JPH022693A - 半導体受光素子 - 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〕 本発明は入射光を電気信号に変換して出力する半導体受
光素子に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、このような半導体受光素子として、例えばｐｉｎ
ホトダイオード、ホトトランジスタ、アバランシホトダ
イオード、光導電型素子などが知られている（特開昭６
２−２１３２７５号、同６２−２０９８５２号、同６２
−２０９８５３号など）。ｐｉｎホトダイオードはｐ型
、ｉ型、ｎ型の半導体の三層構造をなし、両端に一対の
オーミック電極が設けられている。この構造によれば、
光入射によって電子／正孔対が生じ、このキャリアが逆
バイアスされたオーミック電極を介して検出される。ホ
トトランジスタは例えばｎ−ｐ−ｎのトランジスタを構
造をなし、同様に光入射によって電子／正孔対が生じ、
ベースへの電気人力信号と上記光入射による光入力信号
に応じた出力信号が出力される。アバランシホトダイオ
ードは公知のアバランシ効果を利用したもので、高いバ
イアス電圧の下でアバランシ増倍出力が得られる。

また、光導電型素子は半導体層に一対のオーミック電極
を形成したもので、これによれば、光入射に応じて半導
体層の抵抗率が変化するので、光信号の検出が可能にな
る。

〔発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上記のような従来の半導体受光素子では
、下記のような問題があった。ｐｉｎホトダイオードは
構造が簡単であるが雑音の原因となる暗電流が大きく、
従って微弱な光信号の検出に適していない。また、いわ
ゆる内部増幅機能を有さず、従って十分なレベルの出力
信号を取り出すことが難しい。これに対し、ホトトラン
ジスタはトランジスタとしての内部増幅機能を有し、従
って光入射に対して高いレベルの出力信号を取り出すこ
とができる。しかしながら、トランジスタであるために
構造が複雑であり、雑音の原因となる暗電流も無視でき
ない。

一方、アバランシホトダイオードによれば、アバランシ
増倍にもとづく内部増幅機能を実現できるが、そのため
には高いバイアス電圧が必要になってしまう。また、ア
バランシ構造を実現するのが容易でなく、コスト高にな
ってしまう。これに対し、光導電型素子によれば、比較
的低いバイアス電圧で光導電性増幅にもとづく内部増幅
機能が実現でき、また構造も簡単である。しかしながら
、雑音の原因となる暗電流が大きく、微弱な光゛信号の
検出に適用することはできない。

そこで本発明は、構造が簡単であって暗電流を低く抑え
ることができ、しかも必要に応じて内部増幅機能を持た
せることができ、かつ低いバイアス電圧でも駆動可能な
半導体受光素子を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の半導体受光素子は、半導体基板と、この半導体
基板上に形成された第１のショットキー電極と、この第
１のショットキー電極と所定の間隔をあけて半導体基板
上に形成された第２のショットキー電極とを備えており
、第１および第２のショットキー電極に挾まれた半導体
基板面が受光面をなし、第１および第２のショットキー
電極間には所定のバイアス電圧が印加されることを特徴
とする。

ここで、第１および第２のショットキー電極の間隔は、
半導体基板におけるキャリアの寿命をτとし、第１およ
び第２のショットキー電極間のキャリアの走行時間をｔ
としたときに、Ｇ−τ／ｔで求められる内部増幅度が１
以上の値となるように設定してもよい。

〔作用〕

本発明の構成によれば、半導体基板に一対のショットキ
ー電極を設けるだけの簡単な構造で、これら電極間に入
射された光信号を電気信号に変換して取り出すことがで
き、暗電流をほとんど生じさせることがない。そして、
第１および第２のショットキー電極の間隔を、Ｇ−τ／
ｔで求められる内部増幅度が１以上の値となるように設
定すれば、低いバイアス電圧の下で十分な内部増幅機能
を実現することができる。

〔実施例〕

以下、第１図ないし第４図を参照して本発明の詳細な説
明する。

第１図は本発明の実施例に係る新規な半導体受光素子の
斜視図である。同図において、半導体基板１は例えばｎ
型のＧａＡｓ（ガリウムヒ素）で形成され、その上面に
は５１０２（二酸化シリコン）などからなる絶縁膜２ａ
、２ｂが形成されている。そして、絶縁膜２ａ、２ｂ上
には第１のショットキー電極３ａと第２のショットキー
電極３ｂがそれぞれ形成され、その端部は半導体基板１
の上面に延びてショットキー接合をなしている。

