JPS5861682A - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JPS5861682A
JPS5861682A JP56161280A JP16128081A JPS5861682A JP S5861682 A JPS5861682 A JP S5861682A JP 56161280 A JP56161280 A JP 56161280A JP 16128081 A JP16128081 A JP 16128081A JP S5861682 A JPS5861682 A JP S5861682A
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JP
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germanium
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Application number
JP56161280A
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English (en)
Inventor
Shuzo Kagawa
修三 香川
Takao Kaneda
隆夫 金田
Takashi Mikawa
孝 三川
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/105Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

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】 本発明は半導体受光素子、特K、アバランシェフォトダ
イオード(以下人PDという。)K関する。許しくけ、
1μm波長域に感光域を有するゲルマニュウムを使用し
た人PDの過剰雑音を減少させる改良に関する。
人PDは、受光部に入射した光の有するエネルギーにも
とづ色発生された電子又は正孔を、PN接合の両端に印
加された降伏電圧に近い高さの逆バイアスによって発生
している空乏層中でアバランシェ増倍されるととKより
高効率の光電変換作用な実現することを基本原理とする
半導体受光素子であり、半導体の有する基礎吸収端波長
にしたがって感光波長域が決定される。そして、高増培
率、低暗電流、高量子効率(出力電力と入力光の有する
エネルギーとの比)、低雑音、高速応答性等の特性がす
ぐれていることが望ましい。又、他の観点から、光ファ
イバの伝播損失の少ない1粗波長帯に感光波長域を有す
るAPDとして基礎吸収端波長が1.55μmであるゲ
ルマニ〉ラム(Ge)を使用したAPDの開発の努力が
なされている。
従来知らされているゲルマニュウム((re )を使用
したAPDはその層構造により、(イ)p + n型、
(財)n + p型、(ein+np型等に分類される
が、いずれの層構造を有するものにあっても、増倍率に
)を10倍としたとき過剰雑音係数(ト)が波長1.3
μmにおいて7以上通常は8〜9であり、要するに、過
剰雑音特性忙劣るという欠点がある。この過剰雑音特性
FiAPDを光通信用に使用する場合特に重要なパラメ
ータであるから、特に光通信用APDにおいて、この欠
点は看做し難い重大な欠点である。
本発明の目的は、ゲルマニュウム(Ge)を使用し1μ
m波長帯に感光波長域を有するAPI)Icおいて、過
剰雑音特性の改善されたAPDを提供することKある。
汗の要旨は、n型のゲルマニュウム(Ge)単結晶より
なる基板上Kp+型のゲルマニュウム(Ge)単結晶層
よりなる受光部を有し、この受光部を囲み受光部PN接
合より深くまで形成されたp型のゲルマニュウム(Ge
)単結晶層よりなるガードリングを有す、bp+nmの
層構造を基本とし、受光部と基板との間のみにガードリ
ングの下縁より浅く形成されたキャリア濃度の極めて低
いゲルマニュウム(Ge)単結晶層(電界強度一定層)
を介在、させ、受光層領域においてのみp”in型の層
