JP2000183320A

JP2000183320A - 受光装置

Info

Publication number: JP2000183320A
Application number: JP10354533A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Suzunaga; 永浩鈴; Yukiko Kashiura; 浦由貴子樫
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2000-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】簡潔な構成で、受光感度と応答特性を両立さ
せ、小型化や低電圧化の容易な受光装置を提供すること
を目的とする。【解決手段】トランスインピーダンス・アンプの帰還
抵抗として光導電性の抵抗を用いる。すなわち、増幅回
路と、光の照射により抵抗率が変化する可変抵抗と、を
備え、前記可変抵抗は、前記増幅回路の入力と出力との
間に帰還抵抗として接続され、前記増幅回路は、前記可
変抵抗に入射する光の量に応じた信号を出力することを
特徴とする。可変抵抗は、従来のフォトダイオードと比
較して寄生容量が極めて小さく、受光面積の拡大も容易
であるために、高速応答性と高感度化とを両立させるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、受光装置に関す
る。さらに詳しくは、本発明は、光を電気信号に変換す
る受光装置であって、従来よりも小型且つ高速応答が可
能な受光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光信号を電気信号に変換する受光装置
は、例えば、光通信システムの受信部や、コピー機ある
いはプリンタなどにおける物体検出部、光ディスク装置
の光ピックアップ部などにおいて、広く利用されてい
る。

【０００３】図３は、従来の受光装置の構成を表す概略
図である。すなわち、従来の受光装置は、半導体増幅回
路１１１のいずれかの入力に、フォトダイオード１１３
が接続され、さらに、帰還抵抗１１２と位相補償コンデ
ンサ１１４とが並列に接続された構成を有する。フォト
ダイオード１１３には、図示しない電源からバイアス電
圧が印加され、入射光量に応じた電流信号を発生する。
また、半導体増幅回路１１１と帰還抵抗１１２とは、全
帰還型のトランスインピーダンス・アンプＴＡを構成し
ている。

【０００４】すなわち、フォトダイオード１１３に光
（同図において「ｈν」で示した）が入射することによ
って発生した電流信号は、トランスインピーダンス・ア
ンプＴＡにおいて電圧信号に変換され、出力端子１１５
に出力される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の受光装置は、高速応答性と高感度化と小型化とを同
時に改善することが困難であるという問題を有してい
た。

【０００６】すなわち、フォトダイオードは１１３は、
ｐｎ接合を有し、この接合に逆方向のバイアスを印加し
て動作させる必要がある。しかし、このｐｎ接合が有す
る接合容量は、増幅回路１１１に対する入力容量となる
ために、アンプの動作が不安定となり、発振などの不具
合を生ずることがある。このような発振などの動作不良
を防ぐためには、位相補償回路が必要となる。図３に示
した例においては、このような位相補償回路としてコン
デンサ１１４を表したが、さらに複雑な回路構成が必要
とされる場合も多い。その結果として、受光装置が複雑
になるとともに回路設計の自由度も制限される。

【０００７】一方、受光装置の感度を改善するために
は、フォトダイオード１１３の受光径を拡大する必要が
ある。しかし、受光径を拡大するとフォトダイオードの
寄生容量も増大する。その結果として、いわゆるＣＲ定
数の増大して高速応答性が劣化する。また、前述したよ
うに増幅回路１１１の動作がさらに不安定となり発振し
やすくなるという問題も生ずる。

【０００８】また、最近では、半導体装置の電源電圧を
低電圧化させる要請が顕著である。例えば、従来の半導
体装置に対する標準的な電源電圧は５ボルトであった
が、最近は電源電圧を３ボルトあるいはそれ以下に低下
する要求が増加している。しかし、図３に例示したよう
な従来の受光装置においては、フォトダイオード１１３
に印加するバイアス電圧を低下させると、ｐｎ接合近傍
の受光部を十分に空乏化することができず、寄生容量が
極めて大きくなり応答特性が顕著に劣化するという問題
があった。

【０００９】以上説明したように、従来の受光装置にお
いては、受光感度と応答特性を両立することが困難であ
り、また、小型化や低電圧化も容易でないという問題が
あった。

