JP7511793B1 - Semiconductor photodetector, optical line terminal, multilevel intensity modulation transmitter/receiver, digital coherent receiver, optical fiber radio system, SPAD sensor system, and lidar device - Google Patents
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Abstract
本開示の半導体受光素子(110)は、InP基板(1)と、InP基板(1)上に形成されたn型半導体層(2a)と、n型半導体層(2a)上に形成され、デジタルアロイ構造からなる電子走行層(3)と、電子走行層(3)上に形成されたn型電界緩和層(12)と、n型電界緩和層(12)上に形成された増倍層(13)と、増倍層(13)上に形成されたp型電界緩和層(14)と、p型電界緩和層(14)上に形成された光吸収層(5)と、を備える。The semiconductor light receiving element (110) of the present disclosure comprises an InP substrate (1), an n-type semiconductor layer (2a) formed on the InP substrate (1), an electron transit layer (3) formed on the n-type semiconductor layer (2a) and having a digital alloy structure, an n-type electric field relaxation layer (12) formed on the electron transit layer (3), a multiplication layer (13) formed on the n-type electric field relaxation layer (12), a p-type electric field relaxation layer (14) formed on the multiplication layer (13), and a light absorption layer (5) formed on the p-type electric field relaxation layer (14).
Description
本開示は、半導体受光素子、光回線終端装置、多値強度変調送受信装置、デジタルコヒーレント受信装置、光ファイバ無線システム、SPADセンサーシステム、及びライダー装置に関する。 The present disclosure relates to semiconductor photodetectors, optical line termination devices, multilevel intensity modulation transceivers, digital coherent receivers, optical fiber radio systems, SPAD sensor systems, and lidar devices.
デジタル情報を活用するデジタルトランスフォーメーションの進展とともに、デジタル情報を相互に通信する通信ネットワークとデータの蓄積処理を行うデータセンタの発展が著しい。通信ネットワーク及びデータセンタ内通信には光通信が用いられる。光通信は、近年、高速化及び大容量化が目覚ましい進展を遂げている。光通信の進展の中で、光通信の受信器として、高い受信感度が得られるフォトダイオード(Photodiode:PD)及びバランシェフォトダイオード(Avalanche Photodiode:APD)が必要とされる。 Along with the progress of digital transformation that utilizes digital information, there has been remarkable development of communication networks that communicate digital information with each other and data centers that store and process data. Optical communication is used for communication networks and communication within data centers. In recent years, optical communication has made remarkable progress in increasing speed and capacity. With the development of optical communication, photodiodes (PD) and avalanche photodiodes (APD), which provide high receiving sensitivity, are required as optical communication receivers.
光通信の加入者まで接続するアクセス網では、パッシブ光ネットワーク(Passive Optical Network:PON)が主たる方式として採用されている。PONシステムでは、1~2Gbpsの信号を伝送するG(E)-PONシステムから始まり、今後は10Gbpsの信号を伝送する10G-EPONシステム、XG-PONシステムが増加していくと予想される。さらに、ITU-T(International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector)において、次世代高速PONシステムである50G-PONシステムが検討されており、アクセス網においても今後、50Gbps級の伝送が実用化されていくと期待される。 Passive Optical Networks (PONs) are the primary method used in access networks that connect optical communication subscribers. PON systems started with G(E)-PON systems that transmit signals at 1-2 Gbps, and are expected to see an increase in 10G-EPON and XG-PON systems that transmit signals at 10 Gbps. Furthermore, the International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector (ITU-T) is considering the 50G-PON system, a next-generation high-speed PON system, and it is expected that 50 Gbps-class transmissions will also be put to practical use in access networks in the future.
PONシステムに用いられる半導体受光素子であるAPDは、素子構造として、光吸収層(InGaAs)、電界緩和層(InPまたはInAlAs)、増倍層(InPまたはInAlAs)の各層により構成されている。増倍層に約800kV/cmの高電界を印加して、光吸収層において発生した電子及び正孔を増倍、つまりイオン化する。電界緩和層は増倍層の高電界が光吸収層に印加されないように電界を弱めるように機能する。ちなみに、電子のイオン化率はα、正孔のイオン化率はβと表記される。 The APD, a semiconductor light receiving element used in PON systems, has an element structure consisting of a light absorption layer (InGaAs), an electric field relaxation layer (InP or InAlAs), and a multiplication layer (InP or InAlAs). A high electric field of about 800 kV/cm is applied to the multiplication layer to multiply, or ionize, the electrons and holes generated in the light absorption layer. The electric field relaxation layer functions to weaken the electric field so that the high electric field of the multiplication layer is not applied to the light absorption layer. Incidentally, the ionization rate of electrons is expressed as α, and the ionization rate of holes as β.
APDでは、電子及び正孔のイオン化率の比率が大きいほど、増倍時に発生する過剰雑音が小さくなり受信感度が高くなる。さらに、電子及び正孔のイオン化率の比率が大きいほど、増倍層における増倍時間が短くなるため、広帯域となる。In an APD, the greater the ratio of the ionization rates of electrons and holes, the smaller the excess noise generated during multiplication and the higher the receiving sensitivity. Furthermore, the greater the ratio of the ionization rates of electrons and holes, the shorter the multiplication time in the multiplication layer, resulting in a wider bandwidth.
電子及び正孔のイオン化率比kは、k=β/αで定義される。増倍層に電子が注入される場合は、イオン化率比kが小さくなるほどAPDの性能が向上する。光通信用APDの増倍層には、InAlAsまたはInPといった化合物半導体材料が用いられる。The ionization rate ratio k of electrons and holes is defined as k = β/α. When electrons are injected into the multiplication layer, the smaller the ionization rate ratio k, the better the performance of the APD. Compound semiconductor materials such as InAlAs or InP are used for the multiplication layer of APDs for optical communications.
増倍層の構成材料としてInAlAsを選択した場合は、InPよりも電子及び正孔のイオン化率の差が大きくなる。なお、InPでは正孔の方が電子よりもイオン化率は大きく、正孔のイオン化率は電子のイオン化率の約2倍である。一方、増倍層の構成材料としてInAlAsを選択した場合は、電子のイオン化率の方が正孔よりも大きく、電子のイオン化率は正孔のイオン化率の約5倍である。したがって、InAlAsを増倍層とすると受信感度がより高くなるため、APDの増倍層の構成材料としては、InPよりもInAlAsの方が好適である。When InAlAs is selected as the material for the multiplication layer, the difference between the ionization rates of electrons and holes is greater than in InP. In InP, the ionization rate of holes is greater than that of electrons, and the ionization rate of holes is about twice that of electrons. On the other hand, when InAlAs is selected as the material for the multiplication layer, the ionization rate of electrons is greater than that of holes, and the ionization rate of electrons is about five times that of holes. Therefore, since the reception sensitivity is higher when InAlAs is used as the multiplication layer, InAlAs is more suitable than InP as the material for the multiplication layer of an APD.
PONシステムでは、上述のように、半導体受光素子であるAPDに、広い応答帯域と高い受信感度が要求される。しかしながら、APDではPDとは異なり、増倍するのに要する時間、つまり増倍時間が、増倍率を高くするのにともない長くなるため、高い増倍率において帯域が低下するという問題があった。光通信で用いられるInAlAsを構成材料とする増倍層を有するAPDは、他の半導体材料で構成されるAPDよりも広帯域であるものの、増倍率が6以上では帯域は約20GHzにとどまる。つまり、50G-PONシステムに要求される37.5GHz以上の帯域は、従来のAPDを適用した場合は実現が困難であるという問題がある。As mentioned above, in a PON system, a wide response band and high reception sensitivity are required for the APD, which is a semiconductor light receiving element. However, unlike a PD, an APD has a problem that the time required for multiplication, that is, the multiplication time, becomes longer as the multiplication factor increases, resulting in a decrease in the bandwidth at high multiplication factors. Although an APD with a multiplication layer made of InAlAs, which is used in optical communications, has a wider bandwidth than APDs made of other semiconductor materials, the bandwidth remains at about 20 GHz when the multiplication factor is 6 or more. In other words, there is a problem that the bandwidth of 37.5 GHz or more required for a 50G-PON system is difficult to achieve when conventional APDs are used.
上述のように、光通信に用いられる半導体受光素子であるPD及びAPDには、さらなる広帯域での動作が要求される。特開文献1には超格子を用いたAPDが記載されているが、電子走行層ではなく増倍層と電界緩和層への超格子の適用であり、さらに各層の層厚は5nm~10nmであるため、各層のバンドギャップを反映した量子井戸として作用する。積層された各層の層厚が数nm以上となると、各層のバンドギャップを反映したエネルギ凹凸ができるためキャリアの走行を阻害し、走行速度が低下してしまうという問題がある。As mentioned above, PDs and APDs, which are semiconductor light receiving elements used in optical communications, are required to operate over an even wider bandwidth.
50G-PONシステムでは、半導体発光素子及び半導体受光素子の応答帯域、半導体発光素子の光出力及び半導体受光素子の受信感度が不足している。このため、光回線終端装置(Optical Network Unit:ONU)、つまり加入者側の受信装置には、APDの後段にデジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor:DSP)によるデジタル帯域補償回路を設けることが考えられている。 In 50G-PON systems, the response bands of the semiconductor light-emitting elements and semiconductor light-receiving elements, the optical output of the semiconductor light-emitting elements, and the receiving sensitivity of the semiconductor light-receiving elements are insufficient. For this reason, it is being considered to provide a digital bandwidth compensation circuit using a digital signal processor (DSP) after the APD in the optical network unit (ONU), i.e., the receiving device on the subscriber side.
また、光回線終端装置(Optical Line Terminal:OLT)、つまり局舎側の受信装置では、半導体受光素子の受信感度不足を補うため、半導体光増幅器(Semiconductor optical amplifier:SOA)が必要であったり、ONUの送信側の電界吸収型変調器集積レーザーダイオード(Electro-absorption Modulated Laser Diode:EML)にSOAを集積し、光出力を増加させたりする必要がある。しかしながら、DSP及びSOAは消費電力が非常に大きく、コストの上昇要因となるため、既存のPONシステムから50G-PONシステムへの置き換えが進展しなくなると危惧されている。 In addition, in the optical line terminal (OLT), i.e., the receiving device on the station side, a semiconductor optical amplifier (SOA) is required to compensate for the lack of receiving sensitivity of the semiconductor light receiving element, and an SOA must be integrated into the electro-absorption modulated laser diode (EML) on the transmitting side of the ONU to increase the optical output. However, DSPs and SOAs consume very large amounts of power, which increases costs, and there are concerns that the replacement of existing PON systems with 50G-PON systems will not progress.
また、次世代高速PONシステム以外の既存のPONシステムにおいても、低コスト化のためにOLTから出力された光信号の分岐数を増加させることが検討されている。しかしながら、この場合も、OLT及びONUの送信側のEMLにSOAを集積し光出力を増加させる必要があり、送信器の消費電力の増大、及びコストの増加が発生するという問題がある。 In existing PON systems other than the next-generation high-speed PON system, it has been considered to increase the number of branches of the optical signal output from the OLT in order to reduce costs. However, even in this case, it is necessary to integrate an SOA in the EML on the transmitting side of the OLT and ONU to increase the optical output, which causes problems such as increased power consumption of the transmitter and increased costs.
以上のように、半導体受光素子の受信感度及び応答帯域の限界を補うため、高価でかつ消費電力の大きいDSP及びSOAを、ONU及びOLTに組み入れた送受信器の設計がなされているが、消費電力の増大、及びコストの増加が発生するという問題がある。As described above, in order to compensate for the limitations in receiving sensitivity and response bandwidth of semiconductor photodetectors, transceivers have been designed that incorporate expensive, power-hungry DSPs and SOAs into the ONU and OLT, but this creates problems such as increased power consumption and costs.
本開示は上記のような問題点を解消するためになされたもので、広帯域で動作する半導体受光素子を得ることを目的とする。 This disclosure has been made to solve the problems described above, and aims to obtain a semiconductor photodetector that operates over a wide bandwidth.
本開示に係る半導体受光素子は、
InP基板と、
前記InP基板上に形成されたn型半導体層と、
前記n型半導体層上に形成され、デジタルアロイ構造からなるi型電子走行層と、
前記i型電子走行層上に形成されたn型電界緩和層と、
前記n型電界緩和層上に形成されたi型増倍層と、
前記i型増倍層上に形成されたp型電界緩和層と、
前記p型電界緩和層上に形成された光吸収層と、
を備える。
The semiconductor light receiving element according to the present disclosure comprises:
An InP substrate;
an n-type semiconductor layer formed on the InP substrate;
an i-type electron transit layer having a digital alloy structure formed on the n-type semiconductor layer;
an n-type electric field relaxation layer formed on the i-type electron transport layer;
an i-type multiplication layer formed on the n-type electric field buffer layer;
a p-type electric field buffer layer formed on the i-type multiplication layer;
a light absorbing layer formed on the p-type electric field buffer layer;
Equipped with.
本開示に係る光回線終端装置は、
上述の半導体受光素子と、
光信号を前記半導体受光素子に入射する光合分波器と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路に接続され、増幅された前記電気信号からクロック・データを再生するクロック・データ再生回路と、
前記クロック・データ再生回路に接続され、前記クロック・データの誤りを訂正する前方誤り訂正回路と、を備える。
The optical line terminal according to the present disclosure comprises:
The semiconductor light receiving element described above,
an optical multiplexer/demultiplexer that inputs an optical signal to the semiconductor light receiving element;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
a clock data recovery circuit connected to the amplifier circuit and configured to recover clock data from the amplified electrical signal;
A forward error correction circuit is connected to the clock data recovery circuit and corrects an error in the clock data.
本開示に係る多値強度変調送受信装置は、
多値に強度変調された光信号を受光する上述の半導体受光素子と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路に接続され、増幅された前記電気信号をデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換回路と、
前記アナログ/デジタル変換回路に接続され、前記デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路と、を備える。
A multi-level intensity modulation transmitting/receiving device according to the present disclosure comprises:
The semiconductor light receiving element described above for receiving an optical signal intensity-modulated into multiple values;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
an analog/digital conversion circuit connected to the amplifier circuit and converting the amplified electrical signal into a digital signal;
A digital signal processing circuit is connected to the analog/digital conversion circuit and processes the digital signal.
本開示に係る光ファイバ無線システムは、
アナログ変調された光信号を出射する光源と、
アナログ変調された前記光信号を受光する上述の半導体受光素子と、
前記半導体受光素子から出力されたアナログ電気信号をアンテナに伝送する伝送路と、
前記伝送路に接続され、前記アナログ電気信号を電波信号として放射するアンテナと、を備える。
The radio-over-fiber system according to the present disclosure comprises:
a light source that emits an analog modulated optical signal;
The semiconductor light receiving element described above for receiving the analog-modulated optical signal;
a transmission path for transmitting an analog electrical signal output from the semiconductor light receiving element to an antenna;
and an antenna connected to the transmission line for emitting the analog electrical signal as a radio wave signal.
本開示に係るデジタルコヒーレント受信装置は、
上述の半導体受光素子と、
強度及び位相が変調された偏波多重光信号の偏波を分離する偏波分離器と、
前記偏波分離器から出力される光信号を分波及び合成する90度ハイブリッド器と、
前記90度ハイブリッド器に接続され、デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路と、を備える。
A digital coherent receiving device according to the present disclosure includes:
The semiconductor light receiving element described above,
a polarization splitter that splits the polarization of the intensity- and phase-modulated polarization multiplexed optical signal;
a 90-degree hybrid that splits and combines the optical signals output from the polarization splitter;
and a digital signal processing circuit connected to the 90-degree hybrid device for processing a digital signal.
本開示に係るSPAD(Single Photon Avalanche Diode)センサーシステムは、
上述の半導体受光素子によって構成されたSPADセンサーと、
前記SPADセンサーに、降伏電圧以上に印加した電圧及び降伏電圧未満の電圧を反復して印加するクエンチング回路と、
前記SPADセンサーから出力された電気信号を計測する光電子計測回路と、を備える。
The SPAD (Single Photon Avalanche Diode) sensor system according to the present disclosure comprises:
A SPAD sensor constituted by the semiconductor light receiving element described above;
a quenching circuit for repeatedly applying a voltage equal to or greater than a breakdown voltage and a voltage equal to or less than the breakdown voltage to the SPAD sensor;
and an optoelectronic measurement circuit that measures the electrical signal output from the SPAD sensor.
本開示に係るライダー装置は、
パルス状に発光する光源と、
前記光源から出射された光が物体に反射して戻ってきた光を受光する上述の半導体受光素子と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路によって増幅された電気信号に基づき距離を算出する測距回路と、を備える。
The LIDAR device according to the present disclosure comprises:
A light source that emits light in a pulsed manner;
the semiconductor light receiving element described above for receiving light emitted from the light source and reflected by an object;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
and a distance measuring circuit that calculates a distance based on the electrical signal amplified by the amplifier circuit.
本開示に係る半導体受光素子によれば、少なくとも電子走行層をデジタルアロイ構造で構成したので、広帯域で動作する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。 According to the semiconductor light receiving element disclosed herein, at least the electron transit layer is constructed with a digital alloy structure, thereby achieving the effect of obtaining a semiconductor light receiving element that operates over a wide bandwidth.
本開示に係る光回線終端装置、多値強度変調送受信装置、デジタルコヒーレント受信装置、光ファイバ無線システム、SPADセンサーシステム、及びライダー装置によれば、半導体受光素子として本開示の半導体受光素子を用いたので、優れた性能を有する各装置及び各システム等が得られるという効果を奏する。 The optical line termination device, multilevel intensity modulation transceiver device, digital coherent receiver device, optical fiber radio system, SPAD sensor system, and LIDAR device disclosed herein use the semiconductor photodetector element disclosed herein as the semiconductor photodetector element, thereby achieving the effect of obtaining devices and systems with excellent performance.
実施の形態1.
<実施の形態1に係る半導体受光素子(PD)の特徴>
実施の形態1に係る半導体受光素子の具体的な構造を説明する前に、先ず、実施の形態1に係る半導体受光素子の構造上の特徴であるデジタルアロイ構造電子走行層について、以下に説明する。なお、実施の形態1に係る半導体受光素子はPDであるが、実施の形態2以降に説明する半導体受光素子であるAPDも含めて、両者をまとめて説明する。
<Features of the semiconductor photodetector (PD) according to the first embodiment>
Before describing the specific structure of the semiconductor light receiving element according to the first embodiment, a digital alloy structure electron transit layer, which is a structural feature of the semiconductor light receiving element according to the first embodiment, will be described below. Note that the semiconductor light receiving element according to the first embodiment is a PD, but both will be described together, including an APD, which is a semiconductor light receiving element described in the second embodiment and thereafter.
PDの3dB帯域fc_PDは、RC時定数による帯域制限をfrc、キャリアが空乏層を走行する時間で制限される帯域をftrとすると、以下の式(1)で与えられる。
fc_PD=1/((1/frc)2+(1/ftr)2)0.5 (1)
The 3 dB bandwidth fc_PD of the PD is given by the following equation (1), where frc is the bandwidth limitation due to the RC time constant, and ftr is the bandwidth limited by the time it takes for carriers to travel through the depletion layer.
fc_PD=1/((1/frc) 2 +(1/ftr) 2 ) 0.5 (1)
なお、APDの3dB帯域fc_APDには、さらに増倍時間が加わり、増倍時間による帯域制限をfmとすると、以下の式(2)で与えられる。
fc_APD=1/((1/frc)2+(1/ftr)2+(1/fm)2)0.5 (2)
The 3 dB bandwidth fc_APD of the APD further includes the multiplication time. If the band limit due to the multiplication time is fm, then the bandwidth fc_APD is given by the following equation (2).
fc_APD = 1/((1/frc) 2 + (1/ftr) 2 + (1/fm) 2 ) 0.5 (2)
APDは増倍率が小さい場合、またはイオン化率比kがゼロに近い場合は、主に、RC時定数、キャリアの走行時間、によって帯域が制限され、式(1)に近似した値となるため、ここではPDの場合、つまり式(1)に基づき、考察する。 When the multiplication factor of an APD is small or the ionization rate ratio k is close to zero, the bandwidth is mainly limited by the RC time constant and the carrier transit time, and the value approaches equation (1). Therefore, here we will consider the case of a PD, that is, based on equation (1).
RC時定数は空乏層厚に反比例し、走行時間は空乏層厚に正比例するため、式(1)は最大値を持つ。つまり、fc_PDは、frc=ftrとなる場合に最大帯域となる。frc=ftrを式(1)に代入すると、式(1)は、以下の式(3)で表される。
fc=ftr/√2 (3)
Since the RC time constant is inversely proportional to the depletion layer thickness and the transit time is directly proportional to the depletion layer thickness, equation (1) has a maximum value. In other words, fc_PD has a maximum bandwidth when frc=ftr. Substituting frc=ftr into equation (1), equation (1) is expressed as the following equation (3).
fc=ftr/√2 (3)
また、走行時間で決定される3dB帯域ftrは、以下の式(4)で表される。
ftr=3.5Vav/(2πWt) (4)
The 3 dB bandwidth ftr determined by the running time is expressed by the following equation (4).
ftr=3.5Vav/(2πWt) (4)
式(4)において、Vavは電子及び正孔の平均飽和走行速度、Wtは空乏層厚の合計である。Vavは電子及び正孔の平均飽和走行速度をそれぞれVeとVhとすると、以下の式(5)で表される。
2/(Vav)4=1/(Ve)4+1/(Vh)4 (5)
In formula (4), Vav is the average saturated transit velocity of electrons and holes, and Wt is the total depletion layer thickness. When the average saturated transit velocities of electrons and holes are Ve and Vh, respectively, Vav is expressed by the following formula (5).
2/(Vav) 4 =1/(Ve) 4 +1/(Vh) 4 (5)
InGaAs層中においては,電界が弱い時(数十kV/cm以下),電子及び正孔の走行速度は電界に比例するが,数十kV/cm以上の電界が電子及び正孔にかかると,それぞれは飽和速度に達して一定値をとる。InGaAs層中での電子及び正孔の飽和平均速度は,それぞれ,Ve=6.5×106cm/sとVh=4.8×106cm/sなので、Vav=5.35×106cm/sである。例えば、空乏層の層厚Wを、Wt=500nmと設定し、式(4)に代入すると、ftr=59.6GHzとなり、さらに、ftr=59.6GHzを式(3)に代入すると、帯域fcは42.2GHzとなる。 In the InGaAs layer, when the electric field is weak (several tens of kV/cm or less), the traveling speed of electrons and holes is proportional to the electric field, but when an electric field of several tens of kV/cm or more is applied to the electrons and holes, they reach a saturation speed and become constant. The average saturation speeds of electrons and holes in the InGaAs layer are Ve = 6.5 x 106 cm/s and Vh = 4.8 x 106 cm/s, respectively, so Vav = 5.35 x 106 cm/s. For example, if the thickness W of the depletion layer is set to Wt = 500 nm and substituted into formula (4), ftr = 59.6 GHz is obtained, and if ftr = 59.6 GHz is further substituted into formula (3), the bandwidth fc is 42.2 GHz.
PDの帯域fcを高くするには、式(3)から分かるように、電子及び正孔の走行速度を速めることにより、電子及び正孔が空乏層を通過する時間を短くすれば良い。電子の速度Veは、正孔の速度Vhより大きい。たとえば、空乏層内をVe=6.5×106cm/sとVh=4.8×106cm/sで走行する場合は、同一の時間で電子は1.35倍(=Ve/Vh)の距離を走行することが可能である。つまり、正孔が1000nm走行する時間で電子は1350nm走行できるため、PDの光吸収層のn側に350nmの電子走行層(n側なので電子のみが走行する)を設けても、電子及び正孔が空乏層を走行する時間は増加しない。 To increase the bandwidth fc of the PD, as can be seen from formula (3), the time it takes for the electrons and holes to pass through the depletion layer can be shortened by increasing the travel speed of the electrons and holes. The electron speed Ve is greater than the hole speed Vh. For example, when the electrons travel in the depletion layer at Ve=6.5×10 6 cm/s and Vh=4.8×10 6 cm/s, the electrons can travel 1.35 times (=Ve/Vh) the distance in the same time. In other words, since the electrons can travel 1350 nm in the time it takes the holes to travel 1000 nm, even if a 350 nm electron travel layer (only electrons travel because it is the n side) is provided on the n side of the light absorption layer of the PD, the time it takes for the electrons and holes to travel through the depletion layer does not increase.
一方、空乏層の層厚Wは、電子走行層の層厚分、すなわち350nm厚くなるため、RC時定数は減少するので、この結果、PDの広帯域化が実現できる。以上が、電子走行層の役割である。たとえば、非特許文献1に記載の通り、PDに、電子走行層(非特許文献1ではCarrier collection layerと記載)を設けることで、高速化に加えて大きな光電流を流すことも可能となる。On the other hand, the thickness W of the depletion layer is increased by the thickness of the electron transport layer, i.e., 350 nm, so the RC time constant decreases, and as a result, the bandwidth of the PD can be increased. This is the role of the electron transport layer. For example, as described in
このように電子走行層は半導体受光素子の広帯域化に有効であり、電子走行層内の電子及び正孔の走行速度をさらに高めることができれば、さらなるPD及びAPDの広帯域が実現できる。In this way, the electron transit layer is effective in broadening the bandwidth of semiconductor photodetectors, and if the transit speed of electrons and holes in the electron transit layer can be further increased, even wider bandwidth PDs and APDs can be realized.
さらに、発明者らは、2原子層のInAs層と2原子層のAlAs層とを繰り返し積層したInAlAsデジタルアロイ構造(原子層超格子とも言われる。ALSL:Atomic Layer Super Lattice、非特許文献2)を増倍層とするAPDの増倍特性を解析する中で、キャリアが増倍層を走行してイオン化するまでの距離が、通常のInAlAs層(ランダムアロイ構造)よりも長いことを見出した。ここで、キャリアが増倍層を走行してイオン化するまでの距離は、デッドスペースと呼ばれる。図6に、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層とInAlAsランダムアロイ構造増倍層のデッドスペースを示す。なお、図6については、後で詳述する。Furthermore, while analyzing the multiplication characteristics of an APD with an InAlAs digital alloy structure (also called atomic layer superlattice, ALSL: Atomic Layer Super Lattice, Non-Patent Document 2) in which two-atom InAs layers and two-atom AlAs layers are repeatedly stacked, the inventors found that the distance that carriers travel through the multiplication layer until they are ionized is longer than that of a normal InAlAs layer (random alloy structure). Here, the distance that carriers travel through the multiplication layer until they are ionized is called the dead space. Figure 6 shows the dead space of an InAlAs digital alloy structure multiplication layer and an InAlAs random alloy structure multiplication layer. Note that Figure 6 will be described in detail later.
電子のデッドスペース長をDeとすると、図6のように、InAlAsランダムアロイ構造の場合は、Deは約40nmである。InAlAsランダムアロイ構造に対して、InAlAsデジタルアロイ構造の場合は、Deは約80nmであることを見出した。If the electron dead space length is De, then in the case of an InAlAs random alloy structure, De is approximately 40 nm, as shown in Figure 6. Compared to the InAlAs random alloy structure, we found that in the case of an InAlAs digital alloy structure, De is approximately 80 nm.
