JP2941349B2 - 超格子apd - Google Patents

超格子apd

Info

Publication number
JP2941349B2
JP2941349B2 JP2090321A JP9032190A JP2941349B2 JP 2941349 B2 JP2941349 B2 JP 2941349B2 JP 2090321 A JP2090321 A JP 2090321A JP 9032190 A JP9032190 A JP 9032190A JP 2941349 B2 JP2941349 B2 JP 2941349B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
superlattice
apd
multiplication
well
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2090321A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH03289181A (ja
Inventor
均 中村
昌一 花谷
滋久 田中
創 大歳
宏司 石田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2090321A priority Critical patent/JP2941349B2/ja
Publication of JPH03289181A publication Critical patent/JPH03289181A/ja
Priority to US08/391,287 priority patent/US5543629A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2941349B2 publication Critical patent/JP2941349B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/08Semiconductor 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 in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor 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 in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H01L31/1075Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/0248Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035236Superlattices; Multiple quantum well structures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信に用いるアバランシェフォトダイオ
ード(APD)に係り、特に高速、高感度の超格子APDに関
する。
〔従来の技術〕
APDの高速、低雑音化のためには、電子、正孔に対す
るイオン化率に大きな差をつけることが必要である。こ
のようなイオン化率化を改善する構造として超格子APD
が知られている。従来、超格子APDの増倍領域内の井戸
幅は、量子効果が顕著にあらわれない比較的広いもの
(例えば20〜50nm)が有効であると考えられていた(例
えばアイ・イー・イー・イー,トランザクションズ・オ
ン・エレクトロン・デバイス・イーディ33,10[IEEE,Tr
ans.on Electrondevices,ED−33,No.10(1986)])。
これは、量子効果によりイオン化しきい値エネルギーが
大きくなること、及び、バンド不連続値が小さくなるこ
との2つの理由による。
〔発明が解決しようとする課題〕 上記従来技術により、イオン化率比の改善効果は十分
みとめられ、そのため、増倍立上り時間の短縮に基づく
高速化、及び増倍過程で生ずる雑音成分の減少を達成で
きる。しかし、10Gb/s程度の高速APDへの適用を考える
と、以下に示すいくつかの問題点を生ずる。
1.利得の低下 2.イオン化率比の低下 3.暗電流の増大 4.雑音の増大 本発明の目的は、上記1−4の問題点を解決する超格
子APDの構造を提供し、 さらに、高速化のために必要な構造上のいくつかの条
件を加えることにより、高速APDを実現することにあ
る。
〔課題を解決するための手段〕
上記問題点を発生する原因は以下のとおりである。10
Gb/sという高速動作を実現するためには、イオン化率比
の改善による増倍立上り時間の短縮だけでは不十分であ
り、キャリアの走行時間を短縮することが必要不可欠で
ある。そのためには、光吸収層、増倍層の膜厚を従来の
0.4〜2Gb/s用APDに比べ減少することが必要である。ち
なみに、光通信に用いるInGaAs/InAlAs系超格子では、
光吸収層〜1.0μm,超格子増倍層〜0.5μm、少なくとも
0.7μm以下にする必要がある。増倍層の膜厚が薄くな
ることに伴ない、利得を得るのに必要な電界は上昇す
