JP7045884B2 - 半導体受光素子、光受信モジュール、光モジュール、及び光伝送装置 - Google Patents

半導体受光素子、光受信モジュール、光モジュール、及び光伝送装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体受光素子、光受信モジュール、光モジュール、及び光伝送装置に関し、特に、高周波特性を向上させる技術に関する。
一般に、半導体受光素子では、ｐ型電極に接続されるｐ型コンタクト層とｎ型電極に接続されるｎ型コンタクト層との間に、入力される光が吸収される光吸収層が配置される。
特許文献１に、受光感度を一定に保ちつつ応答速度を改善する構造として、光吸収層がｐ型吸収層とアンドープ吸収層で構成されるフォトダイオードが開示されている。特許文献１に記載の発明では、所望の受光感度を確保するためにｐ型吸収層とアンドープ吸収層の合計厚さを一定とした条件において、応答速度を最大化するためのｐ型吸収層の比率の算出方法と、期待される応答速度が記載されている。
非特許文献１に、特許文献１に係る技術に用いる構造設計の一例と試作品の評価結果が報告されている。
特開２００３－１７４１８４号公報
ＩＰＲＭ２０１０，Ｐａｐｅｒ ＴｈＡ２－４
特許文献１に記載の計算方法を用いて計算すると、受光感度を一定に保ったまま応答速度を最大化するためのｐ型吸収層の比率は４５％であり、非特許文献１に記載の例では３５％である。
特許文献１及び非特許文献１に記載の計算方法では、ｐ型吸収層の実効的なキャリア走行時間τＡは、ｐ型吸収層で発生する電子の拡散によってアンドープ吸収層へドリフトすることで規定されると仮定している。一般的な電子の拡散係数Ｄｅ＝２００ｃｍ２／ｓとしてキャリア走行時間τＡを計算している。
しかしながら、発明者らは鋭意検討の結果、以下のような知見を得ている。ｐ型吸収層で発生した電子は拡散モデルによって単にドリフトしているのではない。アンドープ吸収層で発生する電子と正孔（ホール）のうち、電子は短時間内にｎ型電極へ到達するので、アンドープ吸収層内には正孔が残留する。アンドープ吸収層内に残留する正孔とｐ型吸収層の電子との間に発生する内部電界により、ｐ型吸収層の電子は、一般的な電子の拡散係数Ｄｅから計算されるドリフト速度を上回る高速度でアンドープ吸収層内へ到達する。それゆえ、応答速度を最大化するｐ型吸収層の比率は特許文献１及び非特許文献１に示す値よりも大きくなるものと考えられる。
また、特許文献１及び非特許文献１では、アンドープ吸収層の正孔のドリフト速度Ｖｈを一定の値であると仮定している。これは、正孔のドリフト速度が飽和速度（５×１０６ｃｍ／ｓ）にあることを仮定しているが、逆バイアス電圧が低い場合は、アンドープ吸収層が厚くなると電界強度が低下するので、正孔のドリフト速度が飽和速度より遅くなるので、計算結果がより不正確になるという問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、受光感度を維持した状態でより速い応答速度が実現される、半導体受光素子、光受信モジュール、光モジュール、及び光伝送装置の提供を目的とする。
（１）上記課題を解決するために、本発明に係る半導体受光素子は、ｐ型電極と、前記ｐ型電極に接続するｐ型半導体コンタクト層と、ｎ型電極と、前記ｎ型電極に接続するｎ型半導体コンタクト層と、前記ｐ型半導体コンタクト層と前記ｎ型半導体コンタクト層との間に配置される、光吸収層と、を備える、半導体受光素子であって、前記光吸収層は、前記ｎ型半導体コンタクト層側に配置され、厚さＷｄを有する第１半導体吸収層と、前記第１半導体吸収層に接し、前記ｐ型半導体コンタクト層側に配置され、厚さＷｐを有しｐ型にドープされる第２半導体吸収層と、を含み、前記第１半導体吸収層と前記第２吸収層とは同一組成で構成され、前記第１半導体吸収層は、入力される光を吸収するバンドギャップエネルギーを有し、前記ｐ型電極と前記ｎ型電極との間に所定の逆バイアス電圧が印加される場合に、前記第１半導体吸収層は空乏化し、前記第２半導体吸収層は前記第１半導体吸収層との界面近傍領域を除いて電荷中立条件を保ち、厚さＷｄと厚みＷｐとの関係が、０．４７≦Ｗｐ／（Ｗｐ＋Ｗｄ）≦０．９である、ことを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の半導体受光素子であって、前記第１半導体吸収層は前記ｎ型半導体コンタクト層に接しており、前記第２半導体吸収層は前記ｐ型半導体コンタクト層に接しており、厚さＷｄと厚みＷｐとの関係が、０．４７≦Ｗｐ／（Ｗｐ＋Ｗｄ）≦０．８５であってもよい。
（３）上記（１）に記載の半導体受光素子であって、前記第１半導体吸収層と前記ｎ型半導体コンタクト層との間に配置される、半導体電子走行層を、さらに備え、前記半導体電子走行層は、入力される光を吸収するバンドギャップエネルギーより大きく、光吸収層として機能しないバンドギャップエネルギーを有し、前記ｐ型電極と前記ｎ型電極との間に所定の逆バイアス電圧が印加される場合に、前記半導体電子走行層は空乏化し、厚さＷｄと厚みＷｐとの関係が、０．５≦Ｗｐ／（Ｗｐ＋Ｗｄ）≦０．８８であってもよい。
（４）上記（３）に記載の半導体受光素子であって、前記第１半導体吸収層と前記半導体電子走行層との間に配置され、前記第１半導体吸収層のドーピング濃度及び前記半導体電子走行層のドーピング濃度のいずれよりも高いドーピング濃度の不純物が添加される半導体電界調整層を、さらに備えていてもよい。
（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体受光素子であって、III－Ｖ族化合物半導体で構成される半導体多層構造を有していてもよい。
（６）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体受光素子であって、前記第１半導体吸収層及び前記第２半導体吸収層がともに、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓからなる群より選択される１の組成によって構成されていてもよい。
