JPS6358382B2 - - Google Patents

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JPS6358382B2
JPS6358382B2 JP54032823A JP3282379A JPS6358382B2 JP S6358382 B2 JPS6358382 B2 JP S6358382B2 JP 54032823 A JP54032823 A JP 54032823A JP 3282379 A JP3282379 A JP 3282379A JP S6358382 B2 JPS6358382 B2 JP S6358382B2
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JP
Japan
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semiconductor
semiconductor substrate
semiconductor layer
layer
recess
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JP54032823A
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English (en)
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JPS55124278A (en
Inventor
Hiroshi Kanbe
Hiroaki Ando
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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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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  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体を用いて構成され、入射光に応
じたアバランシ増倍による光電流を得る様になさ
れたアバランシフオトダイオードに関する。
斯種アバランシフオトダイオードは、それに外
部より所要のバイアス電圧が印加された場合、内
部に空乏層が形成され、又その空乏層内に外部よ
り光が入射された場合それに基きキヤリアのアバ
ランシ増倍が得られ、更にそれに基く電流が外部
に導出されるという機構を有するものであるが、
近時その機構が1μm以上の長波長の光に対して
も機能することが望まれている。
所でこのように上述した機構が長波長の光に対
て機能する為には、外部より所望のバイアス電圧
が印加された場合に内部に空乏層の形成される領
域の半導体がそのエネルギー禁止帯幅を長波長の
光の波長に応じて小さくしてあれば良い。しかし
ながら、このように空乏層の形成される領域の半
導体がそのエネルギー禁止帯幅を小さくした場合
に、それに光を直接入射させると、その半導体の
表面でのキヤリアの再結合速度が速い為に高い量
子効率が得られないという表面再結合効果を生ず
る欠点がある。
従つて上述した機構が長波長の光に対しても機
能するという斯種アバランシフオトダイオードを
構成する場合、それが上述した表面再結合効果が
無視できるように構成されることが必要となる。
又一般に斯種アバランシフオトダイオードに於
ては上述した機構によつて内部に空乏層を形成す
るが内部に異常ブレークダウンが生じてしまう
と、キヤリアの増倍が安定に得られなくなる欠点
が生ずる。
従つて斯種アバランシフオトダイオードを構成
する場合、それがアバランシ増倍雑音の生じない
様に構成されることが必要となる。
第1図は斯種アバランシフオトダイオードの従
来例である。半導体基板31(例えばInP)の上
に、第2の半導体32がエピタキシヤル成長によ
つて形成されている。第2の半導体は例えば
In0.53Ga0.47Asである。不純物拡散等の手段によ
り、第2の半導体表面に反対導電型の不純物領域
33を形成し、PN接合34を設ける。さらに、
電極35,36を形成する。このような半導体層
構成とすることにより、第2の半導体のエネルギ
ー禁止帯幅を選択することで所望の波長の光に対
して機能し得るフオトダイオードを得ることがで
きるが、アバランシフオトダイオードとして動作
させるためには、PN接合の端部での異常なブレ
ークダウンを防止するために、メサ形にエツチン
グした構造としなければならない。メサ形端部は
37で示されている。
光信号11は第2の半導体層32側から入射し
ても良いが、表面再結合による量子効率の低下を
防ぐため、第1の半導体基板31側から入射する
ことが望ましい。この際、第1の半導体基板はい
わゆるウインド層として働く。
さて、この種従来例によるアバランシフオトダ
イオードでは、つぎのような欠点がある。
異常ブレークダウンを防ぐべく形成したメサ構
造により、PN接合端部は露出し、動作の安定
性、特に長期的な安全性に欠ける。
さらに、PN接合がエネルギー禁止帯幅の小さ
な半導体中に形成され、ここでなだれ増倍が生ず
るため、暗電流は増加し、また雑音が大きくな
る。
第2図は別な従来例であつて、上述の欠点を除
