JPH03214781A - Semiconductor photodetector - Google Patents

Semiconductor photodetector

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JPH03214781A
JPH03214781A JP2009714A JP971490A JPH03214781A JP H03214781 A JPH03214781 A JP H03214781A JP 2009714 A JP2009714 A JP 2009714A JP 971490 A JP971490 A JP 971490A JP H03214781 A JPH03214781 A JP H03214781A
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JP
Japan
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plane
face
tilted
substrate
superlattice
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Application number
JP2009714A
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Japanese (ja)
Inventor
Kikuo Makita
紀久夫 牧田
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Abstract

PURPOSE:To manufacture a device having the excellent characteristics such as low noise, rapid response, etc., by tilting the substrate surface of an avalanche duplicated photodetector to a specific face orientation. CONSTITUTION:The title semiconductor photodetector is provided with an avalanche duplicated layer comprising a superlattice structure on a semiconductor substrate while the face orientation of the semiconductor substrate is tilted from a face (100) to face (111)-A direction or to an equivalent face orientation with respect to the atomic arrangement or from face (x11)-A (where x represents an integer of 1 or above) to the face orientation (100) or in an equivalent direction, or tilted to any face orientation from the face (y11')-B (where y represents an integer of 1 or above) to an arbitrary face orientation. That is, the steps each being of one atom level are formed stairwise by tilting from the flat face (100). When the vapor phase epitaxy is performed on the substrate, an excellent epitaxial layer is formed through a bonding process of vapor phase atoms adsorbing and migrating on the surface to the step part. Through these procedures low noise and rapid response are achieved.

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に関す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Application Field) The present invention relates to a semiconductor light-receiving device, and particularly to an avalanche multiplication type semiconductor light-receiving device that is excellent in low noise and high-speed response.

(従来の技術) 従来、波長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In0.53GaO
.47AB層(以下、InGaAs層と略記する)を光
吸収層とするPIN塁半導体受光素子がエレクトロニク
ス・レターズ(Electronics Letter
s)1984年20巻pp653−pp654に、アバ
ランシェ増倍童半導体受光素子がアイ・イー・イー・イ
ー・エレクトロン・デバイス・レターズ(IEEE. 
Elctron. Device Letters)1
986年7巻pp257 − pp258)に記載され
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。
(Prior art) Conventionally, In0.53GaO lattice-matched on an InP substrate has been used as a semiconductor light-receiving element for optical communication in the wavelength band of 1 to 1.6 μm.
.. A PIN-based semiconductor light-receiving element with a 47AB layer (hereinafter abbreviated as InGaAs layer) as a light absorption layer was published in Electronics Letters.
s) In 1984, Vol. 20, pp. 653-654, avalanche multiplier semiconductor photodetectors were published in IEEE Electron Device Letters (IEEE.
Electron. Device Letters) 1
986, Vol. 7, pp. 257-pp. 258). In particular, avalanche multiplication type semiconductor light receiving elements have been put into practical use for long-distance optical communications because they have an internal gain effect due to avalanche multiplication and high-speed response.

ところで、アバランシェ増倍型半導体受光素子(以下、
APDと略記する)の動作原理は、光吸収によって発生
した光キャリアを高電界領域中に注入する事により、イ
オン化衝突を起こし増倍特性を得ている。このAPDに
おいて、素子特性上重要な雑音・高速応等特性は、増倍
過程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
孔のイオン化率をそれぞれα及びpとすると、a/p>
1の時には電子、p/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。
By the way, avalanche multiplication type semiconductor photodetector (hereinafter referred to as
The operating principle of the APD (abbreviated as APD) is to inject photocarriers generated by light absorption into a high electric field region to cause ionization collisions and obtain multiplication characteristics. In this APD, it is known that the noise and high speed response characteristics, which are important in terms of device characteristics, are dominated by the random ionization process of carriers during the multiplication process. Specifically, the greater the difference between the ionization rates of electrons and holes in the InP layer, which is the multiplication layer, the more ionization collisions occur with pure carriers (the ionization rates of electrons and holes are α and p, respectively). Then, a/p>
When p/α>1, holes should be the main carriers that cause ionization collisions. ) Desirable in terms of device characteristics.

ところが、イオン化率比(p/α)は材料物性的は決定
されており、InPでは高々p/α=2程度である。こ
れは、低雑音特性を有するSiのa/p−20と大きな
違いがあり、より低雑音及び高速応等特性を実現する為
に画期的な材料技術が要求されている。
However, the ionization rate ratio (p/α) is determined by the physical properties of the material, and for InP, p/α=2 at most. This is significantly different from the Si a/p-20, which has low noise characteristics, and innovative material technology is required to realize even lower noise and high-speed response characteristics.

