JP3699961B2 - Photodiode - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はIII−V族化合物半導体、特にInGaAsP系材料を用いた長波長帯の広帯域フォトダイオードの素子構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
長波長帯(1.5μm帯)の広帯域フォトダイオードは、InGaAsを光吸収層とするpin形ダイオード(pin−PD)が一般的であり、この光吸収層は電流を誘起するキャリア走行領域を共用する。ここでは、発生したキャリアが電界で即座に加速されるべく、InGaAs光吸収層は動作状態で空乏化するように設計され、構造的にはInGaAs光吸収層をp形およびn形のInPなどで挾んだ、いわゆるダブルヘテロpin構造が採用される。これまでの例では、InGaAs光吸収層の厚さが0.2μm程度の面光入射形素子、および通常の導波路形の素子において、3dB帯域(f3dB)として110GHzが報告されている。
帯域を制限する主な要因は、キャリアの走行に伴う周波数応答の低下とCR時定数である(Cはダイオードの接合容量、Rは、素子寄生抵抗+線路特性インピーダンス)。光吸収層厚の変化に伴って容量も変化するので、キャリア走行時間とCR時定数はトレードオフ関係にある。この関係のため、面光入射形素子においては、一定のダイオード接合面積に対して、帯域が最大となる光吸収層厚が存在する。また、光吸収層厚が減少する際に、キャリア走行時間は改善されるが内部量子効率は低下するので、この両者もトレードオフ関係にある。
導波路形素子は導波路に沿って光を導入するため、面光入射形素子にくらべ、内部量子効率を高くできる利点があり、キャリア走行時間と内部量子効率とのトレードオフは改善できるが、キャリア走行時間とCR時定数とのトレードオフは基本的に変わらない。
結局、キャリアの走行速度を増大しないかぎり、面光入射形素子の量子効率とCR時定数を保ちながら(導波路形素子ではCR時定数を保ちながら)、周波数応答(3dB帯域、f3dB)を大幅に伸ばすことは困難である。これは、基本的には半導体の物性に由来する。直接遷移形のIII−V族化合物半導体は「ホールのドリフト速度が遅い」という性質があり、そのために実行的なキャリアの走行時間は、ホールのドリフト速度で支配されてしまう。すなわち、電子のドリフト速度が高いにもかかわらず、「ホールがキャリア走行時間を決定する」ことが、この種のフォトダイオードの基本的な問題である。
一方、可能な出力電流を増大させることも、光通信のレシーバなどにフォトダイオードを応用する場合には重要である。高出力を得るためには、キャリア走行領域のキャリア濃度を増大させなければならない。しかしながら、ダイオードの応答は、内部の空間電荷の発生に伴う電界変調の影響のため、高光入力となると劣化する。すなわち、電子濃度に比べ残留するホール濃度が高くなり、その正電荷により走行層の電界が平坦化し、ホールの引き抜きが悪くなるのである。ここでも、ホールのドリフト速度が遅いことが制限要因となっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上述の従来技術における問題点を解消するものであって、有効な内部量子効率とCR時定数を確保しつつ周波数応答と飽和出力を改善するための素子構造を有するフォトダイオードを提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の課題を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
本発明は請求項1に記載のように、p形の第1の半導体層と、n形の第2の半導体層と、これらの半導体層に挾まれ、上記第1の半導体層および第2の半導体層よりも低いドーピング濃度を持つ第3の半導体層と、上記第1の半導体層に接して上記第3の半導体層の反対側に配設された上記第1の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きいp形の第4の半導体層とを備えた半導体pn接合構造を有するフォトダイオードであって、
上記第1の半導体層の少なくとも一部が電荷中性条件を保つようにドーピング濃度が設定され、かつ光吸収層として機能するようにバンドギャップエネルギーが設定され、上記第3の半導体層が空乏化したキャリア走行層として機能するようにドーピング濃度が設定され、かつ上記第2および第3の半導体層が光吸収層として機能しないように上記第1の半導体層よりも大きいバンドギャップエネルギーに設定され、
上記第1の半導体層の価電子帯端のホールに対するエネルギーが上記第3の半導体層の価電子帯端のホールに対するエネルギーより低く設定されている構造のフォトダイオードとするものである。
上記のような構成とすることにより、従来型が光吸収層とキャリア走行層は同一の空乏化した半導体層を用いるのに対して、本発明ではキャリアの発生と走行を分離することができるようになるので、走行速度の大きなキャリアのみを使用することができ、応答速度や出力振幅特性を改善できる効果がある。すなわち、本発明のフォトダイオードの構成手法によれば、ドリフト速度の遅いホールが電流発生に関与することを排除し、その結果、従来の電子とホールの両キャリアを使用するフォトダイオードに比べ、より高速な動作が可能となる。特に、本発明のフォトダイオードでは、吸収層が比較的薄い、いわゆる超高速フォトダイオードへの応用で顕著な応答特性の改善効果がある。
