JP2005039269A - レスポンシビティを高めた光検出器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 入力光信号への応答速度をさらに高め、レスポンシビティを高めた光検出器およびそれら光検出器の効率的製造方法を提供する。
【解決方法】III族サブラティスインジウム濃度５３％以上の高インジウム濃度（Ｈ−Ｉ−Ｃ）吸収層を備える光検出器である。このＨ−Ｉ−Ｃ吸収層は帯域幅を小さくすることなくレスポンシビティを高める。このＨ−Ｉ−Ｃ吸収層を含む光変換構成体は、光変換構成体と基板との間で格子定数勾配を形成するように変成バッファ層を用いることにより、任意の種類の基板に形成できる。この光検出器のレスポンシビティは、上記Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層を入射光信号が少なくとも２回通過するように構成することによって、さらに改善できる。
【選択図】 図３Ａ
【解決方法】III族サブラティスインジウム濃度５３％以上の高インジウム濃度（Ｈ−Ｉ−Ｃ）吸収層を備える光検出器である。このＨ−Ｉ−Ｃ吸収層は帯域幅を小さくすることなくレスポンシビティを高める。このＨ−Ｉ−Ｃ吸収層を含む光変換構成体は、光変換構成体と基板との間で格子定数勾配を形成するように変成バッファ層を用いることにより、任意の種類の基板に形成できる。この光検出器のレスポンシビティは、上記Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層を入射光信号が少なくとも２回通過するように構成することによって、さらに改善できる。
【選択図】 図３Ａ
Description
この発明は光検出器に関し、より詳しくいうと、高速動作に適しレスポンシビティの高い光検出器の構造およびその製造方法に関する。
光検出器は光信号を電気信号に変換する。したがって、光検出器は光通信網における決定的に重要な構成要素である。図１は、基板１１０の表面上に形成したＰＩＮ光変換構成体１２０を含む慣用の光検出器１００を示す。電極１０１および１０２により光検出器１００との電気的接続通路を形成する。
ＰＩＮ光変換構成体１２０はｐ型陽極層１２９と、真性（不純物拡散なし）吸収層１２５と、ｎ型陰極層１２１と、エッチストップ層１２１−Ｅとを含む。吸収層１２５は、陽極層１２９を透過する光信号１９０から光（光子）を吸収する。吸収された光子が十分なエネルギー（短波長が高エネルギー光子に対応する）を有する場合は、吸収層１２５の中に電子・ホール対が生ずる。自由電子およびホールは互いに反対の方向に移動し（電子はｎ型陰極層１２１に向かって動き、ホールはｐ型陽極層１２９に向かって動く）、その結果、光信号１９０に相関のある電気信号を生ずる。
光検出器に用いる材料は、光信号１９０に含まれる光の波長によって異なる。例えば、新式の光通信網における搬送波用の光の波長は１．３乃至１．５５μｍであるので、光通信信号用光検出器は、１．３乃至１．５５μｍの波長範囲で強い吸収特性を備えるインジウムＧａＡｓ（ＩｎＧａＡｓ）で構成した吸収層を通常含む。
より詳細に述べると、慣用の光通信用光検出器は、図１に示すとおり、インジウム５３％およびガリウム４７％のIII族サブラティス濃度（モル分率）を有するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓから成る吸収層１２５を含む。なお、吸収層１２５のIII族サブラティスは、吸収層１２５（インジウムおよびガリウム）中でIII族の元素（すなわち、周期律表のIII欄の元素）のみから成る。慣用の通信用光検出器にＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓを用いるのは、ＩｎＰ基板１１０との格子整合をとることができ、光検出器の構造上の完全無欠性を確保できるからである。
光検出器１００の上記以外の構成部分も、同じ理由でＩｎＰおよびＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓと同じ格子定数を備えるように構成する。例えば、陰極層１２１はＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓと同じ格子定数のｎ型不純物拡散ずみのＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ層であり、陽極層１２９はｐ型不純物拡散ずみのＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層であり、エッチストップ層１２１−Ｅは薄いＩｎＰ層である。エッチストップ層１２１−Ｅは、陰極層１２１の形成中の終止点検出を単純にするためにＰＩＮ光変換構成体１２０に組み入れる。エッチング処理は通常選択性が高いので、陰極層１２１の形成に用いるＩｎＡｌＡｓエッチングはエッチストップ層１２１−Ｅで止まる。
