JP2699807B2 - 組成変調アバランシ・フォトダイオード - Google Patents
組成変調アバランシ・フォトダイオードInfo
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Classifications
-
- 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
- H01L31/08—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 in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—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 in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode
- H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
-
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- 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
- H01L31/0248—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 characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光通信等に用いる光検出
器、特にアバランシ・フォトダイオードに関するもので
ある。
器、特にアバランシ・フォトダイオードに関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】半導体光検出器のなかで、アバランシ・
フォトダイオード（以下、ＡＰＤと呼ぶ）は高感度かつ
高速であり、光通信システムにおける受信器として重要
である。波長１．３μｍあるいは、１．５５μｍで代表
されるシリカ・ファイバーを用いた光通信システム用の
受光器としては、従来から存在するＧｅ材料を用いたＡ
ＰＤあるいはＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓ層を光
吸収層としＩｎＰ層をアバランシ層とするＩｎＰ／Ｉｎ
ＧａＡｓヘテロ接合型ＡＰＤが実用に供されている。こ
れらのＡＰＤのＳ／Ｎを決める要因として、雑音指数が
あり、これは、アバランシ領域を形成する材料の電子と
正孔の衝突イオン化率比により支配される。上に述べた
Ｇｅ−ＡＰＤのイオン化率比は１程度であり、ＩｎＰ／
ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤにおいても高々３程度であり、高
性能化のためにより高いイオン化率比材料の探索が行わ
れている。
フォトダイオード（以下、ＡＰＤと呼ぶ）は高感度かつ
高速であり、光通信システムにおける受信器として重要
である。波長１．３μｍあるいは、１．５５μｍで代表
されるシリカ・ファイバーを用いた光通信システム用の
受光器としては、従来から存在するＧｅ材料を用いたＡ
ＰＤあるいはＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓ層を光
吸収層としＩｎＰ層をアバランシ層とするＩｎＰ／Ｉｎ
ＧａＡｓヘテロ接合型ＡＰＤが実用に供されている。こ
れらのＡＰＤのＳ／Ｎを決める要因として、雑音指数が
あり、これは、アバランシ領域を形成する材料の電子と
正孔の衝突イオン化率比により支配される。上に述べた
Ｇｅ−ＡＰＤのイオン化率比は１程度であり、ＩｎＰ／
ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤにおいても高々３程度であり、高
性能化のためにより高いイオン化率比材料の探索が行わ
れている。
【０００３】このような背景の中で、チン等（Ｃｈｉ
ｎ．Ｒ，ｅｔ．ａｌ．）によってエレクトロニクス・レ
ターズ誌（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）
１６巻，４６７頁（１９８０）で提案され、モハメッド
等（Ｍｏｈａｍｍｅｄ．Ｋ，ｅｔ ａｌ．）によりアプ
ライド・フィジックス・レターズ誌（ＡｐｐｌｉｅｄＰ
ｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）４７巻，５９７頁（１
９８５）で報告されているＡＰＤにおいては、アバラン
シ層としてＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子を用い
て、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓの間の伝導帯の不連続
エネルギー（約０．５ｅＶ）を、この領域を走行する電
子の加速エネルギーとして付与することによって電子の
衝突イオン化を高め、これによりイオン化率比の改善
（イオン化率比を高める）を計ることが試みられてい
る。最近においては、香川等（Ｋａｇａｗａ．Ｔ，ｅ
ｔ．ａｌ）によってアプライド・フィジックス・レター
ズ誌（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）５５巻，９９３頁（１９８９）で、上記と同様の層
構造によるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子での電子
と正孔のイオン化率が測定されており、ＩｎＧａＡｓ結
晶のイオン化率とは異なり、超格子による電子のイオン
