JP2009164456A - Semiconductor photodetector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体受光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light receiving element.
単一光子検出器としては、製造方法やデバイス構成の違いにより、様々なものが提案されている。
シリコンを原料とするアバランシェ・フォトダイオード(以下APD)を用いた単一光子検出器はよく知られているが、光ファイバ通信によく用いられる波長 1.55μm帯では感度がなく、そのままでは量子情報通信などの応用には適さない。
そこで、波長1.55μm帯で光子検出するための技術として、
(1)InGaAs系APDを用いた手法
(2)波長変換素子等を用いて可視光の波長帯へ変換後、Si-APDを用いた検出を行う手法
(3)超伝導型検出素子を用いる手法
などが提案されている。
Various single photon detectors have been proposed due to differences in manufacturing methods and device configurations.
Single photon detectors using avalanche photodiodes (hereinafter referred to as APDs) made of silicon are well known, but there is no sensitivity in the 1.55 μm wavelength range often used for optical fiber communications, and quantum information is left as it is. Not suitable for communication applications.
Therefore, as a technique for detecting photons in the 1.55 μm wavelength band,
(1) Technique using InGaAs-based APD (2) Technique for performing detection using Si-APD after conversion to a visible light wavelength band using a wavelength conversion element or the like (3) Technique using a superconducting detection element Etc. have been proposed.
これらの(1)〜(3)の中で検出器の感度のみならずサイズ、コスト及び消費電力を含めて比較し、実用化に向けて有力と思われるのは(1)のInGaAs系APD素子を用いる手法である。これは(2)では波長変換効率、(3)では冷却装置のサイズ及び消費電力が課題となっているためである。 Among these (1) to (3), not only the sensitivity of the detector but also the size, cost and power consumption are compared, and it seems that the InGaAs-based APD element of (1) seems to be promising for practical use. It is a method using. This is because wavelength conversion efficiency is a problem in (2), and the size and power consumption of the cooling device are problems in (3).
InGaAs系APDを光子検出に用いる場合、単一光子を検出するためには通常のDCバイアスを印加する動作方法では一般に感度不足である。より高い感度を得るためにゲーテッド・ガイガーモード(以下ゲートモードと略す)というバイアス印加手法を用いる。
この手法は、あらかじめブレークダウン近傍にDCバイアスを印加しておき、光子がAPDに到達するタイミングと同期してブレークダウンを超えるような電圧のゲートパルスをバイアスに加算して印加することで、瞬間的に高い増倍率を得て、その出力を検知する方法である。
When an InGaAs-based APD is used for photon detection, in general, an operation method in which a normal DC bias is applied is insufficient to detect a single photon. In order to obtain higher sensitivity, a bias application technique called gated Geiger mode (hereinafter abbreviated as gate mode) is used.
In this method, a DC bias is applied in the vicinity of the breakdown in advance, and a gate pulse having a voltage exceeding the breakdown is added to the bias in synchronization with the timing when the photon reaches the APD, and then applied. This is a method for obtaining a high multiplication factor and detecting its output.
図1のタイミングチャートを用いてゲートモードの印加電圧について説明する。ゲートモードでは、あらかじめV1のDCバイアス電圧を印加しておき、光子検出のタイミングに合わせてブレークダウンの電圧(Vb)を超える電圧V2(>Vb) まで上昇させ、所定時間(Δt1)光子検出し、その後は次のゲートまでの時間帯(Δt2)は利得の小さいV1のバイアスまで戻して待機する。
一方、従来の光通信で用いられてきた手法は、バイアス電圧V0を印加する方法である。この方法ではバイアス電圧は時間に依らず一定であり、利得は100以下が一般的であり、高S/N比を得るには 増倍率M=10程度のこともある。
ゲートモードでは、バイアス電圧を一定に保つ手法と比べて高い増倍率とS/N比を同時に得ることができる。
なお、本発明の背景技術に関連する公報としては、以下の特許文献1〜3があげられる。
The gate mode applied voltage will be described with reference to the timing chart of FIG. In the gate mode, a DC bias voltage of V1 is applied in advance, the voltage is increased to a voltage V2 (> Vb) exceeding the breakdown voltage (Vb) in accordance with the photon detection timing, and photons are detected for a predetermined time (Δt1). After that, the time period (Δt2) until the next gate is returned to the bias of V1 with a small gain and waits.
On the other hand, a technique that has been used in conventional optical communication is a method of applying a bias voltage V0. In this method, the bias voltage is constant regardless of time, and the gain is generally 100 or less. In order to obtain a high S / N ratio, the multiplication factor M may be about 10.
In the gate mode, a higher multiplication factor and an S / N ratio can be obtained at the same time as compared with the method of keeping the bias voltage constant.
In addition, the following patent documents 1-3 are mention | raise | lifted as a gazette relevant to the background art of this invention.
