JP2002141547A - 半導体光検出器 - Google Patents
半導体光検出器Info
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- JP2002141547A JP2002141547A JP2000331837A JP2000331837A JP2002141547A JP 2002141547 A JP2002141547 A JP 2002141547A JP 2000331837 A JP2000331837 A JP 2000331837A JP 2000331837 A JP2000331837 A JP 2000331837A JP 2002141547 A JP2002141547 A JP 2002141547A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】ＵＴＣ-ＰＤ（Uni-Traveling-Carrier Photodi
ode）のセルフバイアス効果をより有効に発生させ、出
力飽和電流密度を高く保ちながらＵＴＣ-ＰＤの３ｄＢ
帯域を上げること。 【解決手段】ｐ形の光吸収層１１、低濃度のｎ形のキャ
リア走行層１３、ｐ形の拡散ブロック層１２、ｎ形のコ
ンタクト層１４、ｐ形電極１５及びｎ形電極１６から形
成されるＵＴＣ-ＰＤにおいて、光吸収層１１中の光電
流密度をＪ、光吸収層１１の厚さをＷＡ、光吸収層１１
とキャリア走行層１３との境界から拡散ブロック層１２
へ向けて測った距離をｘ、距離ｘにおける光吸収層１１
内のコンダクタンスをσｐとしたときに、Ｊ×(ｘ/
ＷＡ)/σｐで与えられる値が光吸収層１１内にわたって
均一化されるべく、σｐがｘの増大と共に増大する構成
を有することを特徴とするＵＴＣ-ＰＤを構成する。
ode）のセルフバイアス効果をより有効に発生させ、出
力飽和電流密度を高く保ちながらＵＴＣ-ＰＤの３ｄＢ
帯域を上げること。 【解決手段】ｐ形の光吸収層１１、低濃度のｎ形のキャ
リア走行層１３、ｐ形の拡散ブロック層１２、ｎ形のコ
ンタクト層１４、ｐ形電極１５及びｎ形電極１６から形
成されるＵＴＣ-ＰＤにおいて、光吸収層１１中の光電
流密度をＪ、光吸収層１１の厚さをＷＡ、光吸収層１１
とキャリア走行層１３との境界から拡散ブロック層１２
へ向けて測った距離をｘ、距離ｘにおける光吸収層１１
内のコンダクタンスをσｐとしたときに、Ｊ×(ｘ/
ＷＡ)/σｐで与えられる値が光吸収層１１内にわたって
均一化されるべく、σｐがｘの増大と共に増大する構成
を有することを特徴とするＵＴＣ-ＰＤを構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体光検出器に関
し、特に、超高速半導体フォトダイオード技術に関する
ものである。
し、特に、超高速半導体フォトダイオード技術に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバ通信をはじめとする種々の光
システムにおいて、超高速フォトダイオードは光信号を
電気信号に変換する不可欠のデバイスであり、扱う信号
処理速度が高くなるほど、それに応じて、高い光応答速
度（ないしは光応答周波数）が要求される。デジタル応
用における４０Ｇｂｉｔ/ｓないしはそれを越える速度
領域、またミリ波帯の周波数領域では、超高速フォトダ
イオードとして、単一走行キャリア・フォトダイオード
（Uni-Traveling-Carrier Photodiode、以下ＵＴＣ-Ｐ
Ｄと略称する）が、その動作速度と飽和出力の高さから
極めて有望と考えられている。
システムにおいて、超高速フォトダイオードは光信号を
電気信号に変換する不可欠のデバイスであり、扱う信号
処理速度が高くなるほど、それに応じて、高い光応答速
度（ないしは光応答周波数）が要求される。デジタル応
用における４０Ｇｂｉｔ/ｓないしはそれを越える速度
領域、またミリ波帯の周波数領域では、超高速フォトダ
イオードとして、単一走行キャリア・フォトダイオード
（Uni-Traveling-Carrier Photodiode、以下ＵＴＣ-Ｐ
Ｄと略称する）が、その動作速度と飽和出力の高さから
極めて有望と考えられている。
