JPH0637350A - 光信号受信器 - Google Patents

光信号受信器

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JPH0637350A
JPH0637350A JP4210760A JP21076092A JPH0637350A JP H0637350 A JPH0637350 A JP H0637350A JP 4210760 A JP4210760 A JP 4210760A JP 21076092 A JP21076092 A JP 21076092A JP H0637350 A JPH0637350 A JP H0637350A
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JP
Japan
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layer
optical signal
semiconductor layer
signal receiver
semiconductor
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JP4210760A
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Inventor
Toshiaki Kagawa
俊明 香川
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 アバランシェフォトダイオ―ドの非線形歪を
改善する。 【構成】 アバランシェフォトダイオ―ド1のキャリア
増倍層7が、In1-(x+y) Alx Gay As1-z
z (ただし、0≦x<1、0<y≦1、0≦z<1)で
なる井戸層と、In1-u Alu As(ただし、0<u<
1)でなるバリア層とが順次交互に積層されている超格
子半導体層でなる。キャリア増倍層の電子及び正孔のイ
オン化率α及びβ、アバランシェフォトダイオ―ドの電
流増幅率をM、自然対数をIn とするとき、W=(1/
α)In (M/(1+M(β/α)))の厚さで、光吸
収層9は1μm以下の厚さとする。アバランシェフォト
ダイオ―ドは、半導体基板5側から光信号を入射させる
手段と、光吸収層からみて半導体基板とは反対側に、入
射光信号を反射させる手段を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、アバランシェフォトダ
イオ―ドを用いた光信号受信器に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、InPでなる半導体基板上にキャ
リア増倍層と光吸収層とが積層されている構成を有し、
且つアナログ変調された光信号の入射を受け、その強度
に応じた光電流を出力するように構成されたアバランシ
ェフォトダイオ―ドを用い、そのキャリア増倍層がIn
Pでなる半導体層の単層でなる、という光信号受信器が
種々提案されている。
【0003】このようなアバランシェフォトダイオ―ド
を用いた光信号受信器によれば、それに用いているアバ
ランシェフォトダイオ―ドがキャリア増倍層を有するこ
とから、アバランシェフォトダイオ―ドから、それに入
射する光信号の強度に応じた光電流が、増倍して出力さ
れ、このため、光信号を、キャリア増倍層を有しない単
なるフォトダイオ―ドを用いた光信号受信器の場合に比
し、高感度に、受信することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の光信号受信器の場合、それに用いているアバラ
ンシェフォトダイオ―ドのキャリア増倍層がInPでな
る半導体層の単層でなることのため、アバランシェフォ
トダイオ―ドの電子のイオン化率αと正孔のイオン化率
との比α/βが1に近く、このため、アバランシェフォ
トダイオ―ドの電流増倍率が入射する光信号の強度の変
化によって大きく変化し、よって、アバランシェフォト
ダイオ―ドから出力する光電流に、入射する光信号に対
して大きな非線形歪を伴い、従って、光信号の受信に、
アバランシェフォトダイオ―ドから出力される光電流の
