JP2001127336A - Electronic avalanche photodiode of absorption/ multiplication separation-type of high gain - Google Patents

Electronic avalanche photodiode of absorption/ multiplication separation-type of high gain

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JP2001127336A JP30528699A JP30528699A JP2001127336A JP 2001127336 A JP2001127336 A JP 2001127336A JP 30528699 A JP30528699 A JP 30528699A JP 30528699 A JP30528699 A JP 30528699A JP 2001127336 A JP2001127336 A JP 2001127336A
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absorption
layer
multiplication
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avalanche photodiode
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Enkon Ho
炎坤 方
Konken Ri
坤憲 李
Kangen Ri
▲甘▼原 李
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture and provide the electronic avalanche photodiode of the absorption/multiplication separation-type of a high gain with the mild condition of a low processing temperature by using a comparatively simple manufacture process from an inexpensive material, and to provide a photodiode with high sensitivity and high response speed which is especially suitable as a device used for an optical communication system. SOLUTION: The electronic avalanche photodiode of the absorption/ multiplication separation-type of a high gain is formed of a substrate, an absorption layer which is formed on the substrate and is formed of amorphous silicon germanium (a-Si1-XgeX:H), a multiplication layer which is formed on the absorption layer and is formed of amorphous silicon (a-Si:H), and an electrode layer which is formed on the multiplication layer and is formed of aluminium.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高利得の吸収/増
倍分離式の電子なだれフォトダイオードに関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high gain absorption / multiplication separation type avalanche photodiode.

【0002】[0002]

【従来の技術】光ファイバー通信は、現在の通信工業の
新潮流であり、光ファイバーが間もなく電気ケーブルに
取って代わり主要な通信メディアになると予見される。
光センサーはこの光ファイバー通信システムをはじめ自
動制御機器、コンピュータ端末装置等において光信号を
受信、検出する役目を担当している。各種の光センサー
が開発されてきているが、光通信のように高速、高感度
が要求される分野では、いわゆる電子なだれフォトダイ
オード(avalanche photodiode:以下、APDと略すこ
ともある)が従来より光センサーの一つとして知られて
いる。
BACKGROUND OF THE INVENTION Optical fiber communications is a new trend in the current telecommunications industry and it is anticipated that optical fibers will soon replace electrical cables and become the dominant communications medium.
The optical sensor is responsible for receiving and detecting an optical signal in the optical fiber communication system, the automatic control device, the computer terminal device, and the like. Various types of optical sensors have been developed, but in fields where high speed and high sensitivity are required, such as optical communication, so-called avalanche photodiodes (hereinafter abbreviated as APDs) have been used in the past. Known as one of the sensors.

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the invention]

【0003】従来の電子なだれフォトダイオードは、例
えば、1984年にCapasso.FらがElectronics Letters、第
20巻第15号、第635〜637ページに発表した吸
収/増倍分離式の電子なだれフォトダイオード(SAM
APD, Separate Absorption and Multiplicatio
n)、又は1991年にRavi KuchibhotlaらがJournal of Li
ghtwave Technology、第9巻第7号の第900〜905
ページに発表した電子なだれフォトダイオード(PIN
APD)などがある。しかしながら、これらは、大部
分がII-VI族又はIII-V族の高価な材料より作られ、材料
調達コストが高く、材料の取得が困難である。更に、こ
れらの製造プロセス、例えば分子線エピタキシ(MB
E,Molecular Beam Epitaxy)又は液相エピタキシ
(LPE, Liquid Phase Epitaxy)がかなり複雑なた
め、また、部材の製造プロセスにおける処理温度がかな
り高いため、部材の特性に悪影響を及ぼすことがある。
本発明は、これらの欠点に鑑みて、新しい代用品を探
し、低温度下で製造可能で、コストが安価であるものを
提供することをその課題の一つとしている。
A conventional electron avalanche photodiode is, for example, an absorption / multiplication separation type avalanche photodiode disclosed in 1984 by Capasso. F. in Electronics Letters, Vol. 20, No. 15, pp. 635-637. (SAM
APD, Separate Absorption and Multiplicatio
n) or, in 1991, Ravi Kuchibhotla et al.
ghtwave Technology, Vol. 9, No. 7, pp. 900-905
The avalanche photodiode (PIN) announced on the page
APD). However, they are mostly made of expensive II-VI or III-V materials, which have high material procurement costs and are difficult to obtain. Furthermore, these manufacturing processes, such as molecular beam epitaxy (MB
E, Molecular Beam Epitaxy (LPE), or Liquid Phase Epitaxy (LPE) is rather complicated, and the processing temperature in the manufacturing process of the member is quite high, which may adversely affect the properties of the member.
In view of these drawbacks, an object of the present invention is to find a new substitute, provide a product that can be manufactured at a low temperature, and provide an inexpensive product.

