(57)【要約】多層半導体ダイオードは、活性層と第１の接触領域との間に配置される広いバンドギャップ材料の層を有し、活性層と追加の幅広いバンドギャップ層は、一方のドーパント型であり、第１の接触領域は、反対のドーパント型である。本発明の特定の実施形態は、ｐ型材料の第１の接触領域（４）と、軽ドープｐ型活性層（２）と、追加ｐ層（２０）と、ｎ型材料の第２の接触領域（６）とで形成されたスタックよりなる。ダイオードは、赤外線検出器又は負発光ソースとして使用することが可能である。
2004516656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ダイオードであって、
第１の接触領域と、
活性層と、
第２の接触領域と、を備え、
前記第１の接触領域が前記活性層のドーパント型とは反対のドーパント型でドープされ、
前記第２の接触領域が前記活性層のドーパント型と同じドーパント型でドープされ、
前記第１の接触領域、前記活性層及び前記第２の接触領域は、前記活性層が前記第１の接触領域と前記第２の接触領域との間に配置されるようにスタックされて配置され、
前記半導体ダイオード構造が、更に、前記活性層のドーパント型と同じドーパント型でドープされ、前記活性層よりも広いバンドギャップを有する追加層を備え、
前記追加層は、前記活性層と前記第１の接触領域との間に配置される、
半導体ダイオード。
【請求項２】
逆バイアス電圧が印加されると、少なくとも一つの排除界面が、前記活性層と前記第２の接触領域との間に形成される、請求項１に記載の半導体ダイオード構造。
【請求項３】
逆バイアス電圧が印加されると、少なくとも一つの抽出界面が、前記活性層と前記第１の接触領域との間に形成される、請求項１または２に記載の半導体ダイオード構造。
【請求項４】
前記第２の接触領域が、
重ドープ層と、
軽ドープ材料のバッファ層と、を備え、
前記重ドープ層とバッファ層は、同じドーパント型でドープされ、
前記重ドープ層は、前記活性層から最も遠くに位置し、
前記配置が、二つの排除界面が前記活性層と前記軽ドープ材料のバッファ層との間と前記軽ドープ材料のバッファ層と前記重ドープ層との間とに形成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体ダイオード。
【請求項５】
前記第２の接触領域の前記軽ドープ材料のバッファ層のドーピング濃度が、前記追加層のドーピング濃度と実質的に同じである、請求項４に記載の半導体ダイオード。
【請求項６】
前記第１の接触領域が、
重ドープ層と、
軽ドープ材料のバッファ層と、を備え、
前記重ドープ層とバッファ層は、同じドーパント型でドープされ、
前記重ドープ層は、前記活性層から最も遠くに配置されており、且つ
前記配置が、二つの抽出界面が前記活性層と前記軽ドープ材料のバッファ層との間と前記軽ドープ材料のバッファ層と前記重ドープ層との間とに形成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体ダイオード。
【請求項７】
前記第１の接触領域の前記重ドープ層のドーピング濃度が、２×１０１７ｃｍ−３よりも大きい、請求項４から６のいずれか一項に記載の半導体ダイオード。
【請求項８】
前記第２の接触領域の前記重ドープ層のドーピング濃度が、２×１０１７ｃｍ−３よりも大きい、請求項４から７のいずれか一項に記載の半導体ダイオード。
【請求項９】
前記活性層のドーピング濃度が、５×１０１６ｃｍ−３よりも小さい、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体ダイオード。
【請求項１０】
前記追加層が、前記第２の接触領域の伝導帯のエネルギーよりも小さいエネルギーの伝導帯にバンプを生成する、請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体ダイオード。
【請求項１１】
