JPH03237765A - アバランシェフォトダイオード - Google Patents

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、光通信等で用いられる低雑音特性を有するア
バランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）に関する。

（従来の技術） 高速大容量光通信システムを構成にするには、超高速か
つ、低雑音・高感度特性を有する半導体受光素子が不可
欠である。このため、近年シリカ系ファイバの低損失波
長域１．０〜１．６ｐｍに適応できるＩｎＰ／ＩｎＧａ
Ａｓ系アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）の高
速化・高感度化に対する研究が活発となっている。この
ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ系ＡＰＤでは現在、串受光径化に
よる低容量化、層厚最適化によるキャノア走行時間の低
減、ペテロ界面への中間層導入によるキャリア・トラッ
プの抑制により、利得帯域幅（ＧＢ）積７５ＧＨｚの高
速化が実現されている。しかしながら、この素子構造で
は、アバランシェ増倍層であるＩｎＰのイオン化率比Ｉ
３／αが〜２と小さいため（α：電子のイオン化率、Ｉ
３：正孔のイオン化率）、過剰雑音指数Ｘ（イオン化率
比が小さいほど大きくなる）が〜０．７と大きくなり、
低雑音化・高感度化には限界がある。これは、他のＩＩ
Ｉ　−Ｖ族化合物半導体をアバランシェ増倍層に用いた
場合も同様である。そこで、カパッソ（Ｆ、　Ｃａｐａ
ｓｓｏ）等はアプライド・フィジックス・レター（Ａｐ
ｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、）、４０（１）巻、３
８頁、Ｊａｎ、、１９８２年で、超格子による伝導帯エ
ネルギー不連続量ΔＥｃを電子のイオン化に利用してイ
オン化率比ａ／ｐを人工的に増大させる構造を提案し、
実際にＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系超格子でイオン化率比
ａ／１３の増大（バルクＧａＡｓの〜２に対して超格子
層で〜８）を確認した。第５図はそのバイアス印加時エ
ネルギーバンド図である。この図において、４１はｎ＋
＋ＧａＡｓ基板、４２はｎ型ＧａＡｓバッファー層、４
３はｎ−型ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子アバランシェ
増倍層であり、４４のｎ−型ＧａＡｌＡｓ障壁層と、４
５のｎ−型ＧａＡｓ井戸層より構成される。また、４６
はｐ＋型領領域４７は伝導帯不連続量ΔＥｃ、４８は価
電子帯不連続量ΔＥｖ、４９は井戸層のイオン化しきい
値エネルギーである。この第５図を用いて超格子による
イオン化率比Ｃ／１３増大作用を説明する。この構造に
おいては、電子と正孔は、各ポテンシャル、ステップで
それぞれ伝導帯不連続量、価電子帯不連続量と等しいエ
ネルギーを獲得し、内部電界と各種散乱によって決まる
平均エネルギーよりもバンド不連続量に等しいエネルギ
ー分だけ高エネルギーな状態（＝イオン化のしきい値エ
ネルギーに近い値）でＧａＡｓ井戸層４５に注入される
。ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系へテロ接合では、伝導帯不
連続量の方が価電子帯不連続量より大きく、また、正孔
は電子よりも頻繁な散乱のためエネルギーを失いやすい
ために、電子と正孔でイオン化しきい値エネルギーをこ
える分布確率に差が生じ、電子のイオン化率は増大する
が、正孔のイオン化率は増大しない。したがって、ＣＬ
／Ｉ３比はバルクの場合の約２に較べて、超格子では約
８と数倍改善でき、過剰雑音指数ＸもバルクＧａＡｓの
０．９から０．２５と小さくできる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、前述の構造の受光素子は長距離光通信に
用いられる波長域１．３〜１．５ｐｍに光感度を有して
いないため、この波長域に用いることができない。そこ
で、ニー（Ｙｏｕｎｇ−Ｊｕｎｅ　Ｙｕ）らは、アプラ
イド・フィジックス・レター（Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、
　Ｌｅｔｔ、。

５１（１８）１４３３頁、１９８７）において、この波
長域に感度を有するＩｎＰ系の超格子としてＩｎＡｌＡ
ｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子を製作しａ／１３比の改善を試
みたが、後の報告（第４７回デバイス・リサーチパコン
ファレンス、ＤＲＣ。

Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔ、　ＶＩＡ−５）
に述べられる様な超格子井戸層からの電子のランダムな
放出による新たな雑音発生により雑音の低減はなされな
かった。第４図は、そのバイアス印加時のＩｎＡｌＡｓ
／ＩｎＧａＡｓ超格子の一部のエネルギーバンド図であ
る。この図において、３１．３２のｎ−型ＩｎＡｌＡｓ
障壁層、及び、３３のｎ−型ＩｎＧａＡｓ井戸層より構
成される。３４は井戸層３３のイオン化しきい値エネル
ギー、３５は伝導帯不連続量ΔＥｃで０．５５ｅＶであ
る。また、３６は電子である。

この図においてＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系超格子で
新たに賎測された雑音の原因について述べる。この構造
において、電子３６が障壁層３１から井戸層３３に入っ
た後、イオン化しなかった場合、再び井戸層３３から次
の障壁層３２に入ろうとする。このとき電子３６は伝導
帯不連続量ΔＥｃ３５と等しいエネルギーをエネルギー
障壁として感じる。電子３６がパリスティック（無散乱
）に井戸層３３を走行して通過することは、強電界下の
散乱確率が１０１４／ｓ台であることから考えられず、
電子３６は井戸層３３で何回かの散乱（特に谷間散乱）
でその運動量ベクトルの方向を乱雑化され、また、フォ
ノン散乱による何回かのフォノン放出によるエネルギー
損失によって障壁界面に垂直な方向の運動エネルギーを
失い、障壁層３２を乗り越えられなくなって一旦井戸層
３３にトラップされる。このトラップされた電子３６が
その後何回かの散乱を経て運動量ベクトルの再乱雑化で
確率的に障壁界面に垂直な方向の運動エネルギーを獲得
した場合、あるいは電界によるエネルギーを獲得した場
合に、その電子３６は障壁３２を乗り越えてトラップを
逃れることができる。この現象は確率的に起こるのでシ
ョットノイズ的に振舞うために雑音が増加する。従って
、この新たに発生した超格子井戸層からのランダムな電
子放出による雑音が多数の超格子井戸層から発生するこ
とで、もし、ａ７１３比が改善されてアバランシェ・シ
ョットノイズが低減されていたとしても、その効果を相
殺してしまうと考えられる。この様な井戸層の電子トラ
ップを緩和するためにグレーラブド障壁層の導入も提案
されたが（ウィリアムズ他、アイイーイーイーエレクト
ロンデバイスレターズＩＥＥＥ。

ＥＬＥＣＴＲＯＮ　ＤＥＶＩＣＥ　ＬＥＴＴＥＲ８，Ｖ
ＯＬ、　ＥＤＬ−３，Ｎｏ。

３、　ｐｐ、　７１．１９８２）、結晶成長に精密な組
成制御が必要であり、成長方法が複雑、困難となるとい
う問題が残っている。

そこで、本発明は、超格子を構成する半導体のバンド構
造に対する検討を行い、低雑音特性で超高速なアバラン
シェ・フォトダイオードを単純な半導体層構造で設計・
実現することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明のアバランシェフォトダイオードは超格子層を増
倍層とするアバランシェ・フォトダイオードにおいて、
該超格子が、短周期超格子による共鳴トンネル特性を有
する障壁層と、井戸層より構成されていることを特徴と
する。

（作用） 本発明は、従来例（ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系超格
子）の欠点をもたらす物理的機構を、理論的に検討する
ことで明らかにし、超格子井戸層からのランダムな電子
放出による雑音を低減してイオン化率比ａ／１３増大に
よる低雑音化を有効にすることを目的とする。そして、
上述の構成により、従来の特性を改善した。第１図は、
本発明のアバランシェ・フォトダイオードの一例を示す
構造断面図であり、１はｎ＋＋半導体基板、２はｎ型バ
ッファー層、３は本発明であるｎ””型超格子アバラン
シェ増倍層であり、その構成要素である４のｎ−型共鳴
トンネル障壁層、５のｎ−型井戸層よりなる。また、６
はｎ−型光吸収層、７はｎ−型キャップ層、８はｐ＋型
領領域９はｎ側電極、１゜はｐ側電極、１１は絶縁保護
膜である。

