JP2000208807A - 幅広い帯域幅を有するｐｉｎフォトダイオ―ド - Google Patents

幅広い帯域幅を有するｐｉｎフォトダイオ―ド

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JP2000208807A
JP2000208807A JP4639A JP2000004639A JP2000208807A JP 2000208807 A JP2000208807 A JP 2000208807A JP 4639 A JP4639 A JP 4639A JP 2000004639 A JP2000004639 A JP 2000004639A JP 2000208807 A JP2000208807 A JP 2000208807A
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シー． チャン チア
Eugene Fram Robert
ユージェン フラム ロバート
M Lee Coen
エム． リー コエン
George Lorimer Orval
ジョージ ロリマー オーヴァル
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ロナルド ゾルノウスキー デニス
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＰＮ接合のキャパシタンスが減少され、帯域
幅が最大化されたＰＩＮフォトダイオードを提供する。 【解決手段】 ＰＩＮフォトダイオードは、ｐ形ドーパ
ントを含むｐ領域、ｎ形ドーパントを含むｎ領域、ｐ領
域とｎ領域の間に位置するｉ領域、及びフォトダイオー
ドの帯域幅が最大化されるようにＰＩＮフォトダイオー
ドのキャパシタンスを実質的に減少させる、ｎ領域とｉ
領域の間に位置する、比較的厚く、ドープされていない
バッファ領域から構成される。典型的にはバッファ領域
は、少なくともおよそ０．５μｍの厚さのインジウムリ
ンの層として形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的にはＰＩＮフォ
トダイオードに関する。本発明は、より具体的には、幅
広い帯域幅を有するＰＩＮフォトダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバー通信は、典型的には、レー
ザのような変調された光源、フォトダイオード光検出器
や、レーザとフォトダイオードを相互に接続する光ファ
イバーを用いている。レーザは典型的には、光パルスを
生じるように変調され、遠隔地のフォトダイオードによ
って受信され、フォトダイオードによって電気信号出力
に変換される。
【０００３】従来のフォトダイオードは典型的には、Ｐ
ＩＮ形のフォトダイオードとして提供される。図１は従
来技術で一般的なフォトダイオード１０を示している。
この図に示されたように、フォトダイオード１０は三つ
の半導体領域を有するチップとして構成されている。つ
まり、ｐ領域１２、ｎ領域１４、及び中間のｉ（真性
の）領域１６である。ｐ領域１２とｎ領域１４は通常、
高いキャリア濃度にドープされ、ｉ領域１６は典型的に
は意図的にドープされずにわずかな、固有のｐ、あるい
はｎ形のキャリア濃度を有している。ｐコンタクト１
８、あるいは陽極がｐ領域１２に接続され、ｎコンタク
ト２０、あるいは陰極がｎ領域１４に接続される。通
常、ｐ領域１２は誘電体被覆２２によって覆われ、デバ
イスの側面まわりの表面電流漏れをさまたげ、もしデバ
イスが上側から照らされた場合に反反射被覆としても働
く。ｎ領域１４は反反射被覆２４によって覆われ、デバ
イスから入射光の反射をさまたげる。いくつかの調整に
よって、０．１μｍから０．２μｍの次元の薄いバッフ
ァー被覆（図示されていない）がｎ領域１４とｉ領域１
６の間に配置され、その間での散乱をさまたげ、偶然の
ｉ領域のドーピングを避ける。
【０００４】図１に示されたようなＰＩＮフォトダイオ
ードは負に電圧を印可され、完全にｉ領域１６が空乏化
され、実質的に暗い条件下ではデバイスに電流は流れな
い。例えば光ファイバを出た、入射光が透明なｐ領域１
２、あるいは透明なｎ領域１４のどちらかを通過したと
き、ｉ領域１６によって吸収され、光の光子、ｈν、は
電子−正孔対に変換され、フォトダイオードを流れる最
終的な電流を形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】高性能のフォトダイオ
