JPH0469825B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電磁波放射又は粒子を検出する半導体
デバイスに関する。特に該半導体デバイスは半絶
縁性の基板と該基板上に拡散されｎ型又はｐ型の
伝導性を有する第１の層と、該第１の層に連続し
て拡散された交互に異なる伝導性の型を有する複
数の層と、該ｐ型とｎ型の層に延設し第１の選択
電極を画定するｐ型電極領域と、ｐ型とｎ型との
層に延設し該ｐ型領域と離隔し第２の選択領域を
画定するｎ型電極領域とからなるものである。

（従来技術の説明） 上記種類の半導体デバイスは度々ドーピング超
格子（doping superlattice）と称され西独特許
明細書第2261527号により知られている。

又、これら半導体デバイスの電気的及び光学的
特性が通常のものでないことも知られている。

（従来技術の問題点） 本発明の目的は、放射線特に主材料の半導体ハ
ンドキヤツプエネルギ（E^o _g）全体より低いエネ
ルギを有する放射線を検出するのに適し、又、そ
れと等価なエネルギを有する粒子を検出するのに
適する半導体デバイスを提供するものである。

該半導体デバイスは室温で比較的低いキヤパシ
タンス（容量）と比較的小さい暗電流を有するも
のである。

（問題点を解決するための手段及び作用） 上記目的を達成するため、本発明に係る半導体
デバイスは、上記第１の層及び最外側の層以外の
ｎ型とｐ型の複数の層がほぼ同じドーピング密度
を有し、該第１の層と最外側の層とは同じ伝導性
の型を有し、又他の層の各々の厚さのほぼ半分で
あり、該第１の層と最外側の層とは他の層のドー
ピング密度とほぼ半分に等しいようになつており
そのため逆方向バイアススを高く印加でき層に対
する合成電界の傾斜をつくることとが特徴となつ
ている。

上記特徴を有する半導体デバイスは赤外線放射
に極めて感度がよく室温で暗電流は小さいもので
ありキヤパシタンス分が低くそのため応答は早い
ものとなつている。

本発明に係る半導体デバイスは、均質的な材料
にｎ型ｐ型の不純物を交互に周期的ドーピングに
より形成され分子線エピタキシ法（略称MBE）
により成長する。

これらドーピング超格子に於るエネルギバンド
の空間電荷により誘起された周期的な変調により
交互の層に於る電子と正孔を制限することとなり
又、主材料に於て構成する層のドーピング濃度
（Nd，Na）及び厚さ（d_o，d_p）を適当に選択す
ることで零と主材料の半導体バンドギヤツプエネ
ルギE^o _gと間で調整可能な実効エネルギギヤツプ
を生じる。

実効空間分離により、過剰キヤリヤの再結合が
著しく減少し熱的均衡から電子と正孔の濃度の大
きなばらつきは準安定になる。この不均衡の励起
状態は電子については準フエルミ準囲E_fo正孔に
ついては別のE_fpの準フエルミ準位が特徴となつ
ている。移動過剰キヤリヤの電荷はしかしながら
一部元の電位の振幅V_pの減少につながる原不純
物空間電荷の電位を補償する。その結果、自由キ
ヤリヤ濃度と実効エネルギギヤツプは所与のドー
ピング超格子に於て一定の材料パラメータではな
く外部からのキヤリヤインジエクシヨン又は抽出
により調整可能となる。

ドーピング超格子の内部空間電荷による電界に
よりE^o _g以下の光エネルギで吸収係数α（ω）の著
しい指数的に尾を引く吸収が現われる（フランツ
−ケルデイシユ効果Frantz−keldysh effect）。

エネルギE_g ^eff＜ω＜E^o _gでフオトン（光子）の
吸収は従つて可能である。加えて、吸収係数は所
与のフオトンのエネルギに対して初期と最終状態
間の重なりは実効ギヤツプ（即ち準フエルミ準位
差E_fo−E_fp）の変化に伴い変化する。これらの特
殊性により超格子を非常に広いエネルギ範囲を包
含する光検出器に応用することが考えられる。

一般に、超格子層構造はゼロバイアスでは完全
にデブレーシヨン（空乏化）されない。又ｎ型及
びｐ型の層のデプレーシヨンされない中央部分は
ｎ型及びｐ型選択電極と同じ電位である。

本発明の実施例では、該半導体デバイスは該選
択電極間に高い逆方向バイアスを印加する回路手
段とのコンビネーシヨンが特徴となつている。

又他の実施例では、エネルギ感度は選択可能と
なつている。半導体デバイスの応用分野によつて
は逆方向バイアスは十分に高い方が好ましくその
ためデバイスのキヤパシタンスは電極の寸法のみ
によつて決定される。

