JP2001332759A - アバランシェフォトダイオード - Google Patents
アバランシェフォトダイオードInfo
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 光通信技術において重要な役割を果たすアバ
ランシェフォトダイオードにおいて、低暗電流、低雑
音、広帯域を同時に実現することを目的とする。 【解決手段】 超格子増倍層として歪み補償超格子増倍
層１０３を用いることにより、増倍率を低下させること
なく、さらには暗電流を増やすことなく、超格子増倍層
の膜厚を薄くすることが可能となり、応答速度を速くで
きる上に動作電圧も低くできる。
ランシェフォトダイオードにおいて、低暗電流、低雑
音、広帯域を同時に実現することを目的とする。 【解決手段】 超格子増倍層として歪み補償超格子増倍
層１０３を用いることにより、増倍率を低下させること
なく、さらには暗電流を増やすことなく、超格子増倍層
の膜厚を薄くすることが可能となり、応答速度を速くで
きる上に動作電圧も低くできる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高感度、低雑音、
広帯域、低暗電流を同時に実現するアバランシェフォト
ダイオードに関するものである。
広帯域、低暗電流を同時に実現するアバランシェフォト
ダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】波長が１．３μｍまたは１．５５μｍの
光通信用アバランシェフォトダイオード（以下ＡＰＤと
称する）には、近年、超格子を増倍層に用いたいわゆる
超格子ＡＰＤが用いられてきている。一般にＡＰＤの増
倍雑音は、増倍層に用いる半導体固有の量である電子と
正孔とのイオン化率（αとβ）の比が１から離れるほど
小さくなる。このイオン化率において、α／βまたはβ
／αを大きくする目的で増倍層に超格子構造が用いられ
ている。とくにＩｎＰ基板と格子整合したＩｎ0. 52Ａｌ
0.48Ａｓ／Ｉｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓ0.6Ｐ0.4層は、界面にお
ける伝導帯の不連続性が大きいのに対し、価電子帯の不
連続性はほとんどないためにαが大きくなり、低雑音化
に有効であることが、特開平３−６６１７９号公報に記
載されている。
光通信用アバランシェフォトダイオード（以下ＡＰＤと
称する）には、近年、超格子を増倍層に用いたいわゆる
超格子ＡＰＤが用いられてきている。一般にＡＰＤの増
倍雑音は、増倍層に用いる半導体固有の量である電子と
正孔とのイオン化率（αとβ）の比が１から離れるほど
小さくなる。このイオン化率において、α／βまたはβ
／αを大きくする目的で増倍層に超格子構造が用いられ
ている。とくにＩｎＰ基板と格子整合したＩｎ0. 52Ａｌ
0.48Ａｓ／Ｉｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓ0.6Ｐ0.4層は、界面にお
ける伝導帯の不連続性が大きいのに対し、価電子帯の不
連続性はほとんどないためにαが大きくなり、低雑音化
に有効であることが、特開平３−６６１７９号公報に記
載されている。
【０００３】また、光吸収層を超格子増倍層と分離し、
なおかつ光吸収層はｐ型にしておき、光吸収層内でのア
バランシェ降伏を制御し、アバランシェ増幅の起きる場
所を超格子領域にのみ限定するために超格子増倍層と光
吸収層との電界強度に差を付ける構造が提案されてい
る。このような要求を全て満足するための構造として、
ｐ-−ＩｎＧａＡｓ光吸収層と超格子増倍層との間に高
いｐ型不純物密度を有する薄いシートドープ層を挟む構
造が特開平２−２９８０８２号公報に記載されている。
なおかつ光吸収層はｐ型にしておき、光吸収層内でのア
バランシェ降伏を制御し、アバランシェ増幅の起きる場
所を超格子領域にのみ限定するために超格子増倍層と光
吸収層との電界強度に差を付ける構造が提案されてい
る。このような要求を全て満足するための構造として、
ｐ-−ＩｎＧａＡｓ光吸収層と超格子増倍層との間に高
いｐ型不純物密度を有する薄いシートドープ層を挟む構
造が特開平２−２９８０８２号公報に記載されている。
【０００４】また、特開平４−２８２８７４号公報に記
載されているように、このシートドープ層でトンネル電
流が発生する場合には、よりバンドギャップの大きなＩ
ｎ0. 52Ａｌ0.48Ａｓ層、ＩｎＰ層、Ｉｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓ
0.6Ｐ0.4層を用いることにより、トンネル電流を制御す
ることができる。
載されているように、このシートドープ層でトンネル電
流が発生する場合には、よりバンドギャップの大きなＩ
ｎ0. 52Ａｌ0.48Ａｓ層、ＩｎＰ層、Ｉｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓ
0.6Ｐ0.4層を用いることにより、トンネル電流を制御す
ることができる。
【０００５】図５は従来の超格子ＡＰＤ素子の構造を示
したものである。同図（ａ）はこの素子に逆バイアスを
印加した場合の電界分布であり、同図（ｂ）はこの素子
の断面図である。同図（ｂ）において、５０１はｎ+−
ＩｎＰ基板、５０２はｎ+−ＩｎＰバッファー層、５０
３はノンドープＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ／Ｉｎ0.8Ｇａ0.2
Ａｓ0.6Ｐ0.4超格子増倍層、５０４は不純物密度８×１
０17ｃｍ-3、厚さ１６０Åのｐ型ＩｎＰ層（シートドー