また、本発明ではキャリアの発生と走行を分離できる構造であるので、直接遷移型のIII−V族化合物半導体のホールのドリフト速度が遅く、従来型構造における制約、すなわち、「実行的なキャリアの走行時間はホールのドリフト速度で支配され、電子のドリフト速度が高いにもかかわらずホールがキャリア走行時間を決定する」という問題を解消できる。本発明では、走行速度の大きなキャリアのみを使用することができるので、応答速度が速く、出力振幅特性に優れたフォトダイオードが実現できる効果がある。
本発明のフォトダイオードの基本的な構成を図1(a)、(b)に示す。なお、図1(a)は、面光入射形フォトダイオードの断面構造を示す模式図、図1(b)は、図1(a)の素子のバンドダイアグラムである。11はp形光吸収層、12はn形電極層、13はキャリア走行層、14はp形キャリアブロック層である。15はアノード電極、16はカソード電極、17は半絶縁性基板である。
光吸収層は、バイアス状態で空乏化しないように、一定以上のドーピング濃度とし、InPキャリア走行層は空乏化させるべく低いドーピング濃度に設定する。光吸収層は、ほとんどの領域が中性となることが好ましいが、一部は空乏化しても構わない。フォトダイオードを動作させる際は、−0.5Vから−2.5V程度に逆バイアスする。ただし、出力電流レベルが小さい時は0バイアスでも良い。
素子の光応答は、以下に示す通りに行われる。
まず、半絶縁性基板17側から入射した光は、n形電極層12とキャリア走行層13を通過し、p形光吸収層11で吸収される。発生した電子とホールのうち、電子はキャリア走行層13に拡散し外部回路に誘導電流を発生する。ホールは直接アノード電極15に流れ込むので、走行層中の誘導電流にはほとんど寄与しない。
ここで、本発明のフォトダイオードの従来技術との相違点について説明する。図5(a)は、従来のダブルヘテロpin−PDの断面構造を示す模式図で、図5(b)に、そのバンドダイアグラムを示す。図において、51はp形電極層、52はn形電極層、53はキャリア走行層、55はアノード電極、56はカソード電極、57は半絶縁性基板である。この従来型のフォトダイオードでは、光吸収層とキャリア走行層は同一の空乏化した半導体層を用いるので、等しい数の電子とホールが生成され、それぞれn形電極層とp形電極層に到達する間、共に誘導電流を外部回路に発生させる。ここで、誘導電流は、電子とホールの2種類の電流成分の和の形で生じ、それがダイオードの周波数応答を決定する。
InGaAs等の化合物半導体では、両キャリアのドリフト速度が4〜8倍程度異なり、ドリフト速度の遅いホールによって走行遅延時間特性がほとんど決まってしまう。3dB帯域f3dBは、τhをホールの走行時間、vhをホールドリフト速度、WTを空乏層幅とすると、
3dB=3.5/(2πτh)=3.5vh/(2πWT)……(数1)
で近似的に表わすことができる。
一方、本発明のpin−PD〔図1(a)〕は、ドリフト速度の遅いキャリアが素子動作に直接関与しない構造としている。光吸収とキャリア走行を機能的に分離しているので、全体の光応答はキャリア注入と誘導電流発生の二段階のプロセスとなる。キャリアドリフト速度に違いが無い場合には、従来型のpin−PDよりも応答が遅くなる。しかしながら、キャリアドリフト速度に一定以上の違いが有る場合には、速度の速いキャリア(一般的には電子)を選択的に使うことにより、逆に応答が早くなる。
以下に、本発明のpin−PDの動作を説明する。まず、光吸収層で生成された電子とホールのうち、電子はキャリア走行層に拡散する。ホールは光吸収層電荷中性条件を保つように、単に電子の挙動に合わせて電気的に応答する。このホールの応答時間は、誘電緩和時間のそれであり極めて短いものである。走行層へのキャリア注入の応答時間τAbsは、光吸収層内の電子の拡散時間で決まるが、これは全光吸収層の厚さをWAbs、走行時間をτeAbs、電子の移動度をμeとすると、バイポーラトランジスタのベース走行時間の類推から、ベース走行時間として見積もられるτの1/2すなわち、
τA=τeAbs/2=〔WAbs 2/(2kTμe/q)〕/2=〔WAbs 2/(2kTμe/q)〕/2 =WAbs 2/(4kTμe/q)∝WAbs 2……(数2)
で近似できる。ここで、キャリア発生層の応答時間は、層厚の2乗に比例する。 f3dB帯域は拡散の伝達関数:1/(1+jωτ)の特性から、
3dB=4/(2πτeAbs)……(数3)
となる。上式と(数1)式を比較すると、τhとτeAbsが等しい場合には、従来型と本発明の違いは少ないが、電子の拡散速度がホールドリフト速度よりも大きくなる構造においては、本発明の場合の方がはるかにf3dBは大きくなる。
走行層の応答時間τTは、
コンデンサ内走行キャリアの伝達関数:{1−exp(−jωτ)}/(jωτ)の特性から、電子のドリフト速度をve、電子の走行時間をτeT、走行層幅をWTとして、
τT=WT/2ve=1/2τeT……(数4)
また対応するf3dB帯域は、
3dB=2.4/(2πτeT)……(数5)
となる。上式と(数1)式を比較すると、vh=veの場合には、従来型の方が3.5/2.4倍帯域が広いが、電子速度がホール速度に対して3.5/2.4倍以上となる際には、そのf3dBの関係は逆転する。
周波数応答と共に、出力振幅特性もpin−PDの重要な特性指標である。出力飽和は、内部の空間電荷の発生に伴う電界変調により生じるものであり、電子のみをキャリアとして使うことにより、一定のキャリア濃度に対して、速度が高い分だけ、より高い電流密度を許容し、したがって、より高い出力振幅を可能とする。
