JPH03248481A - アバランシェ・フォトダイオード - Google Patents
アバランシェ・フォトダイオードInfo
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- JPH03248481A JPH03248481A JP2046170A JP4617090A JPH03248481A JP H03248481 A JPH03248481 A JP H03248481A JP 2046170 A JP2046170 A JP 2046170A JP 4617090 A JP4617090 A JP 4617090A JP H03248481 A JPH03248481 A JP H03248481A
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- 239000000969 carrier Substances 0.000 abstract description 5
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- 238000000034 method Methods 0.000 abstract 1
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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）
本発明は光通信に用いられる低雑音特性を有するアバラ
ンシェ・フォトダイオードに関する。
ンシェ・フォトダイオードに関する。
（従来の技術）
光フアイバー通信に用いられる受光デバイスには、微小
光を感知するために高感度で低雑音な特性を有する事が
要求される。現在波長１〜１．６μｍ帯においてＩｎＯ
，５３ＧａＯ，４□ＡｓとＩｎＰとのへテロ接合による
ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓへテロ接合アバランシェ、フォト
ダイオード（以下ＡＰＤと略記する）が実用化されてい
る。
光を感知するために高感度で低雑音な特性を有する事が
要求される。現在波長１〜１．６μｍ帯においてＩｎＯ
，５３ＧａＯ，４□ＡｓとＩｎＰとのへテロ接合による
ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓへテロ接合アバランシェ、フォト
ダイオード（以下ＡＰＤと略記する）が実用化されてい
る。
このＡＰＤはＩｎＧａＡｓで光を吸収し、発生した電子
・正孔キャリアのうち正孔を高電界領域のＩｎＰに注入
してアバランシェ増倍を生じさせるものである。ここで
、ＩｎＰは電子のイオン化率αよりも正孔のイオン化率
ｐの方が大きい（ｆ３７α〜２）ので、正孔をＩｎＰに
注入することは低雑音化に有利となっている。しかしな
がら、より低雑音化を図ろうとすれば、更に大きな１３
／α比もしくはａ／ｐ比を実現しなければならない。
・正孔キャリアのうち正孔を高電界領域のＩｎＰに注入
してアバランシェ増倍を生じさせるものである。ここで
、ＩｎＰは電子のイオン化率αよりも正孔のイオン化率
ｐの方が大きい（ｆ３７α〜２）ので、正孔をＩｎＰに
注入することは低雑音化に有利となっている。しかしな
がら、より低雑音化を図ろうとすれば、更に大きな１３
／α比もしくはａ／ｐ比を実現しなければならない。
そこで、禁制帯幅が周期的に変化する半導体超格子構造
を形成し、伝導帯不連続ΔＥでの電子のエネルギー供与
を利用して電子のイオン化率を人工的に高める超格子Ａ
ＰＤがＧ、 Ｆ、 Ｗｉｌｌｉａｍｓらによってアイイ
ーイーイートランザクションエレクトロンデバイスレタ
ーズＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ、 Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅ
ｖｉｃｅＬｅｔｔ、 ＥＤＬ−３巻Ｐ７１〜７３ （１
９８２）に紹介された。彼らによって作られた超格子Ａ
ＰＤはＡｌＧａＡｓ直接遷移型半導体の禁制帯幅が線形
に変化する周期ポテンシャル構造から成っているもので
、伝導帯不連続ΔＥ〜０．３ｅＶに相当するエネルギー
が電子に供与される。
を形成し、伝導帯不連続ΔＥでの電子のエネルギー供与
を利用して電子のイオン化率を人工的に高める超格子Ａ
ＰＤがＧ、 Ｆ、 Ｗｉｌｌｉａｍｓらによってアイイ
ーイーイートランザクションエレクトロンデバイスレタ
ーズＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ、 Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅ
ｖｉｃｅＬｅｔｔ、 ＥＤＬ−３巻Ｐ７１〜７３ （１
９８２）に紹介された。彼らによって作られた超格子Ａ
ＰＤはＡｌＧａＡｓ直接遷移型半導体の禁制帯幅が線形
に変化する周期ポテンシャル構造から成っているもので
、伝導帯不連続ΔＥ〜０．３ｅＶに相当するエネルギー
が電子に供与される。
（発明が解決しようとする課題）
上述した直接遷移型超格子ＡＰＤにおいては、得られる
Ｑ／Ｉ３比は高々１０程度である。仮にＡｌＧａＡｓ系
に代わって１〜１．６ｐｍ波長帯に適合するＩｎＡｌＧ
ａＡｓ系の直接遷移型超格子ＡＰＤを構成しても、電子
が供与できるΔＥのエネルギーは０．５ｅＶ程度であり
、大きなａ／ｐ比を得ることは困難である。何故ならば
、直接遷移型半導体の電子のイオン化しきい値エネルギ
ーは１．５−２．ＯｅＶの範囲にあり、ΔＥ （０，３
〜０．５ｅＶ）によるエネルギー供与分はしきい値エネ
ルギーに比べて大きくないからである。
Ｑ／Ｉ３比は高々１０程度である。仮にＡｌＧａＡｓ系
に代わって１〜１．６ｐｍ波長帯に適合するＩｎＡｌＧ
ａＡｓ系の直接遷移型超格子ＡＰＤを構成しても、電子
が供与できるΔＥのエネルギーは０．５ｅＶ程度であり
、大きなａ／ｐ比を得ることは困難である。何故ならば
、直接遷移型半導体の電子のイオン化しきい値エネルギ
ーは１．５−２．ＯｅＶの範囲にあり、ΔＥ （０，３
〜０．５ｅＶ）によるエネルギー供与分はしきい値エネ
ルギーに比べて大きくないからである。
（課題を解決するための手段）
そこで本発明は上述の欠点を改善し更に大きなｃＬ／ｐ
比を実現し、低雑音特性のＡＰＤを提供するものである
。本発明のアバランシェ・フォトダイオードは、傾斜状
（線型）に禁制帯幅が繰り返し変化する半導体周期構造
をアバランシェ増倍領域とするアバランシェ・フォトダ
イオードにおいて、前記、半導体周期構造のうち、少な
くとも禁制帯幅が広い方から狭い方に急に変化するヘテ
ロ界面、例えば禁制帯幅が最大値から最小値に急激に変
化するヘテロ界面に接する狭い方の禁制帯幅の半導体が
間接遷移型半導体で構成されることを特徴とする。
比を実現し、低雑音特性のＡＰＤを提供するものである
。本発明のアバランシェ・フォトダイオードは、傾斜状
（線型）に禁制帯幅が繰り返し変化する半導体周期構造
をアバランシェ増倍領域とするアバランシェ・フォトダ
イオードにおいて、前記、半導体周期構造のうち、少な
くとも禁制帯幅が広い方から狭い方に急に変化するヘテ
ロ界面、例えば禁制帯幅が最大値から最小値に急激に変
化するヘテロ界面に接する狭い方の禁制帯幅の半導体が
間接遷移型半導体で構成されることを特徴とする。
（作用）
本発明の作用・原理をエネルギーバンド図を示す第２図
を用いて説明する。第２図はイオン化過程をエネルギー
Ｅと波数にとの関係によって示している。イオン化過程
は、エネルギーＥと波数にの両者を保存するように生じ
る。更に、イオン化によって生じた２次キャリヤのエネ
ルギーはそのキャリヤが存在するエネルギーバンドのエ
ネルギー極小値近傍に位置する。従って直接遷移型半導
体（伝導帯の谷のうちｒ谷が最小のエネルギーをもつ）
においてはイオン化によって生じる２次キャリヤである
電子・正孔対は波数に＝０のｒ近傍に存在する。直接遷
