JPH03116791A - 半導体受光素子の製造方法 - Google Patents
半導体受光素子の製造方法Info
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- JPH03116791A JPH03116791A JP1254599A JP25459989A JPH03116791A JP H03116791 A JPH03116791 A JP H03116791A JP 1254599 A JP1254599 A JP 1254599A JP 25459989 A JP25459989 A JP 25459989A JP H03116791 A JPH03116791 A JP H03116791A
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- ingaas
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Landscapes
- 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、特に低雑音及び高速
応答に優れたアバランシェ増倍型半導体受光素子の製造
方法に関する。
応答に優れたアバランシェ増倍型半導体受光素子の製造
方法に関する。
従来、１〜１．６μｍ帯の光通信用半導体受光素子とし
て１ｎＰ基板上に格子整合したＩ ｎ Ｏ，５３ＧａＯ
，４ＴＡｓ層（以下ＩｎＧａＡｓ層と略記する）を光吸
収層とするＰＩＮ型半導体受光素子（エレクトロニクス
・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒ。
て１ｎＰ基板上に格子整合したＩ ｎ Ｏ，５３ＧａＯ
，４ＴＡｓ層（以下ＩｎＧａＡｓ層と略記する）を光吸
収層とするＰＩＮ型半導体受光素子（エレクトロニクス
・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒ。
ｎ、Ｌｅｔｔ、）１９８４．２０．ｐｐ６５３−ｐｐ６
５４）、アバランシェ増倍型半導体受光素子（アイイー
イーイー・エレクトロン・デバイス・レターズ（ＩＥＥ
Ｅ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ、
）１９８６．７．ｐｐ２５７−ｐｐ２５８）が知られて
いる。特にこの中で、アバランシェ増倍型半導体受光素
子は、アバランシェ増倍作用による内部利得効果及び高
速応答性を有する点で長距離光通信用として実用化され
ている。
５４）、アバランシェ増倍型半導体受光素子（アイイー
イーイー・エレクトロン・デバイス・レターズ（ＩＥＥ
Ｅ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔ、
）１９８６．７．ｐｐ２５７−ｐｐ２５８）が知られて
いる。特にこの中で、アバランシェ増倍型半導体受光素
子は、アバランシェ増倍作用による内部利得効果及び高
速応答性を有する点で長距離光通信用として実用化され
ている。
典型的なＩｎＧａＡｓ−ＡＤＤ （アバランシェ増倍型
半導体受光素子は以下ＡＰＤと略記する）は、Ｉｒ１Ｇ
ａＡＳ光吸収層で発生した光キャリア（特に正孔キャリ
ア）をＩｎＰアバランシェ増倍層に注入する事によって
増倍現象を得ている。この場合、素子特性上重要な雑音
・応答特性は、増倍層中でのキャリアのランダムなイオ
ン化プロセスに支配されている事が知られている。具体
的には、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（電子及び正札のイオン化率をそれぞれの及び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こす主キャリアとなるべきであ
る）、素子特性上望ましい。
半導体受光素子は以下ＡＰＤと略記する）は、Ｉｒ１Ｇ
ａＡＳ光吸収層で発生した光キャリア（特に正孔キャリ
ア）をＩｎＰアバランシェ増倍層に注入する事によって
増倍現象を得ている。この場合、素子特性上重要な雑音
・応答特性は、増倍層中でのキャリアのランダムなイオ
ン化プロセスに支配されている事が知られている。具体
的には、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（電子及び正札のイオン化率をそれぞれの及び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こす主キャリアとなるべきであ
る）、素子特性上望ましい。
ところがイオン化率比（β／α）は材料物性的に決定さ
れており、ＩｎＰでは高々β／α−２程β−２０とは大
きな違いがあり、より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ている。
