JP2002374001A

JP2002374001A - 半導体受光素子及び光受信機

Info

Publication number: JP2002374001A
Application number: JP2001178635A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakada; 武志中田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2002-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】高ＧＢ積で高感度のアバランシェ・フォトダ
イオード及びそれにより構成される光受信機を提供す
る。【解決手段】ＩｎＰ基板１−１上において、Ｉｎ
（０．５２）Ａｌ（０．４８）Ａｓよりワイドギャップ
の材料を用いて、０．１μｍ未満の増倍層１−３を構成
する。バンドギャップが大きくなることにより増倍暗電
流が低減され、薄膜化によるＧＢ積向上の効果が現れ
る。また、増倍抑止層を増倍層１−３の両面に導入する
ことにより、より増倍領域を実効的に薄膜化できる。こ
れにより、１０Ｇｂ／ｓの光受信機はより高感度なもの
が得られ、また、４０Ｇｂ／ｓ光受信機においては光プ
リアンプの増幅量を削減可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体受光素子、
特に、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）に関
し、さらに、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰ
Ｄ）を用いた光受信機に関する。

【０００２】

【従来の技術】アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰ
Ｄ）は、ＰＩＮフォトダイオード、ショットキーフォト
ダイオードなどと比較すると、その内部に信号増幅機能
を持つことを特徴とする受光素子である。このようなＡ
ＰＤとしては、増倍と光吸収の機能が一体化されている
一体型構造のＡＰＤと、光吸収とキャリア増倍の役割を
分離した構造とするＳＡＭ (separated absorption and
multiplication) 型構造とがある。

【０００３】化合物半導体を用いてＡＰＤを作製する場
合、ＳＡＭ型構造を用いることが有効であることが知ら
れている。ＳＡＭ型構造においては、光吸収層と増倍層
とでそれぞれ最適の材料を選ぶことができ、一体型構造
と比較して、より受光能力及び増倍能力の高いＡＰＤを
設計することができるためである。

【０００４】ＳＡＭ型ＡＰＤの一例を図１０に示す。

【０００５】図１０に示すＳＡＭ型ＡＰＤにおいては、
半導体基板１０−１上に、ｎ型バッファ層１０−２を形
成し、ｎ型バッファ層１０−２上に順に増倍層１０−
３、電界緩和層１０−４、第１ｐ型光吸収層１０−５、
第２ｐ型光吸収層１０−６、ｐ型バッファ層１０−７、
ｐ型コンタクト層１０−８が形成されている。

【０００６】このような層構造を有する面入射型ＡＰＤ
若しくは導波路型ＡＰＤに対して光を照射すると、第１
及び第２ｐ型光吸収層１０−５、１０−６においてキャ
リアが発生し、印加した電圧に依存して内部に与えられ
る電界に応じて走行し、一方のキャリアは増倍層１０−
３に導入される。増倍層１０−３に導入されたキャリア
は増倍層１０−３の内部で衝突イオン化し、発生したキ
ャリアがまた衝突イオン化する連鎖反応を起こす。これ
により信号キャリアは雪崩増倍（アバランシェ増倍）さ
れて外部の電極（あるいは電線）に送り出される。

【０００７】具体例として、渡辺らの報告（アイ・トリ
プル・イー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ、
５巻６７５ページ、１９９３年、米国）(I. Watanabe,
et al., IEEE Photon. Technol. Lett., vol.5, p.675,
1993)によれば、インジウム燐（ＩｎＰ）基板上に形成
するＳＡＭ型ＡＰＤの構造において、増倍層として０．
２３μｍのＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子構
造、光吸収層としてＩｎＧａＡｓを用いて、増倍暗電流
が０．１６μＡ（＠Ｍ＝１０）、量子効率６５％（波長
１．５μｍ）、最大帯域１５ＧＨｚ、ＧＢ積１２０ＧＨ
ｚを得ている。

【０００８】このようなＳＡＭ型構造においてはその増
倍能力は増倍層の材料及び構造に強く依存するが、特に
層厚依存性については、同一の材料の場合、層厚が薄く
なるほどに増倍特性が良くなるということが知られてい
る。

【０００９】例えば、牧田らは、エレクトロニクス・レ
ター３５巻２２２８ページ、１９９９年、英国（K. Mak
ita, et al., Electron. Lett., 1999, 35,pp. 2228-22
29）では、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子増倍
層を０．１３μｍまで薄膜化することによってＧＢ積を
２００ＧＨｚまで向上させた例を報告している。

【００１０】また、ＩｎＡｌＡｓを用いて薄膜化した例
としては、レノらがアイ・トリプル・イー・フォトニク
ス・テクノロジー・レターズ１１巻１１６２ページ（１
９９９）米国(C. Lenox, et al., IEEE Photon. Techno
l. Lett., 11, p.1162(1999))に発表した報告がある。
この報告によれば、ＩｎＡｌＡｓ層を０．２μｍまで薄
膜化し、ＧＢ積の最大値として２９０ＧＨｚが得られて
いる。

【００１１】また、最も薄膜の増倍層を使った例として
は、ニイらがアイ・トリプル・イー・フォトニクス・テ
クノロジー・レターズ１０巻４０９ページ、１９９８
年、米国(H. Nie, et al., IEEE Photon. Technol. Let
t., 10, p.409, (1998))に発表した報告がある。この報
告によれば、ＧａＡｓ基板上にＳＡＭ型ＡＰＤを構成す
る際に、Ａｌ（０．２）Ｇａ（０．８）Ａｓを用いて増
倍層を構成し、層厚を８０ｎｍまで薄膜化している。こ
れにより、ＧＢ積の最大値として２９０ＧＨｚを得てい
る。

【００１２】図１１は、従来のＡＰＤ光受信機の一例を
示す。

【００１３】ＡＰＤ光受信機においては、図１１に示す
ように、光ファイバ１１−１から導入された信号はレン
ズ１１−２を通ってＡＰＤ１１−３に入力される。ＡＰ
Ｄ１１−３はプリアンプ１１−４に接続されており、Ａ
ＰＤ１１−３に入力された信号はマイクロストリップラ
イン（ＭＳＬ）１１−５を通って高周波コネクタ１１−
６へと出力される。

【００１４】１０Ｇｂ／ｓ信号の受信感度は、疑似ラン
ダム信号（Ｐｓｅｕｄｏｒａｎｄｏｍｂｉｔｓｔ
ｒｅａｍ＝ＰＲＢＳ）２３段を伝送した場合に、ビット
エラーレート（ＢＥＲ）１×１０^-9を与える光強度で表
現する。

【００１５】例えば、１０Ｇｂ／ｓ帯での受信感度評価
の結果は、次のようなものが知られている。

【００１６】ツェンらの報告（アイ・トリプル・イー・
フォトニクス・テクノロジー・レターズ、第８巻１２２
９ページ、１９９６年、米国）(L. D. Tzeng, et. al.,
IEEE Photon. Technol. Lett., vol.8, p.1229, 1996)
では、受信感度−２８．７ｄＢｍが得られており、ま
た、ユンらの報告（アイ・トリプル・イー・フォトニク
ス・テクノロジー・レターズ、第８巻１２３２ページ、
１９９６年、米国）(T.Y. Yun, et. al., IEEE Photon.
Technol. Lett., vol.8, p.1232, 1996)では、受信感
度−２８．５ｄＢｍが得られている。

【００１７】４０Ｇｂ／ｓ用の光受信機としてＰＩＮ−
ＰＤを用いたものは多く報告されているが、ＡＰＤを用
いた受信機はこれまでに報告例がない。

【００１８】従来報告されている４０Ｇｂ／ｓ用受信機
は、ＰＩＮ−ＰＤに高周波アンプを接続したものである
が、変調信号を受信するためには、０ｄＢｍ程度以上の
光入力を要求されているものが多い。

【００１９】図１２は、光プリアンプを用いた従来の光
受信機の一例を示すブロック図である。

【００２０】図１２に示す光受信機は、光プリアンプ１
２−３と、ＰＩＮ−ＰＤ光受信機１２−４と、光プリア
ンプ１２−３とＰＩＮ−ＰＤ光受信機１２−４とを接続
する光ファイバ１２−１と、からなる。

【００２１】光プリアンプ１２−３とＰＩＮ−ＰＤ光受
信機１２−４とが光受信機１２−６を構成している。

【００２２】光ファイバ１２−１を介して光受信機１２
−６に入力された光信号１２−２は、電気信号１２−５
として光受信機１２−６から出力される。

【００２３】図１２に示すように、従来の光受信機１２
−６は、ファイバアンプなどを用いた光プリアンプ１２
−３を前段に配置し、受信した光を増幅した後、ＰＩＮ
−ＰＤ光受信機１２−４に入射させる構成をとってお
り、光プリアンプ１２−３は欠かせない構成要素となっ
ている。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】従来例にみられるよう
に増倍層を薄膜化することはＧＢ積向上の面から非常に
有効であるが、同時に暗電流劣化を引き起こす原因とも
なる。増倍暗電流を抑圧するためには、増倍層のバンド
ギャップが大きいことが望ましい。

