(57)【要約】【課題】信頼性が高く、暗電流が小さく、光感度分布の平坦性が良く、かつ、高感度な光検出器を提供する。【解決手段】第一導電形ワイドギャップエミッタ１６、第二導電形ナロウギャップベース１５、第一導電形コレクタ１４よりなる光検出器において、光を吸収する光吸収層１３は、ベース１５及びコレクタ１４のバンドギャップより小さなバンドギャップを有する井戸層が多重に積層して構成された多重量子井戸構造により構成され、光吸収層１３はコレクタ１４内に配置され、光吸収層１３を構成するそれぞれの井戸層はそれぞれ厚さが異なるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一導電形ワイドギャップエミッタ、第二導電形ナロウギャップベース、第一導電形コレクタよりなる光検出器において、
光を吸収する光吸収層は、前記ベース及び前記コレクタのバンドギャップより小さなバンドギャップを有する井戸層が多重に積層して構成された多重量子井戸層構造により構成され、
前記光吸収層はコレクタ内に配置され、該光吸収層を構成するそれぞれの前記井戸層はそれぞれ厚さが異なる
ことを特徴とする光検出器。
【請求項２】
請求項１に記載の光検出器において、
前記コレクタ内の前記光吸収層は、前記ベースとは直接に接することのない位置に配置される
ことを特徴とする光検出器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光検出器において、
前記光吸収層は歪を有する材料で構成される
ことを特徴とする光検出器。
【請求項４】
請求項３に記載の光検出器において、
歪を有する前記光吸収層は歪緩和が起きない層構成で構成される
ことを特徴とする光検出器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｓＰとからなる多重量子井戸構造で構成される
ことを特徴とする光検出器。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＰとＡｌＩｎＧａＡｓとからなる多重量子井戸構造で構成される
ことを特徴とする光検出器。
【請求項７】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓで構成され、前記光吸収層はＩｎＡｓとＩｎＧａＡｓとからなる多重量子井戸構造で構成される
ことを特徴とする光検出器。
【請求項８】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓＰとからなる多重量子井戸構造で構成される
ことを特徴とする光検出器。
【請求項９】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＳｂとＡｌＩｎＧａＡｓとからなる多重量子井戸構造で構成される
ことを特徴とする光検出器。
【請求項１０】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光検出器において、
前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓで構成され、前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓとからなる多重量子井戸構造で構成される
ことを特徴とする光検出器。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の光検出器において、
前記コレクタ内の多重量子井戸構造は、前記ベース側より順に前記井戸層の厚さが薄くなっている
ことを特徴とする光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光検出器として、図１０に示すような、ｎ基板４１、ｎ層４２、光吸収層４４、ｐ層４６、ｐ電極４７、及びｎ電極４８を備えたｐｉｎ接合よりなるフォトダイオード、又は、図１１に示すような、ｎ基板５１、ｎ‐サブコレクタ層、５２、ｎ-‐コレクタ層５４、ｐ‐ベース層５５、ｎ‐エミッタ層５６、エミッタ電極５７、及びコレクタ電極５８を備えたｎｐｉｎ接合よりなるフォトトランジスタが知られている。
【０００３】
上記ｉ層は、理想的には、不純物の一切存在しない半導体層であることを意味するが、現実的にはそれは不可能で、一般的にはｎ形の不純物濃度が小さく抑えられたｎ-形の層となっている。フォトダイオードでは、ｉ層は光吸収層で構成され、光吸収により生成されたキャリアがそれぞれのｐ電極４７とｎ電極４８に引き抜かれて光電流として検出される。
【０００４】
また、フォトトランジスタでは、ｐ層又はｉ層が光吸収層で構成され、光吸収により生成されたキャリアの内、ホールによる電流がベース層５５に流れ、このベース電流のトランジスタ電流利得倍した電流が、コレクタ５４に流れることにより、電流増幅された光電流が検出される。上述したような従来の光検出器の一例が下記非特許文献１，２に開示されている。
【０００５】
【非特許文献１】土屋治彦、三上修編著、「半導体フォトニクス工学」、コロナ社、１９９５年１月１０日、ｐ．３６３−３６７
