JP4093304B2 - Avalanche photodiode - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アバランシ・フォトダイオードに関し、より詳細には、動作電圧と暗電流量が低く、かつ、素子内の電界制御が容易な、長波長帯の超高速アバランシ・フォトダイオードに関する。
【0002】
【従来の技術】
アバランシ・フォトダイオード(APD)は、素子自体が増幅機能を有していることから、光計測用や光通信用の高感度の受光素子として広く用いられており、大容量長距離光通信に用いられる1.55μm帯のAPDには、化合物半導体を用いたヘテロ接合型のSAM(Separated Absorption and Multiplication)構造が採用されている。
【0003】
このSAM構造は、バルク、もしくはバンドギャップエネルギが互いに異なる化合物半導体層を交互に積層させた超格子層で形成されたアバランシ層(なだれ増倍領域)とInGaAsなどの光吸収層(光電変換層)とを機能的に分離独立させたものである。この構造によれば、なだれ増倍領域のバンドギャップエネルギを光吸収層のそれよりも大きくすることにより、pn接合の暗電流を低減することができる。
【0004】
すなわち、InGaAs光吸収層に高電界が印加されると、そのバンドギャップエネルギが小さいためにトンネル現象による暗電流が増大するので、pn接合の電圧のほとんどがなだれ増倍領域にかかるように設計される。光吸収層となだれ増倍領域の間に電界制御のための電荷層を導入して電界の制御性をあげ、暗電流を一層低減させることを目的としたSACM(Separated Absorption Charge and Multiplication)構造も提案されている。
【0005】
これらのSAM構造とSACM構造のいずれのAPDにおいても、所望のデバイス特性を得るためには光吸収層の厚みの決定が重要となる。なだれ増倍現象が生じない条件下で高いキャリア発生率(量子効率)が得られない素子でなだれ増倍現象を生じさせても高いS/N比と感度を確保することはできないため、周波数応答帯域を確保可能な範囲で光吸収層厚Wを充分に厚くする必要がある。このため、従来のSACM構造のAPDは、pin型のPDになだれ増倍層を接続して光吸収層を低不純物濃度化することで空乏層を広げる設計がなされている。
【0006】
ここで、光吸収層内で生成された光励起キャリアをなだれ増倍領域に引き出すためには光吸収層自体に一定の電界を印加する必要があるので、光吸収層の高純度化と高品質化が求められ、例えば、光吸収層の厚みが2μmの場合には、光吸収層内のp型不純物濃度をおおよそ1×1015cm−3以下に抑えなければならない。また、光吸収層となだれ増倍領域の間に設けられる電界制御層のp型不純物濃度と厚さに強く依存するため、電界制御層の形成には高精度の不純物濃度制御と層厚制御が求められる。
【0007】
図4は、従来型のAPDの構造例を説明するための図で、図4(a)はAPDの断面図、図4(b)はこのAPDに電圧を印加した状態でのバンドダイアグラムである。このAPDは、電極層401の上に、なだれ増倍層402と、電界制御層403と、電界緩衝層404と、バンドギャップ傾斜層405と、光吸収層406と電極層407が順次積層され、電極層401および407には各々の電極層に対応する金属電極408および409が設けられている。これらの電極層401および407から逆バイアスを印加すると、光吸収層406は空乏化して図4(b)に示すようなバンド状態となり、この状態のAPDに光吸収層406のバンドギャップ以上のエネルギをもつ光が入射するとその光は主に空乏化した光吸収層406で吸収され、そこで電子とホールの対が生成されて光電流が流れる。
【0008】
このような構造のAPDでは、応答速度の指標である周波数応答帯域(3dB帯域:f3dB)は、なだれ増倍が加わらないpin型PD動作の時に最大となる.キャリア走行時間(τ)がドリフト速度の遅いホールの走行時間で決まるものと仮定して電子の走行時間を無視すると、光吸収層厚をW、ホールのドリフト速度をvとして、キャリア走行時間τは、
τ(pin)=W/3v (1)
で与えられ、また、3dB帯域f3dBは、
3dB(pin)=1/(2πτ) (2)
と近似される。
【0009】
光吸収層にInGaAsを用いた場合には、ホールドリフト速度(ホール飽和速度)vは5×10cm/sであるから、3dB帯域f3dBは、
3dB(pin)=〔1/W(μm)〕×24GHz (3)
となる。例えば、10Gbit/sの信号を受信するAPDであれば3dB帯域はf3dB(pin)=15GHzが目安となるから、光吸収層厚Wは1.6μm程度とする必要があり、この光吸収層の殆どの領域でホールの飽和速度を維持するためには、電界強度は50kV/cm以上が必要となる。この電界強度は電圧換算で8V以上に相当するから、なだれ増倍層の電圧を加えた素子バイアスは通常25V程度となる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のAPDは、pin−PDに比べて印加する逆バイアス値(動作電圧)が高いというAPDの一般的な問題に加え、光吸収層内の電界が電界制御層の厚みとドーピングレベルによって大きく左右されるという問題があった。すなわち、最適値よりも光吸収層内の電界が強くなると暗電流レベルが高くなり易く、逆に光吸収層内の電界が弱すぎると応答帯域が低くなり易いために、一般には、良好な再現性/制御性を実現するのは困難であるのが現状である。
【0011】
特に、光吸収層にバンドギャップの小さなInGaAsを用いたAPDでは、なだれ増倍層内のみならずInGaAs光吸収層内でもなだれ増倍現象が生じて暗電流がレベルが高くなり易いという問題があった。
【0012】
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、動作電圧と暗電流量が低くかつ素子内の電界制御が容易な、長波長帯の超高速アバランシ・フォトダイオードを提供することにある。
【0013】
【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、アバランシ・フォトダイオードであって、半絶縁性基板上に、半絶縁性バッファ層と、n型半導体電極層と、半絶縁性半導体なだれ増倍層と、電界制御層と、p型半導体電界緩衝層と、バンドギャップ傾斜層と、p型半導体光吸収層と、p型半導体拡散バリア層と、p型半導体電極層とが順次積層された積層構造を有し、前記n型半導体電極層と前記p型半導体電極層の各々に金属電極を備え、バンドプロファイルは前記p型半導体電界緩衝層の電界のみによって制御され、前記バンドギャップ傾斜層および前記電界制御層の各々のドーパント濃度分布が、動作状態における前記p型半導体光吸収層の、前記バンドギャップ傾斜層との界面近傍以外の領域が電気的中性となるように決定されていることを特徴とする。
【0014】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のアバランシ・フォトダイオードにおいて、前記p型半導体光吸収層内の前記バンドギャップ傾斜層方向へのドーパント濃度が、均一分布もしくは傾斜分布を有することを特徴とする。
【0015】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載のアバランシ・フォトダイオードにおいて、前記p型半導体光吸収層が、InGaAsP混晶からなることを特徴とする。
【0016】
また、請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3の何れかに記載のアバランシ・フォトダイオードにおいて、前記バンドギャップ傾斜層が、InGaAsP混晶またはInGaAlAs混晶からなることを特徴とする。