る。そのため、従来の井戸幅20〜50nmの素子では上記問
題を生ずる。本発明では、井戸層の幅、障壁層の幅を供
に190nm以下とすることにより問題の解決をはかる。更
には、高速動作時に問題となるキャリアのパイルアップ
を防止するため、問題となるヘテロ界面に、ポテンシャ
ル障壁を減少、または消失する構造を導入する。また、
利得を大きくするため、超格子増倍層内のヘテロ界面の
数、すなわち井戸層の数を多くする必要がある。その数
として、後で詳細に示すように30以上にすることが重要
である。
また、素子作製法として、上記のような薄膜を制御性
よく作製できる、分子線エピタキシ法、有機金属気相成
長法、あるいは、それらを組合わせた有機金属分子線エ
ピタキシ法が有力である。
〔作用〕
既述した従来技術の有する4つの問題点につき、本発
明の作用を順次説明する。
1.利得: 印加電界を一定にした場合、超格子APDの利得は、主
に、超格子(ヘテロ構造)の周期数、井戸幅でき
る。超格子増倍層の全膜厚を0.5μm、井戸幅、障壁層
幅をLw、Lbとする。従来のLw=Lb=50nmでは、周期N=
5であるが、本発明のLw=5nm、Lb=8nmではN=38とな
る。これにより、Lwの減少に伴なうイオン化率の減少を
おぎない、大きな利得を得ることが可能となる。
2.イオン化率比: 上記理由により、同じ利得を得るためには、本発明は
従来例に比べ電界を少さくできる。イオン化率比は、電
界の上昇とともに減少するため、本発明では大きなイオ
ン化率比をも得ることができる。
3.暗電流: 超格子APDでの主な暗電流成分は井戸層間でのトンネ
ル電流である。本発明では、Lwの減少により、実効的
なバリア高さ、バリア幅の増大によるトンネル確率の減
少、及び、動作電界の減少によるトンネル確率の減少
の2つの効果によりトンネル電流を少さくできる。
4.雑音: 増倍過程での雑音を増大させる原因の1つに混合注入
が知られている。これは、増倍層に電子、正孔両方のキ
ャリアが注入され増倍の種となる注入条件である。超格
子APDでの混合注入は、光が超格子増倍層で吸収される
ことにより生ずる。光通信用InGaAs/InAlAs系超格子で
は、InGaAs井戸層の波長1.55μmに対する吸収係数は80
00cm-1程度と大きい。本発明では、Lwが狭いため量子効
果により吸収係数を100〜4000cm-1程度に減少できる。
その結果、混合注入成分を抑制することができる。
また、上記本発明と、従来知られているパイルアップ
防止構成を組み合せることにより、高速APDが可能であ
る。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を説明する。本発明による前述
の4つの問題点(利得、イオン化率比、暗電流、雑音)
の改善効果を調べるため、第1図を基本構造とする4種
類の超格子APDを試作した。n−InP基板15上にn−InAl
As層14(n=1×1018cm-3,d=1μm)、アンドープIn
GaAs/InAlAs超格子増倍層13,p−InAlAs層に(p=2×1
018cm-3,d=1μm)積層した構造である。11,16はそれ
ぞれp,n電極である。超格子増倍層13の全膜厚0.7μm、
井戸層幅Lwの合計0.3μm、障壁層幅Lbの合計0.4μmの
条件のもとで、Lw=50,30,10,5nmの4種類の超格子構造
を有するAPDを作製した。以下、4種類の素子をa,b,c,d
と記載する。
素子の製作方法は以下のとおりである。結晶成長法に
は、分子線エピタキシ法を用いた。成長温度500℃、As
圧2×105Torrである。メサエッチングには、Br2:HBr:H
2O=1:17:64のウェットエッチングを用いた。表面のパ
シベーションには、プラズマCVD法によるSiN膜を用い
た。
第2図にa−dの暗電流特性を実線で示す。また、ト
ンネル電流の計算値を破線で示す。Lw>10nmでは、トン
ネル電流が急激に増大することがわかる。これは、1つ
の井戸層内部でのトンネル電流が生ずるためである。
第3図に増倍特性を示す。入射波長は、0.64μm、入
射入力は、0.1μwであり、ほぼ完全な電子注入条件と
なる。素子dが最も低電圧で増倍を生じた。これは、前
述の井戸層の数の差による効果だと思われる。次に雑音
測定より求めたイオン化率比(α/β)を表1に示す。
素子a,bでイオン化率比が1より小さい(α/β)の
は、通常の超格子APDの増倍機構とは別な増倍機構が生
じたためと思われるが、詳細は不明である。値に幅があ
るのは、印加電圧の依存性に相当する。
また、第4図に素子a−dの波長1.55μm入射入力0.
1μwでの光応答特性(光電流から暗電流を引いた値)
を示す。図には、素子aの30Vでの値で規格化した相対
値を示した。この波長は、光通信で主に用いられる波長
であるが、Lw=5nmの素子dではきわめて感度が低い。
これは、井戸幅がせまいため,量子効果により実効的な
バンドキャップが上昇したものであり、本素子により
「作用」の項4.雑音で述べた混合注入を防止できること
を示すものである。
以上の基本実験により、Lw=5nmの素子dにおいて、
本発明で目的とした4つの課題を解決できることを示し
た。すなわち、超格子増倍層の膜厚0.7μm、井戸層膜
厚Lw=5nm、障壁層膜厚Lb=66nm井戸層の数(超格子APD