この第１のショットキー電極３ａおよび第２のショット
キー電極３ｂに挾まれた半導体基板１面が受光面をなし
、ここに光信号（ｈν）が入射される。この構造の半導
体受光素子において、第１のショットキー電極３ａと第
２のンヨットキー電極３ｂの間隔を５μｍ程度とし、印
加ノくイアスを１０Ｖ、２０Ｖとして光信号を入力する
と、第２図に示すような放射感度（入射光量に対する光
電極変換感度）特性が得られた。なお、この第２図の特
性は、半導体基板１として基板上にエピタキシャル成長
によるｎ型Ｇａ　Ａｓを形成したものを用いたときのも
のである。

上記の半導体受光素子は、本発明者によって初めて試み
られた新規な構造のものであり、またその放射感度特性
は本発明者により初めて見出されたものであるが、これ
は次のような第１ないし第４の特徴を有している。

第１の特徴は、その構造が極めて簡単になっていること
である。すなわち、半導体基板１に一対のショットキー
電極３ａ、３ｂを設けただけのものを基本構造とし、こ
の一対のショットキー電極３ａ　　３ｂに直流バイアス
電圧を印加しているだけである。ここで、絶縁膜２ａ、
２ｂは一方でショットキー接合面を小面積に抑えながら
、他方でショットキー電極３ａ、３ｂの上面を大面積に
することを目的に設けられたものであって、本発明に必
須のものではない。ショットキー接合面を小面積にすれ
ば暗電流の更なる低減が可能になり、ショットキー電極
３ａ、３ｂの上面を大面積にすればバイアス印加のため
の配線、ワイヤボンディング等が容易になる。

また、半導体基板１においてはｐｎ接合を形成したりす
る必要は全くない。半導体基板１がＧａ　Ａｓ基板であ
るときには、通常は深い準位を形成するＣｒ　　（クロ
ム）をドープしたり、ＥＬ２補償をしたりすることがな
されているが、このような半導体基板１は表面にエピタ
キシャル成長法などによる半導体結晶成長層を有して構
成されていてもよい。また、半導体はＧａ　Ａｓに限ら
ず、ＩｎＰ（インジウムリン）やＧａＰ（ガリウムリン
）などの化合物半導体であってもよく、Ｓｌ（シリコン
）などであっても不純物ドープなどを適宜に調整するこ
とで適用可能になる。また、導電型についても特に限定
されるものではない。重要なのは一対のショットキー電
極を形成できるということである。

第１のショットキー電極３ａと第２のショットキー電極
３ｂの間隔については、第２図に示す特性の測定におい
ては５μｍとしたが、これに限られない。第３図に示す
電極間隔Ωの設定は、次のようにして行なわれる。すな
わち、光導電性増幅にもとづく内部増幅機能を考慮する
に当って、増幅度Ｇは半導体基板１におけるキャリアの
寿命をτとし、一対のショットキー電極３ａ、３ｂの間
のキャリアの走行時間をｔとすると、 Ｇ−τ／ｔ　　　　　・・・（１） となる。ここで、寿命τは半導体基板１の物理的特性、
キャリアの種類等により定まる定数である。

これに対し、走行時間ｔはキャリアの種類等が特定され
ている場合には、主として電極間隔Ωおよび印加バイア
スに依存する。そこで、増幅度Ｇを例えば３．０にした
いときには、上記（１）式から走行時間ｔを求め、印加
バイアスとの関係からＧ−３，０となる電極間隔ｇを求
めればよい。

本発明の第２の特徴は、放射感度を極めて高くできるこ
とである。このような内部増幅機能は光導電型素子では
知られているが、双方向ショットキ型のような電流注入
阻止型のものでは知られておらず、全ぐ新規なものであ
る。そして、量子効率が１００％のときの放射感度は０
．８　（Ａ／Ｗ）程度（第２図中に点線で示す）である
が、第２図によれば放射感度を容易に１　（Ａ／Ｗ）程
度以上にできることがわかる。そして、この放射感度の
入射光量が低いほど著しくなっており、極めて微弱な光
入力の検出が可能となっている。

本発明の第３の特徴は、上記の内部増幅機能が低いバイ
アス電圧で実現され、かつこのバイアス電圧の値により
、増幅度Ｇが異なることである。

第２図のように、本発明ではバイアス電圧を１０Ｖ程度
にするだけで十分な内部増幅機能を実現できる。これは
、アバランシホトダイオードなどｊコおいは全く実現で
きなかったことである。また、第２図のように、本発明
では放射感度はバイアス電圧をＩＯＶとしたときと２０
Ｖとしたときで大きく異なっている。これについても、
従来の半導体受光素子では一般的に見出せなかったこと
である。このように、本発明では低いバイアス電圧で十
分であり、しかも印加バイアス電圧により放射感度を簡
単に変えることができるので、他の半導体素子と組み合
せて用いることが容易になるだけでなく、放射感度の調
整が極めて容易になる。

