JP2003174184A - フォトダイオード - Google Patents
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 フォトダイオードにおける「応答速度と内部
量子効率のトレードオフ」の問題を大幅に改善し、高帯
域でかつ高内部量子効率のフォトダイオードを提供する
こと。 【解決手段】 フォトダイオードの光吸収層を、層厚Ｗ
Ｄの空乏化した第１の半導体光吸収層と、層厚ＷＡのｐ
型中性の第２の半導体光吸収層とで構成し、ＷＡとＷＤ
の比率を、光吸収層内での全体のキャリア走行時間τ
ｔｏｔが最小となるように設定した。更に、第１の半導
体光吸収層とｎ型半導体電極層との間に、第１の半導体
光吸収層よりも大きなバンドギャップを有する空乏化し
た半導体光透過層を備える構成とした。これにより、
「応答速度と内部量子効率のトレードオフ」の問題を大
幅に改善することが可能となり、特に、超高速信号処理
（≧４０Ｇｂｉｔ／ｓ）に用いるフォトダイオードにお
いて犠牲にされていた内部量子効率を大幅に向上させる
ことが可能となる。
量子効率のトレードオフ」の問題を大幅に改善し、高帯
域でかつ高内部量子効率のフォトダイオードを提供する
こと。 【解決手段】 フォトダイオードの光吸収層を、層厚Ｗ
Ｄの空乏化した第１の半導体光吸収層と、層厚ＷＡのｐ
型中性の第２の半導体光吸収層とで構成し、ＷＡとＷＤ
の比率を、光吸収層内での全体のキャリア走行時間τ
ｔｏｔが最小となるように設定した。更に、第１の半導
体光吸収層とｎ型半導体電極層との間に、第１の半導体
光吸収層よりも大きなバンドギャップを有する空乏化し
た半導体光透過層を備える構成とした。これにより、
「応答速度と内部量子効率のトレードオフ」の問題を大
幅に改善することが可能となり、特に、超高速信号処理
（≧４０Ｇｂｉｔ／ｓ）に用いるフォトダイオードにお
いて犠牲にされていた内部量子効率を大幅に向上させる
ことが可能となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、フォトダイオード
に関し、より詳細には、「応答速度と内部量子効率のト
レードオフ」の問題を大幅に改善した、高帯域・高内部
量子効率の超高速フォトダイオードに関する。
に関し、より詳細には、「応答速度と内部量子効率のト
レードオフ」の問題を大幅に改善した、高帯域・高内部
量子効率の超高速フォトダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】光検出器として用いられる従来のフォト
ダイオードの構造は、ｐｉｎフォトダイオード（ｐｉｎ
−ＰＤ）と単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ
−ＰＤ）の２つに大別される。
ダイオードの構造は、ｐｉｎフォトダイオード（ｐｉｎ
−ＰＤ）と単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ
−ＰＤ）の２つに大別される。
【０００３】このうち、ｐｉｎ−ＰＤは、逆バイアス印
加状態で空乏化するｉ型の光吸収層を、バンドギャップ
の大きなｐ型電極層とｎ型電極層とで挟んだ構造を有
し、必要とされる周波数応答に対して、活性域厚と内部
量子効率が決まる。
加状態で空乏化するｉ型の光吸収層を、バンドギャップ
の大きなｐ型電極層とｎ型電極層とで挟んだ構造を有
し、必要とされる周波数応答に対して、活性域厚と内部
量子効率が決まる。
【０００４】一方、ＵＴＣ−ＰＤは、逆バイアス印加状
態で空乏化しないように一定濃度以上のドーピングを行
なったｐ型中性の光吸収層と、逆バイアス印加状態で空
乏化するバンドギャップの大きなｉ層とを、ｐ型電極層
とｎ型電極層とで挟んだ構造を有し、その動作原理は特
開平９−２７５２２４号公報において詳細に説明されて
いる。
態で空乏化しないように一定濃度以上のドーピングを行
なったｐ型中性の光吸収層と、逆バイアス印加状態で空
乏化するバンドギャップの大きなｉ層とを、ｐ型電極層
とｎ型電極層とで挟んだ構造を有し、その動作原理は特
開平９−２７５２２４号公報において詳細に説明されて
いる。
【０００５】また、特開平１０−２３３５２４号公報に
は、光電変換効率を上げようとすると光吸収層を厚くす
る必要が生じ高速光信号に応答できないという従来のフ
ォトダイオードの問題を解決するために、光吸収層をｐ
型の上部光吸収層と高抵抗ｎ型の下部光吸収層の２層で
構成し、実質的に、ｐｉｎ−ＰＤ構造とＵＴＣ−ＰＤ構
造とを一つの構造で同時に実現したハイブリッド型の半
導体受光素子が開示されている。
は、光電変換効率を上げようとすると光吸収層を厚くす
る必要が生じ高速光信号に応答できないという従来のフ
ォトダイオードの問題を解決するために、光吸収層をｐ
型の上部光吸収層と高抵抗ｎ型の下部光吸収層の２層で
構成し、実質的に、ｐｉｎ−ＰＤ構造とＵＴＣ−ＰＤ構
造とを一つの構造で同時に実現したハイブリッド型の半
導体受光素子が開示されている。
【０００６】このような構成の半導体受光素子では、２
つの光吸収層の間に所定の逆バイアスが印加されると、
高抵抗ｎ型の下部光吸収層では、層の全域が空乏化され
て光励起キャリアである正孔の移動速度が大きくなり、
ｐ型の上部光吸収層では、例え層の全域が空乏化しない
状態でも光電変換に寄与する少数キャリアの電子は大き
な拡散速度を有することとなるため、応答速度が大きく
変化しない半導体受光素子が実現可能である。
つの光吸収層の間に所定の逆バイアスが印加されると、
高抵抗ｎ型の下部光吸収層では、層の全域が空乏化され
て光励起キャリアである正孔の移動速度が大きくなり、
ｐ型の上部光吸収層では、例え層の全域が空乏化しない
状態でも光電変換に寄与する少数キャリアの電子は大き
な拡散速度を有することとなるため、応答速度が大きく
変化しない半導体受光素子が実現可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
１０−２３３５２４号公報に記載の発明はフォトダイオ
ードの高効率化に主眼があり、要求される周波数応答帯
域に対してダイオードの構造をどのように設計するかに
ついての指針は示されておらず、また、そもそもこの技
術分野において、２層構成の光吸収層を有するダイオー
ドの構造が、フォトダイオードの高速化に有利か否かに
ついての議論はなされていない。
１０−２３３５２４号公報に記載の発明はフォトダイオ
ードの高効率化に主眼があり、要求される周波数応答帯
域に対してダイオードの構造をどのように設計するかに
ついての指針は示されておらず、また、そもそもこの技
術分野において、２層構成の光吸収層を有するダイオー
ドの構造が、フォトダイオードの高速化に有利か否かに
ついての議論はなされていない。
【０００８】フォトダイオードに光が入射すると、入射
光は光吸収層内で電子・正孔対を形成し、これらの電子
と正孔が層内で分離して、外部の電子回路に電流が流れ
る。一般に、光吸収層が厚くなると、層内でのキャリア
走行時間が長くなるためにフォトダイオードの応答速度
は低下する一方、光吸収層が厚いほど活性域で光を充分
に吸収することができるようになるため内部量子効率は
