JPH0493088A - アバランシェフォトダイオード - Google Patents
アバランシェフォトダイオードInfo
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- JPH0493088A JPH0493088A JP2211095A JP21109590A JPH0493088A JP H0493088 A JPH0493088 A JP H0493088A JP 2211095 A JP2211095 A JP 2211095A JP 21109590 A JP21109590 A JP 21109590A JP H0493088 A JPH0493088 A JP H0493088A
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Landscapes
- 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
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は光通信に用いて有益な低雑音アバランシエフづ
トダイオードに関する。
トダイオードに関する。
(従来の技術)
光ファイバーの伝送損失の低い1〜1.6μm波長帯の
光通信用受光素子としてInO,53GaO,4゜As
とInPとのヘテロ接合によるInP/InGaAsヘ
テロ接合アバランシェフォトダイオード(以降APDと
略記)が実用化されている。このAPDはInGaAs
で光を吸収し、そこで発生した電子・正孔キャリヤ対の
うち正孔のみをInPに注入してアバランシェ増倍を生
じさせるものである。ここでInPは電子に対するイオ
ン化率。よりも正孔に対するイオン化率βの方が大きい
(β/a〜2)ので正孔をInPに注入することは低雑
音化に有利となっている。しかし、より低雑音化を図ろ
うとすれば、更に大きなイオン化率比(αψ>1もしく
はβlα>1)を有するAPDを開発せねばならない。
光通信用受光素子としてInO,53GaO,4゜As
とInPとのヘテロ接合によるInP/InGaAsヘ
テロ接合アバランシェフォトダイオード(以降APDと
略記)が実用化されている。このAPDはInGaAs
で光を吸収し、そこで発生した電子・正孔キャリヤ対の
うち正孔のみをInPに注入してアバランシェ増倍を生
じさせるものである。ここでInPは電子に対するイオ
ン化率。よりも正孔に対するイオン化率βの方が大きい
(β/a〜2)ので正孔をInPに注入することは低雑
音化に有利となっている。しかし、より低雑音化を図ろ
うとすれば、更に大きなイオン化率比(αψ>1もしく
はβlα>1)を有するAPDを開発せねばならない。
(発明が解決しようとする課題)
そこで異種の半導体を交互に積層して周期的ポテンシャ
ルを形成し、伝導帯不連続△Eでの電子のエネルギー供
与を利用して電子のイオン化率。を高める超格子APD
が、F、 Capassoらによってアプライド・フィ
ジックスルターズ(Applied Physics
Letters)40巻38ページにおいて提供された
。F、 Capassoらによって作られた超格子AP
DはAlGaAsとGaAsとの周期構造から成ってい
るもので、両材料の△E〜0.3eVを電子が供与され
ることにより、。ψ〜8を得ている。
ルを形成し、伝導帯不連続△Eでの電子のエネルギー供
与を利用して電子のイオン化率。を高める超格子APD
が、F、 Capassoらによってアプライド・フィ
ジックスルターズ(Applied Physics
Letters)40巻38ページにおいて提供された
。F、 Capassoらによって作られた超格子AP
DはAlGaAsとGaAsとの周期構造から成ってい
るもので、両材料の△E〜0.3eVを電子が供与され
ることにより、。ψ〜8を得ている。
1〜1.6μm長波長帯に列しては、GaAs系と同様
、InPに格子整合するIno、52A1o 4sAS
/Ino 53Gao、47AS超格子構造が採用され
る。第4図には、このような長波長帯超格子APDの構
造断面図が示されている。
、InPに格子整合するIno、52A1o 4sAS
/Ino 53Gao、47AS超格子構造が採用され
る。第4図には、このような長波長帯超格子APDの構
造断面図が示されている。
n+−InP基板1の上にn+−InPnシバ2フフI
nAlAsInAlAsバラフッ、n −InAIAs
