JPH03237765A - Avalanche photodiode - Google Patents

Avalanche photodiode

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JPH03237765A
JPH03237765A JP2034410A JP3441090A JPH03237765A JP H03237765 A JPH03237765 A JP H03237765A JP 2034410 A JP2034410 A JP 2034410A JP 3441090 A JP3441090 A JP 3441090A JP H03237765 A JPH03237765 A JP H03237765A
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JP
Japan
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layer
superlattice
well layer
electrons
energy
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JP2034410A
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Japanese (ja)
Inventor
Isao Watanabe
功 渡邊
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NEC Corp
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NEC Corp
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Abstract

PURPOSE:To obtain an avalanche photodiode of low noise and very high speed, by constituting superlattice of a barrier layer having resonance tunnel characteristics of short period superlattice and a well layer. CONSTITUTION:The title diode is constituted of a barrier layer 21 having resonance tunnel characteristics of short period superlattice and a well layer 22. A region (resonance tunnel barrier layer 21) where electrons 26 turn to ions and a region (well layer 22) where electrons 26 are accelerated are isolated. Since the well layer 22 is a comparatively thick layer where the quantum level is not formed, the increase of band gap corresponding to the energy amount of quantum level is not generated, so that the increase of ionization threshold energy and the decrease of ionization ratio are not caused. Further, since the resonance tunnel barrier 21 is used for the barrier layer, the electrons 26 can easily escape from the well layer 22 through electron conduction of a miniband, and the reduction of noise caused by random emission of electrons can be realized.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、光通信等で用いられる低雑音特性を有するア
バランシェ・フォトダイオード(APD)に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an avalanche photodiode (APD) having low noise characteristics used in optical communications and the like.