【非特許文献２】Ｏ．Ｖ．Ｓｕｌｉｍａ、Ｔ．Ｆ．Ｒｅｆａａｔ、Ｍ．Ｇ．Ｍａｕｋ、Ｊ．Ａ．Ｃｏｘ、Ｊ．Ｌｉ、Ｓ．Ｋ．Ｌｏｈｏｋａｒｅ、Ｍ．Ｎ．Ａｂｅｄｉｎ、Ｕ．Ｎ．Ｓｉｎｇｈ  ａｎｄ  Ｊ．Ａ．Ｒａｎｄ、「ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓＳｂ  ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ  ｆｏｒ  ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｒａｎｇｅ  ａｒｏｕｎｄ  ２μｍ」、ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、１０ｔｈ  Ｊｕｎｅ  ２００４、Ｖｏｌ．４０、Ｎｏ．１２、ｐ．７６６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の光検出器では、暗電流が大きいという問題がある。これは、バンドギャップが小さくなるほど熱励起過程による発生電流によって暗電流が大きくなるためであり、従来の近赤外から中赤外の波長領域の光受光を可能とする材料によって、フォトダイオードのｉ層全体が構成される場合や、フォトトランジスタのベース５５又はコレクタ５４全体が構成される場合では、暗電流が極めて大きくなるという問題がある。
さらに、バンドギャップ波長が２μｍ近くにまで長くなると、ｉ層中の電界により容易にキャリアのバンド間のトンネル現象が発生し、トンネル電流が大変大きくなるという問題もある。
【０００７】
以上のことから、本発明は、信頼性が高く、暗電流が小さく、光感度分布の平坦性が良く、かつ、高感度な光検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するための第１の発明に係る光検出器は、
第一導電形ワイドギャップエミッタ、第二導電形ナロウギャップベース、第一導電形コレクタよりなる光検出器において、
光を吸収する光吸収層は、前記ベース及び前記コレクタのバンドギャップより小さなバンドギャップを有する井戸層が多重に積層して構成された多重量子井戸層構造により構成され、
前記光吸収層はコレクタ内に配置され、該光吸収層を構成するそれぞれの前記井戸層はそれぞれ厚さが異なる
ことを特徴とする。
【０００９】
上記の課題を解決するための第２の発明に係る光検出器は、第１の発明に係る光検出器において、前記コレクタ内の前記光吸収層は、前記ベースとは直接に接することのない位置に配置されることを特徴とする。
【００１０】
上記の課題を解決するための第３の発明に係る光検出器は、第１の発明又は第２の発明に係る光検出器において、前記光吸収層は歪を有する材料で構成されることを特徴とする光検出器。
【００１１】
上記の課題を解決するための第４の発明に係る光検出器は、第３の発明に係る光検出器において、歪を有する前記光吸収層は歪緩和が起きない層構成で構成されることを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決するための第５の発明に係る光検出器は、第１の発明から第４の発明のいずれか１つに係る光検出器において、前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｓＰとからなる多重量子井戸構造で構成されることを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決するための第６の発明に係る光検出器は、第１の発明から第４の発明のいずれか１つに係る光検出器において、前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＰとＡｌＩｎＧａＡｓとからなる多重量子井戸構造で構成されることを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を解決するための第７の発明に係る光検出器は、第１の発明から第４の発明のいずれか１つに係る光検出器において、前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓで構成され、前記光吸収層はＩｎＡｓとＩｎＧａＡｓとからなる多重量子井戸構造で構成されることを特徴とする。
【００１５】
上記の課題を解決するための第８の発明に係る光検出器は、第１の発明から第４の発明のいずれか１つに係る光検出器において、前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓＰとからなる多重量子井戸構造で構成されることを特徴とする。
【００１６】
上記の課題を解決するための第９の発明に係る光検出器は、第１の発明から第４の発明のいずれか１つに係る光検出器において、前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓで構成され、前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＳｂとＡｌＩｎＧａＡｓとからなる多重量子井戸構造で構成されることを特徴とする。
【００１７】
上記の課題を解決するための第１０の発明に係る光検出器は、第１の発明から第４の発明のいずれか１つに係る光検出器において、前記ベース及び前記コレクタはＩｎＧａＡｓで構成され、前記光吸収層はＩｎＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓとからなる多重量子井戸構造で構成されることを特徴とする。
