JPS62101088A - アバランシエ・フオトダイオ−ド - Google Patents

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】 発明の要約 不純物濃度分布がｐｎ接合の界面からの距離をＸとして
、ｘｎにしたがって変化し、ｎく０であり、これがｐ側
またはｎ側の少なくとも一方で満足されていることを特
徴とするアバランシェ・フォトダイオードであり、これ
によって印加電圧を低減させることができ、かつ応答の
高速化が期待できる。

［技術分野］ この発明は、アバランシェ効果またはなだれ降伏を利用
したアバランシェ・フォトダイオードに関する。

［従来技術］ 第１図は、リーチ・スルー型従来のアバランシェ・フォ
トダイオードの不純物濃度分布を示しでいる。

逆バイアスを印加することによってｎ＋層とｐ層間に高
電界が発生し、フ十トン人射によってキャリアのなだれ
増幅を起こす。発生したキャリアは飽和速度で走行する
ように設計された厚いπ層を通過する。

Ｎ　はアクセプタのキャリア濃度を、ＮＤはドナーのキ
ャリア濃度をそれぞれ示している。また、ｎ＋層は、厚
さが〜０．３μｍ程度でキャリア濃度は１０１９ｃｍ−
３程度９１層は、厚さが数μｍでキャリア濃度は５　Ｘ
　１０１５ｃｍ−”程度、π層は、厚さが数１０μｍで
キャリア濃度は１０１４ｃｍ−３程度、ｐ　層は、基板
であって、そのキャリア濃度は１０１９ｃｍ−３程度で
ある。

このような液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）で作成し
た従来のアバランシェ・フォトダイオードでは、不純物
分布が階段状となるために、なだれ効果を起こすために
は１００（Ｖ）以上の電圧を必要とする。

したがって、２〜３（Ｖ）で駆動するような回路が多い
中で、このような高電圧を必要とする素子は実用上使い
にくいという問題があった。

定量的に多少詳しく検討してみよう。

ｐｎ接合の界面を原点とし、この原点からの距離をＸと
する。不純物分布が第１図に示すように階段状となって
いる（階段接合）場合には、空乏層の電界Ｅは次式で与
えられる。

ここで、Ｎはキャリア濃度、■は逆方向電圧。

ε。は真空中の誘電率、ε、は材料の比誘電率。

ｅは電荷をそれぞれ示す。

材料をＳｉとした場合１アバランシユ効果が起きるため
には空乏層に４ＸｌＯ”　　（Ｖ／ｃｍ）以上の電界が
必要である。

Ｎ　＝　５　Ｘ　１０１５ｃｍ−３とした場合アバラン
シュ効果が起きるためには第（１）式よりＶ　−２００
（Ｖ）程度必要となる。

［発明の目的］ この発明は、上記の問題を解決し、主に低い印加電圧で
動作可能なアバランシェ・フォトダイオードを提供する
ことを目的とする。

［発明の構成と効果］ この発明によるアバランシェ争フォトダイオードは、不
純物濃度分布がｐｎ接合の界面からの距離をＸとして、
Ｘ　にしたがって変化し、ｎ＜０であり、これがｐ側ま
たはｎ側の少なくとも一方で満足されていることを特徴
とする。このようなｐｎ接合は、低温成長で不純物濃度
が制御可能な分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法で形成
することができる。

この発明によれば、不純物濃度分布がｐｎ接合面からの
距離とともに変化しているので、なだれ効果の生じる電
圧を従来の数分の１に低減させることができる。また、
この本発明によれば空乏層幅の拡がりが従来のものより
小さいことが期待されるため、応答速度の高速化も達成
できる。

［実施例の説明］ 第２図は、この発明によるリーチ・スルー型のアバラン
シェ・フォトダイオードにおける不純物濃度分布の一例
を示している。不純物分布は対称形である。ｐ層および
ｎ　層において、ｐｎ接合界面を原点としてそこからの
距離をＸとして、不純物濃度分布がａ　ｘ’　　（ｎ　
＜　０）の対称形で与えられている。

