JPS6243185A - 半導体受光素子 - Google Patents

半導体受光素子

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JPS6243185A
JPS6243185A JP60183272A JP18327285A JPS6243185A JP S6243185 A JPS6243185 A JP S6243185A JP 60183272 A JP60183272 A JP 60183272A JP 18327285 A JP18327285 A JP 18327285A JP S6243185 A JPS6243185 A JP S6243185A
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JP
Japan
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layer
light
window
energy gap
inp
Prior art date
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Pending
Application number
JP60183272A
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English (en)
Inventor
Kazuo Nakajima
一雄 中嶋
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6243185A publication Critical patent/JPS6243185A/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
    • H01L31/105Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 AtxGal−XP、 5b1−y(0≦x≦1.  
O≦y≦1)、A〜Inl−1Pu 5b1−u(0≦
z≦1,0≦u≦1)、又ハAlvIn1−vA8wS
b1−w(0≦v≦1,0≦w≦1)等を受光素子のウ
ィンドウ層、増倍層又は吸収層として用いる。それによ
り量子効率を向上し、優れた特性の素子を得る。
〔産業上の利用分野〕
不発明はアバランシェ・フォト・ダイオード(APD)
 、 PINフォト・ダイオード等の受光素子に関する
〔従来の技術〕
従来、光通信に有用な1μmv長帯の受光素子としてI
no、sa ”o、<t As を光吸収層とし、エネ
ルギ・ギャップが大きなInP乃至これと格子整合する
I n x’ G a 1−x’ Aa y’ P 1
−y (0≦x′≦1,0≦y′≦1)全増倍層或いは
ウィンドウ層とした構造が採用されている。
増倍層或いはウィンドウ層に用いる半導体層はエネルギ
・ギャップがより大きいことが望ましい。
エネルギ・ギャップが大きな半導体層は、より長波長の
光を吸収することなく通過することができ、またトンネ
ル電流の発生を抑え、暗電流を減少することができる。
第7図にInX+ Ga、−xl Asy+ P、−y
のxl 、 xl値と格子定数、エネルギ・ギャップの
関係を図示してある。
In 、G a 1−X’ A3 y’ P 1−y’
は全率固溶体であって、In、 GA、 As、 Pは
如何なる割合にでも均一に混じ()合い、任意の組成の
化合物半導体が得られる。
全率固溶体は一般に第9図の状態図のごとく、そのAC
及びBCなる構成元素は、如何なる割合にでも均一に混
じり合い、任意の組成の化合物(AxBl−XC)が得
られる。
第7図から明らかなように、Inx+ Ga、−x□A
sy+P ) −y’ :’1.通常基板に用いること
ができるInPと格子整合することが必要であり、その
範囲において最も格子定数が大きいのはInP (エネ
