JPS58166762A - 半導体受光装置 - 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】 本発明は、半導体受光装置に関する。

光情報処理Ｏ会費において、光ビームのスポットの；次
元空間内の位置、或いはその位置の時間的変化に信号情
報を含ませ、その検知とよυ信号を解釈するという方法
が行なわれている。光のビームスポットの位置の検知法
として従来いくつかの方法がとられている。写真フイル
ム専の感光材を用いるのは、その一方法であり、位置分
解能は高いがオンラインでの’ｆｉ理は田螺である。撮
瞭管とその走査回路の組み合わせによる処理も、Ｃのた
めの一方法であるが、装置が大型かつ複雑になりさら｛
ｔ（処理のスピードが遅い● この欠点をｒ！Ｘ善し、不漏でｆｌ＊ｎ構造の半導体受
光装置として第１図に示すようなものがある。

高砥抗半導体１１０片面あるいは両面に抵抗値が均一な
抵抗層１２，　１３が形成されており、表一の抵抗，’
４１２の両端に信号取如出し図の一対のＩｌｔ極１４、
　　１５が設けられ、裏面の抵抗層ｌ３に共通電Ｉｊｉ
１６が設けられている。光入射位置で発生した光生成キ
ャリアは光の入射エネルギーに比例する光電流として抵
抗層κ到達し、それぞれの電極までの抵抗値に逆比例す
るように分割され、電極１４１５より取り出される。電
極１４．１５間の距離をＬ、抵抗をＲＬとし、・電極ｌ
４より光入射位置までの距喝をＸ，その部分の抵抗＝ｉ
Ｂｘとする。入射光により生成された光電流をＩｏとし
、電極１４．１５に取り出される電流をＩ１４ｅＩ１！
１とすると、となる。抵抗層は均一であり、長さを抵抗
値が比例するとすれば、（１３式は、 で表わされる。■１４１１１．の比を求めると、Ｌ−ｘ
Ｌ −ｆ−−、−コこ−１（３） 重う とカリ％　工１４　ｅ　１１＋＋の値から入射エネルギ
ーに無関係に光の入射位置を知ることができる。

しかし、この￥導体受光装置の応答速度はキャリアの拡
散速度によって決まるため、＾さ６ＪＩＳ程度で、高速
応答を期待するのは無理である。

本発明は上記欠点を党服し、小型かつｍｓな構造で高速
に光ビーム位置を検出する半導体受光装置を提供するこ
とを目的としている。

この目的達成のため、本発明の半導体受光装置は半導体
を複数の区域に分け、この各区域に互いＶこ接合特性が
異なるｐｎ接合か、それぞれ形成されている＃辷となっ
ている。

以下、本発明の原理について訂納に説り′１する。

一般に半導体におけるｐｎ接合は、その接合において相
接するｐ９！ｉ、域の不純物濃度とｎ領域の不純物濃度
の変化が急峻な階段状接合とｐ領域とｎ領域の間の不純
物の濃度変化ゆるやかな傾斜接合の２稼順にわけられる
。階段状接合の場合は、接合におけるｐ領域或いはｎ領
域の不純物濃度により、また傾斜接合の場合は接４ｒＫ
おける不純物濃度勾配により、それぞれのＩＩｋ食の特
性が決定される。

接合に対し逆方向に電圧を印加したと１１に現われる降
伏電圧も上述した如く決定される特性の一つである。半
導体基板上のｐｎｌｉ合面を複数の区域に分割し、階段
状接合の場合では分割されたそれぞれの区域相互の間で
ｐ領域、或いはｎ領域の不純物濃度を異ならしめること
によ抄、又、傾斜接合の場合では分割されたそれぞれの
区域相互の間で接合に於る不純物濃度勾配を異ならしめ
ることにより降伏電圧を分割され九それぞれの区域相互
の間で異ならしめる。さらに、これら異なる降伏電圧値
の分布幅をｌＯＶ根度以内にする。このと吉ｐｍ接合に
印加する逆バイアス電圧値を最も小さな降伏電圧をもつ
区域のアバランシュ増幅が最大となる値附近に設定する
と、各区域Ｋｌ’ける増倍率が各区域毎に異なる。この
よりなｐｎ接合に光ビームを照射すると、光ビームのス
ぎットの位置する各区域の増倍率に対応した光電流が流
れるＯ各区域の増倍率が異なるので、その光電流を検知
スルことによ抄、光ビームのス〆ットの位置を検知する
ことができる。ｐｎ接合のアバランシェ増惰を利用して
ｐるので、その応答は早く数１００ｐ１の応答時間が期
待できる。

