JPH0250487A - Semiconductor photodetecting element - Google Patents
Semiconductor photodetecting elementInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体受光素子に関し、特に光通信波長多重シ
ステムの受光用として多波長入力光を吸収受光する機能
を有する半導体受光素子に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a semiconductor light-receiving device, and more particularly to a semiconductor light-receiving device having a function of absorbing and receiving multi-wavelength input light for use in optical communication wavelength division multiplexing systems.
従来、この種の半導体受光素子では光電流変換は一つの
半導体光吸収層を介して行われる。Conventionally, in this type of semiconductor light-receiving device, photocurrent conversion is performed through one semiconductor light absorption layer.
第5図(a)および(b)はそれぞれ従来半導体受光素
子の代表的構造の平面図およびそのA−A’断面図を示
すものであるが、その構造は図面から明らかなように、
例えば底部に電極端子5が設けられたP+形InP基板
1と、P+形InP2と、n形InPアバランシェ領域
層3と、上部に電極端子が設けられたn形InGaAs
吸収層4との4層構造から成り、n形InGaAs吸収
層4は受光面10からの入射光に励起されて光電変換電
流を層内に発生せしめる。ここで、電極端子5および6
はそれぞれ電源電圧を供給する。FIGS. 5(a) and 5(b) respectively show a plan view and a sectional view taken along line AA' of a typical structure of a conventional semiconductor light-receiving element, and as is clear from the drawings, the structure is
For example, a P+ type InP substrate 1 with an electrode terminal 5 provided on the bottom, a P+ type InP 2, an n-type InP avalanche region layer 3, and an n-type InGaAs substrate with an electrode terminal provided on the top.
It has a four-layer structure including an absorption layer 4, and the n-type InGaAs absorption layer 4 is excited by incident light from the light-receiving surface 10 to generate a photoelectric conversion current within the layer. Here, electrode terminals 5 and 6
supply the power supply voltage, respectively.
この種の半導体受光素子は、第6図に示すように1つの
吸収層内に、1つのバンドギャップエネルギー帯33の
みを有し、多様な帯域幅の光を一括して受光する。As shown in FIG. 6, this type of semiconductor light-receiving element has only one bandgap energy band 33 in one absorption layer, and receives light of various bandwidths all at once.
すなわち、価電子帯31の電子34は1200nmの光
36.1300nmの光37および1500nmの光3
8を吸収し、それぞれ伝導帯32のバンドギャップエネ
ルギー帯33に励起される。そのため、特定の帯域幅の
光のみ受光する場合にはフィルタ等を設置し、多重波長
光による光通信システムでは、こうした特性帯域幅の光
を受光する半導体素子を複数設けていた。That is, electrons 34 in the valence band 31 are exposed to 1200 nm light 36, 1300 nm light 37, and 1500 nm light 3.
8 and are excited to the bandgap energy band 33 of the conduction band 32, respectively. For this reason, a filter or the like is installed when only light with a specific bandwidth is to be received, and in an optical communication system using multi-wavelength light, a plurality of semiconductor elements are provided to receive light with such a characteristic bandwidth.
上述した従来の半導体受光素子は、素子内部の吸収層内
部に唯一つのバンドギャップエネルギー帯を有するだけ
であるので、この吸収層の吸収特性を受光波長に対し広
範囲に設定し受光帯域をかなり広範囲に設定するのが通
常である。The conventional semiconductor light-receiving device described above has only one bandgap energy band inside the absorption layer inside the device, so the absorption characteristics of this absorption layer are set over a wide range with respect to the light receiving wavelength to widen the light receiving band considerably. This is usually set.
第7図および第8図は従来半導体受光素子における光吸
収層の受光波長に対する吸収 特性および光電変換特性
をそれぞれ示す図であるが、第7図からも明らかなよう
に、従来の受光素子におけるn形1nGaAs吸収層4
は代表的な受光波長λI(1200nm)、λt (1
300nm)およびλ。FIGS. 7 and 8 are diagrams showing the absorption characteristics and photoelectric conversion characteristics of the light absorption layer for the received light wavelength in a conventional semiconductor photodetector, respectively.As is clear from FIG. Type 1nGaAs absorption layer 4
are the typical receiving wavelength λI (1200 nm), λt (1
300 nm) and λ.
(1500nm)の光子エネルギー(E)に対してそれ
ぞれ良好な吸収係数(K)を示−している。They each show good absorption coefficients (K) for photon energy (E) of (1500 nm).
従って、これを表1のようにまとめると、従来のn形I
nGaAs吸収層4は第8図で明らかなように上記帯域
の波長光をそれぞれ効率的に光電変換することが理解さ
れる。Therefore, if we summarize this as shown in Table 1, the conventional n-type I
As is clear from FIG. 8, it is understood that the nGaAs absorption layer 4 efficiently photoelectrically converts each wavelength light in the above band.