【０００３】ＵＴＣ-ＰＤは、図１の（Ａ）に示すよう
に、ｐ形の光吸収層１１、低濃度のｎ形のキャリア走行
層１３、ｐ形の拡散ブロック層１２、ｐ形のコンタクト
層（拡散ブロック層１２がこの役割を兼ねる）、ｎ形の
コンタクト層１４、ｐ形電極１５及びｎ形電極１６から
形成される。
に、ｐ形の光吸収層１１、低濃度のｎ形のキャリア走行
層１３、ｐ形の拡散ブロック層１２、ｐ形のコンタクト
層（拡散ブロック層１２がこの役割を兼ねる）、ｎ形の
コンタクト層１４、ｐ形電極１５及びｎ形電極１６から
形成される。
【０００４】図１の（Ｂ）は、このように形成されたＵ
ＴＣ-ＰＤにおけるバンドダイアグラムを示している。
このバンドダイアグラムにおいて、バンド内の数字は、
そのバンドが、図１の（Ａ）において、それぞれ同じ数
字を付した層あるいは電極のものであることを示す。
ＴＣ-ＰＤにおけるバンドダイアグラムを示している。
このバンドダイアグラムにおいて、バンド内の数字は、
そのバンドが、図１の（Ａ）において、それぞれ同じ数
字を付した層あるいは電極のものであることを示す。
【０００５】この様なＵＴＣ-ＰＤに光が入射し、その
光エネルギーの吸収によって、ｐ形の光吸収層１１で発
生したキャリアのうち、走行速度の大きな電子のみをキ
ャリア走行層１３の方向に拡散／注入することで高速な
光応答を得る。応答速度を決める重要なパラメータは、
光吸収層１１中の電子走行時間τＡとキャリア走行層１
３中の電子走行時間τＣである。ＩｎＰ系の半導体材料
を用いた場合、キャリア走行層１３中の電子走行速度は
光吸収層１１中のそれよりも十分に高いので、光応答速
度の指標である３ｄＢ帯域（ｆ３ｄＢ）はほとんどτＡ
で支配され、 ｆ３ｄＢ＝１/２πτＡ （１） で与えられる。電子の輸送が拡散で決まる場合、τＡは τＡ＝ＷＡ ２/３Ｄｅ （２） で近似される。ここで、ＷＡは光吸収層１１の厚さ、Ｄ
ｅは電子の拡散係数である。
光エネルギーの吸収によって、ｐ形の光吸収層１１で発
生したキャリアのうち、走行速度の大きな電子のみをキ
ャリア走行層１３の方向に拡散／注入することで高速な
光応答を得る。応答速度を決める重要なパラメータは、
光吸収層１１中の電子走行時間τＡとキャリア走行層１
３中の電子走行時間τＣである。ＩｎＰ系の半導体材料
を用いた場合、キャリア走行層１３中の電子走行速度は
光吸収層１１中のそれよりも十分に高いので、光応答速
度の指標である３ｄＢ帯域（ｆ３ｄＢ）はほとんどτＡ
で支配され、 ｆ３ｄＢ＝１/２πτＡ （１） で与えられる。電子の輸送が拡散で決まる場合、τＡは τＡ＝ＷＡ ２/３Ｄｅ （２） で近似される。ここで、ＷＡは光吸収層１１の厚さ、Ｄ
ｅは電子の拡散係数である。
【０００６】ＵＴＣ-ＰＤの量子効率を高く保つことも
応用上で重要であり、そのためにはＷＡをできるだけ厚
くとることが望ましい。しかしＷＡを大きくするとτＡ
の増大を伴うので３ｄＢ帯域は低下してしまう。すなわ
ち量子効率と３ｄＢ帯域はトレードオフの関係にある。
応用上で重要であり、そのためにはＷＡをできるだけ厚
くとることが望ましい。しかしＷＡを大きくするとτＡ
の増大を伴うので３ｄＢ帯域は低下してしまう。すなわ
ち量子効率と３ｄＢ帯域はトレードオフの関係にある。
【０００７】ＵＴＣ-ＰＤの応答は、基本的には、上で
述べた様な電子の拡散速度で決まるが、大きな光電流の
動作状態においては、「セルフバイアス効果」と呼ばれ
る現象により、３ｄＢ帯域の増大が起こることも報告さ
れている。これは、光電流密度が上がるに従い、ｐ形の
光吸収層１１の中のホールをｐ形電極１５にはき出すた
めのバンドベンディングが光吸収層１１内に生じ、この
バンドベンディングが電子に対するドリフト電界として
働き、電子走行速度が増大し、電子走行時間τ Ａが低減
する結果によるものであると説明される。この様な条件
下では、τＡは光吸収層１１の厚さＷＡと拡散係数Ｄｅ
のみの関数ではなく、電流密度Ｊや光吸収層１１のコン
ダクタンスσｐ、電子の移動度μｅの関数ともなる。す
なわち、 τＡ＝ｆ(ＷＡ,Ｄｅ,Ｊ,σｐ,μｅ） （３） と表される。
述べた様な電子の拡散速度で決まるが、大きな光電流の
動作状態においては、「セルフバイアス効果」と呼ばれ
