JP4058921B2 - Semiconductor photo detector - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号を電気信号に変換する半導体受光素子に関し、詳しくは、高速応答に優れ、かつ低暗電流及び高感度特性を有するアバランシ増倍型の半導体受光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信・計測技術において、高速化及び大容量化は必須であるため、高速応答に優れ低雑音及び高感度特性を有する半導体受光素子が不可欠である。波長1〜1.6μm帯の高速・高感度な半導体受光素子として、アバランシ増倍層に超格子構造を適用した超格子アバランシフォトダイオード(超格子APD)が開発されている。
【0003】
チン(R.Chin)らは、エレクトロニクス・レターズ(Electron.Lett.),16(12)巻,P.467-469,1980年において、超格子APDの基本原理となる、超格子構造中で電子のみがポテンシャルエネルギ(伝導帯不連続量)ΔEcを獲得することにより電子が選択的にイオン化される構造を提唱した。超格子の伝導帯不連続量を電子の衝突イオン化に利用してイオン化率比α/βを人工的に増大させる構造については、カッパソ(F.Capasso)らによって実際にGaAs/GaAlAs系超格子においてイオン化率比α/βの増大が確認された[アプライド・フィジックス・レターズ(Appl.Phys.Lett.),40(1)巻,P.38-40,1982年]。更に、長距離光通信に用いられる波長1.3〜1.6μmに受光感度を有するInAlAs/InGaAsP系超格子、又はInAlAs/InAlGaAs系超格子を用いて超格子増倍層を形成した超格子APDが開発され、従来の半導体受光素子を凌ぐ高速化・高感度化が図られている[例えば、香川ら:ジャーナル・オブ・クォンタム・エレクトロニクス(J.Quantum.Electronics),28(6)巻,P.1419-1423,1992年、渡邊ら:フォトニクス・テクノロジー・レターズ(Photonics Technol.Lett.),5(6)巻,P.675-677,1993年、渡邊ら:フォトニクス・テクノロジー・レターズ(Photonics Technol.Lett.),8(6)巻,P.827-829,1996年]。
【0004】
図8[1][2]に、前述した渡邊らが報告しているInAlAs/InAlGaAs系超格子APDの素子構造図を示す。図8[1]はメサ型構造素子、図8[2]はプレーナ型構造素子である。図8[1][2]において、同一機能の構成要素には同一番号を付す。
【0005】
この超格子APDは、InP基板807上に、InPバッファ層801、InAlAs/InAlGaAs超格子アバランシ増倍層802、p型InP電界緩和層803、p型InGaAs光吸収層804、及びp型InGaAs光吸収層805が積層されたものである。
【0006】
動作原理について説明する。まず、光吸収層804,805で発生した光キャリアのうち電子のみが、ドリフト電界によって電界緩和層803へ走行し、アバランシ増倍層802に注入される。続いて、アバランシ増倍層802では、高電界が印加されているので、注入された電子が格子に衝突してイオン化を生じることにより、アバランシ増倍が発現する。ここで、アバランシ増倍層802を構成するInAlAs/InAlGaAs超格子構造は伝導帯不連続量が大きく、これによって電子のイオン化率が増大するので、イオン化率比α/βの増大及びそれによる低雑音化が図られている。
【0007】
なお、図8[1][2]では、InPキャップ層806、p側電極808、n側電極809、表面パッシベーション膜810、反射防止膜811等が付設されている。更に、図8[2]では、高抵抗化領域812、p領域813等が付設されている。
【0008】
図9に、キャリア濃度の異なる二層構造からなる光吸収層90を有する従来のAPDの基本的な構成を示す。
【0009】
図9に示すAPDは、バッファ層91、アバランシ増倍層92、電界緩和層93、光吸収層90、キャップ層96等が積層されてなるものである。光吸収層90は、空乏化した光吸収層94と、空乏化しない一定以上のキャリア濃度を有する光吸収層95とから構成される。光吸収層94のキャリア濃度は1×1016cm-3以下であり、光吸収層95のキャリア濃度は1×1016cm-3〜1×1019cm-3である。非空乏化層である光吸収層95の主な機能は、光吸収層94の空乏化を終端することである。ここで、光吸収を担う光吸収層94は、キャリア走行時間を改善して高速化を図るためには、薄膜化が望まれる。しかし、光吸収層94の薄膜化は量子効率の低下を伴うので、高速化及び高量子効率化はトレードオフの関係にある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアバランシ増倍層を有する半導体受光素子において高速応答を支配する主な要因には、素子自体が有する容量及び抵抗によるCR回路定数制限と、アバランシ増倍層内で光キャリアが増倍するのに要する時間(増倍時間)と、空乏化された光吸収層内を光キャリアが走行することにより生じるキャリア走行時間とが挙げられる。ここで、CR回路定数制限に対しては、pn接合面積の低減による容量低減、電極最適化によるコンタクト抵抗低減等の改善により対処が可能である。また、増倍時間に関しては、材料に固有の物性定数であるイオン化率比α/βに起因するところが大きい。光吸収層内のキャリア走行時間に関しては、高速化のために光吸収層を薄膜化することによりキャリア走行時間を短縮することが原則となる。しかしながら、量子効率は、光吸収層厚に依存し、薄膜になるに従い低下する。そのため、キャリア走行時間と量子効率とはトレードオフの関係にあり、これらを両立することは難しいとされている。
【0011】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、アバランシ増倍層を有する半導体受光素子において、高速応答と高量子効率とを両立させることにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体受光素子は、光を吸収して電子−正孔対を発生する光吸収層と、この光吸収層で発生した電子によってアバランシ増倍を起こすアバランシ増倍層とを備えている。そして、光吸収層は、動作時に空乏化する空乏化層と、この空乏化層の空乏化を終端する空乏化終端層とを備えている。更に、空乏化終端層のキャリア濃度は、空乏化層のキャリア濃度よりも高く、かつ当該空乏化終端層内の電子を空乏化層へ向けて加速する疑似電界が発生するように分布している
【0013】
そして、空乏化層のキャリア濃度が1×1016cm-3以下であり、空乏化終端層のキャリア濃度が1×1016cm-3〜1×1019cm-3であるここで、1×1016cm-3は空乏化しないための下限濃度(すなわち空乏化するための上限濃度)であり、1×1019cm-3は「高キャリア濃度→非発光センター増大→量子効率低下」を防ぐための上限濃度である。ここでいう「キャリア濃度」とは、言うまでもなく、無光照射、無電圧印加かつ室温での測定値である。これに加え、空乏化終端層の膜厚は1μ m 未満である。
【0014】
また、空乏化終端層は、キャリア濃度の異なる二層以上からなるキャリア濃度が対数表記において線形的に変化する単層からなる若しくはその線形変化量の異なる二層以上からなる又はキャリア濃度が対数表記において指数関数的に変化するとしてもよい。更に、空乏化終端層のキャリア濃度に代えて空乏化終端層の電子親和力を用いることにより、上記疑似電界を発生させてもよい
【0015】
例えば、本発明は、半絶縁性半導体基板又は高濃度の半導体基板上に、少なくとも光吸収層、電界緩和層及びアバランシ増倍層が積層された半導体受光素子である。そして、光吸収層は、低キャリア濃度(1×1016cm-3以下)の空乏化した空乏化層と、高キャリア濃度(1×1016cm-3〜1×1019cm-3)の空乏化しない空乏化終端層との、二層から構成されている。
【0016】
これに加え、空乏化終端層のキャリア濃度が層厚方向に順次変化することを特徴とする。又は、空乏化終端層の電子親和力をeχ1、空乏化層の電子親和力をeχ2とすると、eχ1>eχ2であり、かつ空乏化終端層の電子親和力が層厚方向に順次変化することを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明に係る半導体受光素子の第一実施形態の構造を示すエネルギバンド図である。以下、この図面に基づき説明する。
【0018】
