JP3254532B2 - アバランシェホトダイオード - Google Patents
アバランシェホトダイオードInfo
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Description
ードに関し、特に裏面光入射型の1.3〜1.5μm帯
用化合物半導体アバランシェホトダイオードに関する。
化に対する需要が一層高まってきた。次世代の情報ネッ
トワークには受信光変調速度2.5Gbit/secの
システムが計画されている。
される特性は−30dBmより小さな最小受信レベル
(受信感度)、60GHz以上の帯域幅であり、しかも
光ファイバとの結合が容易な機能的構造と量産化可能な
素子構造が求められている。
ャリアを増幅する機能を備えたアバランシェホトダイオ
ード(APD)が知られている。
す。図2(A)はハイインピーダンス型受光回路を示
し、図2(B)はトランスインピーダンス型受光回路を
示す。図2(A)に示すハイインピーダンス型受光回路
においては、APDと負荷抵抗RL が直列に接続され、
相互接続点にオペアンプ等の増幅器(プリアンプ)Am
pが接続されている。APDの寄生容量をCdとする
と、ハイインピーダンス型受光回路の時定数はCd・R
L となる。
光回路においては、APDの一方の電極にオペアンプ等
の増幅器Ampが接続され、増幅器Ampの出力端と入
力端の間にフィードバック抵抗Rfが接続されている。
トランスインピーダンス型受光回路の時定数は、Cd・
Rf′となる。
増幅器Ampのゲインで除算した数である。したがっ
て、トランスインピーダンス型受光回路は、ハイインピ
ーダンス型受光回路よりも時定数を低くできる利点があ
る。
ンピーダンス型にしても、RL やRfを大きく設計する
ことにより、熱雑音の低減、すなわちプリアンプ入力換
算雑音の改善ができる。一方、回路帯域は、少なくとも
ビットレートの70%程度(2.5Gb/sシステムで
あれば、約1.7GHz)に保持する必要がある。した
がって、低容量なAPDが必要となる。
域を分離し(SAM型)、かつ光吸収領域でも電界加速
を行なうリーチスルーSAM型APDの採用と、増倍領
域でイオン化率の高いキャリアを注入するため、光吸収
領域の導電型を適切に選択すること(該領域の少数キャ
リアが増倍領域へ注入される)等によって達成される。
トランスインピーダンス型の受光回路において、プリア
ンプの低雑音化は、帰還抵抗Rfを大きくすると達成さ
れる。
ることで得られる。遮断周波数は応答速度、つまりCR
時定数、走行時間および増倍時間で基本的に決まる。こ
の場合、低雑音化のためにRfを大きくするので、CR
時定数を小さくするには、(Cd+CPA)を極力小さく
しなければならない。ここでCPAはプリアンプの寄生容
量である。
スルーSAM構造の採用と適切な光吸収層の導電型選択
によって実用化水準まで達している。表面入射型とする
と、ボンディングパッドによる寄生容量が大きくなり、
低容量化のためには、裏面入射型構造を採用することが
不可欠である。裏面入射型とすると、表面電極で内部反
射した光を再び光吸収層で吸収できるので、光吸収層は
薄くても良い。しかし、単に光吸収層を薄くすると、p
n接合の接合容量が増大してしまう。
nP基板上にn型InPバッファ層、n- 型InGaA
s光吸収層、n型InP層を積層する構成とし、n- 型
光吸収層の厚さを約2.5μmとする構造と、(2).
