JP2014090138A

JP2014090138A - フォトダイオード

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Publication number: JP2014090138A
Application number: JP2012240480A
Authority: JP
Inventors: Tadao Ishibashi; 忠夫石橋; Hiroki Ito; 弘樹伊藤; Makoto Shimizu; 誠清水
Original assignee: NTT Electronics Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-05-15
Also published as: EP2916362A4; EP2916362B1; EP2916362A1; WO2014068850A1; US20150287869A1; US9276158B2

Abstract

【課題】安定した出力でＴＨｚ動作が可能なフォトダイオードを提供する。
【解決手段】ｎ形コンタクト層１１、低濃度層、ｐ形コンタクト層１６が順次積層された半導体層構造と、コンタクト層にそれぞれ接続されたｎ電極１８およびｐ電極１７を備え、その動作時に低濃度層が空乏化するｐｉｎ形半導体構造であって、低濃度層は、ｎ形コンタクト層に隣接して、電子ドリフト層１２と、光吸収層１３と、ホールドリフト層１４とが積層されるフォトダイオードである。好ましくは、電子ドリフト層の厚さ及びホールドリフト層の厚さを変化させることにより、必要とされる光応答特性に調整すること、光吸収層の電界強度に対し、電子ドリフト層とホールドリフト層との少なくとも一方の電界強度を低く設定すること、電子ドリフト層はｎ形のドーピングがされ、ホールドリフト層はｐ形のドーピングがされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、フォトダイオードに関し、さらに詳細には、超高周波動作、特にテラヘルツ帯の動作を目的とする、半導体を用いたフォトダイオードに関するものである。

光技術に基づくテラヘルツ帯（０．３〜３ＴＨｚ）放射光の発生手法として、従来は、主として光非線形材料や光電導体が利用されてきた。光電導体、およびフォトダイオードは、共に受光デバイスの一種であるが、最近は、その効率の良さから、フォトダイオードを用いたフォトミキシング法（光ビートの電気信号への変換）が注目されている。通信波長帯（波長１．５μｍ）で動作するフォトダイオードを用いた例では、すでに、１ＴＨｚにおいて数μＷレベルのアンテナ放射が報告されており、期待は大きい。ＴＨｚ帯で動作する性能の良いフォトダイオードを用いると、分光性能が従来の受光デバイスよりも飛躍的に向上する結果、例えば指紋スペクトルと呼ばれる物質固有の吸収スペクトルを示すテラヘルツ光を観測して多くの物質（例えば薬剤）を判別できるなどといった応用が期待されている。

しかしながら、光通信や計測機器（最大で〜１００ＧＨｚ帯域）への応用を目的として開発されてきた従来のフォトダイオードの構造は、デジタル応用に適した広帯域な応答特性を持つ様に製作されるので、必ずしもＴＨｚ帯の動作に適したものではない。従来の典型的なフォトダイオードは、その動作周波数範囲が３ｄＢ帯域程度であるのに対し、ＴＨｚ応用では、３ｄＢ帯域よりもはるかに高い周波数域を含む広い周波数帯を使用することが多いからである。

フォトダイオードの真性応答は、光吸収層で発生したキャリア（電子とホール）のうち、電子の走行時間、ないし電子／ホール両者の走行時間に伴う遅延がτｄで与えられ、一般的に、τｄを小さくするためには空乏層厚を縮小すれば良い。この空乏層厚の縮小が高速化の一つの指針であることに変わりはない。ただし、空乏層厚の縮小は接合容量の増大を伴うので、フォトダイオードの接合サイズや動作電流を調整／最適化する必要がある。その様なＴＨｚ動作に着目したフォトダイオード動作についての詳細な検討結果はまだ報告がない。

さらに、通信用のフォトダイオードの場合は、帯域と同時に受光感度も重要視されるのに対して、ＴＨｚ応用においては、最大出力が重視されるという要求条件の違いもある。ＴＨｚ応用においても一定以上の受光感度は確保する必要があるが、その重要性は低い。通常、ＴＨｚ出力を上げるために出来るだけ動作電流を上げる動作状態となるため、フォトダイオードの自己発熱が問題となる。その様な条件下では、受光感度よりも、一定の動作電流に対してＴＨｚ出力をどれだけ取り出せるか、すなわち、ＤＣ感度に対するＴＨｚ感度の比が最重要となるのである。その様な観点からのＴＨｚ用フォトダイオードの設計に関する具体的な報告も見あたらない。