る現象により、３ｄＢ帯域の増大が起こることも報告さ
れている。これは、光電流密度が上がるに従い、ｐ形の
光吸収層１１の中のホールをｐ形電極１５にはき出すた
めのバンドベンディングが光吸収層１１内に生じ、この
バンドベンディングが電子に対するドリフト電界として
働き、電子走行速度が増大し、電子走行時間τ Ａが低減
する結果によるものであると説明される。この様な条件
下では、τＡは光吸収層１１の厚さＷＡと拡散係数Ｄｅ
のみの関数ではなく、電流密度Ｊや光吸収層１１のコン
ダクタンスσｐ、電子の移動度μｅの関数ともなる。す
なわち、 τＡ＝ｆ(ＷＡ,Ｄｅ,Ｊ,σｐ,μｅ） （３） と表される。
【０００８】このセルフバイアス効果は、フォトダイオ
ードをより高速に動作させ、ないしは動作速度が同一で
あれば、より大きなＷＡを適用することで量子効率を増
大させることを可能とするものである。
ードをより高速に動作させ、ないしは動作速度が同一で
あれば、より大きなＷＡを適用することで量子効率を増
大させることを可能とするものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、バンド
ベンディングそのものはτＡを低減する上で極めて有効
に働く。
ベンディングそのものはτＡを低減する上で極めて有効
に働く。
【００１０】しかし、一方では、与えられたバイアス電
圧に対してｐｎ接合の空乏層にかかる電圧が低下するの
で、キャリア走行層１３に注入された電子電荷の影響
（空間電荷効果）がより強くなり、出力飽和電流密度を
下げるという悪影響をももたらす。単にドリフト電界を
上げてτＡを低減する目的のためには、原理的には、光
吸収層１１のコンダクタンスσｐを下げれば良い。しか
しながら、これは出力飽和電流密度を高く保つという面
では好ましくない。一定のバンドベンディングのもと
で、τＡをいかに低減するかが重要な課題となる。
圧に対してｐｎ接合の空乏層にかかる電圧が低下するの
で、キャリア走行層１３に注入された電子電荷の影響
（空間電荷効果）がより強くなり、出力飽和電流密度を
下げるという悪影響をももたらす。単にドリフト電界を
上げてτＡを低減する目的のためには、原理的には、光
吸収層１１のコンダクタンスσｐを下げれば良い。しか
しながら、これは出力飽和電流密度を高く保つという面
では好ましくない。一定のバンドベンディングのもと
で、τＡをいかに低減するかが重要な課題となる。
【００１１】本発明の課題は、上記で述べたＵＴＣ-Ｐ
Ｄのセルフバイアス効果をより有効に発生させ、出力飽
和電流密度を高く保ちながらＵＴＣ-ＰＤの３ｄＢ帯域
を上げることにある。
Ｄのセルフバイアス効果をより有効に発生させ、出力飽
和電流密度を高く保ちながらＵＴＣ-ＰＤの３ｄＢ帯域
を上げることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明においては、請求
項１に記載したように、ｐ形の第１の半導体層と、前記
第１の半導体層よりも光吸収端エネルギーが大きいｐ形
の第２の半導体層と、前記第１の半導体よりも光吸収端
エネルギーが大きい第３の半導体層と、前記第１の半導
体層よりも光吸収端エネルギーが大きいｎ形の第４の半
導体層とを少なくとも構成要素として含み、前記第２の
半導体層、前記第１の半導体層、前記第３の半導体層、
前記第４の半導体層の順で積層され、前記第２の半導体
層にｐ形電極、前記第４の半導体層にｎ形電極が接触し
てなる、ｐｎ接合を有する半導体光検出器であって、前
記第１の半導体層中の光電流密度をＪ、前記第１の半導
体層の厚さをＷＡ、前記第１の半導体層と前記第３の半
導体層との境界から前記第２の半導体層へ向けて測った
距離をｘ、前記距離ｘにおける前記第１の半導体層内の
コンダクタンスをσｐとしたときに、 Ｊ×(ｘ/ＷＡ)/σｐ （４） で与えられる値が前記第１の半導体層内にわたって均一
化されるべく、前記コンダクタンスσｐが、前記第３の
半導体層側から前記第２の半導体層側に向かって増大す
る構成を有することを特徴とする半導体光検出器を構成
する。
項１に記載したように、ｐ形の第１の半導体層と、前記
第１の半導体層よりも光吸収端エネルギーが大きいｐ形
の第２の半導体層と、前記第１の半導体よりも光吸収端
