特許 6206834 量子ドット型高速フォトダイオード

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6206834

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4日

(54)【発明の名称】量子ドット型高速フォトダイオード

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/107 20060101AFI20170925BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 B

【請求項の数】1

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2013-8947(P2013-8947)

(22)【出願日】2013年1月22日

(65)【公開番号】特開2014-143224(P2014-143224A)

(43)【公開日】2014年8月7日

【審査請求日】2015年12月10日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）総務省委託「電波資源拡大のための研究開発」の一環、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】301022471

【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100095337

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 伸一

(72)【発明者】

【氏名】梅沢 俊匡

(72)【発明者】

【氏名】赤羽 浩一

(72)【発明者】

【氏名】菅野 敦史

(72)【発明者】

【氏名】川西 哲也

【審査官】 山本 元彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２３８９２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０２３０２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５２０３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２２７７４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０２０１００９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第６２３９４４９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 A. ALIZADEH et al.，Infrared p-i-n photodiodes based on InAs quantum dots grown on 20nm patterned GaAs，APPLIED PHYSICS LETTERS，２００９年 ４月２３日，Vol. 94，No.16，pp.163112-1-3

【文献】 Eui-Tae KIM et al.，Tailoring mid- and long-wavelength dual response of InAs quantum-dot infrared photodetectors using InxGa1-xAs capping layers，The Journal of Vacuum Science and Technology B，Vol.20, No.3，pp. 1188-1191

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
Ｐ型半導体層と、
前記基板に積層されたＮ型半導体層と、
前記Ｐ型半導体層と前記Ｎ型半導体層との間に形成された光吸収層と、
前記Ｐ型半導体層に接続する第１電極と、
前記Ｎ型半導体層に接続する第２電極と、
を備え、
前記第１電極と前記第２電極との間に逆バイアス電圧が印加されているとき、前記光吸収層に光通信信号が入射されると、電流増倍現象が発生して前記逆バイアス電圧の大きさに応じて倍増された電流信号を出力し、
前記光吸収層は、
３０［ＧＨｚ］以上の前記光通信信号に対応する前記電流信号を生じるように、
層厚２〜４０［ｎｍ］の量子ドット層に、該量子ドット層の層厚方向の高さが２〜１０［ｎｍ］および前記層厚方向と直交する方向の径が２０〜５０［ｎｍ］である量子ドットを、１平方センチメートル当り１×１０^１０〜１×１０^１１個の密度で含み、
前記量子ドット層を複数積層して、０．１［μｍ］以上、１［μｍ］以下の層厚となるように形成した、
ことを特徴とする量子ドット型高速フォトダイオード。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、光通信等において高速の伝送信号を受光するときに用いる量子ドット型高速フォトダイオードに関するものである。

【背景技術】

【0002】

フォトダイオードは、例えば光通信において伝送信号の受信に使用されている。光通信の通信容量は、年々増加の一途をたどっており、伝送容量を増大させる必要がある。例えばボーレートを高めて大容量光通信を実現することが考えられているが、この場合、通信装置等に用いるデバイスは、一般的に処理速度が高速になるほどＳ／Ｎ比が劣化することが問題となる。
光通信の伝送容量を増大させるためには、信号の高速処理、即ち高い周波数による動作でも良好なＳ／Ｎ比で変換出力が得られるフォトダイオードが必要になり、このようなものを用いることによって信頼性の高い長距離通信が可能になる。また、中継基地数を低減することも可能になることから、設備コストなどを抑制することもできる。

【0003】

このように通信容量を増大させるとき、受信系の性能を向上させることが通信システム全体にとって重要なことから、高速の受信動作に対応可能な高速フォトダイオードが要求されている。
高速フォトダイオードには、大きく分けてＰＩＮ型を中心とする非電流増倍型フォトダイオードと、アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤと記載する）を中心とする電流増倍型フォトダイオードがあり、伝送距離や使用用途などに応じて使い分けが行われている。
非電流増倍型フォトダイオードは、上記のようにＰＩＮ型が一般的であり、高周波帯域の信号変換を可能としているが、出力信号のレベルが小さい（例えば、非特許文献１参照）。
電流増倍型フォトダイオードは、例えばアバランシェ増倍層を備えて、外部から高バイアス電圧が印加されることによって大きな出力信号レベルが得られるように構成されている（例えば、非特許文献２および非特許文献３参照）。

