JPH02253665A - 光電変換素子 - Google Patents

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］ この発明は、負性抵抗特性を有するベース変調形バイポ
ーラ・トランジスタと、ホト・トランジスタとを、コレ
クタ領域を共通させた態様においてダーリントン接続し
てなる光電変換素子に関するものである。

［従来の技術及びその問題点］ 従来、光電変換素子として、ホト・ダイオード、ホト・
トランジスタ、ホト・ダーリントン、さらには光サイリ
スタ等がよく知られている。これらの充電変換素子は、
ホト・カブラ、ホト・インタラプタを始め、光通信光電
スイッチ等の各種充電変換素子装置に広く利用されてい
る。このような各種光電変換装置の中で、直流バイアス
下で、高い感度を得ようとする場合、ホト・トランジス
タあるいはホト・ダーリントンが広（用いられている。

しかしながら、上記ホト・トランジスタは、感度の点に
おいてホト・ダーリントンに劣るものであり、出力も大
電流を取り出せない難点を有している。一方、上記ホト
・ダーリントンは、感度が極めて高く、大電流が取り出
せるものの、その反面、暗電流も同じく高い値をもち、
温度に対する感度の変化が大きく、暗電流が温度上昇と
共に急激に上昇する難点を有している。又、電流増幅率
が１００００以上を有するため、応答性も極めて遅いも
のとなる。さらには、ホト・トランジスタ及びホト・ダ
ーリントンは、そのほとんどが、ＯＮあるいはＯＦＦの
スイッチ的な回路素子として使うものであるが、共に、
リニア増幅素子のため、次段でパルス変換するものであ
る。従って、これらの回路素子では、チャタリング等の
問題が生じないように、ヒステリシス特性をもたせる目
的において、シュミット・トリガ回路等により波形整形
を行うが、部品点数が増大し、コストも高（つき、消費
電流を必要とする等の難点を有していた。

一方、光入力に対し、大電流のスイッチングを可能とす
る光サイリスクは、直流バイアス下では、ＯＮのスイッ
チ制御は可能であるが、ＯＦＦのスイッチ制御は不可能
である。従って、この光サイ」スタは、そのほとんどは
交流バイアス下で使われている。

［発明が解決しようとする課題１ そこで、この発明は、上記する従来の技術における半導
体光電変換デバイスにみられる種々の問題点を解決しよ
うとするものであり、光入力に対して感度が高く、直流
バイアス下で大電流の双安定なスイッチ動作を高速に可
能とし、製造が容易で、且つコスト的に安価な充電変換
素子を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は、上記する目的を達成するにあたって、具体
的には、第１の導電型の半導体材料からなるコレクタ領
域と、前記コレクタ領域に対し、第１のＰＮ接合部を介
して形成される第２の導電型の半導体材料からなるベー
ス受光部領域と、前記ベース受光部領域に対し、第２の
ＰＮ接合部を介して形成される第１の導電型の半導体材
料からなるエミッタ領域とを備えてなるホト・トランジ
スタ部と、 前記第１の導電型の半導体材料からなるコレクタ領域と
、前記コレクタ領域に対し、第１のＰＮ接合部を介して
形成される第２の導電型の半導体材料からなる第１のベ
ース領域と、前記第１のベース領域に対し、第２のＰＮ
接合を介して形成される第１の導電型の半導体材料から
なるエミッタ領域と、前記第１のベース領域から間隔を
隔てて位置するベース・コンタクト領域と、前記第１の
ベース領域とベース・コンタクト領域との間に形成され
る第２のベース領域と、前記第２のベース領域内に形成
される第１の導電型を有するゲート領域とを備えてなる
ベース変調形バイポーラ・トランジスタ部とからなり、 前記ホト・トランジスタ部におけるコレクタ領域と、前
記ベース変調形バイポーラ・トランジスタ部におけるコ
レクタ領域とが互いに共有するものからなり、 前記ホト・トランジスタ部におけるエミッタ領域と、前
記ベース変調形バイポーラ・トランジスタ部におけるベ
ース・コンタクト領域とをダーリントン接続してなる光
電変換素子を構成する。