（７）本発明に係る光受信モジュールは、上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の半導体受光素子、を備えていてもよい。
（８）本発明に係る光モジュールは、上記（７）に記載の光受信モジュールと、光送信モジュールと、を備えていてもよい。
（９）本発明に係る光伝送装置は、上記（８）に記載の光モジュールが搭載されていてもよい。
本発明により、受光感度を維持した状態でより速い応答速度が実現される、半導体受光素子、光受信モジュール、光モジュール、及び光伝送装置が提供される。
本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置及び光モジュールの構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る光受信モジュールの構造を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るフォトダイオードの概略図である。 本発明の第１の実施形態に係るフォトダイオードのバンドダイヤグラムである。。 本発明の第１の実施形態に係るフォトダイオードの３ｄＢ遮断周波数の計算結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るフォトダイオードの概略図である。 本発明の第２の実施形態に係るフォトダイオードのバンドダイヤグラムである。。 本発明の第２の実施形態に係るフォトダイオードの３ｄＢ遮断周波数の計算結果を示す図である。
以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光伝送装置１及び光モジュール２の構成を示す模式図である。光伝送装置１は、プリント回路基板１１とＩＣ１２を備えている。光伝送装置１は、例えば、大容量のルータやスイッチである。光伝送装置１は、例えば交換機の機能を有しており、基地局などに配置される。光伝送装置１に、複数の光モジュール２が搭載されており、光モジュール２より受信用のデータ（受信用の電気信号）を取得し、ＩＣ１２などを用いて、どこへ何のデータを送信するかを判断し、送信用のデータ（送信用の電気信号）を生成し、プリント回路基板１１を介して、該当する光モジュール２へそのデータを伝達する。
光モジュール２は、送信機能及び受信機能を有するトランシーバである。光モジュール２は、プリント回路基板２１と、光ファイバ３Ａを介して受信する光信号を電気信号に変換する光受信モジュール２３Ａと、電気信号を光信号に変換して光ファイバ３Ｂへ送信する光送信モジュール２３Ｂと、を含んでいる。プリント回路基板２１と、光受信モジュール２３Ａ及び光送信モジュール２３Ｂとは、それぞれフレキシブル基板２２Ａ，２２Ｂ（ＦＰＣ）を介して接続されている。光受信モジュール２３Ａより電気信号がフレキシブル基板２２Ａを介してプリント回路基板２１へ伝送され、プリント回路基板２１より電気信号がフレキシブル基板２２Ｂを介して光送信モジュール２３Ｂへ伝送される。光モジュール２と光伝送装置１とは電気コネクタ５を介して接続される。光受信モジュール２３Ａや光送信モジュール２３Ｂは、プリント回路基板２１に電気的に接続され、光信号／電気信号を電気信号／光信号にそれぞれ変換する。プリント回路基板２１は、光受信モジュール２３Ａより伝送される電気信号を制御する制御回路（例えばＩＣ）や、光送信モジュール２３Ｂへ伝送する電気信号を制御する制御回路（例えばＩＣ）を備えている。
当該実施形態に係る伝送システムは、２個以上の光伝送装置１と２個以上の光モジュール２と、１個以上の光ファイバ３（図示せず：例えば光ファイバ３Ａ，３Ｂ）を含む。各光伝送装置１に、１個以上の光モジュール２が接続される。２個の光伝送装置１にそれぞれ接続される光モジュール２の間を、光ファイバ３が接続している。一方の光伝送装置１が生成した送信用のデータが接続される光モジュール２によって光信号に変換され、かかる光信号を光ファイバ３へ送信される。光ファイバ３上を伝送する光信号は、他方の光伝送装置１に接続される光モジュール２によって受信され、光モジュール２が光信号を電気信号へ変換し、受信用のデータとして当該他方の光伝送装置１へ伝送する。
図２は、当該実施形態に係る光受信モジュール１００の構造を示す模式図である。当該実施形態に係る光受信モジュール１００は、図１に示す光受信モジュール２３Ａである。光受信モジュール１００は、２００Ｇｂｉｔ／ｓ級であり４チャンネル（各チャンネルは５０Ｇｂｉｔ／ｓ級）のＲＯＳＡ（Receiver Optical SubAssembly）である。光受信モジュール１００は、金属基板１０１（支持基板）と、ＩＣ１０２と、ＰＤ素子１０３（Photo Detector）と、マイクロレンズアレイ１０４と、光分波回路１０５と、箱型筺体１０６と、コリメートレンズ１０７Ａを含む接続部１０７と、を備える。金属基板１０１は箱型筺体１０６の内側底面に配置される。金属基板１０１の表面に、ＩＣ１０２と、ＰＤ素子１０３と、マイクロレンズアレイ１０４と、光分波回路１０５とが配置される。接続部１０７は箱型筺体１０６の側面に配置される。なお、図２は光受信モジュール１００のｘｚ平面による断面を示している。ここで、ｘ軸方向は接続部１０７より入射する光の向き（－ｘ軸方向）と平行であり、ｚ軸方向は金属基板１０１の表面に垂直な方向である。ＩＣ１０２の複数の端子とＰＤ素子１０３の複数の端子とは、それぞれ対応するワイヤ１１０によって接続される。
ＰＤ素子１０３は、ＩＣ１０２の端部に沿って並ぶ４個のｐｉｎ型のフォトダイオード２００（Photo Diode）とサブマウント２０１とを含む。各フォトダイオード２００の（素子の裏面に該当する）上部に受光窓が配置され、フォトダイオード２００は受光窓に入射する光信号を電気信号に変換する。サブマウント２０１は表面に電極パターンが配置されるセラミック基板（例えば、ＡｌＮ基板）によって形成されている。４個のフォトダイオード２００はサブマウント２０１の上面に配置される。なお、本実施形態では受光窓部はレンズ構造となっているが、これに限定されない。
