JPH0821727B2 - 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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- JPH0821727B2 JPH0821727B2 JP63291583A JP29158388A JPH0821727B2 JP H0821727 B2 JPH0821727 B2 JP H0821727B2 JP 63291583 A JP63291583 A JP 63291583A JP 29158388 A JP29158388 A JP 29158388A JP H0821727 B2 JPH0821727 B2 JP H0821727B2
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Classifications
-
- 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
- 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 potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/107—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
- 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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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光通信等に用いる受光素子に関する。
（従来の技術） 光通信に用いられる受光素子は高速・高感度であるこ
とが要求される。この要求を満たすものとしてアバラン
シェフォトダイオードが広く用いられている。アバラン
シェフォトダイオードの雑音指数を決める材料のパラメ
ータとして電子増倍層の電子と正孔のイオン化率比（α
／β比）がある。
とが要求される。この要求を満たすものとしてアバラン
シェフォトダイオードが広く用いられている。アバラン
シェフォトダイオードの雑音指数を決める材料のパラメ
ータとして電子増倍層の電子と正孔のイオン化率比（α
／β比）がある。
アバランシェフォトダイオードの感度特性はアバラン
シェ増倍過程に強く依存しているため高速度での感度を
向上するためにはアバランシェ雑音の小さな材料系を電
子増倍層に用いる必要がある。アバランシェ増倍過程は
キャリアが電場によってエネルギーギャップの1.5倍程
度のエネルギーを得てから散乱してイオン化を起こす現
象である。電子と正孔のイオン化の頻度であるイオン化
率はそれぞれαとβとで表わされるが電子増倍層ではα
がβよりも十分大きいことが必要である。もしαとβが
等しいと電子と正孔が等確率でイオン化されるため、イ
オン化の連鎖反応が持続してランダムショット雑音が大
きくなってしまう。ショット雑音のスペクトル密度iNS
は光電流をＩ、増倍率をＭ、単位電荷をｑとして、次式
で表わされる 0.8μｍ帯に用いられるSiの場合、α／β比は20程度あ
り高い性能が得られる。いっぽう1.55μｍ帯で用いられ
るアバランシェフォトダイオードでは電子増倍層にInP
を用いているためα／β比は２程度で低雑音化には限界
があった。最近チンら（Chin.R,etal.）によってエレク
トロニクスレターズ誌（Electronics Letters）16巻、4
67頁（1980）で提案され、カパソら（Capaso.F,etal）
によりアプライドフィジックレターズ誌（Applied Phys
ics Letters）47巻、597頁（1985）で報告されたアバラ
ンシェフォトダイオードは電子増倍層にInGaAs/InAlAs
超格子を用いてInGaAsとInAlAsの間の大きな伝導帯不連
続（0.5eV）によりα／β比を高めることを試みてい
る。
シェ増倍過程に強く依存しているため高速度での感度を
向上するためにはアバランシェ雑音の小さな材料系を電
子増倍層に用いる必要がある。アバランシェ増倍過程は
キャリアが電場によってエネルギーギャップの1.5倍程
度のエネルギーを得てから散乱してイオン化を起こす現
象である。電子と正孔のイオン化の頻度であるイオン化
率はそれぞれαとβとで表わされるが電子増倍層ではα
がβよりも十分大きいことが必要である。もしαとβが
等しいと電子と正孔が等確率でイオン化されるため、イ
