JP4045170B2

JP4045170B2 - アバランシェフォトダイオードの特性定義方法

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Publication number: JP4045170B2
Application number: JP2002319244A
Authority: JP
Inventors: 博幸神山; 隆司豊中
Original assignee: 日本オプネクスト株式会社
Priority date: 2002-11-01
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2022-11-01
Also published as: JP2004153190A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電流−電圧特性に平坦部が現れないアバランシェフォトダイオードの製造方法ならびにアバランシェフォトダイオード、光受信モジュールおよび光受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アバランシェフォトダイオード（Avalanche Photodiode; 以降APDと略す）は、信号光により発生した電流を同一素子内で増幅(増幅の大きさを増倍率Mと称す)できる。このため、APDを光受信器に適用した場合に、増幅機能の無いPIN型フォトダイオードと比べて、光受信機の受信感度が高い。
APDの光結合の良否判定や増倍率の制御を行うために、増幅が開始される前の電圧領域での光感度を求め、それを基準とすることが必要である。それをもとにAPDの主要な特性であるダイナミックレンジ(例えば、M=３〜１０で帯域１０GHz)などが決まる。従って、製造者にとってこのM=１における光感度は光受信機の仕様を決める上で重要な要素といえる。また、購入者にとっても受入検査を実施する上での基準となるため、購入者がM=１における光感度を特定できることが必要である。
【０００３】
従来、APDの構造として用いられてきている、拡散プレーナ型構造では、光電流−電圧特性において、電圧に対して光電流がほぼ平坦となる領域部が現れる。この平坦部をM＝１の領域として、その光電流からM=１における光感度を得ることが一般的である。これは非特許文献１では図２に示されている。
一方、埋込メサ型構造のAPDでは、半絶縁性層の低い導電率によりキャリアの移動が妨げられることから、光電流−電圧特性において、平坦部が発生し難い。
【０００４】
図１はAPDの光電流−電圧特性を説明するグラフである。図１(b)は拡散プレーナ型構造APDの光電流−電圧特性の特性であり、電圧８〜１４Vでの平坦部が明確に現れる。この特性を用いれば、光結合の良否判定や増倍率Mの設定が容易である。一方、図１(a)は半絶縁性の埋込層（高抵抗なガードリング層）を有する埋込メサ型APDの特性であり、平坦部が現れない。したがって、従来方法で用いた平坦部の光電流をM=１の基準とすることができない。
【０００５】
なお、本願発明と直接の関連はないが、メサ型APDの製造方法に関する発明として特許文献１が挙げられる。また、公知例ではないが、関連する出願として特願２００２−１５１２４１がある。
【０００６】
【非特許文献１】
佐藤敬二、他２名「１０Gbps用APDレシーバモジュール」、FUJITSU、５１、３、pp．１５２−１５５（２０００年５月）
【特許文献１】
特開平６−２３２４４３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来、半絶縁性の埋込ガードリング層を有する埋込メサ型APDにおいては、光電流−電圧特性の平坦部が現れないため、M＝１を与える光電流とを得ることが困難であった。このことにより、埋込メサ型APDは、拡散プレーナ型APDに比べて、低暗電流、高信頼性という利点を持つにもかかわらず、素子の光結合の良否判定、増倍率の設定が難しく、実用化の障害となっていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明では測定温度をパラメータにして光電流−電圧特性を測定する。それらの特性から、より高温で発生する光電流−電圧特性の平坦領域部（予め定めた電圧範囲で予め定めた光電流変化を得る領域）を得る。この平坦領域の光電流をM＝１の基準とする。そして、その光電流から光感度を定める。
【０００９】
この方法は、製造者にとっても使用者にとっても納得できるM＝１の光感度の決め方である。従って、この方法を適用することによって、素子の光結合の良否判定、増倍率の設定が容易になり、好適なアバランシェフォトダイオードの製造方法ならびにアバランシェフォトダイオード、光受信モジュールおよび光受信装置を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明しよう。
まず、本発明の第１の実施の形態であるAPDの製造方法と第２の実施の形態であるAPDの実施例を図１（ｂ）および図２ないし図５を用いて説明する。ここで、図１（ｂ）は、本発明のAPDの光電流−電圧特性図である。図２は、本発明のAPDの断面図である。図３は、本発明のAPDの光電流の電圧微分値−電圧特性図である。図４は、本発明のAPDの電圧をパラメータとした光電流の電圧微分値−測定温度特性図である。図５は、本発明のAPDの２５℃ないし１００℃で実測および１２０℃ならびに１６０℃で推定された光電流−電圧特性図である。
【００１１】
図２に示すように、この実施例のAPDは、InP基板４０１(n型、１E１８cm^−３)の上に、InAlAsバッファ層４０２(n型、１E１８cm^−３、０．５μm)、InAlAs増倍層４０３(n型、１E１４cm^−３、０．３μm)、InAlAsとInGaAsの互層（交互積層層）で成る電界調整層４０４(p型、８E１７cm^−３、０．０４μm)、InGaAs光吸収層４０５(p型、１E１５cm^−３、１．３μm)、InAlAsキャップ層４０６(p型、３E１８cm^−３、０．７μm)、InGaAsコンタクト層４０７(p型、１E１９cm^−３、０．１μm)を形成する。次に、直径３０μｍのSiO_２マスクを用いてコンタクト層４０７から電界調整層４０４の一部に達するまでエッチングを行い、第一メサ４０８を形成する。第一メサ４０８の周囲に、埋込層であるInP層４０９(半絶縁性、１．８μm)を成長し、第一メサ４０８に用いたよりも大きな径のレジストマスクを用いてInP基板４０１に達するまでエッチングを行い第二メサ４１０を形成する。コンタクト層４０７から第二メサ４１０の外周面および基板４０１の露出面に掛けてSiN/SiO_２保護膜４１１(０．２μm/０．３μm)を形成する。次に、保護膜４１１をコンタクト層４０７の上面の一部と基板４０１の一部を除去し、各々にTiPtAu電極４１２、４１３(０．５μm)を形成した。基板の裏面にはSiN反射防止膜４１４(０．２μm)を形成している。上述した手順によりAPDが製造できる。なお、このAPDは矢印Aに示す光信号入射方向を示す通り、入射面をSiN反射防止膜４１１部とする裏面入射型である。
【００１２】
最後に素子評価、及び光受信モジュールへの実装を考慮し、電極４１２、４１３を図示していない配線基板の各々に対応する電極にボンディングを実施する。
【００１３】
配線基板の電極を通し、本実施例のAPDに逆バイアスを印加したところ、降伏電圧は３０Vであり、暗電流は２７Vで２０nAと良好な特性であった。室温（２５℃）で、波長１．５５μｍ、１μWの光を照射した時の光電流−電圧特性は、図１(a)および図５の２５℃のように特性に平坦部が現れない。次に、測定温度を７５℃、８５℃、１００℃として光電流−電圧特性を測定した結果を図５の実線で示す。この測定結果を用いて、光電流の電圧微分値−電圧特性を求めた結果を図３の実線に示す。図３では、測定温度が高くなると光電流の電圧微分値が小さくなる傾向を示している。ここで測定温度のうち最も高い温度（測定可能温度の上限）を１００℃としたのは、測定の温度仕様の上限値が１００℃であるためである。
【００１４】
さらに測定結果を、電圧をパラメータにして、光電流の電圧微分値−測定温度で整理したものを、図４に示す。図４において温度をより高温域に外挿すると１６０℃付近では１０．６Vないし１０．８Vで光電流の電圧微分値が０（即ち電圧−光電流特性の平坦部）とシミュレートできる。詳細な検討により、光電流の電圧微分値が０となる温度と電圧範囲を図３および図４より、推定したところ１６０℃において電圧範囲は９．８V−１１．０Vである。このシミュレート値を図３では、１２０℃および１６０℃について破線で示す。また、このシミュレーション結果を用いて、光電流−電圧特性を求めたのが図５の破線である。図５では１６０℃において、平坦部が現れ、これを増倍率の基準とすることができる。
【００１５】
即ち、図５で、１６０℃、９．８V−１１．０Vにおける光電流値が０．９５μAであったことから、M=１における光感度０．９５A/Wを得た。
【００１６】
このような特性を示すのは、埋込メサ型APDで半絶縁性の埋込ガードリング層を用いている場合には、測定可能な温度範囲（２５〜１００℃）において導電率が上がらずに、受光層が全空乏化しても、そこで発生した光キャリアが埋込ガードリング層を介して十分に電極方向へ抜けていくことができないためである。この際、APDの主接合部は、バッファ層の一部が空乏化しておらず光電流を通過させない状態にある。測定可能な温度範囲内の数温度点における光電流−電圧特性の解析により、図５に示すように評価可能な温度範囲外の温度において光電流の電圧微分値が特定電圧範囲において０に近づき、平坦部が出現している。これは温度上昇によって、半絶縁性埋込層のキャリア濃度が増加して導電率が上昇することにより受光層のほぼ全ての光キャリアが埋込ガードリング層を介して電極方向へ抜けていくことを意味する。
【００１７】
なお、本実施例のAPDではバイアス電圧１１V以上でアバランシェ増倍による電流増加が起き、最大の増倍率は１００であった。また、フォトダイオードの寿命を評価する高温逆バイアス通電試験(２００℃、１００μA一定)の結果は、降伏電圧、暗電流、増倍率とも１０００時間後まで変化が無く、良好であった。
【００１８】
本実施例によって、光結合の良否判定が可能で増倍率の設定が容易となり、低暗電流、高信頼性のAPDおよびその製造方法を得ることができた。
【００１９】
本発明の第１の実施の形態であるAPDの他の製造方法と第２の実施の形態であるAPDの他の実施例を図６を用いて説明する。ここで、図６は、本発明の他の実施例のAPDの断面図である。
図６に示すように、この実施例のAPDは、InP基板５０１(p型、１E１８cm^−３)の上にInAlAsバッファ層５０２(p型、１E１８cm^−３、０．５μm)、InAlAs増倍層５０３(p型、１E１４cm^−３、０．３μm)、InAlAsとInGaAsの互層で成る電界調整層５０４(n型、８E１７cm^−３、０．０４μm)、InGaAs光吸収層５０５(n型、１E１５cm^−３、１．４μm)、InAlAsキャップ層５０６(n型、３E１８cm^−３、０．７μm)、InGaAsコンタクト層５０７(n型、１E１９cm^−３、０．１μm)を形成する。次に、直径３０μｍのSiO_２マスクを用いてコンタクト層５０７から電界調整層５０５の一部に達するまでエッチングを行い、第一メサ５０８を形成する。第一メサ５０８の周囲に、埋込層であるInP層５０９(半絶縁性、１．９μm)を成長し、次に、SiO_２マスクを除去し、第一メサ５０９と同芯円の外径２４μm、内径１８μmのレジストマスクを用いてエッチングし、凹状部５１５（深さ約１μｍ、幅約２μｍ）を形成した。さらに、第一メサ５０８よりも大きな径のレジストマスクを用いてInP基板に達するまでエッチングを行い、第二メサ５１０を形成した。コンタクト層５０７から第二メサ５１０の外周面および基板５０１の露出面に掛けてSiN/SiO_２保護膜５１１(厚さ０．２μm/０．３μm)被着した。次に、保護膜５１１をコンタクト層５０７の上面の一部と基板５０１の一部を除去し、各々にTiPtAu電極５１２、５１３(厚さ０．５μm)を形成した。基板の裏面にはSiN反射防止膜５１４(厚さ０．２μm)を被着した。上述した手順によりAPDが製造できる。
【００２０】
素子評価、及び光受信モジュールへの実装を考慮し、電極５１２、５１３を図示しない配線基板の各々に対応する電極にボンディングを行った。
配線基板の電極を通し、波長１．５５μｍ、１μWの光を照射した時の光電流−電圧特性は、上述した実施例と同様に室温では平坦部が明確ではない特性を示した。７５℃、８５℃、１００℃での光電流−電圧特性を測定し、光電流の電圧微分値−電圧特性より、光電流の電圧微分値が０となる温度と電圧範囲をシミュレーションしたところ、温度は１５０℃、電圧範囲は１０．５V−１２．０Vであった。この温度と電圧範囲での光電流値が０．９５μAであったことから、M=１における光感度を０．９５A/Wと特定することができた。
【００２１】
また、本実施例のAPDではバイアス電圧１２V以上でアバランシェ増倍による電流増加が起き、最大の増倍率は９０であった。
本実施例によって、光結合の良否判定が可能で増倍率の設定が容易となり、低暗電流、高信頼性のAPDおよびその製造方法を得ることができた。
【００２２】
本発明の第１の実施の形態であるAPDの他の製造方法と第２の実施の形態であるAPDの他の実施例を図７を用いて説明する。ここで、図７は、本発明の他の実施例のAPDの断面図である。
【００２３】
図７に示す断面構造を持つAPDを作製、評価した。ただし、埋込層が第一メサと接触する部分の形状が異なる以外、図２の実施例と同じである。
本実施例の埋込層の成長では、選択成長マスク周辺の成長抑制現象を利用して、第一メサ６０８周辺で凹状部６１１(深さ１μm)を形成した。InP基板６０１(ｎ型、１E１８cm^−３)の上にInAlAsバッファ層６０２(ｎ型、１E１８cm^−３、０．５μm)、InAlAs増倍層６０３(ｎ型、１E１４cm^−３、０．３μm)、InAlAsとInGaAsの互層で成る電界調整層６０４(ｐ型、８E１７cm^−３、０．０４μm)、InGaAs光吸収層６０５(ｐ型、１E１５cm^−３、１．３μm)、InAlAsキャップ層６０６(ｐ型、３E１８cm^−３、０．７μm)、InGaAsコンタクト層６０７(ｐ型、１E１９cm^−３、０．１μm)を形成する。第一メサ６０８周辺において埋込層であるInP層６０９（半絶縁性、１．８μｍ）に凹状部６１５を形成した。次に、保護膜６１１をコンタクト層６０７の上面の一部と基板６０１の一部を除去し、各々に電極６１２、６１３を形成した。基板の裏面には反射防止膜６１４を被着した。
【００２４】
電極６１２、６１３を図示しない配線基板の各々対応する電極にボンディングし、配線基板の電極を通し、逆バイアスを印加したところ、降伏電圧は３０Vであった。１５V、２７Vにおける暗電流は０．１nA、１５nAと良好であった。
また、波長１．５５μｍ、１μWの光を照射した時の光電流−電圧特性は、図２に示した実施例と同様に室温では平坦部が明確ではない特性を示した。７５℃、８５℃、１００℃での光電流−電圧特性を測定し、光電流の電圧微分値−電圧特性より、光電流の電圧微分値が０となる温度と電圧範囲をシミュレーションしたところ、温度は１６０℃、電圧範囲は９．８V−１１．０Vであった。この温度と電圧範囲での光電流値が０．９５μAであったことから、M=１における光感度を０．９５A/Wと特定することができた。
【００２５】
また、本実施例ではバイアス電圧１１V以上でアバランシェ増倍による電流増加が起き、最大の増倍率は１００であった。
本実施例によって、光結合の良否判定が可能で増倍率の設定が容易となり、低暗電流、高信頼性のAPDおよびその製造方法を実現することができた。
【００２６】
なお、上記した実施例ではいずれも多層結晶としてInGaAs、InAlAs系、埋込層はInPである。しかし、他の結晶系、例えば多層結晶としてInP、GaAs等の２元系、InGaAsP、InAlGaAs等４元系以上、埋込層としてInP以外に、GaAs、InAlAs、GaAlAs、InAlGaAs、InGaAsP等、層構造としてp、n型の組み合わせ、その濃度等、自由であることはいうまでもない。さらに、上述した実施例は裏面入射であるが、光信号の入射面はこれに限られた訳ではなく、素子の表面、横側から入射する構造など、自由である。
【００２７】
次に、本発明の第３の実施の形態である光受信モジュールを図８を用いて説明する。ここで図８は、光受信モジュールのブロック図である。
図８に示すように、光受信モジュールの構成は、主としてAPD７２、プリアンプ７３から成り、図示しない筐体内に配置される。また、矢印Bで示される方向から光信号が入射されると、差動電気信号７４、７５が出力される。
【００２８】
APD７２の光電流−電圧特性は、室温では平坦部が明確ではない特性を示した。７５℃、８５℃、１００℃での光電流−電圧特性を測定し、光電流の電圧微分値−電圧特性より、光電流の電圧微分値が０となる温度と電圧範囲を推定したところ、温度は１６０℃、電圧範囲は１０．６V−１１．８Vであった。この温度と電圧範囲での光電流値が０．８５μAであったことから、M=１での光感度を０．８５A/Wと特定することができた。この光感度より、各電圧での増倍率を決定し、光受信モジュールのM=１０での３dB帯域を測定したところ８．８GHz、製造バラツキは８．５±０．５GHｚであった。また、最小受信感度を測定したところ−２８dBmであり、１０Gbit/s用途の光受信モジュールとして十分に動作し、仕様を満足することが確認できた。この際の最適増倍率は１２であり、最適増倍率の製造バラツキは１２±０．５であった。
【００２９】
比較のため、光電流−電圧特性において室温で平坦部が出現する従来の拡散プレーナ型のAPDを光受信モジュール７０に適用したところ、M=１０における３dB帯域の製造バラツキは７．５±０．５GHz、最適増倍率の製造バラツキは１４±０．５であった。
これにより本発明によるM=１における光感度の特定方法が、従来構造のAPDを適用した場合と遜色無く高精度であることが確認できた。
本実施例によって、低暗電流、高信頼性の好適な光受信モジュールを得ることができた。
【００３０】
次に、本発明の第４の実施の形態である光受信装置の実施例を、図９を用いて説明する。ここで図９は光受信装置のブロック図である。
図９の光受信装置８０において矢印Cで示す光信号は上述した実施例で説明した光受信モジュール８２に入射する。光受信モジュール８２の後段には利得調整増幅器（以下AGCアンプ）８３、位相制御ループ８４、分離回路８５、クロック発生器８６、調整回路８７が組みこまれている。電気信号は分離回路８５より出力される。なお、AGCアンプ８３には制御プログラムが書き込み可能なメモリ（図示しない）を含んでいる。また、AGCアンプ８３は、光入力レベル、即ち光受信モジュールからAGCアンプに入る電気信号レベルの大小に応じて出力電圧を光受信モジュールに組みこまれたAPD素子のバイアス回路に対してフィードバックし、APD素子に印加されるバイアス電圧、即ち増倍率を制御することによって、受信装置自体の出力信号レベルを光入力レベルの大小に依存することなしに一定とする機能を有する。
【００３１】
光受信モジュール８２のM=１での光感度は、本発明の光感度の特定方法を用いて０．８５A/Wと特定し、この光感度より、各電圧での増倍率を決定した。AGCアンプ８３では光入力レベルに応じて電圧値、即ち増倍率を割り当て、最小光入力−２７dBm付近では、最適増倍率１２となるようにプログラムを行った。
【００３２】
光受信装置の最小受信感度を測定したところ−２７．５dBmであり、１０Gbit/s用途の光受信装置として十分に動作し、仕様を満足することが確認できた。この光受信装置は、最適増倍率のバラツキが１２±０．５と小さいため、AGCアンプ８３のプログラムが容易であった。
【００３３】
比較のため、光電流−電圧特性において室温で平坦部が出現する従来の拡散プレーナ型構造のAPDを組みこんだ光受信モジュールを光受信装置８０に適用し、AGCアンプに対して最小光入力−２５dBm付近で、最適増倍率１４となるようにプログラムを行った。光受信装置の最小受信感度を測定したところ−２５．３dBmであり、最小受信感度はやや劣るものの１０Gbit/s用途の光受信装置として動作することを確認できた。
【００３４】
これにより本実施例によるM=１における光感度の特定方法が、従来構造のAPDを適用した場合と遜色無く高精度であることを確認できた。
本実施例によって、低暗電流、高信頼性の好適な光受信装置を得ることができた。
【００３５】
なお、上述した実施例でAGCアンプ８３の制御はメモリに書き込んだプログラムによって行われるが、ハードウェアで制御することも可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、従来、評価可能な温度範囲において光電流−電圧特性の平坦部が明確でないために、従来の光感度の特定方法が適用できない半絶縁性の埋込ガードリング層を有するAPD・光受信モジュール・光受信装置において、光感度の特定方法を提供することができた。これによって、光結合の良否判定を容易にするとともに、増倍率の設定を高精度化し、低暗電流かつ高信頼性を有する埋込メサ型APDとそれを用いた高感度で高性能な光受信モジュール、光受信装置を安価に提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】埋込メサ型APDと拡散プレーナ型APDの室温における光電流−電圧特性を説明する図である。
【図２】本発明の実施例であるAPDの断面図である。
【図３】本発明の実施例のAPDの電圧微分値―電圧特性の実測値とシミュレーション値である。
【図４】本発明の実施例のAPDの電圧微分値―温度特性の実測値である。
【図５】本発明の実施例のAPDの光電流―電圧特性の実測値とシミュレーション値である。
【図６】本発明の他の実施例であるAPDの断面図である。
【図７】本発明の他の実施例であるAPDの断面図である。
【図８】本発明実施例の光受信モジュールのブロック図である。
【図９】本発明の実施例の光受信装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
４０１、５０１、６０１…基板、４０２、５０２、６０２…バッファ層、４０３、５０３、６０３…増倍層、４０４、５０４、６０４…電界調整層、４０５、５０５、６０５…光吸収層、４０６、５０６、６０６…キャップ層、４０７、５０７、６０７…コンタクト層、４０８、５０８、６０８…第一メサ、４０９、５０９、６０９…埋め込み層、４１０、５１０、６１０…第二メサ、４１１、５１１、６１１…絶縁膜、４１２、４１３、５１２、５１３、６１２、６１３…電極、４１４、５１４、６１４…反射防止膜、５１５、６１５…凹状部、７０…光受信モジュール、７２…APD、７３…プリアンプ、７４…差動電気信号出力(正相)、７５…差動電気信号出力(逆相)、８０…受信装置、８２…光受信モジュール、８３…AGCアンプ、８４…位相制御ループ、８５…分離回路、８６…クロック発生器、８７…調整回路。

Claims

化合物半導体基板上において、
光を吸収してキャリアを発生する光吸収層と、
前記化合物半導体基板と前記光吸収層との間に、前記発生したキャリアを増倍する増倍層と、
前記光吸収層を含むメサ構造部と、
前記メサ構造部の周囲を囲む半絶縁性化合物半導体からなる埋込層と、
からなり、測定可能な全温度範囲における光電流−電圧特性に平坦部が現れないアバランシェフォトダイオードの特性定義方法であって、
測定可能な第１の温度にて第１の光電流−電圧特性を求めるステップと、
測定可能な第２の温度にて第２の光電流−電圧特性を求めるステップと、
前記第１の光電流−電圧特性、及び、前記第２の光電流−電圧特性を用いて、測定可能な温度上限より高い第３の温度にて、所定の電圧域において平坦部を有する第３の光電流−電圧特性を推定するステップと、
からなることを特徴とするアバランシェフォトダイオードの特性定義方法。
請求項１に記載のアバランシェフォトダイオードの特性定義方法であって、
前記アバランシェフォトダイオードは、
前記化合物半導体基板上に形成された第一導電型半導体結晶層と、当該第一導電型半導体結晶層の上部に形成された第二導電型半導体結晶層とによってｐｎ接合部が形成され、
前記第二導電型半導体結晶層は、光を吸収してキャリアを発生する光吸収層を含み、
前記第一導電型半導体結晶層は、前記発生したキャリアを増倍する増倍層を含み、
前記第二導電型半導体結晶層にはその底部が前記ｐｎ接合部に達しない第一メサ構造部が形成され、
前記第一メサ構造部の周囲には、当該第一メサ構造部を囲む半絶縁性化合物半導体からなる埋込層を含み、
その底部が前記ｐｎ接合に達する第二メサ構造部が形成された裏面入射型であることを特徴とする、アバランシェフォトダイオードの特性定義方法。