JPH01143275A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH01143275A JPH01143275A JP62300923A JP30092387A JPH01143275A JP H01143275 A JPH01143275 A JP H01143275A JP 62300923 A JP62300923 A JP 62300923A JP 30092387 A JP30092387 A JP 30092387A JP H01143275 A JPH01143275 A JP H01143275A
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- light
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- semiconductor
- thulium
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- 229910052775 Thulium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
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Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体受光素子に関し、特に１．２μｍの波長
の光を選択的に吸収する半導体受光素子に関する。
の光を選択的に吸収する半導体受光素子に関する。
従来の半導体受光素子の動作原理は第３図に示すように
ｐ領域とｎ領域の接点であるｐｎ接合部に形成される空
乏層中でのバンド間光吸収を利用している。すなわち、
光は空乏層中で吸収されてキャリアを生成する。この生
成したキャリアが空乏層端にたどりつき光電流となって
光電変換がなされる。
ｐ領域とｎ領域の接点であるｐｎ接合部に形成される空
乏層中でのバンド間光吸収を利用している。すなわち、
光は空乏層中で吸収されてキャリアを生成する。この生
成したキャリアが空乏層端にたどりつき光電流となって
光電変換がなされる。
上述したように１従来の半導体受光素子の動作原理は、
ｐｎ接合部に形成される空乏層でのバンド間光吸収を利
用している。そのため、禁制帯幅以上のエネルギーを有
する光については、全て吸収してしまい波長選択性に乏
しくある波長領域に含まれる光全体を光電変換すること
は可能であっても、特定の波長のみを選択的に光電変換
することはできない。このため例えば第４図において、
受光感度領域２４を有する半導体受光素子で第４図に示
す光スペクトル分布を有する光を受光した場合には、受
光感度領域２４に含まれるすべての波長の光を光電変換
することになる。特にスペクトル２１とスペクトル２２
を分離して、スペクトル２１のみを受光したい場合には
分光器と組み合せて、スペクトル２１の波長を含む受光
感度領域２５を有する半導体受光素子を構成している二
この場合でも信号成分のスペクトル２１の他に、受光感
度領域２５に含まれる迷光成分２３を受光してしまう欠
点がある。このような欠点は例えば、光通信分野で今後
、波長多重通信方式がさかんに行なわれるようになって
くると、特に重要な問題となってくる可能性がある。
ｐｎ接合部に形成される空乏層でのバンド間光吸収を利
用している。そのため、禁制帯幅以上のエネルギーを有
する光については、全て吸収してしまい波長選択性に乏
しくある波長領域に含まれる光全体を光電変換すること
は可能であっても、特定の波長のみを選択的に光電変換
することはできない。このため例えば第４図において、
受光感度領域２４を有する半導体受光素子で第４図に示
