JPH051629B2 - - Google Patents

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JPH051629B2
JPH051629B2 JP58157366A JP15736683A JPH051629B2 JP H051629 B2 JPH051629 B2 JP H051629B2 JP 58157366 A JP58157366 A JP 58157366A JP 15736683 A JP15736683 A JP 15736683A JP H051629 B2 JPH051629 B2 JP H051629B2
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semiconductor
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Fujitsu Ltd
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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
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Description

【発明の詳細な説明】 (a) 発明の技術分野 本発明は半導体受光装置、特になだれ増倍領域
を歪層超格子構造として低雑音化を更に進めたア
バランシフオトダイオードに関する。
(b) 技術の背景 光を情報信号の媒体とする光通信その他のシス
テムにおいて、光信号を電気信号に変換する半導
体受光装置は重要で基本的な構成要素の一つであ
り、既に多数実用化されている。これらの半導体
受光装置のうち、光電流がなだれ降伏によつて増
倍されて感度が高められるアバランシフオトダイ
オード(以下APDと略称する)は光検知器の信
号対雑音比を改善する効果が大きい。
半導体受光装置応用の代表例として光フアイバ
通信においては、光伝送に用いられる石英
(SiO2)系光フアイバの材料分散(屈折率の波長
依存性に基づく)は波長1.3〔μm〕付近において
非常に小さくなり材料分散と構造分散(伝搬定数
の波長依存性に基づく)との和すなわちモード内
分散は波長1.3乃至1.55〔μm〕において小さくな
る。
従つて光通信用の半導体受光装置として波長1
〔μm〕以上の帯域特に1.3〔μm〕乃至1.65〔μ
m〕程度の帯域において優れた特性を有する
APDが要求されている。
(c) 従来技術と問題点 波長1〔μm〕以上の帯域を対象とするAPDと
しては、既にゲルマニウム(Ge)又は−族
化合物半導体を用いて多くの提案がなされてい
る。
−族化合物半導体のうち、インジウム・燐
(InP)結晶に格子整合するインジウム・ガリウ
ム・砒素(InGaAs)もしくはインジウム・ガリ
ウム・砒素・燐(InGaAsP)混晶を用いたAPD
は、この波長帯域において良好な受光感度をも
ち、かつ現在実用化されているGeに比較して低
雑音、低暗電流となる物性をもつために、この波
長帯域に対応する受光装置として重要な位置を占
めている。
第1図はInP−InGaAs系APDの代表的構造を
示す断面図である。図において、1はn+型InP基
板、2はn型InPバツフア層、3はn型InGaAs
光吸収層、4はn型InPウインド層、5はInPウ
インド層4に形成されたp+型領域、6はガード
リングを構成するp型領域、7は保護絶縁膜、8
は反射防止膜、9はp側電極、10はn側電極を
示す。
このAPDにn側電極10を正、p側電極9を
負の極性とする逆バイアス電圧を印加することに
より、pn接合すなわちp+型領域5とn型InPウイ
ンド層4との界面を挾んで空乏層が形成され、こ
れがn型InGaAs光吸収層3までひろがり、この
光吸収層3内で入力信号先によつて電子が伝導帯
に励起されることによつて、電子正孔対が発生
し、電子はn側電極10、正孔はp側電極9に向
つてドリフトし、n型InPウインド層4において
はこの正孔を一次キヤリアとするなだれ増倍が行
なわれる。このためにn型InPウインド層4はま
た増倍層もしくは増倍領域とも呼ばれる。
なだれ増倍の過程においてはキヤリアと結晶格
子を構成する原子との衝突回数に統計的なゆらぎ
が存在して、これによつて固有のシヨツト雑音が
現われる。この雑音は通常増倍雑音と呼ばれる。
なだれ増倍の過程において、電子が単位長当た
り衝突電離を起す回数すなわち電子のイオン化率
をα、正孔のイオン化率をβとするとき、イオン
化率比k(β/αもしくはα/β)が1に近いと
きに増倍雑音が大きく、イオン化率比が大きいと
きに増倍雑音は減少する。
先に説明したInP−InGaAs系APDの従来例に
おいてはイオン化率比k=α/βは2乃至3程度
と小さく、その増倍雑音には物性的制約がある。
他方、種々の半導体装置に関しては超格子構造
の導入が提案されており、APDに関しても増倍
層をガリウム・砒素(GaAs)とガリウム・アル
ミニウム・砒素(GaAlAs)とが交互に積層され
た超格子構造として、GaAs層とGaAlAs層との
ヘテロ接合界面に生ずるエネルギーバンドの不連
続性によつて、キヤリアの見掛上のイオン化エネ
ルギーを増減させ、電子と正孔とのイオン化率比
を拡大して増倍雑音を低減する構造が先に知られ
ている。
しかしながらGaAs−GaAlAs系半導体材料に
よつては、波長帯域1.0〔μm〕以上に対応する受
光装置を構成することは不可能であつて、この波
長帯域に対応し得るInP−InGaAsもしくは
InGaAsP系半導体材料によつて超格子構造の増
倍層が形成されたAPDを本件出願人は先に特願
昭58−第38519号によつて提供している。
第2図は該発明により、InPとこれに格子整合
するIn0.53Ga0.47Asとによつて形成される超格
子構造のエネルギーダイヤグラムの一部を示す図
である。本構造に用いる半導体層の禁制帯幅は
InPが約1.35〔eV〕、In0.53Ga0.47Asが約0.75
〔eV〕であつて、両層のヘテロ接合界面における
伝導帯の不連続性ΔEc≒0.2〔eV〕、価電子帯の不
連続性ΔEv≒0.4〔eV〕である。
正孔がInP層よりInGaAs層に入るときには価
電子帯のエネルギー差ΔEvだけ見掛上余分のエネ
ルギーを得た状態となりイオン化率が増大する。
電子については伝導帯のエネルギー差が小さいた
めこの効果が殆んどなく、両者のイオン化率比k
=β/αが拡大されて増倍雑音が低減される。
しかしながら該発明のInP−InGaAs又はIn−
GaAsPの組合わせによる超格子構造においては、
エネルギーの不連続性の効果が正孔のイオン化率
増大として現われるために電子のイオン化率増大
の場合よりイオン化率比拡大の効果が少なく、イ
オン化率比は8〜17程度に止まつている。増倍雑
音を更に減少させるためにエネルギーの不連続性
によつて電子のイオン化率が増大される超格子構
造を備えたAPDが要望されている。
(d) 発明の目的 本発明は半導体受光装置、特に超格子構造を有
するなだれ増倍領域を備えたアバランシフオトダ
イオードに関して、従来の物性による制約を超え
てイオン化率比を拡大して低雑音の半導体受光装
置を提供することを目的とする。
(e) 発明の構成 本発明の前記目的は、半導体基板上に、半導体
光吸収領域と、歪層超格子構造を有する半導体な
だれ増倍領域とを備えて、該歪層超格子構造を構
成する半導体層相互間の伝導帯の不連続幅が価電
子帯の不連続幅より大である半導体受光装置によ
り達成される。
すなわち、なだれ増倍領域の超格子構造を構成
する半導体層を従来は基板結晶に格子整合する半
導体材料の組合わせに限定しているのに対して、
本発明においては格子定数に差のある半導体材料
を用いても超格子構造では高品質の結晶が得られ
る事実を応用し、格子定数は相互に整合しないが
各層は単結晶となる歪層超格子(strained−
layersuperlattice)構造でなだれ増倍領域を形成
することにより、伝導帯の不連続幅が大きく電子
のイオン化率の増大によつてキヤリアのイオン化
率比が大きく拡大されるなだれ増倍領域を実現し
て、半導体受光装置の低雑音化を達成するもので
ある。
なお前記歪層超格子構造を構成する半導体層相
互間の格子不整合は、超構子を形成した状態で4
×10-2未満に止めることが実際的であり、また格
子不整合が1×10-3未満である組合わせによつて
は従来構造とさほどの差を生じない。
(f) 発明の実施例 以下本発明を実施例により図面を参照して具体
的に説明する。
第3図a及びbは本発明の実施例をその主要製
造工程について示す断面図である。
第3図a参照 不純物濃度が1×1018〔cm-3〕程度以上のp+
InP基板11上に、何れも不純物濃度が1×1015
〔cm-3〕程度以下であるn-型GaAs層12aと、
n-型InxGa1−xAs層12bとを交互に積層した
歪層超格子構造12を例えば気相成長方法によつ
て形成する。
前記InxGa1−xAs層12bはx≒0.53であると
きにInP基板11と格子定数が一致するが、必ら
ずしも格子定数を一致させる必要はなく、また前
記GaAs層12aの格子定数はInP基板11より
小さく、GaAsバルク結晶よりは拡大されるが格
子定数が一致するには到らない。
本実施例においてはGaAs層12a及び