(従来の技術) 高速大容量光通信システムを構成にするには、超高速か
つ、低雑音・高感度特性を有する半導体受光素子が不可
欠である。このため、近年シリカ系ファイバの低損失波
長域1.0〜1.6pmに適応できるInP/InGa
As系アバランシェ・フォトダイオード(APD)の高
速化・高感度化に対する研究が活発となっている。この
InP/InGaAs系APDでは現在、串受光径化に
よる低容量化、層厚最適化によるキャノア走行時間の低
減、ペテロ界面への中間層導入によるキャリア・トラッ
プの抑制により、利得帯域幅(GB)積75GHzの高
速化が実現されている。しかしながら、この素子構造で
は、アバランシェ増倍層であるInPのイオン化率比I
3/αが〜2と小さいため(α:電子のイオン化率、I
3:正孔のイオン化率)、過剰雑音指数X(イオン化率
比が小さいほど大きくなる)が〜0.7と大きくなり、
低雑音化・高感度化には限界がある。これは、他のII
I −V族化合物半導体をアバランシェ増倍層に用いた
場合も同様である。そこで、カパッソ(F、 Capa
sso)等はアプライド・フィジックス・レター(Ap
pl、 Phys、 Lett、)、40(1)巻、3
8頁、Jan、、1982年で、超格子による伝導帯エ
ネルギー不連続量ΔEcを電子のイオン化に利用してイ
オン化率比a/pを人工的に増大させる構造を提案し、
実際にGaAlAs/GaAs系超格子でイオン化率比
a/13の増大(バルクGaAsの〜2に対して超格子
層で〜8)を確認した。第5図はそのバイアス印加時エ
ネルギーバンド図である。この図において、41はn+
+GaAs基板、42はn型GaAsバッファー層、4
3はn−型GaAlAs/GaAs超格子アバランシェ
増倍層であり、44のn−型GaAlAs障壁層と、4
5のn−型GaAs井戸層より構成される。また、46
はp+型領領域47は伝導帯不連続量ΔEc、48は価
電子帯不連続量ΔEv、49は井戸層のイオン化しきい
値エネルギーである。この第5図を用いて超格子による
イオン化率比C/13増大作用を説明する。この構造に
おいては、電子と正孔は、各ポテンシャル、ステップで
それぞれ伝導帯不連続量、価電子帯不連続量と等しいエ
ネルギーを獲得し、内部電界と各種散乱によって決まる
平均エネルギーよりもバンド不連続量に等しいエネルギ
ー分だけ高エネルギーな状態(=イオン化のしきい値エ
ネルギーに近い値)でGaAs井戸層45に注入される
。GaAlAs/GaAs系へテロ接合では、伝導帯不
連続量の方が価電子帯不連続量より大きく、また、正孔
は電子よりも頻繁な散乱のためエネルギーを失いやすい
ために、電子と正孔でイオン化しきい値エネルギーをこ
える分布確率に差が生じ、電子のイオン化率は増大する
が、正孔のイオン化率は増大しない。したがって、CL
/I3比はバルクの場合の約2に較べて、超格子では約
8と数倍改善でき、過剰雑音指数XもバルクGaAsの
0.9から0.25と小さくできる。
(Prior Art) In order to construct a high-speed, large-capacity optical communication system, a semiconductor light-receiving element having ultra-high speed, low noise, and high sensitivity characteristics is essential. For this reason, InP/InGa, which can be applied to the low-loss wavelength range 1.0 to 1.6 pm of silica-based fibers, has recently been developed.
Research into increasing the speed and sensitivity of As-based avalanche photodiodes (APDs) is active. In this InP/InGaAs APD, the gain bandwidth (GB) has been improved by reducing the capacitance by increasing the diameter of the skewer, reducing the Canoa transit time by optimizing the layer thickness, and suppressing carrier traps by introducing an intermediate layer at the Peter interface. A speed increase of 75 GHz has been achieved. However, in this device structure, the ionization rate ratio I of InP, which is the avalanche multiplication layer, is
Since 3/α is small at ~2 (α: electron ionization rate, I
3: Hole ionization rate), excess noise index X (the smaller the ionization rate ratio, the larger it becomes) becomes ~0.7,
There are limits to lower noise and higher sensitivity. This is the other II
The same applies when an IV group compound semiconductor is used for the avalanche multiplication layer. Therefore, Capasso (F, Capa
sso) etc. are applied physics letters (Ap
pl, Phys, Lett,), vol. 40(1), 3
p. 8, Jan, 1982, proposed a structure in which the ionization rate ratio a/p is artificially increased by utilizing the conduction band energy discontinuity amount ΔEc due to the superlattice for electron ionization,
In fact, we confirmed an increase in the ionization rate ratio a/13 in the GaAlAs/GaAs superlattice (~8 in the superlattice layer compared to ~2 in bulk GaAs). FIG. 5 is an energy band diagram when bias is applied. In this figure, 41 is n+
+GaAs substrate, 42 is n-type GaAs buffer layer, 4
3 is an n-type GaAlAs/GaAs superlattice avalanche multiplication layer, 44 n-type GaAlAs barrier layers, 4
It is composed of 5 n-type GaAs well layers. Also, 46
The p+ type region 47 is the conduction band discontinuity amount ΔEc, 48 is the valence band discontinuity amount ΔEv, and 49 is the ionization threshold energy of the well layer. The effect of increasing the ionization rate ratio C/13 due to the superlattice will be explained using FIG. 5. In this structure, electrons and holes acquire energy equal to the conduction band discontinuity and valence band discontinuity at each potential step, respectively, and the band discontinuity is higher than the average energy determined by the internal electric field and various scattering. It is implanted into the GaAs well layer 45 in a high energy state (=a value close to the threshold energy of ionization) by an energy equal to the amount. In a GaAlAs/GaAs system heterojunction, the amount of discontinuity in the conduction band is larger than the amount of discontinuity in the valence band, and holes tend to lose energy due to more frequent scattering than electrons, so electrons and holes There is a difference in the distribution probability of exceeding the ionization threshold energy at , and the ionization rate of electrons increases, but the ionization rate of holes does not. Therefore, C.L.
The /I3 ratio can be improved several times to about 8 in the superlattice compared to about 2 in the bulk case, and the excess noise figure X can be reduced from 0.9 of bulk GaAs to 0.25.

(発明が解決しようとする課題) しかしながら、前述の構造の受光素子は長距離光通信に
用いられる波長域1.3〜1.5pmに光感度を有して
いないため、この波長域に用いることができない。そこ
で、ニー(Young−June Yu)らは、アプラ
イド・フィジックス・レター(Appl、 Phys、
 Lett、。
(Problem to be Solved by the Invention) However, since the light receiving element with the above structure does not have photosensitivity in the wavelength range of 1.3 to 1.5 pm used for long-distance optical communication, it cannot be used in this wavelength range. I can't. Therefore, Young-June Yu et al.
Lett.

51(18)1433頁、1987)において、この波
長域に感度を有するInP系の超格子としてInAlA
s/InGaAs超格子を製作しa/13比の改善を試
みたが、後の報告(第47回デバイス・リサーチパコン
ファレンス、DRC。
51 (18) p. 1433, 1987), InAlA was used as an InP-based superlattice sensitive to this wavelength range.
An attempt was made to improve the a/13 ratio by fabricating an s/InGaAs superlattice, but a later report (47th Device Research Conference, DRC) was made.

Extended Abstract、 VIA−5)
に述べられる様な超格子井戸層からの電子のランダムな
放出による新たな雑音発生により雑音の低減はなされな
かった。第4図は、そのバイアス印加時のInAlAs
/InGaAs超格子の一部のエネルギーバンド図であ
る。この図において、31.32のn−型InAlAs
障壁層、及び、33のn−型InGaAs井戸層より構
成される。34は井戸層33のイオン化しきい値エネル
ギー、35は伝導帯不連続量ΔEcで0.55eVであ
る。また、36は電子である。
Extended Abstract, VIA-5)
Noise reduction was not achieved due to the generation of new noise due to the random emission of electrons from the superlattice well layer as described in . Figure 4 shows the InAlAs when bias is applied.
FIG. 3 is an energy band diagram of a part of the /InGaAs superlattice. In this figure, 31.32 n-type InAlAs
It is composed of a barrier layer and 33 n-type InGaAs well layers. 34 is the ionization threshold energy of the well layer 33, and 35 is the conduction band discontinuity amount ΔEc of 0.55 eV. Further, 36 is an electron.