この場合デバイスのキヤパシタンスは非常に低
く応答速度は従つて高い。更に、デバイスはなだ
れ現象を引き起し信号を増強する。

更に別の実施例では、デバイスのエネルギ感度
を調整可能にするべべく逆方向バイアスを変化さ
せている。

逆方向バイアスがｎ型とｐ型の層間に選択電極
を介して印加されると、電子と正孔が各々の層の
中央部分から抽出され空間電荷による電位の振幅
が増大する。逆方向バイアスが更に増加すれば、
超格子のｎ型とｐ型の層が或るスレツシヨルド電
圧で最終的に完全にデプレーシヨンされキヤリヤ
抑制のための応対電位障壁は最大深さに到達す
る。この点で、上記フランツ−ケルデイシユ効果
による極端に長い波長の放射の吸収を著しく増強
された内部空間電荷による電界によつて可能とな
る。

更に、逆方向バイアスの増加は層の長さに並行
に一定の電を加えるだけである。（即ち、電位は
層の方向に傾いている。）光発生による電子と正
孔はより効率的に光伝導応答により検出された選
択的電極に掃引される。

上述の半導体デバイスに於て、交互に在る伝導
性の型の層のトータル数９から51までの奇数であ
り好ましくは21となる。該デバイスは１ミクロン
の最小全厚さを有する。

層の数を増やすことにより感度が増大すること
となるが、層の数を極端に増やすに必要な努力は
相当なものであるから感度と工数及びコストを比
較して考慮することが必要である。

ガリウム砒素（GaAs）は放射の損失を受けず
そのためとりわけ宇宙空間への応用に適してい
る。更に、ｎ型伝導材料をクラツド層に使うこと
により室温で極端に低い暗電流が生じることとな
る。このようなGaAsのデバイスは少なくとも
2μmの波長までの赤外線放射を検出することがで
きる。

別の実施例では、ｎ型とｐ型の材料は適当なド
ーパントを有するシリコンである。この種のデバ
イスは波長又は感度範囲が広い。そして広く知ら
れた表面安定化（passivation）技術が表面漏れ
電流の持つ問題点を防止するために使用できる特
徴を有する。

更に別の実施例では、ｎ型とｐ型の材料は適当
なドーパントを有するインジウムガリウム砒素で
ある。この構成の実施例では、半導体バンドギヤ
ツプE^o _gは更に低く赤外線（IR）放射の少なくと
も4μmまでの検出は可能である。

勿論、基本的にはどの半導体材料も本発明に係
る半導体デバイスを実現するために使用できるの
である。

本発明の更に別の実施例に於て、真性材料が異
なつた伝導性の型の交互の層間に設けるこことは
それ自体上記西ドイツ特許第2261527号で知られ
ているが、本発明に於ては、該真正材料は所謂ク
ラツド層の外側には設けてないのが特徴となつて
いる。

本発明に係る半導体デバイスのドーピング濃度
が高い時、トンネル効果は真正材料により低く保
持されそのため暗電流は小さいが禁止帯ギヤツプ
の密度は高くなる。該正材料は100Å（オングス
トローム）の厚さのシリカで通常できている。

（実施例） 以下、本発明に係る半導体デバイスの実施例を
図面を用いて説明する。

第１図は、本発明に係る半導体デバイス構造を
示す。

第１図に於て、該半導体デバイスは600℃で分
子線エピタキシ（MBE）により結晶表面方向結
晶仕様のミラー指数〔100〕の表面で非ドーピン
グの半絶縁性ガリウム砒素基板１０上に約３Å
（オングストローム）／秒の速度で成長させた交
互にｎ型とｐ型との層を複数有する構成となつて
いる。又、層の構成としては250オングストロー
ムの厚さのｎ型材料からなる第１の層１１は上記
ガリウム砒素基板１０上に拡散されている。該第
１の層１１の次には500オングストロームの厚さ
を有するｐ型材料からなる第２の層１２が続く。
尚、該第１の層１１の厚さは該第２の層１２の大
略半分に等しい。該第２の層１２の次には該第２
の層１２の半分の厚さのｎ型材料からなる第３の
層が続く。該構造はその後も繰り返し該デバイス
は該第１の層に連続して拡散した交互にできた伝
導性の型の複数の層からなつている。

最も外側にある活性層１４はｎ型材料でできて
おり内側にある上記層１２，１３の厚さの半分に
ほぼ等しい厚さを有している。

ドナーとアクセプタの濃度Nd，Naは全ての層
で同じでありドーピング密度はドーピング濃度と
層の厚さとの積によつて与えられて全ての中間層
に対して同じ値を有し該第１の層１１と最も外側
に在る層１４によつて定義されるクラツド層に対
しては該値の半分である。本実施例に於ては、ド
ーピング密度は５×10¹⁷／cm³に設定されシリコン
トベリリウムとが各々ｎ型及びｐ型の不純物とし
て用いられる。全ドーピング超格子厚さは2μm
（２×10^-3mm）に選ばれる。即ち、該デバイスは
総じて21個の層を有する。該半導体デバイスは２
つの選択電極を有する。即ち、ｐ型とｎ型との層
に延設し錫と亜鉛との合金からなる強力なｐ型電
極領域を有し、そのため電極１５はｐ型材料に対
して選択的な接触を与える。該第２の電極１６は
錫のみからなりｎ型材料に選択的接触を与える。
該電極領域１５，１６拡散法により通常の方法で
作つてもよい。該半導体デバイスは又上記選択電
極領域に直接当る入射を防止するマスクを通常通
り有し表面の漏れ電流を減らすために表面処理を
受ける。ドーピング密度は大略一定のままである
ことが重要であり個々の層の間のドーピング密度
の変化は0.5％を超えないことが好ましい。

