JPS6237979A

JPS6237979A - 発光・受光集積素子

Info

Publication number: JPS6237979A
Application number: JP60177150A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Eda; 江田　和生; Nobuo Nakayama; 中山　信男; Masahiro Nagasawa; 長沢　雅浩
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1985-08-12
Filing date: 1985-08-12
Publication date: 1987-02-18
Anticipated expiration: 2010-03-06
Also published as: JPH0719917B2

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】産業上の利用分野本発明は同一構造、同一組成で、一方を発光に、他方を
その反射光の受光、検出に用いることのできる発光・受
光集積素子に関するものである。

従来の技術従来ファクシミリや複写機などの、文字、画像読み取り
用検出器として、外部より光をあて、その反射光をホト
ダイオードで読み取る方法が知られている。また外部の
光源として、発光ダイオードを用いる方法も知られてい
る。しかし、同一基板上に、同一構造、同一組成で、発
光、受光の両方に使用可能なダイオードを集積したもの
で良好な特性を示すものは得られていない。これは以下
の理由による。

従来の発光素子（発光ダイオード）の構造を第４図に、
従来の受光素子（アバランシェホトダイオード）の構造
を第５図に示す。まず第４図において、１０はｎ型Ａ　
ｌ　ｘＧａ　１−ｘＡｓ　　（ｘ−０，０３）、１１は
ｎ十型Ａ　Ｉ　ｘＧａ　１−ｘＡｓ、１２はｐ十型ＡＩ
　Ｘ　Ｇ　ａ　ｌ　　ｘ　Ａ　Ｓ　％　１３．１４はオ
ーミック電極である。オーミンク電極１４を正に、オー
ミック電極１３を負にバイアスすると、ｐｎ接合界面で
、注入された電子とホールの再結合がおこり発光する。

次に第５図において、１５はｐ＋型Ａ　Ｉ　ｘＧａ　１
−ｘＡｓ、１６ばｎ型Ａ　Ｉ　ｘＧａ　１−ＸＡ１．１
７はｎ＋型ＡｌＸＧａ１−ｘＡｓ、１８．１９は電極で
ある。電極１８を負に、電極１９を正にバイアスし光を
端面から入射させると、この光によりちょうどｎ型Ａ］
ｘＧａｌ−ｘＡｓ１６、ｎ十型Ａ　Ｉ　ｘＧａ　１−ｘ
Ａｓ１７の界面で励起された電子は、ｎ型ＡｔｘＧａｌ
−ｘＡｓ１６のｎ領域をｐ十型Ａ　ｌ　ｘ　Ｇ　ａｌ−
ｘＡｓ１５にむけて走行する過程で、アバランシェ効果
により増倍し、ｐ十型Ａ　Ｉ　ｘＧａ　１−ｘＡｓ１５
をへて電極１８に集められ、電流となって流れる。

第４図の実施側の発光ダイオードは、ＡｌｘＧａ　１−
ＸＡＳの組成として、ｘ　＝０．０３としており、この
時の発光波長はＡ］ｘＧａｌ−ｘＡｓのエネルギーバン
ドギャップに対応して、約０．８ｕｍとなる。一方、第
５図の実施側のアバランシェホトダイオードにおいて、
Ａ　ｌ　ｘＧａ　１〜ｘＡｓの組成を発光ダイオードの
例と同じ（ｘ　＝０．０３とすると、やはりＡ　！　ｘ
Ｇａ　１−ｘＡｓのエネルギーバンドギャップに対応し
て、約Ｑ、８ｕｍに感度を有するホトダイオードとなる
。

しかしこの発光ダイオードで発光させた光を、このアバ
ランシェホトダイオードで受光すると、感度がほとんど
得られない。このことは以下の理由による。

ｘ＝０．０３のＡ　Ｉ　ｘＧａ　１−ＸＡＳのエネルギ
ーバンドギヤツブは室温で、１．４６１４　ｅ　Ｖであ
り、これに対応する光の波長は、０．８４８ｕｍである
。したがってこれより短波長の光が励起されるわけで゛
　あるが、実際の従来側の発光ダイオードの発光中心波
長はこれよりも、はんのわずかに短波長側にあるにすぎ
ない。これはあまり短波長の光は発光部から結晶の外部
にでるまでに吸収されてしまうからである。一方、従来
側のアバランシェホトダイオードの場合には、感度の中
心が０．８４８ｕｍよりもかなり短波長側にある。これ
はエネルギーバンドギャップ相当ギリギリの光で励起で
きる電子の数が少ないからである。

