JP2883386B2 - 半導体光検出器および閾値論理増幅装置 - Google Patents
半導体光検出器および閾値論理増幅装置Info
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- JP2883386B2 JP2883386B2 JP2018725A JP1872590A JP2883386B2 JP 2883386 B2 JP2883386 B2 JP 2883386B2 JP 2018725 A JP2018725 A JP 2018725A JP 1872590 A JP1872590 A JP 1872590A JP 2883386 B2 JP2883386 B2 JP 2883386B2
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- semiconductor
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、信号対雑音比（S/N）の向上を図った増倍
機能を有する光検出器とおこの光検出器のの応用に関す
るものである。
機能を有する光検出器とおこの光検出器のの応用に関す
るものである。
従来、半導体光検出器としては、PN接合を有するフォ
トダイオードが代表的なものである。また、増幅機能を
有する半導体光検出器としては、アバランシフォトダイ
オードがある。
トダイオードが代表的なものである。また、増幅機能を
有する半導体光検出器としては、アバランシフォトダイ
オードがある。
PN接合を用いた上記従来技術の光検出器において、受
信信号レベルを大きく取ろうとする場合には、増幅器を
外付けして増倍する必要が有る。このため、通常は、増
幅器の熱雑音により、信号レベルは大きくなっても、S/
Nという面ではどうしても劣化してしまう欠点がある。
又、アバランシ効果を用いた上記従来の増幅型の光検出
器においては、信号とショット雑音との増倍特性が異な
るために最適な増倍率が存在し、その値は10ないしは20
0程度と低い値である。
信信号レベルを大きく取ろうとする場合には、増幅器を
外付けして増倍する必要が有る。このため、通常は、増
幅器の熱雑音により、信号レベルは大きくなっても、S/
Nという面ではどうしても劣化してしまう欠点がある。
又、アバランシ効果を用いた上記従来の増幅型の光検出
器においては、信号とショット雑音との増倍特性が異な
るために最適な増倍率が存在し、その値は10ないしは20
0程度と低い値である。
本発明はこのような課題を解消するためになされたも
ので、深い準位を有してガン発振条件のn1積を満たさな
い低キャリア密度の半導体の両端に電極を構成し、1000
V/cm以上の電界印加の下で、光信号が入射されたとき、
素子の導電率が大幅に増加する現象を用いた増幅機能を
有するものである。
ので、深い準位を有してガン発振条件のn1積を満たさな
い低キャリア密度の半導体の両端に電極を構成し、1000
V/cm以上の電界印加の下で、光信号が入射されたとき、
素子の導電率が大幅に増加する現象を用いた増幅機能を
有するものである。
光照射によって発生したキャリアは半導体の深い準位
に捕獲される。また、高電界が印加されているため、電
子は通常のエネルギー準位より高いレベルの伝導帯を走
行する。従って、フェルミレベルのエネルギー位置は上
昇し、ビルトイン電界が強まり、光照射により生じる電
流は増加する。
に捕獲される。また、高電界が印加されているため、電
子は通常のエネルギー準位より高いレベルの伝導帯を走
行する。従って、フェルミレベルのエネルギー位置は上
昇し、ビルトイン電界が強まり、光照射により生じる電
流は増加する。
このとき、本発明の素子においては、光強度が増すと
光電子も増えて、この深い準位に電子が詰ったために、
深い準位が、電子が詰った最上位のレベルになる。この
ため、半導体基板１のフェルミレベルは、この最上位の
レベルと伝導体との電子のやり取りの熱平衡状態できま
る。
光電子も増えて、この深い準位に電子が詰ったために、
深い準位が、電子が詰った最上位のレベルになる。この
ため、半導体基板１のフェルミレベルは、この最上位の
レベルと伝導体との電子のやり取りの熱平衡状態できま
る。
このとき、電子は、電子が通常走るΓ伝導帯に一旦は
励起されるが、1000V/cm以上の電界印加の下では、電子
はΓ帯に存在できなくなり、更にエネルギーの高いＬ伝
導帯を走行する事になる。従って、実質的には伝導帯
は、Ｌ伝導帯となっている。従って、フェルミレベル
は、深い準位とＬ伝導帯との間の電子のやり取りで決る
為、Γ伝導帯にかなり近いレベルまで上昇している。
