JPH01187882A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH01187882A JPH01187882A JP63007267A JP726788A JPH01187882A JP H01187882 A JPH01187882 A JP H01187882A JP 63007267 A JP63007267 A JP 63007267A JP 726788 A JP726788 A JP 726788A JP H01187882 A JPH01187882 A JP H01187882A
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- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［概要］
ｍ−ｖ族アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の新
規な構造に関し、 動作電圧を低下させることを目的とし、ｐ型ＩｎＰ基板
に設けたｐ型ＩｎＧａＡｓ層からなる光吸収層上にｐ型
ＡｌＧａ１ｎＡｓ層からなるなだれ増倍層を有し、該な
だれ増倍層にｎ型光吸収層が設けられていることを特徴
とする。
規な構造に関し、 動作電圧を低下させることを目的とし、ｐ型ＩｎＰ基板
に設けたｐ型ＩｎＧａＡｓ層からなる光吸収層上にｐ型
ＡｌＧａ１ｎＡｓ層からなるなだれ増倍層を有し、該な
だれ増倍層にｎ型光吸収層が設けられていることを特徴
とする。
［産業上の利用分野］
本発明は半導体受光素子のうち、特に、ｍ−ｖ族アバラ
ンシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の新規な構造に関す
る。
ンシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の新規な構造に関す
る。
長波長帯（１，３μｍまたは１．５５μｍ）での光通信
システムの実用化が進んでおり、この波長帯で使用され
る受光素子はＧｅ−ＡＰＤ、 ＩＩＩ−Ｖ族ＰＩＮＡ
ＤおよびＩＩＩ−Ｖ族ＡＰＤであるが、大容量通信シス
テムまたは波長１．５５μｍの光を用いた長距離無線中
継システムには高速、高感度なｍ−ｖ族Ａ Ｐ Ｄ （
Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ ）が用
いられている。
システムの実用化が進んでおり、この波長帯で使用され
る受光素子はＧｅ−ＡＰＤ、 ＩＩＩ−Ｖ族ＰＩＮＡ
ＤおよびＩＩＩ−Ｖ族ＡＰＤであるが、大容量通信シス
テムまたは波長１．５５μｍの光を用いた長距離無線中
継システムには高速、高感度なｍ−ｖ族Ａ Ｐ Ｄ （
Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ ）が用
いられている。
しかし、Ｉ−Ｖ族ＡＰＤは通常、動作電圧が高く、その
ため、−層の低電圧動作が望まれている。
ため、−層の低電圧動作が望まれている。
［従来の技術と発明が解決しようとする問題点］従来の
ｍ−ｖ族ＡＰＤとは一般にＩｎＧａＡｓ層を光吸収層と
し、ＩｎＰ層をなだれ増倍層としたＡＰＤのことで、第
５図に従来のＩＩ［−Ｖ族ＡＰＤの断面図を示している
。図中の１はｎ”−１ｎＰ基板、２はｎ −ＩｎＧａＡ
ｓ層（光吸収層）、３はｎ −ＩｎＰ層（なだれ増倍層