上述の半導体デバイスは上記フランツ−ケルデ
イシユ効果の原因となるE_gよりかなり下のエネ
ルギでも十分に高い感が特徴である。

基本的な構造は詳述したが理論的な技術的背景
は以下説明する。

該選択電極１５，１６を介して該ドーピングの
超格子に於る全てのｐ−ｎ接合部分に逆方向バイ
アスが印加される。この逆方向バイアスにより中
間に介在する層に在るドーピング密度が全く等し
い（又、クラツド層の値の２倍に等しい）ならば
或るスレシヨルド電圧V_thでｐ型とｎ型の層の両
方が完全にデプレーシヨン（空乏化）することと
なる。

該スレシヨルド電圧V_thで周期的空間電荷によ
つて起る内部電界はその最大値になり該スレシヨ
ルド電圧V_thを超える電圧に対してそれ以上の帯
域変調は予期されない。その代り逆方向バイアス
を更に上昇させると該層に沿つてドーピングの超
格子構造全体を傾斜させる。この傾斜した電界に
より上記フランツ−ケルデイシユ効果を増大する
だけでなく非常に迅速に２次元的サブバンド装置
から光励起したキヤリヤを掃引する。後者の効果
により早い速度での応答が期待され更に該励起中
基底状態が殆んど空に保たれる。

該層に沿つて傾斜電界を印加するためにｎ型と
ｐ型層に対して完全なデプレーシヨンが達成され
る。個々の層のドーピング密度を一定に（又、ク
ラツド層の値の２倍に等しい）保持する（即ち、
N_ad_o＝N_ad_pでありこれにより対称ドーピング超
格子を生成すること）ことが重要であるのはこの
ためである。バイアスを印加した該半導体デバイ
スのバンド構造を第２図に示す。第２図に於て、
E_vは価電子帯（valence band）の形状を示し、
E_cは伝導帯を示し、図の両端の偏向領域は各々選
択電極領域１５，１６によるものである。

ドーピング超格子に於て、エネルギ帯は構成層
のイオン化したドナーとアクセプタにより空間的
に変調される。帯域変調は第３図に大略示す。第
３図に於て、V_Mは帯域の変調深さをE_epとE_ppは
双曲線帯域変調によつて引き起こされた最も低い
量子エレクトロンと正孔準位を示す。又、E_gは
半導体バンドギヤツプと等しく、E_g ^eff（＝E_g＋
E_ep＋E_pp−ｑ・V_M）はドーピング超格子の実効
バンドギヤツプエネルギに対応する。該層が完全
にデプレーシヨンすると、帯域変調の深さV_Mは
以下の等式Ａで表わされる。

V_M＝qN_d／4ε_S （等式Ａ） 等式Ａに於て、ｑは初期電荷に、Ｎは介在する層
のドーピング濃度に、ｄは層の厚さに、ε_Sは半導
体材料の誘電定数に対応する。

V_M＝E_fo−E_fpとなる対称ドーピング超格子に於
て（符号E_foとE_fpとは各々（均質であるとき）ｎ
型層及びｐ型層のフエルミ準位を示す）バイアス
する以前にドーピング超格子層は完全にデプレー
シヨンされる。これに対し、V_M＞E_fo−E_fpの場合
は逆方向バイアスの印加することにより完全にデ
プレーシヨンする。