結局、従来型と本発明のpin−PDとの差異は、従来型が「光吸収層とキャリア走行層は同一の空乏化した半導体層を用いる」のに対して、本発明では「キャリアの発生と走行を分離」することにある。これにより「走行速度の大きなキャリアのみを使う」ことにより、応答速度や出力振幅特性を改善するものである。
【0005】
【発明の実施の形態】
〈第1の実施の形態〉
図2に、本実施の形態で例示する面光入射形フォトダイオードのバンドダイアグラムを示す。図において、21はp形のIn0.53Ga0.47As光吸収層、22はn形のInP電極層、23はアンドープのInPキャリア走行層、24はp形のIn0.73Ga0.27As0.60.4キャリアブロック層、25はアノード電極である。
In0.53Ga0.47As光吸収層21は、バイアス状態で空乏化しないように一定以上のドーピング濃度とし、InPキャリア走行層23は空乏化させるべく低いドーピング濃度に設定する。In0.73Ga0.27As0.60.4キャリアブロック層24のバンドギャップエネルギーはIn0.53Ga0.47As光吸収層21のそれよりも200meV大きいので、少数キャリアとしての電子が電極側に拡散するのをブロックする。
一例として、ドーピング濃度p=2×1018/cm2のp形In0.53Ga0.47As光吸収層を考える場合、均一な光吸収の近似における応答時間τAは、電子移動度μe=4000cm2/Vs、WAbs=0.2μmとして、(数2)式からτA=1ps、また、(数3)式から帯域はf3dB=320GHzとなる。また、InPキャリア走行層中の電子走行速度をve=4×107cm/s、WT=0.2μmとして、(数4)式から応答時間はτT=0.25ps、帯域は(数5)式からf3dB=764GHzとなる。全体の帯域は(1/f3dB 2total=Σ(1/f3dB 2)の関係から、295GHzと計算される。従来型のpin−PDでは、同一の走行層厚(=同一の量子効率)WT=0.2μmに対して、InGaAs中のホール速度をvh=5×106cm/sとして、帯域はf3dB=140GHzと計算される。本発明の構造では、これに比べ2倍大きい。
【0006】
〈第2の実施の形態〉
図3に、本実施の形態で例示する面光入射形フォトダイオードのバンドダイアグラムを示す。31はp形の傾斜バンドギャップInGaAsP光吸収層、32はn形のInP電極層、33はアンドープのInPキャリア走行層、34はp形のIn0.73Ga0.27As0.60.4キャリアブロック層、35はアノード電極である。InGaAsP光吸収層はバイアス状態で空乏化しないように一定以上のドーピング濃度とし、InPキャリア走行層は空乏化させるべく低いドーピング濃度に設定する。
【0007】
〈第3の実施の形態〉
図4に、本実施の形態で例示する面光入射形フォトダイオードのバンドダイアグラムを示す。41はp形のドーピング濃度を走行層側に向けて傾斜させたIn0.53Ga0.47As光吸収層、42はn形のInP電極層、43はアンドープのInPキャリア走行層、44はp形のIn0.73Ga0.27As0.60.4キャリアブロック層、45はアノード電極である。In0.53Ga0.47As光吸収層はバイアス状態で空乏化しないように一定以上のドーピング濃度とし、InPキャリア走行層は空乏化させるべく低いドーピング濃度に設定する。
図3、図4で示したいずれの実施の形態も、光吸収層に擬電界(中性域で少数キャリアのみに働く電界)を発生させるための構造である。例えば、図3の構造において、5kV/cmの擬電界を誘起させるためには、WAbs=0.2μmの吸収層厚にわたって100meVのバンドギャップ傾斜が必要であり、具体的にはInGaAsPの組成を変えることにより実現できる。また、図4の構造において5kV/cmの電界を誘起させるためには、WAbs=0.2μmの吸収層厚にわたって100meVのフェルミ準位傾斜が必要であり、具体的にはInGaAsのドーピング濃度を47倍変えることにより実現できる。
擬電界は、光吸収層内の電子を電界ドリフトにより加速し応答時間τeAbsを低減する効果がある。拡散に対してドリフト効果が支配的とする近似では、吸収層内の電子速度は一定であり、光吸収層の厚さをWAbs、電界強度をE、電位変化をΔVG、電子の移動度をμeとすると、走行時間は、
τeAbs=WAbs/(μeE)=WAbs/(μeEΔVG/WAbs)∝WAbs 2……(数6)
となる。ここで、キャリア発生層の応答時間は、層厚の2乗に比例する。均一な光吸収の近似における伝達関数は、ここでは導出の詳細は省くが、
{1−exp(−jωτ)}/(jωτ)と求められ、応答時間は、
τA=τeAbs/2……(数7)
さらに、帯域f3dBは、
3dB=2.4/(2πτeAbs)……(数8)
となる。
一例として、光吸収層厚WAbs=0.2μm、内部電界E=5kV/cmの場合、電子移動度μe=4000cm2/Vsとして応答時間を計算すると、
τA=τeAbs/2=0.5psとなる。帯域はf3dB=2.4/(2πτeAbs)=382GHzと計算される。図2の第1の実施の形態の場合(キャリア拡散ケース)に比べて応答時間が改善されることがわかる。内部電界効果が拡散効果と同程度(例えば、E=5kV/cm)の場合は、両効果が相乗的に働くので、現実には、このf3dB帯域値よりも大きくなるものと予測される。吸収層厚を薄くすると効果はいっそう顕著となる。WAbs=0.14μmに対して、