次に以上述べた本発明の原理を例を用いて説明する・菖
２図および第３図が、そのＪ［環を示すための図である
。第２図は例に用−て示す構造の断面図である。半導体
材料としてゲルマニウムな考える。第２図中２１．２２
．２３はｎ型領域で、そのキャリア濃度は、それぞれ６
．ｏｘｘｃｒ♂＊　ａ、ｘｘｘｄ”ｉ”ｒｚｘｔｏ”ｉ
ｒ４る。２４の領域はキャリア濃度の高いｐ型領域であ
る。例えばホール濃度約１×１？ａｉｔ”　ｏ　　する
と、実質的に分割された３つの区域で、ｔｈ＠Ｉ１０員
なるｐｎｎ食合２６２７．２８が形成され、それぞれの
区域におけるｐｍ１１合特性は異なる。このと禽の逆方
向の暗電流−８特性および増倍率−電圧特性なｔａ３図
に示す。図中■。

イアスを印加すると、光ビームを照射していないときは
、半導体受光装置を流れる暗電流値ＩｄはＩｄ＝Ｉ４ｔ
＋　１偏＋　　Ｉｄｕとなる　（Ｉｄｉは区域ｉを流れ
る暗電流を示す）６区域２１に光ビームを照射すると、
半導体受光装置を流れる電流は近似的Ｋ　Ｉｐｔ　””
　Ｍ　ｔｔ　Ｉ　ｐｏ　＋　Ｉ　ｄとなる。Ｉｐｏは入
射光強度に対応する定数、Ｍｉは区域ｉの増倍率を示す
。

また、区域２２．２３　Ｋ光ビームを照射すると、半導
体受光装置を流れる電流は、それぞれＩＰｔ−ＭｕＩｐ
ｏ　＋　Ｉｄ　−ＩＩ）　ａ　−Ｍｕ　Ｉｐｏ＋Ｉｄと
なる。Ｍ、、Ｍ−。

Ｍ、の値は、第３図に示すように、それぞれ異なるので
、Ｉｐｔｅ　Ｉｐｔｅ　Ｉｐｓの値もそれぞれ異なる。

従って、照射光のビームスダットの存在する区域に対応
したダイオード電流が得られ、ダイオード電流の値を検
知することにより、ビームスゲットの位ｆｔｐ知ること
ができるＯ 次に図面を用いて、本発明の第１の実施例を示す。第４
図（１）は実施例の上平面図、第４図（ｂ）は第４図（
ｍｌに示し九Ａ−Ａ’断面図である。ゲルマニウム（Ｇ
ｅ）を材料とした実施例の形成例に従って本構造を説明
する。基板としてキャリア濃度〜５×１０１　の１１型
基板３０を用いる。まず、亜鉛の熱拡散法などＫより、
接合部にゆるい不純物濃度勾配をもつｐ領域３１を１後
で形成するｐ聾の受光部３２の周囲に形成する（第３（
両図平面図では電極３３の下にあるため、領域３１の一
部は隠れている）。

深さは約４Ｒｎとする。この領域は受光部３２のどの部
分よりも大きな降伏電圧をもち、受光部周辺で生ずる降
伏、いわゆるエツジブレークダウンを防止するガードリ
ングの役割を果たす。続−て受光＠３２Ｏ部分領域１０
１〜１０９において表面必ら一定の距離（例えば０．３
μｍ）の深さにおけるＱ型不純物濃度が１．Ｇ’Ｘ　１
　ｄ”ａｎ　”から１．３Ｘ１０ＣＩＬＯ範囲で、それ
ぞれ異なるよう１４．１１票不純物を導入する。そのた
めには、１０１〜１０９のそれぞれに知なるドース量で
Ｐ、Ａｓ等のｎｆｉ不純物をイオン注入することなどに
よればよい。他０製作上容易な方法としては、次のよう
な方法がある。予め受光向金城に６００Ａ程度の８ｉ０
．膜を形成しておき、フォトリングラフィを用いて、こ
の８ｉ０．膜を順次エッチ２５Ａ８ざみで、厚さが順次
異なるようにし、１０５５０Ａきさみで順次異なるよう
にする。受光面以外の他の部分は不純物拡散のマスクと
なるように厚い８ｉ０．膜、８ｉＮ模などでおおう。こ
のように膜を形成した表面からＰ、Ａｓ等のｎ型不純物
を拡散すると、６００Ａ厚以下の薄いＳｉｎ、膜を通し
て受光面にのみ、この不純物源が拡散される。さらに、
深さ方向の不純物拡散濃度分布は８ｉ０．の膜の厚さに
依存する口従って、このようにすると１回の不純物熱拡
散で表面から一定の深さく例えば０．３μｍ）で、濃度
が異なるようにｎ型不純物を導入することができる。次
に受光部３２に選択的にホウ素、インジュー′　、 ム等のｎ型不純物をイオン注入することにより、前述の
一定の深さく今の例では０．３μｍ）にｐｎ接合を形成
する。このよう圧して受光面の各部分１０１〜１０９に
おいて、それぞれｎ濃度の異なるｐｎ接合を形成するこ
とができる。さらに反射防止膜３３゜表面安定化膜３４
をＣＶＤによるＳｉＯ，膜で形成し−ｐ型電極３５．　
　ｎ型’を極３６をそれぞ１ｒＬＡＩ！。