n+ 型InP基板上にn型InPバッファ層、n- 型I
nP低濃度層、n- 型InGaAs光吸収層、n型In
P層を積層する構成とし、n- 型InP低濃度層とn-
型InGaAs光吸収層の合計の厚さを約2.5μmと
する構造が考えられる。
As光吸収層の基板側での光吸収により生成されたキャ
リアのうち、移動度の遅い正孔の走行時間による制限に
より遮断周波数fcは低くなる。
よる制限は避けられるが、InGaAs光吸収層とn-
型InP低濃度層との間のヘテロ接合により電子トラッ
プが生じ、応答速度が遅くなる。
接合容量の増大は接合面積の減少で防止し、接合面積の
減少による光軸合わせの困難さを基板裏面をマイクロレ
ンズ化することによって解決する構造が提案されてい
る。
バランシェホトダイオードの寄生容量Cdは極力小さく
できるが、基板のマイクロレンズ加工は工程上の問題が
あって量産化には適さない。
光変調速度と利得を有するリーチスルーSAM型APD
を提供することである。
イオードは、n+ 型InP基板上に厚さ0.5μm以
上、キャリア濃度5×1015cm-3以下のn- 型InP
バッファ層、その上にn- 型InGaPAs組成遷移
層、その上にn- 型InGaAs光吸収層、その上にn
- 型InPアバランシェ領域、その上にp+ 型InP層
を積層した化合物半導体構造を有し、前記n+ 型InP
基板側から光を入射して用いるアバランシェホトダイオ
ードであって、前記n- 型InPアバランシェ領域にお
いてアバランシェ増倍を起こす動作状態になるまで前記
n+ 型InP基板と前記p+ 型InP層間に逆方向バイ
アス電圧を印加した際に、前記n- 型InPバッファ層
内に伸びる空乏層の端部が前記n+ 型InP基板と前記
n- 型InPバッファ層との界面まで達する状態になる
ように形成されている。
した滑らかな傾斜状バンドギャップ分布を有するように
組成変化するか、または階段状に傾斜するバンドギャッ
プ分布を有するように組成変化する四元混晶からなるこ
とが望ましい。
は、 p+ 型InP基板上に厚さ0.5μm以上、キャ
リア濃度5×1015cm-3以下のp- 型InPまたはp
- 型AlInAsバッファ層、その上にp- 型InGa
PAsまたはp- 型AlGaInAsの組成遷移層、そ
の上にp- 型InGaAs光吸収層、その上にp- 型I
nGaAs/AlInAs超格子層アバランシェ領域、
その上にn+ 型InP層を積層した化合物半導体構造を
有し、前記p+ 型InP基板側から光を入射させて用い
るアバランシェホトダイオードであって、前記p- 型I
nGaAs/AlInAs超格子層アバランシェ領域に
おいてアバランシェ増倍を起こす動作状態になるまで前
記p+ 型InP基板と前記n+ 型InP層との間に逆方
向バイアス電圧を印加した際に、前記p- 型InPまた
はp- 型AlInAsバッファ層内に延びる空乏層の端
部が前記p+ 型InP基板と前記p- 型InPまたはp
- 型AlInAsバッファ層との界面まで達する状態に
なるように形成されている。
射光に対して透明であることが望ましい。したがって、
光吸収層との間にヘテロ接合が形成され、バンド不連続
が生じる。このバンド不連続が形成する電位障壁は、増
倍された信号キャリアに対する障壁として作用する。
壁の幅は狭くなり、キャリアはトンネルで通過すること
もできるが、容量を減少させるために不純物濃度を低く
設定すると、電位障壁によってキャリアの通過は阻害さ
れる。この現象を図3を用いて説明する。
較的狭いバンドギャップを有する。基板1およびバッフ
ァ層2は入射光を透過させるために広いバンドギャップ
を有する。バッファ層2と光吸収層4を直接ヘテロ接合
させると、その間にバンド不連続ΔEC およびΔEV が
形成される。
電位勾配に従って光吸収層4に戻り、さらに基板1側に
向かう時にバッファ層2の形成する電位障壁ΔEC によ
ってその通過を阻害されてしまう。
層を設けることにより、電位障壁は平滑化され、バイア
ス電界によって傾斜されるため、実質的に電位障壁を消
滅させることができる。
が、p型基板を用いる場合も導電型が逆転するだけで組
成遷移層の役割は同様である。
ホトダイオードの動作を説明するための図である。図1
(A)は、APDの動作時におけるバイアス電界分布を
示す。APDは、第1導電型の基板1の上に同導電型の
バッファ層2、組成遷移層3、光吸収層4、アバランシ
ェ領域6がこの順序で積層され、その上に反対導電型層
7が配置された構造を有するとする。
界強度は1×105 V/cm以上、ピーク値で5〜6×
105 V/cmとなっている。一方、光吸収層4、組成
遷移層3、バッファ層2の電界強度は1×105 V/c
