JP5211095B2

JP5211095B2 - 光検出器

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Publication number: JP5211095B2
Application number: JP2010070284A
Authority: JP
Inventors: 晃太伊藤; 峰樹曽我; クリスチアーノニクラス; ポポビッチラディフォーエ; ラニーマーク; 敏樹金道
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: DE112011101050T5; WO2011118571A1; US20120248295A1; US9006853B2; JP2011204879A; DE112011101050B4

Description

本発明は、光検出器に関し、特に、アバランシェ効果を利用した光検出器に関する。

光通信や光レーダ等において微弱な光信号を検出するための受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられている。ＡＰＤにフォトンが入射すると電子・正孔対が生成され、電子と正孔が各々高電解で加速されて、次々と雪崩のように衝突電離を引き起こして新たな電子・正孔対を生成する。

ＡＰＤの使用モードには、逆バイアス電圧を降伏電圧（ブレークダウン電圧）未満で動作させるリニアモードと、降伏電圧以上で動作させるガイガーモードがある。リニアモードでは生成される電子・正孔対の割合よりも消滅（高電界から出る）する電子・正孔対の割合が大きく、アバランシェは自然に止まる。出力電流は入射光量にほぼ比例するため入射光量の測定に用いることができる。ガイガーモードでは、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こすことができ、印加電圧を降伏電圧まで下げることによりアバランシェを止めることができる。印加電圧を下げてアバランシェ現象を停止させることはクエンチングと呼ばれる。最も単純なクエンチング回路はＡＰＤと直列に抵抗を接続することで実現される。アバランシェ電流が生ずると抵抗端子間の電圧上昇によってＡＰＤのバイアス電圧が降下し、降伏電圧未満となるとアバランシェ電流が止まる。このクエンチング回路により、フォトンの入射を電圧パルスとして取り出し計数することが可能になる。ＡＰＤには高電界を印加できるため、微弱光に高速に応答することができ、光通信やＬＩＤＡＲ等の分野で広く使われている。

ＡＰＤのリニアモードにおける電流増幅率は印加電圧と共に上昇するが、一方で温度にも強く依存する。したがって、広い動作温度範囲が要求される応用分野での課題となる。また、高い電流増倍率を保つために印加電圧を高くすると、印加電圧のわずかな変化が大きな増倍率の誤差につながる。そのため、ＡＰＤにおいて所望の増倍率を維持するために制御回路の安定性や精度を高めることが必要とされている。

また、ＡＰＤのガイガーモードでは、その感度はフォトン検出確率で表され、印加電圧と降伏電圧との差（過電圧）に依存する。降伏電圧は温度に強く依存するため、感度を温度によらず一定に保持するには、過電圧を一定に保つように印加電圧を制御する必要がある。

例えば、ＡＰＤの印加電圧の温度依存性を参照トランジスタのベース−エミッタ間の電圧の温度依存性で打ち消すように回路を構成することにより温度に対して安定な制御を行う技術が開示されている（特許文献１〜３等）。

また、ＡＰＤの温度特性を予めメモリ等に記憶しておき、温度センサによって測定された温度に対する印加電圧をメモリ等から読み出して印加する技術が開示されている（特許文献４及び５等）。

また、ＡＰＤにアバランシェ降伏を引き起こし、降伏電圧より少し小さな電圧を印加する方法が開示されている（特許文献６及び７等）。

さらに、参照光源又は参照受光素子を用いて、増倍率を直接測定して制御する方法も開示されている（特許文献８〜１０等）。

特開昭６２−７８８８６号公報米国特許第４４３８３４８号明細書米国特許第４１５３８３５号明細書特開２００６−３０３５２４号公報特開平１１−２１１５６３号公報特開平７−１７６７８２号公報特開平７−２７６０７号公報特開２００８−１４７４１６号公報特開２００５−９３８３４号公報特公昭６０−１７０５１号公報

