JPS62204571A - 集積光学的に構成された光検出ヘツドとその製造方法 - Google Patents
集積光学的に構成された光検出ヘツドとその製造方法Info
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- JPS62204571A JPS62204571A JP62042454A JP4245487A JPS62204571A JP S62204571 A JPS62204571 A JP S62204571A JP 62042454 A JP62042454 A JP 62042454A JP 4245487 A JP4245487 A JP 4245487A JP S62204571 A JPS62204571 A JP S62204571A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/1443—Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/09—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
庫肚匹ユ１
本発明は集積光学的に構成された光検出ヘッドとその製
造方法に係わる。より詳細には、本光１１Ｊ１は特に光
ファイバの伝送波長を検出するのに応用されるモノリシ
ック構造の光検出器および前置増幅器に係わる。 先行技術 光フアイバ遠隔通信の発展に伴なって、１．３−〜１．
５５−の範囲の波長に適合する光検出器を構成する必要
性が生じている。検出回路の感度を良くするためには、
この種の検出器に低ノイズ増幅器を付随して設ける必要
がある。１ Ｇ ｌ−１ｚ以上の高周波数においては、
検出器と前置増幅器とをモノリシック（一体内）集積化
することが実用り推奨される１、しノリシック集積化す
ると特に、漂遊容トｉなどのノ１−制御Ｃ何害な？：ｆ
／［効果を抑１＋ＩＩ ′ｃさるためである。周知のよ
うに、低ノイズマイクロ波増幅用とし’ＣＥｌｉ適の１
ヘランジスタは砒化ガリウム（Ｇａ Ａ Ｓ ）をＬ（
材とする電界効果トランジスタ（Ｆ Ｅ Ｔ ） ｒあ
る。ＧａＡＳのＦＥＴ増幅器を光検出器と集積比重るこ
とは達成価値Ｕ）あろ１］的でｔまある。しかし砒化ガ
リウムの禁制帯幀（Ｌ４５ｅｖ）Ｃ
造方法に係わる。より詳細には、本光１１Ｊ１は特に光
ファイバの伝送波長を検出するのに応用されるモノリシ
ック構造の光検出器および前置増幅器に係わる。 先行技術 光フアイバ遠隔通信の発展に伴なって、１．３−〜１．
５５−の範囲の波長に適合する光検出器を構成する必要
性が生じている。検出回路の感度を良くするためには、
この種の検出器に低ノイズ増幅器を付随して設ける必要
がある。１ Ｇ ｌ−１ｚ以上の高周波数においては、
検出器と前置増幅器とをモノリシック（一体内）集積化
することが実用り推奨される１、しノリシック集積化す
ると特に、漂遊容トｉなどのノ１−制御Ｃ何害な？：ｆ
／［効果を抑１＋ＩＩ ′ｃさるためである。周知のよ
うに、低ノイズマイクロ波増幅用とし’ＣＥｌｉ適の１
ヘランジスタは砒化ガリウム（Ｇａ Ａ Ｓ ）をＬ（
材とする電界効果トランジスタ（Ｆ Ｅ Ｔ ） ｒあ
る。ＧａＡＳのＦＥＴ増幅器を光検出器と集積比重るこ
とは達成価値Ｕ）あろ１］的でｔまある。しかし砒化ガ
リウムの禁制帯幀（Ｌ４５ｅｖ）Ｃ
【よ、０８；）−以
上の波長検出を１１なうことがぐきない。これに対し、
ガリウム４１％、インジウムり３％の比率の砒化ガリウ
ムインジウム（Ｑａｊｎへｓｏｌよ、くの禁制帯（直（
０，７５ｅｖ）ににす、１３−ど１５５μｓの波長の検
出に特に適する材ｔ１であると舊えろ。ところ／）（砒
化ガリウムインジウムに仕、」、砒化ガリ・＝ツムにｔ
！上、ヶこれらはケイ・整合な結晶１８了をイｉ ’ｉ
ＪろＨｆ１−（ル）ろ、従って １３堀と１１）５−の
光検出用回路の構成にこれまでに使用できた構成部品と
言うと、下記のものでしかなかった。 −燐化インジウム（Ｉ ｎ Ｐ ） ５＜板上にエビタ
１−シせル成長したＧａＯ，４□Ｉ ｎ ０．５３Ａ
Ｓを塁祠とげる光検出素子（この時ヰ板の燐化インジウ
ムの結晶格子とＧ ａ （３４７Ｉ ｎ □、５３Ａ
Ｓの結晶格子は整合する）。あるいは、 −マイクロ波増幅を行イエえるように砒化ガリウム（Ｇ
ａＡＳ）上に形成したトランジスタまたｔよ集積回路。 燐化インジウム（ｌｎＰ）の光検出器と砒化ガリウム（
ＧａＡＳ）の増幅器て・＋、１塁板が異なるため、光検
出器と増幅器とをモノリシック集積化することはできｔ
≧い。 以上の理由にＪ：す、本発明は１．３σＭと１５５μｓ
の波長で動作でき、か゛つ［ノリシック集積回路の概念
１・構成できる光検出器を目的とずろ、。 魚四（１） １ｊ 本発明は光導電セルど前記光導電セルに接続されている
増幅器とが設けられている集積光学的に構成された光検
出器ヘッドであって、 −光導電ヒル素子がガリウムインジウムをＸ対１−ｘの
比率で３何する砒化ガリウムインジウム層（Ｇ ａ
Ｉ ｒｌ（１−ｘ） Ａ Ｓ ）で形成されており、× この１１．１のＸはこの材料ど燐イムインジ「クムの格
子定数が実質的に笠しくなるようにθ〜０．４１の間で
あり、ｉｎ記砒化ガリウムインジウム層が意図的にはド
ープしていない砒化ガリウム（ＧａＡＳ）半導体層−１
に形成されており、 一前記増幅％；が前記意図的にはドープしてない砒化ガ
リウム（ＯａΔＳ ） ！２ｉ上に形成された電界ｆＡ
＋宋Ｉ・ランジスクを含んでいる光検出ヘッドに関わる
。 本発明はさらに光検出ヘッドの製造方法にも関わり、そ
の方法は、 一半絶縁性も（板の上に意図的にはドープしていない砒
化ガリウムインジウムの第１層と低濃度ドープした砒化
ガリウムの第２層と高濃度ドープした砒化ガリウムの第
３層と砒化ガリウムインジウム（Ｇ ａｘＩ ｎ （１
−ｘ）へＳ）の第４層とを形成Ｊる第１段階と、 一前記砒化ガリウムインジウムの第１１層においてメサ
エッチを行なう第２段階と、 −前２３つの砒化ガリウム層をエツチングして検出ヘッ
ド形成個所を設ける第３段階と、−前記砒化ガリウムイ
ンジウムの第４層の上にオーミック接点を形成すると共
にトランジスタのソースとドレンの上にもオーミック接
点を形成し、さらに砒化ガリウム層を絶縁するために絶
縁性材料を堆積する第４段階と、 −その底部に１−ランリスタゲートを構成する空洞をソ
ースおよびドレンのオーミック接点の間で前記砒化ガリ
ウム層に加工する第５段階と、−前記空洞の底部にゲー
ト電極を形成する第６段階と、 一九′４雷素子の一方のオーミック接点とソース接点と
の間と、光導電素子の他方のオーミック接ＪＭとゲート
電極との間にそれぞれ配線を形成する第７段階とを順次
に含ｌυで成る。 具体例 まず本発明による光検出ｌ＼ラッドついて説明する。本
発明の検出ヘッドは完全にモノリシック構造に集積化さ
れてＪ３つ、１．６７＃１１またはそれより短い波長で
ｆ！ｌＩｌ／１″するように構成されている。前記ヘッ
ドでは、Ｑ ａ Ａ Ｓ ８ 基材とする電界効果］・
ランリスタ（Ｆ Ｅ Ｔ ）イ」随させたＧａ ［ｎＡ
ｓ光導電セルを訛りでいる。Ｇａ ｌ ｒｌ Ａ Ｓ光
導電セルは、１．６１ＪＩｎまたそれ以下の波長（特に
１３μｓと１．５５声）の光信号の光検出をｌｉＴ能に
する。Ｑ ａ Ａ Ｓ ’ｌｆｆ界効果トランジスタは
前置増幅器の機能を右する。 板９の上に次の層を積層して形成される。 −７ｍ図的にはドープしていない砒化ガリウム（ＧａＡ
Ｓ）層１、 一低濃度にドープ（ｎ−ドープ）された砒化ガリウム層
２、 一層２より高濃度にドープ（ｎ＋ドープ）された砒化ガ
リウム層３゜ ？：Ｓ淵度ドープ砒化ガリウム（ＧａＡｓ）層３上に、
砒化ガリウムインジウムのメサ構造５が形成される。メ
サ構造５に２つの金属接点または；ｈ ＋＋ｉ１ｉ、
１２を設Ｇプる。砒化ガリウムインジウムは光線作用の
下で導電性になる性質を有する。このメサ構造の組成は
、Ｇ ａ Ｉ ｎ （１，ｘ）ΔＳとし、Ｘの値を０
