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特許7654146半導体受光素子、光回線終端装置、多値強度変調送受信装置、デジタルコヒーレント受信装置、光ファイバ無線システム、ＳＰＡＤセンサーシステム、及びライダー装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-03-21
(45)【発行日】2025-03-31
(54)【発明の名称】半導体受光素子、光回線終端装置、多値強度変調送受信装置、デジタルコヒーレント受信装置、光ファイバ無線システム、ＳＰＡＤセンサーシステム、及びライダー装置
(51)【国際特許分類】
H10F 30/223 20250101AFI20250324BHJP
H10F 30/225 20250101ALI20250324BHJP
G01S 7/4861 20200101ALI20250324BHJP
H04B 10/2575 20130101ALI20250324BHJP
H04B 10/272 20130101ALI20250324BHJP
H04B 10/61 20130101ALI20250324BHJP
【ＦＩ】
H10F30/223
H10F30/225
G01S7/4861
H04B10/2575
H04B10/272
H04B10/61
【請求項の数】
23
(21)【出願番号】P 2024164774
(22)【出願日】2024-09-24
(62)【分割の表示】P 2024522513の分割
【原出願日】2023-12-20
【審査請求日】2024-09-24
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002941
【氏名又は名称】弁理士法人ぱるも特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】石村 栄太郎
(72)【発明者】
【氏名】山口 晴央
(72)【発明者】
【氏名】竹村 亮太
【審査官】佐竹 政彦
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１９／２１５９０２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１０－１４７１５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－２５８８０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１３５５２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０２２／００９９８１３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２２／１５７８８８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００６－２３７１８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】ZHENG, Jiyuan et al.，"Digital Alloy InAlAs Avalanche Photodiodes"，JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，2018年09月01日， VOL. 36, NO. 17，pp.3580-3585
【文献】KATO, Takashi et al.，"Optical properties of (GaAs/InAs)-GaAsySb1-y digital alloy superlattices in the short-wavelength infrared region calculated by an sp3d5s* tight-binding method"，Applied Physics A，2023年05月18日，Vol.129, Article Number 429，pp.1-8，<DOI:10.1007/s00339-023-06703-0>
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｆ １０／００－９９／００
Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板上に形成されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成されたｉ型ＩｎＰ電子走行層と、
前記電子走行層上に形成され、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり、ＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ層及びＩｎＧａＡｓ層、または、互いに組成比の異なるＩｎＡｌＧａＡｓ層のいずれかの組み合わせで構成された２種類の半導体層が２原子層から６原子層の周期でそれぞれ交互に積層されたｉ型デジタルアロイ構造からなる光吸収層と、
を備える半導体受光素子。
【請求項2】
前記光吸収層は、１周期の原子層数が互いに等しいＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層が交互に積層されたｉ型デジタルアロイ構造からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項3】
前記ｉ型ＩｎＰ電子走行層は、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり、層厚が０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項4】
前記ｎ型半導体層はｎ型導電層であり、前記ＩｎＰ基板上に形成された前記ｎ型導電層が部分的に露出した部位にｎ型電極が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項5】
前記光吸収層上に、ｉ型またはｎ型の窓層が形成され、少なくとも前記窓層の内部にｐ型不純物拡散領域が形成され、前記ｐ型不純物拡散領域の上部にｐ型電極が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項6】
前記ｐ型不純物拡散領域の外周部分に前記ｎ型半導体層に達する分離溝が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の半導体受光素子。
【請求項7】
前記ｐ型電極と相対する前記ＩｎＰ基板の裏面に、光の入射領域が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の半導体受光素子。
【請求項8】
前記光吸収層上にメサ型のｐ型導電層が形成され、前記ｐ型導電層上にｐ型電極が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項9】
前記メサ型のｐ型導電層の外周部に、底部が少なくとも前記ｎ型半導体層に達する分離溝が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の半導体受光素子。
【請求項10】
ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板上に形成されたｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層上に形成され、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり、ＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ層及びＩｎＧａＡｓ層、または、互いに組成比の異なるＩｎＡｌＧａＡｓ層のいずれかの組み合わせで構成された２種類の半導体層が２原子層から６原子層の周期でそれぞれ交互に積層されたｉ型デジタルアロイ構造からなる光吸収層と、
前記光吸収層上に形成されたｉ型ＩｎＰ電子走行層と、
を備える半導体受光素子。
【請求項11】
前記光吸収層は、１周期の原子層数が互いに等しいＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層が交互に積層されたｉ型デジタルアロイ構造からなることを特徴とする請求項１０に記載の半導体受光素子。
【請求項12】
前記ｉ型ＩｎＰ電子走行層は、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり、層厚が０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体受光素子。
【請求項13】
前記光吸収層の一部にｎ型またはｐ型不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項１から３、１０から１２のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項14】
前記ｉ型ＩｎＰ電子走行層と前記光吸収層の間および前記光吸収層上のいずれか一方または両方にグレーディッド層をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項15】
前記グレーディッド層はバンドギャップを連続的に変化させた層であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体受光素子。
【請求項16】
前記グレーディッド層は組成をステップ状に変化させたことを特徴とする請求項１４に記載の半導体受光素子。
【請求項17】
請求項１から３、１０から１２のいずれか１項に記載の半導体受光素子と、光信号を前記半導体受光素子に入射する光合分波器と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路に接続され、増幅された前記電気信号からクロック・データを再生するクロック・データ再生回路と、
前記クロック・データ再生回路に接続され、前記クロック・データの誤りを訂正する前方誤り訂正回路と、
を備える光回線終端装置。
【請求項18】
請求項１から３、１０から１２のいずれか１項に記載の半導体受光素子と、光信号を前記半導体受光素子に入射する光合分波器と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路に接続され、増幅された電気信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換回路と、
前記アナログ／デジタル変換回路に接続され、前記デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路と、
前記デジタル信号処理回路に接続され、前記デジタル信号の誤りを訂正する前方誤り訂正回路と、
を備える光回線終端装置。
【請求項19】
多値強度変調された光信号を受光する請求項１から３、１０から１２のいずれか１項に記載の半導体受光素子と、前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路に接続され、増幅された前記電気信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換回路と、
前記アナログ／デジタル変換回路に接続され、前記デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路と、
を備える多値強度変調送受信装置。
【請求項20】
アナログ変調された光信号を出射する光源と、アナログ変調された前記光信号を受光する請求項１から３、１０から１２のいずれか１項に記載の半導体受光素子と、
前記半導体受光素子から出力されたアナログ電気信号をアンテナに伝送する伝送路と、
前記伝送路に接続され、前記アナログ電気信号を電波信号として放射するアンテナと、
を備える光ファイバ無線システム。
【請求項21】
請求項１から３、１０から１２のいずれか１項に記載の半導体受光素子と、強度及び位相が変調された偏波多重光信号の偏波を分離する偏波分離器と、
前記偏波分離器から出力される光信号を分波及び合成する９０度ハイブリッド器と、
前記９０度ハイブリッド器に接続され、デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路と、
を備えるデジタルコヒーレント受信装置。
【請求項22】
請求項１から３、１０から１２のいずれか１項に記載された半導体受光素子によって構成されたＳＰＡＤセンサーと、前記ＳＰＡＤセンサーに、降伏電圧以上に印加した電圧及び降伏電圧未満の電圧を反復して印加するクエンチング回路と、
前記ＳＰＡＤセンサーから出力された電気信号を計測する光電子計測回路と、
を備えるＳＰＡＤセンサーシステム。
【請求項23】
パルス状の光または周波数変調された光を発する光源と、前記光源から出射された光が物体に反射して戻ってきた光を受光する請求項１から３、１０から１２のいずれか１項に記載された半導体受光素子と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路によって増幅された電気信号に基づき距離を算出する測距回路と、
を備えるライダー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、半導体受光素子、光回線終端装置、多値強度変調送受信装置、デジタルコヒーレント受信装置、光ファイバ無線システム、ＳＰＡＤセンサーシステム、及びライダー装置に関する。
【背景技術】
【0002】
デジタル情報を活用するデジタルトランスフォーメーションの進展とともに、デジタル情報を相互に通信する通信ネットワークとデータの蓄積処理を行うデータセンタの発展が著しい。通信ネットワーク及びデータセンタ内通信には光通信が用いられる。光通信は、近年、高速化及び大容量化が目覚ましい進展を遂げている。光通信の進展の中で、光通信の受信器として、高い受信感度が得られるフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）及びアバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＡＰＤ）が必要とされる。
【0003】
光通信の加入者まで接続するアクセス網では、パッシブ光ネットワーク（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ：ＰＯＮ）が主たる方式として採用されている。ＰＯＮシステムでは、１～２Ｇｂｐｓの信号を伝送するＧ（Ｅ）－ＰＯＮシステムから始まり、今後は１０Ｇｂｐｓの信号を伝送する１０Ｇ－ＥＰＯＮシステム、ＸＧ－ＰＯＮシステムが増加していくと予想される。
【0004】
さらに、ＩＴＵ－Ｔ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｕｎｉｏｎ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ Ｓｅｃｔｏｒ）において、次世代高速ＰＯＮシステムである５０Ｇ－ＰＯＮシステムが検討されており、アクセス網においても今後、５０Ｇｂｐｓ級の伝送が実用化されていくと期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開平３－０５０８７５号公報
【文献】特開平１－２５５２８２号公報
【文献】特開平６－０９７４８３号公報
【非特許文献】
【0006】
【文献】Ｊｉｙｕａｎ Ｚｈｅｎｇ ｅｔ ａｌ．，“Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｌｌｏｙ ＩｎＡｌＡｓ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ”，ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯＬ．３６，ＮＯ．１７，ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ １，ｐｐ．３５８０－３５８５，２０１８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
（１）ＰＤ及びＡＰＤにおける光吸収層に関する課題
高速の光通信に用いられるＰＤ及びＡＰＤは、光吸収層として、光通信波長帯である１．３μｍ帯と１．５５μｍ帯で吸収係数が高いＩｎＧａＡｓが用いられる。たとえば、１．３μｍ帯では、１００００／ｃｍ以上の高い吸収係数が得られる。
高速の光通信に用いられるＰＤ及びＡＰＤは、光吸収層として、光通信波長帯である１．３μｍ帯と１．５５μｍ帯で吸収係数が高いＩｎＧａＡｓが用いられる。たとえば、１．３μｍ帯では、１００００／ｃｍ以上の高い吸収係数が得られる。
【0008】
ＰＤ及びＡＰＤの応答帯域を広帯域化するためには、光吸収層を構成するＩｎＧａＡｓ層を薄膜化してキャリアの走行時間を短縮する必要がある。しかしながら、光吸収層の層厚を薄膜化すると、受光感度が低下するという問題が発生する。
【0009】
光吸収層の吸収係数をα、光吸収層の層厚をＷとすると、量子効率η（＝吸収される光子数／入射光子数）は、以下の式（１）で表される。
η＝１－ｅｘｐ（－αＷ） （１）
η＝１－ｅｘｐ（－αＷ） （１）
【0010】
式（１）において、たとえば、α＝１００００／ｃｍ、Ｗ＝１μｍとすると、量子効率ηは６３％となる。ちなみに、受光感度Ｓ（Ａ／Ｗ）は、Ｓ＝η・λ（ｎｍ）／１２４０で与えられるので、波長１．３μｍの光の場合は、受光感度は０．６６Ａ／Ｗとなる。
【0011】
一方、キャリアが光吸収を走行する時間で決定される３ｄＢ帯域ｆｔｒは、以下の式（２）で表される。
ｆｔｒ＝３．５Ｖａｖ／（２πＷ） （２）
ｆｔｒ＝３．５Ｖａｖ／（２πＷ） （２）
【0012】
式（２）において、Ｖａｖは電子及び正孔の平均飽和走行速度である。たとえば、光吸収層がＩｎＧａＡｓで構成され、Ｖａｖ＝５．３５×１０6ｃｍ／ｓ、Ｗ＝１μｍである場合は、式（２）に代入すると、ｆｔｒ＝２９．８ＧＨｚとなる。
【0013】
したがって、光吸収層の層厚Ｗを１μｍよりも厚くすると、量子効率ηは６３％よりも高くなるが、応答帯域は２９．８ＧＨｚよりも低下する。このような応答帯域と量子効率のトーレドオフを改善するためには、光吸収層の吸収係数を高める必要がある。
【0014】
（２）ＡＰＤにおける増倍層に関する課題
ＰＯＮシステムに用いられる半導体受光素子であるＡＰＤは、素子構造として、光吸収層（ＩｎＧａＡｓ）、電界緩和層（ＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓ）、増倍層（ＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓ）の各層により構成されている。増倍層に約８００ｋＶ／ｃｍの高電界を印加して、光吸収層において発生した電子及び正孔を増倍、つまりイオン化する。電界緩和層は増倍層の高電界が光吸収層に印加されないように電界を弱めるように機能する。ちなみに、電子のイオン化率はαｅ、正孔のイオン化率はβｈと表記される。
ＰＯＮシステムに用いられる半導体受光素子であるＡＰＤは、素子構造として、光吸収層（ＩｎＧａＡｓ）、電界緩和層（ＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓ）、増倍層（ＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓ）の各層により構成されている。増倍層に約８００ｋＶ／ｃｍの高電界を印加して、光吸収層において発生した電子及び正孔を増倍、つまりイオン化する。電界緩和層は増倍層の高電界が光吸収層に印加されないように電界を弱めるように機能する。ちなみに、電子のイオン化率はαｅ、正孔のイオン化率はβｈと表記される。
【0015】
ＡＰＤでは、電子及び正孔のイオン化率の比率が大きいほど、増倍時に発生する過剰雑音が小さくなり受信感度が高くなる。さらに、電子及び正孔のイオン化率の比率が大きいほど、増倍層における増倍時間が短くなるため、応答帯域が広帯域となる。
【0016】
電子及び正孔のイオン化率比ｋは、ｋ＝βｈ／αｅで定義される。増倍層に電子が注入される場合は、イオン化率比ｋが小さくなるほどＡＰＤの性能が向上する。光通信用ＡＰＤの増倍層には、ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＰといった化合物半導体材料が用いられる。
【0017】
増倍層の構成材料としてＩｎＡｌＡｓを選択した場合は、ＩｎＰよりも電子及び正孔のイオン化率の差が大きくなる。なお、ＩｎＰでは正孔の方が電子よりもイオン化率は大きく、正孔のイオン化率は電子のイオン化率の約２倍である。一方、増倍層の構成材料としてＩｎＡｌＡｓを選択した場合は、電子のイオン化率の方が正孔よりも大きく、電子のイオン化率は正孔のイオン化率の約５倍である。したがって、ＩｎＡｌＡｓを増倍層とすると受信感度がより高くなるため、ＡＰＤの増倍層の構成材料としては、ＩｎＰよりもＩｎＡｌＡｓの方が好適である。
【0018】
ＰＯＮシステムでは、上述のように、半導体受光素子であるＡＰＤに、広い応答帯域と高い受信感度が要求される。しかしながら、ＡＰＤではＰＤとは異なり、増倍するのに要する時間、つまり増倍時間が増倍率を高くするのにともない長くなるため、高い増倍率において応答帯域が低下するという問題があった。
【0019】
光通信で用いられるＩｎＡｌＡｓを構成材料とする増倍層を有するＡＰＤは、他の半導体材料で構成されるＡＰＤよりも広い応答帯域であるものの、増倍率が６以上では応答帯域は約２０ＧＨｚにとどまる。つまり、５０Ｇ－ＰＯＮシステムに要求される３７．５ＧＨｚ以上の広い応答帯域は、従来のＡＰＤを適用した場合は実現が困難であるという問題がある。
【0020】
上述のように、光通信に用いられる半導体受光素子であるＰＤ及びＡＰＤには、さらなる広い応答帯域での動作が要求される。特開文献１には超格子を用いたＡＰＤが記載されているが、電子走行層ではなく増倍層と電界緩和層への超格子の適用であり、さらに各層の層厚は５～１０ｎｍであるため、各層のバンドギャップを反映した量子井戸として作用する。積層された各層の層厚が数ｎｍ以上となると、各層のバンドギャップを反映したエネルギーの凹凸ができるためキャリアの走行を阻害し、走行速度が低下してしまうという問題がある。
【0021】
５０Ｇ－ＰＯＮシステムでは、半導体発光素子及び半導体受光素子の応答帯域、半導体発光素子の光出力及び半導体受光素子の受信感度が不足している。このため、光回線終端装置（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ：ＯＮＵ）、つまり加入者側の受信装置には、ＡＰＤの後段にデジタルシグナルプロセッサ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ：ＤＳＰ）によるデジタル帯域補償回路を設けることが考えられている。
【0022】
また、光回線終端装置（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ：ＯＬＴ）、つまり局舎側の受信装置では、半導体受光素子の受信感度不足を補うため、半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）が必要であったり、ＯＮＵの送信側の電界吸収型変調器集積レーザーダイオード（Ｅｌｅｃｔｒｏ－ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＥＭＬ）にＳＯＡを集積し、光出力を増加させたりする必要がある。
【0023】
しかしながら、ＤＳＰ及びＳＯＡは消費電力が非常に大きく、コストの上昇要因となるため、既存のＰＯＮシステムから５０Ｇ－ＰＯＮシステムへの置き換えが進展しなくなると危惧されている。
【0024】
次世代高速ＰＯＮシステム以外の既存のＰＯＮシステムにおいても、低コスト化のためにＯＬＴから出力された光信号の分岐数を増加させることが検討されている。しかしながら、この場合も、ＯＬＴ及びＯＮＵの送信側のＥＭＬにＳＯＡを集積し光出力を増加させる必要があり、送信器の消費電力の増大、及びコストの増加が発生するという問題がある。
【0025】
以上のように、半導体受光素子の受信感度及び応答帯域の限界を補うため、高価でかつ消費電力の大きいＤＳＰ及びＳＯＡを、ＯＮＵ及びＯＬＴに組み入れた送受信器の設計がなされているが、消費電力の増大、及びコストの増加が発生するという問題がある。
【0026】
本開示は上記のような問題点を解消するためになされたもので、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有する半導体受光素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0027】
本開示に係る半導体受光素子は、
ＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板上に形成されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成されたｉ型ＩｎＰ電子走行層と、
前記電子走行層上に形成され、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり、ＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ層及びＩｎＧａＡｓ層、または、互いに組成比の異なるＩｎＡｌＧａＡｓ層のいずれかの組み合わせで構成された２種類の半導体層が２原子層から６原子層の周期でそれぞれ交互に積層されたｉ型デジタルアロイ構造からなる光吸収層と、を備える。
ＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板上に形成されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成されたｉ型ＩｎＰ電子走行層と、
前記電子走行層上に形成され、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり、ＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ層及びＩｎＧａＡｓ層、または、互いに組成比の異なるＩｎＡｌＧａＡｓ層のいずれかの組み合わせで構成された２種類の半導体層が２原子層から６原子層の周期でそれぞれ交互に積層されたｉ型デジタルアロイ構造からなる光吸収層と、を備える。
【0028】
本開示に係る光回線終端装置は、
上述の半導体受光素子と、
光信号を前記半導体受光素子に入射する光合分波器と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路に接続され、増幅された前記電気信号からクロック・データを再生するクロック・データ再生回路と、
前記クロック・データ再生回路に接続され、前記クロック・データの誤りを訂正する前方誤り訂正回路と、を備える。
上述の半導体受光素子と、
光信号を前記半導体受光素子に入射する光合分波器と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路に接続され、増幅された前記電気信号からクロック・データを再生するクロック・データ再生回路と、
前記クロック・データ再生回路に接続され、前記クロック・データの誤りを訂正する前方誤り訂正回路と、を備える。
【0029】
本開示に係る多値強度変調送受信装置は、
多値に強度変調された光信号を受光する上述の半導体受光素子と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路に接続され、増幅された前記電気信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換回路と、
前記アナログ／デジタル変換回路に接続され、前記デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路と、を備える。
多値に強度変調された光信号を受光する上述の半導体受光素子と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路に接続され、増幅された前記電気信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換回路と、
前記アナログ／デジタル変換回路に接続され、前記デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路と、を備える。
【0030】
本開示に係る光ファイバ無線システムは、
アナログ変調された光信号を出射する光源と、
アナログ変調された前記光信号を受光する上述の半導体受光素子と、
前記半導体受光素子から出力されたアナログ電気信号をアンテナに伝送する伝送路と、
前記伝送路に接続され、前記アナログ電気信号を電波信号として放射するアンテナと、を備える。
アナログ変調された光信号を出射する光源と、
アナログ変調された前記光信号を受光する上述の半導体受光素子と、
前記半導体受光素子から出力されたアナログ電気信号をアンテナに伝送する伝送路と、
前記伝送路に接続され、前記アナログ電気信号を電波信号として放射するアンテナと、を備える。
【0031】
本開示に係るデジタルコヒーレント受信装置は、
上述の半導体受光素子と、
強度及び位相が変調された偏波多重光信号の偏波を分離する偏波分離器と、
前記偏波分離器から出力される光信号を分波及び合成する９０度ハイブリッド器と、
前記９０度ハイブリッド器に接続され、デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路と、を備える。
上述の半導体受光素子と、
強度及び位相が変調された偏波多重光信号の偏波を分離する偏波分離器と、
前記偏波分離器から出力される光信号を分波及び合成する９０度ハイブリッド器と、
前記９０度ハイブリッド器に接続され、デジタル信号を処理するデジタル信号処理回路と、を備える。
【0032】
本開示に係るＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）センサーシステムは、
上述の半導体受光素子によって構成されたＳＰＡＤセンサーと、
前記ＳＰＡＤセンサーに、降伏電圧以上に印加した電圧及び降伏電圧未満の電圧を反復して印加するクエンチング回路と、
前記ＳＰＡＤセンサーから出力された電気信号を計測する光電子計測回路と、を備える。
上述の半導体受光素子によって構成されたＳＰＡＤセンサーと、
前記ＳＰＡＤセンサーに、降伏電圧以上に印加した電圧及び降伏電圧未満の電圧を反復して印加するクエンチング回路と、
前記ＳＰＡＤセンサーから出力された電気信号を計測する光電子計測回路と、を備える。
【0033】
本開示に係るライダー装置は、
パルス状に発光する光源と、
前記光源から出射された光が物体に反射して戻ってきた光を受光する上述の半導体受光素子と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路によって増幅された電気信号に基づき距離を算出する測距回路と、を備える。
パルス状に発光する光源と、
前記光源から出射された光が物体に反射して戻ってきた光を受光する上述の半導体受光素子と、
前記半導体受光素子から出力された電気信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路によって増幅された電気信号に基づき距離を算出する測距回路と、を備える。
【発明の効果】
【0034】
本開示に係る半導体受光素子によれば、少なくとも光吸収層をデジタルアロイ構造で構成したので、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0035】
本開示に係る光回線終端装置、多値強度変調送受信装置、デジタルコヒーレント受信装置、光ファイバ無線システム、ＳＰＡＤセンサーシステム、及びライダー装置によれば、半導体受光素子として本開示の半導体受光素子を用いたので、優れた性能を有する各装置及び各システムが得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造及びＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造の光吸収スペクトルをそれぞれ示す図である。
【図2】各構成材料の格子定数とＩｎＰを基準とした歪量の関係を表す図である。
【図3】ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造及びＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造の光吸収スペクトル上の効果を見積もった結果を表す図である。
【図4】実施の形態１に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図5】実施の形態１に係る半導体受光素子の一例である端面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図6】実施の形態２に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図7】実施の形態２に係る半導体受光素子の一例である端面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図8】ＩｎＡｌＡｓ増倍層における電子のデッドスペースの電界依存性を表す図である。
【図10】イオン化率比及びトンネル電流の増倍層の層厚依存性を表す図である。
【図11】図１１Ａから図１１Ｄは、増倍層及び電界緩和層におけるイオン化率を表す図であり、図１１Ａはランダムアロイ構造増倍層の場合、図１１Ｂはデジタルアロイ構造増倍層の場合、図１１Ｃは部分的に無秩序化したデジタルアロイ構造増倍層の場合、図１１Ｄは層厚の厚い電界緩和層とデジタルアロイ構造増倍層を組み合わせた場合のイオン化率をそれぞれ表す図である。
【図12】実施の形態３に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図13】実施の形態３に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図14】実施の形態４に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図15】実施の形態４に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図16】実施の形態５に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図17】実施の形態６に係る半導体受光素子の一例である裏面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図18】実施の形態７に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図19】実施の形態７に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図20】実施の形態８に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図21】実施の形態８に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図22】実施の形態９に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図23】実施の形態１０に係る半導体受光素子の一例である裏面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図24】実施の形態１１に係る半導体受光素子の一例である裏面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図25】実施の形態１２に係る５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置（ＯＬＴ）を表す構成図である。
【図26】実施の形態１２に係る５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置（ＯＮＵ）を表す構成図である。
【図27】比較例である５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置（ＯＬＴ）を表す構成図である。
【図28】実施の形態１２に係る５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置（ＯＬＴ）の構成を表す図である。