τA=0.25ps、f3dB=2.4/(2πτeAbs)=764GHzとなり、大幅な改善が見込める。この場合走行層の応答が第1の実施の形態と同様であるとすると、全体の帯域はf3dB=540GHzとなる。
【0008】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のフォトダイオードの構成手法によれば、ドリフト速度の遅いホールが電流発生に関与することを排除し、その結果、従来の「電子とホールの両キャリアを使用する」フォトダイオードに比べ、より高速な動作が可能となる。特に、本発明のフォトダイオードでは、吸収層が比較的薄い、いわゆる超高速フォトダイオードへの応用で顕著な応答特性の改善効果がある。一定のバンドギャップを持つ典型的な吸収層(厚さ0.2μm)の例では、従来型の帯域限界140GHzに対して、本発明で295GHzが見込まれる。また、擬電界を光吸収層に内蔵する構造(厚さ0.14μm)では、帯域限界540GHzに達する。
さらに、キャリアの空間電荷による走行層の電界変調が、電子速度/ホール速度に逆比例して抑制できるので、より高い電流密度を許容し、より高い飽和出力を与えるものである。
結局、本発明のフォトダイオードが持つ基本的利点は高速動作にあり、100Gb/sおよびそれ以上の光信号の検出に有効に活用できるものである。高飽和出力の利点は、光通信のレシーバにおけるビット誤り率の改善に寄与できる。
なお、本発明の実施の形態において、主にInGaAsP系材料を用いた面光入射形のフォトダイオードについて述べたが、同様の構成手法は導波路型のフォトダイオードにおいても、また、他のIII−V族化合物半導体材料を用いたフォトダイオードにおいても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のフォトダイオードの基本構成およびバンドダイアグラムを示す図。
【図2】本発明の第1の実施の形態で例示したフォトダイオードのバンドダイアグラムを示す図。
【図3】本発明の第2の実施の形態で例示したフォトダイオードのバンドダイアグラムを示す図。
【図4】本発明の第3の実施の形態で例示したフォトダイオードのバンドダイアグラムを示す図。
【図5】従来型のフォトダイオードの構成およびバンドダイアグラムを示す図。
【符号の説明】
11…p形光吸収層
12…n形電極層
13…キャリア走行層
14…p形キャリアブロック層
15…アノード電極
16…カソード電極
17…半絶縁性基板
21…p形のIn0.53Ga0.47As光吸収層
22…n形のInP電極層
23…アンドープのInPキャリア走行層
24…p形のIn0.73Ga0.27As0.60.4キャリアブロック層
25…アノード電極
31…p形の傾斜バンドギャップInGaAsP光吸収層
32…n形のInP電極層
33…アンドープのInPキャリア走行層
34…p形のIn0.73Ga0.27As0.60.4キャリアブロック層
35…アノード電極
41…p形のドーピング濃度を走行層側に向けて傾斜させたIn0.53Ga0.47As光吸収層
42…n形のInP電極層
43…アンドープのInPキャリア走行層
44…p形のIn0.73Ga0.27As0.60.4キャリアブロック層
45…アノード電極
51…p形電極層
52…n形電極層
53…キャリア走行層
55…アノード電極
56…カソード電極
57…半絶縁性基板
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a device structure of a long-wavelength broadband photodiode using a III-V compound semiconductor, particularly an InGaAsP-based material.
[0002]
[Prior art]
Wide-band photodiodes in the long wavelength band (1.5 μm band) are generally pin-type diodes (pin-PD) using InGaAs as a light absorption layer, and this light absorption layer shares a carrier traveling region that induces current. To do. Here, the InGaAs light absorption layer is designed to be depleted in the operating state so that the generated carriers are immediately accelerated by the electric field. Structurally, the InGaAs light absorption layer is made of p-type and n-type InP or the like. A so-called double hetero pin structure is adopted. In the examples so far, 110 GHz is reported as a 3 dB band (f 3 dB ) in a surface light incident type element having a thickness of an InGaAs light absorption layer of about 0.2 μm and a normal waveguide type element.
