JPS6138208Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、可変容量半導体受光素子に関する。

（従来の技術） 従来、公知の可変容量ダイオードは、入力電圧
を変えることにより、ダイオードの可変な容量を
得るものであり、光入力に対して容量を大きく変
化させるものではなかつた。又、光入力に対して
電気的出力を得る素子として、例えばフオトダイ
オードが公知であるが、光入力に対し、出力はア
ナログ的であり、デイジタル的な出力は得られな
かつた。又、フオトサイリスタは、アナログ的な
光入力に対し、デイジタル的な出力を得るが、容
量の変化を出力として得ることは、できなかつ
た。

（考案が解決しようとする問題点） 本考案による可変容量半導体受光素子は、光入
力に対して、大きな容量変化を生ぜしめ、かつ、
アナログ的な光入力に対し、出力としての容量変
化をデジタル的に得る、即ち、あるしきい値以上
の光入力に対し、ある一定の高レベル（又は低レ
ベル）の出力を得、しきい値以下の光入力に対し
ある一定の低レベル（又は高レベル）の出力を得
ることを可能にし、かつ、しきい値を、本考案の
素子に印加する電圧により任意に設定することを
可能にし、さらにメモリ機能をも有するようにし
たものである。

（問題点を解決するための手段） 本考案によればpn接合（又はシヨツトキー接
合）の片側において、接合面に近い順に、エネル
ギーレベルの浅い不純物及び深い準位を有し、前
記深い準位の濃度が前記エネルギーレベルの浅い
不純物の濃度と同程度かそれ以上であつてこの深
い準位の荷電状態により、キヤリヤ濃度が１ケタ
程度かそれ以上変化しうる高濃度の深い準位を形
成する欠陥を有する領域１と、この領域１に接し
領域１のキヤリヤ濃度の最小値程度かそれ以下の
キヤリヤ濃度を形成する不純物濃度を有する領域
２と、この領域２に接し、領域２のキヤリヤ濃度
より１ケタ以上高いキヤリヤ濃度を形成する不純
物濃度を有する領域３の３領域を有し、光を前記
領域１に入射しうる受光面を素子の一部に形成し
た容量可変半導体受光素子が得られる。

（作 用） 本考案の作用、原理は次のとおりである。即
ち、高濃度の深い準位を有する領域１に光を照射
すると、深い準位の荷電状態が変化し、この領域
１の電荷密度が大きく変化する。この領域１に接
してキヤリヤ濃度の高い領域２及びキヤリヤ濃度
の低い領域３が順に形成されているため、ｐ−ｎ
接合に逆バイアスを印加すると、光が照射されて
いない場合、領域１の深い準位の濃度が浅い不純
物濃度と同程度かそれ以上であるため、深い準位
が浅い不純物を補償しその結果領域１の電荷密度
が低く、そのため空乏層端は領域１、領域２を貫
通し領域３に達する。従つてこの場合空乏層巾が
広いため、ｐ−ｎ接合容量は低い値をとる。一
方、領域１に光を照射すると、光の強度が強くな
るに従い、領域１の深い準位の荷電状態が変化し
電荷密度が増加する。光強度が弱い場合領域１及
び領域２が空乏層化しているためｐ−ｎ接合容量
は低い値をとるが、光強度がある値を越えると空
乏層端が領域１を貫通しなくなるため接合容量は
急激に増加する。このように光入力の変化に対し
非線形的、いわばデイジタル的な容量の変化を得
ることができる。

領域１に高濃度の深い準位を設けた理由は光入
力に対し容易に電荷状態の大きな変化をもたらす
ことができるためである。アバランシエ・フオト
ダイオードの様な光により発生したキヤリヤの輸
送を主動作原理とする受光素子では、深い準位の
存在は素子の特性を劣化させるため、極力深い準
位を除去してきた。しかし、本考案者の研究結果
により、高い濃度の深い準位を有する領域１を設
けた本考案の構成がアナログ的な光入力に対し、
デイジタル的な容量の変化を得る可変容量受光素
子として卓絶した結果を有することが明らかにな
つた。

