JPH03116790A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH03116790A JPH03116790A JP1254598A JP25459889A JPH03116790A JP H03116790 A JPH03116790 A JP H03116790A JP 1254598 A JP1254598 A JP 1254598A JP 25459889 A JP25459889 A JP 25459889A JP H03116790 A JPH03116790 A JP H03116790A
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Landscapes
- 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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、半導体受光素子に関し、特に低雑音及び高速
応答に優れたアバランシェ増倍型半導体受光素子に関す
る。
応答に優れたアバランシェ増倍型半導体受光素子に関す
る。
従来１〜１．６μｍ帯の光通信半導体受光素子としてＩ
ｎＰ基板上に格子整合したＩｎＯ，５３Ｇａ０．４７Ａ
ｓ層（以下ＩｎＧａＡｓ層と略記する）を光吸収層とす
るＰＩＮ型半導体受光素子（エレクトロニクス・レター
ズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、Ｌｅｔｔ、）１９８４．２０．
ｐｐ６５３−ｐｐ６５４）、アバランシェ増倍型半導体
受光素子（アイイーイーイー・エレクトロン・デバイス
・レターズ（ＩＥＥＥ、ＥＩｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉ
ｃｅ Ｌｅｔｔ、）１９８６．７．ｐｐ２５７−ｐｐ
２５８）が知られている。特にこの中で、アバランシェ
増倍型半導体受光素子は、アバランシェ増倍作用による
内部利得効果及び高速応答性を有する点で長距離光通信
用として実用化されている。
ｎＰ基板上に格子整合したＩｎＯ，５３Ｇａ０．４７Ａ
ｓ層（以下ＩｎＧａＡｓ層と略記する）を光吸収層とす
るＰＩＮ型半導体受光素子（エレクトロニクス・レター
ズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、Ｌｅｔｔ、）１９８４．２０．
ｐｐ６５３−ｐｐ６５４）、アバランシェ増倍型半導体
受光素子（アイイーイーイー・エレクトロン・デバイス
・レターズ（ＩＥＥＥ、ＥＩｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉ
ｃｅ Ｌｅｔｔ、）１９８６．７．ｐｐ２５７−ｐｐ
２５８）が知られている。特にこの中で、アバランシェ
増倍型半導体受光素子は、アバランシェ増倍作用による
内部利得効果及び高速応答性を有する点で長距離光通信
用として実用化されている。
第３図には、典型的なＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤ（アバラン
シェ増倍型半導体受光素子は以下ＡＰＤし略記する）を
示す。このＡＰＤの動作原理を説明する。Ｉ ｎＧａＡ
ｓ光吸収層３で発生した光キャリアの中で、正孔キャリ
アが電界によりＩｎＰアバランシェ１増倍層１２に注入
される。ＩｎＰアバランシェ増倍層１２には高電界が印
加されておりイオン化衝突が生じ増倍特性に至る。この
ＡＰＤにおいて素子特性上重要な雑音・高速応答特性は
、増倍過程でのキャリアのランダムなイオン化プロセス
に支配されている事が知られている。
シェ増倍型半導体受光素子は以下ＡＰＤし略記する）を
示す。このＡＰＤの動作原理を説明する。Ｉ ｎＧａＡ
ｓ光吸収層３で発生した光キャリアの中で、正孔キャリ
アが電界によりＩｎＰアバランシェ１増倍層１２に注入
される。ＩｎＰアバランシェ増倍層１２には高電界が印
加されておりイオン化衝突が生じ増倍特性に至る。この
ＡＰＤにおいて素子特性上重要な雑音・高速応答特性は
、増倍過程でのキャリアのランダムなイオン化プロセス
に支配されている事が知られている。
具体的には、増倍層であるＩｎＰ層の電子と正孔のイオ
ン化率に差がある程純粋なキャリアでのイオン化衝突に
なるので（電子及び正孔のイオン化率をそれぞれα及び
