WO2005076371A1 - アバランシ・フォトダイオード - Google Patents

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WO2005076371A1
WO2005076371A1 PCT/JP2005/001599 JP2005001599W WO2005076371A1 WO 2005076371 A1 WO2005076371 A1 WO 2005076371A1 JP 2005001599 W JP2005001599 W JP 2005001599W WO 2005076371 A1 WO2005076371 A1 WO 2005076371A1
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light absorption
low
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thickness
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PCT/JP2005/001599
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Inventor
Tadao Ishibashi
Seigo Ando
Yukihiro Hirota
Original Assignee
Ntt Electronics Corporation
Nippon Telegraph And Telephone Corporation
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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 at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode
    • H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure

Definitions

  • the present invention relates to an ultrafast avalanche 'photodiode.
  • Avalanche's photodiode is a device used as an optical receiver with low noise by multiplying carriers (electrons and holes) generated by light absorption by an avalanche mechanism and extracting the output current.
  • the SAM Separatated Absorption and Multiplication
  • an electric field control layer and a band gap gradient layer are provided between the light absorption layer and the avalanche multiplication layer in order to independently control the electric field strength.
  • Avalanche 'photodiodes have been widely introduced in 2.5GbitZs systems and lOGbitZs systems, and are also being developed as elements for next-generation 40GbitZs systems.
  • a hole injection layer using InP which is a structure conventionally typically used as a structure for relatively low-speed operation, is used as an avalanche multiplication layer.
  • InP which is a structure conventionally typically used as a structure for relatively low-speed operation
  • avalanche multiplication layer is used as an avalanche multiplication layer.
  • types “electron injection type” avalanche photodiodes, which are advantageous from the viewpoint of high-speed operation, are attracting attention.
  • Typical electron injection type avalanche photodiodes reported to date are avalanche photodiodes in which the light absorption layer is depleted InGaAs and the avalanche multiplication layer is InAlAs.
  • FIG. 1 is a band diagram showing an operation state of such an electron injection type avalanche photodiode.
  • 41 is an n-type electrode layer
  • 42 is an avalanche multiplication layer (InAlAs)
  • 43 is an electric field control layer
  • 44 is a band gap gradient layer
  • 45 is a low concentration light absorption layer (InGa As)
  • 46 is p Reference numeral 47 denotes a p-electrode. Note that the light absorbing layer 45 is depleted over its entire area.
  • the structure of such an "electron injection type" avalanche photodiode is advantageous for high-speed operation. is there.
  • the band gap force of InAlAs used as the avalanche multiplication layer is larger than the band gap of InP that has been used as the avalanche multiplication layer of the ⁇ hole injection type '' avalanche photodiode.
  • the ionization ratio in the state where the electric field strength is applied must be relatively low, and the operating voltage of the element increases.
  • the light absorption layer is composed of a p-type neutral layer (non-depleted region) and a thin low-concentration layer (depleted region) adjacent to the p-type neutral layer.
  • a structure of an “electron injection type” avalanche photodiode using a certain p-type neutral layer as a main light absorbing layer has also been reported (see Patent Document 1).
  • FIG. 2 is a band diagram showing an operation state of such an electron injection type avalanche photodiode.
  • 51 is an n-type electrode layer
  • 52 is an avalanche multiplication layer
  • 53 is an electric field control layer
  • 54 is a band gap gradient layer
  • 55 is a low concentration light absorption layer (low concentration layer)
  • 56 is a P type light absorption layer.
  • 57 is a p-type electrode layer
  • 58 is a p-electrode.
  • the P-type neutral layer which is a non-depleted region, is an InGaAs layer.
  • the light absorption layer of the electron injection type avalanche photodiode having this structure is mostly occupied by the P-type light absorption layer 56 which is a non-depleted region. That is, this structure is “a structure in which the light absorbing layer is as p-type as possible”.
  • the avalanche photodiode having the structure shown in this figure is an effective structure mainly for reducing the power operating voltage, which is intended to reduce dark current.
  • the thickness of the light absorption layer is designed to be as thick as possible in the range of the frequency response band to be secured.
  • the upper limit of the thickness of the p-type neutral InGaAs layer is larger than the upper limit in the case of using a depleted InGaAs layer. This is due to thinning.
  • the avalanche photodiode can be considered as a structure in which a relatively thin avalanche multiplication layer is connected to a pin-type photodiode.
  • the band gradually decreases from the intrinsic band (intrinsic 3dB band) operating as a pin photodiode to a line with a constant gain band product.
  • intrinsic 3dB band operating as a pin photodiode to a line with a constant gain band product.
  • the intrinsic 3dB band during pin operation is dominated by the carrier transit time in the light absorption layer and the multiplication layer.
  • the multiplication layer is much thinner than the light absorption layer, so the carrier transit time in the light absorption layer is the dominant factor for determining the characteristics. .
  • the electric field strength must be 50 kVZcm or more, that is, the voltage must be at least 6 V or more. Therefore, the electric field strength of the light absorption layer at the time of avalanche multiplication is usually designed to be about 100 kVZcm, and the voltage drop of the light absorption layer is considerably large at 12 V.
  • ⁇ is determined by the electron diffusion time. Since the holes generated in the ⁇ -type light absorbing layer are majority carriers, they respond not as hole motion but as hole current to maintain charge neutrality. Therefore, the hole transport properties do not directly affect the response speed. Assuming that the electron diffusion coefficient is D, the carrier transit time ( ⁇ ) is
  • the electron mobility is 6, OOOcm Vs and the diffusion coefficient is about 150 cm 2 Zs.
