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    公开号:WO1983002037A1
    申请号:PCT/JP1982/000457
    申请日:1982-11-30
    公开日:1983-06-09
    发明作者:Research Foundation Semiconductor
    申请人:Nishizawa, Jun-Ichi；
    IPC主号:H01L31-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] 半 導体 光 電変換 装 置
    [0003] 技 術 分 野
    [0004] 本発明は、 半導体光電変換装置に関する ものであ る。
    [0005] 背 景 技 術
    [0006] 従来半導体光電変換装置と しては、 光伝導性光検出器 スオ ト ダ イ オー ド、 フ ォ ト ト ラ ン ジ ス タ等が知 ら れてい る。 フ ォ ト ト ラ ン ジス タ は従来のパ イ ポ ー ラ ト ラ ンジス 'タ と同様の構造を有し、 光によって生じた キ ャ リ アを ト 'ラ ン ジ ス タ のベー ス領域に蓄積して ェ ミ ッ タ 電流を制御 している。
    [0007] 従来の パイ ポー ラ型フ ォ ト ト ラ ン ジ ス タ は、 感度が悪 く 、 感度をますために受光面を大き く する と、 ますます 周波数特性が悪 なる とい う 重大な欠点を有している。 そのために例えば、 光通信用の検出器と しては、 もつぱ ら フ ォ ト ト ラ ン ジス タ ではな く て p - i —れ フ ォ ト ダイ ォー ド、 あ るいは雑音の大きい ア バラ ン ジ ェ ダイ オ ー ドが使 用されて、いる。 各種物理測定用の検出器と して、 感度が 高いもの と しては、 光電子増倍管が使用されているが、 通常 1 00 0 以上の高電圧を必要と し 、 又寿命が短いとい う大き な欠点を有してい る。
    [0008] バイ ポ ー ラ型 フ ォ ト ト ラ ン ジ ス タ の場合には主電流に 寄与す るキ ャ リ アが電子と正孔の 2 種類あ るため、 少数
    [0009] OMPI キャ リ ア の蓄積効果が生 じ、 応答速度が速 く な らず数 10 MHz 程度までである。
    [0010] と ころで、 本発明者が提案した不飽和型 流電圧特性 を示す静電誘導 ト ラ ン ジス タ （ 日本国特許第 908336号） は種々 の発展を とげている。 更に本発明と類似の半導体 光電変換装 Sは本発明者によ ]J 日 本国における特開昭
    [0011] 55-13924号 によ i) 提案されている。
    [0012] 本発明の半導体光電変換装置は、 これまで提案された もの よ 、 更に高感度、 高速 半導体光電変換装置であ
    [0013] o
    [0014] 第 1 図は上記特開昭 55-13924 号において提案した半 導体光電変換装置の一つであ J？ 、 接合ゲ - ト 型の静電誘 導 ト ラ ン ジス タを用 て ド レ イ ン ょ i チャ ン ネ ルへ光を 照射している例である。
    [0015] 1 は Λ+基板、 2,4 はチャ ン ネルの高抵抗： 5: 層、 5 は ゲー ト の 3 +領域、 5 は ド レ イ ンの Λ+層、 15 は ド レイ ン 電極、 11 は ソ - ス電極である。
    [0016] 既に本発明者によって明 らかにされている よ う に、 こ のチャ ン ネルの不純物密度、 3 の ρ+ゲ- ト の形状、 間隔 を変化させる こと に よ ] 静電誘導 ト ラ ン ジス タ （ 以下
    [0017] と称す ） の特性は変化 しう る。 本発明は SJ と電界 効果 ト ラ ン ジス タ （ 以下 ίΈΓ と称す ） どち らにで も適用 されう る。
    [0018] __OMFI WIPO しか し、 第 1 図示装置はゲ - ト領域がチ ャ ン ネ ル中に 埋込まれているために、 正孔がゲ - 卜 に到達するま でに 時間がかかる とい う欠点がある。 埋込型のゲ - ト の場合 には、 ゲ ー ト · ソ - ス間の静電容量、 ゲー ト · ド レ イ ン 間の静電容量が大 き く 、 周波数特性か悪 く な る とい う欠 点がある。
    [0019] 明 の 開 示
    [0020] 本発明の目的は従来のフ ォ ト ト ラ' ン ジ ス タ よ 1) も 、 高 速、 高感度 、 電界効果 ト ラ ン ジ ス タ及び静電誘導型 ト ラ ン ジ ス タ 、 静電誘導サ イ リ ス タ に よ る半導体光電変換 装置を提供するこ とに ある。
    [0021] 本発明の別の 目的は、 第 1 図示装置の欠点を除去した 改良された半導体光電変換装置を提供する こ と にあ る。
