JPH10256594A - 半導体光検知装置 - Google Patents
半導体光検知装置Info
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- JPH10256594A JPH10256594A JP9054447A JP5444797A JPH10256594A JP H10256594 A JPH10256594 A JP H10256594A JP 9054447 A JP9054447 A JP 9054447A JP 5444797 A JP5444797 A JP 5444797A JP H10256594 A JPH10256594 A JP H10256594A
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- semiconductor
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- electrons
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 半導体光検知装置に関し、熱励起電子による
熱雑音を極力低減させ、冷却を不要にする。 【解決手段】 光７を吸収する非熱平衡層１に隣接して
電位障壁を構成する光検知層４を設ける。
熱雑音を極力低減させ、冷却を不要にする。 【解決手段】 光７を吸収する非熱平衡層１に隣接して
電位障壁を構成する光検知層４を設ける。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体光検知装置に
関するものであり、特に、赤外線検知素子の熱雑音低減
のための素子構造に特徴のある半導体光検知装置に関す
るものである。
関するものであり、特に、赤外線検知素子の熱雑音低減
のための素子構造に特徴のある半導体光検知装置に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、１０μｍ帯近傍の赤外線を検知す
る赤外線検出装置としては、ＨｇＣｄＴｅ層に形成した
ｐｎ接合ダイオードをフォトダイオードとしたものを用
い、このフォトダイオードを一次元アレイ状或いは二次
元アレイ状に配置すると共に、Ｓｉ信号処理回路チップ
との電気的なコンタクトをとるために、フォトダイオー
ドアレイ基板及びＳｉ信号処理回路チップを、双方に形
成したＩｎ等の金属のバンプで貼り合わせる構造が採用
されている。
る赤外線検出装置としては、ＨｇＣｄＴｅ層に形成した
ｐｎ接合ダイオードをフォトダイオードとしたものを用
い、このフォトダイオードを一次元アレイ状或いは二次
元アレイ状に配置すると共に、Ｓｉ信号処理回路チップ
との電気的なコンタクトをとるために、フォトダイオー
ドアレイ基板及びＳｉ信号処理回路チップを、双方に形
成したＩｎ等の金属のバンプで貼り合わせる構造が採用
されている。
【０００３】ここで、図９を参照して従来の半導体赤外
線検知素子を説明する。 図９（ａ）参照 図９は従来の半導体赤外線検知素子の概略的要部断面図
であり、ＣｄＴｅ基板７１上にエピタキシャル成長させ
たｐ型ＨｇＣｄＴｅ層７２に選択的にＢ（ボロン）をイ
オン注入してｎ型領域７３を形成し、このｎ型領域７３
とｐ型ＨｇＣｄＴｅ層７２との間に形成されるｐｎ接合
をフォトダイオードとして用いている。
線検知素子を説明する。 図９（ａ）参照 図９は従来の半導体赤外線検知素子の概略的要部断面図
であり、ＣｄＴｅ基板７１上にエピタキシャル成長させ
たｐ型ＨｇＣｄＴｅ層７２に選択的にＢ（ボロン）をイ
オン注入してｎ型領域７３を形成し、このｎ型領域７３
とｐ型ＨｇＣｄＴｅ層７２との間に形成されるｐｎ接合
をフォトダイオードとして用いている。
【０００４】図９（ｂ）参照 図９（ｂ）は従来の半導体赤外線検知素子の検知原理を
説明するバンドダイヤグラムであり、ＣｄＴｅ基板７１
側から入射した赤外線７４はｐ型ＨｇＣｄＴｅ層７２に
おいて吸収され、エネルギーギャップ間を直接遷移した
少数キャリアとしての電子７５がｎ型領域７３に達する
ことにより赤外線入射信号が検知される。
説明するバンドダイヤグラムであり、ＣｄＴｅ基板７１
側から入射した赤外線７４はｐ型ＨｇＣｄＴｅ層７２に
おいて吸収され、エネルギーギャップ間を直接遷移した
少数キャリアとしての電子７５がｎ型領域７３に達する
ことにより赤外線入射信号が検知される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の半導体
赤外線検知素子においては、赤外線のエネルギーが熱の
エネルギーにほぼ等しいため、熱エネルギーによってエ
ネルギーギャップＥg を越えて励起された電子が熱リー
ク電流となって熱雑音が発生し、この熱雑音が素子特性
に大きな影響を与えている。
赤外線検知素子においては、赤外線のエネルギーが熱の
エネルギーにほぼ等しいため、熱エネルギーによってエ
ネルギーギャップＥg を越えて励起された電子が熱リー
ク電流となって熱雑音が発生し、この熱雑音が素子特性
に大きな影響を与えている。
【０００６】図９（ｃ）参照 即ち、キャリアが各エネルギーレベルに統計力学的に存
在する数Ｎ（Ｅ）は、Ｄ（Ｅ）を状態密度、ｆ（Ｅ）を
フェルミ・ディラック統計の分布関数、ＥF をフェルミ
準位、Ｔを絶対温度、ｋをボルツマン定数とした場合、 Ｎ（Ｅ）＝Ｄ（Ｅ）・ｆ（Ｅ） で表され、このｆ（Ｅ）は、 ｆ（Ｅ）＝１／｛１＋ｅｘｐ〔（Ｅ−ＥF ）／ｋＴ〕｝ で表される。
在する数Ｎ（Ｅ）は、Ｄ（Ｅ）を状態密度、ｆ（Ｅ）を
フェルミ・ディラック統計の分布関数、ＥF をフェルミ
準位、Ｔを絶対温度、ｋをボルツマン定数とした場合、 Ｎ（Ｅ）＝Ｄ（Ｅ）・ｆ（Ｅ） で表され、このｆ（Ｅ）は、 ｆ（Ｅ）＝１／｛１＋ｅｘｐ〔（Ｅ−ＥF ）／ｋＴ〕｝ で表される。
【０００７】したがって、従来の半導体赤外線検知素子
においては、フェルミ準位ＥF が価電子帯の上端ＥV の
近傍にあるｐ型ＨｇＣｄＴｅ層７２においては、伝導帯
側にも熱励起による熱励起電子７７が統計力学的存在す
ることになり、この熱励起電子７７が熱雑音の原因とな
っている。
においては、フェルミ準位ＥF が価電子帯の上端ＥV の
近傍にあるｐ型ＨｇＣｄＴｅ層７２においては、伝導帯
側にも熱励起による熱励起電子７７が統計力学的存在す
ることになり、この熱励起電子７７が熱雑音の原因とな
っている。
【０００８】この様な、熱雑音の影響を極力低減するた
めには、フェルミ準位ＥF をできるだけ価電子帯側にす
ることによって熱励起電子７７の数を減らせば良いが、
上述の様に従来の半導体赤外線検知素子のｐ型ＨｇＣｄ
Ｔｅ層７２においてはフェルミ準位ＥF が価電子帯の上
端ＥV の近傍にあるので、これ以上フェルミ準位ＥFを
変動させることが、即ち、ΔＥ＝ＥC −ＥF を大きくす
ることが困難であるため、液体窒素による冷却装置を用
いて７７Ｋ程度まで冷却して使用する必要があった。
めには、フェルミ準位ＥF をできるだけ価電子帯側にす
ることによって熱励起電子７７の数を減らせば良いが、
上述の様に従来の半導体赤外線検知素子のｐ型ＨｇＣｄ
Ｔｅ層７２においてはフェルミ準位ＥF が価電子帯の上
端ＥV の近傍にあるので、これ以上フェルミ準位ＥFを
変動させることが、即ち、ΔＥ＝ＥC −ＥF を大きくす
ることが困難であるため、液体窒素による冷却装置を用
いて７７Ｋ程度まで冷却して使用する必要があった。
【０００９】したがって、本発明は、熱励起電子による
熱雑音を極力低減させ、半導体光検知装置の冷却を不要
にすることを目的とする。
熱雑音を極力低減させ、半導体光検知装置の冷却を不要
にすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図１を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。なお、図１は半
導体光検知装置の概略的バンドダイヤグラムを示す図で
ある。
成の説明図であり、この図１を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。なお、図１は半
導体光検知装置の概略的バンドダイヤグラムを示す図で
ある。
