JP2934294B2 - アバランシェフォトダイオード - Google Patents
アバランシェフォトダイオードInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- 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
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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、光通信用光検出器のアバランシェフォトダ
イオード（以下、APDと記す）の構造に関する。
イオード（以下、APDと記す）の構造に関する。
波長1.3μｍまたは1.55μｍの光通信用のAPDには従来
Ge−APDまたはInP/InGaAsヘテロ接合型APDが用いられて
きた。これらのAPDではキャリアの増倍層としてGeまた
はInPが用いられている。一般に、APDの増倍雑音は、キ
ャリア増倍層に用いる半導体固有の量である電子と正孔
のイオン化率（αとβ）の比が１から離れるほど小さく
なる。しかし、GeやInPではこの比が１に近いため、雑
音が大きい問題があった。これを解決するために、キャ
リア増倍層に超格子構造を用いることによって、αまた
はβの一方を大きくし、α／βまたはβ／αの比を大き
くすることが従来から提案されている。波長1.3μｍま
たは1.55μｍの光に対して感度を持つ超格子APDにはInA
lAs/InGaAsが用いられてきた（アプライド フィッジッ
クス レターズNo.55 1989年993頁）。この超格子APDに
おいては、伝導帯の不連続が大きいために、αが大きく
なり低雑音化に有効であることが確められている。
Ge−APDまたはInP/InGaAsヘテロ接合型APDが用いられて
きた。これらのAPDではキャリアの増倍層としてGeまた
はInPが用いられている。一般に、APDの増倍雑音は、キ
ャリア増倍層に用いる半導体固有の量である電子と正孔
のイオン化率（αとβ）の比が１から離れるほど小さく
なる。しかし、GeやInPではこの比が１に近いため、雑
音が大きい問題があった。これを解決するために、キャ
リア増倍層に超格子構造を用いることによって、αまた
はβの一方を大きくし、α／βまたはβ／αの比を大き
くすることが従来から提案されている。波長1.3μｍま
たは1.55μｍの光に対して感度を持つ超格子APDにはInA
lAs/InGaAsが用いられてきた（アプライド フィッジッ
クス レターズNo.55 1989年993頁）。この超格子APDに
おいては、伝導帯の不連続が大きいために、αが大きく
なり低雑音化に有効であることが確められている。
第４図（ａ）は、従来の超格子APDの断面図、第４図
（ｂ）は、第４図（ａ）のAPDのキャリア増倍層のエネ
ルギーバンドを示す図である。第４図（ａ）において
は、１はn+形InP基板、２はn+形InPバッファ層、12はノ
ンドープIn0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As超格子からな
るキャリア増倍層、４は不純物密度８×1017cm-3、厚さ
100Åのｐ形In0.53Ga0.47As層、13は不純物密度２×10
15cm-3、厚さ２μｍのｐ形In0.53Ga0.47As光吸収層、６
は不純物密度２×1017cm-3（または１×1018cm-3）、厚
さ500Å（または500Å）のｐ形In0.53Ga0.47As層、７は
不純物密度１×1018cm-3、厚さ0.5μｍのｐ形InP層、８
は不純物密度１×1018cm-3、厚さ300Åのｐ形In0.53Ga
0.47As層、９はAuGeNiのオーミック電極、10はAuZnNiの
オーミック電極、11は光入射用窓である。また、第４図
（ａ）の左側の図は、各層での電界強度を示す。
（ｂ）は、第４図（ａ）のAPDのキャリア増倍層のエネ
ルギーバンドを示す図である。第４図（ａ）において
は、１はn+形InP基板、２はn+形InPバッファ層、12はノ
ンドープIn0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As超格子からな
るキャリア増倍層、４は不純物密度８×1017cm-3、厚さ
100Åのｐ形In0.53Ga0.47As層、13は不純物密度２×10
15cm-3、厚さ２μｍのｐ形In0.53Ga0.47As光吸収層、６
は不純物密度２×1017cm-3（または１×1018cm-3）、厚
さ500Å（または500Å）のｐ形In0.53Ga0.47As層、７は
不純物密度１×1018cm-3、厚さ0.5μｍのｐ形InP層、８
は不純物密度１×1018cm-3、厚さ300Åのｐ形In0.53Ga
0.47As層、９はAuGeNiのオーミック電極、10はAuZnNiの
オーミック電極、11は光入射用窓である。また、第４図
（ａ）の左側の図は、各層での電界強度を示す。
しかし、これまでの超格子APDにおいては、第４図
（ａ）に示すように、光をｐ形InGaAsの光吸収層13側か
ら入射していたため、すべての入射光をこの光吸収層13
で吸収し、純粋な電子注入によってキャリア増倍を起こ
すためには吸収層の厚さとして２μｍ程度が必要であっ
た。このため、光の吸収によって生じた電子と正孔は厚
い光吸収層13を走行しなければならず、この走行時間に
よって応答速度が制限された。また、この厚い光吸収層
13をすべて空乏化する必要があるために動作電圧も大き
くなってしまった。
（ａ）に示すように、光をｐ形InGaAsの光吸収層13側か
ら入射していたため、すべての入射光をこの光吸収層13
