JPH0595131A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH0595131A JPH0595131A JP3318046A JP31804691A JPH0595131A JP H0595131 A JPH0595131 A JP H0595131A JP 3318046 A JP3318046 A JP 3318046A JP 31804691 A JP31804691 A JP 31804691A JP H0595131 A JPH0595131 A JP H0595131A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 光の波長により受光素子を使い分けせずに、
広い波長範囲で光感度を有する受光素子を実現する。 【構成】 半絶縁性ＧａＡｓ基板１1 は光電変換機能と
キャリア輸送機能を兼ねる活性領域となり、この基板表
面上には一対の表面電極２1 ，２2 が数μｍの間隔で左
右対称に向合って形成されており、この部分が受光部と
なる。さらにこれら表面電極は有効受光面積率を稼ぐた
めに櫛型構造をしている。ＧａＡｓ基板の背面上には第
３電極として背面電極２3 を設け、表面の受光部以外の
部分は、ＧａＡｓ基板１1 と表面電極との間に絶縁薄膜
３が設けられている。表面電極２1 と２2 間には電源７
1 から数Ｖのバイアス電圧が印加され、表面電極と背面
電極間には基板の縦方向の内部電界が０．５ＫＶ／ｃｍ
以上になるようにバイアス電圧が印加される。その結果
ＧａＡｓのエネルギ帯間隙に相当する波長より長波長光
と短波長光に対する光感度を同程度にすることができ
る。
広い波長範囲で光感度を有する受光素子を実現する。 【構成】 半絶縁性ＧａＡｓ基板１1 は光電変換機能と
キャリア輸送機能を兼ねる活性領域となり、この基板表
面上には一対の表面電極２1 ，２2 が数μｍの間隔で左
右対称に向合って形成されており、この部分が受光部と
なる。さらにこれら表面電極は有効受光面積率を稼ぐた
めに櫛型構造をしている。ＧａＡｓ基板の背面上には第
３電極として背面電極２3 を設け、表面の受光部以外の
部分は、ＧａＡｓ基板１1 と表面電極との間に絶縁薄膜
３が設けられている。表面電極２1 と２2 間には電源７
1 から数Ｖのバイアス電圧が印加され、表面電極と背面
電極間には基板の縦方向の内部電界が０．５ＫＶ／ｃｍ
以上になるようにバイアス電圧が印加される。その結果
ＧａＡｓのエネルギ帯間隙に相当する波長より長波長光
と短波長光に対する光感度を同程度にすることができ
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信や発光分析等の
装置に用いられる半導体受光素子に関するものである。
装置に用いられる半導体受光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のフォトダイオード、光導電素子等
の半導体受光素子は、用いられる半導体基板のエネルギ
ーバンドギャップに相当する波長よりも、短い波長の光
のみを受光するものであった。また、内部利得を有する
光検出器としては、電子ナダレを利用するもの、光導電
を利用するもの、フォトトランジスタの形式をとるもの
等、種々のものが提案、作製されている。
の半導体受光素子は、用いられる半導体基板のエネルギ
ーバンドギャップに相当する波長よりも、短い波長の光
のみを受光するものであった。また、内部利得を有する
光検出器としては、電子ナダレを利用するもの、光導電
を利用するもの、フォトトランジスタの形式をとるもの
等、種々のものが提案、作製されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来型の半導体受光素
子は、受光可能な波長領域が、用いられる半導体基板の
エネルギーバンドギャップによって決められていたた
め、受光対象とする光の波長によって、受光素子を使い
分けるか、もしくは異なる種類の受光素子を、複数個並
べておく必要があった。一般に、光通信や発光分析等で
用いられる光の波長領域は、０．３μｍ程度の近紫外線
から、２μｍ程度の近赤外線に及んでおり、近紫外線か
ら１μｍ程度までは、Ｓｉを用いたもの、それ以上の波
長の光に対しては、ＧｅやＩｎＧａＡｓを用いた受光素
子が使われていた。このように、入射光の波長に応じ
て、受光素子を使い分けなくてはならないことは、手間
やコストがかかり、特に、分光光度計などへの応用を考
えると、光学系等を含む、装置の複雑化が問題となって
いた。
子は、受光可能な波長領域が、用いられる半導体基板の
エネルギーバンドギャップによって決められていたた
め、受光対象とする光の波長によって、受光素子を使い
分けるか、もしくは異なる種類の受光素子を、複数個並
べておく必要があった。一般に、光通信や発光分析等で
用いられる光の波長領域は、０．３μｍ程度の近紫外線
から、２μｍ程度の近赤外線に及んでおり、近紫外線か
ら１μｍ程度までは、Ｓｉを用いたもの、それ以上の波
長の光に対しては、ＧｅやＩｎＧａＡｓを用いた受光素
子が使われていた。このように、入射光の波長に応じ
て、受光素子を使い分けなくてはならないことは、手間
やコストがかかり、特に、分光光度計などへの応用を考