化率の向上が確認されている。
ｎ．Ｒ，ｅｔ．ａｌ．）によってエレクトロニクス・レ
ターズ誌（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）
１６巻，４６７頁（１９８０）で提案され、モハメッド
等（Ｍｏｈａｍｍｅｄ．Ｋ，ｅｔ ａｌ．）によりアプ
ライド・フィジックス・レターズ誌（ＡｐｐｌｉｅｄＰ
ｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）４７巻，５９７頁（１
９８５）で報告されているＡＰＤにおいては、アバラン
シ層としてＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子を用い
て、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓの間の伝導帯の不連続
エネルギー（約０．５ｅＶ）を、この領域を走行する電
子の加速エネルギーとして付与することによって電子の
衝突イオン化を高め、これによりイオン化率比の改善
（イオン化率比を高める）を計ることが試みられてい
る。最近においては、香川等（Ｋａｇａｗａ．Ｔ，ｅ
ｔ．ａｌ）によってアプライド・フィジックス・レター
ズ誌（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）５５巻，９９３頁（１９８９）で、上記と同様の層
構造によるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子での電子
と正孔のイオン化率が測定されており、ＩｎＧａＡｓ結
晶のイオン化率とは異なり、超格子による電子のイオン
化率の向上が確認されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の超格子構造はバンドギャップが異なる２種類の半導体
層の繰り返しからなる矩形型超格子構造であり、バンド
ギャップの大きい障壁層からバンドギャップが小さい井
戸層へ光励起キャリアが走行する場合には、この障壁層
と井戸層の間のヘテロギャップ・エネルギーをキャリア
の加速として利用する反面、次のステップとして、井戸
層から障壁層へキャリアが走行する時には、このヘテロ
ギャップ差が障壁として存在することになる。このよう
な観点から、電子の障壁となる可能性を回避する構造と
して、カパッソ等（Ｃａｐａｓｓｏ．Ｆ ｅｔ ａ
ｌ．）は組成を連続的に繰り返すＳｔａｉｒ−ｃａｓｅ
ＡＰＤをアイイーイーイー・トランザクションズ・オ
ン・エレクトロン・デバイスズ（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ
ｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ），ＥＤ
−３０巻，３８１頁（１９８３）に提案している。しか
し、この構造では電子に対しては障壁は存在しないが、
正孔に対しては依然として障壁が存在しており、正孔の
質量が大きいために、正孔の滞在・蓄積効果を引き起こ
し、高速性を阻害する要因として働く。
の超格子構造はバンドギャップが異なる２種類の半導体
層の繰り返しからなる矩形型超格子構造であり、バンド
ギャップの大きい障壁層からバンドギャップが小さい井
戸層へ光励起キャリアが走行する場合には、この障壁層
と井戸層の間のヘテロギャップ・エネルギーをキャリア
の加速として利用する反面、次のステップとして、井戸
層から障壁層へキャリアが走行する時には、このヘテロ
ギャップ差が障壁として存在することになる。このよう
な観点から、電子の障壁となる可能性を回避する構造と
して、カパッソ等（Ｃａｐａｓｓｏ．Ｆ ｅｔ ａ
ｌ．）は組成を連続的に繰り返すＳｔａｉｒ−ｃａｓｅ
ＡＰＤをアイイーイーイー・トランザクションズ・オ
ン・エレクトロン・デバイスズ（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ
ｓ．ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ），ＥＤ
−３０巻，３８１頁（１９８３）に提案している。しか
し、この構造では電子に対しては障壁は存在しないが、
正孔に対しては依然として障壁が存在しており、正孔の
質量が大きいために、正孔の滞在・蓄積効果を引き起こ
し、高速性を阻害する要因として働く。
【０００５】本発明の目的は、このような問題点を解決
する、即ち、アバランシ増倍層構造を工夫して、有効的
にイオン化率比を大きくし、かつ高速特性をもつ組成変
調アバランシ・フォトダイオードを提供することにあ
る。
する、即ち、アバランシ増倍層構造を工夫して、有効的
にイオン化率比を大きくし、かつ高速特性をもつ組成変
調アバランシ・フォトダイオードを提供することにあ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の組成変調アバラ
ンシ・フォトダイオードは、半導体基板と格子整合した
禁制帯幅Ｅｇ１を有する低濃度光吸収層と、前記Ｅｇ１
以上の禁制帯幅を有する低濃度増倍層と、前記光吸収層
と前記増倍層の間に前記Ｅｇ１以上の禁制帯幅を有する
高濃度電界緩和層とを持つことにより光吸収領域と増倍
領域を分離独立した構成を有し、前記増倍層は、禁制帯
幅が最小禁制帯幅Ｅｇ２から最大禁制帯幅Ｅｇ３へ連続
的に変化し、さらに最大禁制帯幅Ｅｇ３から最小禁制帯
幅Ｅｇ２へ連続的に変化することを１周期として、多周
期化した半導体層より構成されたことを特徴とする。ま
た増倍層として最大禁制帯幅Ｅｇ３領域周辺に転位の導
入には至らない程度の引っ張り歪を導入、あるいは、そ
の周辺領域と較べて高濃度不純物領域としたことによっ
