(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に連続的に形成されたコレクター層とエミッタ層間に位置したエミッタ光吸収層を含む多端子アバランシェ光検出器において、
前記エミッタ光吸収層と前記コレクター層間に電荷層、増幅層及びコンタクト層で構成された多数個のアバランシェ利得構造層を備えることを特徴とするアバランシェ光検出器。
【請求項２】
前記エミッタ光吸収層は、
バルクタイプの単一物質層、薄膜層、自己整列された量子点構造層、及び二重障壁量子井戸構造層または多重障壁量子井戸構造を利用して製作された垂直形量子点アレー構造、または量子線のアレー構造のいずれか一つを利用して製作されたことを特徴とする請求項１に記載のアバランシェ光検出器。
【請求項３】
前記増幅層は、超格子を利用して製作されたことを特徴とする請求項１に記載のアバランシェ光検出器。
【請求項４】
前記アバランシェ利得構造層は、
前記電荷層と前記コンタクト層間に配置され、不純物の拡散調節のためのスペーサ層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のアバランシェ光検出器。
【請求項５】
前記光吸収層と前記エミッタ層間には不純物の拡散調節のためのスペーサ層がさらに設けられていることを特徴とする請求項１に記載のアバランシェ光検出器。
【請求項６】
基板上に連続に形成されたコレクター層とエミッタ層間に配置されたエミッタ光吸収層構造を含むアバランシェ光検出器において、
前記コレクター層上に形成された第１増幅層、前記第１増幅層上に形成された第１電荷層、及び前記第１電荷層上に形成されたコンタクト層を含む第１アバランシェ利得構造層：及び
前記第１アバランシェ利得構造層上に形成された第２増幅層及び前記第２増幅層上に形成された第２電荷層を含む第２アバランシェ利得構造層を含み、
前記第２アバランシェ利得構造層上に前記エミッタ光吸収層構造が積層されたことを特徴とするアバランシェ光検出器。
【請求項７】
前記光吸収層と前記第２アバランシェ利得構造層間には不純物の拡散調節のためのスペーサ層が設けられていることを特徴とする請求項６に記載のアバランシェ光検出器。
【請求項８】
基板上に連続に積層されたコレクター層とエミッタ層間に配置されたエミッタ光吸収層構造を含むアバランシェ光検出器において、
前記コレクター層上に形成された第１増幅層,前記第１増幅層上に形成された第１電荷層及び前記第１電荷層上に形成されたコンタクト層を含む第１アバランシェ利得構造層;
前記第１アバランシェ利得構造層上に形成された第２増幅層,前記第２増幅層上に形成された第２電荷層及び前記第２電荷層上に形成されたコンタクトを含む第２アバランシェ利得構造層;及び
前記第２アバランシェ利得構造層上に形成された第３増幅層及び前記第３増幅層上に形成された第３電荷層を含む第３アバランシェ利得構造層を含み、
前記第３アバランシェ利得構造層上に前記エミッタ光吸収層構造が積層されたことを特徴とするアバランシェ光検出器。
【請求項９】
前記エミッタ光吸収層構造は、
バルクタイプの単一物質層、薄膜層、自己整列された量子点構造層、及び二重障壁量子井戸構造層または多重障壁量子井戸構造を利用して製作された垂直形量子点アレー構造または量子線のアレー構造のいずれか一つを利用して製作されたことを特徴とする請求項６または８に記載のアバランシェ光検出器。
【請求項１０】
前記第１増幅層、第２増幅層及び第３増幅層は超格子を利用して製作されたことを特徴とする請求項６または８に記載のアバランシェ光検出器。
【請求項１１】
前記アバランシェ利得構造層は、
前記電荷層と前記コンタクト層間には不純物の拡散調節のためのスペーサ層が設けられていることを特徴とする請求項６または８に記載のアバランシェ光検出器。
【請求項１２】
前記光吸収層と前記第３アバランシェ利得構造層間には不純物の拡散調節のためのスペーサ層が設けられていることを特徴とする請求項８に記載のアバランシェ光検出器。
【請求項１３】
基板上に連続に形成されたコレクター層とエミッタ層間にエミッタ光吸収層構造を含み、前記基板とコレクター間に下部ミラー層が形成されて、前記エミッタ層上に上部ミラー層が形成された空洞共振アバランシェ光検出器において、
前記光吸収層と前記コレクター層間に電荷層、増幅層及びコンタクト層で組合された多数個のアバランシェ利得構造層を備えることを特徴とする空洞共振アバランシェ光検出器。
【請求項１４】
前記多重アバランシェ利得構造層は、