す光スペクトル分布を有する光を受光した場合には、受
光感度領域２４に含まれるすべての波長の光を光電変換
することになる。特にスペクトル２１とスペクトル２２
を分離して、スペクトル２１のみを受光したい場合には
分光器と組み合せて、スペクトル２１の波長を含む受光
感度領域２５を有する半導体受光素子を構成している二
この場合でも信号成分のスペクトル２１の他に、受光感
度領域２５に含まれる迷光成分２３を受光してしまう欠
点がある。このような欠点は例えば、光通信分野で今後
、波長多重通信方式がさかんに行なわれるようになって
くると、特に重要な問題となってくる可能性がある。
本発明の半導体受光素子は禁制帯幅が１．０４ｅＶより
も大きい半導体で構成されたｐｉｎ構造を有しており、
かつ低キヤリア濃度領域すなわちｉ領域にツリウム（Ｔ
ｍ）がドービンーグされている構成となっている。
も大きい半導体で構成されたｐｉｎ構造を有しており、
かつ低キヤリア濃度領域すなわちｉ領域にツリウム（Ｔ
ｍ）がドービンーグされている構成となっている。
すなわち、従来の半導体受光素子が価電子帯と伝導帯の
バンド間光吸収を利用した動作原理であるのに対し、本
発明の半導体受光素子はツリウム（Ｔｍ）の４ｆ軌道準
位に関与した原子内準位を利用している点に特徴がある
。
バンド間光吸収を利用した動作原理であるのに対し、本
発明の半導体受光素子はツリウム（Ｔｍ）の４ｆ軌道準
位に関与した原子内準位を利用している点に特徴がある
。
実施例１
次に本発明の一実施例について図面を参照して説明する
。第１図は本発明の第１の実施例の縦断面図である。図
中１はｎ−ＩｎＰからなる半導体基板、２はＩｎＰから
なるｎ型半導体層、３はｎ”−ＩｎＰ からなりかつツ
リウム（Ｔｍ）がドーピングされた低キヤリア濃度の半
導体層、４はｎ−ＩｎＰからなる半導体層で、選択的に
Ｚｎ拡散によってｐ−ＩｎＰよシなる半導体領域５が形
成されている。
。第１図は本発明の第１の実施例の縦断面図である。図
中１はｎ−ＩｎＰからなる半導体基板、２はＩｎＰから
なるｎ型半導体層、３はｎ”−ＩｎＰ からなりかつツ
リウム（Ｔｍ）がドーピングされた低キヤリア濃度の半
導体層、４はｎ−ＩｎＰからなる半導体層で、選択的に
Ｚｎ拡散によってｐ−ＩｎＰよシなる半導体領域５が形
成されている。
半導体層４及び５の上には表面保護膜６が形成されてお
り、ｐ型半導体領域５に接触するように表面電極７が形
成され、半導体基板１の裏面には裏面電極８が形成され
ている。ここで重要なことは、まず第１に波長１．２μ
ｍの光に対して少なくとも半導体ｊｆｉ ２ 、３ 、
４のバンド間光吸収がないように、半導体層２，３．４
のバンドギャップが１．０４ｅＶよシも大きいことであ
る。第２に、少なくとも電極７．８間に逆バイアスを印
加した動作状態において、ｐｎ接合部９に形成される空
乏層が半導体２に達するように半導体層３の濃度、厚さ
及びｐｎ接合部９の位置を設計することが重要である。
り、ｐ型半導体領域５に接触するように表面電極７が形
成され、半導体基板１の裏面には裏面電極８が形成され
ている。ここで重要なことは、まず第１に波長１．２μ
ｍの光に対して少なくとも半導体ｊｆｉ ２ 、３ 、
４のバンド間光吸収がないように、半導体層２，３．４
のバンドギャップが１．０４ｅＶよシも大きいことであ
る。第２に、少なくとも電極７．８間に逆バイアスを印
加した動作状態において、ｐｎ接合部９に形成される空
乏層が半導体２に達するように半導体層３の濃度、厚さ
及びｐｎ接合部９の位置を設計することが重要である。
この場合ｐｎ接合部９の位置は半導体１−３の内に位置
してもかまわない。
してもかまわない。
ここで、動作原理を説明する前にツリウム（Ｔｍ）及び
ツリウムが属するランタンド系列の特徴を簡単に説明す
