JPS5851434B2 - ハンドウタイコウデンヘンカンソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、フォトトランジスタ動作をなし、通常のフォ
トトランジスタに比して低雑音でｈＦＢ（エミッタ接地
電流増巾率）の高い半導体光電変換装置を提供せんとす
るものである。

図面を参照して本発明による半導体光電変換装置を詳細
に説明するに、図示の例はＮＰＮ形トランジスタ構成と
した場合である。

本発明に於ては、第１図に示す如く、半導体Ｓに、光電
変換素子１０を構成する。

この素子１０は基体Ｓに第１導電形即ち図示の例ではＮ
形の高比抵抗の第１の半導体領域即ちエミッタ領域１と
、之に隣接して配された第２導電形即ちＰ形の高比抵抗
の第２の半導体領域即ちベース領域２と、之に隣接して
配された第１導電形即ちＮ形の同様に高比抵抗の第３の
半導体領域即ちコレクタ領域３とが設けられ、第１及び
第２の領域１及び２間に第１のＲＮ接合、即ちエミッタ
接合Ｊｅが形成され、第２及び第３の領域２及び３間に
第２のＰＮ接合、即ちコレクタ接合Ｊｃが形成される。

そして、第１の領域１内に接合Ｊｅに対向して接合Ｊｅ
との距離が第２の領域２から第１の領域１に注入される
少数キャリア（ホール）の拡散距離Ｌｐより小となる位
置に、この少数キャリアのエネルギ以上少くとも熱エネ
ルギ以上のポテンシャルバリア６を設ける。

このポテンシャルバリア６は、第１の領域１の表面に之
と同導電形の高不純物濃度の領域１ａを設け、領域１内
にＬ−Ｈ接合ＪＨを形成することより構成し得る。

又第３の領域３には、接合Ｊｃより離間して高不純物濃
度の低抵抗領域３ａが形成される。

このポテンシャルバリアの高さは、ホールのエネルギ以
上、少くとも熱エネルギ以上でなければならない。

この熱エネルギはほぼｋＴで近似されるが、上述のレベ
ル差は、Ｏｌｌ ｅＶ以上あることが望ましい。

又、このポテンシャルの遷移領域に於ては、ホールの拡
散距離がその領域内で終ってはならない。

即ちこの遷移領域の巾よりホールの拡散距離Ｌｐが大で
あることが要求される。

第１図の如きＬ−Ｈ接合の場合には、高不純物濃度領域
１ａの不純物量及び勾配を適当に設定することによって
０．２ｅＶのポテンシャルバリアとなし得る。

そして、第１の領域１の低抵抗領域１ａと、第３の領域
３の低抵抗領域３ａとに夫々第１の電極４と、第２の電
極５とをオーミックに被着する。

一方電極４は、その面積を小さくして受光面積を大とす
る。

第２の領域２に対しては、電極を被着しない。

尚、基体Ｓの厚みは、例えば１８０μ程度に選ばれ、基
体Ｓの第１の領域１を有する側の主面Ｓａからコレクタ
接合Ｊｃまでの距離は、７〜８μに選ばれることが望ま
しい。

又、第１の領域１の不純物濃度の１０１５〜１０１０１
６ａｔｏ／ｍ’オーダに、第２の領域２のそれは、１．
０１７ａｔｏｍｓ／ｍ’オーダに第３の領域３のそれは
、十分低い濃度の１０１４ａｔｏｍｓ／ｍ’オーダに選
定される。

又、第１の領域の低抵抗領域１ａは、例えば、之を拡散
によって形成される場合は、その表面濃度が１０２０ａ
ｔｏｍｓ／ｍ’オーダとなるように形成される。

又、第３の領域３の低抵抗領域３ａは１０２０ａｔｏｍ
ｓ／ｍ”オーダに選定される。

ｔｌ及びｔ２は、各電極４及び５の端子を示す。

この素子１０を製造する方法としては、例えば第３の領
域３の低抵抗領域３ａを構成するＮ形の半導体サブスト
レイト１１を設け、之の上に第３の領域３の低濃度層を
構成する低濃度のＮ形半導体層１２をエピタキシャル成
長し、更に之の上に第２の領域２を構成するＰ形の半導
体層１３をエピタキシャル成長し、更に之の上に第１の
領域１を構成する低濃度のＮ形の半導体層１４やエピタ
キシャル成長して半導体基体Ｓを構成する。

