JPH06291359A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH06291359A JPH06291359A JP5079960A JP7996093A JPH06291359A JP H06291359 A JPH06291359 A JP H06291359A JP 5079960 A JP5079960 A JP 5079960A JP 7996093 A JP7996093 A JP 7996093A JP H06291359 A JPH06291359 A JP H06291359A
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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
- 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
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- H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 Ｓｔａｉｒ−ｃａｓｅ ＡＰＤの増倍層とし
て、ＩｎＡｌＡｓからＩｎＧａX Ａｌ(1-X) Ａｓ（ｘ＞
０．１）まで組成が傾斜した層の周期構造を適用するこ
とにより、暗電流特性改善を図る。暗電流特性改善は、
単に最小禁制帯幅拡大効果によるのみならず、ＩｎＧａ
Ａｓ層にＡｌ組成を混入することによる結晶品質改善効
果に起因する。また光吸収・増倍分離型受光素子におい
て、電界緩和層として禁制帯幅が光吸収層より大きな材
料で、且つ、高濃度層を低濃度層で挟んだ３層構造を適
用する。 【構成】 ｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ- 型のＩｎＡｌＡｓ
からＩｎＧａX Ａｌ(1-X) Ａｓまで組成を傾斜させた層
の周期構造からなるアバランシェ増倍層１３、ｐ- 型Ｉ
ｎＧａＡｓ光吸収層１７、その間のｎ- 型／ｐ+ 型／ｐ
- 型３層からなるＩｎＰ電界緩和層１６を形成する。
て、ＩｎＡｌＡｓからＩｎＧａX Ａｌ(1-X) Ａｓ（ｘ＞
０．１）まで組成が傾斜した層の周期構造を適用するこ
とにより、暗電流特性改善を図る。暗電流特性改善は、
単に最小禁制帯幅拡大効果によるのみならず、ＩｎＧａ
Ａｓ層にＡｌ組成を混入することによる結晶品質改善効
果に起因する。また光吸収・増倍分離型受光素子におい
て、電界緩和層として禁制帯幅が光吸収層より大きな材
料で、且つ、高濃度層を低濃度層で挟んだ３層構造を適
用する。 【構成】 ｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ- 型のＩｎＡｌＡｓ
からＩｎＧａX Ａｌ(1-X) Ａｓまで組成を傾斜させた層
の周期構造からなるアバランシェ増倍層１３、ｐ- 型Ｉ
ｎＧａＡｓ光吸収層１７、その間のｎ- 型／ｐ+ 型／ｐ
- 型３層からなるＩｎＰ電界緩和層１６を形成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信や光情報処理、
光計測等で用いられる半導体受光素子に関し、特に、低
雑音及び高速応答に優れたアバランシェ増倍型半導体受
光素子に関するものである。
光計測等で用いられる半導体受光素子に関し、特に、低
雑音及び高速応答に優れたアバランシェ増倍型半導体受
光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、１〜１．６μｍ帯の光通信用半導
体受光素子として、ＩｎＰ基板上に格子整合したＩｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓ層（以下、ＩｎＧａＡｓ層と略す）を
光吸収層とするＰＩＮ型半導体受光素子（エレクトロニ
クス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ）１９８４年，２０巻，ｐｐ６５３−６５４に記
載）、アバランシェ増倍型半導体受光素子（アイ イー
イーイー・エレクトロン・デバイス・レターズ（ＩＥＥ
Ｅ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｄｅｖｉｃｅ．Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）１９８６年，７巻，ｐｐ２５７−２５８に記載）が
知られている。特に、後者は、アバランシェ増倍作用に
より内部利得効果を得る構造になっており、高感度特性
を有する点で、長距離通信用として実用化されている。
体受光素子として、ＩｎＰ基板上に格子整合したＩｎ
0.53Ｇａ0.47Ａｓ層（以下、ＩｎＧａＡｓ層と略す）を
光吸収層とするＰＩＮ型半導体受光素子（エレクトロニ
クス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ）１９８４年，２０巻，ｐｐ６５３−６５４に記
載）、アバランシェ増倍型半導体受光素子（アイ イー
イーイー・エレクトロン・デバイス・レターズ（ＩＥＥ
Ｅ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｄｅｖｉｃｅ．Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）１９８６年，７巻，ｐｐ２５７−２５８に記載）が
