JPH0661521A - Avalanche photodiode - Google Patents
Avalanche photodiodeInfo
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- JPH0661521A JPH0661521A JP4210122A JP21012292A JPH0661521A JP H0661521 A JPH0661521 A JP H0661521A JP 4210122 A JP4210122 A JP 4210122A JP 21012292 A JP21012292 A JP 21012292A JP H0661521 A JPH0661521 A JP H0661521A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はアバランシェホトダイオ
ードに関し、特に裏面光入射型の１．３〜１．５μｍ帯
用化合物半導体アバランシェホトダイオードに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an avalanche photodiode, and more particularly to a backside light incident type compound semiconductor avalanche photodiode for 1.3 to 1.5 .mu.m band.
【０００２】近年、光通信の高速化、長距離化、大容量
化に対する需要が一層高まってきた。次世代の情報ネッ
トワークには受信光変調速度２．５Ｇｂｉｔ／ｓｅｃの
システムが計画されている。In recent years, there has been an increasing demand for higher speed, longer distance, and larger capacity of optical communication. For the next-generation information network, a system with a received optical modulation rate of 2.5 Gbit / sec is planned.
【０００３】このシステムにおいて、受光回路側に要求
される特性は−３０ｄＢｍより小さな最小受信レベル
（受信感度）、６０ＧＨｚ以上の帯域幅であり、しかも
光ファイバとの結合が容易な機能的構造と量産化可能な
素子構造が求められている。In this system, the characteristics required on the light receiving circuit side are a minimum reception level (reception sensitivity) of less than -30 dBm, a bandwidth of 60 GHz or more, and a functional structure that facilitates coupling with an optical fiber and mass production. There is a demand for a device structure that can be realized.
【０００４】[0004]
【従来の技術】高感度の受光素子として、光電離したキ
ャリアを増幅する機能を備えたアバランシェホトダイオ
ード（ＡＰＤ）が知られている。2. Description of the Related Art An avalanche photodiode (APD) having a function of amplifying photo-ionized carriers is known as a highly sensitive light receiving element.
【０００５】図２に、ＡＰＤを用いた受光回路の例を示
す。図２（Ａ）はハイインピーダンス型受光回路を示
し、図２（Ｂ）はトランスインピーダンス型受光回路を
示す。図２（Ａ）に示すハイインピーダンス型受光回路
においては、ＡＰＤと負荷抵抗ＲL が直列に接続され、
相互接続点にオペアンプ等の増幅器（プリアンプ）Ａｍ
ｐが接続されている。ＡＰＤの寄生容量をＣｄとする
と、ハイインピーダンス型受光回路の時定数はＣｄ・Ｒ
L となる。FIG. 2 shows an example of a light receiving circuit using an APD. FIG. 2A shows a high impedance type light receiving circuit, and FIG. 2B shows a transimpedance type light receiving circuit. In the high impedance light receiving circuit shown in FIG. 2A, the APD and the load resistor R L are connected in series,
Amplifier (preamplifier) Am such as operational amplifier at the interconnection point
p is connected. When the parasitic capacitance of the APD is Cd, the time constant of the high-impedance light receiving circuit is Cd · R.
It becomes L.
【０００６】図２（Ｂ）のトランスインピーダンス型受
光回路においては、ＡＰＤの一方の電極にオペアンプ等
の増幅器Ａｍｐが接続され、増幅器Ａｍｐの出力端と入
力端の間にフィードバック抵抗Ｒｆが接続されている。
トランスインピーダンス型受光回路の時定数は、Ｃｄ・
Ｒｆ′となる。In the transimpedance type light receiving circuit of FIG. 2B, an amplifier Amp such as an operational amplifier is connected to one electrode of the APD, and a feedback resistor Rf is connected between the output terminal and the input terminal of the amplifier Amp. There is.
The time constant of the transimpedance type light receiving circuit is Cd
Rf '.
【０００７】なお、Ｒｆ′はフィードバック抵抗Ｒｆを
増幅器Ａｍｐのゲインで除算した数である。したがっ
て、トランスインピーダンス型受光回路は、ハイインピ
ーダンス型受光回路よりも時定数を低くできる利点があ
る。Note that Rf 'is the number obtained by dividing the feedback resistance Rf by the gain of the amplifier Amp. Therefore, the transimpedance type light receiving circuit has an advantage that the time constant can be made lower than that of the high impedance type light receiving circuit.
【０００８】ハイインピーダンス型にしてもトランスイ
ンピーダンス型にしても、ＲL やＲｆを大きく設計する
ことにより、熱雑音の低減、すなわちプリアンプ入力換
算雑音の改善ができる。一方、回路帯域は、少なくとも
ビットレートの７０％程度（２．５Ｇｂ／ｓシステムで
あれば、約１．７ＧＨｚ）に保持する必要がある。した
がって、低容量なＡＰＤが必要となる。Whether high impedance type or transimpedance type is used, thermal noise can be reduced, that is, preamplifier input conversion noise can be improved by designing R L and Rf to be large. On the other hand, it is necessary to keep the circuit band at least about 70% of the bit rate (about 1.7 GHz for a 2.5 Gb / s system). Therefore, a low capacity APD is required.