プ層）、５０５は不純物密度２×１０15ｃｍ-3、厚さ１
μｍのＰ-型Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓ光吸収層、５０６は
不純物密度２×１０17ｃｍ-3、厚さ５００Åのｐ+−Ｉ
ｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓ層、５０７は不純物密度１×１０18
ｃｍ-3、厚さ１０００Åのｐ型ＩｎＰ窓層、５０８は不
純物密度１×１０18ｃｍ-3、厚さ１０００Åのｐ+−Ｉ
ｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓコンタクト層、５０９はＮ電極であ
るとともに光の反射層を兼ねるＡｕＺｎＮｉ電極、５１
０はＰ電極であるＡｕＧｅＮｉ電極である。
したものである。同図（ａ）はこの素子に逆バイアスを
印加した場合の電界分布であり、同図（ｂ）はこの素子
の断面図である。同図（ｂ）において、５０１はｎ+−
ＩｎＰ基板、５０２はｎ+−ＩｎＰバッファー層、５０
３はノンドープＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ／Ｉｎ0.8Ｇａ0.2
Ａｓ0.6Ｐ0.4超格子増倍層、５０４は不純物密度８×１
０17ｃｍ-3、厚さ１６０Åのｐ型ＩｎＰ層（シートドー
プ層）、５０５は不純物密度２×１０15ｃｍ-3、厚さ１
μｍのＰ-型Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓ光吸収層、５０６は
不純物密度２×１０17ｃｍ-3、厚さ５００Åのｐ+−Ｉ
ｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓ層、５０７は不純物密度１×１０18
ｃｍ-3、厚さ１０００Åのｐ型ＩｎＰ窓層、５０８は不
純物密度１×１０18ｃｍ-3、厚さ１０００Åのｐ+−Ｉ
ｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓコンタクト層、５０９はＮ電極であ
るとともに光の反射層を兼ねるＡｕＺｎＮｉ電極、５１
０はＰ電極であるＡｕＧｅＮｉ電極である。
【０００６】以上のような構成において、ｎ+−ＩｎＰ
基板５０１側から入射してきた光はＩｎ0.47Ｇａ0.53Ａ
ｓ光吸収層５０５で吸収され、電子と正孔の対が生成さ
れる。電子はＡｕＧｅＮｉ電極５１０からＡｕＺｎＮｉ
電極５０９に印加されたバイアス電圧により超格子増倍
層５０３に向かって走行し、その層に注入される。Ａｕ
ＧｅＮｉ電極５０９は光の反射層も兼ねているため、ｎ
+−ＩｎＰ基板５０１側から入射してきた光のうち、光
吸収層５０５で吸収しきれなかった光はＡｕＧｅＮｉ電
極５０９で反射され、再び光吸収層５０５を通過するこ
とでほぼ完全に吸収される。このため光吸収層５０５の
膜厚は吸収係数の逆数である２μｍの半分でも量子効率
が低下せず、逆に光吸収層５０５の膜厚が薄くなってい
るため、応答速度は速くなる。
基板５０１側から入射してきた光はＩｎ0.47Ｇａ0.53Ａ
ｓ光吸収層５０５で吸収され、電子と正孔の対が生成さ
れる。電子はＡｕＧｅＮｉ電極５１０からＡｕＺｎＮｉ
電極５０９に印加されたバイアス電圧により超格子増倍
層５０３に向かって走行し、その層に注入される。Ａｕ
ＧｅＮｉ電極５０９は光の反射層も兼ねているため、ｎ
+−ＩｎＰ基板５０１側から入射してきた光のうち、光
吸収層５０５で吸収しきれなかった光はＡｕＧｅＮｉ電
極５０９で反射され、再び光吸収層５０５を通過するこ
とでほぼ完全に吸収される。このため光吸収層５０５の
膜厚は吸収係数の逆数である２μｍの半分でも量子効率
が低下せず、逆に光吸収層５０５の膜厚が薄くなってい
るため、応答速度は速くなる。
【０００７】また、超格子増倍層５０３は電子のイオン
化率が正孔のイオン化率に比べ十分に大きいので、超格
子増倍層５０３に注入された電子は増倍雑音を増やすこ
となく純粋な電子注入による増倍が実現される。
化率が正孔のイオン化率に比べ十分に大きいので、超格
子増倍層５０３に注入された電子は増倍雑音を増やすこ
となく純粋な電子注入による増倍が実現される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
構成は課題を有している。まず、上記構成の超格子ＡＰ
Ｄが有する技術的課題について説明する。
構成は課題を有している。まず、上記構成の超格子ＡＰ
Ｄが有する技術的課題について説明する。
【０００９】前述したように、光吸収層で発生した電子
は印加された電界によって超格子増倍層に注入され、超
格子層の伝導帯の不連続に見合ったエネルギーを受けて
イオン化される。このときの電子は各半導体層を移動し
ているわけであるから、超格子増倍層の膜厚は薄ければ
薄いほどアバランシェ走行時間が短くなり、応答速度は
向上する。しかしながら、増倍層の膜厚を薄くすること
はイオン化の確率を下げるため、増倍率の低下を招く。
また同時に電子のイオン化が促進されにくくなるので、
電子のイオン化率αと正孔のイオン化率βとの比α／β
が小さくなり、過剰雑音が増加してしまう。
は印加された電界によって超格子増倍層に注入され、超
格子層の伝導帯の不連続に見合ったエネルギーを受けて
イオン化される。このときの電子は各半導体層を移動し
ているわけであるから、超格子増倍層の膜厚は薄ければ
薄いほどアバランシェ走行時間が短くなり、応答速度は
向上する。しかしながら、増倍層の膜厚を薄くすること
はイオン化の確率を下げるため、増倍率の低下を招く。
また同時に電子のイオン化が促進されにくくなるので、
電子のイオン化率αと正孔のイオン化率βとの比α／β
