JP2671555B2 - 超格子アバランシェ・フォトダイオード - Google Patents
超格子アバランシェ・フォトダイオードInfo
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- JP2671555B2 JP2671555B2 JP2098094A JP9809490A JP2671555B2 JP 2671555 B2 JP2671555 B2 JP 2671555B2 JP 2098094 A JP2098094 A JP 2098094A JP 9809490 A JP9809490 A JP 9809490A JP 2671555 B2 JP2671555 B2 JP 2671555B2
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- well layer
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光通信に用いて有益な低雑音アバランシェ・
フォトダイオードに関する。
フォトダイオードに関する。
（従来の技術） 光ファイバーの伝送損失の低い１〜1.6μｍ波長帯の
光通信用受光素子としてIn0.53Ga0.47AsとInPとのヘテ
ロ接合によるInP/InGaAsヘテロ接合アバランシェ・フォ
トダイオード（以下APDと略号する）が実用化されてい
る。このAPDはInGaAsで光を吸収し、発生した電子・正
孔キャリアのうち正孔をInPに注入してアバランシェ増
倍を生じさせるものである。ここでInPは、電子に対す
るイオン化率αよりも正孔に対するイオン化率βの方が
大きい（β／α〜２）ので、正孔をInPに注入すること
は低雑音化に有利なっている。しかしながら、より低雑
音化を図ろうとすれば、更に大きなイオン化率比（α／
β≫１もしくはβ／α≫１）のAPDを開発していかなけ
ればならない。
光通信用受光素子としてIn0.53Ga0.47AsとInPとのヘテ
ロ接合によるInP/InGaAsヘテロ接合アバランシェ・フォ
トダイオード（以下APDと略号する）が実用化されてい
る。このAPDはInGaAsで光を吸収し、発生した電子・正
孔キャリアのうち正孔をInPに注入してアバランシェ増
倍を生じさせるものである。ここでInPは、電子に対す
るイオン化率αよりも正孔に対するイオン化率βの方が
大きい（β／α〜２）ので、正孔をInPに注入すること
は低雑音化に有利なっている。しかしながら、より低雑
音化を図ろうとすれば、更に大きなイオン化率比（α／
β≫１もしくはβ／α≫１）のAPDを開発していかなけ
ればならない。
（発明が解決しようとする課題） そこで、異種の半導体を交互に積層して周期的ポテン
シャルを形成し、伝導帯不連続ΔEcでの電子のエネルギ
ー供与を利用して電子のイオン化率αを高める超格子AP
DがF.Capassoらによってアプライド・フィジックス・レ
ターズ40巻38ベージにおいて提供された。F.Capassoら
によって作られた超格子APDはAlGaAsとGaAsとの周期構
造から成っているもので、両材料の伝導帯不連続ΔEc〜
0.3eVを電子が供給されることにより、α／β〜８を得
ている。
シャルを形成し、伝導帯不連続ΔEcでの電子のエネルギ
ー供与を利用して電子のイオン化率αを高める超格子AP
DがF.Capassoらによってアプライド・フィジックス・レ
ターズ40巻38ベージにおいて提供された。F.Capassoら
によって作られた超格子APDはAlGaAsとGaAsとの周期構
造から成っているもので、両材料の伝導帯不連続ΔEc〜
0.3eVを電子が供給されることにより、α／β〜８を得
ている。
１〜1.6μｍ長波長帯に対しては、GaAs系と同様、InP
に格子整合するIn0.52Al0.48As/IN0.53Ga0.47As超格子
構造が採用される。第３図にはこのような長波長超格子
APDの構造断面図が示されている。n+−InP基板１の上に
n+−InPバッファ層２、n+−InAlAsバッファ層３を介し
てn-−InAlAs/InGaAs超格子アバランシェ増倍層４、ｐ
−InAlAs電界緩和層５、ｐ−InGaAs光吸収層６、p+−In
