JPH0437594B2 - - Google Patents
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- JPH0437594B2 JPH0437594B2 JP58007876A JP787683A JPH0437594B2 JP H0437594 B2 JPH0437594 B2 JP H0437594B2 JP 58007876 A JP58007876 A JP 58007876A JP 787683 A JP787683 A JP 787683A JP H0437594 B2 JPH0437594 B2 JP H0437594B2
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor 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
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は半導体光検出素子に関する。更に詳し
くはキヤリアのイオン化によるアバランシエ増倍
効果を利用する半導体光検出素子に関する。光フ
アイバー通信用の半導体光検出素子の分野におい
ては、光受信感度を高めるために、低雑音のアバ
ランシエ フオト ダイオード（以下APDと略
す）が要求される。APDの雑音特性を決定づけ
る一因として電子キヤリアのイオン化率αと正孔
キヤリアのイオン化率βとの比ｋ（≡α／β）が
あげられる。すなわち、電子キヤリア注入型の
APDにおいてはｋ≫１、正孔キヤリア注入型の
APDにおいてはｋ≪１であることが要求される。
しかしながら、光フアイバー通信用に用いられる
−族化合物半導体から構成されるAPDにお
いてはα／βあるいはβ／α値はせいぜい１〜２
程度であり、シリコン半導体のα／β値10〜102
に比べて非常に小さい。従つて、−族化合物
半導体APDにおいては、実効的にイオン化率比
を改善する工夫が必要となり、その例として光吸
収領域とアバランシエ領域とを分離して一方のキ
ヤリアを選択的にアバランシエ領域に注入する構
造が現在、最も採用されている。しかしながら、
かかる構造のAPDにおいても、実効的イオン化
率比は５以下であり、大きな改善にはなつていな
い。
くはキヤリアのイオン化によるアバランシエ増倍
効果を利用する半導体光検出素子に関する。光フ
アイバー通信用の半導体光検出素子の分野におい
ては、光受信感度を高めるために、低雑音のアバ
ランシエ フオト ダイオード（以下APDと略
す）が要求される。APDの雑音特性を決定づけ
る一因として電子キヤリアのイオン化率αと正孔
キヤリアのイオン化率βとの比ｋ（≡α／β）が
あげられる。すなわち、電子キヤリア注入型の
APDにおいてはｋ≫１、正孔キヤリア注入型の
APDにおいてはｋ≪１であることが要求される。
しかしながら、光フアイバー通信用に用いられる
−族化合物半導体から構成されるAPDにお
いてはα／βあるいはβ／α値はせいぜい１〜２
程度であり、シリコン半導体のα／β値10〜102
に比べて非常に小さい。従つて、−族化合物
半導体APDにおいては、実効的にイオン化率比
を改善する工夫が必要となり、その例として光吸
収領域とアバランシエ領域とを分離して一方のキ
ヤリアを選択的にアバランシエ領域に注入する構
造が現在、最も採用されている。しかしながら、
かかる構造のAPDにおいても、実効的イオン化
率比は５以下であり、大きな改善にはなつていな
い。
従つて本発明の目的は、新規な概念と構造を用
いてイオン化率比を充分大きくした低雑音の
APDを供与することである。
いてイオン化率比を充分大きくした低雑音の
APDを供与することである。
本発明は、Eg1なる禁制帯幅を有し、かつ300Å
以下の厚さを有する第１の半導体層と、Eg1より
も大きい禁制帯幅Eg2（Eg1＞Eg2）を有し、かつ
200Å以下の厚さを有する第２の半導体層とを交
互に少なくとも各々２層以上積層することによ
り、量子化されたエネルギー帯の形成された該半
導体積層を有することを特徴とする半導体光検出
素子であり、半導体積層の全厚が電子キヤリアも
