JPH0770751B2 - 光伝導型光検出器 - Google Patents
光伝導型光検出器Info
- Publication number
- JPH0770751B2 JPH0770751B2 JP61221529A JP22152986A JPH0770751B2 JP H0770751 B2 JPH0770751 B2 JP H0770751B2 JP 61221529 A JP61221529 A JP 61221529A JP 22152986 A JP22152986 A JP 22152986A JP H0770751 B2 JPH0770751 B2 JP H0770751B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pcd
- holes
- gain
- layer
- band
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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- Light Receiving Elements (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光ファイバ通信に用いるのに適した高感度な光
伝導型光検出器に関する。
伝導型光検出器に関する。
（従来の技術とその問題点） 長距離光ファイバ通信用の受光器としてはアバランシェ
・フォトダイオード（APD）やPINフォトダイオードを使
われている。また光照射による伝導率の変化を利用して
これを検出する、光伝導型光検出器（以下PCDと略記す
る）の研究開発も行なわれ始めている。第６図はジャー
ナル・オブ・アプライドフィジックス（J.Appl.phys.,1
985）の1411頁に報告されている従来のPCDの断面構造図
である。PCDの平均受信感度Ｐは で表わされる。（１）式でｈνは光子１個当りのエネル
ギー、ｑは電子の電荷量、ηは受光量子効率、ＧはPCD
の利得、Ｂはビットレート、＜i2＞０ 1/2はPCDの平均雑
音電流である。Ｑはビット誤り率が10-9のときに６とな
る。利得は各周波数ωを用い Ｇ＝（τ0/Ttr）（１＋ω２γ0 2）−1/2 …（２） のように表わされる。（２）式でτ０はキャリアの寿命
でｎ型PCDでは正孔の寿命となる。Ttrは電子の電極間走
行時間で決定される。走行時間に比べてキャリア寿命は
長いのでPCDは利得を持ち、（１）式から利得が大きい
程、高い受光感度が期待される。τ０、Ttrは電界強度
Ｅ、電極間隔Ｌ、正孔移動度μｐ、電子移動度μｎ及び
電子速度Vnを用いると τ０＝L/2μpE …（３） Ttr＝L/μnE＝L/Vn …（４） と表わされる。In0.53Ga0.47Asが伝導層で電子のドリフ
ト速度が最大となるＥ3KV/cmの電界がかかっていると
する。この状態ではVn２×107cm/Sとなる。Ｌ＝５μ
ｍとして、μｐ＝200cm2/V・Ｓとすると（３）式、及び
（４）式よりτ0 420psec、Ttr＝25psecとなる。（２）
式よりω＝０ではＧ17となる。（１）式を用いてPCD
の受信感度を計算する際にはω＝０での利得値を適用で
きない。τ０が長いことにより立ち上がり時間の遅れ
や、立ち下がり時の裾引きが生じるので、受信回路では
等化が必要となる。この等化によるペナルティーによ
り、実際上は期待される程の感度が引き出せないことに
なる。第６図の構造ではＧ＝35であり1Gb/sNRZで−34.4
dBm（Pe＝10-9）といる値が実現されているが、感度は
増倍率10程度の三元APDと比べ6dB程度悪い。従来構造を
用いる限り、利得は数10程度しか得られず、また等化回
路でのペナルティーが生ずるのでAPDを凌駕するような
高感度化を実現することは困難であった。
・フォトダイオード（APD）やPINフォトダイオードを使
われている。また光照射による伝導率の変化を利用して
これを検出する、光伝導型光検出器（以下PCDと略記す
る）の研究開発も行なわれ始めている。第６図はジャー
ナル・オブ・アプライドフィジックス（J.Appl.phys.,1
985）の1411頁に報告されている従来のPCDの断面構造図
