JPS61231775A - 半導体受光装置 - Google Patents

半導体受光装置

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JPS61231775A
JPS61231775A JP60072617A JP7261785A JPS61231775A JP S61231775 A JPS61231775 A JP S61231775A JP 60072617 A JP60072617 A JP 60072617A JP 7261785 A JP7261785 A JP 7261785A JP S61231775 A JPS61231775 A JP S61231775A
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JP
Japan
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layer
light
conversion
electrode
carriers
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Pending
Application number
JP60072617A
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English (en)
Inventor
Kazuhiro Ito
和弘 伊藤
Hiroshi Matsuda
広志 松田
Ichiro Fujiwara
一郎 藤原
Kazuyuki Nagatsuma
一之 長妻
Hirobumi Ouchi
博文 大内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPS61231775A publication Critical patent/JPS61231775A/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/08Semiconductor 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
    • H01L31/10Semiconductor 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
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes

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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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体受光装置に係り、特に受光感度が高く、
増倍率の高い素子構造を有する半導体受光装置に関する
〔発明の背景〕
従来のアバランシェ・ホト・ダイオード(以下APDと
略す)は例えば第1図の構造を有している。図において
1はn”−InP 、2はn−InGaAs、 3はn
−InP、4はp”−InP層である。ここで、2〜4
の層はメサ型に形成されている。p”−InP 層4の
上面には窓5を残してp電極6を形成し、n”−InP
 層1の裏面1にはn電極7を形成する。、8はパッシ
ベーション膜である。ここで電極6および7に逆方向に
バイアスしておき、窓5から光照射すると、光はn −
InGaAs層2で吸収され、光−電気変換が行なわれ
る。すなわち、層2で形成された電子−正孔対は各々電
極7および6に向って走行する。層3は強い電界を有し
ているため、正孔の走行過程で多数の電子−正孔対を形
成するナダレ現象を生じ、光子1個に対して複数個の電
子−正孔対を形成する増倍作用が生ずる。この結果、微
弱な入射光でも検知できる。しかし、従来の構造におい
て、実用上の増倍は約2程度と小さく、例えば光フアイ
バ通信においての伝送距離は約50Km程度が限界であ
った。尚、高増倍率を目的としたAPDとしては特開昭
59−151475号等がある。
〔発明の目的〕
本発明の目的は電流増倍率の大きい新規な構造を有する
APDを提供する事にある6 〔発明の概要〕 上記の目的を達成するため、本発明は光−電気変換で形
成され、ナダレ現象で増倍されたキャリアを電気−光変
換し、発生した光を上記の光−電気変換に供する構造に
する。本発明の構造を第2図を用いて説明する。例えば
、21はn”−InP、22はn −I n、、、、G
 a、、4.A s 、23はn−InP、24はp”
−1nP、25はn ” −InPである0層21〜2
5はメサ型に形成する6層25の表面は窓26であり、
その外周には電極27、n”−InP21の裏面には電
極28が形成される。29はパッシベーション膜である
。ここで電極27には○、電極28には■を印加すると
、層24と層25間には順バイアス、層23と層24間
には逆バイアスが印加され1層23は強い電界が生じて
いる。この状態で窓26から光を照射すると、パッドキ
ップの小さい層22において光吸収が行なわれ、光−電
気変換が起きる。この変換で生じた電子−正孔対のうち
、正孔は層23を走行するが強い電界によってナダレ現
象を生じ、多数の電子−正孔対を形成する。発生したキ
ャリアのうち、電子は電極28方向に走行するが、正孔
は層24に達した後、順方向バイアスに印加された層2
5に注入される。この時、層25に注入さた正孔は層2
5中の多数キャリアである電子と再結合を生じ、電気−
光変換、すなわち、層25のバンドギャップに相当する
光を発生する。この光は層24〜23を通過した後、層
22で再び光−電気変換を誘起し、上記の工程を繰返す
事になる。上記の工程は、窓26から照射される光が続
く間、継続する。本発明において重要な事は、従来の素
子ではキャリアの増倍が窓から入射された信号光につい
て1度だけであるが、本発明では信号光はもちろん、増
倍されたキャリアを光として再利用する光学的フィード
バック作用により、増倍率を大きくできる事に特徴があ
る。
また本発明において重要な事は、光を吸収して電気に変
換する光吸収層、発生したキャリアを増倍する増倍層、
キャリアを光に変換する発光層、増倍層に高電界を印加
するための逆バイアス層がある事、および、光透過性の
点から、光吸収層のバンドギャップが最も小さく、発光
層のバンドギャップは光吸収層以外の層と同じか、小さ
い方が望ましい事である。また、上記の各層以外の層、
例えば、光吸収層と増倍層の間に入れるバッファ層、発