知られている。特に、後者は、アバランシェ増倍作用に
より内部利得効果を得る構造になっており、高感度特性
を有する点で、長距離通信用として実用化されている。
【０００３】図７に、典型的なＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤの
構造図（アバランシェ増倍型半導体受光素子は、以下Ａ
ＰＤと略す）を示す。素子形成は、まず気相成長法でｎ
型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰバッファ層２、ｎ型Ｉｎ
ＧａＡｓ光吸収層３、ｎ型ＩｎＰアバランシェ増倍層４
及びｎ型ＩｎＰキャップ層５を順次積層する。その後、
例えばＺｎの熱拡散によりｐ+ 型領域６を、ベリリウム
のイオン注入とこれに続く熱処理によりｐ型ガードリン
グ領域７を形成する。パッシベーション膜８を表面に堆
積させ、ｎ側オーミック電極９及びｐ側オーミック電極
１０を蒸着して完成する。
構造図（アバランシェ増倍型半導体受光素子は、以下Ａ
ＰＤと略す）を示す。素子形成は、まず気相成長法でｎ
型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰバッファ層２、ｎ型Ｉｎ
ＧａＡｓ光吸収層３、ｎ型ＩｎＰアバランシェ増倍層４
及びｎ型ＩｎＰキャップ層５を順次積層する。その後、
例えばＺｎの熱拡散によりｐ+ 型領域６を、ベリリウム
のイオン注入とこれに続く熱処理によりｐ型ガードリン
グ領域７を形成する。パッシベーション膜８を表面に堆
積させ、ｎ側オーミック電極９及びｐ側オーミック電極
１０を蒸着して完成する。
【０００４】以上の半導体受光素子の動作を説明する。
入射光１１が表面から入射すると、ＩｎＧａＡｓ光吸収
層３に光キャリアが発生する。発生された光キャリアの
中で、正孔キャリアが電界によりＩｎＰアバランシェ層
４に注入される。ＩｎＰアバランシェ層４は、高電界が
印加されているのでイオン化衝突が生じ、増倍特性に至
る。この場合、素子特性上重要な雑音・高速応答特性
は、増倍過程でのキャリアのランダムな衝突イオン化プ
ロセスに支配されていることが知られている。具体的に
は、増倍層であるＩｎＰ層の電子と正孔のイオン化率に
差がある程、イオン化率比が大きくとれ（電子及び正孔
のイオン化率をそれぞれα、βとすると、α／β＞１の
時には電子、β／α＞１の時には正孔が、イオン化衝突
を起こす主キャリアとなるべきである。）、素子特性上
望ましい。ところが、イオン化率比（α／βまたはβ／
α）は、材料物性的に決定されており、ＩｎＰでは高々
β／α＝２程度である。これは、低雑音特性を有するＳ
ｉのα／β＝２０と大きな違いがあり、より低雑音及び
高速応答特性を実現するために、画期的な材料技術が要
求されている。
入射光１１が表面から入射すると、ＩｎＧａＡｓ光吸収
層３に光キャリアが発生する。発生された光キャリアの
中で、正孔キャリアが電界によりＩｎＰアバランシェ層
４に注入される。ＩｎＰアバランシェ層４は、高電界が
印加されているのでイオン化衝突が生じ、増倍特性に至
る。この場合、素子特性上重要な雑音・高速応答特性
は、増倍過程でのキャリアのランダムな衝突イオン化プ
ロセスに支配されていることが知られている。具体的に
は、増倍層であるＩｎＰ層の電子と正孔のイオン化率に
差がある程、イオン化率比が大きくとれ（電子及び正孔
のイオン化率をそれぞれα、βとすると、α／β＞１の
時には電子、β／α＞１の時には正孔が、イオン化衝突
を起こす主キャリアとなるべきである。）、素子特性上
望ましい。ところが、イオン化率比（α／βまたはβ／
α）は、材料物性的に決定されており、ＩｎＰでは高々
β／α＝２程度である。これは、低雑音特性を有するＳ
ｉのα／β＝２０と大きな違いがあり、より低雑音及び
高速応答特性を実現するために、画期的な材料技術が要
求されている。
【０００５】これに対し、カパッソ（Ｆ．Ｃａｐａｓｓ
ｏ）らは、伝導帯のバンド不連続エネルギー（ΔＥｃ）
を電子のイオン化促進に利用し、イオン化率比α／βの
増大による高感度・高帯域を目的としたＳｔａｉｒ−ｃ
ａｓｅ ＡＰＤを提案している。その例は、例えばアイ
イーイーイー・トランザクションズ・オン・エレクトロ
ン・デバイスズ（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｅｌ
ｅｃｔ． Ｄｅｖｉｃｅｓ），１９８３年，ＥＤ−３０
巻，ｐ３８１に記載されている。
ｏ）らは、伝導帯のバンド不連続エネルギー（ΔＥｃ）
を電子のイオン化促進に利用し、イオン化率比α／βの
増大による高感度・高帯域を目的としたＳｔａｉｒ−ｃ
ａｓｅ ＡＰＤを提案している。その例は、例えばアイ
イーイーイー・トランザクションズ・オン・エレクトロ
ン・デバイスズ（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｅｌ
ｅｃｔ． Ｄｅｖｉｃｅｓ），１９８３年，ＥＤ−３０
巻，ｐ３８１に記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術で述べたよ
うに、Ｓｔａｉｒ−ｃａｓｅ ＡＰＤでは、伝導帯のバ
ンド不連続エネルギー（ΔＥｃ）の値がイオン化率比の
改善に大きく寄与する。しかも、矩形型超格子構造を増
倍層に用いた超格子ＡＰＤ（例えば、アプライド・フィ
ジックス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．），１９９０年，５７巻，ｐ１８９５）で生じる、