これに対し、エフ・カバソ(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
〜L611m)に対しては、ケー・ブレナン(K. B
rennan)がInALAs/InGaAs超格子系
を増倍層として適用する事によって、モンテカルロ法に
よりイオン化率比a/13−20程度が得られる事を理
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・デバイスズに記載されてい
る。(IEEE. Trans. Electron 
Devices, ED−33, pp−1502−1
510(1986))。また牧田等はMOCVD技術を
用いてInAIAs/InGaAs超格子APDを試作
し、a/p>15である事を検証している(第50回応
用物理学会学術講演会講演予稿集第三分冊、29ZM−
4、1989秋季)。
On the other hand, F. Capasso et al. applied a superlattice structure with large band discontinuities to an avalanche multiplication layer (Appl. Phys. Lett., 40, p.
p. 38-40 (1982)) proposes that the ionization rate ratio can be artificially controlled. Optical communication wavelength band (1
~L611m) against Kay Brennan (K.B.
Rennan) theoretically estimated that by applying an InALAs/InGaAs superlattice system as a multiplication layer, an ionization rate ratio of about a/13-20 could be obtained by the Monte Carlo method. Described in IEE Transactions on Electron Devices. (IEEE. Trans. Electron
Devices, ED-33, pp-1502-1
510 (1986)). In addition, Makita et al. fabricated a prototype InAIAs/InGaAs superlattice APD using MOCVD technology and verified that a/p > 15 (3rd volume of the proceedings of the 50th Japan Society of Applied Physics Academic Conference, 29ZM −
4, Fall 1989).

これらの超格子構造を用いたアバランシェ増倍型受光素
子(以下超格子APDと略記する)は、従来のInGa
As−APDを特性上はるかにしのぐデバイスとして大
きな期待が寄せられている。
Avalanche multiplier photodetectors (hereinafter abbreviated as superlattice APD) using these superlattice structures are
There are great expectations as a device that far exceeds As-APD in terms of characteristics.

(発明が解決しようとする課題) 前述の超格子としては、特に波長1〜1.611m帯の
光通信用に限定した場合、ケー・ブレナン(K.Bre
nnan)が提案したInAIAs/InGaAs超格
子系が考えられる。この超格子系は、価電子帯側(ΔE
vwO.2eV)に比較し伝導体側に大きな不連続性(
ΔEcmO.5eV)を有する。この為、光によって発
生したキャリアにおいて特に電子が、バンド不連続領域
(超格子構造領域)を走行する事多こより伝導体不連続
をエネルギーとして取り込む事が可能になり、その結果
電子のイオン化衝突閾値エネルギーを実効的に減少させ
る事が可能となる。それ故、InAIAs/InGaA
s超格子APDは、電子を選択的にイオン化するつまり
呻比を増大する特性を有する。事実、牧田等の実験にお
いでもInAIAs/InGaAs超格子APDにおい
て電子のイオン化率比が選択的に増大し、a/13比が
15以上である事を検証しており、上述のデバイス原理
は確証のあるものとなっている。
(Problems to be Solved by the Invention) As the above-mentioned superlattice, when limited to optical communication in the wavelength band of 1 to 1.611 m, the superlattice described by K.
The InAIAs/InGaAs superlattice system proposed by Nnan) can be considered. This superlattice system is located on the valence band side (ΔE
vwO. 2eV), there is a large discontinuity on the conductor side (
ΔEcmO. 5 eV). For this reason, in carriers generated by light, electrons in particular often travel through band discontinuities (superlattice structure regions), making it possible to take in conductor discontinuities as energy, and as a result, the electron ionization collision threshold It becomes possible to effectively reduce energy. Therefore, InAIAs/InGaA
The s superlattice APD has the property of selectively ionizing electrons, that is, increasing the electron ratio. In fact, in experiments by Makita et al., it was verified that the electron ionization rate ratio increases selectively in InAIAs/InGaAs superlattice APDs, and the a/13 ratio is 15 or more, and the above device principle is confirmed. It has become something.

しかしながら、現在の超格子APDの特性はInAIA
s/InGaAs超格子構造の結晶品質に大きく依存し
ている事が知られている。例えば、InAIAs結晶は
多量の深いトラップ準位を有している事が既に報告され
ている。またInAIAsとInGaAsの界面品質に
関しても成長技術の制御性と大きく関係し、界面での欠
陥を介したトラップ準位も予想される。
However, the characteristics of current superlattice APDs are similar to that of InAIA.
It is known that it greatly depends on the crystal quality of the s/InGaAs superlattice structure. For example, it has already been reported that InAIAs crystal has a large number of deep trap levels. Furthermore, the quality of the interface between InAIAs and InGaAs is largely related to the controllability of the growth technique, and trap levels via defects at the interface are also expected.

