JPH06237009A - アバランシェフォトダイオード - Google Patents
アバランシェフォトダイオードInfo
- Publication number
- JPH06237009A JPH06237009A JP50A JP2420193A JPH06237009A JP H06237009 A JPH06237009 A JP H06237009A JP 50 A JP50 A JP 50A JP 2420193 A JP2420193 A JP 2420193A JP H06237009 A JPH06237009 A JP H06237009A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- avalanche photodiode
- light
- incident light
- electric field
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- Pending
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Abstract
(57)【要約】
【目的】Ｇｂ／ｓ帯光通信に用いる高速、高感度のＡＰ
Ｄを提供する。 【構成】入射光の伝搬する方向と、この入射光により生
成したキャリアが走行する方向とを直交するように構成
した。その実現手段として、例えば、光の伝播手段に導
波路構造を用いる。 【効果】従来のＡＰＤの欠点である量子効率と応答速度
の間のトレ−ドオフを解消することが可能であり、それ
により光通信用ＡＰＤの高速化、高感度化が可能にな
る。
Ｄを提供する。 【構成】入射光の伝搬する方向と、この入射光により生
成したキャリアが走行する方向とを直交するように構成
した。その実現手段として、例えば、光の伝播手段に導
波路構造を用いる。 【効果】従来のＡＰＤの欠点である量子効率と応答速度
の間のトレ−ドオフを解消することが可能であり、それ
により光通信用ＡＰＤの高速化、高感度化が可能にな
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はアバランシェフォトダイ
オード、更に詳しく言えば、光通信等に用いいらて、特
に Gb/s 以上の伝送システム等に使用されるアバランシ
ェフォトダイオード（以下、ＡＰＤと略称）の構造に関
する。
オード、更に詳しく言えば、光通信等に用いいらて、特
に Gb/s 以上の伝送システム等に使用されるアバランシ
ェフォトダイオード（以下、ＡＰＤと略称）の構造に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来、光通信に用いる高速かつ高感度の
ＡＰＤでは、表面入射型、裏面入射型と呼ばれる構造が
用いられていた。これらの構造では、入射光の伝搬する
方向と上記入射光により生成したキャリアが走行する方
向とが一致している。例えば、文献 アイ・イー・イー
・イー ジャーナル オブ コンタム エレクトロニク
ス、ＱＥ−２１巻１１月（1985年）、ジェイ・シー・カ
ンベル他著の「フレクェンシイ レスポンス オブ In
P/InGaAsP/InGaAs アバランシェフォトダイオード ウ
イズ セパレート アブソープション グレーディング
マルチプリケーション リージョン（"Frequency Res
ponse of InP/InGaAsP/InGaAsAvalanche Photodiodes w
ith Separate Absorption "Grading" MultiplicationRe
gion" J.C.Campbell et.al. IEEE J.Quantum Electro
n. Lett. 21,11,p1743(1985) )に記載されている。
ＡＰＤでは、表面入射型、裏面入射型と呼ばれる構造が
用いられていた。これらの構造では、入射光の伝搬する
方向と上記入射光により生成したキャリアが走行する方
向とが一致している。例えば、文献 アイ・イー・イー
・イー ジャーナル オブ コンタム エレクトロニク
ス、ＱＥ−２１巻１１月（1985年）、ジェイ・シー・カ
ンベル他著の「フレクェンシイ レスポンス オブ In
P/InGaAsP/InGaAs アバランシェフォトダイオード ウ
イズ セパレート アブソープション グレーディング
マルチプリケーション リージョン（"Frequency Res
ponse of InP/InGaAsP/InGaAsAvalanche Photodiodes w
ith Separate Absorption "Grading" MultiplicationRe
