JPS61212072A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPS61212072A JPS61212072A JP60053688A JP5368885A JPS61212072A JP S61212072 A JPS61212072 A JP S61212072A JP 60053688 A JP60053688 A JP 60053688A JP 5368885 A JP5368885 A JP 5368885A JP S61212072 A JPS61212072 A JP S61212072A
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- 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
- H01L31/0248—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 characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures
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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】
〔産業上の利用分野〕
本発明は長波長帯領域の受光が可能な半導体受光素子に
関する。
関する。
１〜１．６μｍ帯の光通信用半導体受光素子として、Ｉ
ｎＰ基板に格子整合したＩｎｏ、５ｓＧａｏ、ａｔｋｓ
を光吸収層とするＰＩＮホトダイオードやアバランシュ
ホトダイオードが知られている。これらの受光素子にお
いては、吸収端はＩ ｎ ａ、ｓ３ Ｇ ａ ｏ、ａｔ
Ａ Ｓの禁制帯幅Ｑ、７３ｅＶによって決定される為
、１．７μｍ程度である。更により長波長帯の光を受光
するには、光吸収層であるＩｎｔ−、ＧａｘＡｓ層に層
においてｘ＜０．４７にする必要があるが、この場合Ｉ
ｎＰ基板との格子不整合による応力が生じて良好な素子
特性を有する高品質結晶が得られない。またＩｎＰ基板
上にＩｎＡｓｙＰｌ−ｙ層をｙを除々に増加させて連続
的な組成変化を有するように形成し、最終的にはＩｎＡ
ｓｙＰｌ−ｙ層に格子整合した光吸収層ＩｎｘＧａｔ−
ｘＡｓ層（Ｘ＜０．４７）を得ることも考えられる（例
えば、ジャーナル・オブクリスタに一グｏ−ス（Ｊ、
Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏ−ｗｔｈ）１９８０．５０．Ｐ
Ｐ、４８１ ４８４を参照されたい。）。しかしながら
、この場合も連続的に変化する１ｎＡｓｙＰｘ−ｙ層に
よって応力の問題は回避できても、格子不整合による結
晶欠陥や転位の導入が考えられ、良好な素子特性が期待
できない。
ｎＰ基板に格子整合したＩｎｏ、５ｓＧａｏ、ａｔｋｓ
を光吸収層とするＰＩＮホトダイオードやアバランシュ
ホトダイオードが知られている。これらの受光素子にお
いては、吸収端はＩ ｎ ａ、ｓ３ Ｇ ａ ｏ、ａｔ
Ａ Ｓの禁制帯幅Ｑ、７３ｅＶによって決定される為
、１．７μｍ程度である。更により長波長帯の光を受光
するには、光吸収層であるＩｎｔ−、ＧａｘＡｓ層に層
においてｘ＜０．４７にする必要があるが、この場合Ｉ
ｎＰ基板との格子不整合による応力が生じて良好な素子
特性を有する高品質結晶が得られない。またＩｎＰ基板
上にＩｎＡｓｙＰｌ−ｙ層をｙを除々に増加させて連続
的な組成変化を有するように形成し、最終的にはＩｎＡ
ｓｙＰｌ−ｙ層に格子整合した光吸収層ＩｎｘＧａｔ−
ｘＡｓ層（Ｘ＜０．４７）を得ることも考えられる（例