えると、光学系等を含む、装置の複雑化が問題となって
いた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体受光
素子は、半絶縁性であるIII-Ｖ族化合物半導体を活性層
基板とし、この基板表面に実質的に左右対称な一対の電
極を配置し、これら電極間に外部からバイアス電圧を印
加する手段と、さらに、この基板の背面上に第３の電極
を設け、その電極対との間の内部電界が０．５ないし
２．５ｋＶ／ｃｍの範囲になるように別のバイアス電圧
を印加する手段により、光の入射によって発生したキャ
リヤが、その内部電界によって、第３電極と上述の電極
対との間の媒質内をドリフト走行するようになされた構
造によって光感度を有し、かつその光感度を、第３電極
によって制御できることを特徴とする。
素子は、半絶縁性であるIII-Ｖ族化合物半導体を活性層
基板とし、この基板表面に実質的に左右対称な一対の電
極を配置し、これら電極間に外部からバイアス電圧を印
加する手段と、さらに、この基板の背面上に第３の電極
を設け、その電極対との間の内部電界が０．５ないし
２．５ｋＶ／ｃｍの範囲になるように別のバイアス電圧
を印加する手段により、光の入射によって発生したキャ
リヤが、その内部電界によって、第３電極と上述の電極
対との間の媒質内をドリフト走行するようになされた構
造によって光感度を有し、かつその光感度を、第３電極
によって制御できることを特徴とする。
【０００５】前述の半導体受光素子に用いているIII-Ｖ
族化合物半導体がＧａＡｓである場合には、ＧａＡｓの
エネルギーバンドギャップに相当する波長より長い波長
の光を照射する手段を有していることにより、このよう
な長波長に対しても感度有せしめることが可能である。
族化合物半導体がＧａＡｓである場合には、ＧａＡｓの
エネルギーバンドギャップに相当する波長より長い波長
の光を照射する手段を有していることにより、このよう
な長波長に対しても感度有せしめることが可能である。
【０００６】この場合、特に長波長光を半導体基板の背
面、もしくは側面から入射するようになされていてもよ
く、あるいは光が入射する面以外の半導体面に、特に長
波長光の出射を防ぐ特性を有する表面反射膜が形成され
ているか、光が入射する半導体面に、特に長波長光に有
利な特性を有する反射防止膜が形成されていてもよい。
あるいは出力電極となる一方の表面電極に電界効果型ト
ランジスタを縦続接続し、これらを同一半導体基板上に
モノリシックに集積化したものであれば、さらに望まし
い。
面、もしくは側面から入射するようになされていてもよ
く、あるいは光が入射する面以外の半導体面に、特に長
波長光の出射を防ぐ特性を有する表面反射膜が形成され
ているか、光が入射する半導体面に、特に長波長光に有
利な特性を有する反射防止膜が形成されていてもよい。
あるいは出力電極となる一方の表面電極に電界効果型ト
ランジスタを縦続接続し、これらを同一半導体基板上に
モノリシックに集積化したものであれば、さらに望まし
い。
【０００７】
【作用】半絶縁性のIII-Ｖ族化合物、特にＧａＡｓ基板
を用いて作製した半導体受光素子により、０．４μｍ〜
１．７μｍ程度の広い波長範囲にわたった光感度を有す
る受光素子を得ることができる。
を用いて作製した半導体受光素子により、０．４μｍ〜
１．７μｍ程度の広い波長範囲にわたった光感度を有す
る受光素子を得ることができる。
【０００８】
【実施例】本発明によれば、少なくとも、０．４μｍ以
上の可視光から１．７μｍ程度の近赤外光まで、ほぼ一
様な光感度をもった受光素子が実現できる。これには、
まず半導体基板として半絶縁性ＧａＡｓを用いる。この
基板表面上に、左右対称に一対の電極を対向して設け、
この間に外部からバイアス電圧を印加する。これらの電
極が、ショットキー接触をなしている場合の構造は、
Ｔ．Ｓｕｇｅｔａらによる下記の文献、“Japan J.App
l.Phys., vol.19, Suppl. 19-1, pp.459-464, 1980 ”
に記載されている半導体受光素子ＭＳＭ−ＰＤそのもの
であり、また、これら電極がオーム性接触をなしている
場合の構造は、Ｄ．Ｈ．Ａｕｓｔｏｎらによる下記の文
献、“Appl.Phys.Lett., vol.36, no.1, pp.66-68, 198
0 ”に記載されている半導体受光素子（オーストン・ス
イッチ）そのものである。これによって、ＧａＡｓのエ
ネルギーバンドギャッップに相当する波長よりも、短い
波長の光（以下、単に短波長光と略す）を受光する。今
回の発明ではこの構造に加えて、さらに背面にもショッ
トキー接触電極を設け、表面電極との間に外部からバイ
アス電圧を印加し、この間の内部電界が０．５ｋＶ／ｃ
ｍ以上になるようにする。これによって、ＧａＡｓのエ
ネルギーバンドギャップに相当する波長よりも長い波長
の光（以下、単に長波長光と略す）を受光する。この結
果として、可視領域から近赤外領域にわたって、受光感
度波長領域の広い半導体受光素子が実現できるのであ
る。以下に実施具体例を挙げて詳しく説明する。
上の可視光から１．７μｍ程度の近赤外光まで、ほぼ一
様な光感度をもった受光素子が実現できる。これには、
まず半導体基板として半絶縁性ＧａＡｓを用いる。この
基板表面上に、左右対称に一対の電極を対向して設け、