励起されるが、1000V/cm以上の電界印加の下では、電子
はΓ帯に存在できなくなり、更にエネルギーの高いＬ伝
導帯を走行する事になる。従って、実質的には伝導帯
は、Ｌ伝導帯となっている。従って、フェルミレベル
は、深い準位とＬ伝導帯との間の電子のやり取りで決る
為、Γ伝導帯にかなり近いレベルまで上昇している。
ところで、熱力学的な活性化エネルギーは、伝導帯に
電子を熱励起するエネルギーで決るが、熱的にはΓ伝導
帯に電子を上げるだけで良く、Ｌ伝導帯へは電界のエネ
ルギーで自然と励起される。つまり、深い準位に電子が
捕獲され、しかも高電界が印加されている状況では、高
抵抗の半導体基板１は、Ｎ型の低抵抗基板に変化してい
るといえる。
電子を熱励起するエネルギーで決るが、熱的にはΓ伝導
帯に電子を上げるだけで良く、Ｌ伝導帯へは電界のエネ
ルギーで自然と励起される。つまり、深い準位に電子が
捕獲され、しかも高電界が印加されている状況では、高
抵抗の半導体基板１は、Ｎ型の低抵抗基板に変化してい
るといえる。
本発明の一実施例による増倍機能を有する光検出器の
構成を第１図に示す。
構成を第１図に示す。
１は、Γ−Ｌ遷移が可能な深い準位を有するガン発振
を生じない低キャリア密度の半導体、例えば、光絶縁性
Gs As基板である。２は、光入射面に構成された透明或
いはメッシュ状の電極である。又、３は、電極２とは反
対の面に構成された他方の電極である。
を生じない低キャリア密度の半導体、例えば、光絶縁性
Gs As基板である。２は、光入射面に構成された透明或
いはメッシュ状の電極である。又、３は、電極２とは反
対の面に構成された他方の電極である。
この素子の電極2,3の間に1000V/cm以上の電界を印加
する。半導体基板１のキャリア密度は低いので、この時
電極2,3の間に流れる電流は小さい。この状態で光Ｈν
が照射されると、半導体基板１中に光キャリアが生成さ
れるために、多くの電流が流れるようになる。このキャ
リアは半導体基板１中に存在する深いレベルに捕獲され
る。その為に、素子を流れる熱的励起電流は光照射前に
比べて大幅に増加している。従来、ガン効果開始のしき
い値は3000V/cmと言われてきた。これは、ｎ型GaAsにお
いてガン発振が始まるしきい値であるから、本発明のよ
うに、別に光励起によって充満帯から電子を供給できる
ときには、その低抵抗状態を維持するに足るだけの1000
V/cmを印加しておくだけで、低抵抗状態に遷移させるこ
とができ、これは本発明の特長である。
する。半導体基板１のキャリア密度は低いので、この時
電極2,3の間に流れる電流は小さい。この状態で光Ｈν
が照射されると、半導体基板１中に光キャリアが生成さ
れるために、多くの電流が流れるようになる。このキャ
リアは半導体基板１中に存在する深いレベルに捕獲され
る。その為に、素子を流れる熱的励起電流は光照射前に
比べて大幅に増加している。従来、ガン効果開始のしき
い値は3000V/cmと言われてきた。これは、ｎ型GaAsにお
いてガン発振が始まるしきい値であるから、本発明のよ
うに、別に光励起によって充満帯から電子を供給できる
ときには、その低抵抗状態を維持するに足るだけの1000
V/cmを印加しておくだけで、低抵抗状態に遷移させるこ
とができ、これは本発明の特長である。
電極３と半導体基板１との接合で形成される障壁は、
光照射前は、電子注入のブロッキング電極として働く。
しかし、光照射後は、フェルミレベルが上昇した分だけ
ビルトイン電界が強くなり、電極３からの電子注入が生
じる。注入された電子は、深い準位を満たし続ける為
に、この状態は電界を切って電子注入を断つまで、平衡
永続状態となる。
光照射前は、電子注入のブロッキング電極として働く。
しかし、光照射後は、フェルミレベルが上昇した分だけ
ビルトイン電界が強くなり、電極３からの電子注入が生
じる。注入された電子は、深い準位を満たし続ける為
に、この状態は電界を切って電子注入を断つまで、平衡
永続状態となる。
以上説明したように、この素子に深い準位に電子が詰
まる程度の強さの光を照射する事により、通常の光導電
現象で決る電流値より遥かに大きなレベルの電流値を得
ることができ、光導電電流を倍増していると見る事が出
来る。この現象は光による負性抵抗に相当しており、本
発明の発明者によって初めて発見された現象である。こ
の光強度限界とは、ガン発振による自励振動で妨害され
ないために、不純物密度によるキャリア密度に限界が生
じる。これが公知のn1積であって、半絶縁性GaAsを通常
の光ダイオードの大きさ（１が２−３間の長さ）に適用
して、ほぼこの条件を満足している。
