(57)【要約】【課題】空乏層の領域をより拡大して、光電流の発生をより向上させる。【解決手段】金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子で、Ｎ型（又はＰ型）の半導体層２の表面に、略円形の第１金属電極３（＋）と、これを囲むように略円形が中抜け状態の第２金属電極４（−）とを、同心円状に一定間隔で設け、前記夫々の電極と半導体層の界面はショットキー障壁３Ａ、４Ａを構成し、前記電極４下の半導体層中に空乏層領域５を、露出した半導体層２の表面である受光面下の半導体層中に非空乏層６を形成する。受光面に一定の光量の光を照射し、両電極間の印加電圧Ｖを増減することにより、前記電極４下の空乏層の幅Ｗが電極３方向に増減し、両電極間に発生する光電流ＩＬ　が増減する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ型又はＰ型の半導体層の表面に、平面形状が略円形の第１の金属電極と、前記第１の金属電極を取り囲むように平面形状が略円形の中抜け状態の第２の金属電極とを、同心円状に一定の距離を隔てて設け、両電極間の電極が存在しない半導体層の表面を受光面とし、前記夫々の電極と半導体層の界面はショットキー障壁を構成し、前記第２の金属電極下の半導体層中に空乏層領域を、前記受光面下の半導体層中に非空乏層を形成した金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子であって、
前記受光面に一定の光量の光を照射し、前記第１の金属電極と第２の金属電極の間に印加する印加電圧を増減することにより、前記第２の金属電極下の空乏層の領域の幅が第１電極方向に増減し、両電極間に発生する出力光電流が変化する印加電圧対出力光電流特性を有することを特徴とする金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子。
【請求項２】
Ｎ型又はＰ型の半導体層の表面に、平面形状が多角形の第１の金属電極と、前記第１の金属電極を取り囲むように平面形状が多角形の中抜け状態の第２の金属電極とを、同心円状に一定の距離を隔てて設け、両電極間の電極が存在しない半導体層の表面を受光面とし、前記夫々の電極と半導体層の界面はショットキー障壁を構成し、前記第２の金属電極下の半導体層中に空乏層領域を、前記受光面下の半導体層中に非空乏層を形成した金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子であって、
前記受光面に一定の光量の光を照射し、前記第１の金属電極と第２の金属電極の間に印加する印加電圧を増減することにより、前記第２の金属電極下の空乏層の領域の幅が第１電極方向に増減し、両電極間に発生する出力光電流が変化する印加電圧対出力光電流特性を有することを特徴とする金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子。
【請求項３】
前記請求項１に記載の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子の略円形の第１の金属電極の中心線に沿って分断した形状の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子。
【請求項４】
前記請求項２に記載の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子の多角形の第１の金属電極の中心線に沿って分断した形状の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子。
【請求項５】
前記両電極間の距離を、空乏層の幅とキャリアの拡散距離との加算値以上とすることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１つに記載の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子。
【請求項６】
前記半導体層がＮ型（又はＰ型）の場合は、前記第１の金属電極を正（又は負）電極、前記第２の金属電極を負（又は正）電極とし、これら電極間に印加電圧を印加した場合、一定値迄は出力光電流は急激に増加し、印加電圧が前記一定値以上では出力光電流は緩やかに増加する印加電圧対出力光電流特性を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１つに記載の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子。