れており、ＩｎＰでは高々β／α−２程β−２０とは大
きな違いがあり、より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ている。
これに対しエフ・カパソ （Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ）等は
、バンド不連続の大きな超格子構造をアバランシェ増倍
層に適用する事（アプライド・フィジックス・レターズ
（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，Ｌｅｔｔ， ）、 ４０， ｐ
ｐ３８−４０ （１９８２））によってイオン化率比が
人工的に制御できる事を提案している。光通信波長帯（
１〜１．６μｍ）に対してはケー・ブレナン（Ｋ．Ｂｒ
ｅｎｎａｎ）がＩ ｎＡ Ｉ Ａｓ／Ｉ ｎＧａＡｓの
グレーデツト・ギャップ超格子構造を増倍層として適用
する事によって、モンテカルロ法よりイオン化率α／β
−２０程度得られる事を理論的に推測している（アイイ
ーイーイー・トランザクション・オン・エレクトロン・
デバイスズ（ＩＥＥＥ．Ｔｒａｎｓ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｄｅｖｉｃｅｓ，ＥＤ−３３。
、バンド不連続の大きな超格子構造をアバランシェ増倍
層に適用する事（アプライド・フィジックス・レターズ
（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，Ｌｅｔｔ， ）、 ４０， ｐ
ｐ３８−４０ （１９８２））によってイオン化率比が
人工的に制御できる事を提案している。光通信波長帯（
１〜１．６μｍ）に対してはケー・ブレナン（Ｋ．Ｂｒ
ｅｎｎａｎ）がＩ ｎＡ Ｉ Ａｓ／Ｉ ｎＧａＡｓの
グレーデツト・ギャップ超格子構造を増倍層として適用
する事によって、モンテカルロ法よりイオン化率α／β
−２０程度得られる事を理論的に推測している（アイイ
ーイーイー・トランザクション・オン・エレクトロン・
デバイスズ（ＩＥＥＥ．Ｔｒａｎｓ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｄｅｖｉｃｅｓ，ＥＤ−３３。
ｐｐ１５０２−１５１０ （１９８６））。
第４図には、前述のブレナンが提案している超格子構造
を有するアバランシェ増倍型半導体受光素子のバンド構
造図を示す。基本的にはＩｎＰ基板上に格子整合するＩ
ｎＯ；５ ２Ｇａ０．４ ８Ａｓ／ＩｎＯ．５ ３Ｇａ
Ｏ．４ ７Ａｓ超格子構造からなルアバランシェ増倍層
及び光吸収層を有しており、超格子構造は伝導帯側での
電子のトラップを回避する為にＩ ｎ ０． ５ ３
Ｇ ａ ０． ４ ７ Ａ ｓからＩ ｎ ０． ５
２Ａ１０．４８Ａｓへのグレーデッド・ギャップ構造に
なっている。
を有するアバランシェ増倍型半導体受光素子のバンド構
造図を示す。基本的にはＩｎＰ基板上に格子整合するＩ
ｎＯ；５ ２Ｇａ０．４ ８Ａｓ／ＩｎＯ．５ ３Ｇａ
Ｏ．４ ７Ａｓ超格子構造からなルアバランシェ増倍層
及び光吸収層を有しており、超格子構造は伝導帯側での
電子のトラップを回避する為にＩ ｎ ０． ５ ３
Ｇ ａ ０． ４ ７ Ａ ｓからＩ ｎ ０． ５
２Ａ１０．４８Ａｓへのグレーデッド・ギャップ構造に
なっている。
第４図に示すバンド構造の超格子構造では、超格子構造
のＩｎＧａＡｓ層中で光吸収によって発生した電子及び
正孔が逆電界によって走行し、イオン化衝突を生じるこ
とにより、アバランシェ増倍作用が生じる。この場合、
電子に対しては走行時に伝導帯の不連続性（△Ｅｃ）を
谷として感じるから、実効的に△Ｅｃのエネルギーを得
る。正孔に対しては逆に価電子帯の不連続性（△Ｅｖ）
を壁として感じるから、実効的に△Ｅｖのエネルギーを
失う。ところでキャリアのイオン化率（αβ）は、イオ
ン化閾値エネルギーＥｉ， ｔｈ。
のＩｎＧａＡｓ層中で光吸収によって発生した電子及び
正孔が逆電界によって走行し、イオン化衝突を生じるこ
とにより、アバランシェ増倍作用が生じる。この場合、
電子に対しては走行時に伝導帯の不連続性（△Ｅｃ）を
谷として感じるから、実効的に△Ｅｃのエネルギーを得
る。正孔に対しては逆に価電子帯の不連続性（△Ｅｖ）
を壁として感じるから、実効的に△Ｅｖのエネルギーを
失う。ところでキャリアのイオン化率（αβ）は、イオ
ン化閾値エネルギーＥｉ， ｔｈ。
フォノン散乱エネルギーＥＲ， フォノン散乱の平均自
由行程λの３項を用いて次式で表わされる事を奥戸（Ｙ
，０ｋｕｔｏ）等が指摘している（フィジックスψレビ
ｚ＋，Ｐｂｙｓ，Ｒｅｖ−。
由行程λの３項を用いて次式で表わされる事を奥戸（Ｙ
，０ｋｕｔｏ）等が指摘している（フィジックスψレビ
