシャルと
することも可能であり、その場合には実施例２、３に記
述したのと同様の効果が得られる。また、実施例４（図
５）で示した緩衝層、実施例５（図６）で示した電荷注
入阻止層を適用することも可能であり、その場合には実
施例４、５に記述したのと同様の効果が得られる。
ンド構造が単純な超格子構造とした場合について示した
が、非晶質ＺｎxＣｄ1-xＳｅの組成比を変化させること
により、実施例２（図３）で示した階段状のポテンシャ
ル、実施例３（図４）で示した鋸歯状のポテンシャルと
することも可能であり、その場合には実施例２、３に記
述したのと同様の効果が得られる。また、実施例４（図
５）で示した緩衝層、実施例５（図６）で示した電荷注
入阻止層を適用することも可能であり、その場合には実
施例４、５に記述したのと同様の効果が得られる。
【００６０】（実施例７）図８は第７の実施例にかかる
半導体受光素子を示すもので、（ａ）はその断面図、
（ｂ）は電圧無印加時のバンド構造の模式図である。こ
の半導体受光素子は、ガラス基板１７１上に、ＩＴＯ電
極１７２、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ光吸収層１７３、超格子層
から構成されるキャリア増倍層１７６、Ａｌからなる電
極１７７を積層して構成されている。キャリア増倍層１
７６は、ＣｄＴｅからなる井戸層１７４、ＺｎＴｅから
なる障壁層１７５とを交互に積層した膜を複数重ねるこ
とにより、周期的なバンド構造を有する超格子層を形成
している。すなわち、井戸層１７４及び障壁層１７５の
材料以外は、実施例６と同じ構成である。
半導体受光素子を示すもので、（ａ）はその断面図、
（ｂ）は電圧無印加時のバンド構造の模式図である。こ
の半導体受光素子は、ガラス基板１７１上に、ＩＴＯ電
極１７２、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ光吸収層１７３、超格子層
から構成されるキャリア増倍層１７６、Ａｌからなる電
極１７７を積層して構成されている。キャリア増倍層１
７６は、ＣｄＴｅからなる井戸層１７４、ＺｎＴｅから
なる障壁層１７５とを交互に積層した膜を複数重ねるこ
とにより、周期的なバンド構造を有する超格子層を形成
している。すなわち、井戸層１７４及び障壁層１７５の
材料以外は、実施例６と同じ構成である。
【００６１】上記半導体受光素子の構造によれば、電圧
無印加時のバンド構造は図８（ｂ）に示すように、ヘテ
ロ接合部におけるバンド不連続量は伝導帯側でΔＥc＝
０．７５ｅＶとなる。これは井戸層１７４であるＣｄＴ
ｅの禁制帯幅Ｅg＝１．５３ｅＶに対して大きな値であ
り、ヘテロ接合部において電子が受けるエネルギーの割
合は、実施例６（図７）の場合と同様に実施例１（図
２）の半導体受光素子に比べると大きく、従って、大き
な増倍効果すなわち高感度化が実現できる。一方、価電
子帯におけるバンド不連続量はΔＥv＝０．０３ｅＶと
小さいため、正孔のアバランシェ増倍は生じず実施例１
と同様に高いＳＮ比が得られる。
無印加時のバンド構造は図８（ｂ）に示すように、ヘテ
ロ接合部におけるバンド不連続量は伝導帯側でΔＥc＝
０．７５ｅＶとなる。これは井戸層１７４であるＣｄＴ
ｅの禁制帯幅Ｅg＝１．５３ｅＶに対して大きな値であ
り、ヘテロ接合部において電子が受けるエネルギーの割
合は、実施例６（図７）の場合と同様に実施例１（図
２）の半導体受光素子に比べると大きく、従って、大き
な増倍効果すなわち高感度化が実現できる。一方、価電
子帯におけるバンド不連続量はΔＥv＝０．０３ｅＶと
小さいため、正孔のアバランシェ増倍は生じず実施例１
と同様に高いＳＮ比が得られる。
【００６２】本実施例における半導体受光素子において
は、キャリア増倍層１７６の禁制帯幅が光吸収層１７３
の禁制帯幅に比べて小さいため、実施例６に述べたのと
同様に電極１７７、キャリア増倍層１７６、光吸収層１
７３、透明電極１７２の順に積層し、光吸収層１７３側
から光を入射させる構造が好ましい。また、実施例６に
述べたのと同様に、キャリア増倍層１７６の超格子の構
造を階段状のポテンシャル、鋸歯状のポテンシャルとす
ること、緩衝層、電荷注入阻止層を設けることにより、
実施例２、３、４、５に記載の効果が得られる。
は、キャリア増倍層１７６の禁制帯幅が光吸収層１７３
の禁制帯幅に比べて小さいため、実施例６に述べたのと
同様に電極１７７、キャリア増倍層１７６、光吸収層１
７３、透明電極１７２の順に積層し、光吸収層１７３側
から光を入射させる構造が好ましい。また、実施例６に
述べたのと同様に、キャリア増倍層１７６の超格子の構