【0004】一方、1990年にJ.W.HongらがIEEE Transac
tions on Electron Devices、第37巻第8号の第18
04〜1809ページに発表した非晶質珪素材料は安価
で、製造プロセスにおいて比較的低温下で、大面積のも
のを製造することが可能であるなどの長所を有する。ま
た、S.B.HwangらがIEEE Transactions on Electron Dev
ices、第40巻第4号第721〜726ページに発表し
た非晶質珪素材料は、格子不一致現象がなく、エネルギ
ーギャップが容易に変調でき、長波長の吸収に利するな
どの長所を有する。しかしながら、今まではまだ非晶質
珪素材料を用いて製造された電子なだれフォトダイオー
ドは見当たらない。本発明は、前記従来の電子なだれフ
ォトダイオードの欠点を解消するものであり、低コスト
な非晶質珪素を主な材料として、簡単なプロセスで、比
較的穏和な条件(例えば、低い処理温度)下で製造で
き、しかも、高速、高感度な電子なだれフォトダイオー
ドを提供することを課題とする。
On the other hand, in 1990, JWHong et al.
tions on Electron Devices, Vol. 37, No. 8, 18
The amorphous silicon material disclosed on pages 04 to 1809 has advantages such as being inexpensive and being able to manufacture a large-area material at a relatively low temperature in the manufacturing process. Also, SBHwang et al. Reported on IEEE Transactions on Electron Dev.
The amorphous silicon material disclosed in ices, Vol. 40, No. 4, pages 721 to 726 has advantages such as no lattice mismatch phenomenon, easy modulation of the energy gap, and absorption of long wavelengths. However, up to now, no avalanche photodiode manufactured using an amorphous silicon material has been found. The present invention solves the above-mentioned disadvantages of the conventional avalanche photodiode, and uses relatively inexpensive amorphous silicon as a main material in a simple process under relatively mild conditions (for example, low processing temperature). An object of the present invention is to provide a high-speed, high-sensitivity avalanche photodiode which can be manufactured under a high speed.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、従来の電子な
だれフォトダイオード、及びその製造における問題を解
消し、非晶質珪素によって製造された電子なだれフォト
ダイオードに関するものである。具体的には、従来の電
子なだれフォトダイオードにおける吸収層と増倍層とを
分離することによって、暗電流(Dark Current)を低
減すると共に、光利得値を向上する。本発明による正孔
入射式の吸収/増倍分離式電子なだれフォトダイオード
は、16ボルト(V)のバイアス電圧と光照射パワー1
μWの場合で、その光利得値が686にも達するので、
長距離光通信への応用に最適である。また、従来の電子
なだれフォトダイオードの高い処理温度と複雑な製造プ
ロセス及び高い原料調達コストと比較して、本発明は製
造プロセスが簡単であると共に、低い処理温度であり、
かつ低コストな原料を用いることができるなどの利点を
有するため、経済性に富む発明である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a conventional avalanche photodiode and to an avalanche photodiode made of amorphous silicon which solves the problems in its manufacture. Specifically, by separating the absorption layer and the multiplication layer in the conventional avalanche photodiode, dark current (Dark Current) is reduced and the optical gain value is improved. The hole injection type absorption / multiplication separation type avalanche photodiode according to the present invention has a bias voltage of 16 volts (V) and a light irradiation power of 1.
In the case of μW, the optical gain value reaches 686,
Ideal for long distance optical communication applications. Also, in comparison with the high processing temperature of the conventional avalanche photodiode and the complicated manufacturing process and high material procurement cost, the present invention has a simple manufacturing process and a low processing temperature,
In addition, the present invention is advantageous in that it has advantages such as the ability to use low-cost raw materials, and is therefore economically rich.

【0006】すなわち、本発明は、高利得の吸収/増倍
分離式の電子なだれフォトダイオードであって、基板
と、該基板上に形成された、非晶質珪素ゲルマニウム
(a-Si1- XGeX:H)よりなる吸収層と、該吸収層上に形成
された、非晶質珪素(a-Si:H)よりなる増倍層と、該増
倍層上に形成された電極層とを有することを特徴とす
る。好ましい態様としては、前記基板は、ガラス板に透
明の導電性酸化物を蒸着することによって形成される。
また、前記吸収層は、n+タイプ非晶質珪素に真性(intr
insic)の非晶質珪素ゲルマニウムを堆積し積層するこ
とによって形成されると共に、前記増倍層は、n+タイプ
非晶質珪素に真性の非晶質珪素材を堆積し積層すること
によって形成される。また、前記透明の導電性酸化物は
酸化すずインジウム(ITO, Indium-Tin-Oxide)であ
る。また、前記非晶質珪素ゲルマニウム(a-Si1-XGeX:
H)のゲルマニウム原子含有量のX値は、0.48以下
であり、この範囲に設定することによって、吸収ピーク
波長が525nm乃至820nmの赤色光から赤外線を吸収
する受光素子を調製することができる。Xの値として
は、0.05〜0.45、特には0.10〜0.40が
より好ましい。なお、吸収層と増倍層のn+タイプ非晶質
珪素は、基板の導電性酸化物(ITO)薄膜の上に、吸
収層の非晶質珪素ゲルマニウム層の上にそれぞれ積層さ
れて形成される。
That is, the present invention relates to a high gain absorption / multiplication separation type avalanche photodiode comprising a substrate and an amorphous silicon germanium (a-Si 1 -X) formed on the substrate. An absorption layer made of Ge X : H), a multiplication layer made of amorphous silicon (a-Si: H) formed on the absorption layer, and an electrode layer formed on the multiplication layer. It is characterized by having. In a preferred embodiment, the substrate is formed by depositing a transparent conductive oxide on a glass plate.
Further, the absorbing layer is intrinsic to the n + type amorphous silicon (intr
Insic) amorphous silicon germanium is deposited and laminated, and the multiplication layer is formed by depositing and laminating intrinsic amorphous silicon material on n + type amorphous silicon. You. Further, the transparent conductive oxide is indium-tin-oxide (ITO). The amorphous silicon germanium (a-Si 1-X Ge X :
The X value of the germanium atom content of H) is 0.48 or less, and by setting the value in this range, a light-receiving element that absorbs infrared light from red light having an absorption peak wavelength of 525 nm to 820 nm can be prepared. . The value of X is preferably from 0.05 to 0.45, particularly preferably from 0.10 to 0.40. The n + -type amorphous silicon of the absorption layer and the multiplication layer is formed by being laminated on the conductive oxide (ITO) thin film of the substrate and on the amorphous silicon germanium layer of the absorption layer, respectively. You.