第４図ａ，ｂ及びｃは第１図と類似の半導体デ
バイスの大略の帯域構造を示しそのドーピング層
はバイアスされる前に完全にデプレーシヨンされ
る。ゼロバイアスで、伝導帯及び価電子帯の縁部
は第４図ａに示すように選択電極に近接する部分
を除く層に沿つて即ちp⁺とn⁺の接触領域で平坦
となつている。層が完全にデプレーシヨンされて
いるため、該超格子は抵抗性が高く半絶縁物とし
て実質的に機能する。従つて、第４図ｂに示すよ
うに、構造全体が外部から印加される逆方向バイ
アスにより傾斜をもつ。光励起された電子と正孔
は直ちに強力な空間電荷による電界により互いに
空間分離される。その後各々の電極までこの傾斜
電界により掃引される。従つて、光励起されたキ
ヤリヤ間の再結合は無視できる程度に少なくその
結果非常に効率のよいものとなる。光励起された
キヤリヤが最も低い伝導及び価電子サブバンド装
置に於て熱化する緩和時間は大体10^-12秒と短か
く、デバイスの速度は双曲線井戸チヤネル
（parabolic well channel）に沿うキヤリヤ掃引
時間により主に支配される。第４図ｃは、垂直断
面に対するバンド構造を示す。空間電荷による電
界はドナーとアクゼプタとが既にゼロバイアスで
イオン化されているのでバイアスが変化しても一
定に維持される。V_M＞E_fo−E_fpの時、該超格子の
ｎ型及びｐ型の両方の層は第５図ａに示すように
ゼロバイアスで各々のバンドでなお自由キヤリヤ
を持つている。ゼロバイアスでは該空間電荷の電
位の振幅はV_Mよりも更に小さい。逆方向バイア
ス電圧を増大させると、自由な電子と正孔は各層
の中央部から抽出されV_thで該層が完全にデプレ
ーシヨンされるまで空間電荷電位は増大する。こ
の段階で、空間電荷の電位はその最大値V_Mに到
達する。この状況を第５図ｂに示す。逆方向バイ
アス電圧を上記V_thより更に上昇させるとドーピ
ング超格子全体が傾斜し第５図ｃに示すように内
部電界は増大する。

第４図及び第５図に示す検出器構造に於ては、
ドーピング超格子は完全に対称であると仮定して
いる。即ち、全ての層のドーピング濃度が等しい
（但し、クラツド層は除く）というものである。
しかしながら、ドーピング濃度と層の厚さとが全
く等しい条件でｎ型とｐ型の層を交互に成長させ
ることは非常に困難である。ｎ型材料に対するド
ーピング密度がｐ型材料のドーピング密度よりも
大きいならば、逆方向バイアス増加と共に空間電
荷の電位が増加する状態はｐ型の層が完全にデプ
レーシヨンするまで続く。この状況を示すバンド
構造を第６図ａに示す。逆バイアスがそれ以上に
上昇した場合はバンド変調はもはや達成されな
い。そして、第６図ｂに示すようにp⁺の選択電
極領域とｎ型の超格子材料間に形成されたp⁺ _-o接
合に増加方向に電圧が印加される。というのは、
このような超格子はバイアスに無関係にｎ型伝導
性を示し高い抵抗性を示すことはないからであ
る。層にわたる平均の残留電子濃度が例えば上述
のp⁺ _-o接合で10¹⁷／cm³のデプレーシヨン幅よりも
大きいような場合、光感応領域はほんのおよそ
1μmである。しかしながら、この残留電子濃度が
10¹⁵／cm³にまで減少すると、光感応幅は50μmよ
り長く延長できる。本発明に係るデバイスでは、
E_g以下で上記フランツ−ケルデイシユ効果を強
めるために内部電界は特に高いことが好ましい。
事実、下記等式Ｃで与えられる全電界は非常に高
くなだれ増倍が引き起こされる。しかしながら、
なだれ効果は本発明によれば超格子デバイスの性
能を劣化させることはない。

ドーピング超格子層の内部電界はE_g以下のエ
ネルギで感度がかなり増加することとなる空間分
離した電子と正孔のサブバンド間のトンネル効果
による光遷移を増大する。上述の如く、構成する
層の全てが動作条件で完全にデプレーシヨンされ
る。従つて、空間電荷による電界は F_p(x)＝ｑ／εN_x，（０≦×≦ｄ／２） （等式Ｂ） となる。ここで ｘは層の中央から測定した距離を示し Ｎはドーピング濃度（N_d＝N_a）を示し ｑは初期電荷を示し εは超格子材料の誘電定数を示す。

上述の等式はｐ−ｎ接合部分で最大値F_M＝
qN_d/2〓をとる。第７図の複数の直線は種々の層の
厚さに対するドーピング濃度の関数としてのF_M
を示す。点線は完全なデプレーシヨンに対するゼ
ロバイアス限界を示す。この線以下のドーピング
超格子構造はバイアス無しで完全にデプレーシヨ
ンされる。この線以上のものは完全なデプレーシ
ヨンするのに適当な値の逆方向バイアスが必要と
なる。第７図からバイアスなしでドーピング濃度
が非常に高い時十分に高い内部電界が期待され
る。例えば、Ｎ＝４×10¹⁸／cm³でｄ＝300オング
ストロームの時ゼロバイアスで最大内部電界は９
×10⁵V／cm位高いものとなる。このようなドー
ピング超格子は光検出器として有用である。それ
は後述するように暗電流が層間に発生しないから
である。しかしながら、高いドーピングはｐ層及
びｎ層間の精密な補償を非常に困難にし更には望
ましくない欠陥中心を造ることで結晶品質を劣化
する。中間のドーピング準位では（１×10¹⁷〜１
×10¹⁸／cm³）、高い内部電界は層の構造が図中点
線より上で達成される。この場合完全なデプレー
シヨンを得るためには逆方向バイアス印加が必要
となる。傾斜電界F_tが存在する場合、全電界は以
下の等式Ｃで表わすことができる。