造を階段状のポテンシャル、鋸歯状のポテンシャルとす
ること、緩衝層、電荷注入阻止層を設けることにより、
実施例２、３、４、５に記載の効果が得られる。
【００６３】
【発明の効果】本発明の半導体受光素子によれば、xを
変化させた非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳから成り組成比が
異なる複数の層を有する膜を積層した多層膜でキャリア
増倍層を形成することにより、伝導帯のバンド不連続量
が大きく価電子帯のバンド不連続量が小さいエネルギー
バンド構造を得ることができ、高感度、低雑音、低電圧
駆動可能となる。また、キャリア増倍層の禁制帯幅が大
きいため、暗電流が低く、キャリア増倍層でのフォトキ
ャリアの発生がなく入射光の波長による増倍率の変動が
少ない低雑音な半導体受光素子が得られる。
変化させた非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳから成り組成比が
異なる複数の層を有する膜を積層した多層膜でキャリア
増倍層を形成することにより、伝導帯のバンド不連続量
が大きく価電子帯のバンド不連続量が小さいエネルギー
バンド構造を得ることができ、高感度、低雑音、低電圧
駆動可能となる。また、キャリア増倍層の禁制帯幅が大
きいため、暗電流が低く、キャリア増倍層でのフォトキ
ャリアの発生がなく入射光の波長による増倍率の変動が
少ない低雑音な半導体受光素子が得られる。
【００６４】また、本発明の半導体受光素子によれば、
xを変化させた非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳｅまたは非単
結晶性ＺｎxＣｄ1-xＴｅから成り組成比が異なる複数の
層を有する膜を積層した多層膜でキャリア増倍層を形成
することにより、伝導帯のバンド不連続量が大きく価電
子帯のバンド不連続量が小さいエネルギーバンド構造を
得ることができ、高感度、低雑音、低電圧駆動可能な半
導体受光素子とすることができる。
xを変化させた非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳｅまたは非単
結晶性ＺｎxＣｄ1-xＴｅから成り組成比が異なる複数の
層を有する膜を積層した多層膜でキャリア増倍層を形成
することにより、伝導帯のバンド不連続量が大きく価電
子帯のバンド不連続量が小さいエネルギーバンド構造を
得ることができ、高感度、低雑音、低電圧駆動可能な半
導体受光素子とすることができる。
【図１】 （ａ）は本発明の半導体受光素子の概略構造
を示す断面説明図、（ｂ）はこの半導体受光素子の電圧
無印加時のバンド構造を示すエネルギー帯図、（ｃ）は
この半導体受光素子の逆バイアス印加時のバンド構造を
示すエネルギー帯図である。
を示す断面説明図、（ｂ）はこの半導体受光素子の電圧
無印加時のバンド構造を示すエネルギー帯図、（ｃ）は
この半導体受光素子の逆バイアス印加時のバンド構造を
示すエネルギー帯図である。
【図２】 （ａ）は第１の実施例に係る半導体受光素子
の概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの半導
体受光素子の電圧無印加時のバンド構造を示すエネルギ
ー帯図、（ｃ）はこの半導体受光素子の逆バイアス印加
時のバンド構造を示すエネルギー帯図である。
の概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの半導
体受光素子の電圧無印加時のバンド構造を示すエネルギ
ー帯図、（ｃ）はこの半導体受光素子の逆バイアス印加
時のバンド構造を示すエネルギー帯図である。
【図３】 （ａ）は第２の実施例に係る半導体受光素子
の概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの半導
体受光素子の電圧無印加時のバンド構造を示すエネルギ
ー帯図、（ｃ）はこの半導体受光素子の逆バイアス印加
時のバンド構造を示すエネルギー帯図である。
の概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの半導
体受光素子の電圧無印加時のバンド構造を示すエネルギ
ー帯図、（ｃ）はこの半導体受光素子の逆バイアス印加
時のバンド構造を示すエネルギー帯図である。
【図４】 （ａ）は第３の実施例に係る半導体受光素子
の概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの半導
体受光素子の電圧無印加時のバンド構造を示すエネルギ
ー帯図、（ｃ）はこの半導体受光素子の逆バイアス印加