が小さくなり、過剰雑音が増加してしまう。
【００１０】本発明は、上記のような従来の超格子ＡＰ
Ｄが有する欠点を解決し、暗電流を低減化すると同時に
高周波特性を大幅に改善しかつ動作電圧を小さくするこ
とを目的とする。
Ｄが有する欠点を解決し、暗電流を低減化すると同時に
高周波特性を大幅に改善しかつ動作電圧を小さくするこ
とを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明では超格子増倍層に歪み補償超格子を導入し、
価電子帯の不連続は最小に維持したまま伝導帯の不連続
ΔＥｃを大きくしたものである。本発明の構造によれ
ば、ΔＥｃを大きくするので電子のイオン化率αが大き
くなるとともにα／βも大きくなる。よって増倍率は大
きくなり過剰雑音は低減される。一方で超格子層の実効
バンドギャップＥg,effは大きくなるので暗電流は小さ
くなる。これにより、増倍率を低下させることなく超格
子増倍層の膜厚を薄くすることが可能となり、応答速度
を速くできるうえに動作電圧も低い超格子アバランシェ
フォトダイオードが得られる。
に本発明では超格子増倍層に歪み補償超格子を導入し、
価電子帯の不連続は最小に維持したまま伝導帯の不連続
ΔＥｃを大きくしたものである。本発明の構造によれ
ば、ΔＥｃを大きくするので電子のイオン化率αが大き
くなるとともにα／βも大きくなる。よって増倍率は大
きくなり過剰雑音は低減される。一方で超格子層の実効
バンドギャップＥg,effは大きくなるので暗電流は小さ
くなる。これにより、増倍率を低下させることなく超格
子増倍層の膜厚を薄くすることが可能となり、応答速度
を速くできるうえに動作電圧も低い超格子アバランシェ
フォトダイオードが得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、歪み補償超格子構造のアバランシェ増倍層を有する
アバランシェフォトダイオードであり、増倍率を低下さ
せることなく、さらには暗電流を増やすことなく、超格
子増倍層の膜厚を薄くすることが可能となり、応答速度
を速くできるうえに動作電圧も低くできるという効果を
有する。
は、歪み補償超格子構造のアバランシェ増倍層を有する
アバランシェフォトダイオードであり、増倍率を低下さ
せることなく、さらには暗電流を増やすことなく、超格
子増倍層の膜厚を薄くすることが可能となり、応答速度
を速くできるうえに動作電圧も低くできるという効果を
有する。
【００１３】本発明の請求項２に記載の発明は、歪み補
償超格子構造のアバランシェ増倍層がＩｎxＡｌ1-xＡｓ
なる障壁層と、ＩｎyＧａ1-yＡｓzＰ1-zなる井戸層とを
含む請求項１記載のアバランシェフォトダイオードであ
る。［ただし、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ下記（数４）、
（数５）、（数６）を満たす。］
償超格子構造のアバランシェ増倍層がＩｎxＡｌ1-xＡｓ
なる障壁層と、ＩｎyＧａ1-yＡｓzＰ1-zなる井戸層とを
含む請求項１記載のアバランシェフォトダイオードであ
る。［ただし、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ下記（数４）、
（数５）、（数６）を満たす。］
【００１４】
【数４】
【００１５】
【数５】
【００１６】
【数６】
【００１７】この構成により、増倍率を低下させること
なく、さらには暗電流を増やすことなく、超格子増倍層
の膜厚を薄くすることが可能となり、応答速度を速くで
きるうえに動作電圧も低くできるという効果を有する。
なく、さらには暗電流を増やすことなく、超格子増倍層
の膜厚を薄くすることが可能となり、応答速度を速くで
きるうえに動作電圧も低くできるという効果を有する。
【００１８】本発明の請求項３に記載の発明は、反射率
６０％以上の反射率を有する多層膜構造を有することを
特徴とする請求項１又は２記載のアバランシェフォトダ
イオードであり、多層膜層と素子表面との間に定在波が
たつことによって効率良い光の吸収が行われ、光吸収層
の膜厚を薄くできるため、応答速度をより速くすること
ができるという効果を有する。また、この構造は請求項
１又は２における超格子層とは独立の関係であるので、
請求項１又は２の効果を維持しつつより応答性を高める
ことが可能となる。
６０％以上の反射率を有する多層膜構造を有することを
特徴とする請求項１又は２記載のアバランシェフォトダ
イオードであり、多層膜層と素子表面との間に定在波が
たつことによって効率良い光の吸収が行われ、光吸収層
の膜厚を薄くできるため、応答速度をより速くすること
ができるという効果を有する。また、この構造は請求項
１又は２における超格子層とは独立の関係であるので、
請求項１又は２の効果を維持しつつより応答性を高める
ことが可能となる。
【００１９】（実施の形態１）本発明第１の実施の形態
について、図面を参照しながら説明する。
について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】図１（ｂ）は本実施の形態におけるＡＰＤ
の断面図であり、同図（ａ）はこのＡＰＤに逆バイアス
を印加した場合の電界分布である。
の断面図であり、同図（ａ）はこのＡＰＤに逆バイアス
を印加した場合の電界分布である。
【００２１】図１（ｂ）において、１０１はｎ+−Ｉｎ
Ｐ基板、１０２はｎ+−ＩｎＰバッファー層、１０３は
ノンドープＩｎxＡｌ1-xＡｓ／ＩｎyＧａ1-yＡｓzＰ1-z
歪み補償超格子増倍層で、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ前述の
