(57)【要約】【課題】受光素子の電極層の赤外光吸収を小さくする。【解決手段】第１の電極層２、赤外光の光吸収層３、第２の電極層４とを有し、下方から入射された赤外光９を検知する半導体受光素子において、第１及び第２の電極層２、４の少なくとも一方を、障壁層２２及び井戸層２１の少なくとも一方が不純物ドープされた半導体超格子とし、かつ、その半導体超格子が形成するサブバンド間の遷移エネルギーを、赤外光の光子エネルギーより大きくする。赤外光９によるサブバンド間遷移が禁止され、かつ電極層の伝導電子密度も低いので、赤外光吸収が小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極層と、前記第１の電極層上に形成された赤外光を吸収する光吸収層と、前記光吸収層上に形成された第２の電極層とを有する半導体受光素子において、
前記第１及び第２の電極層のうちの少なくとも一方は、障壁層及び井戸層のうちの少なくとも一方に不純物ドープされた半導体超格子からなり、
前記半導体超格子により形成されるサブバンド間の遷移エネルギーが、前記赤外光の光子エネルギーより大きいことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記光吸収層及び前記第１及び第２の電極層は、ＧａＡｓ基板上に形成されたエピタキシャル層からなり、
前記赤外光の波長が、１．５μｍ以上かつ２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記障壁層及び前記井戸層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ及びＩｎＡｓから選択されたいずれかの半導体又はこれらの混晶から構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記第１の電極層が、前記半導体超格子からなることを特徴とする請求項１、２又は３記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記第２の電極層が前記半導体超格子からなり、
前記第２の電極層の上面に、前記赤外光を下方へ反射する反射膜を備えたことを特徴とする請求項４記載の半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は赤外光が電極層を透過して光吸収層で吸収されることにより赤外光を検知する半導体受光素子に関し、とくに電極層の赤外光透過率が高い光半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長数μｍ〜２０μｍ程度の赤外光の検知をする半導体受光素子は、温度測定、化学分析等の計測分野のセンサーとして広く使用されている。このような半導体受光素子では、検知すべき赤外光は光吸収層にほぼ垂直に入射される。
【０００３】
通常、半導体受光素子では、外部から光吸収層に電圧を印加するために、光吸収層を挟みその上下に不純物ドープされた半導体からなる電極層が設けられる。この電極層を介して、光吸収により光吸収層内で発生したキャリアが外部へ伝導され、光検出電流として検知される。しかし、このように光吸収層に垂直方向から光を入射する構造の半導体受光素子では、入出光は光吸収層へ到達する前に必然的に光吸収層の上下に設けられた電極層を透過するため、電極層での赤外光吸収に起因する感度低下を生ずる。
【０００４】
図５は従来の半導体受光素子の断面図であり、赤外光を検出する半導体受光素子の断面構造を表している。
【０００５】
図５を参照して、従来の半導体受光素子は、半絶縁性のＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓからなる第１の電極層１０２、光吸収層３、及びｎ型ＧａＡｓからなる第２の電極層１０４がこの順で積層されている。第１の電極層１０２及び第２の電極層１０４の上面に、それぞれオーミック電極６１、６２が設けられ、この電極６１、６２間に検出回路７内の電源７２から電圧が印加される。光吸収層３が赤外光９を吸収してキャリアを発生すると、光吸収層３を上下とから挟む第１及び第２の電極層１０２、１０４を介してオーミック電極６１、６２間に光検出電流が流れる。この光検出電流は、検出回路７の電流検知回路７１により検知される。
