JPH07176783A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
- Publication number
- JPH07176783A JPH07176783A JP5321572A JP32157293A JPH07176783A JP H07176783 A JPH07176783 A JP H07176783A JP 5321572 A JP5321572 A JP 5321572A JP 32157293 A JP32157293 A JP 32157293A JP H07176783 A JPH07176783 A JP H07176783A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- multiple quantum
- quantum well
- light absorption
- layer
- well structure
- Prior art date
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- Pending
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Abstract
(57)【要約】
【目的】半導体上に形成したショットキー接合を用いて
動作させる半導体受光素子において、電極微細化の限界
に伴って応答速度が律速されるという従来技術の有して
いた課題を解消して、高速かつ高効率な MSM フォトダ
イオードを提供すること。 【構成】上記目的は、半導体基板上に積層された、該半
導体基板よりも小さいバンドギャップを有する光吸収層
の上面に、一対の櫛形ショットキー電極を配置した半導
体受光素子において、上記光吸収層の一部または全体を
多重量子井戸構造としたことを特徴とする半導体受光素
子とすることによって達成することができる。
動作させる半導体受光素子において、電極微細化の限界
に伴って応答速度が律速されるという従来技術の有して
いた課題を解消して、高速かつ高効率な MSM フォトダ
イオードを提供すること。 【構成】上記目的は、半導体基板上に積層された、該半
導体基板よりも小さいバンドギャップを有する光吸収層
の上面に、一対の櫛形ショットキー電極を配置した半導
体受光素子において、上記光吸収層の一部または全体を
多重量子井戸構造としたことを特徴とする半導体受光素
子とすることによって達成することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体上に形成したシ
ョットキー接合を用いて動作させる半導体受光素子に係
り、特に、高速かつ高効率な MSM(metal‐semiconducto
r‐metal)フォトダイオードに関する。
ョットキー接合を用いて動作させる半導体受光素子に係
り、特に、高速かつ高効率な MSM(metal‐semiconducto
r‐metal)フォトダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体上に一対の櫛形ショットキー電極
(図２)を形成し、ショットキー接合を利用して動作させ
るいわゆる MSM フォトダイオードは、pn 接合を利用し
て動作させるいわゆる pin フォトダイオードと比較し
て静電容量が小さいため、極めて高速な光信号を電気信
号に変換する能力を潜在的に有している。ところで、 M
SM フォトダイオードの応答速度は、静電容量の大きさ
で制限される CR 時定数だけでなく、互いに隣接した電
極間の光吸収層内で生成された光励起キャリアの走行時
間によっても律速されるため、実際に高速動作を実現す
るためには、キャリアの走行時間を極めて小さくする必
要がある。例えば200GHz動作に対してはキャリア走行時
間を1.8psまで低減しなければならない。このような極
めて小さなキャリア走行時間を実現するために従来から
一般に行われてきた方法は、対向する二つのショットキ
ー電極間の間隔を縮小して、キャリアの走行距離を短く
しようというものであった。このような背景から、近年
電子ビーム露光技術が開発され、0.1μm程度の電極間隔
を持つ MSM フォトダイオードが実現されるようになっ
ている（例えば、S. Y. Chou et al.： Appl. Phys. Le
tt., 61 ,No.7 ,p.819(1992)記載）。しかし、例えばキ
ャリア走行速度4.5×106cm/sから見積もられるMSM フォ
トダイオードの応答速度は、電極間隔を0.1μmとして
も、150GHz程度となるため、従来の単なる電極微細化技