しかしながら、特定の波長帯のみの受光を必要とする例
えば光通信または光計測の各システム分野ではむしろ受
光帯域が狭帯域であることが要求される。しかし、唯一
つの吸収層のみでこの要求を満たすことは技術上困難な
問題を含むので、フィルタまたはスプリンタ等の伴用に
よって一応解決しているのが現状である。従って、多重
波長光を利用する光通信システムでは、このようなフィ
ルタを設けた複数の受光素子を必要とし、システム装置
が大型化してコスト低減ができず、また、変換効率も低
下するのでシステムの品質向上を期待することができな
い。However, in the field of systems such as optical communication or optical measurement, which require light reception only in a specific wavelength band, it is rather required that the light reception band be narrow. However, meeting this requirement with only one absorbent layer involves technical difficulties, and at present, this has been solved by the use of filters, splinters, etc. Therefore, optical communication systems that use multi-wavelength light require multiple light-receiving elements equipped with such filters, which increases the size of the system equipment, making it impossible to reduce costs, and reducing conversion efficiency. We cannot expect quality improvement.
本発明の目的は、上記の状況に鑑み、複数の特定の波長
光を選択的に効率良く光電変換し得る半導体受光素子を
提供することである。In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a semiconductor light-receiving element that can selectively and efficiently photoelectrically convert light of a plurality of specific wavelengths.
本発明の半導体受光素子は、1つの吸収層内に異なる複
数のバンドギャップエネルギー帯と、そのバンドギャッ
プエネルギー帯毎に発生する光電変換電流を外部に導出
する複数の電極とを有し、各波長に対応したバンドギャ
ップエネルギー帯で各波長光を同時に独立して吸収受光
できる機能を有している。The semiconductor light-receiving device of the present invention has a plurality of different bandgap energy bands in one absorption layer and a plurality of electrodes for leading outside the photoelectric conversion current generated for each bandgap energy band, and It has the ability to absorb and receive light of each wavelength simultaneously and independently in the bandgap energy band corresponding to the .
次に本発明について図面を参照して説明する。 Next, the present invention will be explained with reference to the drawings.
第1図(a)は本発明の半導体受光素子の一実施例を示
す平面図である。第1図(b)には、第1図(a)の半
導体受光素子のA−A’断面構造を示す。第1図(b)
において電極端子5が底部に設けられたP+形InP基
板l上にP+形InP層2、n形InPアバランシェ領
域層3および上部に電極端子6の設けられたn形InG
aAs吸収層4が形成される。n形I nGaAs吸収
層4には、吸収層内のバンドギャップエネルギーの違い
に応じて電極7,8.9が設けられている。FIG. 1(a) is a plan view showing an embodiment of the semiconductor light receiving element of the present invention. FIG. 1(b) shows the AA' cross-sectional structure of the semiconductor light receiving element of FIG. 1(a). Figure 1(b)
, a P+ type InP layer 2, an n-type InP avalanche region layer 3, and an n-type InG layer 3 having an electrode terminal 6 provided on the top are formed on a P+ type InP substrate l having an electrode terminal 5 provided on the bottom.
An aAs absorption layer 4 is formed. The n-type InGaAs absorption layer 4 is provided with electrodes 7, 8.9 depending on the difference in band gap energy within the absorption layer.
次にn形I n G a A s吸収層4内のエネルギ
ー帯について第2図を参照して説明する。Next, the energy bands in the n-type I n Ga As absorption layer 4 will be explained with reference to FIG. 2.
n形InGaAs吸収層4内のバンドギャップエネルギ
ー帯は各入力波長光18,19.20に応答する様に、
伝導帯12と価電子帯11との間に形成される。これは
吸収層内での不純物濃度をステップ状に作ることで実現
される。The bandgap energy band within the n-type InGaAs absorption layer 4 is such that it responds to each input wavelength light 18, 19, 20.
It is formed between the conduction band 12 and the valence band 11. This is achieved by creating a stepped impurity concentration within the absorption layer.
波長1200nm光18は、価電子帯11にある光吸収
前の電子16をバンドギャップエネルギー15にのみ励
起する。また、波長1300r+m光19は、価電子帯
】1にある光吸収前の電子16をバンドギャップエネル
ギー14にのみ励起する。The light 18 having a wavelength of 1200 nm excites the electrons 16 in the valence band 11 before being absorbed by the band gap energy 15 only. Further, the light 19 with a wavelength of 1300 r+m excites the electrons 16 in the valence band 1 before light absorption to only the band gap energy 14.