この図においてInAlAs/InGaAs系超格子で
新たに賎測された雑音の原因について述べる。この構造
において、電子36が障壁層31から井戸層33に入っ
た後、イオン化しなかった場合、再び井戸層33から次
の障壁層32に入ろうとする。このとき電子36は伝導
帯不連続量ΔEc35と等しいエネルギーをエネルギー
障壁として感じる。電子36がパリスティック(無散乱
)に井戸層33を走行して通過することは、強電界下の
散乱確率が1014/s台であることから考えられず、
電子36は井戸層33で何回かの散乱(特に谷間散乱)
でその運動量ベクトルの方向を乱雑化され、また、フォ
ノン散乱による何回かのフォノン放出によるエネルギー
損失によって障壁界面に垂直な方向の運動エネルギーを
失い、障壁層32を乗り越えられなくなって一旦井戸層
33にトラップされる。このトラップされた電子36が
その後何回かの散乱を経て運動量ベクトルの再乱雑化で
確率的に障壁界面に垂直な方向の運動エネルギーを獲得
した場合、あるいは電界によるエネルギーを獲得した場
合に、その電子36は障壁32を乗り越えてトラップを
逃れることができる。この現象は確率的に起こるのでシ
ョットノイズ的に振舞うために雑音が増加する。従って
、この新たに発生した超格子井戸層からのランダムな電
子放出による雑音が多数の超格子井戸層から発生するこ
とで、もし、a713比が改善されてアバランシェ・シ
ョットノイズが低減されていたとしても、その効果を相
殺してしまうと考えられる。この様な井戸層の電子トラ
ップを緩和するためにグレーラブド障壁層の導入も提案
されたが(ウィリアムズ他、アイイーイーイーエレクト
ロンデバイスレターズIEEE。
In this figure, the cause of noise newly observed in the InAlAs/InGaAs superlattice will be described. In this structure, if the electrons 36 are not ionized after entering the well layer 33 from the barrier layer 31, they try to enter the next barrier layer 32 from the well layer 33 again. At this time, the electron 36 feels energy equal to the conduction band discontinuity amount ΔEc35 as an energy barrier. It is impossible for the electrons 36 to travel and pass through the well layer 33 in a parisistic manner (without scattering) because the probability of scattering under a strong electric field is on the order of 1014/s.
Electrons 36 are scattered several times in the well layer 33 (especially valley scattering)
, the direction of the momentum vector is disordered, and the kinetic energy in the direction perpendicular to the barrier interface is lost due to energy loss due to several phonon emissions due to phonon scattering. be trapped. If this trapped electron 36 then scatters several times and stochastically acquires kinetic energy in the direction perpendicular to the barrier interface due to re-disordering of the momentum vector, or if it acquires energy due to the electric field, Electrons 36 can overcome barrier 32 and escape the trap. Since this phenomenon occurs stochastically, the noise increases because it behaves like shot noise. Therefore, if noise due to random electron emission from this newly generated superlattice well layer is generated from a large number of superlattice well layers, the a713 ratio is improved and avalanche shot noise is reduced. It is also thought that this effect will be offset. In order to alleviate such electron traps in the well layer, it has been proposed to introduce a gray-loved barrier layer (Williams et al., IEEE Electron Device Letters IEEE).

ELECTRON DEVICE LETTER8,V
OL、 EDL−3,No。
ELECTRON DEVICE LETTER8,V
OL, EDL-3, No.

3、 pp、 71.1982)、結晶成長に精密な組
成制御が必要であり、成長方法が複雑、困難となるとい
う問題が残っている。
3, pp. 71.1982), the problem remains that crystal growth requires precise compositional control, making the growth method complicated and difficult.

そこで、本発明は、超格子を構成する半導体のバンド構
造に対する検討を行い、低雑音特性で超高速なアバラン
シェ・フォトダイオードを単純な半導体層構造で設計・
実現することを目的とする。
Therefore, the present invention investigates the band structure of the semiconductor that constitutes the superlattice, and designs and designs an ultra-high-speed avalanche photodiode with low noise characteristics using a simple semiconductor layer structure.
The purpose is to realize this.

