JP4520043B2

JP4520043B2 - アバランシェフォトダイオードにおける改良

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Publication number: JP4520043B2
Application number: JP2000590227A
Authority: JP
Inventors: ハーバート，デイビツド・チヤールズ・ウイルフレツド; チドリイ，エドワード・トーマス・ロバート
Original assignee: キネテイツク・リミテツド
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: ATE387013T1; US6683294B1; GB9827748D0; EP1142029B1; WO2000038248A1; JP2003519437A; EP1142029A1; DE69938195D1; DE69938195T2

Description

【０００１】
本願は、半導体アバランシェフォトダイオードに関する。本発明は、特に、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳｉｎｇｌｅＰｈｏｔｏｎＡｖａｌａｎｃｈｅＤｉｏｄｅ、ＳＰＡＤ）に関する。
【０００２】
半導体アバランシェフォトダイオードは、現在、光通信及び光検出に一般的に用いられている。アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）は、高い逆バイアスの下で動作されるｐ−ｎ型構造からなる。
【０００３】
いくつかの構造において、光は、アバランシェ領域内で吸収されるが、目に安全な波長である長い波長を適用するためには、分離吸収および増倍（ＳｅｐａｒａｔｅＡｂｓｏｔｐｔｉｏｎａｎｄＭｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ、ＳＡＭ）検出器が、しばしば好ましい。フォトン検出領域は、入射光線を感知して、キャリアを、フォトダイオードの空乏状態のアバランシェ領域の伝導帯に注入する。アバランシェ領域を横切る注入されたキャリアは、衝撃によるイオン化によって、さらなるキャリアを、価電子帯と伝導帯との間のエネルギーギャップを越えて励起できるようにするために十分なエネルギーを獲得する。これは、キャリア自身が、同じプロセスによって、さらなるキャリアを生成できる新しいキャリアを生成する。このプロセスは、キャリアのアバランシェ増倍として知られており、１００を超える電流ゲインを、容易に取得することが可能である。
【０００４】
ＳＰＡＤデバイスは、光の単一の入射フォトンを検出するのに充分に敏感である。そのデバイスに単一のフォトンが入射されると、電子が、価電子帯から伝導帯へ励起され、その後、アバランシェ増倍プロセスが、電流の測定可能なパルスを生成することになる。しかしながら、ＳＰＡＤ検出器は、電流あるいは暗カウントのパルスを生成することがある。この電流あるいは暗カウントのパルスは、光の入射フォトンによって生成されるのではなく、半導体格子中のトラップから、キャリアを熱放出することによって生成される。これは、ＳＰＡＤデバイスを冷却することを必要とする。
【０００５】
さらに、アバランシェ増倍プロセスは、非常にノイズが多い。これは、ジッターを増し時間分解能を減少させるため、ＳＰＡＤ検出器の性能と妥協することになる。
【０００６】
米国特許第３，４５３，４３５号は、フォトダイオードが降伏電圧を下回るようにバイアスされ、フォトダイオードが定期的に降伏電圧を越えるように、発振電圧がフォトダイオードに印加される、アバランシェフォトダイオード検出器装置を開示している。発振電圧の周波数は、２００ｋＨｚであり、その周波数は、ダイオードに印加される電圧が、マイクロプラズマが起動する期間より短い期間で、マイクロプラズマを生成するための閾値電圧を越えることを確実にすることによって、ダイオード構造におけるマイクロプラズマの生成が抑制されるように、選択されている。
【０００７】
本発明は、暗カウントを区別し、フォトダイオードの冷却条件を緩和することのできる、および／またはアバランシェ増倍プロセスのノイズを減少させることができる、アバランシェフォトダイオード装置を提供することによって、少なくとも上述の問題点のいくつかを解決することを目的としている。
【０００８】
本発明は、第１の態様において、降伏電圧より少しだけ低くなるように、それぞれ逆バイアスされた少なくとも１つのアバランシェフォトダイオードと、各フォトダイオードが降伏電圧を定期的に越えるように、発振電圧が、各フォトダイオードに印加されるように構成された少なくとも１つの発振電圧源とからなる、アバランシェフォトダイオード装置であって、各発振電圧が、発振電圧が印加されるフォトダイオードのアバランシェゾーン走行時間の二倍より長い期間を有している、アバランシェフォトダイオード装置を提供する。
【０００９】
このように、複数のフォトダイオードを構成することによって、各ダイオードは、入射光信号が、少なくとも電圧発振の１つの期間と同じ長さの持続期間を有するのであれば、入射光信号に応じて電流パルスを生成する。発振電圧の周波数と比較して低い暗カウントレートについては、暗カウントイベントが、唯一の検出器において電流パルスを生成し、このようにして暗カウントを区別することが可能になる。また、フォトダイオードのアバランシェゾーン走行時間の二倍より長い期間を有するように発振電圧源を構成することによって、フォトダイオードの低いノイズ動作が、達成される。
【００１０】
Ｔを関連するフォトダイオードのアバランシェゾーン走行時間とするとき、４Ｔから３２Ｔの好適な範囲に存在する発振電圧の発振期間Ｐを選択することによって、電流パルスが、非常に低いノイズを有して生成されることが分った。４Ｔより短い期間に対して、暗カウントからの多数のパルスの可能性は、一つの周期から次の周期へのダイオード内に残存するキャリアの機会が増加しはじめるにつれて、かなり目立つようになってくる。Ｐ＞３２Ｔに対して、シミュレーションは、アバランシェノイズのレベルが、上昇しはじめていることを示している。例えば、最適期間である４Ｔにおいて、過剰のアバランシェノイズファクタは２．６に近く、増倍レベル（又は、電圧変動）に対してかなり鈍感である。６４Ｔの期間に対して、過剰のアバランシェノイズファクタは１８にまで上昇し、より長い期間に対して、過剰のアバランシェノイズファクタは、直流バイアスダイオードにとって利用可能な値に近くなる。いくつかの応用例において、より高い光電流を達成するためには、より高いノイズレベルを容認する必要があることもある。発振電圧のために選択された期間は、実際には、特定の応用例に依存する。一般的に、より短い期間Ｐは、最低の過剰アバランシェノイズを与え、より長い期間Ｐは、電圧発振の所与の振幅のためにより高い光電流を与える。
【００１１】
この装置において用いられるフォトダイオードは、例えば、シリコンゲルマニウムフォトン検出領域や、シリコンアバランシェ領域などが、第ＩＶ族半導体材料から製造されてもよい。代わりに、この装置において用いられるフォトダイオードは、例えば、インジウムガリウムヒ化物フォトン検出領域や、インジウム燐化物アバランシェ領域などが、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料から製造されてもよい。
【００１２】
好適には、暗カウントイベントによって生成される単一のパルスとは区別されうる入射光信号に応じて、一連のパルスを生成するために、フォトダイオードは、互いに位相がずれて降伏電圧を超過する。
【００１３】
特に好適な実施の形態においては、２つのフォトダイオードが用いられ、発振電圧源にバックツーバックで直列に設けられる。光信号が装置に入射すると、価電子帯から両方のフォトダイオードの伝導帯に、少なくとも１つの電子が励起される。しかしながら、アバランシェ増倍は、閾値電圧より上に逆バイアスされたフォトダイオードにおいてのみ起こる。
【００１４】
少なくとも発振電圧の期間と同じ長さの持続期間を有する光信号が、２つのフォトダイオードを使用するこの好適な装置に入射されると、この光信号は、発振電圧の半分の期間によって分離される、一連の少なくとも２つの電流パルスを生成する。発振電圧が正の半周期にあると、第１のフォトダイオードの逆バイアス電圧はその降伏電圧より高くなるため、第１の電流パルスを生成するようにアバランシェ増倍を受けることができる。同時に、第２のフォトダイオードの逆バイアス電圧は、その降伏電圧よりさらに低いため、アバランシェ増倍を受けることができない。その後、発振電圧がその負の半周期の中にあると、第２のフォトダイオードの逆バイアス電圧は、その降伏電圧より高くなり、アバランシェ増倍を受けることができ、発振電圧の逆バイアス電圧の半周期と等しい時間だけ第１の電流パルスに対して遅延した、第２の電流パルスを生成する。同時に、第１のフォトダイオードの逆バイアス電圧は、その降伏電圧よりさらに低いため、アバランシェ増倍を受けることができない。
【００１５】
入射光信号が、その負の半周期にあるフォトダイオードに入射されると（すなわち、閾値より低い逆バイアス電圧を有すると）、このダイオードにおいて検出の可能性は低くなる。したがって、２つのフォトダイオードを用いる好適な装置では、入力信号の５０パーセントが増倍される。大部分の応用例について、非常に低いノイズレベルが達成され、本発明による装置を用いることによって、信号の損失を補償して余りある、非常に高い増倍レベルが実現可能となる。
【００１６】
一つのフォトンにつき生成される全体の電荷は、非常に低いノイズレベルを有していることになる。この非常に低いノイズレベルによって、本発明による装置は、発振電圧の発振周波数に近いビットレートで信号を検出するために、光ファイバー通信において用いるのに理想的なものになる。光ファイバー通信において、入射光信号によって生成される注入電流は、暗カウントイベントに対する注入電流に対して一般的に大きく、そのため、暗カウントイベントの区別は、それほど大きな問題ではない。
【００１７】
しかしながら、暗カウントに対する区別は、入射光信号の非常に低いレベルについて、非常に高い関心がある。この場合、信号の持続期間は、２つのダイオードが、少なくとも１つの出力パルスを生成するように、少なくとも１つの発振期間にわたっていなければならない。したがって、検出することが可能なフォトンの最小数は、２以上である。
【００１８】
このため、２つのフォトダイオードを用いる本発明の装置は、少なくとも発振電圧の全周期と同じ長さである期間を有する入射光信号に応じて、最小の２つの電流パルスを生成する。このように、入射信号が、唯一のフォトダイオードで発生し、唯一の電流パルスを生成する暗カウントイベントとは区別されることができる。
【００１９】
この好適な実施の形態において、２つのフォトダイオードは、ダイオードの一つが、常に検出するために「開かれて」いるように、好適には、実際上１８０°位相がずれている。１８０°位相がずれたダイオードを有することも、フォトダイオード装置の出力において、無線周波数（ｒｆ）を最小限にするために有益である。そうでなければ、その装置の量子効率が減少し、補償回路が、装置の出力における無線周波数を最小にするために必要とされることがある。発振器回路からの出力無線周波数が、光検出器によって生成された光電流に比べて小さいなら、あまり問題にはならない。さらに、検出の可能性の減少が容認される応用例において、ダイオードは、正確に１８０°位相がずれる必要はない。
【００２０】
発振器は、平衡発振器であることが好ましく、また２つのフォトダイオードが同一であることが好ましく、そのため、発振器は、無線周波数（ｒｆ）電流を装置の出力にほとんど供給しない。代わりに、フォトダイオードが、ｒｆインピーダンスにおいて充分に近くないなら、なんらかの同調回路を、フォトダイオードのインピーダンスを整合して、装置からのｒｆ出力を最小にするために含めることができる。
【００２１】
２つのフォトダイオードを有する好適な実施の形態において、装置に入射される光信号は、好適には２つに分割され、好適には装置で各フォトダイオードに結合される二つの等しい部分に分割される。これは、ビームスプリッタによって、あるいは導波路技術を用いることによって、実行されることができる。
【００２２】
２つのフォトダイオードが同じ構造を有するとき、単純な装置が達成される。
【００２３】
本発明は、第２の態様において、アバランシェフォトダイオード装置を用いる入射光信号を検出する方法であって、少なくとも１つのフォトダイオードを降伏電圧より少しだけ低く逆バイアスするステップと、各フォトダイオードが降伏電圧を定期的に越えるように、各フォトダイオードに発振電圧を印加するステップとを含み、各発振電圧が、発振電圧が印加されるフォトダイオードのアバランシェゾーン走行時間の二倍より長い期間を有している、方法を提供する。
【００２４】
好適にはフォトダイオードは、互いに位相がずれて降伏電圧を超える。
【００２５】
好適には、発振電圧は、アバランシェゾーン走行時間の４倍から３２倍の期間を有している。
【００２６】
また、好適には、装置に入射される光は、発振電圧の少なくとも１つの周期の期間を有する。
【００２７】
好適な実施の形態において、この装置は、一つの発振電圧源にバックツーバックで直列になるように構成される２つのフォトダイオードからなる。
【００２８】
後者の好適な実施の形態は、好適には、入射した光信号を好ましくは等しい２つの部分に分割するステップと、２つの部分が、同位相でフォトダイオードに入射するように、２つの部分を、各々１つのフォトダイオードに結合させるステップとを更に含む、方法からなる。
【００２９】
本発明は、以下の図面を参照して説明される。
【００３０】
まず、図１を参照すると、同図に概略的に描かれたＳＰＡＤデバイス（２）は、シリコンゲルマニウム分離吸収および増倍（ＳＡＭ）アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の基本構造を有し、従って、マルチ量子井戸シリコンゲルマニウム検出領域（４）と、シリコンアバランシェ領域（６）とからなる。この幾何学的構成の利用可能なより長い吸収の長さを利用するために、図１中の矢印（Ａ）によって示されるように、光は、デバイス（２）に水平に結合する。光の入射フォトンは、検出領域（４）の価電子帯から伝導帯に電子を励起する。電流は、矢印（１）によって示されるように垂直に流れ、アバランシェ増倍のプロセスが、アバランシェ領域（６）において起こる。
【００３１】
図２のデバイス（２）に代わるデバイスは、１．３ミクロンから１．５５ミクロンの波長で強い光吸収を有する、インジウムガリウムヒ化物材料系である。このような系においては、垂直入射検出器が、通常通りに用いられる。
【００３２】
図２は、図１のＳＰＡＤデバイスを垂直に横切る、伝導帯の端部エネルギーＥ_ｃと、価電子帯の端部エネルギーＥ_ｖとの変動を示している。マルチ量子井戸検出領域（４）及びアバランシェ領域（６）が、示されている。
【００３３】
図３の回路装置に関して、図１に示されたタイプ（２）の２つのＳＰＡＤデバイス（８）及び（１０）が用いられている。この回路は、図１に示されるＳＰＡＤ検出器（２）のタイプに固有のものではなく、他のアバランシェフォトダイオードデバイスに対しても作動する。入射光信号（矢印（１２）によって、概略的に表される）は、ＳＰＡＤデバイス（８）及び（１０）にそれぞれ向けられる、２つのビーム（概略的に、（１４）及び（１６）によって表される）に対称に分割される。この分割は、ビームスプリッタによって光学的に達成することができる。代わりに、当分野において知られているように、入射光信号を分割するために、図３の回路を実施するチップの上に導波路構造を形成することができる。
【００３４】
２つのＳＰＡＤデバイス（８）及び（１０）は、バックツーバック接続され（すなわち、デバイスのｎ型領域が接続され、あるいは、図３の場合は、デバイスのｐ型領域が接続され）、それぞれのデバイスは、デバイス（８、１０）の降伏電圧をほんの少し下回る直流逆バイアス電圧Ｖ_Ｂを受けている。さらに、各ＳＰＡＤデバイス（８）及び（１０）は、平衡発振電圧源（１８）によって生成された、一連の発振電圧ｖ_１ｃｏｓ（ｗｔ）を受けている。
【００３５】
平衡発振電圧源（１８）は、デバイス（８）の電圧が、ｄＶだけ上昇されたとき、デバイス（１０）の電圧が、ｄＶだけ減少させられ、デバイス（８、１０）のインピーダンスが等しい場合には、デバイス（８、１０）間の電位が変更されない、特性を有している。
【００３６】
発振電圧源（１８）が、デバイス（８）及び（１０）と直列であり、またデバイス（８）及び（１０）が、バックツーバックであるため、デバイス（８）及び（１０）は、実際上１８０°位相がずれて動作することが分かる。このため、２つのデバイスのうちの一つ（例えば、デバイス（８））に印加された電圧が、降伏電圧より上に上昇したとき、２つのデバイスのうちの他の一つ（例えば、デバイス（１０））に印加された電圧は、降伏電圧より低くなる。このように、ＳＰＡＤデバイス（８）あるいは（１０）のうちの一つのデバイスだけが、アバランシェ増倍によって電流パルスを生成することができるとき、他のＳＰＡＤデバイスは、電流パルスを生成することができない。
【００３７】
発振電圧の振動の期間は、アバランシェ領域（６）の走行時間の４倍から３２倍の時間になるように選択される。すなわち、一つの電子が、アバランシェ領域を横断するために要する時間の４倍から３２倍の時間である。
【００３８】
装置からの暗カウント出力は、あるダイオードで発生し、最大持続期間を有する電流パルスを生成する。
【００３９】
Ｓ_ｍａｘ＝Ｔ_ｄ＋Ｐ／２
ここで、Ｔ_ｄは、デバイスの走行時間であり、Ｐは、発振電圧源（１８）の発振の期間である。
【００４０】
入射光信号によって生成された、装置からの真の出力は、両方のダイオードからの寄与を有し、最小限の持続期間を有する電流を生成することになる。
【００４１】
Ｓ_ｍｉｎ＝Ｔ_ｄ＋Ｐ
効率良く動作するために、真の出力信号は、真の出力信号の最小限の持続期間をさらに長くさせる、いくつかの期間Ｐの分だけ延長する。
【００４２】
入射光信号が検出されているあいだ、暗カウントが開始された場合、検出プロセスは影響を受けない。最小限の許容可能な発振の期間Ｐは、暗カウントが、唯一の電流パルスを開始するという要件によって決定される。最大限の許容可能な発振の期間Ｐは、容認されうる過剰アバランシェノイズのレベルと、検出のために要する時間分解能と、入射光信号の持続期間とによって決定される。
【００４３】
１ミクロンの厚さのシリコンアバランシェ領域（６）について、発振電圧が、走行時間の４倍の時間の期間を有するように、走行時間は、およそ１×１０^−１１秒であり、発振電圧の周波数は、およそ２５ＧＨｚである。この発振の期間は、ＳＰＡＤデバイス（８）及び（１０）において、アバランシェ増倍プロセスに関する過剰ノイズを減少させ、ＳＰＡＤデバイス（８）及び（１０）におけるノイズの大部分は、注入のランダム時間に起因する。すなわち、価電子帯から伝導帯への入射光による、一つの電子の励起の発振電圧周期におけるランダム時間である。この低いアバランシェノイズは、ＳＰＡＤデバイス（８）及び（１０）の高い増倍値を維持する。
【００４４】
例えば、光が、同時にＳＰＡＤデバイス（８）及び（１０）に入射するように、光信号が均等に分割されるのであれば、一つの電子が、ＳＰＡＤデバイス（８）及び（１０）の両方の検出領域（４）の伝導帯に励起される。例えば、光が入射されるときに、ＳＰＡＤデバイス（８）が降伏電圧より上で、デバイス（１０）が降伏電圧より低ければ、アバランシェ増倍は、ＳＰＡＤデバイス（８）のシリコンアバランシェ領域で、ただちに開始され、電流の第１のパルスを生成する。その後、デバイス（８）が降伏電圧より下に下降し、デバイス（１０）が降伏電圧より上に上昇すると、先の励起から残っていた任意の電子あるいはホールは、アバランシェを開始する。入射光信号が、電圧源の発振期間全体にわたって延長するのであれば、新しいキャリアが生成され、ＳＰＡＤデバイス（１０）においてアバランシェを開始し、第２の遅延した電流のパルスが、生成されることになる。
【００４５】
これらの電流パルスは、図３の回路の出力電圧Ｖ_ｏにおける鋭いピークとして測定される。図３の回路において、コンデンサは、任意の直流電流を阻止するように作用し、交流信号電流を伝送するために、装置の動作の周波数で低いインピーダンスを有するように選択される。
【００４６】
暗カウントは、ＳＰＡＤデバイス（８）及び（１０）においてランダム発生するため、ＳＰＡＤデバイス（８）における暗カウントは、ＳＰＡＤデバイス（１０）の暗カウントとは、無関係に発生する。したがって、暗カウントは、ＳＰＡＤデバイス（８）及び（１０）の両方において同時にはめったに発生しない。このため、一般的には暗カウントは、唯一の電流パルスを生成し、唯一の電圧ピークが、図３の回路の出力で測定されることになる。
【００４７】
図３の回路装置は、光が、発振電圧の期間より長い持続期間について、デバイス（８）及び（１０）に入射されたとき、少なくとも２つの分離された電圧ピークを生成するが、一般的に暗カウントイベントに応じて、単一の電圧ピークだけを生成する。そのためほとんどの場合、暗カウントは、認識され考慮から除外される。
【００４８】
２つのＳＰＡＤデバイス（８）及び（１０）は、等しいインピーダンスを有し、入射光信号が存在しないときには、印加された発振電圧ｖ_１ｃｏｓ（ｗｔ）の発振は、変化しないダイオード間に電位をそのままにする。そのため、２つのＳＰＡＤデバイス（８）及び（１０）は、図３の回路の出力構成部品において、出力信号Ｖ_ｏを誘導しない。
【００４９】
発振電圧の振幅、発振電圧の期間、及びアバランシェゾーンの厚さを変更して、デバイスの性能を最適化することが可能である。また、本発明は、他の第ＩＶ族半導体材料から製造されるアバランシェフォトダイオードに適用されることも可能である。また、インジウムガリウムヒ化物ベースのアバランシェフォトダイオードなど、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料から製造されるアバランシェフォトダイオードにも適用されることも可能である。
【００５０】
本願において請求される発想は、発振回路及びビームスプリッタの経費が含まれることにはなるものの、ノイズをかなり低くおさえることが可能であり、また、アバランシェフォトダイオードに対する帯域幅性能を高くすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置において用いられるシングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）の概略図である。
【図２】図１のＳＰＡＤデバイスに沿った、伝導帯と価電子帯の端部エネルギーの変動を概略的に示した図である。
【図３】図１の２つのＳＰＡＤデバイスを用いた、本発明によるアバランシェフォトダイオード回路装置を示した図である。

Claims

降伏電圧より少しだけ低くなるように、それぞれ逆バイアスされた、少なくとも２つのアバランシェフォトダイオードと、各フォトダイオードが降伏電圧を定期的に越えるように、発振電圧が各フォトダイオードに印加されるように構成された少なくとも１つの発振電圧源とからなる、アバランシェフォトダイオード検出器装置であって、
各発振電圧が、発振電圧が印加されるフォトダイオードのアバランシェゾーン走行時間の４倍から３２倍の期間を有する、アバランシェフォトダイオード検出器装置。
フォトダイオードが、互いに位相がずれて降伏電圧を超える、請求項１に記載の装置。
発振電圧源にバックツーバックで直列に構成される、２つのフォトダイオードが存在する、請求項２に記載の装置。
装置に入射した光信号が、各々フォトダイオードに結合される２つの部分に分割される、請求項３に記載の装置。
装置に入射した光信号が、少なくとも電圧源の発振期間と同じ長さの持続期間を有している、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
フォトダイオードが、同じ構造を有している、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
各フォトダイオードに印加された発振電圧が、同じ期間を有している、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
アバランシェフォトダイオード検出器装置を動作させる方法であって、
少なくとも２つのフォトダイオードを、降伏電圧より少しだけ低く逆バイアスするステップと、
各フォトダイオードが降伏電圧を定期的に越えるように、各フォトダイオードに発振電圧を印加するステップとを含み、
各発振電圧が、発振電圧が印加されるフォトダイオードのアバランシェゾーン走行時間の４倍から３２倍の期間を有している、アバランシェフォトダイオード検出器装置を動作させる方法。
フォトダイオードが、互いに位相がずれて降伏電圧を超える、請求項８に記載の方法。
装置が、発振電圧源にバックツーバックで直列に構成される２つのフォトダイオードからなる、請求項９に記載の方法。
入射した光信号を、２つの部分に分割するステップと、
２つの部分が、同位相でフォトダイオードに入射するように、２つの部分を、それぞれ１つのフォトダイオードに結合させるステップとを更に含む、請求項１０に記載の方法。
入射光信号が、少なくとも発振電圧の発振期間の長さの持続期間を有する、請求項８から１１のいずれか１項に記載の方法。
各フォトダイオードに印加された発振電圧が、同じ期間を有している、請求項８から１２のいずれか１項に記載の方法。