JP4061057B2 - フォトダイオード - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトダイオードに関し、より詳細には、「応答速度と内部量子効率のトレードオフ」の問題を大幅に改善した、広帯域・高内部量子効率の超高速フォトダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光検出器として用いられる従来のフォトダイオードの構造は、ｐｉｎフォトダイオード（ｐｉｎ−ＰＤ）と単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ）の２つに大別される。
【０００３】
このうち、ｐｉｎ−ＰＤは、逆バイアス印加状態で空乏化するｉ型の光吸収層を、バンドギャップの大きなｐ型電極層とｎ型電極層とで挟んだ構造を有し、必要とされる周波数応答に対して、活性域厚と内部量子効率が決まる。
【０００４】
一方、ＵＴＣ−ＰＤは、逆バイアス印加状態で空乏化しないように一定濃度以上のドーピングを行なったｐ型中性の光吸収層と、逆バイアス印加状態で空乏化するバンドギャップの大きなｉ層とを、ｐ型電極層とｎ型電極層とで挟んだ構造を有し、その動作原理は特開平９−２７５２２４号公報において詳細に説明されている。
【０００５】
また、特開平１０−２３３５２４号公報には、光電変換効率を上げようとすると光吸収層を厚くする必要が生じ高速光信号に応答できないという従来のフォトダイオードの問題を解決するために、光吸収層をｐ型の上部光吸収層と高抵抗ｎ型の下部光吸収層の２層で構成し、実質的に、ｐｉｎ−ＰＤ構造とＵＴＣ−ＰＤ構造とを一つの構造で同時に実現したハイブリッド型の半導体受光素子が開示されている。
【０００６】
このような構成の半導体受光素子では、２つの光吸収層の間に所定の逆バイアスが印加されると、高抵抗ｎ型の下部光吸収層では、層の全域が空乏化されて光励起キャリアである正孔の移動速度が大きくなり、ｐ型の上部光吸収層では、例え層の全域が空乏化しない状態でも光電変換に寄与する少数キャリアの電子は大きな拡散速度を有することとなるため、応答速度が大きく変化しない半導体受光素子が実現可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−２３３５２４号公報に記載の発明はフォトダイオードの高効率化に主眼があり、要求される周波数応答帯域に対してダイオードの構造をどのように設計するかについての指針は示されておらず、また、そもそもこの技術分野において、２層構成の光吸収層を有するダイオードの構造が、フォトダイオードの高速化に有利か否かについての議論はなされていない。
【０００８】
フォトダイオードに光が入射すると、入射光は光吸収層内で電子・正孔対を形成し、これらの電子と正孔が層内で分離して、外部の電子回路に電流が流れる。一般に、光吸収層が厚くなると、層内でのキャリア走行時間が長くなるためにフォトダイオードの応答速度は低下する一方、光吸収層が厚いほど活性域で光を充分に吸収することができるようになるため内部量子効率は高くなる。つまり、フォトダイオードのパフォーマンスを決定する因子である応答速度と内部量子効率とは光吸収層厚を介してトレードオフの関係にあり、そのバランスをとることが重要である。
【０００９】
キャリアの走行速度で決まる真性の応答速度について簡単に説明すると、ｐｉｎ−ＰＤの応答速度は、ドリフト速度の遅い正孔の走行時間でほぼ決まり、電子の走行速度を無視して近似した正孔の走行時間τ_Ｄは、光照射が均一の条件のもとで、
τ_Ｄ（ｐｉｎ）＝Ｗ_Ｄ／３ｖ_ｈ （１）
で与えられ、また、応答速度の指標である周波数応答（３ｄＢ帯域：ｆ_３ｄＢ）は、