前記追加層が、前記第２の接触領域層のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体ダイオード。
【請求項１２】
前記追加層の前記バンドギャップと層厚が、検出器の量子効率への影響を実質的に有さず、且つ所定の温度で暗リーク電流を大きく削減する伝導帯にバンプを生成する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体ダイオード。
【請求項１３】
前記所定の温度が、２２０Ｋから３００Ｋの範囲内である、請求項１２に記載の半導体ダイオード。
【請求項１４】
前記第１の接触領域が、ｎ型材料よりなり、前記活性層がｐ型材料であり、前記追加層がｐ型材料であり、且つ前記第２の接触領域がｐ型材料よりなる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の半導体ダイオード。
【請求項１５】
前記第１の接触領域が、ｐ型材料よりなり、前記追加層がｎ型材料であり、前記活性層がｎ型材料であり、且つ前記第２の接触領域がｎ型材料よりなる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の半導体ダイオード。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか一項に記載の、半導体ダイオードを備える赤外線放射を検出するための装置。
【請求項１７】
３から５μｍの波長範囲で動作するための、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
８から１２μｍの波長範囲で動作するための、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
請求項１から１５のいずれか一項に記載の半導体ダイオードを備える、負発光装置。
【請求項２０】
図２から４を参照する、これまでに記述した、半導体ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、半導体ダイオード装置に関し、より詳細には、赤外線検出器や負発光源として使用されるノイズ低減と暗電流オージェ抑制半導体ダイオード構造に関する。
【０００２】
狭ギャップ半導体フォトン検出器が従来の技術では周知である。室温では、標準の狭ギャップ半導体は、一定の濃度の真性キャリアを有する。これらの真性キャリアは、低ドーパント濃度をマスクし、従って、高ドーパントレベルは、ドーピング濃度が真性チャージキャリア濃度よりも大きい外因性状況で動作を可能とするために使用しなければならない。高キャリア濃度の結果として、熱発生レートが高くなり、暗リーク電流が高くなる。外因性状況で、許容レベルのリーク電流で動作させるために、これらの装置は、一般的に冷却される。
【０００３】
半導体検出器の一つの用途は、熱的シーンから受け取るフォトンを検出することであり、且つ３から５μｍ及び８から１２μｍの大気の窓以内での波長の検出は、従って、特に重要である。このような赤外線検出器エレメントのアレイは、熱画像形成装置を作るために使用することが出来る。典型的な狭ギャップ半導体材料、カドミウム水銀テルライド（ＣＭＴ）については、３から５μｍ及び８から１２μｍの波長の窓で動作する場合、装置を少なくとも２００Ｋと８０Ｋへそれぞれ冷却することが、共通に実施される。
【０００４】
また、周囲温度での狭ギャップ装置の動作は、オージェ抑制プロセスを使用して得られた。文献ＥＰ０１６７３０５を参照のこと。オージェ抑制は、電子的手段によってキャリア濃度を削減して、周囲温度でさえも、低ドーピングレベルでの外因性挙動が観察されるようにする。
【０００５】
文献ＥＰ０１６７３０５で記述されたオージェ抑制装置は、二つの接触領域間に挟まれた低ドープ層からなる。低ドープ層は、要求される光の波長に対して感度があり、且つ活性ゾーン（即ち、感光ゾーンである）と称されるバンドギャップを有する。二つの接触するゾーンは、一般的に、入射放射線に対して実質的に感度をなくす、より高いバンドギャップを有し、且つより低いバンドギャップ材料で、より容易に生じる、熱発生プロセスからのリーク電流を削減する。
