JPH0148663B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、波長選択性、すなわち特定の波長領
域でのみ感度を有する性質をもつた、新規な光検
出導体素子の構造に関するものである。

従来例の構成とその問題点 近年、光通信や光情報処理の分野の発展にとも
ない、小型で高感度の光検出素子に対する要求が
強まつている。特に、波長の異なる光を同時に伝
送する波長多重光通信システムにおいては、急峻
な波長選択性をもつた光検出素子が強く望まれて
いる。その他、リモート・センシング等の分野に
おいても、特定の波長領域の光を選択的に検出す
る素子が望まれている。

従来、小型、高感度の光検出素子として、各種
のホトダイオードやホトトランジスタが用いられ
てきた。しかしこれらの素子は、用いられる半導
体材料の光吸収特性で定まる、かなり広い波長範
囲で感度を有するという性質をもつている。その
ため、前述のような波長選択性を得るためには、
光検出素子の前に、プリズムや回折格子を用いた
分光器や干渉フイルタ等の分光装置を配置する必
要があり、装置が複雑かつ大形になつたり、分光
装置による光損失のため、実質的な感度が低下す
るなどの欠点があつた。

ここで、従来用いられてきた代表的な光検出素
子の構造と動作原理について説明する。

第１図は、特に高感度の光検出素子として知ら
れる、異種接合ホトトランジスタの構造を模式的
に示した断面図である。また第２図は第１図に対
応する上面図である。これらの図において、１は
半導体基板、２はコレクタ層、３はベース層、４
はエミツタ層、１１，１２は電極である。通常の
トランジスタと同様、ベース層とその他の層の導
電型は互いに異なつている。なお、素子はいわゆ
るメサ・エツチングにより、台地状に形成されて
いる。半導体はその材料に固有の禁制帯幅を持つ
ているが、この場合、エミツタ層４とベース層３
の半導体材料に異なるものを用い、エミツタ層４
の禁制帯幅がベース層３の禁制帯幅よりも充分に
広くなるように構成されている。ここで、検出す
べき光は、エミツタ層４の側から入射させる。入
射光のうち、エミツタ層４を透過し、ベース層３
で吸収された光は、ベース層３中に電荷を発生さ
せ、ベース電位を低下させる。その結果、通常の
トランジスタ作用によりコレクタ電流が増加し、
高感度の光検出素子として動作することになる。

なおこの際、コレクタ層２とエミツタ層４の間
には、コレクタ接合を逆バイアスする方向の直流
電圧が、電極１１と１２を介して印加されている
ことはいうまでもない。ところで、トランジスタ
の増幅率をきめる主要な要素として、エミツタ注
入効率がある。上述のように、エミツタ層４の禁
制帯幅が、ベース層３の禁制帯幅よりも充分に大
きい場合には、このエミツタ注入効率が大きくな
り、高い増幅率すなわち高い感度が得られる。

さて、この従来例の素子における感度の波長依
存性は以下のようになる。一般に半導体は、その
禁制帯幅をEg（単位は電子ボルト）とすると、ほ
ぼλg＝1.24／Egで与えられる吸収端波長λg（単位
はμｍ）よりも短い波長の光を吸収する性質を持
つている。したがつてこの例の素子の場合、エミ
ツタ層４のλgよりも短い波長の光は、エミツタ
層で吸収され、ベース層３には達しない。またベ
ース層３のλgよりも長い波長の光は、エミツタ
層、ベース層のいずれでも吸収されない（エミツ
タ層のEgは、ベース層のEgよりも大きいので、
エミツタ層のλgはベース層のλgよりも短波長側
にある）。しかるに、エミツタ層４のλgとベース
層３のλgの間の波長の光は、エミツタ層４を透
過した後、ベース層３で吸収される。すなわちこ
の素子は、上記波長領域の光に対して感度を示す
ことになる。

このような素子において、急峻な波長選択性を
得るためには、エミツタ層とベース層のλgを接
近、すなわちEgを接近させればよいと考えられ
る。ところがその場合、前述のエミツタ注入効率
が低下し、トランジスタの増幅率が減少、感度が
低下してしまう。