〜０．４７の範囲内に入るように選択Ｊる。より正確に
云うと、１．３１１１１１１１および１．５５−の波長
での動作を良！Ｉｆに）構成するために、Ｘの値を０４
７と選び、結果的に式を ＧａＯ，Ａ７ ” ０．５７ΔＳどする。従ってメリー
５と市（＠１１．１２とで光検出ヘッドの光導電索子１
０を構成ηる。２つの電極１１．１２の間の距離にＪ、
って、光導°−目累了の感度が決定される。 さらに、電界効果１〜ランジスタがｎドープ砒化ｊＪリ
ウム層２とｎ゛ドープ砒化ガリウム層３に形成される。 この目的のために、層２．３の空洞２１の中に１−ラン
ジス装ダー１−２２庖配置し、これを低ｉｔ’、Ｆ ｌ
ｆｌドープ砒化ガリウム層２と接触させる。 空洞２１の両側で、それぞれソース２４とドレン２３を
高６１度ドープ（ｎ＋ドープ）砒化ｊＪリウム３の七に
形成りる。 光導’ｒｈ素子１０の雷＋４１２とトランジスタ２０の
ソースとの間をリード線３０で゛ｌｌ気気に）と続する
。 リード線（３１は光導電索子１０の別の１つの電極１１
とトランジスタ２０のゲー１−２２を接続する触ぎをす
る。 光導電素子１０に対しで、第１図中矢印φで示す光束を
照射する。 以上に記載した光検出器を等価回路図で表わしたのが第
２図である。 第２図においても、光束φを黒用される光導？ｈ素子１
０ど電界効果トランジスタ２０が示されている。 トランジスタゲート２２はリード線３１にＪ：って直接
光導電素子１０の１端子に接続されている。ソース２４
は大地を介して光導Ｔｉ素子１０の他方の端子に接続さ
れており、大地は第１図のリード線３０の機能を果すた
め、やはり参照番号３０を鳶何している、。 また、ドレン２３は電圧源■Ｄｓから給電される、。 ゛電界すｌ！を一うンリスタのドレン電流ＩＯは、ドレ
ンの直流バイアス電圧■ｄによって与えられる一定値に
固定される。リード線３２を介してリード線３１に１妄
続されている電圧源−ＶとバイアスレジスタＲとによっ
てゲート２２がバイアスされる。 す このような構成の結果、受容する光の強度を関数として
変化する光導電素子１０の導電状態に応じて、ゲー１〜
２２をバイアスする電位Ｖ６Ｓが、特定の値をとるにう
になりかつそれによって電界効果１〜ランジスタ２０の
導電状態を決定する１゜第２図の回路図、従って第１図
の光検出器ヘッドし増幅段階にあり、その動作は先導’
ｒ［ｙｈ ｒ−１ｏによって決定される。 電（４１１，１２は、Ｇａ Ｉ ｎＡｓ上に金とゲルマ
ニウムの共晶から成る２つのオーミック）ａ点を直接堆
積して形成される。添イリ図面で示した構成例にｉＨい
ては、感光セルは簡！１イ；構造を首しており、電極間
距離が例えば２０−１その幅が８０−である。 クーし櫛形構造などのこれ以外の構造をＩｌ＋いてし、
本発明の装’＋ｒｌ （１）見本原理を何ら変更ヂるこ
とにはならない。逆に、櫛形構造にすることによって光
導電素子１０の感度を向上り゛ることができる。 本発明による光検出ヘッドのメ１す５と砒化ガリウム（
ＧａＡｓ）ＩＵ３の間に燐化インジウム（Ｉ ｎＰ）層
を設けることもできる。この形式の検出ヘッドを燐化イ
ンジウム層４と共に示したのが第３図である。この層は
メ量す５を形成する」二で有用であることが立証されて
いる。メリー構造の形成′に使用する方法については後
述することにする。 第４図に示した別の選択的実施態様では、砒化ガリウム
ｅｌ、２．３をそれぞれ凹所１３を残寸にうにして形成
している。光導電索子１０がこの凹所に、砒化ガリウム
層１と直接接触して配置される。 電界効果トランジスタ２０は第１図の場合と同じ方法で
構成され、やはり光導電索子１０に接続される。 この選択的実施態様の場合は、光導ｉｔｉ、（％子１０
の暗抵抗、寸なわら黒用されていない時の光導電素子の
抵抗が増加づ゛ろとい゛）利点がある。第１図、１３Ｊ
、び第２図の場合は、ｎ＋ドープ砒化ガリウム層に（ま
Ｇ ａ ｌ ｎ△Ｓを＋Ａわ１とり−る光導電素子１ｏ
の暗抵抗を減少させる効果がある。このような奇生効果
を無くすために、第４図に示す構成では意図的に１ユド
ーブし°Ｃい仕い砒化ガリウム層１の光η電木子１０の
形成予定個所の上に直接砒化ガリウムインジ・クム（Ｑ
ａ ｌ ｎΔＳ）を成長さＵる。 このＪ：うな製造方法としてし、本発明の装置の基本原
理にｔよ何ら影響がない、、（ればかりか、持１ｐの本
発明ににる光検出ヘッドの特性と性能に関する説明の中
で触れることにりる。 構成の一例として、尤ヘッドを構成する各種層１ 、２
、３ 、Ｘ、５のｊＩ７ざどドーパントの濃度を下の
表に示す。 第２図の選択内実ＩＩＭＷ！様では、この構成形式の笥
囲内で形成した燐化インジウムＩｎＰ層４の厚さが２０
００オングストロ一ム以上になる。 砒化ガリウムインジウムの構成はガリウム４７％、イン
ジウム５３％の比率で行ない、Ｑａ ｉｎ Ａ
ｓと表わされる。 ０．４７ ０．５３ 第１図のように光導電素子１０を砒化ガリウム層３の上
に形成し、かつ各層を上述の通りとした場合には、Ｉ（
Ｖされる検出ヘッドの特性は次のＪ、うになる。 先にら言及したように、光１ ？［Ｘ子の暗抵抗が比較
的低い（約５０オーム）。 第５図は読取りヘッドの等価回路図である。この図で使
用する各種の表示符号は下記のとうりである。。 Ｉ °光導電ヒルから送られる光電流、ｈ− Ｒｐｈ ：光導電セルの内部抵抗、 Ｒ：トラジスタグー１・のバイアス抵抗（同時に光導電
ヒルのバイアス抵抗でもある）、Ｃ、ｈ：光）９電セル
の内部１２１７バシタンス、Ｃ：トランジスタのグー１
−キャパシタンス、ｑ、：トランジスタの１−ランスコ
ンダクタンス、■９．二ゲートーソース電）Ｆ、 Ｇ：１〜ランジスタドレンからのコンダクタンス、 １テ：トランジスタの０伺抵抗。 光導電セルから送られた光電流■。を前記光導電セルの
利得ＧＲから推定するが、利得ＯＲは外部回路において
入射光子毎に収集される電子の数として定義されるため
、ＰＬを入射光のパワー。 ｈνを光子のエネルギー、ｑを１電子の電信どすると、 となる。利得ＧＩｔは電子・正孔対の寿命τ、および電
子の通過時間τ、によって表わされる。角周波数ωで変
調される光信号の場合、光導電ヒルの利得はほぼ次の式
で表わすことができる３、測定した結果、電極間の空隙
が２０柳でありＧａ１ｎΔ５−ＧａＡｓから成る含歪材
わｌで形成した光導電セルの利４町ｌは、バイアス電Ｌ
＋： ２ Ｖに関して１０３に達Ｊることが証明された
。その結果、電子・正孔対のノー命は数百ナノ亡カント
に及び、使用周波数が１ Ｍ ｌ−Ｉ Ｚ近辺またはそ
れ以上の場合、＞Ｉ′、導・七ヒルの利得は次のＪ：う
に表わされる。 ＧＲ″′。□。 ＋Ｊ′なわら、利得と帯域幅の積がはぼ１／２πτＬに
なる。 Ｑａ ｌ ｎＡｓにＪ３ける電子の移動度を測定したＩ
ｖ’＋ ’Ａ、３００”Ｋ Ｆ ５０００ＣＩ１１２
／Ｖ、 Ｓ、稈Ｉｆｆ テｌｙ＞ ルコトが分かった。 従ってバイアス電圧が２ｖの時、Ｔｉ極間距−１が２０
１ＪＪｎの光ηミセルの利１１７と帯域幅の積はほぼ０
．５ＣＩｔ Ｚになる。この値は実験的に（りだ数１直
と完全に合致ηるちのである。光導電セルの利（１〕に
１−ラジスクの電流利ＩＵ Ｇ ｏを１１ト（）る、１
電流利ｉ！？ Ｇ ｏは等価の電気回路を解析した結果
、Ｃｏｑ−Ｃ１ｈ十Ｃｇ とする時に、 で表わされる。 別の特性化を行なった結果、Ｒｏ、の値と集積回路の１
７Ｊツ１〜オフ周波数の値がそれぞれ約５０Ωと数Ｇ
ｌ−ｌ ｚになった。カットオフ周波数は木質的にトラ
ンジスタゲートのギＶバシタンスＣ９ｈによるものであ
ることに注意を要する。従って約１０ Ｈｌまたはそれ
以下の周波数における光検出ヘッドの総利得を次のよう
に表わせることになる。 この結果が証明するように、電流利（すは１ヘランジス
タのトランスコンダクタンスｇ、と比ＶＡりる。 また、ｌ−ランリスタの寸法でゲートを２−Ｘ９００−
とする結果、ｇ□の値が５０ｍ５より高くなることが説
明される。従ってこのような構成の集積回路は、利得と
帯域幅との積がＩ Ｇ ｌ−１ｚ〜１．５Ｇｌ−ｉｚの
範囲内にあることによって特徴付けられる。電極間距離