【００１８】
上記の課題を解決するための第１１の発明に係る光検出器は、第１の発明から第４の発明のいずれか１つに係る光検出器において、前記コレクタ内の多重量子井戸構造は、前記ベース側より順に前記井戸層の厚さが薄くなっていることを特徴とする。
【００１９】
上述したように、本発明に係る光検出器は、第一導電形ワイドギャップエミッタ、第二導電形ナロウギャップベース、第一導電形コレクタよりなる光検出器において、光吸収層がベース及びコレクタのバンドギャップエネルギーより小さなバンドギャップエネルギーよりなる多重量子井戸層により構成され、それぞれの井戸層の厚さ（井戸層厚）が異なり、かつ、その多重量子井戸層がコレクタ内に配置されている。
【００２０】
そして、それぞれの井戸層厚が異なることにより、それぞれの井戸層でピーク吸収波長が異なるようにできるため、各井戸層における吸収の総和が広い波長域にわたって平坦性に優れるように設定することにより、受光感度の平坦性が向上できる。また、特定の複数の波長にピークをもたせたりすることも可能となる。
【００２１】
また、ヘテロ接合フォトトランジスタ構造になっているため、光吸収により発生した光電流がトランジスタの電流利得倍されるため、光吸収層が極めて薄く、そのため、量子効率の低下により光電流が小さくても、電流利得作用により、出力電流は極めて大きくできる。したがって、入射光量と出力電流の比で表される受光感度を１以上の大きな値にすることが可能である。
【００２２】
また、バンドギャップエネルギーの小さな光吸収層の厚さ、すなわち、体積が小さくできるため、光吸収層の体積に比例する暗電流も小さくなる。さらに、光吸収層が量子井戸構造で構成されることにより、吸収波長の長い、格子定数の大きな結晶も、結晶成長段階で歪緩和が起きない程度の極めて薄い層とすること、及び、その多重構造にすることが可能となり、結晶欠陥などを発生することなく形成することができる。これにより、信頼性の高い結晶層構造が形成される。
【００２３】
一般的に、ｎ-形コレクタ中の電界強度は、ベース端で最も大きく、ベース端から離れるにつれ小さくなる。このため、多重量子井戸層がコレクタ中のベース端より離れた側に配置されていることを特徴とする光検出器では、最もバンドギャップエネルギーの小さい多重量子井戸層の部分における電界強度が弱くなり、電界により増大するトンネル電流を抑制することができる。これにより、暗電流が小さく抑えられる。
【００２４】
また、トンネル電流は、井戸層が薄くなるにつれ、また、電界強度が大きくなるにつれ、増大する。しかしながら、コレクタ内の多重量子井戸構造が、ベース側より井戸厚が順に薄くなっていることを特徴とする光検出器では、井戸層が薄くなるにつれ、電界強度も小さくなることにより、逆のパターン、すなわち、ベース側より井戸層厚が順に厚くなるような場合に比べ、トンネル電流の増大が抑制される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明による第１の効果は、暗電流の低減である。その理由は、多重量子井戸（ＭＱＷ）光吸収層は極めて薄いため、その体積に比例する熱励起過程による発生電流は、従来のベース又はコレクタすべてが、光吸収層で構成されている場合に比べ、桁違いに小さくなる。また、光吸収層は、電界強度の弱いコレクタ中のベース端より離れた側に配置されているため、トンネル電流の発生が抑制され、暗電流の低減が図れる。
【００２６】
また、本発明による第２の効果は、信頼性の向上と受光波長の長波長化と平坦化である。その理由は、薄いＭＱＷ光吸収層とする構成では、大きな歪を有するようなウェル層の成長も可能とするため、従来では不可能であった材料組成の結晶成長も可能となる。したがって、従来では不可能であった長い波長領域の結晶が、信頼性に影響の出やすい歪の緩和（結晶欠陥の発生）なく用いることができる。
【００２７】
また、それぞれの井戸層厚が異なることにより、それぞれの井戸層でピーク吸収波長が異なるようにできるため、各井戸層における吸収の総和が広い波長域にわたって平坦性に優れるように設定することにより、受光感度の平坦性が向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係る光検出器の種々の実施形態について説明する。なお、図１は本発明の第１の実施形態に係る光検出器を示した図、図２は本発明の第１の実施形態に係る光検出器のバンド構造の模式図、図３は本発明の第１の実施形態に係る光検出器の暗電流の印加電圧依存性を示した図、図４は本発明の第２の実施形態に係る光検出器を示した図、図５は本発明の第２の実施形態に係る光検出器のバンド構造の模式図、図６は本発明の第２の実施形態に係る光検出器の暗電流の印加電圧依存性を示した図、図７は本発明の第３の実施形態に係る光検出器を示した図、図８は本発明の第３の実施形態に係る光検出器のバンド構造の模式図、図９は本発明の第３の実施形態に係る光検出器の暗電流の印加電圧依存性を示した図である。
【００２９】
始めに、本発明に係る光検出器について説明する。図１に示すように、本発明に係る光検出器は、ｎ基板１１上に、ｎサブコレクタ（Subcollector）層１２、多重量子井戸（ＭＱＷ）光吸収層１３、ｎ-コレクタ（Collector）層１４、ｐベース（Base）層１５、ｎエミッタ（Emitter）層１６、エミッタ電極１７、コレクタ電極１８よりなる。なお、本発明に係る光検出器は、例えば、第一導電形ワイドギャップエミッタ、第二導電形ナロウギャップベース、第一導電形コレクタよりなるヘテロ接合フォトトランジスタである。