The main factors that limit the bandwidth are a decrease in frequency response and a CR time constant as carriers run (C is the diode junction capacitance, R is the element parasitic resistance + line characteristic impedance). Since the capacity also changes as the light absorption layer thickness changes, the carrier travel time and the CR time constant are in a trade-off relationship. Because of this relationship, in the surface light incident type element, there is a light absorption layer thickness that maximizes the band for a certain diode junction area. Further, when the thickness of the light absorption layer is reduced, the carrier transit time is improved, but the internal quantum efficiency is lowered, so both are in a trade-off relationship.
The waveguide type element introduces light along the waveguide, and therefore has an advantage that the internal quantum efficiency can be increased compared to the surface light incident type element, and the trade-off between the carrier transit time and the internal quantum efficiency can be improved. The trade-off between carrier travel time and CR time constant is basically unchanged.
After all, unless the carrier traveling speed is increased, the frequency response (3 dB bandwidth, f 3dB ) is maintained while maintaining the quantum efficiency and CR time constant of the surface light incident type element (while maintaining the CR time constant in the waveguide type element). It is difficult to stretch significantly. This basically originates from the physical properties of the semiconductor. The direct transition type III-V compound semiconductor has a property of “slow hole drift speed”, and therefore, the effective carrier travel time is controlled by the hole drift speed. In other words, despite the high electron drift speed, “the hole determines the carrier travel time” is a basic problem of this type of photodiode.
On the other hand, increasing the possible output current is also important when applying photodiodes to optical communication receivers and the like. In order to obtain a high output, the carrier concentration in the carrier travel region must be increased. However, the response of the diode deteriorates at high light input due to the influence of electric field modulation accompanying the generation of internal space charge. That is, the remaining hole concentration becomes higher than the electron concentration, and the electric field of the traveling layer is flattened by the positive charge, and the hole extraction becomes worse. Again, the slow hole drift rate is the limiting factor.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the above-described problems in the prior art, and a photodiode having an element structure for improving frequency response and saturation output while ensuring effective internal quantum efficiency and CR time constant Is to provide.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object of the present invention, the present invention is configured as described in the claims. That is,
According to a first aspect of the present invention, a p-type first semiconductor layer, an n-type second semiconductor layer, and these semiconductor layers are sandwiched between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. A third semiconductor layer having a lower doping concentration than the semiconductor layer, and a band gap energy higher than that of the first semiconductor layer disposed on the opposite side of the third semiconductor layer in contact with the first semiconductor layer. A photodiode having a semiconductor pn junction structure including a large p-type fourth semiconductor layer,
The doping concentration is set so that at least a part of the first semiconductor layer maintains a charge neutral condition, and the band gap energy is set so as to function as a light absorption layer, so that the third semiconductor layer is depleted. The doping concentration is set so as to function as a carrier traveling layer, and the second and third semiconductor layers are set to a larger band gap energy than the first semiconductor layer so as not to function as a light absorption layer,
The photodiode has a structure in which the energy with respect to the hole at the valence band edge of the first semiconductor layer is set lower than the energy with respect to the hole at the valence band edge of the third semiconductor layer.
By adopting the above configuration, the conventional type uses the same depleted semiconductor layer for the light absorption layer and the carrier traveling layer, but in the present invention, the generation of carriers and the traveling can be separated. Therefore, only a carrier having a high traveling speed can be used, and the response speed and output amplitude characteristics can be improved. That is, according to the configuration method of the photodiode of the present invention, it is excluded that holes having a low drift speed are involved in current generation, and as a result, compared to a conventional photodiode using both electron and hole carriers. High speed operation is possible. In particular, the photodiode of the present invention has a remarkable effect of improving response characteristics when applied to a so-called ultrahigh-speed photodiode having a relatively thin absorption layer.
Further, in the present invention, since the generation and traveling of carriers can be separated, the drift rate of holes in the direct transition type III-V group compound semiconductor is slow, which is a limitation in the conventional structure, that is, “effective carrier carrier”. The traveling time is governed by the drift speed of the hole, and the problem that the hole determines the traveling time of the carrier despite the high drift speed of electrons can be solved. In the present invention, since only a carrier having a high traveling speed can be used, there is an effect that a photodiode having a high response speed and excellent output amplitude characteristics can be realized.
A basic structure of the photodiode of the present invention is shown in FIGS. 1A is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a surface light incident photodiode, and FIG. 1B is a band diagram of the element shown in FIG. 11 is a p-type light absorption layer, 12 is an n-type electrode layer, 13 is a carrier traveling layer, and 14 is a p-type carrier block layer. Reference numeral 15 denotes an anode electrode, 16 denotes a cathode electrode, and 17 denotes a semi-insulating substrate.
The light absorption layer is set to a doping concentration of a certain level or more so as not to be depleted in a bias state, and the InP carrier traveling layer is set to a low doping concentration so as to be depleted. The light absorption layer is preferably neutral in most regions, but may be partially depleted. When the photodiode is operated, it is reverse-biased from -0.5V to -2.5V. However, when the output current level is small, 0 bias may be used.
The optical response of the element is performed as follows.
First, light incident from the semi-insulating substrate 17 side passes through the n-type electrode layer 12 and the carrier traveling layer 13 and is absorbed by the p-type light absorption layer 11. Of the generated electrons and holes, the electrons diffuse into the carrier travel layer 13 and generate an induced current in the external circuit. Since the holes flow directly into the anode electrode 15, they hardly contribute to the induced current in the traveling layer.
Here, the difference of the photodiode of the present invention from the prior art will be described. Fig.5 (a) is a schematic diagram which shows the cross-section of the conventional double hetero pin-PD, and the band diagram is shown in FIG.5 (b). In the figure, 51 is a p-type electrode layer, 52 is an n-type electrode layer, 53 is a carrier traveling layer, 55 is an anode electrode, 56 is a cathode electrode, and 57 is a semi-insulating substrate. In this conventional photodiode, since the light absorbing layer and the carrier traveling layer use the same depleted semiconductor layer, an equal number of electrons and holes are generated and reach the n-type electrode layer and the p-type electrode layer, respectively. In both cases, an induced current is generated in the external circuit. Here, the induced current occurs in the form of the sum of two current components, electrons and holes, which determines the frequency response of the diode.
In a compound semiconductor such as InGaAs, the drift speeds of both carriers differ by about 4 to 8 times, and the travel delay time characteristics are almost determined by holes having a low drift speed. The 3 dB bandwidth f 3dB is expressed as follows: τ h is the hole travel time, v h is the hole drift velocity, and W T is the depletion layer width.
f 3dB = 3.5 / (2πτ h ) = 3.5 v h / (2πW T ) (Equation 1)
Can be expressed approximately.
On the other hand, the pin-PD [FIG. 1A] of the present invention has a structure in which carriers having a low drift speed do not directly participate in element operation. Since optical absorption and carrier travel are functionally separated, the overall optical response is a two-step process of carrier injection and induction current generation. When there is no difference in the carrier drift speed, the response is slower than that of the conventional pin-PD. However, when there is a difference of a certain level or more in the carrier drift speed, the response becomes faster by selectively using a carrier having a high speed (generally, electrons).
The operation of the pin-PD of the present invention will be described below. First, of the electrons and holes generated in the light absorption layer, the electrons diffuse into the carrier traveling layer. The hole responds electrically according to the behavior of the electrons so as to maintain the charge neutral condition of the light absorption layer. The response time of this hole is that of the dielectric relaxation time and is extremely short. The response time τ Abs of carrier injection into the traveling layer is determined by the diffusion time of electrons in the light absorbing layer. This is the thickness of the total light absorbing layer W Abs , the traveling time τ eAbs , and the electron mobility. Assuming μ e , 1/2 of τ estimated as the base travel time from the analog base travel time of the bipolar transistor, that is,
τ A = τ eAbs / 2 = [W Abs 2 / ( 2 kTμ e / q)] / 2 = [W Abs 2 / ( 2 kTμ e / q)] / 2 = W Abs 2 / (4 kTμ e / q) ∝W Abs 2 ( Equation 2 )
Can be approximated by Here, the response time of the carrier generation layer is proportional to the square of the layer thickness. The f 3dB band is a characteristic of the diffusion transfer function: 1 / (1 + jωτ)
f 3dB = 4 / (2πτ eAbs ) (Equation 3)
It becomes. Comparing the above equation with (Equation 1), when τ h and τ eAbs are equal, the difference between the conventional type and the present invention is small, but in the structure in which the electron diffusion rate is larger than the hole drift velocity, In the present invention, f 3 dB is much larger.
The response time τ T of the traveling layer is
Transfer function of traveling carrier in capacitor: From the characteristic of {1-exp (−jωτ)} / (jωτ), the electron drift velocity is v e , the electron traveling time is τ eT , and the traveling layer width is W T.
τ T = W T / 2v e = 1 / 2τ eT ( Expression 4)
The corresponding f 3dB band is
f 3dB = 2.4 / (2πτ eT ) (Equation 5)
It becomes. Compared to the above equation (Equation 1), v h = v in the case of e is towards conventional 3.5 / 2.4 times the bandwidth is wide, the three electron velocity relative to the hole velocity. When it becomes 5 / 2.4 times or more, the relationship of f 3 dB is reversed.
Along with the frequency response, the output amplitude characteristic is also an important characteristic index of pin-PD. Output saturation is caused by electric field modulation accompanying the generation of internal space charge, and by using only electrons as carriers, a higher current density is allowed by a higher speed for a certain carrier concentration. Thus allowing for higher output amplitudes.
After all, the difference between the conventional type and the pin-PD of the present invention is that the conventional type “uses the same depleted semiconductor layer for the light absorption layer and the carrier traveling layer”, whereas the present invention “ And running ". As a result, the response speed and output amplitude characteristics are improved by “using only a carrier having a high traveling speed”.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<First Embodiment>
FIG. 2 shows a band diagram of a surface light incident photodiode illustrated in this embodiment. In the figure, 21 is a p-type In 0.53 Ga 0.47 As light absorption layer, 22 is an n-type InP electrode layer, 23 is an undoped InP carrier running layer, and 24 is a p-type In 0.73 Ga 0.27 As 0.6 P 0.4 carrier block. Layer 25 is the anode electrode.
The In 0.53 Ga 0.47 As light absorption layer 21 is set to a certain doping concentration or more so as not to be depleted in a bias state, and the InP carrier running layer 23 is set to a low doping concentration so as to be depleted. Since the band gap energy of the In 0.73 Ga 0.27 As 0.6 P 0.4 carrier blocking layer 24 is 200 meV larger than that of the In 0.53 Ga 0.47 As light absorbing layer 21, it blocks the diffusion of electrons as minority carriers to the electrode side.
As an example, when considering a p-type In 0.53 Ga 0.47 As light absorption layer with a doping concentration p = 2 × 10 18 / cm 2 , the response time τ A in the approximation of uniform light absorption is the electron mobility μ e = 4000 cm 2. / Vs, W Abs = 0.2 μm, τ A = 1 ps from (Equation 2), and the band is f 3dB = 320 GHz from (Equation 3). Also, assuming that the electron traveling speed in the InP carrier traveling layer is v e = 4 × 10 7 cm / s and W T = 0.2 μm, the response time is τ T = 0.25 ps and the band is (Equation 4) From equation (5), f 3dB = 764 GHz. The total bandwidth is calculated to be 295 GHz from the relationship of (1 / f 3dB 2 ) total = Σ (1 / f 3dB 2 ). In the conventional pin-PD, for the same running layer thickness (= same quantum efficiency) W T = 0.2 μm, the hole velocity in InGaAs is v h = 5 × 10 6 cm / s, and the band is f 3dB = 140 GHz is calculated. The structure of the present invention is twice as large as this.
[0006]
<Second Embodiment>
FIG. 3 shows a band diagram of a surface light incident photodiode illustrated in this embodiment. 31 is a p-type inclined band gap InGaAsP light absorption layer, 32 is an n-type InP electrode layer, 33 is an undoped InP carrier traveling layer, 34 is a p-type In 0.73 Ga 0.27 As 0.6 P 0.4 carrier blocking layer, 35 It is an anode electrode. The InGaAsP light absorption layer is set to a doping concentration of a certain level or more so as not to be depleted in a bias state, and the InP carrier traveling layer is set to a low doping concentration so as to be depleted.
[0007]
<Third Embodiment>
FIG. 4 shows a band diagram of a surface light incident photodiode illustrated in this embodiment. 41 is an In 0.53 Ga 0.47 As light absorption layer in which the p-type doping concentration is inclined toward the traveling layer side, 42 is an n-type InP electrode layer, 43 is an undoped InP carrier traveling layer, and 44 is a p-type In 0.73 Ga 0.27 As 0.6 P 0.4 carrier block layer, 45 is an anode electrode. The In 0.53 Ga 0.47 As light absorption layer is set to a doping concentration of a certain level or more so as not to be depleted in the bias state, and the InP carrier traveling layer is set to a low doping concentration so as to be depleted.
Each of the embodiments shown in FIGS. 3 and 4 has a structure for generating a pseudo electric field (an electric field that works only for minority carriers in a neutral region) in the light absorption layer. For example, in order to induce a pseudo electric field of 5 kV / cm in the structure of FIG. 3, a band gap inclination of 100 meV is required over the absorption layer thickness of W Abs = 0.2 μm, specifically, the composition of InGaAsP is changed. It can be realized by changing. In order to induce an electric field of 5 kV / cm in the structure of FIG. 4, a Fermi level gradient of 100 meV is required over the absorption layer thickness of W Abs = 0.2 μm. Specifically, the doping concentration of InGaAs is changed. It can be realized by changing it 47 times.
The pseudo electric field has an effect of accelerating the electrons in the light absorption layer by electric field drift and reducing the response time τ eAbs . In the approximation in which the drift effect dominates the diffusion, the electron velocity in the absorption layer is constant, the thickness of the light absorption layer is W Abs , the electric field strength is E, the potential change is ΔV G , and the electron mobility. Where μ e is the travel time
τ eAbs = W Abs / (μ e E) = W Abs / (μ e EΔV G / W Abs) αW Abs 2 ...... ( number 6)
It becomes. Here, the response time of the carrier generation layer is proportional to the square of the layer thickness. The transfer function in the approximation of uniform light absorption is omitted here for details of derivation,
{1-exp (−jωτ)} / (jωτ), and the response time is
τ A = τ eAbs / 2 …… ( Expression 7)
Furthermore, the bandwidth f 3dB is
f 3dB = 2.4 / (2πτ eAbs ) (Equation 8)
It becomes.
As an example, when the light absorption layer thickness W Abs = 0.2 μm and the internal electric field E = 5 kV / cm, the electron mobility μ e = 4000 cm 2 / Vs is calculated.
τ A = τ eAbs /2=0.5 ps. The bandwidth is calculated as f 3dB = 2.4 / (2πτ eAbs ) = 382 GHz. It can be seen that the response time is improved compared to the case of the first embodiment of FIG. 2 (carrier diffusion case). When the internal electric field effect is about the same as the diffusion effect (for example, E = 5 kV / cm), both effects work synergistically, and in reality, it is predicted to be larger than this f 3 dB band value. The effect becomes even more remarkable when the absorption layer thickness is reduced. For W Abs = 0.14 μm,
τ A = 0.25 ps, f 3dB = 2.4 / (2πτ eAbs ) = 764 GHz, and significant improvement can be expected. In this case, assuming that the response of the traveling layer is the same as that of the first embodiment, the entire band is f 3dB = 540 GHz.