【０００９】ＡＰＤの低雑音化は、光吸収領域と増幅領
域を分離し（ＳＡＭ型）、かつ光吸収領域でも電界加速
を行なうリーチスルーＳＡＭ型ＡＰＤの採用と、増倍領
域でイオン化率の高いキャリアを注入するため、光吸収
領域の導電型を適切に選択すること（該領域の少数キャ
リアが増倍領域へ注入される）等によって達成される。
トランスインピーダンス型の受光回路において、プリア
ンプの低雑音化は、帰還抵抗Ｒｆを大きくすると達成さ
れる。To reduce the noise of the APD, a reach-through SAM APD that separates the light absorption region and the amplification region (SAM type) and accelerates the electric field in the light absorption region is adopted, and the ionization rate is high in the multiplication region. To inject the carriers, it is achieved by appropriately selecting the conductivity type of the light absorption region (the minority carriers in the region are injected into the multiplication region) and the like.
In the transimpedance type light receiving circuit, the noise reduction of the preamplifier is achieved by increasing the feedback resistance Rf.
【００１０】一方、広帯域化は、利得・周波数積を高め
ることで得られる。遮断周波数は応答速度、つまりＣＲ
時定数、走行時間および増倍時間で基本的に決まる。こ
の場合、低雑音化のためにＲｆを大きくするので、ＣＲ
時定数を小さくするには、（Ｃｄ＋ＣPA）を極力小さく
しなければならない。ここでＣPAはプリアンプの寄生容
量である。On the other hand, broadening of the band can be obtained by increasing the product of gain and frequency. The cutoff frequency is the response speed, that is, CR
It is basically determined by the time constant, running time and multiplication time. In this case, since Rf is increased to reduce noise, CR
To make the time constant small, (Cd + C PA ) must be made as small as possible. Here, C PA is the parasitic capacitance of the preamplifier.
【００１１】走行時間、増倍時間の短縮は、上記リーチ
スルーＳＡＭ構造の採用と適切な光吸収層の導電型選択
によって実用化水準まで達している。表面入射型とする
と、ボンディングパッドによる寄生容量が大きくなり、
低容量化のためには、裏面入射型構造を採用することが
不可欠である。裏面入射型とすると、表面電極で内部反
射した光を再び光吸収層で吸収できるので、光吸収層は
薄くても良い。しかし、単に光吸収層を薄くすると、ｐ
ｎ接合の接合容量が増大してしまう。The reduction of the running time and the multiplication time has reached the level of practical use by adopting the reach through SAM structure and appropriately selecting the conductivity type of the light absorption layer. If it is a front-illuminated type, the parasitic capacitance due to the bonding pad will increase,
In order to reduce the capacity, it is essential to adopt the back illuminated structure. When the back-illuminated type is used, the light internally reflected by the front electrode can be absorbed again by the light absorbing layer, and therefore the light absorbing layer may be thin. However, if the light absorption layer is simply thinned, p
The junction capacitance of the n-junction increases.
【００１２】これを避けるためには、（１）．ｎ+ 型Ｉ
ｎＰ基板上にｎ型ＩｎＰバッファ層、ｎ- 型ＩｎＧａＡ
ｓ光吸収層、ｎ型ＩｎＰ層を積層する構成とし、ｎ- 型
光吸収層の厚さを約２．５μｍとする構造と、（２）．
ｎ+ 型ＩｎＰ基板上にｎ型ＩｎＰバッファ層、ｎ- 型Ｉ
ｎＰ低濃度層、ｎ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、ｎ型Ｉｎ
Ｐ層を積層する構成とし、ｎ- 型ＩｎＰ低濃度層とｎ-
型ＩｎＧａＡｓ光吸収層の合計の厚さを約２．５μｍと
する構造が考えられる。In order to avoid this, (1). n + type I
n-type InP buffer layer and n − -type InGaA on nP substrate
a structure in which an s light absorption layer and an n-type InP layer are stacked, and a thickness of the n − type light absorption layer is about 2.5 μm; and (2).
n-type InP buffer layer and n - type I on n + -type InP substrate
nP low concentration layer, n − type InGaAs light absorption layer, n type In
The P layer is laminated, and the n − type InP low concentration layer and the n − type
A structure in which the total thickness of the InGaAs light absorption layers is about 2.5 μm is conceivable.
【００１３】しかし、（１）の構造によれば、ＩｎＧａ
Ａｓ光吸収層の基板側での光吸収により生成されたキャ
リアのうち、移動度の遅い正孔の走行時間による制限に
より遮断周波数ｆｃは低くなる。However, according to the structure (1), InGa
Among the carriers generated by the light absorption on the substrate side of the As light absorption layer, the cutoff frequency fc becomes low due to the limitation of the transit time of holes having slow mobility.
【００１４】また、（２）の構造によれば、走行時間に
よる制限は避けられるが、ＩｎＧａＡｓ光吸収層とｎ-
型ＩｎＰ低濃度層との間のヘテロ接合により電子トラッ
プが生じ、応答速度が遅くなる。Further, according to the structure (2), the limitation due to the traveling time can be avoided, but the InGaAs light absorption layer and the n −
A heterojunction with the low-concentration InP layer causes an electron trap, which slows the response speed.
【００１５】そこで、空乏層幅を１．５μｍ程度とし、
接合容量の増大は接合面積の減少で防止し、接合面積の
減少による光軸合わせの困難さを基板裏面をマイクロレ
ンズ化することによって解決する構造が提案されてい
る。Therefore, the depletion layer width is set to about 1.5 μm,
A structure has been proposed in which an increase in the junction capacitance is prevented by a decrease in the junction area, and the difficulty of optical axis alignment due to the decrease in the junction area is solved by forming a microlens on the back surface of the substrate.