が非常に小ざくく１〜９９ＪＪＭ）かつ内部抵抗の高い
（９９にΩ）光導電セルを使用し、かつ１〜ランスコン
ダクタンスｌｌａｑｍの高いトランジスタ（例えば櫛形
構造のトランジスタ）を使用づることにＪ、って、これ
らの性能を向上できることは明らかである。内部抵抗を
高くする方法の１つについては先にも言及したが、これ
はＧＱＡＳバッフ１層の上にＱａｌｎΔＳを成良さける
ことから成る。この！場合、光検出ヘッドの性能を１０
１８向上り−ることも可能なはずである。 装置の性能においてもう１つ重要な要素がノイズ性能で
ある。金工材ｒ３Ｉを成長させること（ま実際ｔこ（よ
欠陥や１ヘラツブを作る一因どなり、イれによっでトラ
ッピング・ブトラッピング時のノイズレベルを高くする
ことがある。実線の結果、１００Ｍ ＨＺ以下の周波数
において１／ｆと高いノイズレベルが存在することが判
明した。それ以上の値になφと、実際上ナイキスト熱ノ
イズ（Ｎｙｑｕｉｓｔｔｈｅｒｍａｌ ｎｏｉｓｅ ）
と同じノイズになる。この結果は非常に重要であり、光
導電素子にＧａＡｓ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を
Ｎ＋随させたモノリシック集積化光検出ヘッドの能力が
、１ドに従来のハイブリッド回路にＩｆｌ Ｔか優つで
いるというだりでなく、１００Ｍ Ｈｚから５０ Ｌｌ
ｚの範囲内の光学遠隔通信帯域幅において金工材料を
使用しでしその能力が１【１われないことを証明してい
る３゜先にもホしたように、砒化ガリウムインジウム層
５の組成は、ガリウム４７％、インジウム！〕３％の比
率である。 ところが第６図に示した本発明の選択的実／＋ｌ！！！
’！ｊ様によると、ガリウムインジウムの比率をガリｒ
クム×％、インジウム（１００−Ｘ ）％とした複数の
砒化ガリウムインジウム層によって層５ど層３を分列す
ることができる。ｌｈ数Ｘμ層５に隣接する府６から層
３へ向かって層７、層８と、４７％から１００％」、で
徐々に大きい値をとるように１−る。これら中間層６，
７．８はそれぞれほぼ１００人の厚さを有する。従って
次のような層の順序となる。各層の厚さは例示的に示し
たものである。 ｅと１ＪＪ！Ｒ Ｘは０．４７から１まで変＋）Ｊ ； （０２１００八
） ｃ２２０００人２０００人 Ｃ上４ｕ！Ｒ 上記のような構造は、砒化ガリウムインジウムに’１５
（ＧａｌｎＡｓ）と砒化ガリウム層３との間で不整合を
生ずる危険性を防止する働ぎをする。 第７図は第１図の１４１人例を詳細に示す図である。 従ってこの図においても、基板９、砒化ガリウムバッフ
ァ’ Ｇ １、ｎドープ砒化ガリウム層２、ｎ１ド一プ
砒化ガリウム層３、および光導電索子１０を形成する砒
化ガリウムインジウム層５が示されている。光１ｆｆｌ
素子１０の両側および層２，３の両側面が絶縁性材ｐ１
３５．３６で被覆されている。 電極１１．１２が２つのオーミック接点の形で設けられ
ており、ＡｕＧｅＮ ｉのような負金属合金から形成り
′る。電極の厚さはほぼ２０００人である。前記電極の
分離空隙がほぼ２０韓、幅は８０／１１１１１１であり
、はぼ２０＊ Ｘ Ｂｏｘの感光領域を形成している。 数Ｇ Ｈ１に達する周波数での増幅を良好にするために
、電界効果トランジスタ２０に２ｐ×９００−のゲート
を設ける。このゲートはチタン層（５００Å）、プラチ
ナ層（３００人）、チタンが（３００人）、金層（２０
００人）で形成することができる。 第８図に示すＪ：うに、電解効果トランジスタ２０が光
導電索子１０を取囲んでいる。この図では電極と配線も
示しているため、光導電索子１０が幅ａの空隙で分離さ
れている電極１１．１２を備えていることも分かる。電
極１１，１２の幅はｂである。ａとｂの寸法によって、
光５！９電索子１０の感光面積が決定される。 ソース電極２４が光導電素子１０の三方を取囲んでおり
、配線３０によって前記素子１０の電ｔ！ｉ１２に接続
されている。 ゲー１〜２２がソース２４を取囲んでおり、配線３１に
よって光導電素子１０の他方の電極１１にその両端を接
続されている。 ｋｉ後にドレン２３がゲート２２を取囲／ｖでいる。 ソース２４、ゲート２２、ドレン２３ににつて形成され
るトランジスタ２０と光［ｆ素子１０との間を結ぶ配線
３０．３１は、厚さ２０００人の金またはＡｕＧｅＮ
ｉなどの金属材料で形成される。これらの配線は誘電体
層によって残りの部ヅ）から絶縁される。 次に第９〜１４図を参照しながら、以上に説明した光検
出ヘッドの本発明による製造方法の１例について説明す
ることにする。 第１段階においては、半絶縁性砒化ガリウム基板９の上
に下記の層を順次形成する。 −Ｑ図的にはドープしない、またはドープしていない厚
さ約４Ｊｍでバッファ層の機能を果す第１の砒化ガリウ
ム層１゜ −例えば１０１７原子／ ａｓ ３と低濃度にｎドープ
した厚さ約２０００人の第２の砒化ガリウム層２゜−例
えば１０１８原子／ ｃｍ ３と高濃度にｎ＋ドープし
た厚さ約２０００人の第３の砒化ガリウムＦｊ３゜−意
図的にはドープしていない厚さ約１１ＪＩＲ以上の第４
の砒化ガリウムインジウム層５゜こうして第９図に示し
た構造を得る。 これらの層は周知のエピタ１−シｔｌル成艮法によって
形成する。より詳細には、この方法はＭＯ（〕ＶＤ（金
属心機物化学蒸着法）とｂ叶ばれる気相エビタ１シャル
成（を法である。エピタキシＩＩル堆積は５０ミリバー
ルから５００ミリバールの圧力下で温磨４００〜８００
℃で行なうことができる。 堆積Ｍ度【よエピタキシＸ・ル成良する材料と幕板との
間の整合がｔ）られるＪ：うに選択する。 第１０図に示す第２段階では、砒化ガリウムインジ・ク
ム層５を光導電素子形成領域に対応してメリになるＪ：
うにエッチする。このη業はイオンビーノーエツチング
技術によって行なうことができる。 第１１図に示す第３段階においては、検出ヘッド形成領
域を分離するように砒化ガリウム層１，２．３をエツチ
ングする。この作業もイオンビームエツチングにＪ：つ
て実施できる。 第１２図に示寸第４段階では、メサ形砒化ガリウムイン
ジウム層５の上に空隙ａをあｔノてオーミック接点１１
と１２を形成し、また電界効果トランジスタのソースと
ドレン用のオーミック接点２３．２４を形成覆る。ポリ
イミドのような絶縁性材料をＶＩ３５゜３６の形で堆積
づることにより、砒化ガリウム各層と接点を相互に確実
に絶縁する。 第１３図に示す第５段階においては、イオンビーム加工
によって砒化ガリ１クム層のソース２４どドレーン２３
の間に位置する個所に空洞２１を形成する。 この空洞は電界効果１−ランリスタのゲートを形成する
ためのものである。前記空洞の占める面積を２虜ｘ９０
０１ＪＩｌより大きくして、この大きさの１−ランリス
タゲート電極を形成できるようにづる。この段階で絶縁
体３５にも加二Ｉ：を施して外部接続を１′７なえるよ
うにする。 第１４図に示寸第６段階においては、空洞２１の底部に
ゲート電極２２を形成する。配線３４のにうな外部接続
部も形成される。 最後に第７段階において、ポリイミド等の絶縁性４４利
の層（不図示）を堆積した後に配線３０．３１を形成す
ることにより（または接点を厚くすることにより）第７
図に示した光検出ヘッドをＮ ＃’、１する。 本発明の方法によると、Ｇ ａ Ｉ ｎＡＳ層をエツチ
ングした後Ｇ ａ Ａ Ｓ層が露出されるために電界効
果１−ランリスタを製造することが可能となる。 ２回目のＧａΔＳバッファ層に達するエツチングは、各
素子を相りから分離する＠きをする３、光導電セルと１
ヘランジスタの間の配線（光）９電ヒルの一方の電極を
ソースに、他方の電極を］−ランジスタゲ−１〜に接続
づる必及ｌメある）は、半導体材料の上に堆積した誘電
体層の上に金を堆積して形成する。試作品において堆積
した材料はポリイミドである。これを１「積することに
よって、金届配線号導電性の高いＧａＡｓ活性層から絶
縁することができる。試作品では、電界効果トランジス
タが光導電セルを取囲むように構成することにＪ：って
集積回路を最大限小型化することができた。第８図から
