JPH02183579A - 光機能素子 - Google Patents
光機能素子Info
- Publication number
- JPH02183579A JPH02183579A JP1003441A JP344189A JPH02183579A JP H02183579 A JPH02183579 A JP H02183579A JP 1003441 A JP1003441 A JP 1003441A JP 344189 A JP344189 A JP 344189A JP H02183579 A JPH02183579 A JP H02183579A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ingap
- substrate
- optical functional
- light
- semiconductor film
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- Pending
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- Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
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
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体単結晶基板上に形成された半導体薄膜を
用いて、受光・発光の動作を行う光機能素子に関するも
のである。
用いて、受光・発光の動作を行う光機能素子に関するも
のである。
光機能素子、特に可視から近赤外領域の発光素子の半導
体材料として、ＡＪＧａＡｓ、 ＧａＰ、 ＧａＡｓＰ
、 ＩｎＧａＰ等が用いられている。これらの化合物あ
るいは混晶半導体は、ＧｊＬＡＩ ＧａＰあるいはＩｎ
Ｐ等の基板上にエピタキシャル成長した薄膜が多く用い
られている。その中でもＩｎＧａＰは、その伝導帯構造
から発光効率も高く、かつ欠陥に強いことが知られてお
夛、可視発光材料として注目されている。
体材料として、ＡＪＧａＡｓ、 ＧａＰ、 ＧａＡｓＰ
、 ＩｎＧａＰ等が用いられている。これらの化合物あ
るいは混晶半導体は、ＧｊＬＡＩ ＧａＰあるいはＩｎ
Ｐ等の基板上にエピタキシャル成長した薄膜が多く用い
られている。その中でもＩｎＧａＰは、その伝導帯構造
から発光効率も高く、かつ欠陥に強いことが知られてお
夛、可視発光材料として注目されている。
また、 ＩｎＧａＰ混晶半導体は、Ｓｉ基板上にエピタ
キシャルに成長することが知られており（近藤他、Ａｐ
ｐｌ、 Ｐｈｙｓ、 Ｌｅｔｔ、５３（４）２７９（１
９８８） ） 、 Ｓｉ基板のもつ特徴を有するＩｎＧ
ａＰ薄膜基板が得られるようになっている。すなわち、
Ｓｉ基板は化合物半導体基板（ＧａＡｓ基板等）に比べ
、機械的強度が強く、熱伝導度が高く、かつ大面積基板
が可能である。
キシャルに成長することが知られており（近藤他、Ａｐ
ｐｌ、 Ｐｈｙｓ、 Ｌｅｔｔ、５３（４）２７９（１
９８８） ） 、 Ｓｉ基板のもつ特徴を有するＩｎＧ
ａＰ薄膜基板が得られるようになっている。すなわち、
Ｓｉ基板は化合物半導体基板（ＧａＡｓ基板等）に比べ
、機械的強度が強く、熱伝導度が高く、かつ大面積基板
が可能である。
Ｓｉ基板上のＩｎＧａＰ薄膜の形成方法をまず説明する
。Ｓｉ基板上に直接ＩｎＧａＰを成長させることも可能
であるが、ここではまず組成比の制御の容易なＧａＡｓ
１！：Ｓｉ基板上に緩衝層として成長させた後にＩｎ
ＧａＰ混晶を成長させる方法を説明する。ＣａＡａ緩衝
看は、８１基板上に低温で堆積させ、その後ｃａＡｓの
成長温度である約６００℃に昇温させることによｐ Ｇ
ａＡａを固相成長させた後に、ＧａＡｓを通常の成長条
件で成長させる。その後、ＧａＡｓ ＩＩＣ格子整合す
る組成のＧａｘＩｎｌ−ｘＰ （ｘ 〜０．５ ）を成
長することにより、ＧａＡｓを介して、Ｓｉ基板上にＧ
ａｘＩｎ１−ｘＰ結晶層を得ることができる。この様に
作成したＧａｘＩｎ、ｘＰの結晶性は、ＧａＡ３基板上
のＧａｘＩｎ １−ｘＰに比べると劣るものの、ＰＮ接
合を形成して発光ダイオード（以下ＬＥＤと云う。）を
発光させたものは、十分な発光効率を有しかつその寿命
が長いことが知られている。
。Ｓｉ基板上に直接ＩｎＧａＰを成長させることも可能
であるが、ここではまず組成比の制御の容易なＧａＡｓ
１！：Ｓｉ基板上に緩衝層として成長させた後にＩｎ
