JP2003174184A - フォトダイオード - Google Patents
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Abstract
量子効率のトレードオフ」の問題を大幅に改善し、高帯
域でかつ高内部量子効率のフォトダイオードを提供する
こと。 【解決手段】 フォトダイオードの光吸収層を、層厚W
Dの空乏化した第1の半導体光吸収層と、層厚WAのp
型中性の第2の半導体光吸収層とで構成し、WAとWD
の比率を、光吸収層内での全体のキャリア走行時間τ
totが最小となるように設定した。更に、第1の半導
体光吸収層とn型半導体電極層との間に、第1の半導体
光吸収層よりも大きなバンドギャップを有する空乏化し
た半導体光透過層を備える構成とした。これにより、
「応答速度と内部量子効率のトレードオフ」の問題を大
幅に改善することが可能となり、特に、超高速信号処理
(≧40Gbit/s)に用いるフォトダイオードにお
いて犠牲にされていた内部量子効率を大幅に向上させる
ことが可能となる。
Description
に関し、より詳細には、「応答速度と内部量子効率のト
レードオフ」の問題を大幅に改善した、高帯域・高内部
量子効率の超高速フォトダイオードに関する。
ダイオードの構造は、pinフォトダイオード(pin
−PD)と単一走行キャリアフォトダイオード(UTC
−PD)の2つに大別される。
加状態で空乏化するi型の光吸収層を、バンドギャップ
の大きなp型電極層とn型電極層とで挟んだ構造を有
し、必要とされる周波数応答に対して、活性域厚と内部
量子効率が決まる。
態で空乏化しないように一定濃度以上のドーピングを行
なったp型中性の光吸収層と、逆バイアス印加状態で空
乏化するバンドギャップの大きなi層とを、p型電極層
とn型電極層とで挟んだ構造を有し、その動作原理は特
開平9−275224号公報において詳細に説明されて
いる。
は、光電変換効率を上げようとすると光吸収層を厚くす
る必要が生じ高速光信号に応答できないという従来のフ
ォトダイオードの問題を解決するために、光吸収層をp
型の上部光吸収層と高抵抗n型の下部光吸収層の2層で
構成し、実質的に、pin−PD構造とUTC−PD構
造とを一つの構造で同時に実現したハイブリッド型の半
導体受光素子が開示されている。
つの光吸収層の間に所定の逆バイアスが印加されると、
高抵抗n型の下部光吸収層では、層の全域が空乏化され
て光励起キャリアである正孔の移動速度が大きくなり、
p型の上部光吸収層では、例え層の全域が空乏化しない
状態でも光電変換に寄与する少数キャリアの電子は大き
な拡散速度を有することとなるため、応答速度が大きく
変化しない半導体受光素子が実現可能である。
10−233524号公報に記載の発明はフォトダイオ
ードの高効率化に主眼があり、要求される周波数応答帯
域に対してダイオードの構造をどのように設計するかに
ついての指針は示されておらず、また、そもそもこの技
術分野において、2層構成の光吸収層を有するダイオー
ドの構造が、フォトダイオードの高速化に有利か否かに
ついての議論はなされていない。
光は光吸収層内で電子・正孔対を形成し、これらの電子
と正孔が層内で分離して、外部の電子回路に電流が流れ
る。一般に、光吸収層が厚くなると、層内でのキャリア
走行時間が長くなるためにフォトダイオードの応答速度
は低下する一方、光吸収層が厚いほど活性域で光を充分
に吸収することができるようになるため内部量子効率は
高くなる。つまり、フォトダイオードのパフォーマンス
を決定する因子である応答速度と内部量子効率とは光吸
収層厚を介してトレードオフの関係にあり、そのバラン
スをとることが重要である。
度について簡単に説明すると、pin−PDの応答速度
は、ドリフト速度の遅い正孔の走行時間でほぼ決まり、
電子の走行速度を無視して近似した正孔の走行時間τD
は、光照射が均一の条件のもとで、 τD(pin)=WD/3vh (1) で与えられ、また、応答速度の指標である周波数応答