第２図（ａ）は本発明の超格子の一部のバイアス印加時
のエネルギーバンド図を示す。この図において、２１．
２２はそれぞれ超格子を構成する共鳴トンネル障壁層、
井戸層であり、２３伝導帯不連続量ΔＥｃ、２４と２５
は量子準位ΔＥｑ、２６は電子を表す。また、第２図（
ｂ）は前述とは別の従来例の超格子の一部のバイアス印
加時のエネルギーバンド図を示す。

この第２図（ｂ）において、２９．２２はそれぞれ超格
子を構成する障壁層、井戸層であり、これらの組合せに
よる超格子は、ミニバンド２７．２８を形成するほど短
周期であるとする。

この第２図（ａ）、（ｂ）及び、第４図を用いて本発明
の詳細な説明する。従来例であるＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧ
ａＡｓ系超格子では、前述の超格子井戸層からのランダ
ムな電子放射によるショット雑音が賎測される。この理
由を以下に述べる。

第４図の超格子において、従来例のように井戸層３３を
Ｉｎｏ、４７Ｇａｏ、５３Ａｓ１障壁層３２をＩｎ□、
５２Ａ１０，４ＢＡｓで構成した場合の伝導帯不連続量
ΔＥｃ３５は０．５５ｅＶと大きいが、これは、ΔＥｃ
によるエネルギー供与で電子３６のイオン化を選択的に
増大させるために、ＩｎＰに格子整合するＩｎＡｌＧａ
Ａｓ系でΔＥｃをできる限り大きくとったからである。

一方、電子３６が井戸層３３から脱出するにはΔＥｃを
障壁と感じて井戸層３３にトラップされてからランダム
に放出されるため、ΔＥｃが大きいほど雑音は発生し易
くなる。すなわち、超格子層をアバランシェ増倍層とし
て用いるには、ΔＥｃが大きいことが必要であるが、雑
音の低減には、これと同時に電子３６の井戸層３３への
トラップを抑えることを同時に満たすことが必要といえ
る。上記の条件を満たすためには、ΔＥｃ３５をできる
限り大きく保ったまま、電子３６が井戸層３３から脱出
しやすい構造をとるべきである。

そこで、まず考えられるのが第２図（ｂ）の従来例であ
る、短周期の超格子をアバランシェ増倍層に用いること
である。本図においては、ミニバンド２７が形成されて
いるために、このバンドを通しての電子伝導が存在し、
また実行的なバンド不連続量はΔＥｃ２３より量子準位
分のエネルギーΔＥｑ２４を差し引いた値ΔＥｃ−ΔＥ
ｑに小さくなるので、電子は第４図の場合よりは井戸２
２から脱出しやすくなる。しかし、この例では増倍層全
体が一つの短周期超格子で形成されているために、電子
２６がイオン化する領域と加速する領域が分離されてお
らす、電子と正孔の量子準位のエネルギー分だけバンド
ギャップの増加が生じて、イオン化しきい値エネルギー
（バンドギャップにほぼ比例する。）の上昇をもたらし
、イオン化しにくくなるという欠点が生しる。

これらの従来例の欠点を解決するために考えられたのが
第２図（ａ）で示される本発明の構造である。

本発明では（短周期超格子による）共鳴トンネル特性を
有する障壁層２１と井戸層２２より構成されておリ、電
子２６がイオン化する領域（共鳴トンネル障壁層２１）
と加速する領域（井戸層２２）が分離されていることを
特徴とする。井戸層２２は量子準位が形威されない程度
の比較的厚い層厚（かつ、該井戸層２２の層厚は、電子
波のコヒーレンスが室温で強く保存される長さ（数１０
０人）より長くして共鳴トンネル障壁どうしの干渉は少
なくしである。）であるため、量子準位のエネルギー分
のバンドギャップ増加は生じず、従ってイオン化しきい
値エネルギーの上昇、イオン化率低下も生じない。しか
も、障壁層には、共鳴トンネル障壁２１を用いているた
め、ミニバンドによる電子伝導で電子２６の井戸層２２
からの脱出が容易となり、ランダムな電子放出による雑
音低減が実現できる。

