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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- Japan
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- lattice constant
- semiconductor
- inas
- light
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- Pending
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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
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
- H10F77/10—Semiconductor bodies
- H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
- H10F77/146—Superlattices; Multiple quantum well structures
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
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)
| 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 |
Cited By (5)
| 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 |
| JP2008171912A (ja) * | 2007-01-10 | 2008-07-24 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 受光素子 |
| US8120061B2 (en) | 2007-01-10 | 2012-02-21 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Light receiving device |
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