JPS6095981A - 真性半導体電気光学デバイス - 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】

３〜５μｍと８〜１２μｍの波長領１４（大気による吸
収が最も小さい）には、赤外線による画像形成に関係し
た軍事的利用を含むいくつかの用途がある。このことは
、これらの波長で１作可能な真性半導体の検出器を開発
づるためにかなりの研究努力を払う動機となった。負性
検出器は、その吸収が１曲電子バンドから伝導バンドへ
のキャリアの励起に証づくようなものである。多くの物
質が３〜５μｍ領域用の画像形成アレイをつくるのに適
しているようであるが、如何なるバルク形態をした第■
−■族物質も、重要な８〜１２μＩ！１領域においては
、冷却された（例えば７７’に’）（低ノイズ）検出器
動作のために十分に小さいバンドギャップ値をもたない
。その結果、８〜１２μｍの用途に対する潜在的な候補
物質として多数の第１Ｉ　−Ｖｌ族物質と１１ｉ１Ｖ−
ＶｌｔＭ物質を検問づることが必要であった。 最近、これらの用途に対づる大部分の研究が第１Ｉ　−
Ｖｌｌ金合金ある１−１ｇ、−７Ｃｄ工ｌ’ｅに集中し
た。この合金は、Ｅｇが〜１．６　ｅＶ　（ｘ　＝　１
．０＞から０．Ｏｅ■（Ｘ〜０．１６）ニ及ぶ範囲（１
）ハ”ｙドギャップ（０１ＫにＪ３りる）をもつ。そし
てＸ−０，２０５である合金は、８〜１２μｍ大気窓中
における７７″″に検出器動作の／ｊめに必要なバンド
ギ１１ツブをもつ（例えばＳ　Ｑ＋ｎ＋Ｃ０ＩｌｄＬＩ
ＣｔＯｒＳａｎｄ　Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ、Ｗｉｌｌａ
ｒｄｓｏｎ　＆Ｂｅｅｒ。 Ｅｄ、　Ｖｏｌ、１８．　”Ｍｅｒｃｕｒｙ　Ｃａｃｌ
ｍｉｕｍＴｅｌｌｕｒｉｄｅ”　、△ｃａｄｅｍｉｃ　
ｐ　ｒｅｓｓ　（１９８１）　を参照。しかしながらＨ
（＋を多聞に含むＨａ　Ｃｄ−［ｅ合金は、多数の冶金
学的でかつ賛同に関連した問題点をもち、そのため、達
成覆ることが不可能でない場合には、これらの物質から
なる満足な８〜１２μｍ画像形成用アレイの利用を困ガ
なものにしている。これらの問題点のいくつかを挙げる
と、以下の通りである。 １）　ＩＩ（ｌ　Ｃｄ　ｌ’ｅは機械的にもろい。 ２）　ｐ−型のｌ−１ｃｄＴｅ中のホール濃瓜は制御し
にくい。「１−型の゛１〜−ピング′°は代表的な場合
焼なまししない汀人タメージ（Ｕロ−ａｎｎｅａｌｅｄ
　ｉｍｐｌａｎｔａ口ｏｎ　ｄａｍａｇｅ）によりつく
られる。 ３）〜１（）０℃以上では、ｌ−１ａの外部拡散が問題
となる（ｎ−型物質がｐ−型に変換させられる）。この
ことは、長期間安定性の問題を示唆し、Ｈａ　Ｃｄ　Ｔ
ｅウェファ−の高温デバイス処理の可能性を排除する。 ４）Ｈ（１，−エＣｄ工「ｅのバンドギャップとそれに
関連りるＩＲ検出器の連断波長は合金組成と共に急速に
変わる。その結果、検出器性能における大きな側面非均
一性（貧弱なγバイス収量）を避（）るためには、その
組成を全つＩファーにわｌＣつで±　０．３％の範囲内
に紺Ｊ−シ。 なければならない。 ５）ＩＩｇに富む合金における極端に小さい電了有効賀
邑（ｍｅ）は、伝導バンドから価電子バンドへのトンネ
ル現象をｍ要なものにする。 これは、検出器を冷却することにより減少さぼることの
できない実験的に観測されるノイズ要素を生じさせる。 その上、トンネル現９！は、Ｒｏ　丑（ｄｉ／　ｄ■）
１．。で定性されるピロバイアス（Ｒｏ）にお（）るｉ
ドｌ〜ダイＡ−ド動作抵抗を減少させる。このことは、
？８萄結合デバイス／（ＣＯＤ）の読み出しが一定の最
小Ｒ６を必要とづるため、電荷結合デバイスの読み出し
を利用りるε３〜１２μｍ検出器アレイの場合に、それ
がうまく動作することの妨１Ｆとなる。 したがって本発明の目的は、これまでデバイスに用いら
れた特殊な半導体物質を用いると利用できなかった新し
い波長領域（例えば８〜１２μｍ）において動作しうる
新しい電気光学デバイスを提供りることＣある。 本発明のもう一つの目的は、Ｉｌｏ　Ｃ（ｌ　Ｔｅデバ
イスに対しく前述しＩこ問題点を含め、先ｔｊ技術の問
