JPH0338888A - 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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- JPH0338888A JPH0338888A JP1176524A JP17652489A JPH0338888A JP H0338888 A JPH0338888 A JP H0338888A JP 1176524 A JP1176524 A JP 1176524A JP 17652489 A JP17652489 A JP 17652489A JP H0338888 A JPH0338888 A JP H0338888A
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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、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。
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、小堂光径化に
よる低容量化、層厚最適化によるキャリア走行時間の低
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
ＬＶ族化合物半導体をアバランシェ増倍層に用いた場合
も同様である。そこで、カパッソ（Ｆ、 Ｃａｐａｓｓ
ｏ）等はアプライド・フィシツクスルター（Ａｐｐｌ、
Ｐｈｙｓ、 Ｌｅｔｔ、）、４０（１）巻、Ｊａｎ、
４９８２年で、超格子による伝導帯エネルギー不連続量
ΔＥ。
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、小堂光径化に
よる低容量化、層厚最適化によるキャリア走行時間の低
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
ＬＶ族化合物半導体をアバランシェ増倍層に用いた場合
も同様である。そこで、カパッソ（Ｆ、 Ｃａｐａｓｓ
ｏ）等はアプライド・フィシツクスルター（Ａｐｐｌ、
Ｐｈｙｓ、 Ｌｅｔｔ、）、４０（１）巻、Ｊａｎ、
４９８２年で、超格子による伝導帯エネルギー不連続量
ΔＥ。
を電子のイオン化に利用してイオン化率比Ｃ／１３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（１／１３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４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、４
２はｎ型ＧａＡｓバッファー層、４３はｎ−型ＧａＡｌ
Ａｓ／ＧａＡｓ超格子アバランシェ増倍層であり、４４
のｎ−型ＧａＡｌＡｓ障壁層（５５０Ａ）と４５のｎ−
型ＧａＡｓ井戸層（４５０Ａ）より構成される。また、
４６はｐ＋型領領域ΔＥｏは伝導帯不連続量、ΔＥｘは
価電子帯不連続量、４９は井戸層のイオン化しきい値エ
ネルギーである。この図を用いて超格子によるイオン化
率比ａ／Ｉ３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、ステソプでそれぞれ
伝導帯不連続量（０，３８ｅＶ）、価電子帯不連続量（
０，２ｅＶ）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、ａ７ｆ３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。
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（１／１３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４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、４
２はｎ型ＧａＡｓバッファー層、４３はｎ−型ＧａＡｌ
