JPS6329423B2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- JPS6329423B2 JPS6329423B2 JP58068508A JP6850883A JPS6329423B2 JP S6329423 B2 JPS6329423 B2 JP S6329423B2 JP 58068508 A JP58068508 A JP 58068508A JP 6850883 A JP6850883 A JP 6850883A JP S6329423 B2 JPS6329423 B2 JP S6329423B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- base
- band gap
- collector
- region
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 26
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 15
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 13
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 10
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 10
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 9
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N germanium oxide Inorganic materials O=[Ge]=O YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910017115 AlSb Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002939 deleterious effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940119177 germanium dioxide Drugs 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000000382 optic material Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
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
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
- H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/70—Bipolar devices
- H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
- H01L29/73—Bipolar junction transistors
- H01L29/737—Hetero-junction transistors
- H01L29/7371—Vertical transistors
-
- 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
- H01L31/11—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by two potential barriers, e.g. bipolar phototransistors
- H01L31/1105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by two potential barriers, e.g. bipolar phototransistors the device being a bipolar phototransistor
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Description
〔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ヤ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る。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つて、効率
には限界がある。 〔背景技術〕 当分野では、もつぱら、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つての伝送と、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
の発達に伴なつて、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、知られており、そして、これらの
パラメータが広いバンド・ギヤツプのエミツタ領
域によつて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、
InAs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、キヤリヤの移動を向上
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・ギヤツプのエミツタを
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
る複数の層であつ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
適合の調整及びキヤリヤの伝送利得が達成される
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
ヤリヤのトラツプを最小にする格子の調和と、転
位により起きるキヤリヤ・トラツプの影響をキヤ
リヤへの加速効果によつて最小にする連続変化し
た（graded）バンド・ギヤツプ即ちエネルギ・
ギヤツプとが、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、光フアイバの
ような手段１によつて、半導体基体３の受光表面
２に与えられる。半導体基体３は、ベース領域よ
りも広いバンド・ギヤツプの半導体物質より成る
エミツタ領域４を有する。エミツタ領域４は、次
のように連続変化したバンド・ギヤツプのベース
領域６とエミツタ・ベースのｐ−ｎ接合５を形成
する。即ち、このベース領域６では、バンド・ギ
ヤツプが、界面５でのより広いバンド・ギヤツプ
からベース・コレクタのｐ−ｎ接合７でのより狭
いバンド・ギヤツプまで連続変化している。コレ
クタ領域８は、基板１０からエピタキシヤル成長
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、キヤ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・ギヤツプが提供されている。
検出される電気信号を伝送するために、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１３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。エミツタ領域４においては、
ベース領域のより小さなバンド・ギヤツプに結合
される広いバンド・ギヤツプが、高いエミツタ注
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・ギヤツプは、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
まで注入されたキヤリヤを加速し、そして、次の
ような密度の転位におけるキヤリヤの再結合を減
少させる。その密度とは、大きな格子不適合を生
じる物質にとつ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・ギヤツプは、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ヤ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・ギヤツプよりも広いバンド・ギヤツプ
