JP2936770B2 - 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、波長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I
n0.53Ga0.47As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・レターズ(Electronics Lette
rs)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 イー
イーイー・エレクトロンデバイス・レターズ(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。
半導体受光素子として、InP基板上に格子整合したI
n0.53Ga0.47As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・レターズ(Electronics Lette
rs)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 イー
イーイー・エレクトロンデバイス・レターズ(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・
レターズ(Appl.Phys.Lett.),198
2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・
レターズ(Appl.Phys.Lett.),198
2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、帯域が抑圧されているという弊害もあ
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、帯域が抑圧されているという弊害もあ
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障壁層が電子
透過防止層及び多重量子障壁の2領域で形成され、且
つ、該電子透過防止層及び2つの半導体層からなる多重
量子障壁の障壁層のIII族原子の平均イオン化エネル
ギーをEA 、禁制帯幅をEgA、 またアバランシェ増倍層
を構成する井戸層の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 が成り立つことを特徴とする。
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障壁層が電子
透過防止層及び多重量子障壁の2領域で形成され、且
つ、該電子透過防止層及び2つの半導体層からなる多重
量子障壁の障壁層のIII族原子の平均イオン化エネル
ギーをEA 、禁制帯幅をEgA、 またアバランシェ増倍層
を構成する井戸層の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 が成り立つことを特徴とする。
【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
を構成する障壁層がInAlAs電子透過防止層及びI
nAlAs/InGaAsP多重量子障壁層の2領域で
形成され、アバランシェ増倍層を構成する井戸層がIn
GaAsP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。
光素子において、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層
を構成する障壁層がInAlAs電子透過防止層及びI
nAlAs/InGaAsP多重量子障壁層の2領域で
形成され、アバランシェ増倍層を構成する井戸層がIn
GaAsP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。
【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障壁層が電子透過防
止層及び多重量子障壁の2領域で形成され、且つ、該電
子透過防止層及び2つの半導体層からなる多重量子障壁
の障壁層のIII族原子の平均イオン化エネルギーをE
C 、禁制帯幅をEgC、またアバランシェ増倍層を構成す
る井戸層のIII族原子の平均イオン化エネルギーをE
D 、禁制帯幅をEgDとした場合、 EC <ED および EC +EgC<ED +EgD が成り立つことを特徴とする。
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障壁層が電子透過防
止層及び多重量子障壁の2領域で形成され、且つ、該電
子透過防止層及び2つの半導体層からなる多重量子障壁
の障壁層のIII族原子の平均イオン化エネルギーをE
C 、禁制帯幅をEgC、またアバランシェ増倍層を構成す
る井戸層のIII族原子の平均イオン化エネルギーをE
D 、禁制帯幅をEgDとした場合、 EC <ED および EC +EgC<ED +EgD が成り立つことを特徴とする。
【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
を構成する障壁層がAlGaAsSb電子透過防止層及
びAlGaAsSb/AlGaInAs多重量子障壁層
の2領域で形成され、アバランシェ増倍層を構成する井
戸層がAlGaAsSb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。
光素子において、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層
を構成する障壁層がAlGaAsSb電子透過防止層及
びAlGaAsSb/AlGaInAs多重量子障壁層
の2領域で形成され、アバランシェ増倍層を構成する井
戸層がAlGaAsSb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。
【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、アバランシェ増倍層を構成する障壁層にInx Al
1-x As(0≦x≦1)、井戸層にIny Ga1-y As
(0≦y≦1)、を用いている。該ヘテロ周期構造の障
壁層には、InAlAs電子透過防止層及びInAlA
s/InGaAs多重量子障壁層の2つの領域から構成
されている。これより、走行する電子は、多重量子障壁
で得たエネルギーΔEMQB 及びInAlAsとInGa
Asの伝導帯エネルギー差ΔEC を一度に感じるので、
大きなイオン化エネルギーを得ることが出来る。
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、アバランシェ増倍層を構成する障壁層にInx Al
1-x As(0≦x≦1)、井戸層にIny Ga1-y As
(0≦y≦1)、を用いている。該ヘテロ周期構造の障
壁層には、InAlAs電子透過防止層及びInAlA
s/InGaAs多重量子障壁層の2つの領域から構成
されている。これより、走行する電子は、多重量子障壁
で得たエネルギーΔEMQB 及びInAlAsとInGa
Asの伝導帯エネルギー差ΔEC を一度に感じるので、
大きなイオン化エネルギーを得ることが出来る。
【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ΔEMQB 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、価電子帯を奏功する正孔は、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ΔEMQB 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、価電子帯を奏功する正孔は、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
ンドン構造である。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の半導体にAlx Ga1-x Asy Sb
1-y (0≦x≦1)(0≦y≦1)、第2の半導体にI
nz Ga1-z As(0≦z≦1)を用いている。該ヘテ
ロ周期構造の障壁層は、AlGaAsSb電子透過防止
層及びAlGaAsSb/InGaAs多重量子障壁層
の2つの領域から構成されている。これより、走行する
電子は、多重量子障壁で得たΔEMQB 及びAlGaAs
SbとInGaAsの伝導帯エネルギー差ΔEC を一度
に感じるので、大きなイオン化エネルギーを得ることが
出来る。
ンドン構造である。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の半導体にAlx Ga1-x Asy Sb
1-y (0≦x≦1)(0≦y≦1)、第2の半導体にI
nz Ga1-z As(0≦z≦1)を用いている。該ヘテ
ロ周期構造の障壁層は、AlGaAsSb電子透過防止
層及びAlGaAsSb/InGaAs多重量子障壁層
の2つの領域から構成されている。これより、走行する
電子は、多重量子障壁で得たΔEMQB 及びAlGaAs
SbとInGaAsの伝導帯エネルギー差ΔEC を一度
に感じるので、大きなイオン化エネルギーを得ることが
出来る。
【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ΔEMQB 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A
PD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ΔEMQB 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A
PD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及
び多重量子障壁層21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層及び多重量子障壁層はInAlAs3
0A/InGaAs20Aの5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及
び多重量子障壁層21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層及び多重量子障壁層はInAlAs3