この間に外部からバイアス電圧を印加する。これらの電
極が、ショットキー接触をなしている場合の構造は、
Ｔ．Ｓｕｇｅｔａらによる下記の文献、“Japan J.App
l.Phys., vol.19, Suppl. 19-1, pp.459-464, 1980 ”
に記載されている半導体受光素子ＭＳＭ−ＰＤそのもの
であり、また、これら電極がオーム性接触をなしている
場合の構造は、Ｄ．Ｈ．Ａｕｓｔｏｎらによる下記の文
献、“Appl.Phys.Lett., vol.36, no.1, pp.66-68, 198
0 ”に記載されている半導体受光素子（オーストン・ス
イッチ）そのものである。これによって、ＧａＡｓのエ
ネルギーバンドギャッップに相当する波長よりも、短い
波長の光（以下、単に短波長光と略す）を受光する。今
回の発明ではこの構造に加えて、さらに背面にもショッ
トキー接触電極を設け、表面電極との間に外部からバイ
アス電圧を印加し、この間の内部電界が０．５ｋＶ／ｃ
ｍ以上になるようにする。これによって、ＧａＡｓのエ
ネルギーバンドギャップに相当する波長よりも長い波長
の光（以下、単に長波長光と略す）を受光する。この結
果として、可視領域から近赤外領域にわたって、受光感
度波長領域の広い半導体受光素子が実現できるのであ
る。以下に実施具体例を挙げて詳しく説明する。
【０００９】図１は、本発明による半導体受光素子の基
本構造を示したものである。ここでＧａＡｓ基板１1 は
Ｃｒ（クロム）やＯ（酸素）等を不純物として、あるい
はＣｒ−Ｏ等の複合準位として含むか、もしくはＧａＡ
ｓに固有なＥＬ２等のバンド間準位によって、半絶縁化
された基板であり、光電変換機能、キャリヤ輸送機能を
兼ねる、いわゆる活性領域となる。表面電極２1 、２2
はこのＧａＡｓ基板１1 の表面上に、Ａｌ、Ｔｉ／Ｐｔ
／ＡｕやＷＳｉX 等のショットキー接触電極、もしくは
ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ等のオーム性接触電極としての金
属薄膜を、真空蒸着して形成されたものである。ショッ
トキー接触とするのは、暗電流を減少させるためである
が、これに限定する必要はない。特に電流増倍を起こさ
せる場合には、正極性側はオーミック性電極とするほう
がよい。これら一対の電極は数μｍないしそれ以上の間
隔を隔てて左右対称に向かい合っており、基本的にこの
部分が受光部となる。さらにこれらの電極は、有効受光
面積率を稼ぐためくし型構造をしていることが望まし
い。ＧａＡｓ基板１1 の背面上には第３の電極としての
金属薄膜電極（以下、背面電極という）２3 が設けられ
ている。これはショットキー接触であっても、オーム性
接触であっても構わない。オーム性であれば、ナダレ流
入効果による増倍を起こさせることができるし、ブロッ
キング性であれば、暗電流を減らすことができる。
本構造を示したものである。ここでＧａＡｓ基板１1 は
Ｃｒ（クロム）やＯ（酸素）等を不純物として、あるい
はＣｒ−Ｏ等の複合準位として含むか、もしくはＧａＡ
ｓに固有なＥＬ２等のバンド間準位によって、半絶縁化
された基板であり、光電変換機能、キャリヤ輸送機能を
兼ねる、いわゆる活性領域となる。表面電極２1 、２2
はこのＧａＡｓ基板１1 の表面上に、Ａｌ、Ｔｉ／Ｐｔ
／ＡｕやＷＳｉX 等のショットキー接触電極、もしくは
ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ等のオーム性接触電極としての金
属薄膜を、真空蒸着して形成されたものである。ショッ
トキー接触とするのは、暗電流を減少させるためである
が、これに限定する必要はない。特に電流増倍を起こさ
せる場合には、正極性側はオーミック性電極とするほう
がよい。これら一対の電極は数μｍないしそれ以上の間
隔を隔てて左右対称に向かい合っており、基本的にこの
部分が受光部となる。さらにこれらの電極は、有効受光
面積率を稼ぐためくし型構造をしていることが望まし
い。ＧａＡｓ基板１1 の背面上には第３の電極としての
金属薄膜電極（以下、背面電極という）２3 が設けられ
ている。これはショットキー接触であっても、オーム性
接触であっても構わない。オーム性であれば、ナダレ流
入効果による増倍を起こさせることができるし、ブロッ
キング性であれば、暗電流を減らすことができる。
【００１０】受光部以外の部分は、リーク電流を減らす
ため、およびボンディングパッドのための絶縁薄膜３
が、表面電極２1 、２2 とＧａＡｓ基板１1 の間にそれ
ぞれ設けられている。絶縁薄膜３にはＳｉＯ2 やＳｉＮ
X 等の誘電体薄膜を、ＣＶＤ（化学気相成長）等の方法
により、ＧａＡｓ基板１1 上に堆積して形成される。表
面電極２1 と２2 との間には、電源７1 からバイアス電
圧Ｖｓが印加される。通常数Ｖを印加するため、これら
電極間の表面付近の電界強度は、数〜数１０ｋＶ／ｃｍ
になる。表面電極２1 、２2 と背面電極２3 との間に
は、外部の電源７2 からバイアス電圧ＶB が印加され
る。これによって、ＧａＡｓ基板１1 の縦方向の内部電
界が、０．５ｋＶ／ｃｍ以上になるように、その大きさ
が選ばれる。これは、受光部への光入射によって発生し
たキャリヤが、飽和速度で各電極間をドリフト走行させ