術だけでは性能向上は望めなかった。
(図２)を形成し、ショットキー接合を利用して動作させ
るいわゆる MSM フォトダイオードは、pn 接合を利用し
て動作させるいわゆる pin フォトダイオードと比較し
て静電容量が小さいため、極めて高速な光信号を電気信
号に変換する能力を潜在的に有している。ところで、 M
SM フォトダイオードの応答速度は、静電容量の大きさ
で制限される CR 時定数だけでなく、互いに隣接した電
極間の光吸収層内で生成された光励起キャリアの走行時
間によっても律速されるため、実際に高速動作を実現す
るためには、キャリアの走行時間を極めて小さくする必
要がある。例えば200GHz動作に対してはキャリア走行時
間を1.8psまで低減しなければならない。このような極
めて小さなキャリア走行時間を実現するために従来から
一般に行われてきた方法は、対向する二つのショットキ
ー電極間の間隔を縮小して、キャリアの走行距離を短く
しようというものであった。このような背景から、近年
電子ビーム露光技術が開発され、0.1μm程度の電極間隔
を持つ MSM フォトダイオードが実現されるようになっ
ている（例えば、S. Y. Chou et al.： Appl. Phys. Le
tt., 61 ,No.7 ,p.819(1992)記載）。しかし、例えばキ
ャリア走行速度4.5×106cm/sから見積もられるMSM フォ
トダイオードの応答速度は、電極間隔を0.1μmとして
も、150GHz程度となるため、従来の単なる電極微細化技
術だけでは性能向上は望めなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、電極
微細化の限界に伴って応答速度が律速されるという上記
従来技術の有していた課題を解消して、高速でかつ高効
率な MSM フォトダイオードを提供することにある。
微細化の限界に伴って応答速度が律速されるという上記
従来技術の有していた課題を解消して、高速でかつ高効
率な MSM フォトダイオードを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的は、半導体基板
上に積層された、該半導体基板よりも小さいバンドギャ
ップを有する光吸収層の上面に、一対の櫛形ショットキ
ー電極を配置した半導体受光素子において、上記光吸収
層の一部または全体を多重量子井戸構造としたことを特
徴とする半導体受光素子とすることによって達成するこ
とができる。従来技術とは光吸収層の構造が異なり、キ
ャリアの走行速度と吸収係数をバルク半導体材料の性質
で決まる値よりも大きくできるという点で異なる。
上に積層された、該半導体基板よりも小さいバンドギャ
ップを有する光吸収層の上面に、一対の櫛形ショットキ
ー電極を配置した半導体受光素子において、上記光吸収
層の一部または全体を多重量子井戸構造としたことを特
徴とする半導体受光素子とすることによって達成するこ
とができる。従来技術とは光吸収層の構造が異なり、キ
ャリアの走行速度と吸収係数をバルク半導体材料の性質
で決まる値よりも大きくできるという点で異なる。
【０００５】
【作用】MSM フォトダイオードの光吸収層の一部あるい
は全部を多重量子井戸構造で構成するという手段は、多
重量子井戸構造をとることにより光吸収層内のバンド構
造を変化させ、キャリア（特に正孔）の有効質量を二分
の一程度以下に小さくし、キャリアの移動速度を大きく
することを可能としている。また、多重量子井戸構造の
構成によりエキシトン(exciton、励起子)吸収が生じ、
吸収係数が増大する。従って、従来の露光技術を用いて
もキャリア走行時間を二分の一以下に低減させること、
また、光電変換効率を向上させることが可能となり、本
発明の目的である高速で高効率な MSM フォトダイオー
ドを実現することができるようになる。
は全部を多重量子井戸構造で構成するという手段は、多
重量子井戸構造をとることにより光吸収層内のバンド構
造を変化させ、キャリア（特に正孔）の有効質量を二分
の一程度以下に小さくし、キャリアの移動速度を大きく
することを可能としている。また、多重量子井戸構造の
構成によりエキシトン(exciton、励起子)吸収が生じ、
吸収係数が増大する。従って、従来の露光技術を用いて
もキャリア走行時間を二分の一以下に低減させること、
また、光電変換効率を向上させることが可能となり、本
発明の目的である高速で高効率な MSM フォトダイオー
ドを実現することができるようになる。
【０００６】
【実施例】以下、本発明の半導体受光素子の構成につい
て実施例によって具体的に説明する。
て実施例によって具体的に説明する。