オン化の連鎖反応が持続してランダムショット雑音が大
きくなってしまう。ショット雑音のスペクトル密度iNS
は光電流をＩ、増倍率をＭ、単位電荷をｑとして、次式
で表わされる 0.8μｍ帯に用いられるSiの場合、α／β比は20程度あ
り高い性能が得られる。いっぽう1.55μｍ帯で用いられ
るアバランシェフォトダイオードでは電子増倍層にInP
を用いているためα／β比は２程度で低雑音化には限界
があった。最近チンら（Chin.R,etal.）によってエレク
トロニクスレターズ誌（Electronics Letters）16巻、4
67頁（1980）で提案され、カパソら（Capaso.F,etal）
によりアプライドフィジックレターズ誌（Applied Phys
ics Letters）47巻、597頁（1985）で報告されたアバラ
ンシェフォトダイオードは電子増倍層にInGaAs/InAlAs
超格子を用いてInGaAsとInAlAsの間の大きな伝導帯不連
続（0.5eV）によりα／β比を高めることを試みてい
る。
この構造は超格子におけるバンド不連続をイオン化エ
ネルギーに寄与させてイオン化率比を高めようとするも
のである。増倍層でのイオン化率はイオン化率エネルギ
ーEi,th、フォノン散乱エネルギーERおよびフォノン散
乱過程での平均自由行程λを用いると電場Ｅの関数とし
て、 と表わせる。増倍層に超格子を用い超格子でのバンド不
連続が伝導帯を価電子帯についてそれぞれΔEc、ΔEVあ
るとすると、上式のEi,thはバンド不連続によって、そ
れぞれ に変化する。ただし はバルクでのイオン化エネルギーである。イオン化率の
表式の中でイオン化エネルギーは指数関数の肩に入って
いるため、イオン化エネルギーの変化はイオン化率に大
きな影響を与える。α／β比を大きくするためにはΔEC
＞＞ΔEVであればよい。また超格子の増倍層では価電子
帯の不連続は正孔に対するキャリアトラップとして働く
から正孔のトラップによる応答特性の劣化を防ぐために
はΔEV＝０であることが望まれる。
ネルギーに寄与させてイオン化率比を高めようとするも
のである。増倍層でのイオン化率はイオン化率エネルギ
ーEi,th、フォノン散乱エネルギーERおよびフォノン散
乱過程での平均自由行程λを用いると電場Ｅの関数とし
て、 と表わせる。増倍層に超格子を用い超格子でのバンド不
連続が伝導帯を価電子帯についてそれぞれΔEc、ΔEVあ
るとすると、上式のEi,thはバンド不連続によって、そ
れぞれ に変化する。ただし はバルクでのイオン化エネルギーである。イオン化率の
表式の中でイオン化エネルギーは指数関数の肩に入って
いるため、イオン化エネルギーの変化はイオン化率に大
きな影響を与える。α／β比を大きくするためにはΔEC
＞＞ΔEVであればよい。また超格子の増倍層では価電子
帯の不連続は正孔に対するキャリアトラップとして働く
から正孔のトラップによる応答特性の劣化を防ぐために
はΔEV＝０であることが望まれる。
（発明が解決しようとする課題） しかし、InGaAs/InAlAs超格子においては価電子帯に
も不連続は存在し（0.2eV）電子増倍層のα／β比を大
きくするための障害となっていた。また、0.2eVの価電
子帯の不連続は電子増倍層に正孔のトラップを作り、応
答特性を劣化させる。本発明はα／β比の大きな電子増
倍層を持つ低雑音アバランシェフォトダイオードを提供
することを目的とする。
も不連続は存在し（0.2eV）電子増倍層のα／β比を大
きくするための障害となっていた。また、0.2eVの価電
子帯の不連続は電子増倍層に正孔のトラップを作り、応
答特性を劣化させる。本発明はα／β比の大きな電子増
倍層を持つ低雑音アバランシェフォトダイオードを提供
することを目的とする。
（課題を解決するための手段） 本発明のアバランシェフォトダイオードは、InPに格
子整合するInAlAs混晶と、InPに格子整合し室温におけ
る禁制帯幅が1.0eVから1.2eVの間にあるInGaAsP混晶を
交互に積層し、InAlAs混晶とInGaAsP混晶との価電子帯
不連続をほぼ０にした超格子を電子増倍層とすることを
特徴とする。
子整合するInAlAs混晶と、InPに格子整合し室温におけ
る禁制帯幅が1.0eVから1.2eVの間にあるInGaAsP混晶を
交互に積層し、InAlAs混晶とInGaAsP混晶との価電子帯
不連続をほぼ０にした超格子を電子増倍層とすることを
特徴とする。
（作用） 超格子を用いた電子増倍層でα／β比を大きくするた
めには伝導帯の不連続を大きくし、価電子帯の不連続を
できるだけ小さくすることが必要である。InPに格子整
合するInAlAs混晶の価電子帯のエネルギーEV（InAlAs）