（数４）、（数５）、（数６）を満たすものとする。
Ｐ基板、１０２はｎ+−ＩｎＰバッファー層、１０３は
ノンドープＩｎxＡｌ1-xＡｓ／ＩｎyＧａ1-yＡｓzＰ1-z
歪み補償超格子増倍層で、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ前述の
（数４）、（数５）、（数６）を満たすものとする。
【００２２】１０４は不純物密度８×１０17ｃｍ-3、厚
さ１６０Åのｐ型ＩｎＰ層（シートドープ層）、１０５
は不純物密度２×１０15ｃｍ-3、厚さ１μｍのｐ-型Ｉ
ｎ0.4 7Ｇａ0.53Ａｓ光吸収層、１０６は不純物密度２×
１０17ｃｍ-3、厚さ５００Åのｐ+−Ｉｎ0.47Ｇａ0.53
Ａｓ層、１０７は不純物密度１×１０18ｃｍ-3、厚さ１
０００Åのｐ+−ＩｎＰ窓層、１０８は不純物密度１×
１０18ｃｍ-3、厚さ１０００Åのｐ+−Ｉｎ0.47Ｇａ
0.53Ａｓコンタクト層、１０９はＡｕＺｎＮｉ電極、１
１０はＡｕＧｅＮｉ電極である。
さ１６０Åのｐ型ＩｎＰ層（シートドープ層）、１０５
は不純物密度２×１０15ｃｍ-3、厚さ１μｍのｐ-型Ｉ
ｎ0.4 7Ｇａ0.53Ａｓ光吸収層、１０６は不純物密度２×
１０17ｃｍ-3、厚さ５００Åのｐ+−Ｉｎ0.47Ｇａ0.53
Ａｓ層、１０７は不純物密度１×１０18ｃｍ-3、厚さ１
０００Åのｐ+−ＩｎＰ窓層、１０８は不純物密度１×
１０18ｃｍ-3、厚さ１０００Åのｐ+−Ｉｎ0.47Ｇａ
0.53Ａｓコンタクト層、１０９はＡｕＺｎＮｉ電極、１
１０はＡｕＧｅＮｉ電極である。
【００２３】このＡＰＤの製造方法を以下に示す。Ａｕ
ＺｎＮｉ電極１０９とＡｕＧｅＮｉ電極１１０は金属蒸
着とフォトプロセスによって構成した。その他の化合物
半導体材料で構成されている部位は、エッチングを施し
たｎ+−ＩｎＰ基板１０１上にガスソースＭＢＥ法によ
ってエピタキシャル成長することによって順次積層し
た。
ＺｎＮｉ電極１０９とＡｕＧｅＮｉ電極１１０は金属蒸
着とフォトプロセスによって構成した。その他の化合物
半導体材料で構成されている部位は、エッチングを施し
たｎ+−ＩｎＰ基板１０１上にガスソースＭＢＥ法によ
ってエピタキシャル成長することによって順次積層し
た。
【００２４】以上のような構成において、ｎ側に正の電
圧をかけたときすなわち逆バイアス印加したときの素子
内部での電界分布を示したものが図１（ａ）である。逆
バイアスをかけた状態でｎ+−ＩｎＰ基板１０１側から
入射してきた光はＩｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓ光吸収層１０５
で吸収され、電子と正孔の対が生成される。このうち電
子はＡｕＧｅＮｉ電極１１０からＡｕＺｎＮｉ電極１０
９に印加されたバイアスにより超格子増倍層１０３に向
かって走行し、図１（ａ）に示したように電界は超格子
増倍層に集中しているので、超格子増倍層に注入された
電子は加速され、衝突電離を繰り返して電子増倍が起き
る。
圧をかけたときすなわち逆バイアス印加したときの素子
内部での電界分布を示したものが図１（ａ）である。逆
バイアスをかけた状態でｎ+−ＩｎＰ基板１０１側から
入射してきた光はＩｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓ光吸収層１０５
で吸収され、電子と正孔の対が生成される。このうち電
子はＡｕＧｅＮｉ電極１１０からＡｕＺｎＮｉ電極１０
９に印加されたバイアスにより超格子増倍層１０３に向
かって走行し、図１（ａ）に示したように電界は超格子
増倍層に集中しているので、超格子増倍層に注入された
電子は加速され、衝突電離を繰り返して電子増倍が起き
る。
【００２５】超格子増倍層１０３はバンドギャップエネ
ルギーが１．４５ｅＶ以上となるＩｎxＡｌ1-xＡｓと、
ＩｎＰに対する格子不整合がＩｎxＡｌ1-xＡｓの場合と
は逆の方向となる格子定数でありかつＩｎxＡｌ1-xＡｓ
との価電子帯不連続が０であるＩｎyＧａ1-yＡｓzＰ1-z
とで構成される歪み補償超格子層である。
ルギーが１．４５ｅＶ以上となるＩｎxＡｌ1-xＡｓと、
ＩｎＰに対する格子不整合がＩｎxＡｌ1-xＡｓの場合と
は逆の方向となる格子定数でありかつＩｎxＡｌ1-xＡｓ
との価電子帯不連続が０であるＩｎyＧａ1-yＡｓzＰ1-z
とで構成される歪み補償超格子層である。
【００２６】図２は本実施の形態のＡＰＤにおける超格
子増倍層を構成する材料の格子定数とバンドギャップエ
ネルギーの関係を示す図であり、図３は本実施の形態の
ＡＰＤにおける超格子増倍層のバンドダイアグラムであ
る。図２に示したようにＩｎ xＡｌ1-xＡｓでｘが０．５
２より小さい場合、例えばｘ＝０．４４であるとすると
格子定数は５．８３Åとなり、バンドギャップは１．７
５ｅＶとなる。一方、ＩｎyＧａ1-yＡｓzＰ1-zにおい
て、例えばｙ＝０．９５、ｚ＝０．３であるとすれば格
子定数は５．９１Åとなり、バンドギャップは１．１ｅ
Ｖとなって、図３に示したように価電子帯のバンド不連
続は０であることを維持したまま、伝導帯のバンド不連
続は０．６５ｅＶになり、従来の方式による超格子層に
比べ、大きな不連続を有することになる。
子増倍層を構成する材料の格子定数とバンドギャップエ
ネルギーの関係を示す図であり、図３は本実施の形態の
ＡＰＤにおける超格子増倍層のバンドダイアグラムであ
る。図２に示したようにＩｎ xＡｌ1-xＡｓでｘが０．５
２より小さい場合、例えばｘ＝０．４４であるとすると
格子定数は５．８３Åとなり、バンドギャップは１．７
５ｅＶとなる。一方、ＩｎyＧａ1-yＡｓzＰ1-zにおい
て、例えばｙ＝０．９５、ｚ＝０．３であるとすれば格