（従来例１）
例えば、非特許文献１は、単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ：Ｕｎｉ−Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−ＣａｒｒｉｅｒＰｈｔｏｄｉｏｄｅ）とログペリオディックアンテナをＩｎＰ基板上に集積化した半導体チップを用いて製作した“フォトダイオード・モジュール”についてＴＨｚ出力特性を報告している。ＴＨｚ出力は、周波数と共に低下し、おおよそ３００ＧＨｚを超えると、その低下傾向が急激になっている。そのフォトダイオード・モジュールに搭載されたフォトダイオードは、真性帯域に伴う応答の低下と、フォトダイオードの接合容量による応答の低下が重畳された形の周波数依存性が現れると考えられる。以下、簡単に説明する。

もっとも単純化された場合の、フォトダイオードの真性応答Ｒ１（ω）は、光変調周波数（＝光ビート周波数）をｆ（２πｆ＝ω）とすると、上記のキャリア走行時間に伴う遅延τｄを用い、
Ｒ１（ω）＝１／［１＋ｊωτｄ］、
で表現される。また、フォトダイオードの接合容量Ｃｊと純抵抗アンテナの負荷ＲＬで支配されるＲＣ常数にかかわる応答Ｒ２（ω）は、
Ｒ２（ω）＝１／［１＋ｊωＣｊＲＬ］
と近似されるので、ＴＨｚ出力の周波数特性は、
Ｐｏｕｔ（ω）＝１／［｜Ｒ１（ω）｜ｘ｜Ｒ２（ω）｜］^２
∝１／ω^４（高周波域：ω＞＞１／τｄ、かつω＞＞１／ＣｊｘＲＬ）
となる。非特許文献１で観測されているＴＨｚ出力の測定値も、おおよそ４００ＧＨｚを超える領域で、∝１／ω^４の傾向を示している。すなわち、非特許文献１で使用されているフォトダイオードの真性応答は特殊なものではなく、ほぼ典型的な周波数特性を持つものと考えられる。

（従来例２）
Ｅｆｆｅｎｂｅｒｇｅｒ等は、部分吸収層タイプのｐｉｎ形フォトダイオードを提案している（非特許文献２参照）。図７にそのバンドダイアグラムを示す。このフォトダイオードは、ｎ形コンタクト層７１の上に、電子ドリフト層７２と、光吸収層７３と、ｐ形コンタクトバッファ層７４と、ｐコンタクト層７５とが積層され、Ｐ形コンタクト層７５上にｐ電極７６が形成された構成を備えている。ｐｉｎ形構造のｎコンタクト層７１の側に、ある程度の厚さの光吸収が起こらない電子ドリフト層７２（＝空乏層）を挿入したものである。光吸収で発生したキャリアのうち、ホールは直接ｐ形コンタクトバッファ層７４に流れ込むが、電子は電子ドリフト層７２を走行した後、ｎ形コンタクト層７１に到達する。

電子速度がホール速度よりも大きい故、電子の走行距離が相対的に長いにも関わらず、全体の電流応答が劣化することはなく、３ｄＢ帯域も一定の範囲で低下することはない。その結果、帯域を劣化させることなく接合容量を低減でき、ＲＣ常数を含めた全体のフォトダイオードの応答特性が向上する。

しかしながら、議論されているのは、３ｄＢ帯域が高々３０−４０ＧＨｚ程度のフォトダイオード構造であり、ＴＨｚ応用に向けた指針は示されていない。以下で、簡単なモデルに基づいて、非特許文献２で提案された「部分吸収層タイプ」のｐｉｎ形フォトダイオード構造をスケーリングした場合について、ＴＨｚ応用の観点から再検討してみる。

光吸収層としてＩｎＧａＡｓを用い、光吸収層７３（層厚Ｗａ）と電子ドリフト層７２を含めた、全体の空乏層厚を０.２３μｍに保った状態で、光吸収層厚Ｗａを６００Ａ〜２２００Ａまで変える。電流応答、すなわち先に述べた電子／ホール両者の走行時間に伴う周波数応答の計算では、電子の走行速度は、（非特許文献２のケースと異なり）速度オーバーシュート状態にあるとして６ｘ１０^７ｃｍ／ｓ、ホールの走行速度は、通常の値０.４５ｘ１０^６ｃｍ／ｓを仮定する。