の半導体エミツ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、コレクタの方へキヤリヤを加速し、次のよう
な密度の転位におけるキヤ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・ギヤツプが提供される
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
子定数が１％よりも大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、
5663及び5451である。従つて、このような系の格
子定数の差の割合は、3.6％であり、それ故に
GaAs1-xPxは、格子が大きく不適合する系とな
る。106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10-10秒とな
つて、転位位置におけるキヤ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
GaAs1-xPxのように格子が大きく不適合している
と、特に、例えばGaAsのような格子が適合しな
い基板に成長される場合には、転位型のキヤリヤ
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ベース層に
よつて、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
よつて生じるドリフト電界が、ベース・コレクタ
接合をキヤリヤが横切つ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ヤリヤが107cm／秒の速
度で横切る通過時間は10-11秒である。転位によ
る再結合寿命は、約10-9乃至10-10秒である。従
つて、キヤリヤの再結合寿命に対する通過時間の
比は、0.1乃至0.01である。この値は、転位位置
で再結合することになるキヤリヤよりも10乃至
100倍も多いキヤリヤが、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。転位はキヤ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
間の格子の差を調和するように、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・ギヤツプとエミツタ領域のバンド・ギヤツプ
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
されることになり、そして、電子が約５×107
cm／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、大きくなるであろう。 本発明の好実施例では、光フアイバによつて光
信号が与えられ、ベース及びコレクタの領域で２
乃至３成分の半導体を選択的に連続変化させるこ
とにより、キヤ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
アイバ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、
1.59乃至1.60μｍ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アイバ
と結合することによつて、ほとんど損失がなくな
ることがわかつた。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
GeO2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つて、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、ほとんど必須要
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３では、フ
アイバ１によつ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、フアイバ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
1μｍ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、少数キヤリヤの通過時間、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・ギヤツプを有しているので、光子エネルギに
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・ギヤツプよ
りも大きい光子エネルギについては、104cm-1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・ギヤツプ物質としては、
GaAs、InP、GaSb、InAs、InSb及びそれらの
混合物のような、多くの−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、エミツタ
領域４を通つて、吸収が起きることになつている
領域６まで通過できるようにすべきである。従つ
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・ギヤツプ・エネルギを有
することが望ましい。 第１図を参照するに、石英のようなシリコンを
主成分とする光フアイバに対して、領域４は、約
1.7eVのバンド・ギヤツプを有するGaAlAsより
成る。GaAlAsのバンド・ギヤツプは界面５にお
けるGaAsベース領域６のバンド・ギヤツプ
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
めに、Ga1-xAlxAs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３成
分であるInが徐々に導入されて、半導体Ga1-xInx
As（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・ギヤツプが、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・ギヤツ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、0.7乃至3μｍの波長に相当
する0.4乃至1.7eVの光子エネルギを有するもので
ある。0.5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５×107cm／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、従つて、
通過時間は、約１ピコ秒となる。10-10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GaAs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、エミツタ物質としてGaAlAs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、1.6eV
のバンド・ギヤツプを有するAlSbがエミツタ物
質として使用され、0.18乃至0.7eVのバンド・ギ
ヤツプを有するGa1-xInxSbがベース・コレクタ
物質として使用される。Ga0.9In0.1SbはAlSbと格
子適合し得るので、また、Ga1-xInxSbのバン
ド・ギヤツプはｘを増加させると減少するので、
GaSbの基板が適している。 次の表には、本発明の実施で使用され得る、
エミツタ用、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。
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ヤ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る。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つて、効率
には限界がある。 〔背景技術〕 当分野では、もつぱら、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つての伝送と、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
