JPS62176175A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(発明の技術分野)
本発明は光伝送用の高性能受光素子と電子増幅素子とが
同一半導体基板上に集積化された半導体装置間するもの
である。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Technical Field of the Invention) The present invention relates to a semiconductor device in which a high-performance light receiving element for optical transmission and an electron amplification element are integrated on the same semiconductor substrate.
(従来波(、トiとその問題点)
従来のこの種の装置の一例を第1図に示す(特願昭58
−176368号「受光器」参照)。半絶縁性InP基
板1上にn形InGaAs層2が積層されており、同層
内にp形InGaAs層3,4が形成されている。(Conventional wave (, Toi and its problems) An example of a conventional device of this type is shown in Fig. 1 (Patent application No. 58
-176368 “Receiver”). An n-type InGaAs layer 2 is laminated on a semi-insulating InP substrate 1, and p-type InGaAs layers 3 and 4 are formed within the same layer.
ここで、PINフォトダイオードは層2,3で、また電
界効果トランジスタは層2.4でそれぞれ構成されてい
る。電界効果トランジスタがドレイン電極5、ゲート電
極7、ソース電極6で構成されている。なお、本装置に
おけるフォトダイオードはPIN構造であり、アバラン
シ・フォトダイオードのような内部増倍作用はない。P
INフォトダイオードはアバランシ・フォトダイオード
に比べると雑音特性において劣る。従って、光伝送用の
受光器にはアバランシ・フォトダイオードを用いる方が
高性能の受光素子になる。しかしながら、アバランシ・
フォトダイオードはPINフォI・ダイオードに比べる
と、構造が複雑なこと、高電界が印加されるなどの問題
点があり、従来、電子増幅素子などとのモノリシック集
積化は実現されていない。Here, the PIN photodiode is constructed in layers 2 and 3, and the field effect transistor is constructed in layers 2 and 4, respectively. A field effect transistor is composed of a drain electrode 5, a gate electrode 7, and a source electrode 6. Note that the photodiode in this device has a PIN structure and does not have an internal multiplication effect like an avalanche photodiode. P
IN photodiodes have inferior noise characteristics compared to avalanche photodiodes. Therefore, using an avalanche photodiode as a light receiver for optical transmission results in a high-performance light receiving element. However, avalanche
Compared to PINFOI diodes, photodiodes have problems such as a complicated structure and the application of a high electric field, and so far, monolithic integration with electronic amplification elements has not been realized.
(発明の目的)
本発明の目的は、アバランシ・フオI−ダイオード、電
界効果トランジスタをモノリシック集積化し、かつ高性
能とした半導体装置を提供することにある。(Objective of the Invention) An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which an avalanche photodiode and a field effect transistor are monolithically integrated and have high performance.
(発明の構成)
本発明は、アバランシ・フォトダイオードにおいては、
感光層となるInGaAsに高純度層を用い、増倍層に
InP層を、さらに両層間にInA I! As層を中
間層として用いることにより、高性能アバランシ・フォ
トダイオードを実現するとともに、電子増幅素子におい
てはInA (l As層 InGaAs界面に形成さ
れる2次元電子ガスを用いた電界効果トランジスタを採
用することにより、モノリシック集積化を実現している
。集積化素子においても、アバランシ・フォトダイオー
ド、電界効果トランジスタは、それぞれほぼ独立に最適
設計を行うことができる。すなわち、高純度InGaA
sとInA I! As層のへテロ構造を採用すること
により、アバランシ・フォl−ダイオードにおいては感
光層と中間層の役割を持たせ、また、電界効果トランジ
スタにおいてはInA I As / InGaAsへ
テロ接合界面に形成される2次元電子ガス層に電流チャ
ネルとしての役割を持たせるものである。ここで、In
GaAsは画素子にとって動作層になるものである。ア
ノ\ランシ・フォトダイオードでは低濃度、電界効果ト
ランジスタでは高移動度が要求されるが、高純度化によ
りこれらの要求を共に達成することができる。従来、ア
バランシ・フォトダイオードの感光層、電界効果トラン
ジスタの電流チャネル層のそれぞれに要求さるInGa
As層の厚さは異なっておりそのまま共通化することは
できなかったが、上述の2次元電子ガス層を利用するこ
とでこれを可能とした。(Structure of the Invention) The present invention provides an avalanche photodiode including:
A high-purity InGaAs layer is used as the photosensitive layer, an InP layer is used as the multiplication layer, and InA I! is used between both layers. By using the As layer as an intermediate layer, a high-performance avalanche photodiode is realized, and in the electron amplification element, a field effect transistor using a two-dimensional electron gas formed at the InA (As layer InGaAs interface) is adopted. As a result, monolithic integration has been achieved.As for integrated elements, the avalanche photodiode and field effect transistor can be optimally designed almost independently.In other words, high-purity InGaA
s and InA I! By adopting a heterostructure of the As layer, it plays the role of a photosensitive layer and an intermediate layer in an avalanche photodiode, and is formed at the InA I As / InGaAs heterojunction interface in a field effect transistor. This allows the two-dimensional electron gas layer to function as a current channel. Here, In
GaAs serves as the active layer for the pixel element. Ano\Lancy photodiodes require low concentration and field effect transistors require high mobility, but both of these requirements can be achieved by increasing the purity. Conventionally, InGa is required for the photosensitive layer of an avalanche photodiode and the current channel layer of a field effect transistor.
