JPH0719903B2

JPH0719903B2 - 光導電検知器

Info

Publication number: JPH0719903B2
Application number: JP61284065A
Authority: JP
Inventors: ジヨンマツキンタイアロバート; ウバルドマーチネリラモン
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1986-03-28
Filing date: 1986-11-27
Publication date: 1995-03-06
Anticipated expiration: 2010-03-06
Also published as: GB8627556D0; CA1285642C; GB2188480B; GB2188480A; DE3639922A1; JPS62232975A; SG135192G

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、光導電検知器に関し、更に詳しくは、光通
信システムに使用される高速高利得検知器に関する。

〔発明の背景〕

通常の真性光導電検知器は、一対の離間されたバイアス
接触を有する光感知材料の本体から成る。この光感知材
料のバンド・ギヤツプに等しいか或いはそれより大きい
エネルギを持つ入射光幅射エネルギーは吸収されて電子
−ホール対が発生し、これにより導電性が増す。

検知器の感度は光導電利得により増大することが知られ
ている。光導電利得は、一般に、電子とホールとが光導
電材料内に存在する時間差による。例えば、室温でのイ
ンジウム・ガリウム・ヒ素（InGaAs）中の電子の移動度
は、この材料中のホールの移動度の約40倍である。光子
が吸収されて電子−ホール対が発生すると、多くの電子
が、負にバイアスされた接触によつて注入され、光によ
り発生したホールがその光導電材料中に存在している間
この材料を横断する。従つて、光導電利得は、吸収され
た各光子に対する光導電材料を横断する電子の数に大体
等しい。

検知器の性能にとつて同様に重要なものはその帯域幅で
あり、これは、装置が如何に速く応答するか、即ち、装
置が毎秒幾らの情報ビツトを検知できるかの実際上の尺
度となる。帯域幅は、光発生ホールが光導電材料中に存
在する時間によつて決まる。ホールが光導電材料中に存
在する時間が長ければ長い程、帯域幅はそれだけ小さ
い、即ち、装置の応答はそれだけ遅い。

データ率がギガビツト／秒の範囲にある高速光通信シス
テムの分野では、帯域幅と光導電利得の性能の点で横方
向（ラテラル）光導電体に特に関心が寄せられている。
ここでいう横方向光導電体とは、光が光導電材料の薄層
に、電流の流れる方向に対して垂直な方向で入射する装
置を意味する。また、横方向光導電体は、その構造が電
界効果トランジスタの構造に適合するため、モノリシツ
ク集積受光装置用として理想的である。

このような横方向光導電装置は、通常、より高い利息を
得るために高移動度比をもつた材料が使用されるので、
より広い帯域幅を得るために活性領域におけるホールの
存在時間を低減する機構が必要となる。１つの方法とし
て、代表的にN⁺導電型の基板と、この基板上に設けられ
た代表的に非ドーピングの或いは軽くドーピングされた
活性領域とから成る検知器を形成する。陽極と陰極は上
記活性領域の上側表面上でインターディジタル構造（指
状の陽極と陰極とを互い違いに組合わせて配列した構
造）に形成されており、陽極−陰極間の間隔は、ホール
が光感知領域から少なくともデータ率と同じ速さで取り
除かれるのに十分な程度小さくなければならない。しか
し、このようにすると、入射光の約30％乃至50％が検知
器表面上のインターデイジタル構造に形成された陽極及
び陰極により弱められて、入来信号が減少することにな
る。また、両電極が１つの表面上に設けられると、光感
知領域全体に亘つて不均一な電界が生じ、これは帯域幅
を減少させ且つ空間的に不均一な利得を生じさせる不都
合な作用を持つ。更に、入射光の多くが陽極及び陰極付
近で吸収されてしまうため、実現可能な利得の50％まで
が失われてしまう。

ギガビツト／秒の範囲にあるデータ率に適合するために
研究されてきた別の方法の１つはインターデイジタル構
造の変形である。例えば１つの方法として、光導電材料
からホールを取除くために光導電層の背後で逆バイアス
ｐ−ｎ接合を利用する方法がある。しかし、このような
装置は、利得が減少し、発生−再結合ノイズが増大する
特徴を持つている。

また、別の方法として、最近、垂直方向光導電体が研究
されている。第１図に示される従来技術の光導電装置10
は、代表的にN⁺導電型である基板12、N^-導電型の活性領
域14、及びN⁺導電型の薄い接触窓16から成つている。活
性領域14の厚さは、一般に約２〜３μｍである。環状金
属接触20により、横方向の装置に比べて面積が大きい光
入射用開口18の輪郭が特定される。N⁺の基板12とN⁺の接
触窓16とは、活性領域14に対してその幅全体に亘つてオ
ーム接触している。理論的には、これにより活性領域14
に均一な垂直方向の電界が得られる筈である。長い波長
（1.0〜1.6μｍ）に適用する場合、活性領域14は代表的
にはInGaAsで作られており、接触窓16は、ノイズ及び抵
抗のレベルに関連する理由により同じ材料で作られてい
る。しかし、これにより接触窓16は、光の大部分がこの
接触窓16に吸収されることのないように比較的薄い、即
ち、約0.5〜1.0μｍの厚さでなければならないことにな
る。このような厚さにすると、環状接触20の存在によ
り、横方向の電界が接触窓16を横切つて発生し、活性領
域14へ入り込む。従つて、電子及びホールの軌道は横方
向になり、これらの移動矩離が活性領域14の幅よりも大
きくなり、これにより利得は増大するが、帯域幅は著し
く減少する。また、基板12が代表的にインジウム・燐
（InP）で作られているために、この基板12に向つて移
動するホールは、InGaAs/InP界面24において少数キヤリ
アに対して存在することが知られている電荷トラツプに
捕獲されることがある。これもまた、利得は増大するこ
とになるが、帯域幅が著しく減少する。