去すべくなされた発明である。(特開昭54−13784
号公報、特開昭54−16196号公報)第1の半導体
基板31上に、同じ半導体でかつ反対導電型の半
導体層38を設け、PN接合34を形成する。
さらに、第1の半導体のエネルギー禁止帯幅よ
りも小さなエネルギー禁止帯幅を有する第2の半
導体32を設ける。第2の半導体32の導電型は
半導体層38と同一とする。このような構成とす
れば、なだれ増倍は、エネルギー禁止帯幅の大き
な半導体中で生ずるため、暗電流の増加、雑音の
増加等の欠点をなくすことができる。
しかし、前述した異常ブレークダウンを防ぐた
めには、第1図と同様メサ形にエツチングするな
どの手段を取る必要があり、前述したように安定
な動作が望めない欠点がある。
なお、第1図、第2図における第1の半導体3
1は比較的比抵抗の小なる半導体を用いている。
依つて本発明は、上述した所望事項及び所要事
項を充分満足し得る新規な斯種アバランシフオト
ダイオードを提案するもので、より具体的には、
エネルギー禁止帯幅の大きな半導体中でなだれ増
倍を生じさせる構造でかつ、異常なブレークダウ
ンを容易に防止し得、さらに良好な特性を実現し
得るアバランシフオトダイオードを提供するもの
であつて、以下図面を伴なつて本発明の実施例を
詳述する所より明らかとなるであろう。
第3図は本発明によるアバランシフオトダイオ
ードの一例を示し、例えばInPでなる比較的比抵
抗の大きな半導体基板1と、その上に例えばエピ
タキシヤル成長法によつて形成された半導体基板
1と同じ導電型を有し且半導体基板1に比べて小
さいエネルギー禁止帯幅を有する例えばIn0.53
Ga0.47Asでなる比較的抵抗の大きな半導体層2と
を有する。
この場合半導体基板1に、その半導体層2側と
は反対側より半導体層2側に向つて延長する例え
ば断面円形の凹所3がエツチング手段等によつて
形成されている。又半導体基板1に、PN接合4
を形成するように凹所3の内表面及び半導体基板
1の半導体層2側とは反対側の面上の凹所3の周
りより半導体層2側に向つて延長する半導体基板
1とは逆の導電型を有し且半導体基板1に比べて
低い比抵抗を有する半導体領域5が例えば不純物
の拡散処理、不純物イオンの打込処理、選択エピ
タキシヤル成長法等によつて、半導体層2に達し
ない厚さを以つて形成されている。更に半導体基
板1に上述したように形成された半導体領域5の
半導体層2側とは反対側の面6上に於ける凹所3
に臨まない領域上に例えば真空蒸着によつて金属
電極7が付され、又半導体層2の半導体基板1側
とは反対側の面8上に同様に真空蒸着によつて金
属電極9が付されている。
以上が本発明によるアバランシフオトダイオー
ドの一例構成であるが、斯る構成によれば、その
電極7及び9間にPN接合4が逆バイアスされる
極性を以つて所要の直流電源を接続すれば、PN
接合4より半導体層2側及び半導体領域5側の両
側に拡がる空乏層が形成されるが、この場合半導
体基板1及び半導体層2の比抵抗が半導体領域5
に比べて大であることにより、半導体基板1の凹
所3の底に対応する領域1′の領域の厚さ及び半
導体層2の厚さを半導体基板1及び半導体層2の
比抵抗値を考慮して予め適当に選んで置けば、半
導体層2側に拡がる空乏層が符号10で示す如く
電極9に達するものとして得られる。又斯く空乏
層10が形成されている状態で、符号11で示す
ように、半導体基板1の半導体層2側とは反対側
より凹所3を通じて半導体層2側に向けて光を入
射すれば、それが半導体領域5、半導体基板1の
領域1′を通つて半導体層2内に達し、そしてそ
の半導体層2内で吸収され、これに基き空乏層1
0内の領域でキヤリアのアバランシ増倍が生じ、
これに基き電極7及び9を通じて入射した光11
に応じたアバランシ増倍による光電流が得られる
ものである。
従つて上述した本発明によるアバランシフオト
ダイオードの一例構成によれば、外部よりの光の
吸収される半導体層2のエネルギー禁止帯幅が半
導体基板1に比べて小さいことにより、上述した
機能が長波長の光に対しても得られるものであ
る。
又上述した本発明の実施例の構成によれば、外
部よりの光が半導体基板1を介して半導体層2に
入射されるものであるが、この場合半導体層2の
エネルギー禁止帯幅が半導体基板1のそれに比べ
て小さく、従つて半導体基板1のエネルギー禁止
帯幅が比較的大であるので、外部よりの光が半導
体基板1で殆んど吸収されることなく半導体層2
に到達し、そしてこの半導体層2内で吸収され、
依つて表面再結合効果が実質的に無視されるとい
う効果が得られるものである。従つて上述した本
発明の実施例の構成によれば高い量子効率が得ら
れることになる。
更に上述した本発明の実施例の構成によれば、
半導体基板1に凹所3が形成され、そして半導体
基板1にその凹所3の内表面側より半導体層2側
に向つて延長せる半導体領域5が形成されてPN
接合4が形成された構成を有することにより、上
述した空乏層10での電界が半導体基板1の凹所
3の底に対応する領域1′に於て最大になるよう
に得られる。この為上述したキヤリアのアバラン
シ増倍が領域1′で最初に得られることを契機と
して主として領域1′で得られる。従つてPN接
合4の凹所3の底に対応する位置以外の位置で異
常ブレークダウンが生ずるということがないのも
のである。依つて上述した本発明の実施例の構成
によれば安定なキヤリアのアバランシ増倍が得ら
れるものである。
以上の説明においては、最も好ましい条件であ
