JPH04252081A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH04252081A JPH04252081A JP3008179A JP817991A JPH04252081A JP H04252081 A JPH04252081 A JP H04252081A JP 3008179 A JP3008179 A JP 3008179A JP 817991 A JP817991 A JP 817991A JP H04252081 A JPH04252081 A JP H04252081A
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- Light Receiving Elements (AREA)
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
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信や光情報処理、
光計測等で用いられる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
光素子に関するものである。
光計測等で用いられる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
光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、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In
0.53Ga0.47As層(以下InGaAs層と略
す)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−ズ(Electronics L
etters)1984年,20巻,pp653−65
4に記載)、アバランシェ増倍型半導体受光素子(アイ
イ−イ−イ−・エレクトロンデバイス・レタ−ズ(
IEEE.Electron.Device.Lett
ers)1986年,7巻,pp257−258に記載
)が知られている。特に、後者は、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を有する点で、長距
離通信用として実用化されている。
導体受光素子として、InP基板上に格子整合したIn
0.53Ga0.47As層(以下InGaAs層と略
す)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−ズ(Electronics L
etters)1984年,20巻,pp653−65
4に記載)、アバランシェ増倍型半導体受光素子(アイ
イ−イ−イ−・エレクトロンデバイス・レタ−ズ(
IEEE.Electron.Device.Lett
ers)1986年,7巻,pp257−258に記載
)が知られている。特に、後者は、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を有する点で、長距
離通信用として実用化されている。
【0003】図8に、典型的なInGaAs−APDの
構造図(アバランシェ増倍型半導体受光素子は以下AP
Dと略す。)を示す。動作原理は、InGaAs光吸収
層3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アバランシェ層4に注入される。InPア
バランシェ層4は、高電界が印加されているのでイオン
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ことが知
られている。具体的には、増倍層であるInP層の電子
と正孔のイオン化率に差がある程、イオン化率比が大き
くとれ(電子及び正孔のイオン化率をそれぞれα、βと
すると、α/β>1の時には電子、β/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(α/βまたはβ/α)は、材料物性的に決定されて
おり、InPでは高々β/α=2程度である。これは、
低雑音特性を有するSiのα/β=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ために、
画期的な材料技術が要求されている。
構造図(アバランシェ増倍型半導体受光素子は以下AP
Dと略す。)を示す。動作原理は、InGaAs光吸収