しくは正孔キヤリアのイオン化率の逆数（１／α
もしくは１／β）よりも大きい事を特徴とする。
以下の厚さを有する第１の半導体層と、Eg1より
も大きい禁制帯幅Eg2（Eg1＞Eg2）を有し、かつ
200Å以下の厚さを有する第２の半導体層とを交
互に少なくとも各々２層以上積層することによ
り、量子化されたエネルギー帯の形成された該半
導体積層を有することを特徴とする半導体光検出
素子であり、半導体積層の全厚が電子キヤリアも
しくは正孔キヤリアのイオン化率の逆数（１／α
もしくは１／β）よりも大きい事を特徴とする。
以下、本発明を実施例を用いてより詳細に説明
するが、実施例のみが本発明をそれに限定するも
のでない事は容易に理解されなければならない。
するが、実施例のみが本発明をそれに限定するも
のでない事は容易に理解されなければならない。
第１図は、本発明の効果を説明するもので、例
として、厚さ120ÅのGaAs層１（禁制帯幅
1.43eV）と厚さ80ÅのAl0.5Ga0.5As層２（禁制帯
幅20eV）とを交互に積層化したときのエネルギ
ーバンド図を表わしている。同図においては、
GaAsとAl0.5Ga0.5Asとの電子親和力の差によつ
て主として伝導帯に不連続（凸凹）が生じ、
Al0.5Ga0.5As層をポテンシヤル壁としてGaAs層
にポテンシヤル井戸が形成される。
として、厚さ120ÅのGaAs層１（禁制帯幅
1.43eV）と厚さ80ÅのAl0.5Ga0.5As層２（禁制帯
幅20eV）とを交互に積層化したときのエネルギ
ーバンド図を表わしている。同図においては、
GaAsとAl0.5Ga0.5Asとの電子親和力の差によつ
て主として伝導帯に不連続（凸凹）が生じ、
Al0.5Ga0.5As層をポテンシヤル壁としてGaAs層
にポテンシヤル井戸が形成される。
GaAs層１とAl0.5Ga0.5As層２の厚さが、各々、
300Å以下、200Å以下であるとき、各層の厚さは
電子のドブロイ波長と同程度となり、GaAs層ポ
テンシヤル井戸層１に集中している電子は、トン
ネル効果により、Al0.5Ga0.5As層へ透過すること
ができるようになり、各層に渡つて、量子化され
た電子エネルギー帯３，４が形成される。価電子
帯側のバンド不連続は先の伝導帯側に比べて充分
小さく、形成される正孔のエネルギー帯の間隔は
非常に小さいために、かかる周期的層構造の影響
を無視し、バルクの価電子帯で近似してよい。こ
の状況をエネルギー対電子波数の虚空間で表現す
ると、第２図のようになる。第２図において点線
は本発明の周期的層構造を用いない通常のバルク
半導体の伝導帯で実線は本発明の構造によつて量
子化した伝導帯である。
300Å以下、200Å以下であるとき、各層の厚さは
電子のドブロイ波長と同程度となり、GaAs層ポ
テンシヤル井戸層１に集中している電子は、トン
ネル効果により、Al0.5Ga0.5As層へ透過すること
ができるようになり、各層に渡つて、量子化され
た電子エネルギー帯３，４が形成される。価電子
帯側のバンド不連続は先の伝導帯側に比べて充分
小さく、形成される正孔のエネルギー帯の間隔は
非常に小さいために、かかる周期的層構造の影響
を無視し、バルクの価電子帯で近似してよい。こ
の状況をエネルギー対電子波数の虚空間で表現す
ると、第２図のようになる。第２図において点線
は本発明の周期的層構造を用いない通常のバルク
半導体の伝導帯で実線は本発明の構造によつて量
子化した伝導帯である。
ここでアバランシエ増倍に必要な電子あるいは
正孔のイオン化を生じさせるには、イオン化過程
において、エネルギーと運動量すなわち波数の保
存則が成立しなければならない。さらにイオン化
に寄与するキヤリアの速度すなわち第２図の（エ
ネルギー対波数）曲線の微係数は一定でなければ
ならない。第２図ａに示すように、本発明の効果
によつて伝導帯が離散化した場合においては、電
子によるイオン化は、かかるイオン化のための条
件を満たさないために、生じ難い。しかし、第２
図ｂに示すように、正孔によるイオン化は、価電
子帯の離散化が無視できるために、通常のバルク
半導体の正孔によるイオン化過程と全く同様に扱
うことができ、その結果イオン化のための条件を
満足する。すなわち、従来のバルク半導体のイオ