ＧａＰ混晶を成長させる方法を説明する。ＣａＡａ緩衝
看は、８１基板上に低温で堆積させ、その後ｃａＡｓの
成長温度である約６００℃に昇温させることによｐ Ｇ
ａＡａを固相成長させた後に、ＧａＡｓを通常の成長条
件で成長させる。その後、ＧａＡｓ ＩＩＣ格子整合す
る組成のＧａｘＩｎｌ−ｘＰ （ｘ 〜０．５ ）を成
長することにより、ＧａＡｓを介して、Ｓｉ基板上にＧ
ａｘＩｎ１−ｘＰ結晶層を得ることができる。この様に
作成したＧａｘＩｎ、ｘＰの結晶性は、ＧａＡ３基板上
のＧａｘＩｎ １−ｘＰに比べると劣るものの、ＰＮ接
合を形成して発光ダイオード（以下ＬＥＤと云う。）を
発光させたものは、十分な発光効率を有しかつその寿命
が長いことが知られている。
受光素子として、Ｓｉ単結晶が用いられている。
Ｓｔ １ｒ−ｐｉｎ Ｋ堆積したものは、逆バイアス耐
圧が高いことからアバランシェ効果を利用したアバラン
シェフォトダイオード（以下ＡＰＤという。）として広
く用いられている。またとのＡＰＤは、高品質かつ均一
な結晶が得られるＳｔ単結晶基板を用いていること、か
つデバイス作成プロセスも比較的容易なことから、大面
積かつ面内で特性の揃ったＡＰＤが得られている。
圧が高いことからアバランシェ効果を利用したアバラン
シェフォトダイオード（以下ＡＰＤという。）として広
く用いられている。またとのＡＰＤは、高品質かつ均一
な結晶が得られるＳｔ単結晶基板を用いていること、か
つデバイス作成プロセスも比較的容易なことから、大面
積かつ面内で特性の揃ったＡＰＤが得られている。
しかしながら、これまでこれらの発光素子としてのＧａ
ｘＩｎ、、Ｐ−ＬＥＤと受光素子としての５ｔ−ＡＰＤ
の利点を利用したデバイスはなかった。
ｘＩｎ、、Ｐ−ＬＥＤと受光素子としての５ｔ−ＡＰＤ
の利点を利用したデバイスはなかった。
他方、画像処理を行う光機能素子としては従来、ＣＯＤ
、フォトディテクターアレイ等の受光素子。
、フォトディテクターアレイ等の受光素子。
ＬＥＤプレイ、液晶パネル等があった。これらは、もっ
ばらＳｉ基板上に形成され、画像は１つ１つの画素子に
分離され、それに対応する受光・発光素子が独立に電気
信号に換えられている。このため、画像としては連続な
ものではなく、素子の大きさに対応したデジタル的なも
のとなっている。また、これらの製法としても、１個１
個の素子を形成する必要があ）、精密な何回かのＳｉ基
板のプロセスを必要としておシ、その簡略化が望まれて
いる。
ばらＳｉ基板上に形成され、画像は１つ１つの画素子に
分離され、それに対応する受光・発光素子が独立に電気
信号に換えられている。このため、画像としては連続な
ものではなく、素子の大きさに対応したデジタル的なも
のとなっている。また、これらの製法としても、１個１
個の素子を形成する必要があ）、精密な何回かのＳｉ基
板のプロセスを必要としておシ、その簡略化が望まれて
いる。
他方、これらの画像の受光−画像表示装置では、受光装
置で受けた情報を電気的時系列信号に換え処理した後、
画像表示装置に変換する。ここで電気的時系列信号は、
コンピュータの高速化に伴い、容易にその揚処理ができ
るようになってきた。しかしながら、多くの画素数を扱
５ため、その速度にも限界が見えている。
置で受けた情報を電気的時系列信号に換え処理した後、
画像表示装置に変換する。ここで電気的時系列信号は、
コンピュータの高速化に伴い、容易にその揚処理ができ
るようになってきた。しかしながら、多くの画素数を扱
５ため、その速度にも限界が見えている。
この様な従来の構造の光機能素子では以下の様な問題点
があった。
があった。
■ 従来の発光素子では、基板に用いている化合物半導
体が大面積化できないために、大面積発光素子が得られ
なかった。
体が大面積化できないために、大面積発光素子が得られ
なかった。
■ 従来の発光素子では、基板に用いている化合物半導
体の熱伝導率が小さいためＫ、高輝度化を図るために発
光素子に大電流を流すと、温度上昇が大きく、高輝度可
視発光が得られなかった。
体の熱伝導率が小さいためＫ、高輝度化を図るために発
光素子に大電流を流すと、温度上昇が大きく、高輝度可
視発光が得られなかった。
■ 従来の画像の発光・受光素子では、画素に対応する
素子を形成するの゛に複雑なプロセスを必要とした。
素子を形成するの゛に複雑なプロセスを必要とした。
■ 従来の画像の発光・受光素子では、画素に対応する
素子を形成するため、時間的、空間的に連続的に変化す
る画像を処理することが出来なかった。
素子を形成するため、時間的、空間的に連続的に変化す