[0008]
【The invention's effect】
As explained in detail above, according to the photodiode construction method of the present invention, it is excluded that holes having a low drift velocity are involved in current generation, and as a result, the conventional “both carriers of electrons and holes are used. Compared to a “photo diode”, it can operate at a higher speed. In particular, the photodiode of the present invention has a remarkable effect of improving response characteristics when applied to a so-called ultrahigh-speed photodiode having a relatively thin absorption layer. In the case of a typical absorption layer (thickness 0.2 μm) with a constant bandgap, 295 GHz is expected with the present invention versus the conventional band limit of 140 GHz. Further, in the structure (thickness 0.14 μm) in which the pseudo electric field is built in the light absorption layer, the band limit reaches 540 GHz.
Furthermore, since the electric field modulation of the traveling layer due to the carrier space charge can be suppressed in inverse proportion to the electron velocity / hole velocity, a higher current density is allowed and a higher saturation output is provided.
After all, the basic advantage of the photodiode of the present invention is high-speed operation, which can be effectively used for detecting optical signals of 100 Gb / s and higher. The advantage of high saturation output can contribute to improvement of bit error rate in a receiver for optical communication.
In the embodiment of the present invention, a surface light incident type photodiode mainly using an InGaAsP-based material has been described. However, a similar configuration method can be applied to a waveguide type photodiode, and other III- The present invention can also be applied to a photodiode using a group V compound semiconductor material.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a basic configuration and a band diagram of a photodiode of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a band diagram of the photodiode exemplified in the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a band diagram of the photodiode exemplified in the second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a band diagram of the photodiode exemplified in the third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration and a band diagram of a conventional photodiode.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... p-type light absorption layer 12 ... n-type electrode layer 13 ... carrier running layer 14 ... p-type carrier block layer 15 ... anode electrode 16 ... cathode electrode 17 ... semi-insulating substrate 21 ... p-type In 0.53 Ga 0.47 As light Absorption layer 22 ... n-type InP electrode layer 23 ... undoped InP carrier transit layer 24 ... p-type In 0.73 Ga 0.27 As 0.6 P 0.4 carrier block layer 25 ... anode electrode 31 ... p-type inclined band gap InGaAsP light absorption layer 32 ... n-type InP electrode layer 33 ... undoped InP carrier running layer 34 ... p-type In 0.73 Ga 0.27 As 0.6 P 0.4 carrier blocking layer 35 ... anode electrode 41 ... p-type doping concentration toward the running layer side Tilted In 0.53 Ga 0.47 As light absorption layer 42 ... n-type InP electrode layer 43 ... undoped InP carrier transit layer 44 ... p-type In 0.7 3 Ga 0.27 As 0.6 P 0.4 Carrier block layer 45 ... anode electrode 51 ... p-type electrode layer 52 ... n-type electrode layer 53 ... carrier running layer 55 ... anode electrode 56 ... cathode electrode 57 ... semi-insulating substrate

Claims (1)

p形の第1の半導体層と、n形の第2の半導体層と、これらの半導体層に挾まれ、上記第1の半導体層および第2の半導体層よりも低いドーピング濃度を持つ第3の半導体層と、上記第1の半導体層に接して上記第3の半導体層の反対側に配設された上記第1の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きいp形の第4の半導体層とを備えた半導体pn接合構造を有するフォトダイオードであって、
上記第1の半導体層の少なくとも一部が電荷中性条件を保つようにドーピング濃度が設定され、かつ光吸収層として機能するようにバンドギャップエネルギーが設定され、上記第3の半導体層が空乏化したキャリア走行層として機能するようにドーピング濃度が設定され、かつ上記第2および第3の半導体層が光吸収層として機能しないように上記第1の半導体層よりも大きいバンドギャップエネルギーに設定され、
上記第1の半導体層の価電子帯端のホールに対するエネルギーが上記第3の半導体層の価電子帯端のホールに対するエネルギーより低く設定されていることを特徴とするフォトダイオード。
A p-type first semiconductor layer, an n-type second semiconductor layer, and a third semiconductor layer sandwiched between these semiconductor layers and having a lower doping concentration than the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. A semiconductor layer and a p-type fourth semiconductor layer having a band gap energy larger than that of the first semiconductor layer disposed on the opposite side of the third semiconductor layer in contact with the first semiconductor layer. A photodiode having a semiconductor pn junction structure comprising:
The doping concentration is set so that at least a part of the first semiconductor layer maintains a charge neutral condition, and the band gap energy is set so as to function as a light absorption layer, so that the third semiconductor layer is depleted. The doping concentration is set so as to function as a carrier traveling layer, and the second and third semiconductor layers are set to a larger band gap energy than the first semiconductor layer so as not to function as a light absorption layer,
The photodiode characterized in that the energy for the hole at the valence band edge of the first semiconductor layer is set lower than the energy for the hole at the valence band edge of the third semiconductor layer.
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