JPH03291979A

JPH03291979A - アバランシェフォトダイオード

Info

Publication number: JPH03291979A
Application number: JP2093402A
Authority: JP
Inventors: Isao Watanabe; 功渡邊
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-04-09
Filing date: 1990-04-09
Publication date: 1991-12-24
Anticipated expiration: 2014-01-13
Also published as: JP2844822B2

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。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、高感度、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。

（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、小麦光径化に
よる低容量化、層厚最適化によるキャリア走行時間の低
域、ヘ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ｐ
／αが〜２と小さいため（α：電子のイオン化率、！３
：正孔のイオン化￥＝）、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
ＬＶ族化合物半導体をアバランシェ増倍層に用いた場合
も同様であり、低雑音化・高ＧＢ積化を遠戚するにはイ
オン化率比（Ｌ／１３を人工的に増大させる必要がある
。

そこで、カバッソ（Ｆ、　Ｃａｐａｓｓｏ）等はアプラ
イド、フィシツクスルター（Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　
Ｌｅｔｔ、、　４０　（１）。

ｐｐ、　３８−４０．１９８２）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ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ系超格子でイオン化
率比Ｑ／ｐの増大（バルクＧａＡｓの〜２に対して超格
子層で〜８）を確認した。そのアバランシェ増倍層のバ
イアス印加時のエネルギーバンド図を第４図に示す。１
１は厚さ５５０Ａのｎ−型ＧａＡｌＡｓ障壁層、１２は
厚さ４５０人のｎ−型ＧａＡｓ井戸層であり、１１と１
２の２５周期の繰り返しが超格子アバランシェ増倍層を
構成している。また、１３．１４はそれぞれ伝導帯不連
続量ΔＥｃ、価電子帯不連続量ΔＥｖである。また、１
５．１６はそれぞれ電子と正孔である。この構造では伝
導帯不連続量ΔＥｃが０．３５ｅＶと価電子帯不連続量
ΔＥｖの０．１５ｅＶより大きく、井戸層に入ったとき
バンド不連続により獲得するエネルギーが電子の方が大
きく、これによって電子がイオン化しきい値エネルギー
に達しやすくすることで電子イオン化率を増大させ、イ
オン化率比ｃｔ／１３の増大を図っている。しかしなが
ら、このＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系超棺子では長距離光
通信に用いられる波長１．０−１．６ｐｍ％Ｆに受光感
度をもたないという欠点を有する。更に広帯域と高量子
効率を同時に実現していなかった。

二のため、香川らはアプライド・フィジックス、レター
（Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　５５　（１０
）　ｐｐ、　９９３−９９５．１９８９）に、上記の波
長域に受光感度を有するＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡ３超
格子ＡＰＤの検討結果を報告した。

そのバイアス印加時のエネルギーバンド図を第５図に示
ず。２１はｐ＋梨型ＩｎＧａＡｓ光収層、２２は厚さ２
０ＯＡのｎ−型ＩｎＡｌＡｓ障壁層、２３は厚さ４００
Ａのｎ−型ＩｎＧａＡｓ井戸層であり、２２と２３の２
５周期の繰り返しが超格子アバランシェ増倍層を構成し
ている。また２４はｎ＋型ＩｎＧａＡｓ層、また、２５
．２６はそれぞれ電子と正孔である。

これによると、実験的にはイオン化率比ａ／ｐは９程度
（を異強度２８０ｋＶ／ｃｍ）が得られたが、５倍以上
の十分な増倍率を得る電界強度が２５０ｋＶ／ｃｍ以上
となり、バルク１ｎＧａＡｓのトンネル降伏限界を超え
るため、超格子層に隣接する１ｎＧａＡｓ光吸収層２１
に電界が印加されないよう、このＩｎＧａＡｓｎＧａＡ
ｓ光吸収線２１ｎを添加してｐ＋型化しなければならな
かった。しかし、この構造ではＩｎＧａＡｓｎＧａＡｓ
光吸収線２１加されないことから、応答周波数はキャリ
アの拡散速度に律速されるので、５ＧＨｚ程度の広帯域
特性を実現するには、該ＩｎＧａＡｓ光吸収層２１の厚
さをキャリアの拡散長、約１ｐｍ程度以下と小さくしな
ければならず、６０％以上の十分な量子効率を実現する
ことは不可能であった（波長１．３μｍに対して量子効
率１６％であった）。