はInPの価電子の頂上から測って150meVの位置にある。
一方、InPに格子整合するInGaAsP混晶の価電子帯のエネ
ルギーEV（InGaAsP）は、InPの禁制帯幅をEg1,InGaAsP
混晶の禁制帯幅をEg2とすると EV（InGaAsP）＝0.6×（Eg1−Eg2） の位置にある。InGaAsP混晶の禁制帯幅は0.75eV（InGaA
s）から1.35eV（InP）まで変化するからEV（InGaAsP）
は０から360meVまで変化させることができる。1.0eV＜E
g2＜1.2eVの範囲ではEV（InAlAs）とEV（InGaAsP）の差
は60meV以下となりInAlAsとInGaAsPとの価電子帯不連続
を小さくできる。このとき伝導帯の不連続は320meV以上
あって十分大きい。このため、InPに格子整合するInAlA
s混晶と、InPに格市整合して室温における禁制帯幅が1.
0eVから1.2eVの間にあるInGaAsP混晶を交互に積層した
超格子を電子増倍層とすることによりα／β比を大きく
することができる。
めには伝導帯の不連続を大きくし、価電子帯の不連続を
できるだけ小さくすることが必要である。InPに格子整
合するInAlAs混晶の価電子帯のエネルギーEV（InAlAs）
はInPの価電子の頂上から測って150meVの位置にある。
一方、InPに格子整合するInGaAsP混晶の価電子帯のエネ
ルギーEV（InGaAsP）は、InPの禁制帯幅をEg1,InGaAsP
混晶の禁制帯幅をEg2とすると EV（InGaAsP）＝0.6×（Eg1−Eg2） の位置にある。InGaAsP混晶の禁制帯幅は0.75eV（InGaA
s）から1.35eV（InP）まで変化するからEV（InGaAsP）
は０から360meVまで変化させることができる。1.0eV＜E
g2＜1.2eVの範囲ではEV（InAlAs）とEV（InGaAsP）の差
は60meV以下となりInAlAsとInGaAsPとの価電子帯不連続
を小さくできる。このとき伝導帯の不連続は320meV以上
あって十分大きい。このため、InPに格子整合するInAlA
s混晶と、InPに格市整合して室温における禁制帯幅が1.
0eVから1.2eVの間にあるInGaAsP混晶を交互に積層した
超格子を電子増倍層とすることによりα／β比を大きく
することができる。
（実施例） 第１図は本発明の実施例のアバランシェフォトダイオ
ードの一例を示す構造図である。実施例のアバランシェ
フォトダイオードは以下のような手順で作製される。p+
−InPの基板11上にZnをドーブ（ｎ＝２×1017cm-3）し
た厚さ1.0μｍのｐ−InPよりなる結晶成長の際、以降の
層の結晶品質を向上させるバッファ層12、アンドープで
厚さ２μｍのIn0.53Ga0.47Asからなる光を吸収して電子
を発生する光吸収層13、厚さ10nmのIn0.52Al0.48Asの障
壁層141と厚さが10nmのIn0.83Ga0.17As0.87Ｐ0.63の井
戸層142を交互に40回積層したアバランシェ増倍により
電子を選択的に増倍する電子増倍層14、および厚さ２μ
ｍのアンドーブInPよりなる光を透過すると同時にpn接
合を形成するウィンド層15を有機金属気相成長法により
積層する。ウィンド層15にはSnを２×10cm18cm-3拡散し
てpn接合を形成し、AuGeNi合金よりなるリング型のｎ側
電極16をウィンド層上に形成し、AuZn合金からなるｐ側
電極17は基板11を150μｍの厚さに研磨した後基板11の
裏面に形成される。ｎ側電極16とｐ側電極17との間に、
アバランシェ増倍に必要な50V程度の電圧を印加する。
ードの一例を示す構造図である。実施例のアバランシェ
フォトダイオードは以下のような手順で作製される。p+
−InPの基板11上にZnをドーブ（ｎ＝２×1017cm-3）し
た厚さ1.0μｍのｐ−InPよりなる結晶成長の際、以降の
層の結晶品質を向上させるバッファ層12、アンドープで
厚さ２μｍのIn0.53Ga0.47Asからなる光を吸収して電子
を発生する光吸収層13、厚さ10nmのIn0.52Al0.48Asの障
壁層141と厚さが10nmのIn0.83Ga0.17As0.87Ｐ0.63の井
戸層142を交互に40回積層したアバランシェ増倍により
電子を選択的に増倍する電子増倍層14、および厚さ２μ
ｍのアンドーブInPよりなる光を透過すると同時にpn接
合を形成するウィンド層15を有機金属気相成長法により
積層する。ウィンド層15にはSnを２×10cm18cm-3拡散し
てpn接合を形成し、AuGeNi合金よりなるリング型のｎ側
電極16をウィンド層上に形成し、AuZn合金からなるｐ側