これらのトラップ準位が、実際のデバイス構造に存在し
た場合には次に述べる様な問題が生じる。
If these trap levels exist in an actual device structure, the following problems will occur.

■トラップ準位を介したイオン化過程が生じ、本来のバ
ンド不連続を利用した増倍過程を汚染する。
■An ionization process occurs via the trap level, which contaminates the multiplication process that utilizes the original band discontinuity.

■トラップ準位を介した発生電流により暗電流が大きく
なる。
■The dark current increases due to the current generated through the trap level.

この様に、従来の超格子APDにおいては、特にInA
IAs/InGaAs超格子構造の結晶品質に関して解
決すべき課題があった。そこで、本発明の目的は、これ
らの課題を解決して低雑音・高速応答性を有する超格子
アバランシェ増倍型半導体受光素子を提供する事にある
In this way, in conventional superlattice APDs, especially InA
There was a problem to be solved regarding the crystal quality of the IAs/InGaAs superlattice structure. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve these problems and provide a superlattice avalanche multiplication type semiconductor light-receiving element having low noise and high-speed response.

(課題を解決するための手段) 前述の課題を解決するために本発明が提供する手段は、
半導体基板上に、超格子構造からなるアバランシェ゛増
倍層を有する半導体受光素子において、前記半導体基板
の面方位が(100)面より(111)一A面方向ある
いは原子配列上それと等価な面方向に傾いているか、(
x11)−A面(但しXはX≧1の整数)より(100
)面方向あるいはそれと等価な面方向に傾いているか、
(yl丁)−B面(但しyは1以上の整数)より任意の
面方向に傾いていることを特徴としている。
(Means for Solving the Problems) Means provided by the present invention to solve the above-mentioned problems are as follows:
In a semiconductor light-receiving element having an avalanche multiplication layer having a superlattice structure on a semiconductor substrate, the plane orientation of the semiconductor substrate is from the (100) plane to the (111)-A plane direction or a plane direction equivalent thereto in terms of atomic arrangement. Are you leaning towards (
x11)-A side (where X is an integer of X≧1), (100
) Is it tilted in the plane direction or an equivalent plane direction?
It is characterized by being tilted in an arbitrary plane direction from the (yl-d)-B plane (where y is an integer of 1 or more).

あるいは半導体基板上に、超格子構造からなるアバラン
シェ増倍層を有する半導体受光素子において、任意の面
方位の前記半導体基板が任意の面方向に3°〜10°傾
いている事を特徴としている。
Alternatively, in a semiconductor light-receiving element having an avalanche multiplication layer having a superlattice structure on a semiconductor substrate, the semiconductor substrate having an arbitrary plane orientation is tilted by 3° to 10° in an arbitrary plane direction.

(作用) 本発明は、上述の手段をとることにより、従来技術に残
された課題を解決した。
(Function) The present invention has solved the problems remaining in the prior art by taking the above-mentioned measures.

本発明においては、発明者は有機金属気相成長法(MO
CVD法)を用いてInAIAs/InGaAs超格子
構造の結晶品質を定性的に把握する実験を行った。本実
験で用いたMOCVD装置は、高周波加熱法によりIn
P基板を加熱しIII族原料としてTMAI( }リメ
チルアルミニウム)、TEGa( }リエチルガリウム
)、TMIn( }リメチルインジウム)、V族原料と
してAsH3(アルシン)ガス、PH3(フオスフイン
)ガスを導入する事によりInAIAs/InGaAs
超格子構造を得ている。
In the present invention, the inventors have developed a method using metal organic vapor phase epitaxy (MO
An experiment was conducted to qualitatively understand the crystal quality of the InAIAs/InGaAs superlattice structure using the CVD method. The MOCVD equipment used in this experiment uses a high-frequency heating method to
Heat the P substrate and introduce TMAI ( }limethylaluminum), TEGa ( }ethylgallium), TMIn ( }limethylindium) as group III raw materials, and AsH3 (arsine) gas and PH3 (phosphine) gas as group V raw materials. InAIAs/InGaAs
A superlattice structure has been obtained.