て、より効果的に光励起キャリアの選択的衝突イオン化
を促すことを特徴とするものである。
ンシ・フォトダイオードは、半導体基板と格子整合した
禁制帯幅Ｅｇ１を有する低濃度光吸収層と、前記Ｅｇ１
以上の禁制帯幅を有する低濃度増倍層と、前記光吸収層
と前記増倍層の間に前記Ｅｇ１以上の禁制帯幅を有する
高濃度電界緩和層とを持つことにより光吸収領域と増倍
領域を分離独立した構成を有し、前記増倍層は、禁制帯
幅が最小禁制帯幅Ｅｇ２から最大禁制帯幅Ｅｇ３へ連続
的に変化し、さらに最大禁制帯幅Ｅｇ３から最小禁制帯
幅Ｅｇ２へ連続的に変化することを１周期として、多周
期化した半導体層より構成されたことを特徴とする。ま
た増倍層として最大禁制帯幅Ｅｇ３領域周辺に転位の導
入には至らない程度の引っ張り歪を導入、あるいは、そ
の周辺領域と較べて高濃度不純物領域としたことによっ
て、より効果的に光励起キャリアの選択的衝突イオン化
を促すことを特徴とするものである。
【０００７】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
て説明する。
【０００８】図１は本発明の一実施例の断面概略図であ
る。この組成変調アバランシ・フォトダイオードの構造
を、その製造工程とともに説明する。
る。この組成変調アバランシ・フォトダイオードの構造
を、その製造工程とともに説明する。
【０００９】まず初めに、ｎ+ −ＩｎＰの基板１１上
に、例えば分子線エピタキシャル技術（ＭＢＥ）により
膜厚約１μｍで不純物濃度１×１０18ｃｍ-3よりなるｎ
+ −ＩｎＰバッファー層１２を形成した後、ｎ型不純物
濃度約１×１０15ｃｍ-3でＩｎＰに格子整合したＩｎx
Ａｌy Ｇａ1-x-y Ａｓ層（０．５２≦ｘ≦０．５３，０
≦ｙ≦０．４８）１３を形成する。ここで、例えば、増
倍層としての役割を果たす層１３は、Ｉｎ0.52Ａｌ0.48
Ａｓ（最大禁制帯幅：約１．４５ｅＶ）からＩｎ0.53Ｇ
ａ0.47Ａｓ（最小禁制帯幅：約０．７５ｅＶ）へ連続的
に組成を変化させたＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ａｓ層１３
１を１５０オングストローム、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層
からＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓへと連続的に組成を変化した
Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ａｓ層１３２を５０オングスト
ローム形成し、この合計２００オングストロームの１５
周期、全体で０．３μｍ厚より構成する。
に、例えば分子線エピタキシャル技術（ＭＢＥ）により
膜厚約１μｍで不純物濃度１×１０18ｃｍ-3よりなるｎ
+ −ＩｎＰバッファー層１２を形成した後、ｎ型不純物
濃度約１×１０15ｃｍ-3でＩｎＰに格子整合したＩｎx
Ａｌy Ｇａ1-x-y Ａｓ層（０．５２≦ｘ≦０．５３，０
≦ｙ≦０．４８）１３を形成する。ここで、例えば、増
倍層としての役割を果たす層１３は、Ｉｎ0.52Ａｌ0.48
Ａｓ（最大禁制帯幅：約１．４５ｅＶ）からＩｎ0.53Ｇ
ａ0.47Ａｓ（最小禁制帯幅：約０．７５ｅＶ）へ連続的
に組成を変化させたＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ａｓ層１３
１を１５０オングストローム、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層
からＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓへと連続的に組成を変化した
Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ａｓ層１３２を５０オングスト
ローム形成し、この合計２００オングストロームの１５
周期、全体で０．３μｍ厚より構成する。
【００１０】次に、電界緩和層としての用をなすｐ型不
純物濃度３×１０17ｃｍ-3で、層厚８３０オングストロ
ームのＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層１４を成長後、光吸収層
としての用をなすｐ型不純物濃度約１×１０15ｃｍ
-3で、層厚１．３μｍのＩｎ0.53Ａｌ0.47Ａｓ層１５を
成長し、順次、ｐ+ 型不純物濃度約１×１０18ｃｍ-3で
層厚１μｍのＩｎＰキャップ層１６、ｐ+ 型不純物濃度
１×１０19ｃｍ-3で層厚１００オングストロームのＩｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓコンタクト層１７を成長する。素子作
製用のウエーハとしてはこれを用い、半導体リソグラフ
ィー技術とエッチング技術を組み合わせることにより、
図に示すように円形領域を残して不要部分を除去する。
次に、例えば、メサ・エッチングにより現れた領域も含
めて半導体表面を絶縁性の高いＳｉＮx 膜１８で被い、
上記同様半導体リソグラフィー技術を用いて膜１８の一
部領域を除去してｐ側電極１９を、また、基板側からｎ
側電極２０を設ける。信号光を受けるための窓（透明領
域）はｎ側，ｐ側どちら側に設けても構わないが、ここ
ではｎ側電極２０の一部を除去する形で設けてある。
純物濃度３×１０17ｃｍ-3で、層厚８３０オングストロ
ームのＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層１４を成長後、光吸収層
としての用をなすｐ型不純物濃度約１×１０15ｃｍ
-3で、層厚１．３μｍのＩｎ0.53Ａｌ0.47Ａｓ層１５を