題点を解消又は改善づるＪ：うな新しいデバイスを提供
づることである。 本発明の別な目的は、歪層超格子＜　５ｔｒａｉｎｅｄ
−ｌａｙｅｒ　５ｕｐｅｒｌａｔｒｉｃｅ　：　Ｓ　Ｌ
　Ｓ　）の効果に基づきこれらの結果を達成づることで
ある。 本川ＩＩと特許請求の範囲を更に調べると、当該技術分
野の当業者には、本発明の別な目的と長所が明らかなも
のとなろう。 本発明は、冷却時に８〜１２μ−の波１（の電磁波放射
に対して負性に応答づるｐ−ｎ接合から４

【りかつ木質
的に第■−ｖ族の半導体物質からなる負性半導体電気光
学デバイスであって：該放射応答性ｐ−「１接合は２つ
の異なる第■−Ｖ族の半導体からなる交り層を有する歪
層超格子（Ｓ　Ｌ　Ｓ　）からなり；該２つの半導体の
バルク形態時における格子定数は不整合であり、これに
より全体の歪みがＳＬＳ構造中におＧフる交互半導体層
の６対の上にかけられ、該層の各層の上に作用する全体
の歪みの割合は該層の各層の層厚の比に反比例し；該第
■−ｖ族の交互半導体層の第１のセットはＩｎＡｓ、−
エＳｂ、ｃ（式中Ｘは約０．５〜０．１である）であり
、また該交Ｕ暦の第２のセットは第１のレット中の層の
格子定数よりら大きい格子定数をもつ第■−ｖ族の半導
体からなり：格子定数の不整合と該層厚比とに基因する
歪みは第ｍ−ｖ族の層からなる第１のピットのバンドギ
ャップを５火めるのに効果的であり、これにより該層の
冷却時における固有／ｊ５１射吸収特性を、冷却されバ
ルク形態にある時に該層々の層が応答する波長よりも長
い８〜１２μｍｍ域の波長を含むように変えることを特
徴とプる半導体電気光学デバイスを提供りることにより
、上記の目的を達成したのである。 本発明は、添イ１の図面を参照りることにＪ：り更によ
く理解できるものとなろうが、それと其に本発明の他の
目的、特徴及びイリ随りる利点について、も更に十分明
らかなものになろう。 ＳＬＳシステムは、少なくとも２つの異なった半導体物
質からなる薄層の連ｖＬｌあり、てれらの半導体物！１
はバルク形態にＡｉい（４７いに異なる格子定数をもつ
。ＳＬＳシステムにＡ３＋ｊるこの格子不整合（１ａｔ
ｔｉｃｅ　ｍｉｓｍａＬｃｌ＋）の幼芽２は、２つの隣
接した格子を、強制された配列によりもたらされる歪み
の下に、配列さＵることである。最大の不整合度（格子
定数が約７〜８％異なる）と適当に薄い層厚（例えば一
般に約５０＋１Å以下）を満足させるような条ｆ！ｒの
ごときよく知られた条件下では、層７層の格子欠陥、例
えば不整転位（ｍ１ｓｆｉｔ　ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ
）は、エネルギー的に不適当なものとして抑制される。 その上、その構造は下に存在づる層例えばグレード層（
ｇｒａｄｅｄ　１ａｙｅｒｓ　）からの転位伝播に対す
るバリアーとして作用する。その結果、各層には極めて
高い結晶格子完全性が得られる。ちしぞうでな【ノれば
可能どなるであろう以上に全体にわたって、２つの隣接
層はバルク形態になる。 そのため、異なった格子定数をもつ隣接層を成長させる
ことが望まれる場合には、しばしばＳＬＳ構造が採用さ
れる。水用１［１１では、′ＳＬＳ”′という詔は、既
に述べたような不整転位を避は及び／又は最小にづるた
めに必要な層特性をもつ構造のことを意味する。 ＳＬＳ系中にお番プる固有の歪みは、不都合な格子欠陥
を抑制覆るのに必要ではあるが、また系の他の特性を乱
η。例えば、この歪みは各層の有効なバンドギャップに
変化をおこさＬるということが知られている。りなわち
ある層の隣接層に対する影彎は、バンドギャップの増加
をまねき、一方、第１の層に対づる隣接層の効果は、そ
のバンドギャップの減少をもたらづ。従来技術による適
用では、その効果は不可避な特性であった。半導体物′
ｔ１がバルク形態時には応答しないような波長に対しＣ
その半導体物質を応答させるようにりる電気光学デバイ
スにおいては、これらの効果が右利なものになりつると
いうことが今回見い出された。 普通、第の第１ＩＩ　−Ｖ族の半導体合金は、高いＳ／
Ｎ比のために必要な７７”Ｋのような低ン品では、重要
