JP2013546194A - ダブルコレクタ単一走行キャリア・フォトダイオード - Google Patents

Abstract

ｐ型ドープ材料の吸収領域（２２）を含む単一走行キャリア（ＵＴＣ）フォトダイオード。このフォトダイオードは第１のコレクタ層（２３）および第２のコレクタ層（２４）をさらに含み、吸収領域（２２）が第１のコレクタ層（２３）と第２のコレクタ層（２４）との間に配置され、ｐ型材料で製作されたコンタクト層（２１）が吸収領域（２２）内に配置される。このダブルコレクタＵＴＣ構造によって、吸収領域（２２）での光吸収の結果として生成された電子（ｎ１、ｎ２）の移動により引き起こされた電流が２つの別個のコレクタ（２３、２４）の方に導かれるので、応答性−帯域幅トレードオフが改善される。

Description

本発明は光構成要素に関する。特に、本発明はフォトダイオードに関する。

単一走行キャリア（ＵＴＣ）・フォトダイオードは、一般に、高速光通信システムで使用される。そのようなデバイスは、一般に、入来光を電気に変換することに基づいて動作する。ＵＴＣは、一般に、入射フォトンが吸収され、自由キャリア（電子および正孔）を生成するｐドープ吸収領域を含む。この吸収層は、一般に、コレクタと呼ばれる低濃度ドープ透明層が続く。フォトン吸収が、一般に、ｐドープ層で生じるとき、正孔は多数キャリアであり、電子のみが、一般に、活性キャリア（ａｃｔｉｖｅ ｃａｒｒｉｅｒ）である。光生成電子はｐドープ領域を通って拡散し、空乏化コレクタ領域に達する。逆方向バイアス電圧を前記コレクタ領域に印加することによって、電子をさらに加速させ、ｎドープ領域で収集することができる。それにより、一般に入射光パワーに比例する、逆電流が生起される。

電子のみが活性キャリアとして使用されるので、ＵＴＣは、一般に、正孔および電子の両方が空乏化領域を通過する従来のＰＩＮフォトダイオードと比較して、より高速、およびより高い飽和電流に達することができる。

ＵＴＣの典型的な構造では、吸収領域はｐドープされ、キャリア・ドリフト層（空乏領域としても知られる）は、一般に、コレクタと呼ばれる透明ワイドバンドギャップ材料で製作される。ＵＴＣの速度応答が、一般に、従来のＰＩＮ検出器などのデバイスと比較して改善される場合でさえ、そのようなデバイスが動作する帯域幅と、特に前面照明構造および後面照明構造の応答性との間にトレードオフが依然として残る。実際には、そのような表面照明構造で高い応答性（効率）に達するには、一般に、厚い吸収領域が必要とされる。しかし、厚いｐドープ吸収領域では電子拡散時間がデバイスの応答を制限することがあるので、高速動作の場合、薄い吸収領域が好ましい。

本明細書の文脈内で、応答性という用語はデバイスの効率を指し、それは検出電流を入射光パワーで除した比で与えられる。応答時間という用語は、自由電子が生成された吸収領域から、自由電子が収集され、デバイスから特定の用途のさらなる段階に出力されるデバイスのコレクタまで、自由電子が移動する（通過する）のに要する時間を指す。そのような時間は、一般に、ｐ型ドープ吸収領域中の走行時間（しばしば拡散時間と呼ばれる）と、コレクタ領域中の走行時間（しばしばドリフト時間と呼ばれる）とからなる。

