JP2730297B2 - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信や光情報処理、
光計測等で用いられる半導体受光素子に関し、特に、低
雑音及び高速応答に優れたアバランシェ増倍型半導体受
光素子に関するものである。
光計測等で用いられる半導体受光素子に関し、特に、低
雑音及び高速応答に優れたアバランシェ増倍型半導体受
光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、１〜１. ６μｍ帯の光通信用半導
体受光素子として、ＩｎＰ基板上に格子整合したＩｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓ層（以下ＩｎＧａＡｓ層と略す）を光
吸収層とするＰＩＮ型半導体受光素子（エレクトロニク
ス・レタ−ズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）１９８４年，２０巻，ｐｐ６５３−６５４に記
載）、アバランシェ増倍型半導体受光素子（アイ イ−
イ−イ−・エレクトロンデバイス・レタ−ズ（ＩＥＥ
Ｅ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｄｅｖｉｃｅ．Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）１９８６年，７巻，ｐｐ２５７−２５８に記載）が
知られている。特に、後者は、アバランシェ増倍作用に
よる内部利得効果及び高速応答を有する点で、長距離通
信用として実用化されている。
体受光素子として、ＩｎＰ基板上に格子整合したＩｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓ層（以下ＩｎＧａＡｓ層と略す）を光
吸収層とするＰＩＮ型半導体受光素子（エレクトロニク
ス・レタ−ズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）１９８４年，２０巻，ｐｐ６５３−６５４に記
載）、アバランシェ増倍型半導体受光素子（アイ イ−
イ−イ−・エレクトロンデバイス・レタ−ズ（ＩＥＥ
Ｅ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｄｅｖｉｃｅ．Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）１９８６年，７巻，ｐｐ２５７−２５８に記載）が
知られている。特に、後者は、アバランシェ増倍作用に
よる内部利得効果及び高速応答を有する点で、長距離通
信用として実用化されている。
【０００３】図８に、典型的なＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤの
構造図（アバランシェ増倍型半導体受光素子は以下ＡＰ
Ｄと略す。）を示す。動作原理は、ＩｎＧａＡｓ光吸収
層３で発生した光キャリアの中で、正孔キャリアが電界
によりＩｎＰアバランシェ層４に注入される。ＩｎＰア
バランシェ層４は、高電界が印加されているのでイオン
化衝突が生じ、増倍特性に至る。この場合、素子特性上
重要な雑音・高速応答特性は、増倍過程でのキャリアの
ランダムなイオン化プロセスに支配されていることが知
られている。具体的には、増倍層であるＩｎＰ層の電子
と正孔のイオン化率に差がある程、イオン化率比が大き
くとれ（電子及び正孔のイオン化率をそれぞれα、βと
すると、α／β＞１の時には電子、β／α＞１の時には
正孔が、イオン化衝突を起こす主キャリアとなるべきで
ある。）、素子特性上望ましい。ところが、イオン化率
比（α／βまたはβ／α）は、材料物性的に決定されて
おり、ＩｎＰでは高々β／α＝２程度である。これは、
低雑音特性を有するＳｉのα／β＝２０と大きな違いが
あり、より低雑音及び高速応答特性を実現するために、
画期的な材料技術が要求されている。
構造図（アバランシェ増倍型半導体受光素子は以下ＡＰ
Ｄと略す。）を示す。動作原理は、ＩｎＧａＡｓ光吸収
層３で発生した光キャリアの中で、正孔キャリアが電界
によりＩｎＰアバランシェ層４に注入される。ＩｎＰア
バランシェ層４は、高電界が印加されているのでイオン
化衝突が生じ、増倍特性に至る。この場合、素子特性上
重要な雑音・高速応答特性は、増倍過程でのキャリアの
ランダムなイオン化プロセスに支配されていることが知
られている。具体的には、増倍層であるＩｎＰ層の電子
と正孔のイオン化率に差がある程、イオン化率比が大き
くとれ（電子及び正孔のイオン化率をそれぞれα、βと
すると、α／β＞１の時には電子、β／α＞１の時には