明確に分かるように、トランジスタのソース、ドレンお
Ｊ：びゲートが三方から光導電セルを取囲／υでいる。 ゲート長は２−であり、展開幅は９００ｉＪＩｎである
。これらの寸法は、前置増幅効率を向上するに足る高い
値のトランスコンダクタンスを獲１！？できるＪ：うに
選択したものである。 但し、この場合にも他の構造のｉ−ランリスタ（例えば
櫛形構造）を使用して、特に信わ３−１ノイズ比に関し
て最適１１１１首増幅を達成することｂでさる。このＪ
：う４７選１１り的構造（まＡ＼発明の光検出ヘツドの
基本原理を何ら変更するものではない。 第３図に示した選択的実施態様に関して注目に値するの
は、上）ホの製造方法で、第１段階において砒化ガリウ
ムインジウム層５を形成りる前に燐化インジウム層４の
形成を行なう点である。また燐化インジウム層の存在に
Ｊ：って、前記層５のイオンビーム加工が簡単になる。 これと同様に第６図の選択的実施態様を実／Ｉｌ！ｌ！
ｊる場合も、第１段階に砒化ガリウムインジウム（Ｇａ
Ｉ ｎ（１−ｘ） Ａｓ）層（６，７，８） ヲ、
先に説× 明した通り層５．６．７．８のＸの値を変えながら順次
堆積する必要がある。 最後に第４図の選択的実施態様の場合は、第１段階の砒
化ガリウムインジウム層５の形成前に中間段階を段ｔプ
、この中間段階にＪ３いて光導７ｔｉ累子１０を受容づ
゛る凹所１３をイオンビーム加工ににり砒化ガリウム層
１，２．３の中に形成する必要がある。 第４図の選択的実施態様は、第３図と第４図の選択的実
施態様を併合して、燐化インジウム層を用いて実施する
こともでさることを明らかにしておく必要がある。この
時第４図の選択的実施態様の！ｌＪ造方法において、第
１段階の凹所１３の形成後の砒化ガリウムインジウム層
の形成前に、燐化インジウム層の形成も含ませることに
なる。 同様に第４図の選択的実施態様は、第６図に関して説明
したような砒化ガリウムインジウムから成る一連の中聞
層によって達成することもできる。 この時の構成方法では、第１段階での凹所１３の形成後
にこれらの層６，７．８を形成することを考えねばなら
ない。こうして第４図と第６図の実施態様を併合した構
成を得ることができる。 このように、本発明による光検出器と増幅器のモノリシ
ック集積化は、電界効果トランジスタを構成するＧａＡ
ｓ層と １．３−と１．５５μｓの波長の光検出を可能
にするに足る厚さく＞１＊）のＱａ ｌ ｎＡｓ層の両
方を含む＋Ｆｊ殊なエピタキシャル成長法を使用するこ
とによって達成されるのである。 ＧａＡＳとＧａ ｌｎ Ｏ，４７０，５３の結晶格子の相違 から、こうして１！７られる＋、４ 料は金工材料であ
ると予測される。ところが、本発明による方法の応用に
関する最近の研究から、この種の金工材わｌの実行可能
性が証明された。従って同一の集積回路の上に、１．３
ＩＪＩＲおよび１．５５１７１１１１光検出鼎とＧ ａ
ΔＳ電界効！ｌ！ ｌ−ランリスタを備えた増幅器とか
ら成る完全にかつしノリシックに集積化された光検出ヘ
ッドを形成り゛ることが可能になったのである。 結論として本発明による光検出ｌ＼ラッド主な利点は、
ヘテし】コービタＡ−シ１１ル成艮にＪ：つてブレーナ
七ノリシック集積化を゛達成し、１３ＩＪｊＲと１．５
５ＩＪＩＩＫの波長で使用で・きる点にあるとＪｊえる
。 特に、ヘテロエピタキシャル成長はＩＧ＋−（Ｚ近辺の
周波数においても光検出器のノイズ性能を損わないとい
う事実が証明されている。 この他にも、本発明は次のような点で改良を行なってい
る。 一光導電素子を櫛形電極を用いて形成するという基本概
念により、利得が増大する他に感光度の向上、通過時間
の短縮化が可能となる。 −蓚化ガリウムインジウム材料を直接砒化ガリウムバッ
ファ層に注入することにより光導電素子の暗抵抗が増加
する。 以上の記載は本発明の応用例を示したものにすぎず、ま
たその中で挙げた数値も、説明の都合上１つの指針とし
て挙げたものにすぎないことは明らかである。
上の波長検出を１１なうことがぐきない。これに対し、
ガリウム４１％、インジウムり３％の比率の砒化ガリウ
ムインジウム（Ｑａｊｎへｓｏｌよ、くの禁制帯（直（
０，７５ｅｖ）ににす、１３−ど１５５μｓの波長の検
出に特に適する材ｔ１であると舊えろ。ところ／）（砒
化ガリウムインジウムに仕、」、砒化ガリ・＝ツムにｔ
！上、ヶこれらはケイ・整合な結晶１８了をイｉ ’ｉ
ＪろＨｆ１−（ル）ろ、従って １３堀と１１）５−の
光検出用回路の構成にこれまでに使用できた構成部品と
言うと、下記のものでしかなかった。 −燐化インジウム（Ｉ ｎ Ｐ ） ５＜板上にエビタ
１−シせル成長したＧａＯ，４□Ｉ ｎ ０．５３Ａ
Ｓを塁祠とげる光検出素子（この時ヰ板の燐化インジウ
ムの結晶格子とＧ ａ （３４７Ｉ ｎ □、５３Ａ
Ｓの結晶格子は整合する）。あるいは、 −マイクロ波増幅を行イエえるように砒化ガリウム（Ｇ
ａＡＳ）上に形成したトランジスタまたｔよ集積回路。 燐化インジウム（ｌｎＰ）の光検出器と砒化ガリウム（
ＧａＡＳ）の増幅器て・＋、１塁板が異なるため、光検
出器と増幅器とをモノリシック集積化することはできｔ
≧い。 以上の理由にＪ：す、本発明は１．３σＭと１５５μｓ
の波長で動作でき、か゛つ［ノリシック集積回路の概念
１・構成できる光検出器を目的とずろ、。 魚四（１） １ｊ 本発明は光導電セルど前記光導電セルに接続されている
増幅器とが設けられている集積光学的に構成された光検
出器ヘッドであって、 −光導電ヒル素子がガリウムインジウムをＸ対１−ｘの
比率で３何する砒化ガリウムインジウム層（Ｇ ａ
Ｉ ｒｌ（１−ｘ） Ａ Ｓ ）で形成されており、× この１１．１のＸはこの材料ど燐イムインジ「クムの格
子定数が実質的に笠しくなるようにθ〜０．４１の間で
あり、ｉｎ記砒化ガリウムインジウム層が意図的にはド
ープしていない砒化ガリウム（ＧａＡＳ）半導体層−１
に形成されており、 一前記増幅％；が前記意図的にはドープしてない砒化ガ
リウム（ＯａΔＳ ） ！２ｉ上に形成された電界ｆＡ
＋宋Ｉ・ランジスクを含んでいる光検出ヘッドに関わる
。 本発明はさらに光検出ヘッドの製造方法にも関わり、そ
の方法は、 一半絶縁性も（板の上に意図的にはドープしていない砒
化ガリウムインジウムの第１層と低濃度ドープした砒化
ガリウムの第２層と高濃度ドープした砒化ガリウムの第
３層と砒化ガリウムインジウム（Ｇ ａｘＩ ｎ （１
−ｘ）へＳ）の第４層とを形成Ｊる第１段階と、 一前記砒化ガリウムインジウムの第１１層においてメサ
エッチを行なう第２段階と、 −前２３つの砒化ガリウム層をエツチングして検出ヘッ
ド形成個所を設ける第３段階と、−前記砒化ガリウムイ
ンジウムの第４層の上にオーミック接点を形成すると共
にトランジスタのソースとドレンの上にもオーミック接
点を形成し、さらに砒化ガリウム層を絶縁するために絶
縁性材料を堆積する第４段階と、 −その底部に１−ランリスタゲートを構成する空洞をソ
ースおよびドレンのオーミック接点の間で前記砒化ガリ
ウム層に加工する第５段階と、−前記空洞の底部にゲー
ト電極を形成する第６段階と、 一九′４雷素子の一方のオーミック接点とソース接点と
の間と、光導電素子の他方のオーミック接ＪＭとゲート
電極との間にそれぞれ配線を形成する第７段階とを順次
に含ｌυで成る。 具体例 まず本発明による光検出ｌ＼ラッドついて説明する。本
発明の検出ヘッドは完全にモノリシック構造に集積化さ
れてＪ３つ、１．６７＃１１またはそれより短い波長で
ｆ！ｌＩｌ／１″するように構成されている。前記ヘッ
ドでは、Ｑ ａ Ａ Ｓ ８ 基材とする電界効果］・
ランリスタ（Ｆ Ｅ Ｔ ）イ」随させたＧａ ［ｎＡ
ｓ光導電セルを訛りでいる。Ｇａ ｌ ｒｌ Ａ Ｓ光
導電セルは、１．６１ＪＩｎまたそれ以下の波長（特に
１３μｓと１．５５声）の光信号の光検出をｌｉＴ能に
する。Ｑ ａ Ａ Ｓ ’ｌｆｆ界効果トランジスタは
前置増幅器の機能を右する。 板９の上に次の層を積層して形成される。 −７ｍ図的にはドープしていない砒化ガリウム（ＧａＡ
