JPS599979A - エピタキシャル・トランジスタ装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔本発明の分野〕 本発明は、信号の伝送及び検出を行なう半導体装置に関
するものであり、特に、そのような信号により生成され
るキャリヤの内部損失が装置内で最小となるような半導
体装置に関するものである。

信号が光の範囲である場合には、半導体装置はその動作
システムに対して最適にされ得ろ。例えば、光信号が伝
わる間にその吸収が非常に小さくなるような光信号の波
長において、光信号変換が行なわれることが望ましい。

しかしながら、光信号変換においては、信号発生装置で
利用できる光の出力周波数と、伝送媒体による光信号の
減衰と、光信号を再変換する検出器とによって、効率に
は限界がある。

〔背景技術〕

当分野では、もっばら、電気信号を光信号に変換するこ
とと、空気中の又は石英を主成分とする光フアイバ物質
に沿っての伝送と、光信号を電気信号に再変換すること
とが研究されてきた。技術の発達に伴なって、システム
の種々の点を最適にするような適応性を生じることがで
きれば都合が良い。

速い応答時間と、約１ミクロンの波長範囲の即ち１乃至
１．４ｅＶの感度とを有する光検出器が、望ましいこと
は、知ら扛ており、そして、これらのパラメータが広い
バンド・ギャップのエミツタ領域によっである程度達成
できることも知られている。そのような構造体は、米国
特許第４１２２４７６号に示されている。

米国特許第４０９６５１１号に示されているように、工
ｎＡｓは、０．８６μｍよりも大きい波長に対して、光
検出器用の物質としては良いものである。

一般に半導体分野では、キャリヤの移動を向上させるた
めに、ドーピングにより、結晶中に傾斜電界とともに広
いバンド・ギャップのエミッタを提供することが、都合
が良い。これは、米国特許第３０８１３７０号に示され
ている。

〔本発明の概要〕

本発明の目的は、複数元素の半導体物質から成る複数の
層であって各層が共通の元素を有するものを用いること
により、信号の転送利得、格子不適合の調整及びキャリ
ヤの伝送利得が達成されろような、信号変換の半導体構
造体を提供することである。

元素の割合を変えることにより、転位によるキャリヤの
トラップを最小にする格子の調和と、転位により起きる
キャリヤ・トラップの影響をキャリヤへの加速効果によ
って最小にする連続変化した（ｇｒａｄｅｄ）バンド・
ギャップとが、提供される。

〔本発明の実施例〕

第１図を参照するに、光信号が、光ファイバのような手
段１によって、半導体基体６の受光表面２に与、えられ
る。半導体基体６は、ベース領域よりも広いバンド・ギ
ャップの半導体物質より成るエミッタ領域４を有する。

エミッタ領域４は、次のように連続変化したバンド・ギ
ャップのベース領域６とエミッタ・ベースのｐ−ｎ接合
５を形成する。即ち、こノヘース領域６では、バンド・
ギャップが、界面５でのより広いバンド・ギャップから
ベース・コレクタのｐ−ｎ接合７でのより狭いバンド・
ギャップまで連続変化している。コレクタ領域８は、基
板１０かもエピタキシャル成長して基板１０と界面９を
形成している。そしてコレクタ領域８には、キャリヤに
影響を与えるとともに、基板１０との格子適合を与える
ために、連続変化したバンド・ギャップが提供されてい
る。検出される電気信号全伝送するために、外部電気接
続１１が基板１０に形成され、また外部電気接続１２が
表面２に形成されている。そして、ベース領域から正孔
を引き出すとともに、電気信号変換が生じているならば
ベース接点を与えるために、ベース領域６には、外部電
気接続１６が提供されている。

第２図を参照するに、この図には、第１図の装置の領域
に関係付けられたバンド・エネルギの概略が示されてい
る。エミッタ領域４においては、ベース領域のより小さ
なバンド・ギャップに結合される広いバンド・ギャップ
が、高いエミッタ注入効率を与えている。ベース領域６
中の連続変化したバンド・ギャップは、次のような電界
を与える。即ち、この電界は、収集を生じるｐ−ｎ接合
まで注入されたキャリヤを加速し、そして、次のような
密度の転位におけるキャリヤの再結合を減少させる。そ
の密度とは、大きな格子不適合を生じろ物質にとって許
容できない程大きなものである。ある実施例では、コレ
クタ領域の連続変化したバンド・ギャップは、基板１０
との界面９における不適合による転位を減少する。