Although the thickness of the As layer was different and could not be standardized as it is, this was made possible by using the above-mentioned two-dimensional electron gas layer.
(実施例) 以下本発明の実施例につき詳細に説明する。(Example) Examples of the present invention will be described in detail below.
第2図は本発明の一実施例を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention.
ここで、11は半絶縁性InP基板、23はn形1nA
β・)sバフ9フ層、12は高純度n形InGaAs感
光層、13゜13゛ は高抵抗lnA I As層、1
4.14’ はn形1nA 1215層、15はn形I
nP層、16はp形InP層、17.19゜21はn側
オーミック電極、18.20はn側オーミック電極、2
2は入射光である。ここで、12.13.14゜15、
16.20.21でアバランシ・フォトダイオードが、
12.13’、 14’、 17.18.19で電界効
果トランジスタが、それぞれ構成されている。アバラン
シ・フォトダイオードにおいては、バッファ層23と感
光層12が第1の半導体層となり、13.14が第2の
半導体層となる中間層、15が増倍層、16が第3の半
導体層で、15.16の界面がpn接合である。Here, 11 is a semi-insulating InP substrate, 23 is an n-type 1nA
β・)s buff 9 layers, 12 high purity n-type InGaAs photosensitive layer, 13゜13゛ high resistance lnA I As layer, 1
4.14' is n-type 1nA 1215 layer, 15 is n-type I
nP layer, 16 is p-type InP layer, 17.19°21 is n-side ohmic electrode, 18.20 is n-side ohmic electrode, 2
2 is incident light. Here, 12.13.14°15,
On 16.20.21, the avalanche photodiode
12, 13', 14', and 17, 18, and 19 constitute field effect transistors, respectively. In the avalanche photodiode, the buffer layer 23 and the photosensitive layer 12 are the first semiconductor layer, 13 and 14 are the intermediate layer which is the second semiconductor layer, 15 is the multiplication layer, and 16 is the third semiconductor layer. , 15.16 is a pn junction.
一方、電界効果トランジスタにおいては12.13’の
へテロ接合界面に形成される2次元電子ガス層が電流チ
ャネル層になる。なお、17をソース電極、18をゲー
ト電極、19をドレイン電極として動作させる。また、
第2図中には示していないが、電極18と20間は装置
内で配線されている。On the other hand, in a field effect transistor, a two-dimensional electron gas layer formed at the 12.13' heterojunction interface becomes a current channel layer. Note that 17 is operated as a source electrode, 18 as a gate electrode, and 19 as a drain electrode. Also,
Although not shown in FIG. 2, wiring is provided between the electrodes 18 and 20 within the device.
なお、本装置においてバッファ層23はn形1nA I
2As層で説明したが、n形InA 1. As層の代
わりにn形InP層又はn形InGaAs層を用いても
よい。Note that in this device, the buffer layer 23 is an n-type 1nA I
2As layer, but n-type InA 1. An n-type InP layer or an n-type InGaAs layer may be used instead of the As layer.
さらに、第3図に他の実施例として示すように、ハソフ
ァ層23を用いないで第1の半導体層を感光層12で構
成することもできる。しかし、この場合には第1の半導
体層12の内部での電界分布が一様ではなく、若干の特
性の劣化を招くおそれがある。Furthermore, as shown in another embodiment in FIG. 3, the first semiconductor layer may be composed of the photosensitive layer 12 without using the haphazard layer 23. However, in this case, the electric field distribution inside the first semiconductor layer 12 is not uniform, which may cause some deterioration of the characteristics.