Ｓ）層１、 一低濃度にドープ（ｎ−ドープ）された砒化ガリウム層
２、 一層２より高濃度にドープ（ｎ＋ドープ）された砒化ガ
リウム層３゜ ？：Ｓ淵度ドープ砒化ガリウム（ＧａＡｓ）層３上に、
砒化ガリウムインジウムのメサ構造５が形成される。メ
サ構造５に２つの金属接点または；ｈ ＋＋ｉ１ｉ、
１２を設Ｇプる。砒化ガリウムインジウムは光線作用の
下で導電性になる性質を有する。このメサ構造の組成は
、Ｇ ａ Ｉ ｎ （１，ｘ）ΔＳとし、Ｘの値を０
〜０．４７の範囲内に入るように選択Ｊる。より正確に
云うと、１．３１１１１１１１および１．５５−の波長
での動作を良！Ｉｆに）構成するために、Ｘの値を０４
７と選び、結果的に式を ＧａＯ，Ａ７ ” ０．５７ΔＳどする。従ってメリー
５と市（＠１１．１２とで光検出ヘッドの光導電索子１
０を構成ηる。２つの電極１１．１２の間の距離にＪ、
って、光導°−目累了の感度が決定される。 さらに、電界効果１〜ランジスタがｎドープ砒化ｊＪリ
ウム層２とｎ゛ドープ砒化ガリウム層３に形成される。 この目的のために、層２．３の空洞２１の中に１−ラン
ジス装ダー１−２２庖配置し、これを低ｉｔ’、Ｆ ｌ
ｆｌドープ砒化ガリウム層２と接触させる。 空洞２１の両側で、それぞれソース２４とドレン２３を
高６１度ドープ（ｎ＋ドープ）砒化ｊＪリウム３の七に
形成りる。 光導’ｒｈ素子１０の雷＋４１２とトランジスタ２０の
ソースとの間をリード線３０で゛ｌｌ気気に）と続する
。 リード線（３１は光導電索子１０の別の１つの電極１１
とトランジスタ２０のゲー１−２２を接続する触ぎをす
る。 光導電素子１０に対しで、第１図中矢印φで示す光束を
照射する。 以上に記載した光検出器を等価回路図で表わしたのが第
２図である。 第２図においても、光束φを黒用される光導？ｈ素子１
０ど電界効果トランジスタ２０が示されている。 トランジスタゲート２２はリード線３１にＪ：って直接
光導電素子１０の１端子に接続されている。ソース２４
は大地を介して光導Ｔｉ素子１０の他方の端子に接続さ
れており、大地は第１図のリード線３０の機能を果すた
め、やはり参照番号３０を鳶何している、。 また、ドレン２３は電圧源■Ｄｓから給電される、。 ゛電界すｌ！を一うンリスタのドレン電流ＩＯは、ドレ
ンの直流バイアス電圧■ｄによって与えられる一定値に
固定される。リード線３２を介してリード線３１に１妄
続されている電圧源−ＶとバイアスレジスタＲとによっ
てゲート２２がバイアスされる。 す このような構成の結果、受容する光の強度を関数として
変化する光導電素子１０の導電状態に応じて、ゲー１〜
２２をバイアスする電位Ｖ６Ｓが、特定の値をとるにう
になりかつそれによって電界効果１〜ランジスタ２０の
導電状態を決定する１゜第２図の回路図、従って第１図
の光検出器ヘッドし増幅段階にあり、その動作は先導’
ｒ［ｙｈ ｒ−１ｏによって決定される。 電（４１１，１２は、Ｇａ Ｉ ｎＡｓ上に金とゲルマ
ニウムの共晶から成る２つのオーミック）ａ点を直接堆
積して形成される。添イリ図面で示した構成例にｉＨい
ては、感光セルは簡！１イ；構造を首しており、電極間
距離が例えば２０−１その幅が８０−である。 クーし櫛形構造などのこれ以外の構造をＩｌ＋いてし、
本発明の装’＋ｒｌ （１）見本原理を何ら変更ヂるこ
とにはならない。逆に、櫛形構造にすることによって光
導電素子１０の感度を向上り゛ることができる。 本発明による光検出ヘッドのメ１す５と砒化ガリウム（
ＧａＡｓ）ＩＵ３の間に燐化インジウム（Ｉ ｎＰ）層
を設けることもできる。この形式の検出ヘッドを燐化イ
ンジウム層４と共に示したのが第３図である。この層は
メ量す５を形成する」二で有用であることが立証されて
いる。メリー構造の形成′に使用する方法については後
述することにする。 第４図に示した別の選択的実施態様では、砒化ガリウム
ｅｌ、２．３をそれぞれ凹所１３を残寸にうにして形成
している。光導電索子１０がこの凹所に、砒化ガリウム
層１と直接接触して配置される。 電界効果トランジスタ２０は第１図の場合と同じ方法で
構成され、やはり光導電索子１０に接続される。 この選択的実施態様の場合は、光導ｉｔｉ、（％子１０
の暗抵抗、寸なわら黒用されていない時の光導電素子の
抵抗が増加づ゛ろとい゛）利点がある。第１図、１３Ｊ
、び第２図の場合は、ｎ＋ドープ砒化ガリウム層に（ま
Ｇ ａ ｌ ｎ△Ｓを＋Ａわ１とり−る光導電素子１ｏ
の暗抵抗を減少させる効果がある。このような奇生効果
を無くすために、第４図に示す構成では意図的に１ユド
ーブし°Ｃい仕い砒化ガリウム層１の光η電木子１０の
形成予定個所の上に直接砒化ガリウムインジ・クム（Ｑ
ａ ｌ ｎΔＳ）を成長さＵる。 このＪ：うな製造方法としてし、本発明の装置の基本原
理にｔよ何ら影響がない、、（ればかりか、持１ｐの本
発明ににる光検出ヘッドの特性と性能に関する説明の中
で触れることにりる。 構成の一例として、尤ヘッドを構成する各種層１ 、２
、３ 、Ｘ、５のｊＩ７ざどドーパントの濃度を下の
表に示す。 第２図の選択内実ＩＩＭＷ！様では、この構成形式の笥
囲内で形成した燐化インジウムＩｎＰ層４の厚さが２０
００オングストロ一ム以上になる。 砒化ガリウムインジウムの構成はガリウム４７％、イン
ジウム５３％の比率で行ない、Ｑａ ｉｎ Ａ
ｓと表わされる。 ０．４７ ０．５３ 第１図のように光導電素子１０を砒化ガリウム層３の上
に形成し、かつ各層を上述の通りとした場合には、Ｉ（
Ｖされる検出ヘッドの特性は次のＪ、うになる。 先にら言及したように、光１ ？［Ｘ子の暗抵抗が比較
的低い（約５０オーム）。 第５図は読取りヘッドの等価回路図である。この図で使
用する各種の表示符号は下記のとうりである。。 Ｉ °光導電ヒルから送られる光電流、ｈ− Ｒｐｈ ：光導電セルの内部抵抗、 Ｒ：トラジスタグー１・のバイアス抵抗（同時に光導電
ヒルのバイアス抵抗でもある）、Ｃ、ｈ：光）９電セル
の内部１２１７バシタンス、Ｃ：トランジスタのグー１
−キャパシタンス、ｑ、：トランジスタの１−ランスコ
ンダクタンス、■９．二ゲートーソース電）Ｆ、 Ｇ：１〜ランジスタドレンからのコンダクタンス、 １テ：トランジスタの０伺抵抗。 光導電セルから送られた光電流■。を前記光導電セルの
利得ＧＲから推定するが、利得ＯＲは外部回路において
入射光子毎に収集される電子の数として定義されるため
、ＰＬを入射光のパワー。 ｈνを光子のエネルギー、ｑを１電子の電信どすると、 となる。利得ＧＩｔは電子・正孔対の寿命τ、および電
子の通過時間τ、によって表わされる。角周波数ωで変
調される光信号の場合、光導電ヒルの利得はほぼ次の式
で表わすことができる３、測定した結果、電極間の空隙
が２０柳でありＧａ１ｎΔ５−ＧａＡｓから成る含歪材
わｌで形成した光導電セルの利４町ｌは、バイアス電Ｌ
＋： ２ Ｖに関して１０３に達Ｊることが証明された
。その結果、電子・正孔対のノー命は数百ナノ亡カント
に及び、使用周波数が１ Ｍ ｌ−Ｉ Ｚ近辺またはそ
れ以上の場合、＞Ｉ′、導・七ヒルの利得は次のＪ：う
に表わされる。 ＧＲ″′。□。 ＋Ｊ′なわら、利得と帯域幅の積がはぼ１／２πτＬに
なる。 Ｑａ ｌ ｎＡｓにＪ３ける電子の移動度を測定したＩ
ｖ’＋ ’Ａ、３００”Ｋ Ｆ ５０００ＣＩ１１２
／Ｖ、 Ｓ、稈Ｉｆｆ テｌｙ＞ ルコトが分かった。 従ってバイアス電圧が２ｖの時、Ｔｉ極間距−１が２０
１ＪＪｎの光ηミセルの利１１７と帯域幅の積はほぼ０
．５ＣＩｔ Ｚになる。この値は実験的に（りだ数１直
と完全に合致ηるちのである。光導電セルの利（１〕に
１−ラジスクの電流利ＩＵ Ｇ ｏを１１ト（）る、１
電流利ｉ！？ Ｇ ｏは等価の電気回路を解析した結果
、Ｃｏｑ−Ｃ１ｈ十Ｃｇ とする時に、 で表わされる。 別の特性化を行なった結果、Ｒｏ、の値と集積回路の１
７Ｊツ１〜オフ周波数の値がそれぞれ約５０Ωと数Ｇ
ｌ−ｌ ｚになった。カットオフ周波数は木質的にトラ
ンジスタゲートのギＶバシタンスＣ９ｈによるものであ
