JP2712208B2 - 受光素子 - Google Patents

受光素子

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JP2712208B2 JP62309040A JP30904087A JP2712208B2 JP 2712208 B2 JP2712208 B2 JP 2712208B2 JP 62309040 A JP62309040 A JP 62309040A JP 30904087 A JP30904087 A JP 30904087A JP 2712208 B2 JP2712208 B2 JP 2712208B2
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信之 大塚
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    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
    • H01L31/105Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier being of the PIN type

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は受光領域を多数含む受光素子の構造に関する
ものであり、受光面積が大きくかつ高速動作が可能な受
光素子として応用できる。 従来の技術 本発明の受光素子は受光領域を同一チップ内に複数個
集積化しようとするものであるが、従来より単体として
の受光素子の構造としては第2図に示すものがある(例
えば、H.Isihara他: ″High−temperature aging tests on Planer structur
e InGaAs/InP PIN−phorodiodes with Ti/Pt and Ti/Au
contact,″エレクトロニクス・レターズ(Electron.Le
tt.),vol.20,p.654(1984))。構造はn−InP基板11
上にn−InPバッファ層12、n−InGaAs光吸収層13、n
−InP光透過層14、Znを部分的に拡散した受光領域16、
絶縁層15を積層して、ホトダイオード(PD)を構成して
いる。受光領域16、InP基板11にはそれぞれP側電極1
7、n側電極18が蒸着されており、この間にバイアス電
圧を印加しておくと入射光によって光電流が流れる。 また本発明の受光素子は、受光領域を複数個に分割し
受光領域1個あたりの面積を小さくすることで高速動作
を行うものであるが、従来より複数個の受光素子を用い
て、それぞれの受光素子に異なる信号を与え、マルチチ
ャンネルの光信号を受光するものとして第3図に示すも
のがある(例えば、T.Sakurai他:″A Monolithic Four
−Channel Photoreceiver Integrated on a GaAs Subst
rate using Metal−Semiconductor−Metal Photodiodes
and FET's,″アイ・イー・イー・イー・エレクトロニ
クス・デバイス・レターズ(IEEE Electron.device Let
ters),vol.EDL−6,p,634(1985))。構造は半絶縁性G
aAs基板21上にundope−GaAs光吸収層22を積層し、光吸
収層22上にAl電極を蒸着し、メタル・半導体・メタル・
ホドダイオード(MSM−PD)28を構成している。一方und
ope−GaAs光吸収層22上にn−GaAs活性層24を積層し、
ソース電極25およびドレイン電極27としてAu/Au−Geを
蒸着し、ゲート電極26としてAlを蒸着して電界効果トラ
ンジスタ(FET)29を構成している。前記MSM−PD28と前
記FET29を用いた増幅器より構成された受光器1チャン
ネルとし、同一基板上に4回路組み込むことで、4チャ
ンネル光集積回路として異なるチャンネルの信号を受光
し、それぞれの信号に対応する4チャンネルの光電流を
出力する。 また、本発明の受光素子は、個々の受光領域はフォト
ダイオードを形成しており、このフォトダイオードを光
の入射範囲内に複数個配列して、光信号を光電流に高速
に変換するものであるが、従来より、複数個の光発電セ
ルを有する太陽電池として第4図に示すものがある(例
えば、J.V.Meerbergen他:″アイ・イー・イー・イー・
トランザクションズ・オン・エレクトロン・デバイシス
(IEEE Transactions on Electron devices),vol.ED−
25,507(1978))。構造は、P型Si基板31上に絶縁層32
を積層した後、絶縁層の一部に複数のAl電極33を蒸着
し、絶縁層およびAl電極上にTiOX反射防止膜34を積層す