【００１１】図１参照 （１）本発明は、半導体光検知装置において、光７を吸
収する非熱平衡層１と、この非熱平衡層１に隣接して電
位障壁を構成する光検知層４を設けたことを特徴とす
る。
収する非熱平衡層１と、この非熱平衡層１に隣接して電
位障壁を構成する光検知層４を設けたことを特徴とす
る。
【００１２】この様に、光を吸収する層を統計力学的に
非平衡な非熱平衡層１とすることにより、非熱平衡層１
における少数キャリアにより光７を吸収して光検知を行
うことができ、従来のバンド・ギャップ間を越えたキャ
リアの熱励起による熱雑音の影響をなくすことができ
る。
非平衡な非熱平衡層１とすることにより、非熱平衡層１
における少数キャリアにより光７を吸収して光検知を行
うことができ、従来のバンド・ギャップ間を越えたキャ
リアの熱励起による熱雑音の影響をなくすことができ
る。
【００１３】また、非熱平衡層１における少数キャリア
のエネルギー分布は、フェルミ・ディラック統計に従っ
て分布するので、非熱平衡層１における擬フェルミ準位
を制御することによって、熱雑音の原因となるエネルギ
ー状態にある少数キャリアの数、即ち、電位障壁ＥB を
越えるエネルギー状態にある少数キャリア（電子５）の
数を極力少なくすることができる。
のエネルギー分布は、フェルミ・ディラック統計に従っ
て分布するので、非熱平衡層１における擬フェルミ準位
を制御することによって、熱雑音の原因となるエネルギ
ー状態にある少数キャリアの数、即ち、電位障壁ＥB を
越えるエネルギー状態にある少数キャリア（電子５）の
数を極力少なくすることができる。
【００１４】（２）また、本発明は、上記（１）におい
て、非熱平衡層１における擬フェルミ準位の制御を少数
キャリアの注入により行うことを特徴とする。
て、非熱平衡層１における擬フェルミ準位の制御を少数
キャリアの注入により行うことを特徴とする。
【００１５】この様な非熱平衡層１における擬フェルミ
準位は、非熱平衡層１に少数キャリアを注入することに
より、即ち、少数キャリアを注入するために印加するバ
イアス電位によって任意に制御することができる。
準位は、非熱平衡層１に少数キャリアを注入することに
より、即ち、少数キャリアを注入するために印加するバ
イアス電位によって任意に制御することができる。
【００１６】（３）また、本発明は、上記（１）におい
て、非熱平衡層１における少数キャリアのエネルギー分
布の制御を光励起により行うことを特徴とする。
て、非熱平衡層１における少数キャリアのエネルギー分
布の制御を光励起により行うことを特徴とする。
【００１７】この様に、非熱平衡層１における少数キャ
リアのエネルギー分布を光励起により行うことによっ
て、熱雑音となるエネルギーを有する少数キャリアの数
を極力少なくした状態で、光検知に寄与する少数キャリ
アの数を多くすることができるので、低熱雑音の状態で
光検知出力を大きく取ることができる。
リアのエネルギー分布を光励起により行うことによっ
て、熱雑音となるエネルギーを有する少数キャリアの数
を極力少なくした状態で、光検知に寄与する少数キャリ
アの数を多くすることができるので、低熱雑音の状態で
光検知出力を大きく取ることができる。
【００１８】（４）また、本発明は、上記（３）におい
て、光励起のための手段をモノリシックに一体化したこ
とを特徴とする。
て、光励起のための手段をモノリシックに一体化したこ
とを特徴とする。
【００１９】この様に、少数キャリアを発生させるため
の光励起手段を、面発光レーザ等を用いてモノリシック
に一体化することによって、装置全体の構成をコンパク
トにすることができる。
の光励起手段を、面発光レーザ等を用いてモノリシック
に一体化することによって、装置全体の構成をコンパク
トにすることができる。
【００２０】（５）また、本発明は、上記（１）乃至
（４）のいずれかにおいて、光検知層４の少なくとも非
熱平衡層１に接する部分の半導体層を非熱平衡層１の禁
制帯幅より大きな半導体で構成したことを特徴とする。
（４）のいずれかにおいて、光検知層４の少なくとも非
熱平衡層１に接する部分の半導体層を非熱平衡層１の禁
制帯幅より大きな半導体で構成したことを特徴とする。
【００２１】この様に、光検知層４の非熱平衡層１側
に、禁制帯幅のより大きな半導体層を設けて障壁層２と
することによって、低熱雑音化が可能になり、それによ
って、禁制帯幅の大きな非熱平衡層１を用いても伝導帯
に励起された電子５により赤外線の検知が可能になる。
に、禁制帯幅のより大きな半導体層を設けて障壁層２と
することによって、低熱雑音化が可能になり、それによ
って、禁制帯幅の大きな非熱平衡層１を用いても伝導帯
に励起された電子５により赤外線の検知が可能になる。
【００２２】（６）また、本発明は、上記（５）におい
て、非熱平衡層１の光検知層４に接する側と反対の側に
非熱平衡層１の禁制帯幅より大きな半導体層を設けたこ
とを特徴とする。
て、非熱平衡層１の光検知層４に接する側と反対の側に
非熱平衡層１の禁制帯幅より大きな半導体層を設けたこ
とを特徴とする。
【００２３】この様に、非熱平衡層１の両側を禁制帯幅
の大きな半導体層で挟持してダブルヘテロ接合構造を構
成することによって、非熱平衡層１に少数キャリアを閉
じ込めることができ、光検出効率を高めることができ
る。
の大きな半導体層で挟持してダブルヘテロ接合構造を構
成することによって、非熱平衡層１に少数キャリアを閉
じ込めることができ、光検出効率を高めることができ
る。
【００２４】（７）また、本発明は、上記（１）乃至
（６）のいずれかにおいて、光検知層４にｐｎ接合を設
けたことを特徴とする。
（６）のいずれかにおいて、光検知層４にｐｎ接合を設
けたことを特徴とする。
【００２５】この様に、光検知層４にｐｎ接合を設ける
ことによって、通常のフォトダイオードと同様の原理
で、障壁層２を越えたキャリア、即ち、信号を信号取込
層３において取り込むことができる。
ことによって、通常のフォトダイオードと同様の原理
で、障壁層２を越えたキャリア、即ち、信号を信号取込
層３において取り込むことができる。
【００２６】（８）また、本発明は、上記（１）乃至
（７）のいずれかにおいて、光検知層４の少なくとも一
部に量子井戸構造を設けたことを特徴とする。
（７）のいずれかにおいて、光検知層４の少なくとも一
部に量子井戸構造を設けたことを特徴とする。
【００２７】この様に、光検知層４の少なくとも一部に
量子井戸構造を設けて障壁層２とすることによって、量
子井戸構造を構成するウエル層及びバリア層の厚さ及び
組成を制御することによって、障壁層２による電位障壁
ＥB の実効的高さを任意に制御することができる。
量子井戸構造を設けて障壁層２とすることによって、量
子井戸構造を構成するウエル層及びバリア層の厚さ及び
組成を制御することによって、障壁層２による電位障壁
ＥB の実効的高さを任意に制御することができる。
【００２８】（９）また、本発明は、上記（１）または
（２）において、光検知層４として、ショットキー接合
を用いたことを特徴とする。
（２）において、光検知層４として、ショットキー接合
を用いたことを特徴とする。
【００２９】この様に、本発明の基本動作原理となる障
壁層２は、ショットキー接合によって形成しても良い。
壁層２は、ショットキー接合によって形成しても良い。
【００３０】（１０）また、本発明は、上記（１）また
は（２）において、光検知層４として、金属−絶縁体−
半導体構造を用いたことを特徴とする。
は（２）において、光検知層４として、金属−絶縁体−
半導体構造を用いたことを特徴とする。
【００３１】この様に、本発明の基本動作原理となる障
壁層２は、金属−絶縁体−半導体構造、即ち、ＭＩＳ構
造によって形成しても良い。
壁層２は、金属−絶縁体−半導体構造、即ち、ＭＩＳ構
造によって形成しても良い。
【００３２】
【発明の実施の形態】ここで、本発明の第１乃至第７の
実施の形態の製造工程を図２乃至図８を参照して説明す
る。なお、各図の（ａ）は半導体光検知装置の概略的要
部断面図であり、また、各図の（ｂ）は半導体光検知装
置の光検知原理を説明するバンドダイヤグラムであり、
さらに、（ｃ）がある場合には、（ｃ）はキャリアの統
計力学的に存在する数Ｎ（Ｅ）を示す図である。
実施の形態の製造工程を図２乃至図８を参照して説明す
