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JP3014341B2 - 量子波干渉層を有したダイオード - Google Patents
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JP3014341B2 - 量子波干渉層を有したダイオード - Google Patents

量子波干渉層を有したダイオード

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は新規構造のｐｉｎダ
イオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ｐｉｎ接合のダイオードが知られ
ており、通常のｐｎ接合ダイオードと同様に整流特性が
ある。ダイオードに逆電圧を印加させて動作させるタイ
プにアバランシェ、ツエナー、インパット等のダイオー
ドがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これらのダイ
オードではＶＩ特性はそのダイオードを構成する半導体
材料の物性で決定され、人為的に特性を変更することは
困難である。そこで、本発明は、ｐｉｎダイオードに逆
方向電圧を印加して使用する場合に、そのＶＩ特性を変
化させることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、ｐ層
とｎ層とその２つの層に挟まれたｉ層とを有したダイオ
ードにおいて、ｉ層において、第１層と第１層よりもバ
ンド幅の広いバンドを有する第２層の厚さを、ｉ層に注
入される電子又は正孔のうち少なくとも一方のキャリア
の、各層における量子波の波長の４分の１の奇数倍に設
定した量子波干渉層を設けたことを特徴とする。
【０００５】請求項２の発明は、量子波の波長を決定す
るためのキャリアの運動エネルギをキャリアが電子であ
る場合には第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔で
ある場合には価電子帯の底付近に設定したことを特徴と
する。
【０００６】請求項３の発明は、ｐ層又はｎ層にはｉ層
に注入させるキャリアを生起させる受光部が形成されて
いることを特徴とする。
【０００７】請求項４の発明は、第１層と第２層との境
界には、第１層と第２層の厚さに比べて充分に薄く、エ
ネルギバンドを急変させるδ層が設けられていることを
特徴とする。
【０００８】請求項５に記載の発明は、第１層の厚さＤ
W と第２層の厚さＤB を次のように設定したことを特徴
とする。
【数１】 ＤW ＝ｎW λW ／４＝ｎW ｈ/ ４ [２ｍw （Ｅ＋Ｖ) ]1/2 …（１）
【数２】 ＤB ＝ｎB λB ／４＝ｎB ｈ/ ４ (２ｍB Ｅ)1/2 …（２） 但し、ｈはプランク定数、ｍw は第１層における注入さ
れる少数キャリアの有効質量、ｍB は第２層における少
数キャリアの有効質量、Ｅは第２層に注入された、第２
層の最低エネルギレベル付近における少数キャリアの運
動エネルギ、Ｖは第１層に対する第２層のバンド電位
差、ｎW 、ｎB は奇数である。
【０００９】請求項６の発明は、ｉ層において、量子波
干渉層が、所定間隔隔てて、複数従続に配設されている
ことを特徴とする。請求項７の発明は、各量子波干渉層
の間にはキャリアを蓄積するキャリア蓄積層が形成され
ていることを特徴とする。本発明の構造を用いること
で、電流が急激に流れる電圧を変更でき、ＶＩ特性を階
段状に変更できる。又、光受光素子としても用いること
ができる。
【００１０】
【発明の作用及び効果】
〔請求項１、２、５の発明〕本発明にかかる量子波干渉
層の原理を次に説明する。図１（ａ）は、ｉ層に形成さ
れた量子波干渉層の伝導帯を示している。少数キャリア
である電子がｉ層へ注入、即ち、図上左から右方向に伝
導するとする。伝導に寄与する電子は、第２層の伝導帯
の底付近に存在する電子と考えられる。この電子の運動
エネルギをＥとする。すると、第２層Ｂから第１層Ｗに
伝導する電子は第２層から第１層へのバンド電位差Ｖに
より加速されて、第１層Ｗにおける運動エネルギはＥ＋
Ｖとなる。又、第１層Ｗから第２層Ｂへ伝導する電子は
第１層から第２層へのバンド電位差Ｖにより減速され
て、第２層Ｂにおける電子の運動エネルギはＥに戻る。
伝導電子の運動エネルギは、多重層構造のポテンシャル
エネルギによりこのような変調を受ける。
【００１１】一方、第１層と第２層の厚さが電子の量子
波長と同程度となると、電子は波動として振る舞う。電
