JPS6284574A - 半導体受光装置 - Google Patents

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】 〔概要〕 本発明は、半導体受光装置に於いて、増倍層に於ける禁
制帯幅にグレードをつけてイオン化率が大きい方のキャ
リヤを禁制帯幅が狭い方へ且つイオン化率が小さい方の
キャリヤを禁制帯幅が広い方へそれぞれ走行させるよう
に、また、増倍層を挟む半導体層の導電型を適切に選択
することに依り、実効的なイオン化率比を大にすると共
に増倍層以外では増倍作用が起こらないようにして過剰
雑音の発生を防止できるようにしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、増倍に伴って発生する過剰雑音を低減させる
のに好適な構造を有する半導体受光装置に関する。

〔従来の技術〕

光通信システムに於いて、半導体受光装置は重要な一要
素になっていることは云うまでもな（、特に、光電流が
衝突イオン化に依って増倍されるアバランシェ・フォト
・ダイオード（（ａｖａｌａｎｃｈｅ　　　ｐｈｏｔｏ
　　　ｄｉｏｄｅ：ＡＰＤ）は、信号の増幅を行うこと
ができ、従って、信号対雑音比を向上することができ、
また、負荷抵抗を小さくすることができる為に高速応答
性が優れているなど多くの利点を有している。

また、光通信システムに於ける光信号の伝送路である石
英系光ファイバは、波長１．３〔μｍ〕付近及び１．５
〔μｍ〕付近において、損失及び分散が共に極小になる
為、光通信用の半導体受光装置としては、当該波長の光
に高感度を有するものが要求されている。

このような要求に応えるＡＰＤとして現用されているも
のでは、ゲルマニウム（Ｇｏ）を主たる材料とするもの
、或いは、ＩｎＰ並びにＩ　ｎＧａＡｓを主たる材料と
するもの等が知られている。

第４図は標準的なＩｎＰ／夏ｎＧａＡｓ系ＡＰＤに於け
るエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表している。

図に於いて、１はｎ型１ｎＧａＡｓ層、２はｎ型ＩｎＰ
層、３はｐ＋型１ｎＰ層、Ｅｅはコンダクション・バン
ドの底、Ｅｖはバレンス・バンドの頂、黒丸（・）は電
子、白丸（○）は正孔をそれぞれ示している。

このＡＰＤでは、ｎ型Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｎ　１
が光吸収層の、ｎ型１ｎＰ層２が増倍層の、ｐ＋型Ｉｎ
Ｐ層３がｐｎ接合生成兼受光層の各役割を果している。

さて、図示のＡＰＤに入射する１　〔μｍ〕帯の光はｎ
型１ｎＧａＡｓ層１で吸収され、逆バイアスが印加され
ていることがら、正孔がｎ型１ｎＰ層２に注入される。

この正孔は、高電界に依って加速され、衝突イオン化を
起こし、その数が増倍される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記説明した増倍過程はＡＰＤに特有な動作であり、そ
の増倍に伴って過剰雑音が発生する。

第５図は前記した過剰雑音の発生について説明する為の
要部、即ち、増倍を行うｎ型１ｎＰ層２近傍のエネルギ
・バンド・ダイヤグラムを表し、第４図に於いて用いた
記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つも
のとする。

図に於いて、１１及び１２は増倍のゆらぎに依って発生
した電子及び正孔、１３及び１４は衝突イオン化に依っ
て発生した新しい電子及び正孔をそれぞれ示している。

図示されているように、増倍のゆらぎに依って発生し、
た電子１１は、ｎ型ＩｎＰ層２内の電場に依って正孔１
２とは逆の方向に加速される。ここで、電子１１が衝突
イオン化を起こすと、新しい電子１３及び正孔１４が発
生し、そこで、今度は正孔１４が加速されて衝突イオン
化を起こすことになる。このように、増倍のゆらぎは帰
還作用に依って増幅され、これが過剰雑音となる。

若し、ここで、電子が衝突イオン化を起こす割合（以下
、イオン化率と呼ぶ）が小さければ、前記のような帰還
作用は小さく抑えられ、その結果、過剰雑音も小さくな
る。従って、電子のイオン化率をα、また、正札のイオ
ン化率をβとすると、その大きい方を分子にしたαとβ
との比（以下、イオン化率比と呼ぶ）ｋが大きい程、望
ましいことになる。勿論、この場合、イオン化率が大き
い方のキャリヤをｎ型ＩｎＰ増倍層２に注入することは
必須要件である。

ところで、このαとβは材料に固有の量であって、第４
図に見られるＡＰＤの増倍層であるｎ型ＩｎＰ層２の場
合、イオン化率比に＝２〜４とβがαより大きい。この
ようなＡＰＤを更に高性能化する為には、ＩｎＰよりも
イオン化率比が溝かに大きい材料を用いることが必要で
あるが、適当な材料は見当たらない。

そこで、新しい材料を用いずに、増倍層の禁制帯幅を変
化させることに依って、実効的にイオン化率比を大きく
する試みがなされている。

これは、イオン化率が電界値及び禁制帯幅の関数であっ
て、一般に禁制帯幅が小さくなるとイオン化率が大きく
なる旨の性質を利用している。

第６図はそれを説明する為の増倍層近傍を表す要部エネ
ルギ・バンド・ダイヤグラムであり、第４図及び第５図
に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同
じ意味を持つものとする。

図から明らかなように、衝突イオン化に依って発生した
電子１３と正孔１４のうち、正孔１４は禁制帯幅が狭い
領域に進み、電子１３は禁制帯幅が広い領域に進むから
、結局、実効的なイオン化率比は材料固有のイオン化率
比よりも溝かに大きくなる。

ところが、これも全てが良いことばかりではな（、波長
１　〔μｍ〕帯での受光装置として使用した場合には問
題を生ずる。

即ち、第６図に於いて、禁制帯幅が広い領域を１　〔μ
ｍ〕帯の材料で構成しなければならないことから、それ
よりも更に狭い禁制帯幅を有する材料を用いることが必
要になるが、そのようにした場合、トンネル電流などの
暗電流の増加を回避することができない。

本発明は、増倍層に於ける禁制帯幅を変化させることに
よってイオン化率比にの実効的な値を大きくする構造に
なっていて、且つ、この構造に基づく利点を失うことな
しに波長１　〔μｍ〕帯で良好に動作することが可能な
半導体受光装置を提供する。

〔問題点を解決するための手段〕

第３図は本発明の詳細な説明する為のものであり、（Ａ
）は半導体受光装置に於けるエネルギ・バンド・ダイヤ
グラム、ＣＢ）は同じ半導体受光装置に逆バイアスを印
加した場合に於ける電界分布を示す線図をそれぞれ表し
てしくる。

第３図（Ａ）に於いて、２１は一導電型高不純物濃度層
、２２は禁制帯幅を変化させである一導電型（或いは反
対導電型）増倍層、２３は反対導電型禁制帯幅グレーデ
ツド層、２４は反対導電型光吸収層をそれぞれ示してい
る。

図示の半導体受光装置に於ける光吸収層２４は波長１　
〔μｍ〕帯の光に高感度であることは勿論であり、また
、高不純物濃度層２１と禁制帯幅グレーデツド層２３、
光吸収層２４とは導電型が異なることが必要である。尚
、増倍層の導電型は何れを選択しても良い。

第３図（Ｂ）に於いて、横軸には厚さ方向の距離Ｘを、
縦軸には電界強度Ｅをそれぞれ探っである。尚、ここに
示した特性は増倍層２２の導電型を高不純物濃度層２１
に於けるそれと同じにした場合のものである。

さて、光吸収層２４に於いて発生した正孔は禁制帯幅グ
レーデツド層２３に注入され、そこでの電界の影響を受
は高速で増倍層２２に達して増倍される。

即ち、正孔は禁制帯幅が狭い領域に向かって走行し、ま
た、これに対し電子は増倍層２２に於いて禁制帯幅が広
い領域に向かって走行するから、βは大きく、そして、
αは小さくなり、実効的なイオン化率比は大きくなる。

ところが、増倍層２２に正孔を注入する為に設けられた
禁制帯幅グレーデツド層２３に於いては、広い禁制帯幅
が再び狭くなる構成になっているので、そこではαが大
きくなり、実効的なイオン化率比の増加は小さくなって
しまうか或いは全く増加しない状態になる。

そこで、この禁制帯幅グレーデツド層２３を高不純物濃
度層２１とは異なる導電型にし、禁制帯幅グレーデツド
層２３の電界を増倍層２２に於けるそれよりも小さくす
ることに依りαの増加を抑制するようにしている。

このようにした場合、禁制帯幅グレーデツド層２３に於
いては増倍が殆ど起こらず、増倍層２２のみで発生する
ようになり、実効的にイオン化率比を大きくする旨の目
的は達成される。

そこで、本発明に依る半導体受光装置では、−導電型の
第一の半導体層（例えばｎ＋型Ｉ　ｎＧａＡｎＡｓ高不
純物濃度層３２）と、該第一の半導体層に接し且つその
界面から禁制帯幅が該第一の半導体層に比較して次第に
広くなっている一導電型（或いは反対導電型）の第二の
半導体層（例えばｎ−型１ｎＧａＡＩＡｓ増倍層３３）
と、該第二の半導体層に接し且つその界面から禁制帯幅
が次第に狭くなっている反対導電型の第三の半導体層（
例えばｐ型１ｎＧａＡｊ！Ａｓ禁制帯幅グレーデッド層
３４）と、該第三の半導体層に接し且つ禁制帯幅が該第
三の半導体層に於けるそれよりも狭くなっている光吸収
層である反対導電型の第四の半導体層（例えばｐ型１ｎ
ＧａＡｓ　’ｐｎ光吸収層３５）とを備えた構成を採っ
ている。

〔作用〕

前記手段に依ると、増倍層に於ける禁制帯幅にはグレー
ドがついている為、そこでは正孔が禁制帯幅の狭い方に
、また、電子が禁制帯幅の広い方にそれぞれ走行するの
で実効的なイオン化率比は大きくなり、また、その増倍
層を挟む半導体層である高不純物濃度層及び禁制帯幅グ
レーデツド層の導電型をそれぞれ異ならせである為、増
倍層以外で増倍作用は起こらず、その結果、ＡＰＤの増
倍作用に伴う過剰雑音の発生は低減される。

〔実施例〕

第１図は本発明一実施例を解説する為のものであり、（
Ａ）はエネルギ・バンド・ダイヤグラム、（Ｂ）は逆バ
イアスを印加した際の電界分布を示す線図をそれぞれ表
し、第３図乃至第６図に於いて用いた記号と同記号は同
部分を示すが或いは同じ意味を持つものとする。尚、こ
こで電子のイオン化率αは、正孔のイオン化率βよりも
大きいと仮定し、増倍の対象となるのは電子である。

図に於いて、３１はｎ＋型１ｎＰ基板、３２はｎ＋型１
ｎＧａＡＩＡｓ高不純物濃度層、３３はｎ″″型ＩｎＧ
ａＡｌＡｓ増倍層、３４はｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ禁制帯
幅グレーデッド層、３５はｐ型１　ｎＧａＡｓ光吸収層
をそれぞれ示している。

図から明らかなように、本実施例では、ｎ＋型ＩｎＰ基
板３１上に、これと格子整合し且つ禁制帯幅が狭い組成
を有するｎ＋型ＩｎＧａＡｌＡｓ高不純物濃度層３２を
成長させ、その上に、同じ混晶であって禁制帯幅が次第
に広くなる組成を有し且つ不純物濃度が低いｎ−（或い
はｐ）型ＩｎＧａＡＪＡｓ増倍層３３を成長させ、その
上に、今度は禁制帯幅が次第に狭くなる組成を有し且つ
反対導電型であるｐ型１ｎＧａＡＩＡｓ禁制帯幅グレー
デッド層３４を成長させ、その上に、ｐ型ＩｎＧａＡｓ
光吸収層３５を成長させる。

この実施例に於いては、光吸収層３５に於いて発生した
電子は禁制帯幅グレーデツド層３４に注入され、そこの
電界に依って加速され、高速で増倍層３３に入って増倍
される。増倍層３３に於いて、電子は禁制帯幅が広くな
る方向に走行し、正孔は禁制帯幅が狭くなる方向に走行
するので、αが大きく、且つ、βが小さくなる。また、
正孔は禁制帯幅グレーデツド層３４に入るが、そこは低
電界である為１、禁制帯幅が狭くなっても、殆ど増倍は
発生しない。従って、実効的なイオン化率比ｋが増大す
る。

第２図は本発明に於ける他の実施例を解説する為のもの
であり、（Ａ）はエネルギ・バンド・ダイヤグラム、（
Ｂ）は逆バイアスを印加した際の電界分布を示す線図を
それぞれ表し、第１図に於いて用いた記号と同記号は同
部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。尚、こ
こで増倍の対象となるのは正孔である。

図に於いて、４１はｎ＋型１ｎＰ基板、４２はｎ型１ｎ
ＧａＡｓ光吸収層、４３はｎ型Ｉ　ｎＧａ・ＡｆＡｓ禁
制帯幅グレーデッド層、４４はｎ−型ＩｎＧａＡｊ！Ａ
ｓ増倍層、４５はｐ＋型１　ｎＧａＡ＃Ａｓ高不純物濃
度層をそれぞれ示している。

本実施例が第５図について説明した実施例と相違する点
は、光吸収層４２がｎ型である為、増倍層４４にはホー
ルが注入され、それが増倍されることであって、その他
の動作は第５図に見られる実施例と同様である。

〔発明の効果〕

本発明に依る半導体受光装置は、−導電型の第一の半導
体層と、該第一の半導体層に接し且つその界面から禁制
帯幅が次第に広くなっている一導電型（或いは反対導電
型）の第二の半導体層と、該第二の半導体層に接し且つ
その界面から禁制帯幅が次第に狭くなっている反対導電
型の第三の半導体層と、該第三の半導体層に接し且つそ
の界面から禁制帯幅が該第三の半導体層に於けるそれよ
りも狭くなっている光吸収層である反対導電型の第四の
半導体層とを備えた構成になっている。

このような構成を採っていることから、増倍層に於いて
は、イオン化率が大きい方のキャリヤは禁制帯幅の狭い
方に、また、イオン化率が小さい方のキャリヤは禁制帯
幅の広い方にそれぞれ走行し、実効的なイオン化率比は
大きくなり、そして、その増倍層を挟む高不純物濃度層
及び禁制帯幅グレーデラド層の導電型をそれぞれ異なら
せであるので増倍層以外では増倍作用は起こらず、従っ
て、実効的なイオン化率比は大きくなり、ＡＰＤＯ増倍
作用に伴う過剰雑音の発生を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例を解説する為のものであり、（
Ａ）はエネルギ・バンド・ダイヤグラム、（Ｂ）は逆バ
イアスを印加した際の電界分布を示す線図、第２図は本
発明に於ける他の実施例を解説する為のものであり、（
Ａ）はエネルギ・バンド・ダイヤグラム、（Ｂ）は逆バ
イアスを印加した際の電界分布を示す線図、第３図は本
発明の詳細な説明する為のものであり、（Ａ）は半導体
受光装置に於けるエネルギ・バンド・ダイヤグラムく（
Ｂ）は逆バイアスを印加した際の電界分布を示す線図、
第４図は標準的なＩ　ｎ　Ｐ　／　ｌ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ
　ｓ系ＡＰＤに於けるエネルギ・バンド・ダイヤグラム
、第５図はＡＰＤに於ける過剰雑音の発生について説明
する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラム、第６図は禁
制帯幅が小さくなるとイオン化率が太き（なることを説
明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムをそれぞれ
表している。 図に於いて、３１はｎ＋型１ｎＰ基板、３２はｎ＋型ｌ
　ｎＧａＡｊ！Ａｓ高不純物濃度層、３３はｎ−型１ｎ
ＧａＡｊ！Ａｓ増倍層、３４はｐ型ＩｎＧｍＡｌＡｓ禁
制帯幅グレーデッド層、３５はｐ型Ｉ　ｎＧａＡｓ光吸
収層をそれぞれ示している。 特許出願人　　　富士通株式会社 代理人弁理士　　相　谷　昭　司 代理人弁理士　　渡　邊　弘　− （Ａ） Ｘ 本究明の原理を説明する為のエネルギ・バント・ダイヤ
グラム及び電界分布奄表わすＩ１図第３図 標準的なＡＰＤのエネルギ・バント・タイヤゲラム第４
図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一導電型の第一の半導体層と、 該第一の半導体層に接し且つその界面から禁制帯幅が次
   第に広くなっている一導電型（或いは反対導電型）の第
   二の半導体層と、 該第二の半導体層に接し且つその界面から禁制帯幅が次
   第に狭くなっている反対導電型の第三の半導体層と、 該第三の半導体層に接し且つその界面から禁制帯幅が該
   第三の半導体層に於けるそれよりも狭くなっている光吸
   収層である反対導電型の第四の半導体層と を備えてなることを特徴とする半導体受光装置。