まる程度の強さの光を照射する事により、通常の光導電
現象で決る電流値より遥かに大きなレベルの電流値を得
ることができ、光導電電流を倍増していると見る事が出
来る。この現象は光による負性抵抗に相当しており、本
発明の発明者によって初めて発見された現象である。こ
の光強度限界とは、ガン発振による自励振動で妨害され
ないために、不純物密度によるキャリア密度に限界が生
じる。これが公知のn1積であって、半絶縁性GaAsを通常
の光ダイオードの大きさ（１が２−３間の長さ）に適用
して、ほぼこの条件を満足している。
また、光照射後に流れる電流は、照射光強度では決ら
ず、又光照射を止めても電界を断つまで流れ続ける為、
本デバイスは汎用の光検出器にはならない。しかし、光
照射のタイミングが既知なので、光照射によって発生し
た電流をクロックタイミングごとにリセットすることが
できれば、閾値を越える光入力に対して増幅、蓄積機能
を有する閾値論理増幅装置として応用することができ
る。単純には、上記の1000V/cmの電界を一瞬低下すれば
よい。このようにして得られる装置の増倍率は、照射さ
れる光強度が高くなるにしたがって小さくなるが、光強
度が101〜103（W/m2）程度の領域では、半導体基板１が
GaAsの場合には102〜104程度である。また、信号対雑音
比率S/Nは、103〜105程度改善されることになる。
ず、又光照射を止めても電界を断つまで流れ続ける為、
本デバイスは汎用の光検出器にはならない。しかし、光
照射のタイミングが既知なので、光照射によって発生し
た電流をクロックタイミングごとにリセットすることが
できれば、閾値を越える光入力に対して増幅、蓄積機能
を有する閾値論理増幅装置として応用することができ
る。単純には、上記の1000V/cmの電界を一瞬低下すれば
よい。このようにして得られる装置の増倍率は、照射さ
れる光強度が高くなるにしたがって小さくなるが、光強
度が101〜103（W/m2）程度の領域では、半導体基板１が
GaAsの場合には102〜104程度である。また、信号対雑音
比率S/Nは、103〜105程度改善されることになる。
尚、第１図での電界印加の極性では、用いた半導体の
エネルギーギャップよりも高いエネルギーを持った光子
でないと光電子は生成されないが、キャリアの発生は価
電子帯から伝導帯への遷移による必要はなく、電極３か
らの内部エミッションによっても良い事は言うまでも無
い。この時には、電極３と半導体基板１との障壁の高
さ、つまりエネルギーギャップの1/2ないしは2/3程度の
光子エネルギーまで光感度がある。これら、キャリアの
発生方法の違いは、すべてこの発明の部分的な変更に過
ぎず、本発明の根本は、光照射によるフェルミレベルの
上昇がもたらす電極増加現象を、光検出のために倍増現
象として応用した事にある。
エネルギーギャップよりも高いエネルギーを持った光子
でないと光電子は生成されないが、キャリアの発生は価
電子帯から伝導帯への遷移による必要はなく、電極３か
らの内部エミッションによっても良い事は言うまでも無
い。この時には、電極３と半導体基板１との障壁の高
さ、つまりエネルギーギャップの1/2ないしは2/3程度の
光子エネルギーまで光感度がある。これら、キャリアの
発生方法の違いは、すべてこの発明の部分的な変更に過
ぎず、本発明の根本は、光照射によるフェルミレベルの
上昇がもたらす電極増加現象を、光検出のために倍増現
象として応用した事にある。
以上説明したように本発明によれば、光照射によって
発生したキャリアは半導体の深い準位に捕獲される。ま
た、高電界が印加されているため、電子は通常のエネル
ギー準位より高いレベルの伝導帯を走行する。従って、
フェルミレベルのエネルギー位置は上昇し、ビルトイン
電界が強まり、光照射により生じる電流は増加する。
発生したキャリアは半導体の深い準位に捕獲される。ま
た、高電界が印加されているため、電子は通常のエネル
ギー準位より高いレベルの伝導帯を走行する。従って、
フェルミレベルのエネルギー位置は上昇し、ビルトイン
電界が強まり、光照射により生じる電流は増加する。
このため、微弱な信号レベルのデジタル光信号をS/N
よく受ける事ができ、光通信、光情報伝送網の発達に大
いに役立つ装置を提供することが出来る。
よく受ける事ができ、光通信、光情報伝送網の発達に大
いに役立つ装置を提供することが出来る。