m以下になるようにドーピング濃度および厚みの調整が
行なわれており、これらの領域ではアバランシェ増倍は
実質的に発生しない。
滑らかに傾斜している場合のAPD動作時の各領域エネ
ルギバンド構造を示す。アバランシェ領域がn型層であ
る場合、アバランシェ増倍されて光吸収層4に注入され
た電子は、組成遷移層3の滑らかなバンド傾斜に助けら
れて効率よくバッファ層2に注入され、基板1を経て増
倍信号として外部に取出される。この効果は、図1
(C)に示した階段状組成変化をする組成遷移層3を用
いた場合も、階段状組成変化量が余り大きくない場合、
ほとんど変わらない。
においては、図3に示すように、バッファ層2と光吸収
層4の界面に存在するヘテロ接合が注入電子に対して高
さΔEc のバリアを形成する。
な通過を妨げられて遅い信号成分となる。すなわち、A
PDの高周波利得が低下する。アバランシェ領域がp型
層である場合も基本的には同じ現象が生ずる。
組成遷移層3、バッファ層2にアバランシェ増倍が生じ
ない範囲で注入キャリアが加速されるような電界を印加
する。このため、キャリア走行速度が高まり、遮断周波
数の向上につながる。
述べる。図4は、本発明の実施例によるInP/InG
aAs裏面光入射リーチスルーSAM型APDの構成を
示す横断面図の一部である。図において、1はn+ 型I
nP基板、2はn- 型InPバッファ層、3はn- 型I
nx Ga1-x Py As1- y 組成遷移層、4はn- 型In
0.53Ga0.47As光吸収層、5はn型In0.74Ga0.26
P0.4 As0.6 中間層、6はn- 型InPアバランシェ
領域、7はp+ 型InP層、8はガードリング、9はn
- 型InP層、10はn側電極、21はp側電極、22
は反射防止膜、23は表面保護膜である。
PE法やMOCVD法、あるいはMBE法を用いた層状
堆積、選択拡散等によって形成することができる。ま
た、成長層表面側には電極接触ポートを除いて表面保護
膜23が、また光入射する裏面には光入射ポートに反射
防止膜22が形成されている。
アにドリフト効果を与えるために、n- 型InPバッフ
ァ層2のキャリア濃度は約1015cm-3と、n型InP
アバランシェ領域6より約一桁低い値に設定されてい
る。
s1-y 組成遷移層3、n- 型In0. 53Ga0.47As光吸
収層4、およびn型In0.74Ga0.26P0.4 As0.6 中
間層5のキャリア濃度は1〜5×1015cm-3の値に設
定されており、図1(A)で示したように、これら領域
に1×105 V/cm以下の電界が形成される。
層5は、基本的にはなくても機能するが、光吸収層で生
成した正孔がアバランシェ領域に注入される際のヘテロ
障壁を緩和し、正孔の高速な移動を助けるたるめには重
要である。
4、中間層5を含めた厚みは2μm以上、このうち光吸
収層4の厚みは約1.5μmである。また、これらの層
を通してキャリア濃度と厚みの積、いわゆるN・l積が
1.1×1012cm-2以下であるように設計すること
が、上述の特性を得るために重要である。
移層3は、いわゆるグレーデッドヘテロ領域を構成し、
組成はバッファ層2に接する領域のx=y=1(In
P)から光吸収層4に接する領域のx=0.53、y=
0(In0.53Ga0.47As)までInPに格子整合する
よう変化する。
も1.3〜1.6μm帯で最小受信レベルが−35dB
m以下(受信光変調速度2.5Gb/s)の高感度を得
ることができる。また、増幅率も50以上、量子効率8
0%以上、帯域幅60GHz以上のAPDホトダイオー
ドが得られる。
の構成断面図を示す。本実施例は、アバランシェ領域1
6がp- 型(InGaAs/AlInAs)の超格子構
造となっている。
2はp- 型Al0.47In0.53Asバッファ層、13はp
- 型Ga0.47In0.53AsからAl0.47In0.53As
へ、バンドギャップとしてはEg=0.75eVからE
g=1.5eVへ変化する組成遷移層、14はp- 型I
n0.53Ga0.47As光吸収層、16はp- 型(InGa
As/AlInAs)超格子アバランシェ領域、17は
n+ 型InP層、18はガードリング、19はp- 型I
nP層、20はp側電極、21はn側電極、22は反射
防止膜、23は表面保護膜である。
化率αが正孔のイオン化率βを大きく凌ぐので、低雑音
化のため、光吸収層14で発生したキャリアのうち、電
子を注入する。したがって、前記実施例の場合とp、n
の導電型が反転している。
なり、光吸収層14とアバランシェ領域16の間に中間
層は設けず、バッファ層12をInPよりバンドギャッ