  • the thickness of the light absorption layer is 0.6 m, which is about half the thickness of the depleted light absorption layer, so the quantum efficiency in the 1.5 m band is less than 50%, realizing a highly sensitive avalanche photodiode. It becomes difficult to do.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3141847
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide an ultra-high-speed avalanche capable of simultaneously realizing a low operating voltage and a high quantum efficiency in a used band. Provide a photodiode.
  • the invention according to the first embodiment includes an n-type electrode layer, an avalanche multiplication layer, an electric field control layer, a band gap gradient layer, Layer thickness W
  • An avalanche photodiode including a laminated body in which a light absorbing layer of A and a p-type electrode layer are sequentially laminated, wherein the light absorbing layer is provided on the p-type electrode layer side.
  • It is configured by bonding with a low-concentration layer having a layer thickness W provided on the band gap gradient layer side.
  • each of the p-type layer and the low-concentration layer is different from that of the p-type layer except for a region near a junction interface with the low-concentration layer in the element operation state. !, While maintaining the p-type neutral state, the low-concentration layer is determined to be depleted, and the thickness W of the P-type layer and the thickness of the low-concentration layer are determined. The ratio with W
  • ⁇ ⁇ is the delay time of the device response due to the traveling of carriers generated in the light absorption layer due to light absorption.
  • the delay time due to the ⁇ -type layer is N2
  • the delay time due to the low concentration layer is ⁇
  • the delay time when the entire area of the light absorption layer is the low concentration layer is ⁇ .
  • the invention according to the second embodiment is directed to the avalanche photodiode according to the first embodiment, wherein the ratio of the layer thickness W of the ⁇ -type layer to the layer thickness W of the low-concentration layer is , [(W
  • the invention according to the third embodiment is based on the avalanche 'photodiode according to the first embodiment.
  • the p-type layer and the low-concentration layer are made of an InGaAsP mixed crystal semiconductor, and the depletion thickness of the low-concentration layer during operation of the device is greater than 0.3 m (W> 0.3 / zm).
  • the operating voltage can be significantly reduced as compared with the conventional avalanche photodiode, and a more reliable element can be realized and the power of the optical receiver can be reduced. it can.
  • the present invention provides an ultra-high-speed avalanche photodiode capable of simultaneously realizing a low operating voltage and a high quantum efficiency in a used band.
  • the present invention provides a 10 GbitZs region. And contributes to the stabilization and high performance of ultra-high-speed optical receivers including Brief Description of Drawings
  • FIG. 1 is a band diagram of a conventional typical electron injection type avalanche photodiode during operation.
  • FIG. 2 is a band diagram of the electron injection avalanche 'photodiode disclosed in Patent Document 1 during operation.
  • FIG. 3A is a schematic view of a cross-sectional structure of an avalanche photodiode of the present invention.
  • FIG. 3B is a band diagram of the avalanche photodiode of the present invention during operation.
  • Figure 4 shows the delay time ( ⁇ ) of the element response due to carrier travel and the neutralization light in the 3 dB band.
  • a AD AN A AD AN
  • FIG. 1 A first figure.
  • FIG. 9 is a diagram for describing an example of calculating f and f in the case of a structure of GHz.
  • FIG. 3A and 3B are diagrams for explaining a configuration example of an avalanche photodiode of the present invention
  • FIG. 3A is a cross-sectional view
  • FIG. 3B is a band diagram during operation.
  • 11 is an 11-type 11 ⁇ 11-type electrode layer
  • 12 is an avalanche multiplication layer of InP
  • 13 is an InP electric field control layer
  • 14 is an InGaAsP band gap gradient layer
  • 15 is a low-concentration InGaAs
  • 16 is a p-type InGaAs p-type light absorption layer
  • 17 is a p-type InGaAsP p-type electrode layer
  • 18 and 19 are metal electrodes, which are an n-electrode and a p-electrode, respectively.
  • the p-type light absorbing layer 16 and the low-concentration light absorbing layer 15 are not limited to InGaAs, but may be InGaAsP mixed crystal semiconductor
  • the p-type light absorbing layer 16 keeps P-type neutral (non-depleted light absorbing layer) except for a part thereof, and has a low concentration of light absorption.
  • the doping concentration distribution of each light absorbing layer is determined so that the layer 15 is depleted (depleted light absorbing layer).
  • the voltage drop in the light absorbing layer occurs only in the depleted low-concentration light absorbing layer 15. Therefore, if a similar avalanche multiplication layer is used, the voltage required for operation is lower than that of a conventional avalanche photodiode in which the light absorption layer is completely depleted.
  • the voltage drop in the light absorption layer is typically used in a conventional structure in which depletion is performed over the entire light absorption layer. Is about 12V.
  • the electric field of the light absorption layer during the avalanche multiplication operation is 1
  • the “structure in which the light absorbing layer is as p-type as possible” shown in FIG. 2 is suitable for reducing the operating voltage, but as described above, the When securing (eg, lOGbitZs operation), it is not possible to avoid the restriction that the efficiency is reduced.
  • FIG. 4 shows the delay time (te) of the device response due to carrier traveling and the 3 dB band of the avalanche photodiode of the present invention when the total thickness of the light absorbing layer is 1.2 m.
  • FIG. 9 is a diagram for describing a calculation example of the thickness (W) dependency of the light absorption layer. From this figure,
  • the operating voltage can be reduced by 5 V while maintaining the same quantum efficiency and operating speed as the conventional APD.
  • the operating speed as described in detail in the following ⁇ Second Embodiment, '' the ⁇ depleted light absorbing layer and the P-type light absorbing layer were combined under the condition of a constant light absorbing layer thickness.
