JPS6281779A - トンネルバリア制御型受光素子 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、外部から受光波長および受光感度を制御可能
な受光素子に関するものである。

従来の技術 現在、様々な受光素子が使用されており、半導体受光素
子としては、ｐｎ型接合素子、光伝導型素子、光電子放
出型素子などが使用されている。

このうち、光電子放出型素子は、高感度であるが、真空
容器を必要とする難点がありかつ小型化できない。ｐｎ
接合型素子および光伝導型素子は、真空容器などを必要
とせず非常に小型化されているので、現在広く使用され
ている。しかし、それらｐｎ接合型素子および光伝導型
素子は、２端子素子であるために、第３コンタクトによ
り利得あるいは応答速度を独立に制御することができな
い。

更に、これら全ての素子の受光波長は、例えば可視光域
ではＳｉを使用し、近赤外域では化合物半導体を使用す
るなどのように、半導体材料により一義的に決定される
ため、外部から制御することはできない。

発朋の解決しようとする問題点 そこで、本発明は、外部から受光波長と受光感度を制御
することが可能な受光素子を提供せんとするものである
。

問題点を解決するための手段 本発明の発明者は、上記目的のため種々研究し、トンネ
ルバリア型２端子素子に注目した。トンネルバリア型２
端子素子において、トンネルバリア高さを何らかの手段
例えば光励起されたキャリアの電荷によって制御できる
ならば、トンネル電流を制御すなわち受光感度を制御す
ることが可能である。そのキャリアの蓄積は、ポテンシ
ャル井戸を設けることにより可能であり、また、この電
荷の蓄積時間を制御できる電極を設けることができるな
らば、その電極によって受光感度を制御することも可能
である。

更に、伝導帯及び価電子帯の両方にポテンシャルバリア
とポテンシャル井戸とを隣接して形成するならば、エネ
ルギーバンド構造に傾斜を与えるように外部電界により
制御することにより、伝導帯の谷と価電子帯の谷との間
のエネルギーギャップを変えて受光長波長限界を変える
ことができる。

本発明はかかる知見に基づきなされたものである。すな
わち、本発明によるならば、半導体層内部に設けられ、
層方向と直角な方向に互いに離隔した単原子層程度の厚
さの複数の不純物層からなる多層構造領域と、該多層構
造領域に対してそれら層に平行に電界を印加するための
電極と、前記多層構造領域に対してそれら層の厚さ方向
に電界を印加するための電極とを有し、前記多層構造領
域の不純物層は、エネルギーバンド構造に、ポテンシャ
ルバリアをなすポテンシャルの山とポテンシャル井戸を
なすポテンシャルの谷とが隣接してできる不純物濃度パ
ターンを有しており、且つ、かかるポテンシャルバリア
を電子もしくは正孔がトンネル現象により透過できる程
度に互いに近接していることを特徴とする受光素子が提
供される。

作用 以上のように、本発明による受光素子の多層構造領域に
は、その複数の不純物層によりポテンシャルバリアとポ
テンシャルバリア井戸とがある。

光励起されたキャリアは、そのポテンシャル井戸に蓄積
されて、ポテンシャルバリアをなすポテンシャルの山の
高さを低減するように作用する。

従って、ポテンシャルの山の高さが変化すれば、そのポ
テンシャルバリアの厚さも変化し、トンネル効果により
そのポテンシャルバリアをキャリアが通過する確率が変
化する。

かくして、光励起により蓄積されたポテンシャル井戸の
電荷の債により、ポテンシャルバリアの高さすなわち厚
さが減少し、それに応じて、トンネル電流が増大する。

すなわち、受光量に応じた電流を得ることができる。こ
の電流は、多層構造領域に対してそれら層の厚さ方向に
電界を印加する電極間の電流として検出できる。

他方、そのポテンシャル井戸に蓄積されるキャリアの量
は、光励起の量により増減するが、多層構造領域に対し
′てそれら層に平行に電界を印加し且つその電界を調整
することにより、そのポテンシャル井戸に蓄積されたキ
ャリアを抜き取ることが可能である。換言するならば、
ポテンシャル井戸に蓄積される電荷の量は、上述したよ
うに多層構造領域に対してそれら層と平行な方向に電界
を印加する電極間の電圧を調整することにより、調整す
ることができる。そして、そのポテンシャル井戸に蓄積
される電荷の量は、トンネル電流を制御する。すなわち
、感度を調整する。従って、多層構造領域に対してそれ
ら層に平行に電界を印加するための電極の電圧を調整す
ることにより、感度を調整することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明による受光素子
は、トンネルバリア高さを光励起キャリアで制御し、そ
して、そのキャリアの蓄積時間を外部印加電圧により制
御することにより、従来の受光素子と異なり感度の調整
が可能である。