【0004】

図１は、従来の電流増倍型フォトダイオードの構成を示す説明図である。図１（ａ）はＰＩＮ型ＡＰＤの積層構造を示し、図１（ｂ）はＳＡＭ型ＡＰＤの積層構造を示している。
図１（ａ）のＰＩＮ型ＡＰＤは、例えば、Ｓ．Ｉ．ＩｎＰからなる基板１０１、Ｎ＋ＩｎＰからなるＮ＋コンタクト層１０２、Ｎ＋コンタクト層１０２に接続された電極１０３、アンドープで形成された光吸収・増倍層１０４、Ｐ＋キャップ層１０５およびＰ＋コンタクト層１０６、Ｐ＋コンタクト層１０６に接続された電極１０７によって構成されており、上記の順で積層されている。
図１（ｂ）のＳＡＭ型ＡＰＤは、基板１０１、Ｎ＋コンタクト層１０２、電極１０３、アンドープで形成された光吸収層１１０、Ｎ型の半導体化合物からなる電界緩和層１１１、アンドープで形成された増倍層１１２、Ｐ＋キャップ層１０５、Ｐ＋コンタクト層１０６、電極１０７によって構成されており、上記の順で積層されている。

【0005】

光通信は近赤外域を使用しており、このような領域用のＡＰＤは、光吸収層に可視光域用のＡＰＤに比べてバンドギャップの小さな半導体化合物を用いる必要がある。このような半導体化合物からなる光吸収層を図１（ａ）のＰＩＮ型構造に備えた場合、当該ＰＩＮ型ＡＰＤに高バイアス電圧を印加すると、１０〜２０［Ｖ］程度のバイアス電圧によってトンネル電流が流れてブレークダウンが発生し、高電圧の出力信号を得ることが難しくなる。そのため、ＡＰＤには図１（ｂ）に示したＳＡＭ型構造が一般的に用いられている。

【0006】

ＳＡＭ型構造は、光吸収層１１０と増倍層１１２を分離し、また、これらの層間に電界緩和層１１１を備えていることから、ＰＩＮ型構造に比べてＮ＋コンタクト層１０２とＰ＋キャップ層１０５との間の領域、即ちＩ層が厚くなる傾向がある。そのため、光電変換によって生じた各キャリアの移動時間が長くなり、良好な高周波特性を得ることが難しくなる。例えば、非特許文献２のＡＰＤは最大帯域が２３［ＧＨｚ］程度であり、非特許文献３のＡＰＤは２８［ＧＨｚ］が最大帯域であることが開示されており、このように電流増倍型フォトダイオードは３０［ＧＨｚ］以上の帯域において良好な出力動作（信号出力）を行うことが困難になる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Ｍ．Ｗａｄａ，Ｔ．Ｕｍｅｚａｗａ，”ＯＦＣ２００３，ｖｏｌ．１，３３７，ＷＦ２（２００３）

【非特許文献2】Ｍ．Ｎａｄａ ｅｔ．ａｌ；Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２９ｔｈ Ｍａｒｃｈ ２０１２，Ｖｏ１４８，Ｎｏ．７

【非特許文献3】中田，竹内，電子情報通信学会エレクトロニクスソサエティ−大会，２００２年，Ｃ−４−１６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

従来の高速フォトダイオードは、良好な高周波特性を有する非電流増倍型の構造では出力信号レベルが小さく、電流増倍型の構造では十分な高周波特性を得ることが難しくなる。換言すると、３［ｄＢ］減少の遮断周波数と受光感度はトレードオフの関係にあり、具体的には前述のように３０［ＧＨｚ］以上の高周波帯域において大きな信号レベル（良好なＳ／Ｎ比）で出力することが難しく、高速の光通信に対応することは困難であるという問題点があった。

