(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ形の第１の半導体層と、前記第１の半導体層よりも光吸収端エネルギーが大きいｐ形の第２の半導体層と、前記第１の半導体よりも光吸収端エネルギーが大きい第３の半導体層と、前記第１の半導体層よりも光吸収端エネルギーが大きいｎ形の第４の半導体層とを少なくとも構成要素として含み、前記第２の半導体層、前記第１の半導体層、前記第３の半導体層、前記第４の半導体層の順で積層され、前記第２の半導体層にｐ形電極、前記第４の半導体層にｎ形電極が接触してなる、ｐｎ接合を有する半導体光検出器において、
前記第１の半導体層中の光電流密度をＪ、前記第１の半導体層の厚さをＷＡ、前記第１の半導体層と前記第３の半導体層との境界から前記第２の半導体層へ向けて測った距離をｘ、前記距離ｘにおける前記第１の半導体層内のコンダクタンスをσｐとしたときに、
Ｊ×(ｘ/ＷＡ)/σｐで与えられる値が前記第１の半導体層内にわたって均一化されるべく、
前記コンダクタンスσｐが、前記第３の半導体層であるキャリア走行層の側から前記第２の半導体層である拡散ブロック層の側に向かって増大するように、アクセプタ濃度が増大する構成を有することを特徴とする半導体光検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体光検出器に関し、特に、超高速半導体フォトダイオード技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信をはじめとする種々の光システムにおいて、超高速フォトダイオードは光信号を電気信号に変換する不可欠のデバイスであり、扱う信号処理速度が高くなるほど、それに応じて、高い光応答速度（ないしは光応答周波数）が要求される。デジタル応用における４０Ｇｂｉｔ/ｓないしはそれを越える速度領域、またミリ波帯の周波数領域では、超高速フォトダイオードとして、単一走行キャリア・フォトダイオード（Uni-Traveling-Carrier Photodiode、以下ＵＴＣ-ＰＤと略称する）が、その動作速度と飽和出力の高さから極めて有望と考えられている。
【０００３】
ＵＴＣ-ＰＤは、図１の（Ａ）に示すように、ｐ形の光吸収層１１、低濃度のｎ形のキャリア走行層１３、ｐ形の拡散ブロック層１２、ｐ形のコンタクト層（拡散ブロック層１２がこの役割を兼ねる）、ｎ形のコンタクト層１４、ｐ形電極１５及びｎ形電極１６から形成される。
【０００４】
図１の（Ｂ）は、このように形成されたＵＴＣ-ＰＤにおけるバンドダイアグラムを示している。このバンドダイアグラムにおいて、バンド内の数字は、そのバンドが、図１の（Ａ）において、それぞれ同じ数字を付した層あるいは電極のものであることを示す。
【０００５】
この様なＵＴＣ-ＰＤに光が入射し、その光エネルギーの吸収によって、ｐ形の光吸収層１１で発生したキャリアのうち、走行速度の大きな電子のみをキャリア走行層１３の方向に拡散／注入することで高速な光応答を得る。応答速度を決める重要なパラメータは、光吸収層１１中の電子走行時間τＡとキャリア走行層１３中の電子走行時間τＣである。ＩｎＰ系の半導体材料を用いた場合、キャリア走行層１３中の電子走行速度は光吸収層１１中のそれよりも十分に高いので、光応答速度の指標である３ｄＢ帯域（ｆ３ｄＢ）はほとんどτＡで支配され、
ｆ３ｄＢ＝１/２πτＡ                              （１）
で与えられる。電子の輸送が拡散で決まる場合、τＡは
τＡ＝ＷＡ２/３Ｄｅ                                （２）
で近似される。ここで、ＷＡは光吸収層１１の厚さ、Ｄｅは電子の拡散係数である。
【０００６】
ＵＴＣ-ＰＤの量子効率を高く保つことも応用上で重要であり、そのためにはＷＡをできるだけ厚くとることが望ましい。しかしＷＡを大きくするとτＡの増大を伴うので３ｄＢ帯域は低下してしまう。すなわち量子効率と３ｄＢ帯域はトレードオフの関係にある。