において電子を選択的に加速するバリアの数)=60の素
子により、最大利得、20,イオン化率比、20〜40,
暗電流、<30nA(利得1での値),混合注入の割合、
1/20(Lw=30、50nmとの比)を得た。
次に、以上の検討をふまえて作製した10Gb/s用超格子
APDについて述べる。第5図、第6図の2つの構造の素
子を作製した。第5図は、表面入射型、第6図は裏面入
射型であり、第1図との基本的な違いは、超格子増倍層
の膜厚を0.5μmとしたこと、キャリアのパイルアップ
防止のため、超格子内の電子のパイルアップを生ずる側
にInGaAsグレーデッド層を導入したこと、InGaAs光吸層
17(膜厚1.0μm,Na=2×1015cm-3)を導入したこと、
第5図では、容量低減のためPIQ層18で埋め込み、その
上にn電極用のパッドをもうけたこと、また第6図では
P−InP基板19を用いたため、第1図、第5図の層の積
層の順が逆になったことである。第5及び、第6図にお
いて、第1図と同一符号は同一層を示す。
作製の方法は、基本的に第1図と同様である。第5図
でのPIQの埋込では、PIQ硬化のためN2中で350℃のベー
キングを行ない。PIQのパターニングには、反応性イオ
ンエッチング(エッチングガスO2、真空度ImTorr、RF出
力200W)を用いた。
次に第5,6図のAPDの超格子増倍層の詳細を示す。全膜
厚は0.5μmである。1周期の設計構造を第7図に示
す。0−5nmは、InGaAs井戸層、5−7.5nmは組成の変化
するZnGaAlグレーデッド層(パイルアップ防止層)、7.
5−12.5nmはInAlAsバリア層であり、1周期は12.5nm、
周期数(井戸層の数)は40である。なお、上記グレーデ
ッド層は、層13,17の間にももうけた。
素子の接合径は、供に30μmφとし、動作電圧下での
容量は、第5図及び6図の構造で0.25pF、0.20pFであっ
た。
表2に測定された素子特性を示す。
周波数、イオン化率比は、それぞれヘタロダイン法、
雑音測定により測定した。
本実施例では、パイルアップ防止の構造として、InGa
AlAsグレーデッド層を用いたが、InGaAs/InAlAs超薄膜
による擬示混晶法、ミニバンド輸送法も有効である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、10Gb/s程度の高速なAPDにおける高
感度化、高利得化、高イオン化率化、低暗電流化および
低雑音化が可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基本構成を示すための断面図、第2図
は第1図の素子の電流電圧特性を説明するための図、第
3図は第1図に示す素子の増倍特性を示す図、第4図は
第1図に示す素子の光応答特性(相対値)を示す図、第
5図及び第6図は本発明の他の実施例の断面構造を示す
図、第7図は第5及び6図の超格子APDにおける超格子
増倍層の1周期の組成(設計)例を示す図である。 符号の説明 13:超格子増倍層 17:InGaAs光吸収層。
フロントページの続き (72)発明者 大歳 創 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 石田 宏司 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 平1−194476(JP,A) 特開 昭59−132687(JP,A) 特開 平2−54974(JP,A) 特開 平2−90575(JP,A) 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 (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光を吸収してキャリアを生成する光吸収領
    域と、このキャリアを増倍するための増倍領域と、前記
    キャリアを走行させるための一対の電極とを有し、前記
    増倍領域は複数の井戸層及び障壁層が交互に積層された
    超格子構造を含み、前記井戸層、障壁層各々の膜厚は10
    nm以下であり、前記井戸層にはInGaAsが用いられ、前記
    障壁層にはInAlAsが用いられ、前記超格子構造全体の膜
    厚は0.7μm以下であり、電子のイオン化率をα、正孔
    のイオン化率をβとしたときのイオン化率比α/βが1
    より十分に大きいことを特徴とする超格子APD。
JP2090321A 1990-04-06 1990-04-06 超格子apd Expired - Fee Related JP2941349B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2090321A JP2941349B2 (ja) 1990-04-06 1990-04-06 超格子apd
US08/391,287 US5543629A (en) 1990-04-06 1995-02-21 Superlattice avalanche photodiode (APD)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2090321A JP2941349B2 (ja) 1990-04-06 1990-04-06 超格子apd

