上荷幹彦, Pablo Vaccaro
Lateral Junction Photodetectors Grown by MBE
on GaAs (311)A Patterned Substrates
Abstract:Photodetectors with unconventional structures including a lateral junction were studied. This
lateral junction took advantage of the crystal orientation-dependent amphoteric nature of the silicon
dopant in GaAs. Lateral junction photodetectors with a Si-doped GaAs light-absorbing layer were
fabricated. The devices were grown by molecular beam epitaxy (MBE) on GaAs (311)A-oriented
substrates that were patterned before growth to alternately expose slopes of different orientations.
Devices were evaluated using electrical and optical measurements.
From current-voltage measurements at low temperatures, the analysis of the transport
mechanisms of carriers in the light-absorbing layer seems to change from recombination at trapping
centers in the depletion layer to thermally-activated tunneling as the temperature decreased. The
profile of shallow level concentration near the lateral p-n junction was calculated from the
capacitance-voltage characteristics, and it was clarified that the device has a linearly-graded junction.
For the frequency response characteristics, the high-frequency response was just measured
up to 20 GHz, the upper limit of the modulation bandwidth of the electro-optical modulator. To access
the highest limit of the response speed of the sample, electro-optic sampling was used with high-speed
response operation, a time constant of 10 ps was realized, even though the structure of the
photodetector was not optimized.
要旨
横型接合を用いた新しい構造の光検出器に関する研究を行った。シリコンドーパントは、
GaAs基板の面方位によって異なる伝導型を示す両性不純物として働き、この性質を活用す
ることによって横型接合を作製できる。本研究では、GaAs光吸収層へSiをドーピングした
横型接合光検出器を作製した。デバイスはGaAs(311)A面の一部に異なる面方位の斜面をパ
ターニングした段差基板上に、分子線エピタキシー(MBE)成長させることによって作製され、
電気的および光学的測定により評価した。
低温での電流-電圧特性の解析から、デバイスの光吸収層でのキャリア伝導メカニズムは、
低温になるにつれて、エネルギーバンド中のトラップ準位での再結合から熱活性トンネリン
グに変化するものと思われる。容量-電圧特性からは、横型p-n接合近傍での浅い不純物濃
度分布を計算し、傾斜型接合が形成されていることが分かった。
また、周波数応答特性では電気光学変調器の変調帯幅制限のため、20GHz以下のみで測定
したが、素子の周波数応答は20GHzを超えており、周波数応答の上限を測定することはで
きなかった。そこで、光検出器の応答速度の上限値を、電気-光学サンプリング測定により
求めたところ、最適化されていないサンプルにもかかわらず、時定数10psという高速応答
動作を実現した。