以上の理由から、同一組成（同一エネルギーバンドギャ
ップ）の従来の発光ダイオードとアバランシェホトダイ
オードとを同一基板に集積して、発光ダイオードで発光
した光の反射光をアバランシェホトダイオードで受光し
ようとしても、発光波長の中心が、受光波長の中心より
も長波長側となるため、充分な数の電子パホール対を形
成することができず、従って充分な感度が得られなかっ
た。

発明が解決しようとする問題点このような従来の方法では、同一構造、同一組成の素子
を集積して一方を発光に他方をその反射光の受光に用い
ることはできなかった。

本発明はかかる点に鑑みなされたもので、同一構造、同
一組成でありながら、一方を発光に、他方をその反射光
の受光に使用しても充分に感度の得られる発光、受光集
積素子に関するものである。

問題点を解決するための手段本発明は上記問題点を解決するため、ｐ型（ｐ十型）領
域とｎ型（ｎ十型）領域の接合部の、ｎ型領域に近い側
のエネルギーバンドギャップを、ｎ型領域に近い側のエ
ネルギーバンドギャップよりも小さい構造の素子を複数
個、同一基板上に集積し、発光を接合部のｎ型領域に近
い側でおこなわせ、その反射光の検出を、接合部のｎ型
領域に近い側でおこなわすことによって、発光および反
射光の検出を感度良く同一構造、同一組成でできるよう
にしたものである。

作用本発明は上記構造により、同一構造、同一組成なので、
集積しやすく、またいずれの素子を発光、受光に用いて
も良い。

実施例第１図は本発明の一実施側の構造図である。図において
、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２はｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡ
ｓ層、３は接合部、４はｐ型Ａ１ｙＧａｌ−ｙＡｓ層（
ｘ＞ｙ）、５．６はオーミック電極である。ｐ型ＡＩｙ
Ｇａｌ−ｘＡｓ４は１・１０１９のアクセプタ濃度を有
し、ｎ型ＡＩｘＧ−６〜ａｌ−ｘＡｓ２は５・１Ｏ１６のドナー濃度を有してい
る。本実施例では、ｘ−０，０３、ｙ＝０．０１とし、
接合部３はＡＢ７４度を０．０３からＯ１旧にゆるやか
に変化さ−Ｕた。

ｎ型層　ａ　Ａ　Ｓ　Ｍ板１の厚みは４００ｕｍ、ｎ型
層２は２ｕｍ、接合部３は２ｕｍ、ｐ型層４は１ｕｍと
した。

次に素子の製造方法について述べる。ｎ型ＧａＡｓ基板
の上に、分子線エピタキシーによりｎ型層　Ｉ　ｘＧａ
　］−ＸＡＳ層２、接合部３、ｐ型ＡｌｙＧａ　１−ｙ
Ａｓ層（ｘ＞ｙ）４の各層を所定の厚さに成長させた。

分子線エピタキシーを用いれば、接合部３の領域でＡＩ
ｆｉ度を連続的に変えることは容易である。

つぎに本実施側の素子の動作について述べる。

第１図において、電極６Ａを正に、電極５Ａを負に、ま
た電極６Ｂを負に、電極５Ｂを正にバイアスする。その
場合、発光部８の領域で発光が起り、反射対象物７の対
象物に光があたり反射する。反射光のうち受光部９に到
達した光はここで吸収され、電極５Ｂ、電極６Ｂ間を電
流となって流れる。

この電流を検出することにより、反射対象物７の対象物
の表面状態を検出することができる。

本実施側の素子のエネルギーバンｌ′図を第２図および
第３図に示す。第２図は発光部のエネルギーバンド図で
、ｎ型半導体層４を正に、ｎ型半導体層２を負にバイア
スしている。ｎ型半導体層４のＡＩｙＧａｌ−ｙＡｓ　
　（ｙ＝０．０１）よりも、ｎ型半導体層２のＡ　ｌ　
ｘＧａ　１〜ｘＡｓ　　（ｘ＝０．０３）のほうがエネ
ルギーバンドギャップが大きい。また接合部ではエネル
ギーバンドギャップがゆるやかに変化している。

、この場合電子が２側から、またホールが４側から注入
される。ｐ型領域のアクセプタ濃度は、１・１０′９と
大きく、ｎ型領域のドナー濃度は、５・１０１６と小さ
いため、再結合は主として少ないほうのキャリア、すな
わち電子によって支配され、その注入側で起る。従って
、この時の発光波長は、接合部３のｎ型領域に近い側の
エネルギーバンドギャップに対応した波長となる。

一方、受光の場合のエネルギーバンドは第３図に示すよ
うになる。この場合ｐ型半導体層４を負に、ｎ型半導体
層２を正にバイアスしている。ここに光があたると、電
子ホール対が形成される。