る。なお、各図の（ａ）は半導体光検知装置の概略的要
部断面図であり、また、各図の（ｂ）は半導体光検知装
置の光検知原理を説明するバンドダイヤグラムであり、
さらに、（ｃ）がある場合には、（ｃ）はキャリアの統
計力学的に存在する数Ｎ（Ｅ）を示す図である。
【００３３】まず、図２を参照して本発明の第１の実施
の形態を説明する。 図２（ａ）参照 この第１の実施の形態の半導体光検知装置は、半絶縁性
のＧａＡｓ基板１１上に、ＭＢＥ法（分子線エピタキシ
ャル成長法）によって厚さ１００〜１０００ｎｍ、例え
ば、５００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層１２、厚さ１００〜５
００ｎｍ、例えば、２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層１３、
厚さ１０〜１００ｎｍ、例えば、５０ｎｍのｐ型ＡｌＧ
ａＡｓ層１４、厚さ１００〜１０００ｎｍ、例えば、５
００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５を順次成長させ、電
極形成部が露出するようにパターニングし、露出部にｎ
側電極１６、ｐ側電極１７、及び、ｎ側電極１８を形成
する。
の形態を説明する。 図２（ａ）参照 この第１の実施の形態の半導体光検知装置は、半絶縁性
のＧａＡｓ基板１１上に、ＭＢＥ法（分子線エピタキシ
ャル成長法）によって厚さ１００〜１０００ｎｍ、例え
ば、５００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層１２、厚さ１００〜５
００ｎｍ、例えば、２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層１３、
厚さ１０〜１００ｎｍ、例えば、５０ｎｍのｐ型ＡｌＧ
ａＡｓ層１４、厚さ１００〜１０００ｎｍ、例えば、５
００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５を順次成長させ、電
極形成部が露出するようにパターニングし、露出部にｎ
側電極１６、ｐ側電極１７、及び、ｎ側電極１８を形成
する。
【００３４】図２（ｂ）参照 この場合、ｐ型ＧａＡｓ層１３はｎ側電極１６とｐ側電
極１７との間に順バイアスとなるバイアス電位Ｖを印加
することによって電子１９がｎ型ＧａＡｓ層１２から注
入されて統計力学的に非熱平衡状態となり、バイアス電
位Ｖの差だけエネルギー的に離れた電子１９及び正孔２
０に対する擬フェルミ準位（ｑｕａｓｉ−Ｆｅｒｍｉ
ｌｅｖｅｌ）ＥFn，ＥFpが形成される。
極１７との間に順バイアスとなるバイアス電位Ｖを印加
することによって電子１９がｎ型ＧａＡｓ層１２から注
入されて統計力学的に非熱平衡状態となり、バイアス電
位Ｖの差だけエネルギー的に離れた電子１９及び正孔２
０に対する擬フェルミ準位（ｑｕａｓｉ−Ｆｅｒｍｉ
ｌｅｖｅｌ）ＥFn，ＥFpが形成される。
【００３５】この状態で、波長が１０μｍ帯の赤外線２
２がｐ型ＧａＡｓ層１３に入射した場合、ｐ型ＧａＡｓ
層１３の禁制帯幅は波長換算で０．９μｍ以上のエネル
ギーを有しているの、価電子帯に充満している電子が励
起されることはないが、伝導帯に注入された電子１９が
赤外線２２を吸収して励起される。
２がｐ型ＧａＡｓ層１３に入射した場合、ｐ型ＧａＡｓ
層１３の禁制帯幅は波長換算で０．９μｍ以上のエネル
ギーを有しているの、価電子帯に充満している電子が励
起されることはないが、伝導帯に注入された電子１９が
赤外線２２を吸収して励起される。
【００３６】そして、赤外線２２のエネルギーｈνがｐ
型ＡｌＧａＡｓ層１４とｐ型ＧａＡｓ層１３との間の伝
導帯における電位障壁２１の高さ、即ち、ギャップエネ
ルギーより大きい場合には、励起された電子１９が電位
障壁２１を越えてｐ型ＡｌＧａＡｓ層１４側に流れ込
み、ｐ側電極１７とｎ側電極１８とによって逆バイアス
されたｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５において信号として検知
されることになる。
型ＡｌＧａＡｓ層１４とｐ型ＧａＡｓ層１３との間の伝
導帯における電位障壁２１の高さ、即ち、ギャップエネ
ルギーより大きい場合には、励起された電子１９が電位
障壁２１を越えてｐ型ＡｌＧａＡｓ層１４側に流れ込
み、ｐ側電極１７とｎ側電極１８とによって逆バイアス
されたｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５において信号として検知
されることになる。
【００３７】この場合、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１４が障壁
層として機能するので、検出対象となる赤外線２２の波
長に応じてその混晶比、即ち、Ａｌ組成比を適宜決定す
れば良い。
層として機能するので、検出対象となる赤外線２２の波
長に応じてその混晶比、即ち、Ａｌ組成比を適宜決定す
れば良い。
【００３８】図２（ｃ）参照 この様な非熱平衡状態にあるｐ型ＧａＡｓ層１３におけ
る電子１９の分布は、擬フェルミ準位ＥFnを基準とした
フェルミ・ディラック統計の分布関数に従うことにな
り、キャリアが各エネルギーレベルに統計力学的に存在
する数Ｎ（Ｅ）は、Ｄ（Ｅ）を状態密度、ｆ（Ｅ）をフ
ェルミ・ディラック統計の分布関数とした場合、 Ｎ（Ｅ）＝Ｄ（Ｅ）・ｆ（Ｅ） で表され、このｆ（Ｅ）は、 ｆ（Ｅ）＝１／｛１＋ｅｘｐ〔（Ｅ−ＥFn）／ｋＴ〕｝ で表される。
る電子１９の分布は、擬フェルミ準位ＥFnを基準とした
フェルミ・ディラック統計の分布関数に従うことにな
り、キャリアが各エネルギーレベルに統計力学的に存在
する数Ｎ（Ｅ）は、Ｄ（Ｅ）を状態密度、ｆ（Ｅ）をフ
ェルミ・ディラック統計の分布関数とした場合、 Ｎ（Ｅ）＝Ｄ（Ｅ）・ｆ（Ｅ） で表され、このｆ（Ｅ）は、 ｆ（Ｅ）＝１／｛１＋ｅｘｐ〔（Ｅ−ＥFn）／ｋＴ〕｝ で表される。
【００３９】したがって、伝導帯における電子１９の数
及び分布は電子の擬フェルミ準位Ｅ Fnの位置、即ち、ｐ
型ＡｌＧａＡｓ層１４の伝導帯の下端のエネルギーＥ
c(AlGa As) と電子の擬フェルミ準位ＥFnの差ΔＥで規定
されることになるが、電子の擬フェルミ準位ＥFnは、図
２（ｂ）から明らかなようにバイアス電位Ｖによって任
意に制御、即ち、Ｖを小さくするとＥFnを低く、一方、
Ｖを大きくするとＥFnを高くすることができる。
及び分布は電子の擬フェルミ準位Ｅ Fnの位置、即ち、ｐ
型ＡｌＧａＡｓ層１４の伝導帯の下端のエネルギーＥ
c(AlGa As) と電子の擬フェルミ準位ＥFnの差ΔＥで規定
されることになるが、電子の擬フェルミ準位ＥFnは、図
２（ｂ）から明らかなようにバイアス電位Ｖによって任
意に制御、即ち、Ｖを小さくするとＥFnを低く、一方、
Ｖを大きくするとＥFnを高くすることができる。
【００４０】したがって、電位障壁２１を越えたエネル
ギー状態の電子１９がほとんど存在しないように、電子
の擬フェルミ準位ＥFnを印加するバイアス電位Ｖで制御
することにより熱励起電子に起因する熱雑音をなくすこ
とができる。
ギー状態の電子１９がほとんど存在しないように、電子
の擬フェルミ準位ＥFnを印加するバイアス電位Ｖで制御
することにより熱励起電子に起因する熱雑音をなくすこ
とができる。
【００４１】なお、熱雑音をより少なくするためには、
印加するバイアス電位Ｖを小さくすれば良いが、あまり
小さすぎると赤外線２２を吸収するための注入される電
子１９の数も少なくなるので、必要とする感度に応じて
印加するバイアス電位Ｖを設定する必要がある。
印加するバイアス電位Ｖを小さくすれば良いが、あまり
小さすぎると赤外線２２を吸収するための注入される電
子１９の数も少なくなるので、必要とする感度に応じて
印加するバイアス電位Ｖを設定する必要がある。
【００４２】この様に、本発明の第１の実施の形態にお
いては、印加するバイアス電位Ｖにより電子の擬フェル
ミ準位ＥFnを任意に制御しているので、熱雑音を極力低
減することができ、したがって、動作時における半導体
光検知装置の冷却を不要にすることが可能になる。
いては、印加するバイアス電位Ｖにより電子の擬フェル