【0007】以下に、添付図面を参照して本発明をより
詳しく説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

【0008】[0008]

【発明の実施の態様】本発明のAPDは、以下のように
してつくることができる。予め酸化すずインジウムをメ
ッキしたガラス板よりなる基板を、きれいに洗浄してか
ら、プラズマ助長化学気相成長(Plasma-Enhanced CV
D)システムにセットし、順に、n+-a-Si:H / i-a-Si
1-XGeX:H / n+-a-Si:H / i-a-Si:H / p+-a-Si:Hの5層
の非晶質珪素層又は非晶質珪素ゲルマニウム層を積層、
形成する。最後に、電極として熱蒸着等によってアルミ
ニウムなどの電極層をメッキして形成する。これは面積
が1.8mm2程度の円板でよい。なお、ここでいうメッキと
は被処理物に、蒸着、スパッタ等を含む手段で金属を析
出、堆積さて金属薄膜層を形成する広義のメッキを指
す。本発明のAPDの詳しい積層構造の断面と各層の厚
さを模式的に図1に示した。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The APD of the present invention can be manufactured as follows. A substrate made of a glass plate previously plated with indium tin oxide is cleaned and then cleaned with plasma-enhanced chemical vapor deposition (Plasma-Enhanced CV).
D) Set in the system, and in order, n + -a-Si: H / ia-Si
1-X Ge X : H / n + -a-Si: H / ia-Si: H / p + -a-Si: H 5 layers of amorphous silicon layer or amorphous silicon germanium layer,
Form. Finally, an electrode layer of aluminum or the like is formed by plating by thermal evaporation or the like as an electrode. This may be a disc having an area of about 1.8 mm 2 . Note that plating here refers to plating in a broad sense in which a metal is deposited and deposited on a workpiece by means including vapor deposition, sputtering, and the like to form a metal thin film layer. FIG. 1 schematically shows the cross section of the detailed laminated structure of the APD of the present invention and the thickness of each layer.

【0009】APDデバイスの製造プロセス(例えば、
PECVD)において、処理温度と圧力と高周波照射の
負荷電力は、それぞれ次に示すような条件で行うことが
できる。 (1)i-a-Si:Hを成長する場合、250℃、1Torr、5
0Watt (2)i-a-Si1-XGeX:Hを成長する場合、250℃、0.
5 Torr、40Watt また、成長用のガスは、SiH4(25% in H2)と、SiH4(25%
in H2)+GeH4(47.8% inH2)を用いればよい。それぞれの
層の厚さは堆積速度によって制御できる。例えば、i-a-
Si1-XGeX:Hの堆積速度は160Å/min、i-a-Si:Hの堆積速
度は60Å/min程度が好ましい。また、n+-a-Si:H又はp+-
a-Si:Hを成長させる場合は、成長用のガスとして例えば
SiH4+PH3などを用いて周知の方法で行うことができ
る。
A process for manufacturing an APD device (for example,
In PECVD, the processing temperature, pressure, and load power for high-frequency irradiation can be performed under the following conditions, respectively. (1) When growing ia-Si: H, 250 ° C., 1 Torr, 5 Torr
0Watt (2) When growing ia-Si 1-X Ge X : H, at 250 ° C.
5 Torr, 40 Watt The growth gases are SiH 4 (25% in H 2 ) and SiH 4 (25%
in H 2 ) + GeH 4 (47.8% inH 2 ) may be used. The thickness of each layer can be controlled by the deposition rate. For example, ia-
The deposition rate of Si 1-X Ge X : H is preferably 160 ° / min, and the deposition rate of ia-Si: H is preferably about 60 ° / min. Also, n + -a-Si: H or p + -
When growing a-Si: H, for example,
This can be performed by a known method using SiH 4 + PH 3 or the like.

