JPS58192B2 - 半導体光検波装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体光検波装置に関する。

半導体光検波装置としてＰＩＮフォトダイオード、アバ
ランシフォトダイオード、フォトトランジスタ等がある
が、ＰＩＮフォトダイオードは構造が簡単であり従って
製作が容易であるという利点を有するが、増幅作用がな
いためにそれ自身では大きな利得を有する検波出力が得
られないという欠点を有しており、また、アバランシフ
ォトダイオードはＰＩＮフォトダイオードと丁度逆の長
所及び欠点を有すると共に特に使用環境に厳さが要求さ
れる欠点を有し、更にフォトトランジスタは比較的大な
る利得を以って検波出力が得られるが応答速度が遅いと
いう欠点を有していた。

さらに、第１図に断面図を第２図に等価回路図を示すよ
うにｎｐｎ型のトランジスタのベースとコレクタ間にダ
イオードが接続された構造のものも提案されている。

（特開昭５３−７１５９０号公報）しかし、このような
構造の装置でも、光検波特性において第３図のイで示す
部分のようにすそ引きが生じて、ある程度の周波数まで
しか使用できない欠点を有していた。

本発明はこれらの欠点を解決し、高周波の光検波に適し
た装置を提案するものである。

すなわち、本発明者らは第３図に示したすそ引きは少数
キャリアの再結合に起因していると考え、再結合を促進
させる深いレベルを形成する不純物を導入することで、
すそ引きを防止するようにしたものである。

以下に図面を用いて本発明の詳細な説明する。第４図は
本発明による半導体光検波装置の一例を示し、全体とし
てＭで示され、例えばＮ型の半導体層１と、この層１上
に形成されたＮ型の半導体層２と、この層２内に層１側
とは反対側より形成されたＰ型の半導体層３と、この層
３内に層１側とは反対側より形成されたＮ型の半導体層
４と、層２上に層３への層１側とは反対側よりの矢りで
示す光の入射が許容されるように即ち層３の全てを覆う
ことなく設けられた遮光用層５と、層１よりその層１側
に設けられた電極６を介して導出した端子７と、層３よ
りこれへの光りの入射が実質的に阻げられない様に導出
された端子８と、層４より導出された端子９とを具備す
る。

以上の構成は第１図に示した構成と同じである。

本発明の場合、層２内に深いレベルを形成する不純物が
導入されている点において第１図に示した装置と異なる
。

この不純物はキャリア濃度を補償して、層２のキャリア
濃度を十分に低くするためのものである。

さらに、層２は層１を基板としてその上に例えばエピタ
キシャル成長により形成されるが、層２の比抵抗は層１
及び層３の比抵抗に比べて充分に大きく選ばれており、
層３下の厚Ｄ２を光りに対する層２の特性吸収長以上に
選んでいる。

その上、最適条件で光検波するためには、層３は層２内
への不純物拡散によって得られるが、その層３の厚さＤ
３が光りに対する層３の特性吸収長の１／１０以下に選
ばれているのが好ましく、層４は層３内への不純物拡散
によって得られるが、その層４が光りの入射される側よ
りみた面積を層３の同じ側よりみた面積の１１５以下に
選ばれているのが好ましい。

以上が本発明による半導体検波装置の一例構成であるが
、このような構成によれば、層１．２及び３、及び端子
７及び８を以って、層１をＮ層、層２をＩ層、層３を２
層とするＰＩＮフォトダイオードＨが、又層１，２，３
及び４、及び端子７及び９を以って、層１及び２をコレ
クタ、層３をベース、層４をエミッタとするＮＰＮ型フ
ォトトランジスタＴが構成されていることが明らかであ
る。

従って層２及び３間のＰＮ接合１１が逆方向にバイアス
され、かつ、層３及び４間のＰＮ接合１０が順方向にバ
イアスさるように、端子７，８及び９に所要の電位を与
え、そしてＰＮ接合１０の両側に拡がる空乏層を形成さ
せた状態でその空乏層に光りを層３を通って入射させれ
ば、それが空乏層内で電気キャリヤに変換され、その電
子が層３側とは反対側に向って層２及び１内に、正孔が
層１側とは反対側に向って層３内に走行し、依って Ｌ
の強さに応じた電流が、ＰＩＮフォトダイオードＨの入
射光りを検波した出力電流として端子７及び８間の内部
に流れるものである。