増倍層へテロ界面での電子のパイルアップを解消できる
構造になっている。
うに、Ｓｔａｉｒ−ｃａｓｅ ＡＰＤでは、伝導帯のバ
ンド不連続エネルギー（ΔＥｃ）の値がイオン化率比の
改善に大きく寄与する。しかも、矩形型超格子構造を増
倍層に用いた超格子ＡＰＤ（例えば、アプライド・フィ
ジックス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．），１９９０年，５７巻，ｐ１８９５）で生じる、
増倍層へテロ界面での電子のパイルアップを解消できる
構造になっている。
【０００７】しかしながら、カパッソが提案したＳｔａ
ｉｒ−ｃａｓｅ ＡＰＤではＩｎＧａx Ａｌ(1-x) Ａｓ
からＩｎＧａＡｓまで組成を傾斜した層の周期構造をア
バランシェ増倍層としており、高電界（＞５００ｋＶ／
ｃｍ）が印加された場合、最小禁制帯幅（ＩｎＧａＡｓ
の禁制帯幅）０．７５ｅＶではトンネル暗電流成分が増
加し、増倍率１０を与える暗電流が１μＡ以上になると
推定される。この様に、最小禁制帯幅をＩｎＧａＡｓ三
元層とした場合には大きな暗電流が流れ、これが原因で
光通信でのパワーペナルティが大きくなり事実上使用で
きないという欠点を有している。
ｉｒ−ｃａｓｅ ＡＰＤではＩｎＧａx Ａｌ(1-x) Ａｓ
からＩｎＧａＡｓまで組成を傾斜した層の周期構造をア
バランシェ増倍層としており、高電界（＞５００ｋＶ／
ｃｍ）が印加された場合、最小禁制帯幅（ＩｎＧａＡｓ
の禁制帯幅）０．７５ｅＶではトンネル暗電流成分が増
加し、増倍率１０を与える暗電流が１μＡ以上になると
推定される。この様に、最小禁制帯幅をＩｎＧａＡｓ三
元層とした場合には大きな暗電流が流れ、これが原因で
光通信でのパワーペナルティが大きくなり事実上使用で
きないという欠点を有している。
【０００８】ところで、実際に光通信用のアバランシェ
増倍型受光素子を得るためには、上記カパッソの提案例
だけでは不十分で、上記ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤでも示し
たように光吸収層とアバランシェ増倍層を分離させるこ
と、及び、それぞれの層に印加される電界強度を、上記
目的を機能分担するために適切な値にする必要がある。
この様な例が、上記超格子ＡＰＤについても報告されて
いる。図８には、この超格子ＡＰＤの光吸収層及びアバ
ランシェ増倍層を分離するための構造と電界強度分布を
示す。図中、１はｎ型ＩｎＰ基板、２はｎ型ＩｎＰバッ
ファ層、１２はｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ層、１４はｐ+ 型Ｉ
ｎＧａＡｓ電界緩和層、１７はｐ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸
収層、１８はｐ+ 型ＩｎＰキャップ層、１９はｐ+ 型Ｉ
ｎＧａＡｓコンタクト層、２０はｎ- 型ＩｎＡｌＡｓ／
ＩｎＧａＡｓ超格子アバランシェ増倍層である。
増倍型受光素子を得るためには、上記カパッソの提案例
だけでは不十分で、上記ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤでも示し
たように光吸収層とアバランシェ増倍層を分離させるこ
と、及び、それぞれの層に印加される電界強度を、上記
目的を機能分担するために適切な値にする必要がある。
この様な例が、上記超格子ＡＰＤについても報告されて
いる。図８には、この超格子ＡＰＤの光吸収層及びアバ
ランシェ増倍層を分離するための構造と電界強度分布を
示す。図中、１はｎ型ＩｎＰ基板、２はｎ型ＩｎＰバッ
ファ層、１２はｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ層、１４はｐ+ 型Ｉ
ｎＧａＡｓ電界緩和層、１７はｐ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸
収層、１８はｐ+ 型ＩｎＰキャップ層、１９はｐ+ 型Ｉ
ｎＧａＡｓコンタクト層、２０はｎ- 型ＩｎＡｌＡｓ／
ＩｎＧａＡｓ超格子アバランシェ増倍層である。
【０００９】超格子アバランシェ増倍層２０にはイオン
化を起こすのに十分な電界強度（＞４００ｋＶ／ｃｍ）
を、光吸収層１７には光生成キャリアをドリフトさせ、
且つ、トンネル降伏を防ぐに十分な低電界強度（＜１５
０ｋＶ／ｃｍ）を保証するため、両者の間にｐ+ ＩｎＧ
ａＡｓ電界緩和層１４を挿入する構造がとられている。
化を起こすのに十分な電界強度（＞４００ｋＶ／ｃｍ）
を、光吸収層１７には光生成キャリアをドリフトさせ、
且つ、トンネル降伏を防ぐに十分な低電界強度（＜１５
０ｋＶ／ｃｍ）を保証するため、両者の間にｐ+ ＩｎＧ
ａＡｓ電界緩和層１４を挿入する構造がとられている。
【００１０】しかしながら、上記構造においては電界緩
和層１４が光吸収層１７と同じＩｎＧａＡｓで形成され
ているために、電界緩和層での高電界に起因したトンネ
ル降伏が生じ暗電流が大きくなる欠点を有する。加え
て、実際の素子形成過程において、高濃度にドーピング
された電界緩和層から、光吸収層側及びアバランシェ増
倍層側にドーパントが拡散することがあり、前者におい
ては更にトンネル降伏誘発原因に、また、後者において
は設計通りに高電界が得られず増倍抑圧原因になる。
和層１４が光吸収層１７と同じＩｎＧａＡｓで形成され
ているために、電界緩和層での高電界に起因したトンネ
ル降伏が生じ暗電流が大きくなる欠点を有する。加え
