JPH04355976A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH04355976A JPH04355976A JP3149123A JP14912391A JPH04355976A JP H04355976 A JPH04355976 A JP H04355976A JP 3149123 A JP3149123 A JP 3149123A JP 14912391 A JP14912391 A JP 14912391A JP H04355976 A JPH04355976 A JP H04355976A
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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、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 ． ５ ３ Ｇａ０ ． ４７ Ａｓ層（以下Ｉ
ｎＧａＡｓ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（Ｅｌｅｃｔｏ
ｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ） １９８４年、２
０巻、ｐｐ６５３−６５４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．Ｄｅ
ｖｉｃｅ．Ｌｅｔｔｅｒｓ）１９８６年、７巻、ｐｐ２
５７−２５８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 ． ５ ３ Ｇａ０ ． ４７ Ａｓ層（以下Ｉ
ｎＧａＡｓ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（Ｅｌｅｃｔｏ
ｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ） １９８４年、２
０巻、ｐｐ６５３−６５４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．Ｄｅ
ｖｉｃｅ．Ｌｅｔｔｅｒｓ）１９８６年、７巻、ｐｐ２
５７−２５８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
バランシェ層は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
バランシェ層は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（△ＥＣ
）を電子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・広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（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ）、１９８２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（△ＥＣ
）を電子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・広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（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ）、１９８２年、４０巻、ｐ３８に記載され
ている。
【０００５】一方、半導体超格子構造において歪応力を
負荷することにより、バンド構造が変化すること、特に
価電子帯エネルギーバンドにおいてヘビーホールバンド
とライトホールバンドの縮退が解けること等が知られて
いる。その例は、ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ）、１９９０年、６７巻、ｐ３４４に記
載されている。
負荷することにより、バンド構造が変化すること、特に
価電子帯エネルギーバンドにおいてヘビーホールバンド
とライトホールバンドの縮退が解けること等が知られて
いる。その例は、ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ）、１９９０年、６７巻、ｐ３４４に記
載されている。
【０００６】
【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（△ＥＣ ）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、価電子帯のバンド不連続エ
ネルギー（△ＥＶ ）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同時に生ずる。
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（△ＥＣ ）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、価電子帯のバンド不連続エ
ネルギー（△ＥＶ ）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同時に生ずる。
【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】本発明の半導体受光素子
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一の
半導体層のＩＩＩ族原子及びＶ族原子の平均イオン化エ
ネルギーをそれぞれＥＡ 及びＥＢ 、第二の半導体層
のＩＩＩ族原子及びＶ族原子の平均イオン化エネルギー
をそれぞれＥＣ 及びＥＤ とした場合、 ＥＡ ＞ＥＣ 、 ＥＢ ＞ＥＤの関係が成り立
ち、且つ、該第一の半導体層に引っ張り圧縮応力が負荷
され、正孔の質量が軽くなっていることを特徴とする。
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一の
