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特許7661633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】2025-04-04
(45)【発行日】2025-04-14
(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 30/225 20250101AFI20250407BHJP
H10F 77/124 20250101ALI20250407BHJP
H10F 77/30 20250101ALI20250407BHJP
【ＦＩ】
H10F30/225
H10F77/124
H10F77/30
【請求項の数】
55
(21)【出願番号】P 2024547059
(86)(22)【出願日】2024-04-03
(86)【国際出願番号】 JP2024013696
【審査請求日】2024-08-07
【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
【審査官】原 俊文
(56)【参考文献】
【文献】特開２００８－３１１５６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１１４１４１９０３（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２２０５８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１１７７１２２１５（ＣＮ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５２６２９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００９／０８８０７１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００７－１６５３５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特許第７２２４５６０（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】特開２００３－０２３１７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１７６０７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１５７９７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０９６６３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０２５５１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－００４５４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／０８７７８３（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｆ ３０／００－３９／９５
Ｈ１０Ｆ ７７／００－７７／４０
Ｈ０４Ｂ １０／００－１０／９０
Ｈ０４Ｊ １４／００－１４／０８
Ｇ０１Ｊ １／００－１／６０
(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化合物半導体からなる増倍層と、
前記増倍層上に形成されたｐ型電界緩和層と、
前記ｐ型電界緩和層上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成された第１窓層と、
前記第１窓層上に形成され、複数の孔部または残部が一定の周期で２次元的に配列された２次元周期構造を有し、前記第１窓層とは異なる材料からなる第２窓層と、
前記２次元周期構造上に少なくとも形成された表面保護絶縁膜と、
前記表面保護絶縁膜上に少なくとも形成された表面電極と、
を備える半導体受光素子。
【請求項2】
前記増倍層がデジタルアロイ構造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3】
前記増倍層がＩｎＡｌＡｓからなるランダムアロイ構造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】
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化合物半導体からなる増倍層と、
前記増倍層上に形成されたｐ型電界緩和層と、
前記ｐ型電界緩和層上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成された窓層と、
前記窓層上に形成され、複数の孔部または残部が一定の周期で２次元的に配列された２次元周期構造を有する表面保護絶縁膜と、
前記２次元周期構造上に少なくとも形成された表面電極と、
を備える半導体受光素子。
【請求項5】
前記増倍層がデジタルアロイ構造であることを特徴とする請求項４に記載の半導体受光素子。
【請求項6】
前記増倍層がＩｎＡｌＡｓからなるランダムアロイ構造であることを特徴とする請求項４に記載の半導体受光素子。
【請求項7】
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増倍層と、
前記増倍層上に形成されたｐ型電界緩和層と、
前記ｐ型電界緩和層上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成された窓層と、
前記窓層上に形成された表面保護絶縁膜と、
前記表面保護絶縁膜上に形成され、複数の孔部または残部が一定の周期で２次元的に配列された２次元周期構造を有する表面電極と、
を備える半導体受光素子。
【請求項8】
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増倍層と、
前記増倍層上に形成されたｐ型電界緩和層と、
前記ｐ型電界緩和層上に形成された化合物半導体からなる光吸収層と、
前記光吸収層上に形成された窓層と、
前記窓層上に形成され、複数の孔部または残部が一定の周期で２次元的に配列された２次元周期構造を有するコンタクト層と、
前記２次元周期構造上に少なくとも形成された表面保護絶縁膜と、
前記表面保護絶縁膜上に少なくとも形成された表面電極と、
を備える半導体受光素子。
【請求項9】
前記増倍層がデジタルアロイ構造であ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】
前記増倍層がＩｎＡｌＡｓからなるランダムアロイ構造であ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11】
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た光吸収層と、
前記光吸収層上に形成されたｐ型電界緩和層と、
前記ｐ型電界緩和層上に形成された化合物半導体からなる増倍層と、
前記増倍層上に形成された第１窓層と、
前記第１窓層上に形成され、複数の孔部または残部が一定の周期で２次元的に配列された２次元周期構造を有し、前記第１窓層とは異なる材料からなる第２窓層と、
前記２次元周期構造上に少なくとも形成された表面保護絶縁膜と、
前記表面保護絶縁膜上に少なくとも形成された表面電極と、
を備える半導体受光素子。
【請求項12】
前記増倍層がデジタルアロイ構造であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体受光素子。
【請求項13】
前記増倍層がＩｎＡｌＡｓからなるランダムアロイ構造であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体受光素子。
【請求項14】
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た光吸収層と、
前記光吸収層上に形成されたｐ型電界緩和層と、
前記ｐ型電界緩和層上に形成された化合物半導体からなる増倍層と、
前記増倍層上に形成された窓層と、
前記窓層上に形成され、複数の孔部または残部が一定の周期で２次元的に配列された２次元周期構造を有する表面保護絶縁膜と、
前記２次元周期構造上に少なくとも形成された表面電極と、
を備える半導体受光素子。
【請求項15】
前記増倍層がデジタルアロイ構造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】
前記増倍層がＩｎＡｌＡｓからなるランダムアロイ構造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17】
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た光吸収層と、
前記光吸収層上に形成されたｐ型電界緩和層と、
前記ｐ型電界緩和層上に形成された増倍層と、
前記増倍層上に形成された窓層と、
前記窓層上に形成された表面保護絶縁膜と、
前記表面保護絶縁膜上に形成され、複数の孔部または残部が一定の周期で２次元的に配列された２次元周期構造を有する表面電極と、
を備える半導体受光素子。
【請求項18】
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た光吸収層と、
前記光吸収層上に形成されたｐ型電界緩和層と、
前記ｐ型電界緩和層上に形成された化合物半導体からなる増倍層と、
前記増倍層上に形成された窓層と、
前記窓層上に形成され、複数の孔部または残部が一定の周期で２次元的に配列された２次元周期構造を有するコンタクト層と、
前記２次元周期構造上に少なくとも形成された表面保護絶縁膜と、
前記表面保護絶縁膜上に少なくとも形成された表面電極と、
を備える半導体受光素子。
【請求項19】
前記増倍層がデジタルアロイ構造であることを特徴とする請求項１８に記載の半導体受光素子。
【請求項20】
前記増倍層がＩｎＡｌＡｓからなるランダムアロイ構造であることを特徴とする請求項１８に記載の半導体受光素子。
【請求項21】
前記第１窓層が屈折率の異なる２種類以上の半導体層によって構成されることを特徴とする請求項１から３、１１から１３のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項22】
前記２種類以上の半導体層における各半導体層間の屈折率差は０．０５以上０．２５以下であることを特徴とする請求項２１に記載の半導体受光素子。
【請求項23】
前記窓層が屈折率の異なる２種類以上の半導体層によって構成されることを特徴とする請求項４から１０、１４から２０のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項24】
前記２種類以上の半導体層における各半導体層間の屈折率差は０．０５以上０．２５以下であることを特徴とする請求項２３に記載の半導体受光素子。
【請求項25】
前記ｎ型半導体層がＤＢＲ層であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項26】
前記ｐ型半導体層がＤＢＲ層であることを特徴とする請求項１１から２０のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項27】
前記ＤＢＲ層の反射率が、１％以上４０％以下であることを特徴とする請求項２５に記載の半導体受光素子。
【請求項28】
前記ＤＢＲ層のペア数が、２ペア以上１４ペア以下であることを特徴とする請求項２７に記載の半導体受光素子。
【請求項29】
前記ＤＢＲ層の反射率が、１％以上４０％以下であることを特徴とする請求項２６に記載の半導体受光素子。
【請求項30】
前記ＤＢＲ層のペア数が、２ペア以上１４ペア以下であることを特徴とする請求項２９に記載の半導体受光素子。
【請求項31】
前記表面電極の外周部の外側に、前記ｎ型半導体層よりも上側の各半導体層が除去されたメサ構造を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項32】
前記表面電極の外周部の外側に、前記ｐ型半導体層よりも上側の各半導体層が除去されたメサ構造を有することを特徴とする請求項１１から２０のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項33】
前記メサ構造の側面部に表面保護絶縁膜及び電極を設けることを特徴とする請求項３１に記載の半導体受光素子。
【請求項34】
前記メサ構造の側面部に表面保護絶縁膜及び電極を設けることを特徴とする請求項３２に記載の半導体受光素子。
【請求項35】
前記メサ構造の側面部に反射防止膜を設けることを特徴とする請求項３３に記載の半導体受光素子。
【請求項36】
前記メサ構造の側面部に反射防止膜を設けることを特徴とする請求項３４に記載の半導体受光素子。
【請求項37】
前記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ていることを特徴とする請求項２、５、９、１２、１５、１９のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項38】
前記２種類の半導体層は、ＩｎＡｓ層及びＡｌＡｓ層、ＩｎＡｌＡｓ層及びＩｎＧａＡｓ層、並びに、互いに組成比の異なるＩｎＡｌＧａＡｓ層、及びＩｎＡｌＡｓＳｂ層のいずれかの組み合わせであることを特徴とする請求項３７に記載の半導体受光素子。
【請求項39】
前記増倍層はＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造からなり、前記増倍層の層厚は６０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２、５、９、１２、１５、１９のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項40】