図８は、ＴＨｚ応答出力のシミュレーション結果である。ＩｎＧａＡｓ光吸収層が厚い従来のｐｉｎ形に近いＷａ＝２２００Ａの構造の場合、周波数応答［図８中でＲ２２（ｆ）］は、１００ＧＨｚ付近で低下するホール応答成分と、それ以上の周波数まで広がる電子応答の成分からなることがわかる。結局、Ｗａ＝２２００Ａでは、３ｄＢ帯域はホールの電流応答で支配されてしまう。Ｗａを１４００Ａ、６００Ａと薄くするに従い、応答［Ｒ１４（ｆ）とＲ０６（ｆ）］は高周波側に拡大し、Ｗａ＝６００Ａにおいて３ｄＢ帯域は１．１ＴＨｚまで増大する。前述の様に、３ｄＢ帯域の伸びは、空乏層内の光吸収層の位置がｐコンタクト側に配置された非対象な構造にすると、電子の誘導電流成分の寄与がホールの誘導電流成分の寄与に対して相対的に増大し、全体の応答が電子応答で支配される状態となることによる。

一方、１ＴＨｚ以上の領域の応答を見ると、ここで比較しているすべての構造において、例えば、１０ｄＢ低下帯域（ｆ１０ｄＢ）は２ＴＨｚ付近にあり、大きな違いは見られない。３ＴＨｚ付近の応答は、低周波域に比べ１／５０程度以下に急激に落ちる。３ｄＢ帯域に優れるＷａ＝６００Ａの構造は、２ＴＨｚから３ＴＨｚにかけての応答の低下傾向はもっとも大きい。

ＨｉｒｏｓｈｉＩｔｏｅｔａｌ．、Ｊ．ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈ．Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．１２、ｐｐ．４０１６−４０２１、２００５Ｆ．Ｊ．ＥｆｆｅｎｂｅｒｇｅｒａｎｄＡ．Ｍ．Ｊｏｓｈｉ、Ｊ．ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈ．Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．８、ｐｐ．１８５９−１８４６、１９９６

上述の通り、フォトダイオードのＴＨｚ動作がすでに報告されており、おおむね周波数の４乗に逆比例する傾向が実験的に観測されている。しかしながら、ｆ３ｄＢを大きく超えるＴＨｚ周波数域で、出力特性を改善するためにいかなるフォトダイオード構造をとるべきかについては、まだ明らかにされていない。

本発明の課題は、安定した出力でＴＨｚ動作が可能なフォトダイオードを提案することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、ｎ形コンタクト層、低濃度層、ｐ形コンタクト層が順次積層された半導体層構造と、ｎ形コンタクト層およびｐ形コンタクト層にそれぞれ接続されたｎ電極およびｐ電極を備え、その動作時に上記低濃度層が空乏化するｐｉｎ形半導体構造であって、前記低濃度層は、ｎ形コンタクト層に隣接して、電子ドリフト層と、光吸収層と、ホールドリフト層とが積層されて構成されることを特徴とするフォトダイオードである。

第１の実施形態のフォトダイオードを説明するための図である。第２の実施形態のフォトダイオードスを説明するための図である。第２の実施形態のフォトダイオードのＴＨｚ応答出力の計算結果を示す図である。第３の実施形態のフォトダイオードのバンドダイアグラムと電界強度との関係を示す図である。第４の実施形態のフォトダイオードのバンドダイアグラムと電界強度との関係を示す図である。第５の実施形態のフォトダイオードのバンドダイアグラムと電界強度との関係を示す図である。ＴＨｚ出力可能な従来のフォトダイオード・モジュールのバンドダイアグラムを示す図である。従来のフォトダイオード・モジュールにおけるＴＨｚ応答出力のシミュレーション結果である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のフォトダイオードを説明するための図であり、図１（ａ）はその層構成を示し、図１（ｂ）はそのバンドダイアグラムを示している。

本実施形態のフォトダイオードは、図１（ａ）に示すように、半絶縁性のＩｎＰ基板１０上に、ＩｎＰからなるｎ形コンタクト層１１と、ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ１ｅＶ）からなる低不純物濃度の電子ドリフト層１２と、低不純物濃度のＩｎＧａＡｓ光吸収層１３と、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ１ｅＶ）からなる低不純物濃度のホールドリフト層１４と、ＩｎＰからなるｐ形コンタクトバッファ層１５と、ＩｎＡｌＧａＡｓからなるｐ形コンタクト層１６とを積層し、ｎ形コンタクト層１１上にｎ電極１８が形成され、ｐ形コンタクト層１６上にｐ電極１７が形成されて構成される。

