JPH02254769A - 半導体受光素子 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 （ｗ５．要〕 半導体受光素子に関し、 アバランシェ・フォトダイオードを超高速、かつ、低雑
音で動作させることを目的とし、光入射面と、入射光を
吸収してキャリアを発生する光吸収層と、井戸層と障壁
層との境界に薄い（産業上の利用分野〕 本発明は、光フアイバ通信システムにおいて、光信号検
出に用いる超高速のアバランシェ・フォトダイオード型
の半導体受光素子の改良に間する。

近年、光ファイバやレーザ光源の進歩・発達に′陣い、
光通信をはじめ光波術を応用した各種のシステム、デバ
イスが実用化され広く利用されるようになる一方、ます
ます、その高度技術開発への要請が強まってきた。

たとえば、光通信の分野において、その信号検出系の基
本デバイスとしてＰＩＮフォトダイオードやアバランシ
ェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）が開発され高速化に対
応してきた。

ＡＰＤでは現在１．８〜２．４　Ｇｂｉｔ八程度へでの
高速化の見通しが得られており、一部は既に実用化され
つ＼ある。しかし、将来の光通信は、さらに、高速化を
指向しており、信号検出用の受光素子に対しても５Ｇｂ
ｉｔ八以上において動作可能な高速受光素子の開発が求
められている。

〔従来の技術〕

長距離光通信においては、光ファイバの光吸収率の最も
低い１〜１．５μｍ帯のレーザ光が使用され、かつ、受
光感度の高いことが必要なので、化合物半導体を用いて
キャリアのなだれ増倍を利用する高感度アバランシェ・
フォトダイオード（ＡＰＤ）の高速化に間して多くの開
発が行われている。

と（に、最近になって、半導体超格子が種々の新しい半
導体素子に応用され始め、半導体受光素子においても、
たとえば、ＡＰＤのなだれ増倍層にこの半導体超格子層
を用いる試みが発表されている。

第５図は従来の多重超格子アバランシェ・フォトダイオ
ード（ＡＰＤ）の例を説明する図である。

図中、１はＩｎＰ単結晶基板、２はなだれ増倍層で、Ｉ
ｎＡｊ！Ａｓ／ＩｎＧａＡｓの多重超格子層である。９
は基板の欠陥などの超格子層への影響を小さくするため
のバッファ層、たとえば、ｎ−１ｎＰのエピタキシャル
層、６は光吸収層、たとえば、ｎ　−１ｎＧａＡｓのエ
ピタキシャル層、ｌＯは電極引出しのためのコンタクト
層、７は信号光を受ける受光面、８は電界印加手段で電
極８ａ、８ｂを通してキャリアを加速する電界を印加す
る。

同図（イ）は従来の多重超格子ＡＰＤの素子断面構造図
、同図（ロ）はエネルギーバンド図、同図（ハ）は多重
超格子層２′の断面図である。

同図（ハ）に示すように多重超格子１！ｉ２’　は、分
子ビームエピタキシャル生成法（ＭＢＥ法）、あるいは
、有機金属分解製膜法（ＭＯ−ＣＶＤ）などで、井戸Ｎ
３”、障壁層４′とをそれぞれ交互に、たとえば、各２
０層づ一積眉したものである。したがって、もし各層の
厚さを１５０人とすれば多重超格子層全体の厚さは１．
−４０Ｘ１５０人−６０００人となる。

井戸層３°と障壁層４°とは異なる半導体材料、たとえ
ば、井戸層にＩｎＧａＡｓ　、障壁層にＩｎＡ　Ｉ　Ａ
ｓを使用すれば、そのエネルギーバンド図には同図の（
ロ）に示したように、伝導帯２０において各井戸層に対
応して、量子井戸の深さ八Ｅのバンドオフセットが生じ
る。一方、価電子帯２１には、図示したように、−ｍに
余り大きなバンドオフセットが発生しないことが知られ
ている。なお、このエネルギーバンド図は外部からの電
界印加により傾斜した状態を図示しである。

アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）の便用帯域
を決めるＭＢ積は次式で表される。

ＭＢ−１／（２πτ）・〜・・・・・・−・−・・−・
・・−・−・−・・（１）ニーで、Ｍは増倍率、Ｂは周
波数帯域中、τは増倍に要する衝突操り返し時間で、 τｃｃ　（１／　ｋ　）　Ｘ　（Ｌ　／　ｖ　）　−−
−−−−−−−−・・（２）である。