前記孔部または残部の周期は、３４７ｎｍ以上５７１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から２０のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項41】
前記孔部の開口または残部の直径は、３５ｎｍ以上３４３ｎｍ以下であることを請求項１から２０のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項42】
前記光吸収層がＩｎＧａＡｓであることを特徴とする請求項１から２０のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
【請求項43】
前記第１窓層はＩｎＰからなる請求項１または１１に記載の半導体受光素子。
【請求項44】
前記第１窓層はＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、及びＩｎＧａＡｓＰのいずれか１つの材料からなり、前記第２窓層はＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、及びＩｎＧａＡｓＰのいずれか１つの材料であって前記第１窓層とは異なる材料からなる、請求項１または１１に記載の半導体受光素子。
【請求項45】
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化合物半導体からなる増倍層と、
前記増倍層上に形成されたｐ型電界緩和層と、
前記ｐ型電界緩和層上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成された第１窓層と、
前記第１窓層上に形成され、複数の孔部または残部が一定の周期で２次元的に配列された２次元周期構造を有する第２窓層と、
前記２次元周期構造上に少なくとも形成された表面保護絶縁膜と、
前記表面保護絶縁膜上に少なくとも形成された表面電極と、
を備え、
前記第１窓層と前記第２窓層は同一材料であり、前記第２窓層にのみ２次元周期構造が形成されていることを特徴とする半導体受光素子。
【請求項46】
前記第１窓層及び前記第２窓層の材料はｉ型ＩｎＰからなる請求項４５に記載の半導体受光素子。
【請求項47】
前記増倍層がデジタルアロイ構造であることを特徴とする請求項４５または４６に記載の半導体受光素子。
【請求項48】
前記増倍層がＩｎＡｌＡｓからなるランダムアロイ構造であることを特徴とする請求項４５または４６に記載の半導体受光素子。
【請求項49】
請求項１から２０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50】
請求項１から２０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51】
多値強度変調された光信号を受光する請求項１から２０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52】
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２０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53】
請求項１から２０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54】
請求項１から２０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55】
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２０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。
【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２００５－１５９００２号公報
【文献】特開２００８－３１１５６２号公報
【文献】特開２０１６－１７８２３４号公報
【文献】特開２０１６－１７８２９３号公報
【文献】特開２０１８－６３９７５号公報
【文献】特開２０１９－５４１４５号公報
【文献】特開２０１９－６８０１９号公報
【非特許文献】
【0006】
【文献】Ｊｉｎｗｅｎ Ｓｏｎｇ， ｅｔ ａｌ．，“Ｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ ｅｎａｂｌｅｄ ｂｙ ｍｕｌｔｉｒｅｓｏｎａｎｔ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ” Ｄｅ Ｇｒｕｙｔｅｒ Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ２０２００４５５ （２０２０）
【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）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、光吸収層の構成材料として、光通信波長帯である１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯において吸収係数が高い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、光吸収層の構成材料として、光通信波長帯である１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯において吸収係数が高い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には、光吸収層を構成するＩｎＧａＡｓ層を薄層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層化すると、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ａ、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（－ａ・Ｗ） （１）
η＝１－ｅｘｐ（－ａ・Ｗ） （１）
【0010】
式（１）において、たとえば、ａ＝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Ｖａｖ及びＷを代入すると、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、光吸収層の吸収量を高める必要がある。
【0014】
ＰＤにおいて光吸収層の吸収量を高める方法として、特許文献２から８に開示されているように、いわゆるフォトニック結晶層を用いて入射した光を共振させる方法が提案されている。なお、フォトニック結晶層は、２次元周期構造とも呼ばれる。
【0015】
特許文献２から８に開示された素子構造では、フォトニック結晶層による共振を利用するため、たとえば特許文献６の図３に示されるように、フォトニック結晶層は特定の狭い波長範囲内のみにおいてフィルターのような動作をする。したがって、所望の波長において高い受信感度を得るためには、結晶成長及び加工に高い精度が要求される。また、半導体受光素子は実際に使用する際に温度調整を行わないため、環境温度の変化にともない、共振波長が１０ｎｍ以上変化して受信感度が大幅に変化してしまうという不具合が発生するおそれがある。
【0016】
フォトニック結晶層を適用したＰＤにおいて、近年、高い受信感度が得られる波長範囲の拡張を図る試みがなされている。たとえば、非特許文献１には、光吸収層の上下方向の光の閉じ込めを強くして、複数の共振モードが発生するようにして、複数の共振モードが複合して共振することにより、広い波長範囲で高い受信感度が得られる素子構造が報告されている。
【0017】
非特許文献１に記載の半導体受光素子は、シリコン（Ｓｉ）基板上のＳｉＯ2層上に形成されたゲルマニウム（Ｇｅ）を吸収層とするＰＤに関するものである。非特許文献１の素子構造をＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓを吸収層とする高い受信感度を有するＡＰＤに適用することは困難である。なぜなら、非特許文献１の半導体受光素子では、Ｇｅの光吸収層に孔部を設けてフォトニック結晶を有するＰＤとしているが、ＡＰＤでは高電界が印加されるため、たとえばＩｎＧａＡｓ光吸収層に孔部を設けると暗電流が増加してしまうという問題が発生するからである。
【0018】
さらに、光吸収層を構成するＩｎＧａＡｓ層はバンドギャップが小さいため、光吸収によって発生したキャリアが孔部の表面で再結合し、受信感度が低下するという問題もある。また、複数の共振モードが発生するためには、光吸収層への光閉じ込めを強くする必要があり、光吸収層を低屈折率層によって挟む構造が適用されるが、ＡＰＤでは光吸収層に隣接する増倍層の屈折率を低くすることは困難である。これらの理由から、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓを吸収層とするＡＰＤに最適な素子構造が強く望まれている。
【0019】
（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α、正孔のイオン化率はβ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α、正孔のイオン化率はβと表記される。
【0020】
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。
【0021】
電子及び正孔のイオン化率比ｋは、ｋ＝β／α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。
【0022】
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のイオン化率よりも大きく、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。
【0023】
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る。
【0024】
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。
【0025】
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ＡＰＤには、さらなる広い応答帯域での動作が要求される。特許文献１には超格子を増倍層に用いたＡＰＤが記載されているが、超格子の各層の層厚は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。
【0026】
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、並びに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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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、広い波長範囲において高い受信感度を有し、かつ広い応答帯域で動作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】
【0032】
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化合物半導体からなる増倍層と、
前記増倍層上に形成されたｐ型電界緩和層と、
前記ｐ型電界緩和層上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成された第１窓層と、
前記第１窓層上に形成され、複数の孔部または残部が一定の周期で２次元的に配列された２次元周期構造を有し、前記第１窓層とは異なる材料からなる第２窓層と、
前記２次元周期構造上に少なくとも形成された表面保護絶縁膜と、
前記表面保護絶縁膜上に少なくとも形成された表面電極と、
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化合物半導体からなる増倍層と、
前記増倍層上に形成されたｐ型電界緩和層と、
前記ｐ型電界緩和層上に形成された光吸収層と、
前記光吸収層上に形成された第１窓層と、
前記第１窓層上に形成され、複数の孔部または残部が一定の周期で２次元的に配列された２次元周期構造を有し、前記第１窓層とは異なる材料からなる第２窓層と、
前記２次元周期構造上に少なくとも形成された表面保護絶縁膜と、
前記表面保護絶縁膜上に少なくとも形成された表面電極と、
を備える。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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】
【0039】
本開示に係る半導体受光素子によれば、光吸収層よりも上側に形成された２次元周期構造と、２次元周期構造を覆う電極とで構成される素子構造を適用したので、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。
【0040】
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】
【0041】
【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における屈折率の波長依存性を表す図である。
【図2】ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造及びＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造における吸収係数の波長依存性を表す図である。
