〈一般研究課題〉 生活環境快適化を目的とした通信素子高速化に関する応用研究
助 成 研 究 者

中京大学

田口

博久

生活環境快適化を目的とした通信素子高速化に関する応用研究田口 博久（中京大学）

Applied research on the communication device speed for the
purpose of living environment comfort
Hirohisa Taguchi(Chukyo University)

Abstract：
In this study, it was irradiated with ultra-short Pulse Laser (pulse width 100 fs) in Optical
Detector with the InGaAs layer in the active layer. Auger recombination process inside InGaAs
layer is observed extremely distinctly. In the previous studies, disappearance process by the drift
motion of the carriers in the carrier annihilation process and the InGaAs layer due to Auger
recombination could not be clearly observed. Relationship of the first peak period and the second
peak period has been shown distinctly by the ultra-short Pulse Laser used in this study. In
addition, the time constant analysis of Auger recombination zone, the carrier surface density of the
InGaAs layer in excess of 10E 12 ㎝- 2 after pulse irradiation, it shortest disappearance time is
9.95E-11 seconds was measured. By utilizing the above characteristics, Communication speed that
affect the comfort of the living environment makes it possible to further speed-up, the possibility ofa dramatic improvement of the living environment has been suggested.
１．はじめに通信技術は現代社会において欠かすことのできない技術となっている。ほとんどの人は24時間
通信技術を利用している。携帯電話やスマートフォンに代表される通信機器によって、地球上であれば常にインターネットに接続可能な環境下に置かれ、接続環境を強化する意味で、市街には様々－ 113 －

な公共無線サービスが展開されている。1979年にNTTが東京近郊で開始した[1]。この時の通信速
度は0.3 kilobits per second (kbps)であった。2016年初頭に総務省管轄の「インターネットのサービ
ス品質計測等の在り方に関する研究会」による実際の利用シーンに即した通信速度は、NTT術を利用している。携帯電話やスマートフォンに代表される通信機器によって、地球上であれば常にイ
DoCoMo社での最大速度は53～91 Megabits per second (Mbps)（Android下り実効速度）と示された
ンターネットに接続可能な環境下に置かれ、接続環境を強化する意味で、市街には様々な公共無線サー[2]。通信機材はショルダーバック型の巨大な通信デバイスから、手札型のタブレットと変貌した
ビスが展開されている。1979
年に NTT が東京近郊で開始した[1]。この時の通信速度は 0.3 kilobits per
上、105 倍以上の通信速度向上が実現されている。40年に満たない年数で通信技術は異様なまでにsecond(kbps)であった。2016 年初頭に総務省管轄の「インターネットのサービス品質計測等の在り方に高性能化したといえる。
関する研究会」による実際の利用シーンに即した通信速度は、NTT DoCoMo 社での最大速度は 53～91
Megabits
per second (Mbps)（Android 下り実効速度）と示された[2]。通信機材はショルダーバック型●通信速度に対する市場要求
5 倍以上の通信速度向上が実現されての巨大な通信デバイスから、手札型のタブレットと変貌した上、10通信速度向上は2016年時点でも市場要求を満たしきっていない[3]。映像技術の世界では3D-TVいる。40年に満たない年数で通信技術は異様なまでに高性能化したといえる。
はすでに実現済みであり、4K-TVから8K-TVへの移行がすでに検討が始まっている。ユーザーが手元に持つ通信デバイスを高機能化し、高精度画像視聴に耐えうる構造にすることは困難ではない●通信速度に対する市場要求
が、そもそも高精度動画像を送受信には100Mbps程度では実現不可能である。現代社会において通信速度向上は 2016 年時点でも市場要求を満たしきっていない[3]。映像技術の世界では3D-TV Service
はす
ユーザーが求める通信は何も高精度動画像の送受信のみではない。Social
Networking
でに実現済みであり、4K-TV
から 8K-TV への移行がすでに検討が始まっている。ユーザーが手元に持(SNS) による自己表現や、ネットワーキングを利用した在宅ワーク及びミーティング参加、つ通信デバイスを高機能化し、高精度画像視聴に耐えうる構造にすることは困難ではないが、そもそもTerabitsレベルのクラウドストレージの利用、さまざまな電化製品のネットワークコントロール、
高精度動画像を送受信には 100Mbps 程度では実現不可能である。現代社会においてユーザーが求める通Global Positioning System (GPS) に依存しないカーナビゲーションシステムの利用など、生活環
信は何も高精度動画像の送受信のみではない。Social Networking Service (SNS) による自己表現や、ネ
境を快適化するための様々な家電やデバイスに通信技術を使用している。結果、複数の通信技術をットワーキングを利用した在宅ワーク及びミーティング参加、Terabits レベルのクラウドストレージの１ユーザーが使用し、単位時間当たりの情報送受信量は年次を追うごとに増加する一方である。生利用、さまざまな電化製品のネットワークコントロール、Global Positioning System (GPS) に依存しな活環境のさらなる向上を目的として、通信速度は常にアップグレードを求められている。
いカーナビゲーションシステムの利用など、生活環境を快適化するための様々な家電やデバイスに通信技術を使用している。結果、複数の通信技術を１ユーザーが使用し、単位時間当たりの情報送受信量は年●無線通信以外の通信技術
次を追うごとに増加する一方である。生活環境のさらなる向上を目的として、通信速度は常にアップグ
無線通信のみが通信速度を決めているわけではない。通信の根幹は光ファイバーを利用した光通
レードを求められている。
信である。図1に光通信システム概略図を示す[4]。基幹路線から光ファイバーを通して送られた信号は基地局から分岐され最終経路として電気信号へと変換が行われる。最初に変換を行う場所は光●無線通信以外の通信技術検出器であり、ここで光信号は電気信号へと変換される。受信部において検出器を通過した電気信無線通信のみが通信速度を決めているわけではない。通信の根幹は光ファイバーを利用した光通信で号は増幅器により信号強度を高め、さらに信号復元器を通過し信号上のエラーが訂正されてからシある。図 1 に光通信システム概略図を示す[4]。基幹路線から光ファイバーを通して送られた信号は基地ステムに送られる。ここにおいて初めて信号の可視化が行われ、テキストや画像データとして認知局から分岐され最終経路として電気信号へと変換が行われる。最初に変換を行う場所は光検出器であり、がされる。送信部はシステム後に用意され、システムからおくられた信号情報が変調器を通過してここで光信号は電気信号へと変換される。受信部において検出器を通過した電気信号は増幅器により信Laser Diodeにより光信号へ
号強度を高め、さらに信号復元と変換され、光ファイバー器を通過し信号上のエラーが訂
上に信号は乗る。無線通信
正されてからシステムに送られは光通信が終端したのちにる。ここにおいて初めて信号の用 い た れ る。 個 人 宅 で も可視化が行われ、テキストや画
Fiber to the Home (FTTH)
像データとして認知がされる。
を用いて自宅内部に光ファ
送信部はシステム後に用意さイバーを導入し、そののちれ、システムからおくられた信に無線ルーターなどを経由
号
情報が変調器を通過して