第６図と第７図は高い量子効率を実現するためのＡＰＤ
の別の従来例の構造断面図を示す。両図において、３１
はｎ＋型半導体基板、３２はｎ型バッファ層、３３はｎ
−型アバランシェ倍増層（バルクもしくは、超格子層）
であり、３４はｎ−型光吸収層、３５はｎ−型キャップ
層、３６はｐ＋領領域３７はｎ側電極、３８はｐ側電極
、３９は絶縁保護膜であり、４０は金属膜（Ａｕ）反射
鏡、４１はｎ−型またはｎ型の半導体多層膜反射鏡であ
る。

これらの従来例では、ｐ＋梨型ＩｎＧａＡｓ光収層３４
の厚さがｌｐｍと薄いとき、波長１．５５μｍ入射の光
の４８％がこのＩｎＧａＡｓ層３４に吸収され、残りの
５２％は透過する。量子効率を上げるためにこの透過光
を再びＩｎＧａＡｓ吸収層３４に入射させるためには、
ＩｎＧａＡｓｎＧａＡｓ光吸収上３４、最初入射した面
（ｐ側）と対向する位置（ｎ側）に反射鏡を設ける必要
がある。

この様な反射鏡を形成するには、従来例では、■第６図
に示すように基板３１裏面を鏡面研磨して、ここに、金
属膜あるいは誘電体多層膜による反射鏡４０を形成する
、■第７図に示すようにｎ＋型基板３１と光吸収層３４
の間に半導体多層膜反射鏡４１を形成する、等が考えら
れる。しかし、■については、光フアイバ出射光が広が
り角をもつため、十分な反射率を得るには、基板３１を
５０〜７０μｍ程度ときわめて薄く研磨して、ビームの
広がりの影響を少なくする必要がある。このため基板が
薄くなった状態での反射鏡４０形成は、非常に複雑な工
程となりかつ歩留りが低下するという欠点がある。また
、■については、結晶成長で多層膜反射鏡４１を形成す
るが、この多層膜反射鏡４１は、これを構成する半導体
の屈折率差が通常０．２〜０，３と小さいため厚さ２〜
３μｍ程度と厚くなる。これにバルクまたは超格子増倍
層３３の（多層）膜厚ｌ〜２ｐｍが加わって、多層反射
鏡４１をｎ型またはｎ−型層とした場合は、光吸収層３
４以外のキャリア走行領域の厚さが３〜４ｐｍと厚くな
ってしまい、結晶成長に多大の時間を必要とすると共に
、キャリア走行時間制限による帯域劣化が起きる。

（発明が解決り、ようとする課題）そこで、本発明は、高イオン化率比ｃ４で低雑音特性・
広帯域の周波数応答特性を有し、かつ高量子効率のアバ
ランシェ・フォトダイオ・−ドを実現することを目的と
する。

（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構造を
アバランシェ増倍層とするアバランシェフォトダイオー
ドにおいて、該超格子層が、設計受光波長のブラック反
射条件を満たす構造であることを特徴とする。例えば、
該超格子層の屈折率が、ブラック反射条件を満たして、
周期的に変化していてもよい。あるいは該超格子層の屈
折率と層厚がブラック反射条件を満たしたまま変動して
いてもよい。

（作用）本発明は、上述の構成により従来より特性を改善した。

第１図は、本発明のアバランシェフォトダイオードの一
例を用ず構造断面図、第２図はそのバイアス印加時エネ
ルギーバンド図である。同図において、１はｎ＋型半導
体基板、２はｎ型バッファ・−層である。３は本発明で
あるところのｎ″″″型超格子アバランシェ倍増層であ
り、４の高屈折率領域（倍増領域）と、５の低屈折領域
との周期的繰り返しにより構成される。また、６はｐ中
型光吸収層、７はｐ生型キャップ層、８はｎ＠電極、９
はｐ側電極、１０は絶縁保護膜である。これらの図を用
いて本発明の詳細な説明する。