非線形歪に起因する大きな非線形歪を伴う、という欠点
を有していた。
【0005】よって、本発明は、上述した欠点のない新
規な光信号受信器を提案せんとするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明による光信号受信
器は、従来提案されている光信号受信器の場合と同様
に、InPでなる半導体基板上にキャリア増倍層として
の半導体層と光吸収層としての半導体層とがそれらの順
に積層されている構成を有し、且つアナログ変調された
光信号の入射を受け、その強度に応じた光電流を出力す
るように構成されたアバランシェフォトダイオ―ドを用
いているが、上記アバランシェフォトダイオ―ドのキャ
リア増倍層としての半導体層が、In1-(x+y) Alx
y As1- z z (ただし、0≦x<1、0<y≦1、
0≦z<1)でなる井戸層としての半導体層と、In
1-u Alu As(ただし、0<u<1)でなるバリア層
としての半導体層とが順次交互に積層されている構成を
有する超格子半導体層でなる。この場合、上記アバラン
シェフォトダイオ―ドの光吸収層としての半導体層が、
InGaAs系でなり且つ1μm以下の厚さを有してい
るのを可とする。
【0007】また、上記アバランシェフォトダイオ―ド
が、上記半導体基板の上記光吸収層としての半導体層側
とは反対側における、上記光信号を入射させる手段と、
上記光吸収層としての半導体層からみて、上記半導体基
板側とは反対側上における上記入射された光信号の光を
反射させる手段とを有するのを可とする。
【0008】さらに、上記アバランシェフォトダイオ―
ドの上記キャリア増倍層としての半導体層が、上記キャ
リア増倍層としての半導体層における電子及び正孔のイ
オン化率をそれぞれα及びβ、それら電子及び正孔のイ
オン化率α及びβによって決まる上記アバランシェフォ
トダイオ―ドの電流増倍率をM、自然対数をIn とする
とき、W=(1/α)In (M/(1+M(β/
α)))で与えられる厚さWを有するのを可とする。を
可とする。
【0009】
【作用・効果】本発明による光信号受信器によれば、ア
バランシェフォトダイオ―ドから出力される光電流の非
線形歪が、従来の光信号受信器の場合に比し、格段的に
小さいので、光信号の受信に、従来の光信号受信器の場
合に比し小さな、アバランシェフォトダイオ―ドから出
力される光電流の非線形歪に起因する非線形歪しか伴わ
ない。
【0010】
【実施例】次に、図1及び図2を伴って本発明による光
信号受信器の実施例を述べよう。
【0011】図1及び図2に示す本発明による光信号受
信器は、図1に示すように、出力側にそれ自体は公知の
復調器4を接続している、それ自体は公知の増幅器3
に、接続され、アナログ変調された光信号LSの入射
を、それ自体は公知の光ファイバ2を介して受け、その
光信号LSの強度に応じた光電流LIを、増幅器3に出
力するアバランシェフォトダイオ―ド1を用いている構
成を有する。
【0012】この場合、アバランシェフォトダイオ―ド
1は、図2に示すように、InPでなり且つn+ 型を有
する半導体基板5上に、InPでなり且つn+ 型を有す
るバッファ層としての半導体層6と、後述するキャリア
増倍層としての半導体層7と、例えばInPでなり且つ
8×1017cm-3というような比較的高いp型不純物濃
度を有することによってp+ 型を有するとともに160
Aというような比較的薄い厚さを有する半導体層8と、
後述する光吸収層としての半導体層9と、例えばGaA
sでなり且つ例えば2×1017cm-3というような比較
的高いp型不純物濃度を有することによってp+ 型を有
するとともに例えば500Aの厚さを有する半導体層1
0と、例えばInPでなり且つ例えば1×1018cm-3
というような比較的高いp型不純物濃度を有することに
よってp+ 型を有するとともに例えば1000Aの厚さ
を有する半導体層11と、例えばInGaAs系の例え
ばIn 0.53 Ga 0.47 Asでなり且つ例えば1×10
18cm-3というような比較的高いp型不純物濃度を有す
ることによってp+ 型を有するとともに例えば1000
Aの厚さを有する半導体層12とが、それらの順に積層
