JPS6319881A - 半導体光検出器 - Google Patents

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、その電極のところにショットキー障壁のある
半導体光検出器に関する。

従来技術及びその問題点 半導体光検出器は、放射線の透過深さよりも厚い半導体
材料の層内で光子を電子正孔対に変換する過程によって
、入射光線に反応する。生じた電子および正孔は、半導
体層のひとつ以上の表面に配置された電極対の間で電流
となって除去される。

ある興味深い形の半導体光検出器では、電極が相互嵌合
形電極構造体として形成され、電流および正孔を引き離
すために外部電源によってバイアスがかけられている。

電極は、オーム性接点またはショットキー障壁接点によ
って半導体材料に接合された金属で構成することができ
る。

ここで特に興味深いのは、ショットキー障壁接点を用い
た光検出器構造体である。ショットキー構造のポテンシ
ャル障壁は、光子によって生成された電子正孔対による
電流以外の電流の発生を抑制するのに、望ましい。これ
は、赤外光や可視光などの放射線により光学的にデジタ
ル信号を伝送するのに便利であり、この場合、光学信号
は光検出器によって電気信号に変換される。このような
伝送は、放射線パルスによって実施することもできる。

ショットキー構造の利点は、前述のボテンシャル障壁の
作用が、雑音を増加させデジタル信号を変形させる雑音
電流の出現を抑制する点にある。

電極素片が半導体材料の表面を横切る平行な一列となっ
て延在する前述の構造では、ある問題が生じる。電極の
両端にトンネル効果を起こし得る強いポテンシャル勾配
が存在し、放射線によって誘起された電子電流および正
孔電流が半導体材料の表面にトラップされる可能性があ
る。電荷担体がトラップされると、ショットキー障壁の
所のポテンシャル・フィールドのプロファイルが変容さ
れて、ポテンシャル勾配が一層増大するので、半導体表
面に平行な方向にポテンシャル障壁が狭くなる。量子力
学によれば、ポテンシャル障壁を通過する電荷のトンネ
リングが増大する。前出のデジタル信号を受信する際に
雑音電流が現われることが、トンネリングの一つの効果
である。したがって、トンネリングのため、光検出器に
ショットキー構造を利用する際の利点が減少する。

電荷担体のトラップ化の一様相は、トラップされた電荷
担体の影響、すなわちポテンシャル・フィールドの変容
が時間の経過と共にゆっくりと変化するという事実であ
る。たとえば、光検出器に入射したパルス状赤外信号は
、変容されたポテンシャル・フィールドによって変換さ
れて比較的鋭い立ち上がりとそれに続く振幅のゆっくり
したドリフトを伴うパルスになる。このドリフトは、ト
ラップされた電荷担体によってポテンシャル・フィール
ドの乱れがゆっくりと変化する結果である。

この影響は、入りパルス信号列の波形を変容させて記号
間干渉をひき起こす、望ましくない低周波数利得として
特徴づけることができる。その他の影響は、暗電流が大
きいことと、入り放射信号に対する光検出器およびその
外部回路の応答性が低下することである。

問題点を解決するための手段 本発明の半導体光検出器は、上記の問題を解決するため
、（ａ）入射放射線を電荷担体に変換する半導体材料か
ら成る層を含む手段と、（ｂ）この層の表面に延在する
第１及び第２の電極であってその各々が上記層とでショ
ットキー障壁を形成し、入射放射線が存在しかつこれら
のｆｆｉｔＭ間にバイアス電圧がかけられた場合に電流
を流すものとし、（ｃ）上記層の表面に設けられ電荷担
体を偏向させる手段と、を具備して成ることを特徴とす
る。

本発明の作用、特に手段（Ｑ）の作用は以下の実施例で
詳細に説明する。

実施例 はじめに本実施例を概説する。

一層の半導体材料を中に含み、その層内で光検出器に入
射した放射線を電荷担体に変換する、半導体光検出器に
よって、前記の問題が解決され、他の利点ももたらされ
る。本発明は、特に砒化ガリウムなど■−Ｖ族化合物と
呼ばれている周期律表の第■族と第■族の元素の化合物
から形成される半導体材料に適用される。本発明の好ま
しい実施例では、この半導体層は半絶縁性ガリウム砒素
からなる。