【００３０】
次に、本発明に係る光検出器の動作について説明する。上方からの入射光は複数の井戸層で構成されるＭＱＷ光吸収層１３で吸収される。この時、それぞれの井戸層の厚さ（井戸層厚）が異なることにより、それぞれの井戸層でピーク吸収波長が異なるようにできるため、各井戸層における吸収の総和が広い波長域にわたって平坦性に優れるように設定することにより、受光感度の平坦性が向上できる。
【００３１】
発生したキャリアは電子がコレクタ電極１８側へ、ホールがベース層１５側へ走行し、ホール電流となる。ベース層１５に到達したホールはベース電位を下げ、その結果、エミッタ層１６より大量の電子が注入され、コレクタ層１４まで到達し、コレクタ電流として、外部に出力される。入射光により発生したホール電流により、大量の電子電流が生成されることになり、この比が、電流増幅率で与えられる。
【００３２】
このように、薄いＭＱＷ光吸収層１３による微弱光電流が大きく電流増幅され、出力電流として検出されることになり、高感度な受光器として動作できる。このとき、ＭＱＷ光吸収層１３は極めて薄いため、その体積に比例する熱励起過程による発生電流は、従来のベース層１５又はコレクタ層１４すべてが、光吸収層で構成されている場合に比べ。桁違いに小さくできる。
【００３３】
また、井戸層の膜厚を小さくすることにより、歪量の大きな井戸層を有するＭＱＷ構造も歪緩和による欠陥の発生なしに成長することが可能である。このため、従来のバンドギャップ波長は大きいが、圧縮歪が大きなため成長が困難だった組成に関しても、ＭＱＷ構造を用いることにより、歪緩和による結晶欠陥の発生を抑制することができ、その結果として信頼性悪化への影響を抑えることができる。
【００３４】
また、ＭＱＷ光吸収層１３は、図２に模式的に示したように、電界強度の弱い、コレクタ層１４中のベース層１５の端部より離れた側に配置されているため、トンネル電流の発生が抑制され、暗電流の低減が図れる構造となっている。
【００３５】
〔第１の実施形態〕
次に、本発明の第１の実施形態に係る光検出器について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る光検出器は、ｎ‐ＩｎＰ基板１１上に、ｎ‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０17ｃｍ-3）サブコレクタ層１２、ＩｎＡｓウェル層厚が１，２，３，４，５ｎｍよりなるＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層１３、０．３μｍ厚のｎ-‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０16ｃｍ-3）コレクタ層１４、０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０18ｃｍ-3）ベース層１５、０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰ（ｎ＝５×１０17ｃｍ-3）エミッタ層１６、エミッタ電極１７、コレクタ電極１８が積層することで構成されている。エミッタ・ベース接合部分は、直径０．２５ｍｍである。
【００３６】
本実施形態に係る光検出器の製作方法は、ｎ‐ＩｎＰ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ‐IｎＧａＡｓ（ｎ＝１０17ｃｍ-3）サブコレクタ層１２、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層１３、０．３μｍ厚のｎ-‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０16ｃｍ-3）コレクタ層１４、０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０18ｃｍ-3）ベース層１５、０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰ（ｎ＝５×１０17ｃｍ-3）エミッタ層１６を順に成長し、通常のフォトリソグラフィと半導体エッチング技術を用いてメサを形成する。その後、表面側には、リング状のエミッタ電極１７をリフトオフ法により形成する。ｎ‐ＩｎＰ基板１１の下面側には、全面に真空蒸着法によりコレクタ電極１８を形成している。
【００３７】
次に、本実施形態に係る光検出器の動作について説明する。上方からの入射光は複数の井戸層で構成されるＭＱＷ光吸収層１３で吸収される。この時、井戸層を構成するＩｎＡｓウェル層厚が１，２，３，４，５ｎｍと異なるため、それぞれの井戸層でピーク吸収波長が異なり、それらの総和は２．０〜２．４μｍの波長にわたり平坦性に優れた吸収特性となっている。
【００３８】
発生したキャリアは電子がコレクタ電極１８側へ、ホールがベース層１５側へ、走行する。ベース層１５に到達したホールはベース電位を下げ、その結果、エミッタ層１６より大量の電子が注入され、コレクタ層１４まで到達し、コレクタ電流として、外部に出力される。コレクタ電流は、入射光により発生したホール電流が電流増幅率倍だけ増幅されて大きな値となっている。