前記コレクター層上に形成された第１増幅層,前記第１増幅層上に形成された第１電荷層及び前記第１電荷層上に形成されたコンタクト層を含む第１アバランシェ利得構造層;及び
前記第１アバランシェ利得構造層上に形成された第２増幅層及び前記第２増幅層上に形成された第２電荷層を含む第２アバランシェ利得構造層を備えることを特徴とする請求項１３に記載の共振空洞アバランシェ光検出器。
【請求項１５】
前記エミッタ光吸収層構造は、
バルクタイプの単一物質層、薄膜層、自己整列された量子点構造層、及び二重障壁量子井戸構造層または多重障壁量子井戸構造を利用して製作された垂直形量子点アレー構造、または量子線のアレー構造のいずれか一つを利用して製作されたことを特徴とする請求項１３に記載の共振空洞アバランシェ光検出器。
【請求項１６】
前記増幅層は超格子を利用して製作されたことを特徴とする請求項１３に記載の共振空洞アバランシェ光検出器。
【請求項１７】
前記アバランシェ利得構造層は、
前記電荷層と前記コンタクト層間には不純物の拡散調節のためのスペーサ層が設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の共振空洞アバランシェ光検出器。
【請求項１８】
前記光吸収層と前記エミッタ層間には不純物の拡散調節のためのスペーサ層が設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の共振空洞アバランシェ光検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光検出器に関するものであり、より詳細に説明すると２個以上のアバランシェ利得構造層及び多端子を含む光検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近来になって超高速大容量光通信システム、映像処理(image processing)システム等に用いられる光受信(検出)素子に対する研究が活発に進行しており、これら素子の速度及び感度を向上させることが開発の主要課題である。最近数年間分子ビームエピタキシ(MBE : Molecular  Beam Epitaxy)、金属有機化合物蒸着法(MOCVD : Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等の半導体製造技術が発展することによって異質構造を有する半導体光電装置が開発されている。
【０００３】
半導体異質構造のエネルギーバンドギャップ工学を利用して、GaSb/InAs、 InAs/ZnTe、 GaAs/Al(Ga)As、 InGaAs/InAlAs/InPなどの物質のバルク層及び１０００Å以下の薄膜(Thin Film)に対する研究が活発に進行している。
【０００４】
また、量子束縛準位(Quantum-Confined States)間電子のバンド内遷移または電子サブバンド間遷移により赤外線領域の光を吸収したり光を放出する現像に対する研究もこのような技術的課題を解決するために活発に進行している。
【０００５】
また、赤外線吸収、生成及び電圧−制御同調可能機能(Voltage-Controlled Tenability)、そして光検出素子の高速性能に対する研究が活発に進行しており、これは超高速光受信器、超高速スイッチング装置(Ultra-High Speed Switching Device)及び論理素子(Logic Device)分野でのこのような技術の応用は技術的重要性を有している。
【０００６】
一方、このような技術的課題を解決するために開発されている光検出器中のアバランシェ光検出器は、従来のＰＩＮ光検出器に比べて、高い感度を有した長所があるが、アバランシェ利得を得るために非常に高い電圧が要求され、速度が遅いという問題点がある。
【０００７】
このようなアバランシェ光検出器に対する従来の技術を説明すると、次のようなものがある。
まず、権利者が‘M．Tsuji’であり、発明の名称が‘Staircase Avalanche Photodiode’(米国特許登録番号：US5,539,221)である特許を説明すると、この先行特許は半導体異質接合構造における赤外線吸収効果を利用した電子装置に関する特許として、光検出器の作動原理と応用及び特性改善に対して記述している。
【０００８】
