JPH0319288A - 光半導体装置 - Google Patents
光半導体装置Info
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- JPH0319288A JPH0319288A JP1155216A JP15521689A JPH0319288A JP H0319288 A JPH0319288 A JP H0319288A JP 1155216 A JP1155216 A JP 1155216A JP 15521689 A JP15521689 A JP 15521689A JP H0319288 A JPH0319288 A JP H0319288A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、光半導体装置に係り、詳しくは、アバランシ
エ・フォト・ダイオード（ＡｖａｌａｎｃｈｅＰ ｈｏ
ｔｏ Ｄ ｉｏｄｅ：以下ＡＰＤという）と称される
光半導体装置に関する。
エ・フォト・ダイオード（ＡｖａｌａｎｃｈｅＰ ｈｏ
ｔｏ Ｄ ｉｏｄｅ：以下ＡＰＤという）と称される
光半導体装置に関する。
一般に、ＡＰＤは光吸収層とアバランシェ増幅領域から
なるフォトダイオードであり、ＰＩＮフォトダイオード
に増幅機能を持たせた受光素子である。ＡＰＤでは、入
射した光を吸収層で吸収してキャリアを発生させるとと
もに、このキャリアを電界に当てて加速し、結晶格子に
衝突させて新たなキャリアを生戒するアバランシェ過程
を繰り返すことによって、大きな出力電流を得ている．
また、ＰＩＮフォトダイオードと同様に逆バイアスを印
加したときに、キャリアを発生させる光収集領域が殆ん
ど空乏層化されるため応答性に優れている。
なるフォトダイオードであり、ＰＩＮフォトダイオード
に増幅機能を持たせた受光素子である。ＡＰＤでは、入
射した光を吸収層で吸収してキャリアを発生させるとと
もに、このキャリアを電界に当てて加速し、結晶格子に
衝突させて新たなキャリアを生戒するアバランシェ過程
を繰り返すことによって、大きな出力電流を得ている．
また、ＰＩＮフォトダイオードと同様に逆バイアスを印
加したときに、キャリアを発生させる光収集領域が殆ん
ど空乏層化されるため応答性に優れている。
このようなＡＰＤの場合、上記キャリアとして電子又は
正孔があるが、増倍頌域を形成している材料のイオン化
率比が大きいキャリアを注入する方がより低雑音、高速
応答性が得られる。したがって、これら各特性の向上を
図るため、イオン化率比の良い様々な材料で各種の構造
のものが提案されている。
正孔があるが、増倍頌域を形成している材料のイオン化
率比が大きいキャリアを注入する方がより低雑音、高速
応答性が得られる。したがって、これら各特性の向上を
図るため、イオン化率比の良い様々な材料で各種の構造
のものが提案されている。
ＡＰＤでは、逆バイアス電圧が印加された状態で、空乏
層の一部に高電界のアバランシェ領域が設けてあり、光
にまり生威されたキャリアがこの領域に注入されると、
キャリアは高電界で加速されて十分なエネルギーを得て
、衝突イオン化により他の電子・正孔対を生或する。こ
の生戒された電子・正孔対がさらに加速されて次々と電
子・正孔対を生威することにより、アバランシエ増倍が
起こる。
層の一部に高電界のアバランシェ領域が設けてあり、光
にまり生威されたキャリアがこの領域に注入されると、
キャリアは高電界で加速されて十分なエネルギーを得て
、衝突イオン化により他の電子・正孔対を生或する。こ
の生戒された電子・正孔対がさらに加速されて次々と電
