JPH03214781A

JPH03214781A - 半導体受光素子

Info

Publication number: JPH03214781A
Application number: JP2009714A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Makita; 紀久夫牧田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-01-19
Filing date: 1990-01-19
Publication date: 1991-09-19

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】（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。

（従来の技術）従来、波長１〜１．６μｍ帯の光通信用半導体受光素子
としてＩｎＰ基板上に格子整合したＩｎ０．５３ＧａＯ
．４７ＡＢ層（以下、ＩｎＧａＡｓ層と略記する）を光
吸収層とするＰＩＮ塁半導体受光素子がエレクトロニク
ス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）１９８４年２０巻ｐｐ６５３−ｐｐ６５４に、アバ
ランシェ増倍童半導体受光素子がアイ・イー・イー・イ
ー・エレクトロン・デバイス・レターズ（ＩＥＥＥ．　
Ｅｌｃｔｒｏｎ．　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）１
９８６年７巻ｐｐ２５７　−　ｐｐ２５８）に記載され
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。

ところで、アバランシェ増倍型半導体受光素子（以下、
ＡＰＤと略記する）の動作原理は、光吸収によって発生
した光キャリアを高電界領域中に注入する事により、イ
オン化衝突を起こし増倍特性を得ている。このＡＰＤに
おいて、素子特性上重要な雑音・高速応等特性は、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ｐとすると、ａ／ｐ＞
１の時には電子、ｐ／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（ｐ／α）は材料物性的は決定
されており、ＩｎＰでは高々ｐ／α＝２程度である。こ
れは、低雑音特性を有するＳｉのａ／ｐ−２０と大きな
違いがあり、より低雑音及び高速応等特性を実現する為
に画期的な材料技術が要求されている。

これに対し、エフ・カバソ（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、ｐ
ｐ３８−４０（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
〜Ｌ６１１ｍ）に対しては、ケー・ブレナン（Ｋ．　Ｂ
ｒｅｎｎａｎ）がＩｎＡＬＡｓ／ＩｎＧａＡｓ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
よりイオン化率比ａ／１３−２０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・デバイスズに記載されてい
る。（ＩＥＥＥ．　Ｔｒａｎｓ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　
Ｄｅｖｉｃｅｓ，　ＥＤ−３３，　ｐｐ−１５０２−１
５１０（１９８６））。また牧田等はＭＯＣＶＤ技術を
用いてＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子ＡＰＤを試作
し、ａ／ｐ＞１５である事を検証している（第５０回応
用物理学会学術講演会講演予稿集第三分冊、２９ＺＭ−
４、１９８９秋季）。

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（以下超格子ＡＰＤと略記する）は、従来のＩｎＧａ
Ａｓ−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。

（発明が解決しようとする課題）前述の超格子としては、特に波長１〜１．６１１ｍ帯の
光通信用に限定した場合、ケー・ブレナン（Ｋ．Ｂｒｅ
ｎｎａｎ）が提案したＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格
子系が考えられる。この超格子系は、価電子帯側（ΔＥ
ｖｗＯ．２ｅＶ）に比較し伝導体側に大きな不連続性（
ΔＥｃｍＯ．５ｅＶ）を有する。この為、光によって発
生したキャリアにおいて特に電子が、バンド不連続領域
（超格子構造領域）を走行する事多こより伝導体不連続
をエネルギーとして取り込む事が可能になり、その結果
電子のイオン化衝突閾値エネルギーを実効的に減少させ
る事が可能となる。それ故、ＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡ
ｓ超格子ＡＰＤは、電子を選択的にイオン化するつまり
呻比を増大する特性を有する。事実、牧田等の実験にお
いでもＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子ＡＰＤにおい
て電子のイオン化率比が選択的に増大し、ａ／１３比が
１５以上である事を検証しており、上述のデバイス原理
は確証のあるものとなっている。

しかしながら、現在の超格子ＡＰＤの特性はＩｎＡＩＡ
ｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子構造の結晶品質に大きく依存し
ている事が知られている。例えば、ＩｎＡＩＡｓ結晶は
多量の深いトラップ準位を有している事が既に報告され
ている。またＩｎＡＩＡｓとＩｎＧａＡｓの界面品質に
関しても成長技術の制御性と大きく関係し、界面での欠
陥を介したトラップ準位も予想される。

これらのトラップ準位が、実際のデバイス構造に存在し
た場合には次に述べる様な問題が生じる。

■トラップ準位を介したイオン化過程が生じ、本来のバ
ンド不連続を利用した増倍過程を汚染する。

■トラップ準位を介した発生電流により暗電流が大きく
なる。

この様に、従来の超格子ＡＰＤにおいては、特にＩｎＡ
ＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子構造の結晶品質に関して解
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・高速応答性を有する超格子
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
。