【請求項７】
前記印加電圧対出力光電流特性が、印加電圧Ｖと出力光電流ＩＬ　との間に、ＩＬ　≒ａ（Ｖ）１／２　（但し、ａは係数。）という関係を有することを特徴とする請求項６に記載の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子。
【請求項８】
前記印加電圧対出力光電流特性は、前記光量の増減により、前記出力光電流が増減することを特徴とする請求項６又は７に記載の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子。
【請求項９】
前記光量の増減に応じて、前記第１の金属電極と第２の金属電極の間に印加する印加電圧を調節して出力光電流を一定範囲内に制御することを特徴とする６乃至８の何れか１つに記載の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属／半導体／金属（ＭＳＭ）構造のプレーナ型２端子光半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体層上に２つの電極を設け、露出した半導体層表面を受光面とする２端子の光半導体素子としては、フォトダイオードがあり、フォトダイオードにおいては、光電変換効率を向上させるために、フォトダイオードに増幅回路を付加して、フォトダイオードからの光電流を電流−電圧変換、増幅している（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。フォトダイオードにおいては、２つの電極間に印加する印加電圧を変化させても、出力光電流を制御（変化）する光電流を制御（変化）する作用を有していない。この問題を解決するため、プレーナ型のフォトトランジスタを用いている（例えば、特許文献３参照。）。このように、プレーナ型の２端子の光半導体素子においては、受光面下の半導体層には空乏層が存在しないために、２つの電極間に印加する印加電圧を変化させても、出力光電流を制御（変化）できるものはなかった。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−３４３９２６号公報（第２頁、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−１５８３７０号公報（第２−４頁、第１図）
【特許文献３】
特開平１０−１７６９３６号公報（第２頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような問題点を解消するもので、本発明の目的は、金属／半導体／金属（ＭＳＭ）構造で、プレーナ型の２端子光半導体素子において、２つの電極間に印加する印加電圧の変化により、出力光電流を制御（変化）すると共に、光電流の発生に寄与する空乏層の領域をより拡大して、光電流の発生をより向上することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｎ型又はＰ型の半導体層の表面に、平面形状が略円形の第１の金属電極と、前記第１の金属電極を取り囲むように平面形状が略円形の中抜け状態の第２の金属電極とを、同心円状に一定の距離を隔てて設け、両電極間の電極が存在しない半導体層の表面を受光面とし、前記夫々の電極と半導体層の界面はショットキー障壁を構成し、前記第２の金属電極下の半導体層中に空乏層領域を、前記受光面下の半導体層中に非空乏層を形成した金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子であって、
前記受光面に一定の光量の光を照射し、前記第１の金属電極と第２の金属電極の間に印加する印加電圧を増減することにより、前記第２の金属電極下の空乏層の領域の幅が第１電極方向に増減し、両電極間に発生する出力光電流が変化する印加電圧対出力光電流特性を有する金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子である。
【０００６】
本発明は、Ｎ型又はＰ型の半導体層の表面に、平面形状が多角形の第１の金属電極と、前記第１の金属電極を取り囲むように平面形状が多角形の中抜け状態の第２の金属電極とを、同心円状に一定の距離を隔てて設け、両電極間の電極が存在しない半導体層の表面を受光面とし、前記夫々の電極と半導体層の界面はショットキー障壁を構成し、前記第２の金属電極下の半導体層中に空乏層領域を、前記受光面下の半導体層中に非空乏層を形成した金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子であって、
