JPH05275734A - Phototransistor - Google Patents

Phototransistor

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JPH05275734A
JPH05275734A JP4074301A JP7430192A JPH05275734A JP H05275734 A JPH05275734 A JP H05275734A JP 4074301 A JP4074301 A JP 4074301A JP 7430192 A JP7430192 A JP 7430192A JP H05275734 A JPH05275734 A JP H05275734A
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JP
Japan
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semiconductor
anode
light
phototransistor
cathode
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Application number
JP4074301A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshihiko Mizushima
宜彦 水島
Toru Hirohata
徹 廣畑
Kazutoshi Nakajima
和利 中嶋
Takashi Iida
孝 飯田
Sadahisa Warashina
禎久 藁科
Kenichi Sugimoto
賢一 杉本
Tomoko Suzuki
智子 鈴木
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Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a phototransitor which is based on a new principle. CONSTITUTION:A phototransistor which is sensitive to light as a signal input and which outputs a multiplied electric signal toward an external circuit is provided with the following: a semiconductor 11 in which one pair of electrodes composed of an anode 21 and a cathode 22 are installed; an electric-field application means which applies a prescribed electric field into the semiconductor between the pair of electrodes; a light irradiation hv means by which the interference between the anode and the semiconductor is irradiated with light as a signal input; and a cathode means by which holes generated in the anode body by irradiation with the light are injected into the semiconductor and which promotes the injection of electrons into the semiconductor from the cathode. When the anode 21 is irradiated with the light as an input signal to be amplified, the holes are generated and injected into the semiconductor. Then, the electrons are injected from the cathode 22, and an amplified electric signal is output to an external circuit.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光照射により正孔を発
生させ、この正孔により電子流の制御を行なう光トラン
ジスタに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a phototransistor in which holes are generated by light irradiation and the electron flow is controlled by the holes.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から光トランジスタは存在するが、
これらの光トランジスタはpnp(npn)接合を用い
たものであった。しかも、増倍領域で動作させたときに
は、暗電流がかなり多くなる欠点があった。
2. Description of the Related Art Phototransistors have existed in the past, but
These phototransistors used pnp (npn) junctions. Moreover, there is a drawback that the dark current is considerably increased when operated in the multiplication region.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、係る従来技
術の欠点を解決した新規な構造の光トランジスタを提供
することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a phototransistor having a novel structure which solves the drawbacks of the prior art.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明は、信号入力とし
ての光に感応し、外部回路に向けて増倍された電気信号
を出力する光トランジスタにおいて、陽極および陰極か
らなる一対の電極が設定された半導体と、一対の電極間
の半導体中に所定の電界を印加する電界印加手段と、陽
極と半導体の界面近傍に信号入力としての光を照射する
光照射手段と、この光照射により陽極で生成した正孔を
半導体に注入し、陰極から半導体への電子注入を促進す
る陰極手段とを備えたことを特徴とする。
According to the present invention, in a phototransistor which is sensitive to light as a signal input and outputs an amplified electric signal toward an external circuit, a pair of electrodes consisting of an anode and a cathode is set. Electric field applying means for applying a predetermined electric field between the semiconductor and the semiconductor between the pair of electrodes, a light irradiating means for irradiating the vicinity of the interface between the anode and the semiconductor with light as a signal input, and the anode by this light irradiation. And a cathode means for injecting the generated holes into the semiconductor and promoting electron injection from the cathode into the semiconductor.

【0005】[0005]

【作用】本発明の構成によれば、増幅すべき入力信号と
しての光が陽極に照射されると、正孔が生成して半導体
に注入される。すると、陰極からは電子注入がされ、外
部回路に対して増幅した電気信号が出力される。
According to the structure of the present invention, when light as an input signal to be amplified is applied to the anode, holes are generated and injected into the semiconductor. Then, electrons are injected from the cathode, and the amplified electric signal is output to the external circuit.

【0006】このように本発明では、従来の光トランジ
スタの欠点を改良し、特にpnp接合を必要としないば
かりでなく、印加する電界によっては、容易にアバラン
シ増倍を引起こし、注入された電子を容易に増倍するこ
とができるものである。しかも、用いる半導体を高抵抗
の半導体とすることも可能で、暗電流を低く抑えること
もできるものである。本発明は、謂わばアバランシトラ
ンジスタとフォトダイオードの機能を合せ持つ光トラン
ジスタであり、しかもpn接合を特に必要としない構造
が、簡便で暗電流の低い光トランジスタの実現を可能に
している。
As described above, the present invention not only improves the drawbacks of the conventional phototransistor and does not require a pnp junction, but also easily causes avalanche multiplication depending on the applied electric field to inject electrons. Can be easily multiplied. Moreover, the semiconductor used can be a high-resistance semiconductor, and the dark current can be suppressed low. The present invention is a phototransistor that has the functions of a so-called avalanche transistor and a photodiode, and the structure that does not particularly require a pn junction makes it possible to realize a phototransistor that is simple and has a low dark current.

