(57)【要約】【課題】波長選択性光検出器を提供する。【解決手段】キャパシタを含む透明な上部電極と、前記上部電極の下部に位置する第１半導体層と、第１半導体層の下部に位置し、光を吸収して電子及び正孔対を形成する光吸収層と、光吸収層の下部に位置し、２次電子を生成する増幅層と、増幅層の下部に形成される第２半導体層と、第２半導体層の下部に位置し、外部抵抗と並列連結されるインダクタンスを含む下部電極と、を備える光検出器である。Ｓ／Ｎ比を向上させ、特定波長帯域の光だけをフィルタリングできる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャパシタを含む透明な上部電極と、
前記上部電極の下部に位置する第１半導体層と、
前記第１半導体層の下部に位置し、光を吸収して電子及び正孔対を生成する光吸収層と、
前記光吸収層の下部に位置し、二次電子を生成する増幅層と、
前記増幅層の下部に形成される第２半導体層と、
前記第２半導体層の下部に位置し、外部抵抗と並列連結されるインダクタンスを含む下部電極と、を備えることを特徴とする光検出器。
【請求項２】
前記キャパシタは、二つの伝導性薄膜間に誘電薄膜が多重に積層されて特定波長帯域の光を透過させる光学フィルターであることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項３】
前記伝導性薄膜は、ＩＴＯまたはＺｎＯであることを特徴とする請求項２に記載の光検出器。
【請求項４】
前記誘電薄膜は、ＳｉＯ2またはＳｉＮxであることを特徴とする請求項２に記載の光検出器。
【請求項５】
前記上部電極は、前記外部抵抗及び外部電源とオーム接触するボンディングパッドが表面に付着されることを特徴とする請求項２に記載の光検出器。
【請求項６】
前記上部電極は、
前記外部電源とオーム接触するボンディングパッドが位置する中心部の第１円形電極と、
前記第１円形電極と所定間隔離隔され、前記外部抵抗とオーム接触するボンディングパッドが付着される第２円形電極と、
前記第１及び第２円形電極間に位置する円形絶縁膜と、を備えることを特徴とする請求項５に記載の光検出器。
【請求項７】
前記下部電極は、絶縁膜にコイルが螺旋形に形成されたインダクターであることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項８】
前記下部電極は、外部素子とオーム接触するようにホールが形成されたことを特徴とする請求項７に記載の光検出器。
【請求項９】
前記第１半導体層はＰ+型半導体層に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項１０】
前記増幅層は、Ｐ型半導体層に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項１１】
前記第２半導体層は、Ｎ型半導体層に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光検出器に係り、さらに詳細には波長を選択でき、Ｓ／Ｎ比を増加させた光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光検出器は、光信号を検出して、これを同じ情報を有する電気的な信号に変換させる素子であって入射した赤外線を電圧に変化させて光検出を可能にするパイロエレクトリック効果を利用した検出器、光吸収による半導体内のキャリア生成を利用した半導体検出器がある。半導体光検出器は、ダイオード型光検出素子と光伝導体型光検出器とがある。半導体光検出器は、主にシリコンとガリウム砒素とを利用して製造する。
【０００３】
図１は、半導体光検出器のうちアバランシェ光検出器を簡略に示す概念図である。
【０００４】
図１を参照すれば、従来のアバランシェ光検出器は、Ｐ+型半導体電極１１とＮ型半導体電極１７間にｉ（π）型光吸収層１３とＰ型増幅層１５とが介在された構造を有する。Ｐ+型半導体電極１１は、外部の負極と連結し、Ｎ型半導体電極１７は外部の正極と連結し、光検出器の両端に強い逆バイアス電圧を印加して駆動する。
【０００５】
図２は、逆バイアス電圧を印加した場合、光検出器内の電場の強さの分布を示すグラフである。図面を参照すれば、Ｐ型半導体増幅層１５に最も強い電場がかかるのを見られる。電場は、光吸収層１３で生成される電子及び正孔の移動率に影響を与える。
【０００６】
図３は、図１のアバランシェ光検出器内の電子及び正孔の移動を示す概念図である。図面を参照すれば、逆バイアス電圧によって注入された光キャリアがｉ（π）型光吸収層１３で光エネルギーを吸収して電子及び正孔対が形成され、形成された電子及び正孔対は逆バイアスによって加速される。負極に加速される正孔は、Ｐ+型半導体電極１１に吸収されるが、正極に加速される電子は強い電場がかかったＰ型半導体増幅層１５の原子に順次に衝突して２次の電子キャリアを生成させて電流を増幅させる。これをアバランシェ現象という。
【０００７】
図４は、図１に示された従来のアバランシェ光検出器の等価回路を簡略に示す回路図である。図示されたように、従来のアバランシェ光検出器は、ノイズ電流Ｉnoise成分が信号電流Ｉsigと共に回路を流れている。