ｆ_３ｄＢ（ｐｉｎ）＝１／（２πτ_Ｄ） （２）
と近似される。ここで、ｖ_ｈは正孔のドリフト速度、Ｗ_Ｄは空乏層厚である。
【００１０】
一方、ＵＴＣ−ＰＤにおいては、逆バイアス印加状態で空乏化したバンドギャップの大きなｉ層中の電子走行速度がｐ型中性の光吸収層中の電子走行速度よりも充分大きいため、実効的なキャリア走行時間τ_Ａは、電子走行速度の遅い光吸収層によってほぼ支配され、光照射が均一の条件のもとで、
τ_Ａ（ＵＴＣ−ＰＤ）＝Ｗ_Ａ ^２／３Ｄ_ｅ＋Ｗ_Ａ／ｖ_ｔｈ （３）
で与えられ、周波数応答（３ｄＢ帯域：ｆ_３ｄＢ）も電子の拡散電流で決まり、
ｆ_３ｄＢ（ＵＴＣ−ＰＤ）＝１／（２πτ_Ａ） （４）
と近似される。ここで、Ｄ_ｅは電子の拡散係数、ｖ_ｔｈは電子の熱放出速度、Ｗ_Ａはｐ型中性の光吸収層厚である。
【００１１】
数式（１）〜（４）をもとに３ｄＢ帯域の光吸収層厚依存性を求めると、ｐｉｎ−ＰＤの場合には、
ｆ_３ｄＢ（ｐｉｎ）∝１／Ｗ_Ｄ （５）
となる一方、ＵＴＣ−ＰＤの場合には、Ｗ_Ａ／ｖ_ｔｈの項が相対的に小さい場合には、
ｆ_３ｄＢ（ＵＴＣ−ＰＤ）∝１／Ｗ_Ａ ^２ （６）
となり、ｐｉｎ−ＰＤとＵＴＣ−ＰＤとで３ｄＢ帯域の吸収層厚依存性が大きく異なっており、光吸収層が厚い領域ではｐｉｎ−ＰＤの帯域が高く、光吸収層が薄くなるに従ってＵＴＣ−ＰＤの帯域が高くなるという傾向を示す。
【００１２】
応答速度を高めて高速動作のフォトダイオードを設計するためにはＵＴＣ−ＰＤの構成を採用することが有利であるが、その場合でも上述したように光吸収層を薄くせざるを得ず、光吸収層の薄層化は内部量子効率の低下を招いてしまう。このように、ＵＴＣ−ＰＤには、高速動作が可能である反面、高速動作を目的とする素子の内部量子効率が低下してしまうという「応答速度と内部量子効率のトレードオフ」の問題は残る。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、フォトダイオードにおける上述した「応答速度と内部量子効率のトレードオフ」の問題を改善し、広帯域でかつ高内部量子効率のフォトダイオードを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ｎ型半導体電極層と、第１の半導体光吸収層とｐ型を有する第２の半導体光吸収層とを有する光吸収層と、ｐ型半導体電極層とが順次積層され、前記ｎ型半導体電極層に設けられたｎ型電極と前記ｐ型半導体電極層に設けられたｐ型電極とを備え、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極との間に所定の逆バイアスを印加すると、前記第１の半導体光吸収層は空乏化し、前記第２の半導体光吸収層は前記第１の半導体光吸収層との界面近傍領域以外の領域が中性となるフォトダイオードであって、前記第１の半導体光吸収層の層厚（Ｗ_Ｄ）と前記第２の半導体光吸収層の層厚（Ｗ_Ａ）の和（Ｗ＝Ｗ_Ｄ＋Ｗ_Ａ）で与えられる一定の層厚の前記光吸収層内において、前記フォトダイオードの実効的な全キャリア走行時間が最小となるようにＷ_ＤとＷ_Ａの比率を設定したことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のフォトダイオードにおいて、前記第１の半導体光吸収層及び前記第２の半導体光吸収層の各々が、Ｉｎ_ｘＧａ_１―ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ（０≦ｘ及びｙ≦１）で表記される相互に同一又は相違する組成の化合物半導体から構成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のフォトダイオードにおいて、前記Ｗ_ＤとＷ_Ａの比率は、次式で与えられるτ_ｔｏｔを最小とするように設定されることを特徴とする。