【0007】[0007]

【実施例】本発明は、これまでの光トランジスタの考え
方とは全く異なる考えに基づくものである。これまでの
光トランジスタは、トランジスタのベース領域でキャリ
アを発生させ、ベース内に発生した空間電荷によりpn
接合を順バイアス化させ、素子内を流れる電流を制御す
るものであった。本発明では、光は陽極から半導体に正
孔を注入するのに使われる。正孔の発生量により、陰極
から半導体へ注入される電子の量が制御される点が、本
発明の光トランジスタの基本原理である。更に、必要に
よっては、増倍も行なうことができる。この様な概念を
持つ光トランジスタは、これまでに考案されたことが無
かった。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention is based on an idea completely different from the idea of phototransistors up to now. Conventional phototransistors generate carriers in the base region of the transistor, and pn is generated by the space charge generated in the base.
The junction was forward biased to control the current flowing in the device. In the present invention, light is used to inject holes from the anode into the semiconductor. The basic principle of the phototransistor of the present invention is that the amount of electrons injected from the cathode to the semiconductor is controlled by the amount of holes generated. Further, multiplication can be performed if necessary. The phototransistor having such a concept has never been invented.

【0008】本発明の内容を具体的な実施例を用いて説
明する。図1は、本発明の光トランジスタの最も基本と
なる実施例の構造図である。半導体11 、例えばGaA
sウエハー上に一対の電極を形成し、陽極21 と陰極2
2 とする。電極材料については後で触れるが、この例で
は陰極22 、陽極21 ともにオーム性接合を持つAuG
e/Ni/Auとする。陽極21 は半導体11 の界面に
効率良く光が照射できるように充分に薄膜化されてい
る。
The contents of the present invention will be described with reference to specific examples. FIG. 1 is a structural diagram of the most basic embodiment of the phototransistor of the present invention. Semiconductor 1 1 , eg GaA
s A pair of electrodes is formed on the wafer, and anode 2 1 and cathode 2
Set to 2 . The electrode material will be described later, but in this example, AuG having an ohmic junction for both the cathode 2 2 and the anode 2 1.
e / Ni / Au. The anode 2 1 is made sufficiently thin so that the interface of the semiconductor 1 1 can be efficiently irradiated with light.

【0009】陽極21 と半導体11 との界面には、その
接合がオーム性接合であろうとショットキー性接合であ
ろうと必ずポテンシャル障壁が形成されている。この障
壁の高さは、接合の種類や半導体11 の材料にもよる
が、概ね半導体11 のバンドギャップエネルギーの1/
2ないしは2/3である。この値が、この光トランジス
タが動作する限界波長を決める。半導体11 がGaAs
の場合には、室温でのバンドギャップエネルギーは1.
43eVであり、限界波長としては、1300nmない
し1700nm程度になる。
A potential barrier is always formed at the interface between the anode 2 1 and the semiconductor 1 1 regardless of whether the junction is an ohmic junction or a Schottky junction. The height of this barrier depends on the type of junction and the material of the semiconductor 1 1 , but is approximately 1 / one of the bandgap energy of the semiconductor 1 1.
2 or 2/3. This value determines the limit wavelength at which this phototransistor operates. Semiconductor 1 1 is GaAs
In the case of, the band gap energy at room temperature is 1.
It is 43 eV, and the limit wavelength is about 1300 nm to 1700 nm.

【0010】外部から陽極21 と半導体11 の界面に光
(hν)を照射する。照射された光により、陽極21
では正孔が励起される。この熱い正孔のエネルギーは照
射された光エネルギーと同じエネルギーを持つために、
照射光の光子エネルギーが先の障壁よりも高ければ、熱
い正孔は障壁を越えて半導体11 中へ注入される。これ
に対抗して陰極22 から電子が注入される。半導体11
には、上面に設けられた電極21 ,22 と電源43 によ
り電界が印加されているため、注入された電子は、陽極
1 まで運ばれ、信号電流として電流計41 により観測
される。
Light (hν) is applied to the interface between the anode 2 1 and the semiconductor 1 1 from the outside. The irradiated light excites holes in the anode 2 1 . Since the energy of this hot hole has the same energy as the light energy applied,
If the photon energy of the illuminating light is higher than the previous barrier, hot holes will be injected across the barrier into the semiconductor 1 1 . To counter this, electrons are injected from the cathode 2 2 . Semiconductor 1 1
Since an electric field is applied by the electrodes 2 1 , 2 2 provided on the upper surface and the power source 4 3 to the anode, the injected electrons are carried to the anode 2 1 and observed by the ammeter 4 1 as a signal current. It

【0011】更に、この信号電流を増大させるために
は、以下に示すように陽極21 の直前に於て高電界によ
る雪崩増傍を起こさせることが良い。その為に必要な条
件は、半導体11 が半絶縁性GaAsのように高抵抗半
導体であること、またバイアス電界は平均電界として
0.5kV/cm程度以上の電界である事である。上限
は特に設ける必要がないが、平均電界が低い領域で動作
することも本発明の特徴であり、更には他の現象との区
別を明確にするために2.5kV/cm以下とする。
Furthermore, in order to increase the signal current, it is better to cause the avalanche neighbor by a high electric field Te at the immediately before the anode 2 1 as shown below. Conditions necessary for this, it semiconductor 1 1 is a high-resistance semiconductor as semi-insulating GaAs, also the bias field is that it is a field of more than about 0.5 kV / cm as a mean field. The upper limit is not particularly required to be set, but it is also a feature of the present invention that it operates in a region where the average electric field is low, and further, it is set to 2.5 kV / cm or less in order to clearly distinguish it from other phenomena.