高くなる。つまり、フォトダイオードのパフォーマンス
を決定する因子である応答速度と内部量子効率とは光吸
収層厚を介してトレードオフの関係にあり、そのバラン
スをとることが重要である。
光は光吸収層内で電子・正孔対を形成し、これらの電子
と正孔が層内で分離して、外部の電子回路に電流が流れ
る。一般に、光吸収層が厚くなると、層内でのキャリア
走行時間が長くなるためにフォトダイオードの応答速度
は低下する一方、光吸収層が厚いほど活性域で光を充分
に吸収することができるようになるため内部量子効率は
高くなる。つまり、フォトダイオードのパフォーマンス
を決定する因子である応答速度と内部量子効率とは光吸
収層厚を介してトレードオフの関係にあり、そのバラン
スをとることが重要である。
【０００９】キャリアの走行速度で決まる真性の応答速
度について簡単に説明すると、ｐｉｎ−ＰＤの応答速度
は、ドリフト速度の遅い正孔の走行時間でほぼ決まり、
電子の走行速度を無視して近似した正孔の走行時間τＤ
は、光照射が均一の条件のもとで、 τＤ（ｐｉｎ）＝ＷＤ／３ｖｈ （１） で与えられ、また、応答速度の指標である周波数応答
（３ｄＢ帯域：ｆ３ｄＢ）は、 ｆ３ｄＢ（ｐｉｎ）＝１／（２πτＤ） （２） と近似される。ここで、ｖｈは正孔のドリフト速度、Ｗ
Ｄは空乏層厚である。
度について簡単に説明すると、ｐｉｎ−ＰＤの応答速度
は、ドリフト速度の遅い正孔の走行時間でほぼ決まり、
電子の走行速度を無視して近似した正孔の走行時間τＤ
は、光照射が均一の条件のもとで、 τＤ（ｐｉｎ）＝ＷＤ／３ｖｈ （１） で与えられ、また、応答速度の指標である周波数応答
（３ｄＢ帯域：ｆ３ｄＢ）は、 ｆ３ｄＢ（ｐｉｎ）＝１／（２πτＤ） （２） と近似される。ここで、ｖｈは正孔のドリフト速度、Ｗ
Ｄは空乏層厚である。
【００１０】一方、ＵＴＣ−ＰＤにおいては、逆バイア
ス印加状態で空乏化したバンドギャップの大きなｉ層中
の電子走行速度がｐ型中性の光吸収層中の正孔走行速度
よりも充分大きいため、実効的なキャリア走行時間τＡ
は、電子走行速度の遅い光吸収層によってほぼ支配さ
れ、光照射が均一の条件のもとで、 τＡ（ＵＴＣ−ＰＤ）＝ＷＡ ２／３Ｄｅ＋ＷＡ／ｖｔｈ （３） で与えられ、周波数応答（３ｄＢ帯域：ｆ３ｄＢ）も電
子の拡散電流で決まり、 ｆ３ｄＢ（ＵＴＣ−ＰＤ）＝１／（２πτＡ） （４） と近似される。ここで、Ｄｅは電子の拡散係数、ｖｔｈ
は電子の熱放出速度、Ｗ Ａはｐ型中性の光吸収層厚であ
る。
ス印加状態で空乏化したバンドギャップの大きなｉ層中
の電子走行速度がｐ型中性の光吸収層中の正孔走行速度
よりも充分大きいため、実効的なキャリア走行時間τＡ
は、電子走行速度の遅い光吸収層によってほぼ支配さ
れ、光照射が均一の条件のもとで、 τＡ（ＵＴＣ−ＰＤ）＝ＷＡ ２／３Ｄｅ＋ＷＡ／ｖｔｈ （３） で与えられ、周波数応答（３ｄＢ帯域：ｆ３ｄＢ）も電
子の拡散電流で決まり、 ｆ３ｄＢ（ＵＴＣ−ＰＤ）＝１／（２πτＡ） （４） と近似される。ここで、Ｄｅは電子の拡散係数、ｖｔｈ
は電子の熱放出速度、Ｗ Ａはｐ型中性の光吸収層厚であ
る。
【００１１】数式（１）〜（４）をもとに３ｄＢ帯域の
光吸収層厚依存性を求めると、ｐｉｎ−ＰＤの場合に
は、 ｆ３ｄＢ（ｐｉｎ）∝１／ＷＤ （５） となる一方、ＵＴＣ−ＰＤの場合には、ＷＡ／ｖｔｈの
項が相対的に小さい場合には、 ｆ３ｄＢ（ＵＴＣ−ＰＤ）∝１／ＷＡ ２ （６） となり、ｐｉｎ−ＰＤとＵＴＣ−ＰＤとで３ｄＢ帯域の
吸収層厚依存性が大きく異なっており、光吸収層が厚い
領域ではｐｉｎ−ＰＤの帯域が高く、光吸収層が薄くな
るに従ってＵＴＣ−ＰＤの帯域が高くなるという傾向を
示す。
光吸収層厚依存性を求めると、ｐｉｎ−ＰＤの場合に
は、 ｆ３ｄＢ（ｐｉｎ）∝１／ＷＤ （５） となる一方、ＵＴＣ−ＰＤの場合には、ＷＡ／ｖｔｈの
項が相対的に小さい場合には、 ｆ３ｄＢ（ＵＴＣ−ＰＤ）∝１／ＷＡ ２ （６） となり、ｐｉｎ−ＰＤとＵＴＣ−ＰＤとで３ｄＢ帯域の
吸収層厚依存性が大きく異なっており、光吸収層が厚い
領域ではｐｉｎ−ＰＤの帯域が高く、光吸収層が薄くな
るに従ってＵＴＣ−ＰＤの帯域が高くなるという傾向を
示す。
【００１２】応答速度を高めて高速動作のフォトダイオ
ードを設計するためにはＵＴＣ−ＰＤの構成を採用する
ことが有利であるが、その場合でも上述したように光吸
収層を薄くせざるを得ず、光吸収層の薄層化は内部量子
効率の低下を招いてしまう。このように、ＵＴＣ−ＰＤ
には、高速動作が可能である反面、高速動作を目的とす
る素子の内部量子効率が低下してしまうという「応答速
度と内部量子効率のトレードオフ」の問題は残る。
ードを設計するためにはＵＴＣ−ＰＤの構成を採用する
ことが有利であるが、その場合でも上述したように光吸
収層を薄くせざるを得ず、光吸収層の薄層化は内部量子
効率の低下を招いてしまう。このように、ＵＴＣ−ＰＤ
には、高速動作が可能である反面、高速動作を目的とす
る素子の内部量子効率が低下してしまうという「応答速
度と内部量子効率のトレードオフ」の問題は残る。
【００１３】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであって、その目的とするところは、フォトダイ
オードにおける上述した「応答速度と内部量子効率のト
レードオフ」の問題を改善し、高帯域でかつ高内部量子
効率のフォトダイオードを提供することにある。
たものであって、その目的とするところは、フォトダイ
オードにおける上述した「応答速度と内部量子効率のト
レードオフ」の問題を改善し、高帯域でかつ高内部量子
効率のフォトダイオードを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、このような目
的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ｎ型半
導体電極層と、第１の半導体光吸収層とｐ型を有する第
２の半導体光吸収層とから構成された光吸収層と、ｐ型
半導体電極層とが順次積層され、前記ｎ型半導体電極層
に設けられたｎ型電極と前記ｐ型半導体電極層に設けら
れたｐ型電極とを備え、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極と
の間に所定の逆バイアスを印加すると、前記第１の半導
体光吸収層は空乏化し、前記第２の半導体光吸収層は前
記第１の半導体光吸収層との界面近傍領域以外の領域が
中性となるフォトダイオードであって、前記第１の半導
体光吸収層の層厚（ＷＤ）と前記第２の半導体光吸収層
の層厚（ＷＡ）の和（Ｗ＝ＷＤ＋ＷＡ）で与えられる一
定の層厚の前記光吸収層内において、前記第１の半導体
光吸収層の層厚をＷＤ−ΔＷとし、前記第２の半導体光
吸収層の層厚をＷＡ＋ΔＷとした場合の、前記第１の半
導体光吸収層内の正孔走行時間の減少分（−ΔτＤ）と
前記第２の半導体光吸収層内の電子走行時間の増加分
（ΔτＡ）とが、｜ΔτＡ｜＝｜−ΔτＤ｜となるよう
にＷＤとＷＡの比率を設定したことを特徴とする。
的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ｎ型半