τ_ｔｏｔ＝Ｗ_Ａ ^３／（３ＷＤ_ｅ）＋Ｗ_Ａ ^２／（Ｗｖ_ｔｈ）＋Ｗ_Ｄ ^２／（３Ｗｖ_ｈ）
（Ｄ_ｅ：電子の拡散係数、ｖ_ｔｈ：電子の熱放出速度、ｖ_ｈ：正孔のドリフト速度）
【００１７】
更に、請求項４に記載の発明は、請求項１、２、又は３に記載のフォトダイオードにおいて、前記第１の半導体光吸収層と前記ｎ型半導体電極層との間に、前記第１の半導体光吸収層よりも大きなバンドギャップを有する半導体光透過層を備え、該半導体光透過層は、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極との間に所定の逆バイアスを印加すると空乏化することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明するが、本発明のフォトダイオードの設計に至った着想は以下のとおりである。一般に、２つに分割された領域Ｉ及び領域IIで光吸収が生じる場合、Ｉ領域の光周波数応答はII領域の構造パラメータをも含み、II領域の光吸収領域の光周波数応答は、Ｉ領域の構造パラメータをも含む。すなわち、Ｉ領域の応答遅延時間は、Ｉ領域のキャリア走行時間とII領域のキャリア走行時間との関数であり、II領域の応答遅延時間についても同様の関係を有する。従って、Ｉ領域とII領域とが接続された構造の全応答は、Ｉ領域とII領域のそれぞれが独立に存在する構造の応答を並列に重ね合わせた応答とはならない。例えば、ｐｉｎ−ＰＤにおいて、光吸収層の層厚を２倍にすると、遅延時間は２倍となり帯域は１／２となってしまう。
【００１９】
しかし、ここで、「Ｉ領域とII領域の依存関係」を低減させることが可能となれば、全応答はＩ領域とII領域とがそれぞれ独立に存在する構造の応答を並列に重ね合わせたものとすることが可能となるのである。
【００２０】
（実施例１）
図１は、本発明のフォトダイオードの構成例を説明するための図で、単層又はバンドギャップの異なる多層のｎ型半導体電極層１１と、逆バイアス印加状態で空乏化する膜厚Ｗ_Ｄの第１の半導体光吸収層１２と、逆バイアス印加状態でｐ型中性の膜厚Ｗ_Ａの第２の半導体光吸収層１３と、単層又はバンドギャップの異なる多層のｐ型半導体電極層１４とが順次積層され、ｎ型半導体電極層１１上に設けられたｎ型電極１５とｐ型半導体電極層１４上に設けられたｐ型電極１６とから構成されており、第１の半導体光吸収層１２と第２の半導体光吸収層１３の層厚の比は、それらの層厚の和Ｗ（＝Ｗ_Ｄ＋Ｗ_Ａ）が一定の条件の下で、所定の動作条件で応答速度が最大となるように設定されている。
【００２１】
Ｗが一定であれば、Ｗ_ＡとＷ_Ｄの比が変化しても第１の半導体光吸収層と第２の半導体光吸収層からなる半導体光吸収層全体の光吸収係数は殆ど変化せず、フォトダイオードの内部量子効率は変化しないから、フォトダイオードとしてのパフォーマンスは応答速度で決定されることとなる。
【００２２】
図２は、図１に示した半導体光吸収層中でのキャリア走行時間を模式的に説明するための図で、層厚Ｗ_Ｄの空乏化した第１の半導体光吸収層１２と、層厚Ｗ_Ａのｐ型中性の第２の半導体光吸収層１３の層厚の和Ｗ（＝Ｗ_Ｄ＋Ｗ_Ａ）を一定にする条件の基で、これらの層厚の比を変化させた場合の、各半導体光吸収層中のキャリア走行時間（τ_Ｄ、τ_Ａ）、キャリア走行時間の和、及び、実効的な半導体光吸収層全体のキャリア走行時間（τ_ｔｏｔ）を模式的に示したものである。
【００２３】