前記‘221特許は暗電流特性を改善させるためにInAlAsからInGa(x)Al(1-x)As(x>0.1)に傾斜(graded)された周期的な多層構造(Periodic Multi Layer Structure)を含む階段形アバランシェ光検出器を提示している。すなわち、各々の分離された光吸収層(Absorption Layer)と多層を有した他のアバランシェフォトダイオードの場合、光吸収層よりエネルギーバンドギャップが大きな電界の弛緩層(Electric Field Relaxation Layer)を有する必要があるとともに、高濃度ドーピング(heavily-doped)層が低濃度ドーピング(lightly-doped)層間にサンドウィッチされるトリプル(triple)構造を有する必要がある。この発明はn形InP基板上にn--InAlAsからInGa(x)Al(1-x)As(x＞0.1)に傾斜された周期的な多層を含む増幅(Multiplication)層とｐ--InGaAs光吸収層、そして、前記光吸収層と前記増幅層間にｎ-、ｐ+、ｐ-形のInP弛緩層を備える３重構造層が開示されている。このような構造を通して前記‘221特許は暗電流特性を改善している。
【０００９】
また、権利者が‘K. Taguchi’であり、発明の名称が‘Avalanche Photodiode with an improved multiplication layer’である米国特許第5,457,327号を説明すると、光検出器の作動原理と応用及び特性改善に対して記述している。
【００１０】
前記‘327特許は、素子の高速動作特性を改善させるために光吸収層、電界の弛緩層及び増幅層でなった光検出器構造を説明しているが、前記増幅層は２個の異なる層が周期的に薄膜で積層された構造を有する。前記構造で最初種の層は電子が加速されて運動する方向にエネルギーバンドギャップが次第に増加する構造であり、２番目種の層は電子が加速されて運動する方向にエネルギーバンドギャップが次第に減少する構造である。このような構造を通して前記‘327特許は素子の高速化特性を改善している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するためのことであり、本発明の目的は、赤外線検出機能の光吸収層構造で単一バルクタイプ(bulk type）の物質層、薄膜層、量子点または量子線で構成されて赤外線を吸収するための光吸収層と、各々薄い多重応用層を含む二個以上のアバランシェ−利得層構造と、多端子とを含む向上された光検出器を提供することである。
【００１２】
本発明の装置は相対的に低い電圧を印加して高い利得を得て、感度(sensitivity)を増加させ、端子(terminal)数の増加による多機能性／新機能性を与えて、素子(device）の安全性を高めることができる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するための本発明の一側面によると、基板(substrate)上に連続に形成されたコレクター(collector)層とエミッタ(emitter)層(トップコンタクト層)間にエミッタ光吸収層構造を含むアバランシェ光検出器において、前記光吸収層と前記コレクター層間に電荷層(charge layer)、増幅層(multiplication layer)及びコンタクト層(contact layer）で組合された多数個のアバランシェ利得構造層を備えることを特徴とするアバランシェ光検出器が提供される。
【００１４】
本発明のさらに他の側面によると、基板上に連続に形成されたコレクター層とエミッタ層間にエミッタ光吸収層構造を備えるアバランシェ光検出器において、前記コレクター層上に形成された第１増幅層；前記第１増幅層上に形成された第１電荷層及び前記第１電荷層上に形成されたコンタクト層を含む第１アバランシェ利得構造層；及び前記第１アバランシェ利得構造層上に形成された第２増幅層；及び前記第２増幅層上に形成された第２電荷層を含む第２アバランシェ利得構造層を含み、前記第２アバランシェ利得構造層上に前記エミッタ光吸収層構造が積層されたことを特徴とするアバランシェ光検出器が提供される。
【００１５】
また、基板上に連続に形成されたコレクター層とエミッタ層(トップコンタクト層)間にエミッタ光吸収層構造を含み、前記基板とコレクター間に下部ミラー(mirror)層が形成されて、前記エミッタ層上に上部ミラー層が積層された空洞共振(resonant cavity)アバランシェ光検出器において、前記光吸収層と前記コレクター層間に電荷層、増幅層及びコンタクト層で組合されたアバランシェ利得構造層を多重で含んでいることを特徴とする空洞共振アバランシェ光検出器が提供される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照しながら本発明の一実施形態による光検出器をより詳細に説明する。