【0010】i-a-Si1-XGeX:H材を利用する理由は、そ
の低エネルギーギャップの特性を利用して吸収層を構成
し、それによって入射光を吸収して光電流を生じ、放出
する。また、i-a-Si:Hを増倍層として利用する理由は、
その高エネルギーギャップの特性を利用して電子なだれ
作用を増倍することによって光電流を増大し、光利得値
を向上する。本発明は、i-a-Si1-XGeX:HのX値を変更
することによってエネルギーギャップを変調して、吸収
する光の波長(特には、ピーク波長)をコントロールす
ることができるので、その使用範囲を適宜調整し、用途
その他によって適切な波長に適合させることができる。
The reason for using the ia-Si 1-X Ge X : H material is that an absorption layer is formed by utilizing the characteristics of the low energy gap, thereby absorbing incident light to generate a photocurrent and emitting light. I do. The reason for using ia-Si: H as a multiplication layer is that
The photocurrent is increased by multiplying the avalanche effect by utilizing the characteristics of the high energy gap, and the optical gain value is improved. The present invention modulates the energy gap by changing the X value of ia-Si 1-X Ge X : H to control the wavelength (particularly, peak wavelength) of light to be absorbed. The range of use can be adjusted as appropriate and adapted to the appropriate wavelength depending on the application and other factors.

【0011】本発明に好適な正孔入射式の吸収/増倍分
離式電子なだれフォトダイオードの作動原理を、図2を
参照しながら、以下説明する。まず、アルミニウムの電
極端に負電圧を付与すると共に、酸化すずインジウム端
をアースする。Poisson方程式から分かるように、大部
分のバイアス電圧がi-a-Si:Hに印加されている。そし
て、他の一部のバイアス電圧がi-a-Si1-XGeX:H層に印
加されている。入射光はガラス基板側より入り、i-a-Si
1-XGeX:H層(すなわち、吸収層)に吸収されて電子・
正孔ペアを生じる。それから、これらの電子・正孔ペア
がこの層に印加されている電界によって有効に分離さ
れ、すなわち、正孔は負電圧に吸引されて、i-a-Si:H層
(増倍層)に移行する。そこで、大電界による増倍なだ
れ作用の影響を受けて、さらに多くの電子・正孔ペアを
生じ、正孔がp+-a-Si:H層へ移行し、同時に、電子がn+-
a-Si:H層へ移行する。このように電子・正孔ペアを生じ
た後、分離した正孔が吸収層より増倍層へ注入されるこ
とが電子なだれ現象の発端となるので、この現象を利用
したフォトダイオードが正孔入射式の吸収/増倍分離式
電子なだれフォトダイオード(SAM APD)と称さ
れる。前記説明から分かるように、本発明は下記のよう
な利点を有する。 (1) 簡単な製造プロセスと低調達コストの原材料と
によって光電子(又は、オプトエレクトロニクス)部材
を製造でき、特に非晶質珪素材は、前記低コストに加え
て大面積な光電子部材を製造することができるなどの利
点を有し、更に、材料の成長過程にプラズマ化学気相成
長(例えば、PECVD)システムを利用することがで
きる。このため、比較的低い温度(250℃)で薄膜層
を成長させることができるので、部材の特性に悪影響を
及ぼすことを避けられる。 (2) 高エネルギーギャップのa-Si:H材によって増倍
層を構成し、大部分の電界がこの層に印加されているの
で、大幅に増倍なだれ作用を増加でき、光利得値を向上
できる。 (3) 低エネルギーギャップのi-a-Si1-XGeX:H材によ
って吸収層を構成し、一部の電界しかこの層に印加され
ないので、暗電流を効果的に減少でき、熱干渉を避ける
ことができ、フォトダイオードの光検出ミスを防止する
ことが可能であり、高感度と高速感応特性を得ることが
できる。 (4) i-a-Si1-XGeX:HのX値を変更することによっ
て、容易にエネルギーギャップを変調できるので、異な
る波長の光を吸収することが可能になり、受光素子とし
て多方面の用途に利用することができる。特に長波長の
光通信への応用に好適である。
The principle of operation of a hole incident type absorption / multiplication separation type electron avalanche photodiode suitable for the present invention will be described below with reference to FIG. First, a negative voltage is applied to the aluminum electrode end, and the indium tin oxide end is grounded. As can be seen from the Poisson equation, most of the bias voltage is applied to ia-Si: H. Then, another part of the bias voltage is applied to the ia-Si 1-X Ge X : H layer. Incident light enters from the glass substrate side, ia-Si
1-X Ge X : Electrons absorbed by the H layer (ie, absorption layer)
Generates hole pairs. Then, these electron-hole pairs are effectively separated by the electric field applied to this layer, ie the holes are attracted to the negative voltage and migrate to the ia-Si: H layer (multiplier layer) . Then, under the influence of the avalanche effect by the large electric field, more electron-hole pairs are generated, and the holes move to the p + -a-Si: H layer, and at the same time, the electrons are n + -
Move to a-Si: H layer. After the electron-hole pairs are generated in this way, the injection of the separated holes into the multiplication layer from the absorption layer is the starting point of the electron avalanche phenomenon. It is referred to as an absorption / multiplication separation type avalanche photodiode (SAM APD). As can be seen from the above description, the present invention has the following advantages. (1) Optoelectronic (or optoelectronic) members can be manufactured by a simple manufacturing process and low procurement cost raw materials. In particular, amorphous silicon materials can be used to manufacture large-area optoelectronic members in addition to the low cost. In addition, a plasma-enhanced chemical vapor deposition (eg, PECVD) system can be used in the material growth process. For this reason, since the thin film layer can be grown at a relatively low temperature (250 ° C.), it is possible to avoid adversely affecting the characteristics of the member. (2) The multiplication layer is composed of a-Si: H material with a high energy gap, and most of the electric field is applied to this layer, so the multiplication avalanche effect can be greatly increased and the optical gain value is improved. it can. (3) The absorption layer is made of ia-Si 1-X Ge X : H material with low energy gap, and only a part of the electric field is applied to this layer, so that dark current can be reduced effectively and thermal interference is avoided. Therefore, it is possible to prevent a photodetection error of the photodiode, and to obtain high sensitivity and high-speed sensitivity characteristics. (4) The energy gap can be easily modulated by changing the X value of ia-Si 1 -X Ge X : H, so that light of different wavelengths can be absorbed, and the light receiving element can be used in various fields. Can be used for applications. Particularly, it is suitable for application to long wavelength optical communication.