層3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アバランシェ層4に注入される。InPア
バランシェ層4は、高電界が印加されているのでイオン
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ことが知
られている。具体的には、増倍層であるInP層の電子
と正孔のイオン化率に差がある程、イオン化率比が大き
くとれ(電子及び正孔のイオン化率をそれぞれα、βと
すると、α/β>1の時には電子、β/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(α/βまたはβ/α)は、材料物性的に決定されて
おり、InPでは高々β/α=2程度である。これは、
低雑音特性を有するSiのα/β=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ために、
画期的な材料技術が要求されている。
【0004】これに対し、カパッソ(F.Capass
o)らは、伝導帯のバンド不連続エネルギー(ΔEc)
を電子のイオン化促進に利用し、イオン化率比α/βの
増大による高感度・高帯域を目的とした超格子APD
を提案している。その例は、アプライド・フィジックス
・レタ−ズ(Appl.Phys.Lett.),19
82年,40巻,p38に記載されている。
o)らは、伝導帯のバンド不連続エネルギー(ΔEc)
を電子のイオン化促進に利用し、イオン化率比α/βの
増大による高感度・高帯域を目的とした超格子APD
を提案している。その例は、アプライド・フィジックス
・レタ−ズ(Appl.Phys.Lett.),19
82年,40巻,p38に記載されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術の欄で述べ
たように、超格子APDでは、伝導帯のバンド不連続エ
ネルギー(ΔEc)の値が、イオン化率比の改善に大き
く寄与する。しかしながら、このΔEcは、ヘテロ周期
構造に用いる半導体材料に依って一義的に決ってしまう
。
たように、超格子APDでは、伝導帯のバンド不連続エ
ネルギー(ΔEc)の値が、イオン化率比の改善に大き
く寄与する。しかしながら、このΔEcは、ヘテロ周期
構造に用いる半導体材料に依って一義的に決ってしまう
。
【0006】また、超格子APDにおいては、価電子帯
のバンド不連続エネルギー(ΔEv )においてホール
がパイルアップされ、帯域が抑圧されるという弊害もあ
る。これを防ぐために、該ヘテロ周期構造をInAlA
s/InGaAsPあるいは、AlGaAsSb/Al
GaInAs等で形成し、ΔEv を0にすることがで
きるが、反面ΔEc が減少しイオン化率比が低下して
しまう。
のバンド不連続エネルギー(ΔEv )においてホール
がパイルアップされ、帯域が抑圧されるという弊害もあ
る。これを防ぐために、該ヘテロ周期構造をInAlA
s/InGaAsPあるいは、AlGaAsSb/Al
GaInAs等で形成し、ΔEv を0にすることがで
きるが、反面ΔEc が減少しイオン化率比が低下して
しまう。
【0007】本発明の目的は、上述の課題を解決し、低
雑音かつ高速応答を有するアバランシェ増倍型半導体受
光素子を提供することにある。
雑音かつ高速応答を有するアバランシェ増倍型半導体受
光素子を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の受光素子は、半
導体基板上に、光吸収層、ヘテロ周期構造アバランシェ
増倍半導体層を備える半導体受光素子において、該ヘテ
ロ周期構造アバランシェ増倍層を構成する第1の半導体
層のIII族原子の平均イオン化エネルギーをEA 、
禁制帯幅をEgA、また第2の半導体層のIII族原子
の平均イオン化エネルギーをEB 、禁制帯幅をEgB
とした場合、 EA <EB および EA +EgA>EB
+EgBが成立ち、且つ、前記第1の半導体層が異なる
2つの半導体層からなる多重量子障壁を有することを特
徴とする。
導体基板上に、光吸収層、ヘテロ周期構造アバランシェ
増倍半導体層を備える半導体受光素子において、該ヘテ
ロ周期構造アバランシェ増倍層を構成する第1の半導体
層のIII族原子の平均イオン化エネルギーをEA 、
禁制帯幅をEgA、また第2の半導体層のIII族原子
の平均イオン化エネルギーをEB 、禁制帯幅をEgB
とした場合、 EA <EB および EA +EgA>EB
+EgBが成立ち、且つ、前記第1の半導体層が異なる
2つの半導体層からなる多重量子障壁を有することを特