子の量子波は電子の運動エネルギを用いて、（１）、
（２）式により求められる。さらに、波の反射率Ｒは第
２層Ｂ、第１層Ｗにおける量子波の波数ベクトルを
ＫB ，ＫW とする時、次式で求められる。
【数３】 Ｒ＝（｜ＫW ｜−｜ＫB ｜）／（｜ＫW ｜＋｜ＫB ｜） ＝([ｍw ( Ｅ＋Ｖ)]1/2-[ ｍB Ｅ]1/2)/([ｍw ( Ｅ＋Ｖ)]1/2+[ ｍB Ｅ]1/2) ＝[1- ( ｍB Ｅ/ ｍw ( Ｅ＋Ｖ))1/2]/[1+ (ｍB Ｅ/ ｍw ( Ｅ＋Ｖ))1/2] …（３） 又、ｍB ＝ｍw と仮定すれば、反射率は次式で表され
る。
【数４】 Ｒ＝[1- ( Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ))1/2]/[1+ (Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ))1/2] …（４） Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ) ＝ｘとおけば、（４）式は次式のように
変形できる。
【数５】 Ｒ＝（１−ｘ1/2 ）／（１＋ｘ1/2 ） …（５） この反射率Ｒのｘに対する特性は図２のようになる。
【００１２】又、第２層Ｂと第１層ＷがそれぞれＳ層多
重化された場合の量子波の入射端面での反射率ＲS は次
式で与えられる。
【数６】 ＲS ＝〔（１−ｘS ）／（１＋ｘS ）]2 …（６） ｘ≦１／１０の時Ｒ≧０．５２となり、そのためのＥ，
Ｖの関係は
【数７】 Ｅ≦Ｖ／９ …（７） となる。第２層Ｂにおける伝導電子の運動エネルギＥは
伝導帯の底付近であることから、（７）式の関係が満足
され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５２
％以上となる。このようなバンド幅の異なる層で形成さ
れた多重層構造により、ｉ層へ注入される電子の量子波
を効率良く反射させることができる。
【００１３】又、ｘを用いて第２層Ｂの厚さの第１層Ｗ
の厚さに対する比ＤB ／ＤW は次式で求められる。
【数８】 ＤB ／ＤW ＝〔ｍw ／（ｍB ｘ）〕1/2 …（８）
【００１４】このような量子波干渉層をｉ層に形成した
ダイオードにおいて、逆方向に電圧を印加すると、量子
波干渉層のバンドのエネルギレベルは外部電圧により図
１（ｂ）のように傾斜する。このようにバンドが傾斜す
ると、第１層Ｗ、第２層Ｂにおける電子の運動エネルギ
Ｅ＋Ｖ，Ｅは、量子波が進行するにつれて増加し、次第
に第１層Ｗと第２層Ｂの厚さは、反射率が大きくなる最
適条件を満たさなくなる。この結果、印加電圧の大きさ
が、電子の運動エネルギを上記の量子波干渉層の厚さの
設計に用いられた運動エネルギを越えさせない範囲で
は、電子の反射が起こり電子による電流は流れない。し
かし、印加電圧の大きさが、注入される電子の運動エネ
ルギを設定された運動エネルギを越えさせる程度に増加
すると、反射していた電子が急激に流れるようになる。
この結果、ダイオードのＶＩ特性が急峻となる。即ち、
動作抵抗が低下する。
【００１５】又、価電子帯においても、エネルギレベル
が周期的に変動するが、バンド電位差Ｖが伝導帯のバン
ド電位差と異なり、さらに、第１層、第２層における正
孔の有効質量が電子の有効質量と異なるため、電子に対
して反射率を高くするように設定された第１層と第２層
の幅の設定値は正孔に対する高反射率が得られる条件に
はならない。よって、上記の構造の量子波干渉層は、電
子だけを反射させ正孔を反射させないようにすることが
できる。又、逆に、価電子帯のバンド電位差、正孔の有
効質量を用いて、第１層、第２層の厚さを設計すること
で、量子波干渉層をｎ層に設け正孔を反射させ電子を透
過させる層とすることもできる。
【００１６】上記のような電子の量子波干渉層をｐ層に
設け、正孔の量子波干渉層をｎ層に設けることで、この
ダイオードのＶＩ特性をさらに急峻とすることができ、
動作抵抗を著しく低下させることができる。
【００１７】〔請求項３の発明〕ｐ層又はｎ層に、ｉ層
に注入させるキャリアを生起させる受光部を形成するこ
とで、本ダイオードを光検出器等のフォトダイオードに
用いることができる。
【００１８】〔請求項４の発明〕 図５に示すように、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界におい
て、エネルギバンドを急変させる厚さが第１層Ｗ、第２
層Ｂに比べて十分に薄いδ層を設けても良い。境界での