AlAs窓層７が積層されている。p+−InAlAs側から入射し
た長波長光はｐ−InGaAs層６で吸収され、発生した電子
キャリアはpn接合をよぎってn-−InAlAs/InGaAs超格子
アバランシェ増倍層４へ注入される。超格子層４へ注入
された電子は、InAlAsとInGaAsとの伝導帯不連続ΔEc
（〜0.5eV）のエネルギーを供給され、アバランシェ増
倍に寄与する。
に格子整合するIn0.52Al0.48As/IN0.53Ga0.47As超格子
構造が採用される。第３図にはこのような長波長超格子
APDの構造断面図が示されている。n+−InP基板１の上に
n+−InPバッファ層２、n+−InAlAsバッファ層３を介し
てn-−InAlAs/InGaAs超格子アバランシェ増倍層４、ｐ
−InAlAs電界緩和層５、ｐ−InGaAs光吸収層６、p+−In
AlAs窓層７が積層されている。p+−InAlAs側から入射し
た長波長光はｐ−InGaAs層６で吸収され、発生した電子
キャリアはpn接合をよぎってn-−InAlAs/InGaAs超格子
アバランシェ増倍層４へ注入される。超格子層４へ注入
された電子は、InAlAsとInGaAsとの伝導帯不連続ΔEc
（〜0.5eV）のエネルギーを供給され、アバランシェ増
倍に寄与する。
しかしながら、かかる構造においては、逆バイアス電
圧が印加される動作時には、n-−InAlAs/InGaAs超格子
層４に300〜500KV/cmの高電界が印加されない限り、ア
バランシェ増倍は生じない。前記F.Capassoの報告したA
lGaAs/GaAs超格子においては、250kV/cm程度の電界でア
バランシェ増倍が生じる事が述べられているが、InAlAs
/InGaAs系に対して我々の経験では250kV/cmでは増倍は
生じず、むしろ狭い禁制帯幅を有するInGaAsのトンネル
降伏が支配的である事がわかっている。更に、InAlAs,I
nGaAsは３元混晶のため、混晶散乱機構により、キャリ
アのイオン化が抑制される事も、高い電界強度を必要と
する一因である。
圧が印加される動作時には、n-−InAlAs/InGaAs超格子
層４に300〜500KV/cmの高電界が印加されない限り、ア
バランシェ増倍は生じない。前記F.Capassoの報告したA
lGaAs/GaAs超格子においては、250kV/cm程度の電界でア
バランシェ増倍が生じる事が述べられているが、InAlAs
/InGaAs系に対して我々の経験では250kV/cmでは増倍は
生じず、むしろ狭い禁制帯幅を有するInGaAsのトンネル
降伏が支配的である事がわかっている。更に、InAlAs,I
nGaAsは３元混晶のため、混晶散乱機構により、キャリ
アのイオン化が抑制される事も、高い電界強度を必要と
する一因である。
そこで本発明の目的は、上記の欠点を除去し、トンネ
ル降伏の生じない超格子APDを提供することである。
ル降伏の生じない超格子APDを提供することである。
（課題を解決するための手段） 本発明は、半導体超周期構造をアバランシェ増倍層と
して利用する超格子アバランシェ・フォトダイオードに
おいて、前記半導体超周期構造を構成する半導体井戸層
（狭い禁制帯幅層を有する半導体層）の厚さがpn接合か
ら遠ざかる程、厚くなっていく事を特徴とする超格子ア
バランシェ・フォトダイオードで、該半導体井戸層の禁
制帯幅がEgw、厚さがLwのとき、該半導体井戸層に印加
される電界強度Ｅとの間にLw≦Egw/qE（ｑは単位電荷）
が超周期構造部のいかなる場所においても成り立つ事を
特徴とする。
して利用する超格子アバランシェ・フォトダイオードに
おいて、前記半導体超周期構造を構成する半導体井戸層
（狭い禁制帯幅層を有する半導体層）の厚さがpn接合か
ら遠ざかる程、厚くなっていく事を特徴とする超格子ア
バランシェ・フォトダイオードで、該半導体井戸層の禁
制帯幅がEgw、厚さがLwのとき、該半導体井戸層に印加
される電界強度Ｅとの間にLw≦Egw/qE（ｑは単位電荷）
が超周期構造部のいかなる場所においても成り立つ事を
特徴とする。
（作用） 本発明の作用・原理を本発明のAPDに逆バイアス電圧
を印加した時の超周期構造領域のエネルギーバンド図を
