JPS59232471A - 光電変換素子 - Google Patents
光電変換素子Info
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- JPS59232471A JPS59232471A JP59047329A JP4732984A JPS59232471A JP S59232471 A JPS59232471 A JP S59232471A JP 59047329 A JP59047329 A JP 59047329A JP 4732984 A JP4732984 A JP 4732984A JP S59232471 A JPS59232471 A JP S59232471A
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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
- H01L31/08—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 in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—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 in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/109—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN heterojunction type
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔技術分野〕
本発明は、光エネルギを吸収して、電気信号に変換させ
る半導体構造体、即ち光電変換素子に係る。各々異々る
光の波長に応答する複数の層を用いて、波長帯の変換が
効率的に達成される、この種の構造体は、従来多数存在
している。
る半導体構造体、即ち光電変換素子に係る。各々異々る
光の波長に応答する複数の層を用いて、波長帯の変換が
効率的に達成される、この種の構造体は、従来多数存在
している。
当技術分野に於て、層相瓦間の界面がより急峻になるに
従って、衝突電離が増倍作用ｆ：／＋Ｅじることか解っ
ている。
従って、衝突電離が増倍作用ｆ：／＋Ｅじることか解っ
ている。
米国特許第３９９５３０３号及び第４２５０５１６号の
各明細書は、キャリアの支配的メカニズムとして衝突電
離を生じる領域間に比較的急峻な遷移が生じ−る、その
ような多層構造体を示している。しかしながら、衝突電
離のメカニズムを用いた場合の欠点の１つは、雑音がか
なシ生じることであシ、これは光検出器の性能を低下さ
せる。
各明細書は、キャリアの支配的メカニズムとして衝突電
離を生じる領域間に比較的急峻な遷移が生じ−る、その
ような多層構造体を示している。しかしながら、衝突電
離のメカニズムを用いた場合の欠点の１つは、雑音がか
なシ生じることであシ、これは光検出器の性能を低下さ
せる。
本発明による元富変換素子即ち光検出器は、特定の型の
キャリアに有利な結晶条件に於ける衝突電離によって、
よシ多くのキャリアを生じる構造特性を有する。その構
造体は、光入射面から遠去かる方向に禁止帯の幅が段階
的に減少している、毘結晶半導体である。上計構造体は
、異なる光の波長に応答する仲数の領域を有し、それら
の各領域は光入射面から遠去かる方向に段階的に減少し
ている禁止帯の幅を有し、又へテロ接合を成すそれらの
領域間の各界面は遷移がキャリアの平均自由？う程の範
囲内である程に急峻である。上記構造体の相別は、各界
面に於ける禁止帯の幅の変化の殆どが該構造体に於ける
支配的キャリアの型に有利であるように選択されている
。
キャリアに有利な結晶条件に於ける衝突電離によって、
よシ多くのキャリアを生じる構造特性を有する。その構
造体は、光入射面から遠去かる方向に禁止帯の幅が段階
的に減少している、毘結晶半導体である。上計構造体は
、異なる光の波長に応答する仲数の領域を有し、それら
の各領域は光入射面から遠去かる方向に段階的に減少し