構造となし、ガードリング領域とその外部領域とにおい
てdpn型の層構造となすことにある。そこで。
受光部に対接する限られた領域を除き、ガードリングは
n型層のみと接触することになる。なお。
ガードリング下端はi型の電界強度一定層とn型の基板
との境界面より深い位置に存在することが必須なことけ
いつまでもない。
以下、本発明の着想から発明の具体化への過程を説明す
名。過剰雑音を小さくするKは、光起電力作用により発
生する2種のキャリヤすなわち電子と正孔とのうち、一
方のみを主としてアバランシェ増倍させるととが有効な
ことはすでに知られている。すなわち、電子のイオン化
率αと正孔のイオン化率βとの比であるイオン化率比k
(α/β)が大舞いか又は小さいことが低雑音化に有効
である。そこで例えばシリコン(8i)のように電子の
イオン化率αが正孔のイオン化率βよりも大きい半導体
を使用する場合は電子のみをア/(ランシェ増倍させる
ようKなしており、一方、ゲルマニ。
ラム(Ge)のように正孔のイオン化率βが電子のイオ
ン化率αより大きい半導体を使用する場合は正孔のみを
アバ2ンシ工増倍させ石ことが有効である。ところでイ
オン化率比に/fi最大電界強度に依存して変化し、ゲ
ルマニ、ウム(Ge)の場合最大電界強度の値が小さい
穆イオン化率比kFi小さくなることが知られており、
電子イオン化率αと正孔イオン化率βと、イオン化率比
に=7の逆数との実験結果を第1図に示す。図において
実IIIAは本発明の発明者の1人である三周による実
験結果であり、破線はミラー(8,L、 Mi 1le
r) VCよる実験結果である。そこで、ゲルマニュウ
ム(Ge)を使用するAPDの場合、降伏時の最大電界
強度の値が小さい穆イオン化率比は小さくなり、正孔の
みがアバランシェ増倍に寄与して、低雑音化の実現に有
効となる。
ところで、APDを正常に動作させるためには、ある程
度の逆方向バイアスの電圧の印加は必須であるから、こ
の逆方向バイアス電圧を保持しながら最大電界強度を小
さくするためKFi、APDの厚さ方向に対する電界強
度の値を一定に保つことが有効であることは明らかであ
る。すなわちp層n−ュ型又はp層in型(もしくはn
”p層型又はn十ip型)の層構造がAPDの低雑音化
に有効である。
そこで、シリコン(8i)を使用しているAPDにおい
ては、第2図に示すように、p型(又はn型)のシリコ
y(Si)基板l上Kp−型(又#:tn−型)のシリ
コン(8i)単結晶層2を形成し、その表面にn十層(
又はp土層)の受光部3とn層(又はp層)のガードリ
ング4とを拡散、イオン注入法等により形成していた。
これと同じ考え方にもとづいたAPDをゲルマニュウム
(Ge )を使用して製造するとすれば、第3図に示す
とおりとなる。すなわち、n型のゲルマニエウム(Ge
)基板5の上lICn−型のゲルマニュウム(Ge)単
結晶層6を形成し、その表層にp層型の受光部7とp型
のガードリンク8とを拡散又はイオン注入法等を使用し
て形成するととKなる。
ところが、ゲルマニュウム(Ge)を使用したAPDの
場合、ガードリンク8の表層部(図において点線で囲ま
れた領域9)での絶縁破壊が発生しやすく、この層構造
のAPDを製造すbことは現実的に不可能である。すな
わち、低不純物濃度のゲルマニュウム(Ge)層中に有
効なガードリングを形成することは極めて困難である。
そこで、ガードリング効果は十分保持しながべ受光部と
活性層との間の領域における最大電界強度を下げこの領
域におけるイオン化率比にの値を下げて正孔の増倍寄与
率を向上して低雑音化を実現するためKFi、第4図に
示すように、n型のゲルマニュウム(Ge)基板lOの
表層に、p+層よりなる受光部11とp型層よりなるガ
ードリンク12とを形成し、更K、受光部11に対接す
る領域においてのみ、n型基板10との間にi型の電界
強度一定層13を介在させればよいとの着想を得た。
なお、p+型の受光部11とn型の基板10との間の絶
縁耐力VBは、この領域とi型の電界強度一定悔層13
とに発生する空乏層における電界強度を空乏層の全長で
積分した値であるから但し、E(x)は空乏層の厚さ方