【０００６】
第１の接触領域は、活性ゾーンと同じ型の高ドーピング濃度、活性ゾーンと同じドーパントレベルと型を有するより高いバンドギャップ、或いはこれらの特徴をもつ両方のある種の組合せを有することが出来る。第１の接触領域の重要な特徴は、逆バイアス下でキャリアが、第１の接触領域から補充されることなく活性ゾーンから除去されるように少数キャリア濃度が低くなければならないことである。この型の界面は、排除界面と呼ばれる。
【０００７】
第２の接触領域は、活性ゾーンに存在するものとは反対の形のドーピングを有し、従ってｐ−ｎ（又はｎ−ｐ）接合を形成する。また、第２の接触領域は、逆バイアス下で少数キャリアが界面で捕獲され、且つ逆バイアス接合に存在する通常のバリアのために戻ることが出来ないように可能な限り低い少数キャリア濃度を持たなければならない。この型の界面は、抽出界面と呼ばれる。
【０００８】
文献ＥＰ０１６７３０５に記述された装置の活性層の厚みは、通常、略光吸収長であるように選択され、且つ一般的に活性ゾーンの少数キャリアの拡散長よりも小さい。ｐ型材料の場合、５μｍが典型的な値であり、ｎ型材料の場合は、これは、２μｍの領域である。第１と第２の接触領域は、理想的には、電気バイアスを印加するために使用される電気接触からの少数キャリアの内部拡散を最小にするために数ミクロンの厚さであるべきである。
【０００９】
オージェ抑制装置の全体的効果は、少数キャリアが抽出界面で除去され、排除接触で再供給されないことである。少数キャリアの元の濃度は、大きい（真性濃度に近い）が、逆バイアスの印加は、これを大きく削減出来る。少数キャリアの大部分の除去は、対応する数の多数キャリアのロスによって達成され、空間電荷バランスを保持する。これによって非常に低濃度の少数キャリアが残り、多数キャリアの濃度が活性ゾーンのイオン化ドーピング濃度に近くなる。
【００１０】
２００１年８月２０日刊行の応用物理学レター、７９巻８号（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７９，Ｎｏ．８，２０  Ａｕｇｕｓｔ  ２００１）に詳細に記述されているように、逆バイアス赤外線ダイオード装置の活性ゾーンから多数及び少数キャリアの排除と抽出が負発光の提供に使用することが出来ることに留意すべきである。このような装置は、実際よりも冷たいように見え、理由は、電子と正孔濃度がそれらの熱平衡値より低いレベルまで削減されるからである。これは、放射再結合を抑制し、それによって装置を実質的に放射線吸収器にする。
【００１１】
熱発生レートは、文献ＥＰ０１６７３０５のオージェ抑制装置において大きく削減されるが、残留リーク電流がなお存在する。リーク電流は、活性ゾーンの残留熱と光発生のような、多くのソースから発生する。このリーク電流に対する寄与は、上述のドーピング要求を満足することによって削減することが出来るが、これは、抽出と排除界面の近くでは、技術的課題でありうる。
【００１２】
抽出界面では、少数キャリア濃度が十分には低くないために、リーク電流が存在し得る。界面でのドーピングレベルの変化が顕著に傾斜する場合、低ドーピング濃度、従って、比較的高い少数キャリア濃度の領域が接合部の近くにある。このように、不完全なダイオードでは通常、熱発生によってリーク電流が発生する。同様に、排除界面では、理想的な仕様を満足しない、低ドーピングと低バンドギャップの短い領域の傾斜界面があり、望ましくないキャリア発生とリークを生じる。
【００１３】
高ドープ領域から低ドープ領域への装置クリーンスピルオーバーが、最もシャープな金属界面さえも効果的に傾斜させ、このような傾斜した界面の終端部で少数キャリアの発生を起こす。更に、ドーピングとバンドギャップが共に急速に変化すると、バンドエッジのレベルでの、他の場合は正常な、スイッチの一時的中断を起こす可能性があり（「グリッチ」（誤った電気信号）と呼ばれる）、装置における電流の適切な流れを妨げる。
