特開 2024-167162 金属－半導体－金属光検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024167162

(43)【公開日】2024-12-03

(54)【発明の名称】金属－半導体－金属光検出器

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/108 20060101AFI20241126BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024070689

(22)【出願日】2024-04-24

(31)【優先権主張番号】23315119.0

(32)【優先日】2023-04-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】523164067

【氏名又は名称】アルメ テクノロジーズ

(71)【出願人】

【識別番号】506316557

【氏名又は名称】サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィック

(71)【出願人】

【識別番号】520179305

【氏名又は名称】ユニヴェルシテ パリ－サクレー

【氏名又は名称原語表記】ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＥ ＰＡＲＩＳ－ＳＡＣＬＡＹ

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ディーブ クレア

(72)【発明者】

【氏名】ペルアール ジャン－リュック

(72)【発明者】

【氏名】パルド ファブリス

(57)【要約】      （修正有）

【課題】所与の波長範囲の光を吸収するために低バンドギャップ半導体層を用いるときでも非常に低い暗電流密度を示す金属－半導体－金属光検出器を提供する。
【解決手段】金属－半導体－金属光検出器は、吸収半導体層３２５と電気的に接触する第１の半導体材料からなる第１の半導体層３２１と、第１の半導体層３２１と電気的に接触し、第１の半導体層３２１と共に電子ショットキー接合を生成するように構成された第１の金属電極３４０と、吸収半導体層３２５と電気的に接触する、第１の半導体材料３２１とは異なる第２の半導体材料からなる第２の半導体層３２２と、第２の半導体層３２２と電気的に接触し、第２の半導体層３２２と共に正孔ショットキー接合を生成するように構成された第２の金属電極３３０と、を含む。
【選択図】図３Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所与の波長範囲の入射光を検出するように構成された金属－半導体－金属光検出器であって、
前記所与の波長範囲内の光を吸収するように構成された吸収半導体層（３２５）と、
第１のバンドギャップを有する第１の半導体材料からなり、前記吸収半導体層と電気的に接触する第１の半導体層（３２１）と、
電圧発生器の負極と電気的に接続されるように構成された第１の金属電極（３４０）であって、
前記第１の金属電極（３４０）は、前記第１の半導体層（３２１）と電気的に接触しており、
前記第１の半導体層（３２１）は、前記第１の金属電極（３４０）と前記吸収半導体層（３２５）との間に配置され、
前記第１の金属電極（３４０）および前記第１の半導体層（３２１）は、バイアス電圧の印加の下で電子ショットキー接合を生成するように構成され、前記電子ショットキー接合は、前記第１の半導体材料の前記第１のバンドギャップの半分よりも大きい前記電子から見た電子ショットキー障壁（φ_ｅ）を有する、前記第１の金属電極（３４０）と、
第２のバンドギャップを有し、前記第１の半導体材料とは異なる第２の半導体材料からなり、前記吸収半導体層と電気的に接触する、第２の半導体層（３２２）と、
前記電圧発生器の正極と電気的に接続されるように構成された第２の金属電極（３３０）であって、
前記第２の金属電極（３３０）は、前記第２の半導体層と電気的に接触し、
前記第２の半導体層（３２２）は、前記第２の金属電極（３３０）と前記吸収半導体層（３２５）との間に配置され、
前記第２の金属電極（３３０）および前記第２の半導体層（３２２）は、バイアス電圧の印加の下で正孔ショットキー接合を生成するように構成され、前記正孔ショットキー接合は、前記第２の半導体材料の前記第２のバンドギャップの半分よりも大きい前記正孔から見た正孔ショットキー障壁（φ_ｈ）を有する、前記第２の金属電極（３３０）と、を含む、金属－半導体－金属光検出器。

【請求項2】

請求項１に記載の金属－半導体－金属光検出器であって、前記吸収半導体層（３２５）は、ゲルマニウム、ＩＩＩ－Ｖ化合物、またはＩＩ－ＶＩ化合物から選択される半導体材料を含む、金属－半導体－金属光検出器。

【請求項3】

請求項１に記載の金属－半導体－金属光検出器であって、前記吸収半導体層（３２５）は、シリコンを含む、金属－半導体－金属光検出器。

【請求項4】

請求項１～請求項３のいずれかに記載の金属－半導体－金属光検出器であって、前記第１の金属電極（３４０）は、前記吸収半導体層（３２５）の第１の側に配置され、前記第２の金属電極（３３０）は、前記第１の側とは反対の前記吸収半導体層の第２の側に配置される、金属－半導体－金属光検出器。

【請求項5】

請求項４に記載の金属－半導体－金属光検出器であって、前記吸収半導体層（３２５）の表面および前記第１の半導体層（３２１）の表面と接触する第１の勾配半導体ヘテロ構造（３２６）をさらに含む、金属－半導体－金属光検出器。

【請求項6】

請求項４または５に記載の金属－半導体－金属光検出器であって、前記吸収半導体層の表面および前記第２の半導体層（３２２）の表面と接触する第２の勾配半導体ヘテロ構造（３２７）をさらに含む、金属－半導体－金属光検出器。

【請求項7】

請求項１～３のいずれかに記載の金属－半導体－金属光検出器であって、前記第１の金属電極（３４０）および前記第２の金属電極（３３０）は、前記吸収半導体層（３２５）の同じ側に配置される、金属－半導体－金属光検出器。

【請求項8】

請求項７に記載の金属－半導体－金属光検出器であって、前記吸収半導体層（３２５）の表面および前記第１の半導体層（３２１）の表面と接触する第１の勾配半導体ヘテロ構造（３２６）、または、前記吸収半導体層の表面および前記第２の半導体層（３２２）の表面と接触する第２の勾配半導体ヘテロ構造（３２７）をさらに含む、金属－半導体－金属光検出器。

【請求項9】

請求項７または８に記載の金属－半導体－金属光検出器であって、前記第１の半導体層（３２１）の表面および前記第２の半導体層（３２２）の表面と接触する第３の勾配半導体ヘテロ構造をさらに含む、金属－半導体－金属光検出器。

【請求項10】

請求項１～請求項９のいずれかに記載の金属－半導体－金属光検出器であって、前記第１の半導体層（３２１）の表面および前記第１の金属電極（３４０）の表面と接触する界面層と、前記第２の半導体層（３２２）の表面および前記第２の金属電極（３３０）の表面と接触する界面層と、の少なくとも一方を、さらに含む、金属－半導体－金属光検出器。

【請求項11】

光検出回路であって、
請求項１～請求項１０のいずれかに記載の金属－半導体－金属光検出器と、
電圧発生器であって、前記第１の金属電極（３４０）が前記電圧発生器の負極と電気的に接続され、前記第２の金属電極（３３０）が前記電圧発生器の正極と電気的に接続される、前記電圧発生器とを含む、光検出回路。

【請求項12】

請求項１に記載の金属－半導体－金属光検出器を製造する方法であって、
基板（９０１）上に、前記吸収半導体層（３２５）、前記第１の半導体層（３２１）、前記第２の半導体層（３２２）を含む半導体スタック（３２０）を堆積させることと、
前記半導体スタック（３２０）上に金属層を堆積させて、前記第１の金属電極を形成することと、
前記基板（９０１）を前記半導体スタック（３２０）と共に反転して、ホスト基板（９０５）上に貼り付けることと、
前記基板（９０１）をエッチングし、金属層を堆積させて、前記第２の電極（３３０）を形成することとを含む、方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の方法であって、前記半導体スタック（３２０）は、前記吸収半導体層（３２５）の表面および前記第１の半導体層（３２１）の表面と接触する第１の勾配半導体ヘテロ構造（３２６）と、前記吸収半導体層の表面および前記第２の半導体層の表面と接触する第２の勾配半導体ヘテロ構造（３２７）と、の少なくとも一方を、さらに含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は金属－半導体－金属光検出器に関する。さらに、本明細書はそのような光検出器を製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