る画像を処理することが出来なかった。
本発明の目的は、これらの問題点を解決する光機能素子
を提供することにある。
を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するため、Ｓｉ単結晶基板の一
方の面上にＩｎＧａＰ混晶半導体膜を積層したエピタキ
シャル半導体基板Ｋ １．いて、前記Ｉ ｎＧａＰ混晶
半導体膜を形成したＩｎＧａＰ混晶半導体はｎ−ＩｎＧ
ａＰ 、 ｐ−ＩｎＧａＰからなるＬＥＤを形成し、前
記ＩｎＧａＰ混晶半導体膜を形成しないＳｉ単結晶基板
の他方の面にｐｉｎ ＡＰＤを形成した構造を有してな
ることを特徴とする。
方の面上にＩｎＧａＰ混晶半導体膜を積層したエピタキ
シャル半導体基板Ｋ １．いて、前記Ｉ ｎＧａＰ混晶
半導体膜を形成したＩｎＧａＰ混晶半導体はｎ−ＩｎＧ
ａＰ 、 ｐ−ＩｎＧａＰからなるＬＥＤを形成し、前
記ＩｎＧａＰ混晶半導体膜を形成しないＳｉ単結晶基板
の他方の面にｐｉｎ ＡＰＤを形成した構造を有してな
ることを特徴とする。
またＳｉ単結晶基板の一方の面上にＩｎＧａＰ混晶半導
体膜を積層したエピタキシャル半導体基板にふ・いて、
前記ＩｎＧａＰ混晶半導体膜を形成したＩ ｎＧａＰ混
晶半導体はｎ−ＩｎＧａＰ 、 ｐ−ＩｎＧａＰからな
るＬＥＤを形成し、前記ＩｎＧａＰ混晶半導体膜を形成
しなりＳｉ単結晶基板の他方の面にフォトトランジスタ
を形成した構造を有してなることを特徴とする。
体膜を積層したエピタキシャル半導体基板にふ・いて、
前記ＩｎＧａＰ混晶半導体膜を形成したＩ ｎＧａＰ混
晶半導体はｎ−ＩｎＧａＰ 、 ｐ−ＩｎＧａＰからな
るＬＥＤを形成し、前記ＩｎＧａＰ混晶半導体膜を形成
しなりＳｉ単結晶基板の他方の面にフォトトランジスタ
を形成した構造を有してなることを特徴とする。
さらに前記Ｓｉ単結晶基板とＩ ｎＧａＰ層の間に、Ｉ
ｎＧａＰよ）禁制帯幅の狭い半導体膜が挿入されている
ことを特徴とする。
ｎＧａＰよ）禁制帯幅の狭い半導体膜が挿入されている
ことを特徴とする。
さらにまた、前記ＬＥＤは量子井戸構造をもつことを特
徴とする。
徴とする。
本発明は、Ｓｉ単結晶基板上にＩｎＧａＰ混晶半導体膜
を積層したエピタキシャル半導体基板において、ＩｎＧ
ａＰ混晶半導体（以後１ｎＧａＰを堆積した方のＳｉ単
結晶基板面を第１の面と称する）がｎ−ＩｎＧａＰ 。
を積層したエピタキシャル半導体基板において、ＩｎＧ
ａＰ混晶半導体（以後１ｎＧａＰを堆積した方のＳｉ単
結晶基板面を第１の面と称する）がｎ−ＩｎＧａＰ 。
ｐ−ＩｎＧａＰからなるＬＥＤを形成し、Ｓｉ単結晶の
第２の面（ＩｎＧａＰ混晶半導体膜のないＳｉ基板面）
にｐｉｎＡＰＤ’を形成した構造をもつことを特徴とす
る光機能素子を基本構造としている。また、ｐｉｎＡＰ
Ｄに換えてフォトトランジスタを形成していること、あ
るいはＬＥＤが量子井戸構造をもつことを特徴とする光
機能素子およびＳｉ基板とＩｎＧａｐ層の間に、ＩｎＧ
ａＰより禁制帯幅の狭い半導体膜が挿入されていること
を特徴とする光機能素子からな如、０本る、■また基板
に用いているＳｉ単結晶の熱伝導率が太きいために、高
輝度化を図るために発光素子に大電流を流しても、温度
上昇が／ノ１さく、高輝度可視発光が得られる、■画素
に対応する素子を形成する必要がなく、特に複雑なプロ
セスを必要としない、■画素に対応する素子を形成しな
いため、連続的に変化する画像を処理することが出来る
などの特徴を有する。
第２の面（ＩｎＧａＰ混晶半導体膜のないＳｉ基板面）
にｐｉｎＡＰＤ’を形成した構造をもつことを特徴とす
る光機能素子を基本構造としている。また、ｐｉｎＡＰ
Ｄに換えてフォトトランジスタを形成していること、あ
るいはＬＥＤが量子井戸構造をもつことを特徴とする光
機能素子およびＳｉ基板とＩｎＧａｐ層の間に、ＩｎＧ
ａＰより禁制帯幅の狭い半導体膜が挿入されていること
を特徴とする光機能素子からな如、０本る、■また基板
に用いているＳｉ単結晶の熱伝導率が太きいために、高
輝度化を図るために発光素子に大電流を流しても、温度
上昇が／ノ１さく、高輝度可視発光が得られる、■画素
に対応する素子を形成する必要がなく、特に複雑なプロ
セスを必要としない、■画素に対応する素子を形成しな
いため、連続的に変化する画像を処理することが出来る
などの特徴を有する。
本光機能素子において、ＡＰＤあるいはフォトトランジ
スタに光が入射することＫより、光による電子−正孔対
が形成され、かつアバランシェ増幅作用あるいはトラン
ジスタ増幅作用に増幅されたキャリヤーがＳｔ基板内に
上下に流れ、その電流はそれに続（Ｇａエエｎ１−エＰ