移型では伝導帯のエネルギー下端と価電子帯のエネルギ
ー上端かに＝０で一致しているので、電子によるイオン
化と正孔によるイオン化の頻度が同程度に生じる。従っ
て直接遷移型ではαとｐの差を大きくとることは困難で
ある。それに対し、間接遷移型では伝導帯のエネルギー
最小値がｒ谷ではなく他の谷（例えばＸ谷、Ｌ谷）にな
る（第２図）。この場合、正孔によるイオン化過程に対
してはエネルギーと波数の両者を保存するような状態は
存在しないか、存在してもわずかであるため、第２図に
示すように、−次電子■によるイオン化が選択的に生じ
、二次キャリヤ■、■′を生成する。以上の事から間接
遷移型半導体ではα＞ｐとなる可能性が示唆される。
を用いて説明する。第２図はイオン化過程をエネルギー
Ｅと波数にとの関係によって示している。イオン化過程
は、エネルギーＥと波数にの両者を保存するように生じ
る。更に、イオン化によって生じた２次キャリヤのエネ
ルギーはそのキャリヤが存在するエネルギーバンドのエ
ネルギー極小値近傍に位置する。従って直接遷移型半導
体（伝導帯の谷のうちｒ谷が最小のエネルギーをもつ）
においてはイオン化によって生じる２次キャリヤである
電子・正孔対は波数に＝０のｒ近傍に存在する。直接遷
移型では伝導帯のエネルギー下端と価電子帯のエネルギ
ー上端かに＝０で一致しているので、電子によるイオン
化と正孔によるイオン化の頻度が同程度に生じる。従っ
て直接遷移型ではαとｐの差を大きくとることは困難で
ある。それに対し、間接遷移型では伝導帯のエネルギー
最小値がｒ谷ではなく他の谷（例えばＸ谷、Ｌ谷）にな
る（第２図）。この場合、正孔によるイオン化過程に対
してはエネルギーと波数の両者を保存するような状態は
存在しないか、存在してもわずかであるため、第２図に
示すように、−次電子■によるイオン化が選択的に生じ
、二次キャリヤ■、■′を生成する。以上の事から間接
遷移型半導体ではα＞ｐとなる可能性が示唆される。
本発明は線型に禁制帯幅が繰り返し変化する周期構造の
うち、伝導帯不連続ΔＥを与えるヘテロ界面に接する狭
い禁制帯幅の半導体領域を間接遷移型にすることでΔＥ
による電子のエネルギー供与のみならず、間接遷移型特
有のα＞ｐを利用してより大きいＱ／１３比を得るもの
である。更に本発明はアバランシェ増倍層に傾斜状に禁
制帯幅の変化した半導体周期構造（超格子増倍層）を用
いているため高速応答が可能である。
うち、伝導帯不連続ΔＥを与えるヘテロ界面に接する狭
い禁制帯幅の半導体領域を間接遷移型にすることでΔＥ
による電子のエネルギー供与のみならず、間接遷移型特
有のα＞ｐを利用してより大きいＱ／１３比を得るもの
である。更に本発明はアバランシェ増倍層に傾斜状に禁
制帯幅の変化した半導体周期構造（超格子増倍層）を用
いているため高速応答が可能である。
（実施例）
第１図（ａ）は本発明の一実施例を示す素子構造断面図
である。有機金属気相成長法により、基板温度６８０°
Ｃにおいて、ｎ −ＩｎＰ基板１の上に、ｎ −ＩｎＰ
バッファ層２（約１μｍ厚、〜ｌＸｌ０ ｃｍ キャ
リヤ濃度）、ｐ −ＡｌＧａＡｓＳｂ傾斜型周期層（約
０．５ｐｍ厚、光吸収層（約１．５ｐｍ厚、〜５Ｘ１０
ｃｍ キャリヤ濃度）、ｐ−ＩｎＰキャップ層（約１
ｐｍ厚、〜１×１０ｃｍキャリヤ濃度）を順次積層した
。本発明の超格子増倍層の構造の一例であるＡｌＧａＩ
ｎＡｓＳｂ傾斜型周期層３のバイアス印加時のポテンシ
ャル形状は詳しく第１図（ｂ）に示す。伝導帯不連続Δ
Ｅに接する狭い禁制帯幅領域（図の斜線部分）はＡｌｏ
、４Ｇａｏ、ｅＳｂ間接遷移型半導体（１周期分の厚さ
２００人）とし、それ以外の傾斜型領域は、（ＡＩｘＧ
ａｌ−ｘ）ｙＩｎｌ−ｙＡＳ直接遷移型半導体（１周期
分の厚さ３００人）とし、１０周期積層した。Ａｌｏ４
Ｇａｏ６ｓｂの禁制帯幅は１．１５ｅＶであり、ＡｌＧ
ａＩｎＡｓの禁制帯幅は１．１５〜１．８ｅＶまで線型
に変化するように組成Ｘ、ｙを調整した。
である。有機金属気相成長法により、基板温度６８０°
Ｃにおいて、ｎ −ＩｎＰ基板１の上に、ｎ −ＩｎＰ