ードは、高いビットレートシステムのスピードの条件を
満たし、動作周波数での光信号を電気信号電流に効率的
に変換しなければならない。現在のところ、高いビット
レートのシステムは典型的には１０ＧＨｚから２０ＧＨ
ｚの周波数範囲で動作する。そのようなシステムのスピ
ードの条件を満たすために、用いられるフォトダイオー
ドは適切な幅広い帯域幅を持たなければならない。この
広い帯域幅で動作するためにフォトダイオードはデバイ
スのキャパシタンスを最小化するように構成されなけれ
ばならない。特にＰＮ接合のキャパシタンスＣｊが最小
化されなければならない。接合容量（接合のキャパシタ
ンス）は数式Ｃｊ＝ｅＡ／Ｗによって計算される（ただ
し、ｅは誘電率、Ａは接合領域、Ｗは空乏領域の厚
さ）。この式に従って、デバイスのキャパシタンスを最
小化するための従来の試みは接合領域、Ａを最小化する
こと、及びｉ領域での意図されないドーピングを減少さ
せることに集中してきた。キャパシタンスを減少する効
率的な手段ではあるが、接合領域の最小化は光ファイバ
／フォトダイオードの整列において困難さを生じる。光
ファイバとフォトダイオードの間違った整列によって、
光信号の一部あるいは全てが、フォトダイオードのｉ領
域に吸収されない、光−電気への変換効率の減少、そし
て帯域幅の減少を生じるパルスへのテイルの生成といっ
た結果を生じる。
【０００６】前述の式より、空乏領域厚、Ｗの増大が、
もう一つのキャパシタンスを減少するための手段であ
る。このことは通常、ｉ領域の厚みを増やすことによっ
て達成され、上で述べたように、典型的にはフォトダイ
オードに負電圧を印可して完全に空乏化される。ｉ領域
の厚さを増やすことによって効率的にフォトダイオード
のキャパシタンスは減少するが、その試みは製造の困難
さを生じる。特に、例えばインジウムガリウムヒ素から
構成される比較的厚いｉ領域を高収率で成長することは
困難である。
【０００７】上述のことから、低いキャパシタンスを持
ち、高収率で生産され得るＰＩＮフォトダイオードが実
現されることに対する期待が理解されるであろう。
【０００８】
【課題を解決するための手段】手短かに説明すると、本
発明は、ｐ形ドーパントを含むｐ領域、ｎ形ドーパント
を含むｎ領域、ｐ領域とｎ領域のあいだに位置するｉ領
域、及び、実質的にＰＩＮフォトダイオードのキャパシ
タンスを減少させ、フォトダイオードの帯域幅を最大化
する、ｎ領域とｉ領域のあいだに位置する比較的厚く、
ドープされないバッファー領域から構成されるＰＩＮフ
ォトダイオードである。好ましくは、バッファ層は少な
くともおよそ０．５μｍの厚さのインジウムリンの層と
して形成される。最も好ましくは、バッファ層は、従来
技術のバッファ層厚みを急激に増加させた、およそ０．
５μｍないし２．５μｍの厚さを有する。
【０００９】本発明はさらに、ｐ領域、ｎ層、及びｐ領
域とｎ層の間のｉ層を含み、比較的厚く、ドープされな
いバッファ層をｎ層とｉ層の間に提供するステップを含
むＰＩＮフォトダイオードの帯域幅を増大するための方
法に関し、ここでは、バッファ層は実質的にＰＩＮフォ
トダイオードのキャパシタンスを減少し、フォトダイオ
ードの帯域幅が最大化される。
【００１０】本件発明の目的、特徴、及び利点は続く詳
述と、添付の図とを結合して参照することによって明か
となるだろう。全ての追加の特徴と利点が、特許請求の
範囲によって規定されるように、本発明の範囲に含まれ
ることが意図されている。
【００１１】
【実施例】本発明は、添付の図を参照することによっ
て、よりよく理解できる。図中の要素にスケールする必
要はなく、代わりに本発明の原理がはっきりと示される
ように強調された。図において同じ参照数字はいくつか
の図を通して対応する部分に対して設定された。
【００１２】ここで、より詳細にわたって図を参照する
と（同じ参照数字はいくつかの図を通して対応する部分
を指す）、図２は本発明に従って構成されたＰＩＮフォ
トダイオード１００を図示している。この図を見るとフ
ォトダイオード１００は、ｐ領域１０２、ｎ領域１０
４、及びｐ領域１０２とｎ領域１０４のあいだのｉ領域
１０６を含む半導体チップとして形成されている。典型
的には、ｉ領域１０６はインジウムガリウムヒ素（Ｉｎ
ＧａＡｓ）のおよそ１μｍないし６μｍの層厚のの形態
をとる。フォトダイオード１００の側面と低いコンタク
ト抵抗からの漏れ電流を防ぐキャップ層１０８が通常、
ｉ領域１０６の上に形成される。キャップ層１０８は、
典型的にはインジウムリン（ＩｎＰ）あるいはＩｎＧａ
Ａｓから構成され、およそ０．２５μｍから１．５μｍ