である。PCDの平均受信感度Ｐは で表わされる。（１）式でｈνは光子１個当りのエネル
ギー、ｑは電子の電荷量、ηは受光量子効率、ＧはPCD
の利得、Ｂはビットレート、＜i2＞０ 1/2はPCDの平均雑
音電流である。Ｑはビット誤り率が10-9のときに６とな
る。利得は各周波数ωを用い Ｇ＝（τ0/Ttr）（１＋ω２γ0 2）−1/2 …（２） のように表わされる。（２）式でτ０はキャリアの寿命
でｎ型PCDでは正孔の寿命となる。Ttrは電子の電極間走
行時間で決定される。走行時間に比べてキャリア寿命は
長いのでPCDは利得を持ち、（１）式から利得が大きい
程、高い受光感度が期待される。τ０、Ttrは電界強度
Ｅ、電極間隔Ｌ、正孔移動度μｐ、電子移動度μｎ及び
電子速度Vnを用いると τ０＝L/2μpE …（３） Ttr＝L/μnE＝L/Vn …（４） と表わされる。In0.53Ga0.47Asが伝導層で電子のドリフ
ト速度が最大となるＥ3KV/cmの電界がかかっていると
する。この状態ではVn２×107cm/Sとなる。Ｌ＝５μ
ｍとして、μｐ＝200cm2/V・Ｓとすると（３）式、及び
（４）式よりτ0 420psec、Ttr＝25psecとなる。（２）
式よりω＝０ではＧ17となる。（１）式を用いてPCD
の受信感度を計算する際にはω＝０での利得値を適用で
きない。τ０が長いことにより立ち上がり時間の遅れ
や、立ち下がり時の裾引きが生じるので、受信回路では
等化が必要となる。この等化によるペナルティーによ
り、実際上は期待される程の感度が引き出せないことに
なる。第６図の構造ではＧ＝35であり1Gb/sNRZで−34.4
dBm（Pe＝10-9）といる値が実現されているが、感度は
増倍率10程度の三元APDと比べ6dB程度悪い。従来構造を
用いる限り、利得は数10程度しか得られず、また等化回
路でのペナルティーが生ずるのでAPDを凌駕するような
高感度化を実現することは困難であった。
本発明は、上記欠点に鑑みなされたもので、高利得、高
感度なPCDを提供することを目的とする。
感度なPCDを提供することを目的とする。
（問題点を解決するための手段） 本発明のPCDは、半導体基板の上に禁制帯幅が異なる複
数のｎ型半導体層を形成してなり、これらのｎ型半導体
層は層厚方向に電圧を印加して光を照射したときに発生
したキャリアのうち正孔のみが価電子帯に生じたバンド
不連続によってトラップされるバンド構造を有し、トラ
ップされた正孔を引き出すためのｐ型領域が選択的に形
成されたものである。
数のｎ型半導体層を形成してなり、これらのｎ型半導体
層は層厚方向に電圧を印加して光を照射したときに発生
したキャリアのうち正孔のみが価電子帯に生じたバンド
不連続によってトラップされるバンド構造を有し、トラ
ップされた正孔を引き出すためのｐ型領域が選択的に形
成されたものである。
（作用） 第１図は本発明の原理を示したバンド図である。禁制帯
幅がE1及びE2（E1＞E2）の二種類のｎ型半導体層を３層
ずつ交互にｎ型基板に形成し、厚さ方向に電圧をかけた
状態のバンド図である。光が照射されると、電子と正孔
が生成されそれぞれ矢印の方向に走行する。価電子帯に
は、二種類の半導体の接合部で、大きなノッチが生ずる
ことにより、正孔がここでせき止められる。ｎ型半導体
基板をｎ−InPとし、これに格子整合した二種類の半導
体をInP（E1＝0.35eV）とIn0.53Ga0.47As（E2＝0.75e
V）とすると、ノッチの高さは数100meVとなるが、この
値は常温での熱エネルギーの値（〜25meV）に比べると
充分大きくなる。正孔はこの障壁を越えることが難かし
くなり、この部分にトラップされる。したがってτ０＞
＞Ttrとすることが可能となり、大きな利得を得ること
ができるようになる。一方、正孔の寿命が長くなり、光
がきられた後も正孔はなかなか消滅しにくくなる。これ
による波形の裾引きを消すためにｐ型領域を選択的に形
成しておく。光がOFFとなった瞬間にこのｐ型領域に電
圧をかけてトラップされている正孔を強制的に引き出せ
ば裾引きが消せ、次のビットとの符号間干渉を無くする
ことができる。
幅がE1及びE2（E1＞E2）の二種類のｎ型半導体層を３層
ずつ交互にｎ型基板に形成し、厚さ方向に電圧をかけた