ＬＥＤＫそのｔま流れる。この電流はよりＬＥＤ発光す
る。
スタに光が入射することＫより、光による電子−正孔対
が形成され、かつアバランシェ増幅作用あるいはトラン
ジスタ増幅作用に増幅されたキャリヤーがＳｔ基板内に
上下に流れ、その電流はそれに続（Ｇａエエｎ１−エＰ
ＬＥＤＫそのｔま流れる。この電流はよりＬＥＤ発光す
る。
第３図ａ、ｂに、５ｔ−ｐｉｎ、 ＧａＡｓ吸収層、Ｉ
ｎＧａＰ−ＬＥＤからなる光機能素子におけるバンド構
造を示し、これを用いてその動作を説明する。
ｎＧａＰ−ＬＥＤからなる光機能素子におけるバンド構
造を示し、これを用いてその動作を説明する。
本光機能素子の第１の結晶面を第２の結晶面に対して、
＋Ｖボルトに印加することＫよ）、半導体のバンド構造
は第３図ａのようになる。５ｉ−ｐｉｎハ逆バイアス、
ＩｎＧａＰ−ＬＥＤは順バイアスとなり、印加し走電
圧は、は七んど５ｉ−ｐｊｎにかかっている。
＋Ｖボルトに印加することＫよ）、半導体のバンド構造
は第３図ａのようになる。５ｉ−ｐｉｎハ逆バイアス、
ＩｎＧａＰ−ＬＥＤは順バイアスとなり、印加し走電
圧は、は七んど５ｉ−ｐｊｎにかかっている。
ここで、ダークにおけるｐｉｎの逆方向電流は非常に小
さいため、本回路に流れる電流も小さい。そのため、ｎ
−８ｉ、 ｒｌ、−−ＱａＡ、ｓ、 ｎ−ＩｎＧａＰ層
における抵抗成分による電圧降下は小さい。また、Ｉｎ
ＧａＰ−ｐｎ接合もほぼ電位差のない状態で、平衡状態
における発光は見られない。この状態に光を第２の結晶
面に入射することにより、ｐｉｌＫ電子−正孔対が形成
され、ｉ層の強電界下でアバランシェ増幅が行われる。
さいため、本回路に流れる電流も小さい。そのため、ｎ
−８ｉ、 ｒｌ、−−ＱａＡ、ｓ、 ｎ−ＩｎＧａＰ層
における抵抗成分による電圧降下は小さい。また、Ｉｎ
ＧａＰ−ｐｎ接合もほぼ電位差のない状態で、平衡状態
における発光は見られない。この状態に光を第２の結晶
面に入射することにより、ｐｉｌＫ電子−正孔対が形成
され、ｉ層の強電界下でアバランシェ増幅が行われる。
とこでこのアバランシェ増幅μｍ０８に達する。この増
幅されたキャリヤー（電子）は、ｎ−−８ｉ＋ ｎ−Ｇ
ａＡｓ、 ｎ−ＩｎＧａＰ層を経て、ＩｎＧａＰ−ＬＥ
Ｄ層に至る。ここでの領域では、流れるキャリヤーは多
数キャリヤーである。この流れたキャリヤー（電子）は
ＩｎＧａＰ−ＬＥＤのＰ領域に達して、正孔と再結合し
、ＩｎＧａＰの禁制帯幅に相当する可視発光が得られる
。ここでＩｎＧａＰの発光効率は、０．１％以上である
ことから、入射した光子以上の光がＩｎＧａＰ−ＬＥＤ
よ）発光する。すなわち、入射光に対して増幅作用を有
している。この時のバンド構造は第３図すのようになっ
ている。この図では、ｒｎＧａＰ −ＬＥＤの電圧降下
を大きく書いているが、実際のＩｎＧａＰ−ＬＥＤの電
圧降下は１■程度で、全体くかかつている電圧に比べる
と無視できる程度の小さいものである。印加された電圧
の一部は、ｎ”−８ｉ層の抵抗による電圧降下にくわれ
ている。ここでの電圧降下分だけＡＰＤにかかる逆バイ
アスが減少し、ＡＰＤの動作電圧が変化することになる
。しかしながら、この電圧減少は、アバランシェ増幅率
を低下させる方向に働くため、負のフィードバックとな
９、ＡＰＤの動作を安定させる方向に働く。
幅されたキャリヤー（電子）は、ｎ−−８ｉ＋ ｎ−Ｇ
ａＡｓ、 ｎ−ＩｎＧａＰ層を経て、ＩｎＧａＰ−ＬＥ
Ｄ層に至る。ここでの領域では、流れるキャリヤーは多
数キャリヤーである。この流れたキャリヤー（電子）は
ＩｎＧａＰ−ＬＥＤのＰ領域に達して、正孔と再結合し
、ＩｎＧａＰの禁制帯幅に相当する可視発光が得られる
。ここでＩｎＧａＰの発光効率は、０．１％以上である
ことから、入射した光子以上の光がＩｎＧａＰ−ＬＥＤ
よ）発光する。すなわち、入射光に対して増幅作用を有
している。この時のバンド構造は第３図すのようになっ
ている。この図では、ｒｎＧａＰ −ＬＥＤの電圧降下
を大きく書いているが、実際のＩｎＧａＰ−ＬＥＤの電
圧降下は１■程度で、全体くかかつている電圧に比べる
と無視できる程度の小さいものである。印加された電圧
の一部は、ｎ”−８ｉ層の抵抗による電圧降下にくわれ
ている。ここでの電圧降下分だけＡＰＤにかかる逆バイ
アスが減少し、ＡＰＤの動作電圧が変化することになる
。しかしながら、この電圧減少は、アバランシェ増幅率
を低下させる方向に働くため、負のフィードバックとな
９、ＡＰＤの動作を安定させる方向に働く。
またＩｎＧａＰ−ＬＥＤで発光した光は一部Ｓｉ基板側
方向にも発光する。本素子においては、Ｓｉ基板とＩｎ
