JPH05343732A - ヘテロ接合型半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体基板上に、導電型を与える不純物を意
図的に導入させていないか導入させているとしても十分
低い濃度でしか導入させていない半導体井戸層と、上記
半導体井戸層に比し高いエネルギ位置に伝導帯下端を有
する半導体バッファ層と、上記半導体井戸層に比し高い
エネルギ位置に伝導帯下端を有する半導体バリア層と
が、上記半導体バッファ層、上記半導体井戸層、上記半
導体バリア層の順に積層されている構成を有するヘテロ
接合型半導体装置において、それが適用されたヘテロ接
合型半導体光検出器でみて、ヘテロ接合型半導体光検出
器としての機能が高速に得られるようにする。 【構成】 上記ヘテロ接合型半導体装置において、上記
半導体バリア層が、上記半導体井戸層に比し高いエネル
ギ位置に価電子帯最上端を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヘテロ接合型半導体光
検出器、ヘテロ接合型電界効果トランジスタなどに適用
し得るヘテロ接合型半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、図３及び図４を伴って次に述べる
ヘテロ接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合型半導
体光検出器が提案されている。

【０００３】すなわち、半導体基板１上に、導電型を与
える不純物（ｎ型不純物またはｐ型不純物、以下同様）
を意図的に導入させていないか導入させているとしても
十分低い濃度でしか導入させていない半導体井戸層２
と、その半導体井戸層２に比し高いエネルギ位置に伝導
帯下端を有する半導体バッファ層３と、半導体井戸層２
に比し高いエネルギ位置に伝導帯下端を有する半導体バ
リア層４とが、半導体バッファ層３、半導体井戸層２、
半導体バリア層４の順に積層されている構成を有する。

【０００４】この場合、半導体基板１は、例えばＩｎＰ
でなる。

【０００５】また、半導体井戸層２は、例えばＩｎ
_0.53 Ｇａ _0.47 Ａｓでなる。

【０００６】さらに、半導体バッファ層３は、導電型を
与える不純物を意図的に導入させていないか導入させて
いるとしても十分低い濃度でしか導入させていず、且つ
例えばＩｎ _0.52 Ａｌ _0.48 Ａｓでなる。

【０００７】また、半導体バリア層４は、半導体バッフ
ァ層３と同様に、導電型を与える不純物を意図的に導入
させていないか導入させているとしても十分低い濃度で
しか導入させていず、且つ図４に示すように、半導体井
戸層２に比し低いエネルギ位置に価電子帯上端を有し、
例えば半導体バッファ層３と同じＩｎ _0.52 Ａｌ _{0.4 8}
Ａｓでなる。

【０００８】また、半導体基板１上に形成されている半
導体バリア層４上に、アノ―ド電極層６及びカソ―ド電
極７が、例えば半導体バリア層４との間でショットキ接
合を形成するように、付されている。

【０００９】以上が、従来提案されているヘテロ接合型
半導体装置の適用されたヘテロ接合型半導体光検出器の
構成である。

【００１０】このような従来のヘテロ接合型半導体装置
の適用されたヘテロ接合型半導体光検出器によれば、ア
ノ―ド電極層６及びカソ―ド電極層７間に、バイアス電
圧を、アノ―ド電極層６側を正極として印加させている
状態で、半導体基板１上に形成されている半導体井戸層
２、半導体バッファ層３及び半導体バリア層４による半
導体積層体５に、半導体バリア層４側の上方から、半導
体井戸層２のバンドギャップに比し高いエネルギを有す
る光が一定時間だけ照射されれば、それに応じて、半導
体井戸層２中に電子・正孔対が生成することから、アノ
―ド電極層６及びカソ―ド電極層７を通る電流が、光の
照射開始時点から流れ始め、そして、その電流が、光の
照射終了時点から、光の照射にもとずき生成した電子・
正孔対中の電子及び正孔がバイアス電圧によって半導体
井戸層２中に形成されているドリフト電界のためにアノ
―ド電極層６及びカソ―ド電極層７に向ってそれぞれ走
行し、次で、それらアノ―ド電極層６及びカソ―ド電極
層７にそれぞれ到達して消滅するまで流れる、という機
構で、アノ―ド電極層６及びカソ―ド電極層７を通る電
流が、照射された光に基ずく光電流として流れる。しか
しながら、半導体積層体５に、光が照射されなければ、
半導体井戸層２中に電子・正孔が生成しないので、アノ
―ド電極層６及びカソ―ド電極層７間にバイアス電圧が
印加されていても、アノ―ド電極層６及びカソ―ド電極
層７を通る電流は流れない。

