JPH0634406B2 - 真性半導体電気光学デバイス - Google Patents
真性半導体電気光学デバイスInfo
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- JPH0634406B2 JPH0634406B2 JP59209599A JP20959984A JPH0634406B2 JP H0634406 B2 JPH0634406 B2 JP H0634406B2 JP 59209599 A JP59209599 A JP 59209599A JP 20959984 A JP20959984 A JP 20959984A JP H0634406 B2 JPH0634406 B2 JP H0634406B2
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- sls
- optical device
- intrinsic semiconductor
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- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
- H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
- H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H10F30/22—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes
- H10F30/221—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier being a PN homojunction
- H10F30/2215—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier being a PN homojunction the devices comprising active layers made of only Group III-V materials
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
- H10F77/10—Semiconductor bodies
- H10F77/12—Active materials
- H10F77/124—Active materials comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs
- H10F77/1248—Active materials comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs having three or more elements, e.g. GaAlAs, InGaAs or InGaAsP
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
- H10F77/10—Semiconductor bodies
- H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
- H10F77/146—Superlattices; Multiple quantum well structures
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
Landscapes
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biophysics (AREA)
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- Light Receiving Elements (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ３〜５μｍと８〜１２μｍの波長領域（大気による吸収
が最も小さい）には、赤外線による画像形成に関係した
軍事的利用を含むいくつかの用途がある。このことは、
これらの波長で動作可能な真性半導体の検出器を開発す
るためにかなりの研究努力を払う動機となった。真性検
出器は、その吸収が価電子バンドから伝導バンドへのキ
ャリアの励起に基づくようなものである。多くの物質が
３〜５μｍ領域用の画像形成アレイをつくるのに適して
いるようであるが、如何なるバルク形態をした第III−
Ｖ族物質も、重要な８〜１２μｍ領域においては、冷却
された（例えば７７゜Ｋ）（低ノイズ）検出器動作のた
めに十分に小さいバンドギャップ値をもたない。その結
果、８〜１２μｍの用途に対する潜在的な候補物質とし
て多数の第II−VI族物質と第IV−VI族物質を検討するこ
とが必要であった。
が最も小さい）には、赤外線による画像形成に関係した
軍事的利用を含むいくつかの用途がある。このことは、
これらの波長で動作可能な真性半導体の検出器を開発す
るためにかなりの研究努力を払う動機となった。真性検
出器は、その吸収が価電子バンドから伝導バンドへのキ
ャリアの励起に基づくようなものである。多くの物質が
３〜５μｍ領域用の画像形成アレイをつくるのに適して
いるようであるが、如何なるバルク形態をした第III−
Ｖ族物質も、重要な８〜１２μｍ領域においては、冷却
された（例えば７７゜Ｋ）（低ノイズ）検出器動作のた
めに十分に小さいバンドギャップ値をもたない。その結
果、８〜１２μｍの用途に対する潜在的な候補物質とし
て多数の第II−VI族物質と第IV−VI族物質を検討するこ
とが必要であった。
最近、これらの用途に対する大部分の研究が第II−VI族
合金であるＨg1-xＣdxＴe に集中した。この合金は、Ｅ
g が〜 1.6 eＶ（ｘ＝ 1.0）から 0.0 eＶ（ｘ〜 0.16
）に及ぶ範囲のバンドギャップ（０゜Ｋにおける）と
もつ。そしてｘ＝ 0.205である合金は、８〜１２μｍ大
気窓中における７７゜Ｋ検出器動作のために必要なバン
ドギャップをもつ（例えばＳemiconductors and Ｓemim
etals, Ｗillardson ＆ Ｂeer，Ｅd,Ｖol．１８，
“Ｍercury Ｃadmium Ｔelluride”，Ａcademic Ｐr
ess（1981）を参照。しかしながらＨg を多量に含むＨg
Ｃd Ｔe 合金は、多数の冶金学的でかつ装置に関連し
た問題点をもち、そのため、達成することが不可能でな
い場合には、これらの物質からなる満足な８〜１２μｍ
画像形成用アレイの利用を困難なものにしている。これ
らの問題点のいくつかを挙げると、以下の通りである。
合金であるＨg1-xＣdxＴe に集中した。この合金は、Ｅ
g が〜 1.6 eＶ（ｘ＝ 1.0）から 0.0 eＶ（ｘ〜 0.16
）に及ぶ範囲のバンドギャップ（０゜Ｋにおける）と
もつ。そしてｘ＝ 0.205である合金は、８〜１２μｍ大
気窓中における７７゜Ｋ検出器動作のために必要なバン
ドギャップをもつ（例えばＳemiconductors and Ｓemim
etals, Ｗillardson ＆ Ｂeer，Ｅd,Ｖol．１８，
“Ｍercury Ｃadmium Ｔelluride”，Ａcademic Ｐr
ess（1981）を参照。しかしながらＨg を多量に含むＨg
Ｃd Ｔe 合金は、多数の冶金学的でかつ装置に関連し
た問題点をもち、そのため、達成することが不可能でな
い場合には、これらの物質からなる満足な８〜１２μｍ
画像形成用アレイの利用を困難なものにしている。これ
らの問題点のいくつかを挙げると、以下の通りである。
1）Ｈg Ｃd Ｔe は機械的にもろい。
2）ｐ-型のＨg Ｃd Ｔe 中のホール濃度は制御しにく
い。ｎ-型の“ドーピング”は代表的な場合焼なましし
ない注入ダメージ（un-annealed implantation dameg
e）によりつくられる。
い。ｎ-型の“ドーピング”は代表的な場合焼なましし
ない注入ダメージ（un-annealed implantation dameg
e）によりつくられる。
3）〜100 ℃以上では、Ｈg の外部拡散が問題となる
（ｎ-型物質がｐ-型に変換させられる）。このことは、
長期間安定性の問題を示唆し、Ｈg Ｃd Ｔe ウェファー
の高温デバイス処理の可能性を排除する。
（ｎ-型物質がｐ-型に変換させられる）。このことは、
長期間安定性の問題を示唆し、Ｈg Ｃd Ｔe ウェファー
の高温デバイス処理の可能性を排除する。
4）Ｈg1-xＣdxＴe のバンドギャップとそれに関連する
ＩＲ検出器の遮断波長は合金組成と共に急速に変わる。
その結果、検出器性能における大きな側面非均一性（貧
弱なデバイス収量）を避けるためには、その組成を全ウ
ェファーにわたって± 0.3％の範囲内に維持しなければ
ならない。
ＩＲ検出器の遮断波長は合金組成と共に急速に変わる。
その結果、検出器性能における大きな側面非均一性（貧