gion" J.C.Campbell et.al. IEEE J.Quantum Electro
n. Lett. 21,11,p1743(1985) )に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】光通信用等のＡＰＤで
は、感度と高速性とを共に高めることが極めて重要であ
る。しかし、従来知られているＡＰＤでは、ＡＰＤを構
成する光吸収層内の入射光の伝搬する方向と上記入射光
により生成したキャリアが走行する方向とが一致してい
るため、感度と高速性とを共に高めることは困難であ
る。即ち、感度を高めるためには、入射光の伝搬する方
向の厚さを厚くして、光エネルギーをキャリアに変換す
る効率（量子効率）を高くしなければならない。しかし
入射光の伝搬する方向の厚さを厚くすると、発生したキ
ャリアの走行時間が長くなり、応答速度（高速性）が低
下する。即ち、キャリアの走行時間（高速性）と量子効
率（感度）の間にトレードオフの関係が有るため、入射
光の伝搬する方向と上記入射光により生成したキャリア
が走行する方向とが一致する従来のＡＰＤでは、感度と
高速性とを共に高めることは困難である。従って本発明
の主な目的は、高速化及び高感度化が改善されたＡＰＤ
を提供することである。
は、感度と高速性とを共に高めることが極めて重要であ
る。しかし、従来知られているＡＰＤでは、ＡＰＤを構
成する光吸収層内の入射光の伝搬する方向と上記入射光
により生成したキャリアが走行する方向とが一致してい
るため、感度と高速性とを共に高めることは困難であ
る。即ち、感度を高めるためには、入射光の伝搬する方
向の厚さを厚くして、光エネルギーをキャリアに変換す
る効率（量子効率）を高くしなければならない。しかし
入射光の伝搬する方向の厚さを厚くすると、発生したキ
ャリアの走行時間が長くなり、応答速度（高速性）が低
下する。即ち、キャリアの走行時間（高速性）と量子効
率（感度）の間にトレードオフの関係が有るため、入射
光の伝搬する方向と上記入射光により生成したキャリア
が走行する方向とが一致する従来のＡＰＤでは、感度と
高速性とを共に高めることは困難である。従って本発明
の主な目的は、高速化及び高感度化が改善されたＡＰＤ
を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、基板上に吸収層及び増倍層をもつＡＰＤ
の構成を、入射光の伝搬する方向と上記入射光により生
成したキャリアが走行する方向とが異なる構成とした。
特に好ましくは上記入射光の伝搬する方向とキャリアが
走行する方向の２つの方向が直交する場合である。上記
２つの方向を直交させるため、光電変換すべき信号光を
上記基板と水平な方向から入射し、キャリアを走行させ
る電界を基板と垂直方向に印加するように構成する。さ
らに、具体的な手段として、上記入射光を伝搬する手段
として導波路構造を用いる。以下の説明では吸収層と増
倍層とが分離された場合について説明するが、吸収層と
増倍層とが一体的に構成されるＡＰＤも本発明に含まれ
る。
め、本発明は、基板上に吸収層及び増倍層をもつＡＰＤ
の構成を、入射光の伝搬する方向と上記入射光により生
成したキャリアが走行する方向とが異なる構成とした。
特に好ましくは上記入射光の伝搬する方向とキャリアが
走行する方向の２つの方向が直交する場合である。上記
２つの方向を直交させるため、光電変換すべき信号光を
上記基板と水平な方向から入射し、キャリアを走行させ
る電界を基板と垂直方向に印加するように構成する。さ
らに、具体的な手段として、上記入射光を伝搬する手段
として導波路構造を用いる。以下の説明では吸収層と増
倍層とが分離された場合について説明するが、吸収層と
増倍層とが一体的に構成されるＡＰＤも本発明に含まれ
る。
【０００５】
【作用】以下、本発明のＡＰＤの作用を従来のＡＰＤと
比較して説明する。図１及び図２は、それぞれ本発明及
び従来のＡＰＤの吸収層、増倍層を模式的に示す図であ
る。従来構造のＡＰＤは、入射光の伝搬する方向とこの
入射光により生成したキャリアが走行する方向とが一致
している。そのため、前述のように、量子効率を向上す
るためには、光の進行方向である光吸収層の厚さを厚く
することが必要である。しかし、光を吸収して生じたキ
ャリアも同一の方向に走行するため、光吸収層の厚さに
応じてキャリア走行時間が増大する。本発明のＡＰＤ
は、入射光の伝搬する方向とキャリアが走行する方向を
異ならせている（好ましくは直交）ので、吸収層の光の
進行方向の距離を確保して量子効率を高めると共に、キ
ャリアが走行する方向は吸収層厚さを薄くすることによ
って、キャリアが走行時間を短くして高速化を可能とし