(3dB帯域:f3dB)は、 f3dB(pin)=1/(2πτD) (2) と近似される。ここで、vhは正孔のドリフト速度、W
Dは空乏層厚である。
ス印加状態で空乏化したバンドギャップの大きなi層中
の電子走行速度がp型中性の光吸収層中の正孔走行速度
よりも充分大きいため、実効的なキャリア走行時間τA
は、電子走行速度の遅い光吸収層によってほぼ支配さ
れ、光照射が均一の条件のもとで、 τA(UTC−PD)=WA 2/3De+WA/vth (3) で与えられ、周波数応答(3dB帯域:f3dB)も電
子の拡散電流で決まり、 f3dB(UTC−PD)=1/(2πτA) (4) と近似される。ここで、Deは電子の拡散係数、vth
は電子の熱放出速度、W Aはp型中性の光吸収層厚であ
る。
光吸収層厚依存性を求めると、pin−PDの場合に
は、 f3dB(pin)∝1/WD (5) となる一方、UTC−PDの場合には、WA/vthの
項が相対的に小さい場合には、 f3dB(UTC−PD)∝1/WA 2 (6) となり、pin−PDとUTC−PDとで3dB帯域の
吸収層厚依存性が大きく異なっており、光吸収層が厚い
領域ではpin−PDの帯域が高く、光吸収層が薄くな
るに従ってUTC−PDの帯域が高くなるという傾向を
示す。
ードを設計するためにはUTC−PDの構成を採用する
ことが有利であるが、その場合でも上述したように光吸
収層を薄くせざるを得ず、光吸収層の薄層化は内部量子
効率の低下を招いてしまう。このように、UTC−PD
には、高速動作が可能である反面、高速動作を目的とす
る素子の内部量子効率が低下してしまうという「応答速
度と内部量子効率のトレードオフ」の問題は残る。
たものであって、その目的とするところは、フォトダイ
オードにおける上述した「応答速度と内部量子効率のト
レードオフ」の問題を改善し、高帯域でかつ高内部量子
効率のフォトダイオードを提供することにある。
的を達成するために、請求項1に記載の発明は、n型半
導体電極層と、第1の半導体光吸収層とp型を有する第
2の半導体光吸収層とから構成された光吸収層と、p型
半導体電極層とが順次積層され、前記n型半導体電極層
に設けられたn型電極と前記p型半導体電極層に設けら
れたp型電極とを備え、前記n型電極と前記p型電極と
の間に所定の逆バイアスを印加すると、前記第1の半導
体光吸収層は空乏化し、前記第2の半導体光吸収層は前
記第1の半導体光吸収層との界面近傍領域以外の領域が
中性となるフォトダイオードであって、前記第1の半導
体光吸収層の層厚(WD)と前記第2の半導体光吸収層
の層厚(WA)の和(W=WD+WA)で与えられる一
定の層厚の前記光吸収層内において、前記第1の半導体
光吸収層の層厚をWD−ΔWとし、前記第2の半導体光
吸収層の層厚をWA+ΔWとした場合の、前記第1の半
導体光吸収層内の正孔走行時間の減少分(−ΔτD)と
前記第2の半導体光吸収層内の電子走行時間の増加分
(ΔτA)とが、|ΔτA|=|−ΔτD|となるよう
にWDとWAの比率を設定したことを特徴とする。
に記載のフォトダイオードにおいて、前記第1の半導体
光吸収層及び前記第2の半導体光吸収層の各々が、In
xGa1―xAsyP1−y(0≦x及びy≦1)で表
記される相互に同一又は相違する組成の化合物半導体か
ら構成されていることを特徴とする。
に記載のフォトダイオードにおいて、前記WDとWAの
比率は、次式で与えられるτtotを最小とするように
設定されることを特徴とする。 τtot=WA 3/(3WDe)+WA 2/(W
vth)+WD 2/(3Wvh) (De:電子の拡散係数、vth:電子の熱放出速度、
vh:正孔のドリフト速度)
1、2、又は3に記載のフォトダイオードにおいて、前
記第1の半導体光吸収層と前記n型半導体電極層との間
に、前記第1の半導体光吸収層よりも大きなバンドギャ
ップを有する半導体光透過層を備え、該半導体光透過層
は、前記n型電極と前記p型電極との間に所定の逆バイ
