WO2014068850A1 - フォトダイオード - Google Patents

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photodiode
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electron
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石橋　忠夫
伊藤　弘樹
清水　誠
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Ｎｔｔエレクトロニクス株式会社
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials

Definitions

  • the present invention relates to semiconductor photodiodes for ultra-high frequency operation, in particular for terahertz band operation.
  • the spectral performance is dramatically improved as compared with the case where a conventional light receiving device is used.
  • application such as being able to discriminate many substances (for example, drugs) by observing an absorption spectrum specific to a substance called a fingerprint spectrum is expected.
  • the structure of a conventional photodiode that has been developed for application to optical communication and measurement equipment (up to 100 GHz band) is manufactured so as to have wide-band response characteristics suitable for digital applications.
  • the conventional photodiode structure is not necessarily suitable for THz band operation. The reason is that while a typical photodiode of the prior art has an operating frequency range of about 3 dB band, THz applications often use a wide frequency band including a frequency band much higher than the 3 dB band. It is from.
  • the intrinsic response of the photodiode is given by the transit time of the electrons or the delay ⁇ d associated with the transit time of both the electrons and the holes.
  • the depletion layer thickness may be reduced in order to reduce ⁇ d.
  • the reduction of the depletion layer thickness remains one of the guidelines for speeding up.
  • the reduction in depletion layer thickness is accompanied by an increase in junction capacitance, it is necessary to optimize by optimizing the junction size and operating current of the photodiode. The detailed examination result about the photodiode operation which paid attention to such THz operation has not been reported yet.
  • Non-Patent Document 1 describes a “photodiode, which is manufactured using a semiconductor chip in which a single traveling carrier photodiode (UTC-PD: Uni-Traveling-Carrier Phtodiode) and a log-periodic antenna are integrated on an InP substrate. THz output characteristics are reported for “module”. The THz output decreases with frequency, and its falling tendency becomes sharp above approximately 300 GHz. It is considered that in the characteristics of such a photodiode module, a decrease in response due to the intrinsic band and a frequency dependence in the form of a decrease in response due to the junction capacitance of the photodiode are exhibited. A brief description will be given below.
  • Measurement of THz output that is observed in non-patent document 1 also, in a region roughly more than 400 GHz, shows the tendency of [alpha] 1 / omega 4. That is, the intrinsic response of the photodiode used in Non-Patent Document 1 is not special, and is considered to have almost typical frequency characteristics.
  • the electron velocity is greater than the hole velocity, the overall current response is not degraded despite the relatively long travel distance of the electrons. That is, in the 3 dB band determined by the carrier traveling time, the electron drift layer thickness does not decrease in the range below a certain level. As a result, the junction capacitance can be reduced without degrading the band, and the response characteristics of the entire photodiode including the RC constant can be improved.
  • the light absorption layer thickness Wa is 600 A to 2200 A while using InGaAs as the light absorption layer and maintaining the entire depletion layer thickness at 0.23 ⁇ m including the light absorption layer 73 (layer thickness Wa) and the electron drift layer 72. Change up.
  • the travel speed of the electron is 6 ⁇ 10 7 cm / s as the speed overshoot condition (unlike the case of Non-patent document 2) s,
  • the traveling speed of the hole assumes the usual value of 0.45 ⁇ 10 6 cm / s.
  • FIG. 8 is a simulation result of THz response output.
  • the frequency response [R22 (f) in FIG. 8] extends to the hole response component that decreases near 100 GHz and higher frequencies. It turns out that it consists of a component of electronic response.
  • the 3 dB band is dominated by the current response of the hole.
  • the light absorption layer in the depletion layer has an asymmetric structure in which the position of the light absorption layer in the depletion layer is disposed on the p contact side, the contribution of the induced current component of the electron is to the contribution of the induced current component of the hole. And the overall response is dominated by the electronic response.
  • the 10 dB reduction band (f 10 dB) is around 2 T Hz in all the structures being compared here, and no significant difference is seen.
  • the response near 3 THz drops sharply to about 1/50 or less compared to the low frequency range.
  • the structure of Wa 600 A, which is excellent in the 3 dB band, has the largest tendency to decrease the response from 2 THz to 3 THz.
  • An object of the present invention is to propose a photodiode capable of THz operation with stable output, that is, a photodiode capable of increasing the output for a certain operating current.
  • the invention described in one embodiment is a semiconductor layer structure in which an n-type contact layer, a low concentration layer, and a p-type contact layer are sequentially stacked, an n-type contact layer and a p-type contact layer
  • An n-type semiconductor structure comprising an n-electrode and a p-electrode respectively connected to each other, wherein the low concentration layer is depleted during operation thereof, the low concentration layer being adjacent to the n-type contact layer;
  • a light absorption layer, and a hole drift layer are stacked to form a photodiode.
  • FIG. 5 is a band diagram of a conventional photodiode module capable of THz output. It is a simulation result of the THz response output in the conventional photodiode module.
  • FIGS. 1A and 1B are diagrams for explaining the photodiode of the first embodiment, FIG. 1A shows its layer configuration, and FIG. 1B shows its band diagram.
  • the photodiode is an electron drift layer of low impurity concentration formed of n-type contact layer 11 of InP and InGaAsP (band gap 1 eV) on semi-insulating InP substrate 10.
  • a low impurity concentration InGaAs light absorbing layer 13 a low impurity concentration hole drift layer 14 of InAlGaAs (band gap 1 eV)
  • a p type contact buffer layer 15 of InP and a p type contact layer of InAlGaAs 16 are stacked
  • an n electrode 18 is formed on the n-type contact layer 11
  • a p electrode 17 is formed on the p-type contact layer 16.
  • the above-mentioned method of manufacturing the photodiode can adopt the same method as the method of manufacturing the conventional ultra high speed photodiode.
