JPH04112582A - Avalanche photodiode - Google Patents

Avalanche photodiode

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JPH04112582A
JPH04112582A JP2232083A JP23208390A JPH04112582A JP H04112582 A JPH04112582 A JP H04112582A JP 2232083 A JP2232083 A JP 2232083A JP 23208390 A JP23208390 A JP 23208390A JP H04112582 A JPH04112582 A JP H04112582A
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JP
Japan
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layer
type
ionization rate
superlattice
semiconductor
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JP2232083A
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Isao Watanabe
功 渡邊
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NEC Corp
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NEC Corp
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Abstract

PURPOSE:To enable low noises as well as high-speed response characteristics at a high ionization rate ratio by satisfying required conditions by first, second and third semiconductor layers. CONSTITUTION:An n-type InP buffer layer 2, a superlattice layer 3 composed of the repeated structure of n<-> type In0.52Al0.48As4, In0.53Ga0.47As5 and GaxAl1-xSby6, a p<+> type In0.52Al0.48As field-drop layer 7, a p<-> type In0.53Ga0.47As optical absorption layer 8 and p<+> type InP cap layer 9 are grown successively on an n<+> type InP substrate. The composition (x) of the GaxAl1-xSby of the superlattice layer is determined by the dependency of the Al composition ratio of a conduction band end and a valence band end to In0.53Ga0.47As of Ga1-xAlxAs1-ySby6 at a time when a lattice constant is conformed to In0.53Ga0.47 As. Specified conditional formula is satisfied when 0.48<x<0.92 holds. In the structure, the ionization rate of holes is decreased though bulk In0.53Ga0.47As is increased in the ionization rate of electrons, an ion ionization rate ratio is made larger than bulk InGaAs, and an excess noise index is also noise- reduced. The speed of response is not decreased remarkably. According to the constitution, high-speed response characteristics as well as low noises can be realized at a high ionization rate ratio alpha/beta.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、高速・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 high speed and low noise characteristics.

(従来の技術) 高速大容量光通信システムを構成するには、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1.0〜166μmに適応できるInP/InGaA
s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I
nP/InGaAs系APDでは現在、小嚢光径化によ
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βl
αが〜2と小さいため(a=電子のイオン化率、β: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、他のバルクのI
ILV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(高速応答特性
)を達成するにはイオン化率比。ψを人工的に増大させ
る必要がある。
(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/InGaA, which can be applied to the low-loss wavelength range of 1.0 to 166 μm for silica-based fibers, has recently been developed.
Research into increasing the speed and sensitivity of S-based avalanche photodiodes (APDs) is active. This I
Currently, nP/InGaAs APDs are able to improve the gain bandwidth (GB) by reducing the capacitance by reducing the diameter of the vesicle, by reducing the carrier transit time by optimizing the layer thickness, and by 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 βl of InP, which is an avalanche multiplication layer, is
Since α is small at ~2 (a = electron ionization rate, β: hole ionization rate), the excess noise index・There are limits to increasing sensitivity. This is the other bulk I
The same is true when an ILV group compound semiconductor is used in the avalanche multiplication layer, and in order to achieve low noise and high GB stacking (high-speed response characteristics), the ionization rate ratio must be adjusted. It is necessary to artificially increase ψ.

そこで、カパッソ(F、 Capasso)等はアプラ
イド・フィジフクス・レター(App1、 Phys、
 Lett、)、40(1)巻、p、38〜40.19
82年で、超格子による伝導帯エネルキー不連続量ΔE
cを電子の衝突イオン化に利用してイオン化率比a/β
を人工的に増大させる構造を提案し、実際にGaAs/
GaAlAs径超格子でイオン化率比αψの増大(バル
クGaAsの〜2に対して超格子層で〜8)を確認した
。さらに、香川らは、アプライド・フィジフクス・レタ
ー(Appl Phys、 Lett、)、p。
Therefore, Capasso (F, Capasso) et al.
Lett, ), vol. 40(1), p. 38-40.19
In 1982, the conduction band energy discontinuity ΔE due to the superlattice
Using c for electron collision ionization, the ionization rate ratio a/β
proposed a structure that artificially increases GaAs/
An increase in the ionization rate ratio αψ was confirmed in the GaAlAs diameter superlattice (~8 in the superlattice layer compared to ~2 in bulk GaAs). Furthermore, Kagawa et al., Applied Phys. Lett, p.