【0017】
また、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4の何れかに記載のアバランシ・フォトダイオードにおいて、前記半絶縁性半導体なだれ増倍層、前記電界制御層および前記p型半導体電界緩衝層の少なくとも1層が、InPまたはInAlAs混晶からなることを特徴とする。
【0018】
また、請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5の何れかに記載のアバランシ・フォトダイオードにおいて、前記積層構造が、前記p型半導体電界緩衝層もしくは前記バンドギャップ傾斜層を上面とし前記半絶縁性半導体なだれ増倍層を下面とする第1のメサ構造と、前記p型半導体電極層を上面とし前記バンドギャップ傾斜層もしくは前記p型半導体光吸収層を下面とする第2のメサ構造とから構成されており、当該第2のメサ構造が、前記第1のメサ構造の上面の外周部に一定の幅を有するように配置されていることを特徴とする。
【0019】
さらに、請求項7に記載の発明は、請求項6に記載のアバランシ・フォトダイオードにおいて、前記第1のメサ構造の上面の外周部の領域にガードリングを備え、当該ガードリングが、前記p型半導体光吸収層の単層構造もしくは当該p型半導体光吸収層と前記バンドギャップ傾斜層の積層構造を有するメサストライプ状の第1のガードリング、または、前記第1のメサ構造の上面から前記電界制御層の一部または全部を掘り込んだ形状のリセス状の第2のガードリングのいずれか一方もしくは双方で構成されていることを特徴とする。
【0020】
【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。
【0021】
図1は、本発明のAPDの第1の構造例を説明するための図で、図1(a)はAPDの断面図、図1(b)はこのAPDに電圧を印加した状態でのバンドダイアグラムである。このAPDは、図示しない半絶縁性基板の上に、半絶縁性のバッファ層101を設け、この上に、電極特性を得るための充分なドーピングがなされたn型半導体の電極層102と、半絶縁性半導体からなるなだれ増倍層103と、電界制御層104と、p型半導体からなる電界緩衝層105と、バンドギャップ傾斜層106と、p型半導体の光吸収層107と、p型半導体の拡散バリア層108と、電極特性を得るための充分なドーピングがなされたp型半導体の電極層109とが順次積層され、n型電極層102およびp型電極層109には各々の電極層に対応する金属電極110および111が設けられている。
【0022】
バンドギャップ傾斜層106および電界制御層104の各々のドーパント濃度分布は、APD動作状態における光吸収層107の、バンドギャップ傾斜層106との界面近傍以外の領域が電気的中性となるように決定されている。このため、このAPDに電極層102および109から逆バイアスを印加すると各層内のエネルギーバンドは図1(b)に示すような状態となり、非動作時においてp型を示す光吸収層107内のエネルギーバンドはバンドギャップ傾斜層106との界面近傍を除いて勾配をもたないフラットな状態となり、動作時における光吸収層107は、そのバンドギャップ傾斜層106との界面近傍以外の領域で電気的に中性となる。
【0023】
この状態のAPDに光吸収層107のバンドギャップ以上のエネルギをもつ信号光が入射すると、その光は主に電気的に中性化した光吸収層107で吸収されて電子とホールの対が生成される。生成したホールはp型半導体の拡散バリア層108を介してp型半導体の電極層109へと伝導電流として流れる一方、生成した電子は、p型半導体の拡散バリア層108によって形成されたポテンシャル障壁によってp型半導体の電極層109への逆拡散が阻止され、バンドギャップ傾斜層106に拡散し、電界緩衝層105、および、電界制御層104を経てなだれ増倍層103へとドリフトしインパクトイオン化によるなだれ増倍現象が生じる。
【0024】
光吸収層107で発生したホールは多数キャリアであるから、発生するホール電流は光吸収層107が電気的中性となるように振る舞うのみであり、光吸収層107内で発生するホールがAPDの応答速度に関与することはない。すなわち、このような構造のAPDの応答速度は、光吸収層107の多数キャリアであるホールには直接影響されず少数キャリアである電子の拡散でほぼ決まる。ここで、電子の拡散係数をD、p型半導体の光吸収層107の厚みをWANとすると、キャリア走行時間τDNは、
τDN=WAN /3D (4)
で与えられ、また、3dB帯域f3dBは、
3dB=1/(2πτDN) (5)
と近似される。
【0025】
光吸収層107にドーピングレベルが1×1017cm−3のp型InGaAsを用いた場合には、InGaAs内の電子の移動度を8000cm/Vs、拡散係数を200cm/sとして、3dB帯域f3dBは、
3dB=〔1/WAN (μm)〕×9.6GHz (6)
となり、10Gbit/sの信号を受信するAPDの3dB帯域f3dBの目安である15GHzを得るためには、p型半導体の光吸収層107の厚みを0.8μm程度と設定すればよいこととなる。この光吸収層107の厚みは通常のAPDとして求められる量子効率を得るために充分な値であるが、APDのデバイス構造を「導波路型」、もしくは、結晶面のファセットを用いて光を斜め方向から入射させる「屈折ファセット型」とすれば更に高い量子効率を得ることが可能となる。
【0026】
なお、APDの量子効率の観点からは、光吸収層107内のドーパント濃度は、バンドギャップ傾斜層106からp型半導体の拡散バリア層108の方向にドーピング濃度が増大する傾斜分布を有するように決定されて、上記の電子の拡散に加えドリフト効果が働くように設計されることが好ましい。光吸収層107内のバンドギャップが、バンドギャップ傾斜層106からp型半導体の拡散バリア層108の方向に増大するように半導体の組成も傾斜させることがより好ましい。
【0027】
材料構成に関しては、p型半導体の光吸収層107がInGaAsP混晶、バンドギャップ傾斜層106がInGaAsP混晶またはInGaAlAs混晶、なだれ増倍層103、電界制御層104およびp型半導体の電界緩衝層105の少なくとも1層がInPまたはInAlAs混晶とする。
【0028】
図1(b)に示した本発明のAPDの動作時のバンドダイアグラムと、図4(b)に示した従来のAPDの動作時のバンドダイアグラムとを比較すると、これらの光吸収層107、406内のバンド状態が大きく異なる。すなわち、従来のAPDの光吸収層406は印加された逆バイアスにより空乏化してそのバンドがp型407電極層からバンドギャップ傾斜層405へと傾斜しており、10Gbit/s用のAPDではこの光吸収層406には約8Vの電圧が印加されているのに対して、本発明のAPDの光吸収層107は動作時において電気的中性となるように設計されているためにそのバンドはバンドギャップ傾斜層106との界面近傍領域を除くほぼ全域に渡り平坦に近く,光吸収層107には電圧が印加されない状態で動作することとなる。このため、本発明のAPDでは、これらの光吸収層107へ印加される電圧の差分である8V程度の低電圧動作が可能となる。
【0029】
また、本発明のAPDと従来のAPDとはバンドプロファイルの制御性も異なる。すなわち、従来のAPDでは電界緩衝層404と光吸収層406の内部の電界を独立して変えようとすると、これらの層と電界制御層403およびバンドギャップ傾斜層405との界面近傍領域のドーピングレベルおよび層厚を制御することが必要となる。
【0030】
