JP2877215B2 - アバランシェフォトダイオ―ド - Google Patents

アバランシェフォトダイオ―ド

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JP2877215B2
JP2877215B2 JP3070620A JP7062091A JP2877215B2 JP 2877215 B2 JP2877215 B2 JP 2877215B2 JP 3070620 A JP3070620 A JP 3070620A JP 7062091 A JP7062091 A JP 7062091A JP 2877215 B2 JP2877215 B2 JP 2877215B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【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―ドに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、図3を伴って次に述べるアバラン
シェフォトダイオ―ドが提案されている。
【0003】すなわち、例えばInPでなり且つn+
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InP系でなるとともにn+ 型を有するバ
リア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。
【0004】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。この半導体領域4は、バリア層としての半導体層5
aと井戸層としての半導体層5bと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 0.52 Al 0.48 As及
びIn 0.8Ga 0.2As 0.60.4でなる。
【0005】さらに、In 0.53 Ga 0.47 Asでなり
且つ8×1017cm-3のような高いp型不純物濃度と16
0Aのような比較的薄い厚さとを有するシ―トド―プ層
としての半導体層7と、その半導体層7上に形成され、
且つIn 0.53 Ga 0.47 Asでなり且つ2×1015cm
-3のような半導体層7に比し低いp型不純物濃度と2μ
mのような半導体層7に比し厚い厚さとを有する光吸収
層としての半導体層8と、その半導体層8上に形成さ
れ、且つIn 0.53 Ga 0.47 Asでなり且つ2×10
17cm-3のような半導体層8に比し高いp型不純物濃度と
500Aのような半導体層8に比し薄い厚さとを有する
半導体層9と、半導体層9上に形成され、且つInPで
なり且つ1×1018cm-3のような高いp型不純物濃度と
1000Aの厚さとを有する表面再結合防止用窓層とし
ての半導体層10と、半導体層10上に形成され、且つ
In 0.53 Ga 0.47 Asでなり且つ1×1018cm-3
ような高い不純物濃度と1000Aの厚さとを有するキ
ャップ層としての半導体層11とを有する。この場合、
シ―トド―プ層としての半導体層7が、光吸収層として
の半導体層8と等しいエネルギバンドギャップを有し、
また、光吸収層としての半導体層8が、アバランシェ増
倍用層としての半導体領域4を構成している井戸層と等
しいかそれに比し狭いエネルギバンドギャップを有す
る。
【0006】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―ミックに付された電極13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
―ミックに付され且つ窓15を有する電極14とを有す
る。
【0007】以上が、従来提案されているアバランシェ
フォトダイオ―ドの構成である。
【0008】このような構成を有する従来のアバランシ
ェフォトダイオ―ドによれば、電極13及び14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の光吸収
層としての半導体層8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14の窓15を通じて内部に入射
させれば、その光Lが主として半導体領域6の半導体層
8において吸収され、それにもとずき、半導体領域6の
半導体層8において、光Lにもとずくキャリア(電子及
び正孔)が生成し、そのキャリア中の電子がアバランシ
ェ増倍用層としての半導体領域4に到達し、そして、そ
の半導体領域4においてアバランシェ増倍が生じ、それ
にもとずく増倍された光電流が直流負荷に出力される、
という機構で、アバランシェフォトダイオ―ドとしての
機能が得られる。
【0009】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、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層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る。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を有するのに代え例えばG
e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、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。
【0010】さらに、半導体領域6を構成している半導
体層7及び9が、光吸収層としての半導体層8に比し高
いp型不純物濃度を有するので、それら半導体層には電
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7及び9間の光吸収層としての半導体層8が、半導体
層7及び9に比し低いp型不純物濃度を有するので、そ
の半導体層8に電子に対する加速電界を有し、また、半
導体層7及び9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の半導体層8に生成するキャリ
ア中の電子が、速やかに半導体領域4に到達する。この
ため、光Lが入射してから直流負荷に光電流が出力され
るまでの応答速度が、比較的速い、という特徴を有す
る。
【0011】また、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が、光吸収用層としてほとん
ど作用しないので、半導体領域4に正孔が実効的に存在
