JPH0451990B2 - - Google Patents
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- JPH0451990B2 JPH0451990B2 JP57111051A JP11105182A JPH0451990B2 JP H0451990 B2 JPH0451990 B2 JP H0451990B2 JP 57111051 A JP57111051 A JP 57111051A JP 11105182 A JP11105182 A JP 11105182A JP H0451990 B2 JPH0451990 B2 JP H0451990B2
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- semiconductor layer
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
- H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
- H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H10F30/22—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes
- H10F30/225—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
- H10F30/2255—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers form heterostructures, e.g. SAM structures
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Description
【発明の詳細な説明】
(a) 発明の技術分野
本発明は半導体受光素子、特にアバランシエフ
オトダイオードの雑音を減少せしめる構造に関す
る。
オトダイオードの雑音を減少せしめる構造に関す
る。
(b) 従来技術と問題点
光を情報信号の媒体とする光通信及びその他の
産業、民生分野において、光信号を電気信号に変
換する半導体受光装置は重要で基本的な構成要素
の一つとなつており、既に多くのものが実用化さ
れている。
産業、民生分野において、光信号を電気信号に変
換する半導体受光装置は重要で基本的な構成要素
の一つとなつており、既に多くのものが実用化さ
れている。
これらの半導体受光装置において、光電流が電
子なだれによつて増倍されて感度が上昇するアバ
ランシエフオトダイオード（Avalanche Photo
Diode：以下APDと略称する）が特に広く実用化
されている。このAPDの一例を第１図に示す。
子なだれによつて増倍されて感度が上昇するアバ
ランシエフオトダイオード（Avalanche Photo
Diode：以下APDと略称する）が特に広く実用化
されている。このAPDの一例を第１図に示す。
第１図において、１はn+型InP基板、２はｎ型
InGaAs光吸収層、３はｎ型InP増倍層、４はInP
層中に形成されたp+型領域、５はガードリング
効果を有するｐ型領域、６は絶縁膜、７はｐ側電
極、８はｎ側電極である。
InGaAs光吸収層、３はｎ型InP増倍層、４はInP
層中に形成されたp+型領域、５はガードリング
効果を有するｐ型領域、６は絶縁膜、７はｐ側電
極、８はｎ側電極である。
このAPDにｎ側電極８を正、ｐ側電極７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pn接合すなわちp+型領域４とｎ型InP増倍層３
との界面付近に空乏層ば形成され、これがｎ型
InGaAs光吸収層２までひろがり、この空乏層内
で、入力信号光によつて電子が伝導帯に励起され
ることによつて、電子正孔対が発生し、電子ｎ側
電極８、正孔はｐ側電極７に向つてドリフトし、
ｎ型InP増倍層３においてはこの正孔を一次キヤ
リアとするなだれ増倍が行なわれる。
の極性とする逆バイアス電圧を印加することによ
りpn接合すなわちp+型領域４とｎ型InP増倍層３
との界面付近に空乏層ば形成され、これがｎ型
InGaAs光吸収層２までひろがり、この空乏層内
で、入力信号光によつて電子が伝導帯に励起され
ることによつて、電子正孔対が発生し、電子ｎ側
電極８、正孔はｐ側電極７に向つてドリフトし、
