JPH0521829A - 半導体装置 - Google Patents
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- JPH0521829A JPH0521829A JP3172176A JP17217691A JPH0521829A JP H0521829 A JPH0521829 A JP H0521829A JP 3172176 A JP3172176 A JP 3172176A JP 17217691 A JP17217691 A JP 17217691A JP H0521829 A JPH0521829 A JP H0521829A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】Ｇｂ／ｓ帯光通信に用いる帯域、雑音特性に優
れた超格子ＡＰＤを提供する。 【構成】ＡＰＤの増倍層５を引張応力の印加された障壁
層及び井戸層で構成された超格子とする。 【効果】高イオン化率比を維持したまま、高い利得帯域
積を実現できる。
れた超格子ＡＰＤを提供する。 【構成】ＡＰＤの増倍層５を引張応力の印加された障壁
層及び井戸層で構成された超格子とする。 【効果】高イオン化率比を維持したまま、高い利得帯域
積を実現できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光通信に用いる受光素子
に関する。特にＧｂ／ｓ伝送システム対応超格子アバラ
ンシェフォトダイオード（ＳＬＡＰＤ）の超格子の構造
に関する。
に関する。特にＧｂ／ｓ伝送システム対応超格子アバラ
ンシェフォトダイオード（ＳＬＡＰＤ）の超格子の構造
に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、Ｇｂ／ｓ帯光通信システムに用い
る受光素子として、広帯域、低雑音特性の観点から、増
倍層に超格子構造を持つアバランシェフォトダイオード
（以下ＳＬＡＰＤ）の開発が進められている。これらの
ＳＬＡＰＤに用いられている超格子は結晶基板に格子整
合した結晶層で構成されている。この代表的な構造は、
井戸層幅（Ｌｗ）２０−５０ｎｍ，障壁層幅（Ｌｂ）２
０−５０ｎｍ，超格子層の全膜厚（Ｌｔ）１μｍ程度で
ある。香川等は上記構造のＳＬＡＰＤにより、利得帯域
積ＧＢ積＝５０ＧＨｚ，イオン化率比ｋ＝１０（＠増倍
率Ｍ＝１０）暗電流 Ｉｄ＝数１００μＡ（＠Ｍ＝１
０）を報告している（T.Kagawa et al.,ThirdOptoelect
ronics Conference １３Ａ２−７ (ＯＦＣ '９０))。
る受光素子として、広帯域、低雑音特性の観点から、増
倍層に超格子構造を持つアバランシェフォトダイオード
（以下ＳＬＡＰＤ）の開発が進められている。これらの
ＳＬＡＰＤに用いられている超格子は結晶基板に格子整
合した結晶層で構成されている。この代表的な構造は、
井戸層幅（Ｌｗ）２０−５０ｎｍ，障壁層幅（Ｌｂ）２
０−５０ｎｍ，超格子層の全膜厚（Ｌｔ）１μｍ程度で
ある。香川等は上記構造のＳＬＡＰＤにより、利得帯域
積ＧＢ積＝５０ＧＨｚ，イオン化率比ｋ＝１０（＠増倍
率Ｍ＝１０）暗電流 Ｉｄ＝数１００μＡ（＠Ｍ＝１
０）を報告している（T.Kagawa et al.,ThirdOptoelect
ronics Conference １３Ａ２−７ (ＯＦＣ '９０))。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ＳＬＡＰＤを将来の高
速光通信システムへ適用するには、高いイオン化率比を
保持したまま（ｋ＝５−１０ ＠増倍率Ｍ＝１０）、利
得帯域積 のより一層の向上(ＧＢ積＞１００ＧＨｚ ＠
Ｍ＝１０）が望まれる。ＧＢ積を向上するためには、超