て、実際の素子形成過程において、高濃度にドーピング
された電界緩和層から、光吸収層側及びアバランシェ増
倍層側にドーパントが拡散することがあり、前者におい
ては更にトンネル降伏誘発原因に、また、後者において
は設計通りに高電界が得られず増倍抑圧原因になる。
【００１１】本発明の目的は、上述の課題を解決し、低
雑音かつ高速応答を有するアバランシェ増倍型半導体受
光素子を提供することにある。
雑音かつ高速応答を有するアバランシェ増倍型半導体受
光素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】第１の本発明は、半導体
基板面上に、光吸収層，アバランシェ増倍半導体層を備
える半導体受光素子において、前記アバランシェ増倍層
がＩｎＡｌＡｓからＩｎＧａX Ａｌ(1-X) Ａｓ（０．１
＜ｘ＜１）四元層まで、組成が傾斜した層の周期構造か
ら形成されていることを特徴とする。
基板面上に、光吸収層，アバランシェ増倍半導体層を備
える半導体受光素子において、前記アバランシェ増倍層
がＩｎＡｌＡｓからＩｎＧａX Ａｌ(1-X) Ａｓ（０．１
＜ｘ＜１）四元層まで、組成が傾斜した層の周期構造か
ら形成されていることを特徴とする。
【００１３】第２の本発明は、半導体基板面上に、光吸
収層，アバランシェ増倍半導体層，前記光吸収層と前記
アバランシェ増倍半導体層との間に電界緩和層を備える
半導体受光素子において、前記電界緩和層の禁制帯幅が
光吸収層の禁制帯幅より大きいことを特徴とする。
収層，アバランシェ増倍半導体層，前記光吸収層と前記
アバランシェ増倍半導体層との間に電界緩和層を備える
半導体受光素子において、前記電界緩和層の禁制帯幅が
光吸収層の禁制帯幅より大きいことを特徴とする。
【００１４】第３の本発明は、第２の発明において、前
記電界緩和層が、高濃度層を低濃度層で挟む構造を有す
ることを特徴とする。
記電界緩和層が、高濃度層を低濃度層で挟む構造を有す
ることを特徴とする。
【００１５】
【作用】アバランシェ増倍型受光素子は、降伏電圧付近
で使用する。降伏現象は、アバランシェあるいはトンネ
ル現象により支配されるが、トンネル降伏の場合には暗
電流が大きくなるため、アバランシェ増倍型受光素子で
はこのトンネル降伏現象を抑制する工夫が重要となる。
トンネル降伏電圧は禁制帯幅（Ｅg ）の３／２乗に比例
することが知られている。即ち、禁制帯幅が狭くなるほ
どトンネル降伏現象とアバランシェ降伏現象が競合する
傾向が強くなり、増倍率に対する暗電流は増加する訳で
ある。
で使用する。降伏現象は、アバランシェあるいはトンネ
ル現象により支配されるが、トンネル降伏の場合には暗
電流が大きくなるため、アバランシェ増倍型受光素子で
はこのトンネル降伏現象を抑制する工夫が重要となる。
トンネル降伏電圧は禁制帯幅（Ｅg ）の３／２乗に比例
することが知られている。即ち、禁制帯幅が狭くなるほ
どトンネル降伏現象とアバランシェ降伏現象が競合する
傾向が強くなり、増倍率に対する暗電流は増加する訳で
ある。
【００１６】図１は、第１の本発明の作用を説明する図
で、光吸収・増倍一体型Ｓｔａｉｒ−ｃａｓｅ ＡＰＤ
の２種類の増倍層構造に対する暗電流特性を示す。一体
型構造は、アバランシェ増倍層をｐ+ 層及びｎ+ 層では
さんだ構造である。（ａ）は前記カパッソが提案した、
ＩｎＧａ0.3 Ａｌ0.2 Ａｓ（Ｅg ＝１．０ｅＶ）からＩ
ｎＧａＡｓ（Ｅg ＝０．７５ｅＶ）まで組成を傾斜させ
た層２００オングストロームを１２周期積層した構造を
アバランシェ増倍層とした素子の特性、また（ｂ）は、
第１の本発明のＩｎＡｌＡｓ（Ｅg ＝１．４９ｅＶ）か
らＩｎＧａ0.3Ａｌ0.2 Ａｓ（Ｅg ＝１．０ｅＶ）まで
組成を傾斜させた層２００オングストロームを１２周期
積層した構造をアバランシェ増倍層とした素子の特性で
ある。（ａ）の暗電流特性が増倍率Ｍの２から３乗に比
例し、顕著なトンネル電流特性を示したのに対し、
（ｂ）ではＭに比例し過剰な暗電流が抑制されているこ
とが分かる。
で、光吸収・増倍一体型Ｓｔａｉｒ−ｃａｓｅ ＡＰＤ
の２種類の増倍層構造に対する暗電流特性を示す。一体
型構造は、アバランシェ増倍層をｐ+ 層及びｎ+ 層では
さんだ構造である。（ａ）は前記カパッソが提案した、
ＩｎＧａ0.3 Ａｌ0.2 Ａｓ（Ｅg ＝１．０ｅＶ）からＩ
ｎＧａＡｓ（Ｅg ＝０．７５ｅＶ）まで組成を傾斜させ
た層２００オングストロームを１２周期積層した構造を
アバランシェ増倍層とした素子の特性、また（ｂ）は、
第１の本発明のＩｎＡｌＡｓ（Ｅg ＝１．４９ｅＶ）か
らＩｎＧａ0.3Ａｌ0.2 Ａｓ（Ｅg ＝１．０ｅＶ）まで
組成を傾斜させた層２００オングストロームを１２周期
積層した構造をアバランシェ増倍層とした素子の特性で
ある。（ａ）の暗電流特性が増倍率Ｍの２から３乗に比
例し、顕著なトンネル電流特性を示したのに対し、
（ｂ）ではＭに比例し過剰な暗電流が抑制されているこ
とが分かる。
【００１７】さらに図１から、最小禁制帯幅をＩｎＧａ
Ａｓ三元層からＩｎＧａＡｌＡｓ四元層へと禁制帯幅を
拡大したことにより、暗電流低減以上の効果が得られて
いることが分かる。即ち、禁制帯幅（Ｅg ）とトンネル
暗電流（Ｉdt）の関係は次式で与えられることから、
Ａｓ三元層からＩｎＧａＡｌＡｓ四元層へと禁制帯幅を
拡大したことにより、暗電流低減以上の効果が得られて
いることが分かる。即ち、禁制帯幅（Ｅg ）とトンネル
暗電流（Ｉdt）の関係は次式で与えられることから、
【００１８】
