JP3061203B2 - 半導体受光装置 - Google Patents

半導体受光装置

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JP3061203B2
JP3061203B2 JP3061478A JP6147891A JP3061203B2 JP 3061203 B2 JP3061203 B2 JP 3061203B2 JP 3061478 A JP3061478 A JP 3061478A JP 6147891 A JP6147891 A JP 6147891A JP 3061203 B2 JP3061203 B2 JP 3061203B2
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昌一 花谷
創 大▲歳▼
滋久 田中
康信 松岡
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光通信に用いる半導体受
光装置に係り、特に Gb/s 伝送システムに対応する超格
子アバランシェフォトダイオ−ド(SLAPD)の構造
に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、Gb/s帯光通信システムに用い
る受光素子として、広帯域、低雑音特性の観点から、増
倍層に超格子構造を持つアバランシェフォトダイオ−ド
(以下SLAPD)の開発が進められている。これらの
SLAPDに用いられている超格子の代表的な構造は、
井戸層幅(Lw)20-50nm、障壁層幅(Lb)20-50nm、超格子層
の全膜厚(Lt)1μm程度である。香川等は上記構造のS
LAPDにより、利得帯域積GB積=50GHz,イオ
ン化率比k=10(条件:増倍率M=10)暗電流 I
d=数100μA(条件:M=10)を報告している(サ
ード オプトエレクトロニクス カンファレンス、13
A2−7、オ−エフシー'90[Third Optoelectronics
Conference 13A2-7 (OFC'90)])。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】SLAPDを将来の高
速光通信システムへ適用するためには、高いイオン化率
比を保持したまま(k=5−10 条件:増倍率M=1
0)、利得帯域積、暗電流 のより一層の向上(GB積
>100GHz、Id<1μA 条件:M=10)が望
まれる。GB積を向上するためには、超格子層の全膜厚
(Lt)を薄くすることが有力である。しかし、Ltを薄く
すると一定の増倍を得るための電界が増加し、その結果
Id、kの劣化を生じる。そのため、従来の超格子構造
でLtを薄くする方法では上記特性を改善することは不
可能である。
【0004】本発明の目的は、上記仕様を満たすSLA
PDの超格子構造を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、井戸層幅(Lw)、障壁層幅(Lb)が従来構造よ
り薄い超格子構造を提案するものである。本発明で採用
する狭い井戸幅の超格子構造はイオン化率比向上の観点
からは適当ではないと通常は考えられるが、本発明者等
の実験確認結果、従来の知識から予測される以外の効果
を確認したため、ここに開示するものである。
【0006】すなわち、本発明によればSLAPDにお
いて、キャリア増倍領域内の超格子構造を構成する第1
のバンドギャップを有する第1の半導体薄膜の膜厚Lw
と、この第1のバンドギャップより大きい第2のバンド
ギャップを有する第2の半導体薄膜の膜厚Lbが、 1nm<Lw<10nm 10nm<Lb<20nm の関係を同時に満足する半導体受光装置の構成を提供す
る。
【0007】後述するとおり、本超格子構造により高い
GB積の期待できるLt≦0.5μmの薄膜超格子増倍
層においてもk、Id(イオン化率比、暗電流特性)の
改善が可能である。
【0008】
【作用】初めに本発明の超格子構造により暗電流が抑制
される機構を示す。増倍が生じる高電界下で超格子増倍
層を流れる電流は、バンド間のトンネル電流が支配的で
ある。図2に超格子構造をパラメ−タとしたバンド間の
トンネル電流と超格子増倍層に加わる電界E(SL)の
計算値を示す。超格子構造はLb=15nm(一定)の
もとで、Lw=5、10、15、20nmとし、Lt=
0.5μm、接合径50μmとした。図より超格子増倍
層のバンド間トンネル電流は極めて大きなLw依存性を
持つこと、Lw=5nmとすることで E(SL)=50
0kV/cm(本発明の超格子構造で10程度の増倍を
生じる電界)といった高電界までトンネル電流を100