また、図8のように、電子及び正孔のイオン化率比kは増倍層を薄層化すると急激にデッドスペース効果により低下する。イオン化率比kが低下する理由は、ホールのデッドスペース長をDhとすると、増倍層厚がDhよりも薄くなるために、正孔が増倍できなくなるためと考えられる。 As shown in Figure 8, the ionization rate ratio k of electrons and holes drops sharply due to the dead space effect when the multiplication layer is thinned. The reason for the drop in the ionization rate ratio k is thought to be that, if the dead space length of holes is Dh, then the multiplication layer thickness becomes thinner than Dh, and holes cannot be multiplied.
発明者らは、InAlAsデジタルアロイ構造の場合は、InAlAsランダムアロイ構造よりも、増倍層が厚くともイオン化率比kが低下することを見出した。図8のように、ランダムアロイ構造のInAlAsの場合は、Dhは約80nmであるが、これに対してInAlAsデジタルアロイ構造の場合は、Dhは約170nmである。The inventors found that in the case of an InAlAs digital alloy structure, the ionization rate ratio k is lower than in the case of an InAlAs random alloy structure, even if the multiplication layer is thicker. As shown in Figure 8, in the case of InAlAs with a random alloy structure, Dh is about 80 nm, whereas in the case of an InAlAs digital alloy structure, Dh is about 170 nm.
デッドスペースの中では、走行するキャリアのエネルギがイオン化によって消費されないため、速度が速くなる。たとえば、非特許文献3では、層厚200nmの増倍層での実効的なキャリアの速度は169%も増加するという検討結果がある。これは、200nm程度の層厚になると、200nmの層厚に占めるデッドスペースの影響が大きくなるためである。つまり、デッドスペースが大きくなると走行速度が増大する。したがって、電子走行層に従来のInAlAsランダムアロイ構造ではなく、デッドスペースがより長いInAlAsデジタルアロイ構造を用いることで電子走行層中の走行速度が増大して、空乏層中を走行する時間が短縮できる。In the dead space, the energy of the traveling carriers is not consumed by ionization, so the speed increases. For example,
また、正孔の走行速度が速くなれば、正孔走行層も導入することが可能である。つまり、正孔走行層として、従来のInAlAsランダムアロイ構造ではなく、デッドスペースが長いInAlAsデジタルアロイ構造を用いることで正孔走行層中の走行速度が増大して、空乏層中を走行する時間が短縮できる。In addition, if the travel speed of holes can be increased, a hole travel layer can also be introduced. In other words, by using an InAlAs digital alloy structure with a long dead space as the hole travel layer instead of the conventional InAlAs random alloy structure, the travel speed in the hole travel layer can be increased and the time it takes to travel in the depletion layer can be shortened.
<実施の形態1に係る半導体受光素子(PD)の素子構造>
図1は、実施の形態1に係る半導体受光素子100の一例である表面入射型PDの素子構造を表す断面図である。また、図2は、実施の形態1に係る半導体受光素子100aの一例である端面入射型PDの素子構造を表す断面図である。
<Element structure of semiconductor photodetector (PD) according to the first embodiment>
Fig. 1 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated PD which is an example of a semiconductor light-receiving
実施の形態1に係る半導体受光素子100の一例である表面入射型PDは、n型InP基板1と、n型InP基板1上に順次形成された、キャリア濃度が1~5×1018cm-3であり層厚が0.1~1.0μmであるn型InPバッファ層2と、キャリア濃度が1×1017cm-3以下であり層厚が50nm~1000nmである、i型AlAs層(一例として層厚が2原子層、約0.6nm)とi型InAs層(一例として層厚が2原子層、約0.6nm)とを交互に複数回積層したデジタルアロイ構造からなるInAlAs電子走行層3(以下、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3と呼ぶ。)と、キャリア濃度が5×1017cm-3以下であり層厚が5~50nmであるi型InAlGaAsグレーディッド層4と、キャリア濃度が1×1017cm-3以下であり層厚が50nm~3.0μmであるi型InGaAs光吸収層5と、キャリア濃度が5×1017cm-3以下であり層厚が5~50nmであるi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6と、キャリア濃度が5×1017cm-3以上であり層厚が0.1~3.0μmであるp型InP窓層7と、p型InGaAsコンタクト層8と、n型InP基板1の裏面側に形成されたn型電極31と、p型InGaAsコンタクト層8上に形成されたp型電極32と、で構成される。 The front-illuminated PD, which is an example of the semiconductor light-receiving element 100 according to the first embodiment, includes an n-type InP substrate 1, an n-type InP buffer layer 2 having a carrier concentration of 1 to 5×10 18 cm -3 and a layer thickness of 0.1 to 1.0 μm, which are successively formed on the n-type InP substrate 1, an InAlAs electron transit layer 3 having a digital alloy structure in which an i-type AlAs layer (e.g., a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) and an i-type InAs layer (e.g., a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) having a carrier concentration of 1×10 17 cm -3 or less and a layer thickness of 50 nm to 1000 nm are alternately laminated a plurality of times (hereinafter referred to as an i-type InAlAs digital alloy structure electron transit layer 3), an i-type InAlGaAs graded layer 4 having a carrier concentration of 5×10 17 cm -3 or less and a layer thickness of 5 to 50 nm, and an i-type InAlGaAs graded layer 5 having a carrier concentration of 1×10 17 cm -3 or less and a layer thickness of 5 to 50 nm. -3 or less and a layer thickness of 50 nm to 3.0 μm; i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 6 having a carrier concentration of 5 × 10 17 cm -3 or less and a layer thickness of 5 to 50 nm; p-type InP window layer 7 having a carrier concentration of 5 × 10 17 cm -3 or more and a layer thickness of 0.1 to 3.0 μm; p-type InGaAs contact layer 8; an n-type electrode 31 formed on the back surface side of the n-type InP substrate 1; and a p-type electrode 32 formed on the p-type InGaAs contact layer 8.
p型InP窓層7の代りに、p型InAlAs窓層としても良い。なお、n型InPバッファ層2を、n型半導体層とも呼ぶ。A p-type InAlAs window layer may be used instead of the p-type
図2に示す実施の形態1に係る半導体受光素子110は、半導体受光素子100と同様の層構成を有するが、さらに、少なくとも入射光90が入射する端面には、Feドープ半絶縁性InP埋込層20が形成されている。The semiconductor
n型InPバッファ層2のn型ドーパントとしては、シリコン(Si)が最適である。n型InPバッファ層2からi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3にn型不純物が拡散してデジタルアロイ構造が無秩序化(ディスオーダ)することを避けるためである。ここで、無秩序化とは、デジタルアロイ構造の各層の組成が交じり合い、平均組成のランダムアロイ構造となってしまう現象を指す。Silicon (Si) is optimal as the n-type dopant for the n-type
i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3は、上述のように、AlAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)とInAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)の順番で交互に積層した半導体層で構成されることとした。しかしながら、AlAs層及びInAs層の層厚が、それぞれ2原子層以上6原子層以下の範囲であれば良い。6原子層以下としたのは、AlAs層とInAs層の積層構造が量子井戸構造として機能しないことが望ましいからである。つまり、デジタルアロイ構造は、異なる半導体材料でそれぞれ構成された2種類の半導体層を、2原子層から6原子層の周期でそれぞれ交互に積層されている。As described above, the i-type InAlAs digital alloy structure
さらに、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の各層の原子層数は、2原子層以上4原子層以下が好適であり、2原子層が最適である。この理由は、各層の原子層厚が薄いほどデジタルアロイ構造によるイオン化率比kの低減効果が大きくなるためである。また、半導体受光素子としての性能だけでなく、生産性も考慮した場合は分子線エピタキシャル成長法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)による結晶成長の際にシャッター切り替え回数が少なくなる4~6原子層の層厚も好適である。以上の各要因を鑑みると、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の各層の原子層数は、2~6原子層周期が好適な範囲であると言える。また、同様に生産性の観点から、電子走行層の全てをInAlAsデジタルアロイ構造としなくとも、電子走行層の一部をInAlAsデジタルアロイ構造とし、残部をInAlAsランダムアロイ構造としても良い。
Furthermore, the number of atomic layers of each layer of the i-type InAlAs digital alloy structure
i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の層厚は50nm~1000nmの範囲内である。例えば、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の層厚を500nmとすると、AlAs層(2原子層)/InAs層(2原子層)の繰り返しは417回となる。図8から200nm以下の層厚で顕著にデッドスペース効果が顕在化するため、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の層厚として、50nm~200nmの範囲が最も好適である。また、400nm以下の層厚であれば、50%以上の層厚である200nmの距離では電子の走行速度が速いため、50nm~400nmの層厚の範囲でも大きなデッドスペース効果が得られる。The thickness of the i-type InAlAs digital alloy structure
n型InPバッファ層2を構成するInPとの親和性を考慮して、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の最初のAlAs層のみ、層厚を3原子層以上に厚くすることが好適である。あるいは、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3を、InAs層、AlAs層の順で交互に形成して積層しても良い。Considering the affinity with the InP that constitutes the n-type
InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層の導電型はi型であり、キャリア濃度は1×1017cm-3以下が一例として挙げられる。しかしながら、InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層の導電型として、キャリア濃度が5×1017cm-3以下であるp型またはn型であっても良い。 The conductivity type of the InAlAs digital alloy electron transport layer is, for example, i-type, and the carrier concentration is, for example, 1×10 17 cm −3 or less. However, the conductivity type of the InAlAs digital alloy electron transport layer may be p-type or n-type, and the carrier concentration is, for example, 5×10 17 cm −3 or less.
InAlAsデジタルアロイ構造で構成された電子走行層以外にも、各構成材料の格子定数とInPを基準とした歪量の関係を表す図3に挙げられた、InAlyGa(1-y)As(層厚が2~6原子層,Al組成比Y)とInAlzGa(1-z)As(層厚が2~6原子層,Al組成比Z)を交互に積層したInAlGaAsデジタルアロイ構造も同様に本開示の電子走行層として適用が可能である。さらに、アンチモン(Sb)を加えた材料系であるInAlAsSbからなるデジタルアロイ構造でも本開示の電子走行層として適用が可能である。In addition to the electron transit layer composed of an InAlAs digital alloy structure, an InAlGaAs digital alloy structure in which InAlyGa(1-y)As (
i型InAlGaAsグレーディッド層4及びi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6は、InAlGaAsの組成を変えてバンドギャップを徐々に変化させた層であり、層厚はそれぞれ5~50nmの範囲内である。InAlGaAsの組成はステップ状に変化させても良く、バンドギャップはInP層とInGaAs層の中間的な大きさである。キャリア濃度は5×1017cm-3以下であり、キャリア濃度が低ければp型またはn型でも良い。なお、i型InAlGaAsグレーディッド層4及びi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6は、必ずしも必要ではなく、省略しても良い。
The i-type InAlGaAs graded
図1に示す半導体受光素子100の素子構造の一例では、i型InGaAs光吸収層5上に、i型で組成の異なる2種類のInAlGaAs層を複数回、交互に積層することにより、i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6を形成している。In one example of the element structure of the
<実施の形態1に係る半導体受光素子の製造方法>
実施の形態1に係る半導体受光素子100の一例である表面入射型PDは、n型InP基板1上に有機金属気相成長法(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)またはMBEなどを用いて実現できる。実施の形態1に係る半導体受光素子100の製造方法を、以下に説明する。
<Method of Manufacturing Semiconductor Light-Receiving Element According to First Embodiment>
A front-illuminated PD, which is an example of the semiconductor light-receiving
MOVPE法またはMBE法を用いて、n型InP基板1上に、0.1~1μmの層厚でキャリア濃度が1~5×1018cm-3であるn型InPバッファ層2を結晶成長する。
An n-type
n型InPバッファ層2上に、キャリア濃度が1×1017cm-3以下であり層厚が50nm~1000nmであるi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3を結晶成長する。つまり、n型InPバッファ層2上からAlAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)とInAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)の順番で交互に結晶成長することにより、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3を形成する。
An i-type InAlAs digital alloy structure
i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3上に、層厚が5nm以上50nm以下であり、キャリア濃度が5×1017cm-3以下であるi型InAlGaAsグレーディッド層4を結晶成長する。
On the i-type InAlAs digital alloy structure
i型InAlGaAsグレーディッド層4上に、層厚が50nm以上3μm以下であるi型InGaAs光吸収層5、i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6、層厚が0.1μm以上3μm以下であるp型InP窓層7、及びp型InGaAsコンタクト層8を、順次結晶成長する。On the i-type InAlGaAs graded
結晶成長の終了後、p型InGaAsコンタクト層8の表面にp型電極32を、n型InP基板1の裏面にn型電極31をそれぞれ形成する。PDのp型電極32は、金属材料としてTi及びAuが使用されている。なお、PDは逆方向に電圧を印加し、動作電圧は0V~10Vである。After the crystal growth is completed, a p-
図1に示す表面入射型PDの場合は、i型InGaAs光吸収層5に対して垂直方向から入射光90が入射する。PDの受光部が円形の場合の直径、またはPDの受光部が矩形の場合の長辺の大きさは5μm~1mmの範囲内である。PDの入射面には無反射コーティング(図示せず)を施している。
In the case of the surface-illuminated PD shown in Figure 1,
図2に示す端面入射型PDの場合は、i型InGaAs光吸収層5に対して平行方向から入射光90が入射する。信頼性の観点から、端面部分は、絶縁膜、有機膜、または半導体層で覆う。図2に示す端面入射型PDでは、端面にFeドープ半絶縁性InP埋込層20が形成されている。Feドープ半絶縁性InP埋込層20の層厚は、入射方向に対して100nm~5μmの範囲内である。
In the case of the end-illuminated PD shown in Figure 2,
<実施の形態1に係る半導体受光素子(PD)の作用>
実施の形態1に係る半導体受光素子(PD)への作用について説明する。25Gbps以上の高速動作が可能なPDで用いられる電子走行層の層厚は200nm程度の場合が多い。光吸収層の層厚を500nmとすると、電子走行層を導入することでpn接合容量は5/7(=500nm/(500nm+200nm))に低減できる。
<Function of Semiconductor Photodetector (PD) According to First Embodiment>
The effect on a semiconductor photodetector (PD) according to the first embodiment will be described. The thickness of the electron transit layer used in a PD capable of high-speed operation of 25 Gbps or more is often about 200 nm. If the thickness of the light absorption layer is 500 nm, the introduction of the electron transit layer can reduce the pn junction capacitance to 5/7 (=500 nm/(500 nm+200 nm)).
一方、PDに電子走行層を導入することで、電子の走行距離が増大して7/5倍に拡大する。式(1)に示すように、PDの帯域は電気容量による帯域frcとキャリアの走行時間による帯域ftrの両方の影響を受けるため、pn接合容量の低減による帯域改善効果の一部は相殺されてしまう。On the other hand, by introducing an electron transit layer into the PD, the electron transit distance increases by 7/5 times. As shown in formula (1), the bandwidth of the PD is affected by both the bandwidth frc due to the capacitance and the bandwidth ftr due to the carrier transit time, so part of the bandwidth improvement effect due to the reduction in the pn junction capacitance is offset.
しかしながら、デッドスペース長が長いi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3を適用することで、電子走行層中の電子の速度が増大して走行時間が短縮されて帯域制限ftrが改善される。この結果、PDの帯域がさらに改善されるという効果を奏する。なお、以下の装置、システム等の説明においては、本開示に係るInAlAsデジタルアロイ構造電子走行層を有するPDを、本開示のDA-PDと呼ぶ。However, by applying an i-type InAlAs digital alloy structure
<実施の形態1の効果>
以上、実施の形態1に係る半導体受光素子によると、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層を設けたので、広帯域で動作する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of First Embodiment>
As described above, the semiconductor light receiving element according to the first embodiment has an i-type InAlAs digital alloy structure electron transit layer, which provides an effect of providing a semiconductor light receiving element that operates over a wide band.
実施の形態2.
<実施の形態2に係る半導体受光素子(APD)の特徴>
実施の形態2に係る半導体受光素子の具体的な構造を説明する前に、先ず、実施の形態2に係る半導体受光素子の構造上の特徴であるデジタルアロイ構造増倍層について、以下に説明する。
<Features of the semiconductor photodetector (APD) according to the second embodiment>
Before describing the specific structure of the semiconductor light receiving element according to the second embodiment, a digital alloy structure multiplication layer, which is a structural feature of the semiconductor light receiving element according to the second embodiment, will be described below.
37.5GHz以上の広帯域のAPDを実現できれば、DSP及びSOAを用いなくても、次世代の高速PONシステムが実現できる。広帯域化が比較的容易なPDの場合、応答帯域は、
(1)RC時定数(Rは素子抵抗、Cは素子容量)
(2)キャリアの走行時間(空乏層内を電子または正孔が走行する時間)
によって制限される。APDではさらに、
(3)増倍時間(増倍層内で電子及び正孔が連鎖的に増倍する時間、増倍率に比例して増加)によっても制限される。
If a wideband APD of 37.5 GHz or more can be realized, a next-generation high-speed PON system can be realized without using a DSP or an SOA. In the case of a PD, which is relatively easy to make into a wideband APD, the response bandwidth is as follows:
(1) RC time constant (R is the element resistance, C is the element capacitance)
(2) Carrier transit time (the time it takes for an electron or hole to travel through the depletion layer)
In APD, the
(3) It is also limited by the multiplication time (the time it takes for electrons and holes to multiply in a chain reaction in the multiplication layer, which increases in proportion to the multiplication factor).
PDでは上述の37.5GHzの帯域を実現できるが、APDでは増倍時間が必要なために、増倍率を高くすると所望の帯域実現が困難となる。増倍時間TMは、下記の式(6)~(8)で表される。
増倍時間TM=増倍率M/GB積 (6)
GB積=1/(2πNkτav) (7)
つまり、
増倍時間TM=2πNkMτav (8)
となる。
Although a PD can realize the above-mentioned 37.5 GHz band, an APD requires a multiplication time, so if the multiplication factor is increased, it becomes difficult to realize the desired band. The multiplication time TM is expressed by the following equations (6) to (8).
Multiplication time TM = multiplication factor M/GB product (6)
GB product = 1 / (2πNkτav) (7)
In other words,
Multiplication time TM = 2πNkMτav (8)
It becomes.
ここで、GB積は増倍率と帯域の積、kはイオン化率比、Nはイオン化率比kにゆるやかに依存する係数、τavは電子及び正孔が増倍層を走行する平均時間である。したがって、イオン化率比kを小さくすることにより、増倍時間TMを短縮することが可能である。特に、高速PONシステムを実現するためには、増倍時間TMがゼロに近づくようにすること、つまり、イオン化率比kをゼロに近づける必要がある。 Here, GB product is the product of the multiplication factor and the bandwidth, k is the ionization rate ratio, N is a coefficient that is loosely dependent on the ionization rate ratio k, and τav is the average time it takes for electrons and holes to travel through the multiplication layer. Therefore, by reducing the ionization rate ratio k, it is possible to shorten the multiplication time TM. In particular, to realize a high-speed PON system, it is necessary to make the multiplication time TM approach zero, that is, to make the ionization rate ratio k approach zero.
イオン化率比kをゼロとするべく、増倍層の材料として種々の化合物半導体が提案されている。また、イオン化率比kを低減するために、組成の異なる半導体層を1~6原子層の周期で交互に繰り返し積層したデジタルアロイ構造が提案されているものの、デジタルアロイ構造においても構造を最適化しない限り、イオン化率比kをゼロとすることは困難であった。なお、デジタルアロイ構造については、非特許文献2に記載されている。In order to make the ionization rate ratio k zero, various compound semiconductors have been proposed as materials for the multiplication layer. In addition, in order to reduce the ionization rate ratio k, a digital alloy structure has been proposed in which semiconductor layers of different compositions are alternately stacked in a cycle of 1 to 6 atomic layers. However, it is difficult to make the ionization rate ratio k zero even with the digital alloy structure unless the structure is optimized. The digital alloy structure is described in
そこで、発明者らは、デジタルアロイ構造のイオン化率比kを低減すべく、2原子層のInAs層と2原子層のAlAs層を交互に繰り返し積層した増倍層を用いたデジタルアロイ構造増倍層を有するAPDを作製し、増倍特性を解析した結果、キャリアが増倍層を走行してイオン化するまでの距離が、通常のバルク結晶からなるInAlAs、つまりInAlAsランダムアロイ構造増倍層を有するAPDよりも長いことを発見した。なお、キャリアが増倍層を走行してイオン化するまでの距離は、デッドスペースと呼ばれる。Therefore, in order to reduce the ionization rate ratio k of the digital alloy structure, the inventors fabricated an APD with a digital alloy structure multiplication layer using a multiplication layer in which two-atom InAs layers and two-atom AlAs layers are alternately stacked, and as a result of analyzing the multiplication characteristics, they discovered that the distance that carriers travel through the multiplication layer until they are ionized is longer than that of an APD with an InAlAs multiplication layer made of normal bulk crystal, that is, an InAlAs random alloy structure multiplication layer. The distance that carriers travel through the multiplication layer until they are ionized is called the dead space.
デッドスペースの長さ(以下、デッドスペース長と呼ぶ。)は、電子に比べて正孔の方が長いため、通常のバルク結晶からなるInAlAsランダムアロイ構造の場合は、増倍層の層厚を数10nmのレベルまで薄くしていくと、正孔がイオン化できないためイオン化率比kは低下する。しかしながら、増倍層の層厚を数10nmのレベルまで薄層化した場合に、所望の増倍率を得るためには、増倍層により高い電界を印加する必要があるため、トンネル電流などのリーク電流が増加するという新たな問題が発生する。つまり、トンネル電流が増加すると、APDで発生する雑音が増大してしまう。一方、発明者らの解析では、デジタルアロイ構造では、ランダムアロイ構造に比べて特異にデッドスペースが大きいため、層厚100nm以上の増倍層であっても、イオン化率比k=0となることを発見した。 The length of the dead space (hereinafter referred to as the dead space length) is longer for holes than for electrons, so in the case of an InAlAs random alloy structure made of a normal bulk crystal, if the thickness of the multiplication layer is thinned to a level of several tens of nm, the ionization rate ratio k decreases because the holes cannot be ionized. However, when the thickness of the multiplication layer is thinned to a level of several tens of nm, a new problem occurs in that a high electric field must be applied to the multiplication layer to obtain the desired multiplication factor, and leakage currents such as tunnel currents increase. In other words, an increase in tunnel current increases the noise generated by the APD. On the other hand, the inventors' analysis discovered that the ionization rate ratio k = 0 in the digital alloy structure, even if the multiplication layer has a thickness of 100 nm or more, because the dead space is unusually large in the digital alloy structure compared to the random alloy structure.
つまり、APDの増倍層をデジタルアロイ構造で構成することにより、トンネル電流を抑制しつつイオン化率比k=0とすることが可能であることを、発明者らは初めて見出した。具体的には、本開示のデジタルアロイ構造からなる増倍層では、170nm以下の層厚でイオン化率比kが急激に低下し、特に、増倍層の層厚が60以上130nm以下の範囲でデッドスペース効果が劇的に良くなることを見出した。つまり、ランダムアロイ構造からなる増倍層または層厚の厚いデジタルアロイ構造からなる増倍層では実現が不可能であったイオン化率比k=0を、本開示のデジタルアロイ構造からなる増倍層を適用することにより、実現できることを発明者らは実証した。デジタルアロイ構造増倍層を有するAPDの増倍層の薄層化が、従来材料によるAPDの増倍層の薄層化よりもイオン化率比kの低減効果が高いことは、現時点で、いずれの研究機関からも報告されていない。That is, the inventors have found for the first time that it is possible to make the ionization rate ratio k = 0 while suppressing the tunnel current by constructing the multiplication layer of the APD with a digital alloy structure. Specifically, it was found that in the multiplication layer made of the digital alloy structure of the present disclosure, the ionization rate ratio k drops sharply at a layer thickness of 170 nm or less, and in particular, the dead space effect improves dramatically when the layer thickness of the multiplication layer is in the range of 60 to 130 nm. In other words, the inventors have demonstrated that the ionization rate ratio k = 0, which was impossible to achieve with a multiplication layer made of a random alloy structure or a multiplication layer made of a thick digital alloy structure, can be achieved by applying the multiplication layer made of the digital alloy structure of the present disclosure. At present, no research institute has reported that the thinning of the multiplication layer of an APD having a digital alloy structure has a higher effect of reducing the ionization rate ratio k than the thinning of the multiplication layer of an APD made of a conventional material.
