JPS61229371A - フオトダイオ−ド - Google Patents
フオトダイオ−ドInfo
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- JPS61229371A JPS61229371A JP60070118A JP7011885A JPS61229371A JP S61229371 A JPS61229371 A JP S61229371A JP 60070118 A JP60070118 A JP 60070118A JP 7011885 A JP7011885 A JP 7011885A JP S61229371 A JPS61229371 A JP S61229371A
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
- H01L31/08—Semiconductor 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
- H01L31/10—Semiconductor 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
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- H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(発明の技術分野)
本発明は、半導体基板上に所望の光を吸収して光励起キ
ャリアを発生する光吸収層と前記光キャリアを外部電流
としてとり出すためのp−n接合もしくはp−1−n構
造を備えたヘテロ構造のフォトダイオードに関するもの
である。
ャリアを発生する光吸収層と前記光キャリアを外部電流
としてとり出すためのp−n接合もしくはp−1−n構
造を備えたヘテロ構造のフォトダイオードに関するもの
である。
(従来技術とその問題点)
石英系光ファイバの極低損失波長帯である1、5〜1.
6μ餉帯での長距離大容量光ファイバ通信システムに用
いられる光検出器として、■−■族化合物半導体中でも
InGaAs/ In P結晶からなるヘテロ構造アバ
ランシェフォトダイオード(A P D)またはPIN
フォトダイオード(PIN−PD)は、高速、高感度の
光検出器が実現可能なことから鋭意開発が進められてい
る。ここで、例えばInGaAs/ In P A
P Dでは高速、高感度な性能を得るために、種々の構
造パラメータの最適化が必要である。その中でも重要な
ものとして、まず、InP中でのトンネル電流を低減す
るためのキャリア濃度に対する条件から、InP中に形
成されたpn接合の位置から光吸収層であるInGaA
sのへテロ界面までの距離として、通常約1〜2μmの
値が選ばれる。さらに、高い量子効率を達成するために
InGaAs光吸収層厚は2〜3μmが必要となること
などから、ブレークダウン電圧は通常70V以上程度と
高い。また、上記2〜3μ−の層厚を有する光吸収層全
領域を空乏化させるためには、光吸収層のキャリア濃度
を5X10”cm−”程度と低濃度化が必要である。こ
のように、従来のへテロ構造APDではブレークダウン
電圧ガ高いために、バイアス回路に与える負担が大きく
、また、極めて低濃度のInGaAs光吸収層を形成す
る必要から、結晶成長にも特別な工夫を要するなどの欠
点があった。
6μ餉帯での長距離大容量光ファイバ通信システムに用
いられる光検出器として、■−■族化合物半導体中でも
InGaAs/ In P結晶からなるヘテロ構造アバ
ランシェフォトダイオード(A P D)またはPIN
フォトダイオード(PIN−PD)は、高速、高感度の
光検出器が実現可能なことから鋭意開発が進められてい
る。ここで、例えばInGaAs/ In P A
P Dでは高速、高感度な性能を得るために、種々の構
造パラメータの最適化が必要である。その中でも重要な
ものとして、まず、InP中でのトンネル電流を低減す
るためのキャリア濃度に対する条件から、InP中に形
成されたpn接合の位置から光吸収層であるInGaA
sのへテロ界面までの距離として、通常約1〜2μmの
値が選ばれる。さらに、高い量子効率を達成するために