４層の構造体が提供されている。実質的な吸収なしに光
がベース領域まで通るが、しかしそれでもベース領域へ
のキャリヤの注入効率及び装置の可能な電流利得が大き
くなるように、ベース領域のバンド・ギャップよりも広
いバンド・ギャップの半導体エミッタ領域が使用される
。

ベース領域の物質は、選択した波長での光変換特性につ
いて選択される。そして、この物質には、コレクタの方
へキャリヤを加速し、次のような密度の転位におけるキ
ャリヤの再結合を減少する強い実効ドリフト電界をベー
スに生じるように、連続変化したバンド・ギャップが提
供されることになる。その密度とは、大きな格子不適合
を生じた物質では、許容できない程大きなものである。

格子が大きく不適合している物質とは、物質について許
容される構成変化の全範囲にわたり、格予定数が１係よ
りも犬きく変化するものである。

例えば、ＧａＡｓ及びＧａＰの格子定数は、各々、５６
６３及び５４５１である。従って、このような系の格子
定数の差の割合は、３６係であり、それ故にＧａＡｓ１
−ＸＰＸけ、格子が犬きく不適合する系となる。１０　
乃至１０７ｃｍ−２よりも大きな転位密度を有する物質
では、再結合寿命が１０−９乃至１ｏ１０秒となって、
転位位置におけるキャリヤの再結合が促進されることが
知られている。

また、例えばＧ　ａ　Ａ　ｓ　ｓ、　　、　ＰＸのよう
に格子が大きく不適合していると、特に、例えばＧａＡ
ｓのような格子が適合しない基板に成長される場合には
、転位型のキャリヤ再結合が促進されることが知られて
いる。

本発明では、急勾配に連続変化したべ〜ス層によって、
前記のような不都合が解決される。ベース層が高密度の
転位を含んでいても、連続変化によって生じるドリフト
電界が、ベース・コレクタ接合をキャリヤが横切って通
るのに十分な大きさであるので、転位位置を含む機構に
より生じる再結合を減少させることができる。例えば、
１μの連続変化したベースをキャリヤが１０ｃｍ／秒の
速１１ 度で横切る通過時間は１０　　秒である。転位に９ よる再結合寿命は、約１０　　乃至１ｏ１０秒である。

従って、キャリヤの再結合寿命に対する通過時間の比は
、０１乃至ｏｏｌである。この値は、転位位置で再結合
することになるキャリヤよりも１０乃至１００倍も多い
キャリヤが、ベース・コレクタ接合を横切ることになる
ことを意味する。

さらに、ベース及びコレクタの両領域における連続変化
する構成は、格子不適合による有害な影響を減少させる
。即ち、連続変化により、転位密度が減少する。転位は
キャリヤの発生と再結合の中心に関係しているので、転
位密度を減少させることにより、ノイズが減少する。

コレクタ領域では、ベース物質と基板物質との間の格子
の差を調オロするように、構成物質が変化している。

本発明の構造により、ベース領域の最小バンド・ギャッ
プとエミッタ領域のバンド・ギャップとの間で、どのよ
うな光に対してもベース領域において光子エネルギーに
ついての強い吸収が提供されろことになり、そして、電
子が約５Ｘ１０７ｃｍ／秒の電子のピーク速度に近い速
度で移動して・ベース通過時間が約１ピコ秒となるよう
な、実効ドリフト電界が提供されることになる。この結
果、所与のベース通過時間に対しては、得られる利得は
、連続変化したベースがない場合に得ることができるも
のよりも、太きくなるであろう。

本発明の好実施例では、光ファイバによって光信号が与
えられ、ベース及びコレクタの領域で２乃至６成分の半
導体を選択的に連続変化させることにより、キャリヤに
対するドリフト電界が形成されるとともに、基板との格
子適合を調整することが行なわれる。このようなシステ
ムでは、光ファイバ１は、所定の光波長では吸収が低い
ような物質で形成されるであろう。光信号発生器は、好
ましくは、レーザのような、電気を光に変換する固体装
置であると良い。