【0012】[0012]

【実施例】まず、PECVD装置を用いて、非晶質珪素
n+-a-Si:H/真性の非晶質珪素ゲルマニウムi-a-Si1-XGe
X:H/非晶質珪素 n+-a-Si:H/真性の非晶質珪素i-a-Si:H/
非晶質珪素p+-a-Si:Hの層を順にガラス基板の予めメッ
キした酸化すずインジウム薄膜の上に成長、形成する。
なお、i-a-Si1-XGeX:HのX値を例えば0.3にし、かつ
i-a-Si1-XGeX:H層の厚さを堆積速度によって7000Å
に制御する。また、i-a-Si:H層の厚さを420Åに制御
する。最後に、電極として熱蒸着等によってアルミニウ
ムの電極層を形成し、本発明の正孔入射式の吸収/増倍
分離式電子なだれフォトダイオードを製造する。その形
成された層の断面構造を模式的に図1に示す。光をこの
電子なだれフォトダイオードに照射して、図3(a)に
示されるように、明らかに光電流があることを測定し
た。それと共に、図3(b)に示すように従来の増倍電
子なだれフォトダイオードの比較実験を行った。図3
(a)及び(b)から両者のダイオードの間にはっきりし
た差があることが分る。なお、図3(a)において、横
軸はITOをアースしてアルミニウム電極に負荷した負
バイアス電圧(V)を示し、縦軸は光を照射して得られ
た光電流(mA)を示す。パラメータの光照射パワー
は、上から下へ100、50、20、10及び5μWで
あり、図3(b)には0μW(無照射)の結果(すなわ
ち、暗電流)も示している。また、比較実験に用いた従
来の増倍電子なだれフォトダイオードとしては、ガラス
基板のITO薄膜に、p+-a-Si:H(450Å)、i-a-Si
1-XGeX:H(7000〜11000Å)、n+-a-Si:H(4
00Å)及び電極としてアルミニウム(5000Å)を
順次積層、形成したPIN APDを用いた。また、図
4は、負バイアス電圧16Vにおいて光照射パワーの強
さを変えて照射を行って得られた光利得値(縦軸)と光
照射パワー(横軸)との関係を示すものである。なお、
光利得値(G)は、次式 G=[(Ip−Id )/q]/(Pin/hν) で定義される値である。式中、Ipは光照射下における
放出光電流(photocurrent under illumination)、Id
は暗電流、qは電子の電荷(electron charge)、Pin
は光照射パワー(incident light power)、そしてhν
は入射光エネルギー(energy of the incident radiati
on)を表す。図4から、本発明(a)の光利得値は、従
来の増倍なだれフォトダイオード(PIN APD:
(b))より大きいことが分かる。特に、光照射パワーが
1μW、負バイアス電圧が16Vの場合、本発明の光利
得値は686にも達した。本発明の正孔入射式の吸収/
増倍分離式電子なだれフォトダイオードのこの特性は特
に長距離光通信への利用に好適である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, an amorphous silicon
n + -a-Si: H / intrinsic amorphous silicon germanium ia-Si 1-X Ge
X : H / amorphous silicon n + -a-Si: H / intrinsic amorphous silicon ia-Si: H /
A layer of amorphous silicon p + -a-Si: H is grown and formed in sequence on a pre-plated indium tin oxide thin film on a glass substrate.
In addition, the X value of ia-Si 1-X Ge X : H is set to, for example, 0.3, and
The thickness of the ia-Si 1-X Ge X : H layer is increased by 7000 ° according to the deposition rate.
To control. Further, the thickness of the ia-Si: H layer is controlled to 420 °. Finally, an aluminum electrode layer is formed as an electrode by thermal evaporation or the like, and the hole incident type absorption / multiplication separation type avalanche photodiode of the present invention is manufactured. FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of the formed layer. The electron avalanche photodiode was irradiated with light, and it was measured that there was clearly a photocurrent as shown in FIG. At the same time, as shown in FIG. 3B, a comparative experiment was performed on a conventional multiplied electron avalanche photodiode. FIG.
(A) and (b) show a clear difference between the two diodes. In FIG. 3A, the horizontal axis represents the negative bias voltage (V) applied to the aluminum electrode by grounding the ITO, and the vertical axis represents the photocurrent (mA) obtained by irradiating light. The light irradiation power of the parameter is 100, 50, 20, 10, and 5 μW from top to bottom, and FIG. 3B also shows the result (ie, dark current) of 0 μW (no irradiation). The conventional multiplying avalanche photodiode used in the comparative experiment includes p + -a-Si: H (450 °), ia-Si
1-X Ge X : H (7000-11000 °), n + -a-Si: H (4
00 A) and aluminum (5000 A) were sequentially laminated and formed as electrodes, and a PIN APD was used. FIG. 4 shows the relationship between the light gain value (vertical axis) and the light irradiation power (horizontal axis) obtained by changing the light irradiation power at a negative bias voltage of 16 V and performing irradiation. . In addition,
Optical gain value (G) is a value defined by the following equation G = [(I p -I d ) / q] / (P in / hν). Where I p is the photocurrent under illumination, I d
Is dark current, q is electron charge, P in
Is the incident light power, and hν
Is the energy of the incident radiati
on). FIG. 4 shows that the optical gain value of the present invention (a) is the same as that of the conventional avalanche photodiode (PIN APD:
(b)) It turns out that it is larger. In particular, when the light irradiation power was 1 μW and the negative bias voltage was 16 V, the optical gain value of the present invention reached 686. The hole injection type absorption /
This characteristic of a multiply-separated electron avalanche photodiode is particularly suitable for use in long-distance optical communication.

