JPS6244867B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光検出器およびより具体的には、少く
とも一つの内部放射源から成るデバイスに係る。 光フアイバ伝送システムは比較的低レベルで電
磁放射を送受する。その結果、受けた放射レベル
に対し高感度を示す光検出デバイスを用いること
により、これらシステムにおける検出が行われ
る。高い感度はなだれ増倍、トランジスタ動作ま
たはフオトンフイードバツクなどの増幅を、デバ
イスの電子的設計に導入することにより達成され
る。 フオトンフイードバツクは荷電キヤリアが、異
なる禁制帯の二つの別々の半導体領域を有する光
検出デバイス中で増倍される。狭い禁制帯を有す
る半導体領域上に照射する一次フオンは、荷電キ
ヤリアすなわち電子−正孔対を形成させる。電界
の力の下で、これらの荷電キヤリアは広い禁制帯
を有する半導体領域中に掃き出され、放射再結合
する。すると、再結合により生じた二次フオトン
が狭禁制帯半導体領域を照射し、より多くの荷電
キヤリアを生じ、それにより電流増幅が得られ
る。 荷電キヤリアの増倍は、狭禁制帯半導体領域へ
帰還される二次フオトンの数の影響を受ける。平
均すると、広禁制帯半導体領域中の放射再結合に
より生じたフオトンの２分の１のみが狭禁制帯領
域の方向に伝搬する。従つて、荷電キヤリア増倍
および電流利得は、現在既知のフオトンフイード
バツクデバイス中では２以下に限られている。 利得２はある種の用途には十分であると考えら
れるが、光フアイバ伝送システム用の光検出デバ
イスの感度を著しく増すためには、２以上の電流
利得が必要である。 対応する感度の増加に伴う電流利得の増加は、
狭禁制帯半導体領域に相対する（すなわち非隣接
する）広禁制帯半導体領域の外部表面に対し、反
射被覆材料の層を形成することにより、フオトン
フイードバツク光検出器で実現される。放射再結
合と狭禁制帯領域から離れる方向の伝搬とによつ
て広禁制帯領域中に形成された二次フオトンは、
狭禁制帯領域に向かつて反射層において方向を変
えると有利である。反射層の反射率、広禁制帯領
域の放射効率および狭禁制帯領域の吸収効率を基
礎として、本発明に従い達成される電流利得およ
び感度は、従来のフオトンフイードバツク光検出
デバイスのそれらより２桁大きい。 本発明の一実施例において、光検出器は層対の
列に配置された４つの隣接する半導体層を有す
る。デバイスは以下の構造を有する。すなわち、
ｎ ｐpnr（またはｐ ｎnpr）でこの場合、下線は
狭禁制帯層を示し、下線のないのは広禁制帯層を
示し、ｒは反射層である。この半導体構造はフロ
ーテイングベース構成で、その場合単一電圧源が
狭禁制帯領域を逆バイアスし、広禁制帯領域を順
バイアスする。光検出器中に外部要因で発生した
一次フオトンは、最初逆バイアスされた狭禁制帯
領域に当る。フオトンの吸収は電子−正孔対を形
成させる。印加電界の影響下で、荷電キヤリアは
順方向バイアスされた広禁制帯領域中に注入さ
れ、そこで放射再結合が起る。再結合により放出
された二次フオトンのあるものは、狭禁制帯領域
の方向へ伝搬する。狭禁制帯領域から離れる方向
に伝搬する他の二次フオトンは、反射層により狭
禁制帯領域に向け方向が変えられる。二次フオト
ンの吸収により、更に荷電キヤリアが生ずる。半
導体領域の放射および吸収効率は１に近いから、
反射層の反射率の変化は、デバイスの電流利得を
得える。100程度の利得がこれらのデバイスで得
られた。 本発明の別の実施例において、狭禁制帯領域に
第２の広禁制帯領域（pn）が隣接して６層のフ
オトンフイードバツク光検出器を構成する。第２
の広禁制帯領域は順方向バイアスされ、従つて上
に述べた第１の広禁制帯領域と同じように働く。