【００１７】
一般的に薄い増幅層は、光検出器の速度と雑音特性とを改善させる。本発明では薄い増幅層及び多端子を含んだ、２個のアバランシェ利得構造層を利用する。したがって、本発明は多重アバランシェ過程による低い運用電圧、高利得、高感度性、高速性及び安全性等を成就し、光吸収層構造を自由に選択することができるために、多様な周波数帯域で赤外線信号を選択及び処理できる。
【００１８】
このような本発明で提示する光検出器は長距離通信用、単光子カウント(single photon counting)、低い光吸収率の補償等非常に高い感度を要求する多様な応用に使用できる。また、本発明による光検出器は低電圧を用いることによって、低電力で駆動させることができる。また、本発明はより低い降伏電圧を有して装置の利得を増加させることができ、装置の安全性を向上させる事も出来る。したがって、本発明の装置は前置増幅器機能を遂行できて、高速光検出器、高速赤外線信号探知及び増幅器、光受信器に応用が可能であり、多端子作動による自由度増加によって、超高速スイッチング及び論理装置(digital logic)、新機能／多機能性の高速赤外線論理装置等に応用が可能になる。
【００１９】
上述した目的を達成するために本発明による光検出器は、導電型のエミッタ層とコレクター層、前記エミッタとコレクター間に位置した光吸収層を備えている。エミッタ光吸収は単一バルクタイプ物質層、１０００Å以下厚さの材料膜、自己整列された量子点(self-assembled quantum dot)構造層、二重(多重)障壁量子井戸構造で製作された垂直形量子点アレー構造または量子線のアレーで構成される。続いて、各々電荷層、増幅層、電子コンタクト層(electrode contact layer)を備える二つまたはそれ以上のアバランシェ利得構造層がその上に形成される。
【００２０】
このように構成された光検出器に赤外線が入射されると、光吸収層で電子のバンド間遷移またはインタサブバンド(inter sub band)遷移が起きるようになる。また、外部電圧適用時、光吸収によって生成した電子(または、正孔）は電荷層及び増幅層等を通過して増幅されて、増幅された電気信号を得ることができる。この時、各々のアバランシェ利得構造層で、比較的薄い(大体５０００Åより小さい)増幅層と隣接したコンタクト層に電圧が印加されると、キャリア(carrier)が一連で増幅層を通過しながら、連鎖(serial)アバランシェ増幅が起きて、非常に高い利得を得るようになる。すなわち、比較的低い電圧が薄い各々の増幅層に印加され、結果的に高い利得を得るようになる。アバランシェ利得構造層の調節、すなわち、不純物ドーピング濃度(impurity doping level)、幅、電荷層に与えられる電界の強さ、増幅層及びコンタクト層は素子の利得、作動速度などの性能に重要な要素である。したがって本発明は既存のアバランシェ光検出器で、高い利得を作り出すために単一増幅層に適用(印加)されなければならない非常に高い高電圧の問題及びこれによる素子のブレークダウン(breakdown)問題点を改善できる。
【００２１】
ここで、赤外線探知機などのエミッタ光吸収層構造で、波長及び適用用途によって、バルクタイプ単一物質層、１０００Å以下の薄膜フィルム層、超微細量子井戸構造のエピタキシアル層構造を利用して製作された垂直形量子点または量子線のアレー構造、または自己整列された量子点組合せ構造層などを適用し、不純物の拡散(diffusion)調節などのためのスペーサ層(spacer layer）等を挿入することもできる。
【００２２】
図１は、本発明の第１実施形態による低電圧高利得３端子光検出器の構造を示した横断面図であり、その検出器を以下に詳細に説明する。
図１に図示された光検出器はエミッタ光吸収層１０２とコレクター層Ｃ間に、電子の増幅層１０４、１０８、電荷層１０３、１０７及びコンタクト層１０５で組合せ構成されたアバランシェ利得構造層を２層適用したものである(ここで、コレクター層が増幅層Ｍ２の次のコンタクト層に該当する。)。一方、図面番号“１１４”、“１０９”、“１１５”は、電極の機能を遂行する。また、スペーサ層１０１、１０６は、不純物(Ｉｍｐｕｒｉｔｙ）の拡散調節機能を遂行する。
【００２３】
前記増幅層１０４、１０８は、単一バルク層または超格子(super lattice)を利用できる。また、前記エミッタ光吸収層１０２としては単一バルクタイプ物質層、１０００Å以下の薄膜フィルム層、自己整列された量子点構造層、二重障壁量子井戸構造を利用して製作された垂直形量子点アレー構造、または量子線のアレー構造中いずれか一つを選択して適用することが可能である。