の厚さである。図２で示されるようにｐ領域１０２は常
にキャップ層１０８とｉ領域１０６の両方の中に亜鉛
（Ｚｎ）のようなｐ形ドーパントの拡散によって形成さ
れる。このｐ領域１０２は典型的には０．３５μｍから
３μｍの厚さで、ｉ領域１０６と共に直径およそ１２μ
ｍから５００μｍのＰＮ接合を形成する。
【００１３】誘電体層１１２は通常、図のようにキャッ
プ層１０８とｐ領域１０２の一部分上に提供される。誘
電体層１１２は典型的にはシリコンチッカ物（ＳｉＮ
ｘ）からなり、周囲の不純物に対する障壁を与えると同
様にデバイス表面上に流れる暗電流の量を減少する働き
をする。ｐ領域に接続されるｐコンタクト１１４、陽極
がＰＩＮフォトダイオード１００の上部に取り付けられ
る。通常、ｐコンタクト１１４は一ないしそれ以上の高
い電気伝導金属からなる。
【００１４】ｎ領域１０４は典型的には、硫黄（Ｓ）の
ようなｎ形ドーパントを含むインジウムリン（ＩｎＰ）
の層として形成される。通常、ｎ領域はおよそ０．１ｍ
ｍ（４ｍｉｌｓ）ないし０．２ｍｍ（８ｍｉｌｓ）の厚
さで、ｎ領域にエッチングされた入射光、ｈνをＰＮ接
合１１０に集光するためのインテグラルレンズを含んで
いる。しかしながら、本発明のフォトダイオード１００
が図２に示したようなインテグラルレンズの用意がなく
とも適切に機能するであろうことは理解されるだろう。
一ないしそれ以上の高い電気伝導金属からなる、ｎコン
タクト１１８、陰極がデバイス１００の底部でｎ領域に
取り付けられる。ｎ領域にインテグラルレンズが提供さ
れるかどうかにかかわらず、ｎコンタクト１１８によっ
て覆われずに、それゆえ、入射光、ｈνにさらされる、
ｎ領域１０４の一部分は典型的には、シリコンチッカ物
（ＳｉＮｘ）からなる反反射被覆１２０によって被覆さ
れる。
【００１５】バッファ領域１２２がｎ領域１０４とｉ領
域１０６との間に提供される。このバッファ領域１２２
は通常、比較的厚いドープされないインジウムリン（Ｉ
ｎＰ）の層の形態をとる。いくつかの知られているＰＩ
Ｎフォトダイオードにおいて利用される薄いバッファ層
の機能と同様に、バッファ領域１２２はｎ領域１０４と
ｉ領域１０６のあいだの固体拡散によって引き起こされ
るｉ領域の偶然のドーピングを防ぐ。しかし、そのよう
なバッファ層と異なって、相対的に大きな厚さのバッフ
ァ領域１２２は、実質的にＰＩＮフォトダイオードにお
けるキャパシタンスを減少させ、この後述べられるよう
にフォトダイオードの帯域幅を実質的に増大する。利用
する際、バッファ領域１２２はフォトダイオード１００
に逆バイアスを印可することによってｉ領域１０６に沿
って空乏化される。
【００１６】厚いバッファ領域１２２を利用することに
よる予期しなかった有利な結果が図３および図４を参照
することによって最も良く理解されるだろう。図３はバ
ッファ領域の厚さの関数として２．９μｍ厚のｉ領域を
有するＰＩＮフォトダイオードのキャパシタンスをプロ
ットした図である。このプロットに示されるように、フ
ォトダイオードのキャパシタンスは、バッファ領域の厚
みが増加するにつれて指数関数的に減少している。プロ
ットによってさらに示されるように、キャパシタンス
は、バッファ領域が０．５μｍよりも小さいときに（す
なわち空乏領域が３．４μｍより小さいときに）、くっ
きりと増加する。バッファ領域の厚みが増加するにつれ
てデバイスのキャパシタンスは減少するので、表面上は
大きなバッファ領域１２２、及びそれゆえ大きな空乏領
域Ｗを持つことが期待されるであろう。しかしながら、
技術的に知られたように、空乏層領域の厚みＷの増加は
デバイス中での走向時間もまた増加させる。１０ＧＨｚ
ないし２０ＧＨｚの周波数範囲ではキャパシタンスと同
じほど重要ではないのであるが、遅い走向時間はデバイ
スの電流出力を遅らせ、帯域幅を減じる。従って、実質
的に走向時間の増加なしにキャパシタンスを減少させる
ようなバッファ領域１２２の厚みを選択することが望ま
れる。
【００１７】図４はバッファ領域の厚みの関数としてフ
ォトダイオードの帯域幅をプロットしたものである。こ
のプロットに示されたように、およそ１．６μｍ厚のバ
ッファ層を伴う、２．９μｍ厚のｉ領域を有するフォト
ダイオードに対して、帯域幅が最大化される。従って、
最大帯域幅は、空乏領域Ｗがおよそ４．５μｍ厚（すな
わち２．９μｍと１．６μｍの合計）の時に達成され
る。再び図３を参照すると、０．１μｍないし０．２μ
ｍといった次元の厚さの従来のバッファ層に比較する
と、およそ１．６μｍの厚さのバッファ層はキャパシタ
ンスにおいて３倍より大きく減少していることが理解さ
