JPH06244450A - 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

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JPH06244450A
JPH06244450A JP50A JP2766693A JPH06244450A JP H06244450 A JPH06244450 A JP H06244450A JP 50 A JP50 A JP 50A JP 2766693 A JP2766693 A JP 2766693A JP H06244450 A JPH06244450 A JP H06244450A
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JP
Japan
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layer
apd
light absorption
multiplication
avalanche photodiode
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Pending
Application number
JP50A
Other languages
English (en)
Inventor
Hitoshi Nakamura
均 中村
Shoichi Hanatani
昌一 花谷
Shigehisa Tanaka
滋久 田中
Chiaki Nozu
千秋 野津
Tadao Kaneko
忠男 金子
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
Japan Display Inc
Original Assignee
Hitachi Device Engineering Co Ltd
Hitachi Ltd
Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Device Engineering Co Ltd, Hitachi Ltd, Hitachi Consumer Electronics Co Ltd filed Critical Hitachi Device Engineering Co Ltd
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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】光吸収層(1)、(2)を増倍層の両側に設置
してAPDを構成した。量子効率、帯域特性最適化のた
め、上記2つの光吸収層の膜厚をほぼ等しくすることに
より、より一層の効果を得ることができる。 【効果】本発明のAPDは,従来のSAM構造APDに
比べ、最大遮断周波数、量子効率を向上させることがで
きる。これにより、光通信用APDの高速化、高感度化
が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【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(以下、APDと略称)、更に詳しく言えば、光
通信等に用いるADPの増倍層、光吸収層の構成、特
に、Gb/s 以上の伝送が可能なADPの高速化、高感度
化のための構造に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、APDの光吸収層と増倍層とを空
間的に分離したいわゆるSAM構造のAPDが用いられ
ていた。これは、SAM構造のAPDが、光吸収層と増
倍層とを同一の層で兼ね備える構造のAPDと比べ、ト
ンネル電流の低減、キャリア注入条件の適性化による高
感度化等の利点をもつためである。SAM構造のAPD
の技術が記載された文献として、例えば,アイ・イー・
イー・イー ジャーナルオブ コンタム エレクトロ
ン、レター 21巻11月1743頁(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InP/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("Frequ
ency Response of InP/InGaAsP/InGaAs Avalanche Phot
odiodes withSeparate Absorption "Grading" Multipli
