(57)【要約】【課題】低暗電流で、高速かつ高利得な光通信用アバランシェフォトダイオード及びそれを用いた受信機を提供する。【解決手段】光吸収層４と増倍層７を有するアバランシェフォトダイオードにおいて、光吸収層４と増倍層７が結晶面に対して平行方向(基板１上方において水平方向)に空間的かつ電気的に分離して配置し、光吸収層４と増倍層７間を導電性配線により電気的に接続することで、増倍層７の薄膜化が可能となり、さらに光吸収層４と増倍層７は高品質の結晶から形成されるため、アバランシェフォトダイオードの低暗電流化、高速化かつ高利得化を図ることができる。【選択図】図１（ａ）
2013080728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光吸収層と増倍層を有するアバランシェフォトダイオードにおいて、
当該光吸収層と増倍層は基板上の第１領域と第２領域に、各層を構成する結晶の結晶面に対して平行方向にそれぞれ互いに離間して配置されており、
当該光吸収層と増倍層との間は導電性配線により電気的に接続されていることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項２】
請求項１記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記光吸収層がＧｅまたはＩｎＧａＡｓ，前記増倍層がＳｉで形成されていることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項３】
請求項２に記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記光吸収層と前記増倍層を形成する部分はメサ構造を有し、当該メサ構造の上面の結晶面が（１００）面、当該メサ構造の側面の結晶面が（１１０）面であることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項４】
請求項２に記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記光吸収層と前記増倍層を形成する部分はメサ構造を有し、当該メサ構造の上面の結晶面が（１１０）面、当該メサ構造の側面の内向かい合う２面が（１１０）面、その他の向かい合う２面が（１００）面であることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項５】
請求項２に記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記基板は、ＧｅＯＩ基板またはＩＩＩ−Ｖ  ＯＩ基板であることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項６】
請求項５に記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記光吸収層に印加する電界の制御と前記増幅層に印加する電界の制御が各々独立に制御することが可能であることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項７】
請求項６に記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記基板裏面側に形成したレンズを有し、光を前記基板裏面側から入射する裏面入射型アバランシェフォトダイオード。
【請求項８】
請求項６に記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
光を基板端面から入射する導波路型アバランシェフォトダイオード。
【請求項９】
請求項６に記載のアバランシェフォトダイオードと、
前記アバランシェフォトダイオードが形成されている前記基板上に形成され、電気信号を増幅する機能を有する電子回路とを有することを特徴とする受信機。
【請求項１０】
基板と、
前記基板上の第１領域に形成された光吸収層と、
前記基板上であって、前記第１の領域とは異なる第２の領域に前記光吸収層とは互いに離間して形成された増倍層と、
前記光吸収層と前記増倍層との間を電気的に接続する導電性配線とを有することを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項１１】
請求項１０記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記増倍層は、Ｓｉ層であることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項１２】
請求項１０記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
入力光は、前記基板側から前記光吸収層へ入射する裏面入射型であることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項１３】