またInAIAs/InGaAs超格子構造の結晶品質
を定性的に把握する為の手段として、InP基板上にI
nAIAs/InGaAs単一井戸量子構造(SQW構
造)を積層し、2Kのフォトルミネッセンス法により評
価した。この場合、SQW構造の井戸層厚Lzに対する
フォトルミネッセンス半値幅を評価する事によって、界
面・バルク品質が推測できる事は良く知られている評価
技術である。
In addition, as a means to qualitatively understand the crystal quality of the InAIAs/InGaAs superlattice structure, I
A nAIAs/InGaAs single well quantum structure (SQW structure) was stacked and evaluated by a 2K photoluminescence method. In this case, it is a well-known evaluation technique that the interface/bulk quality can be estimated by evaluating the photoluminescence half-width with respect to the well layer thickness Lz of the SQW structure.

一般的には、Lzが狭い領域(Lz<50人)で半値幅
が広がる要因としては界面のゆらぎが大きい事、及びI
nAIAs, InGaAsバルクでの混晶ゆらぎによ
ると言われている。また、Lzが広い領域(LZ>5O
A)で半値幅が広がる要因としては、井戸層中での電子
濃度が高い事によるバンドフィリング効果が影響してい
る。ここで界面ゆらぎ・混晶ゆらぎ等は界面及びバルク
品質を間接的に示唆するものである。またバンドフィリ
ング効果もバルク及び界面での不純物・欠陥濃度に支配
される。それ故定性的には半値幅が狭い程超格子構造の
品質が良いことを示す。この様な背景のもとて本発明者
はInP基板の面方位によるInAIAs/InGaA
s超格子構造の結晶品質を把握した。
In general, the factors that increase the half-width in a region where Lz is narrow (Lz < 50 people) include large fluctuations at the interface and I
It is said that this is due to mixed crystal fluctuations in the bulk of nAIAs and InGaAs. In addition, a region where Lz is wide (LZ>5O
The reason for the widening of the half-width in A) is the band filling effect due to the high electron concentration in the well layer. Here, interfacial fluctuations, mixed crystal fluctuations, etc. indirectly suggest the interfacial and bulk quality. Furthermore, the band filling effect is also controlled by the impurity/defect concentration in the bulk and at the interface. Therefore, qualitatively, the narrower the half width, the better the quality of the superlattice structure. Against this background, the present inventors developed InAIAs/InGaA based on the plane orientation of the InP substrate.
The crystal quality of the s superlattice structure was grasped.

第3図は、問題点を解決する為の請求項1の発明の作用
に関するものでInAIAs/InGaAs SQW構
造において、Lzに対する温度2Kのフォトルミネッセ
ンス半値幅をプロットしている。この場合、サンプルと
して(100)フラットInP基板面、(100)面か
ら2°(111)−A面方向に傾いたInP基板面、(
100)面から2°(111)一B面方向に傾いたIn
P基板面を用いてはパラメータ化している。これより結
晶品質を比較すると(ioo)面から2°(111)−
A面方向に傾いた場合、半値幅が狭く結晶品質が良好で
ある。傾ける角度は2°と限らず1.5°以上あれば効
果がある。
FIG. 3 relates to the effect of the invention of claim 1 to solve the problem, and plots the photoluminescence half-width at a temperature of 2 K versus Lz in an InAIAs/InGaAs SQW structure. In this case, the samples include a (100) flat InP substrate surface, an InP substrate surface tilted 2° from the (100) plane toward the (111)-A plane, and (
In inclined at 2° from the 100) plane toward the (111)-B plane
The P substrate surface is used as a parameter. Comparing the crystal quality from this, 2° (111) − from the (ioo) plane
When the crystal is tilted toward the A-plane direction, the half-width is narrow and the crystal quality is good. The tilting angle is not limited to 2 degrees, but any angle of 1.5 degrees or more will be effective.

この結果は、第4図を用いて次の理由によって説明づけ
られる。一般に(100)フラット面より傾ける事によ
って一原子層の高さを有するステップが段々状に形成さ
れる。この様な基板上に気相エビタキシャル成長を行う
場合、気相原子(特にここではGa, In, AIか
らなるIII族原子)が表面に吸着・マイグレーション
してステップ部に結合する過程をへる事により、良質な
エビタキシャル層が形成される。この場合、特にステッ
プでの原子配列が重要で、配列的には第4図に示す様に
(111)−A面方向、(xti)−B面方向に傾けた
2つのタイプを考慮すれば充分である。ここで特に(1
11)−A面方向に傾けた場合には、マイグレーション
してきたIII族原子が3本の結合手をステップサイト
に向けられるので、原子配列的には安定な結合である。
This result can be explained by the following reason using FIG. Generally, steps having a height of one atomic layer are formed in a stepped manner by tilting from a (100) flat plane. When vapor phase epitaxial growth is performed on such a substrate, the process of adsorption and migration of gas phase atoms (especially group III atoms consisting of Ga, In, and AI here) to the surface and bonding to the step portion is avoided. As a result, a high quality epitaxial layer is formed. In this case, the atomic arrangement in the step is particularly important, and it is sufficient to consider two types of arrangement, one tilted toward the (111)-A plane and the other tilted toward the (xti)-B plane, as shown in Figure 4. It is. Especially here (1
11) When tilted in the -A plane direction, the migrated group III atoms direct their three bonds toward the step site, so the bond is stable in terms of atomic arrangement.