［作　用１ このように構成されるこの発明になる光電変換素子は、
ホト・トランジスタ部に定常光を入光させ、ベース変調
形バイポーラ・トランジスタ部のベースとコレクタ及び
ゲートを逆バイアス状態に付勢することにより、ホト・
トランジスタとベース変調形バイポーラ・トランジスタ
とのダーリントン接続で増幅された高感度な大電流出力
が負性抵抗特性を示す。かかる負性抵抗特性をもつ光電
変換素子に負荷を接続し、光入力を与えると、光入力に
対し高感度に、且つ大電流が高速度にヒステリシスを持
った双安定出力が得られる。

Ｅ本発明の実施例］ 以下、この発明になる光電変換素子にについて、図面に
示す具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。尚、こ
の発明の詳細な説明においては、シリコンを半導体材料
とした場合について、ＮＰＮ型の半導体デバイスを例示
的に説明する。しかしながら、この発明は、他の化合物
半導体を半導体材料として適用することも可能であり、
しかもＰＮＰ型の半導体デバイスに構成することも可能
である。

この発明において、その第１の実施例になる充電変換素
子についての概略的断面図を第１図に示し、さらに、そ
の概略的平面図を第２図に示す。

第１図において、まず、Ｎ゛高不純物濃度基板（１）の
上にＮ−コレクタ層（２）を１０　　原子／ｃＩＩｒ程
度の不純物濃度で約５〜１５μｍ程度の厚みに気相成長
させる。続いて、Ｐ−ベース層をｌＯ原子／Ｃ−程度の
不純物濃度で約１〜３μｍ程度の厚みにエピタキシャル
成長させる。次にＰ−ベース層をベース領域としてｙコ
レクタ層（２）と分離すべく不純物濃度１Ｏ原子／　ｃ
ｄ程度に拡散あるいはイオン注入し、Ｎ１領域（４）を
形成する。アイソレーションされたＰ−ベース領域にベ
ース変調形バイポーラ・トランジスタ（Ｂａｓｅ　Ｍｏ
ｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｂｉｐｏｌｏｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔ
ｏｒ　：以下、ＲＡＭ旧Ｔと略記する）部のＰ゛ベース
領域５ａ）及びホト・トランジスタ部のＰ゛ベース受光
部領域（５ｂ）を、１０　　原子／　ｃｒｊ程度に拡散
あるいはイオン注入を行う。次に、前記ＢＡＭＢＩＴ部
のＰ゛ベースコンタクト領域（６）を、前記Ｐ゛ベース
領域５ａ）からＰ−ベース領域（３ａ）で隔てて形成す
る。この時、Ｐ゛ベースコンタクト領域（６）は、Ｆベ
ース領域（５ａ）及び（５ｂ）と同時に形成してもよい
。又、Ｐ゛ベース領域５ａ）及び（５ｂ）、Ｆベース・
コンタクト領域（６）は、各々、Ｎ−コレクタ層（２）
に達しなくてもよい。続いてＢＡＭＢＩＴ部のエミッタ
領域（７ａ）及びホト・トランジスタ部のエミッタ領域
（７ｂ）を、各々所望の電流増幅率となるように不純物
濃度及び深さを選び形成する。引き続き、Ｎ゛ゲート領
域８）をＦベース領域（５ａ）を囲むよう、Ｐ−ベース
領域（３ａ）内に拡散あるいはイオン注入により形成す
る。

又、以上の工程でＢＡＭＢＩＴ部の特性あるいは電流増
幅率によっては、エミッタ領域（７ａ）、（７ｂ）とＮ
″領域（４）との同時形成、さらにはエミッタ領域（７
ａ）、（７ｂ）とＮ１ゲート領域（８）との同時形成も
可能である。次いで、周知の技術により、エミッタ領域
（７ａ）、（７ｂ）と、Ｐ゛ベースコンタクト領域（６
）と、Ｎ°ゲート領域（８）に対して、コンタクト用の
穴を設け、たとえば、アルミニウム等の所望の金属材料
によってホト・トランジスタ部のエミッタ領域（７ｂ）
とＢＡＭＢＩＴ部のベース・コンタクト領域（６）とを
ダーリントン接続し、出力を取り出すべくＢＡＭＢＩＴ
部のエミッタ電極（１１）、コレクタ電極（１２）及び
ゲート電極（１３）を各々設ける。その他工程間のりソ
グラフィ、パシベーション等は、周知の技術によって形
成される。