このような不純物分布のｐｎ接合においては。

空乏層の幅ｄは次式で与えられる。

ここで、■は逆方向電圧であり、ε　、ε　。

０　　「 ｅは、上述したように、それぞれ真空中の誘電率２材料
の比誘電率、電荷を示す。

このときの空乏層に印加されている電界の最大値をＥと
すると、Ｅとｄとの間には次の関係が成立する。

アバランシュ効果を考える際には、トンネル（ツェナー
）効果によるブレーク・ダウンに注意しておかねばなら
ない。もし、アバランシュ効果が起きる電圧よりも低い
印加電圧でツェナー降伏が生じると、アバランシュ効果
は全く期待できない。

ツェナー降伏が発生するのは空乏層の幅が拡がりかつ印
加電圧に対して小さい場合である。第（２）式よりｎが
大きくなるにしたがって空乏層幅ｄの拡がりは小さくな
ることがわかる。したがって、アバランシュ効果が起き
やすくなるにはｎが小さい方が良い。

従来からのｐｎ接合作製法としては液相エピタキシャル
法（ＬＰＥ）と拡散法がひろく用いられていた。液相エ
ピタキシャル法においてはｐｎ接合が階段接合（ｎ＝ｏ
）になるのに対して、拡散法においては傾斜接合（ｎ−
１）となるために、アバランシェ・フォトダイオードと
して使用できる範囲が狭く限られていた。これが上述し
た従来例の問題点である。

このような問題点の解決のために、この発明ではｎ＜Ｏ
に設定されている。−例として、　　ａ　−１４−２，
５ ＩＱ　　ａｍ　　　、　　ｎ＝−０，５，材料をＳｔと
した場合の不純物濃度分布が第３図に示されている（ｐ
側。

ｎ側対称形）。

ト記の条件を与えた場合に、第（２）式からｄは次のよ
うになる。

また第（３）式より Ｅ−ｄ−３Ｖ　　　　　　　　　　　　　　・・・（５
）が成立する。

−に連の条件、すなわちａ　−１０１４ｅｉ−２°５と
した場合箱（４）　、　（５）式よりＶ−３０（Ｖ）程
度テアバランシュ効果が発生する。これは従来の１００
（Ｖ）を超えていたものに比べて格段に小さい値である
。

また、この時の空乏層幅の拡がりは階段接合の場合に比
べて１／３程度であるからキャリアの走行時間を短縮す
ることが見込める。したがって従来のアバランシェ・フ
ォトダイオードより、より高速化が期待できる。

ｎの値を変化させたときにアバランシュ効果が発生する
電圧Ｖをｎｍ−０，５の付近で計算すると以下のように
なる。

ｎ−−０，２のとき　　Ｖ　−１５０（Ｖ　）ｎ−−０
，８のとき　　Ｖ　−２０（Ｖ　）以上よりｎを小さく
すればする程低い電圧でアバランシュ効果が発生し効果
が大きくなることがわかる。

ｐｎ接合における不純物濃度分布ａｘｎ（ｎ＜０）の条
件は、ｐ側、ｎ側の少なくともいずれか一方で満足して
いればよい。

ＭＢＥ法等の低温でしかも原子オーダの成長制御が可能
な結晶成長法を用いれば、上述のようなｐｎ接合を得る
ことができ、しかも不純物プロファイルを適当に選ぶこ
とによってアバランシェ・フォトダイオードとして使用
できる範囲を任意に選ぶことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のアバランシェ・フォトダイオードの不
純物濃度分布の一例を示すものである。 第２図は、この発明によるアバランシェ・フォトダイオ
ードの不純物濃度分布の一例を示すものである。 第３図は、この発明のアバランシェ”フォトダイオード
において、特定の条件下で不純物濃度を計算した結果を
示すグラフである。 以　　上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 不純物濃度分布がｐｎ接合の界面からの距離をｘとして
   、ｘ＾ｎにしたがって変化し、ｎ＜０であり、これがｐ
   側またはｎ側の少なくとも一方で満足されていることを
   特徴とするアバランシェ・フォトダイオード。