JPS6328506B2 - - Google Patents
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- JPS6328506B2 JPS6328506B2 JP56159967A JP15996781A JPS6328506B2 JP S6328506 B2 JPS6328506 B2 JP S6328506B2 JP 56159967 A JP56159967 A JP 56159967A JP 15996781 A JP15996781 A JP 15996781A JP S6328506 B2 JPS6328506 B2 JP S6328506B2
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Classifications
-
- 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
- H01L31/08—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 in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—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 in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
- H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
-
- 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
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
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- Light Receiving Elements (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は光通信装置等に用いられるアバラン
シ・ホトダイオード（以下「APD」と呼ぶ）の
低雑音化に関するものである。
シ・ホトダイオード（以下「APD」と呼ぶ）の
低雑音化に関するものである。
APDでは、入射光により励起されたキヤリヤ
がｐ―ｎ接合による高電界によつて加速され増倍
されるが、この増幅過程でのゆらぎのために過剰
増倍雑音が発生する。電子と正孔のイオン化率を
それぞれα及びβとし、これらの比率をｋ＝α／
β又はβ／αとすると、過剰雑音指数は比率ｋに
比例して減少することが知られている。従つて、
低雑音のAPDを得るためには、イオン化率比ｋ
の大きい材料にイオン化率の大きな方のキヤリヤ
を注入し増倍を行なわせることが必要である。
がｐ―ｎ接合による高電界によつて加速され増倍
されるが、この増幅過程でのゆらぎのために過剰
増倍雑音が発生する。電子と正孔のイオン化率を
それぞれα及びβとし、これらの比率をｋ＝α／
β又はβ／αとすると、過剰雑音指数は比率ｋに
比例して減少することが知られている。従つて、
低雑音のAPDを得るためには、イオン化率比ｋ
の大きい材料にイオン化率の大きな方のキヤリヤ
を注入し増倍を行なわせることが必要である。
現在、GaAs―AlGaAs系発光素子を用いる波
長0.8μｍ付近における光通信にはSi結晶を用いた
APDが光検出素子として広く用いられているが、
これはSiがｋ＝α／β50と大きなイオン化率比
を持ち、低雑音APDに適しているためである。
しかし、Si―APDは光通信に用いられる石英系
光フアイバーの伝送損失が低くなる1.0〜1.7μｍ
波長域では使用することができない。波長1μｍ
帯に感度を有する光検出器として従来からGe結
晶を用いたGe―APDがあるが、Geのイオン化率
比はｋ＝α／β１であるため、大きな過剰雑音
を示し最適な光検出器とはいえない。一方、
InGaAsP，AlGaAsSb等の―族化合物半導
体結晶を用いた1μｍ帯に光感度を有するAPDの
開発も進められつつある。
長0.8μｍ付近における光通信にはSi結晶を用いた
APDが光検出素子として広く用いられているが、
これはSiがｋ＝α／β50と大きなイオン化率比
を持ち、低雑音APDに適しているためである。
しかし、Si―APDは光通信に用いられる石英系
光フアイバーの伝送損失が低くなる1.0〜1.7μｍ
波長域では使用することができない。波長1μｍ
帯に感度を有する光検出器として従来からGe結