【図3】実施の形態１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11】実施の形態１に係る半導体受光素子の一例である裏面入射型ＡＰＤにおける２次元周期構造の主な共振点を表す図である。
【図13】実施の形態１の変形例１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14】実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子の一例である裏面入射型ＡＰＤにおける２次元周期構造の主な共振点を表す図である。
【図16】実施の形態１の変形例２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17】実施の形態１の変形例３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１の変形例４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19】実施の形態１の変形例５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20】実施の形態１の変形例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21】実施の形態１の変形例７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22】実施の形態２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23】実施の形態２に係る半導体受光素子の一例である裏面入射型ＡＰＤにおいて、ＤＢＲ層の反射率及び量子効率におけるＤＢＲ層のペア数依存性を表す図である。
【図24】実施の形態２の変形例１に係る半導体受光素子の一例である裏面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。
【図25】実施の形態２の変形例２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26】実施の形態２の変形例３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27】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29】イオン化率比及びトンネル電流における増倍層の層厚依存性を表す図である。
【図30】図３０Ａから図３０Ｄは、増倍層及び電界緩和層におけるイオン化率を表す概念図であり、図３０Ａはランダムアロイ構造からなる増倍層の場合、図３０Ｂはデジタルアロイ構造からなる増倍層の場合、図３０Ｃは部分的に無秩序化したデジタルアロイ構造からなる増倍層の場合、図３０Ｄは層厚の厚い電界緩和層及びデジタルアロイ構造からなる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概念図である。
【図31】実施の形態３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32】実施の形態３の変形例１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33】実施の形態３の変形例２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34】実施の形態３の変形例３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35】実施の形態３の変形例４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36】実施の形態４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37】実施の形態４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38】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39】実施の形態４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40】実施の形態４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41】実施の形態５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44】高光入力時のＡＰＤの動作を説明する概念図である。
【図45】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46】実施の形態６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47】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48】実施の形態７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50】実施の形態８に係るＳＡＰＤセンサーシステムの構成を表す図である。
【図52】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53】実施の形態９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】
【0042】
実施の形態１．
＜実施の形態１に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
実施の形態１に係る半導体受光素子１００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１００の構造上の特徴であるデジタルアロイ構造について、以下に説明する。
＜実施の形態１に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
実施の形態１に係る半導体受光素子１００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１００の構造上の特徴であるデジタルアロイ構造について、以下に説明する。
【0043】
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２）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の屈折率が低いことを発見した。以下、Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓを、単にＩｎＡｌＡｓと表記する。
【0044】
図１は、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造及びＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造における屈折率の波長依存性を表す図であり、図２は、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造及びＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造における吸収係数の波長依存性を表す図である。図１から、光通信で用いられる波長１２００ｎｍから１６００ｎｍの範囲では、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屈折率が小さいことが分かる。
【0045】
また、図２から、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造は、６５０ｎｍ付近及び８００ｎｍ付近において吸収係数にピークがあり、吸収係数が１．５倍に向上することが分かる。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層とＡｌＡｓ層の周期性に起因してバンド構造が変化して、光吸収係数の波長依存性にも周期性が発生するからであると考えられる。また、バンド端波長である８５０ｎｍ以上において、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造では吸収係数が急激に低下している。この現象から、波長１２００ｎｍから１６００ｎｍの範囲において、屈折率が小さくなると考えられる。
【0046】
以上のように、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に置き換えることによって、屈折率を小さくすることが可能であることが分かる。発明者らは、この現象を利用し、２次元周期構造を適用した光通信用のＡＰＤの増倍層に、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を適用することを発案した。
【0047】
２次元周期構造を適用したＰＤでは、光を光吸収層に閉じ込めて受信感度を増加することが可能である。光を光吸収層に閉じ込める割合いを増加させたＰＤは、Ｐｈｏｔｏ－Ｔｒａｐｐｉｎｇ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＰＤなどと呼ばれる。
【0048】
一方、ＡＰＤにおいて、屈折率が相対的に大きい光吸収層に光を強く閉じ込めるには、光吸収層に隣接する増倍層の屈折率をできるだけ小さくする必要がある。上述のように、デジタルアロイ構造からなる増倍層はランダムアロイ構造からなる増倍層よりも屈折率が小さい。したがって、デジタルアロイ構造からなる増倍層では、ランダムアロイ構造からなる増倍層よりも増倍層による光吸収層への光閉じ込めが増加し、さらに２次元周期構造の適用によって発生する光の複合共振によって、広い波長範囲において受信感度の向上が実現できるという相乗効果を奏する。
【0049】
ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を増倍層に適用することについての他の利点を、以下に説明する。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、広帯域となる。
【0050】
電子及び正孔のイオン化率比ｋは、ｋ＝β／αで定義される。ここで、αは電子のイオン化率、βは正孔のイオン化率である。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。したがって、光通信用ＡＰＤの増倍層には、イオン化率比ｋが小さいＩｎＡｌＡｓが用いられることが多い。
【0051】
増倍層をＩｎＡｌＡｓ層で構成する場合、ランダムアロイ構造よりもデジタルアロイ構造の方が正孔のイオン化率が低いため、イオン化率比ｋをより小さくすることが可能である。さらに、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造では、正孔のデッドスペース長が長いため、増倍層の層厚を１３０ｎｍ程度以下に薄層化することにより、正孔のイオン化率βをほぼゼロにできる。すなわち、ｋ＝０とすることが可能である。したがって、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を増倍層に適用した場合、増倍時に発生する過剰雑音が小さくなるため受信感度が高くなり、また、増倍層における増倍時間が短くなるため、広帯域となる。
【0052】
以上のように、２次元周期構造を適用したＡＰＤにおいて、デジタルアロイ構造の増倍層をさらに適用することにより、光の複合共振が増強され、高受信感度化と広帯域化が同時に実現可能となる。
【0053】
＜実施の形態１に係る半導体受光素子の素子構造＞
図３及び図４Ａは、実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例である裏面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図及び上面図である。なお、以下の説明において上側とは、半導体基板の表面から半導体層が積層された方向、つまり積層方向を意味し、下側とは積層方向とは反対の方向を意味する。
図３及び図４Ａは、実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例である裏面入射型ＡＰＤの素子構造を表す断面図及び上面図である。なお、以下の説明において上側とは、半導体基板の表面から半導体層が積層された方向、つまり積層方向を意味し、下側とは積層方向とは反対の方向を意味する。
【0054】