【0012】高抵抗半導体11 に、この程度の高電界を
印加した時には、陽極21 の近傍には電界の集中が生じ
ていることが本発明者の研究により判っている。陽極2
1 から半導体11 へ注入された正孔は陰極22 へ向かっ
て走行する。この時空間電荷の発生を防げる為、陰極2
2 から電子が注入される。半導体11 の陰極22 側は高
キャリア密度となり抵抗値が減少する。電極21 ,22
間に一定のバイアス電圧が印加されていると、この領域
の電界は減少する。陽極21 付近の電界強度は、逆にそ
の分だけ電界が増加する。この様にして、陽極21 付近
で注入電子による雪崩増倍が生じるようになる。雪崩増
倍により発生した多量の正孔も光注入された正孔と全く
同様に働き、全体の雪崩電流が維持される。ここに更に
光による電流が加わり、更に電流が増加し、この分が光
電流利得になる。これが、本発明の光トランジスタの基
本的な動作である。
[0012] high resistance semiconductor 1 1, upon application of a high electric field of this degree, that in the vicinity of the anode 2 1 concentration of electric field is generated are known by studies of the present inventors. Anode 2
The holes injected from 1 to the semiconductor 1 1 travel toward the cathode 2 2 . At this time, in order to prevent generation of space charge, the cathode 2
Electrons are injected from 2 . The cathode 2 2 side of the semiconductor 1 1 has a high carrier density and the resistance value decreases. Electrodes 2 1 , 2 2
When a constant bias voltage is applied in between, the electric field in this region decreases. On the contrary, the electric field strength in the vicinity of the anode 2 1 is increased accordingly. In this way, so that avalanche multiplication by injection electrons near the anode 2 1 occurs. A large number of holes generated by the avalanche multiplication work in exactly the same way as the light-injected holes, and the entire avalanche current is maintained. A current due to light is further added to this, and the current further increases, and this amount becomes the photocurrent gain. This is the basic operation of the phototransistor of the present invention.

【0013】以上の動作メカニズムを、エネルギーバン
ド図上で描くと図2の様になる。同図(a)は光照射
(hν)により陽極21 から電子51 と、正孔52 が発
生し、そのうちの正孔54 が半導体11 に注入された直
後のポテンシャル図である。同図(b)は注入により雪
崩増倍が誘発されて多量の正孔が雪崩増倍領域55 で発
生し、また陰極22 から電荷の中和の為に電子53 が注
入されている動作状態のポテンシャル図を描いている。
FIG. 2 shows the above operation mechanism on an energy band diagram. FIG. 3A is a potential diagram immediately after the electrons 5 1 and the holes 5 2 are generated from the anode 2 1 by the light irradiation (hν), and the holes 5 4 among them are injected into the semiconductor 1 1 . FIG (b) is avalanche multiplication is induced are injected electrons 5 3 for neutralization of a large amount of holes generated by the avalanche multiplication region 5 5, also the charge from the cathode 2 2 by injection The potential diagram of the operating state is drawn.

【0014】以上の説明から判るように、半導体11
電界を印加し、陽極21 に光を照射することが本実施例
に係る光トランジスタの動作の基本である。また、先述
の説明では、陰極22 からの電子の注入には特に妨げな
いとして説明を行なった。しかし、陰極22 と半導体1
1 との界面に形成されるポテンシャル障壁が、電子注入
の妨げになる場合がある。この場合には、陰極22 にも
光を照射すると良い場合がある。即ち、陰極22 に於て
も陽極21 同様に光エネルギーで電子の注入を助けてや
ればよい。
As can be seen from the above description, the basic operation of the phototransistor according to this embodiment is to apply an electric field to the semiconductor 1 1 and irradiate the anode 2 1 with light. Further, in the foregoing description, it has been explained as do not interfere especially in the injection of electrons from the cathode 2 2. However, cathode 2 2 and semiconductor 1
The potential barrier formed at the interface with 1 may interfere with electron injection. In this case, it may be preferable to irradiate the cathode 2 2 with light. That is, in the cathode 2 2 as well, as in the case of the anode 2 1 , the injection of electrons may be assisted by the light energy.

【0015】この基本動作によって、陽極21 のみなら
ず陰極22 の光照射によっても電流出力を得ることがで
きるが、この事は上記2種類の光照射がAND論理を行
なっていることに相当する。即ち、陽極21 、陰極22
をそれぞれ正孔、電子に対するブロッキング電極とする
ことによって、該入力光の掛け算を行なう論理ゲートが
できる。これは、簡便な乗算、相関器として価値があ
る。
By this basic operation, the current output can be obtained not only by the light irradiation of the anode 2 1 but also by the light irradiation of the cathode 2 2. This means that the above two kinds of light irradiation perform AND logic. To do. That is, the anode 2 1 and the cathode 2 2
Are used as blocking electrodes for holes and electrons, respectively, to form a logic gate that multiplies the input light. This is valuable as a simple multiplication and correlator.