えば、ジャーナル・オブクリスタに一グｏ−ス（Ｊ、
Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏ−ｗｔｈ）１９８０．５０．Ｐ
Ｐ、４８１ ４８４を参照されたい。）。しかしながら
、この場合も連続的に変化する１ｎＡｓｙＰｘ−ｙ層に
よって応力の問題は回避できても、格子不整合による結
晶欠陥や転位の導入が考えられ、良好な素子特性が期待
できない。
以上、述べた様にＩｎＰ基板上に光吸収層としてＩ ｎ
１−１ Ｇ ａ Ｘ Ａｓ層を有する構造においては
、】、７μｍ以上の吸収端を有する長波長帯領域の受光
が可能な半導体受光素子が得られなかった。
１−１ Ｇ ａ Ｘ Ａｓ層を有する構造においては
、】、７μｍ以上の吸収端を有する長波長帯領域の受光
が可能な半導体受光素子が得られなかった。
本発明は、従来技術のかかる欠点を除去し１．７μｍ以
上の長波長帯領域の受光が可能な半導体受光素子を提供
することにある。
上の長波長帯領域の受光が可能な半導体受光素子を提供
することにある。
本発明は以下の構成をとることにより従来技術の問題点
を解決した。すなわち、本発明はある格子定数を有する
半導体基板上に、光吸収層として格子定数が半導体基板
の格子定数よりも大きい第一の半導体層と半導体基板の
格子定数よりも小さい第二の半導体層の超薄膜層を交互
に積層して設けたことを特徴とする。
を解決した。すなわち、本発明はある格子定数を有する
半導体基板上に、光吸収層として格子定数が半導体基板
の格子定数よりも大きい第一の半導体層と半導体基板の
格子定数よりも小さい第二の半導体層の超薄膜層を交互
に積層して設けたことを特徴とする。
第一半導体層および第二半導体層の一層の犀さは数十か
ら数百オングストローム程度に選ばれる。
ら数百オングストローム程度に選ばれる。
以下本発明について図面を参照して詳細に説明する。第
１図は本発明の１実施例を示す断面図で、ｎ型ＩｎＰ基
板上にバッファ層であるｎ型ＩｎＰ層（厚さ１／ｊｍ、
不純物濃度ｌＸｌ０”ｃｍ ）２を形成し、その上に
１ｎＰ基板１よりも大きな格子定数を有するｎ型ＩｎＡ
ｓ層（厚さ２１２Ａ、不純物濃度ｌＸｌ０ ｃｍ ）
３とＩｎＰ基板１よりも小さな格子定数を有するｎ型Ｇ
ａ Ａ ｓ層（厚さ１８８Ａ。
１図は本発明の１実施例を示す断面図で、ｎ型ＩｎＰ基
板上にバッファ層であるｎ型ＩｎＰ層（厚さ１／ｊｍ、
不純物濃度ｌＸｌ０”ｃｍ ）２を形成し、その上に
１ｎＰ基板１よりも大きな格子定数を有するｎ型ＩｎＡ
ｓ層（厚さ２１２Ａ、不純物濃度ｌＸｌ０ ｃｍ ）
３とＩｎＰ基板１よりも小さな格子定数を有するｎ型Ｇ
ａ Ａ ｓ層（厚さ１８８Ａ。
不純物濃度ｌＸｌ０ Ｃｍ ）４を交互に２５層ず
つ１μｍ程度形成し、さらにその上にウィンド層として
ｎｑｌｎＰ層（厚δ１μｍ、不純物濃度１ｘ１０ ｃ
ｍ ）５を形成した。その上に８ｉ０２膜９を設け、
ホトエツチング法により中央部を除去し、Ｚｎ拡散法に
よりＰ領域６を形成し、ｎ型電極としてＡｕＧｅ７、ｐ
型゛隠極ＡｕＧｅＮ１３を蒸着により形成した。受光領
域の直径は、Ｐ拡散領と等しく１００μｍである。
つ１μｍ程度形成し、さらにその上にウィンド層として
ｎｑｌｎＰ層（厚δ１μｍ、不純物濃度１ｘ１０ ｃ
ｍ ）５を形成した。その上に８ｉ０２膜９を設け、
ホトエツチング法により中央部を除去し、Ｚｎ拡散法に
よりＰ領域６を形成し、ｎ型電極としてＡｕＧｅ７、ｐ
型゛隠極ＡｕＧｅＮ１３を蒸着により形成した。受光領
域の直径は、Ｐ拡散領と等しく１００μｍである。
この場合、ＩｎＡｓ層とＧａＡｓ層の層厚は各々のＩｎ
Ｐに対する格子定数の差によって次のようにして決定さ
れている。各材料の格子定数は、次の様に知られている
３、 ＩｎＰの格子定数 ａＩｎＰ＝５．８６８７５ＡＧａＡ