子・正孔対を生威することにより、アバランシエ増倍が
起こる。
ＡＰＤのアバランシエ増倍を支配する最も重要なパラメ
ータはキャリアのイオン化係数である。
ータはキャリアのイオン化係数である。
イオン化係数はそのキャリアが１ｃ１ｌ進む間に衝突イ
オン化を起こす回数で表され、これは、結晶材料、結晶
の方位、電界強度、温度、キャリアの種類などに依存す
る．通常、電界Ｅが場所Ｘの関数Ｅ （ｘ）となること
から、電子のイオン化係数はα（Ｅ）またはα（Ｘ）、
正孔のそれはβ（Ｅ）またはβ（Ｘ）で表されるが、こ
こでは説明の都合上単にα、βで表すことにする。
オン化を起こす回数で表され、これは、結晶材料、結晶
の方位、電界強度、温度、キャリアの種類などに依存す
る．通常、電界Ｅが場所Ｘの関数Ｅ （ｘ）となること
から、電子のイオン化係数はα（Ｅ）またはα（Ｘ）、
正孔のそれはβ（Ｅ）またはβ（Ｘ）で表されるが、こ
こでは説明の都合上単にα、βで表すことにする。
従来のイオン化注入型１ｎＧａＡｓＡＰＤについてアバ
ランシェ増倍領域の設計を行うときはイオン化率α、β
を次式■■のように計算している．で表され、これから
降伏条件は １ ・・・・・・■ で与えられ、Ｍｎ−＋■のとき■式の値は１になる。
ランシェ増倍領域の設計を行うときはイオン化率α、β
を次式■■のように計算している．で表され、これから
降伏条件は １ ・・・・・・■ で与えられ、Ｍｎ−＋■のとき■式の値は１になる。
同様に、Ｘ＝Ｗで正孔注入のみがあったとき、増倍率Ｍ
ｐは 但し、ＰＮ接合の電界 また、該増倍領域の幅をＷとするとき高電界領域のｘ−
０で電子注入のみがあったとき、増倍率Ｍｎは Ｊ Ｍｎ＝ ・・・・・・■Ｊｎ （ｏ
） 但し、ＪＰ：正札の電流 で表され、これから降伏条件は １ ・・・・・・■ で与えられ、Ｍｐ→■のとき■式の・値は１になる。
ｐは 但し、ＰＮ接合の電界 また、該増倍領域の幅をＷとするとき高電界領域のｘ−
０で電子注入のみがあったとき、増倍率Ｍｎは Ｊ Ｍｎ＝ ・・・・・・■Ｊｎ （ｏ
） 但し、ＪＰ：正札の電流 で表され、これから降伏条件は １ ・・・・・・■ で与えられ、Ｍｐ→■のとき■式の・値は１になる。
上記のようにα、βを別々に考えて増倍領域を決定して
いる． 〔発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、このような従来のＡＰＤにあっては、イ
オン化率α、βを別々に考えてアバランシエ増倍領域を
算出していたため、イオン注入深さに対して最適なドー
ズ量が決まらなかった．例えば、ＧａＡｓ結晶へのｎ形
イオン注入にはＳ ｔＳｓ，Ｓｅ．．Ｔｅなどがあるが
、一般にはＳｉを選ぶ場合が多く、従来の設計法により
ＧＢ積（Ｇａｉｎ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）の向上をねら
う場合、注入深さとドーズ量の関係は思考錯誤的になら
ざるを得す、画一的な性能向上が図れないという問題点
があった． そこで本発明は、イオン注入深さに対して最適ドーズ量
を簡単に求めてＧＢ積を見積り、画一的に性能向上を図
ることのできる光半導体装置を提供することを目的とし
ている． 〔課題を解決するための手段〕 本発明による光半導体装置は上記目的達戒のため、吸収
・増倍領域を分離し、増倍領域にイオン注入あるいはド
ープのうち少なくとも１つ以上の処理により不純物を注
入して高電界領域を形成し、該高電界領域でアバランシ
エ増倍を行うようなＡＰＤを構威する光半導体装置にお
いて、前記アバランシェ増倍に関連するキャリアのイオ