【００１４】
文献ＥＰ０１６７３０５のオージェ抑制装置のスピルオーバー、ドーピングテール及びドーピング傾斜の問題は、文献ＷＯ９７／１３２７８の改良型オージェ抑制装置によって実質的に克服された。
【００１５】
文献ＷＯ９７／１３２７８の改良型オージェ抑制装置は、第１の接触領域と第２の接触領域の両方が二つの分かれた層を備えるという重要な点を除いて、文献ＥＰ０１６７３０５の装置と類似している。各接触領域の二つの層は、二つの排除界面と二つの抽出界面が形成されるようなドーパントレベルとバンドギャップを有する。
【００１６】
文献ＷＯ９７／１３２７８の改良型オージェ抑制装置の典型的な実施形態（本明細書の図１を参照のこと）は、重ドープ（重くドープされた）ｐ型材料の層（層８）と、軽ドープｐ型材料の第１のバッファ層（層１０）と、軽ドープ（軽くドープされた）ｐ型材料の活性層（層２）と、軽ドープｎ型材料の第２のバッファ層（層１４）と、重ドープｎ型材料の層（層１２）と、を備える。逆バイアスを印加すると、排除界面は、層８と層１０との間及び層１０と層２との間に形成される。抽出界面は、層２と層１４との間及び層１４と層１２との間に形成される。
【００１７】
高効率デュアル層接触領域を設けることによって、排除界面と抽出界面と関連するリーク電流を実質的に減少させる。しかしながら、発生、表面効果、トンネリング及び衝突イオン化のような他の空乏領域効果のためにリーク電流がなお存在する。
【００１８】
空乏領域での発生は、材料のバルクにおけるよりも非常に大きく出来る。この発生は、空乏領域中のトラップ（半導体材料の不純物から発生するバンドギャップの中間近くのエネルギーを有する局在状態）から主に発生し、より小さなバンドギャップ材料において且つより高い温度でより多い。
【００１９】
不連続表面は、大きな密度の界面状態を発生し、ショックレイ−リード−ホールメカニズムによって少数キャリアを発生する。また、帯電表面は、電荷の極性によって、空乏領域を更に接合部のｐ型側又はｎ型側に延出させる。次に、トンネル効果の増加、即ち、その表面に沿う空乏領域の延長が生じる。
【００２０】
逆バイアス下で、価電子帯の充填状態から伝導帯の同じエネルギーの空状態への直接的なバンドからバンドへのトンネリングが可能である。トンネリングは、ドーパントの濃度に従って増加し、バンドギャップが広くなると減少する。また、トラップに支援されたトンネル効果が発生する可能性がある。電子又は正孔が空乏領域を横切ると、電子又は正孔が電界によって加速され且つバンドギャップより大きなエネルギーに達する。このエネルギーキャリアは、価電子帯から伝導帯への電子の動きを促進することによってエネルギーのいくらかを解放して、電子正孔対を生成する。この衝突イオン化は、他のプロセスによって生成される電流を効果的に増加する。
【００２１】
また、低周波（ｌ／ｆ）ノイズは、狭バンドギャップ半導体装置で観測される。このようなノイズの原因となる正確なメカニズムは、まだ確実には確立されていないが、波長がより短く、バンドギャップがより広い装置になるに従ってｌ／ｆノイズがより少なくなることが経験的に観察された。
【００２２】
半導体フォトン検出器に関連するリークメカニズムのより完全なレビューは、Ｃ．ヒルサム（Ｃ．Ｈｉｌｓｕｍ）によって編集された「半導体ハンドブック」（Ｔｈｅ  ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｎ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）の１０章に見られる（１９９３年、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ  Ｂ．Ｖ．，の第４版）。
【００２３】