これに対して、本発明のAPDでは、動作中の光吸収層107のバンドプロファイルはフラットであるため電界緩衝層105内部の電界のみを設計すれば良く、従って、バンドギャップ傾斜層106および電界制御層104の各々のドーパント濃度分布(濃度および層厚)のみを制御すればよいため、APDの設計が単純化され構造制御性も向上することとなる。
【0031】
さらに、本発明のAPDの光吸収層107内ではバンドギャップ傾斜層106との界面近傍を除いてポテンシャル勾配が存在しないため、空乏化した光吸収層107内で発生し得る再結合電流やトンネル電流、さらには、なだれ増倍電流の発生が抑制され、動作バイアス状態での暗電流が低減される。
【0032】
このように、本発明のAPDは、従来のAPDとは異なり、光吸収層内で速度の遅い多数キャリアであるホールの影響を排除して少数キャリアである電子のみを活性なキャリアとして用いた「単一走行キャリア」のAPDであり、低電圧動作と容易なバンド制御とを実現可能としたものである。
【0033】
図2は、本発明のAPDの第2の構造例を説明するための図で、図2(a)はAPDの断面図、図2(b)はこのAPDの平面図である。このAPDの基本的な積層構造は図1(a)に示したAPDと同様であり、バッファ層201の上に、n型の電極層202と、なだれ増倍層203と、電界制御層204と、電界緩衝層205と、バンドギャップ傾斜層206と、p型の光吸収層207と、p型の拡散バリア層208と、p型の電極層209とが順次積層され、n型の電極層202およびp型の電極層209には各々の電極層に対応する金属電極210および211が設けられている。
【0034】
このAPDでは、電界緩衝層205を上面としなだれ増倍層203を下面とする第1のメサ構造の上に、p型の電極層209を上面としバンドギャップ傾斜層206を下面とする第2のメサ構造が、第1のメサ構造の上面である電界緩衝層205の表面外周部に一定の幅を有するように配置されて設けられた構造が採用されている。
【0035】
この構造を採用した場合には、電界緩衝層205は低濃度にドープされているために、第2のメサ構造が乗らない第1のメサ構造部分においても電界緩衝層205が横方向に広がって設けられることとなり、空乏化領域が広がる分だけなだれ増倍領域の周辺の電界強度が低減されると共に、第1のメサ構造表面の電界強度が低下して暗電流を低減させることができる。
【0036】
より詳細に説明するならば、この第1のメサ構造表面の電位は、第2のメサ構造の端から遠ざかるにつれ低下し、この低下に伴いp形の電界制御層204中に中性化領域が自動的に発生し、電界制御層204のドーピング濃度とリーク電流で決まるところの電位で固定される。しかしながら、電界緩衝層205は低濃度にドープされているゆえ、一定の電界強度の低下は期待できる。
【0037】
なお、この第1および第2のメサ構造は、図2に示した構成に限定されるものではなく、バンドギャップ傾斜層206を上面としなだれ増倍層203を下面とする第1のメサ構造と、p型の電極層209を上面とし光吸収層207を下面とする第2のメサ構造とから構成することとしても同様の効果が得られる。
【0038】
図3は本発明のAPDの第3の構造例を説明するための図で、図3(a)はAPDの断面図、図3(b)はこのAPDの平面図である。このAPDの基本的な積層構造は図1(a)に示したAPDと同様であり、バッファ層301の上に、n型の電極層302と、なだれ増倍層303と、電界制御層304と、電界緩衝層305と、バンドギャップ傾斜層306と、p型の光吸収層307と、p型の拡散バリア層308と、p型の電極層309とが順次積層され、n型の電極層302およびp型の電極層309には各々の電極層に対応する金属電極310および311が設けられている。
【0039】
この構造では、図2に示した構造に加え、電界緩衝層305を上面とする第1のメサの上に設けられたメサストライプ状のガードリング312と、電界緩衝層305の上面から堀り込んで形成されたリセス状のガードリング313が設けられている。図2に示した第2の構造例では、第1のメサの表面電位が電界制御層中に発生する中性化領域の影響を受けることを説明したが、この図に示した第3の構造例では、メサストライプ状のガードリング312部分の電位は、その下部にある電界制御層304の中性化が起こる電位降下がガードリング312がない部分よりも(不純物濃度分布の違いにより)小さくなるため、第2のメサ端からガードリング312のメサストライプまでの電位降下、および、ガードリング312のメサストライプ部分からその外側に向かっての電位降下が小さくなる。
【0040】
すなわち、2つに分割されたこれらの領域における電位降下が互いにバランスすることで暗電流が決定されるゆえ、結局シリーズ接続された暗電流パス全体の電流を低下させることが可能となる。なお、リセス状のガードリング313は、中性化層が誘起されない様に、電界制御層304中もしくは電界制御層304の下面までの深さとする。このようにすると、なだれ増倍層303の側面の露出がなくなると共に、リセス状のガードリング313部分の電界が横方向に広がるため、暗電流の発生を一層抑制することが可能となる。
【0041】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バンドギャップ傾斜層および電界制御層の各々のドーパント濃度分布を、動作状態におけるp型半導体光吸収層の、バンドギャップ傾斜層との界面近傍以外の領域が電気的中性となるように決定決定して、少数キャリアである電子のみを活性なキャリアとして用いる「単一走行キャリア」構造としたので、光吸収層への電圧印加が不要となり逆バイアスの低電圧化が可能となるとともにバンド制御が容易となり、空乏化した光吸収層内で発生し得る再結合電流やトンネル電流、さらには、なだれ増倍電流の発生が抑制されて動作バイアス状態での暗電流が低減される。
【0042】
また、光吸収層部分のメサを、電界緩衝層もしくは組成傾斜層を上面とするメサの内側に配置することにより、さらにはメサガードリングとリセスガードリングを追加して設けることにより、暗電流を一層低減させることができる。
【0043】
以上の技術的な改善によりアバランシ・フォトダイオードのノイズを低減させ、より高感度の光レシーバを実現することに貢献することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のAPDの第1の構造例を説明するための図で、(a)はAPDの断面図、(b)はこのAPDに電圧を印加した状態でのバンドダイアグラムである。
【図2】本発明のAPDの第2の構造例を説明するための図で、(a)は断面図、(b)は平面図である。
【図3】本発明のAPDの第3の構造例を説明するための図で、(a)は断面図、(b)は平面図である。
【図4】従来型のAPDの構造例を説明するための図で、(a)はAPDの断面図、(b)はこのAPDに電圧を印加した状態でのバンドダイアグラムである。
【符号の説明】
101、201、301 バッファ層
102、202、302 n型の電極層
103、203、303、402 なだれ増倍層
104、204、304、403 電界制御層
105、205、305、404 電界緩衝層
106、206、306、405 バンドギャップ傾斜層
107、207、307、406 光吸収層
108、208、308 p型の拡散バリア層
109、209、309 p型電極層
110、111、210、211、310、311、408、409 金属電極
312 メサ状のガードリング
313 リセス状のガードリング
401、407 電極層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an avalanche photodiode, and more particularly, to an ultrahigh-speed avalanche photodiode in a long wavelength band in which an operating voltage and dark current amount are low and electric field control in the element is easy.