【数１】
【００１９】上記増倍層組成による暗電流低減効果は約
１／２程度と予想される。しかしながら、実験的に得ら
れた図１において、その低減効果は、増倍率Ｍ＝１０に
おいて２μＡから６０ｎＡと１桁以上の改善効果を示し
ている。この理論以上の暗電流特性改善効果は、ＩｎＧ
ａＡｓにわずかにＡｌ組成を混入したことによる結晶品
質の向上が主因であり、最小禁制帯幅を構成するＩｎＧ
ａＡｌＡｓ四元層内での欠陥あるいはレベルを介したト
ンネル電流が激減しているためである。
１／２程度と予想される。しかしながら、実験的に得ら
れた図１において、その低減効果は、増倍率Ｍ＝１０に
おいて２μＡから６０ｎＡと１桁以上の改善効果を示し
ている。この理論以上の暗電流特性改善効果は、ＩｎＧ
ａＡｓにわずかにＡｌ組成を混入したことによる結晶品
質の向上が主因であり、最小禁制帯幅を構成するＩｎＧ
ａＡｌＡｓ四元層内での欠陥あるいはレベルを介したト
ンネル電流が激減しているためである。
【００２０】ＩｎＧａＡｓ層及びＩｎＧａ0.3 Ａｌ0.2
Ａｓ層のＸ線回折分析の結果を、図２（ａ）及び図２
（ｂ）にそれぞれ示す。ＩｎＧａＡｌＡｓの半値幅がＩ
ｎＧａＡｓと比較して低減していることから、結晶品質
が改善されていることが分かる。
Ａｓ層のＸ線回折分析の結果を、図２（ａ）及び図２
（ｂ）にそれぞれ示す。ＩｎＧａＡｌＡｓの半値幅がＩ
ｎＧａＡｓと比較して低減していることから、結晶品質
が改善されていることが分かる。
【００２１】図３は、第２および第３の本発明の作用を
説明するための図で、光吸収・増倍分離型Ｓｔａｉｒ−
ｃａｓｅ ＡＰＤの電界緩和層として、以下の構造を適
用したときの暗電流特性比較である。（ａ）は前記超格
子ＡＰＤで報告されているＩｎＧａＡｓ層を電界緩和層
とした構造、また（ｂ）は第２の本発明のＩｎＰ電界緩
和層を適用した構造、（ｃ）は第３の本発明の高濃度層
を低濃度層で挟んだ３層構造のＩｎＰ電界緩和層を適用
した構造の測定結果である。（ａ）の暗電流特性が増倍
率Ｍの２から３乗に比例し、顕著なトンネル電流特性を
示したのに対し、（ｂ）ではＭの２乗に比例し明かな改
善効果が認められる。さらに、それらに対し、第３の本
発明の３層構造ＩｎＰ電界緩和層を適用した（ｃ）にお
いては、暗電流はＭに比例している。これは、過剰な暗
電流が抑制され、増倍層でのアバランシェブレークダウ
ンに支配された理想的な暗電流特性が得られたことを示
している。
説明するための図で、光吸収・増倍分離型Ｓｔａｉｒ−
ｃａｓｅ ＡＰＤの電界緩和層として、以下の構造を適
用したときの暗電流特性比較である。（ａ）は前記超格
子ＡＰＤで報告されているＩｎＧａＡｓ層を電界緩和層
とした構造、また（ｂ）は第２の本発明のＩｎＰ電界緩
和層を適用した構造、（ｃ）は第３の本発明の高濃度層
を低濃度層で挟んだ３層構造のＩｎＰ電界緩和層を適用
した構造の測定結果である。（ａ）の暗電流特性が増倍
率Ｍの２から３乗に比例し、顕著なトンネル電流特性を
示したのに対し、（ｂ）ではＭの２乗に比例し明かな改
善効果が認められる。さらに、それらに対し、第３の本
発明の３層構造ＩｎＰ電界緩和層を適用した（ｃ）にお
いては、暗電流はＭに比例している。これは、過剰な暗
電流が抑制され、増倍層でのアバランシェブレークダウ
ンに支配された理想的な暗電流特性が得られたことを示
している。
【００２２】この結果は、第２の本発明の光吸収層の禁
制帯幅より広い材料を電界緩和層とすることにより、こ
の領域におけるトンネル降伏が起こりにくくなったこ
と、また第３の本発明の電界緩和層を３層構造とするこ
とにより、高濃度層からのドーパントの固層拡散をその
外側に配置した低濃度層内でくい止め、禁制帯幅の狭い
光吸収層に高電界が印加されるのを防ぎ、トンネル暗電
流成分を低減したことに起因する。
制帯幅より広い材料を電界緩和層とすることにより、こ
の領域におけるトンネル降伏が起こりにくくなったこ
と、また第３の本発明の電界緩和層を３層構造とするこ
とにより、高濃度層からのドーパントの固層拡散をその
外側に配置した低濃度層内でくい止め、禁制帯幅の狭い
光吸収層に高電界が印加されるのを防ぎ、トンネル暗電
流成分を低減したことに起因する。
【００２３】
【実施例】本発明の実施例について、図面を用いて詳細
に説明する。
に説明する。
【００２４】図４は、第１の本発明の一実施例のアバラ
ンシェ増倍型受光素子の断面図である。構造としては、
ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を０．
５μｍ、ｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ層１２を０．５μｍ、ｎ-
型のＩｎＡｌＡｓからＩｎＧａ0.3 Ａｌ0.2 Ａｓまで組
成を傾斜させた層２００オングストロームの１２周期か
らなるアバランシェ増倍層１３を０．２４μｍ積層す
る。その後、ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ電界緩和層１４を２０
００オングストローム、ｐ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１
７を１．３μｍ、ＩｎＰキャップ層１８を０．２μｍ、
そしてＩｎＧａＡｓコンタクト層１９を０．１μｍ順次
積層する。その後、ウェットエッチング法により４０μ
ｍφのメサを形成し、パッシベーション膜８を１５００
オングストローム蒸着した。ｎ側電極９として、ＡｕＧ
ｅ／Ｎｉを１５００オングストローム、ＴｉＰｔＡｕを