ところで発明者らは、半導体光吸収層を備えた
新規な構造により、高感度でかつ急峻な波長選択
性を有する光検出素子が得られることを見出し
た。

発明の目的 本発明は、前述のような従来の問題に鑑み、分
光装置を併用することなく単体で、任意の波長選
択性、特に、急峻な波長選択性を示し、かつ高感
度の光険出半導体素子を提供することを目的とし
ている。

発明の構成 本発明は、従来の異種接合ホトトランジスタに
エミツタ層を構成する半導体の禁制帯幅よりも狭
く、かつベース層を構成する半導体の禁制帯幅よ
りも広い禁制帯幅をもつ半導体からなる光吸収層
を付加することにより、高感度の波長選択性光検
出半導体素子を実現するものである。

実施例の説明 本発明の具体的な実施例を、図面に用いて説明
する。各実施例の素子構造を示す図において、従
来例および各実施例に共通する構成要素には同じ
符号を付している。

第３図は本発明の第１の実施例における光検出
半導体素子の構造を模式的に示す断面図である。
なお上面図は従来例の上平図である第２図と同様
であるので省略する。第３図において、１は半導
体基板、２はコレクタ層、３はベース層、４はエ
ミツタ層、５は光吸収層、１１，１２は電極であ
る。ベース層３の導電型とその他の層および基板
の導電型が互いに異なつている点は従来例と同じ
である。また、エミツタ層の禁制帯幅がベース層
の禁制帯幅よりも広くなつていることも従来例と
同じである。

本実施例においては、光吸収層５はエミツタ層
４の禁制帯幅よりも狭く、かつベース層３の禁制
帯幅よりも広い禁制帯幅を有する半導体からなつ
ている。その結果、本実施例における感度の波長
依存性は以下のようになる。本実施例においても
検出すべき光は素子上面すなわち光吸収層５の側
から入射させるが、このとき光吸収層５の吸収端
波長λg（λgの定義は従来例の構成とその問題点の
項で説明したとおりである）よりも短い波長の光
は光吸収層５で吸収され、エミツタ層４およびベ
ース層３には達しない。またベース層３のλgよ
りも長い波長の光は、光吸収度５、エミツタ層
４、ベース層３のいずれでも吸収されない。これ
は光吸収層及びエミツタ層の禁制帯幅Egがベー
ス層のEgよりも広く、したがつて光吸収層およ
びエミツタ層のλgがベース層のλgよりも短い波
長側にあるためである。

一方、入射光の波長が光吸収層５のλgとベー
ス層３のλgとの間にある場合には、入射光は光
吸収層５とエミツタ層４を透過した後ベース層３
で吸収される。これは光吸収層のEgがエミツタ
層のEgよりも小さく、かつベース層のEgよりも
大きいため、エミツタ層のλgは光吸収層のλgよ
りも短波長側に、また光吸収層のλgはベース層
のλgよりも短波長側にあることによるものであ
る。

以上からわかるように、本実施例の素子は、光
吸収層のλgとベース層のλgの間の波長の光に対
してのみベース層での吸収が生じ、感度を示すこ
とになる。すなわち、光吸収層とベース層の禁制
帯幅Egにより、感度波長領域を任意に設定する
ことができる。特に、光吸収層とベース層のEg
を接近させれば、感度波長領域が狭い、すなわち
急峻な波長選択性を持つ光検出素子を実現するこ
とができる。そして本実施例の場合、エミツタ層
のEgはベース層のEgよりも充分に大きいため、
波長選択性の程度に関係なく高いエミツタ注入効
率が得られ、大きな増幅率すなわち高い感度が得
られる。

第４図は本実施例の光検出半導体素子における
感度の波長依存性の一例（実線）を比較例のそれ
（破線）と対比して示している。感度は単位入射
光量に対するコレクタ電流の大きさで示してあ
る。この場合、ベース層、エミツタ層、光吸収層
のEgはそれぞれ0.99電子ボルト、1.35電子ボル
ト、1.01電子ボルトとなつている。これらを吸収
端波長λgに換算すると、それぞれ約1.25μｍ、
0.92μｍ、1.23μｍとなる。なお各層の厚さは、コ
レクタ層が3μｍ、ベース層が1μｍ、エミツタ層
が2μｍとなつている。第４図からわかるように、
本素子の感度一波曲線（実線）の半値幅は約
0.05μｍときわめて小さくなつており、急峻な波
長選択性が得られている。また最大感度は約
400A／Ｗときわめて大きくなつている。比較例
の素子の構造は、光吸収層を備えていない点を除
いて、上記実施例と同一である。この場合素子
は、第４図の破線で示す特性から、0.9〜1.25μｍ
の広い波長範囲で感度を示していることがわか
る。

