JPS6285477A

JPS6285477A - 光半導体装置

Info

Publication number: JPS6285477A
Application number: JP60223708A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Ouchi; 博文大内; Ichiro Fujiwara; 一郎藤原; Hiroshi Matsuda; 広志松田; Kazuhiro Ito; 和弘伊藤; Kazuyuki Nagatsuma; 一之長妻
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-10-09
Filing date: 1985-10-09
Publication date: 1987-04-18
Also published as: US4816890A

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】〔発明の利用分野〕本発明は、光を検出する受光素子に係り、特に。

光通信用の検出器としてのアバランシェホトダイ。

オードおよびホトダイオード等の光半導体装置に関する
ものである。

〔発明の背景〕

長波長受光素子、特に長波長アバランシェホト・ダイオ
ード（ＡＰＤ）は、低雑音かつ高速化を目指。

して化合物半導体材料を利用した開発が活発に行５われ
でいる。上記開発中の素子の構造は、禁止帯・幅が小さ
い半導体領域で入射信号光を吸収し、禁・止帯幅が大き
い半導体領域でなだれ増倍作用をも。

つことか特徴である。このように光吸収領域と増。

倍領域とを分離した素子構造の基本的考えは、特１゜公
開５９−３８７４８号に示されている（第６図参照）。

。化合物半導体としては、ＩｎＰ、　ＧａＳｂ系などの材
料。

が使用されている。また上記構造の改善を意図し、て、
接合周辺で降伏防止のためにガードリング領。

域を形成し、さらに高速化のために光増倍領域と、。

光吸収領域のバンド（伝導体あるいは価電子帯）間に生
じるエネルギーギャップによるキャリア蓄積効果を防止
する検討（第６図領域４に示す中間。

禁止帯幅層の挿入）などが考えられている（特開。

昭５７ｆ２８０００号）。

しかし、電子の有効質量が小さく、がっ禁止帯。

幅が狭い化合物半導体では、電界強度が強くなる。

とアバランシェ降伏に至るまえにトンネル効果に・よる
降伏が生じやすくなる。このため、上記の光。

吸収領域−光増倍領域分離型のＡＰＤ構造におい　５で
も、禁止帯幅が大きい領域（第６図領域５）に・形成さ
れたｐｎ接合から伸びる高い電界が、比較的禁止帯幅が
小さい中間層（第６図領域４）ある。

いは光吸収領域（第６図領域３）に印加されると。

きには、トンネル効果による電界放出により、大１゜き
な暗電流が発生することになる。これを防止するには、
禁止帯幅が大きい領域の中に形成されている接合と、上
記中間層あるいは光吸収領域との。

間に介在する禁止帯幅が大きい領域（第６図領域。

５）の不純物濃度を高くする方法、または領域幅１゜を
厚くする方法がとられる。しがし不純物の濃度を高くす
ることは接合の最大電界を大きくすることになり、した
がってイオン化係数比を小さくすることになるため、な
だれ増倍雑音を増大させる結果になる。また領域幅を厚
くすることは、動作２゜電圧を高くする結果になり実用
上望ましくない。・〔発明の目的〕本発明は、トンネル電流による暗電流の増加を・回避す
るとともに、低雑音で、かつ低動作電圧の・ＡＰＤを得
ることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明による光半導体装置は、禁止帯幅が太き・い一方
導電型の第１領域と、禁止帯幅が大きい他。

方導電型の第２領域と、禁止帯幅が小さい一方導。

電型の第３領域とからなる光半導体装置においてい第１
領域と第２領域とで接合を形成し、第１領域。

内に、上記第１領域より不純物濃度が大きい一方。

導電型の第４領域が形成されていること、すなわ。

ち第１図に示すように、アバランシェ領域となる。

禁止帯幅が大きい低不純物濃度の領域１５の第１領、。

域内、あるいは第１領域１５内にあって一部分が領。

域１４と接し、禁止帯幅が大きく、不純物濃度が上。

記第１領域１５より高い第４領域２５は、第２領域１６
゜と第１領域１５で形成する接合２６の面より内側に存
。

在するようにしたものである。　　　　　　　　２゜３
　・本発明によると、第１図に示す光半導体装置の・構造に
基ずく電界分布図の第２図から明らかなよ・うに、なだ
れ増倍に必要な高い電界は、第１図に・示す第４領域２
５と接合２６との間の第１領域１５に制・限されるよう
になる（上記部分の接合を主接合と５いう）。

