JPS63278282A - 光導電型受光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）技術分野 この発明は光導電型受光素子の感度の改善に関するもの
である。

光導電型受光素子というのは、光を照射する事により材
料の抵抗が変わるという事を利用し、照射された光の強
度を検出できるようにした受光素子である。

対象となる光の波長により、使用される材料も異なる。

古くから光導電セルとして、ＣｄＳセルが広く用いられ
ている。これは可視光に対して大きい感度を持つので使
いやすい素子である。可視光に対してはこの他にＣｄＳ
ｅ　、　ＺｎＯなどがある。

光検出に使われる素子として、最も頻用されるものはＳ
ｉ　ホトダイオードである。ホトダイオードの場合、光
を照射する事により光電流が生ずる。

このためｐｎ接合が必須である。

しかし、光導電効果は、光を照射することにより材料の
抵抗が変化する事である。これは材料のバルクの性質で
ある。このため、光導電効果素子にはｐｎ接合が必須で
ない。

Ｓｉ　、　Ｇｅ　、　ＧａＡｓ　　などの半導体は、Ｐ
型、ｎ型半導体を容易に作る事ができる。ｐｎ接合も作
りやすい。

しかし、Ｉ−ＶＩ族半導体はｐｎ接合を作りにくいもの
が多い。このようにｐｎ接合を作れないものに対しては
、ホトダイオードを作る事ができない。そこで光導電効
果を利用した素子を作るという事になる。

バンドギャップによって検出できる光の波長が異なる。

一般に■−■族化合物半導体は、とりうるバンドギャッ
プの範囲が広いので、どのような波長の光に対しても感
度を持つような材料がある。

たとえば、赤外光に対しては、ＰｂＳ　、　ＩｎＳｂ　
。

ＣｄＨｇＴｅ　、　Ｇｅなどの光導電セルが用いられて
いる。

最初に述べたＣｄＳセルなどは、感度が高いが動作速度
は極めて遅い。これに限らず、光導電セルは、一般に動
作速度が遅い。

光導電型の受光素子には、この他に、暗電流が大きい、
という難点がある。

本発明はＡｌＩｎＡｓ　／　ＧａＩｎＡｓ積層型の光導
電型素子に於て暗電流を減する事を目的としている。

（イ）従来技術 従来より、種々の半導体材料を用いた光導電型受光素子
が作製されている。たとえば、Ｓ、Ｍ。

Ｓｚｅ著「Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｏｆ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕ
ｃｔｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅｓ。

第２版ＰＰ　７４４〜７４８ には各種の光導電型の受光素子が説明されている。

本発明は、ＡＪＩ　ｎＡ　ｓ層とＧａＩｎＡｓ層とを繰
返し積層した構造の光導電型受光素子の改良に関する。

ＩｎＰ基板の上に、ＡＩ！Ｉ　ｎＡ　ｓ層とＧａＩｎＡ
ｓ層とを交互に多層成長させたものである。Ａ、ｅＩｎ
Ａｓ　／　ＧａＩｎＡｓ　　の多層構造は分子線エピタ
キシー（ＭＢＥ）、液相エピタキシー（ＬＰＥ）などに
よって作る事ができる。

ＡｌＩｎＡｓ混晶及びＧａ　Ｉ　ｎＡｓ混晶は、ＩｎＰ
基板と格子整合する、という条件により混晶比が決まる
。

ただし、簡単のため混晶比は省略する。

第２図はこのような光導電型受光素子の略断面図である
。

ＩｎＰ基板１１の上にＡｌＩｎＡｓ層１２、Ｇａ　Ｉ　
ｎＡ　ｓ層１３、ＡｌＩｎＡｓ層１２、ＧａＩｎＡｓ層
１３、・・・・・・というように交互多層膜構造となっ
ている。

ＡｌＩｎＡｓ層のバンドギャップの方が、ＧａＩｎＡｓ
層のバンドギャップよりも広い。

ＧａＩｎＡｓ層をノンドープとし、ＡｌＩｎＡｓ層にｎ
型不純物をドープする。ｎ型不純物から供出された電子
はバンドギャップの違いから、ＧａＩｎＡｓ層の方へ移
る。

ＧａＩｎＡｓ層はノンドープである。つまり意図的に不
純物をドープしていない。不純物が極めて少いので、不
純物による電子の散乱が少い。電子散乱が少いので電子
移動度が大きくなる。そこで高速に応答する受光素子が
できる、というわけである。