）、４はｐ”−Ｉｎ２層、５は絶縁膜。
ｍ−ｖ族ＡＰＤとは一般にＩｎＧａＡｓ層を光吸収層と
し、ＩｎＰ層をなだれ増倍層としたＡＰＤのことで、第
５図に従来のＩＩ［−Ｖ族ＡＰＤの断面図を示している
。図中の１はｎ”−１ｎＰ基板、２はｎ −ＩｎＧａＡ
ｓ層（光吸収層）、３はｎ −ＩｎＰ層（なだれ増倍層
）、４はｐ”−Ｉｎ２層、５は絶縁膜。
６は一電極、７は十電極である。このような構造は、ｎ
” −４ｎＰ基板１上にｎ −ＩｎＧａＡｓ層２および
ｎ−ＩｎＰ層３を結晶成長し、次に、表面から不純物を
注入してｐ＋−１１２層４が形成される。
” −４ｎＰ基板１上にｎ −ＩｎＧａＡｓ層２および
ｎ−ＩｎＰ層３を結晶成長し、次に、表面から不純物を
注入してｐ＋−１１２層４が形成される。
ところが、第５図に示すＡＰＤは降伏電圧が７０〜１０
０Ｖと高く、例えば、降伏電圧３０Ｖ程度のＧｅ−ＡＰ
Ｄに比べると２倍以上になる。これはＩｎＰ層３中でな
だれ増倍を生じさせるためには５〜６×１０ゞＶ ／
ｃｍと云う高い電界を印加する必要があるからで、一方
のＧｅ層の場合には２〜３Ｘ１０Ｖ／ ｃｍ程度の電界
を印加すれば良く、この降伏電圧はエネルギーギャップ
Ｅｇに大きく関係している。
０Ｖと高く、例えば、降伏電圧３０Ｖ程度のＧｅ−ＡＰ
Ｄに比べると２倍以上になる。これはＩｎＰ層３中でな
だれ増倍を生じさせるためには５〜６×１０ゞＶ ／
ｃｍと云う高い電界を印加する必要があるからで、一方
のＧｅ層の場合には２〜３Ｘ１０Ｖ／ ｃｍ程度の電界
を印加すれば良く、この降伏電圧はエネルギーギャップ
Ｅｇに大きく関係している。
そのため、光吸収層のＩｎ２層に格子整合する降伏電圧
の低い他の結晶層が考えられ、例えば、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ層をなだれ増倍層として用いればＥｇがＩｎ２層より
も小さく、従って、なだれ増倍に必要な電界が低くて、
低電圧動作が期待できる。
の低い他の結晶層が考えられ、例えば、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ層をなだれ増倍層として用いればＥｇがＩｎ２層より
も小さく、従って、なだれ増倍に必要な電界が低くて、
低電圧動作が期待できる。
しかし、ＩｎＧａＡｓ Ｐ層をなだれ増倍層とすると、
そのＩｎＧａＡｓ Ｐ層のイオン化率比（β／α）が１
に近くなって、雑音特性が悪化する。ここに、βは正孔
のイオン化率、αは電子のイオン化率で、且つ、このイ
オン化率とは結晶格子中の中性原子をイオン化する比率
のことであり、格子衝突までの平均自由工程の逆数（換
言すれば、単位長当りのキャリアの格子へ衝突回数）で
表わされ、イオン化率比はその正孔と電子との比のこと
である。
そのＩｎＧａＡｓ Ｐ層のイオン化率比（β／α）が１
に近くなって、雑音特性が悪化する。ここに、βは正孔
のイオン化率、αは電子のイオン化率で、且つ、このイ
オン化率とは結晶格子中の中性原子をイオン化する比率
のことであり、格子衝突までの平均自由工程の逆数（換
言すれば、単位長当りのキャリアの格子へ衝突回数）で
表わされ、イオン化率比はその正孔と電子との比のこと
である。
また、イオン化率比が１に近いことは、正孔と電子とが
同数生成されることであり、少数キャリア以外の多数キ
ャリアも増加することになって、ノイズ発生が大きくな
るものである。
同数生成されることであり、少数キャリア以外の多数キ