５００オングストローム堆積する。また、ｐ側電極１０
として、ＡｕＺｎを１５００オングストローム堆積する
ことにより、図４の素子構造を完成する。
ンシェ増倍型受光素子の断面図である。構造としては、
ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を０．
５μｍ、ｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ層１２を０．５μｍ、ｎ-
型のＩｎＡｌＡｓからＩｎＧａ0.3 Ａｌ0.2 Ａｓまで組
成を傾斜させた層２００オングストロームの１２周期か
らなるアバランシェ増倍層１３を０．２４μｍ積層す
る。その後、ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ電界緩和層１４を２０
００オングストローム、ｐ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１
７を１．３μｍ、ＩｎＰキャップ層１８を０．２μｍ、
そしてＩｎＧａＡｓコンタクト層１９を０．１μｍ順次
積層する。その後、ウェットエッチング法により４０μ
ｍφのメサを形成し、パッシベーション膜８を１５００
オングストローム蒸着した。ｎ側電極９として、ＡｕＧ
ｅ／Ｎｉを１５００オングストローム、ＴｉＰｔＡｕを
５００オングストローム堆積する。また、ｐ側電極１０
として、ＡｕＺｎを１５００オングストローム堆積する
ことにより、図４の素子構造を完成する。
【００２５】上述した素子構造のもとで、作用に述べた
原理により暗電流が低減且つ構造倍特性が達成された。
具体的には、増倍率１０を与える暗電流６μＡ、実効イ
オン化率比（α／β比）４０、最大帯域が１８ＧＨｚ、
また量子効率７０％の低雑音，高速応答特性を有するア
バランシェ増倍型半導体受光素子を実現した。
原理により暗電流が低減且つ構造倍特性が達成された。
具体的には、増倍率１０を与える暗電流６μＡ、実効イ
オン化率比（α／β比）４０、最大帯域が１８ＧＨｚ、
また量子効率７０％の低雑音，高速応答特性を有するア
バランシェ増倍型半導体受光素子を実現した。
【００２６】図５は、第２の本発明の一実施例のアバラ
ンシェ増倍型受光素子の断面図である。
ンシェ増倍型受光素子の断面図である。
【００２７】構造としては、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ
型ＩｎＰバッファ層２を０．５μｍ、ｎ+ 型ＩｎＡｌＡ
ｓ層１２を０．５μｍ、ｎ- 型のＩｎＡｌＡｓからＩｎ
Ｇａ0.3 Ａｌ0.2 Ａｓまで組成を傾斜させた層２００オ
ングストロームの１２周期からなるアバランシェ増倍層
１３を０．２４μｍ積層する。その後、ｐ+ 型ＩｎＰ電
界緩和層１５を２０００オングストローム、ｐ- 型Ｉｎ
ＧａＡｓ光吸収層１７を１．３μｍ、ＩｎＰキャップ層
１８を０．２μｍ、そしてＩｎＧａＡｓコンタクト層１
９を０．１μｍ順次積層する。その後、ウェットエッチ
ング法により４０μｍφのメサを形成し、パッシベーシ
ョン膜８を１５００オングストローム蒸着した。ｎ側電
極９として、ＡｕＧｅ／Ｎｉを１５００オングストロー
ム、ＴｉＰｔＡｕを５００オングストローム堆積する。
また、ｐ側電極１０として、ＡｕＺｎを１５００オング
ストローム堆積することにより、図５の素子構造を完成
する。
型ＩｎＰバッファ層２を０．５μｍ、ｎ+ 型ＩｎＡｌＡ
ｓ層１２を０．５μｍ、ｎ- 型のＩｎＡｌＡｓからＩｎ
Ｇａ0.3 Ａｌ0.2 Ａｓまで組成を傾斜させた層２００オ
ングストロームの１２周期からなるアバランシェ増倍層
１３を０．２４μｍ積層する。その後、ｐ+ 型ＩｎＰ電
界緩和層１５を２０００オングストローム、ｐ- 型Ｉｎ
ＧａＡｓ光吸収層１７を１．３μｍ、ＩｎＰキャップ層
１８を０．２μｍ、そしてＩｎＧａＡｓコンタクト層１
９を０．１μｍ順次積層する。その後、ウェットエッチ
ング法により４０μｍφのメサを形成し、パッシベーシ
ョン膜８を１５００オングストローム蒸着した。ｎ側電
極９として、ＡｕＧｅ／Ｎｉを１５００オングストロー
ム、ＴｉＰｔＡｕを５００オングストローム堆積する。
また、ｐ側電極１０として、ＡｕＺｎを１５００オング
ストローム堆積することにより、図５の素子構造を完成
する。
【００２８】上述した素子構造のもとで、作用に述べた
原理により暗電流が低減且つ構造倍特性が達成された。
具体的には、増倍率１０を与える暗電流１μＡ、実効イ
オン化率比（α／β比）４０、最大帯域が１８ＧＨｚ、
また量子効率７０％の低雑音，高速応答特性を有するア
バランシェ増倍型半導体受光素子を実現した。
原理により暗電流が低減且つ構造倍特性が達成された。
具体的には、増倍率１０を与える暗電流１μＡ、実効イ
オン化率比（α／β比）４０、最大帯域が１８ＧＨｚ、
また量子効率７０％の低雑音，高速応答特性を有するア
バランシェ増倍型半導体受光素子を実現した。
【００２９】図６は、第３の本発明の一実施例のアバラ
ンシェ増倍型受光素子の断面図である。
ンシェ増倍型受光素子の断面図である。
【００３０】構造としては、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ
型ＩｎＰバッファ層２を０．５μｍ、ｎ+ 型ＩｎＡｌＡ
ｓ層１２を０．５μｍ、ｎ- 型のＩｎＡｌＡｓからＩｎ
Ｇａ0.3 Ａｌ0.2 Ａｓまで組成を傾斜させた層２００オ
ングストロームの１２周期からなるアバランシェ増倍層
