JP2670557B2 - アバランシェフォトダイオード - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、光通信用光を検出するのに用い得るアバラ
ンシェフォトダイオードに関する。

【従来の技術】

従来、第３図を伴って次に述べるアバランシェフォト
ダイオードが提案されている。 すなわち、例えばInPでなり且つn⁺型を有する半導体
基板２と、その半導体基板２上に形成され且つ例えばIn
GaAs系でなるとともにn⁺型を有するバッファ層としての
半導体層３とからなる半導体領域１を有する。 また、半導体領域１上に形成され且つｎ型不純物及び
ｐ型不純物のいずれも意図的に導入させていないアバラ
ンシェ増倍用層としての半導体領域４を有する。この場
合、半導体領域４は、互に異なる材料で２つの半導体層
5a及び5bが交互順次に積層されている超格子構造５でな
り、そして、半導体層5a及び5bが例えばそれぞれIn_0.53
Ga_0.47As及びIn_0.52Al_0.48Asでなる。 さらに、半導体領域４上に形成され、且つ半導体領域
４に比し狭いエネルギバンドギャップを有する例えばIn
Pまたは半導体領域４に比し広いエネルギバンドギャッ
プを有するInGaAs系でなるとともにp⁺型を有する半導体
層７でなる半導体領域６を有する。 また、半導体領域１に、その半導体層３側とは反対側
においてオーミックに付された電極８と、半導体領域６
に、半導体領域４側とは反対側においてオーミックに付
され且つ窓10を有する電極９とを有する。 以上が、従来提案されているアバランシェフォトダイ
オードの構成である。 このような構成を有するアバランシェフォトダイオー
ドによれば、半導体領域６の半導体層７が半導体領域４
に比し狭いエネルギバンドギャップを有するInPでなる
場合、電極８及び９間に、逆バイアス用電源（図示せ
ず）を通じて直流負荷を予め接続している状態で、半導
体領域６の半導体層７のエネルギバンドギャップに対応
している波長を有する検出されるべき光Ｌを、半導体領
域６上の外部から、電極９の窓10を通じて、内部に入射
させることによって、その光Ｌを主として半導体領域６
において吸収させ、その半導体領域６において光Ｌにも
とずくキャリアを生成させ、そのキャリア中の電子を半
導体領域４に到達させ、その半導体領域４においてアバ
ランシェ増倍を生ぜしめ、それにもとずく増倍された光
電流を直流負荷に出力させる、という機構で、アバラン
シェフォトダイオードとしての機能を得ることができ
る。 また、第３図に示すアバランシェフォトダイオードに
よれば、半導体領域６の半導体層７が半導体領域６に比
し広いエネルギバンドギャップを有するInAlAs系でなる
場合、上述の場合に準じて、電極８及び９間に、逆バイ
アス用電源（図示せず）を通じて直流負荷（図示せず）
を予め接続している状態で、半導体領域４の超格子構造
５の半導体層5a及び5bのエネルギバンドギャップに対応
する波長を有する検出されべき光Ｌを、半導体領域６上
の外部から電極９の窓10を通じて向けて入射させること
によって、この光Ｌを主として半導体領域４において吸
収させ、その半導体領域４において光Ｌにもとずくキャ
リア（電子及び正孔）を生成させ、その半導体層４にお
いてアバランシェ増倍を生ぜしめ、それにもとずく増倍
された光電流を直流負荷に出力させる、という機構で、
アバランシェフォトダイオードとしての機能を得ること
ができる。 上述したように、第３図に示す従来のアバランシェフ
ォトダイオードによれば、半導体領域６または半導体領
域４を光吸収用層として作用させ、また、半導体領域４
をアバランシェ増倍用層として作用させて、アバランシ
ェフォトダイオードとしての機能を得ることができる
が、この場合、アバランシェ増倍用層としての半導体領
域４が、互に異なる材料In_0.53Ga_0.47As及びIn_0.52Al
_0.48Asでそれぞれなる半導体層5a及び5bが順次交互に積
層されている超格子構造５でなるので、半導体領域４に
おける電子のイオン化率（α）と正孔のイオン化率
（β）との比（α／β）が、半導体領域４が超格子構造
５を有するのに代え例えばGeまたはInPでなる半導体層
からなる単相構造を有するとした場合に比し、１より十
分大きな値で得られ、このため、半導体領域４において
生ずるアバランシェ増倍に伴う雑音が、半導体領域４が
超格子構造５を有するのに代えGeまたはInPでなる半導
体層からなる単層構造を有するとした場合に比し、格段
的に少なく、従って、光電流に、半導体領域４が超格子
構造５を有するのに代えGeまたはInPでなる半導体層か
らなる単層構造を有するとした場合に比し、格段的に少
ない雑音しか伴わない、という特徴を有する。

