JPS5812377A - 高速度光電性検出素子およびその製造方法 - 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】 この発明は高速度光検出素子に係り、特には伝送ライン
と一体となった、非プロ、キング（ｎｏｎ　−ｂｌｏｃ
ｋｉｍｇ　）コンタクトを形成する合せ櫛形構造（１ｎ
ｔ＠ｒｄ１ｇ１ｍｌ）の金属電極を含む高速度光検出素
子に関する。

通常の光電検出素子は一方のキャリヤの走行時間と、利
得を達成する丸めの他方のキャリヤの再結合時間との差
に基いている。これは素子の動作速度を犠牲にしている
。高速度で光を検出するために光電性二端子素子を用い
ることがＶｏＬ　ｌ１Ｄ−２６＋　ＩＩＪＥ　Ｔｒａｎ
ａａｃｔｌｏｎｓ　ｏｎＥｌ＊ｃｔｒｏｎＤ＊ｖｉｃ＠
ｓ、ｐｐ１８５５〜１８５９（１９７９）およびＩＩＤ
ＭＴ＠ｃｈｎ１ｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ　＃　　ｐＨ６３
４〜６３７（１９７９）に記載されている。しかしなが
ら、これら素子はプロ、キングコンタクトを利用してお
シ、再結合時間で制限されている。

この発明の高速度光電性検出素子は、 （ａ）　　ホールおよび電子をそれらの飽和速度で発生
させるに充分に高い電界に耐えかつ入射光のエネルギー
よシも小さなバンドギヤラグを有する半導体材料で形成
され死領域、伽）　該領域と非プロ、キングコンタクト
を構成するようＫＭ領領土上形成され九合せ櫛形構造の
一対の金属電極であって各櫛歯が約５μｍ以下の距離を
もうて離間しているもの、および （、）　　該各電極を伝送ラインに接続する手段からな
る。

この素子において、電流は光照射の下で７オトキヤリヤ
の発生によって誘起される。ｔた、上記合せ櫛形構造に
よって素子の断面が大きくな夛、キャリヤ走行距離が小
さくなる。さらに、非ツロッキングコンタクトを用いて
いるので素子の高速度（約５０ピコ秒以下）操作が可能
であり、一方キャリャの走行距離が小さいので走行時間
が短かくなシ、こうして高効率が達成される。さらにま
た、伝送ラインが一体に形成されているのでがンディン
グヮイヤを用いる必要がない。

高速度の光検出を達成する丸めには、キャリヤの走行時
間と寄生素子とを考慮しなければならない、この発明で
は、高速度および高感度で光検出するための二゛端光検
出素子が提供される。

この−子は光電性バリヤーもしくは半導体材料によって
分離され九２つの金属電極を含んでいる。この素子の形
状は、（１）比較的大きな活性領域があ６、（２）両電
極は、入射光によって発生したフォトキャリヤが迅速に
掃き出されるように互いに近隣して配置され、および（
３）畜生回路素子の効果が最小限となるようなものであ
る。また、電極と半導体材料とは、（１）最高の７オト
キヤリヤ速度を得るために高いバイアス電界を使用でき
、（２）変則的な低い周波数応答特性を防止するために
基板表面および金属／半導体界面におけるトラ、ピンク
効果が排除され、および（３）高い内部捕捉効率を達成
する丸めに、フォトキャリヤ走行時間が再結合時間よシ
短かくなるように選ばれる。

第１図および第２図についてこの発明を詳細に述べると
、この発明の素子はホールおよび電子をそれらの飽和速
度で発生させるに充分に高い電界に耐えかつ入射光のエ
ネルギーよりも小さいバンドギヤ、グを有する半導体材
料で形成され要領域１０いわゆる活性領域を備えている
・例えば１．１・Ｖのバンドギヤ、ｆを有するシリコン
を用いた素子は１．１μｍ以下の波長の光に応答し、一
方、１．４・Ｖのバンドギャップを有するＧａＡ−を用
いた素子は０．８８μｍ以下の光に応答する。

この半導体材料は基板１２を形成していてもよく、バイ
アスを印加すると該基板内に活性領域１＃が形成される
。あるいは、好ましくは、第２図に示すように、（ａ）
基板を分離しかつ（ｂ）入射光を吸収するに充分な厚さ
に基板の一生面上に成長され九エピタキシャル層１４の
部分内に活性領域が形成される。この場合も、活性領域
１０はバイアスの印加により発生する。エピタキシャル
層は基板材料がトラッピング効果を示す場合に用いると
よい。キャリヤがトラップされると素子の動作速度が低
下するので、これを避けなければならないからである。

光検出素子の基板１２は好ましくはシリコン、ｒルマニ
ウム、Ｉ−Ｖ族化合物（例えばＧａＡｓｔ九はＩｍＰ　
）または■−■族化合物（例えば、ＰｂＴ・）で形成さ
れ死生絶縁性基板である。このような半絶縁性基板はキ
ャリヤの横方向の流れを提供する。このことは縦方向の
キャリヤの流れが得られるところの導電性基板上に形成
された通常のＰＩＮ検出素子とは対照的である。キャリ
ヤの横方向の流れは同一表面上の電極をよぎって高い電
界を生じさせることにょつてのみ得られる。

エピタキシャル層１４は、これを用いた場合には、好ま
しくは、上記し九種類の非ドー４あるいは非意図的にド
ープされた）半導体材料からなる。例えば、約１０シー
のキャリヤ濃度を有する非ドーｆ　ＧａＡ−が有利に用
いられる。上記の材料で形成され死生絶縁性基板をエピ
タキシャル層とともに用いることが望ましい。例えば、
ＧａＡ−半絶縁性基板（例えばＣｒドーｆ）を非意図的
にドーグされ九ｎ形ＧａＡｓエピタキシャル層を支持す
るために用いることができる。あるいは、ＩｍＰ半絶縁
性基板を非意図的にドーグされたｎ形（Ｇａ、Ｉｎ）ム
ｌエピタキシャル層を支持するために用いることができ
る。

基板（単独で用いられた場合であれ、エピタキシャル層
とともに用いられた場合で°あれ）の厚さは適当な機械
的支持を提供するようなものである。基板の厚さについ
てはさらに以後詳述する。

エピタキシャル層の厚さは基板材料中における光発生を
避けるに充分なものである。したがって、少なくとも約
１μｍの厚さが要求される。

好ましくは、その厚さは約３ないし５μｍである。

エピタキシャル層が素子性能を維持するために充分に高
い抵抗好ましくは約１０．０００Ω−国を有するならば
これをよシ厚くしてもかまわない。

最高の動作速度を達成する丸めには、素子を飽和速度で
操作させることが必要である。ｍ−ｖ族化合物において
は、電子の速度は電界によりて急激に飽和し、一方、ホ
ールの速度は比較的遅く飽和する。したがって、素子は
ホールの速度を飽和させるに充分に高い電界で動作させ
なければならない、　ＧａＡｓでは、３０ないし１００
ｋＶ／ｃｍのオーダーの電界が必要となる。すなわち、
活性領域１０が形成される材料は素子の高速度性を実現
するために、破壊することなく高い電界に耐え得るもの
でなければならない、ｔた、活性領域が形成される材料
は、入射光の実質的に全てを吸収する丸めに、入射光の
エネルギーよシも小さいバンドギヤ、グを持つことが必
要である。室温における電子の易動度が約３００　ｏ５
＋２／Ｖ−秒（ｎ［−Ｖ　族化合’１ｋＩＯ場合）　以
上である材料を用いることによって高品質の材料が確保
できる。

この発明の素子は半導体材料で形成され九上記領域上に
形成された合せ櫛形構造の一対の金属電極１６．１８を
有する。走行時間で制限される性能を提供するために、
活性領域と非プロ、キングコンタクトを形成する金属電
極のみが用いられる。この発明の素子に有利に用いられ
る金属電極の例を挙げると、アルミニウムおよび金であ
る。

櫛歯間の距離は約５μｍを越えてはならない。

これによって、素子の立ち上がり時間（走行時間）約５
０ピコ秒およびアナログ周波数特性的６ないし８　ＧＨ
ｚが達成される。経済的に作製できる程度までよシ短か
い電極櫛歯間隔を用いてよシ短かい立ち上がり時間およ
びよシ高いアナログ周波数応答特性が得られる。

高い捕捉効率を得る丸めに、光学的透過の深さ号（ここ
で、Ｇは活性領域の吸収係数）は電極間隔よりも小さく
なければならない、このことによって電極間隔はさらに
制限を受ける。

電極の厚さは直列抵抗値を最小限に抑えるために充分に
厚くなければならない、したがって約２０００，１の厚
さが充分である。コンタクトを形成する丸めにはよく知
られ九フォトレジストリフトーオフ法を用いると都合が
よい、シ九がりて、コンタクトはこの方法に問題を生じ
させる程厚くあってはならない。好適な最大厚さは約５
０００Ｘである。

合せ櫛形構造の電極の面積は８０時定数を制御する。し
たがって、電極間距離を減少させる九めＫは、櫛−間の
容量効果のために紋面積をそれに応じて減少させなけれ
はならない。

電極は素子の活性領域に影を落すので、高い光捕捉効率
を得るためには櫛歯の幅はできるだけ狭くすべきである
。

電極は、キャリヤのトラ、ｆを防止するために活性領域
と非ブロツキングコンタクトを形成しなければならない
、その結果、高速度動作が得られる。例えば、！ロッキ
ングコンタクトによって降下時間は約２００ピコ秒とな
り、一方、非プロ、キングコンタクトによって降下時間
は約５０ピコ秒以下となる（ここで、降下時間とは、）
譬ルス出力がそのピーク値の９０−から１０１に落ちる
に要する時間である）。

半絶縁性基板上においては、コンタクトが非プロ、キン
グ性であれば、両方がオーイックコンタクトであれ、両
方がシ、、トキーコンタクトであれ、あるいは一方がオ
ーミックコンタクトで他方がシ、、トキーコンタクトで
あれ問題はない。エピタキシャル層上においては、コン
タクトはオーミックコンタクトまたはショットキーコン
タクトのいずれの組合せであってもよい、ただし、シ、
、トキーコンタクトの場合、それらが互いの特性を改変
して非プロ、キングコンタクトを形成するように充分に
近隣して設けられる。このことは、電極間隔すなわち相
隣る櫛歯間の距離が５μｍ以下であることを必要とさせ
る・ショットキー障壁が半導体中に延びる（縦方向およ
び横方向の両方）距離はキャリヤ濃度の逆関数であるか
ら、エピタキシャル層は低いドーグ濃度を持つことが好
ましい、最も好ましくは、非ドープ（あるいは非意図的
にドーグされた）半導体材料例えばキャリヤ濃度が約１
ｏ１ｓ／ｃＪ以下のものが用いられる。

内部ｉ４イアス電界は仕事関数の異なる金属で両電極を
それぞれ形成することによって生じる。

しかし、両電極を同じ金属で形成した場合、両電極を整
合させる必要はないが素子を外部からバイアス印加させ
ることが必要である。このことは、高速度操作を得るた
めの通常のミクロストリ、デバイアスＴ・・を用いるこ
とによって達成される。

ミク四ストリップ伝送ライン２０．２２が各電極に接続
している・ンクロストリ、プラインは非分散（ｗｏｎ　
−ｄｉｓｐＩｒｓｉｖ舎）ラインを形成し、これはその
非分散性および作製の容易さの点で好ましい、他の接続
ライン例えばコプレーナ−伝送ラインを用いることもで
きる。

ミクロストリ、ｆ？インを用いると、尚該ラインの一方
が通常のように、図示しない手段によって接地される接
地面２６が必要となる。他方のラインは通常のきクロス
トリ、シラインｐ−ンチャー（１ａｕｎｅｈ＠ｒ　）を
介して図示しない同軸ケーブルに接続される。こうして
、がンディングワイヤを用いる必要がなくなる。

基板の厚さには、この発明の検出素子の作製に蟲って特
に制限はないが、通常の方法を用いて伝送ラインと適合
させるように選定する必要がある。

建クロストリ、グ伝送ラインはスノ奇、夕、蒸着等よく
知られた方法を用いて合せ櫛形構造の電極と同時に作製
することが好都合である。接地面は基板の裏面に同様に
形成することによって、または素子を金属担体の表面に
固着することＫよって都合よく形成できる。

高感度を維持する丸めに、光電領域（櫛歯間）上に通常
の反射防止層（図示せず）を形成してもよい、を九、フ
ォトキャリヤを高電界領域中にのみ発生させるために、
合せ櫛形領域を除く全構造上に不透明（ｏｐａｑｕ＠）
層（図示せず）を形成してもよい、こうすると、遅い拡
散電流（非収束光ビームまたは誤配向光ビームによって
発生）が変則的な低い周波数応答性を発生させることが
防止される。

反射防止層としても作用する透明なノ母シベーシ、ン層
（図示せず）を合せ櫛形領域上あるいはそれらの間に形
成することＫよって表面における再結合およびトラ、ピ
ングが最小限に抑制できる０例えば、Ｓｌを用いた光検
出素子では熱成長させた５ｔｏｚ層を用いることができ
る。ＧａＡｓ基板では薄いＧａｚＡｔｌ−２Ａｓ　（Ｘ
〉０．４　）窓層を成長させこれを酸化させる。

走行時定数および１０時定数を匹敵させるためには、全
体の合せ櫛形電極の寸法（すなわち、アレー長×アレー
幅）を適切に選ぶ必要がある。

素子の予測される応答時間は合せ櫛形電極の容量Ｃおよ
びキャリヤ走行時間’　ｔ”ｒから容易にわかる。櫛歯
の幅が櫛歯間隔Ｗと等しい場合、正方形アレーの静電容
量は式 ％式％（１） （ここで、６ｒは半導体の相対透電率、Ｌは櫛歯の長さ
）によって与えられる。飽和制限速度Ｖ、で移動するキ
ャリヤの走行時間は式％式％（２） で与えられる。　１０時定数を走行時間に等しく設定す
ると、最適化され九素子の総応答速度は式％式％（３） ） （ここで、Ｒは負荷抵抗値）によって与えられる。負荷
が５００の場合、Ｇ＆Ａｌ上に４０μｍ×４０μｍのア
レーを形成すると０．５μｍ幅の櫛歯が２０対できる。

ここで算出されｆＣ比答性は１０ピコ秒以下であシ、必
要なバイアスはＩＯＶ以下である。これらの寸法は電子
ビームリソグラフ法および金属リフトオフ法の能力に充
分大る。

１０ピコ秒の応答を得る丸めには、該アレーの分配（す
なわち誘導）効果を説明しなければならない。しかしな
がら、−次計算によりて合せ櫛形光検出素子の高い周波
数応答性がｌＥ明されている。

両キャリヤの走行時間は同様であるので、素子の利得は
〜１である。素子の速度は両キャリヤのうちの遅い方に
よって制限される。

実施例１ 厚さ約４００μｍで抵抗率〉１０Ω−倒のｃ。

ドープＧａＡｍ半絶縁性基板の一生面を通常の方法で洗
浄し九、この洗浄した主面上に合せ櫛形構造パターンの
アルミニウムを蒸着によって約０．４μｍの厚さに形成
し、基板の主面と非ブロツキングコンタクトを形成し友
、櫛識の長さは１６０μｍで幅は２００μｍであ−＞ｆ
ｔニー。素子面積は、し九がって３．２　Ｘ　１０−’
ａｍ２であった。櫛歯間距離は５μｍであった。各電極
に接続した厚さ０．４μｍのアルミニウム製ミクロスト
リ、ｆ伝送ラインを同時に形成した。この素子の支持と
してバルク状アルミニウムからなる接地面を形成し、こ
れをミクロストリ、デの一方に真ちゅうタブを介して接
続した。

この素子の応答性を調べるために他方のミクロストリ、
！ラインをオクロストリ、！ラインローンチャーを介し
て同軸ケーブルおよびサンプリングオシロスコープに接
続し九。

両電極に印加したバイアス電圧は２０Ｖであり、これは
４０　ｋＶ／ａ＋の電界に和尚していた。

この電圧における素子の漏洩電流は０．１μＡ未満であ
った。

入射光の波長はＱ、８３ＪＩｍであ夛モードロ、りＧａ
Ａｓ、／　（Ｇａ　、紅、）　Ａｓダイオードレーデ−
から得た。

１０−から９０−への立ち上が少時間は５０ピコ秒であ
〕、９０−から１０−への降下時間は１５０ピコ秒であ
うた。

アナログバンド幅は４　ＧＨｚ　（レーデ−の周波数応
答性によって制限される）よシも太きかっ九・ノ譬ルス
応答から、外挿値は約４．４〜７　ＧＨｚであると算出
され−た。素子感度は約０．１　ｍＡ／ｍＷでありえ。

実施例２ 厚さ４００μｍで抵抗率〉１０６Ω−傷のりｐムドーグ
Ｇａム自基板の一生面を通常の方法に従って洗浄し丸、
この主面上に非意図的にドーグされｆｉｎ形ＧａＡｓエ
ピタキシャル層を通常の液相エピタキシャル法によって
５μｍの厚さに形成した。このエピタキシャル層上に合
せ櫛形ノ４ターンのアルミニウムを０．２陶の厚さに蒸
着して非ツロッキングコンタクトを形成した。櫛歯の長
さは１６０Ｊ１ｍで、幅は２００μｍであった。すなわ
ち、素子面積は３．２　Ｘ　１０−’ｅｓｍ”であった
、櫛歯間距離は５＃ｍであった。各電極に接続して厚さ
０．２＃１の建クロストリ、！伝送ラインをアルミニウ
ムで同時に形成した。この素子の支持としてアルミ、ニ
ウム＃！接地面を形成し、これを伝送ラインの一方に真
ちゅうタデを介して接続し九。

この素子の応答性を調べるために、他方の伝送ラインを
ミクロストリップラインローンチャーを介して同軸ケー
ブルおよびサンプリングオシロスコーグに接続した。

両電極に印加したバイアス電圧は２０Ｖであった。この
電圧における素子の漏洩電流は０．２μｍ未満であり九
。

入射光の波長は０．８３−であシ、モード・ｐ、りＧａ
Ａｓ　／　（Ｇａ　、Ａｔ）ムｌダイオードレーデ−か
ら得た。１０ｔｌＩから９０−への立ち上がり時間は５
０ピコ秒であ、ｂ、ｓｏｎから１０−への降下時間は５
０〜１５０ピコ秒であり九、全幅（ｆｕｌｌ　−ｖｌｄ
ｔｈ　）牛最大（ｈａｌｆ　−ｍａｘｌｍｔｉｍ　）　
Ａルス応答は８５ピコ秒であった。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の素子の電極／ｌターンを示す平ｍ１
図、第２図は篤１図の線２−２に沿りた、拡大断面図。 １０・・・活性領域、１２・・・基板、１４・・・エピ
タキシャル層、Ｊｇ、Ｊ、ｌ・・・電極、ｚｏ、ｘｚ・
・・伝送ライン。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦１９１ 電 ４ ２１ 手続補正書（方側 ５７．８．２７ 昭和　年　月　日 特許庁長官　　若　杉　和　夫　　殿 １、事件の表示 特願昭５７−６６１８８号 ２、発明の名称 高速度光電性検出素子およびその製造方法３、補正をす
る者 事件との関係　　特許出願人 ヒュース会エアクラフト・カンノやニー４、代理人 昭和５７年７月２７日 ６、補正の対象 明細書 ７、補正の内容　　　別紙の通り 明細書の浄書（内容に変更なし）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）入射光線に応答する高速度光電性検出素子であっ
   て、 （、）　　ホールおよび電子をそれらの飽和速度で発生
   させるに充分に高い電界に耐えかつ入射光のエネルギー
   よりも小さなバンドギャップを有する半導体材料で形成
   された領域、（ｂ）＃領域と非プロ、キングコンタクト
   を構成するように該領域上に形成された合せ櫛形構造の
   一対の金属電極であって各櫛歯が約５μｍ以下の距離を
   もって離間しているもの、および （Ｃ）＃各電極を伝送ラインに接続する手段からなるも
   の。 （２）金属電極にバイアスを印加するための手段を含む
   特許請求の範囲第１項記載の検出素子。 （３）半導体材料がＧａＡｓよシなり、バイアスが該半
   導体材料内に約３０ないし１００　ｋＶ／、の電界を発
   生させる特許請求の範囲第２項記載の門出素子。 （４）１領域が半導体基体あ少なくとも一部を含む特許
   請求の範囲第ｔｒｉ−の検出素子。 （５）基板が半絶縁性ＧａＡ量または半絶縁性ＩｎＰよ
   りなる特許請求の範囲第４項記載の検出素子。 （６）領域が半導体基板上に形成されたエピタキシャル
   層の少なくとも一部を含む特許請求の範囲第１項記載の
   検出−子。 （７）　　エピタキシャル層が少なくとも約１μｍの厚
   さを有する特許請求の範囲第６項記載の検出素子。 （８）　　エピタキシャル層が約３ないし５μｍの厚さ
   を有する特許請求の範囲第７項記載の検出素子・ （９）　　エピタキシャル層が非意図的にドー！された
   ｎ形ＧａＡｓよりなり、基板が半絶縁性ＧａＡｓよりな
   る特許請求の範囲第６項記載の検出素子。 （ト）　エピタキシャル層が非意図的にドーグされ九敢
   形（Ｇａ＋Ｉｎ　）ム−よＩＤ１基板が半絶縁性ｌｎＰ
   よシなる特許請求の範囲第６項記載の検出素子。 Ｑ珍　　接続手段が建クロストリ、ｆ伝送ラインよ）な
   る特許請求の範囲第１項記載の検出素子。 （２）入射光−に応答する高速度充電性検出素子を製造
   するための方法であって、 ←）ホールおよび電子をそれらの飽和速度で発生させる
   に充分に高い電界に耐えかつ入射光のエネルギーよシ４
   小さなバンドーヤツデを有する半導体材料で形成され九
   少なくとも１つの領域を提供し、 伽）諌領域と非プロ、キングコンタクトを構成する合せ
   櫛形構造の一対の金属電極であって各櫛歯間隔が約５＃
   Ｉｌ以下のものを鋏領域上に形成し、および （、）　　皺各電極を伝送ラインに接続するための手段
   を提供する ことからなるもの。