アスを印加すると空乏化することを特徴とする。
実施の形態について説明するが、本発明のフォトダイオ
ードの設計に至った着想は以下のとおりである。一般
に、2つに分割された領域I及び領域IIで光吸収が生じ
る場合、I領域の光周波数応答はII領域の構造パラメー
タをも含み、II領域の光吸収領域の光周波数応答は、I
領域の構造パラメータをも含む。すなわち、I領域の応
答遅延時間は、I領域のキャリア走行時間とII領域のキ
ャリア走行時間との関数であり、II領域の応答遅延時間
についても同様の関係を有する。従って、I領域とII領
域とが接続された構造の全応答は、I領域とII領域のそ
れぞれが独立に存在する構造の応答を並列に重ね合わせ
た応答とはならない。例えば、pin−PDにおいて、
光吸収層の層厚を2倍にすると、遅延時間は2倍となり
帯域は1/2となってしまう。
関係」を低減させることが可能となれば、全応答はI領
域とII領域とがそれぞれ独立に存在する構造の応答を並
列に重ね合わせたものとすることが可能となるのであ
る。
オードの構成例を説明するための図で、単層又はバンド
ギャップの異なる多層のn型半導体電極層11と、逆バ
イアス印加状態で空乏化する膜厚WDの第1の半導体光
吸収層12と、逆バイアス印加状態でp型中性の膜厚W
Aの第2の半導体光吸収層13と、単層又はバンドギャ
ップの異なる多層のp型半導体電極層14とが順次積層
され、n型半導体電極層11上に設けられたn型電極1
5とp型半導体電極層14上に設けられたp型電極16
とから構成されており、第1の半導体光吸収層12と第
2の半導体光吸収層13の層厚の比は、それらの層厚の
和W(=WD+WA)が一定の条件の下で、所定の動作
条件で応答速度が最大となるように設定されている。
しても第1の半導体光吸収層と第2の半導体光吸収層か
らなる半導体光吸収層全体の光吸収係数は殆ど変化せ
ず、フォトダイオードの内部量子効率は変化しないか
ら、フォトダイオードとしてのパフォーマンスは応答速
度で決定されることとなる。
のキャリア走行時間を模式的に説明するための図で、層
厚WDの空乏化した第1の半導体光吸収層12と、層厚
WAのp型中性の第2の半導体光吸収層13の層厚の和
W(=WD+WA)を一定にする条件の基で、これらの
層厚の比を変化させた場合の、各半導体光吸収層中のキ
ャリア走行時間(τD、τA)、キャリア走行時間の
和、及び、実効的な半導体光吸収層全体のキャリア走行
時間(τtot)を模式的に示したものである。
の応答速度を決定するファクターである光吸収層全体の
キャリア走行時間τtotは、WA部分の電子走行時間
τAとWD部分の正孔走行時間τDとの単純和とはなら
ない。これは、空乏化した半導体光吸収層12内で生成
したキャリアに起因する電流と、p型中性の半導体光吸
収層13内で生成したキャリアに起因する電流とが光吸
収層内を同時に流れることによる。
化した半導体光吸収層の各々の層内で生成したキャリア
の移動の様子を説明するためのバンドダイアグラムで、
単層又はバンドギャップの異なる多層のn型半導体電極
層31と、逆バイアス印加状態で空乏化する膜厚WDの
第1の半導体光吸収層32と、p型中性の膜厚WAの第
2の半導体光吸収層33と、単層又はバンドギャップの
異なる多層のp型半導体電極層34とが順次積層された
半導体構造の半導体光吸収層に光が照射されると、第1
の半導体光吸収層32と第2の半導体光吸収層33の各
々の層内において電子・正孔対が発生し、電子はn型半
導体電極31側へと移動し、正孔はp型半導体電極34
側へと移動するという、いわば並列回路を構成した電流
が流れる状態が実現される。
依存性は、各々、τA∝WA 2、及び、τD∝WDであ
り、光吸収層厚依存性が異なるため、光吸収層厚W一定
の条件の下で、τAの増加量(ΔτA)よりもτDの減
少量(−ΔτD)の方が大きくなる条件|ΔτA|<|
−ΔτD|が存在する場合には、層厚Wの全光吸収層の
一部を層厚WAのp型中性の光吸収層とすることによっ