それに比較して(uT)一B面に傾けた場合は2本の結
合手がステップサイトに向くのみで安定ではない。これ
ゆえ(111)−A面方向に傾けた基板上でのエビタキ
シャル層の品質が良好となる。
In comparison, when it is tilted to the (uT)-B plane, only two bonds face the step site and it is not stable. Therefore, the quality of the epitaxial layer on the substrate tilted in the (111)-A plane direction is good.

同様な原子配列は、(x11)−A面基板(但しX≧1
)において(100)面方向に傾けた場合、(yl丁)
一B面基板(但しy≧1)において任意方向に傾けた場
合、及びそれらと等価な面方位関係にある場合が予想さ
れる。それ故、上述した面方位を用いた半導体基板上に
おいても、同様な結晶品質の改善が可能である。
A similar atomic arrangement is the (x11)-A-plane substrate (where X≧1
), when tilted in the direction of the (100) plane, (yl-d)
It is expected that a single B-plane substrate (y≧1) may be tilted in any direction, or may have an equivalent surface orientation relationship. Therefore, similar improvement in crystal quality is possible on a semiconductor substrate using the above-mentioned plane orientation.

以上の作用において(100)面より(111)−A面
方向、(x11)−A面(但しX≧1)より(100)
面方向、(y11)一B面(但しy≧1)より任意の面
方向に傾けたエ−基板を用いる事により、InGaAs
/InAIAs超格子構造の結晶品質が改善され、優れ
た超格子APDのデバイス特性が得られる。
In the above action, from (100) plane to (111)-A plane direction, from (x11)-A plane (however, X≧1) to (100)
By using an A substrate tilted in any plane direction from (y11)-B plane (y≧1), InGaAs
The crystal quality of the /InAIAs superlattice structure is improved, and excellent device characteristics of the superlattice APD can be obtained.

第5図は、請求項2による発明の作用について述べたも
ので、InAIAs/InGaAs 8QW構造におい
て基板面方位の角度を変えた場合の、フォトルミネッセ
ンス半値幅のLz依存性を示す。この場合、(ioo)
面より(110)面方向に00、2°、3°、6°、1
0°傾けたInP基板を用いる事により比較がなされて
いる。これより3°以上傾ける事によりフォトルミネッ
センス半値幅が低減する事が判る。
FIG. 5 describes the operation of the invention according to claim 2, and shows the Lz dependence of the photoluminescence half-width when the angle of the substrate surface orientation is changed in the InAIAs/InGaAs 8QW structure. In this case, (ioo)
00, 2°, 3°, 6°, 1 from the (110) plane
A comparison is made by using an InP substrate tilted by 0°. It can be seen from this that the photoluminescence half-width is reduced by tilting it by 3 degrees or more.

この結果は、ステップのテラス上での原子の拡散(マイ
グレーション)について示した第6図を用いて次の様な
理由によって説明づけられる。前述の?板面方位を傾け
る事によって生じるステップの長さ1は、一般に次式に
よって示される。
This result can be explained by the following reason using FIG. 6, which shows the diffusion (migration) of atoms on the terrace of the step. The aforementioned? The length 1 of the step caused by tilting the plate orientation is generally expressed by the following equation.

1=4 a■ cot(θ)        ....
.....  (1)ここでaQは格子定数、θはオフ
角度である。品質の良いエビタキシャル層を形成する為
には、前述した様にステップ部にIII族原子がマイグ
レーションしてきて安定に結合する事が重要な過程とな
る。
1=4 a■ cot(θ). .. .. ..
.. .. .. .. .. (1) where aQ is a lattice constant and θ is an off angle. In order to form a high-quality epitaxial layer, it is an important process that Group III atoms migrate to the step portion and stably bond, as described above.

ところで、このマイグレーションでき得る距離λは、原
子固有の物性によって律速される。
By the way, the possible migration distance λ is determined by the physical properties inherent to atoms.

