JPH0423334Y2

JPH0423334Y2 -

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Publication number: JPH0423334Y2
Application number: JP1981068790U
Authority: JP
Priority date: 1981-05-13
Filing date: 1981-05-13
Publication date: 1992-05-29
Also published as: JPS57178462U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は、超高速度、超広帯域で動作する輻射
線検出用半導体装置に関する。

最近、半導体レーザや発光ダイオードの送信源
及び集束性ガラスフアイバの伝送損失の低減下な
どから光通信は殆んど実用化の段階に入つてい
る。こうした時に、高感度でしかも高速度で動作
する輻射線検出用半導体装置が必要となることは
必然的である。光放出において一般的に半導体に
おいて用いられている検出器は主に光伝導を用い
た装置と半導体pn接合を用いた装置（フオトダ
イオード）が用いられる。

固体に光が照射されたときに、種々の機構によ
り光吸収がおこり、その吸収により、キヤリアが
生成されて、その変化を検出するのが原理であ
る。

光伝導は、ｎ型かｐ型の半導体に光を照射する
ことによつて、生成されたキヤリアにより半導体
の電気伝導度が変化することにより光を検出す
る。このとき、半導体の不純物密度があまり、大
きいと、光によつて生成された電子か正孔の少数
キヤリアの寿命が短くなり、感度が悪くなるの
で、低不純物密度のものがよい。光伝導の場合
は、一度励起された少数キヤリアが再び安定な準
位におち、伝導度に対する寄与を失わない限り電
流は流れ続けるから、応答速度はおそくなる。

pn接合を用いた装置においては、pn接合の空
乏層領域で光を吸収し、電子と正孔を生成して、
キヤリアを試料外に引き出して、電流として光を
検出する。応答速度を上げるため、逆バイアスを
pn接合にかけ、電界を強くして、光励起したキ
ヤリアがすぐ試料から抜けてしまうようにすると
よい。本考案第１図に示すようにp⁺層をうすく
して、p⁺層側から光を入射するとよい。しかし、
p⁺層で吸収された光によるキヤリアは寿命が短
くすぐ再結合してしまうために、光検出の効率は
下る。

シヨツトキー接合による場合もpn接合と同様
で空乏層領域で光吸収し、電子と正孔を生成し、
空乏層外にキヤリアを移動し、電流として光検出
を行なう。

従来の光検出部は第１図に示すような、たとえ
ばp⁺n^-n⁺フオトダイオードで行われている。フ
オトダイオードは、電極３′，１′の間に逆方向電
圧を加え、動作層２に十分な強電界が加わるよう
にして使用される。１は通常低抵抗n⁺基板でそ
の不純物密度は、10¹⁸〜10²⁰cm^-3程度、n^-領域２
はキヤリアが電界によつてドリフト走行する動作
層で不純物密度は10¹³〜10¹⁵cm^-3程度、p⁺領域３
は低抵抗領域で通常0.5μm程度あるいはそれ以下
といつたように極めて薄く設定され、その不純物
密度は10¹⁸〜10²¹cm^-3程度である。１′は領域１の
電極で、３′は領域３の電極である。４は、通常
フオトダイオードをパツケージにマウントするた
めの取り出し用リード線である。p⁺領域３は、
光の吸収が殆んど起らないようにできる限り薄く
しなけらばならず、また、面方向の抵抗が高くな
らないようにできる限り低抵抗であるように高不
純物密度領域とされている。光は領域３の側から
入射する。感度を高くするには、受光面を広くす
ることと、領域２の厚さｄが、半導体材料と人射
光の波長で決まる吸収係数αの逆数に殆んど等し
くする必要がある。一方、高速度にするために
は、あまり受光面を大きくすることはできず（容
量が大きくなつてしまう）、またｄもそれほど厚
くすることはできない。殆んどの半導体でキヤリ
アの飽和速度は１×10⁷cm／sec程度であるから、
パスル状に入射した光の応答電流波形の立下り時
間T_fは、理想的な場合でも、ｄ／10⁷程度となり、
ｄ＝10μmとすると、飽和速度の走行時間だけで
も100p secになつてしまう。従つて、高速応答を
実現するにはｄは薄い程望ましいことになる。通
常フオトダイオードによく使われるSiの場合、た
とえばGaAlAs−GaAs半導体レーザの発光波長
8500Å程度の光に対して吸収係数はSiに対して
800cm^-1程度であり、表面から１／α＝12.5μm程
度の深さまで光が入射するとになる。また受光面
を広くしようとして電極３′を小さくすると、領
域３の表面に沿つて流れる電流による電圧降下が
顕著になつて動作層２に均一な電界が加わらなく
なり、フオトダイオードの応答の直線性を悪くす
る原因となる。