量子情報通信等に単一光子検出器を適用する際、その伝送特性(伝送速度や誤り率)の向上を図るためにはS/N比をより向上させる必要がある。ゲートモード動作においては、ゲート幅、パルス高、ゲート間隔の調整により、動作条件の最適化を図ることは可能である。しかしながら、その最適化の限界はAPDの特性で決まっている。したがって、S/N比改善に当たっては、素子構造から最適化を図ってより高いS/N比が期待できるAPDの開発が必要となっている。 When a single photon detector is applied to quantum information communication or the like, it is necessary to further improve the S / N ratio in order to improve the transmission characteristics (transmission speed and error rate). In the gate mode operation, it is possible to optimize the operating conditions by adjusting the gate width, pulse height, and gate interval. However, the limit of the optimization is determined by the characteristics of APD. Therefore, in order to improve the S / N ratio, it is necessary to develop an APD that can be optimized from the element structure and expected to have a higher S / N ratio.
本発明の目的は、S/N比を向上できる半導体受光素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor light receiving element capable of improving the S / N ratio.
本発明によれば、第一増倍層と、この第一増倍層上に設けられた電界調整層と、前記電界調整層上に設けられた第二増倍層と、前記第二増倍層上に設けられた電界緩和層と、前記電界緩和層上に設けられた光吸収層とを備え、前記第一増倍層および前記第二増倍層の各層は、p型の不純物濃度およびn型の不純物濃度の各不純物濃度が、5×1015cm−3以下であり、動作電圧を印加した状態において、前記電界調整層により、前記第一増倍層の電界強度を前記第二増倍層の電界強度よりも大きくした半導体受光素子が提供される。 According to the present invention, a first multiplication layer, an electric field adjustment layer provided on the first multiplication layer, a second multiplication layer provided on the electric field adjustment layer, and the second multiplication layer An electric field relaxation layer provided on the layer; and a light absorption layer provided on the electric field relaxation layer, wherein each of the first multiplication layer and the second multiplication layer has a p-type impurity concentration and Each impurity concentration of the n-type impurity concentration is 5 × 10 15 cm −3 or less, and the electric field adjustment layer increases the electric field strength of the first multiplication layer by the electric field adjustment layer when an operating voltage is applied. A semiconductor light-receiving element having a larger electric field strength than the double layer is provided.
本発明によれば、S/N比を向上できる半導体受光素子が提供される。 According to the present invention, a semiconductor light receiving element capable of improving the S / N ratio is provided.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図3および図4に本実施形態の半導体受光素子1を示す。
図3は半導体受光素子1の断面図であり、図4は半導体受光素子1を模式的に示した図である。
はじめに、半導体受光素子1の概要について説明する。
半導体受光素子1は、半導体基板11上に設けられたn型のバッファ層(第一の層)12と、このバッファ層12上に設けられた第一増倍層13と、この第一増倍層13上に設けられた電界調整層14と、電界調整層14上に設けられた第二増倍層15と、第二増倍層15上に設けられたp型の電界緩和層16と、電界緩和層16上に設けられたp型の光吸収層17とを備える。
第一増倍層13および第二増倍層15はp型の不純物濃度およびn型の不純物濃度の各不純物濃度が5×1015cm−3以下である。
また、動作電圧を印加した状態において、電界調整層14により、第一増倍層13の電界強度は第二増倍層15の電界強度よりも大きくなっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
3 and 4 show the semiconductor
FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor light-receiving
First, an outline of the semiconductor
The semiconductor
Each of the
Further, the electric
次に、半導体受光素子1について詳細に説明する。
半導体受光素子1は、前述した基板11、バッファ層12、第一増倍層13、電界調整層14、第二増倍層15、電界緩和層16、光吸収層17に加えて、光吸収層17上に設けられるバッファ層18、このバッファ層18上に設けられるコンタクト層19を有する。
この半導体受光素子1は、III-V族化合物半導体層を含んで構成されるIII-V族半導体受光素子であり、各層の材料等の一例は、表1に示す通りである。なお、表1における不純物濃度は、基板11、層12,14,16,17,18,19の導電型と同じ導電型の不純物濃度を示している。第一増倍層13および第二増倍層15においては、p型の不純物濃度およびn型の不純物濃度の各不純物濃度を示す。
Next, the semiconductor
In addition to the
This semiconductor light-
半導体基板11の裏面側には、ARコーティング23が施されている。さらに、各層12〜19はメサ型に形成されており、その周囲はパッシベーション膜(絶縁膜)21で覆われている。このパッシベーション膜21のうち、コンタクト層19の上部部分には、開口が形成され、この開口内にp側電極20が形成されている。
また、各層12〜19で構成されるメサに対し、溝を挟んで隣接する部分には、n側電極22が形成されている。
An
In addition, an n-
第一増倍層13および第二増倍層15は、高電界の印加によりアバランシェ増倍を引き起こし、多量のキャリアを発生させる層である。
第一増倍層13は、第二増倍層15に比べ電界が高くなる層であり、バッファ層12上に直接設けられている。この第一増倍層13は、ダークキャリア発生を低減するため、層厚を一定以上とし、均一電界で作製する必要がある。第一増倍層13は層厚を0.2μm以上とすることが好ましい。このようにすることで、第一増倍層13の増倍機能を確実に確保することができる。
また、第一増倍層13のn型の不純物濃度、p型の不純物濃度はそれぞれ5×1015cm−3以下である。このような不純物濃度を採用することで、受光素子1の動作時において、第一増倍層13の電界強度が層方向に沿って一定(均一電界)とすることができる。
なお、層厚2.0μm以上で形成する場合には、その電界強度の均一性を確保するためn型の不純物濃度、p型の不純物濃度は、それぞれ1×1015cm−3以下とすることが望ましい。
なお、n型の不純物濃度、p型の不純物濃度の下限値は特に規定はないが、オージェ分光装置や、2次イオン質量分析装置等による検出限界以下であればよい。
The
The
Further, the n-type impurity concentration and the p-type impurity concentration of the
When the layer thickness is 2.0 μm or more, the n-type impurity concentration and the p-type impurity concentration are 1 × 10 15 cm −3 or less in order to ensure the uniformity of the electric field strength. Is desirable.