半導体層のＩＩＩ族原子及びＶ族原子の平均イオン化エ
ネルギーをそれぞれＥＡ 及びＥＢ 、第二の半導体層
のＩＩＩ族原子及びＶ族原子の平均イオン化エネルギー
をそれぞれＥＣ 及びＥＤ とした場合、 ＥＡ ＞ＥＣ 、 ＥＢ ＞ＥＤの関係が成り立
ち、且つ、該第一の半導体層に引っ張り圧縮応力が負荷
され、正孔の質量が軽くなっていることを特徴とする。
【０００９】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ＥＡ
、禁制帯幅をＥｇ Ａ 、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 ＋Ｅｇ Ａ ＞ＥＢ ＋Ｅ
ｇ Ｂが成り立ち、且つ、該アバランシェ増倍層の井戸
層に引っ張り応力が負荷され、正孔の質量が軽くなって
いることを特徴とする。
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ＥＡ
、禁制帯幅をＥｇ Ａ 、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 ＋Ｅｇ Ａ ＞ＥＢ ＋Ｅ
ｇ Ｂが成り立ち、且つ、該アバランシェ増倍層の井戸
層に引っ張り応力が負荷され、正孔の質量が軽くなって
いることを特徴とする。
【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一の半導体層のＩＩ
Ｉ族原子及びＶ族原子の平均イオン化エネルギーをそれ
ぞれＥＡ 及びＥＢ 、第二の半導体層のＩＩＩ族原子
及びＶ族原子の平均イオン化エネルギーをそれぞれＥＣ
及びＥＤ とした場合、 ＥＡ ＞ＥＣ 、 ＥＢ ＜ＥＤの関係が成り立
ち、且つ、該第一の半導体層に圧縮応力が負荷されてい
ることを特徴とする。これにより無歪に比べ伝導帯不連
続エネルギーが大きく、イオン化率比を改善できる。
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一の半導体層のＩＩ
Ｉ族原子及びＶ族原子の平均イオン化エネルギーをそれ
ぞれＥＡ 及びＥＢ 、第二の半導体層のＩＩＩ族原子
及びＶ族原子の平均イオン化エネルギーをそれぞれＥＣ
及びＥＤ とした場合、 ＥＡ ＞ＥＣ 、 ＥＢ ＜ＥＤの関係が成り立
ち、且つ、該第一の半導体層に圧縮応力が負荷されてい
ることを特徴とする。これにより無歪に比べ伝導帯不連
続エネルギーが大きく、イオン化率比を改善できる。
【００１１】
【作用】図１は、本発明の請求項１の受光素子のバンド
構造である。アバランシェ増倍層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、第一の半導体にＩｎｘ Ｇａ１ − ｘ Ａｓ（０
≦Ｘ≦１）、第２の半導体層にＩｎｙ Ａｌ１ − ｙ
Ａｓ（０≦ｙ≦１）を用いている。走行する電子は、
伝導帯の不連続エネルギー△ＥＣ を感じ、そのエネル
ギー分のイオン化エネルギーを得ることが出来るので、
α／β比を大きくすることが出来る。一方、第一の半導
体層（井戸層）には、引っ張り応力が負荷されているの
で、層方向に垂直に走行する正孔の質量は、バルク結晶
の正孔の質量より軽くなる。（このことについては、カ
オらが、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス
（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）５７（１９８５）ｐ．５
４２８に報告している。）これより、価電子帯エネルギ
ー差△ＥＶ による正孔のパイルアップが緩和されるの
で、広帯域・低雑音の受光素子を得ることが出来る。
構造である。アバランシェ増倍層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、第一の半導体にＩｎｘ Ｇａ１ − ｘ Ａｓ（０
≦Ｘ≦１）、第２の半導体層にＩｎｙ Ａｌ１ − ｙ
Ａｓ（０≦ｙ≦１）を用いている。走行する電子は、
伝導帯の不連続エネルギー△ＥＣ を感じ、そのエネル
ギー分のイオン化エネルギーを得ることが出来るので、
α／β比を大きくすることが出来る。一方、第一の半導
体層（井戸層）には、引っ張り応力が負荷されているの
で、層方向に垂直に走行する正孔の質量は、バルク結晶
の正孔の質量より軽くなる。（このことについては、カ
オらが、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス
（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）５７（１９８５）ｐ．５
４２８に報告している。）これより、価電子帯エネルギ
ー差△ＥＶ による正孔のパイルアップが緩和されるの
で、広帯域・低雑音の受光素子を得ることが出来る。
【００１２】図２は、本発明の第２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、請求項２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Ｉｎ
ｘ Ａｌ１ − ｘ Ａｓ（０≦ｘ≦１）、井戸層にＩ
ｎｙ Ｇａ１ − ｙ Ａｓ（０≦ｙ≦１）を用いてい
る。該ヘテロ周期構造の障壁層は、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△ＥＭ Ｏ
Ｂ 及びＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓの伝導帯エネルギ
ー差△ＥＣ 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。
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、請求項２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Ｉｎ
ｘ Ａｌ１ − ｘ Ａｓ（０≦ｘ≦１）、井戸層にＩ
ｎｙ Ｇａ１ − ｙ Ａｓ（０≦ｙ≦１）を用いてい
る。該ヘテロ周期構造の障壁層は、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△ＥＭ Ｏ