弱なデバイス収量）を避けるためには、その組成を全ウ
ェファーにわたって± 0.3％の範囲内に維持しなければ
ならない。
5）Ｈg に富む合金における極端に小さい電子有効質量
（ｍe*）は、伝導バンドから価電子バンドへのトンネル
現象を重要なものにする。これは、検出器を冷却するこ
とにより減少させることのできない実験的に観測される
ノイズ要素を生じさせる。その上、トンネル現象は、Ｒ
▼-1 ０▲≡（ dＩ／ dＶ）｜ｖ＝０で定義されるゼロバ
イアス（Ｒ０におけるホトダイオード動作抵抗を減少さ
せる。このことは、電荷結合デバイス／（ＣＣＤ）の読
み出しが一定の最小Ｒ０を必要とするため、電荷結合デ
バイスの読み出しを利用する８〜１２μｍ検出器アレイ
の場合に、それがうまく動作することの妨げとなる。
（ｍe*）は、伝導バンドから価電子バンドへのトンネル
現象を重要なものにする。これは、検出器を冷却するこ
とにより減少させることのできない実験的に観測される
ノイズ要素を生じさせる。その上、トンネル現象は、Ｒ
▼-1 ０▲≡（ dＩ／ dＶ）｜ｖ＝０で定義されるゼロバ
イアス（Ｒ０におけるホトダイオード動作抵抗を減少さ
せる。このことは、電荷結合デバイス／（ＣＣＤ）の読
み出しが一定の最小Ｒ０を必要とするため、電荷結合デ
バイスの読み出しを利用する８〜１２μｍ検出器アレイ
の場合に、それがうまく動作することの妨げとなる。
したがって本発明の目的は、これまでデバイスに用いら
れた特殊な半導体物質を用いると利用できなかった新し
い波長領域（例えば８〜１２μｍ）において動作しうる
新しい電気光学デバイスを提供することである。
れた特殊な半導体物質を用いると利用できなかった新し
い波長領域（例えば８〜１２μｍ）において動作しうる
新しい電気光学デバイスを提供することである。
本発明のもう一つの目的は、Ｈg Ｃd Ｔe デバイスに対
して前述した問題点を含め、先行技術の問題点を解消又
は改善するような新しいデバイスを提供することであ
る。
して前述した問題点を含め、先行技術の問題点を解消又
は改善するような新しいデバイスを提供することであ
る。
本発明の別な目的は、歪層超格子（strainedlayer sup
erlattice ：ＳＬＳ）の効果に基づきこれらの効果を達
成することである。
erlattice ：ＳＬＳ）の効果に基づきこれらの効果を達
成することである。
本明細書と特許請求の範囲を更に調べると、当該技術分
野の当業者には、本発明の別な目的と長所が明らかなも
のとなろう。
野の当業者には、本発明の別な目的と長所が明らかなも
のとなろう。
本発明は、冷却時に８〜１２μｍの波長の電磁波放射に
対して真性に応答するｐ-ｎ接合からなりかつ本質的に
第III-Ｖ族の半導体物質からなる真性半導体電気光学デ
バイスであって：該反射反応性ｐ-ｎ接合は２つの異な
る第III-Ｖ族の半導体からなる交互層を有する歪層超格
子（ＳＬＳ）からなり；該２つの半導体のバルク形態時
における格子定数は不整合であり、これにより全体の歪
みがＳＬＳ構造中における交互半導体層の各対の上にか
けられ、該対の各層の上に作用する全体の歪みの割合は
該対の各層の層厚の比に反比例し；該第III-Ｖ族の交互
半導体層の第１のセットはＩn Ａs1-xＳbx（式中ｘは約
0.5 〜 0.7である）であり、また該交互層の第２のセッ
トは第１のセット中の層の格子定数よりも大きい格子定
数をもつIII-Ｖ族の半導体からなり；格子定数の不整合
と該層厚比とに基因する歪みは第III-Ｖ族の層からなる
第１のセットのバンドギャップを狭めるのに効果的であ
り、これにより該層の冷却時における固有放射吸収特性
を、冷却されバルク形態にある時に該個々の層が応答す
る波長よりも長い８〜１２μｍ領域の波長を含むように
変えることを特徴とする半導体電気光学デバイスを提供
することにより、上記の目的を達成したのである。
対して真性に応答するｐ-ｎ接合からなりかつ本質的に
第III-Ｖ族の半導体物質からなる真性半導体電気光学デ
バイスであって：該反射反応性ｐ-ｎ接合は２つの異な
る第III-Ｖ族の半導体からなる交互層を有する歪層超格
子（ＳＬＳ）からなり；該２つの半導体のバルク形態時
における格子定数は不整合であり、これにより全体の歪
みがＳＬＳ構造中における交互半導体層の各対の上にか
けられ、該対の各層の上に作用する全体の歪みの割合は
該対の各層の層厚の比に反比例し；該第III-Ｖ族の交互
半導体層の第１のセットはＩn Ａs1-xＳbx（式中ｘは約
0.5 〜 0.7である）であり、また該交互層の第２のセッ
トは第１のセット中の層の格子定数よりも大きい格子定
数をもつIII-Ｖ族の半導体からなり；格子定数の不整合
と該層厚比とに基因する歪みは第III-Ｖ族の層からなる
第１のセットのバンドギャップを狭めるのに効果的であ
り、これにより該層の冷却時における固有放射吸収特性
を、冷却されバルク形態にある時に該個々の層が応答す
る波長よりも長い８〜１２μｍ領域の波長を含むように
変えることを特徴とする半導体電気光学デバイスを提供
することにより、上記の目的を達成したのである。
本発明は、添付の図面を参照することにより更によく理
解できるものとなろうが、それと共に本発明の他の目
的，特徴及び付随する利点についても更に十分明らかな
ものになろう。
解できるものとなろうが、それと共に本発明の他の目
的，特徴及び付随する利点についても更に十分明らかな
ものになろう。
ＳＬＳシステムは、少なくとも２つの異なった半導体物
質からなる薄層の連続であり、それらの半導体物質はバ
ルク形態において互いに異なる格子定数をもつ。ＳＬＳ
システムにおけるこの格子不整合（lattice mismatch）
の効果は、２つの隣接した格子を、強制された配列によ
りもたらされる歪みの下に、配列させることである。最
大の不整合度（格子定数が約７〜８％異なる）と適当に
薄い層厚（例えば一般に約500 Å以下）を満足させるよ
うな条件のごときよく知られた条件下で、層／層の格子
欠陥、例えば不整転位（misfit dislocation）は、エネ
ルギー的に不適当なものとして抑制される。その上、そ
の構造は下に存在する層例えばグレード層（graded lay
ers）からの転位伝播に対するバリアーとして作用す
る。その結果、各層には極めて高い結晶格子完全性が得
られる。もしそうでなければ可能となるであろう以上に
全体にわたって、２つの隣接層はバルク形態になる。そ
のため、異なった格子定数をもつ隣接層を成長させるこ
とが望まれる場合には、しばしばＳＬＳ構造が採用され
る。本明細書では、“ＳＬＳ”という語は、既に述べた
ような不整転位を避け及び／又は最小にするために必要
な層特性をもつ構造のことを意味する。
質からなる薄層の連続であり、それらの半導体物質はバ
ルク形態において互いに異なる格子定数をもつ。ＳＬＳ
システムにおけるこの格子不整合（lattice mismatch）
の効果は、２つの隣接した格子を、強制された配列によ
りもたらされる歪みの下に、配列させることである。最
大の不整合度（格子定数が約７〜８％異なる）と適当に
薄い層厚（例えば一般に約500 Å以下）を満足させるよ
うな条件のごときよく知られた条件下で、層／層の格子
欠陥、例えば不整転位（misfit dislocation）は、エネ
ルギー的に不適当なものとして抑制される。その上、そ
の構造は下に存在する層例えばグレード層（graded lay
ers）からの転位伝播に対するバリアーとして作用す
る。その結果、各層には極めて高い結晶格子完全性が得
られる。もしそうでなければ可能となるであろう以上に
全体にわたって、２つの隣接層はバルク形態になる。そ
のため、異なった格子定数をもつ隣接層を成長させるこ
とが望まれる場合には、しばしばＳＬＳ構造が採用され
る。本明細書では、“ＳＬＳ”という語は、既に述べた
ような不整転位を避け及び／又は最小にするために必要
な層特性をもつ構造のことを意味する。
ＳＬＳ系中における固有の歪みは、不都合な格子欠陥を
抑制するのに必要ではあるが、また系の他の特性を乱
す。例えば、この歪みは各層の有効なバンドギャップに
変化をおこさせるということが知られている。すなわち
ある層の隣接層に対する影響は、バンドギャップの増加
をまねき、一方、第１の層に対する隣接層の効果は、そ
のバンドギャップの減少をもたらす。従来技術による適
用では、その効果は不可避な特性であった。半導体物質
がバルク形態時には応答しないような波長に対してその
半導体物質を応答させるようにする電気光学デバイスに
おいては、これらの効果が有利なものになりうるという
ことが今回見い出された。
抑制するのに必要ではあるが、また系の他の特性を乱
す。例えば、この歪みは各層の有効なバンドギャップに
変化をおこさせるということが知られている。すなわち
ある層の隣接層に対する影響は、バンドギャップの増加
をまねき、一方、第１の層に対する隣接層の効果は、そ
のバンドギャップの減少をもたらす。従来技術による適
用では、その効果は不可避な特性であった。半導体物質
がバルク形態時には応答しないような波長に対してその
半導体物質を応答させるようにする電気光学デバイスに