(課題を解決するための手段) 本発明のアバランシェフォトダイオードは超格子層を増
倍層とするアバランシェ・フォトダイオードにおいて、
該超格子が、短周期超格子による共鳴トンネル特性を有
する障壁層と、井戸層より構成されていることを特徴と
する。
(Means for Solving the Problems) The avalanche photodiode of the present invention has the following features:
The superlattice is characterized in that it is composed of a barrier layer having resonant tunneling characteristics due to a short-period superlattice, and a well layer.

(作用) 本発明は、従来例(InAlAs/InGaAs系超格
子)の欠点をもたらす物理的機構を、理論的に検討する
ことで明らかにし、超格子井戸層からのランダムな電子
放出による雑音を低減してイオン化率比a/13増大に
よる低雑音化を有効にすることを目的とする。そして、
上述の構成により、従来の特性を改善した。第1図は、
本発明のアバランシェ・フォトダイオードの一例を示す
構造断面図であり、1はn++半導体基板、2はn型バ
ッファー層、3は本発明であるn””型超格子アバラン
シェ増倍層であり、その構成要素である4のn−型共鳴
トンネル障壁層、5のn−型井戸層よりなる。また、6
はn−型光吸収層、7はn−型キャップ層、8はp+型
領領域9はn側電極、1゜はp側電極、11は絶縁保護
膜である。
(Operation) The present invention clarifies the physical mechanism that causes the drawbacks of the conventional example (InAlAs/InGaAs superlattice) by theoretically examining it, and reduces noise due to random electron emission from the superlattice well layer. The purpose is to effectively reduce noise by increasing the ionization rate ratio a/13. and,
The above configuration improves the conventional characteristics. Figure 1 shows
1 is a structural cross-sectional view showing an example of an avalanche photodiode of the present invention, in which 1 is an n++ semiconductor substrate, 2 is an n-type buffer layer, and 3 is an n''-type superlattice avalanche multiplication layer of the present invention; It consists of four n-type resonant tunnel barrier layers and five n-type well layers, which are constituent elements. Also, 6
7 is an n-type light absorption layer, 7 is an n-type cap layer, 8 is a p+ type region 9 is an n-side electrode, 1° is a p-side electrode, and 11 is an insulating protective film.

第2図(a)は本発明の超格子の一部のバイアス印加時
のエネルギーバンド図を示す。この図において、21.
22はそれぞれ超格子を構成する共鳴トンネル障壁層、
井戸層であり、23伝導帯不連続量ΔEc、24と25
は量子準位ΔEq、26は電子を表す。また、第2図(
b)は前述とは別の従来例の超格子の一部のバイアス印
加時のエネルギーバンド図を示す。
FIG. 2(a) shows an energy band diagram of a part of the superlattice of the present invention when a bias is applied. In this figure, 21.
22 are resonant tunnel barrier layers each forming a superlattice;
It is a well layer, 23 conduction band discontinuity amount ΔEc, 24 and 25
represents a quantum level ΔEq, and 26 represents an electron. Also, Figure 2 (
b) shows an energy band diagram of a part of a conventional superlattice different from the one described above when a bias is applied.

この第2図(b)において、29.22はそれぞれ超格
子を構成する障壁層、井戸層であり、これらの組合せに
よる超格子は、ミニバンド27.28を形成するほど短
周期であるとする。
In this Fig. 2(b), 29 and 22 are barrier layers and well layers that constitute a superlattice, respectively, and the superlattice formed by the combination of these has a period so short that it forms a mini band 27 and 28. .

この第2図(a)、(b)及び、第4図を用いて本発明
の詳細な説明する。従来例であるInAlAs/InG
aAs系超格子では、前述の超格子井戸層からのランダ
ムな電子放射によるショット雑音が賎測される。この理
由を以下に述べる。
The present invention will be explained in detail using FIGS. 2(a), (b) and FIG. 4. Conventional example InAlAs/InG
In the aAs-based superlattice, shot noise due to random electron emission from the superlattice well layer mentioned above is ignored. The reason for this will be explained below.

第4図の超格子において、従来例のように井戸層33を
Ino、47Gao、53As1障壁層32をIn□、
52A10,4BAsで構成した場合の伝導帯不連続量
ΔEc35は0.55eVと大きいが、これは、ΔEc
によるエネルギー供与で電子36のイオン化を選択的に
増大させるために、InPに格子整合するInAlGa
As系でΔEcをできる限り大きくとったからである。
In the superlattice shown in FIG. 4, as in the conventional example, the well layer 33 is Ino, 47Gao, and the 53As1 barrier layer 32 is In□.
The conduction band discontinuity amount ΔEc35 when configured with 52A10,4BAs is as large as 0.55 eV;
InAlGa which is lattice matched to InP to selectively increase the ionization of electrons 36 by energy donation by
This is because ΔEc was made as large as possible in the As system.