このように、電子を出す不純物の存在する空間と、電子
が走行する空間とを別異にしたデバイスは、２次元電子
ガスを用いた高速のＭＯＤＦＥＴなどに利用されている
。

（ハ）発明が解決すべき問題点 ところが、ＡｌＩｎＡｓ　／　ＧａＩｎＡｓ交互多層体
による光導電素子は、暗電流が大きく、その結果、光に
対する感度が低い、という欠点があった。

暗電流というのは、受光素子に光を当てない時に流れる
電流のことである。

この原因は、光を照射しない時に於ても、素子の中に、
電気伝導に寄与するキャリヤが存在している事による。

この点を第３図のバンド構造図によって説明する。この
図に於て横軸は、第２図の素子に於て上下方向の空間座
標である。縦軸は電子、正孔のエネルギーである。

上方の曲線ＡＢＣＤ・・・・・・が伝導帯１の下端であ
る。これより下方の曲線ＪＫが価電子帯２の上端である
。伝導帯１と価電子帯２の中間は自由キャリヤの存在し
えないバンドギャップである。

ＡｌＩｎＡｓ層１２とＧａ　Ｉ　ｎＡ　ｓ層１３が交代
に積層した素子であるから、両者に応じたバンド構造が
交代することになる。

ＡｌＩｎＡｓ層の方がＧａＩｎＡｓ層よりもバンドギャ
ップが広いので、このような構造になる。

一点鎖線で示す直線はフェルミレベル４である。

図中「＋」印は、ｎ型不純物（ドナー）であって、電子
を失って、正電荷になっているものを示している。

ｎ型不純物は、ＡｌＩｎＡｓ層にも、ノンドープＧａＩ
ｎＡｓ層にも存在する。

ＡＩ！Ｉ　ｎＡ　ｓ層のｎ型不純物５は、伝導帯１のす
ぐ下に準位を形成する。浅い不純物準位である。

ノンドープＧａＩｎＡｓ層のｎ型不純物も、伝導帯１の
すぐ下に不純物準位を形成する。

しかし、バンドギャップが異なり、伝導帯１がＧａＩｎ
Ａｓでは低く、ＡｌＩｎＡｓでは高くなるようなパルス
状の変化をしている。このため、ＧａＩｎＡｓとＡｌＩ
ｎＡｓの中でのｎ型不純物５，６の準位が異なる。

ＧａＩｎＡｓ層の中にあるｎ型不純物６のレベルの方が
、ＡｌＩｎＡｓ層の中にあるｎ型不純物５のレベルより
も低い。

ＧａＩｎＡｓ層は、ノンドープであるが材料に含まれる
不純物のため、ｎ型半導体になっている。浅いレベルを
作るｎ型不純物であるから、伝導帯１（７）　ｔ　り下
にフェルミレベル４が位置する。

Ａ、／ＩｎＡｓ層はｎ型不純物をドープし、ｎ型半導体
トなっている。フェルミレベル４が、バンドギャップの
中心よりやや上方にある。

Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ層の中心近傍Ａ、Ｇでは、フェルミレ
ベル４より伝導帯下端の方が高くなっている。半導体で
あるから、これは轟然の事である。

ところが、　　ＧａＩｎＡｓ層のバンドの両端Ｂ、Ｅ。

■などでは伝導帯１が下方へ押下げられている。

伝導帯１がフェルミレベル４より下にある。このため電
子がｎ型不純物から離れ、Ｂ、Ｅ、Ｉなどの伝導帯の凹
部へ入った方がエネルギーを下げる事になる。

ＧａＩｎＡｓ層のバンド構造が上向きに凸となり、両端
Ｂ、Ｅ、Ｉに自由電子が常に存在するという事になる。

フェルミレベル４より下なのであるから、これは轟然の
事であり、金属に似たような伝導性を示す。

光照射がなされていない時であっても、Ｂ　、Ｅ。

■など伝導帯の凹部に自由電子３が存在する。

このため、電圧がかかつていれば、光が照射されていな
くても、電流が流れてしまう。

このように、ＧａＩｎＡｓ層の両端のエツジの部分に於
ける自由電子の存在が暗電流を大きくしているのである
。

暗電流は少い方がよい。暗電流が少いと、光を照射しな
い時と、微弱な光を照射した時の抵抗値の比を大きくす
る事ができるからである。

自由電子３の存在が暗電流の原因となる。

そうすると、Ｇａ　Ｉ　ｎＡ　ｓ層のバンドがどうして
上に凸になり、境界近くに自由電子３が存在するのか？
という事が問題になる。

ＡｌＩｎＡｓ層の方がバンドギャップが広い。ここにｎ
型不純物がドープされている。もしも、ＡｌＩｎＡｓだ
けであるとすると、電子の一部は伝導帯に上り、他はｎ
型不純物に束縛される事になる。