そして半導体層１４の表面より例えば全面的にＰ形の不
純物を高濃度に拡散して低抵抗領域１ａを形成する。

第１及び第２の電極４及び５は半導体１４上とサブスト
レイト１１の裏面とに夫々オーミックに被着する。

又、素子１０に対向して基体Ｓの面Ｓａより光を導入す
る手段例えば集光レンズの如き光学系７を配置する。

このような構成に於て、端子ｔ１及びｔ２間にコレクタ
接合Ｊｃに逆バイアスを与える電圧即ち、図示の例では
端子ｔ１に負、端子ｔ２に正の電圧を印加して接合Ｊｃ
に空乏層が拡がる状態にする。

この場合、第３の領域３の接合Ｊｃと隣接する部分は、
低下鈍物濃度に選ぶことによって空乏層は大きく拡げ得
る。

この状態で、光を導入すると、通常のトランジスタと同
様にベース領域２に生じた電子はエミッタ側とコレクタ
側に流れるが、ホールはこのベース領域２にたまり、こ
の領域２の電位を持ち上げる。

之がため、接合Ｊｅに注入が生じ、第１の領域１より第
２の領域２に注入されたキャリヤは第３の領域３に達し
端子ｔ１及びｔ２間に電流が流れ出力がとり出せること
になる。

このように本発明装置は、通常のフォトトランジスタと
類似の動作をなすが特に本発明構成に於ては、オンの状
態となったとき、即ち接合Ｊｅにキャリアの注入が生じ
たときに通常のフォトトランジスタとは異る動作によっ
てｈＦＥが向上する。

即ち本発明構成では、エミッタ接合Ｊｅと対向してエミ
ッタ領域１の低濃度領域に於ける注入された少数キャリ
ア（ホール）の拡散距離Ｌｐより小なる距離にポテンシ
ャルバリア６を生ずるようなＬ−Ｈ接合が設けられてい
ることによって第２の領域２より第１の領域１に注入さ
れたホールの電流密度Ｊｐを小さくする効果を有する。

即ち本発明構成によるときは、第１の領域１に於てＬ−
Ｈ接合ＪＨで擬フェルミ・レベルの差、或いはビルトイ
ン電場が生じ、これが少数キャリアのホールノ拡散に逆
う方向に働くので、このレベルが十分大きい場合は、こ
のＬ−Ｈ接合ＪＨでのホールの濃度勾配による拡散電流
とビルトイン電場によるドリフト電流とが打ち消し合っ
てベースから低濃度エミッタを通して注入されるホール
電流Ｊｐを小さくできる効果がある。

そして、この効果によってエミッタ接合を通過する電流
成分のうち、コレクタに到達する電子電流の比率が高ま
りエミッタ注入効率γの値は大きくなってｈＰＥが高く
なるのである。

因みに、エミッタ接地電流増巾率ｈＦＥは、αをベース
接地電流増巾率とすると、 で与えられる。

但しα米はコレクタ増巾率、βはベース輸送効率、γは
エミッタ注入効率である。

今、ＮＰＮ形トランジスタのエミッタ注入効率γについ
て考えると、この場合γは、 で与えられる。

但し、Ｊｎはエミッタからベースに注入さえる電子によ
る電流密度、Ｊｐはベースからエミッタに注入されるホ
ールによる電流密度である。

これによれば、本発明構成によるときそのｈＦＥが十分
高くなるものであることが理解されよう。

そして、本発明構成によれば、従来、一般のトランジス
タのように、エミッタの濃度を上げてエミッタ注入効率
γを高めんとするものではなく、ポテンシャルバリア６
の効果によってγを高めるものであるから、各接合Ｊｅ
及びＪｃを構成する各領域の濃度は低いものであって良
く、之がため結晶性を向上でき、特性の良い接合を構成
でき、之によって、暗電流を小さく、云い換えれば、感
度が高く又、低雑音の光電変換装置を構成できるのであ
る。