晶を用いたGe―APDがあるが、Geのイオン化率
比はｋ＝α／β１であるため、大きな過剰雑音
を示し最適な光検出器とはいえない。一方、
InGaAsP，AlGaAsSb等の―族化合物半導
体結晶を用いた1μｍ帯に光感度を有するAPDの
開発も進められつつある。
この従来例のうちからIn0.53Ga0.47As／InPによ
り構成された1μｍ波長帯用APDの一例を第１図
に示す。ここで１はｎ型InP基板、２はｎ型In0.53
Ga0.47As層、３はｎ型InP層、４はｐ型InP層で
あり、５はｐ―ｎ接合を示している。基板側より
入射した波長１〜1.6μｍの光８は基板を透過し
In0.53Ga0.47As層２にて吸収されキヤリヤを励起
する。ブレークダウン近傍の逆バイアス状態にお
いて励起されたキヤリヤはInP中のｐ―ｎ接合５
によつて形成された高電界によりドリフトし、
InP層４内において増倍される。このAPDにおけ
る過剰雑音は、増倍領域すなわちInPのイオン化
率比ｋにより決定される。今までの報告では、こ
のInPのイオン化率比ｋはｋ＝β／α２程度で
あるため、第１図に示したAPDの雑音はGe―
APDよりは低雑音となるものの、Si―APDの雑
音よりは明らかに劣つている。一例として述べた
InP以外の―族化合物半導体においても、そ
のイオン化率比ｋがSiのそれと同程度となる材料
は見当たらず、これらを用いたAPDの低雑音化
には限界があつた。
り構成された1μｍ波長帯用APDの一例を第１図
に示す。ここで１はｎ型InP基板、２はｎ型In0.53
Ga0.47As層、３はｎ型InP層、４はｐ型InP層で
あり、５はｐ―ｎ接合を示している。基板側より
入射した波長１〜1.6μｍの光８は基板を透過し
In0.53Ga0.47As層２にて吸収されキヤリヤを励起
する。ブレークダウン近傍の逆バイアス状態にお
いて励起されたキヤリヤはInP中のｐ―ｎ接合５
によつて形成された高電界によりドリフトし、
InP層４内において増倍される。このAPDにおけ
る過剰雑音は、増倍領域すなわちInPのイオン化
率比ｋにより決定される。今までの報告では、こ
のInPのイオン化率比ｋはｋ＝β／α２程度で
あるため、第１図に示したAPDの雑音はGe―
APDよりは低雑音となるものの、Si―APDの雑
音よりは明らかに劣つている。一例として述べた
InP以外の―族化合物半導体においても、そ
のイオン化率比ｋがSiのそれと同程度となる材料
は見当たらず、これらを用いたAPDの低雑音化
には限界があつた。
本発明の目的は、キヤリヤの増倍領域内に二つ
の異つた半導体からなる薄膜多層周期構造を設
け、これによつて作られる量子井戸層でキヤリヤ
の実効的なイオン化率比を大きくし、かつイオン
化率の大なる電子のみを増倍領域に注入すること
により、APDの低雑音化を図つた量子井戸層付
アバランシ・ホトダイオードを提供することにあ
る。
の異つた半導体からなる薄膜多層周期構造を設
け、これによつて作られる量子井戸層でキヤリヤ
の実効的なイオン化率比を大きくし、かつイオン
化率の大なる電子のみを増倍領域に注入すること
により、APDの低雑音化を図つた量子井戸層付
アバランシ・ホトダイオードを提供することにあ
る。
次に本発明の原理についてInP―InGaAsP系材
料を用いて説明する。
料を用いて説明する。
第２図は本発明の原理を示す横断面図である。
不純物濃度１×1018cm-3のｎ型InP基板１１の上
に、不純物濃度５×017cm-3，膜厚5μｍのｎ型InP
層１２を設け、その上に第２の半導体層である不
純物濃度３×1015cm-3のｎ型InP層２０（膜厚400
Å）と第３の半導体層であるｎ型In0.53Ga0.47As
層２１（膜厚600Å）を交互にそれぞれ50層設け
た量子井戸層１３を形成する。その上に第１の半
導体である不純物濃度５×1616cm-3，膜厚2μｍの
ｐ型In0.53Ga0.47As層１４（光吸収層）と不純物
濃度１×1018cm-3，膜厚1μｍのｐ型InP層１５を
設ける。第２図において円Ａは薄膜多層周期構造
の一部である円Ｂを拡大したものであり、また１
７，１８は金属電極である。InP基板上に第２図
に示すような半導体多層構造を得るためには、膜
厚制御柱の優れた結晶成長法である分子線エピタ
キシヤル法，気相エピタキシヤル法，または有機
金属を用いた気相堆積法を使用する。波長１〜
1.6μｍの入射光１９はｐ型InP層１５を透過して
ｐ型In0.53Ga0.47As層１４で吸収され、キヤリヤ
を励起する。逆バイアスの印加時において、励起
キヤリヤの正孔は電極１８に向い、電子はｐ―ｎ
接合１６による電界によつてドリフトし薄膜多層
構造の量子井戸層１３に注入され、この高電界領
