JPH06120556A - 受光素子 - Google Patents
受光素子Info
- Publication number
- JPH06120556A JPH06120556A JP3020934A JP2093491A JPH06120556A JP H06120556 A JPH06120556 A JP H06120556A JP 3020934 A JP3020934 A JP 3020934A JP 2093491 A JP2093491 A JP 2093491A JP H06120556 A JPH06120556 A JP H06120556A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- selenium
- compound semiconductor
- receiving element
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 過剰増倍雑音係数Ｆが小さく、Ｓ／Ｎ比が大
きく、同時に従来のＡＰＤと同様に量子効率が高く、所
望の波長帯に感度を持つ受光素子を実現する。 【構成】 III-V族化合物半導体１上に形成された変性
層２４と、変性層２４上に積層されたセレンを主体とす
る固体層２と、上記セレンを主体とする固体層に電界を
発生させる電圧印加手段３、４とをもち、化合物半導体
１中で生じる正孔６を固体層２に注入しアバランシェ増
倍させる受光素子。 【効果】セレンの大きなイオン化率係数と、変性層２４
による再結合の防止、III-V族化合物半導体の高量子効
率によって、過剰増倍雑音係数Ｆが大きく、所望の波長
帯に高感度を持つ受光素子が実現された。
きく、同時に従来のＡＰＤと同様に量子効率が高く、所
望の波長帯に感度を持つ受光素子を実現する。 【構成】 III-V族化合物半導体１上に形成された変性
層２４と、変性層２４上に積層されたセレンを主体とす
る固体層２と、上記セレンを主体とする固体層に電界を
発生させる電圧印加手段３、４とをもち、化合物半導体
１中で生じる正孔６を固体層２に注入しアバランシェ増
倍させる受光素子。 【効果】セレンの大きなイオン化率係数と、変性層２４
による再結合の防止、III-V族化合物半導体の高量子効
率によって、過剰増倍雑音係数Ｆが大きく、所望の波長
帯に高感度を持つ受光素子が実現された。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は受光素子、更に詳しく言
えば、アバランシェ増倍によって光の信号を電気的信号
に変換する受光素子に関するものでる。
えば、アバランシェ増倍によって光の信号を電気的信号
に変換する受光素子に関するものでる。
【０００２】
【従来の技術】光が半導体中で吸収されると、半導体中
に導電キャリアである電子や正孔が形成される。このキ
ャリアによる電流を外部にとりだし、電気的信号に変換
するのがいわゆる受光素子である。なかでも、発生した
導電キャリアを素子中に形成された高電界領域で衝突イ
オン化によりなだれ増倍（アバランシェ増倍）させるよ
うにしたものはアバランシェホトダイオード（以下ＡＰ
Ｄ）と呼ばれ、高感度、高速応答性を有する。特に、Ｉ
ｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等の化合物半導体を光吸収
層に用いるＡＰＤでは、光ファイバ−の伝送損失の小さ
い長波長（１．０〜１．６μｍ）帯域で動作可能なため
光通信用受光素子に用いられている。図２にその一例で
ある従来のＡＰＤの断面図を示す（ヒロアキ アンドウ
他、アイイー イー イー ジャーナル オブ クォン
タム エレクトロニクス 巻ＱＥ−１７ ２番、第２５
０乃至２５４頁（１９８１年）“、Ｈｉｒｏａｋｉ Ａ
ｎｄｏ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆＱｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｖｏ
ｌｕｍｅ ＱＥ−１７， Ｎｕｍｂｅｒ ２，ｐ．２５
０〜２５４（１９８１）”）。 これはＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体であるＩｎＰ基板１１、１２上に、ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体であるＩｎＧａＡｓ１３を成長させた
ＡＰＤであり、波長１．３〜１．６μmの長波長帯の受
光素子である。素子上面より入射した光５はバンドギャ
ップの小さいｎ−ＩｎＧａＡｓ層１３で吸収され、ｎ−
ＩｎＧａＡｓ層１３で電子・正孔対が形成される。一方
オーミック電極であるＡｕ−Ｚｎ層１７とＡｕ−Ｇｅ−
Ｎｉ層１８間に印加した逆バイアスにより、ｎ−ＩｎＰ
層１４とｐ（＋）−ＩｎＰ領域１５（（＋）は高濃度で
あることを示す。以下同様）のｐ−ｎ接合部に高電界領
域が形成される。生成した電子・正孔対のうち正孔がこ
の高電界領域に注入されアバランシェ増倍される。Ｉｎ
ＧａＡｓの代わりにＩｎＧａＡｓＰを用いたＡＰＤもあ