成長し、順次、ｐ+ 型不純物濃度約１×１０18ｃｍ-3で
層厚１μｍのＩｎＰキャップ層１６、ｐ+ 型不純物濃度
１×１０19ｃｍ-3で層厚１００オングストロームのＩｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓコンタクト層１７を成長する。素子作
製用のウエーハとしてはこれを用い、半導体リソグラフ
ィー技術とエッチング技術を組み合わせることにより、
図に示すように円形領域を残して不要部分を除去する。
次に、例えば、メサ・エッチングにより現れた領域も含
めて半導体表面を絶縁性の高いＳｉＮx 膜１８で被い、
上記同様半導体リソグラフィー技術を用いて膜１８の一
部領域を除去してｐ側電極１９を、また、基板側からｎ
側電極２０を設ける。信号光を受けるための窓（透明領
域）はｎ側，ｐ側どちら側に設けても構わないが、ここ
ではｎ側電極２０の一部を除去する形で設けてある。
【００１１】図２は、図１での実施例による構造の素子
の無バイアス状態での増倍層１３におけるエネルギー・
バンドの構造図を、図３は図１での実施例による素子に
逆バイアスを印加した状態での増倍層１３におけるエネ
ルギー・バンドの構造図を示す。
の無バイアス状態での増倍層１３におけるエネルギー・
バンドの構造図を、図３は図１での実施例による素子に
逆バイアスを印加した状態での増倍層１３におけるエネ
ルギー・バンドの構造図を示す。
【００１２】 次に、別の実施例として、増倍層を構成
する最大禁制帯幅領域に引っ張り歪を導入した例につい
て図４を用いて説明する。全体の素子構成としては図１
で示した場合と同様であるため、割愛し、増倍層２１の
みについて説明する。増倍層２１はｎ型半導体層であ
り、不純物濃度約１×１０１５ｃｍ−３で最小禁制帯幅
約０．９５ｅＶに相当するＩｎ０．５３Ａｌ０．１７Ｇ
ａ０．３Ａｓ層からＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ層に
わたるＩｎＡｌＧａＡｓ層２１３、続いてＩｎ０．５２
Ａｌ０．４８Ａｓから最大禁制帯幅約１．５７ｅＶのＩ
ｎ０．４５Ａｌ０．５５Ａｓに連続的に組成変化するＩ
ｎＡｌＡｓ層２１４、これらの逆として、Ｉｎ０．４５
Ａｌ０．５５ＡｓからＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓに
連続的に変化するＩｎＡｌＡｓ層２１１、Ｉｎ０．５２
Ａｌ０．４８ＡｓからＩｎ０．５３Ａｌ０．１７Ｇａ
０．３Ａｓ層に連続的に変化するＩｎＡｌＧａＡｓ層２
１２から構成される。ここで、例えば、層２１１の層厚
として２０オングストローム、層２１２の層厚として１
５０オングストローム、層２１３の層厚として５０オン
グストローム、層２１４の層厚として１０オングストロ
ームとし、この１５周期、増倍層２１の層厚として０．
３４５μｍ構成とする。このような増倍層２１を図１に
示した増倍層１３に代えてエピタキシャル成長すれば、
本発明の組成変調アバランシ・フォトダイオードを得る
ことができる。
する最大禁制帯幅領域に引っ張り歪を導入した例につい
て図４を用いて説明する。全体の素子構成としては図１
で示した場合と同様であるため、割愛し、増倍層２１の
みについて説明する。増倍層２１はｎ型半導体層であ
り、不純物濃度約１×１０１５ｃｍ−３で最小禁制帯幅
約０．９５ｅＶに相当するＩｎ０．５３Ａｌ０．１７Ｇ
ａ０．３Ａｓ層からＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ層に
わたるＩｎＡｌＧａＡｓ層２１３、続いてＩｎ０．５２
Ａｌ０．４８Ａｓから最大禁制帯幅約１．５７ｅＶのＩ
ｎ０．４５Ａｌ０．５５Ａｓに連続的に組成変化するＩ
ｎＡｌＡｓ層２１４、これらの逆として、Ｉｎ０．４５
Ａｌ０．５５ＡｓからＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓに
連続的に変化するＩｎＡｌＡｓ層２１１、Ｉｎ０．５２
Ａｌ０．４８ＡｓからＩｎ０．５３Ａｌ０．１７Ｇａ
０．３Ａｓ層に連続的に変化するＩｎＡｌＧａＡｓ層２
１２から構成される。ここで、例えば、層２１１の層厚
として２０オングストローム、層２１２の層厚として１
５０オングストローム、層２１３の層厚として５０オン
グストローム、層２１４の層厚として１０オングストロ
ームとし、この１５周期、増倍層２１の層厚として０．
３４５μｍ構成とする。このような増倍層２１を図１に
示した増倍層１３に代えてエピタキシャル成長すれば、
本発明の組成変調アバランシ・フォトダイオードを得る
ことができる。
【００１３】次に、別の実施例として、増倍層を構成す
る最大禁制帯幅領域を周辺と較べて不純物濃度を高くし
た場合について、図５，図６を用いて説明する。図５は
実施例を示す概略横断面図、図６は図５の増倍層での逆
バイアス印加時におけるエネルギー・バンドの構造図で
ある。
る最大禁制帯幅領域を周辺と較べて不純物濃度を高くし
た場合について、図５，図６を用いて説明する。図５は
実施例を示す概略横断面図、図６は図５の増倍層での逆
バイアス印加時におけるエネルギー・バンドの構造図で
ある。
【００１４】まず、ｐ+ −ＩｎＰ基板３１上に膜厚約１
μｍで不純物濃度１×１０18ｃｍ-3よりなるＩｎＰバッ
ファー層３２を成長した後、光吸収層としての用をなす
ｐ型不純物濃度約１×１０15ｃｍ-3で層厚１．３μｍの
Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層３３を成長し、次に、電界緩和
層としての用をなすｐ型不純物濃度３×１０17ｃｍ-3で
層厚８００オングストロームのＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層