次に、本装置の等価回路を第4図に示す。本装置を動作
させるには端子31を接地し、端子32に+4vを、端
子33ニー0.5Vを、端子32ニ約80Vをそれぞれ
印加する。従って、端子33.34間のアバランシ・フ
ォトダイオード35には大きな逆バイアス電圧が印加さ
れる。この状態において、端子35に入射した光信号は
電気信号に変換され、かつ、アバランシ増幅される。ア
バランシ・フォトダイオードに接続された負荷抵抗の両
端に発生した電位差は電界効果トランジスタのゲート端
子に印加され、増幅されドレイン電流として取り出され
る。Next, an equivalent circuit of this device is shown in FIG. To operate this device, the terminal 31 is grounded, +4V is applied to the terminal 32, 0.5V to the knee of the terminal 33, and about 80V to the terminal 32. Therefore, a large reverse bias voltage is applied to the avalanche photodiode 35 between terminals 33 and 34. In this state, the optical signal incident on the terminal 35 is converted into an electrical signal and avalanche amplified. The potential difference generated across the load resistor connected to the avalanche photodiode is applied to the gate terminal of the field effect transistor, amplified, and taken out as a drain current.
以上のような動作時におけるアバランシ・フォ1−ダイ
オードおよび電界効果トランジスタの内部電界強度分布
を第5図(a)に、また、ハンド構造図を第5図(bl
に示す。アバランシ・フォトダイオードにおいては、ま
ず、入射光により第1の半導体層12の内部に電子・正
孔対が発生させられる。内部電界により、電子は基板1
1方向に、正孔はp形InP層16方向にそれぞれ走行
する。このうち、正孔はn形InP層内部に形成された
高電界(E、1は約590KV/cm )による雪崩現
象によりアバランシ増倍を生ずる。なお、アバランシ・
フォトダイオードにおけるInApAs層13.14の
役割は正札が光吸収InGaAs感光層12から増倍I
nP層15へ移る際のバリア(両端の価電子帯のエネル
ギ差)を小さくして正孔の蓄積を抑え高速動作を可能と
することにある。アバ゛ランシ・フォトダイオードより
の出力電流は負荷抵抗に流される。一方、電界効果トラ
ンジスタにはハンド構造図〔第5図(C)〕にみられる
ように、層12とN13゛ との界面に電子ガス層3
7が生じている。上記アバランシ・フォトダイオード出
力電流により、負荷抵抗両端に発生させられた電位変化
は、電界効果トランジスタのゲート電極18に印加され
る。この時、電極18の電位は光入射がない場合に比べ
て上昇する。すなわち、半導体層13“、14゛側の電
位が下がる。このため、層12と層13° との界面の
くぼみは大きくなり、電子ガス層37の量が増加する。Figure 5(a) shows the internal field strength distribution of the avalanche photodiode and field effect transistor during the above operation, and the hand structure diagram is shown in Figure 5(bl).
Shown below. In the avalanche photodiode, first, electron-hole pairs are generated inside the first semiconductor layer 12 by incident light. Due to the internal electric field, electrons are transferred to substrate 1
In one direction, the holes travel toward the p-type InP layer 16, respectively. Among these, holes cause avalanche multiplication due to an avalanche phenomenon caused by a high electric field (E, 1 is about 590 KV/cm 2 ) formed inside the n-type InP layer. In addition, avalanche
The role of the InApAs layers 13 and 14 in the photodiode is that the real name is the light-absorbing InGaAs photosensitive layer 12 and the multiplication I
The purpose is to reduce the barrier (energy difference between the valence bands at both ends) when transferring to the nP layer 15 to suppress accumulation of holes and enable high-speed operation. The output current from the avalanche photodiode is passed through a load resistor. On the other hand, as shown in the hand structure diagram [Fig. 5(C)], the field effect transistor has an electron gas layer 3 at the interface between the layer 12 and the N13.
7 is occurring. A potential change generated across the load resistor by the avalanche photodiode output current is applied to the gate electrode 18 of the field effect transistor. At this time, the potential of the electrode 18 increases compared to when no light is incident. That is, the potential on the sides of the semiconductor layers 13'' and 14'' decreases. Therefore, the depression at the interface between the layers 12 and 13'' becomes larger, and the amount of the electron gas layer 37 increases.
これによって電界効果トランジスタの出力電流は増加す
る。This increases the output current of the field effect transistor.