向距離8を独立変数として表わした上記領域における電
界強度であり、xj、X′jは第5図KDをもって示す
空乏層の上下限である。
で表わされることになる。又、xj、x’jの値は下式
より求められる。
但し、α(X′)・・・電子のイオン化率β(X′)・
・・正孔のイオン化率 ところで、かような層構造を実現する製造方法について
、その可能性を種々検討した結果、ボロン(ロ)のイオ
ン注入法を利用することが有効であることを発見した。
すなわち、第6図に示すよう鳴およそ10/cIlll
s度にn型の不純物を含有するゲルマニュウム(Ge)
基板に、ボロン(ロ)を4X10”/Caの濃度で、4
0KeVのエネルギーをもってイオン注入し、550°
Cで1時間程度熱処・理を施すと表面から0,3μm程
度までは約10 ” ”/C艷と高濃度のpfliに転
換するが、表面から0.3μm〜3μm程度の領域にお
いては10  /cd程度のp型に転換されるにすぎな
い。それよりも更に深い領域は基板に当初から含有され
ていた10  /ctA程度のn型に保たれることはい
うまでもない。
これに対し、はぼ同一条件をもりてベリリュウム(Be
)をイオン注入したところ、第7図に示す如くでありた
。すなわち、およそ10  /c−程度Kn型の不純物
を含有するゲルマニュウム(Ge)基板にベリリュウム
(Be)をlXl0  /cdlの濃度で100KeV
のエネルギーをもってイオン注入し550°Cをもりて
1時間程度熱処理を施すと1表面は約10 /C−程度
に高濃度Kp型に転換し、ここから緩徐にn型不純物濃
度は減少して表面から6μm程度の深さではじめて、n
型不純物濃度は10/C−程度まで低下した。
そこで、1o/cj程度にn型不純物を含有するゲルー
rニュウム(Ge)基板のガードリング部にはべりリニ
ウム(Be)を1×107CIa程度100KeV程度
でイオン注入し、受光部にはボロン(ロ)を4X10”
/cllfi[40KeV程IEでイオン注入りその後
550°C程度で約1時間熱処理を施せば、注入された
不純物の活性化と拡散がなされ、第4図に示す如く、表
層が10”/C−程度のp+型で、その下部に約2.5
〜3μm程度の厚さの補償型のi型層が出来、その下部
が当初からの基板のn型不純物濃度である1016/c
−程度のnfi層が残留する層構造な実現しうるものと
の結論を得た。なお、ここで、受光部にイオン注入する
ボロン(B)の量へn型基板の当初の不純物濃度を打ち
消す程度の量であることが必要なことはいうまでもない
以下、図面を参照しつつ1本発明の一実施例に係るゲル
マニュウム(Ge)を使用したAPDを製造する主要各
工程を説明し1本発明の構成と特有の効果とを明らかに
する。
第8図参照 1016/c−程度Kn型不純物を含有するゲルマ二ュ
ウム(Ge)基板10表面のガードリング領域12上を
除く領域を7オトレジスト膜14でマスクし、ペリリニ
ウム(Be)をlXl0 ”/c+at o 。
Ke′%Jcイオン注入して、ガードリング12を形成
する。
第9図参照 〜7オトレジスト膜14を除去し7、新たに受光部11
上を除く領域をフォトレジスト膜15でマスクし、ホロ
ン(f3)を4X101”/cJ4oKeV で4 オ
ン注入して、受光部11と電界強度一定層13とを形成
する。
第4図、第10図参照 フォトレジスト膜15を除去し、550°C1時間程度
の熱処理を行い、イオン注入された不純物の活性化と拡
散とを実行すると第4図に示す如きp+in型の層構造
が完成する。なお、ベリリュウム(Be)の拡散分布は
ガウス分布とけならず、第7図に示す如く緩徐な勾配と
して伸延し、傾斜型PN接合となり、−N接合も深いの
で、望ましいガードリング効果を得ることができる。
この時の受光部におけるボロン(至)元素の濃度グロフ
ァイルをIMA法により測定した結果を第10図に示す
。上記の事項をよく説明していることがわかる。
第11図参照 チャンネルストップ領域16以外をフォトレジスト膜1
7でマスクし、砒素6Ns )等のn型不純物をイオン
注入する。注入条件はI Xi O” ’/c!11.
130KeV程度が適当である。尚、熱処理はここでな
しても、後になされる高温工程をもって兼ねても全く効
果は同一である。
第12図参照 フォトレジスト膜17を除去して、素子を囲む領域18
上を厚さa、oooX程度の二酸化シリコン(Stog
)層よりなる表面保護膜19で覆い、受光部11上には
厚さ1.7so、L@変の窒化シリコン(SisNa)
層よりなる反射防止膜2oを形成し、受光部11を囲ん
で、アルミニュウム(AI )よりなる負電極21を形
成し1APDを完成する。
以上の如くして製造された本発明の一実施例にがかるA
PDとほぼ同一の寸法を有し、受光部においてほぼ同一
の降伏電圧を有する従来技術におけるp + H型の層
構造を基本とするAPDとの特性を比較すると下記の如
くなる。
電界強度Eと表層からの距離dとの関係は第13図に示
す如くであり、最大電界強度は従来技術における場合2
.07 X 10 ’V/C11であるに反し、本発明
の一実施例[、%7.APDにおいては1.12X10
  V/cmであり、約I A2に低減されている。な
お、受光部における降伏電圧は、従来技術におけるもの
が33.8Vであるに反し、本発明の一実施例において
は5tsVで予期のとおりほぼ同程度であった。又、ガ
ードリング部の降伏電圧は約4sVであり、十分なガー
ドリング効果が実証された。
上記の層構造と電界強度分布とを有する本発明の一実施
例に係る人PDと従来技術におけるp+n型APDとの
過剰雑音係数η対増倍率−との関係は第14図に示す如
く、大幅に改善されていることが認められる。図におい
て、曲線人は本発明の一実施例に係るAPDの結果を示
し曲線Bは従来技術におけるAPDの結果を示す。なお
、この測定は、波長1.3μmの単色光を照射し、測定
周波数3oMH2,バンド幅IMH1の高周波電圧を使
用してなした。初期光電流Ipo  け1,0μAであ
つた。図より明らかなように、増倍率−が10の場合に
おける過剰雑音係数(ト)は従来技術における場合約8
〜9であるが、本発明の一実施例における場合約4.6
 であり、おおむね半減している。
なお、本発明において、注目すべき利点は、第15図に
その結果を示すように、長波長帯域において、低雑音化
がはかれることである。図は上記の本発明の一実施例に
係るゲルマニメウム(Ge)APDに対し波長1.3μ
mと1.55μmとの2種の単色光を別々に照射した場
合の結果であるが、曲線Cが1.3μmJfc対する場
合と、曲線りが1.55μmに対する場合である。なお
、測定周波数とそのバンド幅とはそれぞれ30MHz、
IMHzであり。
初期光電流Ipoは1.0μ人でありた。
以上の説明にありては、ボロン(B)のイオン注入にお
ける拡散特性を利用した製造方法についてのみ記載され
ているが、本発明の要旨は上記のとおり、p型層よりな
るガードリングの外周はn型層であり、受光層に対接す
る領域のみにガードリングよりも浅い厚さにi型層より
なる電界強度一定層が存在している層構造を基本とする
ゲルマニュウム(Ge)APDであり、かかる層構造は
、上記せる製造方法Kかぎらず、n型のゲルマニュウム
(Ge)基板の受光部領域にエツチング法を用いて凹部
な形成し2、ここに、i型ゲルマニュウム(Ge)層と
p+型ゲルマニ瓢ウつ(Ge)層とを重ねてエピタキシ
ャル成長させた後、その周囲にガードリングを形成する
等の方法によって形成すると、とも可能である。
以上説明せるとおり、本発明によれば、1μm波長帯に
感光波長域を有するゲルマニュウム(Ge)を用いたA
PDにおいて、過剰雑音特性の改善されたAPDを提供
することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、ゲルマニュウムの電子イオン化率((4と正
孔イオン化率いとイオン化率比(k、=a//i)が電
界強度に依存して変化する特性を示すグラフである。第
2図は従来技術におけるp型シリコンを基板とするn”
p−p型層構造を有するシリコンAPDの断面図であり
、第3図は第2図に示すところと同一の原理にもとづ〈
従来技術におけるn型ケルマニュウムを基板とするp”
n  n型層構造を有するゲルマニュウムAPDの断面
図である。第4°図は本発明の一実施例に係る、n型ゲ
ルマ二ュウムを基板とするAPDO層構造を示す断面図
である。第5図は本発明の詳細な説明するためのグラフ
であり、電界強度対層厚に対する空乏層の拡がりを示す
。第6図はn型不純物を含有するゲルマニュウム基板に
ボロンをイオン注入したとき形成される不純物濃度プロ
ファイルを示すグラフであり、第7図は同一基板にベリ
リュウムをイオン注入したとき形成される不純物濃度プ
ロファイルを示すグラフである。第8.9,11.12
図は本発明の一実施例に係るゲルマニュウムAPDの主
要製造工程における基板断面図である。第10図は本発
明の一実施例に係るゲルマニュウムへPDの電界強度一
定層が形成された状態におけるボロンイオン濃度プロフ
ァイルをIMA法を使用して測定した結果である。第1
3図は本発明の一実施例に係るρ+in型層構造を有す
るゲルマニュウムAPDにおける電界強度対空乏層厚さ
との関係と従来技術におけるp”am層構造を有するゲ
ルマニュウムAPDにおけゐ電界強度対空乏層厚さとの
関係とを比較するグラフである。第14図は本発明の一
実施例に係るゲルマニュウムAPDと従来技術における
p+ n型層構造を有するゲルマニュウムAPDとにお
ける過剰雑音係数口対増倍率(財)とを比較するグラフ
である。第15図は本発明の一実施例に係るゲルマニュ
ウムAPDの過剰雑音係数(ト)と増倍率−との関係を
光波長をノくラメータとして比較したグラフである。 1@−”9型シリコン基板、 2・・・p−型シリコン
層、  311n+型シリコン層(受光部)、4・・・
n型シリコン層(ガードリング)、5・・・n Ml 
)l kマニ、ラム基板、6@・・nl!ケルマニエウ
ム層、 7・・・p+型ゲルマニネウム層(受光部)、8・・・
p型ゲルマニ≦ウム層(ガードリング)、9・1ガード
リングの表層部、  10@・・nuゲルマニュウム1
.11・・り十型ケルマニュウム層(受光部)、 12
・・・p型ゲルマニュウム層(ガードリング)、 13・・・l型ゲルマニュウム層(電界強度一定層)、
14.115.17・・・フォトレジスト膜、16・・
φチャンネルストップ領域、 1B・・・素子を囲む領域、  19・・・表面保護紙
20・・・反射防止膜、  21・・・負電極、第1図 電界8虐c+o5V/C,11) 表面よりの深さ9)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. n型のゲルマニシウム単結晶よりなる基板上に形成され
    たp型のゲルマニ晶つム単結晶層よりなる受光部と該受
    光部を囲んでこれよ抄深くまで形成されたpHのゲルマ
    ニ具つム単結晶層よりなるガードリングとを有する半導
    体受光素子におい二前記受光部と前記基板との間のみに
    前記ガードリングの下縁より浅く形成された。キャリア
    濃度の極めて少ないゲルマニ^ウム単結晶よりなる電界
    強度一定層を有することを特徴とする半導体受光素子。
JP56161280A 1981-10-09 1981-10-09 半導体受光素子 Pending JPS5861682A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5223919A (en) * 1987-02-25 1993-06-29 U. S. Philips Corp. Photosensitive device suitable for high voltage operation
US7015560B2 (en) * 2003-02-25 2006-03-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Light-receiving device, method for manufacturing the same, and optoelectronic integrated circuit comprising the same

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US5223919A (en) * 1987-02-25 1993-06-29 U. S. Philips Corp. Photosensitive device suitable for high voltage operation
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