Ｆ(x)＝√_p(x)²＋_t ² （等式Ｃ） 現在説明している種類の半導体デバイスに於る
暗電流は以下に示す３つの要素からなる。即ち、
層のトンネル電流と、選択電極とデバイス間の接
合部分でのトンネル電流と表面漏れ電流とからな
る。これら３種の電流のうち、最初に挙げたもの
が非常に重要でありV_M＞E_fo−E_fpで示すドーピン
グ超格子に現れる。このカテゴリイのドーピング
超格子は完全にデプレーシヨンするためには逆方
向バイアス印加が必要である。しかしながら、逆
方向バイアス電圧印加が層の高電界領域間の電子
のトンネル現象により漏れ電流を引き起こすこと
となる。超格子がｎ型のｍ＋１層とｐ型材料のｍ
層からなる場合、１×′cm²の活性領域を有する
時、全トンネル電流I_tは以下の等式で示される。

I_t＝2ml×′J_t （等式Ｄ） ここで、J_tはドーピング超格子層を交差するト
ンネル電流密度であり上記の起こり得る層の２次
元サブバンド装置を無視することにより、応用物
理ジヤーナル32巻第83（1961）のE.O.Kaye氏によ
り示された式によつて推測できる。第７図の太い
実線は上記式により演算した等価トンネル電流密
度の線を示す。最大許容漏れ電流を100nAとすれ
ば、J_tは活性領域が10^-4 _〜cm²（１＝′＝100μm）
でｍ＝10のデバイスに対し25×10^-5A／cm²以下と
なる。この場合、F_Mはドーピング濃度が１×
10¹⁷／cm²と低い時でも、4.5×10⁵V／cmよりも高
くなる。

上記暗電流の他の２つの要素即ち選択電極とデ
バイス間の接合部でのトンネル電流及び表面漏れ
電流は構造の対称性を改良し適切な表面コーテイ
ングを施せば減少可能である。

以上説明したように、正確な対称性構造をつく
ることはより望ましいことである。しかしなが
ら、ｎとｐの層間を正確に補償すること、従つて
ｎ層とｐ層の完全なデプレーシヨン化は非常に困
難である。

ｎ型とｐ型材料（N_d，d_oとN_a，d_p）のドーピ
ング密度間の不均衡はｎ−ｎ又はｐ−ｐの選択接
触を介して層の抵抗性を測定することにより評価
できる。ドーピング濃度が公称１×10¹⁸／cm³に等
しく層の厚さが公称500オングストロームを有す
るドーピング超格子に対してのＶ−Ｉ軌跡の例を
第８図に示す。

第７図によれば、バイアス印加以前に構造の層
は全て完全にデプレーシヨンされる。しかしなが
ら、不均衡のため、この超格子は半絶縁性である
代りにｎ型の伝導性を呈する。ｐ層の抵抗性はｐ
層の完全なデプレーシヨンを示し低いバイアスで
も非常に高い。高いバイアス電圧で非直線電流が
増加するのは隣接する低抵抗性のｎ層間のブレー
クダウン（降伏現象）によるものである。

第９図ａは（N_d，d_o＞N_a，d_p）の小さい不均
衡をもつV_M＞E_fo−E_fpを示すドーピング超格子の
実験で得た特性を示す。デバイスの形状と接触関
係を第９図ｂに示す。

逆方向バイアス（V_R）が増える場合空間電荷
の電位、従つてｐ−ｎ接合電圧（V_J）はｐ層に
対して完全なデプレーシヨンを引き起こすV_thに
達するやで最初増加する。V_Rが更に増加すると
空間電荷の電位はもはや増加せず一定電圧V_J（＝
V_th）となる。ｎ層の残留自由電子のため増加方
向の電圧はp⁺（接触）n^-（超格子）接合に主に印
加される。残留自由キヤリヤ濃度は容易に減少し
ないのは４つの量N_d，N_a，d_o及びd_p間に精密な
補償が必要であるからである。しかしながら、非
常に精密に補償された見本を得ることは正規の
MBE装置を使用すれば可能であつた。例えば、
１×10¹⁸／cm³の公称ドーピング濃度の見本では層
の全てに平均化された残留キヤリヤ濃度の見本で
は層の全てに平均化された残留キヤリヤ濃度は
510¹⁵／cm³と低い。

第１図と関連して示した物と類似のデバイスの
光応答スペクトラムは種々のバイアスを印加した
状態で測定された。デバイスは等級のモノクロメ
ータタングステンランプの結合からのチヨツプさ
れた単色光により照射された。又、光電流はロツ
クイン増幅器により測定されたものである。