エネルギーが大きい第３の半導体層と、前記第１の半導
体層よりも光吸収端エネルギーが大きいｎ形の第４の半
導体層とを少なくとも構成要素として含み、前記第２の
半導体層、前記第１の半導体層、前記第３の半導体層、
前記第４の半導体層の順で積層され、前記第２の半導体
層にｐ形電極、前記第４の半導体層にｎ形電極が接触し
てなる、ｐｎ接合を有する半導体光検出器であって、前
記第１の半導体層中の光電流密度をＪ、前記第１の半導
体層の厚さをＷＡ、前記第１の半導体層と前記第３の半
導体層との境界から前記第２の半導体層へ向けて測った
距離をｘ、前記距離ｘにおける前記第１の半導体層内の
コンダクタンスをσｐとしたときに、 Ｊ×(ｘ/ＷＡ)/σｐ （４） で与えられる値が前記第１の半導体層内にわたって均一
化されるべく、前記コンダクタンスσｐが、前記第３の
半導体層側から前記第２の半導体層側に向かって増大す
る構成を有することを特徴とする半導体光検出器を構成
する。
【００１３】
【発明の実施の形態】従来のＵＴＣ-ＰＤにおいては、
光吸収層中のコンダクタンスσｐを均一にしているため
に、電流値を上昇させた際に、セルフバイアス効果によ
り発生する電界強度が不均一となる。本発明の提案にお
いては、その不均一性が３ｄＢ帯域を制限する要因とな
っているという観点に立つ。この観点から、本発明にお
いては、この電界強度の不均一性を低減するために、光
吸収層のアクセプタドーピング（不純物のドーピングに
よってアクセプタを形成すること）に所望の分布を持た
せることによって光吸収層中のコンダクタンスσｐに分
布を持たせる。
光吸収層中のコンダクタンスσｐを均一にしているため
に、電流値を上昇させた際に、セルフバイアス効果によ
り発生する電界強度が不均一となる。本発明の提案にお
いては、その不均一性が３ｄＢ帯域を制限する要因とな
っているという観点に立つ。この観点から、本発明にお
いては、この電界強度の不均一性を低減するために、光
吸収層のアクセプタドーピング（不純物のドーピングに
よってアクセプタを形成すること）に所望の分布を持た
せることによって光吸収層中のコンダクタンスσｐに分
布を持たせる。
【００１４】以下に、本発明の実施の形態を、図１、図
２及び図３を用いて説明する。
２及び図３を用いて説明する。
【００１５】本実施の形態におけるＵＴＣ-ＰＤの層構
成は図１に示した従来のＵＴＣ-ＰＤの層構成と同じで
あるので、本実施の形態の説明においても図１を用い
る。本実施の形態が従来技術と異なる点は、光吸収層１
１のアクセプタドーピングに所望の分布を持たせること
にある。
成は図１に示した従来のＵＴＣ-ＰＤの層構成と同じで
あるので、本実施の形態の説明においても図１を用い
る。本実施の形態が従来技術と異なる点は、光吸収層１
１のアクセプタドーピングに所望の分布を持たせること
にある。
【００１６】図１において、ｐ形の光吸収層１１、ｐ形
の拡散ブロック層１２、低濃度のｎ形のキャリア走行層
１３及びｎ形のコンタクト層１４は、それぞれ、請求項
１に記載の第１、第２、第３及び第４の半導体層に相当
する。
の拡散ブロック層１２、低濃度のｎ形のキャリア走行層
１３及びｎ形のコンタクト層１４は、それぞれ、請求項
１に記載の第１、第２、第３及び第４の半導体層に相当
する。
【００１７】次に、光吸収層１１のアクセプタドーピン
グの分布の一例について説明する。まず、図１の（Ａ）
に示したように、光吸収層１１の厚さをＷＡ、光吸収層
１１とキャリア走行層１３との境界から拡散ブロック層
１２へ向けて測った距離をｘとする。
グの分布の一例について説明する。まず、図１の（Ａ）
に示したように、光吸収層１１の厚さをＷＡ、光吸収層
１１とキャリア走行層１３との境界から拡散ブロック層
１２へ向けて測った距離をｘとする。
【００１８】図２の（Ａ）は、アクセプタドーピングの
分布の一例を示すものであり、厚さ０．５ミクロンのＩ
ｎＧａＡｓの光吸収層１１中のアクセプタドーピング・
プロファイルをホール濃度分布ｐ(ｘ)（実線２１）によ
って示している。このホール濃度分布をp1(ｘ)とすれ
ば、それは p1(ｘ)＝2×10１７＋8×10１７×[1-exp[-((ｘ+0.1ＷＡ)/0.4ＷＡ)２]/cm３ （５） と表される。図２の（Ａ）及び（５）式から明らかなよ