【０００７】図１は本発明半導体受光素子の一実施例の
構成を説明する MSM フォトダイオードの構造図で、101
は半絶縁性 InP 基板、102は厚さ0.005μmの InGaAs 井
戸層と厚さ0.005μmの InGaAsP 障壁層とを交互に20周
期積層した多重量子井戸光吸収層、103は厚さ0.1μmの
InAlAs ショットキー障壁層、104はショットキー金属か
らなる一対の櫛形電極（幅、間隔ともに0.1μm）を示
す。これらの層のうちInGaAs は基板の InP や InP に
格子整合する InGaAsP 、InAlAs の格子定数よりも１％
格子定数が大きくなる組成としてあるため、光吸収層は
基板面と平行方向に１％の圧縮応力が生じた歪多重量子
井戸となっている。基板平行方向のホール速度は１％の
圧縮応力により約４倍に増加する（K. Hirose et al.：
Journalof Crystal Growth ,81 , p.130,(1987)）。従
って、キャリア走行方向である基板平行方向のホール速
度が増大するため、電極幅0.1μmでも200GHz以上の高速
なMSM フォトダイオードの実現が可能になる。さらに、
多重量子井戸特有のエキシトン吸収の効果により光電変
換効率も著しく向上する。
構成を説明する MSM フォトダイオードの構造図で、101
は半絶縁性 InP 基板、102は厚さ0.005μmの InGaAs 井
戸層と厚さ0.005μmの InGaAsP 障壁層とを交互に20周
期積層した多重量子井戸光吸収層、103は厚さ0.1μmの
InAlAs ショットキー障壁層、104はショットキー金属か
らなる一対の櫛形電極（幅、間隔ともに0.1μm）を示
す。これらの層のうちInGaAs は基板の InP や InP に
格子整合する InGaAsP 、InAlAs の格子定数よりも１％
格子定数が大きくなる組成としてあるため、光吸収層は
基板面と平行方向に１％の圧縮応力が生じた歪多重量子
井戸となっている。基板平行方向のホール速度は１％の
圧縮応力により約４倍に増加する（K. Hirose et al.：
Journalof Crystal Growth ,81 , p.130,(1987)）。従
って、キャリア走行方向である基板平行方向のホール速
度が増大するため、電極幅0.1μmでも200GHz以上の高速
なMSM フォトダイオードの実現が可能になる。さらに、
多重量子井戸特有のエキシトン吸収の効果により光電変
換効率も著しく向上する。
【０００８】なお、上記の実施例においては井戸層に圧
縮歪を加えた場合の例を示したが、InGaAs 井戸層の格
子定数を InP のそれよりも小さくして伸張歪を加えて
も同様の効果が期待できる。また、歪を障壁層に加えて
も同様の効果が期待できる。また、歪のない多重量子井
戸としても同様の効果が期待できる。また、井戸層ある
いは障壁層として InAsP や InGaP 、GaAsP 、InAs 、G
aP などの半導体を用いても同様の効果が期待できる。
縮歪を加えた場合の例を示したが、InGaAs 井戸層の格
子定数を InP のそれよりも小さくして伸張歪を加えて
も同様の効果が期待できる。また、歪を障壁層に加えて
も同様の効果が期待できる。また、歪のない多重量子井
戸としても同様の効果が期待できる。また、井戸層ある
いは障壁層として InAsP や InGaP 、GaAsP 、InAs 、G
aP などの半導体を用いても同様の効果が期待できる。
【０００９】さらに、GaAs 、AlGaAs 、ZnSe 、GaSb な
どの他の材料系に本発明の技術を適用することにより、
これらの材料系で製作した MSM フォトダイオードの高
速化が期待できる。また、上記実施例においては、受光
素子として MSM フォトダイオードを用いた場合を例と
して説明したが、pin フォトダイオードや導波路型pin
フォトダイオード、フォトトランジスタなどの受光素子
の光吸収層に多重量子井戸を用いることによって、MSM
フォトダイオードの場合と同様の高速化と高効率化が期
待できる。
どの他の材料系に本発明の技術を適用することにより、
これらの材料系で製作した MSM フォトダイオードの高
速化が期待できる。また、上記実施例においては、受光
素子として MSM フォトダイオードを用いた場合を例と
して説明したが、pin フォトダイオードや導波路型pin
フォトダイオード、フォトトランジスタなどの受光素子
の光吸収層に多重量子井戸を用いることによって、MSM
フォトダイオードの場合と同様の高速化と高効率化が期
待できる。
【００１０】
【発明の効果】以上述べてきたように、半導体受光素子
を本発明構成の受光素子とすることによって、従来技術