るためであると同時に、後に示すように、これによっ
て、ＧａＡｓ基板１1 内における、光励起キャリヤの電
極への収集効率を高めるためである。設けられた３個の
電極を、すべて等価なショットキー接触とした場合に
は、バイアス電圧の極性は、任意に選ぶことができる。
またこれに加えて、半導体基板として半絶縁性ＧａＡｓ
を用いているため、暗電流を極めて小さく抑えることが
できる。ただし、通常のアバランシブレークダウンを避
けるために、基板縦方向の電界を必要以上に大きくしな
いことが望ましい。本特許においては、通常２．５ｋＶ
／ｃｍ以下の電界で充分であり、１ｋＶ／ｃｍ程度でも
有効に動作する。
ため、およびボンディングパッドのための絶縁薄膜３
が、表面電極２1 、２2 とＧａＡｓ基板１1 の間にそれ
ぞれ設けられている。絶縁薄膜３にはＳｉＯ2 やＳｉＮ
X 等の誘電体薄膜を、ＣＶＤ（化学気相成長）等の方法
により、ＧａＡｓ基板１1 上に堆積して形成される。表
面電極２1 と２2 との間には、電源７1 からバイアス電
圧Ｖｓが印加される。通常数Ｖを印加するため、これら
電極間の表面付近の電界強度は、数〜数１０ｋＶ／ｃｍ
になる。表面電極２1 、２2 と背面電極２3 との間に
は、外部の電源７2 からバイアス電圧ＶB が印加され
る。これによって、ＧａＡｓ基板１1 の縦方向の内部電
界が、０．５ｋＶ／ｃｍ以上になるように、その大きさ
が選ばれる。これは、受光部への光入射によって発生し
たキャリヤが、飽和速度で各電極間をドリフト走行させ
るためであると同時に、後に示すように、これによっ
て、ＧａＡｓ基板１1 内における、光励起キャリヤの電
極への収集効率を高めるためである。設けられた３個の
電極を、すべて等価なショットキー接触とした場合に
は、バイアス電圧の極性は、任意に選ぶことができる。
またこれに加えて、半導体基板として半絶縁性ＧａＡｓ
を用いているため、暗電流を極めて小さく抑えることが
できる。ただし、通常のアバランシブレークダウンを避
けるために、基板縦方向の電界を必要以上に大きくしな
いことが望ましい。本特許においては、通常２．５ｋＶ
／ｃｍ以下の電界で充分であり、１ｋＶ／ｃｍ程度でも
有効に動作する。
【００１１】また、電極材料としては、種々のものを選
ぶことができる。例えば障壁接合とすれば過剰キャリヤ
に対して注入ブロッキング効果を持たせることができ
る。キャリヤ再結合速度が大きな電極は、その表面電界
を高くすることもできるので有効である。このことは、
背面電極においてもいえることである。
ぶことができる。例えば障壁接合とすれば過剰キャリヤ
に対して注入ブロッキング効果を持たせることができ
る。キャリヤ再結合速度が大きな電極は、その表面電界
を高くすることもできるので有効である。このことは、
背面電極においてもいえることである。
【００１２】出力電流信号は、回路内に設けられた電流
計８1 で測定される。
計８1 で測定される。
【００１３】まず、受光部に短波長光が入射した場合、
入射光９はＧａＡｓ基板１1 内でのごく表面付近で光電
変換されるため、発生したキャリヤは表面電極２1 、２
2 間の電界によって電流となり検出される。これは、通
常の半導体受光素子の機能である。次に、受光部に長波
長光が入射した場合、入射光９はＧａＡｓ基板１1 内で
の吸収が少ないため、従来は長波長光に対しては光感度
を有しないとされてきた。しかし本発明においては、長
波長光に対してほんのわずかでも光感度があればそれを
第３電極により増幅できるようになされてある。これに
より、従来実現できなかったような広い波長範囲にわた
って光感度をもたせることができる。
入射光９はＧａＡｓ基板１1 内でのごく表面付近で光電
変換されるため、発生したキャリヤは表面電極２1 、２
2 間の電界によって電流となり検出される。これは、通
常の半導体受光素子の機能である。次に、受光部に長波
長光が入射した場合、入射光９はＧａＡｓ基板１1 内で
の吸収が少ないため、従来は長波長光に対しては光感度
を有しないとされてきた。しかし本発明においては、長
波長光に対してほんのわずかでも光感度があればそれを
第３電極により増幅できるようになされてある。これに
より、従来実現できなかったような広い波長範囲にわた
って光感度をもたせることができる。
【００１４】長波長光により光キャリヤが発生する機構
には種々のものがあり、たとえば、半導体内の深い準位
からの光励起によるものや、電極からの光電子放出など
がある。この場合には、ＧａＡｓ基板１1 内に入射した
長波長光の一部が、わずかに光電変換されつつ縦方向に
透過し、背面電極２3 に到達する。到達した光は、この
電極金属内の電子を励起し半導体内部に放出させると同
時に、自らは半導体基板内に反射されて、基板内で再び
その一部が光電変換される。すなわち、背面電極２
3 は、長波長光を反射させるための反射膜も兼ねてい
る。これによって発生したキャリヤは、おもにバイアス
電圧電源７2 によって半導体基板の縦方向に生じている
電界によってドリフトし、表面電極２1 、２2 において
光電流として検出される。ここで、これら半導体基板内
の電界は、いずれも０．５ｋＶ／ｃｍ以上の強電界であ
り、この場合には発生した光電流が実質的に増倍される
こと、およびこの度合は電界強度に強く依存するため調
整可能であることが、本発明者によって発見されている
（図２図示）。これによって、特に量子効率が低いはず
の長波長光に対する光感度は、電源７2 から基板縦方向
に印加されるバイアス電圧を大きくすることによって、
短波長光に対する光感度とほぼ等しくすることが可能と
なる。
には種々のものがあり、たとえば、半導体内の深い準位
からの光励起によるものや、電極からの光電子放出など
がある。この場合には、ＧａＡｓ基板１1 内に入射した
長波長光の一部が、わずかに光電変換されつつ縦方向に
透過し、背面電極２3 に到達する。到達した光は、この
電極金属内の電子を励起し半導体内部に放出させると同
時に、自らは半導体基板内に反射されて、基板内で再び
その一部が光電変換される。すなわち、背面電極２
3 は、長波長光を反射させるための反射膜も兼ねてい
る。これによって発生したキャリヤは、おもにバイアス
電圧電源７2 によって半導体基板の縦方向に生じている
電界によってドリフトし、表面電極２1 、２2 において
光電流として検出される。ここで、これら半導体基板内
の電界は、いずれも０．５ｋＶ／ｃｍ以上の強電界であ
り、この場合には発生した光電流が実質的に増倍される
こと、およびこの度合は電界強度に強く依存するため調
整可能であることが、本発明者によって発見されている
（図２図示）。これによって、特に量子効率が低いはず
の長波長光に対する光感度は、電源７2 から基板縦方向
に印加されるバイアス電圧を大きくすることによって、
短波長光に対する光感度とほぼ等しくすることが可能と
なる。
【００１５】この場合のキャリヤ発生用電極は、発生効
率を向上せしめるために発生キャリヤが界面に到達しや
すくすることが重要であり、そのためには電極金属膜厚
を１μｍ以下に、できれば０．１μｍ程度に薄くするこ
とが望ましい。この場合においても光の透過損があるた
め、透過光を再び戻せるような別の反射鏡ないし干渉鏡
を備えることも好ましい。これらは、光の利用効率を向
上させるために必要で、公知の手段であるが、これらを
組み合わせることがよい。
率を向上せしめるために発生キャリヤが界面に到達しや
すくすることが重要であり、そのためには電極金属膜厚
を１μｍ以下に、できれば０．１μｍ程度に薄くするこ
とが望ましい。この場合においても光の透過損があるた
め、透過光を再び戻せるような別の反射鏡ないし干渉鏡
を備えることも好ましい。これらは、光の利用効率を向
上させるために必要で、公知の手段であるが、これらを
組み合わせることがよい。
【００１６】図２は、図１に示される構造の半導体受光
素子の分光感度を入射光波長に対してプロットしたもの
で、横軸に入射光波長（単位、μｍ）、縦軸に光感度
（同、Ａ／Ｗ）、パラメータとして基板縦方向に印加す
るバイアス電圧ＶB （同、Ｖ）をとってある。このと
き、素子の基板厚さは４５０μｍ、受光部の大きさは２
００μｍ×２００μｍ、受光部のくし型電極のフィンガ
ー幅、ギャップ幅は共に５μｍである。また、表面電極
間のバイアス電圧ＶS は１０Ｖである。この図に示され
るように、本発明による半導体受光素子の分光感度は、
短波長側、すなわち０．８８μｍ以下と、長波長側では
明らかにその特性が異なっており、ＶB を大きくするこ
とによって、特に長波長側の光感度の上昇のしかたが著
しい。また短波長側の光感度も多少上昇する。ＶB を１
００Ｖにすると、０．４〜１．６μｍの広い範囲にわた
って分光感度はほぼ一定となる。またその値も、最大点
で約３Ａ／Ｗとなり、量子効率に換算して１００％を越
えることから、高内部電界による、実質的な内部ゲイン
が生じていることがわかる。
素子の分光感度を入射光波長に対してプロットしたもの
で、横軸に入射光波長（単位、μｍ）、縦軸に光感度
（同、Ａ／Ｗ）、パラメータとして基板縦方向に印加す
るバイアス電圧ＶB （同、Ｖ）をとってある。このと
き、素子の基板厚さは４５０μｍ、受光部の大きさは２
００μｍ×２００μｍ、受光部のくし型電極のフィンガ
ー幅、ギャップ幅は共に５μｍである。また、表面電極
間のバイアス電圧ＶS は１０Ｖである。この図に示され
るように、本発明による半導体受光素子の分光感度は、
短波長側、すなわち０．８８μｍ以下と、長波長側では
明らかにその特性が異なっており、ＶB を大きくするこ
とによって、特に長波長側の光感度の上昇のしかたが著
しい。また短波長側の光感度も多少上昇する。ＶB を１
００Ｖにすると、０．４〜１．６μｍの広い範囲にわた
って分光感度はほぼ一定となる。またその値も、最大点
で約３Ａ／Ｗとなり、量子効率に換算して１００％を越
えることから、高内部電界による、実質的な内部ゲイン
が生じていることがわかる。
【００１７】また、本構造において、ＶB が１００Ｖの
場合でも暗電流は数ｎＡに抑えられており、上記実質的
内部ゲイン特性とあいまって、Ｓ／Ｎ比の高いことも本
受光素子の大きな特徴である。
場合でも暗電流は数ｎＡに抑えられており、上記実質的
内部ゲイン特性とあいまって、Ｓ／Ｎ比の高いことも本
受光素子の大きな特徴である。
【００１８】図３（ａ）、（ｂ）は、特に入射光９が長
波長光に限られる場合、これを半導体基板の背面もしく
は側面から入射させて、表面の受光部に裏側から到達さ
せるようになされたもので、入射光９が表面のくし型電
極にさえぎられないため、効率よく光電変換するのに有
効である。このうち図３（ａ）は光を背面から入射させ
る場合、同図（ｂ）は側面から入射させる場合を示して
いる。背面から入射する場合には、背面電極２3 の中央
付近に光が入射するための穴（窓）を設ける。側面から
入射した光を表面の受光部に照射させるためには、半導
体基板の背面の一部を４５°の角度に鏡面研磨、もしく
はエッチングして、この面での入射光９を反射させる必
要がある。さらにこれを効率よく行うために、この面に
金属薄膜を真空蒸着して、反射率を高めることが望まし
い。同図の具体例では、背面電極２3 を共通に反射面で
の反射膜として用いている。
波長光に限られる場合、これを半導体基板の背面もしく
は側面から入射させて、表面の受光部に裏側から到達さ
せるようになされたもので、入射光９が表面のくし型電
極にさえぎられないため、効率よく光電変換するのに有
効である。このうち図３（ａ）は光を背面から入射させ
る場合、同図（ｂ）は側面から入射させる場合を示して
いる。背面から入射する場合には、背面電極２3 の中央
付近に光が入射するための穴（窓）を設ける。側面から
入射した光を表面の受光部に照射させるためには、半導
体基板の背面の一部を４５°の角度に鏡面研磨、もしく
はエッチングして、この面での入射光９を反射させる必
要がある。さらにこれを効率よく行うために、この面に
金属薄膜を真空蒸着して、反射率を高めることが望まし
い。同図の具体例では、背面電極２3 を共通に反射面で
の反射膜として用いている。
【００１９】図４は、図１において光が入射する部分、
すなわち表面電極２1 、２2 間のギャップ部分の半導体
基板上に反射防止膜４を形成し、入射光の半導体表面で
の反射を抑えて、光電変換効率を高めたものの実施例で
ある。図３のように、基板の背面や側面から光を入射す
る場合には、絶縁薄膜３と同様に、通常ＳｉＯ2 やＳｉ
ＮX 等の誘電体の絶縁薄膜が用いられる。入射光９の波
長がある程度決まっている場合には、その誘電率と厚さ
は、対象とする入射光９の中心波長に対応して決めるの
が望ましい。
すなわち表面電極２1 、２2 間のギャップ部分の半導体
基板上に反射防止膜４を形成し、入射光の半導体表面で
の反射を抑えて、光電変換効率を高めたものの実施例で
ある。図３のように、基板の背面や側面から光を入射す
る場合には、絶縁薄膜３と同様に、通常ＳｉＯ2 やＳｉ
ＮX 等の誘電体の絶縁薄膜が用いられる。入射光９の波
長がある程度決まっている場合には、その誘電率と厚さ
は、対象とする入射光９の中心波長に対応して決めるの
が望ましい。
【００２０】この半導体受光素子から得られた電流信号
を増幅するには、信号を外部に取り出す前に、同一半導
体基板上で行うことが、信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を高め
る上で望ましい。図５は、受光素子と同一の半絶縁性Ｇ
ａＡｓ基板１1 上において、表面電極２2 に電界効果型
トランジスタ（ＦＥＴ）のゲートを縦続接続し、モノリ
シックに集積化したものである。ここで用いられている
半絶縁性ＧａＡｓ基板１1 は、一般にその高抵抗、低容
量性のため、電子素子、回路の集積や、さらには光電素
子や光素子を含めた光電子集積回路（ＯＥＩＣ）のため
の基板として最適であるとされている。本実施例はこの
利点を最大限に活用したものである。本実施例で使用さ
れるＦＥＴは、一般にＧａＡｓ基板１1 上に作製され
る、ショットキーゲート型のＭＥＳＦＥＴで、通常の型
のものを指している。ここで、ＦＥＴ用の活性層である
ｎ−ＧａＡｓ層１2 は、ＧａＡｓ基板１1 上に、結晶成
長もしくはイオン注入法によって形成されたものであ
る。ＦＥＴのゲート電極５1はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕもしく
はＷＳｉX 等によって形成され、ｎ−ＧａＡｓ層１2 と
ショットキー接触をなしており、受光素子の出力電極と
しての表面電極２2 に接続されている。ＦＥＴのソース
電極５2 は接地電極を兼ね、またドレイン電極５3 は出
力電極となる。これらはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ等を用い
て形成され、ｎ−ＧａＡｓ層１2 とオーム性接触をなし
ている。この部分の接触抵抗を低減するためにこれら電
極下のＧａＡｓ層を結晶成長もしくはイオン注入法によ
って、低抵抗のｎ+ 型のＧａＡｓ（図示せず）とするこ
とは有効であり、一般に行われている。また、受光素子
の負荷抵抗６1 、ＦＥＴの負荷抵抗６2 は、半導体基板
へのイオン注入法もしくは金属薄膜により、その抵抗値
を制御して形成される。ドレインバイアス電圧電源７3
からの印加電圧はこの負荷抵抗６2 を通じて電極５4 か
ら与えられる。本実施例における回路構成では、光入射
によってゲート電極には負の電圧が生じるので、ＦＥＴ
はノーマリーオン（ディプリーション）型とし、負極性
の電圧を増幅する構成の方が望ましい。出力電圧信号
は、ドレイン電極５3 に接続された電圧計８2 で測定さ
れる。
を増幅するには、信号を外部に取り出す前に、同一半導
体基板上で行うことが、信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を高め