ャリアも増加することになって、ノイズ発生が大きくな
るものである。
ところで、上記のようにＩｎＧａＡｓ Ｐ層の場合には
、イオン化率比が小さくて雑音特性が悪くなるため、そ
のようななＩｎＧａＡｓ Ｐ ｆｆＪを使用すれば、低
電圧動作が期待できても、感度特性が大きく低下する。
、イオン化率比が小さくて雑音特性が悪くなるため、そ
のようななＩｎＧａＡｓ Ｐ ｆｆＪを使用すれば、低
電圧動作が期待できても、感度特性が大きく低下する。
本発明は、雑音特性を悪化させずに、電圧動作を低下さ
せることの可能な、なだれ増倍層を形成するＩＩＩ−Ｖ
族ＡＰＤを提案するものである。
せることの可能な、なだれ増倍層を形成するＩＩＩ−Ｖ
族ＡＰＤを提案するものである。
［問題点を解決するための手段］
その目的は、ｐ” −１ｎＰ基板に設けたｐ −ＩｎＧ
ａＡｓ層からなる光吸収層上にｐ −ＡＩＧａＩｎＡｓ
層からなるなだれ増倍層を有する半導体受光素子によっ
て達成される。
ａＡｓ層からなる光吸収層上にｐ −ＡＩＧａＩｎＡｓ
層からなるなだれ増倍層を有する半導体受光素子によっ
て達成される。
［作用］
即ち、本発明は、光吸収層のＩｎ２層に格子整合する四
元系混晶のＡｌＧａ１ｎＡｓをなだれ増倍層として使用
する。このＡｌＧａＩｎＡｓのＥｇは０．７５ｅＶ （
ＩｎＧａＡｓの場合） 〜１．４５ｅＶ （ＡＩＩｎＡ
ｓの場合）の間にあり、ＡｌＧａ１ｎＡｓの組成を選択
すればＩｎＰのＥｇ ＝１．３４ｅＶより小さくして降
伏電圧を低くでき、且つ、イオン化率比（α／β）は全
組成に亘って２〜３であり、ｒｎＰのイオン化率比（β
／α）＝２〜３と殆ど変わらない。ただし、ＡｌＧａ１
ｎＡｓのイオン化率比はα／βであり、電子のイオン化
率の方が正孔のイオン化率よりも大きくて、ＩｎＰのイ
オン化率比（β／α）とは逆になる。
元系混晶のＡｌＧａ１ｎＡｓをなだれ増倍層として使用
する。このＡｌＧａＩｎＡｓのＥｇは０．７５ｅＶ （
ＩｎＧａＡｓの場合） 〜１．４５ｅＶ （ＡＩＩｎＡ
ｓの場合）の間にあり、ＡｌＧａ１ｎＡｓの組成を選択
すればＩｎＰのＥｇ ＝１．３４ｅＶより小さくして降
伏電圧を低くでき、且つ、イオン化率比（α／β）は全
組成に亘って２〜３であり、ｒｎＰのイオン化率比（β
／α）＝２〜３と殆ど変わらない。ただし、ＡｌＧａ１
ｎＡｓのイオン化率比はα／βであり、電子のイオン化
率の方が正孔のイオン化率よりも大きくて、ＩｎＰのイ
オン化率比（β／α）とは逆になる。
従って、ｐ −ＡＩＧａＩｎＡｓをなだれ増倍層とすれ
ば、雑音特性を悪化させずに、降伏電圧が低くして低電
圧動作が可能になる。
ば、雑音特性を悪化させずに、降伏電圧が低くして低電
圧動作が可能になる。
［実施例コ
以下、図面を参照して実施例によって詳細に説明する。
第１図は本発明にかかる■−■族ＡＰＤの断面図を示し
ており、１１はｐ”−１ｎＰｊＪ板、１２はｐ−ＩｎＧ
ａＡｓ層 （光吸収層）、１３はｐ−へ１ＧａｌｎＡｓ
層 （なだれ増倍層）、１４はｎ”、−ＩｎＰ層、１５
は絶縁膜。
ており、１１はｐ”−１ｎＰｊＪ板、１２はｐ−ＩｎＧ
ａＡｓ層 （光吸収層）、１３はｐ−へ１ＧａｌｎＡｓ
層 （なだれ増倍層）、１４はｎ”、−ＩｎＰ層、１５
は絶縁膜。
１６は十電極、１７は一電極である。
第２図はＡｌＧａ１ｎＡｓ混晶の組成比とイオン化率比
（α／β）との関係図で、ＩｎＧａＡｓでは２であり、
他端のＡｌＩｎＡｓでは３になり、全組成に互ってイオ
ン化率比は２〜３の間にあり、Ｉｎ２層と変わらない。