生成された電子とホールはそれぞれ接合部３をドリフト
し高電界のもとではアバランシェブレークダウンをおこ
して、電子およびホールをそれぞれ増倍させる。本実施
側の場合、電子の活性化率のほうが、ホールの活性化率
よりも大きいため、電子のアバランシェブレークダウン
でほとんど感度がきまってしまう。アバランシェブレー
クダウンをおこすには、電子を加速するに充分な走行距
離が必要であり、したがって第３図の場合には、接合部
の中で、ｎ型半導体層４の近くで励起された電子が最も
有効に作用する。ところでこの部分のエネルギーバンド
ギャップは第２図で示す発光部分のエネルギーバンドギ
ャップよりも小さい。すなわちアバランシェブレークダ
ウンに寄与する波長は、ｎ型半導体層４の半導体エネル
ギーバンドギャップに対応した波長となる。

従来側の説明のところで述べたように、受光の場合は対
応するエネルギーバンドギャップより短波長側に中心を
有しているため、同一エネルギーバンドギャップの半導
体から発光する光に対してはごく微弱の感度しか有して
いないが、本実施側のように、受光部のエネルギーバン
ドギャップのほうが、発光部のエネルギーバンドギャッ
プよりも小さい構造となっておれば、少しエネルギーバ
ンドギャップの大きいところからでる光に対して、調度
良い感度をもたせることができる。

実際本実施側の素子を用いて、発光およびその反射光の
受光を行なった結果、非常に良好な感度を示した。

本実施例では発光素子も受光素子も同一の構造を有して
おり、多数の素子を容易に集積することができた。

また本実施例では、Ａ　ｌ　ｘＧａ　１−ｘＡｓ、　Ｇ
ａＡｓを用いたが、他の材料、たとえばＩ　ｎＧａＡＳ
％　ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＰ系ｍ−ｖ化合物半導体
材料を用いれば、その組成を変えることによって、容易
にエネルギーバンドギャップをかえられることから、本
実施例と同様に形成でき、また同様の効果の得られるこ
とは明らかである。

発明の効果以上述べた如く、本発明は、ｎ型領域と、ｎ型領域と、
接合部から成り、化合物半導体の組成の違いによるエネ
ルギーバンドギャップの違いを利用して、ｎ型領域に接
する側の接合部のエネルギーバンドギャップが、ｎ型領
域に接する側の接合部のエネルギーバンドギャップより
も大きく、該ｐｎ接合を順バイアスした時に、該ｎ型領
域に接する側の接合部を中心に発光し、該ｐｎ接合を逆
バイアスした時に、該ｎ型領域に接する側の接合部で生
成された電子・ホール対が中心となって光電流を生じる
ｐｎ接合素子を複数個、同一基板内に有ｊ７、少なくと
も一つの素子を発光に、他の少なくとも一つの素子を、
該発光素子より発して反射してきた光の受光、検出に用
いることによって良好な感度を有する発光、受光集積素
子を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施側の素子の構造図、第２図は本実施側の
発光部のエネルギーハン１図、第３図は本実施側の素子
の受光部のエネルギーハフ１図、第４図は従来の発光ダ
イオ−１の構造図、第５図は従来のアバランシェホトダ
イオートの構造図である。１・・・・・・ｎ型基板、２・・・・・・ｎ型半導体層
、３・・・・・・接合部、４・・・・・・ｐ型半導体層
、５・・・・・・電極、６・・・・・・電極、７・・・
・・・反射対象物、８・・・・・・発光部、９・・・・
・・受光部。代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第１図　　
　　　　１−ｎｑ事扱 υ・・？？を軍導肺層３・・・、４心部４・・Ｐ型半尊棒層Ｂ第２図 ■　４　　　　　　　０第３図Ｏ４■

Claims

【特許請求の範囲】

ｐ型領域と、ｎ型領域と、接合部から成り、化合物半導
体の組成の違いによるエネルギーバンドギャップの違い
を利用して、ｎ型領域に接する側の接合部のエネルギー
バンドギャップが、ｐ型領域に接する側の接合部のエネ
ルギーバンドギャップよりも大きく、該ｐｎ接合を順バ
イアスした時に、該ｎ型領域に接する側の接合部を中心
に発光し、該ｐｎ接合を逆バイアスした時に、該Ｐ型領
域に接する側の接合部て生成された電子・ホール対が中
心となって光電流を生じるｐｎ接合素子を複数個、同一
基板内に有し、少なくとも一つの素子を発光に、他の少
なくとも一つの素子を、該発光素子より発して反射して
きた光の受光、検出に用いたことを特徴とする発光・受
光集積素子。