【００２４】
例えば、光検出器は、ｐ+−ＩｎＡｌＡｓエミッタ層、ｉ−ＩｎＡｌＡｓスペーサ層、１μｍ以下のｉ−ＩｎＧａＡｓ単一物質光吸収層、アバランシェ利得構造層(ｐ−ＩｎＡｌＡｓ電荷層、５０００Å以下のｉ−ＩｎＡｌＡｓ増幅層、２０００〜３０００Å以下の薄いｎ+コンタクト層で構成された利得構造層）の連続適用で形成できる。
【００２５】
図２は本発明の第２実施形態による低電圧高利得４端子光検出器の構造を示した横断面図であり、その検出器を以下に詳細に説明する。
図２に図示された光検出器はエミッタ光吸収層２０２とコレクター層Ｃ間に、電荷層２０３、２０７、２１２、電子の増幅層２０４、２０８、２１３及びコンタクト層２０５、２１０で構成された、アバランシェ利得構造層を３層適用したものである。
【００２６】
前記エミッタ光吸収層２０２はバルク層、自己整列された量子点構造層、二重障壁量子井戸構造を利用して製作された垂直形量子点アレー構造、または量子線のアレー構造が適用できる。図面番号“２１４”、“２１５”、“２０９”、“２１５”は電極の機能を遂行する。また、スペーサ層２０１、２０６、２１１は、不純物の拡散調節機能を遂行する。
【００２７】
図３は本発明の第３実施形態による正孔(Ｈｏｌｅ)を利用した平面タイプ３端子光検出器の構造を示した横断面図であり、その検出器を以下に詳細に説明する。
【００２８】
図３に図示された光検出器はエミッタ光吸収層３０２とコレクター層Ｃ間に、正孔の増幅層３０４、３０８、電荷層３０３、３０７及びコンタクト層３０５で組合せ構成されたアバランシェ利得構造層を２層適用したものである。前記エミッタ光吸収層３０２はバルクタイプ単一物質層を利用して形成され、正孔の増幅層及びｐ−ｔｙｐｅコンタクト層で構成されたアバランシェ利得構造層が２層適用されている。このような構造はｎ+−ＩｎＰエミッタ層、１μｍ以下のｎ-(ｉ)−ＩｎＧａＡｓ単一物質光吸収層、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層、アバランシェ利得構造層(５０００Å以下の薄いｎ−ＩｎＰ増幅層、ｐ+ＩｎＰコンタクト層で構成された）の２回連続適用で得ることができる。図面番号“３０９”、“３１４”、“３１５”は電極の機能を遂行する。
【００２９】
図４は本発明の第４実施形態による共振空洞構造を導入した共振空洞多重アバランシェ光検出装置の横断面図であり、その光検出装置を以下に詳細に説明する。
【００３０】
図４に図示された多重アバランシェ光検出装置は高速の共振−空洞多重電荷層４０３、４０７、電子の増幅層４０４、４０８、コンタクト層４０５で構成されたアバランシェ利得構造層を２層適用したものであり、コレクター層Ｃと基板Ｓ間に半導体４分の１波長スタックの下部ミラー構造を導入し、またエミッタ層Ｅ上に誘電多重層を利用した上部ミラー構造で構成した高速共振空洞アバランシェ光検出器であって、高速及び高利得特性を得ることができる。
【００３１】
また、エミッタ光吸収層４０２構造は、バルク層、自己整列された量子点構造層、量子井戸構造を利用して製作された垂直形量子点アレー構造または量子線のアレー構造中一つを利用して形成することができる。
【００３２】
例えば、前記空洞−共振多重−アバランシェ光検出器は、ｐ+−ＩｎＡｌＡｓエミッタ層(トップコンタクト層)、ｉ−ＩｎＡｌＡｓスペーサ層、０．１μｍ以下のｉ−ＩｎＧａＡｓ薄膜光吸収層、ｉ−ＩｎＧａＡｌＡｓ漸進スペーサ層(graded layer、ＩｎＧａ0.47(1-x)Ａｌ0.47xＡｓ、ｘ＝１−＞０)、多重アバランシェ利得構造層(ｐ−ＩｎＡｌＡｓ電荷層、２０００Å以下のｉ−ＩｎＡｌＡｓ増幅層及び２０００Å以下のｎ+コンタクト層で構成された利得構造層）のスタック構造；コレクター層と基板間に位置したＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓからなり半導体４分の１波長スタックの下部ミラー構造;及びエミッタ層(トップコンタクト層)上にＺｎＳｅ／ＭｇＦ2多重誘電層で形成された上部ミラー構造で形成される。一方、スペーサ層４０１、４０６、漸進スペーサ層４１６は、不純物の拡散調節機能を遂行する。図面番号“４０９”、“４１４”、“４１５”は電極の機能を遂行する。
【００３３】
図５Ａないし図５Ｂを参考にして本発明の一実施形態によるエミッタの光吸収層を詳細に説明する。
図５Ａにおいて(Ｉ)及び(II)は、単一バルクタイプの物質層または薄膜で構成されたエミッタ光吸収層の横断面図及び水平断面図であり、図５Ｂ(Ｉ)は自己整列量子点アレーの水平断面図であり、図５Ｂにおいて(II)及び(III）は自己整列された量子点アレーのスタック構造及び単一層構造の側断面図である。例えば、(ｓｑ−ａ）はＧａＡｓ層であり、(ｓｑ−ｂ)はＩｎＡｓ量子点である。
【００３４】
図６Ａにおいて(Ｉ)及び(II)は、二重障壁量子井戸形エピタキシアル構造でさらに他の束縛過程(confinement)を通して量子点アレー層構造が形成された光吸収層構造の水平及び側断面図である。例えば、(ｑｄ−ａ)はｉ−ＩｎＡｌＡｓ層であり、(ｇｄ−ｂ）は１００Å以下のＩｎＧａＡｓ量子井戸層を利用した量子点構造であり、(ｑｄ−ｃ)は絶縁層である。
【００３５】
図６Ｂにおいて(Ｉ)及び(II)は、エミッタ光吸収層構造二重障壁量子井戸構造を利用した垂直量子アレー構造層の横断面図及び水平断面図である。例えば、(ｑｒ−ａ)はｉ−ＩｎＡｌＡｓ障壁層であり、(ｑｒ−ｂ)はＩｎＧａＡｓ量子井戸層を利用した量子線構造であり、(ｑｒ−ｃ)は絶縁層で構成される。
【００３６】
図７Ａにおいて(Ｉ)及び(II)は、エミッタ光吸収層構造用三重障壁二重量子井戸構造を利用した垂直量子点アレー組合せ構造層の横断面図及び水平断面図である。例えば、(ｔｄ−ａ)はｉ−ＩｎＡｌＡｓ障壁層であり、(ｔｄ−ｂ)はＩｎＧａＡｓ量子井戸層を利用した量子点構造で、(ｔｄ−ｃ)は絶縁層で構成される。
【００３７】
図７Ｂにおいて(Ｉ)及び(II)は、三重障壁量子井戸形エピタキシアル構造で水平的束縛過程を通して量子点アレーを形成した構造を示す図面である。例えば、(ｔｒ−ａ)はｉ−ＡｌＡｓ障壁層であり、(ｔｒ−ｂ)はＩｎＧａＡｓ量子井戸層を利用して得られた１００Å以下の量子線構造であり、(ｔｒ−ｃ)は絶縁層で構成される。
【００３８】
図８Ａ及び図８Ｂは、図１に図示された２層のアバランシェ利得構造層を有した３端子光検出器装置に、電圧が印加される時の各層内でエネルギー状態を示すエネルギーバンドダイヤグラムであり、図８Ａは無電圧(熱平衡状態)におけるエネルギーバンドダイヤグラムであり、図８Ｂは外部電圧印加時エネルギーバンドダイヤグラムである。そのエネルギーバンドダイヤグラムについて以下に詳細に説明する。
【００３９】
光吸収層内での電子の赤外線吸収により伝導帯域にて電子のバンド間遷移が起きる。遷移された電子は外部印加された電圧及び素子内部のビルトインポテンシャル(built-in potential：内部電圧または接触電位差ＶBI)により２個のアバランシェ利得構造層を通過してコレクターに至る。ここで、ＶBIは最初アバランシェ利得構造層におけるビルトインポテンシャルで、Ｖ′BIは２番目アバランシェ利得構造層におけるビルトインポテンシャルである。
【００４０】
各々のアバランシェ利得構造層における電界の強さは各利得構造層両端に印加された電圧により調節される。Ｖ1はカソードとＢ１(コンタクト層１０５の電極)間に印加された電圧であり、Ｖ2はＢ１とコレクター間に印加される電圧である。この時、Ｖ1及びＶ2は相互反対の分極を有するようになる。すなわち、電子を利用した増幅構造の場合、Ｖ1は陰のバイアス電圧で、Ｖ2は陽のバイアス電圧になる。このようにしてキャリアが電荷層を通過しながら増幅されて、コレクターに至り、電気信号が増幅される。
【００４１】
図９Ａ及び図９Ｂは図２に図示された３個のアバランシェ利得構造層を有した４端子光検出器装置に、電圧が印加される時の各層内でエネルギー状態を示すエネルギーバンドダイヤグラムであり、図９Ａは無電圧(熱平衡状態)におけるエネルギーバンドダイヤグラムであり、図９Ｂは外部電圧適用時エネルギーバンドダイヤグラムである。そのエネルギーバンドダイヤグラムについて以下に詳細に説明する。
【００４２】
光吸収層内での電子の赤外線吸収により伝導帯域にて電子のバンド間遷移が起き、遷移された電子は、外部から印加された電圧及び素子内部のビルトインポテンシャルにより３個のアバランシェ利得構造層を通過してコレクターに至る。
【００４３】
ここでＶBIは最初アバランシェ−利得構造層内のビルト−インポテンシャルであり、ＶBIiは二番目アバランシェ−利得構造層内のビルト−インポテンシャルであり、ＶBI″は三番目アバランシェ−利得構造層内のビルト−インポテンシャルである。
【００４４】