993−995.55(10)巻、1989年で、長距
離光通信に用イラレる波長1.0〜1.6□m帯に受光
感度を有するInGaAs/InAlAs系超格子を用
いて同様の構造を形成し、やはりイオン化率比αψの増
大(バルクInGaAsの〜2に対して超格子層で〜1
0)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5図に示す。41はn−
型Ino 5□A1o48As障壁層、42はn−型丁
nO,53GaO,47As井戸層であり、層41と4
2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、43.44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、45.46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0.5eVと価電子帯不連続量△Evの0.
2eVより大きく、井戸層に入ったときハンド不連続に
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α/
βの増大を図っている。
993-995.55 (10), 1989, a similar structure was developed using an InGaAs/InAlAs superlattice having light-receiving sensitivity in the wavelength band of 1.0 to 1.6 □m, which is used for long-distance optical communications. , and the ionization rate ratio αψ also increases (~1 in the superlattice layer compared to ~2 in bulk InGaAs).
0) was confirmed. FIG. 5 shows an energy band diagram of the avalanche multiplication layer when bias is applied. 41 is n-
Type Ino 5□A1o48As barrier layer, 42 is n-type Ino, 53GaO, 47As well layer, layers 41 and 4
The repetition of 2 constitutes a superlattice avalanche multiplication layer. In addition, 43.44 is the conduction band discontinuity amount ΔEc
, the valence band discontinuity amount ΔEv. Further, 45 and 46 are electrons and holes, respectively. In this structure, the conduction band discontinuity amount ΔEc is 0.5 eV and the valence band discontinuity amount ΔEv is 0.5 eV.
2 eV, the energy acquired by the electron due to the hand discontinuity when entering the well layer is larger, and this makes it easier for the electron to reach the ionization threshold energy, increasing the electron ionization rate, and increasing the ionization rate ratio α /
We are trying to increase β.

(発明が解決しようとする課題) しかしながら、この構造のアバランシェフォトダイオー
ドは、超格子アバランシェ増倍層内に多数ノバンド不連
続ΔEc、ΔEvによるエネルギー障壁が存在し、特に
有効質量の大きい正孔に対する価電子帯不連続ΔEvに
よって、高増倍時に超格子中で発生した増倍キャリア(
主に正孔)がトラップされて2〜3Gb/s以上の周波
数応答特性が劣化してしまうという欠点を有する。
(Problems to be Solved by the Invention) However, in the avalanche photodiode with this structure, an energy barrier exists due to multiple band discontinuities ΔEc and ΔEv in the superlattice avalanche multiplication layer, and the valence especially for holes with a large effective mass exists. Due to the electronic band discontinuity ΔEv, multiplication carriers generated in the superlattice during high multiplication (
This has the drawback that the frequency response characteristics of 2 to 3 Gb/s or more deteriorate due to trapping of holes (mainly holes).