子定数は５．９１Åとなり、バンドギャップは１．１ｅ
Ｖとなって、図３に示したように価電子帯のバンド不連
続は０であることを維持したまま、伝導帯のバンド不連
続は０．６５ｅＶになり、従来の方式による超格子層に
比べ、大きな不連続を有することになる。
【００２７】従来の方式でも電子のイオン化率が正孔の
イオン化率に比べ十分に大きいが、本発明によって導入
される歪み補償超格子増倍層は、それをさらに上回る電
子のイオン化比率を有する。さらに、井戸層のバンドギ
ャップと障壁層のバンドギャップが従来方式の超格子に
比べて大きくなっているので、超格子としての実効バン
ドギャップが大きくなり、トンネル電流によって生じる
暗電流は小さくなる。
イオン化率に比べ十分に大きいが、本発明によって導入
される歪み補償超格子増倍層は、それをさらに上回る電
子のイオン化比率を有する。さらに、井戸層のバンドギ
ャップと障壁層のバンドギャップが従来方式の超格子に
比べて大きくなっているので、超格子としての実効バン
ドギャップが大きくなり、トンネル電流によって生じる
暗電流は小さくなる。
【００２８】暗電流が少なくなる分だけ逆バイアス電圧
を大きくとることができ、従来のＡＰＤの電界分布であ
る図５（ａ）と図１（ａ）に示した本発明のＡＰＤの電
界分布を比べればわかるように、本発明の方式では従来
方式に比べて超格子増倍層にかかる電界が大きくなるの
で暗電流値を抑えたままより大きな増倍率が得られる。
一方、暗電流値を抑えたままで大きな増倍率が得られる
ということは電子のイオン化比率が大ことと等価である
から超格子増倍層の超格子周期を減らすことも可能とな
り、超格子層膜厚が減るので電子の走行時間を短くで
き、高周波応答性を向上することができる。
を大きくとることができ、従来のＡＰＤの電界分布であ
る図５（ａ）と図１（ａ）に示した本発明のＡＰＤの電
界分布を比べればわかるように、本発明の方式では従来
方式に比べて超格子増倍層にかかる電界が大きくなるの
で暗電流値を抑えたままより大きな増倍率が得られる。
一方、暗電流値を抑えたままで大きな増倍率が得られる
ということは電子のイオン化比率が大ことと等価である
から超格子増倍層の超格子周期を減らすことも可能とな
り、超格子層膜厚が減るので電子の走行時間を短くで
き、高周波応答性を向上することができる。
【００２９】以上のような構成によって、超格子増倍層
１０３では増倍雑音を増やすことなく純粋な電子増倍が
実現され、超格子アバランシェフォトダイオードの高性
能化が図られる。
１０３では増倍雑音を増やすことなく純粋な電子増倍が
実現され、超格子アバランシェフォトダイオードの高性
能化が図られる。
【００３０】なお、本実施例では超格子増倍層内の井戸
層材料にＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yを用いているが、この
材料をＩｎＧａＡｌＡｓとしてＩｎ、Ｇａ、Ａｌおのお
のの組成を操作することによっても同様な特性を得るこ
とができる。
層材料にＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yを用いているが、この
材料をＩｎＧａＡｌＡｓとしてＩｎ、Ｇａ、Ａｌおのお
のの組成を操作することによっても同様な特性を得るこ
とができる。
【００３１】（実施の形態２）本発明の第２の実施例に
ついて、図面を参照しながら説明する。
ついて、図面を参照しながら説明する。
【００３２】図４（ｂ）は本実施の形態におけるＡＰＤ
の断面図であり、同図（ａ）はこのＡＰＤに逆バイアス
を印加した場合の電界分布である。
の断面図であり、同図（ａ）はこのＡＰＤに逆バイアス
を印加した場合の電界分布である。
【００３３】図４において、４０１はｎ+−ＩｎＰ基
板、４０２はｎ+−ＩｎＰバッファー層、４０３はノン
ドープＩｎxＡｌ1-xＡｓ／ＩｎyＧａ1-yＡｓzＰ1-z歪み
補償超格子増倍層で、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ前述の（数
４）、（数５）、（数６）を満たすものとする。４０４
は不純物密度８×１０17ｃｍ-3、厚さ１６０Åのｐ型Ｉ
ｎＰ層（シートドープ層）、４０５は不純物密度３×１
０15ｃｍ-3、厚さ０．４μｍのｐ-型Ｉｎ0.47Ｇａ0.53
Ａｓ光吸収層、４０６は不純物密度１×１０18ｃｍ- 3の
ｐ＋型Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ／Ｉｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓ0.6
Ｐ0.4反射多層膜層、４０７はＡｕＺｎＮｉ電極、４０
８はＡｕＧｅＮｉ電極である。本実施の形態においても
素子の製造方法は第１の実施形態に示したものと同じで
ある。
板、４０２はｎ+−ＩｎＰバッファー層、４０３はノン
ドープＩｎxＡｌ1-xＡｓ／ＩｎyＧａ1-yＡｓzＰ1-z歪み
補償超格子増倍層で、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ前述の（数
４）、（数５）、（数６）を満たすものとする。４０４
は不純物密度８×１０17ｃｍ-3、厚さ１６０Åのｐ型Ｉ
ｎＰ層（シートドープ層）、４０５は不純物密度３×１
０15ｃｍ-3、厚さ０．４μｍのｐ-型Ｉｎ0.47Ｇａ0.53
Ａｓ光吸収層、４０６は不純物密度１×１０18ｃｍ- 3の
ｐ＋型Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ／Ｉｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓ0.6