  • a substrate obtained by epitaxially growing the laminated structure from the n-type contact layer 11 to the p-type contact layer 16 is manufactured on the semi-insulating InP substrate 10 by the MO-VPE method.
  • the first mesa including the InAlGaAs-p-type contact layer 16 to the InGaAsP-electron drift layer 12 and the second mesa of the InP-n-type contact layer 11 are processed using chemical etching.
  • the device is further processed by forming ap electrode 17 and an n electrode 18 by vapor deposition of metal and forming other necessary insulating films for separation, metal wiring and the like.
  • the InGaAsP electron drift layer 12 When a reverse bias voltage is applied to the photodiode from the p electrode 17 and the n electrode 18 in the photodiode described above, the InGaAsP electron drift layer 12, the InGaAs light absorption layer 13, and the InAlGaAs hole drift layer 14 are depleted and an electric field is induced. Be done. In this state, when signal light is incident, electrons and holes are generated in the InGaAs light absorption layer 13 as described above. As these carriers travel through the depletion layer, an induced current is generated in the external circuit. The material systems of the hole drift layer 14 and the electron drift layer 12 are changed by valence band discontinuity with respect to InGaAs, small conduction band discontinuity, and carrier trapping effect due to band discontinuity at low electric field, respectively. Is smaller.
  • the above-described photodiode is based on a pin-type diode structure, but is characterized mainly in that a hole drift layer is inserted on the p-type contact layer side.
  • a hole drift layer is inserted on the p-type contact layer side.
  • the diode structure of the photodiode of this embodiment has no significance.
  • the transit time is shortened by the reduction of the average travel distance of the electrons generated in the InGaAs light absorption layer 13. After all, the frequency range of the electron current response is expanded, and in the THz frequency range, the response is higher.
  • a material lattice-matched to InP is selected, InAlGaAs is used for the hole drift layer, and InGaAsP is used for the electron drift layer.
  • the design concept of the photodiode of the present embodiment can be commonly applied without any major restriction due to the material system.
  • FIGS. 2A and 2B show band diagrams of the photodiode according to the second embodiment, and in the photodiode having the band diagram shown in FIG. 2A, the light absorption layer 23a is disposed closer to the p-type contact layer 16; The hole drift layer 24a is thin, and the electron drift layer 22a is thick. Conversely, in the photodiode having the band diagram shown in FIG. 2B, the light absorption layer 23b is disposed closer to the n-type contact layer 11, the hole drift layer 24b is thick, and the electron drift layer 22b is thin.
  • the other configuration is the same as the configuration shown in the first embodiment.
  • the main feature of the photodiode of the present invention is that the hole drift layers 24a and 24b are inserted on the side of the p-type contact layer 15, that is, the position in the depletion layer of the light absorption layers 23a and 23b is adjusted.
  • the thicknesses of the electron drift layers 22a, 22b and the hole drift layers 24a, 24b are adjusted according to the required light response characteristics. It does not matter which of the configuration of FIG. 2A and the configuration of FIG. 2B is superior or inferior.
  • the photodiode according to the present embodiment may be set to maximize the response in the necessary frequency range by adjusting the position in the depletion layer of the light absorption layer. The difference in response characteristics depending on the structure will be described below.
  • FIGS. 3A and 3B show calculation results of THz response output in the photodiode of this embodiment.
  • FIG. 3A is a double logarithm graph showing calculation results of THz response output at 10 GHz to 1 ⁇ 10 4 GHz.
  • FIG. 3B is a semi-logarithmic graph showing calculation results of THz response output at 10 GHz to 5 ⁇ 10 3 GHz.
  • the structure response 0
  • the thickness of the hole drift layer is zero based on the structure proposed in Non-Patent Document 2 is also included for comparison (logarithmic axis and linear axis).
  • the curve at response 0 is the same curve as R06 (f) in FIG.
  • the 3 dB band is 1.1 THz (the same curve as R06 (f) in FIG. 8).
  • the hole drift layer is thickened to 600 ⁇ , 900 ⁇ , and 1200 ⁇
  • the 3 dB band drops sharply to about 120 GHz.
  • FIG. 3B in the response in the THz region, it is confirmed that the bottom of the frequency response is wider as the hole drift layer is thicker.
  • the response output of the photodiode of the present embodiment hardly drops, in the conventional structure (response 0), the response output drops sharply. Therefore, it can be said that the superiority of the photodiode of the present invention over the conventional structure is exhibited.
  • the drop in response in the conventional structure is seen at 3 THz.
  • the drop in response is shifted to a higher frequency side.
  • the curve shown by Response 3 in which the hole drift layer thickness is 1200 ⁇ shows relatively flat response characteristics up to 5 GHz.
  • the photodiode of this embodiment has the same effect as the photodiode of the first embodiment. Furthermore, in the photodiode of the present embodiment, it is possible to adjust the required output in the desired frequency range by changing the position in the depletion layer of the light absorption layer.
  • the photodiode according to the present embodiment is a so-called step-like electric field strength profile in which the electric field strength of the light absorption layer is made higher than the electric field strength of the electron drift layer and the hole drift layer in the photodiode according to the first embodiment. It is.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the band diagram of the photodiode of the third embodiment and the electric field strength.
  • an electron drift layer 32 and InGaA light are used instead of the electron drift layer 12 according to the first embodiment, the light absorption layer 13 and the hole drift layer 14.
  • An absorption layer 33 and a hole drift layer 34 are employed.
  • the electron drift layer 32 has an impurity concentration distribution made of InGaAsP (band gap 1 eV).
  • the InGaA light absorption layer 33 has a low impurity concentration.
  • the hole drift layer 34 has an impurity concentration distribution made of InAlGaAs (band gap 1 eV).
  • the electron drift layer 32 has an n-type doping layer 32 n on the side of the light absorption layer 33 of a part thereof.
