(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンドープの増幅層（１４）と、
５０−１００ｎｍの範囲の厚さを有するアンドープの光吸収層（１６）と、
前記増幅層及び前記光吸収層に隣接して配置された第１のチャージ層（１５）であって、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＰからなる前記第１のチャージ層（１５）と、
２００−４００ｎｍの範囲の厚さを有し、前記光吸収層から分離され、入射した光を前記光吸収層に結合することができるドープした導波路層（１７）とを備え、
前記第１のチャージ層、光吸収層、及び増幅層は、厚さが３００−５００ｎｍの範囲の領域（１４、１５、１６）を形成することを特徴とする半導体アバランシェホトディテクタ（１０）。
【請求項２】
前記第１のチャージ層とは反対の前記増幅層の面に隣接して配置された第２のチャージ層（１３）とをさらに備え、
前記第２のチャージ層はドープしたＩｎＡｌＡｓからなることを特徴とする請求項１記載のホトディテクタ。
【請求項３】
前記第１のチャージ層は、５０−１００ｎｍの範囲の厚さを有し、７×１０１７から２×１０１８ｃｍ-3の範囲の濃度でドーピングされていることを特徴とする請求項１記載のホトディテクタ。
【請求項４】
前記導波路層は、ＩｎＧａＡｓＰからなり、７×１０１７から１×１０１８ｃｍ-3の範囲の濃度でドーピングされていることを特徴とする請求項３記載のホトディテクタ。
【請求項５】
前記増幅層は、アンドープのＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＰからなることを特徴とする請求項４記載のホトディテクタ。
【請求項６】
少なくとも４０ＧＨｚの移動時間が制限されたバンド幅を有することを特徴とする請求項１記載のホトディテクタ。
【請求項７】
前記光吸収層は、アンドープのＩｎＧａＡｓであることを特徴とする請求項１記載のホトディテクタ。
【請求項８】
基板上にアンドープの増幅層（１４）を形成するステップと、
前記増幅層上に第１のチャージ層（１５）を形成するステップであって、前記第１のチャージ層はドープしたＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＰからなる、ステップと、
前記第１のチャージ層の上にアンドープの光吸収層（１６）を形成するステップであって、前記光吸収層は５０−１００ｎｍの範囲の厚さを有する、ステップと、
前記光吸収層の上にドープした導波路層（１７）を形成するステップであって、前記導波路層は、２００−４００ｎｍの範囲の厚さを有し、入射した光を前記光吸収層へ結合することができる、ステップとを具備し、
前記第１のチャージ層、光吸収層、及び増幅層は、厚さが３００−５００ｎｍの範囲の領域（１４、１５、１６）を形成することを特徴とするアバランシェホトディテクタの製造方法。
【請求項９】
前記増幅層、第１のチャージ層、光吸収層、及び導波路層は、ＭＯＣＶＤにより形成されることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記増幅層を形成する前に、前記基板上に第２のチャージ層（１３）を形成するステップをさらに具備し、
前記第２のチャージ層はドープしたＩｎＡｌＡｓからなることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記光吸収層は、アンドープのＩｎＧａＡｓからなることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記増幅層は、アンドープのＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＰからなることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１３】
前記導波路層は、ＩｎＧａＡｓＰからなり、７×１０１７から１×１０１８ｃｍ-3の範囲の濃度にドーピングされていることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
アバランシェホトダイオード（１０）を有する光学受信機（３２）において、
前記アバランシェホトダイオードは、
アンドープの増幅層（１４）と、
５０−１００ｎｍの範囲の厚さを有するアンドープの光吸収層（１６）と、
前記増幅層及び前記光吸収層に隣接して配置された第１のチャージ層（１５）であって、ドープしたＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＰからなる前記第１のチャージ層と、
２００ｎｍ−４００ｎｍの範囲の厚さを有し、前記光吸収層から分離され、入射した光を前記光吸収層に結合することができるドープした導波路層（１７）とを備え、
前記第１のチャージ層、光吸収層、及び増幅層は、厚さが３００−５００ｎｍの範囲の領域（１４、１５、１６）を形成することを特徴とする光学受信機。
【請求項１５】
送信器（３０）と、
前記送信器に光学的に接続された光ファイバ（３１）と、
前記光ファイバに光学的に結合された光学受信機（３２）とを有する光学ネットワークにおいて、
前記光学受信機は、アバランシェホトダイオードを有し、
前記アバランシェホトダイオードは、
アンドープの増幅層（１４）と、
５０−１００ｎｍの範囲の厚さを有するアンドープの光吸収層（１６）と、
