JPH0832105A - 光半導体装置 - Google Patents
光半導体装置Info
- Publication number
- JPH0832105A JPH0832105A JP6169215A JP16921594A JPH0832105A JP H0832105 A JPH0832105 A JP H0832105A JP 6169215 A JP6169215 A JP 6169215A JP 16921594 A JP16921594 A JP 16921594A JP H0832105 A JPH0832105 A JP H0832105A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor device
- optical semiconductor
- optical
- layer
- multiplication
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 Gbit/s帯光ファイバ伝送システム、光
信号処理システム等に用いるIC駆動電圧のみ動作可能
なAPD、超高速応答可能なAPD及び他の電子回路と
集積可能なAPDを提供する。 【構成】 光吸収層と超格子増倍層5を導波路コア4,
6の一部に形成する。 【効果】 電界を印加する方向の厚みが薄くなるので、
必要なバイアス電圧の低下、キャリア走行時間の短縮、
電子デバイスの微細加工が可能になる。その結果、IC
駆動電源でAPD駆動や超高速応答可能なAPD及びそ
のシステムが歩留まり良く作製できる。
信号処理システム等に用いるIC駆動電圧のみ動作可能
なAPD、超高速応答可能なAPD及び他の電子回路と
集積可能なAPDを提供する。 【構成】 光吸収層と超格子増倍層5を導波路コア4,
6の一部に形成する。 【効果】 電界を印加する方向の厚みが薄くなるので、
必要なバイアス電圧の低下、キャリア走行時間の短縮、
電子デバイスの微細加工が可能になる。その結果、IC
駆動電源でAPD駆動や超高速応答可能なAPD及びそ
のシステムが歩留まり良く作製できる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ伝送システ
ム、光信号処理システム等において、光信号を電気信号
に変換する光半導体装置に関する。
ム、光信号処理システム等において、光信号を電気信号
に変換する光半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年急速に発展している幹線系大容量光
ファイバ伝送システムは、将来の高度情報化社会の構築
には不可欠となった。一方、将来の情報処理システム、
例えば超並列計算機や大容量交換機等では、電気信号配
線がボトルネックになっている。このような情報処理装
置内の信号配線を光で並列接続する所謂光インタコネク
トは、このボトルネックを解消し、システムの高性能化
を可能にするものとして注目されている。並列同期伝送
方式を用いる光インタコネクトでは、モジュールの高速
化・高スループット化・小型化・高信頼化のために、適
用する光デバイスは、並列アレイ状にモノリシック集積
されている。
ファイバ伝送システムは、将来の高度情報化社会の構築
には不可欠となった。一方、将来の情報処理システム、
例えば超並列計算機や大容量交換機等では、電気信号配
線がボトルネックになっている。このような情報処理装
置内の信号配線を光で並列接続する所謂光インタコネク
トは、このボトルネックを解消し、システムの高性能化
を可能にするものとして注目されている。並列同期伝送
方式を用いる光インタコネクトでは、モジュールの高速
化・高スループット化・小型化・高信頼化のために、適
用する光デバイスは、並列アレイ状にモノリシック集積
されている。
【0003】この光インタコネクトにおいて、光受信部
で光電変換する受光素子には低バイアス電圧(例えば5
V程度)で動作可能なpin 構造を持つPINフォトダイ
オード(以下、PIN−PDと略す)を用いる。システ
ムの高速化・高スループット化・小型化・高信頼化のた
めに、並列同期伝送方式を用いるので、PIN−PDは
並列アレイ状にモノリシック集積化する必要がある。松
田等は(松田その他:’装置間光インタコネクト用高速
・低容量8チャネルPDアレイ’電子情報通信学会技術
研究報告 OQE92-169, p.19-24(1993))、光吸収層をInGa
As層とするInP系8チャネルモノリシック集積化PIN
−PDアレイを試作し、200Mbit/s/ch−8
チャネル装置間光インタコネクトに適用している。
で光電変換する受光素子には低バイアス電圧(例えば5
V程度)で動作可能なpin 構造を持つPINフォトダイ
オード(以下、PIN−PDと略す)を用いる。システ
ムの高速化・高スループット化・小型化・高信頼化のた
めに、並列同期伝送方式を用いるので、PIN−PDは
並列アレイ状にモノリシック集積化する必要がある。松
田等は(松田その他:’装置間光インタコネクト用高速
・低容量8チャネルPDアレイ’電子情報通信学会技術
研究報告 OQE92-169, p.19-24(1993))、光吸収層をInGa
As層とするInP系8チャネルモノリシック集積化PIN
−PDアレイを試作し、200Mbit/s/ch−8
チャネル装置間光インタコネクトに適用している。
【0004】図3にこの従来例のPIN−PDの構造
図、図4にアレイ状にモノリシック集積化した構造図を
示す。フリップチップ実装可能な裏面光入射構造であ
る。これは、アレイ化した場合カソード側共通インピー
ダンスを低減し、信号漏れ込みによりクロストークを抑
圧するためである。従来例は以下の手法により作製され
る。即ち、PIN−PD14は、有機金属気相成長法
(以下MOVPE法と略す)により、n+-InP基板2上に
ノンドープInPバッファ層15(厚み2μm)、ノンドー
プInGaAs光吸収層16(厚み2.2μm)、SiドープInPバ