ｎ型InP増倍層３においてはこの正孔を一次キヤ
リアとするなだれ増倍が行なわれる。
このなだれ増倍とは、pn接合の逆方向に高い
電界が加えられキヤリアである電子及び正孔が加
速されて、自由行程中に得たエネルギーが禁制帯
幅の3/2倍程度以上に達して結晶格子を構成する
原子と衝突すれば、充満帯の電子が伝導帯に励起
されて二次キヤリアとなる電子・正孔対を発生
し、この衝突が繰返されて電流が大幅に増大する
現象である。
電界が加えられキヤリアである電子及び正孔が加
速されて、自由行程中に得たエネルギーが禁制帯
幅の3/2倍程度以上に達して結晶格子を構成する
原子と衝突すれば、充満帯の電子が伝導帯に励起
されて二次キヤリアとなる電子・正孔対を発生
し、この衝突が繰返されて電流が大幅に増大する
現象である。
以上説明したなだれ増倍の過程においては衝突
回数に統計的なゆらぎが存在し、これによつて固
有のシヨツト雑音が現われる。この雑音は通常増
倍雑音と呼ばれる。
回数に統計的なゆらぎが存在し、これによつて固
有のシヨツト雑音が現われる。この雑音は通常増
倍雑音と呼ばれる。
なだれ増倍の過程において、電子が単位長当た
り衝突電離を起す回数、すなわち電子のイオン化
率をα、正孔のイオン化率をβとし、イオン化率
比ｋを ｋ＝β／α とするとき、ｋ≒１の場合には、２次キヤリアが
何れも衝突電離を起すために、少い回数の衝突電
離でも高い電流増倍率が得られる。しかしながら
衝突回数の統計的なゆらぎが大きな増倍雑音とな
つて現われる。
り衝突電離を起す回数、すなわち電子のイオン化
率をα、正孔のイオン化率をβとし、イオン化率
比ｋを ｋ＝β／α とするとき、ｋ≒１の場合には、２次キヤリアが
何れも衝突電離を起すために、少い回数の衝突電
離でも高い電流増倍率が得られる。しかしながら
衝突回数の統計的なゆらぎが大きな増倍雑音とな
つて現われる。
他方例えばｋ≪１の場合には正孔による増倍は
起きず、電子だけが多数回の衝突電離を繰返す。
従つて衝突回数の統計的ゆらぎはあまり問題にな
らず、増倍雑音は少ない。正孔のイオン化率βが
電子のイオン化率αより充分に大きいk-1≪１の
場合も同様である。
起きず、電子だけが多数回の衝突電離を繰返す。
従つて衝突回数の統計的ゆらぎはあまり問題にな
らず、増倍雑音は少ない。正孔のイオン化率βが
電子のイオン化率αより充分に大きいk-1≪１の
場合も同様である。
従来APDの増倍層に用いられている半導体材
料について見れば、例えば２×105〔Ｖ／cm〕程度
の電界においては、例えばシリコン（Si）、ガリ
ウム・砒素・アンチモン化合物（GaAsSb）では
α＞β、ゲルマニウム（Ge）、インジウム・ガリ
ウム・砒素化合物InGaAs）ではβ＞αであり、
電界が増大するに従つてα，βは当然に増大する
が、何れの材料についてもαとβとは次第に接近
し、多くの材料についてはα＝βすなわちｋ＝１
に近づく物性を示す。
料について見れば、例えば２×105〔Ｖ／cm〕程度
の電界においては、例えばシリコン（Si）、ガリ
ウム・砒素・アンチモン化合物（GaAsSb）では
α＞β、ゲルマニウム（Ge）、インジウム・ガリ
ウム・砒素化合物InGaAs）ではβ＞αであり、
電界が増大するに従つてα，βは当然に増大する
が、何れの材料についてもαとβとは次第に接近
し、多くの材料についてはα＝βすなわちｋ＝１
に近づく物性を示す。
従来実用化されているAPDについて見れば、
Si−APDは概ねｋ＝0.01乃至0.1であるが、波長
１〔μm〕以上の帯域に用いられるGe−APDは概
ねk-1＞0.7であつて増倍雑音が問題とされてお
り、またGeに代るべき化合物半導体を用いた
APDも概ね又はk-1が0.5以上であつて増倍雑音
の低減が不可欠とされている。
Si−APDは概ねｋ＝0.01乃至0.1であるが、波長
１〔μm〕以上の帯域に用いられるGe−APDは概
ねk-1＞0.7であつて増倍雑音が問題とされてお
り、またGeに代るべき化合物半導体を用いた
APDも概ね又はk-1が0.5以上であつて増倍雑音
の低減が不可欠とされている。
(c) 発明の目的
本発明の目的は、アバランシエフオトダイオー
ドの雑音を減少せしめる構造を提供することを目
的とする。
ドの雑音を減少せしめる構造を提供することを目
的とする。
(d) 発明の構成
本発明の前記目的は、所要の禁制体幅を有して
光吸収層を構成する第１の導電型の第１の半導体
層と、該第１の半導体層上に設けられ、増倍層を
構成する第１の導電型を有する第２の半導体層
と、該第２の半導体層上に設けられ、受光部を構
成する第２の導電型を有する第３の半導体層とを