示す第２図を用いて説明する。第２図において左側にpn
接合が位置しており、超格子の左から右へ行く程、電界
強度は低くなっていく。従ってLw(1)なる井戸層幅を有
する第１超格子から、Lw(N)なる井戸層幅を有する第Ｎ
超格子になる程電界は小さいので井戸層幅は厚くなって
いる。第２図において、任意の井戸層に電界強度Ｅが印
加された場合、Lwの井戸層でポテンシャル変化はLw×qE
であり、この値が井戸層の禁制帯幅Egwの値を越えた時
井戸層半導体の価電子帯から伝導帯へ電子がトンネルす
る云わゆるトンネル降伏が生じる。アバランシェ増倍が
生じる以前にトンネル降伏が生じてしまえば、APD本来
の機能を果たすことはできない。従ってアバランシェ降
伏に必要な電界強度Ｅと井戸層半導体の幅Lwと禁制帯幅
Egwとの間にLw≦Egw/qEが成立すればトンネル降伏より
先にアバランシェ増倍が生じる。井戸層に用いられるIn
0.53Ga0.47Asの禁制帯幅は0.75eVであり、アバランシェ
降伏時の最高電界は300〜500kV/cmであるので、Lwは150
〜250Å以下でなければならない。障壁層となる広い禁
制帯幅の半導体も同じ厚さで構成すると仮定して、超格
子領域を２μｍ程度の厚さに設定すれば周波数は67〜40
と多くなる。周波数が多くなる事はかえってキャリアが
井戸層がから障壁層へ乗り越えるための時間を費やすこ
とになるため、高速応答に支障をきたす。これは特に走
行速度の遅い正孔キャリアに対して顕著である。本発明
の超格子構造によれば、pn接合部の最高電界領域から離
れるに従って井戸層厚を厚くしていけるので例えば（L
w(1)＜Lw(2)＜…＜Lw(N-1)＜Lw(N)）周期数は従来の単
一井戸層厚の場合よりも少なくでき高速応答に優れるこ
とが期待される。
を印加した時の超周期構造領域のエネルギーバンド図を
示す第２図を用いて説明する。第２図において左側にpn
接合が位置しており、超格子の左から右へ行く程、電界
強度は低くなっていく。従ってLw(1)なる井戸層幅を有
する第１超格子から、Lw(N)なる井戸層幅を有する第Ｎ
超格子になる程電界は小さいので井戸層幅は厚くなって
いる。第２図において、任意の井戸層に電界強度Ｅが印
加された場合、Lwの井戸層でポテンシャル変化はLw×qE
であり、この値が井戸層の禁制帯幅Egwの値を越えた時
井戸層半導体の価電子帯から伝導帯へ電子がトンネルす
る云わゆるトンネル降伏が生じる。アバランシェ増倍が
生じる以前にトンネル降伏が生じてしまえば、APD本来
の機能を果たすことはできない。従ってアバランシェ降
伏に必要な電界強度Ｅと井戸層半導体の幅Lwと禁制帯幅
Egwとの間にLw≦Egw/qEが成立すればトンネル降伏より
先にアバランシェ増倍が生じる。井戸層に用いられるIn
0.53Ga0.47Asの禁制帯幅は0.75eVであり、アバランシェ
降伏時の最高電界は300〜500kV/cmであるので、Lwは150
〜250Å以下でなければならない。障壁層となる広い禁
制帯幅の半導体も同じ厚さで構成すると仮定して、超格
子領域を２μｍ程度の厚さに設定すれば周波数は67〜40
と多くなる。周波数が多くなる事はかえってキャリアが
井戸層がから障壁層へ乗り越えるための時間を費やすこ
とになるため、高速応答に支障をきたす。これは特に走
行速度の遅い正孔キャリアに対して顕著である。本発明
の超格子構造によれば、pn接合部の最高電界領域から離
れるに従って井戸層厚を厚くしていけるので例えば（L
w(1)＜Lw(2)＜…＜Lw(N-1)＜Lw(N)）周期数は従来の単
一井戸層厚の場合よりも少なくでき高速応答に優れるこ
とが期待される。
（実施例） 第１図は本発明の一実施例である超格子APDの断面図
を示している。n+−InP基板１の上に有機金属気相成長
法（MO−VPE）により、n+−InPバッファ層２、n+−In
0.52Al0.48Asバッファ層３を各々0.5μｍの厚さで成長
した後アバランシェ増倍層であるｎ−型（ｎ−５×1015
cm-3）In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As超周期構造４″,
4′,4を成長した。pn接合に近接する第１超格子４にお