nA以下に抑制できることが判る。また、図3にLw=
5nm(一定)のもとで、Lb=5、10、15、20
nmの場合の同様な計算結果を示す。トンネル電流の抑
制にはLb>10nm、Lw<10nmとすることが効
果的であり、特にLb>15nmとすることにより顕著
なトンネル電流抑制効果が生じることが判る。Lw≦1
nmでは、充分な増倍が得られない。
【0009】次に本発明の超格子構造とイオン化率比の
関係について述べる。詳細なデ−タは実施例で述べる
が、本発明により10程度の高いイオン化率比を得るこ
とが可能である。通常、超格子APDでの高いイオン化
率比は価電子帯、伝導帯でのバンド不連続値の違いによ
り引き起こされる。本発明ではバンド不連続値の違いと
合わせて、電子、正孔での衝突電離の空間的な分布の違
いが大きなイオン化率比を生じさせているものと考えら
れる。
【0010】
【実施例】図1に本発明の超格子APDの断面図を示
す。本素子は増倍層に超格子構造5を持つ光吸収層7、
増倍層分離型のメサ型裏面入射方式のAPDである。本
発明の特徴となる超格子増倍層はInGaAs井戸層幅
Lw=5nm、InAlAs障壁層幅Lb=15nmで
あり、超格子増倍層の全膜厚は0.35μmとした。図
で1−10は、それぞれN電極、P電極、N−InP基
板(膜厚d=150μm、キャリア濃度N=2×1018
/cm3)、N−InAlAsバッファ層(d=1μ
m、N=2×1018/cm3)、アンド−プ−超格子増
倍層(d=0.5μm、N<1×1015/cm3)、P
−InAlAs電界緩和層(d=0.2μm、P=1.
3×1017/cm3)、P−InGaAs光吸収層(d
=1.7μm、P=2×1015/cm3)、P−InA
lAsバッファ層(d=1μm、P=2×1018/cm
3)、P−InGaAsコンタクト層(d=0.2μ
m、P=2×1019/cm3)、及びポリイミドパッシ
ベ−ション膜である。接合径は50μmである。
【0011】本素子の結晶成長には分子線エピタキシ法
を用い、メサ形状の形成にはBr系の溶液によるウェッ
トエッチングを用いた。電極にはP型、N型共に真空蒸
着法で形成したAu/Pt/Tiを用いた。
【0012】本素子の特性を以下に示す。増倍率M=1
0での暗電流、素子容量、イオン化率比は、それぞれ8
00nA、0.13pF、10であった。また、入射光
波長1.55μmでの量子効率は85%であった。本素
子の周波数特性をスペクトラムアナライザで評価した結
果、利得帯域積105GHz、増倍率10での遮断周波
数10GHzを得た。
【0013】本素子を用いた伝送実験から受信感度を求
めた。光源には発振波長1.55μmのDFBレ−ザを
用い、光ファイバ長100km、ビットエラレ−ト/1
11での最小受信感度−28dBmを得た。
【0014】これまで述べたように本発明は超格子AP
Dの超格子構造に関するものであり、本発明が本実施例
に示した素子構造(メサ型、裏面入射方式、超格子増倍
層以外の層の仕様等)に限定されるものではないことは
明らかである。
【0015】また、本発明の超格子増倍層の仕様を限定
した理由は、すでに暗電流の観点より図2、3に示し
た。次に、増倍率、イオン化率比の観点からの実験結果
を示す。図4、図5に最大増倍率、イオン化率比の超格
子構造依存性を示す。図4は、Lb=15nm(一
定)、Lw=5、10、15、20nm、Lt=0.4
μmの場合を、また、図5は、Lw=5nm(一定)、
Lb=10、15、20、25nm、Lt=0.4μm
の場合を示す。素子構造、素子作成方法は基本的に上述
の実施例と同様である。図4、図5の最大増倍率を決め
る主要因は、トンネル電流の増加に伴うトンネルブレ−
クダウンであると考えられ、図2、図3との相関が認め
られる。また、両図のイオン化率比(最大増倍率でのイ
オン化率比)は、InGaAs 井戸層の膜厚の違いによる電
界の違い等にもとずくものと考えられる。両図、及び図
2、図3を合わせて考えると、暗電流低減、最大増倍率
の増大、イオン化率比向上のために本発明の超格子構
造、即ち1nm<Lw<10nmかつ10nm<Lw<
20nm、が有効であることが判る。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、高速光通信用の広帯
域、低雑音の超格子アバランシェフォトダイオ−ドを得
ることができる。具体的には、低暗電流、高イオン化率
比を維持したまま、高い利得帯域積を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例に係る超格子APDの断面構造
図。
【図2】超格子構造をパラメ−タとしたバンド間のトン