徴とする。
【0009】また本発明の受光素子は、請求項1の受光
素子に於て、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層の第
1の半導体層がInAlAs、第2の半導体層がInG
aAsPで形成され、且つ、両者の価電子帯のエネルギ
ー差が0に近いことを特徴とする。
素子に於て、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層の第
1の半導体層がInAlAs、第2の半導体層がInG
aAsPで形成され、且つ、両者の価電子帯のエネルギ
ー差が0に近いことを特徴とする。
【0010】あるいは本発明の受光素子は、半導体基板
上に、光吸収層、ヘテロ周期構造アバランシェ増倍半導
体層を備える半導体受光素子において、該ヘテロ周期構
造アバランシェ増倍層を構成する第1の半導体層のII
I族原子の平均イオン化エネルギーをEC 、禁制帯幅
をEgC、また第2の半導体層のIII族原子の平均イ
オン化エネルギーをED 、禁制帯幅をEgDとした場
合、EC <ED および EC +EgC<E
D +EgDが成立ち、且つ、前記第1の半導体層が異
なる2つの半導体層からなる多重量子障壁を有すること
を特徴とする。
上に、光吸収層、ヘテロ周期構造アバランシェ増倍半導
体層を備える半導体受光素子において、該ヘテロ周期構
造アバランシェ増倍層を構成する第1の半導体層のII
I族原子の平均イオン化エネルギーをEC 、禁制帯幅
をEgC、また第2の半導体層のIII族原子の平均イ
オン化エネルギーをED 、禁制帯幅をEgDとした場
合、EC <ED および EC +EgC<E
D +EgDが成立ち、且つ、前記第1の半導体層が異
なる2つの半導体層からなる多重量子障壁を有すること
を特徴とする。
【0011】また本発明の受光素子は、請求項3の受光
素子に於て、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層の第
1の半導体層がAlGaAsSb、第2の半導体層がA
lGaInAsで形成され、且つ、両者の価電子帯のエ
ネルギー差が0に近いことを特徴とする。
素子に於て、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層の第
1の半導体層がAlGaAsSb、第2の半導体層がA
lGaInAsで形成され、且つ、両者の価電子帯のエ
ネルギー差が0に近いことを特徴とする。
【0012】
【作用】図1は、本発明の第1の受光素子のバンド構造
である。アバランシェ増倍層はヘテロ周期構造からなり
、上述のバンド構造を満たす具体例として、一例として
、第1の半導体層にInx Al1−x As(0≦x
≦)、第2の半導体層にIny Ga1−y As(0
≦y≦1)を用いている。該ヘテロ周期構造の障壁層で
ある第1の半導体層(InAlAs)は、異なる二つの
半導体層からなる多重量子障壁を備えている。
である。アバランシェ増倍層はヘテロ周期構造からなり
、上述のバンド構造を満たす具体例として、一例として
、第1の半導体層にInx Al1−x As(0≦x
≦)、第2の半導体層にIny Ga1−y As(0
≦y≦1)を用いている。該ヘテロ周期構造の障壁層で
ある第1の半導体層(InAlAs)は、異なる二つの
半導体層からなる多重量子障壁を備えている。
【0013】図3には、その多重量子障壁およびバルク
界面における電子反射率の計算例を示す。多重量子障壁
に入射した電子は、干渉効果により多重量子障壁を構成
する半導体のヘテロ障壁以上のエネルギーを有している
場合にも、有限の反射率を感じる。つまり、実効的なヘ
テロ障壁の増大を図ることができる。図3は、InAl
As/InGaAsの多重量子障壁の計算例の一例であ
る。この図3から、電子の反射率は、古典障壁の1.7
倍まで増大することが分かる。
界面における電子反射率の計算例を示す。多重量子障壁
に入射した電子は、干渉効果により多重量子障壁を構成
する半導体のヘテロ障壁以上のエネルギーを有している
場合にも、有限の反射率を感じる。つまり、実効的なヘ
テロ障壁の増大を図ることができる。図3は、InAl
As/InGaAsの多重量子障壁の計算例の一例であ
る。この図3から、電子の反射率は、古典障壁の1.7
倍まで増大することが分かる。
【0014】動作原理は、図1において、まずInGa
As光吸収層で発生した光キャリアの中で、電子キャリ
アのみが逆電界によりヘテロ構造アバランシェ増倍層に
注入される。このとき、通常の超格子APDの場合、注