以上の実施例において、第1の半導体層より第2、第3
の半導体層のバンドギャップが大きい理由は次の通りで
ある。In the above embodiments, the second and third semiconductor layers are
The reason why the bandgap of the semiconductor layer is large is as follows.
アバランシ・フォトダイオードについては、第5図(b
lで13〜15の範囲で電界強度が強くなっている(電
界をかけたとき傾斜が急になる)。この状態では、光で
励起されて流れる電流以外の暗電流が流れやすくなるが
、ハンドギャップを大にするとこの暗電流が流れにく(
なる。For the avalanche photodiode, see Figure 5 (b).
The electric field strength is strong in the range of 13 to 15 at l (the slope becomes steeper when an electric field is applied). In this state, dark current other than the current excited by light tends to flow, but if the hand gap is made larger, this dark current becomes difficult to flow (
Become.
第5図(blで層13.14と層15との間にハンドギ
ャップ差がないが、差があってもよい。層12は感光層
で光入射により電子正孔対が生しる。Although there is no hand gap difference between layers 13, 14 and 15 in FIG. 5 (bl), there may be a difference. Layer 12 is a photosensitive layer, and electron-hole pairs are generated by light incidence.
電界効果トランジスタについては、
第5図((])でキャリア供給層14”、スペーサ層(
高抵抗)13“の方がチャネル層12よりバンドギャッ
プが大であることにより、層14”のキャリアが層12
に供給され、層12と層13”の界面にチャネルができ
る。Regarding the field effect transistor, the carrier supply layer 14'' and the spacer layer (
Since the band gap of layer 13" (high resistance) is larger than that of channel layer 12, carriers in layer 14" are transferred to layer 12.
A channel is formed at the interface between layer 12 and layer 13''.
以上の実施例では、電界効果トランジスタをアバランシ
・フォトダイオードの増幅素子に用いているが、電界効
果トランジスタを論理素子、メモリ素子等に適用するこ
とも可能である。In the above embodiments, a field effect transistor is used as an amplification element of an avalanche photodiode, but it is also possible to apply a field effect transistor to a logic element, a memory element, etc.
(発明の効果)
以上説明したように、本発明では、半導体層12はアバ
ランシ・フォトダイオードの感光層であり、また、電界
効果トランジスタの活性層にもなっている。層12はI
nGaAsで構成されているため、波長1.65μmま
で十分な感度を有する。アバランシ・フォトダイオード
において十分な量子効率を得るためには、層12の厚さ
は3μm以上必要とする。(Effects of the Invention) As described above, in the present invention, the semiconductor layer 12 is a photosensitive layer of an avalanche photodiode, and also serves as an active layer of a field effect transistor. Layer 12 is I
Since it is made of nGaAs, it has sufficient sensitivity up to a wavelength of 1.65 μm. In order to obtain sufficient quantum efficiency in an avalanche photodiode, the thickness of layer 12 needs to be greater than 3 μm.
さらに、ギヤリア濃度は5×1015CI11−3以下
を必要とする。一方、電界効果トランジスタにおいて増
幅度を大きくするには、層12の移動度を高くすること
が望まれる。両者のこれらの条件は全く合致するもので
ある。従って、アバランシ・フォトダイオード、電界効
果トランジスタを構成する半導体層の多くの部分を共通
にすることができ、同一半導体基板上に画素子を集積化
することが容易になる。Furthermore, the gearia concentration needs to be 5×10 15 CI 11-3 or less. On the other hand, in order to increase the degree of amplification in a field effect transistor, it is desirable to increase the mobility of the layer 12. These two conditions are completely consistent. Therefore, many parts of the semiconductor layers constituting the avalanche photodiode and the field effect transistor can be shared, and it becomes easy to integrate pixel elements on the same semiconductor substrate.