図１は、上述のような従来のＵＴＣ構造と比較して帯域幅−応答性トレードオフを改善しようという目的で、いくつかの変形を含む既知のＵＴＣ構造のバンド構造の一例を概略的に示す。構造１は、一般に、電気的接触を行うために使用されるｐ型コンタクト層１１と、ｐ型コンタクト層の方への電子の拡散を阻止するために使用される高濃度ドープｐ型バリア層１２とを含む。吸収領域は、ｐドープされた第１の層１３と、ドープされていない（または空乏化された）第２の層１４とを含む。吸収領域の層１３および１４は、一般に、入射光を吸収した後に電荷キャリアが生成される層である。吸収領域の空乏化層１４は、一般に、入射光の吸収に寄与し、それにより、ｐドープ吸収層中の電子拡散時間を実質的に増加させることなくデバイス応答性を向上させるために使用される。実際に、逆バイアス電圧の印加によって引き起こされる電界の効果の下で、自由電荷キャリアは、自由正孔が、一般に、ｐドープ層の方にドリフトし、自由電子が、一般に、自由電子をさらに加速させるために使用される空乏化層を含むコレクタ層１５の方にドリフトするように吸収領域の空乏化層１４中で加速される。この第２の空乏化層（第１の空乏化層１４の後の）は、全空乏化領域の厚さを増加させることによって接合容量を減少させるのに寄与する。最後に、デバイスは、電気的接触を行うのに使用されるｎドープ・コンタクト層１６を含む。

したがって、そのような構造では、全吸収領域（層１３および１４）は、デバイス応答時間を実質的に制限することなく高い応答性を保証するのに十分な厚さとすることができる。そのようなデバイスでは、吸収領域のｐドープ層１３の厚さを減少させることによって、生成された電子の拡散時間を減少させることによりデバイスの応答時間を改善することができることがある。しかし、吸収領域の空乏化層１４の厚さは、一般に、光生成正孔の走行時間によって制限され、それは、そのような正孔が、一般に、光生成電子と比較して比較的低速で移動するからである。さらに、空間電荷効果が、一般に、前記空乏層中の正孔生成により増加し、それにより、さらに、検出器飽和電流が制限されることがある。

本発明のいくつかの実施形態は、ｐ型ドープ材料の吸収領域を含む単一走行キャリア・フォトダイオードを特徴とし、そのフォトダイオードは第１のコレクタ層および第２のコレクタ層をさらに含み、吸収領域は第１のコレクタ層と第２のコレクタ層との間に配置される。

いくつかの特定の実施形態によれば、吸収領域は入射光の吸収に応答して電子を生成するように構成され、一部の電子は第１のコレクタ層の方に拡散し、他の一部の電子は第２のコレクタ層の方に拡散する。

いくつかの特定の実施形態によれば、コンタクト層はｐ型材料で製作され、前記コンタクト層は吸収領域内に配置される。

いくつかの特定の実施形態によれば、吸収領域はｐ型材料のドーピングのレベルの変化を含み、そのような変化は前記材料の漸進的ｐ−ドーピング構成を含む。

いくつかの特定の実施形態によれば、吸収領域のｐ型材料は、均一なｐ−ドーピングをもつ漸進的材料組成を含む。

いくつかの特定の実施形態によれば、吸収領域は、第１のｐドープサブ領域、第２のｐドープサブ領域、第１のサブ領域と第１のコレクタ層との間に配置された第１の空乏化セクション、および第２のサブ領域と第２のコレクタ層との間に配置された第２の空乏化セクションを含む。

いくつかの実施形態は、本明細書で特徴とされるようなフォトダイオードを含む光学機器に関する。

本発明のこれらおよびさらなる特徴および利点が、限定ではなく例示のために、添付図面を用いて以下の説明ならびに特許請求の範囲においてより詳細に説明される。

既に説明したが、既知のＵＴＣ構造のバンド構造の例示の略図である。 いくつかの実施形態によるダブルコレクタＵＴＣ構造のバンド構造の例示の略図である。 図２ａのダブルコレクタＵＴＣ構造の断面図の例示の略図である。 いくつかの実施形態によるダブルＵＴＣ構造の代替のバンド構造の例示の略図である。