光層をダブルへテロ構造とする閉込層、電極形成を容易
にするための表面層等があっても良い。各層の伝導型は
逆バイアス層とその他の層は互に反対である事が必要で
ある。
〔発明の実施例〕
以下1本発明を実施例によって説明する。
実施例1 第2図を示した構造により、受光素子を作製した。n 
’fi I n P基板(不純物濃度:1X10”cm
−3)21にn型I n、−、G a 、A s (x
 =0.47±0.05.5 X 101sam−’、
厚み:3μm)の光吸収層22、n型I n P (I
 X 10”cm−’、2μm)の増倍層23、p層I
 n P (I X I O”cm−3゜0.5μm)
の逆バイアス層24、n型I n、、、、G ao、t
sA So、is Pa、111(I X 1018c
m−J、2μm)25を順次成長した。次いで、層22
〜25を直径100μmの円形に残して他をエツチング
した。後1層25およびエツチングによって露出した面
のすべてを厚さ3000人のSi3N4膜29で被覆し
た後、層25の表面上のSi、N4膜は外径80μm、
内径70μmのリング状に除去し、層25の表面を露出
させた。次に上記の露出面に直径90μm、円径60μ
mのリング状にAuGeNiを被着して電極27とし、
基板21の裏面にもAuGeNj−を被着して電極28
とした。
上記によって得たものをステム(図では省略)にボンデ
ィングし、電極27および電極28に各々−1十に90
Vのバイアスを印加し、層25の表面26を窓として波
長1.5μmの赤外光を信号光として入射した。この結
果、信号光のパルス周波数280 Mbit/sにおい
て、エラーレイト10−9を得られる平均受信光量は一
40dBmであった。一方、本発明に依らない素子では
同じ測定条件において一37dBmであり、本発明の素
子は従来の約1/2の光量でも良好な特性を示した。
これは、本発明の素子は発生したキャリアを使用して発
生した光を使用できる事から、入射光量の実効的な増加
ができるためである。
実施例2 第3図に示した構造の受光装置を作製した。n型InP
基板(I X 10”cm−3) 31にn型I n 
Q、63 G a 11.4? A S光吸収層(5X
 10”Cm−’。
3μm)32、n型工n+1 H’J G aO)3 
A sOH@ 4 P OH3gバラフッ層(5X 1
0”C1’、0.3 μm)33゜n型InP層(I 
X 10”Cm−’、4μm)34を成長した。層34
の表面から深さ1μm、直径100μmにわたってZn
を拡散(表面濃度3×10′gCI11−3)シ、P型
の領域35を形成した。次に、層34およびp壁領域3
5の表面に、n型I n。、、1.G an、1.A 
s、、、、P、、、、層(IXIO”cm″3.0.5
 μm)36、n型InP層(IXIO”Cl1− ’
、0.5μm)37を成長し、層36および層37をp
壁領域35の直上において直径90μmの円形に残し、
他をエツチングによって除去した。
次1c、 5lffN4膜38を層37の表面の直径8
0μmを除いて被着した。AuGaNi層を層37の表
面に外径70μm、内径60μmのリングに形成して電
極39、および基板31の裏面にもAuGeNi層を被
着して電極40とした。ここで、領域35は逆バイアス
層であり、層34のうち、領域35の直下の部分は増倍
層となる。また、層36は発光層であるが5層37は発
光を有効に行なわせるためのダブルへテロ構造を形成す
るキャリア閉込と電極を形成するための表面層とを兼て
いる。電極39および電極40に○、■の90Vの電圧
を印加し、層37の表面41を窓として波長1.5μm
の赤外線の信号光を入射し、特性を測定した。
この結果、信号光のパルス周波数280 Mbit/S
において、エラーレイト10−9を得られる平均受信光
量は一41dBmであり1発光層をダブルへテロとしな
い場合に比較して(実施例1)良好な特性を得た。これ
は、発光量36のバンドギャップが小さい事から、逆バ
イアス層35から発光層への注入が容易となり、かつ、
閉込層37によって注入キャリアの発光層内への閉込効
果があるため、発光効率が向上したためである。
〔発明の効果〕
以上説明した様に、本発明によれば、キャリアの増倍が
大きくなる事から、従来の素子に比較して信号光の入射
光量は少なくても良好に電気信号を得る事ができる。平
均受信光量が減少できる事は、ファイバ通信においては
直に伝送距離が延長できる事を意泳するので、通信シス
テムのコスト低減上、極めて重要である。なお、本発明
の構造は実施例に示した以外にも考えられるが本発明の
要点である増倍されたキャリアを用いて発光し、光吸収
層へフィードバックするのであれば、本発明は有効であ
る。例えば、発光量の面積は逆バイアス層の面積よりも
極く小さくしても良いし、逆バイアス層にも電極を形成
し、トランジスタとして動作させても良い。また、装置
を構成する結晶母材は実施例の他に、G a p I 
n + A Q r A S +p、sb等の■族と■
族の元素の自由な組合せからなる結晶でも可能である。
また、少なくとも発光層は■族とV族からなる組合せに
し、他をSi。
Geなどの■族元素で構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来素子の縦断面図、第2図、第3図は本発明
の素子の縦断面図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.バンドギャップの小さい第1の半導体層と、該第1
    の層上に設けられ、該第1の層と同じ伝導型を有し、か
    つ第1の層よりも大きなバンドギャップを有する第2の
    半導体層と、該第2の層上に設けられ、かつ第1の層と
    伝導型が異なる第3の半導体層と、該第3の層上に設け
    られ、かつ第1の層よりもバンドギャップが大きく、第
    1の層と同じ伝導型を有する第4の半導体層を少なくと
    も有することを特徴とする半導体受光装置。
  2. 2.前記第1の層がn型のIn_1_−_xGa_xA
    s(1>x>0)、第2の層がn型InP、第3の層が
    p型のInP、第4の層がn型のInPまたはIn_1
    _−_xGa_xAs_1_−_yP_y(1>x>0
    ,1>y>0)であることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の半導体受光装置。
JP60072617A 1985-04-08 1985-04-08 半導体受光装置 Pending JPS61231775A (ja)

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