【０００８】
アバランシェ光検出器は、アバランシェ現象によって非常に微弱な光信号も検出でき、構造上接合容量が少なく、応答特性に優れる長所を有する。しかし、従来のアバランシェ光検出器は、温度の増加による熱雑音、すなわちジョンソン−ナイキスト雑音と広い帯域幅とを有する大きい光電流が流れるにつれて散弾雑音現象が発生して信号対雑音(Ｓ／Ｎ)比が劣化される短所を有する。散弾雑音を減らすためには、受信周波数の帯域幅Δｆと光検出器の暗電流とを減らすことが重要である。また、強い逆バイアス電圧によるノイズ電流が光検出器に作用する短所を補完する解決策が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点を改善するためのものとして、Ｓ／Ｎ比を向上させうる構造の光検出器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を達成するために、本発明は、キャパシタを含む透明な上部電極と、前記上部電極の下部に位置する第１半導体層と、前記第１半導体層の下部に位置し、光を吸収して電子及び正孔対を生成する光吸収層と、前記光吸収層の下部に位置し、２次電子を生成する増幅層と、前記増幅層の下部に形成される第２半導体層と、前記第２半導体層の下部に位置し、外部抵抗と並列連結されるインダクタンスを含む下部電極と、を備えることを特徴とする光検出器を提供する。
【００１１】
前記キャパシタは、二つの伝導性薄膜間に誘電薄膜が多重に積層されて特定波長帯域の光を透過させる光学フィルターとして機能する。
【００１２】
前記伝導性薄膜は、ＩＴＯまたはＺｎＯで形成できる。
【００１３】
前記誘電薄膜は、ＳｉＯ2またはＳｉＮxで形成できる。
【００１４】
前記上部電極は、前記外部抵抗及び外部電源とオーム接触するボンディングパッドが表面に付着されうる。
【００１５】
前記上部電極は、前記外部電源とオーム接触するボンディングパッドが位置する中心部の第１円形電極と、前記第１円形電極と所定間隔離隔され、前記外部抵抗とオーム接触するボンディングパッドが付着される第２円形電極と、前記第１及び第２円形電極間に位置する円形絶縁膜と、を備える。
【００１６】
前記下部電極は、絶縁膜にコイルが螺旋形に形成されたインダクターとして機能する。
【００１７】
前記下部電極は、外部素子とオーム接触するようにホールが形成される。
【００１８】
前記第１半導体層はＰ+型半導体に、前記増幅層をＰ型半導体に、前記第２半導体層はＮ型半導体層に形成できる。
【００１９】
本発明はキャパシタとインダクターとを上部電極及び下部電極に含めてＬＣ共振回路を形成することによって高周波ノイズ成分を除去できる。また、導電性薄膜と誘電薄膜とを多層に形成してキャパシタを構成することによって特定波長帯域の光だけをフィルタリングできる光学フィルターとしての機能を付加できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明による光検出器は、上部電極にキャパシタと下部電極とにインダクターを含む共振回路（ＬＣ）を形成し、外部抵抗からのノイズ成分を遮断することによってＳ／Ｎ比を増加させうる。
【００２１】
また、本発明による光検出器は、伝導性薄膜と誘電薄膜とを多層に形成して光学フィルターとして機能するキャパシタを備えて特定波長帯域の光をフィルタリングできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施例による光検出器を図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図５は、本発明の実施例による光検出器を簡略に示す概念図である。
【００２４】
図５を参照すれば、光検出器３０は、上側から順に上部電極３１、第１半導体層３３、光吸収層３５、増幅層３７、第２半導体層３９及び下部電極４１を備える。
【００２５】
上部電極３１は、透明な第１伝導性薄膜３１ａ、誘電薄膜３１ｂ及び第２伝導性薄膜３１ｃが積層されてなるキャパシタＣを含む。第１伝導性薄膜３１ａの上部には光が透過する第１円形電極が中心部に設けられ、第１円形電極の外部を覆い包むように円形絶縁膜が形成され、円形絶縁膜の外部にはまた第２円形電極が形成される。第１円形電極には外部電源と連結されるボンディングパッドが付着され、第２円形電極には外部抵抗と連結されるボンディングパッドが付着されうる。
【００２６】
キャパシタＣは、伝導性薄膜３１ａ,３１ｃと誘電薄膜３１ｂとを複数に蒸着して多層に形成できる。伝導性薄膜３１ａは、ＩＴＯ、ＺｎＯのような物質で形成でき、誘電薄膜３１ｂはＳｉＯ2、ＳｉＮxのような物質で形成できる。第１及び第２伝導性薄膜３１ａ,３１ｃを誘電性物質で形成すれば、キャパシタＣが特定波長帯域の光を選択し、その他の波長帯域の光に対しては最小の反応を示す光学フィルターとして機能させうる。
【００２７】
第１半導体層３３がＰ型半導体であれば、第２半導体層３９はＮ型半導体で、第１及び第２半導体層３３,３９間に介在される増幅層３７はＰ型半導体で、光吸収層３３はＮ型半導体で形成する。第１半導体層３３をＮ型イオンでドーピングすれば、第２半導体層３９はＰ型イオンで、増幅層３７はＮ型イオンで、光吸収層３３はＰ型イオンでドーピングする。