InGaAs層12bの厚さは30乃至40〔nm〕程度と
し、歪層超格子構造12全体の厚さを例えば1
〔μm〕強としている。
更に歪層超格子構造12に接して不純物濃度が
1×1015〔cm-3〕程度以下のn-型In0.53Ga0.47As
層13を厚さ例えば2〔μm〕程度に、次いで不
純物濃度が1×1018〔cm-3〕程度以上のn+型InP層
14を厚さ例えば0.4〔μm〕程度に成長する。
第3図b参照 前記半導体基板を図に示す如く、p+型InP基板
11に達する深さにメサ型にエツチングし、n+
型InP層14面上に無反射コート膜15、メサエ
ツチング面に表面保護膜16をそれぞれ例えば窒
化シリコン(Si3N4)等によつて形成し、n+
InP層14に接するn側電極17を例えば金・ゲ
ルマニウム(AuGe)を用いて、p+型InP基板1
1に接するp側電極18を例えば金・亜鉛
(AuZn)を用いて形成する。
以上説明した本実施例に逆バイアス電圧を印加
したときのエネルギーダイヤグラムを第4図に示
す。なお第4図において第3図a及びbと同一符
号によつて対応する半導体層を示す。禁制帯幅は
GaAsが約1.42〔eV〕、InGaAsが約0.75〔eV〕であ
つて、GaAs層12aとInGaAs層12bとのヘ
テロ接合界面におけるエネルギーの不連続性は、
伝導帯がΔEc≒0.47〔eV〕、価電子帯がΔEv≒0.20
〔eV〕である。
本実施例のAPDにおいては、n-型InGaAs光吸
収層13において光エネルギーによつて励起され
た電子が歪層超格子構造12に進入し、GaAs層
12aからInGaAs層12bに入る際に前記の伝
導帯の不連続幅ΔEc≒0.47〔eV〕だけ見掛上余分
にエネルギーを得た状態となつて、電子のイオン
化率が増大する。正孔については価電子帯の不連
続幅が小さく、両者のイオン化率比k=α/βが
拡大される。
以上説明した実施例においては、例えば電界が
1〜2×105〔V/cm〕となるような動作状態にお
いてイオン化率比k=α/βは80程度が得られ
て、先に述べたInP−InGaAs系超格子による増
倍領域を備えるAPDのイオン化率比k≒8〜17
程度に比較して大幅な拡大が達成されている。
以上の説明及び実施例は波長帯域1乃至1.65
〔μm〕程度のAPDを対象としているが、各半導
体材料を本発明の方法によつて選択することによ
り、他の波長帯域のAPDについても同様の効果
を得ることができる。
(g) 発明の効果 以上説明した如く本発明においては、半導体受
光装置のなだれ増倍領域とする超格子構造を、こ
れを構成する半導体層相互間の格子整合が行なれ
ない歪層超格子構造として伝導帯の不連続幅の大
きい組合わせを採用することにより電子のイオン
化率を増大し従来以上の雑音低減を達成するもの
であつて、例えば光フアイバ通信の中継間隔の拡
大など光を情報伝送の媒体とするシステムの進歩
に優れた効果を及ぼす。
【図面の簡単な説明】
第1図はAPDの従来例を示す断面図、第2図
は従来の格子整合する超格子増倍領域のエネルギ
ーダイヤグラムの例を示す図、第3図a及びbは
本発明の実施例を示す断面図、第4図は前記実施
例のエネルギーダイヤグラムである。 図において、11はp+型InP基板、12は歪層
超格子構造のなだれ増倍領域、12aはn-
GaAs層、12bはn-型InGaAs層、13はn-
InGaAs光吸収層、14はn+型InPキヤツプ層、
15は無反射コート膜、16は表面保護膜、17
はn側電極、18はp側電極を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 半導体基板上に、半導体光吸収領域と、歪層
    超格子構造を有する半導体なだれ増倍領域とを備
    えて、該歪層超格子構造を構成する半導体層相互
    間の伝導帯の不連続幅が価電子帯の不連続幅より
    大なることを特徴とする半導体受光装置。 2 前記歪層超格子構造を構成する半導体層相互
    間の格子定数不整合が1×10-3以上でかつ4×
    10-2未満であることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の半導体受光装置。 3 前記半導体基板が燐化インジウムにより構成
    され、前記歪層超格子構造が砒化ガリウムと砒化
    インジウム・ガリウムとによつて構成されてなる
    ことを特徴とする特許請求の範囲第2項記載の半
    導体受光装置。
JP58157366A 1983-08-29 1983-08-29 半導体受光装置 Granted JPS6049681A (ja)

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