次いで、第１図並びに第２図に示すような実施例におい
て、その動作原理について説明する。前記ＢＡＭｌＴ自
体の動作原理については、同一出願人による特願昭６３
−１９６６２７号に詳述しであるので、ここではその詳
細な説明については省略する。

この発明になる充電変換素子について、ゲートをコレク
タと同電位にした時のベース接地特性例を第３図に示し
、ゲートをコレクタと同電位にミッタ接地特性例を第４
図に示す。第１図並びに第２図に示す第１の実施例にな
る光電変換素子において、ゲートがコレクタと同電位の
時の等価回路を第５図に示す。コノ場合、ＶＣＥ（ＯＦ
Ｆ）−■ＢＥ＋Ｖｃａ（ＯＦＦ）・・・・・・（１）の
関係がある。

次いで、第５図の等価回路に示される充電変換素子に定
常光を当てた場合について説明する。ホト・トランジス
タ部における受光部において光を受けると、コレクタ・
エミッタ間電圧ＶＣＥが、ＶＣＥ＝Ｖｃｐ（ｓａｔ）　
’　＋Ｖｐ（ＩＬＥ）・・・・・−（ここに、ｙｃｅ（
ｓａｔ）。

は、ホト・トランジスタ部の飽和電圧、ＶＦ（Ｂ、Ｅ）
は、ＢＡＭｌＴ部のベース・エミッタ間の立ち上がり電
圧〉に至り、ホト・トランジスタ部よりの入力がＲＡＭ
ＢＩＴ部のベースへとダーリントン接続を介して入力さ
れ、それが増幅されて出力電流となる。

そして、本来のＲＡＭＢＩＴの特性上、コレクタ・エミ
ッタ間電圧ＶＣＥがＶＦ（Ｂ、Ｅ）になる電圧より、コ
レクタ及びゲートとベース間が逆バイアスされ、前記コ
レクター、ｌＴ−ミッタ間電圧ＶＣＥが、ＶＣＥ＝ＶＦ
（Ｂ、Ｅ）＋ｖＣＢ（ＯＮ）・・・・・・（ここに、Ｖ
ｃａ（ＯＮ）は、第３図で示すところのＯＮ電圧）に至
り、出力が負性抵抗特性を示そうとする。しかしながら
、第５図においては、ＲＡＭＢＩＴ部のベース（ホト・
トランジスタ部のエミッタ）が開放のため、コレクタ・
エミッタ間電圧ＶＣＨの増加と共に、ＲＡＭＢＩＴ部の
ベース部のベース電圧も上昇し、常に、ＶＣＥ　−ＶＣ
Ｂ（ＯＮ　’）０）電位ニなるように変化し、出力電流
は、負性抵抗特性を示さない。

そこで、次に、ホト・トランジスタ部における受光部へ
の光照射時において、コレクタ及びゲートとエミッタ間
電圧ｖｃｇに対し、コレクタ及びゲートとベース間にＶ
ＣＢ（ＯＦＦ）以上の逆バイアス電圧がかかるよう、例
えば第６図に示すように、抵抗ｌとして１０にΩ程度の
高抵抗を挿入する。この状態で、同じ＜ＶＣＥを上昇し
て行くと、コレクタ・エミッタ間電圧ＶｅＥが、Ｖｃｇ
（ＯＮ）ｕｐ（Ｂ、Ｅ）＋Ｖｃｏ（ＯＮ）より、　ＢＡ
ＦＩＢＩＴ部のベースへの入力電流１ｃＥＬは減少し、
増幅された出力電流ｌｃ　＋ｌａも減少して負性抵抗特
性を示す。そして、コレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥが
ＶＣＥ＝ＶｅＥ（ＯＦＦ）＝ＶＣＢ（ＯＦＦ）＋Ｉｃ５
ｔＸ　ｒａｔｌ：：至り、光入力電流ＩＣＥＬはすべて
抵抗歯側へ流れ出力電流Ｉｃ＋Ｉａは遮断される。