実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例である裏面入射型ＡＰＤ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、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からなるＩｎＡｓ／ＡｌＡｓ増倍層３（以下、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３と呼ぶ。）と、キャリア濃度が０．１～５０×１０17ｃｍ-3であり層厚が１０～７０ｎｍであるｐ型ＩｎＰ電界緩和層４と、層厚が０．１～２．０μｍであるｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５と、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６と、層厚が０．１～３．０μｍであるｉ型ＩｎＰ第１窓層７と、層厚が０．１～３．０μｍであり２次元周期構造７０を有するｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９と、ｉ型ＩｎＰ第１窓層７及びｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８上に形成されたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０と、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６の一部及びｉ型ＩｎＰ第１窓層７内に形成されたＺｎ拡散ｐ型領域１２と、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８に２次元的に配置された複数の孔部１１と、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に形成されたｎ型電極３１及び反射防止膜４０と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９上及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９で囲まれたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０上に形成されたｐ型電極３２と、で構成される。なお、図４Ａと図４Ｂでは、上面から見た構造が分かりやすいようにｐ型電極３２を省略している。
【0055】
ｉ型ＩｎＰ第１窓層７の構成材料として、ＩｎＰの代りに、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰを用いて構成しても良い。また、ｉ型ＩｎＰ第１窓層７は、ＩｎＰ層の単層ではなく、複数の半導体層で構成しても良い。また、ｎ型ＩｎＰ基板１は基板の一例であり、ｎ型ＩｎＰ基板１以外の基板であっても良い。
【0056】
ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８は、ＩｎＡｌＡｓの代りに、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、またはＩｎＰを用いて構成しても良い。また、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８は、ＩｎＡｌＡｓ層の単層ではなく、複数の半導体層で構成しても良い。
【0057】
上述のｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８に設けられた２次元周期構造７０は、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８の表面から底面まで貫通し、底面側でＺｎ拡散ｐ型領域１２が設けられたｉ型ＩｎＰ第１窓層７が露出する複数の孔部１１が、一定の周期で２次元的に配列される構成となっている。
【0058】
２次元周期構造７０の一例として、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８に、孔部１１を格子状に配列した構成が挙げられる。孔部１１の表面側の開口の形状は、円形、矩形、三角形などが挙げられるが、他の形状を呈しても良い。あるいは、図４Ｂの実施の形態１に係る半導体受光素子１０１に例示するように、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８をエッチング時に円形に残すことで２次元周期構造７０を形成しても良い。残部８ｓの形状は円形の他に矩形、三角形などが挙げられるが、他の形状を呈しても良い。なお、以降の実施の形態１～３において、孔部１１すなわち凹部を、残部８ｓすなわち凸部と読み替えても良い。なお、半導体受光素子１０１が残部８sからなる２次元周期構造７０を有する。
【0059】
２次元周期構造７０における、一定の周期に対する孔部１１の直径の割合は、１０％以上８０％以下の範囲内が好適である。孔部１１の深さ（孔部を残部とする場合は高さ）は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内が好適である。
【0060】
孔部１１の底面は、図３に示す一例のように、ｉ型ＩｎＰ第１窓層７が露出する位置でも良いし、あるいは、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８の途中に位置しても良い。
【0061】
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９の下部及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９で囲まれた領域には、選択的にＺｎ拡散ｐ型領域１２が形成されている。Ｚｎ拡散ｐ型領域１２の境界１３は、図３中において点線で示されている。図３では、Ｚｎ拡散ｐ型領域１２はｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６に到達している。しかしながら、Ｚｎ拡散ｐ型領域１２はｉ型ＩｎＰ第１窓層７中に到達していても良いし、あるいはｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５に到達していても良い。
【0062】
ｎ型電極３１は、ｎ型ＩｎＰ基板１の表面側のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９で囲まれた部分に対向する裏面側の面内には形成されていない。その代わりに、ＳｉＮ膜などで構成された反射防止膜４０が、ｎ型ＩｎＰ基板１の表面側のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９で囲まれた部分に対向するｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側の面内に形成されている。
【0063】
ｎ型電極３１は、ｎ型ＩｎＰ基板１側からＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、あるいは、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／ＡｕとＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを組み合わせた多層膜で構成されている。ｐ型電極３２は、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの多層膜で構成されている。なお、ｎ型ＩｎＰバッファ層２を、ｎ型半導体層とも呼ぶ。
【0064】
ｎ型ＩｎＰバッファ層２のｎ型ドーパントとして、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／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３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。
【0065】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３は、上述のように、ＩｎＡｓ層（層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）とＡｌＡｓ層（層厚が２原子層、約０．６ｎｍ）の順序で交互に積層した半導体層で構成される。しかしながら、ＩｎＡｓ層及びＡｌＡｓ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ＡｌＡｓ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。
【0066】
さらに、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３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原子層以上６原子層以下の層厚も好適である。以上の各要因を鑑みると、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３の各層の原子層数は、２原子層以上６原子層以下の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、増倍層の全てをＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造としなくとも、増倍層の一部をＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造とし、残部をＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造としても良い。
【0067】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３の層厚は４０ｎｍ以上１７０ｎｍの範囲が適しているが、３００ｎｍ以下であれば良い。例えば、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の層厚を１００ｎｍとすると、ＩｎＡｓ層（２原子層）／ＡｌＡｓ層（２原子層）の繰り返しは８５回となる。
【0068】
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／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３の最初のＡｌＡｓ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／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３を、ＩｎＡｓ層、ＡｌＡｓ層の順で交互に形成して積層しても良い。
【0069】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３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／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の導電型として、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。
【0070】
ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造で構成された増倍層以外にも、たとえば、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増倍層として適用が可能である。
【0071】
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５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内である。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。あるいは、ｉ型で組成の異なる２種類のＩｎＡｌＧａＡｓ層を複数回、層厚を変えながら交互に積層することにより、等価的なバンドギャップを変化させてｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６を形成しても良い。ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６のキャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3以下であり、キャリア濃度が低ければｉ型の代りに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。また、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４とｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５との間に、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓグレーディッド層を挿入しても良い。
【0072】
ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４はランダムアロイ構造からなるｐ型ＩｎＡｌＡｓ電界緩和層、またはＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造からなるｐ型電界緩和層でも良い。
【0073】
＜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の一例である裏面入射型ＡＰＤ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法などのエピタキシャル結晶成長法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の一例である裏面入射型ＡＰＤ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法などのエピタキシャル結晶成長法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。
【0074】
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。
【0075】
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４０～１７０ｎｍであるｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３を結晶成長する。