【図29】実施の形態１２に係る５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置（ＯＮＵ）の構成を表す図である。
【図30】実施の形態１３に係る多値強度変調送受信装置の構成を表す図である。
【図33】高光入力時のＡＰＤの動作を説明する図である。
【図34】増倍層を構成する材料ごとの電子及び正孔の滞留時間を表す図である。
【図35】実施の形態１４に係る光ファイバ無線システムの構成を表す図である。
【図36】比較例である光ファイバ無線システムの構成を表す図である。
【図37】実施の形態１５に係るデジタルコヒーレント受信装置の構成を表す図である。
【図39】実施の形態１６に係るＳＡＰＤセンサーシステムの構成を表す図である。
【図41】増倍層の構成ごとのクエンチング電界とガイガーモード電界の差を計算した図である。
【図42】実施の形態１７に係るライダー装置の構成を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【0037】
実施の形態１．
＜実施の形態１に係る半導体受光素子（ＰＤ）の特徴＞
実施の形態１に係る半導体受光素子の具体的な構造を説明する前に、先ず、実施の形態１に係る半導体受光素子の構造上の特徴であるデジタルアロイ構造光吸収層について、以下に説明する。なお、実施の形態１に係る半導体受光素子はＰＤであるが、実施の形態２以降に説明する半導体受光素子であるＡＰＤも含めて、両者をまとめて説明する。
＜実施の形態１に係る半導体受光素子（ＰＤ）の特徴＞
実施の形態１に係る半導体受光素子の具体的な構造を説明する前に、先ず、実施の形態１に係る半導体受光素子の構造上の特徴であるデジタルアロイ構造光吸収層について、以下に説明する。なお、実施の形態１に係る半導体受光素子はＰＤであるが、実施の形態２以降に説明する半導体受光素子であるＡＰＤも含めて、両者をまとめて説明する。
【0038】
発明者らは、２原子層のＩｎＡｓ層と２原子層のＡｌＡｓ層とを繰り返し積層したＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造（原子層超格子とも言われる。ＡＬＳＬ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｓｕｐｅｒ Ｌａｔｔｉｃｅ、非特許文献１）は、全体としてほぼ同じ組成比であるＩｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓからなるランダムアロイ構造よりも光吸収層の吸収係数が増加することを発見した。以下、Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓを、単にＩｎＡｌＡｓと表記する。
【0039】
図１に、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造及びＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造の光吸収スペクトルをそれぞれ示す。ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造はＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造に比べて、８５０ｎｍ付近の吸収端において吸収係数の立ち上がりが急峻である。
【0040】
また、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造は、８００ｎｍ付近及び６５０ｎｍ付近において吸収係数にピークがあり、吸収係数が１．５倍に高まることが分かった。一方、７２０ｎｍ付近では吸収係数の減少が見られる。これは、全体としてほぼ同じ組成比であってもＩｎＡｓ層／ＡｌＡｓ層の周期性に基づきバンド構造が変化し、光吸収係数の波長依存性にも周期性が生じたと考えられる。
【0041】
このように、ほぼ同じ組成であってもランダムアロイ構造をデジタルアロイ構造とすることによって、吸収係数を高めることが可能であることが分かった。発明者らは、この現象を利用し、光通信用のＰＤまたはＡＰＤのＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓランダムアロイ構造光吸収層にも、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造を適用することを考えた。以下、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓを、単にＩｎＧａＡｓと表記する。
【0042】
図２は、各構成材料の格子定数とＩｎＰを基準とした歪量の関係を表す図である。図２に示すように、ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造とＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造の組成比はほぼ同一であるのと同様に、ＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造はＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造と組成比はほぼ同一である。つまり、ＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造をＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造とすることで、吸収係数を大きくすることが可能であると考えられる。
【0043】
図３は、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造及びＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造の光吸収スペクトル上の効果を計算によって見積もった結果を示す図である。図３中のＡ線は、図１中のＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造の横軸の波長を、ＩｎＡｌＡｓ（Ｅｇ＝１．４６ｅＶ）とＩｎＧａＡｓ（Ｅｇ＝０．７６ｅＶ）のバンドギャップ比である１．９２倍（＝１．４６／０．７６）にしたものである。さらに、図３中のＡ線の縦軸の値、つまり吸収係数は、波長１．３μｍにおいて実測したＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造の吸収係数（１２７１６／ｃｍ）と、図３中のＡ線の１．３μｍにおける吸収係数の値が一致するように、０．３７倍としている。
【0044】
図３中のＢ線は、Ａ線と同様に、図１中のＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造の横軸の波長を１．９２倍とし、縦軸の吸収係数を０．３７倍としたものである。図３に示すように、Ｂ線はＡ線に対して、光通信で使われる１．３μｍ波長と１．５５μｍ波長では吸収係数の増加が期待できる。Ｂ線はＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造の吸収スペクトルの予想値を表していると考えると、光吸収層をデジタルアロイ構造とすることで受光感度の向上が見込まれる。
【0045】
図３に示すように、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造ではＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造に対して、１．５５μｍ波長では１．５倍の吸収係数の増加が見込まれる。吸収係数が１．５倍になると、式（１）から、同じ量子効率を得るのに必要な光吸収層の層厚が６７％（＝１／１．５）に低減されることになる。ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造の光吸収層の層厚が、ＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造の光吸収層の層厚の６７％となる場合、式（２）から、キャリアが光吸収層を走行する時間で決定される３ｄＢ帯域ｆｔｒは、１．５倍とすることが可能となる。つまり、ＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造の光吸収層を適用することにより、従来のＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造の光吸収層の場合に比べて、３ｄＢ帯域ｆｔｒが１．５倍に改善される。
【0046】
一方、光吸収層の層厚を１μｍに固定する場合は、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造とＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造とは同じｆｔｒとなる。しかしながら、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造とすることで、量子効率はＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造の４３％から５７％へと向上する。ここで、光吸収層の層厚は１μｍ、波長１．５５μｍでのＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造の吸収係数は、図３に示される５５７８／ｃｍ、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造の吸収係数は、同じく図３に示される８５３０／ｃｍの数値をそれぞれ用いた。
【0047】
以上のように、デジタルアロイ構造を光吸収層に適用することにより、応答帯域の広帯域化、及び高効率化、つまり高受光感度化が実現可能となる。
【0048】
＜実施の形態１に係る半導体受光素子（ＰＤ）の素子構造＞
図４は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。また、図５は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００ａの一例である端面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。
図４は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。また、図５は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００ａの一例である端面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。
【0049】
実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例である表面入射型ＰＤは、ｎ型ＩｎＰ基板１と、ｎ型ＩｎＰ基板１上に順次形成された、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～１．０μｍであるｎ型ＩｎＰバッファ層２と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が０．１～１．０μｍであるｉ型ＩｎＰ電子走行層３と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５～５０ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓグレーディッド層４と、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～２０００ｎｍである、ｉ型ＩｎＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とｉ型ＧａＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とを交互に複数回積層したデジタルアロイ構造からなる光吸収層（以下、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５と呼ぶ。）と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５～５０ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以上であり層厚が０．１～３．０μｍであるｐ型ＩｎＰ窓層７と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８と、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に形成されたｎ型電極３１と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８上に形成されたｐ型電極３２と、で構成される。
【0050】
ｐ型ＩｎＰ窓層７の代りに、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ窓層としても良い。なお、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を、ｎ型半導体層とも呼ぶ。
【0051】
図５に示す実施の形態１に係る半導体受光素子１１０は、半導体受光素子１００と同様の層構成を有するが、さらに、少なくとも入射光９０が入射する端面には、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ埋込層２０が形成されている。
【0052】
ｎ型ＩｎＰバッファ層２のｎ型ドーパントとしては、シリコン（Ｓｉ）が最適である。ｎ型ＩｎＰバッファ層２からｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５にｎ型不純物が拡散してデジタルアロイ構造が無秩序化（ディスオーダ）することを避けるためである。ここで、無秩序化とは、デジタルアロイ構造の各層の組成が交じり合い、平均組成のランダムアロイ構造となってしまう現象を指す。
【0053】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５は、上述のように、ＩｎＡｓ層（層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とＧａＡｓ層（層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）の順番で交互に積層した半導体層で構成されることとした。しかしながら、ＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層の層厚が、それぞれ２原子層以上６原子層以下の範囲であれば良い。６原子層以下としたのは、ＩｎＡｓ層とＧａＡｓ層の積層構造が量子井戸構造として機能しないことが望ましいからである。つまり、デジタルアロイ構造は、異なる半導体材料でそれぞれ構成された２種類の半導体層を、２原子層から６原子層の周期でそれぞれ交互に積層されている。
【0054】
さらに、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の各層の原子層数は、２原子層以上４原子層以下が好適であり、２原子層が最適である。この理由は、各層の原子層厚が薄いほどデジタルアロイ構造によるイオン化率比ｋの低減効果が大きくなるためである。また、半導体受光素子としての性能だけでなく、生産性も考慮した場合は分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）による結晶成長の際にシャッター切り替え回数が少なくなる４～６原子層の層厚も好適である。以上の各要因を鑑みると、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の各層の原子層数は、２～６原子層周期が好適な範囲であると言える。また、同様に生産性の観点から、光吸収層の全てをＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造としなくとも、光吸収層の一部をＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造とし、残部をＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造としても良い。
【0055】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の層厚は５０～２０００ｎｍの範囲内である。例えば、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の層厚を５００ｎｍとすると、ＩｎＡｓ層（２原子層）／ＧａＡｓ層（２原子層）の繰り返しは４１７回となる。
【0056】
ｎ型ＩｎＰバッファ層２を構成するＩｎＰとの親和性を考慮して、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の最初のＧａＡｓ層のみ、層厚を３原子層以上に厚くすることが好適である。あるいは、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５を、ＩｎＡｓ層、ＧａＡｓ層の順で交互に形成して積層しても良い。
【0057】
ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層の導電型はｉ型であり、キャリア濃度は１×１０17ｃｍ-3以下が一例として挙げられる。しかしながら、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層の導電型として、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であるｐ型またはｎ型であっても良い。
【0058】
ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造で構成された光吸収層以外にも、各構成材料の格子定数とＩｎＰを基準とした歪量の関係を表す図２に挙げる、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ａｓ（層厚が２～６原子層、Ａｌ組成比Ｘ）とＩｎＡｌｙＧａ（１－ｙ）Ａｓ（層厚が２～６原子層、Ａｌ組成比Ｙ）を交互に積層したＩｎＡｌＧａＡｓデジタルアロイ構造も同様に本開示の光吸収層として適用が可能である。さらに、アンチモン（Ｓｂ）を加えた材料系であるＩｎＡｌＡｓＳｂからなるデジタルアロイ構造でも、本開示の半導体受光素子の光吸収層として適用が可能である。
【0059】
ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓグレーディッド層４及びｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６は、ＩｎＡｌＧａＡｓの組成を変えてバンドギャップを徐々に変化させた層であり、層厚はそれぞれ５～５０ｎｍの範囲内である。ＩｎＡｌＧａＡｓの組成はステップ状に変化させても良く、バンドギャップはＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓ層の中間的な大きさである。キャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3以下であり、キャリア濃度が低ければｐ型またはｎ型でも良い。なお、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓグレーディッド層４及びｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６は必ずしも必要ではなく、省略しても良い。
【0060】
図４に示す半導体受光素子１００の素子構造の一例では、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５上に、ｉ型で組成の異なる２種類のＩｎＡｌＧａＡｓ層を複数回、交互に積層することにより、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６を形成している。
【0061】
＜実施の形態１に係る半導体受光素子の製造方法＞
実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例である表面入射型ＰＤは、ｎ型ＩｎＰ基板１上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）またはＭＢＥなどを用いて実現できる。実施の形態１に係る半導体受光素子１００の製造方法を、以下に説明する。
実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例である表面入射型ＰＤは、ｎ型ＩｎＰ基板１上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）またはＭＢＥなどを用いて実現できる。実施の形態１に係る半導体受光素子１００の製造方法を、以下に説明する。
【0062】
ＭＯＶＰＥ法またはＭＢＥ法を用いて、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～１μｍであるｎ型ＩｎＰバッファ層２を結晶成長する。
【0063】
ｎ型ＩｎＰバッファ層２上に、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が０．１～１μｍであるｉ型ＩｎＰ電子走行層３を結晶成長する。
【0064】
ｉ型ＩｎＰ電子走行層３上に、層厚が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であるｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓグレーディッド層４を結晶成長する。
【0065】
ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓグレーディッド層４上に、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～２０００ｎｍである、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５を結晶成長する。つまり、ｎ型ＩｎＰバッファ層２上からＧａＡｓ層（層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とＩｎＡｓ層（層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）の順番で交互に結晶成長することにより、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５を形成する。
【0066】
さらに、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５～５０ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以上であり層厚が０．１～３．０μｍであるｐ型ＩｎＰ窓層７、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８を、順次結晶成長する。
【0067】
結晶成長の終了後、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８の表面にｐ型電極３２を、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にｎ型電極３１をそれぞれ形成する。ＰＤのｐ型電極３２は、金属材料としてＴｉ及びＡｕが使用されている。なお、ＰＤは逆方向に電圧を印加し、動作電圧は０Ｖ～１０Ｖである。
【0068】
図１に示す表面入射型ＰＤの場合は、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５に対して垂直方向から入射光９０が入射する。ＰＤの受光部が円形の場合の直径、またはＰＤの受光部が矩形の場合の長辺の大きさは５μｍ～１ｍｍの範囲内である。ＰＤの入射面には無反射コーティング（図示せず）を施している。
【0069】
図５に示す端面入射型ＰＤの場合は、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５に対して平行方向から入射光９０が入射する。信頼性の観点から、端面部分は、絶縁膜、有機膜、または半導体層で覆う。図５に示す端面入射型ＰＤでは、端面にＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ埋込層２０が形成されている。Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ埋込層２０の層厚は、入射方向に対して１００ｎｍ～５μｍの範囲内である。
【0070】
【0071】
図３のＡ線はＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造光吸収層、Ｂ線はＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層をそれぞれ表している。図３によると、１．３μｍにおける吸収係数は、Ａ線では１２７１６／ｃｍ、Ｂ線では１６１０８／ｃｍである。１．５５μｍにおける吸収係数は、Ａ線では５５７８／ｃｍ、Ｂ線では８５３０／ｃｍである。
【0072】
ＰＤ及びＡＰＤの光吸収層としてＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を適用すると、２５Ｇ以上の高速ＰＤ及びＡＰＤの場合に、特に改善効果が顕著となる。表面入射型ＰＤ及びＡＰＤでは、光吸収層の層厚の最適値は５００～１０００ｎｍとなる。光吸収層の層厚が５００～１０００ｎｍの場合の受光感度は、ＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造光吸収層では１．３μｍ波長帯では０．４９Ａ／Ｗ（量子効率４７％）～０．７５Ａ／Ｗ（量子効率７２％）である。一方、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層の場合は、０．５８Ａ／Ｗ（量子効率５５％）～０．８４Ａ／Ｗ（量子効率８０％）となり、顕著な改善効果が見込まれる。
【0073】
さらに、１．５５μｍ波長帯の場合、ＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造光吸収層では、０．３０Ａ／Ｗ（量子効率２４％）～０．５３Ａ／Ｗ（量子効率４３％）であるのに対して、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層の場合は、０．４３Ａ／Ｗ（量子効率３５％）～０．７２Ａ／Ｗ（量子効率５７％）となり、１．３μｍ帯よりもさらに大きな改善効果が見込まれる。
【0074】
２５Ｇ以上の端面入射型の高速ＰＤ及びＡＰＤの場合は、光吸収層の層厚の最適値は２００～５００ｎｍとなる。端面入射型の高速ＰＤ及びＡＰＤの場合は、吸収係数が増加すれば導波路長を短くできるので、ｐｎ接合容量を小さくすることが可能となる。たとえば、１．５５μｍ波長帯の場合、吸収係数に関しては、ＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造光吸収層と比べてＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層の吸収係数の方が約１．５倍大きいため、導波路長は約１．５分の１の長さで同じ受光感度が得られ、この結果、ｐｎ接合容量は約１．５分の１に低減できる。ｐｎ接合容量が減少すると、応答帯域の広帯域化が可能となる。
【0075】
以上に説明したように、ＰＤ及びＡＰＤの光吸収層としてＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を適用することにより、ＰＤ及びＡＰＤの高感度化及び応答帯域の広帯域化が可能となる。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域の用途においても十分な受信感度を有するＰＤ及びＡＰＤを得ることが可能である。
【0076】
本開示のＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層では、ＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層の各層を２～６原子層（０．６～１．８ｎｍ）という極めて薄い層厚で交互に繰り返す積層構造としているため、ＩｎＡｓ層とＧａＡｓ層との間で量子井戸構造は形成されないので、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造のバンドギャップ自体はＩｎＧａＡｓとほぼ同等である。
【0077】
たとえば、ＩｎＡｓ層の層厚を数ｎｍ以上とすると、ＩｎＡｓのバンドギャップ波長に近い波長３μｍが吸収端となるため、物性的に異なるものになる。特許文献１では、ＡｌＧａＡｓＳｂワイドギャップ層（層厚は約０．１μｍ）と（ＩｎＡｓ）ｍ／（ＧａＡｓ）ｍよりなる短周期（ｍ＝１～２）超格子ナローギャップ層（層厚は約０．１μｍ）との積層構造を光吸収層とする例が開示されている。しかしながら、光吸収層の積層面の左右方向にｐ層及びｎ層が配置され、電子のみが（ＩｎＡｓ）ｍ／（ＧａＡｓ）ｍ層を走行する構造となっていて、増倍層としても機能する。
【0078】
特許文献１のように、光吸収層の積層面の左右方向にｐ層及びｎ層を配置する場合は、両者の間隔が広くなるため電界が弱くなり、電子及び正孔が別々の層を走行する仕組みであるため、電界分布が発生し、高光入力時に非線形動作を生じやすいという問題がある。また、光吸収層の積層面の上下方向に電流を流そうとしてもワイドギャップ層に挟まれているため、電流は流れないという問題もある。
【0079】
一方、本開示によるＰＤ及びＡＰＤでは、光吸収層の積層面の上下方向にｐ層及びｎ層が配置されているので、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造中を、電子及び正孔が同一層内をそれぞれ上下逆方向に短い距離で走行する構造となっているため、線形動作が確保できる。
【0080】
特許文献２では、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓの積層構造が示されている。また、ＩｎＧａＡｓ層が層厚１０ｎｍの量子井戸（ウエル）を形成し、熱処理によってディスオーダを生じさせてＩｎＧａＡｓウエルで決定されるバンドギャップ波長を変化させることが記載されている。
【0081】
一方、本開示の半導体受光素子では、ＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層の各層が２～６原子層の薄膜で構成されているため、ＩｎＧａＡｓ層としてウエルを形成しない。また、バンドギャップ波長はＡｌ及びＧａが同じ割合であるＩｎＡｌＧａＡｓと同一であるので、熱処理を加えてもバンドギャップ波長は変化しない。
【0082】
特許文献３では、同様にウエルとして機能するＩｎＧａＡｓ層の層厚を、５．５ｎｍから８ｎｍに変化させることで、バンドギャップ波長を変化させる例が示されている。一方、本開示の半導体受光素子では、ＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層の各層が２～６原子層（０．６～１．８ｎｍ）の薄膜であるため、ＩｎＧａＡｓ層としてウエルを形成しないので、バンドギャップ波長は変化しない。
【0083】
光吸収層を構成する層が量子井戸構造を形成すると、量子準位に対応する波長では吸収係数が増加するが、量子準位に対応する波長の前後の波長では吸収係数が著しく低下する。また、量子井戸構造の形成によりバンドギャップ波長も短くなるため、長い波長での吸収係数が低下する。さらに、吸収係数の偏波依存性が発生し、電子及び正孔がウエルから排出されにくくなる。したがって、本開示の半導体受光素子のように、数原子層の層厚に設定して、量子井戸構造を形成しないことが重要である。
【0084】
＜実施の形態１の効果＞
以上、実施の形態１に係る半導体受光素子によると、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を設けたので、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態１に係る半導体受光素子によると、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を設けたので、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0085】
実施の形態２．
＜実施の形態２に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の素子構造＞
図６は、実施の形態２に係る半導体受光素子１１０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。また、図７は、実施の形態２に係る半導体受光素子１１０ａの一例である端面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
＜実施の形態２に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の素子構造＞
図６は、実施の形態２に係る半導体受光素子１１０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。また、図７は、実施の形態２に係る半導体受光素子１１０ａの一例である端面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【0086】
実施の形態２に係る半導体受光素子１１０は、ｎ型ＩｎＰ基板１と、ｎ型ＩｎＰ基板１上に順次形成された、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～１．０μｍであるｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２ａと、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～５００ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１３と、キャリア濃度が１×１０16～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が１０～７０ｎｍであるｐ型ＩｎＰ電界緩和層１４と、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～２０００ｎｍである、ｉ型ＩｎＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とｉ型ＧａＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とを交互に複数回積層したｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５～５０ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以上であり層厚が０．１～３．０μｍであるｐ型ＩｎＰ窓層７と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８と、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に形成されたｎ型電極３１と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８上に形成されたｐ型電極３２と、で構成される。
【0087】
ｐ型ＩｎＰ窓層７の代りに、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ窓層としても良い。なお、ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２ａを、ｎ型半導体層とも呼ぶ。
【0088】
図７に示す実施の形態２に係る半導体受光素子１１０ａは、半導体受光素子１１０と同様の層構成を有するが、さらに、少なくとも入射光９０が入射する端面には、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ埋込層２０が形成されている。