て、光吸収層全体のキャリア走行時間τtotが低下す
ることになる。結局、ダイオード全体の実効的なキャリ
ア走行時間は、|ΔτA|=|−ΔτD|のときに最小
値をとることとなる。この現象は、単位体積当たりのキ
ャリア生成速度G(cm−2・s)一定の均一な光照射
がなされる場合の光吸収層内でのキャリア生成の様子
を、単純な電荷制御モデルによって取り扱うことにより
理解することができる。
が形成されて光電流J(=qGW)が発生するが、一般
に、光電流量が増大すると、p型中性の半導体光吸収層
内の電子電荷−QA、及び、空乏化した半導体光吸収層
内及びその近傍領域の正孔電荷QDも増加する。
QAは、拡散モデルによる取り扱いでは、 −QA=−qG(WA 3/(3De)+WA 2/vth) (7) で与えられる。
A層内の光電流JA(=qGWA)の微分量ΔJAとを
用いて、 τA=ΔQA/ΔJA (8) と表されることを考慮すると、τAは、 τA=(WA 2/(3De)+WA/vth) (9) と表現できる。
qGWD 2/2だけ増加し、p型中性の光吸収層と空乏
化した光吸収層との界面でqGWD 3/3だけ減少する
から、 QD=qGWD 2/6vh (10) で与えられる。
D層内の光電流JD(=qGWD)の微分量ΔJDとを
用いて、 τD=2ΔQD/ΔJD (11) と表されることを考慮すると、τDは、 τD=WD/3vh (12) で与えられる。なお、数式(11)の右辺で2の係数が
ついているのは、正孔電流が全電流の1/2であること
による。
ードの光周波数応答をより一般的に説明すると、第1の
半導体光吸収層(空乏層)に光信号が入力された場合の
光周波数応答をR1(ω)、第2の半導体光吸収層(p
形中性層)に光信号が入力された場合の光周波数応答を
R2(ω)とすると、第2の半導体光吸収層で発生した
電子は、第1の半導体光吸収層の端から注入されてそこ
を通過するため、第2の半導体光吸収層独立の応答をR
22(ω)、電子の第1の半導体光吸収層の通過に伴う
応答をR21(ω)として、R2(ω)はこれらの積R
22(ω)・R 21(ω)で与えられる。ここで、対象
としているフォトダイオードはInGaAsP系の半導
体材料を用いて構成するため、第1の半導体光吸収層中
の電子速度(走行時間)が第2の半導体光吸収層中の電
子速度(走行時間)よりも充分高く(短く)、R
2(ω)〜R22(ω)と近似可能な光吸収層の設計範
囲が存在し得て、そのように近似することができる。
電子と正孔による電流は、この層の両端領域が電荷中性
(多数キャリアが存在)となっているために、ほぼその
まま外部回路へと流れ、第1の半導体光吸収層と第2の
半導体光吸収層とがそれぞれ独立に存在する構造での応
答を並列に重ね合わせた応答、すなわち、R
tot(ω)〜R1(ω)+R2(ω)の条件が実現で
きることとなる。
おいて、拡散電流とドリフト電流とが並列で流れる回路
の全応答J(ω)は、 J(ω)=JDC[(WA/W)/(1+jωτA) +(WD/W)/(1+jωτD)] (13) となり、低周波領域では、 J(ω)≒JDC[1−jω(WAτA+WDτD)/W] (14 ) と近似されるので、結局、全体のキャリア走行時間τtotは、 τtot≒(WAτA+WDτD)/W =[WA 2/(3De)+WA/vth](WA/W) +[WD/3vh](WD/W) =WA 3/(3WDe)+WA 2/(Wvth)+WD 2/(3Wvh) (15)となる。
5)で与えられるτtotを最小にすれば良く、応答速
度(及びその指標である3dB帯域)は、WAとWDの
比率を設定することで最大とすることが可能となる。
totは、[WA 2/(3De)+WA/vth](W
A/W)と[WD/3vh](WD/W)の成分からな
り、WAとWDの各々が全光吸収層厚Wに占める比率に
依存し、WA=0(空乏化した半導体光吸収層のみ)及
びWA=W(p型中性の半導体光吸収層のみ)の構造の
フォトダイオードのキャリア走行時間は、各々、上述し
た数式(1)及び数式(3)で与えられるキャリア走行
時間に一致する。
厚を有する構造の本発明のフォトダイオードのτtot
は、W2/(3De)+W/vth、及び、W/3vh
の何れの値よりも小さくなり得るから、pin−PD及
びUTC−PDよりも小さなτtotを得ることが可能
で、より高速な応答が可能となる。
本発明のフォトダイオードによれば、2つに分割された
半導体光吸収領域の依存関係を低減させることが可能と
なり、フォトダイオードの全応答は、これら2つの領域
がそれぞれ独立に存在する構造の応答を並列に重ね合わ
せたものとすることが可能となる。
s光吸収層と層厚WAのp型中性のInGaAs光吸収
層とを備える本発明のフォトダイオードの光吸収層内で
の、全体のキャリア走行時間τtotと3dB帯域f
3dBとを上述したモデルに基づく計算により求めた結
果を説明するための図で、電子の拡散係数をDe=20
0cm2/s、正孔速度をvh=5×106cm/s、
InGaAs光吸収層の全厚をW=WA+WD=0.4
μm一定とし、Wに対するWAの割合に対して全体のキ
ャリア走行時間τtot及び3dB帯域f3dBがどの
ように変化するかを示したものである。
イオードのf3dBの値は、WA=0.18μm(WD
=0.22μm)の場合に116GHzの最大値をと
る。これに対して、WA=0(WD=W)の場合に対応
するpin−PDのf3dBは60GHzであり、WA
=W(WD=0)の場合に対応するUTC−PDのf3
dBは37GHzであるから、本発明のフォトダイオー
ドによってf3dBが大幅に増大することになる。な
お、τtotは全光吸収層厚Wの増加とともに単調に増
加するため、帯域を最大にするWAとWDの組み合わせ
は、その帯域に対する最大内部量子効率を与える組み合
わせでもある。
オードの他の構成例を説明するための図で、単層又はバ
ンドギャップの異なる多層のn型半導体電極層51と、
逆バイアス印加状態で空乏化する半導体光透過層52
と、逆バイアス印加状態で空乏化する膜厚W Dの第1の
半導体光吸収層53と、逆バイアス印加状態でp型中性
の膜厚WAの第2の半導体光吸収層54と、単層又はバ
ンドギャップの異なる多層のp型半導体電極層55とが
順次積層され、n型半導体電極層51上に設けられたn
型電極56とp型半導体電極層55上に設けられたp型
電極57とから構成されており、半導体光透過層52は
第1の半導体光吸収層53よりも大きなバンドギャップ
を有するように設計されている。
吸収層と空乏化した半導体光吸収層の各々の層内で生成
したキャリアの移動の様子を説明するためのバンドダイ
アグラムで、単層又はバンドギャップの異なる多層のn
型半導体電極層61と、逆バイアス印加状態で空乏化す
る半導体光透過層62と、逆バイアス印加状態で空乏化
する膜厚WDの第1の半導体光吸収層63と、逆バイア
ス印加状態でp型中性の膜厚WAの第2の半導体光吸収
層64と、単層又はバンドギャップの異なる多層のp型
半導体電極層65とが順次積層された半導体構造の半導
体光吸収層に光が照射されると、各々の半導体光吸収層
内において電子・正孔対が発生し、電子はn型電極61
側へ移動し、正孔はp型電極65側へ移動するという、
いわば並列回路中を電流が流れる状態が実現される。
は、半導体光透過層52が逆バイアス印加状態で空乏化
するように設計されているので、動作時の半導体光透過
層52内での電子電荷の増大は顕著となることはなく、
pn接合幅が広がるとともに、接合容量を低くすること
が可能である。また、空乏化した第1の半導体光吸収層
53内のキャリア走行時間は、正孔の走行時間が一定で
あれば大きな変化がなく、全体のキャリア走行時間τ
totは殆ど増加することはない。
に、ダイオードの応答を電荷制御モデルで取り扱うと、
第1の半導体光吸収層の層厚をWD、第2の半導体光吸
収層の層厚をWA、半導体光透過層の層厚をWTとし、
かつ、第1及び第2の半導体光吸収層の層厚和W(=W
D+WA)を一定とする条件の基での全体のキャリア走
行時間(τtot)は、 τtot=WA 3/(3WDe)+W2 A/(Wvth) +[WD 3/(WD+WT)]/(3Wvh) (16) となる。この結果を数式(15)で得られた比較とする
と、数式(16)の第3項の値が、WD/(WD+
WT)だけ小さくなることが理解できる。
ードでは、WAとWDとを縮小した場合でもpn接合幅
は狭くならず、接合容量C及びRC時定数の増大によっ
て帯域を劣化させることがないという利点を有し、高速
動作に有利な構造のフォトダイオードを得ることが可能
となる。
光吸収層を、層厚WDの空乏化した第1の半導体光吸収
層と、層厚WAのp型中性の第2の半導体光吸収層とで
構成し、WAとWDの比率を、全体のキャリア走行時間
τtotが最小となるように設定したので、従来の構成
のフォトダイオードが抱えていた「応答速度と内部量子
効率のトレードオフ」の問題を大幅に改善することが可
能となる。
s)に用いられる従来型のフォトダイオードでは、光吸
収層厚を薄く設計し、内部量子効率を犠牲にして帯域を
確保するということがなされていたが、本発明のフォト
ダイオードでは、そのような設計上の制約を除去するこ
とが可能となる。
ための図である。
する半導体光吸収層内でのキャリア走行時間を説明する
ための図である。
吸収層内でのキャリアの移動を説明するためのバンドダ
イアグラムである。
と、層厚WAのp型中性のInGaAs光吸収層とを備
える本発明のフォトダイオードの光吸収層内での、全体
のキャリア走行時間τtotと3dB帯域f3dBとを
計算により求めた結果を説明するための図である。
するための図である。
する半導体光吸収層内でのキャリアの移動を説明するた
めのバンドダイアグラムである。
Claims (4)
- 【請求項1】 n型半導体電極層と、第1の半導体光吸
収層とp型を有する第2の半導体光吸収層とから構成さ
れた光吸収層と、p型半導体電極層とが順次積層され、
前記n型半導体電極層に設けられたn型電極と前記p型
半導体電極層に設けられたp型電極とを備え、前記n型
電極と前記p型電極との間に所定の逆バイアスを印加す
ると、前記第1の半導体光吸収層は空乏化し、前記第2
の半導体光吸収層は前記第1の半導体光吸収層との界面
近傍領域以外の領域が中性となるフォトダイオードであ
って、 前記第1の半導体光吸収層の層厚(WD)と前記第2の
半導体光吸収層の層厚(WA)の和(W=WD+WA)
で与えられる一定の層厚の前記光吸収層内において、 前記第1の半導体光吸収層の層厚をWD−ΔWとし、前
記第2の半導体光吸収層の層厚をWA+ΔWとした場合
の、前記第1の半導体光吸収層内の正孔走行時間の減少
分(−ΔτD)と前記第2の半導体光吸収層内の電子走
行時間の増加分(ΔτA)とが、|ΔτA|=|−Δτ
D|となるようにWDとWAの比率を設定したことを特
徴とするフォトダイオード。 - 【請求項2】 前記第1の半導体光吸収層及び前記第2
の半導体光吸収層の各々が、InxGa1―xAsyP
1−y(0≦x及びy≦1)で表記される相互に同一又
は相違する組成の化合物半導体から構成されていること
を特徴とする請求項1に記載のフォトダイオード。 - 【請求項3】 前記WDとWAの比率は、次式で与えら
れるτtotを最小とするように設定されることを特徴
とする請求項2に記載のフォトダイオード。 τtot=WA 3/(3WDe)+WA 2/(W
vth)+WD 2/(3Wvh) (De:電子の拡散係数、vth:電子の熱放出速度、
vh:正孔のドリフト速度) - 【請求項4】 前記第1の半導体光吸収層と前記n型半
導体電極層との間に、前記第1の半導体光吸収層よりも
大きなバンドギャップを有する半導体光透過層を備え、
該半導体光透過層は、前記n型電極と前記p型電極との
間に所定の逆バイアスを印加すると空乏化することを特
徴とする請求項1、2、又は3に記載のフォトダイオー
ド。
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