0A/InGaAs20Aの5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、3000の深さまでイオン注入し、5×1016cm
-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、1×1018cm-3
の濃度領域を得る。更に、パッシベーション膜8を15
00A形成し、n側電極9として、AuGe/Niを1
500A、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、3000の深さまでイオン注入し、5×1016cm
-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、1×1018cm-3
の濃度領域を得る。更に、パッシベーション膜8を15
00A形成し、n側電極9として、AuGe/Niを1
500A、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)120、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)120、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InGaAs
光吸収層14を1.5μm、AlGaAsSb500A
/InGaAs250Aの16周期ヘテロ周期構造アバ
ランシェ増倍層22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AlGaAsSb
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23及び多重
量子障壁層24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AlGa
AsSb層及び多重量子障壁層はAlGaAsSb30
A/InGaAs20Aの5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InGaAs
光吸収層14を1.5μm、AlGaAsSb500A
/InGaAs250Aの16周期ヘテロ周期構造アバ
ランシェ増倍層22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AlGaAsSb
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23及び多重
量子障壁層24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AlGa
AsSb層及び多重量子障壁層はAlGaAsSb30
A/InGaAs20Aの5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1×1014cm
-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1×1014cm
-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、電子イオン化が誇張され、実効イオン化率
比(α/β比)110、また量子効率が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、電子イオン化が誇張され、実効イオン化率
比(α/β比)110、また量子効率が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InGaAsP250Aを用いたもののバン
ド図が図7(b)である。他の構造は図7(a)に示す
ように同様でよい。この場合Ev の差は障壁層と井戸層
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InGaAsP250Aを用いたもののバン
ド図が図7(b)である。他の構造は図7(a)に示す
ように同様でよい。この場合Ev の差は障壁層と井戸層
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(a)
(b)のInGaAs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。
(b)のInGaAs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。
【符号の説明】 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基板(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 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 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 23 AlGaAsSb電子透過防止層 24 AlGaAsSb/InGaAs多重量子障壁層 25 p型多重量子障壁を含むInAlAs/InGa
AsPヘテロ周期構造アバランシェ増倍層 26 InAlAs電子透過防止層 27 InAlGaAs/InGaAsP多重量子障壁
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 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 23 AlGaAsSb電子透過防止層 24 AlGaAsSb/InGaAs多重量子障壁層 25 p型多重量子障壁を含むInAlAs/InGa
AsPヘテロ周期構造アバランシェ増倍層 26 InAlAs電子透過防止層 27 InAlGaAs/InGaAsP多重量子障壁
層
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 31/107
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
する障壁層が電子透過防止層及び多重量子障壁の2領域
で形成され、且つ、該電子透過防止層及び2つの半導体
層からなる多重量子障壁の障壁層のIII族原子の平均
イオン化エネルギーをEA 、禁制帯幅をEgA、またアバ
ランシェ増倍層を構成する井戸層の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 が成り立つ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を構成す
る障壁層がInAlAs電子透過防止層及びInAlA
s/InGaAsP多重量子障壁層の2領域で形成さ
れ、アバランシェ増倍層を構成する井戸層が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
する障壁層が電子透過防止層及び多重量子障壁の2領域
で形成され、且つ、該電子透過防止層及び2つの半導体
層からなる多重量子障壁の障壁層のIII族原子の平均
イオン化エネルギーをEC 、禁制帯幅をEgC、またアバ
ランシェ増倍層を構成する井戸層の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 が成り立つ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を構成す
る障壁層がAlGaAsSb電子透過防止層及びAlG
aAsSb/AlGaInAs多重量子障壁層の2領域
で形成され、アバランシェ増倍層を構成する井戸層がA
lGaAsSb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 (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3064266A JP2936770B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-03-28 | 半導体受光素子 |
US07/826,494 US5204539A (en) | 1991-01-28 | 1992-01-27 | Avalanche photodiode with hetero-periodical structure |
DE69218474T DE69218474T2 (de) | 1991-01-28 | 1992-01-28 | Lawinenfotodiode |
EP92101356A EP0497279B1 (en) | 1991-01-28 | 1992-01-28 | Avalanche photodiode |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3064266A JP2936770B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-03-28 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04299874A JPH04299874A (ja) | 1992-10-23 |
JP2936770B2 true JP2936770B2 (ja) | 1999-08-23 |
Family
ID=13253234
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3064266A Expired - Fee Related JP2936770B2 (ja) | 1991-01-28 | 1991-03-28 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2936770B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06291357A (ja) * | 1993-03-31 | 1994-10-18 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
JP2012248254A (ja) | 2011-05-30 | 2012-12-13 | Toshiba Corp | 磁気記録媒体、磁気記録装置 |
-
1991
- 1991-03-28 JP JP3064266A patent/JP2936770B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04299874A (ja) | 1992-10-23 |
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