【0089】
ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２ａのｎ型ドーパントとしては、シリコン（Ｓｉ）が最適である。ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２ａはランダムアロイ構造とデジタルアロイ構造のどちらでも良い。
【0090】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５は、上述のように、ＩｎＡｓ層（層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とＧａＡｓ層（層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）の順番で交互に積層した半導体層で構成されることとした。しかしながら、ＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層の層厚が、それぞれ２原子層以上６原子層以下の範囲であれば良い。６原子層以下としたのは、ＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層の積層構造が量子井戸構造として機能しないことが望ましいからである。
【0091】
さらに、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の各層の原子層数は、２原子層以上４原子層以下が好適であり、２原子層が最適である。この理由は、各層の原子層厚が薄いほどデジタルアロイ構造によるイオン化率比ｋの低減効果が大きくなるためである。また、半導体受光素子としての性能だけでなく、生産性も考慮した場合はＭＢＥによる結晶成長の際にシャッター切り替え回数が少なくなる４～６原子層の層厚も好適である。以上の各要因を鑑みると、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の各層の原子層数は、２～６原子層周期が好適な範囲であると言える。
【0092】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の層厚は５０ｎｍ～２０００ｎｍの範囲内である。例えば、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の層厚を５００ｎｍとすると、ＩｎＡｓ層（２原子層）／ＧａＡｓ層（２原子層）の繰り返しは４１７回となる。
【0093】
ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２ａを構成するＩｎＡｌＡｓとの親和性を考慮して、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の最初のＧａＡｓ層のみ、層厚を３原子層以上に厚くすることが好適である。あるいは、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５を、ＩｎＡｓ層、ＧａＡｓ層の順で交互に形成して積層しても良い。
【0094】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の導電型はｉ型であり、キャリア濃度は１×１０17ｃｍ-3以下が一例として挙げられる。しかしながら、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の導電型として、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であるｐ型またはｎ型であっても良い。
【0095】
ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造で構成された光吸収層以外にも、各構成材料の格子定数とＩｎＰを基準とした歪量の関係を表す図２に挙げる、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ａｓ（層厚が２～６原子層、Ａｌ組成比Ｘ）とＩｎＡｌｙＧａ（１－ｙ）Ａｓ（層厚が２～６原子層、Ａｌ組成比Ｙ）を交互に積層したＩｎＡｌＧａＡｓデジタルアロイ構造も同様に本開示の光吸収層として適用が可能である。さらに、アンチモン（Ｓｂ）を加えた材料系であるＩｎＡｌＡｓＳｂからなるデジタルアロイ構造でも本開示の半導体受光素子の光吸収層として適用が可能である。
【0096】
ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６は、ＩｎＡｌＧａＡｓの組成を変えてバンドギャップを徐々に変化させた層であり、層厚はそれぞれ５～５０ｎｍの範囲内である。ＩｎＡｌＧａＡｓの組成はステップ状に変化させても良く、バンドギャップはＩｎＰ層とＩｎＧａＡｓ層の中間的な大きさである。キャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3以下であり、キャリア濃度が低ければｐ型またはｎ型でも良い。なお、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６は、必ずしも必要ではなく、省略しても良い。
【0097】
ｐ型ＩｎＰ電界緩和層１４とｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５との間に、ＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰなどの中間のバンドギャップを有する層厚が０．１μｍ以下の層を設けても良い。ヘテロ接合界面での電子及び正孔の蓄積を防止することが可能であるからである。
【0098】
図６に示す半導体受光素子１１０の素子構造の一例では、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５上に、ｉ型で組成の異なる２種類のＩｎＡｌＧａＡｓ層を複数回、交互に積層することにより、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６を形成している。
【0099】
実施の形態２に係る半導体受光素子の一例であるＡＰＤのｐ型電極３２には、Ｔｉ及びＡｕが使用されている。ＡＰＤは逆方向に電圧を印加し、動作電圧は１０Ｖ～１００Ｖである。ＡＰＤ動作時のｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１３の電界は５００ｋＶ／ｃｍ～９００ｋＶ／ｃｍである。また、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の電界は３００ｋＶ／ｃｍ以下に設定している。増倍率は３～３０で使用するが、ガイガーモードで動作する場合は１００以上となる。
【0100】
＜実施の形態２に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用＞
実施の形態２に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）への作用について説明する。
実施の形態２に係るＡＰＤは、実施の形態１に係るＰＤと同様、ＡＰＤの光吸収層としてＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を用いることにより、ＡＰＤの高感度化及び広帯域化が可能となる。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の広い応答帯域の用途においても十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能である。
実施の形態２に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）への作用について説明する。
実施の形態２に係るＡＰＤは、実施の形態１に係るＰＤと同様、ＡＰＤの光吸収層としてＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を用いることにより、ＡＰＤの高感度化及び広帯域化が可能となる。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の広い応答帯域の用途においても十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能である。
【0101】
＜実施の形態２の効果＞
以上、実施の形態２に係る半導体受光素子によると、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を設けたので、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態２に係る半導体受光素子によると、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を設けたので、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0102】
実施の形態２の変形例．
＜実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子の具体的な構造を説明する前に、先ず、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子の構造上の特徴であるデジタルアロイ構造増倍層について、以下に説明する。
＜実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子の具体的な構造を説明する前に、先ず、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子の構造上の特徴であるデジタルアロイ構造増倍層について、以下に説明する。
【0103】
３７．５ＧＨｚ以上の広帯域のＡＰＤを実現できれば、ＤＳＰ及びＳＯＡを用いなくても、次世代の高速ＰＯＮシステムが実現できる。応答帯域の広帯域化が比較的容易なＰＤの場合、応答帯域は、
（１）ＲＣ時定数（Ｒは素子抵抗、Ｃは素子容量）
（２）キャリアの走行時間（空乏層内を電子または正孔が走行する時間）
によって制限される。ＡＰＤではさらに、
（３）増倍時間（増倍層内で電子及び正孔が連鎖的に増倍する時間、増倍率に比例して増加）によっても制限される。
（１）ＲＣ時定数（Ｒは素子抵抗、Ｃは素子容量）
（２）キャリアの走行時間（空乏層内を電子または正孔が走行する時間）
によって制限される。ＡＰＤではさらに、
（３）増倍時間（増倍層内で電子及び正孔が連鎖的に増倍する時間、増倍率に比例して増加）によっても制限される。
【0104】
ＰＤでは上述の３７．５ＧＨｚの帯域を実現できるが、ＡＰＤでは増倍時間が必要なために、増倍率を高くすると所望の帯域実現が困難となる。増倍時間ＴＭは、下記の式（３）～（５）で表される。
増倍時間ＴＭ＝増倍率Ｍ／ＧＢ積 （３）
ＧＢ積＝１／（２πＮｋτａｖ） （４）
つまり、
増倍時間ＴＭ＝２πＮｋＭτａｖ （５）
となる。
増倍時間ＴＭ＝増倍率Ｍ／ＧＢ積 （３）
ＧＢ積＝１／（２πＮｋτａｖ） （４）
つまり、
増倍時間ＴＭ＝２πＮｋＭτａｖ （５）
となる。
【0105】
ここで、ＧＢ積は増倍率と応答帯域の積、ｋはイオン化率比、Ｎはイオン化率比ｋにゆるやかに依存する係数、τａｖは電子及び正孔が増倍層を走行する平均時間である。したがって、イオン化率比ｋを小さくすることにより、増倍時間ＴＭを短縮することが可能である。特に、高速ＰＯＮシステムを実現するためには、増倍時間ＴＭがゼロに近づくようにすること、つまり、イオン化率比ｋをゼロに近づける必要がある。
【0106】
イオン化率比ｋをゼロとするべく、増倍層の材料として種々の化合物半導体が提案されている。また、イオン化率比ｋを低減するために、組成の異なる半導体層を１～６原子層の周期で交互に繰り返し積層したデジタルアロイ構造が提案されているものの、デジタルアロイ構造においても構造を最適化しない限り、イオン化率比ｋをゼロとすることは困難であった。なお、デジタルアロイ構造については、非特許文献１に記載されている。
【0107】
そこで、発明者らは、デジタルアロイ構造のイオン化率比ｋを低減すべく、２原子層のＩｎＡｓ層と２原子層のＡｌＡｓ層を交互に繰り返し積層した増倍層を用いたデジタルアロイ構造増倍層を有するＡＰＤを作製し、増倍特性を解析した結果、キャリアが増倍層を走行してイオン化するまでの距離が、通常のバルク結晶からなるＩｎＡｌＡｓ、つまりＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層を有するＡＰＤよりも長いことを発見した。なお、キャリアが増倍層を走行してイオン化するまでの距離は、デッドスペースと呼ばれる。
【0108】
デッドスペースの長さ（以下、デッドスペース長と呼ぶ。）は、電子に比べて正孔の方が長いため、通常のバルク結晶からなるＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造の場合は、増倍層の層厚を数１０ｎｍのレベルまで薄層化していくと、正孔がイオン化できないためイオン化率比ｋは低下する。しかしながら、増倍層の層厚を数１０ｎｍのレベルまで薄層化した場合に、所望の増倍率を得るためには、増倍層により高い電界を印加する必要があるため、トンネル電流などのリーク電流が増加するという新たな問題が発生する。つまり、トンネル電流が増加すると、ＡＰＤで発生する雑音が増大してしまう。一方、発明者らの解析では、デジタルアロイ構造では、ランダムアロイ構造に比べて特異にデッドスペースが大きいため、層厚が１００ｎｍ以上の増倍層であっても、イオン化率比ｋ＝０となることを発見した。
【0109】
つまり、ＡＰＤの増倍層をデジタルアロイ構造で構成することにより、トンネル電流を抑制しつつイオン化率比ｋ＝０とすることが可能であることを、発明者らは初めて見出した。具体的には、本開示のデジタルアロイ構造からなる増倍層では、１７０ｎｍ以下の層厚でイオン化率比ｋが急激に低下し、特に、増倍層の層厚が６０以上１３０ｎｍ以下の範囲でデッドスペース効果が劇的に良くなることを見出した。つまり、ランダムアロイ構造からなる増倍層または層厚の厚いデジタルアロイ構造からなる増倍層では実現が不可能であったイオン化率比ｋ＝０を、本開示のデジタルアロイ構造からなる増倍層を適用することにより、実現できることを発明者らは実証した。デジタルアロイ構造増倍層を有するＡＰＤの増倍層の薄層化が、従来材料によるＡＰＤの増倍層の薄層化よりもイオン化率比ｋの低減効果が高いことは、現時点で、いずれの研究機関からも報告されていない。
【0110】
実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤ、及び他の一例である端面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態２に係る半導体受光素子のｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１３、つまりランダムアロイ構造のｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層を、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。
実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態２に係る半導体受光素子のｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１３、つまりランダムアロイ構造のｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層を、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。
【0111】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の構造の一例として、ｉ型ＡｌＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）と、ｉ型ＩｎＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とを交互に複数回積層したデジタルアロイ構造が挙げられる。
【0112】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層厚は、４０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内である。しかしながら、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層におけるデッドスペース効果を増大させるために、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層厚を、４０ｎｍ以上１７０ｎｍ以下の範囲としても良い。さらに、半導体受光素子１００の作製時の層厚の典型的なばらつきの度合いである２０％を考慮すると、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層厚は、５０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下の範囲がより好適である。
【0113】
＜実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用＞
実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子の一例であるＡＰＤの作用について、以下に説明する。
実施の形態２の変形例に係るＡＰＤのように、デジタルアロイ構造増倍層を用いると、デッドスペース効果、つまりイオン化率比ｋの低減効果が強化されることを、発明者らは見出した。図８は、ＩｎＡｌＡｓ増倍層における電子のデッドスペースの電界依存性を表す図である。発明者らは、デジタルアロイ構造増倍層における電子の増倍特性を解析した結果、図８のグラフに示すように、従来のＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層よりも、本開示のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の方が、デッドスペースが長くなることを明らかにした。
実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子の一例であるＡＰＤの作用について、以下に説明する。
実施の形態２の変形例に係るＡＰＤのように、デジタルアロイ構造増倍層を用いると、デッドスペース効果、つまりイオン化率比ｋの低減効果が強化されることを、発明者らは見出した。図８は、ＩｎＡｌＡｓ増倍層における電子のデッドスペースの電界依存性を表す図である。発明者らは、デジタルアロイ構造増倍層における電子の増倍特性を解析した結果、図８のグラフに示すように、従来のＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層よりも、本開示のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の方が、デッドスペースが長くなることを明らかにした。
【0114】
図９Ａから図９Ｃは電子及び正孔のイオン化率をそれぞれ表す図であり、図９Ａは電子のイオン化の場合、図９Ｂは正孔のイオン化の場合、図９Ｃは増倍層を薄層化した場合のイオン化率をそれぞれ表す図である。従来のＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層では、図８のグラフに示すように、デッドスペース長は約４５ｎｍであるため、増倍層の層厚はデッドスペースの約１．５倍（約７０ｎｍ）まで薄層化する必要がある。しかしながら、増倍層を７０ｎｍまで薄層化すると増倍層の電界が高くなり、トンネル電流の急激な増加にともない雑音が増加して、良好な受信感度のＡＰＤを得ることは困難である。
【0115】
一方、実施の形態２の変形例に係るＡＰＤのＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層では、図８のグラフに示すように、印加電界の逆数が１．４７×１０-6ｃｍ／Ｖである場合は、デッドスペース長は約８５ｎｍであるため、増倍層の層厚はデッドスペースの約１．５倍（約１３０ｎｍ）の層厚であってもイオン化率比ｋをゼロに近づけることが可能であることから、実施の形態２の変形例に係るＡＰＤではトンネル電流の影響は小さい。
【0116】
また、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層では、デッドスペースの印加電界依存性が大きい。たとえば、印加電界の逆数が１．２７×１０-6ｃｍ／Ｖの場合は、図８のグラフに示すように、デッドスペース長は約５０ｎｍであるため、増倍層を７５ｎｍまで薄層化する必要がある。つまり、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層厚は、ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層の層厚よりも厚くすることが可能である。
【0117】
図１０は、イオン化率比及びトンネル電流の増倍層の層厚依存性を表す図である。発明者らは、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層とＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層を有するＡＰＤをそれぞれ作製してイオン化率比ｋを測定し、さらに、図１０中に記載した文献１及び２の測定結果と合わせて図１０中にプロットした。なお、図１０中の文献１及び２は、下記のとおりである。
【0118】
（１）文献１
Ｙｕａｎ Ｙｕａｎ，ｅｔ ａｌ “Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ＩｎＡｌＡｓ ａｎｄ ＡｌＧａＡｓ ｄｉｇｉｔａｌ ａｌｌｏｙｓ”ｐｐ．７９４，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．８／Ａｕｇｕｓｔ ２０１８／Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
（２）文献２
Ｗｅｎｙａｎｇ Ｗａｎｇ，ｅｔ ａｌ “Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｉｎ ＩｎＡｌＡｓ ｄｉｇｉｔａｌ ａｌｌｏｙ ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ” ｐｐ．３８４１，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．１６／１５ Ａｕｇｕｓｔ ２０２１／Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ
Ｙｕａｎ Ｙｕａｎ，ｅｔ ａｌ “Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ＩｎＡｌＡｓ ａｎｄ ＡｌＧａＡｓ ｄｉｇｉｔａｌ ａｌｌｏｙｓ”ｐｐ．７９４，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．８／Ａｕｇｕｓｔ ２０１８／Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
（２）文献２
Ｗｅｎｙａｎｇ Ｗａｎｇ，ｅｔ ａｌ “Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｉｎ ＩｎＡｌＡｓ ｄｉｇｉｔａｌ ａｌｌｏｙ ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ” ｐｐ．３８４１，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．１６／１５ Ａｕｇｕｓｔ ２０２１／Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ
【0119】
図１０に示すように、ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層では、増倍層の層厚を８０ｎｍ以下にしないとデッドスペースによるイオン化率比ｋの低減効果が発現しない。一方、増倍層の層厚を８０ｎｍよりも薄層化すると、トンネル電流が急激に増加してトンネルブレークダウンが発生してしまう。増倍層の層厚が６０ｎｍ付近で、イオン化率比ｋの低減とトンネル電流の制限がかろうじて両立するが、層厚のマージンは数ｎｍほどしかなく、安定してＡＰＤを製造することは極めて困難である。また、イオン化率比ｋも０．１２と大きい。つまり、従来のＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層では、薄層化によるイオン化率比ｋの低減効果をＡＰＤに適用することは困難である。
【0120】
一方、本開示のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層では、発明者らが発見したようにデッドスペースが大きいために、図１０に示すように、増倍層を薄層化していくと１７０ｎｍの層厚からイオン化率比ｋが０．１以下へ低下を始める。ここで、イオン化率比ｋは増倍雑音の測定値から求められ、増倍率１～１０の範囲でのイオン化率比の最小値である。イオン化率比ｋが同じ場合は、ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層の場合と比べて、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層厚は２倍以上となる。
【0121】
図１０のグラフに示すように、ｐｎ接合径が２０μｍのＡＰＤにおいて、トンネル電流が１μＡとなる増倍層の層厚として４０ｎｍを下限とすると、４０ｎｍ以上１７０ｎｍ以下の範囲の層厚がＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の場合の最適な範囲となるが、かかる範囲内の層厚は十分に再現性良く作製可能である。
【0122】
デッドスペース効果によりイオン化率比ｋの低減効果が十分に得られるＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層厚は、印加電界の逆数が１．４７×１０-6ｃｍ／Ｖである場合、デッドスペース長の約２倍と考えられるため、図１０に示すように、デッドスペース長が８５ｎｍであることを鑑みると、デッドスペース長の２倍である１７０ｎｍがＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層厚の上限として好適な値である。
【0123】
また、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層においてイオン化率比ｋを０．０５以下に制御するためには、図８のグラフより、増倍層の層厚は１５０ｎｍ以下が好適である。さらに、トンネル電流が１μＡ以下で、かつイオン化率比ｋがほぼゼロを満たすためには、増倍層の層厚として、６０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下の範囲が最適である。ＡＰＤの作製時のマージンを１０ｎｍとする場合は、増倍層の層厚は７０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下の範囲に設定すると好適である。
【0124】
また、デッドスペースの長さとしては、図８より５０ｎｍ～９０ｎｍが好適である。増倍層の層厚に対するデッドスペースの長さの比率は、デッドスペース長の最小値５０ｎｍを増倍層の層厚の最大値１７０ｎｍで割った値、つまり２９％以上が好適である。割合が増加するほどイオン化率比ｋが小さくなるが、１００％を超えることはできない。イオン化率比ｋが１００％を超えると増倍が生じなくなるためである。したがって、増倍層の層厚に対するデッドスペースの長さの比率は、２９％以上１００％未満が原理的に好適である。さらに、今回の試作では増倍層厚が１２０ｎｍであったので、４２％（＝５０ｎｍ／１２０ｎｍ）から７５％（＝９０ｎｍ／１２０ｎｍ）が実験的に確かめられた最適範囲である。
【0125】
発明者らは、従来のＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層ではイオン化率比ｋ＝０が達成できなかったが、本開示のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層においてイオン化率比ｋ＝０を達成できた理由を考察した。
【0126】
電子のデッドスペース長をＤｅと、ホールのデッドスペース長をＤｈとすると、イオン化率比ｋ＝０を達成できる条件は、以下の式（６）及び式（７）で表される。なお、式（６）がデッドスペース長の差の条件を表し、式（７）がトンネル電流の条件を表している。
Ｄｈｅ＝Ｄｈ―Ｄｅ＞０ （６）
Ｄｈ＞Ｔｍｉｎ （７）
Ｄｈｅ＝Ｄｈ―Ｄｅ＞０ （６）
Ｄｈ＞Ｔｍｉｎ （７）
【0127】
ここで、Ｄｈｅはホールと電子のデッドスペース長の差である。Ｔｍｉｎは、トンネル電流が雑音に影響しないレベルまで十分に小さくなる増倍層の最小層厚であり、増倍層を厚くしていくほどトンネル電流は低減する。デッドスペース長の差の条件は、図９Ｃに示すように、増倍層の層厚が正孔のデッドスペース長以下になると、正孔が増倍しなくなりイオン化率比ｋ＝０となることから、上述の式（７）のように設定されている。
【0128】
ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層の場合は、図８及び図１０から、増倍層を薄層化していくとイオン化率比ｋが低下し始める値は、Ｄｅは約４０ｎｍ、Ｄｈは約８０ｎｍである。ｐｎ接合径が直径２０μｍでありトンネル電流を１００ｎＡ以下とする場合は最小層厚Ｔｍｉｎ＝９０ｎｍであることから、ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造はトンネル電流の条件を満たさないので、イオン化率比ｋ＝０を達成することは不可能である。
【0129】
一方、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の場合は、増倍層を薄層化していくとイオン化率比ｋが低下し始める値は、Ｄｅは約８０ｎｍ、Ｄｈは約１７０ｎｍであり、ｐｎ接合径が直径２０μｍでトンネル電流を１００ｎＡ以下とする場合は最小層厚Ｔｍｉｎ＝９０ｎｍであるため、イオン化率比ｋ＝０の条件を満たす増倍層の層厚が存在する。なお、最小層厚Ｔｍｉｎについては、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層とＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層では、両者のバンドギャップが変わらないため同じ値となる。
【0130】
具体的には、ランダムアロイ構造の場合は、Ｄｅは約４０ｎｍ、Ｄｈは約８０ｎｍである。これに対してデジタルアロイ構造の場合は、Ｄｅは約８０ｎｍ、Ｄｈは約１７０ｎｍであることを発明者らは見出した。
【0131】
ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層では、超格子を構成するＩｎＡｓ（格子定数＝０．６０６ｎｍ）とＡｌＡｓ（格子定数＝０．５６６ｎｍ）との間の格子定数の差が６．５５％と非常に大きい。このため、作製プロセスの途中で電界緩和層のドーパント、つまり不純物がＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層内に拡散し、増倍層内において無秩序化が発生する可能性がある。
【0132】
図１１Ａから図１１Ｄは、増倍層及び電界緩和層におけるイオン化率を表す図であり、図１１ＡはＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層の場合、図１１ＢはＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の場合、図１１Ｃは部分的に無秩序化したＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の場合、図１１Ｄは層厚の厚い電界緩和層とＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を組み合わせた場合のイオン化率をそれぞれ表す図である。図１１Ａに示すＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層に比べて、図１１Ｂに示すＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層のデッドスペース長は長いが、電界緩和層からのドーパント拡散により、部分的に無秩序化したＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層では、図１１Ｃに示すように、デッドスペース長が短くなってしまう。
【0133】
ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層が無秩序化の影響を避けるためには、電界緩和層の材料及びドーパントの選定とドーピング濃度が重要となる。不純物拡散方程式は、以下の式（８）で表させる。
ｄＮ／ｄｔ＝Ｄ（ｄ2Ｎ／ｄ2ｘ）－Ｆ （８）
ｄＮ／ｄｔ＝Ｄ（ｄ2Ｎ／ｄ2ｘ）－Ｆ （８）
【0134】
式（８）において、Ｎは不純物濃度、ｔは時間、Ｄは拡散定数、ｘは位置、Ｆは拡散に作用する外的な力である。電界緩和層の材料としては、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造などが挙げられる。また、電界緩和層のｐ型ドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎなどが挙げられる。ｐ型ドーパントを考慮すると、Ｂｅドープのｐ型ＩｎＰ電界緩和層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の組み合わせが好適である。この理由は、Ｂｅは拡散定数Ｄが小さい点に加えて、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層との間にポテンシャル障壁を形成するためである。なお、ポテンシャル障壁は、式（８）のＦに相当する。
【0135】
電界緩和層の層厚のばらつきが発生した場合に、電界緩和量、つまり層厚とキャリア濃度の積のばらつきが増大しないように、電界緩和層のキャリア濃度として２×１０18ｃｍ-3以下が好適である。ＩｎＡｌＡｓを電界緩和層の構成材料とする場合は、Ｚｎドープが最適であり、キャリア濃度としては２×１０18ｃｍ-3以下が最適である。なお、２×１０18ｃｍ-3よりも不純物濃度が高くなると不活性の不純物が増加し拡散が発生しやすくなることから、キャリア濃度は５×１０18ｃｍ-3以下であることが必須となる。
【0136】
電界緩和量ΔＥは、以下の式（９）で表される。
ΔＥ＝Ｗ・ｑ・Ｎ／ε （９）
電界緩和量ΔＥが一定である場合は、電界緩和層のキャリア濃度を高くすると、キャリア濃度に反比例して電界緩和層の層厚を薄くする必要がある。ここで、Ｗは電界緩和層の層厚、ｑは素電荷、Ｎは電界緩和層のキャリア濃度、εは誘電率である。
ΔＥ＝Ｗ・ｑ・Ｎ／ε （９）
電界緩和量ΔＥが一定である場合は、電界緩和層のキャリア濃度を高くすると、キャリア濃度に反比例して電界緩和層の層厚を薄くする必要がある。ここで、Ｗは電界緩和層の層厚、ｑは素電荷、Ｎは電界緩和層のキャリア濃度、εは誘電率である。
【0137】
電界緩和層のキャリア濃度Ｎが５×１０18ｃｍ-3程度になると、電界緩和層の層厚は１０ｎｍ程度となる。増倍層への不純物拡散によるデッドスペース長の短縮を防止するために、電界緩和層のキャリア濃度は５×１０18ｃｍ-3以下となるように制御する。また、電界緩和層は１０ｎｍ以上の層厚が必要である。
【0138】
一方、図１１Ｄに示すように、電界緩和層が電界緩和層のデッドスペース長の１．５倍以上に厚くなると、電界緩和層での増倍が発生する。図６に示すように、ランダムアロイ構造ではデッドスペース長は４５ｎｍ以下であるため、ランダムアロイ構造電界緩和層の層厚は７０ｎｍ以下とすることが必要である。一方、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造ではデッドスペース長は８５ｎｍ以下であることから、デジタルアロイ電界緩和層の層厚は１３０ｎｍ以下とすることが必要である。
【0139】
【0140】
＜実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の効果について＞
まず、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子における第１の効果を、以下に定量的に説明する。
従来のＡＰＤの３ｄＢ帯域ｆｃは、ＲＣ時定数による帯域制限をｆｒｃ、キャリアの走行時間で制限される帯域をｆｔｒ、増倍時間による帯域制限をｆｍとすると、以下の式（１０）で表される。
ｆｃ＿ＡＰＤ＝１/((１／ｆｒｃ)2+(１/ｆｔｒ)2+(１/ｆｍ）2)0.5 （１０）
まず、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子における第１の効果を、以下に定量的に説明する。
従来のＡＰＤの３ｄＢ帯域ｆｃは、ＲＣ時定数による帯域制限をｆｒｃ、キャリアの走行時間で制限される帯域をｆｔｒ、増倍時間による帯域制限をｆｍとすると、以下の式（１０）で表される。
ｆｃ＿ＡＰＤ＝１/((１／ｆｒｃ)2+(１/ｆｔｒ)2+(１/ｆｍ）2)0.5 （１０）
【0141】
一方、実施の形態２の変形例に係るＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を有するＡＰＤの３ｄＢ帯域ｆｃは、イオン化率比ｋがゼロに近いため、式（３）、式（４）、及び式（５）より、ＲＣ時定数、及びキャリアの走行時間でのみ制限されるため、以下の式（１１）で表すことが可能である。
ｆｃ＿ＡＰＤ＝１／（（１／ｆｒｃ）2＋（１／ｆｔｒ）2）0.5 （１１）
式（１１）において、キャリアの走行時間ｆｔｒには、光吸収層を走行する時間に、増倍層を走行する時間が加わる。
ｆｃ＿ＡＰＤ＝１／（（１／ｆｒｃ）2＋（１／ｆｔｒ）2）0.5 （１１）
式（１１）において、キャリアの走行時間ｆｔｒには、光吸収層を走行する時間に、増倍層を走行する時間が加わる。
【0142】
ＲＣ時定数は光吸収層の層厚及び増倍層の層厚の合計に反比例する一方、走行時間は正比例するため、式（１１）は最大値を有する。すなわち、ｆｒｃ＝ｆｔｒとなる場合に最大帯域となる。ｆｒｃ＝ｆｔｒを代入すると、式（１１）は、以下の式（１２）で表される。
ｆｃ＝ｆｔｒ／√２ （１２）
ｆｃ＝ｆｔｒ／√２ （１２）
【0143】
また、走行時間で決定される３ｄＢ帯域ｆｔｒは、以下の式（１３）で表される。
ｆｔｒ＝３．５Ｖａｖ／（２πＷｔ） （１３）
ｆｔｒ＝３．５Ｖａｖ／（２πＷｔ） （１３）
【0144】
式（１３）において、Ｖａｖは電子及び正孔の平均飽和走行速度、Ｗｔは光吸収層及び増倍層の層厚の合計である。たとえば、ＩｎＧａＡｓの場合、Ｖａｖは５．３５×１０6ｃｍ／ｓとなる。また、増倍層の層厚が１００ｎｍ、光吸収層の層厚が４００ｎｍとすると、Ｗｔ＝５００ｎｍとなる。
【0145】
Ｖａｖ＝５．３５×１０6ｃｍ／ｓ、及びＷｔ＝５００ｎｍを式（１３）に代入すると、ｆｔｒ＝５９．６ＧＨｚとなる。さらに、算出されたｆｔｒを式（１２）に代入すると、実施の形態２の変形例に係るＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を有するＡＰＤの３ｄＢ帯域は４２．２ＧＨｚとなる。したがって、実施の形態２の変形例に係るＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を有するＡＰＤは、５０Ｇ－ＰＯＮシステムに必要な帯域３７．５ＧＨｚを満たすことが可能であることが、以上の考察から判明する。なお、以下の装置、システム等の説明においては、本開示に係るＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層、またはＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を有するＡＰＤを、本開示のＤＡ－ＡＰＤと呼ぶ。
【0146】
＜実施の形態２の変形例の効果＞
以上、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層をさらに有しているので、より広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層をさらに有しているので、より広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0147】
実施の形態３．
図１２は、実施の形態３に係る半導体受光素子１２０の一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。また、図１３は、実施の形態３に係る半導体受光素子１２０ａの一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。
図１２は、実施の形態３に係る半導体受光素子１２０の一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。また、図１３は、実施の形態３に係る半導体受光素子１２０ａの一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。
【0148】
＜実施の形態３に係る半導体受光素子（ＰＤ）の素子構造＞
図１２に示される実施の形態３に係る半導体受光素子１２０は、ｎ型ＩｎＰ基板１と、ｎ型ＩｎＰ基板１上に順次形成された、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～１．０μｍであるｎ型ＩｎＰバッファ層２と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が０．１～１．０μｍであるｉ型ＩｎＰ電子走行層３と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５～５０ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓグレーディッド層４と、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～２０００ｎｍである、ｉ型ＩｎＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とｉ型ＧａＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とを交互に複数回積層したｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５～５０ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が０．１～３．０μｍであるｎ型ＩｎＰ窓層１１と、ｎ型ＩｎＰ窓層１１の中に設けられたｐ型拡散領域１５と、ｐ型拡散領域１５上に設けられたｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８と、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に形成されたｎ型電極３１と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８上に形成されたｐ型電極３２と、で構成される。なお、ｎ型ＩｎＰバッファ層２は、ｎ型半導体層とも呼ぶ。
図１２に示される実施の形態３に係る半導体受光素子１２０は、ｎ型ＩｎＰ基板１と、ｎ型ＩｎＰ基板１上に順次形成された、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～１．０μｍであるｎ型ＩｎＰバッファ層２と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が０．１～１．０μｍであるｉ型ＩｎＰ電子走行層３と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５～５０ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓグレーディッド層４と、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～２０００ｎｍである、ｉ型ＩｎＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とｉ型ＧａＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とを交互に複数回積層したｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５～５０ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が０．１～３．０μｍであるｎ型ＩｎＰ窓層１１と、ｎ型ＩｎＰ窓層１１の中に設けられたｐ型拡散領域１５と、ｐ型拡散領域１５上に設けられたｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８と、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に形成されたｎ型電極３１と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８上に形成されたｐ型電極３２と、で構成される。なお、ｎ型ＩｎＰバッファ層２は、ｎ型半導体層とも呼ぶ。
【0149】
図１３に示される実施の形態３に係る半導体受光素子１２０ａは、基板としてＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａを用いる点、ｎ型電極３１ａがｎ型ＩｎＰ導電層２ｂの表面側に形成されている点を除いては、実施の形態３に係る半導体受光素子１２０と同じ構成を有する。なお、裏面側の電極３１ｂは、電流を流す目的ではないが半導体受光素子をハンダで固定するためには必要である。
【0150】
実施の形態３に係る半導体受光素子１２０及び１２０ａが実施の形態１に係る半導体受光素子１００及び１００ａと異なる点は、ｎ型ＩｎＰ窓層１１を構成するｎ型ＩｎＰがアンドープ（ｉ型）または低キャリア濃度である点、及びｎ型ＩｎＰ窓層１１の中にｐ型拡散領域１５を設けている点である。半導体受光素子１２０及び１２０ａのｎ型ＩｎＰ窓層１１の層厚は０．１μｍ以上３μｍ以下であり、キャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3以下である。また、ｎ型ＩｎＰ窓層１１は、ＩｎＰの代りにＩｎＡｌＡｓ、またはＩｎＰ及びＩｎＡｌＡｓの積層構造を用いても良い。
【0151】
ｐ型拡散領域１５は、Ｚｎなどのｐ型ドーパントを固相または気相で部分的に選択拡散して形成されている。ｐ型拡散領域１５のキャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3以上である。ｐ型拡散領域１５の先端は、ｎ型ＩｎＰ窓層１１の途中までの深さ、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６に到達する深さ、またはｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５に到達する深さにそれぞれ位置しても良い。なお、図１２及び図１３に示す素子構造では、ｐ型拡散領域１５はｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５に到達する深さを有している。ｐ型拡散領域１５上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８を設けている。
【0152】
Ｚｎ拡散をｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の途中、たとえば約０．２μｍほど入る深さまで行うことで、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の一部（ｐ型電極側）をｐ型層化することも可能である。Ｚｎ拡散によってｐ型層化された部分は、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造が無秩序化され、ランダムアロイ構造となる場合があるが、ｐ型層化された部分は単一走行キャリア（ＵＴＣ：Ｕｎｉ－Tｒａｖｅｌｉｎｇ Ｃａｒｒｉｅｒ）構造となるため、応答速度は劣化しない。なぜなら、ＵＴＣ構造では、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５中のｐ型化した層（空乏化しないｐ型ＩｎＧａＡｓ）での光吸収で発生した電子・正孔対のうち、空乏層（ｉ型のまま残ったＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層）には高速で移動できる電子のみが供給されるため、ＰＤの高速応答が可能となるためである。つまり、空乏化しないｐ型光吸収層部分はデジタルアロイ構造でなくてもよく、空乏化するｉ型光吸収層部分がデジタルアロイ構造であれば、高速応答性は劣化しない。ただし、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５中のｐ型層の層厚を厚くすると、ｐ型層内で発生した電子が再結合してしまうため効率が低下する。なお、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５中のｐ型ＩｎＧａＡｓの部分は、上述のようにＺｎ拡散によってｐ型層化するのではなく、エピタキシャル結晶成長時のドーピングによって形成しても良い。
【0153】
図１２に示す半導体受光素子１２０の一例である表面入射型ＰＤでは裏面側にｎ型電極３１を設けている。一方、図１３に示す半導体受光素子１２０ａの一例である表面入射型ＰＤでは、裏面側の電極３１ｂに加えて表面側にｎ型電極３１ａを設けている。つまり、半導体受光素子１２０ａではＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａ上にｎ型ＩｎＰ導電層２ｂを設けて、結晶成長後、ｎ型ＩｎＰ導電層２ｂの上側の各半導体層を部分的に除去した後に、ｎ型ＩｎＰ導電層２ｂ上にｎ型電極３１ａを形成している。半導体受光素子１２０ａは、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａの代りに、ｐ型ＩｎＰ基板またはｎ型ＩｎＰ基板を用いても良い。
【0154】
＜実施の形態３に係る半導体受光素子（ＰＤ）の作用＞
図４に示す実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例である表面入射型ＰＤのようなメサ型構造では、電界が印加される増倍層の側面部は外部に露出しているため劣化しやすい。特に、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造を光吸収層とする場合は、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５を構成する各層の歪みが高くなっているため、露出部分から内部側へ向かって転位欠陥及び無秩序化が発生しやすく、この結果、半導体受光素子が劣化するという不具合が発生するおそれがある。
図４に示す実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例である表面入射型ＰＤのようなメサ型構造では、電界が印加される増倍層の側面部は外部に露出しているため劣化しやすい。特に、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造を光吸収層とする場合は、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５を構成する各層の歪みが高くなっているため、露出部分から内部側へ向かって転位欠陥及び無秩序化が発生しやすく、この結果、半導体受光素子が劣化するという不具合が発生するおそれがある。
【0155】
この結果、実施の形態１に係る半導体受光素子１００及び１００ａのように、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造を薄層化した光吸収層の場合は、従来のＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造と比較して側面部で発生する暗電流により、半導体受光素子としての寿命が短くなるおそれがある。
【0156】
一方、図１２及び図１３に示す半導体受光素子１２０及び１２０ａのようにｐ型拡散領域１５を設ける場合は、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５において電界が印加される部分、つまりｐ型拡散領域１５の直下の部分が結晶層の外部に露出していないため、各層の歪みが高くなっているｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５において、劣化及び無秩序化の発生を防止できる。この結果、光吸収層として、吸収係数を高く保つことが可能となる。
【0157】
＜実施の形態３の効果＞
以上、実施の形態３に係る半導体受光素子によると、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５内の空乏化しないＰ型層部分はランダムアロイ構造になるが、上述のＵＴＣ効果により応答速度の劣化はない。一方、残りの空乏化するＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５のｉ型部分、つまりｐ型拡散領域１５の直下の部分が結晶層の外部に露出していないため無秩序化しないので、高速応答性は劣化しない。したがって、素子構造形成の際にｐ型拡散領域を形成するためにＺｎ拡散を実施するにも関わらずｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の無秩序化を防止できるので、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態３に係る半導体受光素子によると、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５内の空乏化しないＰ型層部分はランダムアロイ構造になるが、上述のＵＴＣ効果により応答速度の劣化はない。一方、残りの空乏化するＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５のｉ型部分、つまりｐ型拡散領域１５の直下の部分が結晶層の外部に露出していないため無秩序化しないので、高速応答性は劣化しない。したがって、素子構造形成の際にｐ型拡散領域を形成するためにＺｎ拡散を実施するにも関わらずｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の無秩序化を防止できるので、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0158】
実施の形態４．
図１４は、実施の形態４に係る半導体受光素子１３０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。また、図１５は、実施の形態４に係る半導体受光素子１３０ａの一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
図１４は、実施の形態４に係る半導体受光素子１３０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。また、図１５は、実施の形態４に係る半導体受光素子１３０ａの一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【0159】
＜実施の形態４に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の素子構造＞
実施の形態４に係る半導体受光素子１３０は、ｎ型ＩｎＰ基板１と、ｎ型ＩｎＰ基板１上に順次形成された、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～１．０μｍであるｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２ａと、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～５００ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１３と、キャリア濃度が１×１０16～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が１０～７０ｎｍであるｐ型ＩｎＰ電界緩和層１４と、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～２０００ｎｍである、ｉ型ＩｎＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とｉ型ＧａＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とを交互に複数回積層したｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５～５０ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が０．１～３．０μｍであるｎ型ＩｎＰ窓層１１と、ｎ型ＩｎＰ窓層１１の中に設けられたｐ型拡散領域１５と、ｐ型拡散領域１５上に設けられたｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８と、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に形成されたｎ型電極３１と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８上に形成されたｐ型電極３２と、で構成される。なお、ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２ａは、ｎ型半導体層とも呼ぶ。
実施の形態４に係る半導体受光素子１３０は、ｎ型ＩｎＰ基板１と、ｎ型ＩｎＰ基板１上に順次形成された、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～１．０μｍであるｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２ａと、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～５００ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１３と、キャリア濃度が１×１０16～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が１０～７０ｎｍであるｐ型ＩｎＰ電界緩和層１４と、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～２０００ｎｍである、ｉ型ＩｎＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とｉ型ＧａＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とを交互に複数回積層したｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５～５０ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６と、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が０．１～３．０μｍであるｎ型ＩｎＰ窓層１１と、ｎ型ＩｎＰ窓層１１の中に設けられたｐ型拡散領域１５と、ｐ型拡散領域１５上に設けられたｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８と、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に形成されたｎ型電極３１と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８上に形成されたｐ型電極３２と、で構成される。なお、ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２ａは、ｎ型半導体層とも呼ぶ。
【0160】
図１５に示される実施の形態４に係る半導体受光素子１３０ａは、基板としてＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａを用いる点、ｎ型電極３１ａがｎ型ＩｎＰ導電層２ｂの表面側に形成されている点を除いては、実施の形態４に係る半導体受光素子１３０と同じ構成を有する。なお、裏面側の電極３１ｂは、電流を流す目的ではないが半導体受光素子をハンダで固定するためには必要である。
【0161】
実施の形態４に係る半導体受光素子１３０及び１３０ａと、実施の形態２に係る半導体受光素子１１０及び１１０ａが異なる点は、ｎ型ＩｎＰ窓層１１を構成するｎ型ＩｎＰがアンドープ（ｉ型）または低キャリア濃度である点、及びｎ型ＩｎＰ窓層１１の中にｐ型拡散領域１５を設けている点である。半導体受光素子１２０及び１３０のｎ型ＩｎＰ窓層１１の層厚は０．１μｍ以上３μｍ以下であり、キャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3以下である。また、ｎ型ＩｎＰ窓層１１は、ＩｎＰの代りにＩｎＡｌＡｓ、またはＩｎＰ及びＩｎＡｌＡｓの積層構造を用いても良い。
【0162】
ｐ型拡散領域１５は、Ｚｎなどのｐ型ドーパントを固相または気相で部分的に選択拡散して形成されている。ｐ型拡散領域１５のキャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3以上である。ｐ型拡散領域１５の先端は、ｎ型ＩｎＰ窓層１１の途中までの深さ、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６に到達する深さ、またはｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５に到達する深さにそれぞれ位置しても良い。なお、図１４及び図１５に示す素子構造では、ｐ型拡散領域１５はｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６に到達する深さを有している。ｐ型拡散領域１５上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８を設けている。
【0163】
図１４に示す半導体受光素子１３０の一例である表面入射型ＡＰＤでは裏面側にｎ型電極３１を設けている。一方、図１５に示す半導体受光素子１３０ａの一例である表面入射型ＡＰＤでは、裏面側の電極３１ｂに加えて表面側にｎ型電極３１ａを設けている。つまり、半導体受光素子１３０ａではＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａ上にｎ型ＩｎＰ導電層２ｂを設けて、結晶成長後、ｎ型ＩｎＰ導電層２ｂの上側の各半導体層を部分的に除去した後に、ｎ型ＩｎＰ導電層２ｂ上にｎ型電極３１ａを形成している。半導体受光素子１３０ａでは、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａの代りに、ｐ型ＩｎＰ基板またはｎ型ＩｎＰ基板を用いても良い。
【0164】
＜実施の形態４に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用＞
図６に示される実施の形態２に係る半導体受光素子１１０の一例である表面入射型ＡＰＤのようなメサ型構造では、電界が印加される増倍層の側面部は外部に露出しているため劣化しやすい。特に、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造を光吸収層とする場合は、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の各層の歪みが高くなっているため、露出部分から内部側へ向かって転位欠陥及び無秩序化が発生しやすく、この結果、半導体受光素子が劣化するという不具合が発生するおそれがある。
図６に示される実施の形態２に係る半導体受光素子１１０の一例である表面入射型ＡＰＤのようなメサ型構造では、電界が印加される増倍層の側面部は外部に露出しているため劣化しやすい。特に、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造を光吸収層とする場合は、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の各層の歪みが高くなっているため、露出部分から内部側へ向かって転位欠陥及び無秩序化が発生しやすく、この結果、半導体受光素子が劣化するという不具合が発生するおそれがある。
【0165】
この結果、実施の形態２に係る半導体受光素子１１０及び１１０ａのように、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造を薄層化した光吸収層の場合は、従来のＩｎＧａＡｓランダムアロイ構造と比較して側面部で発生する暗電流により、半導体受光素子としての寿命が短くなるおそれがある。
【0166】
一方、図１４及び図１５に示す半導体受光素子１３０及び１３０ａのようにｐ型拡散領域１５を設ける場合は、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５において電界が印加される部分、つまりｐ型拡散領域１５の直下の部分が結晶層の外部に露出していないため、各層の歪みが高くなっているｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５において、劣化及び無秩序化の発生を防止できる。この結果、光吸収層として、吸収係数を高く保つことが可能となる。
【0167】
＜実施の形態４の効果＞
以上、実施の形態４に係る半導体受光素子によると、素子構造形成の際にｐ型拡散領域を形成するためにＺｎ拡散を実施するにも関わらず、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層及びＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層の無秩序化を防止できるので、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態４に係る半導体受光素子によると、素子構造形成の際にｐ型拡散領域を形成するためにＺｎ拡散を実施するにも関わらず、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層及びＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層の無秩序化を防止できるので、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0168】
実施の形態４の変形例．
実施の形態４の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
実施の形態４の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
【0169】
実施の形態４の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態４に係る半導体受光素子１３０及び１３０ａの一例である表面入射型ＡＰＤにおけるｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１３、つまりランダムアロイ構造のｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層を、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。
【0170】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
【0171】
＜実施の形態４の変形例に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用＞
実施の形態４の変形例に係る半導体受光素子では、ｐ型拡散領域１５を形成する際の拡散工程においてＺｎを拡散するために高温の熱処理を実施しても、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、たとえば図１１Ｃに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図１１Ｂに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、製造工程においてＺｎ拡散を実施するにも関わらず、イオン化率比ｋをほぼゼロに保つことが可能となる。
実施の形態４の変形例に係る半導体受光素子では、ｐ型拡散領域１５を形成する際の拡散工程においてＺｎを拡散するために高温の熱処理を実施しても、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、たとえば図１１Ｃに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図１１Ｂに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、製造工程においてＺｎ拡散を実施するにも関わらず、イオン化率比ｋをほぼゼロに保つことが可能となる。
【0172】
＜実施の形態４の変形例の効果＞
以上、実施の形態４の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層をさらに有しているので、より広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態４の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層をさらに有しているので、より広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0173】
実施の形態５．
図１６は、実施の形態５に係る半導体受光素子１４０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
図１６は、実施の形態５に係る半導体受光素子１４０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【0174】
＜実施の形態５に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の素子構造＞
実施の形態５に係る半導体受光素子１４０の一例である表面入射型ＡＰＤは、実施の形態４に係る半導体受光素子１３０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造に、さらに、ｎ型ＩｎＰ窓層１１の中に形成したｐ型拡散領域１５の外周部分に沿って分離溝１７を設けている点に特徴がある。
実施の形態５に係る半導体受光素子１４０の一例である表面入射型ＡＰＤは、実施の形態４に係る半導体受光素子１３０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造に、さらに、ｎ型ＩｎＰ窓層１１の中に形成したｐ型拡散領域１５の外周部分に沿って分離溝１７を設けている点に特徴がある。
【0175】
分離溝１７の深さは、２μｍ以上５μｍ以下の範囲内が好適である。また、分離溝１７の開口幅は、０．５μｍ以上１００μｍ以下の範囲内が好適である。分離溝１７の底部は、少なくともｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５にまで到達している。なお、図１６では、分離溝１７の底部がｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２ａの途中にまで到達している一例を示している。分離溝１７の形成方法としては、ドライエッチング及びウエットエッチングのいずれでも良い。しかしながら、深さ制御に優れたドライエッチングの後に、ドライエッチングによって発生したダメージ層を除去するためにウエットエッチングを追加する方法が好適である。
【0176】
