JPS6016474A - ヘテロ多重接合型光検出器 - Google Patents

ヘテロ多重接合型光検出器

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JPS6016474A
JPS6016474A JP58124478A JP12447883A JPS6016474A JP S6016474 A JPS6016474 A JP S6016474A JP 58124478 A JP58124478 A JP 58124478A JP 12447883 A JP12447883 A JP 12447883A JP S6016474 A JPS6016474 A JP S6016474A
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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】 本発明は逆バイアス動作で使用する光検出器に関するも
ので特に、光通信用化合物半導体検出器として高速、高
感度で低雑音なアバランシ・フォトダイオード（以下Ａ
ＰＤと呼ぶ）に関するものである。
半導体光検出器のなかでフォトダイオード（以下ＦＤと
呼ぶ）あるいはＡＰＤは高速かつ高感腿で光通信システ
ムにおける光検出器として重要視されておシ、光源であ
る半導体レーザ、発光ダイオードと共にその研究開発が
進められている。半導体レーザの発振波長は０．７μｍ
から１．６μｍ域のもの、゛　例えばＧａＡｌｌＡｓ−
ＧａＡｓ系あるいはＩｎＧａＡｓＰ−ＩｎＰ系の半導体
レーザがその主流となっている１、ＧａＡｌｌＡｓ−Ｇ
ａ　Ａｓ系の主な発振波長０．８からの０．８９μｍ域
に対する光検出器としてはｄｉ単結晶を用いたＰＤある
いはＡＰＤがひろく使われており、製造技術的にも８ｉ
　のＩＣやＬＳＩ等の技術に支えられ信頼性も含めてき
わめて優れた特性を示している。しかしながら、Ｓｉの
光検出器では８ｉ材料の吸収係数が波長１μｍ以上で急
激に減少し、この波長域で光を有効に電気信号に変換す
るのには空乏層として数１０μｍ以上の厚さが必要とな
シ実用上は製作困難となる。特に元ファイバーの伝送損
失の低い１．１から１．６μｍ波長域では光検出器とし
ての用をなさな込。また、この１．１から１．５μｍ波
長域の光検出器としてＧｅ−ＡＰＤあるいはＰＤがある
が、暗電流が大きい、Ｇｅ材料によってきまる過剰雑音
が比較的大であシ改良の余地が少ない、雰囲気温度の変
化に対して敏感すぎる等にょシ、これに換わるこの１．
１から１．６μｍ波長域での鳳−Ｖ族化合物半導体材料
等による商品質なＡＰＤ、ＰＤが要求されている。
現在、この１．１から１．６μｍ波長域用光検出器とし
て研究、開発が進められている材料としては、ＩｎＧａ
Ａｓ　、　ＧａＡＡ！Ｓｂ　、　ＧａＡ／ＡｓＳｂ　、
　Ｇａｒｂ　等の１−Ｖ族化合物半導体結晶、Ｈｇ　Ｃ
ｄ　Ｔｅ等のｎ　−Ｖｌ族化合物半導体結晶が多数ある
。例えばｎ”−Ｉｒ＋Ｐ基板上にｎ型ＩｈＧａＡｓ層を
エピタキシャル成長後亜鉛あるいはカドミウム等のｐ凰
不純物を全面拡散後）メサエッチングしたメサｍ素子、
あるいは選択拡散した単純プレーナ屋素子等がある。ま
たｐ　−ｎ接合をＩｎＰ　層中に形成し、ＬｎＧａＡｓ
あるいはＩｎＧａＡｓＰ層を光吸収層とすることにより
低暗電流、高増倍化等が達成されてきている。しかしな
がら前記ＩｎＰ層中にｐ”ｎ接合を有しＩｎＧａＡｓ層
を光吸収層とするＡＰＤ　を例にとると、逆バイアス印
加電圧を上昇すると空乏層が、ｔｎＰ層中からＩｎＧａ
Ａｓ層中へ拡がシアバランシ増倍が起きるに充分な逆バ
イアスが印加され高電界（例えば２００にＶ１ｃｍ以上
）がＩｎＧａＡｓ層中に形成された場合はＩｎＧａＡｓ
でのアバランシ増倍が起こる。このときＩｎＧａＡｓで
のイオン化率Ｆｉ、Ｗ子の方が正孔よシ大きく、電子の
アバランシ増倍成分による雑音特性劣化をまねく。勿論
ＩｎＰ層中でのイオン化率は正孔の方が電子よシ大キく
、正孔のアバランシ増倍が主体となるべく設計されてい
るが、この増倍に前記ＩｎＧａＡｓ層中での電子による
アバランシ増倍が加えられて、結果として、ＩｎＰ層中
でのみアバランシ増倍を行なわしめた場合と比較して雑
音特性が悪化する。また前記ＩｎＧａＡｓ層での電界が
例えば１００　ＫＮ、／Ｃ１１以下とアバランシ増倍を
ほとんど起こさない様な電界強度の場合には、ｌｎＰと
１ｎＧａ　Ａ　ｓ層界面でのエネルギー・バンド構造に
おいて価電子帯の不連続に起因して、光励起によシＩｎ
ＧａＡａ層中で発生した正孔かへテロ界面で蓄積されす
みやかにＩｎＰ層中へ通過できないために光応答速度の
劣化をきたす。これは、低雑音特性と高速光応答がＩｎ
ＧａＡｓ層中での電界強度として相反する条件下で実現
されることを示しておシ、最適設計が剖゛られた場合に
おいても製造上歩留り等が悪い問題点等を含んでおり、
低雑音特性と高速応答を一意的に満足する一様な素子及
び構造の実現がまたれている。
本発明の目的は前記ＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓの例で示ルた
様なＩｎＧａＡｓ層中での電界がａｔ界でかつ低雑音で
かつ尚速性に優れたＡＰＤを与えるものである即ち、本
発明の光検出器は、少くとも電子と正孔のイオン化率が
大きい方のキャリアが少数キャリアとなる第１（１）半
導体層と第１の半導体層と同一導電型で第１の半導体層
の禁制帯幅よシ禁制帯幅１の半導体層中にＰＮ接合を形
成する構成において、前記第１と第２の半導体層との中
間に、第１の半導体層と同一導電型で第１の半導体層の
禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する第３の半導体層と、前
記第２の半導体層の禁制帯幅以上で第１の半導体層の禁
制帯幅以下の禁制帯幅を有する第４の半導体とを変互に
積層したヘテロ多重接合を形成し、このヘテロ多重接合
によシ前記第２あるいは第４の半導体層で光励起された
電子と正孔のイオン化率が同程度か、あるいはイオン化
率の大きい方のキャリアが前記第１の半導体層での小数
キャリアと同一となることを特徴とするヘテロ多重接合
型光検出器である。
次に本発明の優れた利点について一実施例にもとすいて
説明する。第１図は本発明のへゾロ多重接合型光検出器
の横断面概略図である。本実施例ではＩｎＰ−ＩｎＧａ
Ａｓ材料を用いたものであり、まず（１００）面を有す
る註型ＩｎＰ基板１１の上にエピタキシャル成長法（例
えば気相エピタキシャル成長法）によシ３μｍ程度のｎ
”−ＩｎＰ層１２を形成した後、膜厚２μｍ１不純物濃
度５Ｘ１０　ｃｒｒｉ　のｎｍ　ｌ　ｎｇ、１１０ａｏ
、４１　Ａａ　ｌｉ　１３を形成する。次に膜厚／４ ６００　Ｋ　、不純物濃度５Ｘ１０”ｃＩｎ”のｎ　ｍ
ＩｎＰ　Ｎｌ１ｌと膜厚４００Ｘ、不純物濃度５Ｘ１０
”ｃｍ−３（Ｄ　ｎ　ＷＩｎ、、、、　Ｇａｕ、ｎｙ　
Ａ、Ｇ　層１５を各々１０層ずつ交互に形成した後、膜
厚３μｍ不純物濃度８Ｘ１０　ｃＷＬのｎ　ｍ　ＩｎＰ
層１６を形成し最後ＫＳ膜厚２　μｍ　。
不純物濃度３Ｘ１０　ｃｍ　のｎ型ＩｎＰ層１７を形成
する。ここで、前記第１の半導体層はＩｎＰ層１６と１
７に、第２の半導体層はＩｎ、、、３　Ｇａ、、４．　
Ａｓ層１３に、第３の半導体層はＩｎＰ層１４に、第４
の半導体層はｉｎｔ＋、５３　（Ｊａ６，４Ｉ　Ａｓ層
１５になっている。
この様にして作製したウェーハの表面に気相成長法ある
いはスパッタ法等にょシ５ｉｎ２あるいはＳｉ、Ｎ４　
膜を形成した後、フォトレジスト・目合せ工程によシ前
記ＳｉＯ２あるいは８ｉ＠　１〜４膜を選択的にリング
状に除去する。次に上記ウェーハを亜鉛金属を拡散源と
して排気した閉官中に配し約３５０°０〆の熱処理をほ
どこすことにより亜鉛の選択拡散を行ない亜鉛の拡散領
域１８を得る、ここで熱拡散処理時間は１０層０時間程
度行ない亜鉛の拡散されたｐ型不純物領域１８を前記Ｉ
ｎＰ層１層内６内成する。次にふたたび前記同様な５ｉ
０２あるいはＳ　ｉＮ４膜を形成した後、上記亜鉛拡散
領域１８のリング状外周以内の領域の上記８１０２ある
いはＳｉ３Ｎ４膜を選択的に除去する。このウェーッ・
を次にＣｄ、Ｐ２ｉ拡散源として排気した閉雷中に配し
５７０°Ｃのｈ温で熱処理することによシカドミウムの
選択拡散を十 行なりカドミウムの拡散されたｐ−１ｎＰ領域１９を得
る。さらに前記８　ｉ０２あるいは８ｉ、Ｎ４膜２０を
形成した後、電極取り出し窓２１をフォトレノスト・目
合せ工程技術等を用いて形成した後、ｐ型電極２２を図
に示すごとく前記窓２１　をおおいかつ光の入射窓を除
くように形成する。＠恢にｎ型電極２３をＩｎＰ基板１
１に形成することによシ第１図に示した本発明の光検出
器が得られる。
次に１この発明の優れた特徴について説明する。
前述の光検出器において５７０’　ＣでＣｄ３Ｐ、を拡
散源としたカドミウムの熱拡散によって得られるｐｎ接
合の深さ約３．５μｍで拡散の直径約１００μｍの検出
器におりて暗電流１ｎＡ以下でブレークダウン電圧１２
０Ｖ前後できわめて急峻なブレークダウン特性を示した
。また、アバランシ増倍１００倍以上を示し、増倍率ｌ
Ｏでの過剰雑音が７ｄＢ程度で光応答速度はＩ　ＧＨ２
以上にわたシ顕著な劣化は示さなかった。これらの優れ
た特性は次に示す理由によシ理解できる。すなわちＩｎ
Ｐ−Ｉｎ（）ａＡｓ−Ｉｎ（ＪａＡｓＰ系を用いたＡＰ
Ｄとし、てｐｎ接合’ｖ　ＩｎＰ層中に形成しかつ逆バ
イアス印加によりを泡層を元奴収層であるＩｎＧａＡｓ
あるいは１．ｎＧａＡｓＰ層中に拡ける例は、例えば特
願昭５４−３９１６９、特願昭５４−１２４９７５　等
に４５９、低暗醜流化するために優れた４４造であるが
、２つの問題点を有していることが判ってきた０勿崗、
最適設計し製作すれは問題とならないｈ」能性を有して
いるが、生肱性等に問題が一’ＡＤそうである。問題点
の１つは、ｌｎＰのイオン化率は正孔の万が電子よ）大
きく、ＩｎＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰでは電子の
方が正孔よシイオン化率が大きｂことに起因し、前記し
た空乏層がＪｎＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰ鳩に拡
がりＡ　ｆｕ　ｎが形成されＩ　ｎＧａＡｓあるいはＩ
ｎＧａＡｓＰ層内でアバランシ増倍が起きる状況になる
と１ｎＰ−ＩｎＧａＡｓのＡＰＩ）あるいはＩｎＰ−Ｉ
ｎＧａＡｓＰ等のＡＰＤでｔｉ過刺品、音特性が悪化す
る。即ち、イオン化率の大きな方りキャリアが増倍の主
成分となる様Ｖ・−ならなりと低４（シ音ＡＰＤが得ら
れないという基本は念からはずれることになる。第２の
間組点はＩｎＧａＡｓ　（−あるいはＩ　ｎＧａＡｓ　
Ｐ　〕鳩内での屯界強匿が小さいと、逆ハ４アス印加に
より１ｎＧａＡｓ　（Ｉｎ（ＪａＡｓＰ）層中でｙＬ励
起された正孔は１、ｐｎ接合ヲ１するｌｎＰの方向へ進
むが、ＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓ（ＩｎＧａＡｓＰ）ハツト
４Ａ４における価ｉ毬子帯の不連続により　ｌｎＰと接
する」ｎＧａＡ　ｓ界面に−たん蓄積し、出、イと丹粕
合して内戚するか、あるいは応答速度の遅い成分として
外部回路に取り出され観鉤される。これを回避する方法
としてはＩｎＰ−１ｎＧａＡｓ昇面での電昇強健を大き
くすることによυ回避できるが、前記＠４１の問照点か
ら、低雑音なＡＰＤが得られなくなる。そζで本発明で
はこの２つの問題点を、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓの多重接
イｒを形成することによシ光励起された電子正孔対のう
ち正孔のイオン化率が上記へテロ多重接合を通過する過
程で増大することによシ回避されている１、即ち、第２
図に、第１図に示した実施例の概略Ｘネルギーバンド図
を逆バイアス印加状態として示したが、ＩｎＧａＡｓ中
で光励起により発生した正孔は、高電界下でＩｎＰ−Ｉ
ｎＧａＡｓ界面を通過しＩｎＰ層中に達し、次に、Ｉｎ
ＧａＡｓ−ＩｎＰ界面を通過する過程でＩｎＧａＡｓと
ＩｎＰの価電子帯の不連続に起因した差分のエネルギー
を受けとシ、正孔のイオオ化する確率が、ＩｎＧａＡｓ
層中を走行する場合よりも増加するものと説明される。
以上、説明した様に本発明によると前記菓ｌと第２の問
題点を同時に解決できることが判９本発明の利点が理解
できる。なお、本実施例では光吸収層としてＩｎＧａＡ
ｓを用いた実施例について述べたが、ＩｎＧａＡｓＰ層
を用いた場合及び光吸収層をＩｎＧａＡｓ　）とし、ヘ
テロ多重接合をＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰ層で構成する場
合等について適用できるのは己うまでも々い。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示した横断面図であシ１１
はｎ　＋ｊｊｌ　Ｉ　ｎ　Ｐ基板、１２はｎ＋−１ｎＰ
Ｔ−ピタキシャル層、１３はＩ’ｌ凰１ｎｏ、ｓｓ　Ｇ
ａａ、４７　Ａｓ層、１４はＨｉｌｌ　ＩｎＰ層、１５
はｎ型Ｉｎ。、Ｂ　Ｇａ（、，４７Ａｓ層、１６はｎｍ
１ｎＰ層、１７はｎ　ｆｉｌｎＰ層、１８はガードリン
グとしての用をなすｐ型１ｎＰ領域、１９はｐ＋型Ｉｎ
Ｐ領域、２０は８　ｔ０２　あるいはＳｉＮ薄膜、２１
けｐ型電極取り出しのための前記５Ｌ０２あるいはＳ　
ＩＮ除去領域、２２はｐ型邂極、２３はｎｆｆ１電極で
ある。 第２図は本発明の第１図笑施例における逆バイアス印加
時におけるバンド・エネルギーの簡易モデル図であシ、
正孔が禁制帯幅の広い領域から狭い領域へ走行する場合
にはｉｆｆ　１ｌｌｉ　電子帯の不連続に対応したエネ
ルギーを得ることを示している。 オＩ図 ｈν 第２図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 少くとも電子と正孔でイオン化率の大きい方の禁制帯幅
    が狭く、かつイオン化率の大きい方のキャリアが多数キ
    ャリアとなる第２の半導体層を有し、前記第１の半導体
    層中にＰＮ接合を形成する構成において、前記第１と第
    ２の半導体層の間に、前記第１の半導体層と同−導を型
    で第１の半導体層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する第
    ３の半導体層と、前記第２の半導体層の禁制帯幅以上で
    第１の半導体層の禁制帯幅以下の禁制帯幅を有する第４
    の半導体とを変互に積層したへテロ多重接合を備えてい
    ることを特徴とするヘテロ多重接合型光検出器。
JP58124478A 1983-07-08 1983-07-08 ヘテロ多重接合型光検出器 Granted JPS6016474A (ja)

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JP58124478A JPS6016474A (ja) 1983-07-08 1983-07-08 ヘテロ多重接合型光検出器
DE8484304608T DE3471551D1 (en) 1983-07-08 1984-07-05 Heterojunction avalanche photodiode
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