JP3114496B2 - 赤外アバランシェ・フォトダイオード - Google Patents
赤外アバランシェ・フォトダイオードInfo
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- JP3114496B2 JP3114496B2 JP06127250A JP12725094A JP3114496B2 JP 3114496 B2 JP3114496 B2 JP 3114496B2 JP 06127250 A JP06127250 A JP 06127250A JP 12725094 A JP12725094 A JP 12725094A JP 3114496 B2 JP3114496 B2 JP 3114496B2
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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、化合物半導体材料を用
いた赤外アバランシェ・フォトダイオードに関し、特に
分光感度特性の改善に関するものである。
いた赤外アバランシェ・フォトダイオードに関し、特に
分光感度特性の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、化合物半導体アバランシェ・
フォトダイオード（AvalanchePhotodiode ：以後APD と
略す）として図２，３，４に示す構造が知られている。
図２と図４の構造は基本的にはSeparate Absorption an
d Multiplication APD(SAM-APD)と呼ばれる構造であ
る。光吸収領域（光電変換層）とアバランシェ増幅領域
を分離し、アバランシェ増幅領域はバンドギャップエネ
ルギーの大きい化合物半導体材料を用いている。
フォトダイオード（AvalanchePhotodiode ：以後APD と
略す）として図２，３，４に示す構造が知られている。
図２と図４の構造は基本的にはSeparate Absorption an
d Multiplication APD(SAM-APD)と呼ばれる構造であ
る。光吸収領域（光電変換層）とアバランシェ増幅領域
を分離し、アバランシェ増幅領域はバンドギャップエネ
ルギーの大きい化合物半導体材料を用いている。
【０００３】このアバランシェ増幅層１３は電界強度が
大きくなるようにAPD の層方向キャリア濃度が制御さ
れ、吸収層１２で生成された光励起キャリアのアバラン
シェ効果による増幅が可能になるように電圧が印加され
る（図２（ｃ））。この電圧印加時でもアバランシェ領
域はバンドギャップが広いのでトンネル電流の発生が低
く抑えられ、吸収層で光励起されたキャリアをアバラン
シェ増幅する動作において良好な信号・雑音比（Ｓ／Ｎ
比）を得ることが可能となる。アバランシェ増幅領域の
電子と正孔のイオン化率（ionization rate）αとβが
大きく、そしてその比α／βが大きいほど、増幅率が大
きく増倍雑音（アバランシェ増幅にともなって発生する
雑音）を小さくできる。
大きくなるようにAPD の層方向キャリア濃度が制御さ
れ、吸収層１２で生成された光励起キャリアのアバラン
シェ効果による増幅が可能になるように電圧が印加され
る（図２（ｃ））。この電圧印加時でもアバランシェ領
域はバンドギャップが広いのでトンネル電流の発生が低
く抑えられ、吸収層で光励起されたキャリアをアバラン
シェ増幅する動作において良好な信号・雑音比（Ｓ／Ｎ
比）を得ることが可能となる。アバランシェ増幅領域の
電子と正孔のイオン化率（ionization rate）αとβが
大きく、そしてその比α／βが大きいほど、増幅率が大
きく増倍雑音（アバランシェ増幅にともなって発生する
雑音）を小さくできる。
【０００４】このため、アバランシェ増幅領域には、バ
ルク化合物半導体材料でイオン化率が大きくかつ比α／
βも大きいものを選択する方法（図２）、あるいは吸収
層を含む超格子構造としてイオン化率比α／βを大きく
する方法（図３）、またはアバランシェ領域を超格子構
造にして比α／βを大きくする方法（図４）等が適宜採
用される。
ルク化合物半導体材料でイオン化率が大きくかつ比α／
βも大きいものを選択する方法（図２）、あるいは吸収