図１ 光通信システム概略図

図１ 光通信システム概略図－ 114 －

した宅内無線ＬＡＮが形成されるケースが2016年時点では一般的となっている。光通信自体はパケット通信方式で行われているが、通信を実現するためには光で送られた信号をどこかで電子に置き換え、電気信号に変更する必要がある。ここが光通信における速度律速である。つまり、通信波
長帯1550nmで送信された信号を、その速度を落とすことなく電気信号へ変換出来れば理想的なのだが、ここは受光素子の物性によって律速される。
●通信速度を律速する材料物性と探索的材料系
通信速度を律速しているものは、いつの時代も個体デバイスの物性である[5]。NTT DoCoMoがi-modeを使用していた時代の通信速度は800MHzであった。これは通信デバイスの材料系としてSiを使用しており、Si中を通過するキャリアの速度によって律速である。2001年5月にNTT DoCoMo
がFOMAサービスとして世界発の第三世代携帯電話を市場に投入した。これにより通信速度は2.4GHzレベルと各段に向上した。このとき送受信デバイス材料としてSiより電子移動度が5倍以上の化合物半導体であるGaAsを投入し実現した。このGaAs材料系は2016年時点でも現役であると同時に、今後の高速化を視野に入れ材料系変更が検討されている[6]。
検討材料系はInGaAsである。これはイオン結合性を持つ閃亜鉛鉱型結晶であるGaAsの材料構造を踏襲しつつ、Ga原子の一部をIn原子に置き換えることによってGaAs物性をInAs物性に類似させることを目的とした材料系である。InAsの電子移動度はGaAsの約3倍であり、さらなる高速化が期 待 さ れ る。 事 実InGaAsを 用 い たFET構 造 で、 結 晶 材 料 に ヘ テ ロ 構 造 を 持 つHigh Electron
Mobility Transistor (HEMT)は世界最速のFETとして知られる[7]。しかしながらこの材料系は自然界には存在しないためMetal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)により非効率的に生産される。さらには材料物性自体も調査完了ではなく、探索的材料系を前提としてデバイス応用がなされている。
InGaAsはIn比率を47％、Gaを53％に設定することにより格子定数をInPと同一になる。これはInGaAsのバンドギャップ幅が0.83eVである。これは光波長に変換すると1550nmとなり、通信波
長帯に一致する。つまりInGaAsを材料系として光応答素子を作成すれば超高速応答が見込める。
超高速応答を確認し、かつその動作原理を理解することがInGaAs材料系を最も効率よく使用する方法である[8]。
●本研究概略
筆者は上記バックグラウンドを前提としてInGaAsを材料系に持つ受光素子内部における電子輸
送モデルの研究を行ってきた。受光素子に対して1550nmの通信波長光を導入し、その応答特性を観測した。初期の実験モデルでは応答特性を過渡応答と解釈し、500 Femto Second (500×10-15 秒)
パルス光を受光素子に導入したものであった。研究においてInGaAs層を活性層にもつOptical
Detectorに、パルス幅100fsの極短Pulse Laserを照射した結果、InGaAs層内部でのAuger再結合過程が極めて明確に観測された。本研究で用いた極短Pulse Laserによって明確に第1ピーク区間と第2ピーク区間の関係性で示された。またAuger再結合依存区間（第１ピーク区間）での時定数解析により、パルス照射直後におけるInGaAs層の電子 ‐ 正孔対面密度は10E12㎝-2 を超え、最短消滅時
間が9.95E-11秒であることが計測された。上記の特性を利用することが可能になれば、生活環境－ 115 －