又、従来構造の応答速度を悪くしていた他の原
因は、細くて長い取り出し用リード線４のインダ
クタンスである。インダクタンスを減少させるた
めに、複数本のリード線を設けるなどの手段は取
り入れられているが、このリード線のインダクタ
ンスによつて、応答速度は殆んど決められてい
る。

故に取り出し用リード線をなくして、増幅素子
を同一基板上に集積化することは高周波にとつて
利点が生ずる。しかし、n⁺基板の上に不純物10¹³
〜10¹⁵cm^-3程度を含んだn^-高抵抗層がフオトダイ
オードを製作するには必要となるため、たとえ
ば、バイポーラトランジスタ（BPT）を使用す
ると、上部がコレクタになり基板側がエミツタに
なり、n^-層が10¹²〜10¹⁵cm^-3程度であるため注入
効率が悪くなり（通常のBPTでは10¹⁶cm^-3程度は
少なくとも入つている。）電流増巾率βが大きく
とれなくて、十分な利得を得ることは難かしい。
又、従来構造の５極管特性の電界効果トランジス
タ（FET）を使用すると、その特性上十分な変
換コンダクタンスｇｍが得られず、充分な電流増
巾が得られない他、出力インピーダンスが高くな
り、回路設計上困難な問題がでてくる。

その点、静電誘導型トランジスタ（SIT）であ
ると製作上においても10¹²〜10¹⁵cm^-3程度の不純
物を含んだ層上に作ることはむしろ望ましい上、
充分な変換コンダクタンスｇｍが得られて、出力
インピーダンスも小さいので、次段に入力インピ
ーダンスの小さい発光ダイオードや半導体注入レ
ーザダイオードなどを接続するときにはよい。

本考案は、透明電極をもつた輻射線検出部と静
電誘導型トランジスタの増幅素子を同一基板上に
集積化し、高速度、高利得輻射線検出半導体装置
を提供することを目的としている。本考案におい
ては透明電極により、ｎ型半導体層にシヨツトキ
ー接合させ、その空乏層領域で光を検出している
のである。又、透明電極であるがゆえに、p⁺層
中での吸収や、金属シヨツトキー電極のような損
失がなく、非常なメリツトが生じる。

以下、図面を参照して本考案を詳細に説明す
る。

第２図は本考案における輻射線検出部の構造の
１例である。５，５′，６は第１図の１，１′，２
と同様である。７は酸化錫（SnO₂）やIn₂O₃など
の透明電極膜であり、７′は金属電極、８は
SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃など、もしくはこれらを組
み合せた絶縁層である。７が透明電極膜で、輻射
線の吸収が殆んど起こらないので、層の厚さは吸
収係数の方からは殆んど制限されないで比較的厚
くでき、半導体結晶に与える歪が極端に大きくな
らない範囲で製造時のシート抵抗と輻射線の透過
特性から最適値を求めることができる。又受光面
全面に電極をつけることができるので、受光面を
広くとつても、動作層６全面に電界が均一となる
ため、フオトダイオードの応答の直線性が極めて
よくなる。更に従来構造で応答速度を悪くしてい
るのは細くて長い取り出し用リード線のインダク
タンスであつたが（受光面の効率を良くするため
に金属電極を小さくすることから必然的に細いリ
ード線になつている。）本考案の構造だとフオト
ダイオードのまわりに効率を落すことなく金属電
極をつけることができ、細くて長いリード線をな
くしてインダクタンスを非常に小さくすることが
できる。但し、金属電極は必ずしも透明電極のま
わり全部かこむものでなくてもよく、一部切れて
いてもよいし、２つ３つに分かれていてもよい。
しかし、第２図の構造では、７′と６の間の容量
が大きくなり、高周波特性を悪くする。このため
第３図に示すような構造の方が、さらに高周波特
性はよくなる。９，１０，１１，１２が第２図の
５，６，７，８に相当していて、１３の部分が増
えている。６の部分をメサ形にして、その上に１
２のSiO₂やSi₃N₄などの絶縁物をつけた後、１３
にポリイミドなどの高周波特性のよい絶縁性樹脂
をつけることにより寄生容量を少なくする。この
ようにすると容量が少なくなり、更に高周波まで
フオトダイオードが働くようになる。ポリイミド
などの樹脂は、いわばゴム状の弾性体であるので
相当厚くつけても結晶に殆んど歪みを与えず、た
とえば10μm程度の厚さにすることも容易である。