れる。
【００１８】ｉ領域の厚みを変更することはフォトダイ
オードの空乏領域Ｗの厚みを変化するので、最適なバッ
ファ領域１２２の厚みｉ領域１０６の厚みに依存して変
わりうることは理解されるだろう。それゆえ、ｉ領域１
０６の厚みが空乏領域の一定の厚みＷを保つために変え
られたときに、バッファ領域１２２の厚みは変化されう
る。典型的には、フォトダイオード１００は入射光、ｈ
νの最適な吸収を保証し、かつ少なくとも８５％の量子
効率を維持するために、すくなくともおよそ２．５μｍ
のｉ領域１０６を伴って構成される。しかしながら、重
要なことにその点を超えると収率が減少すること、及び
その点を超えても量子効率がきわだって大きくは増加し
ないので、通常はｉ領域１０６の厚みはおよそ３μｍを
越えない。ｉ領域１０６が２．５μｍないし３μｍの範
囲にあるとき、バッファ領域１２２は典型的にはおよそ
０．５μｍないし２．５μｍの厚さである。バッファ領
域の厚さが０．５μｍ以下のときキャパシタンスが鋭く
増加する傾向にある点、そしてバッファ領域の厚さが
２．５μｍを越えるときキャパシタンスの減少が横這い
になるので（図３を参照されたい）、この範囲が好まし
いように思われる。図４に示されるように、およそ２．
９μｍのｉ領域の厚さを有するＰＩＮフォトダイオード
に対してこのバッファ領域の厚さの範囲は８．５ＧＨｚ
より大きい帯域幅を与える。
【００１９】本発明の好ましい実施例では、前述の説明
と図に関して詳細に開示されてきたが、添付の特許請求
の範囲に記載された本発明の精神と範囲から離れること
なくその変更や修正がなされることは当業者にとって理
解されるであろう。
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、ＰＩＮフォトダイオー
ドのキャパシタンスを減少させ、フォトダイオードの帯
域幅を最大化する、ｎ形領域とｉ形領域のあいだに位置
する比較的厚く、ドープされないバッファー領域から構
成されるＰＩＮフォトダイオードを提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来技術に従って構成されたＰＩＮフ
ォトダイオードを示した図である。
【図２】図２は、本件発明に従って構成されたＰＩＮフ
ォトダイオードを示した図である。
【図３】図３は、バッファ領域の厚さの関数としてＰＩ
Ｎフォトダイオードのキャパシタンスを示したプロット
である。
【図４】図４は、バッファ領域の厚さの関数としてＰＩ
Ｎフォトダイオードの帯域幅を示したプロットである。
【図５】図５は、本発明のＰＩＮフォトダイオードのキ
ャパシタンスの時間応答を示す図である。
【図６】図６は、従来のＰＩＮフォトダイオードのキャ
パシタンスの時間応答を示す図である。
【符号の説明】
１０ 従来技術のＰＩＮフォトダイオード １２、１０２ ｐ領域 １４、１０４ ｎ領域 １６、１０６ ｉ領域 １８、１１４ ｐコンタクト ２０、１１８ ｎコンタクト ２２、１１２ 誘電被覆 ２４、１２０ 反反射被覆 １００ 本発明のＰＩＮフォトダイオード １１６ インテグラルレンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート ユージェン フラム アメリカ合衆国 08822 ニュージャーシ ィ，フレミントン，カークブライド ロー ド ２ (72)発明者 コエン エム． リー アメリカ合衆国 08502 ニュージャーシ ィ，ベルメド，ポルヘマス ドライヴ 19 (72)発明者 オーヴァル ジョージ ロリマー アメリカ合衆国 07060 ニュージャーシ ィ，ウォーレン，ブレイザー ロード 11 (72)発明者 デニス ロナルド ゾルノウスキー アメリカ合衆国 08807 ニュージャーシ ィ，ブリッジウォーター，サンセット リ ッジ 903

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＰＩＮフォトダイオードであって、 ｐ形ドーパントを含むｐ領域、 ｎ形ドーパントを含むｎ領域、 前記ｐ領域及びｎ領域の中間に位置するｉ領域、及び前
    記ｎ領域と前記ｉ領域の間に位置する、比較的厚く、ド
    ープされないバッファ領域を含み、 前記バッファ領域が実質的に前記ＰＩＮフォトダイオー
    ドのキャパシタンスを減少させ、フォトダイオードの帯
    域幅が増大されることを特徴とするＰＩＮフォトダイオ
    ード。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のフォトダイオードにおい