  • the hole drift layer 34 has a p-type doping layer 34 p on the side of the light absorption layer 33 of a part thereof.
  • the ionized donor charge amount of the n-type doping layer 32 n and the ionized acceptor charge amount of the p-type doping layer 34 p are adjusted in accordance with the required difference in electric field strength.
  • the electric field strength of the light absorption layer 33 is made relatively higher than those of the electron drift layer 32 and the hole drift layer 34.
  • the electric field strength of the light absorption layer 33 is increased, it is possible to accelerate the electrons generated by light absorption in a short time and to accelerate the response of the photodiode of this embodiment, that is, to increase the response in the THz range. Become.
  • the increase in the electric field strength of the light absorption layer 33 has the effect of suppressing the potential change in the electron drift layer 32 and preventing the kinetic energy of electrons from becoming too high.
  • the response speed can be improved by providing a step-type electric field strength profile.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the band diagram of the photodiode of the fourth embodiment and the electric field strength.
  • an electron drift layer 42, an InGaA layer, and an InGaA layer are used in place of the electron drift layer 12, the light absorption layer 13 and the hole drift layer 14 of the first embodiment.
  • a light absorbing layer 43 and a hole drift layer 44 are employed.
  • the electron drift layer 42 is n-type doped of InGaAsP (band gap 1 eV).
  • the InGaA light absorption layer 43 has a low impurity concentration.
  • the hole drift layer 44 is p-type doped of InAlGaAs (band gap 1 eV).
  • the electron drift layer 42 and the hole drift layer 44 are doped n-type and p-type, respectively. Therefore, as shown in FIG. 5, the electric field intensity profile in the state where the light signal is not input and the electrons and the holes are not flowing becomes a gentle trapezoidal mountain shape.
  • electrons traveling in the electron drift layer 42 and holes traveling in the hole drift layer 44 modulate the electric field strength distribution in the depletion layer 43 by their charges.
  • the n-type doping amount of the electron drift layer 42 and the p-type doping amount of the hole drift layer 44 are adjusted so as to compensate for the negative charge of electrons and the positive charge of holes during operation.
  • the respective doping concentration for balancing with the carrier concentration is determined by the operating current density. For example, with a junction area of 10 ⁇ m 2 and operating at a current of 5 mA, the current density is 5 ⁇ 10 4 A / cm 2 .
  • the n-type doping amount of the electron drift layer 42 and the p-type doping amount of the hole drift layer 44 are determined.
  • the structure is determined to maintain an appropriate electric field profile at a predetermined operating current. Therefore, a structure with good characteristics can be realized even at higher photodiode operating current.
  • the photodiode according to this embodiment is an aspect in which both the stepped electric field profile shown in the third embodiment and the doping to the electron drift layer and the hole drift layer shown in the fourth embodiment are adopted.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the band diagram of the photodiode of the fifth embodiment and the electric field strength.
  • an electron drift layer 52 in place of the electron drift layer 12 of the first embodiment, the light absorption layer 13 and the hole drift layer 14, an electron drift layer 52; An InGaAs light absorbing layer 53 and a hole drift layer 54 are employed.
  • the electron drift layer 52 is n-type doped of InGaAsP (band gap 1 eV).
  • the InGaAs light absorbing layer 53 has a low impurity concentration.
  • the hole drift layer 54 is p-type doped of InAlGaAs (band gap 1 eV). Further, the electron drift layer 52 has a higher concentration n-type doping layer 52 n on the side of the light absorption layer 53 of a part thereof. The hole drift layer 54 has a higher concentration p-type doping layer 34 p on the side of the light absorption layer 33 of a part thereof.
  • the photodiode according to the present embodiment includes the step electric field profile described in the third embodiment, and n-type doping in the electron drift layer and p-type doping in the hole drift layer described in the fourth embodiment. It is a combination of two functions. Since the electric field strength of the light absorption layer 53 is relatively higher than those of the electron drift layer 52 and the hole drift layer 54, the electron generated by the light absorption is accelerated in a shorter time, and the current response is accelerated. In addition, proper operation can be performed even at high operating current.