時のバンド構造を示すエネルギー帯図である。
の概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの半導
体受光素子の電圧無印加時のバンド構造を示すエネルギ
ー帯図、（ｃ）はこの半導体受光素子の逆バイアス印加
時のバンド構造を示すエネルギー帯図である。
【図５】 第４の実施例に係る半導体受光素子の概略構
造を示す断面説明図である。
造を示す断面説明図である。
【図６】 （ａ）は第５の実施例に係る半導体受光素子
の概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの半導
体受光素子の逆バイアス印加時のバンド構造を示すエネ
ルギー帯図である。
の概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの半導
体受光素子の逆バイアス印加時のバンド構造を示すエネ
ルギー帯図である。
【図７】 （ａ）は第６の実施例に係る半導体受光素子
の概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの半導
体受光素子の電圧無印加時のバンド構造を示すエネルギ
ー帯図である。
の概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの半導
体受光素子の電圧無印加時のバンド構造を示すエネルギ
ー帯図である。
【図８】 （ａ）は第７の実施例に係る半導体受光素子
の概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの半導
体受光素子の電圧無印加時のバンド構造を示すエネルギ
ー帯図である。
の概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの半導
体受光素子の電圧無印加時のバンド構造を示すエネルギ
ー帯図である。
【図９】 （ａ）は従来の単結晶Ｓｉ ＡＰＤの概略構
造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの単結晶Ｓｉ
ＡＰＤの逆バイアス印加時のバンド構造を示すエネルギ
ー帯図である。
造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの単結晶Ｓｉ
ＡＰＤの逆バイアス印加時のバンド構造を示すエネルギ
ー帯図である。
【図１０】（ａ）は従来の非晶質Ｓｉ系超格子ＡＰＤの
概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの非晶質
Ｓｉ系超格子ＡＰＤの電圧無印加時のバンド構造を示す
エネルギー帯図、（ｃ）はこの非晶質Ｓｉ系超格子ＡＰ
Ｄの逆バイアス印加時のバンド構造を示すエネルギー帯
図である。
概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの非晶質
Ｓｉ系超格子ＡＰＤの電圧無印加時のバンド構造を示す
エネルギー帯図、（ｃ）はこの非晶質Ｓｉ系超格子ＡＰ
Ｄの逆バイアス印加時のバンド構造を示すエネルギー帯
図である。
【図１１】（ａ）は従来の非晶質Ｓｉ系傾斜超格子ＡＰ
Ｄの概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの非
晶質Ｓｉ系傾斜超格子ＡＰＤの電圧無印加時のバンド構
造を示すエネルギー帯図、（ｃ）はこの非晶質Ｓｉ系傾
斜超格子ＡＰＤの逆バイアス印加時のバンド構造を示す
エネルギー帯図である。
Ｄの概略構造を示す断面説明図であり、（ｂ）はこの非
晶質Ｓｉ系傾斜超格子ＡＰＤの電圧無印加時のバンド構
造を示すエネルギー帯図、（ｃ）はこの非晶質Ｓｉ系傾
斜超格子ＡＰＤの逆バイアス印加時のバンド構造を示す
エネルギー帯図である。
１０１…基板、 １０２…透明電極１０２、 １０３…
ｐ型半導体層（電荷注入阻止層）、 １０４…光吸収層
１０４、 １０５…非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳ層、 １
０６…キャリア増倍層、 １０７…ｎ型半導体層（電荷
注入阻止層）、１０８…電極、 １１１…ガラス基板、
１１２…電極、 １１３…障壁層（ＺｎＳ）、 １１
４…井戸層（ＣｄＳ）、 １１５…キャリア増倍層、
１１６…光吸収層、 １１７…透明電極、 １２１…ガ
ラス基板、 １２２…電極、１２３…ＺｎＳ層、 １２
４…Ｚｎ0.5Ｃｄ0.5Ｓ層 １２５…ＣｄＳ層、 １２
６…キャリア増倍層、 １２７…光吸収層１２７、 １
２８…透明電極、 １３１…ガラス基板、 １３２…電