（課題を解決するための手段）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、超格子構造からなるアバランシェ゛増
倍層を有する半導体受光素子において、前記半導体基板
の面方位が（１００）面より（１１１）一Ａ面方向ある
いは原子配列上それと等価な面方向に傾いているか、（
ｘ１１）−Ａ面（但しＸはＸ≧１の整数）より（１００
）面方向あるいはそれと等価な面方向に傾いているか、
（ｙｌ丁）−Ｂ面（但しｙは１以上の整数）より任意の
面方向に傾いていることを特徴としている。

あるいは半導体基板上に、超格子構造からなるアバラン
シェ増倍層を有する半導体受光素子において、任意の面
方位の前記半導体基板が任意の面方向に３°〜１０°傾
いている事を特徴としている。

（作用）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。

本発明においては、発明者は有機金属気相成長法（ＭＯ
ＣＶＤ法）を用いてＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子
構造の結晶品質を定性的に把握する実験を行った。本実
験で用いたＭＯＣＶＤ装置は、高周波加熱法によりＩｎ
Ｐ基板を加熱しＩＩＩ族原料としてＴＭＡＩ（　｝リメ
チルアルミニウム）、ＴＥＧａ（　｝リエチルガリウム
）、ＴＭＩｎ（　｝リメチルインジウム）、Ｖ族原料と
してＡｓＨ３（アルシン）ガス、ＰＨ３（フオスフイン
）ガスを導入する事によりＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ
超格子構造を得ている。

またＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子構造の結晶品質
を定性的に把握する為の手段として、ＩｎＰ基板上にＩ
ｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ単一井戸量子構造（ＳＱＷ構
造）を積層し、２Ｋのフォトルミネッセンス法により評
価した。この場合、ＳＱＷ構造の井戸層厚Ｌｚに対する
フォトルミネッセンス半値幅を評価する事によって、界
面・バルク品質が推測できる事は良く知られている評価
技術である。

一般的には、Ｌｚが狭い領域（Ｌｚ＜５０人）で半値幅
が広がる要因としては界面のゆらぎが大きい事、及びＩ
ｎＡＩＡｓ，　ＩｎＧａＡｓバルクでの混晶ゆらぎによ
ると言われている。また、Ｌｚが広い領域（ＬＺ＞５Ｏ
Ａ）で半値幅が広がる要因としては、井戸層中での電子
濃度が高い事によるバンドフィリング効果が影響してい
る。ここで界面ゆらぎ・混晶ゆらぎ等は界面及びバルク
品質を間接的に示唆するものである。またバンドフィリ
ング効果もバルク及び界面での不純物・欠陥濃度に支配
される。それ故定性的には半値幅が狭い程超格子構造の
品質が良いことを示す。この様な背景のもとて本発明者
はＩｎＰ基板の面方位によるＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡ
ｓ超格子構造の結晶品質を把握した。

第３図は、問題点を解決する為の請求項１の発明の作用
に関するものでＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ　ＳＱＷ構
造において、Ｌｚに対する温度２Ｋのフォトルミネッセ
ンス半値幅をプロットしている。この場合、サンプルと
して（１００）フラットＩｎＰ基板面、（１００）面か
ら２°（１１１）−Ａ面方向に傾いたＩｎＰ基板面、（
１００）面から２°（１１１）一Ｂ面方向に傾いたＩｎ
Ｐ基板面を用いてはパラメータ化している。これより結
晶品質を比較すると（ｉｏｏ）面から２°（１１１）−
Ａ面方向に傾いた場合、半値幅が狭く結晶品質が良好で
ある。傾ける角度は２°と限らず１．５°以上あれば効
果がある。

この結果は、第４図を用いて次の理由によって説明づけ
られる。一般に（１００）フラット面より傾ける事によ
って一原子層の高さを有するステップが段々状に形成さ
れる。この様な基板上に気相エビタキシャル成長を行う
場合、気相原子（特にここではＧａ，　Ｉｎ，　ＡＩか
らなるＩＩＩ族原子）が表面に吸着・マイグレーション
してステップ部に結合する過程をへる事により、良質な
エビタキシャル層が形成される。この場合、特にステッ
プでの原子配列が重要で、配列的には第４図に示す様に
（１１１）−Ａ面方向、（ｘｔｉ）−Ｂ面方向に傾けた
２つのタイプを考慮すれば充分である。ここで特に（１
１１）−Ａ面方向に傾けた場合には、マイグレーション
してきたＩＩＩ族原子が３本の結合手をステップサイト
に向けられるので、原子配列的には安定な結合である。

それに比較して（ｕＴ）一Ｂ面に傾けた場合は２本の結
合手がステップサイトに向くのみで安定ではない。これ
ゆえ（１１１）−Ａ面方向に傾けた基板上でのエビタキ
シャル層の品質が良好となる。