導体電極層と、第１の半導体光吸収層とｐ型を有する第
２の半導体光吸収層とから構成された光吸収層と、ｐ型
半導体電極層とが順次積層され、前記ｎ型半導体電極層
に設けられたｎ型電極と前記ｐ型半導体電極層に設けら
れたｐ型電極とを備え、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極と
の間に所定の逆バイアスを印加すると、前記第１の半導
体光吸収層は空乏化し、前記第２の半導体光吸収層は前
記第１の半導体光吸収層との界面近傍領域以外の領域が
中性となるフォトダイオードであって、前記第１の半導
体光吸収層の層厚（ＷＤ）と前記第２の半導体光吸収層
の層厚（ＷＡ）の和（Ｗ＝ＷＤ＋ＷＡ）で与えられる一
定の層厚の前記光吸収層内において、前記第１の半導体
光吸収層の層厚をＷＤ−ΔＷとし、前記第２の半導体光
吸収層の層厚をＷＡ＋ΔＷとした場合の、前記第１の半
導体光吸収層内の正孔走行時間の減少分（−ΔτＤ）と
前記第２の半導体光吸収層内の電子走行時間の増加分
（ΔτＡ）とが、｜ΔτＡ｜＝｜−ΔτＤ｜となるよう
にＷＤとＷＡの比率を設定したことを特徴とする。
【００１５】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載のフォトダイオードにおいて、前記第１の半導体
光吸収層及び前記第２の半導体光吸収層の各々が、Ｉｎ
ｘＧａ１―ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ及びｙ≦１）で表
記される相互に同一又は相違する組成の化合物半導体か
ら構成されていることを特徴とする。
に記載のフォトダイオードにおいて、前記第１の半導体
光吸収層及び前記第２の半導体光吸収層の各々が、Ｉｎ
ｘＧａ１―ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ及びｙ≦１）で表
記される相互に同一又は相違する組成の化合物半導体か
ら構成されていることを特徴とする。
【００１６】また、請求項３に記載の発明は、請求項２
に記載のフォトダイオードにおいて、前記ＷＤとＷＡの
比率は、次式で与えられるτｔｏｔを最小とするように
設定されることを特徴とする。 τｔｏｔ＝ＷＡ ３／（３ＷＤｅ）＋ＷＡ ２／（Ｗ
ｖｔｈ）＋ＷＤ ２／（３Ｗｖｈ） （Ｄｅ：電子の拡散係数、ｖｔｈ：電子の熱放出速度、
ｖｈ：正孔のドリフト速度）
に記載のフォトダイオードにおいて、前記ＷＤとＷＡの
比率は、次式で与えられるτｔｏｔを最小とするように
設定されることを特徴とする。 τｔｏｔ＝ＷＡ ３／（３ＷＤｅ）＋ＷＡ ２／（Ｗ
ｖｔｈ）＋ＷＤ ２／（３Ｗｖｈ） （Ｄｅ：電子の拡散係数、ｖｔｈ：電子の熱放出速度、
ｖｈ：正孔のドリフト速度）
【００１７】更に、請求項４に記載の発明は、請求項
１、２、又は３に記載のフォトダイオードにおいて、前
記第１の半導体光吸収層と前記ｎ型半導体電極層との間
に、前記第１の半導体光吸収層よりも大きなバンドギャ
ップを有する半導体光透過層を備え、該半導体光透過層
は、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極との間に所定の逆バイ
アスを印加すると空乏化することを特徴とする。
１、２、又は３に記載のフォトダイオードにおいて、前
記第１の半導体光吸収層と前記ｎ型半導体電極層との間
に、前記第１の半導体光吸収層よりも大きなバンドギャ
ップを有する半導体光透過層を備え、該半導体光透過層
は、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極との間に所定の逆バイ
アスを印加すると空乏化することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明の
実施の形態について説明するが、本発明のフォトダイオ
ードの設計に至った着想は以下のとおりである。一般
に、２つに分割された領域Ｉ及び領域IIで光吸収が生じ
る場合、Ｉ領域の光周波数応答はII領域の構造パラメー
タをも含み、II領域の光吸収領域の光周波数応答は、Ｉ
領域の構造パラメータをも含む。すなわち、Ｉ領域の応
答遅延時間は、Ｉ領域のキャリア走行時間とII領域のキ
ャリア走行時間との関数であり、II領域の応答遅延時間
についても同様の関係を有する。従って、Ｉ領域とII領
域とが接続された構造の全応答は、Ｉ領域とII領域のそ
れぞれが独立に存在する構造の応答を並列に重ね合わせ
た応答とはならない。例えば、ｐｉｎ−ＰＤにおいて、
光吸収層の層厚を２倍にすると、遅延時間は２倍となり
帯域は１／２となってしまう。
実施の形態について説明するが、本発明のフォトダイオ
ードの設計に至った着想は以下のとおりである。一般
に、２つに分割された領域Ｉ及び領域IIで光吸収が生じ
る場合、Ｉ領域の光周波数応答はII領域の構造パラメー
タをも含み、II領域の光吸収領域の光周波数応答は、Ｉ
領域の構造パラメータをも含む。すなわち、Ｉ領域の応
答遅延時間は、Ｉ領域のキャリア走行時間とII領域のキ
ャリア走行時間との関数であり、II領域の応答遅延時間
についても同様の関係を有する。従って、Ｉ領域とII領
域とが接続された構造の全応答は、Ｉ領域とII領域のそ
れぞれが独立に存在する構造の応答を並列に重ね合わせ
た応答とはならない。例えば、ｐｉｎ−ＰＤにおいて、
光吸収層の層厚を２倍にすると、遅延時間は２倍となり
帯域は１／２となってしまう。
【００１９】しかし、ここで、「Ｉ領域とII領域の依存
関係」を低減させることが可能となれば、全応答はＩ領
域とII領域とがそれぞれ独立に存在する構造の応答を並
列に重ね合わせたものとすることが可能となるのであ
る。
関係」を低減させることが可能となれば、全応答はＩ領
域とII領域とがそれぞれ独立に存在する構造の応答を並
列に重ね合わせたものとすることが可能となるのであ
る。
【００２０】（実施例１）図１は、本発明のフォトダイ
オードの構成例を説明するための図で、単層又はバンド
ギャップの異なる多層のｎ型半導体電極層１１と、逆バ
イアス印加状態で空乏化する膜厚ＷＤの第１の半導体光
吸収層１２と、逆バイアス印加状態でｐ型中性の膜厚Ｗ
Ａの第２の半導体光吸収層１３と、単層又はバンドギャ
ップの異なる多層のｐ型半導体電極層１４とが順次積層
され、ｎ型半導体電極層１１上に設けられたｎ型電極１
５とｐ型半導体電極層１４上に設けられたｐ型電極１６
とから構成されており、第１の半導体光吸収層１２と第
２の半導体光吸収層１３の層厚の比は、それらの層厚の
和Ｗ（＝ＷＤ＋ＷＡ）が一定の条件の下で、所定の動作
条件で応答速度が最大となるように設定されている。
オードの構成例を説明するための図で、単層又はバンド
ギャップの異なる多層のｎ型半導体電極層１１と、逆バ
イアス印加状態で空乏化する膜厚ＷＤの第１の半導体光
吸収層１２と、逆バイアス印加状態でｐ型中性の膜厚Ｗ
Ａの第２の半導体光吸収層１３と、単層又はバンドギャ
ップの異なる多層のｐ型半導体電極層１４とが順次積層
され、ｎ型半導体電極層１１上に設けられたｎ型電極１
５とｐ型半導体電極層１４上に設けられたｐ型電極１６
とから構成されており、第１の半導体光吸収層１２と第
２の半導体光吸収層１３の層厚の比は、それらの層厚の
和Ｗ（＝ＷＤ＋ＷＡ）が一定の条件の下で、所定の動作
条件で応答速度が最大となるように設定されている。
【００２１】Ｗが一定であれば、ＷＡとＷＤの比が変化
しても第１の半導体光吸収層と第２の半導体光吸収層か
らなる半導体光吸収層全体の光吸収係数は殆ど変化せ
ず、フォトダイオードの内部量子効率は変化しないか
ら、フォトダイオードとしてのパフォーマンスは応答速
度で決定されることとなる。
しても第１の半導体光吸収層と第２の半導体光吸収層か
らなる半導体光吸収層全体の光吸収係数は殆ど変化せ
ず、フォトダイオードの内部量子効率は変化しないか
ら、フォトダイオードとしてのパフォーマンスは応答速
度で決定されることとなる。
【００２２】図２は、図１に示した半導体光吸収層中で
のキャリア走行時間を模式的に説明するための図で、層
厚ＷＤの空乏化した第１の半導体光吸収層１２と、層厚
ＷＡのｐ型中性の第２の半導体光吸収層１３の層厚の和
Ｗ（＝ＷＤ＋ＷＡ）を一定にする条件の基で、これらの
層厚の比を変化させた場合の、各半導体光吸収層中のキ
ャリア走行時間（τＤ、τＡ）、キャリア走行時間の
和、及び、実効的な半導体光吸収層全体のキャリア走行
時間（τｔｏｔ）を模式的に示したものである。
のキャリア走行時間を模式的に説明するための図で、層
厚ＷＤの空乏化した第１の半導体光吸収層１２と、層厚
ＷＡのｐ型中性の第２の半導体光吸収層１３の層厚の和
Ｗ（＝ＷＤ＋ＷＡ）を一定にする条件の基で、これらの
層厚の比を変化させた場合の、各半導体光吸収層中のキ
ャリア走行時間（τＤ、τＡ）、キャリア走行時間の
和、及び、実効的な半導体光吸収層全体のキャリア走行
時間（τｔｏｔ）を模式的に示したものである。
【００２３】図２から分かるように、フォトダイオード
の応答速度を決定するファクターである光吸収層全体の
キャリア走行時間τｔｏｔは、ＷＡ部分の電子走行時間
τＡとＷＤ部分の正孔走行時間τＤとの単純和とはなら
ない。これは、空乏化した半導体光吸収層１２内で生成
したキャリアに起因する電流と、ｐ型中性の半導体光吸
収層１３内で生成したキャリアに起因する電流とが光吸
収層内を同時に流れることによる。
の応答速度を決定するファクターである光吸収層全体の
キャリア走行時間τｔｏｔは、ＷＡ部分の電子走行時間
τＡとＷＤ部分の正孔走行時間τＤとの単純和とはなら
ない。これは、空乏化した半導体光吸収層１２内で生成
したキャリアに起因する電流と、ｐ型中性の半導体光吸
収層１３内で生成したキャリアに起因する電流とが光吸
収層内を同時に流れることによる。
【００２４】図３は、ｐ型中性の半導体光吸収層と空乏
化した半導体光吸収層の各々の層内で生成したキャリア
の移動の様子を説明するためのバンドダイアグラムで、
単層又はバンドギャップの異なる多層のｎ型半導体電極
層３１と、逆バイアス印加状態で空乏化する膜厚ＷＤの
第１の半導体光吸収層３２と、ｐ型中性の膜厚ＷＡの第
２の半導体光吸収層３３と、単層又はバンドギャップの
異なる多層のｐ型半導体電極層３４とが順次積層された
半導体構造の半導体光吸収層に光が照射されると、第１
の半導体光吸収層３２と第２の半導体光吸収層３３の各
々の層内において電子・正孔対が発生し、電子はｎ型半
導体電極３１側へと移動し、正孔はｐ型半導体電極３４
側へと移動するという、いわば並列回路を構成した電流
が流れる状態が実現される。
化した半導体光吸収層の各々の層内で生成したキャリア
の移動の様子を説明するためのバンドダイアグラムで、
単層又はバンドギャップの異なる多層のｎ型半導体電極
層３１と、逆バイアス印加状態で空乏化する膜厚ＷＤの
第１の半導体光吸収層３２と、ｐ型中性の膜厚ＷＡの第
２の半導体光吸収層３３と、単層又はバンドギャップの
異なる多層のｐ型半導体電極層３４とが順次積層された
半導体構造の半導体光吸収層に光が照射されると、第１
の半導体光吸収層３２と第２の半導体光吸収層３３の各
々の層内において電子・正孔対が発生し、電子はｎ型半
導体電極３１側へと移動し、正孔はｐ型半導体電極３４
側へと移動するという、いわば並列回路を構成した電流
が流れる状態が実現される。
【００２５】このとき、τＡのＷＡ依存性とτＤのＷＤ
依存性は、各々、τＡ∝ＷＡ ２、及び、τＤ∝ＷＤであ
り、光吸収層厚依存性が異なるため、光吸収層厚Ｗ一定
の条件の下で、τＡの増加量（ΔτＡ）よりもτＤの減
少量（−ΔτＤ）の方が大きくなる条件｜ΔτＡ｜＜｜
−ΔτＤ｜が存在する場合には、層厚Ｗの全光吸収層の
一部を層厚ＷＡのｐ型中性の光吸収層とすることによっ
て、光吸収層全体のキャリア走行時間τｔｏｔが低下す
ることになる。結局、ダイオード全体の実効的なキャリ
ア走行時間は、｜ΔτＡ｜＝｜−ΔτＤ｜のときに最小
値をとることとなる。この現象は、単位体積当たりのキ
ャリア生成速度Ｇ（ｃｍ−２・ｓ）一定の均一な光照射
がなされる場合の光吸収層内でのキャリア生成の様子
を、単純な電荷制御モデルによって取り扱うことにより
理解することができる。
依存性は、各々、τＡ∝ＷＡ ２、及び、τＤ∝ＷＤであ
り、光吸収層厚依存性が異なるため、光吸収層厚Ｗ一定
の条件の下で、τＡの増加量（ΔτＡ）よりもτＤの減
少量（−ΔτＤ）の方が大きくなる条件｜ΔτＡ｜＜｜
−ΔτＤ｜が存在する場合には、層厚Ｗの全光吸収層の
一部を層厚ＷＡのｐ型中性の光吸収層とすることによっ
て、光吸収層全体のキャリア走行時間τｔｏｔが低下す
ることになる。結局、ダイオード全体の実効的なキャリ
ア走行時間は、｜ΔτＡ｜＝｜−ΔτＤ｜のときに最小
値をとることとなる。この現象は、単位体積当たりのキ
ャリア生成速度Ｇ（ｃｍ−２・ｓ）一定の均一な光照射
がなされる場合の光吸収層内でのキャリア生成の様子
を、単純な電荷制御モデルによって取り扱うことにより
理解することができる。
【００２６】光照射によって光吸収層内に電子・正孔対
が形成されて光電流Ｊ（＝ｑＧＷ）が発生するが、一般
に、光電流量が増大すると、ｐ型中性の半導体光吸収層
内の電子電荷−ＱＡ、及び、空乏化した半導体光吸収層
内及びその近傍領域の正孔電荷ＱＤも増加する。
が形成されて光電流Ｊ（＝ｑＧＷ）が発生するが、一般
に、光電流量が増大すると、ｐ型中性の半導体光吸収層
内の電子電荷−ＱＡ、及び、空乏化した半導体光吸収層
内及びその近傍領域の正孔電荷ＱＤも増加する。
【００２７】ｐ型中性の半導体光吸収層内の電子電荷−
ＱＡは、拡散モデルによる取り扱いでは、 −ＱＡ＝−ｑＧ（ＷＡ ３／（３Ｄｅ）＋ＷＡ ２／ｖｔｈ） （７） で与えられる。
ＱＡは、拡散モデルによる取り扱いでは、 −ＱＡ＝−ｑＧ（ＷＡ ３／（３Ｄｅ）＋ＷＡ ２／ｖｔｈ） （７） で与えられる。
【００２８】また、τＡが、ＱＡの微分量ΔＱＡと、Ｗ
Ａ層内の光電流ＪＡ（＝ｑＧＷＡ）の微分量ΔＪＡとを
用いて、 τＡ＝ΔＱＡ／ΔＪＡ （８） と表されることを考慮すると、τＡは、 τＡ＝（ＷＡ ２／（３Ｄｅ）＋ＷＡ／ｖｔｈ） （９） と表現できる。
Ａ層内の光電流ＪＡ（＝ｑＧＷＡ）の微分量ΔＪＡとを
用いて、 τＡ＝ΔＱＡ／ΔＪＡ （８） と表されることを考慮すると、τＡは、 τＡ＝（ＷＡ ２／（３Ｄｅ）＋ＷＡ／ｖｔｈ） （９） と表現できる。