上記のように、ＡＰＤの温度補償のための電圧印加方法は、目標電圧を設定して印加する方法と、増倍率を一定に保つように印加する方法とに大別される。

しかしながら、上記特許文献１〜３の技術では、温度依存性の二次の項は考慮されていないので、ＡＰＤの温度依存性を正確に制御することは困難である。また、上記特許文献４及び５の技術では、異なる温度特性を有する素子に対して個別に特性を測定して保持しておかなければならない。また、湿度や経年変化等の他の環境要因の変化には対応できない。また、上記特許文献６及び７の技術では、降伏電圧より少し小さな電圧とアバランシェ増倍率との関係が明確でなく、制御の正確性に欠ける。さらに、上記特許文献８〜１０の技術では、参照光源を使用する場合には光源の高精度のキャリブレーションが必要となり、参照光源から生ずる雑音が信号検出におけるＳ／Ｎに悪影響を及ぼす。また、参照受光素子を用いる場合には微弱で高速な光信号しか得られない場合には適用が困難である。

本発明は、アバランシェフォトダイオードを用いた光検出器であって、電流増幅率の温度特性が前記アバランシェフォトダイオードと略同じであり、逆バイアスされた参照用接合構造と、前記参照用接合構造に参照電流を注入する順バイアスされた電流注入用接合構造と、前記参照用接合構造において増幅される前記参照電流の増幅率を所定値に保つように前記アバランシェフォトダイオードと前記参照用接合構造とに印加する電圧を制御する電圧制御手段と、を備えることを特徴とする光検出器である。ここで、前記参照用接合構造及び前記電流注入用接合構造は略同じ構造であることが好適である。

ここで、前記参照用接合構造及び前記電流注入用接合構造は共にＰＮ接合であり、トランジスタを形成することが好適である。

また、前記参照用接合構造はＰＮ接合であり、前記電流注入用接合構造はショットキー接合であることが好適である。

また、前記電圧制御手段は、前記参照用接合構造で増幅された電流を測定する電流測定手段を備え、前記電流測定手段において測定された電流値に応じて前記アバランシェフォトダイオードと前記参照用接合構造とに印加する電圧を制御することが好適である。

また、前記電圧制御手段とは異なり、前記アバランシェフォトダイオードと前記参照用接合構造とに電圧を印加する電圧源を備え、前記電流測定手段は、前記電圧制御手段と前記電圧源とにより前記参照用接合構造に印加する電圧を切り換えて流された電流を測定して比較することが好適である。

また、前記電圧制御手段は、前記トランジスタのコレクタ端子に接続された電流源であることが好適である。

また、前記電圧制御手段は、前記トランジスタのベース端子に接続された電流源であることが好適である。

また、前記参照用接合構造及び前記電流注入用接合構造は、遮光されていることが好適である。

また、前記アバランシェフォトダイオードと前記参照用接合構造とは１つの接合構造であり、当該接合構造への入射光により生成された光電流と前記参照電流とを分離する電流分離手段を備えることが好適である。

本発明によれば、アバランシェ効果を利用した光検出器において増倍率の温度補償を適切に行うことができる。

第１の実施の形態における光検出器の構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるアバランシェフォトダイオードの構造を示す図である。本発明の実施の形態におけるアバランシェトランジスタの構造を示す図である。第１の実施の形態における光検出器の別例の構成を示す図である。第１の実施の形態における光検出器の別例の構成を示す図である。第２の実施の形態における光検出器の構成を示す図である。第２の実施の形態における光検出器の別例の構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるアバランシェトランジスタの構造を示す図である。第３の実施の形態における光検出器の構成を示す図である。第３の実施の形態における光検出器の構成を示す図である。

第１の実施の形態における光検出器１００は、図１に示すように、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１０、アバランシェトランジスタ（ＡＴ）１２、バッファ素子１４、第１電流源１６、第２電流源１８及び電流計２０を含んで構成される。

ＡＰＤ１０は、図２の素子断面図に示すように、半導体基板１０ａ、第１ウェル１０ｂ及び第２ウェル１０ｃにより構成される。半導体基板１０ａは、シリコン基板やガリウム砒素基板等を適用することができる。第２ウェル１０ｃは、半導体基板１０ａの表面領域に半導体基板１０ａとは逆導電型のドーパントを添加することによって形成される。第１ウェル１０ｂは、半導体基板１０ａの表面領域に形成された第２ウェル１０ｃの形成領域内に第２ウェル１０ｃとは逆導電型のドーパントを第２ウェル１０ｃよりも浅く添加することによって形成される。これにより、第１ウェル１０ｂと第２ウェル１０ｃとがＰＮ接合を形成する。