状態のバンド図である。光が照射されると、電子と正孔
が生成されそれぞれ矢印の方向に走行する。価電子帯に
は、二種類の半導体の接合部で、大きなノッチが生ずる
ことにより、正孔がここでせき止められる。ｎ型半導体
基板をｎ−InPとし、これに格子整合した二種類の半導
体をInP（E1＝0.35eV）とIn0.53Ga0.47As（E2＝0.75e
V）とすると、ノッチの高さは数100meVとなるが、この
値は常温での熱エネルギーの値（〜25meV）に比べると
充分大きくなる。正孔はこの障壁を越えることが難かし
くなり、この部分にトラップされる。したがってτ０＞
＞Ttrとすることが可能となり、大きな利得を得ること
ができるようになる。一方、正孔の寿命が長くなり、光
がきられた後も正孔はなかなか消滅しにくくなる。これ
による波形の裾引きを消すためにｐ型領域を選択的に形
成しておく。光がOFFとなった瞬間にこのｐ型領域に電
圧をかけてトラップされている正孔を強制的に引き出せ
ば裾引きが消せ、次のビットとの符号間干渉を無くする
ことができる。
（実施例） 第２図は本発明の一実施例の断面構造を示す図である。
ｎ型InP基板21の上に各々厚さ50ÅのアンドープInP層22
とアンドープIn0.53Ga0.47As層23が交互に計10層周期的
に形成されている。キャリア密度は各層がｎ＝１×1015
cm-3である。24は正孔を引き出すためのZn拡散で作られ
たｐ型領域である。光はアンドープIn0.53Ga0.47As層23
で吸収される。InPとIn0.53Ga0.47Asで作られるアンド
ープ層のトータルの厚さを50Å×２×10＝0.1μｍとし
たのは電子の走行時間Ttrを小さくするためである。Gb/
s程度の高束の光信号を受信する場合、PCDの立ち上が
り、立ち下がり時間は周期よりも普通、長くなってしま
う。光信号は正孔の掃き出しに必要な時間や、タイミン
グを考えるとRZ（Return to Zero）信号が望ましい。DC
利得が大きくなってもTtrが大きいと、最大利得は上が
らない。その様子を示したのが第３図である。同図で
（ａ）は従来の利得の低いPCD、（ｂ）と（ｃ）は本発
明によるPCDの応答波形を模式的に表わしたものであ
る。（ｂ）と（ｃ）はDC利得は同じであるが、電子の走
行時間は異なり、（ｃ）の方が短かい。これから分かる
ように実効的に高い利得を得るためには、出来るだけ走
行時間を短かくするような構造が望ましい。Vn＝２×10
7cm/Sとすると0.1μｍの厚さのアンドープ層を走行する
のに電子が要する時間はTtr＝0.5psecとなる。デューテ
ィ比50％の1Gb/SRZ光信号が照射されているとする。正
孔の寿命は周期1nsecに比べればノッチでのトラップ効
果によって十分長くすることができる。したがって得ら
れる最大利得はＧ＝0.5nsec/0.5psec＝1000となる。ｐ
型領域24の間隔は５μｍであり光がOFFになった瞬間に
第３図に示した様なタイミングで負電圧をかければ0.5n
sec以内に正孔を掃き出し、次のビットとの符号間干渉
をなくすることができる。
ｎ型InP基板21の上に各々厚さ50ÅのアンドープInP層22
とアンドープIn0.53Ga0.47As層23が交互に計10層周期的
に形成されている。キャリア密度は各層がｎ＝１×1015
cm-3である。24は正孔を引き出すためのZn拡散で作られ
たｐ型領域である。光はアンドープIn0.53Ga0.47As層23
で吸収される。InPとIn0.53Ga0.47Asで作られるアンド
ープ層のトータルの厚さを50Å×２×10＝0.1μｍとし
たのは電子の走行時間Ttrを小さくするためである。Gb/
s程度の高束の光信号を受信する場合、PCDの立ち上が
り、立ち下がり時間は周期よりも普通、長くなってしま
う。光信号は正孔の掃き出しに必要な時間や、タイミン
グを考えるとRZ（Return to Zero）信号が望ましい。DC
利得が大きくなってもTtrが大きいと、最大利得は上が
らない。その様子を示したのが第３図である。同図で
（ａ）は従来の利得の低いPCD、（ｂ）と（ｃ）は本発
明によるPCDの応答波形を模式的に表わしたものであ
る。（ｂ）と（ｃ）はDC利得は同じであるが、電子の走
行時間は異なり、（ｃ）の方が短かい。これから分かる