またこのフォトダイオードの活性領域内には、図１（ｂ）のバンドダイアグラムに示すように、光を吸収することによって電子１９ａとホール１９ｂが発生し、キャリアの走行による電流が誘起される。

上記のフォトダイオードを製作する手法は、従来の超高速フォトダイオードを製作するものと同様の手法を採用できる。例えば、まず、ＭＯ−ＶＰＥ法により、半絶縁性のＩｎＰ基板１０に、ｎ形コンタクト層１１からｐ形コンタクト層１６までの積層構造をエピタキシャル成長した基板を製作する。デバイスの加工は、ＩｎＡｌＧａＡｓ−ｐ形コンタクト層１６からＩｎＧａＡｓＰ−電子ドリフト層１２までを含む第１のメサと、ＩｎＰ−ｎ形コンタクト層１１の第２メサとを、化学エッチングを用いて加工し、さらに、金属の蒸着によりｐ電極１７とｎ電極１８を形成し、その他の必要な分離用絶縁膜、金属配線などを形成することによって行われる。

上記のフォトダイオードにおいて、ｐ電極１７とｎ電極１８からフォトダイオードに逆バイアス電圧を印可すると、ＩｎＧａＡｓＰ電子ドリフト層１２、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３、ＩｎＡｌＧａＡｓホールドリフト層１４が空乏化し、電界が誘起される。この状態で、信号光を入射すると、前述の様にＩｎＧａＡｓ光吸収層１３で電子とホールが発生し、それらのキャリアが空乏層を走行することで外部回路に誘導電流が生じる。ホールドリフト層１４と電子ドリフト層１２の材料系を変えているのは、それぞれ、ＩｎＧａＡｓに対する価電子帯不連続、電導帯不連続が小さく、低電界時においてバンド不連続に伴うキャリアのトラップの効果が小さくなるからである。

上記のフォトダイオードでは、ｐｉｎ形ダイオード構造において、ｐ形コンタクト層の側にホールドリフト層が挿入されている点に主な特徴がある。因みに、従来のｐｉｎ形ダイオードに関しては、電子ドリフト層をｎ形コンタクト層の側に挿入することは、すでに非特許文献２にも示されているが、ｐ形コンタクト層側にホールドリフト層を挿入することは開示されていない。これは、従来のｐｉｎ形ダイオードでは広帯域・高効率なデバイスであることが求められていた結果、３ｄＢ帯域での出力が要求され、これに貢献しないホールドリフト層は不要な層であると考えられていたためである。非特許文献２に開示された技術では、電子の速度がホールのそれよりも大きいため、３ｄＢ帯域を上げたり接合容量を低減させたりすることで、３ｄＢ帯域を拡大できるという、利点がある。これとは逆に、本実施形態のフォトダイオードでは、ｐ形コンタクト層の側にホールドリフト層が挿入されると、速度の遅いホールの電流成分の寄与が増大し、３ｄＢ帯域はむしろ低下する傾向を持つ。すなわち、３ｄＢ帯域を向上させるという典型的な目的に対しては、本実施形態のフォトダイオードのダイオード構造は意義をもたない。しかしながら、後述の様に、ＴＨｚ周波数領域では逆に応答が高くなるという特性を持つ。

以上説明したように本実施形態のフォトダイオードは、ＴＨｚ帯（０．３〜３ＴＨｚ）放射光の発生を目的とするフォトダイオードの、出力特性の改善することができる。これまで、ｆ３ｄＢを大きく超えるＴＨｚ周波数域で、出力特性を改善するためにいかなるフォトダイオード構造をとるべきかについては、まだ明らかにされていなかったが、本実施形態のフォトダイオードは、３ｄＢ帯域を犠牲にして、ＴＨｚ周波数領域の電子の応答を効果的に引き出すことが可能とするものである。従来のフダイオードにとの比較では、２ＴＨｚを超える周波数領域で、より高い出力を得ることが予測され、ＴＨｚ分光、ＴＨｚイメージング、セキュリティー応用など、広いＴＨｚ技術分野への応用において、測定精度の向上、測定時間の短縮などに大きく寄与するものと考えられる。