【００１６】[0016]
【発明が解決しようとする課題】以上の工夫によってア
バランシェホトダイオードの寄生容量Ｃｄは極力小さく
できるが、基板のマイクロレンズ加工は工程上の問題が
あって量産化には適さない。Although the parasitic capacitance Cd of the avalanche photodiode can be made as small as possible by the above measures, the microlens processing of the substrate is not suitable for mass production because of problems in the process.
【００１７】本発明の目的は、量産性に適し、高い受信
光変調速度と利得を有するリーチスルーＳＡＭ型ＡＰＤ
を提供することである。The object of the present invention is suitable for mass production, and a reach-through SAM type APD having a high received light modulation speed and a high gain.
Is to provide.
【００１８】[0018]
【課題を解決するための手段】本発明のアバランシェホ
トダイオードは、ｎ+ 型ＩｎＰ基板上に厚さ０．５μｍ
以上、キャリア濃度５×１０15ｃｍ-3以下のｎ- 型Ｉｎ
Ｐバッファ層、その上にｎ- 型ＩｎＧａＰＡｓ組成遷移
層、その上にｎ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、その上にｎ
- 型ＩｎＰアバランシェ領域、その上にｐ+ 型ＩｎＰ層
を積層した化合物半導体構造を有し、ｎ+ 型ＩｎＰ基板
およびｐ+ 型ＩｎＰ層間に逆方向バイアス電圧を印加し
て、ｐ−ｎ接合の空乏層端が前記バッファ層内部にまで
達する状態で、前記基板側から光を入射させて用いる。The avalanche photodiode of the present invention has a thickness of 0.5 μm on an n + type InP substrate.
Above, n − type In having a carrier concentration of 5 × 10 15 cm −3 or less
P buffer layer, n − type InGaPAs composition transition layer on it, n − type InGaAs light absorption layer on it, n on it
The compound semiconductor structure has a − type InP avalanche region and a p + type InP layer stacked thereon, and a reverse bias voltage is applied between the n + type InP substrate and the p + type InP layer to form a pn junction. Light is incident from the substrate side while the depletion layer edge reaches the inside of the buffer layer.
【００１９】特に、前記組成遷移層がＩｎＰと格子整合
した滑らかな傾斜状バンドギャップ分布を有するように
組成変化するか、または階段状に傾斜するバンドギャッ
プ分布を有するように組成変化する四元混晶からなるこ
とが望ましい。In particular, the composition transition layer changes its composition so as to have a smooth graded bandgap distribution lattice-matched with InP, or the quaternary mixture whose composition changes so that it has a stepwise graded bandgap distribution. It is preferably composed of crystals.
【００２０】また、本発明のアバランシェホトダイオー
ドは、ｐ+ 型ＩｎＰ基板上に厚さ０．５μｍ以上、キャ
リア濃度５×１０15ｃｍ-3以下のｐ- 型ＩｎＰまたはｐ
- 型ＡｌＩｎＡｓバッファ層、その上にｐ- 型ＩｎＧａ
ＰＡｓまたはｐ- 型ＡｌＧａＩｎＡｓの組成遷移層、そ
の上にｐ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、その上にｐ- 型Ｉ
ｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ超格子層アバランシェ領域、
その上にｎ+ 型ＩｎＰ層を積層した化合物半導体構造を
有し、ｐ+ 型ＩｎＰ基板およびｎ+ 型ＩｎＰ層の間に逆
方向バイアス電圧を印加して、ｐ−ｎ接合の空乏層端が
前記バッファ層内部にまで達する状態で、前記基板側か
ら光を入射させて用いる。The avalanche photodiode of the present invention is a p − -type InP or a p-type InP having a thickness of 0.5 μm or more and a carrier concentration of 5 × 10 15 cm −3 or less on a p + -type InP substrate.
- -type AlInAs buffer layer, p thereon - type InGa
Composition transition layer of PAs or p - type AlGaInAs, p - type InGaAs light absorption layer on it, and p - type I on it
nGaAs / AlInAs superlattice layer avalanche region,
It has a compound semiconductor structure in which an n + type InP layer is laminated thereon, and a reverse bias voltage is applied between the p + type InP substrate and the n + type InP layer so that the depletion layer edge of the pn junction is Light is made incident from the substrate side while reaching the inside of the buffer layer.
【００２１】[0021]
【作用】光入射面から光吸収層に達するまでの層は、入
射光に対して透明であることが望ましい。したがって、
光吸収層との間にヘテロ接合が形成され、バンド不連続
が生じる。このバンド不連続が形成する電位障壁は、増
倍された信号キャリアに対する障壁として作用する。The layer from the light incident surface to the light absorption layer is preferably transparent to incident light. Therefore,
A heterojunction is formed with the light absorption layer, and band discontinuity occurs. The potential barrier formed by this band discontinuity acts as a barrier to the multiplied signal carriers.
【００２２】光透明層の不純物濃度が高ければ、電位障
壁の幅は狭くなり、キャリアはトンネルで通過すること
もできるが、容量を減少させるために不純物濃度を低く
設定すると、電位障壁によってキャリアの通過は阻害さ
れる。この現象を図３を用いて説明する。If the impurity concentration of the light-transparent layer is high, the width of the potential barrier becomes narrow, and the carriers can pass through the tunnel. However, if the impurity concentration is set low to reduce the capacitance, the potential barrier causes carriers to pass through. Passage is blocked. This phenomenon will be described with reference to FIG.
