JPS60169724A - 光電変換器 - 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】 本発明はレーザ光はじめ紫外光から赤外光に至る広い波
長範囲の光エネルギー測定に使用される光電変換器に関
する、 従来、上記光エネルギーを測定する方法としては、金黒
な検出部に被覆した熱電対等光電変換器が専ら使用され
てきた。上記各光電変換器は、被測定光エネルギーを全
量吸収することにより、もしくは被測定光エネルギーの
一部は反射散乱される場合もあるが、測定に用いられた
光エネルギーは、すべて光電変換器で消滅し、電気信号
・熱等（二全量変換されてしまう。従って、光エネルギ
ーを用いて各種計測や光ビーム加工等を行う場合、光源
からの出力光と出力光のエネルギーの大きさを測定する
ために用いられるモニター光は分離される必要がある。

このため、出力光とモニター光とを、時間的・空間的（
二分離する方法としてミラーや光スィッチが使用されて
いる。この種のミラーや光スィッチは、方向切り換え用
駆動装置や光軸合わせに精密位置制御装置を特徴とする
特に、レーザ光を用いて精密測定を行う場合Ｃ二は、測
定に用いる出力光とモニター光とは同一光であることが
測定精度を高める上で不可欠である。

しかしながら、従来型光電変換器な使用する限り、ある
瞬間、測定にすべての光エネルギーを＞ｑｔするから、
測定用出力光とモニター光とに同一光を用いることは不
可能である。

以上の点に鑑み、本発明では、半導体で形成された接合
部が有する熱電効果、光起電力効果、広義の光導電効果
、更にはＰ−ｉ−ｎ構造の有する光逓倍効果のいずれか
と、光透過性半導体のもつ光吸収性特性を組み合わせる
ことにより、半導体（二人対される光エネルギーの一部
な半導体に吸収させて光電変換し、光エネルギーを電気
信号（二変える一方で、吸収されなかった大部分の入射
光エネルギーを通過させることにより入射された光エネ
ルギーの大きさを検出する新しい型の光電変換器を提供
するものである。

本発明による光電変換器は、従来型の光電変換器が入射
光エネルギーを全量吸収・消滅させることにより、電気
信号に変換することにより入射光エネルギーの大きさを
検出していたのに対して、入射光エネルギーの一部、例
えば１チル１０％程度を吸収して電気信号に変換するこ
と（二より入射光エネルギーな検出し、残りの９０％〜
９９％程度の入射光エネルギーは、光電変換器な通過し
た後も消滅することがないという大きな特徴な有する。

従って本発明による光電変換器を用いることにより、従
来方式の光電変換器を用いる限り不可能とされていた方
式、すなわち各種計測やレーザビーム加工用に用いられ
る光エネルギーの出力光とモニター光に同一光を用いる
方式が可能となった０ 以下、半導体薄膜の熱電効果、光起電力効果、ｐ−１−
ｎ構造の有する光逓倍効果、光導電効果な用いた各光電
変換器について実施例に基づいて説明する。特に、熱電
効果な利用した半導体には、光吸収係数、導電率が共に
大きく、かつゼーベック係数が大きく、絶縁性基板等に
容易に堆積できるアモルファスシリコン薄膜あるいはア
モルファスゲルマニウム薄膜を用いるとよいので以下半
導体の形成には膜の堆積技術を用いた例について説明す
る。

第１図は本発明（二おける光エネルギーの吸収・発熱に
伴う熱電効果を利用した光電変換器の一実施例を示す図
で、特に光ＩＣ用レーザ光検出を目的とする場合である
。図中、１は強誘電体基板、２は光透過路、、３．４は
ｐ形およびｎ形アモルファスシリコン薄膜対、６．６は
電極対、７はレーザ入力光、８はレーザ出力光を示す。

　ＬｉＮｂｏａ等強誘電体基板は光年導体であるがＴ１
等の不純物を拡散することにより光良導体となるので、
強誘電体の一部２（ニア１拡散領域を形成することによ
り光透過路′門形酸することができる。又、光年導体よ
りなる強誘電体基板や各種誘電体基板上の一部に光良導
体のカルコゲナイドアモルファス薄膜（ＡＳ　−ｓｅ　
−ｓ　−ａｅ　）を堆積させることにより光透過路を形
成することができる。

ｐ形アモルファスシリコン薄膜は光吸収・発熱作用を行
い、対をなすように設けられたｎ形アモルファスシリコ
ン薄膜とで熱電対を形成する。本実施例では、埋め込み
型光透過路（例えば、ＬｉＮ’ｂＯｓ基板にＴ１拡散に
より形成する）を用いているので、光透過路の一部をエ
ツチングで除去し、除去された凹部は強誘電体基板上に
堆積されたｐ形アモルファスシリコン薄膜で埋め込まれ
る。ｐ形アモルファスシリコン薄膜は、光吸収特性に波
長依存性があり、かつ吸収係数の大きさとしては１０”
〜１０ｇ　ｃｍ−１である。従って、光透過路の凹部の
長さを１〜１０ｐｍにすれば、ｐ形アモルファスシリコ
ン薄膜領域で吸収されるレーザ光の光量は０．１〜１０
０チになる。この場合、レーザ光の波長と吸収すべき光
量が決定されれば、ｐ形アモルファスシリコン薄膜の組
成および光透過路における凹部の長さの組み合わせで構
成できる。凹部のｐ形アモルファスシリコン薄膜は、レ
ーザ光の吸収により発熱し高温となる。凹部近傍のｐ形
アモルファスシリコン薄膜の一部に接して設けられたｎ
形アモルファスシリコン薄膜は、ｐ形アモルファスシリ
コン薄膜とで熱電対を構成し、四部近傍が温接点を、各
アモルファスシリコン薄膜と互いに分離して設けられた
電極対が冷接点を形成する。