なお、以上の実施形態の説明ではＩｎＰに格子整合する材料を選び、ホールドリフト層にはＩｎＡｌＧａＡｓ、電子ドリフト層にはＩｎＧａＡｓＰを用いるとしたが、本実施形態のフォトダイオードは、基本的には材料系による大きな制約なく、その設計概念は共通に応用できる。

（第２の実施形態）
本実施形態のフォトダイオードは、第１の実施形態のフォトダイオードにおいて、ＩｎＧａＡｓ光吸収層の空乏層内の位置を変えた態様である。図２は、第２の実施形態のフォトダイオードにおけるバンドダイアグラムを示す図であり、図２（ａ）に示すバンドダイアグラムとなるフォトダイオードでは、光吸収層２３ａがｐ形コンタクト層１６寄りに配置され、ホールドリフト層２４ａが薄く、電子ドリフト層２２ａが厚く構成される。その逆に、図２（ｂ）に示すバンドダイアグラムとなるフォトダイオードでは、光吸収層２３ｂがｎ形コンタクト層１１寄りに配置されホールドリフト層２４ｂが厚く、電子ドリフト層２２ｂが薄く構成される。その他の構成は、第１の実施形態で示した構成と同じである。

ｐ形コンタクト層１５の側にホールドリフト層２４ａ、２４ｂを挿入する構成、すなわち、光吸収層２３ａ、２３ｂの空乏層内の位置を調整することが本発明のフォトダイオードの主な特徴であるが、電子ドリフト層２２ａ、２２ｂ及びホールドリフト層２４ａ、２４ｂの厚さは、必要とされる光応答特性に応じて調整される。図２（ａ）の構成、図２（ｂ）の構成のいずれでも優劣はなく、あくまでも、光吸収層の空乏層内の位置を調整することにより、必要な周波数域の応答を最大限に引き出すように設定すればよい。構造による応答特性の違いについて以下に説明する。

ここでは、次の４種類の構造を比較する。表１はパラメータを示す。図３は、本実施形態のフォトダイオードにおけるＴＨｚ応答出力の計算結果である。図３（ａ）は１０ＧＨｚから１×１０^４ＧＨｚにおけるＴＨｚ応答出力の計算結果を示す両対数グラフであり、図３（ｂ）は１０ＧＨｚから５×１０^３ＧＨｚにおけるＴＨｚ応答出力の計算結果を示す片対数グラフである。図３においては、（対数軸と線形の軸）比較のために、非特許文献２で提案された構造に基づいてホールドリフト層の厚さをゼロとした構造（応答０）も含んでいる。因みに、応答０におけるカーブは図８のＲ０６（ｆ）と同じカーブである。

ホールドリフト層がない従来構造（応答０のカーブ）では、３ｄＢ帯域は１．１ＴＨｚである（図８のＲ０６（ｆ）と同じカーブ）。ホールドリフト層を、６００Å、９００Å、１２００Åと厚くするに従い、３ｄＢ帯域１２０ＧＨｚ程度まで、急激に低下することが図３（ａ）に示す比較で良くわかる。一方、図３（ｂ）によれば、ＴＨｚ領域の応答では、ホールドリフト層が厚いほど、周波数応答の裾が広がっていることが確認される。２ＴＨｚを超えると、本実施形態のフォトダイオードの応答出力はほとんど落ち込みがないにも関わらず、従来構造（応答０）では応答出力が急激に落ち込む。したがって、従来構造に対する本発明のフォトダイオードの優位性が発揮されているといえる。

３ＴＨｚにみられる従来構造における応答の落ちは、本フォトダイオードの構造でホールドリフト層を厚くするに従い，より高周波側にシフトしており、特に、ホールドリフト層厚を１２００Åとした応答３で示すカーブでは、５ＧＨｚまで比較的平坦な応答特性を示す。結局、本実施形態のフォトダイオードは、３ｄＢ帯域を犠牲にして、ＴＨｚ周波数領域の電子の応答を効果的に引き出す構造と言える。

以上説明したとおり、本実施形態のフォトダイオードでは、第１の実施形態のフォトダイオードと同様の効果を有するとともに、光吸収層の空乏層内の位置を変化させることによって所望の周波数範囲で必要な出力を得られるように調整できる。