さらに、光検出器は、導電性素片が尚早導体層の表面に
延在する第１電極と導電性素片が尚早導体層の表面の第
１電極の素片の傍にそれと隔置されて延在する第２電極
とからなる。各電極は複数の素片を含むこともあり、そ
の場合には電極が相互嵌合形に配列される。各電極素片
は、半導体層と共にショットキー障壁を形成し、入射光
線の存在下で第１電極と第２電極の間にバイアス電圧電
源を接続すると、電流を発生させる。

本発明によれば、電荷担体が各電極素片の近傍で電界の
影響を受けて半導体層の表面にトラップされることは、
光子と電荷担体の間で変換が行なわれる層の表面にドー
プされた半導体層を作成することによって抑制される。

ドープされた層は電荷担体を偏向させ１反撥して、表面
から遠ざけて、表面に沿っ゛た電荷担体のトラップを減
少させ、ショットキー障壁の下を通る電極担体のトンネ
リングを抑制する。ドープ層は変換層内への放射線の透
過深さよりもずっと薄く、したがって電荷担体が表面か
ら有効に反撥される。ドープ層の厚さ中の不純物原子の
濃度は、ドープ層が電荷担体の乏しい高抵抗状態にあり
続けるように選ばれる・大部分の場合は、これは下式に
従って、ドーピング密度と層厚の２乗との積を制限する
ことによって達成される。

Ｎｄｄ２βｔ　Ｅ　ｇ　／　２　ｑ ただし、Ｎｄはドーパント原子の密度、ｄは層の深さす
なわち厚み、εは半導体の誘電率、Ｆｇは半導体のバン
ド・ギャップ・エネルギ、ｇは電子の電荷である。

以下、図面を参照して実施例を詳説する。

第１図および第２図には、半導体材料のブロック１２か
ら形成される光検出器１０が示され、ブロック１２は２
層、すなわち上層１４と下層１６とに分割されている。

−組の相互嵌合形電極１８が上層１４の上に配置される
。電極１８は、抵抗２０を介して電池２２の陽極端子に
接続された陽電極１８Ａと、電池２２の陰極端子に接続
された陰電極１８Ｂからなる。電池２２は、光検出器１
０を作動させるためのバイアス電圧電源の働きをする。

抵抗２ｏは、光検出器１ｏ中を流れる検出電流に比例す
る電圧降下を生しさせる。差動増幅器２４は、抵抗２ｏ
の対向する両端に接続された１対の入力端子を備え、検
出電流に比例する出力信号を線２６上にもたらす。

本発明の好ましい実施例では、第１図に示すように、各
電極１８は、ブロック１２の最上面３０を横断して延在
する１組の電極素片２８を備えている。電極素片２８は
互いに平行であり、がっ互いに隔置されて、相互嵌合形
電極を形成する。電極１８は、金、アルミニウム、白金
などの金属、または半導体とショットキー接点を形成さ
せることができるケイ化タングステンなどの他の導電性
材料から形成される。

光検出器１０の製造に当っては、先ず、放射線の光子を
電子正孔対に変換するのに適した半絶縁性半導体材料か
ら構成されるブロック１２を調製する。本発明の好まし
い実施例では、ブロック１２は砒化ガリウムから構成さ
れるが、本発明はその他の半導体材料、特にアルミニウ
ム、インジウムおよびアンチモンなどの元素の■−■族
化合物にも適用できる。好ましい実施例の砒化ガリウム
は、可視スペクトルの赤外部から遠赤外部までの周波数
領域の放射線に反応する。第２図では、入射光線を、入
り光は大きな矢印３２で示し、ブロック１２内へ入りそ
の中で減衰していく光は小さな矢印３４で表す。矢印３
４の光はブロック１２中に入った距離と共に指数的に減
衰し、実用上は破線３６で示す透過深さで完全に減衰し
たと見なしてよい。透過深さは、光の減衰を数学的に表
現すると吸収係数の逆数の約２倍から３倍である。