【0016】光照射の手段を工夫することにより、図
3、図4のように、様々なタイプの光トランジスタを構
成することができる。例えば、上記の説明による構成で
は、半導体11 は陽極21 と陰極22 とのダイオード構
成を成しているが、陽極を2分し、別のバイアスのもと
で3極構成とし、光生成の正孔注入用の陽極23 と、信
号電流用陽極21 とに分けて動作させることもできる。
ここで、図3では正孔注入用陽極23 は平板状となって
いるが、、図4ではメッシュ状となっている。
By devising the light irradiation means, various types of phototransistors can be constructed as shown in FIGS. For example, in the configuration according to the above description, the semiconductor 1 1 has a diode configuration of the anode 2 1 and the cathode 2 2 , but the anode is divided into two and a three-pole configuration is applied under another bias. The positive electrode 2 3 for injecting holes and the positive electrode 2 1 for signal current may be separately operated.
Here, the hole injection anode 2 3 has a flat plate shape in FIG. 3, but has a mesh shape in FIG.

【0017】図5は、半導体ウエハーの厚み方向に電極
を構成した例である。すなわち、半導体11 の上面に陽
極21 を形成し、下面に陰極22 を形成し、光トランジ
スタを構成している。
FIG. 5 shows an example in which electrodes are formed in the thickness direction of a semiconductor wafer. That is, the anode 2 1 is formed on the upper surface of the semiconductor 1 1 and the cathode 2 2 is formed on the lower surface to form a phototransistor.

【0018】これらの光照射手段としては、薄膜化され
ていた陽極を、メッシュパターンなどの部分電極に変更
することも良い。この場合には、陽極21 が厚いと、電
極開口部の極く周辺部分の電極界面部分にしか光が照射
されないために、やはり陽極21 は薄膜化してやる必要
がある。
As the light irradiation means, the thinned anode may be replaced with a partial electrode such as a mesh pattern. In this case, if the anode 2 1 is thick, the light is irradiated only to the electrode interface portion in the peripheral portion of the electrode opening portion, so that the anode 2 1 also needs to be thinned.

【0019】しかし、照射する光として、半導体のバン
ドギャップエネルギーに相当する波長よりも長波長の場
合には、事情は全く異なる。この場合の構造図が図6、
図7である。この場合には、陽極電極21 の合間より半
導体11 に照射された光hνは、高抵抗半導体11 を透
過するため、図6においては半導体11 の裏面で図7に
おいては裏面の陰極22 で反射され、陽極21 と半導体
1 の界面に光が照射されることになる。従って、この
場合には、陽極21 は特に薄膜化されていなくても良
い。
However, the situation is completely different when the irradiation light has a wavelength longer than the wavelength corresponding to the band gap energy of the semiconductor. The structural drawing in this case is shown in FIG.
It is FIG. In this case, the light hν applied to the semiconductor 1 1 from the interval between the anode electrodes 2 1 passes through the high-resistance semiconductor 1 1 , so that the back surface of the semiconductor 1 1 in FIG. 6 and the back surface of the semiconductor 11 in FIG. The light is reflected by 2 2 and the interface between the anode 2 1 and the semiconductor 1 1 is irradiated with light. Therefore, in this case, the anode 2 1 may not be particularly thin.

【0020】さらには、半導体11 のウエハー側面から
照射しても良い。この例を図8、図9に示す。この構成
の場合には、同一の半導体ウエハー上に構成された半導
体レーザーからの光により電流制御を行なうデバイスに
適する構造である。また、陰極22 側から光を照射する
ことも可能である。この場合には、陰極22 が光透過の
ために薄膜化されているか、メッシュ電極状になってい
る必要がある(図10、図11)。
[0020] Furthermore, it may be irradiated from the semiconductor 1 1 of the wafer side. This example is shown in FIGS. In the case of this structure, the structure is suitable for a device that controls current by light from a semiconductor laser formed on the same semiconductor wafer. It is also possible to irradiate light from the cathode 2 2 side. In this case, either the cathode 2 2 is thinned for light transmission, there must be in the mesh electrode shape (10, 11).

【0021】本発明で用いる電極について述べておく。
まず陰極22 については、半導体11 に正孔が注入され
た時、これを中和する電子が容易に陰極22 から半導体
1中へ注入されなければならない。この為、陰極材料
としては、電子ブロックにならないオーム性接合材料が
適する。この様な材料としては、AuGe,AgInG
e、AuSn等を主とする合金金属が挙げられる。また
はN+ 薄層を介した金属電極でも良い。
The electrodes used in the present invention will be described.
First, regarding the cathode 2 2 , when holes are injected into the semiconductor 1 1 , electrons that neutralize the holes must be easily injected into the semiconductor 1 1 from the cathode 2 2 . Therefore, an ohmic bonding material that does not become an electron block is suitable as the cathode material. Such materials include AuGe, AgInG
Examples of the alloy metal include e, AuSn, and the like. Alternatively, a metal electrode via an N + thin layer may be used.