【００１０】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものである。すなわち、その目的は、簡潔な構成で、受
光感度と応答特性を両立させ、小型化や低電圧化の容易
な受光装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の受光装置は、増幅回路と、光の照射により
抵抗率が変化する可変抵抗と、を備え、前記可変抵抗
は、前記増幅回路の入力と出力との間に帰還抵抗として
接続され、前記増幅回路は、前記可変抵抗に入射する光
の量に応じた信号を出力することを特徴とする。可変抵
抗は、従来のフォトダイオードと比較して寄生容量が極
めて小さく、受光面積の拡大も容易であるために、高速
応答性と高感度化とを両立させることができる。

【００１２】また、前記可変抵抗に電流を供給する電流
源をさらに備えたことを特徴とし、可変抵抗の抵抗率の
変化を検出することができる。

【００１３】また、前記可変抵抗は、多結晶シリコン膜
または非晶質シリコン膜のいずれかからなることを特徴
とし、従来のシリコンプロセスを流用しつつ高感度の光
導電性を得ることができる。

【００１４】さらに、これらにドーピングするドーパン
トの濃度、含有される水素濃度、結晶粒径などを後述す
る範囲に制御することにより高感度の光導電性が容易に
得られる。

【００１５】また、前記可変抵抗は、絶縁層を介して前
記増幅回路の上に積層されてなることを特徴とし、小型
で高感度の受光装置を提供することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。

【００１７】図１は、本発明の受光装置の構成を例示す
る概略図である。すなわち、本発明の受光装置において
は、増幅回路１１の入力と出力との間に、光導電性の可
変抵抗１２が帰還抵抗として接続されている。また、増
幅回路１１の入力には、電流源１３が接続されている。
すなわち、本発明においては、増幅回路１１と可変抵抗
１２とによって、電流／電圧変換機能を有するトランス
インピーダンス・アンプＴＡが構成されている。

【００１８】本発明において用いる可変抵抗１２は、光
（同図において「ｈν」で示した）が照射されるとその
導電率が変化するという特性を有する。このような材料
としては、例えば、多結晶シリコン膜を挙げることがで
きる。すなわち、後に詳述するように不純物濃度などを
所定の範囲に制御した多結晶シリコン膜による抵抗素子
は、光を照射することによって抵抗値が大きく変化す
る。可変抵抗１２の抵抗値の変化は、電流源１３から微
小な電流を供給することにより検出することができる。
そして、光の照射による帰還抵抗の変化は、トランスイ
ンピーダンス・アンプＴＡの出力１５における出力電圧
の変化として取り出すことができる。

【００１９】多結晶シリコン膜などを用いた光導電性の
可変抵抗１２は、従来のフォトダイオードに比べて寄生
容量が十分小さい。

【００２０】従来のフォトダイオートでは、例えば直径
０．８ｍｍで数１００Ω・ｃｍのＩ層をもつＰＩＮ構造
のもので、７〜１０ｐＦ（逆バイアス２Ｖ）程度であ
る。

【００２１】それに対し、本発明の一例である多結晶シ
リコン膜を使った可変抵抗では、基板との間にＳｉＯ₂
やＳｉＮ膜などのＳｉよりは誘電率の小さい絶縁膜が入
るため、同じ面積では、６ｐＦ程度になり、これがすべ
てトランスインピーダンス・アンプ・ＴＡの入力容量と
はならない。

【００２２】従って、可変抵抗１２の応答速度は速く、
受光装置を大幅に高速化することができる。

【００２３】さらに、本発明によれば、このように寄生
容量が小さい可変抵抗を増幅回路１１の帰還抵抗として
用いることにより、増幅回路の動作が安定化し、発振な
どが極めて起こりにくくなる。その結果として、従来は
必要であった位相補償回路も不要となり、受光装置の構
成を大幅に簡略化させることができる。

【００２４】また、可変抵抗１２は、その受光面積を大
型化することにより、寄生容量を増加することなく容易
に受光感度を上げることができる。つまり、本発明によ
れば、受光感度の改善と高速応答性とを容易に両立させ
ることができる。