ン化係数に基づいて疑似イオン化率を求め、該疑似イオ
ン化率を用いてアバランシエの降伏条件より等価増倍層
幅を算出し、等価増倍層幅に基づいてＧＢ積を見積り、
これから前記高電界領域を形成するための不純物領域の
深さとチャージ量を決定してＡＰＤを構成するようにし
ている． 〔作用〕 本発明では、疑似イオン化率を用いて、アバランシェの
降伏条件より等価増倍層幅が算出され、等価増倍層幅に
基づいてＧＢ積が見積られ、これから高電界領域を形戒
するための不純物領域の深さとチャージ量を決定してＡ
ＰＤが構威される．したがって、ＧＢ積の算出に際して
等価増倍層幅を考慮するのみでよく、その見積りが簡単
に行えて、ＡＰＤの画一的な性能向上が図られる．〔実
施例〕 以下、本発明を図面に基づいて説明する．第１〜４図は
本発明に係る光半導体装置の一実施例を示す図である．
第１図は本発明のδドープ型のＩｎＧａＡｓＡＰＤの断
面図であり、この図において、１はＡｕＧｅからなる電
極、２はＩｎＰからなるｎ゛基板、３はＩ ｎＧａＡｓ
からなり厚さが２μｍ程度の吸収層、４はＩｎＧａＡｓ
Ｐからなり厚さが０．１μｍのバッファ層、５はＩｎＰ
からなり厚さが１．５μｍ程度の増倍層（増倍領域）、
６はｐ゛の受光部、７はＡｕＺｎからなる電極、８は増
倍層５中にＳｉをドープ（δドーブという）した高電界
領域である．また、中心付近における増倍層５およびバ
ッファ層４部分（ＩｎＰ ／ Ｉ ｎ Ｇ ａ Ａ ｓ
Ｐ部分）の降伏電圧と周辺部の増倍層５の降伏電圧の
差を利用してガードリング９が形成され、暗電流の低減
と均質な降伏による高い増倍率が得られるようになって
いる．ここで、本実施例では第１図の構造のＡＰＤを設
計する際に疑似イオン化率（ｑｕａｓｉイオン化率）α
ｑを用いて増倍層５における等価増倍層幅δＷおよび降
伏条件αｑδｗ＝１より接合の最大電界が算出される．
電子および正孔のイオン化係数のα、βと疑似イオン化
率αｑとの関係は次式で示される。
いる． 〔発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、このような従来のＡＰＤにあっては、イ
オン化率α、βを別々に考えてアバランシエ増倍領域を
算出していたため、イオン注入深さに対して最適なドー
ズ量が決まらなかった．例えば、ＧａＡｓ結晶へのｎ形
イオン注入にはＳ ｔＳｓ，Ｓｅ．．Ｔｅなどがあるが
、一般にはＳｉを選ぶ場合が多く、従来の設計法により
ＧＢ積（Ｇａｉｎ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）の向上をねら
う場合、注入深さとドーズ量の関係は思考錯誤的になら
ざるを得す、画一的な性能向上が図れないという問題点
があった． そこで本発明は、イオン注入深さに対して最適ドーズ量
を簡単に求めてＧＢ積を見積り、画一的に性能向上を図
ることのできる光半導体装置を提供することを目的とし
ている． 〔課題を解決するための手段〕 本発明による光半導体装置は上記目的達戒のため、吸収
・増倍領域を分離し、増倍領域にイオン注入あるいはド
ープのうち少なくとも１つ以上の処理により不純物を注
入して高電界領域を形成し、該高電界領域でアバランシ
エ増倍を行うようなＡＰＤを構威する光半導体装置にお
いて、前記アバランシェ増倍に関連するキャリアのイオ
ン化係数に基づいて疑似イオン化率を求め、該疑似イオ
ン化率を用いてアバランシエの降伏条件より等価増倍層
幅を算出し、等価増倍層幅に基づいてＧＢ積を見積り、
これから前記高電界領域を形成するための不純物領域の
深さとチャージ量を決定してＡＰＤを構成するようにし
ている． 〔作用〕 本発明では、疑似イオン化率を用いて、アバランシェの
降伏条件より等価増倍層幅が算出され、等価増倍層幅に
基づいてＧＢ積が見積られ、これから高電界領域を形戒
するための不純物領域の深さとチャージ量を決定してＡ
ＰＤが構威される．したがって、ＧＢ積の算出に際して
等価増倍層幅を考慮するのみでよく、その見積りが簡単
に行えて、ＡＰＤの画一的な性能向上が図られる．〔実
施例〕 以下、本発明を図面に基づいて説明する．第１〜４図は
本発明に係る光半導体装置の一実施例を示す図である．
第１図は本発明のδドープ型のＩｎＧａＡｓＡＰＤの断
面図であり、この図において、１はＡｕＧｅからなる電
極、２はＩｎＰからなるｎ゛基板、３はＩ ｎＧａＡｓ
からなり厚さが２μｍ程度の吸収層、４はＩｎＧａＡｓ
Ｐからなり厚さが０．１μｍのバッファ層、５はＩｎＰ
からなり厚さが１．５μｍ程度の増倍層（増倍領域）、
６はｐ゛の受光部、７はＡｕＺｎからなる電極、８は増
倍層５中にＳｉをドープ（δドーブという）した高電界
領域である．また、中心付近における増倍層５およびバ
ッファ層４部分（ＩｎＰ ／ Ｉ ｎ Ｇ ａ Ａ ｓ
Ｐ部分）の降伏電圧と周辺部の増倍層５の降伏電圧の
差を利用してガードリング９が形成され、暗電流の低減
と均質な降伏による高い増倍率が得られるようになって
いる．ここで、本実施例では第１図の構造のＡＰＤを設
計する際に疑似イオン化率（ｑｕａｓｉイオン化率）α
ｑを用いて増倍層５における等価増倍層幅δＷおよび降
伏条件αｑδｗ＝１より接合の最大電界が算出される．
電子および正孔のイオン化係数のα、βと疑似イオン化
率αｑとの関係は次式で示される。
αｑ−Ａｑ ｅｘｐ （−Ｂｑ／Ｅ）セ
α、β、αｑと１／Ｅとの関係（電界依存性）は第２図
のように示される． また、第３図（ａ）は各層のキャリア濃度分布を示し、
同図（ｂ）はこれに対応して電界分布を示す図である．
等価増倍層幅δＷと疑似イオン化率αｑの関係は δＷ Ｗ ・・・・・・■ Ｖｍ −６０ｖ （見積り値）に設定すると、となる．
いま、ヘテロ電界値Ｅ，をＥＴ−２００ ＫＶ／ｅｌｌ
とすると、リーチスルー電圧Ｖｒｔ （倍増層をつき抜
ける電圧）と増倍層５におけるＳ１のドーズ量（高電界
領域８を造る量）Ｑｎとの関係はｑ Ｖｒｔｗ − Ｑｎ δＷ ・・・・・・［相］ε となる。
のように示される． また、第３図（ａ）は各層のキャリア濃度分布を示し、
同図（ｂ）はこれに対応して電界分布を示す図である．
等価増倍層幅δＷと疑似イオン化率αｑの関係は δＷ Ｗ ・・・・・・■ Ｖｍ −６０ｖ （見積り値）に設定すると、となる．
いま、ヘテロ電界値Ｅ，をＥＴ−２００ ＫＶ／ｅｌｌ
とすると、リーチスルー電圧Ｖｒｔ （倍増層をつき抜
ける電圧）と増倍層５におけるＳ１のドーズ量（高電界
領域８を造る量）Ｑｎとの関係はｑ Ｖｒｔｗ − Ｑｎ δＷ ・・・・・・［相］ε となる。
また、第３図の関係からＥＴを用いて最大電界Ｅａ＊ａ
ｘを求めると、 として与えられる．したがって、ヘテロ電界値をトンネ
ル電流を十分小さく（例えば１０− ’ Ａ ／ｃｄ以
下の値）抑えられる値（＝２００ Ｋ Ｖ ／ｃｉ＋）
に選ぶことにより、イオン注入深さδＷ（光の入射方向
の受光部６からの深さを指す）に対して高電界領域８を
造るためのＳｔの最適なドーズ量Ｑｎが決まる．これか
ら、各注入深さに対して最適なドーズ量ＱｎのＳｉを受
光部６に注入して高電界領域８が形成される．このよう
にして注入したドーズ量ＱｎによりＧＢ積の見積りは、
次のように簡単に計算できる． １ 但し、Ｖｓ ＝１．７ ＸＩＯ’ ａｓ／ｓ（キャリア
の飽和速度） Ｎ：キャリア濃度 また、吸収層３のパラメータとしてキャリア濃度はＮｔ
＝ ５ ＸＩＯＩ−Ｓｅｌｌ−”である他、Ｗ，一δ
Ｗ雪２μｍ ｖ７ζ２０ｖ ｗ＝２．６６μｍ Ｖ−２６ｖ に設定される． 以上の構成において、いまＡＰＤに対して逆バイアス電
圧が印加された状態で受光部６に光が照射されると、上
部の増倍層５はウィンド層で光が透過し吸収層３で吸収
される．そして、受光部６と高電界領域８との間の増倍
層５においてアバランシェ増倍されて光電流が前記のＧ
Ｂ積で増幅され、外部に取り出される。
ｘを求めると、 として与えられる．したがって、ヘテロ電界値をトンネ
ル電流を十分小さく（例えば１０− ’ Ａ ／ｃｄ以
下の値）抑えられる値（＝２００ Ｋ Ｖ ／ｃｉ＋）
に選ぶことにより、イオン注入深さδＷ（光の入射方向
の受光部６からの深さを指す）に対して高電界領域８を
造るためのＳｔの最適なドーズ量Ｑｎが決まる．これか
ら、各注入深さに対して最適なドーズ量ＱｎのＳｉを受
光部６に注入して高電界領域８が形成される．このよう
にして注入したドーズ量ＱｎによりＧＢ積の見積りは、
次のように簡単に計算できる． １ 但し、Ｖｓ ＝１．７ ＸＩＯ’ ａｓ／ｓ（キャリア
の飽和速度） Ｎ：キャリア濃度 また、吸収層３のパラメータとしてキャリア濃度はＮｔ
＝ ５ ＸＩＯＩ−Ｓｅｌｌ−”である他、Ｗ，一δ
Ｗ雪２μｍ ｖ７ζ２０ｖ ｗ＝２．６６μｍ Ｖ−２６ｖ に設定される． 以上の構成において、いまＡＰＤに対して逆バイアス電
圧が印加された状態で受光部６に光が照射されると、上
部の増倍層５はウィンド層で光が透過し吸収層３で吸収
される．そして、受光部６と高電界領域８との間の増倍
層５においてアバランシェ増倍されて光電流が前記のＧ
Ｂ積で増幅され、外部に取り出される。
この場合、本実施例ではＧＢ積の算出に際し前記＠＠式
から等価増倍層幅δＷを考慮するのみでよく、従来のよ
うにＳｉの注入深さとドーズ量の関係を思考錯誤的に算
出する必要がない。したがって、ＧＢ積の見積りが簡単
に行え、画一的な性能向上を図ることができる。
から等価増倍層幅δＷを考慮するのみでよく、従来のよ
うにＳｉの注入深さとドーズ量の関係を思考錯誤的に算
出する必要がない。したがって、ＧＢ積の見積りが簡単
に行え、画一的な性能向上を図ることができる。
ＡＰＤの構造設計に関する各パラメータの具体的数値に
ついては次の通りであり、このときＧＢ＝５０（ｄ｛Ｚ
を得ている。また、各パラメータの関係，は第４図の通
りである。
ついては次の通りであり、このときＧＢ＝５０（ｄ｛Ｚ
を得ている。また、各パラメータの関係，は第４図の通
りである。
Ｅｍａ ｘ−７００ ＫＶ／Ｃｌｌ
Ｅ Ｔ ＝２００ Ｋ Ｖ ／ｃ１ｌ
δＷ雪０．２μｍ
Ｑ ｎ − ３ ＸＩＯ”ＣＩ−ｚ
Ｗ７＝２μｍ
Ｎｏ ＝ ５ ＸＩＱ”ａｍ−’
（Ｎｌｌは結晶のバックグラウンド濃度）ｋ−１．３
なお、本発明の適用は上記実施例のようなδドープ型の
ＡＰＤに限るものではなく、例えばイオン注入型のＡＰ
Ｄであっても適用することができる。
ＡＰＤに限るものではなく、例えばイオン注入型のＡＰ
Ｄであっても適用することができる。
本発明によれば、イオン注入深さに対して最適ドーズ量
を簡単に求めてＧＢ積を見積ることができ、画一的に性
能向上を図ることができる。
を簡単に求めてＧＢ積を見積ることができ、画一的に性
能向上を図ることができる。
第１図〜４図は本発明に係る光半導体装置の一実施例を
示す図であり、 第ｌ図はその断面図、 第２図はその電界依存性を示す図、 第３図はその構造と電界分布の関係を示す図、第４図は