【0022】しかし、先述のように陰極にも光を照射す
ることを考える場合には、むしろ陰極を電子ブロッキン
グ電極、即ちショットキー性電極とし、光による制御性
を高めることの方が良い場合もある。ショットキー性接
合を持つ金属としては、例えばAu、Al、WSi、T
iPtAu等が挙げられる。
However, when considering irradiating the cathode with light as described above, in some cases, it is better to use the cathode as an electron blocking electrode, that is, a Schottky electrode to enhance controllability by light. is there. Examples of the metal having the Schottky junction include Au, Al, WSi, T
iPtAu etc. are mentioned.

【0023】陽極21 についても同様な議論ができる。
陽極21 から半導体11 への正孔注入の為に適する電極
材料としては、この方が正孔に対するポテンシャル障壁
は低下するからである。しかし、逆に限界波長を犠牲に
して、正孔注入に対するブロッキングを強め暗電流を低
く抑え光制御性を高めることも有益である。この為にオ
ーム性接合を用いることも良い。
The same discussion can be made for the anode 2 1 .
This is because, as an electrode material suitable for injecting holes from the anode 2 1 into the semiconductor 1 1 , this has a lower potential barrier for holes. However, conversely, it is also beneficial to sacrifice the limit wavelength and enhance blocking for hole injection to suppress dark current and enhance light controllability. For this purpose, ohmic bonding may be used.

【0024】暗電流について述べれば、半導体11 が高
抵抗半導体、特に半絶縁化されている場合には、暗電流
が低く抑えられることは言うまでもないが、半導体11
の基板がn型半導体基板の場合には、陰極22 はオーム
性電流を少なくするためにバイアスによって注入状態を
制御できるようにされたpn接合か、またはショットキ
ー接合などの種々のものを使用できる。
[0024] Stated for dark current, semiconductor 1 1 high-resistance semiconductor, particularly if it is semi-insulating, although it is needless to say that the dark current is kept low, the semiconductor 1 1
If the substrate is an n-type semiconductor substrate, the cathode 2 2 may be a pn junction whose injection state can be controlled by a bias in order to reduce the ohmic current or a Schottky junction. it can.

【0025】限界波長の大幅な改良の為には、また、光
照射により正孔を注入する時のポテンシャル障壁を低下
させ、長波長側限界波長を延ばすために、このpn接合
をヘテロ接合とすることもできる。図12、図13にこ
の実施例の構造図を、図14にはこれらのエネルギーバ
ンド図を示す。
In order to greatly improve the limit wavelength, and to lower the potential barrier when injecting holes by light irradiation and extend the limit wavelength on the long wavelength side, this pn junction is made a heterojunction. You can also 12 and 13 are structural views of this embodiment, and FIG. 14 is an energy band diagram thereof.

【0026】先に述べたように、本発明の光トランジス
タの長波長限界は、陽極21 と半導体11 との間に形成
されるポテンシャル障壁の大きさにより決定される。ポ
テンシャル障壁はバンドギャップエネルギーが小さいほ
ど小さくなるために、半導体11 としてはできるだけ小
さなバンドギャップエネルギーをもつ半導体材料を用い
ることがよい。
As described above, the long wavelength limit of the phototransistor of the present invention is determined by the size of the potential barrier formed between the anode 2 1 and the semiconductor 1 1 . Potential barrier to the more band gap energy is small becomes small, it is possible to use a semiconductor material having a smallest possible band gap energy as the semiconductor 1 1.

【0027】この様な試みとしては、半導体11 の全て
を小さなバンドギャップエネルギーをもつ半導体材料で
置き換えることも良いが、図12、図13の様に、陽極
1の直前だけ別の半導体12 で置き換えることも良
い。全体としては、大きなバンドギャップエネルギーを
もつ半導体11 で構成されているために、暗電流が低く
抑えられることと、高抵抗の半導体材料が容易に利用で
きる等、メリットが大きいからである。
[0027] Examples of such attempts, it may be replaced with a semiconductor material having a smaller band gap energy of all of the semiconductor 1 1 but 12, as in FIG. 13, another only immediately before the anode 2 first semiconductor 1 You can also replace it with 2 . Overall, because it is a semiconductor 1 1 with a large band gap energy, it is the fact that dark current is kept low, such as a high resistance semiconductor material are readily available, since merit is large.

【0028】次に、半導体11 の抵抗率について触れて
おく。本発明の光トランジスタの機構では、光照射によ
り陽極21 から正孔が注入され、その中和の為に陰極2
2 から電子が注入されることが必要である。電荷の中和
には、ある程度の時間が必要で、誘電緩和時間と言われ
ている。誘電緩和時間τはτ=εε0 /σで決定され
る。ここにε、ε0 は半導体11 の比誘電率、真空の誘
電率である。またσは、半導体11 の導電率である。
[0028] Next, worth mentioning about the resistivity of the semiconductor 1 1. In the mechanism of the phototransistor of the present invention, holes are injected from the anode 2 1 by light irradiation, and the cathode 2 is injected to neutralize the holes.
It is necessary that 2 electrons be injected. It takes a certain amount of time to neutralize the charge, which is called a dielectric relaxation time. The dielectric relaxation time τ is determined by τ = εε 0 / σ. Here, ε and ε 0 are the relative permittivity of the semiconductor 11 and the permittivity of vacuum. Further, σ is the conductivity of the semiconductor 1 1 .