【００１１】以上のことから、図３及び図４に示す従来
のヘテロ接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合型半
導体光検出器によれば、アノ―ド電極層６及びカソ―ド
電極層７を通る電流を検出させるようにすることで、ヘ
テロ接合型半導体光検出器としての機能が得られる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】図３及び図４に示す従
来のヘテロ接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合型
半導体光検出器の場合、半導体バリア層４が、図４に示
すように且つ上述したように、半導体井戸層２に比し低
いエネルギ位置に価電子帯上端を有している。

【００１３】このため、半導体バリア層４が、半導体積
層体５への光の照射によって半導体井戸層２中に生成す
る電子・正孔対中の電子及び正孔のいずれに対しても、
ポテンシャル障壁として作用する。

【００１４】従って、半導体積層体５への光の照射終了
時点から、光の照射にもとずき半導体井戸層中に生成し
た電子・正孔対中の電子及び正孔が、バイアス電圧によ
って半導体井戸層２中に形成されるドリフト電界のため
に、アノ―ド電極層６及びカソ―ド電極層７にそれぞれ
向って走行し、次で消滅するとき、それら電子及び正孔
は、ともに半導体井戸層２内に閉じ込められている状態
で、アノ―ド電極層６及びカソ―ド電極層７に向ってそ
れぞれ走行し、次でアノ―ド電極層６及びカソ―ド電極
層７に到達して消滅する。

【００１５】ところで、半導体井戸層２内に閉じ込めら
れて走行する正孔は、同じ半導体井戸層２内に閉じ込め
られて走行する電子に比し格段的に大きな質量を有して
いるため、半導体井戸層２内に閉じ込められて走行する
電子に比し、格段的に遅い速度しか有しない。このた
め、半導体積層体５への光の照射終了時点から、正孔が
カソ―ド電極層７に到達して消滅するまでに要する時間
が、半導体積層体５への光の照射終了時点から、電子が
アノ―ド電極層６に到達して消滅するまでに要する時間
に比し、格段的に長い。

【００１６】従って、上述したヘテロ接合型半導体光検
出器としての動作速度が、半導体積層体５への光の照射
終了時点から、正孔がカソ―ド電極層７に到達して消滅
するまでに要する時間によって制限され、そして、その
時間は、電子がアノ―ド電極層６に到達して消滅するま
でに要する時間に比し、格段的に長い。

【００１７】以上のことから、図３及び図４に示す従来
のヘテロ接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合型半
導体光検出器によれば、上述したヘテロ接合型半導体光
検出器としての機能を高速に得ることに一定の限度を有
する、という欠点を有していた。

【００１８】よって、本発明は、ヘテロ接合型半導体光
検出器に適用しても、上述した欠点のない、新規なヘテ
ロ接合型半導体装置を提案せんとするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明によるヘテロ接合
型半導体装置は、図３及び図４で前述した従来のヘテロ
接合型半導体装置の場合と同様に、半導体基板上に、導
電型を与える不純物を意図的に導入させていないか導入
させているとしても十分低い濃度でしか導入させていな
い半導体井戸層と、上記半導体井戸層に比し高いエネル
ギ位置に伝導帯下端を有する半導体バッファ層と、上記
半導体井戸層に比し高いエネルギ位置に伝導帯下端を有
する半導体バリア層とが、上記半導体バッファ層、上記
半導体井戸層、上記半導体バリア層の順に積層されてい
る構成を有する。