【０００７】
ＵＴＣ-ＰＤの応答は、基本的には、上で述べた様な電子の拡散速度で決まるが、大きな光電流の動作状態においては、「セルフバイアス効果」と呼ばれる現象により、３ｄＢ帯域の増大が起こることも報告されている。これは、光電流密度が上がるに従い、ｐ形の光吸収層１１の中のホールをｐ形電極１５にはき出すためのバンドベンディングが光吸収層１１内に生じ、このバンドベンディングが電子に対するドリフト電界として働き、電子走行速度が増大し、電子走行時間τＡが低減する結果によるものであると説明される。この様な条件下では、τＡは光吸収層１１の厚さＷＡと拡散係数Ｄｅのみの関数ではなく、電流密度Ｊや光吸収層１１のコンダクタンスσｐ、電子の移動度μｅの関数ともなる。すなわち、
τＡ＝ｆ(ＷＡ,Ｄｅ,Ｊ,σｐ,μｅ）                    （３）
と表される。
【０００８】
このセルフバイアス効果は、フォトダイオードをより高速に動作させ、ないしは動作速度が同一であれば、より大きなＷＡを適用することで量子効率を増大させることを可能とするものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、バンドベンディングそのものはτＡを低減する上で極めて有効に働く。
【００１０】
しかし、一方では、与えられたバイアス電圧に対してｐｎ接合の空乏層にかかる電圧が低下するので、キャリア走行層１３に注入された電子電荷の影響（空間電荷効果）がより強くなり、出力飽和電流密度を下げるという悪影響をももたらす。単にドリフト電界を上げてτＡを低減する目的のためには、原理的には、光吸収層１１のコンダクタンスσｐを下げれば良い。しかしながら、これは出力飽和電流密度を高く保つという面では好ましくない。一定のバンドベンディングのもとで、τＡをいかに低減するかが重要な課題となる。
【００１１】
本発明の課題は、上記で述べたＵＴＣ-ＰＤのセルフバイアス効果をより有効に発生させ、出力飽和電流密度を高く保ちながらＵＴＣ-ＰＤの３ｄＢ帯域を上げることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、請求項１に記載したように、
ｐ形の第１の半導体層と、前記第１の半導体層よりも光吸収端エネルギーが大きいｐ形の第２の半導体層と、前記第１の半導体よりも光吸収端エネルギーが大きい第３の半導体層と、前記第１の半導体層よりも光吸収端エネルギーが大きいｎ形の第４の半導体層とを少なくとも構成要素として含み、前記第２の半導体層、前記第１の半導体層、前記第３の半導体層、前記第４の半導体層の順で積層され、前記第２の半導体層にｐ形電極、前記第４の半導体層にｎ形電極が接触してなる、ｐｎ接合を有する半導体光検出器において、
前記第１の半導体層中の光電流密度をＪ、前記第１の半導体層の厚さをＷＡ、前記第１の半導体層と前記第３の半導体層との境界から前記第２の半導体層へ向けて測った距離をｘ、前記距離ｘにおける前記第１の半導体層内のコンダクタンスをσｐとしたときに、
Ｊ×(ｘ/ＷＡ)/σｐ                                （４）
で与えられる値が前記第１の半導体層内にわたって均一化されるべく、前記コンダクタンスσｐが、前記第３の半導体層であるキャリア走行層の側から前記第２の半導体層である拡散ブロック層の側に向かって増大するように、アクセプタ濃度が増大する構成を有することを特徴とする半導体光検出器を構成する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
従来のＵＴＣ-ＰＤにおいては、光吸収層中のコンダクタンスσｐを均一にしているために、電流値を上昇させた際に、セルフバイアス効果により発生する電界強度が不均一となる。本発明の提案においては、その不均一性が３ｄＢ帯域を制限する要因となっているという観点に立つ。この観点から、本発明においては、この電界強度の不均一性を低減するために、光吸収層のアクセプタドーピング（不純物のドーピングによってアクセプタを形成すること）に所望の分布を持たせることによって光吸収層中のコンダクタンスσｐに分布を持たせる。