ッファ層17(厚み1μm)、ノンドープInGaAsPコンタ
クト層18(厚み0.7μm)を順次連続成長させた後、Br
系エッチング液でメサエッチした。pn接合20は、Zn
の選択拡散19により光吸収層16とInPバッファ層1
7の界面に設けた。次に素子の絶縁保護化のためにSi
Nx膜39を図のように設け、p電極10とn電極11
をAu/Pt/Ti金属多層膜で形成した。基板裏面にSiNx
反射防止膜21を設けた。ここでは、素子単体の作製に
ついて述べたが、図4に示す8チャネルにアレイ化した
場合もまったく同様に作製可能である。このようにして
作製された従来例は、動作電圧5Vで、素子容量0.2
5pF、暗電流35pA、3dB-帯域幅9.5GHz、ク
ロストーク30dB以下(@3GHz)の特性を持つ。
また、8チャネルアレイでの量子効率のバラツキは平均
量子効率90%に対し、±2%程度と均一性も良い。
図、図4にアレイ状にモノリシック集積化した構造図を
示す。フリップチップ実装可能な裏面光入射構造であ
る。これは、アレイ化した場合カソード側共通インピー
ダンスを低減し、信号漏れ込みによりクロストークを抑
圧するためである。従来例は以下の手法により作製され
る。即ち、PIN−PD14は、有機金属気相成長法
(以下MOVPE法と略す)により、n+-InP基板2上に
ノンドープInPバッファ層15(厚み2μm)、ノンドー
プInGaAs光吸収層16(厚み2.2μm)、SiドープInPバ
ッファ層17(厚み1μm)、ノンドープInGaAsPコンタ
クト層18(厚み0.7μm)を順次連続成長させた後、Br
系エッチング液でメサエッチした。pn接合20は、Zn
の選択拡散19により光吸収層16とInPバッファ層1
7の界面に設けた。次に素子の絶縁保護化のためにSi
Nx膜39を図のように設け、p電極10とn電極11
をAu/Pt/Ti金属多層膜で形成した。基板裏面にSiNx
反射防止膜21を設けた。ここでは、素子単体の作製に
ついて述べたが、図4に示す8チャネルにアレイ化した
場合もまったく同様に作製可能である。このようにして
作製された従来例は、動作電圧5Vで、素子容量0.2
5pF、暗電流35pA、3dB-帯域幅9.5GHz、ク
ロストーク30dB以下(@3GHz)の特性を持つ。
また、8チャネルアレイでの量子効率のバラツキは平均
量子効率90%に対し、±2%程度と均一性も良い。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術におい
て、受光素子で光電変換された受信信号は、信号処理す
る前に所定の振幅まで増幅されなければならない。従っ
て、受光素子に対応する数だけの増幅回路が受光素子同
様、IC上にアレイ化される。一般的にこの増幅回路に
必要な利得即ちトランスインピーダンスは60dB以上
である。このような高利得な増幅回路を内蔵するため、
IC内で生じるクロストークが大きくなり、チャネル数
及び伝送速度を制限する。又、発振などを起こしやすく
なり、歩留まり低下等の問題が生じる。このような問題
点を解決するためには、受光素子をPIN−PDから、
利得を持つ即ち雪崩増倍型受光素子(以下APDと略
す)に換え、光電変換の際に信号振幅を増幅し、受信増
幅回路の負荷を軽くすることにより可能である。しか
し、一般にAPDは30V以上のバイアス電圧を必要と
し、このような光インタコネクトのように5V程度の単
一電源システムには、適用できない。
て、受光素子で光電変換された受信信号は、信号処理す
る前に所定の振幅まで増幅されなければならない。従っ
て、受光素子に対応する数だけの増幅回路が受光素子同
様、IC上にアレイ化される。一般的にこの増幅回路に
必要な利得即ちトランスインピーダンスは60dB以上
である。このような高利得な増幅回路を内蔵するため、
IC内で生じるクロストークが大きくなり、チャネル数
及び伝送速度を制限する。又、発振などを起こしやすく
なり、歩留まり低下等の問題が生じる。このような問題
点を解決するためには、受光素子をPIN−PDから、
利得を持つ即ち雪崩増倍型受光素子(以下APDと略
す)に換え、光電変換の際に信号振幅を増幅し、受信増
幅回路の負荷を軽くすることにより可能である。しか
し、一般にAPDは30V以上のバイアス電圧を必要と
し、このような光インタコネクトのように5V程度の単
一電源システムには、適用できない。
【0006】本発明の目的は上記従来技術の問題点であ
るAPDの高動作電圧により、PIN−PDしか適用で
きずシステム性能が低下したり、歩留まりが低下する等
を解決する光半導体装置を提供することである。
るAPDの高動作電圧により、PIN−PDしか適用で
きずシステム性能が低下したり、歩留まりが低下する等
を解決する光半導体装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的は以下の手段に
より達成される。即ち、素子構造に導波路を採用し、光
信号は導波路端面より入射し、導波路内を伝搬する。導
波路のコア部の少なくとも一部が光吸収層及び増倍層と
し、電界は導波路垂直方向に印加する。従って吸収生成
したキャリアは、導波路に対し垂直方向に走行し、検出
される。増倍層には超格子構造を用いる。この解決手段
は、動作電圧を高くする要因である光吸収の厚みと増倍
層をそれぞれ、充分量子効率を取れるよう導波路構造に
することにより、薄くしたこと、増倍層をバルク結晶材
料より低電界で増倍を得られる超格子構造にしたことで
ある。さらに導波路への光閉じ込めを良くするためにこ
れら光吸収層と増倍層をコアの一部に設けることで量子
効率はさらに改善される。薄い吸収層にすると、動作電
圧が下げられることは容易にわかるのことなので、超格
子構造の低電圧動作の効果を以下に説明する。
より達成される。即ち、素子構造に導波路を採用し、光
信号は導波路端面より入射し、導波路内を伝搬する。導
波路のコア部の少なくとも一部が光吸収層及び増倍層と