【００２９】一方、ＱＤは、空乏化した光吸収層内部で
ｑＧＷＤ ２／２だけ増加し、ｐ型中性の光吸収層と空乏
化した光吸収層との界面でｑＧＷＤ ３／３だけ減少する
から、 ＱＤ＝ｑＧＷＤ ２／６ｖｈ （１０） で与えられる。
ｑＧＷＤ ２／２だけ増加し、ｐ型中性の光吸収層と空乏
化した光吸収層との界面でｑＧＷＤ ３／３だけ減少する
から、 ＱＤ＝ｑＧＷＤ ２／６ｖｈ （１０） で与えられる。
【００３０】また、τＤが、ＱＤの微分量ΔＱＤと、Ｗ
Ｄ層内の光電流ＪＤ（＝ｑＧＷＤ）の微分量ΔＪＤとを
用いて、 τＤ＝２ΔＱＤ／ΔＪＤ （１１） と表されることを考慮すると、τＤは、 τＤ＝ＷＤ／３ｖｈ （１２） で与えられる。なお、数式（１１）の右辺で２の係数が
ついているのは、正孔電流が全電流の１／２であること
による。
Ｄ層内の光電流ＪＤ（＝ｑＧＷＤ）の微分量ΔＪＤとを
用いて、 τＤ＝２ΔＱＤ／ΔＪＤ （１１） と表されることを考慮すると、τＤは、 τＤ＝ＷＤ／３ｖｈ （１２） で与えられる。なお、数式（１１）の右辺で２の係数が
ついているのは、正孔電流が全電流の１／２であること
による。
【００３１】図１及び図３に示した構成のフォトダイオ
ードの光周波数応答をより一般的に説明すると、第１の
半導体光吸収層（空乏層）に光信号が入力された場合の
光周波数応答をＲ１（ω）、第２の半導体光吸収層（ｐ
形中性層）に光信号が入力された場合の光周波数応答を
Ｒ２（ω）とすると、第２の半導体光吸収層で発生した
電子は、第１の半導体光吸収層の端から注入されてそこ
を通過するため、第２の半導体光吸収層独立の応答をＲ
２２（ω）、電子の第１の半導体光吸収層の通過に伴う
応答をＲ２１（ω）として、Ｒ２（ω）はこれらの積Ｒ
２２（ω）・Ｒ ２１（ω）で与えられる。ここで、対象
としているフォトダイオードはＩｎＧａＡｓＰ系の半導
体材料を用いて構成するため、第１の半導体光吸収層中
の電子速度（走行時間）が第２の半導体光吸収層中の電
子速度（走行時間）よりも充分高く（短く）、Ｒ
２（ω）〜Ｒ２２（ω）と近似可能な光吸収層の設計範
囲が存在し得て、そのように近似することができる。
ードの光周波数応答をより一般的に説明すると、第１の
半導体光吸収層（空乏層）に光信号が入力された場合の
光周波数応答をＲ１（ω）、第２の半導体光吸収層（ｐ
形中性層）に光信号が入力された場合の光周波数応答を
Ｒ２（ω）とすると、第２の半導体光吸収層で発生した
電子は、第１の半導体光吸収層の端から注入されてそこ
を通過するため、第２の半導体光吸収層独立の応答をＲ
２２（ω）、電子の第１の半導体光吸収層の通過に伴う
応答をＲ２１（ω）として、Ｒ２（ω）はこれらの積Ｒ
２２（ω）・Ｒ ２１（ω）で与えられる。ここで、対象
としているフォトダイオードはＩｎＧａＡｓＰ系の半導
体材料を用いて構成するため、第１の半導体光吸収層中
の電子速度（走行時間）が第２の半導体光吸収層中の電
子速度（走行時間）よりも充分高く（短く）、Ｒ
２（ω）〜Ｒ２２（ω）と近似可能な光吸収層の設計範
囲が存在し得て、そのように近似することができる。
【００３２】一方、第１の半導体光吸収層から発生した
電子と正孔による電流は、この層の両端領域が電荷中性
（多数キャリアが存在）となっているために、ほぼその
まま外部回路へと流れ、第１の半導体光吸収層と第２の
半導体光吸収層とがそれぞれ独立に存在する構造での応
答を並列に重ね合わせた応答、すなわち、Ｒ
ｔｏｔ（ω）〜Ｒ１（ω）＋Ｒ２（ω）の条件が実現で
きることとなる。
電子と正孔による電流は、この層の両端領域が電荷中性
（多数キャリアが存在）となっているために、ほぼその
まま外部回路へと流れ、第１の半導体光吸収層と第２の
半導体光吸収層とがそれぞれ独立に存在する構造での応
答を並列に重ね合わせた応答、すなわち、Ｒ
ｔｏｔ（ω）〜Ｒ１（ω）＋Ｒ２（ω）の条件が実現で
きることとなる。
【００３３】ここで、電荷制御モデルによる取り扱いに
おいて、拡散電流とドリフト電流とが並列で流れる回路
の全応答Ｊ（ω）は、 Ｊ（ω）＝ＪＤＣ［（ＷＡ／Ｗ）／（１＋ｊωτＡ） ＋（ＷＤ／Ｗ）／（１＋ｊωτＤ）］ （１３） となり、低周波領域では、 Ｊ（ω）≒ＪＤＣ［１−ｊω（ＷＡτＡ＋ＷＤτＤ）／Ｗ］ （１４ ） と近似されるので、結局、全体のキャリア走行時間τｔｏｔは、 τｔｏｔ≒（ＷＡτＡ＋ＷＤτＤ）／Ｗ ＝［ＷＡ ２／（３Ｄｅ）＋ＷＡ／ｖｔｈ］（ＷＡ／Ｗ） ＋［ＷＤ／３ｖｈ］（ＷＤ／Ｗ） ＝ＷＡ ３／（３ＷＤｅ）＋ＷＡ ２／（Ｗｖｔｈ）＋ＷＤ ２／（３Ｗｖｈ） （１５）となる。
おいて、拡散電流とドリフト電流とが並列で流れる回路
の全応答Ｊ（ω）は、 Ｊ（ω）＝ＪＤＣ［（ＷＡ／Ｗ）／（１＋ｊωτＡ） ＋（ＷＤ／Ｗ）／（１＋ｊωτＤ）］ （１３） となり、低周波領域では、 Ｊ（ω）≒ＪＤＣ［１−ｊω（ＷＡτＡ＋ＷＤτＤ）／Ｗ］ （１４ ） と近似されるので、結局、全体のキャリア走行時間τｔｏｔは、 τｔｏｔ≒（ＷＡτＡ＋ＷＤτＤ）／Ｗ ＝［ＷＡ ２／（３Ｄｅ）＋ＷＡ／ｖｔｈ］（ＷＡ／Ｗ） ＋［ＷＤ／３ｖｈ］（ＷＤ／Ｗ） ＝ＷＡ ３／（３ＷＤｅ）＋ＷＡ ２／（Ｗｖｔｈ）＋ＷＤ ２／（３Ｗｖｈ） （１５）となる。
【００３４】応答速度を大きくするためには、数式（１
５）で与えられるτｔｏｔを最小にすれば良く、応答速
度（及びその指標である３ｄＢ帯域）は、ＷＡとＷＤの
比率を設定することで最大とすることが可能となる。
５）で与えられるτｔｏｔを最小にすれば良く、応答速
度（及びその指標である３ｄＢ帯域）は、ＷＡとＷＤの
比率を設定することで最大とすることが可能となる。
【００３５】なお、数式（１５）から分かるように、τ
ｔｏｔは、［ＷＡ ２／（３Ｄｅ）＋ＷＡ／ｖｔｈ］（Ｗ
Ａ／Ｗ）と［ＷＤ／３ｖｈ］（ＷＤ／Ｗ）の成分からな
り、ＷＡとＷＤの各々が全光吸収層厚Ｗに占める比率に
依存し、ＷＡ＝０（空乏化した半導体光吸収層のみ）及
びＷＡ＝Ｗ（ｐ型中性の半導体光吸収層のみ）の構造の
フォトダイオードのキャリア走行時間は、各々、上述し
た数式（１）及び数式（３）で与えられるキャリア走行
時間に一致する。
ｔｏｔは、［ＷＡ ２／（３Ｄｅ）＋ＷＡ／ｖｔｈ］（Ｗ
Ａ／Ｗ）と［ＷＤ／３ｖｈ］（ＷＤ／Ｗ）の成分からな
り、ＷＡとＷＤの各々が全光吸収層厚Ｗに占める比率に
依存し、ＷＡ＝０（空乏化した半導体光吸収層のみ）及
びＷＡ＝Ｗ（ｐ型中性の半導体光吸収層のみ）の構造の
フォトダイオードのキャリア走行時間は、各々、上述し
た数式（１）及び数式（３）で与えられるキャリア走行
時間に一致する。
【００３６】これに対して、ＷＡとＷＤが共に有限の膜
厚を有する構造の本発明のフォトダイオードのτｔｏｔ
は、Ｗ２／（３Ｄｅ）＋Ｗ／ｖｔｈ、及び、Ｗ／３ｖｈ
の何れの値よりも小さくなり得るから、ｐｉｎ−ＰＤ及
びＵＴＣ−ＰＤよりも小さなτｔｏｔを得ることが可能
で、より高速な応答が可能となる。
厚を有する構造の本発明のフォトダイオードのτｔｏｔ
は、Ｗ２／（３Ｄｅ）＋Ｗ／ｖｔｈ、及び、Ｗ／３ｖｈ
の何れの値よりも小さくなり得るから、ｐｉｎ−ＰＤ及
びＵＴＣ−ＰＤよりも小さなτｔｏｔを得ることが可能
で、より高速な応答が可能となる。
【００３７】このように、図１及び図３に示した構成の