照度（ＬＸ）をパラメータとした時、その様子を第７図
に示す。この第７図に示す特性曲線から理解できるよう
に、この発明になる光電変換素子は、通常のダーリント
ン・トランジスタ同様、ｙｃＥ（ｓａｔ）’＝ｉ０．７
Ｖで立ち上がり、数１００ｍＡ以上においても電圧制御
型の負性抵抗出力特性を示すものである。

そして、その負性抵抗特性は、抵抗珈より負性抵抗値を
変化させるができ、さらには、ゲート電圧でも負性抵抗
特性を変化させることができる。

次に、第７図に示す特性を持つ光電変換素子の光に対す
る入出力特性について、第８図に示すような基本回路例
としてコレクタに負荷ＲＬを挿入した場合を第９図に基
づき説明する。第８図において、ホト・トランジスタ部
が光を受けると、抵抗ＲＬ、＆を通して光電流が流れる
。しかしながら、＆：＞ＲＬであるため、Ａ点の電位Ｖ
Ａは、抵抗１１１ｔの影響をほとんど受けずに上昇する
。普通のホト・ダーリントンであるならば、およそ０．
７ｖに至り、出力段のトランジスタへと流れ込み、それ
が増幅されて、ホト・ダーリントンの出力となる。しか
しながら、第１図並びに第２図に示す第１の実施例にな
る光電変換素子は、多少の入力光に対しては、第９図に
示す特性曲線群においてへ曲線の状態であり、負荷抵抗
ＲＬとの交点は２点ではなく、Ｘ点でＶＣ［ｌ　＝　Ｖ
ＣＣとなり、出力電流は流れない。さらに、光入力を与
えると、光電変換素子の特性曲線で２点がＸ点に至る６
曲線になり、つまりはＢＡＭｆｌｌＴのベース電圧ＶＡ
が、ｖ＾−ｖａｇ＝ｖｃｃ−ｖｃａ（ＯＦＦ）ｌ：：至
り、ホト・トランジスタ部の光電流ＩＣＥＬがＲＡＭＢ
ＩＴ部のベースへと流れ込み、ＲＡＭＢＩＴ部において
さらに増幅され、出力電流ｌｃ＋ｌａが負荷抵抗ＩＩＬ
を通して流れ出す。すると、コレクタの電１位が下がり
、この発明の充電変換素子が負性抵抗特性のため、第９
図においてその負荷線上を逆行し、益々、出力電流＋ｃ
＋ＩＱが流れるようになる。この正帰還作用のため、負
荷線との交点は、Ｘ点より７点へ瞬時に移動して、スイ
ッチＯＮする。さらに、光入力を強くしても、この発明
の充電変換素子の飽和領域と負荷抵抗ＲＬが交わるため
、もはや出力はほとんど変化しない。

一方、次いで、スイッチ・オンした後において、光入力
を弱める場合について説明する。光入力が弱くなって来
ると、その光入力強度に応じて、この発明になる光電変
換素子の出力特性曲線群も変化してくる。しかしながら
、光入力が弱くなってもＣ曲線に至らない限り、スイッ
チ・オフせず、負荷抵抗ＲＬとの交点はＶ点近辺である
。そして、Ｃ曲線よりさらに光入力が弱（なってくると
、この発明の充電変換素子と負荷抵抗ＲＬとは、飽和領
域ではもはや交わらなくなる。すると、交点は再びＸ点
に戻り、当該光電変換素子はスイッチオフする。このヒ
ステリシスを持って、二端子でスイッチオン並びにスイ
ッチオフする様子を第１０図に示す。尚、第９図におい
て、ヒステリシスを持ってスイッチオン並びにスイッチ
オフするためには、充電変換素子の負性抵抗値ＩＲＮＩ
と、ＲＬとがＲＬ　＞　ｌ　ＲＮ　ｌを満たさないとス
イッチオン・スイッチオフせず、高感度なリニア光増幅
素子となる。

次に、この発明になる光電変換素子の他の使用例につい
て、第１１図に基づいて説明する。第１１図に示す回路
は、抵抗歯が定電圧回路を通して結線されているもので
、第９図に示す曲線図において、最初からへ曲線のよう
な状態を作るもので、抵抗歯を小さ（出来、より高感度
な、又高速度なスイッチ動作が可能になる。第１２図は
、負荷抵抗ＲＬをエミッタ側に接続したもので、第８図
に示す使い方と同様に、ヒステリシスを持って、又、二
端子でスイッチオン・スイッチオフする。