【００３９】
本実施形態では、電流増幅率として、５００が得られ、薄いＭＱＷ光吸収層１３による微弱光電流が大きく電流増幅され、出力電流として検出されることになる。受光感度は、１０Ａ／Ｗ以上の２．０〜２．４μｍの広い波長範囲にわたる平坦性の良い良好な結果が得られている。また、ＭＱＷ光吸収層１３は極めて薄いため、その体積に比例する熱励起過程による発生電流は、従来のベース層５５又はコレクタ層５４すべてが、光吸収層で構成されている場合に比べ、桁違いに小さくできる。
【００４０】
また、ＭＱＷ光吸収層は、図２に模式的に示したように、電界強度の弱い、コレクタ層１４中のベース層１５の端部より離れた側に配置されているため、トンネル電流の発生が抑制され、暗電流の低減が図れる構造となっている。
【００４１】
図３は、本実施形態に係る光検出器の暗電流のコレクタ・エミッタ電圧依存性である。図３に示すように、上記非特許文献２に比べ、本実施形態に係る光検出器では、１桁以上暗電流が低減されている。また、薄いＭＱＷ光吸収層１３は、大きな歪を有するようなウェル層の成長も可能とする。従来のＩｎＰ基板５１上の厚い光吸収層ではＩｎＡｓを受光層とすることは不可能であったが、ＩｎＡｓ層を歪が内在するが歪の緩和（結晶欠陥の発生）のない、５ｎｍ以下に薄層化して用いているため、良好な結晶が得られ、従来では不可能であった、波長２．４μｍまで受光波長を伸ばすことが可能となった。
【００４２】
本実施形態では、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓのウェル層厚を５ｎｍ以下、層数を５としているが、歪補償技術や低温成長技術などを用いることにより５ｎｍ以上にさらに厚く、また、層数を５以上にふやすことも可能であり、受光感度の平坦性を維持しつつ、波長３μｍ程度まで受光波長を伸ばすこと、また、受光感度をさらに向上させることが可能である。
【００４３】
本実施形態では、コレクタキャリア濃度はｎ＝１０16ｃｍ-3としているが、ｎ＝１０17ｃｍ-3程度以下であればよい。また、コレクタ層１４厚は、０．３μｍとしているが、ビルトイン電圧で空乏化する厚さ程度になっていればよく、したがって、コレクタ濃度が低ければ、コレクタ層１４厚は１μｍ以上となってもよいことは言うまでもない。
【００４４】
電流利得は、理想的なエミッタ・ベースヘテロ接合の場合、τr／τt（τt：ベース中少数キャリア走行時間、τr：ベース中少数キャリア再結合寿命）で与えられるため、所望の電流利得にあわせて、主に走行時間に支配的に寄与するベース層１５厚と、主に再結合寿命に支配的に寄与するベース濃度を適当に設定すればよい。したがって、ベース濃度はｐ＝１０17ｃｍ-3程度まで低減してもトランジスタ動作を可能とする設計にすることは可能である。
【００４５】
本実施形態では、ウェル層がＩｎＡｓであるが、ＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなど他の材料組成やＩｎＧａＡｓＮ等の他の材料系でも、歪の緩和（結晶欠陥の発生）のないように層厚や歪量を設定すればよい。また、ウェル層とともに量子井戸構造を形成するバリア層がＩｎＧａＡｓＰやＡｌＩｎＧａＡｓなど他の材料系でもよい。
【００４６】
本実施形態では、エミッタ層１６にＩｎＰを用いているが、ＡｌＩｎＧａＡｓなどの他の材料系でもよい。
また、本実施形態では、ベース層１５には、電極を設けていないが、ベース電極を形成した３端子構造とし、ヘテロ接合フォトトランジスタのベース電位をバイアスして用いてもよいことは言うまでもない。
【００４７】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る光検出器について説明する。図４に示すように、本実施形態に係る光検出器は、ｎ‐ＩｎＰ基板２１上に、ｎ‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０17ｃｍ-3）サブコレクタ層２２、ＩｎＧａＡｓＳｂウェル厚が１，２，３，４，５ｎｍよりなるＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層２３、０．３μｍ厚のｎ-‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０16ｃｍ-3）コレクタ層２４、０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０18ｃｍ-3）ベース層２５、０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰ（ｎ＝５×１０17ｃｍ-3）エミッタ層２６、エミッタ電極２７、コレクタ電極２８が積層することで構成されている。エミッタ・ベース接合部分は、直径０．２５ｍｍである。
【００４８】