以上の理由から判断すると、超格子の井戸層からの電子
ランダムな捕獲放出による雑音を防いで電子のイオン化
率増大を図り、がっ、４元混晶の傾斜した組成の精密な
制御が必要ないので製作の容易な矩形超格子を用いて、
超格子増倍層を形成するために、短周期超格子による共
鳴トンネル特性を有する障壁層と井戸層より構成される
増倍層を用いること、すなわち、電子がイオン化する領
域よ共鳴トンネル障壁層２１）と加速する領域（井戸層
２２）が分離される構造である点が従来の考え方より新
しい点である。

（実施例） 以下、本発明の実施例として、光通信で重要な波長域で
ある波長１．０〜１．６ｐｍに受光感度を有する半導体
材料としてＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系超格子を
とりあげアバランシェ・フォトダイオードを作製した。

上記の材料を用いて、第１図に示す半導体受光素子を以
下の工程によって製作した。

ｎ＋梨型ＩｎＰ基板ｌ上、ｎ型ＩｎＰバッフ−ｒＮ２を
ｌｐｍ厚に、キャリア濃度〜２×１０１５ｃｍ−３のｎ
−型Ｉｎ０．５２ＡＩ０．４ＢＡｓ／Ｉｎ□、５３Ｇａ
ｏ、４７Ａｓよりなる超格子アバランシェ増倍層３を〜
２ｐｍ厚に、キャリア濃度〜２×１０１５ｃｍ−３のｎ
−型Ｉｎ□、５３Ｇａｏ、４７ＡＳ光吸収層６を〜２１
１ｍ厚に、キャリア濃度〜ｌ×１０１６ｃｍ−３のｎ−
型ＩｎＰキャップ層７をｌｐｍ厚に順次、有機金属気相
成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いて成長する。

該超格子アバランシェ増倍層３は、本発明の条件を満た
す厚さ７０Ａのｎ−型Ｉｎ□、５２Ａ１０．４８Ａｓ層
第２図（ａ）１９を２層と層厚２図０Ａのｎ−型ＩｎＯ
，５３Ｇａ□、４７Ａｓ層５第２図（ａ）２０を１層よ
りなる２重共鳴トンネル障壁層４、第２図（ａ）では２
１と、厚さ４００Ａのｎ−型Ｉｎ□、５３Ｇａ□、４７
Ａｓ井戸層５、第２図（ａ）では２２を繰り返し積層し
て構成される。この２重共鳴トンネル障壁層４のトンネ
ル透過確率のエネルギー依存性の計算結果を第３図に示
す。本図よりエネルギー値約０．１ｅＶと約０．４ｅＶ
に共鳴トンネル準位が形成され、これがＩｎＧａＡｓ井
戸層５からの電子脱出を容易にする。

以上の結晶をもとに、５ｉ０２拡散マスクを用いて直径
３０ｐｍの円形領域にＺｎ選択拡散を深さｌｐｍまで行
いｐ＋型領領域８形成する。基板研磨後に絶縁保護膜１
１を形威し、さらにｎ側電極９をＡｕＧｅで、ｐ側電極
１０をＡｕＺｎで真空蒸着形成した。

本発明の条件を満たす上記の実施例、すなわち、アバラ
ンシェ増倍層を厚さ７０人のＩｎ０．５２Ａ１０．４８
Ａｓ１層２０よりなる２重共鳴トンネル障壁と、厚さ４
００Ａのｎ−型Ｉｎ００５３Ｇａｏ、４７Ａｓ井戸層２
２より構成される超格子を必要に応じて繰り返し積層し
て構成している場合と　従来のように Ｉｎ□、５２Ａ１０，４ＢＡｓ／Ｉｎ□、５３Ｇａ□、
４７Ａｓ超格子で構成している場合とで、イオン化率比
ａ／ｐ（α：電子のイオン化率、ｐ：正孔のイオン化率
）と雑音特性（周波数３０ＭＨｚ、バンド幅ＩＭＨｚで
測定した過剰雑音指数から求めた実効イオン化率比ｋｅ
ｒｒ＝１３／α）を、超格子層以外の構造は同じとして
比較した結果、従来例のＩｎ□、５２Ａ１ｏ、４ＢＡＳ
／Ｉｎｏ、４７Ｇａ□、５３　Ａｓ超格子ＡＰＤでは光
電流増倍測定法によるイオン化率比ｃ／１３が〜２０と
バルクＩｎＧａＡｓのイオン化率比２より改善されたも
のの、雑音特性は低電界・低増倍領域で実行イオン化率
比ｋｅホこの場合１３１α）が従来のマツキンタイヤ−
（Ｒ，Ｊ。