【００２３】光吸収層４は、入射光を吸収するために比
較的狭いバンドギャップを有する。基板１およびバッフ
ァ層２は入射光を透過させるために広いバンドギャップ
を有する。バッファ層２と光吸収層４を直接ヘテロ接合
させると、その間にバンド不連続ΔＥC およびΔＥV が
形成される。The light absorbing layer 4 has a relatively narrow band gap for absorbing incident light. The substrate 1 and the buffer layer 2 have a wide band gap for transmitting incident light. When the buffer layer 2 and the light absorption layer 4 are directly heterojunctioned, band discontinuities ΔE C and ΔE V are formed therebetween.
【００２４】アバランシェ領域６で増倍された電子は、
電位勾配に従って光吸収層４に戻り、さらに基板１側に
向かう時にバッファ層２の形成する電位障壁ΔＥC によ
ってその通過を阻害されてしまう。The electrons multiplied in the avalanche region 6 are
It returns to the light absorption layer 4 in accordance with the potential gradient, and when passing toward the substrate 1 side, the passage thereof is blocked by the potential barrier ΔE C formed by the buffer layer 2.
【００２５】光吸収層４とバッファ層２の間に組成遷移
層を設けることにより、電位障壁は平滑化され、バイア
ス電界によって傾斜されるため、実質的に電位障壁を消
滅させることができる。By providing the composition transition layer between the light absorption layer 4 and the buffer layer 2, the potential barrier is smoothed and tilted by the bias electric field, so that the potential barrier can be substantially eliminated.
【００２６】なお、ｎ型基板を用いる場合を説明した
が、ｐ型基板を用いる場合も導電型が逆転するだけで組
成遷移層の役割は同様である。Although the case of using the n-type substrate has been described, the role of the composition transition layer is the same even when the p-type substrate is used, only the conductivity type is reversed.
【００２７】[0027]
【実施例】図１は、本発明の実施例によるアバランシェ
ホトダイオードの動作を説明するための図である。図１
（Ａ）は、ＡＰＤの動作時におけるバイアス電界分布を
示す。ＡＰＤは、第１導電型の基板１の上に同導電型の
バッファ層２、組成遷移層３、光吸収層４、アバランシ
ェ領域６がこの順序で積層され、その上に反対導電型層
７が配置された構造を有するとする。1 is a diagram for explaining the operation of an avalanche photodiode according to an embodiment of the present invention. Figure 1
(A) shows a bias electric field distribution during operation of the APD. In the APD, a buffer layer 2, a composition transition layer 3, a light absorption layer 4, and an avalanche region 6 of the same conductivity type are laminated in this order on a first conductivity type substrate 1, and an opposite conductivity type layer 7 is formed thereon. Suppose that it has an arranged structure.
【００２８】ｐ−ｎ接合を挟むアバランシェ領域６の電
界強度は１×１０5 Ｖ／ｃｍ以上、ピーク値で５〜６×
１０5 Ｖ／ｃｍとなっている。一方、光吸収層４、組成
遷移層３、バッファ層２の電界強度は１×１０5 Ｖ／ｃ
ｍ以下になるようにドーピング濃度および厚みの調整が
行なわれており、これらの領域ではアバランシェ増倍は
実質的に発生しない。The electric field strength of the avalanche region 6 sandwiching the pn junction is 1 × 10 5 V / cm or more, and the peak value is 5 to 6 ×.
It is 10 5 V / cm. On the other hand, the electric field strength of the light absorption layer 4, the composition transition layer 3, and the buffer layer 2 is 1 × 10 5 V / c.
The doping concentration and the thickness are adjusted so as to be m or less, and avalanche multiplication does not substantially occur in these regions.
【００２９】図１（Ｂ）は、組成遷移層３の組成変化が
滑らかに傾斜している場合のＡＰＤ動作時の各領域エネ
ルギバンド構造を示す。アバランシェ領域がｎ型層であ
る場合、アバランシェ増倍されて光吸収層４に注入され
た電子は、組成遷移層３の滑らかなバンド傾斜に助けら
れて効率よくバッファ層２に注入され、基板１を経て増
倍信号として外部に取出される。この効果は、図１
（Ｃ）に示した階段状組成変化をする組成遷移層３を用
いた場合も、階段状組成変化量が余り大きくない場合、
ほとんど変わらない。FIG. 1B shows the energy band structure of each region during the APD operation when the composition change of the composition transition layer 3 is smoothly inclined. When the avalanche region is an n-type layer, the electrons avalanche-multiplied and injected into the light absorption layer 4 are efficiently injected into the buffer layer 2 by the aid of the smooth band slope of the composition transition layer 3 and the substrate 1 Is output to the outside as a multiplication signal. This effect is
Even when the composition transition layer 3 having the stepwise composition change shown in (C) is used, when the stepwise composition change amount is not so large,
Almost unchanged
【００３０】ところが、組成遷移層３を用いない参考例
においては、図３に示すように、バッファ層２と光吸収
層４の界面に存在するヘテロ接合が注入電子に対して高
さΔＥc のバリアを形成する。However, in the reference example in which the composition transition layer 3 is not used, as shown in FIG. 3, the heterojunction existing at the interface between the buffer layer 2 and the light absorption layer 4 is a barrier having a height ΔEc for injected electrons. To form.
【００３１】このため、一部の電子はこのバリアで円滑
な通過を妨げられて遅い信号成分となる。すなわち、Ａ
ＰＤの高周波利得が低下する。アバランシェ領域がｐ型
層である場合も基本的には同じ現象が生ずる。Therefore, some electrons are prevented from passing smoothly by this barrier and become slow signal components. That is, A
The high frequency gain of PD is reduced. The same phenomenon basically occurs when the avalanche region is a p-type layer.
