JPH0279479A - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JPH0279479A
JPH0279479A JP63231707A JP23170788A JPH0279479A JP H0279479 A JPH0279479 A JP H0279479A JP 63231707 A JP63231707 A JP 63231707A JP 23170788 A JP23170788 A JP 23170788A JP H0279479 A JPH0279479 A JP H0279479A
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Kikuo Makita
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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体受光素子に関し、特に1〜1.6μm
波長帯領域において、低雑音及び高速応答に優れたアバ
ランシ増倍盤の半導体受光素子に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、1〜1.6μm帯の光通信用半導体受光素子とし
てInP基板上に格子整合したIno、53Ga6.4
7As層(以下InGaAs層と略す)を光吸収層とす
るPIN型半導体受光素子(例えばエレクトロニクス−
レターズ(Electron、Lett、) 1984
 、20 +pp6s3−I)l)654)lアバラン
シ増倍型半導体受光素子(例えばアイイーイーイー・エ
レクトロン・デバイス・レターズ(IEEE、 Ele
ctron DeviceLett、)1986,7.
pp257〜pp258)が知られている。特にこの中
でアバランシ増倍型半導体受光素子は、アバランシ増倍
作用による内部利得効果及び高速応答を有する点で長距
離光通信用として注目されている。
第5図には、通常のアバランシ増倍型受光素子の構造例
を示す。n型InP基板11上に、n型■nPバッファ
層12.n型InGaAs光吸収層13゜n型InPア
バランシ増倍層14.n型InPキャップ層15から成
り立っている。この様な層構造において受光部であるP
型領域16.ガードリング部であるP−型領域17を図
の様に形成する事によって基本構造が得られる。ここで
光吸収によって発生した正孔はInPアバランシ増倍層
14に注入され高電界中でのイオン化衡突によって電子
・正孔対を生成する事になる(アバランシ増倍作用)。
ところで、この種の光通信用受光素子では低雑音。
高速応答の特性が特に要求され、これに対し増倍層中で
のキャリアのラムダムなイオン化プロセスが影響を与え
る事が現象論的に知られている。
具体的には、アバランシ増倍層であるInP層の電子と
正孔のイオン化率に差がある程、純粋なキャリアでのイ
オン化衝突になるので(電子及び正孔のイオン化率をα
、βとすると、α/β〉1の時には電子、β/α〉1の
時には正孔がイオン化衝突を起す主キャリアになる)、
素子特性上望ましい。ところが、イオン化率比(β/α
)は材料的に決定されておυ、InPでは高々β/α=
2程度である。これは、低雑音特性を有する8iのα/
β=20と大きな違いがあシ、よシ低雑音及び高速応答
特性を実現する為に画期的な材料技術が要求されている
これに対し、AlxGa1−xSb系はスプリット・オ
フバンドを利用した共鳴イオン化現象を有する材料系と
して注目されている。そのイオン化の過程は、オージェ
効果の逆過程と等価であシ、光吸収によって発生した正
孔は、電界加速によってエネルギーを得てスプリット・
オフバンドに励起される。スプリット・オフバンド中で
は有効質量が軽いのでイオン化に必要な速度に到達しゃ
すく、イオン化を起こすとスプリット・オフバンドエネ
