JPS58193B2 - 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製作が
容易であるという利点を有するが、増幅作用を有さない
ためそれ自身を以って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、又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し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きな利得を
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
キャリヤ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
とは反対側より所要の間隔を保って形成されたＰ型の半
導体領域３及び４と、これ等領域３及び４内に層１側と
は反対側より夫々形成されたＮ型の半導体領域５及び６
と、層１及び領域６より夫々導出された端子７及び８と
を具備する。

このような構成においては層１及び２、及び領域３を以
って、層１をＮ層、層２を１層、領域３をＰ層とするＰ
ＩＮフォトダイオードＨが、又層１及び２、及び領域３
及び５を以って、層１及び２をコレクタ、領域３をベー
ス、領域５をエミッタとするＮＰＮ型トランジスタＴ１
が形成されているが、この構造は第１図に示した従来よ
り知られている構造と同じ構成である。

さらに本発明は層１及び２、及び領域４及び６を以って
、層１及び２をコレクタ、領域４をベース、領域６をエ
ミッタとするＮＰＮ型トランジスタＴ２が構成されてい
ることが明らかである。

またＮＰＮ型トランジスタＴ１のエミッタを構成する領
域５がＮＰＮ型トランジスタＴ２のベースを構成する領
域４に配線９を介して接続され、一方トランジスタＴ１
及びＴ２のコレクタがそれ等に共通の層１及び２にて構
成されているが、このように共通のコレクタ領域を有す
る２個のトランジスタを有し、これ等トランジスタのベ
ース領域を前記コレクタ内に設けたいわゆるダーリント
ン接続回路も従来より知られているところである。

（特公昭５３−１０４３４号公報） 本発明は層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これら従来の装置と異なる。

この不純物はキャリヤ濃度を補償して、層２のキャリヤ
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の比抵抗に層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下の厚さ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、量的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、層３の厚さＤ３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、層４がその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。

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、１０００℃
で９０分ドライブしたＢｄｏｐｅのＰ型領域、厚さ１μ
ｍ、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の円形 深いレベルを形成する不純物としてはＡｕを０２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ヤの再結合時間に直接的に関係す
るもので、電極７と層３または層４に接続された電極と
の間に層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、少数キャリヤ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は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図を用いて説明して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。

このように上述した本発明による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、層２の比抵抗が
領域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１０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下に於ける厚さにおいて光りに対する層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る層２の特性吸収長以上
とすることが出来るので入射される光りの空乏層内での
電気キャリヤへの変換が大きな効率を以ってなされてい
る。

このことは又領域３の厚さを光りに対する領域３の特性
吸収長の１／１０以下に選べば領域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
なされるので尚更であり、また領域５の面積を光りの入
射される側よりみて領域３の同じ側よりみた面積の１１
５以下に選べば領域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領域４の存在によって
問題にされる丈は減少することがないので尚更である。

またこのように入射される光りが大きな変換効率を以っ
て電気キャリヤに変換され、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Ｔ１及びＴ２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。

さらに層２内にそのキャリヤ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ているので、上述し
た所よりその層２内において少数キャリヤの再結合が促
進されているので高周波化もはかられている特徴を有す
る。

その上、トランジスタＴ１．Ｔ２においても入射される
光りの電気キャリヤへの変換が、上述した所より明らか
な如くトランジスタＴ１のベースとしての領域３ではな
くコレクタとしての層２側で主としてなされているので
、この為トランジスタＴ１は入射される光りに応じて高
速度で応答動作しているものであり、勿論トランジスタ
Ｔ２は高速度で応答動作するものであり、結局本発明の
装置Ｍによれば入射される光りに応じて高速度で応答す
る検波出力が得られる特徴を有するものである。

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Ｍｌ 、 Ｍ２・・・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し得る構
成を極めて容易に構成し得るものである。

即ち詳細説明はこれを省略するが、層１の１つを装置Ｍ
１２Ｍ２・・・に対して共通に用い、又層２の１つも装
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Ｍ１２Ｍ２・・・の夫夫に対する層
２が共通であるとしても、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く、電気
的に互に分離し得る特徴を有するものである。

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
、第７図に示すように、層２を利用してその内に層１側
とは反対側にＰ型の領域１４とＮ＋型の領域１５とを形
成し、さらに領域１４の一端を配線１６を用いて領域４
及び５に接続し、他端を配線１７を用いて領域１５に接
続する丈けで、トランジスタＴ１のコレクタ及びエミッ
タ間とトランジスタＴ２のベース及びコレクタ間との間
にそれ等に共通の領域１４による抵抗が接続された構成
が得られるので、このようにすることによりトランジス
タＴ１及びＴ２によるダーリントン接続回路の応答動作
を向上させ得る等の大きな特徴を有する。

尚、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応用例を示す路線的断面図である。 図中、Ｍ、 Ｍｌ 、 Ｍ２・・・は半導体光検波装置
、Ｌは光、ＨはＰＩＮフォトダイオード、Ｔ１及びＴ２
はＮＰＮ型トランジスタ、１及び２は半導体層、３．４
，５，６，１４及び１５は半導体領域、７及び８は端子
、９及び１７は配線を夫々示す。

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１及び第２の半導体領域と、該第
   １及び第２の半導体領域内に上記第１の半導体層側とは
   反対側より夫々形成された第１の導電型を有する第３及
   び第４の半導体領域と、上記第１の半導体層及び上記第
   ４の半導体領域より夫々導出された第１及び第２の端子
   とを具備し、上記第２の半導体層がその比抵抗を上記第
   １の半導体層及び上記第１の半導体領域に比べて大きく
   選ばれ、かつ、上記第１の半導体領域下に於ける厚さが
   上記第１の半導体領域の上記第１の半導体層側とは反対
   側よりの上記第１の半導体領域を通って上記第２の半導
   体層に入射される光に対する上記第２の半導体層の特性
   吸収長以上に選ばれ、上記第２及び第３の半導体領域が
   互に接続され、上記第２の半導体層内にそのキャリヤ濃
   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
   されている事を特徴とする半導体光検波装置。