【００２５】また、本発明によれば、可変抵抗１２に
は、電流源１３から微小な電流を供給するのみで良く、
必要とされる電圧は、従来のフォトダイオードを用いた
場合に比べて大幅に低い。具体的には、例えば、暗抵抗
値を５０ｋΩとして、１０μＡの電流を流しておくと、
光信号による１０％の抵抗値の変化（減少）に対し、５
０ｍＶの信号振幅が得られることになる。

【００２６】その結果として、受光装置の電源電圧を従
来よりも低電圧化することができる。受光装置の電源電
圧を下げることにより、消費電力も改善され、その応用
範囲を、各種の携帯用電子機器などの分野まで拡げるこ
とができる。

【００２７】次に、本発明において用いる可変抵抗１２
について、さらに詳細に説明する。可変抵抗１２は、例
えば、多結晶シリコン膜により形成することができる。
多結晶シリコン膜は、例えば、シラン（ＳｉＨ₄）を原
料として、常圧または減圧ＣＶＤ（Chemcal Vapor Depo
sition）法により形成することができる。または、プラ
ズマＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法などを用いるこ
ともできる。

【００２８】さらに、これらの方法により非晶質シリコ
ンを形成した後に、アニールして多結晶化しても良い。
アニールの方法としては、加熱やレーザ光を照射する方
法を挙げることができる。

【００２９】このようにして形成される多結晶シリコン
膜は、りん（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）、砒素（Ａｓ）などの
ドーパントをドーピングすると、単結晶シリコンの場合
と異なり、ある濃度以上において導電率が急激に上昇す
る傾向を有する。これは、例えば、J.Appl.Phys.誌（vo
l.46,No.12,December 1975）において、Satoらにより報
告されている。この導電率の増加は、ドーパント濃度の
増加に応じてキャリア密度が指数関数的に上昇すること
に対応し、結晶粒界に起因する点で多結晶シリコン特有
の現象である。

【００３０】しかし、光導電率（光を照射した状態の導
電率）と、暗導電率（光を照射しない状態の導電率）と
の比率を大きくするためには、不純物の濃度に最適な範
囲が存在する。例えば、りん（Ｐ）をドーピングした場
合には、濃度が１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度の範
囲において、暗導電率に対する光導電率の比率が最大と
なる。さらに具体的には、りん（Ｐ）の濃度が１×１０
¹⁷ｃｍ^-3では暗導電率は約１×１０^-6／Ωｃｍであるの
に対して、光導電率（照射光の波長５６０ｎｍ、強度
０．５ｍＷ／ｃｍ²）は約１×１０^-5／Ωｃｍである。
しかし、りん（Ｐ）の濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3では、暗
導電率は約１×１０^-6／Ωｃｍであるのに対して、光導
電率は約１×１０^-4／Ωｃｍに上昇する。そして、りん
（Ｐ）の濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3では、暗導電率は約１
×１０^-4／Ωｃｍであるのに対して、光導電率は約１×
１０^-2／Ωｃｍである。

【００３１】ホウ素（Ｂ）や砒素（Ａｓ）などのｎ型ド
ーパントの場合にも、同様の傾向が見られ、ドーパント
濃度は、概ね１×１０¹⁶〜１×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲とす
ることが望ましく、１×１０¹⁷〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3の範
囲とすることがさらに望ましい。ドーピング方法として
は、多結晶シリコン膜を堆積する際に同時にドーピング
しても良く、または、堆積後にイオン注入やその他の方
法によりドーピングしても良い。

【００３２】また、多結晶シリコン膜に含有される水素
の濃度にも最適な範囲が存在する。具体的には、水素の
濃度を１×１０¹⁹〜１×１０²²ｃｍ^-3の範囲とすると、
暗導電率に対する光導電率の比率を高くすることができ
る。多結晶シリコン膜に含有される水素は、光により励
起されるフォトキャリアのライフタイムを増加させる作
用と、フォトキャリアに対して結晶粒界の効果を顕在化
させる作用とを有する。そのために、上述したような濃
度範囲において高い光感度が得られる。