/InGaAs超格子アバランシェ増倍層4、p −
InAlAs電界緩和層5、p − InGaAs光吸
収層6、p +−InAIAs窓層7が積層されている
。p +ーInAIAs窓層7側がら入射した長波長光
はp − InGaAs層6で吸収され、発生した電
子キャリヤはpn接合を通過してn −InAIAs/
InGaAs超格子アバランシェ増倍層4へ注入される
。超格子層4へ注入された電子はInAlAsとInG
aAsとの伝導帯不連続△E〜0.5eVのエネルギー
を供与され、アバランシェ増倍に寄与する。
nAlAsInAlAsバラフッ、n −InAIAs
/InGaAs超格子アバランシェ増倍層4、p −
InAlAs電界緩和層5、p − InGaAs光吸
収層6、p +−InAIAs窓層7が積層されている
。p +ーInAIAs窓層7側がら入射した長波長光
はp − InGaAs層6で吸収され、発生した電
子キャリヤはpn接合を通過してn −InAIAs/
InGaAs超格子アバランシェ増倍層4へ注入される
。超格子層4へ注入された電子はInAlAsとInG
aAsとの伝導帯不連続△E〜0.5eVのエネルギー
を供与され、アバランシェ増倍に寄与する。
しかしながら、かかる構造において逆バイアス電圧が印
加される動作時には、InAlAsとInGaAsとの
価電子帯不連続△E〜0.2eVの障壁のために、超格
子領域にアバランシェ増倍によって発生した2次キャリ
ヤである正孔が、InGaAs井戸層にトラップされて
しまう。第2図にその様子を示すエネルギーバンド図を
示した。これが応答特性を制限してしまい、周波数帯域
はぜいぜい<5GHzになってしまう。更に、アバラン
シェ増倍の源である電子についても、△E〜0.5eV
の障壁のため、正孔はど顕著でないがやはり、InGa
As井戸層にトラップされやすい。
加される動作時には、InAlAsとInGaAsとの
価電子帯不連続△E〜0.2eVの障壁のために、超格
子領域にアバランシェ増倍によって発生した2次キャリ
ヤである正孔が、InGaAs井戸層にトラップされて
しまう。第2図にその様子を示すエネルギーバンド図を
示した。これが応答特性を制限してしまい、周波数帯域
はぜいぜい<5GHzになってしまう。更に、アバラン
シェ増倍の源である電子についても、△E〜0.5eV
の障壁のため、正孔はど顕著でないがやはり、InGa
As井戸層にトラップされやすい。
そこで、本発明の目的は上記の欠点を除去し、広帯域特
性を有する超格子APDを提供することである。
性を有する超格子APDを提供することである。
(課題を解決するだめの手段)
本発明は、大きな禁制帯幅E,1を有する第1の半導体
障壁層と小さな禁制帯幅Eg□(8g2<Eg□)を有
する第2の半導体井戸層とが交互に積層された周期構造
をアバランシェ増倍領域とするアバランシェフォトダイ
オードにおいて正孔キャリヤが井戸層から障壁層へ乗り
越える側の井戸層と障壁層とのヘテロ界面に中間の禁制
帯幅Eg3(Eg□< 8g3< E,□)を有する1
00Å以下の薄い第3の半導体層が挿入されている事を
特徴とする。
障壁層と小さな禁制帯幅Eg□(8g2<Eg□)を有
する第2の半導体井戸層とが交互に積層された周期構造
をアバランシェ増倍領域とするアバランシェフォトダイ
オードにおいて正孔キャリヤが井戸層から障壁層へ乗り
越える側の井戸層と障壁層とのヘテロ界面に中間の禁制
帯幅Eg3(Eg□< 8g3< E,□)を有する1
00Å以下の薄い第3の半導体層が挿入されている事を
特徴とする。
あるいは、大きな禁制帯幅Eg□を有する第1の半導体
層と小さな禁制帯幅Eg2(E,。<Eg1)を有する
第2の半導体井戸層とが交互に積層された周期構造をア
バランシェ増倍領域とするアバランシェフォトダイオー
ドにおいて正孔キャリヤが井戸層から障壁層へ乗り越え
る側の井戸層と障壁層とのヘテロ界面に中間の禁制帯幅
Eg3(E8□<8g3<Eg□)を有する第3の半導
体層が挿入され電子キャリヤが井戸層がら障壁層へ乗り
越える側の井戸層と障壁層とのヘテロ界面に中間の禁制
帯幅Eg4(8g2<8g4<Eg1)を有する第4の
半導体層が挿入されている事を特徴とする。
層と小さな禁制帯幅Eg2(E,。<Eg1)を有する
第2の半導体井戸層とが交互に積層された周期構造をア
バランシェ増倍領域とするアバランシェフォトダイオー
ドにおいて正孔キャリヤが井戸層から障壁層へ乗り越え
る側の井戸層と障壁層とのヘテロ界面に中間の禁制帯幅