して形成されている。
【0013】また、アバランシェフォトダイオ―ド1
は、半導体基板5に光吸収層としての半導体層9側とは
反対側において付され且つ光信号LSを入射させる光入
射窓14を有する電極層15を有するとともに、光吸収
層としての半導体層9からみて、半導体基板5側とは反
対側上である半導体層12上に光入射窓14と対向して
付されている、入射された光信号LSの光を反射する光
反射層を兼ねた電極層13とを有する。
【0014】さらに、上述したアバランシェフォトダイ
オ―ド1において、その上述したキャリア増倍層として
の半導体層7が、In1-(x+y) Alx Gay As1-z
z (ただし、0≦x<1、0<y≦1、0≦z<1)で
なるが、例えばIn1-(x+y)Alx Gay As1-z z
のxを例えば0、yを例えば0.47、zを例えば0と
するIn 0.53 Ga 0.47 Asでなり、且つ例えば10
0Aというような薄い厚さを有する井戸層としての半導
体層7aと、In1-u Alu As(ただし、0<u<
1)でなるが、In1-u Alu Asのuを例えば0.4
8とするIn 0.5 2 Al 0.48 Asでなり、且つ例えば
100Aというような薄い厚さを有するバリア層として
の半導体層7bとが順次交互に例えば22回積層され、
且つn型不純物またはp型不純物のいずれも意図的に導
入させていない構成を有する超格子半導体層でなる。
【0015】また、上述したアバランシェフォトダイオ
―ド1において、その上述した超格子半導体層でなるキ
ャリア増倍層としての半導体層7が、キャリア増倍層と
しての半導体層7における電子及び正孔のイオン化率を
それぞれα及びβ、それら電子及び正孔のイオン化率α
及びβによって決まるアバランシェフォトダイオ―ド1
の電流増倍率をM、自然対数をIn とするとき、 W=(1/α)In (M/(1+M(β/α))) …………………(1) で与えられる厚さを有する。この場合、厚さWは、具体
的には、キャリア増倍層としての半導体層7が、上述し
た構成を有する超格子半導体層でなる場合、電子及び正
孔のイオン化率α及びβの比α/βを、キャリア増倍層
としての半導体層7がInPでなる半導体層の単層でな
る場合の「1」に比し格段的に大きな例えば「10」に
することができ、従って、電子及び正孔のイオン化率α
及びβの比α/βの逆数でなる(2)式におけるβ/α
を、例えば「0.1」にすることができ、またx及び
x′をキャリア増倍層としての半導体層7の厚さ方向の
距離とするとき、電流増倍率Mが、電子及び正孔のイオ
ン化率α及びβによって、
【数1】 …………………(2) で与えられるので、その電流増倍率Mを、β/αを例え
ば「0.1」にすることができるのに応じて、例えば
「10」にすることができるので、それらβ/α及びM
を用いた(1)式から求められる、例えば0.44μm
の値を有する。
【0016】さらに、光吸収層としての半導体層9が、
InGaAs系の例えばIn 0.53Ga 0.47 Asでな
り、且つ2×1015cm-3というような比較的低いp型
不純物濃度を有することによってp- 型を有するととも
に、1μm以下の例えば0.8μmの厚さDを有する。
【0017】以上が、本発明による光信号受信器の実施
例の構成である。
【0018】このような構成を有する本発明による光信
号受信器は、用いるアバランシェフォトダイオ―ド1に
おいて、(i)そのキャリア増倍層としての半導体層7
が、InPでなり且つ(2)式によって特定されている
厚さWを有していない半導体層の単層でなるとし、且つ
(ii)光吸収層としての半導体層9が、1μm以下の
厚さに特定されていないとともに、(iii)半導体基
板5に付された電極層15の光入射窓14に代え、半導
体層12上に付された電極層13に光入射窓が設けら
れ、その光入射窓を通じて光信号LSが入射されるよう
になされているとすれば、従来提案されている光信号受
信器と同様の構成を有している。
【0019】このため、図1及び図2に示す本発明によ
る光信号受信器によれば、詳細説明は省略するが、従来
提案されている光信号受信器の場合と同様に、電極層1
3及び15間に、増幅器3側から、その増幅器3内に設