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Abstract

　安定した出力でＴＨｚ動作が可能なフォトダイオードを提案すること。ｎ形コンタクト層、低濃度層、ｐ形コンタクト層が順次積層された半導体層構造と、ｎ形コンタクト層およびｐ形コンタクト層にそれぞれ接続されたｎ電極およびｐ電極を備え、その動作時に上記低濃度層が空乏化するｐｉｎ形半導体構造であって、前記低濃度層は、ｎ形コンタクト層に隣接して、電子ドリフト層と、光吸収層と、ホールドリフト層とが積層されて構成されることを特徴とするフォトダイオードである。また、好ましくは、前記電子ドリフト層および前記ホールドリフト層は光吸収層として機能せず、前記電子ドリフト層の厚さ及びホールドリフト層の厚さを変化させることにより、必要とされる光応答特性に調整すること、前記光吸収層の電界強度に対し、電子ドリフト層とホールドリフト層との少なくとも一方の電界強度を低く設定すること、前記電子ドリフト層はｎ形のドーピングがされ、前記ホールドリフト層はｐ形のドーピングがされていることである。

Description

フォトダイオード
　本発明は、超高周波動作、特にテラヘルツ帯の動作を目的とする、半導体で製作されるフォトダイオードに関するものである。
　光技術に基づくテラヘルツ帯（０．３～３ＴＨｚ）放射光の発生手法として、従来は、主として光非線形材料や光電導体を利用したデバイスが使われてきた。光電導体、およびフォトダイオードは、共に受光デバイスの一種である。最近は、その効率の良さから、フォトダイオードを用いたフォトミキシング法（光ビートの電気信号への変換）が注目されている。通信波長帯（波長１．５μｍ）で動作するフォトダイオードを用いた例では、すでに、１ＴＨｚにおいて数μＷレベルのアンテナ放射が報告されており、大いに期待されている。ＴＨｚ帯で動作する性能の良いフォトダイオードを用いると、従来の受光デバイスを使った場合に比べ、分光性能が飛躍的に向上する。その結果、例えば指紋スペクトルと呼ばれる物質固有の吸収スペクトルを観測して、多くの物質（例えば薬剤）を判別できるなどといった応用が期待されている。
　しかしながら、光通信や計測機器（最大で～１００ＧＨｚ帯域）への応用を目的として開発されてきた従来のフォトダイオードの構造は、デジタル応用に適した広帯域な応答特性を持つ様に製作される。したがって従来のフォトダイオードの構造は、必ずしもＴＨｚ帯の動作に適したものではない。なぜならば、従来の典型的なフォトダイオードは、その動作周波数範囲が３ｄＢ帯域程度であるのに対し、ＴＨｚ応用では、３ｄＢ帯域よりもはるかに高い周波数域を含む広い周波数帯を使用することが多いからである。
　フォトダイオードの真性応答は、光吸収層で発生したキャリア（電子とホール）のうち、電子の走行時間、ないし電子／ホール両者の走行時間に伴う遅延τｄで与えられる。一般的に、τｄを小さくするためには空乏層厚を縮小すれば良い。この空乏層厚の縮小が高速化の一つの指針であることに変わりはない。ただし、空乏層厚の縮小は接合容量の増大を伴うので、フォトダイオードの接合サイズや動作電流を調整して、最適化する必要がある。その様なＴＨｚ動作に着目したフォトダイオード動作についての詳細な検討結果はまだ報告がない。
　さらに、通信用のフォトダイオードの場合は、帯域と同時に受光感度も重要視される。これに対して、ＴＨｚ応用においては、最大出力が重視されるという要求条件の違いもある。ＴＨｚ応用においても一定以上の受光感度は確保する必要があるが、その重要性は低い。通常、ＴＨｚ出力を上げるために出来るだけ動作電流を上げる状態となるため、フォトダイオードの自己発熱が問題となる。その様な条件下では、受光感度よりも、一定の動作電流に対してＴＨｚ出力をどれだけ取り出せるか、が最重要となるのである。その様な観点からのＴＨｚ用フォトダイオードの設計に関する具体的な報告も見あたらない。
（従来例１）
　例えば、非特許文献１は、単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ－ＰＤ：Ｕｎｉ－Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ－Ｃａｒｒｉｅｒ　Ｐｈｔｏｄｉｏｄｅ）とログペリオディックアンテナをＩｎＰ基板上に集積化した半導体チップを用いて製作した“フォトダイオード・モジュール”について、ＴＨｚ出力特性を報告している。ＴＨｚ出力は、周波数と共に低下し、おおよそ３００ＧＨｚを超えると、その低下傾向が急激になっている。この様なフォトダイオード・モジュールの特性には、真性帯域に伴う応答の低下と、フォトダイオードの接合容量による応答の低下が重畳された形の周波数依存性が現れると考えられる。以下、簡単に説明する。
　もっとも単純化された場合の、フォトダイオードの真性応答Ｒ１（ω）は、光変調周波数（＝光ビート周波数）をｆ（２πｆ＝ω）とすると、上記のキャリア走行時間に伴う遅延τｄを用い、
　　　Ｒ１（ω）＝１／［１＋ｊωτｄ］、
で表現される。また、フォトダイオードの接合容量Ｃｊと純抵抗アンテナの負荷ＲＬで支配されるＲＣ定数にかかわる応答Ｒ２（ω）は、
　　　Ｒ２（ω）＝１／［１＋ｊωＣｊＲＬ］
と近似される。したがって、ＴＨｚ出力の周波数特性は、
　　　Ｐｏｕｔ（ω）＝１／［｜Ｒ１（ω）｜ｘ｜Ｒ２（ω）｜］２
　　　　　∝１／ω４（高周波域：ω＞＞１／τｄ、かつω＞＞１／ＣｊｘＲＬ）
となる。非特許文献１で観測されているＴＨｚ出力の測定値も、おおよそ４００ＧＨｚを超える領域で、∝１／ω４の傾向を示している。すなわち、非特許文献１で使用されているフォトダイオードの真性応答は特殊なものではなく、ほぼ典型的な周波数特性を持つものと考えられる。
（従来例２）