金属－半導体－金属（ＭＳＭ：Ｍｅｔａｌ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ－ｍｅｔａｌ）光検出器は、一般的に高速の光検出器として公知であり、特にたとえば光ファイバネットワークなどの光通信システムにおいて有益な適用を有する。

【0003】

一般的にいうと、光検出器の有効性は、多くの異なるパラメータにおけるその性能によって測定される。これらのパラメータは、応答のスペクトル範囲、速度、応答性（または感度）、および暗電流密度を含む。光検出器の速度は、入射光がスイッチオンされたときにデバイスが自身の光電流を定常状態の値まで増加させ、かつ光がスイッチオフされたときにそれを減少させるために必要な時間である。当該感度は、光検出器の応答性または外部量子効率とも呼ばれ、これは光検出器上にどれだけの入射光が収集されて外部電流密度として出力されるかの尺度である。これは、光電流を合計入射光電力で割った比率によって定義される。暗電流密度は、光検出器に放射束（光源）が入射していないときに光検出器内を流れる電流密度として、一般的に定義される。

【0004】

光遠隔通信の速度が絶え間なく増加するために、さらに高速かつより高感度の光検出器が必要とされる。光検出器の固有速度が増加することによって、通信プロトコルまたはネットワークのアーキテクチャのいずれかを変更することなく情報速度を増加させることが可能になる。一方で、光検出器の感度が増加することによって、データフローが増加したときに電力消費の増加を抑えることが可能になる。加えて、非常に高速かつ高感度の光検出器を有することで、たとえば同じ印刷回路基板上のチップ間などの非常に短い範囲の通信に対して現在用いられる電気的接続を光接続に置き換えて、それらの電力消費を低減することを可能にし得る。

【0005】

先行技術の従来のＭＳＭ光検出器は、図１Ａおよび図１Ｂに示されており、これはたとえばシャイ（Ｓｈｉ）ら［非特許文献１］などに記載されている。

【0006】

ＭＳＭ光検出器は、基板１５上に配置された、半導体層１０と、第１および第２の金属電極１１、１２とを含むいくつかの層を有する平坦な（平面）構造である。

【0007】

半導体層１０は、動作スペクトル範囲の入射光を吸収するのに十分に小さいバンドギャップを有することによって、各々の吸収された光子ごとに電子を価電子帯から伝導帯に励起する。こうして、一対の自由キャリア、すなわち伝導帯の電子および価電子帯の正孔が、生成される。自由キャリアは局所的な静電界によって電極に向かって駆動され、電極において収集されて外部電流に寄与する。動作波長がたとえば約１．３μｍまたは約１．５μｍなどである光通信システムにおける適用に対して、それらのバンドギャップが、入射光子のエネルギ、すなわちそれぞれ０．９５ｅＶおよび０．８２ｅＶ、よりも小さいため、たとえばゲルマニウム、ＩＩＩ－Ｖ化合物、またはＩＩ－ＶＩ化合物などの、低バンドギャップ半導体材料が適合される。

【0008】

図１Ａおよび図１Ｂに示されるとおり、第１および第２の金属電極１１、１２は、半導体層の両側に堆積される（「縦型配置」、図１Ａ）か、または半導体層の上に堆積される（「横型配置」、図１Ｂ）。電極は、デバイスと入来する光との光結合を改善するように（図１Ａおよび図１Ｂに示されるとおりに）構造化され得る。第１の電極１１（例えば、陰極）と第２の電極１２（例えば、陽極）との間に、バイアス電圧Ｖが印加される。

【0009】

ＭＳＭ光検出器において、金属電極は、半導体層と共に、ショットキー接合を形成するように構成される。ショットキー接合は、本明細書においてショットキー障壁またはショットキー接触とも呼ばれ、これは金属－半導体界面に形成される電子または正孔に対する電位障壁である。ショットキー障壁は、整流する特徴を有し、ダイオードとして使用するのに好適である。したがって、ショットキー接合において、正バイアス電圧に対して電流は、電圧とともに指数関数的に増加し、一方で、ボルツマン定数をｋ_Ｂ、温度をＴとすると、負バイアス電圧に対して電流は、バイアス電圧が数ｋ_ＢＴ（熱エネルギ）よりも大きい場合、電圧に対してほぼ一定である。図１Ｂに示される横型配置においては、両方の電極（陽極および陰極）が同じ半導体層の上にある。それらの電極は「インターディジテイテッド」であり、よってバイアス電圧Ｖは２つの隣接するショットキー接合間に印加される。

【0010】

ショットキー接合の主な特徴の１つは、電位障壁の高さである。十分に高い逆バイアス電圧（すなわち、少なくとも数ｋ_ＢＴ）下の電流が接合を横切る電子の束によって独占される電子ショットキー接合に対して、電位障壁高さは、半導体層に注入された電子から見た電位障壁の高さであり、本明細書においてφ_ｅと示されて「電子ショットキー障壁高さ」と呼ばれる。十分に高い逆バイアス電圧（すなわち、少なくとも数ｋ_ＢＴ）下の電流が接合を横切る正孔の束に独占されている正孔ショットキー接合に対して、電位障壁高さは、半導体層に注入された正孔から見た電位障壁の高さであり、本明細書においてφ_ｈと示されて「正孔ショットキー障壁高さ」と呼ばれる。ショットキー障壁高さφ_ｅおよびφ_ｈの値は、界面における金属および半導体の組み合わせに依存する。

【0011】

図２Ａは、たとえばイト（Ｉｔｏ）ら［非特許文献２］などに記載される、両方の電極に対して同じ金属を使用した先行技術のＭＳＭ光検出器の理論的バンド図を示す。バンド図のグラフィック変換については、たとえばダーリング（Ｄａｒｌｉｎｇ）ら［非特許文献３］などを参照されたい。図２Ｂは、たとえばフレッサー（Ｆｒｅｓｓｅｒ）ら［非特許文献４］および特許文献１などに記載される、両方の電極に対して異なる金属を使用した先行技術のＭＳＭ光検出器のバンド図を示す。

【0012】

このバンド図は、１Ｄ近似において、２つの電極間の一定の静電流密度の任意に選択された線（ｘ軸）に沿ったエネルギレベル（Ｅ軸）を概略的に表す。２つの電極間の一定の静電流密度のそのような任意に選択された線は、図１Ａおよび図１Ｂにおいて破線２０によって示される。Ｅ_Ｆは金属部分におけるフェルミ準位を示し、Ｅ_Ｃは半導体伝導帯の最小エネルギを示し、Ｅ_Ｖは半導体価電子帯の最大エネルギを示す。

【0013】

図２Ａおよび図２Ｂの両方の実施形態について、電極の間に印加されたバイアス電圧が、Ｖ＝０（左）の場合、および、Ｖ≠０（右）の場合のバンド図が示される。

【0014】

図２Ａの例において、電極１１、１２（この例においてはそれぞれ陰極および陽極）は、半導体層の上に堆積された同じ金属によって形成されており、Ｖ＝０において、金属のフェルミ準位（Ｅ_Ｆ）は両方の金属－半導体界面において（Ｅ軸に沿った）同じエネルギレベルに位置する。半導体層の上に堆積された同じ金属を有する結果として、所与のバイアス電圧Ｖ≠０の下で、半導体層に注入された電子から見た電位障壁（電子ショットキー障壁高さφ_ｅ）と、半導体層に注入された正孔から見た電位障壁（正孔ショットキー障壁φ_ｈ）とは両方の電極において同じである。