（α／β）との関係図で、ＩｎＧａＡｓでは２であり、
他端のＡｌＩｎＡｓでは３になり、全組成に互ってイオ
ン化率比は２〜３の間にあり、Ｉｎ２層と変わらない。
しかし、三元ン毘晶として、一端のＡｌＩｎＡｓになる
とＥｇが大きくなるから低電圧動作は不可能になり、他
端のＩｎＧａＡｓ三元混晶では光吸収層と同一結晶にな
るから、なだれ増倍層として作用しなくなる。従って、
中間のＥｇ ＝１．２ ｅＶ程度の組成のＡｌＧａ１ｎ
Ａｓ四元混晶が適当であり、その場合、約４×１０５″
Ｖ ／ ｃｍの電界値となって、動作電圧は４０〜６０
Ｖになり、ＩｎＰのなだれ増倍層の動作電圧と比較すれ
ば６０％程度に低下する。なお、ここに、電界値は５〜
６Ｘ１０ Ｖ／国から４ｘｌＯＶ／ｃ程度に低下すれ
ば２０％減であるが、この電界は空乏層に印加するため
面積として考えて、２乗になるために６０％に低下する
ものである。
とＥｇが大きくなるから低電圧動作は不可能になり、他
端のＩｎＧａＡｓ三元混晶では光吸収層と同一結晶にな
るから、なだれ増倍層として作用しなくなる。従って、
中間のＥｇ ＝１．２ ｅＶ程度の組成のＡｌＧａ１ｎ
Ａｓ四元混晶が適当であり、その場合、約４×１０５″
Ｖ ／ ｃｍの電界値となって、動作電圧は４０〜６０
Ｖになり、ＩｎＰのなだれ増倍層の動作電圧と比較すれ
ば６０％程度に低下する。なお、ここに、電界値は５〜
６Ｘ１０ Ｖ／国から４ｘｌＯＶ／ｃ程度に低下すれ
ば２０％減であるが、この電界は空乏層に印加するため
面積として考えて、２乗になるために６０％に低下する
ものである。
従って、このＥｇ ＝１．２ ｅＶ程度のＡｌＧａ１ｎ
Ａｓをなだれ増倍層を使用すれば、イオン化率比は従来
のｍ−ｖ族ＡＰＤと同等で雑音特性は悪化せず、動作電
圧の低いＡＰＤが得られる。
Ａｓをなだれ増倍層を使用すれば、イオン化率比は従来
のｍ−ｖ族ＡＰＤと同等で雑音特性は悪化せず、動作電
圧の低いＡＰＤが得られる。
第３図は本発明にかかる他の■−■族ＡＰＤの断面図を
示しており、本例はｐ−ＡＩＧａＴｎＡｓ層１３（なだ
れ増倍層）の表面近傍を低不純物濃度にしてｐ−−Ａ１
．ＧａＴｎＡｓ層３０とし層上０表面部分にｎ−−ＡＩ
ＧａｌｎＡｓ層３１からなるガードリング層を設けた高
耐圧構造に本発明を適用した実施例で、上記以外のの部
材の記号は第１図の同一部位に同一記号が付けである。
示しており、本例はｐ−ＡＩＧａＴｎＡｓ層１３（なだ
れ増倍層）の表面近傍を低不純物濃度にしてｐ−−Ａ１
．ＧａＴｎＡｓ層３０とし層上０表面部分にｎ−−ＡＩ
ＧａｌｎＡｓ層３１からなるガードリング層を設けた高
耐圧構造に本発明を適用した実施例で、上記以外のの部
材の記号は第１図の同一部位に同一記号が付けである。
また、第４図は本発明にかかる更に他のＩＩ）−Ｖ族Ａ
ＰＤの断面図を示しており、本例は更に高耐圧構造にし
たＡＰＤに本発明を適用した実施例で、ｐ−−ΔＩＧａ
ＩｎＡｓｎＡｓ層内０１内一へ１ＧａｌｎＡｓ層３１
′（ガードリング層）を設けて、−層耐圧を高くした構
造である。
ＰＤの断面図を示しており、本例は更に高耐圧構造にし
たＡＰＤに本発明を適用した実施例で、ｐ−−ΔＩＧａ
ＩｎＡｓｎＡｓ層内０１内一へ１ＧａｌｎＡｓ層３１
′（ガードリング層）を設けて、−層耐圧を高くした構
造である。
なお、このような本発明にかかる構造は、従来法と同様
にして形成することができ、ｐ” −１ｎＰ基板ＩＬヒ
にｐ −ｒｎＧａＡｓ層１２およびｐ−へ１ＧａｌｎＡ