ルギ・ギャップEg = 1 35 eV )であり、
これが限界で、それ以上のエネルギ・ギャップの半導体
は用いることができない。
一方、第8図のように、共晶点を有する状態図金持つ組
合せがあり、その化合物により大きなエネルギ・ギヤツ
ブが考えられる。
しかし、共晶点を有しa、bなる液相線とC1dなる固
相線を持つから、各矢印で示すように高温の液相から降
温したとき、α又はβのいずれかの領域の組成しか安定
して形成できない。すなわち、AXB、XCなる化合物
を考えたとき、α+βなる領域(ミスシビリテイギヤツ
ブという)の組成の化合物(ミスシビリテイギャップが
ちる材料という)は安定に存在し得ない。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来においては、受光素子の増倍層或はウィンドウ層と
してInPを用いた時なおトンネル電流の発生を防止し
て暗電流を下げる点で十分でない。
その改善のためには、InPよりもエネルギ・ギャップ
が大きく、かつ間接遷移型の半導体材料の開発が必要で
あり且つ、その材料は基板に用いるInP等に格子整合
することが必要である。しかし、今日まで適当な材料は
見出されていない。
〔問題点を解決するための手段〕
不発明者は、上記問題点を解決すべく多くの材料につい
て研究をすすめた結果、AA!XGa 、 −x py
sb、−y(o≦x≦1.0≦y≦1)、 ”Z In
1−Z Pu5b、−u(o≦l≦1.  O≦u≦1
)、 AlvIn、−vAsWsb、−w(o≦v≦1
.0≦w≦1)等のミスシビリテイギャップがある材料
が、MBE(分子線エピタキシャル成長)或いはMOC
VD (有機金属気相成長)によれば安定に成長できる
こと、及びそれらが十分太き々エネルギ・ギャップを有
する組成でもってInP等の半導体基板と格子整合でき
ること及び広い範囲でエネルギ・ギャップを変化できる
間接遷移型の半導体材料であることを見出した。そして
、それらの知見にもとづき、不発明においては、ミスシ
ビリテイギャップがある材料を受光素子の吸収層、ウィ
ンドウ層又は増倍層として用いるものである。
〔作用〕
A/XGa+−x pysbvAswSb1−w (0
≦x≦1.0≦y≦1)、kl、 In、−、PuSb
、−u(0≦Z≦1.0≦u≦1)、AlvInl−v
AsWSbl−W(0≦v≦1.0≦w≦1)はx、y
、z、u、v、w  の値を種々変えることによりIn
P基板に格子整合させることができる。その上、InA
s、 GaSb、 GaAsの基板にも格子整合させる
ことができる。さらにm−v族のZn5e、 CdS、
 CdSe。
ZnTeにも格子整合させることが可能でちる。そして
、エネルギ・ギャップはInPの1.35 eV  よ
ジ大きな1.9 eV (間接遷移)iInP基板と格
子整合させた状態で持つことができる。従来これらの4
元系材料はミスシビリテイ・ギャップを持つために、熱
力学的に安定に存在しないだけでなく、成長させること
も不可能であると考えられていた。
我々の実験によっても、液相エピタキシャル成長法を用
いると確かに成長できないことが判明した。
しかし、その後、稽々実験、検討を繰返しだ結果、これ
らの4元材料がMBE法又はMOCVD @f用いた結
晶成長で初めて成長が可能であることが判明した。しか
も、得られた結晶は室温においても極めて安定に存在し
、結晶性も良好であることがわかった。
第4図〜第6図に、それぞれAJ x G a 1−x
 Pysb、y(o≦x≦1.0≦y≦1)、 AA!
2In1−2Pusb、u(o≦z≦1. 0≦u≦1
)、 AlvIn1−vASwSbl−W(0≦v≦1
.0≦w≦1)の4元組成図を表しである。これらの図
において、斜線が施しである領域カミスンビリテイギャ
ップであり、液相エピタキシャル成長等では存在し得な
い領域である。
ところが、MBE、 MOCVDによればInP等の基
板にエピタキシャル成長ができ、しかも一旦ミスジビリ