正孔が、イオン化衝突を起こす主キャリアとなるべきで
ある。）、素子特性上望ましい。ところが、イオン化率
比（α／βまたはβ／α）は、材料物性的に決定されて
おり、ＩｎＰでは高々β／α＝２程度である。これは、
低雑音特性を有するＳｉのα／β＝２０と大きな違いが
あり、より低雑音及び高速応答特性を実現するために、
画期的な材料技術が要求されている。
【０００４】これに対し、カパッソ（Ｆ．Ｃａｐａｓｓ
ｏ）らは、伝導帯のバンド不連続エネルギー（ΔＥｃ）
を電子のイオン化促進に利用し、イオン化率比α／βの
増大による高感度・高帯域を目的とした超格子APD を提
案している。その例は、アプライド・フィジックス・レ
タ−ズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．），１９８２
年，４０巻，ｐ３８に記載されている。
ｏ）らは、伝導帯のバンド不連続エネルギー（ΔＥｃ）
を電子のイオン化促進に利用し、イオン化率比α／βの
増大による高感度・高帯域を目的とした超格子APD を提
案している。その例は、アプライド・フィジックス・レ
タ−ズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．），１９８２
年，４０巻，ｐ３８に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術の欄で述べ
たように、超格子ＡＰＤでは、伝導帯のバンド不連続エ
ネルギー（ΔＥｃ）の値が、イオン化率比の改善に大き
く寄与する。しかしながら、このΔＥｃは、ヘテロ周期
構造に用いる半導体材料に依って一義的に決ってしま
う。
たように、超格子ＡＰＤでは、伝導帯のバンド不連続エ
ネルギー（ΔＥｃ）の値が、イオン化率比の改善に大き
く寄与する。しかしながら、このΔＥｃは、ヘテロ周期
構造に用いる半導体材料に依って一義的に決ってしま
う。
【０００６】また、超格子ＡＰＤにおいては、価電子帯
のバンド不連続エネルギー（ΔＥv ）においてホールが
パイルアップされ、帯域が抑圧されるという弊害もあ
る。これを防ぐために、該ヘテロ周期構造をＩｎＡｌＡ
ｓ／ＩｎＧａＡｓＰあるいは、ＡｌＧａＡｓＳｂ／Ａｌ
ＧａＩｎＡｓ等で形成し、ΔＥv を０にすることができ
るが、反面ΔＥc が減少しイオン化率比が低下してしま
う。
のバンド不連続エネルギー（ΔＥv ）においてホールが
パイルアップされ、帯域が抑圧されるという弊害もあ
る。これを防ぐために、該ヘテロ周期構造をＩｎＡｌＡ
ｓ／ＩｎＧａＡｓＰあるいは、ＡｌＧａＡｓＳｂ／Ａｌ
ＧａＩｎＡｓ等で形成し、ΔＥv を０にすることができ
るが、反面ΔＥc が減少しイオン化率比が低下してしま
う。
【０００７】本発明の目的は、上述の課題を解決し、低
雑音かつ高速応答を有するアバランシェ増倍型半導体受
光素子を提供することにある。
雑音かつ高速応答を有するアバランシェ増倍型半導体受
光素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の受光素子は、半
導体基板上に、光吸収層、ヘテロ周期構造アバランシェ
増倍半導体層を備える半導体受光素子において、該ヘテ
ロ周期構造アバランシェ増倍層を構成する第１の半導体
層のＩＩＩ族原子の平均イオン化エネルギーをＥA 、禁
制帯幅をＥgA、また第２の半導体層のＩＩＩ族原子の平
均イオン化エネルギーをＥB 、禁制帯幅をＥgBとした場
合、 ＥA ＜ＥB および ＥA ＋ＥgA＞ＥB ＋ＥgB が成立ち、且つ、前記第１の半導体層が異なる２つの半
導体層からなる多重量子障壁を有することを特徴とす
る。
導体基板上に、光吸収層、ヘテロ周期構造アバランシェ
増倍半導体層を備える半導体受光素子において、該ヘテ
ロ周期構造アバランシェ増倍層を構成する第１の半導体
層のＩＩＩ族原子の平均イオン化エネルギーをＥA 、禁
制帯幅をＥgA、また第２の半導体層のＩＩＩ族原子の平
均イオン化エネルギーをＥB 、禁制帯幅をＥgBとした場
合、 ＥA ＜ＥB および ＥA ＋ＥgA＞ＥB ＋ＥgB が成立ち、且つ、前記第１の半導体層が異なる２つの半
導体層からなる多重量子障壁を有することを特徴とす
る。
【０００９】また本発明の受光素子は、請求項１の受光
素子に於て、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層の第
１の半導体層がＩｎＡｌＡｓ、第２の半導体層がＩｎＧ
ａＡｓＰで形成され、且つ、両者の価電子帯のエネルギ
ー差が０に近いことを特徴とする。
素子に於て、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層の第