ｚ＋，Ｐｂｙｓ，Ｒｅｖ−。
Ｂ６．ｐｐ３０７６−３０８１ （１９７２））。
・・・・・・・・・ （１）
これより、前述したバンド不連続効果はイオン化閾値エ
ネルギーＥｉ，ｔｈに取り込まれ、大略的にはＥｉ，ｔ
ｈの減少は指数関数的なイオン化率の増加につながる。
ネルギーＥｉ，ｔｈに取り込まれ、大略的にはＥｉ，ｔ
ｈの減少は指数関数的なイオン化率の増加につながる。
ここで、前述のブレナン等が提案した構造では、電子の
イオン化閾値エネルギーの減少により電子側の選択的な
イオン化衝突が生じる事から予想され、彼らの理論計算
ではイオン化率比（α／β）＝２０程度になる事が予想
されている。
イオン化閾値エネルギーの減少により電子側の選択的な
イオン化衝突が生じる事から予想され、彼らの理論計算
ではイオン化率比（α／β）＝２０程度になる事が予想
されている。
しかしながら、ブレナン等が提案した構造を実際に得る
場合には、成長技術的に大きな問題がある。つまり、素
子特性上重要なグレーデッドギャップ層を制御性良く積
層する事が既存の成長技術では困難な事である。このよ
うに、従来の低雑音、高速応答のＡＰＤには解決すべき
課題がある。
場合には、成長技術的に大きな問題がある。つまり、素
子特性上重要なグレーデッドギャップ層を制御性良く積
層する事が既存の成長技術では困難な事である。このよ
うに、従来の低雑音、高速応答のＡＰＤには解決すべき
課題がある。
本発明の目的は、これらの課題を解決して低雑音、高速
応答特性を有するアバランシェ増倍型半導体受光素子の
製造方法を提供する事にある。
応答特性を有するアバランシェ増倍型半導体受光素子の
製造方法を提供する事にある。
本発明の方法は、超格子半導体層群からなるアバランシ
ェ増倍層を半導体基板上に有する半導体受光素子の製造
方法であって、井戸層厚が周期的に変化する構造で、一
連の半導体層よりなる超格子層構造を形成する工程と、
この工程の後に前記超格子層構造に高温雰囲気で熱処理
を施す工程とを含むことを特徴とする。
ェ増倍層を半導体基板上に有する半導体受光素子の製造
方法であって、井戸層厚が周期的に変化する構造で、一
連の半導体層よりなる超格子層構造を形成する工程と、
この工程の後に前記超格子層構造に高温雰囲気で熱処理
を施す工程とを含むことを特徴とする。
本発明は上述の手段をとることにより、従来技術の課題
を解決した。本発明では、ＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓ
層等の超格子構造において熱相互拡散が高温（特に６５
０℃以上）で顕著であることを見いだした。これに注目
して、ＩｎＡｌＡｓ層 Ｉ ｎ Ｇ ａ Ａ ｓ超格子
構成からなるアバランシェ増倍層に６５０℃以上の高温
熱処理を行っている。
を解決した。本発明では、ＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓ
層等の超格子構造において熱相互拡散が高温（特に６５
０℃以上）で顕著であることを見いだした。これに注目
して、ＩｎＡｌＡｓ層 Ｉ ｎ Ｇ ａ Ａ ｓ超格子
構成からなるアバランシェ増倍層に６５０℃以上の高温
熱処理を行っている。
第３図には、本発明の製造方法による超格子アバランシ
ェ増倍層のバンド構造を例示する。（ａ）は熱処理族こ
す前のバンド構造を示し、このときバンド構造は短形状
になっている。ここで高温熱処理（６５０℃以上）を施
す事によって、（ｂ）に示すグレーデッドエネルギーギ
ャップに近いバンド構造に変形する。
ェ増倍層のバンド構造を例示する。（ａ）は熱処理族こ
す前のバンド構造を示し、このときバンド構造は短形状
になっている。ここで高温熱処理（６５０℃以上）を施
す事によって、（ｂ）に示すグレーデッドエネルギーギ
ャップに近いバンド構造に変形する。
第３図（６）に示すように、熱処理によりグレーデッド
ギャップ構造が得られるのは、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌ
Ａｓ層からなる超格子構造において超格子界面近傍でＧ
ａとＡＩ原始の相互拡散が熱処理によって起きる事に由
来する。特に、熱処理前の短形超格子構造を（ａ）図に
示す通りにＩｎＧａＡｓ井戸層厚を徐々に変えた層構造
にしておくことにより、熱処理後に理想に近いバンド構
造（グレーデッドギャップ構造）が得られる。これは井
戸層厚が薄いほど熱相互拡散による影響が顕著である事
による。
ギャップ構造が得られるのは、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌ
Ａｓ層からなる超格子構造において超格子界面近傍でＧ
ａとＡＩ原始の相互拡散が熱処理によって起きる事に由
来する。特に、熱処理前の短形超格子構造を（ａ）図に
示す通りにＩｎＧａＡｓ井戸層厚を徐々に変えた層構造
