JPH0296383A - 光電変換素子及びそれを用いた光電変換装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、分光特性のある色情報を得ることのできる
例えばフォトダイオード等の光電変換素子及びそれを用
いた光電変換装置に関する。

（従来の技術） 色情報、即ち光の分光スペクトルが得られるような従来
の光電変換装置としては、例えば次のようなものが知ら
れている。

まず、第１の従来技術として、色フィルタ等の可変分光
手段と広い分光感度を有する受光素子とを組合わせるよ
うにしたものがある。

また、第２の従来技術として、第１９図に示すように異
なる禁制帯幅のｐｎ接合を２個重ね合せたもの、即ち異
なった分光感度の受光素子を複数個組合わせるようにし
たものがある。

（発明が解決しようとする課題） 第１、第２の従来技術にあっては、組合わせる色フィル
タや受光素子の分光感度により装置作製時に分光感度特
性が決ってしまうので、使用時に、その分光感度特性を
可変させることができない。

また、第１の従来技術では、機械的な分光手段を用いて
いるため、大型で構造的に複雑となり、第２の従来技術
では異なった禁制帯幅の半導体層を多層形成することが
必要であったため、上記と同様に構造的に複雑となり、
両従来技術ともに集積化に適していなかった。

この発明は上記事情に基づいてなされたもので、使用時
に分光感度特性を変えることができるとともに、構造的
に単純で集積化が可能な光電変換素子及びそれを用いた
光電変換装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記課題を解決するために、第１の発明は、光入射面と
なる半導体層の一方の面に整流障壁を形成する第１の電
極を備え、前記半導体層は一方の面側か他方の面側より
も広い禁止帯幅を有し、前記半導体層の他方の面側には
オーミック性の第２の電極を備えてなることを要旨とす
る。

また、第２の発明は、請求項１記載の光電変換素子にお
ける第１の電極及び第２の電極間に時間的に変化する印
加電圧を供給する電圧供給手段と、前記光電変換素子の
出力信号と前記印加電圧とから光電変換信号を演算する
演算手段とを有することを要旨とする。

（作用） 第１の発明の作用を第１図及び第２図を用いて説明する
。

第１図の（Ａ）、（Ｂ）は、光電変換素子のバンドダイ
ヤグラムを示している。光入射面となる半導体層１００
の一方の面には、整流障壁として、例えばショットキ接
合を形成する第１の電極１が備えられ、他方の面にはオ
ーミック性の第２の電極２が形成されている。半導体層
１００は、その禁止帯幅Ｅｇが、第１の電極１側、即ち
光入射面から遠ざかるにつれて次第に狭くなる構造を有
している。

ここで、光電変換素子の分光感度は、整流障壁により形
成される空乏層部分及び少数キャリアの拡散長の部分の
禁止帯幅以上のエネルギーを持つ波長の光に対して光電
流が流れることで決定される。

第１図（Ａ）に示すように、第１の電極１と第２の電極
２間に印加される逆バイアス電圧Ｖｓが小さい場合、空
乏層３ａの広がりは小さくなる。

このときの分光感度は、空乏層３ａが禁止帯幅の広い部
分側のみに広がっているため、第２図中、ａ特性線で示
すように、短波長に限定される。

一方、第１図（Ｂ）に示すように、逆バイアス電圧Ｖｓ
が大きい場合は、空乏層３ｂの広がりは大きくなる。こ
のときの分光感度は、空乏層３ｂが禁止帯幅の狭い部分
まで広がるため、第２図中、ｂ特性線で示すように、短
波長のみでなく、長波長側まで広がることになる。

このように、第１の発明に係る光電変換素子は、使用時
において、逆バイアス印加電圧Ｖｓの変化という電気的
な操作により分光感度特性を変化させることができる。

なお、整流障壁としては、上述のショットキ接合に代え
てｐｎ接合を用いることもできる。

次に、第２の発明の作用を第３図を用いて説明する。第
３図中、１０は光電変換素子であり、光電変換素子１０
における第１の電極１及び第２の電極２間には、時間的
に変化する逆バイアス印加電圧Ｖｓを供給するための電
圧供給手段としての電源装置２００が接続されている。