本発明のフォトダイオードによれば、２つに分割された
半導体光吸収領域の依存関係を低減させることが可能と
なり、フォトダイオードの全応答は、これら２つの領域
がそれぞれ独立に存在する構造の応答を並列に重ね合わ
せたものとすることが可能となる。
本発明のフォトダイオードによれば、２つに分割された
半導体光吸収領域の依存関係を低減させることが可能と
なり、フォトダイオードの全応答は、これら２つの領域
がそれぞれ独立に存在する構造の応答を並列に重ね合わ
せたものとすることが可能となる。
【００３８】図４は、層厚ＷＤの空乏化したＩｎＧａＡ
ｓ光吸収層と層厚ＷＡのｐ型中性のＩｎＧａＡｓ光吸収
層とを備える本発明のフォトダイオードの光吸収層内で
の、全体のキャリア走行時間τｔｏｔと３ｄＢ帯域ｆ
３ｄＢとを上述したモデルに基づく計算により求めた結
果を説明するための図で、電子の拡散係数をＤｅ＝２０
０ｃｍ２／ｓ、正孔速度をｖｈ＝５×１０６ｃｍ／ｓ、
ＩｎＧａＡｓ光吸収層の全厚をＷ＝ＷＡ＋ＷＤ＝０．４
μｍ一定とし、Ｗに対するＷＡの割合に対して全体のキ
ャリア走行時間τｔｏｔ及び３ｄＢ帯域ｆ３ｄＢがどの
ように変化するかを示したものである。
ｓ光吸収層と層厚ＷＡのｐ型中性のＩｎＧａＡｓ光吸収
層とを備える本発明のフォトダイオードの光吸収層内で
の、全体のキャリア走行時間τｔｏｔと３ｄＢ帯域ｆ
３ｄＢとを上述したモデルに基づく計算により求めた結
果を説明するための図で、電子の拡散係数をＤｅ＝２０
０ｃｍ２／ｓ、正孔速度をｖｈ＝５×１０６ｃｍ／ｓ、
ＩｎＧａＡｓ光吸収層の全厚をＷ＝ＷＡ＋ＷＤ＝０．４
μｍ一定とし、Ｗに対するＷＡの割合に対して全体のキ
ャリア走行時間τｔｏｔ及び３ｄＢ帯域ｆ３ｄＢがどの
ように変化するかを示したものである。
【００３９】図４から分かるように、本発明のフォトダ
イオードのｆ３ｄＢの値は、ＷＡ＝０．１８μｍ（ＷＤ
＝０．２２μｍ）の場合に１１６ＧＨｚの最大値をと
る。これに対して、ＷＡ＝０（ＷＤ＝Ｗ）の場合に対応
するｐｉｎ−ＰＤのｆ３ｄＢは６０ＧＨｚであり、ＷＡ
＝Ｗ（ＷＤ＝０）の場合に対応するＵＴＣ−ＰＤのｆ３
ｄＢは３７ＧＨｚであるから、本発明のフォトダイオー
ドによってｆ３ｄＢが大幅に増大することになる。な
お、τｔｏｔは全光吸収層厚Ｗの増加とともに単調に増
加するため、帯域を最大にするＷＡとＷＤの組み合わせ
は、その帯域に対する最大内部量子効率を与える組み合
わせでもある。
イオードのｆ３ｄＢの値は、ＷＡ＝０．１８μｍ（ＷＤ
＝０．２２μｍ）の場合に１１６ＧＨｚの最大値をと
る。これに対して、ＷＡ＝０（ＷＤ＝Ｗ）の場合に対応
するｐｉｎ−ＰＤのｆ３ｄＢは６０ＧＨｚであり、ＷＡ
＝Ｗ（ＷＤ＝０）の場合に対応するＵＴＣ−ＰＤのｆ３
ｄＢは３７ＧＨｚであるから、本発明のフォトダイオー
ドによってｆ３ｄＢが大幅に増大することになる。な
お、τｔｏｔは全光吸収層厚Ｗの増加とともに単調に増
加するため、帯域を最大にするＷＡとＷＤの組み合わせ
は、その帯域に対する最大内部量子効率を与える組み合
わせでもある。
【００４０】（実施例２）図５は、本発明のフォトダイ
オードの他の構成例を説明するための図で、単層又はバ
ンドギャップの異なる多層のｎ型半導体電極層５１と、
逆バイアス印加状態で空乏化する半導体光透過層５２
と、逆バイアス印加状態で空乏化する膜厚Ｗ Ｄの第１の
半導体光吸収層５３と、逆バイアス印加状態でｐ型中性
の膜厚ＷＡの第２の半導体光吸収層５４と、単層又はバ
ンドギャップの異なる多層のｐ型半導体電極層５５とが
順次積層され、ｎ型半導体電極層５１上に設けられたｎ
型電極５６とｐ型半導体電極層５５上に設けられたｐ型
電極５７とから構成されており、半導体光透過層５２は
第１の半導体光吸収層５３よりも大きなバンドギャップ
を有するように設計されている。
オードの他の構成例を説明するための図で、単層又はバ
ンドギャップの異なる多層のｎ型半導体電極層５１と、
逆バイアス印加状態で空乏化する半導体光透過層５２
と、逆バイアス印加状態で空乏化する膜厚Ｗ Ｄの第１の
半導体光吸収層５３と、逆バイアス印加状態でｐ型中性
の膜厚ＷＡの第２の半導体光吸収層５４と、単層又はバ
ンドギャップの異なる多層のｐ型半導体電極層５５とが
順次積層され、ｎ型半導体電極層５１上に設けられたｎ
型電極５６とｐ型半導体電極層５５上に設けられたｐ型
電極５７とから構成されており、半導体光透過層５２は
第１の半導体光吸収層５３よりも大きなバンドギャップ
を有するように設計されている。
【００４１】図６は、図５に示したｐ型中性の半導体光
吸収層と空乏化した半導体光吸収層の各々の層内で生成
したキャリアの移動の様子を説明するためのバンドダイ
アグラムで、単層又はバンドギャップの異なる多層のｎ
型半導体電極層６１と、逆バイアス印加状態で空乏化す
る半導体光透過層６２と、逆バイアス印加状態で空乏化
する膜厚ＷＤの第１の半導体光吸収層６３と、逆バイア
ス印加状態でｐ型中性の膜厚ＷＡの第２の半導体光吸収
層６４と、単層又はバンドギャップの異なる多層のｐ型
半導体電極層６５とが順次積層された半導体構造の半導
体光吸収層に光が照射されると、各々の半導体光吸収層
内において電子・正孔対が発生し、電子はｎ型電極６１
側へ移動し、正孔はｐ型電極６５側へ移動するという、
いわば並列回路中を電流が流れる状態が実現される。
吸収層と空乏化した半導体光吸収層の各々の層内で生成
したキャリアの移動の様子を説明するためのバンドダイ
アグラムで、単層又はバンドギャップの異なる多層のｎ
型半導体電極層６１と、逆バイアス印加状態で空乏化す
る半導体光透過層６２と、逆バイアス印加状態で空乏化
する膜厚ＷＤの第１の半導体光吸収層６３と、逆バイア
ス印加状態でｐ型中性の膜厚ＷＡの第２の半導体光吸収
層６４と、単層又はバンドギャップの異なる多層のｐ型
半導体電極層６５とが順次積層された半導体構造の半導
体光吸収層に光が照射されると、各々の半導体光吸収層
内において電子・正孔対が発生し、電子はｎ型電極６１
側へ移動し、正孔はｐ型電極６５側へ移動するという、
いわば並列回路中を電流が流れる状態が実現される。
【００４２】図５に示した構造のフォトダイオードで
は、半導体光透過層５２が逆バイアス印加状態で空乏化
するように設計されているので、動作時の半導体光透過
層５２内での電子電荷の増大は顕著となることはなく、
ｐｎ接合幅が広がるとともに、接合容量を低くすること
が可能である。また、空乏化した第１の半導体光吸収層
５３内のキャリア走行時間は、正孔の走行時間が一定で
あれば大きな変化がなく、全体のキャリア走行時間τ
ｔｏｔは殆ど増加することはない。
は、半導体光透過層５２が逆バイアス印加状態で空乏化
するように設計されているので、動作時の半導体光透過
層５２内での電子電荷の増大は顕著となることはなく、
ｐｎ接合幅が広がるとともに、接合容量を低くすること
が可能である。また、空乏化した第１の半導体光吸収層
５３内のキャリア走行時間は、正孔の走行時間が一定で
あれば大きな変化がなく、全体のキャリア走行時間τ
ｔｏｔは殆ど増加することはない。
【００４３】ここで、実施例１で説明した場合と同様
に、ダイオードの応答を電荷制御モデルで取り扱うと、
第１の半導体光吸収層の層厚をＷＤ、第２の半導体光吸