前記受光面に一定の光量の光を照射し、前記第１の金属電極と第２の金属電極の間に印加する印加電圧を増減することにより、前記第２の金属電極下の空乏層の領域（の幅）が第１電極方向に増減し、両電極間に発生する出力光電流が変化する印加電圧対出力光電流特性を有する金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子である。
【０００７】
本発明は、前記第１の金属電極が略円形の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子の略円形の第１の金属電極の中心線に沿って分断した形状の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子である。
【０００８】
本発明は、前記第１の金属電極が多角形の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子の多角形の第１の金属電極の中心線に沿って分断した形状の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子である。
【０００９】
本発明は、前記両電極間の距離を、空乏層の幅とキャリアの拡散距離との加算値以上とする金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子である。
【００１０】
本発明は、前記半導体層がＮ型（又はＰ型）の場合は、前記第１の金属電極を正（又は負）電極、前記第２の金属電極を負（又は正）電極とし、これら電極間に印加電圧を印加した場合、一定値迄は出力光電流は急激に増加し、印加電圧が前記一定値以上では出力光電流は緩やかに増加する印加電圧対出力光電流特性を有する金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子である。
【００１１】
本発明は、前記印加電圧対出力光電流特性が、印加電圧Ｖと出力光電流ＩＬ　との間に、ＩＬ　≒ａ（Ｖ）１／２　（但し、ａは係数。）という関係を有する金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子である。
【００１２】
本発明は、前記印加電圧対出力光電流特性は、前記光量の増減により、前記出力光電流が増減する金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子である。
【００１３】
本発明は、前記光量の増減に応じて、前記第１の金属電極と第２の金属電極の間に印加する印加電圧を調節して出力光電流を一定範囲内に制御する金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、図１及び図２に示すような、金属／半導体／金属（ＭＳＭ）構造のプレーナ型２端子光半導体素子１であって、Ｎ型の半導体層２の表面に、平面形状が略円形の第１の金属電極３と、前記第１の金属電極３を取り囲むように平面形状が略円形の中抜け状態の第２の金属電極４とを、同心円状に一定の距離を隔てて設け、前記第１の金属電極３と第２の金属電極４間の電極が存在しない半導体層２の表面を受光面とし、前記夫々の電極３、４と半導体層２の界面には、夫々ショットキー障壁３Ａ、４Ａを構成する。そして、これら電極３、４の間隔、即ち、電極間隔Ｌをある特定の値、即ち、受光面上の空乏層の幅Ｗとキャリアの拡散距離ＬＤ　との加算値以上に設定し、第１の金属電極３（正電極）と第２の金属電極４（負電極）間に印加電圧Ｖを印加すると、第２の金属電極４（負電極）の下方の半導体層中に空乏層５が、前記受光面下の半導体層２中に非空乏層６が形成され、前記両電極間に光電流ＩＬ　が発生する。なお、半導体層２がＰ型の場合には、第１の金属電極３を負電極、と第２の金属電極４を正電極とする。
【００１５】
前記両電極間の間隔Ｌを、空乏層５の幅Ｗとキャリアの拡散距離ＬＤ　との加算値以上とする理由を以下に説明する。