【0013】図5は、光照射パワー1μWにおける印加
バイアス電圧と光利得値との関係を示すものである。同
図から、印加する負バイアス電圧の増加に従って、対応
する光利得値も増加することが分かる。この負バイアス
電圧の増加は増倍なだれ層(i-a-Si:H層)に増倍なだれ
作用の発生を誘導し、光電流の増大、及び光利得値の向
上をもたらしている。図6は、印加バイアス電圧と暗電
流との関係を示すものであり、印加する負バイアス電圧
の増加に従って、暗電流も増加することが分かる。バイ
アス電圧を増加すると、部材自身の暗電流も増大し感度
の低下を招くことがあるので注意を要する。しかしなが
ら、図6の実験データから分かるように、負バイアス電
圧16Vの場合、暗電流が25μAしかなく、一方、光
照射パワー1μW及び負バイアス電圧16Vの条件下で
光利得値が686にも高められる(図4参照)ので、本
発明のフォトダイオードは、低暗電流と高光利得値とい
った相反する要求を共に満足するものである。
FIG. 5 shows the relationship between the applied bias voltage and the optical gain value at a light irradiation power of 1 μW. From the figure, it can be seen that as the applied negative bias voltage increases, the corresponding optical gain value also increases. This increase in the negative bias voltage induces a multiplication avalanche effect in the multiplication avalanche layer (ia-Si: H layer), resulting in an increase in photocurrent and an improvement in the optical gain value. FIG. 6 shows the relationship between the applied bias voltage and the dark current. It can be seen that the dark current increases as the applied negative bias voltage increases. Care must be taken because increasing the bias voltage also increases the dark current of the member itself, which may cause a decrease in sensitivity. However, as can be seen from the experimental data of FIG. 6, when the negative bias voltage is 16 V, the dark current is only 25 μA, while the optical gain value is increased to 686 under the conditions of the light irradiation power of 1 μW and the negative bias voltage of 16 V. Therefore, the photodiode of the present invention satisfies conflicting requirements such as a low dark current and a high optical gain value.

【0014】i-a-Si1-XGeX:HのX値を変更することによ
って、エネルギーギャップを容易に変調でき、異なる波
長の光を吸収できる。実験からX値を0〜0.48に変
化すると、そのスペクトルの吸収ピーク波長の値は52
5〜820nmになることが認められた。図7は、X=
0.3の場合の吸収スペクトルの波長と感応の強度を示
す図であり、このときの吸収ピーク値は700nm(赤
色光)である。図8に応答速度実験を行った結果を示
す。同図に示されるように、負バイアス電圧14Vとロ
ード抵抗14kΩの場合で、上昇時間(光入射時の応答
時間)は143.5μsecであり、降下時間(光遮断時
の応答時間)は385.5μsecである。なお、応答時
間は、電圧変化の最大値と最小値の差を100%とした
とき10%点から90%点の間の電圧変化に要した時間
である。
By changing the X value of ia-Si 1 -X Ge X : H, the energy gap can be easily modulated and light of different wavelengths can be absorbed. When the X value is changed from 0 to 0.48 from the experiment, the value of the absorption peak wavelength of the spectrum becomes 52
It was found to be between 5 and 820 nm. FIG. 7 shows that X =
It is a figure which shows the intensity | strength of sensitivity and the wavelength of an absorption spectrum in the case of 0.3, and the absorption peak value at this time is 700 nm (red light). FIG. 8 shows the results of a response speed experiment. As shown in the figure, when the negative bias voltage is 14 V and the load resistance is 14 kΩ, the rise time (the response time when light enters) is 143.5 μsec, and the fall time (the response time when the light is cut off) is 385. 5 μsec. Note that the response time is the time required for the voltage change between the 10% point and the 90% point when the difference between the maximum value and the minimum value of the voltage change is 100%.