本発明によれば、半導体ダイオードは、第１の接触領域と、活性層と、第２の接触領域と、を備え、前記第１の接触領域が前記活性層のドーパント型とは反対のドーパント型でドープされ、前記第２の接触領域が前記活性層のドーパント型と同じドーパント型でドープされ、前記第１の接触領域、前記活性層及び前記第２の接触領域は、前記活性層が前記第１の接触領域と前記第２の接触領域との間に配置されるようにスタックされて配置され、前記半導体ダイオード構造が、更に、前記活性層のドーパント型と同じドーパント型でドープされ、前記活性層よりも広いバンドギャップを有する追加層を備え、前記追加層は、前記活性層と前記第１の接触領域との間に配置される。
【００２４】
追加層の導入によって、ｐ−ｎ接合部が活性層よりも広いバンドギャップを有する材料から形成される。従って、以下に記述するように、この接合部によって発生するリーク電流とｌ／ｆノイズが削減される。また、追加層を含むことによって、装置の絶縁破壊電圧特性が改良される。
【００２５】
逆バイアス電圧が印加されると、少なくとも一つの排除界面が、活性層と第２の接触領域との間に形成されるのが好ましい。また、少なくとも一つの抽出界面を活性層と第１の接触領域との間に形成することが出来る。これによって、上述のように、オージェ抑制が提供される。
【００２６】
更に好適な実施形態において、半導体ダイオードの第２の接触領域が、重ドープ層と軽ドープ材料のバッファ層とを備え、重ドープ層とバッファ層は、同じドーパント型でドープされ、重ドープ層は、活性層から最も遠くに位置し、配置が、二つの排除界面が活性層と軽ドープ材料のバッファ層との間と軽ドープ材料のバッファ層と重ドープ層との間に形成される。
【００２７】
第２の接触領域の軽ドープ材料のバッファ層のドーピング濃度は、追加層のドーピング濃度と実質的に同じであることが好ましい。
【００２８】
更に、半導体は、第１の接触領域を有し、第１の接触領域が、重ドープト層と軽ドープト材料のバッファ層を備え、重ドープ層とバッファ層は、同じドーパント型でドープされ、重ドープ層は、活性層から最も遠くに位置し、配置が、二つの抽出界面が活性層と軽ドープ材料のバッファ層との間と軽ドープ材料のバッファ層と重ドープ層との間に形成される。
【００２９】
第１の接触領域および／またはは第２の接触領域の重ドープ層のドーピング濃度は、２×１０１７ｃｍ−３よりも大きいが、前記活性層のドーピング濃度は、５×１０１６ｃｍ−３よりも小さいことが有利である。
【００３０】
重ドープ層と軽ドープ材料のバッファ層を備える接触領域を使用することによって、上述のオージェ抑制効果が改良される。
【００３１】
追加層が第２の接触領域の伝導帯のエネルギーよりも小さいエネルギーの伝導帯にバンプを生成することが好ましい。これを達成する好適な方法は、追加層が、第２の接触領域層のバンドギャップよりも低いバンドギャップを有することである。更に、追加層のバンドギャップと層厚は、検出器の量子効率への影響を実質的に有さないが、２２０Ｋから３００Ｋの範囲内のような所定の温度で暗リーク電流を大きく削減する伝導帯にバンプを生成するように設計することが出来る。この温度範囲は、電気的冷却方法を用いて、容易に達成され得る。
【００３２】
一つの好適な実施の形態では、半導体の第１の接触領域は、ｎ型材料よりなり、活性層がｐ型材料であり、追加層がｐ型材料であり、且つ第２の接触領域は、ｐ型材料よりなる。或いは、第１の接触領域がｐ型材料よりなり、追加層が、ｎ型材料であり、活性層がｎ型材料であり、第２の接触領域がｎ型材料よりなる。
【００３３】
本発明に従う半導体ダイオードは、好都合には、赤外線放射を検出するための検出器に使用することが出来る。特に、３から５μｍ又は８から１２μｍの波長範囲で赤外線放射を検出するための装置を提供することが出来る。
【００３４】
更なる実施形態では、本発明は、負発光装置を提供出来る。この装置は、例えば、ＩＲ検出器での熱放射シールドやＩＲソースのような種々の用途で使用することが出来る。更に、本発明のダイオードが発光ダイオードのように正バイアス下で動作し得ることは当業者によって認識される。