この実施例に含まれる両広禁制帯領域は、光電流
荷電キヤリアに応答して、放射再結合を通してオ
フトンを発生させる。この光検出器により、上に
述べたのと同様の利得係数が得られる。 以下図示実施例に基づき更に詳説する。 第１，３および４図中に示された各フオトンフ
イードバツク光検出器は、少くとも４つの隣接す
る半導体材料層から成る。２つの隣接する層間の
各界面に、平面の平行接合が形成される。層は対
または層の領域の列にグループ分けされる。各対
はｐ形伝導形の層およびｎ形伝導形の層を含む。 フオトンフイードバツク光検出器の特定の領域
における各層の化学組成は、領域の禁制帯、すな
わち他の領域中の各吸収または放射の効率の他に
領域のフオトン吸収またはフオトン放射の適性を
決定する。本発明を実施したフオトンフイードバ
ツク光検出器中の半導体化合物は、逆バイアスさ
れた狭禁制帯領域中のフオトン吸収（ｎ_a＝１）
および順方向バイアスされた広禁制帯領域中のフ
オトン放射（ｎ_e＝１）の両方に対し、高い効率
をもつ。 光検出器の各領域に選ばれた化合物は、普通
−化合物として知られている。第１，３および
４図中でpn接合（下線がない）と示されている
各広禁制帯領域は、インジウム・ガリウムヒ素リ
ン（In_xGa_1-xAsyP_1-y）のような四元化合物から
成る。インジウム・ガリウムヒ素
（In_xGa_1-xAs）のような三元化合物、ｐ ｎ接合と
して示されている各狭禁制帯領域に用いられる。 ｐおよびｎ層が順次エピタキシヤル成長される
基板材料もまた、−化合物から選択される。
基板の伝導形をすぐ隣接する領域中の層の伝導形
と整合させるため、基板中に不純物が導入され
る。インジウムリン（InP）がこれらの光検出器
中の基板として用いられる。その理由は、光フア
イバ伝送系にとつて重要な範囲の電磁放射すなわ
ち約1.3ミクロン（0.954eV）に対し、ほぼ透明だ
からである。すなわち、基板材料の禁制帯は検出
すべき一次フオトンのエネルギーより大きい。 禁制帯（バンドギヤツプ）は電子ボルト
（eV）単位で測定され、半導体のバンドモデル中
の禁制帯領域の幅を表す。この幅は価電子帯のポ
テンシヤル上端から、伝導帯のポテンシヤル下端
まで測定される。添付した図面に示された本発明
の具体的な実施例において、各領域の禁制帯は以
下の通りである。 基板 InP〜1.28eV pn領域 InGaAsP〜1.03eVｐ ｎ 領域 InGaAs〜0.78eV 各pn接合は、それが広禁制帯領域でも狭禁制
帯領域でもホモ接合である。隣接する領域中の同
様の伝導形の層間にある各接合、すなわちｎｎま
たはｐｐはヘテロ接合である。通常２つの隣接す
る半導体材料の格子は、ヘテロ接合で整合し、ヘ
テロ接合付近でフオトン放出または吸収能力をも
たらす。本発明を実施する光検出器において、フ
オトン放出および吸収はpnホモ接合付近で起こ
り、ヘテロ接合付近ではない。ｎｎまたはｐｐヘ
テロ接合は同様の伝導形の隣接する層間の電気的
（オーム性）接触を、基本的に容易にする。従つ
て、現在の光検出器中の各ヘテロ接合において、
材料の格子整合をとることは必要でない。 各層の厚さは重要である。特に狭禁制帯領域に
おいては重要である。各層は印加バイアスにより
空乏化するほど十分薄く、それにより狭禁制帯層
中のフオトン吸収より生じた荷電キヤリアは、多
数キヤリアとなる接合の側に確実に到達する必要
がある。各pn接合中の空乏幅は、両層の不純物
濃度および印加電圧に依存する。たとえば、10ボ
ルトの逆バイアスを条件としてInGaAs ｐ ｎ接
合は、約4.2ミクロンの空乏層幅を示し、ｎ層は
3.8ミクロン空乏化し、ｐ層は0.4ミクロン空乏化
する。従つて、本発明に従い設計される光検出器