る。ランタンド系列は４ｆ軌道を有する元素であり、こ
の４ｆ軌道は原子核近傍に位置している。このため、他
の元素との化学結合は４ｆ軌道よりもずっと空間的に拡
がった電子軌道を有する５ｄ電子軌道のみが関与してい
る。よって４ｆ軌道の電子は、化学結合等による他の軌
道電子との相互作用が極めて少ない。そのため、４ｆ軌
道電子間の発光吸収スペクトルは極めてスペクトル幅が
狭く、かつ化学結合状態の変化によってスペクトルが変
化しない特徴を有している。
ツリウムが属するランタンド系列の特徴を簡単に説明す
る。ランタンド系列は４ｆ軌道を有する元素であり、こ
の４ｆ軌道は原子核近傍に位置している。このため、他
の元素との化学結合は４ｆ軌道よりもずっと空間的に拡
がった電子軌道を有する５ｄ電子軌道のみが関与してい
る。よって４ｆ軌道の電子は、化学結合等による他の軌
道電子との相互作用が極めて少ない。そのため、４ｆ軌
道電子間の発光吸収スペクトルは極めてスペクトル幅が
狭く、かつ化学結合状態の変化によってスペクトルが変
化しない特徴を有している。
このランタンド系列の元素のうち、ツリウム（Ｔｍ）は
波長が１．２μｍの吸収スペクトルを有している。
波長が１．２μｍの吸収スペクトルを有している。
次に本発明の半導体受光素子の動作原理を第２図を用い
て説明する。本発明の半導体受光素子に適当な逆バイア
スを印加した動作状η女でのバンド構造を第２図に示す
。ここで１１はｐ、Ｈ２１ｊ半導体領域、１２はツリウ
ム（Ｔｍ）がドーピングされた低キヤリア濃度なｉ型半
導体領域、１３はｎ型半導体領域を示し、１４はツリウ
ム（Ｔｍ）の４ｆ軌道電子によるツリウム原子内準位を
示している。ここで図中、ｐ型半導体領域１１側から構
成する半導体の禁制帯幅１８よりも大きいエネルギーを
有する光ｈｖｌ波長１．２μｍの光ｈｖ２禁制帝幅１８
よりも小さいエネルギーでかつ波長が１．２μｍでない
光ｈｖｌが入射したとする。ｈｖｌの光は図中１５に示
すバンド間遷移で吸収される。ここで半専体表面から空
乏層領域までの距離すなわち図中の例ではｐ型半導体領
域１１の幅をキャリアの拡散長よりも十分大きく、かつ
ｈｖｌの光の吸収長の数倍以上に設定すると、ｐ型半導
体領域１１で光励起によって発生したキャリアは再結合
し、光電流は発生せず、またｈｖＩのエネルギーを有す
る光は空乏層が形成されているｉ型半導体領域１２に到
達しない。また県側帯幅１８が１．０４ｅＶ以上である
ので、１．２μｍの波長の光は空乏層が形成されている
ｉ型半導体領域１２に到達する。このｉ型半導体領域１
２では、１．２μｍの波長の光はツリウム（Ｔｍ）の原
子内準位を利用した遷移１６によって吸収され、トンネ
ル過程または熱励起過程を経て、伝導帯へ電子励起が起
こる１、シかしながら、禁制帯幅１８よりも小さいエネ
ルギーを有し、かつ波長が１．２μｍでみい光ｈｖ３１
７は吸収されない（図中１７）。ここで空乏層が形成さ
れている領域にのみツリウム（Ｔｍ）をドーピングする
ことにより１．２μｍの波長のみが光電変換されること
がわかる。
て説明する。本発明の半導体受光素子に適当な逆バイア
スを印加した動作状η女でのバンド構造を第２図に示す
。ここで１１はｐ、Ｈ２１ｊ半導体領域、１２はツリウ
ム（Ｔｍ）がドーピングされた低キヤリア濃度なｉ型半
導体領域、１３はｎ型半導体領域を示し、１４はツリウ
ム（Ｔｍ）の４ｆ軌道電子によるツリウム原子内準位を
示している。ここで図中、ｐ型半導体領域１１側から構
成する半導体の禁制帯幅１８よりも大きいエネルギーを
有する光ｈｖｌ波長１．２μｍの光ｈｖ２禁制帝幅１８
よりも小さいエネルギーでかつ波長が１．２μｍでない
光ｈｖｌが入射したとする。ｈｖｌの光は図中１５に示
すバンド間遷移で吸収される。ここで半専体表面から空
乏層領域までの距離すなわち図中の例ではｐ型半導体領
