JPH021995A - 半導体受光素子と、これを用いた検出器 - Google Patents

半導体受光素子と、これを用いた検出器

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JPH021995A
JPH021995A JP63143367A JP14336788A JPH021995A JP H021995 A JPH021995 A JP H021995A JP 63143367 A JP63143367 A JP 63143367A JP 14336788 A JP14336788 A JP 14336788A JP H021995 A JPH021995 A JP H021995A
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宜彦 水島
Kenichi Sugimoto
賢一 杉本
Toru Hirohata
徹 廣畑
Kazutoshi Nakajima
和利 中嶋
Takashi Iida
孝 飯田
Sadahisa Warashina
禎久 藁科
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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。

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と、これを利用して温度や入射
光の波長を検出する検出器に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、半導体受光素子として例えばフォトダイオードが
知られている。これは、半導体のpn接合あるいは金属
と半導体のショットキ接合を有しており、1(導体のバ
ンドギャップエネルギーEg以上のエネルギーを持った
光(より短波長の光)か入射されると光電流が得られる
。そして、その充電流出力に対応した放射感度の波長依
存性は、例えば第2図に点線および一点鎖線で示したP
D−1,2のようになる。
〔発明か解決しようとする課題〕
第2図から明らかなように、従来の半導体受光素子によ
る放射感度は数百ナノメーター(nm)の広い波長範囲
でi与られるため、特定の狭い波長範囲の入射光の検出
には、そのままの構成では用いることかできなかった。
そこで、従来はフォトダイオードの入射面側に特定波長
の光のみを透過させるフィルタを取り付けていた。しか
し、これでは上記のフィルタが不可欠なものとなってし
まつ◎ そこで本発明は、フィルタなどを用いることなく、狭帯
域の入射光のみを検出できる新規な半導体受光素子を提
供することを目的とする。
また本発明は、このような半導体受光素子を利用して環
境温度や入射光の波長を検出できる検出器を場供するこ
とを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明に係る半導体受光素子は、半導体基板の上面に第
1の電極が形成され、かつ下面に第2の電極が形成され
、上面側から入射光を受けるようにした半導体受光素子
であって、第1の電極は入射光を透過させる材料もしく
は厚さで形成され、半導体基板の入射光方向の厚さが当
該半導体基板にχ・Iする入射光の特性吸収長と対応し
ていることを特徴とする。
また、本発明に係る温度検出器は、上記の半導体受光素
子と、第1および第2の電極からの出力信号の入射光の
波長に対する依存性にもとづいて半導体受光素子の温度
に対応した検出信号を出力すヤ検出信号出力手段とを備
えることを特徴とする。
さらに、本発明に係る波長検出器は、上記の半導体受光
素子において第1の電極を複数とし、かつこの1.12
数の電極ごとに半導体基板の厚さを所定の範囲で異なら
せると共に、第1の電極を構成する複数の電極から得ら
れる出力信号にもとづいて′入射光の波長にχ・1応し
た検出信号を出力する検出信号出力手段を備えることを
特徴とする。
〔作用〕
本発明の構成によれば、半導体基板を挟む第1の電極と
第2の電極の電極間隔を半導体基板に対する入射光の特
性吸収長と対応させたので、特定の波長でピークを示す