    て、前記バッファ領域が、少なくともおよそ０．５μｍ
    の厚さを有する層として形成されるフォトダイオード。
  3. 【請求項３】 請求項２記載のフォトダイオードにおい
    て、前記バッファ領域が、およそ０．５μｍないし２．
    ５μｍの厚さを有するフォトダイオード。
  4. 【請求項４】 請求項３記載のフォトダイオードにおい
    て、前記ｉ領域が、少なくともおよそ１μｍの厚さを有
    する層として形成されるフォトダイオード。
  5. 【請求項５】 請求項１記載のフォトダイオードにおい
    て、前記バッファ領域が、およそ１．６μｍの厚さを有
    する層として形成されるフォトダイオード。
  6. 【請求項６】 請求項５記載のフォトダイオードにおい
    て、前記ｉ領域が、およそ２．９μｍの厚さを有する層
    として形成されるフォトダイオード。
  7. 【請求項７】 請求項２記載のフォトダイオードにおい
    て、前記バッファ領域が、インジウムリンからなるフォ
    トダイオード。
  8. 【請求項８】 ＰＩＮフォトダイオードであって、 ｐ形ドーパントを含むｐ領域、 インジウムリンからなり、かつｎ形ドーパントを含むｎ
    領域、 前記ｐ領域と前記ｎ領域の間に位置するインジウムガリ
    ウムヒ素からなるｉ層、及び前記ｎ領域と前記ｉ領域の
    間に位置するインジウムリンからなり、少なくともおよ
    そ０．５μｍの厚さのドープされないバッファ層を含
    み、 前記バッファ層が、実質的に前記ＰＩＮフォトダイオー
    ドのキャパシタンスを減少させ、フォトダイオードの帯
    域幅が増大されることを特徴とするＰＩＮフォトダイオ
    ード。
  9. 【請求項９】 請求項８記載のフォトダイオードにおい
    て、前記バッファ層が、およそ０．５μｍないし２．５
    μｍの厚さを有するフォトダイオード。
  10. 【請求項１０】 請求項９記載のフォトダイオードにお
    いて、前記ｉ層が、少なくともおよそ１μｍの厚さを有
    するフォトダイオード。
  11. 【請求項１１】 請求項８記載のフォトダイオードにお
    いて、前記バッファ層が、少なくともおよそ１．６μｍ
    の厚さを有するフォトダイオード。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載のフォトダイオードに
    おいて、前記ｉ層が、およそ２．９μｍの厚さを有する
    フォトダイオード。
  13. 【請求項１３】 請求項８記載のフォトダイオードにお
    いて、キャパシタンスが、およそ３の係数で減少するフ
    ォトダイオード。
  14. 【請求項１４】 請求項８記載のフォトダイオードにお
    いて、前記フォトダイオードの前記キャパシタンスが、
    １．０ｐＦより小さいフォトダイオード。
  15. 【請求項１５】 請求項８記載のフォトダイオードにお
    いて、帯域幅が少なくとも９ＧＨｚであるフォトダイオ
    ード。
  16. 【請求項１６】 高い帯域幅を有するＰＩＮフォトダイ
    オードを構成するための方法であって、前記方法が、 ｎ形にドープされた基板を形成するステップ、 前記ｎ形ドープされた基板の最上部上に、すくなくとも
    およそ０．５μｍの厚さを有する、ドープされないバッ
    ファ層を形成するステップ、 前記ドープされないバッファ層の最上部上に真性層（in
    trinsic layer）を形成するステップ、及び前記真性層
    上にｐ形ドープ層を形成するステップを含み、 前記バッファ層が、実質的にＰＩＮフォトダイオードの
    キャパシタンスを減少させ、前記フォトダイオードの帯
    域幅が増大することを特徴とする方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１６記載の方法において、前記
    バッファ層が、およそ０．５μｍないし２．５μｍの厚
    さを有する方法。
  18. 【請求項１８】 請求項１６記載の方法において、前記
    バッファ層が、およそ１．５μｍの厚さを有する方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１６記載の方法において、前記
    バッファ層が、インジウムリンからなる方法。
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