１の半導体層がＩｎＡｌＡｓ、第２の半導体層がＩｎＧ
ａＡｓＰで形成され、且つ、両者の価電子帯のエネルギ
ー差が０に近いことを特徴とする。
【００１０】あるいは本発明の受光素子は、半導体基板
上に、光吸収層、ヘテロ周期構造アバランシェ増倍半導
体層を備える半導体受光素子において、該ヘテロ周期構
造アバランシェ増倍層を構成する第１の半導体層のＩＩ
Ｉ族原子の平均イオン化エネルギーをＥC 、禁制帯幅を
ＥgC、また第２の半導体層のＩＩＩ族原子の平均イオン
化エネルギーをＥD 、禁制帯幅をＥgDとした場合、 ＥC ＜ＥD および ＥC ＋ＥgC＜ＥD ＋ＥgD が成立ち、且つ、前記第１の半導体層が異なる２つの半
導体層からなる多重量子障壁を有することを特徴とす
る。
上に、光吸収層、ヘテロ周期構造アバランシェ増倍半導
体層を備える半導体受光素子において、該ヘテロ周期構
造アバランシェ増倍層を構成する第１の半導体層のＩＩ
Ｉ族原子の平均イオン化エネルギーをＥC 、禁制帯幅を
ＥgC、また第２の半導体層のＩＩＩ族原子の平均イオン
化エネルギーをＥD 、禁制帯幅をＥgDとした場合、 ＥC ＜ＥD および ＥC ＋ＥgC＜ＥD ＋ＥgD が成立ち、且つ、前記第１の半導体層が異なる２つの半
導体層からなる多重量子障壁を有することを特徴とす
る。
【００１１】また本発明の受光素子は、請求項３の受光
素子に於て、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層の第
１の半導体層がＡｌＧａＡｓＳｂ、第２の半導体層がＡ
ｌＧａＩｎＡｓで形成され、且つ、両者の価電子帯のエ
ネルギー差が０に近いことを特徴とする。
素子に於て、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層の第
１の半導体層がＡｌＧａＡｓＳｂ、第２の半導体層がＡ
ｌＧａＩｎＡｓで形成され、且つ、両者の価電子帯のエ
ネルギー差が０に近いことを特徴とする。
【００１２】
【作用】図１は、本発明の第１の受光素子のバンド構造
である。アバランシェ増倍層はヘテロ周期構造からな
り、上述のバンド構造を満たす具体例として、一例とし
て、第１の半導体層にＩｎx Ａｌ1-x Ａｓ（０≦ｘ
≦）、第２の半導体層にＩｎy Ｇａ1-y Ａｓ（０≦ｙ≦
１）を用いている。該ヘテロ周期構造の障壁層である第
１の半導体層（ＩｎＡｌＡｓ）は、異なる二つの半導体
層からなる多重量子障壁を備えている。
である。アバランシェ増倍層はヘテロ周期構造からな
り、上述のバンド構造を満たす具体例として、一例とし
て、第１の半導体層にＩｎx Ａｌ1-x Ａｓ（０≦ｘ
≦）、第２の半導体層にＩｎy Ｇａ1-y Ａｓ（０≦ｙ≦
１）を用いている。該ヘテロ周期構造の障壁層である第
１の半導体層（ＩｎＡｌＡｓ）は、異なる二つの半導体
層からなる多重量子障壁を備えている。
【００１３】図３には、その多重量子障壁およびバルク
界面における電子反射率の計算例を示す。多重量子障壁
に入射した電子は、干渉効果により多重量子障壁を構成
する半導体のヘテロ障壁以上のエネルギーを有している
場合にも、有限の反射率を感じる。つまり、実効的なヘ
テロ障壁の増大を図ることができる。図３は、ＩｎＡｌ
Ａｓ／ＩｎＧａＡｓの多重量子障壁の計算例の一例であ
る。この図３から、電子の反射率は、古典障壁の１．７
倍まで増大することが分かる。
界面における電子反射率の計算例を示す。多重量子障壁
に入射した電子は、干渉効果により多重量子障壁を構成
する半導体のヘテロ障壁以上のエネルギーを有している
場合にも、有限の反射率を感じる。つまり、実効的なヘ
テロ障壁の増大を図ることができる。図３は、ＩｎＡｌ
Ａｓ／ＩｎＧａＡｓの多重量子障壁の計算例の一例であ
る。この図３から、電子の反射率は、古典障壁の１．７
倍まで増大することが分かる。
【００１４】動作原理は、図１において、まずＩｎＧａ
Ａｓ光吸収層で発生した光キャリアの中で、電子キャリ
アのみが逆電界によりヘテロ構造アバランシェ増倍層に
注入される。このとき、通常の超格子ＡＰＤの場合、注
入された電子は、該ヘテロ周期構造の伝導帯の不連続エ
ネルギー（ΔＥｃ）を感じて、イオン化が促進される。
しかしながら、本発明による多重量子障壁を備えた障壁
層を有するアバランシェ増倍層においては、上述したよ
うに実効的なヘテロ障壁の増大が得られるので、更に大
きなエネルギー差を感じて、イオン化率の促進が図れ
る。しかも、価電子帯を走行する正孔は、その質量が電
子に比べ大きいので、該多重量子障壁を感じず、即ち一
方的な電子の増倍を促進することができる。これより、
図８の従来例のＡＰＤより、高感度低雑音特性を有する
ＡＰＤを得ることができる。
Ａｓ光吸収層で発生した光キャリアの中で、電子キャリ
アのみが逆電界によりヘテロ構造アバランシェ増倍層に
注入される。このとき、通常の超格子ＡＰＤの場合、注
入された電子は、該ヘテロ周期構造の伝導帯の不連続エ
ネルギー（ΔＥｃ）を感じて、イオン化が促進される。
しかしながら、本発明による多重量子障壁を備えた障壁
層を有するアバランシェ増倍層においては、上述したよ
うに実効的なヘテロ障壁の増大が得られるので、更に大
きなエネルギー差を感じて、イオン化率の促進が図れ
る。しかも、価電子帯を走行する正孔は、その質量が電
子に比べ大きいので、該多重量子障壁を感じず、即ち一
方的な電子の増倍を促進することができる。これより、
図８の従来例のＡＰＤより、高感度低雑音特性を有する
ＡＰＤを得ることができる。
【００１５】図２は、本発明の請求項３の受光素子のバ
ンド構造である。アバランシェ増倍層はヘテロ周期構造
からなり、上述のバンド構造を満たす具体例として、一
例として、第１の半導体層にＡｌx Ｇａ1-x Ａｓy Ｓｂ
1-y （０≦ｘ≦１）（０≦ｙ≦１）、第２の半導体層に
Ｉｎz Ｇａ1-z Ａｓ（０≦ｚ≦１）を用いている。該ヘ
テロ周期構造の障壁層である第１の半導体層（ＡｌＧａ
ＡｓＳｂ）は、異なる二つの半導体層からなる多重量子
障壁を備えている。
ンド構造である。アバランシェ増倍層はヘテロ周期構造
からなり、上述のバンド構造を満たす具体例として、一
例として、第１の半導体層にＡｌx Ｇａ1-x Ａｓy Ｓｂ
1-y （０≦ｘ≦１）（０≦ｙ≦１）、第２の半導体層に
Ｉｎz Ｇａ1-z Ａｓ（０≦ｚ≦１）を用いている。該ヘ
テロ周期構造の障壁層である第１の半導体層（ＡｌＧａ
ＡｓＳｂ）は、異なる二つの半導体層からなる多重量子
障壁を備えている。
【００１６】図４には、該多重量子障壁およびバルク界
面における電子反射率の計算例を示す。多重量子障壁に
入射した電子は、多重量子障壁を構成する半導体のヘテ
ロ障壁以上のエネルギーを有している場合にも、有限の
反射率を感じる。つまり、実効的なヘテロ障壁の増大を
図ることができる。図４は、ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧ
ａＡｓの多重ヘテロ障壁の計算例の一例である。この図
４から、電子の反射率は、古典障壁の１．６倍まで増大
することが分かる。
面における電子反射率の計算例を示す。多重量子障壁に
入射した電子は、多重量子障壁を構成する半導体のヘテ
ロ障壁以上のエネルギーを有している場合にも、有限の
反射率を感じる。つまり、実効的なヘテロ障壁の増大を
図ることができる。図４は、ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧ
ａＡｓの多重ヘテロ障壁の計算例の一例である。この図
４から、電子の反射率は、古典障壁の１．６倍まで増大
することが分かる。
【００１７】動作原理は、まずＩｎＧａＡｓ光吸収層で
発生した光キャリアの中で、電子キャリアのみが逆電界
によりヘテロ構造アバランシェ増倍層に注入される。こ
のとき、通常の超格子ＡＰＤの場合、注入された電子
は、該ヘテロ周期構造の伝導帯の不連続エネルギー（Δ
Ｅｃ）を感じて、イオン化が促進される。しかしなが
ら、本発明による多重ヘテロ障壁を備えた障壁層を有す
るアバランシェ増倍層においては、上述したように実効
的なヘテロ障壁の増大が得られるので、更に大きなエネ
ルギー差を感じて、イオン化率の促進が図れる。しか
も、価電子帯を走行する正孔は、その質量が電子に比べ
大きいので、該多重量子障壁を感じず、即ち一方的な電
子の増倍を促進することができる。これより、図８の従
来例のＡＰＤより、高感度低雑音特性を有するＡＰＤを
得ることができる。
発生した光キャリアの中で、電子キャリアのみが逆電界
によりヘテロ構造アバランシェ増倍層に注入される。こ
のとき、通常の超格子ＡＰＤの場合、注入された電子
は、該ヘテロ周期構造の伝導帯の不連続エネルギー（Δ
Ｅｃ）を感じて、イオン化が促進される。しかしなが
ら、本発明による多重ヘテロ障壁を備えた障壁層を有す
るアバランシェ増倍層においては、上述したように実効
的なヘテロ障壁の増大が得られるので、更に大きなエネ
ルギー差を感じて、イオン化率の促進が図れる。しか
も、価電子帯を走行する正孔は、その質量が電子に比べ
大きいので、該多重量子障壁を感じず、即ち一方的な電
子の増倍を促進することができる。これより、図８の従
来例のＡＰＤより、高感度低雑音特性を有するＡＰＤを
得ることができる。
【００１８】
【実施例】本発明の第１の実施例について、図面を用い
て詳細に説明する。図５（ａ）は、請求項１の本発明の