（第３の実施形態）
本実施形態のフォトダイオードは、第１の実施形態のフォトダイオードにおいて、光吸収層の電界強度を電子ドリフト層およびホールドリフト層の電界強度よりも高くした、いわゆる階段型の電界強度プロファイルとした態様である。図４は、第３の実施形態のフォトダイオードのバンドダイアグラムと電界強度との関係を示す図である。本実施形態のフォトダイオードは、図４に示すように、第１の実施形態の電子ドリフト層１２と、光吸収層１３と、ホールドリフト層１４とに代えて、ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ１ｅＶ）からなる不純物濃度分布を持たせた電子ドリフト層３２と、低不純物濃度のＩｎＧａＡ光吸収層３３と、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ１ｅＶ）からなる不純物濃度分布を持たせたホールドリフト層３４を採用している。ここで、電子ドリフト層３２は、その一部の光吸収層３３側にｎ形ドーピング層３２ｎを有し、ホールドリフト層３４は、その一部の光吸収層３３側に、ｐ形ドーピング層３４ｐを有している。ｎ形ドーピング層３２ｎのイオン化ドナー電荷量と、ｐ形ドーピング層３４ｐのイオン化アクセプタ電荷量を、必要な電界強度の差に応じて調整する。

ｎ形ドーピング層３２ｎ、ｐ形ドーピング層３４ｐは狭い幅を持つので、図４に示した様に階段形の電界強度プロファイルとなり、光吸収層３３の電界強度を、電子ドリフト層３２、ホールドリフト層３４のそれらよりも、相対的に高くする。光吸収層３３の電界強度が上がると、光吸収で発生した電子をより短時間に加速して、本実施形態のフォトダイオードの応答を早く、すなわち、ＴＨｚ域の応答を高くすることが可能となる。また、光吸収層３３の電界強度が上がることは、電子ドリフト層３２内の電位変化を抑え、電子の運動エネルギーが高くなり過ぎない様にする作用もある。構造を複雑にするのを避けるため、ｐ形ドーピング層３４ｐを挿入せず、ｎ形ドーピング層３２ｎのみ挿入する構造も可能である。なお、ホール、電子ドリフト層３２の電界が下がると、必要なフォトダイオードのバイアス電圧も下がり、低発熱の動作が可能となるという利点もある。

以上説明したとおり、本実施形態のフォトダイオードでは、第１の実施形態のフォトダイオードと同様の効果を有するとともに、応答速度の向上を図ることができる。

（第４の実施形態）
本実施形態のフォトダイオードは、第１の実施形態のフォトダイオードにおいて、電子ドリフト層およびホールドリフト層にドーピングをした態様である。図５は、第４の実施形態のフォトダイオードのバンドダイアグラムと電界強度との関係を示す図である。本実施形態のフォトダイオードは、図５に示すように、第１の実施形態の電子ドリフト層１２と、光吸収層１３と、ホールドリフト層１４とに代えて、ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ１ｅＶ）からなるｎ形ドーピングされた電子ドリフト層４２と、低不純物濃度のＩｎＧａＡ光吸収層４３と、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ１ｅＶ）からなるｐ形ドーピングされたホールドリフト層４４とを採用している。

電子ドリフト層４２、ホールドリフト層４４が、それぞれ、ｎ形、ｐ形にドーピングされているので、図５に示した様に、光信号が入力されず、電子とホールが流れていない状態の電界強度プロファイルは、なだらかな台形の山形となる。光信号が入力されると、電子ドリフト層４２を走行する電子、ホールドリフト層４４を走行するホールは、それらの電荷により空乏層４３内の電界強度分布を変調するが、本フォトダイオードでは、動作時の電子の負電荷、ホールの正電荷を補償する様に、電子ドリフト層４２のｎ形ドーピング量、ホールドリフト層４４のｐ形ドーピング量を調整する。