光吸収における局所的な最小は、１．３μｍの波長で起
きる。このような波長の光を放射する（Ｉｎ、Ｇａ）（
Ａｓ、Ｐ）−ＩｎＰレーザが利用できる。また、１．５
９乃至１６０μｍ付近に一層良い吸収帯域が存在し、特
別の光源をこの範囲で動作する光ファイバと結合するこ
とによって、はとんど損失がなくなることがわかった。

この波長での動作に適した光フアイバ物質の例としては
、ゲルマニウム及び二酸化シリコンのガラス混合物並び
にＳｉＯ２及びＧ　ｅ　Ｏ２がある。最適な波長は、信
号発生器と検出器との間のつながりの長さによって、多
少影響を受ける。低吸収についての最適波長の基準は、
つながりの長さが短いところでは、はとんど必須要件と
なることはないであろう。

本発明による検出器構造をなす基体６では、ファイバ１
によって与えられる光についての速度及び感度が、主要
な考慮すべき要件となるであろう。

一般的には、漏出電流を減少させて、結果的にノイズを
減らすために、欠陥の密度が低い半導体物質を使用する
ことが通常は望ましい。

使用される半導体物質は、ファイバ１により与えられ表
面２を通過する光のほとんどが０．２５乃至１μ＋＋＋
程度の厚さであるベース層６で吸収され得るような、大
きなバンド対バンド吸収係数を有するべきである。

第１図及び第２図の例は、バンド・エネルギが連続変化
していることを例示しやすくするために拡大されている
が、半導体層の厚さは、光吸収特性、少数キャリヤの通
過時間、ノイズ制御及び装置の利得を最適にするような
ものであることは、当業者には明らかであろう。

半導体物質は、それらが吸収している光子のエネルギよ
りも低いダイレクト・エネルギ・バンド・ギャップを有
しているので、光子エイ・ルギに対してより大きな吸収
特性を有することになる。その規準が、吸収係数と呼ば
れている。所望の大きな吸収係数は、０．１ｅＶ即ちバ
ンド・ギャップよ−１ つも大きい光子エネルギについては、１０ｃｍよりも大
きくなるであろう。適切なダイレクト・エネルギ・バン
ド・ギャップ物質としては、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、　Ｇａ
Ｓｂ、ＩｎＡｓ５　ＩｎＳｂ及びそれらの混合物のよう
な、多くのｌ’）−Ｖ族の金属間化合物半導体がある。

接点１２については、光が最初に接点層で実質的に吸収
されることなく、エミッタ領域４を通って、吸収が起き
ることになっている領域６まで通過できるようにすべき
である。従って、接点１２が使用される光を透過するよ
うな層である場合には、接点層の物質は光の波動エネル
ギよりも大きなバンド・ギャップ・エネルギを有するこ
とが望ましい。

第１図を参照するに、石英のような７１ノコンを主成分
とする光ファイバに対して、領域４は、約ｔ７ｅＶのバ
ンド・ギャップを有するＧａＡｌＡｓより成る。ＧａＡ
ｊｌＡｓのバンド・ギャップは界面５におけるＧａＡｓ
ベース領域６のバンド・ギャップ１．４ｅＶよりも大き
いので、それで、注入効率及び可能な電流利得は大きく
なる。界面５では、再結合の中心として働らく欠陥の形
成を最小にするためｌ／ｉＣ１Ｇ　ａ　１−ｘＡ　Ｉ　
ＸＡ　ｓの格子間隔が、ＧａＡｓの格子間隔に適合する
ようにされる。領域６では、第６成分であるＩｎが徐々
に導入されて、半導体Ｇａ１−ｘｌｎｘＡｓ（Ｘは徐々
に増加する）が形成される。それで、より狭いバンド・
ギャップが、ベースとコレクタのｐ−ｎ接合７に形成さ
れる。領域４．６及び８では、バンド・ギャップ及び格
子間隔の調整のために、結晶構成を変えることが行なわ
れ、そして、所望の導電型を提供するために、適切な不
純物濃度にされる。