うに、p1(ｘ)はｘの増大と共に増大する。p1(ｘ)の増大
によって光吸収層１１内のコンダクタンスσｐも増大す
るので、このコンダクタンスσｐは、ｘの増大と共に、
キャリア走行層１３側から拡散ブロック層１２側へ向け
て増大する。
分布の一例を示すものであり、厚さ０．５ミクロンのＩ
ｎＧａＡｓの光吸収層１１中のアクセプタドーピング・
プロファイルをホール濃度分布ｐ(ｘ)（実線２１）によ
って示している。このホール濃度分布をp1(ｘ)とすれ
ば、それは p1(ｘ)＝2×10１７＋8×10１７×[1-exp[-((ｘ+0.1ＷＡ)/0.4ＷＡ)２]/cm３ （５） と表される。図２の（Ａ）及び（５）式から明らかなよ
うに、p1(ｘ)はｘの増大と共に増大する。p1(ｘ)の増大
によって光吸収層１１内のコンダクタンスσｐも増大す
るので、このコンダクタンスσｐは、ｘの増大と共に、
キャリア走行層１３側から拡散ブロック層１２側へ向け
て増大する。
【００１９】なお、図２の（Ａ）には、比較のために、
従来例におけるアクセプタドーピング・プロファイルを
ホール濃度分布（破線２２）によって示してある。この
ホール濃度分布をp2(ｘ)とすれば、それは光吸収層１１
中で一定であり、 p2(ｘ)＝5×10１７/cm３ （６） と表される。この場合には、光吸収層１１内のコンダク
タンスσｐも光吸収層１１内にわたって一定となる。
従来例におけるアクセプタドーピング・プロファイルを
ホール濃度分布（破線２２）によって示してある。この
ホール濃度分布をp2(ｘ)とすれば、それは光吸収層１１
中で一定であり、 p2(ｘ)＝5×10１７/cm３ （６） と表される。この場合には、光吸収層１１内のコンダク
タンスσｐも光吸収層１１内にわたって一定となる。
【００２０】ＵＴＣ-ＰＤに光を照射すると（動作状
態）、すでに説明した「セルフバイアス効果」により光
吸収層１１に電界が誘起される。電流密度８０ｋＡ/ｃ
ｍ２の時の、上記のアクセプタドーピング・プロファイ
ルに対応する電界強度分布を図２の（Ｂ）に示す。ここ
で、電界強度Ｅ(ｘ)は、ＩｎＧａＡｓのホール移動度を μｈ＝910−43.8×log[p(ｘ)]ｃｍ２/Ｖｓ （７） と仮定して距離ｘにおけるコンダクタンスσｐを求め、
（４）式に従って計算したものである。計算の過程にお
いて、濃度傾斜に伴う擬電界の効果も考慮している（ｘ
＝0 付近のＥ(ｘ)の盛り上がりはこのためである）。図
２の（Ｂ）において、実線２３はアクセプタドーピング
・プロファイル（ホール濃度分布）p1(ｘ)に対応する電
界強度分布（本実施の形態）であり、破線２４はアクセ
プタドーピング・プロファイル（ホール濃度分布）p2
(ｘ)に対応する電界強度分布（従来例）である。従来形
ＵＴＣ-ＰＤは三角形状の電界強度分布（破線２４）を
持つのに対し、本発明のＵＴＣ-ＰＤはより平坦な電界
強度分布（実線２３）を持っていることがわかる。これ
らの電界強度分布は（４）式に従って計算したものであ
るから、式（４）の値すなわちＪ×(ｘ/ＷＡ)/σｐは、
従来形ＵＴＣ-ＰＤの場合に較べて、本発明のＵＴＣ-Ｐ
Ｄの場合に、光吸収層１１内にわたって均一化されてい
ることが判る。バンドベンディングの量は、従来形で
０.１７７Ｖ、本発明の実施の形態では０.１４４Ｖであ
る。
態）、すでに説明した「セルフバイアス効果」により光
吸収層１１に電界が誘起される。電流密度８０ｋＡ/ｃ
ｍ２の時の、上記のアクセプタドーピング・プロファイ
ルに対応する電界強度分布を図２の（Ｂ）に示す。ここ
で、電界強度Ｅ(ｘ)は、ＩｎＧａＡｓのホール移動度を μｈ＝910−43.8×log[p(ｘ)]ｃｍ２/Ｖｓ （７） と仮定して距離ｘにおけるコンダクタンスσｐを求め、
（４）式に従って計算したものである。計算の過程にお
いて、濃度傾斜に伴う擬電界の効果も考慮している（ｘ
＝0 付近のＥ(ｘ)の盛り上がりはこのためである）。図
２の（Ｂ）において、実線２３はアクセプタドーピング
・プロファイル（ホール濃度分布）p1(ｘ)に対応する電
界強度分布（本実施の形態）であり、破線２４はアクセ
プタドーピング・プロファイル（ホール濃度分布）p2