Ｂ 及びＩｎＡｌＡｓとＩｎＧａＡｓの伝導帯エネルギ
ー差△ＥＣ 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、ＩｎＡｌＡ
ｓ／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。加えて、井戸層には、引っ
張り応力が負荷されているので、層方向に垂直に走行す
る正孔の質量は、バルク結晶の正孔の質量より軽くなる
。これより、価電子帯エネルギー差△ＥＶ による正孔
のパイルアップが緩和されるので、広帯域・低雑音の受
光素子を得ることが出来る。
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、ＩｎＡｌＡ
ｓ／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。加えて、井戸層には、引っ
張り応力が負荷されているので、層方向に垂直に走行す
る正孔の質量は、バルク結晶の正孔の質量より軽くなる
。これより、価電子帯エネルギー差△ＥＶ による正孔
のパイルアップが緩和されるので、広帯域・低雑音の受
光素子を得ることが出来る。
【００１４】動作原理は、図２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（△ＥＣ ）を感じて、イオン化が促進される
。 しかしながら、本発明の請求項２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△ＥＭ Ｏ
Ｂ 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、該多量
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。一方、井戸層には、引っ張り応力が負荷
されているので、通常の超格子ＡＰＤにみられる価電子
帯エネルギー差△ＥＶでの正孔パイロアップ現象は緩和
され、広帯域特性を得ることが出来る。これより、図８
の従来例のＡＰＤより、広帯域低雑音特性を有するＡＰ
Ｄ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（△ＥＣ ）を感じて、イオン化が促進される
。 しかしながら、本発明の請求項２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△ＥＭ Ｏ
Ｂ 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、該多量
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。一方、井戸層には、引っ張り応力が負荷
されているので、通常の超格子ＡＰＤにみられる価電子
帯エネルギー差△ＥＶでの正孔パイロアップ現象は緩和
され、広帯域特性を得ることが出来る。これより、図８
の従来例のＡＰＤより、広帯域低雑音特性を有するＡＰ
Ｄを得ることができる。
【００１５】図４は、本発明の請求項３の受光素子のバ
ンド構造を説明するための図である。左側は（ａ）無歪
の場合で、右側は本発明の（ｂ）井戸層に圧縮応力の歪
がかかる場合である。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 Ｇａ１ −
ｘ Ａｓ（０≦ｘ≦１）、第２の半導体層にＩｎｙ Ａ
ｌ１ − ｙ Ａｓ（０≦ｙ≦１）を用いている。走行
する電子は、伝導帯の不連続エネルギー△ＥＣ を感じ
、そのエネルギー分のイオン化エネルギーを得ることが
出来るので、α／β比を大きくとることが出来る。ここ
で、第一の半導体層（井戸層）をＩｎ０ ． ６ １
Ｇａ０ ． ３ ９ Ａｓとし、０．５％の圧縮応力を
負荷した場合、該伝導帯不連続エネルギー△ＥＣ は、
無歪に比べて更に３９ｍｅＶ大きくなる。これにより一
層イオン化率比を増大させることが出来る。（このバン
ド変化については、カオらが、ジャーナル・アプライド
・オブ・フィジックス（Ｊ．ｏｆ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ
．）５７（１９８５）ｐ．５４２８、あるいは、ワンら
が、ジャーナル・アプライド・フィジックス（Ｊ．ｏｆ
．Ａｐｐｌ．ｐｈｙｓ．）６７（１９９０）ｐ．３４４
に報告している。）更に、ＩｎＧａＡｓ井戸層に０．５
％の圧縮応力を負荷した場合、組成がＩｎリッチにずれ
るので正孔質量は、無歪に比べて１．４％軽くなる。こ
の結果、該井戸層における正孔走行時間を低減でき、Ａ
ＰＤの帯域を改善することができる。
ンド構造を説明するための図である。左側は（ａ）無歪
の場合で、右側は本発明の（ｂ）井戸層に圧縮応力の歪
がかかる場合である。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 Ｇａ１ −
ｘ Ａｓ（０≦ｘ≦１）、第２の半導体層にＩｎｙ Ａ
ｌ１ − ｙ Ａｓ（０≦ｙ≦１）を用いている。走行
する電子は、伝導帯の不連続エネルギー△ＥＣ を感じ
、そのエネルギー分のイオン化エネルギーを得ることが
出来るので、α／β比を大きくとることが出来る。ここ
で、第一の半導体層（井戸層）をＩｎ０ ． ６ １
Ｇａ０ ． ３ ９ Ａｓとし、０．５％の圧縮応力を
負荷した場合、該伝導帯不連続エネルギー△ＥＣ は、
無歪に比べて更に３９ｍｅＶ大きくなる。これにより一
層イオン化率比を増大させることが出来る。（このバン
ド変化については、カオらが、ジャーナル・アプライド
・オブ・フィジックス（Ｊ．ｏｆ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ
．）５７（１９８５）ｐ．５４２８、あるいは、ワンら
が、ジャーナル・アプライド・フィジックス（Ｊ．ｏｆ
．Ａｐｐｌ．ｐｈｙｓ．）６７（１９９０）ｐ．３４４
に報告している。）更に、ＩｎＧａＡｓ井戸層に０．５
％の圧縮応力を負荷した場合、組成がＩｎリッチにずれ
るので正孔質量は、無歪に比べて１．４％軽くなる。こ
の結果、該井戸層における正孔走行時間を低減でき、Ａ
ＰＤの帯域を改善することができる。
【００１６】
【実施例】本発明の第１の一実施例について、図面を用