おいては、これらの効果が有利なものになりうるという
ことが今回見い出された。
普通、第の第III-Ｖ族の半導体合金は、高いＳ／Ｎ比の
ために必要な７７゜Ｋのような低温では、重要な８〜１
２μｍの波長領域内で動作させることができない。例え
ば、第１図には、λｃ（μｍ）、すなわち７７゜Ｋにお
けるバルクＩn Ａs1-xＳｂｘの遮断波長λc≡1.24／Ｅg
（式中Ｅg はバンドギャップ）のｘに対する依存性が
示されている。明らかに、ｘが約 0.61の場合に、最大
の応答波長は 9.0μｍよりも少し長くなるが、１２μｍ
までの目的とする用途のためには不十分である。
ために必要な７７゜Ｋのような低温では、重要な８〜１
２μｍの波長領域内で動作させることができない。例え
ば、第１図には、λｃ（μｍ）、すなわち７７゜Ｋにお
けるバルクＩn Ａs1-xＳｂｘの遮断波長λc≡1.24／Ｅg
（式中Ｅg はバンドギャップ）のｘに対する依存性が
示されている。明らかに、ｘが約 0.61の場合に、最大
の応答波長は 9.0μｍよりも少し長くなるが、１２μｍ
までの目的とする用途のためには不十分である。
ＳＬＳ中に組合された２つの異なったＩn Ａs Ｓb 合金
からなる交互層を用いると、ＳＬＳの全体の応答波長
は、所望どおりに一層長い波長に拡がる。これは、１つ
の合金に対する不整合による歪みがそのバンドギャップ
を減少させるように、２つの合金を適当に選択すること
によって達成される。そしてその結果、そのＳＬＳはよ
り狭いギャップに対応する一層長い波長の放射の真性検
出器として用いられる。一般に、ある層とより大きな格
子定数をもつもう１つの層との不整合は、第１の層の通
常の格子配置を界面に平行な面で引伸ばす傾向があり、
その結果バンドギャップの減少をまねく。当該層よりも
小さい格子定数をもつ層との不整合は、界面に平行な面
で圧迫効果を生じ、バンドギャップを増加させ、その結
果遮断波長を減少させる。これらの効果はそれ自体公知
であり、バンドギャップ変化の大きさは不整合度の関数
として表わされる。このため、従来の知識を用いると、
バンドギャップを所望程度変化させるのに必要な不整合
度は、容易にかつ確実に計算できる。正確な不整合度と
バンドギャップの変化は、最初に行なわれた概算に基づ
いた従来からの実験的な手順に従って定型的に決定する
ことができる。
からなる交互層を用いると、ＳＬＳの全体の応答波長
は、所望どおりに一層長い波長に拡がる。これは、１つ
の合金に対する不整合による歪みがそのバンドギャップ
を減少させるように、２つの合金を適当に選択すること
によって達成される。そしてその結果、そのＳＬＳはよ
り狭いギャップに対応する一層長い波長の放射の真性検
出器として用いられる。一般に、ある層とより大きな格
子定数をもつもう１つの層との不整合は、第１の層の通
常の格子配置を界面に平行な面で引伸ばす傾向があり、
その結果バンドギャップの減少をまねく。当該層よりも
小さい格子定数をもつ層との不整合は、界面に平行な面
で圧迫効果を生じ、バンドギャップを増加させ、その結
果遮断波長を減少させる。これらの効果はそれ自体公知
であり、バンドギャップ変化の大きさは不整合度の関数
として表わされる。このため、従来の知識を用いると、
バンドギャップを所望程度変化させるのに必要な不整合
度は、容易にかつ確実に計算できる。正確な不整合度と
バンドギャップの変化は、最初に行なわれた概算に基づ
いた従来からの実験的な手順に従って定型的に決定する
ことができる。
一般に、所定の格子不整合のための第III-Ｖ族の直接ギ
ャップ化合物半導体の範囲内では、バンドギャップ変化
は前メンバーに対してほぼ同じである。そのため、応答
における最大の相対的変化はバルク時に比較的小さいバ
ンドギャップをもつ半導体物質の場合におこる。中でも
Ｉn Ａs Ｓb 系が好ましいのは、このためである。それ
はバルク時に比較的小さなバンドギャップをもつ第III-
Ｖ族の物質である。しかし当然のことながら、本発明は
バルク時に比較的大きなバンドギャップをもつ物質に対
してもやはり適用できる。
ャップ化合物半導体の範囲内では、バンドギャップ変化
は前メンバーに対してほぼ同じである。そのため、応答
における最大の相対的変化はバルク時に比較的小さいバ
ンドギャップをもつ半導体物質の場合におこる。中でも
Ｉn Ａs Ｓb 系が好ましいのは、このためである。それ
はバルク時に比較的小さなバンドギャップをもつ第III-
Ｖ族の物質である。しかし当然のことながら、本発明は
バルク時に比較的大きなバンドギャップをもつ物質に対
してもやはり適用できる。
次に考慮すべき点は、効果的なＳＬＳの得られる範囲内
で許容される不整合度に対する本質的な制約である。普
通、格子定数では７〜８％以上も異なる不整合において
は、許容できない結晶欠陥、例えば層間を横断する転位
が大きな歪みのために起る。不整合度は有効なＳＬＳ系
を得るのに十分なだけ小さくなければならない。
で許容される不整合度に対する本質的な制約である。普
通、格子定数では７〜８％以上も異なる不整合において
は、許容できない結晶欠陥、例えば層間を横断する転位
が大きな歪みのために起る。不整合度は有効なＳＬＳ系
を得るのに十分なだけ小さくなければならない。
所望とするバンドギャップ変化ΔＥg を与えるのに必要
な格子不整合の大きさを決めた後には、層厚の比につい
ても考える必要がある。勿論、格子不整合の効果は、含
まれる２つの層の各々に歪みを起すことであり、一方に
はギャップを狭めるようにまた他方にはギャップを広げ
るように作用する。これらの個々の効果を程度は、よく
知られた関数依存性に従って、２つの層厚の比と２つの
層の弾性定数により決定される（例えば、Ｏsbourn，
Ｊ．Ｖac．Ｔechnol．Ｂl (2)，Ａpril-Ｊune 1983を参
照）。したがって層厚比が 1／1 で、弾性定数が本質的
に等しい物質の場合には、格子定数の不整合による等し
い歪みが２つの層の各々に作用することになる。層厚比
が 2／1 の場合には、薄い方の層が厚い方の層の約２倍
の歪みをもつことになる。すなわち層厚比は、所望とす
るΔＥg を達成する上で適切な歪みレベルを得るための
もう１つの自由度を与えるデザインパラメーターとな
る。不整合それ自体と共に、その層厚比はデバイスデザ
インを微調整するのを容易にする。代表的な場合、層厚
比は10／1 〜 1／10の範囲内である。
な格子不整合の大きさを決めた後には、層厚の比につい
ても考える必要がある。勿論、格子不整合の効果は、含
まれる２つの層の各々に歪みを起すことであり、一方に
はギャップを狭めるようにまた他方にはギャップを広げ
るように作用する。これらの個々の効果を程度は、よく
知られた関数依存性に従って、２つの層厚の比と２つの
層の弾性定数により決定される（例えば、Ｏsbourn，
Ｊ．Ｖac．Ｔechnol．Ｂl (2)，Ａpril-Ｊune 1983を参
照）。したがって層厚比が 1／1 で、弾性定数が本質的
に等しい物質の場合には、格子定数の不整合による等し
い歪みが２つの層の各々に作用することになる。層厚比
が 2／1 の場合には、薄い方の層が厚い方の層の約２倍
の歪みをもつことになる。すなわち層厚比は、所望とす
るΔＥg を達成する上で適切な歪みレベルを得るための
もう１つの自由度を与えるデザインパラメーターとな
る。不整合それ自体と共に、その層厚比はデバイスデザ
インを微調整するのを容易にする。代表的な場合、層厚
比は10／1 〜 1／10の範囲内である。
格子定数不整合と層厚比が選ばれたら、又はこのましく
はこれら２つの組合せが選ばれたら、実際の層厚は、本
明細書中に記載した指針および慣的な考え方を用いて再
度選択される。ＳＬＳの効果だけから見ると、ひき起こ
される歪みが不整転位を抑制するのに十分な程に層が薄
いということのみが必要である。代表的な場合、層厚は
３０〜500 Å又は５０〜500Åの範囲である。そしてそ
の下限の数値は主として成長技術により決定される。
はこれら２つの組合せが選ばれたら、実際の層厚は、本
明細書中に記載した指針および慣的な考え方を用いて再
度選択される。ＳＬＳの効果だけから見ると、ひき起こ
される歪みが不整転位を抑制するのに十分な程に層が薄
いということのみが必要である。代表的な場合、層厚は
３０〜500 Å又は５０〜500Åの範囲である。そしてそ
の下限の数値は主として成長技術により決定される。
しかしながらＳＬＳ効果は唯一の検討課題ではない。Ｓ
ＬＳ中の層厚が小さい場合には、ある種の量子力学的効
果が起るということは知られている（例えば、前記した
Ｏsbournの文献を参照）。実際、非常に好都合な光起電
力装置がＳＬＳ構造およびこの量子効果をベースとして
提案された（例えば1983年７月８日出願の米国特許出願
第512059号を参照）。量子力学的現象についての完全な
説明は上記の参考文献中に記載されているので、ここで
は問題を明確化するため、その効果の概要を述べるに留
める。
ＬＳ中の層厚が小さい場合には、ある種の量子力学的効
果が起るということは知られている（例えば、前記した
Ｏsbournの文献を参照）。実際、非常に好都合な光起電