反射率は（５）式で得られるが、境界にδ層を設けるこ
とで、バンド電位差Ｖを大きくすることができｘ値が小
さくなる。ｘ値が小さいことから反射率Ｒが大きくな
る。このδ層は、図５（ａ）に示すように、各第１層Ｗ
の両側の境界に設けられているが、片側の境界だけに設
けても良い。又、δ層は、図５（ａ）に示すように、境
界に第２層Ｂのバンドの底よりもさらに高い底のバンド
が形成されるように設けているが、図５（ｂ）に示すよ
うに、境界に第１層のバンドの底よりもさらに低い底を
有するように形成しても良い。さらに、図５（ｃ）に示
すように、境界に第２層Ｂのバンドの底よりも高い底を
有し、第１層Ｗのバンドの底よりも低い底を有するバン
ドを形成するように、δ層を形成しても良い。このよう
にすることで、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界での量子波
の反射率を大きくすることができ、多重層に形成した場
合に全体での量子波の反射率を大きくすることができ
る。
【００１９】〔請求項６、７の発明〕ｉ層において、多
重層構造の量子波干渉層を、所定間隔隔てて、複数従続
に配設することで、又、各量子波干渉層の間にキャリア
を蓄積するキャリア蓄積層を形成することで、ＶＩ特性
を階段状に変化させることができる。
【００２０】
〔第１実施例〕
図６は量子波干渉層をｉ層に形成したｐｉｎダイオード
の断面図である。GaAsから成る基板１０の上に、n-GaAs
から成る厚さ0.3 μm 、電子濃度 2×1018/cm3のバッフ
ァ層１２が形成され、その上にn-Ga0.51In0.49P から成
る厚さ0.13μm、電子濃度 2×1018/cm3のｎ形コンタク
ト層１４が形成されている。ｎ形コンタクト層１４の上
には、n-Al0.51In0.49P から成る厚さ0.2 μm 、電子濃
度 1×1018/cm3のｎ層１６が形成されている。そのｎ層
１６の上には、不純物無添加のｉ層１８が形成され、そ
のｉ層１８の上にはAl0.51In0.49P から成る厚さ0.2 μ
m、正孔濃度1 ×1018/cm3のｐ層２０が形成されてい
る。さらに、そのｐ層２０の上にp-Ga0.51In0.49P から
成る厚さ0.13μm 、正孔濃度 2×1018/cm3の第２ｐ形コ
ンタクト層２２とp-GaAsから成る厚さ0.06μm 、正孔濃
度 2×1018/cm3の第１ｐ形コンタクト層２４が形成され
ている。さらに、基板１０の裏面には厚さ0.2μm のAu/
Ge から成る電極２６が形成され、第１ｐ形コンタクト
層２４の上には厚さ0.2 μm のAu/Zn から成る電極２８
が形成されている。
【００２１】上記のｉ層１８の中に、不純物無添加のGa
0.51In0.49P から成る第１層Ｗと不純物無添加のAl0.51
In0.49P から成る第２層Ｂを１０周期多重化した量子波
干渉層Ａ1 、これと同様な構成の量子波干渉層Ａ2,…,
Ａ7 が全体で７組設けられている。１つの量子波干渉層
Ａ1 の詳細なバンド構造が図７に示されている。第１層
Ｗの厚さは5nm 、第２層Ｂの厚さは7nm であり、第２層
Ｂと第１層Ｗとの間には厚さ1.3nm の不純物無添加のAl
0.33Ga0.33In0.33P から成るδ層が形成されている。
又、各量子波干渉層Ａi,Ａi+1 間には厚さ14nm、不純物
無添加のAl0.51In0.49P から成るキャリア蓄積層Ｃが形
成されている。第２層Ｂと第１層Ｗの厚さの条件は、外
部電圧が印加されていない状態で、上記した（１）、
（２）式で決定されている。
【００２２】尚、ｐ層２０又はｎ層１６に接合する第２
層Ｂは0.05μm である。又、基板１０は、２インチ径の
大きさであり、基板の主面は面方位(100) に対して15°
方位[011] 方向にオフセットしている。
【００２３】このダイオードは、ガスソースＭＢＥ法に
より製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶のエレメ
ント材料全てを固体ソースから供給する従来形のＭＢＥ
法とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(AsH3,PH
3)の熱分解により供給し、III 族エレメント(In,Ga,Al)
は固体ソースから供給する超高真空下の分子線結晶成長
法である。
【００２４】上記の構成のｐｉｎダイオードにおいて、
ｐ層２０とｎ層１６との間に逆電圧を印加すると、ｉ層
１８が絶縁性であるので、図８（ａ）に示すように、ｉ
層１８に電位傾斜を生じる。尚、図８においてはδ層は