第２図に示す本発明の一実施例の超格子アバランシェ増
倍Ｎ３は、その屈折率が、設計受光波長のブラック反射
条件を満たすように周期的に変化する構造、すなわち、
高屈折率領域（増倍層）４と低屈折率５の各々の厚さが
設計受光波長の１／４ｎ倍（ｎは半導体層の屈折率）の
層を交互に積層（−た構造となっていることから、増倍
層が反射鏡としても働く。即ち、超格子アバランシェ増
倍層３と半導体多層膜反射鏡を一体化して層厚を薄くで
き、結晶成長に要する時間が短縮できると共に、光吸収
層６以外のキャリア走行領域の厚さを薄くできる。この
ためキャリア走行時間制限による帯域を上げることが可
能となる。第２図では高屈折率領域（増倍層）４が更に
短周期の周期構造となっているが、これは高増倍を得る
ためである。

しｔ：がって、光吸収層６の厚さが、何らかの理由で（
本発明では、ｐ”！；！！ＩｎＧａＡｓ層６でのキャリ
ア拡散速度制限の影響がでないように）厚くできず十分
な量子効率が取れない場合には特に、本発明の超格子ア
バラシエ増倍層を用いれば、高量子効率・低雑音（高イ
オン化率化）・広帯域のアバランシェフォトダイオード
を得ることができる。材料としてＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ
／ＩｎＡＬＡｓ系を選べば波長１ｐｍ帯の本発明のＡＰ
Ｄが得られる。

（実施例）以下、本発明の実施例として、波長１．０−２．６ｐｍ
帯に用いられるＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系超格子ア
バランシェ・フォトダイオードを用いて説明する。第１
図に示すアバランシェフォトダイオードを以下の製造工
程によって製作した。

ｎ十型１ｎＰ基板ｌ上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を１
１２ｍ厚に、キャリア濃度〜ＩＸ１ｌＸ１０ｌ５のｎ−
型ＩｎＡｌＧａＡｓ　−ＩｎＡｌＡｓよりなる超格子層
３を約３．Ｑｍ厚に、キャリア濃度〜２×１０１８ｃｍ
−３のｐ生型Ｉｎ。、５３Ｇａｏ４□Ａｓ光吸収層６を
〜ｌ￥１ｍＮに、キャリア濃度〜２×１０１８ｃｍ−３
のｐ＋型Ｉｎｏ、５２ＡＩｏ、４８Ａ８キャ７ブ層７を
０．５ｐｍ［に順次、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ
）を用いて成長する。この超格子増倍層３は、厚さ１１
８５Ａのｎ−型Ｉｎｏ、５２Ａ１ｏ、、ａｓＡＳの低屈
折率領域５と、厚さａ１＝ｓｑ、１にのＩｎｏ、５２Ａ
１ｏ、４８ＡＳと厚さａ２＝７６．２ＡのＩｎＡＩＧａ
Ａｓ（禁制帯幅に相当する波長１．４５ｐｍ相当）１０
周期からなる高屈折率領域４を、１５周期繰り返しな構
造となっている。各層の膜厚は、波長λ＝ｌ、、５５μ
ｍの光に対するＩｎｏ　５２Ａ１ｏ　４ｓＡＳの屈折率
ｎ１が２．１７、ＩｎＡＩＧａＡｓ（禁制帯幅は波長１
．４５ｐｍに相当）の屈折率ｎ２が３．３６であること
から、低屈折率領域５はＡ／４ｎ１、高屈折率領域４は
′）、Ｊ４ｎＡｖをその層厚とした。ここで”ＡＶは次
式より得られた平均屈折率である。

ｎＡｖ：ｎ１Ｘｄ１／（ｄ□＋ｄ２）＋ｎ、Ｘｄ２／（
ｄ、　＋ｄ２）＝３．３０膜厚ｄ１、ｄ２が、実効波長
Ａ／ｎに対して１／１０ないし１／２０と十分小さいた
め、上式のような平均値で平均屈折率”ＡＶが与えられ
るとすることは妥当である。

この様な本発明の構造の超格子層の反射率の波長依存性
を第３図に示す。これより中心波長１．５５ｐｍに対し
て反射率が６０％になることがわかる。これにより、厚
さ１１１ｍの光吸収層６のみの場合の波長１．５５ｐｍ
光に対する量子効率４８％が、６３％程度まで大きく改
善できる。