入された電子は、該ヘテロ周期構造の伝導帯の不連続エ
ネルギー(ΔEc)を感じて、イオン化が促進される。 しかしながら、本発明による多重量子障壁を備えた障壁
層を有するアバランシェ増倍層においては、上述したよ
うに実効的なヘテロ障壁の増大が得られるので、更に大
きなエネルギー差を感じて、イオン化率の促進が図れる
。しかも、価電子帯を走行する正孔は、その質量が電子
に比べ大きいので、該多重量子障壁を感じず、即ち一方
的な電子の増倍を促進することができる。これより、図
8の従来例のAPDより、高感度低雑音特性を有するA
PDを得ることができる。
As光吸収層で発生した光キャリアの中で、電子キャリ
アのみが逆電界によりヘテロ構造アバランシェ増倍層に
注入される。このとき、通常の超格子APDの場合、注
入された電子は、該ヘテロ周期構造の伝導帯の不連続エ
ネルギー(ΔEc)を感じて、イオン化が促進される。 しかしながら、本発明による多重量子障壁を備えた障壁
層を有するアバランシェ増倍層においては、上述したよ
うに実効的なヘテロ障壁の増大が得られるので、更に大
きなエネルギー差を感じて、イオン化率の促進が図れる
。しかも、価電子帯を走行する正孔は、その質量が電子
に比べ大きいので、該多重量子障壁を感じず、即ち一方
的な電子の増倍を促進することができる。これより、図
8の従来例のAPDより、高感度低雑音特性を有するA
PDを得ることができる。
【0015】図2は、本発明の請求項3の受光素子のバ
ンド構造である。アバランシェ増倍層はヘテロ周期構造
からなり、上述のバンド構造を満たす具体例として、一
例として、第1の半導体層にAlx Ga1−x As
y Sb1−y (0≦x≦1)(0≦y≦1)、第2
の半導体層にInz Ga1−z As(0≦z≦1)
を用いている。該ヘテロ周期構造の障壁層である第1の
半導体層(AlGaAsSb)は、異なる二つの半導体
層からなる多重量子障壁を備えている。
ンド構造である。アバランシェ増倍層はヘテロ周期構造
からなり、上述のバンド構造を満たす具体例として、一
例として、第1の半導体層にAlx Ga1−x As
y Sb1−y (0≦x≦1)(0≦y≦1)、第2
の半導体層にInz Ga1−z As(0≦z≦1)
を用いている。該ヘテロ周期構造の障壁層である第1の
半導体層(AlGaAsSb)は、異なる二つの半導体
層からなる多重量子障壁を備えている。
【0016】図4には、該多重量子障壁およびバルク界
面における電子反射率の計算例を示す。多重量子障壁に
入射した電子は、多重量子障壁を構成する半導体のヘテ
ロ障壁以上のエネルギーを有している場合にも、有限の
反射率を感じる。つまり、実効的なヘテロ障壁の増大を
図ることができる。図4は、AlGaAsSb/InG
aAsの多重ヘテロ障壁の計算例の一例である。この図
4から、電子の反射率は、古典障壁の1.6倍まで増大
することが分かる。
面における電子反射率の計算例を示す。多重量子障壁に
入射した電子は、多重量子障壁を構成する半導体のヘテ
ロ障壁以上のエネルギーを有している場合にも、有限の
反射率を感じる。つまり、実効的なヘテロ障壁の増大を
図ることができる。図4は、AlGaAsSb/InG
aAsの多重ヘテロ障壁の計算例の一例である。この図
4から、電子の反射率は、古典障壁の1.6倍まで増大
することが分かる。
【0017】動作原理は、まずInGaAs光吸収層で
発生した光キャリアの中で、電子キャリアのみが逆電界
によりヘテロ構造アバランシェ増倍層に注入される。こ
のとき、通常の超格子APDの場合、注入された電子は
、該ヘテロ周期構造の伝導帯の不連続エネルギー(ΔE
c)を感じて、イオン化が促進される。しかしながら、
本発明による多重ヘテロ障壁を備えた障壁層を有するア
バランシェ増倍層においては、上述したように実効的な
ヘテロ障壁の増大が得られるので、更に大きなエネルギ
ー差を感じて、イオン化率の促進が図れる。しかも、価
電子帯を走行する正孔は、その質量が電子に比べ大きい
ので、該多重量子障壁を感じず、即ち一方的な電子の増
倍を促進することができる。これより、図8の従来例の
APDより、高感度低雑音特性を有するAPDを得るこ
とができる。
発生した光キャリアの中で、電子キャリアのみが逆電界
によりヘテロ構造アバランシェ増倍層に注入される。こ
のとき、通常の超格子APDの場合、注入された電子は
、該ヘテロ周期構造の伝導帯の不連続エネルギー(ΔE
c)を感じて、イオン化が促進される。しかしながら、
本発明による多重ヘテロ障壁を備えた障壁層を有するア
バランシェ増倍層においては、上述したように実効的な
