JPS5861679A - 量子井戸層付アバランシ・ホトダイオ−ド - Google Patents
量子井戸層付アバランシ・ホトダイオ−ドInfo
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- JPS5861679A JPS5861679A JP56159967A JP15996781A JPS5861679A JP S5861679 A JPS5861679 A JP S5861679A JP 56159967 A JP56159967 A JP 56159967A JP 15996781 A JP15996781 A JP 15996781A JP S5861679 A JPS5861679 A JP S5861679A
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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
- 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 at least one potential-jump barrier or surface barrier, 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 or surface barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode
- H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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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】
本発明は光通信装置W等に用いられるアバランシ・ホト
ダイオード(以下rAPDJと呼ぶ)の低雑音化に関す
るものである。
ダイオード(以下rAPDJと呼ぶ)の低雑音化に関す
るものである。
APDでは、入射光により励起されたキャリヤがp−−
n接合による高電界によって加速され増倍されるが、こ
の増幅過程でのゆらぎのために過剰増倍雑音が発生する
。電子と正孔のイオン化率をそれぞれα及びβとし、こ
れらの比率をに=α/β又はβ/αとすると、過剰雑音
指数は比率kに比例して減少することが知られている。
n接合による高電界によって加速され増倍されるが、こ
の増幅過程でのゆらぎのために過剰増倍雑音が発生する
。電子と正孔のイオン化率をそれぞれα及びβとし、こ
れらの比率をに=α/β又はβ/αとすると、過剰雑音
指数は比率kに比例して減少することが知られている。
従って、低雑音のAPDを得るためには、イオン化率比
にの大きい材料にイオン化率の大きな方のキャリヤを注
入し増倍を行なわせることが必要である。
にの大きい材料にイオン化率の大きな方のキャリヤを注
入し増倍を行なわせることが必要である。
現在、GaAs−MGaAs系発光素子を用いる波長0
.8μm付近における光通信にはS1結晶を用いたAP
Dが光検出素子として広く用いられているが、これはS
iかに=α/βΣ50と大きなイオン化率比を持ち、低
雑音APDに適しているためである。しかし、sl−A
PDは光通信に用いられる石英系光ファイバーの伝送損
失が低くなる10〜1.7μm波長域では使用すること
ができない。波長1μm帯に感度を有する光検出器とし
て従来から[有]結晶を用いたGe−APDがちるが、
[有]のイオン化率比はに=α/βさ1であるため、大
きな過剰雑音を示し最適な光検出器とはいえなイ。一方
、InGaAsP + AtGaAs5b等の■−v族
化合物半導体結晶を用いた1μm帯に光感度を有するA
PDの開発も進められつつある。
.8μm付近における光通信にはS1結晶を用いたAP
Dが光検出素子として広く用いられているが、これはS
iかに=α/βΣ50と大きなイオン化率比を持ち、低
雑音APDに適しているためである。しかし、sl−A
PDは光通信に用いられる石英系光ファイバーの伝送損
失が低くなる10〜1.7μm波長域では使用すること
ができない。波長1μm帯に感度を有する光検出器とし
て従来から[有]結晶を用いたGe−APDがちるが、
[有]のイオン化率比はに=α/βさ1であるため、大
きな過剰雑音を示し最適な光検出器とはいえなイ。一方
、InGaAsP + AtGaAs5b等の■−v族
化合物半導体結晶を用いた1μm帯に光感度を有するA
PDの開発も進められつつある。
この従来例のうちからIn O,53Ga o、47
As / I n Pにより構成された1μm波長帯用
APDの一例を第1図に示す。ここで1はn型InP基
板、2はn型1no、53Ga 0.47 As層、3
はn型InP層、4はp型InP層であり、5はp −
n接合を示している。基板側より入射した波長1〜1.
6μmの光8は基板を透過しIn0.530a0.4□
As層2にて吸収されキャリヤを励起する。
As / I n Pにより構成された1μm波長帯用
APDの一例を第1図に示す。ここで1はn型InP基
板、2はn型1no、53Ga 0.47 As層、3
はn型InP層、4はp型InP層であり、5はp −
n接合を示している。基板側より入射した波長1〜1.