【発明が解決しようとする課題】

しかしながら、第３図に示す従来のアバランシェフォ
トダイオードの場合、半導体領域６の半導体層７が高い
ｐ型不純物濃度を有するので、その半導体領域６に電子
に対する加速電界を実質的に有さず、このため、上述し
たように、半導体領域６の半導体層７が半導体領域４に
比し狭いエネルギバンドギャップを有するInPでなるこ
とによって、半導体領域６を光吸収用層として作用させ
る場合、上述したようにして半導体領域６に生成するキ
ャリア中の電子が、上述したように拡散によってしか、
アバランシェ増倍用量としての半導体領域４に到達しな
いので、光Ｌの入射に対して直流負荷に光電流が出力さ
れるまでの応答速度が、比較的遅い、という欠点を有し
ていた。 また、第３図に示す従来のアバランシェフォトダイオ
ードの場合、半導体領域６の半導体層が半導体領域４に
比し広いエネルギバンドギャップを有するAlGa系でなる
ことによって、アバランシェ増倍用層としての半導体領
域４を光吸収用層としても作用させる場合、半導体領域
６を光吸収用層として作用させる場合の上述した欠点は
回避できるとしても、また、半導体層４における電子の
イオン化率（α）と正孔のイオン化率（β）との比（α
／β）が、半導体領域４が超格子構造を有するのに代え
GeまたはInPでなる半導体層からなる単層構造を有する
とした場合に比し、１よりも十分大きな値で得られる
が、半導体領域４内に、電子の外、正孔が存しているた
め、アバランシェ増倍に伴う雑音が、半導体領域４が超
格子構造を有するのに代えGeまたはInPでなる半導体層
からなる単層構造を有するとした場合に比し少ないとは
いえ、無視し得ない比較的多い量生ずる、という欠点を
有していた。 よって、本発明は、上述した欠点のない、新規なアバ
ランシェフォトダイオードを提案せんとするものであ
る。

【課題を解決するための手段】

本発明によるアバランシェフォトダイオードは、第３
図で上述した従来のアバランシェフォトダイオードの場
合と同様に、ｎ型を有する第１の半導体領域と、そ
の第１の半導体領域上に形成され且つｎ型不純物及びｐ
型不純物のいずれも意図的に導入させていない第２の半
導体領域と、その第２の半導体領域上に形成され且つ
ｐ型を有する第３の半導体領域と、上記第１及び第３
の半導体領域にそれぞれ付された第１及び第２の電極と
を有し、そして、上記第２の半導体領域が、互に異な
る材料でなる２つの半導体層が交互順次に積層されてい
る超格子構造でなる、という構成を有する。 しかしながら、本発明によるアバランシェフォトダイ
オードは、このような構成を有するアバランシェフォト
ダイオードにおいて、その第３の半導体領域が、第１の
半導体層と、その第１の半導体層上に形成され且つ上記
第１の半導体層に比し低い不純物濃度と厚い厚さとを有
する第２の半導体層と、その第２の半導体層上に形成さ
れ且つ上記第２の半導体層に比し高い不純物濃度と薄い
厚さとを有する第３の半導体層とを有し、また、上記第
１、第２及び第３の半導体層が、上記第２の半導体領域
に比し狭いエネルギバンドギャップを有し、さらに、上
記第２の半導体層がInGaAs系でなる。