一方、電子36が井戸層33から脱出するにはΔEcを
障壁と感じて井戸層33にトラップされてからランダム
に放出されるため、ΔEcが大きいほど雑音は発生し易
くなる。すなわち、超格子層をアバランシェ増倍層とし
て用いるには、ΔEcが大きいことが必要であるが、雑
音の低減には、これと同時に電子36の井戸層33への
トラップを抑えることを同時に満たすことが必要といえ
る。上記の条件を満たすためには、ΔEc35をできる
限り大きく保ったまま、電子36が井戸層33から脱出
しやすい構造をとるべきである。
On the other hand, since the electrons 36 sense ΔEc as a barrier to escape from the well layer 33 and are trapped in the well layer 33 before being randomly emitted, the larger ΔEc is, the more likely noise is generated. That is, in order to use the superlattice layer as an avalanche multiplication layer, ΔEc needs to be large, but in order to reduce noise, it is necessary to simultaneously suppress the trapping of electrons 36 in the well layer 33. It can be said that it is necessary. In order to satisfy the above conditions, a structure should be adopted in which the electrons 36 can easily escape from the well layer 33 while keeping ΔEc35 as large as possible.

そこで、まず考えられるのが第2図(b)の従来例であ
る、短周期の超格子をアバランシェ増倍層に用いること
である。本図においては、ミニバンド27が形成されて
いるために、このバンドを通しての電子伝導が存在し、
また実行的なバンド不連続量はΔEc23より量子準位
分のエネルギーΔEq24を差し引いた値ΔEc−ΔE
qに小さくなるので、電子は第4図の場合よりは井戸2
2から脱出しやすくなる。しかし、この例では増倍層全
体が一つの短周期超格子で形成されているために、電子
26がイオン化する領域と加速する領域が分離されてお
らす、電子と正孔の量子準位のエネルギー分だけバンド
ギャップの増加が生じて、イオン化しきい値エネルギー
(バンドギャップにほぼ比例する。)の上昇をもたらし
、イオン化しにくくなるという欠点が生しる。
Therefore, the first consideration is to use a short-period superlattice as the avalanche multiplication layer, as shown in the conventional example shown in FIG. 2(b). In this figure, since the mini band 27 is formed, there is electron conduction through this band,
In addition, the practical amount of band discontinuity is the value ΔEc−ΔE obtained by subtracting the quantum level energy ΔEq24 from ΔEc23.
q, so the electrons are closer to well 2 than in the case of Figure 4.
It will be easier to escape from 2. However, in this example, since the entire multiplication layer is formed of one short-period superlattice, the region where the electrons 26 are ionized and the region where they are accelerated are separated, and the quantum levels of the electrons and holes are separated. The band gap increases by the amount of energy, resulting in an increase in the ionization threshold energy (approximately proportional to the band gap), resulting in a disadvantage that ionization becomes difficult.

これらの従来例の欠点を解決するために考えられたのが
第2図(a)で示される本発明の構造である。
The structure of the present invention shown in FIG. 2(a) was devised to solve these drawbacks of the conventional example.

本発明では(短周期超格子による)共鳴トンネル特性を
有する障壁層21と井戸層22より構成されておリ、電
子26がイオン化する領域(共鳴トンネル障壁層21)
と加速する領域(井戸層22)が分離されていることを
特徴とする。井戸層22は量子準位が形威されない程度
の比較的厚い層厚(かつ、該井戸層22の層厚は、電子
波のコヒーレンスが室温で強く保存される長さ(数10
0人)より長くして共鳴トンネル障壁どうしの干渉は少
なくしである。)であるため、量子準位のエネルギー分
のバンドギャップ増加は生じず、従ってイオン化しきい
値エネルギーの上昇、イオン化率低下も生じない。しか
も、障壁層には、共鳴トンネル障壁21を用いているた
め、ミニバンドによる電子伝導で電子26の井戸層22
からの脱出が容易となり、ランダムな電子放出による雑
音低減が実現できる。
In the present invention, the barrier layer 21 and the well layer 22 have resonant tunneling characteristics (based on a short-period superlattice).
It is characterized in that the accelerating region (well layer 22) is separated from the accelerating region (well layer 22). The well layer 22 has a relatively thick layer thickness to the extent that no quantum level is formed (and the layer thickness of the well layer 22 is a length such that the coherence of electron waves is strongly preserved at room temperature (several 10
0 people), the interference between the resonant tunnel barriers is reduced. ), the band gap does not increase by the energy of the quantum level, and therefore the ionization threshold energy does not increase and the ionization rate does not decrease. Moreover, since the resonant tunnel barrier 21 is used as the barrier layer, electrons 26 are transferred to the well layer 22 by electron conduction by mini-bands.
Escape from the electron beam becomes easier, and noise reduction due to random electron emission can be realized.