Ａｓ／ＧａＡｓ超格子アバランシェ増倍層であり、４４
のｎ−型ＧａＡｌＡｓ障壁層（５５０Ａ）と４５のｎ−
型ＧａＡｓ井戸層（４５０Ａ）より構成される。また、
４６はｐ＋型領領域ΔＥｏは伝導帯不連続量、ΔＥｘは
価電子帯不連続量、４９は井戸層のイオン化しきい値エ
ネルギーである。この図を用いて超格子によるイオン化
率比ａ／Ｉ３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、ステソプでそれぞれ
伝導帯不連続量（０，３８ｅＶ）、価電子帯不連続量（
０，２ｅＶ）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、ａ７ｆ３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。
（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１．３〜１．５１１ｍ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、速成らは、アイトリプルイージャーナルオブクア
ンタムエレクトロニクス（ＩＥＥＥ、 Ｊ、 Ｑｕａｎ
ｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、）、 ＱＥ−２２，（１９
８６）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ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ超格子を製作しａ／
ｐ比の改善を試みたが、電子のイオン化率増倍効果を得
ることはできず改善はなされなかった。第３図は、その
バイアス印加時のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ超格子のエネル
ギーバンド図であり、電子のエネルギー分布も同時に示
す。この図において、３１はｎ−型ＩｎＰ／ＩｎＧａＡ
ｓ超格子アバランシェ増倍層であり、３２のｎ−型Ｉｎ
Ｐ障壁層、及び、３３のｎ−型ＩｎＧａＡｓ井戸層より
構成される。３４．３５．３６はそれぞれｒ谷、Ｌ谷、
Ｘ谷の電子のエネルギー分布関数、３７は井戸層３のイ
オン化しきい値エネルギー、ΔＥｏは伝導帯不連続量で
ある。また、ΔＥｒｘは障壁層のｒ谷Ｘ谷分離量（ｒ谷
の庭とＸ谷の底のエネルギー分離量：ΔＥｒｘ）、ΔＥ
ｖは価電子帯不連続量であり、３１０は仮想的にｒ谷Ｘ
谷分離量ΔＥｒｘが大きい場合の電子のエネルギー分布
である。この図においてＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系超格子
で電子のイオン化率が増大しない理由について説明する
。この構造において、電子は障壁層３２から井戸層３３
に入る直前では、そのバイアス下におけるエネルギー分
布となっている（図中３４．３５．３６）。この様な電
子が井戸層３３に入ると、井戸層の伝導帯端を基準に考
えた場合、電子は伝導帯不連続量ΔＥｏと等しいエネル
ギーを獲得し老たことになる。すなわち井戸の入口付近
では、同じ電界下のバルクＩｎＧａＡｓの平均エネルギ
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３７
に近い値）で井戸層に注入される。従って、井戸部では
イオン化しきい値エネルギー３７よりも高エネルギーな
分布の電子の占有確率が増大しイオン化率が増大するの
であるが、これまでの説明より伝導帯不連続量ΔＥｏが
太きければ大きいほどイオン化率増大効果が大きくなる
。
用いられる波長域１．３〜１．５１１ｍ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、速成らは、アイトリプルイージャーナルオブクア
ンタムエレクトロニクス（ＩＥＥＥ、 Ｊ、 Ｑｕａｎ
ｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、）、 ＱＥ−２２，（１９
８６）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ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ超格子を製作しａ／