　Ｅｆｆｅｎｂｅｒｇｅｒ等は、部分吸収層タイプのｐｉｎ形フォトダイオードを提案している（非特許文献２参照）。図７にそのバンドダイアグラムを示す。このフォトダイオードは、ｎ形コンタクト層７１の上に、電子ドリフト層７２と、光吸収層７３と、ｐ形コンタクトバッファ層７４と、ｐコンタクト層７５とが積層され、Ｐ形コンタクト層７５上にｐ電極７６が形成された構成を備えている。ｐｉｎ形構造のｎコンタクト層７１の側に、ある程度の厚さの光吸収が起こらない電子ドリフト層７２（＝空乏層）を挿入したものである。光吸収で発生したキャリアのうち、ホールは直接ｐ形コンタクトバッファ層７４に流れ込む。一方、電子は電子ドリフト層７２を走行した後、ｎ形コンタクト層７１に到達する。
　電子速度がホール速度よりも大きい故、電子の走行距離が相対的に長いにも関わらず、全体の電流応答が劣化することはない。すなわち、キャリア走行時間で決まる３ｄＢ帯域は、電子ドリフト層厚が一定以下の範囲で低下することはない。その結果、帯域を劣化させることなく接合容量を低減でき、ＲＣ定数を含めた全体のフォトダイオードの応答特性が向上する。
　しかしながら、議論されているのは、３ｄＢ帯域が高々３０－４０ＧＨｚ程度のフォトダイオード構造であり、ＴＨｚ応用に向けた指針は示されていない。以下で、簡単なモデルに基づいて、非特許文献２で提案された「部分吸収層タイプ」のｐｉｎ形フォトダイオード構造をスケーリングした場合について、ＴＨｚ応用の観点から再検討してみる。
　光吸収層としてＩｎＧａＡｓを用い、光吸収層７３（層厚Ｗａ）と電子ドリフト層７２を含めた、全体の空乏層厚を０.２３μｍに保った状態で、光吸収層厚Ｗａを６００Ａ～２２００Ａまで変える。電流応答、すなわち先に述べた電子／ホール両者の走行時間に伴う周波数応答の計算では、電子の走行速度は、（非特許文献２のケースと異なり）速度オーバーシュート状態にあるとして６ｘ１０７ｃｍ／ｓ、ホールの走行速度は、通常の値０.４５ｘ１０６ｃｍ／ｓを仮定する。
　図８は、ＴＨｚ応答出力のシミュレーション結果である。ＩｎＧａＡｓ光吸収層が厚い従来のｐｉｎ形に近いＷａ＝２２００Ａの構造の場合、周波数応答［図８中でＲ２２（ｆ）］は、１００ＧＨｚ付近で低下するホール応答成分と、それ以上の周波数まで広がる電子応答の成分からなることがわかる。結局、Ｗａ＝２２００Ａでは、３ｄＢ帯域はホールの電流応答で支配されてしまう。Ｗａを１４００Ａ、６００Ａと薄くするに従い、応答［Ｒ１４（ｆ）とＲ０６（ｆ）］は高周波側に拡大し、Ｗａ＝６００Ａにおいて３ｄＢ帯域は１．１ＴＨｚまで増大する。この様な３ｄＢ帯域の伸びは、空乏層内の光吸収層の位置がｐコンタクト側に配置された非対象な構造にすると、電子の誘導電流成分の寄与がホールの誘導電流成分の寄与に対して相対的に増大し、全体の応答が電子応答で支配される状態となることによる。
　一方、１ＴＨｚ以上の領域の応答を見ると、ここで比較しているすべての構造において、例えば、１０ｄＢ低下帯域（ｆ１０ｄＢ）は２ＴＨｚ付近にあり、大きな違いは見られない。３ＴＨｚ付近の応答は、低周波域に比べ１／５０程度以下に急激に落ちる。３ｄＢ帯域に優れるＷａ＝６００Ａの構造は、２ＴＨｚから３ＴＨｚにかけての応答の低下傾向はもっとも大きい。
Ｈｉｒｏｓｈｉ　Ｉｔｏ　ｅｔ　ａｌ．、　Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈ．　Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．１２、ｐｐ．４０１６－４０２１、２００５ Ｆ．Ｊ．Ｅｆｆｅｎｂｅｒｇｅｒ　ａｎｄ　Ａ．Ｍ．Ｊｏｓｈｉ、Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈ．Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．８、ｐｐ．１８５９－１８４６、１９９６
　上述の通り、フォトダイオードのＴＨｚ動作がすでに報告されており、おおむね周波数の４乗に逆比例する傾向が実験的に観測されている。しかしながら、ｆ３ｄＢを大きく超えるＴＨｚ周波数域で、出力特性を改善するためにいかなるフォトダイオード構造をとるべきかについては、まだ明らかにされていない。
　本発明の課題は、安定した出力でＴＨｚ動作が可能なフォトダイオード、すなわち、一定の動作電流に対して出力を高くできるフォトダイオードを提案することにある。
　上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、ｎ形コンタクト層、低濃度層、ｐ形コンタクト層が順次積層された半導体層構造と、ｎ形コンタクト層およびｐ形コンタクト層にそれぞれ接続されたｎ電極およびｐ電極を備え、その動作時に上記低濃度層が空乏化するｐｉｎ形半導体構造であって、前記低濃度層は、ｎ形コンタクト層に隣接して、電子ドリフト層と、光吸収層と、ホールドリフト層とが積層されて構成されることを特徴とするフォトダイオードである。
第１の実施形態のフォトダイオードを説明するための図である。 第１の実施形態のフォトダイオードを説明するための図である。 第２の実施形態のフォトダイオードスを説明するための図である。 第２の実施形態のフォトダイオードスを説明するための図である。 第２の実施形態のフォトダイオードのＴＨｚ応答出力の計算結果を示す図である。 第２の実施形態のフォトダイオードのＴＨｚ応答出力の計算結果を示す図である。 第３の実施形態のフォトダイオードのバンドダイアグラムと電界強度との関係を示す図である。 第４の実施形態のフォトダイオードのバンドダイアグラムと電界強度との関係を示す図である。 第５の実施形態のフォトダイオードのバンドダイアグラムと電界強度との関係を示す図である。 ＴＨｚ出力可能な従来のフォトダイオード・モジュールのバンドダイアグラムを示す図である。 従来のフォトダイオード・モジュールにおけるＴＨｚ応答出力のシミュレーション結果である。