力装置がＳＬＳ構造およびこの量子効果をベースとして
提案された（例えば1983年７月８日出願の米国特許出願
第512059号を参照）。量子力学的現象についての完全な
説明は上記の参考文献中に記載されているので、ここで
は問題を明確化するため、その効果の概要を述べるに留
める。
本質的には、異なった半導体物質からなる交互層は、不
整合による歪みの効果以上に、バンドギャップエネルギ
ー準位の量子力学的な摂動をひき起す。その結果、全体
の構造は、この量子力学的効果がより効果的である時に
大きくなる有効バンドギャップをもつことになる。これ
は、低い方のバンドギャップの交互層を取り囲む高い方
のバンドギャップの交互物質により形成される高電位バ
リアーによりもたらされるものとして特徴づけられてき
た量子井戸の形成に起因する。
整合による歪みの効果以上に、バンドギャップエネルギ
ー準位の量子力学的な摂動をひき起す。その結果、全体
の構造は、この量子力学的効果がより効果的である時に
大きくなる有効バンドギャップをもつことになる。これ
は、低い方のバンドギャップの交互層を取り囲む高い方
のバンドギャップの交互物質により形成される高電位バ
リアーによりもたらされるものとして特徴づけられてき
た量子井戸の形成に起因する。
明らかにわかるように、適当な環境の下では、量子井戸
効果は不整合歪みに基づく所望の効果に対抗することが
可能である。例えば、前記した第III-Ｖ族の系では、よ
り長い波長に応答性を与えるために、最低のバルク・バ
ンドギャップをもつ物質のバンドギャップを狭めること
が望まれる。前記したＳＬＳは低いバンドギャップの物
質と高いバンドギャップの物質からなる一連の層を交互
にもつ。不整合歪みの正味の効果は、最低物質のバンド
ギャップを更に低下させることである。しかしながら既
に説明したように、量子力学的効果は有効なＳＬＳバン
ドギャップを増加させる。
効果は不整合歪みに基づく所望の効果に対抗することが
可能である。例えば、前記した第III-Ｖ族の系では、よ
り長い波長に応答性を与えるために、最低のバルク・バ
ンドギャップをもつ物質のバンドギャップを狭めること
が望まれる。前記したＳＬＳは低いバンドギャップの物
質と高いバンドギャップの物質からなる一連の層を交互
にもつ。不整合歪みの正味の効果は、最低物質のバンド
ギャップを更に低下させることである。しかしながら既
に説明したように、量子力学的効果は有効なＳＬＳバン
ドギャップを増加させる。
好都合なことに、ＳＬＳ層の絶対的な層厚を適当に選ぶ
と、不整合効果が大いに優勢となる程度にまで、量子井
戸効果を抑制することができる。この点に関しては、前
記した米国特許出願第512059号（特に第１図）に十分説
明されている。「量子井戸層」すなわち低い方のバンド
ギャップの層の厚さを増加するにつれて、量子井戸エネ
ルギーが急激に減少する。すなわちその系はバルク状態
に一層接近し、量子井戸の最低準位のみが占有されるこ
とになる。好都合なことに量子井戸効果を最小にする厚
さは、ＳＬＳ効果が依然として作用することのできる範
囲内、例えば約100 Å以上又は200 Å以上である。
と、不整合効果が大いに優勢となる程度にまで、量子井
戸効果を抑制することができる。この点に関しては、前
記した米国特許出願第512059号（特に第１図）に十分説
明されている。「量子井戸層」すなわち低い方のバンド
ギャップの層の厚さを増加するにつれて、量子井戸エネ
ルギーが急激に減少する。すなわちその系はバルク状態
に一層接近し、量子井戸の最低準位のみが占有されるこ
とになる。好都合なことに量子井戸効果を最小にする厚
さは、ＳＬＳ効果が依然として作用することのできる範
囲内、例えば約100 Å以上又は200 Å以上である。
したがって、量子井戸効果が不整合に基因する歪みを用
いて得られる効果に対抗する場合には、膜厚はそうでな
い場合の層厚よりも幾分長くなる。一般に、量子井戸効
果を最小にしようとする場合には、依然としてＳＬＳ系
の達成と適合するような最高の厚さが採用される。すな
わちそれは所定の組成物に対して所定の歪みで採用でき
る最大の厚さである。
いて得られる効果に対抗する場合には、膜厚はそうでな
い場合の層厚よりも幾分長くなる。一般に、量子井戸効
果を最小にしようとする場合には、依然としてＳＬＳ系
の達成と適合するような最高の厚さが採用される。すな
わちそれは所定の組成物に対して所定の歪みで採用でき
る最大の厚さである。
明らかにわかるように、デバイスについての基礎的な発
明概念がここで述べた説明や容易に入手できる通常の知
識により明らかなものとなると、不整合に基因する歪
み、層厚比、層厚それ自体、所望の格子定数に対応する
半導体組成物等についての詳細が容易に計算されて決定
され、これによって、バルク時における個々の半導体物
質の各々の応答とは異なった応答をもつ系を与えること
ができる。これらの演繹的な計算は非常に信頼性の高い
目安を与えるので、所定の場合におけるデバイスの構造
の詳細を決定し最適なものにするためには、定型的な通
常のパラメーター実験（例えば従来の半導体測定系を用
いるもの）のみを実施すればよい。上記の計算を行なう
ための関数依存性と基礎データはよく知られており、そ
れらは本発明に対して慣用的に適用できる。例えば、Ｏ
sbourn，Ｊ．Ｖac．ＳCi．Ｔechnol．Ｂl (2)，Ａpril-
Ｊune 1983，p.379 ；Ｇourley等、同上、p.383 ；Ｓem
iconductors and Ｓemimetals,Ｗillardson等、Ｖol．
４，“Ｐysics of III-Ｖ Ｃompounds，”Ａcademic
Ｐress（1968），全頁、特に 327-330 ；Ｒ．Ｄingle，
Ｃrit．Ｒev．Ｓolid Ｓtate Ｓci.,Ｖol．５，p.585
（1975）；Ｌ．Ｅsaki等、Ｃrit.Ｒev．Ｓolid Ｓtat
e，Ｖol．６（1976）；Ｍ．Ｂ．Ｐanish ，Ｓcience，
Ｖol． 208，p.916 （1980）；Ａ．Ｍadhukar ，Ｊ．Ｖ
ac．Ｓci．Ｔechnol.,Ｖol．２０，p.419 （1982）；
Ｇ．Ｃ．Ｏsborn Ｊ．Ａppl.Ｐhys.，Ｖol．５３，p.1
586（1982）；Ｇ．Ｃ．Ｏsbourn等、Ａppl.Ｐhys.Ｌet
t.，Ｖol．４１，p.172 （1982）；Ｊ．Ｗ．ＭatthewＳ
等、Ｊ．Ｃryst．Ｇrowth ，Ｖol．２７，p.118 （197
4）；Ｊ．Ｗ．Ｍatthews 等、同上、Ｖol．２９，p.273
（1975）；Ｊ．Ｗ．Ｍatthews 等、同上、Ｖol．３
２，p.265 （1976）；Ｇ．Ｃ．Ｏsbourn，Ｊ．Ｖac．Ｓ
ci．Ｔechnol.,Ｖol．２１，p.469 （1982）；Ｒ．Ｄin
gle 等、Ｐhys ．Ｒev．Ｌett.，Ｖol．３３，p.827
（1974）；Ｓ．Ｒ．Ｗhite等、Ｐhys ．Ｒev．Ｌett.，
Ｖol．４７，p.879 （1981）；Ｇ．Ｂastard，Ｐhys ．
Ｒev.,Ｖol．Ｂ２５，p.7584（1982）；Ｉ．Ｊ．Ｆritz
等、Ｓolid Ｓtate Ｃommun.，Ｖol．４５，p.323
（1983）；Ｉ．Ｊ．Ｆritz等、“Ｐroceedings of 1982
Ｉnt．Ｓymposium on Ｇa Ａs and Ｒelated Ｃompo
unds”，（Ｉnstitute of Ｐhysics，Ｂerkshire，19
83），p.241 ；and Ｇ．Ｈ．Ｄohler ，Ｊr ．Ｖac．Ｓ
ci．Ｔechnol.,Ｖol．１６，p.851 （1979）等の参照の
こと。
明概念がここで述べた説明や容易に入手できる通常の知
識により明らかなものとなると、不整合に基因する歪
み、層厚比、層厚それ自体、所望の格子定数に対応する
半導体組成物等についての詳細が容易に計算されて決定
され、これによって、バルク時における個々の半導体物
質の各々の応答とは異なった応答をもつ系を与えること
ができる。これらの演繹的な計算は非常に信頼性の高い
目安を与えるので、所定の場合におけるデバイスの構造
の詳細を決定し最適なものにするためには、定型的な通
常のパラメーター実験（例えば従来の半導体測定系を用
いるもの）のみを実施すればよい。上記の計算を行なう
ための関数依存性と基礎データはよく知られており、そ
れらは本発明に対して慣用的に適用できる。例えば、Ｏ
sbourn，Ｊ．Ｖac．ＳCi．Ｔechnol．Ｂl (2)，Ａpril-
Ｊune 1983，p.379 ；Ｇourley等、同上、p.383 ；Ｓem
iconductors and Ｓemimetals,Ｗillardson等、Ｖol．
４，“Ｐysics of III-Ｖ Ｃompounds，”Ａcademic
Ｐress（1968），全頁、特に 327-330 ；Ｒ．Ｄingle，
Ｃrit．Ｒev．Ｓolid Ｓtate Ｓci.,Ｖol．５，p.585
（1975）；Ｌ．Ｅsaki等、Ｃrit.Ｒev．Ｓolid Ｓtat
e，Ｖol．６（1976）；Ｍ．Ｂ．Ｐanish ，Ｓcience，