例えば、半導体基板１０ａがＮ型である場合、第２ウェル１０ｃは半導体基板１０ａにＰ型のドーパントをイオン打ち込み等で添加することにより形成することができる。さらに、第１ウェル１０ｂは第２ウェル１０ｃが形成された領域にＮ型のドーパントをイオン打ち込み等で添加することにより形成することができる。第１ウェル１０ｂと第２ウェル１０ｃのドーパント濃度を適宜調整することによってＡＰＤ１０の特性を調節することができる。Ｎ型とＰ型はそれぞれ逆としてもよい。

ＡＴ１２は、図３の素子断面図に示すように、半導体基板１２ａ、第１ウェル１２ｂ、第２ウェル１２ｃ及び拡散領域部１２ｄにより構成される。半導体基板１２ａは、シリコン基板やガリウム砒素基板等を適用することができる。第２ウェル１２ｃは、半導体基板１２ａの表面領域に半導体基板１２ａとは逆導電型のドーパントを添加することによって形成される。第１ウェル１２ｂは、半導体基板１２ａの表面領域に形成された第２ウェル１２ｃの形成領域内に第２ウェル１２ｃとは逆導電型のドーパントを第２ウェル１２ｃよりも浅く添加することによって形成される。さらに、拡散領域部１２ｄは、半導体基板１２ａの表面領域に形成された第１ウェル１２ｂの形成領域内に第１ウェル１２ｂとは逆導電型のドーパントを第１ウェル１２ｂよりも浅く添加することによって形成される。これにより、第１ウェル１２ｂがベース、第２ウェル１２ｃがコレクタ及び拡散領域部１２ｄがエミッタであるトランジスタが形成される。

例えば、半導体基板１２ａがＮ型である場合、第２ウェル１２ｃは半導体基板１２ａにＰ型のドーパントをイオン打ち込み等で添加することにより形成することができる。第１ウェル１２ｂは第２ウェル１２ｃが形成された領域にＮ型のドーパントをイオン打ち込み等で添加することにより形成することができる。さらに、拡散領域部１２ｄは第１ウェル１２ｂが形成された領域にＰ型のドーパントをイオン打ち込み等で添加することにより形成することができる。第１ウェル１２ｂ、第２ウェル１２ｃ及び拡散領域部１２ｄのドーパント濃度を適宜調整することによってＡＴ１２の特性を調節することができる。Ｎ型とＰ型はそれぞれ逆としてもよい。

また、ＡＴ１２の参照用接合構造及び電流注入用接合構造を遮光性の膜等で覆って遮光することが好適である。これにより、参照用接合構造及び電流注入用接合構造に外部から光が入射しないため、誤差要因となる光電流の生成を抑制できる。

ここで、ＡＰＤ１０の第１ウェル１０ｂと第２ウェル１０ｃとで形成されるＰＮ接合と、ＡＴ１２の第１ウェル１２ｂと第２ウェル１２ｃとで形成されるＰＮ接合の電流増幅率の温度特性が略一致するものとする。温度特性を略一致させる方法は、ドープする物質と、各ウェルの形状、接合形状を制御することによるバリエーションが考えられるが、実用上は、ＡＰＤ１０の第１ウェル１０ｂと第２ウェル１０ｃとで形成されるＰＮ接合と、ＡＴ１２の第１ウェル１２ｂと第２ウェル１２ｃとで形成されるＰＮ接合の構造を同一又は類似するものとすることで、温度特性を略同じとすることが好適である。

例えば、ＡＰＤ１０の第１ウェル１０ｂとＡＴ１２の第１ウェル１２ｂとは同じドーピング濃度とし、ＡＰＤ１０の第２ウェル１０ｃとＡＴ１２の第２ウェル１２ｃとは同じドーピング濃度とする。より具体的には、半導体基板１０ａ及び１２ａを同一の基板とし、その表面領域に同一の工程で第１ウェル１０ｂ及び１２ｂを形成し、さらに同一の工程で第２ウェル１０ｃ及び１２ｃを形成することが好適である。