放射感度特性が得られる。
そして、この放射感度のピークが現れる波長帯は電極間
隔に依存して変化し、また温度に依存して変化するので
、波長検出器や温度検出器に応用することか可能になる
〔実施例〕 以ド、添付図面の第1図ないし第6図にもとづいて、本
発明の詳細な説明する。なお、図面の説明において同一
要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
第1図は本発明の実施例に係る半導体受光素子の断面図
である。例えば高抵抗のGaAs(ガリウムヒ素)から
なる半導体基板1の上面には、第1の電極2としてAu
  (金)によるショットキ電極か形成され、下面には
第2の電極3と七でAUGc (金・ゲルマニウム)、
Nlにッケル)およびAL+の三層からなるオーミック
電極が形成されている。そして、第1の電極2には端子
4、第2の電極3には端子5がそれぞれ接続され、これ
によって半導体受光素子のショットキ接合に逆バイアス
が印加されるようになっている。
半導体受光素子への光の入射は、第1図で矢印Aにより
示す如く第1の電極2の方向からなされ、従って第1の
電極2はこの入射光を透過できる程度に十分薄く (例
えば1)−80A)なっている。
また、半導体基板1の厚さLは゛ト導体基板1に対する
入射光の特性吸収長と対応しており、実施例の場合には
百〜数百ミクロン(μm)となっている。なお、この特
性吸収長の意義については後述する。
本発明者は上記のような半導体受光素子について放射感
度の波長依存性を調べた結果、第2図に丈11(PD−
3)で示すような特性が得られることを見出した。第2
図において、−点鎖線で示すPD−1はSi  (シリ
コン)からなる市販のフォトダイオードの放射感度であ
り、点線で示すPD2はGa As P (ガリウムヒ
素リン)からなる市販のフォトダイオードの放射感度で
ある。これに対し、実線で示すPD−3は第1図の構造
において、高抵抗のGa Asからなる半導体基板1の
厚さすなわち第1の電極2と第2の電極3の間の電極間
隔りを225μmとしたときの放射感度である。第2図
から、波長870〜880nm付近に鋭いピークを持っ
ていることかわかる。
上記のような放射感度の鋭いピークは、次のような理由
で生成するものと考えられる。これを第3図により説明
する。同図(a)は波長λ1〜λ (λ くλ2くλ3
くλ4)の光が第1の電極2を透過して半導体基t!i
21中に入射する様子を示す半導体受光素子の断面図で
あり、同図(b)は吸収係数のフォトンエネルギーに対
する依存性を片対数で示した図であり、同図(c)は放
射感度(A/W)の波長(nm)依存性を片対数で示し
た図である。
まず、波長の短い光(λl)はエネルギが太きく、第3
図(a)のように半導体基板1に入射すると直ちに吸収
され、従って第3図(b)のように吸収係数は大きい。
そして、吸収の過程において電子/正孔対が生成される
。この光生成キャリアは゛14導体基板1の表面で再結
合され(表面再結合)、従ってこの場合の放射感度は第
3図(C)のように十分に低い値となっている。
次に、より長い波長の光(λ2)が半導体基板1のバン
ドギャップエネルギーE 近傍のエネルギーを有してい
るときには、吸収係数は第2図(b)のように急に低下
しはじめる。そして、第2図(a)のように半導体基板
1の内部に入って中間近傍で吸収され、電子/正孔対を
生成させる。
ところが、高抵抗のGa Asからなる半導体基板1で
はCr  (クロム)あるいはEL2補償等による深い
レベルのトラップ準位が含まれており、従って上記の光
生成キャリアはこの深いレベルのトラップにて捕獲ある
いは再結合され、検出されることかない。このため、放
射感度は第3図(C)のようにあまり高くなることはな
い。
次に、より波長の長い光(λ3)が半導体基板1のバン
ドギャップエネルギーE よりもわずかに低いエネルギ
ーを有しているときは、第3図(b)のように吸収係数
が指数関数的に低くなり、従って1を導体基板1に入射
されると端T4の近傍まで到達し、電子/正孔対を生成
させる。この光生成キャリアの中には前述の深いレベル
のトラップ準位に捕獲されるものもあるが、第3図(a