していず、従って、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、と
いう特徴も有する。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図3に
示す従来のアバランシェフォトダイオ―ドの場合、光吸
収層としての半導体層8を有する半導体領域6の、アバ
ランシェ増倍用層としての半導体領域4側に、高いp型
不純物濃度を有するシ―トド―プ層としての半導体層7
を有するので、アバランシェ増倍用層としての半導体領
域4に、図4に示すように、高い電界強度を有せしめる
ことができ、従って、半導体領域4においてアバランシ
ェ増倍作用が効果的に得ることができるが、シ―トド―
プ層としての半導体層7の半導体層8側とアバランシェ
増倍用層としての半導体領域4側との間に、図4に示す
ように、高い電位差が生じている。このため、半導体層
7に、トンネル電流が、暗電流として、無視し得ない量
で流れる。従って、光電流に、暗電流が無視し得ない量
伴う、という欠点を有していた。
【0013】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―ドを提案せんとする
ものである。
【0014】
【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―ドは、図3で上述した従来のアバラン
シェフォトダイオ―ドの場合と同様に、(i)n型を有
する第1の半導体領域と、(ii)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アバランシェ増倍領域とし
ての第2の半導体領域と、(iii)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、(iv)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、(v)そして、
上記第2の半導体領域が、バリア層としての第1の半導
体層と井戸層としての第2の半導体層とが交互順次に積
層されている超格子構造を有し、また、(vi)上記第
3の半導体領域が、シ―トド―プ層としての第3の半導
体層と、上記第3の半導体層上に形成され且つ上記第3
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
光吸収層としての第4の半導体層と、上記第4の半導体
層上に形成され且つ上記第4の半導体層に比し高い不純
物濃度を有する第5の半導体層とを有する。
【0015】しかしながら、本発明によるアバランシェ
フォトダイオ―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―ドにおいて、(vii)上記第3の
半導体層が、上記第4の半導体層に比し広いエネルギバ
ンドギャップを有し且つ上記第1の半導体層と等しいか
それに比し狭いエネルギバンドギャップを有する。
【0016】
【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―ドによれば、第3の半導体層
が、第4の半導体層に比し広いエネルギバンドギャップ
を有し且つ第1の半導体層と等しいかそれに比し狭いエ
ネルギバンドギャップを有し、また、第4の半導体層
が、第2の半導体層と等しいかそれに比し狭いエネルギ
バンドギャップを有することを除いて、図3で前述した
アバランシェフォトダイオ―ドの場合と同様の構成を有
するので、詳細説明は省略するが、図3で前述した従来
のアバランシェフォトダイオ―ドの場合と同様に、アバ
ランシェフォトダイオ―ドとしての機能が、アバランシ
ェ増倍された光電流に、少ない雑音しか伴わせずに、し
かも光電流を、光の入射に対する速い応答速度で得るこ
とができる、という特徴を有する。
【0017】しかしながら、本発明によるアバランシェ
フォトダイオ―ドの場合、シ―トド―プ層としての第3
の半導体層が、光吸収層としての第4の半導体層に比し
広いエネルギバンドギャップを有するので、シ―トド―
プ層としての第3の半導体層の光吸収層としての第4の
半導体層側とアバランシェ増倍用層としての第2の半導
体領域側との間に高い電位差が生じていることによっ
て、第3の半導体層に、トンネル電流が、暗電流として
流れんとしても、それが効果的に抑圧される。このた
め、光電流に、暗電流をほとんど伴わないか、伴うとし
ても、図3で前述した従来のアバランシェフォトダイオ
―ドの場合に比し格段的に少ない量でしか伴わない。
【0018】また、シ―トド―プ層としての第3の半導
体層が、光吸収層としての第4の半導体層に比し広いエ
ネルギバンドギャップを有しているとしても、アバラン
シェ増倍用層としての第2の半導体領域を構成している
バリア層としての第1の半導体層と等しいかそれに比し
狭いエネルギバンドギャップしか有していないので、ア
バランシェ増倍用層としての第2の半導体領域におい
て、光吸収層としての第4の半導体層に比し高い加速電
界が得られることに変りがなく、従って、上述した、図
3で前述した従来のアバランシェフォトダイオ―ドの場
合と同様のアバランシェフォトダイオ―ドとしての機能
が、効果的に得られることに変りはない。
【0019】
【実施例】次に、図1を伴って本発明によるアバランシ
ェフォトダイオ―ドの実施例を述べよう。
【0020】図1において、図4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。図1に示す本発明に
よるアバランシェフォトダイオ―ドは、次の事項を除い
て、図4で上述した従来のアバランシェフォトダイオ―
ドと同様の構成を有する。
【0021】すなわち、光吸収層としての半導体層8と
等しいエネルギバンドギャップを有している図4で上述
した従来のアバランシェフォトダイオ―ドの場合の半導
体領域6を構成しているシ―トド―プ層としての半導体
層7が、光吸収層としての半導体層8に比し広いエネル
ギバンドギャップを有し且つアバランシェ増倍用層とし
ての半導体領域4を構成しているバリア層としての半導
体層5aと等しいかそれに比し狭いエネルギバンドギャ
ップを有する半導体領域6を構成しているシ―トド―プ
層としての半導体層17に置換されている。
【0022】この場合、シ―トド―プ層としての半導体
層17は、図4で前述した従来のアバランシェフォトダ
イオ―ドの場合の半導体層7と同様に8×1017cm-3
ような高いp型不純物濃度を有するのはもちろんである
が、例えばIn 0.52 Al 0 .48 Asでなるものとし得
る。