【0029】従って、半導体11 が余りにも高抵抗の場
合には、この光トランジスタの応答速度は極めて遅くな
る。また、応答性を得るために導電率を高めることは、
本発明で応用している陽極21 への電界集中手段を用い
ることができなくなるため意味を成さない。従って、本
発明の光トランジスタに用いる半導体のキャリア濃度の
上限は1014cm-3以下であることが望ましい。更にキ
ャリアの電極間の走行時間を誘電緩和時間τより短くす
ることにより、応答速度を改良することができる。この
為、電極間は80μm以下である事が望ましい。本発明
で用いる高抵抗半導体は半絶縁化されたものでもよく、
そのキャリア補償の為に含まれている不純物の影響はな
いことが判ってる。半絶縁化された半導体11 の例とし
ては、Cr:GaAs、CrO:GaAs、Fe:In
P等が挙げられる。
[0029] Thus, the semiconductor 1 1 is too in the case of high resistance, the response speed of the optical transistor becomes extremely slow. Also, increasing the conductivity to obtain responsiveness is
It is meaningless because the means for concentrating the electric field on the anode 2 1 applied in the present invention cannot be used. Therefore, the upper limit of the carrier concentration of the semiconductor used in the phototransistor of the present invention is preferably 10 14 cm −3 or less. Furthermore, the response speed can be improved by making the transit time of the carrier between the electrodes shorter than the dielectric relaxation time τ. Therefore, the distance between the electrodes is preferably 80 μm or less. The high resistance semiconductor used in the present invention may be semi-insulated,
It is known that the impurities contained for the carrier compensation have no influence. Examples of the semiconductor 1 1 which is a semi-insulating is, Cr: GaAs, CrO: GaAs , Fe: In
P etc. are mentioned.

【0030】最後に負性抵抗について触れておく。本発
明で電極21 ,22 間に印加するバイアスが高い場合に
は、雪崩増倍を生じることを述べたが、この時に導電率
変調が強いと負性抵抗を発生する。負性抵抗の発生を抑
えたい場合には、導電率変調を抑えればよく、この手段
としては、半導体11 のキャリア密度を増加させればよ
い。或いは、素子内でバイアスの再分配を生じないよう
にするために、電極21 ,22 間に低抵抗部分と薄い高
抵抗部分とを作り込めばよく、高抵抗側を陽極側にす
る。陽極からの正孔注入で高抵抗領域の導電率が変化し
ても、全体に及ぼす影響が少ないために、負性抵抗は出
現しない。この様にして負性抵抗を抑えれば、低ノイズ
の正孔注入制御型アバランシェダイオードになる。
Finally, the negative resistance will be touched upon. In the present invention, it was described that avalanche multiplication occurs when the bias applied between the electrodes 2 1 and 2 2 is high, but if the conductivity modulation is strong at this time, negative resistance occurs. If it is desired to suppress the occurrence of negative resistance may be Osaere conductivity modulation, as the unit, it is sufficient to increase the carrier density of the semiconductor 1 1. Alternatively, in order to prevent bias redistribution within the device, a low resistance portion and a thin high resistance portion may be formed between the electrodes 2 1 and 2 2 , and the high resistance side is the anode side. Even if the conductivity of the high resistance region changes due to the injection of holes from the anode, the negative resistance does not appear because the effect on the whole is small. By suppressing the negative resistance in this manner, a hole injection control type avalanche diode with low noise can be obtained.

【0031】低ノイズの理由は、本発明のような構造を
成すことにより、電子のフォノン散乱が抑制され、電子
は容易に光エネルギーになれるからである。つまり、電
子と正孔の雪崩領域での増倍係数が極めて異なり、電子
のみの増倍と言える情況にあるため、通常のアバランシ
ェダイオードの主なノイズである過剰ノイズの発生が少
ないからである。
The reason for the low noise is that the phonon scattering of electrons is suppressed and the electrons can easily become light energy by forming the structure as in the present invention. In other words, the multiplication factors of electrons and holes in the avalanche region are extremely different, and it can be said that only electrons are multiplied, so that excess noise, which is the main noise of a normal avalanche diode, is less likely to occur.

【0032】この様に、本発明はこれまでのものとは全
く異なる光トランジスタであり、簡単な構造で、長波長
に対しても感度を有し、しかもアバランシェにより高い
感度を有する光トランジスタである。
As described above, the present invention is a phototransistor which is completely different from the conventional ones, has a simple structure, is sensitive to long wavelengths, and is highly sensitive to avalanche. ..

【0033】[0033]

【発明の効果】本発明によって、光照射、特に赤外光の
照射によって、効率良く、しかも増倍させて電流制御を
行なうデバイスを実現できる。特に構造が簡単である
事、半絶縁性基板や化合物半導体が使えることは、光集
積回路への応用に適しており、今後期待される光集積回
路を用いた光コンピュータ等に大いに貢献できる。
According to the present invention, it is possible to realize a device that efficiently controls the current by irradiating it with light, particularly infrared light. In particular, the simple structure and availability of the semi-insulating substrate and compound semiconductor are suitable for application to optical integrated circuits, and can greatly contribute to optical computers using optical integrated circuits that are expected in the future.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例の光トランジスタの構造図。FIG. 1 is a structural diagram of a phototransistor according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に対するエネルギーバンド図であり、
(a)は正孔注入直後、(b)は動作状態。
2 is an energy band diagram for FIG. 1,
(A) shows the state immediately after the injection of holes, and (b) shows the operating state.

【図3】陽極を正孔注入用陽極と、電流取り出し用電極
とに二分した本発明の実施例の光トランジスタの構造
図。
FIG. 3 is a structural diagram of a phototransistor according to an embodiment of the present invention in which the anode is divided into a hole injecting anode and a current extracting electrode.

【図4】陽極を正孔注入用陽極と、電流取り出し用電極
とに二分した本発明の実施例の光トランジスタの構造
図。
FIG. 4 is a structural diagram of a phototransistor according to an embodiment of the present invention in which an anode is divided into a hole injection anode and a current extraction electrode.

【図5】半導体ウエハーの厚み方向に一対の電極を形成
した本発明の実施例の光トランジスタの構造図。
FIG. 5 is a structural diagram of a phototransistor according to an embodiment of the present invention in which a pair of electrodes are formed in the thickness direction of a semiconductor wafer.

【図6】陽極をメッシュ状にした本発明の実施例の光ト
ランジスタの構造図。
FIG. 6 is a structural diagram of a phototransistor according to an embodiment of the present invention in which the anode has a mesh shape.

【図7】陽極をメッシュ状にした本発明の実施例の光ト
ランジスタの構造図。
FIG. 7 is a structural diagram of a phototransistor according to an embodiment of the present invention in which the anode has a mesh shape.

【図8】半導体基板の側壁から光照射を行なうようにし
た本発明の実施例の光トランジスタの構造図。
FIG. 8 is a structural diagram of a phototransistor of an embodiment of the present invention in which light irradiation is performed from the sidewall of a semiconductor substrate.

【図9】半導体基板の側壁から光照射を行なうようにし
た本発明の実施例の光トランジスタの構造図。
FIG. 9 is a structural diagram of a phototransistor of an embodiment of the present invention in which light irradiation is performed from the sidewall of a semiconductor substrate.

【図10】陰極から光照射を行なうようにした本発明の
実施例の光トランジスタの構造図。
FIG. 10 is a structural diagram of a phototransistor according to an embodiment of the present invention in which light irradiation is performed from a cathode.

【図11】陰極から光照射を行なうようにした本発明の
実施例の光トランジスタの構造図。
FIG. 11 is a structural diagram of a phototransistor according to an embodiment of the present invention in which light irradiation is performed from a cathode.

【図12】ヘテロ接合により限界波長を延ばす工夫を行
なった本発明の実施例の光トランジスタの構造図。
FIG. 12 is a structural diagram of a phototransistor according to an embodiment of the present invention in which a limit wavelength is extended by a heterojunction.

【図13】ヘテロ接合により限界波長を延ばす工夫を行
なった本発明の実施例の光トランジスタの構造図。
FIG. 13 is a structural diagram of a phototransistor of an embodiment of the present invention in which a limiting wavelength is extended by a heterojunction.

【図14】図12,図14の実施例の光トランジスタに
対するエネルギーバンド図。
FIG. 14 is an energy band diagram for the phototransistor of the embodiment of FIGS.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

hν…照射光、EO …伝導帯、EV …価電子帯、11
半導体、12 …半導体11 とは異なるバンドギャップエ
ネルギーをもつ半導体、21 …陽極、22 …陰極、23
…正孔注入専用内部陽極、41 …電流計、42 …半導体
内部バイアス電源、43 …正孔注入制御用電源、51
励起電子、52 …励起正孔、53 …注入電子、54 …注
入正孔、55 …雪崩増倍領域。
hν ... Irradiation light, E O ... Conduction band, E V ... Valence band, 11 ...
Semiconductor, 1 2 ... Semiconductor having band gap energy different from that of semiconductor 1 1 , 2 1 ... Anode, 2 2 ... Cathode, 2 3
... hole injection dedicated internal anode, 4 1 ... ammeter, 4 2 ... semiconductor internal bias power supply, 4 3 ... hole injection control power supply, 5 1 ...
Excited electron, 5 2 ... Excited hole, 5 3 ... Injection electron, 5 4 ... Injection hole, 5 5 ... Avalanche multiplication region.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 8422−4M H01L 31/10 H (72)発明者 飯田 孝 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 藁科 禎久 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 杉本 賢一 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 鈴木 智子 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification number Internal reference number FI Technical indication location 8422-4M H01L 31/10 H (72) Inventor Takashi Iida 1126-1 Nono-cho, Hamamatsu-shi, Shizuoka Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (72) Inventor Sadahisa Warashi 1126-1 Nono, Hamamatsu-shi, Shizuoka Prefecture 1 126 Hamamatsu Photonics Co., Ltd. (72) Kenichi Sugimoto 1 126-1 Nono, Hamamatsu-shi, Shizuoka Hamamatsu Photonics Co., Ltd. In-house (72) Inventor Tomoko Suzuki 1 126-1 Nomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture Hamamatsu Photonics Co., Ltd.