明示されていないが、実際には、図７（ａ）に示すよう
に、δ層が存在する。この状態では各量子波干渉層Ａ1
〜Ａ7 は電子を反射するために、ｐ層２０において励起
された少数キャリアである電子はｉ層１８を伝導しな
い。しかし、量子波干渉層Ａ1 に逆電圧が印加されてい
るため、電子の反射率が少し小さくなっているので、僅
かな漏れ電流として、ｐ層２０において励起された少数
キャリアが最初の量子波干渉層Ａ1 を伝導して、最初の
キャリア蓄積層Ｃ1 に達する。すると、このキャリア蓄
積層Ｃ1 における電子の蓄積により量子波干渉層Ａ1 の
電位傾斜が急になり、隣の量子波干渉層Ａ2 の電位傾斜
は逆に緩やかとなる。この結果、量子波干渉層Ａ1 に注
入される電子の運動エネルギが量子波干渉層の各層の幅
の設計に用いた運動エネルギよりも大きくなるため、量
子波干渉層Ａ1 の反射率が益々小さくなり、電子はこの
量子波干渉層Ａ1 を益々多く通過しキャリア蓄積層Ｃ1
に蓄積される。すると、第２の量子波干渉層Ａ2 の電位
傾斜が益々緩やかとなり、逆に、この層の反射率は向上
して、電子はキャリア蓄積層Ｃ1 に効率良く蓄積され
る。
【００２５】次に、第２の量子波干渉層Ａ2 と第３の量
子波干渉層Ａ3 との間でも、同様なことが起こり、電子
は第１のキャリア蓄積層Ｃ1 から第２のキャリア蓄積層
Ｃ2へ僅かづつ漏れる。これにより、第２の量子波干渉
層Ａ2 の電位傾斜が増加し、逆に、第１の量子波干渉層
Ａ1 と第３の量子波干渉層Ａ3 の電位傾斜が緩やかとな
り、それらの層の反射率が大きくなる。このような作用
により、第１のキャリア蓄積層Ｃ1 に蓄積された電子
は、第２のキャリア蓄積層Ｃ2 へ伝搬することになる。
このような動作が順次繰替えされることで、蓄積電子が
順次、ｐ層２０からｎ層１６へと伝搬して行くことにな
る。
【００２６】上記のｐｉｎダイオードにおいて、逆電圧
を印加した時のＶＩ特性を測定した。その結果を図９に
示す。この結果から次のことが理解される。逆電圧があ
る大きさ（-27.6V) になるまでは、流れる電流は非常に
小さい（10-5Ａの程度）。その後は、複数の特定な電圧
値において、電流がステップ的に増加している。
【００２７】〔第２実施例〕上記構造のｐｉｎダイオー
ドにおいて、図６に示すように、ｐ層２０の上面に窓を
形成して、ｐ層２０に、光を受光して電子を生成する受
光部を形成した。このｐｉｎダイオードに逆電圧を印加
した時のＶＩ特性を測定した。その結果を図１０に示
す。ｐ層２０において光励起された電子が、上述した機
構によりｉ層１８を伝搬する。図１０に示すように、光
励起して電子を生成しているので、小さい逆電圧から電
流が立ち上がり、複数の特定の逆電圧において電流はス
テップ的に増加しているのが理解される。
【００２８】図１０において、約-26.2V〜-27.6Vの間に
おいては、光照射時の電流は暗電流に比べて１０倍大き
く、光検出器として用いることができる。又、この素子
の動作電圧は、従来のアバランシェフォトダイオードに
比べて可なり低い値である。
【００２９】上記実施例では、δ層を形成している。δ
層を形成することで、反射率を向上させることができる
が、δ層がなくとも多重反射による反射率の増加の効果
は見られるので、δ層はなくとも良い。又、上記実施例
では、Ａ1 〜Ａ7 の７つの量子波干渉層をキャリア蓄積
層Ｃを介在させて直列に接続したが、ｉ層に１つの量子
波干渉層を形成しても良い。又、量子波干渉層をGa0.51
In0.49P とAl0.51In0.49P との多重層で構成したが、４
元系のAlxGayIn1-x-yP(0≦x,y ≦1 の任意の値) で組成
比を異にして形成しても良い。さらに、量子波干渉層
は、他のIII 族-V族化合物半導体、II族-VI 族化合物半
導体、Si/Ge 、その他の異種半導体の多重接合で構成す
ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概念を説明するための説明図。
【図２】第２層におけるキャリアの運動エネルギの第１
層における運動エネルギに対する比ｘに対する反射率Ｒ
の関係を示した特性図。
【図３】本発明の概念を説明するための説明図。
【図４】本発明の概念を説明するための説明図。
【図５】本発明の概念を説明するための説明図。
【図６】本発明の具体的な一実施例に係るｐｉｎダイオ
ードの構造を示した断面図。
【図７】その実施例に係るｐｉｎダイオードの量子波干
渉層の詳細なエネルギダイヤグラム。
【図８】その実施例に係るｐｉｎダイオードに逆電圧を