マイクロレンズアレイ１０４は、レンズ本体部と、レンズ本体部を両側から支持する２個の橋脚部を含む。マイクロレンズアレイ１０４のレンズ本体部は、前方の立ち上がり面に、ｙ軸方向に並ぶ４個のレンズ１２４が配置される。各レンズ１２４は、前方よりレンズ１２４へ入射する光を集光させる凸レンズである。４個のレンズ１２４を覆って反射防止膜は配置されている。なお、ｙ軸方向はｘ軸及びｚ軸に対してともに垂直となる方向であり、図２の紙面を垂直に貫く方向である。
マイクロレンズアレイ１０４のレンズ本体部の上面にミラー１２６が配置されており、ミラー１２６はレンズ１２４により集光される光それぞれを反射して対応するフォトダイオード２００の受光窓へ集光させる。各レンズ１２４により集光される光の焦点は、対応するフォトダイオード２００の受光窓又はフォトダイオード２００内部の吸収層に位置しているのが望ましいが、焦点位置は必要に応じて選択されればよい。
接続部１０７はコリメートレンズ１０７Ａを含むとともに、接続部１０７に光ファイバ１３０が接続されている。光ファイバ１３０より光受信モジュール１００の箱型筺体１０６の内部へ入射する光は、コリメートレンズ１０７Ａによって平行光に変換され、光分波回路１０５へ入射する。光ファイバ１３０より入射する光（光信号）は、波長多重伝送信号である。光分波回路１０５は、デマルチプレクサー（Demultiplexer）とミラーと光フィルタなどの光学部品を含んでいる。光分波回路１０５に入射する光（波長多重伝送信号）は４チャンネルの光（単波長信号）に分波され、各光がマイクロレンズアレイ１０４の対応するレンズ１２４へ入射する。
図３は、当該実施形態に係るフォトダイオード２００の概略図である。当該実施形態に係るフォトダイオード２００は裏面入射型の半導体受光素子であり、図３はその構成を模式的に示す断面図である。
Ｆｅがドープされる半絶縁性ＩｎＰ基板２１５上に、ドーピング濃度５×１０１８／ｃｍ３のＳｉがドープされる厚さ１μｍのｎ型ＩｎＰコンタクト層２１４、厚さＷｄのアンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１、積層方向に沿ってドーピング濃度が５×１０１７／ｃｍ３から１×１０１８／ｃｍ３へＢｅを傾斜的にドープされる厚さＷｐのｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２、ドーピング濃度５×１０１９／ｃｍ３のＢｅがドープされる厚さ０．１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１３とが順次積層される。
光吸収層は、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１３とｎ型ＩｎＰコンタクト層２１４との間に配置され、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１とｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２とを含んでいる。アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１は、ｎ型ＩｎＰコンタクト層２１４側に配置され、意図的に不純物（添加物：ドーパント）が添加されていない第１半導体吸収層である。ｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２は、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１に接し、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１３側に配置され、ｐ型にドープされる第２半導体吸収層である。
アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１とｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２とは同一組成（ＩｎＧａＡｓ）で構成される。ここで、同一組成とは、半導体層を構成する結晶材料（Base Material）が同じことを指しており、不純物（添加物：ドーパント）は異なっていてもよい。当該実施形態において、第１半導体吸収層と第２半導体吸収層とは、ともにＩｎＧａＡｓによって構成されている。ＩｎＧａＡｓは、ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓを意味するが、第１半導体吸収層と第２半導体吸収層それぞれのｘの値が異なっていても同一組成であるとみなすが、ｘの値は０＜ｘ＜１の範囲であり、ｘ＝０（ＧａＡｓ）やｘ＝１（ＩｎＡｓ）はＩｎＧａＡｓとは同一組成とはみなさない。ここでは、III族が複数の元素で構成されている場合を例示しているが、Ｖ族が複数の元素で構成されている場合やIII族及びＶ族それぞれが複数の元素で構成されている場合も同様である。
アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１、ｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１３は、直径１０μｍの円柱形状にエッチング加工されており、受光メサ部を構成している。ｐ型電極２１６がｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１３に接続され、ｎ型電極２１７がｎ型ＩｎＰコンタクト層２１４に接続されている。アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１、ｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１３は、半絶縁性ＩｎＰ基板２１５と格子整合している。
