JPH0437591B2 - - Google Patents

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JPH0437591B2
JPH0437591B2 JP58011704A JP1170483A JPH0437591B2 JP H0437591 B2 JPH0437591 B2 JP H0437591B2 JP 58011704 A JP58011704 A JP 58011704A JP 1170483 A JP1170483 A JP 1170483A JP H0437591 B2 JPH0437591 B2 JP H0437591B2
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JP
Japan
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inp
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light absorption
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JP58011704A
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JPS59136981A (ja
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Kazuto Yasuda
Takao Kaneda
Takashi Mikawa
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/08Semiconductor 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
    • H01L31/10Semiconductor 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 at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
    • H01L31/109Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier being of the PN heterojunction type

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Description

【発明の詳細な説明】 (a) 発明の技術分野 本発明はダブルヘテロ接合構造を含む半導体受
光装置にかかり、特に高い量子効率と大きい応答
速度とがともに達成される半導体受光装置に関す
る。
(b) 技術の背景 光を情報信号の媒体とする光通信その他のシス
テムにおいて、光信号を電気信号に交換する半導
体受光装置は基本的な構成要素の一つであつて、
既に多くのものが実用化され更に改善が進められ
ている。
例えば光通信において波長λ=0.85〔μm〕帯
域においてはシリコン(Si)PIN型フオトダイオ
ード(PD)及びSiアバランシフオトダイオード
(APD)が使用され、また波長λ=1.3〔μm〕帯
域においてはゲルマニウム(Ge)APDが実用化
されている。
しかしながらGeでは暗電流及び雑音に関して
その物性による限界があり、禁制帯幅等を選択す
ることができる化合物半導体を用いた受光装置の
開発が進められている。
(c) 従来技術の問題点 化合物半導体受光装置の既に知られている一例
として、InP−InGaAs系APDの断面図を第1図
aに、そのエネルギーダイヤグラムを第1図bに
示す。
第1図aにおいて、1はn型InP基板、2はn
型InPパツフア層、3はn型InGaAs光吸収層、
4はn型InP増倍層、5はp+型InP領域、6はガ
ードリング効果を与えるp型InP領域、7は絶縁
膜、8はp側電極、9はn側電極であり、第1図
bにおいては前記と同一符号によつて対応を示
す。
このAPDに、n側電極9を正、p側電極8を
負の極性とする逆バイアス電圧を印加することに
よりp+型InP領域5とn型InP増幅層4とによつ
て形成されるpn接合を挾んで空乏層が形成され
る。この空乏層の深さのp型、n型各領域への配
分は両領域の不純物濃度に反比例し、また両領域
の深さの合計は電圧1/2乗及び両領域の不純物濃
度の逆数の和の1/2乗に比例することから、n領
域側の空乏層をn型InGaAs光吸収層3とn型
InPパツフア層2との界面まで到達させるため
に、p+型InP領域5は高不純物濃度に、n型In−
P増倍層4及びn型InGaAs光吸収層3は低不純
物濃度とする。従来は更にn型InPパツフア層2
も1×1015乃至1×1016〔cm-3〕程度の濃度である
ために空乏層はバツフア層2内にまで延びてい
る。
n型InGaAs光吸収層3に形成された空乏層内
で入力信号光のエネルギーを得て電子が伝導帯に
励起され電子正孔対が発生して、電子はn側電極
9、正孔はp側電極8に向つてドリフトする。更
