JPH03244165A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH03244165A JPH03244165A JP2042954A JP4295490A JPH03244165A JP H03244165 A JPH03244165 A JP H03244165A JP 2042954 A JP2042954 A JP 2042954A JP 4295490 A JP4295490 A JP 4295490A JP H03244165 A JPH03244165 A JP H03244165A
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- Japan
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- layer
- heteroperiodic
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- substrate
- light absorption
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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、高感度及び高
速応答に優れた半導体受光素子に関するものである。
速応答に優れた半導体受光素子に関するものである。
（従来の技術）
波長１〜１．６ｐｍ域における光通信用半導体受光素子
として、ＩｎＧａＡｓを光吸収層に用たヘテロ接合型Ｐ
ＩＮフォトダイオード（以下ＰＩＮ−ＰＤと略記）は、
「光通信素子工学」、米津氏著、工学図書株式会社刊、
３７２頁（１９８３）に記載されており、はぼ実用化さ
れている。
として、ＩｎＧａＡｓを光吸収層に用たヘテロ接合型Ｐ
ＩＮフォトダイオード（以下ＰＩＮ−ＰＤと略記）は、
「光通信素子工学」、米津氏著、工学図書株式会社刊、
３７２頁（１９８３）に記載されており、はぼ実用化さ
れている。
ＰＩＮ−ＰＤの重要な素子特性としては、高感度及び高
速応答が要求される。しかしながら、これらの特性は互
いにトレードオフの関係にある。即ち、感度を上げるた
めには、光吸収層の厚さを厚くしより多くの光を吸収す
る必要があるが、光吸収層の厚さが厚くなれば、キャリ
アの走行時間が長くなり高速応答を妨げる原因になる。
速応答が要求される。しかしながら、これらの特性は互
いにトレードオフの関係にある。即ち、感度を上げるた
めには、光吸収層の厚さを厚くしより多くの光を吸収す
る必要があるが、光吸収層の厚さが厚くなれば、キャリ
アの走行時間が長くなり高速応答を妨げる原因になる。
ここで、高速応答を定める要因として他にも容量と抵抗
で決まるＣＲ時定数による遮断周波数が挙げられるが、
走荷時間に基づく遮断周波数とバランスをとるように設
計できるのでここでは無視する。
で決まるＣＲ時定数による遮断周波数が挙げられるが、
走荷時間に基づく遮断周波数とバランスをとるように設
計できるのでここでは無視する。
現在用いられているＰＩＮ−ＰＤの光吸収層厚は約３ｐ
ｍ、周波数帯域は約１０ＧＨｚである。
ｍ、周波数帯域は約１０ＧＨｚである。
（発明が解決しようとする課題）
従来のＰＩＮ−ＰＤでは、感度と応答速度がトレードオ
フの関係にあり、光吸収層厚は約３ｐｍ、周波数帯域は
約１０ＧＨｚ程度である。本発明の目的は、光吸収層内
のキャリアをパリスティックに走行させることにより、
感度を下げることなく数十ＧＨｚの周波数帯域を有する
半導体受光素子を提供することにある。
フの関係にあり、光吸収層厚は約３ｐｍ、周波数帯域は
約１０ＧＨｚ程度である。本発明の目的は、光吸収層内
のキャリアをパリスティックに走行させることにより、
感度を下げることなく数十ＧＨｚの周波数帯域を有する
半導体受光素子を提供することにある。
（課題を解決するための手段）