【0009】

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、光通信の高周波帯域に対応して十分な信号レベルの受信信号を出力する量子ドット型高速フォトダイオードを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この発明に係る量子ドット型高速フォトダイオードは、基板と、Ｐ型半導体層と、前記基板に積層されたＮ型半導体層と、前記Ｐ型半導体層と前記Ｎ型半導体層との間に形成された光吸収層と、前記Ｐ型半導体層に接続する第１電極と、前記Ｎ型半導体層に接続する第２電極と、を備え、前記第１電極と前記第２電極との間に逆バイアス電圧が印加されているとき、前記光吸収層に光通信信号が入射されると、電流増倍現象が発生して前記逆バイアス電圧の大きさに応じて倍増された電流信号を出力し、前記光吸収層は、３０［ＧＨｚ］以上の前記光通信信号に対応する前記電流信号を生じるように、層厚２〜４０［ｎｍ］の量子ドット層に、該量子ドット層の層厚方向の高さが２〜１０［ｎｍ］および前記層厚方向と直交する方向の径が２０〜５０［ｎｍ］である量子ドットを、１平方センチメートル当り１×１０^１０〜１×１０^１１個の密度で含み、前記量子ドット層を複数積層して、０．１［μｍ］以上、１［μｍ］以下の層厚となるように形成したことを特徴とする。

【0013】

また、前記光吸収層は、複数の前記量子ドット層を積層して形成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

この発明によれば、量子ドットを含めて光吸収層を形成したので、高周波の光信号を入射した場合でも大きな信号電流を出力することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】従来の電流増倍型フォトダイオードの構成を示す説明図である。

【図2】この発明の実施例による量子ドット型高速フォトダイオードの概略構成を示す説明図である。

【図3】図２に示したフォトダイオードの動作を示す説明図である。

【図4】図２に示したフォトダイオードの動作を示す説明図である。

【図5】図２に示したフォトダイオードの動作を示す説明図である。

【図6】図２のフォトダイオードに流れる暗電流を示す説明図である。

【図7】図２のフォトダイオードに逆バイアス電圧を印加したときの内部状態を示す説明図である。

【図8】図２のフォトダイオードを用いた光通信システムの概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
（実施例）
図２は、この発明の実施例による量子ドット型高速フォトダイオードの概略構成を示す説明図である。この図は、量子ドット型高速フォトダイオードであるフォトダイオード１の積層構造を示す概略断面図である。フォトダイオード１は、例えば、Ｓ．Ｉ．ＩｎＰからなる基板１１、Ｎ＋ＩｎＰからなるＮ＋コンタクト層１２、量子ドット層からなる光吸収層１３、Ｐ＋キャップ層１４、Ｐ＋コンタクト層１５の順に積層されている。
Ｎ＋コンタクト層１２には電極１５が接続配置され、Ｐ＋コンタクト層１４には電極１７が接続配置されている。即ち、電極１５はカソード電極、電極１７はアノード電極となる。
また、フォトダイオード１は、基板１１の表面側、即ち上記の各半導体層を積層させた側から光を入射し、当該入射光が光吸収層１３へ到達するように構成されている。
また、フォトダイオード１は、基板１１の裏面側から入射した光が光吸収層１３へ到達するように構成してもよい。
また、フォトダイオード１は、当該フォトダイオード１の外観において図示されない側方端面から入射した光が光吸収層１３へ到達するように構成してもよい。

【0018】

フォトダイオード１は、高速応答が可能なＰＩＮ構造を有しており、また、例えば約１．３〜１．６［μｍ］の光波長に適合するように構成されている。即ち、光通信に用いる近赤外線を受光し、当該近赤外線を用いて伝送される通信信号の光電変換を行う構成を有している。
Ｎ＋コンタクト層１２は、ＩｎＡｌＧａＡｓよりも大きなバンドギャップを有する半導体化合物からなり、例えばＩｎＡｌＡｓによって形成されている。
光吸収層１３は、例えば０．１［μｍ］以上であり、また１［μｍ］以下の層厚を有している。このような層厚を有することにより、入射した光エネルギを十分に吸収するとともにキャリアの移動距離を抑えることができ、３０［ＧＨｚ］以上の高周波光信号に対応可能となる。
この実施例による光吸収層１３は、第１から第ｍの量子ドット層を積層したもので、例えば３〜３００層の量子ドット層によって光吸収層１３が形成されている。この量子ドット層には、量子ドット２１が３〜６モノレイヤの範囲内で吸着している。
Ｐ＋キャップ層１４ならびにＰ＋コンタクト層１５は、ＩｎＡｌＧａＡｓよりも大きなバンドギャップを有する半導体化合物からなり、例えばＩｎＡｌＡｓによって形成されている。