図４は、当該実施形態に係るフォトダイオード２００のバンドダイヤグラムである。第１半導体吸収層（アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１）は、入力される光を吸収するバンドギャップエネルギーを有する。第２半導体吸収層（ｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２）のドーピング濃度は、ｐ型半導体コンタクト層（ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１３）及びｎ型半導体コンタクト層２１４より低いドーピング濃度である。第１半導体吸収層のドーピング濃度は第２半導体吸収層のドーピング濃度より低い。特に、当該実施形態に係る第１半導体吸収層は、アンドープ半導体層である。ここで、アンドープとは意図的に不純物（添加物：ドーパント）が添加されていないことを指し、特に不純物のドーピング濃度が１×１０１６／ｃｍ３以下をいう。当該実施形態に係る第２半導体吸収層は、前述の通り、積層方向に沿って傾斜的にドーピング濃度が上昇しているが、これに限定されることはない。第２半導体吸収層の上面のドーピング濃度は、ｐ型半導体コンタクト層のドーピング濃度より低く、第２半導体吸収層の下面のドーピング濃度は、第１半導体吸収層のドーピング濃度より高い。
フォトダイオード２００の動作時において、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１３とｎ型ＩｎＰコンタクト層２１４との間に所定の逆バイアス電圧が印加される。かかる場合に、第１半導体層は空乏化し、第２半導体吸収層は第１半導体吸収層との界面近傍領域を除いて電荷中立条件を保つよう設計されている。第１半導体吸収層（アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１）及び第２半導体吸収層（ｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２）はともに、半絶縁性ＩｎＰ基板２１５の裏面から入射される波長１３１０ｎｍの信号光に対して光吸収層として作用する。
本発明に係る半導体受光素子の主な特徴は、第１半導体吸収層の厚みＷｄと第２半導体吸収層の厚みＷｐとの関係が、０．４７≦Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）≦０．９であることにある。特に、当該実施形態に係る半導体受光素子は、第１半導体吸収層はｎ型半導体コンタクト層に接し、第２半導体吸収層はｐ型半導体コンタクト層に接しており、厚みＷｄと厚みＷｐとの関係が、０．４７≦Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）≦０．８５であるのがさらに望ましい。なお、当該実施形態に係る第１半導体吸収層はアンドープ半導体層であるが、第２半導体吸収層よりドーピング濃度が低い（ｐ型又はｎ型の）低濃度半導体層であってもよい。アンドープ半導体層を形成する際に、結晶成長条件などにより、バックグラウンドの不純物濃度となる場合がある。この不純物濃度を打ち消すために、反対の極性の不純物を意図的に添加（ドープ）して、第１半導体層の不純物濃度を調整することなどが考えられる。ボーレート（ＢａｕｄＲａｔｅ）５０Ｇｂｉｔ／ｓ級の光受信モジュール１００を実現するために、ｆ３ｄＢが４０ＧＨｚ以上が望ましく、かかるＷｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）の範囲を有する場合、５０Ｇｂｉｔ／ｓ級の光受信モジュール１００に最適である。
当該実施形態において、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１とｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２の合計厚さＷ（＝Ｗｄ＋Ｗｐ）は１μｍである。受光感度は０．８６Ａ／Ｗであり、順方向抵抗は１０Ωである。
本発明は、発明者らが、第１半導体吸収層に発生する正孔と第２半導体吸収層に発生する電子との間に発生する内部電界の効果を考慮し、さらに、第１半導体吸収層の正孔のドリフト速度（Ｖｈ）を一定(飽和速度）とせず電界強度の関数とすることでなされたものである。かかる知見に基づく新しい計算方法によって、受光感度を一定に保ちつつ応答速度をより高めるための第２半導体吸収層の比率Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）の範囲を見出している。なお、その範囲は、特許文献１及び非特許文献１に記載の範囲とは異なっている。
最初に、従来技術について説明する。非特許文献１には、当該実施形態に係るフォトダイオード２００と同様に、光吸収層の合計厚さＷ＝１μｍ（＝Ｗｄ＋Ｗｐ）となる構造を有するフォトダイオードが開示されている。そこでは、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層とｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層との合計厚さＷ＝１μｍの条件を保ちつつ、Ｗｐを０から１μｍまで、すなわち、Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）を０％から１００％まで、変化させた時の３ｄＢ遮断周波数（ｆ３ｄＢ）の計算結果が示されており、Ｗｐ＝０．３５μｍ、すなわち、Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）＝３５％において、ｆ３ｄＢが最大となり、４０ＧＨｚ程度が得られている。ここでは、Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）が小さくなる、すなわち、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層の厚さＷｄが増加するに従って、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層内の正孔によるキャリア走行時間τＤが増大してしまう。反対に、Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）が大きくなる、すなわち、ｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層の厚さＷｐが増加するに従って、ｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層内の電子によるキャリア走行時間τＡが増大してしまう。よって、帯域を制限する実効的な光吸収層全体のキャリア走行時間τｔｏｔがＷｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）＝３５％程度で最少となる。
しかし、前述の通り、特許文献１及び非特許文献１に係る従来技術の計算方法は以下の問題点がある。第１に、ｐ型吸収層内で発生する電子は、拡散によりアンドープ吸収層側へドリフトすると仮定している。これに対して、本発明では、アンドープ吸収層内に残留する正孔とｐ型吸収層の電子との間に発生する内部電界の効果を考慮している。第２に、アンドープ吸収層の正孔のドリフト速度Ｖｈを一定の値（飽和速度）であると仮定している。これに対して、本発明では、アンドープ吸収層なの正孔のドリフト速度を電界強度の関数としている。
図５は、当該実施形態に係るフォトダイオード２００の３ｄＢ遮断周波数の計算結果を示す図である。図５の横軸はＷｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）を、縦軸は３ｄＢ遮断周波数（ｆ３ｄＢ）を、それぞれ示している。図５は、以下に説明する３つの条件（条件Ａ乃至Ｃ）それぞれの下で、第１半導体吸収層及び第２半導体吸収層の合計の厚みＷ＝Ｗｄ＋Ｗｐ＝１μｍ（一定）として、様々なＷｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）の値におけるｆ３ｄＢの計算結果を示している。
条件Ａは、逆バイアス電圧Ｖｒ＝５Ｖの高バイアスで、光信号入力強度Ｐｉｎ＝０ｄＢｍ、光吸収層（アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１およびｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２）における光信号の直径ω＝８μｍである。図５に条件Ａと示す曲線は条件Ａの下で計算された計算結果である。条件Ａでは、Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）が２０～８５％の広い範囲でｆ３ｄＢ＞４０ＧＨｚとなっている。非引用文献１で示される３５％においても５０ＧＨｚ以上のｆ３ｄＢが得られている。
しかしながら、３．３Ｖの単一電源による動作を想定すると、フォトダイオード２００の端子間電圧は最小で１．５Ｖ程度まで低下する恐れがある。また、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１内に発生する正孔とｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２に発生する電子との間に発生する内部電界強度は、光吸収層内での光信号強度のピーク値が大きい、すなわち光信号入力強度が強く、光吸収層における光信号の直径が小さいほど、強くなる傾向にある。光信号入力強度は、光源の光信号出力強度や伝送距離等により、－１２ｄＢｍから５ｄＢｍ程度まで変動する可能性がある。吸収層における光信号の直径は、光受信モジュール１００の光学系により、３μｍから１０μｍ程度まで変動する可能性がある。
条件Ｂは、逆バイアス電圧Ｖｒ＝１．５Ｖの低バイアスで、光信号入力強度Ｐｉｎ＝５ｄＢｍ、及び光吸収層における光信号の直径ω＝１０μｍと、光吸収層内での光信号強度のピーク値が小さい。図５に条件Ｂと示す曲線は条件Ｂの下で計算された計算結果である。条件Ｂでは、Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）が４２～８５％の範囲でｆ３ｄＢ＞４０ＧＨｚとなっている。
条件Ｃは、逆バイアス電圧Ｖｒ＝１．５Ｖの低バイアスで、光信号入力強度Ｐｉｎ＝－１２ｄＢｍ、及び光吸収層における光信号の直径ω＝３μｍと、光吸収層内での光信号強度のピーク値が大きい。図５に条件Ｃと示す曲線は条件Ｃの下で計算された計算結果である。条件Ｃでは、Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）が４７～８５％の範囲でｆ３ｄＢ＞４０ＧＨｚとなっている。よって、条件Ａ乃至Ｃをすべて満たすのは、Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）が４７～８５％の範囲でｆ３ｄＢ＞４０ＧＨｚとなっている。さらにより安定した高速動作のためにはｆ３ｄＢ＞５０ＧＨｚとすることが望ましく、条件Ａ乃至Ｃをすべて満たすのは、Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）が４８％以上８２％以下の範囲となる。
条件Ｂでは７０％以下、条件Ｃでは６０％以下でそれぞれ、値が小さくなるに従ってｆ３ｄＢが低下する原因は、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１が厚くなり電界強度が低下し、正孔のキャリア走行時間τＤが増加するためである。条件Ｂでは７０％以上、条件Ｃでは６０％以上でそれぞれ、値が大きくなるに従ってｆ３ｄＢが低下する原因は、容量の増加に伴うＣＲ時定数が増加するためである。
Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）＝６０％、すなわちＷｐ＝０．６μｍ、Ｗｄ＝０．４μｍとなるフォトダイオード２００を作製し、フォトダイオード２００が実装され、３．３Ｖの単一電源回路を備える光受信モジュール１００において、実装に伴う約２０ｆＦの寄生容量によるＣＲ時定数の増加の効果も含め、所望の光信号入力強度範囲において、約４０ＧＨｚのｆ３ｄＢが得られている。３．３Ｖの単一電源回路を備える光受信モジュール１００において、フォトダイオード２００のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１３とｎ型ＩｎＰコンタクト層２１４との間に所定の逆バイアス電圧は１．５Ｖ～２．５Ｖになるものと考えられ、かかる逆バイアス電圧が印加される場合に、反応速度がより速くなっているのが望ましい。
［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態に係るフォトダイオード２３０の概略図である。当該実施形態に係るフォトダイオード２３０は裏面入射型の半導体受光素子であり、図６はその構成を模式的に示す断面図である。当該実施形態に係るフォトダイオード２３０は、半導体多層構造に、第１半導体吸収層（アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１）とｎ型半導体コンタクト層（ｎ型ＩｎＰコンタクト層２１４）との間に配置されるアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層２３８がさらに含まれる点で第１の実施形態と異なっているが、それ以外は第１の実施形態と同じ構造をしている。
Ｆｅがドープされる半絶縁性ＩｎＰ基板２１５上に、ドーピング濃度５×１０１８／ｃｍ３のＳｉがドープされる厚さ１μｍのｎ型ＩｎＰコンタクト層２１４、バンドギャップ波長１．２μｍで厚さＷｔのアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層２３８、厚さＷｄのアンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１、積層方向に沿ってドーピング濃度が５×１０１７／ｃｍ３から１×１０１８／ｃｍ３へＢｅを傾斜的にドープされる厚さＷｐのｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２、ドーピング濃度５×１０１９／ｃｍ３のＢｅがドープされる厚さ０．１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１３とが順次積層される。
図７は、当該実施形態に係るフォトダイオード２３０のバンドダイヤグラムである。アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層２３８が有するバンドギャップエネルギーは、入力される光を吸収するバンドギャップエネルギーより大きく、光吸収層として機能しないバンドギャップエネルギーである。フォトダイオード２３０の動作時において、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１３とｎ型ＩｎＰコンタクト層２１４との間に所定の逆バイアス電圧が印加される。かかる場合に、第１半導体層であるアンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１とアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層２３８は空乏化し、第２半導体吸収層であるｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２はアンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１との界面近傍領域を除き電荷中性条件を保つように設計されている。アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１とｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２はともに、半絶縁性ＩｎＰ基板２１５の裏面から入射される波長１３１０ｎｍの信号光に対して光吸収層として作用し、アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層２３８は波長１３１０ｎｍの信号光を吸収しない。
アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１とｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２の合計厚さＷ＝１μｍ（＝Ｗｄ＋Ｗｐ）であり、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１とアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層２３８の合計厚さＷ２＝０．６μｍ（＝Ｗｄ＋Ｗｔ）である。受光感度は０．８６Ａ／Ｗであり、順方向抵抗は１０Ωである。フォトダイオード２３０の受光メサ部の容量は約１６ｆＦである。
図８は、当該実施形態に係るフォトダイオード２３０の３ｄＢ遮断周波数の計算結果を示す図である。図８は第１の実施形態に係る図５に対応している。２つの条件（条件Ｂ及びＣ）それぞれの下で、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１とｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層２１２の合計厚さＷ＝Ｗｄ＋Ｗｐ＝１μｍ（一定）とし、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１とアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層２３８の合計厚さＷ２＝Ｗｄ＋Ｗｔ＝０．６μｍ（一定）として、様々なＷｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）の値におけるｆ３ｄＢの計算結果を示している。ただし、Ｗｐ／（Ｗｐ＋Ｗｄ）≦４０％、すなわち、Ｗｐ≧０．４μｍ及びＷｄ≦０．６μｍにおいて、Ｗｔ＝０μｍに固定している。
図８に条件Ｂと示す曲線は条件Ｂの下で計算された計算結果であり、条件Ｂでは、Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）が４５～８８％の範囲でｆ３ｄＢ＞４０ＧＨｚとなっている。図８に条件Ｃと示す曲線は条件Ｃの下で計算された計算結果であり、条件Ｃでは、Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）が５０～９５％の範囲でｆ３ｄＢ＞４０ＧＨｚとなっている。
第１の実施形態と比べると、ｆ３ｄＢ＞４０ＧＨｚとなるＷｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）の範囲が高い値側へシフトしている。特に８０％以上でのｆ３ｄＢが大きい理由は、アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層２３８がさらに配置されることにより、空乏層の厚さＷ２が０．６μｍで一定となり、容量が約１６ｆＦで一定となり、ＣＲ時定数にて制限される帯域の低下が抑制されるためである。
当該実施形態に係る半導体受光素子の主な特徴は、第１半導体吸収層の厚みＷｄと第２半導体吸収層の厚みＷｐとの関係が、０．５≦Ｗｐ／（Ｗｐ＋Ｗｄ）≦０．８８であることにある。特に、当該実施形態に係る半導体受光素子は、第１半導体吸収層は半導体電子走行層に接し、半導体電子走行層はｎ型半導体コンタクト層に接し、第２半導体吸収層はｐ型半導体コンタクト層に接している。なお、当該実施形態に係る半導体電子走行層はアンドープ半導体層であるが、第１半導体吸収層よりドーピング濃度が同じかより低い（ｐ型又はｎ型の）低濃度半導体層であってもよい。
Ｗｐ／（Ｗｄ＋Ｗｐ）＝７０％、すなわちＷｐ＝０．７μｍ、Ｗｄ＝０．３μｍ、Ｗｔ＝０．３μｍとなるフォトダイオード２３０を作製し、フォトダイオード２３０が実装され、３．３Ｖの単一電源回路を備える光受信モジュール１００において、実装に伴う約２０ｆＦの寄生容量によるＣＲ時定数の増加の効果も含め、所望の光信号入力強度範囲において、約４７ＧＨｚのｆ３ｄＢが得られている。
以上、本発明の実施形態に係る半導体受光素子、光受信モジュール、光モジュール、光伝送装置、及び光伝送システムについて説明した。本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能であり、本発明を広く適用することができる。上記実施形態で説明した構成を、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。
第２の実施形態に係るフォトダイオード２３０は、アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層２３８がアンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１に接する半導体構造を有していたが、これに限定されることはない。フォトダイオード２３０が、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１とアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層２３８との間に配置される、半導体電界調整層をさらに備えていてもよい。ここで、半導体電界調整層には、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１のドーピング濃度及びアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層２３８のドーピング濃度のいずれよりも高いドーピング濃度の不純物が添加（ドープ）される。さらに、半導体電界調整層は、上面がアンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１に、下面がアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層２３８に、それぞれ接していてもよい。半導体電界調整層のドーピング濃度は、印加される電圧を、アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層２１１及びアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層２３９に適当となるように配分するよう調整される。
上記実施形態では、第１半導体吸収層及び第２半導体吸収層は、ともにＩｎＧａＡｓによって構成されるとしたが、これに限定されることはない。第１半導体吸収層及び第２半導体吸収層がともに、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓからなる群より選択される１の組成によって構成されていればよい。また、第２の実施形態では、半導体電子走行層はＩｎＡｌＧａＡｓによって構成されるとしたが、これに限定されることはない。例えば、ＩｎＰによって構成されても、ＩｎＧａＡｓＰによって構成されてもよい。
以上のように本発明はアンドープ吸収層とｐ型吸収層の２層構造で形成される吸収層を有する半導体受光素子において、従来はアンドープ吸収層厚の比率を高くした方がｆ３ｄＢ帯域を大きくできると知られていたことに対し、新たな計算モデルを構築することでｐ型吸収層厚の比率を大きくした方が帯域の向上が見られることを初めて見出した。
上記実施形態では、４チャンネルのマイクロレンズアレイ１０４の場合について説明したが、これに限定されることはなく、他の数のチャンネルの場合であってもよいし、単チャンネルであってもよい。また、上記実施形態に係る半導体受光素子は、ｐｉｎ型フォトダイオードとしていたが、これに限定されることはなく、本発明に係る半導体構造を有するのであれば他の半導体受光素子であってもよい。上記実施形態に係る半導体受光素子に入力される信号光の波長は１３１０ｎｍとしたがこれに限定されることはない。例えば、本発明は１５５０ｎｍ帯にも適用可能である。
１ 光伝送装置、２ 光モジュール、３，３Ａ，３Ｂ 光ファイバ、１１，２１、１０３ プリント回路基板、１２ ＩＣ，２２Ａ，２２Ｂ フレキシブル基板、２３Ａ，１００ 光受信モジュール、２３Ｂ，光送信モジュール、１０１ 金属基板、１０２ ＩＣ、１０３ ＰＤ素子、１０４ マイクロレンズアレイ、１０５ 光分波回路、１０６ 箱型筺体、１０７ 接続部、１１０ ワイヤ、１２４ レンズ、１２６ ミラー、１３０ 光ファイバ、２００ フォトダイオード、２０１ サブマウント、２１１ アンドープＩｎＧａＡｓ吸収層、２１２ ｐ型ＩｎＧａＡｓ吸収層、２１３ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、２１４ ｎ型ＩｎＰコンタクト層、２１５ 半絶縁性ＩｎＰ基板、２１６ ｐ型電極、２１７ ｎ型電極、２３８ アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ電子走行層。

Claims (8)

  1. ｐ型電極と、
    前記ｐ型電極に接続するｐ型半導体コンタクト層と、
    ｎ型電極と、
    前記ｎ型電極に接続するｎ型半導体コンタクト層と、
    前記ｐ型半導体コンタクト層と前記ｎ型半導体コンタクト層との間に配置される、光吸収層と、
    を備える、半導体受光素子であって、
    前記光吸収層は、
    前記ｎ型半導体コンタクト層に接し、厚さＷｄを有する第１半導体吸収層と、
    前記第１半導体吸収層に接し、前記ｐ型半導体コンタクト層に接し、厚さＷｐを有しｐ型にドープされる第２半導体吸収層と、
    を含み、
    前記第１半導体吸収層と前記第２半導体吸収層とは同一組成で構成され、
    前記第１半導体吸収層は、入力される光を吸収するバンドギャップエネルギーを有し、
    前記ｐ型電極と前記ｎ型電極との間に所定の逆バイアス電圧が印加される場合に、前記第１半導体吸収層は空乏化し、前記第２半導体吸収層は前記第１半導体吸収層との界面近傍領域を除いて電荷中立条件を保ち、
    厚さＷｄと厚みＷｐとの関係が、０．６≦Ｗｐ／（Ｗｐ＋Ｗｄ）≦０．８２である、
    ことを特徴とする、半導体受光素子。
  2. ｐ型電極と、
    前記ｐ型電極に接続するｐ型半導体コンタクト層と、
    ｎ型電極と、
    前記ｎ型電極に接続するｎ型半導体コンタクト層と、
    前記ｐ型半導体コンタクト層と前記ｎ型半導体コンタクト層との間に配置される、光吸収層と、
    を備える、半導体受光素子であって、
    前記光吸収層は、
    前記ｎ型半導体コンタクト層側に配置され、厚さＷｄを有する第１半導体吸収層と、
    前記第１半導体吸収層と前記ｎ型半導体コンタクト層との間に配置される、半導体電子走行層と、
    前記第１半導体吸収層に接し、前記ｐ型半導体コンタクト層側に配置され、厚さＷｐを有しｐ型にドープされる第２半導体吸収層と、
    を含み、
    前記第１半導体吸収層と前記第２半導体吸収層とは同一組成で構成され、
    前記第１半導体吸収層は、入力される光を吸収するバンドギャップエネルギーを有し、
    前記半導体電子走行層は、入力される光を吸収するバンドギャップエネルギーより大きく、光吸収層として機能しないバンドギャップエネルギーを有し、
    前記ｐ型電極と前記ｎ型電極との間に所定の逆バイアス電圧が印加される場合に、前記第１半導体吸収層は空乏化し、前記半導体電子走行層は空乏化し、前記第２半導体吸収層は前記第１半導体吸収層との界面近傍領域を除いて電荷中立条件を保ち、
    厚さＷｄと厚みＷｐとの関係が、０．７≦Ｗｐ／（Ｗｐ＋Ｗｄ）≦０．８８である、
    ことを特徴とする、半導体受光素子。
  3. 請求項２に記載の半導体受光素子であって、
    前記第１半導体吸収層と前記半導体電子走行層との間に配置され、前記第１半導体吸収層のドーピング濃度及び前記半導体電子走行層のドーピング濃度のいずれよりも高いドーピング濃度の不純物が添加される半導体電界調整層を、
    さらに備える、半導体受光素子。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体受光素子であって、
    III－Ｖ族化合物半導体で構成される半導体多層構造を有する、
    ことを特徴とする、半導体受光素子。
  5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体受光素子であって、
    前記第１半導体吸収層及び前記第２半導体吸収層がともに、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓからなる群より選択される１の組成によって構成される、
    ことを特徴とする、半導体受光素子。
  6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体受光素子、を備える、光受信モジュール。
  7. 請求項６に記載の光受信モジュールと、
    光送信モジュールと、
    を備える、光モジュール。
  8. 請求項７に記載の光モジュールが搭載される、光伝送装置。
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