(ｘ)に対応する電界強度分布（従来例）である。従来形
ＵＴＣ-ＰＤは三角形状の電界強度分布（破線２４）を
持つのに対し、本発明のＵＴＣ-ＰＤはより平坦な電界
強度分布（実線２３）を持っていることがわかる。これ
らの電界強度分布は（４）式に従って計算したものであ
るから、式（４）の値すなわちＪ×(ｘ/ＷＡ)/σｐは、
従来形ＵＴＣ-ＰＤの場合に較べて、本発明のＵＴＣ-Ｐ
Ｄの場合に、光吸収層１１内にわたって均一化されてい
ることが判る。バンドベンディングの量は、従来形で
０.１７７Ｖ、本発明の実施の形態では０.１４４Ｖであ
る。
【００２１】図３は、電荷制御モデルに基づいて、計算
により求めたフォトダイオードの３ｄＢ帯域の比較であ
る。このモデルで３ｄＢ帯域ｆ３ｄＢは、 ｆ３ｄＢ＝△Ｊ/(２π△Ｑｎ） （８） で評価され、△Ｊと△Ｑｎは、それぞれ、出力電流の変
化量と電子電荷の変化量である。△Ｑｎは電子濃度分布
に関するドリフト拡散の方程式の数値解から求めた（キ
ャリア走行層１３中の電子走行時間は光吸収層１１中の
それよりも十分短いので、簡単のために無視してい
る）。図３において、実線３１はアクセプタドーピング
・プロファイル（ホール濃度分布）p1(ｘ)に対応する３
ｄＢ帯域（本実施の形態）であり、破線３２はアクセプ
タドーピング・プロファイル（ホール濃度分布）p2(ｘ)
に対応する３ｄＢ帯域（従来例）である。動作電流密度
の増加と共に３ｄＢ帯域が増大するのは共通の傾向であ
るが、従来形（破線３２）に比べ本発明（実線３１）は
全電流領域にわたり従来形より高い値を示すことがわか
る。すなわち、たとえば、８０ｋＡ/ｃｍ２の点での３
ｄＢ帯域は、従来形の場合に１３４ＧＨｚであるのに対
して本発明の場合には１９１ＧＨｚであり、４０％以上
の拡大が予測される。この効果は、従来から認識されて
いる光吸収層中の「擬電界」の効果が直接反映されたも
のではない。この擬電界の効果は図３の２０ｋＡ/ｃｍ
２以下の低電流密度領域に現れている。従来形ＵＴＣ-
ＰＤで生じている３ｄＢ帯域の飽和（５０ｋＡ/ｃｍ２
以上の領域）を、本発明においては、電界強度の平坦化
により、より起こりにくくしていると考えることができ
る。
により求めたフォトダイオードの３ｄＢ帯域の比較であ
る。このモデルで３ｄＢ帯域ｆ３ｄＢは、 ｆ３ｄＢ＝△Ｊ/(２π△Ｑｎ） （８） で評価され、△Ｊと△Ｑｎは、それぞれ、出力電流の変
化量と電子電荷の変化量である。△Ｑｎは電子濃度分布
に関するドリフト拡散の方程式の数値解から求めた（キ
ャリア走行層１３中の電子走行時間は光吸収層１１中の
それよりも十分短いので、簡単のために無視してい
る）。図３において、実線３１はアクセプタドーピング
・プロファイル（ホール濃度分布）p1(ｘ)に対応する３
ｄＢ帯域（本実施の形態）であり、破線３２はアクセプ
タドーピング・プロファイル（ホール濃度分布）p2(ｘ)
に対応する３ｄＢ帯域（従来例）である。動作電流密度
の増加と共に３ｄＢ帯域が増大するのは共通の傾向であ
るが、従来形（破線３２）に比べ本発明（実線３１）は
全電流領域にわたり従来形より高い値を示すことがわか
る。すなわち、たとえば、８０ｋＡ/ｃｍ２の点での３
ｄＢ帯域は、従来形の場合に１３４ＧＨｚであるのに対
して本発明の場合には１９１ＧＨｚであり、４０％以上
の拡大が予測される。この効果は、従来から認識されて
いる光吸収層中の「擬電界」の効果が直接反映されたも
のではない。この擬電界の効果は図３の２０ｋＡ/ｃｍ
２以下の低電流密度領域に現れている。従来形ＵＴＣ-
ＰＤで生じている３ｄＢ帯域の飽和（５０ｋＡ/ｃｍ２
以上の領域）を、本発明においては、電界強度の平坦化
により、より起こりにくくしていると考えることができ
る。
【００２２】なお、図１では下面光入射形のＵＴＣ-Ｐ
Ｄの構成を示しているが、本発明の手法は、導波路形や
屈折光入射形、表面光入射形にも同様に応用することが
できる。また、本発明の手法は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡ
ｓ等を組合わせた短波長帯のＵＴＣ-ＰＤにも同様に応
用することができる。また、光吸収層のアクセプタドー
ピングは、（５）式で表されるプロファイルに限らず、