し、電界は導波路垂直方向に印加する。従って吸収生成
したキャリアは、導波路に対し垂直方向に走行し、検出
される。増倍層には超格子構造を用いる。この解決手段
は、動作電圧を高くする要因である光吸収の厚みと増倍
層をそれぞれ、充分量子効率を取れるよう導波路構造に
することにより、薄くしたこと、増倍層をバルク結晶材
料より低電界で増倍を得られる超格子構造にしたことで
ある。さらに導波路への光閉じ込めを良くするためにこ
れら光吸収層と増倍層をコアの一部に設けることで量子
効率はさらに改善される。薄い吸収層にすると、動作電
圧が下げられることは容易にわかるのことなので、超格
子構造の低電圧動作の効果を以下に説明する。
【0008】図5にInAlAs/InGaAs超格子
と現在光通信システムで最も多く使用されているInP
−APDの衝突イオン化率の電界依存性の一例を示す。
図からわかるようにInPバルク結晶ではホールのイオ
ン化率は電界が400kV/cm以上になると104/
cm以上になるのに対し、超格子では、電子のイオン化
率は300kV/cm以下の電界でも104/cm以上
になる。これは超格子が持つ障壁層と井戸層ヘテロ界面
でのエネルギー差を走行するキャリアが利用して高効率
な増倍作用が得られていることを示す。例えば、300
kV/cmの電界を素子厚0.1μmの素子に与えるに
はバイアス電圧は3Vで良い。増倍率は増倍層厚にも依
存するので、超格子層厚をパラメータにして増倍率のイ
オン化率依存性を計算した結果を図6に示す。厚み0.
15μmの超格子で増倍率を5以上得るには、7×10
4/cm以上の電子のイオン化率が必要なことがわか
る。これは超格子に歪等を導入して上記ヘテロ界面での
エネルギー差を格子整合したInAlAs/InGaA
s超格子のものより大きするなどの工夫により可能であ
る。
と現在光通信システムで最も多く使用されているInP
−APDの衝突イオン化率の電界依存性の一例を示す。
図からわかるようにInPバルク結晶ではホールのイオ
ン化率は電界が400kV/cm以上になると104/
cm以上になるのに対し、超格子では、電子のイオン化
率は300kV/cm以下の電界でも104/cm以上
になる。これは超格子が持つ障壁層と井戸層ヘテロ界面
でのエネルギー差を走行するキャリアが利用して高効率
な増倍作用が得られていることを示す。例えば、300
kV/cmの電界を素子厚0.1μmの素子に与えるに
はバイアス電圧は3Vで良い。増倍率は増倍層厚にも依
存するので、超格子層厚をパラメータにして増倍率のイ
オン化率依存性を計算した結果を図6に示す。厚み0.
15μmの超格子で増倍率を5以上得るには、7×10
4/cm以上の電子のイオン化率が必要なことがわか
る。これは超格子に歪等を導入して上記ヘテロ界面での
エネルギー差を格子整合したInAlAs/InGaA
s超格子のものより大きするなどの工夫により可能であ
る。
【0009】したがって、以上述べた手段により従来の
APDの動作電圧を格段に下げ、前述のようなシステム
への導入が可能になり、システム性能低下や歩留まり低
下等の問題がなくなる。
APDの動作電圧を格段に下げ、前述のようなシステム
への導入が可能になり、システム性能低下や歩留まり低
下等の問題がなくなる。
【0010】
【作用】本発明の方法では、導波路構造を採用し、電界
を導波路に対し垂直方向に印加し、生成キャリアを入射
光の伝搬方向に垂直に走行させ、コアの一部を光吸収に
し、増倍層には超格子を用いて、光吸収層を薄くしても
充分高い量子効率を、低電界でも増倍が得られるので、
動作電圧をICを駆動する電圧程度まで下げることがで
きる。これにより、APD駆動用専用電源が不必要とな
り、例えば高速・マルチチャネル光並列伝送用モジュー
ルの性能が向上し、且つその歩留まりも向上する。上記
の手段は固体ソース又はガスソースMBE法により容易
に実現可能である。
を導波路に対し垂直方向に印加し、生成キャリアを入射
光の伝搬方向に垂直に走行させ、コアの一部を光吸収に
し、増倍層には超格子を用いて、光吸収層を薄くしても
充分高い量子効率を、低電界でも増倍が得られるので、
動作電圧をICを駆動する電圧程度まで下げることがで
きる。これにより、APD駆動用専用電源が不必要とな
り、例えば高速・マルチチャネル光並列伝送用モジュー
ルの性能が向上し、且つその歩留まりも向上する。上記
の手段は固体ソース又はガスソースMBE法により容易
に実現可能である。
【0011】尚、上記の手段は素子の低電圧動作化に有
効のみならず、高速化、高機能化に有効である。これの
効果については、実施例を用いて説明する。
効のみならず、高速化、高機能化に有効である。これの
効果については、実施例を用いて説明する。
【0012】
【実施例】以下、図1に示す本発明の一実施例を説明を
する。図1は本発明による超格子APDの構造断面図で
ある。本発明は超格子層内で光吸収と増倍を行う低電圧
動作を狙ったものである。図2には本発明の導波路型超
格子APDの素子概観図を示す。本発明の実施例1の製
法には固体ソースのMBE法を用いた。成長温度、砒素
圧、燐圧はそれぞれ500℃、1×10−5Torr、8×
10−5Torrとした。n+-InP基板2(不純物濃度2×1
018/cm3,厚み400μm)上に成長する半導体層は基
板に対し0.02%以内の精度で格子整合させた。成長
手順は以下のとおりである。まず、n+-InP基板2上にSi
ドープn+-InAlAs層3(不純物濃度2×1018/cm3,厚
み0.7μm)、Siドープn+-InGaAlAsクラッド層4(不
純物濃度2×1018/cm3,厚み0.13μm、バンドギ
ャップ波長1.25μm)、ノンドープInAlAs/InGaAs超
格子光吸収/増倍層5(障壁層厚=15nm、井戸層厚=
12nm、4周期)、Beドープp+-InGaAlAs層6(不純物
濃度2×1018/cm3,厚み0.13μm、バンドギャッ
プ波長1.25μm)、Beドープp+-InAlAs層7(不純物