図２から分かるように、フォトダイオードの応答速度を決定するファクターである光吸収層全体のキャリア走行時間τ_ｔｏｔは、Ｗ_Ａ部分の電子走行時間τ_ＡとＷ_Ｄ部分の正孔走行時間τ_Ｄとの単純和とはならない。これは、空乏化した半導体光吸収層１２内で生成したキャリアに起因する電流と、ｐ型中性の半導体光吸収層１３内で生成したキャリアに起因する電流とが光吸収層内を同時に流れることによる。
【００２４】
図３は、ｐ型中性の半導体光吸収層と空乏化した半導体光吸収層の各々の層内で生成したキャリアの移動の様子を説明するためのバンドダイアグラムで、単層又はバンドギャップの異なる多層のｎ型半導体電極層３１と、逆バイアス印加状態で空乏化する膜厚Ｗ_Ｄの第１の半導体光吸収層３２と、ｐ型中性の膜厚Ｗ_Ａの第２の半導体光吸収層３３と、単層又はバンドギャップの異なる多層のｐ型半導体電極層３４とが順次積層された半導体構造の半導体光吸収層に光が照射されると、第１の半導体光吸収層３２と第２の半導体光吸収層３３の各々の層内において電子・正孔対が発生し、電子はｎ型半導体電極３１側へと移動し、正孔はｐ型半導体電極３４側へと移動するという、いわば並列回路を構成した電流が流れる状態が実現される。
【００２５】
この現象は、単位体積当たりのキャリア生成速度Ｇ（ｃｍ^−２・ｓ）一定の均一な光照射がなされる場合の光吸収層内でのキャリア生成の様子を、単純な電荷制御モデルによって取り扱うことにより理解することができる。
【００２６】
光照射によって光吸収層内に電子・正孔対が形成されて光電流Ｊ（＝ｑＧＷ）が発生するが、一般に、光電流量が増大すると、ｐ型中性の半導体光吸収層内の電子電荷−Ｑ_Ａ、及び、空乏化した半導体光吸収層内及びその近傍領域の正孔電荷Ｑ_Ｄも増加する。
【００２７】
ｐ型中性の半導体光吸収層内の電子電荷−Ｑ_Ａは、拡散モデルによる取り扱いでは、
−Ｑ_Ａ＝−ｑＧ（Ｗ_Ａ ^３／（３Ｄ_ｅ）＋Ｗ_Ａ ^２／ｖ_ｔｈ） （７）
で与えられる。
【００２８】
また、τ_Ａが、Ｑ_Ａの微分量ΔＱ_Ａと、Ｗ_Ａ層内の光電流Ｊ_Ａ（＝ｑＧＷ_Ａ）の微分量ΔＪ_Ａとを用いて、
τ_Ａ＝ΔＱ_Ａ／ΔＪ_Ａ （８）
と表されることを考慮すると、τ_Ａは、
τ_Ａ＝（Ｗ_Ａ ^２／（３Ｄ_ｅ）＋Ｗ_Ａ／ｖ_ｔｈ） （９）
と表現できる。
【００２９】
一方、Ｑ_Ｄは、空乏化した光吸収層内部でｑＧＷ_Ｄ ^２／２ｖ _ｈ だけ増加し、ｐ型中性の光吸収層と空乏化した光吸収層との界面でｑＧＷ_Ｄ ^２ ／３ｖ _ｈ だけ減少するから、
Ｑ_Ｄ＝ｑＧＷ_Ｄ ^２／６ｖ_ｈ （１０）
で与えられる。
【００３０】
また、τ_Ｄが、Ｑ_Ｄの微分量ΔＱ_Ｄと、Ｗ_Ｄ層内の光電流Ｊ_Ｄ（＝ｑＧＷ_Ｄ）の微分量ΔＪ_Ｄとを用いて、
τ_Ｄ＝２ΔＱ_Ｄ／ΔＪ_Ｄ （１１）
と表されることを考慮すると、τ_Ｄは、
τ_Ｄ＝Ｗ_Ｄ／３ｖ_ｈ （１２）
で与えられる。なお、数式（１１）の右辺で２の係数がついているのは、正孔電流が全電流の１／２であることによる。
【００３１】
図１及び図３に示した構成のフォトダイオードの光周波数応答をより一般的に説明すると、第１の半導体光吸収層（空乏層）に光信号が入力された場合の光周波数応答をＲ_１（ω）、第２の半導体光吸収層（ｐ形中性層）に光信号が入力された場合の光周波数応答をＲ_２（ω）とすると、第２の半導体光吸収層で発生した電子は、第１の半導体光吸収層の端から注入されてそこを通過するため、第２の半導体光吸収層独立の応答をＲ_２２（ω）、電子の第１の半導体光吸収層の通過に伴う応答をＲ_２１（ω）として、Ｒ_２（ω）はこれらの積Ｒ_２２（ω）・Ｒ_２１（ω）で与えられる。ここで、対象としているフォトダイオードはＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料を用いて構成するため、第１の半導体光吸収層中の電子速度（走行時間）が第２の半導体光吸収層中の電子速度（走行時間）よりも充分高く（短く）、Ｒ_２（ω）〜Ｒ_２２（ω）と近似可能な光吸収層の設計範囲が存在し得て、そのように近似することができる。