【0015】[0015]

【発明の効果】本発明は、非晶質珪素材及び非晶質珪素
ゲルマニウム材を用い、吸収層と増倍層とを分離して形
成されたアバランシュフォトダイオード(APD)であ
るから、従来のAPD比較して、原材料を容易に、安価
に入手でき、また、比較的簡単な製造プロセスで、特に
低い処理温度で製造することができ、更に、本発明のA
PDは、低い暗電流、高い光吸収利得といった特色を有
するなどの効果を示す。オプトエレクトロニクス機器、
情報ハイウエイなどの光通信システムに用いるデバイス
として好適であり、有用である。
The present invention relates to an avalanche photodiode (APD) formed by separating an absorption layer and a multiplication layer using an amorphous silicon material and an amorphous silicon germanium material. Compared to APD, raw materials can be obtained easily and inexpensively, and can be manufactured by a relatively simple manufacturing process at a particularly low processing temperature.
PDs exhibit effects such as having characteristics such as low dark current and high light absorption gain. Optoelectronics equipment,
It is suitable and useful as a device used for an optical communication system such as an information highway.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の高利得の吸収/増倍分離式の電子な
だれフォトダイオード(SAM APD)の積層断面を説
明する模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a laminated cross section of a high-gain absorption / multiplication separation electron avalanche photodiode (SAM APD) of the present invention.

【図2】 本発明のSAM APDのエネルギー帯と電
界とその作動原理を示す模式図である。
FIG. 2 is a schematic view showing an energy band and an electric field of a SAM APD according to the present invention and an operation principle thereof.

【図3】 光照射パワーをパラメータとする場合のバイ
アス電圧と光電流の相関を示す特性曲線図であり、
(a)は本発明の正孔入射式のSAM APDの例であ
り、(b)は従来式のPIN APDの例である。
FIG. 3 is a characteristic curve diagram showing a correlation between a bias voltage and a photocurrent when light irradiation power is used as a parameter;
(A) is an example of a hole incident type SAM APD of the present invention, and (b) is an example of a conventional PIN APD.

【図4】 本発明のSAM APD(a)と従来式PI
N APD(b)との光照射パワーに対応する光利得値
の比較を示す図である。
FIG. 4 shows a SAM APD (a) of the present invention and a conventional PI
It is a figure which shows the comparison of the optical gain value corresponding to light irradiation power with NAPD (b).

【図5】 本発明のSAM APDの光利得値と負バイ
アス電圧との関係を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an optical gain value and a negative bias voltage of the SAM APD of the present invention.

【図6】 本発明のSAM APDの暗電流と負バイア
ス電圧との関係を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between dark current and negative bias voltage of the SAM APD of the present invention.

【図7】 本発明のSAM APDの吸収スペクトルの
波長と感応強度を示す図である。
FIG. 7 is a graph showing the wavelength of the absorption spectrum and the responsive intensity of the SAM APD of the present invention.

【図8】 本発明のSAM APDの、負バイアス電圧
14Vにおける、応答時間を示す図である。なお、横軸
1目盛りは100μsec、縦軸1目盛りは100mVで
ある。
FIG. 8 is a diagram showing a response time of the SAM APD of the present invention at a negative bias voltage of 14V. Note that one horizontal axis is 100 μsec and one vertical axis is 100 mV.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 アルミニウム層 2 p+-a-Si:H層 3 i-a-Si:H層 4 n+-a-Si:H層 5 i-a-Si1-XGeX:H層 6 酸化すずインジウム(ITO)層 7 ガラス層1 Aluminum layer 2 p + -a-Si: H layer 3 ia-Si: H layer 4 n + -a-Si: H layer 5 ia-Si 1-X Ge X : H layer 6 Indium tin oxide (ITO) layer 7 Glass layer

