JPH0513806A - 半導体受光素子 - Google Patents
半導体受光素子Info
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- JPH0513806A JPH0513806A JP3163057A JP16305791A JPH0513806A JP H0513806 A JPH0513806 A JP H0513806A JP 3163057 A JP3163057 A JP 3163057A JP 16305791 A JP16305791 A JP 16305791A JP H0513806 A JPH0513806 A JP H0513806A
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- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 超格子APDにおいて、イオン化率比の増
大、正孔のパイルアップの緩和、正孔走行時間の低減を
図り、広帯域・低雑音化を図る。 【構成】 アバランシェ増倍型受光素子構造は、p型I
nP基板12上に、p型InGaAs光吸収層14、I
nAlAs/InGaAsヘテロ周期構造アバランシェ
増倍層15を有する。ここで、該アバランシェ増倍層1
5の井戸層であるInx Ga1 - x As層の組成をx=
0.458とし、引っ張り応力及び障壁層であるIny
Al1 - y As層の組成をy=0.595とし圧縮応力
を負荷する。伝導帯不連続エネルギーΔEvは無歪
(0.207eV)にくらべて30meV小さくなる。
更に該井戸層ではライトホールバンドが基底準位となる
ので、正孔のパイルアップの緩和及び走行時間の低減が
図れる。これにより広帯域かつ低雑音・高感度特性を得
ることができる。
大、正孔のパイルアップの緩和、正孔走行時間の低減を
図り、広帯域・低雑音化を図る。 【構成】 アバランシェ増倍型受光素子構造は、p型I
nP基板12上に、p型InGaAs光吸収層14、I
nAlAs/InGaAsヘテロ周期構造アバランシェ
増倍層15を有する。ここで、該アバランシェ増倍層1
5の井戸層であるInx Ga1 - x As層の組成をx=
0.458とし、引っ張り応力及び障壁層であるIny
Al1 - y As層の組成をy=0.595とし圧縮応力
を負荷する。伝導帯不連続エネルギーΔEvは無歪
(0.207eV)にくらべて30meV小さくなる。
更に該井戸層ではライトホールバンドが基底準位となる
ので、正孔のパイルアップの緩和及び走行時間の低減が
図れる。これにより広帯域かつ低雑音・高感度特性を得
ることができる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信や光情報処理、
光計測等で用いられる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
光素子に関するものである。
光計測等で用いられる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
光素子に関するものである。
【0002】
【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I
n0 . 5 3 Ga0 . 4 7 As層(以下InGaAs層と
略す)を光吸収層とするPIN型半導体受光素子(エレ
クトロニクス・レタ−ズ(Electronics L
etters)1984年,20巻,pp653−65
4に記載)、アバランシェ増倍型半導体受光素子(アイ
イ−イ−イ−・エレクトロンデバイス・レタ−ズ(I
EEE.Electron Device Lette
rs)1986年,7巻,pp257−258に記載)
が知られている。特に、後者は、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を有する点で、長距離
通信用として実用化されている。
半導体受光素子として、InP基板上に格子整合したI
n0 . 5 3 Ga0 . 4 7 As層(以下InGaAs層と
略す)を光吸収層とするPIN型半導体受光素子(エレ
クトロニクス・レタ−ズ(Electronics L
etters)1984年,20巻,pp653−65
4に記載)、アバランシェ増倍型半導体受光素子(アイ
イ−イ−イ−・エレクトロンデバイス・レタ−ズ(I
EEE.Electron Device Lette
rs)1986年,7巻,pp257−258に記載)
が知られている。特に、後者は、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を有する点で、長距離
通信用として実用化されている。
【0003】図7に、典型的なInGaAs−APDの
構造図(アバランシェ増倍型半導体受光素子は以下AP
Dと略す。)を示す。動作原理は、InGaAs光吸収
層3で発生した光キャリアの中で、正孔キャリアが電界
によりInPアバランシェ層4に注入される。InPア
バランシェ層4は、高電界が印加されているのでイオン
化衝突が生じ、増倍特性に至る。この場合、素子特性上
重要な雑音・高速応答特性は、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ことが知
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、イオン化率比が大き
くとれ(電子及び正孔のイオン化率をそれぞれα、βと
すると、α/β>1の時には電子、β/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。
構造図(アバランシェ増倍型半導体受光素子は以下AP
Dと略す。)を示す。動作原理は、InGaAs光吸収