【0076】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３上に、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４を結晶成長する。ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４のｐ型ドーパントとして、Ｂｅ、Ｚｎなどが挙げられる。
【0077】
ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４上に、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり層厚が０．１～２．０μｍであるｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５を結晶成長する。
【0078】
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ｉ型ＩｎＰ第１窓層７、層厚が０．１～３．０μｍであるｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９を、順次結晶成長する。後工程で選択拡散を行いｐ型化するので、この時点では、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９はｉ型またはｎ型のいずれでも良い。
【0079】
結晶成長の終了後、受光領域及び受光領域をリング状に取り囲むｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９以外の表面を絶縁膜で覆い、この絶縁膜を拡散マスクとして固相または気相で選択的にＺｎ拡散を行うことにより、Ｚｎ拡散ｐ型領域１２を形成する。図５Ａの断面図及び図５Ｂの上面図は、Ｚｎ拡散後の状態を表す図である。
【0080】
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９を、ドライエッチングまたはウエットエッチングなどの方法により不要部分を除去して、受光領域を取り囲むリング状に加工する。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９とｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８との間に、層厚が５０ｎｍ程度のＩｎＰ層をエッチングストッパー層として設けることにより、エッチングの深さ制御性を向上させても良い。図６Ａの断面図及び図６Ｂの上面図は、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９をリング状に加工した後の状態を表す図である。
【0081】
受光部となる領域、つまり受光領域に、複数の孔部１１を一定の周期で２次元的に配列されるように形成する。図７Ａの断面図及び図７Ｂの上面図は、複数の孔部１１が形成された状態を表す図である。図７Ｂの上面図には、一定の周期で２次元的に配列される構成の一例として、格子状に２次元的に配置された複数の孔部１１の例を示している。複数の孔部１１は、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８に設けられている。複数の孔部１１が一定の周期で２次元的に配置された構造を、２次元周期構造７０と呼ぶ。
【0082】
孔部１１は、底面がｉ型ＩｎＰ第１窓層７に到達する程度の深さに設定される。すなわち、孔部１１の底面には、Ｚｎ拡散ｐ型領域１２が設けられたｉ型ＩｎＰ第１窓層７が露出している。ただし、孔部１１の底面は、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５に到達していなければ良く、例えばｉ型ＩｎＰ第１窓層７の内部、またはｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８の内部に位置していても良い。
【0083】
複数の孔部１１の形成後、リング状に加工されたｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９の外周部に露出するｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８をエッチングして除去する。図８Ａの断面図及び図８Ｂの上面図は、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８をエッチング除去した状態を表す。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９の外周部に露出するｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８をエッチングする理由は、Ｚｎ拡散ｐ型領域１２の境界１３には高電界が印加されるが、酸化しやすいＩｎＡｌＡｓ層を最表面とすると、暗電流が増加しやすくなるからである。
【0084】
第１窓層及び第２窓層を、共に酸化しにくいｉ型ＩｎＰ層で構成することも可能である。この場合は、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９の外周部のＩｎＰ第２窓層のエッチングは不要となる。上述の構成とは逆に、第１窓層をＩｎＡｌＡｓ層で構成し、第２窓層をＩｎＰで構成しても良い。第１窓層と第２窓層との材料を変える理由は、孔部１１の深さ（孔部を残部とする場合は高さ）、つまりエッチング深さの制御性が向上するからである。第１窓層と第２窓層との間に、エッチングストッパー層を設けることにより、エッチング深さの制御性を向上させても良い。
【0085】
次に、表面側に表面保護膜としてＳｉＮ表面保護絶縁膜１０を全面に形成した後、リング状に加工したｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９上のＳｉＮ表面保護絶縁膜１０を除去して、オーミックコンタクト部を形成する。図９Ａの断面図及び図９Ｂの上面図は、オーミックコンタクト部の形成後の状態を表す図である。
【0086】
ＳｉＮ表面保護絶縁膜１０は絶縁膜の一例である。表面保護膜として、ＳｉＯ2膜、ＳｉＯＮ膜、または有機材料からなる絶縁膜など、他の膜種の絶縁膜でも良い。さらに、ＳｉＮ膜とＳｉＯ2膜を積層した膜構成でも良い。
【0087】
次に、リング状にエッチングしたｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９上、及びリングの内周側のＳｉＮ表面保護絶縁膜１０上に、ｐ型電極３２を形成する。図１０Ａの断面図及び図１０Ｂの上面図は、ｐ型電極３２を形成後の状態を表す図である。
【0088】
ｐ型電極３２は、金属材料としてＴｉ及びＡｕ、またはＰｔが使用される。ｐ型電極３２は、金属反射膜としても機能する。具体的には、半導体層側から順に、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｔ／Ｔｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、などといった多層膜で構成する。
【0089】
表面側の加工の完了後、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にｎ型電極３１及び反射防止膜４０を形成する。先ず、ｎ型電極の材料をｎ型ＩｎＰ基板１の裏面の全面に成膜し、ｎ型ＩｎＰ基板１において、表面側のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９で囲まれた部分に対向する裏面側の面内に成膜されたｎ型電極の材料を除去することにより、ｎ型電極３１が形成される。
【0090】
さらに、ｎ型電極の材料が除去された部分、つまり、ｎ型ＩｎＰ基板１の表面側のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９で囲まれた部分に対向する裏面側の部分に、ＳｉＮ膜などで構成された反射防止膜４０を成膜する。以上が、実施の形態１に係る半導体受光素子の製造方法である。
【0091】
ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に形成された反射防止膜４０から入射した入射光９０が、ｎ型ＩｎＰ基板１の表面側に設けられたｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５に垂直方向から入射する。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９で囲まれた受光領域が円形である場合の直径は５μｍ～１ｍｍの範囲内であり、受光領域が矩形の場合の長辺の大きさは５μｍ～１ｍｍの範囲内である。
【0092】
＜実施の形態１に係る半導体受光素子の作用＞
図３に示した実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例であるＡＰＤの作用について、以下に説明する。
図３に示した実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例であるＡＰＤの作用について、以下に説明する。
【0093】
半導体受光素子１００の裏面側から入射した入射光９０は、反射防止膜４０を通過して半導体受光素子１００の内部に入射する。入射光９０は、ｎ型ＩｎＰ基板１を通過し、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５において入射光９０の一部が吸収された後に、ｉ型ＩｎＰ第１窓層７及びｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８に到達する。
【0094】
ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８には、格子状に形成された複数の孔部１１、つまり２次元周期構造７０が形成されているため、光の共振９１が発生する。孔部１１の内部にはＳｉＮ表面保護絶縁膜１０が埋め込まれている。光通信で使用される波長帯１．３μｍ～１．６μｍでは、ＳｉＮ膜（屈折率：約２．０）とＩｎＡｌＡｓ層（屈折率：約３．２５）の間で屈折率の差が大きいため、光の共振９１が容易に発生する。また、ＩｎＰ層（屈折率：約３．２）と比較してＩｎＧａＡｓ層は屈折率が高いため（屈折率：約３．６）、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５とｉ型ＩｎＰ第１窓層７との間でも、光の共振９１が発生する。
【0095】
図１１は、２次元周期構造７０における主な共振点を表している。また、図１２に、図１１中の点Ｐから点Ｑの間の屈折率分布を示す。光の共振９１によって光強度が増加する位置を共振点と呼ぶ。たとえば、図１２の位置Ａから位置Ｄの共振点が想定される。ＡＰＤの動作時には、位置Ａから位置Ｄにおいて、複合共振（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ）が発生する。複合共振では、位置Ａから位置Ｄの各共振点で同時に光が共振するが、各共振点の光強度は波長によって異なる。たとえば、ある波長では共振点である位置Ａ及び位置Ｂの光強度が強くなる一方、異なる波長では共振点である位置Ｃの光強度が強くなる。
【0096】
光の共振９１が発生する波長において半導体受光素子の受光感度は高くなるが、複合共振によりさらに広い波長範囲において受光感度が高くなる。この理由は、位置Ａから位置Ｄの共振点において等価屈折率が異なるため、それぞれが異なる波長で光の共振９１が発生するからである。たとえば、共振点である位置Ａの場合は、屈折率の低い第１窓層に共振点の中心があるため、屈折率の高い光吸収層に共振点の中心がある位置Ｄよりも共振波長が短くなる。このように、実施の形態１に係る半導体受光素子１００では複合共振を発生させることが可能であるため、数１０ｎｍ以上の広い波長範囲において高受信感度である半導体受光素子を得ることができる。
【0097】
格子状という２次元周期的に配列された孔部１１の周期（ｐｅｒｉｏｄ：孔部１１の中心間の距離）を変えると複合共振が発生する波長が変化する。したがって、所望の波長で複合共振が発生するように孔部１１の周期を設定すれば良い。孔部１１の周期は、概ね、複合共振が発生する波長を共振点の等価屈折率で割った数値である。
【0098】
光通信では、１２５０～１６００ｎｍの波長が用いられる。たとえば、複合共振が発生する波長を１６００ｎｍ、等価屈折率を３．２とすると、孔部１１の周期は５００ｎｍ（＝１６００ｎｍ／３．２）となり、波長が１２５０ｎｍの場合は、３９１ｎｍ（＝１２５０ｎｍ／３．２）となる。層構成及び孔部１１の開口率によって等価屈折率は変化し、２．８～３．６の範囲内の値となる。孔部１１の周期は、３４７ｎｍ（＝１２５０ｎｍ／３．６）から５７１ｎｍ（＝１６００ｎｍ／２．８）の範囲内で設定すれば良い。
【0099】
孔部１１は開口が小さくなると加工が困難となる一方、孔部１１の開口が大きいと孔部１１以外の残余の部分の物理的強度が低下する。このため、孔部１１の開口率（＝孔部１１の直径／孔部１１の周期）は、１０％～６０％が好適である。したがって、孔部１１の開口の直径は、最小で３５ｎｍ（＝３４７ｎｍ×１０％）、最大で３４３ｎｍ（＝５７１ｎｍ×６０％）の範囲内で設定すれば良い。ここで、孔部１１の直径は、孔部１１の開口が円形である場合に適用される定義である。孔部１１の開口が円形以外の他の形状、たとえば矩形の場合は対角線の長さ、三角形の場合は長辺の長さと定義すれば良い。
【0100】
ｘ方向及びｙ方向に２次元周期的に、つまり格子状に配列された複数の孔部１１において、ｘ方向の周期とｙ方向の周期はほぼ同じ値であることが望ましい。この理由は、ｘ方向の周期とｙ方向の周期が異なる場合は、受信感度の偏波依存性が発生するからである。受信感度の偏波依存性を低減する観点からは、孔部１１の開口の形状は円形に近い方が望ましい。しかしながら、孔部１１の開口の形状が三角形、四角形などの多角形または楕円形であっても２次元周期構造７０として適用が可能である。さらに、三角形または四角形の形状を呈した孔部を近接して並べるなど、複数のパターンを近接して並べて１つの孔部のように機能させても良い。