    [0022] 本発明の半導体光電変換装置は、 一導電型の低不純物 密度るい しは真性半導体のチ ャ ン ネ ル領域 と 、 チ ャ ンネ ル領域に接 レて設け られる主電流を流すための二つの主 電極領域と、 前記チ ャ ン ネ ルを塞が い形状のゲ - ト領 域と を有 し、 少 く と も ゲ ， ト 領域の一部が表面に露出 していて、 前記チ ャ ン ネ ル領域の所定の部分は光を受け るための受光部を備え、 前記チ ャ ン ネ ル領域内の固有ゲ - ト 近傍の空乏層 が前記受 ^:部へ入射する光の光量及び 前記二つの主鼇極及びゲー ト の少 く と も 一つに印加す る電圧に よって制御される部分を有する。 このため、 高 速で且つ高感度で勦作 し得る。 図 面の簡単 な 説 明 '" 第 1 図は従来の光検出素子の断面図、 第 2 図 )は本発 明の実施例を示す光検出素子の断面図、 第 1 図（B)はその 上面図、 第 3 図（^乃至 は本発明の半導体光電変換素子 の動作と光が入射 したと きの ドレイ ンの電流電圧特性を 示す図、 第 4 図は本発明実施例の半導 ^ ^光電変換素子の ，入力光電力に対する光感度特性図、 第 5 図は本発明の一 -実施例の新面図、 第 6 図は本発明の一実施例の半導体-光 電変換素子の入力光電力に対する光感度特性図、 第 7 図 及び第 8 図は本発明の他の実施例の断面図、 第 9 図及び 第 10図は本発明の半導体光電変換素子の外囲器に光を照 射させる実施例を示す図、 第 11図 W乃至^は本発明の半 導体光電変換装置の実施例である静電誘導サイ リ ス タ の 断面図、 第 12図 (^及び（B)は第 11図示半導体光電変換装置 の動作説明図、 第 13図 W及び（5)は第 12図の装置に光が入 射したと き のァ ノ ドの電流電正特性図、 第 14図 乃至 はゲ - ト にコ ンデンサを接続 した本発明の半導体光電 変換装置の実施例を示す図、 第 15図（4)乃至 CD)は ド レ イ ン あるいはソ - ス に コ ン デンサを接続 した本発明の半導体 光亀変換装置の実施例を示す図、 第 図（4) ~ 0 )はゲ - ト に抵抗 コ ンデンサ を接続 した本発明の半導体光電変換装
    [0023] OMPI 置の実施例を示す図、 第 17図 W)及び ）はゲ - ト をフ ロ - ティ ングに した本発明の半導体光電変換装置の実施例図 第 18図 (4),(B)及び第 19図 Οί)，(Β)は第 14図及び第 15図に示 した 本発明の半導体光電変換装置の構成を示す実施例、 第 20 図はシ ョ ッ ト キ - パ リ アゲ - ト の本発明の半導体光電変 換装置の別の実施例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
    [0024] . 第 2 図 )は本発明の半導体光電変換装置の一実施例の '断面図である。
    [0025] 基板 20 上に -型ェ ビ タ キ シャル層 21 を 50 Λ程 成長させる。 その上に熱酸化法に よ Si02 を形成 し、 さ らにグー ト と なるべき領域 22 をフォ ト レジス ト マスク を 使って、 開孔 し、 そこにボ ロ ンの選択拡散に よって、 P+ のゲ - ト 領域を部分的に形成する。 次に隣 ] 合 う ゲ - ト 領域の中央に Λ+層の ソ -ス領域 23 を、 ゲ- ト と同 じ く選 択拡散法に よって形成する。 次に ^ を真空蒸着して両面 につけ、 表面のゲ - ト 、 ソ - ス領域上以外はマ ス ク を用 いて、 選択エ ッ チ ングに よ 除去 してゲ - ト 電極 24、 ソ - ス電極 25 を形成する。 + 基板の裏面全面は ド レ イ ン 電極 20 と ¾る。 矢印は ^ とい う エネルギ を もつ入射光 を示 してい る。
    [0026] 第 2 図（5)は、 同図 )の半導体光電変換装置の上面図で
    [0027] OMPI
    [0028] WIFO ある。 ゲ - ト 極は線状になって 、 片方の端を共通 にして、 ワ イ ヤ リ ングのための領域 50 と している。 ソ - ス も同様に して金属配線を して、 ワ イ ヤ リ ン グのための 镇域 52 を設けている。 ゲ - ト 、 ソ - ス の形成は で周 知 よ う に、 ゲー ト を網 目状に形成する こ と も でき る。
    [0029] 第 2図（4に示 した ト ラ ン ジ ス タが s r と して動作するに は、 チャ ン ネ ルの W層の不純物密度を例えば 10" cvTS 以 下、 ： P+ ゲ― ト 領域の不純物密度をおおよそ 1017 ~ 1021 cvT5 、 + の ソ - ス、 ド レ イ ン領域の不純物密度を
    [0030] よそ 1017~ 1021 cm'3 とする。
    [0031] チ ャ ン ネ ル層は印加電圧、 光感度等を決定する領域で ある。 入射光が吸収される領域の大部分が空乏層化 し、 入射光に よ って生成した正孔の大部分がゲ - ト 領域に到 達でき るのが望ま し く 、 本発明の場合、 従来の埋込型の
    [0032] S を使った半導体光電変換装置よ ] も ゲ - ト領域が表 面にあるので著 しく 正孔のゲ一 トへの蓄積効果は'高 く
    [0033] o
    [0034] SIT の場合に、 0 ゲ ー ト バイ ァス状態であま 電流が 流れない よ う にするには、 p+型ゲ - ト メ ッ シュ領域の間 隔は、 ί>Λ接合の拡散電位によ る空乏層が互に重な ] 合い チャ ン ネ ル中に十分電位障壁を形成する よ う に選ぶ。 た とえばチ ャ ン ネ ルを形成する π一型層の不純物密度が 1 X 101* cm's の場合'ゲ - ト 镇域の不純物密度 101S cvT5 以上、
    [0035] O PI メ ッ シュ間隔は約 5 以下に選ぶ。 +型基板には あま ] 制限はないが、 た とえぱ不純物密度 101B~ 1020 cm-Sのもの を用いる。 出力電圧のダイ ナ ミ ック · レ ン ジを広 く と る ためには、 Λ- 型層 21 の不純物密度を下げ印加電圧を高 く する こと も よい。 検出すべき 光の波長が長 く な 吸収 係数が低 く る場合、 - 型層 21 の厚さはよ ] 厚 く でき る。
