JP2008252140A - 半導体受光素子及び光受信機 - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】図１

Description

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（ＡＰＤ）を用いた光受信機に関する。

アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）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ＡＰＤ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。

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。

ＳＡＭ型ＡＰＤの一例を図１０に示す。

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。

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。

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１２０ＧＨｚを得ている。

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。

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. Makita, et al., Electron. Lett., 1999, 35,pp. 2228-2229）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。

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（１９９９）米国(C. Lenox, et al., IEEE Photon. Technol. 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。

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. Lett., 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。

図１１は、従来のＡＰＤ光受信機の一例を示す。

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。ＡＰＤ１１−３はプリアンプ１１−４に接続されており、ＡＰＤ１１−３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。

１０Ｇｂ／ｓ信号の受信感度は、疑似ランダム信号（Ｐｓｅｕｄｏ ｒａｎｄｏｍ ｂｉｔ ｓｔｒｅａｍ＝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。

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。

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１２２９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。

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。

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。

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。

図１２に示す光受信機は、光プリアンプ１２−３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。

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。

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。

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。

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。

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８０ｎｍの層厚の増倍層を構成してＧＢ積の向上を図り、ＧＢ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。

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。

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１５０ＧＨｚ程度である。

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。

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。

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。

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。

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。

このことから、薄膜の増倍層を使ったＡＰＤ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、２００ＧＨｚ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

増倍層の材料としては、Ｓｉ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＳｂまたはこれらの化合物（ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＡｓＳｂ等)を選択することができる。

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。

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。

また、本発明は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、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。

この半導体受光素子は、例えば、ＳＡＭ(separated 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。

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。

さらに、本発明は、インジウム燐（ＩｎＰ）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。

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。

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。

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。

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。

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、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の不純物濃度とすることが好ましい。

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。

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４０Ｇｂ／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。

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。

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１０Ｇｂ／ｓ通信用ＡＰＤ光受信機を提供する。

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４０Ｇｂ／ｓ通信用ＡＰＤ受信機を提供する。

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。

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。

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。

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。

増倍抑止層のドーピング濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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、ＧａＮ、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。

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０．５×１０¹⁸乃至２×１０¹⁸ｃｍ^-3を有する。

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。

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。

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１０００平方μｍ以下に設計するのが有効である。

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。

（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。

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。

これに対して、図３−（Ａ）は従来のＳＡＭ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ＡＰＤ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。

これに対して、第２の実施の形態に係るＳＡＭ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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３−１４、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。

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１×１０¹⁷ｃｍ^-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３−１３としての機能も兼ねていることとなる。

（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。

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。

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。

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。

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。

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０．１μｍ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。

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。

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０．０６μｍ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。

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。

このとき、ｎ側増倍抑止層の濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-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。

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。

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。

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。

本発明により、ＩｎＰ基板上で０．１μｍ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。

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。

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４０ＧＨｚを越えるような設計をすることにより、４０Ｇｂ／ｓへも適用可能となる。

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。

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。

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。

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。

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。

本実施例は第一の実施の形態に対応するものである。

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ＡＰＤとして構成されている。

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（ＩｎＰ）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０．０５μｍ）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０．０５μｍ）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。

これらの各層は結晶成長装置を用いて形成される。

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。

以下、図５に示すＡＰＤの製造方法を説明する。

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２０μｍ、高さ３乃至５μｍのメサを形成する。これによりＡＰＤ層構造５−４を持ったメサが形成される。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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０．５μＡ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２２０ＧＨｚ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。

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。

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。

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。

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。

本実施例は第一の実施の形態に対応するものである。

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ＡＰＤとして構成されている。

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（ＩｎＰ）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ＩｎＡｌＧａＡｓ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ＩｎＧａＡｓ光吸収層６−８（層厚０．４μｍ）と、第２ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層６−９（層厚０．１μｍ）と、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ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０．５μｍ）と、からなる。

これらの各層は結晶成長装置を用いて形成される。

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。

以下、図７に示す導波路型ＡＰＤの製造方法を説明する。

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１０μｍ、幅５μｍ、高さ４乃至５μｍのＡＰＤメサ７−２を形成する。

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。

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。

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。

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。

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。

図７では、コプレーナ線路の場合を示した。

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。

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。

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５０Ω負荷で４０ＧＨｚであり、ＧＢ積は最大２２０ＧＨｚ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。

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。

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。

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。

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３ｄＢ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。

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４０Ｇｂ／ｓの信号を受信できた。

本実施例は第二の実施の形態に対応するものである。

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ＡＰＤとして構成されている。

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１μｍ）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（０．８８）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。

これらの各層は結晶成長装置により形成される。

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。

以下、本実施例に係る導波路型ＡＰＤの製造方法を説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

量子効率は波長依存性を持つが、最大で５０％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。

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。

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。

本実施例は第三の実施の形態に対応するものである。

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ＡＰＤとして構成されている。

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（ＩｎＰ）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ＩｎＡｌＧａＡｓ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ＩｎＧａＡｓ光吸収層９−８（層厚０．４μｍ）と、第２ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層９−９（層厚０．１μｍ）と、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層９−１０（層厚０．５μｍ）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。

これらの各層は結晶成長装置を用いて形成される。

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。

以下、本実施例に係る導波路型ＡＰＤの製造方法を説明する。

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１０μｍ、幅５μｍ、高さ４乃至５μｍの第１メサを形成する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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０．５μＡ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２５０ＧＨｚ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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 従来のＳＡＭ型ＡＰＤの層構造を示す説明図である。 従来のＡＰＤ受信機の構成を示す概略図である。 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。 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
１−２ ｎ型バッファ層
１−３ 薄膜増倍層
１−４ 電界緩和層
１−５ ｐ型光吸収層１
１−６ ｐ型光吸収層２
１−７ ｐ型バッファ層
１−８ ｐ型コンタクト層
２−１ （１−ｘ）＝−０．３ｌｏｇ１０（ｄｍ）＋０．１８
２−２ 薄膜増倍層として適用可能なＩｎＡｌＡｓの組成範囲
３−０１ ｐ型コンタクト層
３−０２ ｐ型バッファ層
３−０３ ｐ⁺光吸収層
３−０４ ｐ^-光吸収層
３−０５ 電界緩和層
３−０６ 増倍層
３−０７ ｎ型バッファ層
３−０８ 基板
３−０９ ｐ型コンタクト層
３−１０ ｐ型バッファ層
３−１１ ｐ⁺型光吸収層
３−１２ ｐ^-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
３−１７ ｎ型バッファ層
３−１８ 基板
４−１ ｎ型ＩｎＰ基板
４−２ ｎ型ＩｎＰバッファ層
４−３ ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層
４−４ ｎ型Ｉｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓバッファ層
４−５ Ｉｎ（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
４−１０ ｐ型ＩｎＰ層
４−１１ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
５−１ 信号光
５−２ 反射防止膜
５−３ ＩｎＰ基板
５−４ ＡＰＤ層構造
５−５ ｎ型コンタクト電極
５−６ ｐ型コンタクト電極
５−７ ｐ電極
５−８ ｎ電極
６−１ ＳＩ型ＩｎＰ基板
６−２ ｎ型ＩｎＰバッファ層
６−３ ｎ型ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層
６−４ ｎ型Ｉｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓバッファ層
６−５ Ｉｎ（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
６−１０ ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層
６−１１ ｐ型ＩｎＰバッファ層
６−１２ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
７−１ 信号光
７−２ ＡＰＤメサ
７−３ ｎ電極メサ
７−４ ｎ電極
７−５ ｐ電極
７−６ 反射防止膜
８−１ ＧａＡｓ基板
８−２ ｎ型Ａｌ（０．２）Ｇａ（０．８）Ａｓバッファ層
８−３ ｎ型Ａｌ（０．１２）Ｇａ（０．８８）Ａｓ中間屈折率層
８−４ ＡｌＡｓ増倍抑止層
８−５ Ａｌ（０．２）Ｇａ（０．８）Ａｓ増倍層
８−６ ＡｌＡｓ増倍抑止層
８−７ ｐ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
８−１０ ｐ型Ａｌ（０．１２）Ｇａ（０．８８）Ａｓ中間屈折率層
８−１１ ｐ型Ａｌ（０．２）Ｇａ（０．８）Ａｓバッファ層
８−１２ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
９−１ ＳＩ型ＩｎＰ基板
９−２ ｎ型ＩｎＰバッファ層
９−３ ｎ型ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層
９−４ ｎ型Ｉｎ（０．２）Ａｌ（０．８）Ａｓ増倍抑止層
９−５ Ｉｎ（０．４）Ａｌ（０．６）Ａｓ増倍層
９−６ ｐ型Ｉｎ（０．２）Ａｌ（０．８）Ａｓ増倍抑止層
９−７ ｐ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
９−１０ ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ中間屈折率層
９−１１ ｐ型ＩｎＰバッファ層
９−１２ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１０−１ 半導体基板
１０−２ ｎ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
１０−７ ｐ型バッファ層
１０−８ ｐ型コンタクト層
１１−１ 光ファイバ
１１−２ レンズ
１１−３ ＡＰＤ
１１−４ プリアンプ
１１−５ ＭＳＬ
１１−６ 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
１２−４ ＰＩＮ−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
１３−１ ｐ⁺層
１３−２ 光吸収層
１３−３ 電界緩和層
１３−４ 増倍層
１３−５ ｎ⁺層
１３−６ 実効増倍層幅

Claims (15)

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（０．４８）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。
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。
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。
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。
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。
6. ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

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