光デバイス／受光素子

１４．超格子アバランシェフォトダイオード

　１μｍより長い波長帯用で過剰雑音の少ないアバランシェフォトダイオードを実現するために考案されたのが超格子アバランシェフォトダイオード（超格子ＡＰＤ）です。まず構造の具体例を図１４－１に示します(1)。ｎ型ＩｎＰ基板上にｎ型ＩｎＰ層、超格子層、ｐ型Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ層、ｐ型ＩｎＰ層が順に積層されています。この両面に電極を付けてｐｉｎ構造のフォトダイオードとしています。

　超格子層は薄いｎ型ＩｎＰ層（膜厚40ｎｍ）とｎ型Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ層（膜厚60ｎｍ）が各50層積層されています（図は実際の層数を示していません）。この素子は一般に超格子ＡＰＤと呼ばれます。

　この超格子層に逆バイアスをかけた状態のエネルギーバンド図が図１４－２に示されています。ＩｎＰに比べるとＩｎ_0,53Ｇａ_0,47ＡｓはバンドギャップエネルギーＥｇが小さいので図のようなバンド構造になります。ここで注目するのはこの２つの材料の伝導帯同士の差ΔＥｃと価電子帯同士の差ΔＥｖです。図のように両者は等しくなくΔＥｃの方が大きくなっています。これがなぜかというのは説明が難しく、材料の性質というしかありません。

　このような状態のとき、電子のイオン化の方が起きやすくなります。ＩｎＰの伝導帯にあった電子がＩｎＧａＡｓの伝導帯に落ちるとΔＥｃ分だけエネルギーが高い状態になります。このエネルギーが失われるまでは電子は通常より高速で移動し原子に衝突するので、イオン化はより起きやすくなります。

　正孔の方はΔＥｖが小さいので、ＩｎＧａＡｓ層内に入ってもエネルギーはそれほど高くなく、この違いによって超格子層内でのイオン化の割合は電子の方が高くなります。この違いによってＩｎＧａＡｓ単層で受光する場合より超格子を用いた場合の方が過剰雑音が減ることになります。これが超格子ＡＰＤの原理です。

　超格子の材料の組み合わせや構造はその後いろいろな工夫がなされています。例えば、Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ／ＧａＡｓやＩｎ_0.47Ｇａ_0.53Ａｓ／Ａｌ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓの組み合わせなどで、ΔＥｃとΔＥｖに差を出せることが示されています(2)。とくに後者のＩｎＧａＡｓとＡｌＩｎＡｓの組み合わせはその後よく使われるようになっています。

　ここで用いられる化合物半導体の超格子層はその構造としては他で量子井戸層と呼んでいるものを同じです。この２つの呼び方の区別には一応理由があります。超格子は２つないしそれ以上の物質が非常に小さい単位の結晶として繰り返し構造を作っているものを意味します。一方、量子井戸の方は構造的には超格子と同じですが、とくにエネルギー準位に着目し、伝導帯や価電子帯のエネルギーに現れる量子効果に着目する場合に使われます。ＡＰＤの場合は量子準位には関係がないので超格子層と呼ぶ方が適当と思われますが、量子井戸層と呼んでもまちがいではないでしょう。

(1)特開昭58-061679号

(2)特開平02-058276号

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