【００２５】ＧａＡｓ基板上のＳＡＭ型ＡＰＤの例とし
ては、Ａｌ（０．２）Ｇａ（０．８）Ａｓを用いて８０
ｎｍの層厚の増倍層を構成してＧＢ積の向上を図り、Ｇ
Ｂ積の最大値として２９０ＧＨｚを得たことが前記ニイ
らの報告に記載されている。

【００２６】一方で、ＩｎＰ基板上の格子整合する材料
のうち、最もワイドギャップを与える材料としては一般
的にはＩｎＡｌＡｓが知られている。

【００２７】ＩｎＡｌＡｓを用いて増倍層を形成した場
合、例えば、０．２μｍの層厚で構成した例が前記レノ
らの報告に記載されている。この例では、ＧＢ積の最大
値として２９０ＧＨｚと高いＧＢ積が得られているが、
Ｍが３０以上での値であり、光通信へ応用する際の実用
域であるＭ＝１〜１５ではＧＢ積の最大値はおよそ１５
０ＧＨｚ程度である。

【００２８】Ｍ＝１〜１５付近で得られるＧＢ積をより
一層向上するためには、最大帯域の高いデバイス設計と
共に高いＧＢ積値が得られる増倍層が必要となってい
る。

【００２９】そこで、増倍層材料としてＩｎＡｌＡｓを
用い、薄膜化してＧＢ積の向上を図ることが考えられ
る。

【００３０】しかしながら、０．１μｍ未満まで増倍層
の厚みを薄くすると、暗電流劣化が顕著に見られるよう
になる。暗電流劣化が顕著となると、薄膜化によるＧＢ
積向上の効果も失われる。

【００３１】従って、ＩｎＡｌＡｓを用いた場合では、
０．１μｍ未満の増倍層を用いた場合には、０．１μｍ
以上の層厚の増倍層を用いた場合と比較してＧＢ積が劣
化してしまう。

【００３２】この結果、このような薄膜のＡＰＤを用い
て２．５Ｇｂ／ｓ乃至４０Ｇｂ／ｓのビットレートの光
受信機を構成した場合、層厚が０．１μｍ以上の増倍層
を用いて構成した光受信機と比較して感度は下がってし
まう。

【００３３】このことから、薄膜の増倍層を使ったＡＰ
Ｄでは、信号増倍の機能は残るものの、感度向上につな
がる増倍特性は得られていなかった。従って、２００Ｇ
Ｈｚ以上の高いＧＢ積のＡＰＤとプリアンプとを用いた
構造を有する光受信機は実現できなかった。

【００３４】また、薄膜化を図った場合でも従来構造で
は、増倍層の両側を、増倍層と同一のバンドギャップの
材料か、あるいは、増倍層よりも低いバンドギャップの
材料で構成している。

【００３５】ＳＡＭ型ＡＰＤに対して電圧を印加した場
合、図１３に示すように、増倍層１３−４に隣接した層
１３−３、１３−５にも増倍可能な電界が印加される。
この結果、増倍層１３−４の厚みを０．１μｍ以下まで
薄膜化したような場合、隣接した層１３−３、１３−５
の濃度によっては、無視できないほどの層厚で空乏化が
おきてしまう。これにより、有効な増倍領域の幅１３−
６は、増倍層１３−４の厚さよりも広がってしまい、増
倍層１３−４の厚みを薄くした効果が低減する。

【００３６】例えば、増倍層１３−４に隣接する層１３
−３、１３−５の濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3とした場合、
増倍層１３−４の層厚や材料にも依存するが、電界緩和
に必要な層厚は０．５μｍ以上になると見積もられる。

【００３７】このような場合に、０．１μｍ未満の層厚
を持つ増倍層１３−４を作製しても、実際には、０．２
乃至０．３μｍの幅で増倍がおきることとなり、薄膜化
の効果を有効に発揮することができない。

【００３８】以上のように、従来の光受信機において
は、ＧＢ積が高く、かつ、暗電流が低いＡＰＤが得られ
ていなかったため、１０Ｇｂ／ｓにおけるＡＰＤ光受信
機の受信感度の限界は、−２８乃至−２９ｄＢｍ（ビッ
トエラーレート（ＢＥＲ）１×１０^-9、疑似ランダム信
号（ＰＲＢＳ）２３段での評価時）程度であった。

【００３９】これは、ショットノイズ限界で決まってい
るものではなく、理論的なＡＰＤ受信機の感度限界に迫
るものではない。

【００４０】４０Ｇｂ／ｓ用のＰＩＮ−ＰＤとプリアン
プＩＣとを用いた従来の光受信機では、受信感度が非常
に低く、受信に際して高い光強度を必要としている。こ
のため、ファイバーアンプなどを用いた光アンプを光受
信機の前段に配置して光プリアンプとして構成し、全体
で光受信機としての機能を果たす構成になっている。

【００４１】この光受信機では、光受信機に必要な入力
レベルとして０ｄＢｍ程度が必要であり、ファイバアン
プの消費電力が大きくなってしまうという欠点があっ
た。

【００４２】本発明は、以上のような従来の半導体受光
素子及びそれを用いた光受信機における問題点に鑑みて
なされたものであり、薄膜の増倍層であって、ＧＢ積が
高く、かつ、暗電流が低い増倍特性を持つ増倍層を提供
し、この増倍層を備え、高速・高感度な半導体受光素子
及びその半導体受光素子を用いた光受信機を提供するこ
とを目的とする。

【００４３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明は、インジウム燐（ＩｎＰ）基板上に形成す
る増倍層であって、インジウム燐基板に格子整合するか
しないかを問わず、Ｉｎ（０．５２）Ａｌ（０．４８）
Ａｓよりもワイドギャップの材料からなり、層厚が０．
０１μｍ以上０．１μｍ未満の増倍層を備えることを特
徴とする半導体受光素子を提供する。

【００４４】増倍層の材料としては、例えば、Ｉｎ
（ｘ）Ａｌ（１−ｘ）Ａｓ（０≦ｘ＜０．５２）を用い
ることができる。

【００４５】上記のＩｎ（ｘ）Ａｌ（１−ｘ）Ａｓ（０
≦ｘ＜０．５２）におけるｘの値は次式に従って決定す
ることができる。

【００４６】（１−ｘ）≧ｋ₁ｌｏｇ１０（ｄｍ）＋ｋ₂ ただし、ｋ₁はｋ₁≦−０．３を満たす任意の値であり、
ｋ₂は上式の曲線が（ｄｍ＝０．１、ｘ＝０．５２）の
点を通過するように決められるものとする。

【００４７】増倍層の材料としては、Ｓｉ、ＧａＮ、Ａ
ｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＳｂま
たはこれらの化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩ
ｎＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＡｓ
Ｐ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＡｓＳｂ等)を選択すること
ができる。

【００４８】これらの材料を用いた場合でも増倍電界の
上昇に伴う暗電流劣化が避けられない場合には、増増倍
の層厚を０．０２μｍ以上とすることが好ましい。

【００４９】上述の半導体受光素子はアバランシェ・フ
ォトダイオード（ＡＰＤ）として構成することができ
る。

【００５０】また、本発明は、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｉｎ
Ｎ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＳｂあるいはこれ
らの化合物からなり、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下
の層厚を有する増倍層を備えることを特徴とする半導体
受光素子を提供する。

【００５１】この半導体受光素子は、例えば、ＳＡＭ(s
eparated absorption and multiplication)型アバラン
シェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）として構成すること
ができる。

【００５２】また、本発明は、増倍層と、増倍層の両側
に形成された増倍抑止層と、を備え、増倍抑止層は、
０．１μｍ以下の増倍層に対して、有効な増倍層厚が広
がることを防止するものであることを特徴とする半導体
受光素子を提供する。

【００５３】さらに、本発明は、インジウム燐（Ｉｎ
Ｐ）基板と、インジウム燐基板上に形成される増倍層
と、増倍層の両側に形成された増倍抑止層と、を備え、
増倍抑止層はＩｎ（ｘ）Ａｌ（１−ｘ）Ａｓ（ｘ≦０．
４）からなるものであることを特徴とする半導体受光素
子を提供する。

【００５４】例えば、増倍抑止層は、増倍層をなす材料
よりもさらにワイドギャップの材料からなる半導体層と
して構成することができる。

【００５５】増倍抑止層の層厚は増倍層の層厚とほぼ同
じにすることが好ましい。

【００５６】例えば、増倍抑止層は０．０２μｍ以上
０．１μｍ以下の厚さを有するように設定される。

【００５７】例えば、増倍抑止層はＡｌＡｓからなるも
のとすることができる。

【００５８】増倍抑止層の濃度は、アンドープまたは任
意のドーピング量により、１×１０ ¹⁷ｃｍ^-3以上の不純
物濃度とすることが好ましい。

【００５９】薄膜増倍層の高速特性を生かすため、この
層構造を用いてＡＰＤを作製する場合、ｐｎ接合面積は
１０００平方μｍ程度以下として接合容量の低減を図
り、ＣＲ制限速度の大きなＡＰＤとすることが好まし
い。

【００６０】このような高いＧＢ積の半導体受光素子と
プリアンプＩＣとを接続し、２．５Ｇｂ／ｓ以上４０Ｇ
ｂ／ｓなどの帯域において、従来の光受信機よりも高感
度なＡＰＤ受信機を構成することができる。

【００６１】すなわち、本発明は、上述の半導体受光素
子と、半導体受光素子に接続されたプリアンプＩＣと、
を備えることを特徴とする光受信機を提供する。

【００６２】また、本発明は、上述の半導体受光素子
と、半導体受光素子に接続されたプリアンプＩＣと、を
備え、ビットエラーレート（ＢＥＲ）１×１０^-9を与え
る光強度が−２６ｄＢｍ以下となる受信感度を有する１
０Ｇｂ／ｓ通信用ＡＰＤ光受信機を提供する。

【００６３】さらに、本発明は、上述の半導体受光素子
と、半導体受光素子に接続されたプリアンプＩＣと、を
備え、ビットエラーレート（ＢＥＲ）１×１０^-9を与え
る光強度が−７ｄＢｍ以下となる受信感度を有する４０
Ｇｂ／ｓ通信用ＡＰＤ受信機を提供する。

【００６４】すなわち、前段に光プリアンプが配置され
た光受信機の場合、本発明においては、本発明により受
信感度が向上した範囲内で光プリアンプの増幅量を削減
し。あるいは、光プリアンプそのものを省略して光受信
機を構成する。

【００６５】本発明によりＩｎＰ基板上に作製した０．
１μｍ未満の層厚を持つ増倍層では、キャリアの増倍は
薄い増倍層の内部で起きるので、短時間で多数のキャリ
ア発生につながり、高いＧＢ積を提供することができ
る。

【００６６】また、従来考えられていた材料よりもワイ
ドギャップの材料で構成されているため、増倍暗電流が
０．１乃至１μＡ以下、最大でも２μＡ以下まで抑圧さ
れ、この層構造を元にして得られたＡＰＤなどの半導体
受光素子は２．５乃至４０Ｇｂｐｓの範囲で高感度受光
素子として使用することができる。

【００６７】特に、増倍層の両側に増倍抑止層を設けた
場合、増倍抑止層内部では、増倍確率が大幅に下がるた
め、空乏層の広がりに伴う有効な増倍層厚の広がりを防
止でき、キャリアは増倍層の内部でのみ選択的に増倍を
起こす。

【００６８】増倍抑止層のドーピング濃度を１×１０¹⁷
ｃｍ^-3以上にした場合には、電界緩和の効果を持ち、増
倍抑止層に対して増倍層と反対側に隣接する層での増倍
が低減される。

【００６９】このようにして作製したＡＰＤなどの半導
体受光素子をプリアンプＩＣに接続することにより、
２．５Ｇｂ／ｓ乃至４０Ｇｂ／ｓなどの帯域において、
高感度受信機として機能する。

【００７０】たとえば、１．５μｍ帯の光を受光した場
合、変換効率をＴ（Ａ／Ｗ）、増倍率Ｍ、プリアンプの
トランスインピーダンスをＡΩとすると、Ｔ・Ｍ・Ａ
（Ｖ／Ｗ）の変換効率を持つ受信機が構成される。

【００７１】前段に光プリアンプを配置している光受信
機の場合、本発明により後段の受信感度が上がった分の
電力を省略することができる。光プリアンプ全体を省略
した場合でも、受信感度が向上しているため、光信号の
受信に支障はない。

【００７２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００７３】（第一の実施の形態）図１は本発明の第１
の実施形態に係る半導体受光素子の構造を示す。本実施
形態においては、半導体受光素子は、半導体基板上に形
成したＳＡＭ型ＡＰＤとして形成されている。

【００７４】このＳＡＭ型ＡＰＤは、半導体基板１−１
と、半導体基板１−１上にこの順番に形成されたｎ型バ
ッファ層１−２、増倍層１−３、電界緩和層１−４、第
１ｐ型光吸収層１−５、第２ｐ型光吸収層１−６、ｐ型
バッファ層１−７及びｐ型コンタクト層１−８と、から
なる。

【００７５】なお、本実施形態に係るＳＡＭ型ＡＰＤの
層構造としては、半導体基板１−１上に先ずｐ型バッフ
ァ層１−７を構成し、ｐ型バッファ層１−７上にこの順
番に第１ｐ型光吸収層１−５、第２ｐ型光吸収層１−
６、電界緩和層１−４、増倍層１−３、ｎ型バッファ層
１−２及びｎ型コンタクト層１−８を積層した構造とす
ることも可能である。

【００７６】第１ｐ型光吸収層１−５のｐ型不純物濃度
は第２ｐ型光吸収層１−６のｐ型不純物濃度よりも低く
設定されている。また、第１ｐ型光吸収層１−５の層厚
は、０．０１μｍ以上２μｍ以下の範囲で、第２ｐ型光
吸収層１−６の層厚は、０μｍ以上０．５μｍ以下の範
囲でそれぞれ作製する。

【００７７】光吸収層１−５、１−６の層厚が厚すぎる
と、キャリアの走行時間が長くなり、高速・高感度特性
を得ることができなくなる。このため、高速・高感度特
性を得ることができる層厚の範囲として上記の範囲を設
定した。

【００７８】薄膜増倍層１−３は電界を均一に印加する
ために、可能な限り不純物濃度を低く作製する。薄膜増
倍層１−３の層厚は、ＧＢ積向上の観点から０．１μｍ
未満、増倍暗電流抑圧の観点から０．０２μｍ以上とす
る。

【００７９】しかしながら、このような薄膜の増倍層１
−３を、例えば、ＩｎＰ基板上に構成するＡＰＤにおい
て、ＩｎＰに格子整合するＩｎＡｌＡｓで増倍層１−３
を構成した場合、増倍暗電流が増大し、２．５Ｇｂ／ｓ
乃至４０Ｇｂ／ｓの伝送帯域において信号電流が発生す
るショットノイズと比較して同等レベルあるいはそれ以
上のノイズ成分を発生し、高感度化が望めない。

【００８０】そこで、より暗電流を低減する材料とし
て、ＩｎＡｌＡｓのＡｌ組成を高めたＩｎ（ｘ）Ａｌ
（１−ｘ）Ａｓ（１−ｘ＞０．４８）を用いる。

【００８１】一般に、このように基板上の格子不整合な
材料を積層した場合、臨界膜厚までは積層する層に歪み
が導入されるが、それ以上の層厚を積層すると格子欠陥
が導入されて格子緩和が起きることが知られている。

【００８２】しかしながら、本発明者は実験により、格
子不整合の材料を臨界膜厚以上に積層することにより生
じた格子緩和に起因する結晶欠陥が導入された場合に、
Ｉｎ（０．５２）Ａｌ（０．４８）Ａｓよりワイドギャ
ップな材料であれば、この材料をＡＰＤの増倍層に適用
した場合に増倍特性に影響がなく、また、増倍暗電流も
抑圧される、という結果を得た。このことから、ワイド
ギャップ材料の適用は増倍層、あるいは、その他の受光
素子を形成する層構造に対して有効であることが理解で
きた。

【００８３】仮に、格子不整合量を少なく設計したい場
合には、膜厚ｄｍに反比例させてアルミニウム組成を増
やす設計も可能である。

【００８４】例えば、Ｉｎ（ｘ）Ａｌ（１−ｘ）Ａｓの
組成の決定を次式に従って行うことができる。

【００８５】（１−ｘ）＝ｋ₁・ｌｏｇ１０（ｄｍ）＋ｋ₂ ０．０１＜ｄｍ＜０．１、ｋ₁＜−０．３ただし、上式で表される曲線がｄｍ＝０．１、（１−
ｘ）＝０．４８を通るように決定する。