  • the “structure” there is always a range of parameters that can realize a higher bandwidth than the conventional avalanche photodiode.
  • the avalanche photodiode described in Patent Literature 1 has the effect of minimizing the surface area by "reducing the thickness of the light absorbing layer to be depleted”. This suppresses the “aging of the dark current over time”, and achieves stable dark current characteristics and high reliability.
  • the present invention determines "the thickness of the depletion region and the non-depletion region so as to minimize the total transit time of carriers", thereby achieving "low voltage and high quantum Realization of both efficiency and efficiency ”is possible.
  • the thicknesses of the depleted region and the non-depleted region are determined independently.
  • the thicknesses of the depleted region and the non-depleted region are minimized under the condition that the total thickness of the light absorbing layer formed by these regions is constant.
  • the thickness of the depleted region and the non-depleted region is determined (optimized) so that
  • the depletion light absorption layer of the avalanche photodiode of the present invention is thicker. Thickness can cause an increase in dark current. Such dark current can be avoided as an avalanche photodiode provided with a guard ring structure to reduce the electric field intensity on the surface.
  • the equations (1) and (1) are basically obtained.
  • V3D is obtained.
  • the avalanche layer is so thin that its influence is ignored.
  • T D AQ D / AI D
  • T N AQ N / AI N (6)
  • a AD AN A AD AN
  • the total carrier transit time ⁇ is generally not a simple sum ( ⁇ + ⁇ ).
  • T Dl (AO m + AO m ) / M D
  • ⁇ ⁇ 2 ( ⁇ 6> ⁇ 2 + ⁇ 02 ) / ⁇ ⁇ (7)
  • the change is AQ + AQ
  • the avalanche of the present invention is optimized by defining W and w.
  • [0063] takes a minimum value at which ⁇ increases and f decreases.
  • a AD AN A AD AN
  • the band is increased by adopting a structure combining the chemical light absorption layer and the P-type light absorption layer.
  • all the minimal points are obviously monotonically increasing functions with respect to W, the total
  • AD total 3dB It can be seen that the maximum value is 55GHz. That is, f in the structure with only the p-type light absorbing layer
  • the expected increase in bandwidth is expected.
  • the operation of the avalanche photodiode is limited by the gain bandwidth product, and the limit is considered to be approximately 200 GHz.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an example of calculating ⁇ and f in the case of a structure having the following structure. From this figure, total 3dB
  • the thickness of the depleted light absorption layer that is practically significant for the operation of the photodiode is W
  • the description has been given based on the charge control model in order to avoid complication of the description.