（２）式において、Ｌは多重超格子層２の全体の厚さ、
■はキャリアの移動速度、にはイオン化率比である。

ｋは電子のイオン化率αと正孔のイオン化率βの比、す
なわち、α／βである。

したがって、ＡＰＤを高速化するには（すなわちＭＢ積
を大きくするには）、τを小さくすればよい、τを小さ
くするには、多重超格子層２の厚さＬを小さくし、イオ
ン化率比ｋを大きく、すなわち、電子によるイオン化率
αを大きくすればよいことがわかる。

電子によるイオン化率αは、 ｃｘ　ｏｃ　ｅ　ｘ　ｐ　（−Ｅ　＝　）　・−−＝−
（３）で表される。ニーでＥｉは電子が格子原子と衝突
してイオン化を生じさせる時のエネルギーである。

したがって、バンドオフセットΔＥが存在すると、式（
３）は次式のごとく変化し、 αｃｃｅｘｐ　（−（Ｅ４−ΔＢ　）　：！　・＝−＝
（４）αが増加し、イオン化率比にも増加する。

いま、信号光が光入射面７から入射し、光吸収層６で吸
収され、そこで励起されたキャリア（電子）は、外部か
ら印加された大きな電界により多重超格子層２′中を加
速されて、バンドオフセット６８以上のエネルギーを付
加され、障壁層４゛を通過し、井戸層３”の格子原子に
衝突して井戸層内の電子を励起する。このプロセスを繰
り返して行うが、多重超格子層では極めて薄い障壁層と
井戸層が多層（たとえば、合計４０層、全体の厚さ０．
６μｍ）に形成されているので、衝突と増倍との繰り返
し時間が短か（、かつ、上記で詳しく述べたように、バ
ンドオフセットΔＥの付加により衝突によるイオン化率
も太き（なり、したがって、ＭＢ積も大きくなる。

これに対し、通常のＡＰＤでは、なだれ増倍層（ｐｎ接
合の空乏層）の厚さが数μｍ程度もあり、また、バンド
オフセットによるイオン化率比増大効果もない。

すなわち、多重超格子ＡＰＤは通常のＡＰＤに比較して
なだれ増倍がより効果的に行われ、高感度、高速のアバ
ランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）が得られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記に述べた従来の多重超格子ＡＰＤにおいて
、所要の増倍率（Ｍ−１０程度）を得るには、井戸層、
障壁層がそれぞれ２０層程度必要となり、なだれ増倍を
起こすのに必要な全超格子層の厚さが所望の値より大き
くなる。そのために、増倍に要する衝突繰り返し時間（
τ）が長くなるので、ＡＰＤの使用周波数帯を決める指
標である利得−帯域山積（ＭＢ積）が充分太き（ならず
、目標とする１０Ｇｂｉ　ｔ／ｓといった高速化を達成
するにはなお不十分である。

前記第５図（ロ）および（ハ）において、井戸層３“お
よび障壁層４゛の厚さを前記従来例の場合の１５０人よ
り大幅に薄く、たとえば、５０人とし、多重超格子層２
”の全体の層数を前記従来例と同じ（４０層とすれば、
多重超格子層２′の全体の厚さＬｅ−４０Ｘ５０人−２
０００人となり、前記従来例の場合のｚｏ　−６０００
人に比較して１／３に減少する。すなわち、（２）式か
ら、他の数値に変わりがなければτは１／３に減少し、
ＭＢ積は逆に３倍になる筈である。

しかし、実際には前記のごとく、井戸層の巾が５０人と
いった電子の量子力学的波長と同程度に狭くなると、い
わゆる、量子サイズ効果が生じ、量子井戸のエネルギー
バンドの分裂離散化（バンドスプリッティング）が起こ
る（電子情報通信学会填：電子情報通信ハンドブック、
　ｐ　４３０．１９８８参照）。

このように、バンドスプリッティングが起こると量子井
戸の底が上昇（ΔＶ）Ｌ、バンドオフセットΔＥが、た
とえば、ΔＥ°−（ΔＥ−ΔＶ）に減少するので、弐（
４）かられかるように、その分だけ電子によるイオン化
率が低下し、その結果、利得−帯域山積（ＭＢ積）が劣
化して、高速化にマイナスに働くという開扉があり、そ
の解決が必要であった。