[0002]
[Prior art]
An avalanche photodiode (APD) is widely used as a highly sensitive light-receiving element for optical measurement and optical communication because the element itself has an amplification function, and is used for large-capacity long-distance optical communication. A 1.55 μm band APD employs a heterojunction SAM (Separated Absorption and Multiplexation) structure using a compound semiconductor.
[0003]
This SAM structure consists of an avalanche layer (avalanche multiplication region) formed of superlattice layers in which compound semiconductor layers having different bulk or band gap energies are alternately stacked, and a light absorption layer (photoelectric conversion layer) such as InGaAs. Are functionally separated and independent. According to this structure, the pn junction dark current can be reduced by making the band gap energy of the avalanche multiplication region larger than that of the light absorption layer.
[0004]
That is, when a high electric field is applied to the InGaAs light absorption layer, the band gap energy is small, and the dark current due to the tunnel phenomenon increases. Therefore, it is designed so that most of the voltage at the pn junction is applied to the avalanche multiplication region. The There is also a SACM (Separated Absorption Charge and Multiplication) structure for the purpose of increasing the controllability of the electric field by introducing a charge layer for controlling the electric field between the light absorption layer and the avalanche multiplication region, and further reducing the dark current. Proposed.
[0005]
In any APD of these SAM structure and SACM structure, it is important to determine the thickness of the light absorption layer in order to obtain desired device characteristics. Frequency response because high S / N ratio and sensitivity cannot be ensured even if avalanche multiplication phenomenon occurs in an element that does not provide a high carrier generation rate (quantum efficiency) under conditions where avalanche multiplication phenomenon does not occur. it is necessary to sufficiently increase the optical absorption layer thickness W a at securable range band. For this reason, the conventional ACM-structured APD is designed to expand the depletion layer by connecting the avalanche multiplication layer to the pin type PD and lowering the impurity concentration of the light absorption layer.
[0006]
Here, in order to extract the photoexcited carriers generated in the light absorption layer to the avalanche multiplication region, it is necessary to apply a certain electric field to the light absorption layer itself, so that the light absorption layer is highly purified and has high quality. For example, when the thickness of the light absorption layer is 2 μm, the p-type impurity concentration in the light absorption layer must be suppressed to about 1 × 10 15 cm −3 or less. In addition, since it strongly depends on the p-type impurity concentration and thickness of the electric field control layer provided between the light absorption layer and the avalanche multiplication region, the formation of the electric field control layer requires highly accurate impurity concentration control and layer thickness control. Desired.