ところで、原理的には急峻な波長選択性を得る
ためには、前述のように光吸収層とベース層の
Egが接近している程よいと考えられる。ところ
が、このEgの差が小さすぎると逆に波長選択性
が、低下し、また感度も減少することを発明者ら
は見出した。第５図は、第４図にその特性を示し
た素子と同様の素子で光吸収層のEgのみを0.995
電子ボルトに変更し、光吸収層とベース層のEg
の差をより小さくした場合の特性である。この場
合半値幅は約0.07μｍと逆に大きくなつて波長選
択性が低下しており、また感度もかなり減少して
いることがわかる。これは光吸収層とベース層の
厚さが有限であるため、これらの層の光吸収スペ
クトル（波長依存性）が理想的なものでなく、吸
収端波長λgの付近が徐々に変化する特性を示す
ためと考えられる。すなわちこのため、光吸収層
とベース層のEg（λg）がきわめて近い場合には、
両者のλgの間の波長においても光吸収層による
吸収がある程度存在し、またこの波長領域におけ
るベース層の光吸収が不充分になるという状態が
生じてこの波長領域における感度が低下し、その
結果相対的に半値幅が大きくなると考えられる。
この点を詳細に検討した結果、急峻な波長選択性
を得るためには、上述のEgの差をベース層のEg
の１〜３％とするのが適当であることが判明し
た。

さて以上の説明では、第３図におけるコレクタ
層２のEgについては触れなかつた。本実施例に
おいてコレクタ層のEgは素子の動作に本質的な
影響を与えないと考えられる。しかしながら、コ
レクタ層のEgをベース層のEgと一致させた場合、
特に感度が高くなることが実験的に判明した。こ
れはベース層によつて吸収しきれなかつた光がコ
レクタ層において吸収されて電荷を発生し、この
電荷の一部がベース・コレクタ接合に存在する電
位勾配によりベース層へ注入される結果、ベース
層における光吸収と同様にコレクタ電流の増加に
寄与するためと考えられる。したがつてコレクタ
層のEgは、ベース層のEgと一致させることが望
ましい。

なお、本実施例では半導体基板１とコレクタ層
２を区分されたものとしたが、半導体基板がコレ
クタ層を兼ねる構造としてもよく、素子の動作に
は影響がない。

また本実施例では半導体基板１とコレクタ層２
を連続させているが、これらの間に両者と同一の
導電型の導電型の半導体からなるバツフア層を設
けてもよく、素子の動作には関係がない。

なお、本実施例の説明中、各層の厚さの例を示
したが、これらは必ずしもこの値に限定されな
い。コレクタ層、エミツタ層、光吸収層について
は、１〜10μｍ程度、ベース層については0.1〜2μ
ｍ程度が適当である。

第６図は本発明の第２の実施例における光検出
半導体素子の構造を模式的に示す断面図である。

本実施例では半導体基板１の上に光吸収層５、
エミツタ層４、ベース層３、コレクタ層２が順次
積層されており、第１の実施例とは順序が逆転し
ている。この場合、検出すべき光は半導体基板１
の側から入射させる。このため、基板側の電極１
１は入射光を遮らないよう周辺部に設けてある。
また、半導体基板１の禁制帯幅は光吸収層５の禁
制帯幅に等しいかまたはより広くしてある。その
他の構成要素に関しては第１の実施例と全く同様
である。本素子の動作は第１の実施例の場合と全
く同様であり、その特性についてもなんら相違は
ない。