本実施形態に係る光検出器の製作方法は、ｎ‐ＩｎＰ基板２１上に、ｎ‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０17ｃｍ-3）サブコレクタ層２２、ＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層２３、０．３μｍ厚のｎ-‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０16ｃｍ-3）コレクタ層２４、０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０18ｃｍ-3）ベース層２５、０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰ（ｎ＝５×１０17ｃｍ-3）エミッタ層２６を順に成長し、通常のフォトリソグラフィと半導体エッチング技術を用いてメサを形成する。その後、表面側には、リング状のエミッタ電極２７をリフトオフ法により形成する。ｎ‐ＩｎＰ基板２１の下面側には、全面に真空蒸着法によりコレクタ電極２８を形成している。
【００４９】
次に、本発明の実施の形態に係る光検出器の動作について説明する。上方からの１．９μｍ波長の入射光はＭＱＷ光吸収層２３で吸収される。この時、ＩｎＧａＡｓＳｂウェル層厚が１，２，３，４，５ｎｍと異なるため、それぞれの井戸層でピーク吸収波長が異なり、それらの総和は１．８〜２．０μｍの波長にわたり平坦性に優れた吸収特性となっている。
【００５０】
発生したキャリアは電子がコレクタ電極２８側へ、ホールがベース層２５側へ、走行する。ベース層２５に到達したホールはベース電位を下げ、その結果、エミッタ層２６より大量の電子が注入され、コレクタ層２４まで到達し、コレクタ電流として、外部に出力される。コレクタ電流は、入射光により発生したホール電流が電流増幅率倍に増幅されて大きな値となっている。
【００５１】
本実施形態では、電流増幅率として、３００が得られ、薄いＭＱＷ光吸収層２３による微弱光電流が大きく電流増幅され、出力電流として検出されることになり、受光感度は、３Ａ／Ｗ以上の１．８〜２．０μｍの広い波長範囲にわたる平坦性の良い良好な結果が得られている。また、ＭＱＷ光吸収層２３は極めて薄いため、その体積に比例する熱励起過程による発生電流は、従来のベース層５５又はコレクタ層５４すべてが、光吸収層で構成されている場合に比べ、桁違いに小さくできる。
【００５２】
また、ＭＱＷ光吸収層２３は、図５に模式的に示したように、電界強度の弱い、コレクタ層２４中のベース層２５の端部より離れた側に配置されているため、トンネル電流の発生が抑制され、暗電流の低減が図れる構造となっている。
【００５３】
図６は、本実施形態に係る光検出器の暗電流のコレクタ・エミッタ電圧依存性である。図６に示すように、参考文献２に比べ、本実施形態に係る光検出器では、１桁以上暗電流が低減されている。また、薄いＭＱＷ光吸収層２３は、大きな歪を有するようなウェル層の成長も可能とする。従来の厚い光吸収層をＩｎＰ基板５１上に結晶欠陥なく成長することは困難であり、従来は、格子整合系のＧａＳｂ基板を使用することが必須であった。
【００５４】
しかし、本実施形態では、ＩｎＧａＡｓＳｂ層を歪が内在するが歪の緩和（結晶欠陥の発生）のない、５ｎｍに薄層化して用いているため、良好結晶が得られ、従来では不可能であったＩｎＰ基板５１上の結晶において、波長２．０μｍまで受光波長を伸ばすことが可能となった。
【００５５】
本実施形態では、ＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓのウェル層厚を５ｎｍ以下、層数を５としているが、歪補償技術や低温成長技術などを用いることにより５ｎｍ以上にさらに厚く、また、層数を５以上にふやすことも可能であり、受光感度の平坦性を維持しつつ、波長３μｍ程度まで受光波長を伸ばすこと、また、受光感度をさらに向上させることが可能である。
【００５６】
本実施形態では、コレクタキャリア濃度はｎ＝１０16ｃｍ-3としているが、ｎ＝１０17ｃｍ-3程度以下であればよい。また、コレクタ層２４厚は、０．３μｍとしているが、ビルトイン電圧で空乏化する厚さ程度になっていればよく、したがって、コレクタ濃度が低ければ、コレクタ層２４厚は１μｍ以上となってもよいことは言うまでもない。
【００５７】
電流利得は、理想的なエミッタ・ベースヘテロ接合の場合、τr／τt（τt：ベース中少数キャリア走行時間、τr：ベース中少数キャリア再結合寿命）で与えられるため、所望の電流利得にあわせて、主に走行時間に支配的に寄与するベース層２５厚と、主に再結合寿命に支配的に寄与するベース濃度を適当に設定すればよい。したがって、ベース濃度はｐ＝１０17ｃｍ-3程度まで低減してもトランジスタ動作を可能とする設計にすることは可能である。
【００５８】
本実施形態では、ウェル層がＩｎＧａＡｓＳｂであるが、ＩｎＡｓＳｂなど他の材料組成でも、歪の緩和（結晶欠陥の発生）のないように層厚や歪量を設定すればよい。また、バリア層がＩｎＧａＡｓＰやＡｌＩｎＧａＡｓなど他の材料系でもよい。
【００５９】
本実施形態では、エミッタ層２６にＩｎＰを用いているが、ＡｌＩｎＧａＡｓなどの他の材料系でもよい。
また、本実施形態では、ベース層２５には、電極を設けていないが、ベース電極を形成した３端子構造とし、ヘテロ接合フォトトランジスタのベース電位をバイアスして用いてもよいことは言うまでもない。
