JPH0719917B2

JPH0719917B2 - 発光・受光集積素子

Info

Publication number: JPH0719917B2
Application number: JP17715085A
Authority: JP
Inventors: 和生江田; 信男中山; 雅浩長沢
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1985-08-12
Filing date: 1985-08-12
Publication date: 1995-03-06
Anticipated expiration: 2010-03-06
Also published as: JPS6237979A

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、検出に持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alxGAl
−xAs（ｘ＝0.03）、11はｎ＋型AlxGal−xAs、12はｐ＋
型AlxGal−xAs、13、14はオーミック電極である。オー
ミック電極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AlxGal−xAs、16はＰ
型AlxGal−xAs、17はｎ＋型AlxGal−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ｐ型AlxGal
−xAs16、ｎ＋型AlxGal−xAs17の界面で励起された電荷
は、ｐ型AlxGal−xAs16のｐ領域をｐ＋型AlxGal−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＋型AlxGal−xAs15をへて電極18に集められ、電
流となって流れる。

第４図の実施例の発光ダイオードは、AlxGal−xAsの組
成として、ｘ＝0.03としており、この時の発光波長はAl
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図の実施例のアバランシェホ
トダイオードにおいて、AlxGal−xAsの組成を発光ダイ
オードの例と同じくｘ＝0.03とすると、やはりAlxGal−
xAsのエネルギーバンドギャップに対応して、約0.8um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AlxGal−xAsのエネルギーバンドギャップは
室温で、1.4614eV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、実際の従来例の発光ダイオードの
発光中心波長はこれよりも、ほ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、従来例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・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
を集積して任意の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。そのため応用上制約があ
るとともに、また同一構造、同一組成でないと、発光部
および受光部に、それぞれ製造上別々のプロセスを行う
ことが必要となり、製造プロセスが複雑となるという課
題があった。

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、任意の一方を発光に、他方をその
反射光の受光に使用しても充分に感度が得られるため、
応用上極めて有利であり、また製造プロセスを発光部と
受光部で変える必要がないため製造プロセスが非常に簡
単になる発光、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＋型）領
域とｎ型（ｎ＋型）領域の接合部の、ｐ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ｐ型
領域に近い側でおこなわすることによって、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例の構造図である。図におい
て、１はｎ型GaAs基板、２はｎ型AlxGal−xAs層、３は
接合部、４はｐ型AlyGal−yAs層（ｘ＞ｙ）、５、６は
オーミック電極である。ｐ型AlyGal−yAs4は１・10¹⁹の
アクセプタ濃度を有し、ｎ型AlxGal−xAs2は５・10¹⁶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Al濃度を0.03から0.01にゆるや
かに変化させた。

ｎ型GaAs基板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延べる。ｎ型GaAs基板の上
に、分子線エピタキシーによりｎ型AlxGal−xAs層２、
接合部３、ｐ型AlyGal−yAs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Al濃度を連続的に変えることは容
易である。

つぎに本実施例の素子の動作について延べる。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を正に羽バイアスする。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。

本実施例の素子のエネルギーバンド図を第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、
ｐ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。ｐ型半導体層４のAlyGal−yAs（ｙ＝0.01）
よりも、ｎ型半導体層２のAlxGal−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・10¹⁹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。本実施例の場合、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
を加速するに充分ん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、ｐ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、ｐ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。

従来例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、本実施例のように、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。

実際本実施例の素子を用いて、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、AlxGal−xAs、GaAsを用いたが、他
の材料、たとえばInGaAs、InGaAsP、GaAsP系III−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、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の中心に発光し、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、同一基板内に有し、少なくとも任意の
一つの素子を発光に、他の少なくとも任意の一つの素子
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し、かつ同一構成
で、素子の場所にかかわらず電気的バイアス条件を変え
るだけで、発光にも受光にも使えること、そのため製造
プロセスを発光部と受光部で変える必要がないこと、応
用にあわせて外部からそれぞれの素子に加える電圧を制
御することによって、複数個の素子のうち、任意の場所
の任意の個数の素子を、発光または受光に使用できると
いう応用上からも極めて有利になるという効果を有する
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図は本実施例の素子の構造図、第２図は本実施例の
発光部のエネルギーバンド図、第３図は本実施例の素子
の受光部のエネルギーバンド図、第４図は従来の発光ダ
イオードの構造図、第５図は従来のアバランシェホトダ
イオードの構造図である。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。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子と受光素子とが同一の構成からな
り、これらが複数個、同一基板内にあり、前記発光素子
より発し、反射した光を、前記受光素子で受光、検出す
る発光・受光集積素子であって、前記発光素子、受光素子がともに、化合物半導体からなるｐ型領域と、前記ｐ型領域よりバンドギャップの大きい化合物半導体
からなるｎ型領域と、前記ｐ型領域とｎ型領域との間に位置し、前記ｐ型領域
とｎ型領域を構成する化合物半導体の混晶化合物半導体
からなり、その組成の違いによって、前記ｎ型領域に接
する側のエネルギーバンドギャップが、ｐ型領域に接す
る側のエネルギーバンドギャップよりも大きい接合部
と、が積層された構成になっており、さらに前記発光素子は、前記積層構成の所定の領域に形
成されており、前記ｐ型領域とｎ型領域を順バイアスし
た時に、前記接合部の前記ｎ型領域に接する側を中心に
発光し、さらに前記受光素子は、前記積層構成の所定の領域で、
前記発光素子に近接して形成され、前記ｐ型領域とｎ型
領域を逆バイアスした時に、前記接合部の前記ｐ型領域
に接する側で生成された電子・ホール対が中心となって
光電流を生じることを特徴とする発光・受光集積素子。
【請求項２】ｐ型領域のアクセプタ濃度が、ｎ型領域の
ドナー濃度より大きいことを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の発光・受光集積素子。