雪崩光敏二极管制造技术

本发明专利技术提供同时实现操作电压的低电压化和在所应用带域中的高量子效率化的超高速雪崩光敏二极管。在雪崩光敏二极管的操作中，按照使ｐ型光吸收层（１６）除了其一部分外维持ｐ型中性（非耗尽型光吸收层）、且低浓度光吸收层（１５）被耗尽（耗尽型光吸收层）的方式确定各光吸收层的掺杂浓度分布。另外，按照如下方式确定ｐ型光吸收层（１６）的层厚度Ｗ↓［ＡＮ］和低浓度光吸收层（１５）的层厚度Ｗ↓［ＡＤ］之比，即，在光吸收层的层厚度Ｗ↓［Ａ］（＝Ｗ↓［ＡＮ］＋Ｗ↓［ＡＤ］）为一定值的条件下，Ｗ↓［ＡＤ］＞０．３μｍ，且使在光吸收层中因光吸收而发生的载流子迁移所造成的器件响应的延迟时间最小。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及超高速雪崩光敏二极管。
技术介绍
雪崩光敏二极管(APD)是一种作为低噪声的光接收器来使用的装置，通过将吸收光而发生的载流子(电子和空穴)通过雪崩机构放大，取出其输出电流。在近年来的长波带用雪崩光敏二极管中，普遍形成光吸收层和雪崩式放大层相分离的SAM(Separated Absorptionand Multiplication分离的吸收和放大)结构。在该SAM结构中，为了独立地控制光吸收层和雪崩式放大层的电场强度，在这些层之间设置电场控制层和带隙倾斜层。雪崩光敏二极管被广泛地引入到2.5G比特/秒和10G比特/秒的系统，而且正在被开发以用于下一代的40G比特/秒系统的器件。在这样的超高速雪崩光敏二极管的
中，受重视的是从高速操作的角度而言有利的“电子注入型”的雪崩光敏二极管，而不是在过去典型地用于较低速操作的结构的将InP作为雪崩式放大层的“空穴注入型”雪崩光敏二极管。到目前为止公开的有代表性的电子注入型雪崩光敏二极管是由耗尽化InGaAs形成光吸收层、由InAlAs形成雪崩式放大层的雪崩光敏二极管。图1为这种电子注入型雪崩光敏二极管在操作状态下的能带图。在该图中，41为n型电极层，42为雪崩式放大层(InAlAs)，43为电场控制层，44为带隙倾斜层，45为低浓度光吸收层(InGaAs)，46为p型电极层，47为p电极。另外，光吸收层45在整个区域被耗尽。这样的“电子注入型”雪崩光敏二极管的结构有利于高速操作。但是，在另一方面，因为作为雪崩式放大层使用的InAlAs的带隙比作为“空穴注入型”的雪崩光敏二极管的雪崩式放大层的InP的带隙大，所以在施加一定的电场强度的状态下离子化率必然相对地低，存在器件的操作电压增加的问题。除了这样的结构之外，还公开有下述的“电子注入型”雪崩光敏二极管的结构(请参照专利文献1)。其中，由p型中性层(非耗尽区域)和与其邻接的薄的低浓度层(耗尽区域)构成光吸收层，并将作为非耗尽区域的p型中性层作为主要的光吸收层。图2为这种电子注入型雪崩光敏二极管在操作状态下的能带图。在该图中，51为n型电极层，52为雪崩式放大层，53为电场控制层，54为带隙倾斜层，55为低浓度光吸收层(低浓度层)，56为p型光吸收层(p型中性层)，57为p型电极层，58为p电极。在此，作为非耗尽化区域的p型中性层为InGaAs层。这种结构的电子注入型雪崩光敏二极管的光吸收层基本由作为非耗尽化区域的p型光吸收层56占据。即，在该结构中“将光吸收层尽可能地做成p型结构”。尽管该图所示结构的雪崩光敏二极管结构以减少暗电流为主要目的，但是对实现减少操作电压也有效。另外，为了获得所需的雪崩光敏二极管的性能，光吸收层的厚度的确定很重要。如果不提高不发生雪崩式放大的状态(pin型光敏二极管操作时)下的载流子发生率(量子效率)，则即使进行雪崩式放大也无法确保高的S/N比。因此，这是在需要确保频率响应带域的条件下将光吸收层的厚度WA设计得尽量大的原因。但是，如果利用将p型中性层作为主要的光吸收层的图2所示的结构来实现10G比特/秒以上的操作速度，则因载流子迁移时间和量子效率之间的平衡关系而导致了光吸收效率(量子效率)降低的问题。这是因为在耗尽的InGaAs层中的载流子速度明显大于在p型中性的InGaAs层中的载流子速度。也就是说，如果将载流子迁移时间设定为一定值以下，则p型中性InGaAs层(p型中性层)的厚度的上限比使用耗尽的InGaAs层情况下的厚度上限薄。下面，对需要确保的频率响应带宽中光吸收层厚度的半定量的估计进行说明。雪崩光敏二极管可以看作是在pin型光敏二极管上连接较薄的雪崩式放大层的结构。该带域从pin型光敏二极管操作状态下的固有带域(固有3dB带域)随着雪崩式放大率的增加以朝向增益带域积恒定的线靠近的形状逐渐降低。为了获得适当的特性，将增益带域积马及pin光敏二极管操作时的固有3dB带域保持较高是重要的。Pin型光敏二极管操作时的固有3dB带域受到光吸收层和放大层的载流子迁移时间的支配。