備え、前記第２の半導体層は複数の層状領域によ
つて構成されると共に、各層状領域の禁制体幅
は、前記第１の半導体層側の該層状領域より前記
第３の半導体層の該層状領域の方が大であり、更
に前記第２の半導体層における各層状領域の禁制
体幅は、前記第１の半導体層より大に、かつ前記
第３の半導体層以下とされてなるアバランシエフ
オトダイオードによつて達成される。
光吸収層を構成する第１の導電型の第１の半導体
層と、該第１の半導体層上に設けられ、増倍層を
構成する第１の導電型を有する第２の半導体層
と、該第２の半導体層上に設けられ、受光部を構
成する第２の導電型を有する第３の半導体層とを
備え、前記第２の半導体層は複数の層状領域によ
つて構成されると共に、各層状領域の禁制体幅
は、前記第１の半導体層側の該層状領域より前記
第３の半導体層の該層状領域の方が大であり、更
に前記第２の半導体層における各層状領域の禁制
体幅は、前記第１の半導体層より大に、かつ前記
第３の半導体層以下とされてなるアバランシエフ
オトダイオードによつて達成される。
(e) 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。
的に説明する。
第２図は本発明の実施例を示す断面図であつて
第１図と同一符号は同一対象部分を示し、本発明
の特報をなす増倍層は、以下に詳細に説明する如
く、第１の領域３１、第２の領域３２、第３の領
域３３が順次積層された構造を有している。
第１図と同一符号は同一対象部分を示し、本発明
の特報をなす増倍層は、以下に詳細に説明する如
く、第１の領域３１、第２の領域３２、第３の領
域３３が順次積層された構造を有している。
本実施例のAPDは例えば以下に述べる如く製
造される。すなわち、n+型InP基板１上にｎ型
In0.53Ga0.47As層２をキヤリア濃度１×1016〔cm-3〕
厚さ２〔μm〕程度に、ｎ型In1-xGaxAsyP1-y層３
１を禁制帯幅が0.95eVとなる組成で、キヤリア
濃度１×1016〔cm-3〕、厚さ0.5〔μm〕程度に、ｎ型
In1-xGaxAsyP1-y層３２を禁制帯幅が約1.10eVと
なる組成で、キヤリア濃度１×1016〔cm-3〕、厚さ
0.35〔μm〕程度に、ｎ型InP層３３をキヤリア濃
度１×1016〔cm-3、厚さ1.5〔μm〕程度に順次液相
エピタキシヤル成長方法、気相エピタキシヤル成
長方法その他の方法によつて成長せしめる。
造される。すなわち、n+型InP基板１上にｎ型
In0.53Ga0.47As層２をキヤリア濃度１×1016〔cm-3〕
厚さ２〔μm〕程度に、ｎ型In1-xGaxAsyP1-y層３
１を禁制帯幅が0.95eVとなる組成で、キヤリア
濃度１×1016〔cm-3〕、厚さ0.5〔μm〕程度に、ｎ型
In1-xGaxAsyP1-y層３２を禁制帯幅が約1.10eVと
なる組成で、キヤリア濃度１×1016〔cm-3〕、厚さ
0.35〔μm〕程度に、ｎ型InP層３３をキヤリア濃
度１×1016〔cm-3、厚さ1.5〔μm〕程度に順次液相
エピタキシヤル成長方法、気相エピタキシヤル成
長方法その他の方法によつて成長せしめる。
次いで前記ｎ型InP層３３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〔μm〕程度
のp+型領域４を形成する。この結果このp+型領
域４が形成された範囲すなわち受光領域において
はｎ型InP層３３の厚さは0.5〔μm〕程度となる。
（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〔μm〕程度
のp+型領域４を形成する。この結果このp+型領
域４が形成された範囲すなわち受光領域において
はｎ型InP層３３の厚さは0.5〔μm〕程度となる。
更に例えばベリリウム（Be）を導入すること
によつて、ガードリングとするｐ型領域５を形成
する。しかる後に絶縁膜６を選択的に形成し、次
いでｐ側電極７を例えば金−亜鉛（Au−Zn）を
用い、ｎ側電極８を例えば金−ゲルマニウム
（AuGe）を用いて配設する。
によつて、ガードリングとするｐ型領域５を形成
する。しかる後に絶縁膜６を選択的に形成し、次
いでｐ側電極７を例えば金−亜鉛（Au−Zn）を
用い、ｎ側電極８を例えば金−ゲルマニウム
（AuGe）を用いて配設する。
第３図は本実施例のエネルギー帯を示す図であ
つて、第２図に示される各部分と同一符号でこれ
に相当する部位を示し、またEcは伝導帯、Evは
価電子帯を示す。
つて、第２図に示される各部分と同一符号でこれ