バッファ層２（約１μｍ厚、〜ｌＸｌ０ ｃｍ キャ
リヤ濃度）、ｐ −ＡｌＧａＡｓＳｂ傾斜型周期層（約
０．５ｐｍ厚、光吸収層（約１．５ｐｍ厚、〜５Ｘ１０
ｃｍ キャリヤ濃度）、ｐ−ＩｎＰキャップ層（約１
ｐｍ厚、〜１×１０ｃｍキャリヤ濃度）を順次積層した
。本発明の超格子増倍層の構造の一例であるＡｌＧａＩ
ｎＡｓＳｂ傾斜型周期層３のバイアス印加時のポテンシ
ャル形状は詳しく第１図（ｂ）に示す。伝導帯不連続Δ
Ｅに接する狭い禁制帯幅領域（図の斜線部分）はＡｌｏ
、４Ｇａｏ、ｅＳｂ間接遷移型半導体（１周期分の厚さ
２００人）とし、それ以外の傾斜型領域は、（ＡＩｘＧ
ａｌ−ｘ）ｙＩｎｌ−ｙＡＳ直接遷移型半導体（１周期
分の厚さ３００人）とし、１０周期積層した。Ａｌｏ４
Ｇａｏ６ｓｂの禁制帯幅は１．１５ｅＶであり、ＡｌＧ
ａＩｎＡｓの禁制帯幅は１．１５〜１．８ｅＶまで線型
に変化するように組成Ｘ、ｙを調整した。
エピタキシャル成長の後、通常の露光技術と化学エツチ
ング技術により、直径８０μｍのメサ形状に加工し、プ
ラズマＣＶＤ法により、シリコン窒化（ＳｉＮＸ）表面
保護膜８を形成した。その後、通常の露光技術により、
表面保護膜８の一部をバッフアート弗酸によるエツチン
グで窓あけし、ｐ −ＩｎＰ表面が露出した領域にＡｕ
Ｚｎを蒸着し、ｐ側電極６を形成した。基板の裏面は全
面にＡｕＧｅ／Ｎｉを蒸着し、ｎ側電極７を形成した。
ング技術により、直径８０μｍのメサ形状に加工し、プ
ラズマＣＶＤ法により、シリコン窒化（ＳｉＮＸ）表面
保護膜８を形成した。その後、通常の露光技術により、
表面保護膜８の一部をバッフアート弗酸によるエツチン
グで窓あけし、ｐ −ＩｎＰ表面が露出した領域にＡｕ
Ｚｎを蒸着し、ｐ側電極６を形成した。基板の裏面は全
面にＡｕＧｅ／Ｎｉを蒸着し、ｎ側電極７を形成した。
本発明の実施例として、ＩｎＰ基板上のＡｌＧａＩｎＡ
ｓ５ｂ系に限って説明したが、他の材料系、例えばＡｌ
ＧａＡｓ／５ｉＧｅ系などについても同様に適用できる
。
ｓ５ｂ系に限って説明したが、他の材料系、例えばＡｌ
ＧａＡｓ／５ｉＧｅ系などについても同様に適用できる
。
（発明の効果）
第１図に示す本発明の構造においてダイオードに逆バイ
アス電圧を印加して、ｐ −ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ傾斜
型周期層（アバランシェ増倍領域）３、ｐ −ＩｎＧａ
Ａｓ光吸収領域４を空乏化させる。この状態において波
長１．５５ｐｍの光をｐ側表面より入射し、ＩｎＧａＡ
ｓ光吸収層で発生した電子をアバランシェ領域３に注入
した。この時、最大電子増倍率として２００倍程度が得
られた。一方、メサ形状のすそ野のｎ −ＩｎＰに波長
０．６３μｍの光を入射し、発生した正孔をアバランシ
ェ領域３に注入した時、最大正孔増倍率は２〜３倍程度
であった。この事は、ａ／１３比として１００以上に対
応する。これは従来の超格子ＡＰＤのＧ／１３比〜１０
に比べて著しい改善である。
アス電圧を印加して、ｐ −ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂ傾斜
型周期層（アバランシェ増倍領域）３、ｐ −ＩｎＧａ
Ａｓ光吸収領域４を空乏化させる。この状態において波
長１．５５ｐｍの光をｐ側表面より入射し、ＩｎＧａＡ
ｓ光吸収層で発生した電子をアバランシェ領域３に注入
した。この時、最大電子増倍率として２００倍程度が得
られた。一方、メサ形状のすそ野のｎ −ＩｎＰに波長
０．６３μｍの光を入射し、発生した正孔をアバランシ
ェ領域３に注入した時、最大正孔増倍率は２〜３倍程度
であった。この事は、ａ／１３比として１００以上に対
応する。これは従来の超格子ＡＰＤのＧ／１３比〜１０
に比べて著しい改善である。
第１図（ａ）は本発明の一実施例を示すＡＰＤの断面図
、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のアバランシェ増倍領域
のポテンシャル形状模式図、第２図は本発明の原理を示