βとするとα／β〉１の時には電子、β／α〉１の時に
は正孔がイオン化衝突を起こす主キャリアとなるべきで
ある）、素子特性上望ましい。
ン化率に差がある程純粋なキャリアでのイオン化衝突に
なるので（電子及び正孔のイオン化率をそれぞれα及び
βとするとα／β〉１の時には電子、β／α〉１の時に
は正孔がイオン化衝突を起こす主キャリアとなるべきで
ある）、素子特性上望ましい。
ところが、イオン化率比（β／α）は素材物性的に決定
されており、ＩｎＰでは高々β／α−２程 α７６２２０℃と大きな違いがあり、より低雑音及び高
速応答特性を実現する為に画期的な材料技術が要求され
ている。
されており、ＩｎＰでは高々β／α−２程 α７６２２０℃と大きな違いがあり、より低雑音及び高
速応答特性を実現する為に画期的な材料技術が要求され
ている。
これに対し、エフ・カバン（Ｆ．ＣａｐａｓｓＯ）等は
、バンド不連続の大きな超格子構造をアバランシェ増倍
層に適用する事（アプライド・フィジックス・レターズ
（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，）、４０，ｐｐ３８
−４０ （１９８２））によってイオン化率比が人工
的に制御できる事を提 案している。光通信波長帯（１
〜１．６μｒｎ） ）に対しては、ケー・ブレナン（Ｋ
．Ｂ ｒ ｅ ｎ ｎ ａｎがＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａ
Ａｓ超格子系を増倍層として適用する事によって、モン
テカルロ法によりイオン化率α／β−２０程度が得られ
る事を理論的に推測している（アイイーイーイー・トラ
ンザクション・オン・エレクトロン・デバイスズ（ＩＥ
ＥＥ，Ｔｒａｎｓ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖ＋ｃｅ
ｓ，ＥＤ−３３，ｐｐ１５０２−１５１０（１９８６）
）。これらの超格子構造を用いたアバランシェ増倍型受
光素子は、従来のＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤを特性上はるか
にしのぐデバイスとして大きな期待が寄せられている。
、バンド不連続の大きな超格子構造をアバランシェ増倍
層に適用する事（アプライド・フィジックス・レターズ
（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，）、４０，ｐｐ３８
−４０ （１９８２））によってイオン化率比が人工
的に制御できる事を提 案している。光通信波長帯（１
〜１．６μｒｎ） ）に対しては、ケー・ブレナン（Ｋ
．Ｂ ｒ ｅ ｎ ｎ ａｎがＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａ
Ａｓ超格子系を増倍層として適用する事によって、モン
テカルロ法によりイオン化率α／β−２０程度が得られ
る事を理論的に推測している（アイイーイーイー・トラ
ンザクション・オン・エレクトロン・デバイスズ（ＩＥ
ＥＥ，Ｔｒａｎｓ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖ＋ｃｅ
ｓ，ＥＤ−３３，ｐｐ１５０２−１５１０（１９８６）
）。これらの超格子構造を用いたアバランシェ増倍型受
光素子は、従来のＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤを特性上はるか
にしのぐデバイスとして大きな期待が寄せられている。
前述の超格子ＡＰＤとしては、特に１〜１．６μｍ帯の
光通信用に限定した場合、ケー・プレナン（Ｋ．Ｂｒｅ
ｎｎａｎ）が提案したＩｎＧａＡｓ／ Ｉ ｎ Ｇ ａ
Ａ ｓ超格子系が考えられる。この超格子系では、Ｉ
ｎＰ基板に格子整合する材料系で、かつ伝導帯側の大き
な不連続性（△Ｅｃ＝０，５ｅ■）を利用することによ
り、電子のみの選択的なイオン化を可能にし、大きなイ
オン化率比を実現している。しかしながら、光通信用の
受光素子には１０８時間以上という長期にわたる信頼性
が要求されている。この観点より上述の超格子系はＡ１
を含んだ材料系でなるから、信頼性の点で努る。
光通信用に限定した場合、ケー・プレナン（Ｋ．Ｂｒｅ
ｎｎａｎ）が提案したＩｎＧａＡｓ／ Ｉ ｎ Ｇ ａ
Ａ ｓ超格子系が考えられる。この超格子系では、Ｉ