（課題を解決するための手段〕 上記の課題は、光入射面７と、入射光を吸収してキャリ
アを発生する光吸収層６と、井戸層３と障壁Ｎ４との境
界に薄いｐｎ接合Ｎ５を設けた半導体多重超格子ＦＪ２
と、キャリアを加速する電界印加手段８とを少なくとも
備えたことを特徴とす、る半導体受光素子によって解決
することができる。

〔作用〕

第１図は本発明の詳細な説明する図（その１）で、同図
（イ）はエネルギーバンド図、（ロ）は多重超格子層の
新面図である。図中、２は多重超格子層、３は井戸層、
４は障壁層、５はｐｎ接合層、６は光吸収層である。

障壁層４と井戸層３の境界に薄いｐｎ接合層５を設け、
バンドオフセットの継ぎ足しを行っている。

その構成と作用を、詳しく説明するための拡大図を第２
図に示した。

第２図は本発明の詳細な説明する図（その２：詳細拡大
図）である、同図（イ）はエネルギーバンド図で、二＼
・の説明で必要となる伝導帯のもののみを示した。

図中、ΔＥは量子サイズ効果が生ずる前のバンドオフセ
ットである。ΔＶは井戸層が狭くなったこζによりバン
ドスプリッティングが起こり、井戸層内に新たに生じた
量子化準位によるかさ上げ分である。したがって、この
場合のバンドオフセットはΔＥ−ΔＶ−ΔＥ”に減少す
る。

したがって、式（４）は次式の如く変化する。

αｃｃｅ　ｘｐ　（−（Ｅｌ−ΔＥ　’　）　：ｌ　−
−−−−（５）すなわち、バンドオフセットがΔＥから
ΔＥ′に減少すると、その時のαは（４）式のαよりも
減少し、イオン化率比にも減少するので、多重超格子層
の厚さが薄くなったにも係わらず、ＭＢ積の増大が実現
できないという結果となる。

そこで、本発明では、このバンドスプリッティングによ
るかさ上げ分ΔＶを補償して、バンドオフセットを元の
大きさΔＥ、あるいは、それ以上にするものである。

すなわち、第２図において、キャリア電子が走行する方
向に見て、障壁層４から井戸層３へ移る境界に薄いｐｎ
接合層５を形成する。この時、よ（知られているように
、ｐ型領域に一電荷が、ｎ型領域には十の電荷が発生し
、図示した如く、障壁層４と井戸Ｊｉｉ３の境界に、薄
い電気二重層が生じる。

その結果、ΔＶ’　−Ｑ／Ｃ−・−・−−−−ｍ−・・
−・・・・・（６）で表される電位差を得ることができ
る。

こ−で、Ｑはｐｎ接合部分に生じた空間電荷量。

Ｃはｐｎ接合部の電気二重層容量である。

したがって、ｐｎ接合層を形成しない従来例に比較して
、バンドオフセットはΔＥ′から（ΔＥ′＋ΔＶ”）へ
と増大するので、式（５）は次式の如く変化する。

αｃｃ６　Ｘ　Ｐ　（−（Ｅ、−ΔＥ′−ΔＶ’）　：
ｌ　−（７）すなわち、障壁層４と井戸層３の境界にｐ
ｎ接合を層を設けたことにより、電子のイオン化率αが
増加し、イオン化率比にも増加する。

結局、本発明によれば、イオン化率比１（を減少させる
ことなく、多重超格子層の厚さＬを減少させることがで
きるので、ＭＢ積が増加し、超高速の多重超格子ＡＰＤ
を実現することができる。

〔実施例〕

第３図は本発明の実施例の断面構造図である。

図中、１はｎ”　−１ｎＰｉ板、９はｎ−ＩｎＰからな
るバッファ層、２は多重超格子層、６はｎ　−１ｎＧａ
Ａｓからなる光吸収層４１０はｐ”−１ｎＰからなるコ
ンタクト層、７は信号光の光入射面、８は加速電界印加
手段でＤＣ３０Ｖを印加した。３ａ、３ｂは電極である
。信号出力の検出は通常のＡＰＤの場合と同様に行った
。