【0101】
非特許文献１に記載の半導体受光素子に対する実施の形態１に係る半導体受光素子１００の利点を、以下に説明する。非特許文献１に記載の半導体受光素子では、ゲルマニウム（Ｇｅ）によって構成された光吸収層に格子状に周期的に配置された孔部を設けているため、光吸収により発生した電子・正孔対が孔部の表面で再結合するので、受信感度が低下するという問題がある。また、孔部の底面ではＧｅ層が露出しているため、暗電流が増加し、信頼性が低下するという問題もある。非特許文献１に記載の素子構造をＡＰＤに適用した場合、ＡＰＤでは高電界を印加するため、特に信頼性の低下が懸念される。
【0102】
一方、実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例であるＡＰＤでは、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５よりもバンドギャップの大きいｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８に孔部１１を形成しているため、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５において発生した電子及び正孔が孔部１１までは拡散しない。また、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８には電界が印加されないため、暗電流の増加、あるいは信頼性の低下といった不具合が発生しない。したがって、実施の形態１に係る半導体受光素子１００によると、従来の非特許文献１に記載された半導体受光素子よりも、さらに高い受信感度、低い暗電流、かつ、高い信頼性の半導体受光素子を実現することが可能となる。
【0103】
また、非特許文献１に記載の半導体受光素子では、表面から入射した光の中で、フォトニック結晶であるＧｅ光吸収層で吸収できなかった光は基板側へ透過されてしまう。一方、実施の形態１に係る半導体受光素子１００の一例であるＡＰＤでは、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８の上部にはＳｉＮ表面保護絶縁膜１０及びｐ型電極３２が形成されているため、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８を透過した光がＳｉＮ表面保護絶縁膜１０及びｐ型電極３２によって反射され、再びｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５へ戻されて光の共振に寄与するため、受信感度が向上するという効果を奏する。
【0104】
次に、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３の作用について説明する。ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３ではイオン化率比ｋが小さいことによる低雑音及び広帯域化が期待できるが、実施の形態１に係る半導体受光素子１００の増倍層にＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を適用することにより、高受信感度化も達成できる。高受信感度化が可能な理由を、以下に説明する。受信感度を高めるためには光を光吸収層にできるだけ閉じ込める必要がある。上述のように、共振点が光吸収層に存在する場合は、高受信感度が実現できる。つまり、光吸収層が最も屈折率が高いため、多くの光成分は光吸収層へ閉じ込められるからである。
【0105】
上述の現象を、図１２を使って具体的に説明する。図１２は、図１１の位置Ａの点Ｐと点Ｑの間の屈折率分布を表す。図１２の点線はＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層の屈折率、実線はＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の屈折率をそれぞれ示している。図１１の位置Ｃ及び位置Ｄのように、光吸収層に共振点が存在する場合について考察する。図１２において、増倍層をＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造で構成した場合は、光吸収層の両側（水平方向）の半導体層の屈折率が高いため、光吸収層部の中央付近に共振点が発生する。一方、増倍層をＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造で構成すると、図１に示すように、ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層は屈折率が高いため、光吸収層部の共振点が半導体基板側に偏って光が放散してしまう。この結果、ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層の場合は、光吸収層への光閉じ込め率が低下してしまう。
【0106】
一方、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を増倍層に適用した場合は、図１に示すようにＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造の屈折率は低く、第１窓層を構成するＩｎＰ層と同程度の屈折率となるので、増倍層への光の染み出しが減少する。つまり、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を増倍層に適用すると、共振した光が光吸収層に効率よく閉じ込められるため複合共振が発生しやすくなるので、広い波長範囲において高い受信感度を有するＡＰＤが実現できる。
【0107】
＜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、第２窓層に２次元周期構造を設け、半導体基板側から光を入射し、ＳｉＮ表面保護絶縁膜とｐ型電極によって半導体層を覆うことにより光を内部に反射し、さらに、増倍層にＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を適用することによって光吸収層への光の閉じ込め量が増大する結果、複合共振によって広い波長範囲において半導体受光素子の高受信感度化が可能となる効果を奏し、また、低雑音化及び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も奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
以上、実施の形態１に係る半導体受光素子によると、第２窓層に２次元周期構造を設け、半導体基板側から光を入射し、ＳｉＮ表面保護絶縁膜とｐ型電極によって半導体層を覆うことにより光を内部に反射し、さらに、増倍層にＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を適用することによって光吸収層への光の閉じ込め量が増大する結果、複合共振によって広い波長範囲において半導体受光素子の高受信感度化が可能となる効果を奏し、また、低雑音化及び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も奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
【0108】
実施の形態１の変形例１．
＜実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
図１３は、実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子１１０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。実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子１１０は、第１窓層を屈折率の異なる複数層で構成する点に特徴がある。
＜実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
図１３は、実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子１１０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。実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子１１０は、第１窓層を屈折率の異なる複数層で構成する点に特徴がある。
【0109】
実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子１１０の素子構造において、ｎ型ＩｎＰ基板１からｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６までの各層の構成は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同一の構成であるので、説明を省略する。
【0110】
実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子１１０のｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６の上側に、層厚が０．１～３．０μｍであるｉ型ＩｎＰ第１窓層７ａと、層厚が０．１～３．０μｍであるｉ型ＩｎＡｌＡｓ第１窓層７ｂと、層厚が０．１～３．０μｍであるｉ型ＩｎＰ第２窓層８ａと、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９が順に形成されている。なお、ｉ型ＩｎＡｌＡｓ第１窓層７ｂを、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ層で構成しても良い。
【0111】
ｉ型ＩｎＰ第１窓層７ａ、ｉ型ＩｎＡｌＡｓ第１窓層７ｂ、及びｉ型ＩｎＰ第２窓層８ａのキャリア濃度は、それぞれ５×１０17ｃｍ-3以下である。第１窓層７ｂをＩｎＡｌＧａＡｓ層で構成する場合は、ＩｎＡｌＧａＡｓ層の組成波長λｇはＡＰＤに入射する光の波長よりも５０～１００ｎｍ短いため、第１窓層７ｂによる光吸収は発生しない。
【0112】
なお、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９、及びＳｉＮ表面保護絶縁膜１０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９に囲まれたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０上に形成されたｐ型電極３２は、図３に示される実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同一の構成である。また、２次元周期構造７０も、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同一の構成である。
【0113】
Ｚｎ拡散ｐ型領域１２は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同様の領域、つまり図１３の断面図に示される領域に形成されている。一方、実施の形態１に係る半導体受光素子１００の製造方法を示す図６Ａの断面図及び図６Ｂの上面図では、リング状のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９の外周部より外側のｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８を除去しているが、実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子１１０の場合は、ｉ型ＩｎＰ第２窓層８ａはＩｎＰ層で構成されているため、除去不要である。この理由は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００では、電界が印加されるＺｎ拡散ｐ型領域１２の境界１３の近傍では、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８を構成するＩｎＡｌＡｓ層は表面酸化によって劣化しやすい一方、実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子１１０の場合は、ｉ型ＩｎＰ第２窓層８ａを構成するＩｎＰ層は酸化による劣化が発生しにくいためである。
【0114】
＜実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の作用＞
実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子１１０も、実施の形態１と同様、図１４に示すような共振点で複合共振が発生する。図１５に示す半導体受光素子１１０の屈折率分布では、ｉ型ＩｎＡｌＡｓ第１窓層７ｂは、ｉ型ＩｎＰ第１窓層７ａ及びｉ型ＩｎＰ第２窓層８ａよりも屈折率が高いが、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５よりは低い。したがって、光吸収層の屈折率が最も高いため、光の共振点として図１４の位置Ｃ及び位置Ｄの光の強度の割合が大きい。複合共振によって広い波長範囲において高い受信感度を得るためには、図１４の位置Ａと位置Ｂでの光の共振も確保する必要がある。