[0007]
4A and 4B are diagrams for explaining a structural example of a conventional APD. FIG. 4A is a cross-sectional view of the APD, and FIG. 4B is a band diagram in a state where a voltage is applied to the APD. . In this APD, an avalanche multiplication layer 402, an electric field control layer 403, an electric field buffer layer 404, a band gap inclined layer 405, a light absorption layer 406, and an electrode layer 407 are sequentially stacked on the electrode layer 401. The electrode layers 401 and 407 are provided with metal electrodes 408 and 409 corresponding to the respective electrode layers. When a reverse bias is applied from these electrode layers 401 and 407, the light absorption layer 406 is depleted and enters a band state as shown in FIG. 4B, and the energy in the band gap of the light absorption layer 406 exceeds the energy of the APD in this state. Is incident on the light absorption layer 406, which is depleted, whereupon a pair of electrons and holes is generated and a photocurrent flows.
[0008]
In an APD having such a structure, the frequency response band (3 dB band: f 3 dB ), which is an index of response speed, is maximized during a pin-type PD operation without avalanche multiplication. When the carrier transit time (tau D) ignores electron transit time on the assumption that determined by the running time of the slow-hole drift rate, the light absorbing layer thickness W A, the drift velocity of holes as v h, carrier traveling Time τ D is
τ D (pin) = W A / 3v h (1)
And the 3 dB bandwidth f 3 dB is
f 3 dB (pin) = 1 / (2πτ D ) (2)
Is approximated by
[0009]
When InGaAs is used for the light absorption layer, the hole drift velocity (hole saturation velocity) v h is 5 × 10 6 cm / s, so the 3 dB band f 3 dB is
f 3 dB (pin) = [1 / W A (μm)] × 24 GHz (3)
It becomes. For example, since the 3dB bandwidth if APD for receiving signals 10Gbit / s has f 3dB (pin) = 15GHz as a guide, the light absorbing layer thickness W A is required to be about 1.6 [mu] m, the light absorption In order to maintain the hole saturation speed in most regions of the layer, the electric field strength needs to be 50 kV / cm or more. Since this electric field strength corresponds to 8V or more in terms of voltage, the element bias to which the voltage of the avalanche multiplication layer is applied is usually about 25V.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional APD as described above, in addition to the general problem of the APD that the reverse bias value (operating voltage) applied is higher than that of the pin-PD, the electric field in the light absorption layer is affected by the thickness of the electric field control layer and the doping. There was a problem of being greatly influenced by the level. That is, if the electric field in the light absorption layer becomes stronger than the optimum value, the dark current level tends to increase. Conversely, if the electric field in the light absorption layer is too weak, the response band tends to decrease. Currently, it is difficult to realize the performance / controllability.
[0011]
In particular, an APD using InGaAs with a small band gap in the light absorption layer has a problem that an avalanche multiplication phenomenon occurs not only in the avalanche multiplication layer but also in the InGaAs light absorption layer, and the level of dark current tends to increase. It was.
[0012]
The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to provide an ultrahigh-speed avalanche in a long wavelength band in which the amount of operating voltage and dark current is low and the electric field control in the element is easy. • To provide a photodiode.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides an avalanche photodiode according to claim 1, wherein a semi-insulating buffer layer and an n-type semiconductor electrode layer are formed on a semi-insulating substrate. A semi-insulating semiconductor avalanche multiplication layer, an electric field control layer, a p-type semiconductor electric field buffer layer, a band gap inclined layer, a p-type semiconductor light absorption layer, a p-type semiconductor diffusion barrier layer, and a p-type semiconductor The n-type semiconductor electrode layer and the p-type semiconductor electrode layer each have a metal electrode, and the band profile is controlled only by the electric field of the p-type semiconductor field buffer layer. are, each dopant concentration distribution of the band gap inclined layer and the electric field control layer, the p-type semiconductor absorber layer operating state, a region other than the vicinity of the interface between the band gap inclined layer electroneutrality Characterized in that it is determined to be.
[0014]
According to a second aspect of the present invention, in the avalanche photodiode according to the first aspect, the dopant concentration in the direction of the band gap inclined layer in the p-type semiconductor light absorption layer has a uniform distribution or an inclined distribution. It is characterized by having.
[0015]
According to a third aspect of the present invention, in the avalanche photodiode according to the first or second aspect, the p-type semiconductor light absorption layer is made of an InGaAsP mixed crystal.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, in the avalanche photodiode according to any one of the first to third aspects, the band gap inclined layer is made of an InGaAsP mixed crystal or an InGaAlAs mixed crystal.
[0017]
According to a fifth aspect of the present invention, in the avalanche photodiode according to any one of the first to fourth aspects, the semi-insulating semiconductor avalanche multiplication layer, the electric field control layer, and the p-type semiconductor electric field buffer layer At least one layer of InP or InAlAs mixed crystal.
[0018]
The invention according to claim 6 is the avalanche photodiode according to any one of claims 1 to 5, wherein the stacked structure has the p-type semiconductor field buffer layer or the band gap inclined layer as an upper surface. A first mesa structure having a semi-insulating semiconductor avalanche multiplication layer as a lower surface, and a second mesa structure having the p-type semiconductor electrode layer as an upper surface and the band gap inclined layer or the p-type semiconductor light absorption layer as a lower surface. The second mesa structure is arranged so as to have a certain width on the outer peripheral portion of the upper surface of the first mesa structure.
[0019]
Further, the invention according to claim 7 is the avalanche photodiode according to claim 6, further comprising a guard ring in a region of an outer peripheral portion of the upper surface of the first mesa structure, wherein the guard ring is the p-type. The mesa stripe-shaped first guard ring having a single layer structure of the semiconductor light absorption layer or a laminated structure of the p-type semiconductor light absorption layer and the band gap inclined layer, or the electric field from the upper surface of the first mesa structure It is characterized by comprising either or both of recess-like second guard rings in which a part or all of the control layer is dug.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a diagram for explaining a first structural example of an APD according to the present invention. FIG. 1 (a) is a cross-sectional view of the APD, and FIG. 1 (b) is a band when a voltage is applied to the APD. It is a diagram. In this APD, a semi-insulating buffer layer 101 is provided on a semi-insulating substrate (not shown), and an n-type semiconductor electrode layer 102 sufficiently doped to obtain electrode characteristics is formed thereon, and a semi-insulating buffer layer 101 is formed. An avalanche multiplication layer 103 made of an insulating semiconductor, an electric field control layer 104, an electric field buffer layer 105 made of a p-type semiconductor, a band gap inclined layer 106, a light absorption layer 107 of a p-type semiconductor, and a p-type semiconductor. A diffusion barrier layer 108 and a p-type semiconductor electrode layer 109 sufficiently doped to obtain electrode characteristics are sequentially stacked. The n-type electrode layer 102 and the p-type electrode layer 109 correspond to the respective electrode layers. Metal electrodes 110 and 111 are provided.
[0022]
The dopant concentration distribution of each of the band gap gradient layer 106 and the electric field control layer 104 is determined so that the region of the light absorption layer 107 other than the vicinity of the interface with the band gap gradient layer 106 in the APD operation state is electrically neutral. Has been. Therefore, when a reverse bias is applied to the APD from the electrode layers 102 and 109, the energy band in each layer is in a state as shown in FIG. 1B, and the energy in the light absorption layer 107 exhibiting p-type when not operating. The band is in a flat state having no gradient except for the vicinity of the interface with the band gap gradient layer 106, and the light absorption layer 107 during operation is electrically in a region other than the vicinity of the interface with the band gap gradient layer 106. Become neutral.
[0023]
When signal light having energy equal to or greater than the band gap of the light absorption layer 107 is incident on the APD in this state, the light is mainly absorbed by the light neutralization layer 107 that is electrically neutralized to generate electron-hole pairs. Is done. The generated holes flow through the p-type semiconductor diffusion barrier layer 108 as a conduction current to the p-type semiconductor electrode layer 109, while the generated electrons are generated by the potential barrier formed by the p-type semiconductor diffusion barrier layer 108. Back diffusion of the p-type semiconductor into the electrode layer 109 is blocked, diffuses into the band gap inclined layer 106, drifts to the avalanche multiplication layer 103 via the electric field buffer layer 105 and the electric field control layer 104, and avalanche due to impact ionization A multiplication phenomenon occurs.
[0024]
Since holes generated in the light absorption layer 107 are majority carriers, the generated hole current only behaves so that the light absorption layer 107 is electrically neutral, and the holes generated in the light absorption layer 107 are APD. It does not contribute to the response speed. That is, the response speed of the APD having such a structure is substantially determined by the diffusion of electrons which are minority carriers without being directly influenced by the holes which are majority carriers in the light absorption layer 107. Here, the diffusion coefficient of the electron D e, the thickness of the p-type semiconductor of the light absorbing layer 107 and W AN, carrier transit time tau DN is
τ DN = W AN 2 / 3D e (4)
And the 3 dB bandwidth f 3 dB is
f 3 dB = 1 / (2πτ DN ) (5)
Is approximated by
[0025]
When the doping level in the light-absorbing layer 107 has a p-type InGaAs of 1 × 10 17 cm -3, the electron mobility in the InGaAs 8000 cm 2 / Vs, the diffusion coefficients 200 cm 2 / s, 3 dB bandwidth f 3dB is
f 3 dB = [1 / W AN 2 (μm 2 )] × 9.6 GHz (6)
Therefore, in order to obtain 15 GHz which is a guideline of the 3 dB band f 3 dB of the APD that receives a 10 Gbit / s signal, the thickness of the light absorption layer 107 of the p-type semiconductor should be set to about 0.8 μm. . The thickness of the light absorption layer 107 is sufficient to obtain the quantum efficiency required for a normal APD, but the APD device structure is “waveguide type”, or light is obliquely applied using crystal facets. If the “refractive facet type” is used for incidence from the direction, higher quantum efficiency can be obtained.
[0026]
From the viewpoint of APD quantum efficiency, the dopant concentration in the light absorption layer 107 is determined to have a gradient distribution in which the doping concentration increases from the band gap gradient layer 106 to the p-type semiconductor diffusion barrier layer 108. In addition to the above-described electron diffusion, the drift effect is preferably designed. More preferably, the composition of the semiconductor is also inclined so that the band gap in the light absorption layer 107 increases from the band gap inclined layer 106 to the diffusion barrier layer 108 of the p-type semiconductor.
[0027]
Regarding the material structure, the p-type semiconductor light absorption layer 107 is an InGaAsP mixed crystal, the band gap inclined layer 106 is an InGaAsP mixed crystal or an InGaAlAs mixed crystal, an avalanche multiplication layer 103, an electric field control layer 104, and a p-type semiconductor electric field buffer layer. At least one layer 105 is made of InP or InAlAs mixed crystal.
[0028]
When comparing the band diagram during operation of the APD of the present invention shown in FIG. 1B with the band diagram during operation of the conventional APD shown in FIG. 4B, these light absorption layers 107 and 406 are compared. The state of the band inside is very different. That is, the light absorption layer 406 of the conventional APD is depleted by the applied reverse bias, and the band is inclined from the p-type 407 electrode layer to the band gap inclined layer 405, and this light is used in the 10 Gbit / s APD. While a voltage of about 8 V is applied to the absorption layer 406, the light absorption layer 107 of the APD of the present invention is designed to be electrically neutral during operation, so that the band is a band. The light absorption layer 107 operates in a state in which no voltage is applied, and the light absorption layer 107 is almost flat over almost the entire region except the region near the interface with the gap gradient layer 106. For this reason, the APD of the present invention can operate at a low voltage of about 8 V, which is the difference between the voltages applied to these light absorption layers 107.
[0029]
Further, the controllability of the band profile is different between the APD of the present invention and the conventional APD. That is, in the conventional APD, if the electric fields inside the electric field buffer layer 404 and the light absorption layer 406 are changed independently, the doping level in the vicinity of the interface between these layers and the electric field control layer 403 and the band gap inclined layer 405 It is necessary to control the layer thickness.
[0030]
On the other hand, in the APD of the present invention, since the band profile of the light absorption layer 107 in operation is flat, it suffices to design only the electric field inside the electric field buffer layer 105. Accordingly, the band gap gradient layer 106 and the electric field control are required. Since only the dopant concentration distribution (concentration and layer thickness) of each layer 104 needs to be controlled, the APD design is simplified and the structure controllability is improved.
[0031]
Further, since no potential gradient exists in the light absorption layer 107 of the APD of the present invention except for the vicinity of the interface with the band gap gradient layer 106, recombination current and tunnel current that can be generated in the depleted light absorption layer 107. Furthermore, the generation of avalanche multiplication current is suppressed, and the dark current in the operation bias state is reduced.
[0032]
Thus, unlike the conventional APD, the APD of the present invention uses only electrons that are minority carriers as active carriers by eliminating the influence of holes that are slow majority carriers in the light absorption layer. This is an APD of a “single traveling carrier” that can realize low voltage operation and easy band control.
[0033]
2A and 2B are diagrams for explaining a second structural example of the APD of the present invention. FIG. 2A is a sectional view of the APD, and FIG. 2B is a plan view of the APD. The basic laminated structure of this APD is the same as that of the APD shown in FIG. 1A. On the buffer layer 201, an n-type electrode layer 202, an avalanche multiplication layer 203, an electric field control layer 204, The electric field buffer layer 205, the band gap gradient layer 206, the p-type light absorption layer 207, the p-type diffusion barrier layer 208, and the p-type electrode layer 209 are sequentially stacked, and the n-type electrode layer 202 is stacked. The p-type electrode layer 209 is provided with metal electrodes 210 and 211 corresponding to the respective electrode layers.
[0034]
In this APD, a second mesa structure having a field buffer layer 205 as an upper surface and an avalanche multiplication layer 203 as a lower surface, a p-type electrode layer 209 as an upper surface, and a band gap inclined layer 206 as a lower surface. A structure in which the mesa structure is disposed and provided so as to have a certain width on the outer peripheral portion of the surface of the electric field buffer layer 205 which is the upper surface of the first mesa structure is employed.
[0035]
When this structure is adopted, since the electric field buffer layer 205 is doped at a low concentration, the electric field buffer layer 205 spreads in the lateral direction even in the first mesa structure portion on which the second mesa structure is not mounted. As a result, the electric field strength around the avalanche multiplication region is reduced as the depletion region expands, and the electric field strength on the surface of the first mesa structure is lowered, thereby reducing the dark current.
[0036]
More specifically, the potential on the surface of the first mesa structure decreases as the distance from the end of the second mesa structure decreases, and as a result, a neutralized region is formed in the p-type electric field control layer 204. It is automatically generated and fixed at a potential determined by the doping concentration of the electric field control layer 204 and the leakage current. However, since the electric field buffer layer 205 is doped at a low concentration, a certain decrease in electric field strength can be expected.
[0037]
The first and second mesa structures are not limited to the structure shown in FIG. 2, but are the first mesa structure having the band gap inclined layer 206 as the upper surface and the avalanche multiplication layer 203 as the lower surface. A similar effect can be obtained by forming the second mesa structure having the p-type electrode layer 209 as the upper surface and the light absorption layer 207 as the lower surface.
[0038]
3A and 3B are views for explaining a third structural example of the APD of the present invention. FIG. 3A is a cross-sectional view of the APD, and FIG. 3B is a plan view of the APD. The basic laminated structure of this APD is the same as that of the APD shown in FIG. 1A. On the buffer layer 301, an n-type electrode layer 302, an avalanche multiplication layer 303, an electric field control layer 304, The electric field buffer layer 305, the band gap inclined layer 306, the p-type light absorption layer 307, the p-type diffusion barrier layer 308, and the p-type electrode layer 309 are sequentially stacked, and the n-type electrode layer 302 is stacked. The p-type electrode layer 309 is provided with metal electrodes 310 and 311 corresponding to the respective electrode layers.
[0039]
In this structure, in addition to the structure shown in FIG. 2, the mesa stripe-shaped guard ring 312 provided on the first mesa having the electric field buffer layer 305 as an upper surface and the upper surface of the electric field buffer layer 305 are dug. A recess-shaped guard ring 313 formed in the above is provided. In the second structure example shown in FIG. 2, it has been explained that the surface potential of the first mesa is affected by the neutralization region generated in the electric field control layer. However, the third structure shown in this figure is used. In the example, the potential of the mesa stripe-shaped guard ring 312 portion is lower (due to the difference in impurity concentration distribution) than the portion where the guard ring 312 is not present, so that the potential drop at which the neutralization of the electric field control layer 304 therebelow occurs. Therefore, the potential drop from the second mesa end to the mesa stripe of the guard ring 312 and the potential drop from the mesa stripe portion of the guard ring 312 toward the outside thereof are reduced.
[0040]
That is, since the dark current is determined by balancing the potential drops in these two divided regions, the current of the entire dark current path connected in series can be reduced. The recessed guard ring 313 has a depth in the electric field control layer 304 or the lower surface of the electric field control layer 304 so that the neutralization layer is not induced. In this way, the side surface of the avalanche multiplication layer 303 is not exposed, and the electric field of the recess-like guard ring 313 spreads in the lateral direction, so that the generation of dark current can be further suppressed.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the dopant concentration distribution of each of the band gap gradient layer and the electric field control layer is set to a region other than the vicinity of the interface between the p-type semiconductor light absorption layer and the band gap gradient layer in the operating state. Is determined to be electrically neutral and has a “single-running carrier” structure that uses only electrons, which are minority carriers, as active carriers. The voltage can be lowered and the band control is facilitated. The recombination current and tunnel current that can be generated in the depleted light absorption layer and the avalanche multiplication current are suppressed, and the operation bias state is reduced. Dark current is reduced.
[0042]
In addition, by arranging the mesa of the light absorption layer inside the mesa with the electric field buffer layer or the composition gradient layer as an upper surface, and additionally providing a mesa guard ring and a recess guard ring, dark current can be reduced. It can be further reduced.
[0043]
The above technical improvements can reduce noise of the avalanche photodiode and contribute to realizing a more sensitive optical receiver.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams for explaining a first structural example of an APD of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional view of an APD, and FIG. 1B is a band diagram in a state where a voltage is applied to the APD;
2A and 2B are diagrams for explaining a second structure example of an APD according to the present invention, in which FIG. 2A is a cross-sectional view, and FIG. 2B is a plan view;
3A and 3B are diagrams for explaining a third structural example of the APD of the present invention, in which FIG. 3A is a cross-sectional view, and FIG. 3B is a plan view;
4A and 4B are diagrams for explaining a structural example of a conventional APD, in which FIG. 4A is a cross-sectional view of the APD, and FIG. 4B is a band diagram in a state where a voltage is applied to the APD.