  • the charge control model is required. It goes without saying that techniques other than the model can be applied. For example, by using a method based on a continuous equation using the velocity electric field characteristics of the carriers in the device or a method based on Monte Carlo mouth calculation, there is no guideline for the method of constructing the avalanche photodiode which is the basis of the present invention. Structural optimization with higher accuracy is possible without making changes.
  • a pseudo electric field is applied to a power band in which the electron transport in the p-type light absorbing layer is handled based on the diffusion mechanism with an inclination.
  • the structure is also effective in shortening the carrier running time. Optimal W and W for this structure
  • the ratio of D is different from the case where the electron transport in the p-type light absorbing layer is only diffusion, the basic idea of the present invention is to ⁇ minimize the total transit time of carriers '' t. Based on V, the device can be designed.
  • the present invention makes it possible to provide an ultra-high-speed avalanche photodiode capable of simultaneously realizing a low operating voltage and a high quantum efficiency in a used band.

Abstract

　動作電圧の低電圧化と使用帯域での高量子効率化とを同時に実現可能な超高速アバランシ・フォトダイオードを提供する。アバランシ・フォトダイオードの動作状態において、ｐ型光吸収層（１６）はその一部を除いてｐ型中性（非空乏化光吸収層）を保ち、かつ、低濃度光吸収層（１５）は空乏化（空乏化光吸収層）する様に、各々の光吸収層のドーピング濃度分布が決定されている。また、ｐ型光吸収層（１６）の層厚ＷＡＮと低濃度光吸収層（１５）の層厚ＷＡＤとの比は、光吸収層の層厚ＷＡ（＝ＷＡＮ＋ＷＡＤ）が一定の条件において、ＷＡＤ＞０．３μｍの範囲であって、かつ、光吸収により光吸収層中に発生するキャリアの走行に伴う素子応答の遅延時間を極少値にするように決定されている。

Description

明 細 書
アバランシ ·フォトダイオード
技術分野
[0001] 本発明は超高速アバランシ 'フォトダイオードに関する。
背景技術
[0002] アバランシ 'フォトダイオード (APD)は、光吸収により発生したキャリア（電子とホー ル)を、なだれ機構により増倍させ、その出力電流を取り出すことによりノイズの低い 光レシーバとして用いるデバイスである。最近の長波長帯域用アバランシ 'フォトダイ オードでは、光吸収層となだれ増倍層とを分離した構造である SAM (Separated A bsorption and Multiplication)構造とされるのが一般的である。この SAM構造 においては、光吸収層となだれ増倍層の電界強度を独立に制御するために、それら の層の間に電界制御層とバンドギャップ傾斜層とが設けられる。
[0003] アバランシ'フォトダイオードは、 2. 5GbitZsシステム及び lOGbitZsシステムに広 く導入されるようになり、さらに次世代の 40GbitZsシステム向けの素子としても開発 がなされつつある。
[0004] このような超高速アバランシ 'フォトダイオードの技術分野においては、比較的低速 動作用の構造として従来典型的に用いられてきた構造であるところの InPをなだれ増 倍層とする「ホール注入型」ではなぐ高速動作の観点から有利となる「電子注入型」 のアバランシ 'フォトダイオードが注目されている。これまでに報告されている代表的 な電子注入型のアバランシ 'フォトダイオードは、光吸収層を空乏化 InGaAsとし、な だれ増倍層を InAlAsとしたアバランシ 'フォトダイオードである。
[0005] 図 1は、このような電子注入型のアバランシ.フォトダイオードの動作状態におけるバ ンドダイアグラムである。この図において、 41は n型電極層、 42はなだれ増倍層（InA lAs)、 43は電界制御層、 44はバンドギャップ傾斜層、 45は低濃度光吸収層（InGa As)、 46は p型電極層、 47は p電極である。なお、光吸収層 45は、その全域にわたつ て空乏化している。
[0006] このような「電子注入型」のアバランシ 'フォトダイオードの構造は高速動作に有利で ある。しかしながら、その反面、そのなだれ増倍層として用いられる InAlAsのバンド ギャップ力 「ホール注入型」のアバランシ'フォトダイオードのなだれ増倍層として用 いられてきた InPのバンドギャップよりも大きいため、一定の電界強度が印加された状 態でのイオンィ匕率が相対的に低くならざるを得ず、素子の動作電圧が高くなつてしま うという問題がある。
[0007] このような構造のほかに、光吸収層を p型中性層（非空乏化領域)とこれに隣接する 薄い低濃度層（空乏化領域)とで構成し、非空乏化領域である p型中性層を主たる光 吸収層とした「電子注入型」のアバランシ ·フォトダイオードの構造も報告されて ヽる ( 特許文献 1参照)。