その各パラメータの関係を示す図である。 １・・・・・・電極、 入射光 ↓ 綽 一大 −実施例の電界依存性を示す図 第２図 ２・・・・・・ｎ″基板、 ３・・・・・・吸収装置、 ４・・・・・・バッファ装置、 ５・・・・・・増倍層、 ６・・・・・・受光部、 ７・・・・・・電極、 ８・・・・・・高電界領域、 ９・・・・・・ガードリング、 αｑ・・・・・・疑似イオン化率、 δＷ・・・・・・等価増倍層幅、 α、β・・・・・・イオン化係数、 Ｑｎ・・・・・・ドーズ量。 ｊｗ 距離一一争 −実施例のＡＰＤの構造と電界分布の関係を示す図第３
図
示す図であり、 第ｌ図はその断面図、 第２図はその電界依存性を示す図、 第３図はその構造と電界分布の関係を示す図、第４図は
その各パラメータの関係を示す図である。 １・・・・・・電極、 入射光 ↓ 綽 一大 −実施例の電界依存性を示す図 第２図 ２・・・・・・ｎ″基板、 ３・・・・・・吸収装置、 ４・・・・・・バッファ装置、 ５・・・・・・増倍層、 ６・・・・・・受光部、 ７・・・・・・電極、 ８・・・・・・高電界領域、 ９・・・・・・ガードリング、 αｑ・・・・・・疑似イオン化率、 δＷ・・・・・・等価増倍層幅、 α、β・・・・・・イオン化係数、 Ｑｎ・・・・・・ドーズ量。 ｊｗ 距離一一争 −実施例のＡＰＤの構造と電界分布の関係を示す図第３
図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 吸収・増倍領域を分離し、増倍領域にイオン注入あるい
はドープのうち少なくとも１つ以上の処理により不純物
を注入して高電界領域を形成し、該高電界領域でアバラ
ンシェ増倍を行うようなＡＰＤを構成する光半導体装置
において、 前記アバランシェ増倍に関連するキャリアのイオン化係
数に基づいて疑似イオン化率を求め、該疑似イオン化率
を用いてアバランシェの降伏条件より等価増倍層幅を算
出し、 等価増倍層幅に基づいてＧＢ積を見積り、これから前記
高電界領域を形成するための不純物領域の深さとチャー
ジ量を決定してＡＰＤを構成するようにしたことを特徴
とする光半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1155216A JPH0319288A (ja) | 1989-06-15 | 1989-06-15 | 光半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1155216A JPH0319288A (ja) | 1989-06-15 | 1989-06-15 | 光半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0319288A true JPH0319288A (ja) | 1991-01-28 |
Family
ID=15601056
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1155216A Pending JPH0319288A (ja) | 1989-06-15 | 1989-06-15 | 光半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0319288A (ja) |
-
1989
- 1989-06-15 JP JP1155216A patent/JPH0319288A/ja active Pending
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