【００３５】
この明細書全体を通して、用語「排除」及び「抽出」は、装置の層間界面に適用される場合、装置の活性層に対する界面の性質を指す。更に、上記の特定の実施形態では、ｐ型活性層が示される（記号πによっても指定される）が、これは制限と見るべきではない。本発明は、ｎ型活性層を有する装置にも等しく適用可能であり、その場合、他のｎ型とｐ型層の役割が所与の例に対して逆転する。
【００３６】
この明細書全体を通して、下付きバー（＿）は、活性層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する材料を意味するものと受け取られる。更に、上付きの「＋」記号との組合せにおける「ｎ」や「ｐ」は、当業者によって良く理解されるように、ｎやｐ型ドーピングの高レベルを示す。
【００３７】
本発明を、添付の図面を参照して記述する。
【００３８】
図１を参照すると、従来の技術で記述される型のオージェ抑制装置は、第１の接触領域（４）と第２の接触領域（６）との間に挟まれた軽ドープｐ型活性層（２）を有する多層構造を備える。図示の例では、第１の接触領域が最外側ｐ＋層（８）と内側ｐ層（１０）とを備え、第２の接触領域は、最外側ｎ＋層（１２）と内側ｎ層（１４）とを備える。
【００３９】
活性ゾーン（２）のバンドギャップは、検出されるべき放射線の波長によって決定されるが、第１の接触領域（４）と第２の接触領域（６）は、この活性ゾーン（２）よりも高いバンドギャップを有する。
【００４０】
逆バイアスが印加されると、最外側ｐ＋層（８）と内側ｐ層（１０）との間の界面及び内側ｐ層（１０）と活性ｐ層（２）との間の界面で排除が得られる。活性層（２）と内側ｎ層（１４）との間の界面と内側ｎ層（１４）と最外側ｎ＋層（１２）との間の界面で抽出が得られる。
【００４１】
層構造は、蒸着のような、当業者に周知の標準の堆積技術によって適切な基板（１３）上に成長させる。例に過ぎないが、カドミウム水銀テルライド（ＣＭＴ）のような、多くの型の適切な半導体材料が当業者には周知である。半導体装置に対する電気接続が、当業者が使用する特定の型の材料に対して適切であると認識する、電極（１６と１８）を介して行われる。また、当業者は、図１では、最外側ｎ＋層（１２）が基板（１３）と接触するように示されているが、構造は、基板（１３）と接触する最外側ｐ＋層（８）と共に等しく成長することを認識する。
【００４２】
従来の技術で述べたように、このようなオージェ抑制装置の抽出と排除プロセスの効率は、種々の界面で材料のバンドギャップの傾斜とドーパント濃度を制御することによって容易に最適にすることが出来る。デュアル層接触領域の使用は、必須ではないが、それによって、単一層接触領域装置で遭遇するスピルオーバーとドーピングテイルの問題を大きく削減する。
【００４３】
図２を参照すると、本発明による改良型のオージェ抑制装置は、従来の技術と共通に、第１の接触領域（４）と第２の接触領域（６）との間に挟まれた軽ドープｐ型活性層（２）を有する多層構造を備える。図示された例では、また、第１の接触領域が、最外側ｐ＋層（８）と内側ｐ層（１０）とを備え、第２の接触領域が、最外側ｎ＋層（１２）と内側ｎ層（１４）とを備える。しかしながら、本発明による装置は、また、追加ｐ層（２０）を備える。
【００４４】
追加ｐ層（２０）は、活性層と同じドーパント型のものでなければならないが、活性層より一層重くドープされても良い（この場合、より適切には、ｐ＋層と示されるべきである）。追加ｐ層のドーパント濃度が活性層のそれよりもかなり大きい場合、ドーパント濃度を追加ｐ層に亘って傾斜させて活性層と追加ｐ層との間の界面のドーピングテイル問題を防止することが必要である。このような傾斜したドーパント濃度を必要とする活性層と追加ｐ層における相対ドーパントレベルは、異なる半導体材料に対して変化するが、そのことは当業者には直ぐにわかることである。
【００４５】