【0015】

ＭＳＭ光検出器において、所与のバイアス電圧Ｖ≠０における暗電流密度Ｉ_ｄａｒｋは、負電位をかけられた金属部を有するショットキー接合によって半導体に注入された電子の電流密度Ｉ_ｅと、正電位をかけられた金属部を有するショットキー接合によって半導体に注入された正孔の電流密度Ｉ_ｈとの和に等しい。これらの電流密度の各々は、異なる可能な機構を介してショットキー障壁によって制御される。その機構はトンネル電流、電界支援（ｆｉｅｌｄ－ａｓｓｉｓｔｅｄ）トンネル電流、熱イオン電流である。適度な逆バイアス電圧（すなわち、数ｋ_ＢＴよりわずかに大きいもの）において、これらの電流密度は次のとおりの良好な近似として書くことができる。
Ｉ_ｅ＝Ｉ_０ｅｅｘｐ［－φ_ｅ／ｋ_ＢＴ］、ここでＩ_０ｅ＝Ａ^＊ _ｅＴ^２［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋ_ＢＴ）－１］
Ｉ_ｈ＝Ｉ_０ｈｅｘｐ［－φ_ｈ／ｋ_ＢＴ］、ここでＩ_０ｈ＝Ａ^＊ _ｈＴ^２［ｅｘｐ（ｑＶ／ｋ_ＢＴ）－１］
ここでＡ^＊ _ｅ（それぞれ（ｒｅｓｐ．）Ａ^＊ _ｈ）は、電子（それぞれ（ｒｅｓｐ．）正孔）放出に対する実効リチャードソン定数である［非特許文献３］。

【0016】

ｋ_ＢＴは室温にて約２５ｍｅＶであるため、したがって、Ｉ_ｅおよびＩ_ｈは、障壁高さに対して非常に高感度である。目的は、半導体層上に製造されるショットキー接触を選択することによって、検出器の暗電流密度Ｉ_ｄａｒｋを非常に低くすることである。

【0017】

しかし、同じ金属を用いるショットキー接触を採用するそのようなＭＳＭ光検出器において、ショットキー障壁高さ（正孔および電子）は半導体のバンドギャップによって制限される。実際に、２つの障壁高さの和φ_ｅ＋φ_ｈは、半導体のバンドギャップＥ_Ｇに等しい。したがって、たとえば電子から見た電位障壁の高さφ_ｅの（たとえば金属の性質を変えることなどによる）変更は、結果的に、正孔から見た電位障壁の高さφ_ｈに等しくかつ反対に変更される。結果として、Ｉ_ｅはφ_ｅの減少関数であり、Ｉ_ｈはφ_ｅの増加関数である。したがって、これら２つの電流密度の和は、光検出器の最良の最適化に対応する最小値を有する。

【0018】

一例として、本出願人は、ショットキー接触としてＡｕ／Ｔｉ／ＩｎＰ（金／チタン／リン化インジウム）を用いたＭＳＭ光検出器の暗電流密度が、１２９ｆＡ．μｍ^－２未満になり得ないと判断した。実際には、そのような最小値に対応するショットキー接触を製造するための条件（金属の性質、半導体の表面の処理など）を定義することは困難である。最良でもそのような最小値に近づけることしかできず、それは上記で定義された絶対最小値と比較して暗電流密度が増加するだろう。

【0019】

図２Ｂの例においては、各電極に対して異なる金属が用いられる。

【0020】

そのような実施形態において、一方の金属電極は高い電子ショットキー障壁高さ（φ_ｅ）を有するように選択され得、他方の電極は高い正孔ショットキー障壁高さ（φ_ｈ）を有するように選択され得る。暗電流は減衰して、上述の最小値よりも低い値に到達し得る。

【0021】

しかし、ＩＩＩ－Ｖ半導体において観察される金属／半導体界面におけるフェルミ準位の捕捉［非特許文献５］は、たとえばシリコンに対して観察されるものと同じくらい大きい障壁高さを変更するためのダイナミックレンジへのアクセスを提供しない。実際に、再現可能かつ工業的なやり方で金属／ＩＩＩ－Ｖ半導体界面を生成することが困難であるため、そのような半導体におけるショットキー障壁の高さを変更する可能性は、かなり制限される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0022】

【特許文献1】米国特許第５，７８０，９１６号

【非特許文献】

【0023】

【非特許文献1】Ｃ－Ｘ．Ｓｈｉ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｄｅｖ．３９（５）１０２８（１９９２）

【非特許文献2】Ｍ．Ｉ． Ｉｔｏ ｅｔ ａｌ．， Ｃｏｎｔａｃｔｓ， ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔ． Ｅｌｅｃ．ＱＥ－２２（７）， １０７３（１９８６）

【非特許文献3】Ｒ．Ｂ．Ｄａｒｌｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ． ６７３１５２（１９９０）

【非特許文献4】Ｈ．Ｓ．Ｆｒｅｓｓｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１３（６）２５５３（１９９５）

【非特許文献5】Ｎ．Ｎｅｗｍａｎ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ４（４）９３１（１９８６）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0024】

よって、長い波長の光を吸収するために低バンドギャップ半導体層を用いるときでも非常に低い暗電流密度を示すＭＳＭ光検出器の代替的設計が必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0025】

以下において、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」という用語は、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」の同義語（それと同じ意味）であり、包括的かつオープンであり、他の記述されていない構成要素を除外しない。さらに、本開示において数値を示すときの「約」および「実質的に」という用語は、その数値の８０％～１２０％、好ましくは９０％～１１０％に含まれる範囲の同義語（それと同じ意味）である。

【0026】

第１の態様によると、本明細書は、所与の波長範囲の入射光を検出するように構成された金属－半導体－金属光検出器であって、
前記所与の波長範囲内の光を吸収するように構成された吸収半導体層と、
第１のバンドギャップを有する第１の半導体材料からなり、前記吸収半導体層と電気的に接触する第１の半導体層と、
電圧発生器の負極と電気的に接続されるように構成された第１の金属電極であって、前記第１の金属電極は、前記第１の半導体層と電気的に接触しており、前記第１の半導体層は、前記第１の金属電極と前記吸収半導体層との間に配置され、前記第１の金属電極および前記第１の半導体層は、バイアス電圧の印加の下で電子ショットキー接合を生成するように構成された、前記第１の金属電極と、
前記第１の半導体材料とは異なる、第２のバンドギャップを有する第２の半導体材料からなり、前記吸収半導体層と電気的に接触する、第２の半導体層と、
前記電圧発生器の正極と電気的に接続されるように構成された、第２の金属電極であって、前記第２の金属電極は、前記第２の半導体層と電気的に接触し、前記第２の半導体層は、前記第２の金属電極と前記吸収との間に配置され、前記第２の金属電極および前記第２の半導体層は、バイアス電圧の印加の下で正孔ショットキー接合を生成するように構成された前記第２の金属電極と、を含む、金属－半導体－金属光検出器に、関する。

【0027】

電子ショットキー接合において、バイアス電圧、たとえば数ｋ_ＢＴよりも大きいバイアス電圧、すなわち周囲温度において約０．１Ｖ以上のバイアス電圧の印加の下での電流は、接合を横切る電子の束に独占される。

【0028】

正孔ショットキー接合において、バイアス電圧、たとえば数ｋ_ＢＴよりも大きいバイアス電圧、すなわち周囲温度において約０．１Ｖ以上のバイアス電圧の印加の下での電流は、接合を横切る正孔の束に独占される。