ここで、各々のアバランシェ利得構造層における電界の強さは各利得構造層両端に印加された電圧により調節される。Ｖ1はカソード(エミッタ)とＢ１(コンタクト層２０５の電極)間に印加された電圧で、Ｖ2はＢ１とＢ２(コンタクト層２１０の電極)間に印加された電圧であり、Ｖ3はＢ２とコレクター間に印加された電圧である。Ｖ1はＶ2及びＶ3と相互反対の分極を有するようになる。すなわち、電子を利用した増幅構造の場合、Ｖ1は陰でバイアスされて、Ｖ2及びＶ3は各々陽でバイアスされる。このようにしてキャリアが増幅層を通過して増幅されて、コレクターに至り、電気信号が増幅される。
【００４５】
図１０Ａ及び図１０Ｂは図３に図示された２個のアバランシェ利得構造層を利用した平面タイプ(Ｐｌａｎａｒ  Ｔｙｐｅ)３−端子アバランシェ光検出器に、電圧が印加される時の各層内でエネルギー状態を示すエネルギーバンドダイヤグラムであり、図１０Ａは無電圧(熱平衡状態)におけるエネルギーバンドダイヤグラムであり、図１０Ｂは外部電圧印加時エネルギーバンドダイヤグラムである。
そのエネルギーバンドダイヤグラムについて以下に詳細に説明する。
【００４６】
光吸収層内での電子の赤外線吸収により伝導帯域にて電子のバンド間遷移が起きて、前記バランスバンド内に正孔が残るようになる。前記残った正孔が外部から印加された電圧及び素子内部のビルトインポテンシャルにより２個のアバランシェ利得構造層を通過してコレクターに至る。ここで、各々のアバランシェ利得構造層における電界の強さは各利得構造層両端に印加された電圧により調節される。Ｖ1はエミッタとＢ１(コンタクト層３０５の電極)間の電圧で、Ｖ2はＢ１とコレクター間に印加される電圧である。Ｖ1及びＶ2は相互反対の分極を有するようになる。すなわち、正孔を利用した構造の場合、Ｖ1は陽でバイアスされて、Ｖ2は陰でバイアスされる。このようにしてキャリアが増幅層を通過して増幅されて、コレクターに至り、電気信号が増幅される。
【００４７】
図１１Ａ及び図１１Ｂは図４に図示された光検出器内の、３個のアバランシェ利得構造層を有する電子のインタサブバンド遷移を利用する、共振空洞多重アバランシェ４端子光検出器に、電圧が印加される時の各層内でエネルギー状態を示すエネルギーバンドダイヤグラムであり、図１１Ａは無電圧(熱平衡状態)におけるエネルギーバンドダイヤグラムであり、図１１Ｂは外部電圧印加時エネルギーバンドダイヤグラムである。そのエネルギーバンドダイヤグラムについて以下に詳細に説明する。
【００４８】
ここでエミッタ光吸収層は量子点構造、量子井戸構造または量子線構造を有し、前記量子光吸収層内の電子は、赤外線吸収により励起準位(exited state)に急激に遷移する。前記吸収波長は量子点の大きさまたは量子井戸の幅または量子線の幅によって決定される。
【００４９】
量子光吸収層内での電子の赤外線吸収により電子は、励起準位に急激に遷移する。この時、励起準位に遷移された電子は外部から印加された電圧及び素子内部のビルトインポテンシャルにより、ブロックキング障壁、電荷層及び増幅層を通過してコレクターに至る。ここでミラー構造の導入は共振空洞を形成して、量子効率及び素子の性能を向上させて、赤外線信号検出器の超高速作動が可能となる。赤外線吸収波長は量子点、量子井戸、または量子線で前記電子の束縛エネルギー準位により決定される。
【００５０】
以上、好適な実施形態に基づいてこの発明を説明したが、このような実施形態はこの発明を制限しようとすることでなく例示しようとすることである。この発明が属する分野の熟練者にはこの発明の技術思想を外れることがなく上記の実施形態に対する多様な変化や変更または調節が可能なことが自明なことである。それゆえ、この発明の保護範囲は添付された請求範囲によってのみ限定されることであり、上のような変化例や変更例または調節例をすべて含むことと解釈されるべきである。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように本発明によると、光検出器構造でアバランシェ利得構造層を２回以上多重適用し、多端子を適用することによって、高利得による高感度、低電圧化、高速化、安全性を達成できる。更に、低電圧を用いることによって多くの利点を有することができ、多重アバランシェ過程による高利得を得て、低い光吸収率も補償して、素子の降伏電圧を低くして安全性を得ることができるという優れた効果がある。
【００５２】
また、多端子作動による新機能性及び多機能性が与えられて、光吸収層構造の選択自由度によって多様な領域の赤外線信号の選択及び処理も可能となるという効果がある。
【００５３】