層を含む超格子構造としてイオン化率比α／βを大きく
する方法（図３）、またはアバランシェ領域を超格子構
造にして比α／βを大きくする方法（図４）等が適宜採
用される。
【０００５】これらの構造をもつAPD の光電変換は、AP
D に入射する光が吸収層内で電子・正孔対を生成する光
励起による伝導帯と価電子帯との間の電子の帯間遷移に
よって生じる。図３の場合は多重量子井戸構造の井戸層
の電子と正孔の閉じ込め効果による量子化した準位間の
帯間遷移、あるいは障壁層が薄く電子の波動関数が障壁
を越えて井戸層間で重なるときはミニバンドを含む準位
の帯間遷移で電子・正孔対が生成される。したがって、
光吸収層には、入射光エネルギーより小さいバンドギャ
ップエネルギーをもつ材料（あるいは電子と正孔の量子
化準位間が入射エネルギーより小さくなる量子井戸構造
とその材料）が選択される。
D に入射する光が吸収層内で電子・正孔対を生成する光
励起による伝導帯と価電子帯との間の電子の帯間遷移に
よって生じる。図３の場合は多重量子井戸構造の井戸層
の電子と正孔の閉じ込め効果による量子化した準位間の
帯間遷移、あるいは障壁層が薄く電子の波動関数が障壁
を越えて井戸層間で重なるときはミニバンドを含む準位
の帯間遷移で電子・正孔対が生成される。したがって、
光吸収層には、入射光エネルギーより小さいバンドギャ
ップエネルギーをもつ材料（あるいは電子と正孔の量子
化準位間が入射エネルギーより小さくなる量子井戸構造
とその材料）が選択される。
【０００６】一方、一般にアバランシェ増幅層と吸収層
には基板との格子定数差が小さくなるようにしてエピタ
キシャル成長した化合物半導体が使用され、暗電流の増
加や感度の低下等の原因となる格子不整合による欠陥の
発生を低減している。このエピタキシャル結晶成長条件
からの制約で吸収層材料の選択が制限されて、APD の受
光感度がなくなる長波長側の限界も決定される。例え
ば、InP 基板上のInGaAs吸収層をもつAPD では波長約
１．６５μｍより長波長側では受光感度が急激に低下す
る。
には基板との格子定数差が小さくなるようにしてエピタ
キシャル成長した化合物半導体が使用され、暗電流の増
加や感度の低下等の原因となる格子不整合による欠陥の
発生を低減している。このエピタキシャル結晶成長条件
からの制約で吸収層材料の選択が制限されて、APD の受
光感度がなくなる長波長側の限界も決定される。例え
ば、InP 基板上のInGaAs吸収層をもつAPD では波長約
１．６５μｍより長波長側では受光感度が急激に低下す
る。
【０００７】また、AlGaAsSb/GaSb のAPD でも受光感度
は波長約１．７μｍまでである。また量子井戸構造では
電子と正孔の閉じ込め効果による量子化の基底状態間の
エネルギー差の大きさは、井戸層材料のバルクでのバン
ドギャップエネルギーより大きくなり、さらに長波長側
に分光感度を広げることが困難になる。
は波長約１．７μｍまでである。また量子井戸構造では
電子と正孔の閉じ込め効果による量子化の基底状態間の
エネルギー差の大きさは、井戸層材料のバルクでのバン
ドギャップエネルギーより大きくなり、さらに長波長側
に分光感度を広げることが困難になる。
【０００８】フォトダイオードに使用される２μｍ以上
の赤外波長領域吸収層としては、CdTe基板あるいはCsZn
Te基板上のHgCdTe層やInP 基板上に成長したInP と格子
定数が大きく異なるInGaAs層が知られている。しかし、
HgCdTe結晶では液相成長法以外の気相成長法等の成長技
術が未成熟であり、液相成長技術でもHg組成の小さい場
合のHgCdTe組成制御が困難である。
の赤外波長領域吸収層としては、CdTe基板あるいはCsZn
Te基板上のHgCdTe層やInP 基板上に成長したInP と格子
定数が大きく異なるInGaAs層が知られている。しかし、
HgCdTe結晶では液相成長法以外の気相成長法等の成長技
術が未成熟であり、液相成長技術でもHg組成の小さい場
合のHgCdTe組成制御が困難である。
【０００９】GaAs基板や、サファイア基板、Si基板の上
に成長させた報告もあるが、APD 構造のように複雑なエ
ピタキシャル層構造を良好な結晶性を実現して再現性良
く作るまでには至っていない。また、InP 基板上の格子