Eg3(E8□<8g3<Eg□)を有する第3の半導
体層が挿入され電子キャリヤが井戸層がら障壁層へ乗り
越える側の井戸層と障壁層とのヘテロ界面に中間の禁制
帯幅Eg4(8g2<8g4<Eg1)を有する第4の
半導体層が挿入されている事を特徴とする。
(作用)
本発明の作用・原理を本発明のAPDに逆バイアス電圧
を印加した時の周期構造領域のエネルギーバンドを示す
第3図を用いて説明する。第3図(a)は請求項1の発
明、(b)図は請求項2の発明を示す。図において電子
キャリヤ(黒丸)は図の左から右へ走行し、正孔ギヤリ
ヤ(白丸)は右から左へ走行する。先の第2図に示した
様に正孔キャリヤは井戸層がら障壁層へ遷移するとき、
価電子帯不連続ΔE〜0.2eVのポテンシャル障壁の
ために、井戸層にトラップされてしまうが、本発明の第
3図(a)によれば、斜線で示した薄I/司コ間禁制帯
幅層を挿入することで△E障壁が擬似的に緩やかになり
、従って正孔キャリヤは容易に井戸層から障壁層へ注入
する。
を印加した時の周期構造領域のエネルギーバンドを示す
第3図を用いて説明する。第3図(a)は請求項1の発
明、(b)図は請求項2の発明を示す。図において電子
キャリヤ(黒丸)は図の左から右へ走行し、正孔ギヤリ
ヤ(白丸)は右から左へ走行する。先の第2図に示した
様に正孔キャリヤは井戸層がら障壁層へ遷移するとき、
価電子帯不連続ΔE〜0.2eVのポテンシャル障壁の
ために、井戸層にトラップされてしまうが、本発明の第
3図(a)によれば、斜線で示した薄I/司コ間禁制帯
幅層を挿入することで△E障壁が擬似的に緩やかになり
、従って正孔キャリヤは容易に井戸層から障壁層へ注入
する。
もう1つの発明である(b)図によれば、正孔に対して
のみでなく、電子キャリヤに対しても同様にΔE障壁が
疑似的に緩やかになり、従って正孔、電子キャリヤは共
に容易に井戸層から障壁層へ注入することができる。こ
こで正孔キャリヤが井戸層から障壁層へ注入する側に設
けられる中間禁制帯幅層の厚さを100Å以下に規定す
るのは以下の理由による。つまり、電子が障壁層から井
戸層へ注入する際ΔEの余剰エネルギーが供与されるこ
とにより、電子のイオン化が促進されるのであり、この
効果を得るには、中間禁制帯幅層の厚さは電子のパリス
ティック走行距離、換言すれば電子のイオン化促進効果
の持続する距離以下に設定する必要がある。もし、この
距離以上の厚さであれば、電子は△Eポテンシャルを感
じることなく、緩やかにポテンシャルの傾斜したベテロ
界面を走行することになる。一方、正孔については、質
量が電子よりも大きいために、正孔の散乱距離は電子よ
りも短く、従って100Å以下の厚さの中間禁制帯幅層
を疑似傾斜層として感じることになり、本発明の効果が
発揮される。
のみでなく、電子キャリヤに対しても同様にΔE障壁が
疑似的に緩やかになり、従って正孔、電子キャリヤは共
に容易に井戸層から障壁層へ注入することができる。こ
こで正孔キャリヤが井戸層から障壁層へ注入する側に設
けられる中間禁制帯幅層の厚さを100Å以下に規定す
るのは以下の理由による。つまり、電子が障壁層から井
戸層へ注入する際ΔEの余剰エネルギーが供与されるこ
とにより、電子のイオン化が促進されるのであり、この
効果を得るには、中間禁制帯幅層の厚さは電子のパリス
ティック走行距離、換言すれば電子のイオン化促進効果
の持続する距離以下に設定する必要がある。もし、この
距離以上の厚さであれば、電子は△Eポテンシャルを感
じることなく、緩やかにポテンシャルの傾斜したベテロ
界面を走行することになる。一方、正孔については、質
量が電子よりも大きいために、正孔の散乱距離は電子よ
りも短く、従って100Å以下の厚さの中間禁制帯幅層
を疑似傾斜層として感じることになり、本発明の効果が
発揮される。
(実施例)
第1図は本発明の一実施例である超格子APDの断面図
を示している。n+−InP基板1の上に有機金属気相
成長法(MO−VPE)により、n+−InPバッファ
層2、n +−InAlAsバッファ層3を各々0.5
pmの厚さで成長し、続いて超格子アバランシェ増倍層
4を積層した。超格子アバランシェ増倍層4は、400
人の■no52A1o48As障壁層(第1の半導体層
)41.200人のIno 5aGa04−rAS井戸
層(第2の半導体層)42.50人のIn0.53(G
a0.5A10.5)0.47As遷移層43(第3の
半導体層)の20周期構造から成っている。超格子アバ
ランシェ増倍層の上にはZnドープのp −In。52