収層の層厚をＷＡ、半導体光透過層の層厚をＷＴとし、
かつ、第１及び第２の半導体光吸収層の層厚和Ｗ（＝Ｗ
Ｄ＋ＷＡ）を一定とする条件の基での全体のキャリア走
行時間（τｔｏｔ）は、 τｔｏｔ＝ＷＡ ３／（３ＷＤｅ）＋Ｗ２ Ａ／（Ｗｖｔｈ） ＋［ＷＤ ３／（ＷＤ＋ＷＴ）］／（３Ｗｖｈ） （１６） となる。この結果を数式（１５）で得られた比較とする
と、数式（１６）の第３項の値が、ＷＤ／（ＷＤ＋
ＷＴ）だけ小さくなることが理解できる。
に、ダイオードの応答を電荷制御モデルで取り扱うと、
第１の半導体光吸収層の層厚をＷＤ、第２の半導体光吸
収層の層厚をＷＡ、半導体光透過層の層厚をＷＴとし、
かつ、第１及び第２の半導体光吸収層の層厚和Ｗ（＝Ｗ
Ｄ＋ＷＡ）を一定とする条件の基での全体のキャリア走
行時間（τｔｏｔ）は、 τｔｏｔ＝ＷＡ ３／（３ＷＤｅ）＋Ｗ２ Ａ／（Ｗｖｔｈ） ＋［ＷＤ ３／（ＷＤ＋ＷＴ）］／（３Ｗｖｈ） （１６） となる。この結果を数式（１５）で得られた比較とする
と、数式（１６）の第３項の値が、ＷＤ／（ＷＤ＋
ＷＴ）だけ小さくなることが理解できる。
【００４４】すなわち、図５に示す構成のフォトダイオ
ードでは、ＷＡとＷＤとを縮小した場合でもｐｎ接合幅
は狭くならず、接合容量Ｃ及びＲＣ時定数の増大によっ
て帯域を劣化させることがないという利点を有し、高速
動作に有利な構造のフォトダイオードを得ることが可能
となる。
ードでは、ＷＡとＷＤとを縮小した場合でもｐｎ接合幅
は狭くならず、接合容量Ｃ及びＲＣ時定数の増大によっ
て帯域を劣化させることがないという利点を有し、高速
動作に有利な構造のフォトダイオードを得ることが可能
となる。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光吸収層を、層厚ＷＤの空乏化した第１の半導体光吸収
層と、層厚ＷＡのｐ型中性の第２の半導体光吸収層とで
構成し、ＷＡとＷＤの比率を、全体のキャリア走行時間
τｔｏｔが最小となるように設定したので、従来の構成
のフォトダイオードが抱えていた「応答速度と内部量子
効率のトレードオフ」の問題を大幅に改善することが可
能となる。
光吸収層を、層厚ＷＤの空乏化した第１の半導体光吸収
層と、層厚ＷＡのｐ型中性の第２の半導体光吸収層とで
構成し、ＷＡとＷＤの比率を、全体のキャリア走行時間
τｔｏｔが最小となるように設定したので、従来の構成
のフォトダイオードが抱えていた「応答速度と内部量子
効率のトレードオフ」の問題を大幅に改善することが可
能となる。
【００４６】特に、超高速信号処理（≧４０Ｇｂｉｔ／
ｓ）に用いられる従来型のフォトダイオードでは、光吸
収層厚を薄く設計し、内部量子効率を犠牲にして帯域を
確保するということがなされていたが、本発明のフォト
ダイオードでは、そのような設計上の制約を除去するこ
とが可能となる。
ｓ）に用いられる従来型のフォトダイオードでは、光吸
収層厚を薄く設計し、内部量子効率を犠牲にして帯域を
確保するということがなされていたが、本発明のフォト
ダイオードでは、そのような設計上の制約を除去するこ
とが可能となる。
【図１】本発明のフォトダイオードの構成例を説明する
ための図である。
ための図である。
【図２】図１に示した本発明のフォトダイオードを構成
する半導体光吸収層内でのキャリア走行時間を説明する
ための図である。
する半導体光吸収層内でのキャリア走行時間を説明する
ための図である。
【図３】本発明のフォトダイオードを構成する半導体光
吸収層内でのキャリアの移動を説明するためのバンドダ
イアグラムである。
吸収層内でのキャリアの移動を説明するためのバンドダ
イアグラムである。
【図４】層厚ＷＤの空乏化したＩｎＧａＡｓ光吸収層
と、層厚ＷＡのｐ型中性のＩｎＧａＡｓ光吸収層とを備
える本発明のフォトダイオードの光吸収層内での、全体
のキャリア走行時間τｔｏｔと３ｄＢ帯域ｆ３ｄＢとを
計算により求めた結果を説明するための図である。
と、層厚ＷＡのｐ型中性のＩｎＧａＡｓ光吸収層とを備
える本発明のフォトダイオードの光吸収層内での、全体
のキャリア走行時間τｔｏｔと３ｄＢ帯域ｆ３ｄＢとを
計算により求めた結果を説明するための図である。
【図５】本発明のフォトダイオードの他の構成例を説明
するための図である。
するための図である。
【図６】図５に示した本発明のフォトダイオードを構成
する半導体光吸収層内でのキャリアの移動を説明するた
めのバンドダイアグラムである。
する半導体光吸収層内でのキャリアの移動を説明するた
めのバンドダイアグラムである。
１１、３１、５１、６１ ｎ型半導体電極層
１２、３２、５３、６３ 第１の半導体光吸収層
１３、３３、５４、６４ 第２の半導体光吸収層
１４、３４、５５、６５ ｐ型半導体電極層
１５、５６ ｎ型電極
１６、５７ ｐ型電極
５２、６２ 半導体光透過層
フロントページの続き
(72)発明者 村本 好史
東京都渋谷区道玄坂１丁目12番１号 エヌ
ティティエレクトロニクス株式会社内
Ｆターム(参考） 5F049 MA04 MB07 NA01 QA04 QA11
Claims (4)
- 【請求項１】 ｎ型半導体電極層と、第１の半導体光吸
収層とｐ型を有する第２の半導体光吸収層とから構成さ
れた光吸収層と、ｐ型半導体電極層とが順次積層され、
前記ｎ型半導体電極層に設けられたｎ型電極と前記ｐ型
半導体電極層に設けられたｐ型電極とを備え、前記ｎ型
電極と前記ｐ型電極との間に所定の逆バイアスを印加す
ると、前記第１の半導体光吸収層は空乏化し、前記第２
の半導体光吸収層は前記第１の半導体光吸収層との界面
近傍領域以外の領域が中性となるフォトダイオードであ
って、 前記第１の半導体光吸収層の層厚（ＷＤ）と前記第２の
半導体光吸収層の層厚（ＷＡ）の和（Ｗ＝ＷＤ＋ＷＡ）
で与えられる一定の層厚の前記光吸収層内において、 前記第１の半導体光吸収層の層厚をＷＤ−ΔＷとし、前
記第２の半導体光吸収層の層厚をＷＡ＋ΔＷとした場合
の、前記第１の半導体光吸収層内の正孔走行時間の減少
分（−ΔτＤ）と前記第２の半導体光吸収層内の電子走
行時間の増加分（ΔτＡ）とが、｜ΔτＡ｜＝｜−Δτ
Ｄ｜となるようにＷＤとＷＡの比率を設定したことを特
徴とするフォトダイオード。 - 【請求項２】 前記第１の半導体光吸収層及び前記第２
の半導体光吸収層の各々が、ＩｎｘＧａ１―ｘＡｓｙＰ
１−ｙ（０≦ｘ及びｙ≦１）で表記される相互に同一又
は相違する組成の化合物半導体から構成されていること
を特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。 - 【請求項３】 前記ＷＤとＷＡの比率は、次式で与えら
れるτｔｏｔを最小とするように設定されることを特徴
とする請求項２に記載のフォトダイオード。 τｔｏｔ＝ＷＡ ３／（３ＷＤｅ）＋ＷＡ ２／（Ｗ
ｖｔｈ）＋ＷＤ ２／（３Ｗｖｈ） （Ｄｅ：電子の拡散係数、ｖｔｈ：電子の熱放出速度、
ｖｈ：正孔のドリフト速度） - 【請求項４】 前記第１の半導体光吸収層と前記ｎ型半
導体電極層との間に、前記第１の半導体光吸収層よりも
大きなバンドギャップを有する半導体光透過層を備え、