【0029】

そのような最初の配置によって、所与のバイアス電圧において、暗電流密度の２つの成分を別々に最小化できる。その成分の一方は電子ショットキー接合によって吸収半導体層に注入された電子の電流密度であり、他方は正孔ショットキー接合によって吸収半導体層に注入された正孔電流密度である。これを可能にするのは、異なる半導体材料でできた、本明細書においては「電子ショットキー半導体層」とも呼ばれる第１の半導体層と、本明細書においては「正孔ショットキー半導体層」とも呼ばれる第２の半導体層との非対称性である。

【0030】

さらに、第１の半導体材料および第１の金属電極は、電子ショットキー接合が第１の半導体層の第１のバンドギャップの半分よりも大きい電子ショットキー障壁φ_ｅを有するように選択され、第２の半導体材料および第２の金属電極は、正孔ショットキー接合が第２の半導体層の第２のバンドギャップの半分よりも大きい正孔ショットキー障壁φ_ｈを有するように選択される。先行技術の光検出器と比較して、電子の電流密度Ｉ_ｅおよび正孔の電流密度Ｉ_ｈの各々を両方とも低減でき、結果として、暗電流の低減、および、より良好な感度が、得られる。

【0031】

１つまたは複数の実施形態によると、前記吸収半導体層は、ゲルマニウム、ＩＩＩ－Ｖ化合物、またはＩＩ－ＶＩ化合物から選択される半導体材料を含む。たとえば、吸収半導体層は、ＩｎＧａＡｌＡｓ合金、たとえば最大１．６μｍの検出に対するＩｎＧａＡｓ（バンドギャップＥｇ＝０．７９ｅＶ）など、ＩｎＡｓ／（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｂ ＩＩ型の超格子、またはより大きい波長（最大１４μｍ）に対するＨｇＣｄＴｅ合金から選択された半導体材料を含む。

【0032】

１つまたは複数の実施形態によると、前記吸収半導体層は、シリコンを含む。

【0033】

１つまたは複数の実施形態によると、第１の半導体材料および第２の半導体材料の少なくとも一方は、たとえばＩｎＡｌＡｓなどのＩｎＧａＡｌＡｓ合金、たとえばＩｎＰなどのＩｎＧａＡｓ、たとえばＣｄＴｅなどのＨｇＣｄＴｅ合金から選択される。

【0034】

すべての実施形態において、第１の半導体材料と第２の半導体材料とは異なる。さらに、第１の半導体材料および第２の半導体材料の各々は、吸収半導体層の半導体材料とは異なる。

【0035】

１つまたは複数の実施形態によると、第１の金属電極および第２の金属電極の少なくとも一方は、以下の材料のうちの１つまたは複数を含む。チタン、白金、アルミニウム、クロム、タングステン、モリブデン、およびケイ化タングステン（ＷＳｉ_ｘ）、ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ_ｘ）などの化合物。

【0036】

１つまたは複数の実施形態によると、第１の金属電極および第２の金属電極の少なくとも一方は、異なる金属のスタックを含む。

【0037】

１つまたは複数の実施形態によると、光検出器は、吸収半導体層の表面および第１の半導体層の表面と接触する第１の勾配半導体ヘテロ構造をさらに含む。

【0038】

１つまたは複数の実施形態によると、光検出器は、吸収半導体層の表面および第２の半導体層の表面と接触する第２の勾配半導体ヘテロ構造をさらに含む。

【0039】

本明細書において、勾配半導体ヘテロ構造は、吸収半導体層との界面における吸収半導体層のバンドギャップの値に近い値から反対側の界面における半導体層の値に近い値までの範囲のバンドギャップの勾配を示す、いくつかの半導体層のスタックである。勾配半導体ヘテロ構造は、異なるバンドギャップを有する半導体のいくつかの層を積み重ねること、または四元半導体合金（たとえば、ＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ）の組成を段階的に変動させることによって得られてもよい。

【0040】

勾配半導体ヘテロ構造により、２つの異なる半導体層の間に存在し得る伝導帯および価電子帯の不連続性を排除出来得る。寄生電位障壁を低減させることによって、電荷（電子および正孔）の光発生キャリアのより良好な収集が得られ、したがって光検出器のより良好な量子効率がもたらされる。

【0041】

１つまたは複数の実施形態によると、光検出器は、前記第１の半導体層の表面および前記第１の金属電極の表面と接触する界面層と、前記第２の半導体層の表面および前記第２の金属電極の表面と接触する界面層と、の少なくとも一方をさらに含む。

【0042】

たとえば、前記界面層はたとえば酸化ケイ素、リン化インジウム酸化物、またはＩｎＡｌＡｓ酸化物などの酸化物を含む。この酸化物層は、その厚さを調整することによってショットキー接合のショットキー障壁を制御するために用いられてもよい。

【0043】

１つまたは複数の実施形態によると、前記第１の金属電極は、前記吸収半導体層の第１の側に配置され、前記第２の金属電極は、前記第１の側とは反対の前記吸収半導体層の第２の側に配置される。これは、本明細書において光検出器の縦型配置と、呼ばれる。

【0044】

そのような縦型配置において、第１の勾配半導体ヘテロ構造が前記吸収半導体層の表面および前記第１の半導体層の表面と接触して配置されてもよい、および、第２の勾配半導体ヘテロ構造が前記吸収半導体層の表面および前記第２の半導体層の表面と接触して配置されてもよい、の少なくとも一方である。

【0045】

１つまたは複数の実施形態によると、前記第１の金属電極および前記第２の金属電極は、前記吸収半導体層の同じ側に配置される。これは、本明細書において光検出器の横型配置と、呼ばれる。

【0046】

そのような横型配置において、第１の勾配半導体ヘテロ構造が、前記吸収半導体層の表面および前記第１の半導体層の表面と接触して配置されてもよいし、または、第２の勾配半導体ヘテロ構造が、前記吸収半導体層の表面および前記第２の半導体層の表面と接触して配置されてもよい。

【0047】

さらに、第３の勾配半導体ヘテロ構造が、前記第１の半導体層の表面および前記第２の半導体層の表面と接触して配置されてもよい。

【0048】

第２の態様によると、本明細書は、
第１態様による光検出器と、
電圧発生器であって、前記第１の金属電極が、前記電圧発生器の負極と電気的に接続され、前記第２の金属電極が、前記電圧発生器の正極と電気的に接続される、前記電圧発生器と、を含む、光検出回路に言及する。

【0049】

第３の態様によると、本明細書は第１の態様による光検出器を製造する方法に言及する。

【0050】

いくつかの実施形態において、第２態様による方法は、
基板上に、前記吸収半導体層、前記第１の半導体層、前記第２の半導体層を含む半導体スタックを堆積させることと、
前記半導体スタック上に金属層を堆積させて、前記第１の金属電極を形成することと、
前記基板を前記半導体スタックと共に反転して、ホスト基板上に貼り付けることと、
前記基板をエッチングし、金属層を堆積させて、前記第２の電極を形成することとを含む。

【0051】

１つまたは複数の実施形態によると、前記半導体スタックは、前記吸収半導体層の表面および前記第１の半導体層の表面と接触する第１の勾配半導体ヘテロ構造と、前記吸収半導体層の表面および前記第２の半導体層の表面と接触する第２の勾配半導体ヘテロ構造と、の少なくとも一方を、さらに含む。