にn型InP増倍層4において、注入された正孔を
一次キヤリアとするなだれ増倍が行なわれて、二
次キヤリアである電子及び正孔も、それぞれn側
電極9及びp側電極8に向つてドリフトする。
第1図bに見られる如く、InGaAs光吸収層3
とこれに接するInPバツフア層2及びInP増倍層
4との各ヘテロ接合界面において、伝導帯Ec及
び価電子帯Evに段差を生ずる。先に述べた電子
及び正孔の各電極に向うドリフトに際して、電子
はInGaAs光吸収層3とInPバツフア層2とのヘ
テロ接合界面における伝導帯のエネルギ差ΔEcに
よつて、また正孔はInGaAs光吸収層3とInP増
倍層4とのヘテロ接合界面における価電子帯のエ
ネルギ差ΔEvによつてそのエネルギを奪われて速
度が低下する。
このキヤリア速度の低下は、半導体受光装置例
えばAPDの入力信号の変調周波数−出力電流特
性において、第2図に一例を示す如く10〔MHz〕
乃至30〔MHz〕以上の高周波における出力電流の
低下として現われる。
本発明の発明者の一人は、前記2要因のうち、
正孔が光吸収層と増倍層等とのヘテロ接合界面に
おける価電子帯のエネルギ差ΔEvによつてその速
度を低下する問題に対処した半導体受光装置を、
先に特願昭57−097952号によつて提供した。
しかしながら半導体受光装置の前記特性を更に
改善するために、残る1要因すなわち電子が光吸
収層とバツフア層等とのヘテロ接合界面における
伝導帯のエネルギ差ΔEcによつてその速度を低下
する問題も対処することが望まれる。
(d) 発明の目的 本発明はダブルヘテロ接合構造を含む半導体受
光装置について、キヤリア特に電子の該ヘテロ接
合界面の通過を容易にすることにより、応答速度
すなわち周波数特性などを改善することを目的と
する。
(e) 発明の構成 本発明の前記目的は、一つの電極が設けられた
半導体基体と、該基体に接して該基体と同一の導
電型を有する第1の半導体層と、該第1の半導体
層に接し、前記基体と同一の導電型と前記基体よ
り小さい禁制帯幅とを有して光吸収を行なう第2
の半導体層とを備え、前記第1の半導体層は、前
記基体より小さくかつ前記第2の半導体層より大
きい禁制帯幅を有する領域を含んでなる半導体受
光装置により達成される。
(f) 発明の実施例 以下本発明を実施例により、図面を参照して具
体的に説明する。
第3図aに本発明の第一の実施例であるAPD
の断面図を示す。
第3図aにおいて、11はn+型InP基板、12
はn+型InPバツフア層、13は本発明の特徴とす
るn型InGaAs層、14はn型InGaAs光吸収層、
15はn型InP増倍層、16はP+型領域、17は
ガードリング効果を有するp型領域、18は絶縁
膜、19はp側電極、20はn側電極である。
本発明実施例のAPDは例えば以下に述べる如
く製造される。すなわち、キヤリア濃度1×1016
〔cm-3〕以上のn+型InP基板11上に、同様のキ
ヤリア濃度を有するn+型InPバツフア層12を厚
さ1〔μm〕程度に、n型Inl−xGaxAsyPl−y
層13(但しx=y/2.197、y=0,25乃至0.7
程度)をキヤリア濃度1×1014乃至1×1017〔cm-
〕、厚さ0.2乃至1〔μm〕程度に、n型
In0.53Ga0.47As光吸収層14をキヤリア濃度1
×1014乃至1×1016〔cm-3〕、厚さ2〔μm〕程度
に、n型InP層15をキヤリア濃度1×1015乃至
1×1016〔cm-3〕、厚さ2乃至4〔μm〕程度に順
次液相エピタキシヤル成長法(以下LPE法と略
称する)などによつて成長せしめた後に、前記n
型InP層15に例えばカドミウム(Cd)を選択的
に導入することによつてキヤリア濃度1×1018
〔cm-3〕程度、厚さ1乃至2〔μm〕程度のp+型領
域16、例えばベリリウム(Be)を選択的に導
入することによつてガードリングとするp型領域
17を形成する。しかる後に絶縁膜18を選択的
に形成し、次いで、p側電極19を例えば金−亜
鉛(AuZn)を用い、n側電極20を例えば金−
ゲルマニウム(AuGe)を用いて形成する。
本実施例において、先に述べた組成のn型
In1xGaxAsyP1−y層13の禁制帯幅は、n型
In0.53Ga0.47As光吸収層14とn+型InPバツフア
層12及び基板11との中間の値を有する。これ
らの各層のエネルギ帯を図示すれは、バイアス電
圧が印加されたときに、第3図bの如くであつ
て、n型In1−xGaxAsyP1−y層13の厚さを選
択することによつて、受光装置の動作状態におい
て、n型In0.53Ga0.47As光吸収層14の伝導帯
の最高エネルギ準位E2を、n+InPバツフア層12
の伝導帯の最低エネルギ準位E1に等しいか、或
いはこれにより低くしている。
以上説明した様にこれらの3層のエネルギ帯が
位置することによつて、n側電極20に向う電子
は、その大部分が高速でn型InPバツフア12に
注入される。
次に前記第1の実施例を更に改善した本発明の
第2の実施例の断面図を第4図aに、そのエネル
ギーダイヤグラムを第4図bに示す。
第4図aにおいて、21はn+型InP基板、22
はn型InPバツフア層、23は本発明の特徴とす