ように実効的に高い利得を得るためには、出来るだけ走
行時間を短かくするような構造が望ましい。Vn＝２×10
7cm/Sとすると0.1μｍの厚さのアンドープ層を走行する
のに電子が要する時間はTtr＝0.5psecとなる。デューテ
ィ比50％の1Gb/SRZ光信号が照射されているとする。正
孔の寿命は周期1nsecに比べればノッチでのトラップ効
果によって十分長くすることができる。したがって得ら
れる最大利得はＧ＝0.5nsec/0.5psec＝1000となる。ｐ
型領域24の間隔は５μｍであり光がOFFになった瞬間に
第３図に示した様なタイミングで負電圧をかければ0.5n
sec以内に正孔を掃き出し、次のビットとの符号間干渉
をなくすることができる。
第４図は本発明による他の実施例の断面構造を示す図で
ある。吸収効率を上げるために半絶縁性InP基板40の上
に第1PCD層41、第2PCD層42、…、第10PCD層50が形成さ
れている。51は正孔引き出し用のｐ型領域である。各々
のPCD層はｎ−In0.53Ga0.47As（ｎ＝５×1018cm-3）層
の間に、50ÅのアンドープInP層ｎ＝１×1015cm-3とア
ンドープIn0.53Ga0.47As層（ｎ＝１×1015cm-3）が交互
に計10層形成されている。電圧は交互に＋Ｖ、Ｏ、＋
Ｖ、Ｏ、…とかけて使用する。
ある。吸収効率を上げるために半絶縁性InP基板40の上
に第1PCD層41、第2PCD層42、…、第10PCD層50が形成さ
れている。51は正孔引き出し用のｐ型領域である。各々
のPCD層はｎ−In0.53Ga0.47As（ｎ＝５×1018cm-3）層
の間に、50ÅのアンドープInP層ｎ＝１×1015cm-3とア
ンドープIn0.53Ga0.47As層（ｎ＝１×1015cm-3）が交互
に計10層形成されている。電圧は交互に＋Ｖ、Ｏ、＋
Ｖ、Ｏ、…とかけて使用する。
第５図は、その条件で計算した受信感度を示す図であ
る。全容量Ｇは1.0pF、後段のGaAsFETはgm＝40mS、PCD
の抵抗RCは400Ω、又負荷抵抗RLは1kΩとして求めてあ
る。同図に於いて、（ａ）はAPD、（ｂ）はPINフォトダ
イオード、（ｃ）は第５図に示した従来のPCD、（ｄ）
は第４図実施例のPCDそれぞれの受信感度を示す特性線
である。PCDで発生する熱雑音が低域の1/f雑音と等しく
なる周波数は（ｃ）、（ｄ）の計算で100MHZと仮定して
ある。従来例に比べて利得が大きい分だけ感度の改善が
可能となる。
る。全容量Ｇは1.0pF、後段のGaAsFETはgm＝40mS、PCD
の抵抗RCは400Ω、又負荷抵抗RLは1kΩとして求めてあ
る。同図に於いて、（ａ）はAPD、（ｂ）はPINフォトダ
イオード、（ｃ）は第５図に示した従来のPCD、（ｄ）
は第４図実施例のPCDそれぞれの受信感度を示す特性線
である。PCDで発生する熱雑音が低域の1/f雑音と等しく
なる周波数は（ｃ）、（ｄ）の計算で100MHZと仮定して
ある。従来例に比べて利得が大きい分だけ感度の改善が
可能となる。
（発明の効果） 以上に詳しく説明したように、本発明によれば、利得お
よび感度が高いPCDが提供できる。
よび感度が高いPCDが提供できる。
第１図は本発明の原理を示すバンド図、第２図は本発明
の一実施例の断面構造を示す図、第３図はPCDの利得と
時間の関係を示す特性図、第４図は本発明の別の実施例
の断面構造を示す図、第５図は計算して求めた各種ダイ
オードの受信感度図、第６図は従来のPCDの断面構造を
示す図である。 これら図において、21はｎ型InP基板、22はアンドープI
nP層、23及び52はアンドープIn0.53Ga0.47As層、24及び
51はｐ型領域、40及び51は半絶縁性InP基板、25,26,27
及び53は電極、28は正孔掃き出し用電源、41は第1PCD
層、42は第2PCD層、…、50は第10PCD層である。
の一実施例の断面構造を示す図、第３図はPCDの利得と
時間の関係を示す特性図、第４図は本発明の別の実施例
の断面構造を示す図、第５図は計算して求めた各種ダイ
オードの受信感度図、第６図は従来のPCDの断面構造を
示す図である。 これら図において、21はｎ型InP基板、22はアンドープI