6μmの光8は基板を透過しIn0.530a0.4□
As層2にて吸収されキャリヤを励起する。
ブレークダウン近傍の逆バイアス状態において励起され
たキャリヤはInP中のp−n接合5によって形成され
た高電界によりドリフトし、112層4内において増倍
される。このAPDKおける過剰雑音は、増倍領域すな
わちInPのイオン化率比kにより決定される。今まで
の報告では、このInPのイオン化率比にはに=β/α
さ2程度であるため、第1図に示したAPDの雑音はG
e−APDよ抄は低雑音となるものの、5i−APDの
雑音よりは明らかに劣っている。−例として述べたIn
P以外の■−■族化合物半導体においても、そのイオン
化率比kがSiのそれと同相1度となる材料は見当たら
ず、これらを用いたAPDの低雑音化には限界があった
。
たキャリヤはInP中のp−n接合5によって形成され
た高電界によりドリフトし、112層4内において増倍
される。このAPDKおける過剰雑音は、増倍領域すな
わちInPのイオン化率比kにより決定される。今まで
の報告では、このInPのイオン化率比にはに=β/α
さ2程度であるため、第1図に示したAPDの雑音はG
e−APDよ抄は低雑音となるものの、5i−APDの
雑音よりは明らかに劣っている。−例として述べたIn
P以外の■−■族化合物半導体においても、そのイオン
化率比kがSiのそれと同相1度となる材料は見当たら
ず、これらを用いたAPDの低雑音化には限界があった
。
本発明の目的は、キャリヤの増倍領域内に二つの異った
半導体からなる薄膜多層周期構造を設け、これによって
作られる量子井戸層でキャリヤの実効的なイオン化率比
を大きくシ、かつイオン化率の大なる電子のみを増倍領
域に注入することにより、APDの低雑音化を図ったL
子井戸層付アバランン・ホトダイオードを提供すること
にある。
半導体からなる薄膜多層周期構造を設け、これによって
作られる量子井戸層でキャリヤの実効的なイオン化率比
を大きくシ、かつイオン化率の大なる電子のみを増倍領
域に注入することにより、APDの低雑音化を図ったL
子井戸層付アバランン・ホトダイオードを提供すること
にある。
次に本発明の詳細についてInP −InGaAsP系
材料を用いた一実施例にもとづいて説明する。
材料を用いた一実施例にもとづいて説明する。
第2図は第1の実施例の横断面図である。不純物濃度I
X 10” cm−3のn型InP基板11の上に、
不純物濃度5X1017cy++−3,膜厚5pmのn
型InP層12を設け、その上に不純物濃度3 X 1
016 cm−3のn型InP層20(膜厚400A’
)とn型”0.53GaO,47As 1m 21 (
膜Jl 600A’ )を交互にそれぞれ50層設けた
量子井戸1−13を形成する。その上に不純物濃度5
X 16” cm−”膜厚2pmのp型1no、53G
ao、47AB層14と不純物濃度I X 1018c
m−3+膜厚1μmのp型InP層15を設ける。
X 10” cm−3のn型InP基板11の上に、
不純物濃度5X1017cy++−3,膜厚5pmのn
型InP層12を設け、その上に不純物濃度3 X 1
016 cm−3のn型InP層20(膜厚400A’
)とn型”0.53GaO,47As 1m 21 (
膜Jl 600A’ )を交互にそれぞれ50層設けた
量子井戸1−13を形成する。その上に不純物濃度5
X 16” cm−”膜厚2pmのp型1no、53G
ao、47AB層14と不純物濃度I X 1018c
m−3+膜厚1μmのp型InP層15を設ける。
第2図において円Aは薄膜多層周期構造の一部である円
Bを拡大したものでちり、また17 、18は金属電極
である。InP基板上に第2図に示すような半導体多層
構造を得るためには、膜厚制御性の優れた結晶成長法で
ある分子線エピタキ7ヤル法。
Bを拡大したものでちり、また17 、18は金属電極
である。InP基板上に第2図に示すような半導体多層
構造を得るためには、膜厚制御性の優れた結晶成長法で
ある分子線エピタキ7ヤル法。
気相エビタキ/ヤル法、′または有機金属を用いた気相