いて詳細に説明する。図５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。製
造方法としては、ｐ型ＩｎＰ基板１２上に、ｐ型ＩｎＰ
バッファ層１３を厚さ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井戸層（第１層）
であるＩｎｘ Ｇａ１ − ｘ Ａｓ層の組成は、ｘ＝
０．３３とし、１．５％の引っ張り応力が負荷されてい
る。その後、キャップ層１６を０．５μｍ順次積層する
。その後、ｐ− 型ガードリング領域１７形成のため、
１００ｋＶの加速電圧でＳｉを１×１０１ ３ ｃｍ−
２ 、３０００Ａの深さまでイオン注入し、５×１０
１ ６ ｃｍ− 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Ｓ
ｉを１×１０１ ４ ｃｍ− ２ 、０．５μｍの深さ
までイオン注入し、１×１０１ ８ ｃｍ− ３ の濃
度領域を得る。更に、パッシベーション膜８を１５００
Ａ形成し、ｎ側電極９として、ＡｕＧｅ／Ｎｉを１５０
０Ａ、ＴｉＰｔＡｕ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５の素子構造を完成する。
いて詳細に説明する。図５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。製
造方法としては、ｐ型ＩｎＰ基板１２上に、ｐ型ＩｎＰ
バッファ層１３を厚さ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井戸層（第１層）
であるＩｎｘ Ｇａ１ − ｘ Ａｓ層の組成は、ｘ＝
０．３３とし、１．５％の引っ張り応力が負荷されてい
る。その後、キャップ層１６を０．５μｍ順次積層する
。その後、ｐ− 型ガードリング領域１７形成のため、
１００ｋＶの加速電圧でＳｉを１×１０１ ３ ｃｍ−
２ 、３０００Ａの深さまでイオン注入し、５×１０
１ ６ ｃｍ− 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Ｓ
ｉを１×１０１ ４ ｃｍ− ２ 、０．５μｍの深さ
までイオン注入し、１×１０１ ８ ｃｍ− ３ の濃
度領域を得る。更に、パッシベーション膜８を１５００
Ａ形成し、ｎ側電極９として、ＡｕＧｅ／Ｎｉを１５０
０Ａ、ＴｉＰｔＡｕ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５の素子構造を完成する。
【００１７】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）５０、最大帯域が８ＧＨｚ、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
の半導体構造は、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）５０、最大帯域が８ＧＨｚ、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
の半導体構造は、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。
【００１８】また、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２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。製造方法としては、ｐ型ＩｎＰ基板１２上に
、ｐ型ＩｎＰバッファ層１３を厚さ０．５μｍ、ｐ型Ｉ
ｎＧａＡｓ光吸収層１４を１．５μｍ、ＩｎＡｌＡｓ５
００Ａ／ＩｎＧａＡｓ２５０Ａの１６周期ヘテロ周期構
造アバランシェ増倍層２０を１．０μｍ積層する。ここ
で、このアバランシェ増倍層の井戸層であるＩｎｘ Ｇ
ａ１ − ｘ Ａｓ組成はｘ＝０．３３であり、且つ、
障壁層であるＩｎＡｌＡｓ層は、多重量子障壁を含んで
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２１及び多重量子障壁層２２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、１０
０ＡのＩｎＡｌＡｓ層及び多重量子障壁層はＩｎＡｌＡ
ｓ３０Ａ／ＩｎＧａＡａ２０Ａの５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２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。製造方法としては、ｐ型ＩｎＰ基板１２上に
、ｐ型ＩｎＰバッファ層１３を厚さ０．５μｍ、ｐ型Ｉ
ｎＧａＡｓ光吸収層１４を１．５μｍ、ＩｎＡｌＡｓ５
００Ａ／ＩｎＧａＡｓ２５０Ａの１６周期ヘテロ周期構
造アバランシェ増倍層２０を１．０μｍ積層する。ここ
で、このアバランシェ増倍層の井戸層であるＩｎｘ Ｇ
ａ１ − ｘ Ａｓ組成はｘ＝０．３３であり、且つ、
障壁層であるＩｎＡｌＡｓ層は、多重量子障壁を含んで
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２１及び多重量子障壁層２２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、１０
０ＡのＩｎＡｌＡｓ層及び多重量子障壁層はＩｎＡｌＡ
ｓ３０Ａ／ＩｎＧａＡａ２０Ａの５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１×１０１
３ ｃｍ− ２ 、３０００Ａの深さまでイオン注入し
、５×１０１ ６ ｃｍ− 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１×１０１ ４ ｃｍ− ２ 、０．５
μｍの深さまでイオン注入し、１×１０１ ８ ｃｍ−
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／Ｎ
ｉを１５００Ａ、ＴｉＰｔＡｕを５００Ａ堆積する。ま
た、ｐ型電極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１×１０１