前記増幅層及び前記光吸収層に隣接して配置された第１のチャージ層（１５）であって、ドープしたＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＰからなる前記第１のチャージ層と、
２００−４００ｎｍの範囲の厚さを有し、前記光吸収層から分離され、入射した光を前記光吸収層に結合することができるドープした導波路層（１７）とを備え、
前記第１のチャージ層、光吸収層、及び増幅層は、厚さが３００−５００ｎｍの範囲の領域（１４、１５、１６）を形成することを特徴とする光学ネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ホトディテクタに関し、特にアバランシェホトディテクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光電子デバイスは、情報処理能力が大きいために通信ネットワークで使用することに大いに注目を集めている。ネットワークの欠かせない部品は半導体ホトディテクタで、入射光を電気信号に変換するものである。通常のホトディテクタは、ＰＩＮダイオードで、ｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に挟み込んだ真性半導体の光吸収層を有する。このようなデバイスの１つの問題点は、真性半導体層が比較的厚い（通常２００−４００ｎｍ）ために、入射光により生成される電子とホールの通過時間が制限され、そのためデバイスの速度が制限されることである。
【０００３】
近年、吸収長さを増加させるために、２つの導波路層の間に真性層を挟み込んでかつ真性層を薄くすることが提案されている。このようなデバイスは、電子やホールの移動時間の制約があるが、その理由は真性領域は、デバイスにバイアスが印加されたときに電界を含む領域として定義されるが、導波路層の厚さを含むためである。光を導波路により標準のＰＩＮデバイスの真性領域に結合することが提案されている。
【０００４】
別の種類のホトディテクタは、導波路アバランシェホトディテクタである。この種のデバイスは、真性層の一部としてアンドープの吸収層と導波路層とドープしたチャージ層とアンドープの増幅層とを含む。このようなデバイスの真性層は、極めて厚い（通常７００から１０００ｎｍ）ために電子の移動時間が制限される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、電子またはホールの移動が速く、その結果高速で動作できるデバイスを提供できるホトディテクタを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１に記載した特徴を有する半導体アバランシェホトダイオードである。即ち、アンドープの増幅層と、薄いアンドープの光吸収層と、前記光吸収層から分離され入射した光を光吸収層に結合するドープした導波路層とを有することを特徴とする半導体アバランシェホトディテクタである。本発明の他の態様においては、アバランシェホトディテクタの製造方法およびアバランシェホトディテクタを有する受信機とネットワークである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明によるデバイスを図１，２に示す。図１において、光は図２で矢印で示されるように図面の手前から奥に向かって入射する。本発明の一実施例による半導体アバランシェホトディテクタ１０は、アンドープ増幅層１４と薄いアンドープ光吸収層１６とドープト導波路層１７とを有し、この導波路層１７は、光吸収層１６から分離されているが、入射した光を光吸収層１６に結合する。
【０００８】
より詳細には半導体アバランシェホトディテクタ１０は、半導体基板１１の上に通常形成され、この実施例においては、半絶縁性ＩｎＰ製である。ＭＯＣＶＤあるいは他の公知の技術により基板上にはｍ半導体エピタキシャル層である層１２−１８が連続して形成される。第１層は、クラッド層１２であり、好ましくはｎ型のＩｎＰ材料製でその厚さは４００−１０００ｎｍで２×１０18ｃｍ-3の濃度でドーピングされている。
【０００９】
クラッド層１２の上にはｎ型でドープされた第１チャージ層１３が堆積され、この実施例においては、ＩｎＡｌＡｓ製である。この層は、通常２００ｎｍの厚さを有し、２×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされ、チャージされたキャリアがクラッド層と基板内にトンネル現象で入り込むのを阻止している。同図においては第１チャージ層１３を用いているが、クラッド層１２を用いることも可能であり、これは本発明にとって不可欠なものではない。
【００１０】
チャージ層１３の上にはアンドープ増幅層１４が形成され、この層１４はドープしていない（真性）である。本明細書においてアンドープ（ドープしていない）とは、意図的にドープしないことを意味しており、ｎ型あるいはｐ型のドーパントがバックグラウンドドーピング程度（１×１０１７ｃｍ−３以下）を含むこともあり得る。この実施例においては層１４はＩｎＡｌＡｓ製であり、入射光に応答してデバイス内で生成される自由キャリアを増幅する半導体材料製で、例えばＩｎＰ製でもよい。
【００１１】
層１４の厚さは２００−１０００ｎｍである。第２チャージ層１５は増幅層１４の上に形成される。この層１５は、ｐ型の不純物が７×１０17から２×１０18ｃｍ-3の範囲の濃度でドーピングされている。この実施例においては、層１５はＩｎＡｌＡｓ製で、その厚さは５０−１００ｎｍで、デバイスの動作中に増幅層１４内で生成された高い電界から吸収層１６をシールドする役目をする。他の適宜の材料としてはＩｎＰがある。
【００１２】
薄いアンドープ吸収層１６が第２チャージ層１５の上に形成される。この実施例においては、層１６はＩｎＧａＡｓ製であるが、入射光を吸収し入射光に応答して自由キャリアを生成する半導体材料でもよい。この層１６の厚さは５０−１００ｎｍである。
【００１３】
吸収層１６の上には透明な導波路１７が形成される。この導波路層１７は、ｐ型の不純物で７×１０17から１×１０18ｃｍ-3にドーピングされている。この実施例においては、導波路層１７は、ＩｎＧａＡｓＰ製であるが、屈折率がクラッド層１８よりも高くかつそれに格子整合している他の材料も用いることができる。導波路層１７の厚さは２００−４００ｎｍが好ましい。
【００１４】
最後にｐ型ドープしたクラッド層１８が導波路層１７の上に形成される。クラッド層１８はこの実施例ではＩｎＰ製であるが、導波路層１７よりも屈折率の低い他の材料を用いることができる。クラッド層１８の厚さは１０００−２０００ｎｍの範囲である。クラッド層１８への電気接点は、クラッド層１８上の金属層１９とクラッド層１２上の金属層２０，２１により与えられる。接点用リボン２３，２４は、金属層１９を金属層２０，２１に電気的に接続する。
【００１５】
図２において、第１チャージ層１３への電気接点は第１チャージ層１３を露出するデバイスのエッチングされたステップ上に形成された金属層２２により与えられる。金属層１９−２２は、金合金あるいは半導体材料に対しオーミック接点を形成する他の導電性材料でもよい。このような接触方式は、デバイスの接点に採用される多くの技術のうちの１つに過ぎない。
【００１６】
次に動作について説明する。逆バイアスを金属層２０−２２を介してデバイスに与え、そして光は導波路層１７を通して図１の図面内に入る方向で伝播する。光は導波路層１７に沿って吸収層１６に入り、その結果吸収層１６内に自由キャリア（電子とホール）が生成される。これらのキャリアは電界がかったことにより光吸収層１６から掃引され（swept out ）、電子は増幅層１４内のインパクトイオン化により倍増される。電子の増加は、金属層２０−２２に接続された回路（図示せず）により検出される。他のメカニズムも用いることができる。
【００１７】
図３は、本発明の半導体アバランシェホトディテクタ１０を用いた通常の光学ネットワークの一部を示す。送信器３０は光ファイバ３１を介して１つあるいは複数の波長の光を送信する半導体レーザ（図示せず）を有する。光ファイバ３１は光を受信機３２に送り、そしてこの受信機３２は本発明の半導体アバランシェホトディテクタ１０を有する。光に応答してホトディテクタ１０により生成された電流は、トランスインピーダンス増幅器３３に電気的に与えられ、この増幅器３３は電気的信号を増幅し、電流を電圧信号に換えてデータ信号により受信機の残りの部分と他のネットワーク部分に送る。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の利点としては、導波路層１７と吸収層１６とを切り離すことである。即ち、導波路層１７は、この実施例では分離したドープ層であるために、導波路層１７には電界がかからずデバイスの真性領域の一部ではなくなる。そして真性領域は、層１４−１６を有する。このことは、真性層の厚さが３００−５００ｎｍまで薄くなったことを意味する。そしてこれにより、キャリアの移動時間が小さくなりデバイスがより高速となる。
【００１９】
例えば、従来のＡＰＤにおいては、吸収層と導波路層は、効率的な導波を行うために少なくとも３５０ｎｍ厚さがあり、チャージ層は５０ｎｍで、増幅層は２００ｎｍで、これにより真性領域の厚さは約６００ｎｍである。移動時間がバンド幅を制限してしまい、この移動時間は、真性領域の厚さに逆比例し、このようなデバイスにおいては３８ＧＨｚである。本発明の一実施例においては、吸収層１６の厚さは５０ｎｍまで薄くなり、そして真性層の厚さ（層１４−１６）は３００ｎｍまで薄くなる。これにより移動時間が制約されたバンド幅は、約７６．６ＧＨｚである。
【００２０】
好ましくは、移動時間が制限されたバンド幅は、少なくとも４０ＧＨｚが好ましい。さらにまた、このようなデバイスのパワー処理能力は、吸収層の最初の５０μｍの厚さで光が分散して吸収されるために２５倍増加するが、これは従来技術におけるより厚い導波路吸収層の最初の数μｍで光が吸収されるのとは対称的である。最後に、導波路層と吸収層の分離により導波路の設計を考慮することなく吸収層の特性をうまく創ることができるようになる。
【００２１】
特許請求の範囲に記載した発明の構成要件の後の括弧内の符号は、構成要件と実施例と対応づけて発明を容易に理解させる為のものであり、特許請求の範囲の解釈に用いるべきのものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例によるアバランシェホトディテクタの断面図
【図２】  図１のアバランシェホトディテクタの上面図
【図３】  本発明のアバランシェホトディテクタを含むネットワークの一部を表す図
【符号の説明】
１０  半導体アバランシェホトディテクタ
１１  半導体基板
１２  クラッド層
１３  第１チャージ層
１４  アンドープ増幅層
１５  第２チャージ層
１６  アンドープ光吸収層
１７  ドープト導波路層
１８  クラッド層
１９，２０，２１，２２  金属層
２３，２４  接点用リボン
３０  送信器
３１  光ファイバ
３２  受信機
３３  増幅器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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