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態を、図１、図２及び図３を用いて説明する。
【００１５】
本実施の形態におけるＵＴＣ-ＰＤの層構成は図１に示した従来のＵＴＣ-ＰＤの層構成と同じであるので、本実施の形態の説明においても図１を用いる。本実施の形態が従来技術と異なる点は、光吸収層１１のアクセプタドーピングに所望の分布を持たせることにある。
【００１６】
図１において、ｐ形の光吸収層１１、ｐ形の拡散ブロック層１２、低濃度のｎ形のキャリア走行層１３及びｎ形のコンタクト層１４は、それぞれ、請求項１に記載の第１、第２、第３及び第４の半導体層に相当する。
【００１７】
次に、光吸収層１１のアクセプタドーピングの分布の一例について説明する。
まず、図１の（Ａ）に示したように、光吸収層１１の厚さをＷＡ、光吸収層１１とキャリア走行層１３との境界から拡散ブロック層１２へ向けて測った距離をｘとする。
【００１８】
図２の（Ａ）は、アクセプタドーピングの分布の一例を示すものであり、厚さ０．５ミクロンのＩｎＧａＡｓの光吸収層１１中のアクセプタドーピング・プロファイルをホール濃度分布ｐ(ｘ)（実線２１）によって示している。このホール濃度分布をp1(ｘ)とすれば、それは
p1(ｘ)＝2×10１７＋8×10１７×[1-exp[-((ｘ+0.1ＷＡ)/0.4ＷＡ)２]/cm３  （５）
と表される。図２の（Ａ）及び（５）式から明らかなように、p1(ｘ)はｘの増大と共に増大する。p1(ｘ)の増大によって光吸収層１１内のコンダクタンスσｐも増大するので、このコンダクタンスσｐは、ｘの増大と共に、キャリア走行層１３側から拡散ブロック層１２側へ向けて増大する。
【００１９】
なお、図２の（Ａ）には、比較のために、従来例におけるアクセプタドーピング・プロファイルをホール濃度分布（破線２２）によって示してある。このホール濃度分布をp2(ｘ)とすれば、それは光吸収層１１中で一定であり、
p2(ｘ)＝5×10１７/cm３                            （６）
と表される。この場合には、光吸収層１１内のコンダクタンスσｐも光吸収層１１内にわたって一定となる。
【００２０】
ＵＴＣ-ＰＤに光を照射すると（動作状態）、すでに説明した「セルフバイアス効果」により光吸収層１１に電界が誘起される。電流密度８０ｋＡ/ｃｍ２の時の、上記のアクセプタドーピング・プロファイルに対応する電界強度分布を図２の（Ｂ）に示す。ここで、電界強度Ｅ(ｘ)は、ＩｎＧａＡｓのホール移動度を
μｈ＝910−43.8×log[p(ｘ)]ｃｍ２/Ｖｓ            （７）
と仮定して距離ｘにおけるコンダクタンスσｐを求め、（４）式に従って計算したものである。計算の過程において、濃度傾斜に伴う擬電界の効果も考慮している（ｘ＝0 付近のＥ(ｘ)の盛り上がりはこのためである）。図２の（Ｂ）において、実線２３はアクセプタドーピング・プロファイル（ホール濃度分布）p1(ｘ)に対応する電界強度分布（本実施の形態）であり、破線２４はアクセプタドーピング・プロファイル（ホール濃度分布）p2(ｘ)に対応する電界強度分布（従来例）である。従来形ＵＴＣ-ＰＤは三角形状の電界強度分布（破線２４）を持つのに対し、本発明のＵＴＣ-ＰＤはより平坦な電界強度分布（実線２３）を持っていることがわかる。これらの電界強度分布は（４）式に従って計算したものであるから、式（４）の値すなわちＪ×(ｘ/ＷＡ)/σｐは、従来形ＵＴＣ-ＰＤの場合に較べて、本発明のＵＴＣ-ＰＤの場合に、光吸収層１１内にわたって均一化されていることが判る。バンドベンディングの量は、従来形で０.１７７Ｖ、本発明の実施の形態では０.１４４Ｖである。
【００２１】
図３は、電荷制御モデルに基づいて、計算により求めたフォトダイオードの３ｄＢ帯域の比較である。このモデルで３ｄＢ帯域ｆ３ｄＢは、