V_M＞E_fo−E_fpであるデバイスの特性を以下に述
べる。即ちセロバイアスで非デプレーシヨンの層
からなる。

第１０図ａはデバイスに対するスペクトラム応
答に依る印加バイアスを示す。ここではＮ＝５×
10¹⁷／cm³，ｄ＝1080Å，ｍ＝10のデバイスであ
る。この構造では、完全なデプレーシヨンに必要
な電圧V_thは約0.75Vである。この電圧まで、空
間電荷の増大による内部電界の増加がみられる。
1Vの逆方向バイアスでの0.9〜1.1μmの波長範囲
での感度の比較的大きな増大はこのメカニズムの
主たる原因で内部電界の増加に反映する。

第１０図ａに示すように暗電流が無視できる位
小さいのはトンネル効果によるものが無視できる
からである（第７図参照）。

しかしながら、このドーピング超格子は正確に
対称ではなくバイアスとは関係なく比較的高いｎ
型伝導性を示す。従つて、0.75Vを超える高い逆
方向バイアスがｐ型選択電極の近くのp^± _o接合に
印加される。これはほんの数ボルトの印加により
超格子周期性と直交して非常に電界を生じること
を意味し、又、図面に示すように長い波長の感度
を増強することを意味する。しかしながら、およ
そp⁺ _-o接合間のトンネル電流によりデバイスはこ
の電圧以上の漏れ電流を生じるので本デバイスに
は5Vを超えるバイアスを印加することはできな
い。

第１０図ａに示すスペクトラムでは0.93μmの
波長で別のピークが現われる。本構造はドープさ
れたドナー又はアクセプタ不純物と関連される。
構造の非対称性がかなり大きいとき著しい。

V_M＜E_fo−E_fpの場合の特性を説明する。第１１
図及び第１２図はＮ＝５×10¹⁷／cm³，ｄ＝500Å，
ｍ＝20，Ｎ＝１×10¹⁸／cm³，ｄ＝500Å，ｍ＝20
の公称の構造パラメータを有する２つのサンプル
デバイスＡ，Ｂの照射のある場合とない場合の逆
方向Ｉ−Ｖ軌跡を示す。

これらのデバイスは200Vまでブレークダウン
を示さないが、暗電流は非常に小さいものではな
い。層間のトンネル電流は予想されないので（第
７図参照）、この暗電流は大体表面漏れ電流によ
るものである。実際は、該暗電流はダイオードが
希塩酸溶液にてリンス（水洗）する時因数２だけ
減少する。V_M＜E_fo−E_fpなので、内部空間電荷に
よる変調はバイアス電圧に無関係に一定であるは
ずである。第７図から容易に理解されるように、
最大空間電荷による電界は1.8×10⁵V／cm及び3.6
×10⁵V／cmである。これらのデバイスの層構造
は正確に対称なものではないが、層の平均の残留
自由キヤリヤの密度は極端に小さい（２〜５×
10¹⁵／cm³）。従つて、印加電圧は接触領域近くの
かなり広い面積に渡り電界強度を増加させこの領
域で長い波長に対する感度を上げたものである。

第１３図及び第１４図は種々のバイアス電圧で
のこれらデバイスのスペクトラム感度を示す。

サンプルデバイスＡについての接触領域近くの
デプレーシヨン幅は約10μmで傾斜電界強度は
180Vの逆方向バイアスで４×10⁵／cmである。サ
ンプルデバイスＢについてのデプレーシヨン幅と
最大傾斜電界は90Vの逆方向バイアスで各々約
6μmと3.2×10⁵V／cmとである。従つて、これら
デバイスの等式Ｃで与えられる全電界はかなり高
い。実際、第１３図及び第１４図で示すように、
逆方向バイアスが高い時波長感度はかなり長いも
のとなり改良される。尚、サンプルデバイスＢに
ついて、1.3μmの波長の感度は90Vバイアスで
0.85μmでのバンド縁の応答の20％を超えるもの
となる。更に、超格子全体の厚さを増やせばさら
に感度は上がる。同じバイアス電圧（例えば
90V）でのサンプルデバイスＡ及びＢ間の長い方
の波長感度の差は間欠的空間電荷の電界の差によ
るものである。何故なら、外部から印加したバイ
アスによる傾斜電界の強さは互いに非常に近いも
のであるからである。しかしながら、ゼロ又は非
常に低い逆バイアスで測定したスペクトラムを除
いて、長い波長の感度は弱電界の原理を本件提案
のデバイスを適用することにより予期さるものよ
りも更に高い。このことは上記原理はバンドのテ
イル状態が予想されない場合の非常に純度の高く
高抵抗の材料を取り扱つていることによる。それ
以外は、高電界はサンプルには印加できないから
である。

本発明に係るドーピング超格子の検出器に於
て、構成された層は高度にドーピングされ従つて
禁止ギヤツプ領域では相当なバンドテイル状態が
みることができる。このことにより、エネルギギ
ヤツプ内で電子又は正孔が見つかる確率は高くな
り強電界が存在する場合長い方の波長の感度は上
がる。高いバイアス電圧で測定したスペクトルの
約1.1μmの波長に関する構造はエネルギギヤツプ
内の著しく高い状態の密度が存在することを意味
する。

