JPH0473310B2 - - Google Patents
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- JPH0473310B2 JPH0473310B2 JP57203172A JP20317282A JPH0473310B2 JP H0473310 B2 JPH0473310 B2 JP H0473310B2 JP 57203172 A JP57203172 A JP 57203172A JP 20317282 A JP20317282 A JP 20317282A JP H0473310 B2 JPH0473310 B2 JP H0473310B2
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- 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
- H01L31/08—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 in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—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 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
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
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- H01L31/109—Devices 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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- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode
- H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明はヘテロ接合を有する光検出器に関する
もので特にアバランシ・フオトダイオードに係る
ものである。
もので特にアバランシ・フオトダイオードに係る
ものである。
近年、光フアイバ通信技術の開発が急速に進
み、伝送波長帯も0.8μｍ帯から1μｍ帯の最小伝送
損失波長域へと移行しつつある。この波長帯で有
用な受光器としてInP基板上にInGaAsや
InGaAsPとInPとからなるヘテロ接合結晶を用い
たものがある。この様な材料からなるヘテロ接合
に於て高速動作をするフオトダイオードやアバラ
ンシフオトダイオードを形成する場合に、バンド
ギヤツプの狭いInGaAsやInGaAsPで発生しやす
いトンネル降伏を避けるため最も高電界のかかる
pn接合をバンドギヤツプの大きなInP中に形成す
る構造が採用されている。この様な構造の光検出
器において極めて応答速度の遅い光電流成分が流
れる事が問題となつている。即ち、数100KHz〜
数10MHzの領域で周波数特性の劣化がこの種の光
検出器においては観測され、このため通常、光通
信の如く数ＭHz以上の広帯域光伝送システムでは
高帯域感度の劣化や、遅い電流成分による符号間
干渉等の問題を招来する。
み、伝送波長帯も0.8μｍ帯から1μｍ帯の最小伝送
損失波長域へと移行しつつある。この波長帯で有
用な受光器としてInP基板上にInGaAsや
InGaAsPとInPとからなるヘテロ接合結晶を用い
たものがある。この様な材料からなるヘテロ接合
に於て高速動作をするフオトダイオードやアバラ
ンシフオトダイオードを形成する場合に、バンド
ギヤツプの狭いInGaAsやInGaAsPで発生しやす
いトンネル降伏を避けるため最も高電界のかかる
pn接合をバンドギヤツプの大きなInP中に形成す
る構造が採用されている。この様な構造の光検出
器において極めて応答速度の遅い光電流成分が流
れる事が問題となつている。即ち、数100KHz〜
数10MHzの領域で周波数特性の劣化がこの種の光
検出器においては観測され、このため通常、光通
信の如く数ＭHz以上の広帯域光伝送システムでは
高帯域感度の劣化や、遅い電流成分による符号間
干渉等の問題を招来する。
本発明はこの様な従来のヘテロ接合型光検出器
に見られた周波数特性劣化を除去し高速で高感度
な光検出器を提供する事を目的とする。即ち、本
発明はヘテロ接合を形成する半導体層の不純物濃
度分布を改良し、ヘテロ接合に接する半導体の片
方、若しくは両方の層の巾約0.1μｍの薄い領域の
み不純物濃度を高めた事により高速に損失なくフ
オトキヤリアの輸送を行う事を主旨とするもので
ある。
に見られた周波数特性劣化を除去し高速で高感度
な光検出器を提供する事を目的とする。即ち、本