【０００６】
上述した従来の半導体受光素子では、赤外光９は基板１下面から入射され、第１の電極層１０２を透過して井戸層３１及び障壁層３２を交互に積層した半導体超格子からなる光吸収層３に達し、この半導体超格子のサブバンド間遷移により光吸収層３で吸収される。光吸収層３で吸収されなかった一部の赤外光９は、さらに第２の電極層１０４を透過し、第２の電極層１０４の上面に設けられた金属薄膜からなる反射膜５により反射される。そして、反射された赤外光９は、第２の電極層１０４を透過して、再び光吸収層３で吸収される。このように、入射赤外光９は、第１又は第２の電極層１０２、１０４を透過した後、光吸収層３で吸収され、光検出電流として検出回路７により検出される。（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
このように、入射赤外光９は、光吸収層３で吸収される以前にｎ型ＧａＡｓからなる第１又は第２の電極層１０２、１０４を透過する。これら不純物ドープされたｎ型ＧａＡｓは、連続した励起準位をもつ高濃度の伝導電子を有する。このため、ｎ型ＧａＡｓからなる第１及び第２の電極層１０２、１０４は赤外光に対する吸収係数が大きく赤外光に対する透過率が低いので、入射赤外光９が光吸収層３へ到達する前に入射赤外光９は減衰してしまう。このため、第１及び第２の電極層１０２、１０４としてｎ型ＧａＡｓを用いる光検出素子では、高い検出感度を実現することが難しい。
【０００８】
紫外光の発光素子では、電極層に半導体超格子を用いることにより、電極層を透過する紫外光の吸収を小さくする技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この技術では、半導体超格子の禁制帯幅が半導体超格子を構成するｎ型井戸層の禁制帯幅より広いことを利用し、価電子帯から禁制帯を超えて伝導帯へ推移するバンド間遷移を起こすに必要なバンド間遷移エネルギーを大きくする。これにより、電極層の半導体超格子で吸収される吸収端波長を発光波長よりも短波長化し、短波長の紫外光が電極層を透過するようにしている。
【特許文献１】特開２０００−１８３３１９号公報
【特許文献２】特開２００４−２８１５５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、バルクのｎ型半導体を電極層とする従来の赤外光の半導体受光素子では，電極層を透過する赤外光は、連続した励起準位を有するｎ型半導体の伝導電子に吸収され、光吸収層に到達する前に一部が吸収されてしまう。このため、検出感度が低下するという問題がある。
【００１０】
バルクのｎ型半導体を電極層とする従来の面発光型の紫外光発光素子でも、発光層で発生した紫外光が外部へ出射する途中で電極層を透過するため、電極層内で吸収され、光半導体素子の発光効率が低下するという問題がある。かかる紫外光発光素子では、禁制帯幅の広い半導体超格子を電極層に用いることで、短波長の紫外光の電極層での光吸収を小さくし透過率を大きくすることができる。
【００１１】
しかし、禁制帯幅より小さな光子エネルギーを持つ赤外光は、バンド間遷移による吸収を起こさず、従って、半導体超格子を電極層に用いて電極層の禁制帯幅を広くしても、赤外光の吸収を抑制することはできない。なぜなら、バルクのｎ型半導体での赤外光吸収は連続した励起準位を有する伝導電子の励起に起因する吸収が主だからである。
【００１２】
なお、電極層をｐ型半導体としても、伝導電子に代えて正孔による同様の吸収を生ずるので、ｎ型半導体と同様の問題が生ずる。
【００１３】
本発明は、光半導体素子が取り扱う赤外光に対して透過率が優れた電極層を提供することで、赤外光の検出感度が高い半導体受光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するための本発明の半導体受光素子は、第１の電極層と、前記第１の電極層上に形成された赤外光を吸収する光吸収層と、前記光吸収層上に形成された第２の電極層とを有し、下方から素子へ入射された前記赤外光を検知する半導体受光素子において、