以上の理由から判断すると、超格子の井戸層からの電子
ランダムな捕獲放出による雑音を防いで電子のイオン化
率増大を図り、がっ、4元混晶の傾斜した組成の精密な
制御が必要ないので製作の容易な矩形超格子を用いて、
超格子増倍層を形成するために、短周期超格子による共
鳴トンネル特性を有する障壁層と井戸層より構成される
増倍層を用いること、すなわち、電子がイオン化する領
域よ共鳴トンネル障壁層21)と加速する領域(井戸層
22)が分離される構造である点が従来の考え方より新
しい点である。
Judging from the above reasons, it is possible to increase the electron ionization rate by preventing noise caused by random capture and release of electrons from the well layer of the superlattice, and there is no need for precise control of the graded composition of the quaternary mixed crystal. Therefore, using a rectangular superlattice that is easy to fabricate,
In order to form the superlattice multiplication layer, a multiplication layer composed of a barrier layer and a well layer having resonant tunneling characteristics due to a short-period superlattice is used, that is, a region where electrons are ionized is separated from the resonant tunnel barrier layer 21. ) and the accelerating region (well layer 22) are separated from each other, which is newer than the conventional concept.

(実施例) 以下、本発明の実施例として、光通信で重要な波長域で
ある波長1.0〜1.6pmに受光感度を有する半導体
材料としてInAlGaAs/InGaAs系超格子を
とりあげアバランシェ・フォトダイオードを作製した。
(Example) In the following, as an example of the present invention, an InAlGaAs/InGaAs superlattice will be used as a semiconductor material having light-receiving sensitivity in a wavelength range of 1.0 to 1.6 pm, which is an important wavelength range in optical communication, and an avalanche photodiode will be described. was created.

上記の材料を用いて、第1図に示す半導体受光素子を以
下の工程によって製作した。
Using the above materials, the semiconductor light receiving element shown in FIG. 1 was manufactured through the following steps.

n+梨型InP基板l上、n型InPバッフ−rN2を
lpm厚に、キャリア濃度〜2×1015cm−3のn
−型In0.52AI0.4BAs/In□、53Ga
o、47Asよりなる超格子アバランシェ増倍層3を〜
2pm厚に、キャリア濃度〜2×1015cm−3のn
−型In□、53Gao、47AS光吸収層6を〜21
1m厚に、キャリア濃度〜l×1016cm−3のn−
型InPキャップ層7をlpm厚に順次、有機金属気相
成長法(MOVPE)を用いて成長する。
n+ pear-shaped InP substrate l, n-type InP buffer-rN2 to lpm thickness, carrier concentration ~2 x 1015 cm-3 n
-type In0.52AI0.4BAs/In□, 53Ga
o, superlattice avalanche multiplication layer 3 made of 47As ~
2 pm thick, carrier concentration ~2 x 1015 cm-3 n
- type In□, 53Gao, 47AS light absorption layer 6 ~ 21
With a thickness of 1 m, the carrier concentration is ~l x 1016 cm-3 of n-
An InP type cap layer 7 is sequentially grown to a thickness of lpm using metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE).

該超格子アバランシェ増倍層3は、本発明の条件を満た
す厚さ70Aのn−型In□、52A10.48As層
第2図(a)19を2層と層厚2図0Aのn−型InO
,53Ga□、47As層5第2図(a)20を1層よ
りなる2重共鳴トンネル障壁層4、第2図(a)では2
1と、厚さ400Aのn−型In□、53Ga□、47
As井戸層5、第2図(a)では22を繰り返し積層し
て構成される。この2重共鳴トンネル障壁層4のトンネ
ル透過確率のエネルギー依存性の計算結果を第3図に示
す。本図よりエネルギー値約0.1eVと約0.4eV
に共鳴トンネル準位が形成され、これがInGaAs井
戸層5からの電子脱出を容易にする。
The superlattice avalanche multiplication layer 3 consists of two layers of n-type In□, 52A10.48As layer 19 with a thickness of 70A, which satisfies the conditions of the present invention, and an n-type layer with a layer thickness of 20A. InO
, 53Ga□, 47As layer 5 In FIG. 2(a), 20 is a double resonant tunnel barrier layer 4 consisting of one layer;
1 and 400A thick n-type In□, 53Ga□, 47
The As well layer 5, 22 in FIG. 2(a), is repeatedly laminated. FIG. 3 shows the calculation results of the energy dependence of the tunnel transmission probability of this double resonant tunnel barrier layer 4. From this figure, the energy values are approximately 0.1 eV and approximately 0.4 eV.
A resonant tunnel level is formed in the InGaAs well layer 5, which facilitates electron escape from the InGaAs well layer 5.

以上の結晶をもとに、5i02拡散マスクを用いて直径
30pmの円形領域にZn選択拡散を深さlpmまで行
いp+型領領域8形成する。基板研磨後に絶縁保護膜1
1を形威し、さらにn側電極9をAuGeで、p側電極
10をAuZnで真空蒸着形成した。
Based on the above crystal, Zn is selectively diffused into a circular region having a diameter of 30 pm to a depth of 1 pm using a 5i02 diffusion mask to form a p+ type region 8. Insulating protective film 1 after substrate polishing
Further, the n-side electrode 9 was formed of AuGe, and the p-side electrode 10 was formed of AuZn by vacuum evaporation.