nP層、23及び52はアンドープIn0.53Ga0.47As層、24及び
51はｐ型領域、40及び51は半絶縁性InP基板、25,26,27
及び53は電極、28は正孔掃き出し用電源、41は第1PCD
層、42は第2PCD層、…、50は第10PCD層である。
Claims (1)
- 【請求項１】半導体基板の上に禁制帯幅が異なる複数の
ｎ型半導体層を形成してなり、これらのｎ型半導体層は
層厚方向に電圧を印加して光を照射したときに発生した
キャリアのうち正孔のみが価電子帯に生じたバンド不連
続によってトラップされるバンド構造を有し、トラップ
された正孔を引き出すためのｐ型領域が選択的に形成さ
れていることを特徴とする光伝導型光検出器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61221529A JPH0770751B2 (ja) | 1986-09-19 | 1986-09-19 | 光伝導型光検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61221529A JPH0770751B2 (ja) | 1986-09-19 | 1986-09-19 | 光伝導型光検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6377169A JPS6377169A (ja) | 1988-04-07 |
| JPH0770751B2 true JPH0770751B2 (ja) | 1995-07-31 |
Family
ID=16768144
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61221529A Expired - Lifetime JPH0770751B2 (ja) | 1986-09-19 | 1986-09-19 | 光伝導型光検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0770751B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102017147B (zh) | 2007-04-18 | 2014-01-29 | 因维萨热技术公司 | 用于光电装置的材料、系统和方法 |
| US20100044676A1 (en) | 2008-04-18 | 2010-02-25 | Invisage Technologies, Inc. | Photodetectors and Photovoltaics Based on Semiconductor Nanocrystals |
| US8203195B2 (en) | 2008-04-18 | 2012-06-19 | Invisage Technologies, Inc. | Materials, fabrication equipment, and methods for stable, sensitive photodetectors and image sensors made therefrom |
| JP5631877B2 (ja) * | 2008-07-21 | 2014-11-26 | インヴィサージ テクノロジーズ インコーポレイテッドＩｎｖｉｓａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ． | 安定高感度光検出器のための材料、作製機器、および方法、それにより作製される画像センサ |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61115356A (ja) * | 1984-11-09 | 1986-06-02 | Hamamatsu Photonics Kk | 光検出素子 |
-
1986
- 1986-09-19 JP JP61221529A patent/JPH0770751B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6377169A (ja) | 1988-04-07 |
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