本発明のＰＩＮフォトダイオード型半導体受光素子は、
光吸収層がヘテロ周期構造で構成され、そのヘテロ界面
が基板面に対してほぼ垂直且つ印加電界方向に対してほ
ぼ平行であり、且つ、前記ヘテロ周期構造を構成する第
一の半導体層のＩＩＩ族原子及び■族原子（これらは混
晶であってもよい）の平均イオン化エネルギーをそれぞ
れＥＡ及びＥＢ、第二の半導体層のＩＩＩ族原子及び■
族原子（これらは混晶であってもよい）の平均イオン化
エネルギーをそれぞれＥＣ及びＥＤとした場合、 ＥＡ＞ＥＣ，ＥＢ＜ＥＤ の関係が成り立ち、且つ、前記ヘテロ周期構造と垂直に
ｐｎ接合面が構成されていることを特徴とする。
光吸収層がヘテロ周期構造で構成され、そのヘテロ界面
が基板面に対してほぼ垂直且つ印加電界方向に対してほ
ぼ平行であり、且つ、前記ヘテロ周期構造を構成する第
一の半導体層のＩＩＩ族原子及び■族原子（これらは混
晶であってもよい）の平均イオン化エネルギーをそれぞ
れＥＡ及びＥＢ、第二の半導体層のＩＩＩ族原子及び■
族原子（これらは混晶であってもよい）の平均イオン化
エネルギーをそれぞれＥＣ及びＥＤとした場合、 ＥＡ＞ＥＣ，ＥＢ＜ＥＤ の関係が成り立ち、且つ、前記ヘテロ周期構造と垂直に
ｐｎ接合面が構成されていることを特徴とする。
（作用）
本発明は上述の手段をとることにより、従来のＰＩＮ−
ＰＤにおけるキャリアの走行速度を向上させ、感度を下
げることなく、従来に比べて２〜３倍速い高速応答を可
能とした。
ＰＤにおけるキャリアの走行速度を向上させ、感度を下
げることなく、従来に比べて２〜３倍速い高速応答を可
能とした。
第２図の左側は、光吸収層のヘテロ周期構造の基板面に
平行で、かつ積層方向に垂直なバンド構造図で、第２図
の右側は、基板面に垂直な方向でみたバンド構造図で第
２図の左側と右側で対応する部分を破線で示している。
平行で、かつ積層方向に垂直なバンド構造図で、第２図
の右側は、基板面に垂直な方向でみたバンド構造図で第
２図の左側と右側で対応する部分を破線で示している。
光吸収層には、上述のバンド構造を満たす具体例として
一例として、ＡｌｘＧａ１−８Ａｓ（０≦Ｘ≦１）／Ｉ
ｎ、Ｇａ１−、Ａｓ（０≦ｙ≦１）の材料を用い、且つ
、ヘテロ界面が基板に垂直な半導体ヘテロ周期構造から
なっている。ここで、第２の半導体層であるＡｌｘＧａ
１−）（Ａｓ（０≦Ｘ≦１）のエネルギーギャップＥｇ
２（ｅＶ）は、光の入射波長λ（Ｐｍ）に対してＥｇ２
＜ １．２４７λ を満たすように設定することにより、第２の半導体層で
も光を吸収することができ、量子効率、即ち感度を従来
値に保つことが出来る、 本発明のヘテロ周期構造では第一の半導体層のＩＩＩ族
原子及び■族原子の平均イオンかエネルギーをそれぞれ
ＥＡ、 ＥＢ、第二の半導体層についてそれぞれＥＣ，
Ｅｐとすると、ＥＡ＞ＥＣ９ＥＢ＜ＥＤの関係があるた
め、第一の半導体層がエネルギーバンド構造上のエネル
ギー溝となっている。即ちこのヘテロ周期構造によりエ
ネルギー溝が形成され、ここでは第一の半導体層である
Ｉｎ、ＧａＡ、ｓ層が溝になっている。ＩｎＧａＡｓ層
の幅は、キャリアが一方向にパリスティックに走行する
ために、キャリアのフォノン散乱長より短い１００人と
した。
一例として、ＡｌｘＧａ１−８Ａｓ（０≦Ｘ≦１）／Ｉ
ｎ、Ｇａ１−、Ａｓ（０≦ｙ≦１）の材料を用い、且つ
、ヘテロ界面が基板に垂直な半導体ヘテロ周期構造から
なっている。ここで、第２の半導体層であるＡｌｘＧａ
１−）（Ａｓ（０≦Ｘ≦１）のエネルギーギャップＥｇ
２（ｅＶ）は、光の入射波長λ（Ｐｍ）に対してＥｇ２
＜ １．２４７λ を満たすように設定することにより、第２の半導体層で
も光を吸収することができ、量子効率、即ち感度を従来
値に保つことが出来る、 本発明のヘテロ周期構造では第一の半導体層のＩＩＩ族
原子及び■族原子の平均イオンかエネルギーをそれぞれ
ＥＡ、 ＥＢ、第二の半導体層についてそれぞれＥＣ，
Ｅｐとすると、ＥＡ＞ＥＣ９ＥＢ＜ＥＤの関係があるた