ン化率比α／βに比較して、第１図、第２図の構
成では、電子のイオン化率αが正孔のイオン化率
βよりも充分小さくなるために、イオン化率比
α／βの充分小さい。すなわち、非常に低雑音の
APDが実現できる。
正孔のイオン化を生じさせるには、イオン化過程
において、エネルギーと運動量すなわち波数の保
存則が成立しなければならない。さらにイオン化
に寄与するキヤリアの速度すなわち第２図の（エ
ネルギー対波数）曲線の微係数は一定でなければ
ならない。第２図ａに示すように、本発明の効果
によつて伝導帯が離散化した場合においては、電
子によるイオン化は、かかるイオン化のための条
件を満たさないために、生じ難い。しかし、第２
図ｂに示すように、正孔によるイオン化は、価電
子帯の離散化が無視できるために、通常のバルク
半導体の正孔によるイオン化過程と全く同様に扱
うことができ、その結果イオン化のための条件を
満足する。すなわち、従来のバルク半導体のイオ
ン化率比α／βに比較して、第１図、第２図の構
成では、電子のイオン化率αが正孔のイオン化率
βよりも充分小さくなるために、イオン化率比
α／βの充分小さい。すなわち、非常に低雑音の
APDが実現できる。
以上は、第１図においてキヤリアの走行方向、
すなわち電界方向が周期的層構造に垂直な方向Ａ
の場合であつたが、周期的層構造に平行な方向Ｂ
についても同様の効果が得られた。これは次のよ
うに説明される。周期的層構造に平行方向では、
伝導帯のエネルギー帯は量子化されないが、電子
キヤリアは衝突散乱を受けながら走行するため、
必ずしも電界と平行に運動していない。そのた
め、ある程度、周期的層構造に垂直な運動成分が
存在し、その結果、量子化された伝導帯の寄与が
生じるからである。
すなわち電界方向が周期的層構造に垂直な方向Ａ
の場合であつたが、周期的層構造に平行な方向Ｂ
についても同様の効果が得られた。これは次のよ
うに説明される。周期的層構造に平行方向では、
伝導帯のエネルギー帯は量子化されないが、電子
キヤリアは衝突散乱を受けながら走行するため、
必ずしも電界と平行に運動していない。そのた
め、ある程度、周期的層構造に垂直な運動成分が
存在し、その結果、量子化された伝導帯の寄与が
生じるからである。
カパツソらは、アプライド・フイジツクス・レ
ターズ第40巻１号、38頁〜40頁において、Al0.45
Ga0.55AsとGaAsとのバンド不連続を利用してイ
オン化率比α／βを大きくすることを提案してい
る。これは、電子がAl0.45Ga0.55As層からGaAs層
へ走行する際、伝導帯の不連続差0.48eVのエネ
ルギーを電子が授受することによつて、実効的に
電子のイオン化率が向上することを利用してい
る。この結果は、（エネルギー対位置）の実空間
において実効的にイオン化率比を改善する提案で
あり、本発明の（エネルギー波数）の虚空間にお
いて、量子化されたエネルギー帯を形成すること
によつて実効的にイオン化率比を変化させる効果
と、明らかに区別されなければならない。実際カ
パツソらの報告しているAl0.45Ga0.55As層とGaAs
層の厚さは各々、550Å、450Åであり、量子化さ
れたエネルギ−帯を形成するには厚すぎる層厚で
あることが明らかである。
ターズ第40巻１号、38頁〜40頁において、Al0.45
Ga0.55AsとGaAsとのバンド不連続を利用してイ
オン化率比α／βを大きくすることを提案してい
る。これは、電子がAl0.45Ga0.55As層からGaAs層
へ走行する際、伝導帯の不連続差0.48eVのエネ
ルギーを電子が授受することによつて、実効的に
電子のイオン化率が向上することを利用してい
る。この結果は、（エネルギー対位置）の実空間
において実効的にイオン化率比を改善する提案で
あり、本発明の（エネルギー波数）の虚空間にお
いて、量子化されたエネルギー帯を形成すること
によつて実効的にイオン化率比を変化させる効果
と、明らかに区別されなければならない。実際カ
パツソらの報告しているAl0.45Ga0.55As層とGaAs
層の厚さは各々、550Å、450Åであり、量子化さ
れたエネルギ−帯を形成するには厚すぎる層厚で
あることが明らかである。