る（カツヒコ他、アプライド フィジックス レターズ
第３巻 ３号第２５１頁、１９７９年“Ｋａｔｓｕｈ
ｉｋｏ Ｎｉｓｈｉｄａ ｅｔ ａｌ， Ａｐｐｌｉｅ
ｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌｕｍｅ
３５，Ｎｕｍｂｅｒ３，ｐ．２５１（１９７
９）”）。
に導電キャリアである電子や正孔が形成される。このキ
ャリアによる電流を外部にとりだし、電気的信号に変換
するのがいわゆる受光素子である。なかでも、発生した
導電キャリアを素子中に形成された高電界領域で衝突イ
オン化によりなだれ増倍（アバランシェ増倍）させるよ
うにしたものはアバランシェホトダイオード（以下ＡＰ
Ｄ）と呼ばれ、高感度、高速応答性を有する。特に、Ｉ
ｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等の化合物半導体を光吸収
層に用いるＡＰＤでは、光ファイバ−の伝送損失の小さ
い長波長（１．０〜１．６μｍ）帯域で動作可能なため
光通信用受光素子に用いられている。図２にその一例で
ある従来のＡＰＤの断面図を示す（ヒロアキ アンドウ
他、アイイー イー イー ジャーナル オブ クォン
タム エレクトロニクス 巻ＱＥ−１７ ２番、第２５
０乃至２５４頁（１９８１年）“、Ｈｉｒｏａｋｉ Ａ
ｎｄｏ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆＱｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｖｏ
ｌｕｍｅ ＱＥ−１７， Ｎｕｍｂｅｒ ２，ｐ．２５
０〜２５４（１９８１）”）。 これはＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体であるＩｎＰ基板１１、１２上に、ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体であるＩｎＧａＡｓ１３を成長させた
ＡＰＤであり、波長１．３〜１．６μmの長波長帯の受
光素子である。素子上面より入射した光５はバンドギャ
ップの小さいｎ−ＩｎＧａＡｓ層１３で吸収され、ｎ−
ＩｎＧａＡｓ層１３で電子・正孔対が形成される。一方
オーミック電極であるＡｕ−Ｚｎ層１７とＡｕ−Ｇｅ−
Ｎｉ層１８間に印加した逆バイアスにより、ｎ−ＩｎＰ
層１４とｐ（＋）−ＩｎＰ領域１５（（＋）は高濃度で
あることを示す。以下同様）のｐ−ｎ接合部に高電界領
域が形成される。生成した電子・正孔対のうち正孔がこ
の高電界領域に注入されアバランシェ増倍される。Ｉｎ
ＧａＡｓの代わりにＩｎＧａＡｓＰを用いたＡＰＤもあ
る（カツヒコ他、アプライド フィジックス レターズ
第３巻 ３号第２５１頁、１９７９年“Ｋａｔｓｕｈ
ｉｋｏ Ｎｉｓｈｉｄａ ｅｔ ａｌ， Ａｐｐｌｉｅ
ｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌｕｍｅ
３５，Ｎｕｍｂｅｒ３，ｐ．２５１（１９７
９）”）。
【０００３】化合物半導体ＡＰＤでは、化合物半導体の
光吸収係数が大きく、高い量子効率が得られ、また異な
る化合物半導体を混合させた混晶やヘテロ接合を用いて
バンドギャップ等のバンド構造を変更し、動作させる波
長帯を自由に設計できる等の特徴がある。特に化合物半
導体ＡＰＤでは上記従来例のように、光通信で重要な
１．０〜１．６μmの長波長帯に感度を有するＡＰＤが
得られる。
光吸収係数が大きく、高い量子効率が得られ、また異な
る化合物半導体を混合させた混晶やヘテロ接合を用いて
バンドギャップ等のバンド構造を変更し、動作させる波
長帯を自由に設計できる等の特徴がある。特に化合物半
導体ＡＰＤでは上記従来例のように、光通信で重要な
１．０〜１．６μmの長波長帯に感度を有するＡＰＤが
得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ＡＰＤの性能を示す重
要なパラメータとして過剰増倍雑音係数Ｆがある。これ
はアバランシェ増倍過程で起こる統計的なゆらぎにより
通常の雑音の増倍に付け加わる雑音の程度を示すもので
ある。Ｆの値が小さいほど付加される雑音が小さくな
り、よりＳ／Ｎ比が高く高感度のＡＰＤが得られる。高
電界領域に正孔が注入される場合の過剰増倍雑音係数Ｆ
は、以下のＭｃＩｎｔｙｒｅの式で表わされる。 Ｆ＝Ｍ{１−（１−１／ｋ）（１−１／Ｍ）2} ここでｋは正孔のイオン化係数βと電子のイオン化係数
αの比β／αである。イオン化係数α、βは電子や正孔
が単位距離進む間に衝突イオン化を起こす回数である。
またＭはアバランシエ増倍における増倍率であり、イオ
ン化係数や増倍領域の厚さの関数である。上式よりイオ
ン化係数比ｋが小さいほどＦが大きくなることがわか
る。これは次のように説明できる。ｋ〜１、すなわち電
子と正孔の衝突イオン化が同程度に起こる場合、注入さ
れた正孔の衝突イオン化で生成された電子・正孔対のう
ちの電子が逆方向に加速され再び衝突イオン化を引き起
こす。このため増倍の時間が長くなるとともに増倍過程
における統計的ゆらぎが大きくなり過剰増倍雑音の発生
が大きくなる。逆にｋ＞＞１、すなわち電子の衝突イオ
ン化が正孔の衝突イオン化に比べ小さい場合、電子によ
るイオン化がないため増倍過程が速やかに完了し雑音の
発生も少ない。
要なパラメータとして過剰増倍雑音係数Ｆがある。これ
はアバランシェ増倍過程で起こる統計的なゆらぎにより
通常の雑音の増倍に付け加わる雑音の程度を示すもので
ある。Ｆの値が小さいほど付加される雑音が小さくな
り、よりＳ／Ｎ比が高く高感度のＡＰＤが得られる。高
電界領域に正孔が注入される場合の過剰増倍雑音係数Ｆ
は、以下のＭｃＩｎｔｙｒｅの式で表わされる。 Ｆ＝Ｍ{１−（１−１／ｋ）（１−１／Ｍ）2} ここでｋは正孔のイオン化係数βと電子のイオン化係数
αの比β／αである。イオン化係数α、βは電子や正孔
が単位距離進む間に衝突イオン化を起こす回数である。
またＭはアバランシエ増倍における増倍率であり、イオ
ン化係数や増倍領域の厚さの関数である。上式よりイオ
ン化係数比ｋが小さいほどＦが大きくなることがわか
る。これは次のように説明できる。ｋ〜１、すなわち電
子と正孔の衝突イオン化が同程度に起こる場合、注入さ
れた正孔の衝突イオン化で生成された電子・正孔対のう
ちの電子が逆方向に加速され再び衝突イオン化を引き起
こす。このため増倍の時間が長くなるとともに増倍過程
における統計的ゆらぎが大きくなり過剰増倍雑音の発生
が大きくなる。逆にｋ＞＞１、すなわち電子の衝突イオ
ン化が正孔の衝突イオン化に比べ小さい場合、電子によ
るイオン化がないため増倍過程が速やかに完了し雑音の
発生も少ない。
【０００５】図２に示す従来のＡＰＤでは、ＩｎＰ１４
中でアバランシェ増倍を行なっているので、Ｓ／Ｎ比は
ＩｎＰ１４におけるイオン化係数比ｋで決まる。しか
し、ＩｎＰのｋは２程度と小さく、このため過剰増倍雑
音係数Ｆが大きくなりＡＰＤのＳ／Ｎ比が小さくなる問
題がある。ＩｎＰ以外の化合物半導体を用いる場合も同
様であり、化合物半導体のイオン化係数比ｋは２程度と
小さいため、化合物半導体中でのアバランシェ増倍を用
いる従来のＡＰＤでは、十分なＳ／Ｎ比が得られない問
題があった。本発明の目的は上記従来の問題点を解決
し、過剰増倍雑音係数Ｆが小さく、Ｓ／Ｎ比が大きく、
しかも、同時に従来のＡＰＤと同様に量子効率が高く、
所望の波長帯に感度を持つ受光素子を実現ことである。
中でアバランシェ増倍を行なっているので、Ｓ／Ｎ比は
ＩｎＰ１４におけるイオン化係数比ｋで決まる。しか
し、ＩｎＰのｋは２程度と小さく、このため過剰増倍雑
音係数Ｆが大きくなりＡＰＤのＳ／Ｎ比が小さくなる問
題がある。ＩｎＰ以外の化合物半導体を用いる場合も同
様であり、化合物半導体のイオン化係数比ｋは２程度と
小さいため、化合物半導体中でのアバランシェ増倍を用
いる従来のＡＰＤでは、十分なＳ／Ｎ比が得られない問
題があった。本発明の目的は上記従来の問題点を解決
し、過剰増倍雑音係数Ｆが小さく、Ｓ／Ｎ比が大きく、
しかも、同時に従来のＡＰＤと同様に量子効率が高く、
所望の波長帯に感度を持つ受光素子を実現ことである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による受光素子は、光吸収層である化合物半
導体と、上記化合物半導体上に変性層を介して積層され
たセレンを主体とする固体層と、上記セレンを主体とす
る固体層に高電界を発生させる電界印加手段を有する。
上記変性層はIII族元素とカルコゲンの化合物及びＶ族
元素とカルコゲン（本明細書では、セレン、テルル、硫
黄をカルコゲンと称する）の化合物の単独もしくは両者
からなり、好ましい実施形態としては、変性層の厚さは
１原子層以上数原子層以下の厚さを有する。上記化合物
半導体は従来のＡＰＤと同様にインジウムガリウムヒ素
（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムガリウムヒ素リン（Ｉｎ
ＧａＡｓＰ）ガリウムヒ素アンチモン（ＧａＡｓＳ
ｂ）、アルミニウムガリウムヒ素アンチモン（ＡｌＧａ
ＡｓＳｂ）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物が使用される。また
上記化合物半導体の種類によっては、化合物半導体との
接合部近傍のセレン層中にテルル等のバンドギャップを
小さくする効果のある材料を添加し、障壁を小さくす
る。更に、上記セレンを主体とする固体層に砒素等の電
気的性質や膜の熱安定性を改善する物質を添加する。
め、本発明による受光素子は、光吸収層である化合物半
導体と、上記化合物半導体上に変性層を介して積層され
たセレンを主体とする固体層と、上記セレンを主体とす
る固体層に高電界を発生させる電界印加手段を有する。
上記変性層はIII族元素とカルコゲンの化合物及びＶ族
元素とカルコゲン（本明細書では、セレン、テルル、硫
黄をカルコゲンと称する）の化合物の単独もしくは両者
からなり、好ましい実施形態としては、変性層の厚さは
１原子層以上数原子層以下の厚さを有する。上記化合物
半導体は従来のＡＰＤと同様にインジウムガリウムヒ素
（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムガリウムヒ素リン（Ｉｎ
ＧａＡｓＰ）ガリウムヒ素アンチモン（ＧａＡｓＳ
ｂ）、アルミニウムガリウムヒ素アンチモン（ＡｌＧａ
ＡｓＳｂ）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物が使用される。また
上記化合物半導体の種類によっては、化合物半導体との
接合部近傍のセレン層中にテルル等のバンドギャップを
小さくする効果のある材料を添加し、障壁を小さくす
る。更に、上記セレンを主体とする固体層に砒素等の電
気的性質や膜の熱安定性を改善する物質を添加する。
【０００７】
【作用】図１は本発明の原理説明のための本発明の受光
素子の構成図を示す。光吸収層である化合物半導体１上
に変性層２４を介してセレンを主体とする固体層２が堆
積されており、化合物半導体１及び固体層２にはそれぞ
れ電極３及び４が設けられている。電極３及び４の間に
バイアス電圧を加えることによって、セレンを主体とす
る固体層２に高電界（Ｅ）７が生じる。外部からの光５
は化合物半導体１で吸収され、電子、正孔の電流担体を
生じる。高電界（Ｅ）７によって、電流担体の正孔６は
変性層２４を通過して、セレンを主体とする固体層２に
注入され、アバランシェ増倍が行なわれる。
素子の構成図を示す。光吸収層である化合物半導体１上
に変性層２４を介してセレンを主体とする固体層２が堆
積されており、化合物半導体１及び固体層２にはそれぞ
れ電極３及び４が設けられている。電極３及び４の間に
バイアス電圧を加えることによって、セレンを主体とす
る固体層２に高電界（Ｅ）７が生じる。外部からの光５
は化合物半導体１で吸収され、電子、正孔の電流担体を
生じる。高電界（Ｅ）７によって、電流担体の正孔６は
変性層２４を通過して、セレンを主体とする固体層２に
注入され、アバランシェ増倍が行なわれる。
【０００８】上記受光素子において、セレンの正孔のイ
オン化係数は電子に比べ著しく大きく、イオン化係数比
ｋは１０〜１００と従来の化合物半導体に比べ数倍以上
である。このため本発明の受光素子によれば過剰増倍雑
音係数Ｆが小さくＳ／Ｎ比の高い高感度のＡＰＤが得ら
れる。しかも本発明による受光素子では、光の吸収を化
合物半導体層で行なうため量子効率が高く、また異なる
化合物半導体を混合させた混晶やヘテロ接合を用いてバ
ンドギャップ等のバンド構造を変更し、所望の波長帯に
感度を持った素子を設計することができる。またセレン
のバンドギャップは２ｅＶと大きいためトンネリングに
よるリーク電流の発生なく高電界を印加できる特徴もあ
る。
オン化係数は電子に比べ著しく大きく、イオン化係数比
ｋは１０〜１００と従来の化合物半導体に比べ数倍以上
である。このため本発明の受光素子によれば過剰増倍雑
音係数Ｆが小さくＳ／Ｎ比の高い高感度のＡＰＤが得ら
れる。しかも本発明による受光素子では、光の吸収を化
合物半導体層で行なうため量子効率が高く、また異なる
化合物半導体を混合させた混晶やヘテロ接合を用いてバ
ンドギャップ等のバンド構造を変更し、所望の波長帯に
感度を持った素子を設計することができる。またセレン
のバンドギャップは２ｅＶと大きいためトンネリングに
よるリーク電流の発生なく高電界を印加できる特徴もあ
る。
【０００９】本発明の受光素子において良好な動作を得
るためには、化合物半導体層とセレン層の界面での界面
準位密度が小さいことが必要である。界面に高密度の界
面準位が存在すると、正孔がセレン層に注入される前に
上記界面準位を介して電子と再結合してしまい量子効率
が低下する問題が生ずる。特に、界面に化合物半導体の
自然酸化膜が存在する場合、界面準位密度が大きくなり
良好な動作は得られない。しかし変性層を形成すれば、
界面準位の少ないきわめて良好な接合が得られる。従っ
てこの場合正孔の再結合による問題はほとんどない。一
般に異種の半導体のヘテロ接合界面では価電子帯上端の
不連続があり、これが正孔に対するポテンシャル障壁と
なる恐れがある。しかし本発明の受光素子を評価した結
果、化合物半導体としてＧａＡｓを用いた場合、ＧａＡ
ｓとセレンの接合界面でのＧａＡｓ側から見た正孔に対
する障壁はほとんどないことがわかった。又、ＧａＡｓ
以外の化合物半導体の場合も障壁は小さい。従って本発
明の受光素子では、化合物半導体中に発生した正孔は障
壁に阻止されることなくアバランシェ領域であるセレン
層に注入される。化合物半導体の界面に生じる障壁が問
題となる場合、化合物半導体との接合部近傍のセレン層
中にテルル等のバンドギャップを小さくする効果のある
材料を添加し、障壁を小さくすればよい。
るためには、化合物半導体層とセレン層の界面での界面
準位密度が小さいことが必要である。界面に高密度の界
面準位が存在すると、正孔がセレン層に注入される前に
上記界面準位を介して電子と再結合してしまい量子効率
が低下する問題が生ずる。特に、界面に化合物半導体の
自然酸化膜が存在する場合、界面準位密度が大きくなり
良好な動作は得られない。しかし変性層を形成すれば、
界面準位の少ないきわめて良好な接合が得られる。従っ