本発明の条件を満たす上記の実施例、すなわち、アバラ
ンシェ増倍層を厚さ70人のIn0.52A10.48
As1層20よりなる2重共鳴トンネル障壁と、厚さ4
00Aのn−型In0053Gao、47As井戸層2
2より構成される超格子を必要に応じて繰り返し積層し
て構成している場合と 従来のように In□、52A10,4BAs/In□、53Ga□、
47As超格子で構成している場合とで、イオン化率比
a/p(α:電子のイオン化率、p:正孔のイオン化率
)と雑音特性(周波数30MHz、バンド幅IMHzで
測定した過剰雑音指数から求めた実効イオン化率比ke
rr=13/α)を、超格子層以外の構造は同じとして
比較した結果、従来例のIn□、52A1o、4BAS
/Ino、47Ga□、53 As超格子APDでは光
電流増倍測定法によるイオン化率比c/13が〜20と
バルクInGaAsのイオン化率比2より改善されたも
のの、雑音特性は低電界・低増倍領域で実行イオン化率
比keホこの場合131α)が従来のマツキンタイヤ−
(R,J。
The above embodiment that satisfies the conditions of the present invention, that is, the avalanche multiplication layer has a thickness of 70 mm In0.52A10.48
A double resonant tunnel barrier consisting of an As1 layer 20 and a thickness of 4
00A n-type In0053Gao, 47As well layer 2
The case where a superlattice composed of
Ionization rate ratio a/p (α: electron ionization rate, p: hole ionization rate) and noise characteristics (excess noise figure measured at a frequency of 30 MHz and a bandwidth of IMHz) in the case of a 47As superlattice structure Effective ionization rate ratio ke found from
rr=13/α), assuming that the structure other than the superlattice layer is the same, the conventional examples In□, 52A1o, 4BAS
/Ino, 47Ga□, 53 As superlattice APD, the ionization rate ratio c/13 measured by photocurrent multiplication measurement method is ~20, which is improved from the ionization rate ratio of 2 for bulk InGaAs, but the noise characteristics are low electric field and low gain. In the double region, the effective ionization rate ratio ke (in this case 131α) is higher than that of conventional Matsukin tires.
(R,J.

McIntyre)の雑音理論を用いると見かけ上10
〜50と逆に大きくなった。これは超格子の井戸からの
電子のランダムな捕獲・放出による雑音がイオン化率比
改善による低雑音化を相殺したためである。これに対し
て、本発明の2重共鳴障壁l井戸層からなる超格子AP
Dでは光電流増倍測定法にらよるイオン化率比a/13
が〜10とバルクInGaAsのイオン化率比2より改
善され、かつ、雑音特性に関しても低電界・低増倍領域
から高電界・高増倍率領域においても実効イオン化率比
k”8ボ=a/p)が0.1〜0.2と小さく、超格子
の井戸からの電子のランダムな捕獲・放出による雑音が
削減されて、イオン化率比改善による低雑音化が実現で
きた。
McIntyre's noise theory, it appears that 10
~50, and it got bigger. This is because the noise caused by the random capture and release of electrons from the wells of the superlattice offset the reduction in noise due to the improvement of the ionization rate ratio. On the other hand, the superlattice AP consisting of the double resonant barrier l-well layer of the present invention
In D, the ionization rate ratio a/13 by photocurrent multiplication measurement method.
is ~10, which is improved from the ionization rate ratio of 2 for bulk InGaAs, and in terms of noise characteristics, the effective ionization rate ratio k''8bo=a/p is maintained from the low electric field/low multiplication region to the high electric field/high multiplication region. ) was as small as 0.1 to 0.2, noise caused by random capture and release of electrons from the superlattice wells was reduced, and noise reduction was achieved by improving the ionization rate ratio.

以上、本発明の本実施例では波長1.0〜1.6pmに
受光感度を有する低雑音APDが実現でき、本発明の価
値は極めて大きい。
As described above, in this embodiment of the present invention, a low-noise APD having light receiving sensitivity at a wavelength of 1.0 to 1.6 pm can be realized, and the value of the present invention is extremely large.

上記実施例では、InAlGaAs系を用いたが、これ
に限らずInGaAlAs/AlGaAsSb系や、I
nGaAsP系を用いた構造でも同様に作用し、顕昔な
効果がある。
In the above embodiment, InAlGaAs system was used, but the invention is not limited to this, and InGaAlAs/AlGaAsSb system, I
A structure using the nGaAsP system also works in the same way and has an outstanding effect.