Ｐ0.4反射多層膜層、４０７はＡｕＺｎＮｉ電極、４０
８はＡｕＧｅＮｉ電極である。本実施の形態においても
素子の製造方法は第１の実施形態に示したものと同じで
ある。
【００３４】ｎ+−ＩｎＰ基板４０１側から入射してき
た光のうち、光吸収層４０５で吸収しきれなかった光は
ｐ型Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ／Ｉｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓ0.6Ｐ
0.4反射多層膜層４０６で反射され、再び光吸収層４０
５で吸収される。従来までのように、金属電極による反
射面の利用では反射率が５０％程度しかないため十分な
反射光が得られないが、反射多層膜層４０６のように積
層多層膜を用いると９９％以上の反射率が得られ、効率
よく光を反射できる。よって、この素子の光入射面と反
射多層膜層４０６との間には定在波が立ち、光吸収層４
０５での吸収効率が増大し、同時に量子効率が増大す
る。このため光吸収層４０５の膜厚は波長１．５５μｍ
の光に対する吸収係数の逆数である２μｍの１／４以下
でも量子効率が低下せず、逆に光吸収層４０５の膜厚が
薄くなっているため、光の注入によって発生したキャリ
アが走行する距離が短くなり、応答速度が向上する。
た光のうち、光吸収層４０５で吸収しきれなかった光は
ｐ型Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ／Ｉｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓ0.6Ｐ
0.4反射多層膜層４０６で反射され、再び光吸収層４０
５で吸収される。従来までのように、金属電極による反
射面の利用では反射率が５０％程度しかないため十分な
反射光が得られないが、反射多層膜層４０６のように積
層多層膜を用いると９９％以上の反射率が得られ、効率
よく光を反射できる。よって、この素子の光入射面と反
射多層膜層４０６との間には定在波が立ち、光吸収層４
０５での吸収効率が増大し、同時に量子効率が増大す
る。このため光吸収層４０５の膜厚は波長１．５５μｍ
の光に対する吸収係数の逆数である２μｍの１／４以下
でも量子効率が低下せず、逆に光吸収層４０５の膜厚が
薄くなっているため、光の注入によって発生したキャリ
アが走行する距離が短くなり、応答速度が向上する。
【００３５】本実施の形態では光吸収層４０５の厚さが
０．４μｍの例を示したが、０．８μｍ以下の場合に、
反射率が６０％以上のものが得られることを確認した。
０．４μｍの例を示したが、０．８μｍ以下の場合に、
反射率が６０％以上のものが得られることを確認した。
【００３６】本実施の形態のＡＰＤは、基本的に、反射
多層膜構造を設けてあること以外のその他の動作は第１
の実施の形態の内容と同じである。また、この機能は第
１の実施の形態のものとは互いに独立に具備することが
できる。
多層膜構造を設けてあること以外のその他の動作は第１
の実施の形態の内容と同じである。また、この機能は第
１の実施の形態のものとは互いに独立に具備することが
できる。
【００３７】本実施の形態の反射多層膜製造方法を以下
に示す。
に示す。
【００３８】ＡＰＤを構成する化合物半導体材料で構成
される各層の製造は前述の通りであるが、ＡＰＤ部を積
層した後に連続してガスソースＭＢＥ法によって反射多
層膜をエピタキシャル成長することができる。一方でＡ
ｕＺｎＮｉ電極１０９を形成後にフォトリソグラフィー
を用いて窓を設け、そこへ再度、反射多層膜を形成する
こともできる。とくに、ＡｕＺｎＮｉ電極１０９に窓を
設け、後から反射多層膜層を付加する場合には、化合物
半導体に限らず、誘電体などをスパッタ法等で積層し反
射多層膜とすることもできる。
される各層の製造は前述の通りであるが、ＡＰＤ部を積
層した後に連続してガスソースＭＢＥ法によって反射多
層膜をエピタキシャル成長することができる。一方でＡ
ｕＺｎＮｉ電極１０９を形成後にフォトリソグラフィー
を用いて窓を設け、そこへ再度、反射多層膜を形成する
こともできる。とくに、ＡｕＺｎＮｉ電極１０９に窓を
設け、後から反射多層膜層を付加する場合には、化合物
半導体に限らず、誘電体などをスパッタ法等で積層し反
射多層膜とすることもできる。
【００３９】本実施の形態では、光吸収層４０５での量
子効率を下げることなく応答速度を速くでき、第１の実
施の形態で説明した歪み補償超格子増倍層の効果を全く
低下させることなく両立できるので、より一層の高速応
答、高感度性を実現できる。
子効率を下げることなく応答速度を速くでき、第１の実
施の形態で説明した歪み補償超格子増倍層の効果を全く
低下させることなく両立できるので、より一層の高速応
答、高感度性を実現できる。
【００４０】
【発明の効果】以上説明したように、超格子構造をアバ
ランシェ増倍層とするアバランシェフォトダイオードに
おいて、該超格子層に歪み補償超格子構造を導入するこ
とにより、増倍率を低下させることなく、さらには暗電
流を増やすことなく、超格子増倍層の膜厚を薄くするこ
とが可能となる。その結果、応答速度を速くできるうえ
に動作電圧も低くできる。さらに、反射多層膜構造を併
用することによって、さらなる高速応答、高感度応答が
実現される。
ランシェ増倍層とするアバランシェフォトダイオードに
おいて、該超格子層に歪み補償超格子構造を導入するこ
とにより、増倍率を低下させることなく、さらには暗電
流を増やすことなく、超格子増倍層の膜厚を薄くするこ
とが可能となる。その結果、応答速度を速くできるうえ
に動作電圧も低くできる。さらに、反射多層膜構造を併