この発明になる充電変換素子の第２の実施例を第１３図
に示す。この第２の実施例になる光電変換素子は、Ｙベ
ース領域をイオン注入で形成したもので、以下のように
して製造される。第１３図において、まず、Ｎ゛高不純
物濃度基板（１）の上にＮ−コレクタ層（２）をエピタ
キシャル成長させ、前記Ｎ−コレクタ層（２）に対して
、ＢＡＭＢＩＴ部のＦベース領域（５ａ）及びホト・ト
ランジスタ部のＰ′″ベース受光部領域（５ｂ）を１０
　　原子／　ｃ＋＋ｆ程度に拡散あるいはイオン注入を
行う。次に、ＢＡＭＢＩＴ部のＰ′″ベース・コンタク
ト領域（６）をＰ゛ベース領域５ａ）から隔てて形成す
る。この時、ｙベース・コンタクト領域（６）は、Ｐ゛
ベース領域５ａ）及び（５ｂ）と同時に形成してもよい
。続いて、Ｐ−ベース領域（３Ｃ）をＦベース・コンタ
クト領域（６）とＹベース領域（５ａ）の間にｌＯ原子
／　ｃｎｆ程度の不純物濃度で、約１〜３μｍ程度の厚
みにイオン注入により形成する。続いて、所望の電流増
幅率となるように、ＢＡＭＢＩＴ部のエミッタ領域（７
ａ）及びホト・トランジスタ部のエミッタ領域（７ｂ）
を形成する。そして、Ｎ°ゲート領域（８）をＰ−ベー
ス領域（３Ｃ）内に形成する。

この第２の実施例のものにおいても、ＢＡＭＢＩＴ部の
特性及び電流増幅率によっては、エミッタ領域（７ａ）
、（７ｂ）とＮ゛領域５）との同時形成、エミッタ領域
（７ａ）、（７ｂ）とＮ゛ゲート領域８）との同時形成
も可能である。又、その他各電極の形成及び工程間のり
ソグラフィ、パシベーション等は、周知の技術で行われ
ものである。この製造工程によると、ｙベース領域（３
ｂ）をなくすことができ、場合によっては、Ｆベース領
域（５ａ）をＰ−ベース領域（３ａ）で囲む必要もな（
、大きなチップサイズの縮少を可能とする。

第１５図に示す第３の実施例は、前記第１の実施例のも
のにおいて、その使用回路例で示した抵抗歯を、抵抗領
域（１４）として同一チップ内に形成したものである。

この第３の実施例になる素子における抵抗領域（１４）
は、Ｆベース拡散の工程において同時に形成することが
できる。尚、この抵抗領域は、第２の実施例のものにお
いても組み込むことが可能である。

［発明の効果］ 以上の構成になるこの発明の光電変換素子は、以下に示
す数多くの作用効果・を奏する。

（ｉ）　　当該充電変換素子が、負性抵抗特性をもつた
め、後処理回路なしに、又、極めて簡単な構成で、光入
力に対し、ヒステリシスを持った双安定スイッチ動作を
二端子で可能とする。

（ｉｉ　）　　当該素子自体の特性から、双安定なスイ
ッチ動作をするため、集積回路を使った場合のような消
費電流を必要としない。

（ｉｉ）　　ダーリントン接続されているため、微弱光
に対しても、大電流出力を高速スイッチングする。

（ｉｖ　）　　従来、ホト・ダーリントンで問題となっ
た高いリーク電流も、当該光電変換素子によれば、スイ
ッチオフの状態で、ホト・トランジスタ部よりのリーク
電流が増幅されないため、高い感度、高い出力にも設計
することができる。

（ｖ）　　出力をほとんど落とさずに、スレッシュ・レ
ベルが高くとれ、又、前記（ｉｖ）同様に、スイッチオ
フの状態で、ホト・トランジスタ部よりのリーク電流が
増幅さらないため、従来のホト・トランジスタ、ホト−
ダーリントンのようなリーク電流の温度上昇による著し
い増加がない。