第４領域２５で電界は降下するため、低い電界が・第３
領域を構成する光吸収領域１３、および中間層。

正帯領域１４（第１図では第１領域１５の一部も含む）
。

に印加される。したがって、トンネル効果が生じ、。

やすい禁止帯幅が狭い領域１４．１３にはドリフト飽。

相速度に必要な低い電界が保たれるだけであるた。

め、トンネル効果による暗電流の増加は生じない。。

一方、第４領域２５の上面に対向する接合２６の周辺。

部においては、その直下に第４領域２５は存在せず、５
不純物濃度が低く、厚い第１領域１５が存在するた。

め、最大の電界は低くなりガードリングの効果を。

果すことができる。この状態は第２図に示すよう。

に、印加電圧に対してガードリング部と主接合部。

の電界分布の面積は等しくなるはずであるから、２゜・
　４　・第１領域１５が厚いガードリング部の電界は全体的。

に低くなり、効果的なガードリングの役割を果す。

ことができる。このため、安定ななだれ増倍特性。

が得られる。

また主接合部のなだれ増倍領域は、第１領域１５５の不
純物濃度が低いため、はぼ主接合２６と第４領。

域２５との間の第１領域１５の厚さによって支配され。

るようになり、第１領域１５の不純物変動などによ。

らず安定な動作電圧が期待できる。

また、本発明ではなだれ増倍領域と光吸収領域１゜１３
との間に、両者の禁止帯幅の相違による光励起キャリア
の障壁を緩和する中間禁止帯幅の領域１４が挿入されて
いる。このため光吸収領域１３で発生した光励起キャリ
アは高速度でなだれ増倍領域の第１領域１５に移行し、
応答速度が早くなるとい礼。

特徴を有する。

さらに本発明による光半導体装置の他の応用例を第３図
に示す。第３図に示す光半導体装置は上記第１図の光半
導体装置に較べると、領域４７が余分に挿入されている
ことを除くと、基本的には同、。

じである。上記領域４７は、なだれ増倍領域を形成。

する第１領域３５と同じ禁止帯幅が大きい物質から。

なるが、不純物濃度は第１領域３５より大きい。こ・の
ため主接合部から伸びる電界は第４領域４５で降。

下したのち、さらに領域４７によって降下し、第３５の
領域を構成する禁止帯幅が狭い光吸収領域３３お。

よび中間禁止帯領域３４にかかる電界を効果的に飽。

和ドリフト速度に必要な低い電界まで低減させる。

ことができる。一方、ガードリング部から伸びる。

電界は、領域４７によって降下し、主接合部と同じ１゜
く領域３３．３４にかかる電界を低減する。すなわち不
純物濃度が高い領域４７の挿入による電圧降下分。

だけ低減される効果がある。このためガードリン。

グ部での第３の領域を構成する光吸収領域３３およ。

び中間禁止帯領域３４にかかる電界は、第３図に示、。

した」二記発明のように、禁止帯幅が狭い領域の電界を
低減するのに効果がある。また、なだれ増倍に寄与する
領域は主接合と第４領域４５によってはさまれた第１領
域３５における高い電界の部分に制限されるのに対し、
ガードリング接合では、その、。

直下に第４領域４５がないため、主接合部に較べて。

厚い第１領域３５によって電界が低くなるため、発・明
の本質としては第１図に示したものと変らない。・〔発
明の実施例〕つぎに本発明の実施例を図面により説明する。５第１図
は本発明による光半導体装置の第１実施例・を示す断面
図、第２図は上記実施例の素子内部に・おける電界分布
を示す図、第３図は本発明の第２゜実施例を示す断面図
、第４図は本発明の第３実施。

例を示す断面図、第５図は本発明の第４実施例を１゜示
す断面図である。第１図に示す第１実施例の構成をＩｎ
Ｐ系半導体材料を用いた場合について説明。

する。不純物濃度が高いｎ＋形基板１１上に、気相工。

ピタキシャル成長技術を用いて不純物濃度２Ｘ１０１５
゜ｃｍ−３，厚さ２．５μｍのｎ形ＩｎＰ層１２を形成
し、引続１−１いて順次、不純物濃度２×１０１５Ｃ７
Ｉ＋−３，厚さ３μｍのｎ。

形Ｉ　ｎ　Ｇａ　Ａｓ光吸収層１３．不純物濃度２×１
０１５ｃｍ−３゜厚さ０．３７ｚｍのｎ形ＩｎＧａ、Ａ
ｓＰ層（禁止帯幅対応１．３゜μｍ）中間禁止帯領域１
４を形成する。さらに続い。

て不純物濃度が２×１０１５ｃｍ−３，厚さ４μｍのｎ
形　、。

・　７　・ＩｎＰ層を第１領域１５として形成し光半導体基体を・
構成する。高エネルギのイオンを選択的に打込む・方法
によって、上記ｎ形ＩｎＰ層である第１領域１５・の表
面から３μｍの所にピーク不純物濃度がくる・ようにＳ
ｉを打込み（ピーク濃度３　Ｘ　１０１６ｃｍ　’）、
ｎ５形の第４領域２５を形成する。上記ｎ形の第４領域
・２５は、高エネルギイオンの打込み以外にも、第１・
領域１５の結晶成長を途中で中断し、不純物の選択。

拡散を行ったのち、再度結晶成長を継続して行う。

ことなどにより形成することもできる。領域２５の、。

不純物濃度Ｎと厚さｄは、どの程度まで電界を下。

げろかということにより設定する必要がある。電。

界低減の大きさはｑＮｄ／Ｅによって与えられる。こ。

こでｑは電荷素置、Ｅは誘電率である。つぎにイ。

オン打込み、あるいは拡散方法によって拡散深さ、。

１．５μｍのｐ形層を第２領域１６として形成する。そ
。

の後パッシベーション膜として、プラズマＳｉ　Ｎｘと
ＣＶＤＳｉＯ２の２層膜１７を形成し、公知のホトエツ
チングによって不必要部分を取除いた。光反射防。

止膜としてＳｉ　Ｎｘ層膜１８形成し、公知の蒸着技術
に。。

・　８　・よってｐ、ｎ両領域にオーミック電極１９．２０を形成
・した。

上記により形成された第１実施例の動作を説明・する。

波長１μｍ〜１．６μｍの入射光は第１領域１５゜と第
４領域２５を透過し、領域１４かｎ形ＩｎＧａＡｓ層５
１３の一方あるいは両方で吸収される。電極１９と２０
・に逆バイアス電圧が印加されているため、上記ｎ・形
Ｉ　ｎ　Ｇａ　Ａｓ層】３および領域１４は空乏層化し
ている。

ので、光励起キャリアはドリフト速度でなだれ増。

倍をおこすのに十分な高い電界がかかっている接１゜合
２６の主接合領域部に移動する。ここでは入ってきたキ
ャリアによってなだれ増倍作用が生じ、増倍された光電
流が電極１９．２０に接続された外部回。

路に流れる。

第２実施例の構造を示す第３図において、上記１、第１
実施例と同様に、基板３１上に、ｎ形ＩｎＰ層３２゜ｎ
形Ｉ　ｎ　Ｇａ　Ａｓ層３３．ｎ形ＩｎＧａＡｓＰ層の
領域３４．ｎ形ＩｎＰ層４７．ｎ形ＩｎＰ層の第１領域
３５を気相成長法によって順次形成する。ｎ形ＩｎＰ層
４７を除く他の。

各層は、上記第１実施例の各層に対応して考える。。

ことができる。上記ｎ形ＩｎＰ層４７は不純物濃度２・
Ｘ　１．０１６Ｃｍ　ａ、厚さ０．４μｍである。本実
施例の第４・領域４５および第２領域４６はいずれもイ
オン打込み・によって形成した。なお、本光半導体装置
の動作・は前記第１実施例の場合と同様である。

第１実施例および第２実施例ではＩｎＰ系材料を・用い
て説明したが、光吸収領域であるｎ形ＩｎＧａＡｓ・層
１３および３３を禁止帯幅が小さいＧａＳｂ、禁止帯幅
。

が大きい領域あるいは中間層を組成制御したＧａ　　。

ＡＩ　Ｓｂ　Ａｓで形成した場合にも、本発明の本質は
変ｌ。

らない。また第１領域１５．３５をＩｎＰに化ツアー　
ＩｎＡ４Ａｓに変えた場合にも、本発明の本質は変らな
い。。

化合物半導体では、上記のように種々の材料的な。

組合わせが考えられるが、材料が変っても本発明。

の主旨は変らない。　　　　　　　　　　　　　　１゜
上記第１図および第３図では第４領域２５および。

４５を接合２６および４６の内側に形成することによつ
。

て、上記接合２６および４６の周辺部がガードリング。

効果を生じるということを述べたが、第４図の第。

３実施例および第５図の第４実施例に示すように、２゜
より完全なガードリング効果を発揮させるために、・接
合６６および８６の周辺部を、不純物濃度が低い傾・釘
型接合が形成されるように変化させた場合にお・いても
、本発明の本質には変りがない。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による光半導体装置は、禁・止帯幅
が大きい一方導電型の第１領域と、禁止帯・幅が大きい
他方導電型の第２領域と、禁止帯幅が。

小さい一方導電型の第３領域とからなる光半導体装置に
おいて、第１領域と第２領域とで接合を形、。

成し、第１領域内に、該第１領域より不純物濃度。

が大きい一方導電型の第４領域が形成されている。

ことにより、接合にかかる電界は禁止帯幅が大き。

い高濃度層によって降下するため、光吸収に関す。

る禁止帯幅が小さい領域の電界は軽減され、トン、。

ネル電流による暗電流の増加を防止することがで。

きる。また主接合部に較べてガードリング部の領。

域は低不純物濃度の厚い領域で形成されているた。

め、ガードリング部の電界が軽減され、接合周辺。

での降伏が防止できるので、安定ななだれ増倍作、。

・　１１　・用を実現することができる。さらになだれ増倍領・域は
不純物濃度が低く、禁止帯幅が大きい領域に、あり、か
つその厚さによって支配されるため、均・−な増倍作用
を得ることができる。

４、図面の簡単な説明　　　　　　　　　　　　５第１
図は本発明による光半導体装置の第１実施。

例を示す断面図、第２図は上記実施例の素子内部。

における電界分布を示す図、第３図は本発明の第。

２実施例を示す断面図、第４図は本発明の第３実。

雄側を示す断面図、第５図は本発明の第４実施例、。

を示す断面図、第６図は従来の光半導体装置の−。

例を示す断面図である。

１．３．１４．３３．３４．５３．５４．７３．７４・
・・第３領域１５・、　３５．５５．７５・・・第１領
域１６、３６．５６．７６・・・第２領域　　　　　　
　　　　、５２５、４．５．６５．８５・・・第４領域
２６、４６．６６、８６・・・接合代理人弁理士　中村純之助　　。

、１２・第１図１賛　　　　　厚第３図第４図第５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）禁止帯幅が大きい一方導電型の第１領域と、禁止
帯幅が大きい他方導電型の第２領域と、禁止帯幅が小さ
い一方導電型の第３領域とからなる光半導体装置におい
て、第１領域と第２領域とで接合を形成し、第１領域内
に、上記第１領域より不純物濃度が大きい一方導電型の
第４領域が形成されていることを特徴とする光半導体装
置。
（２）上記第４領域は、接合中央部の第２領域下にあり
、接合周辺部の第２領域下には存在しないことを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の光半導体装置。