で吸収し、純粋な電子注入によってキャリア増倍を起こ
すためには吸収層の厚さとして２μｍ程度が必要であっ
た。このため、光の吸収によって生じた電子と正孔は厚
い光吸収層13を走行しなければならず、この走行時間に
よって応答速度が制限された。また、この厚い光吸収層
13をすべて空乏化する必要があるために動作電圧も大き
くなってしまった。
また、InAlAs/InGaAs超格子キャリア増倍層12のエネ
ルギーバンドは、第４図（ｂ）に示すように、InGaAs井
戸層のエネルギーバンドギャップ（禁制帯幅）が小さい
ため、電子がトンネル効果によって容易に通過でき、暗
電流が大きいという問題があった。また、伝導帯の不連
続が大きいために電子のイオン化率か大きくなるが、価
電子帯にも不連続があるため、有効質量の大きい正孔が
パイルアップして、応答速度を劣化させる問題があっ
た。
ルギーバンドは、第４図（ｂ）に示すように、InGaAs井
戸層のエネルギーバンドギャップ（禁制帯幅）が小さい
ため、電子がトンネル効果によって容易に通過でき、暗
電流が大きいという問題があった。また、伝導帯の不連
続が大きいために電子のイオン化率か大きくなるが、価
電子帯にも不連続があるため、有効質量の大きい正孔が
パイルアップして、応答速度を劣化させる問題があっ
た。
さらに、従来の超格子APDにおいては、第４図（ａ）
に示すように、信号光をｐ形InGaAs光吸収層13側の光入
射用窓11から入射させるため、すべての入射光をこの光
吸収層13で吸収し、純粋は電子注入によってキャリア増
倍を起こすためには、光吸収層の厚さとして２μｍ程度
が必要であった。このために、光の吸収によって生じた
電子と正孔は厚い光吸収層を走行しなければならず、こ
の走行時間によって応答速度が制限された。また、この
厚い光吸収層をすべて空乏化する必要があるために、動
作電圧も大きくなる問題があった。
に示すように、信号光をｐ形InGaAs光吸収層13側の光入
射用窓11から入射させるため、すべての入射光をこの光
吸収層13で吸収し、純粋は電子注入によってキャリア増
倍を起こすためには、光吸収層の厚さとして２μｍ程度
が必要であった。このために、光の吸収によって生じた
電子と正孔は厚い光吸収層を走行しなければならず、こ
の走行時間によって応答速度が制限された。また、この
厚い光吸収層をすべて空乏化する必要があるために、動
作電圧も大きくなる問題があった。
本発明の目的は、前記のような従来技術の課題を解決
し、超格子をキャリア増倍層とするAPDにおいて、暗電
流を低減し、正孔のパイルアップの効果をなくすことに
より、高周波特性を改善し、かつ動作電圧を小さくする
ことができるAPDを提供することにある。
し、超格子をキャリア増倍層とするAPDにおいて、暗電
流を低減し、正孔のパイルアップの効果をなくすことに
より、高周波特性を改善し、かつ動作電圧を小さくする
ことができるAPDを提供することにある。
本発明の他の目的は、このように高周波特性を改善
し、かつ動作電圧を小さくすることができるAPDにおい
て、信頼性の高いプレーナ形APDを提供することにあ
る。
し、かつ動作電圧を小さくすることができるAPDにおい
て、信頼性の高いプレーナ形APDを提供することにあ
る。
上記の課題を解決するために、本発明のメサ形のAPD
は、ｎ形InP基板上にIn0.52Al0.48As層と、これに格子
整合し、エネルギーバンドギャップが0.8eVよりも大き
いInxGa1-xAsyP1-y層を交互に積層した超格子からなる
キャリア増倍層を有し、前記InP基板とは反対側に厚さ
が1.5μｍ以下のｐ形In0.53Ga0.47Asからなる光吸収層
を有し、前記InP基板に設けた電極に光入射用窓があけ
られ、かつ前記InP基板とは反対側の素子の上端に光反
射膜を有することを特徴とする。
は、ｎ形InP基板上にIn0.52Al0.48As層と、これに格子
整合し、エネルギーバンドギャップが0.8eVよりも大き
いInxGa1-xAsyP1-y層を交互に積層した超格子からなる
キャリア増倍層を有し、前記InP基板とは反対側に厚さ
が1.5μｍ以下のｐ形In0.53Ga0.47Asからなる光吸収層
を有し、前記InP基板に設けた電極に光入射用窓があけ
られ、かつ前記InP基板とは反対側の素子の上端に光反
射膜を有することを特徴とする。
また、本発明のプレーナ形のAPDは、ｐ形InP基板上に
ｐ形In0.52Al0.48As層と、これに格子整合し、エネルギ
ーバンドギャップが0.8eVよりも大きいｐ形InxGa1-xAsy
P1-y層を交互に積層した超格子からなるキャリア増倍層
を有し、前記InP基板と前記超格子キャリア増倍層の間
にｐ形In0.53Ga0.47Asからなる光吸収層を有し、前記光
吸収層と反対側に前記超格子キャリア増倍層と接してｐ
形InP層を有し、かつ前記ｐ形InP層の一部にｎ形不純物
を拡散またはイオン注入によって導入したｎ形領域を有
することを特徴とする。また、このAPDにおいて、前記I
nP基板に設けた電極に光入射用窓があけられ、前記光吸
収層の厚さが1.5μｍ以下であり、前記InP基板とは反対
側の素子の上端に光反射膜を有することを特徴とする。
さらに、このAPDにおいて、前記ｎ形領域の周囲に、前
記ｎ形領域よりもｎ形不純物密度の小さい領域を有する
ことを特徴とする。
ｐ形In0.52Al0.48As層と、これに格子整合し、エネルギ
ーバンドギャップが0.8eVよりも大きいｐ形InxGa1-xAsy
P1-y層を交互に積層した超格子からなるキャリア増倍層
を有し、前記InP基板と前記超格子キャリア増倍層の間
にｐ形In0.53Ga0.47Asからなる光吸収層を有し、前記光
吸収層と反対側に前記超格子キャリア増倍層と接してｐ