にしておくことにより、熱処理後に理想に近いバンド構
造（グレーデッドギャップ構造）が得られる。これは井
戸層厚が薄いほど熱相互拡散による影響が顕著である事
による。
以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。
明する。
第１図は、本発明の一実施例により形成されたアバラン
シェ増倍型受光素子の断面図である。この実施例により
製造された受光素子は、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型Ｉｎ
Ｐバッファ層２、ｎ型ＩｎＡ ］ Ａ Ｓ ／ Ｉ ｎ
Ｇ ａ Ａ Ｓ超格子構造によるアバランシェ増倍層
３、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４、ｎ型１ｎＰキャップ
層５からなっている。ここでアバランシェ増倍層３は作
用の欄で前述した様に熱処理工程によりグレーデッドな
エネルギーギャップを有する構造になっている。
シェ増倍型受光素子の断面図である。この実施例により
製造された受光素子は、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型Ｉｎ
Ｐバッファ層２、ｎ型ＩｎＡ ］ Ａ Ｓ ／ Ｉ ｎ
Ｇ ａ Ａ Ｓ超格子構造によるアバランシェ増倍層
３、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４、ｎ型１ｎＰキャップ
層５からなっている。ここでアバランシェ増倍層３は作
用の欄で前述した様に熱処理工程によりグレーデッドな
エネルギーギャップを有する構造になっている。
第２図（ａ）、 （ｂ）、 （ｃ）は、本発明の一
実施例を説明するために工程順に示した素子の断面図で
ある。まずＭＯＶＰＥ法もしくはＭＢＥ法によって第２
図（ａ）に示す様な層構造を得る。
実施例を説明するために工程順に示した素子の断面図で
ある。まずＭＯＶＰＥ法もしくはＭＢＥ法によって第２
図（ａ）に示す様な層構造を得る。
この場合アバランシェ増倍層は、作用の欄に示す様に井
戸層厚が序々に変化する短形状の超格子構造である。次
に（ｂ）工程で本発明の特徴である高温熱処理（ここで
は８００℃２時間）を施こす。
戸層厚が序々に変化する短形状の超格子構造である。次
に（ｂ）工程で本発明の特徴である高温熱処理（ここで
は８００℃２時間）を施こす。
次いで、拡散法によりＰ型頭域を形成し、その後に５ｉ
０２膜、電極を形成することによりアバランシェ増倍型
受光素子が得られる。
０２膜、電極を形成することによりアバランシェ増倍型
受光素子が得られる。
次に第１図の素子の具体的な動作原理について述べてお
く。表面より光が入射しＩｎＧａＡｓ光吸収層４で光キ
ャリアが発生する。その後、電子のみがアバランシェ増
倍層３に注入され増倍特性を得るにいたる。ここで超格
子構造からなるアバランシェ増倍層は、高温熱処理によ
りブレデッドエネルギーギャップに近く電子のトラップ
等の影響を受ける事なく走行が可能である。
く。表面より光が入射しＩｎＧａＡｓ光吸収層４で光キ
ャリアが発生する。その後、電子のみがアバランシェ増
倍層３に注入され増倍特性を得るにいたる。ここで超格
子構造からなるアバランシェ増倍層は、高温熱処理によ
りブレデッドエネルギーギャップに近く電子のトラップ
等の影響を受ける事なく走行が可能である。
以上に説明したように、本発明の製造方法により、超格
子アバランシェ増倍層の本来の効果を失う事がない理想
的なアバランシェ増倍型受光素子が得られる。高温熱処
理施すことによって超格子界面近傍で原子の熱相互拡散
が生じるから、熱処理前の短形超格子構造を最適化する
事によって理想に近いグレーデッドエネルギーギャップ
構造が得られる。このグレーデッドエネルギーギャップ
構造を形成することにより、低雑音でかつ高速に応答す
る半導体受光素子が容易に製造できる。
子アバランシェ増倍層の本来の効果を失う事がない理想
的なアバランシェ増倍型受光素子が得られる。高温熱処
理施すことによって超格子界面近傍で原子の熱相互拡散
が生じるから、熱処理前の短形超格子構造を最適化する
事によって理想に近いグレーデッドエネルギーギャップ
構造が得られる。このグレーデッドエネルギーギャップ
構造を形成することにより、低雑音でかつ高速に応答す
る半導体受光素子が容易に製造できる。
第１図は、本発明の一実施例により形成された超格子ア
バランシェ増倍層を有するアバランシェ増倍型受光素子
の断面図である。第２図（ａ）。 （ｂ）、 （Ｃ）は、本発明の一実施例を説明するた
めの工程図である。第３図は、本発明の作用を示す図あ
り、（ａ）は熱処理工程前の矩形超格子構造からなるア
バランシェ増倍層、（ｂ）は熱処理工程後のグレーデッ
ドギャップ構造を示す。第４図は、ケー・ブレナン（Ｋ