【００３３】多結晶シリコン膜に含有される水素の濃度
は、その形成プロセスにより大きく異なる。例えば、シ
ランを原料としたＣＶＤ法により形成したような場合に
は、水素の含有量は比較的高く、上述した最適の濃度範
囲よりも高い場合もある。その時は、膜の形成後にアニ
ールして水素を放出させれば良い。

【００３４】一方、真空蒸着法などにより形成した場合
には、水素の含有量は低い場合が多い。その時には、水
素を強制的に混入させることが望ましい。その方法とし
ては、例えば、イオン注入、水素プラズマ処理、また
は、水素を含有する膜から熱拡散させる方法などを挙げ
ることができる。

【００３５】イオン注入を用いる場合には、水素のドー
ズ量と注入エネルギとを制御することによって、水素の
含有量を調節することができる。但し、注入後に所定の
温度に加熱してアニールすることが望ましい。

【００３６】水素プラズマ処理による場合は、雰囲気圧
力、プラズマのパワー、加熱温度、処理時間などの条件
により水素の含有量を調節できる。また、水素を含有す
る膜から熱拡散させる場合には、その膜に含有される水
素の量や拡散温度、時間などを制御することにより、水
素の導入量を調節することができる。

【００３７】一方、多結晶シリコン膜の結晶粒径にも最
適範囲が存在する。すなわち、結晶粒径は、２０ｎｍ以
上であることが望ましく、５０ｎｍ〜５μｍの範囲であ
ることがさらに望ましい。結晶粒径は、ドーパント濃度
に対する導電率の変化が結晶粒界に起因する多結晶シリ
コン膜の特有の傾向を示す範囲であれば、粒径が大きい
程、光に対する感度が高くなる。しかし、結晶粒があま
りに大きいと、抵抗素子を形成した時に素子毎の抵抗値
にばらつきが生ずるために、その上限が存在する。

【００３８】また、可変抵抗１２を構成する光導電性の
材料としては、以上説明した多結晶シリコン膜の他に
も、例えば、非晶質シリコン膜や、単結晶シリコンも採
用することができる。さらに、ゲルマニウム（Ｇｅ）な
どの単元素半導体、ＩｎＰ系、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系、
ＩｎＳｂ系などのIII−Ｖ族化合物半導体、ＣｄＳ、Ｃ
ｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＨｇＴｅなどのII−VI族化合物
半導体なども同様に用いることができる。

【００３９】一方、可変抵抗１２は、増幅回路１１が形
成された半導体素子に集積することもできる。

【００４０】図２は、このように集積された受光装置の
断面構造を表す概念図である。すなわち、同図の受光装
置においては、集積回路素子２０の上に絶縁層３０を介
して可変抵抗１２が積層されている。集積回路素子２０
は、本発明において用いる増幅回路１１が形成された半
導体素子である。なお、同図においては、増幅回路素子
２０の一部としてＮＰＮ型のバイポーラ・トランジスタ
が表されている。そして、抵抗素子１２の一端は、アル
ミニウム電極４０を介して、トランジスタのベースに接
続されている。

【００４１】この受光装置の製造方法は、例えば、以下
の如くである。すなわち、増幅回路１１を構成するオペ
アンプなどが形成された集積回路素子２０の上に酸化シ
リコンなどの絶縁層３０を設け、その上に多結晶シリコ
ンなどの光導電性材料からなる可変抵抗１２を堆積し、
所定のパターンにエッチング加工し、その所定の箇所に
電極４０を形成して下層の増幅回路１１の入出力に配線
すれば、一体化した受光素子を形成することができる。

【００４２】このようにして形成した可変抵抗１２は、
寄生容量が極めて小さい。すなわち、多結晶シリコン膜
の下の絶縁層３０をある程度の厚みにすれば、集積回路
素子２０との間で生ずる寄生容量を極めて小さくするこ
とができる。その結果として、増幅回路１１の入力容量
を低減し、発振を解消するとともに高速応答性を大幅に
改善することができる。