ける InGaAs 層の電子‐正孔対面密の快適化を強く左右する通信速度は更なる高速化が度は 10E12 ㎝-2 を超え、最短消滅時
間が 9.95E-11 秒であることが計測可能となり、生活環境の劇的な改善の可能性が示唆された。上記の特性を利用することされた。

が可能になれば、生活環境の快適化
を強く左右する通信速度は更なる高速化が可能となり、生活環境の劇的

2．実験方法な改善の可能性が示唆された。

図2に本研究で使用した実験系の概略図を示す。
2. 実験方法
本実験で用いた実験機器で最も特徴的なものは、
図 2 に本研究で使用した実験系のCalmar社製Fiber Laser, MENDOCINOである。本

概略図を示す。本実験で用いた実験

製品はFiber Laserとして中心波長1550nm、パルス機器で最も特徴的なものは、Calmar
社製 Fiber Laser, MENDOCINO で
幅 100fｓ（100× 10-15 秒）を最大強度2.4W、平均パ

図図
2 2 実験系概略図
実験系概略図ある。本製品は Fiber Laser として

ルス強度20ｍWを発生させる。極短かつ強強度Pulse
Leaserである。本製品をSingle
Mode15 秒）を最大強度 2.4W、平均パルス強度
中心波長 1550nm、パルス幅 100fｓ（100×1020ｍWFiberを発生
極短かつ強強度 Pulse Leaser である。本製品を Single Mode Fiber（SMF）を経由して Infraed（SMF）を経由してInfraed させる。
microscopeに導入し平行平板ビームを構築した。平行平板ビームは
microscope に導入し平行平板ビームを構築した。平行平板ビームは Infraed microscope を通過した後、Infraed microscopeを通過した後、直径 1.4μmの偏向光となり中空を通過し、Devise Under the
直径 1.4μm の偏向光となり中空を通過し、Devise Under the Test(DUT) である Optical Detector にTest(DUT)

で あ るOptical
Detectorに 照 射 さ れOpticalる。 今
回 評は価THORLABS
対象としたOptical
Detectorは照射される。今回評価対象としたDetector
製 Mounted
InGaAsPhotdiode,

SM05PD4Aである。光検出層として
InGaAs を持ち、通信波長帯の 1550nm 光を検知することが可能
THORLABS製Mounted InGaAs
Photdiode,
SM05PD4Aである。光検出層としてInGaAsを持ち、である。なお形成電極は Ti/Pt/Au である。DUT でパルス光は電気パルスと変化し、Bias tee を経由し通信波長帯の1550nm光を検知することが可能である。なお形成電極はTi/Pt/Auである。DUTでDigital sampling Oscilloscope へと信号が導入される。使用した Oscilloscope は HP83480A で、計測ユニットに 50GHz teeを経由しDigital
応答対応の HP54752A を持つ。DUT
はパルス光を受けて発生する応答特性は高周波
パルス光は電気パルスと変化し、Biassampling
Oscilloscopeへと信号が導入さ応答となるため、電子系測定計器類は全て高周波応答対応型に設定した。

れる。使用したOscilloscopeはHP83480Aで、計測ユニットに50GHz応答対応のHP54752Aを持つ。
DUTはパルス光を受けて発生する応答特性は高周波応答となるため、電子系測定計器類は全て高3. 実験結果●Optical Detector 直流特性
周波応答対応型に設定した。
図 3 に Optical Detector の直中特性を示す。Optical Detector は基本ダイオード構造を持っているた
め、電流伝達方向が決まっている。図３においては Forward Voltage を正方向とした。直流特性におい

3．実験結果て Forward Voltage が０から 0.3V 程度のオフセットバイアスが観測されているが、その後 Forward●Optical Detector

方向に良好な直流電流が確認さる。Backward Voltage はダイオード構造であれば通常 0ｍA を検知す
直流特性

るはずだが、図 3 にある通り Optical Detector に導入した Pulse Laser の平均強度に依存して電流値の図3にOptical Detectorの直中特性を示す。Optical
変調が確認される。なお、Pulse LaserDetectorは基本ダイオード構造を持っている
強度が 0ｍW の時は、そもそもレーザー照射を行っていない。この時を暗電流という。Pulse Laser の平均強度はこの実験では最高 8.037ｍW とした。パルス光強度は瞬ため、電流伝達方向が決まっている。図３
時値では 2.4W となっており、最大平均値に一致させた場合、Optical Detector 自身が強強度パルスによにおいてはForward
Voltageを正方向としって破壊させる可能性があるため本実た。直流特性においてForward
Voltageが験では必要以上に上昇させず
8ｍW 弱を設定した。図 3 にある通り Optical０から0.3V程度のオフセットバイアスが観
Detector は Pulse Laser の平均強度に測されているが、その後Forward方向に良対応して負方向電流を検知した。
好な直流電
流 が 確 認 さ る。Backward
Optical Detector に中心波長 1550nm

Voltageはダイオード構造であれば通常0ｍAの Pulse 光を導入することによって、を検知するはずだが、図3にある通りOptical
InGaAs 活性層で電子及び正孔が生成

Detectorに導入したPulse
Laserの平均強度される。Detector に形成されたアノーに依存して電流値の変調が確認される。な
ド電極とカソード電極に対して電子は
お、Pulse Laser強度が0ｍWの時は、そも
アノード、正孔はカソードに引き寄せられ電流伝達が確認される。今回用いそもレーザー照射を行っていない。この時た InGaAs では生成キャリアとして電を暗電流という。Pulse
Laserの平均強度は子がリッチな状態であったため、結果

この実験では最高8.037ｍWとした。パルス

図3

Optical Detector IV特性

として負方向電流が検知された。なお
電流値は Backward Voltage 最大-2V の範囲において飽和特性を示しかつ安定であった。
－ 116 －
さて本 IV 特性の妥当性を示すため暗電流を利用して
InGaAs 層と電極を形成する Ti/Pt/Au 間でのショットキー障壁高さ評価を行った。暗電流飽和値に近似直線を引き、直流電流の漸近線との交点を求めると、逆方向飽和電流 Js が求まる。本実験では 6.51×10-5A であった。この逆方向飽和電流値は以下のDetector は Pulse Laser の平均強度に
Detector は Pulse Laser の平均強度に対応して負方向電流を検知した。
対応して負方向電流を検知した。
Optical Detector に中心波長 1550nm
Optical Detector に中心波長 1550nmの Pulse 光を導入することによって、の Pulse 光を導入することによって、

InGaAs 活性層で電子及び正孔が生成
InGaAs 活性層で電子及び正孔が生成
光強度は瞬時値では2.4Wとなっており、最大平均値に一致させた場合、Optical Detector自身が強される。Detector に形成されたアノーされる。Detector に形成されたアノー
強度パルスによって破壊させる可能性があるため本実験では必要以上に上昇させず8ｍW弱を設定
ド電極とカソード電極に対して電子はド電極とカソード電極に対して電子はした。図3にある通りOptical
DetectorはPulse Laserの平均強度に対応して負方向電流を検知した。
って破壊させる可能性があるため本実
アノード、正孔はカソードに引き寄せ
アノード、正孔はカソードに引き寄せ
験では必要以上に上昇させず 8ｍW 弱
Optical Detectorに中心波長1550nmのPulse光を導入することによって、InGaAs活性層で電子及びられ電流伝達が確認される。今回用いられ電流伝達が確認される。今回用いを設定した。図 3 にある通り Optical
正孔が生成される。Detectorに形成されたアノード電極とカソード電極に対して電子はアノード、
た InGaAsDetector
では生成キャリアとして電InGaAs では生成キャリアとして電は Pulse Laserたの平均強度に正孔はカソードに引き寄せられ電流伝達が確認される。今回用いたInGaAsでは生成キャリアとし子がリッチな状態であったため、結果子がリッチな状態であったため、結果対応して負方向電流を検知した。
て 電 子 が リ ッ チ な 状 態 で あ っ た た め、 結 果 と し て 負 方 向 電 流 が 検 知 さ れ た。 な お 電 流 値 はとして負方向電流が検知された。なおOptical Detector に中心波長1550nmとして負方向電流が検知された。なおBackward Voltage最大-2Vの範囲において飽和特性を示しかつ安定であった。
の Pulse 光を導入することによって、電流値は Backward
Voltage 最大-2Vの範囲において飽和特性を示しかつ安定であった。
電流値はBackward Voltage 最大-2V の範囲において飽和特性を示しかつ安定であった。
さて本IV特性の妥当性を示すため暗電流を利用してInGaAs層と電極を形成するTi/Pt/Au間でのInGaAs活性層で電子及び正孔が生成
さて本 IV 特性の妥当性を示すため暗電流を利用して
InGaAs 層と電極を形成する Ti/Pt/Au
さて本 IV 特性の妥当性を示すため暗電流を利用して
InGaAs間でのシ層と電極を形成する Ti/Pt
ショットキー障壁高さ評価を行った。暗電流飽和値に近似直線を引き、直流電流の漸近線との交点される。Detectorに形成されたアノーョットキー障壁高さ評価を行った。暗電流飽和値に近似直線を引き、直流電流の漸近線との交点を求めョットキー障壁高さ評価を行った。暗電流飽和値に近似直線を引き、直流電流の漸近線と-5ド電極とカソード電極に対して電子はを求めると、逆方向飽和電流Jsが求まる。本実験では6.51×10Aであった。この逆方向飽和電流-5A であった。この逆方向飽和電流値は以下のると、逆方向飽和電流 Js が求まる。本実験では6.51×10
ると、逆方向飽和電流
Js が求まる。本実験では6.51×10-5A であった。この逆方向飽和電
アノード、正孔はカソードに引き寄せ値は以下の式①で知られる[9]。
式①で知られる[9]。
式①で知られる[9]。
られ電流伝達が確認される。今回用いた InGaAs では生成キャリアとして電   ∗ ∗  
・・・①
・・・①

   ∗ ∗   ・・・①
上①式においてSは照射面積であり、A*はInGaAsのリチャードソン定数、kはボルツマン定数、T
上①式においてS は照射面積であり、A*は
InGaAsのリチャードソン定数、kはボルツマン定数、Tは上①式においてS は照射面積であり、A*は
InGaAsのリチャードソン定数、kはボルツマとして負方向電流が検知された。なおは絶対温度である。なお求めたいショットキー障壁高さは-qΦで示されている。よって①式より、絶対温度である。なお求めたいショットキー障壁高さは-qΦで示されている。よって①式より、電流値は Backward Voltage
最大-2V の範囲において飽和特性を示しかつ安定であった。
絶対温度である。なお求めたいショットキー障壁高さは-qΦで示されている。よって①式よ

子がリッチな状態であったため、結果

さて本
InGaAs 層と電極を形成する Ti/Pt/Au 間でのシ
 IV 特性の妥当性を示すため暗電流を利用して
qϕ ョットキー障壁高さ評価を行った。暗電流飽和値に近似直線を引き、直流電流の漸近線との交点を求め  ∗・・・②qϕ     ∗・・・②
・・・②






ると、逆方向飽和電流 Js が求まる。本実験では 6.51×10 A であった。この逆方向飽和電流値は以下の
InGaAsのリチャードソン定数を0.55とし、照射面積を直径1.4μm円として障壁高さを算出する
InGaAs のリチャードソン定数を
InGaAs のリチャードソン定数を-5式①で知られる[9]。
と0.246eVとなる。文献で知られている数値は0.24eVであり極めて良い一致を見た[10]。よって直0.55 とし、照射面積を直径 1.4μm
0.55円とし、照射面積を直径 1.4μm 円


流特性に問題はない。
と し て 障 壁 高 さ を 算 出 すとるしとて障壁高∗ さ
∗を

 と
・・・①
算 出 す る

0.246eV となる。文献で知られている
0.246eV となる。文献で知られている

上①式において S は照射面積であり、A*は InGaAs のリチャードソン定数、k はボルツマン定数、T は

数値は 0.24eVであり極めて良い一致●光応答特性
数値は 0.24eV であり極めて良い一致
絶対温度である。なお求めたいショットキー障壁高さは-qΦで示されている。よって①式より、を見た[10]。よって直流特性に問題は
図４にPulse
leaser照射時のOptical
Detectorを見た[10]。よって直流特性に問題は

qϕ  



・・・②

∗
ない。
ない。

応答特性を示す。なお図4は縦軸を直線依存

InGaAs leaser出力は8.037mW固のリチャードソン定数をとして示す。Pulse

0.55 とし、照射面積を直径1.4μm 円
●光応答特性●光応答特性定とし、Detector側の順方向電圧を0.0Vからと し て 障照射時の壁高さを算出すると
図４にで
Pulse
Pulse
4. 7mWま順 次leaser
変 更 し た。 図Optical
4図４ににおいて、leaser 照射時の Optical
0.246eV となる。文献で知られている

Detector電圧が０Vの自転で最大0.2V程度の数値は 0.24eV であり極めて良い一致

出力特性()が確認されるが、暗電流依存の応を見た[10]。よって直流特性に問題は答特性である。本実験でのDetector電圧依存ない。
性は、Detector電圧を上昇させるに従い応答●光応答特性
特性の急峻化である。一般的なDetector電圧
図４に Pulse leaser 照射時の Opticalの応答特性は光照射が行われた直後、活性層

図4

光応答特性：応答出力直線依存のInGaAs層内部で光電変換が行われ電子 ‐正孔対が急激に生成される。生成された電子はDetectorのAnodeへ、正孔はCathodeへ向かい電流が発生し、Detectorとしては電圧が検知される。InGaAs活性層ではGaAsなどの一般的な化合物半導体に比較して電子正孔とも高速で移動するため生成キャリアは瞬時に電極に収集され応答特性が－ 117 －

０V の自転で最大 0.2V 程度の出力特性()が確認されるが、暗電流依存の応答特性である。本実験でのDetector 電圧依存性は、Detector 電圧を上昇させるに従い応答特性の急峻化である。一般的な Detector
電圧の応答特性は光照射が行われた直後、活性層のInGaAs層内部で光電変換が行われ電子‐正孔対がDetector 応答特性を示す。なお図
4 は縦軸を直線依存として示す。Pulse
leaser
出力は 8.037mW 固定
急激に生成される。生成された電子は
Detector
の
Anode
へ、正孔は
Cathodeへ向かい電流が発生し、とし、Detector 側の順方向電圧を 0.0V から 4.7mW まで順次変更した。図 4 において、Detector
電圧がDetector
としては電圧が検知される。InGaAs 活性層では GaAs などの一般的な化合物半導体に比較し０V 検知される。このとき電極への投入電圧を上昇させることにより、InGaAs層への電極が生成するの自転で最大0.2V 程度の出力特性()が確認されるが、暗電流依存の応答特性である。本実験でのて電子正孔とも高速で移動するため生成キャリアは瞬時に電極に収集され応答特性が検知される。このDetector 電圧依存性は、Detector
電圧を上昇させるに従い応答特性の急峻化である。一般的な Detector

電場影響を強化することが可能となる。結果電極へのキャリア収集能力を向上させることができとき電極への投入電圧を上昇させることにより、InGaAs層への電極が生成する電場影響を強化するこ
電圧の応答特性は光照射が行われた直後、活性層のInGaAs 層内部で光電変換が行われ電子‐正孔対がる。そのため本研究でもDetector電圧を上昇させることによりOptical Intensityが上昇する結果をとが可能となる。結果電極へのキャリア収集能力を向上させることができる。そのため本研究でも急激に生成される。生成された電子は
Detector の Anode へ、正孔は Cathode へ向かい電流が発生し、得た。さて今Optical
DetectorにPulse Laserを照射する場合、照射はPulse
Laserの半値幅時間のDetector 電圧を上昇させることによりOptical
Intensityが上昇する結果を得た。
さて今Optical
Detector
Detector としては電圧が検知される。InGaAs
活性層では GaAsなどの一般的な化合物半導体に比較しみとなる。Pulse
Laserは周期的（本実験では50MHz）に与えられるが、Detector側からみると光照に Pulse Laserを照射する場合、照射はPulse Laserの半値幅時間のみとなる。Pulse Laser は周期的て電子正孔とも高速で移動するため生成キャリアは瞬時に電極に収集され応答特性が検知される。この（本実験では 50MHz）に与えられるが、Detector
側からみると光照射直後に光 OFF の状態が繰り返し
射直後に光OFFの状態が繰り返し周期で与えられていることになる。DetectorにPulse
Laserが照とき電極への投入電圧を上昇させることにより、InGaAs層への電極が生成する電場影響を強化するこ
周期で与えられていることになる。Detectorに Pulse Laser が照射され続けている間、電子‐正孔対が射され続けている間、電子‐ 正孔対が生成されるためOptical
Intensityは上昇を続ける。よってとが可能となる。結果電極へのキャリア収集能力を向上させることができる。そのため本研究でも生成されるため Optical Intensity
は上昇を続ける。よってOpticalIntensity 最大値時点が照射時間終了
Detector
電圧を上昇させることによりOptical
Intensityが上昇する結果を得た。
さて今Optical
Detector
OpticalIntensity最大値時点が照射時間終了時であり、その後はInGaAs層中のキャリアがドリフト時であり、その後は
InGaAs層中のキャリアがドリフト運動によってAnodeとCathode に収集されまに Pulse Laser を照射する場合、照射は Pulse Laser の半値幅時間のみとなる。Pulse Laser は周期的運動によってAnodeとCathodeに収集されまでが観測されるのであり、このドリフト運動は極めてでが観測されるのであり、このドリフト運動は極めて単純なCROFF
時定数によって決定されるのが常であ（本実験では 50MHz）に与えられるが、Detector
側からみると光照射直後に光の状態が繰り返し
単純なCR時定数によって決定されるのが常である。単なる過渡応答となるはずである。しかし本る。
単なる過渡応答となるはずである。
しかし本実験では特徴的な依存性が確認されている。
その事例と周期で与えられていることになる。Detector に Pulse Laser が照射され続けている間、電子‐正孔対が実験では特徴的な依存性が確認されている。その事例としてDetector電圧が4.7Vに着目する。

Detector
電圧が4.7V に着目する。Optical
Intensity
0.825ｍV を観測した後、過渡応答に生成されるため して
OpticalIntensity
は上昇を続ける。よってOpticalIntensityは最大最大値時点が照射時間終了
Optical Intensityは最大0.825ｍVを観測した後、過渡応答に従いIntensityの減衰が開始された。こ従い InGaAs
Intensity層中のキャリアがドリフト運動によっての減衰が開始された。この時を以下では第１ピーク区間と表現する。
第一ピークの 2.73E時であり、その後はAnode と Cathode に収集されま

10 秒後に再度上昇を行い、ピーク強度 0.747ｍVを観測した。ここを第 2 ピーク区間と表現するその後の時を以下では第１ピーク区間と表現する。第一ピークの2.73E-10秒後に再度上昇を行い、ピーでが観測されるのであり、このドリフト運動は極めて単純なCR 時定数によって決定されるのが常であ
今度こそ過渡応答に従い
Optical Intensity
は減衰を開始し、2E-8 秒で応答は終了した。この
Optical
ク強度 0.747ｍVを観測した。ここを第2ピーク区間と表現するその後今度こそ過渡応答に従いる。単なる過渡応答となるはずである。
しかし本実験では特徴的な依存性が確認されている。
その事例とIntensity
2 つのピーク観測はその明確さには差があるものの、いずれのDetector 電圧でしてOptical
Detector Intensityは減衰を開始し、2E-8秒で応答は終了した。このOptical
電圧が4.7V最大時点でのに着目する。Optical
Intensity は最大 0.825ｍV を観測した後、過渡応答にIntensity最大時点での2も観測された。本件に関する考察を次項に示す。
従い Intensity の減衰が開始された。
この時を以下では第１ピーク区間と表現する。第一ピークの 2.73E-

つのピーク観測はその明確さには差があるも4．考察
10 秒後に再度上昇を行い、ピーク強度
0.747ｍV を観測した。ここを第 2 ピーク区間と表現するその後のの、いずれのDetector電圧でも観測された。
図5に図4で示した光応答特性の縦軸を自今度こそ過渡応答に従い Optical Intensity は減衰を開始し、2E-8 秒で応答は終了した。この Optical

本件に関する考察を次項に示す。

然対数（LN関数）依存に切り替えた図をIntensity 最大時点での
2 つのピーク観測はその明確さには差があるものの、いずれのDetector 電圧で示す。縦軸を自然対数依存として図を切りも観測された。本件に関する考察を次項に示す。

4．考察 替える理由は、Optical Intensity の減衰が4．考察
過渡応答に従うというのであれば、よく知
図5に図4で示した光応答特性の縦軸を自然
図 5 に図4 で示した光応答特性の縦軸を自られた以下③式に従うはずだからである
然対数（LN関数）依存に切り替えた図を
対数（LN関数）
依存に切り替えた図を示す。縦[11]。
示す。縦軸を自然対数依存として図を切り

軸を自然対数依存として図を切り替える理由

Intensity 
替える理由は、Optical Optical
Intensity の減衰がは、Optical Intensityの減衰が過渡応答に従う


過渡応答に従うというのであれば、よく知 Exp  ・・・③というのであれば、よく知られた以下③式にられた以下③式に従うはずだからである

従うはずだからである[11]。

[11]。

図5

光応答特性：応答出力LN依存

図6

光応答特性（第 1ピーク）LN依存

Optical③式においてIntensityA は定数、t は時間軸、τは1


CR時定数である。このときの時定数は電 Exp・・・③・・・③
子‐正孔対の消滅時間に依存する。通常で③式においてA 1 は定数、tは時間軸、τはCR
あれば Detector 電極にキャリアが収集さ時定数である。このときの時定数は電子‐正れるまでのドリフト運動に依存した定数
孔対の消滅時間に依存する。通常であればとなる。さて③式に Optical Intensity が依存すると考えると、Optical Intensity は横Detector電極にキャリアが収集されるまでの軸を自然対数に取った場合、単純な直線関ドリフト運動に依存した定数となる。さて③数で示されなければならない。これを踏ま式にOptical Intensityが依存すると考えると、
えて図 5 を確認する。なお図 5 で横軸を自Optical Intensityは横軸を自然対数に取った
然対数に取るため、Optical Intensity の上場合、単純な直線関数で示されなければなら
昇過程を割愛した。図 5 にある通り、ない。これを踏まえて図5を確認する。なおOptical Intensity の直線依存は確認されない。明らかに曲線である。つまり③式には従っていない。さてここで Optical
Intensity を二つに分けて考える。第 1 ピ
ーク区間と第 2 ピーク区間である。図 6 に－ 118 －

数で示されなければならない。これを踏まえて図 5 を確認する。なお図 5 で横軸を自然対数に取るため、Optical Intensity の上
昇過程を割愛した。図 5 にある通り、
Optical Intensity の直線依存は確認され

図 5 で 横 軸ない。明らかに曲線である。つまり③式にを 自 然 対 数 に 取 る た め、Opticalは従っていない。さてここでOpticalIntensityの上昇過程を割愛した。図5にある通Intensity を二つに分けて考える。第 1 ピ

り、Optical Intensityの 直 線 依 存 は 確 認 さ れ なーク区間と第 2 ピーク区間である。図 6 にい。明らかに曲線である。つまり③式には従っ
光応答特性（第１ピーク区間）の LN 依存ていない。さてここでOptical Intensityを二つにを示す。第 1 ピーク区間が存在する時間軸分けて考える。第1ピーク区間と第2ピーク区間
が 3E-10 秒（データ群は最大 14 個）であである。図 6に光応答特性（第１ピーク区間）のるため今回用いた測定系では観測限界に近い。それでも第１ピークに属するデータ
LN依存を示す。第1ピーク区間が存在する時間
は自然対数に対して直線的応答特性を示
軸が3E-10秒（データ群は最大14個）であるためした。つまり第１ピークでは単純な過渡応今回用いた測定系では観測限界に近い。それで答に近似できる応答特性をもって電子‐

図7

も第１ピークに属するデータは自然対数に対し

第 1ピークにおけるCR時定数の電圧依存

正孔対が消滅したことが十分に想定されて直線的応答特性を示した。つまり第１ピークでは単純な過渡応答に近似できる応答特性をもってる。しかし応答時定数時間は単純計算でも 3E-10 秒以下である。電子‐正孔対が電極に収集された結果

電子 ‐ 正孔対が消滅したことが十分に想定される。しかし応答時定数時間は単純計算でも3E-10を言えるかどうかを判断するため CR 時定数τを算出した。図 7 にその結果を示す。図 7 より第１ピー
秒以下である。電子
正孔対が電極に収集された結果を言えるかどうかを判断するためCR時定数
ク区間では‐CR
時定数は Detector 電圧増加に従い減少する傾向が確認された。最短時間は Detector 電
圧 4.7V 時の 9.95E-11 秒であった。通常 CR 時定数は使用した回路固定の定数であり、電圧依存は持たτを算出した。図7にその結果を示す。図7より第１ピーク区間ではCR時定数はDetector電圧増加ない。図 7 が示す時定数応答は第１区間における電子‐正孔対消滅原理は互いのキャリアが Detector 電に従い減少する傾向が確認された。最短時間はDetector電圧4.7V時の9.95E-11秒であった。通常
極に収集された結果ではなく、他の因子の可能性を示している。InGaAs 層内部におけるキャリア消滅過CR時定数は使用した回路固定の定数であり、電圧依存は持たない。図7が示す時定数応答は第１程を考察する必要が示された。
さて InGaAs という結晶は先に示した通り超高速応答デバイス（HEMT）

区間における電子 ‐ 正孔対消滅原理は互いのキャリアがDetector電極に収集された結果ではなく、にも使用される[8]。この HEMT では高周波領域において周波数分散が発生し急激に電流値が減少する

他の因子の可能性を示している。InGaAs層内部におけるキャリア消滅過程を考察する必要が示さことが報告されており、原因は InGaAs 層内部における電子‐正孔対の Auger 再結合に依存することがれた。さてInGaAsという結晶は先に示した通り超高速応答デバイス（HEMT）にも使用される[8]。
示されている。この Auger 再結合は InGaAs 層内部での生成キャリア量に依存する。文献より InGaAs
このHEMTでは高周波領域において周波数分散が発生し急激に電流値が減少することが報告されており、原因はInGaAs層内部における電子 ‐ 正孔対のAuger再結合に依存することが示されている。このAuger再結合はInGaAs層内部での生成キャリア量に依存する。文献よりInGaAs層内部でのキャリア面密度（Ps）とキャリア寿命時
層内部でのキャリア面密度（Ps）と間の関係図を図8に示す[12]。図8においてキャリア寿命時間の関係図を図8 にキャリア寿命時間が10E-10秒レベルの領示す[12]。図 8 においてキャリア寿域 で は、
キャリ
ア消滅
則 はAuger再 結 合
命時間が10E-10秒レベルの領域で（CHSH過程）に強依存していることが分か
は、キャリア消滅則はAuger 再結合る。図（CHSH
8を用いて第1ピーク区間における過程）に強依存しているこ
電子 ‐とが分かる。
正孔対の消滅原理を考察する。強
図 8 を用いて第 1 ピー
強度PulseLaser照射に伴いInGaAs層内部
ク区間における電子‐正孔対の消で急激に電子‐ 正孔対が生成される。そ
滅原理を考察する。強強度
Pulseの生成量が面密度で10E12㎝
を超えて、
Laser 照射に伴い InGaAs-2層内部で生成と同時に急激にキャリアがAuger再結
急激に電子‐正孔対が生成される。

その生成量が面密度で10E12 ㎝-2 を合CHSH過程にて消滅する。急激なキャリ
超えて、生成と同時に急激にキャリ
ア減衰が瞬時に発生し表面面密度が10E11
アが Auger 再結合 CHSH 過程にて㎝-2 以下となり、その後は過渡応答に従い
キ ャ リ消滅する。急激なキャリア減衰が瞬
ア 減 衰 が な さ れ た と 想 定 さ れ る。

図8

I nGaAs層内部におけるキャリア面密度（Ps）とキャリア
図 8 InGaAs12層内部におけるキャリア面
寿命時間の依存性[]時に発生し表面面密度が 10E11 ㎝-2以下となり、その後は過渡応答に従密度（Ps）とキャリア寿命時間の依存性[12]－ 119 －いキャリア減衰がなされたと想定される。従って第 2 ピークは Auger 再結合によって InGaAs 層内部で電子‐正孔対が消滅した後に、残存キャリアがドリフト運動により Detector 電極に収集され、その収集

従って第2ピークはAuger再結合によってInGaAs層内部で電子 ‐ 正孔対が消滅した後に、残存キャ
リアがドリフト運動によりDetector電極に収集され、その収集量の再検出によってIntensityが再度上昇したものと想定される。よって第2ピーク以降の応答特性はAuger再結合による消滅関数と、
ドリフト運動によるキャリアの電極収集過程関数が重なり合い、③式に示される一元関数依存では表現が出来なくなり自然対数依存からずれて曲線応答になったことが考察される。
上記考察は生活環境改善を目的とした通信環境高速化のため、通信デバイスがどのような構造であるべきかと示唆している。通信素子、特に光通信の送受信デバイスが通信速度を律速している。
送受信デバイスの超高速化は光通信のさらなる拡張を意味し、ユビキタス社会に強依存で構築されている現代人とその生活環境の改善に十分寄与する。現時点で送受信デバイスに存在する通信速度のボトルネック拡張のためには、InGaAs層で特徴的に発現するAuger再結合を利用し、瞬時にキャリアを消滅させることが光応答特性の超高速化に寄与することが予見される。上記を目的とし、①高効率でのAuger再結合現象の発現、②InGaAs層での面電荷密度の向上（量子構造の検討）、③高周波対応型回路モデルの検討、以上③点が今後の課題として挙げられる。
5．結論
本研究においてInGaAs層を活性層にもつOptical Detectorに、パルス幅100fsの極短Pulse Laser
を照射した結果、InGaAs層内部でのAuger再結合過程が極めて明確に観測された。これまでの研究においてはAuger再結合によるキャリア消滅過程とその後のInGaAs層内部におけるキャリアのドリ
フト運動による消滅過程が光照射時間の過大が原因でオーバーラップし明確に観測が出来なかったが、本研究で用いた極短Pulse Laserによって明確に第1ピーク区間と第2ピーク区間の関係性で示された。またAuger再結合依存区間（第１ピーク区間）での時定数解析により、パルス照射直後におけるInGaAs層の電子 ‐ 正孔対面密度は10E12㎝-2 を超え、最短消滅時間が9.95E-11秒であることが計測された。上記の特性を利用することが可能になれば、生活環境の快適化を強く左右する通信
速度は更なる高速化が可能となり、生活環境の劇的な改善の可能性が示唆された。
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2014［12］H irohisa Taguchi, et. Al,“Frequency Dependence of Drain Conductance due to Hole
Accumulation in InAlAs/InGaAs High Electron Mobility Transistors”JAPANESE JOURNAL
OF APPLIED PHYSICS Vol. 45, No. 6A, 4960, 2006

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