【００２０】しかしながら、本発明によるヘテロ接合型
半導体装置は、このような構成を有するヘテロ接合型半
導体装置において、上記半導体バリア層が、上記半導体
井戸層に比し高いエネルギ位置に価電子帯最上端を有す
る。

【００２１】

【作用・効果】本発明によるヘテロ接合型半導体装置に
よれば、それを適用した、半導体バリア層上にアノ―ド
電極層及びカソ―ド電極層を付したヘテロ接合型半導体
光検出器でみて、半導体バリア層が、ヘテロ接合型半導
体光検出器への光の照射によって半導体井戸層中に生成
する電子・正孔対中の電子に対しては、ポテンシャル障
壁として作用するが、正孔に対してはポテンシャル障壁
として作用しないことから、ヘテロ接合型半導体光検出
器への光の照射によって半導体井戸層中に生成する電子
・正孔対中の電子及び正孔が、電子については、半導体
井戸層内に閉じ込められてアノ―ド電極層に向って走行
し、次で、アノ―ド電極層に到達して消滅するが、正孔
については、半導体井戸層内に閉じ込められてカソ―ド
電極層に向って走行せず、に、半導体バリア層内に拡散
して、半導体バリア層の表面での再結合により直ちに消
滅するため、ヘテロ接合型半導体光検出器への光の照射
終了時点から、正孔が消滅するのに要する時間が、電子
が消滅するのに要する時間に比し格段的に短く、よっ
て、ヘテロ接合型半導体光検出器としての機能を高速に
得ることができる。

【００２２】

【実施例１】次に、図１及び図２を伴って、本発明によ
るヘテロ接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合型半
導体光検出器の実施例を述べよう。

【００２３】図１及び図２に示す本発明によるヘテロ接
合型半導体装置の適用されたヘテロ接合型半導体光検出
器は、図３及び図４で前述した従来のヘテロ接合型半導
体装置の適用されたヘテロ接合型半導体光検出器の場合
に準じて、図３及び図４で前述した従来のヘテロ接合型
半導体装置の適用されたヘテロ接合型半導体光検出器に
おける半導体基板１に対応している半導体基板１１上
に、図３及び図４で前述した従来のヘテロ接合型半導体
装置の適用されたヘテロ接合型半導体光検出器における
半導体井戸層２に対応している、導電型を与える不純物
（ｎ型不純物及びｐ型不純物、以下同じ）を意図的に導
入させていないか導入させているとしても十分低い濃度
でしか導入させていない半導体井戸層１２と、図３及び
図４で前述した従来のヘテロ接合型半導体装置の適用さ
れたヘテロ接合型半導体光検出器の半導体バッファ層３
に対応している、半導体井戸層１２に比し高いエネルギ
位置に伝導帯下端を有する半導体バッファ層１３と、図
３及び図４で前述した従来のヘテロ接合型半導体装置の
適用されたヘテロ接合型半導体光検出器の半導体バリア
層４に対応している、半導体井戸層１２に比し高いエネ
ルギ位置に伝導帯下端を有する半導体バリア層１４と
が、半導体バッファ層１３、半導体井戸層１２、半導体
バリア層１４の順に積層されている構成を有する。

【００２４】この場合、半導体基板１１は、図３及び図
４で前述した従来のヘテロ接合型半導体装置の適用され
たヘテロ接合型半導体光検出器の半導体基板１と同様
に、例えばＩｎＰでなる。

【００２５】また、半導体井戸層１２は、図３及び図４
で前述した従来のヘテロ接合型半導体装置の適用された
ヘテロ接合型半導体光検出器の半導体井戸層２と同様
に、例えばＩｎ _0.53 Ｇａ _0.47 Ａｓでなる。