の発達に伴なつて、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、知られており、そして、これらの
パラメータが広いバンド・ギヤツプのエミツタ領
域によつて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、
InAs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、キヤリヤの移動を向上
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・ギヤツプのエミツタを
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
る複数の層であつ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
適合の調整及びキヤリヤの伝送利得が達成される
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
ヤリヤのトラツプを最小にする格子の調和と、転
位により起きるキヤリヤ・トラツプの影響をキヤ
リヤへの加速効果によつて最小にする連続変化し
た（graded）バンド・ギヤツプ即ちエネルギ・
ギヤツプとが、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、光フアイバの
ような手段１によつて、半導体基体３の受光表面
２に与えられる。半導体基体３は、ベース領域よ
りも広いバンド・ギヤツプの半導体物質より成る
エミツタ領域４を有する。エミツタ領域４は、次
のように連続変化したバンド・ギヤツプのベース
領域６とエミツタ・ベースのｐ−ｎ接合５を形成
する。即ち、このベース領域６では、バンド・ギ
ヤツプが、界面５でのより広いバンド・ギヤツプ
からベース・コレクタのｐ−ｎ接合７でのより狭
いバンド・ギヤツプまで連続変化している。コレ
クタ領域８は、基板１０からエピタキシヤル成長
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、キヤ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・ギヤツプが提供されている。
検出される電気信号を伝送するために、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１３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。エミツタ領域４においては、
ベース領域のより小さなバンド・ギヤツプに結合
される広いバンド・ギヤツプが、高いエミツタ注
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・ギヤツプは、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
まで注入されたキヤリヤを加速し、そして、次の
ような密度の転位におけるキヤリヤの再結合を減
少させる。その密度とは、大きな格子不適合を生
じる物質にとつ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・ギヤツプは、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ヤ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・ギヤツプよりも広いバンド・ギヤツプ
の半導体エミツ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、コレクタの方へキヤリヤを加速し、次のよう
な密度の転位におけるキヤ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・ギヤツプが提供される
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
子定数が１％よりも大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、
5663及び5451である。従つて、このような系の格
子定数の差の割合は、3.6％であり、それ故に
GaAs1-xPxは、格子が大きく不適合する系とな
る。106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10-10秒とな
つて、転位位置におけるキヤ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
GaAs1-xPxのように格子が大きく不適合している
と、特に、例えばGaAsのような格子が適合しな
い基板に成長される場合には、転位型のキヤリヤ
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ベース層に
よつて、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
よつて生じるドリフト電界が、ベース・コレクタ
接合をキヤリヤが横切つ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ヤリヤが107cm／秒の速
度で横切る通過時間は10-11秒である。転位によ
る再結合寿命は、約10-9乃至10-10秒である。従
つて、キヤリヤの再結合寿命に対する通過時間の
比は、0.1乃至0.01である。この値は、転位位置
で再結合することになるキヤリヤよりも10乃至
100倍も多いキヤリヤが、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。転位はキヤ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
間の格子の差を調和するように、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・ギヤツプとエミツタ領域のバンド・ギヤツプ
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
されることになり、そして、電子が約５×107
cm／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、大きくなるであろう。 本発明の好実施例では、光フアイバによつて光
信号が与えられ、ベース及びコレクタの領域で２
乃至３成分の半導体を選択的に連続変化させるこ
とにより、キヤ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
アイバ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、
1.59乃至1.60μｍ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アイバ
と結合することによつて、ほとんど損失がなくな
ることがわかつた。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
GeO2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つて、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、ほとんど必須要
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３では、フ
アイバ１によつ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、フアイバ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
1μｍ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、少数キヤリヤの通過時間、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・ギヤツプを有しているので、光子エネルギに
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・ギヤツプよ
りも大きい光子エネルギについては、104cm-1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・ギヤツプ物質としては、