なお、多重超格子１２は、前記バッファ層９の上にＩｎ
Ａ　ｊ！　Ａｓ／ＩｎＧａＡｓを各５０人の厚さで、各
２０層。

合計４０層を交互にＭＢＥ法で形成した。

したがって、多重超格子層２の全体の厚さは２０００人
である。

第４図は本発明実施例の多重超格子層と電気二重層を示
す断面図である。

４はｎ４ｎＡｆｆｉＡｓからなる障壁層、３はｎ　−１
ｎＧａＡｓからなる井戸層で、何れもアンドープでキャ
リア濃度〜１０′ＳＣｍ−３である。

５１は厚さ１０Å以下のＺｎドープのｐ”−１ｎＡｊ！
＾Ｓ２キャリア濃度は〜１０”ｃｍ−３で５．５２は同
じ（厚さ１０Å以下のＳｉドープのｎ　”　−１ｎＧａ
Ａｓ　、キャリア濃度は〜１１０１ＩＣ′″ｆｆｉであ
り、電子の走行する方向に見て、障壁層４から井戸層３
へ移る境界に、薄いｐｎ接合層５を形成するように、Ｍ
ＢＥ法で作製した。

以上のｐｎ接合による電気二重層の巾は約１０人で、電
荷面密度は約６．９　ＸＩＯ”クーロン／ｃｍ”である
ので、電気二重層に基づく電位差Δ■゛は約０．１　ｅ
Ｖ　　が得られる。

ｐｎ接合を形成しない場合のバンドオフセットΔＥ”は
０．４　ｅＶであったので、ｐｎ接合を設けることによ
り、バンドオフセットは約０．５ｅＶと約２０％増加さ
せることができた。

本実施例の多重超格子ＡＰＤを、１．５μｍのレーザ光
を信号光として検出評価したところ、ＭＢ積として約１
００ＧＨｚが得られ、また、従来の多重超格子ＡＰＤと
はり同程度の低雑音性能であった。

一方、従来の多重超格子ＡＰＤ　（各層の厚さ１５０人
１層数４０．全体の厚さ６０００人）の場合、バンドオ
フセットΔＥが０．５　ｅＶで、１．５　μｍのレーザ
光を信号光として検出評価したところ、ＭＢ積は約３０
ＧＨｚであった。

すなわち、本発明方法により、多重超格子層の厚さを約
１／３に減らして、多重超格子層を電子が走行する時間
を低減させたにも係わらず、イオン化率比ｋをはゾ同程
度に維持でき、したがって、τ（増倍に要する衝突繰り
返し時間）は約１／３に短縮され、増倍率Ｍを１０とす
れば使用帯域が凡そｌ０ＧＴ（ｚに達する超高速の半導
体受光素子を得ることができる。

上記実施例では、メサ型の素子構造について示したが、
プラナ−型の素子構成を採用してもよいことは勿論であ
る。

なお、多重超格子層の材料構成や、障壁層、井戸層それ
ぞれの厚さおよび層数など、本発明の趣旨に基づいて、
適宜選択できることは言うまでもない。

また、実施例ではなだれ増倍を起こすキャリアが電子の
場合であったが、異なる材料・構成によって、キャリア
が正孔になる場合であっても、本発明の原理が適用でき
ることは勿論である。

（発明の効果〕 以上述べたように、本発明によれば、なだれ増倍層とし
て作用する多重超格子層の厚さを、量子サイズ効果が生
じるほど薄クシても、キャリアのイオン化率を低下させ
ることがないので、利得−帯域中横（ＭＢ積）が向上し
、低雑音の超高速半導体受光素子の性能向上に寄与する
ところが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明する図（その１）、第２図
は本発明の詳細な説明する図（その２：第４図は本発明
実施例の多重超格子層と電気二重層を示す断面図、 第５図は従来の多重超格子アバランシェ・フォトダイオ
ード（ＡＰＤ）の例を説明する図である。 図において、 １は基板、 ２は多重超格子層、 ３は井戸層、４は障壁層、 ５はｐｎ接合層、 ６は光吸収層、７は光入射面、 ８は加速電界印加手段、 ９はバッファ層、１０はコンタクト層である。 （ロ）♂豊起相÷層のｉｒ面口 本１９月の原理と説明子３（２）（での１）祐　１　図 （ロ）沙重Ｂ梧÷眉ｊｗｔ面囚 ？５し くイ） り１１Ｂ枡÷ＡＰりの素与断面＠ｍｃｖ笥 ■（？の１） 第 兇４ｍ！１１ （ハ）汐宣起精子層の断面口 ！５１り（′２の２ン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光入射面（７）と、 入射光を吸収して、キャリアを発生する光吸収層（６）
   と、 井戸層（３）と障壁層（４）との境界に薄いｐｎ接合層
   （５）を設けた半導体多重超格子層（２）と、キャリア
   を加速する電界印加手段（８）とを少なくとも備えたこ
   とを特徴とする半導体受光素子。