の狭禁制帯領域は、約0.3ミクロン厚のｐ層、約
3.7ミクロン厚のｎ層を有する。 広禁制帯領域の場合、層の厚さは特定の層中の
少数キヤリアの拡散距離の４倍またはそれ以上に
ほぼ等しい。このことにより、注入された少数キ
ヤリアが隣接する層との界面に拡散する前に、キ
ヤリアの放射再結合を確実にする。不純物濃度は
合理的な範囲内に各層厚を維持するため、各層中
で増加される。不純物濃度が高いと、ｐ形材料中
の正孔では0.2ミクロンの拡散長、ｎ形材料中の
電子では約1.0ミクロンの拡散長を生ずる。従つ
て、本発明に従い設計される広禁制帯領域は、各
ｐ層では0.8ミクロンの層厚、各ｎ層では4.0ミク
ロンの層厚を示す。 各図面中の光検出器の実施例を参照すると、第
１図は集積化された４層フオトンフイードバツク
光検出器１の簡略化されたダイアグラムである。
光検出器１は基板５上にエピタキシヤル成長され
た半導体層の２つの対の列から成り、反射器１６
を形成するため反射材料で被覆される。 層の各対は広禁制帯または狭禁制帯いずれかの
pnホモ接合を形成する。すなわち、ｎ層１０お
よびｐ層１１は（下線で示されるように）狭禁制
帯対として組合わさり、ｐ層１２およびｎ層１３
は広禁制帯対として組合わさる。各層対間にヘテ
ロ接合が形成される。光検出器１において、ｐ層
１１およびｐ層１２間にヘテロ接合が存在する。
ヘテロ接合は隣接する層対間に、単にオーム性接
触を形成するだけである。 第１図に示されるデバイスは、発光ダイオード
（層１２および１３）と直列になつたフオトダイ
オード層１０および１１）として概念的に表わさ
れる。光検出デバイス全体が適切に動作するよ
う、各ダイオードは適切にバイアスされなければ
ならない。意図したように動作させるためには、
フオトダイオードは逆バイアスされねばならず、
発光ダイオードは順バイアスされねばならない。
ダイオードの直列構成により、適当なバイアスが
印加される。事実、光検出器１間に設けられたバ
イアス電圧源８のような単一電圧源で、光検出器
用の適用なバイアス条件が実現される。 バイアス電圧はフオトンフイードバツク光検出
器１の所望の増幅が行なわれるよう決定される。
第１図に示された実施例において、バイアス電圧
源８は５ないし10ボルトの範囲の出力電圧を発生
する。バイアス電圧源８には第１図に示されるよ
うに、負荷抵抗が直列にに接続される。負荷抵抗
はまた基板５上の電極４にも接続されている。も
う一つの電極が反射器１６上に形成されており、
それにはバイアス電圧源８が接続されている。こ
の電極は電極４とは異なり、その中に間隙または
窓をその中にもつ必要はない。 反射器１６は基板５から最も離れたｎ層１３の
全外部表面上に形成された金またはチタンと金の
組合わせのような金属の反射被膜である。チタン
と金の組合わせを用いたとき、チタンの層ｎ層１
３の最も外側の表面に接する。そのとき金の層が
チタン層の最も外側の表面に直接接着される。 一次フオトン６は電極４中の間隙または窓を通
して基板５上に入射する。基板５はフオトン６に
対して透明であるから、フオトン６は本質的に妨
げられずに基板５を通過する。次に、一次フオト
ン６は空乏化した狭禁制帯領域、すなわちｎ層ま
たはｐ層１１中で吸収される。ｎ層１０はフオト
ン６の吸収により生じた光電流荷電キヤリアが、
接合電界によりｐ層１１に運ばれるよう十分薄く
作られている。 光電流が流れ始めるとともに、順バイアスされ
たｐ層１２およびｎ層１３間の接合は電位の増加
を経験する。この増加により自由電子および注入
された正孔が順バイアスされた接合付近で放射再
結合する。放射再結合により生じた二次フオトン
は、すべての方向に放射される。反射器１６はそ
の後更に吸収させるため、ある程度の二次フオト
ンをｐ層１１の方へ再び方向を変える手段とな