１３を０．２４μｍ積層する。その後、ｎ- 型ＩｎＰ５
００オングストローム／ｐ+ 型ＩｎＰ８５０オングスト
ローム／ｐ- 型ＩｎＰ３００オングストロームの３層構
造からなる電界緩和層１６、ｐ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収
層１７を１．３μｍ、ＩｎＰキャップ層１８を０．２μ
ｍ、そしてＩｎＧａＡｓコンタクト層１９を０．１μｍ
順次積層する。その後、ウェットエッチング法により４
０μｍφのメサを形成し、パッシベーション膜８を１５
００オングストローム蒸着した。ｎ側電極９として、Ａ
ｕＧｅ／Ｎｉを１５００オングストローム、ＴｉＰｔＡ
ｕを５００オングストローム堆積する。また、ｐ側電極
１０として、ＡｕＺｎを１５００オングストローム堆積
することにより、図６の素子構造を完成する。
型ＩｎＰバッファ層２を０．５μｍ、ｎ+ 型ＩｎＡｌＡ
ｓ層１２を０．５μｍ、ｎ- 型のＩｎＡｌＡｓからＩｎ
Ｇａ0.3 Ａｌ0.2 Ａｓまで組成を傾斜させた層２００オ
ングストロームの１２周期からなるアバランシェ増倍層
１３を０．２４μｍ積層する。その後、ｎ- 型ＩｎＰ５
００オングストローム／ｐ+ 型ＩｎＰ８５０オングスト
ローム／ｐ- 型ＩｎＰ３００オングストロームの３層構
造からなる電界緩和層１６、ｐ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収
層１７を１．３μｍ、ＩｎＰキャップ層１８を０．２μ
ｍ、そしてＩｎＧａＡｓコンタクト層１９を０．１μｍ
順次積層する。その後、ウェットエッチング法により４
０μｍφのメサを形成し、パッシベーション膜８を１５
００オングストローム蒸着した。ｎ側電極９として、Ａ
ｕＧｅ／Ｎｉを１５００オングストローム、ＴｉＰｔＡ
ｕを５００オングストローム堆積する。また、ｐ側電極
１０として、ＡｕＺｎを１５００オングストローム堆積
することにより、図６の素子構造を完成する。
【００３１】上述した素子構造のもとで、作用に述べた
原理により暗電流が低減且つ構造倍特性が達成された。
具体的には、増倍率１０を与える暗電流７０μＡ、実効
イオン化率比（α／β比）４０、最大帯域が１８ＧＨ
ｚ、また量子効率８０％の低雑音，高速応答特性を有す
るアバランシェ増倍型半導体受光素子を実現した。
原理により暗電流が低減且つ構造倍特性が達成された。
具体的には、増倍率１０を与える暗電流７０μＡ、実効
イオン化率比（α／β比）４０、最大帯域が１８ＧＨ
ｚ、また量子効率８０％の低雑音，高速応答特性を有す
るアバランシェ増倍型半導体受光素子を実現した。
【００３２】以上説明した本発明による素子構造は、具
体的には、ＭＯＶＰＥ，ＭＢＥ，ガスソースＭＢＥ等の
成長技術により、作製することができる。
体的には、ＭＯＶＰＥ，ＭＢＥ，ガスソースＭＢＥ等の
成長技術により、作製することができる。
【００３３】
【発明の効果】第１の本発明による半導体受光素子は、
アバランシェ増倍半導体層にＩｎＡｌＡｓからＩｎＧａ
X Ａｌ(1-X) Ａｓ（０．１＜ｘ＜１）まで、組成が傾斜
した層の周期構造を適用することにより、従来提案され
ているＳｔａｉｒ−ｃａｓｅＡＰＤに比べ、最小禁制帯
幅を拡大した効果に加えて、結晶品質改善効果を図り、
極めて小さい暗電流特性を具備する高感度低雑音特性を
実現できる。
アバランシェ増倍半導体層にＩｎＡｌＡｓからＩｎＧａ
X Ａｌ(1-X) Ａｓ（０．１＜ｘ＜１）まで、組成が傾斜
した層の周期構造を適用することにより、従来提案され
ているＳｔａｉｒ−ｃａｓｅＡＰＤに比べ、最小禁制帯
幅を拡大した効果に加えて、結晶品質改善効果を図り、
極めて小さい暗電流特性を具備する高感度低雑音特性を
実現できる。
【００３４】第２の本発明による半導体受光素子は、光
吸収層，アバランシェ増倍半導体層，その間に形成され
た電界緩和層を持つ光吸収・増倍分離型構造で、電界緩
和層の禁制帯幅が光吸収層のそれより大きいことを特徴
とする。これより、電界緩和層でのトンネル降伏を防
ぎ、小さい暗電流特性を有する高感度低雑音特性を実現
できる。
吸収層，アバランシェ増倍半導体層，その間に形成され
た電界緩和層を持つ光吸収・増倍分離型構造で、電界緩
和層の禁制帯幅が光吸収層のそれより大きいことを特徴
とする。これより、電界緩和層でのトンネル降伏を防
ぎ、小さい暗電流特性を有する高感度低雑音特性を実現
できる。
【００３５】第３の本発明による半導体受光素子は、光
吸収層，アバランシェ増倍半導体層，その間に形成され
た電界緩和層を持つ光吸収・増倍分離型構造で、電界緩
和層の禁制帯幅が光吸収層のそれよりも大きく、且つ、
高濃度層を低濃度層で挟む３層構造であることを特徴と
する。これより、電界緩和層でのトンネル降伏を防ぎ、
また光吸収層でのトンネル暗電流成分の低減及びアバラ
ンシェ増倍層での増倍抑圧防止を図っている。この結
果、Ｓｔａｉｒ−ｃａｓｅ ＡＰＤに実用的な光吸収・
増倍分離構造を具備させ、且つ、極暗電流特性を有する
高感度低雑音特性を実現できる。
吸収層，アバランシェ増倍半導体層，その間に形成され
た電界緩和層を持つ光吸収・増倍分離型構造で、電界緩
和層の禁制帯幅が光吸収層のそれよりも大きく、且つ、
高濃度層を低濃度層で挟む３層構造であることを特徴と
する。これより、電界緩和層でのトンネル降伏を防ぎ、
また光吸収層でのトンネル暗電流成分の低減及びアバラ
ンシェ増倍層での増倍抑圧防止を図っている。この結
果、Ｓｔａｉｒ−ｃａｓｅ ＡＰＤに実用的な光吸収・
増倍分離構造を具備させ、且つ、極暗電流特性を有する
高感度低雑音特性を実現できる。
【図１】第１の本発明の作用を説明するための暗電流特
性比較の図である。
性比較の図である。
【図２】第１の本発明の作用を説明するためにＸ線回折
の半値幅を比較した図である。
の半値幅を比較した図である。
【図３】第２および第３の本発明に対する従来例を説明
するための図である。
するための図である。
【図４】第１の本発明の半導体受光素子の構造図であ
る。
る。
【図５】第２の本発明の半導体受光素子の構造図であ
る。
る。
【図６】第３の本発明の半導体受光素子の構造図であ
る。
る。
【図７】従来例のＡＰＤの構造図である。
【図８】従来例を説明するための図である。
１ ｎ型ＩｎＰ基板 ２ ｎ型ＩｎＰバッファ層 ３ ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層 ４ ｎ型ＩｎＰ層（アバランシェ増倍層） ５ ｎ型ＩｎＰキャップ層 ６ ｐ+ 型領域 ７ ｐ型ガードリング領域 ８ パッシベーション膜 ９ ｎ側オーミック電極 １０ ｐ側オーミック電極 １１ 入射光 １２ ｎ+ 型ＩｎＡｌＡｓ層 １３ ｎ- 型ＩｎＡｌＡｓからＩｎＧａ0.3 Ａｌ0.2 Ａ
ｓまで組成を変化させた層の周期構造からなるアバラン
シェ増倍層 １４ ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ電界緩和層 １５ ｐ+ 型ＩｎＰ電界緩和層 １６ ｎ- 型ＩｎＰ／ｐ+ 型ＩｎＰ／ｐ- 型ＩｎＰ３層
構造電界緩和層 １７ ｐ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層 １８ ｐ+ 型ＩｎＰキャップ層 １９ ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ２０ ｎ- 型ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子増倍層
ｓまで組成を変化させた層の周期構造からなるアバラン
シェ増倍層 １４ ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓ電界緩和層 １５ ｐ+ 型ＩｎＰ電界緩和層 １６ ｎ- 型ＩｎＰ／ｐ+ 型ＩｎＰ／ｐ- 型ＩｎＰ３層
構造電界緩和層 １７ ｐ- 型ＩｎＧａＡｓ光吸収層 １８ ｐ+ 型ＩｎＰキャップ層 １９ ｐ+ 型ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ２０ ｎ- 型ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子増倍層
Claims (3)
- 【請求項１】半導体基板面上に、光吸収層，アバランシ
ェ増倍半導体層を備える半導体受光素子において、 前記アバランシェ増倍層がＩｎＡｌＡｓからＩｎＧａX
Ａｌ(1-X) Ａｓ（０．１＜ｘ＜１）四元層まで、組成が
傾斜した層の周期構造から形成されていることを特徴と
する半導体受光素子。 - 【請求項２】半導体基板面上に、光吸収層，アバランシ
ェ増倍半導体層，前記光吸収層と前記アバランシェ増倍
半導体層との間に電界緩和層を備える半導体受光素子に
おいて、 前記電界緩和層の禁制帯幅が光吸収層の禁制帯幅より大
きいことを特徴とする半導体受光素子。 - 【請求項３】前記電界緩和層が、高濃度層を低濃度層で
挟む構造を有することを特徴とする請求項２記載の半導
体受光素子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5079960A JP2845081B2 (ja) | 1993-04-07 | 1993-04-07 | 半導体受光素子 |
| US08/224,110 US5539221A (en) | 1993-04-07 | 1994-04-07 | Staircase avalanche photodiode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5079960A JP2845081B2 (ja) | 1993-04-07 | 1993-04-07 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06291359A true JPH06291359A (ja) | 1994-10-18 |
| JP2845081B2 JP2845081B2 (ja) | 1999-01-13 |
Family
ID=13704880
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5079960A Expired - Lifetime JP2845081B2 (ja) | 1993-04-07 | 1993-04-07 | 半導体受光素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5539221A (ja) |
| JP (1) | JP2845081B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5801872A (en) * | 1995-02-09 | 1998-09-01 | Nec Corporation | Semiconductor optical modulation device |
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