使用する電流密度や必要な動作速度、またバイアス電圧
に応じて設計することが可能である。
Ｄの構成を示しているが、本発明の手法は、導波路形や
屈折光入射形、表面光入射形にも同様に応用することが
できる。また、本発明の手法は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡ
ｓ等を組合わせた短波長帯のＵＴＣ-ＰＤにも同様に応
用することができる。また、光吸収層のアクセプタドー
ピングは、（５）式で表されるプロファイルに限らず、
使用する電流密度や必要な動作速度、またバイアス電圧
に応じて設計することが可能である。
【００２３】以上の説明により明らかなように、ＵＴＣ
-ＰＤの光吸収層のアクセプタドーピングに、キャリア
走行層側から拡散ブロック層側に向かって増大するドー
ピング濃度分布を持たせることによって、光吸収層内の
コンダクタンスがキャリア走行層側から拡散ブロック層
側に向かって増大する構成とし、セルフバイアス効果に
より発生する電界強度の不均一性を低減し、それによっ
て３ｄＢ帯域を高い値に保つことが可能となる。
-ＰＤの光吸収層のアクセプタドーピングに、キャリア
走行層側から拡散ブロック層側に向かって増大するドー
ピング濃度分布を持たせることによって、光吸収層内の
コンダクタンスがキャリア走行層側から拡散ブロック層
側に向かって増大する構成とし、セルフバイアス効果に
より発生する電界強度の不均一性を低減し、それによっ
て３ｄＢ帯域を高い値に保つことが可能となる。
【００２４】
【発明の効果】本発明の実施により、ＵＴＣ-ＰＤのセ
ルフバイアス効果をより有効に発生させ、出力飽和電流
密度を高く保ちながらＵＴＣ-ＰＤの３ｄＢ帯域を上げ
ることが可能となる。
ルフバイアス効果をより有効に発生させ、出力飽和電流
密度を高く保ちながらＵＴＣ-ＰＤの３ｄＢ帯域を上げ
ることが可能となる。
【００２５】このように、本発明に係るＵＴＣ-ＰＤの
構成は、同一の動作電流密度においてより高い３ｄＢ帯
域を得ることを可能とする。これは、「光応答速度と量
子効率とのトレードオフ関係」を大幅に改善するもので
あり、一定の量子効率に対してはより高い３ｄＢ帯域、
一定の３ｄＢ帯域に対してはより高い変換効率を可能と
するものである。
構成は、同一の動作電流密度においてより高い３ｄＢ帯
域を得ることを可能とする。これは、「光応答速度と量
子効率とのトレードオフ関係」を大幅に改善するもので
あり、一定の量子効率に対してはより高い３ｄＢ帯域、
一定の３ｄＢ帯域に対してはより高い変換効率を可能と
するものである。
【図１】本発明に係る半導体光検出器の構成（バンドダ
イアグラムと断面図）を示す図である。
イアグラムと断面図）を示す図である。
【図２】光吸収層内のホール濃度分布と電界強度分布と
の計算例を示す図である。
の計算例を示す図である。
【図３】３ｄＢ帯域の電流密度依存性の計算例を示す図
である。
である。
１１…光吸収層、１２…拡散ブロック層、１３…キャリ
ア走行層、１４…コンタクト層、１５…ｐ形電極、１６
…ｎ形電極、２１…光吸収層内のホール濃度分布（本発
明）、２２…光吸収層内のホール濃度分布（従来例）、
２３…光吸収層内の電界強度分布（本発明）、２４…光
吸収層内の電界強度分布（従来例）、３１…３ｄＢ帯域
変化（本発明）、３２…３ｄＢ帯域変化（従来例）。
ア走行層、１４…コンタクト層、１５…ｐ形電極、１６
…ｎ形電極、２１…光吸収層内のホール濃度分布（本発
明）、２２…光吸収層内のホール濃度分布（従来例）、
２３…光吸収層内の電界強度分布（本発明）、２４…光
吸収層内の電界強度分布（従来例）、３１…３ｄＢ帯域
変化（本発明）、３２…３ｄＢ帯域変化（従来例）。
Claims (1)
- 【請求項１】ｐ形の第１の半導体層と、前記第１の半導
体層よりも光吸収端エネルギーが大きいｐ形の第２の半
導体層と、前記第１の半導体よりも光吸収端エネルギー
が大きい第３の半導体層と、前記第１の半導体層よりも
光吸収端エネルギーが大きいｎ形の第４の半導体層とを
少なくとも構成要素として含み、前記第２の半導体層、
前記第１の半導体層、前記第３の半導体層、前記第４の
半導体層の順で積層され、前記第２の半導体層にｐ形電
極、前記第４の半導体層にｎ形電極が接触してなる、ｐ
ｎ接合を有する半導体光検出器であって、 前記第１の半導体層中の光電流密度をＪ、前記第１の半
導体層の厚さをＷＡ、前記第１の半導体層と前記第３の
半導体層との境界から前記第２の半導体層へ向けて測っ
た距離をｘ、前記距離ｘにおける前記第１の半導体層内
のコンダクタンスをσｐとしたときに、 Ｊ×(ｘ/ＷＡ)/σｐ で与えられる値が前記第１の半導体層内にわたって均一
化されるべく、前記コンダクタンスσｐが、前記第３の
半導体層側から前記第２の半導体層側に向かって増大す
る構成を有することを特徴とする半導体光検出器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000331837A JP3739273B2 (ja) | 2000-10-31 | 2000-10-31 | 半導体光検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000331837A JP3739273B2 (ja) | 2000-10-31 | 2000-10-31 | 半導体光検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002141547A true JP2002141547A (ja) | 2002-05-17 |
| JP3739273B2 JP3739273B2 (ja) | 2006-01-25 |
Family
ID=18808128
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000331837A Expired - Lifetime JP3739273B2 (ja) | 2000-10-31 | 2000-10-31 | 半導体光検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3739273B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105390556A (zh) * | 2015-11-09 | 2016-03-09 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构 |
| CN108091720A (zh) * | 2016-11-22 | 2018-05-29 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 单行载流子光电探测器及其制备方法 |
| CN112563351A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-03-26 | 中山大学 | 一种大功率InGaAs/InP单行载流子光电探测器的设计方法 |
-
2000
- 2000-10-31 JP JP2000331837A patent/JP3739273B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105390556A (zh) * | 2015-11-09 | 2016-03-09 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种用于单行载流子光电二极管的吸收区结构 |
| CN108091720A (zh) * | 2016-11-22 | 2018-05-29 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 单行载流子光电探测器及其制备方法 |
| CN112563351A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-03-26 | 中山大学 | 一种大功率InGaAs/InP单行载流子光电探测器的设计方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3739273B2 (ja) | 2006-01-25 |
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