【００２６】さらに、半導体バッファ層１３は、図３及
び図４で前述した従来のヘテロ接合型半導体装置の適用
されたヘテロ接合型半導体光検出器の半導体バッファ層
３と同様に、導電型を与える不純物を意図的に導入させ
ていないか導入させているとしても十分低い濃度でしか
導入させていず、且つ例えばＩｎ _0.52 Ａｌ _0.48 Ａｓ
でなる。

【００２７】また、半導体バリア層１４は、図３及び図
４で前述した従来のヘテロ接合型半導体装置の適用され
たヘテロ接合型半導体光検出器の半導体バリア層４と同
様に、導電型を与える不純物を意図的に導入させていな
いか導入させているとしても十分低い濃度でしか導入さ
せていない。

【００２８】しかしながら、半導体バリア層１４は、図
２に示すように、図３及び図４で前述した従来のヘテロ
接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合型半導体光検
出器の半導体バリア層４とは異なり、半導体井戸層１２
に比し高いエネルギ位置に価電子帯最上端を有し、例え
ばＡｌＡｓＳｂでなる。

【００２９】また、図３及び図４で前述した従来のヘテ
ロ接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合型半導体光
検出器の場合に準じて、半導体基板１１に形成されてい
る半導体バリア層４上に、図３及び図４で前述した従来
のヘテロ接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合型半
導体光検出器におけるアノ―ド電極６及びカノ―ド電極
７にそれぞれ対応しているアノ―ド電極１６及びカノ―
ド電極１７が、例えば半導体バリア層１４との間でショ
ットキ接合を形成するように、付されている。

【００３０】以上が、本発明によるヘテロ接合型半導体
装置の適用されたヘテロ接合型半導体光検出器の実施例
の構成である。

【００３１】このような構成を有する本発明によるヘテ
ロ接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合型半導体光
検出器によれば、図３及び図４で前述した従来のヘテロ
接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合型半導体光検
出器の場合に準じて、アノ―ド電極層１６及びカソ―ド
電極層１７間に、バイアス電圧を、アノ―ド電極層１６
側を正極として印加させている状態で、半導体基板１１
上に形成されている半導体井戸層１２、半導体バッファ
層１３及び半導体バリア層１４による半導体積層体１５
に、半導体バリア層１４側の上方から、半導体井戸層１
２のバンドギャップに比し高いエネルギを有する光が一
定時間だけ照射されれば、それに応じて、半導体井戸層
１２中に電子・正孔対が生成することから、アノ―ド電
極層１６及びカソ―ド電極層１７を通る電流が、光の照
射開始時点から流れ始め、そして、その電流が、光の照
射終了時点から、光の照射にもとずき生成した、電子・
正孔対中の電子及び正孔が、バイアス電圧によって半導
体井戸層１２中に形成されているドリフト電界のために
アノ―ド電極層１６及びカソ―ド電極層１７に向ってそ
れぞれ走行し、次で電子がアノ―ド電極層１６に到達し
て消滅し且つ正孔が後述するように消滅するまで流れ
る、という機構で、アノ―ド電極層１６及びカソ―ド電
極層１７を通る電流が、照射された光に基ずく光電流と
して流れる。しかしながら、半導体積層体１５に、上述
した光が照射されなければ、図３及び図４で前述した従
来のヘテロ接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合型
半導体光検出器の場合と同様に、半導体井戸層１２中に
電子・正孔が生成しないので、アノ―ド電極層１６及び
カソ―ド電極層１７間にバイアス電圧が印加されていて
も、アノ―ド電極層１６及びカソ―ド電極層１７を通る
電流は流れない。