不整合率の大きいInGaAs吸収層の場合は、吸収層の格子
不整合による結晶欠陥密度を低減するバッファー層を設
けたフォトダイオードが気相成長法や有機金属気相成長
法で実現されている。しかし、この吸収層をInAsとした
場合は格子不整合率が約３％と大きくなり、厚さ数μｍ
の吸収層の欠陥密度を低減する効果的なバッファー層は
見いだされていない。さらに、このInAs吸収層を用いた
場合、分光感度は最も長波長側にのびるが、それでも波
長約３μｍまでが限界である。
に成長させた報告もあるが、APD 構造のように複雑なエ
ピタキシャル層構造を良好な結晶性を実現して再現性良
く作るまでには至っていない。また、InP 基板上の格子
不整合率の大きいInGaAs吸収層の場合は、吸収層の格子
不整合による結晶欠陥密度を低減するバッファー層を設
けたフォトダイオードが気相成長法や有機金属気相成長
法で実現されている。しかし、この吸収層をInAsとした
場合は格子不整合率が約３％と大きくなり、厚さ数μｍ
の吸収層の欠陥密度を低減する効果的なバッファー層は
見いだされていない。さらに、このInAs吸収層を用いた
場合、分光感度は最も長波長側にのびるが、それでも波
長約３μｍまでが限界である。
【００１０】以上、厚い吸収層を使用し、吸収層内の電
子のバンド間遷移によって光電変換を行うAPD では、上
記のように吸収層材料の選択に制限があり、分光感度波
長帯域をさらに長波長側に広げることは実現されていな
い。最近、多重量子井戸構造を吸収層にもつ約３〜１０
μｍの波長範囲で分光感度をもつ受光素子が報告されて
いる。この受光素子では、光励起による電子のバンド内
遷移が光電変換に利用されている。図５に、受光素子の
バンド構造と量子井戸からの電子の光励起と光励起キャ
リアの走行の様子を示す。量子井戸構造については種々
提案されているが、電子が量子井戸内からヘテロ接合界
面に存在するバンド不連続を越えて光励起され、素子に
印加された電圧により発生する電界でこの光励起キャリ
アがドリフトすることにより光信号電流として取り出さ
れる動作が基本原理である。
子のバンド間遷移によって光電変換を行うAPD では、上
記のように吸収層材料の選択に制限があり、分光感度波
長帯域をさらに長波長側に広げることは実現されていな
い。最近、多重量子井戸構造を吸収層にもつ約３〜１０
μｍの波長範囲で分光感度をもつ受光素子が報告されて
いる。この受光素子では、光励起による電子のバンド内
遷移が光電変換に利用されている。図５に、受光素子の
バンド構造と量子井戸からの電子の光励起と光励起キャ
リアの走行の様子を示す。量子井戸構造については種々
提案されているが、電子が量子井戸内からヘテロ接合界
面に存在するバンド不連続を越えて光励起され、素子に
印加された電圧により発生する電界でこの光励起キャリ
アがドリフトすることにより光信号電流として取り出さ
れる動作が基本原理である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな赤外アバランシェ・フォトダイオード（受光素子と
も言う）には次のような問題点がある。すなわち、光吸
収層が多重量子井戸構造の厚さ数ｎｍから数十ｎｍの薄
い井戸層でその数も数十であるため入射光はほとんど吸
収されずに透過してしまい、内部量子効果が非常に低い
（数％程度）という問題がある。また、多重量子井戸構
造のヘテロ界面でのバンド不連続によるキャリアのアバ
ランシェ増幅効果があり、APD として動作させられる可
能性もあるが、光励起によるバンド内遷移とアバランシ
ェ増幅のイオン化率の両者は共に障壁層と井戸層のバン
ド不連続の大きさに関係するためAPD 動作の最適設計が
できないという問題もある。
うな赤外アバランシェ・フォトダイオード（受光素子と
も言う）には次のような問題点がある。すなわち、光吸
収層が多重量子井戸構造の厚さ数ｎｍから数十ｎｍの薄
い井戸層でその数も数十であるため入射光はほとんど吸
収されずに透過してしまい、内部量子効果が非常に低い
（数％程度）という問題がある。また、多重量子井戸構
造のヘテロ界面でのバンド不連続によるキャリアのアバ
ランシェ増幅効果があり、APD として動作させられる可
能性もあるが、光励起によるバンド内遷移とアバランシ
ェ増幅のイオン化率の両者は共に障壁層と井戸層のバン