<実施の形態2に係る半導体受光素子(APD)の素子構造>
図4は、実施の形態2に係る半導体受光素子110の一例である表面入射型APDの素子構造を表す断面図である。また、図5は、実施の形態2に係る半導体受光素子110aの一例である端面入射型APDの素子構造を表す断面図である。
<Element structure of semiconductor photodetector (APD) according to the second embodiment>
Fig. 4 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor
実施の形態2に係る半導体受光素子110は、n型InP基板1と、n型InP基板1上に順次形成された、キャリア濃度が1~5×1018cm-3であり層厚が0.1~1.0μmであるn型InAlAsバッファ層2aと、キャリア濃度が1×1017cm-3以下であり層厚が50~1000nmである、i型AlAs層(一例として層厚が2原子層、約0.6nm)とi型InAs層(一例として層厚が2原子層、約0.6nm)とを交互に複数回積層したデジタルアロイ構造からなるInAlAs電子走行層3と、キャリア濃度が1×1016~5×1018cm-3であり層厚が10~70nmであるn型InAlAs電界緩和層12と、キャリア濃度が1×1017cm-3以下であり層厚が50~500nmであるi型InAlAs増倍層13と、キャリア濃度が1×1016~5×1018cm-3であり層厚が10~70nmであるp型InP電界緩和層14と、キャリア濃度が1×1017cm-3以下であり層厚が50nm~3.0μmであるi型InGaAs光吸収層5と、キャリア濃度が5×1017cm-3以下であり層厚が5~50nmであるi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6と、キャリア濃度が5×1017cm-3以上であり層厚が0.1~3.0μmであるp型InP窓層7と、p型InGaAsコンタクト層8と、n型InP基板1の裏面側に形成されたn型電極31と、p型InGaAsコンタクト層8上に形成されたp型電極32と、で構成される。
The semiconductor
p型InP窓層7の代りに、p型InAlAs窓層としても良い。なお、n型InAlAsバッファ層2aを、n型半導体層とも呼ぶ。A p-type InAlAs window layer may be used instead of the p-type
図5に示す実施の形態2に係る半導体受光素子110aは、半導体受光素子110と同様の層構成を有するが、さらに、少なくとも入射光90が入射する端面には、Feドープ半絶縁性InP埋込層20が形成されている。The semiconductor
n型InAlAsバッファ層2aのn型ドーパントとしては、シリコン(Si)が最適である。n型InAlAsバッファ層2aはランダムアロイ構造とデジタルアロイ構造のどちらでも良い。Silicon (Si) is optimal as the n-type dopant for the n-type
i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3は、上述のように、AlAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)とInAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)の順番で交互に積層した半導体層で構成されることとした。しかしながら、AlAs層及びInAs層の層厚が、それぞれ2原子層以上6原子層以下の範囲であれば良い。6原子層以下としたのは、AlAs層とInAs層の積層構造が量子井戸構造として機能しないことが望ましいからである。As described above, the i-type InAlAs digital alloy structure
さらに、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の各層の原子層数は、2原子層以上4原子層以下が好適であり、2原子層が最適である。この理由は、各層の原子層厚が薄いほどデジタルアロイ構造によるイオン化率比kの低減効果が大きくなるためである。また、半導体受光素子としての性能だけでなく、生産性も考慮した場合はMBEによる結晶成長の際にシャッター切り替え回数が少なくなる4~6原子層の層厚も好適である。以上の各要因を鑑みると、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の各層の原子層数は、2~6原子層周期が好適な範囲であると言える。
Furthermore, the number of atomic layers of each layer of the i-type InAlAs digital alloy structure
i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の層厚は50nm~1000nmの範囲内である。例えば、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の層厚を500nmとすると、AlAs層(2原子層)/InAs層(2原子層)の繰り返しは417回となる。図8から、200nm以下の層厚で顕著にデッドスペース効果が顕在化するため、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の層厚は、50nm~200nmの範囲内が最も好適である。また、400nm以下の層厚であれば、50%以上の層厚である200nmの距離では電子の走行速度が速いため、50nm~400nmの範囲内でも大きなデッドスペース効果が得られる。The thickness of the i-type InAlAs digital alloy structure
n型InAlAsバッファ層2aを構成するInAlAsとの親和性を考慮して、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の最初のAlAs層のみ、層厚を3原子層以上に厚くすることが好適である。あるいは、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3を、InAs層、AlAs層の順で交互に形成して積層しても良い。Considering the affinity with InAlAs constituting the n-type
i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の導電型はi型であり、キャリア濃度は1×1017cm-3以下が一例として挙げられる。しかしながら、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の導電型として、キャリア濃度が5×1017cm-3以下であるp型またはn型であっても良い。
The conductivity type of the i-type InAlAs digital alloy structure
InAlAsデジタルアロイ構造で構成された電子走行層以外にも、InAlyGa(1-y)As(層厚が2~6原子層,Al組成比Y)とInAlzGa(1-z)As(層厚が2~6原子層、Al組成比Z)を交互に積層したInAlGaAsデジタルアロイ構造も同様に本開示の電子走行層として適用が可能である。さらに、アンチモン(Sb)を加えた材料系であるInAlAsSbからなるデジタルアロイ構造でも本開示の電子走行層として適用が可能である。In addition to the electron transit layer composed of an InAlAs digital alloy structure, an InAlGaAs digital alloy structure in which InAlyGa(1-y)As (layer thickness of 2 to 6 atomic layers, Al composition ratio Y) and InAlzGa(1-z)As (layer thickness of 2 to 6 atomic layers, Al composition ratio Z) are alternately stacked can also be applied as the electron transit layer of the present disclosure. Furthermore, a digital alloy structure made of InAlAsSb, a material system to which antimony (Sb) is added, can also be applied as the electron transit layer of the present disclosure.
n型電界緩和層は必ずしもInAlAsとする必要はなく、n型InPまたはn型InAlAsデジタルアロイ構造でも良い。n型InAlAs電界緩和層12は、i型InAlAs増倍層13へ過剰な電界が印加され、増倍が生じないようにするために設けられている。また、n型InAlAs電界緩和層12は、i型InAlAs増倍層13へ電界がかかりすぎると、逆に電子の速度が低下し始める、つまり走行速度のオーバーシュート現象が生じるため、走行速度が最大となるように電界を調整する機能がある。The n-type electric field relaxation layer does not necessarily have to be InAlAs, and may be an n-type InP or n-type InAlAs digital alloy structure. The n-type InAlAs electric
i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6は、InAlGaAsの組成を変えてバンドギャップを徐々に変化させた層であり、層厚はそれぞれ5~50nmの範囲内である。InAlGaAsの組成はステップ状に変化させてもよく、バンドギャップはInP層とInGaAs層の中間的な大きさである。キャリア濃度は5×1017cm-3以下であり、キャリア濃度が低ければp型またはn型でも良い。なお、i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6は、必ずしも必要ではなく、省略しても良い。
The i-type InAlGaAs/InAlAs graded
p型InP電界緩和層14とi型InGaAs光吸収層5との間に、InAlGaAsまたはInGaAsPなどの中間のバンドギャップを有する層厚が0.1μm以下の層を設けても良い。ヘテロ接合界面での電子及び正孔の蓄積を防止することが可能であるからである。A layer having an intermediate band gap such as InAlGaAs or InGaAsP and a thickness of 0.1 μm or less may be provided between the p-type InP electric
図4に示す半導体受光素子110の素子構造の一例では、i型InGaAs光吸収層5上に、i型で組成の異なる2種類のInAlGaAs層を複数回、交互に積層することにより、i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6を形成している。In one example of the element structure of the semiconductor
実施の形態2に係る半導体受光素子の一例であるAPDのp型電極32には、Ti及びAuが使用されている。APDは逆方向に電圧を印加し、動作電圧は10V~100Vである。APD動作時のi型InAlAs増倍層13の電界は500kV/cm~900kV/cmである。また、i型InGaAs光吸収層5の電界は300kV/cm以下に設定している。増倍率は3~30で使用するが、ガイガーモードで動作する場合は100以上となる。
Ti and Au are used for the p-
<実施の形態2に係る半導体受光素子(APD)の作用>
実施の形態2に係る半導体受光素子(APD)への作用について説明する。
実施の形態2に係るAPDは、実施の形態1に係るPDと同様、デッドスペース長が長いi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3を適用することで、電子走行層中の電子の速度が増大して走行時間が短縮されて帯域制限ftrが改善される。この結果、APDの帯域がさらに改善されるという効果を奏する。
<Function of Semiconductor Photodetector (APD) According to Second Embodiment>
The effect on the semiconductor photodiode (APD) according to the second embodiment will be described.
The APD according to the second embodiment, like the PD according to the first embodiment, employs an i-type InAlAs digital alloy structure
<実施の形態2の効果>
以上、実施の形態2に係る半導体受光素子によると、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層を設けたので、受信感度が高く、広帯域で動作する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Second Embodiment>
As described above, the semiconductor light receiving element according to the second embodiment has an i-type InAlAs digital alloy structure electron transit layer, which provides an effect of providing a semiconductor light receiving element having high reception sensitivity and operating over a wide band.
実施の形態2の変形例.
実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型APD、及び他の一例である端面入射型APDについて、以下に説明する。
実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態2に係る半導体受光素子のi型InAlAs増倍層13、つまりランダムアロイ構造のInAlAs増倍層を、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。
A modified example of
A front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a modification of the second embodiment, and an edge-illuminated APD, which is another example, will be described below.
The semiconductor light receiving element according to the modified example of the second embodiment is structurally different in that the i-type
i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の構造の一例として、i型AlAs層(一例として層厚が2原子層、約0.6nm)と、i型InAs層(一例として層厚が2原子層、約0.6nm)とを交互に複数回積層したデジタルアロイ構造が挙げられる。One example of the structure of an i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer is a digital alloy structure in which i-type AlAs layers (for example, a layer thickness of two atomic layers, approximately 0.6 nm) and i-type InAs layers (for example, a layer thickness of two atomic layers, approximately 0.6 nm) are alternately stacked multiple times.
i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層厚は、40nm以上1000nm以下の範囲内である。しかしながら、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層におけるデッドスペース効果を増大させるために、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層厚を、40nm以上170nm以下の範囲としても良い。さらに、半導体受光素子100の作製時の層厚の典型的なばらつきの度合いである20%を考慮すると、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層厚は、50nm以上140nm以下の範囲がより好適である。The thickness of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer is in the range of 40 nm to 1000 nm. However, in order to increase the dead space effect in the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer, the thickness of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer may be in the range of 40 nm to 170 nm. Furthermore, considering the typical degree of variation in layer thickness during the manufacture of the semiconductor
<実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子(APD)の作用>
実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子の一例であるAPDの作用について、以下に説明する。
実施の形態2の変形例に係るAPDのように、デジタルアロイ構造増倍層を用いると、デッドスペース効果、つまりイオン化率比kの低減効果が強化されることを、発明者らは見出した。図6は、InAlAs増倍層における電子のデッドスペースの電界依存性を表す図である。発明者らは、デジタルアロイ構造増倍層における電子の増倍特性を解析した結果、図6のグラフに示すように、従来のInAlAsランダムアロイ構造増倍層よりも、本開示のInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の方が、デッドスペースが長くなることを明らかにした。
<Function of Semiconductor Photodetector (APD) According to Modification of Second Preferred Embodiment>
The operation of the APD, which is an example of a semiconductor light receiving element according to a modification of the second embodiment, will be described below.
The inventors have found that the use of a digital alloy structure multiplication layer, as in the APD according to the modified example of the second embodiment, enhances the dead space effect, that is, the effect of reducing the ionization rate ratio k. FIG. 6 is a diagram showing the electric field dependence of the electron dead space in an InAlAs multiplication layer. As a result of analyzing the electron multiplication characteristics in a digital alloy structure multiplication layer, the inventors have clarified that, as shown in the graph of FIG. 6, the InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the present disclosure has a longer dead space than the conventional InAlAs random alloy structure multiplication layer.
図7Aから図7Cは電子及び正孔のイオン化率をそれぞれ表す図であり、図7Aは電子のイオン化の場合、図7Bは正孔のイオン化の場合、図7Cは増倍層を薄層化した場合のイオン化率をそれぞれ表す図である。従来のInAlAsランダムアロイ構造増倍層では、図6のグラフに示すように、デッドスペース長は約45nmであるため、増倍層の層厚はデッドスペースの約1.5倍(約70nm)まで薄層化する必要がある。しかしながら、増倍層を70nmまで薄層化すると増倍層の電界が高くなり、トンネル電流の急激な増加にともない雑音が増加して、良好な受信感度のAPDを得ることは困難である。7A to 7C are graphs showing the ionization rates of electrons and holes, respectively. FIG. 7A shows the ionization rate in the case of electron ionization, FIG. 7B shows the ionization rate in the case of hole ionization, and FIG. 7C shows the ionization rate when the multiplication layer is thinned. In a conventional InAlAs random alloy structure multiplication layer, as shown in the graph of FIG. 6, the dead space length is about 45 nm, so the thickness of the multiplication layer needs to be thinned to about 1.5 times the dead space (about 70 nm). However, when the multiplication layer is thinned to 70 nm, the electric field of the multiplication layer becomes high, and the noise increases with a sudden increase in the tunnel current, making it difficult to obtain an APD with good reception sensitivity.
一方、実施の形態2の変形例に係るAPDのInAlAsデジタルアロイ構造増倍層では、図6のグラフに示すように、印加電界の逆数が1.47×10-6cm/Vである場合は、デッドスペース長は約85nmであるため、増倍層の層厚はデッドスペースの約1.5倍(約130nm)の層厚であってもイオン化率比kをゼロに近づけることが可能であることから、実施の形態2の変形例に係るAPDではトンネル電流の影響は小さい。
On the other hand, in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the APD according to the modified example of
また、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層では、デッドスペースの印加電界依存性が大きく、印加電界の逆数が1.27×10-6cm/Vの場合は、図6のグラフに示すように、デッドスペース長は約50nmであるため、増倍層を75nmまで薄層化する必要がある。つまり、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層厚は、InAlAsランダムアロイ構造増倍層の層厚よりも厚くすることが可能である。 Furthermore, in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer, the dead space is highly dependent on the applied electric field, and when the reciprocal of the applied electric field is 1.27×10 −6 cm/V, the dead space length is approximately 50 nm, as shown in the graph of Fig. 6, so the multiplication layer needs to be thinned to 75 nm. In other words, the thickness of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer can be made thicker than the thickness of the InAlAs random alloy structure multiplication layer.
図8は、イオン化率比及びトンネル電流の増倍層の層厚依存性を表す図である。発明者らは、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層とInAlAsランダムアロイ構造増倍層を有するAPDをそれぞれ作製してイオン化率比kを測定し、さらに、図8中に記載した文献1及び2の測定結果と合わせて図8中にプロットした。なお、図8中の文献1及び2は、下記のとおりである。
(1)文献1
Yuan Yuan,et al “Temperature dependence of the ionization coefficients of InAlAs and AlGaAs digital alloys”pp.794,Vol.6,No.8/August 2018/Photonics Research
(2)文献2
Wenyang Wang,et al “Characteristics of thin InAlAs digital alloy avalanche photodiodes” pp.3841,Vol.46,No.16/15 August 2021/Optics Letters
Fig. 8 is a diagram showing the dependence of the ionization rate ratio and the tunnel current on the thickness of the multiplication layer. The inventors fabricated APDs having an InAlAs digital alloy structure multiplication layer and an InAlAs random alloy structure multiplication layer, respectively, measured the ionization rate ratio k, and further plotted the results in Fig. 8 together with the measurement results of
(1)
Yuan Yuan, et al. "Temperature dependence of the ionization coefficients of InAlAs and AlGaAs digital alloys" pp. 794, Vol. 6, No. 8/August 2018/Photonics Research
(2)
Wenyang Wang, et al. "Characteristics of thin InAlAs digital alloy avalanche photographs" pp. 3841, Vol. 46, No. 16/15 August 2021/Optics Letters
図8に示すように、InAlAsランダムアロイ構造増倍層では、増倍層の層厚を80nm以下にしないとデッドスペースによるイオン化率比kの低減効果が発現しない。一方、増倍層の層厚を80nmよりも薄層化すると、トンネル電流が急激に増加してトンネルブレークダウンが発生してしまう。増倍層の層厚が60nm付近で、イオン化率比kの低減とトンネル電流の制限がかろうじて両立するが、層厚のマージンは数nmほどしかなく、安定してAPDを製造することは極めて困難である。また、イオン化率比kも0.12と大きい。つまり、従来のInAlAsランダムアロイ構造増倍層では、薄層化によるイオン化率比kの低減効果をAPDに適用することは困難である。 As shown in FIG. 8, in the InAlAs random alloy structure multiplication layer, the effect of reducing the ionization rate ratio k by the dead space does not appear unless the thickness of the multiplication layer is 80 nm or less. On the other hand, if the thickness of the multiplication layer is made thinner than 80 nm, the tunnel current increases rapidly and a tunnel breakdown occurs. When the thickness of the multiplication layer is around 60 nm, the reduction of the ionization rate ratio k and the limitation of the tunnel current are barely compatible, but the margin of the layer thickness is only a few nm, making it extremely difficult to stably manufacture APDs. In addition, the ionization rate ratio k is also large at 0.12. In other words, in the conventional InAlAs random alloy structure multiplication layer, it is difficult to apply the effect of reducing the ionization rate ratio k by making the layer thinner to APDs.
一方、本開示のInAlAsデジタルアロイ構造増倍層では、発明者らが発見したようにデッドスペースが大きいために、図8に示すように、増倍層を薄層化していくと170nmの層厚からイオン化率比kが0.1以下へ低下を始める。ここで、イオン化率比kは増倍雑音の測定値から求められ、増倍率1~10の範囲でのイオン化率比の最小値である。イオン化率比kが同じ場合は、InAlAsランダムアロイ構造増倍層の場合と比べて、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層厚は2倍以上となる。On the other hand, in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the present disclosure, as discovered by the inventors, the dead space is large, and therefore, as the multiplication layer is made thinner, the ionization rate ratio k starts to decrease to 0.1 or less at a layer thickness of 170 nm, as shown in Figure 8. Here, the ionization rate ratio k is determined from the measured value of the multiplication noise, and is the minimum value of the ionization rate ratio in the range of
図8のグラフに示すように、pn接合径が20μmのAPDにおいて、トンネル電流が1μAとなる増倍層の層厚として40nmを下限とすると、40nm以上170nm以下の範囲の層厚がInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の場合の最適な範囲となるが、かかる範囲内の層厚は十分に再現性良く作製可能である。As shown in the graph in Figure 8, in an APD with a pn junction diameter of 20 μm, if the thickness of the multiplication layer at which the tunnel current is 1 μA is limited to 40 nm, then a layer thickness in the range of 40 nm to 170 nm is the optimal range for an InAlAs digital alloy structure multiplication layer, and layer thicknesses within this range can be fabricated with sufficient reproducibility.
デッドスペース効果によりイオン化率比kの低減効果が十分に得られるInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層厚は、印加電界の逆数が1.47×10-6cm/Vである場合、デッドスペース長の約2倍と考えられるため、図8に示すように、デッドスペース長が85nmであることを鑑みると、デッドスペース長の2倍である170nmがInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層厚の上限として好適な値である。 The thickness of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer at which the dead space effect is sufficient to reduce the ionization rate ratio k is considered to be approximately twice the dead space length when the reciprocal of the applied electric field is 1.47 x 10 -6 cm/V. Considering that the dead space length is 85 nm as shown in Figure 8, therefore, 170 nm, which is twice the dead space length, is a suitable upper limit for the thickness of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer.
また、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層においてイオン化率比kを0.05以下に制御するためには、図6のグラフより、増倍層の層厚は150nm以下が好適である。さらに、トンネル電流が1μA以下で、かつイオン化率比kがほぼゼロを満たすためには、増倍層の層厚として、60nm以上130nm以下の範囲が最適である。APDの作製時のマージンを10nmとする場合は、増倍層の層厚は70nm以上120nm以下の範囲に設定すると好適である。 In addition, in order to control the ionization rate ratio k to 0.05 or less in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer, the thickness of the multiplication layer is preferably 150 nm or less, as shown in the graph of Figure 6. Furthermore, in order to achieve a tunnel current of 1 μA or less and an ionization rate ratio k of almost zero, the optimal thickness of the multiplication layer is in the range of 60 nm to 130 nm. If the margin during the fabrication of the APD is 10 nm, the thickness of the multiplication layer is preferably set in the range of 70 nm to 120 nm.
また、デッドスペースの長さとしては、図6より50nm~90nmが好適である。増倍層の層厚に対するデッドスペースの長さの比率は、デッドスペース長の最小値50nmを増倍層の層厚の最大値170nmで割った値、つまり29%以上が好適である。割合が増加するほどイオン化率比kが小さくなるが、100%を超えることはできない。イオン化率比kが100%を超えると増倍が生じなくなるためである。したがって、増倍層の層厚に対するデッドスペースの長さの比率は、29%以上100%未満が原理的に好適である。さらに、今回の試作では増倍層厚が120nmであったので、42%(=50nm/120nm)から75%(=90nm/120nm)が実験的に確かめられた最適範囲である。 As shown in Figure 6, the length of the dead space is preferably 50 nm to 90 nm. The ratio of the length of the dead space to the thickness of the multiplication layer is preferably 29% or more, calculated by dividing the minimum dead space length of 50 nm by the maximum thickness of the multiplication layer of 170 nm. As the ratio increases, the ionization rate ratio k becomes smaller, but it cannot exceed 100%. This is because multiplication does not occur when the ionization rate ratio k exceeds 100%. Therefore, in principle, the ratio of the length of the dead space to the thickness of the multiplication layer is preferably 29% or more and less than 100%. Furthermore, since the thickness of the multiplication layer in this prototype was 120 nm, the optimal range confirmed experimentally is 42% (= 50 nm/120 nm) to 75% (= 90 nm/120 nm).
発明者らは、従来のInAlAsランダムアロイ構造増倍層ではイオン化率比k=0が達成できなかったが、本開示のInAlAsデジタルアロイ構造増倍層においてイオン化率比k=0を達成できた理由を考察した。The inventors considered why an ionization rate ratio k = 0 could not be achieved with a conventional InAlAs random alloy structure multiplication layer, but an ionization rate ratio k = 0 could be achieved with the InAlAs digital alloy structure multiplication layer disclosed herein.
電子のデッドスペース長をDeと、ホールのデッドスペース長をDhとすると、イオン化率比k=0を達成できる条件は、以下の式(9)及び式(10)で表される。なお、式(9)がデッドスペース長の差の条件を表し、式(10)がトンネル電流の条件を表している。
Dhe=Dh―De>0 (9)
Dh>Tmin (10)
If the dead space length of electrons is De and the dead space length of holes is Dh, the conditions for achieving an ionization rate ratio k = 0 are expressed by the following formulas (9) and (10). Note that formula (9) represents the condition for the difference in the dead space lengths, and formula (10) represents the condition for the tunnel current.
Dhe = Dh - De > 0 (9)
Dh>Tmin (10)
ここで、Dheはホールと電子のデッドスペース長の差である。Tminは、トンネル電流が雑音に影響しないレベルまで十分に小さくなる増倍層の最小層厚であり、増倍層を厚くしていくほどトンネル電流は低減する。デッドスペース長の差の条件は、図7Cに示すように、増倍層の層厚が正孔のデッドスペース長以下になると、正孔が増倍しなくなりイオン化率比k=0となることから、上述の式(9)のように設定されている。Here, Dhe is the difference between the dead space lengths of holes and electrons. Tmin is the minimum thickness of the multiplication layer at which the tunnel current becomes small enough that it does not affect noise, and the thicker the multiplication layer, the more the tunnel current decreases. As shown in Figure 7C, when the thickness of the multiplication layer becomes equal to or smaller than the dead space length of holes, holes are no longer multiplied and the ionization rate ratio k = 0, so the condition for the difference in dead space length is set as shown in the above formula (9).
InAlAsランダムアロイ構造増倍層の場合は、図6及び図8から、増倍層を薄くしていくとイオン化率比kが低下し始める値は、Deは約40nm、Dhは約80nmである。pn接合径が直径20μmでありトンネル電流を100nA以下とする場合は最小層厚Tmin=90nmであることから、InAlAsランダムアロイ構造はトンネル電流の条件を満たさないので、イオン化率比k=0を達成することは不可能である。6 and 8, in the case of an InAlAs random alloy structure multiplication layer, the values at which the ionization rate ratio k starts to decrease as the multiplication layer is made thinner are De about 40 nm and Dh about 80 nm. Since the pn junction diameter is 20 μm in diameter and the tunnel current is 100 nA or less, the minimum layer thickness Tmin = 90 nm, and the InAlAs random alloy structure does not satisfy the tunnel current conditions, it is impossible to achieve an ionization rate ratio k = 0.
一方、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の場合は、増倍層を薄くしていくとイオン化率比kが低下し始める値は、Deは約80nm、Dhは約170nmであり、pn接合径が直径20μmでトンネル電流を100nA以下とする場合は最小層厚Tmin=90nmであるため、イオン化率比k=0の条件を満たす増倍層の層厚が存在する。なお、最小層厚Tminについては、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層とInAlAsランダムアロイ構造増倍層では、両者のバンドギャップが変わらないため同じ値となる。On the other hand, in the case of an InAlAs digital alloy structure multiplication layer, the ionization rate ratio k starts to decrease as the multiplication layer is made thinner at values De of about 80 nm and Dh of about 170 nm. When the pn junction diameter is 20 μm in diameter and the tunnel current is 100 nA or less, the minimum layer thickness Tmin = 90 nm, so there is a multiplication layer thickness that satisfies the condition of ionization rate ratio k = 0. Note that the minimum layer thickness Tmin is the same for the InAlAs digital alloy structure multiplication layer and the InAlAs random alloy structure multiplication layer because the band gaps of the two do not change.
具体的には、ランダムアロイ構造の場合は、Deは約40nm、Dhは約80nmである。これに対してデジタルアロイ構造の場合は、Deは約80nm、Dhは約170nmであることを発明者らは見出した。Specifically, in the case of a random alloy structure, De is about 40 nm and Dh is about 80 nm. In contrast, the inventors found that in the case of a digital alloy structure, De is about 80 nm and Dh is about 170 nm.
InAlAsデジタルアロイ構造増倍層では、超格子を構成するInAs(格子定数=0.606nm)とAlAs(格子定数=0.566nm)との間の格子定数の差が6.55%と非常に大きい。このため、作製プロセスの途中で電界緩和層のドーパント、つまり不純物がInAlAsデジタルアロイ構造増倍層内に拡散し、増倍層内において無秩序化が発生する可能性がある。In the InAlAs digital alloy multiplication layer, the difference in lattice constant between the InAs (lattice constant = 0.606 nm) and AlAs (lattice constant = 0.566 nm) that make up the superlattice is very large at 6.55%. For this reason, the dopants in the electric field relaxation layer, that is, the impurities, may diffuse into the InAlAs digital alloy multiplication layer during the manufacturing process, causing disorder within the multiplication layer.
図9Aから図9Dは、増倍層及び電界緩和層におけるイオン化率を表す図であり、図9AはInAlAsランダムアロイ構造増倍層の場合、図9BはInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の場合、図9Cは部分的に無秩序化したInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の場合、図9Dは層厚の厚い電界緩和層とInAlAsデジタルアロイ構造増倍層を組み合わせた場合のイオン化率をそれぞれ表す図である。図9Aに示すInAlAsランダムアロイ構造増倍層に比べて、図9Bに示すInAlAsデジタルアロイ構造増倍層のデッドスペース長は長いが、電界緩和層からのドーパント拡散により、部分的に無秩序化したInAlAsデジタルアロイ構造増倍層では、図9Cに示すように、デッドスペース長が短くなってしまう。9A to 9D are diagrams showing the ionization rate in the multiplication layer and the electric field relaxation layer, where FIG. 9A shows the ionization rate in the case of the InAlAs random alloy structure multiplication layer, FIG. 9B shows the ionization rate in the case of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer, FIG. 9C shows the ionization rate in the case of the partially disordered InAlAs digital alloy structure multiplication layer, and FIG. 9D shows the ionization rate in the case of combining a thick electric field relaxation layer and an InAlAs digital alloy structure multiplication layer. Compared to the InAlAs random alloy structure multiplication layer shown in FIG. 9A, the dead space length of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer shown in FIG. 9B is long, but due to dopant diffusion from the electric field relaxation layer, the dead space length is short in the partially disordered InAlAs digital alloy structure multiplication layer, as shown in FIG. 9C.
InAlAsデジタルアロイ構造増倍層が無秩序化の影響を避けるためには、電界緩和層の材料及びドーパントの選定とドーピング濃度が重要となる。不純物拡散方程式は以下の式(11)で表させる。
dN/dt=D(d2N/d2x)-F (11)
In order to avoid the influence of disorder in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer, the selection of the material and dopant of the electric field relaxation layer and the doping concentration are important. The impurity diffusion equation is expressed by the following formula (11).
dN/dt=D( d2N / d2x )−F (11)
式(11)において、Nは不純物濃度、tは時間、Dは拡散定数、xは位置、Fは拡散に作用する外的な力である。電界緩和層の材料としては、InP、InAlAsランダムアロイ構造、InAlAsデジタルアロイ構造などが挙げられる。また、電界緩和層のp型ドーパントとしては、Be、Znなどが挙げられる。p型ドーパントを考慮すると、Beドープのp型InP電界緩和層及びInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の組み合わせが好適である。この理由は、Beは拡散定数Dが小さい点に加えて、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層との間にポテンシャル障壁を形成するためである。なお、ポテンシャル障壁は、式(11)のFに相当する。In formula (11), N is the impurity concentration, t is time, D is the diffusion constant, x is the position, and F is the external force acting on the diffusion. Examples of materials for the electric field relaxation layer include InP, InAlAs random alloy structure, and InAlAs digital alloy structure. Examples of p-type dopants for the electric field relaxation layer include Be and Zn. Considering the p-type dopant, a combination of a Be-doped p-type InP electric field relaxation layer and an InAlAs digital alloy structure multiplication layer is preferable. This is because Be has a small diffusion constant D and also forms a potential barrier between the InAlAs digital alloy structure multiplication layer. The potential barrier corresponds to F in formula (11).