実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子１１０も、実施の形態１と同様、図１４に示すような共振点で複合共振が発生する。図１５に示す半導体受光素子１１０の屈折率分布では、ｉ型ＩｎＡｌＡｓ第１窓層７ｂは、ｉ型ＩｎＰ第１窓層７ａ及びｉ型ＩｎＰ第２窓層８ａよりも屈折率が高いが、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５よりは低い。したがって、光吸収層の屈折率が最も高いため、光の共振点として図１４の位置Ｃ及び位置Ｄの光の強度の割合が大きい。複合共振によって広い波長範囲において高い受信感度を得るためには、図１４の位置Ａと位置Ｂでの光の共振も確保する必要がある。
【0115】
図１５に示す屈折率分布では、図１２に示す屈折率分布に比べて、ｉ型ＩｎＡｌＡｓ第１窓層７ｂの屈折率が高いため、図１４の位置Ａ及び位置Ｂでも複合共振が発生しやすい。具体的には、１３００ｎｍの波長に対して、ｉ型ＩｎＰ第１窓層７ａ（屈折率：３．２０４）と、ｉ型ＩｎＡｌＡｓ第１窓層７ｂの屈折率の差は０．０５であり、第１窓層７ｂが組成波長λｇ＝１２４０ｎｍのＩｎＡｌＧａＡｓ層（屈折率：３．４５４）の場合の屈折率の差は０．２５となる。
【0116】
つまり、実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子１１０の素子構造では、第１窓層をｉ型ＩｎＰ第１窓層７ａ及びｉ型ＩｎＡｌＡｓ第１窓層７ｂの２層からなる構造としたため、０．０５～０．２５の屈折率差が得られる結果、複合共振が発生しやすくなる。なお、図１５に示す屈折率分布の場合も、ランダムアロイ構造増倍層（点線）よりも、デジタルアロイ構造増倍層（実線）の方が、光吸収層への光閉じ込めが大きくなるため、複合共振での受信感度の改善効果が大きくなる。
【0117】
＜実施の形態１の変形例１の効果＞
以上、実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子によると、複数層からなる第１窓層を設けて上層側の屈折率を高くし、第２窓層に２次元周期構造を設け、ＳｉＮ表面保護絶縁膜及びｐ型電極によって半導体層を覆うことにより光を内部に反射し、さらに、増倍層にＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を適用することによって光吸収層への光の閉じ込め量が増大する結果、光吸収層への光の閉じ込め量の向上と複合共振との両立が実現できるため、広い波長範囲において半導体受光素子の高受信感度化が可能となる効果を奏し、また、低雑音化及び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も奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
以上、実施の形態１の変形例１に係る半導体受光素子によると、複数層からなる第１窓層を設けて上層側の屈折率を高くし、第２窓層に２次元周期構造を設け、ＳｉＮ表面保護絶縁膜及びｐ型電極によって半導体層を覆うことにより光を内部に反射し、さらに、増倍層にＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を適用することによって光吸収層への光の閉じ込め量が増大する結果、光吸収層への光の閉じ込め量の向上と複合共振との両立が実現できるため、広い波長範囲において半導体受光素子の高受信感度化が可能となる効果を奏し、また、低雑音化及び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も奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
【0118】
実施の形態１の変形例２．
＜実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
図１６は、実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子１２０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３及び図４Ａに示す実施の形態１に係る半導体受光素子１００では格子状に配置された複数の孔部１１が形成されたｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８が設けられている。一方、実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子１２０では、第２窓層を設けず、ｉ型ＩｎＰ窓層７ｃのみを設け、ＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａに複数の孔部１１ａを設けることにより、格子状の２次元周期構造７０ａを形成している点に特徴がある。
＜実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
図１６は、実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子１２０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３及び図４Ａに示す実施の形態１に係る半導体受光素子１００では格子状に配置された複数の孔部１１が形成されたｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８が設けられている。一方、実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子１２０では、第２窓層を設けず、ｉ型ＩｎＰ窓層７ｃのみを設け、ＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａに複数の孔部１１ａを設けることにより、格子状の２次元周期構造７０ａを形成している点に特徴がある。
【0119】
ＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａの膜厚は、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内である。ＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａの代わりにＳｉＯ2膜を用いても良い。孔部１１ａの開口の形状は、円形、矩形、三角形などが挙げられるが、他の形状を呈していても良い。
【0120】
２次元周期構造７０ａにおける、一定の周期に対する孔部１１ａの直径の割合は、１０％以上８０％以下の範囲内が好適である。孔部１１ａの深さ（孔部を残部とする場合は高さ）は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内が好適である。
【0121】
リング状のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９上、及びリング内のＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａ上には、ｐ型電極３２が配置されている。
【0122】
＜実施の形態１の変形例２の作用＞
実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子１２０では、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同様に、格子状に配列された複数の孔部１１ａの周期に対応した複合共振が発生し、広い波長範囲において光吸収層における光強度が増大する結果、高い受信感度が得られるという効果を奏する。実施の形態１に係る半導体受光素子１００に対する利点は、半導体受光素子１２０では第２窓層がないことから、エピタキシャル結晶成長層の全体の層厚が薄くすむ点にある。
実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子１２０では、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同様に、格子状に配列された複数の孔部１１ａの周期に対応した複合共振が発生し、広い波長範囲において光吸収層における光強度が増大する結果、高い受信感度が得られるという効果を奏する。実施の形態１に係る半導体受光素子１００に対する利点は、半導体受光素子１２０では第２窓層がないことから、エピタキシャル結晶成長層の全体の層厚が薄くすむ点にある。
【0123】
ＳｉＮ膜、ＳｉＯ2膜などの絶縁膜への孔部１１ａの形成は、一般にドライエッチングまたはウエットエッチングが用いられる。絶縁膜と半導体層との選択エッチングは容易であるため、孔部１１ａの底面は半導体層の表面で正確に止めることが可能となる。したがって、２次元周期構造７０ａを構成する複数の孔部１１ａの深さ（孔部を残部とする場合は高さ）を均一にできるという効果を奏する。
【0124】
さらに、孔部１１ａはｐ型電極３２で埋め込まれているが、たとえばｐ型電極３２としてＴｉ／Ａｕからなる金属膜を適用した場合、ｐ型電極３２とＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａとの屈折率差が大きくなるため、共振効果がより得られやすくなるという効果も奏する。
【0125】
＜実施の形態１の変形例２の効果＞
以上、実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子によると、ｉ型ＩｎＰ窓層上のＳｉＮ表面保護絶縁膜に格子状の２次元周期構造を設け、半導体基板側から光を入射し、ＳｉＮ表面保護絶縁膜及びｐ型電極によって半導体層を覆うことにより光を内部に反射することで、複合共振によって広い波長範囲において半導体受光素子の高受信感度化が可能となる効果を奏し、また、低雑音化及び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も奏する。加えて、実施の形態１に対して、ＳｉＮ表面保護絶縁膜に設けられた孔部の深さ（孔部を残部とする場合は高さ）が均一になり、かつ屈折率差も大きくできることから光の共振が発生しやすくなるので、光の吸収効率が向上する。この結果、高受信感度で低雑音かつ広帯域化が可能な半導体受光素子が実現できるという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
以上、実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子によると、ｉ型ＩｎＰ窓層上のＳｉＮ表面保護絶縁膜に格子状の２次元周期構造を設け、半導体基板側から光を入射し、ＳｉＮ表面保護絶縁膜及びｐ型電極によって半導体層を覆うことにより光を内部に反射することで、複合共振によって広い波長範囲において半導体受光素子の高受信感度化が可能となる効果を奏し、また、低雑音化及び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も奏する。加えて、実施の形態１に対して、ＳｉＮ表面保護絶縁膜に設けられた孔部の深さ（孔部を残部とする場合は高さ）が均一になり、かつ屈折率差も大きくできることから光の共振が発生しやすくなるので、光の吸収効率が向上する。この結果、高受信感度で低雑音かつ広帯域化が可能な半導体受光素子が実現できるという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
【0126】
実施の形態１の変形例３．
＜実施の形態１の変形例３に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
図１７は、実施の形態１の変形例３に係る半導体受光素子１３０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３及び図４Ａに示す実施の形態１に係る半導体受光素子１００では格子状に配置された複数の孔部１１が形成されたｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８が設けられている。一方、実施の形態１の変形例３に係る半導体受光素子１３０では、第２窓層を設けず、ｉ型ＩｎＰ窓層７ｃのみを設け、ＳｉＮ表面保護絶縁膜１０上のｐ型電極３２ａに孔部１１ｂを設けることにより、格子状の２次元周期構造７０ｂを形成している点に特徴がある。
＜実施の形態１の変形例３に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
図１７は、実施の形態１の変形例３に係る半導体受光素子１３０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３及び図４Ａに示す実施の形態１に係る半導体受光素子１００では格子状に配置された複数の孔部１１が形成されたｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８が設けられている。一方、実施の形態１の変形例３に係る半導体受光素子１３０では、第２窓層を設けず、ｉ型ＩｎＰ窓層７ｃのみを設け、ＳｉＮ表面保護絶縁膜１０上のｐ型電極３２ａに孔部１１ｂを設けることにより、格子状の２次元周期構造７０ｂを形成している点に特徴がある。
【0127】
ｐ型電極３２ａの膜厚は５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内である。ｐ型電極３２ａの構成材料としては、Ｔｉ／Ａｕの他にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどでも良い。
【0128】
２次元周期構造７０ｂの一例として、ｐ型電極３２ａに、孔部１１ｂを格子状に配列した構成が挙げられる。孔部１１ｂの開口の形状は、円形、矩形、三角形などが挙げられるが、他の形状を呈していても良い。
【0129】