このようなＡＰＤ１０及びＡＴ１２を含んで光検出器１００が構成される。ＡＰＤ１０は、温度補償される光検出用の素子である。また、ＡＴ１２のベース−コレクタ接合が参照用接合構造であり、ベース−エミッタ接合が電流注入用接合構造となる。

ＡＴ１２の第２ウェル１２ｃ（コレクタ）から電流が流れ込むように第１電流源１６が接続され、拡散領域部１２ｄ（エミッタ）から電流が流れ出るように第２電流源１８が接続される。また、ＡＴ１２の第２ウェル１２ｃ（コレクタ）は、バッファ素子１４を介して、ＡＰＤ１０の第２ウェル１０ｃ（カソード）に接続される。さらに、ＡＴ１２の第１ウェル１２ｂは、ＡＰＤ１０の第１ウェル（アノード）と同じ参照電圧Ｖｒｅｆとする。また、ＡＰＤ１０の第１ウェル（アノード）には検出用の電流計２０を接続する。

ＡＴ１２のエミッタから第２電流源１８により注入された電流は、ベース−コレクタ接合においてアバランシェ増倍され、コレクタ電流として流れる。第１電流源１６によりコレクタ電流を設定することにより、第１電流源１６と第２電流源１８との電流値の比がベース−コレクタ接合における増倍率となる。このときのベース−コレクタ接合の逆バイアス電圧は、バッファ素子１４によりバッファリングされてＡＰＤ１０に逆バイアス電圧として印加される。

ここで、ＡＰＤ１０の第１ウェル１０ｂと第２ウェル１０ｃとで形成されるＰＮ接合と、ＡＴ１２の第１ウェル１２ｂと第２ウェル１２ｃとで形成されるＰＮ接合との温度特性を略一致させているので、温度が変化し、ＡＰＤ１０の逆バイアス電圧と増倍率との関係が変化しても、ＡＰＤ１０の増倍率はＡＴ１２の電流増倍率と略同じ値に維持される。したがって、第１電流源１６と第２電流源１８との電流値の調整することにより、ＡＰＤ１０の増倍率を温度に依らず所望の値にすることができる。

ＡＰＤ１０と同じ又は近い温度特性をもつ参照用接合構造の増倍率を所定値に保つようにすることによって、ＡＰＤ１０の増倍率も正確かつ安定に制御することができる。また、電流を注入することにより増倍率を所定値に保つので、参照光源等を用いる場合に比べて簡易な回路構成とすることができ、環境光の影響等も受け難い。

また、参照用接合構造と電流注入用接合構造を１つのトランジスタとして実現でき、広く用いられているトランジスタの製造技術を適用して回路を安価に構成することができる。

また、電圧制御手段としてＡＴ１２のコレクタに接続される第１電流源１６は、ＭＯＳＦＥＴを２つ用いることで実現できる。電源投入時の初期状態では、ＡＴ１２にはアバランシェ現象は起こらず、エミッタに電流注入された参照電流は増幅されずにコレクタに出力される。このとき、第１電流源１６を構成するＭＯＳＦＥＴには十分に電圧が印加されていないため線形領域で動作し、設定よりも小さな電流を出力する。その後、十分に時間が経過してＡＴ１２においてアバランシェ現象が生ずるとコレクタ電流は増幅され、第１電流源１６を構成するＭＯＳＦＥＴにも十分に大きな電圧が印加されて飽和状態で動作する。このとき、電流は設定値で制限される。このように、電源投入時にＡＴ１２がアバランシェ現象を生じていない状態からアバランシェ増幅を行う状態に遷移するときの非線形性はＭＯＳＦＥＴの非線形性により打ち消され、電源投入時の回路の不安定性を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、ＡＴ１２のコレクタ及びエミッタにそれぞれ第１電流源１６及び第２電流源１８を接続したが、図４に示すように、ＡＴ１２のベース及びエミッタにそれぞれ第１電流源１６及び第２電流源１８を接続してもよい。この場合、ＡＴ１２のベース電圧が、バッファ素子１４を介して、ＡＰＤ１０のアノードに印加される。また、ＡＴ１２のコレクタは、ＡＰＤ１０のカソードと同じ参照電圧Ｖｒｅｆとされる。

