JP4702977B2 - 受光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に光半導体装置に係り、特に高速受光装置に関する。
【０００２】
アバランシェフォトダイオードは光ファイバ通信網において受光装置として使われている。特にＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバランシェフォトダイオードは、１０Ｇｂ／秒の伝送速度に対応可能で、基幹系光ファイバ通信網において、高速受光装置として重要である。
【０００３】
かかるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバランシェフォトダイオードでは、光吸収層としてＩｎＰ基板に対して格子整合するＩｎＧａＡｓ層が使われるが、ＩｎＧａＡｓ層は光ファイバの伝送損失が最小となる１．５５μｍ帯の波長において受光感度を有し、光ファイバ通信網における受光装置として好適である。また、かかるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバランシェフォトダイオードでは、ＩｎＰよりなるキャリア増倍層中にＳＡＭ（separated absorption and multiplication）構造を形成することにより、光吸収層中におけるキャリアの走行時間を減少させることが可能である。この結果、フォトダイオードの応答速度が向上する。
【０００４】
【従来の技術】
図１（Ａ），（Ｂ）は、従来のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォトダイオード１０のそれぞれ断面図およびバンド構造図を示す。
【０００５】
図１（Ａ）を参照するに、ｎ+型ＩｎＰ基板１１上にはｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２がエピタキシャルに形成され、さらに前記光吸収層１２上にはｎ-型のＩｎＰ光増倍層１３がエピタキシャルに形成される。さらに前記光増倍層１３上にはｐ型のＩｎＰバイアス層１４が形成され、前記バイアス層１４中には入射光の経路を囲むように、ｐ+型ＩｎＰよりなるガードリング１４Ａが形成されている。
【０００６】
動作時には、前記ＩｎＰ基板１１とガードリング１４Ａとの間になだれ降伏点近傍の逆バイアス電圧が印加され、前記光吸収層１２中に前記入射光により、電子とホールが励起される。
【０００７】
励起された電子は前記ＩｎＰ基板１１上の電極において吸収されるが、ホールは前記光増倍層１２中を、逆バイアス電圧が形成する電界により加速されながら前記バイアス層１４へと輸送される。その際、前記光増倍層１３中を流れるホールは前記光増倍層１３中において電界により加速され、衝突電離により電子・ホール対を生成し、これを繰り返す。その結果前記光増倍層１３中においてキャリアの増倍が生じる。
【０００８】
アバランシェフォトダイオードは、このようになだれ降伏点近傍にバイアスされて使用されるため光電流に対して利得を生じ、その結果、後段において光信号を処理するプリアンプの負荷を軽減することができる。このような理由から、図１のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォトダイオード１０は、１０Ｇｂ／秒の伝送速度の光ファイバ通信網において、高速受光装置として一般的に使われている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図２（Ａ）は、かかるアバランシェフォトダイオードを受光素子として使った光ファイバ通信網の概略的な構成を示す。
【００１０】
図２（Ａ）を参照するに、音声データや画像データを含むデータ２１が電気信号２２に変換され、さらにレーザダイオード２３が前記電気信号により変調された光信号を形成する。前記光信号は光ファイバ２４中に注入され、伝送される。前記光ファイバ２４中を伝送された光信号はアバランシェフォトダイオードよりなる受光素子２５により検出され、復調された電気信号２６から前記音声や画像を含むデータ２１が、再生データ２７として再生される。
【００１１】
ところで前記光ファイバ２４は図２（Ｂ）に示す伝送特性を有しており、従来は光信号の伝送が、波長が１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲のいわゆるＣバンドにおいて、１０Ｇｂ／秒の伝送速度で行われるのが一般的であった。
【００１２】
これに対し、最近ではインターネットに代表されるデジタル通信の普及の結果、トラヒックの増大が生じており、その結果さらに波長が１５７０ｎｍから１６１０ｎｍのいわゆるＬバンドをも光信号の伝送に使わざるを得ない状況が生じている。
【００１３】
しかし、この波長範囲では、ＩｎＰ基板１１に格子整合するＩｎＧａＡｓ光吸収層１２の基礎吸収端が室温で１．６３μｍ（０．７６ｅＶ）であることから、従来よりＣバンドにおける１０Ｇｂ／秒の光信号の検出に使われていたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバランシェフォトダイオードでは、十分な感度を得ることができない。このため、Ｌバンドにおいて前記１０Ｇｂ／秒の光信号検出を行うには、後段に高利得のプリアンプを設けざるを得ない問題が生じていた。
【００１４】
さらに、前記光信号の帯域の拡張と同時に、かかるトラヒックの増大に対処する手段として、光信号の伝送速度を従来の１０Ｇｂ／秒から４０Ｇｂ／秒へと増大させることも検討されているが、光信号の伝送速度が４０Ｇｂ／秒へと増大した場合には、ＩｎＰのイオン化率比が小さいことに起因して、アバランシェ立ち上がり時間（avalanche build-up time）を十分に減少させることができない問題点が生じる。アバランシェ立ち上がり時間の逆数はイオン化率比に比例する。ＩｎＰのイオン化率比は、実用的な電界強度（６〜７×１０5Ｖ／ｃｍ）において１．５程度に過ぎない。
【００１５】
このような事情で、従来はＣバンドにおいて４０Ｇｂ／秒の光信号を処理しようとすると、光増幅器にＰＩＮダイオードを組み合わせ、さらに前記ＰＩＮダイオードの出力信号をプリアンプにより増幅する構成を採用する必要があったが、かかる構成は複雑であり、費用が増大してしまう問題が避けられない。
【００１６】
さらに、従来は、Ｌバンドにおいて４０Ｇｂ／秒の光信号を処理する実用的な手段が知られていなかった。
【００１７】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用な高速受光素子を提供することを概括的課題とする。
【００１８】
本発明のより具体的な課題は、光信号のＬバンドに対して十分な感度を有し、同時にイオン化率比の大きい光吸収層を有する受光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、受光装置の光吸収層としてＳｉ、ＧｅおよびＣを含む混晶、例えばＳｉＧｅＣ系の混晶、あるいはＳｉＧｅＣＳｎ系の混晶を使うことにより解決する。すなわち本発明は、第１の導電型のシリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された前記第１の導電型の光吸収層と、前記光吸収層上に形成された光増倍層と、前記光増倍層上に形成された第２の導電型の領域と、前記第２の導電型の領域に電気的に接続された第１の電極と、前記シリコン基板に接続された第２の電極と、前記光吸収層と前記光増倍層との間に、ＳｉＧｅＣ混晶よりなる組成傾斜層と、を備えた受光装置において、前記光増倍層および前記第２の導電型の領域は、Ｓｉよりなり、前記光吸収層は、Ｓｉ、Ｇｅおよび４％以上のＣを含む混晶よりなり、前記シリコン基板に対して格子整合し、エピタキシャルに形成されており、前記組成傾斜層は、Ｃ濃度が前記光吸収層の側の第１の界面から前記光増倍層の側の第２の界面に向かって減少する組成プロファイルを有することを特徴とする受光装置により解決する。このようなＳｉ、ＧｅおよびＣを含む混晶を使うことにより、前記光吸収層のバンドギャップが縮小し、受光措置はＬバンドの長波長に対しても十分な感度を示す。また前記混晶はＣを原子比で３％以上含む場合、直接遷移型のバンド構造を示す。かかる光吸収層を使うことにより、Ｌバンドの波長に対して十分な感度を有するアバランシェフォトダイオードあるいはＰＩＮダイオードを構成できる。
【００１９】
特に本発明の受光装置によりアバランシェフォトダイオードを構成する場合、光増倍層にイオン化率比の大きいＳｉを使うのが好ましい。光増倍層にＳｉを使うことによりアバランシェ立ち上がり時間が大きく減少し、応答特性が向上する。その結果、本発明によるアバランシェフォトダイオードはＣバンドのみならずＬバンド波長においても、４０Ｇｂ／秒の速度で伝送される光信号を検出することが可能になる。
【００２０】
また、本発明の受光装置により、ＰＩＮダイオードを構成した場合には、利得はないものの、９０Ｇｈｚ帯域の非常に高速の動作が可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例によるアバランシェフォトダイオード３０の構成を示すそれぞれ平面図および断面図である。
【００２２】
先に図３（Ｂ）の断面図を参照するに、ｐ+型にドープされたＳｉ基板３１の（００１）面上にはキャリア密度が典型的には５×１０18ｃｍ-3のｐ+型Ｓｉバッファ層３１Ａが約２００ｎｍの厚さでエピタキシャルに形成され、さらに前記バッファ層３１Ａ上にはｐ型のＳｉＧｅＣ混晶層３２が約５００ｎｍの厚さでエピタキシャルに形成される。
【００２３】
前記ＳｉＧｅＣ混晶層３２は典型的にはキャリア密度が約１０18ｃｍ-3程度となるようにＢでドープされ、例えばＣを原子比で４％程度、Ｇｅを原子比で３２％程度含み、Ｓｉ基板３１に対して実質的に格子整合する。
【００２４】
前記ＳｉＧｅＣ混晶層３２上にはｐ型ＳｉＧｅＣ混晶よりなる組成傾斜層３３が約５０ｎｍの厚さでエピタキシャルに形成される。前記組成傾斜層３３は典型的には１０17ｃｍ-3程度のキャリア密度にドープされ、Ｃの原子比濃度が組成傾斜層３３の下側主面、すなわち前記ＳｉＧｅＣ混晶層３２との界面における４％の値から、反対側の上側主面における０％の値まで、徐々に変化する。同様に、前記組成傾斜層３３中においてはＧｅの原子比濃度の値も下側主面から上側主面までの間で、３２％から０％まで徐々に変化する。ただし、前記組成傾斜層３３中の各点においてＣおよびＧｅ濃度は、組成傾斜層３３とＳｉ基板３１との間に格子整合が成立するように設定される。
【００２５】
前記組成傾斜層３３上には、キャリア密度が１０14ｃｍ-3のｐ−型Ｓｉよりなるキャリア増倍層３４が約７００ｎｍの厚さでエピタキシャルに形成され、さらに前記キャリア増倍層３４の表面部分には、入射光の経路３７Ａに対応してｎ+型領域３５が、約２００ｎｍの深さに形成される。すなわち、キャリア増倍層３４は、前記ｎ+型領域３５の直下では、約５００ｎｍの厚さｗを有する。
【００２６】
前記ｎ+型領域３５は、前記キャリア増倍層３４中に形成されたｎ+型のガードリング３５Ａで囲まれ、前記ガードリング３５Ａには、前記増倍層３４の表面を覆うＳｉＯ2保護膜３６中に形成された開口部を介して、図３（Ａ）の平面図に示すように入射光経路３７Ａを囲むように形成されたＡｌ等よりなる電極３７がコンタクトする。必要があればシリサイドを用いてもよい。また、前記Ｓｉ基板３１の下面上にも別の電極３８が形成される。
【００２７】
前記Ｓｉバッファ層３１ＡあるいはＳｉ増倍層３４は、ＳｉＨ4を気相原料とし、ｐ型ドーパントガスとしてＢ２Ｈ６を使った通常のＣＶＤ法により形成できる。一方、前記ＳｉＧｅＣ混晶よりなる吸収層３２あるいは組成傾斜層３３は、前記ＳｉＨ4の他にＧｅＨ4およびＳｉＨ3ＣＨ3をそれぞれＧｅおよびＣの気相原料として使ったＣＶＤ法により形成できる。また、前記ｎ+型領域３５およびガードリング３５ＡはＡｓ+あるいはＰ+のイオン注入により形成すればよい。前記ＳｉＧｅＣ混晶層３２，３３は、ＭＢＥ法により形成することも可能である。
【００２８】
さらに前記ｎ+型領域３５は、ＡｓやＰをドープしたＳｉ層の堆積により、あるいはＰＳＧ膜等、Ｐを含むガラス層を前記Ｓｉ増倍層３４上に堆積し、かかるガラス層からのＰの拡散により形成することもできる。
【００２９】
図４は、図３（Ａ），（Ｂ）のアバランシェフォトダイオードのバンド構造図を、アバランシェ降伏点近傍の逆バイアス電圧を印加した状態について示す。
【００３０】
図４を参照するに、前記入射光経路３７Ａを通って前記ＳｉＧｅＣ光吸収層３２に到達した入射光は電子とホールの励起を生じるが、励起されたホールは直ちにＳｉ基板３１を通って電極３８に吸収される。
【００３１】
一方、電子の方は組成傾斜層３３を経て前記キャリア増倍層３４に注入され、前記キャリア増倍層３４中に形成された強い電界により加速されながら、前記ｎ+型領域３５に向かって輸送される。その際、前記電子は前記キャリア増倍層３４中において衝突電離により電子・ホール対を生成し、それを繰り返す。その結果、キャリアの増倍が生じる。
【００３２】
図５は、室温におけるＳｉＧｅＣ系混晶のバンドギャップとＣ濃度との関係を示す。
【００３３】
図５を参照するに、ＳｉＧｅＣ系混晶のバンドギャップはＳｉ端成分においては周知の通り１．１２ｅＶの値を有するが、Ｃ濃度が原子比で３％を超えたあたりから急減し、Ｃ濃度が３．７％で約０．７６ｅＶ（１．６３μｍ）まで減少する。Ｃ濃度がさらに減少すると、バンドギャップはさらに減少し、これに伴ってＳｉＧｅＣ系混晶よりなる前記光吸収層３２の基礎吸収端も、１．６３μｍよりも長波長側にシフトする。すなわち、Ｃ濃度が原子比で３．７％以上のＳｉＧｅＣ混晶を光吸収層３２として使うことにより、先に図２で説明したＬバンドに対して感度を有するアバランシェフォトダイオードを形成することが可能である。図６は、ＳｉＧｅＣ系混晶のバンド構造図を示す。ただし、図６のバンド構造では、Ｃ濃度を原子比で３．１％に設定してあり、ＳｉＧｅＣ系混晶は全体としてＳｉに格子整合する組成を有している。
【００３４】