発明はヘテロ接合を形成する半導体層の不純物濃
度分布を改良し、ヘテロ接合に接する半導体の片
方、若しくは両方の層の巾約0.1μｍの薄い領域の
み不純物濃度を高めた事により高速に損失なくフ
オトキヤリアの輸送を行う事を主旨とするもので
ある。
次に図面を用いて本発明の思想を詳しく述べ
る。第１図にヘテロ接合フオトダイオードのバン
ド構造の一例を示す。Eg1＞hν＞Eg2なるフオト
ンエネルギーを有する光が入射したときバンドギ
ヤツプの小さな層で光吸収が起り電子・正孔対が
創生されフオトキヤリアとなる。この場合、電子
はエネルギーバリアがないためＮ側に高速に走行
する。一方、正孔はヘテロ接合でΔEg≒Eg1−
Eg2のエネルギーバリアが存在するため第１図ａ
に示す如く、ヘテロ界面での電界強度が弱く、正
孔がΔEgを越えるに充分な運動エネルギーを持た
ない場合はヘテロバリアにトラツプされる。この
様にトラツプされた正孔はヘテロ界面での再結合
や熱励起過程により消滅するが、これ等は大きな
時定数を有する遅い応答成分を形成する。従つ
て、ヘテロ界面の電界を第１図ｂの如く高めるこ
とにより光励起正孔に充分な運動エネルギーを与
えヘテロバリアを越えせしめるか、バンドの傾斜
を急峻にする事によりトンネル効果により通過せ
しめる事によりキヤリアの消滅による感度の損失
なく高速でフオトキヤリアの輸送を行う事が出来
る。
る。第１図にヘテロ接合フオトダイオードのバン
ド構造の一例を示す。Eg1＞hν＞Eg2なるフオト
ンエネルギーを有する光が入射したときバンドギ
ヤツプの小さな層で光吸収が起り電子・正孔対が
創生されフオトキヤリアとなる。この場合、電子
はエネルギーバリアがないためＮ側に高速に走行
する。一方、正孔はヘテロ接合でΔEg≒Eg1−
Eg2のエネルギーバリアが存在するため第１図ａ
に示す如く、ヘテロ界面での電界強度が弱く、正
孔がΔEgを越えるに充分な運動エネルギーを持た
ない場合はヘテロバリアにトラツプされる。この
様にトラツプされた正孔はヘテロ界面での再結合
や熱励起過程により消滅するが、これ等は大きな
時定数を有する遅い応答成分を形成する。従つ
て、ヘテロ界面の電界を第１図ｂの如く高めるこ
とにより光励起正孔に充分な運動エネルギーを与
えヘテロバリアを越えせしめるか、バンドの傾斜
を急峻にする事によりトンネル効果により通過せ
しめる事によりキヤリアの消滅による感度の損失
なく高速でフオトキヤリアの輸送を行う事が出来
る。
従来のヘテロ接合形アバランシ・フオトダイオ
ードに於ては約3μｍ以上の空乏層を光吸収領域
に拡げる観点からのみ設計されており、従つて光
吸収層は例えばInGaAsでは約７×1015cm-3以下
の一様な不純物分布が採用されている。その為、
ヘテロ界面での電界強度が不充分となり第１図ａ
に示すキヤリアのトラツプが起つた。これを第１
図ｂの如きキヤリアを高速に輸送されるエネルギ
状態を達成するには従来の様な一様な不純物分布
ではなく局部的に高濃度な層を挿入する新たな構
造に改良することにより実現される。
ードに於ては約3μｍ以上の空乏層を光吸収領域
に拡げる観点からのみ設計されており、従つて光
吸収層は例えばInGaAsでは約７×1015cm-3以下
の一様な不純物分布が採用されている。その為、
ヘテロ界面での電界強度が不充分となり第１図ａ
に示すキヤリアのトラツプが起つた。これを第１
図ｂの如きキヤリアを高速に輸送されるエネルギ
状態を達成するには従来の様な一様な不純物分布
ではなく局部的に高濃度な層を挿入する新たな構
造に改良することにより実現される。
電界強度はポアツソンの式から与えられる様に
空乏層中の電荷、即ちイオン化した不純物量の積
分値に比例するため高濃度にする事により高電界
が得られる。しかし高濃度にするほど空乏層の幅
が狭くなり光吸収領域が狭くなるため感度が低下
する問題や、InGaAsの様なバンドギヤツプの小
さな半導体ではトンネル降伏が起るなどの問題が
生じる。この問題はヘテロ界面近傍のみを高濃度
化する事によつて解決される。高電界を走行する
キヤリアは種々の散乱を受けるため一定限界以上
に運動エネルギーを高める事が出来ない。この運
動エネルギーが飽和する距離は約0.1μｍ以下で
100Å程度では散乱を受けずに走行するキヤリア
の存在が多くなる。
空乏層中の電荷、即ちイオン化した不純物量の積
分値に比例するため高濃度にする事により高電界
が得られる。しかし高濃度にするほど空乏層の幅
が狭くなり光吸収領域が狭くなるため感度が低下
する問題や、InGaAsの様なバンドギヤツプの小
さな半導体ではトンネル降伏が起るなどの問題が
生じる。この問題はヘテロ界面近傍のみを高濃度
化する事によつて解決される。高電界を走行する
キヤリアは種々の散乱を受けるため一定限界以上
に運動エネルギーを高める事が出来ない。この運
動エネルギーが飽和する距離は約0.1μｍ以下で
100Å程度では散乱を受けずに走行するキヤリア
の存在が多くなる。
更に約100Å以下で数100KV／cm以上の高電界