ところが、ＡＩ！Ｉ　ｎＡ　ｓ層のみがあるのではなく
、ＧａＩｎＡｓ層が隣接している。ＧａＩｎＡｓ層の伝
導帯の下端の方がＡｌＩｎＡｓ層のｎ型不純物レベルよ
りも低い。このためＡｌＩｎＡｓ層のｎ型不純物が持っ
ていた電子の殆どが、ＧａＩｎＡｓの伝導帯へ落ちる。

この電子は、ＧａＩｎＡｓのｎ型不純物に束縛されて減
少するという事がない。ｎ型不純物は、それと同数の電
子を持っており、ｎ型不純物がこれらの電子を束縛して
いるとすれば、新たにＡｌＩｎＡｓから移動した電子を
束縛する余地がないからである。

ＡｌＩｎＡｓ層は電子を失ったｎ型不純物５を持つので
正に帯電する。

この正電荷が、ＧａＩｎＡｓ層にある伝導帯の電子′を
引寄せるので、電子に対して、境界点Ｂ、Ｅ。

■がエネルギー的に低くなるようなポテンシャルを形成
する。つまり、ＡｌＩｎＡｓ層の正電荷が、クーロン力
により、ＧａＩｎＡｓ層のバンドを両端に於て下方へ彎
曲させているのである。

Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ層のバンドはこのため上向に凸となる
。

この曲線の実際の形状は、Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ中の不純物
の分布による。もしも不純物が一様分布しているとすれ
ば、単純にガウスの方程式を解くことができて、バンド
の形状は二次曲線となる。つまり放物線の一部となる。

Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ層の両端に於けるバンド構造の凹部は
こうして生ずる。電子はＡｌＩｎＡｓの不純物５から離
れて、バンドギャップの狭いＧａＩｎＡｓの伝導帯に入
るが、ＡｌＩｎＡｓの不純物５との間にクーロン力が働
くので、ＡｌＩｎＡｓの方へ引きよせられ、境界に溜ま
る事になる。

次に、Ａ、／ＩｎＡｓ層のバンドの彎曲について述べる
。

ＧａＩｎＡｓ層のバンドの両端にある自由電子の数の方
が、Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ層の電子を失ったｎ型不純物６よ
りも数が多い。このため、Ｇａ　Ｉ　ｎＡ　ｓ層は負に
帯電する事になる。Ａ、ｅＩｎＡｓ層が正に帯電してい
るのだから、ＧａＩｎＡｓが負に帯電するのは当然の事
である。

ＧａＩｎＡｓ層が負に帯電しているから、ＡｌＩｎＡｓ
層からみると電子に対して斥力を及ぼす事になる。

このためＡｌＩｎＡｓ層の電子に対し、下に凸のポテン
シャルを形成する。

ＡｌＩｎＡｓのバンドのゆがみはこうして生ずる。

もしもＡｌＩｎＡｓ層 しているとすれば、ガウスの方程式が簡単に積分できて
、ＡｌＩｎＡｓのバンドは放物線となる。

に）構　成 受光素子としての暗電流を大きくしているのは、Ｇａ　
Ｉ　ｎＡ　ｓ層の両端に生ずるバンドの凹部に溜った自
由電子である。

暗電流を少くするためには、自由電子の溜りを少くすれ
ばよいのである。

本発明に於ては、ＡｌＩｎＡｓ層にｎ型不純物をドープ
する事にする。これによりＧａＩｎＡｓ層の自由電子密
度を減少させる。自由電子密度が減少すれば暗電流が減
少する。このため感度が向上する。