InGaAs光吸収層厚は2〜3μmが必要となること
などから、ブレークダウン電圧は通常70V以上程度と
高い。また、上記2〜3μ−の層厚を有する光吸収層全
領域を空乏化させるためには、光吸収層のキャリア濃度
を5X10”cm−”程度と低濃度化が必要である。こ
のように、従来のへテロ構造APDではブレークダウン
電圧ガ高いために、バイアス回路に与える負担が大きく
、また、極めて低濃度のInGaAs光吸収層を形成す
る必要から、結晶成長にも特別な工夫を要するなどの欠
点があった。
このような欠点を取り除き、高信頌度でかつ高歩留まり
でヘテロ構造APDを作製するためには、できる限りブ
レークダウン電圧が低く、また、比較的容易に得られる
キャリア濃度で動作する素子が望まれている。
でヘテロ構造APDを作製するためには、できる限りブ
レークダウン電圧が低く、また、比較的容易に得られる
キャリア濃度で動作する素子が望まれている。
(発明の目的)
本発明の目的は、ブレークダウン電圧の低減化が図られ
、吸収層のキャリア濃度を著しく下げることをなくして
高速、高感度で動作するヘテロ構造のフォトダイオード
を提供することにある。
、吸収層のキャリア濃度を著しく下げることをなくして
高速、高感度で動作するヘテロ構造のフォトダイオード
を提供することにある。
(発明の原理、構成及び作用)
以下図面により本発明を従来技術と対比して詳細に説明
する。
する。
本発明は、特にAPDに効果を発揮されるため、APD
について説明する。
について説明する。
図1は、従来作製されてきた高性能のInGaAs吸収
層P APDの断面構造と電界(実線)及び電位分布
(破線)を示している。■はInPアバランシェ領域、
■はInGaAs光吸収層であり、PN接合はJで示さ
れた界面に形成されている。なお、簡単のため、通常高
速化のために■と■間に配置されるInGaAs P層
は省略した。ここで、Nl、NTは各々InP層とIn
GaAs層のキャリア濃度、d、tは各層厚である。I
nGaAs層全体が空乏化するのに要する印加電圧V、
は、ポアソン方程式を解いて次式で与えられる。
層P APDの断面構造と電界(実線)及び電位分布
(破線)を示している。■はInPアバランシェ領域、
■はInGaAs光吸収層であり、PN接合はJで示さ
れた界面に形成されている。なお、簡単のため、通常高
速化のために■と■間に配置されるInGaAs P層
は省略した。ここで、Nl、NTは各々InP層とIn
GaAs層のキャリア濃度、d、tは各層厚である。I
nGaAs層全体が空乏化するのに要する印加電圧V、
は、ポアソン方程式を解いて次式で与えられる。
Va =7(F4 +El ) d+、Eat・−−一
−−−−・■ここに、E、、E、は各々pn接合及びヘ
テロ界面での電界強度であり、各パラメータはeN。
−−−−・■ここに、E、、E、は各々pn接合及びヘ
テロ界面での電界強度であり、各パラメータはeN。
−d−E、−E、 −−−−−−−〜−−−・・−・
■εI で関係づけられる。但し、eは電子の素電荷、ε8.ε
7は各々InPとI nGaAsの誘電率である。ここ
で、高性能なAPDを実現するためには、その設計条件
としてヘテロ界面でのトンネル電流を防止するためにE
I〈1.5×1oSv/11、十分ナアハランシエ増倍
を得るためにE s > 5 X 10’ V/m −
pn接合でのトンネル電流を防止するためにN、<5×
10Ith3−”、また、十分高い量子効率を達成する
ためにt>2μ鋼の各条件が必要であることが知られて
いる。これらの条件を0式と0式に適用すると、従来の
APDではブレークダウン電圧がV、>70Vと高く、
また、InGaAs層のキャリア濃度はNT< 5 X
IO”clm−’と極めて低くしなければならなかった
。
■εI で関係づけられる。但し、eは電子の素電荷、ε8.ε
7は各々InPとI nGaAsの誘電率である。ここ
で、高性能なAPDを実現するためには、その設計条件
としてヘテロ界面でのトンネル電流を防止するためにE
I〈1.5×1oSv/11、十分ナアハランシエ増倍
を得るためにE s > 5 X 10’ V/m −
pn接合でのトンネル電流を防止するためにN、<5×
10Ith3−”、また、十分高い量子効率を達成する
ためにt>2μ鋼の各条件が必要であることが知られて