形InP層を有し、かつ前記ｐ形InP層の一部にｎ形不純物
を拡散またはイオン注入によって導入したｎ形領域を有
することを特徴とする。また、このAPDにおいて、前記I
nP基板に設けた電極に光入射用窓があけられ、前記光吸
収層の厚さが1.5μｍ以下であり、前記InP基板とは反対
側の素子の上端に光反射膜を有することを特徴とする。
さらに、このAPDにおいて、前記ｎ形領域の周囲に、前
記ｎ形領域よりもｎ形不純物密度の小さい領域を有する
ことを特徴とする。
本発明のAPDにおいては、超格子キャリア増倍層の井
戸層として、エネルギーバンドギャップが大きく、かつ
InAlAsとの伝導帯の不連続の大きいInGaAsPを用いるこ
とによって、暗電流を低減することができ、電子のイオ
ン化率が大きくなるので、低雑音化することができる。
また、本発明による超格子キャリア増倍層では、伝導帯
の不連続を大きくしたまま、価電子帯の不連続をゼロに
することができるので、電子は伝導帯の不連続によって
運動エネルギーを得てイオン化率が大きくなる一方、有
効質量が大きいため、ヘテロ界面でパイルアップしやす
い正孔がスムーズに走行でき、応答速度を速くすること
ができる。従って、電子のイオン化率が正孔のイオン化
率に比べて十分大きい超格子APDにおいて、増倍雑音を
小さくするために必須の条件である純粋の電磁注入によ
る増倍を実現できる。
戸層として、エネルギーバンドギャップが大きく、かつ
InAlAsとの伝導帯の不連続の大きいInGaAsPを用いるこ
とによって、暗電流を低減することができ、電子のイオ
ン化率が大きくなるので、低雑音化することができる。
また、本発明による超格子キャリア増倍層では、伝導帯
の不連続を大きくしたまま、価電子帯の不連続をゼロに
することができるので、電子は伝導帯の不連続によって
運動エネルギーを得てイオン化率が大きくなる一方、有
効質量が大きいため、ヘテロ界面でパイルアップしやす
い正孔がスムーズに走行でき、応答速度を速くすること
ができる。従って、電子のイオン化率が正孔のイオン化
率に比べて十分大きい超格子APDにおいて、増倍雑音を
小さくするために必須の条件である純粋の電磁注入によ
る増倍を実現できる。
また、InP基板に設けた電極に光入射用窓を設け、該
基板の反対側の素子の上端に光反射膜を設け、かつ光吸
収層の厚さを1.5μｍ以下と薄くした構成の本発明のAPD
においては、入射光は、基板側の光入射用窓から入射さ
れ、基板と超格子キャリア増倍層の透過した後、エネル
ギーバンドギャップの小さい光吸収層で吸収される。光
吸収層の厚さは薄いため、全ての光が吸収されずにInP
基板の反対側に設けた電極まで透過する光子があるが、
光反射層を兼ねた電極によって反射され、光吸収層に戻
される。従って、光吸収層の実効的な厚さが２倍にな
り、殆ど全ての光子が吸収される。これらの光の吸収に
よって電子と正孔の対を生成し、このうちの電子が光吸
収層内に印加された電界によって走行し、超格子からな
るキャリア増倍層に注入されるか、光がキャリア増倍層
側から入射されるためにキャリア増倍層の近傍で多くの
電子が生成され、キャリア増倍層に達するまでの走行距
離が短くなり、さらない応答速度が速くなる。また、光
吸収層を薄くすることができるため、動作電圧を低くす
ることができる。
基板の反対側の素子の上端に光反射膜を設け、かつ光吸
収層の厚さを1.5μｍ以下と薄くした構成の本発明のAPD
においては、入射光は、基板側の光入射用窓から入射さ
れ、基板と超格子キャリア増倍層の透過した後、エネル
ギーバンドギャップの小さい光吸収層で吸収される。光
吸収層の厚さは薄いため、全ての光が吸収されずにInP
基板の反対側に設けた電極まで透過する光子があるが、
光反射層を兼ねた電極によって反射され、光吸収層に戻
される。従って、光吸収層の実効的な厚さが２倍にな
り、殆ど全ての光子が吸収される。これらの光の吸収に
よって電子と正孔の対を生成し、このうちの電子が光吸
収層内に印加された電界によって走行し、超格子からな
るキャリア増倍層に注入されるか、光がキャリア増倍層
側から入射されるためにキャリア増倍層の近傍で多くの
電子が生成され、キャリア増倍層に達するまでの走行距
離が短くなり、さらない応答速度が速くなる。また、光
吸収層を薄くすることができるため、動作電圧を低くす
ることができる。
さらに、本発明のプレーナ形のAPDでは、メサ形のよ
うに高電界が印加されるpn接合が外部に露出していない
ので、信頼性が高い利点がある。
うに高電界が印加されるpn接合が外部に露出していない
ので、信頼性が高い利点がある。
実施例 １ 第１図（ａ）は、本発明の第１実施例のメサ形超格子
APDの断面図、第１図（ｂ）は、第１図（ａ）のAPDのキ
ャリア増倍層のエネルギーバンドを示す図である。第１
（ａ）において、１はn+形InP基板、２はn+形InPバッフ
ァ層、３はノンドープIn0.52Al0.48As（厚さ300Å）/In
0.8Ga0.2As0.6Ｐ0.4（厚さ250Å）超格子からなる厚さ
１μｍの超格子キャリア増倍層、４は不純物密度８×10
17cm-3、厚さ100Åのｐ形In0.53Ga0.47As層、５は不純
物密度２×1015cm-3、厚さ１μｍのｐ形In0.53Ga0.47As
層、６は不純物密度２×1017cm-3（または１×1018c
m-3）、厚さ500Å（または100Å）のｐ形In0.53Ga0.47A
s層、７は不純物密度１×1018cm-3、厚さ0.5μｍのｐ形
InP層、８は不純物密度１×1018cm-3、厚さ300Åのｐ形
In0.53Ga0.47As層、９はAuGeNiのオーミック電極、10は
AuZnNiのオーミック電極、11は光入射用窓である。ま
た、第１図（ａ）の左側の図は各層での電界強度を示
す。
APDの断面図、第１図（ｂ）は、第１図（ａ）のAPDのキ
ャリア増倍層のエネルギーバンドを示す図である。第１
（ａ）において、１はn+形InP基板、２はn+形InPバッフ
ァ層、３はノンドープIn0.52Al0.48As（厚さ300Å）/In
0.8Ga0.2As0.6Ｐ0.4（厚さ250Å）超格子からなる厚さ
１μｍの超格子キャリア増倍層、４は不純物密度８×10
17cm-3、厚さ100Åのｐ形In0.53Ga0.47As層、５は不純
物密度２×1015cm-3、厚さ１μｍのｐ形In0.53Ga0.47As
層、６は不純物密度２×1017cm-3（または１×1018c
m-3）、厚さ500Å（または100Å）のｐ形In0.53Ga0.47A
s層、７は不純物密度１×1018cm-3、厚さ0.5μｍのｐ形
InP層、８は不純物密度１×1018cm-3、厚さ300Åのｐ形
In0.53Ga0.47As層、９はAuGeNiのオーミック電極、10は
AuZnNiのオーミック電極、11は光入射用窓である。ま
た、第１図（ａ）の左側の図は各層での電界強度を示
す。
超格子キャリア増倍層３に大きな電界が印加され、こ
の層でアバランシェ増倍が起こる。また、電界強度はｐ
形In0.53Ga0.47As層４の電界強度調整層内で弱められ、
光吸収層５の電界は、超格子キャリア増倍層３のそれに
比べて十分小さいため、ここでのアバランシェ増倍やト
ンネル電流は抑圧される。電界は高不純物密度のInGaAs
層６で消滅し、InP層７はInGaAs層６の表面再結合を防
止するための層であり、InGaAs層８はオーミック電極の
ための層である。AuZnNi電極10はオーミック電極である
とともに、光の反射層を兼ねる。
の層でアバランシェ増倍が起こる。また、電界強度はｐ
形In0.53Ga0.47As層４の電界強度調整層内で弱められ、
光吸収層５の電界は、超格子キャリア増倍層３のそれに
比べて十分小さいため、ここでのアバランシェ増倍やト
ンネル電流は抑圧される。電界は高不純物密度のInGaAs
層６で消滅し、InP層７はInGaAs層６の表面再結合を防
止するための層であり、InGaAs層８はオーミック電極の
ための層である。AuZnNi電極10はオーミック電極である
とともに、光の反射層を兼ねる。
入射光は、AuGeNi電極９にあけられた光入射用窓11か
ら入射され、InP基板１とInPバッファ層２と超格子キャ
リア増倍層３を透過した後、エネルギーバンドギャップ
の小さいInGaAs層４、５、６で吸収される。このInGaAs
層厚は、光の吸収係数αavの逆数（約２μｍ）よりも小
さいために、全ての光が吸収されずに電極10まで透過す
る光子があるが、これは電極10によって反射され、光吸
収層５に戻される。従って、光吸収層５の実効的な厚さ
が２倍になり、殆ど全ての光子が吸収される。これらの
光の吸収によって電子と正孔の対を生成し、このうちの
電子がInGaAs層５層内に印加された電界によって走行
し、超格子キャリア増倍層３に注入されるが、光がキャ
リア増倍層３側から入射されるためにキャリア増倍層３
の近傍で多くの電子が生成され、キャリア増倍層３に達
するまでの走行距離が短くなり、応答速度が速くなる。
ら入射され、InP基板１とInPバッファ層２と超格子キャ
リア増倍層３を透過した後、エネルギーバンドギャップ
の小さいInGaAs層４、５、６で吸収される。このInGaAs
層厚は、光の吸収係数αavの逆数（約２μｍ）よりも小
さいために、全ての光が吸収されずに電極10まで透過す
る光子があるが、これは電極10によって反射され、光吸
収層５に戻される。従って、光吸収層５の実効的な厚さ
が２倍になり、殆ど全ての光子が吸収される。これらの
光の吸収によって電子と正孔の対を生成し、このうちの
電子がInGaAs層５層内に印加された電界によって走行
し、超格子キャリア増倍層３に注入されるが、光がキャ
リア増倍層３側から入射されるためにキャリア増倍層３
の近傍で多くの電子が生成され、キャリア増倍層３に達
するまでの走行距離が短くなり、応答速度が速くなる。
第１図（ｂ）は、本実施例のAPDの超格子キャリア増
倍層のバンド図であるが、障壁層をInAlAsとし、井戸層
をInGaAsPとする超格子においては伝導帯ほ不連続を大
きくしたまま、価電子帯の不連続をゼロにすることがで
きる。従って、電子は伝導帯の不連続によって運動エネ
ルギーを得て、イオン化率が大きくなる一方、有効質量
が大きいため、ヘテロ界面でパイルアップしやすい正孔
はスムーズに走行できる。
倍層のバンド図であるが、障壁層をInAlAsとし、井戸層
をInGaAsPとする超格子においては伝導帯ほ不連続を大
きくしたまま、価電子帯の不連続をゼロにすることがで
きる。従って、電子は伝導帯の不連続によって運動エネ
ルギーを得て、イオン化率が大きくなる一方、有効質量
が大きいため、ヘテロ界面でパイルアップしやすい正孔
はスムーズに走行できる。
従って、この構造のAPDにおいては、光吸収層５が薄
くても量子効率は低下せず、また電子のイオン化率が正
孔のイオン化率に比べて十分大きい超格子APDにおい
て、増倍雑音を小さくするために必須の条件である純粋
の電注入による増倍を実現できる。
くても量子効率は低下せず、また電子のイオン化率が正
孔のイオン化率に比べて十分大きい超格子APDにおい
て、増倍雑音を小さくするために必須の条件である純粋
の電注入による増倍を実現できる。
また、APDに印加された電圧は超格子キャリア増倍層
３と光吸収層のうち不純物密度の低いIn0.53Ga0.47As層
５に電界を印加するのに使われる。従って、本実施例で
は動作電圧を小さくすることができる。
３と光吸収層のうち不純物密度の低いIn0.53Ga0.47As層
５に電界を印加するのに使われる。従って、本実施例で
は動作電圧を小さくすることができる。
実施例 ２ 第２図（ａ）は、本発明の第２の実施例のプレーナ形
超格子APDの断面図である。21はp+形InP基板、22はp+形
InPバッファ層、23はBe不純物密度２×1015cm-3、厚さ
２μｍのｐ形In0.53Ga0.47As光吸収層、24はBe不純物密
度８×1017cm-3、厚さ100Åのｐ形In0.53Ga0.47As電界
強度調整層、25はBe不純物密度２×1015cm-3のｐ形In
0.52Ga0.48As（厚さ300Å）/In0.8Ga0.2As0.6Ｐ0.4（厚
さ250Å）超格子からなる厚さ１μｍの超格子キャリア
増倍層、26はBe不純物密度２×1015cm-3、厚さ0.3μｍ
のｐ形InP層、27は不純物密度１×1018cm-3のSiイオン
注入した高濃度ｎ形InP領域、28はBe不純物密度１×10
16cm-3のSiイオン注入した低濃度ｎ形InP領域、29はAuG
eNiのオーミック電極、20はAuZnNiのオーミック電極で
ある。
超格子APDの断面図である。21はp+形InP基板、22はp+形
InPバッファ層、23はBe不純物密度２×1015cm-3、厚さ
２μｍのｐ形In0.53Ga0.47As光吸収層、24はBe不純物密
度８×1017cm-3、厚さ100Åのｐ形In0.53Ga0.47As電界
強度調整層、25はBe不純物密度２×1015cm-3のｐ形In
0.52Ga0.48As（厚さ300Å）/In0.8Ga0.2As0.6Ｐ0.4（厚
さ250Å）超格子からなる厚さ１μｍの超格子キャリア
増倍層、26はBe不純物密度２×1015cm-3、厚さ0.3μｍ
のｐ形InP層、27は不純物密度１×1018cm-3のSiイオン
注入した高濃度ｎ形InP領域、28はBe不純物密度１×10
16cm-3のSiイオン注入した低濃度ｎ形InP領域、29はAuG
eNiのオーミック電極、20はAuZnNiのオーミック電極で
ある。
第２図（ｂ）は、本実施例のAPDを上から見た図であ
り、円形の高濃度Si注入領域27の周囲を円周状に低濃度
Si注入領域28が取り囲み、リング状の電極29が両領域に
またがって存在する。41ボンディングパッドである。
り、円形の高濃度Si注入領域27の周囲を円周状に低濃度
Si注入領域28が取り囲み、リング状の電極29が両領域に
またがって存在する。41ボンディングパッドである。
第２図（ａ）の左側の図は各層での電界強度分布を示
す。図の実線は高濃度Si注入領域27下の各層の電界強度
分布を示し、破線は光濃度Si注入領域27の周辺部の低濃
度Si注入領域28下の各層の電界強度分布を示す。実線の
電界強度分布では、超格子キャリア増倍層25に大きな電
界が印加され、この層でアバランシェ増倍が起こる。ま
た、電界強度はｐ形In0.53Ga0.47As電界強度調整層24内
で弱められ、光吸収層23の電界は超格子キャリア増倍層
25の電界に比べて十分小さいため、この光吸収層23でア
バランシェ増倍やトンネル電流は抑圧される。信号光は
リング状の電極29の内側から入射し、光吸収層23に達す
る。この光吸収層23で生成された電子はこの層にかかっ
た電界によって超格子キャリア増倍層25に向かって掃引
され、この層でキャリアの増倍を誘発する。従って、電
界強度分布が実線で示された高濃度Si注入領域27に光が
入射された場合には大きな光電流がアバランシェ増幅に
よって流れる。
す。図の実線は高濃度Si注入領域27下の各層の電界強度
分布を示し、破線は光濃度Si注入領域27の周辺部の低濃
度Si注入領域28下の各層の電界強度分布を示す。実線の
電界強度分布では、超格子キャリア増倍層25に大きな電
界が印加され、この層でアバランシェ増倍が起こる。ま
た、電界強度はｐ形In0.53Ga0.47As電界強度調整層24内
で弱められ、光吸収層23の電界は超格子キャリア増倍層
25の電界に比べて十分小さいため、この光吸収層23でア
バランシェ増倍やトンネル電流は抑圧される。信号光は
リング状の電極29の内側から入射し、光吸収層23に達す
る。この光吸収層23で生成された電子はこの層にかかっ
た電界によって超格子キャリア増倍層25に向かって掃引
され、この層でキャリアの増倍を誘発する。従って、電
界強度分布が実線で示された高濃度Si注入領域27に光が
入射された場合には大きな光電流がアバランシェ増幅に
よって流れる。
一方、破線の電界強度分布では、Siの注入量が少ない
ために、低濃度Si注入領域28も空乏化され、印加電圧が
この低濃度Si注入領域28と超格子キャリア増倍層25に分
割されるために、超格子キャリア増倍層25の電界強度は
実線で示された高濃度Si注入領域27下の超格子キャリア
増倍層25に比べて小さい。さらに、第２図（ａ）に示す
ように、低濃度Si注入領域28下において、pn接合はエネ
ルギーバンドギャップの大きいInP層中の低濃度Si注入
領域28とｐ形InP領域26との間に形成されているので、
最大の電界はここに印加される。一般に、アバランシェ
降状電界はエネルギーバンドギャップの大きな半導体ほ
ど大きい。以上のことにより、低濃度Si注入領域28のア
バランシェ降状電圧は高濃度Si注入領域27のそれに比べ
て十分大きい。従って、この低濃度Si注入領域28はエッ
ジブレークダウンを抑制し、ガードリングの役割を果た
す。なお、前ガードリング接合を省略した構造も考えら
れるが、エッジブレークダウンが発生し易く、実用上は
前記ガードリング接合を設ける方がよい。
ために、低濃度Si注入領域28も空乏化され、印加電圧が
この低濃度Si注入領域28と超格子キャリア増倍層25に分
割されるために、超格子キャリア増倍層25の電界強度は
実線で示された高濃度Si注入領域27下の超格子キャリア
増倍層25に比べて小さい。さらに、第２図（ａ）に示す
ように、低濃度Si注入領域28下において、pn接合はエネ
ルギーバンドギャップの大きいInP層中の低濃度Si注入
領域28とｐ形InP領域26との間に形成されているので、
最大の電界はここに印加される。一般に、アバランシェ
降状電界はエネルギーバンドギャップの大きな半導体ほ
ど大きい。以上のことにより、低濃度Si注入領域28のア
バランシェ降状電圧は高濃度Si注入領域27のそれに比べ
て十分大きい。従って、この低濃度Si注入領域28はエッ
ジブレークダウンを抑制し、ガードリングの役割を果た
す。なお、前ガードリング接合を省略した構造も考えら
れるが、エッジブレークダウンが発生し易く、実用上は
前記ガードリング接合を設ける方がよい。
実施例 ３ 第３図（ａ）は、本発明の第３の実施例のプレーナ形
超格子APDの断面図である。31はp+形InP基板、32はp+形
InPバッファ層、53はBe不純物密度２×1015cm-3、厚さ
１μｍのｐ形In0.53Ga0.47As光吸収層、34はBe不純物密
度８×1017cm-3、厚さ100Åのｐ形In0.53Ga0.47As電界
強度調整層、35はBe不純物密度２×1015cm-3のｐ形In
0.52Ga0.48As（厚さ300Å）/In0.8Ga0.2As0.6Ｐ0.4（厚
さ250Å）超格子からなる厚さ１μｍの超格子キャリア
増倍層、36はBe不純物密度２×1015cm-3、厚さ0.3μｍ
のｐ形InP層、27は不純物密度１×1018cm-3のSiイオン
注入した高濃度ｎ形InP領域、38はBe不純物密度１×10
16cm-3のSiイオン注入した低濃度ｎ形InP領域、39はAuG
eNiのオーミック電極、30はAuZnNiのオーミック電極、5
1はAuZnNi電極30にあけられた光入射用窓である。ま
た、AuGeNi電極39は光反射膜を兼ねる。
超格子APDの断面図である。31はp+形InP基板、32はp+形
InPバッファ層、53はBe不純物密度２×1015cm-3、厚さ
１μｍのｐ形In0.53Ga0.47As光吸収層、34はBe不純物密
度８×1017cm-3、厚さ100Åのｐ形In0.53Ga0.47As電界
強度調整層、35はBe不純物密度２×1015cm-3のｐ形In
0.52Ga0.48As（厚さ300Å）/In0.8Ga0.2As0.6Ｐ0.4（厚
さ250Å）超格子からなる厚さ１μｍの超格子キャリア
増倍層、36はBe不純物密度２×1015cm-3、厚さ0.3μｍ
のｐ形InP層、27は不純物密度１×1018cm-3のSiイオン
注入した高濃度ｎ形InP領域、38はBe不純物密度１×10
16cm-3のSiイオン注入した低濃度ｎ形InP領域、39はAuG
eNiのオーミック電極、30はAuZnNiのオーミック電極、5
1はAuZnNi電極30にあけられた光入射用窓である。ま
た、AuGeNi電極39は光反射膜を兼ねる。
第３図（ｂ）は、本実施例のAPDを上から見た図であ
り、円形の高濃度Si注入領域37の周囲を円周状に低濃度
Si注入領域38が取り囲み、光反射膜を兼ねた円状の電極
39が両領域にまたがって存在する。
り、円形の高濃度Si注入領域37の周囲を円周状に低濃度
Si注入領域38が取り囲み、光反射膜を兼ねた円状の電極
39が両領域にまたがって存在する。
第３図（ａ）の左側の図は各層での電界強度分布を示
す。図の実線は高濃度Si注入領域37下の各層の電界強度
分布を示し、破線は高濃度Si注入領域37の周辺部の低濃
度Si注入領域38下の各層の電界強度分布を示す。実線の
電界強度分布では、超格子キャリア増倍層35に大きな電
界が印加され、この層でアバランシェ増倍が起こる。ま
た、電界強度はｐ形In0.53Ga0.47As電界強度調整層34内
で弱められ、光吸収層33の電界は超格子キャリア増倍層
35の電界に比べて十分小さいため、この光吸収層33での
アバランシェ増倍やトンネル電流は抑圧される。信号光
は光入射用窓51から入射し、光吸収層33に達する。この
光吸収層33で生成された電子はこの層にかかった電界に
よって超格子キャリア増倍層35に向かって掃引され、こ
の層でキャリアの増倍を誘発する。従って、電界強度分
布が実線で示された高濃度Si注入領域37に光が入射され
た場合には大きな光電流がアバランシェ増幅によって流
れる。
す。図の実線は高濃度Si注入領域37下の各層の電界強度
分布を示し、破線は高濃度Si注入領域37の周辺部の低濃
度Si注入領域38下の各層の電界強度分布を示す。実線の
電界強度分布では、超格子キャリア増倍層35に大きな電
界が印加され、この層でアバランシェ増倍が起こる。ま
た、電界強度はｐ形In0.53Ga0.47As電界強度調整層34内
で弱められ、光吸収層33の電界は超格子キャリア増倍層
35の電界に比べて十分小さいため、この光吸収層33での
アバランシェ増倍やトンネル電流は抑圧される。信号光
は光入射用窓51から入射し、光吸収層33に達する。この
光吸収層33で生成された電子はこの層にかかった電界に
よって超格子キャリア増倍層35に向かって掃引され、こ
の層でキャリアの増倍を誘発する。従って、電界強度分
布が実線で示された高濃度Si注入領域37に光が入射され
た場合には大きな光電流がアバランシェ増幅によって流
れる。
一方、破線の電界強度分布では、Siの注入量が少ない
ために、低濃度Si注入領域38も空乏化され、印加電圧が
この低濃度Si注入領域38と超格子キャリア増倍層35に分
割されるために、超格子キャリア増倍層35の電界強度は
実線で示された高濃度Si注入領域37下の超格子キャリア
増倍層35に比べて小さい。さらに、第３図（ａ）に示す
ように、低濃度Si注入領域38下において、pn接合はエネ
ルギーバンドギャップの大きいInP層中の低濃度Si注入
領域38とｐ形InP領域36との間に形成されているので、
最大の電界はここに印加される。一般に、アバランシェ
降状電界はエネルギーバンドギャップの大きな半導体ほ
ど大きい。以上のことにより、低濃度Si注入領域38のア
バランシェ降状電圧は高濃度Si注入領域37のそれに比べ
て十分大きい。従って、この低濃度Si注入領域38はエッ
ジブレークダウンを抑制し、ガードリングの役割を果た
す。
ために、低濃度Si注入領域38も空乏化され、印加電圧が
この低濃度Si注入領域38と超格子キャリア増倍層35に分
割されるために、超格子キャリア増倍層35の電界強度は
実線で示された高濃度Si注入領域37下の超格子キャリア
増倍層35に比べて小さい。さらに、第３図（ａ）に示す
ように、低濃度Si注入領域38下において、pn接合はエネ
ルギーバンドギャップの大きいInP層中の低濃度Si注入
領域38とｐ形InP領域36との間に形成されているので、
最大の電界はここに印加される。一般に、アバランシェ
降状電界はエネルギーバンドギャップの大きな半導体ほ
ど大きい。以上のことにより、低濃度Si注入領域38のア
バランシェ降状電圧は高濃度Si注入領域37のそれに比べ
て十分大きい。従って、この低濃度Si注入領域38はエッ
ジブレークダウンを抑制し、ガードリングの役割を果た
す。
本実施例では、入射光は、光入射用窓51から入射さ
れ、InP基板31とInPバッファ層32を透過したのち、エネ
ルギーバンドギャップの小さいInGaAs光吸収層33で吸収
される。このInGaAs光吸収層33の厚さは光の吸収係数α
avの逆数（約２μｍ）よりも小さいために全ての光が吸
収されずに、超格子キャリア増倍層35に達するが、この
エネルギーバンドギャップは信号光の光子エネルギーよ
りも大きいために透明であり、さらにInP層36、37を透
過し、光反射膜39で反射されて光吸収層33に戻される。
従って、光吸収層の実効的な厚さが２倍になり殆ど全て
の光子が吸収される。これらの光の吸収によって電子と
正孔の対を生成し、このうちの電子がInGaAs光吸収層33
内に印加された電界によって走行し、超格子キャリア増
倍層35に注入される。従って、量子効率を低下させるこ
となく光吸収層を薄くできるために、キャリアの走行時
間を短縮でき、かつ動作電圧を小さくできる。
れ、InP基板31とInPバッファ層32を透過したのち、エネ
ルギーバンドギャップの小さいInGaAs光吸収層33で吸収
される。このInGaAs光吸収層33の厚さは光の吸収係数α
avの逆数（約２μｍ）よりも小さいために全ての光が吸
収されずに、超格子キャリア増倍層35に達するが、この
エネルギーバンドギャップは信号光の光子エネルギーよ
りも大きいために透明であり、さらにInP層36、37を透
過し、光反射膜39で反射されて光吸収層33に戻される。
従って、光吸収層の実効的な厚さが２倍になり殆ど全て
の光子が吸収される。これらの光の吸収によって電子と
正孔の対を生成し、このうちの電子がInGaAs光吸収層33
内に印加された電界によって走行し、超格子キャリア増
倍層35に注入される。従って、量子効率を低下させるこ
となく光吸収層を薄くできるために、キャリアの走行時
間を短縮でき、かつ動作電圧を小さくできる。
さらに、本実施例のAPDでは、第３図（ｂ）に示すよ
うに電極39が第２の実施例のようにリング状でなく、Si
注入領域のほぼ全体を覆うため、ボンディングパッドを
別に設ける必要がなく、素子の面積を小さくでき、素子
容量が小さい。このことによっても高速応答が可能にな
る。なお、前記ガードリング接合を省略した構造も考え
られるが、エッジブレークダウンが発生し易く、実用上
は前記ガードリング接合を設ける方がよい。
うに電極39が第２の実施例のようにリング状でなく、Si
注入領域のほぼ全体を覆うため、ボンディングパッドを
別に設ける必要がなく、素子の面積を小さくでき、素子
容量が小さい。このことによっても高速応答が可能にな
る。なお、前記ガードリング接合を省略した構造も考え
られるが、エッジブレークダウンが発生し易く、実用上
は前記ガードリング接合を設ける方がよい。
以上、本考案を実施例に基づき具体的に説明したが、
本考案は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は勿論である。
本考案は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は勿論である。
以上説明したように本発明のAPDでは、高速低暗電流
化が雑音特性を犠牲にすることなく実現でき、かつ動作
電圧を低減できる。また、このようなAPDにおいて信頼
性の高いプレーナ形素子を提供できる。
化が雑音特性を犠牲にすることなく実現でき、かつ動作
電圧を低減できる。また、このようなAPDにおいて信頼
性の高いプレーナ形素子を提供できる。
第１図（ａ）は、本発明の第１の実施例の超格子APDの
断面構造図、第１図（ｂ）は、本実施例の素子の超格子
キャリア増倍層のエネルギーバンド図、第２図（ａ）
は、本発明の第２の実施例のプレーナ形超格子APDの断
面図、第２（ｂ）は、第２図の実施例のAPDを上から見
た図、第３図（ａ）は、本発明の第３の実施例のプレー
ナ形超格子APDの断面図、第３図（ｂ）は、第３の実施
例のAPDを上から見た図、第４図（ａ）は、従来の超格
子APDの断面構造図、第４図（ｂ）は、従来の素子の超
格子キャリア増倍層のエネルギーバンド図である。 １……n+形InP基板 ２……n+形InPバッファ層 ３……ノンドープIn0.52Al0.48As/In0.8Ga0.2As0.6Ｐ
