JPH0282658A - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JPH0282658A
JPH0282658A JP63236023A JP23602388A JPH0282658A JP H0282658 A JPH0282658 A JP H0282658A JP 63236023 A JP63236023 A JP 63236023A JP 23602388 A JP23602388 A JP 23602388A JP H0282658 A JPH0282658 A JP H0282658A
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JP
Japan
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layer
boundary
well layer
energy
barrier layer
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JP63236023A
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English (en)
Inventor
Takashi Mikawa
孝 三川
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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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】 [概要コ 半導体受光素子に係り、特に低雑音の光検知器として用
いられる半導体受光素子に関し、低電圧で動作すること
により、光検知の感度を高めると共に使用上の使い易さ
を向上させた半導体受光素子を提供することを目的とし
、ウェル層とバリア層とが交互に積層されている超格子
構造を有する半導体受光素子において、ウェル層からバ
リア層へ移る第1の境界に遷移領域を設けて、当該第1
の境界におけるイオン化の閾値エネルギーをバリア層か
らウェル層へ移る第2の境界におけるイオン化の閾値エ
ネルギーとほぼ同等にせしめるように構成する。
[産業上の利用分野J 本発明は半導体受光素子に係り、特に低雑音の光検知器
として用いられる半導体受光素子に関する。
[従来の技術] 従来、低雑音の光検知器としては、光電子増倍管、アバ
ランシェフォトダイオード(APD)が実用化ないしは
提案されている。
しかしながら、光電子増倍管は極めて大型である上に、
使用電圧が通常100■以上と極めて高いという難点が
あった。そしてこうした難点を解決するものとして、小
型のアバランシェフォトダイオードがあるが、特に近年
、半導体超格子を用いたアバランシェフォトダイオード
が提案されている。
この半導体超格子アバランシェフォトダイオードは、第
5図(a>のエネルギーバンド図に示されるように、通
常150〜200人のバリアJiA4とウェル層B4と
を交互に積層させた超格子増倍層を有するものである。
ここで、バリア層とは相対的にエネルギーギャップが大
きい層であり、ウェル層とは相対的にエネルギーギャッ
プが小さい層である。従って、バリア層とウェル層とが
交互に積層された超格子構造のエネルギーバンドは凹凸
を繰り返す形状になっている。なお、第5図(a)にお
いて、エネルギーバンドが傾いているのは、このアバラ
ンシエフ第1〜ダイオードに電圧が印加されていること
を示している。
次に、第5図(b)に示されるエネルギーバンド図を用
いて、動作を説明する。
半導体超格子アバランシェフォトダイオードにおけるア
バランシェすなわちイオン化は、キャリア例えば価電子
帯のポールがバリア層A4からウェル層B4に進入する
とき、またウェル層B4からバリア層A4に進入すると
き、これらバリア層A4とウェル層B4との境界で発生
する。
すなわち、バリア層A4とウェル層B4との境界L4に
おいて、イオン化の閾値エネルギーEi1より大きなエ
ネルギーを有するホールがバリア層A4からウェル層B
4に進入すると、そこでイオン化が起こる。このときの
イオン化の闇値エネルギーEi1は、 Eil=Et−ΔEv である、ただし、Eiはウェル層B4におけるイオン化
の閾値エネルギー、ΔBvはバリア層A4とウェル層B
4との価電子帯のエネルギー障壁の高さである。
また、ウェルFIB4とバリア層A4との境界M4にお
いて、イオン化の閾値エネルギーEi2より大きなエネ
ルギーを有するホールがウェル層B4に蓄積されたホー
ルに衝突すると、そこでイオン化が起こる。このときの