場合によっては自由電子密度をＯとする事もできるし、
自由正孔を導入するようにしてもよい。

第１図はＡｌＩｎＡｓ層にｎ型不純物をドープした本発
明の光導電型受光素子のバンド構造図である。

上方の曲線ＬＭＮＯＰＱ・・・・・・が伝導帯１である
。

下方の曲線Ｒ５ＴＵＶ・・・・・・が価電子帯２である
。

伝導帯１と価電子帯２に挾まれる部分がバンドギャップ
（禁制帯）である。

第３図のバンド構造と違う点を述べる。

（＋）　　フェルミレベル４が下る。

（ｉｌ）　　Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ層のバンド構造が下に向
って凸となる。

（ｌｌｉ）　　ＡＩ！Ｉ　ｎＡｓ層のバンド構造が上に
向って凸となる。

このようにバンド構造が異なるので、Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ
層に自由電子の溜りができない。

まずフェルミレベル４が低下する、という点である。

フェルミレベルは、そのレベルより下にある電子レベル
へ全電子を入れる事のできる最小のエネルギーという事
もできる。ｎ型不純物を入れるという事は、電子を捕捉
できるレベルを増やしたという事であるから、当然、フ
ェルミレベルが下る。

ＡｌＩｎＡｓ層のｎ型不純物をドープしたので、価電子
帯２のすぐ上に浅いアクセプタレベルが生ずる。

これが「−」で示したｎ型不純物レベル７である。ｎ型
不純物５よりも、ｎ型不純物７の方が多いので、ＡｌＩ
ｎＡｓ層の中には正孔が優越して供給される事になる。

ＡｌＩｎＡｓの結晶構造だけであれば、正孔は、ＡｌＩ
ｎＡｓの価電子帯ＳＴ間に存在するか、或はｎ型不純物
に捕捉されるか、いずれかである。

ところが、バンドギャップの広いＡｌＩｎＡｓの隣にバ
ンドギャップの狭いＧａＩｎＡｓが存在している。

バンドギャップの差が大きくて、ＧａＩｎＡｓ層の価電
子帯ＵＶの方が、ＡｌＩｎＡｓ層のｎ型不純物７に捕え
られたレベル「−」よりも高い。

ここで「高い」というのは電子に対して高い、という事
である。正孔は反対の電荷を持つから、電子とは反対の
ポテンシャルを見ることになる。

したがって、正孔に対しては「低い」のである。

そこで、Ａ、ｇＩｎＡｓ層の正孔の殆ど全てが、隣接す
るＧａＩｎＡｓ層の価電子帯に入る事になる。

ＡｌＩｎＡｓ層にはｎ型不純物も存在するが、ｎ型不純
物の方が多い。ｎ型不純物の供出した電子は、ｎ型不純
物の供出しな正孔により再結合して実質的に消滅する。

過剰な正孔は、Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ層の価電子帯へ入る。

すると、ＡｌＩｎＡｓ層は正孔を失ったｎ型不純物が残
るので、負に帯電する事になる。負に帯電するので、隣
接するＧａ　Ｉ　ｎＡｓ層の正孔を引き寄せる。

これはクーロン力で引寄せるのである。

そうすると、正孔に対してＧａＩｎＡｓ層に近い部分で
ポテンシャルが下るようになる。電子に対して書いたも
のがバンド構造であるから、正孔に対しては、反対にな
る。電子に対しては、ポテンシャルが上る。これが、Ｕ
点Ｖ点での上方への彎曲である。

Ｕ点Ｖ点の近傍に正孔の溜りができる場合がある。Ｕ、
Ｖ点では正孔に対して、ポテンシャルが特に下る。正孔
ポテンシャルの特異点である。

この正孔は安定である。ＧａＩｎＡｓ層にｎ型不純物が
ないからである。

全体として過剰の電子がなく、電子の溜りもない。つま
り自由電子が存在しない。

ｎ型不純物のドープ量によるが、本発明に於ては、自由
電子を排除できるが、自由正孔が生じる事になる。価電
子帯の端Ｒ，Ｕ、Ｖに自由正孔が生じ、これによる暗電
流が間顧になるかもしれない。

しかし、正孔は実際にはあまり問題ではない。

ひとつには、ＧａＩｎＡｓの中での正孔の移動度が、電
子移動度に比べて桁違いに小さいという事がある。電流
は移動度に比例するので、正孔移動度が低いから、これ
に伴う暗電流も小さい。

もうひとつは、正孔の量は制ＹＩ＃可能な変数である、
という事である。このため、ＡｌＩｎＡｓ層へのｎ型不
純物のドープ量により、正孔の残存量を任意に調整する
事ができる。

