JP3739273B2 - 半導体光検出器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体光検出器に関し、特に、超高速半導体フォトダイオード技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバ通信をはじめとする種々の光システムにおいて、超高速フォトダイオードは光信号を電気信号に変換する不可欠のデバイスであり、扱う信号処理速度が高くなるほど、それに応じて、高い光応答速度(ないしは光応答周波数)が要求される。デジタル応用における40Gbit/sないしはそれを越える速度領域、またミリ波帯の周波数領域では、超高速フォトダイオードとして、単一走行キャリア・フォトダイオード(Uni-Traveling-Carrier Photodiode、以下UTC-PDと略称する)が、その動作速度と飽和出力の高さから極めて有望と考えられている。
【0003】
UTC-PDは、図1の(A)に示すように、p形の光吸収層11、低濃度のn形のキャリア走行層13、p形の拡散ブロック層12、p形のコンタクト層(拡散ブロック層12がこの役割を兼ねる)、n形のコンタクト層14、p形電極15及びn形電極16から形成される。
【0004】
図1の(B)は、このように形成されたUTC-PDにおけるバンドダイアグラムを示している。このバンドダイアグラムにおいて、バンド内の数字は、そのバンドが、図1の(A)において、それぞれ同じ数字を付した層あるいは電極のものであることを示す。
【0005】
この様なUTC-PDに光が入射し、その光エネルギーの吸収によって、p形の光吸収層11で発生したキャリアのうち、走行速度の大きな電子のみをキャリア走行層13の方向に拡散/注入することで高速な光応答を得る。応答速度を決める重要なパラメータは、光吸収層11中の電子走行時間τAとキャリア走行層13中の電子走行時間τCである。InP系の半導体材料を用いた場合、キャリア走行層13中の電子走行速度は光吸収層11中のそれよりも十分に高いので、光応答速度の指標である3dB帯域(f3dB)はほとんどτAで支配され、
f3dB=1/2πτA (1)
で与えられる。電子の輸送が拡散で決まる場合、τAは
τA=WA 2/3De (2)
で近似される。ここで、WAは光吸収層11の厚さ、Deは電子の拡散係数である。
【0006】
UTC-PDの量子効率を高く保つことも応用上で重要であり、そのためにはWAをできるだけ厚くとることが望ましい。しかしWAを大きくするとτAの増大を伴うので3dB帯域は低下してしまう。すなわち量子効率と3dB帯域はトレードオフの関係にある。
【0007】
UTC-PDの応答は、基本的には、上で述べた様な電子の拡散速度で決まるが、大きな光電流の動作状態においては、「セルフバイアス効果」と呼ばれる現象により、3dB帯域の増大が起こることも報告されている。これは、光電流密度が上がるに従い、p形の光吸収層11の中のホールをp形電極15にはき出すためのバンドベンディングが光吸収層11内に生じ、このバンドベンディングが電子に対するドリフト電界として働き、電子走行速度が増大し、電子走行時間τAが低減する結果によるものであると説明される。この様な条件下では、τAは光吸収層11の厚さWAと拡散係数Deのみの関数ではなく、電流密度Jや光吸収層11のコンダクタンスσp、電子の移動度μeの関数ともなる。すなわち、
τA=f(WA,De,J,σp,μe) (3)
と表される。
【0008】
このセルフバイアス効果は、フォトダイオードをより高速に動作させ、ないしは動作速度が同一であれば、より大きなWAを適用することで量子効率を増大させることを可能とするものである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、バンドベンディングそのものはτAを低減する上で極めて有効に働く。
【0010】
しかし、一方では、与えられたバイアス電圧に対してpn接合の空乏層にかかる電圧が低下するので、キャリア走行層13に注入された電子電荷の影響(空間電荷効果)がより強くなり、出力飽和電流密度を下げるという悪影響をももたらす。単にドリフト電界を上げてτAを低減する目的のためには、原理的には、光吸収層11のコンダクタンスσpを下げれば良い。しかしながら、これは出力飽和電流密度を高く保つという面では好ましくない。一定のバンドベンディングのもとで、τAをいかに低減するかが重要な課題となる。
【0011】
本発明の課題は、上記で述べたUTC-PDのセルフバイアス効果をより有効に発生させ、出力飽和電流密度を高く保ちながらUTC-PDの3dB帯域を上げることにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、請求項1に記載したように、
p形の第1の半導体層と、前記第1の半導体層よりも光吸収端エネルギーが大きいp形の第2の半導体層と、前記第1の半導体よりも光吸収端エネルギーが大きい第3の半導体層と、前記第1の半導体層よりも光吸収端エネルギーが大きいn形の第4の半導体層とを少なくとも構成要素として含み、前記第2の半導体層、前記第1の半導体層、前記第3の半導体層、前記第4の半導体層の順で積層され、前記第2の半導体層にp形電極、前記第4の半導体層にn形電極が接触してなる、pn接合を有する半導体光検出器において、