光電流ＩＬ　は、略空乏層の表面面積に比例するαＷ（Ｖ）部分と非空乏層領域内のうち空乏層との境界よりキャリアの拡散距離ＬＤ　以内で発生したキャリアによる拡散電流部分との加算値で与えられる。即ち、光電流ＩＬ　は、αＷ（Ｖ）＋ＬＤ　に比例する（ここで、αは、ＬＤ　の領域よりも空乏層の方がα倍だけ電流に寄与し、能率がよいことを意味します。）。両電極間に印加する印加電圧Ｖの増加により、空乏層の幅Ｗ（Ｖ）が増加すると、その空乏層の先端にあるキャリアの拡散距離ＬＤ　の領域（用いた半導体により決まる一定値）も移動する。そして、両電極間の間隔Ｌが、空乏層５の幅Ｗとキャリアの拡散距離ＬＤ　との加算値（αＷ（Ｖ）＋ＬＤ　）より小さい場合には、前記ＬＤ　領域又はＬＤ　領域と空乏層領域の一部が反対側の電極（例えば、第１の金属電極３（正電極））の下に潜り込んでしまうため、前記光電流ＩＬ　における式、αＷ（Ｖ）＋ＬＤ　のうち、ＬＤ　の全部又はそれとαＷ（Ｖ）の一部が消滅して、前記光電流ＩＬ　の式とおりの光電流ＩＬ　は発生しない。従って、出力光電流ＩＬ　を効率良く取り出すには、両電極間の間隔Ｌは空乏層５の幅Ｗとキャリアの拡散距離ＬＤ　との加算値以上、即ち、Ｌ≧Ｗ＋ＬＤ　という条件が必要である。
【００１６】
その結果、半導体層２がＮ型、Ｐ型何れの場合でも、電極面積及び電極の境界線の距離が大きい第２の金属電極４の下方の半導体層中に空乏層５が形成され空乏層の領域が広い２端子型の光半導体素子が形成される。
【００１７】
前記２端子型の光半導体素子１においては、印加電圧Ｖを増大することにより、空乏層５の幅Ｗは増大し、非空乏層６の幅は減少する。前記空乏層５の幅Ｗの増大により、受光面に光が照射された際に発生する出力光電流ＩＬ　が増加する。
【００１８】
空乏層幅Ｗと印加電圧Ｖの関係を以下に示す。
ショットキー障壁４Ａによる空乏層幅Ｗは、
Ｗ（Ｖ）＝〔β（Ｖｂ１＋Ｖ）〕１／２　・・・・・・・・（式１）
β＝２ε／ｑＮＤ　・・・・・・・・（式２）
ε：用いた半導体の誘電率
ｑ：電子の電荷量
ＮＤ　：用いた半導体の不純物濃度
Ｖｂ１：作り付け電位（印加電圧なしの状態で、空乏層により生ずる電位）
【００１９】
前記金属／半導体／金属（ＭＳＭ）構造のプレーナ型２端子光半導体素子１における印加電圧Ｖと出力光電流ＩＬ　の関係を実験により、測定したものを、図３に示す。この場合、第１の金属電極３（電極半径４００μｍ）と第２の金属電極４（電極半径４０００μｍ）はモリブデンを、半導体層２はシリコン（抵抗率４０〜５０Ωｃｍ）を用い、光源として、ヘリウム−ネオンレーザー光（出力約０．３ｍＷ）を約１０ｃｍの距離から測定試料に照射し、中性（ＮＤ）フィルタにより照射光強度を変化させて測定した。
【００２０】
前記図３に示す測定結果から、以下の点が解明された。
本発明の電極を同心円状に配置した半導体層２がＮ型のプレーナ型２端子光半導体素子１においては、第１の金属電極３（正電極）と第２の金属電極４（負電極）間に電圧を印加するとその印加電圧Ｖが１〔Ｖ〕付近迄は出力光電流ＩＬ　は急激に増加し、印加電圧Ｖがそれ以上の場合には印加電圧Ｖの増加に応じて出力光電流ＩＬ　が緩やかに増加する印加電圧対出力光電流特性、所謂、トランジスタ特性を示すことが判明した。この印加電圧Ｖと出力光電流ＩＬ　との間には、ＩＬ　≒ａ（Ｖ）１／２　という関係が成立する（なお、ａは係数である。）。そして、光の照射量の増加（Ｌｉｇｈｔ１、２、３、４、５の順に順次増加する。）により、出力光電流ＩＬ　も増加する。なお、印加電圧Ｖの極性を逆転させて、第２の金属電極４（正電極）と第１の金属電極３（負電極）間に電圧を印加した場合には、図３の特性図の左側半分にに示すように、印加電圧Ｖを印加させても、出力光電流ＩＬ　はほとんど発生しない。
【００２１】
以上のように、本発明の光半導体素子１においては、半導体層２がＮ型の場合、第１の金属電極３（正電極）と第２の金属電極４（負電極）との間では、第１の金属電極３（正電極）に比べて第２の金属電極４（負電極）の内周面の距離が大きくなるため、第２の金属電極４の下面に発生する空乏層５の領域はより大きくなり、出力光電流ＩＬ　の発生に寄与する空乏層領域が拡大された構造となるため、印加電圧対出力光電流特性もより高効率となる。なお、半導体層２がＰ型の場合は、第１の金属電極３を負電極とし、第２の金属電極４を正電極とし、第２の金属電極４下面に空乏層５の領域が発生し、同様の動作を行う。
【００２２】
なお、前記本発明の光半導体素子１においては、平面形状が略円形の第１の金属電極３と、前記第１の金属電極３を取り囲むように平面形状が略円形の中抜け状態の第２の金属電極４とを、同心円状に一定の距離を隔てて配置したもの（図１乃至図３参照）を例示したが、図４に示すように、第１の金属電極３を４角形に、第２の金属電極４を第１の金属電極３を取り囲むように平面形状が略４角形の中抜け状態に配置したものや、図５に示すような、図４の光半導体素子を切断面Ａ−Ａ（略中心線付近）で切断した構造のものも、前者と同様の機能を達成する。この場合、第１の金属電極３を略４角形としたが、３角形以上の多角形又はこれを切断した構造の何れでも良い。これに対応する第２の金属電極４は、当然、第１の金属電極３を取り囲むように平面形状が略多角形又はこれを略中心線の位置で切断した形状の中抜け状態のものである。