    [0036] ゲー ト · ソ - ス間の電圧が 0 のと き でも よ く 電流が流 れるためには、 ゲ ー ト と ゲ ー ト の間隔を広 く と 1 チャ ン ネルが全領域空乏化 し いよ う にする と良い。
    [0037] 第 3 図 C4)〜（ は本発明の半導体光電変換装置の動作を 示す一実施例であ ] 、 ゲー ト · ソ -ス間にバ イ ア ス電源 がないフ ロ ー ティ ングゲ ー ト と した場合である。
    [0038] は本発明の半導体装置、 DS は ドレイ ン ' ソ - ス電 圧源、 Λι«は負荷抵抗である。 半導体装置 には とい う エ ネ ル ギ - を も つ光が照射されている。 I-V特性は第
    [0039] 3 図（Β)の よ う に光量が 0 の と き に電流が流れず、 光量が
    [0040] 9ι , gt , g3 と增すと ド レ イ ン電流が流れ、 負荷抵抗に
    [0041] Vowt とい う 光に対応 した出力電 Eが生じる。 こ の動作は 入射光に励起され、 電子、 正孔対が生 じ、 正孔はゲ - ト の 領域に集ま 正に帯電 し、 ゲ - ト · ソ - ス間に順方 向亀圧が生 じ、 ソ - ス · ド レ イ ン間電流が流れる こ と に よっている。
    [0042] O PI
    [0043] ノ WIPO 第 3 図（C)，©はそれぞれ、 ザ一 ト · ソ - ス間に順方向電 圧源、 逆方向電圧源をゲ - ト 抵抗 aを介して設けたと き の本発明の半導体光亀変換装置の一実施例である。 ΓΜ はゲ - ト ' ソ - ス間の電圧源 はゲ - ト 抵抗で 0 から 任意の抵抗値を選定するために設けられている。
    [0044] 第 3 図（C)のゲ - ト · ソ - ス電正が順方向の場合であつ てノ - マ リ オ フ型の SITCU で も良い。 動作原理は ゲ ー ト 近傍のチャ ン ネ ル に照射された光 ¾vによって励起された 電子 · 正孔対がゲー ト · ソ - ス間に流れる こ とに よって チヤン ネ ル中の最 も電子に対して電位障壁の高い真性ゲ - ト 点の電位が低下して、 ソ - ス領域か ら ド レ イ ン へ電 子が急激に流れる。 第 3 図 CD)に示すよ う に光量が 0 から ffi-ff*へ増大する こ とに よって ド レ イ ン電流は増 して、 光に対しての増幅が行なわれる。 との と きにゲ - ト 抵抗
    [0045] を変化させるこ とに よって感度の調節をする こ と がで きる。 .
    [0046] 第 5 図（£)はゲ - ト . ' ソ - ス.を逆方向バ イ ア スに した本 発明の半導体光電変換装置である。 こ の 目的にはノ - マ リ オ ン型の SITQ3 で も良い。 ゲ - ト パイ 了ス を深 く し且 つ ド レイ ン電流：^流れ いよ う にしておいて、 という エネルギ ー を もつ光が照射される こ と に よってチャ ンネ ルに励起された電子 · 正孔対のう ち、 正孔は直ちにゲ - ト 電極へ引き寄せられてゲ - ト ¾流が流れ、 そのゲ - ト
    [0047] O PI 電流によってゲ - ト 抵抗 Λαに生ずる亀圧降下はゲ - ト · ソ - ス間の電圧を正方向に振 J9込むこ と に よって急激に ド レ イ ン電流は増大 して光に対して増幅をする。 第 5 図
    [0048] の i-v特性は光量が 0 よ ] ,~ ま で増大する と き の 様子を示 している。 ド レ イ ン電 BEを D1, νΌ2, と変化さ せる こと に よって、 光感度特性を変化させる こ と も可能 静電誘導 ト ラ ン ジス タ では、 ゲー ト からチャ ン ネ ルへ
    [0049] 空乏層ができ 、 その空乏層の生じさせ方によって、 ノ - マ リ オフ 、 ノ — マ リ オ ン型の I-V特性を得る こ とができ る。 それはゲ - ト の間隔、 ゲ ー ト の厚さ、 チ ャ ン ネ ルの
    [0050] 不純物密度.を制御する こ と によって自 由に所望の I - V特 性を実現でき る。 第 3 図 の動作特性は本発明の半 導体光電変換装置の使用 目的に応 じて選定でき る。
    [0051] 第 5 図 C4)〜（ の動作は S Q! が》 チ ャ ン ネ ル の
    [0052] SIT と して説明 してき たカ 、 ？） チャ ン ネ ルの SIT でも 同 様の半導体光 ¾変換装置が実現で き るのは勿論である。
    [0053] s/rの場合ゲ - ト 電圧に よって ド レ イ ン電流は指数関数 的に増える ので、 非常に大き な光増幅度を得る こ とがで き る。 そのために本発明の半導体光電変換装置は従来の
    [0054] バイ ポ ー ラ型の フ ォ ト ト ラ ン ジス タ では得られな い、
    [0055] 1000 倍^上の増幅度は容易に得 られる。 又 ァ の J>+ゲ
    [0056] - ト 領域の抵抗は小さいの で、 外部に接続 したゲ - ト 抵
    [0057] O PI IPO . 抗 J aによって、 動作特性を大幅に可変でき る。 ま たゲ - ト 領域の容量を減少させる こと によ 、 応答速度を早 く する こと ができ 、 ゲ - ト 抵抗 &の値によ 感度が鹳整で き る。 また では比較的高抵抗領域をチャ ン ネ ル領域 と して有しているため暗電流雑音を小さ く できる とい う 利点がある。
