(57)【要約】【課題】内部量子効率、暗電流特性、応答速度、雑音特性に優れたＡＰＤを提供する。【解決手段】不純物ドープ光吸収層と、光吸収層よりも屈折率が低く、光吸収層を挾む二つの光ガイド層と、光ガイド層よりも屈折率が低いアンドープ増倍層とを少なくとも含む多層構造を有する端面入射導波路型ＡＰＤであって、光吸収層を挾んで形成された二つの光ガイド層のうち、一方の光ガイド層は、光吸収層と同じ導電型に不純物がドープされ、他方の光ガイド層は、アンドープの半導体層で構成されている。増倍層はアンドープ光ガイド層側に形成される。多層構造を構成する半導体層のうち、光吸収層を除く半導体層の屈折率が光吸収層の屈折率よりも低くなっている。【選択図】  図２
2007311455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作電圧で空乏化しない程度の濃度に不純物がドープされた光吸収層と、前記光吸収層よりも屈折率が低く、前記光吸収層と同じ導電型に不純物がドープされて、前記光吸収層の一方の面に接して形成された第１の光ガイド層と、前記光吸収層よりも屈折率が低く、前記光吸収層の他方の面に接して形成されて、動作電圧で空乏化する第２の光ガイド層と、前記何れの光ガイド層よりも屈折率が低く、前記二つの光ガイド層のうちの、前記第２の光ガイド層側に形成された増倍層とを少なくとも含む多層構造を有し、前記多層構造を構成する半導体層のうち、前記光吸収層を除く半導体層の屈折率が前記何れの光ガイド層の屈折率よりも低いことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
光吸収層の不純物濃度が、当該光吸収層と第２の光ガイド層の界面から、当該光吸収層と不純物がドープされた第１の光ガイド層の界面に向けて、連続的または階段型に増加する濃度勾配を有することを特徴とする請求項１記載の半導体受光素子。
【請求項３】
光吸収層を、不純物濃度が異なる複数の半導体層で構成し、且つ、第２の光ガイド層側の前記半導体層の不純物濃度が、不純物がドープされた第１の光ガイド層側の前記半導体層の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項２記載の半導体受光素子。
【請求項４】
第１の光ガイド層の屈折率及び第２の光ガイド層の屈折率が、光吸収層から遠いほど低くなっていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項５】
第１の光ガイド層及び第２の光ガイド層を、それぞれ屈折率が異なる複数の半導体層で構成し、且つ、光吸収層から遠い前記半導体層ほど屈折率が低いことを特徴とする請求項４記載の半導体受光素子。
【請求項６】
第１の光ガイド層と第２の光ガイド層のうちのどちらか一方の光ガイド層の屈折率が、光吸収層から遠いほど低くなっていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項７】
第１の光ガイド層と第２の光ガイド層のうちのどちらか一方の光ガイド層を、屈折率が異なる複数の半導体層で構成し、且つ、光吸収層から遠い前記半導体層ほど屈折率が低いことを特徴とする請求項６記載の半導体受光素子。
【請求項８】
半導体基板上に、バッファ層、アンドープ増倍層、第１導電型電界緩和層、アンドープ光ガイド層、第１導電型光吸収層、第１導電型光ガイド層、第１導電型半導体キャップ層が順に積層された構造を有することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項９】
半導体基板上に、バッファ層、第２導電型光ガイド層、第２導電型光吸収層、アンドープ光ガイド層、第２導電型電界緩和層、アンドープ増倍層、第１導電型半導体キャップ層が順に積層された構造を有することを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項１０】
第１の光ガイド層の層厚が第２の光ガイド層の層厚よりも厚く、前記第１の光ガイド層の端面に入射光の中心が結合することを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の半導体受光素子。
【請求項１１】
第１の光ガイド層の屈折率が、光吸収層から遠いほど低くなっていることを特徴とする請求項１０記載の半導体受光素子。
【請求項１２】
第１の光ガイド層を、屈折率が異なる複数の半導体層で構成し、且つ、光吸収層から遠い前記半導体層ほど屈折率が低いことを特徴とする請求項１１記載の半導体受光素子。
【請求項１３】
不純物がドープされた光吸収層がＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかで構成され、増倍層がＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＰ又はＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかで構成され、第１の光ガイド層および第２の光ガイド層がＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰのいずれかで構成され、第１の光ガイド層および第２の光ガイド層の組成波長が、光吸収層の組成波長よりも短く、増倍層および電界緩和層の組成波長よりも長い組成波長であることを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載の半導体受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子に関し、特に、素子内部に利得構造を有するアバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ、以下、ＡＰＤと記す）に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネット等の広帯域マルチメディア通信サービスの爆発的な需要増加に伴って、より高速、大容量、かつ、高機能な光ファイバ通信システムの開発が求められている。さらに、情報の多様化に伴い、秘匿性がより一層強く求められ、暗号化技術が発展してきたが、同時に暗号解読技術も進展し、暗号化技術と暗号解読技術のせめぎ合いが続いている。
【０００３】
このような暗号解読技術の著しい進展に伴い、秘匿性が高く解読不可能な暗号の生成技術が強く求められている。この要請を満たす技術の一つとして、光ファイバ通信システムにおいては量子暗号通信システムが開発され、原理的に盗聴者が解読不可能なシステムが構築された。この量子暗号通信システムでは光子１個に情報を持たせて通信することを特徴としているため、受光側では暗電流が小さく感度の高い受光素子が要求される。この要求を満たす受光素子として、内部に利得を有するＡＰＤが用いられている。
【０００４】
図７は、従来の吸収層・増倍層分離タイプ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒ：ＳＡＭ構造）のＡＰＤの層構造を示す模式図である。この層構造は、ＩｎＰ基板７０１上にｎ型ＩｎＰバッファ層７０２、アンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層７０３、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層７０４、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層７０５、ｐ型ＩｎＰキャップ層７０６を順次積層した多層構造になっている。この様な多層構造のＡＰＤは、逆バイアスが印加された動作状態において、不純物濃度の低いアンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層７０３からアンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層７０５までが空乏化し、アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層７０５にも電界が印加される。このように、上記構造のＡＰＤでは、多層構造を構成する半導体層の中でもエネルギーバンドギャップの狭い、所謂ナローギャップ材料であるアンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層７０５に電界が印加されるため、暗電流発生の原因となっていた。このＩｎＧａＡｓ光吸収層での暗電流を抑制するのに効果的な構造のＡＰＤが特許文献１（特開２００５−８６１９２）に記載されている。