に相当する部位を示し、またEcは伝導帯、Evは
価電子帯を示す。
本実施例において、ｎ型In0.53Ga0.47As光吸収
層２よりp+型InP領域４に到る各層の禁制帯幅
は、ｎ型In0.53Ga0.47As光吸収層２が約0.72〔eV〕、
ｎ型In1-xGaxAsyP1-y層３１が約0.95〔eV〕、ｎ型
In1-xGaxAsyP1-y層３２が約1.10〔eV〕、ｎ型InP
層３３が約1.34〔eV〕、p+型InP領域４も約1.34
〔eV〕であつて、増倍層を構成する層３１，３２
及び３３は光吸収層２側からp+型領域４側に向
つてその禁制帯幅が階段状に増大し、更に光吸収
層２に接すする第１の増倍層３１の禁制帯幅は光
吸収層２より大きく、p+型領域４に接する第３
の増倍層３３の禁制帯幅はp+型領域４と同等以
下である。
層２よりp+型InP領域４に到る各層の禁制帯幅
は、ｎ型In0.53Ga0.47As光吸収層２が約0.72〔eV〕、
ｎ型In1-xGaxAsyP1-y層３１が約0.95〔eV〕、ｎ型
In1-xGaxAsyP1-y層３２が約1.10〔eV〕、ｎ型InP
層３３が約1.34〔eV〕、p+型InP領域４も約1.34
〔eV〕であつて、増倍層を構成する層３１，３２
及び３３は光吸収層２側からp+型領域４側に向
つてその禁制帯幅が階段状に増大し、更に光吸収
層２に接すする第１の増倍層３１の禁制帯幅は光
吸収層２より大きく、p+型領域４に接する第３
の増倍層３３の禁制帯幅はp+型領域４と同等以
下である。
本実施例のAPDに第４図に例示する如く、従
来例と同様の分布形状で、第３のInP増倍層３３
の最大電界Em3がその降伏電界4.87×105〔Ｖ／
cm〕に到達する電界を印加すれば、第２のIn1-x
GaxAsyP1-y増倍層３２についても最大電界Em2
がその降伏電界4.12×105〔Ｖ／cm〕に到達し、第
１のIn1-xGaxAsyP1-y増倍層３１についても最大
電界Em1がその降伏電界3.63×105〔Ｖ／cm〕に到
達して、禁制帯幅が最も小さい第１の増倍層３１
からなだれ増倍が起り始めて、次々に禁制帯幅の
大きい増倍層３２及び３３に発生し、第４図に斜
線で示す如く各増倍層３１，３２及び３３のそれ
ぞれにおいてなだれ増倍が行なわれる。
来例と同様の分布形状で、第３のInP増倍層３３
の最大電界Em3がその降伏電界4.87×105〔Ｖ／
cm〕に到達する電界を印加すれば、第２のIn1-x
GaxAsyP1-y増倍層３２についても最大電界Em2
がその降伏電界4.12×105〔Ｖ／cm〕に到達し、第
１のIn1-xGaxAsyP1-y増倍層３１についても最大
電界Em1がその降伏電界3.63×105〔Ｖ／cm〕に到
達して、禁制帯幅が最も小さい第１の増倍層３１
からなだれ増倍が起り始めて、次々に禁制帯幅の
大きい増倍層３２及び３３に発生し、第４図に斜
線で示す如く各増倍層３１，３２及び３３のそれ
ぞれにおいてなだれ増倍が行なわれる。
以上説明した様に複数の増倍層を有するときに
は、APD全体としての電流増倍層Ｍは各電流増
倍率の積であつて、従来の如く単一の増倍層の場
合に比較して各層の増倍率を低くしても、従来と
同等もしくはそれ以上の電流増倍率をAPD全体
として達成することができる。すなわち各増倍層
をイオン化率の小さな低電界で動作させることが
できる。先に述べた如く増倍層を構成する半導体
材料は電界が小となるに従つて電子と正孔とのイ
オン化率比ｋ又はk-1が≪１となり増倍雑音が少
なくなるために、本発明の構造により従来と同等
もしくはそれ以上の電流増倍率を低い増倍雑音で
達成することができる。
は、APD全体としての電流増倍層Ｍは各電流増
倍率の積であつて、従来の如く単一の増倍層の場
合に比較して各層の増倍率を低くしても、従来と
同等もしくはそれ以上の電流増倍率をAPD全体
として達成することができる。すなわち各増倍層
をイオン化率の小さな低電界で動作させることが
できる。先に述べた如く増倍層を構成する半導体
材料は電界が小となるに従つて電子と正孔とのイ
オン化率比ｋ又はk-1が≪１となり増倍雑音が少
なくなるために、本発明の構造により従来と同等
もしくはそれ以上の電流増倍率を低い増倍雑音で
達成することができる。
なお、禁制帯幅の小さい半導体になだれ降伏が
得られる電界を加えるとトンネル効果による暗電
流が増加してシヨツト雑音が増大することが知ら
れているが、以上説明した如く本発明の方法によ
れば禁制帯幅の小さい増倍層は低い電界で動作さ
せているためにトンネル効果による暗電流は抑制
されている。
得られる電界を加えるとトンネル効果による暗電