以上のような輻射線検出部を増幅素子と集積化
することによつてさらに高周波化のみでなく、高
利得化も可能となる。第４図には、フオトダイオ
ード（もしくはアバランシエダイオード）に一段
の静電誘導電界効果トランジスタ（SIT）を用い
た増巾回路を同じ基板上に作つた実施例を示す。
ただし、フオトダイオードを含んだ等価回路は、
第４図ｂの回路を使用していて、２９はインダク
タンス（高周波成分が電池の方に入らないように
保護）、３０はフオトダイオード（あるいはアバ
ランシエ・フオトダイオード）、３１はカツプリ
ングコンデンサ（SIT）に左の直流の電圧をかけ
ないようにする。ただし、高周波成分は十分に通
すだけの容量）、３２は抵抗、３３はSITである。

第４図ａがその実際の構造の断面図を示してい
る。

２２は不純物密度10¹⁸〜10²⁰cm^-3程度の低抵抗
基板、２３は不純物密度10¹²〜10¹⁵cm^-3程度の高
抵抗層である。２４が透明電極膜、２７がSiO₂
やSi₃N₄などの絶縁膜、２５がポリイミドなどの
絶縁性樹脂、２８がSITのゲートとなるp⁺領域
（不純物密度10¹⁷〜10²¹cm^-3程度）、２９がドレイ
ンとなるn⁺領域である。n⁺基板２２はSITのソー
スになつている。p⁺領域２８はn⁺基板２２にほ
ぼ到達していてもよい。SiO₂やSi₃N₄などの膜
は、あまり厚くすることが困難なため代りにポリ
イミドなどの樹脂２５を使い寄生容量を減らして
いる。２６の部分が第４図ｂのコンデンサ３１に
相当する。ここにセラミツク（たとえばAl₂O₃な
どをスパツタしてつける。）などによつてコンデ
ンサを作る。３２の抵抗は、図中水平方向に、ポ
リシリコンなどによつて作り（ポリシリコンはか
なり任意に抵抗は変化できる。）、これをn⁺基板
上におとして作る。抵抗３２は必ずしも必要な
い。n⁺領域２２，２９、p⁺領域２８よりなるSIT
は、たとえばp⁺n^-接合の拡散電位だけでチヤン
ネルがピンチオフし、遮断状態にあるようにその
ゲート間隔が選定される。光が入射してゲート領
域２８に電流が流れ込むとゲート電位が上つて次
第に導通状態に変り、ドレインに電流が流れる。

作用としては、例えば光入力1μWで高域遮断
周波数2GHz（かつ光パスル巾50nsecまで通し、
波長λ＝1μm）としてアバランシエ・フオトダイ
オードの動作層を2μm、電子の飽和速度はほとん
どの材料において、10₇cm／sec位だから、なだれ
増倍による増倍係数を300倍位のものを使用する
と、0.5mAほどの出力が得られる。遮断周波数か
ら、抵抗３２を1KΩ、SITの入力容量0.5PFと
し、容量31は1000PFほどあれば全く充分であり、
これよりも小さくても勿論よい。

SITの入力容量0.5PFのものだと、ｇｍは50m
位は容易に製作できるから、出力は25mA位に
なる。実施例について、さらに詳述すると、第４
図ａでSITは動作層厚さ2μm、不純物密度１×
10¹⁴cm^-3、ゲート間隔（チヤンネル幅）2μm、チ
ヤンネル長100μm、ゲート領域２８のストライプ
幅2μm、深さ1.6μm、不純物密度１×10²⁰cm^-3ド
レイン領域２９のストライブ幅1μm、深さ
0.3μm、不純物密度１×10¹⁹cm^-3で全部で５チヤ
ンネルからなつていて、フオトダイオード部は、
面積１mm²、動作層１×10¹⁴cm^-3、厚さ2μm、透明
電極部はSnO₂で厚さ6000〓、層抵抗10Ω／□透
明電極上に、Alで線幅2μm、間隔10μmのメツシ
ユ状に金属を付着し、電極をとる。そうすると、
上記述べたように、2GHzで25mA程度の出力を
SITからとり出すことができる。

つまり、光入力1μWで遮断周波数2GHzで、
25mA位の出力を得ることができるから、受光す
る光がそれまでの伝送距離が長くて弱い時には、
この回路は前置増巾器として使用し、伝送距離が
短かくて、光が強い時は、この後すぐに発光ダイ
オードや半導体注入レーザダイオード等を駆動す
る回路として使用できる。

輻射線検出部の他の実施例を述べると、SnO₂
やIn₃O₄などの透明電極膜の抵抗は他の金属に比
べて、多少抵抗が高い（シート抵抗SnO₂で
15Ω／cm²程度、In₂O₃でその1/10程度）ので、受
光面を大きくしたり、あるいは動作速度が速くな
つたりして、透明電極の面方向の抵抗が問題とな
る時は受光面上に第４図ａ，ｂに示すように、ス
トライブ状やメツシユ状にAlやMoなどの金属電
極をつけることにより、その直列抵抗は著しく低
下し、広い受光面積のダイオードを直列抵抗を大
きくすることなく得ることができる。但し、金属
電極の形は前述したストライブ、メツシユでなく
てもよく、大巾に変化してもよく、要するに、細
い金属電極をつけることによつて、受光面の効率
を下げることなく、直列抵抗が下がればよい。