ｓの格子定数 ａＧａＡｋ ” ５．６５３２５ Ａｌ
ｎＡｓの格子定数 ａ ＩａＡｓ ＝ ６．０５８４
ＡここでＩｎＡｓ層はＩｎＰよりも長い格子定数を有す
るため引っ張り応力として働き、Ｇ ａ Ａ ｓ層は短
い格子定数を有するため圧縮応力として働く。
Ｐに対する格子定数の差によって次のようにして決定さ
れている。各材料の格子定数は、次の様に知られている
３、 ＩｎＰの格子定数 ａＩｎＰ＝５．８６８７５ＡＧａＡ
ｓの格子定数 ａＧａＡｋ ” ５．６５３２５ Ａｌ
ｎＡｓの格子定数 ａ ＩａＡｓ ＝ ６．０５８４
ＡここでＩｎＡｓ層はＩｎＰよりも長い格子定数を有す
るため引っ張り応力として働き、Ｇ ａ Ａ ｓ層は短
い格子定数を有するため圧縮応力として働く。
ＩｎＡｓ層とＧ ａ Ａ ｓ層の積層構造が全体として
応力が存在しない様にする為には、次の（１）式の様な
関係が成立する必要がある。
応力が存在しない様にする為には、次の（１）式の様な
関係が成立する必要がある。
ＬｆＡｍ （ａ ＩＩＩＡＩ−ａＩａＰ ）＝”ＧａＡ
ｍ （ａ ＩｎＰ−ａＧａＡａ ）・・・・・・（１） ここでＩ’ ｒｎＡｓはＩｎＡｓ層厚、ＬＧｍＡｓはＧ
ａＡｓ層厚である。よってＩ ｎ Ａ ｓ層、ＧａＡｓ
層−周期の層厚をＬとすると、Ｌ ＩｎＡ１ ＋ ”Ｇ
ａＡｓは（２） 、 （３）式で示される。
ｍ （ａ ＩｎＰ−ａＧａＡａ ）・・・・・・（１） ここでＩ’ ｒｎＡｓはＩｎＡｓ層厚、ＬＧｍＡｓはＧ
ａＡｓ層厚である。よってＩ ｎ Ａ ｓ層、ＧａＡｓ
層−周期の層厚をＬとすると、Ｌ ＩｎＡ１ ＋ ”Ｇ
ａＡｓは（２） 、 （３）式で示される。
本実施例の場合、−周期を４０ＯＡとし、（２） 、
（３）式に従いＩ ｎ Ａ ｓ層厚を２１２Ａ、ＧａＡ
ｓ層厚を１８８Ａとした。この様なＩｎＡｓ層、ＧａＡ
ｓ層による超薄膜構造をＩｎＰ基板上に形成すると無応
力な状態が得られる。
（３）式に従いＩ ｎ Ａ ｓ層厚を２１２Ａ、ＧａＡ
ｓ層厚を１８８Ａとした。この様なＩｎＡｓ層、ＧａＡ
ｓ層による超薄膜構造をＩｎＰ基板上に形成すると無応
力な状態が得られる。
またこの様な素子構造における光吸収層の吸収端は、次
の様に考えられる。一般にＩｎＡｓ層。
の様に考えられる。一般にＩｎＡｓ層。
ＧａＡｓ層が十分に厚ければ、その吸収端はＩｎＡｓ層
の禁制帯幅で決定される。ところが本実施例の様な超薄
膜構造になると、吸収端はＩｎＡｓ層の禁制帯幅よりも
基底量子準位エネルギーΔＥの合算分たけ短波長側に変
化することが知られている。
の禁制帯幅で決定される。ところが本実施例の様な超薄
膜構造になると、吸収端はＩｎＡｓ層の禁制帯幅よりも
基底量子準位エネルギーΔＥの合算分たけ短波長側に変
化することが知られている。
この場合ΔＥは（４）式で示される。
ここで、ｌはＩｎＡｓ層厚Ｌ！。Ａ、に対応する。ｒｎ
、ｓは電子の有効質量、ｍ、は正孔の有効質量である。
、ｓは電子の有効質量、ｍ、は正孔の有効質量である。
自由電子の質量をｍ（１とすると、ＩａＡｓ層において
ｍｎ＝０．０２３ｍｇ 、 ｍ、＝０．４ ｍ６ と
表わされる。
ｍｎ＝０．０２３ｍｇ 、 ｍ、＝０．４ ｍ６ と
表わされる。
これより本実施例によるＩｎＡｓ層の層厚を２１２人と
すると、ΔＥ＝３８ｍｅ■でありこれをＩｎＡｓの禁制
帯幅０．３６０ｅＶに加算すると０．３９８ｅＶの実効
的な吸収端を得ることになる。これを波長に換算すると
３．１μｍであり、従来例でＩｎＰ基板に格子整合した
Ｉｎ６．５３ Ｇａｏ、４ｙ Ａｓ層の吸収端が１．７
μｍしか得られないのに対し、より長波長帯の光を受光
できる。
すると、ΔＥ＝３８ｍｅ■でありこれをＩｎＡｓの禁制
帯幅０．３６０ｅＶに加算すると０．３９８ｅＶの実効
的な吸収端を得ることになる。これを波長に換算すると
３．１μｍであり、従来例でＩｎＰ基板に格子整合した