堆積法を使用する。波長1〜1.6μmの入射光19は
p型InP層15を透過してp型■nQ、53GjLO
,47Asj−14で吸収され、キャリヤを励起する。
堆積法を使用する。波長1〜1.6μmの入射光19は
p型InP層15を透過してp型■nQ、53GjLO
,47Asj−14で吸収され、キャリヤを励起する。
逆バイアス時
】8に向い、電子はp−n接合16による電界によって
ドリフトし薄膜多層構造の量子井戸層13に注入され、
この高電界領域において増胤される。
ドリフトし薄膜多層構造の量子井戸層13に注入され、
この高電界領域において増胤される。
このような量子井戸層13内での高電界によるキャリヤ
の増倍については、IEE ElectronicsL
etters + 16 ) P 467 (1980
)にH口述されている。
の増倍については、IEE ElectronicsL
etters + 16 ) P 467 (1980
)にH口述されている。
それによると、次の2つの理由により量子井戸層13に
よる実効的なイオン化率比に=α/βがその量子井戸層
13f:構成している材料面をのイオン化率比よりも著
しく増加する。
よる実効的なイオン化率比に=α/βがその量子井戸層
13f:構成している材料面をのイオン化率比よりも著
しく増加する。
(1)第3図に示したのは本実施例の量子井戸層13の
逆バイアス時におけるエネルギーバンド図であるが、こ
こでEg(InP ) 、 Eg (InGaAs )
はそれぞれInP 、 ■nO,53caO,47A8
の禁制帯幅、ΔEc 。
逆バイアス時におけるエネルギーバンド図であるが、こ
こでEg(InP ) 、 Eg (InGaAs )
はそれぞれInP 、 ■nO,53caO,47A8
の禁制帯幅、ΔEc 。
ΔEvはそれぞれコ/り“クションバンド側、バレ/ス
パント側のInPとIn0.53ca0.47”sの禁
制帯幅の相違に起因する不連続エネルギーである。その
ため、ΔEc+ΔEv + Eg (!nGaAs )
= Eg (InP )の関係が成り立ち、かつΔE
c)ΔEvである。
パント側のInPとIn0.53ca0.47”sの禁
制帯幅の相違に起因する不連続エネルギーである。その
ため、ΔEc+ΔEv + Eg (!nGaAs )
= Eg (InP )の関係が成り立ち、かつΔE
c)ΔEvである。
InP層2層外0In□、53 Ga。、47 As層
21に注入される電子ハ高いエネルギーΔBeをもって
いるのに対し、正孔はΔEvの如く低いため、電子のイ
オン化率αを増加させる。
21に注入される電子ハ高いエネルギーΔBeをもって
いるのに対し、正孔はΔEvの如く低いため、電子のイ
オン化率αを増加させる。
(2)量子井戸層13内では正孔−正孔の衝突が電子−
電子の衝突よりも多くなり、そのため正孔はバレンスパ
ントの井戸に電子よりも多く閉じこめられることになる
。そのため、電子のイオン化が正孔のイオン化よりも実
d的に増加する。
電子の衝突よりも多くなり、そのため正孔はバレンスパ
ントの井戸に電子よりも多く閉じこめられることになる
。そのため、電子のイオン化が正孔のイオン化よりも実
d的に増加する。
この量子井戸層13における実効的なイオン化率比に=
α/βは周期構造の間隔と各層の数及び不純物濃度に依
存するが、k=10〜30の値に設計することが可能で
ある。
α/βは周期構造の間隔と各層の数及び不純物濃度に依
存するが、k=10〜30の値に設計することが可能で
ある。
このような大きなイオン化率比を有する量子井戸層13
で増倍された電子は電極17に向い外部端子に増幅され
た電流信号を送り出す。このときの過剰増倍雑音は前述
したごとく増倍領域である量子井戸層13のイオン化率
比が大きいため、InP等の+n −v族化合物半導体
単体を増倍に用いたAPDと比較してはるかに低雑音と
なる。
で増倍された電子は電極17に向い外部端子に増幅され
た電流信号を送り出す。このときの過剰増倍雑音は前述
したごとく増倍領域である量子井戸層13のイオン化率