ている。また、入射光が光吸収層に効率よく入力される
ように、光吸収層が導波路を構成するように所定の屈折
率分布の構成とする。
比較して説明する。図１及び図２は、それぞれ本発明及
び従来のＡＰＤの吸収層、増倍層を模式的に示す図であ
る。従来構造のＡＰＤは、入射光の伝搬する方向とこの
入射光により生成したキャリアが走行する方向とが一致
している。そのため、前述のように、量子効率を向上す
るためには、光の進行方向である光吸収層の厚さを厚く
することが必要である。しかし、光を吸収して生じたキ
ャリアも同一の方向に走行するため、光吸収層の厚さに
応じてキャリア走行時間が増大する。本発明のＡＰＤ
は、入射光の伝搬する方向とキャリアが走行する方向を
異ならせている（好ましくは直交）ので、吸収層の光の
進行方向の距離を確保して量子効率を高めると共に、キ
ャリアが走行する方向は吸収層厚さを薄くすることによ
って、キャリアが走行時間を短くして高速化を可能とし
ている。また、入射光が光吸収層に効率よく入力される
ように、光吸収層が導波路を構成するように所定の屈折
率分布の構成とする。
【０００６】
【実施例】図３は、本発明によるＡＤＰの一実施例を示
す断面構成図である。本実施例のＡＤＰは、超格子構造
の増倍層６と光吸収層８とが分離された構造である。外
部からの信号光は、光吸収層８平面（紙面と垂直）方向
に加えられ、光吸収層８内を入射光として伝搬する。光
吸収層８内で上記入射光によって励起されたキャリアは
上記入射光の伝搬方向と直交する（紙面と平行）電界に
よって加速され、増倍層６に加えられる。バッファ層５
及び９は、増倍層６、電界緩和７、層光吸収層８と共に
導波路を構成するように屈折率が設定され、導波路内で
の縦方向の光の伝播モ−ドを広げることにより、外部の
先球型光ファイバ（図示せず）と導波路との結合効率を
向上するための層である。
す断面構成図である。本実施例のＡＤＰは、超格子構造
の増倍層６と光吸収層８とが分離された構造である。外
部からの信号光は、光吸収層８平面（紙面と垂直）方向
に加えられ、光吸収層８内を入射光として伝搬する。光
吸収層８内で上記入射光によって励起されたキャリアは
上記入射光の伝搬方向と直交する（紙面と平行）電界に
よって加速され、増倍層６に加えられる。バッファ層５
及び９は、増倍層６、電界緩和７、層光吸収層８と共に
導波路を構成するように屈折率が設定され、導波路内で
の縦方向の光の伝播モ−ドを広げることにより、外部の
先球型光ファイバ（図示せず）と導波路との結合効率を
向上するための層である。
【０００７】図３の実施例の具体へ構成の詳細は以下の
とおりである。なお、括弧（ ）中、ｄは層の厚さ、
Ｎ、Ｐは不純物濃度、Ｅｇはバンドギャップを示す。Ｎ
電極１とＰ電極２との間に、Ｎ−ＩｎＰ基板（ｄ＝１５
０μｍ、Ｎ＝２×１０18／ｃｍ3）３、Ｎ−ＩｎＡｌＡ
ｓバッファ層（ｄ＝１μｍ、Ｎ＝２×１０18／ｃｍ3）
４、Ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層（Ｅｇ＝１．１ｅ
Ｖ，ｄ＝０．３μｍ、Ｎ＝２×１０18／ｃｍ3）５、ア
ンド−プ−超格子増倍層（ｄ＝０．３５μｍ、Ｎ＜１×
１０15／ｃｍ3）６、Ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ電界緩和層
（ｄ＝０．１μｍ、Ｐ＝２．６×１０17／ｃｍ3）７、
Ｐ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層（ｄ＝０．４μｍ、Ｐ＝２×
１０15／ｃｍ3）８、Ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層
（Ｅｇ＝１．１ｅＶ，ｄ＝０．３μｍ、Ｐ＝２×１０18
／ｃｍ3）９、Ｐ−ＩｎＡｌＡｓバッファ層（ｄ＝１μ
ｍ、Ｐ＝２×１０18／ｃｍ3）１０、Ｐ−ＩｎＧａＡｓ
コンタクト層（ｄ＝0.2μｍ、Ｐ＝２×１０19／ｃｍ3）
１１ が順次積層され、上記各層の側面、基板３の露出
表面上及びコンタクト層１１の露出表面上がポリイミド
パッシベ−ション膜１２で被覆されている。
とおりである。なお、括弧（ ）中、ｄは層の厚さ、
Ｎ、Ｐは不純物濃度、Ｅｇはバンドギャップを示す。Ｎ
電極１とＰ電極２との間に、Ｎ−ＩｎＰ基板（ｄ＝１５
０μｍ、Ｎ＝２×１０18／ｃｍ3）３、Ｎ−ＩｎＡｌＡ
ｓバッファ層（ｄ＝１μｍ、Ｎ＝２×１０18／ｃｍ3）
４、Ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層（Ｅｇ＝１．１ｅ
Ｖ，ｄ＝０．３μｍ、Ｎ＝２×１０18／ｃｍ3）５、ア
ンド−プ−超格子増倍層（ｄ＝０．３５μｍ、Ｎ＜１×