cation Region" J.C.Campbell et.al. IEEE J.Quantu
m Electron. Lett. 21,11,p1743 (1985) )がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来のSAM構造のA
DPでは、光吸収層は増倍層の片側に配置された単層で
構成されている。光通信等に用いられるADPの特性と
して重要なことは応答速度、即ち高速性と同時に光をキ
ャリアに変える量子効率を高くする、即ち高感度化であ
る。光吸収層の厚さは、上記高速性と高感度化の要因で
あり、しかも、一方を高めれば他方を低下するという関
係にあり、従来のSAM構造のADPでは、高速性と高
感度化の両者を共に改善することは限度がある。本発明
の目的は、従来のSAM構造のAPDを改善し、より一
層高速化と共にに高感度化された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、本発明のAPDは、光吸収層を2層にし、増倍層の
両側に2つの光吸収層を配置する構成とした。上記2つ
の光吸収層の層の厚さはそれぞれの光吸収層から注入さ
れたキャリアの増倍過程に要する時間がほぼ等しくなる
ように設定した。ここで、増倍過程に要する時間とは、
増倍立上り時間とキャリア走行時間を合わせた時間を意
味する。
【0005】
【作用】本発明のAPDが、高速性と高感度化の両者を
共に改善される原理を、従来のSAM構造のAPDと比
較しながら説明する。図1及び図2はそれぞれ本発明及
び従来のSAM構造のAPDの光吸収層、増倍層におけ
る動作を模式的に示す。各図において、縦軸は光吸収
層、増倍層の層の厚さ即ち距離、横軸はキャリアの走行
時間即ち応答時間を表す。従来のAPD(図2)は1つ
の光吸収層(1)であり、本発明のAPD(図1)は増
倍層の両側に光吸収層(1)及び(2)をもつ。APD
のキャリア走行に関わる応答時間は、近似的には、空乏
層(光吸収層+増倍層)内を走行するキャリアの走行時
間で決り、光吸収層の厚さが薄いほど高速となる。ま
た、量子効率は、光吸収層の厚さが厚いほど高められ
る。従って、従来のAPD(図2)のキャリア走行に関
わる応答時間は、第1のキャリア(図では電子○)の走
行時間と増倍層内で増倍に要する時間(図では省略して
ある)と増倍層で生じた第2のキャリア(図では正孔
●)が空乏層(光吸収層+増倍層)内を走行する時間の
合計となる。
【0006】本発明のAPD(図1)では、図2の光吸
収層を2等分割して増倍層の上下に配置してある。この
例では、2つの光吸収層の膜厚の和は従来例と等しいた
め、両者の量子効率は等しくなる。しかし、キャリア走
行に関わる応答時間は、従来例と比べほぼ半分近くに短
縮される。これは、それぞれの光吸収層で光を受けキャ
リアが発生するまでの時間及び増倍層で生じた第2のキ
ャリアの走行距離が半分になるためである。従って、本
発明によれば、2つの光吸収層の膜厚の和を従来のAP
Dの単層の光吸収層の厚さと等しくしたとき、量子効率
(感度)を損なうこと無く、応答速度(高速性)の向上
を図ることができる。
【0007】また、本発明の2つの光吸収層のそれぞれ
の膜厚を従来例と同等にすれば、従来のAPDの応答速
度(高速性)を損なうこと無く、量子効率(感度)の向
上を図ることも可能となる。上述のように、本発明によ
れば、従来のSAM構造のキャリアの走行時間(高速性
の制限要因)と量子効率(高感度化の制限要因)との間
の相互の制限を改善し、APDのより一層の高速化、高
感度化を達成することができる。なお、この効果は、イ
オン化率比が1に近い、即ち電子及び正孔のイオン化率
がほぼ等しい増倍層をもつ場合において特に顕著であ
る。
【0008】
【実施例】図2は、本発明によるAPDの一実施例の断
面構造を示す。本実施例は、増倍層7の両側に2つの光
吸収層5及び9が配置ちされ、各光吸収層5及び9の膜
厚は、それぞれの光吸収層5及び9から注入されたキャ
リアの増倍過程に要する時間がほぼ等しくなるように設
定されている。増倍層7は超格子構造をも、増倍層7と
光吸収層5及び9とのとの間にはそれぞれ電界緩和層6
及び8が設けられている。光信号は基板3の裏面より入
射される。各層の具体的構成は以下の通りである。なお
括弧( )内のdは層の厚さ、N、Pは不純物濃度を示
す。
【0009】N−InP基板(d=150μm、N=2
×1018/cm3)3上に、N−InAlAsバッファ
層(d=1μm、N=2×1018/cm3)4、N−I
nGaAs光吸収層(d=0.6μm、P=2×1015
/cm3)5、N−InAlAs電界緩和層(d=0.
