JP2001313415A - 受光装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＣバンドのみならずＬバンドにおいても実用
的な感度を有し、４０Ｇｂ／秒を超える高速の入力光信
号を検出できる受光素子を提供する。 【解決手段】 光吸収層としてＳｉＧｅＣ混晶を使い、
Ｓｉよりなるキャリア増倍層と組み合わせてアバランシ
ェフォトダイオードを構成する。
的な感度を有し、４０Ｇｂ／秒を超える高速の入力光信
号を検出できる受光素子を提供する。 【解決手段】 光吸収層としてＳｉＧｅＣ混晶を使い、
Ｓｉよりなるキャリア増倍層と組み合わせてアバランシ
ェフォトダイオードを構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に光半導体装置
に係り、特に高速受光装置に関する。
に係り、特に高速受光装置に関する。
【０００２】アバランシェフォトダイオードは光ファイ
バ通信網において受光装置として使われている。特にＩ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバランシェフォトダイオード
は、１０Ｇｂ／秒の伝送速度に対応可能で、基幹系光フ
ァイバ通信網において、高速受光装置として重要であ
る。
バ通信網において受光装置として使われている。特にＩ
ｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバランシェフォトダイオード
は、１０Ｇｂ／秒の伝送速度に対応可能で、基幹系光フ
ァイバ通信網において、高速受光装置として重要であ
る。
【０００３】かかるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバラン
シェフォトダイオードでは、光吸収層としてＩｎＰ基板
に対して格子整合するＩｎＧａＡｓ層が使われるが、Ｉ
ｎＧａＡｓ層は光ファイバの伝送損失が最小となる１．
５５μｍ帯の波長において受光感度を有し、光ファイバ
通信網における受光装置として好適である。また、かか
るＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバランシェフォトダイオ
ードでは、ＩｎＰよりなるキャリア増倍層中にＳＡＭ
（separated absorption and multiplication）構造を
形成することにより、光吸収層中におけるキャリアの走
行時間を減少させることが可能である。この結果、フォ
トダイオードの応答速度が向上する。
シェフォトダイオードでは、光吸収層としてＩｎＰ基板
に対して格子整合するＩｎＧａＡｓ層が使われるが、Ｉ
ｎＧａＡｓ層は光ファイバの伝送損失が最小となる１．
５５μｍ帯の波長において受光感度を有し、光ファイバ
通信網における受光装置として好適である。また、かか
るＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバランシェフォトダイオ
ードでは、ＩｎＰよりなるキャリア増倍層中にＳＡＭ
（separated absorption and multiplication）構造を
形成することにより、光吸収層中におけるキャリアの走
行時間を減少させることが可能である。この結果、フォ
トダイオードの応答速度が向上する。
【０００４】
【従来の技術】図１（Ａ），（Ｂ）は、従来のＩｎＧａ
Ａｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォトダイオード１０のそ
れぞれ断面図およびバンド構造図を示す。
Ａｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォトダイオード１０のそ
れぞれ断面図およびバンド構造図を示す。
【０００５】図１（Ａ）を参照するに、ｎ+型ＩｎＰ基
板１１上にはｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２がエピタキ
シャルに形成され、さらに前記光吸収層１２上にはｎ-
型のＩｎＰ光増倍層１３がエピタキシャルに形成され
る。さらに前記光増倍層１３上にはｐ型のＩｎＰバイア
ス層１４が形成され、前記バイアス層１４中には入射光
の経路を囲むように、ｐ+型ＩｎＰよりなるガードリン
グ１４Ａが形成されている。
板１１上にはｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２がエピタキ
シャルに形成され、さらに前記光吸収層１２上にはｎ-
型のＩｎＰ光増倍層１３がエピタキシャルに形成され
る。さらに前記光増倍層１３上にはｐ型のＩｎＰバイア
ス層１４が形成され、前記バイアス層１４中には入射光
の経路を囲むように、ｐ+型ＩｎＰよりなるガードリン
グ１４Ａが形成されている。
【０００６】動作時には、前記ＩｎＰ基板１１とガード
リング１４Ａとの間になだれ降伏点近傍の逆バイアス電
圧が印加され、前記光吸収層１２中に前記入射光によ
り、電子とホールが励起される。
リング１４Ａとの間になだれ降伏点近傍の逆バイアス電
圧が印加され、前記光吸収層１２中に前記入射光によ
り、電子とホールが励起される。
【０００７】励起された電子は前記ＩｎＰ基板１１上の
電極において吸収されるが、ホールは前記光増倍層１２
中を、逆バイアス電圧が形成する電界により加速されな
がら前記バイアス層１４へと輸送される。その際、前記
光増倍層１３中を流れるホールは前記光増倍層１３中に
おいて電界により加速され、衝突電離により電子・ホー
ル対を生成し、これを繰り返す。その結果前記光増倍層
１３中においてキャリアの増倍が生じる。
電極において吸収されるが、ホールは前記光増倍層１２
中を、逆バイアス電圧が形成する電界により加速されな
がら前記バイアス層１４へと輸送される。その際、前記
光増倍層１３中を流れるホールは前記光増倍層１３中に
おいて電界により加速され、衝突電離により電子・ホー
ル対を生成し、これを繰り返す。その結果前記光増倍層
１３中においてキャリアの増倍が生じる。
【０００８】アバランシェフォトダイオードは、このよ
うになだれ降伏点近傍にバイアスされて使用されるため
光電流に対して利得を生じ、その結果、後段において光
信号を処理するプリアンプの負荷を軽減することができ
る。このような理由から、図１のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ
系アバランシェフォトダイオード１０は、１０Ｇｂ／秒
の伝送速度の光ファイバ通信網において、高速受光装置
として一般的に使われている。
うになだれ降伏点近傍にバイアスされて使用されるため
光電流に対して利得を生じ、その結果、後段において光
信号を処理するプリアンプの負荷を軽減することができ
る。このような理由から、図１のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ
系アバランシェフォトダイオード１０は、１０Ｇｂ／秒
の伝送速度の光ファイバ通信網において、高速受光装置