電界緩和層の層厚のばらつきが発生した場合に、電界緩和量、つまり層厚とキャリア濃度の積のばらつきが増大しないように、電界緩和層のキャリア濃度として2×1018cm-3以下が好適である。InAlAsを電界緩和層の構成材料とする場合は、Znドープが最適であり、キャリア濃度としては2×1018cm-3以下が最適である。なお、2×1018cm-3よりも不純物濃度が高くなると不活性の不純物が増加し拡散が発生しやすくなることから、キャリア濃度は5×1018cm-3以下であることが必須となる。 In order to prevent the variation in the amount of electric field relaxation, that is, the product of the layer thickness and the carrier concentration, from increasing when the thickness of the electric field relaxation layer varies, the carrier concentration of the electric field relaxation layer is preferably 2×10 18 cm -3 or less. When InAlAs is used as the material for the electric field relaxation layer, Zn doping is optimal, and the carrier concentration is optimally 2×10 18 cm -3 or less. Note that if the impurity concentration is higher than 2×10 18 cm -3 , the amount of inactive impurities increases and diffusion is likely to occur, so the carrier concentration must be 5×10 18 cm -3 or less.
電界緩和量ΔEは、以下の式(12)で表される。
ΔE=W・q・N/ε (12)
電界緩和量ΔEが一定である場合は、電界緩和層のキャリア濃度を高くすると、キャリア濃度に反比例して電界緩和層の層厚を薄くする必要がある。ここで、Wは電界緩和層の層厚、qは素電荷、Nは電界緩和層のキャリア濃度、εは誘電率である。
The electric field relaxation amount ΔE is expressed by the following formula (12).
ΔE=W·q·N/ε (12)
When the electric field relaxation amount ΔE is constant, if the carrier concentration of the electric field relaxation layer is increased, the thickness of the electric field relaxation layer must be reduced in inverse proportion to the carrier concentration, where W is the thickness of the electric field relaxation layer, q is the elementary charge, N is the carrier concentration of the electric field relaxation layer, and ε is the dielectric constant.
電界緩和層のキャリア濃度Nが5×1018cm-3程度になると、電界緩和層の層厚は10nm程度となる。増倍層への不純物拡散によるデッドスペース長の短縮を防止するために、電界緩和層のキャリア濃度は5×1018cm-3以下となるように制御する。また、電界緩和層は10nm以上の層厚が必要である。 When the carrier concentration N of the electric field buffer layer is about 5×10 18 cm -3 , the thickness of the electric field buffer layer is about 10 nm. In order to prevent the shortening of the dead space length due to impurity diffusion into the multiplication layer, the carrier concentration of the electric field buffer layer is controlled to be 5×10 18 cm -3 or less. In addition, the electric field buffer layer needs to have a thickness of 10 nm or more.
一方、図9Dに示すように、電界緩和層が電界緩和層のデッドスペース長の1.5倍以上に厚くなると、電界緩和層での増倍が発生する。図6に示すように、ランダムアロイ構造ではデッドスペース長は45nm以下であるため、ランダムアロイ構造電界緩和層の層厚は70nm以下とすることが必要である。一方、InAlAsデジタルアロイ構造ではデッドスペース長は85nm以下であることから、デジタルアロイ電界緩和層の層厚は130nm以下とすることが必要である。On the other hand, as shown in Figure 9D, when the electric field buffer layer becomes thicker than 1.5 times the dead space length of the electric field buffer layer, multiplication occurs in the electric field buffer layer. As shown in Figure 6, in the random alloy structure, the dead space length is 45 nm or less, so the layer thickness of the random alloy structure electric field buffer layer needs to be 70 nm or less. On the other hand, in the InAlAs digital alloy structure, the dead space length is 85 nm or less, so the layer thickness of the digital alloy electric field buffer layer needs to be 130 nm or less.
なお、図9Aから図9Dに示す各デッドスペース長は、デッドスペース(図9A)<デッドスペース(図9D)<デッドスペース(図9C)<デッドスペース(図9B)、の関係となる。 Note that the dead space lengths shown in Figures 9A to 9D have the following relationship: dead space (Figure 9A) < dead space (Figure 9D) < dead space (Figure 9C) < dead space (Figure 9B).
<実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子(APD)の効果について>
まず、実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子における第1の効果を、以下に定量的に説明する。
従来のAPDの3dB帯域fcは、RC時定数による帯域制限をfrc、キャリアの走行時間で制限される帯域をftr、増倍時間による帯域制限をfmとすると、前述の式(2)で表される。
<Effects of the semiconductor photodetector (APD) according to the modification of the second embodiment>
First, a first effect of the semiconductor light receiving element according to the modification of the second embodiment will be quantitatively described below.
The 3 dB bandwidth fc of a conventional APD is expressed by the above-mentioned formula (2), where the bandwidth limit due to the RC time constant is frc, the bandwidth limited by the carrier transit time is ftr, and the bandwidth limit due to the multiplication time is fm.
一方、実施の形態1に係るInAlAsデジタルアロイ構造増倍層を有するAPDの3dB帯域fcは、イオン化率比kがゼロに近いため、式(6)、式(7)、及び式(8)より、RC時定数、及びキャリアの走行時間でのみ制限されるため、以下の式(13)で表すことが可能である。
fc_APD=1/((1/frc)2+(1/ftr)2)0.5 (13)
式(13)において、キャリアの走行時間ftrには、光吸収層を走行する時間に、増倍層を走行する時間が加わる。
On the other hand, the 3 dB bandwidth f c of the APD having the InAlAs digital alloy structure multiplication layer according to the first embodiment is limited only by the RC time constant and the carrier transit time according to equations (6), (7), and (8) because the ionization rate ratio k is close to zero, and therefore can be expressed by the following equation (13).
fc_APD=1/((1/frc) 2 +(1/ftr) 2 ) 0.5 (13)
In formula (13), the transit time ftr of a carrier includes the transit time through the light absorption layer plus the transit time through the multiplication layer.
RC時定数は光吸収層の層厚及び増倍層の層厚の合計に反比例する一方、走行時間は正比例するため、式(13)は最大値を有する。すなわち、frc=ftrとなる場合に最大帯域となる。frc=ftrを代入すると、式(13)は、前述の式(3)で表される。
また、走行時間で決定される3dB帯域ftrは、前述の式(4)で表される。
Since the RC time constant is inversely proportional to the sum of the thickness of the light absorbing layer and the thickness of the multiplication layer, while the transit time is directly proportional, Equation (13) has a maximum value. That is, the maximum bandwidth occurs when frc=ftr. Substituting frc=ftr, Equation (13) is expressed by the above-mentioned Equation (3).
The 3 dB bandwidth ftr determined by the transit time is expressed by the above-mentioned formula (4).
式(4)において、Vavは電子及び正孔の平均飽和走行速度、Wtは光吸収層及び増倍層の層厚の合計である。たとえば、InGaAsの場合、Vavは5.35×106cm/sとなる。また、増倍層の層厚が100nm、光吸収層の層厚が400nmとすると、Wt=500nmとなる。 In formula (4), Vav is the average saturation transit velocity of electrons and holes, and Wt is the total thickness of the light absorption layer and the multiplication layer. For example, in the case of InGaAs, Vav is 5.35×10 6 cm/s. If the thickness of the multiplication layer is 100 nm and the thickness of the light absorption layer is 400 nm, then Wt=500 nm.
Vav=5.35×106cm/s、及びWt=500nmを式(4)に代入すると、ftr=59.6GHzとなる。さらに、式(3)に代入すると、実施の形態2の変形例に係るInAlAsデジタルアロイ構造増倍層を有するAPDの3dB帯域は42.2GHzとなる。したがって、実施の形態2の変形例に係るInAlAsデジタルアロイ構造増倍層を有するAPDは、50G-PONシステムに必要な帯域37.5GHzを満たすことが可能であることが、以上の考察から判明する。なお、以下の装置、システム等の説明においては、本開示に係るInAlAsデジタルアロイ構造電子走行層及びInAlAsデジタルアロイ構造増倍層を有するAPDを、本開示のDA-APDと呼ぶ。 Substituting Vav=5.35×10 6 cm/s and Wt=500 nm into formula (4) gives ftr=59.6 GHz. Substituting these values into formula (3) gives the 3 dB bandwidth of the APD having the InAlAs digital alloy multiplication layer according to the modified example of the second embodiment, which is 42.2 GHz. Therefore, it is clear from the above considerations that the APD having the InAlAs digital alloy multiplication layer according to the modified example of the second embodiment can meet the bandwidth of 37.5 GHz required for a 50G-PON system. In the following description of the device, system, etc., the APD having the InAlAs digital alloy electron transit layer and the InAlAs digital alloy multiplication layer according to the present disclosure is referred to as the DA-APD according to the present disclosure.
<実施の形態2の変形例の効果>
以上、実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層をさらに有しているので、広帯域で動作し、かつ低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Modification of the Second Embodiment>
As described above, the semiconductor photodetector according to the modified example of the second embodiment further includes a digital alloy structure multiplication layer whose layer thickness is controlled within a preset range, and thus has the effect of providing a semiconductor photodetector that operates over a wide bandwidth and has excellent low noise characteristics.
実施の形態3.
図10は、実施の形態3に係る半導体受光素子120の一例である表面入射型PDの素子構造を表す断面図である。また、図11は、実施の形態3に係る半導体受光素子120aの一例である表面入射型PDの素子構造を表す断面図である。
Fig. 10 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated PD which is an example of the semiconductor
<実施の形態3に係る半導体受光素子(PD)の素子構造>
図10に示される実施の形態3に係る半導体受光素子120は、n型InP基板1と、n型InP基板1上に順次形成された、キャリア濃度が1~5×1018cm-3であり層厚が0.1~1.0μmであるn型InPバッファ層2と、キャリア濃度が1×1017cm-3以下であり層厚が50~1000nmである、i型AlAs層(一例として層厚が2原子層、約0.6nm)とi型InAs層(一例として層厚が2原子層、約0.6nm)とを交互に複数回積層したデジタルアロイ構造からなるi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3と、キャリア濃度が5×1017cm-3以下であり層厚が5~50nmであるi型InAlGaAsグレーディッド層4と、キャリア濃度が1×1017cm-3以下であり層厚が50nm~3.0μmであるi型InGaAs光吸収層5と、キャリア濃度が5×1017cm-3以下であり層厚が5~50nmであるi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6と、キャリア濃度が5×1017cm-3以下であり層厚が0.1~3.0μmであるn型InP窓層11と、n型InP窓層11の中に設けられたp型拡散領域15と、p型拡散領域15上に設けられたp型InGaAsコンタクト層8と、n型InP基板1の裏面側に形成されたn型電極31と、p型InGaAsコンタクト層8上に形成されたp型電極32と、で構成される。なお、n型InPバッファ層2は、n型半導体層とも呼ぶ。
<Element structure of semiconductor photodetector (PD) according to the third embodiment>
The semiconductor light receiving element 120 according to the third embodiment shown in FIG. 10 includes an n-type InP substrate 1, an n-type InP buffer layer 2 having a carrier concentration of 1 to 5×10 18 cm -3 and a layer thickness of 0.1 to 1.0 μm, which are successively formed on the n-type InP substrate 1, an i-type InAlAs digital alloy structure electron transit layer 3 having a digital alloy structure in which an i-type AlAs layer (e.g., a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) and an i-type InAs layer (e.g., a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) having a carrier concentration of 1×10 17 cm -3 or less and a layer thickness of 50 to 1000 nm are alternately laminated a plurality of times, an i-type InAlGaAs graded layer 4 having a carrier concentration of 5×10 17 cm -3 or less and a layer thickness of 5 to 50 nm, and an i-type InAlGaAs graded layer 5 having a carrier concentration of 1×10 17 cm -3 or less and a layer thickness of 5 to 50 nm. -3 or less and a layer thickness of 50 nm to 3.0 μm, an i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 6 having a carrier concentration of 5×10 17 cm -3 or less and a layer thickness of 5 to 50 nm, an n-type InP window layer 11 having a carrier concentration of 5×10 17 cm -3 or less and a layer thickness of 0.1 to 3.0 μm, a p-type diffusion region 15 provided in the n-type InP window layer 11, a p-type InGaAs contact layer 8 provided on the p-type diffusion region 15, an n-type electrode 31 formed on the back side of the n-type InP substrate 1, and a p-type electrode 32 formed on the p-type InGaAs contact layer 8. The n-type
図11に示される実施の形態3に係る半導体受光素子120aは、基板としてFeドープ半絶縁性InP基板1aを用いる点、n型電極31aがn型InP導電層2bの表面側に形成されている点を除いては、実施の形態3に係る半導体受光素子120と同じ構成を有する。The semiconductor
実施の形態3に係る半導体受光素子120及び120aが実施の形態1に係る半導体受光素子100及び100aと異なる点は、n型InP窓層11を構成するn型InPがアンドープ(i型)または低キャリア濃度である点、及びn型InP窓層11の中にp型拡散領域15を設けている点である。半導体受光素子120及び120aのn型InP窓層11の層厚は0.1μm以上3μm以下であり、キャリア濃度は5×1017cm-3以下である。また、n型InP窓層11は、InPの代りにInAlAs、またはInP及びInAlAsの積層構造を用いても良い。
The
p型拡散領域15は、Znなどのp型ドーパントを固相または気相で部分的に選択拡散して形成されている。p型拡散領域15のキャリア濃度は5×1017cm-3以上である。p型拡散領域15の先端は、n型InP窓層11の途中までの深さ、i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6に到達する深さ、またはi型InGaAs光吸収層5に到達する深さにそれぞれ位置しても良い。なお、図10及び図11に示す素子構造では、p型拡散領域15はi型InGaAs光吸収層5に到達する深さを有している。p型拡散領域15上にp型InGaAsコンタクト層8を設けている。
The p-
Zn拡散をi型InGaAs光吸収層5の途中まで行うことで、i型InGaAs光吸収層5の一部(p型電極側)をp型層化することも可能である。p型層化部分は単一走行キャリア(UTC:Uni-traveling Carrier)構造となる。UTC構造では、i型InGaAs光吸収層5中のp型層(p型InGaAs)による光吸収で発生した電子・正孔対のうち、空乏層(i型InGaAs)には高速で移動できる電子のみが供給されるため、PDの高速応答が可能となる。ただし、i型InGaAs光吸収層5中のp型層の層厚を厚くするとp型層内で発生した電子が再結合してしまうため効率が低下する。なお、i型InGaAs光吸収層5中のp型InGaAsの部分は、上述のようにp型層化するのではなく、エピタキシャル結晶成長時に形成しても良い。
By performing Zn diffusion halfway through the i-type InGaAs
図10に示す半導体受光素子120の一例である表面入射型PDでは裏面側にn型電極31を設けている。一方、図11に示す半導体受光素子120aの一例である表面入射型PDでは、表面側にn型電極31aを設けている。つまり、半導体受光素子120aではFeドープ半絶縁性InP基板1a上にn型InP導電層2bを設けて、結晶成長後、n型InP導電層2bの上側の各半導体層を部分的に除去した後に、n型InP導電層2b上にn型電極31aを形成している。半導体受光素子120aは、Feドープ半絶縁性InP基板1aの代りに、p型InP基板またはn型InP基板を用いても良い。
In the front-illuminated PD, which is an example of the semiconductor
<実施の形態3に係る半導体受光素子(PD)の作用>
図1に示す実施の形態1に係る半導体受光素子100の一例である表面入射型PDのようなメサ型構造では、電界が印加される増倍層の側面部は外部に露出しているため劣化しやすい。特に、InAlAsデジタルアロイ構造を電子走行層とする場合は、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3を構成する各層に高歪がかかっているため、露出部分から内部側へ向かって転位欠陥及び無秩序化が発生しやすく、この結果、半導体受光素子が劣化するという不具合が発生するおそれがある。
<Function of Semiconductor Photodetector (PD) According to Third Embodiment>
In a mesa structure such as a front-illuminated PD, which is an example of the semiconductor light-receiving
この結果、実施の形態1に係る半導体受光素子100及び100aのように、InAlAsデジタルアロイ構造を薄層化した電子走行層の場合は、従来のInAlAsランダムアロイ構造と比較して側面部で発生する暗電流により、半導体受光素子としての寿命が短くなるおそれがある。As a result, in the case of an electron transit layer in which an InAlAs digital alloy structure is thinned, as in the semiconductor
一方、図10及び11に示す半導体受光素子120及び120aのようにp型拡散領域15を設ける場合は、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3において電界が印加される部分、つまりp型拡散領域15の直下の部分が結晶層の外部に露出していないため、各層が高歪となっているi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3において、劣化及び無秩序化の発生を防止できるという効果を奏する。On the other hand, when a p-
<実施の形態3の効果>
以上、実施の形態3に係る半導体受光素子によると、素子構造形成の際にp型拡散領域を形成するためにZn拡散を実施するにも関わらずInAlAsデジタルアロイ構造電子走行層の無秩序化を防止できるので、信頼性が高く、かつ広帯域で動作する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of Third Embodiment>
As described above, according to the semiconductor light-receiving element of the third embodiment, even though Zn diffusion is performed to form a p-type diffusion region during the formation of the element structure, it is possible to prevent disordering of the electron transit layer of the InAlAs digital alloy structure, and therefore it is possible to obtain a semiconductor light-receiving element that is highly reliable and operates over a wide bandwidth.
実施の形態4.
図12は、実施の形態4に係る半導体受光素子130の一例である表面入射型APDの素子構造を表す断面図である。また、図13は、実施の形態4に係る半導体受光素子130aの一例である表面入射型APDの素子構造を表す断面図である。
Fig. 12 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor
<実施の形態4に係る半導体受光素子(APD)の素子構造>
実施の形態4に係る半導体受光素子130は、n型InP基板1と、n型InP基板1上に順次形成された、キャリア濃度が1~5×1018cm-3であり層厚が0.1~1.0μmであるn型InAlAsバッファ層2aと、キャリア濃度が1×1017cm-3以下であり層厚が50~1000nmである、i型AlAs層(一例として層厚が2原子層、約0.6nm)とi型InAs層(一例として層厚が2原子層、約0.6nm)とを交互に複数回積層したデジタルアロイ構造からなるi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3と、キャリア濃度が1×1016~5×1018cm-3であり層厚が10~70nmであるn型InAlAs電界緩和層12と、キャリア濃度が1×1017cm-3以下であり層厚が50~500nmであるi型InAlAs増倍層13と、キャリア濃度が1×1016~5×1018cm-3であり層厚が10~70nmであるp型InP電界緩和層14と、キャリア濃度が1×1017cm-3以下であり層厚が50nm~3.0μmであるi型InGaAs光吸収層5と、キャリア濃度が5×1017cm-3以下であり層厚が5~50nmであるi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6と、キャリア濃度が5×1017cm-3以下であり層厚が0.1~3.0μmであるn型InP窓層11と、n型InP窓層11の中に設けられたp型拡散領域15と、p型拡散領域15上に設けられたp型InGaAsコンタクト層8と、n型InP基板1の裏面側に形成されたn型電極31と、p型InGaAsコンタクト層8上に形成されたp型電極32と、で構成される。なお、InAlAsバッファ層2aは、n型半導体層とも呼ぶ。
<Element structure of semiconductor photodetector (APD) according to the fourth embodiment>
The semiconductor
図13に示される実施の形態4に係る半導体受光素子130aは、基板としてFeドープ半絶縁性InP基板1aを用いる点、n型電極31aがn型InP導電層2bの表面側に形成されている点を除いては、実施の形態4に係る半導体受光素子130と同じ構成を有する。The semiconductor
実施の形態4に係る半導体受光素子130及び130aと、実施の形態2に係る半導体受光素子110及び110aが異なる点は、n型InP窓層11を構成するn型InPがアンドープ(i型)または低キャリア濃度である点、及びn型InP窓層11の中にp型拡散領域15を設けている点である。半導体受光素子120及び130のn型InP窓層11の層厚は0.1μm以上3μm以下であり、キャリア濃度は5×1017cm-3以下である。また、n型InP窓層11は、InPの代りにInAlAs、またはInP及びInAlAsの積層構造を用いても良い。
The
p型拡散領域15は、Znなどのp型ドーパントを固相または気相で部分的に選択拡散して形成されている。p型拡散領域15のキャリア濃度は5×1017cm-3以上である。p型拡散領域15の先端は、n型InP窓層11の途中までの深さ、i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6に到達する深さ、またはi型InGaAs光吸収層5に到達する深さにそれぞれ位置しても良い。なお、図12及び図13に示す素子構造では、p型拡散領域15はi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6に到達する深さを有している。p型拡散領域15上にp型InGaAsコンタクト層8を設けている。
The p-
図12に示す半導体受光素子130の一例である表面入射型APDでは裏面側にn型電極31を設けている。一方、図13に示す半導体受光素子130aの一例である表面入射型APDでは、表面側にn型電極31aを設けている。つまり、半導体受光素子130aではFeドープ半絶縁性InP基板1a上にn型InP導電層2bを設けて、結晶成長後、n型InP導電層2bの上側の各半導体層を部分的に除去した後に、n型InP導電層2b上にn型電極31aを形成している。半導体受光素子130aでは、Feドープ半絶縁性InP基板1aの代りに、p型InP基板またはn型InP基板を用いても良い。
In the front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor
<実施の形態4に係る半導体受光素子(APD)の作用>
図3に示される実施の形態2に係る半導体受光素子110の一例である表面入射型APDのようなメサ型構造では、電界が印加される増倍層の側面部は外部に露出しているため劣化しやすい。特に、InAlAsデジタルアロイ構造を電子走行層とする場合は、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の各層に高歪がかかっているため、露出部分から内部側へ向かって転位欠陥及び無秩序化が発生しやすく、この結果、半導体受光素子が劣化するという不具合が発生するおそれがある。
<Function of Semiconductor Photodetector (APD) According to Fourth Embodiment>
In a mesa structure such as a front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor light-receiving
この結果、実施の形態2に係る半導体受光素子110及び110aのように、InAlAsデジタルアロイ構造を薄層化した電子走行層の場合は、従来のInAlAsランダムアロイ構造と比較して側面部で発生する暗電流により、半導体受光素子としての寿命が短くなるおそれがある。As a result, in the case of an electron transit layer in which an InAlAs digital alloy structure is thinned, as in the semiconductor
一方、図12及び13に示す半導体受光素子130及び130aのようにp型拡散領域15を設ける場合は、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3において電界が印加される部分、つまりp型拡散領域15の直下の部分が結晶層の外部に露出していないため、各層が高歪となっているi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3において、劣化及び無秩序化の発生を防止できるという効果を奏する。On the other hand, when a p-
<実施の形態4の効果>
以上、実施の形態4に係る半導体受光素子によると、素子構造形成の際にp型拡散領域を形成するためにZn拡散を実施するにも関わらずInAlAsデジタルアロイ構造電子走行層の無秩序化を防止できるので、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of Fourth Embodiment>
As described above, according to the semiconductor photodetector of the fourth embodiment, even though Zn diffusion is performed to form a p-type diffusion region during device structure formation, disordering of the electron transit layer of the InAlAs digital alloy structure can be prevented, and therefore, an effect is achieved in which a semiconductor photodetector having high reliability, wideband operation, and excellent low noise characteristics can be obtained.
実施の形態4の変形例.
実施の形態4の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型APDについて、以下に説明する。
A modified example of
A front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a modification of the fourth embodiment, will be described below.
実施の形態4の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態4に係る半導体受光素子130及び130aの一例である表面入射型APDにおけるi型InAlAs増倍層13、つまりランダムアロイ構造のInAlAs増倍層を、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。The semiconductor light receiving element according to the modified example of the fourth embodiment is structurally different in that the i-type
i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子のi型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
The layer structure and thickness of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer are similar to those of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the semiconductor light receiving element according to the modified example of
<実施の形態4の変形例に係る半導体受光素子(APD)の作用>
実施の形態4の変形例に係る半導体受光素子では、p型拡散領域15を形成する際の拡散工程においてZnを拡散するために高温の熱処理を実施しても、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、例えば図9Cに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図9Bに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、製造工程においてZn拡散を実施するにも関わらず、イオン化率比kをほぼゼロに保つことが可能となる。
<Function of Semiconductor Photodetector (APD) According to Modification of Fourth Embodiment>
In the semiconductor light receiving element according to the modification of the fourth embodiment, even if a high-temperature heat treatment is performed to diffuse Zn in the diffusion step for forming the p-
<実施の形態4の変形例の効果>
以上、実施の形態4の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層をさらに有しているので、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Modification of the Fourth Embodiment>
As described above, the semiconductor photodetector according to the modified example of the fourth embodiment further has a digital alloy structure multiplication layer whose layer thickness is controlled within a preset range, and thus has the effect of providing a semiconductor photodetector that is highly reliable, operates over a wide bandwidth, and has excellent low noise characteristics.
実施の形態5.
図14は、実施の形態5に係る半導体受光素子140の一例である表面入射型APDの素子構造を表す断面図である。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving
<実施の形態5に係る半導体受光素子(APD)の素子構造>
実施の形態5に係る半導体受光素子140の一例である表面入射型APDは、実施の形態4に係る半導体受光素子130の一例である表面入射型APDの素子構造に、さらに、n型InP窓層11の中に形成したp型拡散領域15の外周部分に沿って分離溝17を設けている点に特徴がある。
<Element structure of semiconductor photodetector (APD) according to the fifth embodiment>
The front-illuminated APD, which is an example of the
分離溝17の深さは、2μm以上5μm以下の範囲内が好適である。また、分離溝17の開口幅は、0.5μm以上100μm以下の範囲内が好適である。分離溝17の底部は、少なくともi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3にまで到達している。なお、図14では、分離溝17の底部がn型InAlAsバッファ層2aの途中にまで到達している一例を示している。分離溝17の形成方法としては、ドライエッチング及びウエットエッチングのいずれでも良い。しかしながら、深さ制御に優れたドライエッチングの後に、ドライエッチングによって発生したダメージ層を除去するためにウエットエッチングを追加する方法が好適である。The depth of the
分離溝17の内部及びn型InP窓層11の表面は、SiNまたはSiO2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜18によって保護されている。表面保護膜18は、受光部の無反射コーティングも兼ねている。表面保護膜18の膜厚として、50nm以上5000nm以下の範囲内が好適である。また、表面保護膜18は、ベンゾシクロブテン(Benzocyclobutene:BCB)などの有機膜であっても良い。
The inside of the
<実施の形態5に係る半導体受光素子(APD)の作用>
電子走行層をInAlAsデジタルアロイ構造とする場合は、InAlAsデジタルアロイ構造の各層に高歪がかかっているため、外部から応力が加わるとInAlAsデジタルアロイ構造の無秩序化が発生しやすい。そこで、実施の形態5に係る半導体受光素子140のように、p型拡散領域15の外周部分に沿って分離溝17を設けることで、製造工程の過程でのウエハ全体におよぶ応力が緩和できる。また、個々の半導体受光素子140の状態になっても、分離溝17の存在によって応力が緩和されるため、半導体受光素子140の中央の受光部での応力集中が緩和できる。さらに、分離溝17ではi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3が露出するため、上述の表面保護膜18が分離溝17の表面を覆っていることが望ましい。なお、分離溝17には高電界が印加されないため、劣化の起点とはならない。
<Function of Semiconductor Photodetector (APD) According to Fifth Embodiment>
When the electron transit layer has an InAlAs digital alloy structure, each layer of the InAlAs digital alloy structure is highly strained, so that the InAlAs digital alloy structure is easily disordered when stress is applied from the outside. Therefore, as in the semiconductor
図14に示される半導体受光素子140のようにp型拡散領域15を設ける場合は、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3において電界が印加される部分、つまりp型拡散領域15の直下の部分が結晶層の外部に露出していないため、各層が高歪となっているi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3において、劣化の発生を防止できるという効果を奏する。
When a p-
さらに、半導体受光素子140の動作時も分離溝17によって応力が緩和されているため、半導体受光素子140を長期間使用しても無秩序化が発生しない。つまり、実施の形態5の半導体受光素子140では、長期間にわたって広帯域で動作し、低雑音を保持することが可能となるという高信頼性を実現できる。Furthermore, because the stress is relieved by the
<実施の形態5の効果>
以上、実施の形態5に係る半導体受光素子によると、素子構造形成の際にp型拡散領域15を形成するためZn拡散を実施するにも関わらずInAlAsデジタルアロイ構造走行層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Fifth Embodiment>
As described above, according to the semiconductor photodetector of the fifth embodiment, even though Zn diffusion is performed to form the p-
実施の形態5の変形例.