ヘテロ障壁の増大が得られるので、更に大きなエネルギ
ー差を感じて、イオン化率の促進が図れる。しかも、価
電子帯を走行する正孔は、その質量が電子に比べ大きい
ので、該多重量子障壁を感じず、即ち一方的な電子の増
倍を促進することができる。これより、図8の従来例の
APDより、高感度低雑音特性を有するAPDを得るこ
とができる。
【0018】
【実施例】本発明の第1の実施例について、図面を用い
て詳細に説明する。図5(a)は、請求項1の本発明の
一実施例のアバランシェ増倍型受光素子の断面図である
。構造としては、p型InP基板12上に、p型InP
バッファ層13を0. 5μm、p型InGaAs光吸
収層14を1. 5μm、InAlAs500A(オン
グストローム)/InGaAs250Aの16周期ヘテ
ロ周期構造アバランシェ増倍層15を1.0μm積層す
る。ここで、該アバランシェ増倍層の障壁層であるIn
AlAs層は、多重量子障壁層を含んでいる。該アバラ
ンシェ増倍層の障壁層の構造は、電子透過防止層20、
多重量子障壁層21およびInAlAs障壁層22から
なり、この部分の構造のバンド図を図5(b)に示す。 電子透過防止層は、100AのInAlAs層、多重量
子障壁層はInAlAs30A/InGaAs20Aの
5層およびInAlAs障壁層は150AのInAlA
s層からなる。その後、p型InPキャップ層16を0
. 5μm順次積層する。
て詳細に説明する。図5(a)は、請求項1の本発明の
一実施例のアバランシェ増倍型受光素子の断面図である
。構造としては、p型InP基板12上に、p型InP
バッファ層13を0. 5μm、p型InGaAs光吸
収層14を1. 5μm、InAlAs500A(オン
グストローム)/InGaAs250Aの16周期ヘテ
ロ周期構造アバランシェ増倍層15を1.0μm積層す
る。ここで、該アバランシェ増倍層の障壁層であるIn
AlAs層は、多重量子障壁層を含んでいる。該アバラ
ンシェ増倍層の障壁層の構造は、電子透過防止層20、
多重量子障壁層21およびInAlAs障壁層22から
なり、この部分の構造のバンド図を図5(b)に示す。 電子透過防止層は、100AのInAlAs層、多重量
子障壁層はInAlAs30A/InGaAs20Aの
5層およびInAlAs障壁層は150AのInAlA
s層からなる。その後、p型InPキャップ層16を0
. 5μm順次積層する。
【0019】その後、n− 型ガードリング領域17形
成のため、100kVの加速電圧でSiを1×1013
cm−2、3000Aの深さまでイオン注入し、5×1
016cm−3の濃度領域を得る。同様に、n+ 受光
領域18形成のため、200kVの加速電圧でSiを1
×1014cm−2、0. 5μmの深さまでイオン注
入し、1×1018cm−3の濃度領域を得る。更に、
パッシベーション膜8を1500A形成し、n側電極9
として、AuGe/Niを1500A、TiPtAuを
500A堆積する。また、p側電極10として、AuZ
nを1500A堆積することにより、図5(a)の素子
構造を完成する。
成のため、100kVの加速電圧でSiを1×1013
cm−2、3000Aの深さまでイオン注入し、5×1
016cm−3の濃度領域を得る。同様に、n+ 受光
領域18形成のため、200kVの加速電圧でSiを1
×1014cm−2、0. 5μmの深さまでイオン注
入し、1×1018cm−3の濃度領域を得る。更に、
パッシベーション膜8を1500A形成し、n側電極9
として、AuGe/Niを1500A、TiPtAuを
500A堆積する。また、p側電極10として、AuZ
nを1500A堆積することにより、図5(a)の素子
構造を完成する。
【0020】上述した素子構造のもとで、作用に述べた
原理により、電子のイオン化が誇張され、実効イオン化
率比(α/β比)100、また量子効率80%の低雑音
、高速応答特性を有するアバランシェ増倍型半導体受光
素子を実現した。本発明による素子構造は、具体的には
、MOVPE、MBE、ガスソースMBE等の成長技術
により、作製することができる。
原理により、電子のイオン化が誇張され、実効イオン化
率比(α/β比)100、また量子効率80%の低雑音
、高速応答特性を有するアバランシェ増倍型半導体受光
素子を実現した。本発明による素子構造は、具体的には
、MOVPE、MBE、ガスソースMBE等の成長技術
により、作製することができる。
【0021】次に、本発明の第2の実施例について、図
面を用いて詳細に説明する。図6(a)は、請求項3の
本発明の一実施例のアバランシェ増倍型受光素子の断面
図である。構造としては、p型InP基板12上に、p
型InPバッファ層13を0. 5μm、p型InGa
As光吸収層14を1. 5μm、AlGaAsSb5
00A/InGaAs250Aの16周期ヘテロ周期構
造アバランシェ増倍層23を1.0μm積層する。ここ
で、このアバランシェ増倍層の障壁層であるAlGaA
sSb層は、多重量子障壁層を含んでいる。このアバラ
ンシェ増倍層の障壁層の構造は、電子透過防止層24、
多重量子障壁層25およびInAlAs障壁層26から
なり、この構造のバンド図を図6(b)に示す。電子透
過防止層は、100AのAlGaAsSb層、多重量子
障壁層はAlGaAsSb30A/InGaAs20A
の5層およびAlGaAsSb障壁層は150AのAl
GaAsSb層からなる。その後、p型InPキャップ
層16を0. 5μm順次積層する。
面を用いて詳細に説明する。図6(a)は、請求項3の
本発明の一実施例のアバランシェ増倍型受光素子の断面
図である。構造としては、p型InP基板12上に、p
型InPバッファ層13を0. 5μm、p型InGa
As光吸収層14を1. 5μm、AlGaAsSb5
00A/InGaAs250Aの16周期ヘテロ周期構
造アバランシェ増倍層23を1.0μm積層する。ここ
で、このアバランシェ増倍層の障壁層であるAlGaA
sSb層は、多重量子障壁層を含んでいる。このアバラ
ンシェ増倍層の障壁層の構造は、電子透過防止層24、
多重量子障壁層25およびInAlAs障壁層26から
なり、この構造のバンド図を図6(b)に示す。電子透
過防止層は、100AのAlGaAsSb層、多重量子
障壁層はAlGaAsSb30A/InGaAs20A
の5層およびAlGaAsSb障壁層は150AのAl
GaAsSb層からなる。その後、p型InPキャップ
層16を0. 5μm順次積層する。
【0022】その後、n− 型ガードリング領域17形
成のため、100kVの加速電圧でSiを1×1013
cm−2、3000Aの深さまでイオン注入し、5×1
016cm−3の濃度領域を得る。同様に、n+ 受光
領域18形成のため、200kVの加速電圧でSi
を1×1014cm−2、0. 5μmの深さまでイオ
ン注入し、1×1018cm−3の濃度領域を得る。
更に、パッシベーション膜8を1500A形成し、n
側電極9として、AuGe/Niを1500A、TiP
tAuを500A堆積する。 また、p側電極10として、AuZnを1500A堆積
することにより、図6(a)の素子構造を完成する。
成のため、100kVの加速電圧でSiを1×1013
cm−2、3000Aの深さまでイオン注入し、5×1
016cm−3の濃度領域を得る。同様に、n+ 受光
領域18形成のため、200kVの加速電圧でSi
を1×1014cm−2、0. 5μmの深さまでイオ
ン注入し、1×1018cm−3の濃度領域を得る。
更に、パッシベーション膜8を1500A形成し、n
側電極9として、AuGe/Niを1500A、TiP
tAuを500A堆積する。 また、p側電極10として、AuZnを1500A堆積
することにより、図6(a)の素子構造を完成する。
【0023】上述した素子構造のもとで、作用に述べた
原理により、電子のイオン化が誇張され、実効イオン化
率比(α/β比)90、また量子効率80%の低雑音・
高速応答特性を有するアバランシェ増倍型半導体受光素
子を実現した。本発明による素子構造は、具体的には、
MOVPE、MBE、ガスソースMBE等の成長技術に
より、作製することができる。
原理により、電子のイオン化が誇張され、実効イオン化
率比(α/β比)90、また量子効率80%の低雑音・
高速応答特性を有するアバランシェ増倍型半導体受光素
子を実現した。本発明による素子構造は、具体的には、
MOVPE、MBE、ガスソースMBE等の成長技術に
より、作製することができる。
【0024】また、従来の超格子APDの場合、価電子
帯エネルギー差にホールがパイルアップし、高速動作が
阻害されるという問題点があった。これを解決するには
、価電子帯エネルギー差が0となる材料系を用いれば良
い。これが請求項2または4に記載した発明である。
帯エネルギー差にホールがパイルアップし、高速動作が
阻害されるという問題点があった。これを解決するには
、価電子帯エネルギー差が0となる材料系を用いれば良
い。これが請求項2または4に記載した発明である。
【0025】第3の実施例として図7を用いて説明する
。図5を用いて説明した第1の実施例において、アバラ
ンシェ増倍層15の中の井戸層のInGaAs250A
の代りにInGaAsP200Aを用いたもののバンド
図が図7である。他の構造は同様でよい。この場合Ev
は障壁層と井戸層の間でほぼなくなるのでホールのパイ
ルアップがなく、第1の実施例より一層高速化した高感
度低雑音受光素子が得られた。
。図5を用いて説明した第1の実施例において、アバラ
ンシェ増倍層15の中の井戸層のInGaAs250A
の代りにInGaAsP200Aを用いたもののバンド
図が図7である。他の構造は同様でよい。この場合Ev
は障壁層と井戸層の間でほぼなくなるのでホールのパイ
ルアップがなく、第1の実施例より一層高速化した高感
度低雑音受光素子が得られた。
【0026】請求項4の実施例としては図6(b)のI
nGaAs井戸層の代りにAlGaInAs層を用いれ
ば同様に価電子帯のエネルギー差をなくすことができ、
第2の実施例に比べより一層高速化できた。
nGaAs井戸層の代りにAlGaInAs層を用いれ
ば同様に価電子帯のエネルギー差をなくすことができ、
第2の実施例に比べより一層高速化できた。
【0027】
【発明の効果】本発明による半導体受光素子は、ヘテロ
周期アバランシェ増倍層の障壁層が多重量子障壁層を含
むことにより、実効的な伝導帯エネルギー差を増加させ
、よりイオン化率比を大きくすることができる。これよ
り、高感度低雑音特性を有する半導体受光素子を実現で
きる。
周期アバランシェ増倍層の障壁層が多重量子障壁層を含
むことにより、実効的な伝導帯エネルギー差を増加させ
、よりイオン化率比を大きくすることができる。これよ
り、高感度低雑音特性を有する半導体受光素子を実現で
きる。
【図1】本発明による受光素子のバンド構造図である。
【図2】本発明による受光素子のバンド構造図である。
【図3】InAlAs/InGaAs多重量子井戸の場
合の計算例を説明する図である。
合の計算例を説明する図である。
【図4】AlGaAsSb/InGaAs多重量子井戸
の場合の計算例を説明する図である。
の場合の計算例を説明する図である。
【図5】本発明の第1の実施例の受光素子を説明するた
めの図である。
めの図である。
【図6】本発明の第2の実施例の受光素子を説明するた
めの図である。
めの図である。
【図7】本発明の第3の実施例の受光素子を説明するた
めの図である。
めの図である。
【図8】従来例のAPDの構造図である。
1 n型InP基板
2 n型InPバッファ層
3 n型InGaAs光吸収層
4 n型InP層(アバランシェ増倍層)5 n型
InPキャップ層 6 p型受光領域 7 p型ガードリング領域 8 パッシベーション膜 9 n側オーミック電極 10 p側オーミック電極 11 入射光 12 p型InP基板 13 p型InPバッファ層 14 p型InGaAs光吸収層 15 p型多重量子障壁を含むInAlAs/InG
aAsヘテロ周期構造アバランシェ増倍層16 p型
InPキャップ層 17 n型ガードリング層 18 n型受光領域 19 パッシベーション膜 20 InAlAs電子透過防止層 21 InAlAs/InGaAs多重量子障壁層2
2 InAlAs障壁層 23 p型多重量子障壁を含むAlGaAsSb/I
nGaAsヘテロ周期構造アバランシェ増倍層24
AlGaAsSb電子透過防止層25 AlGaAs
Sb/InGaAs多重量子障壁層26 AlGaA
sSb障壁層
InPキャップ層 6 p型受光領域 7 p型ガードリング領域 8 パッシベーション膜 9 n側オーミック電極 10 p側オーミック電極 11 入射光 12 p型InP基板 13 p型InPバッファ層 14 p型InGaAs光吸収層 15 p型多重量子障壁を含むInAlAs/InG
aAsヘテロ周期構造アバランシェ増倍層16 p型
InPキャップ層 17 n型ガードリング層 18 n型受光領域 19 パッシベーション膜 20 InAlAs電子透過防止層 21 InAlAs/InGaAs多重量子障壁層2
2 InAlAs障壁層 23 p型多重量子障壁を含むAlGaAsSb/I
nGaAsヘテロ周期構造アバランシェ増倍層24
AlGaAsSb電子透過防止層25 AlGaAs
Sb/InGaAs多重量子障壁層26 AlGaA
sSb障壁層
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体基板上に、光吸収層、ヘテロ周
期構造アバランシェ増倍半導体層を備える半導体受光素
子において、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層を構
成する第1の半導体層のIII族原子の平均イオン化エ
ネルギーをEA、禁制帯幅をEgA、また第2の半導体
層のIII族原子の平均イオン化エネルギーをEB 、
禁制帯幅をEgBとした場合、 EA <EB および EA +EgA>EB
+EgBが成り立ち、且つ、前記第1の半導体層が異な
る2つの半導体層からなる多重量子障壁を有することを
特徴とする半導体受光素子。 - 【請求項2】 半導体基板上に光吸収層、ヘテロ周期
構造アバランシェ増倍半導体層を備える半導体受光素子
において、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層の第1
の半導体層がInAlAs、第2の半導体層がInGa
AsPで形成され、且つ、その両方の価電子帯のエネル
ギー差が0に近いことを特徴とする請求項1記載の半導
体受光素子。 - 【請求項3】 半導体基板上に、光吸収層、ヘテロ周
期構造アバランシェ増倍半導体層を備える半導体受光素
子において、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層を構
成する第1の半導体層のIII族原子の平均イオン化エ
ネルギーをEC、禁制帯幅をEgC、また第2の半導体
層のIII族原子の平均イオン化エネルギーをED 、
禁制帯幅をEgDとした場合、 EC <ED および EC +EgC<ED
+EgDが成り立ち、且つ、前記第1の半導体層が異な
る2つの半導体層からなる多重量子障壁を有することを
特徴とする半導体受光素子。 - 【請求項4】 半導体基板上に光吸収層、ヘテロ周期
構造アバランシェ増倍半導体層を備える半導体受光素子
において、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層の第1
の半導体層がAlGaAsSb、第2の半導体層がAl
GaInAsで形成され、且つ、その両方の価電子帯の
エネルギー差が0に近いことを特徴とする請求項3記載
の半導体受光素子。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3008179A JP2730297B2 (ja) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | 半導体受光素子 |
JP11360891U JPH04117800U (ja) | 1991-01-28 | 1991-12-28 | 装飾硝子積層体 |
US07/826,494 US5204539A (en) | 1991-01-28 | 1992-01-27 | Avalanche photodiode with hetero-periodical structure |
EP92101356A EP0497279B1 (en) | 1991-01-28 | 1992-01-28 | Avalanche photodiode |
DE69218474T DE69218474T2 (de) | 1991-01-28 | 1992-01-28 | Lawinenfotodiode |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3008179A JP2730297B2 (ja) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04252081A true JPH04252081A (ja) | 1992-09-08 |
JP2730297B2 JP2730297B2 (ja) | 1998-03-25 |
Family
ID=11686088
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3008179A Expired - Fee Related JP2730297B2 (ja) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2730297B2 (ja) |
-
1991
- 1991-01-28 JP JP3008179A patent/JP2730297B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
JP2730297B2 (ja) | 1998-03-25 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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