そして波長1500nm光20は、価電子帯11にある
光吸収前の電子16を、バンドギャップエネルギー13
にのみ励起する。The light 20 with a wavelength of 1500 nm moves the electrons 16 in the valence band 11 before light absorption to the band gap energy 13.
Excite only.
すなわち、表2に示すようにn形InGaAs吸収層4
のバンドギャップエネルギー13,14゜15が特定の
受光波長λ、1200nm、 λ、1300nm、λ
、1500nmに対し選択性をもつようにそれぞれの吸
収透過特性に波長依存性があたえられる。That is, as shown in Table 2, the n-type InGaAs absorption layer 4
The bandgap energy of 13,14゜15 is the specific reception wavelength λ, 1200 nm, λ, 1300 nm, λ
, 1500 nm, wavelength dependence is given to each absorption/transmission characteristic.
(吸収層における各波長の吸収透過状態)○:光吸収
×:光透過
\:吸収波長以上の波長は入力されない従って、受光面
10に入った波長λ1.λ2゜λ、からなる多波長の入
力光は、波長λ1のエネルギーに相当するバンドギャッ
プエネルギー帯13、波長λ2のエネルギーに相当する
バンドギヤ、プエネルギー帯14、波長λ、のエネルギ
ーに相当するバンドギャップエネルギー帯15へそれぞ
れ価電子帯の電子を励起する。(Absorption/transmission state of each wavelength in the absorption layer) ○: Light absorption ×: Light transmission \: Wavelengths greater than the absorption wavelength are not input. Therefore, the wavelength λ1. Multi-wavelength input light consisting of λ2゜λ, has a bandgap energy band 13 corresponding to the energy of the wavelength λ1, a bandgap energy band 14 corresponding to the energy of the wavelength λ2, a bandgap energy band 14 corresponding to the energy of the wavelength λ, and a bandgap energy band 13 corresponding to the energy of the wavelength λ2. Each valence band electron is excited to the energy band 15.
そのため、第1図(b)に示したn形I nGaAs吸
収層4内には、各入力波長に応答する様に、電極7は1
200nm光を、電極8は1300nm光を、電極9は
1500nm光をそれぞれ受光するように設定されて・
いる。Therefore, there is one electrode 7 in the n-type InGaAs absorption layer 4 shown in FIG. 1(b) so as to respond to each input wavelength.
The electrode 8 is set to receive 200 nm light, the electrode 8 is set to receive 1300 nm light, and the electrode 9 is set to receive 1500 nm light.
There is.
第3図は、第2図のバンドギャップエネルギー帯を吸収
係数の波長(光子エネルギー)依存性の関係で示したも
のである。n形InGaAs吸収層内には、バンドギャ
ップエネルギー帯がステップ状に形成されているため、
それぞれの吸収特性は、波長1200r+m光21に対
する特性曲線24を示し、波長1300nm光22に対
する特性25を、波長1500nm光23に対する特性
26を示す。FIG. 3 shows the bandgap energy band of FIG. 2 in terms of the wavelength (photon energy) dependence of the absorption coefficient. In the n-type InGaAs absorption layer, a step-like band gap energy band is formed, so
The respective absorption characteristics show a characteristic curve 24 for light 21 with a wavelength of 1200 r+m, a characteristic curve 25 for light 22 with a wavelength of 1300 nm, and a characteristic curve 26 for light 23 with a wavelength of 1500 nm.
第4図は、第1図における各電極7,8.9から取り出
した波長感度特性を示す。電極7から1200nm光2
1に対応する特性曲線27が、電極8から1300nm
光22に対応する特性曲線28が、電極9から1500
nm光23に対応する特性曲線29が、得られる。FIG. 4 shows the wavelength sensitivity characteristics extracted from each electrode 7, 8.9 in FIG. 1200nm light 2 from electrode 7
The characteristic curve 27 corresponding to 1 is 1300 nm from the electrode 8.
A characteristic curve 28 corresponding to the light 22 extends from the electrode 9 to 1500
A characteristic curve 29 corresponding to nm light 23 is obtained.
以上説明したように本発明は、半導体受光素子の1つの
吸収層内に異なるバンドギャップエネルギー帯を持たせ
ることにより、多波長入力光に対し同時に独立して各波
長を吸収受光でき、システムの増設なしに多重波長を利
用した光通信システムを実現できる効果がある。As explained above, by providing different bandgap energy bands in one absorption layer of a semiconductor photodetector, the present invention can simultaneously and independently absorb and receive each wavelength of input light of multiple wavelengths. This has the effect of making it possible to realize an optical communication system using multiple wavelengths without having to do so.
