JPH0279479A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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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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- Japan
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- semiconductor
- gasb
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- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 6
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- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims 1
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 abstract description 10
- 229910017115 AlSb Inorganic materials 0.000 abstract description 4
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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】
〔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。
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、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。
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)。
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。
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
。
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。
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) 。
(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。
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。
””” (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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
。
、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
従来特性を凌駕する事が可能となる。
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
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)
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63231707A JP2668980B2 (ja) | 1988-09-14 | 1988-09-14 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63231707A JP2668980B2 (ja) | 1988-09-14 | 1988-09-14 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0279479A true JPH0279479A (ja) | 1990-03-20 |
JP2668980B2 JP2668980B2 (ja) | 1997-10-27 |
Family
ID=16927747
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63231707A Expired - Lifetime JP2668980B2 (ja) | 1988-09-14 | 1988-09-14 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2668980B2 (ja) |
Citations (1)
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 |
-
1988
- 1988-09-14 JP JP63231707A patent/JP2668980B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
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 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2668980B2 (ja) | 1997-10-27 |
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