同様な原子配列は、（ｘ１１）−Ａ面基板（但しＸ≧１
）において（１００）面方向に傾けた場合、（ｙｌ丁）
一Ｂ面基板（但しｙ≧１）において任意方向に傾けた場
合、及びそれらと等価な面方位関係にある場合が予想さ
れる。それ故、上述した面方位を用いた半導体基板上に
おいても、同様な結晶品質の改善が可能である。

以上の作用において（１００）面より（１１１）−Ａ面
方向、（ｘ１１）−Ａ面（但しＸ≧１）より（１００）
面方向、（ｙ１１）一Ｂ面（但しｙ≧１）より任意の面
方向に傾けたエ−基板を用いる事により、ＩｎＧａＡｓ
／ＩｎＡＩＡｓ超格子構造の結晶品質が改善され、優れ
た超格子ＡＰＤのデバイス特性が得られる。

第５図は、請求項２による発明の作用について述べたも
ので、ＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ　８ＱＷ構造におい
て基板面方位の角度を変えた場合の、フォトルミネッセ
ンス半値幅のＬｚ依存性を示す。この場合、（ｉｏｏ）
面より（１１０）面方向に００、２°、３°、６°、１
０°傾けたＩｎＰ基板を用いる事により比較がなされて
いる。これより３°以上傾ける事によりフォトルミネッ
センス半値幅が低減する事が判る。

この結果は、ステップのテラス上での原子の拡散（マイ
グレーション）について示した第６図を用いて次の様な
理由によって説明づけられる。前述の？板面方位を傾け
る事によって生じるステップの長さ１は、一般に次式に
よって示される。

１＝４　ａ■　ｃｏｔ（θ）　　　　　　　　．．．．
．．．．．　　（１）ここでａＱは格子定数、θはオフ
角度である。品質の良いエビタキシャル層を形成する為
には、前述した様にステップ部にＩＩＩ族原子がマイグ
レーションしてきて安定に結合する事が重要な過程とな
る。

ところで、このマイグレーションでき得る距離λは、原
子固有の物性によって律速される。

ここでもし、第６図に示す様なλくｌの場合（第６図（
ｂ）に対応）には、ＩＩＩ族原子がステップに到達する
確率が小さくなりランダムにステップ以外でクラスタ・
島状成長を引き起こす可能性があり、結晶品質の低下が
予想される。ステップ長１は（１）式に示される通りオ
フ角度が大きくなる事により小さくなる。ここでθを大
きくする事によりλ〉■の領域（第６図（ａ）に対応）
では、逆にＩＩＩ族原子がマイグレーションにより安定
にステップに供給可能となる為に、結晶品質の改善がは
かられる。特に本発明において（１００）面より（１１
０）面方向に傾けた場合には３°以上（１１）傾ける事が有効な事が第５図の実験より定性的に示され
ている。オフ角度の上限に関しては本実験では１０°ま
でなされていて何ら結晶品質的には劣るものではなかっ
た。

本作用は、他の基板面方位においても同様で、任意の基
板面方位おいて３°〜１０°傾ける事により超格子構造
の品質を向上する事が可能になり、より優れたデバイス
特性を有する超格子ＡＰＤが実現可能となる。

以上、説明した様に基板面をある面方向に傾ける事によ
り、あるいは任意の面方向に３°〜１０°傾ける事によ
り、各々違った作用により結晶品質の改善が期待される
。この様な作用は本発明においてはＭＯＣＶＤ法により
確証しているが、同様な作用は他の気相成長方法例えば
ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ
）法、ガスソースＭＢＥ法、ＭＯ−ＭＢＥ法においても
十分に適用されるものである。

（実施例）以上、本発明の実施例について図面を参照し詳細に説明
する。第１図は、本発明の一実施例により（１２）形成された超格子構造を有するアバランシェ増倍聾受光
素子の構造断面図である。この実施例の構造は、ｎ型Ｉ
ｎＰ基板１上にｎ壓ＩｎＰバッファ層２、超格子構造（
ＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ）からなるｎ型増倍層３、
ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４、ｎｌＩｎＰキャップ層５
をＭＯＣＶＤ法により順次に積層してなる。その後にＰ
＋受光領域６及びＰ−ガードリング領域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Ｉｎ
Ｐ基板１は本発明よりなる（１００）面より（１１１）
−Ａ面方向に傾けた基板、と、（１００）面より（１１
０）面方向に３°傾けた基板を用いて両方を製作した前
者は請求項１、後者は請求項２の発明に対応している。

