JP2998471B2 - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JP2998471B2 JP4345542A JP34554292A JP2998471B2 JP 2998471 B2 JP2998471 B2 JP 2998471B2 JP 4345542 A JP4345542 A JP 4345542A JP 34554292 A JP34554292 A JP 34554292A JP 2998471 B2 JP2998471 B2 JP 2998471B2
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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。
【0002】
【従来の技術】従来、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In
0.53Ga0.47As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 Letter
s)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−
イ−イ−・エレクトロンデバイス・レターズ(IEE
E.EIectron.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4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。素子形成は、まず気相成長法でn
型InP基板1上にn型InPバッファ層2、n型In
GaAs光吸収層3、n型InPアバランシェ増倍層4
及びn型InPキャップ層5を順次積層する。その後、
Znを2回拡散することにより、p型受光領域6及びp
型ガードリング領域を順次形成する。パッシベーション
膜8を表面に堆積させ、n側9及びp側10にオーミッ
ク電極を蒸着して完成する。入射光11は表面から入射
する。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。
【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、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、帯域が抑圧されるという弊害も同時に生ずる。
【0006】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。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体受光素子
は、半導体基板(111)面上に半導体材料を積層して
なる光吸収層及びヘテロ周期構造アバランシェ増倍層
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第一の半導体層の3族原子及
び5族原子の平均イオン化エネルギーをそれぞれEA
びEB、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層を構成す
る第二の半導体層の3族原子及び5族原子の平均イオン
化エネルギーをそれぞれEC及びEDとした場合、 EA>ECB<ED の関係が成り立ち、且つ、前記第一の半導体層に引っ張
り歪が導入され、該第一の半導体層における正孔の質量
は、バルク結晶の正孔の質量と比べて軽くなっているこ
とを特徴とする。
【0008】
【作用】図1は、本発明の半導体受光素子のヘテロ周期
構造アバランシェ増倍層のバンド構造を示す図であり、
アバランシェ増倍層はヘテロ周期構造、すなわち5層の
第一の半導体層(量子井戸層)と4層の第二の半導体層
(光閉込層)を交互に積層した構造からなる。ここで
は、上述のバンド構造を満たす一つの具体例として、
一の半導体層にInxGa1-xAsy(0≦x≦1)、
二の半導体層にInyAl1-yAs(0≦y≦1)を用い
ている。ここで、このアバランシェ増倍層を走行する電
子は、伝導帯の不連続エネルギーΔEc感じること
で、そのエネル ギーΔE c 分のイオン化エネルギーを得
ることができるので、α/β比を大きくとることが出来
る。一方、第一の半導体層(量子井戸層)に引っ張り歪
を導入することにより該第一の半導体層に引っ張り応力
が負荷されているので、層方向に垂直に走行する正孔の
質量は、バルク結晶の正孔の質量より軽くなる(このこ
とについては、カオらが、ジャーナル・オブ・アプライ
ド・フィジックス(J.Appl.Phys.)57,
5428(1985)に報告している)。これより、価
電子帯エネルギー差△Evによる正孔のパイルアップが
緩和されるので、広帯域・低雑音の受光素子を得ること
が出来る。(111)面を基板面として使用した場合、
図3に示すように歪応力により転位が発生する臨界膜厚
が、(100)面上に成長した場合より約2倍大きくな
る。従って、(100)面上の素子より大きな歪を負荷
することができ、軽い正孔の寄与をより顕著に得ること
ができる。
【0009】
【実施例】本発明の一実施例について、図面を参照して
詳細に説明する。図2は、本発明の一実施例のアバラン
シェ増倍型受光素子を示す断面図である。この受光素子
の製造においては、n型InP基板1上に、n型InP
バッファ層2を0.5μm、n+型InAlAs層12
を0.5μm、n-型InAlAs500Å(オングス
トローム)/InGaAs100Åの10周期ヘテロ周
期構造アバランシェ増倍層13を0.6μm順に積層す
る。ここで、該アバランシェ増倍層の井戸層(第一の半
導体層)であるInXGa1-xAs層の組成は、x=0.
33とし、1.5%の引っ張り応力が負荷されている。
【0010】その後、p+ 型InP電界緩和層14を
0.2μm、p- 型InGaAs光吸収層15を1.3
μm、InAlAsキャップ層16を0.5μm順次に
積層する。その後、ウェットエッチング法により70μ
mφのメサを形成し、パッシベーション膜8を1500
Å蒸着した。n側電極9として、AuGe/Niを15
00Å、TiPtAuを500Å堆積する。また、p側
電極10として、AuZnを1500Å堆積することに
より、図2の素子構造を完成する。
【0011】上述した素子構造のもとで、作用の欄に比
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)50、最大帯域が9GHz、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。
【0012】
【発明の効果】本発明による半導体受光素子は、半導体
基板に(111)面を用いることにより、InGaAs
増倍井戸層(ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層を構成
する第一の半導体層)により大きな歪を負荷することが
できる。したがって、これによる軽い正孔の寄与が顕著
になり、価電子帯不連続エネルギーにおける正孔パイル
アップの緩和及び正孔走行時間の低減により高感度低雑
音特性を有する半導体受光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による受光素子の一例におけるバンド構
造図である。
【図2】本発明の一実施例である受光素子を示す断面図
である。
【図3】歪の大きさと臨界膜厚の関係を示す特性図であ
る。
【図4】従来のAPDの構造の一例を示す断面図であ
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層(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型オーミック電極 11 入射光 12 n+ 型InAlAs層 13 n- 型InAlAs/InGaAsへテロ周期
構造アバランシェ増倍層 14 p+ 型InP電界緩和層 15 p- 型InGaAs光吸収層 16 p型InAlAsキャップ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−206503(JP,A) 特開 平5−218591(JP,A) 特開 平4−299874(JP,A) 特開 平4−252081(JP,A) 特開 平4−61174(JP,A) 特開 平3−291978(JP,A) 特開 平2−90575(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/10 - 31/113

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板(111)面上に半導体材料
    を積層してなる光吸収層及びヘテロ周期構造アバランシ
    増倍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第一の半導体層の
    3族原子及び5族原子の平均イオン化エネルギーをそれ
    ぞれEA及びEB、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層
    を構成する第二の半導体層の3族原子及び5族原子の平
    均イオン化エネルギーをそれぞれEC及びEDとした場
    合、 EA>ECB<ED の関係が成り立ち、且つ、前記第一の半導体層に引っ張
    り歪が導入され、該第一の半導体層における正孔の質量
    は、バルク結晶の正孔の質量と比べて軽くなっているこ
    とを特徴とする半導体受光素子。
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