UTC-PD

フォトニックネットワークに貢献する光半導体技術

MIC構造

APD

特集

超高速・高感度受光素子技術

むらもと

よしふみ

村本 好史
なだ

よしまつとしひで/吉松 俊英

まさひろ

名田 允洋

高速・大容量化が進む通信システムの実現に向けて，さまざまな要求を満たすとともに，高感度を維持しつつ，高速動作が可能な受光素子を実現しまNTTフォトニクス研究所したので報告します．

が可能です．ただし，発生するキャリす．p型光吸収層で発生したキャリア

アのうちホールは電子に比べて移動すのうち，ホールが応答に要する時間はフォトニックネットワークを構成する速度が遅いため，動作速度の制限要

誘電緩和時間相当（10 − 12 秒オーダ）るキーデバイスの１つに，伝送後の光因になります．このpin-PDで速度を制になるため，素子の速度を決める要因

信号を電気信号に変換する光電変換限している要因を排除し，さらなる高としては電子の移動のみを考慮すれば素子として用いられている半導体受光速化を可能にする素子として，我々はよいことになります．UTC-PDの電子素子があります．インターネットの普単 一 走 行 キャリアフォトダイオードの移動はp型吸収層での拡散とキャリ及や映像サービスの開始に伴い，フォ（ UTC-PD: Uni-Traveling Carrier

ア走行層でのドリフトになりますが，超高速・高感度受光素子のニーズ

トニックネットワーク自体はさらなる大（1）Photodiode）を開発しました ．

キャリア走行層ではオーバーシュート容量化が求められており，通信速度は

図１に示すようにUTC-PDの最大の効果を利用することによりドリフト時上がってきています．それに対応して，特長は光吸収層がp型にドーピングさ間は短くなり，超高速動作を得ること受光素子には効率良く高速信号を変れ，動作時に空乏化される領域（空乏が可能です．このことからUTC-PDで換する，超高速・高感度動作が望ま層）がキャリア走行層として光吸収層は，100 GHz以上のTHz領域での応れています．とは別の材料で構成されていることで用が大いに期待されています（2）．

受光素子の超高速化技術半導体受光素子では光吸収層で吸電子速度オーバーシュート

pコンタクト層

収された光がキャリアとして電子とホールのペアをつくり，この電子とホールppが移動することにより電流が流れます．
例えば，高速で光電変換が可能な半導iれた層（p層）と，n型にドーピングされた層（n層）で光吸収層であるアンnコンタクト層

ホール体受光素子としてp型にドーピングさ
光吸収層（InGaAs）

nドープ層（i層）を挟んだ，p-i-n型フォトダイオード（pin-PD）があります．

キャリア走行層（InP）

pin-PDでは光吸収層で発生したキャリアは空乏化したアンドープ層の電界

図１

UTC-PDの構造と動作原理により加速され，高速で移動することNTT技術ジャーナル 2012.1057

フォトニックネットワークに貢献する光半導体技術

プ光吸収層が薄くなり，素子容量が増定し，入力パワーを増加して出力電流をえてしまい，帯域が劣化します．そこ増やしたときの応答特性ですが，４ mA

で複合電界型 MIC-PDは，MIC-PDまでの高出力状態でも応答特性は変わ

UTC-PDにおいては，光吸収層の厚のアンドープ光吸収層にさらに電子走らず，3 dB帯域は35 GHz以上であるみを薄くすることで電子の拡散距離を行層と呼ばれる，吸収層よりもバンドことが分かります．以上の良好な結果短くし，超高速動作をさせることが可

ギャップエネルギーの大きい半導体のは複合電界型MIC-PDが100 Gbit/s能です．しかしその場合，受光感度がアンドープ層を加えた構造になっていデジタルコヒーレント通信システム用低下してしまうというトレードオフの関ます．この構造により，動作時の空乏受光素子として十分な性能を有してい係があります．そこで受光感度を低下化領域が従来のアンドープ光吸収層にることを示しており，実際のシステムさせることなく，超高速動作が可能で加えて電子走行層まで広がることにな用受信器開発において搭載素子としてあるUTC-PDの特長を活かし，通信シり，素子容量が低減して帯域劣化を採用されています．

ステムへの導入を目指した素子がMIC防ぐことが可能になります．また２つ型フォトダイオード（MIC-PD: Max-の層の間には電界制御層と呼ばれる層imised Induced Current Photodi-を設けて，空乏化領域の中でアンドー通信システムに要求される動作性能（3）ode）になります ．図２に示すよう

プ光吸収層の電界を高くしつつ，電子を維持しながら高感度特性を有するこにMIC-PDは空乏層にも光吸収層と同走行層の電界を低くしています．光吸とは，システム実現に向けた受光素子

じ材料を用いることで高感度化が可能

収層で発生した移動速度の遅いホールへのもっとも大きな要求の１つです．になります．またUTC-PDと同様に，は高電界により吸収層に蓄積すること

しかし一般的なフォトダイオードではp型光吸収層で発生するキャリアの高を抑制することができます．また，移変換効率の最大値は100％であり，あ速性を活かすことで，高速動作も同時動速度の速い電子は低電界でも十分速る値以上に感度を上げることはできまに得ることが可能になります．

く移動することができます．このようせん．これに対し，発生したキャリア

我々は，このMIC-PDを基本構造に，光吸収層の電界を高く，電子走に高電界をかけ，格子原子に衝突させとして新たな通信方式システムに対応

行層の電界を低くした電界プロファイてイオン化を起こし，さらに衝突を繰した素子の研究開発を行っています．

ルとすることで，高入力下での高速応り返すことでキャリアを増倍させるア

近年の通信大容量化に向けた新しい方答が可能になります．

バランシェ降伏現象を利用したフォトデジタルコヒーレント通信システ
ムへの応用

高感度化技術

実際に作製した複合電界型 MIC-ダイオードであるアバランシェフォトダ

ント通信システムがありますが ，本PDの周波数応答特性を図３に示しまイオード（APD: Avalanche Photodi-システムでは信号の検出用に常にハイす．素子へのバイアス電圧を２ Vに固ode）は，素子自身が増倍機能を持っ式として100 Gbit/sデジタルコヒーレ（4）

パワーのローカル光が受光素子に入射されます．よって受光素子には高入力電界制御層時においても高速・高感度動作を満たすことが求められます．これらの条件

ppをクリアするために，新しく複合電界

電界
強度
EEh超える３ d B 帯域が必要になります．

（a） MIC-PD構造

NTT技術ジャーナル 2012.10

電界
強度
EEe
層厚58

電子走行層

nコンタクト層光素子の動作速度として，30 GHzを吸収層の厚さを設計すると，アンドーn

光吸収層PDのバンド構造図と電界プロファイル

キャリアが走行する時間を考慮して光i

ホール

nホール

従来のMIC-PDと複合電界型MIC-ルコヒーレント通信システムでは，受ii型MIC-PDを開発しました（5）．

を図２に示します．100 Gbit/sデジタ

電子電子

図２

Eh：ホールの加速に必要な電界Ee：電子の加速に必要な電界EhEe
層厚（b） 複合電界型MIC-PD構造

素子のバンド構造図と電界プロファイル

特集ているためにさらなる高感度化が可能になります．その有効性からAPDは10（dB）

出力電流

３Gbit/s級のメトロやアクセス系のシス

0.3 mA

VPD=−2 V

0.8 mA

テムにおいて使われ始めており，市場２ mAも活発化しています．そこで，我々は０A P D の特 性 改 善 に取 り組 み， 1 0 0O／E
応
答 −３Gbit-Ether（25 Gbit/s ×4）といった新しい通信システムに対応するべく，

４ mA

超10 Gbit/s級APDの研究開発を進めています（6）．
実 際 に 作 製 し た 超 10 Gbit/s級−６01020304050（GHz）

周波数

APDの素子構造を図 ４ に示します．
図３APDの動作において増倍率と動作速複合電界型MIC-PDの周波数応答度にはトレードオフの関係があり，増倍層の材料に依存します．我々は増倍層にInAlAs（インジウムアルミニウムヒ素）を用いることで高い増倍率と動作速度を両立させました．さらに増倍nコンタクト層
電界緩和層

電界制御層（n）

電界閉じ込め

増倍層：InAlAs
電界制御層（p）

層の上下に電界制御層を挿入することによって増倍層のみでアバランシェ増

アンドープ光吸収層

MIC構造倍が起きるように工夫しました．

pドープ光吸収層

また，素子構造としては，増倍に必pコンタクト層

要な高電界を素子内部に閉じ込めることが重要です．これは高電界が素子表

半絶縁性InP基板面で発生すると素子の劣化を招くため
図４であり，高い信頼性を得るために必要超10 Gbit/s級APDの構造な構造になります．我々の素子ではこの電界閉じ込めを素子頂上のnコンタ

図５に示します．最大の３ dB帯域は帯域を有することが要求されます．そクト層メサによって実現しています．ほ23 GHzが得られ，増倍率を上げていの指標としてほかの研究機関も含めたかの研究機関においては拡散による不くことで３ dB帯域は低下していき，APDの増倍感度と３ dB帯域の積を図

純物のドーピングで閉じ込め構造を実最終的にある一定の直線に漸近しま

６ に示します．今回の我々の素子は現している例もありますが ，それとす．この直線は増倍率と動作速度のト

168 GHz A/Wが得られており，ほか比較して素子作製の工程が簡単で安定レードオフの関係を示していますが，今の素子に比べても十分に高い値であるしているというメリットを有していま回の素子は増倍層にInAlAsを用いたことが分かります．

す．さらにnコンタクト層の直下には電ことにより，増倍率と３ dB帯域の積

これらの結果は我々のAPDが超10界緩和層を挿入することでnコンタクとして235 GHzという高い値を示してGbit/s級の光通信システムを実現す

ト層メサ周辺での動作異常を抑制していました．また増倍率＝10での増倍感る有力な素子となることを示唆しておいます．またAPDにおいても高速・高度は9.1 A/W，３ dB帯域は18.5 GHzり，25 Gbit/s級APDとしての十分な感度特性を得るために，光吸収層はであり，高増倍感度での高速応答を実性能を示していることから，100ギガMIC-PDと同じくp型層とアンドープ現しました．

ビットイーサネットへの適用も可能で（7）層からなる構造を採用しています．
素子の増倍率と３ dB帯域の関係をAPDを実際のシステムに採用するたあるといえます．

めには，高い増倍感度と同時に十分なNTT技術ジャーナル 2012.1059

フォトニックネットワークに貢献する光半導体技術

なお，本研究の一部は総務省委託（GHz）

100

研究「超高速光伝送システム技術の研究開発」の助成を受けています．
増倍感度：9.1 A/W■参考文献

23 GHz
増倍率×３ dB帯域
＝235 GHz

18.5 GHz

３ｄＢ 10帯域（dB）
30−3−6O／ −9E
応答−12−15−18−211020周波数3050（GHz）

40

１１10増倍率Ｍ

図５100増倍率と３ dB帯域特性

（A/W）

10
★今回の結果（1） T. Ishibashi and H. Ito： Uni-traveling-carrier
photodiodes, Tech. Dig. Ultrafast Electronics
and Optoelectronics, Lake Tahoe, CA, U.S.A,
pp.83-87，1997.
（2） 若月・村本・石橋： UTC-PDを用いたテラヘルツフォトミキサモジュールの開発,
NTT技術ジャーナル，Vol.23，No.12，pp.29-33，2011．
（3） Y. Muramoto and T. Ishibash： InP/InGaAs
pin photodiode structure maximising
bandwidth and efficiency, Electron. Lett.,
Vol.39，No.24，pp.1749-1750，2003.
（4） 宮本・佐野・吉田・坂野： 超大容量デジタ
ルコヒーレント光伝送技術, NTT技術ジャー
ナル，Vol.23，No.3，pp.13-18，2011．
（5） T. Yoshimatsu, Y. Muramoto, S. Kodama, T.
Furuta, N. Shigekawa, H. Yokoyama，and T.
Ishibashi： Suppression of space charge
effect in MIC-PD using composite fieldstructure, Electron. Lett.，Vol.46，No.13，pp.941-943，2010.
（6） M. Nada, Y. Muramoto, H. Yokoyama, T.
Ishibashi，and S. Kodama： InAlAs APD
with high multiplied responsivity-bandwidth
product (MR-bandwidth product) of 168
A/W・ GHz for 25 Gbit/s high-speed
operations, Electron. Lett.，Vol.48，No.7，pp.397-399，2012.
（7） E. Yagyu, E. Ishimura, M. Nakaji, S. Ihara, Y.
Mikami, H. Itamoto, T. Aoyagi, K. Yoshiara,
and Y. Tokuda： Design and Characteristicsof Guardring-Free Planar AlInAs Avalanche
Photodiodes, J. Lightw. Technol.，Vol.27，
No.8，pp.1011-1017，2009.

８増倍感度×３ dB帯域
＝150 A/W・GHz

６増倍感度増倍感度×３ dB帯域＝100 A/W・GHz
４２（左から）村本 好史/ 吉松 俊英/
名田 允洋
０５10152025303540（GHz）

３ dB帯域

図６増倍感度と３ dB帯域の特性比較

従来の概念にとらわれず，ネットワーク技術に革新を起こすような受光素子の研究開発に引き続き取り組んでいきます．

◆問い合わせ先

今後の展開受光素子への要求は新しいシステムの提案に伴って変化してきています．

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NTT技術ジャーナル 2012.10

今後もニーズに対して迅速に対応するとともに，従来の特性に対してブレークスルーを起こすような素子の研究開発を進めていきます．

NTTフォトニクス研究所
テラビットデバイス研究部
TEL 046-240-3164
FAX 046-240-3261
E-mail muramoto.yoshifumi lab.ntt.co.jp