【作用・効果】

このような構成を有する本発明によるアバランシェフ
ォトダイオードによれば、第３図で上述した従来のアバ
ランシェフォトダイオードの場合に準じて、第１及び第
２の電極間に、逆バイアス電源を通じて直流負荷を予め
接続している状態で、第３の半導体領域、とくに第３の
半導体領域の第２の半導体層のエネルギバンドギャップ
に対応している波長を有する検出されるべき光を、第３
の半導体領域上の外部から内部に入射させることによっ
て、その光を主として第３図の半導体領域の第２の半導
体層において吸収させ、その第３の半導体領域の半導体
層において光にもとずくキャリア（電子及び正孔）を生
成させ、そのキャリア中の電子を第２の半導体領域に到
達させ、その半導体領域においてアバランシェ増倍を生
ぜしめ、それにもとずく増倍された光電流を直流負荷に
出力させる、という機構で、アバランシェフォトダイオ
ードとしての機能を得ることができる 上述したように、本発明によるアバランシェフォトダ
イオードによれば、第３の半導体領域を光吸収用量とし
ている第３図で上述した従来のアバランシェフォトダイ
オードの場合と同様に、第３の半導体領域を光吸収用層
として作用させ、また、第２の半導体領域をアバランシ
ェ増倍用層として作用させて、アバランシェフォトダイ
オードとしての機能を得ることができる。 また、この場合、アバランシェ増倍用層としての第２
の半導体領域が、第３図で上述した従来のアバランシェ
フォトダイオードの場合と同様に超格子構造でなるの
で、第３図で上述した従来のアバランシェフォトダイオ
ードの場合と同様に第２の半導体領域における電子のイ
オン化率（α）と正孔のイオン化率（β）との比（α／
β）が、第３図で上述した従来のアバランシェフォトダ
イオードの場合と同様に１より十分大きな値で得られる
ため、第２の半導体領域において生ずるアバランシェ増
倍に伴う雑音が、第３図で上述した従来のアバランシェ
フォトダイオードの場合と同様に、格段的に少なく、従
って、第３図で上述した従来ののアバランシェフォトダ
イオードの合と同様に、光電流に、格段的に少ない雑音
しか伴わない、という特徴を有する。 しかしながら、本発明によるアバランシェフォトダイ
オードの場合、第３の半導体領域の第１及び第３の半導
体層が高いｐ型不純物濃度を有し、それらに電子に対す
る加速電界を有していないが、第１及び第３の半導体層
間の第２の半導体層が低いｐ型不純物濃度を有するの
で、その第２図の半導体層に電子に対する加速電界を有
し、また、第１及び第３の半導体層が薄い厚さしか有し
ていないので、上述したように第３の半導体領域の第２
の半導体層7bに生成するキャリア中の電子が、第３の半
導体領域を光吸収用層としている場合の第３図で上述し
た従来のアバランシェフォトダイオードの場合に比し速
やかに半導体領域４に到達する。このため、光の入射し
て直流負荷に光電流が出力されるまでの応答速度が第３
の半導体領域を光吸収用層としている場合の第３図で上
述した従来のアバランシェフォトダイオードの場合に比
し格段的に速い。 また、、本発明によるアバランシェフォトダイオード
の場合、上述したように、アバランシェ増倍用層として
の第２の半導体領域を、光吸収用層として作用させない
ので、第２の半導体領域に正孔が実効的に存在してい
ず、よって、第２の半導体領域を光吸収用層として作用
させている場合の第３図で上述した従来のアバランシェ
フォトダイオードの場合のように、アバランシェ増倍に
伴う雑音が、無視し得ない比較的多い量生ずる、という
ことがない。 さらに、本発明によるアバランシェフォトダイオード
の場合、第３の半導体領域のｐ型の第２の半導体層がIn
GaAs系でなるとともに低い不純物しか有していないの
で、その第２の半導体層が、光通信用に広く用いられる
1.3μｍ乃至1.5μｍの波長を有する光に対し、高い吸収
性を有し、一方、第３の半導体領域の第２の半導体層の
第２の半導体領域側に、ｐ型の第１の半導体層を有し、
その第１の半導体層が比較的高い不純物を有するので、
第２の半導体層がInGaAs系でなることによって暗電流を
比較的高く伴うとしても、またその暗電流が第２の半導
体層における加速電界強度が大きくなるのに応じて増加
するとしても、第２の半導体に、暗電流を不必要に多く
伴わせず且つ第２の半導体層に生成するキャリア中の電
子を第２の半導体領域に到達させる速度を不必要に低下
せしめない適当な強度の加速電界を与えることができ、
よって、光通信用に広く用いられる光から、暗電流の低
い光電流を、高い応答速度で、効率よく得ることができ
る。