第１図の構造において、Ｐ＋受光領域６より入射した光
はＩｎＧａＡｓ光吸収層４において吸収され電子・正孔
対を生成する。この中で、電子は逆電界により超格子構
造からなるアバランシェ増倍層３に注入される。電子は
、ＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子構造中において大
きな伝導帯不連続（ΔＥｃｗＯ．５ｅＶ）をエネルギー
として取り込む事により、イオン化衝突に達しやすくな
る。それ故電子のイオン化率が増大し、イオン化率比ａ
／１３が誇張される事になる。

ここで、本実施例の様に基板面を選択する事によって作
用に示した様に超格子構造の品質が改善できる。その為
、超格子ＡＰＤのデバイス特性が向上する。

第２図には、本発明によって得られた超格子ＡＰＤ（第
２図中（ａ），（ｂ））と従来技術によって得られた超
格子ＡＰＤ（第２図中（Ｃ））の電圧一暗電流特性を示
す。ここで、（ａ）は（１００）面より（１１１）−Ａ
面に傾けた■一基板を用いたもの、（ｂ）は（１００）
面より（１１０）面に３°傾けたＩｎＰ基板を用いたも
の、（ｃ）は（１００）フラットＩｎＰ基板を用いたも
のである。

一般に暗電流はその結晶品質に大きく影響をうけるが、
特にバルク・界面等に欠陥を有する場合トラップ準位を
形成する為に低電圧領域において発生電流として寄与す
る。第２図において本発明からなる超格子ＡＰＤはいず
れも低電圧領域において従来技術より１７１００程度暗
電流が減少している。これは、本発明による超格子構造
の品質が良好である事を示している。

以上、本発明法により１〜１．６１１ｍ波長帯において
低雑音・高速応等にすぐれた超格子構造ＩｎＡＩＡｓ／
ＩｎＧａＡｓを倍増層とするアバランシェ増倍型受光素
子が可能となる。

尚本実施例の請求項１に対応する（１００）面から（１
１１）−Ａ面に傾けた基板ではその傾き角は１．５°以
上あればよい。

また本実施例では請求項１の中の（ｘ１１）−Ａ面より
（１００）面方向あるいはそれと等価な方向に傾いてい
る基板や（ｙｌｉ）−Ｂ面より任意の面方向に傾いてい
る基板については示さなかったが、作用の項で述べたよ
うに同様の結晶の品質改善の効果があると考えられ、デ
バイスに適用した場合、本実施例と同等の効果が得られ
る。

（発明の効果）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、基板面を特定の面方位に傾ける
事によるあるいはその傾ける角度（１６）を最適化する事により結晶品質の改善によって、デバイ
ス特性を向上する事が可能となる。

特に超格子構造を有する受光素子に適用することにより
、低雑音・高速応等に優れたデバイスが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例のアバランシェ増倍型受光
素子の構造断面図。第２図は本発明及び従来の超格子Ａ
ＰＤの電圧一暗電流特性図。第３図はＩｎＡＩＡｓ／Ｉ
ｎＧａＡｓ　ＳＱＷ構造において井戸層厚に対するフォ
トルミネッセンス半値幅依存性を示す図。第４図は、本発明の作用を説明するステップ領域での原
子配列を示す図。第５図はＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ
　ＳＱＷ構造において井戸層圧に対するフォトルミネツ
センス半値幅依存性を示す図。第６図はステップのテラ
ス上での原子のマイグレーションを示す図。各図において１・ｎＷＩｎＰ基板（（１００）面より（１１１）−Ａ
面方向に傾いた基板あるいは（１００）面より（１１０
）面方向に３°傾いた基板）、２・・・ｎ・壓ＩｎＰバ
ッファ層、３・・・ｎ型（１６）ＩｎＡＩＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子構造（アバランシェ
増倍層）、４・・・ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、５・・
・ｎ型ＩｎＰキャップ層、６・・・Ｐ＋一受光領域、７
・・・Ｐ−−ガードリング領域、８・・・パッシベーシ
ョン膜、９・・・Ｐ側オーミック用電極、１０・・・ｎ
側オーミック用電極。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板上に、超格子構造からなるアバランシ
ェ増倍層を有する半導体受光素子において、前記半導体
基板の面方位が（１００）面より（１１１）−Ａ面方向
あるいは原子配列上それと等価な面方向に傾いているか
、（ｘ１１）−Ａ面（但しｘは１以上の整数）より（１
００）面方向あるいはそれと等価な方向に傾いているか
、（ｙ１＠１＠）−Ｂ面（但しｙは１以上の整数）より
任意の面方向に傾いていることを特徴とする半導体受光
素子。
（２）半導体基板上に、超格子構造からなるアバランシ
ェ増倍層を有する半導体受光素子において、任意の面方
位の前記半導体基板が任意の面方向に３゜〜１０゜傾い
ている事を特徴とする半導体受光素子。