ティギヤツブの組成を形成してし1うと、本来々ら温度
を十分上げると前記第8図のようにα。
βに分解して均一な組成がえられないはずであるが、実
用上十分高温においても結晶は安定であることがわかっ
た。それは、これらの■−v族混晶においては、構成元
素の拡散が遅く、■族元素とV族元素の結合エネルギが
大きいことに起因するものと考えられる。
そして、第4図〜第6図において囚、 (Bl 、 (
C1と指示した線分に沿った4元組成においてInP基
板と格子整合が可能であり・X・y、z・U・又はV・
Wの値を変えることにより広範囲に格子定数を変化する
ことができる。
本発明は、以上の知見のもとに、Al x G a 1
−xPSb、−y(0≦x≦1,0≦y≦1)、AJI
!、 In、−2Pu5b1−u(O≦z≦1.0≦u
≦1 ) 、AlvIn、−。
AsWSb、−w(0≦v≦1.0≦w≦1)等のミス
シビリテイギャップがある材料をInP等の半導体基板
に成長させIn0,88 GaO,4□As  の元吸
収層をもつ1.55μm迄の光に感度がある受光素子の
増倍層として、或いはウィンドウ層として用いている。
それにより、トンネル電流の発生全防止し、暗電流が少
なく、光吸収の損失の少ない受光素子を製作することが
可能になる。
又、InP基板に成長するだけでなく、前記ミスシビリ
テイギャップがある材料を他の■−v族のInAs、 
Garb、 GaAs  等の基板にも格子整合するこ
とが可能である。さらに[1−V族の基板だけでなく、
■−■族のZnS、 CdS、 CdSe、 ZnTe
にも格子整合することができる。
〔実施例〕 (実施例1) 第1図A、Hに不発明i PINフォト・ダイオードに
適用しA匂Ga 1− x Py S b 1−y (
0≦x≦1.0≦y≦1)を用いた実施例を示す。
第1図Aにおいて、n−InP基板1上にMOCVD法
で順にn  InovAswSb1−wi GaO,4
? As ’l (キャリア濃度n=I X 10”/
 Cm” 、膜厚d=+μm)。
” −工nO,7Ga0.8 ”0,64 PQ、ll
@ 3(キャリア濃度n= 5 X 1015/ Cm
” 、膜厚d = 0.5 pm ) 。
n”o、e Gao、1Po、aas SbO,1!1
44 (キャリア濃度n= 5 X 10”/ Cm”
 、膜厚d=1.5 p+n)  f成長する。
”  ”Oj ”0.I Po、886 SbO,81
44はウィンドウ層であり、エネルギ・ギャップが大き
い為に長波長の元を吸収することなく効率良く通過させ
ることができる。n”O,? GaO,i ”Oj4 
PO1163はIn6,5sGA@、iy As 2と
” ”0.1 ”0.I Po、888 Sb0.61
4 ’との間にあってその中間のエネルギ・ギャップ金
持ち(I n o 、sB Ga 6.4? Asが0
.75 e V 、I n 0.7 Ga @ 、B”
0.64 PO,8@が0.95 eV 、 AA!Q
、9 GaO,l po、5ssSb0.614が1.
84eV)、 InGaAsで吸収された元によって発
生したキャリアが通過しやすいようにして高周波特性が
よくなるように配慮している。
第1図Bにおいて、基板表面にSing yA5 f形
成し、これ全パターニングし拡散窓を形成し、Zn f
拡散してp+拡散領域6を作りその後、電極7及び8を
形成し、PINフォト・ダイオードが完成する。
この素子の量子効率は90%以上にも達し元が無駄なく
ウィンドウpJk通過し、InGaAs Nで有効に吸
収されること全売している。これによりAA’GaP5
)lは受光素子用材料として極めて有効であることがわ
かった。
次に、第1図Cにアバランシェ・フォト・ダイオードの
実施例を示している。各部の符号は統一しておるので特
に説明しない。第1図Cのようにp+拡散領域6の端が
AJoo、Ga。、1A3゜、H6SbO,614層(
4)の内に残るようにしく残った層が増倍層になる)、
更にp+拡散層6の両端にBe fイオン注入してガー