いてはInGaAs井戸層厚は150Å、第２超格子４′におい
ては200Å第３超格子４″においては250Åに設定した。
InAlAs障壁層厚は4,4′,4″共に350Åである。周期数は
第１超格子（障壁層／井戸層＝350Å/150Å）で22、第
２超格子（障壁層／井戸層＝350Å/200Å）で20、第３
超格子（障壁層／井戸層＝350Å/250Å）で18である。
超格子増倍層4,4′,4″の上には、ｐ−In0.52Al0.48As
5、ｐ−In0.53Ga0.47As光吸収層６、p+−In0.52Al0.48A
s光吸収層７順次成長した。ｐ−In0.52Al0.48As層５は
光吸収６がトンネル降伏しないための電界緩和層であ
る。２〜７のエピタキシャル層は成長温度650〜700℃の
範囲で形成した。
を示している。n+−InP基板１の上に有機金属気相成長
法（MO−VPE）により、n+−InPバッファ層２、n+−In
0.52Al0.48Asバッファ層３を各々0.5μｍの厚さで成長
した後アバランシェ増倍層であるｎ−型（ｎ−５×1015
cm-3）In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As超周期構造４″,
4′,4を成長した。pn接合に近接する第１超格子４にお
いてはInGaAs井戸層厚は150Å、第２超格子４′におい
ては200Å第３超格子４″においては250Åに設定した。
InAlAs障壁層厚は4,4′,4″共に350Åである。周期数は
第１超格子（障壁層／井戸層＝350Å/150Å）で22、第
２超格子（障壁層／井戸層＝350Å/200Å）で20、第３
超格子（障壁層／井戸層＝350Å/250Å）で18である。
超格子増倍層4,4′,4″の上には、ｐ−In0.52Al0.48As
5、ｐ−In0.53Ga0.47As光吸収層６、p+−In0.52Al0.48A
s光吸収層７順次成長した。ｐ−In0.52Al0.48As層５は
光吸収６がトンネル降伏しないための電界緩和層であ
る。２〜７のエピタキシャル層は成長温度650〜700℃の
範囲で形成した。
エピタキシャル成長後は、通常の露光技術によりメサ
状にエッチングし、メサ側壁を含む表面をプラズマCVD
法によるSiNx表面保護膜８で保護した。９はAuZn合金に
よるｐ側電極、10はAuGe合金によるｎ側電極で共に通常
の抵抗加熱蒸着法で形成される。
状にエッチングし、メサ側壁を含む表面をプラズマCVD
法によるSiNx表面保護膜８で保護した。９はAuZn合金に
よるｐ側電極、10はAuGe合金によるｎ側電極で共に通常
の抵抗加熱蒸着法で形成される。
限って説明したが、ｐ型とｎ型が逆の場合においても
同様であることは云うまでもない。更に他の材料系、例
えばInP/InGaASb/GaSb系についても同様に適用できる。
実施例では超格子増倍層を井戸層厚の異なる３つの構
造、4,4′,4″で構成したがこれに限らず２つあるいは
３つ以上の異なる構造のものを用いてもよい。
同様であることは云うまでもない。更に他の材料系、例
えばInP/InGaASb/GaSb系についても同様に適用できる。
実施例では超格子増倍層を井戸層厚の異なる３つの構
造、4,4′,4″で構成したがこれに限らず２つあるいは
３つ以上の異なる構造のものを用いてもよい。
（発明の効果） 以上説明した様に、本発明のAPDはトンネル降伏が抑
制された低暗電流・高増倍特性を有するものであった。
これを第４図に示す。作製した本発明のAPDは80V以上の
降伏電圧を示し、暗電流は数10nA程度以下でトンネル電
流発生の抑制されたものであった。増倍率も100倍近い
ものであった。それに対し、500Å程度の井戸層厚を有
する従来の超格子APDでは、トンネル降伏のため暗電流
は数μ〜数10μＡと高くアバランシェ増倍が観測されな
かった。更に実施例と同一の厚さの超格子増倍層を単一
の井戸層厚150Åで形成した従来型と比べれば１割程度
周期数が低減されるので井戸層内にトラップされるキャ
リアによる応答劣化が改善されるという効果も得られ
た。
制された低暗電流・高増倍特性を有するものであった。
これを第４図に示す。作製した本発明のAPDは80V以上の