ここでもし、第6図に示す様なλくlの場合(第6図(
b)に対応)には、III族原子がステップに到達する
確率が小さくなりランダムにステップ以外でクラスタ・
島状成長を引き起こす可能性があり、結晶品質の低下が
予想される。ステップ長1は(1)式に示される通りオ
フ角度が大きくなる事により小さくなる。ここでθを大
きくする事によりλ〉■の領域(第6図(a)に対応)
では、逆にIII族原子がマイグレーションにより安定
にステップに供給可能となる為に、結晶品質の改善がは
かられる。特に本発明において(100)面より(11
0)面方向に傾けた場合には3°以上(11) 傾ける事が有効な事が第5図の実験より定性的に示され
ている。オフ角度の上限に関しては本実験では10°ま
でなされていて何ら結晶品質的には劣るものではなかっ
た。
Here, if λ×l as shown in Fig. 6 (Fig. 6 (
Corresponding to b)), the probability that a group III atom will arrive at a step becomes smaller, and clusters and clusters randomly occur outside of the step.
It may cause island-like growth, and a decrease in crystal quality is expected. As shown in equation (1), the step length 1 becomes smaller as the off angle becomes larger. By increasing θ, the region of λ〉■ (corresponds to Fig. 6 (a))
In contrast, group III atoms can be stably supplied to the step through migration, so that crystal quality can be improved. In particular, in the present invention, the (11
0) When tilted in the plane direction, 3 degrees or more (11) The experiment shown in Figure 5 qualitatively shows that tilting is effective. In this experiment, the upper limit of the off-angle was set to 10°, and the crystal quality was not inferior in any way.

本作用は、他の基板面方位においても同様で、任意の基
板面方位おいて3°〜10°傾ける事により超格子構造
の品質を向上する事が可能になり、より優れたデバイス
特性を有する超格子APDが実現可能となる。
This effect is the same for other substrate surface orientations, and by tilting the substrate surface by 3° to 10°, it is possible to improve the quality of the superlattice structure, resulting in better device characteristics. Superlattice APD becomes possible.

以上、説明した様に基板面をある面方向に傾ける事によ
り、あるいは任意の面方向に3°〜10°傾ける事によ
り、各々違った作用により結晶品質の改善が期待される
。この様な作用は本発明においてはMOCVD法により
確証しているが、同様な作用は他の気相成長方法例えば
MBE(Molecular BeamEpitaxy
)法、ガスソースMBE法、MO−MBE法においても
十分に適用されるものである。
As described above, by tilting the substrate surface in a certain plane direction, or by tilting it in an arbitrary plane direction by 3° to 10°, it is expected that crystal quality will be improved due to different effects. In the present invention, such an effect is confirmed by the MOCVD method, but a similar effect can be obtained using other vapor phase growth methods such as MBE (Molecular Beam Epitaxy).
) method, gas source MBE method, and MO-MBE method.

(実施例) 以上、本発明の実施例について図面を参照し詳細に説明
する。第1図は、本発明の一実施例により(12) 形成された超格子構造を有するアバランシェ増倍聾受光
素子の構造断面図である。この実施例の構造は、n型I
nP基板1上にn壓InPバッファ層2、超格子構造(
InAIAs/InGaAs)からなるn型増倍層3、
n型InGaAs光吸収層4、nlInPキャップ層5
をMOCVD法により順次に積層してなる。その後にP
+受光領域6及びP−ガードリング領域7を拡散法によ
り形成し、さらにパッシベーション膜8、電極9,10
を形成する事によって素子構造を得ている。ここでIn
P基板1は本発明よりなる(100)面より(111)
−A面方向に傾けた基板、と、(100)面より(11
0)面方向に3°傾けた基板を用いて両方を製作した前
者は請求項1、後者は請求項2の発明に対応している。
(Example) Examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a structural sectional view of an avalanche multiplication deaf light receiving element having a superlattice structure formed (12) according to an embodiment of the present invention. The structure of this example is n-type I
An n-inch InP buffer layer 2 is formed on an nP substrate 1 with a superlattice structure (
an n-type multiplication layer 3 made of InAIAs/InGaAs);
n-type InGaAs light absorption layer 4, nlInP cap layer 5
are sequentially laminated by the MOCVD method. Then P
A + light-receiving region 6 and a P- guard ring region 7 are formed by a diffusion method, and a passivation film 8 and electrodes 9 and 10 are formed.
The device structure is obtained by forming . Here In
The P substrate 1 is made from the (100) plane of the present invention and has a (111) plane.
- The substrate is tilted toward the A plane, and the (11
0) The former and the latter correspond to the invention of claim 1 and claim 2, respectively, in which both were manufactured using substrates tilted by 3 degrees in the plane direction.