な８〜１２μｍの波長領域内で動作させることができな
い。例え（Ｊ、第１図には、λ。 （μＩｌｌ　）　、　−ｊなわち７７”Ｋにおけるパル
クロＩＡ　ｓ、、　Ｓ　ｄ、ｃの遮断波長λ。ミ１．２
４　／Ｅｇ　（式中Ｅｏはバンドギャップ）のＸに対Ｊ
る依存性が示されＣいる。明らかに、Ｘが杓（１、６１
の場合に、最大の応答波長は９．Ｏｆｌｍよりも少し長
くなるが、１２μｍまでの目的とする用途のためには不
十分である。 ＳＬＳ中に組合された２つの異なった１ｎＡＳＳＩ）合
金からなる交互層を用いろと、ｓ　ｌ−８の全体の応答
波長は、所望どおりに一層長い波長に拡がる。これは、
１つの合金に対づる不整合による歪みがイのバンドギャ
ップを減少させるように、２つの合金を適当に選択する
ことによって達成される。そしてその結果、そのＳＬＳ
はにり狭いギャップに対応する一層長い波長の放射の真
性検出器として用いられる。一般に、ある層とより大き
な格子定数をも１つもう１つの層との不整合は、第１の
層の通常の格了配首を界面に平行な面で引伸は１傾向が
あり、その結果バンドギャップの減少をまねく。当該層
よりも小さい格子定数をもつ層との不整合は、界面に平
行な面で圧迫効果を生じ、バンドギャップを増加させ、
その結果遮断波長を減少させる。これらの効果はそれ自
体公知であり、バンドギャップ変化の大きさは不整合度
の関数として表わされる。このため、従来の知識を用い
ると、バンドギャップを所望稈瓜変化さけるのに必要な
不整合度は、容易にかつ確実にｃｉＩ粋できる。正確な
不整合度とバンドギャップの変化は、最初に行なわれた
慨ｉに基づいた従来からの実験的な手順に従って定型的
に決定づることができる。 一般に、所定の格子不整合のための第■−ｖ族の直接ギ
ャップ化合物半導体の範囲内Ｃは、バンドギャップ変化
は前メンバーに対してほぼ同じである。イのため、ＩＩ
Ｄ答にお（）る最大の相対的変化はバルク時に比較的小
さいパン１〜キヤツプをもつ半導体物質の場合におこる
。中で６１１１ＡＳＳ’ｌｌ系が好ましいのは、このた
めである。それはバルク時に比較的小さなバンドギャッ
プをもつ第ｍ−Ｖ　ｂ”ｉ、の物？１（ある。しかし当
然のことながら、本発明はバルク１１寺に比較的大きな
バンドギＩＴツブをもつ物ｙ゛（に対しＣもやはり適用
できる。 次に当店すベき点は、効果的なＳ　ｌ−Ｓの１りらねる
範囲内で許容される不整合度に対りる本！′【的な制約
である。酋通、格子定数では７〜８％以上も異なる不整
合においては、許容できない結晶欠陥、例えば層間を＋
ｔＡ断する転位が大きな歪みのために起る。不整合度は
有効なＳＬＳ系を得るのに十分なだけ小さくなければな
らない。 所望とづるバンドギャップ変化へＥりを与えるのに必要
な格子不整合の大きさを決めた後には、層厚の比につい
ても考える必要がある。勿論、Ｆ８子不整合の効果は、
含まれる２つの層の各々に歪みを起Ｊことであり、一方
にはギトツプを狭めるようにまた他方にはギトツプを広
げるように作用づる。これらの個々の効果の程度は、よ
く知られた関数依存性に従って、２つの層厚の比と２つ
の層の弾性定数により）ノＺ定される（例えば、０ｓｈ
ｏｕｒｎ、　Ｊ　、　Ｖａｃ、　Ｔｅｃｈｎｏｌ。 Ｂｌ＋２１．△ｐｒｉｌ−Ｊｕｎｅ　１９８３を″参照
）。しＩＣがって層厚比が１／１で、弾性定数が本質的
に等しい物質の場合には、格子定数の不整合による等し
い歪みが２つの層の各々に作用することになる。層厚比
が２／１の場合には、薄い方の層が厚い方の層の約２倍
の歪みをもつことになる。 ずなわら層厚比は、所望とするΔＥ（ｌを達成づる上で
適切な歪みレベルを１！７るためのもう１つの自由度を
与えるデザインパラメーターとなる。 不整合それ自体と共に、その層り比、！よデバイスデザ
インを微調整するのを容易にづる。代表的な場合、層厚
比は１０／１〜１／１０の範囲内である。 格子定数不整合と層ρ比が選ばれたら、又はこのましく
はこれＩう２つの組合せが選ばれたら、実際の層厚は、
本明細書中に記載した指釧おＪ：び慣習的な考え方を用
いて再喚選択される。 ＳＬＳの効果だけから兄るど、ひき起される歪みが不整