ｐ比の改善を試みたが、電子のイオン化率増倍効果を得
ることはできず改善はなされなかった。第３図は、その
バイアス印加時のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ超格子のエネル
ギーバンド図であり、電子のエネルギー分布も同時に示
す。この図において、３１はｎ−型ＩｎＰ／ＩｎＧａＡ
ｓ超格子アバランシェ増倍層であり、３２のｎ−型Ｉｎ
Ｐ障壁層、及び、３３のｎ−型ＩｎＧａＡｓ井戸層より
構成される。３４．３５．３６はそれぞれｒ谷、Ｌ谷、
Ｘ谷の電子のエネルギー分布関数、３７は井戸層３のイ
オン化しきい値エネルギー、ΔＥｏは伝導帯不連続量で
ある。また、ΔＥｒｘは障壁層のｒ谷Ｘ谷分離量（ｒ谷
の庭とＸ谷の底のエネルギー分離量：ΔＥｒｘ）、ΔＥ
ｖは価電子帯不連続量であり、３１０は仮想的にｒ谷Ｘ
谷分離量ΔＥｒｘが大きい場合の電子のエネルギー分布
である。この図においてＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系超格子
で電子のイオン化率が増大しない理由について説明する
。この構造において、電子は障壁層３２から井戸層３３
に入る直前では、そのバイアス下におけるエネルギー分
布となっている（図中３４．３５．３６）。この様な電
子が井戸層３３に入ると、井戸層の伝導帯端を基準に考
えた場合、電子は伝導帯不連続量ΔＥｏと等しいエネル
ギーを獲得し老たことになる。すなわち井戸の入口付近
では、同じ電界下のバルクＩｎＧａＡｓの平均エネルギ
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３７
に近い値）で井戸層に注入される。従って、井戸部では
イオン化しきい値エネルギー３７よりも高エネルギーな
分布の電子の占有確率が増大しイオン化率が増大するの
であるが、これまでの説明より伝導帯不連続量ΔＥｏが
太きければ大きいほどイオン化率増大効果が大きくなる
。
方、ワイドギャップの障壁層３２ではイオン化しきい値
エネルギー（バンドギヤツプにほぼ比例）が大きいので
イオン化しにくく、この層はデッドスペースとしてはた
らき、井戸部でのイオン化率増大効果を相殺する方向に
作用する。ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系へテロ接合の伝導帯
不連続量は０．２２ｅＶとＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系の
０．３８ｅＶより小さいので、デッドスペースの相殺効
果が井戸部での増大効果を上まわり電子のイオン化率の
増倍は実現できなかったのである。
エネルギー（バンドギヤツプにほぼ比例）が大きいので
イオン化しにくく、この層はデッドスペースとしてはた
らき、井戸部でのイオン化率増大効果を相殺する方向に
作用する。ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系へテロ接合の伝導帯
不連続量は０．２２ｅＶとＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系の
０．３８ｅＶより小さいので、デッドスペースの相殺効
果が井戸部での増大効果を上まわり電子のイオン化率の
増倍は実現できなかったのである。
そこで、本発明の目的は低雑音特性で、かつ波長域１．
０〜１．６ｐｍに受光感度を有するＡＰＤを実現するこ
とである。
０〜１．６ｐｍに受光感度を有するＡＰＤを実現するこ
とである。
（課題を解決するための手段）
本発明のＡＰＤは、超格子層を増倍層とするＡＰＤにお
いて、該超格子の障壁層が、井戸層との伝導帯不連続０
．４ｅＶ以上でかつ、核層の伝導帯のＦ谷Ｘ谷分離量（
ｒ谷の底とＸ谷の底のエネルギー分離量）が０．４ｅＶ
以上である半導体によって構成されていることを特徴と
する。
いて、該超格子の障壁層が、井戸層との伝導帯不連続０
．４ｅＶ以上でかつ、核層の伝導帯のＦ谷Ｘ谷分離量（
ｒ谷の底とＸ谷の底のエネルギー分離量）が０．４ｅＶ