用することによって、さらなる高速応答、高感度応答が
実現される。
【図１】本発明第１の実施の形態におけるアバランシェ
フォトダイオードの断面図
フォトダイオードの断面図
【図２】同第１の実施の形態おける超格子増倍層を構成
する材料の特性を示す図
する材料の特性を示す図
【図３】同第１の実施の形態おける超格子増倍層のバン
ドダイアグラムを示す図
ドダイアグラムを示す図
【図４】同第２の実施の形態おけるアバランシェフォト
ダイオードの断面図
ダイオードの断面図
【図５】従来のアバランシェフォトダイオードの断面図
１０１ ｎ+−ＩｎＰ基板 １０２ ｎ+−ＩｎＰバッファー層 １０３ 歪み補償超格子増倍層 １０４ ｐ型ＩｎＰ層 １０５ ｐ-型Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓ光吸収層 １０６ ｐ+−Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓ層 １０７ ｐ+−ＩｎＰ窓層 １０８ ｐ+−Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ａｓコンタクト層 １０９ ＡｕＺｎＮｉ電極 １１０ ＡｕＧｅＮｉ電極
Claims (3)
- 【請求項１】 歪み補償超格子構造のアバランシェ増倍
層を有するアバランシェフォトダイオード。 - 【請求項２】 歪み補償超格子構造のアバランシェ増倍
層がＩｎxＡｌ1-xＡｓなる障壁層と、ＩｎyＧａ1-yＡｓ
zＰ1-zなる井戸層とを含む請求項１記載のアバランシェ
フォトダイオード。［ただし、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ下
記（数１）、（数２）、（数３）を満たす。］ 【数１】 【数２】 【数３】 - 【請求項３】 反射率６０％以上の反射率を有する多層
膜構造を有することを特徴とする請求項１又は２記載の
アバランシェフォトダイオード。
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP2001044738A JP2001332759A (ja) | 2000-03-16 | 2001-02-21 | アバランシェフォトダイオード |
| EP01105494A EP1134812A3 (en) | 2000-03-16 | 2001-03-15 | Avalanche photodiode |
| US09/808,651 US6437362B2 (en) | 2000-03-16 | 2001-03-16 | Avalanche photodiode |
| CA002341110A CA2341110C (en) | 2000-03-16 | 2001-03-16 | Avalanche photodiode |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000-73833 | 2000-03-16 | ||
| JP2000073833 | 2000-03-16 | ||
| JP2001044738A JP2001332759A (ja) | 2000-03-16 | 2001-02-21 | アバランシェフォトダイオード |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001332759A true JP2001332759A (ja) | 2001-11-30 |
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Family
ID=26587668
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001044738A Pending JP2001332759A (ja) | 2000-03-16 | 2001-02-21 | アバランシェフォトダイオード |
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|---|---|
| US (1) | US6437362B2 (ja) |
| EP (1) | EP1134812A3 (ja) |
| JP (1) | JP2001332759A (ja) |
| CA (1) | CA2341110C (ja) |
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| JP2003168818A (ja) * | 2001-09-18 | 2003-06-13 | Anritsu Corp | 順メサ型アバランシェフォトダイオード及びその製造方法 |
| US6720588B2 (en) | 2001-11-28 | 2004-04-13 | Optonics, Inc. | Avalanche photodiode for photon counting applications and method thereof |
| US6894322B2 (en) | 2002-02-11 | 2005-05-17 | Jds Uniphase Corporation | Back illuminated photodiodes |
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| US7840145B2 (en) | 2003-06-27 | 2010-11-23 | The Boeing Company | Apparatus and methods for noise-feedback controlled optical systems |