Ｖol． 208，p.916 （1980）；Ａ．Ｍadhukar ，Ｊ．Ｖ
ac．Ｓci．Ｔechnol.,Ｖol．２０，p.419 （1982）；
Ｇ．Ｃ．Ｏsborn Ｊ．Ａppl.Ｐhys.，Ｖol．５３，p.1
586（1982）；Ｇ．Ｃ．Ｏsbourn等、Ａppl.Ｐhys.Ｌet
t.，Ｖol．４１，p.172 （1982）；Ｊ．Ｗ．ＭatthewＳ
等、Ｊ．Ｃryst．Ｇrowth ，Ｖol．２７，p.118 （197
4）；Ｊ．Ｗ．Ｍatthews 等、同上、Ｖol．２９，p.273
（1975）；Ｊ．Ｗ．Ｍatthews 等、同上、Ｖol．３
２，p.265 （1976）；Ｇ．Ｃ．Ｏsbourn，Ｊ．Ｖac．Ｓ
ci．Ｔechnol.,Ｖol．２１，p.469 （1982）；Ｒ．Ｄin
gle 等、Ｐhys ．Ｒev．Ｌett.，Ｖol．３３，p.827
（1974）；Ｓ．Ｒ．Ｗhite等、Ｐhys ．Ｒev．Ｌett.，
Ｖol．４７，p.879 （1981）；Ｇ．Ｂastard，Ｐhys ．
Ｒev.,Ｖol．Ｂ２５，p.7584（1982）；Ｉ．Ｊ．Ｆritz
等、Ｓolid Ｓtate Ｃommun.，Ｖol．４５，p.323
（1983）；Ｉ．Ｊ．Ｆritz等、“Ｐroceedings of 1982
Ｉnt．Ｓymposium on Ｇa Ａs and Ｒelated Ｃompo
unds”，（Ｉnstitute of Ｐhysics，Ｂerkshire，19
83），p.241 ；and Ｇ．Ｈ．Ｄohler ，Ｊr ．Ｖac．Ｓ
ci．Ｔechnol.,Ｖol．１６，p.851 （1979）等の参照の
こと。
第１の主層と共に用いられる第２の層は、一般に決定的
因子ではない。主要な要求は必要な不整合歪みを与える
のに必要な格子定数を第２の層がもつことと、第２の層
が主層と共に必要な厚さに成長した時にＳＬＳ構造を与
えることである。例えば、後述するように、第２の層と
第１の層の両方がＩn Ａs Ｓb 系からつくられる。しか
しながら必要な格子パラメーターをもつ他の半導体層も
存在する。それらの大部分は第III-Ｖ族のものである。
因子ではない。主要な要求は必要な不整合歪みを与える
のに必要な格子定数を第２の層がもつことと、第２の層
が主層と共に必要な厚さに成長した時にＳＬＳ構造を与
えることである。例えば、後述するように、第２の層と
第１の層の両方がＩn Ａs Ｓb 系からつくられる。しか
しながら必要な格子パラメーターをもつ他の半導体層も
存在する。それらの大部分は第III-Ｖ族のものである。
既に説明したことから、ＳＬＳ中における両方の層はバ
ンドギャップエネルギーを変化させるということがわか
る。その系は、層の１つのセットに対する所定の変化を
主として考慮して設計される。大部分の環境下では、層
の他のセットにおける変化は意図するデバイスの動作と
十分に適合し、そこには如何なる支障も存在しない。例
えば、より長い遮断波長が要求される第III-Ｖ族の系の
場合、交互層の第２のセットが遮断波長を減少させうる
ということは重大ではない。なぜならば全体の系がより
長い波長で応答し、そのことが主要な目的となるためで
ある。しかしながらその２つの効果が逆効果を生じうる
ような状態下では、前記した層厚比のパラメーターは、
所望とする効果の大きさを最大にし、かつ所望としない
効果の大きさを最小にするのに用いることができる。
ンドギャップエネルギーを変化させるということがわか
る。その系は、層の１つのセットに対する所定の変化を
主として考慮して設計される。大部分の環境下では、層
の他のセットにおける変化は意図するデバイスの動作と
十分に適合し、そこには如何なる支障も存在しない。例
えば、より長い遮断波長が要求される第III-Ｖ族の系の
場合、交互層の第２のセットが遮断波長を減少させうる
ということは重大ではない。なぜならば全体の系がより
長い波長で応答し、そのことが主要な目的となるためで
ある。しかしながらその２つの効果が逆効果を生じうる
ような状態下では、前記した層厚比のパラメーターは、
所望とする効果の大きさを最大にし、かつ所望としない
効果の大きさを最小にするのに用いることができる。
デバイスの製造は、全く定型的，一般的なものであり、
その詳細は本明細書中に記載されている。半導体層を必
要な厚さに成長させるためには、如何なる従来法も用い
ることができる。エピタキシアル法を用いることができ
るが、最も好ましいのは分子ビームエピタキシ法である
（例えば、前記の米国特許出願第512059号を参照）。
その詳細は本明細書中に記載されている。半導体層を必
要な厚さに成長させるためには、如何なる従来法も用い
ることができる。エピタキシアル法を用いることができ
るが、最も好ましいのは分子ビームエピタキシ法である
（例えば、前記の米国特許出願第512059号を参照）。
一般に、本発明のデバイスの寸法とＳＬＳ構造に用いら
れる層の数は、予想される入射強度を主として考えると
共に、入射する全ての電磁波を吸収することのできるデ
バイスをもち、それによりデバイスの感度を上げたいと
する要求を考えた上で、慣用的に決定される。
れる層の数は、予想される入射強度を主として考えると
共に、入射する全ての電磁波を吸収することのできるデ
バイスをもち、それによりデバイスの感度を上げたいと
する要求を考えた上で、慣用的に決定される。
既に述べたように、その望ましい特性のため、本発明の
デバイスは好ましくは第III-Ｖ族の半導体物質からな
る。更に好ましくは、比較的低いバンドギャップの物質
が用いられる。それは、遮断波長を増加させる効果が比
較的大きいためである。この点に関しては、Ｉn Ｇa Ａ
s Ｓb が好ましい。最も好ましいＩn Ａs Ｓb である。
これらの系では、バンドギャップが比較的小さい（例え
ば例 0.1〜 0.2 eＶ）ために、４０〜５０％のバンドギ
ャップのサイズ変化が達成される。第２図は、Ｉn Ａs
0.39Ｓb0.61／Ｉn Ａs1-xＳbxのＳＬＳ中における歪み
のあるバルクＩn Ａs0.39Ｓb0.61層をベースとした系に
対して７７゜Ｋで達成しうる遮断波長を、ｘ＞ 0.61 に
ついて示したものである。ｘ＝ 0.61 の値はこの組成物
が第１図中に示される最低のバルクバンドギャップをも
つという事実に基づいている。したがって、１２μｍの
応答を達成するためには、第１図に示した他の組成物の
場合よりも小さい歪みが必要である。
デバイスは好ましくは第III-Ｖ族の半導体物質からな
る。更に好ましくは、比較的低いバンドギャップの物質
が用いられる。それは、遮断波長を増加させる効果が比
較的大きいためである。この点に関しては、Ｉn Ｇa Ａ
s Ｓb が好ましい。最も好ましいＩn Ａs Ｓb である。
これらの系では、バンドギャップが比較的小さい（例え
ば例 0.1〜 0.2 eＶ）ために、４０〜５０％のバンドギ
ャップのサイズ変化が達成される。第２図は、Ｉn Ａs
0.39Ｓb0.61／Ｉn Ａs1-xＳbxのＳＬＳ中における歪み
のあるバルクＩn Ａs0.39Ｓb0.61層をベースとした系に
対して７７゜Ｋで達成しうる遮断波長を、ｘ＞ 0.61 に
ついて示したものである。ｘ＝ 0.61 の値はこの組成物
が第１図中に示される最低のバルクバンドギャップをも
つという事実に基づいている。したがって、１２μｍの
応答を達成するためには、第１図に示した他の組成物の
場合よりも小さい歪みが必要である。
第２図から明らかなように、ｘの値が約 0.73 の場合、
遮断波長は所望の通り１２μｍの値に達する。 0.73 ま
たはそれ以上の値では、Ｉn Ａs0.39Ｓb0.61層のバンド
ギャップは 0.1 eＶ以下の値に減少する。第２図は、ｘ
＝ .73 、すなわちλc＝１２μｍの場合に、２つのＳＬ
Ｓ層の格子不整合が 0.86 ％であるということをベース
としている。第２図中のデータは層厚比が 1.0の場合で
ある。先に述べた理由から量子井戸効果を最小にする必
要があるため、Ｉn Ａs0.27Ｓb0.73層の場合、実際の層
厚は 100〜300 Åである。また 1.0の層厚比を用いるこ
とが望まれるならば、Ｉn Ａs0.39Ｓb0.61の場合も実際
の層厚は同じ範囲である。１２μｍの検出器応答を得る
ために第２の層（ｘ＝ 0.73 ）によりもたらされるＩn
Ａs0.39Ｓb0.61層中の歪みの量は、Δα／α〜 0.4％で
ある。これは、前記した２つのＳＬＳ物質系中で実験的
に採用された歪みの範囲内に十分入る。例えば、Ｇ．
Ｃ．Ｏsbourn等、Ａppl ．Ｐhys ．Ｌett.，Ｖol．４
１，p.172 （1982）；及びＩ．Ｊ．Ｆritz等、“Ｇalli
um Ａrsenide and Ｒelated Ｃompounds”，1982，
Ｉnst ．Ｐhys ．Ｃonf ．Ｓer.,Ｖol．６５，p.241
（1983）を参照のこと。
遮断波長は所望の通り１２μｍの値に達する。 0.73 ま
たはそれ以上の値では、Ｉn Ａs0.39Ｓb0.61層のバンド
ギャップは 0.1 eＶ以下の値に減少する。第２図は、ｘ
＝ .73 、すなわちλc＝１２μｍの場合に、２つのＳＬ