図６よりわかるように、ＳｉＧｅＣ系混晶はＣを原子比で３．１％あるいはそれ以上含んでいる場合、直接遷移型のバンド構造を有する。このことは、Ｃを原子比で３．１％以上、例えば４％含むＳｉＧｅＣ系混晶を図３（Ａ），（Ｂ）のアバランシェフォトダイオード３０において前記光吸収層３２として使った場合、光吸収層３２中におけるキャリアの励起がフォノンの介在を必要とせず、直接的かつ効率的に生じることを示している。このように、前記光吸収層３２中においてはキャリアの光励起が効率的に生じるため、前記アバランシェフォトダイオード３０では光吸収層３２の厚さを減少させることができる。光吸収層３２の厚さが減少すると、光励起キャリアが前記光吸収層３２中を通過するに要する走行時間が減少し、アバランシェフォトダイオード３０の応答速度が向上する。
【００３５】
図７は、ＳｉＧｅＣ混晶層をＳｉ基板上に形成したＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系におけるイオン化率とイオン化率比の関係を示す。ただし図７中、縦軸はイオン化率比κを、横軸はイオン化率を示す。図７中には、比較のため、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ層を形成したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のイオン化率およびイオン化率比をも示す。
【００３６】
図７を参照するに、同じイオン化率においてＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系のイオン化率比はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のイオン化率比よりもはるかに大きく、例えば４．５×１０4ｃｍ-1のイオン化率においてＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系においてはイオン化率比が１．４程度（６×１０5Ｖ／ｃｍ）であるのに対し、ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系のイオン化率比は６（４×１０5Ｖｃｍ）程度に達する。
【００３７】
一般に、アバランシェフォトダイオードの応答速度は、時定数τで表した場合、
τ=Ｍτm+τa+τCR
１／τm＝Ｎ（κ）・κ・ｖm／ｗ
τa＝ｔ／ｖa
で与えられる。ただし、Ｍは増倍率、τmはアバランシェ立ち上がり時間、τaは光吸収層３２中を光励起キャリアが横切る際のキャリア走行時間、τCRは素子時定数であり、ｗはキャリア増倍層３４の厚さ、ｖmは前記キャリア増倍層３４中におけるキャリアのドリフト速度、ｔは光吸収層３２の厚さ、ｖaは前記光吸収層３２中におけるキャリアのドリフト速度、κはキャリア増倍層３４のイオン化率比、Ｎ（κ）はκに鈍感な関数で、κ＝１でＮ＝１／３，κ＝１０００でＮ＝２（ただしκ＞１となるように定義した）である。Emmons，R. B., J. Apply. Phys. vol.38, 1967, pp.3705を参照。時定数τが短ければ短いほど、アバランシェフォトダイオード３０の応答速度ないし動作帯域は大きくなる。
【００３８】
上式は、アバランシェフォトダイオードの応答速度を決定している要因が、アバランシェ立ち上がり時間τm、キャリア走行時間τa、および素子時定数τCRであることを示している。素子時定数τCRは素子構造を最適化することにより０．８ｐｓ以下に減少させることができるので、実際にアバランシェフォトダイオードの応答速度を決定、ないし制限している要因は、主としてアバランシェ立ち上がり時間τmおよびキャリア走行時間τaであることがわかる。
【００３９】
このうち、アバランシェ立ち上がり時間τmは上式より、キャリア増倍層３４のイオン化率比κを増大させ、またキャリアのドリフト速度ｖmを増大させることにより減少できることがわかる。例えば図３（Ａ），（Ｂ）に示す、キャリア増倍層３４としてＳｉを使った本発明実施例によるアバランシェフォトダイオードでは、キャリア増倍層３４のイオン化率比κがＩｎＰを使った場合の４．３倍（６／１．４）に増大し、さらにドリフト速度ｖmも高電界下、すなわち電界強度が４〜６×１０5Ｖ／ｃｍ程度の範囲では１．０５×１０7ｃｍ／秒と、ＩｎＰの場合の０．８６×１０7ｃｍ／秒よりも実質的に増大する。その結果、アバランシェ立ち上がり時間τmがＩｎＰキャリア増倍層を有する図１のアバランシェフォトダイオードの場合よりも５分の一以下に減少する。ただし、キャリア増倍層３４中におけるキャリアのドリフト速度ｖmは、電子のドリフト速度とホールのドリフト速度の平均値で与えられる。
【００４０】
また図３（Ａ），（Ｂ）の本発明実施例によるアバランシェフォトダイオードでは、ＳｉＧｅＣよりなる光吸収層３２における光励起電子の有効質量が、前記光吸収層３２がＩｎＧａＡｓよりなる場合よりも実質的に大きいため前記光励起電子は、前記光吸収層３２中に大きな電界強度が形成されてもホットエレクトロンを形成しにくい。このため、本発明によるアバランシェフォトダイオードでは、前記光吸収層３２中における電界強度を増大させて光励起電子のドリフト速度ｖaを増大させることが可能である。これに対し、図３（Ａ），（Ｂ）のアバランシェフォトダイオードにおいて仮にＩｎＧａＡｓを光吸収層３２として使った場合には、電子の有効質量ｍ*がＩｎＧａＡｓ中においては０．０４２ｍ0と非常に小さいため光吸収層３２中においてわずかな電界強度でもホットキャリアが形成されやすく、光吸収層３２中においてホットエレクトロンの衝突によりイオン化が生じやすい。このためドリフト速度ｖaを増大させることが困難で、キャリア走行時間τaを減少させることが困難であった。
【００４１】
このように、本発明実施例によるアバランシェフォトダイオードは、光吸収層３２およびキャリア増倍層３４にそれぞれＳｉＧｅＣ混晶およびＳｉを使うことにより、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォトダイオードよりも大きな帯域で動作が可能になる。すなわち前記時定数τから関係ｆ＝１／（２πτ）により求められるアバランシェフォトダイオードの動作限界帯域ｆは５６ＧＨｚ以上となり、Ｌバンド帯域における４０Ｇｂ／秒の速度での動作を実現することが可能になる。
【００４２】
なお、先にも説明したように、前記アバランシェフォトダイオードにおいて、前記光吸収層３２および組成傾斜層３３として、ＳｉＧｅＣ三元系混晶の代わりにＳｉＧｅＣＳｎ四元系混晶を使うことも可能である。
［第２実施例］
図８は、さらに応答特性を向上させた、本発明の第２実施例による導波路型のアバランシェフォトダイオード４０の構成を示す。
【００４３】
図８を参照するに、アバランシェフォトダイオード４０はｐ+型Ｓｉ基板４１上に形成されており、前記基板４１上にエピタキシャルに形成されたｐ+型Ｓｉよりなるバッファ層４１Ａと、前記バッファ層４１Ａ上にエピタキシャル形成された、ｐ型ＳｉＧｅＣ混晶よりなる光吸収層４２と、前記光吸収層４２上に、図示を省略したＳｉＧｅＣ混晶よりなる組成傾斜層を介してエピタキシャルに形成されたｐ-型Ｓｉよりなるキャリア増倍層４３と、前記キャリア増倍層４３上に形成されたｎ+型Ｓｉよりなる電極層４４とを含み、前記基板４１の一部、前記バッファ層４１Ａ、前記光吸収層４２、前記キャリア増倍層４３および前記ｎ+型Ｓｉ電極層４４は、前記基板４１の中央部において軸方向に延在するメサ領域Ｍを形成する。
【００４４】
さらに図示は省略するが、前記メサ領域Ｍ中、前記電極層４４上に軸方向に延在する上側電極が、また前記Ｓｉ基板４１の下面上に下側電極が形成される。
【００４５】
図８のアバランシェフォトダイオード４０では、前記メサ領域Ｍは入射光の導波路を構成し、入射光は前記メサ領域Ｍの端面において前記光吸収層４２中に注入される。その際、前記光吸収層４２はＣを約４％あるいはそれ以上含み、その結果図８のアバランシェフォトダイオードは、Ｃバンド領域以外にＬバンド領域の波長に対しても十分な感度を有し、しかも４０Ｇｂｐｓを超える高速の信号に対して十分な応答特性を示す。特に前記アバランシェフォトダイオード４０はメサ領域Ｍを形成することにより寄生容量が低減され、その結果先に説明した素子のＣＲ時定数τＣＲを減少させることができる。
【００４６】
図８のアバランシェフォトダイオード４０において、前記光吸収層４２を１００ｎｍの厚さに、また前記Ｓｉ増倍層４３を１９０ｎｍの厚さに形成し、さらに前記メサ構造Ｍの幅を５μｍとすることにより、ＣバンドからＬバンドにかけての波長範囲において１０ｄＢの利得を有し、５０ＧＨｚの周波数帯域を有する素子が形成できる。
【００４７】
さらに、図８のアバランシェフォトダイオード４０は、前記逆バイアス電圧の大きさを、前記キャリア増倍層４３においてキャリアの増倍が生じないような値に選んだ場合、さらに高速で動作させることが可能になる。
【００４８】
このような場合、フォトダイオード４０全体の時定数τは、キャリア増倍率Ｍが１となり、
τ＝τm＋τa＋τCR
で表され、その際τm、τaおよびτCRはそれぞれ０．１ｐｓ、１ｐｓおよび０．７ｐｓ程度まで減少させることができる。このような場合、前記フォトダイオード４０は９０ＧＨｚ帯域において動作が可能である。
［第３実施例］
図９は、本発明の第３実施例による導波路型のＰＩＮフォトダイオード５０の構成を示す。
【００４９】
図９を参照するに、ｐ+型Ｓｉ基板５１上にはｐ+型バッファ層５１Ａを介してｉ型、すなわち非ドープＳｉＧｅＣ混晶よりなる光吸収層５２が形成され、前記光吸収層５２上にはｎ型Ｓｉ電極層５３が形成される。なお、前記ｐ＋型Ｓｉ／ｉ−ＳｉＧｅＣ界面および前記ｉ−ＳｉＧｅＣ／ｎ−Ｓｉ界面に傾斜組成層を挿入してもよい。
【００５０】
さらに前記電極層５３および前記Ｓｉ基板５１の下面上には上側電極５４および下側電極５５が、それぞれ形成される。
【００５１】
図８の実施例と同様に、本実施例においても前記Ｓｉ基板５１上には軸方向に延在する導波路がメサ構造Ｍにより形成され、入射光は前記メサ構造Ｍの端面に入射する。
【００５２】
かかる構成のＰＩＮフォトダイオード５０では、先の実施例のアバランシェフォトダイオード４０をＰＩＮフォトダイオードの条件で動作させた場合と同様に、９０ＧＨｚ帯域の高速光信号の検出が可能になる。
【００５３】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において、様々な変形・変更が可能である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、フォトダイオードの光吸収層にＳｉＧｅＣ混晶を使うことにより光吸収層のバンドギャップが減少し、従来のＣバンドのみならず長波長側のＬバンドの光信号に対しても十分な感度を有するフォトダイオードが得られる。かかるフォトダイオードはＳｉよりなる光増倍層と組み合わせてアバランシェフォトダイオードを構成できるが、その場合にはＳｉの大きなイオン化率比のため、動作速度が向上し、４０Ｇｂ／秒あるいはそれ以上の速度の光信号を検出することができる。また、かかるＳｉＧｅＣ混晶よりなる光吸収層を使ってＰＩＮフォトダイオードを形成することもできるが、その場合には、利得は得られないものの、応答速度がさらに向上し、９０ＧＨｚ帯域の応答特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ），（Ｂ）は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォトダイオードのバンド構造および断面構造を示す図である。
【図２】従来の光ファイバ通信網の構成を示す図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例によるＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェフォトダイオードの構成を示す平面図および断面図である。
【図４】図３のアバランシェフォトダイオードのバンド構造を示す図である。
【図５】ＳｉＧｅＣ系混晶のバンドギャップとＣ濃度との関係を示す図である。
【図６】ＳｉＧｅＣ系混晶のバンド構造図である。
【図７】ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェダイオードにおけるイオン化率比をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェダイオードにおけるイオン化率比と比較して示す図である。
【図８】本発明の第２実施例による導波路型アバランシェフォトダイオードの構成を示す図である。
【図９】本発明の第３実施例による導波路型ＰＩＮフォトダイオードの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォトダイオード
１１ ＩｎＰ基板
１２ ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１３ ＩｎＰキャリア増倍層
１４ ｎ型ＩｎＰ電極領域
１４Ａ ｎ型ＩｎＰガードリング
２１ 音声画像データ
２２ 電気信号
２３ 発光素子
２４ 光ファイバ通信網
２５ 受光素子
２６ 再生電気信号
２７ 再生音声画像データ
３０ ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェフォトダイオード
３１，４１，５１ ｐ型Ｓｉ基板
３１Ａ，４１Ａ，５１Ａ ｐ型Ｓｉバッファ層
３２，４２，５２ ｐ型ＳｉＧｅＣ混晶光吸収層
３３ ｐ型ＳｉＧｅＣ混晶組成傾斜層
３４，４３ ｐ型Ｓｉキャリア増倍層
３５，４４ ｎ型Ｓｉ電極層
３５Ａ ｎ型Ｓｉガードリング
３６ ＳｉＯ2絶縁膜
３７，５４ 上側電極
３７Ａ 入射光経路
３８，５５ 下側電極
４０ 導波路型ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェフォトダイオード
５０ ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系ＰＩＮフォトダイオード
５３ ｎ型Ｓｉ層
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に光半導体装置に係り、特に高速受光装置に関する。
【０００２】
アバランシェフォトダイオードは光ファイバ通信網において受光装置として使われている。特にＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバランシェフォトダイオードは、１０Ｇｂ／秒の伝送速度に対応可能で、基幹系光ファイバ通信網において、高速受光装置として重要である。
【０００３】
かかるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバランシェフォトダイオードでは、光吸収層としてＩｎＰ基板に対して格子整合するＩｎＧａＡｓ層が使われるが、ＩｎＧａＡｓ層は光ファイバの伝送損失が最小となる１．５５μｍ帯の波長において受光感度を有し、光ファイバ通信網における受光装置として好適である。また、かかるＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバランシェフォトダイオードでは、ＩｎＰよりなるキャリア増倍層中にＳＡＭ（separated absorption and multiplication）構造を形成することにより、光吸収層中におけるキャリアの走行時間を減少させることが可能である。この結果、フォトダイオードの応答速度が向上する。
【０００４】
【従来の技術】
図１（Ａ），（Ｂ）は、従来のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォトダイオード１０のそれぞれ断面図およびバンド構造図を示す。
【０００５】
図１（Ａ）を参照するに、ｎ+型ＩｎＰ基板１１上にはｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１２がエピタキシャルに形成され、さらに前記光吸収層１２上にはｎ-型のＩｎＰ光増倍層１３がエピタキシャルに形成される。さらに前記光増倍層１３上にはｐ型のＩｎＰバイアス層１４が形成され、前記バイアス層１４中には入射光の経路を囲むように、ｐ+型ＩｎＰよりなるガードリング１４Ａが形成されている。
【０００６】
動作時には、前記ＩｎＰ基板１１とガードリング１４Ａとの間になだれ降伏点近傍の逆バイアス電圧が印加され、前記光吸収層１２中に前記入射光により、電子とホールが励起される。
【０００７】
励起された電子は前記ＩｎＰ基板１１上の電極において吸収されるが、ホールは前記光増倍層１２中を、逆バイアス電圧が形成する電界により加速されながら前記バイアス層１４へと輸送される。その際、前記光増倍層１３中を流れるホールは前記光増倍層１３中において電界により加速され、衝突電離により電子・ホール対を生成し、これを繰り返す。その結果前記光増倍層１３中においてキャリアの増倍が生じる。
【０００８】
アバランシェフォトダイオードは、このようになだれ降伏点近傍にバイアスされて使用されるため光電流に対して利得を生じ、その結果、後段において光信号を処理するプリアンプの負荷を軽減することができる。このような理由から、図１のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォトダイオード１０は、１０Ｇｂ／秒の伝送速度の光ファイバ通信網において、高速受光装置として一般的に使われている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図２（Ａ）は、かかるアバランシェフォトダイオードを受光素子として使った光ファイバ通信網の概略的な構成を示す。
【００１０】
図２（Ａ）を参照するに、音声データや画像データを含むデータ２１が電気信号２２に変換され、さらにレーザダイオード２３が前記電気信号により変調された光信号を形成する。前記光信号は光ファイバ２４中に注入され、伝送される。前記光ファイバ２４中を伝送された光信号はアバランシェフォトダイオードよりなる受光素子２５により検出され、復調された電気信号２６から前記音声や画像を含むデータ２１が、再生データ２７として再生される。
【００１１】
ところで前記光ファイバ２４は図２（Ｂ）に示す伝送特性を有しており、従来は光信号の伝送が、波長が１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲のいわゆるＣバンドにおいて、１０Ｇｂ／秒の伝送速度で行われるのが一般的であった。
【００１２】
これに対し、最近ではインターネットに代表されるデジタル通信の普及の結果、トラヒックの増大が生じており、その結果さらに波長が１５７０ｎｍから１６１０ｎｍのいわゆるＬバンドをも光信号の伝送に使わざるを得ない状況が生じている。
【００１３】
しかし、この波長範囲では、ＩｎＰ基板１１に格子整合するＩｎＧａＡｓ光吸収層１２の基礎吸収端が室温で１．６３μｍ（０．７６ｅＶ）であることから、従来よりＣバンドにおける１０Ｇｂ／秒の光信号の検出に使われていたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のアバランシェフォトダイオードでは、十分な感度を得ることができない。このため、Ｌバンドにおいて前記１０Ｇｂ／秒の光信号検出を行うには、後段に高利得のプリアンプを設けざるを得ない問題が生じていた。
【００１４】
さらに、前記光信号の帯域の拡張と同時に、かかるトラヒックの増大に対処する手段として、光信号の伝送速度を従来の１０Ｇｂ／秒から４０Ｇｂ／秒へと増大させることも検討されているが、光信号の伝送速度が４０Ｇｂ／秒へと増大した場合には、ＩｎＰのイオン化率比が小さいことに起因して、アバランシェ立ち上がり時間（avalanche build-up time）を十分に減少させることができない問題点が生じる。アバランシェ立ち上がり時間の逆数はイオン化率比に比例する。ＩｎＰのイオン化率比は、実用的な電界強度（６〜７×１０5Ｖ／ｃｍ）において１．５程度に過ぎない。
【００１５】
このような事情で、従来はＣバンドにおいて４０Ｇｂ／秒の光信号を処理しようとすると、光増幅器にＰＩＮダイオードを組み合わせ、さらに前記ＰＩＮダイオードの出力信号をプリアンプにより増幅する構成を採用する必要があったが、かかる構成は複雑であり、費用が増大してしまう問題が避けられない。
【００１６】
さらに、従来は、Ｌバンドにおいて４０Ｇｂ／秒の光信号を処理する実用的な手段が知られていなかった。
【００１７】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用な高速受光素子を提供することを概括的課題とする。
【００１８】
本発明のより具体的な課題は、光信号のＬバンドに対して十分な感度を有し、同時にイオン化率比の大きい光吸収層を有する受光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、受光装置の光吸収層としてＳｉ、ＧｅおよびＣを含む混晶、例えばＳｉＧｅＣ系の混晶、あるいはＳｉＧｅＣＳｎ系の混晶を使うことにより解決する。すなわち本発明は、第１の導電型のシリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された前記第１の導電型の光吸収層と、前記光吸収層上に形成された光増倍層と、前記光増倍層上に形成された第２の導電型の領域と、前記第２の導電型の領域に電気的に接続された第１の電極と、前記シリコン基板に接続された第２の電極と、前記光吸収層と前記光増倍層との間に、ＳｉＧｅＣ混晶よりなる組成傾斜層と、を備えた受光装置において、前記光増倍層および前記第２の導電型の領域は、Ｓｉよりなり、前記光吸収層は、Ｓｉ、Ｇｅおよび４％以上のＣを含む混晶よりなり、前記シリコン基板に対して格子整合し、エピタキシャルに形成されており、前記組成傾斜層は、Ｃ濃度が前記光吸収層の側の第１の界面から前記光増倍層の側の第２の界面に向かって減少する組成プロファイルを有することを特徴とする受光装置により解決する。このようなＳｉ、ＧｅおよびＣを含む混晶を使うことにより、前記光吸収層のバンドギャップが縮小し、受光措置はＬバンドの長波長に対しても十分な感度を示す。また前記混晶はＣを原子比で３％以上含む場合、直接遷移型のバンド構造を示す。かかる光吸収層を使うことにより、Ｌバンドの波長に対して十分な感度を有するアバランシェフォトダイオードあるいはＰＩＮダイオードを構成できる。
【００１９】
特に本発明の受光装置によりアバランシェフォトダイオードを構成する場合、光増倍層にイオン化率比の大きいＳｉを使うのが好ましい。光増倍層にＳｉを使うことによりアバランシェ立ち上がり時間が大きく減少し、応答特性が向上する。その結果、本発明によるアバランシェフォトダイオードはＣバンドのみならずＬバンド波長においても、４０Ｇｂ／秒の速度で伝送される光信号を検出することが可能になる。
【００２０】
また、本発明の受光装置により、ＰＩＮダイオードを構成した場合には、利得はないものの、９０Ｇｈｚ帯域の非常に高速の動作が可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例によるアバランシェフォトダイオード３０の構成を示すそれぞれ平面図および断面図である。
【００２２】
先に図３（Ｂ）の断面図を参照するに、ｐ+型にドープされたＳｉ基板３１の（００１）面上にはキャリア密度が典型的には５×１０18ｃｍ-3のｐ+型Ｓｉバッファ層３１Ａが約２００ｎｍの厚さでエピタキシャルに形成され、さらに前記バッファ層３１Ａ上にはｐ型のＳｉＧｅＣ混晶層３２が約５００ｎｍの厚さでエピタキシャルに形成される。
【００２３】
前記ＳｉＧｅＣ混晶層３２は典型的にはキャリア密度が約１０18ｃｍ-3程度となるようにＢでドープされ、例えばＣを原子比で４％程度、Ｇｅを原子比で３２％程度含み、Ｓｉ基板３１に対して実質的に格子整合する。
【００２４】
前記ＳｉＧｅＣ混晶層３２上にはｐ型ＳｉＧｅＣ混晶よりなる組成傾斜層３３が約５０ｎｍの厚さでエピタキシャルに形成される。前記組成傾斜層３３は典型的には１０17ｃｍ-3程度のキャリア密度にドープされ、Ｃの原子比濃度が組成傾斜層３３の下側主面、すなわち前記ＳｉＧｅＣ混晶層３２との界面における４％の値から、反対側の上側主面における０％の値まで、徐々に変化する。同様に、前記組成傾斜層３３中においてはＧｅの原子比濃度の値も下側主面から上側主面までの間で、３２％から０％まで徐々に変化する。ただし、前記組成傾斜層３３中の各点においてＣおよびＧｅ濃度は、組成傾斜層３３とＳｉ基板３１との間に格子整合が成立するように設定される。
【００２５】
前記組成傾斜層３３上には、キャリア密度が１０14ｃｍ-3のｐ−型Ｓｉよりなるキャリア増倍層３４が約７００ｎｍの厚さでエピタキシャルに形成され、さらに前記キャリア増倍層３４の表面部分には、入射光の経路３７Ａに対応してｎ+型領域３５が、約２００ｎｍの深さに形成される。すなわち、キャリア増倍層３４は、前記ｎ+型領域３５の直下では、約５００ｎｍの厚さｗを有する。
【００２６】
前記ｎ+型領域３５は、前記キャリア増倍層３４中に形成されたｎ+型のガードリング３５Ａで囲まれ、前記ガードリング３５Ａには、前記増倍層３４の表面を覆うＳｉＯ2保護膜３６中に形成された開口部を介して、図３（Ａ）の平面図に示すように入射光経路３７Ａを囲むように形成されたＡｌ等よりなる電極３７がコンタクトする。必要があればシリサイドを用いてもよい。また、前記Ｓｉ基板３１の下面上にも別の電極３８が形成される。
【００２７】
前記Ｓｉバッファ層３１ＡあるいはＳｉ増倍層３４は、ＳｉＨ4を気相原料とし、ｐ型ドーパントガスとしてＢ２Ｈ６を使った通常のＣＶＤ法により形成できる。一方、前記ＳｉＧｅＣ混晶よりなる吸収層３２あるいは組成傾斜層３３は、前記ＳｉＨ4の他にＧｅＨ4およびＳｉＨ3ＣＨ3をそれぞれＧｅおよびＣの気相原料として使ったＣＶＤ法により形成できる。また、前記ｎ+型領域３５およびガードリング３５ＡはＡｓ+あるいはＰ+のイオン注入により形成すればよい。前記ＳｉＧｅＣ混晶層３２，３３は、ＭＢＥ法により形成することも可能である。
【００２８】
さらに前記ｎ+型領域３５は、ＡｓやＰをドープしたＳｉ層の堆積により、あるいはＰＳＧ膜等、Ｐを含むガラス層を前記Ｓｉ増倍層３４上に堆積し、かかるガラス層からのＰの拡散により形成することもできる。
【００２９】
図４は、図３（Ａ），（Ｂ）のアバランシェフォトダイオードのバンド構造図を、アバランシェ降伏点近傍の逆バイアス電圧を印加した状態について示す。
【００３０】
図４を参照するに、前記入射光経路３７Ａを通って前記ＳｉＧｅＣ光吸収層３２に到達した入射光は電子とホールの励起を生じるが、励起されたホールは直ちにＳｉ基板３１を通って電極３８に吸収される。
【００３１】
一方、電子の方は組成傾斜層３３を経て前記キャリア増倍層３４に注入され、前記キャリア増倍層３４中に形成された強い電界により加速されながら、前記ｎ+型領域３５に向かって輸送される。その際、前記電子は前記キャリア増倍層３４中において衝突電離により電子・ホール対を生成し、それを繰り返す。その結果、キャリアの増倍が生じる。
【００３２】
図５は、室温におけるＳｉＧｅＣ系混晶のバンドギャップとＣ濃度との関係を示す。
【００３３】
図５を参照するに、ＳｉＧｅＣ系混晶のバンドギャップはＳｉ端成分においては周知の通り１．１２ｅＶの値を有するが、Ｃ濃度が原子比で３％を超えたあたりから急減し、Ｃ濃度が３．７％で約０．７６ｅＶ（１．６３μｍ）まで減少する。Ｃ濃度がさらに減少すると、バンドギャップはさらに減少し、これに伴ってＳｉＧｅＣ系混晶よりなる前記光吸収層３２の基礎吸収端も、１．６３μｍよりも長波長側にシフトする。すなわち、Ｃ濃度が原子比で３．７％以上のＳｉＧｅＣ混晶を光吸収層３２として使うことにより、先に図２で説明したＬバンドに対して感度を有するアバランシェフォトダイオードを形成することが可能である。図６は、ＳｉＧｅＣ系混晶のバンド構造図を示す。ただし、図６のバンド構造では、Ｃ濃度を原子比で３．１％に設定してあり、ＳｉＧｅＣ系混晶は全体としてＳｉに格子整合する組成を有している。
【００３４】
図６よりわかるように、ＳｉＧｅＣ系混晶はＣを原子比で３．１％あるいはそれ以上含んでいる場合、直接遷移型のバンド構造を有する。このことは、Ｃを原子比で３．１％以上、例えば４％含むＳｉＧｅＣ系混晶を図３（Ａ），（Ｂ）のアバランシェフォトダイオード３０において前記光吸収層３２として使った場合、光吸収層３２中におけるキャリアの励起がフォノンの介在を必要とせず、直接的かつ効率的に生じることを示している。このように、前記光吸収層３２中においてはキャリアの光励起が効率的に生じるため、前記アバランシェフォトダイオード３０では光吸収層３２の厚さを減少させることができる。光吸収層３２の厚さが減少すると、光励起キャリアが前記光吸収層３２中を通過するに要する走行時間が減少し、アバランシェフォトダイオード３０の応答速度が向上する。
【００３５】
図７は、ＳｉＧｅＣ混晶層をＳｉ基板上に形成したＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系におけるイオン化率とイオン化率比の関係を示す。ただし図７中、縦軸はイオン化率比κを、横軸はイオン化率を示す。図７中には、比較のため、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ層を形成したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のイオン化率およびイオン化率比をも示す。
【００３６】
図７を参照するに、同じイオン化率においてＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系のイオン化率比はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系のイオン化率比よりもはるかに大きく、例えば４．５×１０4ｃｍ-1のイオン化率においてＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系においてはイオン化率比が１．４程度（６×１０5Ｖ／ｃｍ）であるのに対し、ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系のイオン化率比は６（４×１０5Ｖｃｍ）程度に達する。
【００３７】
一般に、アバランシェフォトダイオードの応答速度は、時定数τで表した場合、
τ=Ｍτm+τa+τCR
１／τm＝Ｎ（κ）・κ・ｖm／ｗ
τa＝ｔ／ｖa
で与えられる。ただし、Ｍは増倍率、τmはアバランシェ立ち上がり時間、τaは光吸収層３２中を光励起キャリアが横切る際のキャリア走行時間、τCRは素子時定数であり、ｗはキャリア増倍層３４の厚さ、ｖmは前記キャリア増倍層３４中におけるキャリアのドリフト速度、ｔは光吸収層３２の厚さ、ｖaは前記光吸収層３２中におけるキャリアのドリフト速度、κはキャリア増倍層３４のイオン化率比、Ｎ（κ）はκに鈍感な関数で、κ＝１でＮ＝１／３，κ＝１０００でＮ＝２（ただしκ＞１となるように定義した）である。Emmons，R. B., J. Apply. Phys. vol.38, 1967, pp.3705を参照。時定数τが短ければ短いほど、アバランシェフォトダイオード３０の応答速度ないし動作帯域は大きくなる。
【００３８】
上式は、アバランシェフォトダイオードの応答速度を決定している要因が、アバランシェ立ち上がり時間τm、キャリア走行時間τa、および素子時定数τCRであることを示している。素子時定数τCRは素子構造を最適化することにより０．８ｐｓ以下に減少させることができるので、実際にアバランシェフォトダイオードの応答速度を決定、ないし制限している要因は、主としてアバランシェ立ち上がり時間τmおよびキャリア走行時間τaであることがわかる。
【００３９】
このうち、アバランシェ立ち上がり時間τmは上式より、キャリア増倍層３４のイオン化率比κを増大させ、またキャリアのドリフト速度ｖmを増大させることにより減少できることがわかる。例えば図３（Ａ），（Ｂ）に示す、キャリア増倍層３４としてＳｉを使った本発明実施例によるアバランシェフォトダイオードでは、キャリア増倍層３４のイオン化率比κがＩｎＰを使った場合の４．３倍（６／１．４）に増大し、さらにドリフト速度ｖmも高電界下、すなわち電界強度が４〜６×１０5Ｖ／ｃｍ程度の範囲では１．０５×１０7ｃｍ／秒と、ＩｎＰの場合の０．８６×１０7ｃｍ／秒よりも実質的に増大する。その結果、アバランシェ立ち上がり時間τmがＩｎＰキャリア増倍層を有する図１のアバランシェフォトダイオードの場合よりも５分の一以下に減少する。ただし、キャリア増倍層３４中におけるキャリアのドリフト速度ｖmは、電子のドリフト速度とホールのドリフト速度の平均値で与えられる。
【００４０】
また図３（Ａ），（Ｂ）の本発明実施例によるアバランシェフォトダイオードでは、ＳｉＧｅＣよりなる光吸収層３２における光励起電子の有効質量が、前記光吸収層３２がＩｎＧａＡｓよりなる場合よりも実質的に大きいため前記光励起電子は、前記光吸収層３２中に大きな電界強度が形成されてもホットエレクトロンを形成しにくい。このため、本発明によるアバランシェフォトダイオードでは、前記光吸収層３２中における電界強度を増大させて光励起電子のドリフト速度ｖaを増大させることが可能である。これに対し、図３（Ａ），（Ｂ）のアバランシェフォトダイオードにおいて仮にＩｎＧａＡｓを光吸収層３２として使った場合には、電子の有効質量ｍ*がＩｎＧａＡｓ中においては０．０４２ｍ0と非常に小さいため光吸収層３２中においてわずかな電界強度でもホットキャリアが形成されやすく、光吸収層３２中においてホットエレクトロンの衝突によりイオン化が生じやすい。このためドリフト速度ｖaを増大させることが困難で、キャリア走行時間τaを減少させることが困難であった。
【００４１】
このように、本発明実施例によるアバランシェフォトダイオードは、光吸収層３２およびキャリア増倍層３４にそれぞれＳｉＧｅＣ混晶およびＳｉを使うことにより、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォトダイオードよりも大きな帯域で動作が可能になる。すなわち前記時定数τから関係ｆ＝１／（２πτ）により求められるアバランシェフォトダイオードの動作限界帯域ｆは５６ＧＨｚ以上となり、Ｌバンド帯域における４０Ｇｂ／秒の速度での動作を実現することが可能になる。
【００４２】
なお、先にも説明したように、前記アバランシェフォトダイオードにおいて、前記光吸収層３２および組成傾斜層３３として、ＳｉＧｅＣ三元系混晶の代わりにＳｉＧｅＣＳｎ四元系混晶を使うことも可能である。
［第２実施例］
図８は、さらに応答特性を向上させた、本発明の第２実施例による導波路型のアバランシェフォトダイオード４０の構成を示す。
【００４３】
図８を参照するに、アバランシェフォトダイオード４０はｐ+型Ｓｉ基板４１上に形成されており、前記基板４１上にエピタキシャルに形成されたｐ+型Ｓｉよりなるバッファ層４１Ａと、前記バッファ層４１Ａ上にエピタキシャル形成された、ｐ型ＳｉＧｅＣ混晶よりなる光吸収層４２と、前記光吸収層４２上に、図示を省略したＳｉＧｅＣ混晶よりなる組成傾斜層を介してエピタキシャルに形成されたｐ-型Ｓｉよりなるキャリア増倍層４３と、前記キャリア増倍層４３上に形成されたｎ+型Ｓｉよりなる電極層４４とを含み、前記基板４１の一部、前記バッファ層４１Ａ、前記光吸収層４２、前記キャリア増倍層４３および前記ｎ+型Ｓｉ電極層４４は、前記基板４１の中央部において軸方向に延在するメサ領域Ｍを形成する。
【００４４】
さらに図示は省略するが、前記メサ領域Ｍ中、前記電極層４４上に軸方向に延在する上側電極が、また前記Ｓｉ基板４１の下面上に下側電極が形成される。
【００４５】
図８のアバランシェフォトダイオード４０では、前記メサ領域Ｍは入射光の導波路を構成し、入射光は前記メサ領域Ｍの端面において前記光吸収層４２中に注入される。その際、前記光吸収層４２はＣを約４％あるいはそれ以上含み、その結果図８のアバランシェフォトダイオードは、Ｃバンド領域以外にＬバンド領域の波長に対しても十分な感度を有し、しかも４０Ｇｂｐｓを超える高速の信号に対して十分な応答特性を示す。特に前記アバランシェフォトダイオード４０はメサ領域Ｍを形成することにより寄生容量が低減され、その結果先に説明した素子のＣＲ時定数τＣＲを減少させることができる。
【００４６】
図８のアバランシェフォトダイオード４０において、前記光吸収層４２を１００ｎｍの厚さに、また前記Ｓｉ増倍層４３を１９０ｎｍの厚さに形成し、さらに前記メサ構造Ｍの幅を５μｍとすることにより、ＣバンドからＬバンドにかけての波長範囲において１０ｄＢの利得を有し、５０ＧＨｚの周波数帯域を有する素子が形成できる。
【００４７】
さらに、図８のアバランシェフォトダイオード４０は、前記逆バイアス電圧の大きさを、前記キャリア増倍層４３においてキャリアの増倍が生じないような値に選んだ場合、さらに高速で動作させることが可能になる。
【００４８】
このような場合、フォトダイオード４０全体の時定数τは、キャリア増倍率Ｍが１となり、
τ＝τm＋τa＋τCR
で表され、その際τm、τaおよびτCRはそれぞれ０．１ｐｓ、１ｐｓおよび０．７ｐｓ程度まで減少させることができる。このような場合、前記フォトダイオード４０は９０ＧＨｚ帯域において動作が可能である。
［第３実施例］
図９は、本発明の第３実施例による導波路型のＰＩＮフォトダイオード５０の構成を示す。
【００４９】
図９を参照するに、ｐ+型Ｓｉ基板５１上にはｐ+型バッファ層５１Ａを介してｉ型、すなわち非ドープＳｉＧｅＣ混晶よりなる光吸収層５２が形成され、前記光吸収層５２上にはｎ型Ｓｉ電極層５３が形成される。なお、前記ｐ＋型Ｓｉ／ｉ−ＳｉＧｅＣ界面および前記ｉ−ＳｉＧｅＣ／ｎ−Ｓｉ界面に傾斜組成層を挿入してもよい。
【００５０】
さらに前記電極層５３および前記Ｓｉ基板５１の下面上には上側電極５４および下側電極５５が、それぞれ形成される。
【００５１】
図８の実施例と同様に、本実施例においても前記Ｓｉ基板５１上には軸方向に延在する導波路がメサ構造Ｍにより形成され、入射光は前記メサ構造Ｍの端面に入射する。
【００５２】
かかる構成のＰＩＮフォトダイオード５０では、先の実施例のアバランシェフォトダイオード４０をＰＩＮフォトダイオードの条件で動作させた場合と同様に、９０ＧＨｚ帯域の高速光信号の検出が可能になる。
【００５３】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において、様々な変形・変更が可能である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、フォトダイオードの光吸収層にＳｉＧｅＣ混晶を使うことにより光吸収層のバンドギャップが減少し、従来のＣバンドのみならず長波長側のＬバンドの光信号に対しても十分な感度を有するフォトダイオードが得られる。かかるフォトダイオードはＳｉよりなる光増倍層と組み合わせてアバランシェフォトダイオードを構成できるが、その場合にはＳｉの大きなイオン化率比のため、動作速度が向上し、４０Ｇｂ／秒あるいはそれ以上の速度の光信号を検出することができる。また、かかるＳｉＧｅＣ混晶よりなる光吸収層を使ってＰＩＮフォトダイオードを形成することもできるが、その場合には、利得は得られないものの、応答速度がさらに向上し、９０ＧＨｚ帯域の応答特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ），（Ｂ）は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォトダイオードのバンド構造および断面構造を示す図である。
【図２】従来の光ファイバ通信網の構成を示す図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例によるＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェフォトダイオードの構成を示す平面図および断面図である。
【図４】図３のアバランシェフォトダイオードのバンド構造を示す図である。
【図５】ＳｉＧｅＣ系混晶のバンドギャップとＣ濃度との関係を示す図である。
【図６】ＳｉＧｅＣ系混晶のバンド構造図である。
【図７】ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェダイオードにおけるイオン化率比をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェダイオードにおけるイオン化率比と比較して示す図である。
【図８】本発明の第２実施例による導波路型アバランシェフォトダイオードの構成を示す図である。
【図９】本発明の第３実施例による導波路型ＰＩＮフォトダイオードの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系アバランシェフォトダイオード
１１ ＩｎＰ基板
１２ ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１３ ＩｎＰキャリア増倍層
１４ ｎ型ＩｎＰ電極領域
１４Ａ ｎ型ＩｎＰガードリング
２１ 音声画像データ
２２ 電気信号
２３ 発光素子
２４ 光ファイバ通信網
２５ 受光素子
２６ 再生電気信号
２７ 再生音声画像データ
３０ ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェフォトダイオード
３１，４１，５１ ｐ型Ｓｉ基板
３１Ａ，４１Ａ，５１Ａ ｐ型Ｓｉバッファ層
３２，４２，５２ ｐ型ＳｉＧｅＣ混晶光吸収層
３３ ｐ型ＳｉＧｅＣ混晶組成傾斜層
３４，４３ ｐ型Ｓｉキャリア増倍層
３５，４４ ｎ型Ｓｉ電極層
３５Ａ ｎ型Ｓｉガードリング
３６ ＳｉＯ2絶縁膜
３７，５４ 上側電極
３７Ａ 入射光経路
３８，５５ 下側電極
４０ 導波路型ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系アバランシェフォトダイオード
５０ ＳｉＧｅＣ／Ｓｉ系ＰＩＮフォトダイオード
５３ ｎ型Ｓｉ層
Claims (2)
- 第１の導電型のシリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された前記第１の導電型の光吸収層と、
前記光吸収層上に形成された光増倍層と、
前記光増倍層上に形成された第２の導電型の領域と、
前記第２の導電型の領域に電気的に接続された第１の電極と、
前記シリコン基板に接続された第２の電極と、
前記光吸収層と前記光増倍層との間に、ＳｉＧｅＣ混晶よりなる組成傾斜層と、
を備えた受光装置において、
前記光増倍層および前記第２の導電型の領域は、Ｓｉよりなり、
前記光吸収層は、Ｓｉ、Ｇｅおよび４％以上のＣを含む混晶よりなり、前記シリコン基板に対して格子整合し、エピタキシャルに形成されており、
前記組成傾斜層は、Ｃ濃度が前記光吸収層の側の第１の界面から前記光増倍層の側の第２の界面に向かって減少する組成プロファイルを有することを特徴とする受光装置。 - 前記光吸収層は、ＳｉＧｅＣＳｎ系の混晶よりなることを特徴とする請求項１記載の受光装置。
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