にすればトンネル効果によりバリアを通り抜ける
確率が増す。以上の如く高濃度領域は必らずしも
広くする必要はなく約0.1μｍ以下の巾で充分であ
り、充分薄くする事により、空乏層の広がりの減
少を軽徴にする事が出来るため、高速性と高感度
性を両立させる事が可能となる。
にすればトンネル効果によりバリアを通り抜ける
確率が増す。以上の如く高濃度領域は必らずしも
広くする必要はなく約0.1μｍ以下の巾で充分であ
り、充分薄くする事により、空乏層の広がりの減
少を軽徴にする事が出来るため、高速性と高感度
性を両立させる事が可能となる。
次に本発明の実施例を第２、第３及び第４図を
用いて説明する。ｎはＮ型不純物濃度、Ｅは電子
エネルギーを示す。第２図ａはN+型InP基板１の
上に公知の気相成長法等で成長させたｎ＝３×
1015cm-3のN-型InGaAs2，ｎ＝1016cm-3のＮ型
InGaAs3，ｎ＝８×1015cm-3のN-型InP4及びP+
型InP5からなる光検出器の層構造を示す図であ
る。この光検出器の不純物濃度分布とバンド構造
は第２図ｂ，ｃにそれぞれ示したようになつてい
る。N+及びP+型InP層は抵抗領域となるもので
約1018cm-3以上の不純物濃度であればよい。又、
各層の好ましい層巾は層２が約4μｍ、層３が約
0.1μｍ、層４が約2μｍである。本素子において
P+側に負の電圧、N+側に正の電圧を印加する事
によりフオトダイオード又はアバランシ・フオト
ダイオードとして動作させる事ができる。ヘテロ
界面には200KV／cm近くの高電界を印加する事
ができ高エネルギーで光生成した正孔をP+側に
輸送する事が可能となる。
用いて説明する。ｎはＮ型不純物濃度、Ｅは電子
エネルギーを示す。第２図ａはN+型InP基板１の
上に公知の気相成長法等で成長させたｎ＝３×
1015cm-3のN-型InGaAs2，ｎ＝1016cm-3のＮ型
InGaAs3，ｎ＝８×1015cm-3のN-型InP4及びP+
型InP5からなる光検出器の層構造を示す図であ
る。この光検出器の不純物濃度分布とバンド構造
は第２図ｂ，ｃにそれぞれ示したようになつてい
る。N+及びP+型InP層は抵抗領域となるもので
約1018cm-3以上の不純物濃度であればよい。又、
各層の好ましい層巾は層２が約4μｍ、層３が約
0.1μｍ、層４が約2μｍである。本素子において
P+側に負の電圧、N+側に正の電圧を印加する事
によりフオトダイオード又はアバランシ・フオト
ダイオードとして動作させる事ができる。ヘテロ
界面には200KV／cm近くの高電界を印加する事
ができ高エネルギーで光生成した正孔をP+側に
輸送する事が可能となる。
この層構造でP+側若しくはN+側から光を入射
させる事により波長1μｍ〜1.65μｍの範囲で80％
以上の高い量子効率を得る事ができる。
させる事により波長1μｍ〜1.65μｍの範囲で80％
以上の高い量子効率を得る事ができる。
次に第３図に示す実施例においてはフオトダイ
オードはN+InP6，N-InGaAs7，NInP8，
N-InP9，P+InP10からなる層構造によつて形成
されている。
オードはN+InP6，N-InGaAs7，NInP8，
N-InP9，P+InP10からなる層構造によつて形成
されている。
その層構造、不純物濃度分布、バンド構造は第
３図ａ，ｂ，ｃにそれぞれ示した。層８はトンネ
ル効果を起させるために５×1016cm-3以上に高濃
度にした層で巾は約100Å程度にしてある。他の
層の不純物濃度は第２図に示す実施例とほぼ同じ
である。第４図はヘテロ接合の両側を高濃度にす
る事により、第２図及び第３図を用いて説明した
両方の効果により高速応答を得るもので、１３は
0.1μｍ巾のｎ＝1016cm-3のInGaAs １４は巾100
Å、Ｎ５×1016cm-3のInPからなり、１１は
N+InP、１２はN-InGaAs、１５はN-InP、１６
はP+InPであり、層構造、不純物濃度分布、バン
ド構造を第４図ａ，ｂ，ｃにそれぞれ示した。
３図ａ，ｂ，ｃにそれぞれ示した。層８はトンネ
ル効果を起させるために５×1016cm-3以上に高濃
度にした層で巾は約100Å程度にしてある。他の
層の不純物濃度は第２図に示す実施例とほぼ同じ
である。第４図はヘテロ接合の両側を高濃度にす
る事により、第２図及び第３図を用いて説明した
両方の効果により高速応答を得るもので、１３は
0.1μｍ巾のｎ＝1016cm-3のInGaAs １４は巾100
Å、Ｎ５×1016cm-3のInPからなり、１１は
N+InP、１２はN-InGaAs、１５はN-InP、１６
はP+InPであり、層構造、不純物濃度分布、バン
ド構造を第４図ａ，ｂ，ｃにそれぞれ示した。
各層の不純物濃度及び巾は第２図に示す実施例
とほぼ同じである。
とほぼ同じである。
以上の実施例ではInPとInGaAsのヘテロ接合
の場合でΔEgは約0.6eVとなつているが、この様
な大きなヘテロバリアも上述の様な濃度分布を形
成する事により高速でフオトキヤリアが輸送され