このような理由で、本発明によって生じた残存正孔の問
題は容易に克服できるものである事が分る。

け）作　用 第２図のようにＩｎＰ基板の上に、ＡｌＩｎＡｓ　／　
ＧａＩｎＡｓ多層膜をエピタキシャル成長させ電極１４
゜１４を付けた素子を光導電型受光素子とした。

電極１４．１４は、オーミックコンタクトする。

多層膜の全てにオーミックコンタクトするのが望ましい
ので、多層膜の中に一部を埋込ませてもよい。

電極１４．１４には電圧を加えておく。光を上面から照
射する。光は効率的にＣｙａ　Ｉ　ｎＡ　ｓ層に吸収さ
れる。

光の吸収により、電子、正孔の数が、増加する。

これはＧａＩｎＡｓ層に於て起こる。正孔の移動度は遅
いので寄与が少い。移動度の大きい電子の数が光照射量
に比例して増加するから、電流も光照射量に比例して増
大する。

ＧａＩｎＡｓ層には不純物が少いので、電子の不純物散
乱が少く、電子移動度が大きい。このため、高速応答性
が得られる。

Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ層はｎ型半導体として説明しているが
、意図的にｎ型不純物としたのではなく、材料の残留不
純物によるものである。ノンドープＧａＩｎＡｓ層なの
である。

ＡｌＩｎＡｓ　との境界近くに自由電子が存在しないか
ら、これによる暗電流がなくなる。

に））実施例 ＩｎＰ基板１１の上に、有機金属熱分解法（ＯＭＶＰＥ
）、液相エピタキシャル成長法（Ｌ’ＰＥ）、分子線エ
ピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などにより、ｎ型不純物
をドープしたＡｌＩｎＡｓ層１２と、不純物無添加のＧ
ａＩｎＡｓ層１３さを交−互に積層した。

ｎ型不純物として、Ｚｎ　、　Ｂｅ　、　Ｍｇ　、　Ｍ
ｎなどを用いた。

この除、ＡｌＩｎＡｓ層１２へのｎ型不純物濃度は１０
１６ｚ−３以上とする。ＡｌＩｎＡｓ層１２の層厚は５
０Ａ以上とする。

また、Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ層の厚みは、０．５μｍ以下と
する。

この条件では、Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ層が空乏化する。伝導
に寄与するキャリヤは、光を照射しない時には殆ど零と
なる。

積層数ｎについては、ＧａＩｎＡｓ　層ｌ　３　（７）
　厚ミｔと、積層数ｎの積ｎ【が０．５Ｐｍ以上になる
ようにする。

この条件で、入射された光は効率的にＧａＩｎＡｓ層中
に吸収される。

交互多層体の上に、たとえばＡｕＧｅなどよりなる電極
１４．１４をたとえば蒸着法によって形成する。

この際、電極の接触抵抗を減少させるために、４００℃
程度に加熱し、合金化を行なってもよい。

この素子について暗電流を測定すると、同−条件下で、
従来のものに比べて１／１０〜１　／　１００　程度に
減少している事が分った。

（ホ）効　果 本発明によれば、暗電流の少い高速の光導電型受光素子
を作る事ができる。

計測、光通信の分野ｌこ於て、有効に利用する事ができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光導電素子のバンド構造図。 第２図は本発明の光導電素子の略正面図。 第３図は従来の光導電素子のバンド構造図。 １・・・・・・伝導帯 ２・・・・・・価電子帯 ３・・・・・・自由電子 ４・・・・・・フェルミレベル ５・・・・・・ＡｌＩｎＡｓのｎ型不純物６・・・・・
・ＧａＩｎＡｓのｎ型不純物７・・・・・・ＡｌＩｎＡ
ｓのＰ型不純物８・・・・・・正　　　孔 １１・・・・・・ＩｎＰ基板 １２−−−−−−　ＡｌＩｎＡｓ層 １３　・・−ＧａＩｎＡｓ層 １４・・・・・・電　　極 発明者　　佐々木吾朗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ＩｎＰ基板１１と、該ＩｎＰ基板１１の上に交互にエピ
   タキシャル成長させたＡｌＩｎＡｓ層１２、ＧａＩｎＡ
   ｓ層１３の積層構造と、該積層構造の上に設けられた複
   数の電極１４、１４とよりなり、前記ＡｌＩｎＡｓ層１
   ２にはＰ型不純物が添加されている事を特徴とする光導
   電型受光素子。