転位を抑制Ｖるのに十分な稈に層が薄いということのみ
が必要である。代表的イ「１易含、層厚は３０〜５００
人又は５０・〜ｈ　＋ｌ　０人の範囲（゛ある。そして
その下限の数値は主どしく成１（技術により決定される
。 しかしながら８１８効果はｌｌ　の検問課題Ｃはない。 ＳＬＳ中の層厚が小さい場合には、ある種の吊子力学的
効果が起る゛ということは知られている（例えば、前記
した０ｓｂｏｕｒｎの文献を参照）。実際、非常に好都
合な光起電力装置がＳＬＳ構造およびこの吊子効果をベ
ースとして提案された（例えば１９８３年７月８日出願
の米国特許出願１１５１２０５９号を参照）。吊子力学
的現象についての完全な説明は上記の参考文献中に記載
されているので、ここでは問題を明確化づるＩこめ、そ
の効果の概要を述べるに留める。 水質的には、異なった半導体物質からなる交互層は、不
整合による歪みの効果以上に、バンドギトツプ１ネルギ
ー準位の吊子力学的な摂動をひき起づ。その結果、全体
の構造は、この吊子力学的効果がより効果的である時に
大きくなる有効バンドギ％ｒツブをもつことになる。こ
れは、イ１（い方のバンドギＩＦツノの交互層を取り囲
む高い方のバンドギャップの交互物質により形成される
高電位バリアーによりもたらされるものとして特徴づけ
られてきた吊子井戸の形成に起因する。 明らかにわかるように、適当４Ｔ環境の下では、吊子井
戸効果は不整合歪みに基づく所望の効果に対抗すること
が可能である。例えは、前記した第■−ｖ族の系では、
より長い波長に応答性を与えるために、最低のバルク・
バンドギャップをもつ物質のバンドギャップを狭めるこ
とが望まれる。前記したＳＬＳは低いバンドキレツブの
物質と高いバンドギャップの物質からなる一連の層を交
互にもつ。不整合歪みの正味の効果は、岐低物質のバン
ドギトツノを更に低トさせることである。しかしなが既
に説明したように、吊子力学的効果は有効なＳ　Ｌ　Ｓ
ハントギトップを増加させる。 好都合なことに、Ｓ　Ｌ　Ｓ層の絶刊的な層厚を適当に
選ぶと、不整合効果が大いに優勢どなるＰｉ！度にまぐ
、量子ｊｔ戸効宋を抑制（Ｊることか（きる。この点に
関しでは、前記した米国１！Ｉ訂出願第５１２０５９月
（１ぜ１に第１図）に十分説明され−（いる。［吊子井
戸層Ｊ８Ｊなわら低い方のバンドギャップの層の厚さを
増加するにつれて、吊子井戸エネルギーが急激に減少づ
る。りなわちその系はバルク状態に一層接近し、吊子井
戸の最低単位のみが占有されることになる。好都合なこ
とに吊子井戸効果を最小に】る厚さは、ＳＬＳ　’９ｈ
　ＩＡが依然として作用することのできる箱凹内、例え
ば約１００Å以上又は２００Å以上である。 したがって、吊子井戸効果が不整合に基因する歪みを用
いて得られる効果に対抗する場合には、ｌｌ！１浬はそ
うでない場合の層厚よりも幾分長くなる。一般に、吊子
１１戸効果を最小にしようとづる場合には、依然として
ＳＬＳ系の達成と適合するにうな最高の厚さが採用され
る。１なわちそれは所定の組成物に対して所定の歪みで
採用できる最大の厚さである。 明らかにわかるように、デバイスについての基礎的な発
明概念がここで述べた説明や容易に入手できる通常の知
識により明らかなものとなると、不整合に基因づる歪み
、層厚比、層厚それ自体、所望の格子定数に対応する半
導体組成物等についての詳細が容易にｆｆ１ｊｉｉされ
て決定され、これによって、バルク時における個々の？
１′１体物質の各々の応答とは異なった応答をｂつ系を
与えることができる。これらの演紳的なδ！粋は非常に
信頼性の高い目安を与えるの（・、所定の場合における
デバイスの構造の詳細を決定し最適なものにするために
は、定型的な通常のパラメーター実験（例えば従来の半
導体測定系を用いるもの）のみを実施すれはよい。上記
のｉｉｔ　ｎを行なうための関数依存性と基礎データは
よく知られて６３す、それらは本発明に対してｌｒｌ用
的に適用できる。例えば、Ｑｓｂｏｕｒｎ、　Ｊ　。 Ｖａｃ、　Ｓｃｉ、　Ｔｅｃｌ＋ｎｏ１．　Ｂ　ｌ　（
２１，Δｐｒｉｌ−Ｊｕｎｅ　１９ｇ３．　ｐ、３７９
　；　Ｇｏｕｒｌｃｙｌ、１司上、０゜３８３　：　Ｓ
ｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　３ｅｍｉｍ＋＋
Ｌａ１ｓＷ　ｉ　ｌ　１ａｒｄｓｏｎ等、ＶＯｌ、４．
　“Ｐｙｓｉｃｓ　ｏｆｍ　−Ｖ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ
、　”　Ａｃａｄｅｍｉｃ　１１）　ｒｃｓｓ　（１９
６８）　、全員、特４：　３２７−３３０　：　Ｒ１１
）　１ｎｏｌｅ　。 Ｃｒ１ｔ　、　Ｒｅｖ、　５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｓ
ｃｉ、、Ｖｏｌ。 ５’、　ｐ、５８５　（１９７５）　：　ｌ　、　Ｌ　
５ａｋｉｌ、Ｃｒ目。 Ｒｅｖ、　５ｏｌｉｄ　３ｔａｌｅ、　Ｖｏｌ、　６　
（１９７６）　：　Ｍ。 Ｂ、　Ｐａｎ１ｓｂ　、　３ｃｉｅｎｃｅ、　ＶＯｌ、
２０８．　ｐ、９’１６（１９８０）　：　Ａ、Ｍａｃ
ｌｌ＋ｕｋａｒ　、Ｊ　、Ｖａｃ、Ｓｃｉ。 Ｔｅｃｂｎｏｌ、、Ｖｏｌ、２０．　ｐ、１４９　（＋
９８２）　：　Ｇ。 Ｃ、Ｏ５ＩＩＯＩＩｌゝｎ　Ｊ　、△ｐｕ１．Ｐｌ＋ｙ
ｓ、、Ｖｏ１．　５３゜ｐ、１５８６　（１９８２）　
；　Ｇ　、Ｃ、Ｏ５ｂｏｕｒｎ等、△ｐｐｌ。 Ｐ１＋ｙｓ、ＬｅｔＬ、、Ｖｏｌ、４１　、ｐ、１７２
　（１９８７）　；Ｊ　、　Ｗ、　Ｍａｔｔｔ＋ｅｗ３
等、Ｊ　、　Ｃｒｙｓｔ、　Ｇｒｏｗｔｌ＋　。 Ｖｏｌ、２　７．　ｐ、１１８　（１９７４）　：　Ｊ
、Ｗ、Ｍａ１口１−ｅｗｓ等、同上、ＶＯｌ、　２９　
、　Ｄ、２７３　（１９７！＋）　；Ｊ　、　Ｗ　、　
Ｍ　ａｔｔｈｅｗｓ等、同上、Ｖｏｌ、　３２．１１゜
２６５　（１９７６）　；　Ｇ、Ｃ，０ｓｂｏｕｒｎ、
Ｊ　、ｖａｃ。 Ｓｃｉ、ｌ’ｅｃｌ＋ｎｏ１．、Ｖｏｌ、２１　、ｌ）
、４６９　（１！１８２）　；Ｒ、Ｄ　ｉｎｇｌｅ等、
ｐｔ＋ｙｓ　、　Ｒｅｖ、ｌｅｄ、、　ＶＯＩ。 ３３、　Ｌ８２７　（Ｂ１７４）　：　Ｓ、　Ｒ、Ｗｈ
ｉｔｅ等、Ｐｈｙｓ　、Ｒｅｖ、Ｌ　ｅｔｔ、、Ｖｏｌ
、４７．　ｐ、Ｊ１７９（１９８１）　；　Ｇ、Ｂａ５
ｔａｒｄ、Ｐｂｙｓ　、Ｒｅｖ、、Ｖｏｌ。 Ｂ２５．　Ｄ、７５８４（１９８２）　；　１．　Ｊ、
Ｆｒ１Ｌ７等、３ｏｌｉｄ　３ｔａｔｅ　Ｃ０ＩＲＩＩ
Ｉ旧１．、ＶＯＩ、４５．ｌ）。 ３２３　（１９８３）　；　Ｉ　、Ｊ　、　Ｆ　ｒｉｔ
ｚ等　、”　ｌ）ｒｏｃｅｅｄ−ｉｎｇｓ　ｏｒ　１９
８２　１　ｎｔ、ＳＶｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　ＱａΔ５
ａｎｄ　Ｒｅ１ａｔｅｄ　Ｃｏ　ｌｌ１ｐｏｕｎｄｓ”
、、　（］　ｎ５Ｌｉｔｕｔｅｏｆ　Ｐｂｙｓｉｃｓ、
Ｂｅｒｋｓｈｉｒｅ、　１９８３）　、　ｐ、２４１’
　：ａｎｄ　Ｇ、　ｌ−１，Ｄｏｔ＋ｌｅｒ　、　Ｊ　
ｒ　、　Ｖａｃ、Ｓｅｔ。 ＴｅＣ１１ｎＯｌ、、ＶＯｌ、　１６　、　＋１．８５
１　（１９７９）等を参照のこと。 第１の主層と共に用いられる第２の層は、一般に決定的
因子ではない。主要な要求は必要な不整合歪みを与える
のに必要な１δ１定数を第２の層がもつことと、第２°
の層が主層と共【こ必要な厚さに成長した時にＳＬＳ侶
逍を与えることである。例えば、１１　Ｎｆ、するよう
に、第２の層と第１の層の両方がｌｎΔｓ３ｂ系からつ
くられる。しかしながら必要な格子パラメーターをもつ
他の半導体層も存イ［りる。イれらの大部分は第ｍ−ｖ
族のものである。 既に説明したことから、Ｓｉ３中にお（Ｊる両方の層は
バンドギトツブ」ニネル１＝−を変化さ１！るというこ
とがわかる。その系は、層の１つのセットに対づる所定
の変化を主としで考虎しＣ設計される。大部分の環境下
では、層の他のヒツトにおける変化は息図り°るデバイ
スの動作と十分に適合し、そこには如何なる支障も存在
しない。例えば、より長い遮断波長が要求される第■−
■族の系の場合、交互層の第２のセラｌ−が連断波長を
減少さけうるということはΦ大ｅはない。なぜならば全
体の系がより長い波長で応答し、そのことが主要な目的
となるためである。しかしながらその２つの効果が逆効
果を生じうるような状態下ｒは、前記した層厚比のパラ