[0008] 図 2は、このような電子注入型のアバランシ.フォトダイオードの動作状態におけるバ ンドダイアグラムである。この図において、 51は n型電極層、 52はなだれ増倍層、 53 は電界制御層、 54はバンドギャップ傾斜層、 55は低濃度光吸収層（低濃度層）、 56 は P型光吸収層（P型中性層）、 57は p型電極層、 58は p電極である。ここで、非空乏 化領域である P型中性層は InGaAs層である。
[0009] この構造の電子注入型のアバランシ ·フォトダイオードの光吸収層は、殆どが非空 乏化領域である P型光吸収層 56により占められている。すなわちこの構造は、「光吸 収層を可能なかぎり p型とした構造」である。この図に示した構造のアバランシ ·フォト ダイオードは、主として、暗電流の低減を目的とするものである力 動作電圧の低減 化にも有効な構造である。
[0010] ところで、所望のアバランシ 'フォトダイオードの性能を得るためには、光吸収層の 厚さの決定が重要である。なだれ倍増が生じな 、状態 (pinフォトダイオード動作時） でのキャリア発生率 (量子効率)が高くなければ、例えなだれ増倍を行ったとしても高 い SZN比を確保できない。よって、確保すべき周波数応答帯域の範囲において光 吸収層の厚さ (W )を可能な限り厚く設計する理由はこのことによる。
A
[0011] し力しながら、 p型中性層を主たる光吸収層とする図 2に示した構造で lOGbitZs 以上の動作速度を実現しょうとすると、キャリア走行時間と量子効率とのトレードオフ の関係により、光吸収効率 (量子効率）が低下してしまうという問題が生じる。これは、 空乏化した InGaAs層と p型中性の InGaAs層におけるキャリア速度は、前者の方が 遙かに大きいことに起因している。すなわち、キャリア走行時間を一定値以下となるよ うに設計すると、 p型中性の InGaAs層（p型中性層）の厚さの上限は、空乏化した In GaAs層を用いる場合の上限よりも薄くなることによるものである。
[0012] 以下に、確保すべき周波数応答帯域の範囲における光吸収層の厚さの半定量的 な見積りについて説明する。
[0013] アバランシ 'フォトダイオードは、 pin型フォトダイオードに、比較的薄いなだれ増倍 層を接続した構造として考えることができよう。その帯域は、 pinフォトダイオードとして 動作する状態の真性帯域 (真性 3dB帯域)から、なだれ増倍率が増加するにつれて 、利得帯域積一定のラインに漸近するかたちで次第に低下する。しかるべき特性を 得るには、利得帯域積とともに、 pinフォトダイオード動作時の真性 3dB帯域を高く保 つことが重要となる。 pin動作時の真性 3dB帯域は、光吸収層と増倍層中のキャリア 走行時間で支配される。し力しながら、通常のアバランシ 'フォトダイオードの構造で は増倍層は光吸収層よりもはるかに薄いので、光吸収層中のキャリア走行時間が特 性決定のための支配的なファクタとなる。
[0014] 増倍層構造は、光吸収層とはほぼ独立に設計できるものであり、倍増層のキャリア 走行時間は共通に追加されると考えて良い。よって、ここでは、光吸収層のみで決ま ると仮定した際の帯域を考える。電子に比べホールの飽和速度 (V = 5 X 106cm/s h
)ははる力に小さい。従って、光吸収層がすべて空乏化した構造 (光吸収層厚 w AD ) におけるキャリア走行時間て は Vで決まるものと近似すると、電荷制御モデルに従
D h
つて、
[0015] [数 1]
T D = ¾ AD 7 u V h ( l )
[0016] が得られる。また、 3dB帯域 (f )は、
3dB
[0017] [数 2] B,D = [ て D] = [l WAD m) J X 24 GHz ( 2 )
[0018] で与えられる。例えば、 lOGbitZs信号を受信する素子の 3dB帯域は、素子設計上 の余裕を考慮すると、おおよそ f = 20GHzが目安であるから、 W は、 1. 2 m 程度にする必要がある。この w の全領域にわたってホールの飽和速度を維持する
AD
ためには、電界強度は 50kVZcm以上、すなわち電圧は最低で 6V以上が必要であ る。よって、なだれ増倍時の光吸収層電界強度は通常 lOOkVZcm程度に設計する から、光吸収層部分の電圧降下は 12Vとかなり大きくなる。
[0019] 一方、光吸収部分が、中性ィ匕光吸収層（濃度一定でその厚さが W )のみの場合
AN
には、キャリア走行時間 τ
Νは電子の拡散時間で決まる。 ρ型光吸収層で発生したホ ールは多数キャリアであるから、ホールの運動ではなくホール電流として、電荷中性 を保つように応答する。従って、ホールの輸送特性が応答速度に直接関与すること はない。電子の拡散係数を Dとすると、キャリア走行時間（ τ )は、
e N
[0020] [数 3] て N = WAN / 3D e ( 3 )
[0021] となり、 3dB帯域 (f )は、
3dB
[0022] [数 4]
Figure imgf000006_0001
[0023] で近似される。光吸収層にドーピング濃度 3 X 1017cm3の InGaAsを用いると、電子 の移動度が 6, OOOcm Vs,拡散係数は 150cm2Zs程度であるから、
[0024] [数 5]
1/WAN ( μ m 2) χ 7. 2 GHz
[0025] となる。同様に、 f = 20GHzを目安として考えると、必要な W は 0. 6 μ m程度
3dB， N AN
以下にする必要がある。中性ィ匕光吸収層を用いた場合には、キャリアを走行させるた めの電圧は必要ないので、素子の低電圧化には有利となる。その反面、光吸収層厚 が空乏化光吸収層に比べ約半分の 0. 6 mと薄いため、 1. 5 m帯の量子効率は 50%以下に留まり、感度の高いアバランシ 'フォトダイオードを実現することが難しく なる。
[0026] このように、アバランシ 'フォトダイオードに望まれている動作電圧の低電圧化を中 性ィ匕光吸収層を用いることで実現しょうとすると、 lOGbitZs以上で高速動作する素 子の量子効率が低くなつてしまうという問題が生じる。
[0027] 特許文献 1 :日本国特許第 3141847号公報
発明の開示
[0028] 本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、動作電 圧の低電圧化と使用帯域での高量子効率化とを同時に実現可能な超高速アバラン シ ·フォトダイオードを提供することにある。
[0029] 本発明は、このような目的を達成するために、第 1の実施態様に係る発明は、 n型 電極層と、なだれ増倍層と、電界制御層と、バンドギャップ傾斜層と、層厚 W