格子層の全膜厚（Ｌｔ）を薄くすることが有力である。
しかし、Ｌｔを薄くすると一定の増倍を得るための電界
が増加し、その結果イオン化率比ｋの劣化を生じる。そ
のため、従来の超格子構造でＬｔを薄くする方法では上
記特性を改善することは不可能である。また、ＳＬＡＰ
Ｄではヘテロ界面で有効質量の重い正孔が蓄積すること
によって応答特性を劣化させるため、蓄積効果の生じな
い超格子構造の実現が必要となっている。
速光通信システムへ適用するには、高いイオン化率比を
保持したまま（ｋ＝５−１０ ＠増倍率Ｍ＝１０）、利
得帯域積 のより一層の向上(ＧＢ積＞１００ＧＨｚ ＠
Ｍ＝１０）が望まれる。ＧＢ積を向上するためには、超
格子層の全膜厚（Ｌｔ）を薄くすることが有力である。
しかし、Ｌｔを薄くすると一定の増倍を得るための電界
が増加し、その結果イオン化率比ｋの劣化を生じる。そ
のため、従来の超格子構造でＬｔを薄くする方法では上
記特性を改善することは不可能である。また、ＳＬＡＰ
Ｄではヘテロ界面で有効質量の重い正孔が蓄積すること
によって応答特性を劣化させるため、蓄積効果の生じな
い超格子構造の実現が必要となっている。
【０００４】本発明の目的は、上記仕様を満たすＳＬＡ
ＰＤの超格子構造を提供することである。
ＰＤの超格子構造を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、障壁層に応力が印加された超格子構造を提
案するものである。超格子構造に歪を与えることで、電
子等の性質を制御することができる。後述するとおり、
本超格子構造により高いＧＢ積を実現するためのイオン
化率比の向上並びに正孔の蓄積を防ぐことが可能であ
る。
決するため、障壁層に応力が印加された超格子構造を提
案するものである。超格子構造に歪を与えることで、電
子等の性質を制御することができる。後述するとおり、
本超格子構造により高いＧＢ積を実現するためのイオン
化率比の向上並びに正孔の蓄積を防ぐことが可能であ
る。
【０００６】
【作用】まず、イオン化率比を向上するための指針を示
す。イオン化が生じるには電子あるいは正孔の運動エネ
ルギをしきい値以上に加速する必要がある。この加速に
は、通常の電界による加速とともに、ヘテロ結晶界面で
のポテンシャルエネルギの差を利用した“断熱的な”加
速が有効である。電子の感ずるポテンシャルエネルギ差
は伝導帯の不連続さΔＥｃ，正孔の感ずるポテンシャル
エネルギ差は価電子帯の不連続さΔＥｖに対応する。こ
こでΔＥｃ≫ΔＥｖとすることができれば電子のイオン
化率αのみを大きくでき、イオン化率比の向上が実現さ
れる。
す。イオン化が生じるには電子あるいは正孔の運動エネ
ルギをしきい値以上に加速する必要がある。この加速に
は、通常の電界による加速とともに、ヘテロ結晶界面で
のポテンシャルエネルギの差を利用した“断熱的な”加
速が有効である。電子の感ずるポテンシャルエネルギ差
は伝導帯の不連続さΔＥｃ，正孔の感ずるポテンシャル
エネルギ差は価電子帯の不連続さΔＥｖに対応する。こ
こでΔＥｃ≫ΔＥｖとすることができれば電子のイオン
化率αのみを大きくでき、イオン化率比の向上が実現さ
れる。
【０００７】次に、本発明によりイオン化率比を向上す
る機構を図１に示した増倍層の構造模式図を用いて示
す。本来、ΔＥｃ，ΔＥｖは結晶材料固有の量である
が、障壁層５２に引張応力を印加することでこれらを変
えることができる。引張応力を印加すると、価電子帯の
うち、軽い正孔（ＬＨ）のエネルギレベルＥｖ（ｌｈ）
が伝導帯側に近付く。応力値を制御してＥｖ（ｌｈ）を
井戸層５１の価電子帯の端にほぼ一致させると、加速さ
れた正孔の多くはΔＥｖを感じること無く増倍層を通過
するため、正孔のイオン化係数βを小さくすることがで
きる。一方、電子はΔＥｃの変化が小さいため、αの変