るため1GHz以上でも応答する高速光検出器が得
られる。
の場合でΔEgは約0.6eVとなつているが、この様
な大きなヘテロバリアも上述の様な濃度分布を形
成する事により高速でフオトキヤリアが輸送され
るため1GHz以上でも応答する高速光検出器が得
られる。
尚、上述の実施例以外のヘテロ接合光検出器に
も本発明思想が適用できる事は云うまでもなく、
例えば第３図に於て層８をInGaAsPの如く中間
的なバンドギヤツプを有する半導体で構成する事
も有効であり、その他一般に0.2eV以上のヘテロ
バリアを有する他のヘテロ構造の組合せに適用し
て高速化を計る事が出来る。
も本発明思想が適用できる事は云うまでもなく、
例えば第３図に於て層８をInGaAsPの如く中間
的なバンドギヤツプを有する半導体で構成する事
も有効であり、その他一般に0.2eV以上のヘテロ
バリアを有する他のヘテロ構造の組合せに適用し
て高速化を計る事が出来る。
第１図は本発明の原理を説明する為のヘテロバ
ンド構造とキヤリアの輸送態様を示すもので第２
図、ａ，ｂ，ｃ、第３図ａ，ｂ，ｃ及び第４図
ａ，ｂ，ｃは本発明の実施例の層構造、不純物濃
度分布及び対応するバンド構造を模式的に示した
ものである。 １，６，１１……N+型基板、２，７，１２…
…N-型狭バンドギヤツプ層、３，１３……Ｎ型
狭バンドギヤツプ層、８，１４……Ｎ型広バンド
ギヤツプ層、４，９，１５……N-型広バンドギ
ヤツプ層、５，１０，１６……P+型広バンドギ
ヤツプ層。
ンド構造とキヤリアの輸送態様を示すもので第２
図、ａ，ｂ，ｃ、第３図ａ，ｂ，ｃ及び第４図
ａ，ｂ，ｃは本発明の実施例の層構造、不純物濃
度分布及び対応するバンド構造を模式的に示した
ものである。 １，６，１１……N+型基板、２，７，１２…
…N-型狭バンドギヤツプ層、３，１３……Ｎ型
狭バンドギヤツプ層、８，１４……Ｎ型広バンド
ギヤツプ層、４，９，１５……N-型広バンドギ
ヤツプ層、５，１０，１６……P+型広バンドギ
ヤツプ層。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 順に積層された同一の導電型を有する第１の
半導体層、第２の半導体層、及び第３の半導体層
と、該第１、第２及び第３の半導体層とは逆の導
電型の半導体層または金属層を前記第１の半導体
層の前記第２の半導体層と反対側に接して設ける
ことにより、前記逆の導電型の半導体層または金
属層と第１の半導体層との間に形成されたpn接
合またはシヨツトキ接合とを少なくとも有し、前
記第１の半導体層が前記第２及び第３の半導体層
よりも大きなバンドギヤツプを有し、第２の半導
体層の巾は約0.1μｍ以下でその不純物濃度が第３
の半導体層のそれよりも大きいことを特徴とする
ヘテロ接合光検出器。 ２ 順に積層された同一の導電型を有する第１の
半導体層、第２の半導体層、及び第３の半導体層
と、該第１、第２及び第３の半導体層とは逆の導
電型の半導体層または金属層を前記第１の半導体
層の前記第２の半導体層と反対側に接して設ける
ことにより、前記逆の導電型の半導体層または金
属層と第１の半導体層との間に形成されたpn接
合またはシヨツトキ接合とを少なくとも有し、前
記第３の半導体層が第２及び第１の半導体層より
も小さなバンドギヤツプを有し、第２の半導体層
の巾は約0.1μｍ以下でその不純物濃度が第１の半
導体層のそれよりも大きいことを特徴とするヘテ
ロ接合光検出器。 ３ 順に積層された同一の導電型を有する第１の
半導体層、第２の半導体層、第３の半導体層、及
び第４の半導体層と、該第１、第２、第３、及び
第４の半導体層とは逆の導電型の半導体層または
金属層を前記第１の半導体層の前記第２の半導体
層と反対側に接して設けることにより、前記逆の
導電型の半導体層または金属層と第１の半導体層
との間に形成されたpn接合またはシヨツトキ接
合とを少なくとも有し、前記第１及び第２の半導
体層はともに前記第３及び第４の半導体層よりも
大きなバンドギヤツプを有し、第２及び第３の半
導体層の巾がそれぞれ0.1μｍ以下でそれぞれの不
純物濃度が第１及び第４の半導体層のそれよりも
大きいことを特徴とするヘテロ接合光検出器。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57203172A JPS5994474A (ja) | 1982-11-19 | 1982-11-19 | ヘテロ接合光検出器 |
| EP83307116A EP0109855B1 (en) | 1982-11-19 | 1983-11-21 | Photodiode having heterojunction |
| DE8383307116T DE3379249D1 (en) | 1982-11-19 | 1983-11-21 | Photodiode having heterojunction |