【００３２】本構成では、前記したように光吸収層４、
組成遷移層３、バッファ層２にアバランシェ増倍が生じ
ない範囲で注入キャリアが加速されるような電界を印加
する。このため、キャリア走行速度が高まり、遮断周波
数の向上につながる。In this structure, as described above, the light absorption layer 4,
An electric field is applied to the composition transition layer 3 and the buffer layer 2 so that the injected carriers are accelerated within a range where avalanche multiplication does not occur. Therefore, the carrier traveling speed is increased and the cutoff frequency is improved.
【００３３】以下、具体的実施例に基づいてより詳しく
述べる。図４は、本発明の実施例によるＩｎＰ／ＩｎＧ
ａＡｓ裏面光入射リーチスルーＳＡＭ型ＡＰＤの構成を
示す横断面図の一部である。図において、１はｎ+ 型Ｉ
ｎＰ基板、２はｎ- 型ＩｎＰバッファ層、３はｎ- 型Ｉ
ｎx Ｇａ1-x Ｐy Ａｓ1- y 組成遷移層、４はｎ- 型Ｉｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓ光吸収層、５はｎ型Ｉｎ0.74Ｇａ0.26
Ｐ0.4 Ａｓ0.6 中間層、６はｎ- 型ＩｎＰアバランシェ
領域、７はｐ+ 型ＩｎＰ層、８はガードリング、９はｎ
- 型ＩｎＰ層、１０はｎ側電極、２１はｐ側電極、２２
は反射防止膜、２３は表面保護膜である。The details will be described below based on specific examples. FIG. 4 illustrates InP / InG according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a part of a lateral cross-sectional view showing the configuration of an aAs back surface light incident reach-through SAM type APD. In the figure, 1 is an n + type I
nP substrate, 2 is n - type InP buffer layer, 3 is n - type I
n x Ga 1-x P y As 1- y composition transition layer, 4 is n − type In
0.53 Ga 0.47 As light absorption layer, 5 is n-type In 0.74 Ga 0.26
P 0.4 As 0.6 intermediate layer, 6 n − type InP avalanche region, 7 p + type InP layer, 8 guard ring, 9 n
- -type InP layer, the n-side electrode 10, 21 is p-side electrode, 22
Is an antireflection film, and 23 is a surface protective film.
【００３４】このような積層構造型化合物半導体は、Ｌ
ＰＥ法やＭＯＣＶＤ法、あるいはＭＢＥ法を用いた層状
堆積、選択拡散等によって形成することができる。ま
た、成長層表面側には電極接触ポートを除いて表面保護
膜２３が、また光入射する裏面には光入射ポートに反射
防止膜２２が形成されている。Such a laminated structure type compound semiconductor has L
It can be formed by layered deposition using PE method, MOCVD method, MBE method, selective diffusion, or the like. A surface protective film 23 is formed on the surface side of the growth layer except the electrode contact port, and an antireflection film 22 is formed on the light incident port on the back surface on which light is incident.
【００３５】アバランシェ増倍を抑えつつ、走行キャリ
アにドリフト効果を与えるために、ｎ- 型ＩｎＰバッフ
ァ層２のキャリア濃度は約１０15ｃｍ-3と、ｎ型ＩｎＰ
アバランシェ領域６より約一桁低い値に設定されてい
る。In order to give a drift effect to traveling carriers while suppressing avalanche multiplication, the carrier concentration of the n − type InP buffer layer 2 is about 10 15 cm −3, and the n type InP buffer layer 2 has a carrier concentration of about 10 15 cm −3.
It is set to a value that is lower than that of the avalanche region 6 by about one digit.
【００３６】両者の中間のｎ- 型Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐy Ａ
ｓ1-y 組成遷移層３、ｎ- 型Ｉｎ0. 53Ｇａ0.47Ａｓ光吸
収層４、およびｎ型Ｉｎ0.74Ｇａ0.26Ｐ0.4 Ａｓ0.6 中
間層５のキャリア濃度は１〜５×１０15ｃｍ-3の値に設
定されており、図１（Ａ）で示したように、これら領域
に１×１０5 Ｖ／ｃｍ以下の電界が形成される。An n - type In x Ga 1 -x P y A intermediate between the two
s 1-y composition transition layer 3, n - -type In 0. 53 Ga 0.47 As light-absorbing layer 4, and the n-type In 0.74 Ga 0.26 P 0.4 As 0.6 carrier concentration of the intermediate layer 5 is 1~5 × 10 15 cm - The value is set to 3 , and as shown in FIG. 1 (A), an electric field of 1 × 10 5 V / cm or less is formed in these regions.
【００３７】ｎ型Ｉｎ0.74Ｇａ0.26Ｐ0.4 Ａｓ0.6 中間
層５は、基本的にはなくても機能するが、光吸収層で生
成した正孔がアバランシェ領域に注入される際のヘテロ
障壁を緩和し、正孔の高速な移動を助けるたるめには重
要である。The n-type In 0.74 Ga 0.26 P 0.4 As 0.6 intermediate layer 5 basically functions even if it does not exist, but relaxes the hetero barrier when holes generated in the light absorption layer are injected into the avalanche region. However, it is important for sagging to help the high-speed movement of holes.