第３図は本発明による半導体光検出素子の一実
施例を示している。InP基板５の上に分子線エピ
タキシヤル成長法により順次、In0.52Al0.48Asバツ
フア層５′を1μｍ厚、In0.53Ga0.47As層６を2μｍ
厚、70Å厚のIn0.52Al0.48As層１２（禁制帯幅
1.46eV）と100Å厚のIn0.53Ga0.47As層１１とを交
互に50層ずつ、更に3μｍ厚のIn0.52Al0.48As層７
を成長させた。半導体層への不純物の添加は行な
つていないが、各層はｎ型導電性を示し、キヤリ
ア濃度は約５×1015cm-3である。しかる後Cdの熱
拡散により、InAlAs層７へ選択的にPn接合８を
形成した。本発明の周期的積層の厚さは、該積層
でアバランシエ増倍が行なわれるようにキヤリア
のイオン化率の逆数よりも大きくしている。９，
１０は各々、ｐ側電極、ｎ側電極である。９−１
０間に逆バイアス電圧を印加して空乏層を
InGaAs層６まで伸ばすことによつて、該
InGaAs層６および、InGaAs層１１で光励起し
たキヤリアは、アバランシエ増倍層１１，１２へ
注入される。従来の、周期的積層のない構造にお
いては、選択的に正孔キヤリアをアバランシエ層
へ注入しても、高々、実効的イオン化率比β／α
は２〜３程度であつたが、本発明の構造を有する
第３図の構成のAPDにおいては、実効的イオン
化率比β／αが約10であり、本発明の効果が確認
できた。
施例を示している。InP基板５の上に分子線エピ
タキシヤル成長法により順次、In0.52Al0.48Asバツ
フア層５′を1μｍ厚、In0.53Ga0.47As層６を2μｍ
厚、70Å厚のIn0.52Al0.48As層１２（禁制帯幅
1.46eV）と100Å厚のIn0.53Ga0.47As層１１とを交
互に50層ずつ、更に3μｍ厚のIn0.52Al0.48As層７
を成長させた。半導体層への不純物の添加は行な
つていないが、各層はｎ型導電性を示し、キヤリ
ア濃度は約５×1015cm-3である。しかる後Cdの熱
拡散により、InAlAs層７へ選択的にPn接合８を
形成した。本発明の周期的積層の厚さは、該積層
でアバランシエ増倍が行なわれるようにキヤリア
のイオン化率の逆数よりも大きくしている。９，
１０は各々、ｐ側電極、ｎ側電極である。９−１
０間に逆バイアス電圧を印加して空乏層を
InGaAs層６まで伸ばすことによつて、該
InGaAs層６および、InGaAs層１１で光励起し
たキヤリアは、アバランシエ増倍層１１，１２へ
注入される。従来の、周期的積層のない構造にお
いては、選択的に正孔キヤリアをアバランシエ層
へ注入しても、高々、実効的イオン化率比β／α
は２〜３程度であつたが、本発明の構造を有する
第３図の構成のAPDにおいては、実効的イオン
化率比β／αが約10であり、本発明の効果が確認
できた。
上記実施例では，AlGaAs／GaAs系、
InGaAs／InAlAs系について説明したが、他の半
導体の組み合せについても全く同様の効果が得ら
れる。さらに、価電子帯の方に選択的にバンド不
連続を生じせしめ、正孔のイオン化率を変化させ
ることによつても同様の効果が得られる。
InGaAs／InAlAs系について説明したが、他の半
導体の組み合せについても全く同様の効果が得ら
れる。さらに、価電子帯の方に選択的にバンド不
連続を生じせしめ、正孔のイオン化率を変化させ
ることによつても同様の効果が得られる。
pn接合の替りにシヨツトｐ接合でも同様の効
果が得られる。
果が得られる。
以上のように、本発明によれば、量子化された
エネルギー帯を形成することによつて実効的にイ
オン化率比を制御することができ、従つて低雑音
のAPDを実現できるという利点を有する。
エネルギー帯を形成することによつて実効的にイ
オン化率比を制御することができ、従つて低雑音
のAPDを実現できるという利点を有する。
第１図は、本発明の効果を説明するための図
で、１，２は各々、禁制帯幅Eg1，Eg2の半導体
薄膜、３，４は量子化されたエネルギー帯であ
る。第２図は、第１図のエネルギー図を虚空間に
書き直した図である。第３図は本発明の一実施例
の層構造を示す図である。図中、５はInP基板、