極、 １３３…ＺｎxＣｄ1-xＳ層、 １３４…キャリア
増倍層１３４、 １３５…光吸収層、 １３６…透明電
極１３６、 １４１…ガラス基板、１４２…透明電極、
１４３…光吸収層、 １４４…緩衝層、 １４５…井
戸層（ＣｄＳ）、 １４６…障壁層（ＺｎＳ）、 １４
７…キャリア増倍層、 １４８…電極、 １５１…ガラ
ス基板、 １５２…透明電極、１５３…電荷注入阻止
層、 １５４…光吸収層、 １５５…井戸層（Ｃｄ
Ｓ）、１５６…障壁層（ＺｎＳ）、 １５７…キャリア
増倍層１５７、 １５８…電荷注入阻止層、 １５９…
電極、 １６１…ガラス基板、 １６２…透明電極、１
６３…光吸収層、 １６４…井戸層（ＣｄＳｅ）、 １
６５…障壁層（ＺｎＳｅ）、 １６６…キャリア増倍
層、 １６７…電極１６７、 １７１…ガラス基板、
１７２…ＩＴＯ電極、 １７３…光吸収層１７３、 １
７４…井戸層（ＣｄＴｅ）、 １７５…障壁層（ＺｎＴ
ｅ）、 １７６…キャリア増倍層、 １７７…電極１７
７
ｐ型半導体層（電荷注入阻止層）、 １０４…光吸収層
１０４、 １０５…非単結晶性ＺｎxＣｄ1-xＳ層、 １
０６…キャリア増倍層、 １０７…ｎ型半導体層（電荷
注入阻止層）、１０８…電極、 １１１…ガラス基板、
１１２…電極、 １１３…障壁層（ＺｎＳ）、 １１
４…井戸層（ＣｄＳ）、 １１５…キャリア増倍層、
１１６…光吸収層、 １１７…透明電極、 １２１…ガ
ラス基板、 １２２…電極、１２３…ＺｎＳ層、 １２
４…Ｚｎ0.5Ｃｄ0.5Ｓ層 １２５…ＣｄＳ層、 １２
６…キャリア増倍層、 １２７…光吸収層１２７、 １
２８…透明電極、 １３１…ガラス基板、 １３２…電
極、 １３３…ＺｎxＣｄ1-xＳ層、 １３４…キャリア
増倍層１３４、 １３５…光吸収層、 １３６…透明電
極１３６、 １４１…ガラス基板、１４２…透明電極、
１４３…光吸収層、 １４４…緩衝層、 １４５…井
戸層（ＣｄＳ）、 １４６…障壁層（ＺｎＳ）、 １４
７…キャリア増倍層、 １４８…電極、 １５１…ガラ
ス基板、 １５２…透明電極、１５３…電荷注入阻止
層、 １５４…光吸収層、 １５５…井戸層（Ｃｄ
Ｓ）、１５６…障壁層（ＺｎＳ）、 １５７…キャリア
増倍層１５７、 １５８…電荷注入阻止層、 １５９…
電極、 １６１…ガラス基板、 １６２…透明電極、１
６３…光吸収層、 １６４…井戸層（ＣｄＳｅ）、 １
６５…障壁層（ＺｎＳｅ）、 １６６…キャリア増倍
層、 １６７…電極１６７、 １７１…ガラス基板、
１７２…ＩＴＯ電極、 １７３…光吸収層１７３、 １
７４…井戸層（ＣｄＴｅ）、 １７５…障壁層（ＺｎＴ
ｅ）、 １７６…キャリア増倍層、 １７７…電極１７
７
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮本 育昌 神奈川県海老名市本郷2274番地 富士ゼロ ックス株式会社内
Claims (10)
- 【請求項１】 少なくとも一方が透明な２つの電極間
に、非単結晶性材料で構成され光を吸収しフォトキャリ
アを発生する光吸収層と、非単結晶性材料で構成され前
記光吸収層で発生したフォトキャリアを増倍するキャリ
ア増倍層と、を有する半導体受光素子であって、 前記キャリア増倍層は、非単結晶性のＺｎxＣｄ1-xＭ
（０≦x≦１、ＭはＳ，Ｓｅ及びＴｅから選ばれた１つ）
から成り、前記ＺｎxＣｄ1-xＭのxの値を変化させた組
成比が異なる複数の層を有する膜を、積層して成る多層
膜で構成されたことを特徴とする半導体受光素子。 - 【請求項２】 前記非単結晶性材料が、非晶質材料、微
結晶材料、多結晶材料であることを特徴とする請求項１
に記載の半導体受光素子。 - 【請求項３】 前記多層膜を構成する各膜のＺｎxＣｄ
1-xＭのxの値を連続的に変化させることにより、前記キ
ャリア増倍層の伝導帯を鋸歯状のポテンシャル構造とし
たことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。 - 【請求項４】 前記多層膜を構成する各膜のＺｎxＣｄ
1-xＭのxの値を段階的に変化させることにより、前記キ
ャリア増倍層の伝導帯を階段状のポテンシャル構造とし
たことを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。 - 【請求項５】 前記光吸収層は、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｈ
の中の少なくとも１種以上の材料とＳｉとの化合物から
なる非単結晶性材料であることを特徴とする請求項１に
記載の半導体受光素子。 - 【請求項６】 前記光吸収層と前記キャリア増倍層の間