Note that the lower limit values of the n-type impurity concentration and the p-type impurity concentration are not particularly limited, but may be less than the detection limits of an Auger spectrometer or a secondary ion mass spectrometer.
第一増倍層13は、良好な増倍特性を得るためには、バンドギャップが大きいほうが望ましく、基板11として、InP基板上に形成する場合、基板と格子整合するInxAlyGa(1−x−y)As(0<x<1,0<y<1、0<x+y≦1)が望ましく、最もバンドギャップの大きなInAlGaAsであるInAlAsが適している。
The
第二増倍層15では、ダークカウントが第一増倍層13に比較して抑えられているとともに、第一増倍層13より小さな利得の増倍機能を有していることである。このためには、受光素子の動作時において、電界強度が層方向に沿って一定となる均一電界が望ましい。具体的にはn型の不純物濃度、p型の不純物濃度がそれぞれ5×1015cm−3以下である。
In the
ダークカウントが第一増倍層13と比較して十分抑えられるためには、第二増倍層15の電界強度が第一増倍層13の電界強度の90%以下であることが好ましい。
一方で、第二増倍層15が増倍機能を有するためには、一定の電界強度が必要である。電界強度が低下すると一回の増倍過程に必要な走行距離λが長くなるため、層厚を厚くする必要がある。
最も電界が高い場合でもキャリア注入の増倍利得を10倍程度に高めるため、5回程度 (その際の増倍率の最大値は25=32倍)イオン化するための走行距離が必要である。 このためには通常のブレークダウン時の平均イオン化距離200〜300Åを考えると、その5倍を計算して、200〜300Å×5=0.1〜0.15μmの均一電界が必要である。すなわち、少なくとも0.1μmが必要な厚みである。
In order to sufficiently suppress the dark count as compared with the
On the other hand, in order for the
In order to increase the multiplication gain of carrier injection to about 10 times even when the electric field is the highest, a traveling distance for ionization is required about 5 times (the maximum value of the multiplication factor at that time is 2 5 = 32 times). For this purpose, when considering an average ionization distance of 200 to 300 mm at the time of normal breakdown, a uniform electric field of 200 to 300 mm × 5 = 0.1 to 0.15 μm is required by calculating five times the average ionization distance. That is, the required thickness is at least 0.1 μm.