[Explanation of symbols]
101, 201, 301 Buffer layer 102, 202, 302 N-type electrode layer 103, 203, 303, 402 Avalanche multiplication layer 104, 204, 304, 403 Electric field control layer 105, 205, 305, 404 Electric field buffer layer 106, 206, 306, 405 Band gap gradient layers 107, 207, 307, 406 Light absorption layers 108, 208, 308 P-type diffusion barrier layers 109, 209, 309 P-type electrode layers 110, 111, 210, 211, 310, 311 , 408, 409 Metal electrode 312 Mesa guard ring 313 Recess guard ring 401, 407 Electrode layer

Claims (7)

半絶縁性基板上に、半絶縁性バッファ層と、n型半導体電極層と、半絶縁性半導体なだれ増倍層と、電界制御層と、p型半導体電界緩衝層と、バンドギャップ傾斜層と、p型半導体光吸収層と、p型半導体拡散バリア層と、p型半導体電極層とが順次積層された積層構造を有し、前記n型半導体電極層と前記p型半導体電極層の各々に金属電極を備え、
バンドプロファイルは前記p型半導体電界緩衝層の電界のみによって制御され、前記バンドギャップ傾斜層および前記電界制御層の各々のドーパント濃度分布が、動作状態における前記p型半導体光吸収層の、前記バンドギャップ傾斜層との界面近傍以外の領域が電気的中性となるように決定されていることを特徴とするアバランシ・フォトダイオード。
On a semi-insulating substrate, a semi-insulating buffer layer, an n-type semiconductor electrode layer, a semi-insulating semiconductor avalanche multiplication layer, an electric field control layer, a p-type semiconductor electric field buffer layer, a band gap gradient layer, A p-type semiconductor light absorption layer, a p-type semiconductor diffusion barrier layer, and a p-type semiconductor electrode layer are sequentially laminated, and a metal is formed on each of the n-type semiconductor electrode layer and the p-type semiconductor electrode layer. With electrodes,
The band profile is controlled only by the electric field of the p-type semiconductor field buffer layer, and the dopant concentration distribution of each of the band gap gradient layer and the electric field control layer is determined by the band gap of the p-type semiconductor light absorption layer in the operating state. An avalanche photodiode, wherein a region other than the vicinity of the interface with the inclined layer is determined to be electrically neutral.
前記p型半導体光吸収層内の前記バンドギャップ傾斜層方向へのドーパント濃度が、均一分布もしくは傾斜分布を有することを特徴とする請求項1に記載のアバランシ・フォトダイオード。2. The avalanche photodiode according to claim 1, wherein a dopant concentration in the direction of the band gap inclined layer in the p-type semiconductor light absorption layer has a uniform distribution or an inclined distribution. 前記p型半導体光吸収層が、InGaAsP混晶からなることを特徴とする請求項1または2に記載のアバランシ・フォトダイオード。The avalanche photodiode according to claim 1, wherein the p-type semiconductor light absorption layer is made of an InGaAsP mixed crystal. 前記バンドギャップ傾斜層が、InGaAsP混晶またはInGaAlAs混晶からなることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のアバランシ・フォトダイオード。4. The avalanche photodiode according to claim 1, wherein the band gap inclined layer is made of an InGaAsP mixed crystal or an InGaAlAs mixed crystal. 前記半絶縁性半導体なだれ増倍層、前記電界制御層および前記p型半導体電界緩衝層の少なくとも1層が、InPまたはInAlAs混晶からなることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載のアバランシ・フォトダイオード。5. At least one of the semi-insulating semiconductor avalanche multiplication layer, the electric field control layer, and the p-type semiconductor electric field buffer layer is made of InP or InAlAs mixed crystal. Avalanche photodiode. 前記積層構造が、前記p型半導体電界緩衝層もしくは前記バンドギャップ傾斜層を上面とし前記半絶縁性半導体なだれ増倍層を下面とする第1のメサ構造と、前記p型半導体電極層を上面とし前記バンドギャップ傾斜層もしくは前記p型半導体光吸収層を下面とする第2のメサ構造とから構成されており、
当該第2のメサ構造が、前記第1のメサ構造の上面の外周部に一定の幅を有するように配置されていることを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載のアバランシ・フォトダイオード。
The stacked structure includes a first mesa structure having the p-type semiconductor field buffer layer or the band gap inclined layer as an upper surface and the semi-insulating semiconductor avalanche multiplication layer as a lower surface, and the p-type semiconductor electrode layer as an upper surface. A second mesa structure having the band gap inclined layer or the p-type semiconductor light absorption layer as a lower surface,
The avalanche photo according to any one of claims 1 to 5, wherein the second mesa structure is arranged so as to have a certain width on an outer peripheral portion of an upper surface of the first mesa structure. diode.
前記第1のメサ構造の上面の外周部の領域にガードリングを備え、
当該ガードリングが、前記p型半導体光吸収層の単層構造もしくは当該p型半導体光吸収層と前記バンドギャップ傾斜層の積層構造を有するメサストライプ状の第1のガードリング、または、前記第1のメサ構造の上面から前記電界制御層の一部または全部を掘り込んだ形状のリセス状の第2のガードリングのいずれか一方もしくは双方で構成されていることを特徴とする請求項6に記載のアバランシ・フォトダイオード。
A guard ring is provided in the outer peripheral region of the upper surface of the first mesa structure;
The guard ring is a mesa stripe-shaped first guard ring having a single layer structure of the p-type semiconductor light absorption layer or a stacked structure of the p-type semiconductor light absorption layer and the band gap inclined layer, or the first 7. It is comprised by either one or both of the recess-like 2nd guard rings of the shape which dug a part or all of the said electric field control layer from the upper surface of this mesa structure. Avalanche photodiode.
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