GaAs、InP、GaSb、InAs、InSb及びそれらの
混合物のような、多くの−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、エミツタ
領域４を通つて、吸収が起きることになつている
領域６まで通過できるようにすべきである。従つ
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・ギヤツプ・エネルギを有
することが望ましい。 第１図を参照するに、石英のようなシリコンを
主成分とする光フアイバに対して、領域４は、約
1.7eVのバンド・ギヤツプを有するGaAlAsより
成る。GaAlAsのバンド・ギヤツプは界面５にお
けるGaAsベース領域６のバンド・ギヤツプ
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
めに、Ga1-xAlxAs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３成
分であるInが徐々に導入されて、半導体Ga1-xInx
As（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・ギヤツプが、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・ギヤツ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、0.7乃至3μｍの波長に相当
する0.4乃至1.7eVの光子エネルギを有するもので
ある。0.5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５×107cm／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、従つて、
通過時間は、約１ピコ秒となる。10-10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GaAs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、エミツタ物質としてGaAlAs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、1.6eV
のバンド・ギヤツプを有するAlSbがエミツタ物
質として使用され、0.18乃至0.7eVのバンド・ギ
ヤツプを有するGa1-xInxSbがベース・コレクタ
物質として使用される。Ga0.9In0.1SbはAlSbと格
子適合し得るので、また、Ga1-xInxSbのバン
ド・ギヤツプはｘを増加させると減少するので、
GaSbの基板が適している。 次の表には、本発明の実施で使用され得る、
エミツタ用、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】
このように、連続変化した金属間化合物半導体
の使用によつて、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
３成分を連続変化させることとの組合せによつ
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。
の使用によつて、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
３成分を連続変化させることとの組合せによつ
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。
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……エミツタ領域、６……ベース領域、８…
…コレクタ領域。
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……エミツタ領域、６……ベース領域、８…
…コレクタ領域。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 第１の大きさのエネルギ・ギヤツプを有する
エミツタ層と、 該エミツタ層と第1PN接合を形成し且つ上記
第１の大きさのエネルギ・ギヤツプよりも狭い第
２エネルギ・ギヤツプを有し該第２エネルギ・ギ
ヤツプが上記第1PN接合から離れるにつれて狭
くなるベース層と、 該ベース層と第2PN接合を形成し、該第2PN
接合から離れるにつれてエネルギ・ギヤツプが広
くなるコレクタ層と、 該コレクタ層につながる半導体基板と、 上記エミツタ層、ベース層及びコレクタ層の
夫々に設けられた接続体とを備えたエピタキシヤ
ル・トランジスタ装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/393,923 US4518979A (en) | 1982-06-30 | 1982-06-30 | Semiconductor transistor with graded base and collector |
| US393923 | 1989-08-16 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS599979A JPS599979A (ja) | 1984-01-19 |
| JPS6329423B2 true JPS6329423B2 (ja) | 1988-06-14 |
Family
ID=23556804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58068508A Granted JPS599979A (ja) | 1982-06-30 | 1983-04-20 | エピタキシャル・トランジスタ装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4518979A (ja) |
| EP (1) | EP0097767B1 (ja) |
| JP (1) | JPS599979A (ja) |
| DE (1) | DE3380385D1 (ja) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4794440A (en) * | 1983-05-25 | 1988-12-27 | American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories | Heterojunction bipolar transistor |
| US5214297A (en) * | 1984-11-19 | 1993-05-25 | Fujitsu Limited | High-speed semiconductor device |
| US5150185A (en) * | 1990-04-18 | 1992-09-22 | Fujitsu Limited | Semiconductor device |
| US5150186A (en) * | 1991-03-06 | 1992-09-22 | Micron Technology, Inc. | CMOS output pull-up driver |
| JPH0669222A (ja) * | 1992-08-17 | 1994-03-11 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | ヘテロ接合バイポーラトランジスタ及びその製造方法 |
| JP2771423B2 (ja) * | 1993-05-20 | 1998-07-02 | 日本電気株式会社 | バイポーラトランジスタ |
| US5576559A (en) * | 1994-11-01 | 1996-11-19 | Intevac, Inc. | Heterojunction electron transfer device |
| FR2780203B1 (fr) * | 1998-06-23 | 2003-07-04 | Thomson Csf | Detecteur a puits quantique avec couche de stockage des electrons photoexcites |
| US6847060B2 (en) * | 2000-11-27 | 2005-01-25 | Kopin Corporation | Bipolar transistor with graded base layer |