いる。これらの条件を0式と0式に適用すると、従来の
APDではブレークダウン電圧がV、>70Vと高く、
また、InGaAs層のキャリア濃度はNT< 5 X
IO”clm−’と極めて低くしなければならなかった
。
本発明は、上述した問題点を解消するためになされたも
ので、その特徴はInGaAs吸収層に沿って、光の入
射面と反対側に反射器として動作する反射領域を設けた
ことにあり、その結果量子効率を低下させることなく吸
収層厚を薄くすることが可能となった。
ので、その特徴はInGaAs吸収層に沿って、光の入
射面と反対側に反射器として動作する反射領域を設けた
ことにあり、その結果量子効率を低下させることなく吸
収層厚を薄くすることが可能となった。
図2に本発明により、光吸収層厚を従来より、薄くする
ことが可能となったAPDの断面構造と電界(実線)及
び電位分布(破線)を示す。光吸収層厚は、反射器を導
入したことにより、t’(>%t)と従来の半分になっ
ている。各界面に所望の電界強度を得るのに必要な印加
電圧は、0式において、tをt′に置き換えることによ
って求められる。すなわち、具体的な数値をあてはめる
と、El−5゜4X10’ V/am、 E+= 1.
5X10’V/nとして、InPアバランシェ増倍層の
キャリア濃度を通常容易に作製することができる N、
g++2X10”co+−’とすると、d=1.3#
llとなり、従 ゛来のAPDのように光吸収層
厚をt=2μmとすると、ブレークダウン電圧はV、=
63Vと求まる。
ことが可能となったAPDの断面構造と電界(実線)及
び電位分布(破線)を示す。光吸収層厚は、反射器を導
入したことにより、t’(>%t)と従来の半分になっ
ている。各界面に所望の電界強度を得るのに必要な印加
電圧は、0式において、tをt′に置き換えることによ
って求められる。すなわち、具体的な数値をあてはめる
と、El−5゜4X10’ V/am、 E+= 1.
5X10’V/nとして、InPアバランシェ増倍層の
キャリア濃度を通常容易に作製することができる N、
g++2X10”co+−’とすると、d=1.3#
llとなり、従 ゛来のAPDのように光吸収層
厚をt=2μmとすると、ブレークダウン電圧はV、=
63Vと求まる。
ここで、InGaAs吸収層厚を従来の半分のt′=1
μ鋼とすると、V、’ −54Vと、従来に比べ9v
低下させることができる。さらに、従来極めて低キヤリ
ア濃度化が必要だったInGaAs吸収層のキャリア濃
度を容易に作製が可能なNア′αIXIOI−am −
”という値で、上記の特性を得ることができる。
μ鋼とすると、V、’ −54Vと、従来に比べ9v
低下させることができる。さらに、従来極めて低キヤリ
ア濃度化が必要だったInGaAs吸収層のキャリア濃
度を容易に作製が可能なNア′αIXIOI−am −
”という値で、上記の特性を得ることができる。
叉1炎上
図3は、本発明による光吸収層と平行に反射器が設けら
れたAPDの第1の実施例であり、反射器としてヘテロ
接合分布反射器が用いられている。
れたAPDの第1の実施例であり、反射器としてヘテロ
接合分布反射器が用いられている。
1はn −−In P層、2はp”−InP層、3はI
nGaAs光吸収層、4及び4′はn−InP層、5は
InP −InGaAs P (例えば1.3μ1組成
)の多層周期構造からなる分布反射器である。入射光は
無反射コーティング6を通して効率良くフォトダイオー
ド内に透過され、その一部が光吸収層3で吸収され、電
子−正孔対に変換される。なお、9はp側電極、10ば
n側電極、11はガードリング、12はpn接合である
。光吸収層3は従来に比べ半分程度の厚さであるため、
すべて吸収されずにさらに透過した光は分布反射器5に
到達する。ここで、分布反射器5は、入射光に対して高
い反射率を有するようにその各層厚及び周期が設定され
ているため、光はここで反射され、再度光吸収層3に入
射され吸収されるため、結局、フォトダイオードへの入
射光は、高い量子効率で電子−正孔対に変換されること
となる。生成した正孔は、n−−InP層I内の高電界
領域でアバランシェ増倍を受け、高利得で外部電流とし
て取り出される。なお、図では分布反射器5としてIn
P −1nGaAs Pの数層の多層構造が示されて
いるが、数十層の多層膜構造にして反射率を高めた方が
良いことは言うまでもない。
nGaAs光吸収層、4及び4′はn−InP層、5は
InP −InGaAs P (例えば1.3μ1組成
)の多層周期構造からなる分布反射器である。入射光は
無反射コーティング6を通して効率良くフォトダイオー
ド内に透過され、その一部が光吸収層3で吸収され、電
子−正孔対に変換される。なお、9はp側電極、10ば
n側電極、11はガードリング、12はpn接合である
。光吸収層3は従来に比べ半分程度の厚さであるため、
すべて吸収されずにさらに透過した光は分布反射器5に
到達する。ここで、分布反射器5は、入射光に対して高
い反射率を有するようにその各層厚及び周期が設定され
ているため、光はここで反射され、再度光吸収層3に入
射され吸収されるため、結局、フォトダイオードへの入
射光は、高い量子効率で電子−正孔対に変換されること
となる。生成した正孔は、n−−InP層I内の高電界
領域でアバランシェ増倍を受け、高利得で外部電流とし
て取り出される。なお、図では分布反射器5としてIn
P −1nGaAs Pの数層の多層構造が示されて
いるが、数十層の多層膜構造にして反射率を高めた方が
良いことは言うまでもない。
裏施適1
図4は、本発明による第2の実施例であり、反射器とし
て平坦な半導体表面を用いた例である。
て平坦な半導体表面を用いた例である。
7はエツチングにより平坦な面を出すために設けられた
InGaAs P層であり、InPの選択エツチングを
施すと、エツチングはInGaAs P層7の界面で止
まり、その界面は反射器として用いることができる。す
なわち、InP基板4′だけを溶かすようなエツチング
液を用いることにより、InGaAs P層7の界面(
InP基板4′に面した界面)でエツチングが止まり、
その界面は非常に平坦な表面にすることができる。この
際、表面にAu膜8を施すことにより、高反射率を実現
することができる。
InGaAs P層であり、InPの選択エツチングを
施すと、エツチングはInGaAs P層7の界面で止
まり、その界面は反射器として用いることができる。す
なわち、InP基板4′だけを溶かすようなエツチング
液を用いることにより、InGaAs P層7の界面(
InP基板4′に面した界面)でエツチングが止まり、
その界面は非常に平坦な表面にすることができる。この
際、表面にAu膜8を施すことにより、高反射率を実現
することができる。
なお上述では、反射器となる平坦な半導体として、In
GaAs Pを用いたが、基板をエツチングするエツチ
ング液で溶けない半導体なら他のものでも良いことは言
うまでもない。
GaAs Pを用いたが、基板をエツチングするエツチ
ング液で溶けない半導体なら他のものでも良いことは言
うまでもない。
以上の説明では、APDについて示したが、PINフォ
トダイオードについても適用が可能である。また、半導
体表面(上部)から光を入射する実施例について示した
が、裏面(基板側)から入射する場合についても適用可
能であることは言うまでもなく、この場合には、反射器
は光吸収層に対して、反対側(表面側)に設ければよい
。更に、半導体材料として、InP基板に格子整合した
InGaAs P系について示したが、AA’夏nGa
As系。
トダイオードについても適用が可能である。また、半導
体表面(上部)から光を入射する実施例について示した
が、裏面(基板側)から入射する場合についても適用可
能であることは言うまでもなく、この場合には、反射器
は光吸収層に対して、反対側(表面側)に設ければよい
。更に、半導体材料として、InP基板に格子整合した
InGaAs P系について示したが、AA’夏nGa
As系。
A I GaAsSb系+ A InGaAs系など
についても適用可能である。
についても適用可能である。
(発明の効果)
以上詳細に説明したように、本発明によれば、フォトダ
イオードの光吸収層厚を従来より薄くすることができる
ため、その公印加電圧の低減化が可能であり、さらに、
キャリア濃度も著しく下げる必要がないため、高歩留ま
りが期待され、その効果は極めて大きい。
イオードの光吸収層厚を従来より薄くすることができる
ため、その公印加電圧の低減化が可能であり、さらに、
キャリア濃度も著しく下げる必要がないため、高歩留ま
りが期待され、その効果は極めて大きい。
図1及び図2はAPDの光吸収層の層厚が異なる場合の
電界(実線)及び電位(破線)分布を示す図、図3及び
図4は本発明による反射器として各々へテロ接合分布反
射器及び半導体表面を用いたAPDの実施例の断面図で
ある゛。 I・・・アバランシェ領域、 ■・・・光吸収層1、l
”pn接合、 l・−n−−InP層、 2 ・P ”
−InP層、 3 ・・−n −−InGaAs光吸収
層、4−=n−1nP層、 4’ −n”−1nP基板
、5− In P −InGaAs P分布反射器(反
射領域)6・・・無反射コーティング、 7・・・n
−1nGaAs P層(反射領域)、 8・・・Au
膜、 9・・・p側電極、 10・・・n側電極、 1
1・・・ガードリング。
電界(実線)及び電位(破線)分布を示す図、図3及び
図4は本発明による反射器として各々へテロ接合分布反
射器及び半導体表面を用いたAPDの実施例の断面図で
ある゛。 I・・・アバランシェ領域、 ■・・・光吸収層1、l
”pn接合、 l・−n−−InP層、 2 ・P ”
−InP層、 3 ・・−n −−InGaAs光吸収
層、4−=n−1nP層、 4’ −n”−1nP基板
、5− In P −InGaAs P分布反射器(反
射領域)6・・・無反射コーティング、 7・・・n
−1nGaAs P層(反射領域)、 8・・・Au
膜、 9・・・p側電極、 10・・・n側電極、 1
1・・・ガードリング。
Claims (3)
- (1)半導体基板上に所望の光を吸収して光励起キャリ
アを発生する光吸収層と前記光キャリアを外部電流とし
てとり出すためのp−n接合もしくはp−i−n構造を
備えたヘテロ構造のフォトダイオードにおいて、前記光
吸収層の光が入射する側とは反対側に、入射光に対し高
反射率を有する反射領域が設けられていることを特徴と
するフォトダイオード。 - (2)上記反射領域が、ヘテロ構造分布反射領域からな
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のフォト
ダイオード。 - (3)上記反射領域が、平坦な半導体面からなることを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載のフォトダイオー
ド。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP60070118A JPS61229371A (ja) | 1985-04-04 | 1985-04-04 | フオトダイオ−ド |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP60070118A JPS61229371A (ja) | 1985-04-04 | 1985-04-04 | フオトダイオ−ド |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS61229371A true JPS61229371A (ja) | 1986-10-13 |
Family
ID=13422313
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP60070118A Pending JPS61229371A (ja) | 1985-04-04 | 1985-04-04 | フオトダイオ−ド |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS61229371A (ja) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63204666A (ja) * | 1987-02-16 | 1988-08-24 | フィリップス エレクトロニクス ネムローゼ フェンノートシャップ | 放射感知半導体デバイス |
JPH02228078A (ja) * | 1989-02-28 | 1990-09-11 | Hikari Keisoku Gijutsu Kaihatsu Kk | 受光素子 |
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