Ｉｎ６．５３ Ｇａｏ、４ｙ Ａｓ層の吸収端が１．７
μｍしか得られないのに対し、より長波長帯の光を受光
できる。
本実施例の場合、−周期を４０ＯＡとしＩｎＡｓより吸
収端を長波長側に得るためには一周期の膜厚を増加させ
ると良い。第２図には、−周期の膜厚に対するＩ ｎ
Ａ ｓ層とＯａ Ａ ｓ層超薄膜構造の吸収端の変化を
示す。この図からＩｎＡｓ層、ＧａＡｓ層の一層の厚さ
を数十Ａから数百への範囲に選べば２μｍ以上の長波長
帯域の受光が可能となることがわかる。しかしながら、
−周期の膜厚をあまり増加させることは格子不整合によ
る結晶欠陥の導入につながりできるだけ数百へ以下の薄
膜構造でるることが好ましい。従って１本発明による半
導体受光素子では、吸収端の長波長化と結晶性とが相反
関係にある。
収端を長波長側に得るためには一周期の膜厚を増加させ
ると良い。第２図には、−周期の膜厚に対するＩ ｎ
Ａ ｓ層とＯａ Ａ ｓ層超薄膜構造の吸収端の変化を
示す。この図からＩｎＡｓ層、ＧａＡｓ層の一層の厚さ
を数十Ａから数百への範囲に選べば２μｍ以上の長波長
帯域の受光が可能となることがわかる。しかしながら、
−周期の膜厚をあまり増加させることは格子不整合によ
る結晶欠陥の導入につながりできるだけ数百へ以下の薄
膜構造でるることが好ましい。従って１本発明による半
導体受光素子では、吸収端の長波長化と結晶性とが相反
関係にある。
本発明によるＩｎＡｓ層とＧ ａ Ａ ｓ層の超薄膜構
造の光吸収層を有する半導体受光素子と従来技術のＩｎ
ｏ、４ｙ Ｇａｎ、＋＋ａ ＡｓＯ光吸収層ヲ有スル半
導体受光素子の波長感度特性を第３図に示す。素子には
各々ＩＯＶの電圧を印加している。従来例では吸収端が
１．７μｍ程度であるのに対し、本発明による半導体受
光素子では３，１μｍと予想どおり吸収端が長波長側に
伸びている。更に、ＩｎＡｓ層とＧａＡｓ層の超薄膜構
造により格子不整合による応力の影響を受けない良好な
結晶性が得られているため、１０ｖ印加時でｌｎＡ程度
の低暗電流が央現できた。
造の光吸収層を有する半導体受光素子と従来技術のＩｎ
ｏ、４ｙ Ｇａｎ、＋＋ａ ＡｓＯ光吸収層ヲ有スル半
導体受光素子の波長感度特性を第３図に示す。素子には
各々ＩＯＶの電圧を印加している。従来例では吸収端が
１．７μｍ程度であるのに対し、本発明による半導体受
光素子では３，１μｍと予想どおり吸収端が長波長側に
伸びている。更に、ＩｎＡｓ層とＧａＡｓ層の超薄膜構
造により格子不整合による応力の影響を受けない良好な
結晶性が得られているため、１０ｖ印加時でｌｎＡ程度
の低暗電流が央現できた。
以上詳細に述べた通り本発明によれば、ＩｎＡｓ層とＧ
ａ Ａ ｓ層の超薄膜構造によりＩｎＰ基板に対する
格子不整合による応力を除去でき、かつＩｎＡｓ層とＧ
ａＡｓ層の超薄膜効果によって吸収端が従来例よりも長
波長帯（〜３μｍ）領域に伸びた半導体受光素子が得る
ことができる。
ａ Ａ ｓ層の超薄膜構造によりＩｎＰ基板に対する
格子不整合による応力を除去でき、かつＩｎＡｓ層とＧ
ａＡｓ層の超薄膜効果によって吸収端が従来例よりも長
波長帯（〜３μｍ）領域に伸びた半導体受光素子が得る
ことができる。
第１図は本発明の１実施例の半導体受光素子の断面図、
第２図はＩｎＡｓ層、ＧａＡｓ層の一周期膜厚に対する
吸収端波長の依存性を示すグラフ、第３図は従来技術に
よる半導体受光素子と本発明による半導体受光素子の波
長感度特性の比較を示す図である。 １・・・・・・ｎ型ｆｎＰ基板、２・・・・・・ｎ型１
ｎＰ層、３・・・・・・ｎ型ＩｎＡｓ層、４・・・・・
・ｎ型ＧａＡｓ層、５・・・・・・ｎ型ＩｎＰ層、６・
・・・・・ｐ拡散領域、７・・・・・・ＡｕＧｅ電極、
８・・・・・・Ａ ｕ Ｇ ｅ Ｎ ｉ電極、９・・・
・・・５ｉＯｚ第 ／ 図