第７図は本発明の第３の実施例における光検出
半導体素子の構造を模式的に示す断面図である。

本実施例では半導体基板１の上に光吸収層５、
コレクタ層２、ベース層３、エミツタ層４が順次
積層されている。すなわち、光吸収層５がコレク
タ層２の側に設けられている点が第１及び第２の
実施例と異なつている。本実施例の場合、検出す
べき光は半導体基板１の側から入射させるので、
基板側の電極１１は第２の実施例と同様、周辺部
に設けてある。また本実施例では入射光が光吸収
層５の他、半導体基板１とコレクタ層２を通して
ベース層３に達するため、この基板とコレクタ層
の禁制帯幅は光吸収層の禁制帯幅と等しいか、又
はより大きくして素子本来の動作を妨げないよう
にしてある。その他の構成要素に関しては第１の
実施例と全く同様であり、その動作及び特性も同
様である。

第８図は本発明の第４の実施例における光検出
半導体素子の構造を模式的に示す断面図である。

本実施例では半導体基板１の上に、エミツタ層
４、ベース層３、コレクタ層２、光吸収層５が順
次積層されており、第３の実施例における各層の
順序を逆転した構造となつている。本実施例の場
合、検出すべき光は素子上面すなわち吸収層５の
側から入射させる。コレクタ層２の禁制帯幅は、
第３の実施例の場合と同様、光吸収層５の禁制帯
幅と等しいかまたはより広くしてある。その他の
構成要素に関しては第１の実施例と全く同様であ
り、その動作および特性も同様である。

なお、上述の第３および第４の実施例におい
て、コレクタ層２と光吸収層５を一つの層で兼ね
ることも可能であり、その場合も素子の動作、特
性にはなんら影響がない。

次に、以上の実施例において用いられる半導体
材料について述べる。本発明による光検出半導体
素子を作製する場合、禁制帯幅の異なる半導体層
を順次積層する必要がある。このような場合、各
層の結晶性を良好にするため、基板および各層の
結晶の格子定数を高い精度で一致させることが不
可決である。このような条件を満たし、かつその
特性が本発明の光検出半導体素子に好適な半導体
材料として、ガリウム・アルミニウム・砒素系半
導体及びインジウム・ガリウム・砒素・燐系半導
体があることを発明者らは見出した。

前者はガリウム砒素（GaAs）とアルミニウム
砒素（AlAs）の混合物であり、アルミニウム砒
素の含有比をｘとして、Ga_1-xAl_xA_s（Ｏ≦ｘ≦
１）と表わされる。この系の結晶は、ｘの値に関
係なく格子定数がほぼ一定であり、一方禁制帯幅
はｘ＝Ｏの場合の1.43電子ボルトから、ｘ＝１の
場合の2.16電子ボルトまで大幅に変化するので、
本発明の素子にきわめて好適である。

また後者はインジウム燐（InP）、インジウム
砒素（InAs）、ガリウム燐（GaP）、ガリウム砒
素（GaAs）の混合物であり、ガリウムのインジ
ウムに対する含有比をｘ、砒素の燐に対する含有
比をｙとして、In_1-xGa_xAs_yP_1-y（Ｏ≦ｘ、ｙ≦
１）と表わされる。この系の結晶は、ｘとｙの値
を適当に選ぶことにより、格子定数を一定に保つ
たまま禁制帯幅を大幅に変化させることができ
る。一例を挙げると、ｘとｙの値をほぼ、ｙ＝
2.2xなる関係を満たすように選ぶと、その格子定
数かｘ＝０、ｙ＝０の場合すなわちインジウム燐
の格子定数につねに一致する。またこのとき禁制
帯幅は、ｘ＝０、ｙ＝０の場合の1.35電子ボルト
からｘ＝0.47、ｙ＝１の場合の0.75電子ボルトま
で大幅に変化し、本発明の素子に極めて好適であ
る。