ところでこのように内部にＰＩＮフォトダイオードＨの
出力電流として流れる電流は、それがＮＰＮ型トランジ
スタＴのベースとしての層３に流れているので、ＮＰＮ
型トランジスタＴのベース入力電流となっているもので
ある。

依って層３及び４間の順方向バイアスをＮＰＮ型トラン
ジスタがオンし得るに十分な値とし置けば、ＰＩＮフォ
トダイオードＨの入射光を検波した出力電流の増幅され
た出力電流を端子７及び９を通って外部に導出し得、依
って光検波装置としての機能が得られるものである。

このように上述した本発明の半導体光検波装置によれば
光検波装置としての機能が得られるものであるが、この
場合層２の比抵抗が層３のそれに比べて充分に大きく選
ばれているので、ＰＮ接合１１の両側に拡がって得られ
る空乏層が主として層２側に大きく拡がって得られ、一
方層２の厚さがその層３下に於ける厚さを光りに対する
層２の特性吸収長以上に選ばれているので、層２側に拡
がって得られる空乏層の厚さを光りに対すを層２の特性
吸収長以上とすることが出来る。

また、層３の厚さが光りに対する層３の特性吸収長の１
／１０以下に選ばれていれば層３を通っての層２側に大
きく拡がっている空乏層への光りの入射が効率良くなさ
れ、更に層４の面積が光りの入射される側よりみて層３
の同じ側よりみた面積の１１５以下に選ばれていれば層
３を通って層２側に大きく拡がっている空乏層への入射
される光りが層４の存在によって問題にされる丈は減少
することがなく、依って入射される光りの空乏層内での
電気キャリアへの変換が大きな効率でなされているもの
である。

またこのように入射された光Ｌが大きな変換効率を以っ
て電気キャリアに変換され、そしてそれに基く電流がＰ
ＩＮフォトダイオードＨとしての出力電流として得られ
てこれがＮＰＮ型トランジスタＴによって増幅され、そ
の増幅された出力電流が装置Ｍの出力電流となっている
ので、入射される光りの検波出力が効率良く大きな利得
を以って得られる特徴を有するものである。

このことは層２内にそのキャリア濃度を補償すべく深い
レベルを形成する不純物が導入されているので、上述し
た所より層２側に空乏層が形成されることが予定されて
いるので尚更である。

第５図は深いレベルを形成する不純物を導入した効果を
示す光検波波形図である。

光検波装置としては下記の構成のものを用いた。

層１：比抵抗０．０１５Ωｃｍのｎ型Ｓｉ基板層２：比
抵抗１３２Ωｃｍのｎ−型エピタキシャル成長層、厚さ
４３μｍ 層３ ： ＢＮを１０００℃で３０分ドープし、１００
０℃で９０分ドライブしたＢｄｏｐｅのＰ型領域、厚さ
１μｍ、主表面は２６５μｍφの円形 層４：Ｐを９５０℃で４０分ドープしたｎ＋型領領域厚
さ０．５μｍ、主表面は５０μｍφ深いレベルを形成す
る不純物としてはＡｕをＯ２雰囲気中で８５０℃で２０
分拡散させた。

さらに照射光としては波長が０．８５μｍでパルス幅が
約０．５ｎｓのパルス光である。

なお、第３図に示した光検波波形は光検波装置としては
Ａｕを拡散していない点を除いては上記した構成のもの
を用い、照射光も上記したものと同じである。

第５図より本発明の光検波装置は第３図のイで示したよ
うなすそ引きが全く認められないことが明らかとなる。

第６図は回復時間のＡｕドープ量依存性を示す図である
。

回復時間は少数キャリアの再結合時間に直接的に関係す
るもので、電極８，７間に層２゜３で形成するＰＮ接合
の順方向の電圧を加えておいて、逆方向電圧に切換えた
時に、逆方向電圧に切換えた時から、少数キャリアが再
結合せずに残っていることによって流れている順方向電
流が消えるまでの時間である。

第６図を測定した時は、０．５Ｖの順方向電圧を加えて
おいて、−４，０Ｖの電圧に切換えた時の、ピーク電流
値（順方向電圧が加わっていた時の電流値）が１／１０
になった時の時間を示している。