の有していた課題を解決して、高速かつ高効率な受光素
子を提供することができた。すなわち、本発明によれ
ば、MSM フォトダイオードの光吸収層を多重量子井戸で
構成しているため、光励起キャリアの走行速度を極めて
大きくすることが可能となり、極めて高速な MSM フォ
トダイオードを実現することができる。
を本発明構成の受光素子とすることによって、従来技術
の有していた課題を解決して、高速かつ高効率な受光素
子を提供することができた。すなわち、本発明によれ
ば、MSM フォトダイオードの光吸収層を多重量子井戸で
構成しているため、光励起キャリアの走行速度を極めて
大きくすることが可能となり、極めて高速な MSM フォ
トダイオードを実現することができる。
【図１】実施例において例示した本発明 MSM フォトダ
イオードの構造を表わす図。
イオードの構造を表わす図。
【図２】従来の MSM フォトダイオードの構造を表わす
図。
図。
101…半絶縁性 InP 基板、102…InGaAs/InGaAsP 多重量
子井戸光吸収層、103…ショットキー障壁層、104…ショ
ットキー電極、201…半絶縁性 InP 基板、202…光吸収
層、203…ショットキー障壁層、204…ショットキー電
極。
子井戸光吸収層、103…ショットキー障壁層、104…ショ
ットキー電極、201…半絶縁性 InP 基板、202…光吸収
層、203…ショットキー障壁層、204…ショットキー電
極。
Claims (1)
- 【請求項１】半導体基板上に積層された、該半導体基板
よりも小さいバンドギャップを有する光吸収層の上面
に、一対の櫛形ショットキー電極を配置した半導体受光
素子において、上記光吸収層の一部または全体を多重量
子井戸構造としたことを特徴とする半導体受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5321572A JPH07176783A (ja) | 1993-12-21 | 1993-12-21 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5321572A JPH07176783A (ja) | 1993-12-21 | 1993-12-21 | 半導体受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07176783A true JPH07176783A (ja) | 1995-07-14 |
Family
ID=18134064
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5321572A Pending JPH07176783A (ja) | 1993-12-21 | 1993-12-21 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07176783A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009124010A (ja) * | 2007-11-16 | 2009-06-04 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光検出器 |
| CN106384755A (zh) * | 2016-11-29 | 2017-02-08 | 苏州苏纳光电有限公司 | InP基量子阱远红外探测器及其制作方法 |
| CN108878547A (zh) * | 2018-07-02 | 2018-11-23 | 厦门大学 | 一种高外量子效率的深紫外msm光电探测器 |
-
1993
- 1993-12-21 JP JP5321572A patent/JPH07176783A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009124010A (ja) * | 2007-11-16 | 2009-06-04 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光検出器 |
| CN106384755A (zh) * | 2016-11-29 | 2017-02-08 | 苏州苏纳光电有限公司 | InP基量子阱远红外探测器及其制作方法 |
| CN108878547A (zh) * | 2018-07-02 | 2018-11-23 | 厦门大学 | 一种高外量子效率的深紫外msm光电探测器 |
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