Ｓ層の格子不整合が 0.86 ％であるということをベース
としている。第２図中のデータは層厚比が 1.0の場合で
ある。先に述べた理由から量子井戸効果を最小にする必
要があるため、Ｉn Ａs0.27Ｓb0.73層の場合、実際の層
厚は 100〜300 Åである。また 1.0の層厚比を用いるこ
とが望まれるならば、Ｉn Ａs0.39Ｓb0.61の場合も実際
の層厚は同じ範囲である。１２μｍの検出器応答を得る
ために第２の層（ｘ＝ 0.73 ）によりもたらされるＩn
Ａs0.39Ｓb0.61層中の歪みの量は、Δα／α〜 0.4％で
ある。これは、前記した２つのＳＬＳ物質系中で実験的
に採用された歪みの範囲内に十分入る。例えば、Ｇ．
Ｃ．Ｏsbourn等、Ａppl ．Ｐhys ．Ｌett.，Ｖol．４
１，p.172 （1982）；及びＩ．Ｊ．Ｆritz等、“Ｇalli
um Ａrsenide and Ｒelated Ｃompounds”，1982，
Ｉnst ．Ｐhys ．Ｃonf ．Ｓer.,Ｖol．６５，p.241
（1983）を参照のこと。
前記したことを目安として用いると、Ｉn Ｇa Ｓb 系の
場合においてもその詳細が同様に定型的に決定できる。
場合においてもその詳細が同様に定型的に決定できる。
本発明の新しいデバイスは、特定の物質を用いてこれま
で利用できなかった領域中で波長応答を与えるという基
本的特徴以外に、多くの点からみて利点をもつ。すなわ
ち、本発明の第III-Ｖ族Ｉn Ａs Ｓb のＳＬＳ物質は、
Ｉn Ａs Ｓb 合金のような物質の遮断波長を興味のある
領域にまで広げることに加えて、先に挙げたＨg Ｃd Ｔ
e の場合の種々な問題点を解消する。特に問題点 1）〜
3）は、第III-Ｖ族の物質を用いるため、簡単に回避さ
れる。また第２図に示すように、Ｉn Ａs Ｓb のＳＬＳ
における遮断波長が組成に対してゆっくりとしか依存し
ない（ dＥg ／dx＜４meＶ／％）ため、問題 4）は解消
される。またこのゆっくりとした依存性のため、容易に
達成されうる 1.5％という側面での組成変化は、Ｉn Ａ
s Ｓb のＳＬＳウェファーの断面に通じて許容できる。
問題点 5）は、超格子層に垂直な方向に沿って超格子キ
ャリアーの有効質量を増加させるというこれらのデバイ
スの固有能力に基づいて解決される。この増加が垂直方
向における通常の超格子移動機構に影響を与えるという
ことは一般に知られているが、最近、この増加は逆バイ
アスされた超格子ダイオード構造中では伝導バンドを価
電子バンドにトンネル化するということがわかった（例
えば、Ｄ．Ｌ．Ｓmith等、Ａppl ．Ｐhys ．Ｌett.，Ｖ
ol．４３，p.180 （1983）を参照）。この性質は、非常
に小さいバンドギャップを必要とするデバイス用途には
バルク物質よりもむしろ超格子物質を用いようとする強
い動機を与える。
で利用できなかった領域中で波長応答を与えるという基
本的特徴以外に、多くの点からみて利点をもつ。すなわ
ち、本発明の第III-Ｖ族Ｉn Ａs Ｓb のＳＬＳ物質は、
Ｉn Ａs Ｓb 合金のような物質の遮断波長を興味のある
領域にまで広げることに加えて、先に挙げたＨg Ｃd Ｔ
e の場合の種々な問題点を解消する。特に問題点 1）〜
3）は、第III-Ｖ族の物質を用いるため、簡単に回避さ
れる。また第２図に示すように、Ｉn Ａs Ｓb のＳＬＳ
における遮断波長が組成に対してゆっくりとしか依存し
ない（ dＥg ／dx＜４meＶ／％）ため、問題 4）は解消
される。またこのゆっくりとした依存性のため、容易に
達成されうる 1.5％という側面での組成変化は、Ｉn Ａ
s Ｓb のＳＬＳウェファーの断面に通じて許容できる。
問題点 5）は、超格子層に垂直な方向に沿って超格子キ
ャリアーの有効質量を増加させるというこれらのデバイ
スの固有能力に基づいて解決される。この増加が垂直方
向における通常の超格子移動機構に影響を与えるという
ことは一般に知られているが、最近、この増加は逆バイ
アスされた超格子ダイオード構造中では伝導バンドを価
電子バンドにトンネル化するということがわかった（例
えば、Ｄ．Ｌ．Ｓmith等、Ａppl ．Ｐhys ．Ｌett.，Ｖ
ol．４３，p.180 （1983）を参照）。この性質は、非常
に小さいバンドギャップを必要とするデバイス用途には
バルク物質よりもむしろ超格子物質を用いようとする強
い動機を与える。
本発明のデバイスは、例えばｐ-ｎ接合をベースとした
真性検出器のような従来技術のアナログデバイスが用い
られてきた全ての構成に用いられる。このような１つの
デバイスを第３図に示す。それはＩn Ｓb （例べばｐ-
型）のような通常の基板からなる。ＳＬＳ層の格子定数
が基板の格子定数とは十分に異なっており、許容できな
い格子欠陥が生じるという重大な見込みを生じさせる程
度であるような状態下では、ＳＬＳ構造それ自体とこの
基板との間に、第３図に示すように、グレード層を介在
させることが可能である。例えば、Ｉn Ａs0.39Ｓb0.61
／Ｉn Ａs0.27Ｓb0.73のＳＬＳの場合、好ましいグレー
ド層はＩn Ａs1-xＳbx（式中、代表的な場合ｘは、 1.0
〜 0.67 である）であり、第３図の配置ではｎ-型が用
いられる。ＳＬＳの格子定数が基板の格子定数とかなり
なく整合している場合には、通常のデバイスでよく知ら
れているように、グレード層は省略できる。勿論、ｎ-
ｎ-ｎ-ｐ構造は、多くの可能な配置の１つに過ぎない。
そしてこのことは同様に当業者にとってよく知られてい
る。
真性検出器のような従来技術のアナログデバイスが用い
られてきた全ての構成に用いられる。このような１つの
デバイスを第３図に示す。それはＩn Ｓb （例べばｐ-
型）のような通常の基板からなる。ＳＬＳ層の格子定数
が基板の格子定数とは十分に異なっており、許容できな
い格子欠陥が生じるという重大な見込みを生じさせる程
度であるような状態下では、ＳＬＳ構造それ自体とこの
基板との間に、第３図に示すように、グレード層を介在
させることが可能である。例えば、Ｉn Ａs0.39Ｓb0.61
／Ｉn Ａs0.27Ｓb0.73のＳＬＳの場合、好ましいグレー
ド層はＩn Ａs1-xＳbx（式中、代表的な場合ｘは、 1.0
〜 0.67 である）であり、第３図の配置ではｎ-型が用
いられる。ＳＬＳの格子定数が基板の格子定数とかなり
なく整合している場合には、通常のデバイスでよく知ら
れているように、グレード層は省略できる。勿論、ｎ-
ｎ-ｎ-ｐ構造は、多くの可能な配置の１つに過ぎない。
そしてこのことは同様に当業者にとってよく知られてい
る。
一般に、本発明のデバイスは、ノイズを低減することに
より最大のＳ／Ｎ比を付与するために、７７゜Ｋのよう
な低温で操作するようにつくられる。しかしながら、室
温で操作するデバイスも本発明の範囲内に十分に入る。
同様に、一定の用途のために好都合である場合には、本
発明のＳＬＳ系を２つ又はそれ以上使用してマルチ接合
デバイスをつくることも可能である。種々な接合の付加
的効果が望まれる場合には、中間的な短絡用相互連結と
して通常のトンネル接合が用いられる。しかしながら、
増加された応答範囲の比較的狭い部分を隔離することが
望まれる場合には、本発明の２つのＳＬＳ系を用いるこ
とも可能である。これは、本発明の２つのＳＬＳ系を積
み重ねることにより達成される。最上部の系が好ましく
ない放射を吸収し、所望の波長の放射のみがその下にあ
るＳＬＳに到達する。後者のＳＬＳのみが通常の電気的
接触を受ける。そのため、電流はその応答のみに比例す
ることになる。
より最大のＳ／Ｎ比を付与するために、７７゜Ｋのよう
な低温で操作するようにつくられる。しかしながら、室
温で操作するデバイスも本発明の範囲内に十分に入る。
同様に、一定の用途のために好都合である場合には、本
発明のＳＬＳ系を２つ又はそれ以上使用してマルチ接合
デバイスをつくることも可能である。種々な接合の付加
的効果が望まれる場合には、中間的な短絡用相互連結と
して通常のトンネル接合が用いられる。しかしながら、
増加された応答範囲の比較的狭い部分を隔離することが
望まれる場合には、本発明の２つのＳＬＳ系を用いるこ
とも可能である。これは、本発明の２つのＳＬＳ系を積
み重ねることにより達成される。最上部の系が好ましく
ない放射を吸収し、所望の波長の放射のみがその下にあ
るＳＬＳに到達する。後者のＳＬＳのみが通常の電気的
接触を受ける。そのため、電流はその応答のみに比例す
ることになる。
これまでの説明をもってすれば、当業者は本発明の本質
的な特徴を容易に理解することができ、また本発明の特
許請求の範囲から逸脱することなしに、本発明を種々な
用途や条件に適応して本発明に種々の変更や修正を加え
ることができる。
的な特徴を容易に理解することができ、また本発明の特
許請求の範囲から逸脱することなしに、本発明を種々な
用途や条件に適応して本発明に種々の変更や修正を加え
ることができる。
第１図は、７７゜ＫにおけるバルクＩn Ａs1-xＳbxの遮
断波長をｘの関係として示したグラフである。 第２図は、Ｉn Ａs0.39Ｓb0.61／Ｉn Ａs1-xＳbxＳＬＳ
