JPH04246868A - Ｐ−ｉ−ｎフォトダイオードおよびその効率を改善する方法 - 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】

【発明の分野】本発明は、一般に、光検出素子に関し、
さらに詳しくは、高い入射光吸収効率を有するｐｉｎフ
ォトダイオードに関する。

【０００２】

【従来の技術】ｐｉｎフォトダイオードは、縦型または
横型として設計されている。縦型ｐｉｎフォトダイオー
ドまたは光検出素子は、長い間製造されてきた。しかし
、横型ｐｉｎフォトダイオードは研究段階で実証されて
いるにすぎない。

【０００３】縦型の高バンドギャプｐｉｎフォトダイオ
ードをディスクリート型の素子として、またモノリシッ
ク・プロセスの一部として利用することは、１０ギガ・
ビット／秒の範囲で動作する光送信システムにとって重
要である。１．３ないし１．５５マイクロメータという
長い波長におけるこれらのデバイスの帯域幅は、格子整
合（ｌａｔｔｉｃｅ　ｍａｔｃｈｅｄ）　され、リン化
インジウム基板上にエピタキシャル成長されたインジウ
ム・ガリウムひ素の吸収領域を有する垂直照射用メサ構
造を用いることにより、６７ギガヘルツまでの周波数で
３デシベルの帯域幅を実現している。高性能に対する要
求は、２００ギガヘルツまでの高い周波数が考えられて
いる。しかし、この性能レベルはまだ実現されていない
。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】縦型ｐｉｎフォトダイ
オードに対して、高性能化への要求および小型化の制約
が課せられるにつれて、いくつかの問題が生じている。 帯域幅，量子効率および光ファイバの位置合せが、高性
能要求によって生じる３つの問題事例である。帯域幅お
よび量子効率は、デバイス設計，構造および従来の製造
方法によって影響を受ける。一般に、広帯域幅が要求さ
れると、縦型ｐｉｎフォトダイオードでは量子効率が低
下する。また、高性能化を図るために光検出素子が小型
化するにつれて、光ファイバを光検出素子に整合させる
のが困難になる。

【０００５】ｐｉｎフォトダイオードは、短い波長領域
（０．５〜１．２ミクロン）のみならず、長い波長のデ
ィスクリート型光通信システムにおいて利用されている
単純な円筒形のメサ構造から成る。ｐｉｎフォトダイオ
ードは、高信頼性、低電圧増幅器とのハイブリッド集積
化，低ノイズ・レベルおよび低リーク電流が可能である
。

【０００６】横型ｐｉｎフォトダイオードは、高性能光
検出素子としてある程度有望であるが、厳しい光ファイ
バの位置合せの問題がある。これらの横型フォトダイオ
ードは、高精度光ファイバによって横面から照射される
。横型フォトダイオードに対する光ファイバの位置合せ
は、実現するのが極めて困難であり、高価である。光フ
ァイバを横型フォトダイオードに整合させるのに高い精
度が要求されるので、この主の光検出素子の利用が制限
され、そのため、この主のデバイスは研究段階にとどま
っている。

【０００７】性能レベルが高まるにつれて、従来のｐｉ
ｎフォトダイオード製造方法は厳しい制限があることが
明らかである。従って、帯域幅，量子効率および光ファ
イバの位置合せ公差を向上させることにより、縦型フォ
トダイオードの性能を改善する方法が極めて望ましい。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的および利点
は、反射を作り、入射光を受光面に配向させることによ
りｐｉｎフォトダイオード・デバイスの効率を向上させ
る方法によって提供される。入射光は、受光面に向けて
反射または集束される。光ファイバの位置合せ公差は、
光集束能力を向上させることにより増加する。反射素子
は、フォトダイオード自体と共に集積化される。