【図面の簡単な説明】

【0052】

以下の図面によって示される説明を読むことによって、本発明の他の利点および特徴が明らかになるだろう。

【0053】

【図1A】すでに説明されているが、先行技術によるＭＳＭ光検出器（縦型配置）を示す断面図である。

【図1B】すでに説明されているが、先行技術によるＭＳＭ光検出器（横型配置）を示す断面図である。

【図2A】すでに説明されているが、両方の電極に対して同じ金属を用いる先行技術のＭＳＭ光検出器の理論的エネルギバンド図である。

【図2B】すでに説明されているが、両方の電極に対して異なる金属を用いる先行技術のＭＳＭ光検出器の理論的エネルギバンド図である。

【図3A】本明細書の実施形態によるＭＳＭ光検出器（縦型配置）の断面図によって光検出回路を示す図である。

【図3B】本明細書の実施形態によるＭＳＭ光検出器（横型配置）の断面図によって光検出回路を示す図である。

【図4A】両方の電極に対して同じ金属を用い、かつ金属－半導体界面において異なる半導体材料を用いる本明細書の実施形態によるＭＳＭ光検出器の理論的エネルギバンド図である。

【図4B】金属－半導体界面において異なる金属および異なる半導体材料を用いる本明細書の実施形態によるＭＳＭ光検出器の理論的エネルギバンド図である。

【図5A】本明細書の実施形態によるＭＳＭ光検出器（縦型配置）の断面図によって光検出回路を示す図である。

【図5B】本明細書の実施形態による、図５Ａに示されるＭＳＭ光検出器の理論的エネルギバンド図である。

【図6A】本明細書の実施形態によるＭＳＭ光検出器（横型配置）の断面図によって光検出回路を示す図である。

【図6B】本明細書の実施形態による横型配置のＭＳＭ光検出器の理論的エネルギバンド図である。

【図7A】本明細書の実施形態によるＭＳＭ光検出器（横型配置）の断面図によって光検出回路を示す図である。

【図7B】本明細書の実施形態による横型配置のＭＳＭ光検出器の理論的エネルギバンド図である。

【図8】本明細書による光検出器の実施形態における電子障壁高さの関数として計算された暗電流密度を示す曲線を示す図である。

【図9A】本明細書の実施形態による非対称ＭＳＭ光検出器を製造する方法の第１のステップを示す図である。

【図9B】本明細書の実施形態による非対称ＭＳＭ光検出器を製造する方法の第２のステップを示す図である。

【図9C】本明細書の実施形態による非対称ＭＳＭ光検出器を製造する方法の第３のステップを示す図である。

【図9D】本明細書の実施形態による非対称ＭＳＭ光検出器を製造する方法の第４のステップを示す図である。

【図9E】本明細書の実施形態による非対称ＭＳＭ光検出器を製造する方法の第５のステップを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0054】

図３Ａおよび図３Ｂは、本明細書の実施形態によるＭＳＭ光検出器の２つの構成を有する光検出回路を示す。これらの実施形態において、２つの金属電極３３０、３４０は、吸収半導体層３２５の両側に堆積される（「縦型配置」、図３Ａ）か、または吸収半導体層３２５の同じ側に堆積される（「横型配置」、図３Ｂ）。Ｖは金属電極３３０、３４０に印加されるバイアス電圧であり、線２０は１Ｄ近似において２つの電極間の電流密度線に従う任意の線を示す。

【0055】

ＭＳＭ光検出器は、光通信適用に対しては、約１．３μｍから約１．５μｍの間など、たとえば約１．３μｍまたは約１．５μｍなど、の所与の波長範囲の入射光を検出するように構成される。

【0056】

図３Ａおよび図３Ｂの実施形態において、ＭＳＭ光検出器は支持体３１０および半導体スタックを含み、半導体スタックは吸収半導体層３２５と、吸収半導体層と電気的に接触する第１の半導体層３２１と、吸収半導体層と電気的に接触する第２の半導体層３２２とを含む。吸収半導体層３２５は、前記波長範囲の光を吸収するように構成される。

【0057】

たとえば図３Ａなどに示される縦型配置において、半導体スタックはホスト基板上に移される。支持体３１０はホスト基板に対応し、たとえば金属（たとえばＡｌまたはＣｕなど）、ガラス（たとえばＳｉＯ_２など）、または半導体（たとえばシリコンなど）などの任意の機械的支持体であり得る。

【0058】

たとえば図３Ｂなどに示される横型配置において、支持体３１０は、たとえばＩｎＧａＡｌＡｓおよびＩｎＧａＡｓＰ合金の少なくとも一方の成長に対するリン化インジウム（ＩｎＰ）基板、またはＡｌＧａＡｓ合金の成長に対するガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板、またはＨｇＣｄＴｅ合金の成長に対するＣｄＺｎＴｅ、またはタイプ２超格子ＧａＳｂ／ＩｎＡｓの成長に対するＧａＳｂもしくはＩｎＡｓ基板などを含む。

【0059】

第１の半導体層３２１は第１の半導体材料でできており、かつ第１の金属電極３４０（図３Ａおよび図３Ｂの例における陰極）と電気的に接触しており、よってこれらの実施形態において第１の半導体－金属界面を形成する。第１の金属電極３４０は、第１の半導体層３２１と共に、電子から見たショットキー障壁高さφ_ｅを有する電子ショットキー接合を生成する。よって、本明細書において、第１の半導体層３２１は「電子ショットキー半導体層」とも呼ばれる。

【0060】

第２の半導体層３２２は、第１の半導体材料とは異なる第２の半導体材料でできており、かつ第２の金属電極３３０（図３Ａおよび図３Ｂの例における陽極）と電気的に接触しており、よって、これらの実施形態において第２の半導体－金属界面を形成する。第２の金属電極３３０は、第１の金属電極３４０の金属と同じであってもなくてもよい金属で形成されている。第２の電極３３０は、第２の半導体層３２２と共に、正孔から見たショットキー障壁高さφ_ｈを有する正孔ショットキー接合を生成する。よって、本明細書において、第２の半導体層３２２は「正孔ショットキー半導体層」とも呼ばれる。

【0061】

図４Ａおよび図４Ｂは、図３Ａおよび図３Ｂに示されるＭＳＭ光検出器の実施形態のエネルギバンド図を示す。Ｖ＝０（左）およびＶ≠０（右）に対して、第１および第２の金属電極３４０、３３０間にバイアス電圧を印加した場合のエネルギバンド図が示される。図４Ａの実施形態において、第１および第２の電極３４０、３３０は同じ金属からなるが、図４Ｂの実施形態においては、第１および第２の電極３４０、３３０は異なる金属からなる。

【0062】

図４Ａに示されるとおり、Ｖ＝０において、金属のフェルミ準位Ｅ_Ｆは両方の金属－半導体界面において（Ｅ軸に沿った）同じエネルギレベルに位置するが、Ｅ_ＣおよびＥ_Ｖは平行ではなく、半導体スタック内に準電界が存在することを示す。エネルギバンド図において、破線は目に対する単なるガイドであり、半導体スタックはこれらのスキームにおける２つの界面の間に画成されない。動作中にバイアス電圧Ｖが印加されて、光キャリアの収集のための収集電界が確立される。図４Ａに示されるとおり、金属－半導体界面における半導体材料が異なるため、第１の半導体層に注入された電子から見た電位障壁（電子ショットキー障壁高さφ_ｅ）と、第２の半導体層に注入された正孔から見た電位障壁（正孔ショットキー障壁高さφ_ｈ）は、独立して制御され得る。したがってこの場合、２つの障壁高さの和は、もはや先行技術のように半導体バンドギャップと等しい値に固定されない。逆に、本明細書は、これらの障壁高さの各々が、これらの電極の各々と接触する対応する半導体層のバンドギャップの半分よりも大きくなることを可能にする。