ている禁止帯の幅を有し、又へテロ接合を成すそれらの
領域間の各界面は遷移がキャリアの平均自由？う程の範
囲内である程に急峻である。上記構造体の相別は、各界
面に於ける禁止帯の幅の変化の殆どが該構造体に於ける
支配的キャリアの型に有利であるように選択されている
。
本発明による構造体は、結晶に於ける欠陥の伝搬が少な
く、低エネルギのキャリアを捕、Ｃする電位の井戸をキ
ャリアの径路に有していないので、より高い利得、よシ
広帯−域の光への応答、より迅速なターン・オフ、及び
各領域の厚さに関する条件の緩ｆｌＪを可能にする。
く、低エネルギのキャリアを捕、Ｃする電位の井戸をキ
ャリアの径路に有していないので、より高い利得、よシ
広帯−域の光への応答、より迅速なターン・オフ、及び
各領域の厚さに関する条件の緩ｆｌＪを可能にする。
上記構造体の半導体拐利は、成る特定のキャリアに有利
であるように、段部に於て、段階的に減少する禁止幅の
幅に於て、非対称性を有している。
であるように、段部に於て、段階的に減少する禁止幅の
幅に於て、非対称性を有している。
個々の段部に於て、禁止帯の幅に於ける変化の殆どが伝
導帯に於て生じている場合には、その非対称性は電子に
有利である。同様に、」二記変化の殆どが価電子帯に於
て生じている場合には、その非対称性は正孔に有利であ
る。そわらの拐利は、上記非対称性が支配的キャリアに
有利であるように選択される。
導帯に於て生じている場合には、その非対称性は電子に
有利である。同様に、」二記変化の殆どが価電子帯に於
て生じている場合には、その非対称性は正孔に有利であ
る。そわらの拐利は、上記非対称性が支配的キャリアに
有利であるように選択される。
紀１図に於て、半導体重結晶構造体１は、禁止帯の幅が
段階的に減少している一連の領域、例えば５つの領域２
．６．４．５及び６を有している。
段階的に減少している一連の領域、例えば５つの領域２
．６．４．５及び６を有している。
領域２の光入射面上に透明電極７が設けられており、又
バイアスを加えそして出力信号を伝達するために、領域
乙の裏面上にオーム接点８が設けられている。
バイアスを加えそして出力信号を伝達するために、領域
乙の裏面上にオーム接点８が設けられている。
各領域２乃至６は、本質的に真性又は高抵抗でアリ、入
射光の波長帯に於て、その特定の領域によシ吸収される
べき波長の吸収長のオーターのｊ＃。
射光の波長帯に於て、その特定の領域によシ吸収される
べき波長の吸収長のオーターのｊ＃。
さを有している。
上記構造体は、各隣接領域間に点ｌｆｉ＋９．１０．１
１及び１２として示されている急峻な界面が存在するよ
うに投網されている。それらのへテロ接合即ち界面の各
々に於ては、全芦移が支配的キャリアの平均自由行程の
オーターの直線的距離に亘って生じる。
１及び１２として示されている急峻な界面が存在するよ
うに投網されている。それらのへテロ接合即ち界面の各
々に於ては、全芦移が支配的キャリアの平均自由行程の
オーターの直線的距離に亘って生じる。
説明し易いように、特定の半導体材料及び条件について
記載するが、他の拐利及び条件を用いることも可能であ
る。
記載するが、他の拐利及び条件を用いることも可能であ
る。
支配的キャリアが電子である場合の好ましい材料は（Ｇ
ａ Ｉｎ ）Ａｓであシ、ＧａＡｓは１ｘ
１−ｘ ４３ｅＶのより大きい禁止帯の幅を有し、その禁止帯の
幅は、インジウムのＸが増加するとともに、ＩｎＡｓに
於けるｏ３６ｅｖ 迄減少する。上記材料は、禁止帯
の幅に於ける変化の殆どが伝導帯に於て生じている点で
非対称性である、禁止帯の幅の変化を有する。各界面に
於ける段部の遷移は、殆どの材料に於てキャリアの平均
自由行程の範囲内で生じ、好ましくは５０スよりも小さ
いオーターである。上記半導体材料は、本質的に真性で
あシ、略１０１４不純物原子／ＣＣ１好ましくはそれ以
下のドーピング密度を有する。
ａ Ｉｎ ）Ａｓであシ、ＧａＡｓは１ｘ
１−ｘ ４３ｅＶのより大きい禁止帯の幅を有し、その禁止帯の
幅は、インジウムのＸが増加するとともに、ＩｎＡｓに
於けるｏ３６ｅｖ 迄減少する。上記材料は、禁止帯
の幅に於ける変化の殆どが伝導帯に於て生じている点で
非対称性である、禁止帯の幅の変化を有する。各界面に
於ける段部の遷移は、殆どの材料に於てキャリアの平均
自由行程の範囲内で生じ、好ましくは５０スよりも小さ
いオーターである。上記半導体材料は、本質的に真性で
あシ、略１０１４不純物原子／ＣＣ１好ましくはそれ以
下のドーピング密度を有する。
第２図は、第１図の構造体に寸法に於て関連づけて示さ
れているエネルギ帯図である。透明電極７を通る元の入
射面に隣接して最も大きい禁止帯の幅が示されており、
その禁止帯の幅は、上記光入射面から遠去かる方向に減
少して、最も小さい禁止帯の幅が最も遠くに存在するよ
うに、各界面９．１０．１１及び１２に於て、５０Ｘよ
りも小さい急峻な変化ΔＥ 十ΔＥｉ生している。１ン
１に於ては、５つの領域が示されているが、入射光の波
長帯に於ける所望の数の波長を変換させるために、それ
以上又はそれ以下の数の領域を用いてもよい。支配的キ
ャリアが電子である場合に好ましい上記利得に於ては、
領域２は、１．４３ｅＶの禁止帯の幅を有する純粋なＧ
ａＡｓである。これｌｄ、ヘテロ接合節ぢ界面９に於て
、（Ｇ ａ ｏ７５Ｉ ｎ ｏ、ｚ ｓ ）Ａｓに急峻
に変化し、その急峻な変化は、その−′移領域に於て非
弾性散乱が何ら生じないように、約５０Ｘの直線的寸法
に亘って生じる。従って、元により発生された電子は、
領域２から領域６へ横断する際に、その遷移領域の伝導
帯の増加（ΔＥ ）に晴しい運動エネルギの利得を得る
。この運動エネルギの利得は、衝突電離によってキャリ
アが増倍される場合の支配的メカニズムである。
れているエネルギ帯図である。透明電極７を通る元の入
射面に隣接して最も大きい禁止帯の幅が示されており、
その禁止帯の幅は、上記光入射面から遠去かる方向に減
少して、最も小さい禁止帯の幅が最も遠くに存在するよ
うに、各界面９．１０．１１及び１２に於て、５０Ｘよ
りも小さい急峻な変化ΔＥ 十ΔＥｉ生している。１ン
１に於ては、５つの領域が示されているが、入射光の波
長帯に於ける所望の数の波長を変換させるために、それ
以上又はそれ以下の数の領域を用いてもよい。支配的キ
ャリアが電子である場合に好ましい上記利得に於ては、
領域２は、１．４３ｅＶの禁止帯の幅を有する純粋なＧ
ａＡｓである。これｌｄ、ヘテロ接合節ぢ界面９に於て
、（Ｇ ａ ｏ７５Ｉ ｎ ｏ、ｚ ｓ ）Ａｓに急峻
に変化し、その急峻な変化は、その−′移領域に於て非
弾性散乱が何ら生じないように、約５０Ｘの直線的寸法
に亘って生じる。従って、元により発生された電子は、
領域２から領域６へ横断する際に、その遷移領域の伝導
帯の増加（ΔＥ ）に晴しい運動エネルギの利得を得る
。この運動エネルギの利得は、衝突電離によってキャリ
アが増倍される場合の支配的メカニズムである。
第１図の他の遷移領域即ち界面ｉｏ、１ｉ及び１２に於
ける一連の段部間に於ても、同様な運動エネルギの第１
１得か得られる。領域ろと領域４との間の界面１０に於
て、（Ｇａｏ、ｓ Ｉ ｎ ｏ、ｓ ） Ａ ｓへの急
峻な変化が生じ、界面１１に於て、（Ｇａ ＩｎＯ
，２５０，７５ Ａｓへの急１唆な変化が生じ、最後に界面１２に於て、
その材料は純粋なＩｎＡｓに変化している。第２図から
理解されるように、Ｉｎの変ＦｃＩｘは結晶の光入射面
から遠去かる方向に増加している。
ける一連の段部間に於ても、同様な運動エネルギの第１
１得か得られる。領域ろと領域４との間の界面１０に於
て、（Ｇａｏ、ｓ Ｉ ｎ ｏ、ｓ ） Ａ ｓへの急
峻な変化が生じ、界面１１に於て、（Ｇａ ＩｎＯ
，２５０，７５ Ａｓへの急１唆な変化が生じ、最後に界面１２に於て、
その材料は純粋なＩｎＡｓに変化している。第２図から
理解されるように、Ｉｎの変ＦｃＩｘは結晶の光入射面
から遠去かる方向に増加している。
更に、第２図のエネルギ帯図に於て、ΔＥ はΔＥ よ
りも太きい。これは、キャリアが電子である場合に有利
である、本来的な非対称性を与える。言い換えれば、上
記の（ＣａｘＩｎ１−Ｘ）Ａｓの材料に於ては、ΔＥ
がΔＥ よりも相当に大きく、従ってその領域全体全横
断するキャリアによるエネルギの利得は正孔の場合より
も電子の場合の方がずっと太きい。当技術分野に於て、
成る特定のキャリアに有利な非対称性は、その材料の仙
の特性〃・らは予測不可能であるとさｉｌている特性で