Alo48As5(0,2,zm厚)、p Ino、
53Gao 4゜AS光吸収層6(1,5μm厚)、p
+Ino、52A1o、4aA8窓層7(0,1,4m
厚)を順次積層した。2〜7のエピタキシャル層は成長
温度650°C〜700°Cの範囲で形成した。
を示している。n+−InP基板1の上に有機金属気相
成長法(MO−VPE)により、n+−InPバッファ
層2、n +−InAlAsバッファ層3を各々0.5
pmの厚さで成長し、続いて超格子アバランシェ増倍層
4を積層した。超格子アバランシェ増倍層4は、400
人の■no52A1o48As障壁層(第1の半導体層
)41.200人のIno 5aGa04−rAS井戸
層(第2の半導体層)42.50人のIn0.53(G
a0.5A10.5)0.47As遷移層43(第3の
半導体層)の20周期構造から成っている。超格子アバ
ランシェ増倍層の上にはZnドープのp −In。52
Alo48As5(0,2,zm厚)、p Ino、
53Gao 4゜AS光吸収層6(1,5μm厚)、p
+Ino、52A1o、4aA8窓層7(0,1,4m
厚)を順次積層した。2〜7のエピタキシャル層は成長
温度650°C〜700°Cの範囲で形成した。
本発明の第2の実施例は、超格子アバランシェ増倍層4
の1周期単位を、障壁層417遷移層43/井戸層42
/遷移層43とした。ここで障壁層は400人のIn。
の1周期単位を、障壁層417遷移層43/井戸層42
/遷移層43とした。ここで障壁層は400人のIn。
52Aso48As、遷移層(第3、第4の半導体層)
は50人の■no、5a(Gao 5A1o、5)。4
7AS、井戸層は200人のIn。53GaO,4゜A
sである。第3、第4の半導体層は請求項の条件を満た
せば異なる組成でもよい。ここでは同じとした。他のエ
ピタキシャル層2.3.5〜7は第一の実施例(第1図
)と同一の構成にした。
は50人の■no、5a(Gao 5A1o、5)。4
7AS、井戸層は200人のIn。53GaO,4゜A
sである。第3、第4の半導体層は請求項の条件を満た
せば異なる組成でもよい。ここでは同じとした。他のエ
ピタキシャル層2.3.5〜7は第一の実施例(第1図
)と同一の構成にした。
第1の実施例、第2の実施例ともそのあとの工程は同じ
とした。即ち、この様にして作製した2つのウェーハは
、通常の露光技術によりメサ状にエツチングされ、メサ
側壁を含む表面をプラズマCVD法によるSiNx表面
保護膜8で保護された。p側電極9はAuZn合金、n
側電極10はAuGe合金で共に通常の加熱蒸着法で形
成された。
とした。即ち、この様にして作製した2つのウェーハは
、通常の露光技術によりメサ状にエツチングされ、メサ
側壁を含む表面をプラズマCVD法によるSiNx表面
保護膜8で保護された。p側電極9はAuZn合金、n
側電極10はAuGe合金で共に通常の加熱蒸着法で形
成された。
限って説明したが、p型とn型が逆の場合においても同
様であることは言うまでもない。更に他の材料系、例え
ばInP/InGaAs 、 AlGaSb/GaSb
系についても同様に適用できる。
様であることは言うまでもない。更に他の材料系、例え
ばInP/InGaAs 、 AlGaSb/GaSb
系についても同様に適用できる。
以上説明した様に、本発明のAPDは走行キャリヤの井
戸層トラップに起因する応答劣化を回避することが可能
である。第5図に本発明の効果を適確に示す周波数応答
特性を表している。増倍率M=10における周波数応答
特性をみると、従来の場合2GHz程度の帯域しか得ら
れなかったが、第1の実施例に述べたウェーハで作製し
たAPDは7〜8GHzの帯域が、第2の実施例のAP
Dは8〜9GHzの帯域が得られた。これにより本発明
の優れた周波数特性をもつという効果が得られた。
戸層トラップに起因する応答劣化を回避することが可能
である。第5図に本発明の効果を適確に示す周波数応答
特性を表している。増倍率M=10における周波数応答
特性をみると、従来の場合2GHz程度の帯域しか得ら
れなかったが、第1の実施例に述べたウェーハで作製し
たAPDは7〜8GHzの帯域が、第2の実施例のAP
Dは8〜9GHzの帯域が得られた。これにより本発明
の優れた周波数特性をもつという効果が得られた。
(発明の効果)
本発明によれば、キャリヤのトラップを解消した、広帯
域、低雑音の超格子アバランシェフォトダイオードが得
られる。
域、低雑音の超格子アバランシェフォトダイオードが得
られる。