因みに、多量の不純物をドープする場合結晶格子にみだ
れが生じ結晶欠陥が発生し易く、接合に不良が生じたり
、キャリアの再結合が大となるなどの特性劣化をもたら
す。

尚、素子１０の製造にあたっては、実際上、複数の素子
１０を共通の半導体基体として形成し、この基体を各素
子１０に関して切断して得る。

この切断は、通常基体にダイヤモンドポイント等によっ
て罫書きいわめるスクライブを施し、その後、基体を撓
曲させてスクライブラインに沿って破断させて行う。

したがって、この場合、各接合が破断されてベレンクイ
ズされたペレットとしての基体Ｓの側面は破断面より成
る乱れた面となるので、この面に各接合が延在する場合
、特性劣化を来すので、この場合は、ペレツタイズ後に
、第２図に示すようにその周側面をエツチングして、結
晶学的にきれいな面とする。

或いは、第３図に示す如く、接合Ｊｅ及びＪｃを横切る
如く基体Ｓの主面Ｓａより入り込む絶縁層１５を環状に
形成し、各接合をこの絶縁層１５によって電気的に切断
して両接合Ｊｅ及びＪｃが基体Ｓの側面に延在しないよ
うにする。

この絶縁層１５の形成は、選択的に熱酸化させてＳ １
０２を形成することもできるが、長時間の熱酸化を回避
するために、基体Ｓの面Ｓａより環状の溝を形成し置き
、この溝内を熱酸化して８１０２層を形成するとか、化
学的気相成長法によってＳ ｉ ０２を生成することも
できる。

尚、基体Ｓの表面には、図示しないが必要に応じて、光
透過率の高い絶縁層例えば、Ｓ ｓ ０２層を表面保護
の目的を以って形成することもできる。

又、素子１０への光の導入は、接合Ｊｃにできるだけ有
効に光が到達できるように接合Ｊｃよりの距離が短い方
の主面Ｓａ側より照射するものとするが、上述した構成
によれば、第２の領域２を挾んで第１及び第３の領域１
及び３側が共に、低不純物濃度で、しかも第３の領域３
にも高不純物濃度の領域３ａがあってこの領域３ａによ
って少数キャリアのエネルギより高いレベルのポテンシ
ャルバリアを形成するときは、領域２よりみて、領域１
側と領域３側とが対称性を有するので、上述した場合と
は逆に領域１をコレクタとし、領域３をエミッタとし、
接合Ｊｃをエミッタ接合とし、接合Ｊｅをコレクタ接合
として用いることもできる。

しかしながら、この場合には、ベースとしての第２の領
域２よりエミッタとしての第３の領域３に注入されたキ
ャリヤ（ホール）が側方に拡散して領域３ａによるポテ
ンシャルバリアの影響を受けることなく、基体Ｓの側面
に達し再結合してｈＦＥを低下させることがないように
第４図に示す如く、絶縁層１５を領域３ａに達する深さ
まで形成する。

或いは第５図に示す如く半導体層１２を横切って例えば
、半導体層１３のエピタキシャル成長前に領域３ａの延
長領域３ａ′を選択的拡散によって形成する。

又或いは、第６図に示す如く、絶縁層１５の形成前にエ
ツチング溝内よりＮ形不純物を高濃度を以って拡散して
領域３ａに達して領域３ａの延長領域３ａ′を形成する
こともできる。

又、感度を大とするには、コレクタ接合の面積はできる
だけ犬とすることが望ましいので、領域１をエミッタ、
領域３をコレクタとして用いる場合は、第７図に示す如
く、第２の領域２を基体Ｓ中に包囲されて埋込まれるよ
うに形成し、面Ｓａより領域２の周縁より中心部に所要
の距離ｄだけ入り込んだ位置に、領域２に達するも之を
横切ることのない深さを以って環状に絶縁層１６を形成
し、接合Ｊｃの面積を増大させることもできる。

上述の如く本発明によれば、ｈＦＥが高く、低雑音のフ
ォトトランジスタ動作を有する半導体光電変換装置を得
ることができるが、本発明は、更に第８図に示す如く、
フォトトランジスタｐｈ−Ｔｒの出力側に、バイポーラ
トランジスタＴｒが接続された構成を有する共通の半導
体基体Ｓに一体化節ち集積化して構成することもできる
。