濃度2×1018/cm3,厚み0.7μm)、p+-InGaAsコン
タクト層8(不純物濃度6×1019/cm3,厚み0.1μ
m)を順次連続成長し、導波路型超格子APD用半導体
積層構造を形成した。メサエッチングにはBr系のウェ
ットエッチングを用い、導波路幅5μm、導波路長30
μmの導波路を形成した。ポリイミド膜10を図1のよ
うに設け、素子の絶縁保護化、平面化、寄生容量の低減
化を行った。p電極10には電子ビームを用いた真空蒸
着法により形成したTi/Pt/Au膜を、n電極11には抵抗
線加熱方式の真空蒸着法によりAuGe/Ni/Au膜を用いた。
更に光入力部となる導波路端面には、半導体レーザなど
で用いる手法によりSiNx反射防止膜を設け、導波路端面
での反射による量子効率の低下を防止した。光ファイバ
13から入射される受信光信号12は図2に示すように
導波路端面より光吸収層を含むコアを光吸収されながら
伝搬する。
する。図1は本発明による超格子APDの構造断面図で
ある。本発明は超格子層内で光吸収と増倍を行う低電圧
動作を狙ったものである。図2には本発明の導波路型超
格子APDの素子概観図を示す。本発明の実施例1の製
法には固体ソースのMBE法を用いた。成長温度、砒素
圧、燐圧はそれぞれ500℃、1×10−5Torr、8×
10−5Torrとした。n+-InP基板2(不純物濃度2×1
018/cm3,厚み400μm)上に成長する半導体層は基
板に対し0.02%以内の精度で格子整合させた。成長
手順は以下のとおりである。まず、n+-InP基板2上にSi
ドープn+-InAlAs層3(不純物濃度2×1018/cm3,厚
み0.7μm)、Siドープn+-InGaAlAsクラッド層4(不
純物濃度2×1018/cm3,厚み0.13μm、バンドギ
ャップ波長1.25μm)、ノンドープInAlAs/InGaAs超
格子光吸収/増倍層5(障壁層厚=15nm、井戸層厚=
12nm、4周期)、Beドープp+-InGaAlAs層6(不純物
濃度2×1018/cm3,厚み0.13μm、バンドギャッ
プ波長1.25μm)、Beドープp+-InAlAs層7(不純物
濃度2×1018/cm3,厚み0.7μm)、p+-InGaAsコン
タクト層8(不純物濃度6×1019/cm3,厚み0.1μ
m)を順次連続成長し、導波路型超格子APD用半導体
積層構造を形成した。メサエッチングにはBr系のウェ
ットエッチングを用い、導波路幅5μm、導波路長30
μmの導波路を形成した。ポリイミド膜10を図1のよ
うに設け、素子の絶縁保護化、平面化、寄生容量の低減
化を行った。p電極10には電子ビームを用いた真空蒸
着法により形成したTi/Pt/Au膜を、n電極11には抵抗
線加熱方式の真空蒸着法によりAuGe/Ni/Au膜を用いた。
更に光入力部となる導波路端面には、半導体レーザなど
で用いる手法によりSiNx反射防止膜を設け、導波路端面
での反射による量子効率の低下を防止した。光ファイバ
13から入射される受信光信号12は図2に示すように
導波路端面より光吸収層を含むコアを光吸収されながら
伝搬する。
【0013】次に本素子の特性について述べる。図7は
本素子の電圧−電流特性を示す。図からわかるように本
素子の降伏電圧は約6V、動作電圧5Vで増倍率6を得
た。このような低動作電圧の例は今までに報告されたこ
とがない。この時の暗電流は約0.1μAである。この
暗電流は適用するシステムでの受信光電力が比較的高い
ために問題とならない。量子効率は導波路端面での光結
合損により、約70%であった。本素子の周波数特性は
3GHz以上の帯域幅を持ち、帯域内フラットネスは
0.3dB以内であった。
本素子の電圧−電流特性を示す。図からわかるように本
素子の降伏電圧は約6V、動作電圧5Vで増倍率6を得
た。このような低動作電圧の例は今までに報告されたこ
とがない。この時の暗電流は約0.1μAである。この
暗電流は適用するシステムでの受信光電力が比較的高い
ために問題とならない。量子効率は導波路端面での光結
合損により、約70%であった。本素子の周波数特性は
3GHz以上の帯域幅を持ち、帯域内フラットネスは
0.3dB以内であった。
【0014】本発明を用いて、光インタコネクトのよう
な並列同期伝送システム用に図8に示すようにアレイ化
した。実施例では10チャネルである。チャネル内での
増倍特性のバラツキはほとんどなく、ICと連携動作さ
せたところ、−5.2V単一電源動作で増倍率約4を得
た。これによりICのトランスインピーダンスは従来と
比較して1/4まで下げることができた。これによりク
ロストークが10dB以上下げること、ICの高速化が
可能になり、システムは600Mbit/sまで高速デ
ータ転送可能になった。
な並列同期伝送システム用に図8に示すようにアレイ化
した。実施例では10チャネルである。チャネル内での
増倍特性のバラツキはほとんどなく、ICと連携動作さ
せたところ、−5.2V単一電源動作で増倍率約4を得
た。これによりICのトランスインピーダンスは従来と
比較して1/4まで下げることができた。これによりク
ロストークが10dB以上下げること、ICの高速化が
可能になり、システムは600Mbit/sまで高速デ
ータ転送可能になった。
【0015】本発明の実施例の超格子層5を歪InAl
As/InGaAs超格子に換えて、ヘテロ界面のエネ
ルギー差を約0.1eV拡げた所、バイアス電圧5Vで
増倍率10以上を得た。暗電流には大きな増減はなかっ
た。この素子を適用することにより、アレイモジュール
のより高性能化が可能になる。
As/InGaAs超格子に換えて、ヘテロ界面のエネ
ルギー差を約0.1eV拡げた所、バイアス電圧5Vで
増倍率10以上を得た。暗電流には大きな増減はなかっ
た。この素子を適用することにより、アレイモジュール
のより高性能化が可能になる。
【0016】図9は本発明によるもう一つの実施例を示
す導波路型超格子APD23の素子断面構造図である。
本素子は前述の高速化を図ったものである。超格子層5