【0063】

図４Ｂは、両方の電極（３３０および３４０）に対して異なる金属を用い、かつ金属－半導体界面における電子ショットキー半導体層３２１および正孔ショットキー半導体層３２２に対して異なる半導体材料を用いる、たとえば図３Ａおよび図３Ｂなどに示されるＭＳＭ光検出器のエネルギバンド図を示す。この場合、一方の金属－半導体界面は高い電子ショットキー障壁高さを有するように選択され、他方の金属－半導体界面は高い正孔ショットキー障壁高さを有するように選択される。したがって、２つの電位障壁を独立して最大化し得ることによって、電極から半導体層３２１、３２２にそれぞれ注入される電子および正孔のどちらも、乗り越えるべき障壁高さが図２Ｂと比較してより高くなる。

【0064】

よって、２つのショットキー接合における電流が極度に低減され、ＭＳＭ光検出器の暗電流密度も同様となる。

【0065】

したがって、たとえば図３Ａおよび図３Ｂなどに記載される最初の配置によって、金属電極３４０－電子ショットキー半導体層３２１の界面と、金属電極３３０－正孔ショットキー半導体３２２の界面との間に、非対称性が得られる。この非対称性は、電子ショットキー接合によって電子ショットキー半導体層３２１に注入される電子の電流密度と、正孔ショットキー接合によって正孔ショットキー半導体層３２２に注入される正孔電流とを別々に最小化することを可能にする。

【0066】

そして、当業者は、利用可能な材料の中から、逆バイアス下で最も弱い電流密度（電子および正孔）を有するショットキー接合を形成する半導体材料／金属の対を決定することができる。たとえば、２つの接合（電子および正孔）の各々に対して、テストのための特定の構造を作ることができる。そのような構造は、たとえばテストされる金属層およびショットキー半導体層などを含み、後者はドープ半導体上にエピタキシャル成長され、電子ショットキー半導体－金属界面をテストするためにＮ型を有するか、または正孔ショットキー半導体－金属界面をテストするためにＰ型を有する。

【0067】

一例として、上述のテスト手順により、電子に対するＩｎＡｌＡｓ上および正孔に対するＩｎＰ上にＴｉ／Ａｕ接触によって生成されるショットキー接合の障壁高さを決定することが可能になった。

【0068】

発明者らは、ショットキーＩｎＡｌＡｓ／Ｔｉ／Ａｕ接合において電子から見た障壁高さをφ_ｅ＝７３５ｍｅＶ、すなわち暗電流密度Ｉ_ｅ＝４ｆＡ．μｍ^－２と決定した。

【0069】

発明者らはさらに、ショットキーＩｎＰ／Ｔｉ／Ａｕ接合において正孔から見た障壁高さをφ_ｈ＝７８６ｍｅＶ、すなわち暗電流密度Ｉ_ｈ＝０．５ｆＡ．μｍ^－２と決定した。

【0070】

したがって、ＭＳＭ光検出器に対する暗電流密度（ＩｎＡｌＡｓ／Ｔｉ／Ａｕ接合において注入された電子流と、ＩｎＰ／Ｔｉ／Ａｕ接合において注入された正孔電流との和）は４．５ｆＡ．μｍ^－２に等しく、すなわちショットキー接触としてＡｕ／Ｔｉ／ＩｎＰ（金／チタン／リン化インジウム）を用いる対称ＭＳＭ光検出器に対して記載される対称検出器の絶対最小電流密度の２８分の１である。

【0071】

図５Ａ、図６Ａ、図７Ａは、本明細書の各実施形態によるＭＳＭ光検出器の他の実施形態を示し、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂは、本明細書の各実施形態によるＭＳＭ光検出器のバンド図を示す。図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂにおいては、簡略化のために各層における電界を０Ｔｉ／Ａｕ接触 半導体としている。

【0072】

図５Ａは、縦型配置における、本明細書の実施形態によるＭＳＭ光検出器の別の実施形態を示す。

【0073】

図５Ａに示されるＭＳＭ光検出器は、吸収半導体層３２５と、電子ショットキー半導体層３２１と、正孔ショットキー半導体層３２２とを有する半導体スタック３２０を含む。この半導体スタックは、吸収半導体層３２５の表面と接触し、かつ電子ショットキー半導体層３２１の表面と接触する第１の勾配半導体ヘテロ構造３２６と、吸収半導体層３２５の表面および正孔ショットキー半導体層３２２の表面と接触する第２の勾配半導体ヘテロ構造３２７とをさらに含む。そのような縦型配置において、金属電極３３０、３４０は半導体スタックの両側に配置され、それぞれ正孔ショットキー半導体層３２２および電子ショットキー半導体層３２１と電気的に接触する。

【0074】

たとえば、吸収半導体層３２５がＩｎＧａＡｓからなり、かつ電子ショットキー半導体層３２１がＩｎＡｌＡｓからなる場合、第１の勾配半導体ヘテロ構造３２６はＩｎＧａＡｌＡｓの合金を含んでもよく、よって、ＩｎＡｌＡｓのバンドギャップからＩｎＧａＡｓのバンドギャップまで変動するバンドギャップを有してもよい。

【0075】

第１の勾配半導体ヘテロ構造３２６は、吸収半導体層３２５と電子ショットキー半導体層３２１との間に存在する伝導帯および価電子帯の不連続性の平滑化を可能にする。結果として得られる寄生電位障壁を制限することによって、光生成電荷キャリアのより良好な収集が行われ得る。

【0076】

一方で、吸収半導体層３２５がＩｎＧａＡｓからなり、かつ正孔ショットキー半導体層３２２がＩｎＰからなる場合、第２の勾配半導体ヘテロ構造３２７はＩｎＧａＡｓＰの合金を含んでもよく、よって、ＩｎＰのバンドギャップからＩｎＧａＡｓのバンドギャップまで変動するバンドギャップを有してもよい。

【0077】

なお、両方の勾配半導体ヘテロ構造によってより良好な性能が期待されるが、いくつかの実施形態において、ＭＳＭ光検出器は第１の勾配半導体ヘテロ構造または第２の勾配半導体ヘテロ構造の一方のみを含んでもよい。

【0078】

図５Ｂは、図５Ａに示されるＭＳＭ光検出器のバンド図を表す。この半導体スタックは、バンドギャップＥ_ｇを有する吸収半導体層３２５と、バンドギャップＥ_ｇ１を有する電子ショットキー半導体層３２１と、バンドギャップＥ_ｇ２を有する正孔ショットキー半導体層３２２と、電子ショットキー半導体層３２１および吸収半導体層３２５の間に配置された第１の勾配半導体ヘテロ構造３２６と、正孔ショットキー半導体層３２２および吸収半導体層３２５の間に配置された第２の勾配半導体ヘテロ構造３２７とを含む。

【0079】

たとえば、電極３３０、３４０はチタン層および金層の２つの金属層のスタックを含む。第１の金属電極３４０におけるチタン層は第１の半導体層３２１と共に電子ショットキー障壁を生成し、第２の金属電極３３０におけるチタン層は第２の半導体層３２２と共に正孔ショットキー障壁を生成する。金層は、チタンを保護するための不活性金属として用いられ、さらに非常に良好な導体である。

【0080】

吸収半導体層３２５は、バンドギャップＥ_ｇ＝０．７４ｅＶを有するＩｎＧａＡｓからなる。電子ショットキー半導体層３２１は、バンドギャップＥ_ｇ１＝１．４５ｅＶを有するＩｎＡｌＡｓからなり、よって、チタン－ＩｎＡｌＡｓ界面において、チタンからＩｎＡｌＡｓに注入される電子に対する高い電位障壁φ_ｅ＝０．７３ｅＶを示す電子ショットキー接合が生成される。正孔ショットキー半導体層３２２はバンドギャップＥ_ｇ２＝１．３５ｅＶを有するＩｎＰでできており、よって、チタン－ＩｎＰ界面において、チタンからＩｎＰに注入される正孔に対する高い電位障壁φ_ｈ＝０．７９ｅＶを示す正孔ショットキー接合が生成される。