電極17は基板11を150μｍの厚さに研磨した後基板11の
裏面に形成される。ｎ側電極16とｐ側電極17との間に、
アバランシェ増倍に必要な50V程度の電圧を印加する。
本実施例のアバランシェフォトダイオードにおけるエ
ネルギーダイアグラムを第２図に示す。電子増倍層14に
おける伝導帯の不連続は大きく価電子等の不連続は０に
なっている。
ネルギーダイアグラムを第２図に示す。電子増倍層14に
おける伝導帯の不連続は大きく価電子等の不連続は０に
なっている。
本実施例におけるアバランシェフォトダイオードの電
子増倍層14の井戸層142となるIn0.83Ga0.17As0.37Ｐ
0.63は禁制帯幅が1.0eVであり、障壁層141となるIn0.52
Al0.48Asに対する伝導帯不連続は0.46eVあり、一方価電
子帯の不連続は０となる。このため、ウインド層15、電
子増倍層14を透過した光は光吸収層13で電子正孔対を発
生するが、このうち電子のみが電子増倍層14に注入さ
れ、大きな伝導帯の不連続による実効的なイオン化エネ
ルギーの減少によって高い確率でイオン化される。一
方、正孔は価電子帯の不連続が存在しないため、イオン
化率は増大せず、電子のアバランシェ増倍が支配的にな
る。このため、α／β比が大きくなって低雑音の増倍が
行なわれる。同時に、価電子帯に不連続がないため、電
子増倍層14で正孔がトラップされることはなく、応答特
性を劣化しない。
子増倍層14の井戸層142となるIn0.83Ga0.17As0.37Ｐ
0.63は禁制帯幅が1.0eVであり、障壁層141となるIn0.52
Al0.48Asに対する伝導帯不連続は0.46eVあり、一方価電
子帯の不連続は０となる。このため、ウインド層15、電
子増倍層14を透過した光は光吸収層13で電子正孔対を発
生するが、このうち電子のみが電子増倍層14に注入さ
れ、大きな伝導帯の不連続による実効的なイオン化エネ
ルギーの減少によって高い確率でイオン化される。一
方、正孔は価電子帯の不連続が存在しないため、イオン
化率は増大せず、電子のアバランシェ増倍が支配的にな
る。このため、α／β比が大きくなって低雑音の増倍が
行なわれる。同時に、価電子帯に不連続がないため、電
子増倍層14で正孔がトラップされることはなく、応答特
性を劣化しない。
（発明の効果） 本発明の効果を要約すると、α／β比が大きな電子増
倍層をもつ低雑音のアバランシェフォトダイオードが得
られることである。
倍層をもつ低雑音のアバランシェフォトダイオードが得
られることである。
第１図は本発明の一実施例の構造図である。第２図は本
発明のアラバンシェフォトダイオードに電圧を印加した
時のエネルギーダイアグラムである。図中、 11……基板、12……バッファ層、13……光吸収層、14…
…電子増倍層、15……ウィンド層、16……ｎ側電極、17
……ｐ側電極、141……障壁層、142……井戸層。
発明のアラバンシェフォトダイオードに電圧を印加した
時のエネルギーダイアグラムである。図中、 11……基板、12……バッファ層、13……光吸収層、14…
…電子増倍層、15……ウィンド層、16……ｎ側電極、17
……ｐ側電極、141……障壁層、142……井戸層。
Claims (1)
- 【請求項１】アバランシェ増倍に与る電子増倍層とキャ
リア発生に与る光吸収層とを少くとも積層した多層構造
をInP基板上に備えたアバランシェフォトダイオードに
おいて、InPに格子整合するInAlAs混晶と、InPに格子整
合し室温における禁制帯幅が1.0eVから1.2eVの間にある
InGaAsP混晶を交互に積層し、前記InAlAs混晶と前記InG
aAsP混晶との価電子帯不連続をほぼ０にした超格子を電
子増倍層とすることを特徴とするアバランシェフォトダ
イオード。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63291583A JPH0821727B2 (ja) | 1988-11-18 | 1988-11-18 | アバランシェフォトダイオード |
| US07/437,562 US4982255A (en) | 1988-11-18 | 1989-11-17 | Avalanche photodiode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63291583A JPH0821727B2 (ja) | 1988-11-18 | 1988-11-18 | アバランシェフォトダイオード |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02137376A JPH02137376A (ja) | 1990-05-25 |