ミ準位ＥFnを任意に制御しているので、熱雑音を極力低
減することができ、したがって、動作時における半導体
光検知装置の冷却を不要にすることが可能になる。
【００４３】次に、図３を参照して本発明の第２の実施
の形態を説明する。 図３（ａ）参照 この第２の実施の形態の半導体光検知装置は、半絶縁性
のＧａＡｓ基板１１上に、ＭＢＥ法によって厚さ１００
〜１０００ｎｍ、例えば、５００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡ
ｓ層２３、厚さ１００〜１０００ｎｍ、例えば、５００
ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ層２４、厚さ１００〜５００ｎ
ｍ、例えば、２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層１３、厚さ１
０〜１００ｎｍ、例えば、５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ
層１４、厚さ１００〜１０００ｎｍ、例えば、５００ｎ
ｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５を順次成長させ、電極形成
部が露出するようにパターニングし、露出部にｎ側電極
１６、ｐ側電極１７、及び、ｎ側電極１８を形成する。
の形態を説明する。 図３（ａ）参照 この第２の実施の形態の半導体光検知装置は、半絶縁性
のＧａＡｓ基板１１上に、ＭＢＥ法によって厚さ１００
〜１０００ｎｍ、例えば、５００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡ
ｓ層２３、厚さ１００〜１０００ｎｍ、例えば、５００
ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ層２４、厚さ１００〜５００ｎ
ｍ、例えば、２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層１３、厚さ１
０〜１００ｎｍ、例えば、５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ
層１４、厚さ１００〜１０００ｎｍ、例えば、５００ｎ
ｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５を順次成長させ、電極形成
部が露出するようにパターニングし、露出部にｎ側電極
１６、ｐ側電極１７、及び、ｎ側電極１８を形成する。
【００４４】図３（ｂ）参照 この場合、ｐ型ＧａＡｓ層１３はｎ側電極１６とｐ側電
極１７との間に順バイアスとなるバイアス電位Ｖを印加
することによって電子１９がｎ型ＡｌＧａＡｓ層２３か
ら注入されて統計力学的に非熱平衡状態となり、バイア
ス電位Ｖの差だけエネルギー的に離れた電子１９及び正
孔２０に対する擬フェルミ準位ＥFn，Ｅ Fpが形成され
る。
極１７との間に順バイアスとなるバイアス電位Ｖを印加
することによって電子１９がｎ型ＡｌＧａＡｓ層２３か
ら注入されて統計力学的に非熱平衡状態となり、バイア
ス電位Ｖの差だけエネルギー的に離れた電子１９及び正
孔２０に対する擬フェルミ準位ＥFn，Ｅ Fpが形成され
る。
【００４５】この状態で、波長が１０μｍ帯の赤外線２
２がｐ型ＧａＡｓ層１３に入射した場合、電子１９によ
って吸収され、赤外線２２のエネルギーｈνがｐ型Ａｌ
ＧａＡｓ層１４とｐ型ＧａＡｓ層１３との間の伝導帯に
おける電位障壁２１の高さ、即ち、ギャップエネルギー
より大きい場合には、励起された電子１９が電位障壁２
１を越えてｐ型ＡｌＧａＡｓ層１４側に流れ込み、ｎ型
ＡｌＧａＡｓ層１５において信号として検知されること
になる。
２がｐ型ＧａＡｓ層１３に入射した場合、電子１９によ
って吸収され、赤外線２２のエネルギーｈνがｐ型Ａｌ
ＧａＡｓ層１４とｐ型ＧａＡｓ層１３との間の伝導帯に
おける電位障壁２１の高さ、即ち、ギャップエネルギー
より大きい場合には、励起された電子１９が電位障壁２
１を越えてｐ型ＡｌＧａＡｓ層１４側に流れ込み、ｎ型
ＡｌＧａＡｓ層１５において信号として検知されること
になる。
【００４６】この第２の実施の形態においては、光吸収
層となる非熱平衡状態のｐ型ＧａＡｓ層１３が広禁制帯
幅のｐ型ＡｌＧａＡｓ層２４とｐ型ＡｌＧａＡｓ層１４
との間に挟まれてダブル・ヘテロ接合構造となり、注入
された電子１９が閉じ込められるので、光検出効率が高
まる。
層となる非熱平衡状態のｐ型ＧａＡｓ層１３が広禁制帯
幅のｐ型ＡｌＧａＡｓ層２４とｐ型ＡｌＧａＡｓ層１４
との間に挟まれてダブル・ヘテロ接合構造となり、注入
された電子１９が閉じ込められるので、光検出効率が高
まる。
【００４７】また、この場合の熱雑音低減の原理は上述
の図２（ｃ）で説明した第１の実施の形態の場合と全く
同様である。
の図２（ｃ）で説明した第１の実施の形態の場合と全く
同様である。
【００４８】次に、図４を参照して本発明の第３の実施
の形態を説明する。 図４（ａ）参照 この第３の実施の形態の半導体光検知装置は、半絶縁性
のＧａＡｓ基板１１上に、ＭＢＥ法によって厚さ１００
〜１０００ｎｍ、例えば、５００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層
１２、厚さ１００〜５００ｎｍ、例えば、２００ｎｍの
ｐ型ＧａＡｓ層１３、厚さ１０００〜５０００ｎｍ、例
えば、２５００ｎｍのＭＱＷ障壁層２５、厚さ１００〜
１０００ｎｍ、例えば、５００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ
層１５を順次成長させ、電極形成部が露出するようにパ
ターニングし、露出部にｎ側電極１６、ｐ側電極１７、
及び、ｎ側電極１８を形成する。
の形態を説明する。 図４（ａ）参照 この第３の実施の形態の半導体光検知装置は、半絶縁性
のＧａＡｓ基板１１上に、ＭＢＥ法によって厚さ１００
〜１０００ｎｍ、例えば、５００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層
１２、厚さ１００〜５００ｎｍ、例えば、２００ｎｍの
ｐ型ＧａＡｓ層１３、厚さ１０００〜５０００ｎｍ、例
えば、２５００ｎｍのＭＱＷ障壁層２５、厚さ１００〜
１０００ｎｍ、例えば、５００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ
層１５を順次成長させ、電極形成部が露出するようにパ
ターニングし、露出部にｎ側電極１６、ｐ側電極１７、
及び、ｎ側電極１８を形成する。
【００４９】この場合のＭＱＷ障壁層２５は、Ａｌx Ｇ
ａ1-x Ａｓバリア層とＡｌy Ｇａ1- y Ａｓウエル層とに
よって構成するが、各層の不純物濃度、Ａｌ組成比ｘ，
ｙ、及び、層厚は必要とする電位障壁２１の実効的高さ
に応じて適宜設定する。
ａ1-x Ａｓバリア層とＡｌy Ｇａ1- y Ａｓウエル層とに
よって構成するが、各層の不純物濃度、Ａｌ組成比ｘ，
ｙ、及び、層厚は必要とする電位障壁２１の実効的高さ
に応じて適宜設定する。
【００５０】図４（ｂ）参照 この場合もｐ型ＧａＡｓ層１３はｎ側電極１６とｐ側電
極１７との間に順バイアスとなるバイアス電位Ｖを印加
することによって電子１９がｎ型ＧａＡｓ層１２から注
入されて統計力学的に非熱平衡状態となり、バイアス電
位Ｖの差だけエネルギー的に離れた電子１９及び正孔２
０に対する擬フェルミ準位ＥFn，ＥFpが形成される。
極１７との間に順バイアスとなるバイアス電位Ｖを印加
することによって電子１９がｎ型ＧａＡｓ層１２から注
入されて統計力学的に非熱平衡状態となり、バイアス電
位Ｖの差だけエネルギー的に離れた電子１９及び正孔２
０に対する擬フェルミ準位ＥFn，ＥFpが形成される。
【００５１】この状態で、波長が１０μｍ帯の赤外線２
２がｐ型ＧａＡｓ層１３に入射した場合、電子１９によ
って吸収され、赤外線２２のエネルギーｈνがＭＱＷ障
壁層２５とｐ型ＧａＡｓ層１３との間の伝導帯における
電位障壁２１の高さより大きい場合には、励起された電
子１９が電位障壁２１を越えてＭＱＷ障壁層２５に流れ