ルギー△soがエネルギーギャップEgと同程度である
場合に価電子帯から電子を励起して正孔が2個、電子が
1個生じることになる。但しこの様なイオン化は、ヘビ
ーホールバンドと2イトホールバンドでのイオン化と競
合状態にアシ、それゆえスプリット・オフバンドでのイ
オン化閾値エネルギーが他のホールバンドよシ小さい必
要がある。
ヒルデブランド(0,Hi 1debrand )等は
(アイ・イーイーイー・ジャーナル・ファンタム・エレ
クトロニクス(IEEE、J、Quantum Ele
ctronics) 。
1981 、17. pI)284−pp2ss)+正
孔のイオン化閾値エネルギーEi thが次式で表わさ
れる事を示した。
hh (△so>Eg) Ei、th=Eg(1+373) 
””” (1)これよυΔ8o=Egのとき正孔のイオ
ン化しきい値エネルギーは減少し正孔のイオン化が選択
的に生じる。AlxGat−)(Sb系では第3図に示
す様にA1組成比Xを変える事によってΔ5゜/稲が変
化し、x=O105近傍に△so=Egとなシ得る領域
がある。
実際、O,)ii 1debrand等は、第4図に示
す様な素子構造においてイオン化率比β/αの検証を行
っている。素子構造は、n型Garb基板1上にn型A
7xGa1−xsb層7.i型AA’X Ga 1>c
 S b層8、p型AI X Ga 1−z S b層
9をLPE法により得て電子ビーム照射によシΔ、o/
E、:1近傍で増倍率M=10でイオン化率比β/α=
20.雑音指数F=Z3である事を見積った。
〔発明が解決しようとする課題〕
前述の共鳴イオン化現象を利用したアバランシ増倍型受
光素子は、O,Hi 1debrand等の報告(19
81年)以来、全く実証がなされていない。この主たる
原因の一つに、AlxGa1−xSbエピタキシャル成
長においてA1組成比を微妙に制御する事の灘かしさか
ある。特に第3図に示す様に△5o/EgはX= 0.
05近傍で1に近い値を示すが、その近傍ではXに対し
てΔ30XEgが敏感に変化している。これ故、  A
1組成比を±0.01内において制御する必要があるが
、LPE法もしくは気相成長法を用いても実際上は制御
不可能である。
本発明の目的は、これらの問題点を解決して、低雑音、
高速応答特性を有するアバランシ増倍型半導体受光素子
を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の半導体受光素子は、半導体基板上に、光吸収層
である第1の半導体層、アバランシ増倍層である超格子
構造、キャップ層である第2の半導体層からなる積層構
造を有し、前記超格子構造を構成する半導体層群を形成
する半導体材料のスプリット・オフ・バンド・エネルギ
ーと禁制帯・エネルギーが同じかまたは近い値を有して
いる構成になっている。
〔作用〕
本発明は、上述の手段をとることにより、従来技術の問
題点を解決した。本発明では、アバ2ンシ増倍層に超格
子構造を適用する事によって、そのエネルギーギャップ
が井戸層厚によって自在に変わる事を利用している。超
格子構造中ではそのエネルギーギャップは井戸層の禁制
帯幅Eg よシも基底量子準位エネルギー68分だけ増
加する事が知られている。この場合ΔEは(2)式で示
される。
ここで!は井戸層厚である。
またスプリットオフバンドエネルギーΔ、0に関しては
、A、Forchel等(アプライド・フィジックス・
レターズ(Appl、Phys、Lett、)、  1
987,50゜pp182−pp184)によシ、井戸
層厚依存性がない事が実証されている。これ故、下記の
(3)式によってΔB □/Egが制御可能となシ得る
ここで例えばGaSb/A18b超格子構造を仮定する
と、井戸層であるGarbのエネルギーギャップは0,
726eV、スプリット・オフ・バンド・エネルギーは
0.752eV、m6=0.047m□、mhh=0.
49□。である事が知られている。これよシ△s o 
/hgを計算すると第2図に示される様になる。井戸層
厚180Xで△、。/Eg=lを満たすが、その近傍で
の変化は井戸層厚に対して比較的鈍感であυ、±2OA
の制御性があれば十分であると考えられる。これは、従
来技術であるAIMi成比を制御する事よシは、成長技
術的に極めて容易である。それ故、本発明によって共鳴
イオン化現象を利用したアバランシ増倍型受光素子が容
易に実現できる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。第1図には、本発明の一実施例により得られるア
バランシ増倍型半導体受光素子の素子構造図を示す。n
型G ta 8 b基板1上にn型Garb光吸収層2
.n型GaSb/AlSb超格子構造(アバ2ンシ増倍
層)3.n型AJo、5Gao、s8bキャップ層4か
ら成シ立りている。この様な層構造において受光部であ
るP 領域を形成する事によって基本構造が得られる。
ここで、GaSb/AlSb超格子構造において井戸層
Garbの層厚は、△、0/Eg= 1を満たすJ=1
8OA(第2図参照)となっている。
動作原理は、Garb光吸収層2で発生した光キャリア
において正孔のみが逆電界によってアバランシ増倍層で
ある超格子構造3中に注入される。
ここで超格子構造はΔ、。/Eg=1なる条件を満たし
ているため、正孔のみがスプリット・オフ・ノぐンドを
介して共鳴イオン化を起むす。この場合作用の項で述べ
た様に、本構造ではΔ、。78gの変化は井戸層厚に対
して鈍感であるため、比較的容易に共鳴イオン化の状況
を得る事が可能である。それ故イオン化率比β/αが極
大化したアバランシ増倍型受光素子が容易に得られる事
になる。
本実施例は、AlxGa1−x5b系超格子構造におい
て適用されているが同様に共鳴イオン化現象を生じる超
格子構造、例えばHgxCd!−XTe系超格子構造等
においても本発明が適用される。
〔発明の効果〕
以上、説明した様に、本発明によシ得られたアバランシ
増倍型受光素子はアバ2ンシ増倍層に超格子構造を適用
する事によシ、比較的容易に共鳴イオン化現象を実現で
きる。これによシ、イオン化率比がよシ誇張され、低雑
音でかつアバランシ増倍時間が短い事により高速応答が
可能となる。
それ故、1〜1.6μm波長帯光通信用受光累子として
従来特性を凌駕する事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例であるGaSb/A18b
超格子構造をアバランシ増倍層としたアバランシ増倍型
受光素子の素子構造を示す図、第2図は、本発明のアバ
ランシ増倍型受光素子において△、。 /EgのGarb井戸層厚依存性を示す図、第3図は人
ムGal−2sbおいてΔ、。/EgのAI組成比依存
性を示す図、第4図はヒルデブランド(0、Hi Id
ebrand)等によって実証されたAlxGa1−x
Sb系アバランシ増倍型受光素子の構造図、第5図は、
通常のInPアバランシ増倍看、InGaAs光吸収層
からなるアバランシ増倍型半導体受光素子の構造図であ
る。 1・・・n型Garb基板、2−n型G、a S b層
(光吸収層)、3−n型GaSb/AJSb超格子構造
(アバランシ増倍層)、4−= n型AJXGa I、
Sb (x=0.5)層(キャップ層)、5・・・p十
領域、7・・・n型絢隆Ga H−X Sb層、8−4
型人J、Ga1−XSb層、9−p型A7りHGal−
xSb層、11=n型InP基板、12・ n型InP
層、t 3 ・n型InGaAs層(光吸収層)。 14・・・n型InP層(アバ2ンシ増倍/1m)、1
5・・・n型1nP層、16・・・p+領領域17・・
・p−領域。 代理人 弁理士  内 原   晋 入射形 あ(因 あと囚 昂3回 入側ん あり囚

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 半導体基板上に、光吸収層である第1の半導体層と、ア
    バランシ増倍層である超格子構造と、キャップ層である
    第2の半導体層とからなる積層構造を備え、前記超格子
    構造を構成する半導体層群を形成する半導体材料のスプ
    リット・オフ・バンド・エネルギーと禁制帯・エネルギ
    ーが同じかまたは近い値を有している事を特徴とする半
    導体受光素子。
JP63231707A 1988-09-14 1988-09-14 半導体受光素子 Expired - Lifetime JP2668980B2 (ja)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63232377A (ja) * 1987-03-19 1988-09-28 Fujitsu Ltd 半導体受光素子

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS63232377A (ja) * 1987-03-19 1988-09-28 Fujitsu Ltd 半導体受光素子

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