　以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（第１の実施形態）
　図１Ａ、Ｂは、第１の実施形態のフォトダイオードを説明するための図であり、図１Ａはその層構成を示し、図１Ｂはそのバンドダイアグラムを示している。
　本実施形態のフォトダイオードは、図１Ａに示すように、半絶縁性のＩｎＰ基板１０上に、ＩｎＰからなるｎ形コンタクト層１１と、ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ１ｅＶ）からなる低不純物濃度の電子ドリフト層１２と、低不純物濃度のＩｎＧａＡｓ光吸収層１３と、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ１ｅＶ）からなる低不純物濃度のホールドリフト層１４と、ＩｎＰからなるｐ形コンタクトバッファ層１５と、ＩｎＡｌＧａＡｓからなるｐ形コンタクト層１６とを積層し、ｎ形コンタクト層１１上にｎ電極１８が形成され、ｐ形コンタクト層１６上にｐ電極１７が形成されて構成される。
　またこのフォトダイオードの活性領域内には、図１Ｂのバンドダイアグラムに示すように、光を吸収することによって電子１９ａとホール１９ｂが発生し、キャリアの走行による電流が誘起される。
　上記のフォトダイオードを製作する手法は、従来の超高速フォトダイオードを製作するものと同様の手法を採用できる。例えば、まず、ＭＯ－ＶＰＥ法により、半絶縁性のＩｎＰ基板１０に、ｎ形コンタクト層１１からｐ形コンタクト層１６までの積層構造をエピタキシャル成長した基板を製作する。デバイスの加工は、ＩｎＡｌＧａＡｓ－ｐ形コンタクト層１６からＩｎＧａＡｓＰ－電子ドリフト層１２までを含む第１のメサと、ＩｎＰ－ｎ形コンタクト層１１の第２メサとを、化学エッチングを用いて加工する。デバイスの加工は、さらに、金属の蒸着によりｐ電極１７とｎ電極１８を形成し、その他の必要な分離用絶縁膜、金属配線などを形成することによって行われる。
　上記のフォトダイオードに対して、ｐ電極１７とｎ電極１８からフォトダイオードに逆バイアス電圧を印加すると、ＩｎＧａＡｓＰ電子ドリフト層１２、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３、ＩｎＡｌＧａＡｓホールドリフト層１４が空乏化し、電界が誘起される。この状態で、信号光を入射すると、前述の様にＩｎＧａＡｓ光吸収層１３で電子とホールが発生する。それらのキャリアが空乏層を走行することで外部回路に誘導電流が生じる。ホールドリフト層１４と電子ドリフト層１２の材料系を変えているのは、それぞれ、ＩｎＧａＡｓに対する価電子帯不連続、伝導帯不連続が小さく、低電界時においてバンド不連続に伴うキャリアのトラップの効果が小さくなるからである。
　上記のフォトダイオードでは、ｐｉｎ形ダイオード構造を基本とするものの、ｐ形コンタクト層の側にホールドリフト層が挿入されている点に主な特徴がある。因みに、従来のｐｉｎ形ダイオードに関しては、電子ドリフト層をｎ形コンタクト層の側に挿入することは、すでに非特許文献２にも示されているが、ｐ形コンタクト層側にホールドリフト層を
挿入することは開示されていない。これは、従来のｐｉｎ形ダイオードでは広帯域・高効率なデバイスであることが求められていた結果である。すなわち、３ｄＢ帯域や出力が要求され、これに貢献しないホールドリフト層は不要な層であると考えられていたためである。非特許文献２に開示された技術では、電子の速度がホールのそれよりも大きいため、３ｄＢ帯域を上げたり接合容量を低減させたりすることで、３ｄＢ帯域を拡大できるという、利点がある。
　これとは逆に、本実施形態のフォトダイオードでは、ｐ形コンタクト層の側にホールドリフト層が挿入されると、速度の遅いホールの電流成分の寄与が増大し、３ｄＢ帯域はむしろ低下する傾向を持つ。すなわち、３ｄＢ帯域を向上させるという典型的な目的に対しては、本実施形態のフォトダイオードのダイオード構造は意義をもたない。しかしながら、一定の空乏層厚の条件下では、ＩｎＧａＡｓ光吸収層１３で発生した電子の平均的な走行距離が短くなる分、走行時間が短縮されるのは明らかである。結局、電子電流応答の周波数域は拡大され、ＴＨｚ周波数領域では逆に応答が高くなるという特性を持つ。
　以上の実施形態の説明ではＩｎＰに格子整合する材料を選び、ホールドリフト層にはＩｎＡｌＧａＡｓ、電子ドリフト層にはＩｎＧａＡｓＰを用いるとした。しかしながら、本実施形態のフォトダイオードは、基本的には材料系による大きな制約なく、その設計概念は共通に応用できる。
（第２の実施形態）
　本実施形態のフォトダイオードは、第１の実施形態のフォトダイオードにおいて、ＩｎＧａＡｓ光吸収層の空乏層内の位置を変えた態様である。図２Ａ、Ｂは、第２の実施形態のフォトダイオードにおけるバンドダイアグラムを示す図であり、図２Ａに示すバンドダイアグラムを持つフォトダイオードでは、光吸収層２３ａがｐ形コンタクト層１６寄りに配置され、ホールドリフト層２４ａが薄く、電子ドリフト層２２ａが厚く構成される。その逆に、図２Ｂに示すバンドダイアグラムとなるフォトダイオードでは、光吸収層２３ｂがｎ形コンタクト層１１寄りに配置され、ホールドリフト層２４ｂが厚く、電子ドリフト層２２ｂが薄く構成される。その他の構成は、第１の実施形態で示した構成と同じである。
　ｐ形コンタクト層１５の側にホールドリフト層２４ａ、２４ｂを挿入する構成、すなわち、光吸収層２３ａ、２３ｂの空乏層内の位置を調整することが本発明のフォトダイオードの主な特徴である。電子ドリフト層２２ａ、２２ｂ及びホールドリフト層２４ａ、２４ｂの厚さは、必要とされる光応答特性に応じて調整される。図２Ａの構成、図２Ｂの構成のいずれが優劣かということはない。本実施形態のフォトダイオードは、光吸収層の空乏層内の位置を調整することにより、必要な周波数域の応答を最大限に引き出すように設定すればよい。構造による応答特性の違いについて以下に説明する。