ることに注意を要する。従って約１０ Ｈｌまたはそれ
以下の周波数における光検出ヘッドの総利得を次のよう
に表わせることになる。 この結果が証明するように、電流利（すは１ヘランジス
タのトランスコンダクタンスｇ、と比ＶＡりる。 また、ｌ−ランリスタの寸法でゲートを２−Ｘ９００−
とする結果、ｇ□の値が５０ｍ５より高くなることが説
明される。従ってこのような構成の集積回路は、利得と
帯域幅との積がＩ Ｇ ｌ−１ｚ〜１．５Ｇｌ−ｉｚの
範囲内にあることによって特徴付けられる。電極間距離
が非常に小ざくく１〜９９ＪＪＭ）かつ内部抵抗の高い
（９９にΩ）光導電セルを使用し、かつ１〜ランスコン
ダクタンスｌｌａｑｍの高いトランジスタ（例えば櫛形
構造のトランジスタ）を使用づることにＪ、って、これ
らの性能を向上できることは明らかである。内部抵抗を
高くする方法の１つについては先にも言及したが、これ
はＧＱＡＳバッフ１層の上にＱａｌｎΔＳを成良さける
ことから成る。この！場合、光検出ヘッドの性能を１０
１８向上り−ることも可能なはずである。 装置の性能においてもう１つ重要な要素がノイズ性能で
ある。金工材ｒ３Ｉを成長させること（ま実際ｔこ（よ
欠陥や１ヘラツブを作る一因どなり、イれによっでトラ
ッピング・ブトラッピング時のノイズレベルを高くする
ことがある。実線の結果、１００Ｍ ＨＺ以下の周波数
において１／ｆと高いノイズレベルが存在することが判
明した。それ以上の値になφと、実際上ナイキスト熱ノ
イズ（Ｎｙｑｕｉｓｔｔｈｅｒｍａｌ ｎｏｉｓｅ ）
と同じノイズになる。この結果は非常に重要であり、光
導電素子にＧａＡｓ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を
Ｎ＋随させたモノリシック集積化光検出ヘッドの能力が
、１ドに従来のハイブリッド回路にＩｆｌ Ｔか優つで
いるというだりでなく、１００Ｍ Ｈｚから５０ Ｌｌ
ｚの範囲内の光学遠隔通信帯域幅において金工材料を
使用しでしその能力が１【１われないことを証明してい
る３゜先にもホしたように、砒化ガリウムインジウム層
５の組成は、ガリウム４７％、インジウム！〕３％の比
率である。 ところが第６図に示した本発明の選択的実／＋ｌ！！！
’！ｊ様によると、ガリウムインジウムの比率をガリｒ
クム×％、インジウム（１００−Ｘ ）％とした複数の
砒化ガリウムインジウム層によって層５ど層３を分列す
ることができる。ｌｈ数Ｘμ層５に隣接する府６から層
３へ向かって層７、層８と、４７％から１００％」、で
徐々に大きい値をとるように１−る。これら中間層６，
７．８はそれぞれほぼ１００人の厚さを有する。従って
次のような層の順序となる。各層の厚さは例示的に示し
たものである。 ｅと１ＪＪ！Ｒ Ｘは０．４７から１まで変＋）Ｊ ； （０２１００八
） ｃ２２０００人２０００人 Ｃ上４ｕ！Ｒ 上記のような構造は、砒化ガリウムインジウムに’１５
（ＧａｌｎＡｓ）と砒化ガリウム層３との間で不整合を
生ずる危険性を防止する働ぎをする。 第７図は第１図の１４１人例を詳細に示す図である。 従ってこの図においても、基板９、砒化ガリウムバッフ
ァ’ Ｇ １、ｎドープ砒化ガリウム層２、ｎ１ド一プ
砒化ガリウム層３、および光導電索子１０を形成する砒
化ガリウムインジウム層５が示されている。光１ｆｆｌ
素子１０の両側および層２，３の両側面が絶縁性材ｐ１
３５．３６で被覆されている。 電極１１．１２が２つのオーミック接点の形で設けられ
ており、ＡｕＧｅＮ ｉのような負金属合金から形成り
′る。電極の厚さはほぼ２０００人である。前記電極の
分離空隙がほぼ２０韓、幅は８０／１１１１１１であり
、はぼ２０＊ Ｘ Ｂｏｘの感光領域を形成している。 数Ｇ Ｈ１に達する周波数での増幅を良好にするために
、電界効果トランジスタ２０に２ｐ×９００−のゲート
を設ける。このゲートはチタン層（５００Å）、プラチ
ナ層（３００人）、チタンが（３００人）、金層（２０
００人）で形成することができる。 第８図に示すＪ：うに、電解効果トランジスタ２０が光
導電索子１０を取囲んでいる。この図では電極と配線も
示しているため、光導電索子１０が幅ａの空隙で分離さ
れている電極１１．１２を備えていることも分かる。電
極１１，１２の幅はｂである。ａとｂの寸法によって、
光５！９電索子１０の感光面積が決定される。 ソース電極２４が光導電素子１０の三方を取囲んでおり
、配線３０によって前記素子１０の電ｔ！ｉ１２に接続
されている。 ゲー１〜２２がソース２４を取囲んでおり、配線３１に
よって光導電素子１０の他方の電極１１にその両端を接
続されている。 ｋｉ後にドレン２３がゲート２２を取囲／ｖでいる。 ソース２４、ゲート２２、ドレン２３ににつて形成され
るトランジスタ２０と光［ｆ素子１０との間を結ぶ配線
３０．３１は、厚さ２０００人の金またはＡｕＧｅＮ
ｉなどの金属材料で形成される。これらの配線は誘電体
層によって残りの部ヅ）から絶縁される。 次に第９〜１４図を参照しながら、以上に説明した光検
出ヘッドの本発明による製造方法の１例について説明す
ることにする。 第１段階においては、半絶縁性砒化ガリウム基板９の上
に下記の層を順次形成する。 −Ｑ図的にはドープしない、またはドープしていない厚
さ約４Ｊｍでバッファ層の機能を果す第１の砒化ガリウ
ム層１゜ −例えば１０１７原子／ ａｓ ３と低濃度にｎドープ
した厚さ約２０００人の第２の砒化ガリウム層２゜−例
えば１０１８原子／ ｃｍ ３と高濃度にｎ＋ドープし
た厚さ約２０００人の第３の砒化ガリウムＦｊ３゜−意
図的にはドープしていない厚さ約１１ＪＩＲ以上の第４
の砒化ガリウムインジウム層５゜こうして第９図に示し
た構造を得る。 これらの層は周知のエピタ１−シｔｌル成艮法によって
形成する。より詳細には、この方法はＭＯ（〕ＶＤ（金
属心機物化学蒸着法）とｂ叶ばれる気相エビタ１シャル
成（を法である。エピタキシＩＩル堆積は５０ミリバー
ルから５００ミリバールの圧力下で温磨４００〜８００
℃で行なうことができる。 堆積Ｍ度【よエピタキシＸ・ル成良する材料と幕板との
間の整合がｔ）られるＪ：うに選択する。 第１０図に示す第２段階では、砒化ガリウムインジ・ク
ム層５を光導電素子形成領域に対応してメリになるＪ：
うにエッチする。このη業はイオンビーノーエツチング
技術によって行なうことができる。 第１１図に示す第３段階においては、検出ヘッド形成領
域を分離するように砒化ガリウム層１，２．３をエツチ
ングする。この作業もイオンビームエツチングにＪ：つ
て実施できる。 第１２図に示寸第４段階では、メサ形砒化ガリウムイン
ジウム層５の上に空隙ａをあｔノてオーミック接点１１
と１２を形成し、また電界効果トランジスタのソースと
ドレン用のオーミック接点２３．２４を形成覆る。ポリ
イミドのような絶縁性材料をＶＩ３５゜３６の形で堆積
づることにより、砒化ガリウム各層と接点を相互に確実
に絶縁する。 第１３図に示す第５段階においては、イオンビーム加工
によって砒化ガリ１クム層のソース２４どドレーン２３
の間に位置する個所に空洞２１を形成する。 この空洞は電界効果１−ランリスタのゲートを形成する
ためのものである。前記空洞の占める面積を２虜ｘ９０
０１ＪＩｌより大きくして、この大きさの１−ランリス
タゲート電極を形成できるようにづる。この段階で絶縁
体３５にも加二Ｉ：を施して外部接続を１′７なえるよ
うにする。 第１４図に示寸第６段階においては、空洞２１の底部に
ゲート電極２２を形成する。配線３４のにうな外部接続
部も形成される。 最後に第７段階において、ポリイミド等の絶縁性４４利
の層（不図示）を堆積した後に配線３０．３１を形成す
ることにより（または接点を厚くすることにより）第７
図に示した光検出ヘッドをＮ ＃’、１する。 本発明の方法によると、Ｇ ａ Ｉ ｎＡＳ層をエツチ
ングした後Ｇ ａ Ａ Ｓ層が露出されるために電界効
果１−ランリスタを製造することが可能となる。 ２回目のＧａΔＳバッファ層に達するエツチングは、各
素子を相りから分離する＠きをする３、光導電セルと１