４は光電変換素子１０の出力信号としての光電流検出用
の抵抗である。抵抗４で検出される光電流信号と電源装
置２００の印加電圧とが演算手段としての演算装置３０
０に入力されている。

電源装置２００から時間的に変化する印加電圧Ｖｓとし
て、時間に対しステップ状又はスロープ状に変化する電
圧が出力され、この電圧が、光電変換素子１０の印加電
圧Ｖｓとされるとともに、演算装置３００に入力される
。

ここで、光電変換素子１０の印加電圧ＶＳの値と分光特
性とは１対１の対応をとり得る。したがって演算装置３
００では、印加電圧Ｖｓの値と、そのときの光電流出力
信号とに所要の演算を施すことにより、特定の分光特性
の光電変換信号（分光信号）を得ることができる。

（実施例） 以下、第１の発明に係る光電変換素子の実施例を図面に
基づいて説明する。

第４図ないし第６図は光電変換素子の第１実施例を示す
図である。第４図中、１０１は３００μｍ程度の厚さに
形成されたｎ”　−ＧａＡｓ基板であり、この基板１０
１上に、Ｓｉ不純物がｌＸｌ０”　ｃｍ”３の濃度にド
ープされたｎ形のＡ愛Ｘ　Ｇａ１−Ｘ　Ａｓからなる半
導体層１０２が４μｍ程度の厚さに形成されている。半
導体層１０２は、ＭＯＣＶＤ　（有機金属気相成長法）
により、その組成比Ｘが基板１０１側を０として０〜０
．４５の間で次第に変化するように形成されている。半
導体層１０２は、このように組成比Ｘを変化させること
により、表面側（第４図上面側）が基板１０１と接する
側よりも広い禁止帯幅となるようなバンド構造となって
いる。

そして、光入射面側となる半導体層１０２の表面に、シ
ョットキ整流障壁を形成する第１の電極としてのＡｎ電
極が５００人程０の厚さに形成され、その周辺部にはＡ
ｕ電極５が蒸着により形成されている。Ａｕ電極５は、
電極パッドとなるとともに、Ａｌ電極１周辺部の空乏層
の広がりの不均一となる領域への光入射を防止して分光
感度特性を改善するために設けられている。また、基板
１０１の裏面には、オーミック性の第２の電極としての
ＡｕＧｅ電極２が形成されている。

第５図は、上述のように構成された光電変換素子におけ
る第１の電極側であるＡｕ電極５と第２の電極であるＡ
ｕＧｅ電極２との間に、逆バイアス電圧Ｖｓを印加した
ときの半導体層１０２内に広がる空乏層の厚さの変化を
示している。また、第６図は、逆バイアス印加電圧Ｖｓ
を２Ｖ　（ｃ特性線）　、５．８Ｖ　（ｄ特性線）及び
１１Ｖ（ｅ特性線）としたときの分光感度特性を示して
いる。

このように逆バイアス印加電圧Ｖｓの変化に伴い、光電
変換素子の分光感度特性を変化させることができる。

なお、上述の第１実施例において、半導体層１０２の成
長法としては、ＭＢＥ（分子線成長法）又はＬＰＥ　（
液相成長法）を適用してもよく、さらに、その半導体構
造はＡ髪Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ以外に、
Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐ　／　Ｉ　ｎ　Ｐ等を適用
してもよい。また、３．５族化合物半導体に限られるも
のではなく、Ｚｎ５ｅ等の２．５族等の化合物半導体を
用いることもできる。即ち、半導体層における基板側が
狭禁止帯幅であればよい。

また、光入射面側の整流障壁は、光吸収を防ぐために、
次の（イ）、（ロ）、（ハ）のようにしてもよい。即ち
、（イ）ショットキ障壁に代えて表面層をｐ形としたｐ
ｎ接合とする。（ロ）　ＩＴＯ（インジウムすず酸化物
）膜を用いた接合とする。（ハ）ＡｆＬ等の金属電極を
、空乏層の厚みに対して同等かそれ以下の間隔のくし状
に形成する。