けたアバランシェフォトダイオ―ド1の負荷を通じてバ
イアス電源を与えた状態で、アバランシェフォトダイオ
―ド1に、光信号LSを、InGaAs系でなる光吸収
層としての半導体層9では効果的に吸収されるが、それ
以外の半導体基板5、バッファ層としての半導体層6、
キャリア増倍層としての半導体層7、半導体層8、半導
体層10、半導体層11及び半導体層12ではほとんど
吸収されない、例えば1.55μmの波長を有する光と
して、光ファイバ2及び電極層15に設けた光入射窓1
4を介して、半導体基板5側から入射させれば、その光
信号LSの光が、光吸収層としての半導体層9で吸収さ
れ、これに応じて、光吸収層としての半導体層9に電子
・正孔対が生じ、その電子・正孔中の電子が、キャリア
増倍層としての半導体層7に注入することによってアバ
ランシェ増幅される、という機構で、アバランシェフォ
トダイオ―ド1から、光信号LSの強度に応じた光電流
LIが増幅器3に出力され、それが、増幅器3において
増幅されて復調器4に供給され、よって、その復調器4
から、光信号LSのアナログ復調された信号を得ること
ができ、従って、従来提案されている光信号受信器の場
合と同様に、アナログ変調された光信号LSを受信する
機能を有する。
【0020】しかしながら、図1及び図2に示す本発明
による光信号受信器の場合、アバランシェフォトダイオ
―ド1のキャリア増倍層としての半導体層7が、In
1-x-yAlx Gay As1-z z (ただし、0≦x<
1、0<y≦1、0≦z<1)でなる井戸層としての半
導体層7aと、In1-u Alu As(ただし、0<u<
1)でなるバリア層としての半導体層7bとが順次交互
に積層されている構成を有する超格子半導体層でなる。
【0021】このため、キャリア増倍層としての半導体
層7における電子及び正孔のイオン化率α及びβの比α
/βを、前述したように、キャリア増倍層としての半導
体層7が前述した従来の光信号受信器におけるようにI
nPでなり且つ(1)式によって特定されている厚さW
を有していない半導体層の単層でなる場合に比し、格段
的に大きな例えば「10」にすることができる。
【0022】ところで、キャリア増倍層としての半導体
層7における電子及び正孔のイオン化率α及びβの比α
/βが大きくなれば、それに応じて、(2)式で与えら
れる電流増倍率Mの、電子のイオン化率αが変化したと
きのdM/dαで与えられる変化が小さくなる。
【0023】その理由は、アバランシェフォトダイオ―
ド1内の電界強度、とくに、キャリア増倍層しての半導
体層7及び光吸収層としての半導体層9における電界強
度が、それら半導体層7及び9における電子及び正孔の
分布、すなわち、空間電荷によって、変化するが、その
変化が、上述したように、アバランシェフォトダイオ―
ド1への光信号LSの入射によって光吸収層としての半
導体層9に生ずる電子・正孔対中の電子が、キャリア増
倍層としての半導体層7に注入することによって、アバ
ランシェ増倍されるとき、正孔が、キャリア増倍層とし
ての半導体層7から、光吸収層としての半導体層9に注
入し、その半導体層9での電荷が過剰になることから、
半導体層9において大きくなる方向に変化しても、半導
体層7において小さくなる方向に変化するため、これに
応じて、電子及び正孔のイオン化率α及びβが小さくな
り、これによって、電流増倍率Mが小さくなるからであ
る。
【0024】以上のことから、図1及び図2に示す本発
明による光信号受信器の場合、アバランシェフォトダイ
オ―ド1から出力される光電流LIの光信号LSに対す
る非線形歪が、キャリア増倍層としての半導体層7が、
InPでなり且つ(1)式によって特定されている厚さ
Wを有していない半導体層の単層でなる場合に比し、格
段的に小である。
【0025】また、図1及び図2に示す本発明による光
信号受信器の場合、アバランシェフォトダイオ―ド1の
光吸収層としての半導体層9が、InGaAs系でなる
が、そのInGaAs系でなる半導体が効果的に吸収す
る光(光信号LSの)の波長(例えば1.55μm)よ
りも薄い1μm以下の薄い厚さDしか有しない。
【0026】ところで、上述したように、アバランシェ
フォトダイオ―ド1への光信号LSの入射によって光吸