ド不連続の大きさに関係するためAPD 動作の最適設計が
できないという問題もある。
【００１２】上記のように、波長約２〜１０μｍ帯はガ
ス分析、リモートセンシング等で現在非常に重要な波長
帯域であるにもかかわらず、高感度の受光素子が実現さ
れていない。
ス分析、リモートセンシング等で現在非常に重要な波長
帯域であるにもかかわらず、高感度の受光素子が実現さ
れていない。
【００１３】本発明の目的は、このような点に鑑み、多
重量子井戸構造において入射光の光励起による電子のバ
ンド内遷移を利用した光電変換によって生じた井戸層か
らの光励起キャリアを、さらにこの多重量子井戸構造内
に設けられたヘテロ界面における伝導帯および価電子帯
の不連続性を利用してアバランシェ増幅領域を形成する
ことにより増幅する受光感度の高い赤外アバランシェ・
フォトダイオードを実現することにある。
重量子井戸構造において入射光の光励起による電子のバ
ンド内遷移を利用した光電変換によって生じた井戸層か
らの光励起キャリアを、さらにこの多重量子井戸構造内
に設けられたヘテロ界面における伝導帯および価電子帯
の不連続性を利用してアバランシェ増幅領域を形成する
ことにより増幅する受光感度の高い赤外アバランシェ・
フォトダイオードを実現することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明では、半導体基板上に、バッファー層
と、超格子で構成されるヘテロ界面のエネルギー不連続
性をもつアバランシェ増幅層と量子井戸光吸収層を含む
多重量子井戸層構造部と、窓層を備え、 前記光吸収層と
なる量子井戸とこの量子井戸と異なるアバランシェ増幅
を行う領域が隣り合って積層され、光電変換が入射光の
光励起による電子のバンド内遷移による井戸層からの光
励起キャリアの生成によって行われると共に、前記光励
起キャリアの電流増幅が前記ヘテロ界面における伝導帯
および価電子帯の不連続性を利用してイオン化比率を制
御したアバランシェ増幅領域で行われるように構成した
ことを特徴とする。
るために本発明では、半導体基板上に、バッファー層
と、超格子で構成されるヘテロ界面のエネルギー不連続
性をもつアバランシェ増幅層と量子井戸光吸収層を含む
多重量子井戸層構造部と、窓層を備え、 前記光吸収層と
なる量子井戸とこの量子井戸と異なるアバランシェ増幅
を行う領域が隣り合って積層され、光電変換が入射光の
光励起による電子のバンド内遷移による井戸層からの光
励起キャリアの生成によって行われると共に、前記光励
起キャリアの電流増幅が前記ヘテロ界面における伝導帯
および価電子帯の不連続性を利用してイオン化比率を制
御したアバランシェ増幅領域で行われるように構成した
ことを特徴とする。
【００１５】
【作用】入射光の光励起により電子がバンド内遷移し、
これにより井戸層からの光励起キャリアが生成すること
により光電変換が行われる。さらにこの光励起キャリア
が電界で加速されヘテロ界面を越えてよりバンドキャッ
プの狭い総に注入される。注入された光励起キャリア
は、ヘテロ界面における伝導帯および価電子帯の不連続
性を利用してイオン化比率を制御したアバランシェ増幅
領域で電流増幅される。このような構成により高感度の
アバランシェ・フォトダイオードが得られる。
これにより井戸層からの光励起キャリアが生成すること
により光電変換が行われる。さらにこの光励起キャリア
が電界で加速されヘテロ界面を越えてよりバンドキャッ
プの狭い総に注入される。注入された光励起キャリア
は、ヘテロ界面における伝導帯および価電子帯の不連続
性を利用してイオン化比率を制御したアバランシェ増幅
領域で電流増幅される。このような構成により高感度の
アバランシェ・フォトダイオードが得られる。
【００１６】
【実施例】以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明に係る赤外アバランシェ・フォトダイオー
ドの一実施例を示す構成図である。本発明のフォトダイ
オードは、n+-GaAs 基板上に、n+-GaAs とn+-AlGaAs バ
ッファー層１と、n-AlGaAs/GaAs 超格子で構成されるへ
テロ界面のエネルギー不連続性をもつアバランシェ増幅
層とn-AlGaAs/GaAs 量子井戸光吸収層を含む多重量子井