ダイオードのｐ型とｎ型領域との間に存在する空乏領域は、リーク電流のソースとして働き得る。空乏領域で発生した電流は、ショックレイら（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ  ｅｔ  ａｌ）によって最初に研究され、当業者に周知である、エネルギーギャップと温度によって変化する特性を有し、以下の式（１）で与えられる。
【数１】
2004516656.tif 000003
ここで、Ｅｇがバンドギャップ、Ｔがサンプルの温度及びｎは典型的には１と２の間の定数である。
【００４６】
上述のように、接合部で過剰な暗電流を発生する多くの他のメカニズムがある。これらのメカニズムは、バンドからバンドへのトンネリング、トラップに支援されたトンネリング及び表面トンネリングを含む。全てのこれらのケースでは、接合部で発生した電流は空乏領域でのバンドギャップの増加に従って急速に減少する。ｌ／ｆノイズの量は、空乏領域のバンドギャップが広くなると減少することが経験的に発見された。従って、リーク電流とｌ／ｆノイズの両方はｐ−ｎ接合部のバンドギャップを増加させることによって削減されることが出来る。
【００４７】
従来の技術で記述された赤外線検出器は、正確な波長で放射線を検出する必要性によって決まるバンドギャップを有する。しかしながら、本発明によって構成された装置では、接合部は、広いバンドギャップ材料の間、即ち、追加ｐ層（２０）と内側ｎ層（１４）との間で形成される。放射線を検出するのに必要なより低いバンドギャップ材料、即ち、活性層（２）は、追加層（２０）と内側ｐ層（１０）との間に挟まれる。
【００４８】
本発明は、抽出と排除界面を有する、本明細書で記述されたタイプのオージェ抑制装置に適用された時に、非常に有利であることを示す。しかしながら、本発明は、任意のタイプのダイオード構造においてｐ−ｎ（又はｎ−ｐ）接合部のリーク電流を削減するために使用することが出来る。
【００４９】
図３を参照すると、本発明の典型的な装置の伝導帯（２２）と価電子帯（２４）エネルギーが与えられる。図３の装置は、最外側ｐ＋層（８）と、内側ｐ層（１０）と、活性層（２）と、追加ｐ層（２０）と、内側ｎ層（１４）と最外側ｎ＋層（１２）と、を備える。
【００５０】
接合部を構造の広いバンドギャップ部分へ移動させることによって伝導帯（２６）にバンプが生成することが図３から見られる。半導体装置の設計技術において、このようなバンプがキャリアを閉じ込め、そして検出器の場合、正味の量子効率を削減することが一般的に受容されている。活性層（２）で発生する電子が、検出されるためにはバンプを横断しなければならない。通常、赤外線検出器は、７７Ｋで動作し、その場合、伝導帯の大きなバンプは、装置の光応答をなくす。しかしがら、より高い動作温度では、電子の熱エネルギーがより高くなると、より多くのキャリアがバンプを横切ることが可能となる。
【００５１】
電子がバンプを通って抽出される効率は、バンプを横切る拡散時間を活性層における寿命と比較することによって推定される。
【数２】
2004516656.tif 000004
ここで、ｗｂとｗａｃｔは障壁層と活性層の幅であり、Ｅｂは障壁の高さであり、τはキャリア領域での寿命であり、Ｄは拡散定数である。式（２）において、キャリア拡散長が層幅ｗｂとｗａｃｔよりも大きいと仮定される。また、表面再結合は活性層（２）と内側ｐ層（１０）の界面では問題にならない、即ち、活性層（２）と内側ｐ層（１０）の界面の伝導帯障壁のエネルギーは伝導帯のバンプのエネルギーよりも大きいと仮定される。
【００５２】
式２は、例えば、抽出効率が１０％だけ降下する障壁の高さを計算することによって、可能な最大の障壁の高さを推定するために使用することが可能である。次に、式（１）等を、達成しうる接合部で発生する電流の削減を計算するために使用することが出来る。
【００５３】
式（２）に従って、温度が低下すると、障壁を横切る抽出効率が減少することが分かる。また、温度の低下は、式（１）によれば空乏領域に関連するリーク電流を削減する。このように、追加層（２０）の障壁の高さ（即ち、バンドギャップ）と幅は、室温（略２９０Ｋ）や単純な電気的冷却技術を介して容易に達成し得る温度（約２４０Ｋ）のような、任意の温度で最適な装置性能を達成するために変化させてもよい。
