JP3061203B2 - 半導体受光装置 - Google Patents
半導体受光装置Info
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Description
光装置に係り、特に Gb/s 伝送システムに対応する超格
子アバランシェフォトダイオ−ド(SLAPD)の構造
に関する。
る受光素子として、広帯域、低雑音特性の観点から、増
倍層に超格子構造を持つアバランシェフォトダイオ−ド
(以下SLAPD)の開発が進められている。これらの
SLAPDに用いられている超格子の代表的な構造は、
井戸層幅(Lw)20-50nm、障壁層幅(Lb)20-50nm、超格子層
の全膜厚(Lt)1μm程度である。香川等は上記構造のS
LAPDにより、利得帯域積GB積=50GHz,イオ
ン化率比k=10(条件:増倍率M=10)暗電流 I
d=数100μA(条件:M=10)を報告している(サ
ード オプトエレクトロニクス カンファレンス、13
A2−7、オ−エフシー'90[Third Optoelectronics
Conference 13A2-7 (OFC'90)])。
速光通信システムへ適用するためには、高いイオン化率
比を保持したまま(k=5−10 条件:増倍率M=1
0)、利得帯域積、暗電流 のより一層の向上(GB積
>100GHz、Id<1μA 条件:M=10)が望
まれる。GB積を向上するためには、超格子層の全膜厚
(Lt)を薄くすることが有力である。しかし、Ltを薄く
すると一定の増倍を得るための電界が増加し、その結果
Id、kの劣化を生じる。そのため、従来の超格子構造
でLtを薄くする方法では上記特性を改善することは不
可能である。
PDの超格子構造を提供することである。
決するため、井戸層幅(Lw)、障壁層幅(Lb)が従来構造よ
り薄い超格子構造を提案するものである。本発明で採用
する狭い井戸幅の超格子構造はイオン化率比向上の観点
からは適当ではないと通常は考えられるが、本発明者等
の実験確認結果、従来の知識から予測される以外の効果
を確認したため、ここに開示するものである。
いて、キャリア増倍領域内の超格子構造を構成する第1
のバンドギャップを有する第1の半導体薄膜の膜厚Lw
と、この第1のバンドギャップより大きい第2のバンド
ギャップを有する第2の半導体薄膜の膜厚Lbが、 1nm<Lw<10nm 10nm<Lb<20nm の関係を同時に満足する半導体受光装置の構成を提供す
る。
GB積の期待できるLt≦0.5μmの薄膜超格子増倍
層においてもk、Id(イオン化率比、暗電流特性)の
改善が可能である。
される機構を示す。増倍が生じる高電界下で超格子増倍
層を流れる電流は、バンド間のトンネル電流が支配的で
ある。図2に超格子構造をパラメ−タとしたバンド間の
トンネル電流と超格子増倍層に加わる電界E(SL)の
計算値を示す。超格子構造はLb=15nm(一定)の
もとで、Lw=5、10、15、20nmとし、Lt=
0.5μm、接合径50μmとした。図より超格子増倍
層のバンド間トンネル電流は極めて大きなLw依存性を
持つこと、Lw=5nmとすることで E(SL)=50
0kV/cm(本発明の超格子構造で10程度の増倍を
生じる電界)といった高電界までトンネル電流を100
nA以下に抑制できることが判る。また、図3にLw=
5nm(一定)のもとで、Lb=5、10、15、20
nmの場合の同様な計算結果を示す。トンネル電流の抑
制にはLb>10nm、Lw<10nmとすることが効
果的であり、特にLb>15nmとすることにより顕著
なトンネル電流抑制効果が生じることが判る。Lw≦1
nmでは、充分な増倍が得られない。
関係について述べる。詳細なデ−タは実施例で述べる
が、本発明により10程度の高いイオン化率比を得るこ
とが可能である。通常、超格子APDでの高いイオン化
率比は価電子帯、伝導帯でのバンド不連続値の違いによ
り引き起こされる。本発明ではバンド不連続値の違いと
合わせて、電子、正孔での衝突電離の空間的な分布の違
いが大きなイオン化率比を生じさせているものと考えら
れる。
す。本素子は増倍層に超格子構造5を持つ光吸収層7、
増倍層分離型のメサ型裏面入射方式のAPDである。本
発明の特徴となる超格子増倍層はInGaAs井戸層幅
Lw=5nm、InAlAs障壁層幅Lb=15nmで
あり、超格子増倍層の全膜厚は0.35μmとした。図
で1−10は、それぞれN電極、P電極、N−InP基
板(膜厚d=150μm、キャリア濃度N=2×1018
/cm3)、N−InAlAsバッファ層(d=1μ
m、N=2×1018/cm3)、アンド−プ−超格子増
倍層(d=0.5μm、N<1×1015/cm3)、P
−InAlAs電界緩和層(d=0.2μm、P=1.