ムＵの真空蒸着により形成する。このようにして受光面
の各部分１０１〜１０９の降伏電圧を１０１〜１０５ま
では約０．２５Ｖきさ゛みで、１０５から１０９１では
約Ｏ，Ｓ　Ｖきざみで異ならしむることができ、降伏電
圧附近のある一定性１圧を半導体受光装置に印加したと
き、各部分１０１〜１０９で、増倍率を異ならしむるこ
とができる・ 嬉５図にこの半導体受光装置の受光面上光ビームのスポ
ットを走査させたときの半導体受光装置の電流出力の変
化を示す。第５（（転）図が走査の道すじを示し、第５
図（ｂ）が電流出力変化である。

光ビー人のスポットは第５図（（転）に・印で示した点
を起点としてスタートし、矢印をつけた線上を動く本の
とする。すると受光面上のスポットの動きに対応して第
す図（ｂ）に示したような出力電流変化があられれる。

第５図（員中の１００番台の番号は第５図（ａ）の対応
する番号にビームスポットがある時の出力電流を示す。

例に示した半導体受光装置の受光面上各部分の降伏電圧
は１０１〜１０５までは、この順に４０Ｖから０．２５
Ｖ刻みで増加し、又１０５−１０９１　テハ４１Ｖ　Ｔ
ｈ　ｂ　０．５ＶＪＩｌテ増ｍ　Ｌテ１０９０部分は４
３Ｖとなっている。以上述べたように第１の実施例によ
り光ビームの位置による情報を９Ｌ流値による情報に変
換できる。本発明はｐｎ接合のアバランシ龜増幅電流を
利用しているので、光ビームの位置が最初の位置から次
　　　　□の位置に移動した時の光電流の変化の応答時
間は、数１００ピコ秒以下の高速である。

第２の実施例を第６図（ａ）、１１！６図（ｂｌに示す
。

第１の実施例と基本的構造は同様であるが、受光部の分
ｌｌ！ｉ数が３であること、および受光部のｐｆｉ接合
が傾斜接合よや成る点が異なる。第２の実施例において
受光部の各分割された領域２０１２０２、２０３のｐｎ
接合における勾配が各部分により異なることにより本発
明が実現される。本実施例をゲルマニウムに適用した製
作法例を示す。

まず、ｎ型基板５１に亜鉛を６５０℃で３０時間選択熱
拡散してガードリング５２を形成する。次に区分された
受光部２０１．２０２．２０３を形成する部分法により
形成する。残りの半導体表面ぼけ、８ｉ０゜リンガラス
、５ｉｎｔの順に３層膜をＣＶＤ法により形成する。以
上の膜形成はフォトリングラフィの手法を用いる２とに
より容易に実現できる。

これに対して亜鉛を熱拡散すると、キャリアの深さ方向
濃度分布は、それぞれ第７図のようになる。

ガードリングの深さ方向濃度分布も併せて示す。

受光部２０１．２０２．２０３　Ｋニオはルキヤ！Ｊ　
７　Ｉｉｋ度分布ｔｃｔ−Ｃｔ−Ｃｍ−で、ガードリン
グ部におけるキャリア濃度分布を０４で示す。接合の位
置はそれぞれＪ、〜Ｊ、で示す。受光部２０１Ｎ２０３
のｐｎ接合は第７図のように傾斜型接合であシ、そのｐ
ｎ接合における濃度勾配が各々−なっている。その結果
受光部２０１−２０３の降伏電圧は、１９Ｖ、　１９．
５Ｖ、　２０Ｖとなる。また、このときガードリングの
降伏電圧は３３Ｖである。