【００６０】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係る光検出器について説明する。図７に示すように、本実施形態に係る光検出器は、ｎ‐ＩｎＰ基板３１上に、ｎ‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０17ｃｍ-3）サブコレクタ層３２、ＩｎＡｓウェル層厚が５，４，３，２，１ｎｍよりなるＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層３３、０．３μｍ厚のｎ-‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０16ｃｍ-3）コレクタ層３４、０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０18ｃｍ-3）ベース層３５、０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰ（ｎ＝５×１０17ｃｍ-3）エミッタ層３６、エミッタ電極３７、コレクタ電極３８が積層することで構成されている。エミッタ・ベース接合部分は、直径０．２５ｍｍである。
【００６１】
本実施形態に係る光検出器の製作方法は、ｎ‐ＩｎＰ基板３１上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ‐ＩｎＧａＡｓ（ｎ＝１０17ｃｍ-3）サブコレクタ層３２、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層３３、０．３μｍ厚のｎ-‐IｎＧａＡｓ（ｎ＝１０16ｃｍ-3）コレクタ層３４、０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓ（ｐ＝１０18ｃｍ-3）ベース層３５、０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰ（ｎ＝５×１０17ｃｍ-3）エミッタ層３６を順に成長し、通常のフォトリソグラフィと半導体エッチング技術を用いてメサを形成する。その後、表面側には、リング状のエミッタ電極３７をリフトオフ法により形成する。ｎ‐ＩｎＰ基板３１の下面側には、全面に真空蒸着法によりコレクタ電極３８を形成している。
【００６２】
次に、本発明の実施の形態に係る光検出器の動作について説明する。上方からの入射光はＭＱＷ光吸収層３３で吸収される。この時、ＩｎＡｓウェル層厚が５，４，３，２，１ｎｍと異なるため、それぞれの井戸層でピーク吸収波長が異なり、それらの総和は２．０〜２．４μｍの波長にわたり平坦性に優れた吸収特性となっている。
【００６３】
発生したキャリアは電子がコレクタ電極３８側へ、ホールがベース層３５側へ、走行する。ベース層３５に到達したホールはベース電位を下げ、その結果、エミッタ層３６より大量の電子が注入され、コレクタ層３４まで到達し、コレクタ電流として、外部に出力される。コレクタ電流は、入射光により発生したホール電流が電流増幅率倍だけ増幅されて大きな値となっている。
【００６４】
本実施形態では、電流増幅率とし、５００が得られ、薄いＭＱＷ光吸収層３３による微弱光電流が大きく電流増幅され、出力電流として検出されることになる。受光感度は、１０Ａ／Ｗ以上の２．０〜２．４μｍの広い波長範囲にわたる平坦性の良い良好な結果が得られている。
【００６５】
また、ＭＱＷ光吸収層３３は極めて薄いため、その体積に比例する熱励起過程による発生電流は、従来のベース層５５又はコレクタ層５４すべてが、光吸収層で構成されている場合に比べ、桁違いに小さくできる。また、トンネル電流は、井戸層が薄くなるにつれ、また、電界強度が大きくなるにつれ、増大する。ｎ-形コレクタ層３４中の電界強度は、ベース層３５の端部で最も大きく、離れるにつれ小さくなる。
【００６６】
本実施形態のＭＱＷ光吸収層は、図８に模式的に示したように、電界強度の弱い、コレクタ中のベース層３５の端部より離れた側に配置されており、かつ、ベース層３５側より井戸厚が順に薄くなっているため、井戸層が薄くなるにつれ、電界強度も小さくなり、トンネル電流の増大がいっそう抑制される構造となっている。
【００６７】
図９は、本実施形態に係る光検出器の暗電流のコレクタ・エミッタ電圧依存性である。図９に示すように、上記非特許文献２に比べ、本実施形態に係る光検出器では、１桁以上暗電流が低減されている。また、薄いＭＱＷ光吸収層３３は、大きな歪を有するようなウェル層の成長も可能とする。従来のＩｎＰ基板５１上の厚い光吸収層ではＩｎＡｓを受光層とすることは不可能であったが、ＩｎＡｓ層を歪が内在するが歪の緩和（結晶欠陥の発生）のない、５ｎｍ以下に薄層化して用いているため、良好な結晶が得られ、従来では不可能であった、波長２．４μｍまで受光波長を伸ばすことが可能となった。
【００６８】
本実施形態では、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓのウェル層厚を５ｎｍ以下、層数を５としているが、歪補償技術や低温成長技術などを用いることにより５ｎｍ以上にさらに厚く、また、層数を５以上にふやすことも可能であり、受光感度の平坦性を維持しつつ、波長３μｍ程度まで受光波長を伸ばすこと、また、受光感度をさらに向上させることが可能である。
【００６９】
本実施形態では、コレクタキャリア濃度はｎ＝１０16ｃｍ-3としているが、ｎ＝１０17ｃｍ-3程度以下であればよい。また、コレクタ層３４厚は、０．３μｍとしているが、ビルトイン電圧で空乏化する厚さ程度になっていればよく、したがって、コレクタ濃度が低ければ、コレクタ層３４厚は１μｍ以上となってもよいことは言うまでもない。