【０００９】

【実施例】図１は、矢印１７によって示される入射光ま
たは光子を受光面または真性面１１に向けて配向させる
反射素子１７を具備した縦型ｐｉｎフォトダイオード１
５の拡大断面図である。ｐｉｎフォトダイオードまたは
光検出素子１５は、ドーピングされていない真性層また
は受光面１１がｐ型層１２とｎ型層１０との間にあるよ
うに不純物ドーピング分布が調整された半導体ｐｎ接合
である。ｐ型層１２とｎ型層１０とは、ｎｉｐフォトダ
イオードとなるように入れ替えることができる。フォト
ダイオード１５は、一般に円筒形に設計されるが、別の
形状にも設計できることが理解される。入射光１７は、
当業者には周知のいくつかの手段によって、ｐｉｎフォ
トダイオード１５に配向される。入射光１７は、コンタ
クト１３，ｐ型表面層１２および反射素子１４に当たる
。反射素子１４は、入射光１７を吸収しない材料ででき
ている。入射光１７は、層１２を通過した後、および反
射素子１４によって反射された後、真性面または受光面
１１で吸収される。反射素子１４から真性面１１までの
距離は、ゼロ・ミクロンから、任意のミクロンまでの範
囲が可能である。

【００１０】コンタクト１３は、ｐ型オーミック・コン
タクトで、酸化インジウム・スズなどから構成された透
明円形リングである。酸化インジウム・スズは、入射光
１７に対して光学的に透明であるばかりでなく、オーミ
ックな性質を有する。透明膜でできたコンタクト１３は
、層１２を完全に覆い、透明オーミック・コンタクトと
して機能する。コンタクト１３は、メタルであってもよ
い。コンタクト１３は円形リングであり、このリングの
一部は断面図に図示されていないことに留意されたい。 コンタクト１３は、電界が光検出素子に印加される２つ
の接続のうちの１つである。

【００１１】コンタクトまたは電極１９は、光検出素子
１５の第２のオーミック・コンタクトを形成する。コン
タクト１９は、金ゲルマニウム，ニッケルと金，アルミ
ニウムなどの任意の適切な導電材料である。コンタクト
１９は、基板１０と電気接触するのに便利な任意の箇所
に配置することができることに留意されたい。

【００１２】層１２は、リン化インジウム，シリコン，
ひ化ガリウムなどの、受光素子１１よりもエネルギ・バ
ンドギャップが広い透明層でできている。層１２はバン
ドギャップが広いので、光子または光１７が吸収されず
に層１２を通過し、受光面１１に入射ことができる。入
射光１７が層１２に入射するところに反射防止（ＡＲ：
ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ　）膜を施すことが一
般的であることに留意されたい。

【００１３】一般に、受光面１１は、ひ化ガリウム，イ
ンジウム・ガリウムひ素，シリコン，シリコン・ゲルマ
ニウムなどでできた円形メサであり、そのエネルギ・バ
ンドギャップは層１２よりも狭くなっている。真性面ま
たは受光面１１に入射した光子は吸収され、印加された
電界から電子・正孔キャリア対を生成する。この電子・
正孔キャリア対の生成は、パーセント効率値として測定
され、定量化される。光子から電子・正孔キャリア対を
生成する効率は、量子効率と呼ばれる。例えば、受光面
１１に入射した光子のすべてが電子・正孔キャリア対を
生成した場合、あるいは光子が電子・正孔キャリア対を
全く生成しなかった場合、量子効率はそれぞれ１００パ
ーセントまたは０パーセントとなる。吸収長さが長く、
あるいは受光面１１が厚いため、２０ギガヘルツ以下の
帯域幅では高い量子効率が得られる。しかし、帯域幅が
増加するにつれて、デバイス・サイズ，容量，移動時間
（ｔｒａｎｓｉｔ　ｔｉｍｅ）およびファイバ・アライ
ンメントなどの設計上の制約が厳しくなり、量子効率が
低下する。さらに、フォトダイオードをスピードの点で
最適化するためには、容量を最小限に押さえる必要があ
り、そのためには光検出素子は小さくなければならない
。スピードを向上させる別の複合要因は、電子・正孔キ
ャリア対を高い電界を介して吸引電極１３，１９に高速
移動させ、それにより移動時間を短縮するために、受光
面１１を薄くすることである。残念ながら、受光面１１
が薄くなるにつれて、垂直に入射する光子１７が完全に
吸収されず、量子効率が低下し、電極１３，１９におけ
る電流レベルがそれに比例して低下する。これらの問題
は、反射素子１４を用いて入射光１７を受光面１１に配
向することによって低減される。反射素子１４から配向
され、その側面の真性層１１に当った光は、電子・正孔
キャリア対を生成する確率が高くなる。この高い確率は
、吸収長さの仮想増加（ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｃｒｅａ
ｓｅ）に起因する。この吸収長さの仮想増加は、入射光
子１７を反射素子１４から反射させて、その側面の受光
面１１に向けることにより生じる。 そのため、反射素子１４によって反射された入射光１７
は径方向により長い距離を移動でき、そのため受光面１
１で吸収される確率が高くなる。反射素子１４に入射す
る入射光１７は、受光面１１に向けて反射される。この
例における反射素子１４は受光面１１を取り囲み、反射
素子１４の一部は断面図に図示されていないことに留意
されたい。反射素子１４は、入射光１７を受光面１１に
反射する鋭角１８が形成されるように作られる。好適な
実施例では、受光面１１に対して呼び角４５度が望まし
い。反射素子１４から反射された光は、受光面１１に配
向され、その後受光面１１によって吸収される。反射素
子１４から反射した光子は、受光面１１によって吸収さ
れることのできる光子の総数に追加する。従来の縦型お
よび横型ｐｉｎ光検出素子は、ｐ型層１２に当たらない
光子を集光することができなかった。これは、受光面１
１においてこのような光子を補足，配向および吸収する
方法がなかったためである。反射素子１４から反射した
光は、吸収されることのできる光子の総数に追加する。 さらに、高性能が要求され、受光面１１が薄くなり、受
光面１１の円周が小さくなるにつれて、受光面１１の側
面において反射する光または光子はフォトダイオードの
量子効率を向上させる。この量子効率の向上は、吸収長
さの仮想増加に起因する。