３４を成長する。これに引き続いて、増倍層３５を成長
する。ここで、増倍層３５は、全てｐ型半導体であり、
初めに、最小禁制帯幅約０．９５ｅＶであるＩｎ0.53Ａ
ｌ0.17Ｇａ0.3Ａｓから最大禁制帯幅約１．４５ｅＶの
Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓまで連続的にＩｎＡｌＧａＡｓ層
３５１を成長する。このときＩｎＡｌＧａＡｓ層３５１
の層厚としては１８０オングストロームであるが、最大
禁制帯幅半導体を含む厚さ２０オングストロームのＩｎ
ＡｌＧａＡｓ領域３５１２の不純物濃度を３×１０16ｃ
ｍ-3に、それ以外のＩｎＡｌＧａＡｓ領域３５１１の不
純物濃度を１×１０15ｃｍ-3とする。これに続いて、最
大禁制帯幅約１．４５ｅＶのＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓから
最小禁制帯幅約０．９５ｅＶのＩｎ0.53Ａｌ0.17Ｇａ
0.3 Ａｓ層まで連続的に、層厚３０オングストロームで
不純物濃度１×１０15ｃｍ-3のＩｎＡｌＧａＡｓ層３５
２を成長することによって１周期を構成し、この１５回
繰り返しよりなる、層厚０．３１５μｍの増倍層３５を
得る。この増倍層３５を成長後、ｎ型不純物濃度５×１
０18ｃｍ-3で層厚２μｍのｎ+ −ＩｎＰ層３６を成長す
る。このようなウエーハを用い、図１で説明したのと同
様の加工を施すことによって、本発明の組成変調アバラ
ンシ・フォトダイオードを得ることができる。
μｍで不純物濃度１×１０18ｃｍ-3よりなるＩｎＰバッ
ファー層３２を成長した後、光吸収層としての用をなす
ｐ型不純物濃度約１×１０15ｃｍ-3で層厚１．３μｍの
Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層３３を成長し、次に、電界緩和
層としての用をなすｐ型不純物濃度３×１０17ｃｍ-3で
層厚８００オングストロームのＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層
３４を成長する。これに引き続いて、増倍層３５を成長
する。ここで、増倍層３５は、全てｐ型半導体であり、
初めに、最小禁制帯幅約０．９５ｅＶであるＩｎ0.53Ａ
ｌ0.17Ｇａ0.3Ａｓから最大禁制帯幅約１．４５ｅＶの
Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓまで連続的にＩｎＡｌＧａＡｓ層
３５１を成長する。このときＩｎＡｌＧａＡｓ層３５１
の層厚としては１８０オングストロームであるが、最大
禁制帯幅半導体を含む厚さ２０オングストロームのＩｎ
ＡｌＧａＡｓ領域３５１２の不純物濃度を３×１０16ｃ
ｍ-3に、それ以外のＩｎＡｌＧａＡｓ領域３５１１の不
純物濃度を１×１０15ｃｍ-3とする。これに続いて、最
大禁制帯幅約１．４５ｅＶのＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓから
最小禁制帯幅約０．９５ｅＶのＩｎ0.53Ａｌ0.17Ｇａ
0.3 Ａｓ層まで連続的に、層厚３０オングストロームで
不純物濃度１×１０15ｃｍ-3のＩｎＡｌＧａＡｓ層３５
２を成長することによって１周期を構成し、この１５回
繰り返しよりなる、層厚０．３１５μｍの増倍層３５を
得る。この増倍層３５を成長後、ｎ型不純物濃度５×１
０18ｃｍ-3で層厚２μｍのｎ+ −ＩｎＰ層３６を成長す
る。このようなウエーハを用い、図１で説明したのと同
様の加工を施すことによって、本発明の組成変調アバラ
ンシ・フォトダイオードを得ることができる。
【００１５】以上のように説明、実施した例において、
電子の正孔に対する衝突イオン化率比としてはいずれの
実施例においても５倍以上あり、また、いずれの実施例
においても、増倍率が１０倍以上の領域での増倍率とそ
の時の遮断周波数を掛け合わせた利得・帯域幅積として
約１５０ＧＨｚという高速特性が得られた。
電子の正孔に対する衝突イオン化率比としてはいずれの
実施例においても５倍以上あり、また、いずれの実施例
においても、増倍率が１０倍以上の領域での増倍率とそ
の時の遮断周波数を掛け合わせた利得・帯域幅積として
約１５０ＧＨｚという高速特性が得られた。
【００１６】
【発明の効果】 本発明の効果は以下のように要約され
る。即ち、組成を周期的に変調した増倍層を用いること
によって、従来の矩形超格子ＡＰＤで期待されると同様
の選択的イオン化が得られ、且つ増倍層を構成する領域
内で禁制帯に不連続を生じない構造であるが故に、逆バ
イアス印加時に電子あるいは正孔に対して障壁として働
く領域がなく高速性能を得ることができるものといえ
る。また、周期的に組成を変調した最大禁制帯幅領域に
引っ張り歪を導入して、この領域でのイオン化を抑制
し、これに続く最小禁制帯幅領域でのイオン化をより促
進する効果が、また、上記と同様の領域に周辺より多い
不純物を添加することによって禁制帯幅が大きくイオン
化が容易でない領域での加速を促進して、これに続く最
小禁制帯幅領域でのイオン化をより容易になさしめる効
果が得られていることが、図１で示した実施例よりも幅
の広い増倍層を用いて、同様の高速性が得られているこ
とから判る。ここで、最大禁制帯幅領域に引っ張り歪み
を導入することにより格子整合条件以上の大きなバンド
ギャップ領域を形成しており、これによりバンドギャッ
プの大きな領域ではイオン化するのに大きなエネルギー
が必要であるが故にイオン化が抑制されるという作用
を、また、周辺より多い不純物を最大禁制帯幅領域に形
成することによりこの領域での単位長さ当たりの電界強
度差を周辺より大きくすることができ、これにより、こ