このような構造により、次のような光に対して、ベース
領域では、強い吸収が提供されることになる。その光と
は、０７乃至６μｍの波長に相当する０４乃至１．７ｅ
Ｖの光子エネルギを有するものである。０５乃至１μｍ
の幅であるベースに対して、このベースにおける実効ド
リフト電界は、大体１０４Ｖ／　ｃｍになるであろう。

このような電界では、電子は５Ｘ１０７ｃｍ／秒の速度
である電子のピーク速度に近い速度で移動することにな
り、従って、通過時間は、約１ピコ秒となる。１０−１
０秒の応答時間に対して、装置は、約１００の利得を達
成できる。

コレクタ領域８では、必要ならば、−ｎ−導電型のＧ’
　ａ　Ａ　ｓ基板との界面９においてＧａＡｓに戻るよ
うに、成分Ｉｎの量を減少させること（Ｘを徐々に減ら
すこと）により、格子間隔の調整が行なわれ得る。

以上、エミッタ物質としてＧ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓを用
い、ベース・コレクタ物質としてＧａＩｎＡｓを用いる
ことについて述べたが、その他の典型的な系も利用でき
る。例えば、赤外線（ＩＲ）の検出には、土６ｅＶのバ
ンド・ギヤツブを有するＡＪＳｂがエミッタ物質として
使用され、０．１８乃至０．７ｅＶのバンド・ギャップ
を有するＧａ１−ｘＩｎｘＳｂが。

ベース・コレクタ物質として使用される。Ｇ　ａ　Ｏ，
９Ｉ　ｎ　ｏ、　１Ｓ　ｂはＡＡＳｂと格子適合し得る
ので、また、Ｇａ１□■ｎｘＳｂのバンド・ギャップは
Ｘを増加させると減少するので、ＧａＳｂの基板が適し
ている１、次の表■には、本発明の実施で使用され得る
、エミッタ用、ベース・コレクタ用及び基板用の物質に
ついての種々の系が示されている。

表　　　　■ エミッタ　　ペース・コレクタ　基板　検出波長Ｇａ　
　　ＡＡＡｓ　　Ｇａ１．−ＸＩｎＸＡｓ　　ＧａＡｓ
　　Ｏ，７−３μｍ　−ｘ　　ｘ Ａ／ｌｓｂ　　　　　　Ｇａ１−ＸＩｎＸＳｂ　　Ｇａ
Ｓｂ　　Ｏ，８−５，０μＧａＰ　　　　　　Ｓｉ　　
　Ｇｅ　　　　Ｓｉ　　　Ｏ，５−１，５μｍ　−ｘ　
　ｘ Ｇａｏ、５ｌｎｏ、ｓＰ　　Ｇａ、　−ｘＡ７１ＸＡｓ
　　ＧａＡｓ　　Ｏ，６−９ｔｔこのように、連続変化
した金属間化合物半導体の使用によって、種々の２成分
半導体間の実質的な格子不適合にもかかわらず、高密度
の不適合転位を生じることなく、種々の領域における半
導体の特性を規定することができる。

以上により、物質の選択と２成分半導体中で第６成分を
連続変化させることとの組合せによって、最適な光学的
特性及び構造的特性が達成される光信号検出器が示され
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による半導体基体の各領域を示す概略
図である。第２図は、第１図の構造体の距離に関係付け
られたエネルギ図である。 ４・・・・エミッタ領域、６・・・・ペース領域、８・
・・コレクタ領域。 出願人　　インターナシミ炒ｖ−ビジネス・マンーンズ
・コーオレ一ション代理人　弁理士　　岡　　　１）　
　次　　　生（外１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エミッタ領域、ベース領域及びコレクタ領域のうちの少
   なくとも１つを、前記各領域間の格子適合を達成すると
   ともに転位によるキャリヤ・トラップの影響を抑えるた
   めに、少なくとも１つの成分の割合がキャリヤの移動方
   向に対して徐々に変化している６成分の金属間化合物半
   導体で構成したことを特徴とする半導体構造体。