本実施形態の半導体受光素子は、光を吸収して電子e−正孔h対を発生する光吸収層10と、光吸収層10で発生した電子によってアバランシ増倍を起こすアバランシ増倍層12とを備えるとともに、バッファ層11、アバランシ増倍層12、電界緩和層13、光吸収層10及びキャップ層16が積層されてなる。そして、光吸収層10は、動作時に空乏化する空乏化層14と、空乏化層14の空乏化を終端する空乏化終端層15とを備えている。更に、空乏化終端層15のキャリア濃度は、空乏化層14のキャリア濃度よりも高く、かつ空乏化終端層15内の電子を空乏化層14へ向けて加速する疑似電界が発生するように分布している。
【0019】
光吸収層10は、キャリア濃度の低い空乏化した空乏化層14と、キャリア濃度の高い空乏化しない空乏化終端層15との、二層から構成されている。そして、空乏化終端層15のキャリア濃度が段階的又は連続的変化する。このような素子構造にすることにより、空乏化終端層15では、キャリア濃度の差によりフェルミレベルに傾斜が生じて、キャリア濃度の比と膜厚とに応じた疑似電界が発生する。空乏化終端層15で発生した光キャリアである電子eは、この疑似電界によって加速され、空乏化層14の端までドリフトすることにより、光電流として寄与する。
【0020】
このため、本実施形態の半導体受光素子では、図9に示す光吸収層95が空乏層(光吸収層94)の終端としてのみ機能する従来構造に比べて、空乏化終端層15も実際に光を吸収する層として機能させることにより、実効的な光吸収層厚が増大する。ここで、実際の光吸収層膜厚の厚膜化は伴わないことから応答速度は維持され、高速応答かつ高量子効率の特性が実現できる。なお、ドリフト速度が遅いホールhは誘電緩和時間で短時間に応答しp型電極に収集されるため、有効質量が小さく熱拡散速度の大きい高速な電子eのみが光キャリアとして光電流に関与する。また、電界緩和層13は暗電流成分を減少させる作用がある。
【0021】
図2は図1の半導体受光素子における光吸収層のキャリア濃度を示すグラフであり、図2[1]が第一例、図2[2]が第二例、図2[3]が第三例である。以下、図1及び図2に基づき説明する。
【0022】
図1における空乏化層14及び空乏化終端層15は、図2ではそれぞれp層及びp層と表記する。p層のキャリア濃度は1×1016cm-3以下であり、p層のキャリア濃度は1×1016cm-3〜1×1019cm-3である。
【0023】
図2[1]の第一例では、p層がキャリア濃度の異なる二層p1,p2からなる。すなわち、キャリア濃度の異なる二層p1,p2からp層を構成することにより疑似電界を発生させ、これにより前述した高速応答かつ高量子効率の特性を実現できる。
【0024】
図2[2]の第二例では、p層のキャリア濃度が対数表記において線形的に変化する単層からなる。このとき、その線形変化量の異なる二層以上からなるものとしてもよい。この構成においても、フェルミレベルの傾斜により疑似電界が発生するので、第一例と同様の効果が実現される。
【0025】
図2[3]の第三例では、p層のキャリア濃度が対数表記において指数関数的に変化する。この構成においても、フェルミレベルの傾斜により疑似電界が発生するので、第一例と同様の効果が実現される。また、p層においてp層とは反対の端に高い疑似電界がかかることから、p層から遠い電子(光キャリア)に対する加速がより大きくなるので、更に高速応答かつ高量子効率の特性が実現される。
【0026】
図3は、図1における空乏化終端層15の層厚Xに対する量子効率増加率Δη及び走行時間増加量Δtの計算結果を示すグラフである。以下、図1及び図2に基づき説明する。
【0027】
ここで、空乏化層14の層厚を1.0μm、吸収計数αを10000/cm、疑似電界によって得られる電子速度を3×10cm/secとしている。これより、空乏化終端層15の層厚Xを例えば0.5μmとすると、量子効率増加率Δηは15%、走行時間増加量Δtは1.67psecとなる。この場合の、空乏化層14及び空乏化終端層15を電子が走行する時間は、5psecであり、10Gbps以上の光信号に関して十分に劣化のない応答を示す。
【0028】
しかし、空乏化終端層15の層厚Xが1μm程度になると、キャリア濃度を1×1016cm-3〜1×1019cm-3としても、疑似電界が2kV/cm以下となるので、空乏化終端層15に十分な電界が印加されないことになる。このため、電子速度が劣化して、空乏化終端層15での走行時間が急激に悪化する。
【0029】
ここで、1×1016cm-3は、空乏化終端層15が空乏化しないための下限(すなわち空乏化層14が空乏化するための上限)のキャリア濃度である。1×1019cm-3は、空乏化終端層15が「高キャリア濃度→非発光センター増大→量子効率低下」とならないための上限のキャリア濃度である。
【0030】
図4は、本発明に係る半導体受光素子の第二実施形態の構造を示すエネルギバンド図である。以下、この図面に基づき説明する。
【0031】
本実施形態の半導体受光素子は、光を吸収して電子e−正孔h対を発生する光吸収層50と、光吸収層50で発生した電子によってアバランシ増倍を起こすアバランシ増倍層52とを備えるとともに、バッファ層51、アバランシ増倍層52、電界緩和層53、光吸収層50及びキャップ層56が積層されてなる。そして、光吸収層50は、動作時に空乏化する空乏化層54と、空乏化層54の空乏化を終端する空乏化終端層55とを備えている。更に、空乏化終端層55の電子親和力は、空乏化層54の電子親和力よりも小さく、かつ空乏化終端層55内の電子を空乏化層14へ向けて加速する疑似電界が発生するように分布している。
【0032】
光吸収層50は、低いキャリア濃度の空乏化した空乏化層54と、高いキャリア濃度の空乏化しない空乏化終端層55との、二層から構成されている。かつ、空乏化終端層55の電子親和力が、段階的又は連続的に変化している。このような素子構造によって、空乏化終端層55では伝導帯不連続量ΔEcによる疑似電界が発生することから、第一実施形態と同様に高速応答かつ高量子効率の特性が実現される。
【0033】
図5及び図6は図4の半導体受光素子における光吸収層の構造を示すエネルギバンド図であり、図5[1]が第一例、図5[2]が第二例、図6[1]が第三例、図6[2]が第四例である。以下、図4乃至図6に基づき説明する。
【0034】
図4における空乏化層54及び空乏化終端層55は、図5及び図6ではそれぞれp光吸収層及びp光吸収層と表記する。p光吸収層のキャリア濃度は1×1016cm-3以下であり、p光吸収層のキャリア濃度は1×1016cm-3〜1×1019cm-3である。
【0035】
図5[1][2]に示す第一例及び第二例では、電子親和力の異なる二層からp光吸収層が構成されている。これらの二層の伝導帯不連続量(電子親和力の差)ΔEcから発生する疑似電界により、前述と同様の効果が実現される。
【0036】
図6[1]に示す第三例では、電子親和力が線形的に変化する単層からp光吸収層が構成されている。このp光吸収層は、InAlGaAsやInGaAsP、AlGaAsSb等の混晶半導体において、組成比を順次変化させてバンドギャップを線形的に変化させることにより形成できる。この構造においても、疑似電界の発生によって、前述と同様の効果が実現される。
【0037】
図6[2]に示す第四例では、電子親和力が指数関数的に変化する単層からp光吸収層が構成されている。このp光吸収層は、InAlGaAsやInGaAsP、AlGaAsSb等の混晶半導体において、組成比を順次変化させてバンドギャップを指数関数的に変化させることにより形成できる。この構造においても、疑似電界の発生によって、前述と同様の効果が実現される。
【0038】
以上、第一及び第二実施形態の半導体受光素子は、高速応答かつ高量子効率の特性を両立させた動作が実現可能であり、またそれを搭載した光通信装置及び光計測装置の性能向上に有効である。
【0039】
【実施例】
以下、上記実施形態を更に具体化した実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【0040】
図7[1]は、第一実施形態の一実施例を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。
【0041】
本実施例の半導体受光素子は、キャリア濃度が層厚方向に順次に変化する空乏化終端層を有するメサ型である。第一実施形態における空乏化層及び空乏化終端層は、それぞれ具体化して光吸収層404,405と言い換える。
【0042】
製造方法について説明する。まず、InP基板407上に、InPバッファ層401、InAlAs/InAlGaAs超格子アバランシ増倍層402(層厚0.3μm)、InP電界緩和層403、p型InGaAs光吸収層404(層厚1.0μm)、p型InGaAs光吸収層405、InPキャップ層406、及びInGaAsコンタクト層(図示せず)を、ガスソースMBE(Molecular Beam Epitaxy)により順次積層する。続いて、ウェットエッチングによりメサを形成し、p側電極408及びn側電極409を形成し、表面パッシベーション膜410を形成する。続いて、鏡面研磨後、InP基板407裏面に反射防止膜411を形成することにより、半導体受光素子が完成する。
【0043】
型InGaAs光吸収層404は、空乏化するように1×1016cm-3以下の低いキャリア濃度に設定する。本実施例の特徴部分であるp型InGaAs光吸収層405は、キャリア濃度の傾斜により疑似電界を発生させる構造である。このキャリア濃度は、p型InGaAs光吸収層404に接する側から層厚方向に高濃度化するように設定する。
【0044】
例えば、図2[1]に示したキャリア濃度(p1=1×1017cm-3、p2=1×1019cm-3)の二層より構成される総膜厚W=0.5μmのp型InGaAs光吸収層405では、2.36kV/cmの疑似電界が発生する。図2[1]には二層のInGaAs層による構成を示したが、二層以上の半導体層で形成され、かつキャリア濃度が1×1016cm-3〜1×1019cm-3の範囲で傾斜するp型半導体光吸収層405においても、同じような疑似電界が発生する。
【0045】
また、図2[2]に示したキャリア濃度のp型InGaAs光吸収層405においても、同じような疑似電界が発生する。このキャリア濃度は、1×1016cm-3〜1×1019cm-3の範囲で、p型InGaAs光吸収層404に接する側から層厚方向へ、対数表記において線形的に高濃度になるように変化する。なお、図2[2]のような対数表記において線形的なキャリア濃度変化を有する二層以上の半導体層で形成されるp型InGaAs光吸収層405においても、同じような疑似電界が発生する。
【0046】
更に、図2[3]に示したキャリア濃度のp型InGaAs光吸収層405においても、同じような疑似電界が発生する。このキャリア濃度は、1×1016cm-3〜1×1019cm-3の範囲で、p型InGaAs光吸収層404に接する側よりから層厚方向へ非線形状に高濃度になるように変化する。
【0047】
本実施例のキャリア濃度勾配を有するp型InGaAs光吸収層405を適用した半導体受光素子では、従来のキャリア濃度プロファイルを有する同構造の半導体受光素子と比較して、高速特性を損なうことなく15%以上の量子効率改善が確認された。
【0048】
図7[2]は、第二実施形態の一実施例を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。
【0049】
本実施例の半導体受光素子は、電子親和力が層厚方向に順次に変化する空乏化終端層を有するメサ型である。第二実施形態における空乏化層及び空乏化終端層は、それぞれ具体化して光吸収層704,705と言い換える。
【0050】
製造方法について説明する。まず、InP基板707上に、InPバッファ層701、InAlAs/InAlGaAs超格子アバランシ増倍層702(層厚0.3μm)、InP電界緩和層703、p型InGaAs光吸収層704(層厚1.0μm)、p型InGaAs光吸収層705、InPキャップ層706、及びInGaAsコンタクト層(図示せず)を、ガスソースMBE(Molecular Beam Epitaxy)により順次積層する。続いて、ウェットエッチングによりメサを形成し、p側電極708及びn側電極709を形成し、表面パッシベーション膜710を形成する。続いて、鏡面研磨後、InP基板707裏面に反射防止膜711を形成することにより、半導体受光素子が完成する。
【0051】
型InGaAs光吸収層704は、空乏化するように1×1016cm-3以下の低いキャリア濃度に設定する。本実施例の特徴部分であるp型InGaAs光吸収層705は、電子親和力の差により疑似電界を発生させる構造である。この電子親和力は、p型InGaAs光吸収層704に接する側から層厚方向に大きくなるように設定する。
【0052】
例えば、図5[1]に示したp1層とp2層との二層から構成される総膜厚0.5μmの光吸収層705を考える。この場合、p1層がp型In0.53Ga0.47As層(バンドギャップエネルギEg=0.75eV)からなり、p2層がp型In0.53Al0.06Ga0.41As層(バンドギャップエネルギEg=0.83eV)からなるとき、伝導帯不連続量ΔEcが57meVであり、これにより1.1kV/cmの疑似電界が発生する。図5[1]にはp型InGaAs層とp型InAlGaAs層との二層からなる光吸収層705を示したが、二層以上の半導体層で形成され、かつ層厚方向に向かってバンドギャップエネルギが大きくなる構成のp型半導体光吸収層においても、同じように疑似電界が発生する。
【0053】
また、図6[1]に示した電子親和力の光吸収層705でも、同じように疑似電界が発生する。この線形的に変化する電子親和力は、例えばIn0.53(AlGa0.47−x)Asの組成比を連続的に変化させて、バンドギャップエネルギを層厚方向に線形的に変化させることにより得られる。このとき、組成比xをx=0からx=0.06まで連続的に変化させることで、バンドギャップエネルギはEg=0.75eVからEg=0.83eVまで連続的に変化する。なお、バンドギャップエネルギの線形的変化量が異なる二層以上の半導体層から形成されるp型半導体光吸収層においても、同じように疑似電界が発生する。
【0054】
更に、図6[2]に示した電子親和力の光吸収層705でも、同じように疑似電界が発生する。この電子親和力は、バンドギャップエネルギを層厚方向に指数関数的に変化させることにより得られる。
【0055】
上記各実施例ではメサ型構造の半導体受光素子を示しているが、プレーナ型構造の半導体受光素子の場合も全て同様である。また、上記各実施例において、アバランシ増倍層としてInAlAs/InAlGaAs超格子、電界緩和層としてInPを用いた素子構造で説明しているが、アバランシ増倍層としてAlGaAs、InAlAs、InAlGaAs、InGaAsP、AlGaAsSbからなる超格子層、若しくは単一バルク層を用いた素子構造、電界緩和層としてInAl(Ga)As、InGaAs(P)を用いた素子構造、又は、これらの組み合わせで構成される素子構造の場合も全て同様である。更に、図7[2]の実施例において光吸収層705としてInAlGaAs層を用いた素子構造で説明したが、InGaAsP又はAlGaAsSbを用いた素子構造の場合も同様である。
【0056】
【発明の効果】
本発明に係る半導体受光素子によれば、光吸収層を空乏化終端層及び空乏化層で構成し、空乏化終端層のキャリア濃度又は電子親和力を段階的又は連続的に変化させることにより、空乏化終端層内の電子を空乏化層へ加速する疑似電界を発生できる。そのため、電子の走行時間を短縮できるので高速応答を達成できるとともに、光吸収層の実効的な層厚を厚くできることにより高量子効率を達成できる。したがって、高速応答かつ高量子効率の特性を実現できる。また、光通信装置又は光計測装置に本発明に係る半導体受光素子を搭載することにより、高速かつ高感度の光受信器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体受光素子の第一実施形態の構造を示すエネルギバンド図である。
【図2】図1の半導体受光素子における光吸収層のキャリア濃度を示すグラフであり、図2[1]が第一例、図2[2]が第二例、図2[3]が第三例である。
【図3】図1における空乏化終端層の層厚Xに対する量子効率増加率Δη及び走行時間増加量Δtの計算結果を示すグラフである。
【図4】本発明に係る半導体受光素子の第二実施形態の構造を示すエネルギバンド図である。
【図5】図4の半導体受光素子における光吸収層の構造を示すエネルギバンド図であり、図5[1]が第一例、図5[2]が第二例である。
【図6】図4の半導体受光素子における光吸収層の構造を示すエネルギバンド図であり、図6[1]が第三例、図6[2]が第四例である。
【図7】図7[1]は第一実施形態の一実施例を示す断面図であり、図7[2]は第二実施形態の一実施例を示す断面図である。
【図8】従来の半導体受光素子を示す断面図であり、図8[1]はメサ型構造素子、図8[2]はプレーナ型構造素子である。
【図9】従来の半導体受光素子の構造を示すエネルギバンド図である。
【符号の説明】
10,50 光吸収層
11,51 バッファ層
12,52 アバランシ増倍層
13,53 電界緩和層
14,54 空乏化層
15,55 空乏化終端層
16,56 キャップ層
401,701 InPバッファ層
402,702 InAlAs/InAlGaAs超格子アバランシ増倍層
403,703 InP電界緩和層
404,704 p型光吸収層(空乏化層)
405,705 p型光吸収層(空乏化終端層)
406,706 InPキャップ層
407,707 InP基板
408,708 p側電極
409,709 n側電極
410,710 表面パッシベーション膜
411,711 反射防止膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light-receiving element that converts an optical signal into an electric signal, and more particularly to an avalanche multiplication type semiconductor light-receiving element that is excellent in high-speed response and has low dark current and high sensitivity characteristics.
[0002]
[Prior art]
In optical communication / measurement technology, high speed and large capacity are indispensable. Therefore, a semiconductor light receiving element having excellent high speed response and low noise and high sensitivity characteristics is indispensable. A superlattice avalanche photodiode (superlattice APD) in which a superlattice structure is applied to an avalanche multiplication layer has been developed as a high-speed and high-sensitivity semiconductor light-receiving element having a wavelength band of 1 to 1.6 μm.
[0003]
Chin et al., Electron. Lett., 16 (12), P.467-469, 1980, in the superlattice structure, which is the basic principle of superlattice APD. Only proposed a structure in which electrons are selectively ionized by acquiring potential energy (conduction band discontinuity) ΔEc. Regarding the structure that artificially increases the ionization rate ratio α / β by using the conduction band discontinuity of the superlattice for collisional ionization of electrons, F. Capasso et al. In the GaAs / GaAlAs superlattice actually An increase in the ionization rate ratio α / β was confirmed [Appl. Phys. Letters, 40 (1), P.38-40, 1982]. Furthermore, a superlattice APD in which a superlattice multiplication layer is formed using an InAlAs / InGaAsP superlattice having a light receiving sensitivity at a wavelength of 1.3 to 1.6 μm or an InAlAs / InAlGaAs superlattice used for long-distance optical communication. Has been developed to achieve higher speed and higher sensitivity than conventional semiconductor photodetectors. [For example, Kagawa et al .: Journal of Quantum Electronics (J.Quantum.Electronics), 28 (6), P 1419-1423, 1992, Watanabe et al .: Photonics Technol. Letters, 5 (6), P.675-677, 1993, Watanabe et al .: Photonics Technol. Lett.), 8 (6), P.827-829, 1996].
[0004]
8 [1] and [2] are element structure diagrams of the InAlAs / InAlGaAs superlattice APD reported by Watanabe et al. 8 [1] is a mesa structure element, and FIG. 8 [2] is a planar structure element. In FIG. 8 [1] [2], the same number is attached | subjected to the component of the same function.
[0005]
This superlattice APD is formed on an InP substrate 807, an InP buffer layer 801, an InAlAs / InAlGaAs superlattice avalanche multiplication layer 802, p+Type InP electric field relaxation layer 803, pType InGaAs light absorption layer 804 and p+A type InGaAs light absorption layer 805 is laminated.
[0006]
The operation principle will be described. First, only electrons among the optical carriers generated in the light absorption layers 804 and 805 travel to the electric field relaxation layer 803 by a drift electric field and are injected into the avalanche multiplication layer 802. Subsequently, in the avalanche multiplication layer 802, since a high electric field is applied, the injected electrons collide with the lattice to cause ionization, thereby causing avalanche multiplication. Here, the InAlAs / InAlGaAs superlattice structure constituting the avalanche multiplication layer 802 has a large conduction band discontinuity, which increases the ionization rate of electrons, thereby increasing the ionization rate ratio α / β and the resulting low noise. It is planned.
[0007]
8 [1] and [2], an InP cap layer 806, a p-side electrode 808, an n-side electrode 809, a surface passivation film 810, an antireflection film 811, and the like are attached. Further, in FIG. 8 [2], the high resistance region 812, p+A region 813 and the like are attached.
[0008]
FIG. 9 shows a basic configuration of a conventional APD having a light absorption layer 90 having a two-layer structure with different carrier concentrations.
[0009]
The APD shown in FIG. 9 is formed by laminating a buffer layer 91, an avalanche multiplication layer 92, an electric field relaxation layer 93, a light absorption layer 90, a cap layer 96, and the like. The light absorption layer 90 includes a depleted light absorption layer 94 and a light absorption layer 95 having a certain concentration of carrier concentration that is not depleted. The carrier concentration of the light absorption layer 94 is 1 × 10.16cm-3The carrier concentration of the light absorption layer 95 is 1 × 1016cm-3~ 1x1019cm-3It is. The main function of the light absorbing layer 95 which is a non-depleted layer is to terminate depletion of the light absorbing layer 94. Here, the light absorption layer 94 responsible for light absorption is desired to be thin in order to improve the carrier traveling time and increase the speed. However, since the reduction in the thickness of the light absorption layer 94 is accompanied by a decrease in quantum efficiency, there is a trade-off relationship between higher speed and higher quantum efficiency.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The main factors governing the high-speed response in a conventional semiconductor light-receiving element having an avalanche multiplication layer are the CR circuit constant limitation due to the capacitance and resistance of the element itself and the multiplication of optical carriers in the avalanche multiplication layer. For example, the time required for the multiplication (multiplication time) and the carrier travel time generated by the optical carrier traveling in the depleted light absorption layer. Here, the limitation on the CR circuit constant can be dealt with by improving the capacitance by reducing the pn junction area, reducing the contact resistance by optimizing the electrodes, and the like. The multiplication time is largely due to the ionization rate ratio α / β, which is a physical property constant inherent to the material. Regarding the carrier transit time in the light absorption layer, in principle, the carrier transit time is shortened by reducing the thickness of the light absorption layer in order to increase the speed. However, the quantum efficiency depends on the thickness of the light absorption layer and decreases as the film becomes thinner. Therefore, there is a trade-off relationship between the carrier travel time and the quantum efficiency, and it is difficult to achieve both.
[0011]
OBJECT OF THE INVENTION
Accordingly, an object of the present invention is to achieve both high-speed response and high quantum efficiency in a semiconductor light-receiving element having an avalanche multiplication layer.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  A semiconductor light-receiving element according to the present invention includes a light absorption layer that absorbs light to generate electron-hole pairs, and an avalanche multiplication layer that causes avalanche multiplication by electrons generated in the light absorption layer. . The light absorption layer includes a depletion layer that is depleted during operation, and a depletion termination layer that terminates depletion of the depletion layer. Further, the carrier concentration of the depletion termination layer is higher than the carrier concentration of the depletion layer and is distributed so as to generate a pseudo electric field that accelerates electrons in the depletion termination layer toward the depletion layer..
[0013]
  AndThe carrier concentration of the depleted layer is 1 × 1016cm-3The carrier concentration of the depletion termination layer is 1 × 1016cm-3~ 1x1019cm-3Is.Where 1 × 1016cm-3Is a lower limit concentration for preventing depletion (that is, an upper limit concentration for depletion) and is 1 × 1019cm-3Is an upper limit concentration for preventing “high carrier concentration → non-light emission center increase → quantum efficiency decrease”. The “carrier concentration” here is, of course, a value measured at room temperature with no light irradiation, no voltage applied.In addition, the thickness of the depleted termination layer is 1μ m Is less than.
[0014]
  The depletion termination layer consists of two or more layers with different carrier concentrations.,Carrier concentrationIn logarithmic notationIt consists of a single layer that changes linearly, or it consists of two or more layers with different linear changes.,Or carrier concentrationIn logarithmic notationExponentially changing,It is good. Furthermore, the pseudo electric field may be generated by using the electron affinity of the depletion termination layer instead of the carrier concentration of the depletion termination layer..
[0015]
For example, the present invention is a semiconductor light receiving element in which at least a light absorption layer, an electric field relaxation layer, and an avalanche multiplication layer are stacked on a semi-insulating semiconductor substrate or a high concentration semiconductor substrate. The light absorption layer has a low carrier concentration (1 × 1016cm-3Below) depleted layer and high carrier concentration (1 × 1016cm-3~ 1x1019cm-3)) And a depleted termination layer that is not depleted.
[0016]
In addition to this, the carrier concentration of the depletion termination layer changes sequentially in the layer thickness direction. Or the electron affinity of the depleted termination layer is expressed as eχ1, Eχ the electron affinity of the depleted layer21> Eχ2And the electron affinity of the depletion termination layer changes sequentially in the layer thickness direction.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is an energy band diagram showing the structure of the first embodiment of the semiconductor light-receiving element according to the present invention. Hereinafter, description will be given based on this drawing.
[0018]
The semiconductor light receiving element of this embodiment includes a light absorption layer 10 that absorbs light to generate electron e-hole h pairs, an avalanche multiplication layer 12 that causes avalanche multiplication by electrons generated in the light absorption layer 10, and And a buffer layer 11, an avalanche multiplication layer 12, an electric field relaxation layer 13, a light absorption layer 10 and a cap layer 16 are laminated. The light absorption layer 10 includes a depletion layer 14 that is depleted during operation, and a depletion termination layer 15 that terminates depletion of the depletion layer 14. Further, the carrier concentration of the depletion termination layer 15 is higher than the carrier concentration of the depletion layer 14 and is distributed so as to generate a pseudo electric field that accelerates electrons in the depletion termination layer 15 toward the depletion layer 14. is doing.
[0019]
The light absorption layer 10 is composed of two layers: a depleted layer 14 with a low carrier concentration and a depleted termination layer 15 with a high carrier concentration that is not depleted. Then, the carrier concentration of the depletion termination layer 15 changes stepwise or continuously. With such an element structure, in the depletion termination layer 15, the Fermi level is inclined due to the difference in carrier concentration, and a pseudo electric field corresponding to the ratio of carrier concentration and the film thickness is generated. Electrons e, which are photocarriers generated in the depletion termination layer 15, are accelerated by this pseudo electric field and drift to the end of the depletion layer 14, thereby contributing as a photocurrent.
[0020]
For this reason, in the semiconductor light receiving element of this embodiment, the depletion termination layer 15 is actually optically light as compared with the conventional structure in which the light absorption layer 95 shown in FIG. 9 functions only as a termination of the depletion layer (light absorption layer 94). By functioning as a layer that absorbs light, the effective light absorption layer thickness increases. Here, since the actual thickness of the light absorption layer is not increased, the response speed is maintained, and high-speed response and high quantum efficiency characteristics can be realized. In addition, since the hole h having a low drift velocity responds to the dielectric relaxation time in a short time and is collected by the p-type electrode, only high-speed electrons e having a small effective mass and a high thermal diffusion rate are involved in the photocurrent as photocarriers. . Moreover, the electric field relaxation layer 13 has the effect | action which reduces a dark current component.
[0021]
2 is a graph showing the carrier concentration of the light absorption layer in the semiconductor light receiving element of FIG. 1, FIG. 2 [1] is the first example, FIG. 2 [2] is the second example, and FIG. 2 [3] is the third. It is an example. Hereinafter, a description will be given based on FIG. 1 and FIG.
[0022]
The depletion layer 14 and the depletion termination layer 15 in FIG.Layer and p+Indicated as layer. pThe carrier concentration of the layer is 1 × 1016cm-3And p+The carrier concentration of the layer is 1 × 1016cm-3~ 1x1019cm-3It is.
[0023]
In the first example of FIG.+The layer is composed of two layers p1 and p2 having different carrier concentrations. That is, the two layers p1, p2 to p having different carrier concentrations+By forming the layer, a pseudo electric field is generated, and thereby the above-described characteristics of high-speed response and high quantum efficiency can be realized.
[0024]
  In the second example of FIG. 2 [2], p+The carrier concentration of the layerIn logarithmic notationIt consists of a single layer that varies linearly. At this time, it is good also as what consists of two or more layers from which the linear variation | change_quantity differs. Also in this configuration, a pseudo electric field is generated due to the Fermi level gradient, so that the same effect as the first example is realized.
[0025]
  In the third example of FIG. 2 [3], p+The carrier concentration of the layerIn logarithmic notationIt changes exponentially. Also in this configuration, a pseudo electric field is generated due to the Fermi level gradient, so that the same effect as the first example is realized. P+P in the layerSince a high pseudo electric field is applied to the opposite end of the layer, pSince acceleration for electrons (photocarriers) far from the layer becomes larger, characteristics of higher response and higher quantum efficiency are realized.
[0026]
FIG. 3 is a graph showing calculation results of the quantum efficiency increase rate Δη and the travel time increase amount Δt with respect to the layer thickness X of the depletion termination layer 15 in FIG. Hereinafter, a description will be given based on FIG. 1 and FIG.
[0027]
Here, the thickness of the depletion layer 14 is 1.0 μm, the absorption coefficient α is 10,000 / cm, and the electron velocity obtained by the pseudo electric field is 3 × 10.7cm / sec. Accordingly, when the layer thickness X of the depletion termination layer 15 is 0.5 μm, for example, the quantum efficiency increase rate Δη is 15% and the travel time increase Δt is 1.67 psec. In this case, the time for the electrons to travel through the depletion layer 14 and the depletion termination layer 15 is 5 psec, and shows a response that does not deteriorate sufficiently for an optical signal of 10 Gbps or more.
[0028]
However, when the layer thickness X of the depletion termination layer 15 is about 1 μm, the carrier concentration is 1 × 10 5.16cm-3~ 1x1019cm-3However, since the pseudo electric field is 2 kV / cm or less, a sufficient electric field is not applied to the depletion termination layer 15. For this reason, the electron velocity is deteriorated, and the traveling time in the depletion termination layer 15 is rapidly deteriorated.
[0029]
Where 1 × 1016cm-3Is the lower limit of carrier concentration for preventing depletion termination layer 15 from being depleted (that is, the upper limit for depletion layer 14 being depleted). 1 × 1019cm-3Is the upper limit carrier concentration for preventing the depletion termination layer 15 from becoming “high carrier concentration → non-emission center increase → quantum efficiency decrease”.
[0030]
FIG. 4 is an energy band diagram showing the structure of the second embodiment of the semiconductor light receiving element according to the present invention. Hereinafter, description will be given based on this drawing.
[0031]
The semiconductor light receiving element of this embodiment includes a light absorption layer 50 that absorbs light to generate electron e-hole h pairs, an avalanche multiplication layer 52 that causes avalanche multiplication by electrons generated in the light absorption layer 50, and The buffer layer 51, the avalanche multiplication layer 52, the electric field relaxation layer 53, the light absorption layer 50, and the cap layer 56 are laminated. The light absorption layer 50 includes a depletion layer 54 that is depleted during operation, and a depletion termination layer 55 that terminates depletion of the depletion layer 54. Further, the electron affinity of the depletion termination layer 55 is smaller than the electron affinity of the depletion layer 54 and is distributed so as to generate a pseudo electric field that accelerates electrons in the depletion termination layer 55 toward the depletion layer 14. is doing.
[0032]
The light absorption layer 50 is composed of two layers: a depleted layer 54 that is depleted with a low carrier concentration, and a depleted termination layer 55 that is not depleted with a high carrier concentration. In addition, the electron affinity of the depletion termination layer 55 changes stepwise or continuously. With such an element structure, a pseudo electric field is generated in the depletion termination layer 55 due to the conduction band discontinuity ΔEc, and thus a high-speed response and high quantum efficiency characteristics are realized as in the first embodiment.
[0033]
5 and 6 are energy band diagrams showing the structure of the light absorption layer in the semiconductor light-receiving element of FIG. 4. FIG. 5 [1] is the first example, FIG. 5 [2] is the second example, and FIG. ] Is a third example, and FIG. 6 [2] is a fourth example. Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS.
[0034]
The depletion layer 54 and the depletion termination layer 55 in FIG.Light absorbing layer and p+This is expressed as a light absorption layer. pThe carrier concentration of the light absorption layer is 1 × 1016cm-3And p+The carrier concentration of the light absorption layer is 1 × 1016cm-3~ 1x1019cm-3It is.
[0035]
In the first example and the second example shown in FIGS. 5 [1] and [2], two layers having different electron affinities are used.+A light absorption layer is formed. The same effect as described above is realized by the pseudo electric field generated from the conduction band discontinuity (difference in electron affinity) ΔEc of these two layers.
[0036]
In the third example shown in FIG. 6 [1], p is changed from a single layer whose electron affinity changes linearly.+A light absorption layer is formed. This p+The light absorption layer can be formed in a mixed crystal semiconductor such as InAlGaAs, InGaAsP, and AlGaAsSb by sequentially changing the composition ratio and changing the band gap linearly. Also in this structure, the same effect as described above is realized by the generation of the pseudo electric field.
[0037]
In the fourth example shown in FIG. 6 [2], p is changed from a single layer whose electron affinity changes exponentially.+A light absorption layer is formed. This p+The light absorption layer can be formed in a mixed crystal semiconductor such as InAlGaAs, InGaAsP, and AlGaAsSb by sequentially changing the composition ratio and changing the band gap exponentially. Also in this structure, the same effect as described above is realized by the generation of the pseudo electric field.
[0038]
As described above, the semiconductor light-receiving elements of the first and second embodiments can realize an operation that achieves both high-speed response and high quantum efficiency, and improve the performance of an optical communication device and an optical measurement device equipped with the operation. It is valid.
[0039]
【Example】
Hereinafter, examples that further embody the above embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
[0040]
FIG. 7 [1] is a cross-sectional view showing an example of the first embodiment. Hereinafter, description will be given based on this drawing.
[0041]
The semiconductor light receiving element of this example is a mesa type having a depleted termination layer in which the carrier concentration changes sequentially in the layer thickness direction. The depletion layer and the depletion termination layer in the first embodiment are embodied as the light absorption layers 404 and 405, respectively.
[0042]
A manufacturing method will be described. First, on an InP substrate 407, an InP buffer layer 401, an InAlAs / InAlGaAs superlattice avalanche multiplication layer 402 (layer thickness 0.3 μm), an InP electric field relaxation layer 403, p-Type InGaAs light absorption layer 404 (layer thickness: 1.0 μm), p+A type InGaAs light absorption layer 405, an InP cap layer 406, and an InGaAs contact layer (not shown) are sequentially stacked by a gas source MBE (Molecular Beam Epitaxy). Subsequently, a mesa is formed by wet etching, a p-side electrode 408 and an n-side electrode 409 are formed, and a surface passivation film 410 is formed. Subsequently, after mirror polishing, an antireflection film 411 is formed on the back surface of the InP substrate 407, thereby completing a semiconductor light receiving element.
[0043]
pThe type InGaAs light absorption layer 404 is 1 × 10 so as to be depleted.16cm-3Set the following low carrier concentration. P which is a characteristic part of the present embodiment+The type InGaAs light absorption layer 405 has a structure that generates a pseudo electric field by the gradient of the carrier concentration. This carrier concentration is pThe concentration is set so as to increase in the layer thickness direction from the side in contact with the type InGaAs light absorption layer 404.
[0044]
For example, the carrier concentration shown in FIG. 2 [1] (p1 = 1 × 1017cm-3, P2 = 1 × 1019cm-3P) with a total film thickness W = 0.5 μm.+In the type InGaAs light absorption layer 405, a pseudo electric field of 2.36 kV / cm is generated. FIG. 2 [1] shows a configuration with two InGaAs layers, but it is formed of two or more semiconductor layers and has a carrier concentration of 1 × 10 6.16cm-3~ 1x1019cm-3P tilting in the range+A similar pseudo electric field is also generated in the type semiconductor light absorption layer 405.
[0045]
  Also, the carrier concentration p shown in FIG.+A similar pseudo electric field is also generated in the type InGaAs light absorption layer 405. This carrier concentration is 1 × 1016cm-3~ 1x1019cm-3In the range pFrom the side in contact with the InGaAs light absorption layer 404 to the thickness directionIn logarithmic notationIt changes so as to increase the concentration linearly. As shown in Fig. 2 [2]In logarithmic notationP formed of two or more semiconductor layers having a linear carrier concentration change+A similar pseudo electric field is also generated in the type InGaAs light absorption layer 405.
[0046]
Further, the carrier concentration p shown in FIG.+A similar pseudo electric field is also generated in the type InGaAs light absorption layer 405. This carrier concentration is 1 × 1016cm-3~ 1x1019cm-3In the range pFrom the side in contact with the type InGaAs light absorption layer 404, the thickness changes in a nonlinear manner in the layer thickness direction.
[0047]
P having the carrier concentration gradient of this embodiment+In the semiconductor light receiving element to which the type InGaAs light absorption layer 405 is applied, a quantum efficiency improvement of 15% or more was confirmed without impairing the high-speed characteristics as compared with the conventional semiconductor light receiving element having the same carrier concentration profile.
[0048]
FIG. 7 [2] is a cross-sectional view showing an example of the second embodiment. Hereinafter, description will be given based on this drawing.
[0049]
The semiconductor light receiving element of this example is a mesa type having a depleted termination layer in which electron affinity changes sequentially in the layer thickness direction. The depletion layer and the depletion termination layer in the second embodiment are embodied as the light absorption layers 704 and 705, respectively.
[0050]
A manufacturing method will be described. First, on an InP substrate 707, an InP buffer layer 701, an InAlAs / InAlGaAs superlattice avalanche multiplication layer 702 (layer thickness: 0.3 μm), an InP electric field relaxation layer 703, p-Type InGaAs light absorption layer 704 (layer thickness: 1.0 μm), p+A type InGaAs light absorption layer 705, an InP cap layer 706, and an InGaAs contact layer (not shown) are sequentially stacked by a gas source MBE (Molecular Beam Epitaxy). Subsequently, a mesa is formed by wet etching, a p-side electrode 708 and an n-side electrode 709 are formed, and a surface passivation film 710 is formed. Subsequently, after mirror polishing, an antireflection film 711 is formed on the back surface of the InP substrate 707, thereby completing a semiconductor light receiving element.
[0051]
pThe type InGaAs light absorption layer 704 is 1 × 10 so as to be depleted.16cm-3Set the following low carrier concentration. P which is a characteristic part of the present embodiment+The type InGaAs light absorption layer 705 has a structure that generates a pseudo electric field due to a difference in electron affinity. This electron affinity is pThe thickness is set so as to increase in the layer thickness direction from the side in contact with the type InGaAs light absorption layer 704.
[0052]
For example, p shown in FIG.+1 layer and p+Consider a light absorption layer 705 having a total film thickness of 0.5 μm composed of two layers. In this case, p+1 layer is p+Type In0.53Ga0.47As layer (bandgap energy Eg1= 0.75 eV), p+2 layers are p+Type In0.53Al0.06Ga0.41As layer (bandgap energy Eg2= 0.83 eV), the conduction band discontinuity ΔEc is 57 meV, which generates a pseudo electric field of 1.1 kV / cm. In FIG. 5 [1], p+Type InGaAs layer and p+The light absorption layer 705 having two layers with the type InAlGaAs layer is shown.+Similarly, a pseudo electric field is generated in the type semiconductor light absorption layer.
[0053]
Similarly, a pseudo electric field is generated in the light absorption layer 705 having the electron affinity shown in FIG. This linearly changing electron affinity is, for example, In0.53(AlxGa0.47-x) It is obtained by continuously changing the composition ratio of As and linearly changing the band gap energy in the layer thickness direction. At this time, by continuously changing the composition ratio x from x = 0 to x = 0.06, the bandgap energy becomes Eg1= 0.75eV to Eg2= Continuously changes to 0.83 eV. In addition, p formed from two or more semiconductor layers having different amounts of linear change in band gap energy.+Similarly, a pseudo electric field is generated in the type semiconductor light absorption layer.
[0054]
Furthermore, a pseudo electric field is generated in the same manner in the light absorption layer 705 having the electron affinity shown in FIG. This electron affinity is obtained by exponentially changing the band gap energy in the layer thickness direction.
[0055]
In each of the above embodiments, a mesa-type semiconductor light-receiving element is shown, but the same applies to the case of a planar-type semiconductor light-receiving element. In each of the above embodiments, an element structure using an InAlAs / InAlGaAs superlattice as an avalanche multiplication layer and InP as an electric field relaxation layer has been described. In the case of an element structure using a superlattice layer made of or a single bulk layer, an element structure using InAl (Ga) As, InGaAs (P) as an electric field relaxation layer, or an element structure composed of a combination thereof Are all the same. Furthermore, in the embodiment of FIG. 7 [2], the element structure using the InAlGaAs layer as the light absorption layer 705 has been described. However, the same applies to the element structure using InGaAsP or AlGaAsSb.
[0056]
【The invention's effect】
According to the semiconductor light receiving element of the present invention, the light absorption layer is composed of a depletion termination layer and a depletion layer, and the carrier concentration or electron affinity of the depletion termination layer is changed stepwise or continuously, thereby depletion. A pseudo electric field that accelerates electrons in the termination layer to the depletion layer can be generated. Therefore, since the electron transit time can be shortened, high-speed response can be achieved, and high quantum efficiency can be achieved by increasing the effective thickness of the light absorption layer. Therefore, high-speed response and high quantum efficiency characteristics can be realized. Further, by mounting the semiconductor light receiving element according to the present invention on an optical communication device or an optical measurement device, a high-speed and high-sensitivity optical receiver can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an energy band diagram showing a structure of a first embodiment of a semiconductor light receiving element according to the present invention.
2 is a graph showing the carrier concentration of the light absorption layer in the semiconductor light receiving element of FIG. 1, FIG. 2 [1] is a first example, FIG. 2 [2] is a second example, and FIG. 2 [3] is a first example. Three examples.
3 is a graph showing calculation results of a quantum efficiency increase rate Δη and a travel time increase amount Δt with respect to the layer thickness X of the depletion termination layer in FIG. 1;
FIG. 4 is an energy band diagram showing a structure of a second embodiment of a semiconductor light receiving element according to the present invention.
5 is an energy band diagram showing a structure of a light absorption layer in the semiconductor light receiving element of FIG. 4, in which FIG. 5 [1] is a first example and FIG. 5 [2] is a second example.
6 is an energy band diagram showing a structure of a light absorption layer in the semiconductor light receiving element of FIG. 4, in which FIG. 6 [1] is a third example, and FIG. 6 [2] is a fourth example.
FIG. 7 [1] is a cross-sectional view showing an example of the first embodiment, and FIG. 7 [2] is a cross-sectional view showing an example of the second embodiment.
8 is a cross-sectional view showing a conventional semiconductor light-receiving element, in which FIG. 8 [1] is a mesa structure element, and FIG. 8 [2] is a planar structure element.
FIG. 9 is an energy band diagram showing a structure of a conventional semiconductor light receiving element.
[Explanation of symbols]
10, 50 Light absorption layer
11, 51 Buffer layer
12,52 Avalanche multiplication layer
13,53 Electric field relaxation layer
14,54 Depleted layer
15,55 Depleted termination layer
16, 56 Cap layer
401,701 InP buffer layer
402,702 InAlAs / InAlGaAs superlattice avalanche multiplication layer
403,703 InP electric field relaxation layer
404,704 pType light absorption layer (depletion layer)
405,705 p+Type light absorption layer (depletion termination layer)
406,706 InP cap layer
407,707 InP substrate
408, 708 p-side electrode
409, 709 n-side electrode
410,710 Surface passivation film
411,711 Antireflection film

Claims (8)

光吸収層と、
アバランシェ増倍層と、を備え、
前記光吸収層は、
キャリア濃度が1×10 16 cm −3 以下である空乏化層と、
キャリア濃度が1×10 16 cm −3 〜1×10 19 cm −3 である空乏化終端層と、を備え、
前記空乏化終端層のキャリア濃度は、前記空乏化層に向かって連続あるいは段階的に変化しており、前記空乏化終端層の電子が前記空乏化層に向かって加速する擬似電界を発生し、
前記空乏化終端層の膜厚は、1μ m 未満であることを特徴とする半導体受光素子。
A light absorbing layer;
An avalanche multiplication layer,
The light absorbing layer is
A depletion layer having a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 or less,
A depletion termination layer having a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 ,
The carrier concentration of the depletion termination layer changes continuously or stepwise toward the depletion layer, generating a pseudo electric field in which electrons of the depletion termination layer accelerate toward the depletion layer,
The thickness of the depletion termination layer, a semiconductor light-receiving element and less than 1 [mu] m.
前記空乏化終端層は、キャリア濃度の異なる二層以上からなることを特徴とする、請求項1に記載の半導体受光素子。The semiconductor light-receiving element according to claim 1, wherein the depletion termination layer includes two or more layers having different carrier concentrations. 前記空乏化終端層は、キャリア濃度が対数表記において線形的に変化する単層からなる、又はその線形変化量の異なる二層以上からなることを特徴とする、請求項1に記載の半導体受光素子。2. The semiconductor light receiving element according to claim 1, wherein the depletion termination layer is formed of a single layer whose carrier concentration linearly changes in a logarithmic notation , or two or more layers having different linear change amounts. . 前記空乏化終端層のキャリア濃度は、対数表記において指数関数的に変化することを特徴とする、請求項1に記載の半導体受光素子。The semiconductor light receiving element according to claim 1, wherein the carrier concentration of the depletion termination layer varies exponentially in logarithmic notation . 光吸収層と、
アバランシェ増倍層と、を備え、
前記光吸収層は、
キャリア濃度が1×10 16 cm −3 以下である空乏化層と、
キャリア濃度が1×10 16 cm −3 〜1×10 19 cm −3 である空乏化終端層と、を備え、
前記空乏化終端層の電子親和力は、前記空乏化層の電子親和力よりも小さく、かつ、前記空乏化層へ向かって連続あるいは段階的に変化しており、前記空乏化終端層の電子が前記空乏化層に向かって加速する擬似電界を発生し、
前記空乏化終端層の膜厚は、1μ m 未満であることを特徴とする半導体受光素子。
A light absorbing layer;
An avalanche multiplication layer,
The light absorbing layer is
A depletion layer having a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 or less,
A depletion termination layer having a carrier concentration of 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 ,
The electron affinity of the depletion termination layer is smaller than the electron affinity of the depletion layer and changes continuously or stepwise toward the depletion layer, and the electrons of the depletion termination layer are depleted. Generate a pseudo electric field that accelerates toward the
The thickness of the depletion termination layer, a semiconductor light-receiving element and less than 1 [mu] m.
前記空乏化終端層は、電子親和力の異なる二層以上からなることを特徴とする、請求項5に記載の半導体受光素子。The semiconductor light receiving element according to claim 5, wherein the depletion termination layer includes two or more layers having different electron affinity. 前記空乏化終端層は、電子親和力が線形的に変化する単層からなる、又はその線形変化量の異なる二層以上からなることを特徴とする、請求項5に記載の半導体受光素子。6. The semiconductor light receiving element according to claim 5, wherein the depletion termination layer is composed of a single layer whose electron affinity changes linearly, or is composed of two or more layers having different linear change amounts. 前記空乏化終端層の電子親和力は、指数関数的に変化することを特徴とする、請求項5に記載の半導体受光素子。The air-electron affinity of depleted termination layer is characterized by changes exponentially, the semiconductor light receiving device according to claim 5.
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