さらに、表面部の金属電極５は必須のものではない。

また、オーミック性の第２の電極としてのＡｕＧｅ電極
２は、等価的に半導体層１０２における光入射面と反対
側の面に形成されればよく、前述のように、ｎ”　−Ｇ
ａＡｓ基板１０１を介して形成してもよく、さらには、
第７図に示すように、メサエッチングを施して、ｎ”　
−ＧａＡｓ基板１０１におけるそのエツチング面上に形
成してもよい。第７図中、６は半絶縁性ＧａＡｓ　（Ｃ
ｒドープ）基板である。

次に、第８図ないし第１０図には、光電変換素子の第２
実施例を示す。

なお、第８図及び後述の第１１図等において、前記第４
図における部材等と同一ないし均等のものは、前記と同
一符号を以って示し、重複した説明を省略する。

この実施例は、半導体層内に相対的に高濃度の層を形成
することにより、逆バイアス印加電圧による空乏層の厚
さ方向への広がりを均一として分光感度特性が急峻にな
るようにしたものである。

第８図中、１０３はＧａＡｓ層、１０５はＡｉｏ、１５
　Ｇａａ、８５　Ａｓ層、１０７はＡｉｏ、３ｏＧａｏ
、７ｏＡｓ層であり、これらの層１０３．１０５．１０
７はＳｉ不純物が５Ｘ１０”ａｍ−３の濃度にドープさ
れ、厚さはそれぞれ３μｍ程度に形成されている。

そして、ＧａＡｓ層１０３とＡｉｏ、＋５Ｇａ０．８５
ＡＳ層１０５との間に、Ｓｉ不純物が５Ｘ１０”ｃｍ−
３の濃度にドープされ、Ａ更組成比Ｘが０から０．１５
に次第に変化するＡＪｘＧａｌ　−Ｘ　Ａｓ層１０４が
５００人程鹿の厚さに形成されている。また、Ａｌｏ　
、＋　５ＧａＯ，８ＳＡＳ層１０５とＡｉｏ、５ｏＧａ
ｏ、７ｏＡｓ層１０７との間に、Ｓｉ不純物が上記と同
様に５Ｘ１０１５ｃｍ’の濃度にドープされ、Ａ１組成
比Ｘが０．１５から０．３に次第に変化するＡｕｘ　Ｇ
ａｐ−ｙ、Ａｓ層１０６が５００Ａ程度の厚さに形成さ
れている。

このように、この実施例の半導体層内には、低濃度の半
導体層部分１０３．１０５．１０７の各接合部に、Ｓｉ
不純物が相対的に高濃度で、且つＡ！Ｌ組成組成比衣第
に変化することにより、禁止帯幅がなだらかに変化する
ような傾斜構造を備えたＡ１１ｘＧａｌ　−Ｘ　Ａｓ層
１０４．１０６が形成されている。この傾斜構造により
、光入射により生成されたキャリアの蓄積や再結合を防
ぐことができ、光電変換効率の向上が達成でき、また、
禁止帯幅の狭い領域がら空乏層領域へのキャリアの注入
を抑制し分光感度特性を改良するようになっている。

第９図は、上述のように構成された光電変換素子に逆バ
イアス電圧Ｖｓを印加したとき積層構造の半導体層内に
広がる空乏層の厚さの変化を示している。また、第１０
図は、逆バイアス印加電圧Ｖｓを２．４Ｖ　（，７’特
性線）、１５Ｖ（ｇ特性線）及び３６．５Ｖ　（ｈ特性
線）としたときの分光感度特性を示している。逆バイア
ス印加電圧Ｖｓの変化に伴い、光電変換素子の分光感度
特性が変化するとともに、前記第６図に示した第１実施
例のものと比べると急峻な特性になっている。