の領域を走行するキャリアに単位長さ当たりでの走行ス
ピードを周辺領域以上に加速するという作用を利用して
いる。ここでは、組成、層厚の周期性として一様な場合
について説明したが、本発明の特徴は、これらの周期性
が不均一であったとしても、組成が一様である半導体層
を増倍層とした場合と較べて、必ずイオン化率比が向上
し、且つこれにより高速性が保証されている点が上げら
れる。
る。即ち、組成を周期的に変調した増倍層を用いること
によって、従来の矩形超格子ＡＰＤで期待されると同様
の選択的イオン化が得られ、且つ増倍層を構成する領域
内で禁制帯に不連続を生じない構造であるが故に、逆バ
イアス印加時に電子あるいは正孔に対して障壁として働
く領域がなく高速性能を得ることができるものといえ
る。また、周期的に組成を変調した最大禁制帯幅領域に
引っ張り歪を導入して、この領域でのイオン化を抑制
し、これに続く最小禁制帯幅領域でのイオン化をより促
進する効果が、また、上記と同様の領域に周辺より多い
不純物を添加することによって禁制帯幅が大きくイオン
化が容易でない領域での加速を促進して、これに続く最
小禁制帯幅領域でのイオン化をより容易になさしめる効
果が得られていることが、図１で示した実施例よりも幅
の広い増倍層を用いて、同様の高速性が得られているこ
とから判る。ここで、最大禁制帯幅領域に引っ張り歪み
を導入することにより格子整合条件以上の大きなバンド
ギャップ領域を形成しており、これによりバンドギャッ
プの大きな領域ではイオン化するのに大きなエネルギー
が必要であるが故にイオン化が抑制されるという作用
を、また、周辺より多い不純物を最大禁制帯幅領域に形
成することによりこの領域での単位長さ当たりの電界強
度差を周辺より大きくすることができ、これにより、こ
の領域を走行するキャリアに単位長さ当たりでの走行ス
ピードを周辺領域以上に加速するという作用を利用して
いる。ここでは、組成、層厚の周期性として一様な場合
について説明したが、本発明の特徴は、これらの周期性
が不均一であったとしても、組成が一様である半導体層
を増倍層とした場合と較べて、必ずイオン化率比が向上
し、且つこれにより高速性が保証されている点が上げら
れる。
【図１】本発明の基本をなす一実施例を示す概略断面図
である。
である。
【図２】図１の増倍層での無バイアス時におけるエネル
ギー・バンドの構造図である。
ギー・バンドの構造図である。
【図３】図１の増倍層での逆バイアス印加時におけるエ
ネルギー・バンドの構造図である。
ネルギー・バンドの構造図である。
【図４】本発明の歪を導入した場合の一実施例を示すも
ので、増倍層での無バイアス時におけるエネルギー・バ
ンドの構造図である。
ので、増倍層での無バイアス時におけるエネルギー・バ
ンドの構造図である。
【図５】本発明の不純物を周辺より多数に導入した場合
の一実施例を示す概略横断面図である。
の一実施例を示す概略横断面図である。
【図６】図５の増倍層での逆バイアス印加時におけるエ
ネルギー・バンドの構造図である。
ネルギー・バンドの構造図である。
１１ ｎ+ 型ＩｎＰ基板 １２ ｎ+ 型ＩｎＰバッファー層 １３ ｎ型組成変調増倍層 １３１，１３２，２１２，２１３，３５１，３５２ Ｉ
ｎＡｌＧａＡｓ組成変調層 １４，３４ ｐ+ 型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層 １５，３３ ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層 １６ ｐ+ 型ＩｎＰキャップ層 １７ ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓコンタクト層 １８ 絶縁膜 １９ ｐ側電極 ２０ ｎ側電極 ２１ ｎ型組成変調増倍層 ２１１，２１４ ＩｎＡｌＡｓ組成変調層 ３１ ｐ+ 型ＩｎＰ基板 ３２ ｐ+ 型ＩｎＰバッファー層 ３５ ｐ型組成変調増倍層 ３５１１ 低不純物濃度ＩｎＡｌＧａＡｓ組成変調層 ３５１２ 高不純物濃度ＩｎＡｌＧａＡｓ組成変調層 ３６ ｎ+ 型ＩｎＰ層
ｎＡｌＧａＡｓ組成変調層 １４，３４ ｐ+ 型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層 １５，３３ ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層 １６ ｐ+ 型ＩｎＰキャップ層 １７ ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓコンタクト層 １８ 絶縁膜 １９ ｐ側電極 ２０ ｎ側電極 ２１ ｎ型組成変調増倍層 ２１１，２１４ ＩｎＡｌＡｓ組成変調層 ３１ ｐ+ 型ＩｎＰ基板 ３２ ｐ+ 型ＩｎＰバッファー層 ３５ ｐ型組成変調増倍層 ３５１１ 低不純物濃度ＩｎＡｌＧａＡｓ組成変調層 ３５１２ 高不純物濃度ＩｎＡｌＧａＡｓ組成変調層 ３６ ｎ+ 型ＩｎＰ層
Claims (3)
- 【請求項１】 半導体基板と格子整合した禁制帯幅Ｅｇ
１を有する低濃度光吸収層と、前記Ｅｇ１以上の禁制帯
幅を有する低濃度増倍層と、前記光吸収層と前記増倍層
の間に前記Ｅｇ１以上の禁制帯幅を有する高濃度電界緩
和層とを持つことにより光吸収領域と増倍領域を分離独
立した構成を有し、前記増倍層は、禁制帯幅が最小禁制
帯幅Ｅｇ２から最大禁制帯幅Ｅｇ３へ連続的に変化し、
さらに最大禁制帯幅Ｅｇ３から最小禁制帯幅Ｅｇ２へ連
続的に変化することを１周期として、多周期化した半導
体層より構成されたことを特徴とする組成変調アバラン
シ・フォトダイオード。 - 【請求項２】 請求項１記載のアバランシ・フォトダイ
オードにおいて、組成変調した増倍層の最大禁制帯幅Ｅ