る上で望ましい。図５は、受光素子と同一の半絶縁性Ｇ
ａＡｓ基板１1 上において、表面電極２2 に電界効果型
トランジスタ（ＦＥＴ）のゲートを縦続接続し、モノリ
シックに集積化したものである。ここで用いられている
半絶縁性ＧａＡｓ基板１1 は、一般にその高抵抗、低容
量性のため、電子素子、回路の集積や、さらには光電素
子や光素子を含めた光電子集積回路（ＯＥＩＣ）のため
の基板として最適であるとされている。本実施例はこの
利点を最大限に活用したものである。本実施例で使用さ
れるＦＥＴは、一般にＧａＡｓ基板１1 上に作製され
る、ショットキーゲート型のＭＥＳＦＥＴで、通常の型
のものを指している。ここで、ＦＥＴ用の活性層である
ｎ−ＧａＡｓ層１2 は、ＧａＡｓ基板１1 上に、結晶成
長もしくはイオン注入法によって形成されたものであ
る。ＦＥＴのゲート電極５1はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕもしく
はＷＳｉX 等によって形成され、ｎ−ＧａＡｓ層１2 と
ショットキー接触をなしており、受光素子の出力電極と
しての表面電極２2 に接続されている。ＦＥＴのソース
電極５2 は接地電極を兼ね、またドレイン電極５3 は出
力電極となる。これらはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ等を用い
て形成され、ｎ−ＧａＡｓ層１2 とオーム性接触をなし
ている。この部分の接触抵抗を低減するためにこれら電
極下のＧａＡｓ層を結晶成長もしくはイオン注入法によ
って、低抵抗のｎ+ 型のＧａＡｓ（図示せず）とするこ
とは有効であり、一般に行われている。また、受光素子
の負荷抵抗６1 、ＦＥＴの負荷抵抗６2 は、半導体基板
へのイオン注入法もしくは金属薄膜により、その抵抗値
を制御して形成される。ドレインバイアス電圧電源７3
からの印加電圧はこの負荷抵抗６2 を通じて電極５4 か
ら与えられる。本実施例における回路構成では、光入射
によってゲート電極には負の電圧が生じるので、ＦＥＴ
はノーマリーオン（ディプリーション）型とし、負極性
の電圧を増幅する構成の方が望ましい。出力電圧信号
は、ドレイン電極５3 に接続された電圧計８2 で測定さ
れる。
【００２１】
【発明の効果】以上に示した発明によって、半絶縁性Ｇ
ａＡｓ基板を用いて作製した半導体受光素子により、
０．４μｍ〜１．７μｍ程度の広い波長範囲にわたっ
て、光感度を有する受光素子を実現できる。これを、光
通信、発光分析等に用いることにより、従来よりも大幅
な手間やコストの節減が可能となる。また、長波長光の
受光素子としても、従来用いられてきたＧｅやＩｎＧａ
Ａｓの受光素子に比べて、時電流が低く、Ｓ／Ｎ比の高
いこと、さらに集積化が用意であることにおいて有効で
ある。
ａＡｓ基板を用いて作製した半導体受光素子により、
０．４μｍ〜１．７μｍ程度の広い波長範囲にわたっ
て、光感度を有する受光素子を実現できる。これを、光
通信、発光分析等に用いることにより、従来よりも大幅
な手間やコストの節減が可能となる。また、長波長光の
受光素子としても、従来用いられてきたＧｅやＩｎＧａ
Ａｓの受光素子に比べて、時電流が低く、Ｓ／Ｎ比の高
いこと、さらに集積化が用意であることにおいて有効で
ある。
【図１】本発明に係る半導体受光素子の基本構造を示し
た図である。
た図である。
【図２】本発明に係る半導体受光素子の分光感度を、入
射光波長に対してプロットした図である。
射光波長に対してプロットした図である。
【図３】裏面、及び側面入射構造を有する半導体受光素
子を示した図である。
子を示した図である。
【図４】光入射面に反射防止膜を設けた半導体受光素子
の構造を示した図である。
の構造を示した図である。
【図５】半導体基板上にＦＥＴをモノリシックに集積化
した図である。
した図である。
【符号の簡単な説明】１1 …半絶縁性ＧａＡｓ基板、１
2 …ｎ−ＧａＡｓ層、２1 、２2 …表面電極２3 …背面
電極、３…絶縁薄膜、４…反射防止膜、５1 …ＦＥＴの
ゲート電極５2 …ＦＥＴのソース電極、５3 …ＦＥＴの
ドレイン電極、５4 …ドレインバイアス電圧印加用電
極、６1 …受光素子の負荷抵抗、６2 …ＦＥＴの負荷抵
抗７1 …受光素子の表面電極のバイアス電圧用電源、７
2 …受光素子の背面電極のバイアス電圧用電源、７3 …
ＦＥＴのドレインのバイアス電圧用電源、８1 …電流
計、８2 …電圧計、９…入射光
2 …ｎ−ＧａＡｓ層、２1 、２2 …表面電極２3 …背面
電極、３…絶縁薄膜、４…反射防止膜、５1 …ＦＥＴの
ゲート電極５2 …ＦＥＴのソース電極、５3 …ＦＥＴの
ドレイン電極、５4 …ドレインバイアス電圧印加用電
極、６1 …受光素子の負荷抵抗、６2 …ＦＥＴの負荷抵
抗７1 …受光素子の表面電極のバイアス電圧用電源、７
2 …受光素子の背面電極のバイアス電圧用電源、７3 …
ＦＥＴのドレインのバイアス電圧用電源、８1 …電流
計、８2 …電圧計、９…入射光