　ここでは、次の４種類の構造を比較する。表１はパラメータを示す。図３Ａ、Ｂは、本実施形態のフォトダイオードにおけるＴＨｚ応答出力の計算結果である。図３Ａは１０ＧＨｚから１×１０４ＧＨｚにおけるＴＨｚ応答出力の計算結果を示す両対数グラフである。図３Ｂは１０ＧＨｚから５×１０３ＧＨｚにおけるＴＨｚ応答出力の計算結果を示す片対数グラフである。図３Ａ、Ｂにおいては、（対数軸と線形の軸）比較のために、非特許文献２で提案された構造に基づいてホールドリフト層の厚さをゼロとした構造（応答０）も含んでいる。因みに、応答０におけるカーブは図８のＲ０６（ｆ）と同じカーブである。


Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　ホールドリフト層がない従来構造（応答０のカーブ）では、３ｄＢ帯域は１．１ＴＨｚである（図８のＲ０６（ｆ）と同じカーブ）。ホールドリフト層を、６００Å、９００Å、１２００Åと厚くするに従い、３ｄＢ帯域１２０ＧＨｚ程度まで、急激に低下することが図３Ａに示す比較で良くわかる。一方、図３Ｂによれば、ＴＨｚ領域の応答では、ホールドリフト層が厚いほど、周波数応答の裾が広がっていることが確認される。２ＴＨｚを超えると、本実施形態のフォトダイオードの応答出力はほとんど落ち込みがないにも関わらず、従来構造（応答０）では応答出力が急激に落ち込む。したがって、従来構造に対する本発明のフォトダイオードの優位性が発揮されているといえる。
　従来構造における応答の落ちは３ＴＨｚにみられる。これに対して、本フォトダイオードの構造では、ホールドリフト層を厚くするに従い、応答の落ちはより高周波側にシフトしている。特に、ホールドリフト層厚を１２００Åとした応答３で示すカーブでは、５ＧＨｚまで比較的平坦な応答特性を示す。結局、本実施形態のフォトダイオードは、３ｄＢ帯域を犠牲にして、ＴＨｚ周波数領域の電子の応答を効果的に引き出す構造と言える。
　以上説明したとおり、本実施形態のフォトダイオードでは、第１の実施形態のフォトダイオードと同様の効果を有する。さらに本実施形態のフォトダイオードでは、光吸収層の空乏層内の位置を変化させることによって所望の周波数範囲で必要な出力を得られるように調整できる。
（第３の実施形態）
　本実施形態のフォトダイオードは、第１の実施形態のフォトダイオードにおいて、光吸収層の電界強度を電子ドリフト層およびホールドリフト層の電界強度よりも高くした、いわゆる階段型の電界強度プロファイルとした態様である。図４は、第３の実施形態のフォトダイオードのバンドダイアグラムと電界強度との関係を示す図である。本実施形態のフォトダイオードは、図４に示すように、第１の実施形態の電子ドリフト層１２と、光吸収層１３と、ホールドリフト層１４とに代えて、電子ドリフト層３２と、ＩｎＧａＡ光吸収層３３と、ホールドリフト層３４とを採用している。電子ドリフト層３２は、ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ１ｅＶ）からなる不純物濃度分布を持たせている。ＩｎＧａＡ光吸収層３３は、低不純物濃度である。ホールドリフト層３４は、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ１ｅＶ）からなる不純物濃度分布を持たせている。ここで、電子ドリフト層３２は、その一部の光吸収層３３側にｎ形ドーピング層３２ｎを有している。ホールドリフト層３４は、その一部の光吸収層３３側に、ｐ形ドーピング層３４ｐを有している。ｎ形ドーピング層３２ｎのイオン化ドナー電荷量と、ｐ形ドーピング層３４ｐのイオン化アクセプタ電荷量を、必要な電界強度の差に応じて調整する。
　ｎ形ドーピング層３２ｎ、ｐ形ドーピング層３４ｐは狭い幅を持つので、図４に示した様に階段形の電界強度プロファイルとなる。したがって、光吸収層３３の電界強度を、電子ドリフト層３２、ホールドリフト層３４のそれらよりも、相対的に高くする。光吸収層３３の電界強度が上がると、光吸収で発生した電子をより短時間に加速して、本実施形態のフォトダイオードの応答を早く、すなわち、ＴＨｚ域の応答を高くすることが可能となる。また、光吸収層３３の電界強度が上がることは、電子ドリフト層３２内の電位変化を抑え、電子の運動エネルギーが高くなり過ぎない様にする作用もある。構造を複雑にするのを避けるため、ｐ形ドーピング層３４ｐを挿入せず、ｎ形ドーピング層３２ｎのみ挿入する構造も可能である。なお、ホール、電子ドリフト層３２の電界が下がると、必要なフォトダイオードのバイアス電圧も下がり、低発熱の動作が可能となるという利点もある。
　以上説明したとおり、本実施形態のフォトダイオードでは、第１の実施形態のフォトダイオードと同様の効果に加えて、階段型の電界強度プロファイルを持たせることにより、応答速度の向上を図ることができる。
（第４の実施形態）
　本実施形態のフォトダイオードは、第１の実施形態のフォトダイオードにおいて、電子ドリフト層およびホールドリフト層にドーピングをした態様である。図５は、第４の実施形態のフォトダイオードのバンドダイアグラムと電界強度との関係を示す図である。本実施形態のフォトダイオードは、図５に示すように、第１の実施形態の、電子ドリフト層１２と、光吸収層１３と、ホールドリフト層１４とに代えて、電子ドリフト層４２と、ＩｎＧａＡ光吸収層４３と、ホールドリフト層４４とを採用している。電子ドリフト層４２は、ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ１ｅＶ）からなるｎ形ドーピングされている。ＩｎＧａＡ光吸収層４３は、低不純物濃度である。ホールドリフト層４４は、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ１ｅＶ）からなるｐ形ドーピングされている。