あるが、それは容易に測定可能である。（ＡｘＢ、−Ｘ
）Ｃの型の６元化合物に於ては、禁止ツ１；・の幅が、
支配的キャリアにイ１利であるように、少くとも２対１
の変化を生じることか好ましい。言い換えれば、電子の
場合には、ΔＥ が少くともΔＥの２倍Ｔあるべきであ
る。１つのキャリアが支配的に動作するという条件は、
夕１部バイアスの有；ＱＩｔに関係なく言えることであ
るが、接点７及び８の間に加えられる外部バイアスの存
在は、上６１−′動ｆｌを増強する。
りも太きい。これは、キャリアが電子である場合に有利
である、本来的な非対称性を与える。言い換えれば、上
記の（ＣａｘＩｎ１−Ｘ）Ａｓの材料に於ては、ΔＥ
がΔＥ よりも相当に大きく、従ってその領域全体全横
断するキャリアによるエネルギの利得は正孔の場合より
も電子の場合の方がずっと太きい。当技術分野に於て、
成る特定のキャリアに有利な非対称性は、その材料の仙
の特性〃・らは予測不可能であるとさｉｌている特性で
あるが、それは容易に測定可能である。（ＡｘＢ、−Ｘ
）Ｃの型の６元化合物に於ては、禁止ツ１；・の幅が、
支配的キャリアにイ１利であるように、少くとも２対１
の変化を生じることか好ましい。言い換えれば、電子の
場合には、ΔＥ が少くともΔＥの２倍Ｔあるべきであ
る。１つのキャリアが支配的に動作するという条件は、
夕１部バイアスの有；ＱＩｔに関係なく言えることであ
るが、接点７及び８の間に加えられる外部バイアスの存
在は、上６１−′動ｆｌを増強する。
上記のキャリア増倍の状況に於ては、電子による電離の
確率が、正孔による箱師の？＋’（６率よりもイ１−１
当に高く、この場合には、価電子帯に於てよりも伝導帯
に於てより大きな禁止帯の幅の変化がイーＲｉする。こ
れは、雑音の減少に特に役立つ。キャリア増倍率Ｍに関
連する雑音指数は、電子及び正孔の両方が存在する場合
にはＭ３に比例し、電子父は正孔の一方しか存在しない
場合にはＭ２に比例する。衝突電離又は電子なだれのモ
ードで動作する元倹υｌ−器に於ては、Ｍは常に１よシ
も大きい。
確率が、正孔による箱師の？＋’（６率よりもイ１−１
当に高く、この場合には、価電子帯に於てよりも伝導帯
に於てより大きな禁止帯の幅の変化がイーＲｉする。こ
れは、雑音の減少に特に役立つ。キャリア増倍率Ｍに関
連する雑音指数は、電子及び正孔の両方が存在する場合
にはＭ３に比例し、電子父は正孔の一方しか存在しない
場合にはＭ２に比例する。衝突電離又は電子なだれのモ
ードで動作する元倹υｌ−器に於ては、Ｍは常に１よシ
も大きい。
従って、本発明１てよる構造体は、従来のホモ接合装置
に比べて、相当に改良された信号対雑音比を与え、又そ
）１に匹敵する電子又は正孔のための７Ｍ ｉｌｆ速度
を有している。
に比べて、相当に改良された信号対雑音比を与え、又そ
）１に匹敵する電子又は正孔のための７Ｍ ｉｌｆ速度
を有している。
以」二に於ては、便宜上、電子が支配的キャリアである
場合について述べたが、本発明の原理は、Ｔｉ Ｎｔｒ
された支配的キャリアとして正孔を含む構造体にも容易
に適用される。その場合には、異なる材料（ＡＸＢｌ−
ｘ）：が選択される。その材料は、Ａ及０・１３が変化
するに何って禁止帯の幅が変化し、その変化の殆どが価
電子帯に於て生じる非対称１り・を有するようにフ討択
さｉする。そのような拐月の１例は、Ｇａ（ＳｂＸＡｓ
１−ｘ）Ｔ＝りる。この場合、禁止帯の幅は、ＧａＡｓ
に於ける１、４３ｅＶからＧａ５ｂに於ける０、８１ｅ
Ｖに変化し、その変化の殆ど全部が価電子帯に於て生じ
、言い排えれば、ΔＥがΔＥ の少くとも２倍になる。
場合について述べたが、本発明の原理は、Ｔｉ Ｎｔｒ
された支配的キャリアとして正孔を含む構造体にも容易
に適用される。その場合には、異なる材料（ＡＸＢｌ−
ｘ）：が選択される。その材料は、Ａ及０・１３が変化
するに何って禁止帯の幅が変化し、その変化の殆どが価
電子帯に於て生じる非対称１り・を有するようにフ討択
さｉする。そのような拐月の１例は、Ｇａ（ＳｂＸＡｓ
１−ｘ）Ｔ＝りる。この場合、禁止帯の幅は、ＧａＡｓ
に於ける１、４３ｅＶからＧａ５ｂに於ける０、８１ｅ
Ｖに変化し、その変化の殆ど全部が価電子帯に於て生じ
、言い排えれば、ΔＥがΔＥ の少くとも２倍になる。