【0019】

量子ドット２１は、例えばＩｎＡｓ系の材料からなり、高さ（量子ドット層の積層方向の高さ）が２〜１０［ｎｍ］、直径（積層方向に直交する方向の径）が２０〜５０［ｎｍ］程度の大きさを有している。また、量子ドット２１は、１×１０^１０〜１×１０^１１［個／ｃｍ^２］の密度で各量子ドット層内に配されている。この量子ドット２１は、上記のような半導体ナノ結晶であり、光が照射されることによって電子やホール（正孔）、即ちキャリアを三次元的に閉じ込めるものである。このように量子ドットに電子を閉じ込めるとき、電子が有する量子力学的な波としての性質を用いることにより、これまで吸収することができなかった帯域の光スペクトルをも吸収することができ、またさらに熱として失われるエネルギを低減することも可能になる。

【0020】

前述の量子ドット層を構成し、複数の量子ドット２１を含有するように形成された歪緩和層２２は、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓなど（ＩｎＡｌＧａＡｓ系）の材料によって形成され、２〜４０［ｎｍ］の層厚を有している。
量子ドット２１の大きさや量子ドット層における密度を前述の数値のようにして構成し、また歪緩和層２２を前述のような層厚として構成することにより、近赤外光の波長に対応し、なおかつ高速（高周波）の光信号に対応することが可能になる。
なお、量子ドット２１および歪緩和層２２は、上記の半導体化合物に限定されず、前述のような量子ドットサイズ、量子ドットの配置密度、量子ドット層の層厚などをとることが可能なものであれば、他の材料によって形成したものでもよい。

【0021】

次に、動作について説明する。
図３〜図５は、図２に示したフォトダイオードの動作を示す説明図である。これらの図は、図２の構造を有するフォトダイオード１の試作品について測定した各特性を示したものである。ここで測定に用いたフォトダイオード１は、量子ドット２１をＩｎＡｓによって形成し、また、歪緩和層２２をＩｎＡｌＧａＡｓによって形成して、単一の量子ドット層の厚さを２０［ｎｍ］として形成したものである。また、このフォトダイオード１の光吸収層１３は、２０層の上記量子ドット層を積層させたもので、４００［ｎｍ］の厚さを有している。

【0022】

図３は、横軸が入射光の波長、縦軸が受光感度を表しており、分光感度特性を示したグラフである。なお、この特性測定は、測定対象デバイス（フォトダイオード）の表面から近赤外線を入射して行ったものであり、また５［Ｖ］以下の低バイアス電圧を印加した状態で観測されたものである。
図中、曲線ａ３は、一般的な光吸収材であるＩｎＧａＡｓについて、厚さを２４０オングストロームと設定して求めた計算値である。
特性曲線ａ１は、上記の量子ドット層によって形成された光吸収層１３を有するフォトダイオード１の受光感度を示したもので、特性曲線ａ２は、一般的なＩｎＧａＡｓによって形成された光吸収層を有するフォトダイオードの受光感度を示しており、いずれも同一厚さの光吸収層を有している。
特性曲線ａ１と特性曲線ａ２とを比較すると、光吸収層の厚さが同一である場合、いずれの波長においても量子ドット層を有するもののほうが高感度であることが分かる。