以上である半導体によって構成されていることを特徴と
する。
（作用）
第１図は、本半導体受光素子の一例を示す構造断面図で
あり、第２図−（ａ）、（ｂ）は、本発明の効果を示す
ため理論計算結果である。第１図において、１１はｎ＋
＋半導体基板、１２はｎ型バッファー層、１３は本発明
であるｎ−型超格子アバランシェ増倍層であり、１４は
その構成要素であるｎ−型障壁層、工５はｎ−型井戸層
である。１６はｎ−型光吸収層、１７はｎ−型キャップ
層、１８はｐ＋型領領域１９はｎ側電極、２０はｐ側電
極、２１は絶縁保護膜である。一方、第２図（ａ）、（
ｂ）は、モンテカルロ法により計算された電子イオン化
率の伝導帯不連続量ΔＥｏ依存性（ａ）、障壁層のＦ谷
Ｘ谷分離量ΔＥＦＸ依存性（ｂ）であり、ＩｎＰ／Ｉｎ
ＧａＡｓ超格子（障壁層４５ＯＡ、井戸層３５０Ａ、電
界強度３５０ＫＶ／ｃｍ））をもとに、ＩｎＰ障壁層の
該当パラメーターのみを変化させて計算したものである
。計算にＩｎＰを用いたのは、ＩｎＰのバンド構造は比
較的よく研究されており、他の障壁層候補である例えば
ＩｎＡｌＡｓ等のバンド構造の不明確さ、障壁層中での
混晶散乱の影響、等を計算に含ませないためである。こ
れらの図と第３図を用いて本発明の詳細な説明する。
あり、第２図−（ａ）、（ｂ）は、本発明の効果を示す
ため理論計算結果である。第１図において、１１はｎ＋
＋半導体基板、１２はｎ型バッファー層、１３は本発明
であるｎ−型超格子アバランシェ増倍層であり、１４は
その構成要素であるｎ−型障壁層、工５はｎ−型井戸層
である。１６はｎ−型光吸収層、１７はｎ−型キャップ
層、１８はｐ＋型領領域１９はｎ側電極、２０はｐ側電
極、２１は絶縁保護膜である。一方、第２図（ａ）、（
ｂ）は、モンテカルロ法により計算された電子イオン化
率の伝導帯不連続量ΔＥｏ依存性（ａ）、障壁層のＦ谷
Ｘ谷分離量ΔＥＦＸ依存性（ｂ）であり、ＩｎＰ／Ｉｎ
ＧａＡｓ超格子（障壁層４５ＯＡ、井戸層３５０Ａ、電
界強度３５０ＫＶ／ｃｍ））をもとに、ＩｎＰ障壁層の
該当パラメーターのみを変化させて計算したものである
。計算にＩｎＰを用いたのは、ＩｎＰのバンド構造は比
較的よく研究されており、他の障壁層候補である例えば
ＩｎＡｌＡｓ等のバンド構造の不明確さ、障壁層中での
混晶散乱の影響、等を計算に含ませないためである。こ
れらの図と第３図を用いて本発明の詳細な説明する。
電子イオン化率の増大に必要な条件について、バルクの
値以上を与えることを判断基準とすると、第１に、前述
したように障壁層と井戸層の伝導帯不連続量ΔＥｏが大
きいことが必要となる。これを示すのが第２（ａ）の電
子イオン化率の伝導帯不連続量ΔＥｏ依存性の計算結果
である。ＩｎＰ障壁のバンド構造はそのままにし、△Ｅ
ｏのみを変化させたところ、バルクの電子イオン化率と
同程度以上を得るにはΔＥｏが０．３５から０．４ｅＶ
以上必要であるといえる。第２に、第３図において仮想
的に障壁層のＸ谷の底とｒ谷の底の分離量△ＥＦｘを大
きくした場合、Ｘ谷に分布する電子はＸ谷の底の上昇に
ともない、より高エネルギーに分布するようになる（図
中３９）。従って頻繁な谷間散乱によってＸ谷からＦ谷
に遷移して衝突イオン化に寄与する電子も増加し、超格
子のイオン化率増大効果は増大する。これを示すのが第
２図（ｂ）の電子イオン化率のｒ谷Ｘ谷分離量ΔＥｒｘ
依存性の計算結果である。ｒｎＰ障壁のバンド構造はそ
のままにし、ΔＥｏ＝０．５５ｅＶと０．２２ｅＶの場
合、ΔＥｒｘのみを変化させたところ、バルクの電子イ
オン化率と同程度以上を得るにはΔＥｏが０．５５ｅＶ
のとき０．３ｅＶ以上、ΔＥｃが０．２２ｅＶのとき０
．８ｅＶ以上必要であるといえる。
値以上を与えることを判断基準とすると、第１に、前述
したように障壁層と井戸層の伝導帯不連続量ΔＥｏが大
きいことが必要となる。これを示すのが第２（ａ）の電
子イオン化率の伝導帯不連続量ΔＥｏ依存性の計算結果
である。ＩｎＰ障壁のバンド構造はそのままにし、△Ｅ
ｏのみを変化させたところ、バルクの電子イオン化率と
同程度以上を得るにはΔＥｏが０．３５から０．４ｅＶ
以上必要であるといえる。第２に、第３図において仮想
的に障壁層のＸ谷の底とｒ谷の底の分離量△ＥＦｘを大
きくした場合、Ｘ谷に分布する電子はＸ谷の底の上昇に
ともない、より高エネルギーに分布するようになる（図
中３９）。従って頻繁な谷間散乱によってＸ谷からＦ谷
に遷移して衝突イオン化に寄与する電子も増加し、超格
子のイオン化率増大効果は増大する。これを示すのが第
２図（ｂ）の電子イオン化率のｒ谷Ｘ谷分離量ΔＥｒｘ
依存性の計算結果である。ｒｎＰ障壁のバンド構造はそ
のままにし、ΔＥｏ＝０．５５ｅＶと０．２２ｅＶの場
合、ΔＥｒｘのみを変化させたところ、バルクの電子イ
オン化率と同程度以上を得るにはΔＥｏが０．５５ｅＶ
のとき０．３ｅＶ以上、ΔＥｃが０．２２ｅＶのとき０
．８ｅＶ以上必要であるといえる。
以上の図から判断すると、超格子の電子イオン化率の増
大に必要な条件について、バルクの値以上を与えること
を判断基準とすると、障壁層と井戸層の伝導帯不連続量
ΔＥｏが０．４ｅＶ以上でかつ、障壁層のＦ谷Ｘ谷分離
量ΔＥｒｘが０．４ｅＶ以上であることが必要であると
いえる。すなわち、超格子の電子イオン化率増大効果を
得るには、この両者を同時に考慮しなければならない点
が従来の考え方と異なる点である。
大に必要な条件について、バルクの値以上を与えること
を判断基準とすると、障壁層と井戸層の伝導帯不連続量
ΔＥｏが０．４ｅＶ以上でかつ、障壁層のＦ谷Ｘ谷分離
量ΔＥｒｘが０．４ｅＶ以上であることが必要であると
いえる。すなわち、超格子の電子イオン化率増大効果を
得るには、この両者を同時に考慮しなければならない点
が従来の考え方と異なる点である。
（実施例）
以下、本発明の実施例として、ＩｎＡＩＡｓＰ／ＩｎＧ
ａＡｓ系ＡＰＤを用いて説明する。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。
ａＡｓ系ＡＰＤを用いて説明する。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。
ｎ＋＋ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２
をｌｐｍ厚に、キャリア濃度〜ｌＸ１０１５ｃｍ−３の
ｎ−型Ｉｎ□、５３Ｇａ□、４７Ａｓ−ＩｎＡＩＡｓＰ
よりなる超格子層１３を〜２１１ｍ厚に、キャリア濃度
〜１×１０１５ｃｍ−３のｎ−型Ｉｎ□、５３Ｇａ□、
４７Ａｓ光吸収層■６を〜２Ｎ１ｍ厚に、キャリア濃度
〜ｌ×１０１６ｃｍ−３のｎ−型ＩｎＰキャップ層１７
をｌｐｍ厚に順次、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）
を用いて成長する。この超格子層は、厚さ１００〜５０
０ＡのＩｎＧａＡｓ井戸層１５と、厚さ１００〜５００
ＡのＩｎＡ、ＩＡｓＰ障壁層１４、より構成される。こ
のＩｎＡＩＡｓＰ障壁層工４は以下の理由により選んだ
。Ｉｎ□、５３Ｇａｏ、４７Ａｓに対する伝導帯不連続
量ΔＥｏはＩｎＰで０．２２ｅＶ、Ｉｎ□、５２Ａ１０
．４ＢＡｓで０．５５ｅＶであり、ΔＥｏで見るかぎり
ＩｎＡｌＡｓが有利である。しかし、ｒ谷り谷分離量Δ
Ｅｒｘは、ＩｎＰで０．７７５ｅＶ、Ｉｎ０．５２ＡＩ
０．４８ＡＳについては不明確であるがＩｎＡｓとＡｌ
Ａｓの湾曲項を考慮したベガード則による内挿では０．
２３ｅＶであり、ΔＥｒｘでみるとＩｎＰが有利となる
。（作用）の項で述べたように超格子の障壁層としては
ΔＥｏ１ΔＥｒｘがともに０．４ｅＶ程度以上ある必要
があることから、これらＩｎＰとＩｎＡｌＡｓの混晶Ｉ
ｎＡＩＡｓＰをとると、ΔＥｃ、ΔＥｒｘはベガード則
より両材料の中間的値となり（ＩｎＰ）０．４（Ｉｎｏ
、５２Ａ１ｏ、４ｓＡｓ）ｏ、６のとき上記の条件をほ
ぼ満足し、ΔＥｏが０．４２ｅＶ、ΔＥｒｘが０．４５
ｅＶ、ΔＥｖが０．２８ｅＶ程度の値になると考えられ
る。以上の結果をもとに、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１１１ｍ
まで行い戸型領域８を形成する。基板研磨後に絶縁保護
膜１１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。
をｌｐｍ厚に、キャリア濃度〜ｌＸ１０１５ｃｍ−３の