次に、５１０２マスクを用いて直径５０ｐｍ高さ５ｐｍ
の円形メサを０．５％臭素メタノールにて形成する。

Ｓｉ○２マスクを除去した後、絶縁保護膜１０を形成し
、裏面研磨を行ってから、ｎ側電極８をＡｕＧｅで、ｐ
側電極９をＡｕＺｎで形成した。

上記の実施例で、電子と正孔のイオン化率比ａ／１３は
８程度、過剰雑音指数Ｘ〜０．３と低雑音化がなされた
。また、周波数応答特性については、厚さ１μｍのｐ＋
＋ＩｎＧａＡｓ光吸収層中のキャリア拡散速度で決まる
帯域約５ＧＨｚが得られた。

さらに、波長１．５５ｐｍに対する量子効率は、ＩｎＧ
ａＡｓ光吸収層厚１ｐｍがら予想される値約４８％より
大きい約６０％が得られ、本発明による高量子効率化が
確認された。

以上、本発明の本実施例により、波長１．０〜１．６ｐｍに感度を有する低雑音高感度ＡＰＤ
が実現でき、本発明の価値は極めて太きい。

本実施例では高屈折率領域４がＩｎＡｌＡｓとＩｎＡｌ
ＧａＡｓの短周期構造となっているが、１１１６Ａ（＝
Ａ／４ｎ２）のＩｎＡｌＧａＡｓ層でもよい。しがし短
周期構造とした方が超格子増倍層の増倍効果が大きい。

通常５００Ａ以下の周期の超格子層にして、障壁数も多
い方が増倍効果が大きくなる。障壁層の高さ（エネルギ
ー）及びその幅と数を最適化すればよい。このとき、前
述したように層厚と屈折率（多層のときは平均屈折率）
がブラック反射条件を満たすようにすることは言うまで
もない。

本実施例では材料としてＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡ
ｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ系としたがこれに限らず他の
Ｉｎ−Ｖ族化合物半導体に適用できる。

本実施例ではアバランシェ増倍層３の超格子層、即ち高
屈折率領域４と低屈折率５の屈折率ｎと層厚ｄがそれぞ
れｄ　＝　Ａ／４ｎのブラック反射条件を満たした周期
構造であったが、必ずしも周期構造でなくてもよい。ブ
ラック反射条件を満たして高屈折率領域や低屈折率のそ
れぞれの層厚と屈折率（多層の場合には平均屈折率）が
変動したり、漸増、漸減していても同様の効果が得られ
る。

（発明の効果）本発明によれば高イオン化率比で低雑音特性、広帯域周
波数応答特性を有し、しがも高量子効率のアバランシェ
フォトダイオードが得られる。

【図面の簡単な説明】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、第２図はそのバイアス印加時
エネルギーバンド図である。第３図は、本発明の実施例
の超格子層の反射率の波長依存性を示を図である。第４
図は、従来例のアバランシェ増倍層のバイアス印加時の
エネルギーバンド図を示す。第５図は、他の従来例のバ
イアス印加時のエネルギーバンド図を示す。第６図及び
第７図はそれぞれ他の従来例の構造断面図を示す。各図において１．３１・・・ｎ＋＋半導体基板、２．３２・・・ｈ型バッファー層、３．３３・・・ｎ−型超格子アバランシェ増倍層、４・
・・高屈折率領域、５・・・低屈折率領域、６・・・ｐ
＋＋光吸収層、７・・・ｐ＋型キャップ層、８．３７・
・・ｎ側電極、９，３８・・・ｐ側電極、１０、３９・
４＝！縁保護膜、１ｌ−ｎ−型ＧａＡｌＡｓ障壁層、１
２・・・ｎ−型ＧａＡｓ井戸層、１３・・・伝導帯不連
続量、１４０．価電子帯不連続量、１５．２５・・・電
子、１６、２６−・・正孔、２１−、ｐ＋製型ＩｎＧａ
Ａｓ光収層、２２−ｎ−型ＩｎＡｌＡｓ障壁層、２３−ｎ−型ＩｎＧａＡｓ井戸層、２４−ｎ＋＋ＩｎＧ
ａＡｓ層、３４・・・ｎ−型光吸収層、３５・・、ｎ−
型キャップ層、３６・・ｐ＋型領領域４０・・・金属反
射膜、４１０．・半導体多層膜反射鏡である。

Claims

【特許請求の範囲】

　超格子構造をアバランシェ増倍層とするアバランシェ
フォドダイオードにおいて、該超格子層が、設計受光波
長のブラック反射条件を満たす構造であることを特徴と
するアバランシェフォトダイオード。