【0023】

図４は、測定対象デバイス（フォトダイオード１）の端面から近赤外線を入射させたときの受光感度を示したもので、縦軸は受光感度、横軸は入射光の波長を表している。なお、図３に示した特性と同様に、５［Ｖ］以下の低バイアス電圧を印加した状態で観測されたものである。
図中、実線で示した特性曲線ｂ１は、前述の量子ドットを備えたフォトダイオード１の分光感度特性を表している。また、破線で示した特性曲線ｂ２は、当該デバイスにおいて表面反射が生じない場合の分光感動を推定した値を表したものである。
量子ドット層を有するフォトダイオード１は、例えば３０［％］の表面反射が生じる場合でも、波長が１５５０［ｎｍ］の近赤外光を入射したときに受光感度０．３［Ａ／Ｗ］を有することが分かる。この入射状況においてフォトダイオード１に反射防止膜を備えた場合には、上記の受光感度が０．４［Ａ／Ｗ］へ向上する。なお、上記波長の近赤外光は、高周波の光信号とされている帯域に含まれるものである。

【0024】

ここで例示した特性は、当該デバイスと近赤外光を伝導する光ファイバとの光結合効率を考慮していないものであり、この測定を行った際の上記部分における実際の光結合効率は１０［％］程度である。このような光結合効率は、例えばリッジ構造を設けるなど、当該光結合効率を向上させる一般的な手段を用いることによって５０［％］以上に高めることが可能である。このことから、上記の光結合効率を高める手段を備えることによって、量子ドットを備えるフォトダイオード１の受光感度は、相当高いものになることが推測される。具体的には、上記のような手段を備えることによって、例えば光結合効率が２０〜３０［％］向上すると仮定したとき、フォトダイオード１の受光感度を１［Ａ／Ｗ］程度にすることが可能になり、また、このときの量子効率は概ね８０［％］になると推測される。

【0025】

図５は、量子ドットを備えた、即ち量子ドット型高速フォトダイオードに逆バイアス電圧を印加したときの受光感度特性を表したもので、縦軸は電流増倍率Ｍ、横軸は逆バイアス電圧を表している。特性曲線Ｃ１〜Ｃ３は、量子ドット型フォトダイオードである第１測定対象デバイス〜第３測定対象デバイスの受光感度特性を表したものである。
上記の各特性曲線Ｃ１〜Ｃ３から、第１〜第３測定対象デバイスは、いずれも大きな逆バイアス電圧が印加されたときには電流増倍効果（アバランシェ増倍効果）が生じている。
具体的には、上記の各受光感度特性から、逆バイアス電圧値が低いときの感度相対値を１とした場合、２７〜２８［Ｖ］の逆バイアス電圧を印加したときには、測定対象デバイスの受光感度が２〜１２倍程度に増倍されることが分かる。

【0026】

フォトダイオードの３ｄＢカットオフ周波数は、当該デバイスが有するＣＲ時定数と、キャリアが光吸収層の中を移動する時間によって定められる。
量子ドット層からなる光吸収層を有するデバイスは、一般的なＩｎＧａＡｓ等の半導体化合物からなる光吸収層を備えたデバイスと同様なＣＲ時定数を有している。また、キャリアの移動時間についても同様であると推測される。
上記のことから、量子ドット層を有するデバイス、即ち、量子ドット型高速フォトダイオードの３ｄＢカットオフ周波数は、ＩｎＧａＡｓ等からなる光吸収層を備えたフォトダイオードと同程度であると考えられる。具体的には、例えば、ＰＮ接合面の面積が１１３［μｍ^２］（φ１２μｍ）、光吸収層の厚さが０．４［μｍ］の量子ドット型高速フォトダイオードにおいては、５０［ＧＨｚ］以上の３ｄＢカットオフ周波数を有することになる。

【0027】

前述の各測定結果等から、
（１）３ｄＢカットオフ周波数は、５０［ＧＨｚ］以上、
（２）低バイアス時の感度は、入射光の波長が１５５０［ｎｍ］のとき、０．８［Ａ／Ｗ］以上、
（３）高バイアス時の感度は、入射光の波長が１５５０［ｎｍ］のとき、増倍率（２〜５）×０．８［Ａ／Ｗ］ ＝１．６〜４［Ａ／Ｗ］以上、
の量子ドット型高速フォトダイオードを作成することが可能である。

【0028】

図６は、図２のフォトダイオードに流れる暗電流を示す説明図である。この図は、図２のフォトダイオード１に逆バイアス電圧を印加したときに流れる暗電流を示したもので、縦軸は暗電流値、横軸は逆バイアス電圧値を表している。また、図中、特性曲線Ｄ１はフォトダイオード１に生じる暗電流を表し、特性曲線Ｄ２はフォトダイオード１に逆バイアス電圧を印加したときに生じる光電流を表している。なお、縦軸は対数表示によって電流値を示している。
フォトダイオード１は、特性曲線Ｄ１が示すように低い逆バイアス電圧が印加されたときには１０［ｐＡ］程度の暗電流が流れ、高い逆バイアス電圧が印加されたとき、例えば２７［Ｖ］の逆バイアス電圧が印加されたときには１［μＡ］程度の暗電流が流れる。このようにいずれの逆バイアス電圧においても発生する暗電流は比較的小さい。

【0029】

上記の暗電流に対して、フォトダイオード１の光電流は、特性曲線Ｄ２が示すように低い逆バイアス電圧を印加したときには、当該バイアス電圧値によらず概ね一定の値となり、あるバイアス電圧値を超えると増大する。図６に例示した特性では、低バイアス時には光電流は１０［μＡ］程度で概略一定になっており、逆バイアス電圧が２０［Ｖ］以上の高バイアスになると光電流が増大する。即ち、フォトダイオード１は、印加される逆バイアス電圧が所定電圧上になると光電流増倍現象（アバランシェ現象）が生じる。
このように暗電流が小さく、なおかつ暗電流値と光電流値の差が大きいことから、量子ドット層を光吸収層１３として備えたフォトダイオード１は、Ｓ／Ｎ比が良好であることが分かる。また、フォトダイオード１は、印加する逆バイアス電圧の大きさにより、電流非増倍型として使用することも、電流増倍型として使用することも可能なことを特性曲線Ｄ２が示している。なお、電流増倍型としてフォトダイオード１を用いる場合は、アバランシェ現象が生じる２０［Ｖ］から当該フォトダイオード１の最大定格値までの範囲内に含まれる逆バイアス電圧を印加する。

【0030】

図７は、図２のフォトダイオードに逆バイアス電圧を印加したときの内部状態を示す説明図である。図７（ａ），（ｂ）はフォトダイオード１に逆バイアス電圧を印加したときの当該ダイオード内部のエネルギバンド構造を模式的に表したものである。なお、図７に示したＰ型半導体層は、図２のＰ＋キャップ層１４およびＰ＋コンタクト層１５に相当し、図７のＮ型半導体層は、図２のＮ＋コンタクト層１２に相当する。

【0031】

図７（ａ）は、図２に示した電極１６と電極１７との間に低い逆バイアス電圧（例えば２０［Ｖ］未満）を印加したときに生じるキャリア（例えば電子）の移動を示している。ここでフォトダイオード１には低い逆バイアス電圧が印加されていることから、エネルギバンドの傾斜は比較的緩やかになっている。
このような状態で、当該フォトダイオード１に近赤外光等が入射されて光吸収層１３へ到達すると、この光エネルギによって価電子帯から励起子（例えば電子ｅ２）が励起する。
光吸収層１３即ち量子ドット層において励起した例えば電子ｅ２は、価電子帯の上限を超えて禁制帯あるいは伝導帯をＮ型半導体層へ向かって移動する。
また、上記のように光エネルギが光吸収層１３（量子ドット層）へ入射することにより、量子ドット領域から励起子（量子ドット２１に蓄積されていた例えば電子ｅ１）が励起する。このとき励起した電子ｅ１は、Ｎ型半導体層へ向かって移動する。これら電子ｅ１，ｅ２などのキャリアが移動することにより、入射光に応じた電流、例えば光信号に応じて変化する信号電流がフォトダイオード１から出力される。なお、このとき量子ドット層においてアバランシェ現象は生じない。

【0032】

図７（ｂ）は、図２に示した電極１６と電極１７との間に高い逆バイアス電圧（例えば２０［Ｖ］以上）を印加したときに生じるキャリア（例えば電子）の移動を示している。ここでフォトダイオード１には高い逆バイアス電圧が印加されていることから、図７（ｂ）に示したエネルギバンドの傾斜は図７（ａ）に比べて急になっている。このように高い逆バイアス電圧が印加されている状態で、フォトダイオード１に近赤外光等が入射されると、この光エネルギによって価電子帯から励起子（例えば電子ｅ２）が励起する。励起した電子ｅ２は、Ｎ型半導体層へ向かって移動する。このとき、高いバイアス電圧が印加されていることから量子ドット層には相当な強さの電界が生じている。そのため、励起した電子ｅ２は、移動するときに上記の電界作用によって加速され、また移動中に例えば量子ドット層を形成する半導体化合物の原子等と衝突を繰り返すことから、アバランシェ現象が発生する。

【0033】

また、前述のように光エネルギが光吸収層１３へ入射すると、量子ドット層に存在する量子ドット領域から励起子（量子ドット２１に蓄積されていた例えば電子ｅ１）が励起する。このとき励起した電子ｅ１は、Ｎ型半導体層へ向かって移動する。また、前述のように量子ドット層には相当な強さの電界が生じていることから、電子ｅ１は当該電界の作用によって加速して半導体化合物の原子等との衝突を繰り返し、アバランシェ現象が発生する。
このように光エネルギによって励起した電子ｅ１，ｅ２が移動するときにアバランシェ増倍が生じてフォトダイオード１から大きな値の光電流が出力される。なお、このとき出力される電流は、例えばフォトダイオード１へ入射した光信号に応じて変化する信号電流である。

【0034】

前述のように量子ドット層によって形成された光吸収層１３は、フォトダイオード１に印加される逆バイアス電圧が所定電圧以上になると、同一の層厚さであってもアバランシェ現象が発生し、また逆バイアス電圧が所定電圧未満のときにはアバランシェ現象を発生させずに非電流増倍型の光吸収（光電変換）を行う。即ち、フォトダイオード１は、印加する逆バイアス電圧を小さくした場合には非電流増倍型フォトダイオードとして動作し、逆バイアス電圧を大きくした場合には電流増倍型フォトダイオードとして動作するものであり、換言すると、印加される逆バイアス電圧の大きさによって感度を制御することが可能なものである。

【0035】

図８は、図２のフォトダイオードを用いた光通信システムの概略構成図である。図示した光通信システムは、送信装置２０１、受信装置２０３、送信装置２０１と受信装置２０３とを接続する光ケーブル２０２によって構成されている。
送信装置２０１は、通信信号を例えばレーザダイオード（ＬＤ）等を用いて光信号へ変換して光ケーブル２０２へ送出する。光ケーブル２０２によって伝送された光信号が受信装置２０３へ到達すると、受信装置２０３に備えられたフォトダイオード１が光電変換を行い、このとき生成した電気信号に所定の処理を施す。
例えば、光ケーブル２０２等による伝送距離が遠距離になる場合や、送信装置２０１から送出される光信号の強度が十分ではない場合には、受信装置２０３においてフォトダイオード２０３の受光感度を高くしておき、確実に通信信号を受信する。なお、受信装置２０３に備えられているフォトダイオード１は、高速の光データ通信についても上記のように受光感度を高めて対応することができる。

【0036】

以上のように、この実施例によれば、高周波帯域の光信号の波長に対応する層厚の光吸収層１３に量子ドット２１を含めて構成したので、光吸収層１３薄く形成した場合でも十分な大きさの光電流を出力することが可能になり、高周波の光通信においても大きな信号電流を出力することができる。
また、暗電流を抑制するとともに光電流を大きな値で出力することができるので、Ｓ／Ｎ比を良好なものにすることができる。
また、量子ドット２１を有する光吸収層１３は、印加される逆バイアス電圧の大きさに対応してアバランシェ現象が生じるので、フォトダイオード１の受光感度を必要に応じて変化させることができる。

【符号の説明】

【0037】

１フォトダイオード
１１，１０１基板
１２，１０２Ｎ＋コンタクト層
１３光吸収層
１４，１０５Ｐ＋キャップ層
１５，１０６Ｐ＋コンタクト層
１６，１０３電極
１７，１０７電極
２１量子ドット
２２歪緩和層
１０４光吸収・増倍層
１１０光吸収層
１１１電界緩和層
１１２増倍層
２０１送信装置
２０２光ケーブル
２０３受信装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】