JPH05211344A - アバランシェフォトダイオード - Google Patents
アバランシェフォトダイオードInfo
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Abstract
性と同時に、低暗電流な特性を実現する。 【構成】 本発明のアバランシェフォトダイオードは、
半導体超格子構造を増倍層とし、該超格子の井戸層が2
種類以上の半導体15、16の短周期超格子により等価
的に該半導体15、16の混晶と見なせる層となってい
る。この短周期構造によって超格子井戸層中にミニバン
ドが形成され、その実効的禁制帯幅は該井戸層を構成す
る第2種半導体層のバルク状態の禁制帯幅よりも大きく
なるため、井戸層内でのバンド間トンネル遷移による暗
電流が減少する。高イオン化率比α/βで低雑音・高速
応答特性と同時に、低暗電流な特性を実現できる。
Description
速応答特性を有する半導体受光素子に関する。
は、超高速かつ、低雑音・高感度特性を有する半導体受
光素子が不可欠である。このため、近年シリカ系ファイ
バの低損失波長域1.3〜1.6μmに適応できるIn
P/InGaAs系アバランシェ・フォトダイオード
(APD)の高速化・高感度化に対する研究が活発とな
っている。このInP/InGaAs系APDでは現
在、小受光径化による低容量化、層厚最適化によるキャ
リア走行時間の低減、ヘテロ界面への中間層導入による
キャリア・トラップの制御により、利得帯域幅(GB)
積75GHzの高速化が実現されている。
ンシェ増倍層であるInPのイオン化率比β/αが〜2
と小さいため(α:電子のイオン化率、β:正孔のイオ
ン化率)、過剰雑音指数x(イオン化率化が小さいほど
大きくなる)が〜0.7と大きくなり、低雑音化・高感
度化には限界がある。これは、他のバルクのIII−V
族化合物半導体をアバランシェ増倍層に用いた場合も同
様であり、低雑音化・高GB積化(高速応答特性)を達
成するにはイオン化率比α/βを人工的に増大させる必
要がある。
等はアプライド・フイジックス・レター(Appl.P
hys.Lett.)、40(1)巻、P.38〜4
0、1982年で、超格子による伝導帯エネルギー不連
続量△Ecを電子の衝突イオン化に利用してイオン化率
比α/βを人工的に増大させる構造を提案し、実際にG
aAs/GaAlAs系超格子でイオン化率比α/βの
増大(バルクGaAsの〜2に対して超格子層で〜8)
を確認した。さらに、香川らは、アプライド・フイジッ
クス・レター(Appl.Phys.Lett.)、
p.993−995、55(10)巻、1989年で、
長距離光通信に用いられる波長1.3〜1.6μm帯に
受光感度を有するInGaAs/InAlAs系超格子
を用いて同様の構造を形成し、やはりイオン化率比α/
βの増大(バルクInGaAsの〜2に対して超格子層
で〜10)を確認した。そのアバランシェ増倍層のバイ
アス印加時のエネルギーバンド図を図3に示す。31は
n- 型In0 . 5 2 Al0 . 48 As障壁層、32はn
- In0 . 5 3 Ga0 . 4 7 As井戸層であり、31と
32の繰り返しが超格子アバランシェ増倍層を構成して
いる。また、33、34はそれぞれ伝導帯不連続量△E
c、価電子帯不連続量△Evである。また、35、36
は電子と正孔である。37は同一井戸内のバンド間トン
ネル遷移を示す。この構造では伝導帯不連続量△Ecが
0.5eVと価電子帯不連続量△Evの0.2eVより
大きく、井戸層32に入ったときバンド不連続により獲
得するエネルギーが電子35の方が正孔36より大き
く、これによって電子35がイオン化しきい値エネルギ
ーに達しやすくすることで電子イオン化率を増大させ、
イオン化率比α/βの増大を図っている。
造のアバランシェフォトダイオードは、増倍率が数倍以
上の実用的使用領域において、超格子アバランシェ増倍
層中の禁制帯幅の小さな井戸層(n- −型In0 . 5 3
Ga0 . 4 7 As32)で発生するトンネル暗電流がμ
Aオーダー以上に著しく増加し、この暗電流による雑音
増加がイオン化率比改善による低雑音効果を打ち消して
しまうという欠点を有する。
m帯に受光感度を有し、高イオン化率比α/βで低雑音
・高速応答特性と同時に、低暗電流なアバランシェフォ
トダイオードを実現することを目的とする。
ォトダイオードは、増倍層と光吸収層とを備え、かつ半
導体超格子構造を増倍層とし、該超格子構造の井戸層が
2種類以上の半導体の短周期超格子により、等価的に該
半導体の混晶と見なせる層により形成されていることを
特徴とする。
改善した。図1は本発明の素子構造図であり、図2は本
発明のアバランシェフォトダイオードのエネルギーバン
ド構造図である。
12はn型バッファー層、13は本発明の特徴であるn
- 型超格子アバランシェ増倍層である。n- 型超格子ア
バランシェ増倍層13は半導体障壁層14と井戸層を構
成する第1種の半導体層15と同じく井戸層を構成する
第2種の半導体層16で構成されている。17はp型ワ
イドキャップ電界降下層、18はp- 型光吸収層、19
はp+ 型キャップ層、110はn側電極、111はp側
電極、112は絶縁保護膜である。
層、22は超格子井戸層を構成する第1種半導体層、及
び、23は超格子井戸層を構成する第2種半導体層であ
る。24はミニバンド(電子)、25はミニバンド(正
孔)である。26は井戸層の実効的禁制帯幅、27は第
2種半導体層23のバルク状態における禁制帯幅であ
る。
る。
0 . 4 8 As/In0 . 5 3 Ga0 . 47 As超格子増
倍層の井戸層の禁制帯幅は0.75eVと小さいため、
増倍率が数倍以上の実用的使用領域、すなわち電界強度
350〜400kV/cmにおいて、同一井戸内でのバ
ンド間トンネル遷移37による暗電流がμAオーダ以上
に著しく増加する。
は超格子井戸層が、2種類以上の半導体の短周期超格子
により等価的に該半導体の混晶と見なせる層となってお
り、短周期構造によってミニバンド24、25が形成さ
れ、その実効的禁制帯幅26は該井戸層を構成する第2
種半導体層23のバルク状態における禁制帯幅27より
も大きくなっている。したがって、本構造では、井戸層
内でのバンド間トンネル遷移による暗電流を、禁制帯幅
の大きさに伴って指数関数的に減少させることができ
る。ミニバンドによる伝導帯不連続量△Ecの減少量を
0.2eV程度以下とすれば、電子のヘテロ界面で獲得
するエネルギー値(伝導帯不連続量△Ec)は顕著に減
少しないのでイオン化率比α/β・雑音特性の劣化は顕
著でない。
よりイオン化率比α/β改善による低雑音特性と高速応
答特性を損なうことなしに、井戸層でのトンネル暗電流
の発生を抑制したアバランシェ・フォトダイオードが実
現できる。
整合するInAlAs/(InAlAs)m (InGa
As)n 系超格子アバランシェフォトダイオードを用い
て説明する。
素子を以下の工程によって製作した。
ッファ層12を1μm厚に、キャリア濃度〜1×10
1 5 cm- 3 のn- 型In0 . 5 2 Al0 . 4 8 As障
壁層14と(In0 . 5 2 Al0 . 4 8 As)m /(I
n0 . 5 3 Ga0 . 4 7 As)n 短周期超格子井戸層
(順に15及び、16)よりなる超格子増倍層を0.5
μm厚に、キャリア濃度〜1×101 7 cm- 3 のp+
型InP電界降下層17を0.2μm、キャリア濃度〜
2×101 5 cm- 3 のp- 型In0 . 5 3 Ga
0. 4 7 As光吸収層18を〜1.5μm厚に、キャリ
ア濃度〜5×101 8 cm- 3 のp+ 型InPキャップ
層19を1μm厚に順次、有機金属気相成長法(MOV
PE)を用いて成長する。この超格子は、厚さ10Aの
In0 . 5 2 Al0. 4 8 As15、厚さ20AのIn
0 . 5 3 Ga0 . 4 7 As16、の4周期よりなる短周
期超格子井戸層と、厚さ150AのIn0 . 5 2 Al
0 . 4 8 As障壁層14とを交互に12周期積層した構
造である。
ットエッチングの技術を用いて直径50μm円形メサを
形成し、絶縁保護膜112を形成する。p側電極111
をAu Znで形成した後、裏面研磨を行ってからn側
電極110をAuGeで形成した。
一厚みのIn0 . 5 3 Ga0 . 4 7As層で構成した従
来例(他の構造は同じ)の構造を比較した結果、従来例
では初期入力光1μA(波長1.55μm)の時の増倍
率10を与えるバイアス時の暗電流は数10μAである
のに対して、本発明の構造では同様の暗電流値は0.1
μA以下と著しく小さい値であった。増倍雑音特性は両
者とも波長1.55μm光で増倍率10の時の過剰雑音
指数は4〜4.5dBと実効イオン化率比〜10程度の
低雑音性が確認された。従来例では、暗電流による雑音
が数倍以上の増倍率において増倍雑音を上回ったが、本
発明の構造では暗電流による雑音は増倍雑音に比べて無
視しうる価であった。また、高周波特性については両者
とも最大帯域、GB積は各々〜9GHz、〜80GHz
と良好であった。
による超格子を用いたが、p- 型、あるいは、高抵抗の
場合でも同様である。また短周期超格子の層厚は超格子
に印加する電界強度により適宜変化させても、本発明の
主旨にそうものであることは言うまでもない。
m帯に受光感度を有し、高イオン化率比α/βで低雑音
・高速応答特性と同時に低暗電流のアバランシェフォト
ダイオードを実現することができ、その効果は大きい。
図である。
子増倍層のエネルギーバンド図である。
ある。
半導体層障壁層 15 n- 型超格子アバランシェ増倍層13の井戸層を
構成する第1種の半導体層 16 n- 型超格子アバランシェ増倍層13の井戸層を
構成する第2種の半導体層 17 p型ワイドギャップ電界降下層 18 p- 型光吸収層 19 p+ 型キャップ層 110 n側電極 111 p側電極 112 絶縁保護膜 21 超格子障壁層 22 超格子井戸層を構成する第1種半導体層 23 超格子井戸層を構成する第2種半導体層 24 ミニバンド(電子) 25 ミニバンド(正孔) 26 井戸層の実効的禁制帯幅 27 第2種半導体層23のバルク状態における禁制帯
幅 31 n- 型In0 . 5 2 Al0 . 4 8 As障壁層 32 n- 型In0 . 5 3 Ga0 . 4 7 As井戸層 33 伝導帯不連続量△Ec 34 価電子帯不連続量△Ev 35 電子 36 正孔 37 同一井戸内のバンド間トンネル遷移
Claims (1)
- 【請求項1】 増倍層と光吸収層とを備えたアバランシ
ェフォトダイオードであって、半導体超格子構造を増倍
層とし、該超格子構造の井戸層が2種類以上の半導体の
短周期超格子により構成されていることを特徴とするア
バランシェフォトダイオード。
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