また、上記した本発明による受光素子の感応長波長限界
は、他の受光素子と同様に、エネルギーギャップにより
決定される。上記したような本発明の受光素子のエネル
ギーバンド構造では、そのポテンシャルバリアの傾斜を
外部電界により制御することにより、伝導帯の谷と価電
子帯の谷との間のエネルギーギャップを変えることがで
きる。

従って、本発明による受光素子のエネルギーギャップは
、従来の素子のように半導体層の材料を変えることなく
、多層構造領域に対してそれら層の厚さ方向に電界を印
加する電極間の電圧を調整することにより、変えること
ができ、それにより、最長感応波長を変えることができ
る。

本発明による受光素子では、前記半導体層は、真性の単
体半導体または化合物半導体で構成され、前記多層構造
領域は、ｐ形不純物層とｎ形不純物層とが交互に配置さ
れて構成される。そして、本発明の実施例では、多層構
造領域は、４層の不純物層から構成され、また、各不純
物層の間隔は、１０人〜１０００人の範囲内にあること
が好ましい。この１０人の下限値は、単原子層厚さが２
八オーダであるので、多層構造とするために不純物層の
間隔を確保するための値であり、１０００への上限値は
、ポテンシャルの山と谷を形成する多層構造の利点が得
られる限界である。

また、不純物層の不純物面密度は、１０１０〜１０１３
ｃｍ−２の範囲内にあることが好ましい。この面密度が
１０１５ｃｍ−２程度になると完全に不純物のみの層と
なるので、不純物の比率でいうならば、０．００１〜１
％である。特に、４層構造の場合、外側の２つの不純物
層に含有される不純物の量が互いに等しく、また、内側
の２つの不純物層に含有される不純物の里が互いに等し
く且つ外側の２つの不純物層に含有される不純物の量の
ほぼ倍であることが好ましい。このようにすることによ
り、電界を印加しないときに、ポテンシャルの山と各辺
外のポテンシャルを平坦にすることができる。

実施例 以下、添付図面を参照して本発明による受光素子の実施
例を説明する。

第１図は、本発明による受光素子の基本形状を示す概略
断面図である。図示の受光素子は、ｎ＋のＳ１単結晶基
板１０を有しており、その基板１０上には、ｌ型Ｓｉ半
導体層１２が形成されている。その半導体層１２は、互
いに離隔してｎ＋領域１４とｐ＋領域１６が設けられて
いる。ｎ゛領域１４は、図示のようにｎ”　Ｓｉ単結晶
基板１０まで達して電気的に接続しているが、ｐ＋領域
１６は、ｎ＋のＳ１単結晶基板１０まで達していない。

そのような領域１４と１６の間の半導体層１２の内部に
は、多層不純物層２０が形成されており、領域１４と１
６の間でその多層不純物層２０には達しない深さにｎ“
領域２２が更に設けられている。そして、それらｎ＋領
域１４とｐ＋領域１６とｎ＋領域２２には、コンタクト
２４．２６．２８が設けられている。かくして、後述す
るように、多層不純物層２０に対して、基板１０及び領
域２２は、層の厚さ方向に電界を印加する電極と作用し
、領域１４及び１６は、層と平行な方向に電界を印加す
る電極と作用する。