)に記号Loで示す深い部分てキャリアが生成されると
きは、その多くは端子4にまで達し、このため第゛3図
(C)のように放射感度のピークを生じさせる。なお、
ピークを生じさせる光の到達深さLoは、キャリアの寿
命をτとし、走行時間を【とすると、 Lo−t−τ として求められる。
次に、十分に長い波長(λ4)の光が入射されると、吸
収係数は第3図(b)のように十分に低く、従って光は
第3図(a)のように半導体基板1を通過してキャリア
を生成させることがない。
このため、放射感度は第3図(C)のように低くなって
しまう。
以上の考察から、本発明の必須の構成要件をまとめると
、次のようになる。
まず、本発明においては半導体基板1の両面に第1の電
極2および第2の電極3が形成されていることが必要で
あり、かつ先入射側の第1の電極2は透光性を有してい
ることが必要である。ここで、第1の電極2がショット
キ電極であれば暗電流を低減させることができるが、オ
ーミック電極であってもよいことは言うまでもなく、半
導体基板1はpn接合を有していてもよい。また、第1
の電極は実施例のように薄くすることで透光性をtjj
たせてもよいが、それ自体を透光性の材料で形成しても
よい。
次に、半導体基板1の光入射方向の厚さすなわち電極間
隔りは、半導体基板1に対する入射光の特性吸収長とχ
・I応していることが必要である。すなオ)ち、入射光
のある波長域において半導体基板1の吸収係数か大きく
変化していることが必要であり、この変化領域の波長の
光が到達できる半導体基板1の深さ(特性吸収長)が電
極間隔りと対応していることが必要である。従って、上
記実施例ては゛[−導体基板1のバンドギャップエネル
ギーE 近傍での吸収係数の変化に行目しているが、こ
のような変化をaするものであればバンドギャップエネ
ルギーE 近傍の特性に限定されるものではない。さら
に、放射感度のピークを急峻なものとするためには、半
導体基板1にトラップ準位を含ませることが好ましいが
、本発明はこれに限られるものではない。
次に、放射感度の電極間隔りに対する依存性について説
明する。
第4図は電極間隔りを414μm、225μm。
70μmと変化させたときの放射感度の波長依存性を示
している。なお、半導体基板1はCa Asとし、0℃
で711+1定した結果を示している。同図において行
目すべき点は、放射感度のピークを示す波長が電極間隔
りによって微妙に変化していることである。これは、入
射光が長波長になるに従って、特性吸収長が長くなるこ
とを意味している。
また、ピークが短波長側にシフトするにつれて、ピーク
の半値幅が大きくなっていることがわかる。
このように電極間隔りによってピークの現れる波長域が
シフトするため、本発明の半導体受光素子は第5図のよ
うな波長センサとして応用することかてきる。すなわち
、半導体基板1の厚さをL  、L  、L  (L 
 <L、<L。)と段階的bca に変化させる。すると、第1の電極2a、2b。
2Cのそれぞれから出力される検出信号の放射感度のピ
ークは、波長λ 、λ 、λ (λ くbca λ、くλC)となり、従って入射光の波長を検出するこ
とが可能になる。また、バンドギャップエネルギーEg
近傍の波長での吸収特性の変化に着[1する場合には、
このバンドギャップエネルギーE は゛ト導体の種類ご
とに異なるものであり、従って複数種類の半導体基板1
を用いてこれらのそれぞれに第5図のような段差をつけ
れば、更に広い波長範囲での波長検出が可能になる。
次に、放射感度の周囲温度に対する依存性を説明する。
第6図は電極間隔りが225μmのときに、温度を−4
0”C,−20℃、0℃、+19℃と変化させたときの
放射感度の波長依存性を示している。
同図において着目すべき点は、放射感度のピークを示す
波長が低温になるにつれて短波長側にシフトしているこ
とである。これは、温度によって半導体基板]のバンド
ギャップエネルギーE が変化することと対応している
このため、本発明の半導体受光素子は極めて敏感な温度
センサに用いることができる。すなわち、第1図のよう
な半導体受光素子に光を入射し、放射感度のピークが生
じる波長を検出すれば、半導体受光素fの温度を知るこ