【００１４】反射素子１４は、湾曲するように作ること
ができる。湾曲反射素子１４は、湾曲反射素子１４から
反射された光１７を集束して、より光度の高い光が受光
面１１の特定領域またはより小さい受光面１１に形成さ
れる。

【００１５】光の反射を可能にする屈折率の差または媒
体の差があるように反射素子１４が作られる。このため
の材料またはコーティングとして、セラミック，アルミ
ニウム，メタロイドなどが可能である。また、ｎ型層１
０をエッチングして、反射面１４として機能させること
ができる。ただし、反射素子１４を被覆するための導電
材料と半導体基板とを組み合わせる際には、注意を要す
る。電極１９，１３を短絡させると、光検出素子が破損
することに留意されたい。

【００１６】反射素子コーティングは、受光面１１に反
射される光を濾光する手段として使用できる。さまざま
な材料は、異なる光の波長を透過させたり、あるいは透
過を制限する固有の能力を有する。反射素子１４を被覆
するためにサファイア，二酸化シリコンのような異なる
材料を用いることにより、受光面１１に反射される光の
波長が濾波される。これにより、反射素子１４は、実質
的に波長フィルタとなることができる。

【００１７】ｐｉｎフォトダイオードに反射素子１４を
用いることにより、光１７を供給する光ファイバの位置
合せ公差を大きくすることが可能となる。反射素子１４
により、光１７は垂直以外の角度でフォトダイオードに
入射することができる。また、反射素子１４は、光１７
の標的となる面積を大きくすることができる。さらに、
従来のｐｉｎフォトダイオードでは層１２および受光面
１１の位置合せの範囲外に当たることにより一般に無駄
になった光１７が、本発明により集光され、効率的に利
用される。

【００１８】基板１０は、ｎ型層である。一般に、基板
１０はシリコン，ひ化ガリウム，リン化インジウムなど
である。これらの材料を用いることにより、エピタキシ
ャル格子整合受光面１１，ｐ型層１２および基板１０を
単一構造として成長させることができる。さらに、基板
１０の下に、硝子，ダイヤモンド，プラスチック，ポリ
マなどの非メタロイド半導体から成る別の層を形成する
ことができる。エピタキシャル・リフトオフ法などの方
法を用いて、基板１０をこの非メタロイド基板に原子的
に結合させる。これにより、ｐｉｎ光検出素子１５をパ
ッケージングおよび装着する方法の簡易化が図られる。