として一般的に使われている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】図２（Ａ）は、かかる
アバランシェフォトダイオードを受光素子として使った
光ファイバ通信網の概略的な構成を示す。
アバランシェフォトダイオードを受光素子として使った
光ファイバ通信網の概略的な構成を示す。
【００１０】図２（Ａ）を参照するに、音声データや画
像データを含むデータ２１が電気信号２２に変換され、
さらにレーザダイオード２３が前記電気信号により変調
された光信号を形成する。前記光信号は光ファイバ２４
中に注入され、伝送される。前記光ファイバ２４中を伝
送された光信号はアバランシェフォトダイオードよりな
る受光素子２５により検出され、復調された電気信号２
６から前記音声や画像を含むデータ２１が、再生データ
２７として再生される。
像データを含むデータ２１が電気信号２２に変換され、
さらにレーザダイオード２３が前記電気信号により変調
された光信号を形成する。前記光信号は光ファイバ２４
中に注入され、伝送される。前記光ファイバ２４中を伝
送された光信号はアバランシェフォトダイオードよりな
る受光素子２５により検出され、復調された電気信号２
６から前記音声や画像を含むデータ２１が、再生データ
２７として再生される。
【００１１】ところで前記光ファイバ２４は図２（Ｂ）
に示す伝送特性を有しており、従来は光信号の伝送が、
波長が１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲のいわゆるＣ
バンドにおいて、１０Ｇｂ／秒の伝送速度で行われるの
が一般的であった。
に示す伝送特性を有しており、従来は光信号の伝送が、
波長が１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲のいわゆるＣ
バンドにおいて、１０Ｇｂ／秒の伝送速度で行われるの
が一般的であった。
【００１２】これに対し、最近ではインターネットに代
表されるデジタル通信の普及の結果、トラヒックの増大
が生じており、その結果さらに波長が１５７０ｎｍから
１６１０ｎｍのいわゆるＬバンドをも光信号の伝送に使
わざるを得ない状況が生じている。
表されるデジタル通信の普及の結果、トラヒックの増大
が生じており、その結果さらに波長が１５７０ｎｍから
１６１０ｎｍのいわゆるＬバンドをも光信号の伝送に使
わざるを得ない状況が生じている。
【００１３】しかし、この波長範囲では、ＩｎＰ基板１
１に格子整合するＩｎＧａＡｓ光吸収層１２の基礎吸収
端が室温で１．６３μｍ（０．７６ｅＶ）であることか
ら、従来よりＣバンドにおける１０Ｇｂ／秒の光信号の
検出に使われていたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバラン
シェフォトダイオードでは、十分な感度を得ることがで
きない。このため、Ｌバンドにおいて前記１０Ｇｂ／秒
の光信号検出を行うには、後段に高利得のプリアンプを
設けざるを得ない問題が生じていた。
１に格子整合するＩｎＧａＡｓ光吸収層１２の基礎吸収
端が室温で１．６３μｍ（０．７６ｅＶ）であることか
ら、従来よりＣバンドにおける１０Ｇｂ／秒の光信号の
検出に使われていたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバラン
シェフォトダイオードでは、十分な感度を得ることがで
きない。このため、Ｌバンドにおいて前記１０Ｇｂ／秒
の光信号検出を行うには、後段に高利得のプリアンプを
設けざるを得ない問題が生じていた。
【００１４】さらに、前記光信号の帯域の拡張と同時
に、かかるトラヒックの増大に対処する手段として、光
信号の伝送速度を従来の１０Ｇｂ／秒から４０Ｇｂ／秒
へと増大させることも検討されているが、光信号の伝送
速度が４０Ｇｂ／秒へと増大した場合には、ＩｎＰのイ
オン化率比が小さいことに起因して、アバランシェ立ち
上がり時間（avalanche build-up time）を十分に減少
させることができない問題点が生じる。アバランシェ立
ち上がり時間の逆数はイオン化率比に比例する。ＩｎＰ
のイオン化率比は、実用的な電界強度（６〜７×１０5
Ｖ／ｃｍ）において１．５程度に過ぎない。
に、かかるトラヒックの増大に対処する手段として、光
信号の伝送速度を従来の１０Ｇｂ／秒から４０Ｇｂ／秒
へと増大させることも検討されているが、光信号の伝送
速度が４０Ｇｂ／秒へと増大した場合には、ＩｎＰのイ
オン化率比が小さいことに起因して、アバランシェ立ち
上がり時間（avalanche build-up time）を十分に減少
させることができない問題点が生じる。アバランシェ立
ち上がり時間の逆数はイオン化率比に比例する。ＩｎＰ
のイオン化率比は、実用的な電界強度（６〜７×１０5
Ｖ／ｃｍ）において１．５程度に過ぎない。
【００１５】このような事情で、従来はＣバンドにおい
て４０Ｇｂ／秒の光信号を処理しようとすると、光増幅
器にＰＩＮダイオードを組み合わせ、さらに前記ＰＩＮ
ダイオードの出力信号をプリアンプにより増幅する構成
を採用する必要があったが、かかる構成は複雑であり、
費用が増大してしまう問題が避けられない。
て４０Ｇｂ／秒の光信号を処理しようとすると、光増幅
器にＰＩＮダイオードを組み合わせ、さらに前記ＰＩＮ
ダイオードの出力信号をプリアンプにより増幅する構成
を採用する必要があったが、かかる構成は複雑であり、
費用が増大してしまう問題が避けられない。
【００１６】さらに、従来は、Ｌバンドにおいて４０Ｇ
ｂ／秒の光信号を処理する実用的な手段が知られていな
かった。
ｂ／秒の光信号を処理する実用的な手段が知られていな
かった。
【００１７】そこで、本発明は上記の課題を解決した新
規で有用な高速受光素子を提供することを概括的課題と
する。
規で有用な高速受光素子を提供することを概括的課題と
する。
【００１８】本発明のより具体的な課題は、光信号のＬ
バンドに対して十分な感度を有し、同時にイオン化率比
の大きい光吸収層を有する受光素子を提供することにあ
る。
バンドに対して十分な感度を有し、同時にイオン化率比
の大きい光吸収層を有する受光素子を提供することにあ
る。
【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を、
受光装置の光吸収層としてＳｉ、ＧｅおよびＣを含む混
晶、例えばＳｉＧｅＣ系の混晶、あるいはＳｉＧｅＣＳ
ｎ系の混晶を使うことにより解決する。このようなＳ
ｉ、ＧｅおよびＣを含む混晶を使うことにより、前記光
吸収層のバンドギャップが縮小し、受光措置はＬバンド
の長波長に対しても十分な感度を示す。また前記混晶は
Ｃを原子比で３％以上含む場合、直接遷移型のバンド構
造を示す。かかる光吸収層を使うことにより、Ｌバンド
の波長に対して十分な感度を有するアバランシェフォト
ダイオードあるいはＰＩＮダイオードを構成できる。
受光装置の光吸収層としてＳｉ、ＧｅおよびＣを含む混
晶、例えばＳｉＧｅＣ系の混晶、あるいはＳｉＧｅＣＳ
ｎ系の混晶を使うことにより解決する。このようなＳ
ｉ、ＧｅおよびＣを含む混晶を使うことにより、前記光
吸収層のバンドギャップが縮小し、受光措置はＬバンド
の長波長に対しても十分な感度を示す。また前記混晶は
Ｃを原子比で３％以上含む場合、直接遷移型のバンド構
造を示す。かかる光吸収層を使うことにより、Ｌバンド
の波長に対して十分な感度を有するアバランシェフォト
ダイオードあるいはＰＩＮダイオードを構成できる。
【００１９】特に本発明の受光装置によりアバランシェ
フォトダイオードを構成する場合、光増倍層にイオン化
率比の大きいＳｉを使うのが好ましい。光増倍層にＳｉ
を使うことによりアバランシェ立ち上がり時間が大きく
減少し、応答特性が向上する。その結果、本発明による
アバランシェフォトダイオードはＣバンドのみならずＬ
バンド波長においても、４０Ｇｂ／秒の速度で伝送され
る光信号を検出することが可能になる。
フォトダイオードを構成する場合、光増倍層にイオン化
率比の大きいＳｉを使うのが好ましい。光増倍層にＳｉ
を使うことによりアバランシェ立ち上がり時間が大きく
減少し、応答特性が向上する。その結果、本発明による
アバランシェフォトダイオードはＣバンドのみならずＬ
バンド波長においても、４０Ｇｂ／秒の速度で伝送され
る光信号を検出することが可能になる。
【００２０】また、本発明の受光装置により、ＰＩＮダ
イオードを構成した場合には、利得はないものの、９０
Ｇｈｚ帯域の非常に高速の動作が可能になる。
イオードを構成した場合には、利得はないものの、９０
Ｇｈｚ帯域の非常に高速の動作が可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】［第１実施例］図３（Ａ），
（Ｂ）は、本発明の第１実施例によるアバランシェフォ
トダイオード３０の構成を示すそれぞれ平面図および断
面図である。
（Ｂ）は、本発明の第１実施例によるアバランシェフォ
トダイオード３０の構成を示すそれぞれ平面図および断
面図である。
【００２２】先に図３（Ｂ）の断面図を参照するに、ｐ
+型にドープされたＳｉ基板３１の（００１）面上には
キャリア密度が典型的には５×１０18ｃｍ-3のｐ+型Ｓ
ｉバッファ層３１Ａが約２００ｎｍの厚さでエピタキシ
ャルに形成され、さらに前記バッファ層３１Ａ上にはｐ
型のＳｉＧｅＣ混晶層３２が約５００ｎｍの厚さでエピ
タキシャルに形成される。
+型にドープされたＳｉ基板３１の（００１）面上には
キャリア密度が典型的には５×１０18ｃｍ-3のｐ+型Ｓ
ｉバッファ層３１Ａが約２００ｎｍの厚さでエピタキシ
ャルに形成され、さらに前記バッファ層３１Ａ上にはｐ
型のＳｉＧｅＣ混晶層３２が約５００ｎｍの厚さでエピ
タキシャルに形成される。
【００２３】前記ＳｉＧｅＣ混晶層３２は典型的にはキ
ャリア密度が約１０18ｃｍ-3程度となるようにＢでドー
プされ、例えばＣを原子比で４％程度、Ｇｅを原子比で
３２％程度含み、Ｓｉ基板３１に対して実質的に格子整
合する。
ャリア密度が約１０18ｃｍ-3程度となるようにＢでドー
プされ、例えばＣを原子比で４％程度、Ｇｅを原子比で
３２％程度含み、Ｓｉ基板３１に対して実質的に格子整
合する。
【００２４】前記ＳｉＧｅＣ混晶層３２上にはｐ型Ｓｉ
ＧｅＣ混晶よりなる組成傾斜層３３が約５０ｎｍの厚さ
でエピタキシャルに形成される。前記組成傾斜層３３は
典型的には１０17ｃｍ-3程度のキャリア密度にドープさ
れ、Ｃの原子比濃度が組成傾斜層３３の下側主面、すな
わち前記ＳｉＧｅＣ混晶層３２との界面における４％の
値から、反対側の上側主面における０％の値まで、徐々
に変化する。同様に、前記組成傾斜層３３中においては
Ｇｅの原子比濃度の値も下側主面から上側主面までの間
で、３２％から０％まで徐々に変化する。ただし、前記
組成傾斜層３３中の各点においてＣおよびＧｅ濃度は、
組成傾斜層３３とＳｉ基板３１との間に格子整合が成立
するように設定される。
ＧｅＣ混晶よりなる組成傾斜層３３が約５０ｎｍの厚さ
でエピタキシャルに形成される。前記組成傾斜層３３は
典型的には１０17ｃｍ-3程度のキャリア密度にドープさ
れ、Ｃの原子比濃度が組成傾斜層３３の下側主面、すな
わち前記ＳｉＧｅＣ混晶層３２との界面における４％の
値から、反対側の上側主面における０％の値まで、徐々
に変化する。同様に、前記組成傾斜層３３中においては
Ｇｅの原子比濃度の値も下側主面から上側主面までの間
で、３２％から０％まで徐々に変化する。ただし、前記
組成傾斜層３３中の各点においてＣおよびＧｅ濃度は、
組成傾斜層３３とＳｉ基板３１との間に格子整合が成立
するように設定される。
【００２５】前記組成傾斜層３３上には、キャリア密度
が１０14ｃｍ-3のｐ−型Ｓｉよりなるキャリア増倍層３
４が約７００ｎｍの厚さでエピタキシャルに形成され、
さらに前記キャリア増倍層３４の表面部分には、入射光
の経路３７Ａに対応してｎ+型領域３５が、約２００ｎ
ｍの深さに形成される。すなわち、キャリア増倍層３４
は、前記ｎ+型領域３５の直下では、約５００ｎｍの厚
さｗを有する。
が１０14ｃｍ-3のｐ−型Ｓｉよりなるキャリア増倍層３
４が約７００ｎｍの厚さでエピタキシャルに形成され、
さらに前記キャリア増倍層３４の表面部分には、入射光
の経路３７Ａに対応してｎ+型領域３５が、約２００ｎ
ｍの深さに形成される。すなわち、キャリア増倍層３４
は、前記ｎ+型領域３５の直下では、約５００ｎｍの厚
さｗを有する。
【００２６】前記ｎ+型領域３５は、前記キャリア増倍
層３４中に形成されたｎ+型のガードリング３５Ａで囲
まれ、前記ガードリング３５Ａには、前記増倍層３４の
表面を覆うＳｉＯ2保護膜３６中に形成された開口部を
介して、図３（Ａ）の平面図に示すように入射光経路３
７Ａを囲むように形成されたＡｌ等よりなる電極３７が
コンタクトする。必要があればシリサイドを用いてもよ
い。また、前記Ｓｉ基板３１の下面上にも別の電極３８
が形成される。
層３４中に形成されたｎ+型のガードリング３５Ａで囲
まれ、前記ガードリング３５Ａには、前記増倍層３４の
表面を覆うＳｉＯ2保護膜３６中に形成された開口部を
介して、図３（Ａ）の平面図に示すように入射光経路３
７Ａを囲むように形成されたＡｌ等よりなる電極３７が
コンタクトする。必要があればシリサイドを用いてもよ
い。また、前記Ｓｉ基板３１の下面上にも別の電極３８
が形成される。
【００２７】前記Ｓｉバッファ層３１ＡあるいはＳｉ増
倍層３４は、ＳｉＨ4を気相原料とし、ｐ型ドーパント
ガスとしてＢ２Ｈ６を使った通常のＣＶＤ法により形成
できる。一方、前記ＳｉＧｅＣ混晶よりなる吸収層３２
あるいは組成傾斜層３３は、前記ＳｉＨ4の他にＧｅＨ4
およびＳｉＨ3ＣＨ3をそれぞれＧｅおよびＣの気相原料
として使ったＣＶＤ法により形成できる。また、前記ｎ
+型領域３５およびガードリング３５ＡはＡｓ+あるいは
Ｐ+のイオン注入により形成すればよい。前記ＳｉＧｅ
Ｃ混晶層３２，３３は、ＭＢＥ法により形成することも
可能である。
倍層３４は、ＳｉＨ4を気相原料とし、ｐ型ドーパント
ガスとしてＢ２Ｈ６を使った通常のＣＶＤ法により形成
できる。一方、前記ＳｉＧｅＣ混晶よりなる吸収層３２
あるいは組成傾斜層３３は、前記ＳｉＨ4の他にＧｅＨ4
およびＳｉＨ3ＣＨ3をそれぞれＧｅおよびＣの気相原料
として使ったＣＶＤ法により形成できる。また、前記ｎ
+型領域３５およびガードリング３５ＡはＡｓ+あるいは
Ｐ+のイオン注入により形成すればよい。前記ＳｉＧｅ
Ｃ混晶層３２，３３は、ＭＢＥ法により形成することも
可能である。
【００２８】さらに前記ｎ+型領域３５は、ＡｓやＰを
ドープしたＳｉ層の堆積により、あるいはＰＳＧ膜等、
Ｐを含むガラス層を前記Ｓｉ増倍層３４上に堆積し、か
かるガラス層からのＰの拡散により形成することもでき
る。
ドープしたＳｉ層の堆積により、あるいはＰＳＧ膜等、
Ｐを含むガラス層を前記Ｓｉ増倍層３４上に堆積し、か
かるガラス層からのＰの拡散により形成することもでき
る。
【００２９】図４は、図３（Ａ），（Ｂ）のアバランシ
ェフォトダイオードのバンド構造図を、アバランシェ降
伏点近傍の逆バイアス電圧を印加した状態について示
す。
ェフォトダイオードのバンド構造図を、アバランシェ降
伏点近傍の逆バイアス電圧を印加した状態について示
す。
【００３０】図４を参照するに、前記入射光経路３７Ａ
を通って前記ＳｉＧｅＣ光吸収層３２に到達した入射光
は電子とホールの励起を生じるが、励起されたホールは
直ちにＳｉ基板３１を通って電極３８に吸収される。
を通って前記ＳｉＧｅＣ光吸収層３２に到達した入射光
は電子とホールの励起を生じるが、励起されたホールは
直ちにＳｉ基板３１を通って電極３８に吸収される。
【００３１】一方、電子の方は組成傾斜層３３を経て前
記キャリア増倍層３４に注入され、前記キャリア増倍層
３４中に形成された強い電界により加速されながら、前
記ｎ +型領域３５に向かって輸送される。その際、前記
電子は前記キャリア増倍層３４中において衝突電離によ
り電子・ホール対を生成し、それを繰り返す。その結
果、キャリアの増倍が生じる。
記キャリア増倍層３４に注入され、前記キャリア増倍層
３４中に形成された強い電界により加速されながら、前
記ｎ +型領域３５に向かって輸送される。その際、前記
電子は前記キャリア増倍層３４中において衝突電離によ
り電子・ホール対を生成し、それを繰り返す。その結
果、キャリアの増倍が生じる。
【００３２】図５は、室温におけるＳｉＧｅＣ系混晶の
バンドギャップとＣ濃度との関係を示す。
バンドギャップとＣ濃度との関係を示す。
【００３３】図５を参照するに、ＳｉＧｅＣ系混晶のバ
ンドギャップはＳｉ端成分においては周知の通り１．１
２ｅＶの値を有するが、Ｃ濃度が原子比で３％を超えた
あたりから急減し、Ｃ濃度が３．７％で約０．７６ｅＶ
（１．６３μｍ）まで減少する。Ｃ濃度がさらに減少す
ると、バンドギャップはさらに減少し、これに伴ってＳ
ｉＧｅＣ系混晶よりなる前記光吸収層３２の基礎吸収端
も、１．６３μｍよりも長波長側にシフトする。すなわ
ち、Ｃ濃度が原子比で３．７％以上のＳｉＧｅＣ混晶を
光吸収層３２として使うことにより、先に図２で説明し
たＬバンドに対して感度を有するアバランシェフォトダ
イオードを形成することが可能である。図６は、ＳｉＧ
ｅＣ系混晶のバンド構造図を示す。ただし、図６のバン
ド構造では、Ｃ濃度を原子比で３．１％に設定してあ
り、ＳｉＧｅＣ系混晶は全体としてＳｉに格子整合する
組成を有している。
ンドギャップはＳｉ端成分においては周知の通り１．１
２ｅＶの値を有するが、Ｃ濃度が原子比で３％を超えた
あたりから急減し、Ｃ濃度が３．７％で約０．７６ｅＶ
（１．６３μｍ）まで減少する。Ｃ濃度がさらに減少す
ると、バンドギャップはさらに減少し、これに伴ってＳ
ｉＧｅＣ系混晶よりなる前記光吸収層３２の基礎吸収端
も、１．６３μｍよりも長波長側にシフトする。すなわ
ち、Ｃ濃度が原子比で３．７％以上のＳｉＧｅＣ混晶を
光吸収層３２として使うことにより、先に図２で説明し
たＬバンドに対して感度を有するアバランシェフォトダ
イオードを形成することが可能である。図６は、ＳｉＧ
ｅＣ系混晶のバンド構造図を示す。ただし、図６のバン
ド構造では、Ｃ濃度を原子比で３．１％に設定してあ
り、ＳｉＧｅＣ系混晶は全体としてＳｉに格子整合する
組成を有している。
【００３４】図６よりわかるように、ＳｉＧｅＣ系混晶
はＣを原子比で３．１％あるいはそれ以上含んでいる場
合、直接遷移型のバンド構造を有する。このことは、Ｃ
を原子比で３．１％以上、例えば４％含むＳｉＧｅＣ系
混晶を図３（Ａ），（Ｂ）のアバランシェフォトダイオ
ード３０において前記光吸収層３２として使った場合、
光吸収層３２中におけるキャリアの励起がフォノンの介
在を必要とせず、直接的かつ効率的に生じることを示し
ている。このように、前記光吸収層３２中においてはキ
ャリアの光励起が効率的に生じるため、前記アバランシ
ェフォトダイオード３０では光吸収層３２の厚さを減少
させることができる。光吸収層３２の厚さが減少する
と、光励起キャリアが前記光吸収層３２中を通過するに
要する走行時間が減少し、アバランシェフォトダイオー
ド３０の応答速度が向上する。
はＣを原子比で３．１％あるいはそれ以上含んでいる場
合、直接遷移型のバンド構造を有する。このことは、Ｃ
を原子比で３．１％以上、例えば４％含むＳｉＧｅＣ系
混晶を図３（Ａ），（Ｂ）のアバランシェフォトダイオ
ード３０において前記光吸収層３２として使った場合、
光吸収層３２中におけるキャリアの励起がフォノンの介
在を必要とせず、直接的かつ効率的に生じることを示し
ている。このように、前記光吸収層３２中においてはキ
ャリアの光励起が効率的に生じるため、前記アバランシ
ェフォトダイオード３０では光吸収層３２の厚さを減少
させることができる。光吸収層３２の厚さが減少する
と、光励起キャリアが前記光吸収層３２中を通過するに
要する走行時間が減少し、アバランシェフォトダイオー
ド３０の応答速度が向上する。
【００３５】図７は、ＳｉＧｅＣ混晶層をＳｉ基板上に
形成したＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系におけるイオン化率とイオ
ン化率比の関係を示す。ただし図７中、縦軸はイオン化
率比κを、横軸はイオン化率を示す。図７中には、比較
のため、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ層を形成したＩｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＰ系のイオン化率およびイオン化率比を
も示す。
形成したＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系におけるイオン化率とイオ
ン化率比の関係を示す。ただし図７中、縦軸はイオン化
率比κを、横軸はイオン化率を示す。図７中には、比較
のため、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ層を形成したＩｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＰ系のイオン化率およびイオン化率比を
も示す。
【００３６】図７を参照するに、同じイオン化率におい
てＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系のイオン化率比はＩｎＧａＡｓ／
ＩｎＰ系のイオン化率比よりもはるかに大きく、例えば
４．５×１０4ｃｍ-1のイオン化率においてＩｎＧａＡ
ｓ／ＩｎＰ系においてはイオン化率比が１．４程度（６
×１０5Ｖ／ｃｍ）であるのに対し、ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ
系のイオン化率比は６（４×１０5Ｖｃｍ）程度に達す
る。
てＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系のイオン化率比はＩｎＧａＡｓ／
ＩｎＰ系のイオン化率比よりもはるかに大きく、例えば
４．５×１０4ｃｍ-1のイオン化率においてＩｎＧａＡ
ｓ／ＩｎＰ系においてはイオン化率比が１．４程度（６
×１０5Ｖ／ｃｍ）であるのに対し、ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ
系のイオン化率比は６（４×１０5Ｖｃｍ）程度に達す
る。
【００３７】一般に、アバランシェフォトダイオードの
応答速度は、時定数τで表した場合、 τ=Ｍτm+τa+τCR １／τm＝Ｎ（κ）・κ・ｖm／ｗ τa＝ｔ／ｖa で与えられる。ただし、Ｍは増倍率、τmはアバランシ
ェ立ち上がり時間、τaは光吸収層３２中を光励起キャ
リアが横切る際のキャリア走行時間、τCRは素子時定数
であり、ｗはキャリア増倍層３４の厚さ、ｖmは前記キ
ャリア増倍層３４中におけるキャリアのドリフト速度、
ｔは光吸収層３２の厚さ、ｖaは前記光吸収層３２中に
おけるキャリアのドリフト速度、κはキャリア増倍層３
４のイオン化率比、Ｎ（κ）はκに鈍感な関数で、κ＝
１でＮ＝１／３，κ＝１０００でＮ＝２（ただしκ＞１
となるように定義した）である。Emmons，R. B., J. Ap
ply. Phys. vol.38, 1967, pp.3705を参照。時定数τが
短ければ短いほど、アバランシェフォトダイオード３０
の応答速度ないし動作帯域は大きくなる。
応答速度は、時定数τで表した場合、 τ=Ｍτm+τa+τCR １／τm＝Ｎ（κ）・κ・ｖm／ｗ τa＝ｔ／ｖa で与えられる。ただし、Ｍは増倍率、τmはアバランシ
ェ立ち上がり時間、τaは光吸収層３２中を光励起キャ
リアが横切る際のキャリア走行時間、τCRは素子時定数
であり、ｗはキャリア増倍層３４の厚さ、ｖmは前記キ
ャリア増倍層３４中におけるキャリアのドリフト速度、
ｔは光吸収層３２の厚さ、ｖaは前記光吸収層３２中に
おけるキャリアのドリフト速度、κはキャリア増倍層３
４のイオン化率比、Ｎ（κ）はκに鈍感な関数で、κ＝
１でＮ＝１／３，κ＝１０００でＮ＝２（ただしκ＞１
となるように定義した）である。Emmons，R. B., J. Ap
ply. Phys. vol.38, 1967, pp.3705を参照。時定数τが
短ければ短いほど、アバランシェフォトダイオード３０
の応答速度ないし動作帯域は大きくなる。
【００３８】上式は、アバランシェフォトダイオードの
応答速度を決定している要因が、アバランシェ立ち上が
り時間τm、キャリア走行時間τa、および素子時定数τ
CRであることを示している。素子時定数τCRは素子構造
を最適化することにより０．８ｐｓ以下に減少させるこ
とができるので、実際にアバランシェフォトダイオード
の応答速度を決定、ないし制限している要因は、主とし
てアバランシェ立ち上がり時間τmおよびキャリア走行
時間τaであることがわかる。
応答速度を決定している要因が、アバランシェ立ち上が
り時間τm、キャリア走行時間τa、および素子時定数τ
CRであることを示している。素子時定数τCRは素子構造
を最適化することにより０．８ｐｓ以下に減少させるこ
とができるので、実際にアバランシェフォトダイオード
の応答速度を決定、ないし制限している要因は、主とし
てアバランシェ立ち上がり時間τmおよびキャリア走行
時間τaであることがわかる。
【００３９】このうち、アバランシェ立ち上がり時間τ
mは上式より、キャリア増倍層３４のイオン化率比κを
増大させ、またキャリアのドリフト速度ｖmを増大させ
ることにより減少できることがわかる。例えば図３
（Ａ），（Ｂ）に示す、キャリア増倍層３４としてＳｉ
を使った本発明実施例によるアバランシェフォトダイオ
ードでは、キャリア増倍層３４のイオン化率比κがＩｎ
Ｐを使った場合の４．３倍（６／１．４）に増大し、さ
らにドリフト速度ｖmも高電界下、すなわち電界強度が
４〜６×１０5Ｖ／ｃｍ程度の範囲では１．０５×１０7
ｃｍ／秒と、ＩｎＰの場合の０．８６×１０7ｃｍ／秒
よりも実質的に増大する。その結果、アバランシェ立ち
上がり時間τmがＩｎＰキャリア増倍層を有する図１の
アバランシェフォトダイオードの場合よりも５分の一以
下に減少する。ただし、キャリア増倍層３４中における
キャリアのドリフト速度ｖmは、電子のドリフト速度と
ホールのドリフト速度の平均値で与えられる。
mは上式より、キャリア増倍層３４のイオン化率比κを
増大させ、またキャリアのドリフト速度ｖmを増大させ
ることにより減少できることがわかる。例えば図３
（Ａ），（Ｂ）に示す、キャリア増倍層３４としてＳｉ
を使った本発明実施例によるアバランシェフォトダイオ
ードでは、キャリア増倍層３４のイオン化率比κがＩｎ
Ｐを使った場合の４．３倍（６／１．４）に増大し、さ
らにドリフト速度ｖmも高電界下、すなわち電界強度が
４〜６×１０5Ｖ／ｃｍ程度の範囲では１．０５×１０7
ｃｍ／秒と、ＩｎＰの場合の０．８６×１０7ｃｍ／秒
よりも実質的に増大する。その結果、アバランシェ立ち
上がり時間τmがＩｎＰキャリア増倍層を有する図１の
アバランシェフォトダイオードの場合よりも５分の一以
下に減少する。ただし、キャリア増倍層３４中における
キャリアのドリフト速度ｖmは、電子のドリフト速度と
ホールのドリフト速度の平均値で与えられる。
【００４０】また図３（Ａ），（Ｂ）の本発明実施例に
よるアバランシェフォトダイオードでは、ＳｉＧｅＣよ
りなる光吸収層３２における光励起電子の有効質量が、
前記光吸収層３２がＩｎＧａＡｓよりなる場合よりも実
質的に大きいため前記光励起電子は、前記光吸収層３２
中に大きな電界強度が形成されてもホットエレクトロン
を形成しにくい。このため、本発明によるアバランシェ
フォトダイオードでは、前記光吸収層３２中における電
界強度を増大させて光励起電子のドリフト速度ｖaを増
大させることが可能である。これに対し、図３（Ａ），
（Ｂ）のアバランシェフォトダイオードにおいて仮にＩ
ｎＧａＡｓを光吸収層３２として使った場合には、電子
の有効質量ｍ*がＩｎＧａＡｓ中においては０．０４２
ｍ0と非常に小さいため光吸収層３２中においてわずか
な電界強度でもホットキャリアが形成されやすく、光吸
収層３２中においてホットエレクトロンの衝突によりイ
オン化が生じやすい。このためドリフト速度ｖaを増大
させることが困難で、キャリア走行時間τaを減少させ
ることが困難であった。
よるアバランシェフォトダイオードでは、ＳｉＧｅＣよ
りなる光吸収層３２における光励起電子の有効質量が、
前記光吸収層３２がＩｎＧａＡｓよりなる場合よりも実
質的に大きいため前記光励起電子は、前記光吸収層３２
中に大きな電界強度が形成されてもホットエレクトロン
を形成しにくい。このため、本発明によるアバランシェ
フォトダイオードでは、前記光吸収層３２中における電
界強度を増大させて光励起電子のドリフト速度ｖaを増
大させることが可能である。これに対し、図３（Ａ），
（Ｂ）のアバランシェフォトダイオードにおいて仮にＩ
ｎＧａＡｓを光吸収層３２として使った場合には、電子
の有効質量ｍ*がＩｎＧａＡｓ中においては０．０４２
ｍ0と非常に小さいため光吸収層３２中においてわずか
な電界強度でもホットキャリアが形成されやすく、光吸
収層３２中においてホットエレクトロンの衝突によりイ
オン化が生じやすい。このためドリフト速度ｖaを増大
させることが困難で、キャリア走行時間τaを減少させ
ることが困難であった。
【００４１】このように、本発明実施例によるアバラン
シェフォトダイオードは、光吸収層３２およびキャリア
増倍層３４にそれぞれＳｉＧｅＣ混晶およびＳｉを使う
ことにより、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォ
トダイオードよりも大きな帯域で動作が可能になる。す
なわち前記時定数τから関係ｆ＝１／（２πτ）により
求められるアバランシェフォトダイオードの動作限界帯
域ｆは５６ＧＨｚ以上となり、Ｌバンド帯域における４
０Ｇｂ／秒の速度での動作を実現することが可能にな
る。
シェフォトダイオードは、光吸収層３２およびキャリア
増倍層３４にそれぞれＳｉＧｅＣ混晶およびＳｉを使う
ことにより、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォ
トダイオードよりも大きな帯域で動作が可能になる。す
なわち前記時定数τから関係ｆ＝１／（２πτ）により
求められるアバランシェフォトダイオードの動作限界帯
域ｆは５６ＧＨｚ以上となり、Ｌバンド帯域における４
０Ｇｂ／秒の速度での動作を実現することが可能にな
る。
【００４２】なお、先にも説明したように、前記アバラ
ンシェフォトダイオードにおいて、前記光吸収層３２お
よび組成傾斜層３３として、ＳｉＧｅＣ三元系混晶の代
わりにＳｉＧｅＣＳｎ四元系混晶を使うことも可能であ
る。 ［第２実施例］図８は、さらに応答特性を向上させた、
本発明の第２実施例による導波路型のアバランシェフォ
トダイオード４０の構成を示す。
ンシェフォトダイオードにおいて、前記光吸収層３２お
よび組成傾斜層３３として、ＳｉＧｅＣ三元系混晶の代
わりにＳｉＧｅＣＳｎ四元系混晶を使うことも可能であ
る。 ［第２実施例］図８は、さらに応答特性を向上させた、
本発明の第２実施例による導波路型のアバランシェフォ
トダイオード４０の構成を示す。
【００４３】図８を参照するに、アバランシェフォトダ
イオード４０はｐ+型Ｓｉ基板４１上に形成されてお
り、前記基板４１上にエピタキシャルに形成されたｐ+
型Ｓｉよりなるバッファ層４１Ａと、前記バッファ層４
１Ａ上にエピタキシャル形成された、ｐ型ＳｉＧｅＣ混
晶よりなる光吸収層４２と、前記光吸収層４２上に、図
示を省略したＳｉＧｅＣ混晶よりなる組成傾斜層を介し
てエピタキシャルに形成されたｐ-型Ｓｉよりなるキャ
リア増倍層４３と、前記キャリア増倍層４３上に形成さ
れたｎ+型Ｓｉよりなる電極層４４とを含み、前記基板
４１の一部、前記バッファ層４１Ａ、前記光吸収層４
２、前記キャリア増倍層４３および前記ｎ+型Ｓｉ電極
層４４は、前記基板４１の中央部において軸方向に延在
するメサ領域Ｍを形成する。
イオード４０はｐ+型Ｓｉ基板４１上に形成されてお
り、前記基板４１上にエピタキシャルに形成されたｐ+
型Ｓｉよりなるバッファ層４１Ａと、前記バッファ層４
１Ａ上にエピタキシャル形成された、ｐ型ＳｉＧｅＣ混
晶よりなる光吸収層４２と、前記光吸収層４２上に、図
示を省略したＳｉＧｅＣ混晶よりなる組成傾斜層を介し
てエピタキシャルに形成されたｐ-型Ｓｉよりなるキャ
リア増倍層４３と、前記キャリア増倍層４３上に形成さ
れたｎ+型Ｓｉよりなる電極層４４とを含み、前記基板
４１の一部、前記バッファ層４１Ａ、前記光吸収層４
２、前記キャリア増倍層４３および前記ｎ+型Ｓｉ電極
層４４は、前記基板４１の中央部において軸方向に延在
するメサ領域Ｍを形成する。
【００４４】さらに図示は省略するが、前記メサ領域Ｍ
中、前記電極層４４上に軸方向に延在する上側電極が、
また前記Ｓｉ基板４１の下面上に下側電極が形成され
る。
中、前記電極層４４上に軸方向に延在する上側電極が、
また前記Ｓｉ基板４１の下面上に下側電極が形成され
る。
【００４５】図８のアバランシェフォトダイオード４０
では、前記メサ領域Ｍは入射光の導波路を構成し、入射
光は前記メサ領域Ｍの端面において前記光吸収層４２中
に注入される。その際、前記光吸収層４２はＣを約４％
あるいはそれ以上含み、その結果図８のアバランシェフ
ォトダイオードは、Ｃバンド領域以外にＬバンド領域の
波長に対しても十分な感度を有し、しかも４０Ｇｂｐｓ
を超える高速の信号に対して十分な応答特性を示す。特
に前記アバランシェフォトダイオード４０はメサ領域Ｍ
を形成することにより寄生容量が低減され、その結果先
に説明した素子のＣＲ時定数τＣＲを減少させることが
できる。
では、前記メサ領域Ｍは入射光の導波路を構成し、入射
光は前記メサ領域Ｍの端面において前記光吸収層４２中
に注入される。その際、前記光吸収層４２はＣを約４％
あるいはそれ以上含み、その結果図８のアバランシェフ
ォトダイオードは、Ｃバンド領域以外にＬバンド領域の
波長に対しても十分な感度を有し、しかも４０Ｇｂｐｓ
を超える高速の信号に対して十分な応答特性を示す。特
に前記アバランシェフォトダイオード４０はメサ領域Ｍ
を形成することにより寄生容量が低減され、その結果先
に説明した素子のＣＲ時定数τＣＲを減少させることが
できる。
【００４６】図８のアバランシェフォトダイオード４０
において、前記光吸収層４２を１００ｎｍの厚さに、ま
た前記Ｓｉ増倍層４３を１９０ｎｍの厚さに形成し、さ
らに前記メサ構造Ｍの幅を５μｍとすることにより、Ｃ
バンドからＬバンドにかけての波長範囲において１０ｄ
Ｂの利得を有し、５０ＧＨｚの周波数帯域を有する素子
が形成できる。
において、前記光吸収層４２を１００ｎｍの厚さに、ま
た前記Ｓｉ増倍層４３を１９０ｎｍの厚さに形成し、さ
らに前記メサ構造Ｍの幅を５μｍとすることにより、Ｃ
バンドからＬバンドにかけての波長範囲において１０ｄ
Ｂの利得を有し、５０ＧＨｚの周波数帯域を有する素子
が形成できる。
【００４７】さらに、図８のアバランシェフォトダイオ
ード４０は、前記逆バイアス電圧の大きさを、前記キャ
リア増倍層４３においてキャリアの増倍が生じないよう
な値に選んだ場合、さらに高速で動作させることが可能