第６図はドープ量でなく、拡散時間を一定とした（２０
分）ドープ温度の依存性を示しているが、ドープ量はド
ープ温度が高くなるほど多くなる関係があるので、ドー
プ量依存性を示していることになる。

なお、第６図で点線で示した値はＡｕをドープしていな
い時の値である。

第５図、第６図を用いて説明したように本発明の装置は
高周波の光検波に関して、従来の装置を格段に改善した
ことが明らかであろう。

さらに上述、した本発明の装置Ｍにおいては、層２上に
遮光用層５が設けられているので、光りが上述したよう
に空乏層以外の内部領域に入射されることなく、従って
雑音のない検波出力を得ることが出来るようになってい
るが、遮光用層に導電性を賦与してこれを電極に兼ねさ
せれば、この電極を介して層２に不必要に蓄積したキャ
リアを外部に放出でき、依って光の検波を高速度ででき
るものである。

更に上述した本発明による半導体光検波装置Ｍによれば
、その複数（それ等をＭ１２Ｍ２とする）を用いてそれ
等が並置された撮像装置として利用できる構成を極めて
容易に構成できるものである。

即ち詳細説明はこれを省略するが、第７図に示すように
、層１の１つを装置Ｍ１２Ｍ２・・・に対して共通に用
い、また層２の１つも装置Ｍ１２Ｍ２・・・に対して共
通に用い更に遮光用層５も装置Ｍ１２Ｍ２・・・に対し
て共通に用いた構成を以って容易に装置Ｍの複数が並置
された構成を得ることが出来、またこの場合装置Ｍ１２
Ｍ２・・・の夫々に対する層２が共通である場合でも、
各装置の動作時各装置を形成する位置での層２に空乏層
が生ずるので、これを以って相隣る装置を、他に特別の
手段を用いることなしに、電気的に互に分離できるもの
である等の大きな特徴を有するものである。

なお上述に於ては本発明の一例を示したに留まり、上述
した「Ｐ型」を「Ｎ型」、「Ｎ型」を「Ｐ型」に読替え
た構成とすることも出来、その他種々の変型変更をなし
得るであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光検波装置の断面図、第２図は第１図の
等価回路図、第３図は第１図、第２図に示した装置の光
パルス検波特性図、第４図は本発明の半導体光検波装置
の一例を示す路線的断面図、第５図は第４図に示した本
発明の装置の光パルス検波特性図、第６図は回復時間の
ドープ量依存性を示す図、第７図は本発明による半導体
光検波装置の一例の複数を用いたそれ等の並置構体を示
す路線的断面図である。 図中、Ｍは半導体光検波装置、Ｌは光、ＨはＰＩＮフォ
トダイオード、Ｔはフォトトランジスタ、１，２．３及
び４は半導体層、５は遮光用層、６は電極、７，８及び
９は端子、１０及び１１はＰＮ接合を夫々示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１の導電型を有する第１の半導体層と、該第１の
   半導体層上に形成された第１の導電型を有する第２の半
   導体層と、該第２の半導体層内にその上記第１の半導体
   層側とは反対側より形成された第１の導電型とは逆の第
   ２の導電型を有する第３の半導体層と、該第３の半導体
   層内にその上記第１の半導体層側とは反対側より形成さ
   れた第１の導電型を有する第４の半導体層と、上記第２
   の半導体層上に上記第３の半導体層への上記第１の半導
   体層側とは反対側よりの光の入射が許容されるように設
   けられた遮光用層と、上記第１、第３及び第４の半導体
   層より導出された第１、第２及び第３の端子とを具備し
   、上記第２の半導体層が比抵抗を上記第１及び第３の半
   導体層の値に比べて大きく選ばれた構成からなる半導体
   光検波装置において、上記第２の半導体層内にそのキャ
   リア濃度を補償するように深いレベルを形成する不純物
   が導入され、上記第３の半導体層下に於ける層２の厚さ
   が上記入射される光に対する当該第２の半導体層の特性
   吸収長以上に選ばれ、上記第１、第２及び第３の半導体
   層を以ってＰＩＮフォトダイオードを、上記第１、第２
   、第３及び第４の半導体層を以ってフォトトランジスタ
   を構成したことを特徴とする半導体光検波装置。