| US06/938,353 US4783689A (en) | 1982-11-19 | 1986-12-04 | Photodiode having heterojunction |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57203172A JPS5994474A (ja) | 1982-11-19 | 1982-11-19 | ヘテロ接合光検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5994474A JPS5994474A (ja) | 1984-05-31 |
| JPH0473310B2 true JPH0473310B2 (ja) | 1992-11-20 |
Family
ID=16469644
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57203172A Granted JPS5994474A (ja) | 1982-11-19 | 1982-11-19 | ヘテロ接合光検出器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4783689A (ja) |
| EP (1) | EP0109855B1 (ja) |
| JP (1) | JPS5994474A (ja) |
| DE (1) | DE3379249D1 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61172381A (ja) * | 1984-12-22 | 1986-08-04 | Fujitsu Ltd | ＩｎＰ系化合物半導体装置 |
| JPS61198688A (ja) * | 1985-02-27 | 1986-09-03 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
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| US7368762B2 (en) | 2005-01-06 | 2008-05-06 | Teledyne Licensing, Llc | Heterojunction photodiode |
| US9984917B2 (en) * | 2014-05-21 | 2018-05-29 | Infineon Technologies Ag | Semiconductor device with an interconnect and a method for manufacturing thereof |
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| CN114256374B (zh) * | 2021-12-29 | 2023-12-05 | 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 | 雪崩光电探测器及其制备方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPS5793585A (en) * | 1980-12-02 | 1982-06-10 | Fujitsu Ltd | Semiconductor photoreceiving element |
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| US4471370A (en) * | 1981-04-24 | 1984-09-11 | At&T Bell Laboratories | Majority carrier photodetector |
-
1982
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-
1983
- 1983-11-21 EP EP83307116A patent/EP0109855B1/en not_active Expired
- 1983-11-21 DE DE8383307116T patent/DE3379249D1/de not_active Expired
-
1986
- 1986-12-04 US US06/938,353 patent/US4783689A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4783689A (en) | 1988-11-08 |
| JPS5994474A (ja) | 1984-05-31 |
| EP0109855B1 (en) | 1989-02-22 |
| EP0109855A2 (en) | 1984-05-30 |
| EP0109855A3 (en) | 1985-12-04 |
| DE3379249D1 (en) | 1989-03-30 |
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