イオン化の111値エネルギーEi2は、 E i2=ΔEv である。
このようにして、半導体超格子アバランシェフォトダイ
オードにおいては、バリア層A4とつエル層B4との隣
り合う2つの境界L4およびM4において、それぞれ異
なるメカニズムによってイオン化すなわちアバランシェ
が発生する。
[発明が解決しようとする課題」 しかしながら、上記のような超格子アバランシエフオ)
・ダイオードにおいては、バリア層A4とウェル層B4
との隣り合う2つの境界し41M4におけるそれぞれの
イオン化の閾値エネルギーEi1.Ei2は、−m的に
異なる値をとる。そのために、どちらか一方のイオン化
の閾値エネルギーのより小さい境界でアバランシェが発
生することになる。このような条件において所要の増倍
率を得るには、通常バリア層A4とウェル層B4とを交
互に20〜30層程度も積層させる必要がある。
従って、超格子アバランシェフォトダイオードにおける
使用電圧は、光電子増倍管のそれよりは低いものの通常
60〜100vに達し、そのために晴な流を増加させ、
感度の低下をもたらすという問題があった。
本発明は、低電圧で動作することにより、光検知の感度
を高めると共に使用上の使い易さを向上させた半導体受
光素子を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段1 第1図は、本発明の原理説明図である。
バリア層Aとウェル71Bとが交互に積層されている超
格子′!R造の半導体受光素子において、ウェル層Bか
らバリア層Aへ移る境界に遷移領域Cを設けて、ウェル
層Bとの境界Mにおけるイオン化の閾値エネルギーとバ
リア層Aからウェル層Bへ移る境界I−におけるイオン
化の閾値エネルギーとをほぼ同等になるようにする。
なおここでは、キャリアとして価電子帯のホールを用い
て説明する。
第1図(a)のエネルギーバンド図に示されるように、
ウェル層Bと遷移領域Cとの境界Mにおける価電子帯の
エネルギー11i壁の高さΔEv’がバリア層Aとウェ
ル層Bとの境界りにおけるイオン化の閾値エネルギーE
i1とほぼ等しくなるように、遷移領域Cf!:設ける
。すなわち、 ΔEv=E+1 とする。
なお、遷移領域Cにおけるエネルギーバンドは、ウェル
層Bとの境界Mからバリア層Aとの境界Nまで滑らかに
変化している。
[作 用] すなわち本発明は、ウェル層Bの両側の境界り。
Mにおけるイオン化の閾値エネルギーEiI  Ei2
がほぼ等しいために、これらの境界り、Mの両方におい
てイオン化が発生する。
これによって、所定の増倍率を得るために必要なバリア
層Aとウェル層Bとの積層数が、従来例の少なくとも半
分程度に減少する。従って第1図(b)の電界分布のグ
ラフに示されるように、印加電圧が従来例の半分で済む
ことになる。
[実施例1 以下、本発明を図示する実施例に基づいて具体的に説明
する。
第2図(a)は本発明の第1の実施例による半導体受光
素子の断面を示す断面図、第2図(b)はその超格子増
倍層におけるエネルギーバンドを示す図である。
第2図(a)において、n型1nP基板2上にn型Ga
 I nAs光吸収N4が形成されている。
このn型Ga1nAs光吸収層4上には、A」InAs
からなるバリア層とGaAsSbからなるウェル層とが
積層され、これら積層されたバリア層とウェル層との境
界に遷移領域が設けられているn型超格子増倍層6が形
成されている。さらにこのn型超格子増倍層6上には、
p+型A」I nAsAsバッフ8を介して、ρ“型G
a1nAsコンタクト層10が形成されている。
n型超格子増倍NI6は、第2図(b)に示されるよう
に、例えば厚さ0.5μm以下でAJa、asIno、
2Asの組成を有するAjInAsバリア層A1と例え
ば厚さ150〜20OAでGaASo、、s Sbo、
sの組成を有するGaAsSbウェル層B1とか10〜
15層に積層されている。
この覆層数は、従来例の半数程度の数である。そしてこ
れら積層されたAjInAsバリア層A1とGaAsS
bウェル層B1との隣り合う境界のGaAsSbウェル
層B1からAjInAsバリア層A1へ遷移する境界に
例えば厚さ0.1μm程度のGaAJ rnAssb5
元層からなるGaAjInAsSb遷移領域C1が設け
られている。
このような組合わせにおいては、境界L1におけるAj
InAsバリア層A1とGaAsSbウェル層B1との
価電子帯のエネルギー障壁の高さΔEvは、 ΔEvx0.7eV であり、ウェル層A1のイオン化の閾値エネルギーEi
は、推定で、 Ei=1.2eV であるため、ホールがAjlnAsバリア層A1からG
aAsSbウェル層B1に進入する際の境界L1におけ
るイオン化の闇値エネルギーEilは、Ei1=1. 
2eV−0,7eV =0  5eV となる。
また、GaAJ InAsSb!移領域C1の層領域C
1N a4sl no92As ) g  (GaAs
o、5Sbo、s)+−(0,71≦X≦1)であり、
GaAsSbウェル層B1との境界M1においてx=O
871、AjlnAsバリア層A1との境界N1におい
てx=1である。そしてその間においてはXの値は3!
!枕的に変化している。従って、エネルギーバンドも滑
らかに変化している。
このようなGaAJ tnAssb遷移領域C1の組成
条件においては、境界M1におけるGaAsSbウェル
層B1とGaAj InAs5b3i移領域C1との価
電子帯のエネルギー障壁の高さΔEvは、 ΔEV’x0.5eV となる、このためホールがGaAsSbウェル層B1に
蓄積されたホールに衝突してイオン化が生じる際のG 
a A s S bウェル層B1とGaA、1lInA
sSbJ移領域C1との境界M1におけるイオン化の閾
値エネルギーEi2は、 Ei2〜0.5eV となる。
こうして、AjlnAs/<リア層A1とGaAsSb
ウェルNJB1との境界L1におけるイオン化の閾値エ
ネルギーEi1とG a A s S bウェル層B1
とGaAfJI nAs5b遷移領域C1との境界M1
におけるイオン化の閾値エネルギーEi2とは、はぼ等
しい値をとることになる。
なお、AJIInAsバリア層A1とGaAs5bウエ
ル層B1との伝導帯のエネルギー障壁の高さは極めて小
さいため、第2図(b)においては表わされていない。
また、AjInAsバリア層A1およびGaAs Sb
ウェル層B1においてエネルギーバンドが傾いているの
は、この半導体受光素子に電圧が印加されているからで
ある。
いま、第2図(a)に示される半導体受光素子に、n型
InP基板2側から例えば波長1.3μmの光が入射さ
れると、n型G a I n A s光吸収層4におい
て光電変換が起こり、ホールと電子との対が発生する。
n型1nP基板2とp型GaI nAsコンタクト層1
0との間に所定の電圧が印加されていると、n型Ga1
口As光吸収層4に発生したホールはn型超格子増倍層
6に注入される。
この注入されたホールは、第2図(b)に示されるよう
に、n型超格子増倍層6のAjlnAsバリア層A1と
GaAsSbウェル層B1との境界L1におけるイオン
化の閾値エネルギーE+1とGaAsSbウェル層B1
とGaAj InAsSb遷移領域C1との境界M1に
おけるイオン化の閾値エネルギーEi2とはほぼ等l−
いために、これら画境界LL、Mlにおいてイオン化す
なわちアバランシェを引き起こす。
従って、従来例の少なくとも半分程度のA」I nAs
バリア層A層上1aAsSbウェル層B1との積層数に
おいて、所要の増倍率を得ることができる。このために
超格子増倍層における空乏層体積が従来例の半分になり
、トンネル電流やg−r(発生−再結合)を流等の暗を
流成分ら従来例の半分程度に減少して、その分だけ光検
知器としての感度か向上する。また、使用印加電圧も従
来例の半分程度に減少するために、使用上も使い易くな
る。
次に、第3図を用いて、本発明の第2の実施例を説明す
る。
第3図は、超格子増倍層における価電子帯のエネルギー
バンドを示す図である。
上記第1の実施例においては、そのGaAJInAsS
biW移領域C1が、AJInAsバリア層A1を形成
するA j o、 <a I n O,S2A SとG
aAsSbウェル層B1を形成するGaAso、5Sb
o、sとの混晶(A、Q o46I 1o、、2As 
) t(GaAs  、   Sb  、   )+(
0,71≦X≦1)によって形成されているが、この第
2の実施例におけるAll I nAs/GaAsSb
チャープ超格子M移fn域C2は、A】InAsバリア
層A2全A2するA148Ino、5zAsとGaAs
Sbウェル層B2を形成するGaASo、s Sbo、
sとのチャーブ超格子構造によって形成されている。
すなわち、第3図に示されるように、AjInA s 
/ G a A s S bチャープ超格子>1 移領
域C2においてAJ o4al n O,S2A S層
とG a A s o 、 5sbo、slとが交互に
積層されているが、それらの厚さは、AJInAsバリ
ア層A2とAjInA s / G a A s S 
bチャープ超格子遷移領域C2との境界N2側からAN
 a、<a I no、s2A sが55人から5人刻
みに順に減少し、またGaAso、ssb、、、が5八
から5人刻みに順に増大して、A、Q InAs/Ga
AsSbチャープ超格子遷移領域C2とGaAsSbウ
ェル層B2との境界M2に達している。ただし、隣り合
うA1゜、81 (1o、 52A S層とGaAso
5Sb、、、層とを対とする超格子の周期は一定の60
六に保たれ、所定の周期繰り返されている。
このようなチャープ超格子11造におけるエネルギーバ
ンドは多数の凹凸形状を生じているが、その平均をとる
と、第3図の破線に表されるように、滑らかな変化とな
る。従って、このようなチャーブ超格子構造を用いて、
境界M2におけるA、1lInAs/GaAsSbチヤ
ープ超格子遷移領域C2の価電子帯のエネルギーレベル
を境界N2におけるそれよりも約0.2eV低下させ、
GaAsSbウェル層B2とAN I nAs/GaA
s5bチヤープ超格子遷移領域C2との境界M2におけ
る価電子帯のエネルギー障壁の高さΔEV’か第2図(
b)に示した第1の実施例と同じ約0.5eVとなるよ
うにする。
このようにして、上記第1の実施例と同様に、GaAs
Sbウェル層B2とA、ll I nAs/GaAsS
bチャーブ超格子遷移領域C2との境界における価電子
帯のエネルギー障壁の高さΔEv’かAjInAsバリ
ア層A2とGaAsSbウェル層B2との境界における
イオン化の閾値エネルギーENとほぼ等しい値をとる。
すなわち、AjI nAsバリア屑A2とGaAsSb
ウェル層B2との境界におけるイオン化の閾値エネルギ
ーEi1とGaAsSbウェル層B2とA、l!InA
s/ G a A s S bチャーブ超格子遷移領域
C2との境界におけるイオン化の閾値エネルギーEi2
とがほぼ等しくなる。
次に、第4図を用いて、本発明の第3の実施例を説明す
る。
第4図は、超格子増倍層における伝導帯のエネルギーバ
ンドを示す図である。
上記第1および第2の実施例では、共にAjT nAs
バリアNJAI、A2とGaAsSbウェル層Bl、B
2との組合わせで超格子増倍層を構成しているが、第3
の実施例においては、Ga5bバリア層A3とAJAs
Sbウェル層B3との組合わせで超格子増倍層を構成し
ている。
ただし、AJ!InAsバリア層At、A2とGaAs
Sbウェル層Bl、B2との組合わせの場合、アバラン
シェを引き起こすキャリアは荷電子帯のホールであった
が、第3の実施例によるGaSbバリア層A3とAjA
sSbウェル層B3との組合わせの場合、第4図のエネ
ルギーバンド図に示されるように、伝導帯の電子がアバ
ランシェを引き起こす。
従って、Garbバリア層A3とAj!AsSbウェル
層B3との隣り合う境界において、B3からA3に遷移
する領域にGaAJAsSb遷移領域C3を設け、AJ
AsSbウェル層B3とGaAjAsSb遷移領域C3
との境界M3における伝導帯のエネルギー障壁の高さΔ
Ev’をGaSbバリア層A3とAjAsSbウェル層
B3との境界L3におけるイオン化の閾値エネルギーと
をほぼ等しくすることによって、電子がGaSbバリア
層A3からAJIAsSbウェル層B3へ進入する際の
境界L3におけるイオン化の閾値エネルギーとAjAs
Sbウェル層B3からGaAJ! As5b遷移領域C
3へ進入する際の境界M3におけるイオン化の閾値エネ
ルギーとをほぼ等しくすることができる。
なお、GaSbバリアNJA3とAJIAsSbウェル
層B3との組合わせの代わりに、Cd T eバリア層
とCd Hg T eウェル層との組合わせを用いても
よい。
「発明の効果」 以上のように本発明によれば、超格子fM造を形成する
バリア層とウェル層との隣り合う2つの境界において、
ウェル層がらバリア層へ遷移する領域にバンドギャップ
エネルギーが順次変化する遷移領域を設けることによっ
て、バリアJ4とウェル層との境界におけるそれぞれの
イオン化の闇値エネルギーとをほぼ等しくすることがで
きる。
これによって、所要の増倍率を得るために必要なバリア
層とウェル層と積層数を半減させ一1低電圧で動作する
ことにより、感度を高めると共に使用上の使い易さを向
上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)、(b)はそれぞれ本発明の原理説明図、 第2図(a)は本発明の第1の実施例による半導体受光
素子の断面を示す断面図、第2図(b)は同半導体受光
素子の超格子増倍層のエネルギーバンドを示す図、 第3図は本発明の第2の実施例による半導体受光素子の
超格子増倍層のエネルギーバンドを示す図、 第4図は本発明の第3の実施例による半導体受光素子の
超格子増倍層のエネルギーバンドを示す図、 第5図(a)、(b)はそれぞれ従来の半導体受光素子
を説明するための図である。 図において、 2・・・・・・n型1nP基板、 4・・・・・・n型Ga I nAs光吸収層、6・・
・・・・n型超格子増倍層、 8・・・・・・P+型AJInAsバッファ層、10・
・・・・・P+型Ga I nAsコンタクト層、A、
A4・・・・・・バリア層、 Al 、A2・=−AN I nAsバリア層、A3・
・・・・・Garbバリア層、 B、84・・・・・・ウェル層、 B1.B2−−・−GaAsSbウェル層、B3・・・
・・・AJAsSbウェル層、C・・・・・・遷移領域
、 C1−−−−−−GaAI InAs5b3W移領域、
C2−−−−−−Aj I nAs/GaAsSbチャ
ープ超格子遷移@域、 C3=−−−−GaAj AsSb3m移領域、L、 
 Ll、  L3.  L4.M、Ml、  M、2.
M3゜M4.N、Nl、N2・・・・・・境界。 し Aバリア層 Bつ創し層 C遷移τ釦或 り、M、N :を見R イ(埋入 弁理士   井  桁  貞距離 空弁日月の原ii説日月図 第1図 あよひその超+増侶層のエネルキーハ“/1・を示百口
第2図 1硲2.N2壜界 第3図 第4図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、ウェル層とバリア層とが交互に積層されている超格
    子構造を有する半導体受光素子において、 ウェル層からバリア層へ移る第1の境界に遷移領域を設
    けて、当該第1の境界におけるイオン化の閾値エネルギ
    ーをバリア層からウェル層へ移る第2の境界におけるイ
    オン化の閾値エネルギーとほぼ同等にせしめる ことを特徴とする半導体受光素子。 2、請求項1記載の半導体受光素子において、前記遷移
    領域が、前記バリア層を形成する物質と前記ウェル層を
    形成する物質との混晶によって形成されていることを特
    徴とする半導体受光素子。 3、請求項1記載の半導体受光素子において、前記遷移
    領域が、前記バリア層を形成する物質と前記ウェル層を
    形成する物質とのチャープ超格子によって形成されてい
    ることを特徴とする半導体受光素子。
JP63236023A 1988-09-20 1988-09-20 半導体受光素子 Pending JPH0282658A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH042176A (ja) * 1990-04-18 1992-01-07 Nec Corp 半導体受光素子
JPH0461174A (ja) * 1990-06-22 1992-02-27 Nec Corp アバランシェフォトダイオード
JPH0493088A (ja) * 1990-08-09 1992-03-25 Nec Corp アバランシェフォトダイオード
JPH088455A (ja) * 1994-06-21 1996-01-12 Nec Corp 半導体受光素子

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