第１１図及び第１２図には、光電変換素子の第３実施例
を示す。

第１１図において、１０８はＳｉ不純物がｌＸｌ０１５
ｃｍ−３の濃度にドープされたＧａＡｓ層、１０９はＳ
ｉ不純物が４Ｘ１０”ｃｍ−３にドープされたＡｕｏ、
＋　５　Ｇａｏ、８５　Ａｓ層、１１０はＳｉ不純物が
２Ｘ１０”ａｍ−３にドープされたＡｆｆｉｏ、３０　
Ｇａｏ、　７ｏ　Ａｓ層であり、これらの層１０８．１
０９．１１０は、それぞれ３μｍ程度の厚さに形成され
ている。

このように、この実施例の半導体層は、光入射面から内
側に向って、不純物濃度が順次増大するように形成され
ている。

前記第４図に示した第１実施例のように、半導体層内を
均一不純物濃度にドープした場合は、逆バイアス印加電
圧の上昇に伴って、半導体層の光入射面近傍に高電界が
生じてブレークダウンやアバランチエを生じ、光電変換
素子のノイズが増大する恐れがある。これに対し、この
実施例では、半導体層内の不純物濃度を前述のような分
布とすることにより、半導体層内での電界分布が均一化
されてその光入射面近傍に高電界の生じることが防止さ
れるようになっている。

第１２図は、上述のように構成された光電変換素子に逆
バイアス電圧Ｖｓを印加したとき、半導体層内に広がる
空乏層の厚さの変化を示している。

逆バイアス印加電圧Ｖｓの変化に伴ない、光電変換素子
の分光感度特性が変化する作用は、前記第２実施例のも
のとほぼ同様である。

上述のように、光電変換素子の各実施例において、半導
体層内の不純物濃度及び組成により決定される禁止帯幅
は、空乏層の広がりと逆バイアス印加電圧を考慮して変
更することができる。但し、通常用いられる逆バイアス
印加電圧の範囲において、空乏層の広がりが、異なった
禁止帯幅の半導体層部分へ変化し、且つその逆バイアス
印加電圧において半導体層内でブレークダウン又はアバ
ランチエを生じないように設計することが望ましい。

次いで第１３図ないし第１５図には、第２の発明に係る
光電変換装置の第１実施例を示す。この実施例は、電圧
供給手段として第１４図（ａ）に示すような３相のステ
ップ状印加電圧Ｖ　ｓ　ＨＶ　ｓ　２Ｖ　ｓ　３を供給
するパルスジェネレータ２０１を使用し、演算手段とし
ては３個のサンプルホールド回路８ａ、８ｂ、　８ｃと
２個の減算器１１ａ１１１ｂの組合わせ回路を用いたも
のである。７は光電流を電圧信号に変換するためのＩ−
Ｖ変換器である。

そして、パルスジェネレータ２０１から印加電圧Ｖ　ｓ
　Ｉ　　Ｖ　ｓ　２及びＶｓ３の各出力タイミングで、
サンプルホールド回路におけるアナログスイッチ９ａ、
９ｂ及び９Ｃがオンに転じ、各サンプルホールド回路８
ａ、８ｂ及び８Ｃには、各印加電圧Ｖｓｌ　　Ｖｓ２及
びＶｓ３にそれぞれ対応した波長の光電変換電圧がホー
ルドされる。次いで、減算器１１ａで、Ｖ　ｓ　２に対
応した波長の光電変換電圧からＶ　ｓ　１　に対応した
波長の光電変換電圧の減算処理がなされて、印加電圧Ｖ
　ｓ　２に対応した波長の分光信号が取出される。また
、他の減算器１１ｂで、Ｖ　ｓ　３に対応した波長の光
電変換電圧からＶ　ｓ　２に対応した波長の光電変換電
圧の減算処理がなされて、印加電圧Ｖ　ｓ　３に対応し
た波長の分光信号が取出される。