3×1017/cm3)、P−InGaAs光吸収層(d
=1.7μm、P=2×1015/cm3)、P−InA
lAsバッファ層(d=1μm、P=2×1018/cm
3)、P−InGaAsコンタクト層(d=0.2μ
m、P=2×1019/cm3)、及びポリイミドパッシ
ベ−ション膜である。接合径は50μmである。
を用い、メサ形状の形成にはBr系の溶液によるウェッ
トエッチングを用いた。電極にはP型、N型共に真空蒸
着法で形成したAu/Pt/Tiを用いた。
0での暗電流、素子容量、イオン化率比は、それぞれ8
00nA、0.13pF、10であった。また、入射光
波長1.55μmでの量子効率は85%であった。本素
子の周波数特性をスペクトラムアナライザで評価した結
果、利得帯域積105GHz、増倍率10での遮断周波
数10GHzを得た。
めた。光源には発振波長1.55μmのDFBレ−ザを
用い、光ファイバ長100km、ビットエラレ−ト/1
011での最小受信感度−28dBmを得た。
Dの超格子構造に関するものであり、本発明が本実施例
に示した素子構造(メサ型、裏面入射方式、超格子増倍
層以外の層の仕様等)に限定されるものではないことは
明らかである。
した理由は、すでに暗電流の観点より図2、3に示し
た。次に、増倍率、イオン化率比の観点からの実験結果
を示す。図4、図5に最大増倍率、イオン化率比の超格
子構造依存性を示す。図4は、Lb=15nm(一
定)、Lw=5、10、15、20nm、Lt=0.4
μmの場合を、また、図5は、Lw=5nm(一定)、
Lb=10、15、20、25nm、Lt=0.4μm
の場合を示す。素子構造、素子作成方法は基本的に上述
の実施例と同様である。図4、図5の最大増倍率を決め
る主要因は、トンネル電流の増加に伴うトンネルブレ−
クダウンであると考えられ、図2、図3との相関が認め
られる。また、両図のイオン化率比(最大増倍率でのイ
オン化率比)は、InGaAs 井戸層の膜厚の違いによる電
界の違い等にもとずくものと考えられる。両図、及び図
2、図3を合わせて考えると、暗電流低減、最大増倍率
の増大、イオン化率比向上のために本発明の超格子構
造、即ち1nm<Lw<10nmかつ10nm<Lw<
20nm、が有効であることが判る。
域、低雑音の超格子アバランシェフォトダイオ−ドを得
ることができる。具体的には、低暗電流、高イオン化率
比を維持したまま、高い利得帯域積を実現できる。
図。
ネル電流と超格子増倍層に加わる電界の計算値を示す
図。
ネル電流と超格子増倍層に加わる電界の計算値を示す
図。
を説明するための図。
を説明するための図。
/cm3)、 4…N−InAlAsバッファ層(d=1μm、N=2
×1018/cm3)、 5…アンド−プ−超格子増倍層(d=0.5μm、N<
1×1015/cm3)、 6…P−InAlAs電界緩和層(d=0.2μm、P=
1.3×1017/cm3)、 7…P−InGaAs光吸収層(d=1.7μm、P=
2×1015/cm3)、 8…P−InAlAsバッファ層(d=1μm、P=2
×1018/cm3)、 9…P−InGaAsコンタクト層(d=0.2μm、P
=2×1019/cm3、) 10…ポリイミドパッシベ−ション膜。
Claims (7)
- 【請求項1】 半導体基板と、この半導体基板上に設け
られた半導体積層構造と、この半導体積層構造内に電界
を印加するための1対の電極とを有し、上記半導体積層
構造は入射した光を光電変換するための光吸収領域と、
この光吸収領域で生成したキャリアを増倍するための増
倍領域とを有し、この増倍領域は第1のバンドギャップ
を有する第1の半導体薄膜と、この第1のバンドギャッ
プより大きい第2のバンドギャップを有する第2の半導
体薄膜とを積層した超格子構造を含み、上記第1の半導
体薄膜の膜厚Lw及び上記第2の半導体薄膜の膜厚Lb
が、 1nm<Lw<10nm 10nm<Lb<20nm の関係を同時に満足することを特徴とする半導体受光装
置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の半導体受光装置におい
て、前記半導体積層構造は前記1対の電極により印加さ
れる電界を緩和するための電界緩和層を更に有する半導
体受光装置。 - 【請求項3】 バンドギャップの異なる2種類以上の半