第二増倍層15の電界強度が第一増倍層13の20% 程度の場合で、イオン化に必要な走行距離が5倍程度になると見積もった場合、1000〜1500Å×5=0.5〜0.75μm となり、第二増倍層15で最低限必要な層厚は、0.5μmである。
第二増倍層15の電界強度が第一増倍層13の50% 程度の場合で、イオン化に必要な走行距離が2倍程度になると見積もった場合、400〜600Å×5=0.2〜0.3μm となり、第二増倍層15で最低限必要な層厚は、0.2μmである。
第二増倍層15の電界強度が第一増倍層13の60%程度の場合で、イオン化に必要な走行距離が1.66倍程度になると見積もった場合、332〜500Å×5=0.16 〜 0.25μm となり、第二増倍層15で最低限必要な層厚は、0.16μmである。
第二増倍層15の電界強度が第一増倍層13の80% 程度の場合で、イオン化に必要な走行距離が1.25倍程度になると見積もった場合、250〜375Å×5=0.13〜0.19μm となり、第二増倍層15で最低限必要な層厚は、0.13μmである。
第二増倍層15の厚みと、第二増倍層15の第一増倍層13に対する相対電界強度との関係を図5に示す。第二増倍層15の電界強度を下げることにより、第二増倍層15の必要な層厚は厚くなっていくことがわかる。
なお、図5では、第一増倍層13を領域Aとし、第二増倍層15を領域Bとしている。
When the electric field intensity of the
When the electric field intensity of the
When the electric field intensity of the
When the electric field intensity of the
FIG. 5 shows the relationship between the thickness of the
In FIG. 5, the
一方、第二増倍層15の最大層厚は、第一増倍層13の厚みに対し、1.2〜1.5倍程度以内が望ましく、1倍以内であることが特に好ましい。
このようにすることで、第二増倍層15の増倍率が第一増倍層13の増倍率を超えてしまうことを確実に防止できる。
良好な増倍特性を得るために、第二増倍層15に用いる材料は第一増倍層13と同等かそれ以上のバンドギャップの材料が望ましい。具体的には、第一増倍層13と同様のInxAlyGa(1−x−y)As(0<x<1,0<y<1、0<x+y≦1)、なかでも、InAlAsが好ましい。さらには InGaAsP などであってもよい。これら材料を交互に用いて形成する超格子構造のようなバンドオフセットを持つ構造を導入することもできる。
On the other hand, the maximum layer thickness of the
By doing so, it is possible to reliably prevent the multiplication factor of the
In order to obtain good multiplication characteristics, the material used for the
電界調整層14は、第一増倍層13と第二増倍層15の電界強度に差をつける機能を持つ層である(図6参照)。電界調整層14は、第一増倍層13と第二増倍層15とに直接接触している。第一増倍層13および第二増倍層15は、均一電界で構成され、増倍層の平均電界強度と電界強度は同等である。従って、この電界調整層14の電界緩和量(不純物濃度×層厚)が第一増倍層13と第二増倍層15の電界強度の差を構成する(図6参照)。その電界緩和量の計算例を、以下の表2に示す。表2には、電界調整層14の層厚と、p型の不純物濃度と、緩和量との関係が示されている。
The electric
電界調整層14内部での増倍効果を減らすためには、イオン化が少なくなるようにする必要があり、電界調整層14の厚みは、0.1μm以下であることが望ましい。0.1μm以下であれば、平均イオン化距離(200Å)の10倍未満となり、イオン化回数を抑制できる。
さらに、電界調整層14の厚みを500Å(0.05μm)以下とすることで、電界調整層14内部でのイオン化確率を小さくできる。500Åであれば、平均イオン化距離の3倍以内であり、イオン化はほとんどおきない。
また、電界調整層14の厚みは薄いほど、イオン化が少なくなり好ましいが、電界調整層14を薄くした場合には、電界調整層14中のp型不純物濃度を高くして、電界調整を行う必要がある(表2参照)。しかしながら、p型不純物濃度を高くしすぎると、電界調整層14の結晶性が劣化してしまう可能性がある。
そこで、電界調整層14の厚みを、10Å(0.001μm)以上とすることで、無理のない(結晶性で劣化の生じる恐れが少ない)ドーピング濃度で電界調整層が形成可能となる。
さらに、電界調整層14の厚みは、第一増倍層13の1/5以下が望ましく、1/10以下に設定することが好ましい。
In order to reduce the multiplication effect inside the electric
Furthermore, the ionization probability inside the electric
In addition, the thinner the electric
Thus, by setting the thickness of the electric
Furthermore, the thickness of the electric
ここで、電界調整層14の膜厚とp型の不純物濃度は、第一増倍層13の電界強度をEA、第二増倍層15の平均電界強度をEBとした場合、EA−EBが100kV/cm以上となるように設定されることが好ましい。
このようにすることで、第二増倍層15でのダークキャリアの発生を確実に抑制できる。
また、電界調整層14の膜厚とp型の不純物濃度は、第一増倍層13の平均電界強度をEA、第二増倍層の平均電界強度をEBとした場合、EBがEA×0.1以上となるように設定されてもよい。このようにすることで、第二増倍層15での増倍機能を確実に確保することができる。なお、EBがEA×0.1となる場合には、第二増倍層15の厚みは1μm以上であることが好ましい。
さらに、EBは、EA×0.2以上となることが好ましい。このようにすることで、第二増倍層15での増倍機能をより確実に確保することができる。
Here, the film thickness and the p-type impurity concentration of the electric
By doing in this way, generation | occurrence | production of the dark carrier in the
The film thickness and the p-type impurity concentration of the electric
Furthermore, EB is preferably EA × 0.2 or more. By doing in this way, the multiplication function in the
電界緩和層16は、第二増倍層15に印加される高電界と、光吸収層17に印加される比較的低い電界との差異を緩和させるために設けられる層である。電界緩和層16は、第二増倍層15および光吸収層17に直接接触している。この電界緩和層16を設けることにより、第二増倍層15へ高い電界を安定的に印加することが可能となる。電界緩和層16は、p型不純物を含有しており、光吸収層17および第二増倍層15と同一の構成材料を用いることができる。
The electric
光吸収層17は、入射光を電気に変換する役割を果たす層であり、受光すべき光を吸収可能なバンドギャップを有する。光吸収層17の構成材料は、入射光の波長に応じて適宜選択される。
The
ここで、図6に、半導体受光素子1に動作電圧を印加した状態における電界強度分布を示す。この電界強度分布は、半導体受光素子1の層方向に沿った分布である。
図6からも、第一増倍層13の電界強度E1は、第二増倍層15の電界強度E2よりも高くなっており、これらの電界強度E1,E2は電界調整層14により調整されていることがわかる。
Here, FIG. 6 shows an electric field strength distribution in a state where an operating voltage is applied to the semiconductor