ｇ３の付近の領域に転位の導入には至らない程度の引っ
張り歪を導入したことを特徴とする組成変調アバランシ
・フォトダイオード。 - 【請求項３】 請求項１記載のアバランシ・フォトダイ
オードにおいて、組成変調した増倍層の最大禁制帯幅Ｅ
ｇ３の付近の領域を、その周辺領域と較べて高濃度不純
物領域としたことを特徴とする組成変調アバランシ・フ
ォトダイオード。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5136361A JP2699807B2 (ja) | 1993-06-08 | 1993-06-08 | 組成変調アバランシ・フォトダイオード |
| EP94108818A EP0629005A3 (en) | 1993-06-08 | 1994-06-08 | Avalanche photodiode with an improved multiplication layer. |
| US08/257,024 US5457327A (en) | 1993-06-08 | 1994-06-08 | Avalanche photodiode with an improved multiplication layer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5136361A JP2699807B2 (ja) | 1993-06-08 | 1993-06-08 | 組成変調アバランシ・フォトダイオード |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06350123A JPH06350123A (ja) | 1994-12-22 |
| JP2699807B2 true JP2699807B2 (ja) | 1998-01-19 |
Family
ID=15173379
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5136361A Expired - Lifetime JP2699807B2 (ja) | 1993-06-08 | 1993-06-08 | 組成変調アバランシ・フォトダイオード |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5457327A (ja) |
| EP (1) | EP0629005A3 (ja) |
| JP (1) | JP2699807B2 (ja) |
Families Citing this family (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3018976B2 (ja) * | 1995-12-28 | 2000-03-13 | 富士ゼロックス株式会社 | 半導体受光素子 |
| US5831322A (en) * | 1997-06-25 | 1998-11-03 | Advanced Photonix, Inc. | Active large area avalanche photodiode array |
| US5757057A (en) * | 1997-06-25 | 1998-05-26 | Advanced Photonix, Inc. | Large area avalanche photodiode array |
| US7045833B2 (en) * | 2000-09-29 | 2006-05-16 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Avalanche photodiodes with an impact-ionization-engineered multiplication region |
| KR100375829B1 (ko) | 2000-12-19 | 2003-03-15 | 한국전자통신연구원 | 아발란치 광 검출기 |
| 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 |
| US7202102B2 (en) * | 2001-11-27 | 2007-04-10 | Jds Uniphase Corporation | Doped absorption for enhanced responsivity for high speed photodiodes |
| US20030111675A1 (en) * | 2001-11-27 | 2003-06-19 | Jds Uniphase Corporation | Doped absorption for enhanced responsivity for high speed photodiodes |
| CN1633699A (zh) * | 2002-02-01 | 2005-06-29 | 派克米瑞斯公司 | 电荷控制雪崩光电二极管及其制造方法 |
| JP4184162B2 (ja) * | 2002-10-30 | 2008-11-19 | 富士通株式会社 | 半導体受光装置 |
| JP4755854B2 (ja) * | 2005-06-02 | 2011-08-24 | 富士通株式会社 | 半導体受光装置及びその製造方法 |
| CA2669678C (en) * | 2008-06-23 | 2016-01-12 | Sunnybrook Health Sciences Centre | Photodetector/imaging device with avalanche gain |
| JP2011171367A (ja) * | 2010-02-16 | 2011-09-01 | Nec Corp | 半導体受光素子および半導体受光装置 |
| CN101964366A (zh) * | 2010-08-11 | 2011-02-02 | 友达光电股份有限公司 | 光电转换元件 |
| KR101428147B1 (ko) * | 2011-12-18 | 2014-08-08 | 엘지이노텍 주식회사 | 태양광 발전장치 및 이의 제조방법 |
| JP2015520950A (ja) * | 2012-05-17 | 2015-07-23 | ピコメトリクス、エルエルシー | 平面のアバランシェ・フォトダイオード |
| WO2016081476A1 (en) | 2014-11-18 | 2016-05-26 | Shih-Yuan Wang | Microstructure enhanced absorption photosensitive devices |
| US10700225B2 (en) | 2013-05-22 | 2020-06-30 | W&Wsens Devices, Inc. | Microstructure enhanced absorption photosensitive devices |
| WO2014190189A2 (en) * | 2013-05-22 | 2014-11-27 | Shih-Yuan Wang | Microstructure enhanced absorption photosensitive devices |
| US11121271B2 (en) | 2013-05-22 | 2021-09-14 | W&WSens, Devices, Inc. | Microstructure enhanced absorption photosensitive devices |
| US10446700B2 (en) | 2013-05-22 | 2019-10-15 | W&Wsens Devices, Inc. | Microstructure enhanced absorption photosensitive devices |
| US10468543B2 (en) | 2013-05-22 | 2019-11-05 | W&Wsens Devices, Inc. | Microstructure enhanced absorption photosensitive devices |
| CN105637657B (zh) * | 2013-08-28 | 2017-12-15 | 华为技术有限公司 | 雪崩光电二极管 |
| US9748430B2 (en) | 2015-06-18 | 2017-08-29 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Staircase avalanche photodiode with a staircase multiplication region composed of an AIInAsSb alloy |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4476477A (en) * | 1982-02-23 | 1984-10-09 | At&T Bell Laboratories | Graded bandgap multilayer avalanche photodetector with energy step backs |
| JPH02246381A (ja) * | 1989-03-20 | 1990-10-02 | Fujitsu Ltd | 超格子アバランシェホトダイオード |
| JPH0389566A (ja) * | 1989-08-31 | 1991-04-15 | Nec Corp | 超格子アバランシェ・フォトダイオード |
| JPH03116789A (ja) * | 1989-09-28 | 1991-05-17 | Nec Corp | 超格子アバランシェフォトダイオード |
| JPH03238879A (ja) * | 1990-02-16 | 1991-10-24 | Hitachi Ltd | 半導体受光装置 |
| JPH03291978A (ja) * | 1990-04-09 | 1991-12-24 | Nec Corp | アバランシェフォトダイオード |
| JP2978572B2 (ja) * | 1991-02-19 | 1999-11-15 | 日本電気株式会社 | 半導体受光素子 |
| JPH0567804A (ja) * | 1991-09-05 | 1993-03-19 | Hitachi Ltd | 受光素子 |
-
1993
- 1993-06-08 JP JP5136361A patent/JP2699807B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1994
- 1994-06-08 EP EP94108818A patent/EP0629005A3/en not_active Withdrawn
- 1994-06-08 US US08/257,024 patent/US5457327A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0629005A3 (en) | 1995-08-30 |
| US5457327A (en) | 1995-10-10 |
| EP0629005A2 (en) | 1994-12-14 |
| JPH06350123A (ja) | 1994-12-22 |
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