JPH04233283A - 光検出装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光検出装置に係り、特に
光ファイバを用いた光通信において高速動作を可能とす
る光検出装置に関する。近年、光通信の高度化に伴い、
従来の数ＧＨｚから数十ＧＨｚのレベルで高速動作する
光検出装置が要求されている。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体光検出装置の断面を図４に
示す。ｐ＋　型Ｇｅ（ゲルマニウム）基板３０上に、厚
さ６μｍ、濃度１Ｅ１５ｃｍ−３程度のｐ−　型Ｇｅ光
吸収層３２が形成されている。またｐ−　型Ｇｅ光吸収
層３２表面には、濃度１Ｅ１８ｃｍ−３程度のｎ＋　型
Ｇｅコンタクト層３４が形成されている。ｎ＋　型Ｇｅ
コンタクト層３４上には絶縁層３６に開口されたコンタ
クト窓を介して、ｎ型電極３８がリング状に形成されて
いる。また、ｐ＋　型Ｇｅ基板３０底面にはｐ型電極４
０が設けられている。

【０００３】このような従来のｐｉｎ型フォトダイオー
ドからなる光検出装置においては、ｐ−　型Ｇｅ光吸収
層３２のバンドギャップＥｇ以上のフォトンエネルギー
を有する目標の波長の光をｐ−　型Ｇｅ光吸収層３２に
吸収させ、ｎ型電極３８、ｐ型電極４０間に印加された
逆方向バイアスによって空乏化されたｐ−　型Ｇｅ光吸
収層３２に電子−正孔対を発生させる。このとき、入射
光を受ける面積を大きくとるために、図中の矢印に示す
ように、対向するｎ型電極３８およびｐ型電極４０に垂
直に光を入れる構造がとられている。そしてこれらの電
子及び正孔をそれぞれｐ型電極４０及びｎ型電極３８に
移動させ、光電流信号として外部に取り出すことにより
、入射光の検出を行なう。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような上記従来の
光検出装置において、受光感度を意味する量子効率は入
射するフォトン数に対して光電流を生み出すキャリア数
の比で表される。そして吸収係数αが小さい場合には、
ｐ−　型Ｇｅ光吸収層３２の厚さが厚くないとｐ−　型
Ｇｅ光吸収層３２内で光が吸収される割合が少なくなり
、量子効率は下がる。従って、量子効率を充分に大きく
するためには、ｐ−　型Ｇｅ光吸収層３２の厚さを充分
に厚くする必要がある。例えばｐ−　型Ｇｅ光吸収層３
２が厚さ６μｍの場合、その吸収係数αは３Ｅ３／ｃｍ
であり、量子効率は６０％程度である。

【０００５】しかし、ｐ−　型Ｇｅ光吸収層３２の厚さ
が厚くなると、発生したキャリアがｐ−　型Ｇｅ光吸収
層３２の空乏層内をドリフトしてｎ型電極３８、ｐ型電
極４０に達するまでの走行時間が長くなり、従って応答
速度が遅くなってしまう。即ち、ｐ−　型Ｇｅ光吸収層
３２の厚さが充分に厚くなると、この空乏層内をドリフ
トする走行時間が高速応答を必要とする場合には無視で
きなくなってしまう。このため、−３ｄＢ遮断周波数も
、この走行時間に制限されて５ＧＨｚ程度に制限される
。

【０００６】即ち、量子効率を高めようとすると、ｐ−
　型Ｇｅ光吸収層３２の厚さを厚くしなければならず、
他方、ｐ−　型Ｇｅ光吸収層３２の厚さを厚くすると、
走行時間が長くなり、高速動作に対応することができな
いという問題があった。そこで本発明は、量子効率を低
下させることなく応答速度を改善し、高速動作特性を向
上させることができる光検出装置を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図であり、光検出装置の概略を示す。ｐ＋　型半導体基
板１０上に、ｐ−　型光吸収層１２が形成されている。 また、ｐ−　型光吸収層１２表面には、ｎ＋　型コンタ
クト層１４が形成されている。ｎ＋　型コンタクト層１
４上には絶縁層１６に開口されたコンタクト窓を介して
、ｎ型電極１８がリング状に形成されている。また、ｐ
＋　型半導体基板１０底面にはｐ型電極２０が設けられ
ている。そしてｐ−　型光吸収層１２を挟んでＮ極及び
Ｓ極からなる磁石２２，２４が設けられ、ｐ−　型光吸
収層１２に所定の磁場を印加するようになっている点に
本発明の特徴がある。

【０００８】尚、磁石２２，２４によってｐ−　型光吸
収層１２に印加する磁場の方向は任意である。

【０００９】

【作用】図２に、磁石２２，２４によってｐ−　型光吸
収層１２に所定の磁場を印加した場合のキャリアの状態
密度の変化を示す。まず、ｐ−　型光吸収層１２に磁場
を印加しない場合、図中の一点鎖線に示されているよう
に、キャリアの状態密度ｇ（Ｅ）は価電子帯及び伝導帯
のバンド端Ｅｖ，Ｅｃから離れるに従ってそれぞれ（Ｅ
ｖ−Ｅ）１／２　、（Ｅ−Ｅｃ）１／２　に比例して増
加するような放物線を描く。

【００１０】次いで、磁場を印加すると、磁場中でのキ
ャリアのサイクロトロン運動によって量子化され、

【０
０１１】

【数１】 及び

【００１２】

【数２】 に示されるエネルギーＥｌ，Ｅｌ´がランダウ準位とし
て形成される。そしてこのランダウ準位Ｅｌ，Ｅｌ´を
図中の破線に示す。なお、ここでｗｃは、

【００１３】

【数３】 によって表され、ｅは素電荷、Ｈは磁場の大きさ、ｍ＊
はキャリアの有効質量、ｃは光速をそれぞれ示す。そし
てランダウ準位Ｅｌ，Ｅｌ´により、ｐ−　型光吸収層
１２におけるキャリアの状態密度ｇ（Ｅ）は、ランダウ
準位Ｅｌ，Ｅｌ´でピークをもち、（Ｅｌ−Ｅ）１／２
　、（Ｅ−Ｅｌ´）１／２　に比例するような分布をな
す。これを図中に実線で示す。