【００２３】
前記光半導体素子１においては、前記のように、▲１▼印加電圧Ｖの増加により、出力光電流ＩＬ　も増加するという特性と、▲２▼受光面に照射する光の照度の増加に対応して、出力光電流ＩＬ　も増加するという特性とを利用することにより、光の照度の増加により、出力光電流ＩＬ　が増加する場合、２つの電極間に印加する印加電圧Ｖを減少させることにより、出力光電流ＩＬ　を減少させたり、光の照度の減少により、出力光電流ＩＬ　が減少する場合、２つの電極間に印加する印加電圧Ｖを増加させることにより、出力光電流ＩＬ　を増加させる、というように、受光面に照射する光の照度が変化しても、出力光電流を一定範囲内に制御する機能、即ち、電子瞳の機能を保持することができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の２端子光半導体素子は、金属／半導体／金属（ＭＳＭ）構造のプレーナ型とし、半導体層上に２つの電極を設け、露出した半導体層表面を受光面とし、２つの電極間の距離を一定の条件、特に、空乏層の幅とキャリアの拡散距離との加算値以上とすることにより、受光面に一定照度の光を照射した場合、２つの電極間に印加する印加電圧を変化させると、電極下の半導体層に存在する空乏層の幅及び受光面下の半導体層に存在する非空乏層の幅が変化して、両電極間に発生する出力光電流を制御（変化）することができると共に、光電流の発生に寄与する空乏層の領域がより拡大して、出力光電流を増大することができる。
【００２５】
本発明の２端子光半導体素子は、▲１▼印加電圧Ｖの増加により、出力光電流ＩＬ　も増加するという特性及び▲２▼受光面に照射する光の照度の増加に対応して、出力光電流ＩＬ　も増加するという特性を利用して、受光面に照射する光の照度が変化しても、２つの電極間に印加する印加電圧を制御することにより、両電極間に発生する出力光電流を一定範囲内に制御する機能、即ち、電子瞳の機能を保持することができる。
【００２６】
本発明の２端子光半導体素子は、金属／半導体／金属（ＭＳＭ）構造のプレーナ型とすることにより、ＣＭＯＳ等の他の素子との集積化が可能となるばなりでなく、素子の構造が単純化できるので、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子において、第１の金属電極が平面形状が円形の概略構成図（平面図）である。
（ｂ）本発明の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子において、第１の金属電極が平面形状が円形の概略構成図（断面図）である。
【図２】本発明の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子において、第１の金属電極が平面形状が円形の概略構成図（斜視図）である。
【図３】本発明の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子の印加電圧対出力光電流特性を示す図である。
【図４】本発明の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子において、第１の金属電極が平面形状が四角形の概略構成図（平面図）である。
【図５】図４の平面形状が四角形の金属／半導体／金属構造のプレーナ型２端子光半導体素子を分断線Ａ−Ａで分断した形状の２端子光半導体素子の概略構成図（平面図）である。
【符号の説明】
１　　２端子光半導体素子
２　　半導体層
３　　第１の金属電極
３Ａ　ショットキー障壁
４　　第２の金属電極
４Ａ　ショットキー障壁
５　　空乏層
６　　非空乏層
Ｗ　　空乏層幅
Ｌ　　電極間隔
Ｖ　　印加電圧
ＩＬ　　出力光電流
【図１】
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【図２】
2004103984.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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