ＭｃＩｎｔｙｒｅ）の雑音理論を用いると見かけ上１０
〜５０と逆に大きくなった。これは超格子の井戸からの
電子のランダムな捕獲・放出による雑音がイオン化率比
改善による低雑音化を相殺したためである。これに対し
て、本発明の２重共鳴障壁ｌ井戸層からなる超格子ＡＰ
Ｄでは光電流増倍測定法にらよるイオン化率比ａ／１３
が〜１０とバルクＩｎＧａＡｓのイオン化率比２より改
善され、かつ、雑音特性に関しても低電界・低増倍領域
から高電界・高増倍率領域においても実効イオン化率比
ｋ”８ボ＝ａ／ｐ）が０．１〜０．２と小さく、超格子
の井戸からの電子のランダムな捕獲・放出による雑音が
削減されて、イオン化率比改善による低雑音化が実現で
きた。

以上、本発明の本実施例では波長１．０〜１．６ｐｍに
受光感度を有する低雑音ＡＰＤが実現でき、本発明の価
値は極めて大きい。

上記実施例では、ＩｎＡｌＧａＡｓ系を用いたが、これ
に限らずＩｎＧａＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ系や、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ系を用いた構造でも同様に作用し、顕昔な
効果がある。

（発明の効果） 本発明によればイオン化率比改善による低雑音化と井戸
層からの電子のランダムな捕獲、放出による雑音の低減
でき、低雑音で超高速なアバランシェフォトダイオード
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のアバランシェフォトダイオードの一
実施例を示す構造断面図である。 第２図（ａ）は本発明の超格子の一部のバイアス印加時
のエネルギーバンド図を示す。第２図（ｂ）は従来例の
超格子の一部のバイアス印加時のエネルギーバンド素を
示す。 第３図は、本発明の一実施例において２重共鳴トンネル
障壁と、そのトンネル透過確率のエネルギー依存性の計
算結果を示す図である。 第４図は、従来例のＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ超格子
ＡＰＤの超格子増倍層の一部のバイアス印加時のエネル
ギーバンド図である。 第５図は、従来例のＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系超格子Ａ
ＰＤのバイアス印加時エネルギーバンド図である。 各図において １、・・ｎ＋＋半導体基板、２・・・ｎ型バッファー層
、３、Ｔｌ−型超格子アバランシェ増倍層、４・・・ｎ
−型共鳴トンネル障壁層、５・・・ｎ−型井戸層、６・
・・ｎ−型光吸収層、７・・・ｎ−型キャップ層、８・
・、ｐ＋型領領域９・・、ｎ側電極、１０・・・ｐ側電
極、１１・・・絶縁保護膜、１９・・・ｎ−型ＩｎＡｌ
Ａｓ層、２Ｏ−ｎ−型ＩｎＧａＡｓ層、２１・・・共鳴
トンネル障壁層、２２・・・井戸層、２３・・・伝導帯
不連続量、２４．２５・・・量子準位、２６．３６・・
・電子、２７．２８・・・ミニバンド、２９・・・障壁
層、３１．３２・・・ｎ−型ＩｎＡｌＡｓ障壁層、３３
・・・ｎ−型ＩｎＧａＡｓ井戸層、３４・・・井戸層の
しきい値エネルギー、３５・・・伝導帯不連続量、４１
・・・ｎ＋＋ＧａＡｓ基板、４２・・・ｎ型ＧａＡｓバ
ッファー層、４３・・・ｎ−型ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ
超格子アバランシェ増倍層、４４・・・ｎ型ＧａＡｌＡ
ｓ障壁層、４５−ｎ−型ＧａＡｓ井戸層、４６・ｐ＋型
領領域４７・・・伝導帯不連続量、４８・・・価電子帯
不連続量、４９・・・井戸層のしきい値エネルギーであ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　超格子層を増倍層とするアバランシェ・フォトダイオ
   ードにおいて、該超格子が、短周期超格子による共鳴ト
   ンネル特性を有する障壁層と、井戸層より構成されてい
   ることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。