この多層不純物層、２０は、層と直角な方向に互いに離
隔してそれぞれ単原子層の厚さを有する４つの不純物層
を持つ構造となっている。その層関係を第２ａ図に示す
。

第２ａ図において、左側の縦の線が、半導体層１２の表
面すなわちｎ＋領域２２の上表面を示しており、横軸が
その基板表面からの距離を示している。

そして、縦軸は、不純物濃度を示す、横軸より上がｐ形
不純物であり、横軸より下がｎ形不純物である。

すなわち、表面から成る深さにわたってｎ＋領域２２が
存在し、それら離れた位置に単原子層に相当する厚さの
ｓｂがドープされているｎ形不純物層３０が設けられ、
それから更に距離り、の深さの部分に、単原子層に相当
する厚さのＧａがドープされているｐ形不純物層３２が
設けられ、更に距離Ｌ２の深さの部分に、単原子層に相
当する厚さのｓｂがドープされているｎ形不純物層３４
が設けられ、そして、その層３４から距離Ｌ３の深さの
部分に、単原子層に相当する厚さのＧａがドープされて
いるｐ形不純物層３６が設けられている。更にそれから
深い位置にｎ＋型基板１０が位置している。

以上の構成において、Ｌ３、Ｌ２及びＬ３は、１０人〜
１０００人程度であり、また、各不純物層の不純物の面
濃度は、１０１０〜１０１３ｃｍ−２程度である。しか
し、不純物層３２及び３４の不純物濃度は、不純物層３
０及び３６に比較して十分大きく、例えば２倍以上とす
る。

このような多層不純物構造は、例えば８１基板１０上に
１型ＳｉをＭＢＥにより成長させるとき、Ｓｉの成長を
停止して不純物材料を上記した密度で付与し、その後、
再びＳ】を成長させるという工程を不純物層を形成すべ
き厚さ方向位置で繰り返すことにより、実現することが
できる。

以上のような４層不純物層の平衡状態でのエネルギーバ
ンド構造を示すと、第２ｂ図のようになる。第２ｂ図に
おいて、線Ｅｃ及びＥｖは、それぞれ伝導帯及び価電子
帯を示し、線ＥＦはフェルミ準位を示している。第２ｂ
図から分かるように、４層不純物層により、三角形のポ
テンシャルの山すなわちポテンシャルバリア３８及び４
０が形成され、また、ポテンシャル井戸４２及び４４が
形成されている。そして、そのポテンシャル井戸の中に
は電子が閉じ込められミそのポテンシャル井戸４２及び
４４に蓄積された電荷によりポテンシャルバリア３８及
び４０の高さが変化する。

第３ａ図は、第１図のコンタクト２４と２８に成る電圧
を印加した状態すなわち電極２２と電極１０との間に成
る電圧が印加された状態のバンド構造である。そのとき
、ポテンシャルバリア４６及び４８をそれぞれ電子およ
び正孔がトンネルしない程度に、第２ａ図のドーピング
間隔、ドーピング量を予め調節する。点線の矢印は、ト
ンネルしない状態を示している。

第３ｂ図は、第３ａ図の電圧印加状態において、光照射
によりキャリアがポテンシャル井戸５８．６０に蓄積さ
れた状態を示したものである。蓄積したキャリアにより
ポテンシャルバリア５４．５６の高さが低減され、上記
した成る電圧で加速された電子・正孔は、実線の矢印で
示すようにこのバリアをトンネルにより透過する。そし
て、透過した電子および正孔はポテンシャル井戸５８．
６０が極めて狭いためにこれに落ち込むことなく弾道的
に通過し、信号電流となり電極に流れ込む。

従って、不純物層に対して直角に作用する電界すなわち
電極１０及び２２間の電圧により、第３ａ図に示すバン
ド構造の勾配を制御して、光照射時にトンネル電流が流
れるように制御することにより、光照射により励起した
電子・正孔による電流は、コンタクト２４及び２８間の
電流として検出できる。

この電流は、受光量に応じて変化するので、コンタクト
２４及び２８間電流の交流成分を抽出することにより、
光電気信号を得ることができる。

更に、コンタクト２４及び２８間すなわち電極ＩＯ及び
２２間の電圧を制御して第３ａ図に示すバンド構造の勾
配を制御すると、ポテンシャル井戸５０と５２の底のエ
ネルギー差も変化する。このエネルギー差が最低励起エ
ネルギーであるので、これにより、受光素子が感応する
光の波長の下限を変えることもできる。