又、Siなどだけでなく、他の材料を使用すると
種々の利点がある。例えば、動作層を薄くして
（応答速度を速くして）感度を上げようとすると、
Si、Geの代りに、GaAs，InP、InSb、InAs、
InGaAs、InGaP、GaPSb、GaAlSb，GaAlAs、
ＨｇCdTe、PbSnTe、InGaAsP、GaAlAsSbな
どの直接遷移形で吸収係数の大きい半導体を使用
すると、ごく薄い動作層で、ほとんど全ての光が
吸収され光電流となるから感度よくかつ応答速度
もよくなる。例えばほとんどの直接遷移形の材料
では禁制帯巾より少し大きいエネルギをもつた光
に対して、吸収係数がほぼ10⁴cm^-1位になるから、
動作層の厚さは1μmで充分であるから、キヤリア
の走行時間による応答速度は10p sec程度になる。
さらに、InSb、InAs、ＨｇCdTe、PbSnTeなど
を使用すると遠赤外から可視光までの検出も可能
となる他、InGaAs、GaPSb、ＨｇCdTe、
PbSnTeなどの三元系やInGaAsPなどの四元系は
成分比を変えることによつて禁制帯巾を相当自由
にとれるので、選択的に検出することも可能とな
る。感度を一層良くするためには、バイアス電圧
をなだれが起る電圧まで上げて、入射光により励
起された電子一正孔対をなだれ増倍すればよい。
即ち、アバランシエ・フオトダイオードとして使
用しても良い。

本考案は以上説明した如く、透明電極を用いた
輻射線検出部と静電誘導型トランジスタを組み合
せる事により、容易に同一基板上に集積化でき、
その結果従来に比べ性能向上が計れる。従来、高
効率のフオトダイオードにするにはp⁺n^-n⁺構造
にすることは本考案者の特許とする所であるが、
その構造ではp⁺の領域の光吸収が問題となるた
め、透明電極を用いて、改善した。又、高効率化
のためにはn^-領域（10¹³〜10¹⁵cm^-3）が必要であ
るが、この層をそのままの状態で増幅素子の動作
層として用いるときは、静電誘導トランジスタが
最適である。FETの場合そのチヤンネル領域は
通常10¹⁶〜10¹⁷cm^-3であり、又、バイポーラトラ
ンジスタ（BPT）においても同様の高い不純物
密度を必要とする。

そのため他の素子を製作する場合、プロセスも
多くなり、より複雑となる。

その上、静電誘導トランジスタは、FET、
BPTに比べ高利得、高周波特性がよく、集積化
された光中継器としても従来にない高性能のもの
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の輻射線検出部の構造例、第２
図、第３図は透明電極を有する輻射線検出部の一
実施例、第４図ａ，ｂは輻射線検出部と静電誘導
トランジスタを組み合わせた輻射線検出半導体装
置、第５図ａ，ｂは輻射線検出部の他の実施例で
透明電極の上への金属電極の形状を示し、ａはス
トライブ状、ｂはメツシユ状のものである。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

第一導電型を有した高不純物濃度の半導体基板
と前記半導体基板上に設けられた低不純物濃度の
第一導電型の第一半導体層上に、少なくとも、輻
射線検出半導体装置と静電誘導トランジスタを有
し、輻射線検出半導体装置は、第一電極端子であ
る前記半導体基板と、入射する輻射線の吸収係数
の逆数の厚さと同程度かもしくは薄い厚さで主に
光を吸収して、電子、正孔を生成する前記第一半
導体層と、前記第一半導体層上に、第一半導体層
との間にシヨツトキー障壁を形成する整流性を有
する透明電極膜と前記透明電極膜の一部の上に、
前記透明電極膜とオーミツク性を有する第二電極
端子である金属とからなり、静電誘導トランジス
タは、前記第一半導体層の一部に、第一導電型で
高不純物濃度のドレイン領域と前記ドレイン領域
の周囲に配した第一導電型と反対導電型の第二導
電型を有した高不純物濃度ゲート領域と、前記輻
射線検出半導体装置の第一電極端子と共通の前記
半導体基板のソース領域からなり、輻射線検出器
の第二電極端子と静電誘導トランジスタのゲート
領域はコンデンサを介して接続され、輻射線入力
を輻射線検出半導体装置で検出し、出力を静電誘
導トランジスタのソース、ドレイン間で取ること
を特徴とする半導体装置。