【0081】

図５Ｂにおいて、ΔＥ_Ｃ１およびΔＥ_Ｃ２はそれぞれ、電子ショットキー半導体層３２１および吸収半導体層３２５の伝導帯間のエネルギ差、および正孔ショットキー半導体層３２２および吸収半導体層３２５の伝導帯間のエネルギ差である。たとえば、上述の例においてΔＥ_Ｃ１＝０．５２ｅＶであり、ΔＥ_Ｃ２＝０．２５ｅＶである。

【0082】

さらに、ΔＥ_Ｖ１およびΔＥ_Ｖ２はそれぞれ、吸収半導体層３２０および電子ショットキー半導体層３２１の価電子帯間のエネルギ差、および吸収半導体層３２５および正孔ショットキー半導体層３２２の価電子帯間のエネルギ差である。たとえば、上述の例においてΔＥ_Ｖ１＝０．１９ｅＶであり、ΔＥ_Ｖ２＝０．３５ｅＶである。

【0083】

この例においても、先行技術の対称ＭＳＭ光検出器と比較して暗電流がかなり低減される（対称ＭＳＭ光検出器のＡｕ／Ｔｉ／ＩｎＰ接合と比較して２８分の１である）。さらに、両方の電極に対して同じ金属を用い得るため、製造が簡素化される。

【0084】

図６Ａは、横型配置における、本明細書の実施形態によるＭＳＭ光検出器の別の実施形態を示す。

【0085】

図６Ａに示されるＭＳＭ光検出器は半導体スタック３２０と、半導体スタックの上に配置された２つの電極３３０、３４０とを含む。半導体スタック３２０は吸収半導体層３２５と、第１の電極３４０と電気的に接触する電子ショットキー半導体層３２１と、第２の電極３３０と電気的に接触する正孔ショットキー半導体層３２２とを含む。図６Ａの例において、正孔ショットキー半導体層３２２は、電子ショットキー半導体層３２１と吸収半導体層３２５との間に配置される。さらに、第２の電極３３０が正孔ショットキー半導体層３２２と接触して配置され得るように、電子ショットキー半導体層３２１が構成される。有利なことに、図６Ａの例において、半導体スタックは、吸収半導体層３２５の表面と接触し正孔ショットキー半導体層３２２の表面とも接触する、勾配半導体ヘテロ構造３２７を、さらに含む。なお、半導体スタックは、電子ショットキー半導体層３２１の表面と接触し正孔ショットキー半導体層３２２の表面とも接触する、勾配半導体ヘテロ構造（図６Ａには示さず）もさらに含んでもよい。

【0086】

図６Ｂは、図６Ａに示されるＭＳＭ光検出器のバンド図を表しており、ここでは電子ショットキー半導体層３２１の表面と接触し、かつ正孔ショットキー半導体層３２２の表面と接触する勾配半導体ヘテロ構造がさらに配置されている。上記で詳述されたとおり、半導体スタックはバンドギャップＥ_ｇを有する吸収半導体層３２５と、バンドギャップＥ_ｇ１を有する電子ショットキー半導体層３２１と、バンドギャップＥ_ｇ２を有する正孔ショットキー半導体層３２２とを含む。そのような実施形態において、電子ショットキー半導体３２１は正孔ショットキー半導体３２２の上で成長する。さらに、正孔ショットキー半導体層３２２と吸収半導体層３２５との間に勾配半導体ヘテロ構造３２７が配置され、電子ショットキー半導体層３２１と正孔ショットキー半導体層３２２との間に勾配半導体ヘテロ構造（図６Ａには示さず）が配置される。

【0087】

たとえば、電極３３０、３４０はチタン／金からなる。吸収半導体層３２５はバンドギャップＥ_ｇ＝０．７４ｅＶを有するＩｎＧａＡｓからなる。電子ショットキー半導体層３２１はバンドギャップＥ_ｇ１＝１．４５ｅＶを有するＩｎＡｌＡｓからなり、よって、チタン－ＩｎＡｌＡｓ界面において、チタンからＩｎＡｌＡｓに注入された電子に対する高い電位障壁φ_ｅ＝０．７３ｅＶを示す電子ショットキー接合が生成される。正孔ショットキー半導体層３２２はバンドギャップＥ_ｇ２＝１．３５ｅＶを有するＩｎＰからなり、よって、チタン－ＩｎＰ界面において、チタンからＩｎＰに注入された正孔に対する高い電位障壁φ_ｈ＝０．７９ｅＶを示す正孔ショットキー接合が生成される。

【0088】

図６Ｂにおいて、ΔＥ_Ｃ２は、正孔ショットキー半導体層３２２および吸収半導体層３２５の伝導帯間のエネルギ差である。ΔＥ_Ｃ３は、電子ショットキー半導体層３２１および正孔ショットキー半導体層３２２の伝導帯間のエネルギ差である。たとえば、上述の例においてΔＥ_Ｃ２＝０．２５ｅＶ、ΔＥ_Ｃ３＝０．３４ｅＶである。

【0089】

さらにΔＥ_Ｖ２は、吸収半導体層３２５および正孔ショットキー半導体層３２２の価電子帯間のエネルギ差である。ΔＥ_Ｖ３は、電子ショットキー半導体層３２１および正孔ショットキー半導体層３２２の価電子帯間のエネルギ差である。たとえば、上述の例においてΔＥ_Ｖ２＝０．３５ｅＶおよびΔＥ_Ｖ３＝０．１９ｅＶである。

【0090】

先行技術の対称ＭＳＭ光検出器と比較して、暗電流が同様に低減されていることが観察される。

【0091】

図７Ａは、横型配置における、本明細書の実施形態によるＭＳＭ光検出器の別の実施形態を示す。

【0092】

図７Ａに示されるＭＳＭ光検出器は半導体スタック３２０と、半導体スタックの上に配置された２つの電極３３０、３４０とを含む。半導体スタックは吸収半導体層３２５と、第１の電極３４０と電気的に接触する電子ショットキー半導体層３２１と、第２の電極３３０と電気的に接触する正孔ショットキー半導体層３２２とを含む。図７Ａの例において、電子ショットキー半導体層３２１は、正孔ショットキー半導体層３２２と吸収半導体層３２５との間に配置される。さらに、第１の電極３４０が電子ショットキー半導体層３２１と接触して配置され得るように、正孔ショットキー半導体層３２２が構造化される。有利なことに、図７Ａの例において、半導体スタックは、吸収半導体層３２５の表面と接触し電子ショットキー半導体層３２１の表面とも接触する、勾配半導体ヘテロ構造３２６を、さらに含む。半導体スタックは、電子ショットキー半導体層３２１の表面と接触し正孔ショットキー半導体層３２２の表面とも接触する、勾配半導体ヘテロ構造（図７Ａには示さず）も、さらに含んでもよい。

【0093】

図７Ｂは、図７Ａに示されるＭＳＭ光検出器のバンド図を表しており、勾配半導体ヘテロ構造が、電子ショットキー半導体層３２１の表面と接触し、かつ正孔ショットキー半導体層３２２の表面と接触して、さらに配置されている。上記で詳述されたとおり、半導体スタックはバンドギャップＥ_ｇを有する吸収半導体層３２５と、バンドギャップＥ_ｇ１を有する電子ショットキー半導体層３２１と、バンドギャップＥ_ｇ２を有する正孔ショットキー半導体層３２２とを含む。本実施形態において、正孔ショットキー半導体３２２は電子ショットキー半導体３２１の上で成長する。さらに、電子ショットキー半導体３２１と吸収半導体層３２５との間に勾配半導体ヘテロ構造３２６が配置され、電子ショットキー半導体層３２１と正孔ショットキー半導体層３２２との間に勾配半導体ヘテロ構造（図７Ａには示さず）が配置される。