ＧａＰ層の間にＩｎＧａＰよりも禁制帯幅の狭いＧａＡ
ｓ層があ）、ここでＩ ｎＧａＰ −ＬＥＤより基板側
に発光した光は全て吸収される。ここで吸収により発生
したキャリヤーは、多数キャリヤーはそのままＩｎＧａ
Ｐ−ＬＥＤに達するが、小数キャリヤーはＧａＡｓ層内
数μｍで再結合し、５ｉ−ｐｉｎに達することがない。
方向にも発光する。本素子においては、Ｓｉ基板とＩｎ
ＧａＰ層の間にＩｎＧａＰよりも禁制帯幅の狭いＧａＡ
ｓ層があ）、ここでＩ ｎＧａＰ −ＬＥＤより基板側
に発光した光は全て吸収される。ここで吸収により発生
したキャリヤーは、多数キャリヤーはそのままＩｎＧａ
Ｐ−ＬＥＤに達するが、小数キャリヤーはＧａＡｓ層内
数μｍで再結合し、５ｉ−ｐｉｎに達することがない。
すなわち、Ｓｔ基板側に向かう光による本光機能素子へ
のフィードバックは正になることはなく、安定動作を保
つことができる。
のフィードバックは正になることはなく、安定動作を保
つことができる。
ここで、このＬＥＤの順方向による小数キャリヤーの拡
散領域は数μｍ以下であシ、ｐ−ＩｎＧａＰ層から注入
された小数キャリヤー（正孔）はｎ −Ｉ ｎＧａｐ層
内で再結合し、ｎ−３ｉｎ ｎ−ＧａＡａ、に達するこ
とはない。
散領域は数μｍ以下であシ、ｐ−ＩｎＧａＰ層から注入
された小数キャリヤー（正孔）はｎ −Ｉ ｎＧａｐ層
内で再結合し、ｎ−３ｉｎ ｎ−ＧａＡａ、に達するこ
とはない。
本光機能素子においては、第２の結晶面に光画像を入力
した時に、その裏面の第１の結晶面に、入力像に対応し
た可視発光像が得られる。本光機能素子の第２の結晶面
の一部に光を入射した場合を想定してこれを説明する。
した時に、その裏面の第１の結晶面に、入力像に対応し
た可視発光像が得られる。本光機能素子の第２の結晶面
の一部に光を入射した場合を想定してこれを説明する。
第２の結晶面の基板の一部に光を入射することにより、
その位置に対応する。 ５ｔ−ｐｉｎ内で電子−正孔対
が形成され、ｐｉＨの強い電場によりはとんど基板に垂
直方向く引張られ増幅してゆく。この通過時間は短いた
めに、横方向の拡散は小さく、はぼ光をあてた領域のみ
に増幅された電子がｎ”−８ｔに達する。この電子は比
較的抵抗の高い（ＩｎＧａＰ −ＬＥＤは順方向動作の
ため低い抵抗値となっている） ｎ−８ｉから広がって
ＩｎＧａＰ −ＬＥＤ層に達するが、この広がシは５ｔ
−ｐｉｎとＩｎＧａＰ−ＬＥＤの間にあるｎ−８ｔの厚
さと同程度である。ｆなわち、本光機能素子を画像処理
に用いた時の分解能はこのｎ−８ｉ層の厚みとなる。以
下図面にもとづき実施例について説明する。
その位置に対応する。 ５ｔ−ｐｉｎ内で電子−正孔対
が形成され、ｐｉＨの強い電場によりはとんど基板に垂
直方向く引張られ増幅してゆく。この通過時間は短いた
めに、横方向の拡散は小さく、はぼ光をあてた領域のみ
に増幅された電子がｎ”−８ｔに達する。この電子は比
較的抵抗の高い（ＩｎＧａＰ −ＬＥＤは順方向動作の
ため低い抵抗値となっている） ｎ−８ｉから広がって
ＩｎＧａＰ −ＬＥＤ層に達するが、この広がシは５ｔ
−ｐｉｎとＩｎＧａＰ−ＬＥＤの間にあるｎ−８ｔの厚
さと同程度である。ｆなわち、本光機能素子を画像処理
に用いた時の分解能はこのｎ−８ｉ層の厚みとなる。以
下図面にもとづき実施例について説明する。
す。Ｎ型Ｓｉ基板の１つの面に、ドナーあるいはアクセ
プターのほとんど存在しなＩＡＩ層を形成し、続いてＰ
型のＳｉ膜を形成して５ｉ−ｐｉｎ−ＡＰＤ構造とした
。ここではこれらＡＰＤをＳｉエピタキシャルにより形
成したが、イオン打込みにより作成した物も用いた。そ
の後、ＡＰＤを形成していない方のＳｔ基板面に、Ｇａ
Ａｓ緩衝層緩衝層−Ｇａ ｘＩｎ１−、Ｐ層、 ｐ−
ＧａｘＩｎ１−Ｘ２層を形成したものを基板とした。
プターのほとんど存在しなＩＡＩ層を形成し、続いてＰ
型のＳｉ膜を形成して５ｉ−ｐｉｎ−ＡＰＤ構造とした
。ここではこれらＡＰＤをＳｉエピタキシャルにより形
成したが、イオン打込みにより作成した物も用いた。そ
の後、ＡＰＤを形成していない方のＳｔ基板面に、Ｇａ
Ａｓ緩衝層緩衝層−Ｇａ ｘＩｎ１−、Ｐ層、 ｐ−
ＧａｘＩｎ１−Ｘ２層を形成したものを基板とした。
光機能素子とするために、第２図ａに示すように上記基
板の表裏に薄く、光を通す電極を形成して、 Ｐ−８ｉ
基板側を−に、 Ｐ−ＧａｘＩｎ、−ＸＰ側を十電極に
接続した。この等価回路を第２図すに示す。
板の表裏に薄く、光を通す電極を形成して、 Ｐ−８ｉ
基板側を−に、 Ｐ−ＧａｘＩｎ、−ＸＰ側を十電極に
接続した。この等価回路を第２図すに示す。