このように、電圧制御手段としてＡＴ１２のベースに接続される第１電流源１６は、ＭＯＳＦＥＴを２つ用いることで実現できる。このとき、第１電流源１６の直流電圧レベルが電流注入の電圧レベルとほぼ等しい（ＡＴ１２のベース−エミッタ間電圧は０．６Ｖ程度）ため、電流源と電流注入手段とのマッチングが容易にできる。

また、図５に示すように、ＡＴ１２をＰＮＰトランジスタとしてもよい。この場合、ＡＴ１２のコレクタの電圧はＡＰＤ１０のアノードに印加される。また、ＡＴ１２のカソードに電流計２０が接続される。

また、本実施の形態では、ＡＴ１２としてＮＰＮ又はＰＮＰのトランジスタを用いたが、エミッタ−ベース接合をショットキー接合に置き換えてもよい。ショットキー接合とすることによって、電流注入用接合構造に印加される電圧がＰＮ接合に比べて小さくなり、電流注入用接合構造での消費電力をＰＮ接合に比べて小さくすることができる。

次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態における光検出器２００は、図６に示すように、アバランシェトランジスタ（ＡＴ）１２、電流源２２、電圧源２４、電流アンプ（ＴＩＡ：Trans Impedance Amplifier）２６、低域透過フィルタ（ＬＰＦ）２８、高域透過フィルタ（ＨＰＦ）３０、整流器３２、低域透過フィルタ（ＬＰＦ）３４及び差動増幅器３６を含んで構成される。

本実施の形態では、ＡＴ１２のコレクタ−ベース接合は、参照用接合構造としての機能を果たすと共に、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）としても機能する。また、ＡＴ１２のエミッタ−ベース接合は、電流注入用接合構造としての機能を果たす。

ＡＴ１２のエミッタから電流源２２により交流参照電流Ｉａｃが注入され、ＡＴ１２のベース−コレクタ接合においてアバランシェ増倍され、コレクタ電流として流れる。ＡＴ１２のベース電流は、ＴＩＡ２６により電圧に変換され、ＬＰＦ２８及びＨＰＦ３０へ入力される。ＬＰＦ２８は、交流参照電流Ｉａｃの周波数帯の信号は透過し、光の照射によって生ずる光電流の周波数帯の信号は遮断する透過周波数帯域を有するフィルタとする。ＬＰＦ２８によりアバランシェ増倍された交流参照電流Ｉａｃの成分がフィルタリングされ、さらに整流器３２及びＬＰＦ３４により平滑化されて差動増幅器３６へ入力される。差動増幅器３６は、参照電圧ＶｒｅｆとＬＰＦ３４から出力された電圧との差に応じた制御電圧Ｖｃｎｔを電圧源２４へ出力する。電圧源２４は、制御電圧ＶｃｎｔによってＡＴ１２のコレクタに印加される逆バイアス電圧を制御して出力する。このフィードバックループを負帰還とすることによって、ＡＴ１２のコレクタ−ベース接合におけるアバランシェ増倍率を一定に保つことができる。

一方、光検出は、ＡＴ１２のコレクタ−ベース接合に光を照射することによって行われる。ここで、信号光周波数が交流参照電流周波数よりも十分高ければ、交流参照電流Ｉａｃによる電流と分離して検出することができる。すなわち、信号光入射によって生ずる電流がＬＰＦ２８では遮断され、ＨＰＦ３０では透過されるようにＬＰＦ２８，ＨＰＦ３０の周波数特性を設計することによって、ＡＴ１２のベース電流をＴＩＡ２６により電圧変換した信号から、信号光入射による電流のみをＨＰＦ３０によって分離出力することができる。

例えば、１ＭＨｚの信号光を検出するためには、交流参照電流Ｉａｃは周波数１ｋＨｚの電流として、ＬＰＦ２８は１００ｋＨｚ以下の信号を透過するフィルタとし、ＨＰＦ３０は１０００ｋＨｚ以上の信号を透過するフィルタとすればよい。