１０15／ｃｍ3）６、Ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ電界緩和層
（ｄ＝０．１μｍ、Ｐ＝２．６×１０17／ｃｍ3）７、
Ｐ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層（ｄ＝０．４μｍ、Ｐ＝２×
１０15／ｃｍ3）８、Ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層
（Ｅｇ＝１．１ｅＶ，ｄ＝０．３μｍ、Ｐ＝２×１０18
／ｃｍ3）９、Ｐ−ＩｎＡｌＡｓバッファ層（ｄ＝１μ
ｍ、Ｐ＝２×１０18／ｃｍ3）１０、Ｐ−ＩｎＧａＡｓ
コンタクト層（ｄ＝0.2μｍ、Ｐ＝２×１０19／ｃｍ3）
１１ が順次積層され、上記各層の側面、基板３の露出
表面上及びコンタクト層１１の露出表面上がポリイミド
パッシベ−ション膜１２で被覆されている。
【０００８】層４ないし１１の結晶は、いずれもＩｎＰ
基板３に格子整合した混晶である。また、超格子増倍層
６のＩｎＧａＡｓ井戸層の幅Ｌｗ＝５ｎｍ、ＩｎＡｌＡ
ｓ障壁層幅のＬｂ＝１５ｎｍであり、超格子増倍層６の
全膜厚は ０．３５μｍとした。導波路は、幅５０ｎ
ｍ、長さ２０μｍである。本実施例のＡＰＤの結晶成長
には分子線エピタキシ法を用い、メサ形状の形成にはＢ
ｒ系の溶液によるウェットエッチングを用いた。電極に
はＰ型、Ｎ型それぞれ真空蒸着法で形成したＡｕ／Ｐｔ
／Ｔｉ、及びＡｕＧｅＮｉ／Ｐｄ／Ａｕを用いた。
基板３に格子整合した混晶である。また、超格子増倍層
６のＩｎＧａＡｓ井戸層の幅Ｌｗ＝５ｎｍ、ＩｎＡｌＡ
ｓ障壁層幅のＬｂ＝１５ｎｍであり、超格子増倍層６の
全膜厚は ０．３５μｍとした。導波路は、幅５０ｎ
ｍ、長さ２０μｍである。本実施例のＡＰＤの結晶成長
には分子線エピタキシ法を用い、メサ形状の形成にはＢ
ｒ系の溶液によるウェットエッチングを用いた。電極に
はＰ型、Ｎ型それぞれ真空蒸着法で形成したＡｕ／Ｐｔ
／Ｔｉ、及びＡｕＧｅＮｉ／Ｐｄ／Ａｕを用いた。
【０００９】本実施例の特性を以下に示す。増倍率Ｍ＝
１０での暗電流及びイオン化率比は、それぞれ８００ｎ
Ａ及び１０であった。また、入射光波長１．５５μｍで
の外部量子効率は約７０％であった。本素子の周波数特
性をスペクトラムアナライザで評価した結果、利得帯域
積１０５ＧＨｚ、増倍率４ないし１０での遮断周波数３
５ＧＨｚを得た。このように量子効率７０％において、
３５ＧＨｚと従来構造に比べ極めて高い最大遮断周波数
を確認できた。
１０での暗電流及びイオン化率比は、それぞれ８００ｎ
Ａ及び１０であった。また、入射光波長１．５５μｍで
の外部量子効率は約７０％であった。本素子の周波数特
性をスペクトラムアナライザで評価した結果、利得帯域
積１０５ＧＨｚ、増倍率４ないし１０での遮断周波数３
５ＧＨｚを得た。このように量子効率７０％において、
３５ＧＨｚと従来構造に比べ極めて高い最大遮断周波数
を確認できた。
【００１０】
【発明の効果】本発明は、従来のＡＰＤに比べ、高量子
効率、高帯域特性を兼ね備えたＡＰＤを実現し、光通信
用等の有効な受光素子を実現できる。
効率、高帯域特性を兼ね備えたＡＰＤを実現し、光通信
用等の有効な受光素子を実現できる。
【図１】本発明のＡＰＤの吸収層、増倍層を模式的に示
す斜視図。
す斜視図。
【図２】従来のＡＰＤの吸収層、増倍層を模式的に示す
斜視図。
斜視図。
【図３】本発明によるＡＤＰの一実施例を示す断面構成
図。
図。
１：Ｎ電極 ２：Ｐ電極 ３：Ｎ−ＩｎＰ基板 ４：Ｎ−ＩｎＡｌＡｓバッファ層 ５：Ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層 ６：アンド−プ−超格子増倍層 ７：Ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ電界緩和層 ８：Ｐ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層 ９：Ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層 １０：Ｐ−ＩｎＡｌＡｓバッファ層 １１：Ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層 １２：ポリイミドパッシベ−ション膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 滋久 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 野津 千秋 千葉県茂原市早野3681番地 日立デバイス エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 金子 忠男 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内