メーターは、所望とづる効果の大きさを最大にし、かつ
所望としない効果の大きさを最小にするのに用いること
ができる。 デバイスの製造は、全く定型的、一般的なものであり、
イの詳細は水用細自中に記載されている。半導体囮を必
要な厚さに成長させるためには、如何なる従来法も用い
ることができる。 １ビタキシアル法を用いることができるが、最も好まし
いのは分子ビームエピタキシ法である（例ンば、前記の
米国特ム′１出願第５１２０５９号を参照）。 一般に、本発明のデバイスの寸法と８ｌ−８４１１ｔ造
に用いられる層の数は、予想される入射強度を主として
考えると共に、入用りる仝ての電磁波を吸収することの
できるデバイスをちも、それによりデバイスの感痕を」
−げたいとする要求を考えた上で、噴出的に決定され−
る。 既に述べたように、王の望ましい特性のため、本発明の
デバイスは好ましくは第■−■族の半導体物質からなる
。更に好ましくは、比較的低いバンドギ１ｒツブの物質
が用いられる。それは、遮断波長を増加させる効果が比
較的大きいＩζめである。この点に関しくは、１ｎＱａ
Δｓｓｂが好ましい。最も好ましいのはｌ　ｎＧＳｂ系
である。これらの系では、バンドギャップが比較的小さ
い（例えば約０．１〜０，２ＱＶ）ために、４０〜５０
％のバンドギャップのナイズ変化が達成される。第２図
は、Ｉ　ｎ　Ａ　ｓｏ、、９Ｓ　ｌ＋。、６１’ＩｎＡ
ｓ、、Ｓｂ、ｃのＳＬＳ中における歪みのあるバルクレ
）Ａ　ｓ、、、、Ｓ　ｂ。、、、　１ｉ２Ｉをベースと
した系に対して７７°にで達成しうる遮断波長を、×〉
０．６１について示したものである。ｘ、＝　０．６１
の値はこの組成物が第１図中に示される最低のバルクバ
ンドギャップをもつという事実ｔ、二基づいている。し
たがって、１２μｍの応答を達成するためには、第１図
に示した仙の組成物の場合よりも小さい歪みが必要であ
る。 第２図から明らかなように、Ｘの値が約０．７３の場合
、遮断波長は所望の通り１２μＭの値に達づる。０．７
３またはそれ以上の鎮では、ｌｎΔ’Ｊｔ　５ｂｅｊｌ
　Ｌｎのバルクバンドギャップは０．１０Ｖ以下の値に
減少づる。第２図は、Ｘ−＋１．７３．すなわちλ。＝
１２μｍ（１）場合に、２゛）の５ＬＳＩＩ！の格子不
整合が０．８Ｇ％であるということをベースとしている
。第２図中のデー令は層厚比が１．０の場合である。先
に述べ／：　Ｐｌｊ由から吊子井戸効果を最小にする必
要があるため、口１Ａ　ｓ、、、Ｉ　Ｓ　ｂｏ、ｑｓ層
の場合、実際の層厚Ｇ；１．１（１０〜３００人である
。また１、０の層厚比を用いることが望まれるならば、
ｒ　ｎ　Ａ　ｓｏ、Ｓ、　Ｓ　ｂ、、、、　１７Ｊ　Ｉ
ＩＩ　合も実際の層厚は同じ範囲である。１２μｍの検
出器応答を得るために第２のＦｉ（ｘ＝　０．７３　＞
によりもたらされるｌ　ＩＩ　Ａ　Ｓ、、、ｑ　Ｓ　ｔ
ｌｏ１層中の歪みの量は、Δα／α〜（）、４％である
。これは、前記した２つのＳＬＳ物賀物中系中験的に採
用された歪みの範囲内に十分に入る。例えば、Ｇ。 Ｃ、Ｏ５ｂｏｕｒｎ等、△ｐｐｌ　、ＰＩＩＶＳ　、Ｌ
Ｏｌｔ、。 Ｖｏｌ、　４１　、　Ｄ、１７２　（１’＋８２）　；
及び１．Ｊ。 １：：ｒｉｔｚ等、”Ｑａｌｌｉｕｍ　△ｒｓｅｎｉｄ
ｅ　ａｎｄ　Ｒｅｌａｔ−ｅｄ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ”
　、　１９８２．　ｌ　ｎｓｔ　、ｐｌ＋ｙｓ　。 Ｃｏｎｆ　、　Ｓｅｒ、、Ｖｏｌ、　６５．　ｐ、２４
＋　（１９８３）を参照のこと。 前記したことを目安としく用いると、ｌ　ｎＧａＳｂ系
の場合においＣ６（の訂細が同様に定型的に決定ｒきる
。 本発明の新しいデバイスは、１″ｉ定の物！１を用いて
これまで利用できなかった領域中Ｃ波長応答を与えると
いう基本的狛黴以夕■こ、多くの点からみて利点をもつ
。すなわら、本発明の第■−Ｖ族１ｎＡｓ３ｂのＳ　Ｉ
−Ｓ物質は、］ｎＡｓｓｂ金合金ような物質の連［１７
ｉ波長を興味のある領域にまで広げることに加えて、先
に挙げた１−１ｏ　Ｃｄ　ｌ’ｅの場合の種々な問題点
を解消づろ。 特に問題点１）〜３）は、第■−ｖ族の物質を用いるた