Also from FIG. 6, the electric field strength E1 of the
このような半導体受光素子1は、以下のようにして製造できる。
半導体基板11上に各層12〜19をエピタキシャル成長させ、その後、メサ型にエッチング加工する。
その後、メサ全体をパッシベーション膜21により被覆し、各電極20,22を形成する。そして、光信号が入射する基板裏面にARコーティング23を施す。
信号光は半導体受光素子1の基板側より入射し、バイアス印加状態では素子内部にて光電変換及び増倍をへて、両端の電極に電流出力として現れる。
Such a semiconductor
The
Thereafter, the entire mesa is covered with a
The signal light is incident from the substrate side of the semiconductor light-receiving
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
APDの増倍層を、増倍時の電界強度分布が均一となる均一電界とした場合、そのイオン化利得(=増倍利得)やダークキャリアの発生確率は層厚方向で一定の値となる。例えば、ダークキャリアの発生確率は図2に示すように層厚方向で一様の分布となる。
図2では、符号91が光吸収層、符号92が電界緩和層、符号93が増倍層を示している。また、符号94は、増倍層中で均一に分布して発生するダークキャリアを示す。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
When the multiplication layer of the APD is a uniform electric field in which the electric field intensity distribution at the time of multiplication is uniform, the ionization gain (= multiplication gain) and the generation probability of dark carriers are constant values in the layer thickness direction. For example, the dark carrier generation probability has a uniform distribution in the layer thickness direction as shown in FIG.
In FIG. 2,
しかしながら、電界強度分布が均一である増倍層において、電子のイオン化率とホールのイオン化率は等しくないことが知られており、その比をイオン化率比kと呼んでいる。この電子のイオン化確率とホールのイオン化確率の違いから電界強度の高い第一増倍層13で発生したダークキャリアと電界強度の低い第二増倍層15で発生したダークキャリアではその増倍特性には違いが生じる。
電子増倍型の特性を持つ材料(イオン化率比 k < 1)で構成した増倍層の場合、電界強度の高い第一増倍層13のキャリアは電子注入型モデルに近い増倍を起こすため、その平均の利得<M>は高く、過剰雑音Fは小さい。一方、電界強度の低い第二増倍層15のキャリアはホール注入モデルに近づくため、平均の利得<M>は小さく、過剰雑音Fは大きくなる。
本実施形態では、第一増倍層13または第二増倍層15のうち、第一増倍層13の電界強度を、第二増倍層15の電界強度よりも高くしている。
これにより、半導体受光素子1をゲートモードで動作させた場合、ゲートパルス印加によるダークカウントは主に電界の高い第一増倍層13で発生することとなる。
一方で、第二増倍層15の電界強度は、第一増倍層13よりも低いため、第二増倍層15では、ダークキャリアが発生しにくくなっている。信号光由来の電子は、第二増倍層15で増倍されて、第一増倍層13に進む。このとき、電界強度が大きい第一増倍層13では、ダークキャリアが発生しやすくなっているが、第一増倍層13で発生するダークキャリアの数に比べ、すでに、第二増倍層15にて、増倍された電子の数が非常に多いことから、S/N比が向上する。図7には、半導体受光素子1をゲートモードで動作させ、光子検出した場合のキャリアの出現回数が示されている。図7からもS/N比が向上していることがわかる。
これに加え、第一増倍層13、第二増倍層15は不純物濃度が5×1015cm−3以下であることから、増倍時の電界分布が均一となる。そのため、ある電圧を印加した場合におけるダークキャリアの発生量は、不均一電界型の増倍層で発生するキャリア数より少なくなっている。
However, it is known that the electron ionization rate and the hole ionization rate are not equal in a multiplication layer having a uniform electric field strength distribution, and this ratio is called an ionization rate ratio k. Due to the difference between the ionization probability of electrons and the ionization probability of holes, the dark carriers generated in the
In the case of a multiplication layer composed of a material having an electron multiplication type characteristic (ionization rate ratio k <1), carriers in the
In the present embodiment, the electric field strength of the
Thereby, when the semiconductor
On the other hand, since the electric field strength of the
In addition, since the
なお、ゲートモードでは、第一増倍層13内に電子が進むタイミングと同期して、ブレークダウンを超えるような電圧のゲートパルスが印加され、ゲートモード特有の高確率イオン化状態(連続イオン化状態)でのブレークダウンが引き起こされる。その後、ゲートパルスが通り過ぎると共にバイアスは下がり、第一増倍層13の利得は小さくなり、アバランシェ増倍状態が終端される。
ここで、説明する高確率イオン化状態とは、ゲートモードに特有の増倍過程で、通常用いられているDCバイアス下での増倍条件と異なる。
通常の増倍条件では、有限個のキャリアに対して有限の増倍率を得る。
一方、ゲートモードで用いるブレークダウン以上のバイアス条件では、増倍率はバイアスの印加時間とともに大きくなっていくため、印加時間を無限とした場合の増倍率は理論上無限大となる。実際の素子をこの状態におくと過電流により素子は故障する。
このため、有限のゲート幅を持つパルスにより有限のバイアス時間とすることで、増倍率を有限値に収束させている。 このような動作をする結果、シグナルとノイズの増倍パルスの波高値では差が大きくなり、適当な閾値を設けて検出することで両者を弁別し、S/N比を向上させることが出来る。
In the gate mode, a gate pulse with a voltage exceeding the breakdown is applied in synchronization with the timing of electrons traveling in the
Here, the high probability ionization state to be described is a multiplication process specific to the gate mode, and is different from a multiplication condition under a DC bias that is normally used.
Under normal multiplication conditions, a finite multiplication factor is obtained for a finite number of carriers.
On the other hand, under a bias condition equal to or higher than the breakdown used in the gate mode, the multiplication factor increases with the bias application time. Therefore, the multiplication factor when the application time is infinite is theoretically infinite. If an actual element is placed in this state, the element will fail due to overcurrent.
For this reason, the multiplication factor is converged to a finite value by setting a finite bias time by a pulse having a finite gate width. As a result of such an operation, the difference between the peak values of the signal and noise multiplication pulses becomes large, and the detection can be performed by providing an appropriate threshold to improve the S / N ratio.
また、本実施形態では、バッファ層12をn型、電界緩和層16をp型としている。このように、バッファ層12をn型、電界緩和層16をp型とする構成を採用することで、電子増倍型の増倍過程を利用することができる。電子増倍型の増倍過程は、増倍層への注入キャリアとして電子を用いる。注入キャリアとペアで生成されるキャリア(電子の場合ホール)の平均走行距離を比較すると、注入キャリアのほうが長くなるため、走行速度の速い電子を注入キャリアとして使うと、増倍過程を高速に生成させることができる利点がある。
In the present embodiment, the
第一増倍層13を、InP基板である基板11上に格子整合するInAlGaAsのうち、最も大きなバンドギャップを持つInAlAsで構成することにより良好な増倍特性を得ることができる。
また、第二増倍層15も、InAlAsで構成することにより良好な増倍特性を得ることができる。
さらに、第一増倍層13の厚みを0.2μm以上とすることで、第一増倍層13の増倍機能を確実に確保することができる。
By configuring the
Further, the
Furthermore, by setting the thickness of the
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
たとえば、前記実施形態では、バッファ層12をn型、電界緩和層16をp型としたが、これに限らず、バッファ層をp型、電界緩和層をn型としてもよい。このようにした場合であっても、前記実施形態と同様の効果を奏することができる。第二増倍層の電界強度は、第一増倍層よりも低いため、第二増倍層では、ダークキャリアが発生しにくくなっている。信号光由来のホールは、第二増倍層で増倍されて、第一増倍層に進む。このとき、電界強度が大きい第一増倍層では、ダークキャリアが発生しやすくなっているが、第一増倍層で発生するダークキャリアの数に比べ、すでに、第二増倍層にて、増倍されたホールの数が非常に多いことから、S/N比が向上する。
また、バッファ層をn型、電界緩和層をp型、光吸収層をi型としてもよい。
さらには、前記実施形態では受光素子をメサ型としたが、これに限らず、プレーナー型の受光素子としてもよい。
また、前記実施形態では、受光素子に対し、ゲートモードの印加電圧が行われるとしたが、これに限らず、従来のように受光素子に対し、バイアス電圧を印加して受光素子を動作させてもよい。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, in the above embodiment, the
The buffer layer may be n-type, the electric field relaxation layer may be p-type, and the light absorption layer may be i-type.
Furthermore, although the light receiving element is a mesa type in the embodiment, the present invention is not limited to this, and a planar type light receiving element may be used.
In the embodiment, the gate mode applied voltage is applied to the light receiving element. However, the present invention is not limited to this, and a bias voltage is applied to the light receiving element to operate the light receiving element as in the past. Also good.
次に、本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
前記実施形態と同様の受光素子を形成した。各エピタキシャル層の厚みは表3に示すように形成する。
Next, examples of the present invention will be described.
Example 1
A light receiving element similar to that of the above embodiment was formed. The thickness of each epitaxial layer is formed as shown in Table 3.