蓄積したキャリアは、第２ａ図のドーピング量を縮退し
ない程度に保つことにより、第１図のコンタクト２４と
２６の間すなわち電極１４及び１６に印加された電圧に
より生成される電界により、第３ｂ図において紙面に垂
直方向に抜き出され、これに要する時間すなわち第３ａ
図の状態に戻るまでの時間は印加する電圧に依存する。

従って、コンタクト２４及び２６の間の電圧を制御する
ことにより、ポテンシャル井戸に止まる電荷里を調整す
ることができ、従って、ポテンシャルバリア４６．４８
の高さを変えることができる。そのポテンシャルバリア
の高さを変えることは、ポテンシャルバリアの厚さを変
えることでもあり、トンネル電流の大きさを制御するこ
とができる。それ故、コンタクト２４及び２６の間の電
圧を制御することにより、素子の受光感度を調整するこ
とができる。

以上かられかるように、電極１４及び１６間の電圧によ
り感度を調整し、電極１０及び２２間の電圧により受光
波長の制御をすると言うように独立して制御することも
可能である。

一方、これに伴ない単一の光パルスに対する信号電流の
ゲインも同時に制御される。

なお、素子の感光長波長限界は、上記したように第３ａ
図のポテンシャル井戸５０と５２の井戸の底のエネルギ
ー差によって定まる。そして、そのエネルギー差は、母
材を変えることなく、第２ａ図のドーピング量とドーピ
ング間隔により制御することにより変えることができる
。この効果は、従来の受光素子にあってはその構成母材
を変えなければならなかったことを考えると、大きな効
果である。従って、本発明の受光素子では、コンタクト
２４と２８との間電圧の制御だけでなく、第２ａ図のド
ーピング量とドーピング間隔を予め調整するにより、感
光長波長限界を制御することが可能である。

特に、ドーピング量とドーピング間隔の調整は、コンタ
クト２４と２８との間電圧が受光感度により影響するの
に対して、受光感度に影響しないので、受光素子の設計
段階において、必要な受光波長に適合するように、電極
１．０及び２２間に印加するバイアス電圧との相対的関
係において予め調整することが好ましい。

なお、上記実施例は、Ｓｉを使用した受光素子の例であ
るが、本発明は、Ｓｉ以外の単体半導体材料またはＧａ
Ａｓなどの化合物半導体材料を使用した受光素子にも適
用できる。

発明の詳細 な説明したように、本発明による受光素子は、任意の光
の波長に合わせて素子を設計でき、かつ、応答速度およ
び信号利得が外部電極によって制御できるので、光信号
系に整合させた受光素子を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による受光素子の基本構造を示す概略
断面図、 第２ａ図及び第２ｂ図は、第１図に示す受光素子のドー
ピング構造およびバンド構造を示す図、第３ａ図及び第
３ｂ図は、動作時の受光素子のバンド構造を示す図であ
る。 〔主な参照番号〕 １０・・ｎ＋半導体基板 １２・・半導体層 １４．２２・・ｎ＋領領 域６・・ｐ′″領域 ２０・・多層不純物層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体層内部に設けられ、層方向と直角な方向に
   互いに離隔した単原子層程度の厚さの複数の不純物層か
   らなる多層構造領域と、該多層構造領域に対してそれら
   層に平行に電界を印加するための電極と、前記多層構造
   領域に対してそれら層の厚さ方向に電界を印加するため
   の電極とを有し、前記多層構造領域の不純物層は、エネ
   ルギーバンド構造に、ポテンシャルバリアをなすポテン
   シャルの山とポテンシャル井戸をなすポテンシャルの谷
   とが隣接してできる不純物濃度パターンを有しており、
   且つ、かかるポテンシャルバリアを電子もしくは正孔が
   トンネル現象により透過できる程度に互いに近接してい
   ることを特徴とする受光素子。
2. （２）前記多層構造領域は、ｐ形不純物層とｎ形不純物
   層とが交互に配置された真性半導体層で構成されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の受光
   素子。
3. （３）前記多層構造領域は、４層の不純物層から構成さ
   れており、各不純物層の間隔は、１０〜１０００Åの範
   囲内にあることを特徴とする特許請求の範囲第（２）項
   記載の受光素子。