第1図(a)は本発明の半導体受光素子の平面図、第1
図(b)は第1図(a)の半導体受光素子のA−A’断
面図、第2図は本発明の半導体受光素子の吸収層内での
バンドギャップエネルギー帯を示す図、第3図は吸収係
数の波長依存性を示す図、第4図は受光した波長の感度
特性を示す図、第5図(a)は従来の半導体受光素子の
平面図、第5図(b)は第5図(a)の半導体受光素子
のA−A’断面図、第6図は従来の半導体受光素子吸収
層内のバンドギャップエネルギー帯を示す図、第7図は
従来の半導体受光素子の吸収係数の波長依存性を示す図
、第8図は従来の半導体受光素子の波長感度特性を示す
図である。
l・・・・・・P形InP基板、2・・・・・・P形I
nP層、3・・・・・・n形InPアバランシェ領域層
、4・・・・・・n形InGaAs吸収層、5,6・・
・・・・電極端子、7.8.9・・・・・・電極、10
・・・・・・受光面、11゜31・・・・・・価電子帯
、12,32・・・・・・伝導帯、13.14,15.
33・・・・・・バンドギャップエネルギー帯、16.
34・・・・・・光吸収前の電子、17,3訃・・・・
・光吸収後の電子、18,21,36.41・・・・・
・波長1200nm光、19,22,37.42・・・
・・・波長1300nm光、20,23,38.43・
・・・・・波長1500nm光、24,25,26.4
4・・・・・・吸収曲線、27,28.29・・・・・
・波長感度特性曲線。
代理人 弁理士 内 原 晋
(bノ
第1記
(α)
(b)
第S図
光子エネルギ゛−
(シ1と5之、4 ←)
第3図
第4
スFIG. 1(a) is a plan view of the semiconductor photodetector of the present invention.
Figure (b) is an AA' cross-sectional view of the semiconductor photodetector shown in Figure 1(a), Figure 2 is a diagram showing the bandgap energy band within the absorption layer of the semiconductor photodetector of the present invention, and Figure 3 4 is a diagram showing the wavelength dependence of the absorption coefficient, FIG. 4 is a diagram showing the sensitivity characteristics of the received wavelength, FIG. Figure 6 is a diagram showing the bandgap energy band in the absorption layer of a conventional semiconductor photodetector, and Figure 7 is a diagram showing the absorption coefficient of the conventional semiconductor photodetector. FIG. 8, a diagram showing wavelength dependence, is a diagram showing wavelength sensitivity characteristics of a conventional semiconductor light-receiving element. l...P type InP substrate, 2...P type I
nP layer, 3... n-type InP avalanche region layer, 4... n-type InGaAs absorption layer, 5, 6...
... Electrode terminal, 7.8.9 ... Electrode, 10
...... Light-receiving surface, 11°31... Valence band, 12,32... Conduction band, 13.14,15.
33...Band gap energy band, 16.
34...Electron before light absorption, 17,3...
・Electrons after light absorption, 18, 21, 36.41...
・Wavelength 1200nm light, 19, 22, 37.42...
...Wavelength 1300nm light, 20,23,38.43・
...wavelength 1500nm light, 24, 25, 26.4
4...Absorption curve, 27, 28.29...
・Wavelength sensitivity characteristic curve. Agent Patent Attorney Susumu Uchihara (b No. 1 (α) (b) Fig. S Photon energy - (S1 and 5, 4 ←) Fig. 3 Fig. 4
Claims (1)
異なる波長帯域の光子エネルギー成分を選択吸収する複
数のバンドギャップエネルギー帯を有する半導体吸収層
と、該バンドギャップエネルギー帯毎に発生する光電変
換電流をそれぞれ外部に導出する複数の電極とを含むこ
とを特徴とする半導体受光素子。A semiconductor substrate, a semiconductor absorption layer formed on the semiconductor substrate and having a plurality of bandgap energy bands each selectively absorbing photon energy components in different wavelength bands, and a photoelectric conversion current generated for each bandgap energy band. 1. A semiconductor light-receiving element, comprising: a plurality of electrodes, each of which leads to the outside.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63201581A JPH0250487A (en) | 1988-08-11 | 1988-08-11 | Semiconductor photodetecting element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63201581A JPH0250487A (en) | 1988-08-11 | 1988-08-11 | Semiconductor photodetecting element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0250487A true JPH0250487A (en) | 1990-02-20 |
Family
ID=16443429
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP63201581A Pending JPH0250487A (en) | 1988-08-11 | 1988-08-11 | Semiconductor photodetecting element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0250487A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021033518A1 (en) * | 2019-08-21 | 2021-02-25 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Optical sensor |
-
1988
- 1988-08-11 JP JP63201581A patent/JPH0250487A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021033518A1 (en) * | 2019-08-21 | 2021-02-25 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Optical sensor |
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