【００３２】以上のことから、図１及び図２に示す本発
明によるヘテロ接合型半導体装置の適用されたヘテロ接
合型半導体光検出器の場合も、図３及び図４で前述した
従来のヘテロ接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合
型半導体光検出器の場合と同様に、アノ―ド電極層１６
及びカソ―ド電極層１７を通る電流を検出させるように
することで、ヘテロ接合型半導体光検出器としての機能
が得られる。

【００３３】しかしながら、図１及び図２に示す本発明
によるヘテロ接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合
型半導体光検出器の場合、半導体バリア層１４が、図２
に示すように且つ上述したように、半導体井戸層１２に
比し低いエネルギ位置に価電子帯上端を有している。

【００３４】このため、半導体バリア層１４が、半導体
積層体１５への光の照射によって半導体井戸層２中に生
成する電子・正孔対中の電子に対しては、ポテンシャル
障壁として作用するが、正孔に対しては、ポテンシャル
障壁として作用しない。

【００３５】従って、半導体積層体１５への光の照射終
了時点から、光の照射にもとずき半導体井戸層１２中に
生成した電子・正孔対中の電子及び正孔が、バイアス電
圧によって半導体井戸層１２中に形成されるドリフト電
界のために、アノ―ド電極層１６及びカソ―ド電極層１
７にそれぞれ向って走行し、次で消滅するとき、それら
電子及び正孔は、電子については、半導体井戸層２内に
閉じ込められている状態で、アノ―ド電極層１６に向っ
て走行し、次でアノ―ド電極層１６に到達して消滅する
が、正孔については、半導体井戸層１２内に閉じ込めら
れることなしに半導体バリア層１４内に拡散し、次で、
半導体バリア層１４の表面上での再結合によって消滅す
る。従って、正孔については、半導体井戸層１２内に閉
じ込められている状態で、カソ―ド電極層１７に向って
走行し、次で、カソ―ド電極層１７に到達して消滅す
る、ということで消滅しない。

【００３６】そして、この場合の半導体積層体５への光
の照射終了時点から、正孔が、半導体バリア層１４の表
面での再結合によって消滅するまでに要する時間は、半
導体積層体５への光の照射終了時点から、正孔が、半導
体井戸層１２内に閉じ込められてカソ―ド電極層１７に
向って走行し、次でカソ―ド電極層１７に到達して消滅
するまでに要する時間に比し、格段的に短いことはもち
ろん、半導体積層体５への光の照射終了時点から、電子
が、半導体井戸層１２内に閉じ込められてアノ―ド電極
層１６に向って走行し、次でアノ―ド電極層１６に到達
して消滅するまでに要する時間に比し、格段的に長い。

【００３７】以上のことから、図１及び図２に示す本発
明によるヘテロ接合型半導体装置の適用されたヘテロ接
合型半導体光検出器によれば、上述したヘテロ接合型半
導体光検出器としての動作速度が、半導体積層体１５へ
の光の照射終了時点から、電子がアノ―ド電極層１６に
到達して消滅するまでに要する時間によって制限される
としても、その時間が、正孔が半導体井戸層１２内に閉
じ込められてカソ―ド電極層１７に向って走行し、次で
カソ―ド電極層１７に到達して消滅するとした場合、そ
の消滅までに要する時間に比し、格段的に短いので、上
述したヘテロ接合型半導体光検出器としての機能を、図
３及び図４で前述した従来のヘテロ接合型半導体装置の
適用されたヘテロ接合型半導体光検出器に比し格段的に
高速に得ることができる。