第6図は従来の超格子アバランシェ増倍層のバンドエネ
ルギー図であり、CI、 C2,C4はそれぞれ第1種
、第2種、第4種半導体の伝導帯端であ’) V1、 
V2゜■4はそれぞれの価電子帯端を示している。(そ
れぞれ左端をマイナスにバイアスする。) 第6図(a)に示す従来構造のバンドエネルギー図では
、第1種半導体と第2種半導体の価電子帯端の不連続量
ΔEvが、波長1.0〜1.6pmに感度を有する材料
系であるIno、52A1o、、5aAS、/Ino、
53Gao 4−tAS超格子を例にとると0.2eV
であり、このエネルギー障壁が多数存在する超格子中を
、アバランシェ増倍により生成した正孔が走行するとき
にこの障壁にトラップされて応答速度が3GHz程度以
下に劣化する。このような応答劣化を回避するには、第
6図(b)のバンド図のように価電子帯不連続量を第1
種半導体と第2種半導体の中間の値となる(格子整合し
た)の第1種半導体と第2種半導体の混晶釦成の第4種
半導体層を挿入することが考えられる。しかし、このI
no、52AIo、、asAS/In、o 53Gao
、4−tAS系では、このような価電子帯不連続量△E
vO,1eVとなるInAlGaAsでは伝導帯不連続
量が0.28eVと小さくなってしまうので、伝導帯不
連続量が大きいほど電子の選択的イオン化に有利となる
超格子アバランシェ増倍層には用いることができない。
Figure 6 is a band energy diagram of a conventional superlattice avalanche multiplication layer, where CI, C2, and C4 are the conduction band edges of the first, second, and fourth semiconductors, respectively') V1,
V2°■4 indicates the respective valence band edges. (The left end of each is negatively biased.) In the band energy diagram of the conventional structure shown in FIG. 6(a), the amount of discontinuity ΔEv at the valence band edge of the first type semiconductor and the second type semiconductor is 1. Ino, 52A1o, 5aAS, /Ino, which is a material system sensitive to 0 to 1.6 pm.
Taking the 53Gao 4-tAS superlattice as an example, it is 0.2eV.
When holes generated by avalanche multiplication travel through a superlattice in which a large number of energy barriers exist, they are trapped by these barriers and the response speed deteriorates to about 3 GHz or less. To avoid such response deterioration, the valence band discontinuity should be changed to the first
It is conceivable to insert a fourth type semiconductor layer having a mixed crystal structure of a first type semiconductor and a second type semiconductor, which have an intermediate value (lattice matching) between the seed semiconductor and the second type semiconductor. However, this I
no, 52AIo,, asAS/In, o 53Gao
, in the 4-tAS system, such valence band discontinuity amount △E
InAlGaAs with vO of 1 eV, the conduction band discontinuity amount is as small as 0.28 eV, so it cannot be used in a superlattice avalanche multiplication layer where the larger the conduction band discontinuity amount is, the more advantageous it is to selectively ionize electrons. I can't.

そこで、本発明は、波長1.0〜1.6□m帯に受光感
度を有し、高イオン化率比αψで低雑音と同時に高速応
答特性のアバランシェ・フォトダイオードを実現するこ
とを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to realize an avalanche photodiode that has light receiving sensitivity in the wavelength band of 1.0 to 1.6□m, has a high ionization ratio αψ, low noise, and has high-speed response characteristics. .

(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、印加電界の
向きに順に障壁層(第1半導体層)、井戸層(第2半導
体層)、第3半導体層のくり返された半導体層を半導体
超格子層の少なくとも一部に有し、該半導体超格子層を
アバランシェ増倍層とし、前記第1、第2、及び第3の
半導体層が下記の条件(1)を満たすことを特徴とする
特 その条件(1)は第1半導体層である障壁層の電子親和
力をχ1、禁制帯幅をEg1、第2半導体層である井戸
層の電子親和力をχ2、禁制帯幅をEg2、第3半導体
層の電子親和力をχ3、禁制帯幅をEg3としたとき、 χ2>χl>χ3 かつ、 χ1+Eg1>χ3+Eg3>χ2十Eg2を満たすこ
とである。
(Means for Solving the Problems) The avalanche photodiode of the present invention has a barrier layer (first semiconductor layer), a well layer (second semiconductor layer), and a third semiconductor layer that are repeated in order in the direction of an applied electric field. A semiconductor layer is included in at least a portion of a semiconductor superlattice layer, the semiconductor superlattice layer is an avalanche multiplication layer, and the first, second, and third semiconductor layers satisfy the following condition (1). The special condition (1) is that the electron affinity of the barrier layer which is the first semiconductor layer is χ1, the forbidden band width is Eg1, the electron affinity of the well layer which is the second semiconductor layer is χ2, and the forbidden band width is Eg2. , when the electron affinity of the third semiconductor layer is χ3 and the forbidden band width is Eg3, χ2>χl>χ3 and χ1+Eg1>χ3+Eg3>χ20Eg2 are satisfied.

(作用) 第2図に本発明のアバランシェフォトダイオードの超格
子増倍層のバンド図を示す。本発明は、上記のような伝
導帯不連続量の大きな低下をもたらすことなしに価電子
帯不連続量を小さくできる。
(Function) FIG. 2 shows a band diagram of the superlattice multiplication layer of the avalanche photodiode of the present invention. The present invention can reduce the amount of discontinuity in the valence band without causing a large decrease in the amount of discontinuity in the conduction band as described above.

この理由を第2図と第3図を用いて説明する。The reason for this will be explained using FIGS. 2 and 3.

第3図に示すInO,53GaO,4□Asに格子定数
をあわせた時(すなわち、InPにも格子定数があって
いる時)のGa1−xAlxAsl−YSbYのIno
 53Gao、47ASに対する伝導帯端C1価電子帯
端VのA1組成比X依存性の図をみると、Ga1−xA
IXAsl−YSbYはそのA1組成比Xが0.48以
上0.92以下の時、本発明の条件式(1)を満たす。
Ino of Ga1-xAlxAsl-YSbY when the lattice constant is matched to InO, 53GaO, and 4□As shown in Fig. 3 (that is, when InP also has the same lattice constant)
Looking at the diagram of the A1 composition ratio X dependence of the conduction band edge C1 valence band edge V for 53Gao and 47AS, Ga1-xA
IXAsl-YSbY satisfies conditional expression (1) of the present invention when its A1 composition ratio X is 0.48 or more and 0.92 or less.

そして、X=0.7では、価電子帯不連続ΔEvがちょ
うどIno 53Gao、47ASとIno、52A1
o、4sASの0.2eVの中間の値0.1eVとなる
。この様な半導体層(第3種半導体)を超格子井戸層(
第2種半導体)の正孔の出口側(第2図参照、バイアス
は左側をマイナスとする。)に設けると、正孔のへテロ
障壁へのトラップを抑制する効果をもたす。
Then, at X=0.7, the valence band discontinuity ΔEv is exactly Ino 53Gao, 47AS and Ino, 52A1
The value is 0.1 eV, which is an intermediate value between 0.2 eV and 4sAS. Such a semiconductor layer (third type semiconductor) is formed into a superlattice well layer (
When provided on the hole exit side (see FIG. 2, bias is negative on the left side) of a type 2 semiconductor), it has the effect of suppressing trapping of holes into the heterobarrier.

一方、伝導帯端Cは、A1組成の増加とともに上昇し、
組成X=0.7の時にはその伝導体不連続量ΔEcが0
.77eVとなる。本発明の構造では、第2図からもわ
かるように、この半導体層は電子に対しては井戸層への
入り口側に配置されることになり、伝導帯不連続量ΔE
cが大きいほど電子の選択的イオン化に有利な超格子ア
バランシェ増倍層と適しているといえる。従来の障壁材
料Ino 5゜Alo 4sAsとこの半導体との伝導
体不連続量ΔEcは0.27eVと比較的小さく、この
障壁が電子の移動を妨げることはない。また、たとえ、
この伝導体不連続量△Ecが大きい場合でも、その第3
種半導体層を70〜100人程度と薄計速れば、有効質
量の小さい電子はこの層をトンネル効果によって透過す
ることができるので、応答特性に問題は生じない。
On the other hand, the conduction band edge C increases with increasing A1 composition,
When the composition X=0.7, the amount of conductor discontinuity ΔEc is 0.
.. It becomes 77eV. In the structure of the present invention, as can be seen from FIG. 2, this semiconductor layer is placed on the entrance side to the well layer with respect to electrons, and the conduction band discontinuity amount ΔE
It can be said that the larger c is, the more suitable the superlattice avalanche multiplication layer is, which is advantageous for selective ionization of electrons. The amount of conductive discontinuity ΔEc between the conventional barrier material Ino 5°Alo 4sAs and this semiconductor is as small as 0.27 eV, and this barrier does not hinder the movement of electrons. Also, even if
Even if this conductor discontinuity amount △Ec is large, the third
If the seed semiconductor layer is as thin as about 70 to 100 layers, electrons with a small effective mass can pass through this layer due to the tunnel effect, so no problem arises in the response characteristics.

さらに、電子の井戸層からの出口側の伝導体不連続ΔE
cはIno、52A1o 4sAS/Ino 53Ga
o、47AS系の値のままであるため、従来例(第6図
(a))と同様、電子がこのエネルギー障壁にトラップ
されて周波数応答が劣化することはない。
Furthermore, the conductor discontinuity ΔE on the exit side from the electron well layer
c is Ino, 52A1o 4sAS/Ino 53Ga
Since the value remains the same as that of the 47AS system, electrons are not trapped in this energy barrier and the frequency response is not degraded, as in the conventional example (FIG. 6(a)).

この本発明の第3種半導体層の層厚は、従来例の価電子
帯不連続ΔEvを緩和するためにその層中でドリフトに
より正孔のエネルギー分布が定常値に達するような値、
すなわち100人程計速最低限必要である。この値は前
述の、電子についてのトンネル効果が得られる構造と矛
盾しない。
The layer thickness of the third type semiconductor layer of the present invention is set to such a value that the hole energy distribution reaches a steady value due to drift in the layer in order to alleviate the valence band discontinuity ΔEv of the conventional example.
In other words, a minimum of 100 people is required. This value is consistent with the above-mentioned structure in which a tunneling effect for electrons is obtained.

以上の効果により、本発明の構造により伝導帯不連続の
低下による電子イオン化率増大効果を損なうことなしに
、正孔の価電子帯障壁によるトラップ・応答速度劣化を
回避できる。こうして波長1.0〜1.6μm帯に受光
感度を有し、イオン化率比。ψ改善による低雑音特性と
高速応答特性を同時にみたす、アバランシェ・フォトダ
イ−オードが実現できる。
As a result of the above effects, the structure of the present invention can avoid trapping and deterioration of response speed due to hole valence band barriers without impairing the effect of increasing electron ionization rate due to reduction in conduction band discontinuity. In this way, it has light receiving sensitivity in the wavelength band of 1.0 to 1.6 μm, and the ionization rate ratio. By improving ψ, it is possible to realize an avalanche photodiode that simultaneously achieves low noise characteristics and high-speed response characteristics.

(実施例) 以下、本発明の実施例として、InPに格子整合する■
no5□Alo48As/Ga1−xAIXAsl−8
Sb/Ino53Gao4゜As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。
(Example) Hereinafter, as an example of the present invention,
no5□Alo48As/Ga1-xAIXAsl-8
This will be explained using a Sb/Ino53Gao4°As superlattice avalanche photodiode.

第1図、第2図に示す本発明であるアバランシェフォト
ダイオードを以下の工程によって製作した。
An avalanche photodiode according to the present invention shown in FIGS. 1 and 2 was manufactured by the following steps.

計型InP基板1上に、n型InPバッファ層2を1μ
m厚に、キャリア濃度〜IX1イ5cm−3のn−型の
、Ino、52A1o 4sAS4 、Ino 53G
ao、4−rAS5 、GaxA1□xAS1ySbY
6、のくり返し構造からなる超格子層3を1,2□m厚
に、キャリア濃度〜I X 1017cm−3のp+型
Ino、52A1o、4sAs電界降下層7を0.2.
4zm、キャリア濃度〜2刈015cm−3のp−型I
no 5aGao、4−tAS光吸収層8を〜1.7.
zm厚に、キャリア濃度〜5X1018cm−3のp+
型InPキャップ層9を1μm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200人のIno53Gao4□AS4と、厚
す100人のGaXA11−xAsl−YSbY(X=
0.7)5、厚さ300人の■nO,52A1o48A
s5を交互に20周期積層した構造である。
A 1μ thick n-type InP buffer layer 2 is placed on the meter-shaped InP substrate 1.
Ino, 52A1o 4sAS4, Ino 53G, n-type with carrier concentration ~IX1-5cm-3 in m thickness
ao, 4-rAS5, GaxA1□xAS1ySbY
The superlattice layer 3 consisting of a repeating structure of 6 and 6 is 1.2 □m thick, and the p+ type Ino, 52A1o, 4sAs electric field drop layer 7 with a carrier concentration of ~I x 1017 cm-3 is 0.2.
4zm, p-type I with carrier concentration ~2015cm-3
no 5aGao, 4-tAS light absorption layer 8 ~1.7.
zm thickness, carrier concentration ~5X1018cm-3 p+
An InP type cap layer 9 is sequentially grown to a thickness of 1 μm using metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). This superlattice layer consists of a 200-thick Ino53Gao4□AS4 and a 100-thick GaXA11-xAsl-YSbY (X=
0.7) 5, thickness 300 people ■nO, 52A1o48A
It has a structure in which s5 layers are alternately stacked for 20 periods.

GaXA11−XAs1−YSbYの組成Xは、正孔の
へテロ界面へのトラップを抑制するために、第3図に示
すIn0.530a0.47Asに格子定数をあわせた
時(すなわち、InPにも格子定数があっている時)の
Ga1−xAIXAsl−YSbYのIno 53Ga
o、47ASに対する伝導帯端C1価電子帯端VのA1
組成比X依存性の図より、価電子帯不連続量ΔEvがI
no、53Gao、47ASとIno5゜Alo48A
sの0.2eVの中間の値となる組成領域により決定し
た。
In order to suppress the trapping of holes to the hetero interface, the composition Ino 53Ga of Ga1-xAIXAsl-YSbY
o, A1 of conduction band edge C1 valence band edge V for 47AS
From the diagram of composition ratio X dependence, the amount of valence band discontinuity ΔEv is I
no, 53Gao, 47AS and Ino5゜Alo48A
It was determined based on the composition region where the value of s is in the middle of 0.2 eV.

次に、通常のフォトリソグラフィーとウェットエツチン
グの技術を用いて直径5011mの円形メサを形成し、
絶縁保護膜1.2を形成する。p側電極11をAuZn
で形成した後、裏面研磨を行ってからn側電極10をA
uGeで形成した。こうして第一の実施例の素子が完成
した。
Next, a circular mesa with a diameter of 5011 m was formed using conventional photolithography and wet etching techniques.
An insulating protective film 1.2 is formed. The p-side electrode 11 is made of AuZn.
After forming the n-side electrode 10 by polishing the back surface, the n-side electrode 10 is
It was formed from uGe. In this way, the device of the first example was completed.

この実施例の構造では、電子のイオン化率はバルク■n
O,53GaO,4゜Asの約1.5倍程度に増大した
のに対して、正孔のイオン化率はバルクInGaAsの
約173〜115倍程度に小さくなり、イオン化率比は
〜10程度とバルクInGaAsの2に比較して増大さ
れ、過剰雑音指数も〜0.3と低雑音化がなされた。し
かも、周波数応答特性は、本発明のGa1−xAlxA
Sl−YSbY層がない以外は本実施例と同一の超格子
層を用いた構造の従来例と比較した場合、波長1.55
/1m入射時の増倍率が10の時、従来例では正孔の超
格子へテロ障壁へのトラップで3dB劣化帯域が3GH
z程度と/j轄いのに対して(増倍率が1.5程度の時
は従来例、本実施例ともに3dB劣化帯域は7GHz程
度であった)、本発明の構造では7GHz程度を維持し
応答速度の顕著な劣化は見られなかった。
In the structure of this example, the electron ionization rate is bulk n
While the hole ionization rate increased to about 1.5 times that of O, 53GaO, and 4°As, the hole ionization rate decreased to about 173 to 115 times that of bulk InGaAs, and the ionization rate ratio was about 10, which is about 10 times higher than that of bulk InGaAs. The noise was increased compared to 2 of InGaAs, and the excess noise figure was also lowered to ~0.3. Moreover, the frequency response characteristics of Ga1-xAlxA of the present invention are
When compared with a conventional example using the same superlattice layer structure as this example except for the absence of the Sl-YSbY layer, the wavelength was 1.55.
When the multiplication factor at /1m incidence is 10, in the conventional example, the trapping of holes in the superlattice heterobarrier causes a 3dB degradation band of 3GH.
(When the multiplication factor was about 1.5, the 3 dB degradation band was about 7 GHz in both the conventional example and this example), whereas the structure of the present invention maintains about 7 GHz. No significant deterioration in response speed was observed.

本発明の第2の実施例として、InPに格子整合するI
no、52A1o、48AS/Ga t −xAlxA
Sl−YSby/Ino 53Gao、、17AS系超
格子アバランシエ・フォトダイオードについて説明する
As a second embodiment of the present invention, I
no, 52A1o, 48AS/Ga t -xAlxA
The Sl-YSby/Ino 53Gao, 17AS superlattice avalanche photodiode will be described.

第4図に示す本発明の第2の実施例であるアバランシェ
フォトダイオードを以下の工程によって製作した。
An avalanche photodiode according to a second embodiment of the present invention shown in FIG. 4 was manufactured by the following steps.

p+型InP基板31上に、p+型InPがソファ層3
2を1/、m厚に、キャリア濃度〜2刈い”cm−3の
p−型Ino53Gao、<?As光吸収層8を〜L7
pm厚に、キャリア濃度〜1刈017cm−3のp+型
■nO,52A10.48””電界降下層7を0.2μ
m、キャリア濃度〜1刈い”cm−3のn−型工n。5
□A1o48As4/GaxA11−xAsl−YSb
Y61Ino53Gao4゜As5よりなる超格子層3
を1.2□m厚に、キャリア濃度〜5刈18cm”’の
n+型1nPキャ7プ層33を1μm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300人のIno、52A1o、4sA
s4、厚さ100人のGaxAll−xASl−YSb
Y(X=0.7)6、厚さ200人のIno 5sGa
o、47As5を交互に20周期積層した構造である。
A p+ type InP layer 3 is formed on a p+ type InP substrate 31.
2 to 1/, m thickness, carrier concentration ~2"cm-3 p-type Ino53Gao, <?As light absorption layer 8 ~L7
p+ type ■nO, 52A10.48"" electric field drop layer 7 of 0.2 μm thickness with carrier concentration ~1017 cm-3
m, carrier concentration ~ 1"cm-3 n-type work n.5
□A1o48As4/GaxA11-xAsl-YSb
Superlattice layer 3 made of Y61Ino53Gao4°As5
An n+ type 1nP capping layer 33 with a carrier concentration of ~5 cm and a thickness of 1 μm is sequentially grown using metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Layers are 300 thick Ino, 52A1o, 4sA
s4, thickness 100 people GaxAll-xASl-YSb
Y(X=0.7)6, thickness 200 people Ino 5sGa
It has a structure in which 20 cycles of 47As5 are alternately stacked.

GaxAll−XAs1−YSbYの組成Xは、第1の
実施例と同様の理由により決定した。
The composition X of GaxAll-XAs1-YSbY was determined for the same reason as in the first example.

次に、通常のフォトリソグラフィーとウェットエツチン
グの技術を用いて直径50μmの円形メサを形成し、絶
縁保護膜12を基板表面に形成する。n側電極10をA
uGeで形成した後、裏面研磨を行ってから、無反射膜
として絶縁保護膜12を基板裏面のメサ部に直径150
μmlの円形にフォトリソグラフィの方法で形成後、p
型電極11をAu、 Znで形成した。
Next, a circular mesa having a diameter of 50 μm is formed using conventional photolithography and wet etching techniques, and an insulating protective film 12 is formed on the substrate surface. The n-side electrode 10 is
After forming with uGe, the back surface is polished, and then an insulating protective film 12 with a diameter of 150 mm is coated on the mesa portion of the back surface of the substrate as a non-reflective film.
After forming a μml circular shape by photolithography, p
The mold electrode 11 was formed of Au and Zn.

本実施例では、入射光34は基板裏面から入射する構造
となっている。
In this embodiment, the structure is such that the incident light 34 enters from the back surface of the substrate.

この第2の実施例のアバランシェフォトダイオドでも増
倍率が10の時、高速応答特性が7GHz程度であり、
従来例に比べ2倍以上の応答特性改善ができた。
The avalanche photodiode of this second embodiment also has a high-speed response characteristic of about 7 GHz when the multiplication factor is 10.
The response characteristics were improved by more than twice compared to the conventional example.

(発明の効果) 本発明によれば、波長1.0〜1.6μm帝に受光感度
を有し、高イオン化率比a/βで低雑音と同時に高速応
答特性のアバランシェ・フォトダイオードを実現するこ
とができ、その効果は大きい。
(Effects of the Invention) According to the present invention, an avalanche photodiode is realized which has light receiving sensitivity at a wavelength of 1.0 to 1.6 μm, has a high ionization rate ratio a/β, has low noise, and has high-speed response characteristics. It can be done, and the effect is great.

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

第1図は、本発明のアバランシェフォトダイオードの一
実施例の構造断面図である。 第2図は本発明の超格子アバランシェ増倍層のエネルギ
ーバンド図である。(左端をマイナスにバイアスする)
。 第3図は、Ino、53Gao 4□AS及びInPに
格子定数をあわせた時のGa1−xAlxAsl−YS
bYのIno 53Gao 4−tASに対する伝導帯
端C1価電子帯端VのA1組成比X依存性を示す図。 第4図は本発明の第2の実施例のアバランシェフォトダ
イオードの構造断面図である。 第5図は、従来例の超格子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である。 第6図は従来例の超格子アバランシェ増倍層のエネルギ
ーバンド図である。 各図において 1・・・n+型半導体基板、2・・・n型バッファ層、
3・・・n−型超格子アバランシェ増倍層、4・・・第
1種半導体層、5・・・第2種半導体層、6・・・第3
種半導体層、 7・・・p+型ワイドギャップ電界降下層、8・・・p
−型光吸収層、9・・・p+型キャップ層、10・・・
n側電極、11・・・p側電極、12・・・絶縁保護膜
、21.45・・・電子、22.46・・・正孔、41
・・・障壁層、42・・・井戸層、43・・・伝導帯不
連続量ΔEc、441.・価電子帯不連続量ΔEv、
FIG. 1 is a structural sectional view of one embodiment of an avalanche photodiode of the present invention. FIG. 2 is an energy band diagram of the superlattice avalanche multiplication layer of the present invention. (bias the left end to negative)
. Figure 3 shows Ga1-xAlxAsl-YS when the lattice constant is matched to Ino, 53Gao 4□AS, and InP.
A diagram showing the dependence of the conduction band edge C1 valence band edge V on the A1 composition ratio X for Ino 53Gao 4-tAS of bY. FIG. 4 is a structural sectional view of an avalanche photodiode according to a second embodiment of the present invention. FIG. 5 is an energy band diagram of a conventional superlattice avalanche multiplication layer when a bias is applied. FIG. 6 is an energy band diagram of a conventional superlattice avalanche multiplication layer. In each figure, 1...n+ type semiconductor substrate, 2...n type buffer layer,
3... N-type superlattice avalanche multiplication layer, 4... First type semiconductor layer, 5... Second type semiconductor layer, 6... Third type semiconductor layer.
Seed semiconductor layer, 7...p+ type wide gap electric field drop layer, 8...p
- type light absorption layer, 9...p+ type cap layer, 10...
n-side electrode, 11... p-side electrode, 12... insulating protective film, 21.45... electron, 22.46... hole, 41
. . . barrier layer, 42 . . . well layer, 43 . . . conduction band discontinuity amount ΔEc, 441.・Valence band discontinuity amount ΔEv,

Claims (1)

【特許請求の範囲】 印加電界の向きに順に障壁層(第1半導体層)、井戸層
(第2半導体層)、第3半導体層のくり返された半導体
層を半導体超格子層の少なくとも一部に有し、該半導体
超格子層をアバランシェ増倍層とし、前記第1、第2、
及び第3の半導体層が下記の条件(1)を満たすことを
特徴とするアバランシェフオトダイオード。 条件(1) 第1半導体層である障壁層の電子親和力をχ_1、禁制
帯幅をEg_1、第2半導体層である井戸層の電子親和
力をχ_2、禁制帯幅をEg_2、第3半導体層の電子
親和力をχ_3、禁制帯幅をEg_3としたとき、χ_
2>χ_1>χ_3 かつ、 χ_1+Eg_1>χ_3+Eg_3>χ_2+Eg_
2を満たすこと。
[Claims] At least a portion of a semiconductor superlattice layer includes semiconductor layers in which a barrier layer (first semiconductor layer), a well layer (second semiconductor layer), and a third semiconductor layer are repeated in the direction of an applied electric field. , the semiconductor superlattice layer is an avalanche multiplication layer, and the first, second,
and an avalanche photodiode, wherein the third semiconductor layer satisfies the following condition (1). Condition (1) The electron affinity of the barrier layer which is the first semiconductor layer is χ_1, the forbidden band width is Eg_1, the electron affinity of the well layer which is the second semiconductor layer is χ_2, the forbidden band width is Eg_2, and the electron of the third semiconductor layer is When the affinity is χ_3 and the forbidden band width is Eg_3, χ_
2>χ_1>χ_3 and χ_1+Eg_1>χ_3+Eg_3>χ_2+Eg_
2 must be satisfied.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019029624A (en) * 2017-08-03 2019-02-21 住友電気工業株式会社 Light receiving element

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