る半導体層2における空乏層10が上表面に設け
られた電極10に接するまで伸びている場合で説
明したが、要は半導体層2における入射光の光吸
収距離まで空乏層が伸びていれば良く、必ずしも
上表面の電極に接するまで伸びている必要はない
ことは明らかであろう。
又上述した本発明の実施例の構成によれば、凹
所3を有するので、その凹所3内に光フアイバを
延長させて、その光フアイバを介して光を入射さ
せることができ、従つて上述した本発明の実施例
の構成によれば光の入射を効果的に容易になさし
め得る等の大きな特徴を有するものである。
又上述した本発明の実施例の構成に於て、その
半導体基板1が例示したようにInPである場合、
一般にInPでの電子と正孔との衝突電離係数の差
が比較的大きく、一方キヤリアのアバランシ増倍
が主として半導体基板1の領域1′で生ずるので、
アバランシ増倍雑音が極めて小さくなつている。
なお、上述に於ては半導体基板1と同じ導電型
を有し且それに比べて小さなエネルギー禁止帯幅
を有する半導体層2が直接半導体基板1上に形成
されてなる場合について述べたが、第4図に示す
ように半導体基板1と同じ導電型を有し且それと
同じエネルギー禁止帯幅を有するを可とする例え
ばInPでなる半導体層21を介して半導体基板1
上に形成した構成とし、但しこの場合半導体層2
1を半導体基板1に比べて低い比抵抗を有するも
のとし、又半導体領域5を半導体層21内迄延長
させ、従つてPN接合4を半導体層21内に延長
させて、半導体層21の凹所3に対応する位置の
領域21′に於て主としてキヤリアのアバランシ
増倍をさせるようにする。この場合、比較的低い
比抵抗を有する領域21′の存在によつてPN接
合4の異常ブレークダウンが凹所3の底に対応す
る位置以外の位置で不必要に生ずることが第3図
の場合に比べて少なくなるという特徴を第3図で
述べた特徴の外有するものとすることも出来る。
また、第4図にて上述した構成に於てその半導
体層21内迄延長されていない構成とすることも
出来るものである。
更に上述に於ては半導体基板1乃至半導体層2
1がInP、半導体層2がInGaAs系である組合せ
を例示したものであるが、それに限らず半導体基
板1乃至半導体層21がGaAs、GaSb、InAs等、
半導体層2がGaAsSb、InAsP、AlGaSb、
InGaAsP、AlGaAsSb系等である組合せとする
ことも出来、その他本発明の精神を脱することな
しに種々の変型変更をなし得るであろう。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のアバランシフオトダイオードの
断面図、第2図は他の従来例を示す図、第3図は
本発明によるアバランシフオトダイオードの一例
を示す略線的断面図、第4図は本発明によるアバ
ランシフオトダイオードの他の例を示す略線的断
面図である。 図中、1は半導体基板、2及び21は半導体
層、3は凹所、4はPN接合、5は半導体領域、
6及び8は面、7及び9は金属電極、10は空乏
層、11は光を夫々示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 半導体基板と、該半導体基板上に形成された
    上記半導体基板と同じ導電型を有し且上記半導体
    基板に比し小なるエネルギー禁止帯幅を有する半
    導体層とを具備し、上記半導体基板にその上記半
    導体層側とは反対側より凹所が形成され、上記半
    導体基板内に上記凹所の内表面側より当該半導体
    基板とは逆の導電型を有し、比抵抗が上記半導体
    基板より小さな値を有する半導体領域がPN接合
    を形成するように形成され、上記半導体基板の凹
    所の底における上記半導体領域の上面よりの厚さ
    を上記PN接合に逆バイアスが印加された時に生
    ずる空乏層が上記半導体層に達する範囲の厚さと
    し、上記半導体領域及び上記半導体層に夫々第1
    及び第2の電極が附されてなる事を特徴とするア
    バランシフオトダイオード。 2 半導体基板と、該半導体基板上に形成された
    上記半導体基板と同じ導電型及びエネルギー禁止
    帯幅を有する第1の半導体層と、該第1の半導体
    層上に形成された上記半導体基板と同じ導電型を
    有し且上記半導体基板に比べて小さなエネルギー
    禁止帯幅を有する第2の半導体層とを具備し、上
    記半導体基板にその上記第1の半導体層側とは反
    対側より凹所が形成され、上記半導体基板内に上
    記凹所の内表面側より上記第1の半導体層内に延
    長する上記半導体基板とは逆の導電型を有し、比
    抵抗が上記半導体基板より小さな値を有する半導
    体領域がPN接合を形成するように形成され、上
    記半導体基板の凹部の底における上記半導体領域
    の上面より上記第1の半導体層の上面までの厚さ
    を上記PN接合に逆バイアスが印加された時に生
    ずる空乏層が上記第2の半導体層に達する範囲の
    厚さとし、上記半導体領域及び第2の半導体層に
    夫々第1及び第2の電極が附され、上記第1の半
    導体層が上記第2の半導体層に比し小なる比抵抗
    を有してなる事を特徴とするアバランシフオトダ
    イオード。
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