| JP5025330B2 (ja) * | 2007-05-22 | 2012-09-12 | 三菱電機株式会社 | 半導体受光素子およびその製造方法 |
| US8239176B2 (en) * | 2008-02-13 | 2012-08-07 | Feng Ma | Simulation methods and systems for carriers having multiplications |
| WO2016194693A1 (ja) * | 2015-06-02 | 2016-12-08 | 日本電気硝子株式会社 | ガラス |
| KR20210098725A (ko) * | 2020-02-03 | 2021-08-11 | 삼성전자주식회사 | 적외선 검출 소자 및 이를 포함하는 적외선 검출 시스템 |
| CN112420860A (zh) * | 2020-12-11 | 2021-02-26 | 武汉光谷量子技术有限公司 | 一种平面型apd的外延结构、apd及其制作方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0715979B2 (ja) | 1987-08-27 | 1995-02-22 | 三菱電機株式会社 | 超格子撮像素子 |
| US4942436A (en) | 1988-10-31 | 1990-07-17 | Polaroid Corporation | Superlattice avalanche photodetector |
| JPH0821727B2 (ja) | 1988-11-18 | 1996-03-04 | 日本電気株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
| JP2670557B2 (ja) | 1989-05-12 | 1997-10-29 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
| JP2700492B2 (ja) | 1989-08-03 | 1998-01-21 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
| JP2934294B2 (ja) | 1990-04-09 | 1999-08-16 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
| JP2937404B2 (ja) | 1990-04-18 | 1999-08-23 | 日本電気株式会社 | 半導体受光素子 |
| JPH04125977A (ja) | 1990-09-17 | 1992-04-27 | Nec Corp | ヘテロ多重構造アバランシ・フォトダイオード |
| JP2877215B2 (ja) * | 1991-03-11 | 1999-03-31 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェフォトダイオ―ド |
| EP0506127B1 (en) * | 1991-03-28 | 1999-06-09 | Nec Corporation | Semiconductor photodetector using avalanche multiplication |
| JPH0521829A (ja) * | 1991-07-12 | 1993-01-29 | Hitachi Ltd | 半導体装置 |
| JP2998375B2 (ja) | 1991-12-20 | 2000-01-11 | 日本電気株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
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| KR960001467B1 (ko) * | 1992-12-22 | 1996-01-30 | 한국 전기통신공사 | 초격자구조(superlattice)의 증폭층을 갖는 애벌란체 포토다이오드(APD:Avalanche Photodiode) |
| US5389797A (en) * | 1993-02-24 | 1995-02-14 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Department Of Energy | Photodetector with absorbing region having resonant periodic absorption between reflectors |
-
2001
- 2001-02-21 JP JP2001044738A patent/JP2001332759A/ja active Pending
- 2001-03-15 EP EP01105494A patent/EP1134812A3/en not_active Withdrawn
- 2001-03-16 US US09/808,651 patent/US6437362B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2001-03-16 CA CA002341110A patent/CA2341110C/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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