ヘランジスタの間の配線（光）９電ヒルの一方の電極を
ソースに、他方の電極を］−ランジスタゲ−１〜に接続
づる必及ｌメある）は、半導体材料の上に堆積した誘電
体層の上に金を堆積して形成する。試作品において堆積
した材料はポリイミドである。これを１「積することに
よって、金届配線号導電性の高いＧａＡｓ活性層から絶
縁することができる。試作品では、電界効果トランジス
タが光導電セルを取囲むように構成することにＪ：って
集積回路を最大限小型化することができた。第８図から
明確に分かるように、トランジスタのソース、ドレンお
Ｊ：びゲートが三方から光導電セルを取囲／υでいる。 ゲート長は２−であり、展開幅は９００ｉＪＩｎである
。これらの寸法は、前置増幅効率を向上するに足る高い
値のトランスコンダクタンスを獲１！？できるＪ：うに
選択したものである。 但し、この場合にも他の構造のｉ−ランリスタ（例えば
櫛形構造）を使用して、特に信わ３−１ノイズ比に関し
て最適１１１１首増幅を達成することｂでさる。このＪ
：う４７選１１り的構造（まＡ＼発明の光検出ヘツドの
基本原理を何ら変更するものではない。 第３図に示した選択的実施態様に関して注目に値するの
は、上）ホの製造方法で、第１段階において砒化ガリウ
ムインジウム層５を形成りる前に燐化インジウム層４の
形成を行なう点である。また燐化インジウム層の存在に
Ｊ：って、前記層５のイオンビーム加工が簡単になる。 これと同様に第６図の選択的実施態様を実／Ｉｌ！ｌ！
ｊる場合も、第１段階に砒化ガリウムインジウム（Ｇａ
Ｉ ｎ（１−ｘ） Ａｓ）層（６，７，８） ヲ、
先に説× 明した通り層５．６．７．８のＸの値を変えながら順次
堆積する必要がある。 最後に第４図の選択的実施態様の場合は、第１段階の砒
化ガリウムインジウム層５の形成前に中間段階を段ｔプ
、この中間段階にＪ３いて光導７ｔｉ累子１０を受容づ
゛る凹所１３をイオンビーム加工ににり砒化ガリウム層
１，２．３の中に形成する必要がある。 第４図の選択的実施態様は、第３図と第４図の選択的実
施態様を併合して、燐化インジウム層を用いて実施する
こともでさることを明らかにしておく必要がある。この
時第４図の選択的実施態様の！ｌＪ造方法において、第
１段階の凹所１３の形成後の砒化ガリウムインジウム層
の形成前に、燐化インジウム層の形成も含ませることに
なる。 同様に第４図の選択的実施態様は、第６図に関して説明
したような砒化ガリウムインジウムから成る一連の中聞
層によって達成することもできる。 この時の構成方法では、第１段階での凹所１３の形成後
にこれらの層６，７．８を形成することを考えねばなら
ない。こうして第４図と第６図の実施態様を併合した構
成を得ることができる。 このように、本発明による光検出器と増幅器のモノリシ
ック集積化は、電界効果トランジスタを構成するＧａＡ
ｓ層と １．３−と１．５５μｓの波長の光検出を可能
にするに足る厚さく＞１＊）のＱａ ｌ ｎＡｓ層の両
方を含む＋Ｆｊ殊なエピタキシャル成長法を使用するこ
とによって達成されるのである。 ＧａＡＳとＧａ ｌｎ Ｏ，４７０，５３の結晶格子の相違 から、こうして１！７られる＋、４ 料は金工材料であ
ると予測される。ところが、本発明による方法の応用に
関する最近の研究から、この種の金工材わｌの実行可能
性が証明された。従って同一の集積回路の上に、１．３
ＩＪＩＲおよび１．５５１７１１１１光検出鼎とＧ ａ
ΔＳ電界効！ｌ！ ｌ−ランリスタを備えた増幅器とか
ら成る完全にかつしノリシックに集積化された光検出ヘ
ッドを形成り゛ることが可能になったのである。 結論として本発明による光検出ｌ＼ラッド主な利点は、
ヘテし】コービタＡ−シ１１ル成艮にＪ：つてブレーナ
七ノリシック集積化を゛達成し、１３ＩＪｊＲと１．５
５ＩＪＩＩＫの波長で使用で・きる点にあるとＪｊえる
。 特に、ヘテロエピタキシャル成長はＩＧ＋−（Ｚ近辺の
周波数においても光検出器のノイズ性能を損わないとい
う事実が証明されている。 この他にも、本発明は次のような点で改良を行なってい
る。 一光導電素子を櫛形電極を用いて形成するという基本概
念により、利得が増大する他に感光度の向上、通過時間
の短縮化が可能となる。 −蓚化ガリウムインジウム材料を直接砒化ガリウムバッ
ファ層に注入することにより光導電素子の暗抵抗が増加
する。 以上の記載は本発明の応用例を示したものにすぎず、ま
たその中で挙げた数値も、説明の都合上１つの指針とし
て挙げたものにすぎないことは明らかである。
第１図は本発明による光検出ｌ＼ラッド構成例の１つを
示寸図、第２図は本発明による光検出ヘッドの回路図、
第３図と第４図は本発明ににる光検出ヘッドの選択的実
施態様を示す図、第５図１１木は発明による光検出ヘッ
ドの簀価回路図、第６図は本発明による光検出ヘッドの
さらに別の選択的実施態様を示Ｊ−図、第７図は第１図
の光検出ヘッドの計則断面図、第８図は本発明による光
検出ヘッドの平面図、第９から１４図は本発明にＪ、る
光検出ヘッドの構成方法の各段階を示η図である。 １〜３・・・・・・砒化ガリウム層、５・・・・−・砒
化ガリウムインジウム層、９・・・・・・基板、１０・
・・・・・光導電セル、１１ 、１２・・・・・・電極
、２０・・・・・・ｉ〜ランジスク。 ＪＩＪ
示寸図、第２図は本発明による光検出ヘッドの回路図、
第３図と第４図は本発明ににる光検出ヘッドの選択的実
施態様を示す図、第５図１１木は発明による光検出ヘッ
ドの簀価回路図、第６図は本発明による光検出ヘッドの
さらに別の選択的実施態様を示Ｊ−図、第７図は第１図
の光検出ヘッドの計則断面図、第８図は本発明による光
検出ヘッドの平面図、第９から１４図は本発明にＪ、る
光検出ヘッドの構成方法の各段階を示η図である。 １〜３・・・・・・砒化ガリウム層、５・・・・−・砒
化ガリウムインジウム層、９・・・・・・基板、１０・
・・・・・光導電セル、１１ 、１２・・・・・・電極
、２０・・・・・・ｉ〜ランジスク。 ＪＩＪ
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 （１）光導電セルと前記光導電セルに接続されている増
幅器とが設けられている集積光学的に構成された光検出
ヘッドであつて、 −光導電セル素子がガリウムとインジウムをｘ対１−ｘ
の比率で含有する砒化ガリウムインジウム（Ｇａ＿ｘＩ
ｎ＿（＿１＿−＿ｘ＿）Ａｓ）層で形成されており、こ
の時のｘはこの材料と燐化インジウムの格子定数が実質
的に等しくなるように０〜０．４７の間であり、前記砒
化ガリウムインジウム層が意図的にはドープしていない
砒化ガリウム、（ＧａＡｓ）半導体層上に形成されてお
り、 −前記増幅器が前記意図的にはドープしていない砒化ガ
リウム（ＧａＡｓ）層上に形成されている電界効果トラ
ンジスタを含んでいる、光検出ヘッド。 （２）第１ｎ形ドーパント濃度を有し低濃度にドープし
た第１の砒化ガリウム層と第２ｎ＾＋形ドーパント濃度
を有し前記第１の層より高濃度にドープした第２の砒化
ガリウム層とを設けた基板の上に前記電界効果トランジ
スタが形成されており、ゲート配線を第１の層に接続す
る一方でドレンおよびソース配線がゲート配線の両側で
第２の層に接続されている、特許請求の範囲第１項に記
載の光検出ヘッド。 （３）前記光導電セルに前記電界効果トランジスタのゲ
ート配線に接続される第１電極とソース配線に接続され
る第２電極とが設けられている、特許請求の範囲第２項
に記載の光検出ヘッド。 （４）砒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＡｓ）層が前
記第２の砒化ガリウム（ＧａＡｓ）層上に配置されてい
る、特許請求の範囲第３項に記載の光検出ヘッド。 （５）前記砒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＡｓ）層
と前記第２の砒化ガリウム層との間に燐化インジウム層
が配置されている、特許請求の範囲第４項に記載の光検