請求項１０記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
入力光は、前記基板端面から前記光吸収層へ入射する導波路型であることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項１４】
請求項１０記載のアバランシェフォトダイオードにおいて、
前記導電性配線は、外部から電圧を印加することができるものであることを特徴とするアバランシェフォトダイオード。
【請求項１５】
請求項１０記載のアバランシェフォトダイオードと、
前記アバランシェフォトダイオードが形成されている前記基板上に形成され、電気信号を増幅する機能を有する電子回路とを有することを特徴とする受信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用のアバランシェフォトダイオード及びそれを用いた受信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信の伝送容量は、大都市間を結ぶ幹線系の通信のみならず、インターネットの普及に伴い、年率１．５倍の割合で爆発的に増加している。光通信システムは、次のような基本構成からなる。送信側において音声・画像などの電気信号を半導体レーザなどの光源を用いて光信号に変換する。この光信号を伝送媒体である光ファイバを用いて伝送した後、受信側の受信素子により伝送してきた光信号を再び電気信号に変換し、必要な信号処理により所望の信号に戻す。この通信システムでは、発光素子や光ファイバのみならず、光信号を電気信号に変換する受光素子の性能は光通信システムを左右する非常に重要なものである。
【０００３】
光通信用受光素子には、大きく分けて半導体を材料としたＰＩＮフォトダイオードとアバランシェフォトダイオードがある。ＰＩＮフォトダイオードは、ｐ型半導体、アンドープ半導体、ｎ型半導体から構成される。入力光が入射されると、バイアス電界のかかったアンドープの半導体層で吸収された後、電子と正孔に変換され、電気信号として検出される。アバランシェフォトダイオードは、ＰＩＮフォトダイオードに加えて、なだれ増幅層が含まれており、光の増幅機能を有し、長距離伝送システム用受光素子として用いられている。アバランシェフォトダイオード及び信号増幅機能は、半導体のアバランシェ降伏現象を用いている。アバランシェ降伏現象における信号増幅が発生するメカニズムは次にようになる。
【０００４】
半導体内を走行する電子あるいは正孔は結晶格子に衝突して散乱される。半導体に大きな電界を印加すると、半導体内の電子ならびに正孔（以下、キャリア）は電界によって加速される。半導体内での移動速度が大きくなり、その運動エネルギーがエネルギーバンドギャップより大きくなると、結晶格子にキャリア衝突したときに、結晶格子の結合ボンドを切る確率が高くなり、新たに自由に移動できる電子・正孔対を生成する。
【０００５】
結合ボンドを切られた原子は電荷が不足し、イオン化したように見えるため、この現象は衝突電離あるいは衝突イオン化と呼ばれている。電子または正孔が単位距離進んだときに衝突電離によってどれほどの電子・正孔対が発生したかをイオン化率という。また、電子によるイオン化率と正孔によるイオン化率の比をイオン化率比と呼ぶ。この衝突イオン化によって新たに生成された電子、正孔の速度も印加電界によって加速され、さらなる衝突イオン化によって新たな電子・正孔対を生成する。このように、衝突電離が繰り返されると、急激なキャリア数の増加が生じ、大きな電流が流れることになる（アバランシェ現象）。すなわち、小さな信号（少数キャリア）が入力した場合でも、このようなアバランシェ現象により信号を増幅することが可能となる。
【０００６】
広く知られているように、アバランシェフォトダイオードの高速・構造倍率の点で重要になるパラメーターとしてイオン化率比がある。イオン化率比が、１より大きければ大きいほど、または１より小さければ小さいほど、すなわち電子によるイオン化率と正孔によるイオン化率に大きな差があればあるほど、高速化と高増倍率化が可能になる。このことは、直感的に、イオン化率が１に近い場合、電子と正孔の両方で生じたイオン化が増倍層内で長時間継続して生じることで、特に高速化が困難になることからわかる。
【０００７】
これまで光通信用として用いられてきたアバランシェフォトダイオードは、光通信に用いる光の波長が１．３μｍ帯または１．５５μｍ帯（赤外線領域）であるため、材料としてＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓの化合物半導体が用いられてきた。しかし、ＩｎＰのイオン化率比はおよそ０．５程度と比較的１に近い値である。ＩｎＡｌＡｓでもせいぜい０．２５から０．５である。このため、ＩｎＰ系半導体を用いたアバランシェフォトダイオードの帯域はせいぜい１０ＧＨｚまでであり（増倍率を１０程度と仮定）、それを超える、例えば２５ＧＨｚ，４０ＧＨｚの高速のアバランシェフォトダイオードは未だに実現されていないのが現状である。
【０００８】
これに対して、Ｓｉのイオン化率比は０．１から０．０１と極めて小さな値を持ち、高速かつ高感度のアバランシェフォトダイオードを実現できる。しかし、Ｓｉは光通信に用いられる１．３μｍ帯または１．５５μｍ帯の赤外線領域光を吸収できないため、光通信には用いることができなかった。
【０００９】
このようなＳｉを用いたアバランシェフォトダイオードの欠点を克服するため、これまで赤外線領域の光に感度を有する化合物半導体とＳｉを組合せる試みがなされてきた。すなわち、これまで、光の吸収層を赤外線領域の光を吸収できる半導体で、増倍率層をＳｉで形成したアバランシェフォトダイオードを作製する試みがなされてきた。たとえば、Ｓｉ上に化合物半導体をエピタキシャル成長させる試みが長い間行われてきたが、未だに高品質な結晶が得られていない。その他の方法として、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長したＩｎＧａＡｓ層に直接ウエハボンディング技術によりＳｉ増倍層を融着により接合させて、アバランシェフォトダイオードを作製している（非特許文献１参照）。アバランシェフォトダイオードの性能としては、動作帯域１０ＧＨｚで増倍率が３０である。帯域（Bandwidth）と増倍率（Gain）の積、いわゆるＧＢ積は３００であり、従来のＩｎＰ系化合物半導体を用いた場合のＧＢ積１５０〜２００と比べて改善されている。さらに、近年、Ｓｉ上に高品質のＧｅを結晶成長する技術が開発されてきており、この技術を用いてアバランシェフォトダイオードを作製している（非特許文献２参照）。この場合のアバランシェフォトダイオードの性能も、今のところ、ウエハボンディング技術で作製した素子と同程度である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】A. R. Hawkins et al., Appl. Phys. Lett.、Vol. 70、pp.303-305  (1997)
【非特許文献２】Y. Kang  et al., Nature Photonics、 Published Online、7 December 2008, pp.1-4
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
「背景技術」で述べたように、ウエハボンディング技術を用いて作製したアバランシェフォトダイオードの性能は、動作帯域１０ＧＨｚで増倍率が３０であり、ＧＢ積で比較した場合、従来のＩｎＰ系アバランシェフォトダイオードより優れた特性を示した。しかし、帯域は１０ＧＨｚと従来のＩｎＰ系アバランシェフォトダイオードと同程度である。この理由として、ウエハボンディングの際に、光吸収層のＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰ層とＳｉ層との界面でそれぞれの材料の内部拡散がおこり、界面が急峻でないことが挙げられる。Ｓｉ層内にＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰが拡散するとＳｉのイオン化率比が１に近くなることが考えられる。比較的低速なアバランシェフォトダイオードの場合は、Ｓｉの増幅層を厚くできるため、この内部拡散の影響は小さいと考えられる。ところが、より高速化を図るため、増倍層の厚さを薄くすると（０．１μｍ程度）、この内部拡散の影響は無視できなくなる。非特許文献１において、ＧＢ積が３００と改善されたにも関わらず、帯域が改善されていない原因として、以上のことが考えられる。
【００１２】
非特許文献２においても、非特許文献１と同様、ＧＢ積に関しては、従来のＩｎＰ系アバランシェフォトダイオードより優れた特性（この場合もＧＢ積は３００程度）を示しているが、帯域は１０ＧＨｚと従来のＩｎＰ系アバランシェフォトダイオードと同程度である。この場合は、Ｓｉ上にＧｅを積層した際、ＳｉとＧｅの格子定数の差から生じる歪による転位欠陥密度を、高温アニールを繰り返すことにより減少させている。この高温アニールの際に内部拡散が起こり、Ｓｉ層へのＧｅの拡散が生じる。この内部拡散により、Ｓｉ層を薄くした場合、Ｓｉ特有の低いイオン化率比が保持されず、アバランシェフォトダイオードの高速化が実現されていない。このＳｉ／Ｇｅアバランシェフォトダイオードに関しては、Ｇｅ層の転位欠陥により暗電流が大きくなることも報告されている（非特許文献２）。
【００１３】
本発明の目的は、低暗電流で、高速かつ高利得な光通信用のアバランシェフォトダイオード及びそれを用いた受信機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するための一実施形態として、光吸収層と増倍層を有するアバランシェフォトダイオードにおいて、当該光吸収層と増倍層は基板上の第１領域と第２領域に、各層を構成する結晶の結晶面に対して平行方向にそれぞれ互いに離間して配置されており、当該光吸収層と増倍層との間は導電性配線により電気的に接続されていることを特徴とするアバランシェフォトダイオードとする。
【００１５】
また、前記アバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードが形成されている前記基板上に形成され、電気信号を増幅する機能を有する電子回路とを有することを特徴とする受信機とする。
【発明の効果】
【００１６】
上記構成とすることにより、低暗電流で、高速かつ高利得な光通信用アバランシェフォトダイオード及びそれを用いた受信機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１（ａ）】第1の実施例に係る、Ｇｅ光吸収層とＳｉ増倍層を有するアバランシェフォトダイオードの概略鳥瞰図である。
【図１（ｂ）】第１の実施例に係る、Ｇｅ光吸収層とＳｉ増倍層を有するアバランシェフォトダイオードの概略断面図である。
【図２】第1の実施例に係るアバランシェフォトダイオードに対する増倍率と３ｄＢ帯域との関係を計算した結果を示す図である。
【図３】第２の実施例に係る、ＩｎＧａＡｓ光吸収層とＳｉ増倍層を有するアバランシェフォトダイオードの概略断面図である。
【図４】第３の実施例に係る、２端子アバランシェフォトダイオードの概略断面図である。
【図５】第３の実施例に係る、３端子アバランシェフォトダイオードの概略断面図である。
【図６】第４の実施例に係る、メサ構造の上面の結晶面が（１００）を有するアバランシェフォトダイオードの概略鳥瞰図である。
【図７】第４の実施例に係る、メサ構造の上面の結晶面が（１１０）を有する他のアバランシェフォトダイオードの概略鳥瞰図である。
【図８】第５の実施例に係る、レンズを集積した裏面入射型のアバランシェフォトダイオードの概略断面図である。
【図９】第６の実施例に係る、基板端面から光を入射する導波路型のアバランシェフォトダイオードの概略断面図である。
【図１０】第７の実施例に係る、Ｓｉの増倍層がＳｉ基板上に形成されたアバランシェフォトダイオードの概略断面図である。
【図１１】第８の実施例に係る、アバランシェフォトダイオードと電子回路が集積された受信機の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
発明が解決しようとする課題で述べたように、非特許文献１、２において、Ｓｉ増幅層への他の材料の内部拡散により、アバランシェフォトダイオードの高速化に必要な増倍層の薄膜化が困難である。そこで、この課題を解決する方法として、本実施の形態では、光吸収層と増倍層を有するアバランシェフォトダイオードにおいて、当該光吸収層と増倍層が結晶面に対して平行方向に離間して配置されており、当該光吸収層と増倍層との間を導電性配線により電気的に接続することを特徴とするアバランシェフォトダイオードを提案する。この構造では、光吸収層(メサ部)と増倍層(メサ部)が空間的に分離されているため、増倍層の薄膜化は容易に実現でき、アバランシェフォトダイオードの高速化が実現できる。
【００１９】
Ｓｉ／ＧｅアバランシェフォトダイオードにおけるＧｅ層の転位欠陥による暗電流増大に関しては、ＧｅＯＩ（Germanium on Insulator）基板を用いる。ＧｅＯＩ基板はＳｉ基板に形成されたＳｉＯ２層に高品質のＧｅ層を貼り付けて作製されており、Ｓｉ上にＧｅをエピタキシャル成長した場合と比べて、転位欠陥密度が低いと考えられる。さらに、ＳｉＯ２上にＧｅ層が積層されているため、Ｓｉ上にＧｅが積層されている場合に比べて、ＳｉＯ２上では転位欠陥が動きやすく、アニールした場合、転位欠陥が減少（消滅）しやすくなる。さらに転位欠陥を少なくするために、アバランシェフォトダイオードをメサ構造とし、このメサ構造の上面の結晶面を（１００）面、側面の結晶面を（１１０）とする。また、その他のメサ構造として、メサ構造の上面の結晶面を（１１０）面、側面の内向かい合う２面が（１１０）面、その他の向かい合う２面を（１１０）面となるメサ構造とする。メサ構造をとる効果は、Ｓｉ上でなくＳｉＯ２上にＧｅを形成する効果と同様に、転位を運動させて膜側面から解放させることにより転位密度を下げることができる。さらに、上面ないし側面を（１１０）とすることで、＜１１０＞方向の転位線と垂直な自由端が形成されることになり、転位密度低減に効果がある。このように、転位欠陥を減らすことで、暗電流の低減が図れる。
【００２０】
以下、実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
第1の実施例について図１（ａ），図１（ｂ）を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態に記載され、本実施例に未記載の事項は本実施例にも適用することができる。
【００２２】
図１（ａ）は、Ｇｅ光吸収層とＳｉ増倍層を有するフォトダイオードの概略鳥瞰図，図１（ｂ）はその概略断面図である。本実施例に係るアバランシェフォトダイオードは、Ｓｉ基板１上に、ＳｉＯ２層２、ｐ＋−Ｇｅのコンタクト層３、アンドープのＧｅの光吸収層４、ｎ＋−Ｇｅのコンタクト層５、ｎ＋−Ｓｉのコンタクト層６、ｎ−−Ｓｉの増倍層７、ｎ＋−Ｓｉのコンタクト層８、誘電体層９、保護膜１０、電極１１から構成される受光素子である。本アバランシェフォトダイオードは、光吸収層４と増倍層７が、結晶面に対して平行方向（基板１上方において水平方向）に離間して配置されており、光吸収層４と増倍層７との間は導電性配線（電極）１１により電気的に接続されている。なお、符号１２は入力光を示す。
【００２３】
まず、本アバランシェフォトダイオードの作製方法を以下に示す。
【００２４】
高品質のＧｅ吸収層４を得るため、基板として、次のような２種類の基板を使用する。一つは、ＳＯＩ基板（Silicon on Insulator：Ｓｉ基板と表面Ｓｉ薄膜層の間にＳｉＯ２層を挟んだ構造を有する基板）を用いて、酸化濃縮法により高品質のＧｅ薄膜をＳｉＯ２層２の上に形成し、その後、エピタキシャル成長にてＧｅ層を厚く積層する。濃縮酸化法とは、まずＳＯＩ上にＳｉＧｅ層を基板温度約５００℃で分子線エピタキシー法で成長し、その後９００℃〜１１００℃で１時間熱酸化すると、ＳｉＧｅのＧｅがＳｉＯ２上に堆積し、元々ＳＯＩ上にあったＳｉはＳｉＯ２となってＧｅ上に堆積する。この状態で、最上部のＳｉＯ２層を選択エッチングにより除去すると、高品質のＧｅ層が最上部に形成された基板ができる。基板構造は、下からＳｉ基板、ＳｉＯ２層、Ｇｅ層である。上記のＧｅ層は、酸化濃縮法の特性上、概ね１％未満程度の微量なＳｉが含まれる場合もあるが、本明細書においては、そのような微量Ｓｉを含有する場合もＧｅ層と称する。
【００２５】
もう一つの基板は、ＧｅＯＩ基板（Germanium on Insulator：Ｓｉ基板と表面Ｇｅ薄膜層の間にＳｉＯ２層を挟んだ構造を有する基板）である。この基板は、高品質のＧｅ基板をウエハボンディングによりＳｉ基板／ＳｉＯ２上に貼り付けた構造を有する。このＧｅ層を用いると、従来のＧｅ基板を用いたＧｅフォトダイオード程度の暗電流値を期待できる。市販のＧｅフォトダイオードの暗電流値は、たとえば受光径０．２５ｍｍ２で０．５μＡ以下である。１０Ｇ以上の高速化ＰＤの場合、受光径は２０μｍであるため、暗電流が受光径に比例することを考慮すると、１ｎＡ以下の低暗電流が期待できる。因みに、現状、Ｓｉ基板上にＧｅを積層して作製した受光径２０μｍＰＤの暗電流は１μＡ以上である。
【００２６】
上記２種類の基板を用いて、高品質のＧｅ薄膜層上にエピタキシャル成長により、アバランシェフォトダイオードを形成するに必要な厚さのＧｅ層を形成する。コンタクト層形成に必要なＧｅ層の不純物ドーピングは、エピタキシャル成長時に行ってもよいし、または、Ｇｅ層形成後にイオンドーピングによって不純物ドーピングを行ってもよい。
【００２７】
次に、Ｇｅ層の不純物ドーピングの後、メサ構造を形成する。さらに、増幅層を含むメサ構造を形成する領域のＧｅ層をエッチングにより除去し、Ｓｉ層をエピタキシャル成長する。コンタク層に不純物ドーピングした後、メサ構造を形成する。さらに、Ｇｅのメサ構造部とＳｉのメサ構造部の間にポリイミドなどの誘電体で埋め込み平坦化した後、保護膜として例えば、ＳｉＯ２とＳｉＮ膜からなる保護膜１０を形成する。その後、Ａｕ／ＴｉまたはＡｌ材料を用いて電極１１を形成する。ここで、ＳｉＮ膜を圧縮歪膜とすることで、Ｇｅの光吸収層４に引張の歪が入り、エネルギーバンドギャップが小さくなる。すなわち、１．５５μｍ帯の長波長の光の吸収も可能になる。
【００２８】
本実施例の表面入射型の場合、ＳｉＯ２層２の厚さを適当に選ぶことで、コンタクト層３とＳｉＯ２層２の界面での反射を大きくした反射ミラー構造とすることが可能であり、量子効率（光の吸収効率）を改善できる。
【００２９】
図１に示す構造を基に、本アバランシェフォトダイオードの性能について解析を行った。その結果（増倍率と３ｄＢ帯域の関係）を図２に示す。計算に用いたパラメーターは次の通りである。光吸収層ｉ−Ｇｅ層厚：０．５μｍ、Ｓｉ増倍層厚：０．１μｍ、受光径：１５μｍ、光吸収層と増倍層を接合する電極面線：５ｘ５０μｍ２、総静電容量（素子容量５０ｆＦと寄生容量３．４ｆＦの和）：５３．４ｆＦ、Ｓｉ増倍層のイオン化率比：０．１、Ｇｅの電子飽和速度６ｘ１０６ｃｍ／ｓ、Ｓｉの電子飽和速度１ｘ１０７ｃｍ／ｓとした。素子抵抗Ｒｓは、２５Ωから１００Ωまで変えて計算を行った。以上の結果から、素子抵抗Ｒｓが５０Ω以下であると、３ｄＢ帯が４０ＧＨｚ以上、増倍率が１０以上の高速かつ高増幅率のアバランシェフォトダイオードが実現可能であることがわかる。
【００３０】
本実施例によれば、上記構成とすることにより、低暗電流で、高速かつ高利得な光通信用アバランシェフォトダイオードを提供することができる。また、本アバランシェフォトダイオードは受信機に用いることが可能である。
【実施例２】
【００３１】
第２の実施例について図３を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態又は実施例１に記載され、本実施例に未記載の事項は本実施例にも適用することができる。
【００３２】
図３は、ＩｎＧａＡｓ光吸収層とＳｉ増倍層を有するアバランシェフォトダイオードの断面図である。本アバランシェフォトダイオードは、Ｓｉ基板１上に、ＳｉＯ２層２、ｐ＋−ＩｎＰのコンタクト層１３、アンドープのＩｎＧａＡｓの光吸収層１４、ｎ＋−ＩｎＰのコンタクト層１５、ｎ＋−Ｓｉのコンタクト層６、ｎ−−Ｓｉの増倍層７、ｎ＋−Ｓｉのコンタクト層８、誘電体層９、保護膜１０、電極１１から構成される受光素子である。本実施例において、光吸収層１４と増倍層７が結晶面に対して平行方向（基板１上方において水平方向）に離間して配置されており、光吸収層１４と増倍層７との間は導電性配線（電極）１１により電気的に接続されている。
【００３３】
なお、実施例１と異なる点について説明する。ここで、ｐ＋−ＩｎＰのコンタクト層１３は、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰまたはｐ＋−ＩｎＧａＡｌＡｓでもよい。さらに、、ｎ＋−ＩｎＰのコンタクト層１５は、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰまたはｎ＋−ＩｎＧａＡｌＡｓでもよい。
【００３４】
本実施例において用いる基板は、ＩＩＩ−Ｖ  ＯＩ基板（III-V on Insulator：Ｓｉ基板と表面ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体薄膜層の間にＳｉＯ２層を挟んだ構造を有する基板）である。この基板は、高品質のＩＩＩ−Ｖ結晶基板をウエハボンディングによりＳｉ基板／ＳｉＯ２上に貼り付けた構造を有する。この基板を用いて、実施例１で述べた方法により本実施例におけるアバランシェフォトダイオードを作製する。
【００３５】
本実施例においても、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、ＩｎＰを用いているので波長１．５μｍが可能であり、長距離用として用いることができる。
【実施例３】
【００３６】
第３の実施例について図４と図５を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態又は実施例１や２に記載され、本実施例に未記載の事項は本実施例にも適用することができる。
【００３７】
図４は本実施例に係る２端子のアバランシェフォトダイオードの断面図であり、図５は３端子のアバランシェフォトダイオードの断面図である。なお、同一の符号は同一の構成を示す。本実施例において、光吸収層１７と増倍層７が結晶面に対して平行方向（基板１上方において水平方向）に離間して配置されており、光吸収層１７と増倍層７との間は導電性配線(電極)１１により電気的に接続されている。なお、符号１６は電圧電源を示す。素子動作方法に関して以下に説明する。
【００３８】
素子動作に必要な電界印加法として、２つの方法がある。１つは２端子間に電圧を印加する方法である（図４参照）。２つめは光吸収層１７に印加する電界の制御と増幅層７に印加する電界の制御が各々独立に制御することが可能である３端子で電圧を印加する方法である（図５参照）。２端子の場合は、電圧電源が１つのため、電子回路が簡素化できる。一方、３端子の場合は、２つの電圧電源が必要なため、電子回路が複雑化する懸念があるが、各層に印加する印加電圧を正確に制御できるメリットがある。印加電圧を正確に制御できるもとにより、増倍率の正確な制御が可能になる。また、光吸収層１７にのみ電圧を印加することにより、増幅機能のない通常のＰＩＮフォトダイオードとしても機能する。なお、符号１８は光吸収層電界印加用電圧電源、符号１９は増倍層電界印加用電圧電源を示す。
【００３９】
本実施例においても、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、３端子とすることにより、増倍層における像倍率の正確な制御が可能となる、また、アバランシェフォトダイオードと通常のＰＩＮフォトダイオードとの切り替えが可能な受光素子を提供することがきる。
【実施例４】
【００４０】
第４の実施例について図６と図７を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態、実施例１〜３のいずれかに記載され、本実施例に未記載の事項は本実施例にも適用することができる。
【００４１】
図６はメサ構造上面の結晶面が（１００）面を有するアバランシェフォトダイオードの、図７は結晶面が（１１０）面を有するアバランシェフォトダイオードの鳥瞰図である。なお、同一の符号は同一の構成を示す。本実施例において、光吸収層１７と増倍層が結晶面に対して平行方向（基板１上方において水平方向）に離間して配置されており、光吸収層と増倍層との間は導電性配線により電気的に接続される。メサ構造の結晶面に関して以下について説明する。
【００４２】
光吸収層を含むメサ構造において、Ｇｅの転位欠陥密度を減らすために、メサ構造を構成する結晶面を次の通りにするとよい。まず、図６に示すように、メサ構造の上面の結晶面２０が（１００）面、メサ構造の側面の結晶面２１，２２，２３，２４が（１１０）面とする。その他の構造として、図７に示すように、メサ構造の上面の結晶面２５が（１１０）面、メサ構造の側面の内向かい合う２面の結晶面２６と２７が（１００）面、その他の向かい合う２面の側面の結晶面２８，２９を（１１０）面とする。
【００４３】
本実施例においても、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、メサ構造の上面の結晶面を（１００）面や（１１０）面とすることにより、欠陥密度が低減され、更なる低暗電流化を図ることができる。
【実施例５】
【００４４】
第５の実施例について図８を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態、実施例１〜４のいずれかに記載され、本実施例に未記載の事項は本実施例にも適用することができる。
【００４５】
図８はレンズを集積した裏面入射型アバランシェフォトダイオードの断面図を示す。本実施例において、光吸収層４と増倍層７が結晶面に対して平行方向（基板１上方において水平方向）に離間して配置されており、光吸収層と増倍層との間は導電性配線(電極)１１により電気的に接続されている。裏面入射型アバランシェフォトダイオードに関して以下に説明する。
【００４６】
本実施例に関するアバランシェフォトダイオードは、Ｓｉ基板１上に、ＳｉＯ２層２、ｐ＋−Ｇｅのコンタクト層３、アンドープのＧｅの光吸収層４、ｎ＋−Ｇｅのコンタクト層５、ｎ＋−Ｓｉのコンタクト層６、ｎ−−Ｓｉの増倍層７、ｎ＋−Ｓｉのコンタクト層８、誘電体層９、保護膜１０、電極１１、集積レンズ３０から構成される受光素子である。ここで、実施例２で記載した構造である、コンタクト層３をｐ＋−ＩｎＰ、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰとｐ＋−ＩｎＧａＡｌＡｓのどれか１層、光吸収層４をアンドープのＩｎＧａＡｓ、コンタクト層５をｎ＋−ＩｎＰ、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓＰとｎ＋−ＩｎＧａＡｌＡｓのどれか１層としてもよい。なお、符号３１は入力光を示す。
【００４７】
集積レンズ３０により、受光部に入射時のビームスポットサイズを小さくでき、光結合トレランスを大幅に改善できる。この場合、ＳｉＯ２層２の厚さを適当に選ぶことで、Ｓｉ基板１とＳｉＯ２層２の界面での反射と、コンタクト層３とＳｉＯ２層２の界面での反射を低減することが必要である。
【００４８】
本実施例においても、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、集積レンズを備えたことにより、結合トレランスを改善することができる。
【実施例６】
【００４９】
第６の実施例について図９を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態、実施例１〜５のいずれかに記載され、本実施例に未記載の事項は本実施例にも適用することができる。
【００５０】
図９は、基板端面から光を入射する導波路型のアバランシェフォトダイオードの断面図である。導波路型にすることで、光電変換効率を損なうことなく、吸収層を薄くすることができ高速動作が可能になる。本実施例において、光吸収層１７と増倍層７が結晶面に対して平行方向（基板１上方において水平方向）に離間して配置されており、光吸収層１７と増倍層７との間は導電性配線(電極)１１により電気的に接続されている。
【００５１】
本実施例に関するアバランシェフォトダイオードは、Ｓｉ基板１上に、ＳｉＯ２層２、コンタクト層３、光吸収層１７、クラッド層３２、コンタクト層５、コンタクト層６、増倍層７、コンタクト層８、誘電体層９、保護膜１０、電極１１から構成される受光素子である。基板端面から入射した光(入力光)３３は、ＳｉＯ２層２とクラッド層３２により光吸収層１７付近に閉じ込められ、アバランシェフォトダイオード内を伝播する。
【００５２】
本実施例においても、実施例１と同様の効果を得ることができる。
【実施例７】
【００５３】
第７の実施例について図１０を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態、実施例１〜６のいずれかに記載され、本実施例に未記載の事項は本実施例にも適用することができる。
【００５４】
図１０は、Ｓｉの増倍層がＳｉ基板上に形成されたアバランシェフォトダイオードの断面図である。本実施例における、光吸収層４と増倍層７が結晶面に対して平行方向(基板１上方において水平方向)に離間して配置されており、光吸収層４と増倍層７との間は導電性配線(電極)１１により電気的に接続されている。
【００５５】
本実施例に関するアバランシェフォトダイオードは、Ｓｉ基板１上に、ＳｉＯ２層２、ｐ＋−Ｇｅのコンタクト層３、アンドープのＧｅの光吸収層４、ｎ＋−Ｇｅのコンタクト層５、ｎ＋−Ｓｉのコンタクト層６、ｎ−−Ｓｉの増倍層７、ｎ＋−Ｓｉのコンタクト層８、誘電体層９、保護膜１０、電極１１から構成される受光素子である。ここで、実施例１と異なる点は、ｎ＋−Ｓｉのコンタクト層６とｎ−−Ｓｉの増倍層７とｎ＋−Ｓｉのコンタクト層８をＳｉ基板上にエピタキシャル成長した高品質のＳｉにより形成することである。高品質Ｓｉにより暗電流の低減が可能になる。
【００５６】
本実施例においても、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、コンタクト層と増倍層がエピタキシャル層のため、暗電流が更に低減される。
【実施例８】
【００５７】
第８の実施例について図１１を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態、実施例１〜７のいずれかに記載され、本実施例に未記載の事項は本実施例にも適用することができる。
【００５８】
図１１は、アバランシェフォトダイオードと、電気信号を増幅する機能を有する電子回路が集積された受信機の断面図である。本実施例において、光吸収層４と増倍層７が結晶面に対して平行方向(基板１上方において水平方向)に離間して配置されており、光吸収層４と増倍層７との間は導電性配線(電極)１１により電気的に接続されている。
【００５９】
本実施例に関するアバランシェフォトダイオードは、Ｓｉ基板１上に、ＳｉＯ２層２、ｐ＋−Ｇｅのコンタクト層３、アンドープのＧｅの光吸収層４、ｎ＋−Ｇｅのコンタクト層５、ｎ＋−Ｓｉのコンタクト層６、ｎ−−Ｓｉの増倍層７、ｎ＋−Ｓｉのコンタクト層８、誘電体層９、保護膜１０、電極１１から構成される受光素子である。さらにここでは、誘電体層９を介して、Ｓｉ層３４、高ドープＳｉ層３５、絶縁膜３６、ソース電極３７、ゲート電極３８、ドレイン電極３９から構成されるＣＭＯＳ回路を基本とした電気信号を増幅する機能を有する電子回路が形成され、受信機を構成している。電子回路作製の際に必要な高温アニールは、アバランシェフォトダイオード部分をＳｉＯ２層と金属（Ａｌ，Ｃｕなど）でマスキングした後、レーザアニールを用いて行う。
【００６０】
本実施例によれば、低暗電流で、高速かつ高利得な光通信用アバランシェフォトダイオードを用いた受信機を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
帯域１０ＧＨｚ、増倍率１０を超える光通信用アバランシェフォトダイオードは未だに開発されておらず、帯域１０ＧＨｚ超の長距離伝送には、ＰＩＮフォトダイオードと半導体光増幅器が用いられている。しかし、ＰＩＮフォトダイオードと半導体光増幅器では、消費電力が大きく、動作波長帯域も半導体光増幅器の帯域（約５０ｎｍ）で制限されている。そこで、帯域１０ＧＨｚ、増倍率１０を超える光通信用アバランシェフォトダイオードが実現できれば、低消費電力かつ広帯域であるため、高速長距離伝送における受信機として、ＰＩＮフォトダイオードと半導体光増幅器に取って代わる技術となると考えられる。
【符号の説明】
【００６２】
１…Ｓｉ基板、２…ＳｉＯ２層、３…コンタクト層、４…Ｇｅ光吸収層、５…コンタクト層、６…コンタクト層、７…増倍層、８…コンタクト層、９…誘電体、１０…保護膜、１１…電極、１２…入力光、１３…コンタクト層、１４…ＩｎＧａＡｓ光吸収層、１５…コンタクト層、１６…電圧電源、１７…光吸収層、１８…光吸収層電界印加用電圧電源、１９…増倍層電界印加用電圧電源、２０…（１００）面、２１…（１１０）面、２２…（１１０）面、２３…（１１０）面、２４…（１１０）面、２５…（１１０）面、２６…（１００）面、２７…（１００）面、２８…（１１０）面、２９…（１１０）面、３０…集積レンズ、３１…入力光、３２…クラッド層、３３…入力光、３４…Ｓｉ層、３５…高ドープＳｉ層、３６…絶縁膜、３７…ソース電極、３８…ゲート電極、３９…ドレイン電極。
【図１（ａ）】
2013080728.tif 000003
【図１（ｂ）】
2013080728.tif 000004
【図２】
2013080728.tif 000005
【図３】
2013080728.tif 000006
【図４】
2013080728.tif 000007
【図５】
2013080728.tif 000008
【図６】
2013080728.tif 000009
【図７】
2013080728.tif 000010
【図８】
2013080728.tif 000011
【図９】
2013080728.tif 000012
【図１０】
2013080728.tif 000013
【図１１】
2013080728.tif 000014