収層としての半導体層9に生ずる電子・正孔対中の電子
が、キャリア増倍層としての半導体層7に注入すること
によって、アバランシェ増倍されるとき、正孔が、キャ
リア増倍層としての半導体層7から、光吸収層としての
半導体層9に注入するが、この場合、光吸収層としての
半導体層9が薄ければ、それに応じて、キャリア増倍層
としての半導体層7から光吸収層としての半導体層9に
注入する正孔の量が少なく、また、これに応じて、光吸
収層としての半導体層9の電界強度が大きくならず、こ
の分、キャリア増倍層としての半導体層7のの電界強度
が小にならないので、そのような、空間電荷効果による
電界強度の変化が、小さい。
【0027】このため、図1及び図2に示す本発明によ
る光信号受信器の場合、アバランシェフォトダイオ―ド
1から出力される光電流LIの光信号LSに対する非線
形歪が、光吸収層としての半導体層9が1μm以下の薄
い厚さDよりも厚い厚さを有している場合に比し、小さ
い。
【0028】また、図1及び図2に示す本発明による光
信号受信器の場合、アバランシェフォトダイオ―ド1の
光入射窓14が、半導体基板5の光吸収層としての半導
体層9側とは反対側に、光信号LSを入射させる手段と
して設けられ、且つアバランシェフォトダイオ―ド1の
光吸収層としての半導体層9からみて、半導体基板5側
とは反対側に、電極層13が、入射された光信号LSの
光を反射させる反射層を兼ねるものとして設けられてい
るので、光入射窓14を通じて光吸収層としての半導体
層9に入射した光信号LSの光の、その光吸収層として
の半導体層9で吸収されずに、その光吸収層としての半
導体層9を通過した一部が、電極層13で反射し、光吸
収層としての半導体層9に再入射する。
【0029】このため、図1及び図2に示す本発明によ
る光信号受信器の場合、光吸収層としての半導体層9
が、上述したように1μm以下の薄い厚さDを有してい
ても、その厚さDよりも薄い厚さを有する場合に相当す
る量子効率が得られる。
【0030】さらに、図1及び図2に示す本発明による
光信号受信器の場合、アバランシェフォトダイオ―ド1
のキャリア増倍層としての半導体層7が、上述した
(1)式で与えられる厚さWを有する。
【0031】ところで、上述した空間電荷の効果によ
る、キャリア増倍層としての半導体層7に印加される電
圧Vの変化dVに対する、アバランシェフォトダイオ―
ド1の電流増倍率Mの変化dMで与えられる、(dM/
dV)/Mは、キャリア増倍層としての半導体層7が、
上述した(1)式で与えられる厚さWを有する場合、最
小になる。
【0032】このため、図1及び図2に示す本発明によ
る光信号受信器の場合、アバランシェフォトダイオ―ド
1から出力される光電流LIの光信号LSに対する非線
形歪が、キャリア増倍層としての半導体層7が上述した
(1)式で与えられる厚さWを有していない場合に比
し、小さい。
【0033】以上のことから、図1及び図2に示す本発
明による光信号受信器によれば、アバランシェフォトダ
イオ―ドから出力される光電流LIの、アバランシェフ
ォトダイオ―ド1に入射する光信号LSに対する非線形
歪が、図3の16で示す光信号LSの強度に対する光電
流LIの関係のように、17で示す、前述した構成を有
する従来の光信号受信器に用いているアバランシェフォ
トダイオ―ドの同じ関係の場合、及び18で示す、光吸
収層としての半導体層9が2μmの厚さを有することを
除いて図1及び図2に示す本発明による光信号受信器と
同様の構成を有する、本発明による光信号受信器でない
光信号受信器のアバランシェフォトダイオ―ドの同じ関
係の場合に比し、小さい。
【0034】従って、図1及び図2に示す本発明による
光信号受信器によれば、上述したアナログ変調された光
信号LSを受信する機能を、前述した従来の構成を有す
る従来の光信号受信器の場合に比し小さなアバランシェ
フォトダイオ―ド1から出力される光電流LIの光信号
LSに対する非線形歪に起因する非線形歪しか伴わない
で、且つ高い量子効率で、得ることができる。
【0035】なお、上述においては、本発明による光信
号受信器の一例を示したに留まり、要は、InPでなる
半導体基板上に、キャリア増倍層としての半導体層と光