分離溝１７の内部及びｎ型ＩｎＰ窓層１１の表面は、ＳｉＮまたはＳｉＯ2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜１８によって保護されている。表面保護膜１８は、受光部の無反射コーティングも兼ねている。表面保護膜１８の膜厚として、５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の範囲内が好適である。また、表面保護膜１８は、ベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ：ＢＣＢ）などの有機膜であっても良い。
【0177】
＜実施の形態５に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用＞
光吸収層をＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造とする場合は、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造の各層の歪みが高くなっているため、外部から応力が加わるとＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造の無秩序化が発生しやすい。そこで、実施の形態５に係る半導体受光素子１４０のように、ｐ型拡散領域１５の外周部分に沿って分離溝１７を設けることで、製造工程の過程でのウエハ全体におよぶ応力が緩和できる。また、個々の半導体受光素子１４０の状態になっても、分離溝１７の存在によって応力が緩和されるため、半導体受光素子１４０の中央の受光部での応力集中が緩和できる。さらに、分離溝１７ではｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５が露出するため、上述の表面保護膜１８が分離溝１７の表面を覆っていることが望ましい。なお、分離溝１７には高電界が印加されないため、劣化の起点とはならない。
光吸収層をＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造とする場合は、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造の各層の歪みが高くなっているため、外部から応力が加わるとＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造の無秩序化が発生しやすい。そこで、実施の形態５に係る半導体受光素子１４０のように、ｐ型拡散領域１５の外周部分に沿って分離溝１７を設けることで、製造工程の過程でのウエハ全体におよぶ応力が緩和できる。また、個々の半導体受光素子１４０の状態になっても、分離溝１７の存在によって応力が緩和されるため、半導体受光素子１４０の中央の受光部での応力集中が緩和できる。さらに、分離溝１７ではｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５が露出するため、上述の表面保護膜１８が分離溝１７の表面を覆っていることが望ましい。なお、分離溝１７には高電界が印加されないため、劣化の起点とはならない。
【0178】
図１６に示される半導体受光素子１４０のようにｐ型拡散領域１５を設ける場合は、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５において電界が印加される部分、つまりｐ型拡散領域１５の直下の部分が結晶層の外部に露出していないため、各層の歪みが高くなっているｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５において、劣化の発生を防止できるという効果を奏する。
【0179】
さらに、半導体受光素子１４０の動作時も分離溝１７によって応力が緩和されているため、半導体受光素子１４０を長期間使用しても無秩序化が発生しない。つまり、実施の形態５の半導体受光素子１４０では、長期間にわたって広帯域で動作し、低雑音を保持することが可能となるという高信頼性を実現できる。
【0180】
＜実施の形態５の効果＞
以上、実施の形態５に係る半導体受光素子によると、素子構造形成の際にｐ型拡散領域１５を形成するためＺｎ拡散を実施するにも関わらずＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、より信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態５に係る半導体受光素子によると、素子構造形成の際にｐ型拡散領域１５を形成するためＺｎ拡散を実施するにも関わらずＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、より信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0181】
実施の形態５の変形例．
実施の形態５の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
実施の形態５の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
【0182】
実施の形態５の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態５に係る半導体受光素子１４０の一例である表面入射型ＡＰＤにおけるｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１３、つまりランダムアロイ構造のｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層を、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。
【0183】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
【0184】
＜実施の形態５の変形例に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用＞
実施の形態５の変形例に係る半導体受光素子では、ｐ型拡散領域１５を形成する際の拡散工程においてＺｎを拡散するために高温の熱処理を実施しても、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、例えば図１１Ｃに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図１１Ｂに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、製造工程においてＺｎ拡散を実施するにも関わらず、イオン化率比ｋをほぼゼロに保つことが可能となる。
実施の形態５の変形例に係る半導体受光素子では、ｐ型拡散領域１５を形成する際の拡散工程においてＺｎを拡散するために高温の熱処理を実施しても、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、例えば図１１Ｃに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図１１Ｂに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、製造工程においてＺｎ拡散を実施するにも関わらず、イオン化率比ｋをほぼゼロに保つことが可能となる。
【0185】
＜実施の形態５の変形例の効果＞
以上、実施の形態５の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、素子構造形成の際にｐ型拡散領域を形成するためのＺｎ拡散を実施するにも関わらず、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、より信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態５の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、素子構造形成の際にｐ型拡散領域を形成するためのＺｎ拡散を実施するにも関わらず、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、より信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0186】
実施の形態６．
図１７は、実施の形態６に係る半導体受光素子１４０ａの一例である裏面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
図１７は、実施の形態６に係る半導体受光素子１４０ａの一例である裏面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【0187】
＜実施の形態６に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の素子構造＞
実施の形態５に係る半導体受光素子１４０の一例である表面入射型ＡＰＤが表面側から光を受光するのに対して、実施の形態６に係る半導体受光素子１４０ａの一例である裏面入射型ＡＰＤは、裏面側のｎ型電極３１ｃの一部を除去して開口部３３を設け、開口部３３を覆うように形成された無反射コーティング膜３５を介してｎ型ＩｎＰ基板１に光を入射する素子構造を有する点に特徴がある。つまり、ｐ型電極３２と相対するｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に、入射光９０の入射領域である無反射コーティング膜３５に覆われた開口部３３が設けられている。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８の中央部を部分的に除去し、露出したｐ型拡散領域１５上にＳｉＮまたはＳｉＯ2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜１８を形成し、さらにｐ型電極３２で覆うことにより、ｐ型電極３２からの光の反射率を高めている。
実施の形態５に係る半導体受光素子１４０の一例である表面入射型ＡＰＤが表面側から光を受光するのに対して、実施の形態６に係る半導体受光素子１４０ａの一例である裏面入射型ＡＰＤは、裏面側のｎ型電極３１ｃの一部を除去して開口部３３を設け、開口部３３を覆うように形成された無反射コーティング膜３５を介してｎ型ＩｎＰ基板１に光を入射する素子構造を有する点に特徴がある。つまり、ｐ型電極３２と相対するｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に、入射光９０の入射領域である無反射コーティング膜３５に覆われた開口部３３が設けられている。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８の中央部を部分的に除去し、露出したｐ型拡散領域１５上にＳｉＮまたはＳｉＯ2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜１８を形成し、さらにｐ型電極３２で覆うことにより、ｐ型電極３２からの光の反射率を高めている。
【0188】
また、半導体受光素子１４０ａのような裏面入射型ＡＰＤの方が、半導体受光素子１４０のような表面入射型ＡＰＤよりもｐ型拡散領域１５の面積を小さく形成できるため、ｐ型拡散時に発生する応力をさらに小さくすることが可能となるので、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の無秩序化のさらなる防止が図られる。この結果、素子構造形成の際にＺｎ拡散を実施するにも関わらずｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の無秩序化を防止できる。この結果、光吸収層として、吸収係数を高く保つことが可能となる。さらに、分離溝１７によって応力を小さくできるため、信頼性が高く、かつ広い応答帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0189】
＜実施の形態６の効果＞
以上、実施の形態６に係る半導体受光素子によると、素子構造を裏面入射型ＡＰＤとしたため、表面入射型ＡＰＤよりもｐ型拡散領域の面積を小さく形成でき、分離溝によって応力をさらに緩和できるため、信頼性が高く、かつ広い応答帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。また、上述したように、ｐ型電極３２からの光の反射率を高めているため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５で吸収されずに透過した光は、ｐ型電極３２で反射されて再びｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５へ戻るため、受光感度が高くなる。この結果、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５を薄層化できるため、電子及び正孔の走行時間を短縮できるので、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５と組み合わせることにより、さらなる応答帯域の広帯域化が可能となる半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態６に係る半導体受光素子によると、素子構造を裏面入射型ＡＰＤとしたため、表面入射型ＡＰＤよりもｐ型拡散領域の面積を小さく形成でき、分離溝によって応力をさらに緩和できるため、信頼性が高く、かつ広い応答帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。また、上述したように、ｐ型電極３２からの光の反射率を高めているため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５で吸収されずに透過した光は、ｐ型電極３２で反射されて再びｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５へ戻るため、受光感度が高くなる。この結果、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５を薄層化できるため、電子及び正孔の走行時間を短縮できるので、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５と組み合わせることにより、さらなる応答帯域の広帯域化が可能となる半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0190】
実施の形態６の変形例．
実施の形態６の変形例に係る半導体受光素子の一例である裏面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
実施の形態６の変形例に係る半導体受光素子の一例である裏面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
【0191】
実施の形態６の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態６に係る半導体受光素子１４０の一例である裏面入射型ＡＰＤにおけるｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１３、つまりランダムアロイ構造のｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層を、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。
【0192】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
【0193】
＜実施の形態６の変形例に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用＞
実施の形態６の変形例に係る半導体受光素子の一例である裏面入射型ＡＰＤは、実施の形態５の変形例に係る半導体受光素子と同様、ｐ型拡散領域１５を形成する際の拡散工程においてＺｎを拡散するために高温の熱処理を実施しても、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、たとえば図１１Ｃに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図１１Ｂに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。
実施の形態６の変形例に係る半導体受光素子の一例である裏面入射型ＡＰＤは、実施の形態５の変形例に係る半導体受光素子と同様、ｐ型拡散領域１５を形成する際の拡散工程においてＺｎを拡散するために高温の熱処理を実施しても、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、たとえば図１１Ｃに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図１１Ｂに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。
【0194】
＜実施の形態６の変形例の効果＞
以上、実施の形態６の変形例に係る半導体受光素子によると、素子構造を裏面入射型ＡＰＤとしたため表面入射型ＡＰＤよりもｐ型拡散領域の面積を小さく形成でき、また、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、素子構造形成の際にｐ型拡散領域を形成するためのＺｎ拡散を実施するにも関わらずＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、より信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態６の変形例に係る半導体受光素子によると、素子構造を裏面入射型ＡＰＤとしたため表面入射型ＡＰＤよりもｐ型拡散領域の面積を小さく形成でき、また、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、素子構造形成の際にｐ型拡散領域を形成するためのＺｎ拡散を実施するにも関わらずＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、より信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0195】
実施の形態７．
図１８は、実施の形態７に係る半導体受光素子１５０の一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。また、図１９は、実施の形態７に係る半導体受光素子１５０ａの一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。
図１８は、実施の形態７に係る半導体受光素子１５０の一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。また、図１９は、実施の形態７に係る半導体受光素子１５０ａの一例である表面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。
【0196】
＜実施の形態７に係る半導体受光素子（ＰＤ）の素子構造＞
実施の形態７に係る半導体受光素子１５０は、ｎ型ＩｎＰ基板１からｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６までの構成は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同一であるので、説明を省略する。
実施の形態７に係る半導体受光素子１５０は、ｎ型ＩｎＰ基板１からｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６までの構成は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同一であるので、説明を省略する。
【0197】
図１８に示される実施の形態７に係る半導体受光素子１５０は、ｎ型ＩｎＰ基板１からｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６までの構成と、層厚が０．１～３．０μｍであるｎ型ＩｎＰ窓層１１と、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８と、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に形成されたｎ型電極３１と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８上に形成されたｐ型電極３２と、で構成される。
【0198】
図１９に示される実施の形態７に係る半導体受光素子１５０ａは、基板としてＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａを用いる点、ｎ型電極３１ａがｎ型ＩｎＰ導電層２ｂの表面側に形成されている点を除いては、実施の形態７に係る半導体受光素子１５０と同じ構成を有する。なお、裏面側の電極３１ｂは、電流を流す目的ではないが半導体受光素子をハンダで固定するためには必要である。
【0199】
実施の形態７に係る半導体受光素子１５０、１５０ａが実施の形態１に係る半導体受光素子１００と異なる点は、半導体受光素子１５０、１５０ａではｎ型ＩｎＰ窓層１１上に形成されたｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５をメサ型に形成し、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８及びｐ型電極３２を設けた点にある。ｎ型ＩｎＰ窓層１１は５０ｎｍ以上の層厚があれば良いが、キャリアの走行時間を長くしないためには２００ｎｍ以下の層厚が望ましい。また、ｎ型ＩｎＰ窓層１１の導電型は、ｎ型の代りにアンドープでも良い。ｎ型の場合のキャリア濃度は、５．０×１０17ｃｍ-3以下が望ましい。
【0200】
実施の形態７に係る半導体受光素子１５０、１５０ａの製造方法として、ｎ型ＩｎＰ窓層１１上にｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５をＭＯＶＰＥまたはＭＢＥなどにより結晶成長し、さらに、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８を結晶成長した後に、受光部の部分を残して、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５を除去する点が特徴的である。
【0201】
ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５の層厚は、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下が望ましい。ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５のキャリア濃度は、素子抵抗を低減するために高キャリア濃度、つまり５．０×１０17ｃｍ-3以上であることが望ましい。ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５は、ｐ型ＩｎＡｌＡｓの代りに、ｐ型ＩｎＰ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ、またはｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓの積層構造などでも良い。
【0202】
また、図１８に示す半導体受光素子１５０が裏面側にｎ型電極３１が設けられているのに対して、図１９に示す半導体受光素子１５０ａでは裏面側の電極３１ｂに加えて表面側にｎ型電極３１ａを設けている。つまり、半導体受光素子１５０ａでは、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａ上にｎ型ＩｎＰ導電層２ｂを設けて、結晶成長後、ｎ型ＩｎＰ導電層２ｂの上側の各層を部分的に除去した後に、ｎ型ＩｎＰ導電層２ｂ上にｎ型電極３１ａを形成している。Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａの代りに、ｐ型ＩｎＰ基板、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても良い。
【0203】
＜実施の形態７に係る半導体受光素子（ＰＤ）の作用＞
実施の形態７に係る半導体受光素子１５０、１５０ａの作用について、以下に説明する。
電圧を印加するｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５を形成する際は、図１２に示す実施の形態３に係る半導体受光素子１２０に比べて、４００℃以上の高温となる熱処理をともなうｐ型拡散工程を経ないことから、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の無秩序化を防止できる。このため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５内において、吸収係数を高く保つことが可能となる。一方、実施の形態３と同様に、高電界が印加される受光部直下の光吸収層は素子の側面部から離れているため、半導体受光素子として高い信頼性が得られる。したがって、半導体受光素子の高受光感度と高信頼性の両立が可能となる。すなわち、信頼性に優れた半導体受光素子、つまりＰＤが得られる。
実施の形態７に係る半導体受光素子１５０、１５０ａの作用について、以下に説明する。
電圧を印加するｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５を形成する際は、図１２に示す実施の形態３に係る半導体受光素子１２０に比べて、４００℃以上の高温となる熱処理をともなうｐ型拡散工程を経ないことから、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の無秩序化を防止できる。このため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５内において、吸収係数を高く保つことが可能となる。一方、実施の形態３と同様に、高電界が印加される受光部直下の光吸収層は素子の側面部から離れているため、半導体受光素子として高い信頼性が得られる。したがって、半導体受光素子の高受光感度と高信頼性の両立が可能となる。すなわち、信頼性に優れた半導体受光素子、つまりＰＤが得られる。
【0204】
＜実施の形態７の効果＞
以上、実施の形態７に係る半導体受光素子によると、実施の形態３に係る半導体受光素子と同様、光吸収層は素子の側面部から離れているため、信頼性が高く、かつ広い応答帯域で動作する半導体受光素子が得られる。
以上、実施の形態７に係る半導体受光素子によると、実施の形態３に係る半導体受光素子と同様、光吸収層は素子の側面部から離れているため、信頼性が高く、かつ広い応答帯域で動作する半導体受光素子が得られる。
【0205】
実施の形態８．
図２０は、実施の形態８に係る半導体受光素子１６０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。また、図２１は、実施の形態８に係る半導体受光素子１６０ａの一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
図２０は、実施の形態８に係る半導体受光素子１６０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。また、図２１は、実施の形態８に係る半導体受光素子１６０ａの一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【0206】
＜実施の形態８に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の素子構造＞
実施の形態８に係る半導体受光素子１６０は、ｎ型ＩｎＰ基板１からｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６までの構成は、実施の形態２に係る半導体受光素子１１０と同一であるので説明を省略する。
実施の形態８に係る半導体受光素子１６０は、ｎ型ＩｎＰ基板１からｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６までの構成は、実施の形態２に係る半導体受光素子１１０と同一であるので説明を省略する。
【0207】
図２０に示される実施の形態８に係る半導体受光素子１６０は、ｎ型ＩｎＰ基板１からｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６までの構成と、層厚が０．１～３．０μｍであるｎ型ＩｎＰ窓層１１と、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８と、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に形成されたｎ型電極３１と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８上に形成されたｐ型電極３２と、で構成される。
【0208】
図２１に示される実施の形態８に係る半導体受光素子１６０ａは、基板としてＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａを用いる点、ｎ型電極３１ａがｎ型ＩｎＰ導電層２ｂの表面側に形成されている点を除いては、実施の形態８に係る半導体受光素子１６０と同じ構成を有する。なお、裏面側の電極３１ｂは、電流を流す目的ではないが半導体受光素子をハンダで固定するために必要である。
【0209】
実施の形態８に係る半導体受光素子１６０、１６０ａが実施の形態２に係る半導体受光素子１１０と異なる点は、半導体受光素子１６０、１６０ａではｎ型ＩｎＰ窓層１１上に形成されたｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５をメサ型に形成し、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８及びｐ型電極３２を設けた点にある。ｎ型ＩｎＰ窓層１１は５０ｎｍ以上の層厚があれば良いが、キャリアの走行時間を長くしないためには２００ｎｍ以下の層厚が望ましい。また、ｎ型ＩｎＰ窓層１１の導電型は、ｎ型の代りにアンドープでも良い。ｎ型の場合のキャリア濃度は、５．０×１０17ｃｍ-3以下が望ましい。
【0210】
実施の形態８に係る半導体受光素子１６０、１６０ａの製造方法として、ｎ型ＩｎＰ窓層１１上にｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５をＭＯＶＰＥまたはＭＢＥなどにより結晶成長し、さらに、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８を結晶成長した後に、受光部の部分を残して、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５を除去する点が特徴的である。
【0211】
ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５の層厚は、１００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下が望ましい。ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５のキャリア濃度は、素子抵抗を低減するために高キャリア濃度、つまり５．０×１０17ｃｍ-3以上であることが望ましい。ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５は、ｐ型ＩｎＡｌＡｓの代りに、ｐ型ＩｎＰ、ｐ型ＩｎＧａＡｓ、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ、またはｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓの積層構造などでも良い。
【0212】
また、図２０に示す半導体受光素子１６０が裏面側にｎ型電極３１が設けられているのに対して、図２１に示す半導体受光素子１６０ａでは裏面側の電極３１ｂに加えて表面側にｎ型電極３１ａを設けている。つまり、半導体受光素子１６０ａでは、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａ上にｎ型ＩｎＰ導電層２ｂを設けて、結晶成長後、ｎ型ＩｎＰ導電層２ｂの上側の各層を部分的に除去した後に、ｎ型ＩｎＰ導電層２ｂ上にｎ型電極３１ａを形成している。Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａの代りに、ｐ型ＩｎＰ基板、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても良い。
【0213】
＜実施の形態８に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用＞
実施の形態８に係る半導体受光素子１６０、１６０ａの作用について、以下に説明する。
電圧を印加するｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５を形成する際は、図１４に示す実施の形態４に係る半導体受光素子１３０に比べて、４００℃以上の高温となる熱処理をともなうｐ型拡散工程を経ないことから、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の無秩序化を防止できる。このため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５内において、吸収係数を高く保つことが可能となる。一方、実施の形態４と同様に、高電界が印加される受光部直下の光吸収層は素子の側面部から離れているため、半導体受光素子として高い信頼性が得られる。したがって、高い受光感度と高信頼性の両立が可能となる半導体受光素子、つまりＡＰＤが得られる。
実施の形態８に係る半導体受光素子１６０、１６０ａの作用について、以下に説明する。
電圧を印加するｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５を形成する際は、図１４に示す実施の形態４に係る半導体受光素子１３０に比べて、４００℃以上の高温となる熱処理をともなうｐ型拡散工程を経ないことから、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の無秩序化を防止できる。このため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５内において、吸収係数を高く保つことが可能となる。一方、実施の形態４と同様に、高電界が印加される受光部直下の光吸収層は素子の側面部から離れているため、半導体受光素子として高い信頼性が得られる。したがって、高い受光感度と高信頼性の両立が可能となる半導体受光素子、つまりＡＰＤが得られる。
【0214】
＜実施の形態８の効果＞
以上、実施の形態８に係る半導体受光素子によると、実施の形態４に係る半導体受光素子と同様、光吸収層は素子の側面部から離れているため、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、より信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態８に係る半導体受光素子によると、実施の形態４に係る半導体受光素子と同様、光吸収層は素子の側面部から離れているため、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、より信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0215】
実施の形態８の変形例．
実施の形態８の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
実施の形態８の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
【0216】
実施の形態８の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態８に係る半導体受光素子１６０、１６０ａの一例である表面入射型ＡＰＤにおけるｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１３、つまりランダムアロイ構造のｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層を、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。
【0217】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
【0218】
＜実施の形態８の変形例に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用＞
実施の形態８の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤは、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子と同様に、例えば図１１Ｃに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図１１Ｂに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。
実施の形態８の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤは、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子と同様に、例えば図１１Ｃに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図１１Ｂに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。
【0219】
＜実施の形態８の変形例の効果＞
以上、実施の形態８の変形例に係る半導体受光素子によると、また、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有するので、より信頼性が高く、かつ広い応答帯域で動作し、高い受信感度を有する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態８の変形例に係る半導体受光素子によると、また、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有するので、より信頼性が高く、かつ広い応答帯域で動作し、高い受信感度を有する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0220】
実施の形態９．
図２２は、実施の形態９に係る半導体受光素子１７０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
図２２は、実施の形態９に係る半導体受光素子１７０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【0221】
＜実施の形態９に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の素子構造＞
実施の形態９に係る半導体受光素子１７０の一例である表面入射型ＡＰＤは、実施の形態８に係る半導体受光素子１６０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造に、さらに、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５の外周部分に沿って分離溝１７を設けている点に特徴がある。
実施の形態９に係る半導体受光素子１７０の一例である表面入射型ＡＰＤは、実施の形態８に係る半導体受光素子１６０の一例である表面入射型ＡＰＤの素子構造に、さらに、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５の外周部分に沿って分離溝１７を設けている点に特徴がある。
【0222】
分離溝１７の深さは、２μｍ以上５μｍ以下の範囲内が好適である。また、分離溝１７の開口幅は、０．５μｍ以上１００μｍ以下の範囲内が好適である。分離溝１７の底部は、少なくともｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５にまで到達している。なお、図２２では、分離溝１７の底部がｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層２ａの途中にまで到達している一例を示している。分離溝１７の形成方法としては、ドライエッチング及びウエットエッチングのいずれでも良い。しかしながら、深さ制御に優れたドライエッチングの後に、ドライエッチングによって発生したダメージ層を除去するためにウエットエッチングを追加する方法が好適である。
【0223】
分離溝１７の内部及びｎ型ＩｎＰ窓層１１の表面は、ＳｉＮまたはＳｉＯ2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜１８によって保護されている。表面保護膜１８は、受光部の無反射コーティングも兼ねている。表面保護膜１８の膜厚として、５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の範囲内が好適である。また、表面保護膜１８は、ＢＣＢなどの有機膜であっても良い。
【0224】
＜実施の形態９に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用＞
ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造を光吸収層とする場合は、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造の各層の歪みが高くなっているため、外部から応力が加わると無秩序化が発生しやすい。そこで、実施の形態９に係る半導体受光素子１７０のように、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５の外周に沿って分離溝１７を設けることで、製造工程の過程でのウエハ全体におよぶ応力が緩和できる。また、個々の半導体受光素子１７０の状態になっても、分離溝１７の存在によって応力が緩和されるため、半導体受光素子１７０の中央の受光部での応力集中が緩和できる。この結果、デジタルアロイ構造光吸収層の無秩序化を防止できるので、吸収係数を高く保つことが可能となる。また、分離溝１７ではｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５が露出するため、上述の表面保護膜１８が分離溝１７の表面を覆っていることが望ましい。なお、分離溝１７には高電界が印加されないため、劣化の起点とはならない。
ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造を光吸収層とする場合は、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造の各層の歪みが高くなっているため、外部から応力が加わると無秩序化が発生しやすい。そこで、実施の形態９に係る半導体受光素子１７０のように、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５の外周に沿って分離溝１７を設けることで、製造工程の過程でのウエハ全体におよぶ応力が緩和できる。また、個々の半導体受光素子１７０の状態になっても、分離溝１７の存在によって応力が緩和されるため、半導体受光素子１７０の中央の受光部での応力集中が緩和できる。この結果、デジタルアロイ構造光吸収層の無秩序化を防止できるので、吸収係数を高く保つことが可能となる。また、分離溝１７ではｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５が露出するため、上述の表面保護膜１８が分離溝１７の表面を覆っていることが望ましい。なお、分離溝１７には高電界が印加されないため、劣化の起点とはならない。
【0225】
＜実施の形態９の効果＞
以上、実施の形態９に係る半導体受光素子によると、分離溝によって製造工程の熱処理などによる応力を緩和できるため、デジタルアロイ構造光吸収層の無秩序化を防止できるので、吸収係数を高く保つことが可能となるとともに、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、より信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態９に係る半導体受光素子によると、分離溝によって製造工程の熱処理などによる応力を緩和できるため、デジタルアロイ構造光吸収層の無秩序化を防止できるので、吸収係数を高く保つことが可能となるとともに、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、より信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0226】
実施の形態９の変形例．
実施の形態９の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
実施の形態９の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
【0227】
実施の形態９の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態９に係る半導体受光素子１７０の一例である表面入射型ＡＰＤにおけるｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１３、つまりランダムアロイ構造のｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層を、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。
【0228】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
【0229】
＜実施の形態９の変形例に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用＞
実施の形態９の変形例に係る半導体受光素子では、ｐ型拡散領域１５を形成する必要が無い、つまりｐ型拡散領域１５の形成にＺｎ拡散を実施するのに必要な高温の熱処理が無いため、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、例えば図１１Ｃに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図１１Ｂに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、イオン化率比ｋをほぼゼロに保つことが可能となる。
実施の形態９の変形例に係る半導体受光素子では、ｐ型拡散領域１５を形成する必要が無い、つまりｐ型拡散領域１５の形成にＺｎ拡散を実施するのに必要な高温の熱処理が無いため、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、例えば図１１Ｃに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図１１Ｂに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、イオン化率比ｋをほぼゼロに保つことが可能となる。
【0230】
＜実施の形態９の変形例の効果＞
以上、実施の形態９の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、また、高温の熱処理が必要ないのでＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、より信頼性が高く、かつ広い応答帯域で動作し、高い受信感度を有する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態９の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、また、高温の熱処理が必要ないのでＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、より信頼性が高く、かつ広い応答帯域で動作し、高い受信感度を有する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0231】
実施の形態１０．
図２３は、実施の形態１０に係る半導体受光素子１７０ａの一例である裏面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
図２３は、実施の形態１０に係る半導体受光素子１７０ａの一例である裏面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【0232】
＜実施の形態１０に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の素子構造＞
実施の形態９に係る半導体受光素子１７０の一例である表面入射型ＡＰＤが図２２に示すように表面側から光を受光するのに対して、実施の形態１０に係る半導体受光素子１７０ａの一例である裏面入射型ＡＰＤは、図２３に示すように、裏面側のｎ型電極３１ｃの一部を除去して開口部３３を設け、開口部３３を覆うように形成された無反射コーティング膜３５を介してｎ型ＩｎＰ基板１に光を入射する素子構造を有する点に特徴がある。つまり、ｐ型電極３２と相対するｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に、入射光９０の入射領域である無反射コーティング膜３５に覆われた開口部３３が設けられている。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８の中央部を部分的に除去し、露出したｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５上にＳｉＮまたはＳｉＯ2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜１８を形成し、さらにｐ型電極３２で覆うことにより、ｐ型電極３２からの光の反射率を高めている。
実施の形態９に係る半導体受光素子１７０の一例である表面入射型ＡＰＤが図２２に示すように表面側から光を受光するのに対して、実施の形態１０に係る半導体受光素子１７０ａの一例である裏面入射型ＡＰＤは、図２３に示すように、裏面側のｎ型電極３１ｃの一部を除去して開口部３３を設け、開口部３３を覆うように形成された無反射コーティング膜３５を介してｎ型ＩｎＰ基板１に光を入射する素子構造を有する点に特徴がある。つまり、ｐ型電極３２と相対するｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に、入射光９０の入射領域である無反射コーティング膜３５に覆われた開口部３３が設けられている。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８の中央部を部分的に除去し、露出したｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５上にＳｉＮまたはＳｉＯ2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜１８を形成し、さらにｐ型電極３２で覆うことにより、ｐ型電極３２からの光の反射率を高めている。
【0233】
実施の形態１０に係る半導体受光素子１７０ａの一例である裏面入射型ＡＰＤは、実施の形態９に係る半導体受光素子１７０と同様、分離溝によって製造工程の熱処理などによる応力を緩和できるため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の無秩序化を防止できる。
【0234】
また、半導体受光素子１７０ａのような裏面入射型ＡＰＤの方が表面入射型ＡＰＤよりもｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５の面積を小さく形成できるため、製造工程の熱処理などによる応力をさらに小さくすることが可能となるので、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の無秩序化のさらなる防止が図られる。この結果、素子構造形成の際に熱処理工程を実施するにも関わらずｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の無秩序化を防止できるので、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0235】
また、上述したように、ｐ型電極３２からの光の反射率を高めているため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５で吸収されずに透過した光は、ｐ型電極３２で反射されて再びｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５へ戻ることで、感度が高くなる。この結果、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５を薄層化できるため、電子及び正孔の走行時間を短縮できるので、さらなる応答帯域の広帯域化が可能な半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0236】
さらに、半導体受光素子１７０ａのような裏面入射型ＡＰＤではメサ型に形成されたｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５の面積を表面入射型ＡＰＤの場合よりも縮小できることから、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層２５のメサ部分からの応力の影響が小さくなるため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の無秩序化が発生しない。また、半導体受光素子１７０ａの動作時も応力が緩和されているため、長期間を経てもｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層５の無秩序化が発生しない。この結果、光吸収層として吸収係数を高く保つことが可能となる。つまり、実施の形態１０に係る半導体受光素子１７０ａは、長期間にわたって広い応答帯域で動作し、高い受光感度を保持することが可能となる。
【0237】
＜実施の形態１０の効果＞
以上、実施の形態１０に係る半導体受光素子によると、ｐ型導電層の面積を小さく形成できるため、熱処理工程で発生する応力をさらに小さくすることが可能となるので、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層の無秩序化のさらなる防止が図られ、分離溝によって応力をさらに小さくできるため、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態１０に係る半導体受光素子によると、ｐ型導電層の面積を小さく形成できるため、熱処理工程で発生する応力をさらに小さくすることが可能となるので、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層の無秩序化のさらなる防止が図られ、分離溝によって応力をさらに小さくできるため、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0238】
実施の形態１０の変形例．
実施の形態１０の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
実施の形態１０の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
【0239】
実施の形態１０の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態１０に係る半導体受光素子１７０ａの一例である表面入射型ＡＰＤにおけるｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層１３、つまりランダムアロイ構造のｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層を、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。
【0240】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
【0241】
＜実施の形態１０の変形例に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用＞
実施の形態１０の変形例に係る半導体受光素子では、ｐ型拡散領域１５を形成する必要が無い、つまりｐ型拡散領域１５の形成にＺｎ拡散を実施するのに必要な高温の熱処理が無いため、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、例えば図９Ｃに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図９Ｂに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、イオン化率比ｋをほぼゼロに保つことが可能となる。
実施の形態１０の変形例に係る半導体受光素子では、ｐ型拡散領域１５を形成する必要が無い、つまりｐ型拡散領域１５の形成にＺｎ拡散を実施するのに必要な高温の熱処理が無いため、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、例えば図９Ｃに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図９Ｂに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、イオン化率比ｋをほぼゼロに保つことが可能となる。
【0242】
＜実施の形態１０の変形例の効果＞
以上、実施の形態１０の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、また、高温の熱処理が必要ないのでＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、より信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態１０の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、また、高温の熱処理が必要ないのでＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止でき、さらに分離溝の存在によって応力を緩和できるため、広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有し、より信頼性が高い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0243】
実施の形態１１．
図２４は、実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０の一例である裏面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
図２４は、実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０の一例である裏面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図である。
【0244】
＜実施の形態１１に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の素子構造＞
実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０は、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａと、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａ上に順次形成された、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～１μｍであるｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層４０と、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～１μｍであるｐ型ＩｎＰ導電層４１と、ｐ型または低キャリア濃度（５×１０17ｃｍ-3以下）のｎ型またはｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層４２と、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～２０００ｎｍである、ｉ型ＩｎＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とｉ型ＧａＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とを交互に複数回積層したデジタルアロイ構造からなるｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３と、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が１０～１００ｎｍであるｐ型ＩｎＰ電界緩和層４４と、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～５００ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層４５と、層厚が１０～５０ｎｍであるｎ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層４６と、層厚が０．１～２μｍであるｎ型ＩｎＰ窓層４７と、キャリア濃度が５×１０17～８×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～２μｍであるｎ型ＩｎＡｌＡｓ導電層４９と、キャリア濃度が５×１０17～８×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～２μｍであるｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０と、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０上に形成されたｎ型電極５１と、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層４０上に形成されたｐ型電極５２と、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａの裏面側に形成された金属膜５３と、金属膜５３の開口部３３に設けられた無反射コーティング膜３５と、で構成される。
実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０は、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａと、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａ上に順次形成された、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～１μｍであるｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層４０と、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～１μｍであるｐ型ＩｎＰ導電層４１と、ｐ型または低キャリア濃度（５×１０17ｃｍ-3以下）のｎ型またはｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層４２と、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～２０００ｎｍである、ｉ型ＩｎＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とｉ型ＧａＡｓ層（一例として層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とを交互に複数回積層したデジタルアロイ構造からなるｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３と、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3～５×１０18ｃｍ-3であり層厚が１０～１００ｎｍであるｐ型ＩｎＰ電界緩和層４４と、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が５０～５００ｎｍであるｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層４５と、層厚が１０～５０ｎｍであるｎ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層４６と、層厚が０．１～２μｍであるｎ型ＩｎＰ窓層４７と、キャリア濃度が５×１０17～８×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～２μｍであるｎ型ＩｎＡｌＡｓ導電層４９と、キャリア濃度が５×１０17～８×１０18ｃｍ-3であり層厚が０．１～２μｍであるｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０と、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０上に形成されたｎ型電極５１と、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層４０上に形成されたｐ型電極５２と、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａの裏面側に形成された金属膜５３と、金属膜５３の開口部３３に設けられた無反射コーティング膜３５と、で構成される。
【0245】
なお、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層４０及びｐ型ＩｎＰ導電層４１は、ｐ型半導体層とも呼ぶ。また、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０の中央部を部分的に除去し、露出したｎ型ＩｎＡｌＡｓ導電層４９上にＳｉＮまたはＳｉＯ2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜１８を形成し、さらにｎ型電極５１で覆うことにより、ｎ型電極５１からの光の反射率を高めている。
【0246】
＜実施の形態１１に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の製造方法＞
実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０の製造方法を、以下に説明する。
ＭＯＶＰＥまたはＭＢＥを用いて、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａ上に、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であるｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層４０を０．１～１μｍの層厚で結晶成長する。ここで、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａの代りに、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても良い。また、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層４０は、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓの代りに、ｐ型ＩｎＰ、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ、またはｐ型ＩｎＧａＡｓでも良い。
実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０の製造方法を、以下に説明する。
ＭＯＶＰＥまたはＭＢＥを用いて、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａ上に、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であるｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層４０を０．１～１μｍの層厚で結晶成長する。ここで、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａの代りに、ｎ型ＩｎＰ基板を用いても良い。また、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層４０は、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓの代りに、ｐ型ＩｎＰ、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ、またはｐ型ＩｎＧａＡｓでも良い。
【0247】
ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層４０上に、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であるｐ型ＩｎＰ導電層４１を０．１～１μｍの層厚で結晶成長する。ここで、ｐ型ＩｎＰ導電層４１は、ｐ型ＩｎＰの代りに、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰまたはｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓでも良い。
【0248】
次に、ｐ型ＩｎＰ導電層４１の上に正孔に対する障壁の小さいｉ型、ｎ型またはｐ型のＩｎＡｌＡｓ層を設けても良い。さらに、ｐ型または低キャリア濃度（５×１０17ｃｍ-3以下）のｎ型またはｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層４２を結晶成長した後、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層４３を０．１～２μｍの層厚で結晶成長する。また、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３は、ｉ型の代りに低キャリア濃度（５×１０17ｃｍ-3以下）のｎ型またはｐ型でも良い。ここで、ｐ型ＩｎＰ導電層４１とｎ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層４２のいずれか一方、もしくは両方は必ずしも必要ではない。
【0249】
次に、キャリア濃度が１×１０17～５×１０18ｃｍ-3であるｐ型ＩｎＰ電界緩和層４４を１０～１００ｎｍの層厚で結晶成長する。ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４４のｐ型ドーパントとしてはＢｅ、Ｚｎ、Ｃなどが挙げられる。ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４４は必ずしもｐ型ＩｎＰとする必要がなく、ｐ型ＩｎＡｌＡｓまたはｐ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造でも良い。
【0250】
また、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３とｐ型ＩｎＰ電界緩和層４４との間に、ＩｎＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰなど、中間のバンドギャップ値となる１０～１００ｎｍの層厚のＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層を設けても良い。
【0251】
ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４４上に、増倍層として、ｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層４５及びｎ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層４６を結晶成長する。ｎ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層４６は、最表面のｎ型ＩｎＰ窓層４７に電界が印加されすぎて暗電流が増加したり、信頼性が低下したりしないようにするために設けられる。ｎ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層４６上に、ｎ型ＩｎＰ窓層４７を結晶成長する。
【0252】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３は、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａ側からＩｎＡｓ層（層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とＧａＡｓ層（層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）の順番で交互に積層した半導体層で構成される。ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３を、ＧａＡｓ層、ＩｎＡｓ層の順で形成しても良い。
【0253】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３の各層の原子層数は、２原子層以上４原子層以下が好適であるが、２原子層が最適である。この理由は、各層の原子層厚が薄いほどデジタルアロイ構造によるイオン化率比ｋの低減効果が大きくなるためである。
【0254】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３の層厚は５０ｎｍ～２μｍの範囲内である。例えば、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３の層厚を５００ｎｍとすると、ＩｎＡｓ層（２原子層）／ＧａＡｓ層（２原子層）の繰り返しは４１７回となる。図８は増倍層の場合であり、印加電界の逆数が１．４７×１０-6ｃｍ／Ｖの時にデッドスペースは８０ｎｍ程度であるが、ＰＤまたはＡＰＤの光吸収層中の印加電界は一桁小さい。つまり、印加電界の逆数が１．４７×１０-5ｃｍ／Ｖ程度と考えると、概ね８００ｎｍ以下の層厚で顕著にデッドスペース効果が顕在化するため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３の層厚として、８００ｎｍ以下の範囲が最も好適である。また、１６００ｎｍ以下の層厚であれば、５０％以上の層厚である８００ｎｍの距離では電子の走行速度が速いため、１６００ｎｍ以下の層厚の範囲でも大きなデッドスペース効果が得られる。
【0255】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３の導電型としてｉ型が挙げられ、キャリア濃度として１×１０17ｃｍ-3以下が挙げられる。しかしながら、キャリア濃度が５×１０18ｃｍ-3以下であるｐ型またはｎ型であっても良い。
【0256】
ｎ型ＩｎＰ窓層４７上に、ｎ型導電層としてｎ型ＩｎＡｌＡｓ導電層４９を結晶成長し、ｎ型コンタクト層としてｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０を結晶成長する。ｎ型ＩｎＡｌＡｓ導電層４９とｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０の層厚はそれぞれ０．１～２μｍ、キャリア濃度はそれぞれ５×１０17ｃｍ-3～８×１０18ｃｍ-3である。
【0257】
ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０の結晶成長後に、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ導電層４９及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０をメサ状にエッチングすることにより、第１メサを形成する。その後、第１メサの外側に第１メサを含むように、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層４０に達するようにエッチングして、第２メサを形成する。第２メサはｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層４０に達していなくても、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３が電気的に分離できれば良い。第１メサと第２メサとの間隔は、１μｍ以上離れていることが好適である。また、第２メサを先に形成した後に、第１メサを形成しても良い。
【0258】
ｐ型電極５２はｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層４０上に形成し、ｎ型電極５１はｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０上に形成する。なお、ｎ型半導体の場合、オーミック抵抗がｐ型半導体よりも１桁小さいため、バンドギャップの小さいｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０を必ずしも用いる必要がなく、ｎ型ＩｎＰ、ｎ型ＩｎＡｌＧａＡｓまたはｎ型ＩｎＧｓＡｓＰを用いても良い。あるいは、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ導電層４９に直接コンタクトを取っても良い。
以上の各工程を経て、実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０が完成する。
以上の各工程を経て、実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０が完成する。
【0259】
＜実施の形態１１に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用及び効果＞
実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０は、実施の形態１０に係る半導体受光素子１７０ａにおいてｎ型をｐ型に、ｐ型をｎ型にそれぞれ導電型を反転させ、上面側の導電型をｎ型とした点に特徴がある。
実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０は、実施の形態１０に係る半導体受光素子１７０ａにおいてｎ型をｐ型に、ｐ型をｎ型にそれぞれ導電型を反転させ、上面側の導電型をｎ型とした点に特徴がある。
【0260】
実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０の第１の作用及び効果を、以下に説明する。
エピタキシャル結晶成長中は高温で長時間保持されるため、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４４からｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３へｐ型ドーパントが拡散すると、無秩序してしまうおそれがある。実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０では、実施の形態１０に係る半導体受光素子１７０ａと比べて、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４４の上側の半導体各層の層厚の合計が約３分の１と薄い。つまり、実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０において、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４４を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、実施の形態４に係る半導体受光素子１３０ａと比べて約２分の１と短いため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３の無秩序化が発生しにくい。
エピタキシャル結晶成長中は高温で長時間保持されるため、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４４からｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３へｐ型ドーパントが拡散すると、無秩序してしまうおそれがある。実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０では、実施の形態１０に係る半導体受光素子１７０ａと比べて、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４４の上側の半導体各層の層厚の合計が約３分の１と薄い。つまり、実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０において、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４４を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、実施の形態４に係る半導体受光素子１３０ａと比べて約２分の１と短いため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３の無秩序化が発生しにくい。
【0261】
実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０の第２の作用及び効果を、以下に説明する。
半導体受光素子の上側の電極、つまり表面側の電極は、図２３に示す裏面入射型ＡＰＤではｐ型電極３２、図２４に示す裏面入射型ＡＰＤではｎ型電極５１である。高速化のためには表面側の電極の電極面積をより縮小して電気容量を低減する必要がある。しかしながら、上側の電極の電極面積を縮小すると、電極と半導体層との間のコンタクト抵抗が上昇するため、ＲＣ時定数が増加して応答帯域が狭くなるという問題が発生する。
半導体受光素子の上側の電極、つまり表面側の電極は、図２３に示す裏面入射型ＡＰＤではｐ型電極３２、図２４に示す裏面入射型ＡＰＤではｎ型電極５１である。高速化のためには表面側の電極の電極面積をより縮小して電気容量を低減する必要がある。しかしながら、上側の電極の電極面積を縮小すると、電極と半導体層との間のコンタクト抵抗が上昇するため、ＲＣ時定数が増加して応答帯域が狭くなるという問題が発生する。
【0262】
実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０では、上側の電極、つまりｎ型電極５１はｎ型半導体とコンタクトするため、ｐ型電極とｐ型半導体とのコンタクトに比べてオーミック抵抗が１０分の１に低減される。このため、ｎ型電極５１の面積を小さくできるので、電極からの応力が減少しｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３において無秩序化が発生しにくくなるという効果を奏する。なお、上述の説明では、実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０の一例としてＡＰＤの場合を説明したが、ＰＤにおいても、例えば実施の形態７に係る半導体受光素子１５０においてｎ型をｐ型に、ｐ型をｎ型にそれぞれ導電型を反転させた素子構造としても良い。
【0263】
＜実施の形態１１の効果＞
以上、実施の形態１１に係る半導体受光素子によると、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、実施の形態１０に係る半導体受光素子と比べて約２分の１と短いため、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層の無秩序化がさらに発生しにくいため、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。また、上述したように、ｎ型電極５１からの光の反射率を高めているため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３で吸収されずに透過した光は、ｎ型電極５１で反射されて再びｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３へ戻ることで、受光感度が高くなる。この結果、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３を薄くできるため、電子及び正孔の走行時間を短縮でき、さらなる応答帯域の広帯域化が可能な半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態１１に係る半導体受光素子によると、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、実施の形態１０に係る半導体受光素子と比べて約２分の１と短いため、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層の無秩序化がさらに発生しにくいため、信頼性が高く、かつ広帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。また、上述したように、ｎ型電極５１からの光の反射率を高めているため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３で吸収されずに透過した光は、ｎ型電極５１で反射されて再びｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３へ戻ることで、受光感度が高くなる。この結果、ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層４３を薄くできるため、電子及び正孔の走行時間を短縮でき、さらなる応答帯域の広帯域化が可能な半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0264】
実施の形態１１の変形例．
実施の形態１１の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤ及び裏面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
実施の形態１１の変形例に係る半導体受光素子の一例である表面入射型ＡＰＤ及び裏面入射型ＡＰＤについて、以下に説明する。
【0265】
実施の形態１１の変形例に係る半導体受光素子は、実施の形態１１に係る半導体受光素子１８０の一例である表面入射型ＡＰＤ及び裏面入射型ＡＰＤにおけるｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層４５、つまりランダムアロイ構造のｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層を、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層に置き換えた点が構造的に異なる。
【0266】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚に関しては、実施の形態２の変形例に係る半導体受光素子のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層構成及び層厚と同様であるので、説明を省略する。
【0267】
＜実施の形態１１の変形例に係る半導体受光素子の作用＞
実施の形態１１の変形例に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）では、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、実施の形態７に係る半導体受光素子１５０と比べて約３分の１と短いため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化が発生しにくい。
実施の形態１１の変形例に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）では、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、実施の形態７に係る半導体受光素子１５０と比べて約３分の１と短いため、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化が発生しにくい。
【0268】
＜実施の形態１１の変形例の効果＞
以上、実施の形態１１の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、また、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、導電型が逆の素子構造と比べて短時間で済むため、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるため、より信頼性が高く、かつ広い応答帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態１１の変形例に係る半導体受光素子によると、層厚が予め設定された範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有し、また、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、導電型が逆の素子構造と比べて短時間で済むため、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるため、より信頼性が高く、かつ広い応答帯域で動作し、低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0269】
実施の形態１２．
図２５は、実施の形態１２に係る５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置（ＯＬＴ）２６０を表す構成図である。光回線終端装置２６０は、ＦＥＣ２６１（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ：ＦＥＣ）と、ドライバーアンプ２６２と、光源２６３と、ＷＤＭ２６４（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）と、クロック・データ再生回路であるＣＤＲ２６５（Ｃｌｏｃｋ Ｄａｔａ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ：ＣＤＲ）と、制限アンプ２６６と、バーストＴＩＡ２６７と、本開示のＤＡ－ＡＰＤ２６８と、を備える。なお、本開示のＤＡ－ＡＰＤ２６８の代りに本開示のＤＡ－ＰＤを適用しても良い。
図２５は、実施の形態１２に係る５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置（ＯＬＴ）２６０を表す構成図である。光回線終端装置２６０は、ＦＥＣ２６１（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ：ＦＥＣ）と、ドライバーアンプ２６２と、光源２６３と、ＷＤＭ２６４（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）と、クロック・データ再生回路であるＣＤＲ２６５（Ｃｌｏｃｋ Ｄａｔａ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ：ＣＤＲ）と、制限アンプ２６６と、バーストＴＩＡ２６７と、本開示のＤＡ－ＡＰＤ２６８と、を備える。なお、本開示のＤＡ－ＡＰＤ２６８の代りに本開示のＤＡ－ＰＤを適用しても良い。
【0270】
なお、本開示のＤＡ－ＡＰＤとは、上述の各実施の形態で説明された、光吸収層がＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造であるＡＰＤ、または光吸収層がＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造及び増倍層がＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造であるＡＰＤを指す。さらに、本開示のＤＡ－ＰＤとは、上述の各実施の形態で説明された、光吸収層がＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造であるＰＤを指す。
【0271】
図２６は、実施の形態１２に係る５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置（ＯＮＵ）を表す構成図である。光回線終端装置２７０は、ＷＤＭ２７１と、光源２７２と、ドライバーアンプ２７３と、ＦＥＣ２７４と、本開示のＤＡ－ＡＰＤ２７５と、ＴＩＡ２７６と、制限アンプ２７７と、ＣＤＲ２７８と、を備える。
【0272】
図２７は、比較例である５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置（ＯＬＴ）２５０ａを表す構成図である。比較例である光回線終端装置２５０ａは、前方誤り訂正回路であるＦＥＣ２５１（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ：ＦＥＣ）と、ドライバーアンプ２５２と、光源２５３と、光合分波器であるＷＤＭ２５４（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）と、デジタル信号処理回路であるＤＳＰ２５５と、アナログ／デジタル変換回路であるＡＤＣ２５６（Ａｎａｌｏｇ－ｔｏ－Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＡＤＣ）と、バーストＴＩＡ２５７（Ｔｒａｎｃｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）と、従来のＡＰＤ２５８と、を備える。
【0273】
図２７に示す比較例である５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置２５０ａのように、比較例である５０Ｇ－ＰＯＮシステムではデジタル帯域補償、つまり、ＤＳＰ２５５が必要であった。一方、本開示のＤＡ－ＡＰＤを用いた５０Ｇ－ＰＯＮシステムでは、デジタル帯域補償が不要となる。すなわち、図２６に示す実施の形態１２に係る５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置（ＯＮＵ）のように、本開示のＤＡ－ＡＰＤ、つまり、少なくともＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を有するＡＰＤを用いれば、広い応答帯域と高い受信感度が可能となるため、ＤＳＰ回路の簡略化及び省電力化、ＳＯＡの出力パワーの削減が可能となる。
【0274】
ＰＯＮシステムの多分岐化及びＳＯＡの省略のためには、受信機のＳＮ比を改善し受信感度を高める必要がある。たとえば、現状よりも分岐数を増加するために、光分波器を１段追加すると半分の光量となってしまうため、ＳＮ比を最低でも３ｄＢ改善する必要がある。ＡＰＤを用いた受信機のＳＮ比は、以下の式（１４）で表される。
SN比=Iph2・M2/(2q(Iph+Ｉd)M2・F・B+４Kb・T・Ft・B/Rt) (１４)
SN比=Iph2・M2/(2q(Iph+Ｉd)M2・F・B+４Kb・T・Ft・B/Rt) (１４)
【0275】
式（１４）において、ＩｐｈはＡＰＤの光電流、Ｍは増倍率、ｑは単位電荷、Ｉｄは増倍される暗電流、ＦはＡＰＤの過剰雑音係数、Ｂは帯域、Ｋｂはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｆｔは増幅器の雑音指数、Ｒｔは入力抵抗をそれぞれ表す。分母の左項はＡＰＤのショット雑音を表し、分母の右項は増幅器の熱雑音を表す。
【0276】
式（１４）を簡略化するために、ＩｄはＩｐｈよりも十分に小さく、ＳＮ比が最大となる増倍率の場合に、ＡＰＤのショット雑音の項と増幅器の熱雑音の項が等しいと仮定し、増幅器の熱雑音の項をＡＰＤのショット雑音の項で置き換えると、ＳＮ比は以下の式（１５）で表わされる。
ＳＮ比＝Ｉｐｈ／（４ｑ・Ｆ・Ｂ） （１５）
ＳＮ比＝Ｉｐｈ／（４ｑ・Ｆ・Ｂ） （１５）
【0277】
また、過剰雑音係数Ｆは、以下の式(１６)で与えられる。
Ｆ＝Ｍ（１－（１－ｋ）・（（Ｍ－１）2／Ｍ2）） (１６)
Ｆ＝Ｍ（１－（１－ｋ）・（（Ｍ－１）2／Ｍ2）） (１６)
【0278】
従来のＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層の場合は、上述のようにトンネル電流の影響により、デッドスペース効果が発現するまでの薄層化（約７０ｎｍ）が困難であるため、ＡＰＤへの適用例は無い。このため、薄層化されていないＩｎＡｌＡｓ増倍層の場合のイオン化率比ｋを０．２に設定して、システム設計がなされている。イオン化率比ｋ＝０．２で、増倍率が１２倍の場合は、過剰雑音係数Ｆ＝３．９となる。
【0279】
一方、実施の形態１２に係る５０Ｇ－ＰＯＮシステムでは、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を増倍層とするＡＰＤ、つまり本開示のＤＡ－ＡＰＤが半導体受光素子として適用される。本開示のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の場合は、１００ｎｍ以上の層厚でもデッドスペース効果が機能するためＡＰＤへの適用が可能であり、この場合、イオン化率比ｋ＝０となり、増倍率が１２倍の場合は、過剰雑音係数Ｆ＝１．９となる。したがって、従来のＡＰＤの約半分の過剰雑音となる。この結果、本開示のＤＡ－ＡＰＤを適用すれば、ＳＮ比が３ｄＢ向上する。
【0280】
一般に、５０Ｇ－ＰＯＮシステムでは、分岐数を増加するために２分波器を１段挿入すると３ｄＢ損失が大きくなる。したがって、半導体受光素子として本開示のＤＡ－ＡＰＤを適用すると、５０Ｇ－ＰＯＮシステムに１段多く分波器を挿入することが可能となる。
【0281】
図２８は、実施の形態１２に係る５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置（ＯＬＴ）の構成を表す図である。５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置２６０ａは、ＦＥＣ２６１と、ドライバーアンプ２６２と、光源２６３と、ＷＤＭ２６４と、ＤＳＰ２６５ａと、ＡＤＣ２６６ａと、バーストＴＩＡ２６７と、本開示のＤＡ－ＡＰＤ２６８と、を備える。なお、本開示のＤＡ－ＡＰＤ２６８の代りに本開示のＤＡ－ＰＤを適用しても良い。
【0282】
図２９は、実施の形態１２に係る５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置（ＯＮＵ）の構成を表す図である。５０Ｇ－ＰＯＮシステムの光回線終端装置２６０ｂは、ＦＥＣ２６１と、ドライバーアンプ２６２と、光源２６３と、ＷＤＭ２６４と、ＤＳＰ２６５ａと、ＡＤＣ２６６ａと、ＴＩＡ２６７ａと、本開示のＤＡ－ＡＰＤ２６８と、を備える。
【0283】
本開示に係る半導体受光素子による効果を、さらに説明する。
本開示のＤＡ－ＡＰＤのうちＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を有するＡＰＤは、増倍層の層厚を予め設定された範囲内に制御してイオン化率比ｋをゼロとすることにより、式（５）の増倍時間がほぼゼロとなる。この結果、増倍率を高くしてもＡＰＤの応答帯域は劣化しない。つまり、本開示のＤＡ－ＡＰＤでは、従来のＰＤと同様、ＲＣ時定数及びキャリアの走行時間でのみ応答帯域が制限される。したがって、５０Ｇ－ＰＯＮシステムで必要となる応答帯域の広帯域化が可能となり、ＤＳＰによるデジタル帯域補償が無くとも受信することが可能となる。
本開示のＤＡ－ＡＰＤのうちＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を有するＡＰＤは、増倍層の層厚を予め設定された範囲内に制御してイオン化率比ｋをゼロとすることにより、式（５）の増倍時間がほぼゼロとなる。この結果、増倍率を高くしてもＡＰＤの応答帯域は劣化しない。つまり、本開示のＤＡ－ＡＰＤでは、従来のＰＤと同様、ＲＣ時定数及びキャリアの走行時間でのみ応答帯域が制限される。したがって、５０Ｇ－ＰＯＮシステムで必要となる応答帯域の広帯域化が可能となり、ＤＳＰによるデジタル帯域補償が無くとも受信することが可能となる。
【0284】
また、イオン化率比ｋがゼロに近くなると、受信感度を悪化させる過剰雑音が抑制されるため、ＳＯＡによる光信号の増幅が不要となる。さらに、５０Ｇ－ＰＯＮシステム以外のＰＯＮシステムでも、従来よりも多分岐化が可能となる。その結果、ＰＯＮシステムの低コスト及び省電力化が実現できる。
【0285】
＜実施の形態１２の効果＞
以上、実施の形態１２に係る光回線終端装置によると、半導体受光素子として、本開示のＤＡ－ＡＰＤまたはＤＡ－ＰＤを用いたので、光信号の伝送距離が増加し、消費電力が低減できる光回線終端装置が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態１２に係る光回線終端装置によると、半導体受光素子として、本開示のＤＡ－ＡＰＤまたはＤＡ－ＰＤを用いたので、光信号の伝送距離が増加し、消費電力が低減できる光回線終端装置が得られるという効果を奏する。
【0286】
実施の形態１３．
図３０は、実施の形態１３に係る多値強度変調送受信装置３００の構成を表す図である。また、図３１Ａ及び図３１Ｂは、実施の形態１３に係る多値強度変調送受信装置３００の受信波形を示す図である。
図３０は、実施の形態１３に係る多値強度変調送受信装置３００の構成を表す図である。また、図３１Ａ及び図３１Ｂは、実施の形態１３に係る多値強度変調送受信装置３００の受信波形を示す図である。
【0287】
多値強度変調送受信装置３００は、多値の強度変調方式であるＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式の多値強度変調送受信装置である。送信部ではＤＳＰ３０１において生成したデジタル信号を、ＤＡＣ３０２ａにおいてアナログ変換し、ドライバーアンプ３０３において増幅し、ＤＦＢレーザまたはＥＭＬからなる光源３０４を駆動して、光ファイバケーブル３１０へ光信号を出射する。
【0288】
一方、受信部では、光ファイバケーブル３１０から光学系を経て本開示の半導体受光素子であるＤＡ－ＡＰＤ３０５に入射し、光信号の電流への変換及び増倍を行い、さらに、Ｌｉｎｅａｒ－ＴＩＡ３０６において増幅した後に、ＡＤＣ３０２ｂにおいてデジタル信号に変換して、ＤＳＰ３０１により信号処理を行う。なお、本開示のＤＡ－ＡＰＤ３０５の代りに、本開示のＤＡ－ＰＤを用いても良い。
【0289】
＜実施の形態１３に係る多値強度変調送受信装置の作用と効果＞
ＰＡＭ方式の多値強度変調送受信装置３００では、ＮＲＺ（Ｎｏｎｅ Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）、ＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）などの１と０の２値信号だけでなく、たとえば、ＰＡＭ４（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ－４）では、光の信号強度が異なる４値を受信する必要がある。ＰＡＭ４の受信波形の一例を、図３１Ａに示す。ＰＡＭ４での受信波形の良否の判定には、ＴＤＥＣＱ（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｅｙｅ Ｃｌｏｓｕｒｅ Ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ）という指標が用いられる。ＴＤＥＣＱは、以下の式（１７）によって算出される。
ＴＤＥＣＱ(ｄＢ)＝１０・ｌｏｇ(ＯＭＡ/(６・Ｑｔ・Ｒ)) （１７）
ＰＡＭ方式の多値強度変調送受信装置３００では、ＮＲＺ（Ｎｏｎｅ Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）、ＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）などの１と０の２値信号だけでなく、たとえば、ＰＡＭ４（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ－４）では、光の信号強度が異なる４値を受信する必要がある。ＰＡＭ４の受信波形の一例を、図３１Ａに示す。ＰＡＭ４での受信波形の良否の判定には、ＴＤＥＣＱ（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｅｙｅ Ｃｌｏｓｕｒｅ Ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ）という指標が用いられる。ＴＤＥＣＱは、以下の式（１７）によって算出される。
ＴＤＥＣＱ(ｄＢ)＝１０・ｌｏｇ(ＯＭＡ/(６・Ｑｔ・Ｒ)) （１７）
【0290】
式（１７）において、光変調振幅（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ：ＯＭＡ）はレベル０からレベル３までの全振幅であり、ＱｔはＩＥＥＥ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）で規定されたＳＥＲ（Ｓｙｍｂｏｌ Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ）に依存する値、ＲはＳＥＲ値にするのに必要な付加雑音値である。ＴＤＥＣＱ（ｄＢ）は、たとえば３ｄＢ以下と規定されている。ＴＤＥＣＱ（ｄＢ）を小さくするためには、
（１）各レベルのアイ開口が均一であること
（２）各レベルの雑音が少ないこと
が必要である。
（１）各レベルのアイ開口が均一であること
（２）各レベルの雑音が少ないこと
が必要である。
【0291】
光の信号強度が異なる４値からなる各レベルのアイ開口が均一であるためには、半導体受光素子のリニアリティが優れている必要がある。ここで、半導体受光素子のリニアリティが良いとは、光電流Ｉｐｈが光入力パワーＰｉｎに比例して増加することである。つまり、光入力パワーＰｉｎが変化しても、Ｉｐｈ／Ｐｉｎが一定であればリニアリティが良いと言える。
【0292】
また、ＰＡＭでは、強度の小さい信号から強度の大きい信号までを受信する必要があるため、ダイナミックレンジが優れている必要がある。つまり、光入力パワーＰｉｎが大きくなっても、Ｉｐｈ／Ｐｉｎの低下量が小さければ、ダイナミックレンジが良いと言える。図３１Ｂの受信波形のように、リニアリティ及びダイナミックレンジが悪化すると、レベル２とレベル３の間に形成されるアイ開口が劣化する。
【0293】
ＰＤ及びＡＰＤの場合、リニアリティが劣化する原因として、光入力の増加に伴い光電流が増加すると、増倍層及び光吸収層の中を走行する正孔及び電子が増加して、増倍層及び光吸収層の電界分布が変化することが挙げられる。かかる現象を空間電荷効果と呼ぶ。
【0294】
発明者らはＡＰＤのリニアリティが劣化するモデルを検討した。図３２Ａ及び図３２Ｂは、高光入力時のＰＤの動作を説明する図である。図３２Ａに示すように、光入力が増大し、光電流が増加すると、あたかも、直列抵抗による電圧降下が発生してｐｎ接合に電圧が印加されなくなるように空間電荷効果が作用する。この電圧降下により増倍率が低下する。これは、図３２Ｂに示すように、発生した電子及び正孔が電界分布に影響するためである。ＡＰＤのリニアリティを劣化させる直列抵抗Ｒｌｉは、以下の式（１８）のように表される。
Ｒｌｉ＝Ｒｓｃ＋Ｒｄ＋Ｒｌｏ （１８）
Ｒｌｉ＝Ｒｓｃ＋Ｒｄ＋Ｒｌｏ （１８）
【0295】
式（１８）において、Ｒｓｃは空間電荷効果による抵抗、Ｒｄは素子抵抗、Ｒｌｏは負荷抵抗である。Ｒｄ及び負荷抵抗は通常数１０Ωであるが、Ｒｓｃは数１００Ω以上になる場合がある。
【0296】
光吸収により発生した電子及び正孔が空乏層内を通過する時間をＴｄとすると、Ｒｓｃは、以下の式（１９）で表されることを発明者らは見出した。
Ｒｓｃ＝Ｗ・Ｔｄ／（２εＳ） （１９）
式（１９）において、Ｗは空乏層の層厚、εは誘電率、Ｓはｐｎ接合面積である。
空間電荷効果による抵抗Ｒｓｃは、電子及び正孔が空乏層内に通過する時間Ｔｄに比例する。したがって、電子及び正孔の走行速度を高めてＴｄを低減すれば抵抗Ｒｓｃを減少することが可能である。
Ｒｓｃ＝Ｗ・Ｔｄ／（２εＳ） （１９）
式（１９）において、Ｗは空乏層の層厚、εは誘電率、Ｓはｐｎ接合面積である。
空間電荷効果による抵抗Ｒｓｃは、電子及び正孔が空乏層内に通過する時間Ｔｄに比例する。したがって、電子及び正孔の走行速度を高めてＴｄを低減すれば抵抗Ｒｓｃを減少することが可能である。
【0297】
本開示のＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を少なくとも有するＰＤ及びＡＰＤでは、光吸収層の吸収係数が高いため、光吸収層を薄層化することが可能となり、光吸収層の薄層化によって抵抗Ｒｓｃを低減できる。この結果、アイ開口が均一となるため、ＴＤＥＣＱが規定値を満たす。さらに、伝送距離を増加させたり、送信用レーザの駆動電流を低減するといったことが可能となる。
【0298】
本開示のＤＡ－ＡＰＤの中で、光吸収層及び増倍層の両方がデジタルアロイ構造のＡＰＤを用いた場合について、以下に説明する。
まず、高光入力時におけるＡＰＤの動作の場合を説明する。図３３は、高光入力時のＡＰＤの動作を説明する図である。増倍層内において多数の電子及び正孔が発生すると、ＡＰＤでは増倍層内の電界が変化、つまり、いわゆる空間電荷効果が発生する。この空間電荷効果の発生により、ＡＰＤの増倍率が低下してリニアリティが劣化する。上述のように、ＡＰＤのリニアリティの劣化は直列抵抗Ｒｓｃが原因であるため、電子及び正孔の空乏層内における滞留時間Ｔｄｍを低減する必要がある。特に、増倍率が大きくなると、増倍層内における滞留時間Ｔｄｍが増加する。Ｔｄｍはいわゆる増倍時間と同一であり、以下の式（２０）で表される。
滞留時間Ｔｄｍ＝増倍時間＝２πＮｋＭτａｖ （２０）
まず、高光入力時におけるＡＰＤの動作の場合を説明する。図３３は、高光入力時のＡＰＤの動作を説明する図である。増倍層内において多数の電子及び正孔が発生すると、ＡＰＤでは増倍層内の電界が変化、つまり、いわゆる空間電荷効果が発生する。この空間電荷効果の発生により、ＡＰＤの増倍率が低下してリニアリティが劣化する。上述のように、ＡＰＤのリニアリティの劣化は直列抵抗Ｒｓｃが原因であるため、電子及び正孔の空乏層内における滞留時間Ｔｄｍを低減する必要がある。特に、増倍率が大きくなると、増倍層内における滞留時間Ｔｄｍが増加する。Ｔｄｍはいわゆる増倍時間と同一であり、以下の式（２０）で表される。
滞留時間Ｔｄｍ＝増倍時間＝２πＮｋＭτａｖ （２０）
【0299】
式（２０）において、ＮはＥｍｍｏｎｓ係数（イオン化率比ｋに緩やかに依存する。）、Ｍは増倍率、τａｖは電子及び正孔が増倍層を走行する平均時間である。滞留時間Ｔｄｍから、増倍層をキャリアが横断する片道分の通過時間は除いている。Ｎは、イオン化率比ｋ＝０．５（ＩｎＰ）、０．２（ＩｎＡｌＡｓ）、０．１（Ｓｉ）、０～０．００１（ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造）の場合、それぞれ、０．５５、０．８３、１．１、２．０となる。
【0300】
図３４に、増倍層を構成する材料ごとの電子及び正孔の滞留時間Ｔｄｍを示す。ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層では増倍層内における滞留時間Ｔｄｍが画期的に減少する。つまり、増倍層内から電子及び正孔が早く排出されるため、増倍層での空間電荷効果が抑制される結果、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層ではリニアリティ及びダイナミックレンジが向上する。
【0301】
この結果、従来のＡＰＤでは図３１ＢのようにＰＡＭ４のアイ開口が不均一であったが、本開示のＤＡ－ＡＰＤでは、図３１Ａのようにアイ開口が均一となるため、ＴＤＥＣＱが規定値を満たすことが可能となる。したがって、本開示のＤＡ－ＡＰＤを用いると、ＰＡＭ用の送受信器でもＡＰＤを使うことができるため、光信号の伝送距離が増加したり、送信用レーザの駆動電流を低減することが可能となる。
【0302】
＜実施の形態１３の効果＞
以上、実施の形態１３に係る多値強度変調送受信装置によると、半導体受光素子として、本開示のＤＡ－ＡＰＤまたはＤＡ－ＰＤを用いたので、光信号の伝送距離が増加し、消費電力が低減できる多値強度変調送受信装置が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態１３に係る多値強度変調送受信装置によると、半導体受光素子として、本開示のＤＡ－ＡＰＤまたはＤＡ－ＰＤを用いたので、光信号の伝送距離が増加し、消費電力が低減できる多値強度変調送受信装置が得られるという効果を奏する。
【0303】
実施の形態１４．
図３５は、実施の形態１４に係る光ファイバ無線システム４００（Ｒａｄｉｏ ｏｎ ｆｉｂｅｒ：ＲｏＦ）の構成を表す模式図である。また、図３６は、比較例である光ファイバ無線システム４５０の構成を表す模式図である。光ファイバ無線システム４００は、光源４０１と、光ファイバケーブルのような伝送路４０２と、本開示のＤＡ－ＡＰＤ４０３と、アンテナ４０４と、を備える。なお、本開示のＤＡ－ＡＰＤ４０３の代りに、本開示のＤＡ－ＰＤを用いても良い。
図３５は、実施の形態１４に係る光ファイバ無線システム４００（Ｒａｄｉｏ ｏｎ ｆｉｂｅｒ：ＲｏＦ）の構成を表す模式図である。また、図３６は、比較例である光ファイバ無線システム４５０の構成を表す模式図である。光ファイバ無線システム４００は、光源４０１と、光ファイバケーブルのような伝送路４０２と、本開示のＤＡ－ＡＰＤ４０３と、アンテナ４０４と、を備える。なお、本開示のＤＡ－ＡＰＤ４０３の代りに、本開示のＤＡ－ＰＤを用いても良い。
【0304】
実施の形態１４に係る光ファイバ無線システム４００では、アナログの電気振幅信号をＬＤなどの光源４０１に入力し、光振幅信号に変換する。変換された光振幅信号は光ファイバケーブル、つまり伝送路４０２によって伝送される。伝送された光振幅信号を、本開示のＤＡ－ＡＰＤ４０３を用いて増倍して電気振幅信号に変換する。変換後の電気振幅信号をアンテナ４０４に伝送して、電波信号として放射する。
【0305】
実施の形態１４に係る光ファイバ無線システム４００は、電気信号源から距離の離れたアンテナ４０４に向けて、信号を効率的に供給することが可能である。また、伝送の途中でアナログからデジタルへの変換、またはデジタルからアナログへの変換を行わないため、システム構成が簡単で、かつ消費電力も小さいという特徴がある。
【0306】
＜実施の形態１４に係る光ファイバ無線システムの作用及び効果＞
図３６に示す比較例の光ファイバ無線システム４５０では、光ファイバケーブルによる伝送で信号が減衰してしまうとＰＤ４０６では増倍できないため、十分な電波信号をアンテナから放射できないという問題があった。
図３６に示す比較例の光ファイバ無線システム４５０では、光ファイバケーブルによる伝送で信号が減衰してしまうとＰＤ４０６では増倍できないため、十分な電波信号をアンテナから放射できないという問題があった。
【0307】
また、従来のＡＰＤを用いると、図３２Ａ及び図３２Ｂに示されるように、増倍層内の電子及び正孔が増加すると電界分布が変化するため増倍率が飽和し、ダイナミックレンジが確保できなくなってしまう。このため、十分な電気信号の振幅が得られないだけでなく、アナログ信号が歪んでしまうという問題があった。この結果、比較例のような光ファイバ無線システム４５０への従来のＡＰＤの適用は困難であった。
【0308】
一方、実施の形態１４に係る光ファイバ無線システム４００で使用される本開示のＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を少なくとも有するＰＤまたはＡＰＤでは、光吸収層の吸収係数が高いため、光吸収層を薄層化することが可能となり、光吸収層の薄層化によって抵抗Ｒｓｃを低減できる。この結果、広いダイナミックレンジにわたってリニアリティのよい応答が得られ、かつ、大きな電流振幅を得ることが可能となる。このように、本開示のＤＡ－ＰＤまたはＤＡ－ＡＰＤを用いて、光ファイバ無線システム４００を構成したので、光伝送距離を長くしても強い電波信号をリニアリティよく出力することが可能となる。
【0309】
さらに、本開示のＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造からなる光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造からなる増倍層を有するＤＡ－ＡＰＤ４０３では、図３４に示すように、電子及び正孔の増倍層での滞留時間Ｔｄｍが短いために、増倍層内の電界分布の変化が抑制される。この結果、広いダイナミックレンジにわたってリニアリティに優れた応答が得られる。つまり、本開示のＤＡ－ＡＰＤ４０３で信号を増倍するので元の信号を再現することができ、かつ、大きな電流振幅を得ることが可能となる。
【0310】
本開示のＤＡ－ＡＰＤ４０３の増倍率として、１．２～１０倍の範囲内でも使用可能である。しかしながら、増倍率が大きくなると信号が歪むため、１．２～５倍の範囲内の増倍率で使用することが望ましい。また、増倍量は光ファイバの損失及びＡＰＤの量子効率が１００％でなく約８０％である点を鑑みると、かかる損失を補うために、２～３倍の増倍率で使用することが最適である。
【0311】
＜実施の形態１４の効果＞
以上、実施の形態１４に係る光ファイバ無線システムによると、本開示のＤＡ－ＡＰＤまたはＤＡ－ＰＤを用いて光ファイバ無線システムを構成したので、光伝送距離を長くしても強い電波信号を出力することが可能な光ファイバ無線システムが得られる効果を奏する。
以上、実施の形態１４に係る光ファイバ無線システムによると、本開示のＤＡ－ＡＰＤまたはＤＡ－ＰＤを用いて光ファイバ無線システムを構成したので、光伝送距離を長くしても強い電波信号を出力することが可能な光ファイバ無線システムが得られる効果を奏する。
【0312】
実施の形態１５．
図３７は、実施の形態１５に係るデジタルコヒーレント受信装置５００の構成を表す模式図である。実施の形態１５に係るデジタルコヒーレント受信装置５００は、本開示のＤＡ－ＡＰＤ５０５ａを用いている点に特徴がある。なお、本開示のＤＡ－ＡＰＤ５０５ａの代りに、本開示のＤＡ－ＰＤを用いても良い。
図３７は、実施の形態１５に係るデジタルコヒーレント受信装置５００の構成を表す模式図である。実施の形態１５に係るデジタルコヒーレント受信装置５００は、本開示のＤＡ－ＡＰＤ５０５ａを用いている点に特徴がある。なお、本開示のＤＡ－ＡＰＤ５０５ａの代りに、本開示のＤＡ－ＰＤを用いても良い。
【0313】
デジタルコヒーレント通信では、光ファイバ中を位相及び強度の両方を変調した光信号が偏波多重されて伝送される。デジタルコヒーレント受信装置５００では、光ファイバケーブル５０１から入力された光信号をまず偏波分離器５０２によって、偏波分離する。偏波分離後、それぞれの偏波信号光を９０度ハイブリッド器５０３ａ及び９０度ハイブリッド器５０３ｂにそれぞれ入射する。一方、半導体レーザ５０４から局発光されたレーザ光は、互いに９０度位相をずらした２つの信号に分離する。
【0314】
信号光とレーザ光を合波し、さらに、信号光を直交成分（Ｉ、Ｑ）に分離して出力する。９０度ハイブリッド器５０３ａ、５０３ｂ内には、本開示のＤＡ－ＡＰＤ５０５ａの２つが直列かつ一対に接続されたバランスド・ディテクタ５０５が４つ配置されている。各偏波について直交するＩ成分及びＱ成分からなる合計４つの光信号は、４つのバランスド・ディテクタ５０５にそれぞれ入射する。バランスド・ディテクタ５０５から出力された電気信号は、ＤＳＰ５０６に入力する。実施の形態１５に係るデジタルコヒーレント受信装置５００は、以上の構成となっている。
【0315】
＜実施の形態１５に係るデジタルコヒーレント受信装置の作用＞
図３８Ａは比較例であるデジタルコヒーレント受信装置の波形を表す図であり、図３８Ｂは実施の形態１５に係るデジタルコヒーレント受信装置の波形を表す図である。
図３８Ａは比較例であるデジタルコヒーレント受信装置の波形を表す図であり、図３８Ｂは実施の形態１５に係るデジタルコヒーレント受信装置の波形を表す図である。
【0316】
従来のバランスド・ディテクタでは、信号光を受光する半導体受光素子としてＰＤが用いられていた。一方、本開示のＤＡ－ＡＰＤ５０５ａを用いると信号を増倍することが可能であるため、局発光を小さく抑えることが可能となる。また、従来のＡＰＤを用いると、図３３に示すように、増倍層内の電子及び正孔が増加すると電界分布が変化するため増倍率が飽和し、ダイナミックレンジが確保できない。このため、十分な電気信号の振幅が得られないだけでなく、アナログ信号が歪んでしまうという問題があった。この結果、図３８Ａに示すように、比較例では波形Ａ１と波形Ｂ１の間隔が狭くなり、コンスタレーション波形の強度信号が歪むため、ＡＰＤの適用は困難であった。
【0317】
一方、実施の形態１５に係るデジタルコヒーレント受信装置５００で使用される本開示のＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を少なくとも有するＰＤまたはＡＰＤでは、光吸収層の吸収係数が高いため、光吸収層を薄層化することが可能となり、光吸収層の薄層化によって空間電荷効果による抵抗Ｒｓｃの影響を受けにくくなるので、広いダイナミックレンジにわたってリニアリティに優れたコンスタレーション波形が得られる。
【0318】
さらに、本開示のＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造からなる光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造からなる増倍層を有するＤＡ－ＡＰＤ５０５ａでは、図３４に示すように、電子及び正孔の増倍層での滞留時間Ｔｄｍが短いために、増倍層内の電界分布の変化が抑制される。その結果、図３８Ｂに示すように、本開示のＤＡ－ＡＰＤ５０５ａを用いた場合は、波形Ａと波形Ｂの間隔が広くなり、広いダイナミックレンジにわたってリニアリティに優れたコンスタレーション波形が得られる。つまり、ＡＰＤで信号を増倍しても元の信号を再現することができ、かつ、大きな電流振幅を得ることが可能である。
【0319】
本開示のＤＡ－ＡＰＤ５０５ａの増倍率は、１．２～１０倍の範囲内でも使用可能である。しかしながら、増倍率が大きくなると信号が歪むため、１．２～５倍の範囲内の増倍率で使用することが望ましい。
【0320】
＜実施の形態１５の効果＞
以上、実施の形態１５に係るデジタルコヒーレント受信装置によると、光信号を受光する半導体受光素子として本開示のＤＡ－ＡＰＤまたはＤＡ－ＰＤを適用したので、局発光（レーザ）の駆動電流を小さくすること、つまりデジタルコヒーレント受信装置の消費電力を小さくすることが可能となる効果を奏する。
以上、実施の形態１５に係るデジタルコヒーレント受信装置によると、光信号を受光する半導体受光素子として本開示のＤＡ－ＡＰＤまたはＤＡ－ＰＤを適用したので、局発光（レーザ）の駆動電流を小さくすること、つまりデジタルコヒーレント受信装置の消費電力を小さくすることが可能となる効果を奏する。
【0321】
実施の形態１６．
図３９は、実施の形態１６に係るＳＰＡＤセンサーシステムの構成を表す模式図である。ＳＰＡＤセンサーシステム６００は、光電子計測回路６０１と、本開示のＤＡ－ＡＰＤからなるＳＰＡＤセンサー６０２と、クエンチング回路６０３と、を備える。
図３９は、実施の形態１６に係るＳＰＡＤセンサーシステムの構成を表す模式図である。ＳＰＡＤセンサーシステム６００は、光電子計測回路６０１と、本開示のＤＡ－ＡＰＤからなるＳＰＡＤセンサー６０２と、クエンチング回路６０３と、を備える。
【0322】
ＳＰＡＤは、光子数のカウントだけでなく感度の良好な受光素子として使うことが可能である。しかしながら、後述するＡ：Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ電圧から、後述するＢ：Ｇｅｉｇｅｒ ｍｏｄｅ電圧までを絶えず繰り返す必要がある。繰り返し周期はナノｓｅｃ～マイクロｓｅｃオーダーである。Ａ：Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ電圧とＢ：Ｇｅｉｇｅｒ ｍｏｄｅ電圧の繰り返し周期を短くできれば、ＳＰＡＤの応答速度を高めることが可能である。
【0323】
つまり、本開示のＤＡ－ＡＰＤをＳＰＡＤに用いると、応答速度の速い、Ａ：Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ電圧とＢ：Ｇｅｉｇｅｒ ｍｏｄｅ電圧の切り替えが可能となり、ＳＰＡＤセンサー６０２の応答帯域を向上することが可能である。
【0324】
さらに、ＳＰＡＤセンサーシステム６００に本開示のＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造からなる光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造からなる増倍層を有するＤＡ－ＡＰＤ５０５ａを用いると、ＳＰＡＤセンサーシステム６００に入射した光子（Ｐｈｏｔｏｎ）は、本開示のＤＡ－ＡＰＤからなるＳＰＡＤセンサー６０２が有するＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造からなる光吸収層において吸収されて電子及び正孔の対が発生し、電子は増倍層に流れ込む。増倍層にはアバランシェブレークダウン電界よりも約１０％高い電界が印加されている。
【0325】
この状態をガイガーモード（Ｇｅｉｇｅｒ ｍｏｄｅ）と呼ぶ。ガイガーモードでは、電子は１０6倍のレベルに達するほど増倍する。発生した電子は電流として流れ、光電子計測回路６０１に流れる。あらかじめ、１個の光子により発生する電流が分かっていれば、ＳＰＡＤセンサーシステム６００に入射した光子数をカウントすることが可能である。
【0326】
図４０Ａは比較例であるＳＡＰＤセンサーシステムの増倍特性を表す図であり、図４０Ｂは実施の形態１６に係るＳＡＰＤセンサーシステムの増倍特性を表す図である。アバランシェブレークダウン電界以上の電界を増倍層に印加し続けると過剰電流が流れ出すため、光子を検出後にＳＰＡＤセンサー６０２に印加する電圧を速やかに低減して、増倍層の電界を弱める。これを、クエンチング（Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）と呼ぶ。つまり、図４０Ａ及び図４０ＢのＳＰＡＤセンサーの増倍特性の比較に示すように、電圧をＢ：ガイガーモード電圧から、Ａ：クエンチング電圧に下げ連鎖増倍を止め、その後、再び電圧を、Ａ：クエンチング電圧から、Ｂ：ガイガーモード電圧に高めて、入射する光子を高感度で受光できる状態とする。
【0327】
電圧を制御するクエンチング回路６０３には、パッシブ回路とアクティブ回路がある。パッシブ回路では、ＳＰＡＤセンサー６０２に入射した光子により電流が流れると、ＳＰＡＤセンサー６０２に直列に接続した抵抗で電圧降下が発生し、ＳＰＡＤセンサー６０２に印加する電圧が低下することになる。つまり、クエンチング回路６０３は、ＳＰＡＤセンサー６０２に、降伏電圧以上に印加した電圧及び降伏電圧未満の電圧を反復して印加するように動作する。
【0328】
＜実施の形態１６に係るＳＰＡＤセンサーシステムの作用と効果＞
実施の形態１６に係るＳＰＡＤセンサーシステム６００は、光子数のカウントだけでなく高感度の半導体受光素子として使うことが可能である。しかしながら、Ｂ：ガイガーモード電圧から、Ａ：クエンチング電圧までを絶えず繰り返す必要がある。繰り返し周期はナノ秒からマイクロ秒のオーダーである。Ａ：クエンチング電圧と、Ｂ：ガイガーモード電圧の差を小さくできれば、繰り返し周期を短くできるため、ＳＰＡＤセンサーシステム６００の応答速度を高めることが可能である。
実施の形態１６に係るＳＰＡＤセンサーシステム６００は、光子数のカウントだけでなく高感度の半導体受光素子として使うことが可能である。しかしながら、Ｂ：ガイガーモード電圧から、Ａ：クエンチング電圧までを絶えず繰り返す必要がある。繰り返し周期はナノ秒からマイクロ秒のオーダーである。Ａ：クエンチング電圧と、Ｂ：ガイガーモード電圧の差を小さくできれば、繰り返し周期を短くできるため、ＳＰＡＤセンサーシステム６００の応答速度を高めることが可能である。
【0329】
パッシブのクエンチング回路６０３では、ＳＰＡＤセンサー６０２に直列に接続した抵抗値を下げることが可能となり、ＳＰＡＤセンサー６０２の応答速度が速くなる。また、アクティブのクエンチング回路６０３では、電圧の振幅が小さくなるため、駆動回路の簡略化及び省電力化が可能であり、さらに、応答帯域を広くすることも可能である。
【0330】
本開示のＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を少なくとも有するＡＰＤでは、光吸収層の吸収係数が高いため、光吸収層を薄層化することが可能となる。光吸収層の薄層化によって抵抗Ｒｓｃを低減できるため、ブレークダウン電圧も低減できる。本開示のＤＡ－ＡＰＤをＳＰＡＤに用いると、クエンチング電圧とガイガーモード電圧の差、つまり印加電圧差を小さくできるため、応答帯域の向上並びにクエンチング回路の簡略化及び省電力化が可能である。
【0331】
本開示のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を増倍層として用いた場合の作用について、以下に説明する。
本開示のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層では、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、デッドスペース長が長いため低電界では増倍が発生しない。しかしながら、電界を増加させていくとデッドスペース長が短くなるため、急激に増倍率が増えてブレークダウンに至る。ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層のＡＰＤ、及び増倍層が厚いＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を有するＡＰＤでは、暗電流が１０μＡを超える電圧を降伏電圧とすると、降伏電圧の９０％での増倍率が１０倍を超える。一方、本開示のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層では、降伏電圧の９０％の電圧での増倍率が１０倍以下となる。
本開示のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層では、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、デッドスペース長が長いため低電界では増倍が発生しない。しかしながら、電界を増加させていくとデッドスペース長が短くなるため、急激に増倍率が増えてブレークダウンに至る。ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層のＡＰＤ、及び増倍層が厚いＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を有するＡＰＤでは、暗電流が１０μＡを超える電圧を降伏電圧とすると、降伏電圧の９０％での増倍率が１０倍を超える。一方、本開示のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層では、降伏電圧の９０％の電圧での増倍率が１０倍以下となる。
【0332】
ブレークダウンに必要な電圧は、光吸収層の層厚、電界緩和層のキャリア濃度などの素子構造に依存するため、ここでは、定量化可能な増倍層の電界で効果を検証する。なお、リーチスルー電圧（～１２Ｖ）以上では、ＳＰＡＤセンサー６０２に印加する電圧と増倍層の電界が比例する。
【0333】
図４１は、増倍層の構成材料ごとのクエンチング電界とガイガーモード電界の差を計算した図である。本開示のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層では、各増倍層のクエンチング電界とガイガーモード電界の差が１７０ｋＶ／ｃｍと、特異的に低いことが分かる。本開示のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層と同様な超格子構造であるが薄層化されていない２００ｎｍ以上の層厚を有するＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層に対して、電界は１２０ｋＶ／ｃｍも低い。
【0334】
＜実施の形態１６の効果＞
以上、実施の形態１６に係るＳＰＡＤセンサーシステムによると、本開示のＤＡ－ＡＰＤをＳＰＡＤセンサーに用いたので、クエンチング電界とガイガーモード電界の差、つまり印加電圧差を小さくできるため、応答帯域の向上、クエンチング回路の簡略化、及び省電力化が可能となるＳＰＡＤセンサーシステムが得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態１６に係るＳＰＡＤセンサーシステムによると、本開示のＤＡ－ＡＰＤをＳＰＡＤセンサーに用いたので、クエンチング電界とガイガーモード電界の差、つまり印加電圧差を小さくできるため、応答帯域の向上、クエンチング回路の簡略化、及び省電力化が可能となるＳＰＡＤセンサーシステムが得られるという効果を奏する。
【0335】
実施の形態１７．
図４２は、実施の形態１７に係るライダー（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ：ＬｉＤＡＲ）装置の構成を表す図である。図４３Ａは比較例であるライダー装置のＡＰＤの受信波形を表す図であり、図４３Ｂは実施の形態１９に係るライダー装置７００のＡＰＤの受信波形を表す図である。
図４２は、実施の形態１７に係るライダー（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ：ＬｉＤＡＲ）装置の構成を表す図である。図４３Ａは比較例であるライダー装置のＡＰＤの受信波形を表す図であり、図４３Ｂは実施の形態１９に係るライダー装置７００のＡＰＤの受信波形を表す図である。
【0336】
実施の形態１７に係るライダー装置７００は、光源７０１と、本開示のＤＡ－ＡＰＤ７０２と、ＴＩＡ７０３と、測距回路７０４と、を備える。なお、本開示のＤＡ－ＡＰＤ７０２の代りに、本開示のＤＡ－ＰＤを用いても良い。光源７０１は、パルス状の光（以下、パルス光と呼ぶ）、または周波数変調された光を発する。
【0337】
実施の形態１７に係るライダー装置７００では、光源から出射されたパルス光が物体７０５に当たって半導体受光素子に戻って来るまでの時間を計測することにより、物体７０５までの距離を算出する。光源７０１にはＬＤなどが用いられる。遠方まで測定するためには、ＬＤの光量を増やす必要があるが、ＬＤから出射する光量は目に対する安全上、上限が定められている。このため、半導体受光素子の感度を高める必要がある。そこで、実施の形態１７に係るライダー装置７００では、半導体受光素子として、本開示のＤＡ－ＡＰＤ７０２を高増倍で使用する。
【0338】
検出した光パルスは本開示のＤＡ－ＡＰＤ７０２で増倍されて電流パルスに変換される。その後、ＴＩＡ７０３で増幅されて測距回路７０４に入力され、図４３Ａ及び図４３Ｂに示すように、パルス信号の強度が予め設定した識別ラインを超えた時点を到着時間と判定する。測距回路７０４には、光源７０１から光パルスを出射したタイミングを信号として入力しており、両者の時間差に光速を乗じて、２で割れば物体７０５までの距離を算出できる。また、周波数変調した光を出射し、出射波と戻ってくる反射波との周波数差から距離を算出する方式も使用される。
【0339】
＜実施の形態１７に係るライダー装置の作用と効果＞
物体７０５の反射率は必ずしも高くなく、かつ反射方向は様々であるため、微小光をＡＰＤで検出する必要がある。従来のＡＰＤでは、図４３Ａに示すように、高増倍になるように電圧を設定して動作させると増倍時間が長くなり、ＡＰＤから出力される電流パルス幅が広くなる。また、トンネル電流が増加して光パルスの識別が困難になる。出射波と反射波との周波数差から距離を算出する方式でも、周波数の識別が困難になる。
物体７０５の反射率は必ずしも高くなく、かつ反射方向は様々であるため、微小光をＡＰＤで検出する必要がある。従来のＡＰＤでは、図４３Ａに示すように、高増倍になるように電圧を設定して動作させると増倍時間が長くなり、ＡＰＤから出力される電流パルス幅が広くなる。また、トンネル電流が増加して光パルスの識別が困難になる。出射波と反射波との周波数差から距離を算出する方式でも、周波数の識別が困難になる。
【0340】
一方、実施の形態１７に係るライダー装置７００で使用される本開示のＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層を少なくとも有するＰＤ及びＡＰＤでは、従来のＡＰＤでは受光感度が不足する場合であっても、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造を光吸収層に用いたＡＰＤでは高感度が得られる。この結果、遠方の物体７０５の測距が可能となるだけでなく、光源７０１の光出力を小さくできるため省電力化が図られ、しかも、目に対する安全性も高くなる。
【0341】
さらに、本開示のＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造からなる光吸収層及びＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造からなる増倍層を有するＤＡ－ＡＰＤ５０５ａでは、２０倍以上の高増倍でも実施の形態１の作用の説明において記載したように、トンネル電流は増加しないため、微弱光を識別することが容易に可能である。また、図３４に示すように、増倍層での滞留時間が短いため、図４３Ｂに示すように、ピーク強度が大きい電流パルスが得られるので識別感度が高い。この結果、遠方の物体の測距が可能となるだけでなく、光源の光出力を小さくできるため省電力化が図られ、さらに目に対する安全性も高くなるという効果を奏する。
【0342】
＜実施の形態１７の効果＞
以上、実施の形態１７に係るライダー装置によると、物体からの反射光を本開示のＤＡ－ＡＰＤまたはＤＡ－ＰＤで受光するので、遠方の物体の測距が可能であり、かつ光源の省電力化を図ることができ、さらに目に対する安全性も高いライダー装置が得られるという効果を奏する。
以上、実施の形態１７に係るライダー装置によると、物体からの反射光を本開示のＤＡ－ＡＰＤまたはＤＡ－ＰＤで受光するので、遠方の物体の測距が可能であり、かつ光源の省電力化を図ることができ、さらに目に対する安全性も高いライダー装置が得られるという効果を奏する。
【0343】
本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
【0344】
従って、例示されていない無数の変形例が、本開示の技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【0345】
１ ｎ型ＩｎＰ基板、１ａ Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板、２ ｎ型ＩｎＰバッファ層、２ａ ｎ型ＩｎＡｌＡｓバッファ層、２ｂ ｎ型ＩｎＰ導電層、３ ｉ型ＩｎＰ電子走行層、４ ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓグレーディッド層、５、４３ ｉ型ＩｎＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイ構造光吸収層、６ ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層、７ ｐ型ＩｎＰ窓層、８ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１１、４７ ｎ型ＩｎＰ窓層、１３、４５ ｉ型ＩｎＡｌＡｓ増倍層、１５ ｐ型拡散領域、１７ 分離溝、１８ 表面保護膜、２０ Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ埋込層、２５ ｐ型ＩｎＡｌＡｓ導電層、３１、３１ａ、３１ｃ、５１ ｎ型電極、３１ｂ 裏面側の電極、３２、５２ ｐ型電極、３３ 開口部、３５ 無反射コーティング膜、４０ ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓコンタクト層、４１ ｐ型ＩｎＰ導電層、４２ ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層、１４、４４ ｐ型ＩｎＰ電界緩和層、４６ ｎ型ＩｎＡｌＡｓ電界調整層、４９ ｎ型ＩｎＡｌＡｓ導電層、５０ ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、５３ 金属膜、９０ 入射光、１００、１００ａ、１１０、１１０ａ、１２０、１２０ａ、１３０、１３０ａ、１４０、１４０ａ、１５０、１５０ａ、１６０、１６０ａ、１７０、１７０ａ、１８０ 半導体受光素子、２５０ａ、２６０、２６０ａ、２６０ｂ、２７０ 光回線終端装置、２５１、２６１、２７４ ＦＥＣ、２５２、２６２、２７３、３０３ ドライバーアンプ、２５３、２６３、２７２、３０４、４０１、７０１ 光源、２５４、２６４、２７１ ＷＤＭ、２５５、２６５ａ、３０１、５０６ ＤＳＰ、２５６、２６６ａ、３０２ｂ ＡＤＣ、２５８ ＡＰＤ、２５７、２６７ バーストＴＩＡ、２６５、２７８ ＣＤＲ、２６６、２７７ 制限アンプ、２６７ａ、２７６、７０３ ＴＩＡ、２６８、２７５、３０５、４０３、５０５ａ、７０２ ＤＡ－ＡＰＤ、３００ 多値強度変調送受信装置、３０２ａ ＤＡＣ、３１０、５０１ 光ファイバケーブル、３０６ Ｌｉｎｅａｒ－ＴＩＡ、４００、４５０ 光ファイバ無線システム、４０２ 伝送路、４０４ アンテナ、４０６ ＰＤ、５００ デジタルコヒーレント受信装置、５０１ 光ファイバケーブル、５０２ 偏波分離器、５０３ａ、５０３ｂ ９０度ハイブリッド器、５０４ 半導体レーザ、５０５ バランスド・ディテクタ、６００ ＳＰＡＤセンサーシステム、６０１ 光電子計測回路、６０２ ＳＰＡＤセンサー、６０３ クエンチング回路、７００ ライダー装置、７０４ 測距回路、７０５ 物体
【要約】
【課題】広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有する半導体受光素子を得る。
【解決手段】本開示の半導体受光素子１００は、ＩｎＰ基板１と、ＩｎＰ基板１上に形成されたｎ型半導体層２と、ｎ型半導体層２上に形成された電子走行層３と、電子走行層３上に形成され、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり、ＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ層及びＩｎＧａＡｓ層、または、互いに組成比の異なるＩｎＡｌＧａＡｓ層のいずれかの組み合わせで構成された２種類の半導体層が２原子層から６原子層の周期でそれぞれ交互に積層されたｉ型デジタルアロイ構造からなる光吸収層５と、を備える。
【選択図】図４
【解決手段】本開示の半導体受光素子１００は、ＩｎＰ基板１と、ＩｎＰ基板１上に形成されたｎ型半導体層２と、ｎ型半導体層２上に形成された電子走行層３と、電子走行層３上に形成され、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり、ＩｎＡｓ層及びＧａＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ層及びＩｎＧａＡｓ層、または、互いに組成比の異なるＩｎＡｌＧａＡｓ層のいずれかの組み合わせで構成された２種類の半導体層が２原子層から６原子層の周期でそれぞれ交互に積層されたｉ型デジタルアロイ構造からなる光吸収層５と、を備える。
【選択図】図４
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】