    [0058] 第 5 図に示す ド レ イ ン電 E源 DS を変化させる こ と に よって負荷曲線を変化させる こ とができ る。 ド レ イ ン電 '圧源を変化させれば、 非常に強い光から微弱光.まで限ら れた ド レ イ ン電流範囲で測定する こ とができ る。 ド レ イ ン電圧を増加するこ と によって感度を上げる こ とができ るのは飽和型特性を示すフ ォ ト ト ラ ン ジス タ にはみ られ
    [0059] ¾ 特徵である。 寸法をそれ程小さ く し く て も s/r の
    [0060] /τ は容易に ま でのものが得られる こ と と、 周波数 特性は面積には依存 しないので、 非常に高感度、 高速 半導体光電変換装置が得られ、 通常のパ イ ポ - ラ ト ラ ン ジス タ の フ ォ ト ト ラ ン ジス タ ではでき い非常に優れた 特徵を有 している。
    [0061] 本発明は従来の飽和型の電流電圧特性を有する FET も当然適用でき る。
    [0062] 第 4 図は第 2 図の実施例 と 同 じ平面ゲ - ト 型 S/ Γ の構 造を有する S IT において得 られた入力光 ¾力と光感度及 び光増幅度の関係であ D 、 ゲ ー ト 抵抗 は 20 , 2 Q Q K 2 とパラ メ - タ を捩ってある。 ゲー ト 抵抗 Raが 2ii2 のと き には 以上の光感度があ る。
    [0063] 従来のバイ ボ ー ラ ト ラ ン ジス タ に よ る フ ォ ト ト ラ ン ジ ス タ では数 ηϊΓ の光入力で通常の報告デ - タ で も 102 程 度であ 、 また光入力光強度が小さ く ¾る に従って急激 に滅少する と い う特徵があるが、 S/Γ の場合には第 4 図 に示 した測定結果に示される如 く 、 入力光電力が数 η 程度でも 出力感度が入力光電力に対してかる i 平坦な特 '性が得 られてお ]) 、 優位性は明 らかである。 この場合に SIT のソ - ス と ド レイ ンは逆に して も 同 じよ う に光増幅 特性を得る こ とができ る。
    [0064] 第 5 図は本発明の別の実施例である。
    [0065] これは従来の SIT フ ォ ト ト ラ ン ジス タが ド レイ ン側 よ 光を照射 しているが、 ソ - ス側 よ 光を照射する構造 であって、 光が容易にゲ - ト 領域へ到達する とい う利点 を有 している。
    [0066] 1 は Si の ¾+ 基板、 4は高抵抗な 層で 1の基板上に ェ ピ タ キ シャル成長させて形成する。 5 は SiOtによ ])選 択拡散に よ 形成 した のグ- ト 镇域で、 線状や網目状 に形成する。 2 はゲ - ト 部を埋込むための ？ 高抵抗層で、 ェ ピ タ キ シ ャル成長によ 形成する。 16 はソ - ス で れ + 拡散して形成する。 ソ ー ス 10 上へ Si02 でマ ス クを して グ -'ト と な るべき領域まで、 たとえば化学エ ッチ ン グを
    [0067] of. し してゲ - 卜 の 镇域 5 の一部を露出させる。 このウ ェハ の両面に を真空蒸着する。 表面の jK は、 選択エッ チ ングを してソ -ス電極 11 、 ゲ - ト電極 17 を形成する。
    [0068] 基板裏面に蒸着された £ は ド レ イ ン電極 15 と る。
    [0069] 素子の保護膜と して光の入射特性を損わ い よ う に薄 い CVD SiOt 膜を最後に全面に堆積させても よい。 ソ ー ス 電極と しては透明電極を用いても良い。
    [0070] 第 ό図は ソ - スを表面に した本発明の実施例の埋込み '型ゲ - ト を もつ s/rの半導体光電変換装置の光出力特性 を示す。
    [0071] 1 Λ の入力光電力に対してゲー ト 抵抗 i a == 20 J:5 の とき 102 ( 以上の感度が得られてお ] 、 の増 大につれてさ らに感度が大き く る傾向 も得 られている のは第 2 図の平面ゲ - ト S の場合 と 同様である。
    [0072] 第 7 図は本発明の別の実施例である。
    [0073] この例は、 応答速度を良 く するために、 切 ] 込みゲ - ト構造を有 している。 Si の れ + 基板 20 上に 一 の高抵抗 雇 21 をェ ピタ キ シャル成長に よ 形成 し、 SiOzの選択ェ ツ チング後、 ゲー ト と な るべき領域を プラズマエ ツチ ン グ い しは化学エ ッ チ ン グによ i Λ_ 高抵抗層 21 に凹部 を形成する。 にボ ロ ン の選択拡散に よ ] 高不純物密度
    [0074] 領域 22 を形成後、 リ ン又は砒素を、 高抵抗層の 上面の所定の位置に選択拡散を して ソ - ス領域と なる高
    [0075] OMFI 不純物密度の w+領域 25 を形成する。 を両面に真空蒸 着した後に、 表面部分は選択エ ッ チ ン グによ って、 ゲ - ト 電極 24, ソ - ス電極部 25 のみ を残す。 裏面は ド レ イ ン電極 20 と なる。
    [0076] この *造の半導体光電変換装置は今ま で説明 してき た 本発明の実施伊」の もの よ ] も 、 チャ ン ネ ルに よ く 光が照 射 し、 受光面積が増すこ と と 、 ゲ - ト 、 ソ - ス間の静電 容量が滅少 し、 周波数特性が良 く な る利点を有している。