め、第一の半導体層がエネルギーバンド構造上のエネル
ギー溝となっている。即ちこのヘテロ周期構造によりエ
ネルギー溝が形成され、ここでは第一の半導体層である
Ｉｎ、ＧａＡ、ｓ層が溝になっている。ＩｎＧａＡｓ層
の幅は、キャリアが一方向にパリスティックに走行する
ために、キャリアのフォノン散乱長より短い１００人と
した。
動作原理は、まず空乏化したＡＩ ＧａＡｓ／ＩｎＧａ
Ａｓヘテロ構造光吸収層で電子−正孔対が発生する。こ
の吸収層内の電子と正孔は、空乏層内の電界で分離、ド
リフトされる。このとき、光吸収層にはエネルギー溝が
形成されているので、電子及び正孔は溝内に閉じ込めら
れ、一方向にパリスティックに走行し、高速応答を達成
することが出来る。
Ａｓヘテロ構造光吸収層で電子−正孔対が発生する。こ
の吸収層内の電子と正孔は、空乏層内の電界で分離、ド
リフトされる。このとき、光吸収層にはエネルギー溝が
形成されているので、電子及び正孔は溝内に閉じ込めら
れ、一方向にパリスティックに走行し、高速応答を達成
することが出来る。
この一方向へのパリスティック走行により、従来のＩｎ
ＧａＡｓＰＩＮ−ＰＤに比べ、２〜３倍程度の応答速度
の向上が得られる。
ＧａＡｓＰＩＮ−ＰＤに比べ、２〜３倍程度の応答速度
の向上が得られる。
（実施例）
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。
明する。
第１図は、本発明の一実施例により形成されたＰＩＮ−
ＰＤ型半導体受光素子の断面図である。構造としては、
ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰバッファ層２を０．５
ｐｍ、 ｎ−型ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓヘテロ周期
構造光吸収層３を３ｐｍ、 ｎ型Ｉｎ２Ｇａ１．、ｚＡ
ｓｗＰｌ−ｗウィンドウ層４（０≦２≦１，０≦Ｗ≦１
）０．５ｐｍ順次積層する。ここで、ヘテロ周期構造層
は基板面に垂直な構造であり、周期構造の各層の幅は、
それぞれ１００人とした。その後ｐ拡散層５をＺｎ拡散
により形成、Ｓｉ３Ｎ４のバッシベーション膜６、ｎ側
電極７をＡｕＧｅ／Ｎｉを１５００ＡとＴｉＰｔＡｕを
５００人により、Ｐイ則電イ黄８をＡｕ Ｚｎを１５０
０Ａ形威することによって第１図の素子構造が完成する
。
ＰＤ型半導体受光素子の断面図である。構造としては、
ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰバッファ層２を０．５
ｐｍ、 ｎ−型ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓヘテロ周期
構造光吸収層３を３ｐｍ、 ｎ型Ｉｎ２Ｇａ１．、ｚＡ
ｓｗＰｌ−ｗウィンドウ層４（０≦２≦１，０≦Ｗ≦１
）０．５ｐｍ順次積層する。ここで、ヘテロ周期構造層
は基板面に垂直な構造であり、周期構造の各層の幅は、
それぞれ１００人とした。その後ｐ拡散層５をＺｎ拡散
により形成、Ｓｉ３Ｎ４のバッシベーション膜６、ｎ側
電極７をＡｕＧｅ／Ｎｉを１５００ＡとＴｉＰｔＡｕを
５００人により、Ｐイ則電イ黄８をＡｕ Ｚｎを１５０
０Ａ形威することによって第１図の素子構造が完成する
。
ここで、ヘテロ周期構造のＡｌｘＧａ１−ｘＡ５（０≦
Ｘ≦１）／ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１−）のＸ
及びｙは、課題を解決するための手段の項で述べた要件
を満たず値とする。
Ｘ≦１）／ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１−）のＸ
及びｙは、課題を解決するための手段の項で述べた要件
を満たず値とする。
このヘテロ界面が基板に垂直なへ千日周期構造の成長は
、第３図（ａＸｂ）（ｃＸｄ）に示すように、（００１
）面から［１１０］方向にわずかに傾いた基板を用いる