第1図は従来装置の断面構造図、第2図及び第3図は本
発明装置の実施例を示す断面図、第4図は本発明装置の
等価回路図、第5図(a) (b) (C)は本発明装
置の動作説明用の内部電界強度分布図及びバンド構造図
である。
1・・・半絶縁性InP基板、 2・・・n形InGa
AsN、3.4−p形InGaAs層、 5.6−n側
電極、7.8・・・n側電極、 11・・・半絶縁性I
nP基板、12・n形InGaAsli、 13.1
3”・・高抵抗InA I As層、 14.14°・
・・n形1nA I As層、 ts−n形InP層、
16−p形InP層、 17.19.21−n側オー
ミック電極、 18.20・・・p側オーミック電極、
22・・・入射光、 23・・・n形1nA 124
3層、31・・・電界効果トランジスタのソース端子、
32・・・電界効果トランジスタのドレイン端子、33
・・・電界効果トランジスタのゲート端子、34・・・
アバランシ・フォトダイオードのn側端子、35・・・
アバランシ・フォトダイオード、36・・・電界効果ト
ランジスタ、 37・・・電子ガス層。Fig. 1 is a sectional structural diagram of a conventional device, Figs. 2 and 3 are sectional views showing an embodiment of the inventive device, Fig. 4 is an equivalent circuit diagram of the inventive device, and Figs. ) (C) is an internal electric field strength distribution diagram and a band structure diagram for explaining the operation of the device of the present invention. 1... Semi-insulating InP substrate, 2... N-type InGa
AsN, 3.4-p-type InGaAs layer, 5.6-n side electrode, 7.8... n-side electrode, 11... semi-insulating I
nP substrate, 12/n type InGaAsli, 13.1
3”...High resistance InA I As layer, 14.14°・
・・n-type 1nA IAs layer, ts-n-type InP layer,
16-p-type InP layer, 17.19.21-n-side ohmic electrode, 18.20...p-side ohmic electrode,
22...Incoming light, 23...N type 1nA 124
3 layers, 31... source terminal of field effect transistor;
32...Drain terminal of field effect transistor, 33
...Gate terminal of field effect transistor, 34...
N-side terminal of avalanche photodiode, 35...
Avalanche photodiode, 36... Field effect transistor, 37... Electron gas layer.
Claims (4)
層と、該第1の半導体層よりも大きいバンドギャップエ
ネルギを有する第2の半導体層と、前記第1の半導体層
よりも大きいバンドギャップエネルギを有しかつpn接
合を有する第3の半導体層を有するアバランシ・フォト
ダイオードと、少なくとも前記第1の半導体層と前記第
2の半導体層及び該第1の半導体層と該第2の半導体層
との間に形成されるヘテロ接合界面を含んで構成される
電界境界トランジスタとが搭載されていることを特徴と
する半導体装置。(1) A first semiconductor layer formed on a semi-insulating semiconductor substrate, a second semiconductor layer having a larger band gap energy than the first semiconductor layer, and a second semiconductor layer having a larger band gap energy than the first semiconductor layer. an avalanche photodiode having a third semiconductor layer having a bandgap energy and a pn junction; What is claimed is: 1. A semiconductor device comprising: a field boundary transistor including a heterojunction interface formed between a semiconductor layer and a semiconductor layer;
導体層がInAlAsで、前記第3の半導体層がInP
でそれぞれ構成されたことを特徴とする特許請求の範囲
第1項記載の半導体装置。(2) The first semiconductor layer is InGaAs, the second semiconductor layer is InAlAs, and the third semiconductor layer is InP.
2. A semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is comprised of:
^5cm^−^3以下、室温における移動度10,00
0cm^2/V・s以上、厚さ3ミクロン以上のn形I
nGaAs層で、前記第2の半導体層をn形InAlA
s層で、前記第3の半導体層がInP層でそれぞれ構成
されたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半
導体装置。(3) The first semiconductor layer has a carrier concentration of 5×10^1
^5cm^-^3 or less, mobility at room temperature 10,00
N-type I with a thickness of 0 cm^2/V・s or more and a thickness of 3 microns or more
The second semiconductor layer is an nGaAs layer, and the second semiconductor layer is an n-type InAlA layer.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the third semiconductor layer is an InP layer.
As層よりなり、前記第2の半導体層が高抵抗−InA
lAs層とn形InAlAs層よりなり、前記第3の半
導体層がn形InP層とp形InP層よりなることを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体装置。(4) The first semiconductor layer is a buffer layer and n-type InGa.
The second semiconductor layer is made of an As layer, and the second semiconductor layer is made of a high resistance -InA layer.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the third semiconductor layer is comprised of an lAs layer and an n-type InAlAs layer, and the third semiconductor layer is comprised of an n-type InP layer and a p-type InP layer.
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS62176175A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0625798A1 (en) * | 1993-05-17 | 1994-11-23 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Opto-electronic integrated circuit |
US6229162B1 (en) * | 1998-05-08 | 2001-05-08 | Nec Corporation | Planar-type avalanche photodiode |
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1986
- 1986-01-29 JP JP61015880A patent/JPS62176175A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP0625798A1 (en) * | 1993-05-17 | 1994-11-23 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Opto-electronic integrated circuit |
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