【００７０】
電流利得は、理想的なエミッタ・ベースヘテロ接合の場合、τr／τt（τt：ベース中少数キャリア走行時間、τr：ベース中少数キャリア再結合寿命）で与えられるため、所望の電流利得にあわせて、主に走行時間に支配的に寄与するベース層３５厚と、主に再結合寿命に支配的に寄与するベース濃度を適当に設定すればよい。したがって、ベース濃度はｐ＝１０17ｃｍ-3程度まで低減してもトランジスタ動作を可能とする設計にすることは可能である。
【００７１】
本実施形態では、ウェル層がＩｎＡｓであるが、ＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなど他の材料組成やＩｎＧａＡｓＮ等の他の材料系でも、歪の緩和（結晶欠陥の発生）のないように層厚や歪量を設定すればよい。また、バリア層がＩｎＧａＡｓＰやＡｌＩｎＧａＡｓなど他の材料系でもよい。
【００７２】
本実施形態では、エミッタ層３６にＩｎＰを用いているが、ＡｌＩｎＧａＡｓなどの他の材料系でもよい。
また、本実施形態では、ベース層３５には、電極を設けていないが、ベース電極を形成した３端子構造とし、ヘテロ接合フォトトランジスタのベース電位をバイアスして用いてもよいことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、例えば、高感度で暗電流の小さな赤外光検出器に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光検出器を示した図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光検出器のバンド構造の模式図
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光検出器の暗電流の印加電圧依存性を示した図
【図４】本発明の第２の実施形態に係る光検出器を示した図
【図５】本発明の第２の実施形態に係る光検出器のバンド構造の模式図
【図６】本発明の第２の実施形態に係る光検出器の暗電流の印加電圧依存性を示した図
【図７】本発明の第３の実施形態に係る光検出器を示した図
【図８】本発明の第３の実施形態に係る光検出器のバンド構造の模式図
【図９】本発明の第３の実施形態に係る光検出器の暗電流の印加電圧依存性を示した図
【図１０】従来のｐｉｎ接合よりなるフォトダイオードの断面図
【図１１】従来のｎｐｉｎ接合よりなるフォトトランジスタの断面図
【符号の説明】
【００７５】
１１  ｎ‐ＩｎＰ基板
１２  ｎ‐ＩｎＧａＡｓサブコレクタ層
１３  ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層
１４  ０．３μｍ厚のｎ-‐ＩｎＧａＡｓコレクタ層
１５  ０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層
１６  ０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰエミッタ層
１７  エミッタ電極
１８  コレクタ電極
２１  ｎ‐ＩｎＰ基板
２２  ｎ‐ＩｎＧａＡｓサブコレクタ層
２３  ＩｎＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層
２４  ０．３μｍ厚のｎ‐ＩｎＧａＡｓコレクタ層
２５  ０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層
２６  ０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰエミッタ層
２７  エミッタ電極
２８  コレクタ電極
３１  ｎ‐ＩｎＰ基板
３２  ｎ‐ＩｎＧａＡｓサブコレクタ層
３３  ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ‐５重量子井戸光吸収層
３４  ０．３μｍ厚のｎ-‐ＩｎＧａＡｓコレクタ層
３５  ０．１２μｍ厚のｐ‐ＩｎＧａＡｓベース層
３６  ０．６μｍ厚のｎ‐ＩｎＰエミッタ層
３７  エミッタ電極
３８  コレクタ電極
４１  ｎ基板
４２  ｎ層
４４  光吸収層
４６  ｐ層
４７  ｐ電極
４８  ｎ電極
５１  ｎ基板
５２  ｎ‐サブコレクタ層
５４  ｎ-‐コレクタ層
５５  ｐ‐ベース層
５６  ｎ‐エミッタ層
５７  エミッタ電極
５８  コレクタ電極
【図１】
2009038071.tif 000003
【図２】
2009038071.tif 000004
【図３】
2009038071.tif 000005
【図４】
2009038071.tif 000006
【図５】
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【図６】
2009038071.tif 000008
【図７】
2009038071.tif 000009
【図８】
2009038071.tif 000010
【図９】
2009038071.tif 000011
【図１０】
2009038071.tif 000012
【図１１】
2009038071.tif 000013