JP2747299B2 - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JP2747299B2 JP63240993A JP24099388A JP2747299B2 JP 2747299 B2 JP2747299 B2 JP 2747299B2 JP 63240993 A JP63240993 A JP 63240993A JP 24099388 A JP24099388 A JP 24099388A JP 2747299 B2 JP2747299 B2 JP 2747299B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は長波長光通信用の受光素子に係り、特に高速
・高感度なアバランシユホトダイオード(APD)あるい
は、超高速PINホトダイオードの素子構造に関する。
〔従来の技術〕
従来の長波長APDはInGaAsを光吸収層、InPを増倍層と
してSAM構造を基本としている。InGaAs層で発生したホ
トキヤリア(この場合、正孔)が高電界の印加されてい
るInP層に注入されることによりアバランシエ増倍が生
じる。
アバランシエ増倍はミクロにみるとホツトキヤリアの
衝突イオン化に起因している。衝突イオン化率は、通常
バンド構造に依存するため、InPバルクでは一義的に決
定される。
一方、超高速APDを実現するには、イオン化率比を大
きくする必要がある。InGaAsAPDではイオン化率比は2.0
〜2.5であり、10Gb/S以上の超高速光通常システムに適
用するにはかなり難しいと考えられている。
現在、InGaAs APDを凌ぐ超高速APDを実現するため
に、各所で様々な検討が行なわれている。基本的な目標
はイオン化率比を改善することであり、主として、超格
子を用いたAPDが検討されている。
InGaAs/InPの超格子を用いたAPDについては、マイ・
イー・イー・イー ジヤーナルオブクアンタム エレク
トロニクス キユーイー22(1986)第1986頁から1991頁
(IEEE J.Quntum,Electron QE−22(1987)pp1986〜199
1)において論じられている。
InGaAs/InP超格子においては、InGaAs層でキヤリア増
倍が生じること、正孔のイオン化率(β)と電子のイオ
ン化率(α)の比(イオン化率比)β/αとして、2が
得られている。
〔発明が解決しようとする課題〕
InGaAs/InP超格子APDのイオン化率比は、InPバルクで
のイオン化率比にほぼ等しく、超格子を用いることによ
つても改善されていない。
これは、InGaAsバルクでのイオン化率比αが約0.5で
あること、すなわち、電子のイオン化率の方が正孔のイ
オン化率よりも大きいことに起因している。
超格子APDではヘテロ界面における電子(ΔEc)と正
孔(ΔEv)のバンド不連続のエネルギーの差を利用して
イオン化率を人工的に変化させるものである。
InGaAs/InP超格子APDの場合、増倍層である、InGaAs
層ではβ<αにもかかわらず、バンド不連続エネルギー
はΔEv>ΔEcであることに問題点があつた。
本発明の目的は、超格子APDにおいて、正孔のイオン
化率を改善することにより、イオン化率比を改善するこ
とである。さらに、ホトキヤリアとしての正孔の飽和速
度を従来よりも速くすることも目的としている。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的はホトキヤリアである正孔が走行する、半導
体層に歪、特に圧縮応力をかけることにより達成され
る。さらに、超格子APDの場合、アバランシエ領域は超
格子の井戸層となる。超格子を歪超格子として、井戸層
に圧縮応力がかかるようにすることによつて上記目的は
達成される。
〔作用〕
一般、半導体に歪を加えた場合、バンド構造、特に価
電子帯のバンド構造が変化する。第1図(b)に示すよ
うに、圧縮応力を加えた場合、重い正孔と軽い正孔のエ
ネルギーが逆転する。したがつて、歪超格子の井戸層に
注入された正孔は、軽い正孔バンドを伝導する。
軽い正孔バンドの有効質量は重い正孔バンドの有効質
量に比べて1/4以下になるため、正孔が電界により加速
されやすくなり、正孔の衝突イオン化率が大きくなる。
また、正孔の飽和速度も、重い正孔バンドを伝導する場
合に比べて、大きくなる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。
第2図は本発明をInP系材料を用いたAPDに適用した場
合の一実施例を示している。
まず製造方法について説明する。
n型InP基板1上に分子線エピタキシー法または、有
機金属熱分解気相成長法により、n-−InP層2,n-−InGaA
s層3,n−InGaAsP層4,n−InP層5,InGaAs/InP歪超格子6,n
-−InP層7、を連続成長させる。
次に、p-−InP層9をBeのイオン注入法で、p−InP層
8をZnの熱拡散法でそれぞれ形成する。
次に、パツシベーシヨン膜SiO2/SiN10をプラズマCVD
法または熱CVD法を用いて形成した後、SiO2を選択的に
除去することにより、反射防止膜11を形成する。
