JPH0461174A

JPH0461174A - アバランシェフォトダイオード

Info

Publication number: JPH0461174A
Application number: JP2164401A
Authority: JP
Inventors: Isao Watanabe; 功渡邊
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-06-22
Filing date: 1990-06-22
Publication date: 1992-02-27
Anticipated expiration: 2012-10-29
Also published as: JP2671569B2

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、高速、低雑音特性を廟するアバランシェ・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１．０〜１．６μｍ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、層厚最適化によるギヤノア走行時間の低
減、ペテロ界面−＼の中間層導入によるギヤリア・トラ
ップの抑制により、利得帯域幅（ＧＢ）ｆｉｔ　７５Ｇ
Ｈｚ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β／αが〜２と小さいため（α：電子のイオン
化率、β：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
バルクのＩｎ、、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り、低雑音化・高ＧＢ積化（
高速応答特性）を達成するにはイオン化率比ａ／βを人
工的に増大させる必要がある。

そこで、カパッソ（Ｆ、　Ｃａｐａｓｓｏ）等はアプラ
イド・フィジックス・レター（Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、
　Ｌｅｔｔ）、４０（１）巻、ｐ、３８〜８０．１９８
２年で、超格子による伝導帯エネルギー不連続量ΔＥｅ
を電子の衝突イオン化に利用してイオン化率比ａ／βを
人工的に増大させる構造を提案し、実際にＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｌＡｓ系超格ｆでイオン化率比ａ／βの増大（バル
クＧａＡｓの〜２に対して超格子層で〜８）を確認した
。さらに、香川らは、アプライド、フィジックス、レタ
ー（Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、）、ｐ。

９９３−９５９．５５（１０）巻、１９８９年で長距離
光通信に用０られる波長１．０〜１．６７７ｍ帯に受光
感度を有するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡＩＡ、ｓ系超格子を
用いて同様の構造を形成し、やはりイオン化率比ａｌβ
の増大（バルクＩｎＧａＡＳの〜２に対して超格子層で
〜１０）を確認した。そのアバランシェ増倍層のバイア
ス印加時のエネルギー・バンド図を第４図に示す。４１
はｎ−型Ｉｎｏ、５２Ａ１ｏ　４ｓＡＳ障壁層、４２は
ｎ−型■ｎｏ、５３Ｇａｏ、４−ｔＡＳ井戸層であり、
障壁層４１と井戸層４２の繰り返しが超格子アバランシ
ェ増倍層を構成している。また、４３．４４はそれぞれ
伝導帯不連続量ΔＥｅ、価電子帯不連続量ΔＥｖである
。

また、４５．４６はそれぞれ電子と正孔である。この構
造では伝導帯不連続量ΔＥｃが０．５ｅＶと価電子帯不
連続量ΔＥｖの０．２ｅＶより大きく、井戸層に入−つ
だときバンド不連続により獲得するエネルギーが電子の
方が大きく、これによって電子がイオン化しきり）値ｊ
−ネルギーに達１７やすくＪることで電−トイレン化率
を増大させ、イオン化率比ａ／βの増大を図・）でいる
。

（発ＩＷ］が解決しようどする課題）しかしながら、この構造の受光素子は、超格子゛アバラ
ンシ１増倍層内に多数のハンド不連続ΔＥＣ＋ΔＥｖに
よるエネルギー障壁が存在するため、高増倍時に超格子
中で発生した増倍キャリア（主に正孔）はこの障壁にト
ラップされで２〜３Ｇｂ／ｓ以ドアの周波数応答特性が
劣化してしまうという欠点を泊場る。そこで、本発明は
、波長１．０〜１．６□ｍ帯に受光感度を有し、高イオ
ン化率比α／βで低雑音と同時に高速応答特性のアバラ
ンシＪ・フＡトダイオードを実現することを目白りどす
る。

（課題を解決−４るための手段）本発明のアバランシゴフＡトダイオードは半導体超格子
層をアバランシェ増倍層とし、該半導体超格ｒ・のボ天
ンシャル井戸層の一部が半導体歪層で構成されているこ
とを特徴とする。

（作用）本発明は上述の構成により従来の課題を解決した。第２
図を用いて本発明の作用について説明−する。第２図（
ａ）は本発明の、（ｂＸｅ）は従来の、超格子アバラン
シュ増倍層の作用を説明する図で、増倍層のエネルギー
バンド図であり、図の左にマイ′ノ゛ス、右にプラスの
バイアス印加する。各図において第１種半導体の伝導帯
端をＣＩ、価電子帯端をｖｌとする。第２種半導体、第
３種半導体、第４種半導体についても同様に定義する。

ここで第１種、第２種、第４種半導体では価電子帯の重
い正孔のバンドと軽い正孔のバンドは縮退している。し
かし第３種半導帯は歪層で、縮退が解けているので、Ｖ
３Ｈを第３種半導体の重い正孔の価電子帯端、Ｖ３Ｌを
軽い正孔の価電子帯端とする。

第２図（ｂ）に示す従来構造では、第１種半導体と第２
種半導体の価電子帯端の不連続量が、波長１．０〜１．
６μｍに感度を有する材料系であるＩｎ、５□Ａ１ｏ４
８Ａｓ（第１種半導体）／Ｉｎｏ５３Ｇａｏ４８Ａｓ（
第２種半導体）超格子を例にとると０．２ｅＶあり、こ
のエネルギー障壁が多数存在する超格子中を、アバラン
シ−丁増倍により生成した正孔が走行するときにこの障
壁にトラップされて応答速度が３ＧＨｚ程度以下に劣化
する。このような応答劣化を回避するには、第２図（Ｃ
）のように価電子帯不連続量を第１種半導体と第２種半
導体の中間の値となる（格子整合した）組成の第４種半
導体層を挿入することが考えられる。しかし、このＩｎ
ｏ、５２Ａ１ｏ、、５ｓＡＳ／Ｉｎ、ｏ、５３Ｇａｏ、
４７ＡＳ系では、このような価電子帯不連続０．１ｅＶ
となるＩｎＡｌＧａＡｓでは伝導帯不連続量が０．２５
ｅＶと小さくなってしまうので、伝導帯不連続量が大き
いほど電子の選択的イオン化に有利となる超格子アバラ
ンシェ増倍層には用いることができない。即ち、最適な
第４種半導体を得ることは雛しい。

これに対して、第２図（ａ）に示す本発明は、上記のよ
うな伝導帯不連続量の大きな低下をもたらずことなしに
価電子帯不連続量を小さくできる。この理由を以下に説
明する。

第３図に示すＩｎｏ　５□”０．４８Ａｓに格子定数を
合わせた時（すなわち、ＩｎＰにも格子定数が合ってい
る時）のＩｎＧａ１−ｘＡｓの’０．５２”０．４８Ａ
ｓに対する伝導帯端Ｃ１価電Ｆ−″ｔｊ端（東いＩ］二
孔のバンドＶＨ１軽い正孔のバンドＶＩ、）のＩｎ組成
比Ｘ依存性を示す図をみると、ＩｎＸＧａ１−ＸＡ８の
組成Ｘ＝０．７の歪層では、価電子帯の二つのバンドは
Ｉｎｏ　５ｓＧａｏ、＜７ＡＳの時の縮退状態が解かれ
て、軽い正孔のバンドの価電−ｆ−帯不連続量ΔＥｖが
ちょうどＩｎ。５３ＧａＯ，４゜Ａｓ　、！１−Ｉｎｏ
５゜Ａ）。４ｓＡｓの場合の０．２ｅＶの中間の値０．
１ｅＶとなるようにエネルギーが上がっている（正孔の
エネルギーは価電子帯端から図の下に向かって高エネル
ギーになる）。一方、重い正孔のバンドのＩｎＯ，５３
ＧａＯ，４゜Ａｓに対する価電子帯不連続量ΔＥｖは０
．２５ｅＶであり、わずか０．０５ｅＶ低下しているに
１゛ぎない。一般に、価電子帯における正札のエネルギ
ー分布は、衝突イオン化が発生するような強電界（＞　
２００ｋＶ／ｅｍ）では、主に、■重い正孔のバンド内
の散乱、■軽い正孔のバンド内の散乱、■重い正孔のバ
ンドと軽い正孔のバンドの間のバンド間散乱、により決
定される。このため、本発明の歪によるバンド縮退の解
離と、軽い正孔のバンド端のエネルギー」−昇は、前述
の■と■の散乱によりこのような贋導体中での正孔のエ
ネルギー分布を全体に高−エネルギー側にシフトさせる
効果をもたらし、価電子帯不連続量が分割されて小さく
なっていることとあわせて、正孔のへプロ障壁へのトラ
ップを抑制する効果をもたらすのである。

さらに、伝導帯端Ｃは、Ｉｎ組成の増加どどもに低下す
るが、組成Ｘ、＝０．７の時にはその低Ｔｉが０．１ｅ
Ｖであり、伝導帯不連続量は０．６ｅＶと増加する。超
格子アバランシェ増倍層では、伝導帯不連続量が大きい
ほど電子の選択的イオン化に有利なので本構造ではこの
性質に適している。こうして伝導帯不連続量が大きく、
価電子帯不連続量の小さい第２図（ａ）の構造が得られ
る。第３種半導体が歪層である。

このような歪層の層厚は、歪による転位発生を防ぐため
に臨界膜厚程度にすることが望ましい。

実施例のＩｎｏ５□Ａ１ｏ４８Ａｓ／ＩｎｘＧａ１−ｘ
Ａｓ（Ｘ　＝　０．７）へテロ構造では、ＩｎｘＧａ１
−ｘＡｓ歪層（Ｘ、＝　０．７）の臨界膜厚は７〇−１
０ＯＡである。一方、ドリフト・ギヤリアのエネルギー
分布が緩和するのに要する時間中に走行する距離は〜１
００人であるので、この様な臨界膜厚程度の歪層は、上
述の効果を十分実現し７うる。

臨界膜〃］以下というような比較的薄い層厚の１層のみ
で超格子井戸層を形成すると、量子化によるユ―ネルＡ
ｒ−準位によりバンドギャップエネルギーが増大し、バ
ンドギャップ・エネルギー値にほぼ比例するイオン化し
きい値エネルギーの上昇をもたらすので、電子のイオン
化率増大化を目指す超格子増倍層には不利であるが、本
構造では、超格子・井戸部における正孔の出口側とは反
対の側に無歪のＩｎｏ、５３Ｇａｏ、４７Ａ８層を８０
−１００人程大凧ト、挿入しているのでその量子効果は
無視できる。

以上の作用と効果により、第２図（ａ）で示すような本
発明の構造により伝導帯不連続の低下による電子イオン
化率増大効果を損なうことなしに、正孔の価電子帯障壁
によるトラップ・応答速度劣化を回避できる。尚、歪層
を超格子井戸部の正孔の出口側に配置した方が有効であ
る。

なお、本発明は、歪層（第３種半導体）による価電子帯
の縮退の分離によるバンド端シフトが第１種半導体と第
２種半導体の価電子帯不連続量の中間の値をとるように
した構造である点が特徴であり、格子整合した中間バン
ドギャップの層を歪層の替わりと１〜で用いる場合とは
、価電子帯の縮退の有無の点で全く異なる。

以北、実施例に示す半導体を用いれば、波長１゜０〜１
．６層１ｍ帯に受光感度を有し、イオン化率比ａ／β改
善と高速応答特性が同時に実現でき、低雑音特性のアバ
ランシェ・フォトダイオードが実現できる。

（実施例）以下、本発明の実施例として、ＩｎＰに格Ｉ整合するＩ
ｎｏ、５２Ｇａｏ、４ｓＡＳ／ＩｎｘＧａｔ−ｘＡＳ／
Ｉｎｏ　５３Ｇａｏ　４□Ａ８系アバランシエ、フォト
ダイオードを用いて説明する。

第１図、第２図（ａ）に示す本発明のアバランシェフォ
トダイオードを以下の工程によって製作した。

ｎ十型■一基板１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を１μ
ｍ厚にキャリア濃度〜Ｉ　Ｘ　１０１５ｃｍ−３のｎ−
型Ｉｎｏ５３Ｇａｏ４□Ａｓ　５／Ｉｎ、Ｇａ１−ｘＡ
ｓ　６／Ｉｎｏ５□Ａｌｏ４８Ａｓ　４（ｘ＝０．７と
したが、０．５３＜ｘ＜１．０の範囲であればよい、た
だしＸに応じて層厚は、転位の生じない臨界膜厚以下の
値に変更［る）よりなる超格“Ｆｎ−型アバランシＪ増
倍層３を１／□ｍ厚に、キャリア濃度〜Ｉ　Ｘ　１０１
７ｃｒｎ　”のｐ型Ｉｎｏ　５２Ａ１ｏ　４ｓＡ　ｓ電
界降下層７を０．２．ｚｚｍ、キャリア濃度〜２Ｘ１０
１５ｃｍ　”のｐ−型Ｉｎ。５３Ｇａｏ、４７ＡＳ光吸
収層８を〜１．７岬厚に、キャリア濃度〜５Ｘ１１８ｃ
ｍ＝のｐ＋型ＩｎＰキャップ層９を１□ｍ厚に順次、有
機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いて成長する。こ
の超格子層３は、厚さ２００人の■ｎｏ、５３Ｇａｏ　
４−ｔＡｓ　５と厚さ７０人のＩｎ、Ｇａ１−ｘＡｓ（
Ｘ＝０．７）６、厚さ３００人の■ｎｏ５２Ａ１ｏ４８
Ａｓ４を交互に１８周期積層した構造である。Ｉｎ工Ｇ
ａｔ−ｘＡｓ　６の組成Ｘは、正孔のへテロ界面へのト
ラップを抑制するために、第３図に示すＩｎｏ、５□Ａ
ｌｏ４８Ａｓに格子定数を合わせた時のＩｎｘＧａ１−
ｘＡｓの、ＩｎＡｌＡｓの価電子帯の頂上を基準にした
、伝導帯端、価電子帯端のエネルギー値のＩｎＪｌ成比
Ｘ依存性を示す図より、価電子帯不連続量ΔＥｖがＩｎ
ｏ５３Ｇａｏ、４−ｔＡＳとＩｎＯ，５２Ａ１０．４８
Ａｓの場合の０．２ｅＶの中間の値となる組成領域によ
り決定し、その層厚は転位の発生しない臨界膜厚以下の
範囲でできるだけ大きくとった。

次に、通常のフ第１・リソグツフィー　どウーｊ−ソト
エソチングの技術を用いて直径５０□ｍの円形メリを・
形成し、絶縁保護膜１２を形成する。ｐ　９電極１１を
ＡｕＺｎで形成した後、裏面研磨を行っ（からｎ型電極
１０をＡｕＧｅで形成した。

」Ｌ記の実施例の構造では、電子のイぢン化＝牡ｉｊバ
ルクＩｎＧａＡｓの約１．５１８程疫に増大し、たの（
、つ・１（７て、正札のイオン化率はバルクＩｎＧａＡ
ｓの約１７４〜１７６倍程度に小さくなり、イオン化率
比は〜１５程度どバルクＩｎＧａＡｓの２に比較して増
大され、過剰雑音指数も〜０．３と低雑音化がなされた
。Ｌ７かも、周波数応答特性は、ｂ　Ｇａ１−ｘＡｓ歪
層がない以外は実施例と同一の超格子層を用いた構造の
従来例と比較した場合、波長１．５５Ｉｉｍ人躬時の増
倍率が１０の時、従来例では正孔の超格子へテロ障壁へ
のトラップで３ｄＢ劣化帯域が３ＧＨｚ程度と小さいの
に対して（増倍率が１．５程度の時は従来例、本実施例
ともに３ｄＢ劣化帯域は７ＧＨｚ程度であった）、本発
明の構造では７ＧＨｚ程度を維持し応答速度の顕著な劣
化は見られなかった。

本実施例ではＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系を例に説明
したが、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系等にも効果がある。

（発明の効果）本発明によって、波長１．０〜１−１６μｍ帯に受光感
度を有し、高イオン化率比。ψで低雑音と同時に高速応
答特性のアバランシェ・フォトダイオードを実現するこ
とができ、その効果は大きい。

【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・フォトダイ
オードの構造断面図。第２図（ａ）は本発明にかかわる
超格子アバランシェ増倍層のエネルギーバンド図。第２
図ｃｂ）、　（Ｃ）は従来例の場合のエネルギーバンド
図。第３図はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓのエネルギーバンド
端のＩｎ組成Ｘ依存性を示す図。第４図は従来例の超格
子アバランシェ増倍層のバイアス印加時のエネルギーバ
ンド図。各図において、１・−ｎ＋型半導体基板、２・・・ｎ型バッファー層、
３・・・ｎ−型超格子アバランシェ増倍層、４・・・第
１種半導体、５・・・第２種半導体、６・・・第３種半
導体（歪層）、７．・・ｐ型電界降下層、８・・・ｐ−
型光吸収層、９・・・ｐ＋型ギヤノブ層、１０・・・ｎ
型電極、１１・・・ｐ型電極、１２・・・絶縁保護膜、
４１・・・ｎ−型障壁層、４２・・・ｎ−型井戸層、４
３・・・伝導帯不連続量ΔＥｅ、４４・・・価電子帯不連続量Δｈ、ｖ、２１．４５・・
・電ト、２２、４６・・・正孔

Claims

【特許請求の範囲】

　アバランシェ増倍層に半導体超格子層を有し、該半導
体超格子のポテンシャル井戸層の一部が半導体歪層で構
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。