前記第１及び第２の電極層の少なくとも一方は、障壁層及び井戸層の少なくとも一方に不純物ドープされた半導体超格子からなり、前記半導体超格子により形成されるサブバンド間の遷移エネルギーが、前記赤外光の光子エネルギーより大きいことを特徴として構成する。
【００１５】
上記電極層を構成する半導体超格子は、サブバンド間の遷移エネルギーが半導体受光素子が検知する赤外光の光子エネルギーより大きい。このため、光半導体素子が取り扱う赤外光はサブバンド間遷移により吸収されることはなく、電極層での吸収損失が少ない。従って、本発明の半導体受光素子は赤外光を高感度で検知する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、赤外光の吸収が少ない電極層が形成されるので、赤外光の検出感度が優れた半導体受光素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の第１実施形態は、波長１０μｍ帯の赤外光を検出する半導体受光素子に関する。
【００１８】
図１は本発明の第１実施形態の半導体受光素子の断面図であり、半導体超格子を電極層として用いた赤外光検出用の半導体受光素子の断面構造を表している。
【００１９】
図１を参照して、第１実施形態の半導体受光素子は、半導体基板１上に順次積層された、第１の電極層２、光吸収層３及び第２の電極層４を備える。
【００２０】
基板１は、検出すべき波長の赤外光の伝導電子による吸収が少なくなるように、半絶縁性の半導体基板が用いられる。かつ、基板１上に格子欠陥の少ない半導体層（第１の電極層２、光吸収層３及び第２の電極層４）を積層できるようにこれらの半導体層と格子整合する半導体基板１が用いられる。ここでは、半絶縁性のＧａＡｓ基板１を用いた。
【００２１】
第１の電極層２は、基板上に形成されたｎ型半導体超格子からなる。この半導体超格子は例えば、Ｓｉが２×１０18ａｔｍ／ｃｍ3 ドープされた厚さ５．５ｎｍのｎ型ＧａＡｓを井戸層２１とし、厚さ４ｎｍのｉ型Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓを障壁層２２として、井戸層２１及び障壁層２２をそれぞれ２０層（即ち、２０周期）積層して構成されている。
【００２２】
この第１の電極層２を構成するｎ型半導体超格子は、伝導帯側にサブバンド間の禁制帯幅が０．２３ｅＶの２本のサブバンド（図４（ｃ）中にサブバンドＥｓｂ１、Ｅｓｂとしして示す。）を有するサブバンド構造を形成する。なお、０．２３ｅＶの均整帯幅は、波長５．４μｍの赤外光の光子エネルギーに相当する。フェルミレベルはこの２本のサブバンドの中間レベルにあり、従ってサブバンドＥｓｂ１が伝導電子の基底準位となる。かかるサブバンド構造は、井戸層２１及び２２の材料及び厚さを適切に選択することでなされる。また、フェルミレベルは、不純物濃度により制御される。
【００２３】
光吸収層３は、第１の電極層２上に形成されたｉ型半導体超格子からなり、赤外光を吸収して伝導電子を発生させる。光吸収層３を構成する半導体超格子は例えば、Ｓｉが２×１０17ａｔｍ／ｃｍ3 ドープされた厚さ５ｎｍのｎ型ＧａＡｓを井戸層３１とし、厚さ４５ｎｍのｉ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓを障壁層３２として、井戸層３１及び障壁層３２をそれぞれ３０層（即ち、３０周期）積層されて構成される。
【００２４】
この光吸収層３を構成するｉ型半導体超格子は複数のサブバンドを形成し、サブバンド間遷移によりほぼ波長１０μｍ近くの赤外光を吸収する。従って、ほぼ波長１０μｍの赤外光が入射されると、この赤外光はサブバンド間遷移により吸収され、基底準位の電子が励起準位に励起される。励起準位の電子は、容易に障壁層２２の伝導帯に入り伝導電子となる。その結果、第１及び第２の電極層２、４間に光検知電流が流れる。このように、この光吸収層３を備えた第１実施形態の半導体受光素子は、波長がほぼ１０μｍの赤外光を検知する。
【００２５】