込み、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５において信号として検知
されることになる。
２がｐ型ＧａＡｓ層１３に入射した場合、電子１９によ
って吸収され、赤外線２２のエネルギーｈνがＭＱＷ障
壁層２５とｐ型ＧａＡｓ層１３との間の伝導帯における
電位障壁２１の高さより大きい場合には、励起された電
子１９が電位障壁２１を越えてＭＱＷ障壁層２５に流れ
込み、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１５において信号として検知
されることになる。
【００５２】この第３の実施の形態においては、障壁層
をＭＱＷ障壁層２５で構成しているので、ＭＱＷ障壁層
２５を構成するバリア層及びウエル層の組成及び層厚を
制御することによって電位障壁２１の高さを任意に制御
することができ、特に、混晶の形成が困難な半導体系を
用いた場合にも、混晶を形成することなく、２つの半導
体の組合せによって、その層厚を制御するだけで電位障
壁２１の高さを任意に制御することができる。
をＭＱＷ障壁層２５で構成しているので、ＭＱＷ障壁層
２５を構成するバリア層及びウエル層の組成及び層厚を
制御することによって電位障壁２１の高さを任意に制御
することができ、特に、混晶の形成が困難な半導体系を
用いた場合にも、混晶を形成することなく、２つの半導
体の組合せによって、その層厚を制御するだけで電位障
壁２１の高さを任意に制御することができる。
【００５３】なお、この場合のＭＱＷ障壁層２５は一次
元の量子井戸構造で構成しているが、一次元の量子井戸
構造に限られるものではなく、二次元の量子井戸構造
（量子細線）或いは三次元の量子井戸構造（量子箱）を
用いて良いものである。
元の量子井戸構造で構成しているが、一次元の量子井戸
構造に限られるものではなく、二次元の量子井戸構造
（量子細線）或いは三次元の量子井戸構造（量子箱）を
用いて良いものである。
【００５４】また、この場合の熱雑音低減の原理も上述
の図２（ｃ）で説明した第１の実施の形態の場合と全く
同様である。
の図２（ｃ）で説明した第１の実施の形態の場合と全く
同様である。
【００５５】次に、図５を参照して本発明の第４の実施
の形態を説明する。 図５（ａ）参照 この第４の実施の形態の半導体光検知装置は電位障壁と
してショットキーバリアを利用したものであり、半絶縁
性のＳｉ基板３１上に、ＣＶＤ法（化学気相成長法）に
よって厚さ１００〜１０００ｎｍ、例えば、５００ｎｍ
のｎ型Ｓｉ層３２、厚さ５０〜５００ｎｍ、例えば、１
００ｎｍのｐ型Ｓｉ層３３、及び、厚さ５〜５０ｎｍ、
例えば、１０ｎｍのＰｔＳｉ層３４を順次成長させ、電
極形成部が露出するようにパターニングし、露出部にｎ
側電極３５、ｐ側電極３６、及び、電極３７を形成す
る。
の形態を説明する。 図５（ａ）参照 この第４の実施の形態の半導体光検知装置は電位障壁と
してショットキーバリアを利用したものであり、半絶縁
性のＳｉ基板３１上に、ＣＶＤ法（化学気相成長法）に
よって厚さ１００〜１０００ｎｍ、例えば、５００ｎｍ
のｎ型Ｓｉ層３２、厚さ５０〜５００ｎｍ、例えば、１
００ｎｍのｐ型Ｓｉ層３３、及び、厚さ５〜５０ｎｍ、
例えば、１０ｎｍのＰｔＳｉ層３４を順次成長させ、電
極形成部が露出するようにパターニングし、露出部にｎ
側電極３５、ｐ側電極３６、及び、電極３７を形成す
る。
【００５６】図５（ｂ）参照 この場合、ｐ型Ｓｉ層３３とＰｔＳｉ層３４との間には
所望の感光波長に対応した高さΔＥを持つ電位障壁４１
が形成され、この電位障壁４１の厚さと高さは、ｐ型Ｓ
ｉ層３３の不純物濃度を制御することによって任意に制
御することができる。
所望の感光波長に対応した高さΔＥを持つ電位障壁４１
が形成され、この電位障壁４１の厚さと高さは、ｐ型Ｓ
ｉ層３３の不純物濃度を制御することによって任意に制
御することができる。
【００５７】この場合もｐ型Ｓｉ層３３はｎ側電極３５
とｐ側電極３６との間に順バイアスとなるバイアス電位
Ｖを印加することによって電子３８がｎ型Ｓｉ層３２か
ら注入されて統計力学的に非熱平衡状態となり、バイア
ス電位Ｖの差だけエネルギー的に離れた電子３８及び正
孔３９に対する擬フェルミ準位ＥFn，ＥFpが形成され
る。
とｐ側電極３６との間に順バイアスとなるバイアス電位
Ｖを印加することによって電子３８がｎ型Ｓｉ層３２か
ら注入されて統計力学的に非熱平衡状態となり、バイア
ス電位Ｖの差だけエネルギー的に離れた電子３８及び正
孔３９に対する擬フェルミ準位ＥFn，ＥFpが形成され
る。
【００５８】この状態で、波長が１０μｍ帯の赤外線４
０がｐ型Ｓｉ層３３に入射した場合、電子３８によって
吸収され、赤外線４０のエネルギーｈνが電位障壁４１
の高さΔＥより大きい場合には、励起された電子３８が
電位障壁４１を越えてＰｔＳｉ層３４に流れ込み、信号
として検知されることになる。
０がｐ型Ｓｉ層３３に入射した場合、電子３８によって
吸収され、赤外線４０のエネルギーｈνが電位障壁４１
の高さΔＥより大きい場合には、励起された電子３８が
電位障壁４１を越えてＰｔＳｉ層３４に流れ込み、信号
として検知されることになる。
【００５９】この第４の実施の形態においては、ショッ
トキー接合を用いているので、ヘテロエピタキシャル成
長が不要となり、製造工程が簡素化され、且つ、Ｓｉを
用いているのでシリコンデバイスとの集積化が容易にな
る。
トキー接合を用いているので、ヘテロエピタキシャル成
長が不要となり、製造工程が簡素化され、且つ、Ｓｉを
用いているのでシリコンデバイスとの集積化が容易にな
る。
【００６０】なお、この場合の光吸収層及びキャリア注
入層としてはＳｉを用いているが、Ｓｉに限られるもの
ではなく、ＧａＡｓ等の化合物半導体を用いてショット
キーバリアを構成しても良いものである。
入層としてはＳｉを用いているが、Ｓｉに限られるもの
ではなく、ＧａＡｓ等の化合物半導体を用いてショット
キーバリアを構成しても良いものである。
【００６１】また、この場合の熱雑音低減の原理も上述
の図２（ｃ）で説明した第１の実施の形態の場合と基本
的に同様である。
の図２（ｃ）で説明した第１の実施の形態の場合と基本
的に同様である。
【００６２】次に、図６を参照して本発明の第５の実施
の形態を説明する。 図６（ａ）参照 この第５の実施の形態の半導体光検知装置は電位障壁と
してＭＩＳ構造を利用したものであり、半絶縁性のＳｉ
基板３１上に、ＣＶＤ法によって厚さ１００〜１０００
ｎｍ、例えば、５００ｎｍのｎ型Ｓｉ層３２、及び、厚
さ５０〜５００ｎｍ、例えば、１００ｎｍのｐ型Ｓｉ層
３３を成長させ、次いで、スパッタリング法によって厚
さ１〜１０ｎｍ、例えば、５ｎｍのＳｉＮx からなる絶
縁膜４２、及び、厚さ５０〜５００ｎｍ、例えば、１０
０ｎｍのＡｌからなる電極層４３を堆積させたのち、電
極形成部が露出するようにパターニングし、露出部にｎ
側電極３５、ｐ側電極３６、及び、電極３７を形成す
る。
の形態を説明する。 図６（ａ）参照 この第５の実施の形態の半導体光検知装置は電位障壁と
してＭＩＳ構造を利用したものであり、半絶縁性のＳｉ
基板３１上に、ＣＶＤ法によって厚さ１００〜１０００
ｎｍ、例えば、５００ｎｍのｎ型Ｓｉ層３２、及び、厚
さ５０〜５００ｎｍ、例えば、１００ｎｍのｐ型Ｓｉ層
３３を成長させ、次いで、スパッタリング法によって厚
さ１〜１０ｎｍ、例えば、５ｎｍのＳｉＮx からなる絶
縁膜４２、及び、厚さ５０〜５００ｎｍ、例えば、１０
０ｎｍのＡｌからなる電極層４３を堆積させたのち、電
極形成部が露出するようにパターニングし、露出部にｎ
側電極３５、ｐ側電極３６、及び、電極３７を形成す
る。
【００６３】図６（ｂ）参照 この場合、電極３７に適当な電圧を印加することによっ
てｐ型Ｓｉ層３３の絶縁膜４２との界面近傍にΔＥに相
当するバンドの曲がりが形成され、このバンドの曲がり
によりｐ型Ｓｉ層３３と絶縁膜４２との間には、高さΔ
Ｅが所望の感光波長に相当する電位障壁が形成され、こ
の電位障壁の高さは、ｐ型Ｓｉ層３３の不純物濃度及び
電極層４３に印加するバイアスによって任意に制御する
ことができる。
てｐ型Ｓｉ層３３の絶縁膜４２との界面近傍にΔＥに相
当するバンドの曲がりが形成され、このバンドの曲がり