前記第1の半導体層中の光電流密度をJ、前記第1の半導体層の厚さをWA、前記第1の半導体層と前記第3の半導体層との境界から前記第2の半導体層へ向けて測った距離をx、前記距離xにおける前記第1の半導体層内のコンダクタンスをσpとしたときに、
J×(x/WA)/σp (4)
で与えられる値が前記第1の半導体層内にわたって均一化されるべく、前記コンダクタンスσpが、前記第3の半導体層であるキャリア走行層の側から前記第2の半導体層である拡散ブロック層の側に向かって増大するように、アクセプタ濃度が増大する構成を有することを特徴とする半導体光検出器を構成する。
【0013】
【発明の実施の形態】
従来のUTC-PDにおいては、光吸収層中のコンダクタンスσpを均一にしているために、電流値を上昇させた際に、セルフバイアス効果により発生する電界強度が不均一となる。本発明の提案においては、その不均一性が3dB帯域を制限する要因となっているという観点に立つ。この観点から、本発明においては、この電界強度の不均一性を低減するために、光吸収層のアクセプタドーピング(不純物のドーピングによってアクセプタを形成すること)に所望の分布を持たせることによって光吸収層中のコンダクタンスσpに分布を持たせる。
【0014】
以下に、本発明の実施の形態を、図1、図2及び図3を用いて説明する。
【0015】
本実施の形態におけるUTC-PDの層構成は図1に示した従来のUTC-PDの層構成と同じであるので、本実施の形態の説明においても図1を用いる。本実施の形態が従来技術と異なる点は、光吸収層11のアクセプタドーピングに所望の分布を持たせることにある。
【0016】
図1において、p形の光吸収層11、p形の拡散ブロック層12、低濃度のn形のキャリア走行層13及びn形のコンタクト層14は、それぞれ、請求項1に記載の第1、第2、第3及び第4の半導体層に相当する。
【0017】
次に、光吸収層11のアクセプタドーピングの分布の一例について説明する。
まず、図1の(A)に示したように、光吸収層11の厚さをWA、光吸収層11とキャリア走行層13との境界から拡散ブロック層12へ向けて測った距離をxとする。
【0018】
図2の(A)は、アクセプタドーピングの分布の一例を示すものであり、厚さ0.5ミクロンのInGaAsの光吸収層11中のアクセプタドーピング・プロファイルをホール濃度分布p(x)(実線21)によって示している。このホール濃度分布をp1(x)とすれば、それは
p1(x)=2×1017+8×1017×[1-exp[-((x+0.1WA)/0.4WA)2]/cm3 (5)
と表される。図2の(A)及び(5)式から明らかなように、p1(x)はxの増大と共に増大する。p1(x)の増大によって光吸収層11内のコンダクタンスσpも増大するので、このコンダクタンスσpは、xの増大と共に、キャリア走行層13側から拡散ブロック層12側へ向けて増大する。
【0019】
なお、図2の(A)には、比較のために、従来例におけるアクセプタドーピング・プロファイルをホール濃度分布(破線22)によって示してある。このホール濃度分布をp2(x)とすれば、それは光吸収層11中で一定であり、
p2(x)=5×1017/cm3 (6)
と表される。この場合には、光吸収層11内のコンダクタンスσpも光吸収層11内にわたって一定となる。
【0020】
UTC-PDに光を照射すると(動作状態)、すでに説明した「セルフバイアス効果」により光吸収層11に電界が誘起される。電流密度80kA/cm2の時の、上記のアクセプタドーピング・プロファイルに対応する電界強度分布を図2の(B)に示す。ここで、電界強度E(x)は、InGaAsのホール移動度を
μh=910−43.8×log[p(x)]cm2/Vs (7)
と仮定して距離xにおけるコンダクタンスσpを求め、(4)式に従って計算したものである。計算の過程において、濃度傾斜に伴う擬電界の効果も考慮している(x=0 付近のE(x)の盛り上がりはこのためである)。図2の(B)において、実線23はアクセプタドーピング・プロファイル(ホール濃度分布)p1(x)に対応する電界強度分布(本実施の形態)であり、破線24はアクセプタドーピング・プロファイル(ホール濃度分布)p2(x)に対応する電界強度分布(従来例)である。従来形UTC-PDは三角形状の電界強度分布(破線24)を持つのに対し、本発明のUTC-PDはより平坦な電界強度分布(実線23)を持っていることがわかる。これらの電界強度分布は(4)式に従って計算したものであるから、式(4)の値すなわちJ×(x/WA)/σpは、従来形UTC-PDの場合に較べて、本発明のUTC-PDの場合に、光吸収層11内にわたって均一化されていることが判る。バンドベンディングの量は、従来形で0.177V、本発明の実施の形態では0.144Vである。
【0021】