【００２８】
下部電極４１は、絶縁膜４１ａの内部にコイル４１ｂを図５に示されたように螺旋形に形成してインダクターとして機能させる。下部電極４１の中心部には、外部素子とオーム接触できるようにホール４１ｃを形成する。
【００２９】
上部電極３１はキャパシタとして、下部電極４１はインダクターとして作用して、本発明の実施例による光検出器は、上部電極３１と下部電極４１とを含む全体としてＬＣ共振回路を形成する。
【００３０】
上部電極３１に強い逆バイアスを加えれば、上部電極３１を通じて入射する光は、キャパシタＣによって高周波ノイズ成分が除去された後、第１半導体層３３を経由して光吸収層３５に吸収される。光吸収層３５に吸収された光は、電子と正孔との対を生成し、電子はＮ型の第２半導体層３９に向けて移動し、正孔はＰ型の第１半導体層３３に向けて移動する。第２半導体層３９に向けて移動する電子は、Ｐ型の増幅層３７の原子と衝突して２次電子を生成し、これにより受光量に比例して増幅された電流が光検出器を流れる。下部電極４１を通じて電気的な信号として引出して光信号の情報を検出する。
【００３１】
図６は、図５に示された本発明の実施例による光検出器に関する簡略な回路図である。
【００３２】
図６を参照すれば、キャパシタＣ、光検出器構造体ＰＤ及びインダクターＬが直列に連結され、光検出器構造体ＰＤ及びインダクターＬと外部抵抗Ｒとが並列に連結されている。ここで、光検出器の構造体ＰＤは、図５で上部電極３１と下部電極４１とを除いて第１半導体層３３、光吸収層３５、増幅層３７及び第２半導体層３９を備える半導体素子を示す。
【００３３】
電源Ｖの負極はキャパシタＣに、正極はインダクターＬに連結され、ノイズ電流Ｉnは電源Ｖを通過して流れ、外部抵抗には信号電流Ｉsだけが流れる。本発明の電源の電圧Ｖ、インダクターＬの電圧をＶL、インダクターＬの誘導性リアクタンスＸL及び、キャパシタＣの容量性リアクタンスＸcは数式１のような関係を有する。
【数１】
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【００３４】
キャパシタＣが大きくなれば、ＶLはＶに近接するが、電源のノイズは一般的に高周波成分として受光素子とグラウンドとの連結部位に挿入されたリアクタンスＸLによってフィルタリングされる。これは、高周波成分で回路インピーダンスはリアクタンスが増加するほど高まるためである。したがって、本発明の実施例による光検出器で、光による純粋な信号電流Ｉsだけが外部抵抗Ｒを流れるので、外部抵抗Ｒの値を小さく設計できる。また、インダクターＬとキャパシタＣとがバンドパスフィルターの役割をするので、検出器のＳ／Ｎ比を数式２のように示せる。
【数２】
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【００３５】
ここで、Ｍは利得、はショットノイズパワー、はサーマルノイズパワー、は信号パワーである。本発明の実施例による光検出器を特定周波数帯域の信号を検出する回路構造を有するように設計することによって周波数の選択度を増加させうる。このような回路構造では、Δfが減少し、ＸLが減少して全体光検出器のＳ／Ｎ比が増加する。
【００３６】
前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施例の例示として解釈されなければならない。
【００３７】
例えば、当業者ならば、本発明の技術的思想によってキャパシタとインダクターの性能を増加させうる多様な構造と配列とを採択できる。したがって、本発明の範囲は説明された実施例によって決定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は高周波ノイズ成分を除去でき、特定波長帯域の光だけをフィルタリングできる光学フィルターとして機能する波長選択性光検出器に適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来のアバランシェ光検出器を簡略に示す断面図である。
【図２】図１のアバランシェ光検出器の各薄膜層で電場の強さを示すグラフである。
【図３】図１のアバランシェ光検出器で電子と正孔との移動を示す概念図である。
【図４】図１のアバランシェ光検出器の回路図である。
【図５】本発明の実施例による光検出器の概念図である。
【図６】図５の光検出器の回路図である。
【符号の説明】
【００４０】
３０      光検出器
３１      上部電極
３１ａ    第１伝導性薄膜
３１ｂ    誘電薄膜
３１ｃ    第２伝導性薄膜
３３      第１半導体層
３５      光吸収層
３７      増幅層
３９      第２半導体層
４１      下部電極
４１ａ    絶縁膜
４１ｂ    コイル
４１ｃ    ホール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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