る。最初ｐ層１１に向かつていた二次フオトン
は、それらが吸収されるまでその方向を向き続け
る。従つて、ｐ層１２またはｎ層１３中の放射再
結合により生じたほぼ全ての二次フオトンは、ｐ
層１１中で集められ荷電キヤリア対を更に生成
し、光電流を維持する。この更に正成された荷電
キヤリア対の数が光検出器１の利得と感度を決定
する。 電流利得は光検出器１により吸収された一次フ
オトン（フオトン６）の数に対する光検出器１の
特定の断面を越える荷電キヤリアの数の比として
規定される。標準的な技術を用いてこの比を簡単
化すると、利得係数は次のように計算される。 Ｇ＝（１−0.5（１＋Ｒ）ｎ_eｎ_a）^-1 ここで、Ｒは反射器１６の反射率、ｎ_aはｎ層
１０およびｐ層１１のフオトン吸収効率、ｎ_eは
ｐ層１２およびｎ層１３のフオトン放射効率であ
る。第１，３および４図に示された光検出器の場
合、ｎ_eまよびｎ_aの両方はほぼ１に等しい。ｎ
_e、ｎ_aおよびＲの非常に高い値を示す材料を適当
に選択することにより、100またはそれ以上の利
得係数が容易に得られることが認識される。 第１図に示される型の光検出器デバイスは、エ
ピタキシヤル成長技術を用いて製作された。液相
エピタキシーが主に使われてきたが、分子ビーム
エピタキシーも適用できる。これらの技術によ
り、約100ミクロン平方のデバイスが得られる。
光検出器１の厚さはpnおよびｐ ｎ接合の数に約
５ミクロンを乗じ、基板の厚さを加えた値にほぼ
等しい。典型的な基板の厚さは75ミクロン程度で
ある。従つて、光検出器の厚さは87ミクロンより
わずかに大きい。 デバイスのエピタキシヤル成長中、各層に不純
物が導入される。不純物の型および不純物の濃度
が各層の伝導形に影響を与える。光検出器１の具
体例における各種層の不純物の型および不純物濃
度は以下に表で示す。 【表】 第２図に示された構成は、フオトダイオードと
して、光学的およびオーム的に直列接続された２
個の発光ダイオードを有する分布フオトン・フイ
ードバツク光検出器である。広義には、この構成
は第１図中の光検出器１により実現される概念の
拡張である。光検出器２は光検出器１に関連して
述べたフオトダイオードおよび発光ダイオードを
含むだけでなく、発光ダイオードが追加されてい
る。第２の発光ダイオードは、光検出デバイスの
感度および電流利得を増す第２の手段となる。 光検出器２はフオトダイオード２０および発光
ダイオード２１および２２を含む直列接続回路か
ら成る。光検出器２用のバイアス電圧は、第１図
に示されるような負荷抵抗と直列になつた電圧源
により供給される。バイアス電圧の極性は、第２
図中の正符号および負符号の存在で示されてい
る。 一次フオトンｈν光検出器２のフオトダイオー
ド２０上にのみ入射する。一次フオトンｈνがフ
オトダイオード２０により集められると、ダイオ
ード２１および２２を貫いて光電流が流れ始め
る。ダイオード２１（Ｑ_D21）および２２（Ｑ_D2
２）光電流の大きさおよび量子効率を基本にし
て、各発光ダイオードにより二次フオトンが放出
されるであろう。ダイオード２１および２２への
入射により、所望の信号と反対に光電圧が生じる
ため、一次フオトンから発光ダイオード２１およ
び２２を分離させることが重要である。 光検出器１は分布型の構成であるから、フオト
ダイオードに発光ダイオードが近接していること
は、効率のよいフオトンのフイードバツクを起こ
させるのに十分な条件ではない。フオトンフイー
ドバツク路は各発光ダイオードからフオトダイオ
ードへ光カツプラを設けることにより、実現され
る。この目的のため、光カツプラ２３は放出され
た二次フオトンに対するダイオード２１からフオ
トダイオード２０へのフイードバツク路を確立