【００３８】バッファ層２、組成遷移層３、光吸収層
４、中間層５を含めた厚みは２μｍ以上、このうち光吸
収層４の厚みは約１．５μｍである。また、これらの層
を通してキャリア濃度と厚みの積、いわゆるＮ・ｌ積が
１．１×１０12ｃｍ-2以下であるように設計すること
が、上述の特性を得るために重要である。The thickness including the buffer layer 2, the composition transition layer 3, the light absorption layer 4, and the intermediate layer 5 is 2 μm or more, and the thickness of the light absorption layer 4 is about 1.5 μm. Further, it is important to obtain the above-mentioned characteristics by designing the product of the carrier concentration and the thickness through these layers, that is, the so-called N · l product is 1.1 × 10 12 cm −2 or less.
【００３９】ｎ- 型Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐy Ａｓ1-y 組成遷
移層３は、いわゆるグレーデッドヘテロ領域を構成し、
組成はバッファ層２に接する領域のｘ＝ｙ＝１（Ｉｎ
Ｐ）から光吸収層４に接する領域のｘ＝０．５３、ｙ＝
０（Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ）までＩｎＰに格子整合する
よう変化する。The n − type In x Ga 1-x P y As 1-y composition transition layer 3 constitutes a so-called graded hetero region,
The composition is x = y = 1 (In
P = 0.53, y = of the region in contact with the light absorption layer 4 from P)
It changes to 0 (In 0.53 Ga 0.47 As) so as to be lattice-matched to InP.
【００４０】この時、 ｙ＝（０．４ｘ−０．２２）／（０．２−０．０２ｘ） の関係が成り立つ。At this time, the relation of y = (0.4x-0.22) / (0.2-0.02x) is established.
【００４１】この結果、ｐｎ接合面積を小さくしなくて
も１．３〜１．６μｍ帯で最小受信レベルが−３５ｄＢ
ｍ以下（受信光変調速度２．５Ｇｂ／ｓ）の高感度を得
ることができる。また、増幅率も５０以上、量子効率８
０％以上、帯域幅６０ＧＨｚ以上のＡＰＤホトダイオー
ドが得られる。As a result, the minimum reception level is -35 dB in the 1.3 to 1.6 μm band without reducing the pn junction area.
High sensitivity of m or less (reception light modulation speed 2.5 Gb / s) can be obtained. Moreover, the amplification factor is 50 or more, and the quantum efficiency is 8
An APD photodiode having a bandwidth of 0% or more and a bandwidth of 60 GHz or more can be obtained.
【００４２】図５は、本発明の別の実施例であるＡＰＤ
の構成断面図を示す。本実施例は、アバランシェ領域１
６がｐ- 型（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ）の超格子構
造となっている。FIG. 5 shows an APD which is another embodiment of the present invention.
FIG. In this embodiment, the avalanche region 1
6 has a p - type (InGaAs / AlInAs) superlattice structure.
【００４３】図において、１１はｐ+ 型ＩｎＰ基板、１
２はｐ- 型Ａｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓバッファ層、１３はｐ
- 型Ｇａ0.47Ｉｎ0.53ＡｓからＡｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓ
へ、バンドギャップとしてはＥｇ＝０．７５ｅＶからＥ
ｇ＝１．５ｅＶへ変化する組成遷移層、１４はｐ- 型Ｉ
ｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ光吸収層、１６はｐ- 型（ＩｎＧａ
Ａｓ／ＡｌＩｎＡｓ）超格子アバランシェ領域、１７は
ｎ+ 型ＩｎＰ層、１８はガードリング、１９はｐ- 型Ｉ
ｎＰ層、２０はｐ側電極、２１はｎ側電極、２２は反射
防止膜、２３は表面保護膜である。In the figure, 11 is ap + type InP substrate, 1
2 is p − -type Al 0.47 In 0.53 As buffer layer, 13 is p
- type Ga 0.47 In 0.53 Al from As 0.47 In 0.53 As
From Eg = 0.75 eV to E
Composition transition layer changing to g = 1.5 eV, 14 is p − type I
n 0.53 Ga 0.47 As light absorption layer, 16 is p − type (InGa
(As / AlInAs) superlattice avalanche region, 17 n + type InP layer, 18 guard ring, 19 p − type I
An nP layer, 20 is a p-side electrode, 21 is an n-side electrode, 22 is an antireflection film, and 23 is a surface protective film.
【００４４】超格子アバランシェ層では、電子のイオン
化率αが正孔のイオン化率βを大きく凌ぐので、低雑音
化のため、光吸収層１４で発生したキャリアのうち、電
子を注入する。したがって、前記実施例の場合とｐ、ｎ
の導電型が反転している。In the superlattice avalanche layer, since the ionization rate α of electrons greatly exceeds the ionization rate β of holes, electrons are injected out of the carriers generated in the light absorption layer 14 for noise reduction. Therefore, in the case of the above embodiment, p, n
The conductivity type of is reversed.
【００４５】また、本実施例では、前実施例の場合と異
なり、光吸収層１４とアバランシェ領域１６の間に中間
層は設けず、バッファ層１２をＩｎＰよりバンドギャッ
プの広いＡｌＩｎＡｓで構成している。In this embodiment, unlike the previous embodiment, no intermediate layer is provided between the light absorption layer 14 and the avalanche region 16, and the buffer layer 12 is made of AlInAs having a wider band gap than InP. There is.
【００４６】この層は、光学的には入射光に対してウイ
ンドウ効果を示せばよいので、必ずしもＩｎＰより広い
バンドギャップを有する必要はない。すなわち、ＩｎＰ
でもＡｌＩｎＡｓでも同様の結果が得られる。This layer does not necessarily have to have a wider bandgap than InP, since it may optically show a window effect for incident light. That is, InP
However, similar results can be obtained with AlInAs.
