JPH04125977A - ヘテロ多重構造アバランシ・フォトダイオード - Google Patents
ヘテロ多重構造アバランシ・フォトダイオードInfo
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- JPH04125977A JPH04125977A JP2246592A JP24659290A JPH04125977A JP H04125977 A JPH04125977 A JP H04125977A JP 2246592 A JP2246592 A JP 2246592A JP 24659290 A JP24659290 A JP 24659290A JP H04125977 A JPH04125977 A JP H04125977A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
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- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
- H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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- H—ELECTRICITY
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures
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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）
本発明は光通信用等に用いる光検出器に関するものであ
る。
る。
（従来の技術）
半導体光検出器のなかで、アバランシ・フォトダイオー
ド（以下、ＡＰＤと呼ぶ）は高感度かつ高速度であり、
光通信システムにおける受光器として重要である。波長
１．３μｍ、あるいは、１．５５μｍで代表されるシリ
カ・ファイバーを用いた光通信システム用の受光器とし
ては、従来から存在するＧｅ材料を用いたＡＰＤあるい
はＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓを光吸収層としＩ
ｎＰ層をアバランシ層とするＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓヘテ
ロ接合型ＡＰＤが実用に供している。これらのＡＰＤの
Ｓ／Ｎ比を決める要因として、雑音指数があり、これは
、アバランシ領域を形成する材料の電子と正孔のイオン
化率比により支配される。上記Ｇｅ−ＡＰＤのイオン化
率比は、１程度、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤにおい
ても高々３程度であり、高性能化の為に高いイオン化率
比材料の探索が行なわれている。
ド（以下、ＡＰＤと呼ぶ）は高感度かつ高速度であり、
光通信システムにおける受光器として重要である。波長
１．３μｍ、あるいは、１．５５μｍで代表されるシリ
カ・ファイバーを用いた光通信システム用の受光器とし
ては、従来から存在するＧｅ材料を用いたＡＰＤあるい
はＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓを光吸収層としＩ
ｎＰ層をアバランシ層とするＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓヘテ
ロ接合型ＡＰＤが実用に供している。これらのＡＰＤの
Ｓ／Ｎ比を決める要因として、雑音指数があり、これは
、アバランシ領域を形成する材料の電子と正孔のイオン
化率比により支配される。上記Ｇｅ−ＡＰＤのイオン化
率比は、１程度、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤにおい
ても高々３程度であり、高性能化の為に高いイオン化率
比材料の探索が行なわれている。
この様な背景の中で、チン等（Ｃｈｉｎ、 Ｒ，ｅｔ
ａｌ、）によってエレクトロニクス・レターズ誌（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）１６巻、４６７頁
（１９８０年）で提案され、カパソ等（Ｃａｐａｓｏ、
Ｆ、 ｅｔ ａｌ、）によりアプライド・フィジック
ス。
ａｌ、）によってエレクトロニクス・レターズ誌（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）１６巻、４６７頁
（１９８０年）で提案され、カパソ等（Ｃａｐａｓｏ、
Ｆ、 ｅｔ ａｌ、）によりアプライド・フィジック
ス。
レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ）４７巻、５９７頁（１９８５年）で報告されて
いるＡＰＤにおいてはアバランシ層として、ＩｎＧａＡ
ｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子を用いてＩｎＧａＡｓとＩｎＡ
ｌＡｓの間の伝導帯の不連続（約０．５ｅＶ）を、この
領域を高速で走行する電子のエネルギーとして付与する
ことにより電子のイオン化率を高めることにより、イオ
ン化率比の改善（イオン化率比を高める）を計ることが
試みられている。最近においては、香川（Ｋａｇａｗａ
、 Ｔ、 ｅｔ ａｌ）等によってアプライド・フィシ
ツクスルター誌（Ａｐｐｌｉｅｄ ＰｈｙｓｉｃｓＬｅ
ｔｔｅｒｓ）５５巻、９９３頁（１９８９）で、上記と
同様の層構造によるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子
での電子と正孔のイオン化率が測定されており、ＩｎＧ
ａＡｓ素材のイオン化率とはことなり、超格子による電
子のイオン化率の向上が確認された。
ｅｒｓ）４７巻、５９７頁（１９８５年）で報告されて
いるＡＰＤにおいてはアバランシ層として、ＩｎＧａＡ
ｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子を用いてＩｎＧａＡｓとＩｎＡ
ｌＡｓの間の伝導帯の不連続（約０．５ｅＶ）を、この
領域を高速で走行する電子のエネルギーとして付与する
ことにより電子のイオン化率を高めることにより、イオ
ン化率比の改善（イオン化率比を高める）を計ることが
試みられている。最近においては、香川（Ｋａｇａｗａ
、 Ｔ、 ｅｔ ａｌ）等によってアプライド・フィシ
ツクスルター誌（Ａｐｐｌｉｅｄ ＰｈｙｓｉｃｓＬｅ
ｔｔｅｒｓ）５５巻、９９３頁（１９８９）で、上記と
同様の層構造によるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子
での電子と正孔のイオン化率が測定されており、ＩｎＧ
ａＡｓ素材のイオン化率とはことなり、超格子による電
子のイオン化率の向上が確認された。
（発明が解決しようとする課題）
しかしながら、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子にお
いては、主に、ＩｎＧａＡｓ材料の禁制帯幅が約０．７
５ｅＶと小さく、電子の有効質量が自由電子の約０．０
４倍と小さい為に高電界（＞ ２００ＫＶ／ａｍ）下で
トンネル電流が発生し、アバランシ増倍に必要な高電界
下（＞ ３００ＫＶ／ａｍ）ではダイオード静特性とし
ての暗電流が大きく実用に供する素子が得られていない
。
いては、主に、ＩｎＧａＡｓ材料の禁制帯幅が約０．７
５ｅＶと小さく、電子の有効質量が自由電子の約０．０
４倍と小さい為に高電界（＞ ２００ＫＶ／ａｍ）下で
トンネル電流が発生し、アバランシ増倍に必要な高電界
下（＞ ３００ＫＶ／ａｍ）ではダイオード静特性とし
ての暗電流が大きく実用に供する素子が得られていない
。
本発明は、この問題点を解決する、即ち、イオン化率比
の大きな電子注入によるアバランシ層を持つ低雑音なア
バランシ・フォトダイオードを提供することを目的とす
る。
の大きな電子注入によるアバランシ層を持つ低雑音なア
バランシ・フォトダイオードを提供することを目的とす
る。
（課題を解決するための手段）
本発明のへテロ多重構造アバランシ・フォトダイオード
は、ＩｎＰに格子整合する超格子アバランシ増倍層と光
励起キャリアの発生領域となる光吸収層を備えたＡＰＤ
において、■」に格子整合するｈＡＩＡｓとＩｎＰに格
子整合する禁制帯幅が１．ＯｅＶ未満のＩｎＧａＡｓＰ
四元混晶あるいはＩｎＧａＡｌＡｓ四元混晶を交互に積
層した超格子を電子のアバランシ増倍層として用いるこ
とを特徴とする。
は、ＩｎＰに格子整合する超格子アバランシ増倍層と光
励起キャリアの発生領域となる光吸収層を備えたＡＰＤ
において、■」に格子整合するｈＡＩＡｓとＩｎＰに格
子整合する禁制帯幅が１．ＯｅＶ未満のＩｎＧａＡｓＰ
四元混晶あるいはＩｎＧａＡｌＡｓ四元混晶を交互に積
層した超格子を電子のアバランシ増倍層として用いるこ
とを特徴とする。
（実施例）
次に、本発明について図面を参照して説明する。
第１図は本発明の位置実施例の断面図である。製造方法
を工程順に説明する。まずｎ”ＩｎＰの基板１１上に、
例えば有機金属気相成長法により膜厚１□ｍで不純物濃
度ｌＸｌ０”ｃｍ−３よりなるｎ＋ −ＩｎＰバッファ
ノア１２を形成した後、不純物濃度が１×１０１５ｃｍ
−３で膜厚４００人のＩｎＰに格子整合したＰ型ＩｎＡ
ｌＡｓ障壁層１３１と、不純物濃度Ｉ Ｘ １０１１０
１５ａで膜厚２００人のＩｎＰに格子整合する禁制帯幅
０．９５ｅＶのＰ型ＩｎＧａＡｓＰ四元混晶の井戸層１
３２を交互に２０回積層しアバランシ増倍層１３を形成
する。次に、不純物濃度１×１０１６ｃｍ−３で層厚１
．５μｍのＰ型ＩｎＡｌＡｓ層１４を成長後、光吸収層
として不純物濃度１刈い５ｃｍ−３で層厚２ｐｍのｐ型
ＩｎＧａＡｓ層１５及び不純物濃度ｌ×１０１８ｃｍ−
３で膜厚１．ａｍのｐ ＋−ＩｎＰ層１６を順次成長す
ることにより所望の層構造をしだウェーハが得られる。
を工程順に説明する。まずｎ”ＩｎＰの基板１１上に、
例えば有機金属気相成長法により膜厚１□ｍで不純物濃
度ｌＸｌ０”ｃｍ−３よりなるｎ＋ −ＩｎＰバッファ
ノア１２を形成した後、不純物濃度が１×１０１５ｃｍ
−３で膜厚４００人のＩｎＰに格子整合したＰ型ＩｎＡ
ｌＡｓ障壁層１３１と、不純物濃度Ｉ Ｘ １０１１０
１５ａで膜厚２００人のＩｎＰに格子整合する禁制帯幅
０．９５ｅＶのＰ型ＩｎＧａＡｓＰ四元混晶の井戸層１
３２を交互に２０回積層しアバランシ増倍層１３を形成
する。次に、不純物濃度１×１０１６ｃｍ−３で層厚１
．５μｍのＰ型ＩｎＡｌＡｓ層１４を成長後、光吸収層
として不純物濃度１刈い５ｃｍ−３で層厚２ｐｍのｐ型
ＩｎＧａＡｓ層１５及び不純物濃度ｌ×１０１８ｃｍ−
３で膜厚１．ａｍのｐ ＋−ＩｎＰ層１６を順次成長す
ることにより所望の層構造をしだウェーハが得られる。
この様にして作製したウェーハを、フォトレジスト等の
技術を用いて、円柱状領域を残して、上記、エピタキシ
ャル成長領域を除去する工程と、ｐ型電極１７、ｎ型電
極１８を形成する工程を経ることにより本発明のアバラ
ンシ・フォトダイオードを得ることができる。
技術を用いて、円柱状領域を残して、上記、エピタキシ
ャル成長領域を除去する工程と、ｐ型電極１７、ｎ型電
極１８を形成する工程を経ることにより本発明のアバラ
ンシ・フォトダイオードを得ることができる。
次に別の実施例として、超格子アバランシ層にＩｎＡｌ
Ａｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓを用いた一実施例について説明
する。まずｎ”−ＩｎＰ基板１１上にｎ” −Ｉｎｐバ
ッファノア１２ 、 ｎ”−ＩｎＧａＡｓバッファー層
２１ 、ｎ＋ＩｎＡｌＡｓバッファー層２２をノアて、
不純物濃度１×１０１５ｃｍ−３で膜厚４００人のｎ型
ＩｎＡｌＡｓ障壁層２３１と不純物濃度ＩＸＩＯ１５ａ
ｍ ”で膜厚４００人よりなる禁制帯幅０．９ｅＶで訃
に格子整合するＩｎＡｌＧａＡｓ井戸層２３２を交互に
２０回積層してアバランシ増倍層２３を形成する。次に
、不純物濃度ｌＸ１０１６ｃｍ−３で層厚２ｐｍのｐ型
ＩｎＡｌＡｓ層２４を形成した後、不純物濃度ｌＸｌ０
１５ｃｍ−３で層厚２μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１５及び不純物濃度ｌＸ１０１８ｃｍ−３で膜厚１．ｕ
ｍのｐ ＋ＩｎＰキャップ層１６全１６成長する。この
様にして作製したウェーハを第１図での実施例と同じく
、エツチング除去工程、電極形成工程を経ることにより
、所望のアバランシ、フォトダイオードを得る。
Ａｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓを用いた一実施例について説明
する。まずｎ”−ＩｎＰ基板１１上にｎ” −Ｉｎｐバ
ッファノア１２ 、 ｎ”−ＩｎＧａＡｓバッファー層
２１ 、ｎ＋ＩｎＡｌＡｓバッファー層２２をノアて、
不純物濃度１×１０１５ｃｍ−３で膜厚４００人のｎ型
ＩｎＡｌＡｓ障壁層２３１と不純物濃度ＩＸＩＯ１５ａ
ｍ ”で膜厚４００人よりなる禁制帯幅０．９ｅＶで訃
に格子整合するＩｎＡｌＧａＡｓ井戸層２３２を交互に
２０回積層してアバランシ増倍層２３を形成する。次に
、不純物濃度ｌＸ１０１６ｃｍ−３で層厚２ｐｍのｐ型
ＩｎＡｌＡｓ層２４を形成した後、不純物濃度ｌＸｌ０
１５ｃｍ−３で層厚２μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１５及び不純物濃度ｌＸ１０１８ｃｍ−３で膜厚１．ｕ
ｍのｐ ＋ＩｎＰキャップ層１６全１６成長する。この
様にして作製したウェーハを第１図での実施例と同じく
、エツチング除去工程、電極形成工程を経ることにより
、所望のアバランシ、フォトダイオードを得る。
以上の様に説明、実施した例において、電子の正孔に対
するイオン化率比が１０倍以上あり、なおかつ、増倍率
特性として、１０倍以上のゲインを持つバイアス領域に
おいても素子の暗電流特性としては１．Ａ以下と良好な
ＡＰＤ特性が得られた。
するイオン化率比が１０倍以上あり、なおかつ、増倍率
特性として、１０倍以上のゲインを持つバイアス領域に
おいても素子の暗電流特性としては１．Ａ以下と良好な
ＡＰＤ特性が得られた。
（発明の効果）
本発明の効果は以下の様に要約できる。即ち、ヘテロ多
重構造よりなる超格子（井戸層と障壁層の多層構造）に
おいて、伝導帯の不連続を電子のイオン化率の向上に利
用し、かつ井戸層での高電界下でのトンネル電流を抑制
すべく、障壁層としてＩｎＡｌＡｓ、井戸層として禁制
帯幅１．０ｅＶ未満のＩｎＧａＡｓＰ層あるいは、Ｉｎ
ＡｌＧａＡｓ層を採用することにより、低雑音なアバラ
ンシ・フォトダイオードが得られることである。また、
この構造では、光励起あるいは、アバランシ過程により
生成される電子／正孔対の正孔に対しても、超格子領域
での価電子帯の不連続緩和の要も果たしている。これは
、高速応答特性を得る上からも、本発明の優れた特質と
言える。
重構造よりなる超格子（井戸層と障壁層の多層構造）に
おいて、伝導帯の不連続を電子のイオン化率の向上に利
用し、かつ井戸層での高電界下でのトンネル電流を抑制
すべく、障壁層としてＩｎＡｌＡｓ、井戸層として禁制
帯幅１．０ｅＶ未満のＩｎＧａＡｓＰ層あるいは、Ｉｎ
ＡｌＧａＡｓ層を採用することにより、低雑音なアバラ
ンシ・フォトダイオードが得られることである。また、
この構造では、光励起あるいは、アバランシ過程により
生成される電子／正孔対の正孔に対しても、超格子領域
での価電子帯の不連続緩和の要も果たしている。これは
、高速応答特性を得る上からも、本発明の優れた特質と
言える。
第１図及び第２図は本発明の一実施例を示す概略断面図
である。図において、 １１・ｎ＋−ＩｎＰ基板、１２・ｎ＋−ＩｎＰバッファ
ノア、１３・・・アバランシ増倍層、 １３１・・・ｐ−ＩｎＡｌＡｓ障壁層、１３２・ｐ −
ＩｎＧａＡｓＰ井戸層、１４・ｐ −ＩｎＡｌＡｓ層、
１５・・−ｐ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層、１６・・−ｐ
−ＩｎＰキャップ層、１７・・・ｐ型電極、１８・ｎ
型電極、２１−ｎ”−ＩｎＧａＡｓバッファー層、２２
−ｎ”−ＩｎＡＩＡｓバッファー層、ノア・・・アバラ
ンシ増倍層、 ２３１・ｎ−ＩｎＡｌＡｓ障壁層、 ２３２−ｎ −ＩｎＡｌＧａＡｓ井戸層、２４・ｐ −
ＩｎＡｌＡｓ第 図 第 図
である。図において、 １１・ｎ＋−ＩｎＰ基板、１２・ｎ＋−ＩｎＰバッファ
ノア、１３・・・アバランシ増倍層、 １３１・・・ｐ−ＩｎＡｌＡｓ障壁層、１３２・ｐ −
ＩｎＧａＡｓＰ井戸層、１４・ｐ −ＩｎＡｌＡｓ層、
１５・・−ｐ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層、１６・・−ｐ
−ＩｎＰキャップ層、１７・・・ｐ型電極、１８・ｎ
型電極、２１−ｎ”−ＩｎＧａＡｓバッファー層、２２
−ｎ”−ＩｎＡＩＡｓバッファー層、ノア・・・アバラ
ンシ増倍層、 ２３１・ｎ−ＩｎＡｌＡｓ障壁層、 ２３２−ｎ −ＩｎＡｌＧａＡｓ井戸層、２４・ｐ −
ＩｎＡｌＡｓ第 図 第 図
Claims (2)
- （１）少なくとも、ＩｎＰ基板上に格子整合する多層構
造によりアバランシ増倍を与えるアバランシ増倍層と光
励起キャリアの発生をつかさどる光吸収層を備えたアバ
ランシ・フォトダイオードにおいて、ＩｎＰに格子整合
するＩｎＡｌＡｓとＩｎＰに格子整合する禁制帯幅が１
．０ｅＶ未満のＩｎＧａＡｓＰ四元混晶を交互に積層し
た超格子を前記アバランシ増倍層とすることを特徴とす
るヘテロ多重構造アバランシ・フォトダイオード。 - （２）少なくとも、ＩｎＰ基板上に格子整合する多層構
造によりアバランシ増倍を与えるアバランシ増倍層と、
光励起キャリアの発生をつかさどる光吸収層を備えたア
バランシ・フォトダイオードにおいて、ＩｎＰに格子整
合するＩｎＡｌＡｓとＩｎＰに格子整合する禁制帯幅が
１ｅＶ未満のＩｎＧａＡｌＡｓ四元混晶を交互に積層し
た超格子を前記アバランシ増倍層とすることを特徴とす
るヘテロ多重構造アバランシ・フォトダイオード。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2246592A JPH04125977A (ja) | 1990-09-17 | 1990-09-17 | ヘテロ多重構造アバランシ・フォトダイオード |
| EP91115756A EP0477729B1 (en) | 1990-09-17 | 1991-09-17 | Avalanche photodiode |
| DE69125903T DE69125903T2 (de) | 1990-09-17 | 1991-09-17 | Lawinenfotodiode |
| US08/148,429 US5432361A (en) | 1990-09-17 | 1993-11-08 | Low noise avalanche photodiode having an avalanche multiplication layer of InAlAs/InGaAlAs |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2246592A JPH04125977A (ja) | 1990-09-17 | 1990-09-17 | ヘテロ多重構造アバランシ・フォトダイオード |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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