【実施例】

次に、第１図を伴って本発明によるアバランシェフォ
トダイオードの実施例を述べよう。 第１図において、第３図との対応部分には同一符号を
付して詳細説明を省略する。 第１図に示す本発明によるアバランシェフォトダイオ
ードは、次の事項を除いて、第３図で上述した従来のア
バランシェフォトダイオードと同様の構成を有する。 すなわち、半導体領域６が、p⁺型を有するInPまたはI
nGaAs系でなる半導体層７のみでなるのに代え、２×10
¹⁷cm^-3のような高いｐ型不純物濃度と400Åのような比
較的薄い厚さとを有する半導体層7aと、その半導体層7a
上に形成され、且つ２×10¹⁵cm^-13のような半導体層7a
に比し低いｐ型不純物濃度と２μｍのような半導体層6a
に比し厚い厚さとを有する半導体層7bと、その半導体層
7b上に形成され且つ２×10¹⁷cm^-3のような半導体層7bに
比し高いｐ型不純物濃度と500Åのような半導体層7bに
比し薄い厚さとを有する半導体層7cとを有する。 この場合、半導体層7a、7b及び7cは、InGaAs系でな
り、半導体領域４に比し狭いエネルギバンドギャップを
有する。 以上が、本発明によるアバランシェフォトダイオード
の実施例の構成である。 このような構成を有する本発明によるアバランシェフ
ォトダイオードによれば、第３図で上述した従来のアバ
ランシェフォトダイオードの場合に準じて、電極８及び
９間に、逆バイアス電源（図示せず）を通じて直流負荷
（図示せず）を予め接続している状態で、半導体領域
６、とくに半導体領域６の半導体層7bのエネルギバンド
ギャップに対応している波長を有する検出されるべき光
Ｌを、半導体領域６上の外部から電極９の窓10を通じて
内部に入射させることによって、その光Ｌを主として半
導体領域６の半導体層7bにおいて吸収させ、その半導体
領域６の半導体層7bにおいて光Ｌにもとずくキャリア
（電子及び正孔）を生成させ、キャリア中の電子を半導
体領域４に到達させ、その半導体領域４においてアバラ
ンシェ増倍を生ぜしめ、それにもとずく増倍された光電
流を直流負荷に出力させる、という機構で、アバランシ
ェフォトダイオードとしての機能を得ることができる。 上述したように、第１図に示す本発明によるアバラン
シェフォトダイオードによれば、半導体領域６を光吸収
用層としている第３図で上述した従来のアバランシェフ
ォトダイオードの場合と同様に、半導体領域６を光吸収
用層として作用させ、また、半導体領域４をアバランシ
ェ増倍用層として作用させて、アバランシェフォトダイ
オードとしての機能を得ることができる また、この場合、アバランシェ増倍用層としての半導
体領域４が、第３図で上述した従来のアバランシェフォ
トダイオードの場合と同様に超格子構造５でなるので、
第３図で上述した従来のアバランシェフォトダイオード
の場合と同様に半導体領域４における電子のイオン化率
（α）と正孔のイオン化率（β）との比（α／β）が、
第３図で上述した従来のアバランシェフォトダイオード
の場合と同様に１より十分大きな値で得られるため、半
導体領域４において生ずるアバランシェ増倍に伴う雑音
が、第３図で上述した従来のアバランシェフォトダイオ
ードの場合と同様に、格段的に少なく、従って、第３図
で上述した従来のアバランシェフォトダイオードの場合
と同様に、光電流に、格段的に少ない雑音しか伴わな
い、という特徴を有する しかしながら、第１図に示す本発明によるアバランシ
ェフォトダイオードの場合、第２図に示す電界高度分布
から明らかなように、半導体領域６の半導体層7a及び7C
が高いｐ型不純物濃度を有し、それらに電子に対する加
速電界を実質的に有していないが、半導体層7a及び7c間
の半導体層7bが低いｐ型不純物濃度を有するので、その
半導体層7bに電子に対する加速電界を有し、また、半導
体層7a及び7cが薄い厚さしか有していないので、上述し
たように半導体領域６の半導体7bに生成するキャリア中
の電子が、半導体領域６を光吸収用層としている場合の
第３図で上述した従来のアバランシェフォトダイオード
の場合に比し速やかに半導体領域４に到達する。このた
め、光Ｌの入射して直流負荷に光電流が出力されるまで