【０００５】
図８（ａ）は、特許文献１に開示された、光吸収層に起因した暗電流を抑制するＡＰＤの層構造を示す模式図である。このＡＰＤは、ｎ型又は半絶縁性のＩｎＰ基板８０１上にｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層８０２、アンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層８０３、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層８０４、アンドープＩｎＰドリフト層８０５、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８０６、ＩｎＧａＡｓＰ電子隔離層８０７、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層８０８が順次積層された多層構造になっており、外部量子効率向上に有利な端面入射導波路型層構造が採用されている。光吸収層にはアンドープのＩｎＧａＡｓ光吸収層ではなく、不純物をドーピングしたｐ型のＩｎＧａＡｓ光吸収層８０６が採用され、ＡＰＤに逆バイアスが印加された動作時にｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８０６が空乏化しない構造、即ち、動作時にｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８０６に電界が印加されない構造になっている。このように、特許文献１に開示されたＡＰＤでは、ナローギャップ材料で構成されたｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８０６に電界が印加されない構造なので、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８０６におけるトンネル電流に起因した暗電流の抑制が期待できる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−８６１９２号公報（段落〔００１０〕〔００１３〕〔００１７〕、図２、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載されたＡＰＤは、以下の点で改善の余地がある。
【０００８】
図８（ａ）に示すように、特許文献１に開示されたＡＰＤでは、光ガイド層８０２、８０８と電子隔離層８０７がＩｎＧａＡｓＰで構成され、ドリフト層８０５が光ガイド層よりも屈折率が低いＩｎＰで構成されている。さらに、ｎ型光ガイド層８０２とｐ型光吸収層８０６がアンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層８０３を挟んで設けられている。増倍層８０３は、高電界の印加によりキャリアの雪崩増倍を引き起こし、大量のキャリアを発生させる機能を持つ層である。このため、増倍層８０３には、高電界が印加された状態においてもトンネル電流が抑制できるように、光吸収層や光ガイド層等の半導体層に比べてエネルギーバンドギャップの広い材料が用いられる。このエネルギーバンドギャップの広い材料として図８（ａ）のＡＰＤでは増倍層にＩｎＡｌＡｓが採用されている。
【０００９】
一般にエネルギーバンドギャップの広い材料は、エネルギーバンドギャップの狭い材料よりも屈折率が低いから、図８（ａ）の層構造における積層方向の屈折率分布は図８（ｂ）に示すようになる。なお、図８（ｂ）の横軸は屈折率、縦軸は積層方向であり、図８（ａ）の各層に対応して屈折率が示してある。また、ＩｎＰドリフト層８０５とＩｎＡｌＡｓ電界緩和層８０４の屈折率はほぼ同じなので同じ値として描いてある。図８（ｂ）から分かるように、各層の屈折率は、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８０６が最も高く、次いで、ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層８０２、８０８とＩｎＧａＡｓＰ電子隔離層８０７が中間的な高さで、アンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層８０３、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層８０４、アンドープＩｎＰドリフト層８０５、ＩｎＰ基板３０１は最も低い。このように、図８（ａ）の層構造を有するＡＰＤでは、図８（ｂ）に示すように、アンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層８０３、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層８０４およびアンドープＩｎＰドリフト層８０５から成る屈折率の低い低屈折率領域Ｌを挾んで、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８０６、ＩｎＧａＡｓＰ電子隔離層８０７、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層８０８を含む屈折率の高い第１の高屈折率領域Ｈ１と、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層８０２から成る屈折率の高い第２の高屈折率領域Ｈ２とに、屈折率の高い領域が分かれている。
【００１０】
図９は、上記屈折率分布を有する層構造を備えた端面入射導波路型ＡＰＤにおける、導波方向での入射光の導波状態を示す模式図である。図中、矢印はそれぞれ入射光、導波光、放射モード光を示している。また、矢印に重畳した曲線は入射光強度分布と導波光強度分布を示している。図９に示すように、入射光は光強度が積層方向に広く分布する。また、ＡＰＤは光を導波する屈折率の高い領域が第１の高屈折率領域Ｈ１と第２の高屈折率領域Ｈ２の二つに分かれている。このため、入射光が、入射端面においてｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８０６を含む第１の高屈折率領域Ｈ１を中心に結合した場合でも、入射光は、第１の高屈折率領域Ｈ１と第２の高屈折率領域Ｈ２に分かれて導波する。第２の高屈折率領域Ｈ２には光吸収層が存在しないので、第２の高屈折率領域Ｈ２を導波する光はキャリア発生に寄与しない。このため、光の利用効率が劣化する。一方、第１の高屈折率領域Ｈ１にはｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８０６が存在するので、第１の高屈折率領域Ｈ１を導波する光はｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８０６で吸収されてキャリア発生に寄与する。しかし、低屈折率領域Ｌを介して第２の高屈折率領域Ｈ２が第１の高屈折率領域Ｈ１に近接して存在するので、第１の高屈折率領域Ｈ１を導波する光は、低屈折率領域Ｌを介して近接する第２の高屈折率領域Ｈ２にエバネッセント結合し、導波するに伴い一その部が第２の高屈折率領域Ｈ２に移行し、放射モードとなる（図９中の光を示す矢印及び光強度分布を示す曲線参照）。このため、第１の高屈折率領域Ｈ1で導波損失が生じ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層８０６での吸収効率の低下をひきおこす。
【００１１】
以上説明したように、従来構造のＡＰＤでは内部量子効率の点で課題があった。本発明は、上記の問題点を解決し、内部量子効率はもとより、暗電流特性、応答速度、雑音特性にも優れたＡＰＤを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の半導体受光素子は、光吸収層、光ガイド層、増倍層を少なくとも含む多層構造を有し、多層構造の端面から光を入射し、多層構造の積層面に平行な方向に光を導波する端面入射導波路型の半導体受光素子である。光吸収層は、二つの光ガイド層の間に挾まれて形成されており、動作電圧で空乏化しない程度の濃度に不純物がドープされている。二つの光ガイド層は、光吸収層の屈折率よりも低い屈折率を有し、光吸収層を挾んで形成された二つの光ガイド層のうち、一方の光ガイド層（第１の光ガイド層）は、光吸収層と同じ導電型に不純物がドープされている。他方の光ガイド層（第２の光ガイド層）はアンドープ或いは低濃度にドープされた半導体層で構成されて、動作電圧で空乏化する層である。増倍層は、屈折率が光ガイド層の屈折率よりも低い半導体層で構成され、第２の光ガイド層側に形成されている。光吸収層、二つの光ガイド層、増倍層を少なくとも含む多層構造を構成する半導体層のうち、光吸収層を除く半導体層の屈折率が前記何れの光吸収層の屈折率よりも低い屈折率分布になっている。
【００１３】
本発明の半導体受光素子は、上記構成において、光吸収層の不純物濃度が、当該光吸収層と第２の光ガイド層の界面から、当該光吸収層と不純物がドープされた第１の光ガイド層の界面に向けて、連続的または階段型に増加する濃度勾配を有する構成にしてもよい。この場合、濃度勾配に応じた内部電界が光吸収層内に形成され、この内部電界によりキャリアが加速されるので応答速度が向上する利点がある。
【００１４】
光吸収層に不純物濃度勾配を設ける具体的な構成の一例を挙げると、光吸収層を、不純物濃度が異なる複数の半導体層で構成し、且つ、第２の光ガイド層側の前記半導体層の不純物濃度が、不純物がドープされた第１の光ガイド層側の前記半導体層の不純物濃度よりも低くなるように半導体層を形成すればよい。光吸収層を多層にしないで、単層で構成する場合は、イオン注入や拡散により不純物をドープすれば、濃度が連続的に変化する濃度分布を形成することが可能である。
【００１５】
さらに、本発明の半導体受光素子は、上記構成に加えて、第１の光ガイド層の屈折率及び第２の光ガイド層の屈折率が、光吸収層から遠いほど低くなっている構成としてもよい。この場合、上記のような屈折率分布は凸レンズ効果を有し、光を発散しないように導波するので、入射光は光ガイド層と光吸収層で構成された屈折率の高い領域に強く閉じ込められ、この屈折率の高い領域から外部に漏れるのが抑制される。このため、入射光が光吸収層で吸収される効率が向上し、内部量子効率が向上する。
【００１６】
光ガイド層に屈折率分布を設ける具体的な構成は、一例として、第１の光ガイド層及び第２の光ガイド層を、それぞれ屈折率が異なる複数の半導体層で構成し、且つ、光吸収層から遠い前記半導体層ほど屈折率が低い構成にすればよい。
【００１７】
尚、上記構成では、二つの光ガイド層にそれぞれ屈折率分布を設ける構成としたが、どちらか一方の光ガイド層のみに屈折率分布を設ける構成としてもよい。
【００１８】
本発明の半導体受光素子の多層構造は、具体的には、半導体基板上に、下から順にバッファ層、アンドープ増倍層、第１導電型電界緩和層、アンドープ光ガイド層、第１導電型光吸収層、第１導電型光ガイド層、第１導電型キャップ層が積層された構造になっている。或いは、この層構造とは逆に、半導体基板上に、下から順にバッファ層、第２導電型光ガイド層、第２導電型光吸収層、アンドープ光ガイド層、第２導電型電界緩和層、アンドープ増倍層、第１導電型キャップ層が積層された構造としてもよい。また、導電型を上記と逆にしてもよい。
【００１９】
上記構成の本発明の半導体受光素子は、何れも入射端面において、入射光の中心が光吸収層に結合するように構成された半導体受光素子であったが、第１の光ガイド層の層厚を第２の光ガイド層の層厚よりも極端に厚くし、入射端面において、不純物がドープされた第１の光ガイド層に入射光の中心が結合するように構成してもよい。この場合、入射光の中心が光吸収層ではなく不純物がドープされた第１の光ガイド層に結合するので、入射光は入射端面ですぐに吸収されずに、不純物がドープされた第１の光ガイド層内を長い距離導波する。このとき、光は屈折率が大きい層を導波する性質を有するため、不純物がドープされた第１の光ガイド層を導波する光は、光ガイド層を導波するにしたがい隣の屈折率の高い光吸収層に漏れ出て結合し、吸収される。この結果、入射光は導波路方向に広く分散されて吸収される。このように、入射光が導波路方向に分散されて吸収されると、光電流が入射端面近傍に集中せずに、導波路方向に広く分布し、光電流密度が低くなるので、高光入射耐性と高量子効率特性を併せ持つ半導体受光素子が実現できる。
【００２０】
第１の光ガイド層の層厚を第２の光ガイド層の層厚よりも極端に厚くし、光ガイド層の厚さを非対称にした上記の層構造において、不純物がドープされた第１の光ガイド層の屈折率を、光吸収層から遠いほど低くなるように構成してもよい。この場合、不純物がドープされた第１の光ガイド層を導波する光は光吸収層側に集束するように導波するので、光吸収層に結合し、吸収される効率がさらに向上する。この、上記の屈折率分布を有する、不純物がドープされた第１の光ガイド層は、屈折率が異なる複数の半導体層を、光吸収層から遠い半導体層ほど屈折率が低くなるように積層・形成することで実現できる。
【００２１】
尚、光吸収層に入射光の中心が結合する構成の半導体受光素子では、入射光の中心が光吸収層に結合されるので、入射光は入射端面及びその近傍で殆ど吸収され、光導波路構造部内を導波する距離が、光ガイド層に入射光の中心を結合した構成の半導体受光素子よりも遙かに短い。このため、光吸収層に入射光の中心が結合する構成の半導体受光素子では、光電流の導波路方向の分布は、第１の光ガイド層に入射光の中心が結合するように構成した半導体受光素子ほど広くはない。
【００２２】
本発明の半導体受光素子の層構造を構成する半導体層は、波長が１．３μｍ〜１．５５μｍの長波長帯光通信で用いられる光に対して最も効率よく動作する半導体材料を用いている。具体的には、光吸収層はＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかで構成され、増倍層および電界緩和層はＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＰ又はＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかで構成され、第１の光ガイド層および第２の光ガイド層はＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰのいずれかで構成されている。さらに、第１の光ガイド層および第２の光ガイド層の組成波長が、光吸収層の組成波長よりも短く、増倍層、電界緩和層の組成波長よりも長い組成波長になっている。このような半導体材料を用いることで、入射光を導波する屈折率が高い光導波領域が、光吸収層と光ガイド層で構成される領域のみである屈折率分布を有する多層構造を実現している。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、光吸収層はもとより、多層構造を構成する各半導体層の不純物濃度や屈折率等に工夫を施したので、内部量子効率はもとより、暗電流特性、応答速度、雑音特性にも優れた半導体受光素子が実現できた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本実施形態の半導体受光素子は、半導体基板上に、ｎ型バッファ層、アンドープ増倍層、ｐ型電界緩和層、アンドープ光ガイド層（第２の光ガイド層）、ｐ型光吸収層、ｐ型光ガイド層（第１の光ガイド層）、ｐ型キャップ層を順次積層した多層構造を備え、多層構造の端面から光を入射する端面入射導波路型のＡＰＤである。多層構造を構成する半導体層のうち、ｐ型光吸収層を挾む二つの光ガイド層は、ｐ型光吸収層よりも屈折率が低い半導体層で構成され、ｐ型光吸収層をコア、光ガイド層をクラッドとする光導波路構造になっている。また、多層構造は、ｐ型キャップ層、ｐ型電界緩和層、アンドープ増倍層、ｎ型バッファ層の何れもが光ガイド層よりも屈折率が低い半導体層で構成され、ｐ型光吸収層と光ガイド層で構成された領域をコア、ｐ型キャップ層、ｐ型電界緩和層、アンドープ増倍層、ｎ型バッファ層をクラッドとした光導波路構造になっていて、多層構造中に光を導波する屈折率の高い領域が光吸収層と光ガイド層で構成された領域の他に存在しない屈折率分布になっている。
【００２５】
光吸収層は、光を吸収して電子・正孔対を発生する層であるので、受光すべき光を吸収可能なエネルギーバンドギャップを有する材料で構成する。用いる材料は受光波長に応じて適宜選択すればよい。例えば、長波長帯光通信で用いられる波長１．３μｍ〜１．５５μｍの光を受光するには、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ等が利用できる。さらに、光吸収層は、光吸収層での暗電流を抑制するために動作時に光吸収層に電界が印加されないように、不純物をドープした層とする。ドープする不純物の濃度は、動作電圧で光吸収層が空乏化しない程度の濃度とすれば動作時に光吸収層に電界が印加されない。屈折率は、多層構造を構成する半導体層のうちで最も高い屈折率とすることで、光吸収層に効率よく光を閉じ込めることができて、吸収効率が向上する。光吸収層の厚みは任意に定めればよいが、光吸収層内でのキャリア走行時間を短くし、応答速度向上を図る上で、薄い方が好ましい。しかし、薄すぎると光吸収効率が低下するので、厚みは０．１μｍ〜０．５μｍ程度とするのがよい。
【００２６】
光ガイド層は、光吸収層を挾んで形成されて、入射光を導波し、光吸収層に光を閉じ込めるための層であるので、光吸収層よりも屈折率が低く、入射光に対して透明となるように光吸収層よりもエネルギーバンドギャップが広い材料で構成する。用いる材料は光吸収層の材料に応じて適宜選択すればよい。例えば、光吸収層がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ等で構成された場合、ＩｎＡｌＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰ等が利用できる。このとき、これら材料の組成波長を光吸収層の組成波長よりも短くするのが好ましい。また、光が、光ガイド層に隣接するキャップ層や電界緩和層、増倍層側に漏れないように、光吸収層と反対側で光ガイド層に隣接する半導体層（キャップ層や電界緩和層、増倍層等）との屈折率差も大きくなるよう考慮して材料・組成を選択するのがよい。材料の選択に当たっては、光ガイド層は、その組成波長が光吸収層の組成波長よりも短く、増倍層の組成波長よりも長くなるように材料・組成を選択する。この場合、光ガイド層と光吸収層との屈折率差を大きくするよりも、光吸収層と反対側で光ガイド層に隣接する半導体層（キャップ層や電界緩和層、増倍層等）と光ガイド層との屈折率差を大きくした方が光ガイド層での導波損失が小さくなるので、光ガイド層は、入射光に対して透明な組成波長の中でなるべく長波長側の組成波長の材料・組成で構成するのがよい。
【００２７】
光吸収層を挾んで形成されている二つの光ガイド層のうち、増倍層に近い方の光ガイド層（第２の光ガイド層）は、アンドープ半導体層或いは低濃度半導体層で構成して動作電圧で空乏化するように構成するのが望ましい。第２の光ガイド層が空乏化すると、空乏化領域が増倍層のみならず第２の光ガイド層まで広がるので、素子容量が低減して高速動作に有利である。また、第２の光ガイド層に電界が印加されるので、キャリアはこの電界により加速されて、光ガイド層を速やかに通過して増倍層に移動できるから高速動作に有利である。動作電圧で第２の光ガイド層が空乏化しない構成にしてもよいが、第２の光ガイド層が空乏化しない場合、空乏化領域が増倍層だけになるから素子容量が大きくなり、高速動作には不利となる。増倍層から遠い方の光ガイド層（第１の光ガイド層）が空乏化した場合は光ガイド層に挾まれた光吸収層も空乏化して光吸収層にも電界が印加され、暗電流が増加する。これを防ぐため、増倍層から遠い方の光ガイド層（第１の光ガイド層）は、光吸収層と同じように動作電圧で空乏化しない程度の濃度に不純物をドープして、光吸収層と同じ導電型にしておく。
【００２８】
光ガイド層の厚みは特に定めはないが、光が光ガイド層からキャップ層や増倍層に漏れるのが抑制できる厚さにするのが望ましい。このとき、二つの光ガイド層の厚さを同じにする必要はない。増倍層に近い方の光ガイド層（第２の光ガイド層）の厚みを薄くすれば、光ガイド層を通過して増倍層に移動するキャリア走行時間が短くなり、高速応答に有利である。
【００２９】
増倍層は、雪崩増倍によりキャリアを多数発生させる層であるので、高電界が印加されるようキャリア濃度の低い層で構成する。キャリア濃度は、増倍層内の電界強度が高く一定になるよう、可能な限り低くする。キャリア濃度の低い層としては、アンドープ半導体層が好ましいが、必ずしもアンドープ半導体層にする必要ない。高電界が印加されれば低濃度（例えば、１０の１７乗代）の不純物を含有していてもよい。
【００３０】
増倍層を構成する材料は、光を光ガイド層に閉じ込める必要があるため、光ガイド層よりも屈折率が低い材料を用いるのが望ましい。また、増倍層で入射光を吸収しないようにすると共に、高電界印加によりリーク電流が発生しないように相対的にエネルギーバンドギャップの広い材料・組成を用いる。具体的には、光吸収層の材料・組成に応じて定めればよい。例えば、光吸収層がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ等で構成された場合、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＡｌＧａＡｓ等が利用できる。このとき、これら材料の組成波長を光吸収層の組成波長よりも短くするのが好ましい。また、増倍層は単層で構成するほか、２種類の層を交互に積層した超格子、例えば、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ超格子等、で構成してもよい。増倍層を超格子で構成すると、イオン化率比を改善するのに有利である。なお、光を導波する観点からは、増倍層の屈折率を光ガイド層の屈折率と同じとしてもよいが、光ガイド層と同じ屈折率とした場合、増倍層のエネルギーバンドギャップが狭くなり、高電界印加時に暗電流が増加するので好ましくない。
【００３１】
電界緩和層は、増倍層と光ガイド層に挾まれて形成されて、増倍層に印加された高電界を緩和し、光ガイド層に高電界が印加されないようにする層であるので、電界緩和層での電圧降下を大きくするために高濃度（例えば、１０の１８乗代以上）にドープした半導体層で構成する。電界緩和層に使用する材料は、通常は増倍層と同一材料を用いる。具体的には、上記増倍層と同様に、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＡｌＧａＡｓ等が利用できる。なお、電界緩和層は必ずしも設けなければならない層ではないので、設けなくてもよい。
【００３２】
半導体層の界面において格子不整合が生じると、転位などの結晶欠陥が導入され、ＡＰＤの特性が劣化するので、上記各層を含め、多層構造を構成する半導体層の材料・組成は、欠陥発生等結晶性が劣化しないよう、基板と格子整合するように選択するのが好ましい。
【００３３】
上記実施形態のＡＰＤは、入射光が端面から入射して半導体層面に平行に導波する導波路型であり、小さいｐｎ接合面積で、高い量子効率が得られるため、ｐｎ接合部に起因した暗電流を抑制でき、雑音特性が向上する。また、光吸収層は、動作電圧が印加されても空乏化しない程度の濃度に不純物がドーピングされているので、光吸収層には外部印加電圧に起因する電界が印加されない。このため、光吸収層での暗電流の発生が抑制される。
【００３４】
さらに、上記構成のＡＰＤは、光ガイド層は光吸収層よりも屈折率が低いから、入射光は、屈折率が最も高い光吸収層に閉じ込められで導波する。このため、入射光は光吸収層で効率よく吸収されるので内部量子効率が向上する。また、ＡＰＤを構成する多層構造は、光を導波する屈折率の高い領域が光吸収層と二つの光ガイド層から構成された領域以外に存在しない屈折率分布になっているから、光吸収層と二つの光ガイド層から構成された高屈折率領域内を進行する光が、高屈折率領域から漏れ出て他の高屈折率領域に結合する放射モードになることもなく、導波損失が抑制されて内部量子効率が向上する。
【００３５】
以下、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００３６】
図１は、本発明を適用した長波長帯ＡＰＤの構造を示す斜視図である。本実施例１のＡＰＤは、図１に示すように、ｎ型又は半絶縁性のＩｎＰ基板１０１上に下から順にＩｎＰ基板に格子整合させて、層厚１．０μｍ、不純物濃度５．００×１０１８ｃｍ−３のＳｉドープｎ型ＩｎＰバッファ層１０２、層厚０．４μｍのアンドープＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ増倍層（以下、組成値を省略してＩｎＡｌＡｓと記す）１０３、層厚０．１μｍ、不純物濃度５．００×１０１８ｃｍ−３のＢｅドープｐ型Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ電界緩和層（以下、組成値を省略してＩｎＡｌＡｓと記す）１０４、層厚０．５μｍ、組成波長１．２μｍのアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層（第２の光ガイド層）１０５、層厚０．５μｍ、不純物濃度１．００×１０１８ｃｍ−３のＢｅドープｐ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ光吸収層（以下、組成値を省略してＩｎＧａＡｓと記す）１０６、層厚０．５μｍ、不純物濃度５．００×１０１８ｃｍ−３、組成波長１．２μｍのＢｅドープｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層（第１の光ガイド層）１０７、層厚０．７μｍ、不純物濃度５．００×１０１８ｃｍ−３のＢｅドープｐ型ＩｎＰキャップ層１０８を積層した多層構造を有している。さらに、このＡＰＤは、ｐ型ＩｎＰキャップ層１０８からｎ型ＩｎＰバッファ層１０２の途中までエッチングされたメサストライプ導波構造が形成されて、端面から光を入射する端面入射導波路型の構成になっている。メサストライプ導波構造の側壁及びｎ型ＩｎＰバッファ層１０２の露出面にＳｉＮｘ等のパッシベーション膜１１０が形成され、メサストライプ導波構造頂部に露出したｐ型ＩｎＰキャップ層１０８にｐ側電極１１２、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２上のＳｉＮｘパッシベーション膜１１０を一部エッチングして露出したｎ型ＩｎＰバッファ層１０２上にｎ側電極１１１が形成されている。なお、本実施例では、受光すべき光の波長を１．５５μｍとして各層の組成、膜厚、不純物濃度等のパラメータを設定した。波長１．５５μｍの光に対する各層の屈折率は、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２及びｐ型ＩｎＰキャップ層１０８が３．１７、アンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３及びｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層１０４が３．２、アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５及びｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７が３．３２、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６が３．５９である。
【００３７】
図２は図１に示したＡＰＤの層構造と、積層方向の屈折率分布を示す模式図である。図中の左側は層構造を表し、右側は層構造の各層に対応した屈折率を表していて、横軸は屈折率、縦軸は積層方向である。また、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２とアンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３の屈折率差は微少なので同じ値として描いてある。図２から分るように、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６の屈折率が最も高い。次いで、組成波長１．２μｍのＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５、１０７の屈折率が高い。ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５、１０７とｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６で構成された領域を挾んで配置された半導体層の屈折率が最も低い。屈折率が最も高いｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６の両側に、組成波長１．２μｍのＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層が配置されて、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６をコア、組成波長１．２μｍのＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５、１０７をクラッドとした、光閉じ込め可能な屈折率分布の光導波路が形成されている。また、多層構造は、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６と組成波長１．２μｍのＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５、１０７で構成された屈折率の高い領域（光導波路）Ｈをコア、その周囲の屈折率の低い半導体層から成る低屈折率領域Ｌ１、Ｌ２をクラッドとした光導波路構造になっていて、屈折率の高い領域Ｈの他に光を導波する屈折率の高い領域が存在しない屈折率分布になっている。
【００３８】
光は屈折率の高い媒質中を導波する性質があるので、入射光は、多層構造中で屈折率の高い領域Ｈを導波し、屈折率が最も高いｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６に閉じ込められ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６で効率よく吸収される。さらに、本実施例のＡＰＤは、図８（ｂ）に示した従来の屈折率分布と異なり、多層構造中に光を導波する屈折率の高い領域がｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６と組成波長１．２μｍのＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５、１０７で構成された屈折率の高い領域Ｈの他に存在しない屈折率分布になっている。このため、入射光は、図３に示すように、屈折率の高い領域Ｈを導波し、図９に示す従来例と異なり、屈折率の高い領域Ｈから漏れて他の高屈折率領域に結合する放射モードになることもなく、導波損失が抑制される。なお、図３は、本実施例におけるＡＰＤの導波方向での入射光の導波状態を示す模式図である。図中、矢印は入射光を示す。矢印に重畳して描かれた曲線は入射光の光強度分布を示している。
【００３９】
本実施例のＡＰＤにおける、動作状態での内部電界強度分布を図４に示す。ここで、図４の縦軸は電界強度、横軸は多層構造の積層方向である。横軸の直下には、電界強度分布に対応させて多層構造を模式的に示してある。多層構造は、外部電圧印加により、アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５からアンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３までが空乏化して、この部分に電界が印加される。ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６は不純物が高濃度に一様にドープされたｐ型層で形成されているため、外部電圧による電界が印加されない。同様に、不純物がドープされた、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７、ｐ型ＩｎＰキャップ層１０８、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２も電界が印加されない。電界強度は、図示の如く増倍層内が最も高い。アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５は動作状態で電界が印加されるが、アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５とアンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３との間にあるｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層１０４により、アンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３の高電界が緩和されるので、アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５に印加される電界強度は低い。
【００４０】
上記のように、本実施例のＡＰＤは、ナローギャップ材料で構成されたｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６に電界が印加されないので、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６におけるトンネル電流に起因した暗電流が抑制できる。また、アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５は動作状態で弱電界強度の電界が印加されるが、組成波長１．２μｍのアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５のエネルギーバンドギャップはＩｎＧａＡｓ光吸収層に比べて広いから、アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５での暗電流の発生も抑制できる。
【実施例２】
【００４１】
本発明における第２の実施例について説明する。
【００４２】
実施例２のＡＰＤは、実施例１のＡＰＤと異なり、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６の不純物濃度に勾配を設けた不純物濃度分布になっている。この濃度勾配のある不純物濃度分布を除いたその他の多層構造部分については実施例１のＡＰＤと同じ構成である。具体的には、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６の不純物濃度は、アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５とｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６の界面から、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７とｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６の界面に向けて、連続的にまたは階段状に増加する濃度分布になっている。ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６に上記のような不純物濃度分布があると、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６内には不純物濃度の差による内部電界が生じる。例えば、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６の膜厚が０．４μｍで不純物キャリア濃度が５×１０１８ｃｍ−３から２×１０１７ｃｍ−３まで一様に連続的に変化した場合、内部には、ビルトインポテンシャルに起因した約２ＫＶ／ｃｍの電界が生じる。ここで、上記の濃度分布を有するｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６に光が入射すると、入射光はｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６で吸収され、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６内で電子・正孔対が発生する。この電子・正孔対発生で生じた正孔はｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６では多数キャリアであるため、応答速度の早い誘電緩和を経て電流に寄与する。一方、電子・正孔対発生で生じた電子はｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６内の内部電界により加速されてアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５側に速やかにドリフトし、アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層１０４を経てアンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３に至る。このとき、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６内の電界強度は２ＫＶ／ｃｍであり、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６で電子速度がオーバシュートするのに充分な電界強度であるので、高速応答が可能となる。
【００４３】
尚、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６に不純物濃度勾配を設けるには、熱拡散やイオン注入により不純物をドープして濃度が連続的に変化する濃度分布を形成すればよい。或いは、光吸収層を、不純物濃度が異なる複数の半導体層で構成し、アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層側からｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層側にむけて不純物濃度が段階的に高くなるように、不純物濃度の低い半導体層から、順次、不純物濃度の高い半導体層を積層した構成にしてもよい。
【実施例３】
【００４４】
図５は、実施例３のＡＰＤの層構造と、積層方向の屈折率分布を示す図である。図中の左側は多層構造を表し、右側は多層構造の各層の屈折率を表しており、横軸は屈折率、縦軸は積層方向である。また、ＩｎＰバッファ層１０２とＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３の屈折率差は微少なので同じ値として描いてある。この実施例３のＡＰＤは、ｐ型及びアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層の屈折率がｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層から遠くなるにつれて徐々に低くなるように、ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層の屈折率に勾配を設けた層構造になっている。このＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層の屈折率に勾配のある屈折率分布を除いたその他の多層構造部分については実施例２のＡＰＤと同じ構成である。また、ＡＰＤ素子外観構造も、図１に示す実施例１と同様の導波構造である。具体的な層構造は、図５の左図に示すように、ｎ型又は半絶縁性ＩｎＰ基板１０１上に、下から順にｎ型ＩｎＰバッファ層１０２、アンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層１０４、組成波長１．１μｍのアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５ａ、組成波長１．２μｍのアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５ｂ、組成波長１．３μｍのアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５ｃ、濃度勾配を有するｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６、組成波長１．３μｍのｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７ａ、組成波長１．２μｍのｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７ｂ、組成波長１．１μｍのｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７ｃ、ｐ型ＩｎＰキャップ層１０８が積層された多層構造である。なお、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６は、濃度勾配を設けた層、或いは、一様な濃度の層の何れでもよいが、この実施例では実施例２と同様の濃度勾配を有する層とした。
【００４５】
図５に示すように、実施例３においては、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６の両側のｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層及びアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層はそれぞれ組成の異なる３層で構成され、その屈折率は、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６から遠い層ほど低く、屈折率が最も高いｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６を中心に対称な階段状に分布した凸形状の屈折率分布をしている。凸形状の屈折率分布は凸レンズ効果を有し、光を屈折率が高いｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層側に集束して、発散しないように導波するので、実施例３は、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６とＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層で構成された屈折率の高い領域Ｈに入射光を閉じ込める効果が実施例１、２よりも優れている。さらに、実施例３は、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６から、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層１０４に向けてエネルギーバンド構造が階段状に徐々に変化するため、伝導帯不連続による電子のパイルアップが抑制され、高速応答が可能となる。
【００４６】
尚、実施例３では、ｐ型及びアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層を３層で構成し、その組成を層毎に異ならせて階段状に組成変化させ、光ガイド層の屈折率を階段状に変化させたが、光ガイド層を単層で構成し、その組成を結晶成長過程で連続に変化させ、屈折率を連続的に変化させた構造としても上記構成の場合と同様の効果が得られる。
【実施例４】
【００４７】
図６は、本発明における第４の実施例を模式断面図である。図中、矢印は入射光と導波光を示しており、最左側の大きい矢印が入射光、その他の矢印が導波光である。素子外観構造は実施例１と同様の導波構造である。層構造は、図６に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板側１０１上に、下から順にｎ型ＩｎＰバッファ層１０２、アンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層１０４、組成波長１．２μｍのアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６、組成波長１．２μｍのｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７、ｐ型ＩｎＰキャップ層１０８が積層された多層構造である。この層構造において、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７の膜厚を、アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５の膜厚よりも厚くして、入射光の中心がｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７に結合するように構成した。具体的には、アンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層１０３の膜厚を０．３μｍ、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層１０４の膜厚を０．１μｍ、組成波長１．２μｍのアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０５の膜厚を０．２μｍ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６の膜厚を０．２μｍ、組成波長１．２μｍのｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層９０７の膜厚を１．４μｍに設定した。素子長は１００μｍとした。層厚をのぞく各層の組成、屈折率、不純物濃度等は実施例１と同じである。
【００４８】
この実施例４のＡＰＤでは、入射光は、素子端面において入射光中心がｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７に結合し、導波する。この場合、入射光の中心がｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６ではなくｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７に結合するので、入射光は入射端面ですぐに吸収されずにｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層内を長い距離導波する。実施例１〜実施例３では、入射光の中心がｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６に結合されるので、入射光は入射端面及びその近傍で殆ど吸収され、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６とＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層で構成された屈折率の高い領域を導波する距離がこの実施例４よりも遙かに短い。
【００４９】
光は屈折率が大きい層を導波する性質を有するため、図６に示すように、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７に結合した入射光はｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７を導波するにしたがい、隣の屈折率の高いｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６に漏れ出て結合し、吸収される。このため、入射光は導波路方向に広く分散されて吸収される。このように、入射光が導波路方向に分散されて吸収されると、光電流が入射端面近傍に集中せずに、導波路方向に広く分布し、光電流密度が低くなる。このため、本実施例４によれば高光入射耐性と高量子効率特性を併せ持つＡＰＤが実現できる。
【００５０】
実施例４では、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７を単一組成にしたが、実施例３のように、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７とｐ型ＩｎＰキャップ層１０８の界面から、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７とｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６の界面に向けて、連続的または階段状に組成波長が長波長に変化する構造にし、ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６に近いほど屈折率が高くなるようにｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７の屈折率に勾配を設けた構造としてもよい。この場合、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層１０７を導波する光はｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６側に集束するように導波するので、導波光がｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０６に結合し、吸収される効率がさらに向上する。
【００５１】
上記何れの実施例においても、半導体基板上に下から順にｎ型バッファ層、アンドープ増倍層、ｐ型電界緩和層、アンドープ光ガイド層、ｐ型光吸収層、ｐ型光ガイド層、ｐ型キャップ層が積層された構造を有するＡＰＤについて説明したが、この積層順序を逆、或いは、導電型を逆にした構造のＡＰＤでも同様の効果がある。例えば、半導体基板上に下から順にｎ型バッファ層、ｎ型光ガイド層、ｎ型光吸収層、アンドープ光ガイド層、ｎ型電界緩和層、アンドープ増倍層、ｐ型キャップ層が積層された構造を有するＡＰＤとしても上記実施例と同様の効果がある。この場合の各層の屈折率も、上記実施形態と同様に、ｎ型光吸収層が最も大きく、次いで、ｎ型光ガイド層とアンドープ光ガイド層が中間の大きさで、屈折率が最も小さい部類に属する層がｎ型バッファ層、ｎ型電界緩和層、アンドープ増倍層、ｐ型キャップ層である。また、光吸収層と光ガイド層で構成される部分が高屈折率の光導波路部になり、その他の層が低屈折率領域を構成するのも実施例１〜４と同じである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明のＡＰＤは、ＡＰＤ単体、或いは、ＡＰＤを組み込んだ受光モジュールや送受信モジュールとして光ファイバ通信等に用いることで、量子暗号通信の高性能化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施例１の積層構造を示す斜視図。
【図２】実施例１の積層構造及び積層方向における屈折率分布を示す図。
【図３】実施例１の導波方向における光の導波状態を示す図。
【図４】実施例１の動作状態における電界強度分布を示す図。
【図５】実施例３の積層構造及び積層方向における屈折率分布を示す図。
【図６】実施例４の積層構造及び導波方向における光の導波状態を示す図。
【図７】従来のＳＡＭ型ＡＰＤの積層構造を示す図。
【図８】特許文献１に記載のＡＰＤの積層層構造および積層方向における屈折率分布を示す図。
【図９】特許文献１に記載のＡＰＤにおける、導波方向における光の導波状態を示す図。
【符号の説明】
【００５４】
１０１    ＩｎＰ基板
１０２    ｎ型ＩｎＰバッファ層
１０３    アンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層
１０４    ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層
１０５    アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層
１０５ａ    アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層（組成波長１．１μｍ）
１０５ｂ    アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層（組成波長１．２μｍ）
１０５ｃ    アンドープＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層（組成波長１．３μｍ）
１０６    ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１０７    ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層
１０７ａ    ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層（組成波長１．３μｍ）
１０７ｂ    ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層（組成波長１．２μｍ）
１０７ｃ    ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ光ガイド層（組成波長１．１μｍ）
１０８    ｐ型ＩｎＰキャップ層
１１０    パッシベーション膜
１１１    ｎ側電極
１１２    ｐ側電極
７０１    ＩｎＰ基板
７０２    ｎ型ＩｎＰ
７０３    アンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層
７０４    ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層
７０５    アンドープＩｎＧａＡｓ光吸収層
７０６    ｐ型ＩｎＰキャップ層
８０１    ＩｎＰ基板
８０２    ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
８０３    アンドープＩｎＡｌＡｓ増倍層
８０４    ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層
８０５    アンドープＩｎＰドリフト層
８０６    ｐ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
８０７    ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電子隔離層
８０８    ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
【図１】
2007311455.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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