に緩衝層を形成したことを特徴とする請求項１に記載の
半導体受光素子。 - 【請求項７】 前記緩衝層が、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｈの中の少
なくとも１種以上の材料とＳｉとの化合物からなる非単
結晶性材料であることを特徴とする請求項６に記載の半
導体受光素子。 - 【請求項８】 前記緩衝層の膜厚が５〜１００ｎｍであ
ることを特徴とする請求項６に記載の半導体受光素子。 - 【請求項９】 前記キャリア増倍層が接する前記電極と
の間、および前記光吸収層が接する前記電極との間の両
方またはどちらか一方に、電荷注入阻止層を形成したこ
とを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。 - 【請求項１０】少なくとも一方が透明な２つの電極間
に、非単結晶性材料で構成され光を吸収しフォトキャリ
アを発生する光吸収層と、非単結晶性材料で構成され前
記光吸収層で発生したフォトキャリアを増倍するキャリ
ア増倍層と、を有する半導体受光素子であって、 前記キャリア増倍層は、非単結晶性のＺｎxＣｄ1-xＭ
（０≦x≦１、ＭはＳｅまたはＴｅ）からなり、前記Ｚｎ
xＣｄ1-xＭのxの値を変化させた組成比が異なる複数の
層を有する膜を、積層して成る多層膜で構成され、 前記電極、前記キャリア増倍層、前記光吸収層及び前記
電極の透明側を、この順で積層したことを特徴とする半
導体受光素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7343313A JP3018976B2 (ja) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | 半導体受光素子 |
| US08/739,194 US5783838A (en) | 1995-12-28 | 1996-10-30 | Non-single crystalline semiconductor photo detector with super lattice |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7343313A JP3018976B2 (ja) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09186358A true JPH09186358A (ja) | 1997-07-15 |
| JP3018976B2 JP3018976B2 (ja) | 2000-03-13 |
Family
ID=18360558
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7343313A Expired - Lifetime JP3018976B2 (ja) | 1995-12-28 | 1995-12-28 | 半導体受光素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5783838A (ja) |
| JP (1) | JP3018976B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2757684B1 (fr) * | 1996-12-20 | 1999-03-26 | Thomson Csf | Detecteur infrarouge a structure quantique, non refroidie |
| US6417528B1 (en) * | 2000-01-28 | 2002-07-09 | Agere Systems Guardian Corp. | High speed semiconductor photodetector |
| JP5236847B2 (ja) * | 2001-08-10 | 2013-07-17 | 克巳 岸野 | Ｉｉ−ｖｉ族化合物半導体結晶および光電変換機能素子 |
| US7061014B2 (en) * | 2001-11-05 | 2006-06-13 | Japan Science And Technology Agency | Natural-superlattice homologous single crystal thin film, method for preparation thereof, and device using said single crystal thin film |