    [0077] 第 8 図は本発明の別の実施例である。
    [0078] 記号は第 7 図 と対応 している。 ゲ - ト領域は の 高抵抗層 21 を + 基板 20 に達するまで切込んだ側壁に形 成している。 ゲ- ト 領域は例えぱ、 第 7 図で説明 じた ゲー ト 領域を形成した後に、 プラ ズマ エ ッ チ ン グある いは化学エ ッ チ ン グで Λ+ 基板 20 に達する ま で選択エ ツ チングをする こ と に よ 形成する。 次にた とえば Si0t , Si3Ni 等の絶緣物 53 を ？ >+ ゲ - ト 領域の ド レ イ ン側ま で 堆積する。 両面に を真空蒸着して、 ソ - ス電極 24 ， ゲ - ト 電極 25, ド レ イ ン電極 20 を形成する。
    [0079] この構造の半導体光電変換装置は第 7 図の実施例に示 すも の よ J も更に、 ゲ - ト · ド レ イ ン間の静電容量が減 少し、 周波数特性が良 く なる利点を有 している。
    [0080] 第 9 図及び第 10 図は本発明の別の実施例である。
    [0081] こ の例は、 窓部 42 を有するキ ャ ッ プ 41 と ス テ ム 40
    [0082] OMPI
    [0083] 、¾ Wip。 U な る外囲器に、 本発明の半導体光亀変換装置 4 4 を組 み込んだも のであ る。 45 はゲー ト の ピ ン 、 46は ソ - ス のビ ン で、 ス テ ム 40 ド レイ ンとな る。 45 , 46 はそれぞ れス テ ム 40 とは絶縁されて い て 、 半導体光電変換装置の ゲ - ト 電極と ソ ー ス電極は金籙あるいは ^ 線 44 でゲ ー ト の ビ ン 45 , ソ - ス の ピ ン 46 と接続されている。 窓部は ガ ラ ス 、 石英ガ ラ ス 、 透明 樹脂、 サ フ ァ イ ア等を用い 入射光によって選択される も のである。 窓部は第 10図の 'よ う に、 レ ン ズ構造と して も良い。 47 は レンズの窓材で 図示する よ う 入射する光を本発明の半導体光電変換装置 の動作層に集光させる働き を している。
    [0084] 外囲器 40は、 上述のよ う ¾金属製の ものでる く て も 、 窓部を有していれぱ、 樹脂封 じ等、 通常の フ ォ ト ダイ 才 - ド、 フ ォ ト ト ラ ン ジス タ等に使われてい る もので も良 い。
    [0085] 第 1 1 図（4) ~ は更に本発明の別の実施例で、 静電誘導 型サイ リ ス タ を半導体光電変換装置のための素子と した —例である。
    [0086] 第 11図（^は第 5 図の静電誘導 ト ラ ン ジス タ の ド レ イ ン 領域 1 のかわ 1 にチャ ン ネ ル 51 と反対導電型？) + ァノ - ド領域に したも のである。 第 11図お）〜（D) も 同様でそれぞ れ第 2 図（4、 第 5 図、 第 7 図、 第 8 図の静電誘導 ト ラ ン ジ スタの + ド レ イ ンを ρ+ アノ ー ドに して 電誘導サイ
    [0087] OV I■ リ ス タ と している。
    [0088] 第 11図（4)は、 Si の 1 X 1018~ 1 101β οπΓ の p+ 基板 50 上に あるいは真性半導体のチャ ン ネ ル領域 51 を設け、 Si02膜を通しての選択拡散法に よ ]3 チ ャ ン ネ ルを塞がな い形で、 網目 状の 3 +ゲ- ト 領域を形成し、 その上にチヤ ンネ ルの 71-層 54 を SiC&i と 2 ガスに よ る気相成長法で 形成し、 力 ソ - ド領域 55 を リ ンによ る拡散で形成 し、^ ^ に よ ]3 カ ソ — ド電極 57, ゲ - ト 電極 56, ァ ノ - ド電極 58 'を形成する。 製造法と しては、 基板 （ 500 ^。™ ) にァ ノ - ドは全面拡散、 ザ - ト は選択拡散と してボロ ンに よ つて基板の両側を同時に拡散する こ とに よっても形成で き る。
    [0089] 第 11図（B)はゲ - ト 領域を表面に設けた実施例、 同図（C) はカ ソ - ド領域 よ ] 掘下げた と ころにゲ - ト領域を形成 した実施例、. 同図 はゲ - ト · ァノ - ド間の浮遊容量を へらすた めチヤ ン ネ ル の不要部分をァ ノ - ド領域ま で切 ] 込み、 Si02等の絶縁物 59 を堆積させてゲ - ト. 電極 50 を形成する。
    [0090] 第 11図の静電誘導サイ リ ス タ には カ ソ 一 ド側 ] ^と い う エネルギ をもった光を照射 して半導体光亀変換をさ せる。 .
    [0091] 第 12 図 は第 11 図の半導体装置の使用法を示す実 施例である。 第 12図 )はゲー ト を フ 口 - テ ィ ングに した もので、 Q10 は静 ¾誘導サイ リ ス タ 、 ΑΚ はアノ - ド ' 力 ソ ― ド電圧、 iiL は負荷抵抗である。 hv とい う ェネ ル ギ - をもった光が静電誘導サイ リ ス タ Q10 に照射し、 ァ ノ ー ドカ ソ - ド間に電流が流れ ίϋ力 Vot が生じる。 これ で光電変換が行なわれる。