【００４７】ｐ- 型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.47Ｉｎ0.53Ａ
ｓ組成遷移層１３は０．５μｍの厚みを有し、０．１μ
ｍの厚さを単位として組成を階段状に変化させてある。
このようにしても、滑らかに組成傾斜した場合と同様、
正孔の通過障害となる電子障壁の形成を防止できる。組
成遷移層をＩｎＧａＰＡｓで形成することもできる。P - type (Al x Ga 1-x ) 0.47 In 0.53 A
The s composition transition layer 13 has a thickness of 0.5 μm and has a thickness of 0.1 μm.
The composition is changed stepwise with the thickness of m as a unit.
Even in this way, similar to the case where the composition gradient is smooth,
It is possible to prevent the formation of an electron barrier that obstructs the passage of holes. The composition transition layer can also be formed of InGaPAs.
【００４８】なお、組成遷移層１３を用いず、バッファ
層１２の上に光吸収層１４を直接形成した場合は、正孔
の移動がヘテロバリア層によって阻止されるため、高速
応答性は大きく劣化する。When the light absorption layer 14 is formed directly on the buffer layer 12 without using the composition transition layer 13, the movement of holes is blocked by the hetero barrier layer, so that the high speed response is greatly deteriorated. .
【００４９】また、上述の実施例において、バッファ層
と組成遷移層を合体させた構成とすることも可能であ
る。たとえば、図２の構成において、バッファ層２と組
成遷移層３の代わりに、基板１側から光吸収層４側に向
って組成がＩｎＰからＩｎＧａＡｓに徐々に変化するＩ
ｎＧａＡｓＰ組成勾配層を用いてもよい。ただし、この
組成勾配層はＩｎＰ基板に格子整合させる。Further, in the above-mentioned embodiment, it is possible to combine the buffer layer and the composition transition layer. For example, in the configuration of FIG. 2, instead of the buffer layer 2 and the composition transition layer 3, the composition gradually changes from InP to InGaAs from the substrate 1 side to the light absorption layer 4 side I
An nGaAsP composition gradient layer may be used. However, this composition gradient layer is lattice-matched to the InP substrate.
【００５０】また、この組成勾配層を光吸収層側ではＩ
ｎＧａＡｓから徐々に組成が変化するようにし、基板側
では一定のＩｎＧａＡｓＰ組成としてもよい。なお、組
成勾配層全体で光吸収端波長は１．３μｍ以下とする。This composition gradient layer is I on the light absorption layer side.
The composition may be gradually changed from nGaAs, and the substrate may have a constant InGaAsP composition. The light absorption edge wavelength is 1.3 μm or less in the entire composition gradient layer.
【００５１】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。The present invention has been described above with reference to the embodiments.
The present invention is not limited to these. For example,
It will be apparent to those skilled in the art that various changes, improvements, combinations and the like can be made.
【００５２】[0052]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ｐ−ｎ接合面積を小さくしなくても、光吸収層、組成遷
移層およびバッファ層のキャリア濃度、厚みの適切な選
択によってＡＰＤ動作時に大きなキャリアドリフト効果
がもたらされる。As described above, according to the present invention,
Even if the pn junction area is not reduced, the carrier concentration and the thickness of the light absorption layer, the composition transition layer, and the buffer layer are appropriately selected to bring about a large carrier drift effect during APD operation.
【００５３】さらに、組成遷移層の挿入によって、ドリ
フトキャリアのバリア層へのトラップが抑制されて高速
走行性が保持され、利得が高まる。この結果、基板をマ
イクロレンズ加工する等の煩雑な工程を避けることがで
き、量産性の優れた高性能ＡＰＤを得ることができる。Furthermore, the insertion of the composition transition layer suppresses the trapping of drift carriers in the barrier layer, maintains the high-speed traveling property, and increases the gain. As a result, it is possible to avoid a complicated process such as processing the substrate with a microlens, and it is possible to obtain a high-performance APD excellent in mass productivity.
【図１】本発明の実施例の動作を説明するための図であ
る。FIG. 1 is a diagram for explaining the operation of an embodiment of the present invention.
【図２】ＡＰＤ受光回路の例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of an APD light receiving circuit.
【図３】参考例によるＡＰＤ構造を示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing an APD structure according to a reference example.
【図４】実施例による裏面光入射リーチスルーＳＡＭ型
ＡＰＤの構成を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a backside light incident reach-through SAM type APD according to an example.
【図５】別の実施例によるＡＰＤの構成を示す断面図で
ある。FIG. 5 is a sectional view showing the structure of an APD according to another embodiment.