、Ｂｒｅｎｎａｎ）が提案したＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａ
Ａｓ超格子構造を有するアバランシェ増倍型半導体受光
素子の基本バンド構造図である。 １・・・ｎ型ＩｎＰ基板、２・・・ｎ型ＩｎＰバッファ
層、３−ｎ型ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子増倍層
、４・・・ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、５・・・ｎ型Ｉ
ｎＰキャップ層、６・・・Ｐ型領域、７・・・３１０２
膜、８・・・Ｐ型オーミック用電極、９・・・ｎ型オー
ミック用電極、■０・・・入射光。
バランシェ増倍層を有するアバランシェ増倍型受光素子
の断面図である。第２図（ａ）。 （ｂ）、 （Ｃ）は、本発明の一実施例を説明するた
めの工程図である。第３図は、本発明の作用を示す図あ
り、（ａ）は熱処理工程前の矩形超格子構造からなるア
バランシェ増倍層、（ｂ）は熱処理工程後のグレーデッ
ドギャップ構造を示す。第４図は、ケー・ブレナン（Ｋ
、Ｂｒｅｎｎａｎ）が提案したＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａ
Ａｓ超格子構造を有するアバランシェ増倍型半導体受光
素子の基本バンド構造図である。 １・・・ｎ型ＩｎＰ基板、２・・・ｎ型ＩｎＰバッファ
層、３−ｎ型ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子増倍層
、４・・・ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、５・・・ｎ型Ｉ
ｎＰキャップ層、６・・・Ｐ型領域、７・・・３１０２
膜、８・・・Ｐ型オーミック用電極、９・・・ｎ型オー
ミック用電極、■０・・・入射光。
Claims (1)
- 超格子半導体層群からなるアバランシェ増倍層を半導体
基板上に有する半導体受光素子の製造方法において、井
戸層厚が周期的に変化する構造で、一連の半導体層より
なる超格子層構造を形成する工程と、この工程の後に前
記超格子層構造に高温雰囲気で熱処理を施す工程とを含
むことを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1254599A JPH03116791A (ja) | 1989-09-28 | 1989-09-28 | 半導体受光素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1254599A JPH03116791A (ja) | 1989-09-28 | 1989-09-28 | 半導体受光素子の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03116791A true JPH03116791A (ja) | 1991-05-17 |
Family
ID=17267278
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1254599A Pending JPH03116791A (ja) | 1989-09-28 | 1989-09-28 | 半導体受光素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03116791A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5346837A (en) * | 1991-04-18 | 1994-09-13 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Method of making avalanche photodiode |
| JPH06298598A (ja) * | 1993-04-09 | 1994-10-25 | Nec Corp | フラーレン系インターカレーション化合物薄膜の形成方法 |
| JP2011009788A (ja) * | 2002-02-01 | 2011-01-13 | Picometrix Inc | プレーナ・アバランシェ・フォトダイオード |
| CN110047955A (zh) * | 2019-03-08 | 2019-07-23 | 中山大学 | 一种AlGaN紫外雪崩光电二极管探测器及其制备方法 |
-
1989
- 1989-09-28 JP JP1254599A patent/JPH03116791A/ja active Pending
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