　電子ドリフト層４２、ホールドリフト層４４が、それぞれ、ｎ形、ｐ形にドーピングされている。したがって、光信号が入力されず、電子とホールが流れていない状態の電界強度プロファイルは、図５に示した様に、なだらかな台形の山形となる。光信号が入力されると、電子ドリフト層４２を走行する電子、ホールドリフト層４４を走行するホールは、それらの電荷により空乏層４３内の電界強度分布を変調する。しかし本フォトダイオードでは、動作時の電子の負電荷、ホールの正電荷を補償する様に、電子ドリフト層４２のｎ形ドーピング量、ホールドリフト層４４のｐ形ドーピング量を調整する。
　キャリア濃度とバランスさせるためのそれぞれのドーピング濃度は、動作電流密度により決定する。例えば、１０μｍ２の接合面積で、５ｍＡの電流で動作する場合、電流密度は５×１０４Ａ／ｃｍ２となる。電流密度Ｊは、キャリア濃度ｎとキャリア走行速度ｖ、電子電荷ｑのとき、Ｊ＝ｑ×ｎ×ｖと与えられる。したがって、電子電荷密度は、Ｊ／（ｑ×ｖｅ）＝５．２×１０１５／ｃｍ３と計算される。また、ホール電荷密度は、Ｊ／（ｑ×ｖ１ｈ）＝６．９×１０１６／ｃｍ３と計算される。この様にして、電子ドリフト層４２のｎ形ドーピング量、ホールドリフト層４４のｐ形ドーピング量を決める。この様に、あらかじめ決められた動作電流で適正な電界プロファイルを保つべく構造を決める。したがって、より高いフォトダイオードの動作電流においても、良好な特性を持つ構造を実現できる。
　以上説明したとおり、本実施形態のフォトダイオードでは、第１の実施形態のフォトダイオードと同様の効果に加えて、より高い動作電流でも適正な動作を行うことができる。
（第５の実施形態）
　本実施形態のフォトダイオードは、第３の実施態様に示した階段型電界プロファイルと第４の実施態様に示した電子ドリフト層およびホールドリフト層へのドーピングとの両方を採用した態様である。図６は、第５の実施形態のフォトダイオードのバンドダイアグラムと電界強度との関係を示す図である。第５の実施形態のフォトダイオードは、図６に示すように、第１の実施形態の電子ドリフト層１２と、光吸収層１３と、ホールドリフト層１４とに代えて、電子ドリフト層５２と、ＩｎＧａＡｓ光吸収層５３と、ホールドリフト層５４とを採用している。電子ドリフト層５２は、ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ１ｅＶ）からなるｎ形ドーピングされている。ＩｎＧａＡｓ光吸収層５３は、低不純物濃度である。ホールドリフト層５４は、ＩｎＡｌＧａＡｓ（バンドギャップ１ｅＶ）からなるｐ形ドーピングされている。さらに、電子ドリフト層５２は、その一部の光吸収層５３側に、より濃度の高いｎ形ドーピング層５２ｎを有している。ホールドリフト層５４は、その一部の光吸収層３３側に、より濃度の高いｐ形ドーピング層３４ｐを有している。
　本実施形態のフォトダイオードは、第３の実施形態で説明した階段形電界プロファイルと、第４の実施形態で説明した電子ドリフト層へのｎ形ドーピングおよびホールドリフト層へのｐ形ドーピングとの２つの機能を組み合わせて導入したものである。光吸収層５３の電界強度は、電子ドリフト層５２、ホールドリフト層５４のそれらよりも相対的に高いので、光吸収により発生した電子をより短時間に加速し、電流の応答を早くする効果に加え、高い動作電流でも適正な動作を行うことができる。
　以上説明したとおり、本実施形態のフォトダイオードでは、第１の実施形態のフォトダイオードと同様の効果に加えて、電流の応答を早くする効果に加え、高い動作電流でも適正な動作を行うことができる。
　１０　基板
　１１、７１　ｎ形コンタクト層
　１２、２２ａ、２２ｂ、３２、４２、５２、７２　電子ドリフト層
　１３、２３ａ、２３ｂ、３３、４３、５３、７３　光吸収層
　１４、２４ａ、２４ｂ、３４、４４、５４　ホールドリフト層
　１５、７４　ｐ形コンタクトバッファ層
　１６　ｐ形コンタクト層
　１１　ｎ形コンタクト層
　１８　ｎ電極
　１６、７５　ｐ形コンタクト層
　１７、７６　ｐ電極
　１９ａ、ｅ　電子
　１９ｂ、ｈ　ホール
　３２ｎ　ｎ形ドーピング層
　３４ｐ　ｐ形ドーピング層

Claims (4)

  1. 　ｎ形コンタクト層、低濃度層、ｐ形コンタクト層が順次積層された半導体層構造と、ｎ形コンタクト層およびｐ形コンタクト層にそれぞれ接続されたｎ電極およびｐ電極を備え、その動作時に上記低濃度層が空乏化するｐｉｎ形半導体構造であって、
    　前記低濃度層は、ｎ形コンタクト層に隣接して、電子ドリフト層と、光吸収層と、ホールドリフト層とが積層されて構成されることを特徴とするフォトダイオード。
  2. 　前記電子ドリフト層および前記ホールドリフト層は光吸収層として機能せず、前記電子ドリフト層の厚さ及びホールドリフト層の厚さを変化させることにより、必要とされる光応答特性に調整することを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
  3. 　前記光吸収層の電界強度に対し、電子ドリフト層とホールドリフト層との少なくとも一方の電界強度を低く設定することを特徴とする請求項１または２に記載のフォトダイオード。
  4. 　前記電子ドリフト層はｎ形のドーピングがされ、前記ホールドリフト層はｐ形のドーピングがされていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のフォトダイオード。
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