ことにより可能である。第３図（ａ）に示すようにこの
傾き角０度とする。ここではａ、＝２〜３°とし；ｔ：
。この角度αは用いる基板や、ヘテロに周期構造の材料
組成、成長条件によりα＝０．５〜１０°の間で最適化
すればよい。この基板表面には、一定周期のスッテソブ
が存在する。（第３図（ａ））。結晶成長の速さは、［
１１０］方向より［１１０］方ｒａ１の方が速いので１
−１２分子層分のＡ１．ＧａＡｓ原料を供給すると、ス
デップエッジからテラスのちょうど半分をＡ１．ＧａＡ
ｓ層が覆うようになる（第３図（ｂ））。この時の成長
は成長速度を小さくしガスの切り替えを迅速に行なうこ
とにより遠戚できる。次に同様にＩｎＧａＡｓを成長す
ると１分子層成長したことになる（第３図（Ｃ））。こ
れを繰り返すことにより、ヘテロ界面が基板に垂直なヘ
テロ周期構造を得ることが出来る（第３図（ｄ））。
、第３図（ａＸｂ）（ｃＸｄ）に示すように、（００１
）面から［１１０］方向にわずかに傾いた基板を用いる
ことにより可能である。第３図（ａ）に示すようにこの
傾き角０度とする。ここではａ、＝２〜３°とし；ｔ：
。この角度αは用いる基板や、ヘテロに周期構造の材料
組成、成長条件によりα＝０．５〜１０°の間で最適化
すればよい。この基板表面には、一定周期のスッテソブ
が存在する。（第３図（ａ））。結晶成長の速さは、［
１１０］方向より［１１０］方ｒａ１の方が速いので１
−１２分子層分のＡ１．ＧａＡｓ原料を供給すると、ス
デップエッジからテラスのちょうど半分をＡ１．ＧａＡ
ｓ層が覆うようになる（第３図（ｂ））。この時の成長
は成長速度を小さくしガスの切り替えを迅速に行なうこ
とにより遠戚できる。次に同様にＩｎＧａＡｓを成長す
ると１分子層成長したことになる（第３図（Ｃ））。こ
れを繰り返すことにより、ヘテロ界面が基板に垂直なヘ
テロ周期構造を得ることが出来る（第３図（ｄ））。
本発明の受光素子は、前記の素子構造を有することによ
り遮断周波数２０ＧＨｚの高速応答を実現した。量子効
率は８０％である。また、本発明の光吸収層の構造は、
他の材料系、例えば、Ｇａ１−２Ａ１２ＡｓｘＰ１ｘ（
０≦２≦１）（０≦Ｘ≦１） ／ Ｉｎ、Ｇａ１−、Ａ
ｓ （０≦ｙ≦１）等、課題を解決するための手段の項
で述べた要件を満たずものであればよい。更に、本発明
による素子構造は、アバランシェ増倍型受光素子の光吸
収層兼アバランシェ増倍層またはアバランシェ増倍層に
も適用できる。
り遮断周波数２０ＧＨｚの高速応答を実現した。量子効
率は８０％である。また、本発明の光吸収層の構造は、
他の材料系、例えば、Ｇａ１−２Ａ１２ＡｓｘＰ１ｘ（
０≦２≦１）（０≦Ｘ≦１） ／ Ｉｎ、Ｇａ１−、Ａ
ｓ （０≦ｙ≦１）等、課題を解決するための手段の項
で述べた要件を満たずものであればよい。更に、本発明
による素子構造は、アバランシェ増倍型受光素子の光吸
収層兼アバランシェ増倍層またはアバランシェ増倍層に
も適用できる。
本実施例では、ヘテロ周期構造の周期幅を１００Ａとし
たが、これに限るものではなく、ＩｎＧａＡｓ層の幅も
フォノン散乱長の２〜３倍程度の範囲まで、具体的には
５０Ａから５００人程席上でであればよい。
たが、これに限るものではなく、ＩｎＧａＡｓ層の幅も
フォノン散乱長の２〜３倍程度の範囲まで、具体的には
５０Ａから５００人程席上でであればよい。
本発明の素子構造は、具体的には、ＭＯＭＢＥ、ＭＢＥ
、ガスソースＭＢＥ等の成長技術により実現が可能であ
る。
、ガスソースＭＢＥ等の成長技術により実現が可能であ
る。
（発明の効果）
本発明によれば、従来のＰＩＮ−ＰＤに比べ、感度を下
げることなく２〜３培速い高速応答特性（≧２０ＧＢ（
ｚ）をもつ半導体受光素子が得られる。
げることなく２〜３培速い高速応答特性（≧２０ＧＢ（
ｚ）をもつ半導体受光素子が得られる。
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。第２図は、本発明の受光