【００３８】なお、上述した本発明によるヘテロ接合型
半導体装置の適用されたヘテロ接合型半導体光検出器の
実施例においては、半導体井戸層１２がＩｎ _0.53 Ｇａ
_{0.4 7} Ａｓでなるものとして、半導体バリア層１４がＡ
ｌＡｓＳｂでなる場合について述べたが、半導体井戸層
１２がＩｎ _0.53 Ｇａ _0.47 Ａｓでなるとき、半導体バ
リア層１４をＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂでなるも
のとして、上述したと同様の作用効果を得ることもで
き、また、半導体バッファ層１３を半導体バリア層１４
と同じ半導体材料でなるものとして、上述したと同様の
作用効果を得ることもでき、さらに、アノ―ド電極層１
６及びカソ―ド電極層１７のいずれか一方または双方
を、半導体バリア層１４に、オ―ム接触するように、付
して、上述したと同様の作用効果を得ることもでき、そ
の他、本発明の精神を脱することなしに、種々の変型、
変更をなし得るであろう。

【００３９】また、上述においては、本発明によるヘテ
ロ接合型半導体装置をヘテロ接合型半導体光検出器に適
用した場合について述べたが、ヘテロ接合型電界効果ト
ランジスタに適用することもでき、そして、この場合
は、図３及び図４に示す本発明によるヘテロ接合型半導
体装置の適用されたヘテロ接合型半導体光検出器におい
て、アノ―ド電極層１６及びカソ―ド電極層１７をソ―
ス電極層及びドレイン電極層と読み替え、また、半導体
バリア層１４に、いま述べたソ―ス電極層及びドレイン
電極層間の領域において、ゲ―ト電極層をショットキ接
合を形成するように付した構成とすればよい。

【００４０】また、本発明によるヘテロ接合型半導体装
置は、図１及び図２を伴って前述したように、ヘテロ接
合型半導体光検出器にも適用し得、また、いま述べたよ
うに、ヘテロ接合型電界効果トランジスタにも適用し得
るが、本発明によるヘテロ接合型半導体装置の適用され
たヘテロ接合型半導体光検出器と、本発明によるヘテロ
接合型半導体装置の適用されたヘテロ接合型電界効果ト
ランジスタとは、前述したところから明らかなように、
半導体基板１１、及びその半導体基板１１上に形成され
た半導体井戸層１２、半導体バッファ層１３及び半導体
バリア層１４について、共通とすることができることか
ら、それらヘテロ接合型半導体光検出器及びヘテロ接合
型電界効果トランジスタを、それらに共通の半導体基板
上にモノリシックに構成することで、それらによる電流
増幅作用を有する光電変換装置を、容易に構成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるヘテロ接合型半導体装置の適用さ
れたヘテロ接合型半導体光検出器の実施例を示す略線的
断面図である。

【図２】図１に示す本発明によるヘテロ接合型半導体装
置の適用されたヘテロ接合型半導体光検出器の実施例
を、エネルギバンド構造で示す図である。

【図３】従来のヘテロ接合型半導体装置の適用されたヘ
テロ接合型半導体光検出器を示す略線的断面図である。

【図４】図３に示す従来のヘテロ接合型半導体装置の適
用されたヘテロ接合型半導体光検出器を、エネルギバン
ド構造で示す図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 半導体井戸層 ３ 半導体バッファ層 ４ 半導体バリア層 ５ 半導体積層体 ６ アノ―ド電極層 ７ カソ―ド電極層 １１ 半導体基板 １２ 半導体井戸層 １３ 半導体バッファ層 １４ 半導体バリア層 １５ 半導体積層体 １６ アノ―ド電極層 １７ カソ―ド電極層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に、導電型を与える不純物
   を意図的に導入させていないか導入させているとしても
   十分低い濃度でしか導入させていない半導体井戸層と、
   上記半導体井戸層に比し高いエネルギ位置に伝導帯下端
   を有する半導体バッファ層と、上記半導体井戸層に比し
   高いエネルギ位置に伝導帯下端を有する半導体バリア層
   とが、上記半導体バッファ層、上記半導体井戸層、上記
   半導体バリア層の順に積層されている構成を有するヘテ
   ロ接合型半導体装置において、 上記半導体バリア層が、上記半導体井戸層に比し高いエ
   ネルギ位置に価電子帯最上端を有することを特徴とする
   ヘテロ接合型半導体装置。