ｎＰ基板に格子整合する材料系で、かつ伝導帯側の大き
な不連続性（△Ｅｃ＝０，５ｅ■）を利用することによ
り、電子のみの選択的なイオン化を可能にし、大きなイ
オン化率比を実現している。しかしながら、光通信用の
受光素子には１０８時間以上という長期にわたる信頼性
が要求されている。この観点より上述の超格子系はＡ１
を含んだ材料系でなるから、信頼性の点で努る。
このように従来の低雑音、高速応答ＡＰＤには信頼性に
関して解決すべき課題があった。
関して解決すべき課題があった。
そこで、本発明の目的は、これらの課題を解決して低雑
音、高速応答性を有し、しかも信頼性に優れたアバラン
シェ増倍型半導体受光素子を提供する事にある。
音、高速応答性を有し、しかも信頼性に優れたアバラン
シェ増倍型半導体受光素子を提供する事にある。
前述の課題を解決するために本発明が提供する手段は、
半導体基板上に、光吸収層である第一の半導帯層（ｎ型
ＩｎＧａＡｓ層）と、アバランシェ増倍層である第二の
半導帯層と、キャップ層である第三の半導帯層（Ｐ型Ｉ
ｎＰ層）とを有する半導体受光素子であって、前記アバ
ランシェ増倍層がｎ型１ｎＡｓｘＰ＋ −ｘ （０≦Ｘ
≦１）の超格子構造からなり、この超格子構造では組成
がグレーデッドに変化していることを特徴としている。
半導体基板上に、光吸収層である第一の半導帯層（ｎ型
ＩｎＧａＡｓ層）と、アバランシェ増倍層である第二の
半導帯層と、キャップ層である第三の半導帯層（Ｐ型Ｉ
ｎＰ層）とを有する半導体受光素子であって、前記アバ
ランシェ増倍層がｎ型１ｎＡｓｘＰ＋ −ｘ （０≦Ｘ
≦１）の超格子構造からなり、この超格子構造では組成
がグレーデッドに変化していることを特徴としている。
本発明は、上述の手段をとることにより、従来技術に残
された課題を解決した。第二図は、本発明の素子におけ
るバンド構造を示す図である。アバランシェ増倍層には
ＩｎＡｓｘＰ’，−ｘ （０≦Ｘ≦ｌ）からＩｎＰヘグ
レーデッドに組成変化する超格子構造を採用できる。
された課題を解決した。第二図は、本発明の素子におけ
るバンド構造を示す図である。アバランシェ増倍層には
ＩｎＡｓｘＰ’，−ｘ （０≦Ｘ≦ｌ）からＩｎＰヘグ
レーデッドに組成変化する超格子構造を採用できる。
本図に示すようにグレーデッドに組成が変化する超格子
構造でアバランシェ増倍層を構造することにより、光吸
収層で発生した光キャリアの中で正孔キャリアだけが逆
電界によって超格子増倍層に注入される。その逆電界に
よって走行する正孔はグレーデッド超格子構造の価電子
帯側の不連続を谷として感じて実効的に△Ｅｖのエネル
ギーを得る。これにより、正孔キャリアのイオン化閾値
エネルギーが見かけ上△Ｅｖ減少し、イオン化に到達し
やすくなる。これに対して電子キャリア（この場合は正
札キャリアのイオン化衝突によって生じたキャリアであ
る）は、伝導帯側の不連続を壁として感じるから、△Ｅ
ｃのエネルギーを失い、見かけ上イオン化閾値エネルギ
ーが増加しイオン化しにくい状況になる。つまり、本発
明による超格子アバランシェ増倍層では正孔キャリアの
イオン化を誇張する材料系となってい・る。
構造でアバランシェ増倍層を構造することにより、光吸
収層で発生した光キャリアの中で正孔キャリアだけが逆
電界によって超格子増倍層に注入される。その逆電界に
よって走行する正孔はグレーデッド超格子構造の価電子
帯側の不連続を谷として感じて実効的に△Ｅｖのエネル
ギーを得る。これにより、正孔キャリアのイオン化閾値
エネルギーが見かけ上△Ｅｖ減少し、イオン化に到達し
やすくなる。これに対して電子キャリア（この場合は正
札キャリアのイオン化衝突によって生じたキャリアであ
る）は、伝導帯側の不連続を壁として感じるから、△Ｅ
ｃのエネルギーを失い、見かけ上イオン化閾値エネルギ
ーが増加しイオン化しにくい状況になる。つまり、本発
明による超格子アバランシェ増倍層では正孔キャリアの
イオン化を誇張する材料系となってい・る。
さらに本発明の素子は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐ原子を基
調とする材料で実現される。このように、本発明の構造
は、従来より光通信用素子として十分に高い信頼性を得
ている材料系で構成されるから、ｋ、Ｂｒｅｎｎａｎの
提案するＡＩを含んだ材料系の素子に比較すると信頼性
の点で極めて優れている。
調とする材料で実現される。このように、本発明の構造