素子のバンド構造図を示Ｉ７ている。第３図（ａＸｂＸ
ｃＸｄ）は、ヘテロ界面が基板に垂直なヘテロ周期構造
の結晶成長の過程を示した図である。 Ｊ、・・・ｌｌ型ＩｎＰ基板、２・・・ｎ型ＩｎＰバッ
ファ層、３−＝−ｎ−型ＡｌｘＧａ１−ＸＡ５（０≦Ｘ
≦１−）／Ｉｎ、Ｇａ１−、Ａｓ（０≦ｙ≦ｌ）／・、
テロ周期構造光吸収層、４−ｎ型ＩｎｚＧａｌ−ｚＡｓ
ｗ”１−ｗ （ｏ≦Ｚ≦１）（０≦Ｗ≦１）ウィンドウ
層、 ５−ｐ＋型型数散層受光領域）、 ６３０．ハッシヘーション膜（Ｓｉ３Ｎ４）、７・・・
ｐ側木−ミック用電極、
シェ増倍型受光素子の断面図。第２図は、本発明の受光
素子のバンド構造図を示Ｉ７ている。第３図（ａＸｂＸ
ｃＸｄ）は、ヘテロ界面が基板に垂直なヘテロ周期構造
の結晶成長の過程を示した図である。 Ｊ、・・・ｌｌ型ＩｎＰ基板、２・・・ｎ型ＩｎＰバッ
ファ層、３−＝−ｎ−型ＡｌｘＧａ１−ＸＡ５（０≦Ｘ
≦１−）／Ｉｎ、Ｇａ１−、Ａｓ（０≦ｙ≦ｌ）／・、
テロ周期構造光吸収層、４−ｎ型ＩｎｚＧａｌ−ｚＡｓ
ｗ”１−ｗ （ｏ≦Ｚ≦１）（０≦Ｗ≦１）ウィンドウ
層、 ５−ｐ＋型型数散層受光領域）、 ６３０．ハッシヘーション膜（Ｓｉ３Ｎ４）、７・・・
ｐ側木−ミック用電極、
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 半導体受光素子の光吸収層がヘテロ周期構造で構成され
、そのヘテロ界面が基板面に対してほぼ垂直かつ印加電
界方向に対してほぼ平行であり、且つ、前記ヘテロ周期
構造を構成する第一の半導体層のIII族原子及びＶ族原
子の平均イオン化エネルギーをそれぞれＥ＿Ａ及びＥ＿
Ｂ、第二の半導体層のIII族原子及びＶ族原子の平均イ
オン化エネルギーをそれぞれＥ＿Ｃ及びＥ＿Ｄとした場
合、 Ｅ＿Ａ＞Ｅ＿Ｃ、Ｅ＿Ｂ＜Ｅ＿Ｄ の関係が成り立ち、且つ、前記ヘテロ周期構造と垂直に
ｐｎ接合面が構成されていることを特徴とする半導体受
光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2042954A JPH03244165A (ja) | 1990-02-22 | 1990-02-22 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2042954A JPH03244165A (ja) | 1990-02-22 | 1990-02-22 | 半導体受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03244165A true JPH03244165A (ja) | 1991-10-30 |
Family
ID=12650416
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2042954A Pending JPH03244165A (ja) | 1990-02-22 | 1990-02-22 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03244165A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112382689A (zh) * | 2021-01-07 | 2021-02-19 | 武汉敏芯半导体股份有限公司 | 一种雪崩光电探测器及其制备方法 |
-
1990
- 1990-02-22 JP JP2042954A patent/JPH03244165A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112382689A (zh) * | 2021-01-07 | 2021-02-19 | 武汉敏芯半导体股份有限公司 | 一种雪崩光电探测器及其制备方法 |
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