第一増倍層13として高強度均一電界型増倍層が、第二増倍層15として低強度均一電界型増倍層が作用する。電界調整層14での電界緩和量はおよそ100kV/cm であり、ブレークダウン時に主たる増倍がおきるのは第一増倍層13である。第一増倍層13を、InP基板11上に格子整合するInAlGaAsのうち、最も大きなバンドギャップを持つInAlAsで構成することにより良好な増倍特性を得ることができた。
A high-intensity uniform electric field type multiplication layer acts as the
第二増倍層15及び電界調整層14についても、InP基板11上に格子整合するInAlGaAsのうち、最も大きなバンドギャップを持つInAlAsで構成することにより良好な増倍特性を得ることができた。
電界調整層14の層厚とp型不純物濃度とを、第一増倍層13の電界強度EA 、第二増倍層15の電界強度EB としたとき、EA-EBが100kV /cm以上となるよう設定することで、第二増倍層15で発生するダークキャリアを抑えることができた。
The
When the layer thickness and the p-type impurity concentration of the electric
このようにして作製した受光素子にゲートモードのバイアスを印加した。
ゲートによりブレークダウン以上のバイアスをそのゲート幅で決まる時間Δtだけ印加された状態において、高強度均一電界型増倍層(第一増倍層13)でブレークダウンのための利得のほとんどを得た。
一方で、光キャリアはそのキャリア走行上、低強度の増倍層(第二増倍層15)を横断した後に高強度の増倍層(第一増倍層13)でブレークダウンする。 その際、低強度の増倍層(第二増倍層15)でも利得を得るため、ダークカウントに比して全利得は高くなった。 その結果、光子検出信号とダークキャリア、アフターパルスキャリアなどの波高分布の差が強調されて通常素子よりも高いS/N比を得ることができた。
A gate mode bias was applied to the light-receiving element thus fabricated.
Most of the gain for breakdown was obtained in the high-intensity uniform electric field type multiplication layer (first multiplication layer 13) in a state where a bias higher than breakdown by the gate was applied for a time Δt determined by the gate width. .
On the other hand, the optical carrier breaks down in the high-intensity multiplication layer (first multiplication layer 13) after traversing the low-intensity multiplication layer (second multiplication layer 15) in the carrier traveling. At that time, in order to obtain gain even in the low-intensity multiplication layer (second multiplication layer 15), the total gain was higher than the dark count. As a result, the difference in wave height distribution between the photon detection signal and the dark carrier, after-pulse carrier, etc. was emphasized, and a higher S / N ratio than that of the normal element could be obtained.
(実施例2)
各エピタキシャル層の厚みは表4に示すように形成した受光素子を作製した。
(Example 2)
The thickness of each epitaxial layer produced the light receiving element formed as shown in Table 4.
第一増倍層13をInP基板11上に格子整合するInAlGaAsのうち、最も大きなバンドギャップを持つInAlAsで構成することにより良好な増倍特性を得ることができた。
第二増倍層15及び電界調整層14についても、InP基板11上に格子整合するInAlGaAsのうち、最も大きなバンドギャップを持つInAlAsで構成することにより良好な増倍特性を得ることができた。
電界調整層14の層厚とp型不純物濃度との組み合わせを第一増倍層の電界強度EA 、第二増倍層15の電界強度EBとしたとき、EBがEA×0.2となるよう形成することで、第二増倍層15で利得を得ることができた。
電界調整層14での電界緩和量はおよそ500kV/cmであり、ブレークダウン時に主たる増倍がおきるのは高強度均一電界型増倍層(第一増倍層13)であった。
低強度均一増倍層(第二増倍層15)の平均電界強度は、高強度均一増倍層(第一増倍層13)の平均電界強度の20%以下にまで下がっていた。このため、第二増倍層15での利得を得るために第二増倍層15の厚みを0.5μmとした。
このようにして作製した受光素子にゲートモードのバイアスを印加した。
ゲートパルスにより、ブレークダウン以上のバイアスをゲート幅Δtの時間だけ印加された状態において、ブレークダウンのための利得のほとんどを高強度均一電界型増倍層(第一増倍層13)で得た。
一方、光キャリアはそのキャリア走行上、低強度の増倍層(第二増倍層15)を横断した後に高強度の増倍層(第一増倍層13)でブレークダウンする。 その際、低強度の増倍層でも利得を得るため、ダークカウントに比して全利得は高くなる。 その結果、光子検出信号とダークキャリア、アフターパルスキャリアなどの波高分布の差が強調されて通常素子よりも高いS/N比を得ることができた。
By configuring the
The
When the combination of the layer thickness of the electric
The amount of electric field relaxation in the electric
The average electric field strength of the low-strength uniform multiplication layer (second multiplication layer 15) was reduced to 20% or less of the average electric field strength of the high-strength uniform multiplication layer (first multiplication layer 13). For this reason, in order to obtain a gain in the
A gate mode bias was applied to the light-receiving element thus fabricated.