め、簡単に回避される。また第２図に示すように、ｌ　
＋＋△３８１１のＳＬＳにお番ノる遮断波長が組成に対
してゆっくりとしか依存しイ「い（ｄＥＱ　／ｄｘ＜４
ｍｅＶ／％）ため、問題４）は解消される。またこのゆ
っくりとした依存性のため、容易に達成されうる１、５
％という側面での組成変化は、ＩｎＡｓＳｂのＳＬＳつ
ｌファーの断面を通じて許容できる。問題点ｊ＋）は、
超格子層に垂直な方向に沿って超格子キヤツプ′−の有
効質量を増加させるというこれらのデバイスの固有能力
に基づいて解決される。この増加が垂直方向における通
常の超格子移動機構に影響を与えるということは一般に
知られているが、倦近、この増加は逆バイアスされた超
格子ダイオード構造中では伝導バンドを価電子バンドに
トンネル化づるということがわかった（例えば、Ｑ、Ｌ
、３ｍ１ｊｈ等、Δｐｐｌ　、Ｐｌａｙｓ　。 Ｌｅｔｔ、、　Ｖｏｌ、　／Ｉ３　、　ｐ；１８（１（
１９８３）を参照）。 この性質は、非常に小さいバンドギャップを必要とづ−
るデバイス用途にはバルク物質よりもむしろ超格子物質
を用いようと覆る強い動機を与える。 本発明のデバイスは、例えばｐ　−ｒｌ接合をベースと
した真性検出器のような従来技術のアナログデバイスが
用いられてきた全ての構成に用いられる。このような１
つのデバイスを第３図に示１．それは１ｎＳ１＋（例え
＋Ｊ、Ｆ）−型）のような通常の基板からなる。Ｓ　Ｌ
　Ｓ層の格子定数が基板の格子定数とは十分に異なって
おり、９′。 容できない格子欠陥が生じるという用人な見込みを生じ
させる程度であるような状態下ぐは、ＳＬＳ構造それ自
体とこのＢ　、ｔｆとの間に、）１３図に示１ように、
グレード層を介右さＵることが可能である。例えば、ｌ
　ｎ△ｓ　ｔ、、、ｎ　Ｓ　ｉ＋。６１／ｌ　ｎ　Ａ　
ｓｏｌ、、ｌＳ　Ｉ）。、、、のＳ　ｌ−Ｓの場合、好
ましいグレード層はＩｎＡｓ、−エ３ｂ工（ｊ（中、代
表的な場合Ｘハ１．０〜０．６１ｒ：ある）であり、第
３図の配回ではｎ−型が用いられる。ＳＬＳの格子定数
が基板の格子を数とかなりなく整合している場合には、
通常のデバイスでよく知られているように、グレード層
は省略できる。勿論、ｎ−ｎ−ｎ−ｐ４ｉ造゛は、多く
の可能な配回の１つに過ぎない。そしてこのことは同様
に当業者にとってよく知られ−Ｃいる。 一般に、本発明のデバイスは、ノイズを低減することに
より最大のＳ／Ｎ比を付与づるために、７７゛にのよう
な低温ぐ操作りるようにつくられる。しかしながら、室
温で操作するデバイスも本発明の範囲内に十分に入る。 同様に、一定の用途のために好都合である場合には、本
発明のＳＬＳＭを２つ又はそれ以上使用してマルチ接合
デバイスをつくるととも可能である。種々な接合の付加
的効果が望まれる場合には、中間的な短絡用相互連結と
して通常のトンネル接合が用いられる。しかしながら、
増加された応答範囲の比較的狭い部分を隔１１１１１−
することが望まれる場合には、本発明の２゛つのＳＬＳ
系を用いることも可口しである。これは、本発明の２つ
のＳＬＳ系を積み重ねることにより達成される。 最上部の系が好ましくない放射を吸収ｌノ、所望の波長
の放射のみがその下にあるＳＬＳに到達づる。後者のＳ
　Ｌ　Ｓのみが通常の電気的接触を受ける。そのため、
電流はその応答のみに比例することになる。 これまでの説明をもってりれば、当業者は本発明の本質
的な特徴を容易（Ｊ理解づることができ、また本発明の
特許請求の範囲から逸脱づることなしに、本発明を種）
Ｚな用途亡条イ′１に適応して本発明に種々の変更や修
ｊ１を加えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、７７°Ｋにお（）るバルクｌ　ｎ△ｓ、−８
８ｂ、Ｌの′ａ断波長をＸの関数としＣ示したグラフで
ある。 第２図は、ｌ　ｎ△ｓ０．３’ｌ　Ｓ”０．６１　／Ｉ
　”　Ａ　５ｌ−ＩＳｂ、ｃＳＬＳ中の歪みのあるバル
ク１１１△’　ｏ、１’１Ｓｂｌ？ｉｆｆの７７°Ｋに
おりるｇｒＤｉ波長をＸＯ・０．６１　＞の関数として
示しＩｓグラフである。 第３図は、本発明のデバイスの１つの構成を示す説明図