化も小さい。よって、イオン化率比ｋ＝α／βが高くな
り所望の効果が得られる。
る機構を図１に示した増倍層の構造模式図を用いて示
す。本来、ΔＥｃ，ΔＥｖは結晶材料固有の量である
が、障壁層５２に引張応力を印加することでこれらを変
えることができる。引張応力を印加すると、価電子帯の
うち、軽い正孔（ＬＨ）のエネルギレベルＥｖ（ｌｈ）
が伝導帯側に近付く。応力値を制御してＥｖ（ｌｈ）を
井戸層５１の価電子帯の端にほぼ一致させると、加速さ
れた正孔の多くはΔＥｖを感じること無く増倍層を通過
するため、正孔のイオン化係数βを小さくすることがで
きる。一方、電子はΔＥｃの変化が小さいため、αの変
化も小さい。よって、イオン化率比ｋ＝α／βが高くな
り所望の効果が得られる。
【０００８】また、本発明の構造では、ポテンシャルエ
ネルギの小さな、ＬＨに対する障壁ΔＥｖが〜０となる
ので、ヘテロ界面での正孔の蓄積効果が無くなる。この
結果、特に低バイアス領域でのＧＢ積の低下が防止でき
る利点も生じる。
ネルギの小さな、ＬＨに対する障壁ΔＥｖが〜０となる
ので、ヘテロ界面での正孔の蓄積効果が無くなる。この
結果、特に低バイアス領域でのＧＢ積の低下が防止でき
る利点も生じる。
【０００９】
【実施例】図２に本発明の超格子ＡＰＤの断面図を示
す。本素子は増倍層５に超格子構造を持つ光吸収層７，
増倍層５分離型のメサ型裏面入射方式のＡＰＤである。
本発明の特徴となる超格子増倍層５はＩｎＧａＡｓ井戸
層幅Ｌｗ＝１０ｎｍ，ＩｎＡｌＡｓ障壁層幅Ｌｂ＝１０
ｎｍであり、超格子増倍層５の全膜厚は0.35μｍとし
た。ここで、ＩｎＡｌＡｓ障壁層のＡｌ組成比を０.６
５〜０.７５としてＩｎＰとの格子整合値より１〜２％
小さくすることにより、引張応力が加わった状態とし
た。一方、ＩｎＧａＡｓ井戸層はＧａ組成比を０.２〜
０.３としてＩｎＰとの格子整合値より、１〜２％大き
くさせることにより超格子増倍層全体の平均格子定数を
０.２％ 以内の誤差でＩｎＰ結晶の格子定数に一致させ
るようにして、転位の発生を防止した。
す。本素子は増倍層５に超格子構造を持つ光吸収層７，
増倍層５分離型のメサ型裏面入射方式のＡＰＤである。
本発明の特徴となる超格子増倍層５はＩｎＧａＡｓ井戸
層幅Ｌｗ＝１０ｎｍ，ＩｎＡｌＡｓ障壁層幅Ｌｂ＝１０
ｎｍであり、超格子増倍層５の全膜厚は0.35μｍとし
た。ここで、ＩｎＡｌＡｓ障壁層のＡｌ組成比を０.６
５〜０.７５としてＩｎＰとの格子整合値より１〜２％
小さくすることにより、引張応力が加わった状態とし
た。一方、ＩｎＧａＡｓ井戸層はＧａ組成比を０.２〜
０.３としてＩｎＰとの格子整合値より、１〜２％大き
くさせることにより超格子増倍層全体の平均格子定数を
０.２％ 以内の誤差でＩｎＰ結晶の格子定数に一致させ
るようにして、転位の発生を防止した。
【００１０】なお、図２で１はＮ電極、２はＰ電極、３
はＮ−ＩｎＰ基板（膜厚ｄ＝１５０μｍ、キャリア濃度
Ｎ＝２×１０18／cm3)、４はＮ−ＩｎＡｌＡｓバッファ
層(ｄ＝１μｍ、Ｎ＝２×１０18／cm3）、５はアンドー
プー超格子増倍層（ｄ＝０.３５μｍ、Ｎ＜１×１０15
／cm3）、６はＰ−ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層（ｄ＝０.２
μｍ、Ｐ＝１.３×１０17／cm3)、７はＰ−ＩｎＧａＡ
ｓ光吸収層（ｄ＝１.７μｍ、Ｐ＝２×１０15／cm3）、
８はＰ−ＩｎＡｌＡｓバッファ層（ｄ＝１μｍ、Ｐ＝２
×１０18／cm3）、９はＰ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
（ｄ＝０.２μｍ、Ｐ＝２×１０19／cm3)、及び１０は
ポリイミドパッシベーション膜である。接合径は５０μ
ｍである。
はＮ−ＩｎＰ基板（膜厚ｄ＝１５０μｍ、キャリア濃度
Ｎ＝２×１０18／cm3)、４はＮ−ＩｎＡｌＡｓバッファ
層(ｄ＝１μｍ、Ｎ＝２×１０18／cm3）、５はアンドー
プー超格子増倍層（ｄ＝０.３５μｍ、Ｎ＜１×１０15
／cm3）、６はＰ−ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層（ｄ＝０.２
μｍ、Ｐ＝１.３×１０17／cm3)、７はＰ−ＩｎＧａＡ
ｓ光吸収層（ｄ＝１.７μｍ、Ｐ＝２×１０15／cm3）、
８はＰ−ＩｎＡｌＡｓバッファ層（ｄ＝１μｍ、Ｐ＝２
×１０18／cm3）、９はＰ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
（ｄ＝０.２μｍ、Ｐ＝２×１０19／cm3)、及び１０は
ポリイミドパッシベーション膜である。接合径は５０μ
ｍである。
【００１１】本素子の結晶成長には分子線エピタキシ法
を用い、メサ形状の形成にはＢｒ系の溶液によるウェッ
トエッチングを用いた。電極にはＰ型，Ｎ型共に電子ビ
ーム蒸着法で形成したＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉを用いた。
を用い、メサ形状の形成にはＢｒ系の溶液によるウェッ
トエッチングを用いた。電極にはＰ型，Ｎ型共に電子ビ
ーム蒸着法で形成したＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉを用いた。
【００１２】本素子の特性を以下に示す。増倍率Ｍ＝１
０での暗電流，素子容量，イオン化率比は、それぞれ８
００ｎＡ，０.１３ｐＦ ，１０であった。また、入射光
波長１.５５μｍ での量子効率は８５％であった。本素
子の周波数特性をスペクトラムアナライザで評価した結
果、利得帯域積１０５ＧＨｚ、増倍率１０での遮断周波
数１０ＧＨｚを得た。
０での暗電流，素子容量，イオン化率比は、それぞれ８
００ｎＡ，０.１３ｐＦ ，１０であった。また、入射光
波長１.５５μｍ での量子効率は８５％であった。本素
子の周波数特性をスペクトラムアナライザで評価した結
果、利得帯域積１０５ＧＨｚ、増倍率１０での遮断周波
数１０ＧＨｚを得た。
【００１３】本素子を用いた伝送実験から受信感度を求
めた。光源には発振波長１.５５μｍのＤＦＢレーザを
用い、光ファイバ長１００ｋｍ，ビット誤り率＝１／10
11での最小受信感度−２８ｄＢｍを得た。
めた。光源には発振波長１.５５μｍのＤＦＢレーザを
用い、光ファイバ長１００ｋｍ，ビット誤り率＝１／10
11での最小受信感度−２８ｄＢｍを得た。
【００１４】これまで述べたように本発明は超格子ＡＰ
Ｄの超格子構造に関するものであり、本発明が本実施例
に示した素子構造（メサ型，裏面入射方式，超格子増倍
層以外の層の仕様等）に限定されるものではないことは
明らかである。
Ｄの超格子構造に関するものであり、本発明が本実施例
に示した素子構造（メサ型，裏面入射方式，超格子増倍
層以外の層の仕様等）に限定されるものではないことは
明らかである。
【００１５】
【発明の効果】本発明によれば、高速光通信用の広帯
域、低雑音の超格子アバランシェフォトダイオードを得
ることができる。具体的には、高イオン化率比を維持し
たまま、高い利得帯域積を実現できる。
域、低雑音の超格子アバランシェフォトダイオードを得
ることができる。具体的には、高イオン化率比を維持し
たまま、高い利得帯域積を実現できる。
【図１】歪超格子の構造模式図。
【図２】本発明の超格子ＡＰＤの断面図。
１…Ｎ電極、２…Ｐ電極、３…Ｎ−ＩｎＰ基板（ｄ＝１
５０μｍ，Ｎ＝２×１０18／cm3）、４…Ｎ−ＩｎＡｌ
Ａｓバッファ層（ｄ＝１μｍ，Ｎ＝２×1018／cm3)、５
…アンドープー超格子増倍層(ｄ＝０.５μｍ，Ｎ＜１×
１０15／cm3)、５１…ＩｎＧａＡｓ井戸層、５２…Ｉｎ
ＡｌＡs歪障壁層、６…Ｐ−ＩnＡlＡs電界緩和層（ｄ＝
０.２μｍ，Ｐ＝１.３×１０17／cm3）、７…Ｐ−Ｉｎ
ＧａＡs光吸収層（ｄ＝１.７μｍ，Ｐ＝２×１０15／cm
3）、８…Ｐ−ＩｎＡｌＡｓバッファ層（ｄ＝１μｍ，
Ｐ＝２×１０18／cm3)、９…Ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタク
ト層（ｄ＝０.２μｍ，Ｐ＝２×１０19／cm3）、１０…
ポリイミドパッシベーション膜。
５０μｍ，Ｎ＝２×１０18／cm3）、４…Ｎ−ＩｎＡｌ
Ａｓバッファ層（ｄ＝１μｍ，Ｎ＝２×1018／cm3)、５
…アンドープー超格子増倍層(ｄ＝０.５μｍ，Ｎ＜１×
１０15／cm3)、５１…ＩｎＧａＡｓ井戸層、５２…Ｉｎ
ＡｌＡs歪障壁層、６…Ｐ−ＩnＡlＡs電界緩和層（ｄ＝
０.２μｍ，Ｐ＝１.３×１０17／cm3）、７…Ｐ−Ｉｎ
ＧａＡs光吸収層（ｄ＝１.７μｍ，Ｐ＝２×１０15／cm
3）、８…Ｐ−ＩｎＡｌＡｓバッファ層（ｄ＝１μｍ，
Ｐ＝２×１０18／cm3)、９…Ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタク
ト層（ｄ＝０.２μｍ，Ｐ＝２×１０19／cm3）、１０…
ポリイミドパッシベーション膜。
Claims (6)
- 【請求項１】バンドギャップの異なる２種類以上の半導
体積層構造より構成される増倍層を持つアバランシェフ
ォトダイオード（ＡＰＤ）において、上記異なる２種類
以上の半導体の内、最もバンドギャップの大きな半導体
に引っ張り応力が印加されたことを特徴とする半導体装
置。 - 【請求項２】バンドギャップの異なる２種類以上の半導
体積層構造より構成される増倍層を持つアバランシェフ
ォトダイオード（ＡＰＤ）において、上記異なる２種類
以上の半導体の内、最もバンドギャップの大きな半導体
の格子定数が最もバンドギャップの小さな半導体の格子
定数よりも小さいことを特徴とする半導体装置。 - 【請求項３】請求項１または２に記載の半導体装置にお
いて、増倍層の平均格子定数と結晶基板の格子定数との
差が０.２％ 以内であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項４】請求項１，２または３に記載の半導体装置
において、光吸収層，増倍層、及び両者の電界を調整す
るための電界緩和層を持ち、更に上記３層に電界を印加
するための２種類以上の電極を持つことを特徴とする半
導体装置。 - 【請求項５】請求項１，２，３または４に記載の半導体
装置を構成する半導体材料として、ＩｎＧａＡｓ，Ｉｎ
ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰを含むことを特徴とする半導
体装置。 - 【請求項６】請求項１，２，３，４または５に記載の半
導体装置を使用することを特徴とするフロントエンド、
受信システム。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP3172176A JPH0521829A (ja) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | 半導体装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3172176A JPH0521829A (ja) | 1991-07-12 | 1991-07-12 | 半導体装置 |
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ID=15936987
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