【００３２】
一方、第１の半導体光吸収層から発生した電子と正孔による電流は、この層の両端領域が電荷中性（多数キャリアが存在）となっているために、ほぼそのまま外部回路へと流れ、第１の半導体光吸収層と第２の半導体光吸収層とがそれぞれ独立に存在する構造での応答を並列に重ね合わせた応答、すなわち、Ｒ_ｔｏｔ（ω）〜Ｒ_１（ω）＋Ｒ_２（ω）の条件が実現できることとなる。
【００３３】
ここで、電荷制御モデルによる取り扱いにおいて、拡散電流とドリフト電流とが並列で流れる回路の全応答Ｊ（ω）は、
Ｊ（ω）＝Ｊ_ＤＣ［（Ｗ_Ａ／Ｗ）／（１＋ｊωτ_Ａ）＋（Ｗ_Ｄ／Ｗ）／（１＋ｊωτ_Ｄ）］ （１３）
となり、低周波領域では、
Ｊ（ω）≒Ｊ_ＤＣ［１−ｊω（Ｗ_Ａτ_Ａ＋Ｗ_Ｄτ_Ｄ）／Ｗ］ （１４）
と近似されるので、結局、全体のキャリア走行時間τ_ｔｏｔは、

（１５）となる。
【００３４】
応答速度を大きくするためには、数式（１５）で与えられるτ_ｔｏｔを最小にすれば良く、応答速度（及びその指標である３ｄＢ帯域）は、Ｗ_ＡとＷ_Ｄの比率を設定することで最大とすることが可能となる。
【００３５】
なお、数式（１５）から分かるように、τ_ｔｏｔは、［Ｗ_Ａ ^２／（３Ｄ_ｅ）＋Ｗ_Ａ／ｖ_ｔｈ］（Ｗ_Ａ／Ｗ）と［Ｗ_Ｄ／３ｖ_ｈ］（Ｗ_Ｄ／Ｗ）の成分からなり、Ｗ_ＡとＷ_Ｄの各々が全光吸収層厚Ｗに占める比率に依存し、Ｗ_Ａ＝０（空乏化した半導体光吸収層のみ）及びＷ_Ａ＝Ｗ（ｐ型中性の半導体光吸収層のみ）の構造のフォトダイオードのキャリア走行時間は、各々、上述した数式（１）及び数式（３）で与えられるキャリア走行時間に一致する。
【００３６】
これに対して、Ｗ_ＡとＷ_Ｄが共に有限の膜厚を有する構造の本発明のフォトダイオードのτ_ｔｏｔは、Ｗ^２／（３Ｄ_ｅ）＋Ｗ／ｖ_ｔｈ、及び、Ｗ／３ｖ_ｈの何れの値よりも小さくなり得るから、ｐｉｎ−ＰＤ及びＵＴＣ−ＰＤよりも小さなτ_ｔｏｔを得ることが可能で、より高速な応答が可能となる。
【００３７】
このように、図１及び図３に示した構成の本発明のフォトダイオードによれば、２つに分割された半導体光吸収領域の依存関係を低減させることが可能となり、フォトダイオードの全応答は、これら２つの領域がそれぞれ独立に存在する構造の応答を並列に重ね合わせたものとすることが可能となる。
【００３８】
図４は、層厚Ｗ_Ｄの空乏化したＩｎＧａＡｓ光吸収層と層厚Ｗ_Ａのｐ型中性のＩｎＧａＡｓ光吸収層とを備える本発明のフォトダイオードの光吸収層内での、全体のキャリア走行時間τ_ｔｏｔと３ｄＢ帯域ｆ_３ｄＢとを上述したモデルに基づく計算により求めた結果を説明するための図で、電子の拡散係数をＤ_ｅ＝２００ｃｍ^２／ｓ、正孔速度をｖ_ｈ＝５×１０^６ｃｍ／ｓ、ＩｎＧａＡｓ光吸収層の全厚をＷ＝Ｗ_Ａ＋Ｗ_Ｄ＝０．４μｍ一定とし、Ｗに対するＷ_Ａの割合に対して全体のキャリア走行時間τ_ｔｏｔ及び３ｄＢ帯域ｆ_３ｄＢがどのように変化するかを示したものである。
【００３９】
図４から分かるように、本発明のフォトダイオードのｆ_３ｄＢの値は、Ｗ_Ａ＝０．１８μｍ（Ｗ_Ｄ＝０．２２μｍ）の場合に１１６ＧＨｚの最大値をとる。これに対して、Ｗ_Ａ＝０（Ｗ_Ｄ＝Ｗ）の場合に対応するｐｉｎ−ＰＤのｆ_３ｄＢは６０ＧＨｚであり、Ｗ_Ａ＝Ｗ（Ｗ_Ｄ＝０）の場合に対応するＵＴＣ−ＰＤのｆ_３ｄＢは３７ＧＨｚであるから、本発明のフォトダイオードによってｆ_３ｄＢが大幅に増大することになる。なお、τ_ｔｏｔは全光吸収層厚Ｗの増加とともに単調に増加するため、帯域を最大にするＷ_ＡとＷ_Ｄの組み合わせは、その帯域に対する最大内部量子効率を与える組み合わせでもある。