但是，因为通常的雪崩光敏二极管的结构中放大层明显比光吸收层薄，所以光吸收层中的载流子迁移时间成了决定特性的支配性因素。放大层结构可以与光吸收层基本相互独立地设计，放大层的载流子迁移时间可以认为共同增加。因此，在此考虑假设仅由光吸收层决定时的带域。与电子相比，空穴的饱和速度(Vh＝5×106cm/s)明显小。所以，在光吸收层全部耗尽的结构(光吸收层厚度WAD)中的载流子迁移时间τD近似为由Vh确定时，根据电荷控制模式得出关系1。关系1τD＝WAD/3vh(1)另外，3dB带域(f3dB)可以从关系2中给出。关系2f3dB，D＝1/＝×24GHz(2)例如，如果考虑器件设计上的裕量，由于接收10G比特/秒信号的器件的3dB带域是以f3dB，D＝20GHz为尺度，所以WAD需要设计为大约1.2μm。为了在该WAD的整个区域维持空穴饱和速度，需要将电场强度保持50kV/cm以上，即需要的电压至少为6V以上。由此，通常雪崩式放大时的光吸收层电场强度设计成100kV/cm左右，光吸收层部分的电压降相当大，为12V。另一方面，在光吸收部分仅为中性化光吸收层(浓度固定，其厚度为WAN)的情况下，载流子迁移时间τN由电子的扩散时间决定。在p型光吸收层中发生的空穴为多数载流子，所以作为空穴电流而并不是空穴运动来响应，以保持电荷中性。因此，空穴的传输特性并不与响应速度直接关联。在电子的扩散系数为De时，载流子的迁移时间(τN)由以下关系3得到。关系3τN＝WAN2/3De(3)3dB带域(f3dB)按关系4近似。关系4f3dB，N＝1/ (4)在光吸收层中采用掺杂浓度为3×1017cm3的InGaAs时，因为电子移动性为6,000cm2/Vs、扩散系数为150cm2/s程度，所以有关系5f3dB，N＝×7.2GHz (5)同样，在考虑f3dB，N＝20GHz为尺度时，WAN需要设定为0.6μm程度以下。在采用中性化光吸收层的情况下，因为不需要使载流子迁移的电压，所以有利于器件的低电压化。另一方面，光吸收层厚度与耗尽化光吸收层相比较薄，约为其二分之一即0.6μm，所以在1.5μm带域的量子效率保持在50％以下，难以实现灵敏度高的雪崩光敏二极管。这样，在想要采用中性化光吸收层实现寄望于雪崩光敏二极管的操作电压的低电压化时，存在以10比特/秒以上高速操作的器件的量子效率降低的问题。专利文献1日本专利第3141847号公报
技术实现思路
本专利技术就是鉴于上述问题而提出的。其目的在于，提供一种超高速雪崩光敏二极管，该雪崩光敏二极管可同时实现操作电压的降低和在所应用带域中的高量子效率。为了实现该目的，根据本专利技术第一实施方式的雪崩光敏二极管包括将n型电极层、雪崩式放大层、电场控制层、带隙倾斜层、层厚度为WA的光吸收层和p型电极层依次叠层的叠层体，所述光吸收层包括设置在所述p型电极层一侧的层厚度为WAN的p型层和设置在所述带隙倾斜层一侧的层厚度为WAD的低浓度层的结，所述p型层和所述低浓度层的各自的掺杂分布在器件操作中按照如下方式确定，即所述p型层在除了与所述低浓度层的结的界面附近区域外的部分维持p型中性状态，同时低浓度层被耗尽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种雪崩光敏二极管，包括将ｎ型电极层、雪崩式放大层、电场控制层、带隙倾斜层、层厚度为Ｗ↓［Ａ］的光吸收层和ｐ型电极层依次层叠的叠层体，其特征在于，所述光吸收层包括设置在所述ｐ型电极层一侧的层厚度为Ｗ↓［ＡＮ］的ｐ型层与设置在所述带隙 倾斜层一侧的层厚度为Ｗ↓［ＡＤ］的低浓度层的结，在所述ｐ型层和所述低浓度层的各自的掺杂分布在器件操作中按照如下方式确定，即所述ｐ型层中在除了与所述低浓度层的结的界面附近区域外的部分维持ｐ型中性状态，所述低浓度层被耗尽，并且在 所述光吸收层中因光吸收而发生的载流子迁移所伴随的器件响应的延迟时间为τ↓［ｔｏｔａｌ］、由所述ｐ型层导致的延迟时间为τ↓［Ｎ２］、由所述低浓度层导致的延迟时间为τ↓［Ｄ１］、所述光吸收层的整个区域为所述低浓度层的情况下的延迟时间为τ↓［Ｄ］，在所述光吸收层的层厚度Ｗ↓［Ａ］（＝Ｗ↓［ＡＮ］＋Ｗ↓［ＡＤ］）为一定值的条件下，所述ｐ型层的层厚度Ｗ↓［ＡＮ］和所述低浓度层的层厚度Ｗ↓［ＡＤ］之比满足下式，τ↓［Ｄ］＞τ↓［ｔｏｔａｌ］＝（Ｗ↓［ＡＤ］×τ↓［Ｄ１］＋Ｗ↓［Ａ Ｎ］×τ↓［Ｎ２］）／Ｗ↓［Ａ］。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：石桥忠夫，安藤精后，广田幸弘，
申请(专利权)人：NTT电子股份有限公司，日本电信电话株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]