によりｐ型Ｓｉ層３３と絶縁膜４２との間には、高さΔ
Ｅが所望の感光波長に相当する電位障壁が形成され、こ
の電位障壁の高さは、ｐ型Ｓｉ層３３の不純物濃度及び
電極層４３に印加するバイアスによって任意に制御する
ことができる。
【００６４】この場合もｐ型Ｓｉ層３３はｎ側電極３５
とｐ側電極３６との間に順バイアスとなるバイアス電位
Ｖを印加することによって電子３８がｎ型Ｓｉ層３２か
ら注入されて統計力学的に非熱平衡状態となり、バイア
ス電位Ｖの差だけエネルギー的に離れた電子３８及び正
孔３９に対する擬フェルミ準位ＥFn，ＥFpが形成され
る。
とｐ側電極３６との間に順バイアスとなるバイアス電位
Ｖを印加することによって電子３８がｎ型Ｓｉ層３２か
ら注入されて統計力学的に非熱平衡状態となり、バイア
ス電位Ｖの差だけエネルギー的に離れた電子３８及び正
孔３９に対する擬フェルミ準位ＥFn，ＥFpが形成され
る。
【００６５】この状態で、波長が１０μｍ帯の赤外線４
０がｐ型Ｓｉ層３３に入射した場合、電子３８によって
吸収され、赤外線４０のエネルギーｈνが電位障壁の高
さΔＥより大きい場合には、励起された電子３８が絶縁
膜４２をトンネルして電極層４３に流れ込み、信号とし
て検知されることになる。
０がｐ型Ｓｉ層３３に入射した場合、電子３８によって
吸収され、赤外線４０のエネルギーｈνが電位障壁の高
さΔＥより大きい場合には、励起された電子３８が絶縁
膜４２をトンネルして電極層４３に流れ込み、信号とし
て検知されることになる。
【００６６】この第５の実施の形態においては、ＭＩＳ
構造を用いているので、ヘテロエピタキシャル成長が不
要となり、製造工程が簡素化され、且つ、Ｓｉを用いて
いるのでシリコンデバイス、特に、ＭＯＳ型半導体装置
との集積化が容易になる。
構造を用いているので、ヘテロエピタキシャル成長が不
要となり、製造工程が簡素化され、且つ、Ｓｉを用いて
いるのでシリコンデバイス、特に、ＭＯＳ型半導体装置
との集積化が容易になる。
【００６７】なお、この場合の光吸収層及びキャリア注
入層としてはＳｉを用いているが、Ｓｉに限られるもの
ではなく、ＧａＡｓ等の化合物半導体を用いてＭＩＳ構
造を構成しても良いものである。
入層としてはＳｉを用いているが、Ｓｉに限られるもの
ではなく、ＧａＡｓ等の化合物半導体を用いてＭＩＳ構
造を構成しても良いものである。
【００６８】また、この場合の熱雑音低減の原理も上述
の図２（ｃ）で説明した第１の実施の形態の場合と基本
的に同様である。
の図２（ｃ）で説明した第１の実施の形態の場合と基本
的に同様である。
【００６９】次に、図７を参照して本発明の第６の実施
の形態を説明する。 図７（ａ）参照 この第６の実施の形態は光励起型の半導体光検知装置で
あり、半絶縁性のＧａＡｓ基板５１上に、ＭＢＥ法によ
って厚さ１００〜１０００ｎｍ、例えば、５００ｎｍの
ｐ型ＡｌＧａＡｓ層５２、厚さ１００〜５００ｎｍ、例
えば、２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層５３、厚さ１０〜１
００ｎｍ、例えば、５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ層５
４、及び、厚さ１００〜１０００ｎｍ、例えば、５００
ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ層５５を順次成長させ、電極形
成部が露出するようにパターニングし、露出部にｐ型電
極５６及びｎ側電極５７を形成する。
の形態を説明する。 図７（ａ）参照 この第６の実施の形態は光励起型の半導体光検知装置で
あり、半絶縁性のＧａＡｓ基板５１上に、ＭＢＥ法によ
って厚さ１００〜１０００ｎｍ、例えば、５００ｎｍの
ｐ型ＡｌＧａＡｓ層５２、厚さ１００〜５００ｎｍ、例
えば、２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層５３、厚さ１０〜１
００ｎｍ、例えば、５０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ層５
４、及び、厚さ１００〜１０００ｎｍ、例えば、５００
ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ層５５を順次成長させ、電極形
成部が露出するようにパターニングし、露出部にｐ型電
極５６及びｎ側電極５７を形成する。
【００７０】図７（ｂ）参照 この場合、外部からｐ型ＧａＡｓ層５３の禁制帯幅以上
のエネルギーを有する励起光６０を照射することによっ
て、ｐ型ＧａＡｓ層５３において価電子帯に充満してい
る電子が伝導帯に励起されるため、ｐ型ＧａＡｓ層５３
における電子分布は統計力学的に非熱平衡状態となる。
のエネルギーを有する励起光６０を照射することによっ
て、ｐ型ＧａＡｓ層５３において価電子帯に充満してい
る電子が伝導帯に励起されるため、ｐ型ＧａＡｓ層５３
における電子分布は統計力学的に非熱平衡状態となる。
【００７１】この状態で、波長が１０μｍ帯の赤外線６
１がｐ型ＧａＡｓ層５３に入射した場合、電子５８によ
って吸収され、赤外線６１のエネルギーｈνがｐ型Ａｌ
ＧａＡｓ層５４とｐ型ＧａＡｓ層５３との間の伝導帯に
おける電位障壁６２の高さより大きい場合には、励起さ
れた電子５８が電位障壁６２を越えてｐ型ＡｌＧａＡｓ
層５４側に流れ込み、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層５５において
信号として検知されることになる。
１がｐ型ＧａＡｓ層５３に入射した場合、電子５８によ
って吸収され、赤外線６１のエネルギーｈνがｐ型Ａｌ
ＧａＡｓ層５４とｐ型ＧａＡｓ層５３との間の伝導帯に
おける電位障壁６２の高さより大きい場合には、励起さ
れた電子５８が電位障壁６２を越えてｐ型ＡｌＧａＡｓ
層５４側に流れ込み、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層５５において
信号として検知されることになる。
【００７２】図７（ｃ）参照 この様な非熱平衡状態にあるｐ型ＧａＡｓ層５３におけ
る電子５８の分布は、ｐ型ＧａＡｓ層５３における通常
のフェルミ準位ＥF を基準としたフェルミ・ディラック
統計の分布関数に従う電子の分布と、励起光６０によっ
て価電子帯から励起された電子の分布の和となる。
る電子５８の分布は、ｐ型ＧａＡｓ層５３における通常
のフェルミ準位ＥF を基準としたフェルミ・ディラック
統計の分布関数に従う電子の分布と、励起光６０によっ
て価電子帯から励起された電子の分布の和となる。
【００７３】したがって、伝導帯における電子５８の数
及び分布は励起光６０の強度によって任意に制御するこ
とができ、赤外線６１の検出感度は励起光６０の強度に
依存することになる。
及び分布は励起光６０の強度によって任意に制御するこ
とができ、赤外線６１の検出感度は励起光６０の強度に
依存することになる。
【００７４】また、電位障壁６２を越えたエネルギー状
態の電子５８の数は、ｐ型ＧａＡｓ層５３のフェルミ準
位ＥF で規定されることになり、このフェルミ準位ＥF
は価電子帯の上端ＥV の近傍に位置するので、電位障壁
６２を越えたエネルギー状態の電子５８の数を十分小さ
くすることができ、したがって、熱励起電子に起因する
熱雑音をなくすことができる。
態の電子５８の数は、ｐ型ＧａＡｓ層５３のフェルミ準
位ＥF で規定されることになり、このフェルミ準位ＥF
は価電子帯の上端ＥV の近傍に位置するので、電位障壁
６２を越えたエネルギー状態の電子５８の数を十分小さ
くすることができ、したがって、熱励起電子に起因する
熱雑音をなくすことができる。
【００７５】この第６の実施の形態においては、光励起
を用いているので、キャリア注入のための機構が不要に
なり、また、電位障壁６２を越えたエネルギー状態の電
子５８の数はｐ型ＧａＡｓ層５３のフェルミ準位ＥF で
規定されるため、熱雑音を低減した状態で光検知感度を
任意に高めることができる。
を用いているので、キャリア注入のための機構が不要に
なり、また、電位障壁６２を越えたエネルギー状態の電
子５８の数はｐ型ＧａＡｓ層５３のフェルミ準位ＥF で
規定されるため、熱雑音を低減した状態で光検知感度を