とができる。このとき、入射光は外部からのものであっ
てもよく、別途に光源が付設されていてもよい。なお、
この温度依在外をfII用すれば、温度可変フィルタ機
能付きの受光素子を実現することもてきる。
〔発明の効果〕
以上、詳細に説明した通り本発明では、半導体U仮を挟
む第1の電極と第2の電極の電極間隔を半導体基板1に
対する入射光の特性吸収長と対応させたので、特定の波
長でピークを示す放射感度特性が得られる。そして、こ
の放射感度のピークが生じる波長は電極間隔りに依存し
て変化し、また温度に依存して変化するので、フィルタ
などを設けることなく狭帯域の波長の光を検出できるだ
けでなく、極めて高感度の波長センサや温度センサにも
応用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の実施例に係る半導体受光素子の断面
図、第2図は、その放射感度を従来のフォトダイオード
と比較して説明する特性図、第3図は、第1図に示す実
施例の作用の説明図、第4図は、放射感度の電極間隔り
に対する依存性を説明する特性図、第5図は、波長セン
サとして応用するときの断面図、第6図は、放射感度の
温度にス、1する依存性を説明する特性図である。 1・・パ1′導体基板、2・・・第1の゛電極、3・・
・第2の電極、L・・・電極間隔。 特許出願人  浜松ホトニクス株式会社代理人弁理士 
  長谷用  芳  樹実施イ列の断面構造 第1図 ヌ是(nml 款射惑濱の5皮長依存性 第2図 実か1列の4乍用の説明 第3図 波長(nml 〕ダ身寸7g度の厚さ、依存;注 第4図 ひ 波長(nm) 刀対寸廓濱の5且コよイブく侶j注 倦6図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、半導体基板の上面に第1の電極が形成され、かつ下
    面に第2の電極が形成され、前記上面側から入射光を受
    けるようにした半導体受光素子であって、 前記第1の電極は前記入射光を透過させる材料もしくは
    厚さで形成され、 前記半導体基板の前記入射光方向の厚さが当該半導体基
    板に対する前記入射光の特性吸収長と対応していること
    を特徴とする半導体受光素子。 2、前記第1の電極が前記半導体基板にショットキ接触
    していることを特徴とする請求項1記載の半導体受光素
    子。 3、前記半導体基板が高抵抗半導体で形成されているこ
    とを特徴とする請求項1記載の半導体受光素子。 4、半導体基板の上面に第1の電極が形成され、かつ下
    面に第2の電極が形成され、前記上面側から入射光を受
    けるようにした半導体受光素子であって、前記第1の電
    極は前記入射光を透過させる材料もしくは厚さで形成さ
    れ、前記半導体基板の前記入射光方向の厚さが当該半導
    体基板に対する前記入射光の特性吸収長と対応している
    半導体受光素子と、 前記第1および第2の電極からの出力信号の前記入射光
    の波長に対する依存性にもとづいて前記半導体受光素子
    の温度に対応した検出信号を出力する検出信号出力手段
    と を備えることを特徴とする温度検出器。 5、半導体基板の上面に第1の電極が形成され、かつ下
    面に第2の電極が形成され、前記上面側から入射光を受
    けるようにした半導体受光素子であって、前記半導体基
    板は前記入射光方向の厚さが互いに異なる複数の領域を
    有し、 前記第1の電極は前記厚さの異なる領域ごとに形成され
    た複数の電極を含んで前記入射光を透過させる材料もし
    くは厚さで形成され、かつ前記半導体基板の前記厚さの
    異なる領域における前記入射光方向の厚さのそれぞれが
    、当該半導体基板に対する前記入射光中の波長の異なる
    光成分のそれぞれの特性吸収長と対応している半導体受
    光素子と、 前記第1の電極を構成する複数の電極から得られる出力
    信号にもとづいて前記入射光の波長に対応した検出信号
    を出力する検出信号出力手段とを備えることを特徴とす
    る波長検出器。
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