なお、この実施例では、ステップ状印加電圧を３相とし
ているが、より多相でも、また２相でもよい。

第１６図及び第１７図には、光電変換装置の第２実施例
を示す。この実施例は、電圧供給手段として、第１７図
（ａ）に示すようなのこぎり波状印加電圧を供給するス
ィーブジェネレータ２０２を使用し、演算手段としては
微分回路１２が用いられている。１３は分光信号の出力
特性を表示するためのオシロスコープである。この実施
例では、光電変換素子１０として、前記第４図に示した
ものが適用されている。また、スィーブジェネレータ２
０２からオシロスコープ１３へは、のこぎり波状印加電
圧の周期を示すタイミング信号ＴＲＧ（第１７図（ｂ）
）が入力されている。

第１８図には、光電変換装置の第３実施例を示す。演算
手段として、上記第１、第２の各実施例がアナログ演算
手段を用いているのに対し、この実施例では、ディジタ
ル演算手段としてのマイクロコンピュータ３０１を用い
たものである。また、電圧供給手段もマイクロコンピュ
ータ３０１で兼用されている。１４はＤ／Ａコンバータ
、１５はＡ／Ｄコンバータである。

［発明の効果コ 以上説明したように、第１の発明によれば、半導体層は
一方の面側か他方の面側よりも広い禁止帯幅を有し、そ
の一方の面に整流障壁を形成する第１の電極を備えさせ
たので、使用時に逆バイアス印加電圧の変化という電気
的な操作により分光感度特性を変化させることができる
。また、構造的に単純なので集積化容易性が得られる。

第２の発明では、光電変換素子に時間的に変化する電圧
を印加し、演算手段でその印加電圧とそのときの光電流
出力信号とに所要の演算を施すようにしたので、特定の
分光特性の光電変換信号（分光信号）を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る光電変換素子の原理を説明する
ためのバンドダイヤグラム、第２図は同上光電変換素子
の分光感度特性を示す特性図、第３図はこの発明に係る
光電変換装置の原理を説明するための構成図、第４図な
いし第６図は光電変換素子の第１実施例を示すもので、
第４図は縦断面図、第５図は印加電圧による空乏層の変
化を示す特性図、第６図は分光感度特性を示す特性図、
第７図は同上第１実施例の変形例を示す縦断面図、第８
図ないし第１０図は光電変換素子の第２実施例を示すも
ので、第８図は縦断面図、第９図は印加電圧による空乏
層の変化を示す特性図、第１０図は分光感度特性を示す
特性図、第１１図は光電変換素子の第３実施例を示す縦
断面図、第１２図は同上第３実施例における印加電圧対
空乏層の変化を示す特性図、第１３図ないし第１５図は
この発明に係る光電変換装置の第１実施例を示すもので
、第１３図は回路図、第１４図は印加電圧等を示すタイ
ミングチャート、第１５図は適用した光電変換素子の分
光感度特性を示す特性図、第１６図は光電変換装置の第
２実施例を示すブロック図、第１７図は同上第２実施例
における印加電圧等を示すタイミングチャート、第１８
図は光電変換装置の第３実施例を示すブロック図、第１
９図は従来の光電変換素子を示す図である。 １：第１の電極、　　２：第２の電極、１０：光電変換
素子、　　１００：半導体層、２００：電源装置（電圧
供給手段）、 ２０１：パルスジェネレータ（電圧供給手段）、２０２
：スィーブジェネレータ（電圧供給手段）３００：演算
装置（演算手段）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光入射面となる半導体層の一方の面に整流障壁を
   形成する第１の電極を備え、前記半導体層は一方の面側
   が他方の面側よりも広い禁止帯幅を有し、前記半導体層
   の他方の面側にはオーミック性の第２の電極を備えてな
   ることを特徴とする光電変換素子。
2. （２）請求項１記載の光電変換素子における第１の電極
   及び第２の電極間に時間的に変化する印加電圧を供給す
   る電圧供給手段と、前記光電変換素子の出力信号と前記
   印加電圧とから光電変換信号を演算する演算手段とを有
   することを特徴とする光電変換装置。