In the state where a bias higher than the breakdown was applied for the gate width Δt by the gate pulse, most of the gain for breakdown was obtained in the high-intensity uniform electric field type multiplication layer (first multiplication layer 13). .
On the other hand, the optical carrier breaks down in the high-intensity multiplication layer (first multiplication layer 13) after traversing the low-intensity multiplication layer (second multiplication layer 15) in the carrier traveling. At this time, gain is obtained even in the low-intensity multiplication layer, so that the total gain is higher than the dark count. As a result, the difference in wave height distribution between the photon detection signal and the dark carrier, after-pulse carrier, etc. was emphasized, and a higher S / N ratio than that of the normal element could be obtained.
1 半導体受光素子
11 半導体基板(基板)
12 バッファ層
13 第一増倍層
14 電界調整層
15 第二増倍層
16 電界緩和層
17 光吸収層
18 バッファ層
19 コンタクト層
20 p側電極
21 パッシベーション膜(絶縁膜)
22 n側電極
23 ARコーティング
91 光吸収層
92 電界緩和層
93 増倍層
94 倍層中で均一に分布して発生するダークキャリア
12
22 n-
Claims (7)
この第一増倍層上に設けられた電界調整層と、
前記電界調整層上に設けられた第二増倍層と、
前記第二増倍層上に設けられた電界緩和層と、
前記電界緩和層上に設けられた光吸収層とを備え、
前記第一増倍層および前記第二増倍層の各層は、p型の不純物濃度およびn型の不純物濃度の各不純物濃度が、5×1015cm−3以下であり、
動作電圧を印加した状態において、前記電界調整層により、前記第一増倍層の電界強度を前記第二増倍層の電界強度よりも大きくした半導体受光素子。 The first multiplication layer,
An electric field adjustment layer provided on the first multiplication layer;
A second multiplication layer provided on the electric field adjustment layer;
An electric field relaxation layer provided on the second multiplication layer;
A light absorption layer provided on the electric field relaxation layer,
Each of the first multiplication layer and the second multiplication layer has a p-type impurity concentration and an n-type impurity concentration of 5 × 10 15 cm −3 or less,
A semiconductor light receiving element in which an electric field strength of the first multiplication layer is made larger than an electric field strength of the second multiplication layer by the electric field adjustment layer in a state where an operating voltage is applied.
上部に前記第一増倍層が設けられる第一の層を有し、
前記第一の層はn型であり、
前記電界緩和層はp型である半導体受光素子。 The semiconductor light receiving element according to claim 1,
Having a first layer on which the first multiplication layer is provided;
The first layer is n-type;
The electric field relaxation layer is a p-type semiconductor light receiving element.
前記電界調整層の膜厚と、前記電界調整層のp型あるいはn型の不純物濃度とは、前記第一増倍層の電界強度EA、前記第二増倍層の電界強度をEBとした場合、EA−EBが100kV/cm以上となるように設定されている半導体受光素子。 The semiconductor light-receiving element according to claim 1 or 2,
The thickness of the electric field adjustment layer and the p-type or n-type impurity concentration of the electric field adjustment layer are obtained when the electric field intensity EA of the first multiplication layer and the electric field intensity of the second multiplication layer are EB. , EA-EB is a semiconductor light receiving element set so as to be 100 kV / cm or more.
前記電界調整層の膜厚と、前記電界調整層のp型あるいはn型の不純物濃度とは、前記第一増倍層の電界強度EA、前記第二増倍層の電界強度をEBとした場合、EBがEA×0.1以上となるように設定されている半導体受光素子。 In the semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 3,
The thickness of the electric field adjustment layer and the p-type or n-type impurity concentration of the electric field adjustment layer are obtained when the electric field intensity EA of the first multiplication layer and the electric field intensity of the second multiplication layer are EB. , EB is set to EA × 0.1 or more.
前記第一増倍層、前記電界調整層、前記第二増倍層、前記電界緩和層、および前記光吸収層が積層される基板を有し、
前記基板は、InPであり、
前記第一増倍層がInAlAsを含んで構成され、
前記第一増倍層の厚みが0.2μm以上である半導体受光素子。 In the semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 4,
A substrate on which the first multiplication layer, the electric field adjustment layer, the second multiplication layer, the electric field relaxation layer, and the light absorption layer are laminated;
The substrate is InP;
The first multiplication layer comprises InAlAs;
A semiconductor light-receiving element, wherein the first multiplication layer has a thickness of 0.2 μm or more.
前記第二増倍層および前記電界調整層がInAlAsを含む半導体受光素子。 In the semiconductor light receiving element according to claim 5,
The semiconductor light receiving element in which said 2nd multiplication layer and said electric field adjustment layer contain InAlAs.
前記電界調整層の膜厚を、0.001μm以上、0.05μm以下とする半導体受光素子。 In the semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 6,
A semiconductor light-receiving element having a thickness of the electric field adjustment layer of 0.001 μm or more and 0.05 μm or less.
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