域において増倍される。
不純物濃度１×1018cm-3のｎ型InP基板１１の上
に、不純物濃度５×017cm-3，膜厚5μｍのｎ型InP
層１２を設け、その上に第２の半導体層である不
純物濃度３×1015cm-3のｎ型InP層２０（膜厚400
Å）と第３の半導体層であるｎ型In0.53Ga0.47As
層２１（膜厚600Å）を交互にそれぞれ50層設け
た量子井戸層１３を形成する。その上に第１の半
導体である不純物濃度５×1616cm-3，膜厚2μｍの
ｐ型In0.53Ga0.47As層１４（光吸収層）と不純物
濃度１×1018cm-3，膜厚1μｍのｐ型InP層１５を
設ける。第２図において円Ａは薄膜多層周期構造
の一部である円Ｂを拡大したものであり、また１
７，１８は金属電極である。InP基板上に第２図
に示すような半導体多層構造を得るためには、膜
厚制御柱の優れた結晶成長法である分子線エピタ
キシヤル法，気相エピタキシヤル法，または有機
金属を用いた気相堆積法を使用する。波長１〜
1.6μｍの入射光１９はｐ型InP層１５を透過して
ｐ型In0.53Ga0.47As層１４で吸収され、キヤリヤ
を励起する。逆バイアスの印加時において、励起
キヤリヤの正孔は電極１８に向い、電子はｐ―ｎ
接合１６による電界によつてドリフトし薄膜多層
構造の量子井戸層１３に注入され、この高電界領
域において増倍される。
このような量子井戸層１３内での高電界による
キヤリヤの増倍については、IEE Electronics
Letters，16，P467（1980）に記述されている。そ
れによると、次の２つの理由による量子井戸層１
３による実効的なイオン化率比ｋ＝α／βがその
量子井戸層１３を構成している材料固有のイオン
化率比よりも著しく増加する。
キヤリヤの増倍については、IEE Electronics
Letters，16，P467（1980）に記述されている。そ
れによると、次の２つの理由による量子井戸層１
３による実効的なイオン化率比ｋ＝α／βがその
量子井戸層１３を構成している材料固有のイオン
化率比よりも著しく増加する。
(1) 第３図に示したのは本発明の原理であるの量
子井戸層１３の逆バイアス時におけるエネルギ
ーバンド図であるが、ここでEg（InP），Eg
（InGaAs）はそれぞれInP，In0.53Ga0.47Asの禁
制帯幅、ΔEc，ΔEvはそれぞれコンダクシヨン
バンド側，バレンスバンド側のInPとIn0.53
Ga0.47Asの禁制帯幅の相違に起因する不連続エ
ネルギーである。そのため、ΔEc＋ΔEv＋Eg
（InGaAs）＝Eg（InP）の関係が成り立ち、かつ
ΔEc＞ΔEvである。InP層２０からIn0.53Ga0.47
As層２１に注入される電子は高いエネルギー
ΔEcをもつているのに対し、正孔はΔEvの如く
低いため、電子のイオン化率αを増加させる。
子井戸層１３の逆バイアス時におけるエネルギ
ーバンド図であるが、ここでEg（InP），Eg
（InGaAs）はそれぞれInP，In0.53Ga0.47Asの禁
制帯幅、ΔEc，ΔEvはそれぞれコンダクシヨン
バンド側，バレンスバンド側のInPとIn0.53
Ga0.47Asの禁制帯幅の相違に起因する不連続エ
ネルギーである。そのため、ΔEc＋ΔEv＋Eg
（InGaAs）＝Eg（InP）の関係が成り立ち、かつ
ΔEc＞ΔEvである。InP層２０からIn0.53Ga0.47
As層２１に注入される電子は高いエネルギー
ΔEcをもつているのに対し、正孔はΔEvの如く
低いため、電子のイオン化率αを増加させる。
(2) 量子井戸層１３内では正孔―正孔の衝突が電
子―電子の衝突よりも多くなり、そのため正孔
はバレンスバンドの井戸に電子よりも多く閉じ
こめられることになる。そのため、電子のイオ
ン化が正孔のイオン化よりも実効的に増加す
る。この量子井戸層１３における実効的なイオ
ン化率比ｋ＝α／βは周期構造の間隔と各層の
数及び不純物濃度に依存するが、ｋ＝10〜30の
値に設計することが可能である。
子―電子の衝突よりも多くなり、そのため正孔
はバレンスバンドの井戸に電子よりも多く閉じ
こめられることになる。そのため、電子のイオ
ン化が正孔のイオン化よりも実効的に増加す
る。この量子井戸層１３における実効的なイオ
ン化率比ｋ＝α／βは周期構造の間隔と各層の
数及び不純物濃度に依存するが、ｋ＝10〜30の
値に設計することが可能である。
このような大きなイオン化率比を有する量子井
戸層１３で増倍された電子は電極１７に向い外部
端子に増幅された電流信号を送り出す。このとき
の過剰増倍雑音は前述したごとく増倍領域である
量子井戸層１３のイオン化率比が大きいため、
InP等の―族化合物半導体単体を増倍に用い