Claims (6)
- 【請求項１】入射光の伝搬する方向と上記入射光により
生成したキャリアが走行する方向とが異なる構成とした
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。 - 【請求項２】請求項１に記載のアバランシェフォトダイ
オードにおいて、上記入射光の伝搬する方向と上記キャ
リアが走行する方向が直交することを特徴とするアバラ
ンシェフォトダイオード。 - 【請求項３】請求項１又は２に記載のアバランシェフォ
トダイオードにおいて、信号光をアバランシェフォトダ
イオードの基板と水平な方向に入射する手段と、上記キ
ャリアを走行させる電界を上記基板と垂直方向に印加す
る手段をもつことを特徴とするアバランシェフォトダイ
オード。 - 【請求項４】請求項１、２又は３に記載のアバランシェ
フォトダイオードにおいて、上記入射光を伝搬する手段
として導波路構造を用い、上記入射光の伝播方向と直交
する方向に電界を印加する手段をもつことを特徴とする
アバランシェフォトダイオード。 - 【請求項５】信号光の入射により、キャリアを発生する
光吸収層と、上記キャリアが走行しキャリアを増倍する
増倍層と、上記光吸収層と上記増倍層の面に垂直方向に
電界を印加する手段と、上記光吸収層の面と水平な方向
から上記信号光を入射する手段を有して構成されたこと
を特徴とするアバランシェフォトダイオード。 - 【請求項６】請求項５記載のアバランシェフォトダイオ
ードにおいて、上記光吸収層と上記増倍層との間に設け
られた電界緩和層と、上記光吸収層の上記電界緩和層と
反対側及び上記増倍層の上記電界緩和層と反対側にそれ
ぞれバッファ層とが設けられ、上記光吸収層、上記増倍
層、上記電界緩和層及びバッファ層で光導波路が構成さ
れたことを特徴とするつアバランシェフォトダイオー
ド。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP50A JPH06237009A (ja) | 1993-02-12 | 1993-02-12 | アバランシェフォトダイオード |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP50A JPH06237009A (ja) | 1993-02-12 | 1993-02-12 | アバランシェフォトダイオード |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06237009A true JPH06237009A (ja) | 1994-08-23 |
Family
ID=12131712
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP50A Pending JPH06237009A (ja) | 1993-02-12 | 1993-02-12 | アバランシェフォトダイオード |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06237009A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2017183568A1 (ja) * | 2016-04-19 | 2018-08-23 | 日本電信電話株式会社 | 光導波路集積受光素子およびその製造方法 |
| JP7307287B1 (ja) * | 2022-07-19 | 2023-07-11 | 三菱電機株式会社 | 半導体受光素子 |
-
1993
- 1993-02-12 JP JP50A patent/JPH06237009A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2017183568A1 (ja) * | 2016-04-19 | 2018-08-23 | 日本電信電話株式会社 | 光導波路集積受光素子およびその製造方法 |
| JP7307287B1 (ja) * | 2022-07-19 | 2023-07-11 | 三菱電機株式会社 | 半導体受光素子 |
| WO2024018500A1 (ja) * | 2022-07-19 | 2024-01-25 | 三菱電機株式会社 | 半導体受光素子 |
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