【００８６】格子整合の作製条件からのずれを最も小さ
くし、その効果を十分得るためには、図２の２−１に示
すように、ｋ₁＝−０．３とし、増倍層厚が０．１μｍ
の場合の組成が格子整合するように、すなわち、ｄｍ＝
０．１の時に（１−ｘ）＝０．４８になるように、係数
ｋ₂を決めると効果的である。この場合、ｋ₂＝０．１８
である。

【００８７】ただし、格子不整合量は大きくなってもワ
イドギャップ側にずれる場合には問題ないので、実際に
は、上式で決定されるＡｌ組成よりも大きなＡｌ組成で
作製すればよい。つまり、ｋ₁≦−０．３を満たし、増
倍層厚が０．１μｍの場合の組成が格子整合するよう
に、すなわち、ｄｍ＝０．１の時にｘ＝０．５２になる
ように、係数ｋ₂ を決めておけばよい。これは、図２の
２−２で示す範囲に相当する。

【００８８】このように、増倍特性は格子緩和に影響さ
れず、Ｉｎ（０．５２）Ａｌ（０．４８）Ａｓに比較し
て十分ワイドギャップであれば、増倍特性が得られる。
このことを利用すると、薄膜増倍層の材料として、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＰ、ＧａＰ及びこれ
ら材料を任意の混合比で組み合わせた材料を用いること
ができる。

【００８９】電界緩和層１−４はｐ型不純物を含有して
おり、光吸収層１−５、１−６及び増倍層１−３と同一
の材料からなる。電界緩和層１−４の層厚は約０．０２
乃至約０．２μｍであり、ｐ型不純物濃度０．５×１０
¹⁸乃至２×１０¹⁸ｃｍ^-3を有する。

【００９０】ｎ型バッファ層１−２は、１×１０¹⁷乃至
１×１０²⁰ｃｍ^-3のｎ型不純物濃度を有しており、約
０．１乃至約０．５μｍの層厚を有している。

【００９１】光電流のパンチスルーの特性を改善するた
めには、ｎ型バッファ層１−２と光吸収層１−５、１−
６との間のバンド不連続を緩和することが必要となる。
このために、４元層やＩｎＰ層、トンネル効果を利用し
た薄膜障壁層をｎ型バッファ層１−２と光吸収層１−
５、１−６との間に挿入しても良い。

【００９２】このようにして構成した層構造を用いて、
最大帯域がおおよそ１０Ｇｂ／ｓや４０Ｇｂ／ｓに適用
できるような構造のＡＰＤを作製する。この場合、ｐｎ
接合容量が重要なパラメータとなっている、周波数応答
に関するＣＲ制限を避けるため、ｐｎ接合面積は１００
０平方μｍ以下に設計するのが有効である。

【００９３】それぞれのＡＰＤは、帯域に応じた高速ア
ンプと接続し、１０Ｇｂ／ｓや４０Ｇｂ／ｓにおいて高
感度な光受信機として利用できる。４０Ｇｂ／ｓにおい
ては、光プリアンプの動作電力を削減したり、あるい
は、光プリアンプ全体を省略することができる。

【００９４】（第二の実施の形態）第二の実施の形態に
おいては、半導体受光素子としてＳＡＭ型ＡＰＤを構成
する。

【００９５】本実施形態に係るＳＡＭ型ＡＰＤの構造を
図３−（Ｂ）に示す。本実施形態に係るＳＡＭ型ＡＰＤ
は、半導体基板３−１８と、半導体基板３−１８上にこ
の順番に形成されたｎ型バッファ層３−１７と、第１増
倍抑止層３−１６と、増倍層３−１５と、第２増倍抑止
層３−１４と、電界緩和層３−１３と、ｐ^-型光吸収層
３−１２と、ｐ⁺型光吸収層３−１１と、ｐ型バッファ
層３−１０と、ｐ型コンタクト層３−９と、からなる。

【００９６】これに対して、図３−（Ａ）は従来のＳＡ
Ｍ型ＡＰＤの構造を示す。従来のＳＡＭ型ＡＰＤは、半
導体基板３−８と、半導体基板３−８上にこの順番に形
成されたｎ型バッファ層３−７と、増倍層３−６と、電
界緩和層３−５と、ｐ^-型光吸収層３−４と、ｐ⁺型光吸
収層３−３と、ｐ型バッファ層３−２と、ｐ型コンタク
ト層３−１と、からなる。

【００９７】本実施形態に係るＳＡＭ型ＡＰＤにおいて
は、半導体基板３−１８はＧａＡｓやＩｎＰを用いる。

【００９８】ｐ⁺型光吸収層３−１１はｐ^-型光吸収層３
−１２よりも不純物濃度が高く設定されている。ｐ⁺型
光吸収層３−１１の層厚は０．０μｍ以上０．５μｍ以
下の範囲に設定されており、ｐ^-型光吸収層３−１２の
層厚は０．０１μｍ以上２μｍ以下の範囲に設定されて
いる。

【００９９】光吸収層３−１１、３−１２の層厚が厚す
ぎると、キャリアの走行時間が長くなり、高速・高感度
特性を得ることができなくなる。このため、高速・高感
度特性を得ることができる層厚の範囲として上記の範囲
を設定した。

【０１００】光吸収層３−１１、３−１２のバンドギャ
ップはバンドギャップが小さなものから選び、なるべく
広範囲の波長を受光可能なように設計する。

【０１０１】なお、光吸収層３−１１、３−１２はそれ
ぞれｎ⁺、ｎ^-型光吸収層として構成することも可能であ
る。

【０１０２】光吸収層３−１１、３−１２の材料として
は、ＩｎＰ基板上に形成する場合にはＩｎ（０．５３）
Ｇａ（０．４７）Ａｓを、ＧａＡｓ基板上に形成する場
合にはＩｎ（０．１）Ｇａ（０．９）Ａｓ等を用いる。

【０１０３】増倍層３−１５は、電界を均一に印加する
ために、可能な限り不純物濃度を低く作製する。層厚
は、ＧＢ積向上の観点から０．１μｍ未満とし、暗電流
劣化防止の観点から０．０１μｍ以上とする。

【０１０４】図３−（Ａ）に示す従来のＳＡＭ型ＡＰＤ
においては、増倍層３−０６の両側を構成する層、すな
わち、電界緩和層３−０５及びｎ型バッファ層３−０７
は増倍層３−０６と同一のバンドギャップまたは増倍層
３−０６のバンドギャップよりも小さいバンドギャップ
の材料で構成されている。このため、従来のＳＡＭ型Ａ
ＰＤの構造では、電圧を印加して高電界部分が広がった
際に実際の有効増倍層厚が広がってしまう。

【０１０５】これに対して、第２の実施の形態に係るＳ
ＡＭ型ＡＰＤにおいては、増倍層３−１５の両側にアバ
ランシェ増倍の確率の非常に低い増倍抑止層３−１４、
３−１６を設けることにより、この有効増倍層厚の広が
りを防ぐことができる。

【０１０６】増倍抑止層３−１４、３−１６は、増倍層
３−１５よりもブレークダウン電界の高い材料を用いて
構成する。

【０１０７】一般には、増倍電界は、バンドギャップが
同じであれば、層厚依存性を持つ（同じ層厚であればバ
ンドギャップに依存する）ため、バンドギャップが増倍
層３−１５に対して１１０％程度あるような材料を用い
ることが望ましい。

【０１０８】増倍抑止層３−１４、３−１６の層厚は、
増倍層３−１５の層厚と同等か、より薄い層厚で構成す
る。

【０１０９】ただし、増倍抑止層３−１４、３−１６の
層厚を０．０２μｍ以上とすることにより、その効果は
大きくすることができる。

【０１１０】また、バンドギャップ差が十分あれば、増
倍抑止層３−１４、３−１６の増倍電界は十分高くなる
ので、増倍抑止層３−１４、３−１６の厚みを増倍層３
−１５より厚くすることができる。

【０１１１】増倍抑止層３−１４、３−１６を挿入する
ことにより、薄膜増倍層３−１５の中でアバランシェ増
倍がおきる確率が高くなり、隣接する増倍抑止層３−１
４、３−１６で増倍する確率を低くすることができる。
従って、増倍キャリアの主流な増倍は増倍層３−１５の
内部に閉じこめることができる。

【０１１２】増倍抑止層３−１４、３−１６では、増倍
抑止層３−１４、３−１６の外部に高電界が印加されて
増倍がおきるのを防ぐため、層厚０．１μｍでは１×１
０¹⁷ｃｍ^-3以上、層厚０．０５μｍでは２×１０¹⁷ｃｍ
^-3以上、層厚０．０２μｍでは５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の
濃度、これらの層厚の中間の層厚ではこれらの濃度を補
完して得られた濃度以上の濃度を有するように設計する
ことにより、より高い効果を期待できる。この場合に
は、増倍抑止層３−１４、３−１６が電界緩和層３−１
３としての機能も兼ねていることとなる。

【０１１３】（第三の実施の形態）格子整合する材料の
バンドギャップはよく知られているので、バンドギャッ
プから組成を計算し、層構造を決定するのは容易であ
る。

【０１１４】ＩｎＰ基板上に構成したＳＡＭ型ＡＰＤの
場合、格子整合する材料系としては、Ｉｎ（０．５２）
Ａｌ（０．４８）Ａｓがワイドギャップ材料として知ら
れている。

【０１１５】これに対する増倍抑止層は、格子整合する
材料でバンドギャップが１１０％以上大きなものが知ら
れていないために、構成することができない。

【０１１６】そこで、格子不整合のワイドギャップ材料
を用いる。例えば、Ｉｎ（ｘ）Ａｌ（１−ｘ）Ａｓ（ｘ
＜０．５２）を用いると、ＩｎＡｌＡｓよりもワイドギ
ャップ材料で挟むことができたのと同等であり、有効増
倍層厚の増加を防ぐことができる。

【０１１７】ここで、ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎ
（ｘ）Ａｌ（１−ｘ）Ａｓ（ｘ＜０．５２）、特に格子
緩和が起きるほどの層厚を積層した場合のバンドギャッ
プを正確に得ることは難しいので、バンドギャップから
みた材料の組成設計は容易ではない。

【０１１８】増倍暗電流の観点から推定した場合、０．
０６μｍのＩｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓは０．１
μｍのＩｎ（０．５２）Ａｌ（０．４８）Ａｓと比較し
てバンドギャップ差が十分見られることが分かってい
る。

【０１１９】従って、このＩｎ（０．４）Ａｌ（０．
６）ＡｓをＩｎＡｌＡｓ増倍層に対する増倍抑止層とし
て利用することができる。

【０１２０】また、この材料よりもＡｌ組成を増やした
場合についても特に弊害はないので、Ｉｎ（ｘ）Ａｌ
（１−ｘ）Ａｓ、（１−ｘ＞０．６）、層厚０．０６μ
ｍを用いて増倍抑止層を構成すれば、増倍抑止の効果が
期待できる。

【０１２１】特に、増倍抑止層をＡｌＡｓで構成した場
合には増倍抑止の効果を一層期待することができ、その
層厚は０．０２μｍでもよい。

【０１２２】このとき、ｎ側増倍抑止層の濃度は１×１
０¹⁷ｃｍ^-3以上あると電界が緩和され、増倍抑止層に隣
接した層での増倍抑止効果も得られる。

【０１２３】このようにして得られた層構造を元にし
て、高速・高ＧＢ積のＡＰＤを得ることができる。

【０１２４】これらのＡＰＤは、さらに、高感度受信機
に応用することが期待できる。特に、ＡＰＤをプリアン
プに接続することにより、１０Ｇｂ／ｓのような帯域で
は超高感度受信機として、４０Ｇｂ／ｓの帯域でも従来
のＰＩＮ−ＰＤ受信機と同様の光受信機として、ただ
し、より高感度の受信機として使用することができる。

【０１２５】特に、４０Ｇｂ／ｓ帯に応用した場合、前
置する光プリアンプの増倍率を抑制して省電力化するこ
とが可能であり、特に、近距離では光プリアンプを用い
ない４０Ｇｂ／ｓ伝送系を構成することが可能となる。

【０１２６】

【実施例】

【０１２７】

【実施例１】本実施例は第一の実施の形態に対応するも
のである。

【０１２８】図４は実施例１に係る半導体受光素子の層
構造の図である。本実施例に係る半導体受光素子はＡＰ
Ｄとして構成されている。

【０１２９】実施例１に係るＡＰＤは、ｎ型インジウム
燐（ＩｎＰ）基板４−１と、ｎ型インジウム燐（Ｉｎ
Ｐ）基板４−１上にこの順番に形成されたｎ型ＩｎＰバ
ッファ層４−２（層厚１μｍ）と、ｎ型ＩｎＡｌＡｓバ
ッファ層４−３（層厚０．５μｍ）と、Ｉｎ（０．４）
Ａｌ（０．６）Ａｓｎ型バッファ層４−４（層厚０．０
５μｍ）と、Ｉｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓ増倍層
４−５（層厚０．０５μｍ）と、第１ｐ型Ｉｎ（０．
４）Ａｌ（０．６）Ａｓ電界緩和層４−６（層厚０．０
５μｍ）と、第２ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ電界緩和層４−
７（層厚０．０５μｍ）と、第１ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸
収層４−８（層厚１μｍ）と、第２ｐ型ＩｎＧａＡｓ光
吸収層４−９（層厚０．１μｍ）と、ｐ型ＩｎＰバッフ
ァ層４−１０（層厚１μｍ）と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコン
タクト層４−１１（層厚０．５μｍ）と、からなる。

【０１３０】これらの各層は結晶成長装置を用いて形成
される。

【０１３１】この層構造を元に、図５に示すような面入
射型の高速・高感度ＡＰＤを作製した。

【０１３２】以下、図５に示すＡＰＤの製造方法を説明
する。

【０１３３】先ず、ウェットエッチング（ブロム系等）
やドライエッチング（ＲＩＥ等）を用いて直径２０μ
ｍ、高さ３乃至５μｍのメサを形成する。これによりＡ
ＰＤ層構造５−４を持ったメサが形成される。

【０１３４】この場合には、メサ面積がｐｎ接合面積と
ほぼ等しく、おおよそ３１４平方μｍとなっている。

【０１３５】次いで、ポリイミドを用いてパッシベーシ
ョン膜を形成する。

【０１３６】次いで、ｐ型コンタクト層４−１１の上面
及びｎ型層が露出するメサ底面にそれぞれ、ｐ型コンタ
クト電極５−６及びｎ型コンタクト電極５−５を形成す
る。

【０１３７】次いで、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いて、ｐ電
極５−７、ｎ電極５−８を、コンタクト電極５−５、５
−６を覆うように形成する。

【０１３８】その際、ｎ電極５−８はｎ型コンタクト電
極５−５から表面まで引き出すように配線する。

【０１３９】なお、ＡＰＤ層構造５−４はＩｎＰ基板５
−３上に形成されており、ＡＰＤ層構造５−４とは反対
側のＩｎＰ基板５−３の表面には反射防止膜５−２が形
成されている。信号光５−１は反射防止膜５−２を介し
てＡＰＤ層構造５−４に入射れる。

【０１４０】このデバイスの特性を評価したところ、ブ
レークダウン電圧は２０Ｖであり、増倍暗電流は０．５
μＡであった。量子効率は８０％を得た。最大応答周波
数は５０Ω負荷のときに１０ＧＨｚであり、ＧＢ積は２
２０ＧＨｚを得た。特に、増倍率Ｍ＝２乃至２０での周
波数応答は１０ＧＨｚを維持していた。

【０１４１】本実施例に係るＡＰＤと１ＫΩ以上のトラ
ンスインピーダンスを持つプリアンプとを接続して周波
数特性を評価したところ、帯域１０ＧＨｚを得た。

【０１４２】本実施例に係るＡＰＤ及びプリアンプを用
いて光受信機を構成し、１０Ｇｂ／ｓのビットレートに
おいて受信感度を評価したところ、２３段の疑似ランダ
ム信号を使った場合にビットエラーレート（ＢＥＲ）１
×１０^-9を与える光強度は−３０ｄＢｍであった。

【０１４３】また、本実施例に係るＡＰＤ及びプリアン
プからなる光受信機を連続して数多く作製したところ、
結合効率の差や実装条件の僅かな違いなどに起因する受
信感度のばらつきが見られた。

【０１４４】この時の統計を取ると、受信機の平均的な
受信感度は、−２９ｄＢｍであり、最も低いものでも−
２６ｄＢｍを確保することができた。これは、１０Ｇｂ
／ｓ用としては、非常に高感度なＡＰＤ光受信機であ
る。

【０１４５】

【実施例２】本実施例は第一の実施の形態に対応するも
のである。

【０１４６】図６は実施例２に係る半導体受光素子の層
構造の図である。本実施例に係る半導体受光素子はＡＰ
Ｄとして構成されている。

【０１４７】実施例２に係るＡＰＤは、ＳＩ型インジウ
ム燐（ＩｎＰ）基板６−１と、ＳＩ型インジウム燐（Ｉ
ｎＰ）基板６−１上にこの順番で形成されたｎ型ＩｎＰ
バッファ層６−２（層厚２μｍ）と、ｎ型ＩｎＡｌＧａ
Ａｓ中間屈折率層６−３（０．５μｍ）と、ｎ型Ｉｎ
（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓバッファ層６−４（層厚
０．０５μｍ）と、Ｉｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓ
増倍層６−５（層厚０．０５μｍ）と、第１ｐ型Ｉｎ
（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓ電界緩和層６−６（層厚
０．０５μｍ）と、第２ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ電界緩和
層６−７（層厚０．０５μｍ）と、第１ｐ型ＩｎＧａＡ
ｓ光吸収層６−８（層厚０．４μｍ）と、第２ｐ型Ｉｎ
ＧａＡｓ光吸収層６−９（層厚０．１μｍ）と、ｐ型Ｉ
ｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層６−１０（０．５μｍ）
と、ｐ型ＩｎＰクラッド層６−１１（層厚２μｍ）と、
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６−１２（層厚０．５μ
ｍ）と、からなる。

【０１４８】これらの各層は結晶成長装置を用いて形成
される。

【０１４９】本実施例においては、図６に示した層構造
を用いて、図７に示すような導波路型のＡＰＤを構成す
る。

【０１５０】以下、図７に示す導波路型ＡＰＤの製造方
法を説明する。

【０１５１】先ず、ウェットエッチング（ブロム系等）
やドライエッチング（ＲＩＥ等）を用いて長さ１０μ
ｍ、幅５μｍ、高さ４乃至５μｍのＡＰＤメサ７−２を
形成する。

【０１５２】このＡＰＤメサ７−２の周囲にｎ型コンタ
クト電極を形成するための領域を残してウェット又はド
ライエッチングを用いて高さ２乃至３μｍ程度のｎ電極
用メサ７−３を形成する。この場合、ＡＰＤメサ７−２
の面積がｐｎ接合面積と等しく、おおよそ５０平方μｍ
となるようにする。

【０１５３】次いで、ポリイミド又は窒化膜を用いてパ
ッシベーション膜を形成する。

【０１５４】ｐ型コンタクト層６−１２の上面及びｎ型
層が露出するＡＰＤメサ７−２の上面にコンタクト電極
を形成する。

【０１５５】Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるコンタクト電極
を、ｎ電極７−４及びｐ電極７−５を覆うように形成す
る。

【０１５６】ｎ電極７−４及びｐ電極７−５は、コプレ
ーナ線路もしくはマイクロストリップラインまたは両者
を組み合わせて接続する形状を持たせる。

【０１５７】図７では、コプレーナ線路の場合を示し
た。

【０１５８】この場合、素子を形成した基板裏面にグラ
ウンドを構成する金属を蒸着などにより形成する。

【０１５９】さらに、基板の側面には反射防止膜７−６
が形成されており、信号光７−１はこの反射防止膜７−
６を介して導波路型ＡＰＤに入射される。

【０１６０】このデバイスの特性を評価したところ、ブ
レークダウン電圧は１２Ｖで増倍暗電流は０．５μＡで
あった。量子効率は７０％を得た。最大応答周波数は５
０Ω負荷で４０ＧＨｚであり、ＧＢ積は最大２２０ＧＨ
ｚを得た。特に、増倍率Ｍ＝２乃至５における周波数応
答は３６ＧＨｚ以上を維持していた。

【０１６１】本実施例に係る導波路型ＡＰＤと１００Ω
のトランス・インピーダンスを持つプリアンプとを接続
して周波数特性を評価したところ、帯域４０ＧＨｚを得
た。

【０１６２】また、本実施例に係る導波路型ＡＰＤ及び
プリアンプを用いて受信機を構成し、４０Ｇｂ／ｓのビ
ットレートにおいて受信感度を評価したところ、２３段
の疑似ランダム信号を使った場合にビットエラーレート
（ＢＥＲ）１×１０^-9を与える光強度は−１０ｄＢｍで
あった。これは、４０Ｇｂ／ｓ用としては、高感度な光
受信機である。

【０１６３】実施例１と同様に、本実施例に係る導波路
型ＡＰＤ及びプリアンプからなる多数の光受信機を連続
して構成し、評価したところ、ばらつきが生じたが、最
も低い受信感度のものでも−７ｄＢｍを得ることができ
た。

【０１６４】このＡＰＤ光受信機を用いた場合、光プリ
アンプとして接続しているファイバアンプの出力を３ｄ
Ｂ低減でき、消費電力が１Ｗであったが、およそ半分の
０．５Ｗまで低減できた。

【０１６５】また、１０ｋｍ程度あるいはそれより短い
光ファイバ伝送路を用いた場合、光プリアンプなしに４
０Ｇｂ／ｓの信号を受信できた。

【０１６６】

【実施例３】本実施例は第二の実施の形態に対応するも
のである。

【０１６７】図８は実施例３に係る半導体受光素子の層
構造の図である。本実施例に係る半導体受光素子はＡＰ
Ｄとして構成されている。

【０１６８】実施例３に係るＡＰＤは、ガリウムヒ素
（ＧａＡｓ）基板８−１と、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）
基板８−１上にこの順番で形成されたｎ型Ａｌ（０．
２）Ｇａ（０．８）Ａｓバッファ層８−２（層厚１μ
ｍ）と、ｎ型Ａｌ（０．１２）Ｇａ（０．８８）Ａｓ中
間屈折率層８−３（層厚０．５μｍ）と、ＡｌＡｓ増倍
抑止層８−４（層厚０．０５μｍ）と、Ａｌ（０．２）
Ｇａ（０．８）Ａｓ増倍層８−５（層厚０．０５μｍ）
と、ＡｌＡｓ増倍抑止層８−６（層厚０．０５μｍ）
と、ｐ型Ａｌ（０．２）Ｇａ（０．８）Ａｓ電界緩和層
８−７と、第１ｐ型Ｉｎ（０．１）Ｇａ（０．９）Ａｓ
光吸収層８−８（層厚０．２μｍ）と、第２ｐ型Ｉｎ
（０．１）Ｇａ（０．９）Ａｓ光吸収層８−９（層厚
０．１μｍ）と、ｐ型Ａｌ（０．１２）Ｇａ（０．８
８）Ａｓ中間屈折率層８−１０（層厚０．５μｍ）と、
ｐ型Ａｌ（０．２）Ｇａ（０．８）Ａｓバッファ層８−
１１（層厚１μｍ）と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８−
１２（層厚０．２μｍ）と、からなる。

【０１６９】これらの各層は結晶成長装置により形成さ
れる。

【０１７０】上記層構造を元に、導波路型ＡＰＤを構成
する。導波路型ＡＰＤは実施例２と同様な図７の構造を
とる。

【０１７１】以下、本実施例に係る導波路型ＡＰＤの製
造方法を説明する。

【０１７２】先ず、ウェットエッチングやドライエッチ
ング（ＲＩＥ等）を用いて、長さ２０μｍ、幅４μｍ、
高さ４乃至５μｍの第１メサを形成する。この第１メサ
の周囲にｎ型コンタクト電極を形成するための領域を残
してウェット又はドライエッチングを用いて高さ２乃至
３μｍ程度の第２メサを形成する。

【０１７３】この場合、第１メサと第２メサとのメサ総
面積はｐｎ接合面積と等しく、おおよそ８０平方μｍと
なっている。

【０１７４】次いで、ポリイミド又は窒化膜を用いてパ
ッシベーション膜を形成する。

【０１７５】次いで、ｐ型コンタクト層の上面及びｎ型
層が露出するメサ上面にコンタクト電極を形成する。

【０１７６】Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるコンタクト電極
を、ｎ電極及びｐ電極を覆うように形成する。ｎ電極及
びｐ電極はコプレーナ線路もしくはマイクロストリップ
ラインまたは両者を組み合わせて接続する形状を持つも
のとする。

【０１７７】この場合、素子を形成した基板裏面にグラ
ウンドを構成する電極を形成する。

【０１７８】このデバイスの特性を評価したところ、ブ
レークダウン電圧は１０Ｖで増倍暗電流は０．１μＡで
あった。

【０１７９】量子効率は波長依存性を持つが、最大で５
０％を得た。受光可能な波長は０．８μｍ以下の領域で
あった。最大応答周波数は５０Ω負荷で３６ＧＨｚであ
り、ＧＢ積は最大３３０ＧＨｚを得た。特に、増倍率Ｍ
＝２乃至８での周波数応答は３６ＧＨｚ以上を維持して
いた。