比が大きいため、InP等の+n −v族化合物半導体
単体を増倍に用いたAPDと比較してはるかに低雑音と
なる。
第4図は第2の実施例を示す断面図である。第2=aに
示した第1の実施例と異なる点はp−n接合16が量子
井戸層I3の上に設けられた不純物濃度3 X 101
5cm 3.膜厚0.5μm Lvn型InP層22と
不純物濃度5 X 10” Crn−3r膜厚0.3μ
mのp型1nP層23によって構成されている薇である
。この実施例におい層 で、最大電界強度点となるp−n接合16は■n1A2
2゜23内に形成されているため、禁制帯幅の小なる”
0.530a0.47As層14 、21に印加される
電界強度が緩和され、In O,53GaO,4□As
層におけるトンネル電流。
示した第1の実施例と異なる点はp−n接合16が量子
井戸層I3の上に設けられた不純物濃度3 X 101
5cm 3.膜厚0.5μm Lvn型InP層22と
不純物濃度5 X 10” Crn−3r膜厚0.3μ
mのp型1nP層23によって構成されている薇である
。この実施例におい層 で、最大電界強度点となるp−n接合16は■n1A2
2゜23内に形成されているため、禁制帯幅の小なる”
0.530a0.47As層14 、21に印加される
電界強度が緩和され、In O,53GaO,4□As
層におけるトンネル電流。
生成−再結合電流といった暗電流成分を減少させること
ができ、光検出器としての雑音をさらに減少させること
が可能となる。この実施例においても大きなイオン化率
比を%−>量子井戸層に電子が注入され、増倍される過
程は第1の実施例と同じであることは言う1でもない。
ができ、光検出器としての雑音をさらに減少させること
が可能となる。この実施例においても大きなイオン化率
比を%−>量子井戸層に電子が注入され、増倍される過
程は第1の実施例と同じであることは言う1でもない。
以上の実施例では、I n 053 Ga o、47’
As 層を光を吸収しキャリヤを励起する領域とし、
In0.53Gao、47A8層とInP層とからなる
量子井戸層を注入された電子を増倍する領域とすること
により、波長1.0〜1.6μmの光に感度を有する高
感度がり低雑音のアバラン/・ホトダイオードが実現で
きることを示した。
As 層を光を吸収しキャリヤを励起する領域とし、
In0.53Gao、47A8層とInP層とからなる
量子井戸層を注入された電子を増倍する領域とすること
により、波長1.0〜1.6μmの光に感度を有する高
感度がり低雑音のアバラン/・ホトダイオードが実現で
きることを示した。
しかし、本発明は他のIII−V族化合物半導体AtG
aAs −GaAs系、 AITnGaAa −InP
系。
aAs −GaAs系、 AITnGaAa −InP
系。
InGaAsP −1nP系、 AtGaAs5b−G
aSb系等にッzても適用が可能であり、更に導電型に
ついても実施例とは逆の導電型の半導体を用いることも
8J能である。また、実施例ではメサ型構造のAPDに
ついて示したが、ブレーナ型を用いてもよいことはぎ、
うまでもない。
aSb系等にッzても適用が可能であり、更に導電型に
ついても実施例とは逆の導電型の半導体を用いることも
8J能である。また、実施例ではメサ型構造のAPDに
ついて示したが、ブレーナ型を用いてもよいことはぎ、
うまでもない。
以上説明したように、本発明によれば、■−■族化合物
半導体単体では実現し得なかった大きなイオン化率化を
量子井戸層を用いることにより実現し、かつイオン化率
の大なる電子のみが増倍領域である量子井戸層に注入、
されるため、惨めで低雑音な7バラ/ン・ホトダイオー
ドを得ることができ、その光通信等への応用価値は極め
て犬である。
半導体単体では実現し得なかった大きなイオン化率化を
量子井戸層を用いることにより実現し、かつイオン化率
の大なる電子のみが増倍領域である量子井戸層に注入、
されるため、惨めで低雑音な7バラ/ン・ホトダイオー
ドを得ることができ、その光通信等への応用価値は極め
て犬である。
第1図は従来のアバランシ・ホトダイオードの一例を示