光検出器１０の製造、の次の段階では、ブロック１２の
上面３０にトープして、バルク材料の上層１４を形成さ
せる。下層１６として示されるブロック１２の素材の残
部は、半絶縁性砒化ガリウムのまま残される。上層１４
の形成は、適当なドーパント材料の化学蒸着またはイオ
ン注入によって達成できる。別法として、望むなら、下
層１６上にエピタキシャル成長させることによって上層
１４を形成してもよい。上層１４のドーピングに用いる
ドーパントは、ｎ型またはｐ型のドーパントでよい。本
発明の好ましい実施例で使用する適当なｎ型ドナーはシ
リコンである。ｐ型アクセプタ・ドーパントとして、ベ
リリウムを用いることができる。ゲルマニウムもドーパ
ントとして使用できるが、ドーピングの型（ｎ型または
ｐ型）は、ドーピング方法によって決まる。

光検出器１０構造体の物理的寸法について、電極素片２
８は図示し易くするためその高さを誇張して描かれてい
ることに注意すべきである。電極素片２８の高さく第２
図）の典型値は０．１５ミクロンであり、幅の典型値は
１．０ミクロンである。連続して並ぶ電極素片２８のエ
ツジの相互間隔の典型値は２．０ミクロンである。上層
１４は、典型的には、深さが１０００オングストローム
である。最上面３ｏと破線３６との間隔で示される透過
深さは、砒化ガリウムに赤外線が入射する場合、典型的
には２．０ミクロンであり、この場合が第２図に示され
ている。

光検出器１０の動作は、第３図と第４図に示す説明図を
参照して説明できる。第３図で、上側の図は連続する２
片の電極素片２８が表面３ｏの上に配置された状態を示
す。この図法は、第２図の断面図と同じである。第３図
の上側の図には、また電池２２によるバイアス電圧の印
加に応答して生じる。電極素片２８同志を結ぶ電界を表
わす電気力線３８も示されている。特に、注意したいの
は、電気力線３８が電気素片２８のエツジ付近は集束し
、電気素片２８から雛れた所では拡散する傾向のあるこ
とである。電極素片２８のエツジ付近で電気力線３８が
集束し、その後電極素片２８から離れた所で拡散すると
いうことは、電気素片２８のエツジ付近にポテンシャル
勾配があり、それに付随して高い電界強度があることを
意味している。このような電界強度のパターンのため、
本発明の上層１４がない場合、電極素片２８相互間を流
れる電流の電荷担体は、入射光線の存在下で電池２２の
電圧が印加されると、著しい量のトラップが誘発される
ことになる。電荷担体がブロック１２のバルク材料中で
はなくて表面３ｏでトラップされる現象は、結晶状の半
導体材料が高純度で形成される場合に特に顕著である。

その場合、バルク材料中ではトラップはほとんどみられ
ず。

主として表面３ｏでトラップが起こる。

電気力線３８に対応するエネルギ・バンド図がある。こ
のようなエネルギ・バンド図の一つが第３図の中央に示
されている。この図では、垂直方向にエネルギ・水平方
向に電気力線３８に沿った距離が示されている。例とし
て、第３図中央のエネルギ準位図は、電極素片３８の内
側エツジに位置合せしてあり、第３図の上側に示した電
気力線３８のうち最も上の電気力線に対応するものであ
る。このエネルギ準位図は、バイアス電圧の値がゼロと
いう状況に対応するものである。この場合、エネルギ準
位図は電極素片２８のそれぞれに関して対称である。特
に注意したいのは、第３図に示されているように、ある
高さをもつ障壁が存在することで、この障壁はショット
キー接点によってもたらされるポテンシャル障壁である
。光検出器１０の製造に当っては、各電極素片２８と半
導体材料の表面３０の間にショットキー障壁を形成する
だめの周知の技術によって、電極１８を表面３０上に形
成する。このような製造は、第３図の中央に示したエネ
ルギ図に対応する。特に注意したいのは、上のｆｉ４０
が電子の伝導帯の下端を表わすことである。下の線４２
は、正孔の価電子帯の上端を表わし、フェルミ準位が伝
導帯と価電子帯の間にある。