1μm、N=2.6×1017/cm3)6、アンド−プ
−超格子増倍層(d=0.35μm、N<1×1015
cm3)7、P−InAlAs電界緩和層(d=0.1
μm、P=2.6×1017/cm3)8、P−InGa
As光吸収層(d=0.6μm、P=2×1015/cm
3)9、P−InAlAsバッファ層(d=1μm、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。1及び2は、それぞ
れN型電極及びP型電極である。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A
uGeNi/Pd/Auを用いた。
【0010】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
7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7の
全膜厚は0.35μmとした。導波路は、幅50nm,
長さ20μmである。APDの接合径は50μmであ
る。 本実施例の製造において、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Br系
の溶液によるウェットエッチングを用いた。
【0011】また、実施例のAPDと従来のAPDとの
特性を比較するため、図2の構造からN−InGaAs
光吸収層5及びN−InAlAs電界緩和層6を除いた
従来構造のAPDをも試作した。ただし、両者の量子効
率を一定にするため、従来構造の比較用APDのP−I
nGaAs光吸収層9の膜厚は、1.2μmとした。
【0012】これらのAPDの特性を以下に示す。
( )外及び( )内の数字は、それぞれ本発明及び従
来構造APDの特性である。増倍率M=10での暗電
流、量子効率、イオン化率比は、それぞれ800(78
0)nA,80(78)%、3(4)であった。両者の
暗電流及び量子効率の違いは、作製方法等に起因するも
のと考えられ、構造に起因するものではない。一方、イ
オン化率比は、構造に起因した注入条件の違いによるも
のであり、本発明のAPDの方がやや劣っている。ま
た、周波数特性の評価結果では、最大遮断周波数、利得
帯域積それぞれ、18(13)GHz,95(105)
GHzを得た。このように本発明の目的とするの最大遮
断周波数の大幅な改善が得られた。なお、利得帯域積は
従来APDに比べ、劣っているが、これはイオン化率比
の劣化と同様に両者の注入条件の違いによるものであ
る。このように、本発明によると量子効率一定のもとで
最大遮断周波数を大幅に改善することができる。一方、
イオン化率比、利得帯域積には、わずかな劣化がみられ
た。しかし、これらのAPDを用いた受信器では、この
劣化は、最大遮断周波数の改善効果により、補うことが
可能であり、総合的な受信特性の改善が予測される。ま
た、本発明で用いた超格子増倍層7にかわり、現在実用
化されているInPを増倍層とするAPDでは、上記劣
化はほとんどみられず、最大遮断周波数の改善効果によ
る受信器特性の向上はより顕著になる。
【0013】
【発明の効果】本発明は、従来のAPDに比べ、高速、
高感度なAPDを実現できる。なお、上記実施例は増倍
層としてアンドープ−超格子増倍層の場合について示し
たが、それに限定されるものではなく、イオン化率比が
1に近いの増倍層を使用するAPDにおいて効果が顕著
なことは発明の原理より明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるAPDの光吸収層、増倍層におけ
るキャリアの動作を模式的に示す図。
【図2】従来のSAM構造のAPDの光吸収層、増倍層
におけるキャリアの動作を模式的に示す図。
【図3】本発明によるAPDの一実施例の構造を示す断
面図。
【符号の説明】
1:N電極 2:P電極 3:N−InP基板 4:N−InAlAsバッファ層 5:N−InGaAs光吸収層 6:N−InAlAs電界緩和層 7:アンドープ−超格子増倍層 8:P−InAlAs電界緩和層 9:P−InGaAs光吸収層 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ーション膜
───────────────────────────────────────────────────── 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 (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】増倍層の両側に光吸収層を配して構成され
    たことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
  2. 【請求項2】請求項1記載のアバランシェフォトダイオ
    ードにおいて、上記光吸収層のそれぞれから注入された
    キャリアの増倍過程に要する時間がほぼ等しくなるよう
    に上記増倍層の両側に配された光吸収層それぞれの層の
    厚さが設定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。
  3. 【請求項3】請求項1記載のアバランシェフォトダイオ
    ードにおいて、上記増倍層の両側に配して構成された2
    つの光吸収層の厚さがそれぞれの注入されるキャリアの
    走行時間をほぼ等しくなるように設定され、かつ、上記
    増倍層がイオン化率比が1に近い半導体材料で構成され
    たことを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
  4. 【請求項4】請求項1記載のアバランシェフォトダイオ
    ードにおいて、上記増倍層の両側に配して構成されたそ
    れぞれの光吸収層と上記増倍層との間に電界緩和層が積
    層され、上記増倍層が超格子構造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。
JP50A 1993-02-17 1993-02-17 アバランシェフォトダイオード Pending JPH06244450A (ja)

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