また、本実施の形態ではＴＩＡ２６をＡＴ１２のベースに接続しているが、ＡＴ１２のコレクタに接続してもよい。この場合、コレクタ電流をＴＩＡ２６で電圧に変換し、ＬＰＦ２８及びＨＰＦ３０により信号を周波数分離し、参照電流Ｉａｃによる成分を整流器３２及びＬＰＦ３４により平滑化する。この平滑化された電圧を差動増幅器３６で参照電圧と比較して、その差に応じて電圧源２４を制御してＡＴ１２のベース電圧を制御する。このような構成によっても同様の作用を得ることができる。

また、本実施の形態では、参照電流と信号電流とは周波数分割方式により分離したが、時分割方式により分離してもよい。すなわち、図７に示す光検出器２０２のように、ＬＰＦ２８及びＨＰＦ３０を設ける代りに、スイッチ３８を設け、参照電流を交流で変調している期間はＴＩＡ２６からの出力を整流器３２へ切り換え、光信号を入力している期間は制御電圧Ｖｃｎｔを固定して、ＴＩＡ２６からの出力を出力端子へ切り換える。

また、ＡＴ１２としては、図８に示すような構造のトランジスタとしてもよい。すなわち、ＡＴ１２は、半導体基板１２ａ、ウェル１２ｅ及び拡散領域部１２ｆにより構成される。ウェル１２ｅは、半導体基板１２ａの表面領域に半導体基板１２ａとは逆導電型のドーパントを添加することによって形成される。拡散領域部１２ｆは、半導体基板１２ａの表面領域に形成されたウェル１２ｅの形成領域内にウェル１２ｅとは逆導電型のドーパントをウェル１２ｅよりも浅く添加することによって形成される。これにより、ウェル１２ｅがベース、半導体基板１２ａがエミッタ及び拡散領域部１２ｆがコレクタであるトランジスタが形成される。

このようなＡＴ１２を用いる場合、ウェル１２ｅと半導体基板１２ａとの接合が電流注入用接合構造とされ、ウェル１２ｅと拡散領域部１２ｆとの接合が参照用接合構造とされる。すなわち、ウェル１２ｅと半導体基板１２ａとの間が順バイアスされ、半導体基板１２ａをエミッタとして参照電流を注入する。一方、ＡＰＤとして用いる場合、ウェル１２ｅと半導体基板１２ａとの間を逆バイアスとして、ＡＰＤを半導体基板１２ａから電気的に絶縁した状態で用いる。

また、本実施の形態ではＡＴ１２をＮＰＮトランジスタとしたが、第１の実施の形態と同様に、ＰＮＰトランジスタとしてもよい。

このように、参照用接合構造で増幅された電流を測定する電流測定手段を備え、電流測定手段において測定された値を電流目標値に近づけるようにＡＴ１２に印加する電圧を制御することによって、電流注入用接合構造を通して注入される参照電流が温度変化等の外的要因により変動する場合であっても増幅率を一定に保つことが出来る。

また、光電流と参照電流とを分離して測定を行うことによって、環境光の影響を抑制しつつ電流の増倍率を正確に制御することができる。さらに、ＡＴ１２と参照用接合構造が１つの接合構造であるので素子をコンパクトにすることができる。

次に、第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態における光検出器３００は、図９及び図１０に示すように、アバランシェトランジスタ（ＡＴ）１２、電流源２２、電圧源２４、電流アンプ（ＴＩＡ：Trans Impedance Amplifier）２６、低域透過フィルタ（ＬＰＦ）２８、高域透過フィルタ（ＨＰＦ）３０、整流器３２、低域透過フィルタ（ＬＰＦ）３４、差動増幅器３６に加えて、さらに第２の電圧源４０及びスイッチ４２を含んで構成される。第２の実施の形態における光検出器２００と同じ符合を付した構成要素は、以下において特に説明がない場合には光検出器２００と同じ機能を有するものとする。

本実施の形態は、エミッタ−コレクタ電流転送率αが不明である、又は時間的に変動する場合に有効である。なお、エミッタ−コレクタ電流転送率αは、アバランシェ現象を起こしていないバイポーラトランジスタにおいて、コレクタ電流Ｉ_Ｃ，ベース電流Ｉ_Ｂ，エミッタ電流Ｉ_Ｅ及びバイポーラトランジスタ直流電流増幅率ｈ_ＦＥを用いて数式（１）のように定義される。エミッタ−コレクタ電流転送率αは、エミッタに注入されたキャリアがベースにおいて再結合せずにコレクタまで到達する割合を示しており、アバランシェ現象はコレクタ−ベース接合において生ずるので、アバランシェ現象の種となる電流はエミッタにおいて注入された電流にエミッタ−コレクタ電流転送率αを掛けたものとなる。