【００４３】図３に例示したような従来の帰還抵抗の場
合には、例えば集積回路素子の表面に選択的に不純物を
導入した、いわゆる拡散抵抗が用いられる。しかし、こ
のような拡散抵抗では、寄生容量が発生する。これに対
して、図２の構成によれば、帰還抵抗となる可変抵抗１
２の寄生容量は極めて小さく、受光装置の高速応答性を
大幅に改善することができる。

【００４４】さらに、図２のように増幅回路１１の上に
可変抵抗１２を集積した場合には、素子全体の寸法を抑
えつつ、受光面積を最大にすることができる。その結果
として、小型で極めて高感度の受光装置を実現すること
ができる。

【００４５】以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。

【００４６】また、可変抵抗１２を構成する材料やその
構造は、当業者が適宜選択して同様の効果を得ることが
できる。増幅回路１１も同等の機能を有するものに置換
して同様の効果を得ることができる。さらに、これらの
要素は個別に配置しても良く、集積しても良い。集積す
る場合には、図２のように積層させる他にも、並列して
配置しても良い。

【００４７】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に説明する効果を奏する。

【００４８】まず、本発明によれば、光導電性の可変抵
抗をトランスインピーダンス・アンプの帰還抵抗として
用いることにより、増幅回路の入力容量と帰還抵抗の寄
生容量とを大幅に低減させ、応答速度を改善し、受光装
置を大幅に高速化することができる。

【００４９】さらに、本発明によれば、このように寄生
容量が小さい可変抵抗を増幅回路の帰還抵抗として用い
ることにより、増幅回路の動作が安定化し、発振などが
極めて起こりにくくなる。その結果として、従来は必要
であった位相補償回路も不要にもでき、受光装置の構成
を大幅に簡略化させることができる。

【００５０】また、可変抵抗は、その受光面積を大型化
することにより、寄生容量を増加することなく容易に受
光感度を上げることができる。つまり、本発明によれ
ば、受光感度の改善と高速応答性とを容易に両立させる
ことができる。

【００５１】また、本発明によれば、可変抵抗には、電
流源から微小な電流を供給するのみで良く、必要とされ
る電圧は、従来のフォトダイオードを用いた場合に比べ
て大幅に低い。その結果として、受光装置の電源電圧を
従来よりも低電圧化することができる。受光装置の電源
電圧を下げることにより、消費電力も改善され、その応
用範囲を、各種の携帯用電子機器などの分野まで拡げる
ことができる。

【００５２】以上詳述したように、本発明によれば、従
来よりも小型で高性能の受光装置を提供することがで
き、産業上のメリットは多大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の受光装置の構成を例示する概略図であ
る。

【図２】集積された受光装置の断面構造を表す概念図で
ある。

【図３】従来の受光装置の構成を例示する概略図であ
る。

【符号の説明】

１１増幅回路１２可変抵抗１３電源１５出力端２０集積回路素子３０絶縁層４０電極１１１増幅回路１１２帰還抵抗１１３フォトダイオード１１４位相補償回路１１５出力端ＴＡトランスインピーダンス・アンプ

フロントページの続きＦターム(参考） 4M118 AA01 AB10 BA07 CA17 CB06 CB07 FB12 FB17 5F049 MA02 MA20 MB03 MB05 MB12 NA01 NA03 NA19 NB01 NB05 PA04 PA06 PA07 PA10 PA11 PA12 RA06 UA07 UA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】増幅回路と、光の照射により抵抗率が変化する可変抵抗と、を備え、前記可変抵抗は、前記増幅回路の入力と出力との間に帰
還抵抗として接続され、前記増幅回路は、前記可変抵抗に入射する光の量に応じ
た信号を出力することを特徴とする受光装置。
【請求項２】前記可変抵抗に電流を供給する電流源をさ
らに備えたことを特徴とする請求項１記載の受光装置。
【請求項３】前記可変抵抗は、多結晶シリコン膜または
非晶質シリコン膜のいずれかからなることを特徴とする
請求項１または２に記載の受光装置。
【請求項４】前記可変抵抗は、絶縁層を介して前記増幅
回路の上に積層されてなることを特徴とする請求項１〜
３のいずれか１つに記載の受光装置。