任意に高めることができる。
【００７６】次に、図８を参照して本発明の第７の実施
の形態を説明する。 図８参照 この第７の実施の形態は光励起手段をモノリシックに一
体化した半導体光検知装置であり、半絶縁性のＧａＡｓ
基板５１上に、ＭＢＥ法によってＤＢＲ層（分布ブラッ
グ反射層）６３、厚さ１〜１０ｎｍ、例えば、５ｎｍの
ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（Ａｌ比０．３）６４、厚
さ１〜１０ｎｍ、例えば、２ｎｍのＧａＡｓ活性層６
５、厚さ１〜１０ｎｍ、例えば、５ｎｍのｎ型ＡｌＧａ
Ａｓクラッド層（Ａｌ比０．３）６６、及び、ＤＢＲ層
６７を順次堆積させて面発光レーザ要素を形成する。
の形態を説明する。 図８参照 この第７の実施の形態は光励起手段をモノリシックに一
体化した半導体光検知装置であり、半絶縁性のＧａＡｓ
基板５１上に、ＭＢＥ法によってＤＢＲ層（分布ブラッ
グ反射層）６３、厚さ１〜１０ｎｍ、例えば、５ｎｍの
ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（Ａｌ比０．３）６４、厚
さ１〜１０ｎｍ、例えば、２ｎｍのＧａＡｓ活性層６
５、厚さ１〜１０ｎｍ、例えば、５ｎｍのｎ型ＡｌＧａ
Ａｓクラッド層（Ａｌ比０．３）６６、及び、ＤＢＲ層
６７を順次堆積させて面発光レーザ要素を形成する。
【００７７】この場合のＤＢＲ層６３，６７は、薄いｉ
型ＡｌＧａＡｓとｉ型ＧａＡｓとを交互に複数層堆積さ
せて、レーザの共振器とするものであり、必要とする反
射率、及び、半透過率に応じて適宜層構造を設定すれば
良い。
型ＡｌＧａＡｓとｉ型ＧａＡｓとを交互に複数層堆積さ
せて、レーザの共振器とするものであり、必要とする反
射率、及び、半透過率に応じて適宜層構造を設定すれば
良い。
【００７８】引き続いて、厚さ１００〜１０００ｎｍ、
例えば、５００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ層５２、厚さ１
００〜５００ｎｍ、例えば、２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ
層５３、厚さ１０〜１００ｎｍ、例えば、５０ｎｍのｐ
型ＡｌＧａＡｓ層５４、及び、厚さ１００〜１０００ｎ
ｍ、例えば、５００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ層５５を順
次成長させ、電極形成部が露出するようにパターニング
し、露出部にｐ型電極６８及びｎ側電極６９を形成して
面発光レーザを構成するとともに、ｐ型電極５６及びｎ
側電極５７を形成して光検知部を構成する。
例えば、５００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ層５２、厚さ１
００〜５００ｎｍ、例えば、２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ
層５３、厚さ１０〜１００ｎｍ、例えば、５０ｎｍのｐ
型ＡｌＧａＡｓ層５４、及び、厚さ１００〜１０００ｎ
ｍ、例えば、５００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ層５５を順
次成長させ、電極形成部が露出するようにパターニング
し、露出部にｐ型電極６８及びｎ側電極６９を形成して
面発光レーザを構成するとともに、ｐ型電極５６及びｎ
側電極５７を形成して光検知部を構成する。
【００７９】この場合の赤外線の検知原理及び熱雑音低
減の原理は上記の第６の実施の形態と同様であるが、光
励起手段をモノリシックに一体化しているので装置全体
の構成がコンパクトになる。
減の原理は上記の第６の実施の形態と同様であるが、光
励起手段をモノリシックに一体化しているので装置全体
の構成がコンパクトになる。
【００８０】なお、この第７の実施の形態においては光
励起手段としての面発光レーザを基板側に設けている
が、成長層表面側に設けても良く、或いは、両側に設け
ても良く、いずれの場合にも信号源となる赤外線は禁制
帯幅の大きな面発光レーザ部で吸収されることはない。
励起手段としての面発光レーザを基板側に設けている
が、成長層表面側に設けても良く、或いは、両側に設け
ても良く、いずれの場合にも信号源となる赤外線は禁制
帯幅の大きな面発光レーザ部で吸収されることはない。
【００８１】さらに、この様な光励起手段は面発光レー
ザである必要はなく、通常の自然発光を行う発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）であっても良い。
ザである必要はなく、通常の自然発光を行う発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）であっても良い。
【００８２】以上、本発明の各実施の形態を説明してき
たが、本発明は実施の形態に記載したディスクリートの
赤外線検知素子に限られるものではなく、この様な赤外
線検知素子を一次元或いは二次元に配列した赤外線検知
アレイも対象とするものである。
たが、本発明は実施の形態に記載したディスクリートの
赤外線検知素子に限られるものではなく、この様な赤外
線検知素子を一次元或いは二次元に配列した赤外線検知
アレイも対象とするものである。
【００８３】また、上記の電位障壁をヘテロ接合で構成
する各実施の形態においては、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ
系ヘテロ接合を用いているが、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓ系ヘテロ接合を用いても良く、さらには、ＩｎＰ／
ＩｎＧａＡｓＰ系ヘテロ接合等の半導体レーザに用いら
れている各種のヘテロ接合を用いても良い。
する各実施の形態においては、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ
系ヘテロ接合を用いているが、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓ系ヘテロ接合を用いても良く、さらには、ＩｎＰ／
ＩｎＧａＡｓＰ系ヘテロ接合等の半導体レーザに用いら
れている各種のヘテロ接合を用いても良い。
【００８４】
【発明の効果】本発明によれば、検出すべき光を光吸収
層における伝導帯に存在する少数キャリアにより吸収す
ると共に、光吸収層が光検知時に、少数キャリアの注入
或いは少数キャリアの光励起により非熱平衡状態となる
ようにし、それによって、少数キャリアの各エネルギー
における存在数、即ち、Ｎ（Ｅ）を熱平衡状態の分布と
異なるようにして熱励起電子による熱リーク電流を低減
することができるので、半導体光検出装置の冷却が不要
になり、装置全体の構成を簡素化することができる。
層における伝導帯に存在する少数キャリアにより吸収す
ると共に、光吸収層が光検知時に、少数キャリアの注入
或いは少数キャリアの光励起により非熱平衡状態となる
ようにし、それによって、少数キャリアの各エネルギー
における存在数、即ち、Ｎ（Ｅ）を熱平衡状態の分布と
異なるようにして熱励起電子による熱リーク電流を低減
することができるので、半導体光検出装置の冷却が不要
になり、装置全体の構成を簡素化することができる。
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の説明図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の説明図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の説明図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態の説明図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態の説明図である。
【図８】本発明の第７の実施の形態の説明図である。
【図９】従来の半導体赤外線検知素子の説明図である。