の代わりに、ノンドープInAlAs/InGaAs超格子増倍層2
4(障壁層厚=15nm、井戸層厚=4nm、9周期)、p-I
nAlAs/InGaAs電界緩和層25(不純物濃度〜3.8×
1017/cm3,InAlAs層厚0.09μm、InGaAs層厚0.
01μm)、p--InGaAs光吸収層26(不純物濃度〜2×
1015/cm3,厚み0.3μm)にして、本素子を図1の実
施例と同様にして形成した。
す導波路型超格子APD23の素子断面構造図である。
本素子は前述の高速化を図ったものである。超格子層5
の代わりに、ノンドープInAlAs/InGaAs超格子増倍層2
4(障壁層厚=15nm、井戸層厚=4nm、9周期)、p-I
nAlAs/InGaAs電界緩和層25(不純物濃度〜3.8×
1017/cm3,InAlAs層厚0.09μm、InGaAs層厚0.
01μm)、p--InGaAs光吸収層26(不純物濃度〜2×
1015/cm3,厚み0.3μm)にして、本素子を図1の実
施例と同様にして形成した。
【0017】得られた特性は降伏電圧15V、増倍率1
0での暗電流約0.2μAである。量子効率は70%、
図10に示すように利得帯域幅積は150GHzを得
た。吸収層を0.3μmと薄くすることができたため
に、キャリアの走行時間制限が50GHz以上まで延
び、増倍率5でも3dB帯域40GHzを得た。これに
より、従来のPIN−PDを用いたフロントエンドと比
較して、S/N比を10dB以上改善でき、40Gbi
t/s用高感度フロントエンドが可能となった。
0での暗電流約0.2μAである。量子効率は70%、
図10に示すように利得帯域幅積は150GHzを得
た。吸収層を0.3μmと薄くすることができたため
に、キャリアの走行時間制限が50GHz以上まで延
び、増倍率5でも3dB帯域40GHzを得た。これに
より、従来のPIN−PDを用いたフロントエンドと比
較して、S/N比を10dB以上改善でき、40Gbi
t/s用高感度フロントエンドが可能となった。
【0018】図11は本発明によるさらにもう一つの実
施例を示す導波路型超格子APDとHEMTを用いたプ
リアンプの光電子集積回路27の素子断面構造図であ
る。本素子は前述の高機能化を図ったものである。超格
子層5の代わりに、ノンドープInAlAs/InGaAs超格子増
倍層24(障壁層厚=15nm、井戸層厚=4nm、11周
期)、p-InAlAs/InGaAs電界緩和層25(不純物濃度〜
3.8×1017/cm3,InAlAs層厚0.09μm、InGaAs
層厚0.01μm)、p--InGaAs光吸収層26(不純物濃
度〜2×1015/cm3,厚み0.4μm)にして、本受光素
子部を図1の実施例と同様にして形成した。電子回路部
の特にHEMTは一般的によく用いられるようにキャリ
ア供給層所謂2次元電子ガス層31にはプレーナドープ
層を用いた。半絶縁性InP基板28上にInP層2
9、InGaAs層30、2次元電子ガス層31、In
AlAs層32、InGaAs層33をガスソースMB
E法で順次形成し、さらに超格子APD部半導体層を前
述の実施例で述べたのと同様にして形成する。その後、
選択エッチングで電子回路部上にある超格子APD部半
導体層を除去し、通常のHEMT形成プロセスを行う。
この際、超格子APD部半導体層は導波路構造を採用し
ているために、全体の半導体層の厚み4μm程度ある従
来の面入射型に比べ、厚み3μm以下にまで薄くでき
る。このことはHEMTの特性を支配するゲート長微細
加工がより可能になる。従って、従来ではゲート長が1
μm程度であったものが0.5μm以下まで微細化でき
た。尚、受光部の基板28を予めエッチング等で溝を設
け、段差軽減の工夫を施すとさらにゲート長が0.3μ
m程度が可能になった。本実施例ではゲート長0.5μm
である。図12は本実施例の光電子集積回路の回路図で
ある。帰還抵抗800Ωを用いるトランスインピーダン
ス型プリアンプである。抵抗はHEMTのチャネル層
を、レベルシフトダイオードはHEMTのゲートと同等
の構造を用いた。
施例を示す導波路型超格子APDとHEMTを用いたプ
リアンプの光電子集積回路27の素子断面構造図であ
る。本素子は前述の高機能化を図ったものである。超格
子層5の代わりに、ノンドープInAlAs/InGaAs超格子増
倍層24(障壁層厚=15nm、井戸層厚=4nm、11周
期)、p-InAlAs/InGaAs電界緩和層25(不純物濃度〜
3.8×1017/cm3,InAlAs層厚0.09μm、InGaAs
層厚0.01μm)、p--InGaAs光吸収層26(不純物濃
度〜2×1015/cm3,厚み0.4μm)にして、本受光素
子部を図1の実施例と同様にして形成した。電子回路部
の特にHEMTは一般的によく用いられるようにキャリ
ア供給層所謂2次元電子ガス層31にはプレーナドープ
層を用いた。半絶縁性InP基板28上にInP層2
9、InGaAs層30、2次元電子ガス層31、In
AlAs層32、InGaAs層33をガスソースMB
E法で順次形成し、さらに超格子APD部半導体層を前
述の実施例で述べたのと同様にして形成する。その後、
選択エッチングで電子回路部上にある超格子APD部半
導体層を除去し、通常のHEMT形成プロセスを行う。
この際、超格子APD部半導体層は導波路構造を採用し
ているために、全体の半導体層の厚み4μm程度ある従
来の面入射型に比べ、厚み3μm以下にまで薄くでき
る。このことはHEMTの特性を支配するゲート長微細
加工がより可能になる。従って、従来ではゲート長が1
μm程度であったものが0.5μm以下まで微細化でき
た。尚、受光部の基板28を予めエッチング等で溝を設
け、段差軽減の工夫を施すとさらにゲート長が0.3μ
m程度が可能になった。本実施例ではゲート長0.5μm
である。図12は本実施例の光電子集積回路の回路図で
ある。帰還抵抗800Ωを用いるトランスインピーダン
ス型プリアンプである。抵抗はHEMTのチャネル層
を、レベルシフトダイオードはHEMTのゲートと同等
の構造を用いた。
【0019】得られたHEMTの遮断周波数は50GH
z以上あった。超格子APDの特性は上述の高速用のも
のとほぼ同等で利得帯域幅積140GHzである。AP
Dの増倍率12までの動作で、3dB帯域幅10GHz
を得た。本素子を用いて10Gbit/s光伝送を行っ
た所、受信感度−27dBm(@エラーレート=10-
11)を得、10Gbit/s光伝送に近年頻繁に用いら
れる光ファイバアンプを用いることなく、伝送距離80
km程度のシステム構築が可能になった。
z以上あった。超格子APDの特性は上述の高速用のも
のとほぼ同等で利得帯域幅積140GHzである。AP
Dの増倍率12までの動作で、3dB帯域幅10GHz
を得た。本素子を用いて10Gbit/s光伝送を行っ
た所、受信感度−27dBm(@エラーレート=10-
11)を得、10Gbit/s光伝送に近年頻繁に用いら
れる光ファイバアンプを用いることなく、伝送距離80
km程度のシステム構築が可能になった。
【0020】今までに述べてきた本発明の実施例は、容
易にわかるように材料、結晶成長方法、プロセス依存し
ない。
易にわかるように材料、結晶成長方法、プロセス依存し
ない。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、APDの光吸収層十分
薄くし、APDの増倍電界を従来より下げることができ
る。その結果、APDの動作電圧をIC駆動用単一電源
から与えることができ、APDを用いたモジュールの高
速化、高密度化が達成でき、且つ歩留まりが向上してコ
スト低減が実現できる。本発明はその他に、素子の高速
化、高機能化に有効であり、小型高性能の光受信器が実
現できる。
薄くし、APDの増倍電界を従来より下げることができ
る。その結果、APDの動作電圧をIC駆動用単一電源
から与えることができ、APDを用いたモジュールの高
速化、高密度化が達成でき、且つ歩留まりが向上してコ
スト低減が実現できる。本発明はその他に、素子の高速
化、高機能化に有効であり、小型高性能の光受信器が実
現できる。
【図1】本発明の一実施例素子断面構造図。
【図2】本発明の一実施例素子概観図。
【図3】従来例の素子概観図。
【図4】モノリシック集積化した従来例。
【図5】InPバルクと超格子のイオン化率。
【図6】超格子APD増倍率のイオン化率依存性。
【図7】本発明の一実施例の電圧電流特性。
【図8】モノリシック集積化した本発明の実施例。
【図9】本発明のもう一つの実施例の素子断面構造図。
【図10】本発明のもう一つの実施例の帯域幅増倍率依
存性。
存性。
【図11】本発明のもう一つの実施例となる電子回路と
集積化した素子断面構造図。
集積化した素子断面構造図。
【図12】電子回路と集積化した素子の回路図。
1…本発明の実施例、2…n−InP基板、3…n−I
nAlAs層、4…InGaAlAsコア層、5…In
AlAs/InGaAs超格子光吸収増倍層、6…In
GaAlAsコア層、7…p−InAlAs層、8…p
−InGaAsコンタクト層、9…ポリイミド埋め込み
層、10…p−電極、11…n−電極、12…受信光信
号、13…ファイバ、14…従来例、15…InP層、
16…InGaAs層、17…InP層、18…InG
aAsP層、19…Zn拡散領域、20…pn接合、2
1…反射防止膜、22…アレイ化した従来例、23…本
発明のもう一つの実施例、24…InGaAs光吸収
層、25…InAlAs/InGaAs電界緩和層、2
6…InAlAs/InGaAs超格子増倍層、27…
アレイ化した本発明、28…InP半絶縁性基板、29
…InP層。
nAlAs層、4…InGaAlAsコア層、5…In
AlAs/InGaAs超格子光吸収増倍層、6…In
GaAlAsコア層、7…p−InAlAs層、8…p
−InGaAsコンタクト層、9…ポリイミド埋め込み
層、10…p−電極、11…n−電極、12…受信光信
号、13…ファイバ、14…従来例、15…InP層、
16…InGaAs層、17…InP層、18…InG
aAsP層、19…Zn拡散領域、20…pn接合、2
1…反射防止膜、22…アレイ化した従来例、23…本
発明のもう一つの実施例、24…InGaAs光吸収
層、25…InAlAs/InGaAs電界緩和層、2
6…InAlAs/InGaAs超格子増倍層、27…
アレイ化した本発明、28…InP半絶縁性基板、29
…InP層。
フロントページの続き (72)発明者 宍倉 正人 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内
Claims (21)
- 【請求項1】半導体基板上に形成された光導波路と光吸
収部とアバランシェ増倍部とを有し、受信信号光は該導
波路方向に入射し、該光吸収部で光吸収後生成したキャ
リアが走行する方向は該信号光の進行方向と異なり、該
キャリアの少なくとも一部は半導体内走行中に該アバラ
ンシェ増倍部で増倍作用を受けて光検出される光半導体
受光装置において、少なくとも導波路内の伝搬部、即ち
コアの一部で光吸収が生じることを特徴とする光半導体
装置。 - 【請求項2】請求項1に記載の光半導体装置において、
該アバランシェ増倍部が多重量子井戸構造、即ち超格子
であることを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項3】請求項2に記載の光半導体装置において、
該超格子層の厚みが0.3μm以下であることを特徴と
する光半導体装置。 - 【請求項4】請求項2又は3に記載の光半導体装置にお
いて、該超格子層内で光吸収及び増倍が生じることを特
徴とする光半導体装置。 - 【請求項5】請求項4に記載の光半導体装置において、
降伏電圧が10V以下であることを特徴とする光半導体
装置。 - 【請求項6】請求項5に記載の光半導体装置において、
動作電圧が5V以下で増倍作用を有し、光電変換効率が
1A/W以上になることを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項7】請求項4乃至6のいずれかに記載の光半導
体装置において、該超格子層が歪超格子であることを特
徴とする光半導体装置。 - 【請求項8】請求項1乃至3のいずれかに記載の光半導
体装置において、該光吸収部と該アバランシェ増倍部と
が構造的に分離され、該増倍層にはイオン化率が他方よ
り高いキャリアが該光吸収層より注入される構造を有す
ることを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項9】請求項8に記載の光半導体装置において、
少なくとも20GHz以上の高速応答可能なことを特徴
とする光半導体装置。 - 【請求項10】請求項1乃至9のいずれかに記載の光半
導体装置において、該半導体基板に該検出光信号を増幅
する等の信号処理を行う電子回路がモノリシック集積さ
れていることを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項11】請求項10に記載の光半導体装置におい
て、該電子回路に用いる電子デバイス(トランジスタ)
が二次元電子ガス輸送を用いる構造を有することを特徴
とする光半導体装置。 - 【請求項12】請求項10に記載の光半導体装置におい
て、該電子回路に用いる電子デバイス(トランジスタ)
がヘテロ接合を有するバイポーラトランジスタであるこ
とを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項13】請求項10に記載の光半導体装置におい
て、該半導体基板がSiであり、電子回路に用いる電子
デバイス(トランジスタ)がSiで形成されることを特
徴とする光半導体装置。 - 【請求項14】請求項1乃至13のいずれかに記載の光
半導体装置において、増倍率を高々5程度で動作するこ
とを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項15】請求項1乃至14のいずれかに記載の光
半導体装置において、該半導体基板上に形成される光電
変換素子がIII−V族の化合物半導体、特にIII族はI
n、Ga、Al、V族はAs、P、Sbで形成されるこ
とを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項16】請求項15に記載の光半導体装置におい
て、該光電変換素子がIn z1 Al z2 Ga 1-z1-z2
As(z1、z2=0〜1、z1+z2<1)とIn 1-x Ga
x Asy P 1-y (x、y=0〜1)の組合せによる化合
物半導体で形成されることを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項17】請求項15に記載の光半導体装置におい
て、該光電変換素子がIn x1 Al x2 Ga 1-x1-x2
As(x1、x2=0〜1、x1+x2<1)とIn y1 Al y
2 Ga1-y1-y2 As(y1、y2=0〜1、y1+y2<1)の
組合せによる化合物半導体で形成されることを特徴とす
る光半導体装置。 - 【請求項18】請求項1乃至17のいずれかに記載の光
半導体装置の何れか一種類が複数個アレイ上にモノリシ
ック集積化されていることを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項19】請求項1乃至18のいずれかに記載の光
半導体装置を構成要素の少なくとも一部にした光伝送も
しくは光情報処理用受信モジュール。 - 【請求項20】請求項1乃至18のいずれかに記載の光
半導体装置を使用することを特徴とする光伝送用もしく
は光情報処理用受信システム。 - 【請求項21】請求項1乃至18のいずれかに記載の光
半導体装置を使用することを特徴とする光伝送用もしく
は光情報処理システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6169215A JPH0832105A (ja) | 1994-07-21 | 1994-07-21 | 光半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6169215A JPH0832105A (ja) | 1994-07-21 | 1994-07-21 | 光半導体装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0832105A true JPH0832105A (ja) | 1996-02-02 |
Family
ID=15882351
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6169215A Pending JPH0832105A (ja) | 1994-07-21 | 1994-07-21 | 光半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0832105A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1132974A2 (en) * | 2000-01-28 | 2001-09-12 | Agere Systems Optoelectronics Guardian Corporation | High speed semiconductor photodetector |
WO2008088018A1 (ja) * | 2007-01-18 | 2008-07-24 | Nec Corporation | 半導体受光素子 |
JP2014107562A (ja) * | 2012-11-22 | 2014-06-09 | Imec | 光信号を電気信号に変換するアバランシェ光検出器素子、アバランシェ光検出器の使用およびアバランシェ光検出器の製造方法 |
CN109075219A (zh) * | 2016-04-19 | 2018-12-21 | 日本电信电话株式会社 | 光波导集成光接收元件及其制造方法 |
-
1994
- 1994-07-21 JP JP6169215A patent/JPH0832105A/ja active Pending
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1132974A2 (en) * | 2000-01-28 | 2001-09-12 | Agere Systems Optoelectronics Guardian Corporation | High speed semiconductor photodetector |
EP1132974A3 (en) * | 2000-01-28 | 2005-10-19 | Agere Systems Optoelectronics Guardian Corporation | High speed semiconductor photodetector |
WO2008088018A1 (ja) * | 2007-01-18 | 2008-07-24 | Nec Corporation | 半導体受光素子 |
US7924380B2 (en) | 2007-01-18 | 2011-04-12 | Nec Corporation | Semiconductor light-receiving device |
JP5228922B2 (ja) * | 2007-01-18 | 2013-07-03 | 日本電気株式会社 | 半導体受光素子 |
JP2014107562A (ja) * | 2012-11-22 | 2014-06-09 | Imec | 光信号を電気信号に変換するアバランシェ光検出器素子、アバランシェ光検出器の使用およびアバランシェ光検出器の製造方法 |
CN109075219A (zh) * | 2016-04-19 | 2018-12-21 | 日本电信电话株式会社 | 光波导集成光接收元件及其制造方法 |
CN109075219B (zh) * | 2016-04-19 | 2022-01-28 | 日本电信电话株式会社 | 光波导集成光接收元件及其制造方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8106379B2 (en) | Hybrid silicon evanescent photodetectors | |
JP4933698B2 (ja) | 半導体アバランシェホトディテクタ | |
JP2002203983A (ja) | 受光素子 | |
EP3447806B1 (en) | Optical waveguide integrated light receiving element and method for manufacturing same | |
Watanabe et al. | High-speed and low-dark-current flip-chip InAlAs/InAlGaAs quaternary well superlattice APDs with 120 GHz gain-bandwidth product | |
Pasquariello et al. | Selective undercut etching of InGaAs and InGaAsP quantum wells for improved performance of long-wavelength optoelectronic devices | |
EP0440910B1 (en) | Optical semiconductor device | |
JP3254532B2 (ja) | アバランシェホトダイオード | |
JP2000323746A (ja) | アバランシェフォトダイオードとその製造方法 | |
WO2021124441A1 (ja) | 受光デバイス | |
JPH0832105A (ja) | 光半導体装置 | |
US20020186727A1 (en) | Optical transmitting apparatus and manufacturing method thereof | |
TWI728694B (zh) | 混層複合式充電層累增崩潰光二極體 | |
JPH11330536A (ja) | 半導体受光素子 | |
Jang et al. | The impact of a large bandgap drift region in long-wavelength metamorphic photodiodes | |
JP3061203B2 (ja) | 半導体受光装置 | |
Yano et al. | A high-speed eight-channel optoelectronic integrated receiver array comprising GaInAs pin PD's and AlInAs/GaInAs HEMTs | |
JPH02199877A (ja) | 光受信器及び光電子集積回路 | |
JP3030394B2 (ja) | 半導体受光素子 | |
JPS6049681A (ja) | 半導体受光装置 | |
JPH05291609A (ja) | 光半導体装置 | |
JP2962069B2 (ja) | 導波路構造半導体受光素子 | |
Ho et al. | Effectiveness of the pseudowindow for edge-coupled InP-InGaAs-InP PIN photodiodes | |
CN218769537U (zh) | 一种光子集成增益探测器结构 | |
Hu et al. | Excess noise in GaAs avalanche photodiodes with thin multiplication regions |