第1図の構造において、P+受光領域6より入射した光
はInGaAs光吸収層4において吸収され電子・正孔
対を生成する。この中で、電子は逆電界により超格子構
造からなるアバランシェ増倍層3に注入される。電子は
、InAIAs/InGaAs超格子構造中において大
きな伝導帯不連続(ΔEcwO.5eV)をエネルギー
として取り込む事により、イオン化衝突に達しやすくな
る。それ故電子のイオン化率が増大し、イオン化率比a
/13が誇張される事になる。
In the structure shown in FIG. 1, light incident from the P+ light-receiving region 6 is absorbed in the InGaAs light-absorbing layer 4 to generate electron-hole pairs. In this, electrons are injected into the avalanche multiplication layer 3 having a superlattice structure by a reverse electric field. Electrons easily reach ionizing collisions by taking in large conduction band discontinuities (ΔEcwO.5 eV) as energy in the InAIAs/InGaAs superlattice structure. Therefore, the ionization rate of electrons increases, and the ionization rate ratio a
/13 will be exaggerated.

ここで、本実施例の様に基板面を選択する事によって作
用に示した様に超格子構造の品質が改善できる。その為
、超格子APDのデバイス特性が向上する。
Here, by selecting the substrate surface as in this embodiment, the quality of the superlattice structure can be improved as shown in the operation. Therefore, the device characteristics of the superlattice APD are improved.

第2図には、本発明によって得られた超格子APD(第
2図中(a),(b))と従来技術によって得られた超
格子APD(第2図中(C))の電圧一暗電流特性を示
す。ここで、(a)は(100)面より(111)−A
面に傾けた■一基板を用いたもの、(b)は(100)
面より(110)面に3°傾けたInP基板を用いたも
の、(c)は(100)フラットInP基板を用いたも
のである。
FIG. 2 shows the voltage differences between the superlattice APD obtained by the present invention ((a), (b) in FIG. 2) and the superlattice APD obtained by the conventional technique ((C) in FIG. 2). Indicates dark current characteristics. Here, (a) is (111)-A from the (100) plane
Using one substrate tilted to the surface, (b) is (100)
(c) uses a (100) flat InP substrate.

一般に暗電流はその結晶品質に大きく影響をうけるが、
特にバルク・界面等に欠陥を有する場合トラップ準位を
形成する為に低電圧領域において発生電流として寄与す
る。第2図において本発明からなる超格子APDはいず
れも低電圧領域において従来技術より17100程度暗
電流が減少している。これは、本発明による超格子構造
の品質が良好である事を示している。
In general, dark current is greatly affected by the crystal quality.
In particular, when there is a defect in the bulk or interface, it contributes as a generated current in the low voltage region to form a trap level. In FIG. 2, the dark current of all superlattice APDs according to the present invention is reduced by about 17100 in the low voltage region compared to the conventional technology. This indicates that the quality of the superlattice structure according to the present invention is good.

以上、本発明法により1〜1.611m波長帯において
低雑音・高速応等にすぐれた超格子構造InAIAs/
InGaAsを倍増層とするアバランシェ増倍型受光素
子が可能となる。
As described above, by using the method of the present invention, the superlattice structure InAIAs/
An avalanche multiplication type light receiving element using InGaAs as a multiplication layer becomes possible.

尚本実施例の請求項1に対応する(100)面から(1
11)−A面に傾けた基板ではその傾き角は1.5°以
上あればよい。
Note that from the (100) plane to the (1
11) In the case of a substrate tilted to the -A plane, the tilt angle should be 1.5° or more.

また本実施例では請求項1の中の(x11)−A面より
(100)面方向あるいはそれと等価な方向に傾いてい
る基板や(yli)−B面より任意の面方向に傾いてい
る基板については示さなかったが、作用の項で述べたよ
うに同様の結晶の品質改善の効果があると考えられ、デ
バイスに適用した場合、本実施例と同等の効果が得られ
る。
In addition, in this embodiment, a substrate is tilted in the (100) plane direction or an equivalent direction from the (x11)-A plane in claim 1, and a substrate is tilted in an arbitrary plane direction from the (yli)-B plane. Although not shown, it is thought that there is a similar effect of improving the quality of the crystal as described in the section of the effect, and when applied to a device, the same effect as this example can be obtained.