【0094】

たとえば、電極３３０、３４０はチタン／金からなる。吸収半導体層３２５はバンドギャップＥ_ｇ＝０．７４ｅＶを有するＩｎＧａＡｓからなる。電子ショットキー半導体層３２１はバンドギャップＥ_ｇ１＝１．４５ｅＶを有するＩｎＡｌＡｓからなり、よって、チタン－ＩｎＡｌＡｓ界面において、チタンからＩｎＡｌＡｓに注入された電子に対する高い電位障壁φ_ｅ＝０．７３ｅＶを示す電子ショットキー接合が生成される。正孔ショットキー半導体層３２２はバンドギャップＥ_ｇ２＝１．３５ｅＶを有するＩｎＰからなり、よって、チタン－ＩｎＰ界面において、チタンからＩｎＰに注入された正孔に対する高い電位障壁φ_ｈ＝０．７９ｅＶを示す正孔ショットキー接合が生成される。

【0095】

図７Ｂにおいて、ΔＥ_Ｃ１は、電子ショットキー半導体層３２１および吸収半導体層３２５の伝導帯間のエネルギ差である。ΔＥ_Ｃ３は、電子ショットキー半導体層３２１および正孔ショットキー半導体層３２２の伝導帯間のエネルギ差である。たとえば、ΔＥ_Ｃ１＝０．５２ｅＶおよびΔＥ_Ｃ３＝０．３４ｅＶである。

【0096】

さらに、ΔＥ_Ｖ１は、吸収半導体層３２５および電子ショットキー半導体層３２１の価電子帯間のエネルギ差である。ΔＥ_Ｖ３は、電子ショットキー半導体層３２１および正孔ショットキー半導体層３２２の価電子帯間のエネルギ差である。たとえば、ΔＥ_Ｖ１＝０．１９ｅＶおよびΔＥ_Ｖ３＝０．１９ｅＶである。

【0097】

この配置の利点は、図６Ａ、図６Ｂに対して記載されたものと同じである。さらに、正孔の輸送は電子の輸送よりも低速であるため、図７Ａの配置は、正孔の収集電極までの平均経路が短縮されるので有利であり得る。

【0098】

図８は、先行技術の光検出器において計算された暗電流と比較された、本明細書による光検出器の実施形態における電子障壁高さの関数として計算された暗電流密度を示す曲線を表す。

【0099】

図８において、曲線８０１は、良好な近似としてチタン層からＩｎＰ層に注入された電子から見たショットキー障壁高さに等しい、伝導帯の最小エネルギＥ_ｃとフェルミ準位Ｅ_Ｆとの差の関数としてチタン／ＩｎＰショットキー接合に対して計算された電子暗電流密度である。曲線８０３は、同じショットキー接合に対して計算された正孔暗電流密度を示す。２つの電流密度の和８０２は、先行技術による対称ＭＳＭ光検出器における暗電流密度に相当する。これは光検出器の最良の最適化に対応する最小値を有する。そのような最小値は絶対最小値であり、ショットキー接合に対して用いられた材料（半導体および金属）の性質に依存する。

【0100】

図８は、本明細書による非対称ＭＳＭ光検出器において計算された暗電流密度８０４も示す。この例において、電子ショットキー半導体は前の場合と同様にＩｎＰであり、正孔ショットキー半導体はＩｎＡｌＡｓである。金属電極はチタンからなる。曲線８０１は計算された電子暗電流密度であり、曲線８０５は計算された正孔暗電流密度である。図８に示されるとおり、非対称ＭＳＭの合計電流密度８０４は、対称ＭＳＭの絶対最小値よりも低い絶対最小値を示す。

【0101】

図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ、図９Ｄ、図９Ｅは、本明細書の実施形態による非対称ＭＳＭ光検出器を製造する方法のステップを示す。

【0102】

第１のステップ（図９Ａ）において、吸収半導体層と、電子ショットキー半導体層と、正孔ショットキー半導体層と、（任意の）勾配半導体層（単数または複数）とを含む半導体スタック３２０が、たとえばＩｎＰなどでできた基板９０１の上に、堆積される。半導体スタック３２０は、たとえば約５００ｎｍから約１０００ｎｍの間などに含まれる厚さを有する。ＭＳＭ光検出器の第１の電極を作るために、半導体スタック３２０の上に堆積される、約１５０ｎｍから約２５０ｎｍの間に含まれる厚さを有する金属層３４０は、たとえばチタンなどの１つの金属を含んでもよいし、たとえばチタン／金などの金属層のスタックを含んでもよい。チタンは、金原子が半導体スタックに拡散することを防ぐための金に対する拡散障壁として、用いられる。金は不活性材料であるため、時間の経過とともに酸化するリスクが低く、また、抵抗率も非常に低いという特性がある。

【0103】

第２のステップ（図９Ｂ）において、基板９０１は半導体スタック３２０および金属層３４０と共に反転され、接着層９０６を用いてホスト基板９０５上に貼り付けられる。ホスト基板は、たとえばガラスまたはシリコンなどからなる。接着層は、たとえばガラスなどの基板上に半導体スタックを貼り付けるためのＵＶ硬化後にガラスの様な特性を提供するポリマーか、またはたとえばシリコンなどの不透明な基板上に半導体スタックを貼り付けるためのたとえばベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）ＢＣＢなどの別のタイプのポリマーを含んでもよい。

【0104】

第３のステップ（図９Ｃ）において、基板９０１がエッチングされ、金属層３３０を堆積させて第２の電極を形成する。金属層３３０はたとえば約１５０ｎｍなどであり、たとえば光リソグラフィなどによって構造化されてもよい。金属層３３０は、たとえばチタンなどの１つの金属を含んでもよいし、たとえばＴｉ／Ａｕなどの金属層のスタックを含んでもよい。

【0105】

第４のステップ（図９Ｄ）において、光検出器を電気的に分離するメサを製造するために半導体スタック３２０がエッチングされる。このステップは、たとえば化学溶液などのウェットエッチング技術を用いるか、またはたとえば誘導電流プラズマ法（ｉｎｄｕｃｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｌａｓｍａ ｒｅｃｉｐｅｓ）などのドライエッチング技術を用いてなされてもよい。

【0106】

図９Ｅに示されるとおり、縦型ＭＳＭ光検出器が得られ、電極３３０、３４０間にバイアス電圧Ｖが印加されてもよい。

【0107】

上記の方法は、たとえば図３Ａまたは図５Ａなどに記載されるＭＳＭ光検出器の縦型配置に対して記載されたものであるが、当業者はたとえば図３Ｂ、図６Ａ、図７Ａなどに記載されるＭＳＭ光検出器の横型配置に対してこの方法を適合させるだろう。

【0108】

横型配置の各電極は半導体スタックの同じ側に位置するため、ホスト基板上へのスタックの移行（図９Ｂ）は任意である。その後の製造ステップは、前述のもの、すなわち各電極を形成する金属堆積（図９Ｃ）、分離メサ（図９Ｄ）と同一であってもよい。外部回路との接続（図９Ｅ）は、図１Ｂに示される「インターディジテイテッド」回路に基づくため、縦型配置とは異なる。

【0109】

本発明を限られた数の実施形態に関して記載したが、この開示の利益を有する当業者は、本明細書に開示される本発明の趣旨から逸脱しない他の実施形態が考案され得ることを認識するだろう。したがって、本発明の範囲は添付の請求項のみによって限定されるべきである。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図9E】

【外国語明細書】