第２図はＩｎＡｓ層、ＧａＡｓ層の一周期膜厚に対する
吸収端波長の依存性を示すグラフ、第３図は従来技術に
よる半導体受光素子と本発明による半導体受光素子の波
長感度特性の比較を示す図である。 １・・・・・・ｎ型ｆｎＰ基板、２・・・・・・ｎ型１
ｎＰ層、３・・・・・・ｎ型ＩｎＡｓ層、４・・・・・
・ｎ型ＧａＡｓ層、５・・・・・・ｎ型ＩｎＰ層、６・
・・・・・ｐ拡散領域、７・・・・・・ＡｕＧｅ電極、
８・・・・・・Ａ ｕ Ｇ ｅ Ｎ ｉ電極、９・・・
・・・５ｉＯｚ第 ／ 図
Claims (1)
- ある格子定数を有する半導体基板上に、光吸収層として
格子定数が半導体基板の格子定数よりも大きい第一の半
導体層と半導体基板の格子定数よりも小さい第二の半導
体層の超薄膜層を交互に積層して設けたことを特徴とす
る半導体受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60053688A JPS61212072A (ja) | 1985-03-18 | 1985-03-18 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60053688A JPS61212072A (ja) | 1985-03-18 | 1985-03-18 | 半導体受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61212072A true JPS61212072A (ja) | 1986-09-20 |
Family
ID=12949751
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60053688A Pending JPS61212072A (ja) | 1985-03-18 | 1985-03-18 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61212072A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62115786A (ja) * | 1985-06-14 | 1987-05-27 | アメリカン テレフオン アンド テレグラフ カムパニ− | 光デバイス |
| US4965224A (en) * | 1988-02-16 | 1990-10-23 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Process for fabricating an INP semiconductor thin film on silicon |
| WO2008084772A1 (ja) * | 2007-01-10 | 2008-07-17 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | 受光素子 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6095981A (ja) * | 1983-10-06 | 1985-05-29 | サンディア コーポレーション | 真性半導体電気光学デバイス |
| JPS61115356A (ja) * | 1984-11-09 | 1986-06-02 | Hamamatsu Photonics Kk | 光検出素子 |
-
1985
- 1985-03-18 JP JP60053688A patent/JPS61212072A/ja active Pending
Patent Citations (2)
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