本発明の第４の特徴は、雑音の原因となる暗電流を極め
て低くできることである。従来の光導電型素子では内部
増幅機能を実現できるが、暗電流が大きく、微弱な光信
号の検出に適用できながった。本発明では、内部増幅機
能を実現しながら暗電流を低くできるので、極めて微弱
な光入力の検出に適用することが可能になる。

ここで、実際にＡｌ１定できる最小信号値は暗電流に比
例するショット雑音で決まるので、本発明の半導体受光
素子が適用される範囲は暗電流と等価な出力電流に換算
した先入力値程度ということになる。この値は周波数帯
域、従って測定継続時間によって異なるが、条件を与え
れば一義的に定めることのできる値である。従って、本
発明に係る半導体受光素子は、このように定められる値
に相当する人力光レベルにおいて最も効果を発揮するの
で、上記の値に相当するレベルの微弱光が入力されるよ
うに構成することが望ましい。具体的には、入力光が強
すぎるときにはこれを弱めるようなフィルターを見帰す
ることが望ましく、このようにすることは、Ｓ／Ｎ比を
最大とするためにも、迷光を除去するためにも、また不
必要な暗電流のドリフト等を生じさせないためにも望ま
しい。

次に、上記実施例の変形例を説明する。

第４図は変形例に係る半導体受光素子の平面図である。

そして、これが第１図の実施例と異なる点は、第１のシ
ョットキー電極３ａと第２のショットキー電極３ｂがシ
ョットキー接合部において、共に櫛歯形状にされて受光
面がジグザグ状になっていることである。この変形例に
よれば、受光面の有効面積を大きくしながら、一対のシ
ョットキー電極３ａ、３ｂの間隔を一定に維持すること
ができる。従って、この変形例によれば光信号の受光効
率が高くなり、検出感度を高めることができる。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り、本発明の半導体受光素子に
よれば、半導体基板に一対のショットキー電極を設ける
だけの簡単な構造で、これら電極間に入射された光信号
を電気信号に変換して取り出すことができ、暗電流をほ
とんど生じさせることがない。そして、第１および第２
のショットキー電極の間隔を、Ｇ−τ／ｔで求められる
内部増幅度が１以上の値となるように設定すれば、低い
バイアス電圧の下で内部増幅機能を実現することができ
る。従って、構造が簡単であって暗電流を低く抑えるこ
とができ、しかも必要に応じて内部増幅機能を持たせる
ことができ、かつ低いバイアス電圧で駆動可能な半導体
受光素子を得ることができる。

【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斜視
図、第２図は、第１図に示す半導体受光素子の放射感度
特性図、第３図は、第１図に示す半導体受光素子の断面
図、第４図は、変形例に係る半導体受光素子の平面図で
ある。 １・・・半導体基板、１ａ・・・基板、１ｂ・・・結晶
成長層、２．２ａ、２ｂ−・・絶縁膜、３ａ、３ｂ−・
・ショットキー電極。 入射光量（Ｗ） 放射感度特性 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板と、この半導体基板上に形成された第１
   のショットキー電極と、この第１のショットキー電極と
   所定の間隔をあけて前記半導体基板上に形成された第２
   のショットキー電極とを備え、前記第１および第２のシ
   ョットキー電極に挾まれた前記半導体基板面が受光面を
   なし、前記第１および第２のショットキー電極間には所
   定のバイアス電圧が印加されることを特徴とする半導体
   受光素子。 ２、前記半導体基板は基板上に半導体結晶成長層を有し
   て構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。 ３、前記第１および第２のショットキー電極の間隔は、
   前記半導体基板におけるキャリアの寿命をτとし、前記
   第１および第２のショットキー電極間のキャリアの走行
   時間をｔとしたときに、Ｇ−τ／ｔで求められる内部増
   幅度が１以上の値となるように設定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、前記第１および第２のショットキー電極の前記受光
   面側が互いに櫛歯形状をなして対向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。 ５、前記受光面に入射される光信号の入力範囲が増倍能
   力を発揮する低照度域にあるように入力の光強度を調節
   する手段を具えることを特徴とする請求項１記載の半導
   体受光素子。