は、従来より光通信用素子として十分に高い信頼性を得
ている材料系で構成されるから、ｋ、Ｂｒｅｎｎａｎの
提案するＡＩを含んだ材料系の素子に比較すると信頼性
の点で極めて優れている。
以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。第１図は、本発明の一実施例により形成された
アバランシェ増倍型受光素子の断面図である。この実施
例の構造は、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰバッファ
層２、ｎ型Ｉ ｎＧａＡｓＧａＡｓ光吸収型３レーデッ
ド超格子アバランシェ増倍層４、ｎ型ＩｎＰキャップ層
５を順次に積層してなる。ここで、グレーデッド超格子
アバランシェ増倍層４は、ＩｎＡｓｘＰ＋ −ｘ （０
≦Ｘ≦１）からＩｎＰに序々に組成が変化する構造から
なっている。その後にＰ十領６及びＰ−領域７を拡散法
により形成し、さらにパッシベーション膜８．電極９．
１０を形成する事によって素子構造を得ている。
明する。第１図は、本発明の一実施例により形成された
アバランシェ増倍型受光素子の断面図である。この実施
例の構造は、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰバッファ
層２、ｎ型Ｉ ｎＧａＡｓＧａＡｓ光吸収型３レーデッ
ド超格子アバランシェ増倍層４、ｎ型ＩｎＰキャップ層
５を順次に積層してなる。ここで、グレーデッド超格子
アバランシェ増倍層４は、ＩｎＡｓｘＰ＋ −ｘ （０
≦Ｘ≦１）からＩｎＰに序々に組成が変化する構造から
なっている。その後にＰ十領６及びＰ−領域７を拡散法
により形成し、さらにパッシベーション膜８．電極９．
１０を形成する事によって素子構造を得ている。
ここで、グレーデッド超格子構造層のＩｎＡｓｘＰ、−
ｘ （０≦Ｘ≦１）は、Ｘ値大きい程伝導帯不連続エネ
ルギー△Ｅｃが大きいのでイオン化率の改善は大きくな
る。簡便な見積りによると、ｘ＝ｌで△Ｅｃ＝０．３６
ｅＶまで可能である。しかしながら、その場合の格子不
整は、ＩｎＰ基板１に対して〜３％に達し、ミスフィツ
ト転位等の発生要因となる。それ故、Ｘ値には最適値が
ある。
ｘ （０≦Ｘ≦１）は、Ｘ値大きい程伝導帯不連続エネ
ルギー△Ｅｃが大きいのでイオン化率の改善は大きくな
る。簡便な見積りによると、ｘ＝ｌで△Ｅｃ＝０．３６
ｅＶまで可能である。しかしながら、その場合の格子不
整は、ＩｎＰ基板１に対して〜３％に達し、ミスフィツ
ト転位等の発生要因となる。それ故、Ｘ値には最適値が
ある。
上述の構造の本実施例では、作用の欄に述べた原理に従
い、正孔のイオン化を誇張したアバランシェ増倍作用が
生じる。
い、正孔のイオン化を誇張したアバランシェ増倍作用が
生じる。
本発明による素子構造は、具体的にはハイドライドＶＰ
Ｅ、ＭＯＣＶＤ、ガスソースＭＢＥ法等の成長技術によ
り、十分に実現できる。さらに、この実施例は、作用の
欄でも述べた様にＩｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐを基調とした材
料系で構成されるので、信頼性に優れ、光通信用受光素
子としては最適である。
Ｅ、ＭＯＣＶＤ、ガスソースＭＢＥ法等の成長技術によ
り、十分に実現できる。さらに、この実施例は、作用の
欄でも述べた様にＩｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐを基調とした材
料系で構成されるので、信頼性に優れ、光通信用受光素
子としては最適である。
以上に説明したように、本発明により得られるアバラン
シェ増倍型受光素子はＩｎＡｓｘＰ＋ −Ｘ （０≦Ｘ
≦１）グレーデッド超格子構造層などのＡＩを含まない
半導体層をアバランシェ増倍層として適用する事により
、低雑音でかつ高速応答特性が得られる。このような構
造の本発明の半導体受光素子は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐ
を基調とした材料系で構成できるので、長期にわたり高
い信頼性を維持できるから、光通信用素子としては最適
である。
シェ増倍型受光素子はＩｎＡｓｘＰ＋ −Ｘ （０≦Ｘ
≦１）グレーデッド超格子構造層などのＡＩを含まない
半導体層をアバランシェ増倍層として適用する事により
、低雑音でかつ高速応答特性が得られる。このような構