(発明の効果) 本発明によればイオン化率比改善による低雑音化と井戸
層からの電子のランダムな捕獲、放出による雑音の低減
でき、低雑音で超高速なアバランシェフォトダイオード
が得られる。
(Effects of the Invention) According to the present invention, noise can be reduced by improving the ionization rate ratio and noise due to random capture and release of electrons from the well layer can be reduced, and a low-noise and ultra-high-speed avalanche photodiode can be obtained.

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

第1図は、本発明のアバランシェフォトダイオードの一
実施例を示す構造断面図である。 第2図(a)は本発明の超格子の一部のバイアス印加時
のエネルギーバンド図を示す。第2図(b)は従来例の
超格子の一部のバイアス印加時のエネルギーバンド素を
示す。 第3図は、本発明の一実施例において2重共鳴トンネル
障壁と、そのトンネル透過確率のエネルギー依存性の計
算結果を示す図である。 第4図は、従来例のInAlAs/InGaAs超格子
APDの超格子増倍層の一部のバイアス印加時のエネル
ギーバンド図である。 第5図は、従来例のGaAlAs/GaAs系超格子A
PDのバイアス印加時エネルギーバンド図である。 各図において 1、・・n++半導体基板、2・・・n型バッファー層
、3、Tl−型超格子アバランシェ増倍層、4・・・n
−型共鳴トンネル障壁層、5・・・n−型井戸層、6・
・・n−型光吸収層、7・・・n−型キャップ層、8・
・、p+型領領域9・・、n側電極、10・・・p側電
極、11・・・絶縁保護膜、19・・・n−型InAl
As層、2O−n−型InGaAs層、21・・・共鳴
トンネル障壁層、22・・・井戸層、23・・・伝導帯
不連続量、24.25・・・量子準位、26.36・・
・電子、27.28・・・ミニバンド、29・・・障壁
層、31.32・・・n−型InAlAs障壁層、33
・・・n−型InGaAs井戸層、34・・・井戸層の
しきい値エネルギー、35・・・伝導帯不連続量、41
・・・n++GaAs基板、42・・・n型GaAsバ
ッファー層、43・・・n−型GaAlAs/GaAs
超格子アバランシェ増倍層、44・・・n型GaAlA
s障壁層、45−n−型GaAs井戸層、46・p+型
領領域47・・・伝導帯不連続量、48・・・価電子帯
不連続量、49・・・井戸層のしきい値エネルギーであ
る。
FIG. 1 is a structural sectional view showing one embodiment of an avalanche photodiode of the present invention. FIG. 2(a) shows an energy band diagram of a part of the superlattice of the present invention when a bias is applied. FIG. 2(b) shows the energy band elements of a part of the conventional superlattice when a bias is applied. FIG. 3 is a diagram showing calculation results of a double resonant tunnel barrier and the energy dependence of its tunnel transmission probability in an embodiment of the present invention. FIG. 4 is an energy band diagram of a part of the superlattice multiplication layer of a conventional InAlAs/InGaAs superlattice APD when a bias is applied. FIG. 5 shows a conventional example of GaAlAs/GaAs superlattice A.
FIG. 3 is an energy band diagram of a PD when bias is applied. In each figure, 1... n++ semiconductor substrate, 2... n-type buffer layer, 3, Tl- type superlattice avalanche multiplication layer, 4... n
- type resonant tunnel barrier layer, 5... n-type well layer, 6...
... n-type light absorption layer, 7... n-type cap layer, 8.
・, p+ type region 9..., n side electrode, 10... p side electrode, 11... insulating protective film, 19... n- type InAl
As layer, 2O-n-type InGaAs layer, 21... Resonant tunnel barrier layer, 22... Well layer, 23... Conduction band discontinuity amount, 24.25... Quantum level, 26.36・・・
・Electron, 27.28... Mini band, 29... Barrier layer, 31.32... N-type InAlAs barrier layer, 33
... n-type InGaAs well layer, 34 ... threshold energy of well layer, 35 ... conduction band discontinuity amount, 41
...n++GaAs substrate, 42...n-type GaAs buffer layer, 43...n-type GaAlAs/GaAs
Superlattice avalanche multiplication layer, 44...n-type GaAlA
s barrier layer, 45-n-type GaAs well layer, 46.p+ type region 47... conduction band discontinuity amount, 48... valence band discontinuity amount, 49... well layer threshold value It's energy.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims]  超格子層を増倍層とするアバランシェ・フォトダイオ
ードにおいて、該超格子が、短周期超格子による共鳴ト
ンネル特性を有する障壁層と、井戸層より構成されてい
ることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
An avalanche photodiode having a superlattice layer as a multiplication layer, characterized in that the superlattice is composed of a barrier layer having resonant tunneling characteristics due to a short-period superlattice, and a well layer.
JP2034410A 1990-02-14 1990-02-14 Avalanche photodiode Pending JPH03237765A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011009788A (en) * 2002-02-01 2011-01-13 Picometrix Inc Planar avalanche photodiode

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