【0023】以上が、本発明によるアバランシェフォト
ダイオ―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―ドによれ
ば、上述した事項を除いて、図3で前述した従来のアバ
ランシェフォトダイオ―ドと同様の構成を有するので、
詳細説明は省略するが、図4で前述した従来のアバラン
シェフォトダイオ―ドの場合と同様に、アバランシェフ
ォトダイオ―ドとしての機能が、アバランシェ増倍され
た光電流に、少ない雑音しか伴わせずに、しかも、光電
流を、光Lの入射に対する速い応答速度で得ることがで
きる。
【0024】しかしながら、図1に示す本発明によるア
バランシェフォトダイオ―ドの場合、図4で前述した従
来のアバランシェフォトダイオ―ドの場合の半導体層7
に対応しているシ―トド―プ層としての半導体層17
が、光吸収層としての半導体層8に比し広いエネルギバ
ンドギャップを有し且つアバランシェ増倍用層としての
半導体領域4を構成しているバリア層としての半導体層
5aと等しいかそれに比し狭いエネルギバンドギャップ
を有することを除いて、図3で前述したアバランシェフ
ォトダイオ―ドの場合と同様の構成を有するので、詳細
説明は省略するが、図3で前述した従来のアバランシェ
フォトダイオ―ドの場合と同様に、アバランシェフォト
ダイオ―ドとしての機能が、アバランシェ増倍された光
電流に、少ない雑音しか伴わせずに、しかも光電流を、
光の入射に対する速い応答速度で得ることができる、と
いう特徴を有する。
【0025】しかしながら、図1に示す本発明によるア
バランシェフォトダイオ―ドの場合、シ―トド―プ層と
しての半導体層17が、光吸収層としての半導体層8に
比し広いエネルギバンドギャップを有するので、シ―ト
ド―プ層としての半導体層17の光吸収層としての半導
体層8側とアバランシェ増倍用層としての半導体領域4
側との間に、図4で上述したと同様に、高い電位差が生
じていることによって、半導体層17に、トンネル電流
が、暗電流として流れんとしても、それが効果的に抑圧
される。このため、光電流に、暗電流をほとんど伴わな
いか、伴うとしても、図3で前述した従来のアバランシ
ェフォトダイオ―ドの場合に比し格段的に少ない量でし
か伴わない。
【0026】ちなみに、図3で前述した従来のアバラン
シェフォトダイオ―ドの場合、電極13及び14間の電
圧(V)に対する暗電流が、図2の「従来」で示すよう
に得られるとき、図2の「本発明」で示すように、電圧
の20V以上の高い値で、従来のアバランシェフォトダ
イオ―ドの場合に比し格段的に低い値で得られた。
【0027】また、シ―トド―プ層としての半導体層1
7が、光吸収層としての半導体層8に比し広いエネルギ
バンドギャップを有しているとしても、アバランシェ増
倍用層としての半導体領域4を構成しているバリア層と
しての半導体層5aと等しいかそれに比し狭いエネルギ
バンドギャップしか有していないので、アバランシェ増
倍用層としての半導体領域4において、光吸収層として
の半導体層8に比し高い加速電界が得られることに変り
がなく、従って、上述した、図3で前述した従来のアバ
ランシェフォトダイオ―ドの場合と同様のアバランシェ
フォトダイオ―ドとしての機能が、効果的に得られるこ
とに変りはない。
【0028】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―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る。
【0029】また、半導体領域6において、半導体層9
及び10、または半導体層6及び7を省略した構成とす
ることもできる。
【0030】さらに、半導体領域4において、バリア層
としての半導体層5aがIn 0.52Al 0.48 Asでな
るとき、井戸層としての半導体層5bをIn 0.53 Ga
0.4 7 Asでなるものとすることもでき、さらに、半導
体領域6において、光吸収層としての半導体層8がIn
0.53 Ga 0.47 Asでなるとき、シ―トド―プ層とし
ての半導体層17をInx Ga1-x Asy1-y (0<
x≦1、0≦y<1)でなるものとすることもでき、も
ちろん、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5
b、及び半導体領域6の半導体層17、8及び11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、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】
【図1】本発明によるアバランシェフォトダイオ―ドの
実施例を示す略線的断面図である。
【図2】図1に示す本発明によるアバランシェフォトダ
イオ―ドの暗電流特性を図4に示す従来のアバランシェ
フォトダイオ―ドの場合と対比して示す図である。
【図3】従来のアバランシェフォトダイオ―ドを示す略
線的断面図である。
【図4】図1及び図3に示す本発明によるアバランシェ
フォトダイオ―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。
【符号の説明】
1 半導体領域 2 半導体基板 3 半導体層 4 半導体領域 5a、5b 半導体層 6 半導体領域 7、8、9、10、11半導体層 13、15 電極 14 窓 17 半導体層 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アバランシ
    ェ増倍領域としての第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、バリア層としての第1の半導体層と井戸層としての
    第2の半導体層とが交互順次に積層されている超格子構
    造を有し、上記第3の半導体領域が、シ―トド―プ層と
    しての第3の半導体層と、上記第3の半導体層上に形成
    され且つ上記第3の半導体層に比し低い不純物濃度と厚
    い厚さとを有する光吸収層としての第4の半導体層と、
    上記第4の半導体層上に形成され且つ上記第4の半導体
    層に比し高い不純物濃度を有する第5の半導体層とを有
    するアバランシェフォトダイオ―ドにおいて、上記第3
    の半導体層が、上記第4の半導体層に比し広いエネルギ
    バンドギャップを有し且つ上記第1の半導体層と等しい
    かそれに比し狭いエネルギバンドギャップを有すること
    を特徴とするアバランシェフォトダイオ―ド。
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