ｆ３ｄＢ＝△Ｊ/(２π△Ｑｎ）                        （８）
で評価され、△Ｊと△Ｑｎは、それぞれ、出力電流の変化量と電子電荷の変化量である。△Ｑｎは電子濃度分布に関するドリフト拡散の方程式の数値解から求めた（キャリア走行層１３中の電子走行時間は光吸収層１１中のそれよりも十分短いので、簡単のために無視している）。図３において、実線３１はアクセプタドーピング・プロファイル（ホール濃度分布）p1(ｘ)に対応する３ｄＢ帯域（本実施の形態）であり、破線３２はアクセプタドーピング・プロファイル（ホール濃度分布）p2(ｘ)に対応する３ｄＢ帯域（従来例）である。動作電流密度の増加と共に３ｄＢ帯域が増大するのは共通の傾向であるが、従来形（破線３２）に比べ本発明（実線３１）は全電流領域にわたり従来形より高い値を示すことがわかる。すなわち、たとえば、８０ｋＡ/ｃｍ２の点での３ｄＢ帯域は、従来形の場合に１３４ＧＨｚであるのに対して本発明の場合には１９１ＧＨｚであり、４０％以上の拡大が予測される。この効果は、従来から認識されている光吸収層中の「擬電界」の効果が直接反映されたものではない。この擬電界の効果は図３の２０ｋＡ/ｃｍ２以下の低電流密度領域に現れている。従来形ＵＴＣ-ＰＤで生じている３ｄＢ帯域の飽和（５０ｋＡ/ｃｍ２以上の領域）を、本発明においては、電界強度の平坦化により、より起こりにくくしていると考えることができる。
【００２２】
なお、図１では下面光入射形のＵＴＣ-ＰＤの構成を示しているが、本発明の手法は、導波路形や屈折光入射形、表面光入射形にも同様に応用することができる。また、本発明の手法は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ等を組合わせた短波長帯のＵＴＣ-ＰＤにも同様に応用することができる。また、光吸収層のアクセプタドーピングは、（５）式で表されるプロファイルに限らず、使用する電流密度や必要な動作速度、またバイアス電圧に応じて設計することが可能である。
【００２３】
以上の説明により明らかなように、ＵＴＣ-ＰＤの光吸収層のアクセプタドーピングに、キャリア走行層側から拡散ブロック層側に向かって増大するドーピング濃度分布を持たせることによって、光吸収層内のコンダクタンスがキャリア走行層側から拡散ブロック層側に向かって増大する構成とし、セルフバイアス効果により発生する電界強度の不均一性を低減し、それによって３ｄＢ帯域を高い値に保つことが可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の実施により、ＵＴＣ-ＰＤのセルフバイアス効果をより有効に発生させ、出力飽和電流密度を高く保ちながらＵＴＣ-ＰＤの３ｄＢ帯域を上げることが可能となる。
【００２５】
このように、本発明に係るＵＴＣ-ＰＤの構成は、同一の動作電流密度においてより高い３ｄＢ帯域を得ることを可能とする。これは、「光応答速度と量子効率とのトレードオフ関係」を大幅に改善するものであり、一定の量子効率に対してはより高い３ｄＢ帯域、一定の３ｄＢ帯域に対してはより高い変換効率を可能とするものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体光検出器の構成（バンドダイアグラムと断面図）を示す図である。
【図２】光吸収層内のホール濃度分布と電界強度分布との計算例を示す図である。
【図３】３ｄＢ帯域の電流密度依存性の計算例を示す図である。
【符号の説明】
１１…光吸収層、１２…拡散ブロック層、１３…キャリア走行層、１４…コンタクト層、１５…ｐ形電極、１６…ｎ形電極、２１…光吸収層内のホール濃度分布（本発明）、２２…光吸収層内のホール濃度分布（従来例）、２３…光吸収層内の電界強度分布（本発明）、２４…光吸収層内の電界強度分布（従来例）、３１…３ｄＢ帯域変化（本発明）、３２…３ｄＢ帯域変化（従来例）。
【図１】
0003739273.tif 000002
【図２】
0003739273.tif 000003
【図３】
0003739273.tif 000004