たAPDと比較してはるかに低雑音となる。
戸層１３で増倍された電子は電極１７に向い外部
端子に増幅された電流信号を送り出す。このとき
の過剰増倍雑音は前述したごとく増倍領域である
量子井戸層１３のイオン化率比が大きいため、
InP等の―族化合物半導体単体を増倍に用い
たAPDと比較してはるかに低雑音となる。
第４図は本発明の実施例を示す断面図である。
第２図に示した本発明の原理図と異なる点はｐ―
ｎ接合１６が量子井戸層１３の上に設けられた第
４の半導体層である不純物濃度３×1015cm-3，膜
厚0.5μｍのｎ型InP層２２と第５の半導体である
不純物濃度５×1016cm-3，膜厚0.3μｍのｐ型InP
層２３によつて構成されている点である。この実
施例において、最大電界強度点となるｐ―ｎ接合
１６はInP層２２，２３内に形成されているた
め、禁制帯幅の小なるIn0.53Ga0.47As層１４，２
１に印加される電界強度が緩和され、In0.53Ga0.47
As層におけるトンネル電流，生成―再結合電流
といつた暗電流成分を減少させることができ、光
検出器としての雑音をさらに減少させることが可
能となる。この実施例においても大きなイオン化
率比をもつ量子井戸層に電子が注入され、増倍さ
れる過程は本発明の原理図と同じであることは言
うまでもない。
第２図に示した本発明の原理図と異なる点はｐ―
ｎ接合１６が量子井戸層１３の上に設けられた第
４の半導体層である不純物濃度３×1015cm-3，膜
厚0.5μｍのｎ型InP層２２と第５の半導体である
不純物濃度５×1016cm-3，膜厚0.3μｍのｐ型InP
層２３によつて構成されている点である。この実
施例において、最大電界強度点となるｐ―ｎ接合
１６はInP層２２，２３内に形成されているた
め、禁制帯幅の小なるIn0.53Ga0.47As層１４，２
１に印加される電界強度が緩和され、In0.53Ga0.47
As層におけるトンネル電流，生成―再結合電流
といつた暗電流成分を減少させることができ、光
検出器としての雑音をさらに減少させることが可
能となる。この実施例においても大きなイオン化
率比をもつ量子井戸層に電子が注入され、増倍さ
れる過程は本発明の原理図と同じであることは言
うまでもない。
以上の実施例では、In0.53Ga0.47As層を光を吸
収しキヤリヤを励起する領域（光吸収領域）と
し、In0.53Ga0.47As層とInP層とからなる量子井戸
層を注入された電子を増倍する領域（増倍領域）
とすることにより、波長1.0〜1.6μｍの光に感度
を有する高感度かつ低雑音のアバランシ・ホトダ
イオードが実現できることを示した。しかし、本
発明は他の―族化合物半導体AlGaAs―
GaAs系，AlInGaAs―InP系，InGaAsP―InP
系，AlGaAsSb―GaSb系等についても適用が可
能であり、更に導電型についても実施例とは逆の
導電型の半導体を用いることも可能である。ま
た、実施例ではメサ型構造のAPDについて示し
たが、プレーナ型を用いてもよいことは言うまで
もない。
収しキヤリヤを励起する領域（光吸収領域）と
し、In0.53Ga0.47As層とInP層とからなる量子井戸
層を注入された電子を増倍する領域（増倍領域）
とすることにより、波長1.0〜1.6μｍの光に感度
を有する高感度かつ低雑音のアバランシ・ホトダ
イオードが実現できることを示した。しかし、本
発明は他の―族化合物半導体AlGaAs―
GaAs系，AlInGaAs―InP系，InGaAsP―InP
系，AlGaAsSb―GaSb系等についても適用が可
能であり、更に導電型についても実施例とは逆の
導電型の半導体を用いることも可能である。ま
た、実施例ではメサ型構造のAPDについて示し
たが、プレーナ型を用いてもよいことは言うまで
もない。
以上説明したように、本発明によれば、―
族化合物半導体単体では実現し得なかつた大きな
イオン化率比を量子井戸層を用いることにより実
現し、かつイオン化率の大なる電子のみが増倍領
域である量子井戸層に注されるため、極めて低雑
音なアバランシ・ホトダイオードを得ることがで
き、その光通信等への応用価値は極めて大であ
る。
族化合物半導体単体では実現し得なかつた大きな
イオン化率比を量子井戸層を用いることにより実
現し、かつイオン化率の大なる電子のみが増倍領
域である量子井戸層に注されるため、極めて低雑
音なアバランシ・ホトダイオードを得ることがで
き、その光通信等への応用価値は極めて大であ
る。
第１図は従来のアバランシ・ホトダイオードの
一例を示す縦断面図、第２図は本発明の原理であ
る量子井戸層を有するアバランシ・ホトダイオー
ドの縦断面図、第３図は本発明の原理図における