【０１８０】本実施例に係る半導体受光素子をプリアン
プＩＣと接続して光受信機を構成する。

【０１８１】この光受信機を用いると、波長０．４μｍ
から０．８μｍの１０ＧＨｚ以上の高速変調信号を高感
度で受信することが可能となる。これは、例えば、プラ
スチックファイバーを用いた光通信などで用いられる、
可視光乃至赤外光を使った通信の受光素子として有効で
ある。

【０１８２】

【実施例４】本実施例は第三の実施の形態に対応するも
のである。

【０１８３】図９は実施例４に係る半導体受光素子の層
構造の図である。本実施例に係る半導体受光素子はＡＰ
Ｄとして構成されている。

【０１８４】実施例４に係るＡＰＤは、ＳＩ型インジウ
ム燐（ＩｎＰ）基板９−１と、ＳＩ型インジウム燐（Ｉ
ｎＰ）基板９−１上にこの順番で形成されたｎ型ＩｎＰ
バッファ層９−２（層厚２μｍ）と、ｎ型ＩｎＡｌＧａ
Ａｓ中間屈折率層９−３（０．５μｍ）と、ｎ型Ｉｎ
（０．２）Ａｌ（０．８）Ａｓ増倍抑止層９−４（層厚
０．０５μｍ）と、Ｉｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓ
増倍層９−５（層厚０．０５μｍ）と、ｐ型Ｉｎ（０．
２）Ａｌ（０．８）Ａｓ増倍抑止層兼電界緩和層９−６
（層厚０．０５μｍ）と、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ電界緩
和層９−７（層厚０．０５μｍ）と、第１ｐ型ＩｎＧａ
Ａｓ光吸収層９−８（層厚０．４μｍ）と、第２ｐ型Ｉ
ｎＧａＡｓ光吸収層９−９（層厚０．１μｍ）と、ｐ型
ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層９−１０（層厚０．５μ
ｍ）と、ｐ型ＩｎＰバッファ層９−１１（層厚２μｍ）
と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９−１２（層厚０．
５μｍ）と、からなる。

【０１８５】これらの各層は結晶成長装置を用いて形成
される。

【０１８６】本実施例では、この構造を用いて、実施例
２を説明する図７に示すような導波路型のＡＰＤを構成
する。

【０１８７】以下、本実施例に係る導波路型ＡＰＤの製
造方法を説明する。

【０１８８】先ず、ウェットエッチング（ブロム系等）
やドライエッチング（ＲＩＥ等）を用いて、長さ１０μ
ｍ、幅５μｍ、高さ４乃至５μｍの第１メサを形成す
る。

【０１８９】この第１メサ及び長辺に隣接してｎ型コン
タクト電極を形成するための領域を残して、ウェット又
はドライエッチングを用いて、高さ２乃至３μｍ程度の
第２メサを形成する。

【０１９０】この場合、第１メサと第２メサとのメサ総
面積がｐｎ接合面積と等しく、おおよそ５０平方μｍと
なっている。

【０１９１】次いで、ポリイミド又は窒化膜を用いてパ
ッシベーション膜を形成する。

【０１９２】次いで、ｐ型コンタクト層の上面及びｎ型
層が露出するメサ上面にコンタクト電極を形成する。

【０１９３】Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるコンタクト電極
を、ｎ電極及びｐ電極を覆うように形成する。ｎ電極及
びｐ電極はコプレーナ線路もしくはマイクロストリップ
ラインまたは両者を組み合わせて接続する形状を持つも
のとする。

【０１９４】この場合、素子を形成した基板裏面にグラ
ウンドを構成する電極を形成する。

【０１９５】この場合、素子を形成した基板裏面にグラ
ウンドを構成する電極を形成する。

【０１９６】このデバイスの特性を評価したところ、ブ
レークダウン電圧は１２Ｖであり、増倍暗電流は０．５
μＡであった。量子効率は７０％を得た。最大応答周波
数は５０Ω負荷で４０ＧＨｚであり、ＧＢ積は最大２５
０ＧＨｚを得た。特に、増倍率Ｍ＝２乃至５における周
波数応答は４０ＧＨｚ以上を維持していた。

【０１９７】本実施例に係る導波路型ＡＰＤと１００Ω
のトランス・インピーダンスを持つプリアンプとを接続
して周波数特性を評価したところ、帯域４０ＧＨｚを得
た。

【０１９８】また、本実施例に係る導波路型ＡＰＤ及び
プリアンプを用いて受信機を構成し、４０Ｇｂ／ｓのビ
ットレートにおいて受信感度を評価したところ、２３段
の疑似ランダム信号を使った場合にビットエラーレート
（ＢＥＲ）１×１０^-9を与える光強度は−１２ｄＢｍで
あった。これは、４０Ｇｂ／ｓ用としては、高感度な光
受信機である。

【０１９９】このＡＰＤ受信機を用いると、４０Ｇｂ／
ｓの伝送路を構成する際に、ＡＰＤ受信機の前段に配置
する光プリアンプの増幅量を削減でき、低消費電力な光
受信機を構成することが可能である。

【０２００】また、伝送距離が１乃至１０ｋｍ以内のよ
うな場合、伝送損失は０．２乃至５ｄＢ以内と見積もら
れるため、送信光出力を０乃至３ｄＢｍ程度に設定する
ことにより、光アンプを省略した光受信機により光信号
を受信することが可能となる。

【０２０１】

【発明の効果】本発明により、ＩｎＰ基板上で０．１μ
ｍ未満の増倍層厚を持ったＡＰＤにおいて、０．１μｍ
以上の層厚を持つＡＰＤと比較して、Ｍ＝１乃至１５の
範囲でＧＢ積が向上させることができると同時に増倍暗
電流のレベルを０．１乃至１マイクロアンペア以下と低
く押さえることができる。

【０２０２】このような高いＧＢ積を得ることにより、
２．５Ｇｂ／ｓや１０Ｇｂ／ｓ通信では、Ｍ＞１０の高
い増倍域でも実用特性を得ることが可能である。

【０２０３】また、例えば、導波路型構造などのよう
に、５０％以上の量子効率を有し、かつ、最大帯域が４
０ＧＨｚを越えるような設計をすることにより、４０Ｇ
ｂ／ｓへも適用可能となる。

【０２０４】さらに、増倍抑止層を導入することによ
り、０．１μｍ以下のような薄膜増倍層に対して、増倍
領域の拡大を防ぎ、ＧＢ積の一層の向上を図ることがで
きる。増倍抑止層にドーピングを施した場合、特に、１
×１０¹⁷ｃｍ^-3以上に設定した場合には、増倍抑止層に
対して増倍層と反対側に接した層の内部で増倍する確率
を低減することができ、ＧＢ積を向上させる効果がより
一層高まる。

【０２０５】このような高ＧＢ積のＡＰＤを得ることに
より、１０Ｇｂ／ｓ光通信においては、ショットノイズ
限界により近づいた受信感度を持つＡＰＤ受信機を実現
することができる。

【０２０６】例えば、帯域がｆｃ＞１０ＧＨｚ、量子効
率η＞８０％のＡＰＤをトランスインピーダンス１ＫΩ
を持つプリアンプに接続した場合、−２９ｄＢｍの受信
感度あるいはそれ以上が得られるようになる。

【０２０７】また、組み立て等の歩留まりを考えても−
２６ｄＢｍ程度が得られる。

【０２０８】また、従来には例のない４０Ｇｂ／ｓ帯の
ＡＰＤ受信機を実現することができる。この４０Ｇｂ／
ｓ用ＡＰＤ受信機は、その特性から、前段の光プリアン
プの増幅量を低減することができ、あるいは、光プリア
ンプそれ自体を省略することもできる。これは、光プリ
アンプの大きな消費電力を削減するのに有効である。こ
れにより、低消費電力の４０Ｇｂ／ｓ光受信機を構成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体受光素
子における層構造を示す説明図である。

【図２】増倍層に適用可能なＩｎ（ｘ）Ａｌ（１−ｘ）
Ａｓの組成を示すグラフである。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る半導体受光素
子の構造（図３（Ａ））と従来の半導体受光素子の構造
（図３（Ｂ））とを示す説明図である。