| WO2002043155A2 (en) | 2000-11-27 | 2002-05-30 | Kopin Corporation | Bipolar transistor with lattice matched base layer |
| US7345327B2 (en) | 2000-11-27 | 2008-03-18 | Kopin Corporation | Bipolar transistor |
| JP2004521492A (ja) * | 2001-01-08 | 2004-07-15 | コピン コーポレーション | リン化インジウムヘテロ接合バイポーラトランジスタの調製方法 |
| US7566948B2 (en) * | 2004-10-20 | 2009-07-28 | Kopin Corporation | Bipolar transistor with enhanced base transport |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS53135290A (en) * | 1977-04-28 | 1978-11-25 | Uni Konechikatsuto | Improved hetero junction and method of producing same |
| JPS561578A (en) * | 1979-06-18 | 1981-01-09 | Shunpei Yamazaki | Manufacture of semiconductor device |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3081370A (en) * | 1961-07-17 | 1963-03-12 | Raytheon Co | Solar cells |
| GB1478453A (en) * | 1971-11-29 | 1977-06-29 | Secr Defence | Photocathodes |
| US3995303A (en) * | 1975-06-05 | 1976-11-30 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Growth and operation of a step-graded ternary III-V heterojunction p-n diode photodetector |
| US4075651A (en) * | 1976-03-29 | 1978-02-21 | Varian Associates, Inc. | High speed fet employing ternary and quarternary iii-v active layers |
| US4122476A (en) * | 1976-11-22 | 1978-10-24 | International Business Machines Corporation | Semiconductor heterostructure |
| US4160258A (en) * | 1977-11-18 | 1979-07-03 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Optically coupled linear bilateral transistor |
| DE2847451C2 (de) * | 1978-11-02 | 1986-06-12 | Telefunken electronic GmbH, 7100 Heilbronn | Halbleiterbauelement und Verfahren zum Herstellen |
| US4275404A (en) * | 1979-10-05 | 1981-06-23 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Monolithic opto-isolator |
| US4383269A (en) * | 1980-09-19 | 1983-05-10 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Graded bandgap photodetector |
-
1982
- 1982-06-30 US US06/393,923 patent/US4518979A/en not_active Expired - Lifetime
-
1983
- 1983-03-15 EP EP83102549A patent/EP0097767B1/en not_active Expired
- 1983-03-15 DE DE8383102549T patent/DE3380385D1/de not_active Expired
- 1983-04-20 JP JP58068508A patent/JPS599979A/ja active Granted
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS53135290A (en) * | 1977-04-28 | 1978-11-25 | Uni Konechikatsuto | Improved hetero junction and method of producing same |
| JPS561578A (en) * | 1979-06-18 | 1981-01-09 | Shunpei Yamazaki | Manufacture of semiconductor device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0097767A3 (en) | 1986-04-30 |
| US4518979A (en) | 1985-05-21 |
| EP0097767A2 (en) | 1984-01-11 |
| DE3380385D1 (en) | 1989-09-14 |
| EP0097767B1 (en) | 1989-08-09 |
| JPS599979A (ja) | 1984-01-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3886579A (en) | Avalanche photodiode | |
| US6326654B1 (en) | Hybrid ultraviolet detector | |
| US4684969A (en) | Heterojunction avalanche photodiode | |
| JP2699807B2 (ja) | 組成変調アバランシ・フォトダイオード | |
| JP2005086192A (ja) | アバランシェ光検出器 | |
| JPS6329423B2 (ja) | ||
| JP4702977B2 (ja) | 受光装置 | |
| EP0304048B1 (en) | A planar type heterostructure avalanche photodiode | |
| JPS5984589A (ja) | アバランシフオトダイオード | |
| JPH06232442A (ja) | 半導体受光素子 | |
| JPH11330536A (ja) | 半導体受光素子 | |
| JPH08274366A (ja) | 半導体受光素子 | |
| JP2730472B2 (ja) | 半導体受光素子 | |
| JPH051629B2 (ja) | ||
| JPS59136981A (ja) | 半導体受光装置 | |
| Kim et al. | Barrier height enhancement of InP-based n-Ga0. 47In0. 53As Schottky-barrier diodes grown by molecular beam epitaxy | |
| JP2894910B2 (ja) | 超格子アバランシェフォトダイオードおよびその製造方法 | |
| JPH0265279A (ja) | 半導体受光素子 | |
| JPS6180875A (ja) | 半導体装置 | |
| JPS6244433B2 (ja) | ||
| JP2723069B2 (ja) | 半導体受光素子 | |
| JP2001237454A (ja) | 半導体受光素子 | |
| JPS6244710B2 (ja) | ||
| JPH0316276A (ja) | 光検出器 | |
| JPS62169376A (ja) | フオトダイオ−ド |