５ｔ−ＡＰＤは逆方向になっているため、この状態では
電流が流れない。ここで、５ｔ−ＡＰＤ側に光をあてる
とＡＰＤ内に光による電子−正孔対が形成され、かつア
バランシェ増幅作用により増幅されたキャリヤーがそれ
ぞれの電極に達して、大きな電流となってそれに続（Ｇ
ａ、Ｉｎ１−ＸＰ ＬＥＤに流れ、ＬＥＤ発光をしめし
た。基板温度には著しい上昇は見られなかった。木簡１
の実施例の動作はさきに説明した第３図ａ＋ｂが対応す
る。
電流が流れない。ここで、５ｔ−ＡＰＤ側に光をあてる
とＡＰＤ内に光による電子−正孔対が形成され、かつア
バランシェ増幅作用により増幅されたキャリヤーがそれ
ぞれの電極に達して、大きな電流となってそれに続（Ｇ
ａ、Ｉｎ１−ＸＰ ＬＥＤに流れ、ＬＥＤ発光をしめし
た。基板温度には著しい上昇は見られなかった。木簡１
の実施例の動作はさきに説明した第３図ａ＋ｂが対応す
る。
第４図ａ＋ｂに第２の実施例の構成および等価回路を示
す。、ここでは第１の実施例とは異な、ｊ）、ＧａＡｓ
緩衝層を堆積せずにＩｎＱａＰをＳｉ基板上に直接積層
したものである。これにより％ ＧａＡｓ層を堆積する
行程を省くことができた。発光装量としては、第１の実
施例と同様な結果が得られた。
す。、ここでは第１の実施例とは異な、ｊ）、ＧａＡｓ
緩衝層を堆積せずにＩｎＱａＰをＳｉ基板上に直接積層
したものである。これにより％ ＧａＡｓ層を堆積する
行程を省くことができた。発光装量としては、第１の実
施例と同様な結果が得られた。
第５図ａ＋ｂに第３の実施例の構成および等価回路を示
す。ここでは第１の実施例のＳｔ基板上からｎ ｒ ｉ
、ｐ ＋ ｎからなるフォトトランジスタを構成した
ものである。電極のとシかだ等に変化はな込が、本構造
とすることによ）、実施例１．２に比べ、低い動作電圧
で電流増幅度を稼ぐことができた。
す。ここでは第１の実施例のＳｔ基板上からｎ ｒ ｉ
、ｐ ＋ ｎからなるフォトトランジスタを構成した
ものである。電極のとシかだ等に変化はな込が、本構造
とすることによ）、実施例１．２に比べ、低い動作電圧
で電流増幅度を稼ぐことができた。
第６図に末弟３の実施例のバンド構造の模式図を示す。
第１．第２の実施例の光機能素子において、注入電流１
００ｍＡで約４０時間続けたが、ＬＥＤの発光強度には
測定精度の範囲において減少は見られなかった。また基
板として、８インチ口径のＳｉウェハを用いた場合にお
いては、全面に形成した光機能素子内における発光強度
の面内分布はほとんど認められなかった。
００ｍＡで約４０時間続けたが、ＬＥＤの発光強度には
測定精度の範囲において減少は見られなかった。また基
板として、８インチ口径のＳｉウェハを用いた場合にお
いては、全面に形成した光機能素子内における発光強度
の面内分布はほとんど認められなかった。
第７図に第４の実施例の基板構造を示す。ここでは、第
１の実施例におけるＩｎＧａＰ−ＬＥＤにＩ ｎＧａＰ
をバリヤー層＋ ＩｎＧａＡｓＰを井戸層とした、単一
量子井戸構造のＬＥＤとしたものである。本構造により
、よυＬＥＤの発光効率の向上が得られた。また換言す
れば、同一輝度における電流を減少させることができ、
本素子の温度上昇を抑えることおよび消費電力を抑える
ことができた。ここでは、 ＩｎＧａＰに格子整合する
四元混晶１ｎＧａＡｓＰを用いたが、バリヤー層／井戸
層の組合せとして、ＩｎＧａＰ／ＡＪＧａ工ｎＰ等およ
び歪超格子として組成を換えたＧａＩｎ１−ｘＰ／Ｇａ
ｘＩｎ１−ｘＰ等を用いても同様な結果が得られた。
１の実施例におけるＩｎＧａＰ−ＬＥＤにＩ ｎＧａＰ
をバリヤー層＋ ＩｎＧａＡｓＰを井戸層とした、単一
量子井戸構造のＬＥＤとしたものである。本構造により
、よυＬＥＤの発光効率の向上が得られた。また換言す
れば、同一輝度における電流を減少させることができ、
本素子の温度上昇を抑えることおよび消費電力を抑える
ことができた。ここでは、 ＩｎＧａＰに格子整合する
四元混晶１ｎＧａＡｓＰを用いたが、バリヤー層／井戸
層の組合せとして、ＩｎＧａＰ／ＡＪＧａ工ｎＰ等およ
び歪超格子として組成を換えたＧａＩｎ１−ｘＰ／Ｇａ
ｘＩｎ１−ｘＰ等を用いても同様な結果が得られた。
第８図に本発明による光機能素子の一応用例の動作例を
示す。本光機能素子の可視発光装置１の５ｉ−ＡＰＤ（
あるいはフォトトランジスタ）の面に、レンズ系２を用
いて画像３を描き出す。ここで、この画像は波長的０．
８μｍの赤外像である。光機能素子に印加する電圧を増
すことにより、０．６６ｐｒｎの可視発光が見られ、第
８図に示す様に赤外像に対応した可視像が本発光装置上