第１図は本発明の一実施例の構成を示す図である。 １…半導体基板、2,3…透明またはメッシュ状の電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉本 賢一 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松 ホトニクス株式会社内 (72)発明者 中嶋 和利 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松 ホトニクス株式会社内 (72)発明者 飯田 孝 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松 ホトニクス株式会社内 (72)発明者 藁科 禎久 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松 ホトニクス株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−74977（ＪＰ，Ａ) Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖ ｏｌ．30，Ｎｏ．12Ａ（1991）Ｐ．3421 −3424 Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖ ｏｌ．30，Ｎｏ．12Ａ（1991）Ｐ．3327 −3330 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/10
Claims (3)
- 【請求項１】深い準位を有してガン発振条件のn1積を満
たさない低キャリア密度の半導体の両端に電極を構成
し、1000V/cm以上の電界印加の下で、光信号が入射され
たとき、素子の導電率が大幅に増加する現象を用いた増
幅機能を有する半導体光検出器。 - 【請求項２】半導体はGa Asを主成分として形成される
ことを特徴とする請求項１記載の半導体光検出器。 - 【請求項３】深い準位を有するガン発振条件のn1積を満
たさない低キャリア密度の半導体の両端に電極を構成
し、1000V/cm以上の電界印加の下で、光信号が入射され
たとき、素子の導電率が大幅に増加する現象を用いた増
幅機能を有する半導体光検出器と、 この半導体光検出器をクロックタイミングごとにリセッ
トする手段と を備え、所定の閾値を越える光入力信号に対して論理増
幅機能を有することを特徴とする閾値論理増幅装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018725A JP2883386B2 (ja) | 1990-01-29 | 1990-01-29 | 半導体光検出器および閾値論理増幅装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018725A JP2883386B2 (ja) | 1990-01-29 | 1990-01-29 | 半導体光検出器および閾値論理増幅装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03222484A JPH03222484A (ja) | 1991-10-01 |
| JP2883386B2 true JP2883386B2 (ja) | 1999-04-19 |
Family
ID=11979644
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2018725A Expired - Fee Related JP2883386B2 (ja) | 1990-01-29 | 1990-01-29 | 半導体光検出器および閾値論理増幅装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2883386B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3959188B2 (ja) * | 1998-11-12 | 2007-08-15 | 株式会社東芝 | ストリップ電極型放射線検出装置 |
-
1990
- 1990-01-29 JP JP2018725A patent/JP2883386B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１２Ａ（１９９１）Ｐ．３３２７−３３３０ |
| Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１２Ａ（１９９１）Ｐ．３４２１−３４２４ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03222484A (ja) | 1991-10-01 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |