JPH0433148B2 - - Google Patents

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JPH0433148B2
JPH0433148B2 JP57195519A JP19551982A JPH0433148B2 JP H0433148 B2 JPH0433148 B2 JP H0433148B2 JP 57195519 A JP57195519 A JP 57195519A JP 19551982 A JP19551982 A JP 19551982A JP H0433148 B2 JPH0433148 B2 JP H0433148B2
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    • 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
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
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  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (a) 発明の技術分野 本発明は半導体受光装置、特に増倍雑音が低減
される構造を備えて、受光波長１〔μｍ〕以上の
帯域に適するアバランシフオトダイオードに関す
る。
(b) 技術の背景 光を情報信号の媒体とする光通信及びその他の
産業、民生分野において、光信号を電気信号に変
換する半導体受光装置は重要で基本点な構成要素
の一つであり既に多数実用化されている。これら
の半導体受光装置のうち、光電流がなだれ降伏に
よつて増倍されて感度が高められたアバランシフ
オトダイオード（以下APDと略称する）は光検
波器の信号対雑音比を改善する効果が大きい。
また光通信の伝送に用いられる石英（SiO2）
系光フアイバの材料分散（屈折率の波長依存性に
基づく）は波長1.3〔μｍ〕付近において非常に小
さくなり、材料分散と構造分散（伝搬定数の波長
依存性に基づく）との和すなわちモード内分散は
波長1.3乃至1.5〔μｍ〕において小さくなる。
従つて光通信用の半導体受光装置として波長１
〔μｍ〕以上の帯域特に1.3〔μｍ〕乃至1.6〔μｍ〕
程度の帯域において優れた特性を有するAPDが
要求されている。
(c) 従来技術と問題点 波長１〔μｍ〕以上の帯域を対象とするAPDと
しては、既にゲルマニウム（Ge）又は−族
化合物半導体を用いて多くの提案がなされている
が、インジウム・ガリウム・砒素（InGaAs）を
光吸収層に用いたAPDの一例の断面図を第１図
に示す。
第１図において、１はn+型InP基板、２はｎ型
InGaAs光吸収層、３はｎ型InP増倍層、４はInP
層中に形成されたp+型領域、５はガードリング
効果を有するｐ型領域、６は絶縁膜、７はｐ側電
極、８はｎ側電極である。
このAPDにｎ側電極８を正、ｐ側電極７を負
の極性とする逆バイアス電圧を印加することによ
りpn接合すなわちp+型領域４とｎ型InP増倍層３
との界面付近に空乏層が形成され、これがｎ型
InGaAs光吸収層２までひろがりこの空乏層内
で、入力信号光によつて電子が伝導帯に励起され
ることによつて、電子正孔対が発生し、電子はｎ
側電極８、正孔はｐ側電極７に向つてドリフト
し、ｎ型InP増倍層３においてはこの正孔を一次
キヤリアとするなだれ増倍が行なわれる。
なだれ増倍の過程においてはキヤリアと結晶格
子を構成する原子との衝突回数に統計的なゆらぎ
が存在して、これによつて固有のシヨツト雑音が
現わる。この雑音は通常増倍雑音と呼ばれる。
なだれ増倍の過程において、電子が単位長当た
り衝突電離を起す回数、すなわち電子のインオン
化率をα、正孔のイオン化率をβとし、イオン化
率比ｋを ｋ＝β／α とするとき、ｋ≒１の場合には、２次キヤリアが
何れも衝突電離を起すために、少い回数の衝突電
離でも高い電流増倍率が得られる。しかしながら
衝突回数の統計的なゆらぎが大きな増倍雑音とな
つて現われる。
他方例えばｋ≪１の場合には正孔による増倍は
起きず、電子だけが多数回の衝突電離を繰返す、
従つて衝突回数の統計的ゆらぎはあまり問題にな
らず、増倍雑音は少ない。正孔のイオン比率βが
電子のイオン化率αより充分に大きいk-1≪１の
場合も同様である。
前記のイオン化率α及びβは電界の増大に伴つ
て当然に増大するが、更にイオン化率比ｋ又は
k-1は電界の増大に伴つて１に近づき増倍雑音が
増加する。
従つて、APDの増倍雑音を低減させるために
電子と正孔とのイオン化率に可能な限りの大きい
差異が求められて、その具体的方法としてはなだ
れ降伏を発生させる半導体材料の選択、電界強度
の最適化などが一般に行なわれている。
この電子の正孔とのイオン化率化の拡大はま
た、第２図に例示する如くエネルギ帯に傾斜を与
えることによつても可能であることが既に報告さ
れている。第２図に示した例においては半導体の
禁制帯幅が電子の走行方行に次第に減少する構造
によつて、キヤリアである電子のエネルギーの禁
制帯幅に対する比が禁制帯幅が一定である構造に
比較して急速に増大することによつて、電子のイ
オン化率αが増大している。
しかしながら第２図の例においては、一次キヤ
リアとなる電子の発生すなわち光の吸収は禁制帯
幅が最大の半導体領域で行なわれることが前提条
件とされており、波長１〔μｍ〕以上の帯域を対
象とするAPDについてこの構造を仮にそのまま
適用するならば、禁制帯幅が極めて小さい半導体
材料を使用することを余儀なくされて暗電流の増
大などの問題を生じ、他方従来研究されている半
導体材料によつては禁制帯幅が小さい領域でのみ
光の吸収が行なわれて、イオン化率の大きいキヤ
リア、前記例では電子の効果的な注入がなされ
ず、増倍雑音は逆に増大する。
従つてイオン化率比を禁制帯幅に傾斜を与える
ことによつて拡大する構造を有効に実用化するた
めには、特に波長１〔μｍ〕以上を対象とする
APDについては、イオン化率の大なるキヤリア
が前記禁制帯幅に傾斜が与えられた半導体層に効
果的に注入される構造がこれと一体化して構成さ
れることが必要である。
(d) 発明の目的 本発明は、イオン化率の大なるキヤリアのイオ
ン化率が禁制帯幅の傾斜又は段差によつて更に増
大されて増倍雑音が低減される、特に波長１〔μ
ｍ〕以上の帯域に適するアバランシフオトダイオ
ードを提供することを目的とする。
(e) 発明の構成 本発明の前記目的は、第１導電型の第１半導体
層と、該第１半導体層に接して、禁制帯幅が該第
１半導体層より大でありかつその厚さ方向の中間
の位置において最大となる如く分布する第１導電
型の第２半導体層と、該第２半導体層に接して、
禁制帯幅が該第２半導体層の接触部以下でかつ前
記第１半導体層より大である第２導電型の第３半
導体領域とを備え、該第２導電型の半導体領域を
受光部としてなるアバランシフオトダイオードに
より達成される。
前記の第２半導体層は、禁制帯幅が連続的に増
加して再び減少する様に組成が連続的に変化する
構造、或いは禁制帯幅が最大である層の両側で段
階的に減少する様に複数の組成の異なる層が積層
された構造、又は連続的変化と段階的変化の双方
を含む構造の何れであつてもよい。
本発明のAPDにおいては、前記第１半導体層
が光吸収領域であり、前記第２半導体層の禁制帯
幅が最大である位置と前記第３半導体領域との
pn接合界面の間の領域が増倍領域であつて、光
吸収領域で発生した電子正孔対のうちなだれ降伏
のイオン化率の大なるキヤリアが増倍領域に注入
されて、その走行方向の禁制帯幅が次第に減少す
ることによつてイオン化率が増大する。
また前記第２半導体層の最大禁制帯幅と光吸収
領域とする前記第１半導体層の禁制帯幅との間に
は大きい差を生ずるが、この間に禁制帯幅が次第
に増加する遷移領域が挿入されることによつて前
記のイオン化率の大なるキヤリアが高速で増倍領
域に注入される。
(f) 発明の実施例 以下本発明を実施例により図面を参照して具体
的に説明する。
第３図は本発明の実施例である−族化合物
半導体APDの断面図、第４図はこの実施例の
APDに所定の電圧を印加したときのエネルギ帯
を示す図であつて、同一符号によつて相当する位
置を示す。
図において、１１はn+型InP基板、１２はｎ型
InGaAs光吸収層、１３ａ乃至１３ｆは本発明に
かかるｎ型半導体層、１４はp+型半導体領域、
１５はガードリング効果を有するｐ型領域、１６
は絶縁膜、１７はｐ側電極、１８はｎ側電極であ
る。
本実施例における各半導体層又は領域は下記の
組成及び禁制帯幅を有する。
１２：組成InGaAs、禁制帯幅EG＝0.75〔eV〕 １３ａ：組成InGaAsP、EG＝1.05〔eV〕 １３ｂ：組成InP、EG＝1.35〔eV〕 １３ｃ：組成AlInAs、EG＝1.45〔eV〕 １３ｄ：組成InP、EG＝1.35〔eV〕 １３ｅ：組成InGaAsP、EG＝1.2〔eV〕 １３ｆ：組成InGaAsP、EG＝1.0〔eV〕 １４：組成InGaAsP、EG＝1.0〔eV〕 ここで１２乃至１３ｆの各半導体層はInP基板
１１上に液相エピタキシヤル成長方法、分子線エ
ピタキシヤル成長方法等の方法によつて順次成長
して形成し、p+型半導体領域１４は例えばカド
ミウム（Cd）をInGaAsP層１３ｆに選択的に導
入して形成する。更にｐ型領域１５は例えばベリ
リウム（Be）を選択的にイオン注入することに
よつて形成される。
本実施例においては、正孔のイオン化率βが電
子のイオン化率αより大であつて、正孔は禁制帯
幅が最大であるAlInAs層１３ｃ通過後pn接合に
近づくにつれてより大きなイオン化率を持つよう
になる。一方なだれ降伏によつて発生した電子は
pn接合から遠ざかる方向に走行し、禁制帯幅が
次第に増大して最大禁制帯幅の層１３ｃに到るこ
とによつてイオン化率は減少してインオン化率比
ｋ＝β／αが拡大される。この結果先に述べた如
く増倍雑音が低減される。
また本発明によれば、pn接合を禁制帯幅が比
較的に大きい半導体層内に形成することができる
ために、トンネル効果による暗電流が抑制されて
低暗電流となる効果も得ることができる。
以上説明した実施例のAPDは、波長1.65〔μ
ｍ〕に達する受光波長帯域を有し、なだれ降伏電
圧の90〔％〕の逆バイアス電圧を印加するときの
暗電流は数10〔nA〕程度が得られる。また増倍雑
音は、イオン化率比をパラメータとしてｋ10と
なるため従来の−族受光素子の値ｋ＝２乃至
３に比べて、大きいものとなり、低雑音特性が得
られる。
(g) 発明の効果 以上説明した如く本発明によれば、キヤリアの
イオン化率比が半導体材料固有の値より拡大され
る効果が得られて、APDの雑音のうち最も大き
い要素である増倍雑音が減少し、更に暗電流の抑
制も可能であつて、特に光通信の主流である波長
１〔μｍ〕以上の帯域において優秀な特性を有す
るAPDを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来のAPDの例を示す断面図、第２
図は既に知られているイオン化率比拡大方法の説
明図、第３図は本発明の実施例を示す断面図、第
４図はそのエネルギ帯を示す図である。 図において、１１はn+型InP基板、１２はｎ型
InGaAs光吸収層、１３ａ乃至１３ｆは本発明の
特徴とするｎ型半導体層、１４はp+型半導体領
域、１５はｐ型ガードリング領域、１６は絶縁
膜、１７はｐ側電極、１８はｎ側電極を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 第１導電型の第１半導体層と、該第１半導体
    層に接して、禁制帯幅が該第１半導体層より大で
    ありかつその厚さ方向の中間の位置において最大
    となる如く分布する第１導電型の第２半導体層
    と、該第２半導体層に接して、禁制帯幅が該第２
    半導体層の接触部以下でかつ前記第１半導体層よ
    り大である第２導電型の半導体領域とを備え、該
    第２導電型の半導体領域を受光部としてなること
    を特徴とするアバランシフオトダイオード。
JP57195519A 1982-11-08 1982-11-08 アバランシフオトダイオード Granted JPS5984589A (ja)

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CA000439833A CA1237511A (en) 1982-11-08 1983-10-27 Avalanche photodiode
EP83306533A EP0108561B1 (en) 1982-11-08 1983-10-27 Semiconductor device for receiving light and providing an electrical signal
DE8383306533T DE3379248D1 (en) 1982-11-08 1983-10-27 Semiconductor device for receiving light and providing an electrical signal
KR8305220A KR880000976B1 (en) 1982-11-08 1983-11-03 Photoreceptive device
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JPS5984589A JPS5984589A (ja) 1984-05-16
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