る。アノード電極としては、P型Si基板裏面にAl電極35
が蒸着されており、絶縁層に光を照射することで各電極
より光電力を得ることができる。 また、従来より複数個のホトダイオードを有するもの
としてCCDがあり、これを第5図にしめす(例えば、M.K
ubo他:″A 1024−Element Linear CCD Photo Sensor w
ith Unique Photodiode Structure,″アイ・イー・イー
・イー・トランザクションズ・オン・エレクトロン・デ
バイシス(IEEE Transactions on Electron Devices),
vol.ED−27,1804(1980))。構造はP型Si基板41の一
部にn+層42を形成したあと絶縁層43を積層し、n+層に光
が入るように穴を開けたAl電極44をSiO2の一部に蒸着
し、再び絶縁層45を積層したホトダイオード46、および
このホトダイオードのAl電極に蒸着された電荷を、電位
を順次変化させることによって移動させ得る複数の電極
47よりなる。 発明が解決しようとする問題点 第2図に示す受光素子は、プレーナー構造であると同
時に高感度・低暗電流であり、受光面積が小さい場合に
は何ら問題はない。しかし、光の入射範囲が広い場合に
は受光領域の面積の大きい受光素子が必要となり、その
結果受光部の接合容量が増大して動作速度が小さくな
る。 第3図に示す光集積回路は、マルチチャンネルの受光
素子であり、別々の電気信号を取り出すことを目的とし
ている。従って入射範囲の広い光を受光する目的で用い
るには、受光素子間隔が広すぎて受光総面積が小さくな
るため、得られる電流は小さくなり適当でない。 第4図に示す太陽電池は、複数個のセルを持っている
が、個々のセルの大きさは数mm程度と大きく、接合容量
が大きいために、高速動作は不可能である。 第5図に示すCCDは、複数個のホトダイオードを有す
るが、この出力信号は電荷であり、かつ出力信号がシリ
アルに伝送されるために、大きな光信号を得られない。 問題点を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するために、半導体基板
と、前記基板上に形成された光吸収層と、前記光吸収層
の一部領域内に形成され、前記光吸収層と伝導型の異な
る複数の受光領域とを含み、前記複数の受光領域に光信
号を照射したときに得られる各受光領域に対応した複数
の光電流を、前記各受光領域より独立に取り出し、能動
素子を用いてインピーダンス変換を行う受光素子であっ
て、各受光領域は、それぞれの空乏層が接触しないよう
に配置され、前記能動素子を用いてインピーダンス変換
された電流は加え合わされる受光素子の構造を提案しよ
うとするものである。 作用 本発明の受光素子が従来の受光素子に比べて高速動作
可能となるのは、基本的には一つのホトダイオードの受
光領域の面積を小さくしたことによるものである。動作
速度f3dbは、抵抗Rsと容量Csを用いて次式のように表せ
る。 f3db=1/2πRsCs ……(1) 今、容量CsはPDの接合容量Cpd配線容量Cwを用いて次
式のように表される。 Cs=Cpd+Cw ……(2) また、Cpdは受光領域の単位面積あたりの接合容量C
とし、受光領域の面積をAとすると次式で表される。 Cpd=A・C ……(3) すなわち、動作速度f3dbを大きくしようとすれば、Cs
を小さくし、それにはCpdを小さくし、従って受光領域
の面積Aを小さくする必要がある。しかしながら光の入
射領域より受光領域が小さくなる場合には、光電流に寄
与しない入射光が増加し、得られる光電流は小さくなっ
てしまう。 上記2条件を同時に満足するには、まず動作速度f3db
を大きくするために受光領域の面積Aを小さくし、かつ
光電流を大きくする必要がある。それには光の入射範囲
内に少なくとも2個以上の受光領域を含み、それぞれの
受光領域から得られる光電流を能動素子を用いてインピ
ーダンス変換した後に和をとることで、動作速度を減少
することなく総受光面積に見合う光電流を得ることがで
きる。 実施例 第1図は本発明の受光素子の一実施例の示す断面図で
ある。半絶縁性InP基板1上にn−InPバッファ層2とn
−InGaAs光吸収層3とn−InP光透過層4が積層されて
おり、Znの気相拡散等によって形成されたP型受光領域
6とともにPINホトダイオードを構成している。PINホト
ダイオードには、リング状のP側電極7およびN側共通
電極8が蒸着されており、P側電極の内側の領域が受光
面となる。P側電極として例えばCr/Pt/Auを用いN側共
通電極としては例えばAu−Snを用いる。 第1図の集積回路のホトダイオードは、いわゆるウイ
ンドウ付き構造となっており、入射光は光透過層4では
吸収されずに光吸収層3で吸収される。従って、上記の
ように光透過層4をInP,光吸収層3をInGaAsとした場