この場合の一例を第９図に示す。

この場合半導体Ｓの主面Ｓａより、半導体層１４，１３
，１２を横切って例えば格子状に分離用の絶縁層２１を
形成し、この絶縁層２１によって囲まれた１つの部分に
上述したと同様に素子１０を構成する。

第９図に於て、第１図と対応する部分には同一符号を付
して重複説明を省略するも、この場合、領域１をコレク
タとして領域３をエミッタとして動作させる場合である
。

そしてこの素子１０と絶縁層１５によって分離された他
の部分に半導体層１２の一部から成るエミッタ領域２０
Ｃと、半導体層１３の一部から成るベース領域２０ｂと
、半導体層１４の一部から成るコレクタ領域２０ｃとを
有し、各エミッタ及びコレクタ領域２０ｅ及び２０Ｃの
夫々の表面に高濃度層が形成されてＬ−Ｈ接合によるポ
テンシャルバリアが形成されたトランジスタＴｒが構成
された場合である。

又、第９図の例では、面Ｓａより領域２０ｂに達する深
さに之と同導電形の不純物を選択的に拡散して領域２０
ｂより延長して基体表面に導出する電極とり出し領域２
０ｂ′を形成し、このベース電極２２ｂを形成した場合
である。

又、領域２０ｃ上の高濃度領域２０ ｃａ上にコレクタ
電極２２Ｃを被着し、サブストレイト１１にエミッタ電
極２２ｅを被着する。

このような構成によるトランジスタＴｒは、エミッタ領
域にその少数キャリアの拡散距離より小さい距離にポテ
ンシャルバリアが形成されてホール電流Ｊｐを小さくす
る効果があるので、上述したフォトトランジスタ動作素
子１０と同様にｈＦｌが高い。

尚、第９図に示した例はベース電極とり出し領域２２を
形成した場合であるが、第１０図に示す如くベース電極
とり出し領域２０ｂ′を埋込まれたベース領域２０ｂよ
り浮かして設けることもてきる。

この場合、領域２０ｂと２０ｂ′との距離は、領域２０
ｅの少数キャリア（ホール）の拡散距離Ｌｐより小に選
定する。

かくすれば、領域２０ｂ′より注入されたキャリアは領
域２０ｂに達するので、この領域２０ｂに外部より電圧
が与えられずとも、領域２０ｂ′と同電位になるまで持
ち上り、この領域２０ｂと領域２０ｅとの間のＰＮ接合
に注入が生じエミッタ接合として動作するので、トラン
ジスタＴｒは第９図の場合と同様に動作する。

そして、このような構成とするときは、占有面積の縮小
化を図り高密度の集積化が可能となる利益がある。

尚、図示した各側は本発明をＮＰＮ形のフォトトランジ
スタとして構成する場合について説明したがＰＮＰ形構
成とすることもできる。

又第９図及び第１０図に於てＮＰＮ形のフォトトランジ
スタとＮＰＮ形バイポーラトランジスタの組合せについ
て説明したが各トランジスタの導電形は夫々ＰＮＰに変
更することもできる。

又、上述の説明では、例えば第２の領域２をエピタキシ
ャル成長法による半導体層１３によって構成した場合で
あるが、この領域２をイオン注入法によって形成するこ
ともできるなど、その製法も上述した例に限られるもの
ではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体光電変換装置の一例の拡大
断面図、第２図ないし第７図は夫々本発明装置の光電変
換素子の各側の拡大時ｆｆ１Ｐ、第８図は本発明装置の
他の例の説明に供する接続図、第９図及び第１０図は夫
々本発明装置の他の例の拡大断面図である。 １〜３は第１〜第３の半導体領域、６はポテンシャルバ
リア、７は光導入手段である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１導電形の第１の半導体領域と、これに接する第
   ２導電形の第２の半導体領域と、更にこれに接する第１
   導電形の第３の半導体領域とを有し、上記第１の半導体
   領域内に上記第１及び第２の半導体領域間の接合に対向
   し、該接合より距離が上記第１の半導体領域の少数キャ
   リアの拡散距離より小なる位置に上記少数キャリアのエ
   ネルギ以上の高さのポテンシャルバリアが設けられ、上
   記第２の半導体領域は電気的に浮かされ、光導入手段が
   具備された半導体光電変換装置。