| JPH0821727B2 true JPH0821727B2 (ja) | 1996-03-04 |
Family
ID=17770812
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63291583A Expired - Lifetime JPH0821727B2 (ja) | 1988-11-18 | 1988-11-18 | アバランシェフォトダイオード |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4982255A (ja) |
| JP (1) | JPH0821727B2 (ja) |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3839513A1 (de) * | 1988-11-23 | 1990-05-31 | Messerschmitt Boelkow Blohm | Bildsensor |
| JP2700492B2 (ja) * | 1989-08-03 | 1998-01-21 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
| US6127692A (en) * | 1989-08-04 | 2000-10-03 | Canon Kabushiki Kaisha | Photoelectric conversion apparatus |
| US5352904A (en) * | 1989-12-27 | 1994-10-04 | Hughes Aircraft Company | Multiple quantum well superlattice infrared detector with low dark current and high quantum efficiency |
| JP2941349B2 (ja) * | 1990-04-06 | 1999-08-25 | 株式会社日立製作所 | 超格子ａｐｄ |
| JP2934294B2 (ja) * | 1990-04-09 | 1999-08-16 | 日本電信電話株式会社 | アバランシェフォトダイオード |
| JP2937404B2 (ja) * | 1990-04-18 | 1999-08-23 | 日本電気株式会社 | 半導体受光素子 |
| JPH07123170B2 (ja) * | 1990-08-07 | 1995-12-25 | 光計測技術開発株式会社 | 受光素子 |
| JPH04125977A (ja) * | 1990-09-17 | 1992-04-27 | Nec Corp | ヘテロ多重構造アバランシ・フォトダイオード |
| US5204539A (en) * | 1991-01-28 | 1993-04-20 | Nec Corporation | Avalanche photodiode with hetero-periodical structure |
| JP2001332759A (ja) | 2000-03-16 | 2001-11-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | アバランシェフォトダイオード |
| WO2002027805A2 (en) * | 2000-09-29 | 2002-04-04 | Board Of Regents, The University Of Texas System | A theory of the charge multiplication process in avalanche photodiodes |
| CN100557826C (zh) * | 2004-10-25 | 2009-11-04 | 三菱电机株式会社 | 雪崩光电二极管 |
| JP5015494B2 (ja) * | 2006-05-22 | 2012-08-29 | 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 | 半導体受光素子 |
| US8239176B2 (en) * | 2008-02-13 | 2012-08-07 | Feng Ma | Simulation methods and systems for carriers having multiplications |
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