１ ｎ+ 型ＩｎＰ基板 ２ ｎ- 型ＩｎＰバッファ層 ３ ｎ- 型Ｉｎx Ｇａ1-x Ｐy Ａｓ1-y 組成遷移層 ４ ｎ- 型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ光吸収層 ５ ｎ型Ｉｎ0.74Ｇａ0.26Ｐ0.4 Ａｓ0.6 中間層 ６ ｎ- 型ＩｎＰアバランシェ領域 ７ ｐ+ 型ＩｎＰ層 ８、１８ ガードリング ９ ｎ- 型ＩｎＰ層 １０、２０ 基板側電極 １１ ｐ+ 型ＩｎＰ基板 １２ ｐ- 型ＡｌＩｎＡｓバッファ層 １３ ｐ- 型（ＡｌＧａ）ＩｎＡｓ組成遷移層 １４ ｐ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層 １６ ｐ- 型（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ）超格子ア
バランシェ領域 １７ ｎ+ 型ＩｎＰ層 １９ ｐ- 型ＩｎＰ層 ２１ 拡散層電極 ２２ 反射防止膜 ２３ 表面保護膜1 n + type InP substrate 2 n − type InP buffer layer 3 n − type In x Ga 1-x P y As 1-y composition transition layer 4 n − type In 0.53 Ga 0.47 As light absorption layer 5 n type In 0.74 Ga 0.26 P 0.4 As 0.6 Intermediate layer 6 n − type InP avalanche region 7 p + type InP layer 8, 18 Guard ring 9 n − type InP layer 10, 20 Substrate side electrode 11 p + type InP substrate 12 p − type AlInAs buffer layer 13 p − type (AlGa) InAs composition transition layer 14 p − type InGaAs light absorption layer 16 p − type (InGaAs / AlInAs) superlattice avalanche region 17 n + type InP layer 19 p − type InP layer 21 diffusion layer electrode 22 reflection Prevention film 23 Surface protection film
Claims (4)
μｍ以上、キャリア濃度５×１０15ｃｍ-3以下のｎ- 型
ＩｎＰバッファ層（２）、その上にｎ- 型ＩｎＧａＰＡ
ｓ組成遷移層（３）、その上にｎ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸
収層（４）、その上にｎ- 型ＩｎＰアバランシェ領域
（６）、その上にｐ+ 型ＩｎＰ層（７）を積層した化合
物半導体構造を有し、ｎ+ 型ＩｎＰ基板（１）およびｐ
+ 型ＩｎＰ層（７）間に逆方向バイアス電圧を印加し
て、ｐ−ｎ接合の空乏層端が前記バッファ層（２）内部
にまで達する状態で、前記基板（１）側から光を入射さ
せて用いるアバランシェホトダイオード。1. A thickness of 0.5 on an n + -type InP substrate (1).
n − type InP buffer layer (2) having a carrier concentration of 5 μm or more and a carrier concentration of 5 × 10 15 cm −3 or less, and n − type InGaPA
s composition transition layer (3), n − type InGaAs light absorption layer (4) thereon, n − type InP avalanche region (6), and p + type InP layer (7) stacked thereon N + type InP substrate (1) and p having a semiconductor structure
A reverse bias voltage is applied between the + type InP layers (7), and light is incident from the substrate (1) side in a state where the depletion layer end of the pn junction reaches the inside of the buffer layer (2). Avalanche Photodiode
整合した滑らかな傾斜状バンドギャップ分布を有する如
く組成変化するか、または階段状に傾斜するバンドギャ
ップ分布を有する如く組成変化する四元混晶層からなる
請求項１記載のアバランシェホトダイオード。2. The composition transition layer (3) changes its composition so that it has a smooth graded bandgap distribution lattice-matched with InP, or has a composition change so that it has a stepwise graded bandgap distribution. The avalanche photodiode according to claim 1, comprising an original mixed crystal layer.
５μｍ以上、キャリア濃度５×１０15ｃｍ-3以下のｐ-
型ＩｎＰまたはｐ- 型ＡｌＩｎＡｓバッファ層（１
２）、その上にｐ- 型ＩｎＧａＰＡｓまたはｐ- 型Ａｌ
ＧａＩｎＡｓの組成遷移層（１３）、その上にｐ- 型Ｉ
ｎＧａＡｓ光吸収層（１４）、その上にｐ - 型ＩｎＧａ
Ａｓ／ＡｌＩｎＡｓ超格子層アバランシェ領域（１
６）、その上にｎ+ 型ＩｎＰ層（１７）を積層した化合
物半導体構造を有し、ｐ+ 型ＩｎＰ基板（１１）および
ｎ+ 型ＩｎＰ層（１７）間に逆方向バイアス電圧を印加
して、ｐ−ｎ接合の空乏層端が前記バッファ層（１２）
内部にまで達する状態で、前記基板（１１）側から光を
入射させて用いるアバランシェホトダイオード。3. p+On the InP substrate (11) with a thickness of 0.
5 μm or more, carrier concentration 5 × 1015cm-3P below-
Type InP or p-Type AlInAs buffer layer (1
2), p on it-Type InGaPAs or p-Type Al
A composition transition layer (13) of GaInAs, on which p-Type I
nGaAs light absorbing layer (14), p on it -Type InGa
As / AlInAs superlattice layer avalanche region (1
6), then n+Type InP layer (17) laminated compound
P-type semiconductor structure, p+Type InP substrate (11) and
n+Reverse bias voltage is applied between the InP layers (17)
The end of the depletion layer of the pn junction is the buffer layer (12).
Light is emitted from the side of the substrate (11) while reaching the inside.
Avalanche photodiode used by making incident.
バッファ層と前記組成遷移層に代えて少なくとも光吸収
層側で組成が徐々に変化し、基板側でキャリア濃度が５
×１０15ｃｍ-3以下であり、光吸収端波長が１．３μｍ
以下でＩｎＰに格子整合した半導体層を有する請求項１
〜３のいずれかに記載のアバランシェホトダイオード。4. The composition between the light absorption layer and the substrate is gradually changed at least on the light absorption layer side instead of the buffer layer and the composition transition layer, and the carrier concentration is 5 at the substrate side.
× 10 15 cm -3 or less, light absorption edge wavelength is 1.3 μm
A semiconductor layer lattice-matched to InP below.
An avalanche photodiode according to any one of 3 to 3.
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