本実施の形態でも、ＡＴ１２のコレクタ−ベース接合は、参照用接合構造としての機能を果たすと共に、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）としても機能する。また、ＡＴ１２のエミッタ−ベース接合は、電流注入用接合構造としての機能を果たす。通常、信号増幅用のバイポーラトランジスタは、エミッタ−コレクタ電流転送率αをできるだけ１に近づけるように設計されている。一方、本実施の形態では、ＡＴ１２のコレクタ−ベース接合をアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）と共通化しているので、エミッタ−コレクタ電流転送率αは１に近いとは限らない。特に、基板をエミッタとして用いる場合には、エミッタ−コレクタ間の距離が長くなるのでエミッタ−コレクタ電流転送率αは低い（例えば、０．１以下）となる。

このような構成において、まず、エミッタ−コレクタ電流転送率αを求める。図９に示すように、スイッチ４２をａ側に接続し、ＡＴ１２のコレクタを第２の電圧源４０に接続する。第２の電圧源４０は、電圧源２４よりも低い電圧を出力し、ＡＴ１２をアバランシェ現象が生じない状態で動作させる。この状態において、ＡＴ１２のベース電流Ｉ_Ｂは、ＴＩＡ２６により電圧に変換され、ＬＰＦ２８及びＨＰＦ３０を通って、ＡＴ１２のベース電流Ｉ_Ｂに対応する電圧値に変換されて差動増幅器３６に入力される。これにより、差動増幅器３６においてエミッタ−コレクタ電流転送率αが検出される。

例えば、第２の電圧源４０からＡＴ１２のコレクタ電流Ｉ_Ｃが０．９ｍＡ程度となるように電圧を印加し、ベース電流Ｉ_Ｂが０．１ｍＡに対応する電圧値が差動増幅器３６に入力された場合、エミッタ−コレクタ電流転送率αは数式（１）から０．９として検出される。

このようにエミッタ−コレクタ電流転送率αを検出した後、ＡＴ１２のベース−コレクタ接合においてアバランシェ増倍率をＸ倍とする場合には、交流参照電流Ｉａｃに対してコレクタ電流Ｉ_Ｃが数式（２）となるように差動増幅器３６の参照電圧Ｖｒｅｆを設定すればよい。すなわち、ベース電流Ｉ_Ｂが数式（３）となるように差動増幅器３６の参照電圧Ｖｒｅｆを設定すればよい。

例えば、アバランシェ増幅の増幅率を１００倍とする場合、数式（２）及び（３）においてＸ＝１００としてコレクタ電流Ｉ_Ｃ及びベース電流Ｉ_Ｂを設定すればよい。

このように差動増幅器３６の参照電圧Ｖｒｅｆを設定した後、図１０に示すように、スイッチ４２をｂ側に接続することによって、差動増幅器３６から参照電圧ＶｒｅｆとＬＰＦ３４から出力された電圧との差に応じた制御電圧Ｖｃｎｔが電圧源２４へ出力され、電圧源２４は、制御電圧Ｖｃｎｔに応じてＡＴ１２のコレクタにアバランシェ増倍率をＸ倍とするようなコレクタ電流Ｉ_Ｃが流れるように逆バイアス電圧を制御して出力する。

この状態において、ＡＴ１２のエミッタから電流源２２により交流参照電流Ｉａｃが注入され、ＡＴ１２のベース−コレクタ接合においてアバランシェ増倍され、コレクタ電流として流れる。ＡＴ１２のベース電流は、ＴＩＡ２６により電圧に変換され、ＬＰＦ２８及びＨＰＦ３０へ入力される。ＬＰＦ２８，整流器３２及びＬＰＦ３４を介して交流参照電流Ｉａｃが平滑化されて差動増幅器３６へ入力される。差動増幅器３６は、上記のように設定された参照電圧ＶｒｅｆとＬＰＦ３４から出力された電圧との差に応じた制御電圧Ｖｃｎｔを電圧源２４へ出力する。このフィードバックループを負帰還とすることによって、ＡＴ１２のコレクタ−ベース接合におけるアバランシェ増倍率を一定に保つことができる。