第２の電極層４は、光吸収層３上に形成されたｎ型半導体超格子からなる。この第２の電極層４を構成する半導体超格子は、上述した第１の電極層２と同一の層構造を有し例えば、厚さ５．５ｎｍのｎ型ＧａＡｓの井戸層２１と、厚さ４ｎｍのｉ型Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓの障壁層２２とが、それぞれ２０層（即ち、２０周期）積層されている。もちろん、検知すべき赤外光９をサブバンド間遷移により吸収しないならば、第１の電極層２と組成及び構造が異なる半導体超格子を用いることもできる。
【００２６】
なお、井戸層２１、３１、４１及び障壁層２２、３２、４２の半導体材料及び組成比は、基板１に格子整合し、かつ、上述した第１及び第２の電極層２、４並びに光吸収層３のサブバンド構造を形成するように選択される。
【００２７】
光吸収層３及び第２の電極層４は、第１の電極層２の上面の一部を表出するように積層されている。そして、この表出する第１の電極層２上面にオーミック接触する下層がＡｕＧｅ、上層がＡｕからなるオーミック電極６１が形成されている。また、第２の電極層４の上面に、下層がＡｕＧｅ、上層がＡｕからなるオーミック電極６２が形成さている。さらに、第２の電極層４の上面のオーミック電極６２が形成されていない領域上にＡｕからなる金属反射膜５が形成されている。
【００２８】
オーミック電極６１、６２は、半導体受光素子を駆動する検出回路７に接続され、検出回路７内に設けられた電源７２から駆動電圧が供給される。この電源７２からオーミック電極６１、６２を介して流れる電流は、検出回路７内に設けられた電流検知回路により検出される。
【００２９】
次に、上述した第１実施形態の半導体受光素子の製造方法を説明する。
【００３０】
図２は本発明の第１実施形態の半導体受光素子の製造工程断面図（その１）、及び図３は本発明の第１実施形態の半導体受光素子の製造工程断面図（その２）であり、製造工程途中の半導体受光素子の断面構造を表している。
【００３１】
図２（ａ）を参照して、まず、分子線エピタキシャル法を用いて、６００℃に加熱した半絶縁性ＧａＡｓ基板１の上面に不純物濃度２×１０18ａｔｍ／ｃｍ3 、厚さ５．５ｎｍのｎ型ＧａＡｓ井戸層２１を堆積し、その上に厚さ４ｎｍのｉ型Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓ障壁層２２を堆積する。この井戸層２１及び障壁層２２の堆積を２０回繰り返して、２０周期の半導体超格子からなる第１の電極層２を形成する。
【００３２】
次いで、基板温度を６００℃に保持し、分子線エピタキシャル法を用いて、第１の電極層２の上面に不純物濃度２×１０17ａｔｍ／ｃｍ3 、厚さ５ｎｍのｎ型ＧａＡｓ井戸層３１を堆積し、その上に厚さ４５ｎｍのｉ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ障壁層３２を堆積する。この井戸層３１及び障壁層３２の堆積を３０回繰り返し、３０周期の半導体超格子からなる光吸収層３を形成する。
【００３３】
次いで、第１の電極層２と同一堆積条件で、第１の電極層２と同一層構造を有する第２の電極層４を堆積した。
【００３４】
次いで、図２（ｂ）を参照して、第２の電極層４の上面にフォトリソグラフィーを用いてＳｉＯ2 エッチングマスク８を形成する。このエッチングマスク８は、光半導体素子の受光領域を被覆し、かつ第２の電極層２上面に形成されるオーミック電極６１の形成領域を画定する窓８ａを有する。
【００３５】
次いで、図３（ｃ）を参照して、エッチングマスク８を用いた異方性ドライエッチングにより、第２の電極層４及び光吸収層３を順次エッチングしてパターニングする。その結果、第１の電極層２の上面に、第１の電極層２の上面の一部（窓８ａにより画定された領域）を表出し、残りの上面を被覆する第２の電極層４及び光吸収層３からなるメサが形成される。その後、エッチングマスク８を除去する。
【００３６】
次いで、図３（ｄ）を参照して、第１の電極層２の表出面（上面）、及び第２の電極層４の上面に、リフトオフを用いてＡｕＧｅ蒸着膜及びＡｕ蒸着膜の積層膜からなるオーミック電極６１、６２を形成する。さらに、第２の電極層２の上面のうち、オーミック電極６２が形成されていない領域（上面）に、リフトオフを用いてＡｕ蒸着膜からなる反射金属膜５を形成する。以上の工程を経て、第１実施形態の半導体受光素子が製造された。
【００３７】
次に、第１実施形態の半導体受光素子の動作を説明する。
【００３８】