になる。
ード４０は、前記逆バイアス電圧の大きさを、前記キャ
リア増倍層４３においてキャリアの増倍が生じないよう
な値に選んだ場合、さらに高速で動作させることが可能
になる。
【００４８】このような場合、フォトダイオード４０全
体の時定数τは、キャリア増倍率Ｍが１となり、 τ＝τm＋τa＋τCR で表され、その際τm、τaおよびτCRはそれぞれ０．１
ｐｓ、１ｐｓおよび０．７ｐｓ程度まで減少させること
ができる。このような場合、前記フォトダイオード４０
は９０ＧＨｚ帯域において動作が可能である。 ［第３実施例］図９は、本発明の第３実施例による導波
路型のＰＩＮフォトダイオード５０の構成を示す。
体の時定数τは、キャリア増倍率Ｍが１となり、 τ＝τm＋τa＋τCR で表され、その際τm、τaおよびτCRはそれぞれ０．１
ｐｓ、１ｐｓおよび０．７ｐｓ程度まで減少させること
ができる。このような場合、前記フォトダイオード４０
は９０ＧＨｚ帯域において動作が可能である。 ［第３実施例］図９は、本発明の第３実施例による導波
路型のＰＩＮフォトダイオード５０の構成を示す。
【００４９】図９を参照するに、ｐ+型Ｓｉ基板５１上
にはｐ+型バッファ層５１Ａを介してｉ型、すなわち非
ドープＳｉＧｅＣ混晶よりなる光吸収層５２が形成さ
れ、前記光吸収層５２上にはｎ型Ｓｉ電極層５３が形成
される。なお、前記ｐ＋型Ｓｉ／ｉ−ＳｉＧｅＣ界面お
よび前記ｉ−ＳｉＧｅＣ／ｎ−Ｓｉ界面に傾斜組成層を
挿入してもよい。
にはｐ+型バッファ層５１Ａを介してｉ型、すなわち非
ドープＳｉＧｅＣ混晶よりなる光吸収層５２が形成さ
れ、前記光吸収層５２上にはｎ型Ｓｉ電極層５３が形成
される。なお、前記ｐ＋型Ｓｉ／ｉ−ＳｉＧｅＣ界面お
よび前記ｉ−ＳｉＧｅＣ／ｎ−Ｓｉ界面に傾斜組成層を
挿入してもよい。
【００５０】さらに前記電極層５３および前記Ｓｉ基板
５１の下面上には上側電極５４および下側電極５５が、
それぞれ形成される。
５１の下面上には上側電極５４および下側電極５５が、
それぞれ形成される。
【００５１】図８の実施例と同様に、本実施例において
も前記Ｓｉ基板５１上には軸方向に延在する導波路がメ
サ構造Ｍにより形成され、入射光は前記メサ構造Ｍの端
面に入射する。
も前記Ｓｉ基板５１上には軸方向に延在する導波路がメ
サ構造Ｍにより形成され、入射光は前記メサ構造Ｍの端
面に入射する。
【００５２】かかる構成のＰＩＮフォトダイオード５０
では、先の実施例のアバランシェフォトダイオード４０
をＰＩＮフォトダイオードの条件で動作させた場合と同
様に、９０ＧＨｚ帯域の高速光信号の検出が可能にな
る。
では、先の実施例のアバランシェフォトダイオード４０
をＰＩＮフォトダイオードの条件で動作させた場合と同
様に、９０ＧＨｚ帯域の高速光信号の検出が可能にな
る。
【００５３】以上、本発明を好ましい実施例について説
明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内におい
て、様々な変形・変更が可能である。
明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内におい
て、様々な変形・変更が可能である。
【００５４】
【発明の効果】本発明によれば、フォトダイオードの光
吸収層にＳｉＧｅＣ混晶を使うことにより光吸収層のバ
ンドギャップが減少し、従来のＣバンドのみならず長波
長側のＬバンドの光信号に対しても十分な感度を有する
フォトダイオードが得られる。かかるフォトダイオード
はＳｉよりなる光増倍層と組み合わせてアバランシェフ
ォトダイオードを構成できるが、その場合にはＳｉの大
きなイオン化率比のため、動作速度が向上し、４０Ｇｂ
／秒あるいはそれ以上の速度の光信号を検出することが
できる。また、かかるＳｉＧｅＣ混晶よりなる光吸収層
を使ってＰＩＮフォトダイオードを形成することもでき
るが、その場合には、利得は得られないものの、応答速
度がさらに向上し、９０ＧＨｚ帯域の応答特性が得られ
る。
吸収層にＳｉＧｅＣ混晶を使うことにより光吸収層のバ
ンドギャップが減少し、従来のＣバンドのみならず長波
長側のＬバンドの光信号に対しても十分な感度を有する
フォトダイオードが得られる。かかるフォトダイオード
はＳｉよりなる光増倍層と組み合わせてアバランシェフ
ォトダイオードを構成できるが、その場合にはＳｉの大
きなイオン化率比のため、動作速度が向上し、４０Ｇｂ
／秒あるいはそれ以上の速度の光信号を検出することが
できる。また、かかるＳｉＧｅＣ混晶よりなる光吸収層
を使ってＰＩＮフォトダイオードを形成することもでき
るが、その場合には、利得は得られないものの、応答速
度がさらに向上し、９０ＧＨｚ帯域の応答特性が得られ
る。
【図１】（Ａ），（Ｂ）は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系ア
バランシェフォトダイオードのバンド構造および断面構
造を示す図である。
バランシェフォトダイオードのバンド構造および断面構
造を示す図である。
【図２】従来の光ファイバ通信網の構成を示す図であ
る。
る。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例による
ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェフォトダイオードの構
成を示す平面図および断面図である。
ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェフォトダイオードの構
成を示す平面図および断面図である。
【図４】図３のアバランシェフォトダイオードのバンド
構造を示す図である。
構造を示す図である。
【図５】ＳｉＧｅＣ系混晶のバンドギャップとＣ濃度と
の関係を示す図である。
の関係を示す図である。
【図６】ＳｉＧｅＣ系混晶のバンド構造図である。
【図７】ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェダイオードに
おけるイオン化率比をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバラン
シェダイオードにおけるイオン化率比と比較して示す図
である。
おけるイオン化率比をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバラン
シェダイオードにおけるイオン化率比と比較して示す図
である。
【図８】本発明の第２実施例による導波路型アバランシ
ェフォトダイオードの構成を示す図である。
ェフォトダイオードの構成を示す図である。
【図９】本発明の第３実施例による導波路型ＰＩＮフォ
トダイオードの構成を示す図である。
トダイオードの構成を示す図である。
１０ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォトダイ
オード １１ ＩｎＰ基板 １２ ＩｎＧａＡｓ光吸収層 １３ ＩｎＰキャリア増倍層 １４ ｎ型ＩｎＰ電極領域 １４Ａ ｎ型ＩｎＰガードリング ２１ 音声画像データ ２２ 電気信号 ２３ 発光素子 ２４ 光ファイバ通信網 ２５ 受光素子 ２６ 再生電気信号 ２７ 再生音声画像データ ３０ ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェフォトダイオー
ド ３１，４１，５１ ｐ型Ｓｉ基板 ３１Ａ，４１Ａ，５１Ａ ｐ型Ｓｉバッファ層 ３２，４２，５２ ｐ型ＳｉＧｅＣ混晶光吸収層 ３３ ｐ型ＳｉＧｅＣ混晶組成傾斜層 ３４，４３ ｐ型Ｓｉキャリア増倍層 ３５，４４ ｎ型Ｓｉ電極層 ３５Ａ ｎ型Ｓｉガードリング ３６ ＳｉＯ2絶縁膜 ３７，５４ 上側電極 ３７Ａ 入射光経路 ３８，５５ 下側電極 ４０ 導波路型ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェフォト
ダイオード ５０ ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系ＰＩＮフォトダイオード ５３ ｎ型Ｓｉ層
オード １１ ＩｎＰ基板 １２ ＩｎＧａＡｓ光吸収層 １３ ＩｎＰキャリア増倍層 １４ ｎ型ＩｎＰ電極領域 １４Ａ ｎ型ＩｎＰガードリング ２１ 音声画像データ ２２ 電気信号 ２３ 発光素子 ２４ 光ファイバ通信網 ２５ 受光素子 ２６ 再生電気信号 ２７ 再生音声画像データ ３０ ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェフォトダイオー
ド ３１，４１，５１ ｐ型Ｓｉ基板 ３１Ａ，４１Ａ，５１Ａ ｐ型Ｓｉバッファ層 ３２，４２，５２ ｐ型ＳｉＧｅＣ混晶光吸収層 ３３ ｐ型ＳｉＧｅＣ混晶組成傾斜層 ３４，４３ ｐ型Ｓｉキャリア増倍層 ３５，４４ ｎ型Ｓｉ電極層 ３５Ａ ｎ型Ｓｉガードリング ３６ ＳｉＯ2絶縁膜 ３７，５４ 上側電極 ３７Ａ 入射光経路 ３８，５５ 下側電極 ４０ 導波路型ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェフォト
ダイオード ５０ ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系ＰＩＮフォトダイオード ５３ ｎ型Ｓｉ層
Claims (7)
- 【請求項１】 基板と、 前記基板上に形成された光吸収層とを備えた受光装置に
おいて、 前記光吸収層は、Ｓｉ、ＧｅおよびＣを含む混晶よりな
ることを特徴とする受光装置。 - 【請求項２】 前記光吸収層は、Ｃを原子比で３％以上
含むＳｉＧｅＣ系の混晶よりなることを特徴とする請求
項１記載の受光装置。 - 【請求項３】 前記光吸収層は、ＳｉＧｅＣＳｎ系の混
晶よりなることを特徴とする請求項１記載の受光装置。 - 【請求項４】 前記基板はＳｉよりなり、前記光吸収層
は、前記基板に格子整合する組成を有することを特徴と
する請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の受光装
置。 - 【請求項５】 前記基板および光吸収層は第１の導電型
を有し、前記受光装置は前記光吸収層上に形成された光
増倍層と、前記光増倍層上に形成された第２の導電型の
領域と、前記第２の導電型の領域に電気的に接続された
第１の電極と、前記基板に接続された第２の電極とを備
え、前記光増倍層および前記第２の導電型の領域はＳｉ
よりなることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれ
か一項記載の受光装置。 - 【請求項６】 さらに、前記光吸収層と前記光増倍層と
の間に、ＳｉＧｅＣ混晶よりなる組成傾斜層を備え、前
記組成傾斜層は、ＣおよびＧｅ濃度が前記光吸収層の側
の第１の界面から前記光増倍層の側の第２の界面に向か
って減少する組成プロファイルを有することを特徴とす
る請求項５記載の受光装置。 - 【請求項７】 前記基板は第１の導電型を有し、前記光
吸収層上には第２の導電型を有する半導体層が形成さ
れ、前記光吸収層は、非ドープ層であることを特徴とす
る請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の受光装置。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP2000131439A JP4702977B2 (ja) | 2000-04-28 | 2000-04-28 | 受光装置 |
| US09/793,696 US6459107B2 (en) | 2000-04-28 | 2001-02-27 | Photodetector having a mixed crystal layer of SiGeC |
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|---|---|---|---|
| JP2000131439A JP4702977B2 (ja) | 2000-04-28 | 2000-04-28 | 受光装置 |
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| JP2001313415A true JP2001313415A (ja) | 2001-11-09 |
| JP4702977B2 JP4702977B2 (ja) | 2011-06-15 |
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| JP2000131439A Expired - Fee Related JP4702977B2 (ja) | 2000-04-28 | 2000-04-28 | 受光装置 |
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| US8368159B2 (en) | 2011-07-08 | 2013-02-05 | Excelitas Canada, Inc. | Photon counting UV-APD |
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| JP4391069B2 (ja) * | 2002-04-30 | 2009-12-24 | 富士通マイクロエレクトロニクス株式会社 | ヘテロバイポーラトランジスタおよびその製造方法 |
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2000
- 2000-04-28 JP JP2000131439A patent/JP4702977B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2001
- 2001-02-27 US US09/793,696 patent/US6459107B2/en not_active Expired - Lifetime
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