（ｖｉ）　　ゲート端子を使うことにより、スイッチオ
ンする光入力値を変化させたり、又スイッチング速度も
改善できる。

（ｖｉ）　　従来のホト・トランジスタ、ホト・ダーリ
ントン等に近いプロセスで製造することができ、製造が
容易であるとともに、低コストで安価に提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明になる光電変換素子の具体的な第１
の実施例を示す概略的断面図、第２図は、第１図に示す
第１の実施例装置の概略的平面図、 第３図は、ベース変調形バイポーラ・トランジスタのベ
ース接地特性曲線図、 第４図は、ベース変調形バイポーラ・トランジスタのエ
ミッタ接地特性曲線図、 第５図は、当該光電変換素子の等価回路図、第６図は、
当該光電変換素子の第１のエミッタ接地接続例を示す回
路図、 第７図は、第６図のエミッタ接地接続例において、ベー
ス・エミッタ間の抵抗を一定とし、光入力をパラメータ
とした時のエミッタ接地特性曲線図、 第８図は、当該光電変換素子に負荷を接続し、光入力に
対し双安定出力を得るための第１の接続例を示す回路図
、 第９図は、第８図に示す回路例において、双安定出力が
得られることを示す動作説明図、第１０図は、第８図に
示す回路例において、光入力に対する出力特性例を示す
グラフ、第１１図は、当該光電変換素子に負荷を接続し
、光入力に対し双安定出力を得るための第２の接続例を
示す回路図、 第１２図は、当該光電変換素子に負荷を接続し、光入力
に対し双安定出力を得るための第３の接続例を示す回路
図、 第１３図は、この発明になる光電変換素子の第２の実施
例を示す概略的断面図、 第１４図は、当該光電変換素子に、ベース・エミッタ間
の高抵抗体を同一素子内に形成した第３の実施例を示す
概略的平面図である。 （１）、（２片・・・・・コレクタ領域（３）・・・・
・・ベース領域 （３ａ）・・・・・・第２のベース領域（４）・・・・
・・Ｎ″領 域５ａ）・・・・・・ＢＡＭ旧Ｔ部のＰ＋ベース領域（
６）・・・・・・ＢＡＭＢＩＴ部のベース・コンタクト
領域（７ａ）・・・・・・ＢＡＭＢＩＴ部のエミッタ領
域（７ｂ）・・・・・・ホト・トランジスタ部のエミッ
タ領域 （８）・・・・・・ゲート領域 （９）・・・・・・酸化膜 （１０）・・・・・・ベース電極 （１１）・・・・・・エミッタ電極 （１２）・・・・・・コレクタ電極 （１３）・・・・・・ゲート電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１の導電型の半導体材料からなるコレクタ領域と、前
   記コレクタ領域に対し、第１のＰＮ接合部を介して形成
   される第２の導電型の半導体材料からなるベース受光部
   領域と、前記ベース受光部領域に対し、第２のＰＮ接合
   部を介して形成される第１の導電型の半導体材料からな
   るエミッタ領域とを備えてなるホト・トランジスタ部と
   、前記第１の導電型の半導体材料からなるコレクタ領域
   と、前記コレクタ領域に対し、第１のＰＮ接合部を介し
   て形成される第２の導電型の半導体材料からなる第１の
   ベース領域と、前記第１のベース領域に対し、第２のＰ
   Ｎ接合を介して形成される第１の導電型の半導体材料か
   らなるエミッタ領域と、前記第１のベース領域から間隔
   を隔てて位置するベース・コンタクト領域と、前記第１
   のベース領域とベース・コンタクト領域との間に形成さ
   れる第２のベース領域と、前記第２のベース領域内に形
   成される第１の導電型を有するゲート領域とを備えてな
   るベース変調形バイポーラ・トランジスタ部とからなり
   、 前記ホト・トランジスタ部におけるコレクタ領域と、前
   記ベース変調形バイポーラ・トランジスタ部におけるコ
   レクタ領域とが互いに共有するものからなり、 前記ホト・トランジスタ部におけるエミッタ領域と、前
   記ベース変調形バイポーラ・トランジスタ部におけるベ
   ース・コンタクト領域とをダーリントン接続してなるこ
   とを特徴とする光電変換素子。