高速動作に適し、高利得で、ノイズ及びトラツピングが
低減され、モノリシツク集積化に容易に適用できる光導
電検知器が開発された。

〔発明の概要〕

この発明の光導電検知器は、検知すべき波長の光に対し
て実質的に透過性である第１の導電型の半導体材料で形
成され、且つ、上に位置する光導電活性領域にオーム接
触するのに十分な程度にドーピングされた基板層から成
る。上記活性領域は、検知すべき波長の光を吸収する非
ドーピング半導体材料の本体から成り、第１の第２の主
表面を有する。上記基板層は、上記活性領域の第１の主
表面全体に対して第１のオーム接触として作用し、金属
あるいは金属合金が上記活性領域の第２の主表面全体の
上に位置する第２のオーム接触として作用する。

〔推奨実施例の詳細な説明〕

第２図において、反転垂直方向光導電検知器25は、基板
層28と、この基板層28の上にヘテロ接合界面32を介して
位置する光導電層30とから成る。活性領域34は、光導電
層30のうちのバイアスが与えられる部分から成る。基板
層28は光透過性の第１のオーム接触として作用し、第２
のオーム接触36が活性領域34全体の上に位置している。
活性領域34に接触する第２のオーム接触36の領域の輪郭
は、誘電領域38によつて特定される。環状電気的接触手
段40により、光が基板層28に入るための開口領域42の輪
郭が特定される。この開口領域42の代表的な直径は20〜
30μｍ程度であり、これにより実質的に光の全部が基板
層28に入射することができる。反射防止被膜として、例
えばSi₃N₄、SiO、SiO₂等が使用される。

基板層28は、第１の導電型であり、活性領域34にオーム
接触するのに十分な程度にドーピングされている。代表
的な例として、基板層28は、重くドーピングされてい
て、例えば、約10¹⁷／cm³より大きい濃度、望ましくは
約10¹⁸／cm³より大きい濃度の移動電荷キヤリアを持つ
ている。また、基板層28は、検知すべき波長の光に対し
て実質的に透過性でなければならず、即ち、少なくとも
90％の透過率を持たねばならず、そのため上記基板層28
は約150μｍより厚くなるべきでない。基板層28は、環
状接触手段40からの横方向の電界を避けるため少なくと
も５μｍの厚さであるべきである。基板層28は、代表的
に、ガリウム・ヒ素（GaAs）或いはインジウム・燐（In
P）のようなN⁺導電型の半導体で形成され、例えば、検
知器の基板として作用し、或いは、別の基板の上の層と
なることが出来る。

活性領域34は、メサ構造により輪郭を特定してもよい
し、光導電層30のうちのそれを横切つてバイアスが与え
られる部分とすることも出来る。後者の場合、第２のオ
ーム接触36に接触する光導電層30の量により、実質的に
活性領域34の幅が決まる。この活性領域34の有効幅は、
代表的に２〜３μｍの厚さの開口領域42を横切る電界の
広がり量が僅か（１μｍ或いは２μｍ）であるため、実
際上は第２のオーム接触36の幅より僅かに大きくなる場
合がある。活性領域34は、真性或いは基板層28と同じ導
電型でもよいが、代表的に非ドーピングであり或いは自
然に軽くドーピングされている。活性領域34は、約10¹⁵
／cm³より低い濃度、望ましくは、10¹⁴／cm³の範囲かそ
れより低い範囲の移動電荷キヤリアを持つべきである。
或いは、活性領域34を、ノイズを減少させるためにその
抵抗を増すようにドーピングすることも出来る。しか
し、これにより活性領域34中の電荷キヤリアの移動度が
減少する。活性領域34は、検知すべき光を吸収する光導
電半導体材料から成る。活性領域34において使用する材
料としては、高移動度比、即ち、多数キヤリアと少数キ
ヤリアの移動度（Ｎ型材料中における電子／ホール）の
割合が約10:1から20:1までの間、望ましくは40:1かそれ
以上であるものが有利である。GaAs、InGaAs等のような
N^-導電型材料がこの目的に十分合致する。