ｒある。 特許出願人　アメリフＪ含衆ＩＪ、１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷却時に８〜１２μｍの波長の電磁波／ｉ５＋銅に
   対しＣ真性に応答づるｐ−ｎ接合からなりかつ木質的に
   第ｍ−Ｖｂχの半導体物質からなる真性半導体電気光学
   デバイスであって、該放射応答性ｐ−ｎ接合は２つの異
   なる第■−ｖ族の半導体からなる交互層を有づる歪Ｉｌ
   ！ｉ超格子（ＳＬＳ）からなり； 該２つの半導体のバルク形態時におりる格子定数は不整
   合であり、これにより全体の歪みがＳＬＳ構造中におけ
   る交互半導体層の８対の土にかけられ、該層の各層の上
   に作用づる全体の歪みの割合は該層の各層の層厚の比に
   反比例し： 該第■−■族の交互半導体層の第１のセットはｌ　ｎ　
   Ａ　５Ｉ−１ｃＳ　ｂｚ（式中Ｘは約０．５〜０．ＩＣ
   ある）であり、また該交互層の第２のセットは第１のセ
   ット中の層の格子定数よりも大きい格子定数をもつ第■
   −Ｖ族の半導体からなり； 格子定数の不整合と該ｗｉ１厚比とに基因ｊる歪みは第
   ■−ｖ族の層からなる第１の廿ツ１−のバンドギャップ
   を狭めるのに効率的であり、それにより該層の冷却時に
   おりる固有敢剣吸収特性を、冷ｉｌｌされバルク形態に
   ある時に該層々の層が応答りる波長よりら艮い８〜１２
   μｍ領域の波長を含むように変えることを４１ｊ徹とす
   る真性半導体電気光学デバイス。 ２、該ｐ−「１接合は１２μｍの波長の電磁波敢銅に応
   答することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   真性半導体電気光学デバイス。 ３、該交互層の第２のセラｌ−は本Ｔｌ的に（ｎ△ｓ、
   、、　Ｓ　ｂ＋ｔ　（式中Ｖは約０．６５以上（ある）
   からなることを特徴とする特Ｗ］請求の範囲第１項に記
   載の真性半導体電気光学デバイス。 ４、該交互層の第２のセットは本質的に］　ＩＩ　Ａ　
   ５＝Ｓｂ、　（式中ソは約０．７３以上である）からな
   り、かつ該層の第１のセットにお番プるＸが約０．６１
   であることを特徴とする特許請求の範囲第２項の記載の
   輿性半導体電気光学デバイス。 ５、該ＳＬＳ中における層厚は約３０〜５００人の範囲
   内であることを特徴とする特許請求の範囲１ｆｉ３項に
   記載の真性半導体電気光学デバイス。 ６、該ＳＬＳ中における層厚は約５０〜５００人の範囲
   内であることを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載
   の真性半導体電気光学デバイス。 ７、各セットのＩｉ！ＩＪ！；’は量子井戸効果が該Ｓ
   ＬＳの層中で生じるのに十分なだけ小さくし、該効果が
   該層の第１のレットのバンドギャップを増加させ、それ
   により該格子の不整合に基因づる歪みの効果を部分的に
   相殺し、また該第１のセットの層厚は該量子井戸効果を
   最小にするのに十分なだけ大きく選択されると同時に、
   該層厚比でＳＬＳを形成づるのに十分なだけは小さくす
   ることを特徴とする特８Ｔ請求の範囲第４項に記載の真
   性半導体電気光学デバイス。 ８、該ＳＬＳ中におけるＦｉｌ’７が約３０〜５°０人
   の範囲内であることを特徴とする特ＦＦ請求の範囲第７
   項に記載のｌ’し１−導体電気光学デバイス。 ９、該ＳＬＳ中にお１Ｊる層厚が約５０〜３００人の範
   囲内であることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記
   載の真性半専体市気光学デバイス。 １０．１２μｍにおける該応答が約７７°（（のデバイ
   ス渇１良でおこることを特徴とする特許請求の範囲１２
   項に記載の真性半導体電気光学デバイス。 １１、該ＳＬＳ中におりる層Ｉ＋／の比が約１．０であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の負性
   半導体電気光学ｉ゛バイス。