一方、光検出は、第２の実施の形態における光検出器２００と同様に、ＡＴ１２のコレクタ−ベース接合に光を照射することによって行われる。ここで、信号光周波数が交流参照電流周波数よりも十分高ければ、交流参照電流Ｉａｃによる電流と分離して検出することができる。

また、本実施の形態においても、ＡＴ１２のコレクタに接続してもよい。また、本実施の形態においても、参照電流と信号電流とは周波数分割方式により分離したが、時分割方式により分離してもよい。また、ＡＴ１２としては、図８に示すような構造のトランジスタとしてもよい。また、本実施の形態ではＡＴ１２をＮＰＮトランジスタとしたが、第１の実施の形態と同様に、ＰＮＰトランジスタとしてもよい。

１０アバランシェフォトダイオード、１０ａ半導体基板、１０ｂ第１ウェル、１０ｃ第２ウェル、１２ａ半導体基板、１２ｂ第１ウェル、１２ｃ第２ウェル、１２ｄ拡散領域部、１２ｅウェル、１２ｆ拡散領域部、１４バッファ素子、１６第１電流源、１８第２電流源、２０電流計、２２電流源、２４電圧源、３２整流器、３６差動増幅器、３８スイッチ、４０第２の電圧源、４２スイッチ、１００，２００，２０２，３００光検出器。

Claims

アバランシェフォトダイオードを用いた光検出器であって、
電流増幅率の温度特性が前記アバランシェフォトダイオードと略同じであり、逆バイアスされた参照用接合構造と、
前記参照用接合構造に参照電流を注入する順バイアスされた電流注入用接合構造と、
前記参照用接合構造において増幅される前記参照電流の増幅率を所定値に保つように前記アバランシェフォトダイオードと前記参照用接合構造とに印加する電圧を制御する電圧制御手段と、
を備えることを特徴とする光検出器。
請求項１に記載の光検出器であって、
前記参照用接合構造及び前記電流注入用接合構造は略同じ構造であることを特徴とする光検出器。
請求項１又は２に記載の光検出器であって、
前記参照用接合構造及び前記電流注入用接合構造は共にＰＮ接合であり、トランジスタを形成することを特徴とする光検出器。
請求項１又は２に記載の光検出器であって、
前記参照用接合構造はＰＮ接合であり、前記電流注入用接合構造はショットキー接合であることを特徴とする光検出器。
請求項１〜４のいずれか１つに記載の光検出器であって、
前記電圧制御手段は、前記参照用接合構造で増幅された電流を測定する電流測定手段を備え、前記電流測定手段において測定された電流値に応じて前記アバランシェフォトダイオードと前記参照用接合構造とに印加する電圧を制御することを特徴とする光検出器。
請求項５に記載の光検出器であって、
前記電圧制御手段とは異なり、前記アバランシェフォトダイオードと前記参照用接合構造とに電圧を印加する電圧源を備え、
前記電流測定手段は、前記電圧制御手段と前記電圧源とにより前記参照用接合構造に印加する電圧を切り換えて流された電流を測定して比較することを特徴とする光検出器。
請求項３に記載の光検出器であって、
前記電圧制御手段は、前記トランジスタのコレクタ端子に接続された電流源であることを特徴とする光検出器。
請求項３に記載の光検出器であって、
前記電圧制御手段は、前記トランジスタのベース端子に接続された電流源であることを特徴とする光検出器。
請求項１〜８のいずれか１つに記載の光検出器であって、
前記参照用接合構造及び前記電流注入用接合構造は、遮光されていることを特徴とする光検出器。
請求項１〜７のいずれか１つに記載の光検出器であって、
前記アバランシェフォトダイオードと前記参照用接合構造とは１つの接合構造であり、
当該接合構造への入射光により生成された光電流と前記参照電流とを分離する電流分離手段を備えることを特徴とする光検出器。