中の歪みのあるバルクＩn Ａs0.39Ｓb0.61層の７７゜Ｋ
における遮断波長をｘ（＞ 0.61 ）の関数として示した
グラフである。 第３図は、本発明のデバイスの１つの構成を示す説明図
である。
断波長をｘの関係として示したグラフである。 第２図は、Ｉn Ａs0.39Ｓb0.61／Ｉn Ａs1-xＳbxＳＬＳ
中の歪みのあるバルクＩn Ａs0.39Ｓb0.61層の７７゜Ｋ
における遮断波長をｘ（＞ 0.61 ）の関数として示した
グラフである。 第３図は、本発明のデバイスの１つの構成を示す説明図
である。
Claims (11)
- 【請求項１】２つの異なる第III−Ｖ族の半導体からな
る交互層を有する歪層超格子（ＳＬＳ）からなり、前記
２つの半導体のバルク形態時における格子定数は不整合
であり、これにより前記交互層の各対の各層の上にかけ
られる全体の歪みの割合が前記対の各層の層厚の比に反
比例し、 前記交互層の第１のセットは ＩｎＡｓ1-x Ｓｂｘ（式中Ｘは0.5 〜 0.7である）であ
り、また前記交互層の第２のセットは前記第１のセット
中の層の格子定数よりも大きい格子定数をもつIII−Ｖ
族の半導体からなり、格子定数の不整合により前記交互
層の各対の各層に生じる歪みが前記第１のセットのバン
ドキャップを狭める ことを特徴とするｐ−ｎ接合を有する真性半導体電気光
学デバイス。 - 【請求項２】前記ｐ−ｎ接合は１２μｍの波長の電磁波
放射に応答することを特徴とする特許請求の範囲第１項
に記載の真性半導体電気光学デバイス。 - 【請求項３】前記交互層の第２のセットは ＩｎＡｓ1-y Ｓｂｙ（式中Ｙは0.65以上である）からな
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の真性
半導体電気光学デバイス。 - 【請求項４】前記交互層の第２のセットは ＩｎＡｓ1-y Ｓｂｙ（式中Ｙは0.73以上である）からな
り、かつ前記層の第１のセットにおけるＸが0.61である
ことを特等とする特許請求の範囲第２項に記載の真性半
導体電気光学デバイス。 - 【請求項５】前記ＳＬＳ中における層厚は３０〜５００
オングストロームの範囲内であることを特徴とする特許
請求の範囲第３項に記載の真性半導体電気光学デバイ
ス。 - 【請求項６】前記ＳＬＳ中における層厚は５０〜５００
オングストロームの範囲内であることを特徴とする特許
請求の範囲第４項に記載の真性半導体電気光学デバイ
ス。 - 【請求項７】各セットの層厚は量子井戸効果が前記ＳＬ
Ｓの層中で生じるのに十分なだけ小さく、前記量子井戸
効果が前記層の第１のセットのバンドギャップを増加さ
せ、それにより前記格子の不整合に基因する歪みの効果
を部分的に相殺し、また前記第１のセットの層厚は前記
量子井戸効果を最小にするのに十分なだけ大きく選択さ
れると同時に、前記層厚比でＳＬＳを形成するのに十分
なだけは小さくすることを特徴ととする特許請求の範囲
第４項に記載の真性半導体電気光学デバイス。 - 【請求項８】前記ＳＬＳ中における層厚が３０〜５００
オングストロームの範囲内であることを特徴とする特許
請求の範囲第７項に記載の真性半導体電気光学デバイ
ス。 - 【請求項９】前記ＳＬＳ中における層厚が５０〜５００
オングストロームの範囲内であることを特徴とする特許
請求の範囲第７項に記載の真性半導体電気光学デバイ
ス。 - 【請求項１０】１２μｍにおける前記応答が７７゜Ｋの
デバイス温度でおこることを特徴とする特許請求の範囲
第２項に記載の真性半導体電気光学デバイス。 - 【請求項１１】前記ＳＬＳ中における層厚の比が1.0 で
あることを特徴とする特許請求の範囲第９項に記載の真
性半導体電気光学デバイス。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US539367 | 1983-10-06 | ||
| US06/539,367 US4607272A (en) | 1983-10-06 | 1983-10-06 | Electro-optical SLS devices for operating at new wavelength ranges |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6095981A JPS6095981A (ja) | 1985-05-29 |
| JPH0634406B2 true JPH0634406B2 (ja) | 1994-05-02 |
Family
ID=24150927
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59209599A Expired - Lifetime JPH0634406B2 (ja) | 1983-10-06 | 1984-10-05 | 真性半導体電気光学デバイス |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4607272A (ja) |
| JP (1) | JPH0634406B2 (ja) |
Families Citing this family (32)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61161696A (ja) * | 1985-01-10 | 1986-07-22 | 松下電工株式会社 | 放電灯点灯装置 |
| US4686550A (en) * | 1984-12-04 | 1987-08-11 | American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories | Heterojunction semiconductor devices having a doping interface dipole |
| JPS61212072A (ja) * | 1985-03-18 | 1986-09-20 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
| US4679061A (en) * | 1985-06-14 | 1987-07-07 | American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories | Superlattice photoconductor |
| US4727341A (en) * | 1985-06-28 | 1988-02-23 | Nec Corporation | Optical modulator |
| FR2586804B1 (fr) * | 1985-08-30 | 1989-03-31 | Centre Nat Rech Scient | Procede et dispositif de photo-detection rapide a l'aide d'un superreseau |
| US4788579A (en) * | 1985-09-30 | 1988-11-29 | The General Electric Company | Semiconductor superlattice |
| US5031007A (en) * | 1985-12-23 | 1991-07-09 | Sandia Corporation | SLS complementary logic devices with increase carrier mobility |
| JP2557373B2 (ja) * | 1986-04-05 | 1996-11-27 | 住友電気工業株式会社 | 化合物半導体装置 |
| JPS62296481A (ja) * | 1986-06-16 | 1987-12-23 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
| US4894526A (en) * | 1987-01-15 | 1990-01-16 | American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories | Infrared-radiation detector device |
| JPH01222430A (ja) * | 1988-03-01 | 1989-09-05 | Fujitsu Ltd | 歪超格子バッファ |
| US4839714A (en) * | 1988-03-14 | 1989-06-13 | Hewlett-Packard Company | High-gain photodetectors made from NIPI mesas with selective lateral contacts |
| US5023685A (en) * | 1988-06-06 | 1991-06-11 | Bethea Clyde G | Quantum-well radiation-interactive device, and methods of radiation detection and modulation |