第３図の下側のグラフは、電池２２が値がゼロでないバ
イアス電圧を印加している場合の、上側の電界の電気力
線３８に関するエネルギ準位図である。左側の電極素片
２８（最上側の図）は、第３図の右側の電極素片２８に
比べて正の電位を与えられているものとする。このこと
は、プラスとマイナスの符号で示されている。第３図の
下側の図は、２つの形で示され、ひとつの形は破線で表
わされもうひとつの形は実線で表わされている。

実線は、表面３ｏで電荷担体がトラップされていない場
合のエネルギ準位図であり、これは本発明を実施した場
合のエネルギ準位図である。破線は、電荷担体のトラッ
プがエネルギ準位図に与える効果を示す。この効果は、
本発明を使わずに光検出器を製造する際に生じるもので
ある。

実線は、通常の幅をもつショットキー障壁を示す。この
幅は、トンネリングが絶対に起こらない程度の大きさで
ある。破線は、幅が狭くなったショットキー障壁を示す
。この幅では大量のトンネリングが起こる。文字りとプ
ラス記号で示される正孔は、ポテンシャルがより負であ
る右方に移動し、文字ｅとマイナス記号によって示され
る負電荷はポテンシャルがより正である左方に移動する
。

プラス記号で示されるトラップされた正孔は、エネルギ
図の右方に示され、マイナス記号で示されるトラップさ
れた電子はエネルギ図の左側に示されている。実線の形
を変えて幅が減少する望ましくない破線を生じるのは、
このトラップされた１群の電荷である６ 上層１４（第２図）は、電荷担体を偏向させて表面３０
から遠ざけ、電荷担体のトラップを抑制する反撥力が生
じるのに充分なほどドープされている。その結果、正孔
と電子がエネルギ図の両端に集まらず、エネルギ図の破
線の表現は現われない。従って１本発明によると、上層
１４が電荷を反撥する特性をもつため、エネルギ図はシ
ョットキー障壁の幅が通常の幅となる実線の形をとるよ
うになる。前に注意した通り、障壁を通過してトンネル
する量が確実にごく僅かしかないようにするには、通常
の幅で充分である。

本発明の好ましい実施例では、ドーパントで１ｄ当り原
子１０７個の濃度に上層をドープすることにより、充分
な電荷の反撥が達成されている。

ドーパント原子を層中でこのような濃度で数ミクロン程
度以上の厚さまでトープすると、高導電性の層が生じる
ことになる。ただし、上層１４の深さが比較的薄くて上
記のように１０００オングストローム以下の場合、上層
の伝導度は依然として比較的低いままであり、電極素片
２８相互間の電流の流れにはあまり寄与しない。下層１
６の半絶縁性砒化ガリウム中の電荷担体濃度は、１−当
り原子１０°個程度であり、上層１４の濃度よりも９桁
小さい。ドーパント原子の濃度は、上層１４が薄くなる
ほど増加し、上層１４が厚くなるほど増加し、上層１４
が厚くなるほど減少することになり、濃度は前に数式で
明示したように層の厚さの２乗に反比例する。

前記の効果は、第４図を見るとわかる。上層１４がドー
プされていない場合の伝導帯と価電子帯は破線で示され
、実線は上層１４がドープされている場合のエネルギ準
位のシフトを示す。第４図では、伝導帯と価電子帯を表
わすグラフが、光検出器１０の層１４．１６と位置を揃
えて示しである。第４図では、伝導帯と価電子帯を光検
出器１０の表面３０に対して垂直な光検出器距離の関数
として表わすために、光検出器を横向きに回転させであ
る。第４図のエネルギ準位は、ｎ型ドーピングの場合を
示す。この場合、上層１４によって、層１４と層１６間
の界面よりも負の電位が表面３０に導入される。