域１１の幅をキャリアの拡散長よりも十分大きく、かつ
ｈｖｌの光の吸収長の数倍以上に設定すると、ｐ型半導
体領域１１で光励起によって発生したキャリアは再結合
し、光電流は発生せず、またｈｖＩのエネルギーを有す
る光は空乏層が形成されているｉ型半導体領域１２に到
達しない。また県側帯幅１８が１．０４ｅＶ以上である
ので、１．２μｍの波長の光は空乏層が形成されている
ｉ型半導体領域１２に到達する。このｉ型半導体領域１
２では、１．２μｍの波長の光はツリウム（Ｔｍ）の原
子内準位を利用した遷移１６によって吸収され、トンネ
ル過程または熱励起過程を経て、伝導帯へ電子励起が起
こる１、シかしながら、禁制帯幅１８よりも小さいエネ
ルギーを有し、かつ波長が１．２μｍでみい光ｈｖ３１
７は吸収されない（図中１７）。ここで空乏層が形成さ
れている領域にのみツリウム（Ｔｍ）をドーピングする
ことにより１．２μｍの波長のみが光電変換されること
がわかる。
さて、以上説明したような本発明の半導体受光素子に嬉
４図に示す光スペクトル分布を有する光を受光した場合
について考えてみる。ここで本発明の半導体受光素子の
受光感度領域はツリタム（Ｔｍ）の４ｆＩｖＩ、道電子
の吸収スペクトルで決まる１、２μｍの波長の光のみで
あるので、これを＠４図中２６で表現する。特に検出し
たい信号成分の光が図中のスペクトル２１であるとし、
この信号成分の光もツリウム（Ｔｍ）の４ｆ軌道の準位
を利用した発光スペクトルであるとすると、この４ｆ軌
道準位は温度やツリウムの化学結合状態によって変化し
ないので、スペクトル２１０波長と本発明の受光ＩＣ１
４度領域２６は完全に一致し、他の波長の光は受光しな
い。したがってこの場合ＫＨ［ｊめて受信感度の高い受
信システムが可能となる。
４図に示す光スペクトル分布を有する光を受光した場合
について考えてみる。ここで本発明の半導体受光素子の
受光感度領域はツリタム（Ｔｍ）の４ｆＩｖＩ、道電子
の吸収スペクトルで決まる１、２μｍの波長の光のみで
あるので、これを＠４図中２６で表現する。特に検出し
たい信号成分の光が図中のスペクトル２１であるとし、
この信号成分の光もツリウム（Ｔｍ）の４ｆ軌道の準位
を利用した発光スペクトルであるとすると、この４ｆ軌
道準位は温度やツリウムの化学結合状態によって変化し
ないので、スペクトル２１０波長と本発明の受光ＩＣ１
４度領域２６は完全に一致し、他の波長の光は受光しな
い。したがってこの場合ＫＨ［ｊめて受信感度の高い受
信システムが可能となる。
実施例２
本発明の半導体受光素子の第２の実施例を第５図に示す
。この第２の実施例はａ面入射型のアバランシエフオド
ダイオードタイプの受光素子に本発明を適用した例であ
り、図中３１はｎ＋−ＩｎＰからなる半導体基板、３２
はＩｎＰ からなるｎ型半導体層、３３はｎ−−ＩｎＰ
からなり、ツリウム（Ｔｍ）がドーピングされ″た低キ
ャリア酸度のｉ型中樽体層、３４はｎ−ＩｎＰからなる
アバランシェ領域を形成する半導体層、３５はｎ Ｉ
ｎＰからなるキャップ層を形成する半導体層で選択的に
Ｚｎ拡散によってｐ−ＩｎＰよシなる半導体領域３６が
形成されまた、このＺｎ拡散領域３６の４ｊ Ｎ−＃ｌ
ＩｆこはＢｅイオン注入によって形成されたｐ−−Ｉ
ｎＰよりなるガードリング領域３７が形成されている。
。この第２の実施例はａ面入射型のアバランシエフオド
ダイオードタイプの受光素子に本発明を適用した例であ
り、図中３１はｎ＋−ＩｎＰからなる半導体基板、３２
はＩｎＰ からなるｎ型半導体層、３３はｎ−−ＩｎＰ
からなり、ツリウム（Ｔｍ）がドーピングされ″た低キ
ャリア酸度のｉ型中樽体層、３４はｎ−ＩｎＰからなる
アバランシェ領域を形成する半導体層、３５はｎ Ｉ
ｎＰからなるキャップ層を形成する半導体層で選択的に
Ｚｎ拡散によってｐ−ＩｎＰよシなる半導体領域３６が