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH03289181A JPH03289181A (ja) 1991-12-19
JP2941349B2 true JP2941349B2 (ja) 1999-08-25

Family

ID=13995264

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2090321A Expired - Fee Related JP2941349B2 (ja) 1990-04-06 1990-04-06 超格子apd

Country Status (2)

Country Link
US (1) US5543629A (ja)
JP (1) JP2941349B2 (ja)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3177962B2 (ja) * 1998-05-08 2001-06-18 日本電気株式会社 プレーナ型アバランシェフォトダイオード
JP3287458B2 (ja) * 1998-06-24 2002-06-04 日本電気株式会社 超高速・低電圧駆動アバランシェ増倍型半導体受光素子
US6420728B1 (en) * 2000-03-23 2002-07-16 Manijeh Razeghi Multi-spectral quantum well infrared photodetectors
US7045833B2 (en) * 2000-09-29 2006-05-16 Board Of Regents, The University Of Texas System Avalanche photodiodes with an impact-ionization-engineered multiplication region
JP4220688B2 (ja) * 2001-02-26 2009-02-04 日本オプネクスト株式会社 アバランシェホトダイオード
US6720588B2 (en) * 2001-11-28 2004-04-13 Optonics, Inc. Avalanche photodiode for photon counting applications and method thereof
US6794631B2 (en) 2002-06-07 2004-09-21 Corning Lasertron, Inc. Three-terminal avalanche photodiode
US6846172B2 (en) * 2002-06-07 2005-01-25 The Procter & Gamble Company Embossing apparatus
JP4184162B2 (ja) * 2002-10-30 2008-11-19 富士通株式会社 半導体受光装置
US20050135756A1 (en) 2003-12-19 2005-06-23 Chao Zhang Bi-directional optical transceiver module having automatic-restoring unlocking mechanism
US7198970B2 (en) 2004-01-23 2007-04-03 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Technique for perfecting the active regions of wide bandgap semiconductor nitride devices
US20060013540A1 (en) * 2004-07-19 2006-01-19 Chao Zhang Single fiber optical transceiver module
US7196349B2 (en) * 2005-02-17 2007-03-27 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Resonant cavity enhanced multi-quantum well light modulator and detector
US8030684B2 (en) * 2007-07-18 2011-10-04 Jds Uniphase Corporation Mesa-type photodetectors with lateral diffusion junctions
US7893464B2 (en) * 2008-03-28 2011-02-22 Jds Uniphase Corporation Semiconductor photodiode and method of manufacture thereof
US8008688B2 (en) * 2008-04-01 2011-08-30 Jds Uniphase Corporation Photodiode and method of fabrication
US10871394B2 (en) * 2018-08-03 2020-12-22 Pixart Imaging Inc. Optical sensor assembly

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2101148B (en) * 1981-04-14 1984-10-24 Hitachi Ltd Composition of protective coating material
US4596070A (en) * 1984-07-13 1986-06-24 Texas Instruments Incorporated Interdigitated IMPATT devices
US4894526A (en) * 1987-01-15 1990-01-16 American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories Infrared-radiation detector device
JPH0821727B2 (ja) * 1988-11-18 1996-03-04 日本電気株式会社 アバランシェフォトダイオード

Also Published As

Publication number Publication date
JPH03289181A (ja) 1991-12-19
US5543629A (en) 1996-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2941349B2 (ja) 超格子apd
JP6755285B2 (ja) アバランシェ・フォトダイオード
US6614086B2 (en) Avalanche photodetector
JP2937404B2 (ja) 半導体受光素子
US5539221A (en) Staircase avalanche photodiode
US5075750A (en) Avalanche photodiode with adjacent layers
US6350998B1 (en) Ultraspeed low-voltage drive avalanche multiplication type semiconductor photodetector
JP2002203986A6 (ja) アバランシェ光検出器
US5471068A (en) Semiconductor photodetector using avalanche multiplication and strained layers
JP2998375B2 (ja) アバランシェフォトダイオード
JP3254532B2 (ja) アバランシェホトダイオード
JPH0521829A (ja) 半導体装置
JPH0290575A (ja) 半導体受光素子
JP6705762B2 (ja) アバランシェフォトダイオード
JP2844822B2 (ja) アバランシェフォトダイオード
JPH0656900B2 (ja) 半導体光素子
JPH0493088A (ja) アバランシェフォトダイオード
EP0127724A2 (en) Photodetector
JPH04241473A (ja) アバランシェフォトダイオード
JP2700492B2 (ja) アバランシェフォトダイオード
JP2664960B2 (ja) アバランシェフォトダイオード
JPH05291609A (ja) 光半導体装置
JP2671569B2 (ja) アバランシェフォトダイオード
JP3739273B2 (ja) 半導体光検出器
JP2893092B2 (ja) アバランシェフォトダイオード

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Cancellation because of no payment of annual fees