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 信号入力としての光に感応し、外部回路
に向けて増倍された電気信号を出力する光トランジスタ
において、 陽極および陰極からなる一対の電極が設定された半導体
と、 前記一対の電極間の前記半導体中に所定の電界を印加す
る電界印加手段と、 前記陽極と前記半導体との界面近傍に信号入力としての
光を照射する光照射手段と、 この光照射により前記陽極で生成した正孔を前記半導体
に注入し、前記陰極から前記半導体への電子注入を促進
する陰極手段とを備えたことを特徴とする光トランジス
タ。
1. A phototransistor which is sensitive to light as a signal input and outputs an amplified electric signal toward an external circuit, wherein a semiconductor having a pair of electrodes consisting of an anode and a cathode is set, An electric field applying means for applying a predetermined electric field in the semiconductor between the electrodes, a light irradiating means for irradiating light as a signal input near the interface between the anode and the semiconductor, and light generated by the anode by this light irradiation. And a cathode means for injecting holes into the semiconductor to promote electron injection from the cathode into the semiconductor.
【請求項2】 前記光照射手段が前記陽極と前記半導体
との界面近傍および前記陰極と前記半導体との界面近傍
の双方に光を照射するよう構成されていることを特徴と
する請求項1記載の光トランジスタ。
2. The light irradiating means is configured to irradiate light both near the interface between the anode and the semiconductor and near the interface between the cathode and the semiconductor. Phototransistor.
【請求項3】 前記陽極と前記陰極がそれぞれ正孔と電
子に対してブロッキングとなる電極を有し、前記陽極と
前記陰極のそれぞれに別の光を入射するようにし、光入
力によりAND論理を行なわせるようにした請求項2記
載の光トランジスタ。
3. The anode and the cathode each have an electrode that blocks holes and electrons, and separate light is made incident on each of the anode and the cathode, and an AND logic is applied by light input. The phototransistor according to claim 2, which is adapted to be performed.
【請求項4】 前記半導体が、キャリア濃度が1014
-3以下の高抵抗半導体であることを特徴とする請求項
1、2または3記載の光トランジスタ。
4. The semiconductor has a carrier concentration of 10 14 c.
4. The phototransistor according to claim 1, wherein the phototransistor is a high-resistance semiconductor having m −3 or less.
【請求項5】 前記高抵抗半導体が、半絶縁性であるこ
とを特徴とする請求項4記載の光トランジスタ。
5. The phototransistor according to claim 4, wherein the high resistance semiconductor is semi-insulating.
【請求項6】 前記高抵抗半導体が、GaAsまたはI
nPを主体とする化合物半導体であることを特徴とする
請求項4記載の光トランジスタ。
6. The high resistance semiconductor is GaAs or I.
The phototransistor according to claim 4, which is a compound semiconductor mainly composed of nP.
【請求項7】 前記電界印加手段による電界が、0.5
kV/cm以上であって2.5kV/cm以下となるよ
う構成されていることを特徴とする請求項1、2または
3記載の光トランジスタ。
7. The electric field generated by the electric field applying means is 0.5.
4. The phototransistor according to claim 1, wherein the phototransistor is configured to have a voltage of not less than kV / cm and not more than 2.5 kV / cm.
【請求項8】 前記陽極または前記陰極の少なくとも一
方が、オーム性電極であることを特徴とする請求項1、
2または3記載の光トランジスタ。
8. The method according to claim 1, wherein at least one of the anode and the cathode is an ohmic electrode.
2. The phototransistor according to 2 or 3.
【請求項9】 前記陽極の直前の前記半導体に、障壁接
合が設けられていることを特徴とする請求項1、2また
は3記載の光トランジスタ。
9. The phototransistor according to claim 1, wherein the semiconductor just before the anode is provided with a barrier junction.
【請求項10】 前記障壁接合が、半導体のヘテロ接合
により構成されていることを特徴とする請求項9記載の
光トランジスタ。
10. The phototransistor according to claim 9, wherein the barrier junction is formed of a semiconductor heterojunction.
【請求項11】 前記光照射手段による光が、前記半導
体のバンドギャップエネルギーに相当する波長よりも長
波長であることを特徴とする請求項1、2または3記載
の光トランジスタ。
11. The phototransistor according to claim 1, 2 or 3, wherein the light emitted by the light irradiation means has a wavelength longer than a wavelength corresponding to the bandgap energy of the semiconductor.
【請求項12】 前記光照射手段による光の照射により
正孔を生成させる制御電極を更に備えることを特徴とす
る請求項1、2または3記載の光トランジスタ。
12. The phototransistor according to claim 1, further comprising a control electrode for generating holes by light irradiation by the light irradiation means.
【請求項13】前記陽極と前記陰極との間が80μm以
下であることを特徴とする請求項1、2または3記載の
光トランジスタ。
13. The phototransistor according to claim 1, wherein the distance between the anode and the cathode is 80 μm or less.
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