形成されまた、このＺｎ拡散領域３６の４ｊ Ｎ−＃ｌ
ＩｆこはＢｅイオン注入によって形成されたｐ−−Ｉ
ｎＰよりなるガードリング領域３７が形成されている。
半導体層３５．３６及び３７の上Ｖこは表面保護膜３８
が形成され、ｐ型半導体領域３６に接触するように電極
３９が形成され、一方、半畳体基板３１の裏面には、＆
面電極４０と光入射窓部に位置して無反射コート膜４１
が形成されている。
が形成され、ｐ型半導体領域３６に接触するように電極
３９が形成され、一方、半畳体基板３１の裏面には、＆
面電極４０と光入射窓部に位置して無反射コート膜４１
が形成されている。
この第２の実施例においても第１の実施例で説明したの
と同様の原理により、ツリウＡ（Ｔｍ）の４ｆ軌道準位
に関与した１６２μｍの波長のみを選択的に光電変換す
ることが可能である。
と同様の原理により、ツリウＡ（Ｔｍ）の４ｆ軌道準位
に関与した１６２μｍの波長のみを選択的に光電変換す
ることが可能である。
以上説明したよりに、本発明の半導体受光素子は、ｐｉ
ｎｍ造を有する半導体受光素子において、構成する半導
体の県側帯幅が１．０４ｅＶよりも大きくかつ空乏層が
形成される低キヤリア濃度のｉ型半導体領域にツリウム
（Ｔｍ）をドーピングすることにより、ツリウムの４ｆ
軌道準位に関与した１、２μｍの波長のみを選択的に光
電変換する効果がある。
ｎｍ造を有する半導体受光素子において、構成する半導
体の県側帯幅が１．０４ｅＶよりも大きくかつ空乏層が
形成される低キヤリア濃度のｉ型半導体領域にツリウム
（Ｔｍ）をドーピングすることにより、ツリウムの４ｆ
軌道準位に関与した１、２μｍの波長のみを選択的に光
電変換する効果がある。
第１図、第５図は各々本発明の半導体受光素子の第１及
び第２の実施例の縦断面図、グ２図は本発明の半導体骨
ｉ素子の動作原理を示すバンド偽造図、第３図は従来の
半導体受光素子の動作原理を示すバンド桐造図、４４図
は従来の半導体受光素子と本発明の半導体受光素子の受
光感度領域を説明する図である。 １．３１・・・・・・半導体基板、２，３２・・・・・
・ｎ型半導体層、３，３３・・・・・・ツリウム（Ｔｍ
）をドープした低キヤリア濃度の半導体層、４・・・・
・・ｎ型半導体Ｍ％へ３６・・・・・・ｐ型半導体領域
、６，３８・・・・・・表面保鰻膜、７．３９・・・・
・・電極、、８．４０・・・・・・１面電極、９・・・
・・・ｐｎ接合面、３４・・・・・・ｎｆｉ半導体より
なるアバランシェ層、３５・・・・・・ｎ型半導体より
なるキャップ層、３７・・・・・・ｐ″″型半型中よ体
なるガードリング領域、３９．４１・・・・・・無反射
コート腓、１１・・・・・・ｐ型中へ４体領域、１２・
・・・・・ツリウムをドープした低キャリア前度な半導
体領域、１３・・・・・・ｎ型中畳体引域、１４・・・
・・・ツリウムの４ｆ軌道卆位、１５・・・・・・バン
ド間光吸収、１６・・・・・・ツリウムの４ｆ軌道準位
間光吸収、１７・・・・・・吸収されない光、１８・・
・・・・禁制帯幅、２１．２２・・・・・・スペクトル
、２３・・・・・・迷光成分、２４・・・・・・従来の
半導体受光素子の受光感度領域、２５・・・・・・分光
器と組み合せた場合の従来の半導体受光素子の受光感度
領域、２６・・・・・・本発明の半導体受光素子の受光
感度領域。 代理人 弁理士 内 原 音 ６衣１保ｊ朕 戸 １７ Ｊ２ 図 ｐ領域 空乏層 ７１領域 第 ３ 図 方 ４ Ｖ 万 ５ 図
び第２の実施例の縦断面図、グ２図は本発明の半導体骨
ｉ素子の動作原理を示すバンド偽造図、第３図は従来の
半導体受光素子の動作原理を示すバンド桐造図、４４図
は従来の半導体受光素子と本発明の半導体受光素子の受
光感度領域を説明する図である。 １．３１・・・・・・半導体基板、２，３２・・・・・
・ｎ型半導体層、３，３３・・・・・・ツリウム（Ｔｍ
）をドープした低キヤリア濃度の半導体層、４・・・・
・・ｎ型半導体Ｍ％へ３６・・・・・・ｐ型半導体領域
、６，３８・・・・・・表面保鰻膜、７．３９・・・・
・・電極、、８．４０・・・・・・１面電極、９・・・
・・・ｐｎ接合面、３４・・・・・・ｎｆｉ半導体より
なるアバランシェ層、３５・・・・・・ｎ型半導体より
なるキャップ層、３７・・・・・・ｐ″″型半型中よ体
なるガードリング領域、３９．４１・・・・・・無反射
コート腓、１１・・・・・・ｐ型中へ４体領域、１２・
・・・・・ツリウムをドープした低キャリア前度な半導
体領域、１３・・・・・・ｎ型中畳体引域、１４・・・
・・・ツリウムの４ｆ軌道卆位、１５・・・・・・バン
ド間光吸収、１６・・・・・・ツリウムの４ｆ軌道準位
間光吸収、１７・・・・・・吸収されない光、１８・・
・・・・禁制帯幅、２１．２２・・・・・・スペクトル
、２３・・・・・・迷光成分、２４・・・・・・従来の
半導体受光素子の受光感度領域、２５・・・・・・分光
器と組み合せた場合の従来の半導体受光素子の受光感度
領域、２６・・・・・・本発明の半導体受光素子の受光
感度領域。 代理人 弁理士 内 原 音 ６衣１保ｊ朕 戸 １７ Ｊ２ 図 ｐ領域 空乏層 ７１領域 第 ３ 図 方 ４ Ｖ 万 ５ 図
Claims (1)
- ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域との間に低濃度半導
体領域を少なくとも備えた構造を有する半導体受光素子
において、前記各領域を構成する各半導体の禁制帯幅が
１．０４ｅＶよりも大きく、かつ、低濃度半導体領域に
ツリウム（Ｔｍ）をドーピングしたことを特徴とする半
導体受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62300923A JPH01143275A (ja) | 1987-11-27 | 1987-11-27 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62300923A JPH01143275A (ja) | 1987-11-27 | 1987-11-27 | 半導体受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01143275A true JPH01143275A (ja) | 1989-06-05 |
Family
ID=17890757
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62300923A Pending JPH01143275A (ja) | 1987-11-27 | 1987-11-27 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01143275A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100804067B1 (ko) * | 2006-11-13 | 2008-02-18 | 주식회사 리프텍 | 산업용 승강장치에 적합한 가변식 발판 |
-
1987
- 1987-11-27 JP JP62300923A patent/JPH01143275A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100804067B1 (ko) * | 2006-11-13 | 2008-02-18 | 주식회사 리프텍 | 산업용 승강장치에 적합한 가변식 발판 |
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