【００４０】
（実施例２）
図５は、本発明のフォトダイオードの他の構成例を説明するための図で、単層又はバンドギャップの異なる多層のｎ型半導体電極層５１と、逆バイアス印加状態で空乏化する半導体光透過層５２と、逆バイアス印加状態で空乏化する膜厚Ｗ_Ｄの第１の半導体光吸収層５３と、逆バイアス印加状態でｐ型中性の膜厚Ｗ_Ａの第２の半導体光吸収層５４と、単層又はバンドギャップの異なる多層のｐ型半導体電極層５５とが順次積層され、ｎ型半導体電極層５１上に設けられたｎ型電極５６とｐ型半導体電極層５５上に設けられたｐ型電極５７とから構成されており、半導体光透過層５２は第１の半導体光吸収層５３よりも大きなバンドギャップを有するように設計されている。
【００４１】
図６は、図５に示したｐ型中性の半導体光吸収層と空乏化した半導体光吸収層の各々の層内で生成したキャリアの移動の様子を説明するためのバンドダイアグラムで、単層又はバンドギャップの異なる多層のｎ型半導体電極層６１と、逆バイアス印加状態で空乏化する半導体光透過層６２と、逆バイアス印加状態で空乏化する膜厚Ｗ_Ｄの第１の半導体光吸収層６３と、逆バイアス印加状態でｐ型中性の膜厚Ｗ_Ａの第２の半導体光吸収層６４と、単層又はバンドギャップの異なる多層のｐ型半導体電極層６５とが順次積層された半導体構造の半導体光吸収層に光が照射されると、各々の半導体光吸収層内において電子・正孔対が発生し、電子はｎ型電極６１側へ移動し、正孔はｐ型電極６５側へ移動するという、いわば並列回路中を電流が流れる状態が実現される。
【００４２】
図５に示した構造のフォトダイオードでは、半導体光透過層５２が逆バイアス印加状態で空乏化するように設計されているので、動作時の半導体光透過層５２内での電子電荷の増大は顕著となることはなく、ｐｎ接合幅が広がるとともに、接合容量を低くすることが可能である。また、空乏化した第１の半導体光吸収層５３内のキャリア走行時間は、正孔の走行時間が一定であれば大きな変化がなく、全体のキャリア走行時間τ_ｔｏｔは殆ど増加することはない。
【００４３】
ここで、実施例１で説明した場合と同様に、ダイオードの応答を電荷制御モデルで取り扱うと、第１の半導体光吸収層の層厚をＷ_Ｄ、第２の半導体光吸収層の層厚をＷ_Ａ、半導体光透過層の層厚をＷ_Ｔとし、かつ、第１及び第２の半導体光吸収層の層厚和Ｗ（＝Ｗ_Ｄ＋Ｗ_Ａ）を一定とする条件の基での全体のキャリア走行時間（τ_ｔｏｔ）は、
τ_ｔｏｔ＝Ｗ_Ａ ^３／（３ＷＤ_ｅ）＋Ｗ^２ _Ａ／（Ｗｖ_ｔｈ）＋［Ｗ_Ｄ ^３／（Ｗ_Ｄ＋Ｗ_Ｔ）］／（３Ｗｖ_ｈ） （１６）
となる。この結果を数式（１５）で得られた比較とすると、数式（１６）の第３項の値が、Ｗ_Ｄ／（Ｗ_Ｄ＋Ｗ_Ｔ）だけ小さくなることが理解できる。
【００４４】
すなわち、図５に示す構成のフォトダイオードでは、Ｗ_ＡとＷ_Ｄとを縮小した場合でもｐｎ接合幅は狭くならず、接合容量Ｃ及びＲＣ時定数の増大によって帯域を劣化させることがないという利点を有し、高速動作に有利な構造のフォトダイオードを得ることが可能となる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光吸収層を、層厚Ｗ_Ｄの空乏化した第１の半導体光吸収層と、層厚Ｗ_Ａのｐ型中性の第２の半導体光吸収層とで構成し、Ｗ_ＡとＷ_Ｄの比率を、全体のキャリア走行時間τ_ｔｏｔが最小となるように設定したので、従来の構成のフォトダイオードが抱えていた「応答速度と内部量子効率のトレードオフ」の問題を大幅に改善することが可能となる。
【００４６】
特に、超高速信号処理（≧４０Ｇｂｉｔ／ｓ）に用いられる従来型のフォトダイオードでは、光吸収層厚を薄く設計し、内部量子効率を犠牲にして帯域を確保するということがなされていたが、本発明のフォトダイオードでは、そのような設計上の制約を除去することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のフォトダイオードの構成例を説明するための図である。
【図２】 図１に示した本発明のフォトダイオードを構成する半導体光吸収層内でのキャリア走行時間を説明するための図である。
【図３】本発明のフォトダイオードを構成する半導体光吸収層内でのキャリアの移動を説明するためのバンドダイアグラムである。
【図４】 層厚Ｗ_Ｄの空乏化したＩｎＧａＡｓ光吸収層と、層厚Ｗ_Ａのｐ型中性のＩｎＧａＡｓ光吸収層とを備える本発明のフォトダイオードの光吸収層内での、全体のキャリア走行時間τ_ｔｏｔと３ｄＢ帯域ｆ_３ｄＢとを計算により求めた結果を説明するための図である。
【図５】 本発明のフォトダイオードの他の構成例を説明するための図である。
【図６】 図５に示した本発明のフォトダイオードを構成する半導体光吸収層内でのキャリアの移動を説明するためのバンドダイアグラムである。
【符号の説明】
１１、３１、５１、６１ ｎ型半導体電極層
１２、３２、５３、６３ 第１の半導体光吸収層
１３、３３、５４、６４ 第２の半導体光吸収層
１４、３４、５５、６５ ｐ型半導体電極層
１５、５６ ｎ型電極
１６、５７ ｐ型電極
５２、６２ 半導体光透過層

Claims (4)

1. ｎ型半導体電極層と、第１の半導体光吸収層とｐ型を有する第２の半導体光吸収層とを有する光吸収層と、ｐ型半導体電極層とが順次積層され、前記ｎ型半導体電極層に設けられたｎ型電極と前記ｐ型半導体電極層に設けられたｐ型電極とを備え、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極との間に所定の逆バイアスを印加すると、前記第１の半導体光吸収層は空乏化し、前記第２の半導体光吸収層は前記第１の半導体光吸収層との界面近傍領域以外の領域が中性となるフォトダイオードであって、
   前記第１の半導体光吸収層の層厚（Ｗ_Ｄ）と前記第２の半導体光吸収層の層厚（Ｗ_Ａ）の和（Ｗ＝Ｗ_Ｄ＋Ｗ_Ａ）で与えられる一定の層厚の前記光吸収層内において、
   前記フォトダイオードの実効的な全キャリア走行時間が最小となるようにＷ_ＤとＷ_Ａの比率を設定したことを特徴とするフォトダイオード。
2. 前記第１の半導体光吸収層及び前記第２の半導体光吸収層の各々が、Ｉｎ_ｘＧａ_１―ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ（０≦ｘ及びｙ≦１）で表記される相互に同一又は相違する組成の化合物半導体から構成されてい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。
3. 前記Ｗ_ＤとＷ_Ａの比率は、次式で与えられるτ_ｔｏｔを最小とするように設定されることを特徴とする請求項２に記載のフォトダイオード。
   τ_ｔｏｔ＝Ｗ_Ａ ^３／（３ＷＤ_ｅ）＋Ｗ_Ａ ^２／（Ｗｖ_ｔｈ）＋Ｗ_Ｄ ^２／（３Ｗｖ_ｈ）
   （Ｄ_ｅ：電子の拡散係数、ｖ_ｔｈ：電子の熱放出速度、ｖ_ｈ：正孔のドリフト速度）
4. 前記第１の半導体光吸収層と前記ｎ型半導体電極層との間に、前記第１の半導体光吸収層よりも大きなバンドギャップを有する半導体光透過層を備え、該半導体光透過層は、前記ｎ型電極と前記ｐ型電極との間に所定の逆バイアスを印加すると空乏化することを特徴とする請求項１、２、又は３に記載のフォトダイオード。

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