再び図１を参照して、基板１下面から入射した赤外光９は、基板１及び第１の電極２を透過して光吸収層３に達し、光吸収層３内で吸収される。光吸収層３内で吸収されなかった残りの赤外光９は、第２の電極４を透過し、金属反射膜５により反射され、再び第２の電極４を逆方向（図１の紙面下方向）へ進行して再び光吸収層３に到達し、光吸収層３内で吸収される。
【００３９】
このように、反射膜５を設けると、吸収されずに一旦光吸収層３を透過した赤外光が再び光吸収層３へ反射されて吸収されるので、赤外光の検出感度が向上する。また、反射膜５は、反射光を散乱してその進行方向及び偏光方向をランダムにすることもでき、これにより光吸収層３での吸収効率を向上させる効果も有する。なお、バルク半導体からなる光吸収層３のように赤外光の入射方位又は偏光依存性が小さい場合、反射膜５は必ずしも必要ではなく省略することもできる。この反射膜５を省略した場合、第２の電極層４内の赤外吸収による損失は赤外光の検出感度に影響しないので、第２の電極層４を不純物ドープされたバルクの半導体、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成することもできる。
【００４０】
光吸収層３には、第１及び第２の電極を介して検出回路７から電圧が印加される。赤外線９を吸収した光吸収層３は伝導電子を発生する。この伝導電子は光吸収層３から第１又は第２の電極層２、４へ吸収されて、赤外光の検出電流として第１及び第２の電極間を流れ、検出回路７の電流検知回路７１により検出される。
【００４１】
以下、本発明の半導体受光素子の第１及び第２の電極層２、４による赤外光９の吸収について説明する。
【００４２】
図４は本発明の第１実施形態の電極層の赤外光吸収過程の説明図であり、各種半導体のエネルギーバンド構造を表している。ここで、図４中のハッチングされた領域は電子のエネルギー準位を表している。なお、図４（ａ）はバルク半導体におけるエネルギーバンド構造及び光吸収過程を、図４（ｂ）はｎ型半導体超格子５におけるエネルギーバンド構造及び紫外光の吸収過程を、及び図４（ｃ）はｎ型半導体超格子５におけるエネルギーバンド構造及び赤外光の吸収過程を表している。ここで、図４（ｂ）及び図４（ｃ）中の伝導帯及び荷電子帯のハッチングは省略した。また、図４中の上向きの矢印は、電子が矢印下端のエネルギー準位から矢印上端のエネルギー準位へ励起される遷移過程を表している。
【００４３】
まず、バンド間推移に起因する紫外光の吸収を説明する。
【００４４】
図４（ａ）を参照して、バルクの半導体、例えばバルクのＧａＡｓでは、電子のエネルギー順位は伝導帯及び荷電子帯とも連続している。即ち、伝導帯の電子は任意の励起準位を採り得る。このため、禁制帯幅（価電子帯の最高準位Ｅｖと伝導帯の最低準位Ｅｃとのエネルギー差）より大きな光子エネルギーを有する紫外光９ａが入射すると、価電子帯の電子が紫外光９ａを吸収して伝導帯へ励起されるバンド間遷移が起こる。その結果、光吸収が生ずる。
【００４５】
図４（ｂ）を参照して、半導体超格子構造では、井戸層２１内に離散的なエネルギーバンド（サブバンドＥｓｂ、Ｅｓｃ）からなるサブバンド構造が形成され、障壁層２２の価電子帯の上端Ｅｖと障壁層２２の伝導帯の下端Ｅｃの間には連続したエネルギーバンドが存在しない。なお、障壁層２２の価電子帯の上端Ｅｖ以下、及び、障壁層２２の伝導帯の下端Ｅｃ以上には、それぞれ連続したエネルギーバンドからなる価電子帯及び伝導帯が形成されている。
【００４６】
これら半導体超格子のサブバンドＥｓｂ、Ｅｓｃは、井戸層２１内に形成されるため、価電子帯側のサブバンドＥｓｂのエネルギー準位は井戸層２１の価電子帯の上端Ｅｖより下側に（低エネルギー側に）形成され、一方、伝導帯側のサブバンドＥｓｃのエネルギー準位は井戸層２１の伝導帯の下端Ｅｃより上側に（高エネルギー側に）形成される。従って、サブバンドＥｓｂ、Ｅｓｃ間のエネルギー差である半導体超格子の禁制帯幅は、井戸層２１の禁制帯幅より広くなり、その結果、バンド間遷移に起因する紫外光９ａの吸収端波長がバルクのＧａＡｓよりも短波長側にシフトする。このため、電極層を半導体超格子とすることで、井戸層２１の吸収波長よりも短波長の紫外光９ａの電極層による吸収を抑制することができる。