ド・リング(傾斜接合領域9)を形成スルト、アバラン
シェ・フォト・ダイオードを作製することができる。そ
れにより、約30倍の大きな増倍率が得られ、暗電流も
5nAと極めて低かった1、 本実施例ではInP基板全用いたが、InAs、  G
aSb、 GaAs、 A1Sb  の何れの基板でも
本質的に同様の効果が得られる。
(実施例2) 第2図A、BにA17.In、−7PuSb、−u(0
≦z≦1゜0≦u≦1)kpxNフォト・ダイオードに
適用した実施例を示す。
第2図Aにおいて、n−InP基板21上にMOCVD
法で6川にn−In。、58Ga、47As  22 
(キャリア濃度n= I X 10 ”/ Cm8.膜
厚d = 4 pm ) 。
n  Ino4 GaO,8ASO,84PG、8g 
23 (キャリア濃度n= 5 X 1015/ Cm
8.膜厚d=0.5 pm ) 。
n−Al0.9 工nO,I PO,45SbO,55
2’ (キャリア濃度n= 5 X 1015/ Cm
8.膜厚d = 1.5μm)k成長する。
n  Alo、g 1nO,I P。、45 Sbo、
5524はウィンドウ層であり、やはりエネルギ・ギャ
ップが大きい為に長波長の光音吸収することなく効率良
く通過させることができる。n  In。、7 GIL
o、g AsO,64PO,8823はIn。vAsw
Sb1−w Ga、47As 22とn−Al、9In
0.I PvAswSb1−w、 Sb0.5゜24と
の間にあってその中間のエネルギ・ギャップを持つ(I
n(vAswSb1−wss Ga0.47 ”がO−
75eV 、I n o 、 7GaO,8ASO,6
4PO,8gが0.95eV、  Alo、@ In。
vAswSb1−w PovAswSb1−w。
sbo、saが1.9eV)。
第2図Bにおいて、基板表面にSIO!膜25全25全
形成PINフオトオードが完成する。
この素子の量子効率も90%以上あり、光が無駄なくウ
ィンドウ層を通過し、InGaAs層で有効に吸収され
ることを示している。これによりAlInPsbも受光
素子用材料として極めて有効であることがわかった。
なお、第2図Cのようにp+拡散領域26の端がAlG
aAsSb層(24)の内に残るようにし、第1図Cと
同様に両端にBe fイオン注入してガード・リング(
傾斜接合29)全形成しアバランシェ・フォト・ヨ゛・
イオード全作裂したとき、約30倍の大きな増倍率が得
られ、暗電流も5nAと極めて低かった。
本実施例ではInP基板を用いたが、InAs、 Ga
Sb、 GaAs、 AlSb  の何れの基板でも不
質的に同様の効果が得られた。
(実施例3) AlVInl−vA3WSb1−w(0≦v≦1. 0
≦w≦1)を用いた実施例を第3図A、Hに示している
第3tEAにおいて、MOCVD法でn−InP基板3
1にn −InvAswSb1−w58GavAswS
b1−w□As 32 (キャリア濃度n=1×10 
” Cm ’ +膜厚d = 4 pm )、n  I
n。、7 Gao、a All。、64P0.863J
 (キャリア濃度n = 5 X 1015/ Cm3
.膜厚d = 0.5 pm )、n  ”0.9 I
nO,I AsO,66Sb0.8534(キャリア濃
度n= 5 X 1015/ Cm8.  膜厚d =
 1.5μm)e成長している。n  ”0.9 In
O,I Aso、65SbO,g534はウィンドウ層
であり、やはりエネルギ・ギャップが大きい為に長波長
の光を吸収することなく効率良く通過させることができ
る。n  I n O、7G a o、 g A 3 
o、 64PovAswSb1−w633は”o、ss
 Ga0.47 As 32とn−AlovAswSb
1−w In0.IAsovAswSb1−w3Sbo
、8534との間にあってその中間のエネルギ・ギャッ
プを持つ(In(r、sB Gao、a□Asが帆75
eV。
”0.7 GaO,8A30.64 PO,86が0.
