JPH0420274B2 - - Google Patents
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- JPH0420274B2 JPH0420274B2 JP56156282A JP15628281A JPH0420274B2 JP H0420274 B2 JPH0420274 B2 JP H0420274B2 JP 56156282 A JP56156282 A JP 56156282A JP 15628281 A JP15628281 A JP 15628281A JP H0420274 B2 JPH0420274 B2 JP H0420274B2
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- junction
- impurity concentration
- electric field
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
- H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
- H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H10F30/22—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes
- H10F30/225—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
- H10F30/2255—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers form heterostructures, e.g. SAM structures
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は半導体検出器に係り、特に高感度、低
暗電流高速性の実現に好適な受光素子に関する。
暗電流高速性の実現に好適な受光素子に関する。
従来は、第１図ａおよびｂに示すようにメサ型
あるいはプレーナ型構造の受光素子が提案されて
いる。半導体基板０１上に第１の導電型の半導体
層０２および第２の導電型の半導体層０３が形成
され、更に電極０８，０９が設けられている。第
１図ａの様なメサ型構造では、高い電界が接合端
面に露出することになるため、表面保護膜の性質
によつて素子特性が左右されることになり、実用
上望ましくない。一方、第１図ｂのプレーナ構造
（公開特許公報昭55−132079号）では、メサ型構
造に比べて安定な動作が得られると期待される。
第１図ｂの構造では、InP半導体基板１上にn+型
InP層２，InGaAsP層３，およびｎ型InP層４が
形成されている。６はたとえばCd拡散層でこの
拡散端面でPn接合が形成されている。７は絶縁
層、８，９は電極である。しかしながら、次に述
べる様な欠点がある。
あるいはプレーナ型構造の受光素子が提案されて
いる。半導体基板０１上に第１の導電型の半導体
層０２および第２の導電型の半導体層０３が形成
され、更に電極０８，０９が設けられている。第
１図ａの様なメサ型構造では、高い電界が接合端
面に露出することになるため、表面保護膜の性質
によつて素子特性が左右されることになり、実用
上望ましくない。一方、第１図ｂのプレーナ構造
（公開特許公報昭55−132079号）では、メサ型構
造に比べて安定な動作が得られると期待される。
第１図ｂの構造では、InP半導体基板１上にn+型
InP層２，InGaAsP層３，およびｎ型InP層４が
形成されている。６はたとえばCd拡散層でこの
拡散端面でPn接合が形成されている。７は絶縁
層、８，９は電極である。しかしながら、次に述
べる様な欠点がある。
禁止帯幅の大きい物質としてInP結晶を適用す
る場合、蒸気圧の高いＰが結晶成長後の素子作成
プロセスの熱処理工程に於て解離し、表面層は変
質することが考えられる。それ故に、表面保護膜
形成後の界面特性は不安定となり、暗電流が大き
くなる原因になる。
る場合、蒸気圧の高いＰが結晶成長後の素子作成
プロセスの熱処理工程に於て解離し、表面層は変
質することが考えられる。それ故に、表面保護膜
形成後の界面特性は不安定となり、暗電流が大き
くなる原因になる。
また、一般に半導体物質では、有効質量や禁止
帯幅が小さくなる程、及び不純物濃度が高い程、
トンネル効果によつて降伏を起す電界強度は低下
するため、禁止帯幅の大きい領域（例InP）中に
形成されるPn接合面と禁止帯幅の小さい領域
（例、InGaAsP）間の距離ｌが小さい場合には禁
止帯幅の大きい領域に形成されたPn接合がアバ
ランシエ増倍作用を起す前に、禁止帯幅の小さい
物質の電界がトンネル効果を起すに充分な電界に
到達してしまい、トンネル降伏を起してしまう。
帯幅が小さくなる程、及び不純物濃度が高い程、
トンネル効果によつて降伏を起す電界強度は低下
するため、禁止帯幅の大きい領域（例InP）中に
形成されるPn接合面と禁止帯幅の小さい領域
（例、InGaAsP）間の距離ｌが小さい場合には禁
止帯幅の大きい領域に形成されたPn接合がアバ
ランシエ増倍作用を起す前に、禁止帯幅の小さい
物質の電界がトンネル効果を起すに充分な電界に
到達してしまい、トンネル降伏を起してしまう。
本発明の目的はpn接合と禁止帯幅の小さい層
（光吸収領域）との距離、各層の不純物濃度、各
層の厚さをアバランシエ増倍作用が効果的に生起
するように設定することにより高感度で暗電流が
小さく、高速性を有する受光素子を提供すること
にある。一般に、トンネル電流は次式で表わすこ
とができる。
（光吸収領域）との距離、各層の不純物濃度、各
層の厚さをアバランシエ増倍作用が効果的に生起
するように設定することにより高感度で暗電流が
小さく、高速性を有する受光素子を提供すること
にある。一般に、トンネル電流は次式で表わすこ
とができる。
Ｊ＝（m*）1/2q2ε・E3／n／４√2π2h-2NE1/2exp（
−π（m*）1/2E3/2／２√2qhEn） (1) m*：有効質量、ｑ：電子電荷素量、 ｈ＝ｈ／2π：ｈはプランク定数、 Ｎ：不純物濃度 Eg＝：禁止帯幅、ε：誘電率、En電界強度 接合が階段型であると仮定すると、電界強度と動
作電圧（トンネル降伏電圧VT）との関係は次式
で与えられる。
−π（m*）1/2E3/2／２√2qhEn） (1) m*：有効質量、ｑ：電子電荷素量、 ｈ＝ｈ／2π：ｈはプランク定数、 Ｎ：不純物濃度 Eg＝：禁止帯幅、ε：誘電率、En電界強度 接合が階段型であると仮定すると、電界強度と動
作電圧（トンネル降伏電圧VT）との関係は次式
で与えられる。
VT＝ε／2qNE2 n (2)
一方、アバランシエ降伏電圧VAは次式で与えら
れる。
れる。
VA＝60（Eg／1.1）3/2・（Ｎ／1016）-3/4 (3)
いま、lnGaAsPからなるpn接合を例にとつて
VT＝VAなる不純物濃度を求めると、下記の様に
なる。
VT＝VAなる不純物濃度を求めると、下記の様に
なる。
InP （Eg対応λ1.35μm）：〜３×1017cm-3
In0.79Ga0.21As0.47P0.53（Eg対応λ1.2μm）：
〜２×1016cm-3
In0.75Ga0.25As0.56P0.44（Eg対応λ1.3μm）
〜７×1015cm-3
In0.61Ga0.39As0.83P0.17（Eg対応λ1.55μm）
８×1014cm-3
アバランシエ増倍作用が有効に起るためには、
VT＞VAであることが必要となるため、不純物濃
度は上記値よりも低くすることが必要となる。従
つて第１図ｂに示すような構造にすれば、禁止帯
幅の大きい物質の不純物濃度とｌによつては禁止
帯幅の小さい物質の不純物濃度に対する制限はや
や緩和されるが、アバランシエ増倍作用を期待す
るためには、禁止帯幅の大きい物質ではVT〉VA
なる関係が成立すると共に、禁止帯幅の小さい領
域での最大電界Ensは、トンネル降伏時の電界強
度ET（不純物濃度によつては、アバランシエ降伏
時の電界強度EA）よりも小さくなるように素子
設計を行なうことが重要である。距離ｌと禁止帯
幅の大きい物質と小さい物質の不純物濃度を各々
NL，Nsとすれば、上述した条件を満たすために
は、それらの間には少なくとも次の関係を満たす
ことが必要になる。以下、第４図を使用して、こ
の満たすべき関係について詳細に説明する。アバ
ランシエ型フオトダイオードのpn接合の近傍は
模式的に第４図ａに示す断面図のように、第１の
導電型（例えば、n-）を示す禁止帯幅の小さい
第１の領域２０と、この第１の領域よりも禁止帯
幅が広く第１の導電型を示す第２の領域２１と、
第２の領域内に選択的に設けられpn接合を形成
するための第２の導電型（例えば、P+）を示す
領域２２とからなる。pn接合面２３を原点を含
む面として第１の領域の方向にｘ軸をとり、Pn
接合面と第１の領域間の距離ｌとする。第４図ｂ
は第４図ａに示すＡ−A′断面における電界強度
を模式的に示している。通常は拡散でPn接合を
形成するため階段型接合となり、n-へのP+拡散
の例を考えると、P+側へ空乏層の拡がりは無視
できる。EnLを禁止帯の幅の大きい物質の最大電
界強度、εL、εSを禁止帯幅の大きい物質と小さい
物質の誘電率とする。第４図ｂにおいて、第２の
領域での最大電界はＢ点における、Pn接合の電
界E1であり、E1＝EnLとなる。また、第１の領域
での最大電界はＣ点における、第２の領域との境
界の電界E2であり、これがEnsに相当する。
VT＞VAであることが必要となるため、不純物濃
度は上記値よりも低くすることが必要となる。従
つて第１図ｂに示すような構造にすれば、禁止帯
幅の大きい物質の不純物濃度とｌによつては禁止
帯幅の小さい物質の不純物濃度に対する制限はや
や緩和されるが、アバランシエ増倍作用を期待す
るためには、禁止帯幅の大きい物質ではVT〉VA
なる関係が成立すると共に、禁止帯幅の小さい領
域での最大電界Ensは、トンネル降伏時の電界強
度ET（不純物濃度によつては、アバランシエ降伏
時の電界強度EA）よりも小さくなるように素子
設計を行なうことが重要である。距離ｌと禁止帯
幅の大きい物質と小さい物質の不純物濃度を各々
NL，Nsとすれば、上述した条件を満たすために
は、それらの間には少なくとも次の関係を満たす
ことが必要になる。以下、第４図を使用して、こ
の満たすべき関係について詳細に説明する。アバ
ランシエ型フオトダイオードのpn接合の近傍は
模式的に第４図ａに示す断面図のように、第１の
導電型（例えば、n-）を示す禁止帯幅の小さい
第１の領域２０と、この第１の領域よりも禁止帯
幅が広く第１の導電型を示す第２の領域２１と、
第２の領域内に選択的に設けられpn接合を形成
するための第２の導電型（例えば、P+）を示す
領域２２とからなる。pn接合面２３を原点を含
む面として第１の領域の方向にｘ軸をとり、Pn
接合面と第１の領域間の距離ｌとする。第４図ｂ
は第４図ａに示すＡ−A′断面における電界強度
を模式的に示している。通常は拡散でPn接合を
形成するため階段型接合となり、n-へのP+拡散
の例を考えると、P+側へ空乏層の拡がりは無視
できる。EnLを禁止帯の幅の大きい物質の最大電
界強度、εL、εSを禁止帯幅の大きい物質と小さい
物質の誘電率とする。第４図ｂにおいて、第２の
領域での最大電界はＢ点における、Pn接合の電
界E1であり、E1＝EnLとなる。また、第１の領域
での最大電界はＣ点における、第２の領域との境
界の電界E2であり、これがEnsに相当する。
アバランシエ増倍作用が有効に生じるために
は、上述のようにEnsがトンネル降伏時の電界強
度ETより小さいことが必要で、Ens≦ETである。
電界E2は第４図ｂから、 E2＝E1−qlNL／εL E2＝EnL−qlNL／εL となる。ここで、εL≠εsの場合εLとεsとの差が小
さければ実用上近似的にE2＝Ensとして取り扱え
るが、厳密には電磁気学の基礎から、境界におけ
る電界Ｅの値自身は不連続であり、E2＝Ensとは
ならず、電束、Ｄ＝εEが連続となる。従つて、上
式をEnsで表すと、 εsEns＝εL｛EnL−qlNL／εL｝ となり、Ens≦ETの条件を用いて表わすと、 εL｛EnL−qlNL／εL｝≦εsQT この式を変形して、 ｌ≧εL／qNL｛EnL−εs／εLET｝ (4) が得らる。
は、上述のようにEnsがトンネル降伏時の電界強
度ETより小さいことが必要で、Ens≦ETである。
電界E2は第４図ｂから、 E2＝E1−qlNL／εL E2＝EnL−qlNL／εL となる。ここで、εL≠εsの場合εLとεsとの差が小
さければ実用上近似的にE2＝Ensとして取り扱え
るが、厳密には電磁気学の基礎から、境界におけ
る電界Ｅの値自身は不連続であり、E2＝Ensとは
ならず、電束、Ｄ＝εEが連続となる。従つて、上
式をEnsで表すと、 εsEns＝εL｛EnL−qlNL／εL｝ となり、Ens≦ETの条件を用いて表わすと、 εL｛EnL−qlNL／εL｝≦εsQT この式を変形して、 ｌ≧εL／qNL｛EnL−εs／εLET｝ (4) が得らる。
式４からNLが小の場合に、ｌは大きくする必
要がある。また式(4)では、不純物濃度Nsは直接
にあらわにでてこないが、ETがNsの関数である
ため、式(4)は間接的にNsを含んでいる。Nsが大
きい程ETは小さくなり、従つて、ｌは大きくす
る必要がある。
要がある。また式(4)では、不純物濃度Nsは直接
にあらわにでてこないが、ETがNsの関数である
ため、式(4)は間接的にNsを含んでいる。Nsが大
きい程ETは小さくなり、従つて、ｌは大きくす
る必要がある。
ETとNsの関係は、実用上は次のようにして、
式(1)から求めることができる。アバランシエ型フ
オトダイオードの実用的な暗電流を設定したとき
（例えば、lnA）、この暗電流のうちトンネル電流
の成分が1/10〜1/100ならば、トンネル降伏の影
響は小さいため、実用上これを無視することがで
きる。この電流値とアバランシエ型フオトダイオ
ードの接合面積から電流密度J1を求める。式(1)の
左辺の、Ｊ（電流密度）にJ1を代入し、Ｎ→Ns、
Eg→Egs（禁止帯幅の小さい領域の禁止帯幅）ε→
εsと置き換えて、数値計算によつて電界強度Enを
算出することができ、算出されたEnが実用的な
ETを与えることになる。例えばNL＝１×1016cm
-3，Ns＝２×1016cm-3の場合λ＝1.55μmの
InGaAsPに対してｌは約1.5μm以上となる。この
例の場合、上述した関係を考慮すると、ｌは1μm
以下にするような素子設計では禁止帯幅に対応す
る波長が1.3μm、あるいは1.5μmに対応する
InGaAsPを禁止帯幅の小さい物質として用いた
素子構成では、トンネル効果がかなり影響し、有
効なアバランシエホトダイオードを作ることは困
難になる。さらに具体的には、第１図ｂ構造のホ
トダイオード先に説明したように、ｌの下限はト
ンネル効果の影響を考慮した式(4)によつて定めら
れ、これが本発明の骨子である。
式(1)から求めることができる。アバランシエ型フ
オトダイオードの実用的な暗電流を設定したとき
（例えば、lnA）、この暗電流のうちトンネル電流
の成分が1/10〜1/100ならば、トンネル降伏の影
響は小さいため、実用上これを無視することがで
きる。この電流値とアバランシエ型フオトダイオ
ードの接合面積から電流密度J1を求める。式(1)の
左辺の、Ｊ（電流密度）にJ1を代入し、Ｎ→Ns、
Eg→Egs（禁止帯幅の小さい領域の禁止帯幅）ε→
εsと置き換えて、数値計算によつて電界強度Enを
算出することができ、算出されたEnが実用的な
ETを与えることになる。例えばNL＝１×1016cm
-3，Ns＝２×1016cm-3の場合λ＝1.55μmの
InGaAsPに対してｌは約1.5μm以上となる。この
例の場合、上述した関係を考慮すると、ｌは1μm
以下にするような素子設計では禁止帯幅に対応す
る波長が1.3μm、あるいは1.5μmに対応する
InGaAsPを禁止帯幅の小さい物質として用いた
素子構成では、トンネル効果がかなり影響し、有
効なアバランシエホトダイオードを作ることは困
難になる。さらに具体的には、第１図ｂ構造のホ
トダイオード先に説明したように、ｌの下限はト
ンネル効果の影響を考慮した式(4)によつて定めら
れ、これが本発明の骨子である。
一方、ｌの上限は別の要因によつて定まる。し
かし、半導体層の構成（組成、厚さ、不純物濃
度、中間層の有無等）、ガードリング効果を得る
ための構成（エツヂ降伏防止策）、素子特性の目
標設定値（雑音、応答速度、量子効率、増倍率
等）等の種々の要因により、その各々に対してｌ
の上限値は異なるため、先に説明したｌの下限値
のように一意的には定まらない。
かし、半導体層の構成（組成、厚さ、不純物濃
度、中間層の有無等）、ガードリング効果を得る
ための構成（エツヂ降伏防止策）、素子特性の目
標設定値（雑音、応答速度、量子効率、増倍率
等）等の種々の要因により、その各々に対してｌ
の上限値は異なるため、先に説明したｌの下限値
のように一意的には定まらない。
参考のために、要因の一つであるヘテロ界面に
おけるキヤリアのパイルアツプ効果について例示
する。第４図で例示した、第１の導電型がn-、
第２の導電型がP+の場合、入射光が第１の領域
（禁止帯幅が小である、光吸収領域）で吸収され
て発生した電子−ホール対のうち、ホールが電界
によつてPn接合に向かつて移動する。第１の領
域（禁止帯幅が小）と第２の領域（禁止帯幅が
大）の界面では、禁止帯幅が異なることによつて
バンドの不連続段差（ヘテロ障壁）が生じ、ホー
ルの移動が阻害される。ある程度ホールがたまる
までこの段差を越えて移動することが困難になる
現象が発生し、これはホールのパイルアツプ効果
と呼ばれている。この現象は素子特性の応答速度
と雑音特性に影響する。ホールが段差を越えるた
めにはエネルギーが必要であり、この場合エネル
ギーは電界によつて与えられるため、ヘテロ界面
の電界強度EH（第４図ｂのE2に相当）はある値以
上であることが必要となる。この必要な値はヘテ
ロ界面の中間層の有無及び半導体層の構成（組
成、層数等）等によつて異なる。NLとεLは第２
の領域に用いる半導体によつて定まるが、EnLが
ガードリング効果を得るための構成等によつて変
化するため、EHとｌとの関係を一律に言うこと
ができない。これまで説明してきたInP−
InGaAsP系の材料の例において、具体的数字の
一例を示すと、先に導いた式 E2＝EnL−qlNL／εL を使用し、前述したNL＝１×1016cm-3の例の場合
をとるとき、EnL＝4.5×105V／cmで、EH＝２×
105V／cmのとき、ｌは約1.7μm、EnL＝５×
105V／cmで、EH＝１×105V／cmのとき、ｌは約
2.8μmになる。
おけるキヤリアのパイルアツプ効果について例示
する。第４図で例示した、第１の導電型がn-、
第２の導電型がP+の場合、入射光が第１の領域
（禁止帯幅が小である、光吸収領域）で吸収され
て発生した電子−ホール対のうち、ホールが電界
によつてPn接合に向かつて移動する。第１の領
域（禁止帯幅が小）と第２の領域（禁止帯幅が
大）の界面では、禁止帯幅が異なることによつて
バンドの不連続段差（ヘテロ障壁）が生じ、ホー
ルの移動が阻害される。ある程度ホールがたまる
までこの段差を越えて移動することが困難になる
現象が発生し、これはホールのパイルアツプ効果
と呼ばれている。この現象は素子特性の応答速度
と雑音特性に影響する。ホールが段差を越えるた
めにはエネルギーが必要であり、この場合エネル
ギーは電界によつて与えられるため、ヘテロ界面
の電界強度EH（第４図ｂのE2に相当）はある値以
上であることが必要となる。この必要な値はヘテ
ロ界面の中間層の有無及び半導体層の構成（組
成、層数等）等によつて異なる。NLとεLは第２
の領域に用いる半導体によつて定まるが、EnLが
ガードリング効果を得るための構成等によつて変
化するため、EHとｌとの関係を一律に言うこと
ができない。これまで説明してきたInP−
InGaAsP系の材料の例において、具体的数字の
一例を示すと、先に導いた式 E2＝EnL−qlNL／εL を使用し、前述したNL＝１×1016cm-3の例の場合
をとるとき、EnL＝4.5×105V／cmで、EH＝２×
105V／cmのとき、ｌは約1.7μm、EnL＝５×
105V／cmで、EH＝１×105V／cmのとき、ｌは約
2.8μmになる。
を作成する場合には、動作時の最大電界は小さく
なるものの、禁止帯幅の小さい領域の不純物濃度
には制限が必要となる。禁止帯幅の小さい領域で
空乏層がＷ広がると、禁止帯幅が大きい物質側の
禁止帯幅の小さい物質の電界強度Esは次式で与え
られる。
なるものの、禁止帯幅の小さい領域の不純物濃度
には制限が必要となる。禁止帯幅の小さい領域で
空乏層がＷ広がると、禁止帯幅が大きい物質側の
禁止帯幅の小さい物質の電界強度Esは次式で与え
られる。
Es＝qNs／εsＷ (5)
空乏層が（ｌ＋Ｗ）であり、Ｗが1μmとすると
EsがETを越えない様にするためには、不純物濃
度Nsは下記の値よりも小さくする必要が生じる。
EsがETを越えない様にするためには、不純物濃
度Nsは下記の値よりも小さくする必要が生じる。
Ns：≦約１×1016cm-3 forλ＝1.55μm
≦約２×1016cm-3 forλ＝1.3μm
上述の如く、物質のEgとNsとの関係を考慮す
る必要がある。化合物半導体では、Siと比べて光
励起キヤリアの寿命が極めて短いため、光電変換
効率を上げるためには、光吸収領域は空乏層化す
る必要があること、及び高速化を図るためには、
接合容量Ｃを小さくするため、空乏層を拡げる必
要がある。接合容量は近似的に次式で与えられ
る。
る必要がある。化合物半導体では、Siと比べて光
励起キヤリアの寿命が極めて短いため、光電変換
効率を上げるためには、光吸収領域は空乏層化す
る必要があること、及び高速化を図るためには、
接合容量Ｃを小さくするため、空乏層を拡げる必
要がある。接合容量は近似的に次式で与えられ
る。
Ｃε／ｌ＋ＷＳ (6)
ε：誘電率， Ｓ：接合面積
実用上要請される量子効率（≧50％）、及び接
合容量（≦2pF）を考えると、空乏層Ｗが1μm程
度拡がることは必要と考えられる。
合容量（≦2pF）を考えると、空乏層Ｗが1μm程
度拡がることは必要と考えられる。
本発明の代表例を第２図に示す。第１の特徴は
能動領域となる禁止帯幅の小さい物質層１３の上
に光の窓層となる禁止帯幅の大きい物質層１４を
形成し、更に、１４の物質の組成原子を含んだ多
原子の物質層１５を形成し、表面保護膜１７で保
護することによつて、半導体と界面との間の安定
化を図ることにより、暗電流の低下、並びに界面
安定化を図つた受光素子構造を特徴とする。
能動領域となる禁止帯幅の小さい物質層１３の上
に光の窓層となる禁止帯幅の大きい物質層１４を
形成し、更に、１４の物質の組成原子を含んだ多
原子の物質層１５を形成し、表面保護膜１７で保
護することによつて、半導体と界面との間の安定
化を図ることにより、暗電流の低下、並びに界面
安定化を図つた受光素子構造を特徴とする。
また、第２の特徴はこれまで説明してきたよう
に領域１４の物質と領域１３の物質の不純物濃度
N14とN13の間にN14≧N13の関係があり、N13が
２×1016cm- 3以下にすることを特徴とした受光素
子構造を特徴とする。
に領域１４の物質と領域１３の物質の不純物濃度
N14とN13の間にN14≧N13の関係があり、N13が
２×1016cm- 3以下にすることを特徴とした受光素
子構造を特徴とする。
本発明による実施例の一つを第２図に示し、そ
の構造を以下に説明する。
の構造を以下に説明する。
約1018cm-3以上の高不純物濃度のn+形InP基板、
１１，上に公知の液相エピタキシヤル成長法によ
り不純物濃度が９×1015cm-3，厚さ1.5μmのｎ形
InP層、12，を形成し、続いて不純物濃度が７×
1015cm-3，厚さ1.3μmのｎ形In0.61Ga0.39AS0.83P0.17
層、１３，を形成する。特に1.3μm以上の波長の
光を受光を十分な感度で受光せしめるために、こ
のIn1-xGaxAsyP1-yは0.47≧ｘ≧0.25の組成が好ま
しい。なお、As含有量は一般にGaの含有量に伴
なつて決定される。
１１，上に公知の液相エピタキシヤル成長法によ
り不純物濃度が９×1015cm-3，厚さ1.5μmのｎ形
InP層、12，を形成し、続いて不純物濃度が７×
1015cm-3，厚さ1.3μmのｎ形In0.61Ga0.39AS0.83P0.17
層、１３，を形成する。特に1.3μm以上の波長の
光を受光を十分な感度で受光せしめるために、こ
のIn1-xGaxAsyP1-yは0.47≧ｘ≧0.25の組成が好ま
しい。なお、As含有量は一般にGaの含有量に伴
なつて決定される。
ｙ＝ｘ／0.48043＋0.00327x
の関係式が存在する。引続いて不純物濃度が９×
1015cm-3，厚さ1.8μmのｎ形InP層14，を形成し、
最後に、不純物濃度７×1015cm-3，厚さ0.2μmの
ｎ形In0.9Ga0.1As0.2P0.8層、１５，を連続的に形成
する。Al2O3及びSiO2膜を公知の気相化学反応法
によつて形成した後、公知の選択ホトエツチング
法によつて不心要部のAl2O3及びSiO2膜を除去し
た後更に領域１５を除去し、上記絶縁物を拡散マ
スクとして公知の拡散法によつて、Znあるいは
Cd不純物を上記領域１４及び１５中に導入し、
拡散深さ0.7μmのP+形の拡散領域、１６，を形成
する。拡散層、１６，とInP層、１４，によつて
pn接合が形成される。pn接合面と領域、１３，
との間隔は1.1μmである。次に拡散マスクとして
用いた絶縁膜を除去した後、公知の方法によつて
SiO2膜を形成する。公知の選択的ホトエツチン
グ法によつて、不用部のSiO2を除去した後、表
面保護面膜、１７が得られる。尚、反射防止膜１
７′，は表面保護膜を適用するか、あるいは、反
射防止膜として適した厚さのSiO2あるいはSi3N4
を再度形成して適用した。この後表面電極、１
８，及び裏面電極、１９を形成した。本素子は適
切なステムにマウントされ、素子としての動作が
認められた。
1015cm-3，厚さ1.8μmのｎ形InP層14，を形成し、
最後に、不純物濃度７×1015cm-3，厚さ0.2μmの
ｎ形In0.9Ga0.1As0.2P0.8層、１５，を連続的に形成
する。Al2O3及びSiO2膜を公知の気相化学反応法
によつて形成した後、公知の選択ホトエツチング
法によつて不心要部のAl2O3及びSiO2膜を除去し
た後更に領域１５を除去し、上記絶縁物を拡散マ
スクとして公知の拡散法によつて、Znあるいは
Cd不純物を上記領域１４及び１５中に導入し、
拡散深さ0.7μmのP+形の拡散領域、１６，を形成
する。拡散層、１６，とInP層、１４，によつて
pn接合が形成される。pn接合面と領域、１３，
との間隔は1.1μmである。次に拡散マスクとして
用いた絶縁膜を除去した後、公知の方法によつて
SiO2膜を形成する。公知の選択的ホトエツチン
グ法によつて、不用部のSiO2を除去した後、表
面保護面膜、１７が得られる。尚、反射防止膜１
７′，は表面保護膜を適用するか、あるいは、反
射防止膜として適した厚さのSiO2あるいはSi3N4
を再度形成して適用した。この後表面電極、１
８，及び裏面電極、１９を形成した。本素子は適
切なステムにマウントされ、素子としての動作が
認められた。
以下に本実施例の構成及び動作を説明する。本
実施例では、禁止帯幅狭い領域１３が禁止帯幅の
広い領域によつて囲まれているため、入射光は領
域１３中で吸収される構成となつている。また、
表面層は禁止帯幅の広いInGaAsP層で形成され、
その上に表面保護用の絶縁膜が形成されているた
め、界面での特性が安定となり、暗電流の低減に
好適である。この表面層の半導体層はこの下層の
第２の半導体層と(1)格子整合をとり得る、(2)定じ
結晶系をとり得る、(3)高温にさらされても第２の
半導体層よりも安定である等の性質を持つ。又、
この表面層は、能動領域の半導体材料よりバン
ド・ギヤツプを大なる組成を選択する。また、
pn接合は前述した考えに基づいて領域１３より
離れて形成されていると共に、不純物濃度分布も
配慮されているため、ハードな接合特性を維持
し、かつ、光励起キヤリアを効率良く接合へ集め
るのに適している。また、電界分布を考慮して空
乏層の広がりを設定してあるため、接合容量を低
減し、高速化に適している。
実施例では、禁止帯幅狭い領域１３が禁止帯幅の
広い領域によつて囲まれているため、入射光は領
域１３中で吸収される構成となつている。また、
表面層は禁止帯幅の広いInGaAsP層で形成され、
その上に表面保護用の絶縁膜が形成されているた
め、界面での特性が安定となり、暗電流の低減に
好適である。この表面層の半導体層はこの下層の
第２の半導体層と(1)格子整合をとり得る、(2)定じ
結晶系をとり得る、(3)高温にさらされても第２の
半導体層よりも安定である等の性質を持つ。又、
この表面層は、能動領域の半導体材料よりバン
ド・ギヤツプを大なる組成を選択する。また、
pn接合は前述した考えに基づいて領域１３より
離れて形成されていると共に、不純物濃度分布も
配慮されているため、ハードな接合特性を維持
し、かつ、光励起キヤリアを効率良く接合へ集め
るのに適している。また、電界分布を考慮して空
乏層の広がりを設定してあるため、接合容量を低
減し、高速化に適している。
本素子を逆方向にバイアスすると、空乏層は接
合直下の領域１４及び領域１３に広がる。このた
め、領域１３の禁止帯幅に対応した長波長端の光
波長まで効率良く吸収し、発生した正孔はドリフ
ト電界によつてpn接合に集められる。本試作pin
ホトダイオードの主な特性は、波長感度領域1.0
〜1.55μm，量子効率65％（1.3μm）接合容量
0.8pF，暗電流は0.1nA（10V）以下である。
合直下の領域１４及び領域１３に広がる。このた
め、領域１３の禁止帯幅に対応した長波長端の光
波長まで効率良く吸収し、発生した正孔はドリフ
ト電界によつてpn接合に集められる。本試作pin
ホトダイオードの主な特性は、波長感度領域1.0
〜1.55μm，量子効率65％（1.3μm）接合容量
0.8pF，暗電流は0.1nA（10V）以下である。
本実施例の効果を以下に説明する。
(a) InGaAsP層と絶縁膜との界面特性を用いる
ことにより、暗電流の低減できる。
ことにより、暗電流の低減できる。
(b) 前述した様な層構成にすることにより、トン
ネル効果による暗電流の増大を防止できる。
ネル効果による暗電流の増大を防止できる。
(c) 前述した様な層構成にすることにより、光励
起キヤリアを効率良く接合に集めることがで
き、高感度化できる。
起キヤリアを効率良く接合に集めることがで
き、高感度化できる。
(d) 前述した様な層構成にすることにより、光励
起キヤリアをドリフト速度で接合へ集めること
ができ、高速化できる。
起キヤリアをドリフト速度で接合へ集めること
ができ、高速化できる。
(e) 前述した様な層構成とすることにより、空乏
層幅を広くとることができるため、接合容量を
小さくでき、素子の高速化に効果がある。
層幅を広くとることができるため、接合容量を
小さくでき、素子の高速化に効果がある。
別の実施例として光の入射方向をInP基板側と
した場合がある。第３図はこの例を示す装置断面
図である。第２図と同一符号は同一部位を示して
いる。層１５が表面保護のためのInGaAsP層で
ある。第２図における実施例との相違点は電極１
９が拡散領域１６の下部に位置する領域の金属を
除去する点、および電極１８は入射光不要のため
全面に設けられている。である。
した場合がある。第３図はこの例を示す装置断面
図である。第２図と同一符号は同一部位を示して
いる。層１５が表面保護のためのInGaAsP層で
ある。第２図における実施例との相違点は電極１
９が拡散領域１６の下部に位置する領域の金属を
除去する点、および電極１８は入射光不要のため
全面に設けられている。である。
また、上述の例としてInP−InGaAsP系材料の
例を説明したが、材料系はこれに限られるもので
はない。
例を説明したが、材料系はこれに限られるもので
はない。
たとえば、１４層としてGaAlSb，１３層とし
てaSb１２層としてGaSb，１５層として
GaAlAsSbを用いるGaSbを主体とした材料系を
用いても同様の趣旨の光半導体装置が実現出来
る。
てaSb１２層としてGaSb，１５層として
GaAlAsSbを用いるGaSbを主体とした材料系を
用いても同様の趣旨の光半導体装置が実現出来
る。
本発明によれば、pn接合と光吸収領域との距
離、素子を構成する各層の不純物濃度、各層の厚
さをアバランシエ増倍作用が効果的に生起するよ
うに考慮しているので高感度で暗電流の小さい高
速性を有する受光素子を得ることができる。
離、素子を構成する各層の不純物濃度、各層の厚
さをアバランシエ増倍作用が効果的に生起するよ
うに考慮しているので高感度で暗電流の小さい高
速性を有する受光素子を得ることができる。
第１図は従来の素子構造例を示す断面図であ
り、(a)はメサ型、(b)はプレーナ型構造を示す。第
２図および第３図は本発明による一実施例の素子
構造の断面図を示す。第４図はアバランシエ型フ
オトダイオードのpn接合の近傍を模止的に示す
図であり、(a)は断面図、(b)は(a)に示すＡ−A′断
面における電界強度を示す。 符号の説明、０１…n+型InP基板、０２…ｎ型
InGaAs、０３…Ｐ形InGaAs、０８，０９…電
極、１，１１…n+形InP基板、２…n+形InP層、
１２…ｎ形InP層、３，１３…ｎ形InGaAsP層、
４，１４…ｎ形InP層、６，１６…Ｐ形InGaAsP
拡散層、７，１７，１７′…絶縁膜、１５…ｎ形
InGaAsP層、８，１８…Ｐ形電極、９，１９…
ｎ形電極。
り、(a)はメサ型、(b)はプレーナ型構造を示す。第
２図および第３図は本発明による一実施例の素子
構造の断面図を示す。第４図はアバランシエ型フ
オトダイオードのpn接合の近傍を模止的に示す
図であり、(a)は断面図、(b)は(a)に示すＡ−A′断
面における電界強度を示す。 符号の説明、０１…n+型InP基板、０２…ｎ型
InGaAs、０３…Ｐ形InGaAs、０８，０９…電
極、１，１１…n+形InP基板、２…n+形InP層、
１２…ｎ形InP層、３，１３…ｎ形InGaAsP層、
４，１４…ｎ形InP層、６，１６…Ｐ形InGaAsP
拡散層、７，１７，１７′…絶縁膜、１５…ｎ形
InGaAsP層、８，１８…Ｐ形電極、９，１９…
ｎ形電極。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 基板と、この基板上に設けられた半導体積層
構造体と、この半導体積層構造体に電気的に接続
する１組の電極とを有し、上記半導体積層構造体
は第１の導電型を示す禁止帯幅の小さい第１の領
域と、この第１の領域よりも禁止帯幅が広く第１
の導電型を示す第２の領域と、上記第２の領域内
に選択的に設けられ上記第２の領域内部にPn接
合を形成するための第２の導電型を示す領域とを
有し、上記第１の領域及び上記第２の領域の不純
物濃度及び、誘電率をNs、εs、及びNL，εL、上
記第１の領域の不純物濃度Nsに依存する上記第
１の領域のトンネル降伏時の電界強度をET、上
記第２の領域の最大電界強度をEnL、電気素量を
ｑとしたとき、上記Pn接合と上記第１の領域の
距離ｌが ｌ≧εL／qNL｛EnL−εs／εLET｝ の関係を満足することを特徴とする光半導体装
置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の光半導体装置
において、前記第１の領域の不純物濃度は２×
1016cm-3以下であることを特徴とする光半導体装
置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56156282A JPS5857760A (ja) | 1981-10-02 | 1981-10-02 | 光半導体装置 |
| KR8204346A KR900000074B1 (ko) | 1981-10-02 | 1982-09-27 | 광 검출용 반도체장치 |
| EP82109103A EP0076495B1 (en) | 1981-10-02 | 1982-10-01 | Photodiode |
| DE8282109103T DE3277353D1 (en) | 1981-10-02 | 1982-10-01 | Photodiode |
| US06/880,118 US4740819A (en) | 1981-10-02 | 1986-06-30 | Photo semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56156282A JPS5857760A (ja) | 1981-10-02 | 1981-10-02 | 光半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5857760A JPS5857760A (ja) | 1983-04-06 |
| JPH0420274B2 true JPH0420274B2 (ja) | 1992-04-02 |
Family
ID=15624407
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56156282A Granted JPS5857760A (ja) | 1981-10-02 | 1981-10-02 | 光半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5857760A (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS55132079A (en) * | 1979-03-30 | 1980-10-14 | Nec Corp | Semiconductor device |
-
1981
- 1981-10-02 JP JP56156282A patent/JPS5857760A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5857760A (ja) | 1983-04-06 |
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