層3で発生した光キャリアの中で、正孔キャリアが電界
によりInPアバランシェ層4に注入される。InPア
バランシェ層4は、高電界が印加されているのでイオン
化衝突が生じ、増倍特性に至る。この場合、素子特性上
重要な雑音・高速応答特性は、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ことが知
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、イオン化率比が大き
くとれ(電子及び正孔のイオン化率をそれぞれα、βと
すると、α/β>1の時には電子、β/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。
【0004】ところが、イオン化率比(α/βまたはβ
/α)は、材料物性的に決定されており、InPでは高
々β/α=2程度である。これは、低雑音特性を有する
Siのα/β=20と大きな違いがあり、より低雑音及
び高速応答特性を実現するために、画期的な材料技術が
要求されている。これに対し、カパッソ(F.Capa
sso)らは、伝導帯のバンド不連続エネルギー(ΔE
c)を電子のイオン化促進に利用し、イオン化率比(α
/β)の増大による高感度・広帯域を目的とした超格子
APDを提案している。その例は、アプライド・フィジ
ックス・レタ−ズ(Applied Physics
Letters),1982年,40巻,p38に記載
されている。一方、半導体超格子構造において歪応力を
負荷することにより、バンド構造が変化すること、特に
価電子帯エネルギーバンドにおいてヘビーホールバンド
とライトホールバンドの縮退が解けること等が知られて
いる。その例は、ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス(Journal of AppliedPh
ysics),1990年,67巻,p344に記載さ
れている。
/α)は、材料物性的に決定されており、InPでは高
々β/α=2程度である。これは、低雑音特性を有する
Siのα/β=20と大きな違いがあり、より低雑音及
び高速応答特性を実現するために、画期的な材料技術が
要求されている。これに対し、カパッソ(F.Capa
sso)らは、伝導帯のバンド不連続エネルギー(ΔE
c)を電子のイオン化促進に利用し、イオン化率比(α
/β)の増大による高感度・広帯域を目的とした超格子
APDを提案している。その例は、アプライド・フィジ
ックス・レタ−ズ(Applied Physics
Letters),1982年,40巻,p38に記載
されている。一方、半導体超格子構造において歪応力を
負荷することにより、バンド構造が変化すること、特に
価電子帯エネルギーバンドにおいてヘビーホールバンド
とライトホールバンドの縮退が解けること等が知られて
いる。その例は、ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス(Journal of AppliedPh
ysics),1990年,67巻,p344に記載さ
れている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術の欄で述べ
たように、超格子APDでは、伝導帯のバンド不連続エ
ネルギー(ΔEc)の値が、イオン化率比の改善に大き
く寄与する。一方、価電子帯の不連続エネルギー(ΔE
v)により正孔のパイルアップが生じ、増倍時の帯域を
劣化させる問題点がある。
たように、超格子APDでは、伝導帯のバンド不連続エ
ネルギー(ΔEc)の値が、イオン化率比の改善に大き
く寄与する。一方、価電子帯の不連続エネルギー(ΔE
v)により正孔のパイルアップが生じ、増倍時の帯域を
劣化させる問題点がある。
【0006】本発明の目的は、歪応力を負荷することに
より伝導帯不連続エネルギーを増加させイオン化率比を
更に改善、あるいは、ライトホールバンドを基底準位に
することでΔEvでの正孔パイルアップ緩和、走行時間
の短縮等を図ることにより、低雑音かつ高速応答を有す
るアバランシェ増倍型半導体受光素子を提供することに
ある。
より伝導帯不連続エネルギーを増加させイオン化率比を
更に改善、あるいは、ライトホールバンドを基底準位に
することでΔEvでの正孔パイルアップ緩和、走行時間
の短縮等を図ることにより、低雑音かつ高速応答を有す
るアバランシェ増倍型半導体受光素子を提供することに
ある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の受光素子は、半
導体基板上に、光吸収層と、ヘテロ周期構造アバランシ
ェ増倍半導体層を備える半導体受光素子において、該ヘ
テロ周期構造アバランシェ増倍層を構成する第一の半導
体層のIII族原子及びV族原子の平均イオン化エネル
ギーをそれぞれEA 及びEB 、第二の半導体層のIII
族原子及びV族原子の平均イオン化エネルギーをそれぞ
れEC 及びED とした場合、 EA >EC 及び EB <ED の関係が成り立ち、且つ、該第一の半導体層に引っ張り
応力及び該第二の半導体層に圧縮応力が負荷されている
ことを特徴とする。
導体基板上に、光吸収層と、ヘテロ周期構造アバランシ
ェ増倍半導体層を備える半導体受光素子において、該ヘ
テロ周期構造アバランシェ増倍層を構成する第一の半導
体層のIII族原子及びV族原子の平均イオン化エネル
ギーをそれぞれEA 及びEB 、第二の半導体層のIII
族原子及びV族原子の平均イオン化エネルギーをそれぞ
れEC 及びED とした場合、 EA >EC 及び EB <ED の関係が成り立ち、且つ、該第一の半導体層に引っ張り
応力及び該第二の半導体層に圧縮応力が負荷されている
ことを特徴とする。
【0008】あるいは、本発明の受光素子は、半導体基
板上に、光吸収層と、ヘテロ周期構造アバランシェ増倍
半導体層を備える半導体受光素子において、該ヘテロ周
期構造アバランシェ増倍層を構成する第一の半導体層の
III族原子及びV族原子の平均イオン化エネルギーを
それぞれEA 及びEB 、第二の半導体層のIII族原子
及びV族原子の平均イオン化エネルギーをそれぞれEC
及びED とした場合、 EA >EC 及び EB <ED の関係が成り立ち、且つ、該第一の半導体層に圧縮応力
及び該第二の半導体層に引っ張り応力が負荷されている
ことを特徴とする。
板上に、光吸収層と、ヘテロ周期構造アバランシェ増倍
半導体層を備える半導体受光素子において、該ヘテロ周
期構造アバランシェ増倍層を構成する第一の半導体層の
III族原子及びV族原子の平均イオン化エネルギーを
それぞれEA 及びEB 、第二の半導体層のIII族原子
及びV族原子の平均イオン化エネルギーをそれぞれEC
及びED とした場合、 EA >EC 及び EB <ED の関係が成り立ち、且つ、該第一の半導体層に圧縮応力
及び該第二の半導体層に引っ張り応力が負荷されている
ことを特徴とする。
【0009】または、本発明の受光素子は、半導体基板
上に、光吸収層と、ヘテロ周期構造アバランシェ増倍半
導体層を備える半導体受光素子において、該ヘテロ周期
構造アバランシェ増倍層を構成する第一の半導体層のI
II族原子及びV族原子の平均イオン化エネルギーをそ
れぞれEA 及びEB 、第二の半導体層のIII族原子及
びV族原子の平均イオン化エネルギーをそれぞれEC 及
びED とした場合、 EA >EC 及び EB <ED の関係が成り立ち、且つ、該第一の半導体層に引っ張り
応力及び該第二の半導体層に引っ張り応力が負荷されて
いることを特徴とする半導体受光素子。
上に、光吸収層と、ヘテロ周期構造アバランシェ増倍半
導体層を備える半導体受光素子において、該ヘテロ周期
構造アバランシェ増倍層を構成する第一の半導体層のI
II族原子及びV族原子の平均イオン化エネルギーをそ
れぞれEA 及びEB 、第二の半導体層のIII族原子及
びV族原子の平均イオン化エネルギーをそれぞれEC 及
びED とした場合、 EA >EC 及び EB <ED の関係が成り立ち、且つ、該第一の半導体層に引っ張り
応力及び該第二の半導体層に引っ張り応力が負荷されて
いることを特徴とする半導体受光素子。
【0010】または、本発明の受光素子は、半導体基板
上に、光吸収層と、ヘテロ周期構造アバランシェ増倍半
導体層を備える半導体受光素子において、該ヘテロ周期
構造アバランシェ増倍層を構成する第一の半導体層のI
II族原子及びV族原子の平均イオン化エネルギーをそ
れぞれEA 及びEB 、第二の半導体層のIII族原子及
びV族原子の平均イオン化エネルギーをそれぞれEC 及
びED とした場合、 EA >EC 及び EB <ED の関係が成り立ち、且つ、該第一の半導体層に圧縮応力
が負荷され、無歪に比べ伝導帯不連続エネルギーが大き
く、イオン化率比を改善できることを特徴とする。
上に、光吸収層と、ヘテロ周期構造アバランシェ増倍半
導体層を備える半導体受光素子において、該ヘテロ周期
構造アバランシェ増倍層を構成する第一の半導体層のI
II族原子及びV族原子の平均イオン化エネルギーをそ
れぞれEA 及びEB 、第二の半導体層のIII族原子及
びV族原子の平均イオン化エネルギーをそれぞれEC 及
びED とした場合、 EA >EC 及び EB <ED の関係が成り立ち、且つ、該第一の半導体層に圧縮応力
が負荷され、無歪に比べ伝導帯不連続エネルギーが大き
く、イオン化率比を改善できることを特徴とする。
【0011】
【作用】図1は、本発明の請求項1の受光素子のバンド
構造を説明するための図である。右側が本発明の素子の
バンド図で、左側は比較のための歪のない場合のバンド
図である。アバランシェ増倍層はヘテロ周期構造からな
り、上述のバンド構造を満たす具体例の一例として、第
1の半導体層にInx Ga1 - x As(0≦x≦1)、
第2の半導体層にIny Al1 - y As(0≦y≦1)
を用いている。走行する電子は、伝導帯の不連続エネル
ギーΔEcを感じ、そのエネルギー分のイオン化エネル
ギーを得ることが出来るので、α/ β比を大きくとるこ
とが出来る。ここで、第一の半導体層(井戸層)をIn
0 . 4 5 8 Ga0 . 5 4 2 Asとし、0.5%の引っ張
り応力を負荷し、第二の半導体層(障壁層)をIn
0 . 5 95 Al0 . 4 0 5 Asとし、0.5%の圧縮応
力を負荷した場合、価電子帯不連続エネルギーΔEvは
0.177eVと、無歪の場合のΔEvより30meV
小さくなる。
構造を説明するための図である。右側が本発明の素子の
バンド図で、左側は比較のための歪のない場合のバンド
図である。アバランシェ増倍層はヘテロ周期構造からな
り、上述のバンド構造を満たす具体例の一例として、第
1の半導体層にInx Ga1 - x As(0≦x≦1)、
第2の半導体層にIny Al1 - y As(0≦y≦1)
を用いている。走行する電子は、伝導帯の不連続エネル
ギーΔEcを感じ、そのエネルギー分のイオン化エネル
ギーを得ることが出来るので、α/ β比を大きくとるこ
とが出来る。ここで、第一の半導体層(井戸層)をIn
0 . 4 5 8 Ga0 . 5 4 2 Asとし、0.5%の引っ張
り応力を負荷し、第二の半導体層(障壁層)をIn
0 . 5 95 Al0 . 4 0 5 Asとし、0.5%の圧縮応
力を負荷した場合、価電子帯不連続エネルギーΔEvは
0.177eVと、無歪の場合のΔEvより30meV
小さくなる。
【0012】更に、該井戸層の正孔バンドはライトホー
ルバンドがヘビーホールバンドより36meV高エネル
ギー側、すなわち基底準位を取るので、井戸層内の電子
の質量が軽くなり、価電子帯不連続エネルギーΔEvに
よる正孔のパイルアップは緩和される。
ルバンドがヘビーホールバンドより36meV高エネル
ギー側、すなわち基底準位を取るので、井戸層内の電子
の質量が軽くなり、価電子帯不連続エネルギーΔEvに
よる正孔のパイルアップは緩和される。
【0013】このバンド変化については、カオらが、ジ
ャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Jour
nal of Applied Physics)57
巻(1985)p.5428、あるいは、ワンらが、ジ
ャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Jour
nal of Applied Physics)67
巻(1990)p.344に報告している。
ャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Jour
nal of Applied Physics)57
巻(1985)p.5428、あるいは、ワンらが、ジ
ャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Jour
nal of Applied Physics)67
巻(1990)p.344に報告している。
【0014】また、InGaAs井戸層とInAlAs
障壁層の歪の方向は逆であるので、MQW増倍層以外に
歪の影響は負荷されず、良好な結晶性が保たれる。当然
MQWの臨界膜厚は、理論的には無歪と同様に無限大と
なる。
障壁層の歪の方向は逆であるので、MQW増倍層以外に
歪の影響は負荷されず、良好な結晶性が保たれる。当然
MQWの臨界膜厚は、理論的には無歪と同様に無限大と
なる。
【0015】図2は、本発明の請求項2の受光素子のバ
ンド構造を説明するための図である。右が本発明の素子
のバンド図で、左は歪のない素子の場合である。アバラ
ンシェ増倍層はヘテロ周期構造からなり、上述のバンド
構造を満たす具体例の一例として、第1の半導体層にI
nx Ga1 - x As(0≦x≦1)、第2の半導体層に
Iny Al1 - y As(0≦y≦1)を用いている。走
行する電子は、伝導帯の不連続エネルギーΔEcを感
じ、そのエネルギー分のイオン化エネルギーを得ること
が出来るので、α/β比を大きくとることが出来る。こ
こで、第一の半導体層(井戸層)をIn0 . 6 0 3 Ga
0 . 3 9 7 Asとし、0.5%の圧縮応力を負荷し、第
二の半導体層(障壁層)をIn0 .4 4 7 Al
0 . 5 5 3 Asとし、0.5%の引っ張り応力を負荷し
た場合、伝導帯不連続エネルギーΔEcは0.637e
Vと、無歪のΔEcより0.125eV大きくなり、更
にイオン化率比を大きくできる。
ンド構造を説明するための図である。右が本発明の素子
のバンド図で、左は歪のない素子の場合である。アバラ
ンシェ増倍層はヘテロ周期構造からなり、上述のバンド
構造を満たす具体例の一例として、第1の半導体層にI
nx Ga1 - x As(0≦x≦1)、第2の半導体層に
Iny Al1 - y As(0≦y≦1)を用いている。走
行する電子は、伝導帯の不連続エネルギーΔEcを感
じ、そのエネルギー分のイオン化エネルギーを得ること
が出来るので、α/β比を大きくとることが出来る。こ
こで、第一の半導体層(井戸層)をIn0 . 6 0 3 Ga
0 . 3 9 7 Asとし、0.5%の圧縮応力を負荷し、第
二の半導体層(障壁層)をIn0 .4 4 7 Al
0 . 5 5 3 Asとし、0.5%の引っ張り応力を負荷し
た場合、伝導帯不連続エネルギーΔEcは0.637e
Vと、無歪のΔEcより0.125eV大きくなり、更
にイオン化率比を大きくできる。
【0016】また、該障壁層の正孔バンドはライトホー
ルバンドがヘビーホールバンドより33meV高エネル
ギー側、すなわち基底準位を取るので、障壁層内の電子
の質量が軽くなり、障壁層走行時間が低減される。この
バンド変化については、カオやワンらが、前述のジャー
ナル・オブ・アプライド・フィジックスで報告してい
る。
ルバンドがヘビーホールバンドより33meV高エネル
ギー側、すなわち基底準位を取るので、障壁層内の電子
の質量が軽くなり、障壁層走行時間が低減される。この
バンド変化については、カオやワンらが、前述のジャー
ナル・オブ・アプライド・フィジックスで報告してい
る。
【0017】また、InGaAs井戸層とInAlAs
障壁層の歪の方向は逆であるので、MQW増倍層以外に
歪の影響は負荷されず、良好な結晶性が保たれる。当然
MQWの臨界膜厚は、理論的には無歪と同様に無限大と
なる。
障壁層の歪の方向は逆であるので、MQW増倍層以外に
歪の影響は負荷されず、良好な結晶性が保たれる。当然
MQWの臨界膜厚は、理論的には無歪と同様に無限大と
なる。
【0018】図3は、本発明の請求項3の受光素子のバ
ンド構造を説明するための図である。右は本発明の素子
のバンド図であり、左は歪のない素子の場合である。ア
バランシェ増倍層はヘテロ周期構造からなり、上述のバ
ンド構造を満たす具体例の一例として、第1の半導体層
にInx Ga1 - x As(0≦x≦1)、第2の半導体
層にIny Al1 - y As(0≦y≦1)を用いてい
る。走行する電子は、伝導帯の不連続エネルギーΔEc
を感じ、そのエネルギー分のイオン化エネルギーを得る
ことが出来るので、α/β比を大きくとることが出来
る。ここで、第一の半導体層(井戸層)をIn
0 . 4 5 8 Ga0 . 5 4 2 Asとし、0.5%の引っ張
り応力を負荷し、第二の半導体層(障壁層)をIn
0 . 4 4 7 Al0 . 5 5 3 Asとし、0.5%の引っ張
り応力を負荷した場合、伝導帯不連続エネルギーΔEc
は0.596eVと、無歪の場合のΔEcより84me
V大きくなり、更にイオン化率比を大きくとれる。 ま
た、該井戸層及び障壁層の正孔バンドはライトホールバ
ンドがヘビーホールバンドよりそれぞれ36meV及び
33meVだけ高エネルギー側、すなわち基底準位を取
るので、井戸層及び障壁層内の電子の質量が軽くなり、
増倍層内の走行時間が低減される。一方、0.5%歪を
負荷した場合の臨界膜厚は0.7μm程度であるので、
これ以下の増倍層厚であれば転位は導入されず、良好な
結晶性を保てる。
ンド構造を説明するための図である。右は本発明の素子
のバンド図であり、左は歪のない素子の場合である。ア
バランシェ増倍層はヘテロ周期構造からなり、上述のバ
ンド構造を満たす具体例の一例として、第1の半導体層
にInx Ga1 - x As(0≦x≦1)、第2の半導体
層にIny Al1 - y As(0≦y≦1)を用いてい
る。走行する電子は、伝導帯の不連続エネルギーΔEc
を感じ、そのエネルギー分のイオン化エネルギーを得る
ことが出来るので、α/β比を大きくとることが出来
る。ここで、第一の半導体層(井戸層)をIn
0 . 4 5 8 Ga0 . 5 4 2 Asとし、0.5%の引っ張
り応力を負荷し、第二の半導体層(障壁層)をIn
0 . 4 4 7 Al0 . 5 5 3 Asとし、0.5%の引っ張
り応力を負荷した場合、伝導帯不連続エネルギーΔEc
は0.596eVと、無歪の場合のΔEcより84me
V大きくなり、更にイオン化率比を大きくとれる。 ま
た、該井戸層及び障壁層の正孔バンドはライトホールバ
ンドがヘビーホールバンドよりそれぞれ36meV及び
33meVだけ高エネルギー側、すなわち基底準位を取
るので、井戸層及び障壁層内の電子の質量が軽くなり、
増倍層内の走行時間が低減される。一方、0.5%歪を
負荷した場合の臨界膜厚は0.7μm程度であるので、
これ以下の増倍層厚であれば転位は導入されず、良好な
結晶性を保てる。
【0019】
【実施例】本発明の第1の実施例について、図面を用い
て詳細に説明する。図4は、請求項1の本発明の一実施
例のアバランシェ増倍型受光素子の断面図である。製作
工程は、p型InP基板12上に、p型InPバッファ
層13を0.5μm、p型InGaAs光吸収層14を
1.5μm、InAlAs400A(オングストロー
ム)/InGaAs200Aの16周期ヘテロ周期構造
アバランシェ増倍層15を1.0μm、及びキャップ層
16を0.5μm順次積層する。ここで、該アバランシ
ェ増倍層15の井戸層(第1層)であるInx Ga
1 - x As層の組成はx=0.458とし、0.5%の
引っ張り応力が負荷されている。また、該アバランシェ
増倍層の障壁層(第2層)であるIny Al1 - y As
層の組成はy=0.595とし、0.5%の圧縮歪が負
荷されている。
て詳細に説明する。図4は、請求項1の本発明の一実施
例のアバランシェ増倍型受光素子の断面図である。製作
工程は、p型InP基板12上に、p型InPバッファ
層13を0.5μm、p型InGaAs光吸収層14を
1.5μm、InAlAs400A(オングストロー
ム)/InGaAs200Aの16周期ヘテロ周期構造
アバランシェ増倍層15を1.0μm、及びキャップ層
16を0.5μm順次積層する。ここで、該アバランシ
ェ増倍層15の井戸層(第1層)であるInx Ga
1 - x As層の組成はx=0.458とし、0.5%の
引っ張り応力が負荷されている。また、該アバランシェ
増倍層の障壁層(第2層)であるIny Al1 - y As
層の組成はy=0.595とし、0.5%の圧縮歪が負
荷されている。
【0020】次に、n- 型ガードリング領域17形成の
ため、100kVの加速電圧でSiを1×101 3 cm
- 2 、3000Aの深さまでイオン注入し、5×10
1 6 cm- 3 の濃度領域を得る。同様に、n+ 受光領域
18形成のため、200kVの加速電圧でSiを1×1
01 4 cm-2 、0.5μmの深さまでイオン注入し、
1×101 8 cm- 3 の濃度領域を得る。更に、パッシ
ベーション膜8を1500A形成し、n側電極9とし
て、AuGe/Niを1500A、TiPtAuを50
0A堆積する。また、p側電極10として、AuZnを
1500A堆積することにより、図4の素子構造を完成
する。
ため、100kVの加速電圧でSiを1×101 3 cm
- 2 、3000Aの深さまでイオン注入し、5×10
1 6 cm- 3 の濃度領域を得る。同様に、n+ 受光領域
18形成のため、200kVの加速電圧でSiを1×1
01 4 cm-2 、0.5μmの深さまでイオン注入し、
1×101 8 cm- 3 の濃度領域を得る。更に、パッシ
ベーション膜8を1500A形成し、n側電極9とし
て、AuGe/Niを1500A、TiPtAuを50
0A堆積する。また、p側電極10として、AuZnを
1500A堆積することにより、図4の素子構造を完成
する。
【0021】上述した素子構造のもとで、作用に述べた
原理により、価電子帯不連続エネルギー(ΔEv)によ
る正孔のパイルアップが緩和され、増倍時の帯域が改善
された。また、該障壁層内の正孔の走行時間が低減さ
れ、更なる帯域の改善が得られた。その結果、最大帯域
が13GHz、GB積100GHz、イオン化率比(α
/ β)7、また量子効率75%の低雑音、高速応答特性
を有するアバランシェ増倍型半導体受光素子を実現し
た。本発明による素子構造は、具体的には、MOVP
E、MBE、ガスソースMBE等の成長技術により、作
製することができる。
原理により、価電子帯不連続エネルギー(ΔEv)によ
る正孔のパイルアップが緩和され、増倍時の帯域が改善
された。また、該障壁層内の正孔の走行時間が低減さ
れ、更なる帯域の改善が得られた。その結果、最大帯域
が13GHz、GB積100GHz、イオン化率比(α
/ β)7、また量子効率75%の低雑音、高速応答特性
を有するアバランシェ増倍型半導体受光素子を実現し
た。本発明による素子構造は、具体的には、MOVP
E、MBE、ガスソースMBE等の成長技術により、作
製することができる。
【0022】本発明の第2の実施例について、図面を用
いて詳細に説明する。図5は、請求項2の本発明の一実
施例のアバランシェ増倍型受光素子の断面図である。製
作工程は、p型InP基板12上に、p型InPバッフ
ァ層13を0.5μm、p型InGaAs光吸収層14
を1.5μm、InAlAs400A(オングストロー
ム)/InGaAs200Aの16周期ヘテロ周期構造
アバランシェ増倍層15を1.0μm、及びキャップ層
16を0.5μm順次積層する。ここで、該アバランシ
ェ増倍層15の井戸層(第1層)であるInx Ga
1 - x As層の組成はx=0.603とし、0.5%の
圧縮応力が負荷されている。また、該アバランシェ増倍
層の障壁層(第2層)であるIny Al1 - y As層の
組成はy=0.447とし、0.5%の引っ張り歪が負
荷されている。
いて詳細に説明する。図5は、請求項2の本発明の一実
施例のアバランシェ増倍型受光素子の断面図である。製
作工程は、p型InP基板12上に、p型InPバッフ
ァ層13を0.5μm、p型InGaAs光吸収層14
を1.5μm、InAlAs400A(オングストロー
ム)/InGaAs200Aの16周期ヘテロ周期構造
アバランシェ増倍層15を1.0μm、及びキャップ層
16を0.5μm順次積層する。ここで、該アバランシ
ェ増倍層15の井戸層(第1層)であるInx Ga
1 - x As層の組成はx=0.603とし、0.5%の
圧縮応力が負荷されている。また、該アバランシェ増倍
層の障壁層(第2層)であるIny Al1 - y As層の
組成はy=0.447とし、0.5%の引っ張り歪が負
荷されている。
【0023】次に、n- 型ガードリング領域17形成の
ため、100kVの加速電圧でSiを1×101 3 cm
- 2 、3000Aの深さまでイオン注入し、5×10
1 6 cm- 3 の濃度領域を得る。同様に、n+ 受光領域
18形成のため、200kVの加速電圧でSiを1×1
01 4 cm-2 、0.5μmの深さまでイオン注入し、
1×101 8 cm- 3 の濃度領域を得る。更に、パッシ
ベーション膜8を1500A形成し、n側電極9とし
て、AuGe/Niを1500A、TiPtAuを50
0A堆積する。また、p側電極10として、AuZnを
1500A堆積することにより、図4の素子構造を完成
する。
ため、100kVの加速電圧でSiを1×101 3 cm
- 2 、3000Aの深さまでイオン注入し、5×10
1 6 cm- 3 の濃度領域を得る。同様に、n+ 受光領域
18形成のため、200kVの加速電圧でSiを1×1
01 4 cm-2 、0.5μmの深さまでイオン注入し、
1×101 8 cm- 3 の濃度領域を得る。更に、パッシ
ベーション膜8を1500A形成し、n側電極9とし
て、AuGe/Niを1500A、TiPtAuを50
0A堆積する。また、p側電極10として、AuZnを
1500A堆積することにより、図4の素子構造を完成
する。
【0024】上述した素子構造のもとで作用に述べた原
理により、伝導帯不連続エネルギー(ΔEc)が増加
し、イオン化率比が改善された。また、該障壁層内の正
孔の走行時間が低減され帯域の改善が得られた。その結
果、最大帯域が12GHz、GB積100GHz、イオ
ン化率比(α/β)10、また量子効率75%の低雑
音、高速応答特性を有するアバランシェ増倍型半導体受
光素子を実現した。本発明による素子構造は、具体的に
は、MOVPE、MBE、ガスソースMBE等の成長技
術により、作製することができる。
理により、伝導帯不連続エネルギー(ΔEc)が増加
し、イオン化率比が改善された。また、該障壁層内の正
孔の走行時間が低減され帯域の改善が得られた。その結
果、最大帯域が12GHz、GB積100GHz、イオ
ン化率比(α/β)10、また量子効率75%の低雑
音、高速応答特性を有するアバランシェ増倍型半導体受
光素子を実現した。本発明による素子構造は、具体的に
は、MOVPE、MBE、ガスソースMBE等の成長技
術により、作製することができる。
【0025】本発明の第3の実施例について、図面を用
いて詳細に説明する。図6は、請求項3の本発明の一実
施例のアバランシェ増倍型受光素子の断面図である。製
作工程は、p型InP基板12上に、p型InPバッフ
ァ層13を0.5μm、p型InGaAs光吸収層14
を1.5μm、InAlAs400A(オングストロー
ム)/InGaAs200Aの16周期ヘテロ周期構造
アバランシェ増倍層15を1.0μm、及びキャップ層
16を0.5μm順次積層する。ここで、該アバランシ
ェ増倍層15の井戸層(第1層)であるInx Ga
1 - x As層の組成はx=0.458とし、0.5%の
引っ張り応力が負荷されている。また、該アバランシェ
増倍層の障壁層(第2層)であるIny Al1 - y As
層の組成はy=0.447とし、0.5%の引っ張り歪
が負荷されている。
いて詳細に説明する。図6は、請求項3の本発明の一実
施例のアバランシェ増倍型受光素子の断面図である。製
作工程は、p型InP基板12上に、p型InPバッフ
ァ層13を0.5μm、p型InGaAs光吸収層14
を1.5μm、InAlAs400A(オングストロー
ム)/InGaAs200Aの16周期ヘテロ周期構造
アバランシェ増倍層15を1.0μm、及びキャップ層
16を0.5μm順次積層する。ここで、該アバランシ
ェ増倍層15の井戸層(第1層)であるInx Ga
1 - x As層の組成はx=0.458とし、0.5%の
引っ張り応力が負荷されている。また、該アバランシェ
増倍層の障壁層(第2層)であるIny Al1 - y As
層の組成はy=0.447とし、0.5%の引っ張り歪
が負荷されている。
【0026】その後、n- 型ガードリング領域17形成
のため、100kVの加速電圧でSiを1×101 3 c
m- 2 、3000Aの深さまでイオン注入し、5×10
1 6 cm- 3 の濃度領域を得る。同様に、n+ 受光領域
18形成のため、200kVの加速電圧でSiを1×1
01 4 cm- 2 、0. 5μmの深さまでイオン注入し、
1×101 8 cm- 3 の濃度領域を得る。更に、パッシ
ベーション膜8を1500A形成し、n側電極9とし
て、AuGe/Niを1500A、TiPtAuを50
0A堆積する。また、p側電極10として、AuZnを
1500A堆積することにより、図4の素子構造を完成
する。
のため、100kVの加速電圧でSiを1×101 3 c
m- 2 、3000Aの深さまでイオン注入し、5×10
1 6 cm- 3 の濃度領域を得る。同様に、n+ 受光領域
18形成のため、200kVの加速電圧でSiを1×1
01 4 cm- 2 、0. 5μmの深さまでイオン注入し、
1×101 8 cm- 3 の濃度領域を得る。更に、パッシ
ベーション膜8を1500A形成し、n側電極9とし
て、AuGe/Niを1500A、TiPtAuを50
0A堆積する。また、p側電極10として、AuZnを
1500A堆積することにより、図4の素子構造を完成
する。
【0027】上述した素子構造のもとで作用に述べた原
理により、伝導帯不連続エネルギー(ΔEc)が増加
し、イオン化率比が改善された。また、該障壁層及び井
戸層内の正孔の走行時間が低減され且つ、ΔEvによる
正孔のパイルアップが緩和され、大幅な帯域の改善が得
られた。その結果、最大帯域が15GHz、GB積11
0GHz、イオン化率比(α/β)10、また量子効率
75%の低雑音、高速応答特性を有するアバランシェ増
倍型半導体受光素子を実現した。本発明による素子構造
は、具体的には、MOVPE、MBE、ガスソースMB
E等の成長技術により、作製することができる。
理により、伝導帯不連続エネルギー(ΔEc)が増加
し、イオン化率比が改善された。また、該障壁層及び井
戸層内の正孔の走行時間が低減され且つ、ΔEvによる
正孔のパイルアップが緩和され、大幅な帯域の改善が得
られた。その結果、最大帯域が15GHz、GB積11
0GHz、イオン化率比(α/β)10、また量子効率
75%の低雑音、高速応答特性を有するアバランシェ増
倍型半導体受光素子を実現した。本発明による素子構造
は、具体的には、MOVPE、MBE、ガスソースMB
E等の成長技術により、作製することができる。
【0028】
【発明の効果】本発明による半導体受光素子は、ヘテロ
周期アバランシェ増倍層の井戸層及び障壁層に歪応力を
負荷し、伝導帯不連続エネルギーΔEcをより大きくし
イオン化率比を改善する、あるいは価電子帯不連続エネ
ルギーΔEvを小さくすることにより正孔のパイルアッ
プを緩和する、あるいは井戸層及び障壁層内の正孔質量
を軽くし、走行時間を低減する効果を得ている。これに
より、広帯域で高感度低雑音特性を有する半導体受光素
子を実現できる。
周期アバランシェ増倍層の井戸層及び障壁層に歪応力を
負荷し、伝導帯不連続エネルギーΔEcをより大きくし
イオン化率比を改善する、あるいは価電子帯不連続エネ
ルギーΔEvを小さくすることにより正孔のパイルアッ
プを緩和する、あるいは井戸層及び障壁層内の正孔質量
を軽くし、走行時間を低減する効果を得ている。これに
より、広帯域で高感度低雑音特性を有する半導体受光素
子を実現できる。
【図1】本発明による請求項1の受光素子のバンド構造
を説明するための図である。
を説明するための図である。
【図2】本発明による請求項2の受光素子のバンド構造
を説明するための図である。
を説明するための図である。
【図3】本発明による請求項3の受光素子のバンド構造
を説明するための図である。
を説明するための図である。
【図4】本発明の請求項1の実施例の受光素子を説明す
るための図である。
るための図である。
【図5】本発明の請求項2の実施例の受光素子を説明す
るための図である。
るための図である。
【図6】本発明の請求項3の実施例の受光素子を説明す
るための図である。
るための図である。
【図7】従来例のAPDの構造図である。
1 n型InP基板
2 n型InPバッファ層
3 n型InGaAs光吸収層
4 n型InP層(アバランシェ増倍層)
5 n型InPキャップ層
6 p型受光領域
7 p型ガードリング領域
8 パッシベーション膜
9 n側オーミック電極
10 p側オーミック電極
11 入射光
12 p型InP基板
13 p型InPバッファ層
14 p型InGaAs光吸収層
15 p型InAlAs/InGaAsヘテロ周期構造
アバランシェ増倍層 16 p型InPキャップ層 17 n型ガードリング層 18 n型受光領域
アバランシェ増倍層 16 p型InPキャップ層 17 n型ガードリング層 18 n型受光領域
Claims (3)
- 【請求項1】 半導体基板上に、光吸収層と、ヘテロ周
期構造アバランシェ増倍半導体層を備える半導体受光素
子において、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層を構
成する第一の半導体層のIII族原子及びV族原子の平
均イオン化エネルギーをそれぞれEA 及びEB 、第二の
半導体層のIII族原子及びV族原子の平均イオン化エ
ネルギーをそれぞれEC 及びED とした場合、 EA >EC 及び EB <ED の関係が成り立ち、且つ、該第一の半導体層に引っ張り
応力及び該第二の半導体層に圧縮応力が負荷されている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 【請求項2】 半導体基板上に、光吸収層と、ヘテロ周
期構造アバランシェ増倍半導体層を備える半導体受光素
子において、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層を構
成する第一の半導体層のIII族原子及びV族原子の平
均イオン化エネルギーをそれぞれEA 及びEB 、第二の
半導体層のIII族原子及びV族原子の平均イオン化エ
ネルギーをそれぞれEC 及びED とした場合、 EA >EC 及び EB <ED の関係が成り立ち、且つ、該第一の半導体層に圧縮応力
及び該第二の半導体層に引っ張り応力が負荷されている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 【請求項3】 半導体基板上に、光吸収層と、ヘテロ周
期構造アバランシェ増倍半導体層を備える半導体受光素
子において、該ヘテロ周期構造アバランシェ増倍層を構
成する第一の半導体層のIII族原子及びV族原子の平
均イオン化エネルギーをそれぞれEA 及びEB 、第二の
半導体層のIII族原子及びV族原子の平均イオン化エ
ネルギーをそれぞれEC 及びED とした場合、 EA >EC 及び EB <ED の関係が成り立ち、且つ、該第一の半導体層に引っ張り
応力及び該第二の半導体層に引っ張り応力が負荷されて
いることを特徴とする半導体受光素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3163057A JP3001291B2 (ja) | 1991-07-03 | 1991-07-03 | 半導体受光素子 |
| EP92105384A EP0506127B1 (en) | 1991-03-28 | 1992-03-27 | Semiconductor photodetector using avalanche multiplication |
| DE69229369T DE69229369T2 (de) | 1991-03-28 | 1992-03-27 | Halbleiterphotodetektor mit Lawinenmultiplikation |
| US08/203,869 US5471068A (en) | 1991-03-28 | 1994-02-28 | Semiconductor photodetector using avalanche multiplication and strained layers |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3163057A JP3001291B2 (ja) | 1991-07-03 | 1991-07-03 | 半導体受光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0513806A true JPH0513806A (ja) | 1993-01-22 |
| JP3001291B2 JP3001291B2 (ja) | 2000-01-24 |
Family
ID=15766358
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3163057A Expired - Fee Related JP3001291B2 (ja) | 1991-03-28 | 1991-07-03 | 半導体受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3001291B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06291357A (ja) * | 1993-03-31 | 1994-10-18 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
| CN116169200A (zh) * | 2023-04-26 | 2023-05-26 | 北京心灵方舟科技发展有限公司 | 一种近红外敏感硅光电倍增管及其制作工艺方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0290575A (ja) * | 1988-09-28 | 1990-03-30 | Hitachi Ltd | 半導体受光素子 |
| JPH02202058A (ja) * | 1989-01-31 | 1990-08-10 | Fujitsu Ltd | 半導体装置 |
-
1991
- 1991-07-03 JP JP3163057A patent/JP3001291B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0290575A (ja) * | 1988-09-28 | 1990-03-30 | Hitachi Ltd | 半導体受光素子 |
| JPH02202058A (ja) * | 1989-01-31 | 1990-08-10 | Fujitsu Ltd | 半導体装置 |
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| JPH06291357A (ja) * | 1993-03-31 | 1994-10-18 | Nec Corp | 半導体受光素子 |
| CN116169200A (zh) * | 2023-04-26 | 2023-05-26 | 北京心灵方舟科技发展有限公司 | 一种近红外敏感硅光电倍增管及其制作工艺方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3001291B2 (ja) | 2000-01-24 |
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| A02 | Decision of refusal |
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