す縦断面図、第2図は本発明による縫子井戸層を有する
アバランシ・ホトダイオードの第1の実施例を示す縦断
面図、第3図は第2図の実施例における量子井戸の逆バ
イアス印加時におけるエネルギー構造の模式図、第4図
は本発明の第2の実施例を示す縦断面図である。 1−n型InP基板、2−・−n型In O,53Ga
O,47As層、3 ・n型InP層、4−p型In
P層、5−p−n接合、6.7・・・金属電極、8・・
・入射光、11・・・n型InP基板、12・・・n型
InP層、13・・・薄膜多層周期構造を有する量子井
戸層、14=−p型■n0.53aaO,47As層、
15− p型InP層、16 ・−p−n接合、17
、18−金属電極、19・・・入射光、20・・・n厚
InP層、21・・・n型InO,53GaO,47A
s層、22− n型InP層、23・−p型InP層。 特許出願人 国際電信電話株式会社 代 理 人 犬 塚 学外l逮
す縦断面図、第2図は本発明による縫子井戸層を有する
アバランシ・ホトダイオードの第1の実施例を示す縦断
面図、第3図は第2図の実施例における量子井戸の逆バ
イアス印加時におけるエネルギー構造の模式図、第4図
は本発明の第2の実施例を示す縦断面図である。 1−n型InP基板、2−・−n型In O,53Ga
O,47As層、3 ・n型InP層、4−p型In
P層、5−p−n接合、6.7・・・金属電極、8・・
・入射光、11・・・n型InP基板、12・・・n型
InP層、13・・・薄膜多層周期構造を有する量子井
戸層、14=−p型■n0.53aaO,47As層、
15− p型InP層、16 ・−p−n接合、17
、18−金属電極、19・・・入射光、20・・・n厚
InP層、21・・・n型InO,53GaO,47A
s層、22− n型InP層、23・−p型InP層。 特許出願人 国際電信電話株式会社 代 理 人 犬 塚 学外l逮
Claims (2)
- (1)受光する当該光を吸収して光励起キャリヤを発生
する第1の半導体層と、前記光励起キャリヤを増倍する
ために第2の半導体及び第3の半導体の薄膜多層周期構
造からなる量子井戸層と、前記第1の半導体層と前記量
子井戸層との間に介在するp−n接合とを備えるように
構成されたl子井戸層付アバランシ・ホトダイオード。 - (2)前記量子井戸層には電子のみが注入されるように
前記p−n接合が前記第1の半導体とは異なった禁制帯
幅の広い半導体層内に設けられていることを特徴とする
特許請求の範囲第1項に記載の量子井戸層付アバランシ
・ホトダイオード。
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JP56159967A JPS5861679A (ja) | 1981-10-07 | 1981-10-07 | 量子井戸層付アバランシ・ホトダイオ−ド |
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JP56159967A JPS5861679A (ja) | 1981-10-07 | 1981-10-07 | 量子井戸層付アバランシ・ホトダイオ−ド |
Publications (2)
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JPS6328506B2 JPS6328506B2 (ja) | 1988-06-08 |
Family
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Family Applications (1)
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JP56159967A Granted JPS5861679A (ja) | 1981-10-07 | 1981-10-07 | 量子井戸層付アバランシ・ホトダイオ−ド |
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