ｓ層１３を液相または気相成長法で結晶成長し、次に、
表面からＳ（硫黄） 、 Ｓｅ （セレン） 、 Ｔｅ
（テルル）などの不純物をイオン注入してｎ” Ａ
ｌＧａ１ｎＡｓＮ１４を形成する。また、ｐ−一へｌＧ
ａＩｎＡｓ層３０は不純物濃度を漸減して結晶成長すれ
ば形成でき、第４図に示すｐ −ＡＩＧａｌｎＡｓ層１
３の凸状部分は結晶成長工程間にフォト工程を挿入して
形成できる。且つ、 ｎ＋ −へ１ＧａＩｎＡｓ層１４
とｎ−−へｌＧａ１ｎＡｓ層３１ （ガードリング層）
とは不純物の注入条件（ドーズ量や注入エネルギー）を
変えて容易に形成する方法を用いる。
にして形成することができ、ｐ” −１ｎＰ基板ＩＬヒ
にｐ −ｒｎＧａＡｓ層１２およびｐ−へ１ＧａｌｎＡ
ｓ層１３を液相または気相成長法で結晶成長し、次に、
表面からＳ（硫黄） 、 Ｓｅ （セレン） 、 Ｔｅ
（テルル）などの不純物をイオン注入してｎ” Ａ
ｌＧａ１ｎＡｓＮ１４を形成する。また、ｐ−一へｌＧ
ａＩｎＡｓ層３０は不純物濃度を漸減して結晶成長すれ
ば形成でき、第４図に示すｐ −ＡＩＧａｌｎＡｓ層１
３の凸状部分は結晶成長工程間にフォト工程を挿入して
形成できる。且つ、 ｎ＋ −へ１ＧａＩｎＡｓ層１４
とｎ−−へｌＧａ１ｎＡｓ層３１ （ガードリング層）
とは不純物の注入条件（ドーズ量や注入エネルギー）を
変えて容易に形成する方法を用いる。
上記のような本発明にかかる半導体受光素子に構成すれ
ば、雑音特性を悪化させずに、動作電圧が低下し、且つ
、素子の設計次第によってはＧｅ −ＡＰＤと同等の動
作電圧を得ることも可能になる。
ば、雑音特性を悪化させずに、動作電圧が低下し、且つ
、素子の設計次第によってはＧｅ −ＡＰＤと同等の動
作電圧を得ることも可能になる。
［発明の効果］
以上の説明から明らかなように、本発明によれば雑音特
性も良く、動作電圧が低くて消費電力の少ない高性能な
半導体受光素子が得られる大きな効果がある。
性も良く、動作電圧が低くて消費電力の少ない高性能な
半導体受光素子が得られる大きな効果がある。
第１図は本発明にかかるＩＩＩ−Ｖ族ＡＰＤの断面図、
第２図はＡ ＩＧａ ＩｎＡｓ混晶の組成比とイオン化
率比（α／β）の関係図、 第３図は本発明にかかる他のＩ−Ｖ族ＡＰＤの断面図、 第４図は本発明にかかる更に他のｍ−ｖ族ＡＰＤの断面
図、 第５図は従来のｍ−ｖ族ＡＰＤの断面図である。 図において、 １１はｐ” −１ｎＰ基板、 １２はｐ−ＩｎＧａＡｓｌ慴（光吸収層）、１３はｐ−
へｌＧａ１ｎＡｓ層（なだれ増倍層）、１４はｎ＋ −
八ｌＧａ１ｎＡｓｊ５．１５は絶縁膜、 １６は十電極、 １７は一電極、 ３０．３０’ はｐ −−へｌＧａ１ｎＡｓ層、３Ｌ
３１ ’ ！まｎ−一へｌＧａ１ｎＡｓ層（ガードリ
ング層）を示している。 ＋−！Ｂ小二ａｔｓ７に−Ｗ＄ＡＰＤｒｌ’ｒａＲＪ第
１ｒＡ （甲α７５）→Ａｌ 贈、 Ｇａ族ＣＥｒ１．４５）１
代比 ハｌＧａ１Ｔ−１ＡＳ３昆晶ＪＩＩＦ＼’ｔｆ：フイオ
〉イ’！’、’：ｅ−（’１３ ）／ｌ ｔＷ３ｅＱり
第 ２ 図 第３図 ・杢屓５Ｉｌ］月にρ・６更に４で−一り挨ＡＰＤの１
−市１圓第４図
第２図はＡ ＩＧａ ＩｎＡｓ混晶の組成比とイオン化
率比（α／β）の関係図、 第３図は本発明にかかる他のＩ−Ｖ族ＡＰＤの断面図、 第４図は本発明にかかる更に他のｍ−ｖ族ＡＰＤの断面
図、 第５図は従来のｍ−ｖ族ＡＰＤの断面図である。 図において、 １１はｐ” −１ｎＰ基板、 １２はｐ−ＩｎＧａＡｓｌ慴（光吸収層）、１３はｐ−