上述の実験結果は全て親材料がガリウム砒素で
あるドーピング超格子に関するものである。

シリコンとインジウムガリウム砒素が特に重要
となる他の材料でも同様な結果をもたらす。これ
らの従来からの材料のドーパントはｎ−型とｐ型
の層を生成するのに使用できる。

（発明の効果） 以上説明した半導体デバイスは関係波長が0.8
から0.9μmの範囲にありALG_aA_sレーザ及びLED
がその範囲の放射線をもつような光フアイバによ
る光通信システムに特に使用することに向いてい
る。将来の動作し得る波長範囲は光フアイバが光
ロスが低く材料の分散（ばらつき）が最小である
1.1から1.6μmのスペクトラム領域まで移動するで
あろう。本件発明に係る半導体デバイスはこのス
ペクトラム領域で理想的な特性を示し高い情報量
を含有するため十分なバンド幅又は応答速度を呈
するものである。

更に、本発明に係る半導体デバイスは本質的に
は低ノイズのデバイスあるいは光通信システムで
の検出器として十分に使用できるように信号対雑
音比の良好なデバイスとして動作することができ
るものである。

最後に、第１０ａ図又は第１３図及び第１４図
の特性は関連するデバイスが検出した放射の波長
をある値の範囲で逆バイアスを走査することによ
り解析しその結果生じる光電流を数学的解析を行
なうために使用できることを意味するものであ
る。