    [0092] 第 12図 はゲ - ト · 力 ソ - ド間に逆方向バ イ ア ス電圧 源とゲ - ト 抵抗 &が接続された静電誘導サイ リ ス タ を示 している。 ここでの静電誘導サイ リ ス タ はノ マ リ 'オン でゲ - ト · カ ソ - ド電圧を負にして順方向阻止電圧 を高 く しておく 。 ぁ という エネ ル ギ ー を もった光がチ ヤ ン ネ ルへ照射されたと き に、 ゲ - ト · カノ - ド間に電流 が流れ、 ゲ - ト 抵抗 &に電圧降下が生 じ、 ゲ - ト · カ ソ - ド間電圧が小さ く なる こ と によ ] 、 静電誘導サイ リ ス タ のア ノ - ド · 力 ソ ー ド間電流が流れて出力電圧 Vou.tが生じ、 光電変換が行 われる。
    [0093] 第 図 Ού,(Β)は静電誘導サイ リ ス タへ光を照射 したと き のァ ノ - ド電流 JA と、 ァノ - ド · カ — ド間電 EE AK の 関係を示す I-V特性である。
    [0094] 第 15図 C<)は ノ - マ リ オ ン型の静電誘導サ イ リ ス タ でゲ - ト · カ ソ - ド電圧を逆バ イ ア スに して κ1 ま でァノ ー ド電圧を阻止 しておき 、 光量を 0 から 〜 βまで増 した と きの I-V特性である。
    [0095] 第 15図（8)はノ -マ リ オフ型の静電誘導サイ リ ス タへ光
    [0096] ；、 u を照射 した と き の I-V特性である。
    [0097] v^ov で AK2 ま で順方向阻止されている状態のと き に、 光量を ！ ~ まで増加させたと きの I-V特性を示し ている。
    [0098] 以上の静電誘導サ イ リ ス タ の半導体光 ¾変換装置は、 チャ ン ネ ルの不純物密度を 1 X 10" em"5以下、 ザ一 ト と ァ ノ - ドの ？) +層の不純物密度はお よそ 1 X 1018 cm-s 上 とすれば良い。 順方向の阻止電圧はチ ャ ン ネ ル層の不純 '物密度と厚さで決ま る。 5ί の高抵抗基板 （ 500 / ） で 厚さが 300 の も のではおお よそ 000 位 阻止電圧を 得るこ とができ る。
    [0099] 本発明の別の実施例を第 14図に示す。 第 14図 Wは本発 明の半導体装置を光蓄積セル とする場合の原理図で、 静 電誘導 ト ラ ン ジス タ の グ - ト に コ ン デ ンサ を接続した も のである。 .こ こで半導体装置は第 2 図〜第 15図に説明 し てきた半導体装置が使える。 光が照射されてチャ ン ネ ル 中に生放 したキ ャ リ ア がゲ - ト 近傍に集ま ]) 、 静電容量 を充電する こ と に よって光信号の蓄積がされる。 第 14図 )は実施例である。 たとえば の 基板 00 上に高抵抗
    [0100] —（真性半導体でも よ い）層 61 を気相成長法によ 形 成し、 膜によ j 選択拡散を行 つて、 高不純物密度 の 锒域のゲ ト 02, 及び高不純物密度の ン - ス と る べき領域 65 を形成する。 65 はゲ - ト 上のコ ン デ ン サを
    [0101] O FI
    [0102] 、 WiP ノ 形成する物質で sio2 ， s 3^4 等の誘 m体であ ] 06 は
    [0103] 等の金属電極である。 07， 08 はそれぞれソ - ス 、 及び ド レ イ ン の金属 ¾極である。 67，08 は第 14図（^のよ う に ド
    [0104] レ イ ン 、 ソ - スと しても良い。 04 は表面保護膜の Si02
    [0105] 膜である。 第 14図 はコ ンデンサを接続 したゲ - ト 02と
    [0106] コ ンデンサを接銃しないゲ ー ト （ 以下フ ロ - ティ ン グゲ
    [0107] - ト と呼ぶ） 70 を有する実施例である。 02， 70 は同一の 拡散工程で形成するこ とができ る。 フ 口 - テ ィ ン グゲ - 'トは、 金属配線を して適当 なバ イ ア スを加えて も よい し、
    [0108] ソ - ス と同電位にして も よ 。 以上は ソ - ス 、 又は ド レ イ ンを n+基板と した場合であるが、 次に ？？基板を用いて の実施例を第 14図 0))，(E)に示す。 第 14図 03において、 71は
    [0109] ボ ロ ン ドー ブの 1 X 10" cm~s 程度の 3 基板に、 - 拡散で
    [0110] ド レイ ン領域 72 を形成する 。 その上に高抵抗 - ( 真 性半導体層でも よ い ） 層 01 を気相成長法によ ] 形成する。
    [0111] 埋込み ドレイ ン領域 72 を表面に配線するために、 + 層
    [0112] 75 を選択拡散法に ょって形成する。 以下第 14図（B)と同一 工程によってゲー ト 、 ソ - スは形成できる。 ドレイ ン電 極 68， ゲ ー ト 電極 66， ソ - ス電極 67, 基板電極 74 は JK
    [0113] によって形成する。 第 14図（£5は第 14図（D)の実施例の 1 つ のセ ルを分離するための一実施例： C、 拡散分離を行なつ たものである。 75 の ？） 層ない し 層は分離領域である。
    [0114] 素子の構造は第 14図（D)の実施例 と同 じである。 分難は ？ υ Aひ、
    [0115] WirO 、ν>'ノ - w 接合分離だけで ¾ く 、 酸化物分離でも良い。
    [0116] ^上第 14図 に示す実施例は " という エネ ルギ - を もつ光の信号をゲ - ト 領域のコ ンデ ンサに蓄積する こ とができ る。 ソ - ス と ド レ イ ンは実施例に述べたも の と 逆に して も良いと とは勿論である。