し、光カツプラ２４は放出された二次フオトンに
対しダイオード２２からフオトダイオード２０へ
の同様のフイードバツク路を確立する。光カツプ
ラとして光フアイバおよびレンズが用いられてき
た。 光検出器２のような構成の電流利得Ｇは、ほぼ
次のように決められる。 Ｇ〓（１−（Ｑ_D21＋Ｑ_D22））^-1 ここで、Ｑ_Dは各具体的な発光ダイオードの量
子効率である。光検出器２の感度に影響を与える
傾向のある他の要因は、光カツプラ２３および２
４の効率、対応する発光ダイオードによつて放出
された二次フオトンを各カツプラが集める能力で
ある。 第３図は反射表面を含んだ集積化された６層フ
オトンフイードバツク光検出器の簡単化されたダ
イアグラムである。光検出器３は第１図からの光
検出器１の隣接する４半導体層だけでなく、二つ
の追加された層すなわちｐ層１４およびｎ層１５
を含む。層１４および１５は広禁制帯領域を形成
する。光検出器３中で、基板５はp⁺伝導形を有
し、それは隣接するｐ層１４の伝導形と同様であ
ることに注意すべきである。 一次フオトン６は電極４中の間隙または窓を通
して、光検出器３の基板５上に入射する。広禁制
帯のため基板５はフオトン６に対し透明であるか
ら、フオトン６は本質的に妨げられることなく、
基板５を通過する。ｐ層１４およびｎ層１５はま
た、フオトン６を妨げることなくｎ層１０まで通
過させるのに十分広い禁制帯を有する。ｎ層１０
中でフオトン６は吸収され光電流を流す原因とな
る。光電流荷電キヤリアの放射再結合は、層１２
および１３、層１４および１５を含む二つの広禁
制帯領域中で起る。層１２および１３中で生じた
二次フオトン、最初ｐ層１１に向かうか反射器１
６によりｐ層１１の方向に反射される。平均する
と、層１４および１５中で発生した二次フオトン
の半分がｎ層１０に向けられる。二次フオトンの
吸収は、層１０および１１から成る狭禁制帯領域
中で起り、光電流荷電キヤリアの数を増加させ
る。 光検出器３のためのエピタキシヤル成長プロセ
スでは、不純物がｐ層１４およびｎ層１５中にｐ
層１２およびｎ層１３とそれぞれ同じ濃度まで導
入される。残りの層は第１図中の光検出器１に関
連して上で述べたように作られるが、基板５は
p⁺伝導形を示すように、10¹⁸原子／cm³の不純物濃
度に亜鉛をドープすることが異なる。 第４図は光検出器３と本質的に等しい光検出器
３′、ｎ ^＋ ｐ ^＋領域、ｎ ^＋ ｐ ^＋領域により光検出
器３′に接続された第３の広禁制帯（フオトン放
出）pn領域から成る光検出器である。ｎ ^＋ ｐ ^＋
領域はきわめて薄く、逆バイアスされたとき本質
的にオーム性接触として働くように、非常に高い
不純物レベルを有する。 この光検出器デバイスにおいて、ｐ層２８およ
びｎ層２９から成る領域の禁制帯は、層１２およ
び１３を含む領域の禁制帯より狭い。これによ
り、層１２および１３は層２８または２９いずれ
かの中で発生した二次フオトンに対し透明とな
る。従つて、層２８または２９のいずれかの中で
発生した二次フオトンは、狭禁制帯領域のｐ層１
１中で、きわめて高い確率で集められる。 第４図の光検出器は光検出器１および３と同様
に、一次フオトン６に応答する。光検出器中で発
生した光電流は、３つのフオトン放出ｐ ｎ領域す
なわち層１２および１３、層１４および１５、層
２８および２９に二次フオトンを放出させる。反
射器１６は二次フオトンをｐ層１１へ向け方向を
変える。二次フオトンの収集は、ｎ層１０または
ｐ層１１のいずれかで行なわれる。ｎ ^＋層２６お
よびｐ ^＋層２７はｐ層２８およびｎ層１３間にオ
ーム性接触を生じるように逆バイアスされ、隣接
するpn領域中で生じた二次フオトンに対し透明
である。 ｐ層２８およびｎ層２９はそれぞれｐ層１２お