に得られた。実施例１の装置を用いた場合にはその空間
的分解能は約０ 、２ ｍｍであった。実施例１におい
て、 ＧａＡｓ緩衝層を薄くしてかつＳｉ層を薄くする
ことによ、Ｃ、ＡＰＤからの電流の横拡散を減少させる
ことにより、この空間分解能は良くなった。
示す。本光機能素子の可視発光装置１の５ｉ−ＡＰＤ（
あるいはフォトトランジスタ）の面に、レンズ系２を用
いて画像３を描き出す。ここで、この画像は波長的０．
８μｍの赤外像である。光機能素子に印加する電圧を増
すことにより、０．６６ｐｒｎの可視発光が見られ、第
８図に示す様に赤外像に対応した可視像が本発光装置上
に得られた。実施例１の装置を用いた場合にはその空間
的分解能は約０ 、２ ｍｍであった。実施例１におい
て、 ＧａＡｓ緩衝層を薄くしてかつＳｉ層を薄くする
ことによ、Ｃ、ＡＰＤからの電流の横拡散を減少させる
ことにより、この空間分解能は良くなった。
第９図は、本発光装置１を用いて、ＣＲＴ ４の画面上
に近接しておいて、ＣＲＴ ４の画像を増幅した画像が
得られた他の応用例である。本発光装置の場合、入力光
として可視〜近赤外の領域の光を用いることができるた
め、これまで可使材料に限られていたＣＲＴの発光材料
を用いる必要性がなくなる。第９図においては、オシロ
等でこれまで単発。
に近接しておいて、ＣＲＴ ４の画像を増幅した画像が
得られた他の応用例である。本発光装置の場合、入力光
として可視〜近赤外の領域の光を用いることができるた
め、これまで可使材料に限られていたＣＲＴの発光材料
を用いる必要性がなくなる。第９図においては、オシロ
等でこれまで単発。
高速現象の波形で輝度が得られず観測出来なかった現象
も観測可能となった。
も観測可能となった。
本発明による光機能素子では、熱伝導度の大きいＳｌを
基板として用いているために、発光素子に大電流を流し
ても温度上昇が小さく高輝度可視発光が得られ、また大
面積Ｓｉ基板を用いることができるため大面積の光機能
素子が得られること、さらには発光効率が高いＩｎＧａ
Ｐを可視発光ＬＥＤとして用いているためＫ、高輝度可
視発光が得られ、電気的に高耐圧を必要とする受光部分
にＳｉ単結晶を用いているため均一性がよく大面積とす
ることが可能であシ、発光寿命の長いＩｎＧａＰをＬＥ
Ｄ発光層に用いているため寿命が長い等の優れた特徴を
持ち、かつ、容易な工程で得ることができるなど従来の
素子では実現出来なかった機能を有し、発光素子、受光
素子、光増幅素子、光波長変換素子。
基板として用いているために、発光素子に大電流を流し
ても温度上昇が小さく高輝度可視発光が得られ、また大
面積Ｓｉ基板を用いることができるため大面積の光機能
素子が得られること、さらには発光効率が高いＩｎＧａ
Ｐを可視発光ＬＥＤとして用いているためＫ、高輝度可
視発光が得られ、電気的に高耐圧を必要とする受光部分
にＳｉ単結晶を用いているため均一性がよく大面積とす
ることが可能であシ、発光寿命の長いＩｎＧａＰをＬＥ
Ｄ発光層に用いているため寿命が長い等の優れた特徴を
持ち、かつ、容易な工程で得ることができるなど従来の
素子では実現出来なかった機能を有し、発光素子、受光
素子、光増幅素子、光波長変換素子。
光中継器用素子等の多くの光機能素子に用いることが出
来、その効果は太きいものがある。
来、その効果は太きいものがある。
第１図は本発明の第１の実施例の基板の構造、第２図ａ
＋ｂは本発明の第１の実施例構成図、第３図ａ＋ｂは本
発明に係る光機能素子の動作説明図、 第４図ａ＋ｂは本発明の第２の実施例構成図、第５図ａ
、ｂは本発明の第３の実施例構成図、第６図は本発明の
第３の実施例のバンド構造模式図、 第７図は本発明の第４の実施例の基板の構造、第８図は
本発明の応用例１を示す図。 第９図は本発明の応用例２を示す図である。 ・・・可視発光装置 ２・・・レンズ系 ・・・画像 ・・・ＣＲＴ
＋ｂは本発明の第１の実施例構成図、第３図ａ＋ｂは本
発明に係る光機能素子の動作説明図、 第４図ａ＋ｂは本発明の第２の実施例構成図、第５図ａ
、ｂは本発明の第３の実施例構成図、第６図は本発明の
第３の実施例のバンド構造模式図、 第７図は本発明の第４の実施例の基板の構造、第８図は
本発明の応用例１を示す図。 第９図は本発明の応用例２を示す図である。 ・・・可視発光装置 ２・・・レンズ系 ・・・画像 ・・・ＣＲＴ
Claims (4)
- （１）Ｓｉ単結晶基板の一方の面上にＩｎＧａＰ混晶半
導体膜を積層したエピタキシャル半導体基板において、
前記ＩｎＧａＰ混晶半導体膜を形成したＩｎＧａＰ混晶
半導体はｎ−ＩｎＧａＰ、ｐ−ＩｎＧａＰからなる発光