ｎ−型Ｉｎ□、５３Ｇａ□、４７Ａｓ−ＩｎＡＩＡｓＰ
よりなる超格子層１３を〜２１１ｍ厚に、キャリア濃度
〜１×１０１５ｃｍ−３のｎ−型Ｉｎ□、５３Ｇａ□、
４７Ａｓ光吸収層■６を〜２Ｎ１ｍ厚に、キャリア濃度
〜ｌ×１０１６ｃｍ−３のｎ−型ＩｎＰキャップ層１７
をｌｐｍ厚に順次、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）
を用いて成長する。この超格子層は、厚さ１００〜５０
０ＡのＩｎＧａＡｓ井戸層１５と、厚さ１００〜５００
ＡのＩｎＡ、ＩＡｓＰ障壁層１４、より構成される。こ
のＩｎＡＩＡｓＰ障壁層工４は以下の理由により選んだ
。Ｉｎ□、５３Ｇａｏ、４７Ａｓに対する伝導帯不連続
量ΔＥｏはＩｎＰで０．２２ｅＶ、Ｉｎ□、５２Ａ１０
．４ＢＡｓで０．５５ｅＶであり、ΔＥｏで見るかぎり
ＩｎＡｌＡｓが有利である。しかし、ｒ谷り谷分離量Δ
Ｅｒｘは、ＩｎＰで０．７７５ｅＶ、Ｉｎ０．５２ＡＩ
０．４８ＡＳについては不明確であるがＩｎＡｓとＡｌ
Ａｓの湾曲項を考慮したベガード則による内挿では０．
２３ｅＶであり、ΔＥｒｘでみるとＩｎＰが有利となる
。（作用）の項で述べたように超格子の障壁層としては
ΔＥｏ１ΔＥｒｘがともに０．４ｅＶ程度以上ある必要
があることから、これらＩｎＰとＩｎＡｌＡｓの混晶Ｉ
ｎＡＩＡｓＰをとると、ΔＥｃ、ΔＥｒｘはベガード則
より両材料の中間的値となり（ＩｎＰ）０．４（Ｉｎｏ
、５２Ａ１ｏ、４ｓＡｓ）ｏ、６のとき上記の条件をほ
ぼ満足し、ΔＥｏが０．４２ｅＶ、ΔＥｒｘが０．４５
ｅＶ、ΔＥｖが０．２８ｅＶ程度の値になると考えられ
る。以上の結果をもとに、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１１１ｍ
まで行い戸型領域８を形成する。基板研磨後に絶縁保護
膜１１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。
（発明の効果）
上記の実施例と従来例、すなわち、超格子層をＩｎＡＩ
ＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓで構成している場合と従来のよう
にＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓで構成している場合とで、電子
のイオン化率を比較した結果（ここでは超格子層以外の
構造は同じである）、従来例と（ＩｎＰ系）においては
ΔＥｏが０．２２ｅＶと小さいため、デッドスペースの
効果（１１） により電子のイオン化率は逆にバルクＩｎＧａＡｓの約
８０％に減少したのに対し、本実施例（ＩｎＡＩＡ、ｓ
Ｐ系）では、ΔＥｃが０．４２ｅＶかつΔＥＦｘが０．
４５ｅＶと大きく本発明の条件を満たすためイオン化率
はバルクＩｎＧａＡｓの約３倍に増大し、本発明の効果
が確認できた。
ＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓで構成している場合と従来のよう
にＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓで構成している場合とで、電子
のイオン化率を比較した結果（ここでは超格子層以外の
構造は同じである）、従来例と（ＩｎＰ系）においては
ΔＥｏが０．２２ｅＶと小さいため、デッドスペースの
効果（１１） により電子のイオン化率は逆にバルクＩｎＧａＡｓの約
８０％に減少したのに対し、本実施例（ＩｎＡＩＡ、ｓ
Ｐ系）では、ΔＥｃが０．４２ｅＶかつΔＥＦｘが０．
４５ｅＶと大きく本発明の条件を満たすためイオン化率
はバルクＩｎＧａＡｓの約３倍に増大し、本発明の効果
が確認できた。
方、正孔のイオン化率については従来例（ＩｎＰ系）で
は、価電子対不連続量ΔＥｖが０．３８ｅＶと太きいた
めイオン化率の増大効果が現れ、バルクＩｎＧａＡｓの
約２倍となったのに対して、本実施例（ＩｎＡＩＡｓＰ
系）ではΔＥｖが０．２８ｅＶと小さくバルクＩｎＧａ
Ａｓのイオン化率と同程度となった。これらをイオン化
率比ｃｔ／１３（α；電子、ｐ：正孔）に換算すると従
来例では約０．８〜１、本実施例では約７〜８となり、