１ 非熱平衡層 ２ 障壁層 ３ 信号取込層 ４ 光検知層 ５ 電子 ６ 正孔 ７ 光 １１ ＧａＡｓ基板 １２ ｎ型ＧａＡｓ層 １３ ｐ型ＧａＡｓ層 １４ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層 １５ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層 １６ ｎ側電極 １７ ｐ側電極 １８ ｎ側電極 １９ 電子 ２０ 正孔 ２１ 電位障壁 ２２ 赤外線 ２３ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層 ２４ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層 ２５ ＭＱＷ障壁層 ３１ Ｓｉ基板 ３２ ｎ型Ｓｉ層 ３３ ｐ型Ｓｉ層 ３４ ＰｔＳｉ層 ３５ ｎ側電極 ３６ ｐ側電極 ３７ 電極 ３８ 電子 ３９ 正孔 ４０ 赤外線 ４１ 電位障壁 ４２ 絶縁膜 ４３ 電極層 ５１ ＧａＡｓ基板 ５２ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層 ５３ ｐ型ＧａＡｓ層 ５４ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層 ５５ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層 ５６ ｐ側電極 ５７ ｎ側電極 ５８ 電子 ５９ 正孔 ６０ 励起光 ６１ 赤外線 ６２ 電位障壁 ６３ ＤＢＲ層 ６４ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層 ６５ ＡｌＧａＡｓ活性層 ６６ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層 ６７ ＤＢＲ層 ６８ ｐ側電極 ６９ ｎ側電極 ７１ ＣｄＴｅ基板 ７２ ｐ型ＨｇＣｄＴｅ層 ７３ ｎ型領域 ７４ 赤外線 ７５ 電子 ７６ 正孔 ７７ 熱励起電子 ７８ 正孔
Claims (10)
- 【請求項１】 光を吸収する非熱平衡層と、前記非熱平
衡層に隣接して電位障壁を構成する光検知層を設けたこ
とを特徴とする半導体光検知装置。 - 【請求項２】 上記非熱平衡層における擬フェルミ準位
の制御を、少数キャリアの注入により行うことを特徴と
する請求項１記載の半導体光検知装置。 - 【請求項３】 上記非熱平衡層における少数キャリアの
エネルギー分布の制御を、光励起により行うことを特徴
とする請求項１記載の半導体光検知装置。 - 【請求項４】 上記光励起のための手段を、モノリシッ
クに一体化したことを特徴とする請求項３記載の半導体
光検知装置。 - 【請求項５】 上記光検知層の少なくとも上記非熱平衡
層に接する部分の半導体層を、前記非熱平衡層の禁制帯
幅より大きな半導体で構成したことを特徴とする請求項
１乃至４のいずれか１項に記載の半導体光検知装置。 - 【請求項６】 上記非熱平衡層の上記光検知層に接する
側と反対の側に、前記非熱平衡層の禁制帯幅より大きな
半導体層を設けたことを特徴とする請求項５記載の半導
体光検知装置。 - 【請求項７】 上記光検知層に、ｐｎ接合を設けたこと
を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半
導体光検知装置。 - 【請求項８】 上記光検知層の少なくとも一部に、量子
井戸構造を設けたことを特徴とする請求項１乃至７のい
ずれか１項に記載の半導体光検知装置。 - 【請求項９】 上記光検知層として、ショットキー接合
を用いたことを特徴とする請求項１または２に記載の半
導体光検知装置。 - 【請求項１０】 上記光検知層として、金属−絶縁体−
半導体構造を用いたことを特徴とする請求項１または２
に記載の半導体光検知装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9054447A JPH10256594A (ja) | 1997-03-10 | 1997-03-10 | 半導体光検知装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9054447A JPH10256594A (ja) | 1997-03-10 | 1997-03-10 | 半導体光検知装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10256594A true JPH10256594A (ja) | 1998-09-25 |
Family
ID=12970966
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9054447A Withdrawn JPH10256594A (ja) | 1997-03-10 | 1997-03-10 | 半導体光検知装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10256594A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009532852A (ja) * | 2006-03-21 | 2009-09-10 | シモン・マイモン | 暗電流を低減した光検出器 |
| JP2011204779A (ja) * | 2010-03-24 | 2011-10-13 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 赤外線センサ |
| JP2012134507A (ja) * | 2012-01-11 | 2012-07-12 | Maimon Shimon | 暗電流を低減した光検出器 |
| JP2014239235A (ja) * | 2014-07-10 | 2014-12-18 | シモン・マイモンＳｈｉｍｏｎ ＭＡＩＭＯＮ | 暗電流を低減した光検出器 |
| JP2015511394A (ja) * | 2012-01-04 | 2015-04-16 | コミサリア ア レネルジィ アトミーク エ オ ゼネ ルジイ アルテアナティーフＣｏｍｍｉｓｓａｒｉａｔａ Ｌ’Ｅｎｅｒｇｉｅ Ａｔｏｍｉｑｕｅ Ｅｔ Ａｕｘ Ｅｎｅｒｇｉｅｓ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｓ | 半導体構造体、構造体を含むデバイス、および半導体構造体を製造する方法 |
-
1997
- 1997-03-10 JP JP9054447A patent/JPH10256594A/ja not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009532852A (ja) * | 2006-03-21 | 2009-09-10 | シモン・マイモン | 暗電流を低減した光検出器 |
| JP2011204779A (ja) * | 2010-03-24 | 2011-10-13 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 赤外線センサ |
| JP2015511394A (ja) * | 2012-01-04 | 2015-04-16 | コミサリア ア レネルジィ アトミーク エ オ ゼネ ルジイ アルテアナティーフＣｏｍｍｉｓｓａｒｉａｔａ Ｌ’Ｅｎｅｒｇｉｅ Ａｔｏｍｉｑｕｅ Ｅｔ Ａｕｘ Ｅｎｅｒｇｉｅｓ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｓ | 半導体構造体、構造体を含むデバイス、および半導体構造体を製造する方法 |
| JP2012134507A (ja) * | 2012-01-11 | 2012-07-12 | Maimon Shimon | 暗電流を低減した光検出器 |
| JP2014239235A (ja) * | 2014-07-10 | 2014-12-18 | シモン・マイモンＳｈｉｍｏｎ ＭＡＩＭＯＮ | 暗電流を低減した光検出器 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20040511 |