導体の積層構造より構成される増倍層を有して、上記積
層構造の内、最もバンドギャップの小さな半導体の膜厚
を10nm未満とし、最もバンドギャップの大きな半導
体の膜厚を10nmをこえ、20nm未満とすることを
特徴とする半導体受光装置。 - 【請求項4】 バンドギャップの異なる2種類以上の半
導体の積層構造を含んで構成される量子井戸型の増倍層
を具備してなり、該増倍層は少なくとも井戸層および障
壁層を含んで構成され、前記井戸層の膜厚が10nm未
満であり、前記障壁層の膜厚が10nmをこえ20nm
未満である半導体受光装置。 - 【請求項5】 請求項3若しくは4に記載の半導体受光
装置において、前記積層構造より構成される増倍層の全
膜厚を0.5μm以下にすることを特徴とする半導体受
光装置。 - 【請求項6】 請求項3、4若しくは5に記載の半導体
受光装置は、光吸収層、前記増倍層、及びこれら光吸収
層及び増倍層の電界を調整するための電界緩和層とを有
し、更にこれら3層に電界を印加するための2種類以上
の電極を持つことを特徴とする半導体受光装置。 - 【請求項7】 請求項3、4、5若しくは6に記載の半
導体受光装置を構成する半導体材料として、InPに格
子整合したInGaAs、InAlAs、InAlA
s、InGaAsPを含むことを特徴とする半導体受光
装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3061478A JP3061203B2 (ja) | 1991-03-26 | 1991-03-26 | 半導体受光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3061478A JP3061203B2 (ja) | 1991-03-26 | 1991-03-26 | 半導体受光装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04296066A JPH04296066A (ja) | 1992-10-20 |
JP3061203B2 true JP3061203B2 (ja) | 2000-07-10 |
Family
ID=13172220
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3061478A Expired - Lifetime JP3061203B2 (ja) | 1991-03-26 | 1991-03-26 | 半導体受光装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3061203B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100557826C (zh) * | 2004-10-25 | 2009-11-04 | 三菱电机株式会社 | 雪崩光电二极管 |
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---|---|---|---|---|
JP4985298B2 (ja) * | 2007-10-10 | 2012-07-25 | 三菱電機株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
JP2011165848A (ja) * | 2010-02-09 | 2011-08-25 | Hitachi Ltd | 面入射型フォトダイオード |
RU2627146C1 (ru) * | 2016-10-04 | 2017-08-03 | Акционерное общество "НПО "Орион" | Мезаструктурный фотодиод на основе гетероэпитаксиальной структуры InGaAs/AlInAs/InP |
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-
1991
- 1991-03-26 JP JP3061478A patent/JP3061203B2/ja not_active Expired - Lifetime
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