次に、周知の真空蒸着技術を用いて、p型オーミツク
電極12及びn型オーミツク電極13を形成することによ
り、素子を完全する。
InGaAs/InPの歪超格子6は厚みが約250ÅのInGaAs井
戸層14と、InPバイア層15を10〜20層交互に積み重ねた
ものである。また、In1xGaxAsの組成は、INPと格子整
合する条件であるx=0.47よりもGaリツチに制御し、In
GaAs層に圧縮応力がかかるようにしてある。
次に素子の動作原理について説明する。
第1図に価電子帯及び伝導帯のエネルギーバンド図を
示す。(a)は格子整合している場合、(b)は圧縮応
力がかかつている場合である。圧縮応力がかかつた場
合、価電子帯のバンド構造が変化し、重い正孔バンドと
軽い正孔バンドのエネルギーが逆転し、基底状態が軽い
正孔バンドとなる。このような現象は、バルクであつて
も、超格子内の井戸層であつても同一である。
したがつて、InGaAs/InP歪超格子内のInGaAs井戸層14
では、圧縮応力がかかつているため、第1図(b)で示
したようなバンド構造になつていると考えられる。
InGaAs層3で主として形成されるホトキヤリアである
正孔がキヤリア増倍層6に注入された場合を考える。In
PとInGaAsでは禁止帯幅が異なるため、歪超格子内の増
倍領域はInGaAs井戸層14となる。InGaAs層14に注入され
た正孔は、軽い正孔バンドを伝達する。InGaAsの場合、
軽い正孔バンドの有効質量は重い正孔バンドに比べて1/
4以下であるため、電界により加速されやすくなつてい
る。したがつて、正孔の飽和速度及び衝突イオン化率が
ともに増大する。
さらに、InGaAs/InPの価電子帯の不連続エネルギー
は、伝導帯に比べて約2倍大きいため、InGaAs層をホト
キヤリアが走行するとき、正孔は電子よりも2倍大きな
エネルギーを受けとることができる。
したがつて、InGaAs/InP歪超格子において正孔と電子
のイオン化率比が増大し、アバランシエ立上り時間が小
さくなる。さらに、正孔の飽和速度も大きくなつている
ため、増倍領域の正孔の走行時間も小さくなる。
したがつて、APD動作する際の増倍率が大きい領域の
制限要素であるアバランシエ立上り時間が小さくなり、
APD紀得、帯域積が増大する。本実施例において利得,
帯域積75GHz以上が得られている。
第3図に本発明の第2の実施例であるInP系材料を用
いたAPDの断面図を示す。
第2図と異なるのは、InGaAs/InP歪超格子24に2×10
16〜10×1016cm-3のドーピングがなされていることであ
る。すなわち、第2図では、Lo−Hi−Loキヤリア濃度分
布を持つのに対して、第3図ではHi−Loキヤリア濃度分
布を持つている。
製造方法,動作原理については、第2図の場合と同一
である。本実施例を用いても、APDの利得、帯域積が75G
Hz以上が得られている。
第1,第2の実施例では表面入射方式のプレーナ型APD
について示したが、本発明は、裏面入射方式のAPDまた
はメサ型APDに対しても適用可能であることは言うまで
もない。
第4図に第3の実施例を示す。本実施例は本発明をIn
P系材料を用いたPINホトダイオードに適用したものであ
る。
第2図の場合と同様に、分子線エピタキシー法または
有機金属熱分解気相成長法を用いてn−InP基板40上にn
-−InP層41、In1xGaxAs/In1yGayAsの歪超格子42、n
-−InP層43を連続成長させる。
次に、Zn選択熱拡散によりp+−InP層44を形成する。
以降の製造方法は第2図の場合と同一である。すなわ
ち、パツシベーシヨン膜45,反転防止膜46を形成した
後、p型オーミツク電極47,n型オーミツク電極48を形成
する。
InGaAs歪超格子層42はInPに格子整合したInGaAs50と
少しGaリツチの組成を持つInGaAs51を250Åずつ交互に
積層したものである。この歪超格子42には圧縮応力がか
かつているため、重い正孔と軽い正孔のバンド構造が第
1図(b)に示すように逆転している。
第4図の場合、ホトキヤリアはInGaAs歪超格子内を走
行する。正孔は軽い正孔バンドを伝導するため、飽和速
度が重い正孔バンドを伝導する場合に比べて増大する。
その結果、走行時間制限遮断周波数が向上し、PINホト
ダイオードの高速化が可能となる。従来、PINホトダイ
オードの高速化は量子効率を劣化させる方向で達成され
てきたが、本発明では、量子効果を劣化させることな
く、超高速PINホトダイオードを実現できるという効果
を持つ。
これまでの実施例においては、ホトキヤリアは基板に
対して垂直に走行する受光素子について示したが、基板
に対して平行にホトキヤリア(正孔)が走行する構造の
APD,PIN等の受光素子であつても、本発明の本質を損う
ものではない。
また、これまでInP系材料を用いた受光素子について
述べてきたが、他の材料系、例えばGaSb−GaAlSb系、In
P−InAlAs系、GaAs−GaAlAs,Ge−GeSi,HgCdTe系を用い
た場合であつても、本発明が実施できることは言うまで
もない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、ホトキヤリアとしての正孔が軽い正
孔バンドを伝導するため、半導体受光素子に対して以下
の効果を持つ。
(1)正孔の飽和速度が大きくなるため、空乏層内での
正孔の走行時間が短かくなり、走行時間制限遮断周波数
が向上する。
また、APDの場合、増倍領域の固有アバランシユ増倍
時間が短かくなり、利得・帯域積が向上する。
(2)超格子APDにおいて、増倍領域である井戸層にお
いて、正孔の衝突イオン化率が大きくなるため、アバア
ンシエ立上り時間が短かくなり、利得・帯域積が向上す
る。
(3)主として(2)の効果のために、10Gb/s以上の光
通信システムに適用可能な超高速APDを実現することが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、格子整合している場合(a)と、圧縮応力が
かかつている場合(b)の価電子帯のバンド構造の変化
の説明図、第2図は、本発明をInP系材料を用いたAPDに
適用した場合の一実施例の素子断面図、第3図は、本発
明をInP系材料を用いたAPDに適用した場合の実施例の素
子断面図、第4図は本発明をInP系材料を用いたPINホト
ダイオードに適用した場合の実施例の素子断面図であ
る。 Ve……伝導帯、Vhr……重い正孔バンド、Ver……軽い正
孔バンド、Vso……スプリツトオフバンド、Eg……歪の
ない場合のバンドギヤツプ、Eg′……圧縮応力がかつた
場合のバンドギヤツプ、1……n−InP基板(Sドー
プ)、2……n-−InPバツフア層、3……n-−InGaAs光
吸収層、4……λ=1.4,1.2,1.0の3層からなるn−I
nGaAsPグレーデツド層、5……n−InP電界緩和層、6
……n-−InGaAs/InP歪超格子、7……n-−InP窓層、8
……p+−InP層、9……p-−InP層、10……パツシベーシ
ヨン膜(SiO2/SiN)、11……反射防止膜(SiN)、12…
…p型オーミツク電極(Au/Pt/Ti)、13……n型オーミ
ツク電極(Au/Pd/AuGaNi)、14……In1xGaxAs層(x
>0.47Gaリツチ、15……InP層、20……n−InP基板、21
……n-−InPバツフア層、22……n-−InGaAs光吸収層、2
3……n−InGaAs中間層(λ=1.4,1.2,1.0μmの3層
構造)、24……n−InGaAs/InP歪超格子、25……n-−In
P窓層、26……p+−InP、27……p-−InP、28……パツシ
ベーシヨン膜(SiO2/SiN)、29……反射防止膜(Si
N)、30……p型オーミツク電極(Au/Pt/Ti)、31……
n型オーミツク電極(Au/Pb/AuGaNi)、40……n−InP
基板、41……n-−InPバツフア層、42……n-−InGaAs歪
超格子光吸収層、43……n-−InP窓層、44……p+−InP
層、45……パツシベーシヨン膜、46……反射防止膜、47
……p型オーミツク電極、48……n型オーミツク電極、
50……In1xGaxAs層(x=0.47)InPに格子整合、51…
…In1xGaxAs層(x>0.47)Gaリツチ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長妻 一之 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 黒田 崇郎 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−163878(JP,A) 特開 昭60−49681(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 31/10

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも、光吸収層を含む半導体積層体
    と、この光吸収層への光の入射窓と、少なくともこの光
    吸収層に電界を印加する為の複数の電極とを有し、前記
    半導体積層体は井戸層とバリア層を有する歪超格子領域
    を有し且つ前記井戸層に圧縮応力が印加されるごとく構
    成されたことを特徴とする半導体受光素子。
  2. 【請求項2】少なくとも、光吸収層を含む半導体積層体
    と、この光吸収層への光の入射窓と、少なくとも前記光
    吸収層に電界を印加する為の複数の電極とを有し、前記
    光吸収層は井戸層とバリア層を有する歪超格子領域を有
    し且つ前記井戸層に圧縮応力が印加されるごとく構成さ
    れたことを特徴とする請求項第1項記載の半導体受光素
    子。
  3. 【請求項3】少なくとも、光吸収層とキャリアを増倍す
    る増倍層とを含む半導体積層体と、この光吸収層への光
    の入射窓と、少なくとも前記光吸収層と増倍層とに電界
    を印加する為の複数の電極とを有する半導体受光素子で
    あって、前記半導体積層体は井戸層とバリア層を有する
    歪超格子領域を有し且つ前記井戸層に圧縮応力が印加さ
    れるごとく構成されたことを特徴とする特徴とする半導
    体受光素子。
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