(発明の効果) 以上に説明したように、本発明により得られるアバラン
シェ増倍型受光素子は、基板面を特定の面方位に傾ける
事によるあるいはその傾ける角度(16) を最適化する事により結晶品質の改善によって、デバイ
ス特性を向上する事が可能となる。
(Effects of the Invention) As explained above, the avalanche multiplication type light-receiving element obtained by the present invention can be made by tilting the substrate surface in a specific plane direction or by optimizing the tilt angle (16). Improving quality makes it possible to improve device characteristics.

特に超格子構造を有する受光素子に適用することにより
、低雑音・高速応等に優れたデバイスが得られる。
In particular, by applying the present invention to a light receiving element having a superlattice structure, a device excellent in low noise and high speed response can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明の一実施例のアバランシェ増倍型受光
素子の構造断面図。第2図は本発明及び従来の超格子A
PDの電圧一暗電流特性図。第3図はInAIAs/I
nGaAs SQW構造において井戸層厚に対するフォ
トルミネッセンス半値幅依存性を示す図。 第4図は、本発明の作用を説明するステップ領域での原
子配列を示す図。第5図はInAIAs/InGaAs
 SQW構造において井戸層圧に対するフォトルミネツ
センス半値幅依存性を示す図。第6図はステップのテラ
ス上での原子のマイグレーションを示す図。 各図において 1・nWInP基板((100)面より(111)−A
面方向に傾いた基板あるいは(100)面より(110
)面方向に3°傾いた基板)、2・・・n・壓InPバ
ッファ層、3・・・n型(16) InAIAs/InGaAs超格子構造(アバランシェ
増倍層)、4・・・n型InGaAs光吸収層、5・・
・n型InPキャップ層、6・・・P+一受光領域、7
・・・P−−ガードリング領域、8・・・パッシベーシ
ョン膜、9・・・P側オーミック用電極、10・・・n
側オーミック用電極。
FIG. 1 is a structural sectional view of an avalanche multiplication type light receiving element according to an embodiment of the present invention. Figure 2 shows the superlattice A of the present invention and the conventional one.
A voltage-dark current characteristic diagram of a PD. Figure 3 shows InAIAs/I
FIG. 3 is a diagram showing the dependence of photoluminescence half-width on well layer thickness in an nGaAs SQW structure. FIG. 4 is a diagram showing an atomic arrangement in a step region to explain the effect of the present invention. Figure 5 shows InAIAs/InGaAs
FIG. 3 is a diagram showing the dependence of the photoluminescence half-width on the well layer pressure in the SQW structure. FIG. 6 is a diagram showing the migration of atoms on the terrace of steps. In each figure, 1.nWInP substrate ((111)-A from (100) plane
A substrate tilted in the plane direction or a (110
) Substrate tilted by 3 degrees in the plane direction), 2...n-InP buffer layer, 3...n-type (16) InAIAs/InGaAs superlattice structure (avalanche multiplication layer), 4... n-type InGaAs light absorption layer, 5...
・N-type InP cap layer, 6...P+1 light-receiving region, 7
...P--guard ring region, 8...passivation film, 9...P-side ohmic electrode, 10...n
Side ohmic electrode.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)半導体基板上に、超格子構造からなるアバランシ
ェ増倍層を有する半導体受光素子において、前記半導体
基板の面方位が(100)面より(111)−A面方向
あるいは原子配列上それと等価な面方向に傾いているか
、(x11)−A面(但しxは1以上の整数)より(1
00)面方向あるいはそれと等価な方向に傾いているか
、(y1@1@)−B面(但しyは1以上の整数)より
任意の面方向に傾いていることを特徴とする半導体受光
素子。
(1) In a semiconductor light-receiving element having an avalanche multiplication layer having a superlattice structure on a semiconductor substrate, the plane orientation of the semiconductor substrate is from the (100) plane to the (111)-A plane or equivalently in terms of atomic arrangement. Is it tilted in the direction of the plane, or is it tilted to (1
00) A semiconductor light-receiving element characterized by being tilted in a plane direction or a direction equivalent thereto, or in an arbitrary plane direction from the (y1@1@)-B plane (where y is an integer of 1 or more).
(2)半導体基板上に、超格子構造からなるアバランシ
ェ増倍層を有する半導体受光素子において、任意の面方
位の前記半導体基板が任意の面方向に3゜〜10゜傾い
ている事を特徴とする半導体受光素子。
(2) A semiconductor light-receiving element having an avalanche multiplication layer having a superlattice structure on a semiconductor substrate, characterized in that the semiconductor substrate having an arbitrary plane orientation is tilted by 3° to 10° in an arbitrary plane direction. Semiconductor photodetector.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005539368A (en) * 2002-02-01 2005-12-22 ピコメトリックス インコーポレイテッド Planar avalanche photodiode

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