降伏電圧を示し、暗電流は数10nA程度以下でトンネル電
流発生の抑制されたものであった。増倍率も100倍近い
ものであった。それに対し、500Å程度の井戸層厚を有
する従来の超格子APDでは、トンネル降伏のため暗電流
は数μ〜数10μＡと高くアバランシェ増倍が観測されな
かった。更に実施例と同一の厚さの超格子増倍層を単一
の井戸層厚150Åで形成した従来型と比べれば１割程度
周期数が低減されるので井戸層内にトラップされるキャ
リアによる応答劣化が改善されるという効果も得られ
た。
第１図は、本発明の一実施例を示すAPDの断面図、第２
図は本発明の超格子増倍領域のエネルギーバンド図、第
３図は従来のAPDの断面図、第４図は本発明APDの効果を
示す電流・電圧特性図である。 図において、 １……半導体基板、２……バッファ層、３……バッファ
層、4,4′,4″……超格子増倍層、５……電界緩和層、
６……光吸収層、７……窓層、８……表面保護膜、９…
…ｐ側電極、10……ｎ側電極。
図は本発明の超格子増倍領域のエネルギーバンド図、第
３図は従来のAPDの断面図、第４図は本発明APDの効果を
示す電流・電圧特性図である。 図において、 １……半導体基板、２……バッファ層、３……バッファ
層、4,4′,4″……超格子増倍層、５……電界緩和層、
６……光吸収層、７……窓層、８……表面保護膜、９…
…ｐ側電極、10……ｎ側電極。
Claims (2)
- 【請求項１】半導体超周期構造をアバランシェ増倍層と
して利用する超格子アバランシェ・フォトダイオードに
おいて前記半導体超周期構造を構成する半導体井戸層の
厚さが、pn接合から遠ざかる程、厚くなっている事を特
徴とする超格子アバランシェ・フォトダイオード。 - 【請求項２】第１項記載の超格子アバランシェ・フォト
ダイオード半導体井戸層の禁制帯幅がEgw、厚さがLwで
あるとき、該半導体井戸層に印加される電界強度Ｅとの
間に、Lw≦Egw/qE（ｑは単位電荷）が半導体超周期構造
部において成り立つ事を特徴とする超格子アバランシェ
・フォトダイオード。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2098094A JP2671555B2 (ja) | 1990-04-13 | 1990-04-13 | 超格子アバランシェ・フォトダイオード |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2098094A JP2671555B2 (ja) | 1990-04-13 | 1990-04-13 | 超格子アバランシェ・フォトダイオード |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03295279A JPH03295279A (ja) | 1991-12-26 |
| JP2671555B2 true JP2671555B2 (ja) | 1997-10-29 |
Family
ID=14210759
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2098094A Expired - Fee Related JP2671555B2 (ja) | 1990-04-13 | 1990-04-13 | 超格子アバランシェ・フォトダイオード |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2671555B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110047955B (zh) * | 2019-03-08 | 2020-12-22 | 中山大学 | 一种AlGaN紫外雪崩光电二极管探测器及其制备方法 |
-
1990
- 1990-04-13 JP JP2098094A patent/JP2671555B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03295279A (ja) | 1991-12-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |