JPH04299874A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH04299874A JPH04299874A JP3064266A JP6426691A JPH04299874A JP H04299874 A JPH04299874 A JP H04299874A JP 3064266 A JP3064266 A JP 3064266A JP 6426691 A JP6426691 A JP 6426691A JP H04299874 A JPH04299874 A JP H04299874A
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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
【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、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Ｉ
ｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ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・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ）１９８４年、２０巻、ｐｐ６５３−６
５４に記載）、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．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｄｅｖｉｃｅ．Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ）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。
半導体受光素子として、ＩｎＰ基板上に格子整合したＩ
ｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ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・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ）１９８４年、２０巻、ｐｐ６５３−６
５４に記載）、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．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｄｅｖｉｃｅ．Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ）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
・レターズ（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
・レターズ（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、帯域が抑圧されているという弊害も
ある。これを防ぐために、該ヘテロ周期構造をＩｎＡｌ
Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰあるいは、ＡｌＧａＡｓＳｂ／Ａ
ｌＧａＩｎＡｓ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、帯域が抑圧されているという弊害も
ある。これを防ぐために、該ヘテロ周期構造をＩｎＡｌ
Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰあるいは、ＡｌＧａＡｓＳｂ／Ａ
ｌＧａＩｎＡｓ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障壁層が電子
透過防止層及び多重量子障壁の２領域で形成され、且つ
、該電子透過防止層及び２つの半導体層からなる多重量
子障壁の障壁層のＩＩＩ族原子の平均イオン化エネルギ
ーをＥＡ 、禁制帯幅をＥｇＡ、 またアバランシェ増
倍層を構成する井戸層の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 ＋Ｅ
ｇＢが成り立つことを特徴とする。
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障壁層が電子
透過防止層及び多重量子障壁の２領域で形成され、且つ
、該電子透過防止層及び２つの半導体層からなる多重量
子障壁の障壁層のＩＩＩ族原子の平均イオン化エネルギ
ーをＥＡ 、禁制帯幅をＥｇＡ、 またアバランシェ増
倍層を構成する井戸層の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 ＋Ｅ
ｇＢが成り立つことを特徴とする。
【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
を構成する障壁層がＩｎＡｌＡｓ電子透過防止層及びＩ
ｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子障壁層の２領域で
形成され、アバランシェ増倍層を構成する井戸層がＩｎ
ＧａＡｓＰ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。
光素子において、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層
を構成する障壁層がＩｎＡｌＡｓ電子透過防止層及びＩ
ｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子障壁層の２領域で
形成され、アバランシェ増倍層を構成する井戸層がＩｎ
ＧａＡｓＰ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。
【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障壁層が電子透過防
止層及び多重量子障壁の２領域で形成され、且つ、該電
子透過防止層及び２つの半導体層からなる多重量子障壁
の障壁層のＩＩＩ族原子の平均イオン化エネルギーをＥ
Ｃ 、禁制帯幅をＥｇＣ、またアバランシェ増倍層を構
成する井戸層の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が成り立つことを特徴とする。
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障壁層が電子透過防
止層及び多重量子障壁の２領域で形成され、且つ、該電
子透過防止層及び２つの半導体層からなる多重量子障壁
の障壁層のＩＩＩ族原子の平均イオン化エネルギーをＥ
Ｃ 、禁制帯幅をＥｇＣ、またアバランシェ増倍層を構
成する井戸層の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が成り立つことを特徴とする。
【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
を構成する障壁層がＡｌＧａＡｓＳｂ電子透過防止層及
びＡｌＧａＡｓＳｂ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子障壁層
の２領域で形成され、アバランシェ増倍層を構成する井
戸層がＡｌＧａＡｓＳｂ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。
光素子において、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層
を構成する障壁層がＡｌＧａＡｓＳｂ電子透過防止層及
びＡｌＧａＡｓＳｂ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子障壁層
の２領域で形成され、アバランシェ増倍層を構成する井
戸層がＡｌＧａＡｓＳｂ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。
【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
、アバランシェ増倍層を構成する障壁層にＩｎｘ Ａｌ
１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ≦１）、井戸層にＩｎｙ Ｇａ１
−ｙ Ａｓ（０≦ｙ≦１）、を用いている。該ヘテロ周
期構造の障壁層には、ＩｎＡｌＡｓ電子透過防止層及び
ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子障壁層の２つの領
域から構成されている。これより、走行する電子は、多
重量子障壁で得たエネルギーΔＥＭＱＢ 及びＩｎＡｌ
ＡｓとＩｎＧａＡｓの伝導帯エネルギー差ΔＥＣ を一
度に感じるので、大きなイオン化エネルギーを得ること
が出来る。
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
、アバランシェ増倍層を構成する障壁層にＩｎｘ Ａｌ
１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ≦１）、井戸層にＩｎｙ Ｇａ１
−ｙ Ａｓ（０≦ｙ≦１）、を用いている。該ヘテロ周
期構造の障壁層には、ＩｎＡｌＡｓ電子透過防止層及び
ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子障壁層の２つの領
域から構成されている。これより、走行する電子は、多
重量子障壁で得たエネルギーΔＥＭＱＢ 及びＩｎＡｌ
ＡｓとＩｎＧａＡｓの伝導帯エネルギー差ΔＥＣ を一
度に感じるので、大きなイオン化エネルギーを得ること
が出来る。
【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ΔＥＭＱＢ 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、価電子帯を奏功する正孔は、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ΔＥＭＱＢ 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、価電子帯を奏功する正孔は、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
ンドン構造である。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の半導体にＡｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ
ｙ Ｓｂ１−ｙ （０≦ｘ≦１）（０≦ｙ≦１）、第２
の半導体に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は、ＡｌＧａＡ
ｓＳｂ電子透過防止層及びＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａ
Ａｓ多重量子障壁層の２つの領域から構成されている。 これより、走行する電子は、多重量子障壁で得たΔＥＭ
ＱＢ 及びＡｌＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓの伝導帯エ
ネルギー差ΔＥＣ を一度に感じるので、大きなイオン
化エネルギーを得ることが出来る。
ンドン構造である。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の半導体にＡｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ
ｙ Ｓｂ１−ｙ （０≦ｘ≦１）（０≦ｙ≦１）、第２
の半導体に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は、ＡｌＧａＡ
ｓＳｂ電子透過防止層及びＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａ
Ａｓ多重量子障壁層の２つの領域から構成されている。 これより、走行する電子は、多重量子障壁で得たΔＥＭ
ＱＢ 及びＡｌＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓの伝導帯エ
ネルギー差ΔＥＣ を一度に感じるので、大きなイオン
化エネルギーを得ることが出来る。
【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ΔＥＭＱＢ 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。
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ΔＥＭＱＢ 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。
【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ＩｎＡｌ
Ａｓ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及び多
重量子障壁層２１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Ｉ
ｎＡｌＡｓ層及び多重量子障壁層はＩｎＡｌＡｓ３０Ａ
／ＩｎＧａＡｓ２０Ａの５層からなる。その後、ｐ型Ｉ
ｎＰ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ＩｎＡｌ
Ａｓ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及び多
重量子障壁層２１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Ｉ
ｎＡｌＡｓ層及び多重量子障壁層はＩｎＡｌＡｓ３０Ａ
／ＩｎＧａＡｓ２０Ａの５層からなる。その後、ｐ型Ｉ
ｎＰ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、３０００の深さまでイオン注入し、５×１０
１６ｃｍ−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１×１
０１４ｃｍ−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５００
Ａ堆積する。また、ｐ側電極１０としてＡｕＺｎを１５
００Ａ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、３０００の深さまでイオン注入し、５×１０
１６ｃｍ−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１×１
０１４ｃｍ−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５００
Ａ堆積する。また、ｐ側電極１０としてＡｕＺｎを１５
００Ａ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）１２０、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）１２０、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ＩｎＧａＡｓ
光吸収層１４を１．５μｍ、ＡｌＧａＡｓＳｂ５００Ａ
／ＩｎＧａＡｓ２５０Ａの１６周期ヘテロ周期構造アバ
ランシェ増倍層２２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ＡｌＧａＡｓＳｂ
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２３及び多重
量子障壁層２４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ＡｌＧａＡ
ｓＳｂ層及び多重量子障壁層はＡｌＧａＡｓＳｂ３０Ａ
／ＩｎＧａＡｓ２０Ａの５層からなる。その後、ｐ型Ｉ
ｎＰ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ＩｎＧａＡｓ
光吸収層１４を１．５μｍ、ＡｌＧａＡｓＳｂ５００Ａ
／ＩｎＧａＡｓ２５０Ａの１６周期ヘテロ周期構造アバ
ランシェ増倍層２２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ＡｌＧａＡｓＳｂ
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２３及び多重
量子障壁層２４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ＡｌＧａＡ
ｓＳｂ層及び多重量子障壁層はＡｌＧａＡｓＳｂ３０Ａ
／ＩｎＧａＡｓ２０Ａの５層からなる。その後、ｐ型Ｉ
ｎＰ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側電極とし
て、ＡｕＧｅ／Ｎｉを１５００Ａ、ＴｉＰｔＡｕを５０
０Ａ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側電極とし
て、ＡｕＧｅ／Ｎｉを１５００Ａ、ＴｉＰｔＡｕを５０
０Ａ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、電子イオン化が誇張され、実効イオン化率
比（α／β比）１１０、また量子効率が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、電子イオン化が誇張され、実効イオン化率
比（α／β比）１１０、また量子効率が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ＩｎＧａＡｓＰ２５０Ａを用いたもののバンド
図が図７（ｂ）である。他の構造は図７（ａ）に示すよ
うに同様でよい。この場合Ｅｖ の差は障壁層と井戸層
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ＩｎＧａＡｓＰ２５０Ａを用いたもののバンド
図が図７（ｂ）である。他の構造は図７（ａ）に示すよ
うに同様でよい。この場合Ｅｖ の差は障壁層と井戸層
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（ａ）（ｂ
）のＩｎＧａＡｓ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。
）のＩｎＧａＡｓ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基板（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 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 ｐ型多重量子障壁を含むＡｌＧａＡｓＳｂ／Ｉｎ
ＧａＡｓヘテロ周期構造アバランシェ増倍層２３ Ａ
ｌＧａＡｓＳｂ電子透過防止層２４ ＡｌＧａＡｓＳ
ｂ／ＩｎＧａＡｓ多重量子障壁層２５ ｐ型多重量子
障壁を含むＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰヘテロ周期構
造アバランシェ増倍層２６ ＩｎＡｌＡｓ電子透過防
止層 ２７ ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子障
壁層
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 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 ｐ型多重量子障壁を含むＡｌＧａＡｓＳｂ／Ｉｎ
ＧａＡｓヘテロ周期構造アバランシェ増倍層２３ Ａ
ｌＧａＡｓＳｂ電子透過防止層２４ ＡｌＧａＡｓＳ
ｂ／ＩｎＧａＡｓ多重量子障壁層２５ ｐ型多重量子
障壁を含むＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰヘテロ周期構
造アバランシェ増倍層２６ ＩｎＡｌＡｓ電子透過防
止層 ２７ ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子障
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
成する障壁層が電子透過防止層及び多重量子障壁の２領
域で形成され、且つ、該電子透過防止層及び２つの半導
体層からなる多重量子障壁の障壁層の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
たアバランシェ増倍層を構成する井戸層の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が成り立つ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を構成
する障壁層がＩｎＡｌＡｓ電子透過防止層及びＩｎＡｌ
Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子障壁層の２領域で形成さ
れ、アバランシェ増倍層を構成する井戸層がＩｎＧａＡ
ｓＰ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
成する障壁層が電子透過防止層及び多重量子障壁の２領
域で形成され、且つ、該電子透過防止層及び２つの半導
体層からなる多重量子障壁の障壁層の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
たアバランシェ増倍層を構成する井戸層の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が成り立つ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を構成
する障壁層がＡｌＧａＡｓＳｂ電子透過防止層及びＡｌ
ＧａＡｓＳｂ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子障壁層の２領
域で形成され、アバランシェ増倍層を構成する井戸層が
ＡｌＧａＡｓＳｂ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 (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3064266A JP2936770B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-03-28 | 半導体受光素子 |
| US07/826,494 US5204539A (en) | 1991-01-28 | 1992-01-27 | Avalanche photodiode with hetero-periodical structure |
| DE69218474T DE69218474T2 (de) | 1991-01-28 | 1992-01-28 | Lawinenfotodiode |
| EP92101356A EP0497279B1 (en) | 1991-01-28 | 1992-01-28 | Avalanche photodiode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3064266A JP2936770B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-03-28 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04299874A true JPH04299874A (ja) | 1992-10-23 |
| JP2936770B2 JP2936770B2 (ja) | 1999-08-23 |
Family
ID=13253234
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3064266A Expired - Fee Related JP2936770B2 (ja) | 1991-01-28 | 1991-03-28 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2936770B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06291357A (ja) * | 1993-03-31 | 1994-10-18 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
| US8842392B2 (en) | 2011-05-30 | 2014-09-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magnetic recording medium and magnetic recording apparatus |
-
1991
- 1991-03-28 JP JP3064266A patent/JP2936770B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06291357A (ja) * | 1993-03-31 | 1994-10-18 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
| US8842392B2 (en) | 2011-05-30 | 2014-09-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magnetic recording medium and magnetic recording apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2936770B2 (ja) | 1999-08-23 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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