一実施例のアバランシェ増倍型受光素子の断面図であ
る。構造としては、ｐ型ＩｎＰ基板１２上に、ｐ型Ｉｎ
Ｐバッファ層１３を０. ５μｍ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸
収層１４を１. ５μｍ、ＩｎＡｌＡｓ５００Ａ（オング
ストローム）／ＩｎＧａＡｓ２５０Ａの１６周期ヘテロ
周期構造アバランシェ増倍層１５を１．０μｍ積層す
る。ここで、該アバランシェ増倍層の障壁層であるＩｎ
ＡｌＡｓ層は、多重量子障壁層を含んでいる。該アバラ
ンシェ増倍層の障壁層の構造は、電子透過防止層２０、
多重量子障壁層２１およびＩｎＡｌＡｓ障壁層２２から
なり、この部分の構造のバンド図を図５（ｂ）に示す。
電子透過防止層は、１００ＡのＩｎＡｌＡｓ層、多重量
子障壁層はＩｎＡｌＡｓ３０Ａ／ＩｎＧａＡｓ２０Ａの
５層およびＩｎＡｌＡｓ障壁層は１５０ＡのＩｎＡｌＡ
ｓ層からなる。その後、ｐ型ＩｎＰキャップ層１６を
０. ５μｍ順次積層する。
て詳細に説明する。図５（ａ）は、請求項１の本発明の
一実施例のアバランシェ増倍型受光素子の断面図であ
る。構造としては、ｐ型ＩｎＰ基板１２上に、ｐ型Ｉｎ
Ｐバッファ層１３を０. ５μｍ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸
収層１４を１. ５μｍ、ＩｎＡｌＡｓ５００Ａ（オング
ストローム）／ＩｎＧａＡｓ２５０Ａの１６周期ヘテロ
周期構造アバランシェ増倍層１５を１．０μｍ積層す
る。ここで、該アバランシェ増倍層の障壁層であるＩｎ
ＡｌＡｓ層は、多重量子障壁層を含んでいる。該アバラ
ンシェ増倍層の障壁層の構造は、電子透過防止層２０、
多重量子障壁層２１およびＩｎＡｌＡｓ障壁層２２から
なり、この部分の構造のバンド図を図５（ｂ）に示す。
電子透過防止層は、１００ＡのＩｎＡｌＡｓ層、多重量
子障壁層はＩｎＡｌＡｓ３０Ａ／ＩｎＧａＡｓ２０Ａの
５層およびＩｎＡｌＡｓ障壁層は１５０ＡのＩｎＡｌＡ
ｓ層からなる。その後、ｐ型ＩｎＰキャップ層１６を
０. ５μｍ順次積層する。
【００１９】その後、ｎ- 型ガードリング領域１７形成
のため、１００ｋＶの加速電圧でＳｉを１×１０13ｃｍ
-2、３０００Ａの深さまでイオン注入し、５×１０16ｃ
ｍ-3の濃度領域を得る。同様に、ｎ+ 受光領域１８形成
のため、２００ｋＶの加速電圧でＳｉを１×１０14ｃｍ
-2、０. ５μｍの深さまでイオン注入し、１×１０18ｃ
ｍ-3の濃度領域を得る。更に、パッシベーション膜８を
１５００Ａ形成し、ｎ側電極９として、ＡｕＧｅ／Ｎｉ
を１５００Ａ、ＴｉＰｔＡｕを５００Ａ堆積する。ま
た、ｐ側電極１０として、ＡｕＺｎを１５００Ａ堆積す
ることにより、図５（ａ）の素子構造を完成する。
のため、１００ｋＶの加速電圧でＳｉを１×１０13ｃｍ
-2、３０００Ａの深さまでイオン注入し、５×１０16ｃ
ｍ-3の濃度領域を得る。同様に、ｎ+ 受光領域１８形成
のため、２００ｋＶの加速電圧でＳｉを１×１０14ｃｍ
-2、０. ５μｍの深さまでイオン注入し、１×１０18ｃ
ｍ-3の濃度領域を得る。更に、パッシベーション膜８を
１５００Ａ形成し、ｎ側電極９として、ＡｕＧｅ／Ｎｉ
を１５００Ａ、ＴｉＰｔＡｕを５００Ａ堆積する。ま
た、ｐ側電極１０として、ＡｕＺｎを１５００Ａ堆積す
ることにより、図５（ａ）の素子構造を完成する。
【００２０】上述した素子構造のもとで、作用に述べた
原理により、電子のイオン化が誇張され、実効イオン化
率比（α／β比）１００、また量子効率８０％の低雑
音、高速応答特性を有するアバランシェ増倍型半導体受
光素子を実現した。本発明による素子構造は、具体的に
は、ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ、ガスソースＭＢＥ等の成長技
術により、作製することができる。
原理により、電子のイオン化が誇張され、実効イオン化
率比（α／β比）１００、また量子効率８０％の低雑
音、高速応答特性を有するアバランシェ増倍型半導体受
光素子を実現した。本発明による素子構造は、具体的に
は、ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ、ガスソースＭＢＥ等の成長技
術により、作製することができる。
【００２１】次に、本発明の第２の実施例について、図
面を用いて詳細に説明する。図６（ａ）は、請求項３の
本発明の一実施例のアバランシェ増倍型受光素子の断面
図である。構造としては、ｐ型ＩｎＰ基板１２上に、ｐ
型ＩｎＰバッファ層１３を０. ５μｍ、ｐ型ＩｎＧａＡ
ｓ光吸収層１４を１. ５μｍ、ＡｌＧａＡｓＳｂ５００
Ａ／ＩｎＧａＡｓ２５０Ａの１６周期ヘテロ周期構造ア
バランシェ増倍層２３を１．０μｍ積層する。ここで、
このアバランシェ増倍層の障壁層であるＡｌＧａＡｓＳ
ｂ層は、多重量子障壁層を含んでいる。このアバランシ
ェ増倍層の障壁層の構造は、電子透過防止層２４、多重
量子障壁層２５およびＩｎＡｌＡｓ障壁層２６からな
り、この構造のバンド図を図６（ｂ）に示す。電子透過
防止層は、１００ＡのＡｌＧａＡｓＳｂ層、多重量子障
壁層はＡｌＧａＡｓＳｂ３０Ａ／ＩｎＧａＡｓ２０Ａの
５層およびＡｌＧａＡｓＳｂ障壁層は１５０ＡのＡｌＧ
ａＡｓＳｂ層からなる。その後、ｐ型ＩｎＰキャップ層
１６を０. ５μｍ順次積層する。
面を用いて詳細に説明する。図６（ａ）は、請求項３の
本発明の一実施例のアバランシェ増倍型受光素子の断面
図である。構造としては、ｐ型ＩｎＰ基板１２上に、ｐ
型ＩｎＰバッファ層１３を０. ５μｍ、ｐ型ＩｎＧａＡ
ｓ光吸収層１４を１. ５μｍ、ＡｌＧａＡｓＳｂ５００
Ａ／ＩｎＧａＡｓ２５０Ａの１６周期ヘテロ周期構造ア
バランシェ増倍層２３を１．０μｍ積層する。ここで、
このアバランシェ増倍層の障壁層であるＡｌＧａＡｓＳ
ｂ層は、多重量子障壁層を含んでいる。このアバランシ
ェ増倍層の障壁層の構造は、電子透過防止層２４、多重
量子障壁層２５およびＩｎＡｌＡｓ障壁層２６からな
り、この構造のバンド図を図６（ｂ）に示す。電子透過
防止層は、１００ＡのＡｌＧａＡｓＳｂ層、多重量子障
壁層はＡｌＧａＡｓＳｂ３０Ａ／ＩｎＧａＡｓ２０Ａの
５層およびＡｌＧａＡｓＳｂ障壁層は１５０ＡのＡｌＧ
ａＡｓＳｂ層からなる。その後、ｐ型ＩｎＰキャップ層
１６を０. ５μｍ順次積層する。
【００２２】その後、ｎ- 型ガードリング領域１７形成
のため、１００ｋＶの加速電圧でＳｉを１×１０13ｃｍ
-2、３０００Ａの深さまでイオン注入し、５×１０16ｃ
ｍ-3の濃度領域を得る。同様に、ｎ+ 受光 領域１８形
成のため、２００ｋＶの加速電圧でＳｉを１×１０14ｃ
ｍ-2、０. ５μｍの深さまでイオン注入し、１×１０18
ｃｍ-3の濃度領域を得る。 更に、パッシベーション膜
８を１５００Ａ形成し、ｎ側電極９として、ＡｕＧｅ／
Ｎｉを１５００Ａ、ＴｉＰｔＡｕを５００Ａ堆積する。
また、ｐ側電極１０として、ＡｕＺｎを１５００Ａ堆積
することにより、図６（ａ）の素子構造を完成する。
のため、１００ｋＶの加速電圧でＳｉを１×１０13ｃｍ
-2、３０００Ａの深さまでイオン注入し、５×１０16ｃ
ｍ-3の濃度領域を得る。同様に、ｎ+ 受光 領域１８形
成のため、２００ｋＶの加速電圧でＳｉを１×１０14ｃ
ｍ-2、０. ５μｍの深さまでイオン注入し、１×１０18
ｃｍ-3の濃度領域を得る。 更に、パッシベーション膜
８を１５００Ａ形成し、ｎ側電極９として、ＡｕＧｅ／
Ｎｉを１５００Ａ、ＴｉＰｔＡｕを５００Ａ堆積する。
また、ｐ側電極１０として、ＡｕＺｎを１５００Ａ堆積
することにより、図６（ａ）の素子構造を完成する。
【００２３】上述した素子構造のもとで、作用に述べた
原理により、電子のイオン化が誇張され、実効イオン化
率比（α／β比）９０、また量子効率８０％の低雑音・
高速応答特性を有するアバランシェ増倍型半導体受光素
子を実現した。本発明による素子構造は、具体的には、
ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ、ガスソースＭＢＥ等の成長技術に
より、作製することができる。
原理により、電子のイオン化が誇張され、実効イオン化
率比（α／β比）９０、また量子効率８０％の低雑音・
高速応答特性を有するアバランシェ増倍型半導体受光素
子を実現した。本発明による素子構造は、具体的には、
ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ、ガスソースＭＢＥ等の成長技術に
より、作製することができる。
【００２４】また、従来の超格子ＡＰＤの場合、価電子
帯エネルギー差にホールがパイルアップし、高速動作が
阻害されるという問題点があった。これを解決するに
は、価電子帯エネルギー差が０となる材料系を用いれば
良い。これが請求項２または４に記載した発明である。
帯エネルギー差にホールがパイルアップし、高速動作が
阻害されるという問題点があった。これを解決するに
は、価電子帯エネルギー差が０となる材料系を用いれば
良い。これが請求項２または４に記載した発明である。
【００２５】第３の実施例として図７を用いて説明す
る。図５を用いて説明した第１の実施例において、アバ
ランシェ増倍層１５の中の井戸層のＩｎＧａＡｓ２５０
Ａの代りにＩｎＧａＡｓＰ２００Ａを用いたもののバン
ド図が図７である。他の構造は同様でよい。この場合Ｅ
ｖは障壁層と井戸層の間でほぼなくなるのでホールのパ
イルアップがなく、第１の実施例より一層高速化した高
感度低雑音受光素子が得られた。
る。図５を用いて説明した第１の実施例において、アバ
ランシェ増倍層１５の中の井戸層のＩｎＧａＡｓ２５０
Ａの代りにＩｎＧａＡｓＰ２００Ａを用いたもののバン
ド図が図７である。他の構造は同様でよい。この場合Ｅ
ｖは障壁層と井戸層の間でほぼなくなるのでホールのパ
イルアップがなく、第１の実施例より一層高速化した高
感度低雑音受光素子が得られた。
【００２６】請求項４の実施例としては図６（ｂ）のＩ
ｎＧａＡｓ井戸層の代りにＡｌＧａＩｎＡｓ層を用いれ
ば同様に価電子帯のエネルギー差をなくすことができ、
第２の実施例に比べより一層高速化できた。
ｎＧａＡｓ井戸層の代りにＡｌＧａＩｎＡｓ層を用いれ
ば同様に価電子帯のエネルギー差をなくすことができ、
第２の実施例に比べより一層高速化できた。
【００２７】
【発明の効果】本発明による半導体受光素子は、ヘテロ
周期アバランシェ増倍層の障壁層が多重量子障壁層を含
むことにより、実効的な伝導帯エネルギー差を増加さ
せ、よりイオン化率比を大きくすることができる。これ
より、高感度低雑音特性を有する半導体受光素子を実現
できる。
周期アバランシェ増倍層の障壁層が多重量子障壁層を含
むことにより、実効的な伝導帯エネルギー差を増加さ
せ、よりイオン化率比を大きくすることができる。これ
より、高感度低雑音特性を有する半導体受光素子を実現
できる。
【図１】本発明による受光素子のバンド構造図である。
【図２】本発明による受光素子のバンド構造図である。
【図３】ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸の場
合の計算例を説明する図である。
合の計算例を説明する図である。
【図４】ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸
の場合の計算例を説明する図である。
の場合の計算例を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施例の受光素子を説明するた
めの図である。
めの図である。
【図６】本発明の第２の実施例の受光素子を説明するた
めの図である。
めの図である。
【図７】本発明の第３の実施例の受光素子を説明するた
めの図である。
めの図である。
【図８】従来例のＡＰＤの構造図である。
１ ｎ型ＩｎＰ基板 ２ ｎ型ＩｎＰバッファ層 ３ ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層 ４ ｎ型ＩｎＰ層（アバランシェ増倍層） ５ ｎ型ＩｎＰキャップ層 ６ ｐ型受光領域 ７ ｐ型ガードリング領域 ８ パッシベーション膜 ９ ｎ側オーミック電極 １０ ｐ側オーミック電極 １１ 入射光 １２ ｐ型ＩｎＰ基板 １３ ｐ型ＩｎＰバッファ層 １４ ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層 １５ ｐ型多重量子障壁を含むＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａ
Ａｓヘテロ周期構造アバランシェ増倍層 １６ ｐ型ＩｎＰキャップ層 １７ ｎ型ガードリング層 １８ ｎ型受光領域 １９ パッシベーション膜 ２０ ＩｎＡｌＡｓ電子透過防止層 ２１ ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子障壁層 ２２ ＩｎＡｌＡｓ障壁層 ２３ ｐ型多重量子障壁を含むＡｌＧａＡｓＳｂ／Ｉｎ
ＧａＡｓヘテロ周期構造アバランシェ増倍層 ２４ ＡｌＧａＡｓＳｂ電子透過防止層 ２５ ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ多重量子障壁層 ２６ ＡｌＧａＡｓＳｂ障壁層
Ａｓヘテロ周期構造アバランシェ増倍層 １６ ｐ型ＩｎＰキャップ層 １７ ｎ型ガードリング層 １８ ｎ型受光領域 １９ パッシベーション膜 ２０ ＩｎＡｌＡｓ電子透過防止層 ２１ ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子障壁層 ２２ ＩｎＡｌＡｓ障壁層 ２３ ｐ型多重量子障壁を含むＡｌＧａＡｓＳｂ／Ｉｎ
ＧａＡｓヘテロ周期構造アバランシェ増倍層 ２４ ＡｌＧａＡｓＳｂ電子透過防止層 ２５ ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ多重量子障壁層 ２６ ＡｌＧａＡｓＳｂ障壁層
Claims (4)
- 【請求項１】 半導体基板上に、光吸収層、ヘテロ周期
構造アバランシェ増倍半導体層を備える半導体受光素子
において、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層を構成
する第１の半導体層のＩＩＩ族原子の平均イオン化エネ
ルギーをＥA、禁制帯幅をＥgA、また第２の半導体層の
ＩＩＩ族原子の平均イオン化エネルギーをＥB 、禁制帯
幅をＥgBとした場合、 ＥA ＜ＥB および ＥA ＋ＥgA＞ＥB ＋ＥgB が成り立ち、且つ、前記第１の半導体層が異なる２つの
半導体層からなる多重量子障壁を有することを特徴とす
る半導体受光素子。 - 【請求項２】 半導体基板上に光吸収層、ヘテロ周期構
造アバランシェ増倍半導体層を備える半導体受光素子に
おいて、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層の第１の
半導体層がＩｎＡｌＡｓ、第２の半導体層がＩｎＧａＡ
ｓＰで形成され、且つ、その両方の価電子帯のエネルギ
ー差が０に近いことを特徴とする請求項１記載の半導体
受光素子。 - 【請求項３】 半導体基板上に、光吸収層、ヘテロ周期
構造アバランシェ増倍半導体層を備える半導体受光素子
において、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層を構成
する第１の半導体層のＩＩＩ族原子の平均イオン化エネ
ルギーをＥC、禁制帯幅をＥgC、また第２の半導体層の
ＩＩＩ族原子の平均イオン化エネルギーをＥD 、禁制帯
幅をＥgDとした場合、 ＥC ＜ＥD および ＥC ＋ＥgC＜ＥD ＋ＥgD が成り立ち、且つ、前記第１の半導体層が異なる２つの
半導体層からなる多重量子障壁を有することを特徴とす
る半導体受光素子。 - 【請求項４】 半導体基板上に光吸収層、ヘテロ周期構
造アバランシェ増倍半導体層を備える半導体受光素子に
おいて、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層の第１の
半導体層がＡｌＧａＡｓＳｂ、第２の半導体層がＡｌＧ
ａＩｎＡｓで形成され、且つ、その両方の価電子帯のエ
ネルギー差が０に近いことを特徴とする請求項３記載の
半導体受光素子。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3008179A JP2730297B2 (ja) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | 半導体受光素子 |
| JP11360891U JPH04117800U (ja) | 1991-01-28 | 1991-12-28 | 装飾硝子積層体 |
| US07/826,494 US5204539A (en) | 1991-01-28 | 1992-01-27 | Avalanche photodiode with hetero-periodical structure |
| EP92101356A EP0497279B1 (en) | 1991-01-28 | 1992-01-28 | Avalanche photodiode |
| DE69218474T DE69218474T2 (de) | 1991-01-28 | 1992-01-28 | Lawinenfotodiode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3008179A JP2730297B2 (ja) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04252081A JPH04252081A (ja) | 1992-09-08 |
| JP2730297B2 true JP2730297B2 (ja) | 1998-03-25 |
Family
ID=11686088
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3008179A Expired - Fee Related JP2730297B2 (ja) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2730297B2 (ja) |
-
1991
- 1991-01-28 JP JP3008179A patent/JP2730297B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04252081A (ja) | 1992-09-08 |
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