本考案を図面を用いて説明する。第１図は本考
案の一実施態様を示すもので、高濃度ｐ型半導体
領域１０と、前記領域１に相当するｎ型領域１１
と、前記領域２に相当するｎ型領域１２と、前記
領域３に相当するｎ型領域１３と、ｎ型半導体基
板１４と領域１０の一部に設けた電極１５と、ｎ
型半導体基板１４に設けた電極１６により構成さ
れており、ｐ型領域１０の一部１７を受光面とし
ている。第２図は第１図の構造をもつたｐ−ｎ接
合の電荷密度分布の一例であり、第１図ｎ型領域
１１の深い準位は、禁制帯の中央より価電子帯に
近い側に位置している。この深い準位は適当なエ
ネルギーの光を照射することにより、光の強度に
依存して、荷電状態を変え、その結果、領域１１
の電荷密度を変化させる。第２図のN₁は、充分
強い強度の光を照射したときの領域１１の電荷密
度でN₀は、光を照射しない時の領域１１の電荷
密度である。N₁／N₀の比は、領域１１の浅いド
ナー濃度と、深い準位の濃度及び、エネルギーレ
ベルを選ぶことにより任意に設定でき10〜10²以
上にすることが可能である。又、光の強度によ
り、領域１１の電荷密度はN₁とN₀の中間の値を
とる。第３図は、第２図３電荷密度分布をもつた
本考案の素子の電圧−容量特性である。_０
（Ｖ）は、光を照射しない時の電圧−容量特性で
ある。光を照射すると、第１図領域１１の電荷密
度が増大するため、光の強度を増すに従い順に
_１（Ｖ），_２（Ｖ）の特性を示し、充分強い強
度の光を照射すると_３（Ｖ）の特性を示す。し
たがつて素子に印加する逆バイアスを第３図に示
すようなVaに設定すると、光を照射しない場合
には、容量は小さな値Ｃ_Lを示し、光の強度を増
し、ある強度を越えると急激に容量が増大し、Ｃ
_Hとなり、その後ほぼ一定の値を保つ。この光強
度のしきい値は素子に印加する電圧により任意に
設定でき、この実施態様では電圧を低く設定すれ
ば、しきい値は低くなる。この実施態様の素子で
得られる光強度−容量特性を第４図g₁（Ｈ）に示
す。第１図領域１２の濃度と、厚みを選ぶことに
より、所望の（Ｃ_H−Ｃ_L）の値を得ることができ
る。又、第１図領域１３の濃度を充分高くするこ
とにより、Ｃ_Lの値の印加電圧、光の強度による
変化を非常に小さくすることができる。さらに第
１図領域１１の厚しをうすくすれば、Ｃ_Hの値の
印加電圧、光の強度による変化を非常に小さくす
ることができる。又、しきい値以上の光を照射す
ると、領域１１の電荷密度が時間とともに増加
し、ある密度を越えると、容量がＣ_LからＣ_Hに変
わり、定常状態に達する。光を照射してから容量
がＣ_LからＣ_Hに変わるまでの時間は、素子に印加
する電圧及び光強度により任意に設定できる。し
たがつて、本考案の素子は、第５図h₁（ｔ）に示
すような光入力に対する遅延機能をも有する。さ
らに、しきい値以上の光を照射したあと、光を遮
断すると深い準位からのキヤリヤの熱的な放出が
起こり、領域１１の電荷密度が時間とともに減少
するが、ある密度に達するまでは、容量Ｃ_Hレベ
ルを保ち、その後Ｃ_Lレベルに変わる。したがつ
て本考案の素子は、第６図（l₁（ｔ）に示すよう
な、光入力信号のメモリー機能を有する。光を遮
断してからＣ_HからＣ_Lに変わるまでの時間は、素
子に印加する電圧により任意に設定できる。

本考案の別の実施態様として、第１図領域１０
をｎ型半導体、領域１１，１２，１３及び基板１
４をｐ型とし、かつ、領域１１の深い準位とし
て、禁制帯の中央より伝導帯に近い例にエネルギ
ーレベルが位置するものを選ぶと、第４図g₁
（Ｈ）及び第５図h₁（ｔ）第６図l₁（ｔ）の様な
特性の素子が得られる。又、第１図領域１０をｐ
型とし、領域１１，１２，１３，１４をｎ型と
し、かつ、領域１１の深い準位として、禁制帯の
中央より価電子帯に近い側にエネルギーレベルが
位置するものを用いた場合と、第１図領域１０を
ｎ型とい領域１１，１２，１３，１４をｐ型と
し、かつ、領域１１の深い準位とし、禁制帯の中
央より伝導帯に近い側にエネルギーレベルが位置
するものを用いた場合には、第４図g₂（Ｈ）第５
図h₂（ｔ）、第６図l₂（ｔ）の様な特性、を有す
る素子が得られる。又、第１図１０の半導体とし
て、禁制帯エネルギーが領域１１の半導体の禁制
帯エネルギーより大きいものを用いることによ
り、入射光の領域１０での吸収が減少し、領域１
１への入射率が向上する。

次に半導体としては、シリコン、ゲルマニウ
ム、−化合物半導体、−化合物半導体三
元化合物半導体を用いる。シリコン、ゲルマニウ
ムは、結晶性のよい試料を容易に入手でき、信頼
性も優れている。GaAs、GaP等の−化合物
半導体、ZnS、CdS等の−化合物半導体、
GaAlA₃，GaA₃P等の三元化合物半導体は、禁制
帯エネルギーが材料により、大きく異なつてお
り、特に禁制帯エネルギーの大きな材料を選べば
深い準位として、エネルギーレベルの非常に深い
ものが得られ、さらにヘテロ構造を形成すること
が容易で、室温での効率良い、優れた特性の素子
が得られる。

（考案の効果） このように、本考案により、光入力に対して、
大きな容量変化を生ぜしめ、かつアナログ的な光
入力に対し、デイジタル的な容量変化を出力とし
て得、さらに、光入力信号に対する遅延機能及び
メモリー機能を有する可変容量受光素子が得られ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施態様を示す図、第２図
は、第１図の構造の素子の電荷密度分布を示す
図、第３図は第２図の電荷密度分布をもつた素子
の電圧−容量特性を示す図、第４図、第５図及び
第６図は本考案素子の機能を示す特性図である。
なお、図において、１０はｐ型半導体、１１は深
い準位を有するｎ型半導体、１２は低濃度のｎ型
半導体、１３は高濃度のｎ型半導体、１４はｎ型
半導体基板、１５及び１６は、電極、１７は受光
面をそれぞれ示す。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. pn接合（又はシヨツトキー接合）の片側にお
   いて、接合面に近い順に、エネルギーレベルの浅
   い不純物及び深い準位を有し、前記深い準位の濃
   度が、前記エネルギーレベルの浅い不純物の濃度
   と同程度かそれ以上であつて、前記深い準位の荷
   電状態により、キヤリヤ濃度が、１ケタ程度かそ
   れ以上変化しうる高濃度の深い準位を有する領域
   １と、前記領域１に接し、前記領域１のキヤリヤ
   濃度の最小値程度かそれ以下のキヤリヤ濃度を有
   する領域２と、前記領域２に接し、前記領域２の
   キヤリヤ濃度より１ケタ以上高いキヤリヤ濃度を
   有する領域３の３領域を有し、前記領域１の一部
   に光を入射しうる受光面を形成した可変容量半導
   体受光素子。