印加した時のｉ層のエネルギダイヤグラム。
【図９】その実施例に係るｐｉｎダイオードに逆電圧を
印加した時のＶＩ特性の測定図。
【図１０】他の実施例に係るｐｉｎダイオードに光励起
して電子を生成し、逆電圧を印加した時のＶＩ特性の測
定図。
【符号の説明】
１０…基板 １２…バッファ層 １４…ｎ形コンタクト層 １６…ｎ層 １８…ｉ層 ２０…ｐ層 ２２…第２ｐ形コンタクト層 ２４…第１ｐ形コンタクト層 ２６，２８…電極 Ａ1 〜Ａ7 …量子波干渉層 Ｂ…第２層 Ｗ…第１層 Ｃ…キャリア蓄積層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ ｓ，Ｖｏｌ．29．Ｎｏ．11，Ｎｏｖｅｍ ｂｅｒ，1990，ｐｐ．Ｌ1977−Ｌ1980 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏ ｌ．91，Ｎｏ．２（ＯＱＥ91 １− 17），1991，ｐｐ．73−78 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏ ｌ．91，Ｎｏ．15（ＥＤ91 １−７）, 1991，ｐｐ．15−21 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 29/861 H01L 29/864 - 29/87 H01L 29/88 - 29/96 H01L 29/06 H01L 29/78 H01L 31/02 H01L 31/04 H01L 33/00 H01S 5/30 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ｐ層とｎ層とその２つの層に挟まれたｉ
    層とを有したダイオードにおいて、 前記ｉ層において、第１層と第１層よりもバンド幅の広
    い第２層の厚さを、前記ｉ層に注入される電子又は正孔
    のうち少なくとも一方のキャリアの、各層における量子
    波の波長の４分の１の奇数倍に設定した量子波干渉層を
    設けたことを特徴とするダイオード。
  2. 【請求項２】 前記量子波の波長を決定するための前記
    キャリアの運動エネルギをキャリアが電子である場合に
    は第２層の伝導帯の底付近、キャリアが正孔である場合
    には価電子帯の底付近に設定したことを特徴とする請求
    項１に記載のダイオード。
  3. 【請求項３】 前記ｐ層又は前記ｎ層には前記ｉ層に注
    入させるキャリアを生起させる受光部が形成されている
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のダイオ
    ード。
  4. 【請求項４】 前記第１層と前記第２層との境界には、
    前記第１層と前記第２層の厚さに比べて充分に薄く、エ
    ネルギバンドを急変させるδ層が設けられていることを
    特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載
    のダイオード。
  5. 【請求項５】 前記第１層における前記量子波の波長λ
    W はλW ＝ｈ/[２ｍw（Ｅ＋Ｖ) ]1/2で決定され、前記
    第２層における前記量子波の波長λB はλB ＝ｈ/(２ｍ
    B Ｅ)1/2で決定され、前記第１層の厚さＤW はＤW ＝ｎ
    W λW ／４、前記第２層の厚さＤB はＤB ＝ｎB λB ／
    ４で決定される、但し、ｈはプランク定数、ｍw は第１
    層におけるキャリアの有効質量、ｍB は第２層における
    キャリアの有効質量、Ｅは第２層に流入されるキャリア
    の運動エネルギー、Ｖは第１層に対する第２層のバンド
    電位差、ｎW 、ｎB は奇数であることを特徴とする請求
    項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のダイオード。
  6. 【請求項６】 前記ｉ層において、前記量子波干渉層
    が、所定間隔隔てて、複数従続に配設されていることを
    特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載
    のダイオード。
  7. 【請求項７】 前記各量子波干渉層の間にはキャリアを
    蓄積するキャリア蓄積層が形成されていることを特徴と
    する請求項６に記載のダイオード。
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