合、入射光の波長0.9μm−1.6μmの範囲で感度があ
る。逆に例えば波長1.3μmの光を受光するのが目的で
あれば、光透過層をバンドギャップ波長λgが1.3μm
以上のInGaAsPとし、光吸収層をλgが1.3μm以下のIn
GaAsPとしてもよい。また、光透過層と光吸収層の間
に、その中間のバンドギャップを有する材料を挾んでも
よく、例えばInP光透過層とInGaAs光吸収層の間にλg
が1.3μmのInGaAsP層をもうけてもよい。この中間層
は、ホトダイオードの応答速度を改善するとともに、液
相エピタキシャル(LPE)法で結晶成長する場合にはア
ンチメルトバック層としても機能する。ウインドウ付き
ホトダイオードはウインドウなしの場合に比べて量子効
率が高くなるという利点があるほかに、p−n接合が結
晶表面に露出する部分が光透過層内にあるプレーナ型の
場合には暗電流が小さくなるという効果もある。これ
は、例えばInGaAs表面にp−n接合が露出しているとそ
の部分を通じてのリーク電流が非常に大きくかつ不安定
になるのに対し、InP表面ではこのようなことが生じな
いためである。さらに本受光素子の製造上の利点として
は、全体がプレーナ構造になっているという点があげら
れるが、OEICとして他の電気素子と集積化して光集積回
路を構成しようとすると電気的分離の問題が生じてくる
ため例えばInP基板を半絶縁性として受光素子をメサ構
造とするか、素子間に誘電帯を埋め込み誘電分離を行っ
てもよい。 またP側電極7としてはCr/Pt/Auを用いているが、透
明電極として例えばITOを用いることで、電極による光
の遮断領域がなくなり総受光面積が増大する。 また、実施例では受光領域をZnの気相拡散により形成
しているが、例えばイオンプランテーション法により受
光領域を形成することが可能であるし、エッチングによ
り受光領域を分離することも可能である。なお、以上の
実施例の説明においては半導体材料をInP系としてきた
が、GaAs系など他の半導体材料を用いてもよい。また、
PINホトダイオードを例えばアバランシェホトダイオー
ド、MSMホトダイオードなどとすることも可能である。 ところで、個々の受光領域6から得られる光電流は、
例えばFETなどを用いてインピーダンス変換を行った後
に加え合わせることで、個々の受光領域の面積に対応す
る大きい周波数帯域を有し、かつ総受光領域の面積に対
応する大きい光電流を得ることができる。 発明の効果 以上述べてきたように、本発明によれば小さい面積の
受光領域を光の入射範囲内に多数分布させることで、高
速動作可能かつ大きい光電流を取り出せる受光素子を構
成できる。また集積化されたホトダイオードは高量子効
率、低暗電流のウインドウ付きプレーナ構造でかつ製造
も容易である。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の一実施例の受光素子の断面図、第2図
は従来の受光素子の断面図、第3図は従来の4チャンネ
ル光集積回路の断面図、第4図,第5図は従来の太陽電
池,CCDの断面図である。 1……InP基板、2……バッファ層、3……光吸収層、
4……光透過層、5……絶縁層、6……受光領域、7…
…P側電極、8……N側共通電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−48275(JP,A) 特開 昭57−92877(JP,A) 特開 昭63−204645(JP,A) 特開 昭63−60562(JP,A) 特開 昭48−74768(JP,A) 特開 昭51−55619(JP,A) 実開 昭60−130657(JP,U)

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.半導体基板と、 前記基板上に形成された光吸収層と、 前記光吸収層の一部領域内に形成され、前記光吸収層と
    伝導型の異なる複数の受光領域とを含み、 前記複数の受光領域に光信号を照射したときに得られる
    各受光領域に対応した複数の光電流を、前記各受光領域
    より独立に取り出し、能動素子を用いてインピーダンス
    変換を行う受光素子であって、 各受光領域は、それぞれの空乏層が接触しないように配
    置され、 前記能動素子を用いてインピーダンス変換された電流は
    加え合わされる、受光素子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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NL8003906A (nl) * 1980-07-07 1982-02-01 Philips Nv Stralingsgevoelige halfgeleiderinrichting.
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