従って、第４図に示されているように、層１４と層１６
の界面に、電子はそこへ向けて移動し正孔はそこから追
い出させるポテンシャル井戸が生成される。その結果、
電子は表面３０から遠くに押しやられる傾向があり、電
子が表面３０でトラップされるのは避けられる。また、
正孔に関しては、大多数の正孔が下層１６中へ押し込ま
れ、比較的小数の正孔だけが表面３０へ向けて押しやら
れる。このため、大多数の正孔が表面３０でトラップさ
れるのが避けられる。第４図のエネルギ準位についての
上記の議論は、上層１４にｐ型のドーピングを実施する
場合にも適用される。

ここで興味深いのは、上層１４がもっと深くまで拡がる
場合、高導電性材料の場合と同様に伝導帯がフェルミ準
位に近づくことになるということである。ただし、上層
１４の深さが比較的浅いために、ドーパント原子の濃度
が高くても、伝導帯はフェルミ準位から遠く離れたまま
なので、陽電極１８Ａとｌｉ３電極１８Ｂの間に充分な
抵抗値が保持され、光検出器１０が正しく動作できる。

例として、下層１６におけるように真性半導体または半
絶縁性半導体材料の層の抵抗値が高く、（１０から４０
という）大きなメグオーム程度になる場合があることを
考慮すると、０．１メグオームないし１．０メグオニム
程度という上層１４の抵抗値は、光検出器１０が適正に
動作するのに充分な抵抗値と思われる。この値は、上１
ｉ１１４が上記の１０００オングストローム（０，１ミ
クロン）という深さの場合に達成される。

上記の議論は、任意の数の電極素片２８からなる電極構
造体１８にあてはまる。陽電極１８Ａ用に１片、陰電極
１８Ｂ用に１片と電極素片２８が２片だけという極限の
場合でも、上記の動作理論はあてはまる。

光検出器１０の構造体は、支持基板（図示せず）上に容
易に作成できる。支持基板は、砒化ガリウムＭＥＳ　　
ＦＥＴなどの電界効果トランジスタを含めて、集積回路
の形の他の半導体デバイスを支持することもできる。た
とえば、このようなトランジスタは、特定の領域にドー
パントを注入した半導体の層から作成できる。このよう
なデジイスの作成に用いる方法を、本発明の製造にも用
いることができる。特に、注意しておきたいのは、イオ
ン注入などの注入ステップのあとにアニール・ステップ
を設けて、結晶構造を−新し、注入原子が結晶格子中の
正しい位置に落着くよう１こすることである。このよう
なアニールは、電荷担体が表面でトラップされる傾向を
増加させる働きがあるが、本発明の薄い電荷反撥層は、
このようなトラップを抑制するのに充分である。したが
って、本発明は注入アニール・ステップと両立する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、外部電気回路と光検出器の接続をも示す、本
発明にもとづいて構成された光検出器の平面図、 第２図は第１図の線２−２に沿って切断した光検出器の
断面図、 第３図は、光検出器の２つの電極素片間の電界強度を表
わす図、およびそれに関連するエネルギ準位図、 第４図は、光検出器の電荷反撥層の動作を図示するため
、光検出器を貫通する深さの関数として示したエネルギ
準位図である。 ・＋ 第２に ７ｉｉｔの動作説」ハロ ｓ４図 電信ｉね曹向の電芥弓被良フ〔び“−キ、Ｉし〜バ【イ
グｓ３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 入射放射線を電荷担体に変換する半導体材料から成る層
   を含む手段と、 上記層の表面に延在する第１及び第２の電極であって、
   その各々が上記層とでショットキー障壁を形成し、入射
   放射線が存在しかつこれらの電極間にバイアス電圧がか
   けられた場合に電流を流すものと、 上記層の表面に設けられ電荷担体を偏向させる手段と、 を具備して成る半導体光検出器。