また、長距離通信用、単光子カウント等非常に高い感度を要求する場合にも使用できて、高い利得が得られることにより前置増幅器機能を有することができ、高速光検出器、高速赤外線信号探知機及び増幅器に応用され、３ターミナル以上の自由度増加による超高速スイッチング及び論理装置、新しい機能／多機能の高速赤外線論理装置等に応用が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態による低電圧高利得３端子光検出器の構造を示した横断面図。
【図２】  本発明の第２実施形態による低電圧高利得４端子光検出器の構造を示した横断面図。
【図３】  本発明の第３実施形態による正孔を利用した平面タイプ３端子アバランシェ光検出器の構造を示した横断面図。
【図４】  本発明の第４実施形態による共振空洞構造を導入した共振空洞多重アバランシェ光検出装置の横断面図。
【図５】  図５Ａは、バルク層または単一物質の薄膜で形成されたエミッタ光吸収層の横断面図及び水平断面図であり、図５Ｂは単一層構造または薄く積層された層構造を有した自己整列量子点アレーの概略的なダイヤグラム。
【図６】  図６Ａは二重バリヤ量子ウェル−タイプエピタキシアル構造における側面制限処理で形成された量子ドット・アレー構造を見せるダイヤグラムであり、図６Ｂは二重バリヤ量子ウェル構造を利用する垂直量子線アレー構造を有したエミッタの光吸収層構造の側面及び水平断面図である。
【図７】  図７Ａは３重バリヤ二重量子ウェル構造を利用する垂直量子ドット・アレー構造を有するエミッタの光吸収層構造の側面及び水平断面図であり、図７Ｂは３重バリヤ量子ウェル−タイプエピタキシアル構造における水平限定処理により形成された量子線アレー構造を見せるダイヤグラムである。
【図８】  図１に図示された２個のアバランシェ利得構造層を有した３端子光検出器各層のエネルギー状態を示すエネルギーバンドダイヤグラムであり、図８Ａは無電圧時(熱平衡状態)におけるエネルギーバンドダイヤグラムであり、図８Ｂは外部電圧印加時エネルギーバンドダイヤグラムである。
【図９】  図２に図示された３個のアバランシェ利得構造層を有した４端子光検出器各層のエネルギー状態を示すエネルギーバンドダイヤグラムであり、図９Ａは無電圧(熱平衡状態)におけるエネルギーバンドダイヤグラムであり、図９Ｂは外部電圧適用時エネルギーバンドダイヤグラムである。
【図１０】  図３に図示された２個のアバランシェ利得構造層を有した平面タイプ３−端子アバランシェ光検出器各層のエネルギー状態を示すエネルギーバンドダイヤグラムであり、図１０Ａは無電圧(熱平衡状態)におけるエネルギーバンドダイヤグラムであり、図１０Ｂは外部電圧印加時エネルギーバンドダイヤグラムである。
【図１１】  図４に図示された電子のインタサブバンド遷移を利用して３個のアバランシェ利得構造層を有する共振空洞多重アバランシェ４端子光検器各層のエネルギー状態を示すエネルギーバンドダイヤグラムであり、図１１Ａは無電圧(熱平衡状態)におけるエネルギーバンドダイヤグラムであり、図１１Ｂは外部電圧印加時エネルギーバンドダイヤグラムである。
【符号の説明】
１０１、１０６、２０１、２０６、２１１、４０１、４０６、：スペーサ層
１０２、２０２、３０２、４０２：光吸収層
１０３、１０７、２０３、２０７、２１２、３０３、３０７、４０３、４０７、：電荷層
１０４、１０８、２０４、２０８、２１３、３０４、３０８、４０４、４０８、：増幅層
１０５、２０５、２１０、３０５、４０５：コンタクト層
Ｃ：導電型コレクター
Ｓ：基板
(ｓｑ−ｂ)：量子点(自己整列された量子点組合せ構造)
(ｓｑ−ｃ)：基板層
(ｑｄ−ａ)：量子障壁(二重障壁量子井戸構造を利用した垂直形量子点のアレー組合せ構造)
(ｑｄ−ｂ)：量子点(二重障壁量子井戸構造を利用した垂直形量子点のアレー組合せ構造)
(ｑｄ−ｃ)：絶縁層
(ｑｒ−ａ)：量子障壁(二重障壁量子井戸構造を利用した垂直形量子線のアレー組合せ構造)
(ｑｒ−ｂ)：量子線(二重障壁量子井戸構造を利用した垂直形量子線のアレー組合せ構造)
(ｑｒ−ｃ)：絶縁層
(ｔｄ−ａ)：量子障壁(三重障壁二重量子井戸構造を利用した量子点のアレー構造)
(ｔｄ−ｂ)：量子点(三重障壁二重量子井戸構造を利用した量子点のアレー構造)
(ｔｄ−ｃ)：絶縁層
(ｔｒ−ａ)：量子障壁(三重障壁二重量子井戸構造を利用した量子線のアレー構造)
(ｔｒ−ｂ)：量子線(三重障壁二重量子井戸構造を利用した量子線のアレー構造)
(ｔｒ−ｃ)：絶縁層
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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