出ヘッド。（６）前記砒化ガリウムインジウム層が１対
１−ｘの比率でガリウムインジウムを含有しており、ｘ
の値が０．４７である、特許請求の範囲第１項に記載の
光検出ヘッド。 （７）砒化ガリウムインジウム層の厚さが１μｍより大
きい、特許請求の範囲第１項に記載の光検出ヘッド。 （８）前記光検出ヘッドがｘ対１−ｘの比率でガリウム
とインジウムを含有する砒化ガリウムインジウムから成
る複数の中間層から形成され、ｘの値が前記砒化ガリウ
ムインジウム層に最隣接の層から前記第１の砒化ガリウ
ム層に最隣接の層へと０．４７から１まで変化する、特
許請求の範囲第６項に記載の光検出ヘッド。 （９）前記燐化インジウム層の厚さが２０００Åより大
きい、特許請求の範囲第５項に記載の光検出ヘッド。 （１０）各中間砒化ガリウム層の厚さがほぼ１００Åで
ある、特許請求の範囲第８項に記載の光検出ヘッド。 （１１）前記ｎドープした第１の砒化ガリウム層の厚さ
がほぼ２０００Åである、特許請求の範囲第２項に記載
の光検出ヘッド。 （１２）前記ｎ＾＋ドープした第２の砒化ガリウム層の
厚さがほぼ２０００Åである、特許請求の範囲第２項に
記載の光検出ヘッド。 （１３）前記電界効果トランジスタが光導電素子を取囲
んでいる、特許請求の範囲第１項に記載の光検出ヘッド
。 （１４）特許請求の範囲第１項に記載の光検出ヘッドの
製造方法であつて、 半絶縁性基板の上に意図的にはドープしていない砒化ガ
リウムの第１層と低濃度ドープした砒化ガリウムの第２
層とｎ濃度ドープした砒化ガリウムの第３層と砒化ガリ
ウムインジウム（Ｇａ＿ｘＩｎ＿（＿１＿−＿ｘ＿）Ａ
ｓ）の第４層とを形成する第１段階と、 前記砒化ガリウムインジウムの第４層においてメリエッ
チを行なう第２段階と、 前記３つの砒化ガリウム層をエッチングして検出ヘッド
形成のための箇所を設ける第３段階と、前記砒化ガリウ
ムインジウムの第４層の上にオーミック接点を形成する
と共にトランジスタのソースとドレンの上にもオーミッ
ク接点を形成し、さらに砒化ガリウム層を絶縁するため
に絶縁性材料を堆積する第４段階と、 その底部にトランジスタゲートを構成する空洞をソース
およびドレンのオーミック接点の間で砒化ガリウムの層
に加工する第５段階と、 前記空洞の底部にゲート電極を形成する第６段階と、 光導電素子の一方のオーミック接点とソース接点との間
と、光導電素子の他方のオーミック接点とゲート電極と
の間にそれぞれ配線を形成する第７段階とを順次に含ん
で成る、即ち光検出ヘッドの製造方法。 （１５）第１段階の各種の層を気相エピタキシャル成長
によつて形成する、特許請求の範囲第１４項に記載の製
造方法。 （１６）前記第２、第３、第５段階で実施するエッチン
グ操作をにイオンビーム加工法によつて行なう、特許請
求の範囲第１４項に記載の方法。 （１７）前記第４層に形成されるオーミック接点の幅が
ｂであり、かつ相互に関して距離ａの位置にあり、前記
光導電素子の感光面積が前記ａとｂの寸法で決定される
、特許請求の範囲第１４項に記載の製造方法。 （１８）前記第１段階において、砒化ガリウムインジウ
ムの第４層の形成前に燐化インジウム層の形成を含む、
特許請求の範囲第１４項に記載の方法。 （１９）前記第１段階において、第４層の形成前にガリ
ウムとインジウムを１対１−ｘの比率で含有する砒化ガ
リウムインジウム（Ｇａ＿ｘＩｎ＿（＿１＿−＿ｘ＿）
Ａｓ）から成る複数の中間層の形成を行ないｘの値を前
記砒化ガリウムインジウム層に最隣接の層から砒化ガリ
ウムの第１層に最隣接の層へと０．４７から１まで変化
させる、特許請求の範囲第１４項に記載の方法。 （２０）前記第１段階において、第３層の形成前に光導
電素子形成予定個所に凹所を形成することを含む、特許
請求の範囲第１４項に記載の方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8602583A FR2595007B1 (fr) | 1986-02-25 | 1986-02-25 | Tete de detection optique realisee en optique integree et procede de realisation |
| FR8602583 | 1986-02-25 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62204571A true JPS62204571A (ja) | 1987-09-09 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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|---|---|
| EP (1) | EP0235029A1 (ja) |
| JP (1) | JPS62204571A (ja) |
| FR (1) | FR2595007B1 (ja) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6351681A (ja) * | 1986-08-20 | 1988-03-04 | Agency Of Ind Science & Technol | 半導体装置 |
| US5170228A (en) * | 1988-02-29 | 1992-12-08 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Opto-electronic integrated circuit |
| US4996163A (en) * | 1988-02-29 | 1991-02-26 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Method for producing an opto-electronic integrated circuit |
| FR2634066A1 (fr) * | 1988-07-05 | 1990-01-12 | Thomson Csf | Dispositif optoelectronique realise en optique integree et procede de realisation |
| EP0392373A3 (de) * | 1989-04-14 | 1992-10-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Schaltungsanordnung zum potentialfreien Ansteuern eines Feldeffekttransistors |
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| WO2016032538A1 (en) | 2014-08-30 | 2016-03-03 | Innovative Building Technologies, Llc | Diaphragm to lateral support coupling in a structure |
| MX2018010280A (es) | 2016-03-07 | 2019-02-20 | Innovative Building Tech Llc | Pared comun prefabricada con caractersticas de acoplamiento de conducto externas. |
| CN109073240B (zh) | 2016-03-07 | 2021-07-20 | 创新建筑技术有限责任公司 | 用于建筑物的无平板楼面系统的楼面和天花板面板 |
| CN109072612B (zh) | 2016-03-07 | 2021-08-06 | 创新建筑技术有限责任公司 | 预组装的壁板、多楼层建筑物、建造公共设施壁的方法 |
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