| US4937220A (en) * | 1988-08-08 | 1990-06-26 | International Fuel Cells Corporation | Method to retard catalyst recrystallization |
| US4918493A (en) * | 1988-08-10 | 1990-04-17 | Itt Corporation | Sagfet with buffer layers |
| US5204284A (en) * | 1989-01-19 | 1993-04-20 | Hewlett-Packard Company | Method of making a high band-gap opto-electronic device |
| US5060028A (en) * | 1989-01-19 | 1991-10-22 | Hewlett-Packard Company | High band-gap opto-electronic device |
| US5065205A (en) * | 1989-05-12 | 1991-11-12 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Long wavelength, high gain InAsSb strained-layer superlattice photoconductive detectors |
| US5063418A (en) * | 1989-10-31 | 1991-11-05 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Optical non-linear artificial dielectrics |
| US5132763A (en) * | 1991-02-07 | 1992-07-21 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | InAs hole-immobilized doping superlattice long-wave-infrared detector |
| EP0565054A3 (en) * | 1992-04-09 | 1994-07-27 | Hughes Aircraft Co | N-type antimony-based strained layer superlattice and fabrication method |
| US5313073A (en) * | 1992-08-06 | 1994-05-17 | University Of Southern California | Light detector using intersub-valence band transitions with strained barriers |
| US6037604A (en) * | 1994-08-30 | 2000-03-14 | National Science Council | Two-mode InGaSb/GaSb strained-layer superlattice infrared photodetector |
| US5650635A (en) * | 1995-07-14 | 1997-07-22 | Northwestern University | Multiple stacked Sb-based heterostructures |
| US6036770A (en) * | 1996-04-04 | 2000-03-14 | Raytheon Company | Method of fabricating a laterally continuously graded mercury cadmium telluride layer |
| US6091127A (en) * | 1997-04-02 | 2000-07-18 | Raytheon Company | Integrated infrared detection system |
| JP3652977B2 (ja) * | 2000-06-06 | 2005-05-25 | ユーディナデバイス株式会社 | 半導体受光装置およびその製造方法 |
| US6558973B2 (en) * | 2001-01-22 | 2003-05-06 | Honeywell International Inc. | Metamorphic long wavelength high-speed photodiode |
| US7755079B2 (en) * | 2007-08-17 | 2010-07-13 | Sandia Corporation | Strained-layer superlattice focal plane array having a planar structure |
| US8835752B2 (en) * | 2008-05-12 | 2014-09-16 | Villanova University | Solar cells and method of making solar cells |
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Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3186873A (en) * | 1959-09-21 | 1965-06-01 | Bendix Corp | Energy converter |
| US3478214A (en) * | 1966-02-16 | 1969-11-11 | North American Rockwell | Photodetector responsive to light intensity in different spectral bands |
| US4017332A (en) * | 1975-02-27 | 1977-04-12 | Varian Associates | Solar cells employing stacked opposite conductivity layers |
| US4206002A (en) * | 1976-10-19 | 1980-06-03 | University Of Pittsburgh | Graded band gap multi-junction solar energy cell |
| US4099199A (en) * | 1977-04-29 | 1978-07-04 | University Of Southern California | Photovoltaic cell employing a PbO-SnO heterojunction |
| US4128733A (en) * | 1977-12-27 | 1978-12-05 | Hughes Aircraft Company | Multijunction gallium aluminum arsenide-gallium arsenide-germanium solar cell and process for fabricating same |
| US4179702A (en) * | 1978-03-09 | 1979-12-18 | Research Triangle Institute | Cascade solar cells |
| JPS5580375A (en) * | 1978-12-13 | 1980-06-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Compound semiconductor photoreceptor |
| US4255211A (en) * | 1979-12-31 | 1981-03-10 | Chevron Research Company | Multilayer photovoltaic solar cell with semiconductor layer at shorting junction interface |
-
1983
- 1983-10-06 US US06/539,367 patent/US4607272A/en not_active Expired - Fee Related
-
1984
- 1984-10-05 JP JP59209599A patent/JPH0634406B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１１（１９７７）ｐ．５８７−５８９ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4607272A (en) | 1986-08-19 |
| JPS6095981A (ja) | 1985-05-29 |
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