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板と、該基板上に形成された、非晶質
珪素ゲルマニウム(a-Si1-XGeX:H、式中Xはゲルマニウ
ム原子の含有量を示す。)よりなる吸収層と、該吸収層
上に形成された、非晶質珪素(a-Si:H)よりなる増倍層
と、該増倍層上に形成された電極層とを少なくとも有す
ることを特徴とする高利得の吸収/増倍分離式の電子な
だれフォトダイオード。
1. An absorption layer comprising a substrate and an amorphous silicon germanium (a-Si 1 -X Ge X : H, wherein X represents the content of germanium atoms) formed on the substrate. And a multiplying layer formed of amorphous silicon (a-Si: H) formed on the absorption layer, and an electrode layer formed on the multiplying layer. Avalanche photodiode with gain absorption / multiplication separation.
【請求項2】 基板が、ガラス板に透明の導電性酸化物
を蒸着することによって形成されたものである請求項1
に記載の高利得の吸収/増倍分離式の電子なだれフォト
ダイオード。
2. The substrate according to claim 1, wherein the substrate is formed by depositing a transparent conductive oxide on a glass plate.
2. An avalanche photodiode of the high gain absorption / multiplication separation type described in 1.
【請求項3】 吸収層が、n+タイプ非晶質珪素に真性
の非晶質珪素ゲルマニウムを堆積することによって形成
されたものである請求項1又は2に記載の高利得の吸収
/増倍分離式の電子なだれフォトダイオード。
3. The high gain absorption according to claim 1, wherein the absorption layer is formed by depositing intrinsic amorphous silicon germanium on n + type amorphous silicon.
/ Multiplication separation electron avalanche photodiode.
【請求項4】 増倍層が、n+タイプ非晶質珪素材に真
性の非晶質珪素を堆積することによって形成されたもの
である請求項1乃至3のいずれかに記載の高利得の吸収
/増倍分離式の電子なだれフォトダイオード。
4. The high gain absorption according to claim 1, wherein the multiplication layer is formed by depositing intrinsic amorphous silicon on an n + type amorphous silicon material.
/ Multiplication separation electron avalanche photodiode.
【請求項5】 透明の導電性酸化物が、酸化すずインジ
ウム(ITO, Indium-Tin-Oxide)である請求項2乃至
4のいずれかに記載の高利得の吸収/増倍分離式の電子
なだれフォトダイオード。
5. A high gain absorption / multiplication separation electron avalanche according to claim 2, wherein the transparent conductive oxide is indium-tin-oxide (ITO). Photodiode.
【請求項6】 非晶質珪素ゲルマニウム(a-Si1-XGeX:
H)のゲルマニウム原子含有量のX値が、0.48以下
であり、波長が525nm乃至820nmの赤色光乃至赤外
線を吸収する請求項1乃至5のいずれかに記載の高利得
の吸収/増倍分離式の電子なだれフォトダイオード。
6. An amorphous silicon germanium (a-Si 1 -X Ge X :
The high gain absorption / multiplication according to any one of claims 1 to 5, wherein the X value of the germanium atom content of H) is 0.48 or less and absorbs red light or infrared light having a wavelength of 525 nm to 820 nm. Separate electron avalanche photodiode.
【請求項7】 電極層が、アルミニウムからなる請求項
1乃至6のいずれかに記載の高利得の吸収/増倍分離式
の電子なだれフォトダイオード。
7. A high gain absorption / multiplication separation type electron avalanche photodiode according to claim 1, wherein the electrode layer is made of aluminum.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1981089A2 (en) 2002-10-04 2008-10-15 Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. Transparent electrode film based on indium oxide with titanium and tungsten admixtures and manufacturing method thereof
WO2015120583A1 (en) * 2014-02-12 2015-08-20 华为技术有限公司 Avalanche photodiode and manufacturing method therefor
CN106057957A (en) * 2016-08-01 2016-10-26 中国科学技术大学 Avalanche photodiode with periodic nanostructure
TWI637529B (en) * 2011-12-29 2018-10-01 英特爾股份有限公司 Avalanche photodiode with low breakdown voltage
US10312397B2 (en) 2011-12-29 2019-06-04 Intel Corporation Avalanche photodiode with low breakdown voltage
CN110165013A (en) * 2019-04-28 2019-08-23 上海科技大学 III group-III nitride avalanche photodide component of one kind and preparation method thereof

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1981089A2 (en) 2002-10-04 2008-10-15 Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. Transparent electrode film based on indium oxide with titanium and tungsten admixtures and manufacturing method thereof
US7507357B2 (en) 2002-10-04 2009-03-24 Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. Transparent oxide electrode film and manufacturing method thereof, transparent electroconductive base material, solar cell and photo detection element
US7575698B2 (en) 2002-10-04 2009-08-18 Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. TI and W containing transparent oxide electrode film
TWI637529B (en) * 2011-12-29 2018-10-01 英特爾股份有限公司 Avalanche photodiode with low breakdown voltage
US10312397B2 (en) 2011-12-29 2019-06-04 Intel Corporation Avalanche photodiode with low breakdown voltage
WO2015120583A1 (en) * 2014-02-12 2015-08-20 华为技术有限公司 Avalanche photodiode and manufacturing method therefor
US9705023B2 (en) 2014-02-12 2017-07-11 Huawei Technologies Co., Ltd. Avalanche photodiode and manufacturing method thereof
CN106057957A (en) * 2016-08-01 2016-10-26 中国科学技术大学 Avalanche photodiode with periodic nanostructure
CN110165013A (en) * 2019-04-28 2019-08-23 上海科技大学 III group-III nitride avalanche photodide component of one kind and preparation method thereof

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