造の本発明の半導体受光素子は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐ
を基調とした材料系で構成できるので、長期にわたり高
い信頼性を維持できるから、光通信用素子としては最適
である。
第１図は本発明の一実施例であるアバランシェ増倍型受
光素子の断面図、第２図は本発明の素子におけるバンド
構造を示す図、第３図は従来のＩｎＧａＡｓ系アバラン
シェ増倍型受光素子の断面図である。 １・・・ｎ、型ＩｎＰ基板、２・・・ｎ型１ｎＰバッフ
ァ層、３・・・ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、４・・・ｎ
型ＩｎＡｓｘＰ＋ −ｘ （０≦Ｘ≦１）グレーデッド
超格子構造（アバランシェ増倍層）、５・・・ｎ型Ｉｎ
Ｐキャップ層、６・・・Ｐ＋−受光領域、７・・・Ｐ−
カードリング領域、８・・・パッシベーション膜、９・
・・Ｐ側オーシック用電極、１０・・・ｎ側オーシック
用電極、１１・・・入射光、１２・・・ｎ型ＩｎＰ層（
アバランシェ増倍層）。
光素子の断面図、第２図は本発明の素子におけるバンド
構造を示す図、第３図は従来のＩｎＧａＡｓ系アバラン
シェ増倍型受光素子の断面図である。 １・・・ｎ、型ＩｎＰ基板、２・・・ｎ型１ｎＰバッフ
ァ層、３・・・ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、４・・・ｎ
型ＩｎＡｓｘＰ＋ −ｘ （０≦Ｘ≦１）グレーデッド
超格子構造（アバランシェ増倍層）、５・・・ｎ型Ｉｎ
Ｐキャップ層、６・・・Ｐ＋−受光領域、７・・・Ｐ−
カードリング領域、８・・・パッシベーション膜、９・
・・Ｐ側オーシック用電極、１０・・・ｎ側オーシック
用電極、１１・・・入射光、１２・・・ｎ型ＩｎＰ層（
アバランシェ増倍層）。
Claims (1)
- 半導体基板上に、光吸収層である第一の半導体層と、ア
バランシェ増倍層である第二の半導体層と、キャップ層
である第三の半導体層とを有する半導体受光素子におい
て、前記アバランシェ増倍層が超格子構造からなり、こ
の超格子構造では組成からグレーデッドに変化している
ことを特徴とする半導体受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1254598A JPH03116790A (ja) | 1989-09-28 | 1989-09-28 | 半導体受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1254598A JPH03116790A (ja) | 1989-09-28 | 1989-09-28 | 半導体受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03116790A true JPH03116790A (ja) | 1991-05-17 |
Family
ID=17267263
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1254598A Pending JPH03116790A (ja) | 1989-09-28 | 1989-09-28 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03116790A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110690314A (zh) * | 2019-09-05 | 2020-01-14 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器及其制备方法 |
-
1989
- 1989-09-28 JP JP1254598A patent/JPH03116790A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110690314A (zh) * | 2019-09-05 | 2020-01-14 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 吸收层与倍增层为分离结构的紫外探测器及其制备方法 |
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