プの広いAlInAsで構成している。
ンドウ効果を示せばよいので、必ずしもInPより広い
バンドギャップを有する必要はない。すなわち、InP
でもAlInAsでも同様の結果が得られる。
s組成遷移層13は0.5μmの厚みを有し、0.1μ
mの厚さを単位として組成を階段状に変化させてある。
このようにしても、滑らかに組成傾斜した場合と同様、
正孔の通過障害となる電子障壁の形成を防止できる。組
成遷移層をInGaPAsで形成することもできる。
層12の上に光吸収層14を直接形成した場合は、正孔
の移動がヘテロバリア層によって阻止されるため、高速
応答性は大きく劣化する。
と組成遷移層を合体させた構成とすることも可能であ
る。たとえば、図4の構成において、バッファ層2と組
成遷移層3の代わりに、基板1側から光吸収層4側に向
かって組成がInPからInGaAsに徐々に変化する
InGaAsP組成勾配層を用いてもよい。ただし、こ
の組成勾配層はInP基板に格子整合する。
nGaAsから徐々に組成が変化するようにし、基板側
では一定のInGaAsP組成としてもよい。なお、組
成勾配層全体で光吸収端波長は1.3μm以下とする。
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
p−n接合面積を小さくしなくても、光吸収層、組成遷
移層およびバッファ層のキャリア濃度、厚みの適切な選
択によってAPD動作時に大きなキャリアドリフト効果
がもたらされる。
フトキャリアのバリア層へのトラップが抑制されて高速
走行性が保持され、利得が高まる。この結果、基板をマ
イクロレンズ加工する等の煩雑な工程を避けることがで
き、量産性の優れた高性能APDを得ることができる。
る。
APDの構成を示す断面図である。
ある。
バランシェ領域 17 n+ 型InP層 19 p- 型InP層 21 拡散層電極 22 反射防止膜 23 表面保護膜
Claims (4)
- 【請求項1】 n+ 型InP基板上に厚さ0.5μm以
上、キャリア濃度5×1015cm-3以下のn- 型InP
バッファ層、その上にn- 型InGaPAs組成遷移
層、その上にn- 型InGaAs光吸収層、その上にn
- 型InPアバランシェ領域、その上にp+ 型InP層
を積層した化合物半導体構造を有し、前記n+ 型InP
基板側から光を入射して用いるアバランシェホトダイオ
ードであって、 前記n- 型InPアバランシェ領域においてアバランシ
ェ増倍を起こす動作状態になるように前記n+ 型InP
基板と前記p+ 型InP層間に逆方向バイアス電圧を印
加した際に、前記n- 型InPバッファ層内に伸びる空
乏層の端部が前記n+ 型InP基板と前記n- 型InP
バッファ層との界面まで達する状態になるように形成さ
れているアバランシェホトダイオード。 - 【請求項2】 前記組成遷移層が、InPと格子整合し
た滑らかな傾斜状バンドギャップ分布を有する如く組成
変化するか、または階段状に傾斜するバンドギャップ分
布を有する如く組成変化する四元混晶層からなる請求項
1記載のアバランシェホトダイオード。 - 【請求項3】 p+ 型InP基板上に厚さ0.5μm以
上、キャリア濃度5×1015cm-3以下のp- 型InP
またはp- 型AlInAsバッファ層、その上にp- 型
InGaPAsまたはp- 型AlGaInAsの組成遷
移層、その上にp- 型InGaAs光吸収層、その上に
p- 型InGaAs/AlInAs超格子層アバランシ
ェ領域、その上にn+ 型InP層を積層した化合物半導
体構造を有し、前記p+ 型InP基板側から光を入射さ
せて用いるアバランシェホトダイオードであって、 前記p- 型InGaAs/AlInAs超格子層アバラ
ンシェ領域においてアバランシェ増倍を起こす動作状態
になるように前記p+ 型InP基板と前記n+型InP
層との間に逆方向バイアス電圧を印加した際に、前記p
- 型InPまたはp- 型AlInAsバッファ層内に伸
びる空乏層の端部が前記p+ 型InP基板と前記p- 型
InPまたはp- 型AlInAsバッファ層との界面ま
で達する状態になるように形成されているアバランシェ
ホトダイオード。 - 【請求項4】 前記光吸収層と前記基板との間に、前記
バッファ層と前記組成遷移層に代えて少なくとも光吸収
層側で組成が徐々に変化し、基板側でキャリア濃度が5
×1015cm-3以下であり、光吸収端波長が1.3μm
以下でInPに格子整合した半導体層を有する請求項1
から3までのいずれか1項に記載のアバランシェホトダ
イオード。
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