過剰雑音指数Ｘは前者で〜０．９、本実施例では〜０．
２５程度が得られた。
は、価電子対不連続量ΔＥｖが０．３８ｅＶと太きいた
めイオン化率の増大効果が現れ、バルクＩｎＧａＡｓの
約２倍となったのに対して、本実施例（ＩｎＡＩＡｓＰ
系）ではΔＥｖが０．２８ｅＶと小さくバルクＩｎＧａ
Ａｓのイオン化率と同程度となった。これらをイオン化
率比ｃｔ／１３（α；電子、ｐ：正孔）に換算すると従
来例では約０．８〜１、本実施例では約７〜８となり、
過剰雑音指数Ｘは前者で〜０．９、本実施例では〜０．
２５程度が得られた。
以上、本発明により、波長１．０〜１．６１１ｍ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。
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。
第１図は、本半導体受光素子の一例を示す構造断面図で
あり、第２図（ａ）、（ｂ）は、本発明の効果を示す（
１２） ための理論計算結果の図である。第工図において、１１
はｎ＋型半導体基板、１２はｎ型バッファー層、１３は
本発明であるｎ−型超格子アバランシェ増倍層であり、
１４はその構成要素であるｎ−型障壁層、１５はｎ−型
井戸層である。１６はｎ−型光吸収層、エフはｎ−型キ
ャップ層、１８はＰ＋型領域、１９はｎ側電極、２０は
ｐ側電極、２１は絶縁保護膜である。 第３図は、従来例のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ超格子のバイ
アス印加時のエネルギーバンドと電子のエネルギー分布
を示す図である。この図において、３１はｎ−型ＩｎＰ
／ＩｎＧａＡｓ超格子アバランシェ増倍層であり、３２
のｎ−型ＩｎＰ障壁層、及び、３３のｎ−型ＩｎＧａＡ
ｓ井戸層より構成される。３４．３５．３６はそれぞれ
ｒ谷、Ｌ谷、Ｘ谷の電子のエネルギー分布関数、３７は
井戸層３のイオン化しきい値エネルギー、３９は障壁層
のｒ谷Ｘ谷分離量ΔＥｒｘ、３１０は仮想的にｒ谷Ｘ谷
分離量ΔＥｘが大きい場合の電子のエネルギー分布であ
る。 第４図は従来例のＧａＡｌＡｓ１ＧａＡｓ超格子ＡＰＤ
のバイアス印加時エネルギーバンド図である。図におい
て、４１はｎ＋型ＧａＡｓ基板、４２はｎ型ＧａＡｓバ
ッファー層、４３はｎ−型ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格
子アバランシェ増倍層であり、４４のｎ−型ＧａＡｌＡ
ｓ障壁層と４５のはｎ−型ＧａＡｓ井戸層より構成され
る。また、４６はＰ＋型領域、４９は井戸層のイオン化
しきい値エネルギーである。
あり、第２図（ａ）、（ｂ）は、本発明の効果を示す（
１２） ための理論計算結果の図である。第工図において、１１
はｎ＋型半導体基板、１２はｎ型バッファー層、１３は
本発明であるｎ−型超格子アバランシェ増倍層であり、
１４はその構成要素であるｎ−型障壁層、１５はｎ−型
井戸層である。１６はｎ−型光吸収層、エフはｎ−型キ
ャップ層、１８はＰ＋型領域、１９はｎ側電極、２０は
ｐ側電極、２１は絶縁保護膜である。 第３図は、従来例のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ超格子のバイ
アス印加時のエネルギーバンドと電子のエネルギー分布
を示す図である。この図において、３１はｎ−型ＩｎＰ
／ＩｎＧａＡｓ超格子アバランシェ増倍層であり、３２
のｎ−型ＩｎＰ障壁層、及び、３３のｎ−型ＩｎＧａＡ
ｓ井戸層より構成される。３４．３５．３６はそれぞれ
ｒ谷、Ｌ谷、Ｘ谷の電子のエネルギー分布関数、３７は
井戸層３のイオン化しきい値エネルギー、３９は障壁層
のｒ谷Ｘ谷分離量ΔＥｒｘ、３１０は仮想的にｒ谷Ｘ谷
分離量ΔＥｘが大きい場合の電子のエネルギー分布であ
る。 第４図は従来例のＧａＡｌＡｓ１ＧａＡｓ超格子ＡＰＤ
のバイアス印加時エネルギーバンド図である。図におい
て、４１はｎ＋型ＧａＡｓ基板、４２はｎ型ＧａＡｓバ
ッファー層、４３はｎ−型ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格
子アバランシェ増倍層であり、４４のｎ−型ＧａＡｌＡ