    [0117] 第 15図 W ~ 0 )は本発明の別の実施例で、 第 15図 はソ - スに光信号を蓄積する コ ン デ ンサ、 第 15図（S)は ド レ イ ンに光信号を蓄積する コ ンデンサを接続 した一例である , ' 実施例の符号は第 14図と 応 している。 第 15図 は + の ソ - ス領域 65 に コンデンサを接続 した も ので、 75はシ リ コ ン多結晶、 76 は酸化膜、 07 は の電極である。
    [0118] 75,76, 07 に よ ] コ ンデンサが形成さ れている。 ゲー ト の ί>+層 62 には金属電極 66 を形成している。
    [0119] 第 15図（D)は 3»基板上に第 15図^に示す ド レ イ ンに接続 される コ ンデンサを設けた一実施例である。 75 はシ リ コ ン多結晶、 76 は酸化膜、 08は ド レ イ ン電極であ ]) 、 75,76 ,08 に よ ] コンデンサが形成され 'てい る。
    [0120] 第 15図 (C)，(D)において、 ソ スと ド レ イ ンは逆にるつて も良い。 コ ンデ ンサを形成する物質は シ リ コ ンの齩化膜 に限 らず 5 4 膜、 03 膜等でも良い。 - 本発明の別の実施例を第 16図（4) ~ 0¾に示す。 第 16図 00 は静電誘導 ト ラ ン ジス タ のグ - ト に コ ンデンサ と抵抗を 並列に接続 したも の、 第 10図（Β)は同 じ く ゲ - ト にコ ンデ ンサと抵抗を直列に接続 したもので、 それぞれ光信号を コ ンデンサと抵抗の時定数で決ま る時間だけ蓄積 しよ う とする例である。 お、 抵抗値が大き ければコ ン デ ンサ を省略 しても良い。 また、 ソ - ス或は ド レ イ ン に抵抗を 直列若 しく は並列に接続したコ ンデンサを接続して も良 い o
    [0121] 第 16図 (C)はゲ - ト にコ ンデ ンサと抵抗を並列に接続 し た一実施例である。
    [0122] ' 77は例えばボロ ンを ド- ブしたシ リ コ ン多結晶によ る 抵抗、 78 は Si02 等の誘電体薄膜で、 όόは金属電極であ る。 77， 78 , 60 に よ 1) コ ンデ ンサ と抵抗がゲ ー ト 領域 62 に接続される。
    [0123] 第 10図 ）は第 10図^に対応する本発明の別の実施例で 80 はボロ ン ド- ブされたシ リ コ ン多結晶で抵抗と して働 き、 81 は 02 等の誘電体薄膜、 66は金属電極である。
    [0124] 80,81 , 00 に よ ] ゲ - ト 領域 02 に直列に接続される抵抗 とコ ンデンサが形成される。
    [0125] 抵抗と コ ン デ ンサは上記のものに限らず、 リ ン ド - ブ の多結晶、 ： 接合、 Si3Jf4 膜、 ^ 03 膜等によっても 形成でき る。
    [0126] 第 17図 ),(S)は本発明の別の実施例で、 ゲ - ト を フ 口 ， ティ ング した一例である。
    [0127] 第 17図 Wは第 14図（5)の実施例において、 ゲ - ト に金属
    [0128] _ 0¾-ΡΙ 配線等を してい いも のである。 第 17図（B)は第 14図 0»の 実施例においてゲ - ト に金属配線等を してい ¾い も ので ある
    [0129] 第 14 ~ 17 図の半導体光電変換装置は S/Γ だけで ¾ く 静電誘導サ イ リ ス タ も 用いる こ と がで き る。
    [0130] 第 18図 は本発明の別の実施例である。
    [0131] 第 18図 )は第 14図の実施例の本発明の光電変換装置の 接続方法を示す実施例である。 Q20 はゲ - ト にコ ン デ ン 'サが接続された本発明の半導体光電変換装置である。 二 '次元に配列された半導体光電変換装置の ゲ - ト を ，62 , ·"··· , ソ ー ス を な 1 , な 2， ······ 、 ド レ イ ンを ， c2 ,·… と接続 している。 例えぱ ^ 14図（B)の静電誘導 ト ラ ン ジス タの場 合には 基板を ドレイ ンあるいは ソ ス と しているか ら、 ド レ イ ンあるいは ソ スは共通線と して よい。 基板側が ド レ イ ン とすればソ - ス と ゲ - 卜 の配線を基板の表面側 で行るえば良い。 第 18図（Β)は第 18図 においてのソ - ス と ド レ イ ンを逆に した も の の実施例である。 こ の実施例 においては、 Vというエネルギ ， を有する光が照射され ると、 二次元に配置されたセルに よ って光電変換が行な われる こ と にな る。 こ の半導体光電変換装置はセルが 1 個の静¾誘導 ト ラ ン ジ ス タ で構成されている こ と と 、 光 増幅率が大 き いので、 ダイ 才 - ドと CCD 、 あ る いはダイ ォ ， ドと MOS ト ラ ン ジ ス タ に よ る光セ ン サ に比較 して感
    [0132] 、 AT 度が良 く 、 構造が簡単である と い う 非常に優れた特徵を 有する。 ゲー ト に光信号を蓄積する時間は、 おお よそ 1 秒位は十分に保持でき る。
    [0133] 第 19図 はソ - スに コ ン デン サ、 同図（B)は ド レ イ ンに コ ンデ ンサを接続 した本発明の半導体光電変換装置の別 の実施例であ る。 Q 21 は第 15図に示した実施例の半導体 装置である。 .