図3は、電荷制御モデルに基づいて、計算により求めたフォトダイオードの3dB帯域の比較である。このモデルで3dB帯域f3dBは、
f3dB=△J/(2π△Qn) (8)
で評価され、△Jと△Qnは、それぞれ、出力電流の変化量と電子電荷の変化量である。△Qnは電子濃度分布に関するドリフト拡散の方程式の数値解から求めた(キャリア走行層13中の電子走行時間は光吸収層11中のそれよりも十分短いので、簡単のために無視している)。図3において、実線31はアクセプタドーピング・プロファイル(ホール濃度分布)p1(x)に対応する3dB帯域(本実施の形態)であり、破線32はアクセプタドーピング・プロファイル(ホール濃度分布)p2(x)に対応する3dB帯域(従来例)である。動作電流密度の増加と共に3dB帯域が増大するのは共通の傾向であるが、従来形(破線32)に比べ本発明(実線31)は全電流領域にわたり従来形より高い値を示すことがわかる。すなわち、たとえば、80kA/cm2の点での3dB帯域は、従来形の場合に134GHzであるのに対して本発明の場合には191GHzであり、40%以上の拡大が予測される。この効果は、従来から認識されている光吸収層中の「擬電界」の効果が直接反映されたものではない。この擬電界の効果は図3の20kA/cm2以下の低電流密度領域に現れている。従来形UTC-PDで生じている3dB帯域の飽和(50kA/cm2以上の領域)を、本発明においては、電界強度の平坦化により、より起こりにくくしていると考えることができる。
【0022】
なお、図1では下面光入射形のUTC-PDの構成を示しているが、本発明の手法は、導波路形や屈折光入射形、表面光入射形にも同様に応用することができる。また、本発明の手法は、GaAs、AlGaAs等を組合わせた短波長帯のUTC-PDにも同様に応用することができる。また、光吸収層のアクセプタドーピングは、(5)式で表されるプロファイルに限らず、使用する電流密度や必要な動作速度、またバイアス電圧に応じて設計することが可能である。
【0023】
以上の説明により明らかなように、UTC-PDの光吸収層のアクセプタドーピングに、キャリア走行層側から拡散ブロック層側に向かって増大するドーピング濃度分布を持たせることによって、光吸収層内のコンダクタンスがキャリア走行層側から拡散ブロック層側に向かって増大する構成とし、セルフバイアス効果により発生する電界強度の不均一性を低減し、それによって3dB帯域を高い値に保つことが可能となる。
【0024】
【発明の効果】
本発明の実施により、UTC-PDのセルフバイアス効果をより有効に発生させ、出力飽和電流密度を高く保ちながらUTC-PDの3dB帯域を上げることが可能となる。
【0025】
このように、本発明に係るUTC-PDの構成は、同一の動作電流密度においてより高い3dB帯域を得ることを可能とする。これは、「光応答速度と量子効率とのトレードオフ関係」を大幅に改善するものであり、一定の量子効率に対してはより高い3dB帯域、一定の3dB帯域に対してはより高い変換効率を可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体光検出器の構成(バンドダイアグラムと断面図)を示す図である。
【図2】光吸収層内のホール濃度分布と電界強度分布との計算例を示す図である。
【図3】3dB帯域の電流密度依存性の計算例を示す図である。
【符号の説明】
11…光吸収層、12…拡散ブロック層、13…キャリア走行層、14…コンタクト層、15…p形電極、16…n形電極、21…光吸収層内のホール濃度分布(本発明)、22…光吸収層内のホール濃度分布(従来例)、23…光吸収層内の電界強度分布(本発明)、24…光吸収層内の電界強度分布(従来例)、31…3dB帯域変化(本発明)、32…3dB帯域変化(従来例)。
Claims (1)
- p形の第1の半導体層と、前記第1の半導体層よりも光吸収端エネルギーが大きいp形の第2の半導体層と、前記第1の半導体よりも光吸収端エネルギーが大きい第3の半導体層と、前記第1の半導体層よりも光吸収端エネルギーが大きいn形の第4の半導体層とを少なくとも構成要素として含み、前記第2の半導体層、前記第1の半導体層、前記第3の半導体層、前記第4の半導体層の順で積層され、前記第2の半導体層にp形電極、前記第4の半導体層にn形電極が接触してなる、pn接合を有する半導体光検出器において、
前記第1の半導体層中の光電流密度をJ、前記第1の半導体層の厚さをWA、前記第1の半導体層と前記第3の半導体層との境界から前記第2の半導体層へ向けて測った距離をx、前記距離xにおける前記第1の半導体層内のコンダクタンスをσpとしたときに、
J×(x/WA)/σpで与えられる値が前記第1の半導体層内にわたって均一化されるべく、
前記コンダクタンスσpが、前記第3の半導体層であるキャリア走行層の側から前記第2の半導体層である拡散ブロック層の側に向かって増大するように、アクセプタ濃度が増大する構成を有することを特徴とする半導体光検出器。
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