キャリア濃度とバランスさせるためのそれぞれのドーピング濃度は、動作電流密度により決定する。例えば、１０μｍ^２の接合面積で、５ｍＡの電流で動作する場合、電流密度は５×１０^４Ａ／ｃｍ^２となる。電流密度Ｊは、キャリア濃度ｎとキャリア走行速度ｖ、電子電荷ｑのとき、Ｊ＝ｑ×ｎ×ｖと与えられるので、電子電荷密度は、Ｊ／（ｑ×ｖｅ）＝５．２×１０^１５／ｃｍ^３、ホール電荷密度は、Ｊ／（ｑ×ｖ１ｈ）＝６．９×１０^１６／ｃｍ^３と計算される。この様にして、電子ドリフト層４２のｎ形ドーピング量、ホールドリフト層４４のｐ形ドーピング量を決める。この様に、あらかじめ決められた動作電流で適正な電界プロファイルを保つべく構造を決めるので、より高いフォトダイオードの動作電流においても、良好な特性を持つ構造を実現できる。

以上説明したとおり、本実施形態のフォトダイオードでは、第１の実施形態のフォトダイオードと同様の効果を有するとともに、高い動作電流でも適正な動作を行うことができる。

（第５の実施形態）
本実施形態のフォトダイオードは、第３の実施態様に示した階段型電界プロファイルと第４の実施態様に示した電子ドリフト層およびホールドリフト層へのドーピングとの両方を採用した態様である。図６は、第５の実施形態のフォトダイオードのバンドダイアグラムと電界強度との関係を示す図である。第５の実施形態のフォトダイオードは、図６に示すように、第１の実施形態の電子ドリフト層１２と、光吸収層１３と、ホールドリフト層１４とに代えて、ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ１ｅＶ）からなるｎ形ドーピングされた電子ドリフト層５２と、低不純物濃度のＩｎＧａＡｓ光吸収層５３と、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ１ｅＶ）からなるｐ形ドーピングされたホールドリフト層５４とを採用している。さらに、電子ドリフト層５２は、その一部の光吸収層５３側に、より濃度の高いｎ形ドーピング層５２ｎを有し、ホールドリフト層５４は、その一部の光吸収層３３側に、より濃度の高いｐ形ドーピング層３４ｐを有している。

本実施形態のフォトダイオードは、第３の実施形態で説明した階段形電界プロファイルと、第４の実施形態で説明した電子ドリフト層へのｎ形ドーピングおよびホールドリフト層へのｐ形ドーピングの２つの機能を組み合わせて導入したものである。光吸収層５３の電界強度は、電子ドリフト層５２、ホールドリフト層５４のそれらよりも相対的に高いので、光吸収により発生した電子をより短時間に加速し、電流の応答を早くする効果に加え、高い動作電流でも適正な動作を行うことができる。

以上説明したとおり、本実施形態のフォトダイオードでは、第１の実施形態のフォトダイオードと同様の効果を有するとともに、電流の応答を早くする効果に加え、高い動作電流でも適正な動作を行うことができる。

１０基板
１１、７１ｎ形コンタクト層
１２、２２ａ、２２ｂ、３２、４２、５２、７２電子ドリフト層
１３、２３ａ、２３ｂ、３３、４３、５３、７３光吸収層
１４、２４ａ、２４ｂ、３４、４４、５４ホールドリフト層
１５、７４ｐ形コンタクトバッファ層
１６ｐ形コンタクト層
１１ｎ形コンタクト層
１８ｎ電極
１６、７５ｐ形コンタクト層
１７、７６ｐ電極
１９ａ、ｅ電子
１９ｂ、ｈホール
３２ｎｎ形ドーピング層
３４ｐｐ形ドーピング層

Claims

ｎ形コンタクト層、低濃度層、ｐ形コンタクト層が順次積層された半導体層構造と、ｎ形コンタクト層およびｐ形コンタクト層にそれぞれ接続されたｎ電極およびｐ電極を備え、その動作時に上記低濃度層が空乏化するｐｉｎ形半導体構造であって、
前記低濃度層は、ｎ形コンタクト層に隣接して、電子ドリフト層と、光吸収層と、ホールドリフト層とが積層されて構成されることを特徴とするフォトダイオード。
前記電子ドリフト層および前記ホールドリフト層は光吸収層として機能せず、前記電子ドリフト層の厚さ及びホールドリフト層の厚さを変化させることにより、必要とされる光応答特性に調整す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。
前記光吸収層の電界強度に対し、電子ドリフト層とホールドリフト層との少なくとも一方の電界強度を低く設定することを特徴とする請求項１または２に記載のフォトダイオード。
前記電子ドリフト層はｎ形のドーピングがされ、前記ホールドリフト層はｐ形のドーピングがされていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のフォトダイオード。