第２のオーム接触36は、代表的な例として、電圧降下な
しに多数キヤリアを活性領域34に連続的に供給できる金
属合金である。例えば、N⁺型InP基板層28とN^-型InGaAs
活性領域34とを持つ検知器26の場合、金−錫、金−ゲル
マニウム等が、第２のオーム接触36の材料に適してい
る。この第２のオーム接触36は、活性領域34に対する所
望の幅に形成してもよいし、或いはこの接触の幅を、例
えば二酸化シリコン等の誘電体材料からなる領域38上の
第２のオーム接触36の連続する層により適当に特定して
もよい。

第２図に環状として示された電気的接触手段40は、如何
なる幾何学的形状に形成してもよく、また、良好な電気
的接触が得られるならば如何なる導電材料で形成しても
よい。

上述の領域と層は、相対的導電型の関係が維持される限
り、正反対の導電型であつてもよいことは明らかであ
る。

基板層28上における活性領域34は、液相エピタキシ、或
いは分子線エピタキシによつて、望ましくは、例えば、
T.P.Pearsall編集の「GaInAsP Alloy Semiconductors」
（John Wiley ＆ Sons,1982）中に掲載された“Vapour-
phase Epitaxy of GaInAsP"という題のG.H.Olsenによる
論文に記載された気相エピタキシによつて形成すること
ができる。

動作中、検知器26は、活性領域34の第１と第２の主表面
をそれぞれ完全に覆う第１のオーム接触、即ち、基板層
28と第２のオーム接触36とにより非常に均一した電界が
得られるというインターデイジタル構造より優れた利点
を有している。InGaAs/InP検知器の場合、InPの基板層2
8は、150μｍ或いはそれ以下の厚さのInGaAs活性領域34
により、検知されるべき波長の光に対して完全な透過性
を持つている。従つて、この基板層28を十分に厚くし
て、従来技術による垂直方向光導電装置の代表的な特徴
である環状の電気的接触手段40による如何なる横方向の
電界効果も軽減することが出来る。検知器は、いずれの
方向にバイアスされても動作するが、基板層28が陽極に
第２のオーム接触36が陰極になるようにバイアスされる
方が望ましい。この方法により、InP/InGaAs界面付近で
発生したホールは、従来技術の検知器に比べて電荷トラ
ツプが実質的に無い第２のオーム接触／活性領域界面に
向かつて移動する。

このように、横方向の電界効果を生じさせることなく、
また基板層による光の吸収を最小限に抑えた状態で、第
１と第２のオーム接触により活性領域を横切る均一な電
界を容易に与えることが出来るため、利得が著しく均一
になる。更に、活性領域／金属オーム接触界面における
ホールの電荷トラツプが軽減することにより、ギガビツ
ト／秒範囲の帯域幅が得られる。

第３図には、第２図の検知器26と同じ基本素子を有する
この発明のもう１つの検知器44が示されている。この検
知器44では、基本層48上に光導電層46を形成した後、メ
サ構造が既知の方法により形成され、活性領域50の幅が
第２のオーム接触52の幅によつて特定される。この第２
のオーム接触52の輪郭は誘電体領域54により形成され
る。メサ構造のため、例えば環状構造である電気的接触
手段56を、第２のオーム接触52が設けられる検知器44の
同じ側に設けることができ、これにより明らかに設計上
の利点が得られる。また、メサ構造の幅により活性領域
の幅を特定することが出来るが、この場合、第２のオー
ム接触はメサ構造の表面全体を覆つている必要がある。

上述の高利得、均一な電界、及び、ギガビツト／秒の帯
域幅のほかに、ここに開示した反転光導電検知器には、
その製造段階において、既知のフオトリトグラフイツク
（photolithographic）技術及び金属化技術を使用し第
２のオーム接触を形成する前に基板上に１つのエピタキ
シヤル層を成長させるだけでよいという利点がある。ま
た、この検知器は、メサ構造として或いは更に都合よく
平坦構造として製造することができ、モノリシツク集積
に十分に適合し、光受信装置に応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術の垂直方向光導電検知器の断面図、第
２図はこの発明に従う垂直方向光導電検知器の第１の実
施例の断面図、第３図はこの発明に従う垂直方向光導電
検知の第２の実施例の断面図である。 26……光導電検知器、28……基板層、30、34……活性領
域、32……第１のオーム接触、基板層及び活性領域の第
１の主表面、36……第２のオーム接触、40……電気的接
触手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性領域と、この活性領域に対する第１の
オーム接触として作用する基板層と、上記活性領域に対
する第２のオーム接触と、上記基板層に対する電気的接
触手段とを有し、特徴として、上記基板層は、検知すべき波長の光に対し
て実質的に透過性であり且つ上記基板層の第１の主表面
が上記活性領域に対する上記第１のオーム接触として作
用するのに十分な程度にドーピングされた第１の導電型
の半導体材料から成り、上記活性領域は、上記基板層の上に位置し、検知すべき
波長の光を吸収する非ドーピングの半導体材料から成
り、全体が上記基板層に接触する第１の主表面と、第２
の主表面とを持ち、上記第２のオーム接触は、金属或いは金属合金から成
り、上記活性領域の上記第２の主表面全体の上に位置す
るように構成された光導電検知器。