【図４】実施例１に係る半導体受光素子の層構造を示す
説明図である。

【図５】実施例１に係る半導体受光素子の構造を示す断
面図である。

【図６】実施例２に係る半導体受光素子の層構造を示す
説明図である。

【図７】実施例２に係る半導体受光素子の構造を示す断
面図である。

【図８】実施例３に係る半導体受光素子の構造を示す断
面図である。

【図９】実施例４に係る半導体受光素子の構造を示す断
面図である。

【図１０】従来のＳＡＭ型ＡＰＤの層構造を示す説明図
である。

【図１１】従来のＡＰＤ受信機の構成を示す概略図であ
る。

【図１２】光プリアンプを用いた従来の光受信機のブロ
ック図である。

【図１３】従来のＳＡＭ型ＡＰＤの電界分布の説明図で
ある。

【符号の説明】

１−１半導体基板１−２ｎ型バッファ層１−３薄膜増倍層１−４電界緩和層１−５ｐ型光吸収層１１−６ｐ型光吸収層２１−７ｐ型バッファ層１−８ｐ型コンタクト層２−１（１−ｘ）＝−０．３ｌｏｇ１０（ｄｍ）＋
０．１８２−２薄膜増倍層として適用可能なＩｎＡｌＡｓの組
成範囲３−０１ｐ型コンタクト層３−０２ｐ型バッファ層３−０３ｐ⁺光吸収層３−０４ｐ^-光吸収層３−０５電界緩和層３−０６増倍層３−０７ｎ型バッファ層３−０８基板３−０９ｐ型コンタクト層３−１０ｐ型バッファ層３−１１ｐ⁺型光吸収層３−１２ｐ^-型光吸収層３−１３電界緩和層３−１４増倍抑止層３−１５増倍層３−１６増倍抑止層３−１７ｎ型バッファ層３−１８基板４−１ｎ型ＩｎＰ基板４−２ｎ型ＩｎＰバッファ層４−３ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層４−４ｎ型Ｉｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓバッフ
ァ層４−５Ｉｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓ増倍層４−６第１ｐ型Ｉｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓ電
界緩和層４−７第２ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ電界緩和層４−８第１ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４−９第２ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４−１０ｐ型ＩｎＰ層４−１１ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５−１信号光５−２反射防止膜５−３ＩｎＰ基板５−４ＡＰＤ層構造５−５ｎ型コンタクト電極５−６ｐ型コンタクト電極５−７ｐ電極５−８ｎ電極６−１ＳＩ型ＩｎＰ基板６−２ｎ型ＩｎＰバッファ層６−３ｎ型ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層６−４ｎ型Ｉｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓバッフ
ァ層６−５Ｉｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓ増倍層６−６第１ｐ型Ｉｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓ電
界緩和層６−７第２ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ電界緩和層６−８第１ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層６−９第２ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層６−１０ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層６−１１ｐ型ＩｎＰバッファ層６−１２ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７−１信号光７−２ＡＰＤメサ７−３ｎ電極メサ７−４ｎ電極７−５ｐ電極７−６反射防止膜８−１ＧａＡｓ基板８−２ｎ型Ａｌ（０．２）Ｇａ（０．８）Ａｓバッフ
ァ層８−３ｎ型Ａｌ（０．１２）Ｇａ（０．８８）Ａｓ中
間屈折率層８−４ＡｌＡｓ増倍抑止層８−５Ａｌ（０．２）Ｇａ（０．８）Ａｓ増倍層８−６ＡｌＡｓ増倍抑止層８−７ｐ型Ａｌ（０．２）Ｇａ（０．８）Ａｓ電界緩
和層８−８第１ｐ型Ｉｎ（０．１）Ｇａ（０．９）Ａｓ光
吸収層８−９第２ｐ型Ｉｎ（０．１）Ｇａ（０．９）Ａｓ光
吸収層８−１０ｐ型Ａｌ（０．１２）Ｇａ（０．８８）Ａｓ
中間屈折率層８−１１ｐ型Ａｌ（０．２）Ｇａ（０．８）Ａｓバッ
ファ層８−１２ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９−１ＳＩ型ＩｎＰ基板９−２ｎ型ＩｎＰバッファ層９−３ｎ型ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層９−４ｎ型Ｉｎ（０．２）Ａｌ（０．８）Ａｓ増倍抑
止層９−５Ｉｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓ増倍層９−６ｐ型Ｉｎ（０．２）Ａｌ（０．８）Ａｓ増倍抑
止層９−７ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ電界緩和層９−８第１ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９−９第２ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９−１０ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層９−１１ｐ型ＩｎＰバッファ層９−１２ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０−１半導体基板１０−２ｎ型バッファ層１０−３増倍層１０−４電界緩和層１０−５第１ｐ型光吸収層１０−６第２ｐ型光吸収層１０−７ｐ型バッファ層１０−８ｐ型コンタクト層１１−１光ファイバ１１−２レンズ１１−３ＡＰＤ１１−４プリアンプ１１−５ＭＳＬ１１−６高周波コネクタ１１−７端子１２−１光ファイバ１２−２光信号１２−３光プリアンプ１２−４ＰＩＮ−ＰＤ光受信機１２−５電気信号１２−６光プリアンプ付きで構成する光受信機１３−１ｐ⁺層１３−２光吸収層１３−３電界緩和層１３−４増倍層１３−５ｎ⁺層１３−６実効増倍層幅

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インジウム燐（ＩｎＰ）基板上に形成す
る増倍層であって、前記インジウム燐基板に格子整合す
るかしないかを問わず、Ｉｎ（０．５２）Ａｌ（０．４
８）Ａｓよりもワイドギャップの材料からなり、層厚が
０．０１μｍ以上０．１μｍ未満の増倍層を備えること
を特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】前記増倍層の材料としてＩｎ（ｘ）Ａｌ
（１−ｘ）Ａｓ（０≦ｘ＜０．５２）を用いることを特
徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】Ｉｎ（ｘ）Ａｌ（１−ｘ）Ａｓ（０≦ｘ
＜０．５２）におけるｘの値は次式に従って決定される
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体受光素子。（１−ｘ）≧ｋ₁ｌｏｇ１０（ｄｍ）＋ｋ₂ ただし、ｋ₁はｋ₁≦−０．３を満たす任意の値であり、
ｋ₂は上式の曲線が（ｄｍ＝０．１、ｘ＝０．５２）の
点を通過するように決められるものとする。
【請求項４】前記増倍層は、Ｓｉ、ＧａＮ、ＡｌＮ、
ＩｎＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＳｂまたはこ
れらの化合物からなるものであることを特徴とする請求
項１乃至３の何れか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項５】前記半導体受光素子はアバランシェ・フ
ォトダイオード（ＡＰＤ）であることを特徴とする請求
項１乃至４の何れか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項６】ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＰ、Ａｌ
Ａｓ、ＧａＰ、ＡｌＳｂあるいはこれらの化合物からな
り、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下の層厚を有する増
倍層を備えることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項７】前記半導体受光素子はＳＡＭ(separated
absorption and multiplication)型アバランシェ・フ
ォトダイオード（ＡＰＤ）であることを特徴とする請求
項６に記載の半導体受光素子。
【請求項８】増倍層と、前記増倍層の両側に形成された増倍抑止層と、を備え、前記増倍抑止層は、０．１μｍ以下の増倍層に対して、
有効な増倍層厚が広がることを防止するものであること
を特徴とする半導体受光素子。
【請求項９】インジウム燐（ＩｎＰ）基板と、前記インジウム燐基板上に形成される増倍層と、前記増倍層の両側に形成された増倍抑止層と、を備え、前記増倍抑止層はＩｎ（ｘ）Ａｌ（１−ｘ）Ａｓ（ｘ≦
０．４）からなるものであることを特徴とする半導体受
光素子。
【請求項１０】前記増倍抑止層は０．０２μｍ以上
０．１μｍ以下の厚さを有するものであることを特徴と
する請求項８または９に記載の半導体受光素子。
【請求項１１】前記増倍抑止層はＡｌＡｓからなるも
のであることを特徴とする請求項８または９に記載の半
導体受光素子。
【請求項１２】前記増倍抑止層は１×１０¹⁷ｃｍ^-3以
上の不純物濃度を有することを特徴とする請求項８乃至
１１の何れか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項１３】請求項１乃至１１の何れか一項記載の
半導体受光素子と、前記半導体受光素子に接続されたプリアンプＩＣと、を備えることを特徴とする光受信機。
【請求項１４】請求項１乃至１１の何れか一項記載の
半導体受光素子と、前記半導体受光素子に接続されたプリアンプＩＣと、を
備え、ビットエラーレート（ＢＥＲ）１×１０^-9を与える光強
度が−２６ｄＢｍ以下となる受信感度を有する１０Ｇｂ
／ｓ通信用ＡＰＤ光受信機。
【請求項１５】請求項１乃至１１の何れか一項記載の
半導体受光素子と、前記半導体受光素子に接続されたプリアンプＩＣと、を
備え、ビットエラーレート（ＢＥＲ）１×１０^-9を与える光強
度が−７ｄＢｍ以下となる受信感度を有する４０Ｇｂ／
ｓ通信用ＡＰＤ受信機。