ｓ障壁層と４５のはｎ−型ＧａＡｓ井戸層より構成され
る。また、４６はＰ＋型領域、４９は井戸層のイオン化
しきい値エネルギーである。
Claims (1)
- 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、該超格子の障壁層が、井戸層との伝導帯不
連続０．４ｅＶ以上でかつ、該層の伝導帯のΓ谷Ｘ谷分
離量（Γ谷の底とＸ谷の底のエネルギー分離量）が０．
４ｅＶ以上である半導体によって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 |
|---|---|---|---|
| JP1176524A JP2819629B2 (ja) | 1989-07-06 | 1989-07-06 | 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 |
|---|---|---|---|
| JP1176524A JP2819629B2 (ja) | 1989-07-06 | 1989-07-06 | アバランシェ・フォトダイオード |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0338888A true JPH0338888A (ja) | 1991-02-19 |
| JP2819629B2 JP2819629B2 (ja) | 1998-10-30 |
Family
ID=16015122
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1176524A Expired - Fee Related JP2819629B2 (ja) | 1989-07-06 | 1989-07-06 | アバランシェ・フォトダイオード |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2819629B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100424455B1 (ko) * | 2001-06-28 | 2004-03-26 | 삼성전자주식회사 | 역적층 구조를 갖는 평면형 애벌랜치 포토다이오드 |
| CN104167458A (zh) * | 2014-03-31 | 2014-11-26 | 清华大学 | 紫外探测器及其制备方法 |
-
1989
- 1989-07-06 JP JP1176524A patent/JP2819629B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100424455B1 (ko) * | 2001-06-28 | 2004-03-26 | 삼성전자주식회사 | 역적층 구조를 갖는 평면형 애벌랜치 포토다이오드 |
| CN104167458A (zh) * | 2014-03-31 | 2014-11-26 | 清华大学 | 紫外探测器及其制备方法 |
| CN106409968A (zh) * | 2014-03-31 | 2017-02-15 | 清华大学 | AlGaN基超晶格雪崩型紫外探测器及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2819629B2 (ja) | 1998-10-30 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070828 Year of fee payment: 9 |
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| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080828 Year of fee payment: 10 |
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| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |