JPH042176A - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JPH042176A
JPH042176A JP2102454A JP10245490A JPH042176A JP H042176 A JPH042176 A JP H042176A JP 2102454 A JP2102454 A JP 2102454A JP 10245490 A JP10245490 A JP 10245490A JP H042176 A JPH042176 A JP H042176A
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体受光素子に関し、特に低雑音及び高速
応答に優れたアバランシェ増倍型半導体受光素子に関す
る。
（従来の技術） 従来、波長１〜１．６μｍ帯の光通信用半導体受光素子
としてＩｎＰ基板上に格子整合したＩｎＯ，５３ＧａＯ
，ｄ□Ａｓ層（以下ＩｎＧａＡｓ層と略記する）を光吸
収層とするＰＩＮ型半導体受光素子（エレクトロニクス
、レターズ（Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ、　Ｌｅｔｔ、）　１
９８４．２０．　ｐｐ６５３−ｐｐ６５４）、アバラン
シェ増倍型半導体受光素子（アイ・イー・イーイー・エ
レクトロン・デバイス・レターズ（ＩＥＥＥ、　Ｅｌｅ
ｃｔｏｒｏｎＤｅｖｉｃｅ　Ｌｅｔｔ、）　１９８６．
７．　ｐｐ２７５−ｐｐ２５８）が知られている。特に
この中で、アバランシェ増倍型半導体受光素子は、アバ
ランシェ増倍作用による内部利得効果及び高速応答性を
有する点で長距離光通信用として実用化されている。
第５図には、典型的なＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤの断面図（
アバランシェ増倍型半導体受光素子を以下ＡＰＤと略記
する）を示すこのＡＰＤの動作原理を説明する。
ＩｎＧａＡｓ層４で発生した光キャリアの中で、正孔キ
ャリアが電界によりＩｎＰアバランシェ増倍層１１に注
入される。ＩｎＰアバランシェ増倍層１１には高電界が
印加されており、イオン化衝突が生じ増倍特性に至る。
この場合、素子特性上重要な雑音・高速応答特性は、増
倍過程でのキャリアのランダムなイオン化プロセスに支
配されている事が知られている。
具体的には増倍層ＩｎＰ層の電子と正孔のイオン化率に
差がある程純粋なキャリアでのイオン化衝突になるので
、（を子及び正孔のイオン化率をそれぞれα及びｐとす
るとａ／１３＞１の時には電子、ｐ／α〉１の時には正
孔がイオン化衝突を起こす主キャリアとなるべきである
）、素子特性上望ましい。
ところが、イオン化率比（Ｉ３／α）は材料物性的に決
定されており、ＩｎＰでは高々Ｉ３／α埒２程度である
。これは低雑音特性を有するＳｉのａ／ｐ〜２０と大き
な違いがあり、より低雑音及び高速応答特性を実現する
為に画期的な材料技術が要求されている。
これに対し、エフ・カパソ（Ｆ、　Ｃａｐａｓｓｏ）等
は、バンド不連続の大きな超格子構造をアバランシェ増
倍層に適用する事（アプライド・フィジックス・レター
ズ（Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、入４０．　ｐ
ｐ３８−４０（１９８２））によってイオン化率比が人
工的に制御できる事を提案している。光通信波長帯（１
〜１．６ｐｍ）に対しては、ケ町ブレナン（Ｋ、　Ｂｒ
ｅｎｎａｎ）がＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子系を
増倍層として適用する事によって、モンテカルロ法によ
りイオン化率ａ／１３＝２０程度が得られる事を理論的
に推測している（アイ・イー・イー・イー・トランザク
ション・オン・エレクトロン・デバイス（ＩＥＥＥ、　
Ｔｒａｎｓ。
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ、　ＥＤ−３３，ｐ
ｐ１５０２−１５１０　（１９８６ン）。これらの超格
子構造を用いたアバランシェ増倍型受光素子は、従来の
ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤを特性上はるかにしのぐデバイス
として、大きな期待が寄せられている。
（発明が解決しようとする課題） 前述の超格子ＡＰＤとしては、特に１〜１゜６ｐｍ帯の
光通信用に限定した場合、ケー・ブレナン（Ｋ。
１３ｒｅｎｎａｎ）が提案したＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａ
Ａｓ超格子系が考えられる（ＩｎＰ基板に格子整合する
為にはＩｎＡｌＡｓ層はＩｎｏ、５２Ａ１ｏ、４８ＡＳ
組成である。以下ＩｎＡｌＡｓ層と略記する）。第４図
（ａ）にはブレナン等が提唱している、ＩｎＡｌＡｓ／
ＩｎＧａＡｓ矩形超格子構造での電子のイオン化過程を
示している。光吸収により発生した電子が超格子増倍層
を走行する事により、伝導帯の大きなバンド不連続（Δ
Ｅｃｗｏ、５ｅＶ）をエネルギー−として取り込み、電
子のみの選択的なイオン化が生じる。この為大きなイオ
ン化率比（（１／ｐ）が実現可能である。
また実際的には、電子は井戸層走行後、反対側の伝導帯
不連続を壁として感じる為に、エネルギー損失あるいは
電子のトラップ現象が生じてしまう。ブレナン等は、こ
れを回避する為に第４図（ｂ）に示す様な井戸層の一部
領域にＩｎＧａＡｓがらＩｎＡｌＡｓに組成が徐々に変
化するＩｎＡｌＧａＡｓグレーデッド領域をもうける事
を提案している。これにより、電子のエネルギー損失、
トラップ現象が改善されて、増倍に必要な電界強度の減
少、イオン化率比の向上、高速応答性に優れる可能性が
ある。
しかしながら、結晶成長技術的にはＩｎＰ基板に格子整
合したＩｎＡｌＧａＡｓグレーデツド層を形成する事は
極めて困難で、より現実的なデバイス構造が必要である
。また、デバイス特性の向上（増倍電界強度の減少、イ
オン化率比の増か、高速応答性）をはかる為には、より
効果的な構造が不可欠である。
そこで、本発明の目的は、これらの課題を解決して低雑
音・高速応答性を有するアバランシェ増倍型半導体受光
素子を提供する事にある。
（課題を解決するための手段） 本発明の半導体受光素子は半導体基板上にアバランシェ
増倍層と光吸収層を備え、該アバランシェ増倍層が矩形
型超格子構造を基本とする超格子構造からなり、該矩形
型超格子構造の井戸層と障壁層の境界領域に各々厚さ１
００Å以下の井戸層と障壁層からなる矩形型短周期超格
子構造を備えることを特徴とする。
上記の半導体受光素子においてアバランシェ増倍層と光
吸収層が同じ層であってもよい。即ちアバランシェ増倍
領域が光吸収効果を兼ねていてもよい。
また上記半導体受光素子の前記矩形型短周期超格子構造
は、井戸層厚が１００Å以下の範囲で変動してもよい。
特に該井戸層厚が前記基本となる超格子構造の井戸層か
ら障壁層に向かうにつれ狭くなることを特徴とする特 （作用） 本発明は、上述の手段をとることにより、従来技術に残
された課題を解決した。第３図（ａ）は本発明の素子に
おけるバンド構造を示す図である。基本的には、矩形型
超格子構造（ＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ）増倍層にお
いて、ＩｎＧａＡｓ井戸層とＩｎＡｌＡｓ障壁層の境界
領域に、井戸層と障壁層厚がそれぞれ１００Å以下とな
る様な短周期矩形超格子構造（ＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａ
Ａｓ）領域を設ける事にある。
本図に示すように光吸収によって発生した電子が本超格
子増倍層を走行した場合、電子は超格子構造の電導帯不
連続（ΔＥｃ）を谷として感じて実効的に（ΔＥ、のエ
ネルギーを得る。更に反対側の伝導帯不連続は逆に壁と
して感じるわけであるが、本発明では井戸層と障壁層厚
を１ｏｏＡ以下とした短周期超格子構造を介在させてい
る為、伝導帯不連続を階段的に減じる事が可能である。
この場合、短周期超格子構造の層厚は以下の様な理由に
より決定されている。つまり井戸層厚に関しては十分に
大きな量子準位Ｅｌ、ｅを形成する為に１００Å以下で
ある事、障壁層厚に関しては電子がトンネリングあるい
はホットキャリア化に容易な１００λ以下である事が限
定される。
本構造により、電子はエネルギー損失・トラップ現象の
影響を受ける事なく走行が可能″になり、イオン化衝突
に至る。それ故、増倍に必要な電界強度を減少させる事
が可能で、更にイオン化率比の向上、高速応答性が期待
できる。
本発明構造は、従来ブレナン等が提案しているグレーデ
ッド超格子構造（第４図（ｂ）参照）に対し、以下の点
で優れている。まず第一に、基本的には矩形超格子構造
の成長技術により簡単に形成可能な構造であり、グレー
デッド超格子構造に比較して容易に実現が可能である。
第二の重要な特徴としては、短周期超格子構造領域を電
子が走行する場合、第３図（ａ）に示す様にΔＥｃ−Ｅ
１．ｅ（Ｅ１’、ｅは伝導帯の第一量子準位）をエネル
ギーとして取り込む事が可能である。この為、従来の単
純なる矩形構造、グレーデッド構造に比較して更にデバ
イス特性の向上が期待できる。具体的には低電界強度で
の増倍、イオン化率比のより一層の増大である。
更には、より理想的な構造としては、第３図（ｂ）に示
す様に徐々に短周期超格子構造の井戸層厚を薄くする事
により、よりグレーデッド構造に近い構造になり電子の
エネルギー損失、トラップ現象の影響を皆無にする事も
可能である。
（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。第１図は、本発明の一実施例により形成された
アバランシェ増倍型受光素子の断面図である。この実施
例の構造は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰバッフ
ァ層２、ｎ型矩形型超格子アバランシェ増倍層３、ｎ型
ＩｎＧａＡｓ光吸収層４、ｎ型ＩｎＰウィンド層５を順
次に積層してなる。ここで、矩形型超格子アバランシェ
増倍層３は本発明によるもので、５００人井用層と５０
０人障壁層からなる矩形超格子構造において、井戸層・
障壁層境界領域のｎ側電極側に、２５人井戸層・５０人
障壁層からなる４周期矩形短周期超格子構造を介在させ
た基本超格子構造（１０周期）を有している。その後に
ｐ十領域６を拡散法により形成し、さらにパッシベーシ
ョン膜７、電極８゜９を形成する事によって素子構造を
得ている。
ここで、ＩｎＧａＡｓ光吸収層４で光吸収する事により
光キャリアが発生する。この中で電子のみが超格子増倍
層３に注入され、前述の作用に従い増倍現象に至る。本
実施例では短周期超格子構造の井戸層厚は２５人である
為、伝導帯側の第−量子準位エネルギーは、伝導帯底よ
りも約（ΔＥｏ／２）だけ上に形成される。
第２図には、増倍率と電界強度の関係を示しており、本
発明による素子と従来構造による素子（５００人井用層
・５００人障壁層の矩形超格子構造からなる）について
比較している。これより、従来例では３５０ＫＶ／ａｍ
以上の最大電界強度を増倍に要したが、本発明による素
子では３００ＫＶ／ｃｍ以下であり、本発明の効果が確
証されている。またイオン化率比（ａ／ｐ）、高速応答
性に関しても改善の効果がある。
別の実施例として、第３図（ｂ）に示した構造として、
短周期超格子構造の井戸層厚を３５人から１５人まで５
人ずつ狭くすればよい。この場合ｐ側からｎ側に向かっ
て井戸層厚が漸減している。この例ではキャリア（電子
）のエネルギー損失、トラップ現象を更に低減できた。
短周期超格子構造の井戸層厚、障壁層厚や同期の回数は
所望の特性により自由に設定できる。
本発明による素子構造は、作用の欄で述べた様に、基本
的には矩形超格子構造の成長技術で十分であり、ＭＯＣ
ＶＤ法、ＭＢＥ法等を用いて容易に作製可能である。
（発明の効果） 以上に説明したように、本発明により得られるアバラン
シェ増倍型受光素子は、超格子アバランシェ層において
短周期矩形超格子を介在させる事により、増倍電界強度
の低減・イオン化率比の向上・高速応答性に優れたデバ
イス特性が達成される。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施例である超格子アバランシェ
増倍型受光素子の断面図。第２図は増倍率の電界強度依
存性を示す図であり、本発明による素子、従来による素
子と併せて比較している。第３図は、本発明の超格子ア
バランシェ増倍型受光素子のバンド構造を示す図。第４
図は、従来概念の超格子アバランシェ増倍型受光素子の
ハンド構造を示す図。第５図は、従来のＩｎＧａＡｓ系
アバランシェ増倍型受光素子の断面図である。 １・・・ｎ型ＩｎＰ基板、２・・・ｎ型ＩｎＰバッファ
層、３、ｎ型矩形型超格子アバランシェ増倍層、４、・
・ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、５・・・ｎ型ＩｎＰウィ
ンド層、６・・・ｐ＋拡散領域・ ７９９．パッシベーション膜（ＳｉＮ膜）、８、・・ｐ
側オーミック電極、９・・・ｎ側オーミック電極、１０
・・・入射光、１１・・・ｎ型ＩｎＰアバランシェ増倍
層、１２・・・ｎ型ＩｎＰキャップ層、１３・・・ｐ＋
拡散領域、１４・・・ｐ−拡散領域

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 　半導体基板上にアバランシェ増倍層と光吸収層を備え
    る半導体受光素子であって、該アバランシェ倍増層が矩
    形型超格子構造を基本とする超格子構造からなり、該矩
    形型超格子構造の井戸層と障壁層の境界領域に各々厚さ
    １００Å（オングストローム）以下の井戸層と障壁層か
    らなる矩形型短周期超格子構造を備えることを特徴とす
    る半導体受光素子。
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