へｌＧａ１ｎＡｓ層（なだれ増倍層）、１４はｎ＋ −
八ｌＧａ１ｎＡｓｊ５．１５は絶縁膜、 １６は十電極、 １７は一電極、 ３０．３０’ はｐ −−へｌＧａ１ｎＡｓ層、３Ｌ
３１ ’ ！まｎ−一へｌＧａ１ｎＡｓ層（ガードリ
ング層）を示している。 ＋−！Ｂ小二ａｔｓ７に−Ｗ＄ＡＰＤｒｌ’ｒａＲＪ第
１ｒＡ （甲α７５）→Ａｌ 贈、 Ｇａ族ＣＥｒ１．４５）１
代比 ハｌＧａ１Ｔ−１ＡＳ３昆晶ＪＩＩＦ＼’ｔｆ：フイオ
〉イ’！’、’：ｅ−（’１３ ）／ｌ ｔＷ３ｅＱり
第 ２ 図 第３図 ・杢屓５Ｉｌ］月にρ・６更に４で−一り挨ＡＰＤの１
−市１圓第４図
Claims (1)
- ｐ型ＩｎＰ基板に設けたｐ型ＩｎＧａＡｓ層からなる
光吸収層上にｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ層からなるなだれ増
倍層を有し、該なだれ増倍層にｎ型光吸収層が設けられ
ていることを特徴とする半導体受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63007267A JPH01187882A (ja) | 1988-01-14 | 1988-01-14 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63007267A JPH01187882A (ja) | 1988-01-14 | 1988-01-14 | 半導体受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01187882A true JPH01187882A (ja) | 1989-07-27 |
Family
ID=11661255
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63007267A Pending JPH01187882A (ja) | 1988-01-14 | 1988-01-14 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01187882A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2016088668A1 (ja) * | 2014-12-05 | 2017-07-06 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェ・フォトダイオード |
-
1988
- 1988-01-14 JP JP63007267A patent/JPH01187882A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2016088668A1 (ja) * | 2014-12-05 | 2017-07-06 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェ・フォトダイオード |
| US10297705B2 (en) | 2014-12-05 | 2019-05-21 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Avalanche photodiode |
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