いくつかの特定の実施形態によれば、ダブルコレクタＵＴＣ構造は応答性−帯域幅トレードオフを改善するために提案される。図２ａは、そのような実施形態によるダブルコレクタＵＴＣ構造のバンド構造の例示の略図である。図２ｂは、図２ａに示した構造の例示の略図の断面表示である。図２ｂにおいて、同様の要素は図２ａのものと同様の参照番号が与えられている。

提案する構造の１つの目的は、吸収領域中のキャリア走行時間を減少させ、光電流、すなわち、吸収領域での光吸収の結果として生成された電子の移動によって引き起こされる電流を２つの別個のコレクタの方に分配することによってコレクタの電流飽和を改善することである。

図２ａおよび２ｂを同時に参照すると、構造２は、電気的接触を行うために使用されるｐ型コンタクト層２１と、入射光を受け取って吸収した際、電荷キャリアを生成することができる吸収領域２２とを含む。吸収領域２２は、好ましくは、ｐ型材料で製作され、第１のコレクタ層２３と第２のコレクタ層２４との間に配置される。図に示すように、ｐ型コンタクト層２１は吸収領域２２内に配置され、吸収領域２２の２つのサブ領域２２ａおよび２２ｂがコンタクト層２１の両側に示される。サブ領域２２ａおよび２２ｂは、それぞれ、図に示すように第１のコレクタ層２３および第２のコレクタ層２４に隣接する。第１および第２のコレクタ層は、好ましくは、低濃度ｎドープ材料で製作される。

吸収層２２は、好ましくは、以下の材料、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓＳｂ、Ｇｅのいずれかで製作することができる。コンタクト層２１は、好ましくは、以下の材料、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＩｎＰのいずれかで製作することができ、コレクタ層２３および２４は、好ましくは、以下の材料、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓのいずれかで製作することができる。

フォトダイオード２は、第１のｎドープ・コンタクト層２５および第２のｎドープ・コンタクト層２６をさらに含む。好ましくは、第１のコンタクト層２５および第２のコンタクト層２６は、第１のコレクタ層２３および第２のコレクタ層２４のドーピングのレベルよりも高いレベルでｎドープされる。典型的なコレクタ・ドーピング濃度値は約１０^１６ｃｍ^−３とすることができ、典型的なＮコンタクト層ドーピング値は約１０^１８ｃｍ^−３とすることができる。

図２ｂの構造は、入射光の方向および場所を示す矢印Ａで示されるような後面照明構成である。しかし、これは必須ではなく、前面照明または側面照明などの他の構成を本発明の範囲内で使用することもできる。

図２ｂをさらに参照すると、フォトダイオード２の構造は、ｌｎＰ材料で好ましくは製作された基板２０上に製作され、コンタクト層２１のための接触点２７と、それぞれ、第１のコンタクト層２５および第２のコンタクト層２６のための接触点２８および２９とをさらに含むことができる。

接触点２７、２８、および２９は、例えば、金属接触部とすることができる。上述の構造により、図２ａおよび２ｂのフォトダイオード２は以下のように動作することができる。

光ビームＡが図２ｂに示されるように後面照明によりデバイスに入射すると仮定すると、前記光ビームはフォトダイオード２の内部に伝搬し、吸収領域２２に達することができる。吸収領域において、フォトンは吸収され、その結果、電荷キャリア、すなわち、電子および正孔が生成される（この現象はしばしば光生成と呼ばれる）。

逆バイアス電圧がフォトダイオードに印加される、すなわち、ｐ型コンタクト層２１が負極に接続され、ｎ型コンタクト層２５および２６が電圧源の正極に接続されることがさらに仮定される。光生成正孔は、図２ａにおいて矢印ｈ１およびｈ２によって示されるように、負極、すなわち、ｐ型コンタクト層２１の方に引き寄せられる。他方、ｐドープ吸収領域の拡散機構により、およびコレクタ層の逆バイアス電圧の効果の下で、電子は、図２ｂにおいて、それぞれ、矢印ｎ１およびｎ２によって示されるように、正極、すなわち、ｎ型コンタクト層２５および２６の方に引き寄せられる。しかし、２つのコンタクト層２５および２６が存在するので、ある電子は一方のコンタクト層の方に移動する傾向があり得るが、他の電子は他方コンタクト層の方に移動する傾向があり得る。