フロントページの続き (72)発明者 飯田 孝 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 藁科 禎久 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 杉本 賢一 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 鈴木 智子 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 菅 博文 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内
Claims (10)
- 【請求項１】 半絶縁性であるIII-Ｖ族化合物半導体を
活性層基板とし、この基板表面上に実質的に左右対称な
一対の電極を配置し、これら電極間に外部からバイアス
電圧を印加する手段と、さらに、この基板の背面上に第
３の電極を設け、該電極対との間の内部電界が０．５な
いし２．５ｋＶ／ｃｍの範囲になるように、別のバイア
ス電圧を印加する手段により、光の入射によって発生し
たキャリヤが、該内部電界によって、第３電極と上記電
極対との間の媒質内を、ドリフト走行するようになされ
た構造によって、光感度を有し、かつその光感度を第３
電極によって制御できることを特徴とする半導体受光素
子。 - 【請求項２】 前記III-Ｖ族化合物半導体は、ＧａＡｓ
である請求項１記載の半導体受光素子。 - 【請求項３】 ＧａＡｓのエネルギーバンドギャップに
相当する波長より、長い波長の光を照射する手段を有す
る請求項２記載の半導体受光素子。 - 【請求項４】 特に長波長光を半導体基板の背面、もし
くは側面から入射するようになされた請求項３記載の半
導体受光素子。 - 【請求項５】 光が入射する面以外の半導体面に、特に
長波長光の出射を防ぐ特性を有する表面反射膜が形成さ
れた請求項３記載の半導体受光素子。 - 【請求項６】 光が入射する半導体面に、特に長波長光
に有利な特性を有する反射防止膜が形成された請求項３
記載の半導体受光素子。 - 【請求項７】 前記複数電極のうち負極性側がオーミッ
ク性電極である請求項１記載の半導体受光素子。 - 【請求項８】 出力電極となる一方の表面電極に電界効
果型トランジスタを縦続接続し、これらが同一半導体基
板上にモノリシックに集積化された請求項１記載の半導
体受光素子。 - 【請求項９】 半導体に付着される電極のうちの少なく
とも１つは、キャリヤ再結合速度の大きな電極である請
求項１記載の半導体受光素子。 - 【請求項１０】 半導体に付着される電極のうち、陰極
側になるものは、その厚さが０．１μｍを越えないもの
である請求項１記載の半導体受光素子。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3-194532 | 1991-08-02 | ||
| JP19453291 | 1991-08-02 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0595131A true JPH0595131A (ja) | 1993-04-16 |
Family
ID=16326105
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3318046A Pending JPH0595131A (ja) | 1991-08-02 | 1991-12-02 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0595131A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5495100A (en) * | 1993-07-27 | 1996-02-27 | Hamamatsu Photonics, K.K. | Phase difference detecting method, circuit and apparatus |
| WO2018021259A1 (ja) * | 2016-07-23 | 2018-02-01 | 国立大学法人千葉大学 | 赤外光素子 |
| JP2020129674A (ja) * | 2020-04-20 | 2020-08-27 | 株式会社東芝 | 光検出器 |
-
1991
- 1991-12-02 JP JP3318046A patent/JPH0595131A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5495100A (en) * | 1993-07-27 | 1996-02-27 | Hamamatsu Photonics, K.K. | Phase difference detecting method, circuit and apparatus |
| WO2018021259A1 (ja) * | 2016-07-23 | 2018-02-01 | 国立大学法人千葉大学 | 赤外光素子 |
| JPWO2018021259A1 (ja) * | 2016-07-23 | 2019-05-16 | 国立大学法人千葉大学 | 赤外光素子 |
| JP2020129674A (ja) * | 2020-04-20 | 2020-08-27 | 株式会社東芝 | 光検出器 |
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