Aの光吸 収層と、 p型電極層とが順次積層された積層体を備えて ヽるアバランシ ·フォトダイォ ードであって、前記光吸収層は、前記 p型電極層側に設けられた層厚 W の p型層と
AN
前記バンドギャップ傾斜層側に設けられた層厚 W の低濃度層との接合により構成
AD
されており、前記 p型層および前記低濃度層の各々のドーピングプロファイルは、素 子動作状態にぉ ヽて、前記 p型層につ ヽては前記低濃度層との接合界面近傍領域 を除!、て p型中性状態を維持する一方、前記低濃度層につ!、ては空乏化するように 決定されているとともに、前記 P型層の層厚 W と前記低濃度層の層厚 W との比が
AN AD
、光吸収により前記光吸収層中に発生するキャリアの走行に伴う素子応答の遅延時 間を τ τ
total、前記 ρ型層に起因する遅延時間を N2、前記低濃度層に起因する遅延 時間を τ 、前記光吸収層の全域を前記低濃度層とした場合の遅延時間を τ とし
Dl D た場合に、前記光吸収層の層厚 W ( =W +W )が一定の条件において、次式
A AN AD
を満足するように決定されて 、ることを特徴とする。
[0030] 園
I \
z totai ― V ¥* AD Dl 卞 V AN Λ N2ノ/ νί Α
[0031] 第 2の実施態様に係る発明は、第 1の実施態様に係る記載のアバランシ 'フォトダイ オードにおいて、前記 ρ型層の層厚 W と前記低濃度層の層厚 W との比は、〔(W
AN AD A
X τ +W X τ ) ZW〕が極小値をとるように決定されていることを特徴とする
D Dl AN N2 A
[0032] 第 3の実施態様に係る発明は、第 1の実施態様に係るアバランシ 'フォトダイオード において、前記 p型層および前記低濃度層は、 InGaAsP混晶半導体から成り、素子 動作時における前記低濃度層の空乏化厚が 0. 3 mよりも厚い (W >0. 3 /z m)こ
AD
とを特徴とする。
[0033] 本発明によれば、従来のアバランシ 'フォトダイオードに比べて動作電圧の大幅な 低電圧化が可能となり、より信頼性の高い素子の実現と、光レシーバの低電力化を 図ることができる。また、求められる帯域に対して量子効率が最大 (すなわち受信感 度が最良)となる素子設計を可能とする。
[0034] このように本発明は、動作電圧の低電圧化と使用帯域での高量子効率化とを同時 に実現可能な超高速アバランシ 'フォトダイオードを提供するものであり、例えば、 10 GbitZs領域を含む超高速光レシーバの安定化と高性能化に寄与するものである。 図面の簡単な説明
[0035] [図 1]図 1は従来の典型的な電子注入型アバランシ 'フォトダイオードの、動作時にお けるバンドダイアグラムである。
[図 2]図 2は特許文献 1に開示されている電子注入型アバランシ 'フォトダイオードの、 動作時におけるバンドダイアグラムである。
[図 3A]図 3Aは本発明のアバランシ 'フォトダイオードの断面構造の模式図である。
[図 3B]図 3Bは本発明のアバランシ 'フォトダイオードの動作時におけるバンドダイァ グラムである。
[図 4]図 4はキャリア走行に伴う素子応答の遅延時間（ τ )と 3dB帯域の、中性化光 total
吸収層の厚さ w 依存性の計算例について説明するための図である。
AN
[図 5A]図 5Aは本発明のアバランシ'フォトダイオードの、 pin— PD動作時のキャリア 走行時間と 3dB帯域の変化を説明するための図であって、 W =W +W =0. 8
A AD AN
^ m, D = 150cmVs, v = 5 X 106cmZsとして τ と f を計算した例を説明す e h total 3dB
るための図である。
[図 5B]図 5Bは本発明のアバランシ'フォトダイオードの、 pin— PD動作時のキャリア走 行時間と 3dB帯域の変化を説明するための図であって、最適化された際に f = 80
3dB
GHzとなる構造とした場合のて と f を計算した例を説明するための図である。
total 3dB
発明を実施するための最良の形態 [0036] 以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
(第 1の実施形態）
図 3Aおよび Bは、本発明のアバランシ 'フォトダイオードの構成例を説明するため の図であり、図 3Aは断面図、図 3Bは動作時におけるバンドダイアグラムである。これ らの図において、 11は11型11^の11型電極層、 12は InPのなだれ増倍層、 13は InP の電界制御層、 14は InGaAsPのバンドギャップ傾斜層、 15は低濃度 InGaAsの低 濃度光吸収層、 16は p型 InGaAsの p型光吸収層、 17は p型 InGaAsPの p型電極層 、 18および 19は金属電極でありそれぞれ n電極および p電極である。なお、 p型光吸 収層 16および低濃度光吸収層 15は、 InGaAsに限らず InGaAsP混晶半導体として ちょい。
[0037] このアバランシ 'フォトダイオードは、その動作状態において、 p型光吸収層 16はそ の一部を除いて P型中性 (非空乏化光吸収層）を保ち、かつ、低濃度光吸収層 15は 空乏化 (空乏化光吸収層）する様に、各々の光吸収層のドーピング濃度分布が決定 されている。
[0038] 光吸収層に光信号が与えられると、 p型光吸収層 16と低濃度光吸収層 15にそれぞ れ電子 Zホール対が発生する。 P型光吸収層 16中の電子は、 p型電極層 17で形成 されたポテンシャルバリアに阻まれ、空乏化している低濃度光吸収層 15へと拡散す る。それと同時に、空乏化している低濃度光吸収層 15中の電子とホールは、それぞ れ電界により逆方向にドリフトして低濃度光吸収層 15の両側へと流れる。これら 2つ の光吸収層領域で発生した電子は、 InGaAsPのバンドギャップ傾斜層 14および In Pの電界制御層 13を介してなだれ増倍層 12に達し、インパクトイオンィ匕 (なだれ倍増 )を起こす。
[0039] 光吸収層内で電圧降下が生じるのは、空乏化している低濃度光吸収層 15の部分 のみである。よって、同様のなだれ増倍層を用いるならば、光吸収層がすべて空乏 化している従来のアバランシ 'フォトダイオードに比べ動作に必要な電圧は低下する 。例えば、十分な量子効率を確保するため、光吸収層厚を 1. 2 mとした構造にお いては、従来の光吸収層全域にわたって空乏化させる典型的な構造では、光吸収 層の電圧降下は 12V程度になる。一方、本発明のアバランシ 'フォトダイオードによ れば、例えば、空乏化している低濃度光吸収層 15の層厚を W =0. m、 p形光
AD