なお、これらの半導体結晶は、各種のエピタキ
シヤル成長法により容易に形成することができ
る。

発明の効果 以上のように本発明は従来の異種接合ホトトラ
ンジスタに、エミツタ層を構成する半導体の禁制
帯幅よりも狭く、かつベース層を構成する半導体
の禁制帯幅よりも広い禁制帯幅を持つ半導体から
なる光吸収層を付加することにより、任意の波長
領域に対する波長選択性、特に、急峻な波長選択
性を示す高感度の光検出半導体素子を実現したも
のであり、分光装置を併用することなく特定の波
長領域の光を検出する簡便な手段を提供するとい
う従来にない効果を持つものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光検出半導体素子（異種接合ホ
トトランジスタ）の構造を示す断面図、第２図は
第１図に対応する上面図、第３図は本発明の第１
の実施例の光検出半導体素子の構造を示す断面
図、第４図は本発明の実施例の光検出半導体素子
における感度の波長依存性の一例を比較例のそれ
と対比させて示す特性曲線図、第５図は本発明の
実施例の光検出半導体素子における感度の波長依
存性の他の例を示す特性曲線図、第６図、第７図
および第８図は本発明のそれぞれ第２、第３、第
４の実施例の光検出半導体素子の構造を示す断面
図である。 １……半導体基板、２……コレクタ層、３……
ベース層、４……エミツタ層、５……光吸収層、
１１，１２……電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コレクタ層とベース層と前記ベース層を構成
   する半導体の禁制帯幅よりも広い禁制帯幅を有す
   る半導体からなるエミツタ層とを順次連接した構
   造を有する異種接合トランジスタを備え、前記エ
   ミツタ層を構成する半導体の禁制帯幅よりも狭く
   かつ前記ベース層を構成する半導体の禁制帯幅よ
   りも広い禁制帯幅を有する半導体からなる光吸収
   層を、前記異種接合トランジスタのエミツタ層側
   に設けたことを特徴とする光検出半導体素子。 ２ ベース層を構成する半導体と光吸収層を構成
   する半導体の禁制帯幅の差を、前記ベース層を構
   成する半導体の禁制帯幅の１％ないし３％とした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   光検出半導体素子。 ３ ベース層とコレクタ層を同一の禁制帯幅を有
   する半導体で構成したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項に記載の光検出半導体
   素子。 ４ コレクタ層、ベース層、エミツタ層、光吸収
   層のそれぞれが、ガリウム砒素、アルミニウム砒
   素、ガリウム・アルミニウム砒素のうちいずれか
   を主成分とする半導体よりなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項から第３項までのいずれか
   に記載の光検出半導体素子。 ５ コレクタ層、ベース層、エミツタ層、光吸収
   層のそれぞれが、インジウム燐、インジウム砒
   素、ガリウム燐、ガリウム砒素、またはこれらの
   うち少なくとも２つを混合した混合物を主成分と
   する半導体からなることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項から第３項までのいずれかに記載の光
   検出半導体素子。 ６ コレクタ層とベース層と前記ベース層を構成
   する半導体の禁制帯幅よりも広い禁制帯幅を有す
   る半導体からなるエミツタ層とを順次連接した構
   造を有する異積接合トランジスタを備え、前記コ
   レクタ層を構成する半導体の禁制帯幅を前記ベー
   ス層を構成する半導体の禁制帯幅よりも広くし、
   前記コレクタ層を構成する半導体の禁制帯幅と等
   しいかまたはより狭くかつ前記ベース層を構成す
   る半導体の禁制帯幅よりも広い禁制帯幅を有する
   半導体からなる光吸収層を前記異種接合トランジ
   スタのコレクタ層側に設けたことを特徴とする光
   検出半導体素子。 ７ ベース層を構成する半導体と光吸収層を構成
   する半導体の禁制帯幅の差を、前記ベース層を構
   成する半導体の禁制帯幅の１％ないし３％とした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の
   光検出半導体素子。 ８ コレクタ層、ベース層、エミツタ層、光吸収
   層のそれぞれがガリウム砒素、アルミニウム砒
   素、ガリウム・アルミニウム砒素のうちいずれか
   を主成分とする半導体よりなることを特徴とする
   特許請求の範囲第６項または第７項に記載の光検
   出半導体素子。 ９ コレクタ層、ベース層、エミツタ層、光吸収
   層のそれぞれが、インジウム燐、インジウム砒
   素、ガリウム燐、ガリウム砒素、またはこれらの
   うち少なくとも二つを混合した混合物を主成合と
   する半導体からなることを特徴とする特許請求の
   範囲第６項または第７項に記載の光検出半導体素
   子。