よびｎ層１３と化学構造および不純物濃度が同一
である。ｎ ^＋層２６およびｐ ^＋層２７の両方とも
In₀.₅₇Ga₀.₄₃Asから成るきわめて薄い層である。
ｎ ^＋ ｐ ^＋領域中の各層は、約１−２ミクロンの厚
さである。層２６は約0¹⁸原子／cm³の不純物濃度
までイオウが高濃度ドープされ、また層２７も約
10¹⁸原子／cm³の不純物濃度まで亜鉛を高濃度ドー
プされる。 上に述べたすべてのフオトンフイードバツク光
検出器は、一次フオトンに対する高い感度を示
す。この感度は従来の同様のデバイスに比べ少な
くとも１桁改善されていることが実験的に示され
た。 第１，３および４図に示された光検出器の相補
的な構造は、単に各層の伝導形を相対する伝導形
に変え、バイアス電圧の極性を逆にすることによ
り得ることができる。 図面に示された光検出器のわずかな修正は、現
在実現可能な程度の感度を改善するための本発明
の精神および視野の中にある。第３および４図に
示された光検出器のそのような修正の一つは、二
次フオトンをｎ層１０に反射して戻すために、電
極４および基板５間に誘電体反射器を置くことで
ある。また、反射器１６と同様であるが、しかし
一次フオトン６の通過を可能にするのに必要な最
小寸法の間隙または窓を有する金属反射器を、電
極４に置きかえることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１反射面を有する集積化された４層フ
オトンフイードバツク光検出器の簡単化された構
成を表わす図、第２図は単一のフオトダイオード
に光学的かつオーム的に結合された２個の発光ダ
イオードを有する分布型のフオトンフイードバツ
ク光検出器の簡単化された構成を表わす図、第３
図は反射面を有する集積化された６層フオトンフ
イードバツク光検出器の簡単化された構成を表わ
す図、第４図は追加された内部フオトン源を含む
よう拡張された第３図の光検出器の簡単化された
構成を表わす図である。

【表】 反射被膜層 １６ 反射器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各対が第１層および第２層として構成された
   一連の層対に分類され、 各対の第１層は対応する対中の第２層の伝導形
   と相対する伝導形の半導体材料から成り、各対中
   の第１および第２層は本質的に等しい禁制帯を有
   し、 一連の対中の各対の第１層は、すぐ隣接する層
   対の第２層の伝導性と同様の伝導性を有する半導
   体材料から成り、各対の第１および第２層の禁制
   帯はすぐ隣接する各対の第１および第２層の禁制
   帯とは異る、隣接する半導体材料の層を有する光
   検出器において、 反射被膜層が一連の層対の最も外側の層と接す
   ることを特徴とする光検出器。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載された光検出器
   において、反射被膜に隣接した一連の対の最も外
   側の層は、広い禁制帯を有することを特徴とする
   光検出器。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載された光検出器
   において、各対の第１層の厚さは、一連の対の隣
   の対の第２層の厚さにほぼ等しいことを特徴とす
   る光検出器。 ４ 特許請求の範囲第２項に記載された光検出器
   において、反射被膜層はチタンの第１層およびそ
   れと接する金の第２層を含むことを特徴とする光
   検出器。 ５ 特許請求の範囲第４項に記載された光検出器
   において、誘電体反射器が二次フオトンを第１層
   および第２層に向け反射して戻すように配置され
   ていることを特徴とする光検出器。