５′はIn0.52Al0.48Asバツフア層、６はIn0.53Ga0.47
As層、７はIn0.52Al0.48As層、８はｐ型不純物拡
散で形成したpn接合、９，１０は各々、ｐ側電
極、ｎ側電極、１１，１２は各々、In0.53Ga0.47
As薄膜層、In0.52Al0.48As薄膜層である。
で、１，２は各々、禁制帯幅Eg1，Eg2の半導体
薄膜、３，４は量子化されたエネルギー帯であ
る。第２図は、第１図のエネルギー図を虚空間に
書き直した図である。第３図は本発明の一実施例
の層構造を示す図である。図中、５はInP基板、
５′はIn0.52Al0.48Asバツフア層、６はIn0.53Ga0.47
As層、７はIn0.52Al0.48As層、８はｐ型不純物拡
散で形成したpn接合、９，１０は各々、ｐ側電
極、ｎ側電極、１１，１２は各々、In0.53Ga0.47
As薄膜層、In0.52Al0.48As薄膜層である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ Eg1なる禁制帯幅を有し、かつ、300Å以下の
厚さを有する第１の半導体層と、Eg1よりも大き
い禁制帯幅Eg2を有し、かつ200Å以下の厚さを有
する第２の半導体層とを交互に少なくとも各々２
層以上積層することにより、量子化されたエネル
ギー帯の形成された該半導体積層を少なくともア
バランシエ増倍領域に有することを特徴とする半
導体光検出素子。 ２ 第１項記載の半導体積層の全厚が、電子キヤ
リアもしくは、正孔キヤリアのイオン化率の逆数
（１／αもしくは１／β）よりも大きい事を特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の半導体光検出
素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58007876A JPS59132687A (ja) | 1983-01-20 | 1983-01-20 | 半導体光検出素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58007876A JPS59132687A (ja) | 1983-01-20 | 1983-01-20 | 半導体光検出素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59132687A JPS59132687A (ja) | 1984-07-30 |
| JPH0437594B2 true JPH0437594B2 (ja) | 1992-06-19 |
Family
ID=11677812
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58007876A Granted JPS59132687A (ja) | 1983-01-20 | 1983-01-20 | 半導体光検出素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59132687A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2667413B2 (ja) * | 1987-11-27 | 1997-10-27 | 光技術研究開発株式会社 | 半導体受光装置 |
| RU2558264C1 (ru) * | 2014-03-26 | 2015-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Солар Дотс" | Полупроводниковая структура для фотопреобразующего и светоизлучающего устройств |
-
1983
- 1983-01-20 JP JP58007876A patent/JPS59132687A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59132687A (ja) | 1984-07-30 |
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