量子井戸の逆バイアス印加時におけるエネルギー
構造の模式図、第４図は本発明の実施例を示す縦
断面図である。 １……ｎ型InP基板、２……ｎ型In0.53Ga0.47As
層、３……ｎ型InP層、４……ｐ型InP層、５…
…ｐ―ｎ接合、６，７……金属電極、８……入射
光、１１……ｎ型InP基板、１２……ｎ型InP層、
１３……薄膜多層周期構造を有する量子井戸層、
１４……ｐ型In0.53Ga0.47As層、１５……ｐ型InP
層、１６……ｐ―ｎ接合、１７，１８……金属電
極、１９……入射光、２０……ｎ型InP層、２１
……ｎ型In0.53Ga0.47As層、２２……ｎ型InP層、
２３……ｐ型InP層。
一例を示す縦断面図、第２図は本発明の原理であ
る量子井戸層を有するアバランシ・ホトダイオー
ドの縦断面図、第３図は本発明の原理図における
量子井戸の逆バイアス印加時におけるエネルギー
構造の模式図、第４図は本発明の実施例を示す縦
断面図である。 １……ｎ型InP基板、２……ｎ型In0.53Ga0.47As
層、３……ｎ型InP層、４……ｐ型InP層、５…
…ｐ―ｎ接合、６，７……金属電極、８……入射
光、１１……ｎ型InP基板、１２……ｎ型InP層、
１３……薄膜多層周期構造を有する量子井戸層、
１４……ｐ型In0.53Ga0.47As層、１５……ｐ型InP
層、１６……ｐ―ｎ接合、１７，１８……金属電
極、１９……入射光、２０……ｎ型InP層、２１
……ｎ型In0.53Ga0.47As層、２２……ｎ型InP層、
２３……ｐ型InP層。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 光を吸収して光励起キヤリアを発生する第１
の半導体層である光吸収層と該光励起キヤリアを
増倍する増倍層とを有し、該光吸収層と該増倍層
とが互いに異なる―族化合物半導体からなる
ヘテロ構造のアバランシ・ホトダイオードにおい
て、 前記光吸収層の禁制帯幅よりも大なる禁制帯幅
を有し互いに導電型が異なる第４の半導体層と第
５の半導体層とによりｐ―ｎ接合を形成し、該ｐ
―ｎ接合をはさんで前記光吸収層と前記増倍層と
を配置すると共に前記増倍層が互いに禁制帯幅の
異なる第２の半導体層と第３の半導体層との薄膜
多層周期構造の量子井戸層から構成されているこ
とを特徴とする量子井戸層付アバランシ・ホトダ
イオード。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56159967A JPS5861679A (ja) | 1981-10-07 | 1981-10-07 | 量子井戸層付アバランシ・ホトダイオ−ド |
| GB08228721A GB2107927B (en) | 1981-10-07 | 1982-10-07 | Avalanche photodiode with quantum well layer |
| US06/892,479 US4731641A (en) | 1981-10-07 | 1986-08-05 | Avalanche photo diode with quantum well layer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56159967A JPS5861679A (ja) | 1981-10-07 | 1981-10-07 | 量子井戸層付アバランシ・ホトダイオ−ド |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5861679A JPS5861679A (ja) | 1983-04-12 |
| JPS6328506B2 true JPS6328506B2 (ja) | 1988-06-08 |
Family
ID=15705077
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56159967A Granted JPS5861679A (ja) | 1981-10-07 | 1981-10-07 | 量子井戸層付アバランシ・ホトダイオ−ド |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4731641A (ja) |
| JP (1) | JPS5861679A (ja) |
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| GB2107927A (en) | 1983-05-05 |
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