第1図は本発明の一実施例を示すAPDの断面図、第2
図は従来の超格子APDの問題点を示ず増倍領域のエネ
ルギーバンド図、第3図は本発明の超格子APD増倍額
域(1部)のエネルギーバンド図、第4図は従来の超格
子APDの断面図、第5図は本発明の効果を示す周波数
応答特性図である。図において1・・・半導体基板、2
・・・バッファ層、3・・・バッファ層、4・・・超格
子アバランシェ増倍層、41・・・障壁層、42・・・
井戸層、43・・・遷移層、5・・・電界緩和層、6・
・・光吸収層、7・・・窓層、8・・・表面保護膜、9
・・・p側電極、10・・・n側電極である。
図は従来の超格子APDの問題点を示ず増倍領域のエネ
ルギーバンド図、第3図は本発明の超格子APD増倍額
域(1部)のエネルギーバンド図、第4図は従来の超格
子APDの断面図、第5図は本発明の効果を示す周波数
応答特性図である。図において1・・・半導体基板、2
・・・バッファ層、3・・・バッファ層、4・・・超格
子アバランシェ増倍層、41・・・障壁層、42・・・
井戸層、43・・・遷移層、5・・・電界緩和層、6・
・・光吸収層、7・・・窓層、8・・・表面保護膜、9
・・・p側電極、10・・・n側電極である。
Claims (3)
- (1)大きな禁制帯幅E_g_1を有する第1の半導体
障壁層と小さな禁制帯幅E_g_2(E_g_2<E_
g_1)を有する第2の半導体井戸層とが交互に積層さ
れた周期構造をアバランシェフオトダイオード増倍領域
とするアバランシェフオトダイオードにおいて、正孔キ
ャリヤが井戸層から障壁層へ乗り越える側の井戸層と障
壁層とのヘテロ界面に前記第1、第2の半導体層の禁制
帯幅の中間の禁制帯幅E_g_3(E_g_2<E_g
_3<E_g_1)を有する厚さ100Å以下の第3の
半導体層が挿入されている事を特徴とするアバランシェ
フオトダイオード。 - (2)大きな禁制帯幅E_g_1を有する第1の半導体
障壁層と小さな禁制帯幅E_g_2(E_g_2<E_
g_1)を有する第2の半導体井戸層とが交互に積層さ
れた周期構造をアバランシェ増倍領域とするアバランシ
ェフオトダイオードにおいて、正孔キャリヤが井戸層か
ら障壁層へ乗り越える側の井戸層と障壁層とのヘテロ界
面に中間の禁制帯幅E_g_3(E_g_2<E_g_
3<E_g_1)を有する第3の半導体層が挿入され、
電子キャリヤが井戸層から障壁層へ乗り越える側の井戸
層と障壁層とのヘテロ界面に中間の禁制帯幅E_g_4
(E_g_2<E_g_4<E_g_1)を有する第4
の半導体層が挿入されている事を特徴とするアバランシ
ェフオトダイオード。 - (3)請求項2記載のアバランシェフオトダイオードに
おいて第3の半導体層の厚さが100Å以下であること
を特徴とする請求項2記載のアバランシェフオトダイオ
ード。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2211095A JPH0493088A (ja) | 1990-08-09 | 1990-08-09 | 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 |
---|---|---|---|
JP2211095A JPH0493088A (ja) | 1990-08-09 | 1990-08-09 | アバランシェフォトダイオード |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JPH0493088A true JPH0493088A (ja) | 1992-03-25 |
Family
ID=16600333
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2211095A Pending JPH0493088A (ja) | 1990-08-09 | 1990-08-09 | アバランシェフォトダイオード |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPH0493088A (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1990
- 1990-08-09 JP JP2211095A patent/JPH0493088A/ja active Pending
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