【００１４】図２から明らかなように、エネルギーＥＨ
　の光を吸収できる準位の状態密度は、磁場をかけない
場合に比べて大きくなる。従って、吸収係数αが大きく
なる。このことを図３を用いて説明する。図３はｐ−　
型光吸収層１２の材料としてＧｅを用いた場合において
、磁場を印加した際の光吸収スペクトルの変化を示すグ
ラフである。ここで、４６．６ｋＧ（ガウス）の大きさ
の磁場を印加した場合の吸収係数αを実線で示し、磁場
を印加しない場合を破線で示す。

【００１５】図３から明らかなように、ランダウ準位に
相当するエネルギーにおいて、磁場を印加した場合の吸
収係数αが磁場を印加しない場合のそれよりも大きくな
っている。例えば入射光のフォトンエネルギーが０．８
０５ｅＶ、即ち波長λが１．５４μｍの場合、磁場を印
加しないときの吸収係数αが３Ｅ−３／ｃｍであったの
に対し、４６．６ｋＧの磁場を印加することにより６Ｅ
−３／ｃｍまで、約２倍に増大させることができる。

【００１６】このように磁場を印加することにより、ｐ
−　型光吸収層１２の吸収係数αを大きくすることがで
き、従って量子効率を低下させることなくｐ−　型光吸
収層１２の厚さを大幅に減少させることができる。これ
により走行時間を短縮して高周波特性を向上させること
ができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。第１図に示した光検出装置において、ｐ＋　型
半導体基板１０、ｐ−　型光吸収層１２、ｎ＋　型コン
タクト層１４から構成されるｐｉｎフォトダイオードの
材料としてＧｅを用いる。そしてＧｅからなるｐ−　型
光吸収層１２は従来例と同様に厚さ６μｍ及び濃度１Ｅ
１５ｃｍ−３程度とする。また、Ｇｅからなるｎ＋　型
コンタクト層１４も従来例と同様に濃度１Ｅ１８ｃｍ−
３程度とする。

【００１８】そしてこのｐ−　型光吸収層１２に磁石２
２，２４によって４５ｋＧの磁場を印加すると、ｐ−　
型光吸収層１２の吸収係数αは、３Ｅ３／ｃｍから６Ｅ
３／ｃｍにまで増大する。これにより、量子効率を従来
例の６０％程度から８５％程度に上昇させることができ
た。また、ｐ−　型光吸収層１２の厚さを６μｍから従
来例の半分の３μｍに減少させて４５ｋＧの磁場を印加
すると、量子効率は従来例の６０％程度を確保すると共
に、−３ｄＢ遮断周波数は従来例の５ＧＨｚから１０Ｇ
Ｈｚに向上させることができた。

【００１９】このように本実施例によれば、磁石２２，
２４によってｐ−　型光吸収層１２に磁場を印加するこ
とにより、ｐ−　型光吸収層１２の吸収係数αを増大さ
せることができるため、量子効率を高めることができる
。また、この量子効率の上昇により、ｐ−　型光吸収層
１２の厚さを減少させることができるため、遮断周波数
を向上させ、応答速度を改善することができ、従って高
速性能を向上させることができる。

【００２０】尚、上記実施例の説明においては、磁場を
印加させる手段として磁石２２，２４を用いたが、磁石
に限らず他の方法で磁場を印加させてもよい。また、上
記説明においては、ｐｉｎ型フォトダイオードの材料と
してＧｅを用いた場合について述べたが、Ｇｅ限定する
必要はない。さらに、ｐｉｎ型フォトダイオードにも限
定されず、その他の受光素子を用いた場合にも本発明を
適用することができる。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、入射され
た光を吸収して電子−正孔対を発生させる光吸収領域を
備え、前記光吸収領域で発生した光電流を取り出す電極
を有する受光素子と、光吸収領域に所定の磁場を印加し
、光吸収領域の吸収係数を制御する磁場印加手段とを具
備することにより、光吸収領域の吸収係数を増大させる
ことができるため、量子効率を高めることができ、また
光吸収領域の厚さを減少させることができるため、応答
速度を改善することができる。

【００２２】これにより、高速性能を向上させ、光通信
の高度化に対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための光検出装置を示
す概略図である。

【図２】図１の光検出装置の光吸収層に磁場を印加した
場合の状態密度の変化を示すグラフである。

【図３】図１の光検出装置の光吸収層に磁場を印加した
場合の吸収係数の変化を示すグラフである。

【図４】従来の光検出装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１０…ｐ＋　型半導体基板 １２…ｐ−　型光吸収層 １４…ｎ＋　型コンタクト層 １６，３６…絶縁層 １８，３８…ｎ型電極 ２０，４０…ｐ型電極 ２２，２４…磁石 ３０…ｐ＋　型Ｇｅ基板 ３２…ｐ−　型Ｇｅ光吸収層 ３４…ｎ＋　型Ｇｅコンタクト層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　入射された光を吸収して電子−正孔対
   を発生させる光吸収領域を備え、前記光吸収領域で発生
   した光電流を取り出す電極を有する受光素子と、前記光
   吸収領域に所定の磁場を印加し、前記光吸収領域の吸収
   係数を制御する磁場印加手段とを具備することを特徴と
   する光検出装置。