【００５４】
追加層（２０）のバンドギャップと厚みのばらつきは、ＣＭＴ材料を使用して簡単に制御することが出来る。しかしながら、アンチモン化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＳｂ）のような他の材料が使用される場合、格子整合の考察のような追加のファクタが、追加層（２０）の最大厚みとエネルギーギャップ差を制限する。このような材料の制約は、当業者には周知である。
【００５５】
追加層（２０）によって引き起こされる、伝導帯のバンプを越えて効率的な電子抽出を確保するために、追加層（２０）のバンドギャップは、内側ｐ層（１０）のバンドギャップよりも僅かに低くあるべきである。これによって、伝導帯のバンプのエネルギーが内側ｐ層（１０）の伝導帯のエネルギーよりも小さいことが保証される。
【００５６】
接合部からの暗電流の減少に加えて、本発明は、赤外線光ダイオードの低周波（即ち、ｌ／ｆ）ノイズも削減する。低周波ノイズは、式（１）に示されるようにバンドギャップと共に変化することがわかっている。従って、接合部のバンドギャップの増加によって、接合部で発生するｌ／ｆノイズ成分が減少する。低周波ノイズを削減することは、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）ミキサダイオードのような赤外線検出器以外の装置のタイプに関連する。
【００５７】
このように、本発明は、ハイブリッド化された検出器のような、ハイブリッド化や原位置、或いは種々の電子装置における成長による組み込みに適する装置を提供する。
【００５８】
表１は、本発明の典型的な装置の構造及びドーピング濃度を示す。この装置の各層の材料は、Ｈｇ（１−ｘ）ＣｄｘＴｅ族であり、ｘの値によって特定される。この表で、ｐとｎは、ＣＭＴ材料におけるドーピングの型を示す。
【表１】
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【００５９】
表１に示される実施例は、カドミウム水銀テルライド（ＣＭＴ）半導体材料を使用するが、当業者は、本発明が全ての型の半導体材料へ適用可能であることを直ぐに認識するであろう。また、当業者は、本発明が、ｎ型活性層を有する装置へも等しく適用可能であり、その際に他のｎ型とｐ型層の役割は、本実施例に関して逆転することを認識するであろう。
【００６０】
（実施例）
本発明による光ダイオードは、カドミウム水銀テルライド（ＣＭＴ）半導体材料から製造された。この装置の層構造は、表２に示される。この装置の各層の材料は、Ｈｇ（１−ｘ）ＣｄｘＴｅ族であり、ｘの値によって特定される。
【表２】
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【００６１】
図４を参照すると、室温で測定する電流密度対逆バイアス電圧特性が示されている。１Ｖまでの逆バイアス電圧の印加では構造の絶縁破壊がないことがわかる。ダイオードは、赤外線検出器として使用することが出来る。また、良好な逆バイアス絶縁破壊特性は、装置を負発光ソースとしての使用に適させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
公知のオージェ抑制半導体光検出器装置の概略図である。
【図２】
本発明による改良型半導体光検出器装置の概略図である。
【図３】
本発明による改良型半導体光検出器装置の逆バイアス下でのバンド構造の図である。
【図４】
本発明によるダイオードの逆バイアス特性を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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