0.4超格子キャリア増倍層 ４……ｐ形In0.53Ga0.47As層 ５……ｐ形In0.53Ga0.47As層 ６……ｐ形In0.53Ga0.47As ７……ｐ形InP層 ８……ｐ形In0.53Ga0.47As層 ９……AuGeNiオーミック電極 10……AuZnNiオーミック電極 11……光入射用窓 12……ノンドープIn0.53Al0.47As/In0.52Al0.48As超格
子 13……ｐ形In0.53Ga0.47As層 21……p+形InP基板 22……p+形InPバッファ層 23……ｐ形In0.53Ga0.47As電界強度調整層 24……ｐ形In0.53Ga0.47As電界強度調整層 25……ｐ形In0.52Al0.48As/In0.8Ga0.2As0.6Ｐ0.4超格
子キャリア増倍層 26……ｐ形InP層 27……高濃度ｎ形InP領域 28……低濃度ｎ形InP領域 29……AuGeNiオーミック電極 20……AuZnNiオーミック電極 41……ボンディングパッド 31……p+形InP基板 32……p+形InPバッファ層 33……ｐ形In0.53Ga0.47As光吸収層 34……ｐ形In0.53Ga0.47As電界強度調整層 35……ｐ形In0.52Al0.48As/In0.8Ga0.2As0.6Ｐ0.4超格
子キャリア増倍層 36……ｐ形InP層 37……高濃度ｎ形InP領域 38……低濃度ｎ形InP領域 39……AuGeNiオーミック電極 30……AuZnNiオーミック電極 51……光入射用窓
断面構造図、第１図（ｂ）は、本実施例の素子の超格子
キャリア増倍層のエネルギーバンド図、第２図（ａ）
は、本発明の第２の実施例のプレーナ形超格子APDの断
面図、第２（ｂ）は、第２図の実施例のAPDを上から見
た図、第３図（ａ）は、本発明の第３の実施例のプレー
ナ形超格子APDの断面図、第３図（ｂ）は、第３の実施
例のAPDを上から見た図、第４図（ａ）は、従来の超格
子APDの断面構造図、第４図（ｂ）は、従来の素子の超
格子キャリア増倍層のエネルギーバンド図である。 １……n+形InP基板 ２……n+形InPバッファ層 ３……ノンドープIn0.52Al0.48As/In0.8Ga0.2As0.6Ｐ
0.4超格子キャリア増倍層 ４……ｐ形In0.53Ga0.47As層 ５……ｐ形In0.53Ga0.47As層 ６……ｐ形In0.53Ga0.47As ７……ｐ形InP層 ８……ｐ形In0.53Ga0.47As層 ９……AuGeNiオーミック電極 10……AuZnNiオーミック電極 11……光入射用窓 12……ノンドープIn0.53Al0.47As/In0.52Al0.48As超格
子 13……ｐ形In0.53Ga0.47As層 21……p+形InP基板 22……p+形InPバッファ層 23……ｐ形In0.53Ga0.47As電界強度調整層 24……ｐ形In0.53Ga0.47As電界強度調整層 25……ｐ形In0.52Al0.48As/In0.8Ga0.2As0.6Ｐ0.4超格
子キャリア増倍層 26……ｐ形InP層 27……高濃度ｎ形InP領域 28……低濃度ｎ形InP領域 29……AuGeNiオーミック電極 20……AuZnNiオーミック電極 41……ボンディングパッド 31……p+形InP基板 32……p+形InPバッファ層 33……ｐ形In0.53Ga0.47As光吸収層 34……ｐ形In0.53Ga0.47As電界強度調整層 35……ｐ形In0.52Al0.48As/In0.8Ga0.2As0.6Ｐ0.4超格
子キャリア増倍層 36……ｐ形InP層 37……高濃度ｎ形InP領域 38……低濃度ｎ形InP領域 39……AuGeNiオーミック電極 30……AuZnNiオーミック電極 51……光入射用窓
Claims (4)
- 【請求項１】ｎ形InP基板上にIn0.52Al0.48As層と、こ
れに格子整合し、エネルギーバンドギャップが0.8eVよ
りも大きいInxGa1-xAsyP1-y層を交互に積層した超格子
からなるキャリア増倍層を有し、前記InP基板とは反対
側に厚さが1.5μｍ以下のｐ形In0.53Ga0.47Asからなる
光吸収層を有し、前記InP基板に設けた電極に光入射用
窓があけられ、かつ前記InP基板とは反対側の素子の上
端に光反射膜を有することを特徴とするアバランシェフ
ォトダイオード。 - 【請求項２】ｐ形InP基板上にｐ形In0.52Al0.48As層
と、これに格子整合し、エネルギーバンドギャップが0.
8eVよりも大きいｐ形InxGa1-xAsyP1-y層を交互に積層し
た超格子からなるキャリア増倍層を有し、前記InP基板
と前記超格子キャリア増倍層の間にｐ形In0.53Ga0.47As
からなる光吸収層を有し、前記光吸収層と反対側に前記
超格子キャリア増倍層と接してｐ形InP層を有し、かつ
前記ｐ形InP層の一部にｎ形不純物を拡散またはイオン
注入によって導入したｎ形領域を有することを特徴とす
るアバランシェフォトダイオード。 - 【請求項３】請求項２記載のアバランシェフォトダイオ
ードにおいて、前記InP基板に設けた電極に光入射用窓
があけられ、前記光吸収層の厚さが1.5μｍ以下であ
り、前記InP基板とは反対側の素子の上端に光反射膜を
有することを特徴とするアバランシェフォトダイオー
ド。 - 【請求項４】請求項２または３記載のアバランシェフォ
トダイオードにおいて、前記ｎ形領域の周囲に、前記ｎ
形領域よりもｎ形不純物密度の小さい領域をさらに有す
ることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
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