戸層構造部２と、AlGaAs窓層３（図示しないが、電極部
は窓層上にGaAsコンタクト層がある）を順次 MOVPE法に
より成長させ、反射防止膜を受光面に設けた構造であ
る。なお、受光面は図の窓層側３（表面入射）、あるい
は基板側（裏面入射）である。
図１は本発明に係る赤外アバランシェ・フォトダイオー
ドの一実施例を示す構成図である。本発明のフォトダイ
オードは、n+-GaAs 基板上に、n+-GaAs とn+-AlGaAs バ
ッファー層１と、n-AlGaAs/GaAs 超格子で構成されるへ
テロ界面のエネルギー不連続性をもつアバランシェ増幅
層とn-AlGaAs/GaAs 量子井戸光吸収層を含む多重量子井
戸層構造部２と、AlGaAs窓層３（図示しないが、電極部
は窓層上にGaAsコンタクト層がある）を順次 MOVPE法に
より成長させ、反射防止膜を受光面に設けた構造であ
る。なお、受光面は図の窓層側３（表面入射）、あるい
は基板側（裏面入射）である。
【００１７】吸収層とアバランシェ増幅層の多重量子井
戸構造部２は図１（ｂ），（ｃ）に示すようになってい
る。この部分は、ｎ形にドープされ、バイアス電圧を印
加しない熱平衡状態でのバンド構造図が図１（ｂ）であ
る。井戸層と障壁との伝導帯バンド不連続はAl組成を変
化させて製作し、量子井戸幅は数ｎｍ以下になってい
る。量子井戸内の単一不純物（ドナー）束縛状態からの
赤外吸収による光励起によって、または（温度が比較的
高く、ほとんどのドナーがイオン化している場合）ドナ
ーから励起された電子のほとんどが量子井戸に閉じ込め
られた状態（閉じ込め効果による井戸内の量子準位）か
らの赤外吸収による光励起によって、電子は障壁より高
い連続した状態に伝導帯内で遷移する。
戸構造部２は図１（ｂ），（ｃ）に示すようになってい
る。この部分は、ｎ形にドープされ、バイアス電圧を印
加しない熱平衡状態でのバンド構造図が図１（ｂ）であ
る。井戸層と障壁との伝導帯バンド不連続はAl組成を変
化させて製作し、量子井戸幅は数ｎｍ以下になってい
る。量子井戸内の単一不純物（ドナー）束縛状態からの
赤外吸収による光励起によって、または（温度が比較的
高く、ほとんどのドナーがイオン化している場合）ドナ
ーから励起された電子のほとんどが量子井戸に閉じ込め
られた状態（閉じ込め効果による井戸内の量子準位）か
らの赤外吸収による光励起によって、電子は障壁より高
い連続した状態に伝導帯内で遷移する。
【００１８】このときの受光素子の分光感度波長は、Ga
As井戸層内の電子の束縛状態のエネルギーの差で決ま
り、Al組成を変化することにより４００〜１００ｍｅＶ
程度変化できるので約３〜１０μｍの波長範囲で変化さ
せることができる。
As井戸層内の電子の束縛状態のエネルギーの差で決ま
り、Al組成を変化することにより４００〜１００ｍｅＶ
程度変化できるので約３〜１０μｍの波長範囲で変化さ
せることができる。
【００１９】本発明での特徴的な構造は、図１（ｂ）に
示すようにこの帯内遷移を利用した赤外吸収層（量子井
戸層）の隣にヘテロ界面で伝導帯が不連続に変化するよ
うに形成したアバランシェ増幅領域を設けたことであ
る。これは、Al組成ｘを変化させながらAlxGa1-xAsをエ
ピタキシャル成長させることによりヘテロ界面でのエネ
ルギー帯の急峻な不連続およびバンドギャップの傾斜す
る部分を製作することにより実現できる。
示すようにこの帯内遷移を利用した赤外吸収層（量子井
戸層）の隣にヘテロ界面で伝導帯が不連続に変化するよ
うに形成したアバランシェ増幅領域を設けたことであ
る。これは、Al組成ｘを変化させながらAlxGa1-xAsをエ
ピタキシャル成長させることによりヘテロ界面でのエネ
ルギー帯の急峻な不連続およびバンドギャップの傾斜す
る部分を製作することにより実現できる。
【００２０】このような量子井戸構造の製作は、有機金
属気相成長法や分子線成長法で実績があり、十分可能で
ある。特に、図１に示す繰り返し多層構造は主に繰り返
しの超格子から構成される構造であるため製作が比較的
簡単である。
属気相成長法や分子線成長法で実績があり、十分可能で
ある。特に、図１に示す繰り返し多層構造は主に繰り返
しの超格子から構成される構造であるため製作が比較的
簡単である。
【００２１】上記のような構成によれば、量子井戸層の
光吸収領域とアバランシェ増幅領域のバンド不連続を独
立に制御できるため、受光分光感度のピーク波長とアバ
ランシェ増幅のイオン化率比を容易かつ独立に最適設計
できる。これは、従来の超格子で構成されたAPD では不
可能であった。また、超格子の層構造の繰り返しパター
ン内の光吸収領域となる井戸層数とアバランシェ領域の
ヘテロ界面数も変更が容易であり最適設計できる。この
ような構造はGaAs系以外の材料、例えばInP 系（InGaAs
P 混晶）等にも適用可能な構造である。
光吸収領域とアバランシェ増幅領域のバンド不連続を独
立に制御できるため、受光分光感度のピーク波長とアバ
ランシェ増幅のイオン化率比を容易かつ独立に最適設計
できる。これは、従来の超格子で構成されたAPD では不
可能であった。また、超格子の層構造の繰り返しパター
ン内の光吸収領域となる井戸層数とアバランシェ領域の
ヘテロ界面数も変更が容易であり最適設計できる。この
ような構造はGaAs系以外の材料、例えばInP 系（InGaAs
P 混晶）等にも適用可能な構造である。
【００２２】また、本発明の他の特徴は、格子定数の異
なる（格子不整合率が大きい）化合物半導体を光吸収領
域となる井戸層に使用できることである。上記実施例の
井戸層の厚さは数ｎｍ以下であり、加えて井戸層をアバ
ランシェ増幅領域で数１０ｎｍ離れて形成することがで
きるので、格子不整合に起因した結晶欠陥が発生する臨
界膜厚以下に井戸層厚を形成でき、格子不整合率の大き
い井戸層を近接して形成する場合よりも結晶欠陥の発生
を低く抑えることができる。
なる（格子不整合率が大きい）化合物半導体を光吸収領
域となる井戸層に使用できることである。上記実施例の
井戸層の厚さは数ｎｍ以下であり、加えて井戸層をアバ
ランシェ増幅領域で数１０ｎｍ離れて形成することがで
きるので、格子不整合に起因した結晶欠陥が発生する臨
界膜厚以下に井戸層厚を形成でき、格子不整合率の大き
い井戸層を近接して形成する場合よりも結晶欠陥の発生
を低く抑えることができる。
【００２３】本発明は、特に、井戸層からの光励起キャ
リア生成領域とヘテロ界面バンド不連続アバランシェ増
幅領域を分けることにより分光感度波長特性とアバラン
シェ増幅におけるイオン化率比の最適設計が独立に行え
ることになり、多重量子井戸構造内に両領域を設けるこ
とにより素子全体の構成が簡単になる。この受光素子
は、従来問題であった”バンド間遷移によるキャリアの
光励起を利用する”フォトダイオードの分光感度波長帯
域が吸収層の選択で制限されることはなくなって分光感
度波長域を約３〜１０μｍ程度まで広げられると同時
に、薄い量子井戸層からなる光吸収層で感度が低かった
従来素子に比較してアバランシェ増幅領域で光励起キャ
リアを電流増幅できることから高感度受光素子として動
作する。
リア生成領域とヘテロ界面バンド不連続アバランシェ増
幅領域を分けることにより分光感度波長特性とアバラン
シェ増幅におけるイオン化率比の最適設計が独立に行え
ることになり、多重量子井戸構造内に両領域を設けるこ
とにより素子全体の構成が簡単になる。この受光素子
は、従来問題であった”バンド間遷移によるキャリアの
光励起を利用する”フォトダイオードの分光感度波長帯
域が吸収層の選択で制限されることはなくなって分光感
度波長域を約３〜１０μｍ程度まで広げられると同時
に、薄い量子井戸層からなる光吸収層で感度が低かった
従来素子に比較してアバランシェ増幅領域で光励起キャ
リアを電流増幅できることから高感度受光素子として動
作する。
【００２４】以上のような構成における動作を次に説明
する。赤外アバランシェ・フォトダイオードにバイアス
電圧を印加すると、光吸収領域とアバランシェ増幅領域
で構成された多重量子井戸構造部分２は、印加電圧によ
って生じる内部電界で図１（ｃ）に示すようなバンド構
造となる。この状態で、温度が低い場合は量子井戸内の
電子はドナー不純物束縛状態になり、温度が比較的高い
場合はドナーから励起された電子のほとんどが量子井戸
内に閉じ込められている。赤外波長領域の入射光の光吸
収によって励起された電子のバンド内遷移で障壁上の連
続した状態に電子が放出され、光励起キャリアとなる。
このキャリアが電界で加速されてアバランシェ領域の急
峻なへテロ界面を越えて、よりバンドギャップの狭い層
に注入される。
する。赤外アバランシェ・フォトダイオードにバイアス
電圧を印加すると、光吸収領域とアバランシェ増幅領域
で構成された多重量子井戸構造部分２は、印加電圧によ
って生じる内部電界で図１（ｃ）に示すようなバンド構
造となる。この状態で、温度が低い場合は量子井戸内の
電子はドナー不純物束縛状態になり、温度が比較的高い
場合はドナーから励起された電子のほとんどが量子井戸
内に閉じ込められている。赤外波長領域の入射光の光吸
収によって励起された電子のバンド内遷移で障壁上の連
続した状態に電子が放出され、光励起キャリアとなる。
このキャリアが電界で加速されてアバランシェ領域の急
峻なへテロ界面を越えて、よりバンドギャップの狭い層
に注入される。
【００２５】注入されたキャリアはヘテロ界面における
伝導帯のエネルギー不連続量だけエネルギーを得て、そ
の分”ホット”と呼ばれる状態になる。この状態は、電
子のフォノン散乱によりエネルギーを失ってしまうまで
続くが、その間電子に対する衝突イオン化のしきい値エ
ネルギーはバルクよりもこのバンド不連続の大きさ分だ
け実効的に低下し、イオン化率（しきい値エネルギーに
対して指数関数的に変化する）はこの効果で非常に増強
される。衝突イオン化によるアバランシェ効果によって
光励起キャリアは電流増幅される。また、井戸層内に束
縛されていた電子がへテロ界面で”ホット”になった電
子と衝突し井戸外に放出されるアバランシェ効果による
増幅も期待できる。
伝導帯のエネルギー不連続量だけエネルギーを得て、そ
の分”ホット”と呼ばれる状態になる。この状態は、電
子のフォノン散乱によりエネルギーを失ってしまうまで
続くが、その間電子に対する衝突イオン化のしきい値エ
ネルギーはバルクよりもこのバンド不連続の大きさ分だ
け実効的に低下し、イオン化率（しきい値エネルギーに
対して指数関数的に変化する）はこの効果で非常に増強
される。衝突イオン化によるアバランシェ効果によって
光励起キャリアは電流増幅される。また、井戸層内に束
縛されていた電子がへテロ界面で”ホット”になった電
子と衝突し井戸外に放出されるアバランシェ効果による
増幅も期待できる。
【００２６】したがって、光吸収層が量子井戸で構成さ
れた従来の受光素子では受光感度が非常に低かったが、
本発明のものはアバランシェ増幅領域があるため高感度
素子として動作する。
れた従来の受光素子では受光感度が非常に低かったが、
本発明のものはアバランシェ増幅領域があるため高感度
素子として動作する。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、バ
ンド内遷移を利用した量子井戸層からなる光吸収層と接
近して設けられたヘテロ界面の伝導帯のバンド不連続性
を利用したアバランシェ増幅領域を含む多重量子井戸構
造で、赤外波長帯域約３〜１０μｍで高い分光感度を有
する赤外アバランシェ・フォトダイオードを実現するこ
とができる。この赤外アバランシェ・フォトダイオード
は、光吸収層の量子井戸およびアバランシェ増幅領域の
ヘテロ界面バンド不連続を容易かつ独立に設計でき、分
光感度ピーク波長およびアバランシェ増幅率、増倍雑音
等のパラメータを受光素子の半導体材料に合わせて最適
に設計できる。また、基本的にこの多重量子井戸構造
は、繰り返しの超格子構造で構成されているので、製作
が比較的容易であり、繰り返しパターンや吸収層数とア
バランシェ領域数についても最適構成になるように変更
が容易である。また、本発明の高感度受光素子がカバー
する分光感度波長帯域はガス分析、環境計測、リモート
センシング等に重要な赤外波長帯域であり、その応用機
器も多く、実用的価値は非常に高い。
ンド内遷移を利用した量子井戸層からなる光吸収層と接
近して設けられたヘテロ界面の伝導帯のバンド不連続性
を利用したアバランシェ増幅領域を含む多重量子井戸構
造で、赤外波長帯域約３〜１０μｍで高い分光感度を有
する赤外アバランシェ・フォトダイオードを実現するこ
とができる。この赤外アバランシェ・フォトダイオード
は、光吸収層の量子井戸およびアバランシェ増幅領域の
ヘテロ界面バンド不連続を容易かつ独立に設計でき、分
光感度ピーク波長およびアバランシェ増幅率、増倍雑音
等のパラメータを受光素子の半導体材料に合わせて最適
に設計できる。また、基本的にこの多重量子井戸構造
は、繰り返しの超格子構造で構成されているので、製作
が比較的容易であり、繰り返しパターンや吸収層数とア
バランシェ領域数についても最適構成になるように変更
が容易である。また、本発明の高感度受光素子がカバー
する分光感度波長帯域はガス分析、環境計測、リモート
センシング等に重要な赤外波長帯域であり、その応用機
器も多く、実用的価値は非常に高い。
【図１】本発明に係る赤外アバランシェ・フォトダイオ
ードの一実施例を示す構成図である。
ードの一実施例を示す構成図である。
【図２】従来の化合物半導体アバランシェ・フォトダイ
オードの一例を示す構成図である。
オードの一例を示す構成図である。
【図３】従来の化合物半導体アバランシェ・フォトダイ
オードの他の一例を示す構成図である。
オードの他の一例を示す構成図である。
【図４】従来の化合物半導体アバランシェ・フォトダイ
オードの更に他の一例を示す構成図である。
オードの更に他の一例を示す構成図である。
【図５】多重量子井戸構造を吸収層に持つ従来の化合物
半導体アバランシェ・フォトダイオードの一例を示す構
成図である。
半導体アバランシェ・フォトダイオードの一例を示す構
成図である。
１ バッファー層 ２ 多重量子井戸構造部分 ３ 窓層
Claims (1)
- 【請求項１】半導体基板上に、バッファー層と、超格子
で構成されるヘテロ界面のエネルギー不連続性をもつア
バランシェ増幅層と量子井戸光吸収層を含む多重量子井
戸層構造部と、窓層を備え、 前記光吸収層となる量子井戸とこの量子井戸と異なるア
バランシェ増幅を行う領域が隣り合って積層され、 光電変換が入射光の光励起による電子のバンド内遷移に
よる井戸層からの光励起キャリアの生成によって行われ
ると共に、前記光励起キャリアの電流増幅が前記ヘテロ
界面における伝導帯および価電子帯の不連続性を利用し
てイオン化比率を制御したアバランシェ増幅領域で行わ
れるように構成したことを特徴とする赤外アバランシェ
・フォトダイオード。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06127250A JP3114496B2 (ja) | 1994-06-09 | 1994-06-09 | 赤外アバランシェ・フォトダイオード |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06127250A JP3114496B2 (ja) | 1994-06-09 | 1994-06-09 | 赤外アバランシェ・フォトダイオード |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07335933A JPH07335933A (ja) | 1995-12-22 |
| JP3114496B2 true JP3114496B2 (ja) | 2000-12-04 |
Family
ID=14955410
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06127250A Expired - Fee Related JP3114496B2 (ja) | 1994-06-09 | 1994-06-09 | 赤外アバランシェ・フォトダイオード |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3114496B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100343983C (zh) * | 2005-06-09 | 2007-10-17 | 华南师范大学 | 用于红外光探测的雪崩光电二极管的二次封装装置 |
-
1994
- 1994-06-09 JP JP06127250A patent/JP3114496B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07335933A (ja) | 1995-12-22 |
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Legal Events
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