本明細書で提供する実施形態によって提案されるように、電子を第１のコンタクト層または第２のコンタクト層の方に導くことができることにより、電子の拡散距離を短縮し、それによって、従来のフォトダイオードと比較してフォトダイオード・デバイスの性能を向上させることができる。

したがって、図２ａおよび２ｂの例による吸収領域２２で電子が拡散するのに有効な実効距離は、平均して、吸収領域が同様の厚さである従来のＵＴＣ構造の吸収領域で電子が拡散するのに有効な実効距離の半分に相当する。既知のように、拡散時定数は距離の２乗に比例する。したがって、平均有効拡散距離を半分に減少させることによって、拡散時間の４倍までの改善が従来のＵＴＣ構造と比較して吸収領域で達成することができる。この改善により、従来の構造に基づく吸収領域の設計に関連して一般に存在する制約がかなり緩和される。それにより、比較的高い応答性が、比較的厚い吸収領域を設計することによって、実質的に拡散時間を増加させることなく達成することができる。したがって、拡散時間の改善により、高帯域幅と高応答性を同時に達成する可能性を与えることができる。

好ましくは、吸収領域は、それが製作されるｐ型材料のドーピングのレベルが変化するように設計することができる。そのような場合、コンタクト層２１からコレクタ層２４まで構造の長さに沿った漸進的ｐ−ドーピング構成を適用することができる。

代わりに、吸収領域のｐ型材料が、均一なｐ−ドーピング・レベルを有する材料の漸進的組成を含むことができる。漸進的組成という用語は、ｌｎＰ基板に格子整合したままである組成を指す。非限定の例として、ＩｎＰ基板に格子整合している適切な合金はＩｎ（５３％）Ｇａ（４７％）Ａｓである。キャリアを加速させる内部電位を有するのに、１つの方法は、ｌｎＧａＡｓＰで吸収領域を開始し、「Ｐ」元素を漸進的に減少させ（同時に、格子整合したままにするために他の元素のＩｎおよびＧａが、さらに、調整される）、ｌｎ（５３％）Ｇａ（４７％）Ａｓに達することである。この手法により、エネルギー・バンドギャップの漸進的レベルが生起され、それにより、求めている結果にとって望ましい内部電位を生成することができる。

前述の代替のどちらかよるドーピングまたは組成のレベルのそのような変化は、光生成電子が最も近いコレクタ層に確実に達することを意図したデバイスの性能の改善に寄与することができる。その理由は、そのような漸進的ｐドープ・セクションまたは漸進的材料組成が内部電界の生成に寄与し、最も近いコレクタ層に向けて光生成電子を加速させることができるからである。

図２ａおよび２ｂの例示的な実施形態では、第１コレクタ２３および第２コレクタ２４は、それぞれ、ｎ型コンタクト層２５および２６に接続される。しかし、電子の拡散によって生成され、一方のコンタクト層に達する電流は、電子の拡散によって生成され、他方のコンタクト層に達する電流と合計することができることに留意するべきである。ｐ型コンタクト層２１は、図２ａおよび２ｂに示されるように吸収領域２２の実質的に中央の場所に製作することができる。したがって、光生成正孔は、誘電緩和機構によってｐ型コンタクト層２１により迅速に収集され得る。

さらなる実施形態によれば、吸収領域は、図１の既知のＵＴＣ構造で前に説明したような帯域幅−応答性トレードオフをさらに改善するために、図２ａおよび２ｂに関連して説明したようなｐドープ・セクションに加えて、１つまたは２つの空乏化吸収領域を含むことができる。