３ ｃｍ− ２ 、３０００Ａの深さまでイオン注入し
、５×１０１ ６ ｃｍ− 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１×１０１ ４ ｃｍ− ２ 、０．５
μｍの深さまでイオン注入し、１×１０１ ８ ｃｍ−
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／Ｎ
ｉを１５００Ａ、ＴｉＰｔＡｕを５００Ａ堆積する。ま
た、ｐ型電極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。
【００２０】上述した素子構造のもとで、作用に述べた
原理により、電子イオン化が誇張され、実効イオン化率
比（α／β比）１１０、最大帯域８ＧＨｚ、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。本発明による素子の
半導体構造は、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、最大帯域８ＧＨｚ、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。本発明による素子の
半導体構造は、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】本発明の第３の実施例について、図面を用
いて詳細に説明する。図７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。製
造方法としては、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、ＩｎＡｌＡｓ（Ｉｎ組成比０．５
２）４００Ａ（オングストローム）／ＩｎＧａＡｓ２０
０Ａ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
の井戸層（第１の半導体層）であるＩｎｘ Ｇａ１ −
ｘ Ａｓ層の組成は、ｘ＝０．６１とし、０．５％の
圧縮応力が負荷されている。その後、キャップ層１６を
０．５μｍ順次積層する。その後、ｎ− 型ガードリン
ク領域１７形成のため、１００ｋＶの加速電圧でＳｉを
１×１０１ ３ ｃｍ− ２ 、３０００Ａの深さまで
イオン注入し、５×１０１ ６ ｃｍ− ３ の濃度領
域を得る。同様に、ｎ＋ 受光領域１８形成のため、２
００ｋＶの加速電圧でＳｉを１×１０１ ４ ｃｍ−
２ 、０．５μｍの深さまでイオン注入し、１×１０１
８ ｃｍ− 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、ＡｕＺｎを１５
００Ａ堆積することにより、図７の素子構造を完成する
。
いて詳細に説明する。図７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。製
造方法としては、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、ＩｎＡｌＡｓ（Ｉｎ組成比０．５
２）４００Ａ（オングストローム）／ＩｎＧａＡｓ２０
０Ａ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
の井戸層（第１の半導体層）であるＩｎｘ Ｇａ１ −
ｘ Ａｓ層の組成は、ｘ＝０．６１とし、０．５％の
圧縮応力が負荷されている。その後、キャップ層１６を
０．５μｍ順次積層する。その後、ｎ− 型ガードリン
ク領域１７形成のため、１００ｋＶの加速電圧でＳｉを
１×１０１ ３ ｃｍ− ２ 、３０００Ａの深さまで
イオン注入し、５×１０１ ６ ｃｍ− ３ の濃度領
域を得る。同様に、ｎ＋ 受光領域１８形成のため、２
００ｋＶの加速電圧でＳｉを１×１０１ ４ ｃｍ−
２ 、０．５μｍの深さまでイオン注入し、１×１０１
８ ｃｍ− 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、ＡｕＺｎを１５
００Ａ堆積することにより、図７の素子構造を完成する
。
【００２２】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）４５、且つ、正孔走行時間が短縮され
最大帯域が１２ＧＨｚ、また量子効率７５％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。本発明による素子の半導体構造は、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）４５、且つ、正孔走行時間が短縮され
最大帯域が１２ＧＨｚ、また量子効率７５％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。本発明による素子の半導体構造は、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。
【００２３】
【発明の効果】本発明による半導体受光素子は、井戸層
内の正孔質量が軽くなることにより、増倍時の帯域を向
上されることができる。更に請求項２の発明では、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。この
ように広帯域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。
内の正孔質量が軽くなることにより、増倍時の帯域を向
上されることができる。更に請求項２の発明では、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。この
ように広帯域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】本発明による受光素子のバンド構造を説明する
ための図である 。
ための図である 。
【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ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ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 ２０ 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２１ Ｉｎ