るn型InGaAsP層、24はn型InGaAs光吸収
層、25は先に特願昭57−097952号によつて提供
したn型InGaAsP層、26はn型InP増倍層、2
7はp+型領域、28はガードリング効果を有す
るp型領域、29は絶縁膜、30はp側電極、3
1はn側電極である。本実施例は先に示した第1
の実施例に比較してn型InGaAsP層23の構成
が異なり、更にn型InGaAsP層25を設けてい
る。
本実施例のn型In1−xGaxAsyP1−y層23
は、n+型InPバツフア層22に接する面の近傍に
おいてはその組成はInPすなわち
In1.00Ga0As0P1.00であつて、格子整合するのみ
でなく禁制帯幅も整合する。エピタキシヤル成長
中にその組成を第5図中の点線で示すInP結晶へ
の格子整合条件に従つて、x=0→0.47、y=0
→1.00に変化させることによつて、禁制帯幅を次
第に縮少させて、n型In0.53Ga0.47As光吸収層
24に接する面の近傍においては、その組成を
In0.53Ga0.47As1.00Poとして禁制帯幅も整合さ
せている。なおこの層23の厚さは前記第1の実
施例と同様に選択される。
またn型InGaAsP層25は前記n型InGaAsP
層23を逆向きに形成する。
ただし、第5図はIn1−xGaxAsyP1−y混晶に
おける格子定数及び禁制帯幅の組成との相関を示
す図表であり、横軸及び縦軸は組成比を、図表中
の実線は禁制帯幅を、破線は格子定数を示す。
なお以上説明したn型In1−xGaxAsP1−y層
23及び25は分子線結晶成長(Molecular
Beam Epitaxy=MBE)法、気相エピタキシヤ
ル成長法などによつて形成することができる。
本第2の実施例のエネルギ帯はバイアス電圧が
印加されたときに第4図bの如くであつて、n型
In0.53As0.47As光吸収層24とn+型InPバツフア
層22との間にはn型In1−xGaxAsyP1−y層2
3によつて、エネルギ帯は段差や谷がなく滑らか
に連続するために、キヤリアは減速されることな
く流入する。
前記第1の実施例及び第2の実施例について、
入力信号の変調周波数−出力電流特性を従来品と
同様に測定した結果、変調周波数500〔MHz〕まで
何れも平坦な特性を示すことが確認された。
以上の実施例はなだれ増倍層を有するAPDで
あるが、なだれ増倍効果を有しないフオトダイオ
ード(PD)についても、本発明を適用すること
によつて同様の効果を得ることができる。
また以上の実施例はInGaAs/InP系材料を用
いているが、本発明はこれに限られるものではな
く、その他の化合物半導体に対しても同様に適用
することが可能であり、また、実施例の伝導型と
は反対の伝導型に構成される受光装置について
も、同様の効果が得られる。
(g) 発明の効果 本発明によれば、以上説明した如く、半導体受
光装置のヘテロエピタキシヤル接合によつて生ず
るキヤリアの減速が軽減もしくは除去されるため
に応答が高速となり、光入力信号の変調周波数−
出力電流特性が大幅に改善される。
【図面の簡単な説明】
第1図aは半導体受光装置の従来例を示す断面
図、第1図bはそのエネルギーダイヤグラム、第
2図はその変調周波数−出力電流特性の例を示す
図表、第3図aは本発明の第1の実施例を示す断
面図、第3図bはそのエネルギーダイヤグラム、
第4図aは本発明の第2の実施例を示す断面図、
第4図bはそのエネルギーダイヤグラム、第5図
はInGaAsP系混晶における格子定数と禁制帯幅
の組成との相関を示す図である。 図において、11,21はn+型InP基板、1
2,22はn+型InPバツフア層、13,23はn
型In1GaxAsyP1−y層、14,24はn型
InGaAs光吸収層、25はn型In1−xGaxAsyP1
−y層、15,26はn型InP増倍層、16,2
7はp+型領域、17,28はガードリング、1
8,29は絶縁膜、19,30はp側電極、2
0,21はn側電極を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 一つの電極が設けられた半導体基体と、該基
    体に接して該基体と同一の導電型を有する第1の
    半導体層と、該第1の半導体層に接し、前記基体
    と同一の導電型と前記基体より小さい禁制帯幅と
    を有して光吸収を行なう第2の半導体層とを備
    え、前記第1の半導体層は前記基体より小さくか
    つ前記第2の半導体層より大きい禁制帯幅を有す
    る領域を含んでなることを特徴とする半導体受光
    装置。
JP58011704A 1983-01-27 1983-01-27 半導体受光装置 Granted JPS59136981A (ja)

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US4775876A (en) * 1987-09-08 1988-10-04 Motorola Inc. Photon recycling light emitting diode
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