従って、本実施例においても、＠ｌの実施例で述べた事
と同じ原理で光ビームの位置の情報を光電流の情報に変
換することができる。尚、説明及び描画を簡単にするた
め、第６図では電極、表面安宙化膜等の構造は省略しで
ある。

第３の実施例を第８図に示す。これはｌｌｌＩｅ図に示
すようにして製作する。第８図、！ｓ９図両図中同一番
号は同一領域を示す。まず、ｊｌｌ、　　第２の実施例
で述べたようにエツジブレークダウンを防止するガード
リング７２を受光部の肩！！に形成する（第９図（ａ）
）。次にＰ、ムＳなどのｎ型不純物を表面から拡散して
拡散領域７３を形成する（第９図（切）。次に３０″の
角度で表面を斜めに研磨する（、第９図（Ｃ））。ボリ
ンなどのｐ型不純物層をイオン注入法により形成し、ｐ
ｕｌ１合７４全７４る。

深さ約０．３μｍ２（第９図ｄ）Ｏ最後ＫＭ射防膜７５
表面安定化膜７６、−極７７を形成する（第９図（−）
このようにして形成したｐｎｌ！合の接合におけるｎ濃
度は第８図Ｘ軸方向に連続的に変化する。

従って、降伏電圧がＸ軸方向に沿って連続的に変化する
。このことは一定印加電圧に対して増倍率が変化するこ
とを慧味し、前述の原理から光ビームスポットのＸ軸方
向の位置の変化に対応して光電ｔ！Ｌか変化する。この
ことにより光ビームスゲット位置の微小変化を光電流の
変化に変換することができる。光ビームスポットの受光
面上の位置と光電流の関係の一例を第１０図に示す。位
置の変動に対する光電流の変動も併せて示す。第８図に
示された光ビーム７８が矢印７９に示された如くＸ方向
にその向きを変動させる（第１０図下部にその位置の時
間変化を示す）と、第１０図心部に示すような光電流の
時間変化があられれる。

以上、本発明をゲルマニウムに適用した実１例について
＃細に説明してきたが、他の半導体材料であるシリコン
ガリウムヒ素、インジウムリン等にも適用できることは
、いうまでもない。

以上、実施例を用いてＵＳに述ぺたように本発明を適用
することにより、２次元面内の光のビームスボッ（の位
置を高速で検知する装置を、従来にない簡便な構造で実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

＠１図は従来の半導体受光装置を示す図、第２図および
第３図は、本発明の原理を示すための図である。第３図
は、第２図に示す区域２１．２２．２３におけるｐｎ接
合の暗電流−逆バイアス電圧、増倍率−逆バイアス電圧
を、それぞれ■、■、■で示す。第４図は本発明のＩＩ
ｌの実施例である。 平面図（（支）のＡ−に断面図を（−に示す。１０１〜
１０９Ｒ分割された受光区域を示す。嬉５図は第１の実
施例の動作列であり、光ビームスポットが図（（転）の
ように動いたときの出力光電流の変化を図（紛に示す。 第６図ｔよ第２の実施例であり、ｆａ’ｉ図はそのｐｎ
接合構造を示す図である。２０１−２０３は分割された
受光区域を示し、それぞれに対応して■〜■はｐｎ接合
の構造を示す。第８図は第３の実施例を示し第９図はそ
の製作法例を示す。両図中間一番号は同一部分を示す。 第１０図は第３の実施例におけるビームスポット位置対
光出力電流の特性および初動作例を示す。図中、２１−
”！　３は区分された領域、２４、３２．７４　Ｆｉｐ
領域、２ｆｒ−２８は区分された領域に形成されたｐｎ
接合部、１０１〜１０９．　２０１−２０３は区分され
た受光部、３０．５１は基板、３１．５２．７２はガー
ドリング、２５．３５．３６．７７は′４極を示す。 １　／４　　　　　　　　　　　　　１　ｔｓ６ 第１図 ５ 第２図 第３図 ｄ２１− ｄ１ ＝７１ １Ｏ０ 逆バ４アス電圧（Ｖｂ）　　　　　　　　ボルト（ａ）
３′ （、ｂ） 特開 （ｂ） （ａ） すｌ 第６図 第　７　図 第８図 （，２）　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｄ）（
ｂ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｅ）（
Ｃ） 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体′ｌｔＩＩ数の区域に分け、当該各区域に、互い
   に接合特性が異なるｐｎ接合が、それぞれ形成されてい
   る構造を備えたことを特徴とする半導体受光装置。