該半導体光透過層は、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極との
間に所定の逆バイアスを印加すると空乏化することを特
徴とする請求項１、２、又は３に記載のフォトダイオー
ド。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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ID=19179796
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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| JP2011176094A (ja) * | 2010-02-24 | 2011-09-08 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | フォトダイオード |
| JP2011187607A (ja) * | 2010-03-08 | 2011-09-22 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体受光素子 |
| JP2012124404A (ja) * | 2010-12-10 | 2012-06-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | フォトダイオードおよびその製造方法 |
| WO2014068850A1 (ja) * | 2012-10-31 | 2014-05-08 | Ｎｔｔエレクトロニクス株式会社 | フォトダイオード |
| JP2019160900A (ja) * | 2018-03-09 | 2019-09-19 | 日本ルメンタム株式会社 | 半導体受光素子、光受信モジュール、光モジュール、及び光伝送装置 |
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| US9778188B2 (en) | 2009-03-11 | 2017-10-03 | Industrial Technology Research Institute | Apparatus and method for detection and discrimination molecular object |
| JP2011181581A (ja) * | 2010-02-26 | 2011-09-15 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | フォトダイオード |
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| US9482615B2 (en) | 2010-03-15 | 2016-11-01 | Industrial Technology Research Institute | Single-molecule detection system and methods |
| US8865078B2 (en) | 2010-06-11 | 2014-10-21 | Industrial Technology Research Institute | Apparatus for single-molecule detection |
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| US5789765A (en) * | 1995-12-21 | 1998-08-04 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Photo diode providing high-linearity signal current in response to light receiving signal |
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| US5949120A (en) * | 1996-02-28 | 1999-09-07 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Semiconductor photodetector |
| US5818096A (en) * | 1996-04-05 | 1998-10-06 | Nippon Telegraph And Telephone Corp. | Pin photodiode with improved frequency response and saturation output |
| JP3687700B2 (ja) | 1996-04-05 | 2005-08-24 | 日本電信電話株式会社 | フォトダイオード |
| US5998851A (en) * | 1996-12-04 | 1999-12-07 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Optical waveguide type photodiode and a process of producing the same |
| JP2001168372A (ja) * | 1999-12-09 | 2001-06-22 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体光検出器 |
| JP2002203983A (ja) * | 2000-10-27 | 2002-07-19 | Oki Electric Ind Co Ltd | 受光素子 |
| JP2002158369A (ja) * | 2000-11-17 | 2002-05-31 | Fujitsu Ltd | 半導体受光装置 |
-
2001
- 2001-12-04 JP JP2001370597A patent/JP4061057B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
2002
- 2002-12-03 EP EP02786018A patent/EP1463127A4/en not_active Ceased
- 2002-12-03 US US10/497,490 patent/US6909161B2/en not_active Expired - Lifetime
- 2002-12-03 CN CNB028243013A patent/CN100338782C/zh not_active Expired - Lifetime
- 2002-12-03 WO PCT/JP2002/012635 patent/WO2003049202A1/ja active Application Filing
- 2002-12-03 AU AU2002354080A patent/AU2002354080A1/en not_active Abandoned
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