一般にアモルファスシリコン薄膜は熱伝導性が良いので
、検出感度を高めるため、各アモルファスシリコン薄膜
の形状は第１図のようにストリップ線状となる。

導電率が大きくかつゼーベック係数のアモルファスシリ
コン薄膜の形成法に関しては、「熱電対素子」（特願昭
５．！Ｓ−１０８７２８号）で述べた方法を用いる。但
し、検出すべき光エネルギーの波長に従って、最適アモ
ルファスシリコン薄膜の組成は異なる。紫外光から可視
光（二型る短波長域では、フッ素と水素を含んだアモル
ファスシリコン薄膜（ａ−８ｉ：Ｅ（：Ｆ）が適してお
り、可視光から赤外光に至る長波長域では、水素を含ん
だアルファスゲルマニウム薄膜（ａ−Ｇｅ：Ｈ）が適し
ている。現在、グロー放電法を用い又、導電率が１０〜
１５０　Ｓ−ｃｍ−”でゼーベック係数１５０〜３００
μＶ／にのものが得られている。

光透過路として、カルコゲナイドアモルファス（Ｇｏ　
−Ｓθ−ｓ　−Ａｓ　ｌ薄膜を用いる場合には、構成が
容易となる。すなわち、光透過路を形成するストリップ
状カルコゲナイドアモルファス薄膜の一部をエツチング
又はレーザ光で除去し、除去部が光吸収特性を示すスト
リップ線状のｐ形アモルファスシリコン薄膜の一部な構
成し、かつ除去部で他のストリップ線状ｎ形アモルファ
スシリコン薄膜の一部と接するよう（二設けられたｐ形
およびｎ形アモルファスシリコン薄膜対より形成される
熱電灯を用いて構成される。この場合、ｐ−ｎ接合近傍
は光吸収により発熱するので温接点を、各アモルファス
薄膜に設けられた電極対が冷接点を形成する。

第２図および第３図は、本発明による熱電効果を用いた
光電変換器の他の実施例を示す図で光層導体基板１１、
ｐ形アモルファスシリコン薄膜１２、ｎ形アモルファス
シリコン薄膜１３、各アモルファスシリコン薄膜（二設
けられた電極対１４．．１５とから構成され、レーザ光
１６の一部はアモルファスシリコン薄膜で吸収されて熱
に変換される。又、レーザ光の大部分はアモルファスシ
リコン薄膜を透過し、各種計測やレーザ加工等に使用で
きる。光層導体基板の中心部は、図のように、薄くエツ
チングされる例が多い。光層導体は一般（−熱伝導率が
太き因ので、薄くすることにより、検出感度を高めるこ
とができる。

光層導体基板としては、バンドギャップの大きな半導体
基板、例えば、Ｓｌ、Ｇａ７ｋｓ、工ｎＰ等や石英やＬ
ｉ　ＮｂＯ３等に代表される誘電体基板な用いる。但し
、半導体を用いる場合には、半導体とアモルファスシリ
コン薄膜との間に光透過性を有する絶縁膜（例えば、５
ｉｎ２、ＥＩｉ、、Ｎ、、Ａｌ、０３各薄膜）を挿入す
る。以上説明した光電変換器のｐ形あるいはｎ形アモル
ファスシリコン薄膜の一方（−光透過形溝電膜を用いる
こともできる。

第４図および第５図は、本発明による光起電力効果ある
いはｐ−１−ｎ構造の有する光逓倍効果を用いた光電変
換器の他の実施例を示す図で、図中、２１は光層導体基
板、２２はｎ形半導体薄膜、２３は絶縁形（ｉ形）半導
体薄膜、２４−はｎ形半導体薄膜、２５．２６はｐ形お
よびｎ杉苔半導体薄膜領域に設けられた各電極をそれぞ
れ示す。矢印２７で示されたレーザ光は、光層導体基板
の中心部に設けられたｐ−１−ｎ層からなる半導体薄膜
を通過することによって一部が吸収され、半導体薄膜で
吸収されなかった大部分のレーザ光は出力光（矢印２８
）となって、各種計測やレーザ加工等に使用できる。又
、ｐ−１−ｎ層からなる半導体薄膜で吸収されたレーザ
光は、光起電力効果により、ｐ形およびｎ杉苔半導体薄
膜に設けられた電極対間に発生する直流電圧に変換され
る。従って、両電極間に発生する電流電圧を測定するこ
とにより、透過光パワーを測定することができる。

又、ｐ−１−ｎ層に逆方向電圧を印加した状態で、光を
照射すると光逓倍効果により、大きな電流が流れるので
、高速・高感度な光エネルギー検出用光電変換器として
使用する場合はｐ−１−ｎ層に逆方向電圧を印加し、直
列に接続された電流モニター用抵抗の両端の出力電圧を
測定し、出力電圧の変化分を読み取ることにより光エネ
ルギーを検出することができる。、。

第６図および第６図の線、ｘ−ｘ／における模式断面図
な示す第７図は、本発明による半導体薄膜の光導電効果
を用いた光電変換器の一実施例を示す図で図中、３１は
光層導体、３２は半導体薄膜、３３．３４は各電極、３
５は光電変換器を示す。

入射光（矢印３６）は光電変換器な通過する際、半導体
薄膜３２で光エネルギーの一部が吸収される。この時一
部吸収された光エネルギー（二より半導体薄膜内には電
子・正孔対が発生する。電子・正孔対の発生により、半
導体薄膜の導電率は大きくなるので、半導体薄膜の電極
間（３３，３４）抵抗は小さくなる。この抵抗変化分を
検出することにより、入射光エネルギーを測定できる。

この他、半導体薄膜の光導電効果を応用したものには電
界効果形トランジスタ形光電変換器がある。入射光がゲ
ート電極および半導体薄膜な通過する際、入射光エネル
ギーの一部が半導体薄膜にて吸収され、ソース・ドレイ
ン間には、大きな電流が流れる。このソース・ドレイン
電流の変化分を検出することにより入射光エネルギーを
測定で以上述べた各光電変換器は、プラズマＯＶＤ技術
、分子線エビタキー技術、有機金属化学気相成長（Ｍｏ
’ｃｖＤ）技術、拡散技術、真空蒸着技術、ホトエツチ
ング技術を用いて製作することができるＯ なお上記実施例で述べた光電変換器においては、光吸収
（＝よる損失が少ない絶縁膜で表面が保護されている。

次に本発明による効果を述べる。

１　入射光の一部を吸収し残りの入射光はそのまま出力
光として使用できる光電変換器なので、オンラインで光
エネルギーをモニターできる。

２、光吸収膜にアモルファスシリコン薄膜や半導体薄膜
を用いることができるので、各半導体薄膜の組成を変え
ること（二よシ、波長選択性のある光電変換器を構成す
ることができる。

３、半導体の形成（ニホトエッチング技術を用いること
ができるので、小型で安価な光電変換器を構成すること
ができる。

４　光エネルギーの検出原理としてゼーベック効果や光
起電力効果などの光電効果を用いているので、直流電圧
を検出信号として得られるので、回路構成が容易な光エ
ネルギー測定装置を構成することができる。

５、光エネルギーを検出するのに、従来の入射光分離方
式を用いないので、入射光分離用ミラー以上述べたよう
（二本発明（二よる光電変換器は従来の光電変換器より
幾多の利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は光ＸＣ用光電変換器の一実施例を示す図、第２
図および第６図は熱電効果を利用した光電変換器の一実
施例を示す図で第６図は第２の線Ｘ　−Ｘ’での断面を
示す図、第４図および第５図は光起電力効果あるいは光
電子逓倍効果を用いた光電変換器の一実施例を示す図で
、第５図は第４図の線Ｘ　−Ｘ’での断面を示す図、第
６図及び第７図は光導電性半導体薄膜を用いた本発明の
光電変換器の他の実施例を示す図である。 図中、１は強誘電体基板、　２は光透過路、３．１２は
各ｐ形アモルファスシリコン薄膜、本、１３は各ｎ形ア
モルファスシリコン薄膜、５．６．１４．１５．２５．
２６．３３．３４は各電極、　９．１８．２９．３５は
各光電変換器、１１．２１．３１は各光層導体、　２２
．２３．２牛はｐ形、ｉ形およびｎ形名半導体薄膜、　
３２は半導体薄膜、１０．１９．２０．３０は欠番。 特許　出願人　安立電気株式会社 代理人　弁理士　小　池　危太部 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （リ　基板上に形成され、少なくとも一つが光透過性材
   料でなる複数の半導体を接合した接合部と；該接合部又
   は該接合部の近傍の光透過性材料部分を光が通過するよ
   うに該基板（二具備された光透過路とを備え；該光透過
   路を介して入射光な透過させるとともに、該接合部又は
   該接合部の近傍の光透過性材料部分を通る入射光エネル
   ギーの一部を前記接合部が吸収して電気信号に変換する
   ことを特徴とする光電変換器。 （２）基板上Ｃ二形成された光透過性材料でなり、かつ
   、光導電特性を有する半導体部と；該半導体部又は該半
   導体部の近傍の光透過性材料部分を光が通過するように
   該基板Ｃ二具備された光透過路とを備え： 該”光透過路を介して入射光を透過させるとともに、該
   半導体部又は該半導体部の近傍の光透過性材料部分を通
   る入射光エネルギーの一部を前記半導体部が吸収して電
   気信号（：変換することを特徴とする光電変換器。