てこの場合正孔の再結合による問題はほとんどない。一
般に異種の半導体のヘテロ接合界面では価電子帯上端の
不連続があり、これが正孔に対するポテンシャル障壁と
なる恐れがある。しかし本発明の受光素子を評価した結
果、化合物半導体としてＧａＡｓを用いた場合、ＧａＡ
ｓとセレンの接合界面でのＧａＡｓ側から見た正孔に対
する障壁はほとんどないことがわかった。又、ＧａＡｓ
以外の化合物半導体の場合も障壁は小さい。従って本発
明の受光素子では、化合物半導体中に発生した正孔は障
壁に阻止されることなくアバランシェ領域であるセレン
層に注入される。化合物半導体の界面に生じる障壁が問
題となる場合、化合物半導体との接合部近傍のセレン層
中にテルル等のバンドギャップを小さくする効果のある
材料を添加し、障壁を小さくすればよい。
【００１０】増倍領域に用いるセレン層としては通常ア
モルファス状または微結晶状の膜を用いるが、この場合
均一な膜が得やすく、電界集中による局所的な破壊が起
こりにくい特徴がある。また成膜条件によっては単結晶
状とすることが可能である。この場合アモルファス状ま
たは微結晶状の膜に比べ特性の熱的劣化が小さくなるほ
か、電流担体の移動度が高くなり素子のより高速な動作
が可能となる。また純粋なセレンによる膜を使用する用
いる代わりに、例えばヒ素等の他の材料を副成分として
含ませ、膜の電気的性質や熱安定性を改善してもよい。
モルファス状または微結晶状の膜を用いるが、この場合
均一な膜が得やすく、電界集中による局所的な破壊が起
こりにくい特徴がある。また成膜条件によっては単結晶
状とすることが可能である。この場合アモルファス状ま
たは微結晶状の膜に比べ特性の熱的劣化が小さくなるほ
か、電流担体の移動度が高くなり素子のより高速な動作
が可能となる。また純粋なセレンによる膜を使用する用
いる代わりに、例えばヒ素等の他の材料を副成分として
含ませ、膜の電気的性質や熱安定性を改善してもよい。
【００１１】
【実施例】次に本発明の受光素子の実施例を製造方法と
共に図面を用いて説明する。図３は本発明による受光素
子（ＡＰＤ）の１実施例の製造工程の要部を示す。分子
線エピタキシー法により、ｎ（＋）−ＩｎＰ基板２１上
にバッファ層としてｎ−ＩｎＰ層２２を成長し、引続き
ｎ−ＩｎＧａＡｓ層２３を成長した（図３（ａ））。ｎ
−ＩｎＧａＡｓ層２３の混晶比、すなわちＩｎxＧａ1_x
Ａｓと表わした場合のｘは０．５３とした。この場合Ｉ
ｎＧａＡｓ２３は基板のＩｎＰ２１と格子整合する。次
に、ＩｎＧａＡｓ層２３の表面にセレンを反応させてセ
レン化物からなる変性層２４を形成し、次いで、変成層
２４上にアモルファス状のセレン層２を形成した（図３
（ｂ））。引き続いて基板温度を室温にしてアモルファ
スセレン層２４を堆積した。次いで、セレン層２上にＡ
ｕからなる電極３、ｎ（＋）−ＩｎＰ基板２１の裏面
に、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉからなる電極４を形成した。上記
実施例は分子線エピタキシー法を用いたが化学気相成長
法、液相成長法等を用いても良い本実施例では真空中に
おいて基板温度３００℃でＩｎＧａＡｓ２３表面にセレ
ン分子線を照射することにより変性層を形成したが、基
板温度２００℃以上でセレン分子線を照射する場合、表
面に厚さ数原子層以下のセレン化物からなる変成層が形
成され、余分なセレンは蒸発してしまう。一方室温でセ
レン分子線を照射すれば厚いセレン膜を堆積できる。基
板温度を室温とした場合膜はアモルファス状となるが、
基板温度７０〜８０℃程度でセレン分子線を照射すれば
単結晶状のセレン膜を形成することも可能である。以上
ではセレン層堆積前の処理としてセレン分子線照射を行
っているが、以下の方法で表面を処理してもよい。
共に図面を用いて説明する。図３は本発明による受光素
子（ＡＰＤ）の１実施例の製造工程の要部を示す。分子
線エピタキシー法により、ｎ（＋）−ＩｎＰ基板２１上
にバッファ層としてｎ−ＩｎＰ層２２を成長し、引続き
ｎ−ＩｎＧａＡｓ層２３を成長した（図３（ａ））。ｎ
−ＩｎＧａＡｓ層２３の混晶比、すなわちＩｎxＧａ1_x
Ａｓと表わした場合のｘは０．５３とした。この場合Ｉ
ｎＧａＡｓ２３は基板のＩｎＰ２１と格子整合する。次
に、ＩｎＧａＡｓ層２３の表面にセレンを反応させてセ
レン化物からなる変性層２４を形成し、次いで、変成層
２４上にアモルファス状のセレン層２を形成した（図３
（ｂ））。引き続いて基板温度を室温にしてアモルファ
スセレン層２４を堆積した。次いで、セレン層２上にＡ
ｕからなる電極３、ｎ（＋）−ＩｎＰ基板２１の裏面
に、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉからなる電極４を形成した。上記
実施例は分子線エピタキシー法を用いたが化学気相成長
法、液相成長法等を用いても良い本実施例では真空中に
おいて基板温度３００℃でＩｎＧａＡｓ２３表面にセレ
ン分子線を照射することにより変性層を形成したが、基
板温度２００℃以上でセレン分子線を照射する場合、表
面に厚さ数原子層以下のセレン化物からなる変成層が形
成され、余分なセレンは蒸発してしまう。一方室温でセ
レン分子線を照射すれば厚いセレン膜を堆積できる。基
板温度を室温とした場合膜はアモルファス状となるが、
基板温度７０〜８０℃程度でセレン分子線を照射すれば
単結晶状のセレン膜を形成することも可能である。以上
ではセレン層堆積前の処理としてセレン分子線照射を行
っているが、以下の方法で表面を処理してもよい。
【００１２】化合物半導体の表面を、例えば硫化アン
モニウムなど、カルコゲンを含む溶液で処理して表面に
変性層を形成した後、真空中においてセレンを主体とす
る固体層を堆積する。この場合上記溶液は、自然酸化膜
を除去する作用と、これにより得られる清浄表面に変性
層を形成する作用をする。 化合物半導体層を形成後、上記化合物半導体層表面の
自然酸化膜を除去し清浄表面とし、上記化合物半導体層
表面とカルコゲンとを反応させて変性層を形成する。 化合物半導体層を形成後、上記化合物半導体層表面の
自然酸化膜を除去し清浄表面とし、直接セレンを主体と
する固体層を堆積する。この場合もセレンと化合物半導
体の界面に変性層が形成される。 上記いずれの方法でも、自然酸化膜を実質的に除去した
表面に変性層を形成しているため、本実施例のように分
子線エピタキシー法により形成した自然酸化膜の実質的
に存在しない表面に変性層を形成した場合と同等の良好
な界面が作られる。
モニウムなど、カルコゲンを含む溶液で処理して表面に
変性層を形成した後、真空中においてセレンを主体とす
る固体層を堆積する。この場合上記溶液は、自然酸化膜
を除去する作用と、これにより得られる清浄表面に変性
層を形成する作用をする。 化合物半導体層を形成後、上記化合物半導体層表面の
自然酸化膜を除去し清浄表面とし、上記化合物半導体層
表面とカルコゲンとを反応させて変性層を形成する。 化合物半導体層を形成後、上記化合物半導体層表面の
自然酸化膜を除去し清浄表面とし、直接セレンを主体と
する固体層を堆積する。この場合もセレンと化合物半導
体の界面に変性層が形成される。 上記いずれの方法でも、自然酸化膜を実質的に除去した
表面に変性層を形成しているため、本実施例のように分
子線エピタキシー法により形成した自然酸化膜の実質的
に存在しない表面に変性層を形成した場合と同等の良好
な界面が作られる。
【００１３】本実施例による受光素子を動作させるに
は、まず電極４に対し負のバイアスを電極３に印加して
セレン層２に高電界を発生させる。ｎ(+)−ＩｎＰ基板
２１の下面より入射した波長１．０〜１．６μmの光は
ＩｎＰ基板２１、バッファ層２２を透過し、バンドギャ
ップがＩｎＰより小さいｎ−ＩｎＧａＡｓ層２３で吸収
される。その際形成される電子・正孔対のうち正孔がセ
レン層２に注入され高電界でアバランシェ増倍される。
これにより光の信号が電気的信号として外部に取り出さ
れる。本実施例の受光素子では、アバランシェ増倍をセ
レン層で行なっているため過剰増倍雑音係数Ｆが小さ
く、高いＳ／Ｎ比が得られる。またセレン層を形成する
前に、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層表面にセレンを反応させセレ
ン化物からなる変成層２４を形成したため、電子・正孔
対の再結合を起こさせる有害な界面準位の発生はセレン
層とｎ−ＩｎＧａＡｓ層の界面で殆ど起こらない。この
ため光の信号の変換効率の高いＡＰＤが得られる。セレ
ン層２をアモルファス状とした場合、ヒ素を添加すれば
膜の結晶化による特性の変化が抑えられ、耐熱性を向上
させることができる。
は、まず電極４に対し負のバイアスを電極３に印加して
セレン層２に高電界を発生させる。ｎ(+)−ＩｎＰ基板
２１の下面より入射した波長１．０〜１．６μmの光は
ＩｎＰ基板２１、バッファ層２２を透過し、バンドギャ
ップがＩｎＰより小さいｎ−ＩｎＧａＡｓ層２３で吸収
される。その際形成される電子・正孔対のうち正孔がセ
レン層２に注入され高電界でアバランシェ増倍される。
これにより光の信号が電気的信号として外部に取り出さ
れる。本実施例の受光素子では、アバランシェ増倍をセ
レン層で行なっているため過剰増倍雑音係数Ｆが小さ
く、高いＳ／Ｎ比が得られる。またセレン層を形成する
前に、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層表面にセレンを反応させセレ
ン化物からなる変成層２４を形成したため、電子・正孔
対の再結合を起こさせる有害な界面準位の発生はセレン
層とｎ−ＩｎＧａＡｓ層の界面で殆ど起こらない。この
ため光の信号の変換効率の高いＡＰＤが得られる。セレ
ン層２をアモルファス状とした場合、ヒ素を添加すれば
膜の結晶化による特性の変化が抑えられ、耐熱性を向上
させることができる。
【００１４】以上に説明した実施例では、光の吸収層と
してＩｎＧａＡｓを用いているが、この他の化合物半導
体、例えばＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡ
ｓＳｂ等を用いてもよく、バンドギャップの違いにより
動作する波長帯域を変更することができる。用いる基板
の種類は吸収層として用いる化合物半導体の格子定数等
を考慮して選択する。また基板としてバンドギャップが
検出する光の波長に対応するエネルギーより大きい材料
を用いれば本実施例のように光を基板裏面から入射させ
ることができる。ただし、電極３に検出する光を透過し
得る材料を用いれば上面から入射することも可能であ
る。光のエネルギーが２ｅＶ以下（波長が０．６μm以
上）であれば光はセレン層で吸収されずに化合物半導体
からなる吸収層に到達する。またこの場合用いる基板材
料のバンドギャップに制限はなくなる。
してＩｎＧａＡｓを用いているが、この他の化合物半導
体、例えばＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡ
ｓＳｂ等を用いてもよく、バンドギャップの違いにより
動作する波長帯域を変更することができる。用いる基板
の種類は吸収層として用いる化合物半導体の格子定数等
を考慮して選択する。また基板としてバンドギャップが
検出する光の波長に対応するエネルギーより大きい材料
を用いれば本実施例のように光を基板裏面から入射させ
ることができる。ただし、電極３に検出する光を透過し
得る材料を用いれば上面から入射することも可能であ
る。光のエネルギーが２ｅＶ以下（波長が０．６μm以
上）であれば光はセレン層で吸収されずに化合物半導体
からなる吸収層に到達する。またこの場合用いる基板材
料のバンドギャップに制限はなくなる。
【００１５】
【発明の効果】本発明によれば過剰増倍雑音係数が小さ
いためＳ／Ｎ比が大きく、特に、変性層を設けることに
よって、界面準位によるキャリアの再結合がなく量子効
率の高い高感度のアバランシェホトダイオードが得られ
る。また光の吸収領域の材料を変えて動作波長帯域を変
更することが可能である。特に光通信で重要な１．０〜
１．６μmの波長帯に感度を有し、光通信用受光素子と
して特に有用である高感度、高速のアバランシェホトダ
イオードが得られる。
いためＳ／Ｎ比が大きく、特に、変性層を設けることに
よって、界面準位によるキャリアの再結合がなく量子効
率の高い高感度のアバランシェホトダイオードが得られ
る。また光の吸収領域の材料を変えて動作波長帯域を変
更することが可能である。特に光通信で重要な１．０〜
１．６μmの波長帯に感度を有し、光通信用受光素子と
して特に有用である高感度、高速のアバランシェホトダ
イオードが得られる。
【図１】本発明の原理説明のための本発明の受光素子の
構成図である。
構成図である。
【図２】従来のアバランシェホトダイオードの断面図で
ある。
ある。
【図３】本発明による受光素子の実施例の構造及び製造
工程を示す。
工程を示す。
１…化合物半導体、 ２…セレンを主体とする固体層、 ３、４…電極、 ５…入射光、 ６…正孔を表す記号、 ７…電界を表す記号、 １１、２１…ｎ（＋）−ＩｎＰ基板、 １２、２２…ｎ−ＩｎＰ層、 １３、２３…ｎ−ＩｎＧａＡｓ層、 １４…ｎ−ＩｎＰ層、 １５…ｐ（＋）−ＩｎＰ領域、 １６…ＳｉＯ2膜、 １７…Ａｕ−Ｚｎ層、 １８…Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ層、 ２４…変性層。
Claims (6)
- 【請求項１】 化合物半導体上に形成された変性層と、
上記変性層上に積層されたセレンを主体とする固体層
と、上記セレンを主体とする固体層に電界を発生させる
電圧印加手段とをもち、上記化合物半導体中での光の吸
収により生じる電流担体を上記セレンを主体とする固体
層に注入しアバランシェ増倍させることを特徴とする受
光素子。 - 【請求項２】 上記変性層の厚さが化合物半導体とセレ
ンを主体とする固体層の界面に少なくとも１原子層以上
数原子層以下であることを特徴とする請求項１記載の受
光素子。 - 【請求項３】 上記化合物半導体がＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体であることを特徴とする請求項１又は２記載の受
光素子。 - 【請求項４】 上記化合物半導体層がインジウムガリウ
ムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）あるいはインジウムガリウムヒ
素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）ガリウムヒ素アンチモン（Ｇ
ａＡｓＳｂ）、アルミニウムガリウムヒ素アンチモン
（ＡｌＧａＡｓＳｂ）からなる群から選ばれることを特
徴とする請求項１又は２記載の受光素子 - 【請求項５】 上記セレンを主体とする固体層にテルル
が添加されたことを特徴とする請求項１乃至４記載のい
ずれかの受光素子。 - 【請求項６】 上記セレンを主体とする固体層に砒素が
添加されたことを特徴とする請求項１乃至４記載のいず
れかの受光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3020934A JPH06120556A (ja) | 1991-02-14 | 1991-02-14 | 受光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3020934A JPH06120556A (ja) | 1991-02-14 | 1991-02-14 | 受光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06120556A true JPH06120556A (ja) | 1994-04-28 |
Family
ID=12041040
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3020934A Pending JPH06120556A (ja) | 1991-02-14 | 1991-02-14 | 受光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06120556A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107731953A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-02-23 | 江门市奥伦德光电有限公司 | 一种光电探测器及其制备方法 |
| CN112820786A (zh) * | 2019-11-18 | 2021-05-18 | 晶元光电股份有限公司 | 光侦测元件 |
-
1991
- 1991-02-14 JP JP3020934A patent/JPH06120556A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107731953A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-02-23 | 江门市奥伦德光电有限公司 | 一种光电探测器及其制备方法 |
| CN107731953B (zh) * | 2017-10-24 | 2023-10-31 | 江门市奥伦德光电有限公司 | 一种光电探测器及其制备方法 |
| CN112820786A (zh) * | 2019-11-18 | 2021-05-18 | 晶元光电股份有限公司 | 光侦测元件 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20250204059A1 (en) | Semiconductor light-receiving device and method for manufacturing same | |
| KR20040094418A (ko) | 전하제어된 애벌란시 광다이오드 및 그 제조방법 | |
| Forrest et al. | Performance of In 0.53 Ga 0.47 As/InP avalanche photodiodes | |
| US20030089958A1 (en) | Low dark current photodiode | |
| JPH05160426A (ja) | 半導体受光素子 | |
| CN107863403A (zh) | 一种高线性增益红外雪崩光电二极管及其制备方法 | |
| JPH0821727B2 (ja) | アバランシェフォトダイオード | |
| US5942771A (en) | Semiconductor photodetector | |
| JPH05211344A (ja) | アバランシェフォトダイオード | |
| WO1980000765A1 (en) | Low noise multistage avalanche photodetector | |
| WO1981000488A1 (en) | Multistage avalanche photodetector | |
| JPS582077A (ja) | 半導体デバイス | |
| JP2002231992A (ja) | 半導体受光素子 | |
| JPH06232442A (ja) | 半導体受光素子 | |
| Pearsall et al. | Ge-Si/Si infra-red, zone-folded superlattice detectors | |
| JP7422955B1 (ja) | 半導体受光素子及び半導体受光素子の製造方法 | |
| JPH0656900B2 (ja) | 半導体光素子 | |
| JPH06120556A (ja) | 受光素子 | |
| JPH0493088A (ja) | アバランシェフォトダイオード | |
| JPH02119274A (ja) | アバランシェフォトダイオード | |
| JPH04241473A (ja) | アバランシェフォトダイオード | |
| JPH08162663A (ja) | 半導体受光素子 | |
| CN119562655B (zh) | 一种砷化铟量子点单光子雪崩二极管及其制造方法 | |
| JP2977164B2 (ja) | 光電変換装置 | |
| JPH06232443A (ja) | 超格子アバランシェフォトダイオードおよびその製造方法 |