【００４７】
なお、従来例に示した超格子構造の電極層を有する紫外光の発光素子では、価電子帯及び伝導帯に、発光層へ注入されるフリーキャリアが流れる。このフリーキャリアは、連続したエネルギーバンドを形成し、フリーキャリアによる光吸収を起こす。しかし、紫外光のフリーキャリアによる吸収は、バンド間遷移による吸収に比べて小さく、通常は問題にならない。
【００４８】
しかし、次に説明するように、バンド間遷移による吸収がない赤外光では、バンド間の遷移エネルギーを大きくしても、赤外光の吸収を減少することはできない。さらに、赤外光ではフリーキャリアの吸収が大きく無視することができないため、上述した発光素子のように電極層に高濃度のフリーキャリアが存在しては、電極層による大きな赤外光の損失を生じてしまう。従って、上述した従来の紫外光の発光素子に用いられる半導体超格子の電極層を、そのまま赤外光を扱う半導体受光素子に適用することはできない。
【００４９】
次に、赤外光の吸収について説明する。
【００５０】
まず、図４（ａ）を参照して、赤外光９ｂの光子エネルギーはバルクのＧａＡｓの禁制帯幅より小さいので、赤外光９ｂの吸収によるバンド間遷移は起こらない。このため、赤外光９ｂの吸収は主に電子の伝導帯内の準位間での遷移に起因して生ずる。なお、ｐ型半導体では、赤外光の吸収は電子の価電子帯内での正孔への遷移により生ずる。
【００５１】
バルクのｎ型ＧａＡｓの伝導帯の下端Ｅｃ近くには、ドープされた不純物により生成された伝導電子が多量に存在する。これらの伝導電子は連続した励起準位を有するため、赤外光９ｂにより容易に励起され、赤外光９ｂを吸収してしまう。このため、バルクのｎ型ＧａＡｓを電極層２、４に用いた従来の半導体受光素子は、電極層２、４による赤外光９ｂの吸収が大きく、高感度の赤外検知素子を実現することは難しい。
【００５２】
図４（ｃ）を参照して、第１実施形態の第１及び第２の電極層２、４に用いられた半導体超格子は、既述のように伝導帯側に、基底準位を構成するサブバンドＥｓｂ１と、サブバンドＥｓｂ２から幅０．２３ｅＶの禁制帯を介して形成される励起準位を構成するサブバンドＥｓｂ１と、を含むサブバンド構造を形成する。
【００５３】
なお、障壁層２２の価電子帯の上端Ｅｖと障壁層２２の伝導帯の下端Ｅｃの間には連続したエネルギーバンドが存在しない。また、障壁層２２の価電子帯の下端Ｅｖ以下、及び、障壁層２２の伝導帯の上端Ｅｃ以上には、それぞれ連続したエネルギーバンドからなる価電子帯及び伝導帯が形成されている。
【００５４】
この半導体超格子に入射した赤外光９ｂは、図４（ｃ）を参照して、サブバンドＥｓｂ１、Ｅｓｂ２間の遷移エネルギー（０．２３ｅＶ）より光子エネルギーが大きな場合、即ち波長が５．４μｍより短波長の赤外光９ｂの場合、基底準位のサブバンドＥｓｂ１の電子を励起してサブバンドＥｓｂ１、Ｅｓｂ２間の遷移を引き起し、赤外光９ｂを吸収し減衰させる。
【００５５】
しかし、入射赤外光９ｂが、サブバンドＥｓｂ１、Ｅｓｂ２間の遷移エネルギー（０．２３ｅＶ）より小さな光子エネルギーを有する場合、例えば光吸収層３で吸収される１０μｍ近傍の長波長を有する場合、赤外光９ｂはサブバンドＥｓｂ１、Ｅｓｂ２間遷移を起こさないので吸収されない。もちろん、紫外光領域で生ずるようなバンド間遷移による吸収もない。このため、半導体超格子を電極層とする第１実施形態の半導体受光素子は、第１及び第２の電極層２、４の赤外光の透過率が高く、高感度の赤外光検知素子を実現することができる。
【００５６】
半導体超格子には、障壁層２２の伝導帯の上端Ｅｃ以上の高エネルギー領域に、連続したエネルギーバンドからなる伝導帯が形成されている。赤外光９ｂが光吸収層３で吸収されて励起された電子は、第１及び第２の電極層２、４を構成する半導体超格子の連続したエネルギーバンドからなる伝導帯を流れ、赤外光９ｂの検知電流となる。また、半導体超格子には、検知電流に重なり暗電流が流れる。これら検知電流及び暗電流として伝導帯を流れる電子は、フリーキャリアとして赤外光９ｂ（図４（ｃ）中に９ｂ’として示した。）を吸収する。しかし、検知電流及び暗電流として流れる電子密度は、従来電極層として用いらるｎ型ＧａＡｓの電子密度に比べて極めて低く、受光素子の感度を問題となるほど低下させるような大きな赤外光吸収を起こさない。