本発明による上記構造体は、分子ビーム・エピタキンヤ
ル技術によって簡便に形成されることができる。分子ビ
ーム・エピクキンヤル技術は、即成及び厚さが正確に制
御され、平滑及び急峻な界面を有している、高品質の薄
膜を成長させることができるので有利であるが、５０Ｘ
よりも小さい直線的寸法に亘る界面を形成することので
きる任意の技術？用いることにより、本発明に必要とさ
れる特性を生せしめることができる。
ル技術によって簡便に形成されることができる。分子ビ
ーム・エピクキンヤル技術は、即成及び厚さが正確に制
御され、平滑及び急峻な界面を有している、高品質の薄
膜を成長させることができるので有利であるが、５０Ｘ
よりも小さい直線的寸法に亘る界面を形成することので
きる任意の技術？用いることにより、本発明に必要とさ
れる特性を生せしめることができる。
以上に於て、元により発生されたキャリアか嘔νめで急
峻な界面に於て衝突電離により増倍され、禁止帯の幅の
変化に於ける非対称性が成る特定の型の支配的キャリア
に有利である、半Ｉｎ体ｈ’！ ４体について述べた。
峻な界面に於て衝突電離により増倍され、禁止帯の幅の
変化に於ける非対称性が成る特定の型の支配的キャリア
に有利である、半Ｉｎ体ｈ’！ ４体について述べた。
その衝突電離のプロセス（ｒｉ 、キャリアの平均自由
行程よシも小さい遷移領域全盲する一連のへテロ接合の
段部に於て運動エネルギの利得を得るキャリアによって
、著しく増強される。それらのへテロ構造体に於ける段
階的に変化する禁止帯の幅は更に、光信号の広いスペク
トルに亘って、高い電子効率を与える。
行程よシも小さい遷移領域全盲する一連のへテロ接合の
段部に於て運動エネルギの利得を得るキャリアによって
、著しく増強される。それらのへテロ構造体に於ける段
階的に変化する禁止帯の幅は更に、光信号の広いスペク
トルに亘って、高い電子効率を与える。
４Ｉン１ｍｊの簡単な活量
第１図は本弁明の一実方１５例による５つの領域を有す
る半導体を１月いた光検出器を示す図、第２１ヌ１は第
１図の構造体に寸法に於て関連づけて示されている利得
（ＧａＸＩｎ１．−ｘ）Ａｓに関するエネルギイｂ−図
である。
る半導体を１月いた光検出器を示す図、第２１ヌ１は第
１図の構造体に寸法に於て関連づけて示されている利得
（ＧａＸＩｎ１．−ｘ）Ａｓに関するエネルギイｂ−図
である。
１・・・・半導体亀結晶構造体、２．６．４．５．６・
・・・禁止帯の幅が段階的に減少している一連の領域、
７・・・・透明８極、８・・・・オーム接点、９．１０
．１１．１２・・・界面（ペテロ接合）。
・・・禁止帯の幅が段階的に減少している一連の領域、
７・・・・透明８極、８・・・・オーム接点、９．１０
．１１．１２・・・界面（ペテロ接合）。
出ＦＩＡ人インクブナ／ヨナル・ビジ木ス・マシーンズ
・コーポレーンヨン代理人 弁ｍ１士 岡 １）
次 生（外１名）
・コーポレーンヨン代理人 弁ｍ１士 岡 １）
次 生（外１名）
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 光入射面から遠去かる方向に禁止帯の幅が段階的に減少
している一連の領域を有する半導体基体を用いた九１Ｍ
変換素子に於て、 上記禁止帯の幅は、その変化が特定のキャリアに有利な
ように、上記領域間の各界面に於て段階的に減少してお
り、上記各界面は電子の平均自由行程よシも薄い、 光により発生されたキャリアを増倍させる光電変換素子
。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/500,502 US4568959A (en) | 1983-06-02 | 1983-06-02 | Photomultiplier |
| US500502 | 1983-06-02 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JPH0367352B2 JPH0367352B2 (ja) | 1991-10-22 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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