実施の形態5の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型APDについて、以下に説明する。
A modified example of
A front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a modification of the fifth embodiment, will be described below.
実施の形態5の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態5に係る半導体受光素子140の一例である表面入射型APDにおけるi型InAlAs増倍層13、つまりランダムアロイ構造のInAlAs増倍層を、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。The semiconductor light receiving element according to the modified example of the fifth embodiment is structurally different in that the i-type
i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子のi型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
The layer structure and thickness of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer are similar to those of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the semiconductor light receiving element according to the modified example of
<実施の形態5の変形例に係る半導体受光素子(APD)の作用>
実施の形態5の変形例に係る半導体受光素子では、p型拡散領域15を形成する際の拡散工程においてZnを拡散するために高温の熱処理を実施しても、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、例えば図9Cに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図9Bに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、製造工程においてZn拡散を実施するにも関わらず、イオン化率比kをほぼゼロに保つことが可能となる。
<Function of Semiconductor Photodetector (APD) According to Modification of Fifth Embodiment>
In the semiconductor light receiving element according to the modification of the fifth embodiment, even if a high-temperature heat treatment is performed to diffuse Zn in the diffusion step for forming the p-
<実施の形態5の変形例の効果>
以上、実施の形態5の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、素子構造形成の際にp型拡散領域を形成するためのZn拡散を実施するにも関わらずInAlAsデジタルアロイ電子走行層及びInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、より信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Modification of the Fifth Embodiment>
As described above, the semiconductor photodetector according to the modified example of the fifth embodiment has a digital alloy structure multiplication layer whose layer thickness is controlled within a preset range, and can prevent disordering of the InAlAs digital alloy electron transit layer and the InAlAs digital alloy structure multiplication layer despite the Zn diffusion for forming a p-type diffusion region during the formation of the device structure. Furthermore, the presence of the separation groove can relieve stress, so that a semiconductor photodetector can be obtained which is more reliable, operates over a wide bandwidth, and has excellent low noise characteristics.
実施の形態6.
図15は、実施の形態6に係る半導体受光素子140aの一例である裏面入射型APDの素子構造を表す断面図である。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the element structure of a back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving
<実施の形態6に係る半導体受光素子(APD)の素子構造>
実施の形態5に係る半導体受光素子140の一例である表面入射型APDが表面側から光を受光するのに対して、実施の形態6に係る半導体受光素子140aの一例である裏面入射型APDは、裏面側のn型電極31bの一部を除去して開口部33を設け、開口部33を覆うように形成された無反射コーティング膜35を介してn型InP基板1に光を入射する素子構造を有する点に特徴がある。つまり、p型電極32と相対するn型InP基板1の裏面に、入射光90の入射領域である無反射コーティング膜35に覆われた開口部33が設けられている。また、p型InGaAsコンタクト層8の中央部を部分的に除去し、露出したp型拡散領域15上にSiNまたはSiO2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜18を形成し、さらにp型電極32で覆うことにより、p型電極32からの光の反射率を高めている。
<Element structure of semiconductor photodetector (APD) according to the sixth embodiment>
While the front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor light-receiving
また、半導体受光素子140aのような裏面入射型APDの方が、半導体受光素子140のような表面入射型APDよりもp型拡散領域15の面積を小さく形成できるため、p型拡散時に発生する応力をさらに小さくすることが可能となるので、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の無秩序化のさらなる防止が図られる。この結果、素子構造形成の際にZn拡散を実施するにも関わらずi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の無秩序化を防止できるとともに、分離溝17によって応力をさらに小さくできるため、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
In addition, since the area of the p-
<実施の形態6の効果>
以上、実施の形態6に係る半導体受光素子によると、素子構造を裏面入射型APDとしたため、表面入射型APDよりもp型拡散領域の面積を小さく形成でき、分離溝によって応力をさらに緩和できるため、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。また、上述したように、p型電極32からの光の反射率を高めているため、i型InGaAs光吸収層5で吸収されずに透過した光は、p型電極32で反射されて再びi型InGaAs光吸収層5へ戻るため、感度が高くなる。この結果、i型InGaAs光吸収層5を薄くできるため、電子及び正孔の走行時間を短縮でき、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3と組み合わせることにより、さらなる広帯域化が可能な半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of Sixth Embodiment>
As described above, according to the semiconductor light receiving element of the sixth embodiment, since the element structure is a back-illuminated APD, the area of the p-type diffusion region can be made smaller than that of a front-illuminated APD, and the stress can be further alleviated by the separation groove, so that a semiconductor light receiving element having high reliability, wideband operation, and excellent low noise characteristics can be obtained. Also, as described above, since the reflectance of light from the p-
実施の形態6の変形例.
実施の形態6の変形例に係る半導体受光素子の一例である裏面入射型APDについて、以下に説明する。
A modified example of
A back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a modification of the sixth embodiment, will be described below.
実施の形態6の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態6に係る半導体受光素子140の一例である裏面入射型APDにおけるi型InAlAs増倍層13、つまりランダムアロイ構造のInAlAs増倍層を、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。The semiconductor light receiving element according to the modified example of the sixth embodiment is structurally different in that the i-type
i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子のi型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
The layer structure and thickness of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer are similar to those of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the semiconductor light receiving element according to the modified example of
<実施の形態6の変形例に係る半導体受光素子(APD)の作用>
実施の形態6の変形例に係る半導体受光素子の一例である裏面入射型APDは、実施の形態5の変形例に係る半導体受光素子と同様、p型拡散領域15を形成する際の拡散工程においてZnを拡散するために高温の熱処理を実施しても、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、例えば図9Cに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図9Bに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。
<Function of Semiconductor Photodetector (APD) According to Modification of Sixth Preferred Embodiment>
In the back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor photodetector according to the modification of the sixth embodiment, like the semiconductor photodetector according to the modification of the fifth embodiment, even if a high-temperature heat treatment is performed to diffuse Zn in the diffusion step for forming the p-
<実施の形態6の変形例の効果>
以上、実施の形態6の変形例に係る半導体受光素子によると、素子構造を裏面入射型APDとしたため表面入射型APDよりもp型拡散領域の面積を小さく形成でき、また、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、素子構造形成の際にp型拡散領域を形成するためのZn拡散を実施するにも関わらずInAlAsデジタルアロイ電子走行層及びInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、より信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Modification of the Sixth Embodiment>
As described above, according to the semiconductor photodetector according to the modification of the sixth embodiment, since the device structure is a back-illuminated APD, the area of the p-type diffusion region can be made smaller than that of a front-illuminated APD, and the device has a digital alloy structure multiplication layer whose layer thickness is controlled within a preset range. Even though Zn diffusion is performed to form the p-type diffusion region when the device structure is formed, disordering of the InAlAs digital alloy electron transit layer and the InAlAs digital alloy structure multiplication layer can be prevented, and further, stress can be alleviated by the presence of the separation groove. Therefore, a semiconductor photodetector having higher reliability, wider bandwidth operation, and excellent low noise characteristics can be obtained.
実施の形態7.
図16は、実施の形態7に係る半導体受光素子150の一例である表面入射型PDの素子構造を表す断面図である。また、図17は、実施の形態7に係る半導体受光素子150aの一例である表面入射型PDの素子構造を表す断面図である。
Fig. 16 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated PD which is an example of the semiconductor
<実施の形態7に係る半導体受光素子(PD)の素子構造>
実施の形態7に係る半導体受光素子150は、n型InP基板1からi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6までの構成は、実施の形態1に係る半導体受光素子100と同一であるので、説明を省略する。
<Element structure of semiconductor photodetector (PD) according to seventh embodiment>
The semiconductor
図16に示される実施の形態7に係る半導体受光素子150は、n型InP基板1からi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6までの構成と、層厚が0.1~3.0μmであるn型InP窓層11と、p型InAlAs導電層25と、p型InGaAsコンタクト層8と、n型InP基板1の裏面側に形成されたn型電極31と、p型InGaAsコンタクト層8上に形成されたp型電極32と、で構成される。The
図17に示される実施の形態7に係る半導体受光素子150aは、基板としてFeドープ半絶縁性InP基板1aを用いる点、n型電極31aがn型InP導電層2bの表面側に形成されている点を除いては、実施の形態7に係る半導体受光素子150と同じ構成を有する。The semiconductor
実施の形態7に係る半導体受光素子150、150aが実施の形態1に係る半導体受光素子100と異なる点は、半導体受光素子150、150aではn型InP窓層11上に形成されたp型InAlAs導電層25をメサ型に形成し、p型InAlAs導電層25上にp型InGaAsコンタクト層8及びp型電極32を設けた点にある。n型InP窓層11は50nm以上の層厚があれば良いが、キャリアの走行時間を長くしないためには200nm以下の層厚が望ましい。また、n型InP窓層11の導電型は、n型の代りにアンドープでも良い。n型の場合のキャリア濃度は、5.0×1017cm-3以下が望ましい。
The semiconductor
実施の形態7に係る半導体受光素子150、150aの製造方法として、n型InP窓層11上にp型InAlAs導電層25をMOVPEまたはMBEなどにより結晶成長し、さらに、p型InGaAsコンタクト層8を結晶成長した後に、受光部の部分を残して、p型InAlAs導電層25を除去する点が特徴的である。The method of manufacturing the semiconductor
p型InAlAs導電層25の層厚は、100nm以上3000nm以下が望ましい。p型InAlAs導電層25のキャリア濃度は、素子抵抗を低減するために高キャリア濃度、つまり5.0×1017cm-3以上であることが望ましい。p型InAlAs導電層25は、p型InAlAsの代りに、p型InP、p型InGaAs、p型InGaAsP、またはp型InAlGaAsの積層構造などでも良い。
The thickness of the p-type InAlAs
また、図16に示す半導体受光素子150が裏面側にn型電極31が設けられているのに対して、図17に示す半導体受光素子150aでは表面側にn型電極31aを設けている。つまり、半導体受光素子150aでは、Feドープ半絶縁性InP基板1a上にn型InP導電層2bを設けて、結晶成長後、n型InP導電層2bの上側の各層を部分的に除去した後に、n型InP導電層2b上にn型電極31aを形成している。Feドープ半絶縁性InP基板1aの代りに、p型InP基板、n型InP基板を用いても良い。
Also, while the semiconductor
<実施の形態7に係る半導体受光素子(PD)の作用>
実施の形態7に係る半導体受光素子150、150aの作用について、以下に説明する。
電圧を印加するp型InAlAs導電層25を形成する際は、図10に示す実施の形態3に係る半導体受光素子120に比べて、400℃以上の高温となる熱処理をともなうp型拡散工程を経ないことから、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の無秩序化を防止できる。このため、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3内においてキャリアの走行速度を高く保つことが可能となる。一方、実施の形態3と同様に、高電界が印加される受光部直下の光吸収層領域は素子の側面部から離れているため、半導体受光素子として高い信頼性が得られる。したがって、半導体受光素子の高感度と高信頼性の両立が可能となる。すなわち、信頼性に優れた半導体受光素子、つまりPDが得られる。
<Function of Semiconductor Photodetector (PD) According to Seventh Embodiment>
The operation of the semiconductor
When forming the p-type InAlAs
<実施の形態7の効果>
以上、実施の形態7に係る半導体受光素子によると、実施の形態3に係る半導体受光素子と同様、電子走行層は素子の側面部から離れているため、高い信頼性が得られるので、信頼性が高く、広帯域で動作する半導体受光素子が得られる。
<Effects of the Seventh Embodiment>
As described above, according to the semiconductor photodetector of the seventh embodiment, as in the semiconductor photodetector of the third embodiment, the electron transit layer is separated from the side portion of the element, and therefore high reliability can be obtained, and therefore a semiconductor photodetector that is highly reliable and operates over a wide bandwidth can be obtained.
実施の形態8.
図18は、実施の形態8に係る半導体受光素子160の一例である表面入射型APDの素子構造を表す断面図である。また、図19は、実施の形態8に係る半導体受光素子160aの一例である表面入射型APDの素子構造を表す断面図である。
Fig. 18 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor
<実施の形態8に係る半導体受光素子(APD)の素子構造>
実施の形態8に係る半導体受光素子160は、n型InP基板1からi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6までの構成は、実施の形態2に係る半導体受光素子110と同一であるので、説明を省略する。
<Element structure of semiconductor photodetector (APD) according to
The semiconductor
図18に示される実施の形態8に係る半導体受光素子160は、n型InP基板1からi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6までの構成と、層厚が0.1~3.0μmであるn型InP窓層11と、p型InAlAs導電層25と、p型InGaAsコンタクト層8と、n型InP基板1の裏面側に形成されたn型電極31と、p型InGaAsコンタクト層8上に形成されたp型電極32と、で構成される。The
図19に示される実施の形態8に係る半導体受光素子160aは、基板としてFeドープ半絶縁性InP基板1aを用いる点、n型電極31aがn型InP導電層2bの表面側に形成されている点を除いては、実施の形態8に係る半導体受光素子160と同じ構成を有する。The semiconductor
実施の形態8に係る半導体受光素子160、160aが実施の形態2に係る半導体受光素子110と異なる点は、半導体受光素子160、160aではn型InP窓層11上に形成されたp型InAlAs導電層25をメサ型に形成し、p型InAlAs導電層25上にp型InGaAsコンタクト層8及びp型電極32を設けた点にある。n型InP窓層11は50nm以上の層厚があれば良いが、キャリアの走行時間を長くしないためには200nm以下の層厚が望ましい。また、n型InP窓層11の導電型は、n型の代りにアンドープでも良い。n型の場合のキャリア濃度は、5.0×1017cm-3以下が望ましい。
The semiconductor
実施の形態8に係る半導体受光素子160、160aの製造方法として、n型InP窓層11上にp型InAlAs導電層25をMOVPEまたはMBEなどにより結晶成長し、さらに、p型InGaAsコンタクト層8を結晶成長した後に、受光部の部分を残して、p型InAlAs導電層25を除去する点が特徴的である。The method of manufacturing the semiconductor
p型InAlAs導電層25の層厚は、100nm以上3000nm以下が望ましい。p型InAlAs導電層25のキャリア濃度は、素子抵抗を低減するために高キャリア濃度、つまり5.0×1017cm-3以上であることが望ましい。p型InAlAs導電層25は、p型InAlAsの代りに、p型InP、p型InGaAs、p型InGaAsP、またはp型InAlGaAsの積層構造などでも良い。
The thickness of the p-type InAlAs
また、図18に示す半導体受光素子160が裏面側にn型電極31が設けられているのに対して、図19に示す半導体受光素子160aでは表面側にn型電極31aを設けている。つまり、半導体受光素子160aでは、Feドープ半絶縁性InP基板1a上にn型InP導電層2bを設けて、結晶成長後、n型InP導電層2bの上側の各層を部分的に除去した後に、n型InP導電層2b上にn型電極31aを形成している。Feドープ半絶縁性InP基板1aの代りに、p型InP基板、n型InP基板を用いても良い。
Also, while the semiconductor
<実施の形態8に係る半導体受光素子(APD)の作用>
実施の形態8に係る半導体受光素子160、160aの作用について、以下に説明する。
電圧を印加するp型InAlAs導電層25を形成する際は、図12に示す実施の形態4に係る半導体受光素子130に比べて、400℃以上の高温となる熱処理をともなうp型拡散工程を経ないことから、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の無秩序化を防止できる。このため、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3内においてキャリアの走行速度を高く保つことが可能となる。一方、実施の形態4と同様に、高電界が印加される受光部直下の光吸収層領域は素子の側面部から離れているため、半導体受光素子として高い信頼性が得られる。したがって、半導体受光素子の高感度と高信頼性の両立が可能となる。すなわち、信頼性に優れた半導体受光素子、つまりAPDが得られる。
<Function of Semiconductor Photodetector (APD) According to Eighth Embodiment>
The operation of the semiconductor
When forming the p-type InAlAs
<実施の形態8の効果>
以上、実施の形態8に係る半導体受光素子によると、実施の形態4に係る半導体受光素子と同様、電子走行層は素子の側面部から離れているため、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Eighth Embodiment>
As described above, according to the semiconductor photodetector of the eighth embodiment, like the semiconductor photodetector of the fourth embodiment, the electron transit layer is separated from the side portion of the element, and therefore, an effect is achieved in that a semiconductor photodetector having high reliability, wideband operation, and excellent low noise characteristics is obtained.
実施の形態8の変形例.
実施の形態8の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型APDについて、以下に説明する。
A modified example of
A front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a modification of the eighth embodiment, will be described below.
実施の形態8の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態8に係る半導体受光素子160、160aの一例である表面入射型APDにおけるi型InAlAs増倍層13、つまりランダムアロイ構造のInAlAs増倍層を、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。The semiconductor light receiving element according to the modified example of the eighth embodiment is structurally different in that the i-type
i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子のi型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
The layer structure and thickness of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer are similar to those of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the semiconductor light receiving element according to the modified example of
<実施の形態8の変形例に係る半導体受光素子(APD)の作用>
実施の形態8の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型APDは、実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子と同様に、例えば図9Cに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図9Bに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。
<Function of Semiconductor Photodetector (APD) According to Modification of Eighth Embodiment>
A front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a modified example of
<実施の形態8の変形例の効果>
以上、実施の形態8の変形例に係る半導体受光素子によると、また、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有するので、より信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Modification of the Eighth Embodiment>
As described above, the semiconductor photodetector according to the modified example of the eighth embodiment has a digital alloy structure multiplication layer whose layer thickness is controlled within a preset range, and therefore has the effect of providing a semiconductor photodetector which is more reliable, operates over a wide bandwidth, and has excellent low noise characteristics.
実施の形態9.
図20は、実施の形態9に係る半導体受光素子170の一例である表面入射型APDの素子構造を表す断面図である。
FIG. 20 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving
<実施の形態9に係る半導体受光素子(APD)の素子構造>
実施の形態9に係る半導体受光素子170の一例である表面入射型APDは、実施の形態8に係る半導体受光素子160の一例である表面入射型APDの素子構造に、さらに、p型InAlAs導電層25の外周部分に沿って分離溝17を設けている点に特徴がある。
<Element structure of semiconductor photodetector (APD) according to the ninth embodiment>
The front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor light-receiving
分離溝17の深さは、2μm以上5μm以下の範囲内が好適である。また、分離溝17の開口幅は、0.5μm以上100μm以下の範囲内が好適である。分離溝17の底部は、少なくともi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3にまで到達している。なお、図20では、分離溝17の底部がn型InAlAsバッファ層2aの途中にまで到達している一例を示している。分離溝17の形成方法としては、ドライエッチング及びウエットエッチングのいずれでも良い。しかしながら、深さ制御に優れたドライエッチングの後に、ドライエッチングによって発生したダメージ層を除去するためにウエットエッチングを追加する方法が好適である。The depth of the
分離溝17の内部及びn型InP窓層11の表面は、SiNまたはSiO2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜18によって保護されている。表面保護膜18は、受光部の無反射コーティングも兼ねている。表面保護膜18の膜厚として、50nm以上5000nm以下の範囲内が好適である。また、表面保護膜18は、BCBなどの有機膜であっても良い。
The inside of the
<実施の形態9に係る半導体受光素子(APD)の作用>
InAlAsデジタルアロイ構造を電子走行層とする場合は、InAlAsデジタルアロイ構造の各層に高歪がかかっているため、外部から応力が加わると無秩序化が発生しやすい。そこで、実施の形態9に係る半導体受光素子170のように、p型InAlAs導電層25の外周に沿って分離溝17を設けることで、製造工程の過程でのウエハ全体におよぶ応力が緩和できる。また、個々の半導体受光素子170の状態になっても、分離溝17の存在によって応力が緩和されるため、半導体受光素子170の中央の受光部での応力集中が緩和できる。また、分離溝17ではi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3が露出するため、上述の表面保護膜18が分離溝17の表面を覆っていることが望ましい。なお、分離溝17には高電界が印加されないため、劣化の起点とはならない。
<Function of Semiconductor Photodetector (APD) According to Ninth Embodiment>
When the InAlAs digital alloy structure is used as the electron transit layer, each layer of the InAlAs digital alloy structure is highly strained, so that when stress is applied from the outside, disordering is likely to occur. Therefore, as in the semiconductor
<実施の形態9の効果>
以上、実施の形態9に係る半導体受光素子によると、分離溝によって製造工程の熱処理などによる応力を緩和できるため、デジタルアロイ構造電子走行層の無秩序化を防止できるので、イオン化率比kをほぼゼロに保持することが可能となるとともに、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the 9th embodiment>
As described above, according to the semiconductor photodetector of the ninth embodiment, the separation groove can relieve stress due to heat treatment and the like in the manufacturing process, and disordering of the digital alloy structure electron transit layer can be prevented. This makes it possible to maintain the ionization rate ratio k at approximately zero, and provides the effect of providing a semiconductor photodetector that is highly reliable, operates over a wide bandwidth, and has excellent low noise characteristics.
実施の形態9の変形例.
実施の形態9の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型APDについて、以下に説明する。
A modified example of
A front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a modification of the ninth embodiment, will be described below.
実施の形態9の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態9に係る半導体受光素子170の一例である表面入射型APDにおけるi型InAlAs増倍層13、つまりランダムアロイ構造のInAlAs増倍層を、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。The semiconductor light receiving element according to the modified example of the ninth embodiment is structurally different in that the i-type
i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子のi型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
The layer structure and thickness of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer are similar to those of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the semiconductor light receiving element according to the modified example of
<実施の形態9の変形例に係る半導体受光素子(APD)の作用>
実施の形態9の変形例に係る半導体受光素子では、p型拡散領域15を形成する必要が無い、つまりp型拡散領域15の形成にZn拡散を実施するのに必要な高温の熱処理が無いため、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、例えば図9Cに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図9Bに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、イオン化率比kをほぼゼロに保つことが可能となる。
<Function of Semiconductor Photodetector (APD) According to Modification of Ninth Embodiment>
In the semiconductor light receiving element according to the modification of the ninth embodiment, it is not necessary to form the p-
<実施の形態9の変形例の効果>
以上、実施の形態9の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、また、高温の熱処理が必要ないのでInAlAsデジタルアロイ電子走行層及びInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、より信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Modification of the Ninth Embodiment>
As described above, the semiconductor photodetector according to the modified example of the ninth embodiment has a digital alloy structure multiplication layer whose layer thickness is controlled within a preset range, and since high-temperature heat treatment is not required, disordering of the InAlAs digital alloy electron transit layer and the InAlAs digital alloy structure multiplication layer can be prevented. Furthermore, the presence of the separation groove can relieve stress, so that an advantageous effect is achieved in that a semiconductor photodetector can be obtained which is more reliable, operates over a wide bandwidth, and has excellent low-noise characteristics.
実施の形態10.
図21は、実施の形態10に係る半導体受光素子170aの一例である裏面入射型APDの素子構造を表す断面図である。
FIG. 21 is a cross-sectional view showing the element structure of a back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving
<実施の形態10に係る半導体受光素子(APD)の素子構造>
実施の形態9に係る半導体受光素子170の一例である表面入射型APDが図20に示すように表面側から光を受光するのに対して、実施の形態10に係る半導体受光素子170aの一例である裏面入射型APDは、図21に示すように、裏面側のn型電極31bの一部を除去して開口部33を設け、開口部33を覆うように形成された無反射コーティング膜35を介してn型InP基板1に光を入射する素子構造を有する点に特徴がある。つまり、p型電極32と相対するn型InP基板1の裏面に、入射光90の入射領域である無反射コーティング膜35に覆われた開口部33が設けられている。また、p型InGaAsコンタクト層8の中央部を部分的に除去し、露出したp型InAlAs導電層25上にSiNまたはSiO2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜18を形成し、さらにp型電極32で覆うことにより、p型電極32からの光の反射率を高めている。
<Element structure of semiconductor photodetector (APD) according to the tenth embodiment>
While the front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor light-receiving
実施の形態10に係る半導体受光素子170aの一例である裏面入射型APDは、実施の形態9に係る半導体受光素子170と同様、分離溝によって製造工程の熱処理などによる応力を緩和できるため、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できる。
The back-illuminated APD, which is an example of the
また、半導体受光素子170aのような裏面入射型APDの方が表面入射型APDよりもp型InAlAs導電層25の面積を小さく形成できるため、製造工程の熱処理などによる応力をさらに小さくすることが可能となるので、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の無秩序化のさらなる防止が図られる。この結果、素子構造形成の際に熱処理工程を実施するにも関わらずi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の無秩序化を防止できるので、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。また、上述したように、p型電極32からの光の反射率を高めているため、i型InGaAs光吸収層5で吸収されずに透過した光は、p型電極32で反射されて再びi型InGaAs光吸収層5へ戻ることで、感度が高くなる。この結果、i型InGaAs光吸収層5を薄くできるため、電子及び正孔の走行時間を短縮でき、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3と組み合わせることにより、さらなる広帯域化が可能な半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
In addition, since the area of the p-type InAlAs
また、半導体受光素子170aのような裏面入射型APDではメサ型に形成されたp型InAlAs導電層25の面積を表面入射型APDの場合よりも縮小できることから、p型InAlAs導電層25のメサ部分からの応力の影響が小さくなるため、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の無秩序化が発生しない。また、半導体受光素子170aの動作時も応力が緩和されているため、長期間を経てもi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3の無秩序化が発生しない。つまり、実施の形態10に係る半導体受光素子170aは、長期間にわたって広帯域で動作し、低雑音を保持することが可能となる。
In addition, in a back-illuminated APD such as the semiconductor
<実施の形態10の効果>
以上、実施の形態10に係る半導体受光素子によると、p型導電層の面積を小さく形成できるため、熱処理工程で発生する応力をさらに小さくすることが可能となるので、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層の無秩序化のさらなる防止が図られ、分離溝によって応力をさらに小さくできるため、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Tenth Embodiment>
As described above, in the semiconductor light-receiving element of the tenth embodiment, the area of the p-type conductive layer can be made small, and therefore the stress generated in the heat treatment process can be further reduced, thereby further preventing disordering of the i-type InAlAs digital alloy structure electron transit layer. In addition, the separation groove can further reduce the stress, resulting in an advantageous effect of providing a semiconductor light-receiving element that is highly reliable, operates over a wide bandwidth, and has excellent low-noise characteristics.
実施の形態10の変形例.
実施の形態10の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型APDについて、以下に説明する。
A modified example of
A front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a modification of the tenth embodiment, will be described below.
実施の形態10の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態10に係る半導体受光素子170aの一例である表面入射型APDにおけるi型InAlAs増倍層13、つまりランダムアロイ構造のInAlAs増倍層を、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。The semiconductor light receiving element according to the modified example of the tenth embodiment is structurally different in that the i-type
i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子のi型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。The layer structure and thickness of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer are similar to those of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the semiconductor light receiving element according to the modified example of
<実施の形態10の変形例に係る半導体受光素子(APD)の作用>
実施の形態10の変形例に係る半導体受光素子では、p型拡散領域15を形成する必要が無い、つまりp型拡散領域15の形成にZn拡散を実施するのに必要な高温の熱処理が無いため、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、例えば図9Cに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図9Bに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、イオン化率比kをほぼゼロに保つことが可能となる。
<Function of Semiconductor Photodetector (APD) According to Modification of Tenth Embodiment>
In the semiconductor light receiving element according to the modification of the tenth embodiment, it is not necessary to form the p-
<実施の形態10の変形例の効果>
以上、実施の形態10の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、また、高温の熱処理が必要ないのでInAlAsデジタルアロイ電子走行層及びInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、より信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Modification of the Tenth Embodiment>
As described above, the semiconductor photodetector according to the modified example of the tenth embodiment has a digital alloy structure multiplication layer whose layer thickness is controlled within a preset range, and since high-temperature heat treatment is not required, disordering of the InAlAs digital alloy electron transit layer and the InAlAs digital alloy structure multiplication layer can be prevented. Furthermore, the presence of the separation groove can relieve stress, so that an advantageous effect is achieved in that a semiconductor photodetector can be obtained which is more reliable, operates over a wide bandwidth, and has excellent low-noise characteristics.
実施の形態11.
図22は、実施の形態11に係る半導体受光素子180の一例である裏面入射型APDの素子構造を表す断面図である。
22 is a cross-sectional view showing the element structure of a back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving
<実施の形態11に係る半導体受光素子(APD)の素子構造>
実施の形態11に係る半導体受光素子180は、Feドープ半絶縁性InP基板1aと、Feドープ半絶縁性InP基板1a上に順次形成された、キャリア濃度が1~5×1018cm-3であり層厚が0.1~1μmであるp型InAlGaAsコンタクト層40と、キャリア濃度が1~5×1018cm-3であり層厚が0.1~1μmであるp型InP導電層41と、p型または低キャリア濃度(5×1017cm-3以下)のn型またはi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層42と、キャリア濃度が5×1017cm-3以下であり層厚が0.1~2.0μmであるi型InGaAs光吸収層43と、キャリア濃度が1×1017cm-3~5×1018cm-3であり層厚が10~100nmであるp型InP電界緩和層44と、i型InAlAs増倍層45と、層厚が10~50nmであるn型InAlAs電界調整層46と、キャリア濃度が1×1017cm-3以下であり層厚が50~1000nmである、i型AlAs層(一例として層厚が2原子層、約0.6nm)とi型InAs層(一例として層厚が2原子層、約0.6nm)とを交互に複数回積層したデジタルアロイ構造からなるi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47と、キャリア濃度が1×1016~5×1018cm-3であり層厚が0.1~2μmであるn型InAlAs電界調整層48と、キャリア濃度が5×1017~8×1018cm-3であり層厚が0.1~2μmであるn型InAlAs導電層49と、キャリア濃度が5×1017~8×1018cm-3であり層厚が0.1~2μmであるn型InGaAsコンタクト層50と、n型InGaAsコンタクト層50上に形成されたn型電極51と、p型InAlGaAsコンタクト層40上に形成されたp型電極52と、Feドープ半絶縁性InP基板1aの裏面側に形成された金属膜53と、金属膜53の開口部33に設けられた無反射コーティング膜35と、で構成される。なお、p型InAlGaAsコンタクト層40及びp型InP導電層41は、p型半導体層とも呼ぶ。また、n型InGaAsコンタクト層50の中央部を部分的に除去し、露出したn型InAlAs導電層49上にSiNまたはSiO2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜18を形成し、さらにn型電極51で覆うことにより、n型電極51からの光の反射率を高めている。
<Element structure of semiconductor photodetector (APD) according to
The semiconductor light receiving element 180 according to the eleventh embodiment comprises an Fe-doped semi-insulating InP substrate 1a, and, successively formed on the Fe-doped semi-insulating InP substrate 1a, a p-type InAlGaAs contact layer 40 having a carrier concentration of 1 to 5× 10 cm −3 and a layer thickness of 0.1 to 1 μm, a p-type InP conductive layer 41 having a carrier concentration of 1 to 5× 10 cm −3 and a layer thickness of 0.1 to 1 μm, a p-type or low carrier concentration (5×10 17 cm −3 or less) n-type or i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 42, an i-type InGaAs light absorption layer 43 having a carrier concentration of 5×10 17 cm −3 or less and a layer thickness of 0.1 to 2.0 μm, and an n-type InAlGaAs/InAlAs layer 44 having a carrier concentration of 1×10 17 cm −3 to 5×10 18 cm a p-type InP electric field relaxation layer 44 having a thickness of 10 to 100 nm, an i-type InAlAs multiplication layer 45, an n-type InAlAs electric field adjustment layer 46 having a thickness of 10 to 50 nm, an i -type InAlAs digital alloy structure electron transit layer 47 having a carrier concentration of 1×10 17 cm -3 or less and a thickness of 50 to 1000 nm, the i-type AlAs layer (e.g., a thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) and an i-type InAs layer (e.g., a thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) being alternately laminated a plurality of times, the n-type InAlAs electric field adjustment layer 48 having a carrier concentration of 1×10 16 to 5×10 18 cm -3 and a thickness of 0.1 to 2 μm, and an n-type InAlAs field adjustment layer 49 having a carrier concentration of 1×10 16 to 5×10 18 cm -3 and a thickness of 0.1 to 2 μm. -3 and a thickness of 0.1 to 2 μm, an n-type InGaAs contact layer 50 having a carrier concentration of 5×10 17 to 8×10 18 cm -3 and a thickness of 0.1 to 2 μm, an n-type electrode 51 formed on the n-type InGaAs contact layer 50, a p-type electrode 52 formed on the p-type InAlGaAs contact layer 40, a metal film 53 formed on the back surface side of the Fe-doped semi-insulating InP substrate 1a, and an anti-reflective coating film 35 provided in an opening 33 of the metal film 53. The p-type
<実施の形態11に係る半導体受光素子(APD)の製造方法>
実施の形態11に係る半導体受光素子180の製造方法を、以下に説明する。
MOVPE法あるいはMBE法を用いて、Feドープ半絶縁性InP基板1a上に、キャリア濃度が1~5×1018cm-3であるp型InAlGaAsコンタクト層40を0.1~1μmの層厚で結晶成長する。ここで、Feドープ半絶縁性InP基板1aの代りに、n型InP基板を用いても良い。また、p型InAlGaAsコンタクト層40は、p型InAlGaAsの代りに、p型InP、p型InGaAsP、またはp型InGaAsでも良い。
<Method of Manufacturing Semiconductor Photodiode (APD) According to Eleventh Embodiment>
A method for manufacturing the semiconductor
Using MOVPE or MBE, a p-type
p型InAlGaAsコンタクト層40上に、キャリア濃度が1~5×1018cm-3であるp型InP導電層41を0.1~1μmの層厚で結晶成長する。ここで、p型InP導電層41は、p型InPの代りに、p型InGaAsPまたはp型InAlGaAsでも良い。
A p-type InP
次に、p型InP導電層41の上に正孔に対する障壁の小さいi型、n型またはp型のInAlAs層を設けても良い。さらに、p型または低キャリア濃度(5×1017cm-3以下)のn型またはi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層42を結晶成長した後、i型InGaAs光吸収層43を0.1~2μmの層厚で結晶成長する。また、i型InGaAs光吸収層43は、i型の代りに低キャリア濃度(5×1017cm-3以下)のn型またはp型でも良い。ここで、p型InP導電層41とn型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層42のいずれか一方、もしくは両方は必ずしも必要ではない。
Next, an i-type, n-type or p-type InAlAs layer with a small barrier against holes may be provided on the p-type InP
次に、キャリア濃度が1×1017~5×1018cm-3であるp型InP電界緩和層44を10~100nmの層厚で結晶成長する。p型InP電界緩和層44のp型ドーパントとしてはBe、Zn、Cなどが挙げられる。p型InP電界緩和層44は必ずしもp型InPとする必要がなく、p型InAlAsまたはp型InAlAsデジタルアロイ構造でも良い。
Next, the p-type InP electric
また、i型InGaAs光吸収層43とp型InP電界緩和層44との間に、InAlGaAsまたはInGaAsPなど、中間のバンドギャップ値となる10~100nmの層厚のInAlGaAs/InAlAsグレーディッド層を設けても良い。
In addition, an InAlGaAs/InAlAs graded layer having a thickness of 10 to 100 nm, such as InAlGaAs or InGaAsP, which has an intermediate band gap value, may be provided between the i-type InGaAs
p型InP電界緩和層44上に、増倍層として、i型InAlAs増倍層45及びn型InAlAs電界調整層46を結晶成長する。n型InAlAs電界調整層46は、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47に電界が印加されすぎて電子の走行速度が飽和したり、電子が増倍したりしないようにするために設ける。An i-type
n型InAlAs電界調整層46上に、電子走行層として、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47を結晶成長する。i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47は、Feドープ半絶縁性InP基板1a側からAlAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)とInAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)の順番で交互に積層した半導体層で構成される。i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47を、InAs層、AlAs層の順で形成しても良い。
On the n-type InAlAs
i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47の各層の原子層数は、2原子層以上4原子層以下が好適であるが、2原子層が最適である。この理由は、各層の原子層厚が薄いほどデジタルアロイ構造によるイオン化率比kの低減効果が大きくなるためである。The number of atomic layers of each layer of the i-type InAlAs digital alloy structure
i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47の層厚は50nm~1000nmの範囲内である。例えば、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47の層厚を500nmとすると、AlAs層(2原子層)/InAs層(2原子層)の繰り返しは417回となる。図8から200nm以下の層厚で顕著にデッドスペース効果が顕在化するため、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47の層厚として、50nm~200nmの範囲が最も好適である。また、400nm以下の層厚であれば、50%以上の層厚である200nmの距離では電子の走行速度が速いため、50nm~400nmの層厚の範囲でも大きなデッドスペース効果が得られる。The thickness of the i-type InAlAs digital alloy structure
InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47の導電型としてi型が挙げられ、キャリア濃度が1×1017cm-3以下が挙げられる。しかしながら、キャリア濃度が5×1018cm-3以下であるp型またはn型であっても良い。
The InAlAs digital alloy structure
次に、n型InAlAs電界調整層48を0.1~2μmの層厚で結晶成長する。ここで、n型InAlAs電界調整層48は窓層としての機能も兼ねるが、必ずしも必要ではない。n型InAlAs電界調整層48は最表面の電界を調整する層として、キャリア濃度が1×1016~5×1018cm-3の範囲が好適である。最表面の電界を弱めることで局所ブレークダウンを抑制し信頼性を向上させる効果を奏する。
Next, the n-type InAlAs
n型InAlAs電界調整層48上に、n型導電層としてn型InAlAs導電層49を結晶成長し、n型コンタクト層としてn型InGaAsコンタクト層50を結晶成長する。n型InAlAs導電層49とn型InGaAsコンタクト層50の層厚はそれぞれ0.1~2μm、キャリア濃度はそれぞれ5×1017cm-3~8×1018cm-3である。
An n-type InAlAs
n型InGaAsコンタクト層50の結晶成長後に、n型InAlAs導電層49及びn型InGaAsコンタクト層50をメサ状にエッチングすることにより、第1メサを形成する。その後、第1メサの外側に第1メサを含むように、p型InAlGaAsコンタクト層40に達するようにエッチングして、第2メサを形成する。第2メサはp型InAlGaAsコンタクト層40に達していなくても、i型InGaAs光吸収層43が電気的に分離できれば良い。第1メサと第2メサとの間隔は、1μm以上離れていることが好適である。また、第2メサを先に形成した後に、第1メサを形成しても良い。After the crystal growth of the n-type
p型電極52はp型InAlGaAsコンタクト層40上に形成し、n型電極51はn型InGaAsコンタクト層50上に形成する。なお、n型半導体の場合、オーミック抵抗がp型半導体よりも1桁小さいため、バンドギャップの小さいn型InGaAsコンタクト層50を必ずしも用いる必要がなく、n型InP、n型InGaAlAsまたはn型InGsAsPを用いても良い。あるいは、n型InAlAs導電層49に直接コンタクトを取っても良い。
以上の各工程を経て、実施の形態11に係る半導体受光素子180が完成する。
The p-
Through the above steps, the semiconductor
<実施の形態11に係る半導体受光素子(APD)の作用及び効果>
実施の形態11に係る半導体受光素子180は、実施の形態10に係る半導体受光素子170aにおいてn型をp型に、p型をn型にそれぞれ導電型を反転させ、上面側の導電型をn型とした点に特徴がある。
<Functions and Effects of Semiconductor Photodetector (APD) According to Eleventh Embodiment>
The semiconductor
実施の形態11に係る半導体受光素子180の第1の作用及び効果を、以下に説明する。
i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47は、エピタキシャル結晶成長中に高温で長時間保持すると無秩序化して、InAlAsランダムアロイ構造となってしまうおそれがある。実施の形態11に係る半導体受光素子180では、実施の形態10に係る半導体受光素子170aと比べて、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47の上側の半導体各層の層厚の合計が約3分の1と薄い。つまり、実施の形態11に係る半導体受光素子180において、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、実施の形態7に係る半導体受光素子190と比べて約3分の1と短いため、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47の無秩序化が発生しにくい。
A first function and effect of the semiconductor
If the i-type InAlAs digital alloy structure
実施の形態11に係る半導体受光素子180の第2の作用及び効果を、以下に説明する。
半導体受光素子の上側の電極、つまり表面側の電極は、図21に示す裏面入射型APDではp型電極32、図22に示す裏面入射型APDではn型電極51である。高速化のためには表面側の電極の電極面積をより縮小して電気容量を低減する必要がある。しかしながら、上側の電極の電極面積を縮小すると、電極と半導体層との間のコンタクト抵抗が上昇するため、RC時定数が増加して応答帯域が狭くなるという問題が発生する。
A second function and effect of the semiconductor
The upper electrode of the semiconductor light receiving element, that is, the electrode on the front side, is a p-
実施の形態11に係る半導体受光素子180では、上側の電極、つまりn型電極51はn型半導体とコンタクトするため、p型電極とp型半導体とのコンタクトに比べてオーミック抵抗が10分の1に低減される。このため、n型電極51の面積を小さくできるので、電極からの応力が減少しi型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47において無秩序化が発生しにくくなるという効果を奏する。なお、上述の説明では、実施の形態11に係る半導体受光素子180の一例としてAPDの場合を説明したが、PDにおいても、例えば実施の形態7に係る半導体受光素子150においてn型をp型に、p型をn型にそれぞれ導電型を反転させた素子構造としても良い。In the semiconductor
<実施の形態11の効果>
以上、実施の形態11に係る半導体受光素子によると、InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、実施の形態10に係る半導体受光素子と比べて約3分の1と短いため、InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層の無秩序化がさらに発生しにくいため、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。また、上述したように、n型電極51からの光の反射率を高めているため、i型InGaAs光吸収層43で吸収されずに透過した光は、n型電極51で反射されて再びi型InGaAs光吸収層43へ戻ることで、感度が高くなる。この結果、i型InGaAs光吸収層43を薄くできるため、電子及び正孔の走行時間を短縮でき、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層47と組み合わせることにより、さらなる広帯域化が可能な半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of Eleventh Embodiment>
As described above, according to the semiconductor light receiving element of the eleventh embodiment, the crystal growth time required for epitaxially growing the remaining semiconductor layers after the InAlAs digital alloy structure electron transit layer is crystal grown is about one third shorter than that of the semiconductor light receiving element of the tenth embodiment, and therefore the InAlAs digital alloy structure electron transit layer is less likely to become disordered, and therefore a semiconductor light receiving element having high reliability, wideband operation, and excellent low noise characteristics can be obtained. In addition, as described above, the reflectance of light from the n-
実施の形態11の変形例.
実施の形態11の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型APD及び裏面入射型APDについて、以下に説明する。
A modified example of
A front-illuminated APD and a back-illuminated APD, which are examples of semiconductor light-receiving elements according to a modification of the eleventh embodiment, will be described below.
実施の形態11の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態11に係る半導体受光素子180の一例である表面入射型APD及び裏面入射型APDにおけるi型InAlAs増倍層45、つまりランダムアロイ構造のInAlAs増倍層を、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。The semiconductor light receiving element according to the modified example of
i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子のi型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
The layer structure and thickness of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer are similar to those of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the semiconductor light receiving element according to the modified example of
<実施の形態11の変形例に係る半導体受光素子の作用>
実施の形態11の変形例に係る半導体受光素子(APD)では、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、実施の形態7に係る半導体受光素子190と比べて約3分の1と短いため、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化が発生しにくい。
<Function of Semiconductor Light-Receiving Element According to Modification of Eleventh Embodiment>
In the semiconductor photodetector (APD) according to the modified example of the eleventh embodiment, the crystal growth time required for epitaxially growing the remaining semiconductor layers after the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer is grown is approximately one-third shorter than that of the
<実施の形態11の変形例の効果>
以上、実施の形態11の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、また、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、導電型が逆の素子構造と比べて短時間で済むため、InAlAsデジタルアロイ電子走行層及びInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるため、より信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Modification of the Eleventh Embodiment>
As described above, the semiconductor photodetector according to the modification of the eleventh embodiment has a digital alloy structure multiplication layer whose layer thickness is controlled within a preset range, and the crystal growth time required for epitaxially growing the remaining semiconductor layers after the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer is grown is shorter than that of an element structure having an opposite conductivity type. This prevents the InAlAs digital alloy electron transit layer and the InAlAs digital alloy structure multiplication layer from becoming disordered, thereby providing an effect of providing a semiconductor photodetector which is more reliable, operates over a wide bandwidth, and has excellent low noise characteristics.
実施の形態12.
図23は、実施の形態12に係る半導体受光素子190の一例である表面入射型PDの素子構造を表す断面図である。
23 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated type PD, which is an example of a semiconductor light-receiving
<実施の形態12に係る半導体受光素子の素子構造(PD)の特徴>
実施の形態12に係る半導体受光素子190は、実施の形態1に係る半導体受光素子100とは、電子走行層がi型InGaAs光吸収層5のp型電極32側、すなわち、受光部側に設けられている点で構造的に異なる。すなわち、n型InP基板1側から、i型InGaAs光吸収層5、i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3a、という順に形成されている。
<Features of element structure (PD) of semiconductor light receiving element according to
The semiconductor
実施の形態12に係る半導体受光素子190の各層の層厚、キャリア濃度は、実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。The layer thickness and carrier concentration of each layer of the semiconductor
図8に示すように、InAlAsランダムアロイ構造の場合は、ホールのデッドスペース長Dhは約80nmであるのに対して、InAlAsデジタルアロイ構造の場合は、ホールのデッドスペース長Dhは約170nmである。つまり、電子のデッドスペース長よりもホールのデッドスペース長の方が2倍ほどの長さがあるため、200nm以下の層厚では正孔が速く走行することが可能となる。したがって、i型InAlAsデジタルアロイ構造正孔走行層を設けることで、PDの広帯域化が実現できる。As shown in Figure 8, in the case of an InAlAs random alloy structure, the hole dead space length Dh is about 80 nm, whereas in the case of an InAlAs digital alloy structure, the hole dead space length Dh is about 170 nm. In other words, since the hole dead space length is about twice as long as the electron dead space length, holes can travel quickly with a layer thickness of 200 nm or less. Therefore, by providing an i-type InAlAs digital alloy structure hole travel layer, a broadband PD can be achieved.
<実施の形態12の効果>
以上、実施の形態12に係る半導体受光素子によると、電子走行層をInAlAsデジタルアロイ電子走行層としたので、広帯域で動作する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the twelfth embodiment>
As described above, the semiconductor light receiving element according to the twelfth embodiment has an InAlAs digital alloy electron transit layer, and therefore has the effect of providing a semiconductor light receiving element that operates over a wide band.
実施の形態13.
図24は、実施の形態13に係る半導体受光素子200の一例である表面入射型APDの素子構造を表す断面図である。
24 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving
<実施の形態13に係る半導体受光素子の素子構造(APD)の特徴>
実施の形態13に係る半導体受光素子200は、実施の形態2に係る半導体受光素子110とは、電子走行層がi型InGaAs光吸収層5のp型電極32側、すなわち、受光部側に設けられている点で構造的に異なる。すなわち、n型InP基板1側から、i型InGaAs光吸収層5、i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6、i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層3a、という順に形成されている。
<Features of element structure (APD) of semiconductor light receiving element according to the thirteenth embodiment>
The semiconductor
実施の形態13に係る半導体受光素子200の各層の層厚、キャリア濃度は、実施の形態2と同様であるので、説明を省略する。The layer thickness and carrier concentration of each layer of the semiconductor
図8に示すように、InAlAsランダムアロイ構造の場合は、ホールのデッドスペース長Dhは約80nmであるのに対して、InAlAsデジタルアロイ構造の場合は、ホールのデッドスペース長Dhは約170nmである。つまり、電子のデッドスペース長よりもホールのデッドスペース長の方が2倍ほどの長さがあるため、200nm以下の層厚では正孔が速く走行することが可能となる。したがって、i型InAlAsデジタルアロイ構造正孔走行層を挿入することで、APDの広帯域化が実現できる。As shown in Figure 8, in the case of an InAlAs random alloy structure, the hole dead space length Dh is approximately 80 nm, whereas in the case of an InAlAs digital alloy structure, the hole dead space length Dh is approximately 170 nm. In other words, since the hole dead space length is about twice as long as the electron dead space length, holes can travel quickly with a layer thickness of 200 nm or less. Therefore, by inserting an i-type InAlAs digital alloy structure hole travel layer, it is possible to achieve a broadband APD.
<実施の形態13の効果>
以上、実施の形態13に係る半導体受光素子によると、電子走行層をInAlAsデジタルアロイ電子走行層としたので、広帯域で動作し、かつ低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of Thirteenth Embodiment>
As described above, the semiconductor light receiving element according to the thirteenth embodiment has an InAlAs digital alloy electron transit layer, which makes it possible to obtain a semiconductor light receiving element that operates over a wide band and has excellent low noise characteristics.
実施の形態13の変形例.
実施の形態13の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型APDについて、以下に説明する。
A modified example of
A front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a modification of the thirteenth embodiment, will be described below.
実施の形態13の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態13に係る半導体受光素子200の一例である表面入射型APDにおけるi型InAlAs増倍層13、つまりランダムアロイ構造のInAlAs増倍層を、i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。The semiconductor light receiving element according to the modified example of
i型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態2の変形例に係る半導体受光素子のi型InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
The layer structure and thickness of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer are similar to those of the i-type InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the semiconductor light receiving element according to the modified example of
<実施の形態13の変形例に係る半導体受光素子(APD)の作用>
実施の形態13の変形例に係る半導体受光素子では、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層を採用したので、図9Bに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、イオン化率比kをほぼゼロに保つことが可能となる。
<Function of Semiconductor Photodetector (APD) According to Modification of Thirteenth Embodiment>
In the semiconductor light receiving element according to the modification of the thirteenth embodiment, since an InAlAs digital alloy structure multiplication layer is adopted, it becomes possible to maintain a long dead space length as shown in Fig. 9B. As a result, it becomes possible to maintain the ionization rate ratio k at approximately zero.
<実施の形態13の変形例の効果>
以上、実施の形態13の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有しているので、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Modification of the Thirteenth Embodiment>
As described above, the semiconductor photodetector according to the modified example of
実施の形態14.
図25は、実施の形態14に係る50G-PONシステムの光回線終端装置(OLT)260を表す構成図である。光回線終端装置260は、FEC261(Forward Error Correction:FEC)と、ドライバーアンプ262と、光源263と、WDM264(Wavelength Division Multiplexing:WDM)と、クロック・データ再生回路であるCDR265(Clock Data Recovery:CDR)と、制限アンプ266と、バーストTIA267と、本開示のDA-APD268と、を備える。なお、本開示のDA-APD268の代りに本開示のDA-PDを適用しても良い。
25 is a configuration diagram showing an optical line terminal (OLT) 260 of a 50G-PON system according to
なお、本開示のAPDとは、上述の各実施の形態で説明された、電子走行層がInAlAsデジタルアロイ構造であるAPD、または電子走行層及び増倍層の両方がInAlAsデジタルアロイ構造であるAPDを指す。さらに、本開示のPDとは、上述の各実施の形態で説明された、電子走行層がInAlAsデジタルアロイ構造であるPDを指す。The APD of the present disclosure refers to an APD in which the electron transit layer has an InAlAs digital alloy structure, as described in each of the above-mentioned embodiments, or an APD in which both the electron transit layer and the multiplication layer have an InAlAs digital alloy structure. Furthermore, the PD of the present disclosure refers to a PD in which the electron transit layer has an InAlAs digital alloy structure, as described in each of the above-mentioned embodiments.
図26は、実施の形態14に係る50G-PONシステムの光回線終端装置(ONU)270を表す構成図である。光回線終端装置270は、WDM271と、光源272と、ドライバーアンプ273と、FEC274と、本開示のDA-APD275と、TIA276と、制限アンプ277と、CDR278と、を備える。26 is a configuration diagram showing an optical line terminal (ONU) 270 of a 50G-PON system according to
図27は、比較例である50G-PONシステムの光回線終端装置(OLT)250aを表す構成図である。比較例である光回線終端装置250aは、前方誤り訂正回路であるFEC251(Forward Error Correction:FEC)と、ドライバーアンプ252と、光源253と、光合分波器であるWDM254(Wavelength Division Multiplexing:WDM)と、デジタル信号処理回路であるDSP255と、アナログ/デジタル変換回路であるADC256(Analog-to-digital converter:ADC)と、バーストTIA257(Trance Impedance Amplifier)と、従来のAPD258と、を備える。
Figure 27 is a configuration diagram showing an optical line terminal (OLT) 250a of a 50G-PON system as a comparative example. The
図27に示す比較例である50G-PONシステムの光回線終端装置250aのように、比較例である50G-PONシステムではデジタル帯域補償、つまり、DSP255が必要であった。一方、本開示のDA-APDを用いた50G-PONシステムでは、デジタル帯域補償が不要となる。すなわち、本開示のDA-APD、つまり、少なくともInAlAsデジタルアロイ構造電子走行層を有するAPDを用いれば、帯域を悪化させずに電気容量を低減できるからである。
As shown in the
PONシステムの多分岐化及びSOAの省略のためには、受信機のSN比を改善し受信感度を高める必要がある。たとえば、現状よりも分岐数を増加するために、光分波器を1段追加すると半分の光量となってしまうため、SN比を最低でも3dB改善する必要がある。APDを用いた受信機のSN比は、以下の式(14)で表される。
SN比=Iph2・M2/(2q(Iph+Id)M2・F・B
+4Kb・T・Ft・B/Rt) (14)
In order to increase the number of branches in a PON system and to eliminate the need for an SOA, it is necessary to improve the signal-to-noise ratio of the receiver and increase the receiving sensitivity. For example, if an optical demultiplexer is added to increase the number of branches from the current level, the amount of light will be halved, so the signal-to-noise ratio must be improved by at least 3 dB. The signal-to-noise ratio of a receiver using an APD is expressed by the following equation (14).
S/N ratio = Iph2 · M2 / (2q(Iph+Id) M2 ·F·B
+4Kb T Ft B/Rt) (14)
式(14)において、IphはAPDの光電流、Mは増倍率、qは単位電荷、Idは増倍される暗電流、FはAPDの過剰雑音係数、Bは帯域、Kbはボルツマン定数、Tは絶対温度、Ftは増幅器の雑音指数、Rtは入力抵抗をそれぞれ表す。分母の左項はAPDのショット雑音を表し、分母の右項は増幅器の熱雑音を表す。In equation (14), Iph is the photocurrent of the APD, M is the multiplication factor, q is the unit charge, Id is the dark current to be multiplied, F is the excess noise factor of the APD, B is the bandwidth, Kb is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, Ft is the noise figure of the amplifier, and Rt is the input resistance. The term on the left of the denominator represents the shot noise of the APD, and the term on the right of the denominator represents the thermal noise of the amplifier.
式(14)を簡略化するために、IdはIphよりも十分に小さく、SN比が最大となる増倍率の場合に、APDのショット雑音の項と増幅器の熱雑音の項が等しいと仮定し、増幅器の熱雑音の項をAPDのショット雑音の項で置き換えると、SN比は以下の式(15)で表わされる。
SN比=Iph/(4q・F・B) (15)
In order to simplify equation (14), it is assumed that Id is sufficiently smaller than Iph, and that the APD shot noise term and the amplifier thermal noise term are equal when the multiplication factor is set to maximize the SNR. If the amplifier thermal noise term is replaced with the APD shot noise term, the SNR can be expressed by the following equation (15).
SNR = Iph / (4q F B) (15)
また、過剰雑音係数Fは、以下の式(16)で与えられる。
F=M(1-(1-k)・((M-1)2/M2)) (16)
Moreover, the excess noise factor F is given by the following equation (16).
F = M(1 - (1 - k) x ((M - 1) 2 / M 2 )) (16)
従来のInAlAsランダムアロイ構造増倍層の場合は、上述のようにトンネル電流の影響により、デッドスペース効果が発現するまでの薄層化(約70nm)が困難であるため、APDへの適用例は無い。このため、薄層化されていないInAlAs増倍層の場合のイオン化率比kを0.2に設定して、システム設計がなされている。イオン化率比k=0.2で、増倍率が12倍の場合は、過剰雑音係数F=3.9となる。 In the case of a conventional InAlAs random alloy structure multiplication layer, as mentioned above, it is difficult to thin the layer (to about 70 nm) to the point where the dead space effect appears due to the influence of the tunnel current, so there are no examples of its application to APDs. For this reason, the ionization rate ratio k for an unthinned InAlAs multiplication layer is set to 0.2 and the system is designed. When the ionization rate ratio k = 0.2 and the multiplication factor is 12 times, the excess noise factor F = 3.9.
一方、実施の形態14に係る50G-PONシステムでは、InAlAsデジタルアロイ構造を増倍層とするAPD、つまり本開示のDA-APDが半導体受光素子として適用される。本開示のInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の場合は、100nm以上の層厚でもデッドスペース効果が機能するためAPDへの適用が可能であり、この場合、イオン化率比k=0となり、増倍率が12倍の場合は、過剰雑音係数F=1.9となる。したがって、従来のAPDの約半分の過剰雑音となる。この結果、本開示のDA-APDを適用すれば、SN比が3dB向上する。On the other hand, in the 50G-PON system according to
一般に、50G-PONシステムでは、分岐数を増加するために2分波器を1段挿入すると3dB損失が大きくなる。したがって、半導体受光素子として本開示のDA-APDを適用すると、50G-PONシステムに1段多く分波器を挿入することが可能となる。Generally, in a 50G-PON system, inserting one stage of a 2-way splitter to increase the number of branches increases the loss by 3 dB. Therefore, by applying the DA-APD disclosed herein as a semiconductor photodetector, it becomes possible to insert one more stage of splitter into a 50G-PON system.
図28は、実施の形態14に係る50G-PONシステムの光回線終端装置(OLT)の構成を表す図である。50G-PONシステムの光回線終端装置260aは、FEC261と、ドライバーアンプ262と、光源263と、WDM264と、DSP265aと、ADC266aと、バーストTIA267と、本開示のDA-APD268と、を備える。なお、本開示のDA-APD268の代りに本開示のDA-PDを適用しても良い。
Figure 28 is a diagram showing the configuration of an optical line terminal (OLT) of a 50G-PON system according to
図29は、実施の形態14に係る50G-PONシステムの光回線終端装置(ONU)の構成を表す図である。50G-PONシステムの光回線終端装置260bは、FEC261と、ドライバーアンプ262と、光源263と、WDM264と、DSP265aと、ADC266aと、TIA267aと、本開示のDA-APD268と、を備える。29 is a diagram showing the configuration of an optical line terminal (ONU) of a 50G-PON system according to
本開示に係る半導体受光素子による効果を、さらに説明する。
本開示のDA-APDのうちInAlAsデジタルアロイ構造増倍層を有するAPDは、増倍層の層厚を所定の範囲内に制御してイオン化率比kをゼロとすることで、式(6)の増倍時間がほぼゼロとなる。この結果、増倍率を高くしてもAPDの応答帯域は劣化しない。つまり、本開示のDA-APDでは、従来のPDと同様、RC時定数及びキャリアの走行時間でのみ帯域が制限される。したがって、50G-PONシステムで必要となる広帯域が可能となり、DSPによるデジタル帯域補償が無くとも受信することが可能となる。
The effects of the semiconductor light receiving element according to the present disclosure will be further described.
Among the DA-APDs disclosed herein, the APD having an InAlAs digital alloy structure multiplication layer controls the thickness of the multiplication layer within a predetermined range to set the ionization rate ratio k to zero, thereby making the multiplication time in formula (6) almost zero. As a result, the response band of the APD does not deteriorate even if the multiplication factor is increased. In other words, in the DA-APD disclosed herein, the band is limited only by the RC time constant and the carrier travel time, as in the case of conventional PDs. Therefore, the wide band required for the 50G-PON system is possible, and reception is possible without digital band compensation by a DSP.
また、イオン化率比kがゼロに近くなると、受信感度を悪化させる過剰雑音が抑制されるため、SOAによる光信号の増幅が不要となる。さらに、50G-PONシステム以外のPONシステムでも、従来よりも多分岐化が可能となる。その結果、PONシステムの低コストと省電力化が実現できる。 In addition, when the ionization rate ratio k approaches zero, excess noise that deteriorates reception sensitivity is suppressed, making it unnecessary to amplify the optical signal using an SOA. Furthermore, even in PON systems other than 50G-PON systems, it becomes possible to achieve more branching than before. As a result, it is possible to achieve low cost and power saving for PON systems.
<実施の形態14の効果>
以上、実施の形態14に係る光回線終端装置によると、半導体受光素子として、本開示のDA-APDまたはDA-PDを用いたので、光信号の伝送距離が増加し、消費電力が低減できる光回線終端装置が得られるという効果を奏する。
<Effects of Fourteenth Embodiment>
As described above, according to the optical line terminal of
実施の形態15.
図30は、実施の形態15に係る多値強度変調送受信装置300の構成を表す図である。また、図31A及び図31Bは、実施の形態15に係る多値強度変調送受信装置300の受信波形を示す図である。
Fig. 30 is a diagram showing a configuration of a multi-level intensity modulation transmitting/receiving
多値強度変調送受信装置300は、多値の強度変調方式であるPAM(Pulse Amplitude Modulation)方式の多値強度変調送受信装置である。送信部ではDSP301において生成したデジタル信号を、DAC302aにおいてアナログ変換し、ドライバーアンプ303において増幅し、DFBレーザまたはEMLからなる光源304を駆動して、光ファイバケーブル310へ光信号を出射する。The multilevel intensity modulation transmitter/
一方、受信部では、光ファイバケーブル310から光学系を経て本開示の半導体受光素子であるDA-APD305に入射し、光信号の電流への変換及び増倍を行い、さらに、Linear-TIA306において増幅した後に、ADC302bにおいてデジタル信号へ変換して、DSP301により信号処理を行う。なお、本開示のDA-APD305の代りに、本開示のDA-PDを用いても良い。
Meanwhile, in the receiving section, the light passes through the
<実施の形態15に係る多値強度変調送受信装置の作用と効果>
PAM方式の多値強度変調送受信装置300では、NRZ(None Return to Zero)、RZ(Return to Zero)などの1と0の2値信号だけでなく、たとえば、PAM4(Pulse Amplitude Modulation-4)では、光の信号強度が異なる4値を受信する必要がある。PAM4の受信波形の一例を、図31Aに示す。PAM4での受信波形の良否の判定には、TDECQ(Transmitter Dispersion and Eye Closure Quaternary)という指標が用いられる。TDECQは、以下の式(17)によって算出される。
TDECQ(dB)=10・log(OMA/(6・Qt・R)) (17)
<Functions and Effects of the Multilevel Intensity Modulation Transmitter/Receiver According to the Fifteenth Embodiment>
In the PAM type multi-level intensity modulation transmitting/
TDECQ(dB)=10·log(OMA/(6·Qt·R)) (17)
式(17)において、光変調振幅(Optical Modulation Amplitude:OMA)はレベル0からレベル3までの全振幅であり、QtはIEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)で規定されたSER(Symbol Error Rate)に依存する値、RはSER値にするのに必要な付加雑音値である。TDECQ(dB)は、たとえば3dB以下と規定されている。TDECQ(dB)を小さくするためには、
(1)各レベルのアイ開口が均一であること
(2)各レベルの雑音が少ないこと
が必要である。
In formula (17), the optical modulation amplitude (OMA) is the total amplitude from
(1) The eye opening at each level must be uniform. (2) The noise at each level must be low.
光の信号強度が異なる4値からなる各レベルのアイ開口が均一であるためには、半導体受光素子のリニアリティが優れている必要がある。ここで、半導体受光素子のリニアリティが良いとは、光電流Iphが光入力パワーPinに比例して増加することである。つまり、光入力パワーPinが変化しても、Iph/Pinが一定であればリニアリティが良いと言える。 In order for the eye opening at each of the four levels, which have different optical signal strengths, to be uniform, the semiconductor light receiving element must have excellent linearity. Here, good linearity of a semiconductor light receiving element means that the photocurrent Iph increases in proportion to the optical input power Pin. In other words, even if the optical input power Pin changes, if Iph/Pin is constant, it can be said to have good linearity.
また、PAMでは、強度の小さい信号から強度の大きい信号までを受信する必要があるため、ダイナミックレンジが優れている必要がある。つまり、光入力パワーPinが大きくなっても、Iph/Pinの低下量が小さければ、ダイナミックレンジが良いと言える。図31Bの受信波形のように、リニアリティ及びダイナミックレンジが悪化すると、レベル2とレベル3の間に形成されるアイ開口が劣化する。
In addition, PAM needs to receive signals with low to high intensity, so it needs to have an excellent dynamic range. In other words, even if the optical input power Pin increases, if the drop in Iph/Pin is small, the dynamic range can be said to be good. As shown in the received waveform in Figure 31B, if the linearity and dynamic range deteriorate, the eye opening formed between
APDの場合、リニアリティが劣化する原因として、光入力の増加に伴い光電流が増加すると、増倍層及び光吸収層の中を走行する正孔及び電子が増加して、増倍層及び光吸収層の電界分布が変化することが挙げられる。かかる現象を空間電荷効果と呼ぶ。In the case of APDs, the linearity deteriorates because, when the photocurrent increases with an increase in optical input, the number of holes and electrons traveling in the multiplication layer and the light absorption layer increases, causing a change in the electric field distribution in the multiplication layer and the light absorption layer. This phenomenon is called the space charge effect.
発明者らはAPDのリニアリティが劣化するモデルを検討した。図32A及び図32Bは、高光入力時のPDの動作を説明する図である。図32Aに示すように、光入力が増大し、光電流が増加すると、あたかも、直列抵抗による電圧降下が発生してpn接合に電圧が印加されなくなるように空間電荷効果が作用する。この電圧降下により増倍率が低下する。これは、図32Bに示すように、発生した電子及び正孔が電界分布に影響するためである。APDのリニアリティを劣化させる直列抵抗Rliは、以下の式(18)のように表される。
Rli=Rsc+Rd+Rlo (18)
The inventors have studied a model of degradation of the linearity of an APD. Figures 32A and 32B are diagrams for explaining the operation of a PD when a high optical input is applied. As shown in Figure 32A, when the optical input increases and the photocurrent increases, a space charge effect acts as if a voltage drop occurs due to the series resistance and no voltage is applied to the pn junction. This voltage drop reduces the multiplication factor. This is because the generated electrons and holes affect the electric field distribution as shown in Figure 32B. The series resistance Rli that degrades the linearity of an APD is expressed by the following formula (18).
Rli = Rsc + Rd + Rlo (18)
式(18)において、Rscは空間電荷効果による抵抗、Rdは素子抵抗、Rloは負荷抵抗である。Rd及び負荷抵抗は通常数10Ωであるが、Rscは数100Ω以上になる場合がある。In equation (18), Rsc is the resistance due to the space charge effect, Rd is the element resistance, and Rlo is the load resistance. Rd and the load resistance are usually several tens of Ω, but Rsc can be several hundreds of Ω or more.
光吸収により発生した電子及び正孔が空乏層内を通過する時間をTdとすると、Rscは、以下の式(19)で表されることを発明者らは見出した。
Rsc=W・Td/(2εS) (19)
式(19)において、Wは空乏層の層厚、εは誘電率、Sはpn接合面積である。
空間電荷効果による抵抗Rscは、電子及び正孔が空乏層内に通過する時間をTdに比例する。したがって、電子及び正孔の走行速度を高めてTdを低減すればRscを減少することが可能である。
The inventors have found that, when the time it takes for electrons and holes generated by light absorption to pass through the depletion layer is Td, Rsc can be expressed by the following formula (19).
Rsc=W·Td/(2εS) (19)
In equation (19), W is the thickness of the depletion layer, ε is the dielectric constant, and S is the pn junction area.
The resistance Rsc due to the space charge effect is proportional to the time it takes for electrons and holes to pass through the depletion layer, Td, so that Rsc can be reduced by increasing the speed of electrons and holes passing through to reduce Td.
本開示のInAlAsデジタルアロイ構造電子走行層を少なくとも有するPD及びAPDでは、電子走行層における電子の通過時間が短いためRscが減少し、この結果、アイ開口が均一となるため、TDECQが規定値を満たす。さらに、伝送距離が増加したり、送信用レーザの駆動電流を下げたりすることが可能である。In the PD and APD having at least the InAlAs digital alloy structure electron transit layer of the present disclosure, the transit time of electrons in the electron transit layer is short, so Rsc is reduced, and as a result, the eye opening becomes uniform, so that TDECQ satisfies the specified value. Furthermore, it is possible to increase the transmission distance and reduce the driving current of the transmitting laser.
本開示のDA-APDの中で、電子走行層及び増倍層の両方がInAlAsデジタルアロイ構造のAPDを用いた場合について、以下に説明する。
まず、高光入力時におけるAPDの動作の場合を説明する。図33は、高光入力時のAPDの動作を説明する図である。増倍層内において多数の電子及び正孔が発生すると、APDでは増倍層内の電界が変化、つまり、いわゆる空間電荷効果が発生する。この空間電荷効果の発生により、APDの増倍率が低下してリニアリティが劣化する。上述のように、APDのリニアリティの劣化は直列抵抗Rscが原因であるため、電子及び正孔の空乏層内における滞留時間Tdmを低減する必要がある。特に、増倍率が大きくなると、増倍層内における滞留時間Tdmが増加する。Tdmはいわゆる増倍時間と同じであり、以下の式(20)で表される。
滞留時間Tdm=増倍時間=2πNkMτav (20)
Among the DA-APDs of the present disclosure, the following describes a case where an APD in which both the electron transit layer and the multiplication layer have an InAlAs digital alloy structure is used.
First, the operation of the APD at high light input will be described. FIG. 33 is a diagram for explaining the operation of the APD at high light input. When a large number of electrons and holes are generated in the multiplication layer, the electric field in the multiplication layer of the APD changes, that is, the so-called space charge effect occurs. Due to the occurrence of this space charge effect, the multiplication factor of the APD decreases and the linearity deteriorates. As described above, since the deterioration of the linearity of the APD is caused by the series resistance Rsc, it is necessary to reduce the residence time Tdm of the electrons and holes in the depletion layer. In particular, when the multiplication factor increases, the residence time Tdm in the multiplication layer increases. Tdm is the same as the so-called multiplication time, and is expressed by the following formula (20).
Residence time Tdm = multiplication time = 2πNkMτav (20)
式(20)において、NはEmmons係数(イオン化率比kに緩やかに依存する。)、Mは増倍率、τavは電子及び正孔が増倍層を走行する平均時間である。滞留時間Tdmからは、増倍層をキャリアが横断する片道分の通過時間は除いている。Nは、イオン化率比k=0.5(InP)、0.2(InAlAs)、0.1(Si)、0~0.001(InAlAsデジタルアロイ構造)の場合、それぞれ、0.55、0.83、1.1、2.0となる。In equation (20), N is the Emmons coefficient (which depends gently on the ionization rate ratio k), M is the multiplication factor, and τav is the average time it takes for electrons and holes to travel through the multiplication layer. The residence time Tdm excludes the one-way transit time that carriers take to traverse the multiplication layer. N is 0.55, 0.83, 1.1, and 2.0 when the ionization rate ratio k = 0.5 (InP), 0.2 (InAlAs), 0.1 (Si), and 0 to 0.001 (InAlAs digital alloy structure), respectively.
図34に、増倍層を構成する材料ごとの電子及び正孔の滞留時間Tdmを示す。InAlAsデジタルアロイ構造増倍層では増倍層内における滞留時間Tdmが画期的に減少する。つまり、増倍層内から電子及び正孔が早く排出されるため、増倍層での空間電荷効果が抑制される結果、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層ではリニアリティ及びダイナミックレンジが向上する。 Figure 34 shows the residence time Tdm of electrons and holes for each material that makes up the multiplication layer. In the InAlAs digital alloy structure multiplication layer, the residence time Tdm within the multiplication layer is dramatically reduced. In other words, electrons and holes are quickly discharged from the multiplication layer, suppressing the space charge effect in the multiplication layer, resulting in improved linearity and dynamic range in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer.
この結果、従来のAPDでは図31BのようにPAM4のアイ開口が不均一であったが、本開示のDA-APDでは、図31Aのようにアイ開口が均一となるため、TDECQが規定値を満たすことが可能となる。したがって、本開示のDA-APDを用いると、PAM用の送受信器でもAPDを使うことができるため、光信号の伝送距離が増加したり、送信用レーザの駆動電流を下げたりすることが可能となる。As a result, while the eye opening of PAM4 was non-uniform with a conventional APD as shown in Fig. 31B, the eye opening is uniform with the DA-APD disclosed herein as shown in Fig. 31A, making it possible for TDECQ to satisfy the specified value. Therefore, when the DA-APD disclosed herein is used, an APD can be used in a PAM transceiver as well, making it possible to increase the transmission distance of optical signals and reduce the drive current of the transmitting laser.
<実施の形態15の効果>
以上、実施の形態15に係る多値強度変調送受信装置によると、半導体受光素子として、本開示のDA-APDまたはDA-PDを用いたので、光信号の伝送距離が増加し、消費電力が低減できる多値強度変調送受信装置が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Fifteenth Embodiment>
As described above, according to the multi-level intensity modulation transmitting/receiving device of
実施の形態16.
図35は、実施の形態16に係る光ファイバ無線システム400(Radio on fiber:RoF)の構成を表す模式図である。また、図36は、比較例である光ファイバ無線システム450の構成を表す模式図である。光ファイバ無線システム400は、光源401と、光ファイバケーブルのような伝送路402と、本開示のDA-APD403と、アンテナ404と、を備える。なお、本開示のDA-APD403の代りに、本開示のDA-PDを用いても良い。
Embodiment 16.
Fig. 35 is a schematic diagram showing the configuration of a radio on fiber system 400 (Radio on fiber: RoF) according to a sixteenth embodiment. Fig. 36 is a schematic diagram showing the configuration of a radio on
実施の形態16に係る光ファイバ無線システム400では、アナログの電気振幅信号をLDなどの光源401に入力し、光振幅信号に変換する。変換された光振幅信号は光ファイバケーブル、つまり伝送路402によって伝送される。伝送された光振幅信号を、本開示のDA-APD403を用いて増倍して電気振幅信号に変換する。変換後の電気振幅信号をアンテナ404に伝送して、電波信号として放射する。In a radio-on-
実施の形態16に係る光ファイバ無線システム400は、電気信号源から距離の離れたアンテナ404に向けて、信号を効率的に供給することが可能である。また、伝送の途中でアナログからデジタルへの変換またはデジタルからアナログへの変換を行わないため、システム構成が簡単で、かつ消費電力も小さいという特徴がある。The radio-on-
<実施の形態16に係る光ファイバ無線システムの作用及び効果>
図36に示す比較例の光ファイバ無線システム450では、光ファイバケーブルによる伝送で信号が減衰してしまうとPD406では増倍できないため、十分な電波信号をアンテナから放射できないという問題があった。
<Functions and Effects of Radio-on-Fiber System According to Sixteenth Embodiment>
In the comparative example radio-on-
また、従来のAPDを用いると、図32A及び図32Bに示されるように、増倍層内の電子及び正孔が増加すると電界分布が変化するため増倍率が飽和し、ダイナミックレンジが確保できなくなってしまう。このため、十分な電気信号の振幅が得られないだけでなく、アナログ信号が歪んでしまうという問題があった。この結果、比較例のような光ファイバ無線システム450への従来のAPDの適用は困難であった。
Furthermore, when a conventional APD is used, as shown in Figures 32A and 32B, an increase in the number of electrons and holes in the multiplication layer changes the electric field distribution, causing the multiplication factor to saturate and making it impossible to ensure the dynamic range. This not only results in a failure to obtain sufficient amplitude for the electrical signal, but also in the problem of analog signal distortion. As a result, it is difficult to apply a conventional APD to a radio-on-
一方、実施の形態16に係る光ファイバ無線システム400で使用される本開示のInAlAsデジタルアロイ構造電子走行層を少なくとも有するPD及びAPDでは、電子及び正孔が空乏層内を通過する時間Tdが短いため、Rscが小さくなる。この結果、広いダイナミックレンジにわたってリニアリティのよい応答が得られ、かつ、大きな電流振幅を得ることが可能となる。On the other hand, in the PD and APD having at least the InAlAs digital alloy structure electron transit layer of the present disclosure used in the radio-on-
さらに、本開示のInAlAsデジタルアロイ構造からなる電子走行層及び増倍層を有するDA-APD403では、図34に示すように、電子及び正孔の増倍層での滞留時間Tdmが短いために、増倍層内の電界分布の変化が抑制される。この結果、広いダイナミックレンジにわたってリニアリティに優れた応答が得られる。つまり、本開示のDA-APD403で信号を増倍するので元の信号を再現することができ、かつ、大きな電流振幅を得ることが可能となる。 Furthermore, in the DA-APD403 having an electron transit layer and a multiplication layer made of an InAlAs digital alloy structure as disclosed herein, as shown in FIG. 34, the residence time Tdm of electrons and holes in the multiplication layer is short, so that changes in the electric field distribution in the multiplication layer are suppressed. As a result, a response with excellent linearity is obtained over a wide dynamic range. In other words, since the DA-APD403 disclosed herein multiplies the signal, the original signal can be reproduced and a large current amplitude can be obtained.
本開示のDA-APD403の増倍率として、1.2~10倍の範囲内でも使用可能である。しかしながら、増倍率が大きくなると信号が歪むため、1.2~5倍の範囲内の増倍率で使用することが望ましい。また、増倍量は光ファイバの損失及びAPDの量子効率が100%でなく約80%である点を鑑みると、かかる損失を補うために、2~3倍の増倍率で使用することが最適である。The multiplication factor of the DA-APD403 disclosed herein can be in the range of 1.2 to 10 times. However, as the multiplication factor increases, the signal becomes distorted, so it is desirable to use a multiplication factor in the range of 1.2 to 5 times. Furthermore, considering the loss of the optical fiber and the fact that the quantum efficiency of the APD is about 80% and not 100%, it is optimal to use a multiplication factor of 2 to 3 times to compensate for such losses.
<実施の形態16の効果>
以上、実施の形態16に係る光ファイバ無線システムによると、本開示のDA-APDまたはDA-PDを用いて光ファイバ無線システムを構成したので、光伝送距離を長くしても強い電波信号を出力することが可能となるという効果を奏する。
<Effects of Sixteenth Embodiment>
As described above, according to the radio-on-fiber system of the sixteenth embodiment, the radio-on-fiber system is configured using the DA-APD or DA-PD of the present disclosure, which has the effect of making it possible to output a strong radio signal even if the optical transmission distance is long.
実施の形態17.
図37は、実施の形態17に係るデジタルコヒーレント受信装置500の構成を表す模式図である。実施の形態17に係るデジタルコヒーレント受信装置500は、本開示のDA-APD505aを用いている点に特徴がある。なお、本開示のDA-APD505aの代りに、本開示のDA-PDを用いても良い。
37 is a schematic diagram showing a configuration of a digital
デジタルコヒーレント通信では、光ファイバ中を位相及び強度の両方を変調した光信号が偏波多重されて伝送される。デジタルコヒーレント受信装置500では、光ファイバケーブル501から入力された光信号をまず偏波分離器502によって、偏波分離する。偏波分離後、それぞれの偏波信号光を90度ハイブリッド器503a及び90度ハイブリッド器503bにそれぞれ入射する。一方、半導体レーザ504から局発光されたレーザ光は、互いに90度位相をずらした2つの信号に分離する。In digital coherent communication, optical signals with both phase and intensity modulated are polarization multiplexed and transmitted through optical fiber. In the digital
信号光とレーザ光を合波し、さらに、信号光を直交成分(I、Q)に分離して出力する。4つの光信号、つまり各偏波について、直交するI成分及びQ成分で合計4つの光信号は、本開示のDA-APD505aの2つが直列に一対に接続され90度ハイブリッド器503a、503b内に配置された4個のバランスド・ディテクタ505にそれぞれ入射する。バランスド・ディテクタ505から出力された電気信号をDSP506へ入力する。実施の形態17に係るデジタルコヒーレント受信装置500は、以上の構成となっている。The signal light and laser light are multiplexed, and the signal light is further separated into orthogonal components (I, Q) and output. The four optical signals, i.e., the orthogonal I and Q components for each polarization, totaling four optical signals, are each incident on four
<実施の形態17に係るデジタルコヒーレント受信装置の作用>
図38Aは比較例であるデジタルコヒーレント受信装置の波形を表す図であり、図38Bは実施の形態17に係るデジタルコヒーレント受信装置の波形を表す図である。
<Function of the digital coherent receiving device according to the seventeenth embodiment>
FIG. 38A is a diagram showing waveforms of a digital coherent receiving device which is a comparative example, and FIG. 38B is a diagram showing waveforms of a digital coherent receiving device according to
従来のバランスド・ディテクタでは、信号光を受光する半導体受光素子としてPDが用いられていた。一方、本開示のDA-APD505aを用いると信号を増倍することが可能であるため、局発光を小さく抑えることが可能となる。また、従来のAPDを用いると、図33に示すように、増倍層内の電子及び正孔が増加すると電界分布が変化するため増倍率が飽和し、ダイナミックレンジが確保できない。このため、十分な電気信号の振幅が得られないだけでなく、アナログ信号が歪んでしまうという問題があった。この結果、図38Aに示すように、比較例では波形A1と波形B1の間隔が狭くなり、コンスタレーション波形の強度信号が歪むため、APDの適用は困難であった。In conventional balanced detectors, PDs were used as semiconductor light receiving elements that receive signal light. On the other hand, the DA-
一方、実施の形態17に係るデジタルコヒーレント受信装置500で使用される本開示のInAlAsデジタルアロイ構造電子走行層を少なくとも有するPD及びAPDでは、電子及び正孔が空乏層内を通過する時間Tdが短いため、Rscが小さくなる。空間電荷効果による抵抗Rscの影響が小さいので、広いダイナミックレンジにわたってリニアリティに優れたコンスタレーション波形が得られる。On the other hand, in the PD and APD having at least the InAlAs digital alloy structure electron transit layer of the present disclosure used in the digital
さらに、本開示のInAlAsデジタルアロイ構造からなる電子走行層及び増倍層を有するDA-APD505aでは、図34に示すように、電子及び正孔の増倍層での滞留時間Tdmが短いために、増倍層内の電界分布の変化が抑制される。その結果、図38Bに示すように、本開示のDA-APD505aを用いた場合は、波形Aと波形Bの間隔が広くなり、広いダイナミックレンジにわたってリニアリティに優れたコンスタレーション波形が得られる。つまり、APDで信号を増倍しても元の信号を再現することができ、かつ、大きな電流振幅を得ることが可能である。
Furthermore, in the DA-
本開示のDA-APD505aの増倍率は、1.2~10倍の範囲内でも使用可能である。しかしながら、増倍率が大きくなると信号が歪むため、1.2~5倍の範囲内の増倍率で使用することが望ましい。The multiplication factor of the DA-APD505a disclosed herein can be in the range of 1.2 to 10. However, as the multiplication factor increases, the signal becomes distorted, so it is preferable to use a multiplication factor in the range of 1.2 to 5.
<実施の形態17の効果>
以上、実施の形態17に係るデジタルコヒーレント受信装置によると、光信号を受光する半導体受光素子として本開示のDA-APDまたはDA-PDを適用したので、局発光(レーザ)の駆動電流を小さくすること、つまりデジタルコヒーレント受信装置の消費電力を小さくすることが可能となる効果を奏する。
<Effects of Seventeenth Embodiment>
As described above, according to the digital coherent receiving device of
実施の形態18.
図39は、実施の形態18に係るSPADセンサー(Single Photon Avalanche Diode)システムの構成を表す模式図である。SPADセンサーシステム600は、光電子計測回路601と、本開示のDA-APDからなるSPADセンサー602と、クエンチング回路603と、を備える。
39 is a schematic diagram showing the configuration of a SPAD sensor (Single Photon Avalanche Diode) system according to
SPADは、光子数のカウントだけでなく感度の良好な受光素子として使うことが可能である。しかしながら、後述するA:Quenching電圧から、後述するB:Geiger mode電圧までを絶えず繰り返す必要がある。繰り返し周期はナノsec~マイクロsecオーダーである。A:Quenching電圧とB:Geiger mode電圧の繰り返し周期を短くできれば、SPADの応答速度を高めることが可能である。SPADの応答速度を高めるためには、pn接合容量を減らすことが必要であり、走行層の層厚を厚くして空乏層の層厚を増やすことが有効である。 SPADs can be used not only to count the number of photons but also as highly sensitive light-receiving elements. However, they require constant cycling from A: Quenching voltage, described below, to B: Geiger mode voltage, described below. The cycling period is on the order of nanoseconds to microseconds. If the cycling period between A: Quenching voltage and B: Geiger mode voltage can be shortened, it is possible to increase the response speed of the SPAD. In order to increase the response speed of the SPAD, it is necessary to reduce the pn junction capacitance, and it is effective to increase the thickness of the depletion layer by thickening the travel layer.
本開示のInAlAsデジタルアロイ構造電子走行層を少なくとも有するDA-APDでは、走行層を厚くしても走行時間が短いため、応答速度の劣化が少ない。つまり、本開示のDA-APDをSPADに用いると、応答速度の速い、A:Quenching電圧とB:Geiger mode電圧の切り替えが可能となり、SPADセンサー602の応答帯域を向上することが可能である。In the DA-APD having at least the InAlAs digital alloy structure electron transport layer of the present disclosure, the transport time is short even if the transport layer is made thick, so there is little deterioration in response speed. In other words, when the DA-APD of the present disclosure is used in a SPAD, it becomes possible to switch between A: Quenching voltage and B: Geiger mode voltage, which have a fast response speed, and it is possible to improve the response band of the
さらに、SPADセンサーシステム600に本開示のInAlAsデジタルアロイ構造からなる電子走行層及び増倍層を有するDA-APD5を用いると、SPADセンサーシステム600に入射した光子(Photon)は、本開示のDA-APDからなるSPADセンサー602が有する光吸収層において吸収されて電子及び正孔の対が発生し、電子は増倍層に流れ込む。増倍層にはアバランシェブレークダウン電界よりも約10%高い電界が印加されている。Furthermore, when the
この状態をガイガーモード(Geiger mode)と呼ぶ。ガイガーモードでは、電子は106倍のレベルに達するほど増倍する。発生した電子は電流として流れ、光電子計測回路601に流れる。あらかじめ、1個の光子により発生する電流が分かっていれば、SPADセンサーシステム600に入射した光子数をカウントすることが可能である。
This state is called the Geiger mode. In the Geiger mode, the electrons are multiplied to a level of 106. The generated electrons flow as a current and flow into the
図40Aは比較例であるSAPDセンサーシステムの増倍特性を表す図であり、図40Bは実施の形態18に係るSAPDセンサーシステムの増倍特性を表す図である。アバランシェブレークダウン電界以上の電界を増倍層に印加し続けると過剰電流が流れ出すため、光子を検出後にSPADセンサー602に印加する電圧を速やかに低減して、増倍層の電界を弱める。これを、クエンチング(Quenching)と呼ぶ。つまり、図40A及び図40BのSPADセンサーの増倍特性の比較に示すように、電圧をB:ガイガーモード電圧から、A:クエンチング電圧に下げ連鎖増倍を止め、その後、再び電圧を、A:クエンチング電圧から、B:ガイガーモード電圧に高めて、入射する光子を高感度で受光できる状態とする。
Figure 40A is a diagram showing the multiplication characteristics of a SAPD sensor system as a comparative example, and Figure 40B is a diagram showing the multiplication characteristics of a SAPD sensor system according to
電圧を制御するクエンチング回路603には、パッシブ回路とアクティブ回路がある。パッシブ回路では、SPADセンサー602に入射した光子により電流が流れると、SPADセンサー602に直列に接続した抵抗で電圧降下が発生し、SPADセンサー602に印加する電圧が低下することになる。つまり、クエンチング回路603は、SPADセンサー602に、降伏電圧以上に印加した電圧及び降伏電圧未満の電圧を反復して印加するように動作する。The
<実施の形態18に係るSPADセンサーシステムの作用と効果>
実施の形態18に係るSPADセンサーシステム600は、光子数のカウントだけでなく高感度の半導体受光素子として使うことが可能である。しかしながら、B:ガイガーモード電圧から、A:クエンチング電圧までを絶えず繰り返す必要がある。繰り返し周期はナノ秒からマイクロ秒のオーダーである。A:クエンチング電圧と、B:ガイガーモード電圧の差を小さくできれば、繰り返し周期を短くできたり、SPADセンサーシステム600の応答速度を高めることが可能である。
<Actions and Effects of the SPAD Sensor System According to the Eighteenth Embodiment>
The
パッシブのクエンチング回路603では、SPADセンサー602に直列に接続した抵抗値を下げることが可能となり、SPADセンサー602の応答速度が速くなる。また、アクティブのクエンチング回路603では、電圧の振幅が小さくなるため、駆動回路の簡略化及び省電力化が可能であり、さらに、応答帯域を広くすることも可能である。In the
本開示のInAlAsデジタルアロイ構造を増倍層として用いた場合の作用について、以下に説明する。
本開示のInAlAsデジタルアロイ構造増倍層では、図7A及び図9Bに示すように、デッドスペース長が長いため低電界では増倍が発生しない。しかしながら、電界を増加させていくとデッドスペース長が短くなるため、急激に増倍率が増えてブレークダウンに至る。InAlAsランダムアロイ増倍層のAPD、及び増倍層が厚いデジタルアロイInAlAs増倍層を有するAPDでは、暗電流が10μAを超える電圧を降伏電圧とすると、降伏電圧の90%での増倍率が10倍を超える。一方、本開示のInAlAsデジタルアロイ構造増倍層では、降伏電圧の90%の電圧での増倍率が10倍以下となる。
The effect of using the InAlAs digital alloy structure of the present disclosure as a multiplication layer will be described below.
In the InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the present disclosure, as shown in Figures 7A and 9B, the dead space length is long, so multiplication does not occur at low electric fields. However, as the electric field is increased, the dead space length becomes shorter, so the multiplication factor increases rapidly and leads to breakdown. In the APD of the InAlAs random alloy multiplication layer and the APD having the digital alloy InAlAs multiplication layer with a thick multiplication layer, if the voltage at which the dark current exceeds 10 μA is set as the breakdown voltage, the multiplication factor at 90% of the breakdown voltage exceeds 10 times. On the other hand, in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the present disclosure, the multiplication factor at a voltage of 90% of the breakdown voltage is 10 times or less.
ブレークダウンに必要な電圧は、光吸収層の層厚、電界緩和層のキャリア濃度などの素子構造に依存するため、ここでは、定量化可能な増倍層の電界で効果を検証する。なお、リーチスルー電圧(約12V)以上では、SPADセンサー602に印加する電圧と増倍層の電界が比例する。
Because the voltage required for breakdown depends on the device structure, such as the thickness of the light absorption layer and the carrier concentration of the electric field relaxation layer, the effect is verified here using the quantifiable electric field of the multiplication layer. Note that above the reach-through voltage (approximately 12 V), the voltage applied to the
図41は、増倍層の構成材料ごとのクエンチング電界とガイガーモード電界の差を計算した図である。本開示のInAlAsデジタルアロイ構造増倍層では、各増倍層のクエンチング電界とガイガーモード電界の差が170kV/cmと、特異的に低いことが分かる。本開示のInAlAsデジタルアロイ構造増倍層と同様な超格子構造であるが薄層化されていない200nm以上の層厚を有するInAlAsデジタルアロイ構造増倍層に対して、電界は120kV/cmも低い。 Figure 41 shows the calculated difference between the quenching electric field and the Geiger mode electric field for each material constituting the multiplication layer. It can be seen that in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the present disclosure, the difference between the quenching electric field and the Geiger mode electric field of each multiplication layer is 170 kV/cm, which is particularly low. The electric field is 120 kV/cm lower than that of an InAlAs digital alloy structure multiplication layer having a superlattice structure similar to the InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the present disclosure but a layer thickness of 200 nm or more that has not been thinned.
<実施の形態18の効果>
以上、実施の形態18に係るSPADセンサーシステムによると、本開示のDA-APDをSPADセンサーに用いたので、クエンチング電界とガイガーモード電界の差、つまり印加電圧差を小さくできるため、応答帯域の向上、クエンチング回路の簡略化、及び省電力化が可能となるSPADセンサーシステムが得られるという効果を奏する。
<Effects of the eighteenth embodiment>
As described above, according to the SPAD sensor system of the eighteenth embodiment, the DA-APD of the present disclosure is used in the SPAD sensor, and therefore the difference between the quenching electric field and the Geiger mode electric field, i.e., the applied voltage difference, can be reduced, thereby achieving the effect of obtaining a SPAD sensor system that enables an improved response band, a simplified quenching circuit, and reduced power consumption.
実施の形態19.
図42は、実施の形態19に係るライダー(Light Detection And Ranging:LiDAR)装置の構成を表す図である。図43Aは比較例であるライダー装置のAPD700の受信波形を表す図であり、図43Bは実施の形態19に係るライダー装置700のAPDの受信波形を表す図である。
Embodiment 19.
Fig. 42 is a diagram showing the configuration of a LIDAR (Light Detection and Ranging: LiDAR) device according to embodiment 19. Fig. 43A is a diagram showing a received waveform of an
実施の形態19に係るライダー装置700は、光源701と、本開示のDA-APD702と、TIA703と、測距回路704と、を備える。なお、本開示のDA-APD702の代りに、本開示のDA-PDを用いても良い。光源701は、パルス状の光(以下、パルス光と呼ぶ)、または周波数変調された光を発する。The
実施の形態19に係るライダー装置700では、光源から出射されたパルス光が物体705に当たって半導体受光素子に戻って来るまでの時間を計測することにより、物体705までの距離を算出する。光源701にはLDなどが用いられる。遠方まで測定するためには、LDの光量を増やす必要があるが、LDから出射する光量は目に対する安全上、上限が定められている。このため、半導体受光素子の感度を高める必要がある。そこで、実施の形態19に係るライダー装置700では、半導体受光素子として、本開示のDA-APD702を高増倍で使用する。
In the
検出した光パルスは本開示のDA-APD702で増倍されて電流パルスに変換される。その後、TIA703で増幅されて測距回路704に入力され、図43A及び図43Bに示すように、パルス信号の強度が予め設定した識別ラインを超えた時点を到着時間と判定する。測距回路704には、光源701から光パルスを出射したタイミングを信号として入力しており、両者の時間差に光速を乗じて、2で割れば物体705までの距離を算出できる。また、周波数変調した光を出射し、出射波と戻ってくる反射波との周波数差から距離を算出する方式も使用される。The detected light pulse is multiplied by the DA-
<実施の形態19に係るライダー装置の作用と効果>
物体705の反射率は必ずしも高くなく、かつ反射方向は様々であるため、微小光をAPDで検出する必要がある。従来のAPDでは、図43Aに示すように、高増倍になるように電圧を設定して動作させると増倍時間が長くなり、APDから出力される電流パルス幅が広くなる。また、トンネル電流が増加して光パルスの識別が困難になる。出射波と反射波との周波数差から距離を算出する方式でも、周波数の識別が困難になる。
<Actions and Effects of the LIDAR Device According to the Nineteenth Embodiment>
Since the reflectance of the
一方、実施の形態19に係るライダー装置700で使用される本開示のInAlAsデジタルアロイ構造電子走行層を少なくとも有するPD及びAPDでは、電子及び正孔が空乏層内を通過する時間Tdが短いため、応答速度の劣化が少ない。したがって、APDのpn接合容量を低減して、TIA703の帰還抵抗を高くした高感度な受信器が実現できる。この結果、遠方の物体705の測距が可能となるだけでなく、光源701の光出力を小さくできるため省電力化が図られ、しかも、目に対する安全性も高くなる。On the other hand, in the PD and APD having at least the InAlAs digital alloy structure electron transit layer of the present disclosure used in the
さらに、本開示のInAlAsデジタルアロイ構造からなる電子走行層及び増倍層を有するDA-APD505aでは、20倍以上の高増倍でも実施の形態1の作用の説明において記載したように、トンネル電流は増加しないため、微弱光を識別することが容易に可能である。また、図34に示すように、増倍層での滞留時間が短いため、図43Bに示すように、ピーク強度が大きい電流パルスが得られるので識別感度が高い。この結果、遠方の物体の測距が可能となるだけでなく、光源の光出力を小さくできるため省電力化が図られ、さらに目に対する安全性も高くなるという効果を奏する。
Furthermore, in the DA-
<実施の形態19の効果>
以上、実施の形態19に係るライダー装置によると、物体からの反射光を本開示のDA-APDまたはDA-PDで受光するので、遠方の物体の測距が可能であり、かつ光源の省電力化を図ることができ、さらに目に対する安全性も高いライダー装置が得られるという効果を奏する。
<Effects of the nineteenth embodiment>
As described above, according to the LIDAR device of embodiment 19, reflected light from an object is received by the DA-APD or DA-PD of the present disclosure, which makes it possible to measure the distance to a distant object, reduces the power consumption of the light source, and provides a LIDAR device that is also safer for the eyes.
本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。While the present disclosure describes various exemplary embodiments and examples, the various features, aspects, and functions described in one or more embodiments are not limited to application to a particular embodiment, but may be applied to the embodiments alone or in various combinations.
従って、例示されていない無数の変形例が、本開示の技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。Therefore, countless variations not illustrated are contemplated within the scope of the technology of this disclosure. For example, this includes modifying, adding, or omitting at least one component, or extracting at least one component and combining it with a component of another embodiment.
1 n型InP基板、1a Feドープ半絶縁性InP基板、2 n型InPバッファ層、2a n型InAlAsバッファ層、2b n型InP導電層、3、47 i型InAlAsデジタルアロイ構造電子走行層、4 i型InAlGaAsグレーディッド層、5、43 i型InGaAs光吸収層、6 i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層、7 p型InP窓層、8 p型InGaAsコンタクト層、11 n型InP窓層、13、45 i型InAlAs増倍層、15 p型拡散領域、17 分離溝、18 表面保護膜、20 Feドープ半絶縁性InP埋込層、25 p型InAlAs導電層、31、31a、31b、51 n型電極、32、52 p型電極、33 開口部、35 無反射コーティング膜、40 p型InAlGaAsコンタクト層、41 p型InP導電層、42 i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層、14、44 p型InP電界緩和層、46 n型InAlAs電界調整層、48 n型InAlAs電界調整層、49 n型InAlAs導電層、50 n型InGaAsコンタクト層、53 金属膜、90 入射光、100、100a、110、110a、120、120a、130、130a、140、140a、150、150a、160、160a、170、170a、180、190、200 半導体受光素子、250a、260、260a、260b、270 光回線終端装置、251、261、274 FEC、252、262、273、303 ドライバーアンプ、253、263、272、304、401、701 光源、254、264、271 WDM、255、265a、301、506 DSP、256、266a、302b ADC、258 APD、257、267 バーストTIA、265、278 CDR、266、277 制限アンプ、267a、276、703 TIA、268、275、305、403、505a、702 DA-APD、300 多値強度変調送受信装置、302a DAC、310、501 光ファイバケーブル、306 Linear-TIA、400、450 光ファイバ無線システム、402 伝送路、404 アンテナ、406 PD、500 デジタルコヒーレント受信装置、501 光ファイバケーブル、502 偏波分離器、503a、503b 90度ハイブリッド器、504 半導体レーザ、505 バランスド・ディテクタ、600 SPADセンサーシステム、601 光電子計測回路、602 SPADセンサー、603 クエンチング回路、700 ライダー装置、704 測距回路、705 物体1 n-type InP substrate, 1a Fe-doped semi-insulating InP substrate, 2 n-type InP buffer layer, 2a n-type InAlAs buffer layer, 2b n-type InP conductive layer, 3, 47 i-type InAlAs digital alloy structure electron transport layer, 4 i-type InAlGaAs graded layer, 5, 43 i-type InGaAs light absorption layer, 6 i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer, 7 p-type InP window layer, 8 p-type InGaAs contact layer, 11 n-type InP window layer, 13, 45 i-type InAlAs multiplication layer, 15 p-type diffusion region, 17 separation groove, 18 surface protection film, 20 Fe-doped semi-insulating InP buried layer, 25 p-type InAlAs conductive layer, 31, 31a, 31b, 51 n-type electrode, 32, 52 p-type electrode, 33 opening, 35 anti-reflective coating film, 40 p-type InAlGaAs contact layer, 41 p-type InP conductive layer, 42 i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer, 14, 44 p-type InP field relaxation layer, 46 n-type InAlAs field adjustment layer, 48 n-type InAlAs field adjustment layer, 49 n-type InAlAs conductive layer, 50 n-type InGaAs contact layer, 53 metal film, 90 incident light, 100, 100a, 110, 110a, 120, 120a, 130, 130a, 140, 140a, 150, 150a, 160, 160a, 170, 170a, 180, 190, 200 Semiconductor light receiving element, 250a, 260, 260a, 260b, 270 Optical line terminal, 251, 261, 274 FEC, 252, 262, 273, 303 Driver amplifier, 253, 263, 272, 304, 401, 701 Light source, 254, 264, 271 WDM, 255, 265a, 301, 506 DSP, 256, 266a, 302b ADC, 258 APD, 257, 267 Burst TIA, 265, 278 CDR, 266, 277 Limiting amplifier, 267a, 276, 703 TIA, 268, 275, 305, 403, 505a, 702 DA-APD, 300 Multilevel intensity modulation transmitter/receiver, 302a DAC, 310, 501 Optical fiber cable, 306 Linear-TIA, 400, 450 Optical fiber radio system, 402 Transmission line, 404 Antenna, 406 PD, 500 Digital coherent receiver, 501 Optical fiber cable, 502 Polarization separator, 503a, 503b 90-degree hybrid device, 504 Semiconductor laser, 505 Balanced detector, 600 SPAD sensor system, 601 Optoelectronic measurement circuit, 602 SPAD sensor, 603 Quenching circuit, 700 Lidar device, 704 Distance measurement circuit, 705 Object
Claims (19)
前記InP基板上に形成されたn型半導体層と、
前記n型半導体層上に形成され、デジタルアロイ構造からなるi型電子走行層と、
前記i型電子走行層上に形成されたn型電界緩和層と、
前記n型電界緩和層上に形成されたi型増倍層と、
前記i型増倍層上に形成されたp型電界緩和層と、
前記p型電界緩和層上に形成された光吸収層と、
を備える半導体受光素子。 An InP substrate;
an n-type semiconductor layer formed on the InP substrate;
an i-type electron transit layer having a digital alloy structure formed on the n-type semiconductor layer;
an n-type electric field relaxation layer formed on the i-type electron transport layer;
an i-type multiplication layer formed on the n-type electric field buffer layer;
a p-type electric field buffer layer formed on the i-type multiplication layer;
a light absorbing layer formed on the p-type electric field buffer layer;
A semiconductor light receiving element comprising:
前記InP基板上に形成されたp型半導体層と、
前記p型半導体層上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成されたp型電界緩和層と、
前記p型電界緩和層上に形成されたi型増倍層と、
前記i型増倍層上に形成されたn型電界緩和層と、
前記n型電界緩和層上に形成され、デジタルアロイ構造からなるi型電子走行層と、
を備える半導体受光素子。 An InP substrate;
a p-type semiconductor layer formed on the InP substrate;
a light absorbing layer formed on the p-type semiconductor layer;
a p-type electric field relaxation layer formed on the light absorption layer;
an i-type multiplication layer formed on the p-type electric field buffer layer;
an n-type electric field buffer layer formed on the i-type multiplication layer;
an i-type electron transit layer having a digital alloy structure formed on the n-type electric field buffer layer;
A semiconductor light receiving element comprising:
光信号を前記半導体受光素子に入射する光合分波器と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路に接続され、増幅された前記電気信号からクロック・データを再生するクロック・データ再生回路と、
前記クロック・データ再生回路に接続され、前記クロック・データの誤りを訂正する前方誤り訂正回路と、
を備える光回線終端装置。 A semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 4 and 9 to 12 ,
an optical multiplexer/demultiplexer that inputs an optical signal to the semiconductor light receiving element;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
a clock data recovery circuit connected to the amplifier circuit and configured to recover clock data from the amplified electrical signal;
a forward error correction circuit connected to the clock data recovery circuit for correcting an error in the clock data;
An optical line terminal comprising:
光信号を前記半導体受光素子に入射する光合分波器と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路に接続され、増幅された電気信号をデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換回路と、
前記アナログ/デジタル変換回路に接続され、前記デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路と、
前記デジタル信号処理回路に接続され、前記デジタル信号の誤りを訂正する前方誤り訂正回路と、
を備える光回線終端装置。 A semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 4 and 9 to 12 ,
an optical multiplexer/demultiplexer that inputs an optical signal to the semiconductor light receiving element;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
an analog/digital conversion circuit connected to the amplifier circuit and converting the amplified electrical signal into a digital signal;
a digital signal processing circuit connected to the analog/digital conversion circuit and processing the digital signal;
a forward error correction circuit connected to the digital signal processing circuit for correcting errors in the digital signal;
An optical line terminal comprising:
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路に接続され、増幅された前記電気信号をデジタル信号に変換するアナログ/デジタル変換回路と、
前記アナログ/デジタル変換回路に接続され、前記デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路と、
を備える多値強度変調送受信装置。 A semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 4 and 9 to 12 , which receives a multi-level intensity modulated optical signal;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
an analog/digital conversion circuit connected to the amplifier circuit and converting the amplified electrical signal into a digital signal;
a digital signal processing circuit connected to the analog/digital conversion circuit and processing the digital signal;
A multilevel intensity modulation transmitting/receiving device comprising:
アナログ変調された前記光信号を受光する請求項1から4、9から12のいずれか1項に記載の半導体受光素子と、
前記半導体受光素子から出力されたアナログ電気信号をアンテナに伝送する伝送路と、
前記伝送路に接続され、前記アナログ電気信号を電波信号として放射するアンテナと、
を備える光ファイバ無線システム。 a light source that emits an analog modulated optical signal;
A semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 4 and 9 to 12 , which receives the optical signal that has been analog-modulated;
a transmission path for transmitting an analog electrical signal output from the semiconductor light receiving element to an antenna;
an antenna connected to the transmission line and configured to radiate the analog electrical signal as a radio wave signal;
A radio-on-fiber system comprising:
強度及び位相が変調された偏波多重光信号の偏波を分離する偏波分離器と、
前記偏波分離器から出力される光信号を分波及び合成する90度ハイブリッド器と、
前記90度ハイブリッド器に接続され、デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路と、
を備えるデジタルコヒーレント受信装置。 A semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 4 and 9 to 12 ,
a polarization splitter that splits the polarization of the intensity- and phase-modulated polarization multiplexed optical signal;
a 90-degree hybrid that splits and combines the optical signals output from the polarization splitter;
a digital signal processing circuit connected to the 90-degree hybrid device and processing a digital signal;
A digital coherent receiving device comprising:
前記SPADセンサーに、降伏電圧以上に印加した電圧及び降伏電圧未満の電圧を反復して印加するクエンチング回路と、
前記SPADセンサーから出力された電気信号を計測する光電子計測回路と、
を備えるSPADセンサーシステム。 A SPAD sensor including a semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 4 and 9 to 12 ;
a quenching circuit for repeatedly applying a voltage equal to or greater than a breakdown voltage and a voltage equal to or less than the breakdown voltage to the SPAD sensor;
an optoelectronic measurement circuit for measuring an electrical signal output from the SPAD sensor;
A SPAD sensor system comprising:
前記光源から出射された光が物体に反射して戻ってきた光を受光する請求項1から4、9から12のいずれか1項に記載された半導体受光素子と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路によって増幅された電気信号に基づき距離を算出する測距回路と、
を備えるライダー装置。 a light source that emits pulsed or frequency modulated light;
a semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 4 and 9 to 12 , which receives light emitted from the light source and reflected by an object;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
a distance measuring circuit for calculating a distance based on the electrical signal amplified by the amplifier circuit;
A lidar device comprising:
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP7511793B1 true JP7511793B1 (en) | 2024-07-05 |
Family
ID=
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