吸収層としての半導体層とがそれらの順に積層されてい
る構成を有し、且つアナログ変調された光信号の入射を
受け、その強度に応じた光電流を出力するように構成さ
れたアバランシェフォトダイオ―ドを用いた、種々の光
信号受信器に、本発明を適用して、上述した本発明の作
用効果を得ることができることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光信号受信器の実施例を示す系統
的接続図である。
【図2】図1に示す本発明による光信号受信器に用いる
アバランシェフォトダイオ―ドの実施例を、内部の電界
強度分布図を添えて示す、略線的断面図である。
【図3】図2に示す本発明による光信号受信器に用いる
アバランシェフォトダイオ―ドの、入射される光信号の
強度(ワット)に対する出力される光電流(アンペア)
の関係を、従来の光信号受信器に用いているアバランシ
ェフォトダイオ―ドの、同様の関係とともに示す図であ
る。
【符号の説明】
1 アバランシェフォトダイオ―ド 2 光ファイバ 3 増幅器 4 復調器 5 半導体基板 6 バッファ層としての半導体層 7 キャリア増倍層としての半導体層 8 半導体層 9 光吸収層としての半導体層 10、11、12 半導体層 13 電極層 14 光入射窓 15 電極層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 InPでなる半導体基板上にキャリア増
    倍層としての半導体層と光吸収層としての半導体層とが
    それらの順に積層されている構成を有し、且つアナログ
    変調された光信号の入射を受け、その強度に応じた光電
    流を出力するように構成されたアバランシェフォトダイ
    オ―ドを用いた光信号受信器において、 上記アバランシェフォトダイオ―ドのキャリア増倍層と
    しての半導体層が、In1-(x+y) Alx Gay As1-z
    z (ただし、0≦x<1、0<y≦1、0≦z<1)
    でなる井戸層としての半導体層と、In1-u Alu As
    (ただし、0<u<1)でなるバリア層としての半導体
    層とが順次交互に積層されている構成を有する超格子半
    導体層でなることを特徴とする光信号受信器。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の光信号受信器において、 上記アバランシェフォトダイオ―ドの光吸収層としての
    半導体層が、InGaAs系でなり且つ1μm以下の厚
    さを有し、 上記アバランシェフォトダイオ―ドが、上記半導体基板
    の上記光吸収層としての半導体層側とは反対側におけ
    る、上記光信号を入射させる手段と、上記光吸収層とし
    ての半導体層からみて、上記半導体基板側とは反対側上
    における上記入射された光信号の光を反射させる手段と
    を有することを特徴とする光信号受信器。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の光信号受信器において、 上記アバランシェフォトダイオ―ドの上記キャリア増倍
    層としての半導体層の厚さWが、上記キャリア増倍層と
    しての半導体層における電子及び正孔のイオン化率をそ
    れぞれα及びβ、それら電子及び正孔のイオン化率α及
    びβによって決まる上記アバランシェフォトダイオ―ド
    の電流増倍率をM、自然対数をIn とするとき、 W=(1/α)In (M/(1+M(β/α))) で与えられる厚さWを有することを特徴とする光信号受
    信器。
JP4210760A 1992-07-15 1992-07-15 光信号受信器 Pending JPH0637350A (ja)

Priority Applications (1)

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JP4210760A JPH0637350A (ja) 1992-07-15 1992-07-15 光信号受信器

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