    [0134] 第 18図、 第 19図共に、 半導体装置は第 2図乃至第 17図 'に示した素子を使用する こ とができ る。
    [0135] 二次元の配線には、 絶縁物を介 した二層配線、 片方の 電極はポ リ シ リ コ ン 、 他方は ^^ によ る金属配籙など、 従 来のラ ンダム ア ク セス メ モ リ セル どで知られている技 術によって行 う こ とができ る。
    [0136] 第 18図、 第 19図にはゲー ト 、 ソ ー ス 、 あるいは ド レ イ ンに コ ンデ ンサ を接続 した本発明の半導体光電変換装置 を示したが、 第 10図に示した半導体光電変換装置、 ある は第 14図乃至第 16図に示 した ものを組み合せてひとつ のセル と して も良い。
    [0137] 第 20図は本発明の別の実施例で、 ゲ - ト を ？>+層では く シ ョ ッ ト キ 一バ リ アと した一例である。
    [0138] 90 は の 基板、 91 は高抵抗な 層 （ 真性半導体 でも よい ） 、 95 は ソ - ス と るべ き 高不純物密度の Λ+ 層、 94 は表面保護膜、 95 は if。の よ う Si に対し てショ ッ ト キ — バ リ ア を形成する金属、 9 0 , 97 は ソ ー ス 、 ド レ イ ン の金属電極である。 シ ョ ッ ト キ — バ リ アゲー ト は平面ゲ - ト の構造だけで く 、 第 2 図乃至第 19図で説 明した実施例の ？ +ゲ - ト のかわ i に使 う ことができ る。
    [0139] 以上に述べた実施例の う ち、 ゲ - ト を フ ロ - ティ ング にする と光照射に よってチャ ンネ ル中に生 じた少数キヤ リ アは逆導電型のゲ - ト 領域に蓄積されて る。 ゲ - ト 領域を浮遊構造に してお く と 、 蓄積 した電荷は リ - ク抵 '抗を介 して消去する だけ ので、 応答速度が遅 く な る。
    [0140] 蓄積 した電荷を積極的に逃がすにはゲ - ト領域 と ソ - ス領域 との間 に導電路を接続すれぱよ い。 抵抗を接続 し た場合はゲ一 ト領域の容量と 抵抗 と の値に よって応答速 度が決ま る。 この抵抗は同一半導体チ ッ プ内に拡散等に よって形成する こ とができ る。
    [0141] 導電路と してス ィ ッ チ手段を接続する と 、 ス ィ ッ チ ン グの断続周波数で応答速度が決ま る。 この場合、 ス イ ツ チ手段がオ フ の期間は電荷が蓄積 し続けるので応答速度 が遅 く て も感度を上げたい場合はスィ ツチ手段のオフの 期閬を長 く すればよ い。 ス ィ ッ チ手段を ト ラ ン ジ ス タ等 で形成 し、 同一半導体チッ プに集積化 して も よい し、 メ 力二カ ルチ ヨ ッパ等で形成 し外付け して も よ い。
    [0142] • 受光部の構造は、 上記実施例の構造に限らない。
    [0143] たとえぱ、 受光面を.形成する場所は ド レ イ ン側でも ソ へ -ス側でも 、 動作状態におい て活性領域に十分光を導入 できる場所であればそれ 1外の場所でも構わない。
    [0144] 上記実施例の よ う に受光面側に電極が配置される時の 電極構造も 図示の如き ものに限らるい。 電極をス ト ラ イ ブあるいはメ ッ シュ形状に しても よい し、 受光面全面に 透明電極を設けて も よ い。
    [0145] 本発明の半導体光電変換装置を力 ラ -用にするために は、 本発明の半導体光電変換装置の各実施例に て光 'の照射される領域上に、 有機フ ィ ル タ を張 ] 付けた 、 本発明者等に よ ] 特願昭 55-101179 号に提案されている
    [0146] 02膜、、 SiVa膜等の多層膜を形成する こ と に よって、 実 施する こ とができ る。
    [0147] 素子の製造方法と しては拡散のかわ ] 3 にィ オ ン注入法 铯縁膜を作るための 法、 プラズマエ ッチング法、 陽 極酸化法. スパッ タ法に よる膜形成等周知の半導体製造 方法を用いる こ とができ る。
    [0148] 半導体材料 も に限らず、 よ D長波長の光測定には狭 い禁止帯幅を有する半導体 （ たとえは G*， Po^-S^T' (S, S« ), Eg^.xCdxTe, InSb 等 ） を用いればよい し.、 よ ]3 短 波長の光測定には広 禁止帯幅の半導体 （ たとえば aAs Gap 等 ） を用いる こ と もでき る し. 導電型をすベて逆に しても構わない。 .
    [0149] 本発明の半導体光 m変換装置は、 静¾誘導 ト ラ ン ジス
    [0150] ヽ ονπ.
    [0151] Λ ノ タ 、 静 m誘導サイ リ ス タ あるいは電界効果 ト ラ ン ジ ス タ を光検知器と して用い、 入射光強度を電気信号と して取 i 出すものであ j？ 、 本発明の半導体光亀変換装置とは、 第 2図、 第 5 図乃至第 8 図、 第 1 1 図、 第 1 4 図乃至第 20 図に示 したよ う な素子と 、 これ らの素子を組み込んだ第 3 図、 第 9 図、 第 1 0 図、 第 1 2 図及び第 13図に示すよ う 装置との両方を意味 している。
    [0152] 本発明の半導体光電変換装置は、 低雑音で光感度が非 常に高い利点を有 してお i？ 、 工業的価値の非常に高い も のである。
    权利要求:
    Claims請 求 の 範 囲
    (1) 一方の導電型の低不純物密度 い しは真性半導体の チャ ン ネ ル領域と 、 チ ャ ン ネ ル領域に接 して設けられ る主電流を流すための 2つの主亀極領域と、 前記チヤ ン ネ ルを塞が い形状のゲ - ト 領域と を有 し、 少 く と もゲ - ト 領域の一部が表面に露出 していて、 前記チ ヤ ン ネ ル領域の所定の部分は光を受けるための受光部 を備え、 前記チ ャ ン ネ ル領域内の固有ゲ - ト 近傍の空 乏層が、 前記受光部へ入射する光の光量及び前記 2つ の主電極及びゲ - ト の少 く と も 1 つに印加する電圧に よって制御される部分を有する こ とを特徵とする半導 体光電変換装置。
    (2) ゲ - ト も しく は 2 つの主電極領域の少な く と も一つ にコ ンデンサが接続されている こ と を特徵とする特許 請求の範囲第 1 項記載の半導体光電変換装置。
    (3) グー ト も しく は 2 つの主電極領域の少な く と も一つ に抵抗を直列 も しく は並列に接続 したコ ンデ ンサが接 続されているこ と を特徵とする特許請求の範囲第 1 項 記載の半導体光電変換装置。
    (4) ケ' - ト に抵抗が接続されている こ と を特徵とする特 許請求の範囲第 1 項記載の半導体光電変換装置。
    .
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP56192417A|JPH077844B2|1981-11-30|1981-11-30|静電誘導型半導体光電変換装置|
    JP56/192417811130||1981-11-30||DE19823280267| DE3280267D1|1981-11-30|1982-11-30|Halbleiterumwandler photoelektrischer.|
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