以上説明した様に、本発明に係るドーピング超
格子型電磁放射又は粒子を検出する半導体デバイ
スは半絶縁性基板１０と、該基板上に拡散された
ｐ型又はｎ型の伝導性を有する第１の層１１と、
該第１の層１１に連続して拡散された交互に伝導
性を有する型からなる複数の層１２，１３，１４
と、ｐ型とｎ型の上記層に延設し第１の選択電極
１５を画定するｐ型電極領域と、該ｐ型とｎ型の
層に延設し更に該ｐ型領域と離隔し第２の選択電
極を画定するｎ型電極領域とからなつており、該
デバイスは該第１の層１１及び最外層の層１４以
外のｎ型及びｐ型の層はほぼ同一のドーピング密
度を有している均質の半導体デバイスである。又
該第１の層１１と最外側の層１４は同じ伝導性の
型であり他の層１２，１３の各々の厚さのほぼ半
分に等しい。更に、該第１の層と最外側の層１４
は他の層のドーピング密度の半分にほぼ一致す
る。このことにより、構造全体を完全にデプレー
シヨン（空乏化）することが可能となりそのため
高い逆方向バイアスが該デバイスに印加できる層
に対して合成電界を印加させることができるので
ある。該デバイスは又約1μm又はそれよりも長い
範囲の波長の赤外線の光検出器として特に適して
いる。更に、該デバイスは室温での暗電流は低く
又キヤパシタンスも非常に小さい故応答時間の早
いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る半導体デバイスの略断
面図を示し、第２図は、逆方向バイアスを印加し
た状態での第１図に示す半導体デバイスのバンド
形状略図を示し、第３図は、内部空間電荷により
生じた変調状態での第１図に示す半導体デバイス
のバンド構造を示し、第４図ａ，ｂ，及びｃはド
ーピング超格子層がバイアス印加前に完全にデプ
レーシヨンする、即ちN_d・d_o＝N_a・d_p（対称構
造）でV_M≦E_fo−E_fpである第１図と類似のデバイ
スの略バンド構造を示し詳細には第４図ａはゼロ
バイアスでの各層の中央部にある層に沿つたバン
ド構造を示し、第４図ｂは逆方向バイアスを印加
した場合のバンド構造を示し、第４図ｃは層に直
角のバンド構造を示し、第５図ａ，ｂ，及びｃは
ドーピング超格子層がバイアス印加前に完全にデ
プレーシヨンしない。即ち、N_d・d_o＝N_a・d_p（対
称構造）でV_M＞E_fo−E_fpである第１図と類似のデ
バイスの略バンド構造を示し詳細には第５図ａは
ゼロバイアスで層に沿い且つ層に直角なバンド構
造を示し（２次元サブバンドは図面では無視す
る）、第５図ｂは印加した逆方向バイアスV_Rがス
レシヨルド値V_thと等しい層ち層全てがデプレー
シヨン（空乏化）した状態での層に沿い且つ層と
直交するバンド構造を示し、第５図ｃはV_R＞V_th
の時のバンド構造を示し、第６図ａ及びｂは、第
１図と類似するデバイスの略バンド構造を示し
個々の層に於るドーピング密度は同一ではなくそ
のためデバイスが非対称構造即ちN_d・d_o≠N_a・
d_p（V_M＞E_fo−E_fp）である場合であり、詳細には、
第６図ａは印加逆方向バイアスVR空間電荷が
その最大電圧に達するスレシヨルド電圧V_thであ
りV_R−V_thの差電圧がp⁺選択電極及び超格子間の
接合部にて傾斜電界を与える状況を示し、第７図
は第１図のように対称的にドーピングされた超格
子デバイスのドーピング濃度の関数としての最大
空間電荷による電界を示し図中薄い方の直線群は
層の厚さが異なつていることを表わし点線部分は
ゼロバイアスリミツトを表わし実線による曲線群
は等価トンネル電流密度曲線を表わし、第８図は
本発明に係るN_d・d_o＞N_a・d_pで示されるドーピ
ング超格子のｎ−ｎ（曲線ａ）とｐ−ｐ（曲線ｂ）
の選択接触部を介して測定したＶ−Ｉ軌跡を示
し、第９図ａ及びｂはN_d・d_o＞N_a・d_pでV_M＞
E_fo−E_fp（第９図ａ）の場合のドーピング超格子
検出器の実験的電圧特性を示し該検出器の接触関
係を第９図ｂに示し、第１０図ａは本発明に係る
半導体デバイスの特定な実施例で印加バイアスに
スペクトラム応答が依存していることを示し、第
１０図ｂは第１０図ａのデバイスに対する暗電流
特性を示し、第１１図のG_aA_sサンプルデバイス
に対する照射がある場合とない場合の逆方向Ｉ−
Ｖ軌跡を示し、第１２図は第２のG_aA_sサンプル
デバイスに対する照射がある場合とない場合の逆
方向Ｉ−Ｖ軌跡を示し、第１３図は種々の逆方向
バイアスでの第１１図のデバイスのスペクトラム
応答を示し、第１４図は種々の逆方向バイアスで
の第１２図のデバイスのスペクトラム応答を示
す。 符号の説明、１０……半絶縁性層、１１……第
１の層、１２……第２の層、１３……中間層、１
４……最外側の活性層、１５……電極、１６……
第２の電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半絶縁性基板と、該基板に拡散したｎ型又は
   ｐ型のいずれかの伝導性を有する第１の層と、該
   第１の層に連続して拡散した交互に伝導性のｐ型
   及びｎ型が重なる複数の層と、該ｐ型及びｎ型の
   層に延設し第１の選択電極を画定するｐ型電極領
   域と、該ｐ型及びｎ型の層に延設し更に該ｐ型電
   極領域と離隔し第２の選択電極を画定するｎ型電
   極領域とからなる電磁放射又は粒子を検出する半
   導体デバイスに於て、前記半導体デバイスは前記
   第１の層と最外側の層以外のｎ型及びｐ型の層が
   ほぼ同じドーピング密度を有する均質の半導体で
   あり、前記第１の層と最外側の層とは同一の伝導
   性の型からなり他のｎ型及びｐ型の層の各々のほ
   ぼ半分に等しい厚さを有し、且つ前記第１の層と
   最外側の層とが他の層のドーピング密度のほぼ半
   分となり、そのため前記半導体デバイスに逆方向
   の高いバイアスが印加可能となり前記層に対する
   合成電界の傾斜をつくることとなることを特徴と
   する半導体デバイス。 ２ 前記半導体デバイスは高逆方向バイアスV_R
   を前記選択電極間に印加する手段との組合せから
   なることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の半導体デバイス。 ３ 前記逆方向バイアスV_Rは前記半導体デバイ
   スのキヤパシタンスが前記電極の寸法のみで決ま
   る程度に高いことを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項記載の半導体デバイス。 ４ 前記印加手段には前記逆方向バイアスV_Rを
   可変にする手段を有することを特徴とする特許請
   求の範囲第３項記載の半導体デバイス。 ５ 前記複数の層の全数は９と51の間に在る奇数
   であり最小全厚さは合計１ミクロンを有する21個
   になることが好ましいことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項から第４項までのいずれかに記載の
   半導体デバイス。 ６ 前記ｎ型及びｐ型の材料は適当なドーパント
   を有するガリウムヒ素であり前記第１の層及び最
   外側の層からなるクラツド層はｎ型の伝導性のも
   のであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   から第５項までのいずれかに記載の半導体デバイ
   ス。 ７ 前記ｎ型及びｐ型の材料は適当なドーパント
   を有するシリコンであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項から第５項までのいずれかに記載
   の半導体デバイス。 ８ 前記ｎ型及びｐ型の材料はインジウムガリウ
   ムヒ素であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項から第５項までのいずれかに記載の半導体デ
   バイス。 ９ 前記半導体デバイスには前記交互に相違する
   伝導性の型の層間に真正材料の層が設けられてい
   るが、前記真正材料は前記クラツド層の外側には
   設けられていないことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項から第８項までに記載の半導体デバイ
   ス。 １０ 前記真正材料は厚さが100オングストロー
   ム（Å）程度であることを特徴とする特許請求の
   範囲第９項記載の半導体デバイス。