図３は、そのような実施形態によるダブルコレクタ単一走行キャリア・フォトダイオードのバンド構造の一例を示す。図３において、別段の定めがない限り、同様の要素は図２ａおよび２ｂのものと同様の参照番号が与えられている。

したがって、図２ａおよび２ｂと同様に、図３の構造２は、ｐ型コンタクト層２１と、第１のコレクタ層２３と第２のコレクタ層２４との間に配置された吸収領域２２とを含む。ｐ型コンタクト層２１は吸収領域２２内に配置され、吸収領域２２の２つのサブ領域２２ａおよび２２ｂがコンタクト層２１の両側に示される。第１および第２のコレクタ層は、好ましくは、ｎドープ材料で製作される。第１のｎドープ・コンタクト層２５および第２のｎドープ・コンタクト層２６が、さらに、示され、それらは、好ましくは、第１のコレクタ層２３および第２のコレクタ層２４のドーピングのレベルよりも高いレベルでｎドープされる。

しかし、図２ａおよび２ｂの実施形態と違って、図３のフォトダイオードの吸収領域２２は、第１のサブ領域２２ａおよび第２のサブ領域２２ｂに加えて、空乏化された（すなわち、アンドープの）セクション２２ｃおよび２２ｄをさらに備える。前記空乏化吸収セクション２２ｃおよび２２ｄの各々は、ｐドープ吸収領域２２（すなわち、サブ領域２２ａおよび２２ｂ）とコレクタ層２３および２４との間に空乏領域を生起させることができる。そのような空乏領域は、適切な逆方向バイアス電圧がデバイスに印加されたとき、フォトダイオードの応答性および／または応答時間のさらなる向上に寄与することができる。

このようにして、本明細書で提供した様々な実施形態で説明したように、新しいダブルコレクタ単一走行キャリア・フォトダイオードが提供され、それは、従来の単一走行キャリア・フォトダイオード構造と比較して帯域幅および応答性に関して改善した性能を提供することができる。応答性のそのような改善は、１００Ｇコヒーレント光通信システムで要求されるようなより良好なレベルの感度を可能にすることができる。

本発明の様々な実施形態は、そのような組合せが両立し、かつ／または相補的である限り、組み合わせることができる。

さらに、特許請求するデバイスに対応する構造のリストは網羅的ではなく、均等な構造が、特許請求する発明の範囲から逸脱することなく記載した構造と置き換わることができることを当業者なら理解することに留意するべきである。

本明細書のいかなるブロック図も本発明の原理を具現する例示的な回路の概念図を示すことを当業者なら理解するべきである。

Claims (6)

1. ｐ型ドープ材料の吸収領域を含む単一走行キャリア・フォトダイオードであって、前記フォトダイオードが第１のコレクタ層および第２のコレクタ層をさらに含み、前記吸収領域が前記第１のコレクタ層と前記第２のコレクタ層との間に配置され、第１のｐドープサブ領域と、第２のｐドープサブ領域と、前記第１のサブ領域と前記第１のコレクタ層との間に配置された第１の空乏化セクションと、前記第２のサブ領域と前記第２のコレクタ層との間に配置された第２の空乏化セクションとを含む、単一走行キャリア・フォトダイオード。
2. 前記吸収領域が入射光の吸収に応答して電子を生成するように構成され、一部の電子が前記第１のコレクタ層の方に拡散し、他の一部の電子が前記第２のコレクタ層の方に拡散する、請求項１に記載のフォトダイオード。
3. コンタクト層がｐ型材料で製作され、前記コンタクト層が前記吸収領域内に配置される、請求項１または２に記載のフォトダイオード。
4. 前記吸収領域が前記ｐ型材料のドーピングのレベルの変化を含み、そのような変化が前記材料の漸進的ｐ−ドーピング構成を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
5. 前記吸収領域の前記ｐ型材料が漸進的組成を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフォトダイオードを備える光学機器。

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