の応答速度が半導体領域６を光吸収用層としている場合
の第３図で上述した従来のアバランシェフォトダイオー
ドの場合に比し格段的に速い。 また、第１図に示す本発明によるアバランシェフォト
ダイオードの場合、上述したように、アバランシェ増倍
用層としての半導体領域４を、光吸収用層として作用さ
せないので、半導体領域４に正孔が実効的に存在してい
ないので、半導体領域４を光吸収用層として作用させて
いる場合の第３図で上述した従来のアバランシェフォト
ダイオードの場合のように、アバランシェフォトダイオ
ード増倍に伴う雑音が、無視し得ない比較的多い量生ず
る、ということがない。 さらに、第１図に示す本発明によるアバランシェフォ
トダイオードの場合、半導体領域６のｐ型の半導体層7b
がInGaAs系でなるとともに低い不純物しか有していない
ので、その半導体層7bが、光通信用に広く用いられる1.
3μｍ乃至1.5μｍの波長を有する光に対し、高い吸収性
を有し、一方、半導体領域６の半導体層7bの半導体領域
４側に、ｐ型の半導体層7aを有し、その半導体層7aが比
較的高い不純物を有するので、半導体層7bがInGaAs系で
なることによって暗電流を比較的高く伴うとしても、ま
たその暗電流が半導体層7bにおける加速電界強度が大き
くなるのに応じて増加するとしても、半導体層7bに、暗
電流を不必要に多く伴わせず且つ半導体層7bに生成する
キャリア中の電子を半導体領域４に到達させる速度を不
必要に低下せしめない適当な強度の加速電界を与えるこ
とができ、よって、光通信用に広く用いられる光から、
暗電流の低い光電流を、高い応答速度で、効率よく得る
ことができる。 なお、、上述においては、本発明によるアバランシェ
フォトダイオードの１つの実施例を示したに過ぎず、半
導体領域１においてバッファ用層としての半導体層３を
省略した構成とすることもでき、また、半導体領域１の
半導体基板２及び半導体層３、半導体領域４の超格子構
造５の半導体領域5a及び5b、及び半導体領域６の半導体
層7a及び7cの材料を、上例の場合とは変更して、上例の
場合と同様の作用効果を得るようにすることもできる、
その他、本発明のその他、本発明の精神を脱することな
しに、種々の変型、変更をなし得るであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるアバランシェフォトダイオード
の実施例を示す略線的断面図である。 第２図は、第１図に示す本発明によるアバランシェフォ
トダイオードの説明に供する内部の各位置における電界
強度分布図である。 第３図は、従来のアバランシェフォトダイオードを示す
略線的断面図である。 １……第１の半導体領域 ２……半導体基板 ３……半導体層 ４……第２の半導体領域 5a、5b……半導体層 ６……第３の半導体領域 ７、7a、7b、7c……半導体層 ８、９……電極 10……電極９の窓 Ｌ……光

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｎ型を有する第１の半導体領域と、 上記第１の半導体領域上に形成され且つｎ型不純物及び
   ｐ型不純物のいずれも意図的に導入させていない第２の
   半導体領域と、 上記第２の半導体領域上に形成され且つｐ型を有する第
   ３の半導体領域と、 上記第１及び第３の半導体領域にそれぞれ付された第１
   及び第２の電極とを有し、 上記第２の半導体領域が、互に異なる材料でなる２つの
   半導体層が交互順次に積層されている超格子構造を有す
   るアバランシェフォトダイオードにおいて、 上記第３の半導体領域が、第１の半導体層と、上記第１
   の半導体層上に形成され且つ上記第１の半導体層に比し
   低い不純物濃度と厚い厚さとを有する第２の半導体層
   と、上記第２の半導体層上に形成され且つ上記第２の半
   導体層に比し高い不純物濃度と薄い厚さとを有する第３
   の半導体層とを有し、 上記第１、第２及び第３の半導体層が、上記第２の半導
   体領域に比し狭いエネルギバンドギャップを有し、 上記第２の半導体層が、InGaAs系でなることを特徴とす
   るアバランシェフォトダイオード。