光検出器１００の中の吸収層１２５の垂直方向の長さ（すなわち、高さまたは厚さ）を小さくすることによって、光検出器１００の動作速度（帯域幅）を通常上げることができる。吸収層１２５の垂直方向の長さの短縮は、その層１２５の中で光信号１９０に応答して発生する電荷キャリア（すなわち、自由電子およびホール）が電極１０１および１０２への到達までに移動する距離の短縮を意味する。すなわち、光検出器１００が、より高い変調速度の光信号に応答できることを意味する。
図１において、吸収層１２５の垂直方向の長さ（すなわち、厚さ）を長さＬ１で表す。その場合、光信号１９０がＰＩＮ光検出器１００にデータを供給できるビットレートは長さＬ１でほぼ定まる。長さＬ１を小さくすると、このビットレート最大値が上がる（ただし、長さＬ１がごく小さい場合は、デバイスのキャパシタンスのためにビットレート増加が制限を受ける）。例えば、波長１．５５μｍで４０Ｇｂ／ｓの伝送速度（ビットレート）をサポートするように設計された慣用のＰＩＮ光検出器は、垂直方向長さＬ１が約７０００Åの吸収層１２５を通常有する。
しかし、吸収層１２５の長さＬ１の減少に伴い、その層が厚い場合に比べて入射光１９０の吸収がそれだけ減少するので、光検出器１００のレスポンシビティも残念ながら減少する。すなわち、検出ビットレート上限を上げるために吸収層１２５の垂直方向の長さを小さくすると、光検出器１００の検出効率、すなわちレスポンシビティが低下する。
例えば、垂直方向の長さＬ１が１．４μｍである場合は、光検出器１００は入射光１９０の約６１％を吸収する。しかし、伝送速度４０Ｇｂ／ｓをサポートするには、慣用の光検出器１００の吸収層１２５では垂直方向の長さＬ１を７０００Åまで小さくしなければならない。垂直方向の長さ（厚さ）Ｌ１をこの値まで小さくすると、吸収層１２５における入射光吸収率は約３８％まで低下する。すなわち、慣用の高速度ＰＩＮ光検出器では低レベル光信号の検出が困難になる。
ＰＩＮ光検出器のレスポンシビティを上げるために、光検出器の吸収層を取り囲んで形成した反射層を用いる共振空胴手法を採ることができる。この共振空胴付きエンハンス型（ＲＣＥ）光検出器に入射光を導くと、その入射光の一部はＩｎＧａＡｓ吸収層に吸収される。入射光の残りの部分は検出器の中を透過し、下側の反射層により吸収層の向きに反射で戻される。この反射光の一部は吸収層に吸収され、残りの部分はそのまま直進し、上側の反射層により吸収層の向きに反射で戻される。上述の過程が入射光のほぼ全部の吸収に至るまで継続する。
薄い吸収層を備える上述のＲＣＥ光検出器では、入射光信号が吸収層を数回にわたり通過するので、レスポンシビティがそれだけ改善される。しかし、ＲＣＥ光検出器が有効であるのはごく狭い波長範囲に限られる。反射層に通常用いられる半導体層の反射特性が狭い波長範囲に限られるからである。また、ＲＣＥ光検出器は反射層の追加を要するので製造がそれだけ困難である。
慣用ＰＩＮ光検出器の上述の制約を解消するために、上記以外の光変換構成体が用いられることもある。例えば、光導波路ＰＩＮ（ＷＧＰＩＮ）構造では、光信号を光検出器の端部（すなわち、吸収層の端部）に導く。したがって、帯域幅改善のためにＷＧＰＩＮ光検出器の吸収層の垂直方向の長さ（厚さ）を小さくしても、吸収層の水平方向の長さは変わらないので、レスポンシビティが著しく低下することはない。すなわち、ＷＧＰＩＮ光検出器は高いレスポンシビティおよび広い帯域幅の両方を実現できる。
しかし、ＷＧＰＩＮ光検出器はそれ以外の光検出器に比べて偏光に伴う損失（ＰＤＬ）が一般に大きく、信号歪の問題を生ずる。また、実装構造の面では、光ファイバからの光をＷＧＰＩＮ検出器に導くことは困難で時間を要し、実働化費用を大幅に高めることがあり得る。
Bollacrt et al., "Metamorphic In0.4Al0.6As/In0.4Ga0.6AsHEMTs on GaAsSubstrate", IEEE Electron Device Letters, Vol.20, No.3, March 1999, pp.123-125
Dumka et al., "High Performance0.35 μm Gate-Length Monolithic Enhancement/Depletion-Mode Metamorphic In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47AsHEMTs on GaAsSubstrates", IEEE Electron Device Letters, Vol.22, No.8, August 2001,pp.364-366
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Janget al., "The Impact Of A Large Bandgap DriftRegion In Long-Wavelength Metamorphic Photodiodes", IEEE PhotonicsTechnology Letters, Vol.13, No.10, October 2001, pp.1097-1099
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Zaknoune et al., "InAlAs/InGaAs Metamorphic HEMT With High Current DensityAnd High Breakdown Voltage", IEEE Electron Device Letters, Vol.19, No.9,September 1998, pp.345-347
高速度でレスポンシビティの高い光検出器を効率的に製造するのに適した製造方法およびデバイス構造が必要になっている。
この発明の一つの実施例によると、光検出器の中の「高インジウム濃度」（Ｈ−Ｉ−Ｃ）吸収層を、光検出器のＩｎＧａＡｓ吸収層のインジウムのIII族サブラティス濃度（「インジウム濃度」）を５３％以上の値に高めることによって形成する。インジウム濃度を高めることにより、吸収層の中の許容エネルギー状態の密度を高め、それによってＨ−Ｉ−Ｃ吸収層を含む光検出器のレスポンシビティを高める。
レスポンシビティ改善を吸収層の垂直方向の長さを増加させることなく達成するので、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層は帯域幅減少を伴うことなく光検出器のレスポンシビティを上げることができる。この発明の多様な実施例によると、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層は、ＰＩＮ（メサ型またはプレーナ拡散型）、デュアルパスＰＩＮ、光導波路ＰＩＮ、ＲＣＥ、アバランシェ光検出器ＡＰＤ（メサ型またはプレーナ拡散型）、金属−基板−金属（ＭＳＭ）光検出器など多様な種類の光検出器に組み入れることができる。
吸収層の中のインジウム濃度を変化させることにより吸収層の格子定数を変えることができるので、この発明の多様な実施例は、格子定数の異なる基板表面上への高インジウム濃度（Ｈ−Ｉ−Ｃ）光変換構成体の形成を可能にするためのアタッチメントインタフェース構成体を含む。例えば、この発明の一つの実施例では、光検出器は光変換構成体と、格子定数の異なる基板と、これら光変換構成体および基板の間に配置した変成バッファ層とを含む。この変成バッファ層の組成は基板の格子定数から光変換構成体の格子定数まで勾配をもって変化し、それによって光検出器の構造上の完全無欠性を維持する。
この発明の光検出器は高いデータ伝送速度の信号で変調した光信号に十分に高いレスポンシビティで応答できる。
図２はこの発明の一つの実施例による光検出器２００の断面図を示す。この光検出器２００は基板構成体２１０の表面上に光変換構成体２２０を備える。光変換構成体２２０は光電変換を行うものであり、ＩｎＧａＡｓから成る高インジウム濃度（Ｈ−Ｉ−Ｃ）吸収層２２５を含む。より詳細に述べると、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層２２５はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ここでｘは０．５３と１．０との間の値である）で形成される。すなわち、インジウムのIII族サブラティス濃度は５３％以上１００％以下である。
Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層２２５は通常は非意図的不純物拡散（ＮＩＤ）を受ける。なお、光電変換構成物２２０は任意の構成を備え得る（例えば、ＰＩＮ（メサ型またはプレーナ不純物拡散）、デュアルパスＰＩＮ、光導波路ＰＩＮ、アバランシェ光検出器ＡＰＤ（メサ型またはプレーナ拡散型）およびＭＳＭ光ダイオード）。また、基板構成体２１０は、基板２１１と光変換構成体２２０との間のあらゆる格子定数差を許容するオプションのインタフェース層を備えることができるが、この点についてはさらに後述する。
Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層２２５は従来慣用光検出器に用いられるＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓよりも大きいインジウム濃度を備えるので、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層２２５は電子の許容エネルギー状態密度が慣用の吸収層よりも大きい。これによって、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層２２５による入力光信号の捕捉部分は慣用の吸収層による捕捉部分よりも大きくなり、光検出器２００のレスポンシビティは慣用の吸収層による場合よりもそれだけ上がる。
表１は図２に示したＨ−Ｉ−Ｃ吸収層の利用により達成できるレスポンシビティ改善を示すシミュレーションデータである。このデータは厚さ（Ｌ２）７０００Åの吸収層および厚さ５００Åのｐ型陽極層を備えるＰＩＮ光検出器のレスポンシビティ特性を示す。
一方、表１の行２乃至行６はこの発明の多様な実施例にしたがってインジウム濃度を増加させたＨ−Ｉ−Ｃ吸収層（例えば、図２の吸収層２２５）のもたらすレスポンシビティ特性を示す。例えば、行２に示すとおり、インジウム濃度を５５％に増加させるだけで波長１．５５μｍにおけるレスポンシビティを０．５１５０Ａ／Ｗに上げることができ、これは行１に示した慣用の吸収層の場合に比べて１３％以上の上昇になる。インジウム濃度を６３％に上げると（行６）、波長１．５５μｍにおけるレスポンシビティを０．５９９８Ａ／Ｗに上げることができ、これは３０％以上の上昇になる。このように、この発明の一つの実施例によると、搬送波波長１．５５μｍで用いる光検出器２００にインジウム濃度５４％乃至６４％（すなわち５４％以上、６４％以下）のＨ−Ｉ−Ｃ吸収層２２５を含めることができる。
なお、表１に示すデータは、レスポンシビティとインジウム濃度との関係が直線性でないこと、インジウム濃度の上昇が特定点を超えるとレスポンシビティが減少に転ずる場合もあり得ることを示している。例えば、搬送波光波長１．５５μｍでは、インジウム濃度６１％（行５）からおよびインジウム濃度６３％（行６）までの濃度増加は０．００８９Ａ／Ｗ、すなわち１．５％のレスポンシビティ増加をもたらすに過ぎず、これはインジウム濃度５３％（行１）から５５％（行２）への変化でレスポンシビティ増加１３％を得られたのと好対照である。
また、ある場合には、吸収層２２５の中の高いインジウム濃度（例えば、８０％以上、７０％以上またある場合は６４％以上）により光検出器２００の降伏電圧が低下し漏洩電流が増加する。したがって、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層２２５の形成の際のプロセスのパラメータ（例えば、温度、ガス流量、ガス構成比など）を、インジウム濃度の追加の増加に伴う効果に基づきレスポンシビティを最適にするように選ぶ必要がある。
例えば、インジウム濃度を５９％から６１％へ、さらに６３％へ増加させるに伴って表１に示すとおり改善率が低下することは、インジウム濃度をそれ以上高くしてもレスポンシビティのそれ以上の有意な改善は得られないことを示す。したがって、この発明の一つの実施例によると、搬送波光波長１．５５μｍで用いる光検出器２００には、インジウム濃度６１％以上６４％以下のＨ−Ｉ−Ｃ吸収層２２５を備えるのが好ましい。
なお、搬送波光波長１．３μｍの場合は、インジウム濃度が５９％（行４）以上に上がるとレスポンシビティが実際に低下する。したがって、この発明のもう一つの実施例では、搬送波光波長１．３μｍで用いる光検出器２００には、インジウム濃度が５７％以上で５９％以下のＨ−Ｉ−Ｃ吸収層２２５を備えるのが好ましい。
しかし、光検出器は複数の互いに異なる波長の光搬送波の検出に用いられることがある。したがって、この発明のもう一つの実施例では、搬送波光波長１．３μｍおよび１．５５μｍで用いる光検出器２００は、これら二つの光波長におけるレスポンシビティのバランスを最適にするように、インジウム濃度６１％乃至６４％のＨ−Ｉ−Ｃ吸収層２２５を組み入れる。
図３Ａはこの発明のもう一つの実施例による光検出器３００を示す。光検出器３００は、基板構成体３１０の表面上に形成したＰＩＮ光変換構成体３２０を含む。ＰＩＮ変換構成体３２０は陽極層３２９（ｐ型）と、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層３２５（真性または不純物拡散なし）と、陰極層３２１（ｎ型）と、オプションのエッチストップ層３２１−Ｅ（陰極層３２１形成時のエッチング終止点検出用）とを含む。入射光信号３９０に応答してＨ−Ｉ−Ｃ吸収層３２５の中に生じた自由電子およびホールはそれぞれ陰極層３２１および陽極層３２９に向かって流れ、電極３０２と電極３０１との間で検出可能な電気信号を発生する。
図２のＨ−Ｉ−Ｃ吸収層２２５と同様にＨ−Ｉ−Ｃ吸収層３２５はＮＩＤ ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層である（ここでｘは０．５３（５３％）よりも大きい値である）。陽極層３２９は、陽極層３２９とＨ−Ｉ−Ｃ吸収層３２５との間の構成整合を確保するために、同じＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ組成のｐ型不純物拡散ずみのＩｎＧａＡｓで構成する。同様に、陰極層３２１とＨ−Ｉ−Ｃ吸収層３２５との間の構成整合を確保するために、ｎ型不純物拡散ずみのＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ陰極層３２１（０＜Ｙ＜１）の正確な組成を選択する。例えば、ＸおよびＹをともに０．６３に選び、インジウム濃度６３％のＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓ）とインジウム濃度６３％のＩｎＡｌＡｓとの格子定数が互いに等しくなるようにすることもできる。
光変換構成体３２０にオプションのエッチストップ層３２１−Ｅを設ける場合は、その層３２１−Ｅは陰極層３２１と同じ格子定数を有する異なる材料で構成する。例えば、図３Ａでは陰極層３２１はＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓで構成されているので、エッチストップ層３２１−ＥはＩｎｘＧａ１−ｘＡｓで構成することができる（Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層３２５および陽極層３２９と同様に）。陰極層３２１の形成に用いられるＩｎＡｌＡｓエッチング処理はＩｎＧａＡｓエッチストップ層３２１−Ｅに達すると終了する。
なお、光変換構成体３２０の層はすべて互いに格子整合しているので、この構成体３２０の格子定数は、陽極層３２９、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層３２５、および陰極層３２１（およびオプションとして設けた場合のエッチストップ層３２１−Ｅ）の格子定数と等しい。しかし、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層３２５のインジウム濃度は標準値５３％と等しくないので、光変換構成体３２０は慣用のＩｎＰ基板に格子整合できない。したがって、基板構成３１０は光変換構成体３２０と基板３１１との間に変成バッファ層３１５を備える。
変成バッファ層３１５は、基板３１１および光変換構成体３２０の両方と格子整合できるように、基板３１１とほぼ等しい格子定数から光変換構成体３２０とほぼ等しい格子定数まで徐々に変化する組成を有する。例えば、この発明の一つの実施例では、変成バッファ層３１５は次の式１にしたがって光変換構成体３２０と０．００１以内で格子整合するのが好ましい。
［式１］ Ｍ＝（Ｃｐ−Ｃｍｍ）／Ｃｐ
ここでＭは不整合値（例えば０．００１）、Ｃｐは光変換構成体３２０の格子定数、Ｃｍｍは変成バッファ層３１５の格子定数である。
［式１］ Ｍ＝（Ｃｐ−Ｃｍｍ）／Ｃｐ
ここでＭは不整合値（例えば０．００１）、Ｃｐは光変換構成体３２０の格子定数、Ｃｍｍは変成バッファ層３１５の格子定数である。
変成バッファ層３１５内部に組成の不均一分布により生ずる歪みは転移により緩和する。なお、変成バッファ層３１５におけるこの種の転移およびそれに伴う欠陥の数は、２００１年４月１３日提出の同時出願中の同一譲受人による米国特許出願第０９／８３４，８３２号明細書に記載のとおり、十分に緩やかな組成勾配を設けることにより、最小にすることができる。同明細書の記載をここに参照してこの明細書に組み入れる。
例えば、変成バッファ層３１５はＧａＡｓ基板３１１上に形成したＩｎｚＡｌ１−ｚＡｓ（０＜ｚ＜１）層で構成できる（ここで、インジウムのIII族サブラティス濃度（すなわちｚ）は基板３１１および光変換構成体３２０に対する位置に応じて変わる）。なお、このインジウム濃度変化は、直線性変化、指数関数変化、不連続段階的変化、ほか所望の格子定数変動を生ずる任意の変化とすることができる。
例えば、変成バッファ層３１５に、基板３１１に接触する下側表面Ａと、光変換構成体３２０に接触する上側表面Ｂとを設けることができる。この発明の一つの実施例によると、変成バッファ層３１５の中のインジウムのモル分率（すなわち、インジウム濃度）は、これら下側表面Ａと上側表面Ｂとの間で直線状または指数関数状に単調に変化し、表面Ａにおけるバッファ層３１５の格子定数が基板３１１の格子定数と等しくなり、表面Ｂにおけるバッファ層３１５の格子定数が光変換構成体３２０の格子定数と等しくなるようにすることができる。
この発明のもう一つの実施例では、インジウムのモル分率を非単調に変化させる。例えば、インジウムのモル分率と、表面Ａでの値×１から表面ＡおよびＢの間の位置での値×２に増加し表面Ｂでの値×３に減少するように（すなわち、×３＜×２）変化させる。この発明のもう一つの実施例では、変成バッファ層３１５のインジウムのモル分率を厚さ約１００Å乃至約１０００Åのステップで段階状に変化させる。このように、インジウム濃度変化には、変成バッファ層３１５の表面ＡおよびＢでの格子定数が基板３１１および光電変換構成体３２０の格子定数にそれぞれ整合している限り、任意の関数を適用できる。
通常は厚さ１５００Å乃至２μｍの変成バッファ層で、基板３１１と光変換構成体３２０との間の格子定数差に対処できる。ＩｎＡｌＡｓ変成バッファ層は、インジウム、アルミニウムおよび砒素供給源から基板温度３８０℃乃至４２０℃、好ましくは４００℃で成長させることができる。変成バッファ層の所望の組成プロフィルは、成長工程進行中にこれら先駆物質材料の流束を制御することによって得られる。例えば、アルミニウムの流束を一定に保つ一方、アルミニウムの流束および砒素の流束の比を変化させることによって、インジウムのIII族サブラティス濃度を変化させることができる。なお、この発明の多様な実施例では、変成バッファ層３１５も、光検出器３００の所望の電気的特性に応じて、不純物拡散したり（すなわち、導電性にする）、不純物拡散なしにしたり（すなわち、非導電性にする）することができる。
基板３１１と光変換構成体３２０との間に上述の「格子定数勾配」を形成することにより、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層の格子定数が基板の格子定数と異なる場合でも、変成バッファ層３１５はＨ−Ｉ−Ｃ吸収層を含む光検出器の機械的完全無欠性を維持する。したがって、変成バッファ層３１５は基板３１１を任意の材料（例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ）またはシリコンでも構成できるようにする。
図３Ｂは図３Ａの光検出器３００とほぼ同じ光検出器のＤＣ（直流）応答特性Ｒ＿ＨＩＣのグラフを示す。この図において、応答特性曲線Ｒ＿ＨＩＣは、５００Åの陽極層３２９と、７０００ÅのＩｎ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓ Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層３２５と、２０００ÅのＩｎ０．６３Ａｌ０．３７Ａｓ陽極層３２５とを、陰極層とＧａＡｓ基板との間で格子定数勾配をもたせて変成バッファ層３１５上に形成した構成した光検出器についての値を示す。
ＤＣ応答特性曲線Ｒ＿ＨＩＣを光信号電力レベルの互いに異なる値（縦の矢印で示す）について示す。例えば、電力−２ｄＢｍの光信号に応答して約３．２×１０−４Ａの検出出力電流が生じ（曲線Ｐ＿ＨＩＣ（−２）で示す）、電力−２２ｄＢｍの光信号に応答して約４．０×１０−６Ａの検出出力電流が生ずる（曲線Ｒ＿ＨＩＣ（−２２）で示す）。
これと対照的に、ＩｎＧａＡｓ吸収層を有しそれ以外は上述の実施例と同じ寸法を有する慣用の光検出器（図１）（すなわち、５００Åの陽極層１２９、７０００Åの吸収層１２５および２０００Åの陰極層１２１を有する）は、上述の数値よりもずっと低い数値の検出出力電流を各光信号電力レベルで示す。例えば、電力−２２ｄＢｍの光信号に応答して約３．０×１０−６Ａの検出出力電流を生ずる（点線の曲線Ｒ＿ＣＯＮＶ（−２２）で示す）。この数値は、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層３２５（または、図２に示した吸収層２２５）を含む光検出器の生ずる検出出力電流よりも約２５％低い。これと同等の差が上記以外の入力光信号電力レベルの各々についても観測される。
図４は、この発明のもう一つの実施例による光検出器４００を示す。この光検出器４００は基板構成体４１０の表面上に形成したＰＩＮ光変換構成体４２０を含む。ＰＩＮ光変換構成体４２０は、陽極層４２９，Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層４２５，陰極層４２１，および陰極層４２１形成時のエッチング終止点の検出の単純化のためのオプションのエッチストップ層４２１−Ｅを備える。入射光信号４９０に応答してＨ−Ｉ−Ｃ吸収層４２５内に発生した自由電子およびホールはそれぞれ陰極層４２１および陽極層４２９に向かって流れ、電極４０２と４０１との間で検出可能な電気信号を発生する。
この発明の一つの実施例では、陽極層４２１，Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層４２５および陰極層４２９の材料組成は、図３に示した光変換構成体３２０の陽極層３２１，Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層３２５および陰極層３２９とそれぞれほぼ等しい。同様に、基板構成体４１０に含まれる変成バッファ層４１５は図３に示した変成バッファ層３１５とほぼ同じである。変成バッファ層４１５の組成は、基板４１１の格子定数から光変換構成体４２０の格子定数（例えば、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層４２５の格子定数）に向けて変化させてある。
しかし、図３に示した光検出器３００の場合と異なり、この光検出器４００は基板４１１の裏側表面に反射層４０３を備え、基板４１１に達した光信号４９０からの光線４９１をこの反射膜４０３によりすべて反射する構成にしてある。例えば、光信号４９０からの光線４９１は陽極層４２９経由で光検出器４００に入射し、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層４２５をまず通過する。その光線４９１の被吸収部分は陰極層４２１，変成バッファ層４１５および基板４１１を通り、反射層４０３に反射される。反射された光線４９１は光検出器４００の帰路を通り、Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層４２５を再び通過する。したがって、この光検出器４００は「デュアルパス」光検出器と呼ぶことができる。
光信号（光線４１９など）がＨ−Ｉ−Ｃ吸収層４２５を２回通過するので、このデュアルパス光検出器４００のレスポンシビティは「シングルパス」光検出器（すなわち反射層４０３を備えない光検出器）のほぼ２倍になる。基板４１１の厚さを小さくすることによって、光検出器４００内部の光線４９１の経路を短くし、それによって光検出器４００のレスポンシビティをさらに高めることができる。表２は、多様なデュアルパス結合構造によるレスポンシビティ改善の様子を表すシミュレーションデータを示す。
さらに、行３および行４に示すとおり、デュアルパス結合構造（基板の厚さを小さくした構造）の実現により、上記以上のレスポンシビティ改善を達成できる。Ｈ−Ｉ−Ｃ吸収層および厚さ１００μｍの薄手の基板を含む図４の構造の光検出器４００などのデュアルパス光検出器について得られるレスポンシビティ０．７６Ａ／Ｗを行３に示す。デュアルパス光検出器の基板の厚さを小さくすることによって基板内での反射光信号の損失を減らすことができるので有利である。基板の厚さをさらに小さくして５０μｍにすると、光検出器のレスポンシビティを行４に示すとおり０．８３Ａ／Ｗまで上げることができる。
この発明の構造および方法についての上述の種々の実施例はこの発明の原理の説明のためのものであって、この発明の技術的範囲をこれら特定の実施例に限定することを意図するものではない。すなわち、この発明は特許請求の範囲の各請求項の記載およびそれらの均等物のみによって限定される。
光通信システムの受信装置の主要構成要素である光検出器の性能改善により、システム容量の拡大およびシステムの効率化に寄与できる。
１００，２００，３００，４００ 光検出器
１０１，１０２，３０１，３０２，４０１，４０２ 電極
１２０，２２０，３２０，４２０ 光変換構成体
１２１，３２１，４２１ 陰極層
１２５，２２５，３２５，４２５ 吸収層
１２９，３２９，４２９ 陽極層
１１０，２１１，３１１，４１１ 基板
１２１−Ｅ，３２１−Ｅ，４２１−Ｅ エッチストップ層
１９０，３９０，４９０ 光信号
２１０，３１０，４１０ 基板構成体
２１５ オプションのインタフェース層
２２５，３２５，４２５ 高インジウム濃度（Ｈ−Ｉ−Ｃ）吸収層
３１５，４１５ バッファ層
４０３ 反射層
４９１ 光線
１０１，１０２，３０１，３０２，４０１，４０２ 電極
１２０，２２０，３２０，４２０ 光変換構成体
１２１，３２１，４２１ 陰極層
１２５，２２５，３２５，４２５ 吸収層
１２９，３２９，４２９ 陽極層
１１０，２１１，３１１，４１１ 基板
１２１−Ｅ，３２１−Ｅ，４２１−Ｅ エッチストップ層
１９０，３９０，４９０ 光信号
２１０，３１０，４１０ 基板構成体
２１５ オプションのインタフェース層
２２５，３２５，４２５ 高インジウム濃度（Ｈ−Ｉ−Ｃ）吸収層
３１５，４１５ バッファ層
４０３ 反射層
４９１ 光線
Claims (33)
- 光変換構成体、すなわちインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）吸収層であってIII族サブラティスインジウム濃度が５３％を超えるＩｎＧａＡｓ吸収層を含む光変換構成体を備える光検出器。
- 基板と、
前記光変換構成体および前記基板の間に配置した変成バッファ層であって、前記光変換構成体および前記基板に格子整合するように変化する組成を有する変成バッファ層と
をさらに含む請求項１記載の光検出器。 - 前記光変換構成体が第１の格子定数を有するとともに、
第２の格子定数を有する基板と、
前記光変換構成体および前記基板の間に配置した変成バッファ層であって、ほぼ前記第１の格子定数からほぼ前記第２の格子定数まで徐々に変化する格子定数勾配を備えるように変化する組成を有する変成バッファ層と
をさらに含む請求項１記載の光検出器。 - 前記光変換構成体がＰＩＮダイオード、光導波路ＰＩＮダイオード、共振空胴エンハンス型ダイオード、アバランシェダイオードおよび金属−半導体―金属フォトダイオードの一つを含む請求項３記載の光検出器。
- III族サブラティスインジウム濃度が５４％乃至６４％である請求項３記載の光検出器。
- III族サブラティスインジウム濃度が６１％乃至６４％である請求項３記載の光検出器。
- III族サブラティスインジウム濃度が５７％乃至５９％である請求項３記載の光検出器。
- 前記光変換構成体が、
ｐ型陽極層と、
ｎ型陰極層と
を含み、前記吸収層が前記ｐ型陽極層とｎ型陰極層との間にある請求項３記載の光検出器。 - 反射層をさらに含み、前記基板を前記反射層と前記光変換構成体との間に配置し、前記反射層が前記ＩｎＧａＡｓ吸収層を透過した光をそのＩｎＧａＡｓ層に向けて反射するのに適合している請求項７記載の光検出器。
- 前記基板がＧａＡｓを含み、
前記変成バッファ層が、前記基板および前記光変換構成体に対する位置にしたがって変化するIII族サブラティスインジウム濃度を有するＩｎＧａＡｓを含む請求項３記載の光検出器。 - 光検出器を製造する方法であって、
光変換構成体のためのＩｎＧａＡｓ吸収層を、その吸収層のIII族サブラティスインジウム濃度が５３％を超えるように形成する過程
を含む方法。 - 前記ＩｎＧａＡｓ吸収層を形成する過程が、前記ＩｎＧａＡｓ吸収層のIII族サブラティスインジウム濃度が５４％乃至６４％になるように製造パラメータを制御する過程を含む請求項１１記載の方法。
- 前記ＩｎＧａＡｓ吸収層を形成する過程が、前記ＩｎＧａＡｓ吸収層のIII族サブラティスインジウム濃度が６１％乃至６４％になるように製造パラメータを制御する過程を含む請求項１１記載の方法。
- 前記ＩｎＧａＡｓ吸収層を形成する過程が、前記ＩｎＧａＡｓ吸収層のIII族サブラティスインジウム濃度が５７％乃至５９％になるように製造パラメータを制御する過程を含む請求項１１記載の方法。
- 基板を準備する過程と、
前記基板の表面上に変成バッファ層を形成する過程と、
前記変成バッファ層の表面上に前記光変換構成体を形成する過程と
をさらに含み、前記変成バッファ層がその格子定数を前記基板および前記変成バッファ層に格子整合させるように変化する組成を備える請求項１１記載の方法。 - 第１の格子定数を有する基板を準備する過程と、
前記基板の表面上に変成バッファ層を形成する過程と、
前記変成バッファ層の表面に第２の格子定数を有する光変換構成体を形成する過程と
をさらに含み、前記変成バッファ層が前記第１の格子定数から前記第２の格子定数に徐々に変化する格子定数を備えるように変化する組成を有する請求項１１記載の方法。 - 前記基板がＧａＡｓを含み、前記変成バッファ層を形成する過程が、
前記基板の温度を３８０℃乃至４２０℃に維持する過程と、
アルミニウムの流束、砒素の流束およびインジウムの流束を前記基板に供給する過程と、
前記砒素の流束および前記インジウムの流束の比を変化させる過程と
を含む請求項１６記載の方法。 - 前記基板が第１の表面と第２の表面とを有し、前記変成バッファ層が前記第１の表面の上に形成され、前記第２の表面の上に反射層を形成する過程をさらに含む請求項１６記載の方法。
- 前記反射層を形成する過程の前に前記基板を薄くする過程をさらに含む請求項１８記載の方法。
- 光信号を電気信号に変換する光検出器であって、
基板構成体と、
前記基板構成体の表面上に形成された光変換構成体であって、III族サブラティスインジウム濃度５３％のＩｎＧａＡｓ吸収層を含む光変換構成体と
を含む光検出器。 - 前記III族サブラティスインジウム濃度が６４％以下である請求項２０記載の光検出器。
- 前記光信号が波長１．５５μｍの光を含み、前記III族サブラティスインジウム濃度が６１％乃至６４％である請求項１９記載の方法。
- 前記光信号が波長１．３μｍの光をさらに含む請求項２２記載の光検出器。
- 前記光信号が波長１．３μｍの光を含み、前記III族サブラティスインジウム濃度が５７％乃至５９％である請求項２０記載の光検出器。
- 前記基板構成体が、
基板層と、
前記基板層の表面に形成され、第１の表面および第２の表面を有する変成バッファ層と
を含み、
前記第１の表面が前記光変換構成体に接触している一方、前記第２の表面が前記基板層に接触しており、
前記変成バッファ層が、前記第１の表面が前記光変換構成体に格子整合し前記第２の表面が前記基板と格子整合するように、変化する組成を備える
請求項２０記載の光検出器。 - 前記光変換構成体が前記ＩｎＧａＡｓ吸収層の格子定数と等しい第１の格子定数を有し、前記基板構成体が、
第２の格子定数を有する基板層と、
前記基板層の表面上に形成され、第１の表面および第２の表面を有する変成バッファ層とを有し、
前記第１の表面が前記光変換構成体に接触している一方、前記第２の表面が前記基板表面に接触しており、
前記変成バッファ層が、その格子定数が前記第１の表面における前記第１の格子定数から前記第２の表面における前記第２の格子定数まで徐々に変化するように変化する組成を備える請求項２０記載の光検出器。 - 前記光変換構成体が、
ｐ型陽極層と、
ｎ型陰極層と、
をさらに含み、前記ＩｎＧａＡｓ吸収層を前記ｐ型陽極層と前記ｎ型陰極層との間に配置した請求項２６記載の光検出器。 - 前記光変換構成体が前記ｎ型陰極層および前記変成バッファ層の間に配置したエッチストップ層をさらに含む請求項２７記載の光検出器。
- 前記基板がＧａＡｓを含み、
前記変成バッファ層がＩｎＡｌＡｓを含み、
前記ｎ型陰極層がＩｎＡｌＡｓを含み、
前記ｐ型陽極層がＩｎＧａＡｓを含む
請求項２７記載の光検出器。 - 前記変成バッファ層の厚さが１５００Å乃至２μｍであり、
前記ＩｎＧａＡｓ吸収層の厚さが７０００Åにほぼ等しい
請求項２９記載の光検出器。 - 前記基板構成体が前記光信号を反射する反射層をさらに含み、
前記基板層が前記反射層と前記変成バッファ層との間に配置されている
請求項３０記載の光検出器。 - 前記基板層が１００μｍ以下の厚さを備える請求項３１記載の光検出器。
- 前記基板層が５０μｍ以下の厚さを備える請求項３３記載の光検出器。
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