吸収層 16の層厚を W =0. 5 μ mとすると、なだれ増倍動作時の光吸収層電界を 1
AN
OOkVZcmと仮定して、そこでの電圧降下は 7Vとなり、必要なアバランシ 'フォトダイ オードの動作電圧は 5V低減する。
[0040] これに対して、図 2に示した「光吸収層を可能なかぎり p型とした構造」は、動作電圧 の低減には適しているものの、上述したように、一定以上の動作帯域 (例えば lOGbi tZs動作)を確保する場合には効率が低下してしまうという制約を回避することができ ない。
[0041] 図 4は、光吸収層の総厚を 1. 2 mとした場合の本発明のアバランシ 'フォトダイォ ードについての、キャリア走行に伴う素子応答の遅延時間（て )と 3dB帯域の、 P型
total
光吸収層の厚さ (W )依存性の計算例を説明するための図である。この図から、動
AN
作帯域に関しては、 W =0. m、 W =0. 5 μ mの条件で、従来形 APDと同程
AD AN
度の性能が実現できることが読み取れる。
[0042] 結局、本発明によれば、従来の APDと同一の量子効率と動作速度を保ちながら、 動作電圧を 5V低減させることができる。なお、動作速度に関しては、次の「第 2の実 施形態」で詳しく説明するように、「一定の光吸収層厚の条件において、空乏化光吸 収層と P型光吸収層を組み合わせた構造」は、従来のアバランシ 'フォトダイオードに 比較してより高い帯域を実現可能なパラメータの範囲が常に存在する。
[0043] ここで、特許文献 1に記載されているアバランシ 'フォトダイオードと本発明のァバラ ンシ 'フォトダイオードの相違点について説明すると以下のとおりである。すなわち、 目的においては、特許文献 1に記載されているアバランシ 'フォトダイオードが「喑電 流の経時劣化」を改善するのに対して、本発明は「低電圧化と高量子効率化の両立 の実現」を目的としている。
[0044] そして、それらの構成においては、特許文献 1に記載されているアバランシ 'フォト ダイオードが、「空乏化する光吸収層の層厚を薄くする」ことにより、表面積の極小化 の効果として「暗電流の経時劣化」が抑制され、安定な暗電流特性，高信頼性が実 現できることとなる。これに対して、本発明は「キャリアの全走行時間を極少値にする ように空乏化領域と非空乏化領域の厚みを決定」することにより「低電圧化と高量子 効率化の両立の実現」を可能として 、る。
[0045] このような構成上の差異の結果、特許文献 1に記載されているアバランシ 'フォトダ ィオードにおいては、空乏化領域と非空乏化領域の厚みは独立に定められる。これ に対し、本発明においては、空乏化領域と非空乏化領域の厚みは、これらの領域が 構成する光吸収層の総厚みが一定という条件の下で、キャリアの全走行時間を極少 値にするように空乏化領域と非空乏化領域の厚みが決定 (最適化)される。
[0046] なお、図 2に示した構造のアバランシ 'フォトダイオードと暗電流レベルを比較すると 、本発明のアバランシ 'フォトダイオードの空乏化光吸収層の方が厚いために、この 空乏化光吸収層の厚さが暗電流の増加の原因となりうる。し力しこのような暗電流は 、表面の電界強度を下げるためにガードリング構造を設けたアバランシ 'フォトダイォ ードとして、回避することが可能である。
[0047] (第 2の実施形態）
本発明のアバランシ 'フォトダイオードの pin— PD動作時における帯域において、空 乏化光吸収層および P型光吸収層の各層独立でのキャリア走行時間を求めると、基 本的に式（1)および式（3)に従って、 p型光吸収層のキャリア走行時間として τ =W
N
V3Dが得られる。また、アバランシ層は層厚が薄いのでその部分の影響を無視
AN e
すると、空乏化光吸収層のキャリア走行時間としてて =W /3v
D AD hが得られる。
[0048] 電荷制御モデルの定義に従えば、それぞれの層の電荷変化量 (空乏化光吸収層 の A Qと p型光吸収層の A Q )と電流変化 (空乏化光吸収層の Δ Ιと p型光吸収層
D N D
の Δ Ι )とは、
N
[0049] [数 7]
TD = AQD /AID , TN = AQN / AIN ( 6 )
[0050] の関係をもつ。ここで全光吸収層厚を W =W +W とすると、各層同時にキャリア
A AD AN
が発生する際、全キャリア走行時間 τ は、一般には、単純な和（τ + τ )とはな
total D N らない。なぜならば、一般の構造では、空乏化層" D1"と中性層" N2"とで発生したキ ャリアは互 、の領域の電荷密度に影響を与えるために、互 、の領域の電荷増分（ Δ Q と A Q )の項が加わるからである。結局、空乏化層" D1"と中性層" N2"のキヤリ
Nl D2 ァ発生による電荷量変化（AQ +AQ 、及び AQ +AQ )、と電流変化（ΔΙ
Dl Nl N2 D2
及び ΔΙ )との関係は、
N
[0051] [数 8]
TDl = (AOm + AOm )/MD, τΝ2= (Δ6>^2 +ΔΟ02)/ΜΝ ( 7)
[0052] で与えられる。ここで、 τ ≥ τ および τ ≥ τ である。
Dl D Ν2 Ν
[0053] し力しながら、電子とホールの速度が極端に異なる ΙηΡ系半導体を用いた電子注入 構造においては、光吸収層以外の層の走行時間を無視した場合、
[0054] [数 9] τ total ― (、 "AADnx八 τ1 " Dηιl + 1 W "AAN
[0055] で近似され、 τ とて のそれぞれが、層厚で比例配分された和の形となる。
Dl N1
[0056] 式 (8)のように単純ィ匕できる理由は以下のとおりである。電子速度がホール速度より も十分に大きいと、 ρ型光吸収層から空乏化光吸収層に注入された電子電荷は、空 乏層の電荷状態（ほとんどホールで決まる）をわずかしか変化させない。一方、空乏 化光吸収層で発生したホール力 ¾型光吸収層に流れ込む際には、そこが中性である がゆえに電荷を誘起しない。従って、 AQ =AQ =0の条件が成立し、全電荷量
Nl D2
の変化は、 AQ +AQ
Dl N2と近似される。全電荷に対する走行時間は、電流変化分 について和（=ΔΙ +ΔΙ )を取り、
[0057] [数 10] 她 / = ( +AQm)/( D+ A NX (9)
[0058] が得られ、さらに、 ΔΙと ΔΙは対応する層厚 W および W に比例するので、式（8
D 2 AD AN
)および式（9)から、
[0059] [数 11]
^totai^ (ΔΙο χて DI+ Δ/ΝχτΝ2)Ζ(Δ/。+ΔΙΝ)
(WAni χτηd+ -r W " AH x TH N) z/(W " AAnD + W "AAHN)