| US6906358B2 (en) * | 2003-01-30 | 2005-06-14 | Epir Technologies, Inc. | Nonequilibrium photodetector with superlattice exclusion layer |
| US7527999B2 (en) * | 2005-12-06 | 2009-05-05 | Technion Research & Development Foundation Ltd. | Cd1−xZnxS high performance TCR material for uncooled microbolometers used in infrared sensors and method of making same |
| JP4924617B2 (ja) * | 2009-01-05 | 2012-04-25 | ソニー株式会社 | 固体撮像素子、カメラ |
| EP2469608B1 (de) * | 2010-12-24 | 2018-09-05 | Dechamps & Sreball GbR | Bipolardiode mit optischem Quantenstrukturabsorber |
| US9806212B2 (en) * | 2012-08-10 | 2017-10-31 | University Of Kansas | Ultrathin group II-VI semiconductor layers, group II-VI semiconductor superlattice structures, photovoltaic devices incorporating the same, and related methods |
| US10032950B2 (en) | 2016-02-22 | 2018-07-24 | University Of Virginia Patent Foundation | AllnAsSb avalanche photodiode and related method thereof |
| US10490687B2 (en) | 2018-01-29 | 2019-11-26 | Waymo Llc | Controlling detection time in photodetectors |
| JP7134338B2 (ja) * | 2019-04-05 | 2022-09-09 | 三菱電機株式会社 | 半導体受光素子及び半導体受光素子製造方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2625547B1 (fr) * | 1987-12-30 | 1990-06-22 | Inst Francais Du Petrole | Procede pour retarder la formation et/ou reduire la tendance a l'agglomeration des hydrates |
| JPH03253082A (ja) * | 1990-03-02 | 1991-11-12 | Canon Inc | 光電変換装置 |
| JP2937404B2 (ja) * | 1990-04-18 | 1999-08-23 | 日本電気株式会社 | 半導体受光素子 |
| JPH06151801A (ja) * | 1992-11-13 | 1994-05-31 | Canon Inc | 光電変換装置及び光電変換装置の製造方法 |
| JP2699807B2 (ja) * | 1993-06-08 | 1998-01-19 | 日本電気株式会社 | 組成変調アバランシ・フォトダイオード |
| JPH07115184A (ja) * | 1993-08-24 | 1995-05-02 | Canon Inc | 積層型固体撮像装置及びその製造方法 |
-
1995
- 1995-12-28 JP JP7343313A patent/JP3018976B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1996
- 1996-10-30 US US08/739,194 patent/US5783838A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5783838A (en) | 1998-07-21 |
| JP3018976B2 (ja) | 2000-03-13 |
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