【００５７】
なお、第１実施形態の半導体受光素子の検知可能な波長は、短波長側はサブバンドＥｓｂ１、Ｅｓｂ２間の禁制帯幅により制限され、長波長側は電極層材料による吸収、例えば格子振動による吸収により制限される。このため、半導体超格子の製造の容易性を考慮して、検知可能な赤外光は、波長を５μｍ〜２０μｍの波長範囲が好ましく、さらに波長を８μｍ〜１０μｍの波長範囲とすることが好ましい。
【００５８】
上述したように、本発明の半導体受光素子は、電極層２、４の材料として半導体超格子を用いる。この半導体超格子は、検知すべき赤外光９の光子エネルギより大きなサブバンド間禁制帯を有するサブバンド構造を有するように、井戸層２１及び障壁層２２の材料及び構造が選択される。かかるサブバンド構造を有する半導体超格子は、検知すべき赤外光９を吸収できないので、赤外光９の透過率に優れる。また、受光素子では、連続した準位を有する伝導帯を流れる電流が、暗電流及び赤外光検知電流の微弱な電流に限られるため、伝導電子に起因する赤外光吸収も極めて小さい。従って、電極層２、４での検知すべき赤外光９の減衰が小さく、高感度の半導体受光素子が実現される。
【００５９】
上述の電極層２、４を構成する半導体超格子は、検知すべき赤外光９の光子エネルギより大きなサブバンド間禁制帯を有するサブバンド構造を有するものであればよく、例えば、井戸層３１及び障壁層３２をＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰの中から又はこれらの混晶の中から選択された半導体材料により構成することができる。
【００６０】
また、本発明の電極層２、４は，ｐ型半導体超格子であってもよい。このとき、例えばＢｅを２×１０18ａｔｍ／ｃｍ3 ドープしたＧａＡｓを井戸層２１とし、ｉ型ＡｌＧａＡｓを障壁層２２とする半導体超格子を用いることができる。
【００６１】
上述した本発明の半導体受光素子において、光吸収層は検知すべき赤外光を吸収して光検知電流を発生するものであればよく、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ半導体超格子に限られない。例えば、井戸層３１及び障壁層３２をＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰの中から又はこれらの混晶の中から選択された半導体材料により構成してもよい。さらに、半導体超格子構造に代えて、量子ドットを形成した量子ドット型の赤外光吸収層とすることもできる。また、禁制帯幅の狭い半導体、例えばＨｇＴｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ及びこれらの混晶の中から選択された材料により構成することもできる。さらに、ＧａＡｓ又はＳｉの不純物準位間遷移により赤外光を吸収する光吸収層であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明を波長５〜２０μｍの赤外光を検出する半導体受光素子に適用することで、赤外光の検出感度を高めることができまので、赤外光を用いる各種分析の精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１実施形態の半導体受光素子の断面図
【図２】本発明の第１実施形態の半導体受光素子の製造工程断面図（その１）
【図３】本発明の第１実施形態の半導体受光素子の製造工程断面図（その２）
【図４】本発明の第１実施形態の電極層の赤外光吸収過程の説明図
【図５】従来の半導体受光素子の断面図
【符号の説明】
【００６４】
１  基板
２、１０１  第１の電極層
３  光吸収層
４、１０２  第３の電極層
５  反射膜
７  検出回路
８  エッチングマスク
９、９ｂ、９ｂ’  赤外光
９ａ  紫外光
２１、３１、４１  井戸層
２２、３２、４２  障壁層
６１、６２  オーミック電極
７１  電流検知回路
７２  電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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