ＡｌＡｓ電子透過防止層
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ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ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 ２０ 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２１ Ｉｎ
ＡｌＡｓ電子透過防止層
Claims (3)
- 【請求項１】 半導体基板上に、少なくとも光吸収層
、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一の半導層のＩＩＩ族原子及びＶ族
原子の平均イオン化エネルギーをそれぞれＥＡ 及びＥ
Ｂ 、第二の半導体層のＩＩＩ族原子及びＶ族原子の平
均イオン化エネルギーをそれぞれＥＣ 及びＥＤ とし
た場合、ＥＡ ＞ＥＣ および ＥＢ ＜ＥＤの
関係が成り立ち、且つ、該第一の半導体層に引っ張り応
力が負荷され、正孔の質量が軽くなっていることを特徴
とする半導体受光素子。 - 【請求項２】 半導体基板上に、少なくとも、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ＩＩ
Ｉ族原子の平均イオン化エネルギーをＥＡ 、禁制帯幅
をＥｇ Ａ 、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Ｅｇ Ｂ とした場合、 ＥＡ ＜ＥＢ および ＥＡ ＋Ｅｇ Ａ＞ＥＢ
＋Ｅｇ Ｂが成り立ち、且つ、該アバランシェ増倍層
の井戸層に引っ張り応力が負荷され、正孔の質量が軽く
なっていることを特徴とする。半導体受光素子。 - 【請求項３】 半導体基板上に、少なくとも光吸収層
、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一の半導体層のＩＩＩ族原子及びＶ
族原子の平均イオン化エネルギーをそれぞれＥＡ 及び
ＥＢ 、第二の半導体層のＩＩＩ族原子及びＶ族原子の
平均イオン化エルネギーをそれぞれＥＣ 及びＥＤ と
した場合、 ＥＡ ＞ＥＣ および ＥＢ ＞ＥＤの関係が成
り立ち、且つ、該第一の半導体層に圧縮応力が負荷され
ていることを特徴とする半導体受光素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3149123A JP3018589B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-06-21 | 半導体受光素子 |
| EP92105384A EP0506127B1 (en) | 1991-03-28 | 1992-03-27 | Semiconductor photodetector using avalanche multiplication |
| DE69229369T DE69229369T2 (de) | 1991-03-28 | 1992-03-27 | Halbleiterphotodetektor mit Lawinenmultiplikation |
| US08/203,869 US5471068A (en) | 1991-03-28 | 1994-02-28 | Semiconductor photodetector using avalanche multiplication and strained layers |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6426791 | 1991-03-28 | ||
| JP3-64267 | 1991-03-28 | ||
| JP3149123A JP3018589B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-06-21 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04355976A true JPH04355976A (ja) | 1992-12-09 |
| JP3018589B2 JP3018589B2 (ja) | 2000-03-13 |
Family
ID=26405388
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3149123A Expired - Fee Related JP3018589B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-06-21 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3018589B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH088455A (ja) * | 1994-06-21 | 1996-01-12 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
-
1991
- 1991-06-21 JP JP3149123A patent/JP3018589B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH088455A (ja) * | 1994-06-21 | 1996-01-12 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3018589B2 (ja) | 2000-03-13 |
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|---|---|---|---|
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