= (W 2 ノ r>— . 3 / r> m (10)
'AAnDV '3 ^v " h + W "AAHN3/ ' 3リD"H e ■ )!/' w "A, [0060] となる。
帯域は f = 1/ [2 π τ ]で近似されるので、式（10)の τ が最小になる様に
3dB total total
W と w を定めることにより本発明のアバランシ 'フォトダイオードの帯域を最適化
AD AN
できる。
[0061] Wを一定とした場合には、式（10)は、
A
[0062] [数 12]
Figure imgf000013_0001
[0063] で極少値を取り、それから外れると τ は増大し、 f は低下する。
total 3dB
[0064] ここで重要なことは、一定の全光吸収層幅 W =W +W の条件において、空乏
A AD AN
化光吸収層と P形光吸収層を組み合わせた構造とすることにより帯域が増大すること である。また、 て の極少点は、明らかに Wに対して単調増加関数であるから、一定 total
の τ ないし f に対して、 τ の極少点を与える W と W の組み合わせは、 W total 3dB total AD AN A の最大値、すなわち量子効率最大の点を与えることが理解される。
[0065] (第 3の実施形態）
以下では、本発明のアバランシ 'フォトダイオードの具体的な構造について、帯域 f
3 が最大となる W と W の組み合わせについて説明する。ここでは、構造例として dB AD1 AN
、 40GbitZsアバランシ ·フォトダイオードを念頭にぉ 、て考える。
[0066] 図 5Aは、 W =W +W =0. 8 ηι、 D = 150cm2/s、 V = 5 X 106cm/sとし
A AD AN e h て τ と f を計算した例を説明するための図である。 p形光吸収層厚を W =0. 3 total 3dB AN
1 m、空乏化光吸収層厚を W =0. 49 μ mとする、 τ が最小値 2. 8ps、 f が
AD total 3dB 最大値 55GHzとなることが分かる。すなわち、 p形光吸収層のみの構造における f
3dB
(11GHz)もしくは空乏化光吸収層のみの構造における f (30GHz)に比べ、飛躍
3dB
的な帯域の増大が見込まれる。
[0067] アバランシ 'フォトダイオードの動作は、利得帯域積により制限を受け、おおよそ 20 0GHz程度が限界と考えられて 、る。意味のあるなだれ増倍利得 M (例えば M = 2. 5)を得ることができる帯域は最大で約 80GHzである。
[0068] 図 5Bは、全光吸収層厚を 0. 6 μ mと一定とし、最適化された際に f = 80GHzと
3dB なる構造とした場合の τ と f を計算した例を説明するための図である。この図から total 3dB
、最大の f を与える p型光吸収層厚と空乏化光吸収層厚として、 W =0. 26 m、
3dB AN
W =0. mが得られる。結局、本発明における光吸収層の設計手法がァバラ
AD
ンシ ·フォトダイオードの動作で実用的に意味がある空乏化光吸収層の厚さは、 W
AD
>0. の範囲にあり、図 3 (b)で扱ったものよりも動作速度が低い素子では、最 適な空乏化光吸収層の厚さは増加する方向にある。
[0069] なお、上述した第 2の実施形態および第 3の実施形態では、説明の複雑化を避ける ために、電荷制御モデルに基づく説明を行ったが、本発明を実施するためには電荷 制御モデル以外の手法を適用することが可能なことはいうまでもない。例えば、素子 中のキャリアの速度電界特性を用いて連続の式をベースにした手法や、モンテカル 口計算による手法を用いることにより、本発明の基本となるアバランシ ·フォトダイォー ドの構成法に関する指針に何ら変更を加えることなぐより精度の高い構造最適化が 可能である。
[0070] また、これまでの実施形態の説明にお 、ては、 p型光吸収層中の電子輸送を拡散メ 力-ズムに基づいて取り扱った力 バンドに傾斜をつけて擬電界を与えた構造もキヤ リア走行時間の短縮化には有効である。この構造を採用する場合の最適な W と W
AN A
Dの比率は、 p型光吸収層中の電子輸送が拡散のみの場合とは異なってくるものの、 本発明の基本思想である「キャリアの全走行時間を極少値にする」 t 、う思想に基づ V、て素子設計することができる。
産業上の利用可能性
[0071] 本発明は、動作電圧の低電圧化と使用帯域での高量子効率化とを同時に実現可 能な超高速アバランシ 'フォトダイオードの提供を可能とする。

Claims

請求の範囲 n型電極層と、なだれ増倍層と、電界制御層と、バンドギャップ傾斜層と、層厚 Wの A 光吸収層と、 p型電極層とが順次積層された積層体を備えて ヽるアバランシ ·フォトダ ィオードであって、 前記光吸収層は、前記 p型電極層側に設けられた層厚 W の p型層と前記バンド AN ギャップ傾斜層側に設けられた層厚 W の低濃度層との接合により構成されており、 AD 前記 P型層および前記低濃度層の各々のドーピングプロファイルは、素子動作状態 にお 、て、前記 p型層につ 、ては前記低濃度層との接合界面近傍領域を除 、て p型 中性状態を維持する一方、前記低濃度層につ 、ては空乏化するように決定されて 、 るとともに、 前記 P型層の層厚 W と前記低濃度層の層厚 W との比が、光吸収により前記光 AN AD 吸収層中に発生するキャリアの走行に伴う素子応答の遅延時間を τ 、前記 ρ型層 total に起因する遅延時間を τ Ν2、前記低濃度層に起因する遅延時間を τ D1、前記光吸 収層の全域を前記低濃度層とした場合の遅延時間を τ とした場合に、前記光吸収 D 層の層厚 w (=W +W )が一定の条件において、次式を満足するように決定さ A AN AD れて 、ることを特徴とするアバランシ ·フォトダイオード。
[数 1]
D > T total = ( WAD X Dl + WAN X τ N2 ) / WA
前記 p型層の層厚 W と前記低濃度層の層厚 W との比は、〔(W X τ +W
AN AD AD Dl AN
X τ ) /W ]が極小値をとるように決定されて 、ることを特徴とする請求項 1に記載
N2 A
のアバランシ ·フォトダイオード。
前記 P型層および前記低濃度層は、 InGaAsP混晶半導体から成り、素子動作時に おける前記低濃度層の空乏化厚が 0. 3 mよりも厚い (W >0. 3 m)ことを特徴
AD
とする請求項 1に記載のアバランシ 'フォトダイオード。
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