【００１９】図２は、反射素子２０および増加受光面ま
たは真性面２１を有する反転ｐｉｎフォトダイオードの
断面図である。光または光子１７は、底部からｐｉｎフ
ォトダイオードに入射し、反射素子２０によって増加受
光面２１に反射される。さらに、入射光２７は上部から
入射することができる。しかし、その場合、反射素子２
０の長所は利用できない。

【００２０】コンタクト２２は、円形リングであり、ゲ
ルマニウム，ニッケル，金などの適切な導電材料からで
きている。コンタクト２２は円形リングであり、コンタ
クト２２の一部はこの断面図には図示されていないこと
に留意されたい。コンタクト２２は、基板２３のどこに
でも配置させることができる。コンタクト２２を酸化イ
ンジウム・スズのような入射光を透過する材料で作ると
、コンタクト２２として完全な層を形成することができ
、そのような構造は受光面２０においてより均一な電界
を引き起こすことに留意されたい。

【００２１】光１７は、基板２３に当たり、通過する。 基板２３は、光１７を通過させるバンドギャップの広い
材料のｎ型基板である。基板２３は、シリコン，ひ化ガ
リウムのような材料から成り、基板２３が光１７を透過
させるのに十分な大きさのバンドギャップを有している
。入射光１７または２７が最初にｐｉｎ光検出素子に入
射するところに反射防止（ＡＲ）膜を施すことが一般的
であることに留意されたい。

【００２２】光１７が基板２３を通過すると、光１７は
受光面２１に入り、そこで吸収される。光１７の吸収は
、受光面２１の吸収長さに依存する。受光面２１の吸収
長さは、図２に示すように、受光面２１を反射素子２０
に向けて外に広げることにより増加させている。従って
、このように受光面２１を増加させた結果、反射素子２
０から反射した光または光子は、電子・正孔キャリア対
を生成する確率が高くなる。

【００２３】層２４は、シリコン，ひ化ガリウム，リン
化インジウムなどのｐ型ドーピングされた半導体層で、
受光面２１に対してオーミック接触となる。層２４は、
入射光１７を透過する。また、受光面２１からコンタク
ト２６まで導電性のある材料を用いると、層２４は反射
素子としても機能することができる。

【００２４】コンタクト２６は、層２４の上に形成され
る。コンタクト２６は、光検出素子の第２電気コンタク
トを形成する。一般に、コンタクト２６はチタン，プラ
チナと金，アルミニウムなどのいくつかの材料から成る
。また、入射光２７を受光面２１で吸収させることがで
きれば、コンタクト２６は酸化インジウム・リンから作
ることもできる。

【００２５】

【発明の効果】以上より、ｐｉｎフォトダイオードの効
率を向上させる方法が提供されたことが明らかである。 反射素子を用いることにより、入射光１７の有効利用に
よってｐｉｎ光検出素子の効率の向上が可能となる。入
射光１７の集束および濾光も可能である。さらに、光フ
ァイバ・アラインメントの余裕を大きくすることも実現
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従った、反射素子を有する縦型ｐｉｎ
フォトダイオードの拡大断面図である。

【図２】追加受光面および内蔵反射素子を有する反転縦
型ｐｉｎフォトダイオードの拡大断面図である。

【符号の説明】

１０　　ｎ型層 １１　　受光面（真性面） １２　　ｐ型層 １３　　コンタクト １４　　反射素子 １５　　縦型ｐｉｎフォトダイオード（光検出素子）１
７　　入射光 １９　　コンタクト（電極） ２０　　反射素子 ２１　　受光面（真性面） ２２　　コンタクト ２３　　基板 ２４　　ｐ型半導体層 ２６　　コンタクト ２７　　入射光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｐｉｎフォトダイオード・デバイスの効率
   を改善する方法であって：フォトダイオード・デバイス
   に反射素子（１４，２０）を設けて、入射光（１７）を
   フォトダイオード・デバイスの受光面（１１，２１）の
   長さ方向に平行して配向させる段階；によって構成され
   ることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】ｐｉｎフォトダイオードであって：ｎ型層
   （１０，２３）；ｐ型層（１２，２４）；ｎ型層とｐ型
   層との間に挾まれた真性層（１１，２１）；および光（
   １７）を真性層（１１，２１）に反射させる手段（１４
   ，２０）；によって構成されることを特徴とするｐｉｎ
   フォトダイオード。