流が増加してシヨツト雑音が増大することが知ら
れているが、以上説明した如く本発明の方法によ
れば禁制帯幅の小さい増倍層は低い電界で動作さ
せているためにトンネル効果による暗電流は抑制
されている。
(f) 発明の効果
本発明によれば、従来と同等もしくはそれ以上
の電流増倍率を半導体材料のイオン化率比の大き
い低電界において得ることができ、また暗電流も
抑制されるために、アバランシエフオトダイオー
ドの雑音が減少される。
の電流増倍率を半導体材料のイオン化率比の大き
い低電界において得ることができ、また暗電流も
抑制されるために、アバランシエフオトダイオー
ドの雑音が減少される。
第１図にアバランシエフオトダイオードの従来
例を示す断面図、第２図は本発明の実施例を示す
断面図、第３図は本実施例のエネルギ帯を示す
図、第４図は本実施例に印加する電界及びなだれ
増倍領域を示す模式図である。 図において１はn+型InP基板、２はｎ型
InGaAs光吸収層、３はｎ型InP増倍層、４はp+
領域、５はガードリング、３１はｎ型In1-xGax
AsyP1-y増倍層、３２はｎ型In1-xGaxAsyP1-y増
倍層、３３はｎ型InP増倍層を示す。
例を示す断面図、第２図は本発明の実施例を示す
断面図、第３図は本実施例のエネルギ帯を示す
図、第４図は本実施例に印加する電界及びなだれ
増倍領域を示す模式図である。 図において１はn+型InP基板、２はｎ型
InGaAs光吸収層、３はｎ型InP増倍層、４はp+
領域、５はガードリング、３１はｎ型In1-xGax
AsyP1-y増倍層、３２はｎ型In1-xGaxAsyP1-y増
倍層、３３はｎ型InP増倍層を示す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 所要の禁制体幅を有して光吸収層を構成する
第１の導電型の第１の半導体層と、 該第１の半導体層上に設けられ、増倍層を構成
する第１の導電型を有する第２の半導体層と、 該第２の半導体層上に設けられ、受光部を構成
する第２の導電型を有する第３の半導体層とを備
え、 前記第２の半導体層は複数の層状領域によつて
構成されると共に、各層状領域の禁制体幅は、前
記第１の半導体層側の該層状領域より前記第３の
半導体層側の該層状領域の方が大であり、 更に前記第２の半導体層における各層状領域の
禁制体幅は、前記第１の半導体層より大に、かつ
前記第３の半導体層以下とされてなることを特徴
とするアバランシエフオトダイオード。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57111051A JPS592378A (ja) | 1982-06-28 | 1982-06-28 | アバランシェフォトダイオード |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57111051A JPS592378A (ja) | 1982-06-28 | 1982-06-28 | アバランシェフォトダイオード |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS592378A JPS592378A (ja) | 1984-01-07 |
| JPH0451990B2 true JPH0451990B2 (ja) | 1992-08-20 |
Family
ID=14551160
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57111051A Granted JPS592378A (ja) | 1982-06-28 | 1982-06-28 | アバランシェフォトダイオード |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS592378A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62259481A (ja) * | 1986-04-15 | 1987-11-11 | Fujitsu Ltd | 半導体受光装置 |
-
1982
- 1982-06-28 JP JP57111051A patent/JPS592378A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS592378A (ja) | 1984-01-07 |
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