すエネルギーバンド図である。 図において、■・・・半導体基板、２・・・バッファ層
、３９１．超格子増倍層、４・・・光吸収層、５・・・
キャップ層、６・１側電極、７・・・ｎ側電極、８・・
・表面保護膜。
、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のアバランシェ増倍領域
のポテンシャル形状模式図、第２図は本発明の原理を示
すエネルギーバンド図である。 図において、■・・・半導体基板、２・・・バッファ層
、３９１．超格子増倍層、４・・・光吸収層、５・・・
キャップ層、６・１側電極、７・・・ｎ側電極、８・・
・表面保護膜。
Claims (1)
- 傾斜状に禁制帯幅が繰り返し変化する半導体周期構造を
アバランシェ増倍領域とするアバランシェ・フォトダイ
オードにおいて、前記半導体周期構造のうち、少なくと
も禁制帯幅が広い方から狭い方に急に変化するヘテロ界
面に接する狭い方の禁制帯幅の半導体が、間接遷移型半
導体で構成されることを特徴とするアバランシェ・フォ
トダイオード。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2046170A JPH03248481A (ja) | 1990-02-26 | 1990-02-26 | アバランシェ・フォトダイオード |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2046170A JPH03248481A (ja) | 1990-02-26 | 1990-02-26 | アバランシェ・フォトダイオード |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03248481A true JPH03248481A (ja) | 1991-11-06 |
Family
ID=12739550
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2046170A Pending JPH03248481A (ja) | 1990-02-26 | 1990-02-26 | アバランシェ・フォトダイオード |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03248481A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06291359A (ja) * | 1993-04-07 | 1994-10-18 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
| US6350998B1 (en) | 1998-06-24 | 2002-02-26 | Nec Corporation | Ultraspeed low-voltage drive avalanche multiplication type semiconductor photodetector |
-
1990
- 1990-02-26 JP JP2046170A patent/JPH03248481A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06291359A (ja) * | 1993-04-07 | 1994-10-18 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
| US6350998B1 (en) | 1998-06-24 | 2002-02-26 | Nec Corporation | Ultraspeed low-voltage drive avalanche multiplication type semiconductor photodetector |
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