ダイオードを形成し、 前記ＩｎＧａＰ混晶半導体膜を形成しないＳｉ単結晶基
板の他方の面にｐｉｎアバランシエフオトダイオードを
形成した構造を有してなる ことを特徴とする光機能素子。 - （２）Ｓｉ単結晶基板の一方の面上にＩｎＧａＰ混晶半
導体膜を積層したエピタキシャル半導体基板において、 前記ＩｎＧａＰ混晶半導体膜を形成したＩｎＧａＰ混晶
半導体はｎ−ＩｎＧａＰ、ｐ−ＩｎＧａＰからなる発光
ダイオードを形成し、 前記ＩｎＧａＰ混晶半導体膜を形成しないＳｉ単結晶基
板の他方の面にフォトトランジスタを形成した構造を有
してなる ことを特徴とする光機能素子。 - （３）前記Ｓｉ単結晶基板とＩｎＧａＰ層の間に、Ｉｎ
ＧａＰより禁制帯幅の狭い半導体膜が挿入されているこ
とを特徴とする請求項１または請求項２記載の光機能素
子。 - （４）前記発光ダイオードは量子井戸構造をもつことを
特徴とする請求項１または請求項２記載の光機能素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1003441A JPH02183579A (ja) | 1989-01-10 | 1989-01-10 | 光機能素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1003441A JPH02183579A (ja) | 1989-01-10 | 1989-01-10 | 光機能素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02183579A true JPH02183579A (ja) | 1990-07-18 |
Family
ID=11557438
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1003441A Pending JPH02183579A (ja) | 1989-01-10 | 1989-01-10 | 光機能素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02183579A (ja) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6020372A (ja) * | 1983-07-15 | 1985-02-01 | Hitachi Maxell Ltd | 収納箱 |
| JPS6059787A (ja) * | 1983-09-13 | 1985-04-06 | Fujitsu Ltd | 半導体受光素子 |
| JPS6220372A (ja) * | 1985-07-19 | 1987-01-28 | Hitachi Ltd | 光電素子およびこれを組み込んだ光電子装置 |
| JPS628648B2 (ja) * | 1979-01-31 | 1987-02-24 | Tokyo Shibaura Electric Co | |
| JPS63155781A (ja) * | 1986-12-19 | 1988-06-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 発光素子 |
-
1989
- 1989-01-10 JP JP1003441A patent/JPH02183579A/ja active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS628648B2 (ja) * | 1979-01-31 | 1987-02-24 | Tokyo Shibaura Electric Co | |
| JPS6020372A (ja) * | 1983-07-15 | 1985-02-01 | Hitachi Maxell Ltd | 収納箱 |
| JPS6059787A (ja) * | 1983-09-13 | 1985-04-06 | Fujitsu Ltd | 半導体受光素子 |
| JPS6220372A (ja) * | 1985-07-19 | 1987-01-28 | Hitachi Ltd | 光電素子およびこれを組み込んだ光電子装置 |
| JPS63155781A (ja) * | 1986-12-19 | 1988-06-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 発光素子 |
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