ネル電流と超格子増倍層に加わる電界の計算値を示す
図。
【図3】超格子構造をパラメ−タとしたバンド間のトン
ネル電流と超格子増倍層に加わる電界の計算値を示す
図。
【図4】最大増倍率、イオン化率比の超格子構造依存性
を説明するための図。
【図5】最大増倍率、イオン化率比の超格子構造依存性
を説明するための図。
【符号の説明】
1…N電極、2…P電極、 3…N−InP基板(d=150μm、N=2×1018
/cm3)、 4…N−InAlAsバッファ層(d=1μm、N=2
×1018/cm3)、 5…アンド−プ−超格子増倍層(d=0.5μm、N<
1×1015/cm3)、 6…P−InAlAs電界緩和層(d=0.2μm、P=
1.3×1017/cm3)、 7…P−InGaAs光吸収層(d=1.7μm、P=
2×1015/cm3)、 8…P−InAlAsバッファ層(d=1μm、P=2
×1018/cm3)、 9…P−InGaAsコンタクト層(d=0.2μm、P
=2×1019/cm3、) 10…ポリイミドパッシベ−ション膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 滋久 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 松岡 康信 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4−206577(JP,A) 特開 平2−54974(JP,A) 特開 平3−38888(JP,A) 特開 平2−137376(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/10 - 31/119

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、この半導体基板上に設け
    られた半導体積層構造と、この半導体積層構造内に電界
    を印加するための1対の電極とを有し、上記半導体積層
    構造は入射した光を光電変換するための光吸収領域と、
    この光吸収領域で生成したキャリアを増倍するための増
    倍領域とを有し、この増倍領域は第1のバンドギャップ
    を有する第1の半導体薄膜と、この第1のバンドギャッ
    プより大きい第2のバンドギャップを有する第2の半導
    体薄膜とを積層した超格子構造を含み、上記第1の半導
    体薄膜の膜厚Lw及び上記第2の半導体薄膜の膜厚Lb
    が、 1nm<Lw<10nm 10nm<Lb<20nm の関係を同時に満足することを特徴とする半導体受光装
    置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の半導体受光装置におい
    て、前記半導体積層構造は前記1対の電極により印加さ
    れる電界を緩和するための電界緩和層を更に有する半導
    体受光装置。
  3. 【請求項3】 バンドギャップの異なる2種類以上の半
    導体の積層構造より構成される増倍層を有して、上記積
    層構造の内、最もバンドギャップの小さな半導体の膜厚
    を10nm未満とし、最もバンドギャップの大きな半導
    体の膜厚を10nmをこえ、20nm未満とすることを
    特徴とする半導体受光装置。
  4. 【請求項4】 バンドギャップの異なる2種類以上の半
    導体の積層構造を含んで構成される量子井戸型の増倍層
    具備してなり、該増倍層は少なくとも井戸層および障
    壁層を含んで構成され、前記井戸層の膜厚10nm未
    であり前記障壁層の膜厚10nmをこえ20nm
    未満である半導体受光装置。
  5. 【請求項5】 請求項3若しくは4に記載の半導体受光
    装置において、前記積層構造より構成される増倍層の全
    膜厚を0.5μm以下にすることを特徴とする半導体受
    光装置。
  6. 【請求項6】 請求項3、4若しくは5に記載の半導体
    受光装置は、光吸収層、前記増倍層、及びこれら光吸収
    層及び増倍層の電界を調整するための電界緩和層とを有
    し、更にこれら3層に電界を印加するための2種類以上
    の電極を持つことを特徴とする半導体受光装置。
  7. 【請求項7】 請求項3、4、5若しくは6に記載の半
    導体受光装置を構成する半導体材料として、InPに格
    子整合したInGaAs、InAlAs、InAlA
    s、InGaAsPを含むことを特徴とする半導体受光
    装置。
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