95 eV 、 klovAswSb1−w Inol
ASO,65SbQ、8Sが1.9 eV )。
第3図Bにおいて、基板表面に5iOz膜35を形成し
、これをパターニングし拡散窓全形成し、 Znを拡散
してp+拡散領域36を作り、その後、N極37及び3
8i形成し、PINフォト・ダイオードが完成する。
この素子の量子効率は90チ以上あり、元が無駄なくウ
ィンドウ層を通過し、InGaAs層で有効に吸収され
ることを示している。これによりAlInAsSbは受
光素子用材料として極めて有効であることがわかった。
なお、第3図Cのようにp+拡散領域Iの端がkl I
 nAs Sb層(34)の内に残るようにし、第1図
C2第2図Cと同様に両端にBe fイオン注入してガ
ード・リング(傾斜接合領域39)を形成しアバランシ
ェ・フォト・ダイオード金作製したとき、約30倍の大
きな増倍率が得られ、暗電流も5 nAと極めて低かっ
た。
本実施例ではInP基板を用いたが、InAs、 Ga
Sb、 GaAs、 AJSbの何れかの基板でも不質
的に同様の効果が得られる。
以上不発明について各実施例を示し、主にミスシビリテ
イギャップがある材料をウィンドウ層とキャリアの増倍
層に用いたときの有用性について述べたが、本発明にお
いては、ミスシビリテイギャップがある材料のエネルギ
・ギャップが広範囲に変化できるものであり、光吸収層
に用いることも有用である。
〔発明の効果〕
以上の説明で明らかなように、不発明によれば、AIt
xGal−x pysb、−y(0≦x≦1.0≦y≦
1)、AAl、LInl−1Pu5b1−u(0≦z≦
1.0≦u≦1)、AJ vI n 1− v As 
w S b 1 イ(0≦v≦1.  O≦w≦1)上
受元素子のウィンドウ層、増倍層、或いは光吸収層に用
いることにより、暗電流を少なくし、光吸収の損失全低
減し、量子効率が大きな素子特性を得ることを可能とす
る。
【図面の簡単な説明】
第1図A、Bは本発明の実施例1のPINフォト・ダイ
オードの製造工程図、 第1図Cは実施例1のアバランシェ・フォト・ダイオー
ドの要部断面図、 第2図A、Bは本発明の実施例2のPINフォト・ダイ
オードの製造工程図、 第2図Cは実施例2のアバランシェ・フォト・ダイオー
ドの要部断面図である。 第3図A、Bは本発明の実施例30PINフオト・ダイ
オードの製造工程図、 第3図Cは実施例3のアバランシェ・フォト・ダイオー
ドの要部断面図、 第4図〜第6図はミスシビリテイギャップを示す4元組
成図、 第7図はエネルギ・ギャップと格子定数全売す図、 第8図は共晶点を有する状態図、 第9図は全率固溶体の状態図である。 1 、21 、31− InP基板 2 + 22 + 32 ”’ n −In0.vAs
wSb1−wGa0,4. As3 + 23.33 
・・’ n  In6.7 Gao4 As O,a4
 P O,8+14 ・・・・・・・・・・・・”OJ
 GaO,I PO,In86 Sb0.6145.2
5.35・ ・・5in2膜6.26.36・ ・・p+拡散層7.27.37・・・電極8.28.3
8・・・電極 9.29.39・・・ガード・リング(傾斜接合)” 
 ”””””” ”0.9 ”0.I PO,43Sb
O,S。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. Al_xGa_1_−_xP_ySb_1_−_y(0
    ≦x≦1、0≦y≦1)、Al_zIn_1_−_zP
    _uSb_1_−_u(0≦z≦1、0≦u≦1)、又
    はAl_vIn_1_−_vAs_wSb_1_−_w
    (0≦v≦1、0≦w≦1)等のミスシビリテイギヤツ
    プがある材料でウィンドウ層、増倍層又は光吸収層が構
    成されていることを特徴とする受光素子。
JP60183272A 1985-08-21 1985-08-21 半導体受光素子 Pending JPS6243185A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7538367B2 (en) 2005-09-12 2009-05-26 Mitsubishi Electric Corporation Avalanche photodiode

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7538367B2 (en) 2005-09-12 2009-05-26 Mitsubishi Electric Corporation Avalanche photodiode

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