２次元周期構造７０ｂにおける、一定の周期に対する孔部１１ｂの直径の割合は、１０％以上８０％以下の範囲内が好適である。孔部１１ｂの深さ（孔部を残部とする場合は高さ）は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内が好適である。
【0130】
実施の形態１と同様に、リング状のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９の上には、ｐ型電極３２ａを設けることにより、オーミックコンタクト部を形成している。
【0131】
＜実施の形態１の変形例３の作用＞
実施の形態１の変形例３に係る半導体受光素子１３０では、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同様に、格子状に形成された複数の孔部１１ｂの周期に対応した複合共振が発生し、広い波長範囲において光吸収層における光強度が増大する結果、高い受信感度が得られる。実施の形態１に係る半導体受光素子１００に対する利点は、第２窓層がないことからエピタキシャル結晶成長層の層厚が薄くすむ点である。
実施の形態１の変形例３に係る半導体受光素子１３０では、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同様に、格子状に形成された複数の孔部１１ｂの周期に対応した複合共振が発生し、広い波長範囲において光吸収層における光強度が増大する結果、高い受信感度が得られる。実施の形態１に係る半導体受光素子１００に対する利点は、第２窓層がないことからエピタキシャル結晶成長層の層厚が薄くすむ点である。
【0132】
Ｔｉ／Ａｕなどの金属膜で構成されたｐ型電極３２ａへの孔部１１ｂの形成は、一般にドライエッチングまたはウエットエッチングが用いられる。ｐ型電極３２ａの下側のＳｉＮ表面保護絶縁膜１０との選択エッチングが容易であるため、孔部１１ｂの底面はＳｉＮ表面保護絶縁膜１０の表面で正確に止めることが可能となる。したがって、２次元周期構造７０ｂを構成する複数の孔部１１ｂの深さ（孔部を残部とする場合は高さ）を均一にできるという効果を奏する。
【0133】
また、リフトオフを用いてｐ型電極３２ａに孔部１１ｂを形成することも可能である。さらに、ｐ型電極３２ａと孔部１１ｂ、つまり空気との屈折率差が大きくなるため、共振効果がより得られやすくなるという効果も奏する。
【0134】
＜実施の形態１の変形例３の効果＞
以上、実施の形態１の変形例３に係る半導体受光素子によると、ＳｉＮ表面保護絶縁膜上のｐ型電極に格子状の２次元周期構造を設け、半導体基板側から光を入射するので、複合共振によって広い波長範囲において半導体受光素子の高受信感度化が可能となるという効果を奏する。加えて、実施の形態１に対して、ｐ型電極に設けられた孔部の深さ（孔部を残部とする場合は高さ）が均一になり、かつ屈折率差も大きくできることから光の共振が発生しやすくなるため、光の吸収効率が向上する。この結果、高受信感度であり、低雑音かつ広帯域化が可能な半導体受光素子が実現できるという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
以上、実施の形態１の変形例３に係る半導体受光素子によると、ＳｉＮ表面保護絶縁膜上のｐ型電極に格子状の２次元周期構造を設け、半導体基板側から光を入射するので、複合共振によって広い波長範囲において半導体受光素子の高受信感度化が可能となるという効果を奏する。加えて、実施の形態１に対して、ｐ型電極に設けられた孔部の深さ（孔部を残部とする場合は高さ）が均一になり、かつ屈折率差も大きくできることから光の共振が発生しやすくなるため、光の吸収効率が向上する。この結果、高受信感度であり、低雑音かつ広帯域化が可能な半導体受光素子が実現できるという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
【0135】
実施の形態１の変形例４．
＜実施の形態１の変形例４に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
図１８は、実施の形態１の変形例４に係る半導体受光素子１４０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３及び図４Ａに示す実施の形態１に係る半導体受光素子１００では格子状に配置された複数の孔部１１が形成されたｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８が設けられている。一方、実施の形態１の変形例４に係る半導体受光素子１４０では、第２窓層を設けず、ｉ型ＩｎＰ窓層７ｃのみを設け、ｉ型ＩｎＰ窓層７ｃ上のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａに複数の孔部１１ｃを設けることにより、格子状の２次元周期構造７０ｃを形成している点に特徴がある。
＜実施の形態１の変形例４に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
図１８は、実施の形態１の変形例４に係る半導体受光素子１４０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３及び図４Ａに示す実施の形態１に係る半導体受光素子１００では格子状に配置された複数の孔部１１が形成されたｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８が設けられている。一方、実施の形態１の変形例４に係る半導体受光素子１４０では、第２窓層を設けず、ｉ型ＩｎＰ窓層７ｃのみを設け、ｉ型ＩｎＰ窓層７ｃ上のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａに複数の孔部１１ｃを設けることにより、格子状の２次元周期構造７０ｃを形成している点に特徴がある。
【0136】
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａの層厚は、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内である。
【0137】
２次元周期構造７０ｃの一例として、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａに、孔部１１ｃを格子状に配列した構成が挙げられる。孔部１１ｃの開口の形状は、円形、矩形、三角形などが挙げられるが、他の形状を呈していても良い。
【0138】
２次元周期構造７０ｃにおける、一定の周期に対する孔部１１ｃの直径の割合は、１０％以上８０％以下の範囲内が好適である。孔部１１ｂの深さ（孔部を残部とする場合は高さ）は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内が好適である。
【0139】
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａ上に、ｐ型電極３２を設けることにより、オーミックコンタクト部を形成している。なお、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａにおいて孔部１１ｃを設けていない部分の上では、ＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ｂは除去しなくても良い。
【0140】
＜実施の形態１の変形例４の作用＞
実施の形態１の変形例４に係る半導体受光素子１４０では、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同様に、格子状に形成された複数の孔部１１ｃの周期に対応した複合共振が発生し、広い波長範囲において光吸収層における光強度が増大する結果、高い受信感度が得られる。実施の形態１に係る半導体受光素子１００に対する利点は、第２窓層がないことからエピタキシャル結晶成長層の層厚が薄くすむ点である。
実施の形態１の変形例４に係る半導体受光素子１４０では、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同様に、格子状に形成された複数の孔部１１ｃの周期に対応した複合共振が発生し、広い波長範囲において光吸収層における光強度が増大する結果、高い受信感度が得られる。実施の形態１に係る半導体受光素子１００に対する利点は、第２窓層がないことからエピタキシャル結晶成長層の層厚が薄くすむ点である。
【0141】
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａへの孔部１１ｃの形成は、一般にドライエッチングまたはウエットエッチングが用いられる。リング状のオーミックコンタクト部を形成する工程において同時に孔部１１ｃを形成することが可能となるため、孔部１１ｃの形成工程を別途設けずに済むという利点がある。
【0142】
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａのエッチングの際は、下側で接するｉ型ＩｎＰ窓層７ｃとの選択エッチングが容易であるため、孔部１１ａの底面はｉ型ＩｎＰ窓層７ｃの表面で正確に止めることが可能となる。したがって、２次元周期構造７０ａを構成する複数の孔部１１ｃの深さ（孔部を残部とする場合は高さ）を均一にできるという効果を奏する。
【0143】
ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａで孔部１１ｃを形成していない部分にｐ型電極３２を設けて、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａとのオーミックコンタクト部を形成するので、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａとｐ型電極３２とのコンタクト面積が増加するため、半導体受光素子１４０のオーミック抵抗を小さくすることが可能である。
【0144】
＜実施の形態１の変形例４の効果＞
以上、実施の形態１の変形例４に係る半導体受光素子によると、ｉ型ＩｎＰ窓層上のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層に格子状の２次元周期構造を設け、半導体基板側から光を入射するので、複合共振によって広い波長範囲において半導体受光素子の高受信感度化が可能となり、さらに低雑音化及び広帯域化が可能となるという効果を奏する。加えて、実施の形態１に対して、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層に設けられた孔部の深さ（孔部を残部とする場合は高さ）が均一になるので、光の共振が発生しやすくなるため、光の吸収効率が向上する。この結果、高受信感度であり低雑音かつ広帯域化が可能な半導体受光素子が実現できるという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
以上、実施の形態１の変形例４に係る半導体受光素子によると、ｉ型ＩｎＰ窓層上のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層に格子状の２次元周期構造を設け、半導体基板側から光を入射するので、複合共振によって広い波長範囲において半導体受光素子の高受信感度化が可能となり、さらに低雑音化及び広帯域化が可能となるという効果を奏する。加えて、実施の形態１に対して、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層に設けられた孔部の深さ（孔部を残部とする場合は高さ）が均一になるので、光の共振が発生しやすくなるため、光の吸収効率が向上する。この結果、高受信感度であり低雑音かつ広帯域化が可能な半導体受光素子が実現できるという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
【0145】
実施の形態１の変形例５．
＜実施の形態１の変形例５に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
図１９は、実施の形態１の変形例５に係る半導体受光素子１５０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。実施の形態１及び実施の形態の変形例１から４では、ｐ型領域をＺｎの選択拡散で形成している。一方、実施の形態１の変形例５に係る半導体受光素子１５０では、図１９に示すように、エピタキシャル結晶成長の際に、ｐ型ＩｎＰ第１窓層７ｄ、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８ｂ、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｂの各層にｐ型のドーピングを行うことで、メサ構造（以下、単にメサとも呼ぶ）を有するメサ型ＡＰＤとしている。ｐ型のドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃなどが適用可能である。各層のドーピング濃度は５×１０17ｃｍ-3以上であり、１×１０18ｃｍ-3程度が好適である。
＜実施の形態１の変形例５に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
図１９は、実施の形態１の変形例５に係る半導体受光素子１５０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。実施の形態１及び実施の形態の変形例１から４では、ｐ型領域をＺｎの選択拡散で形成している。一方、実施の形態１の変形例５に係る半導体受光素子１５０では、図１９に示すように、エピタキシャル結晶成長の際に、ｐ型ＩｎＰ第１窓層７ｄ、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８ｂ、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｂの各層にｐ型のドーピングを行うことで、メサ構造（以下、単にメサとも呼ぶ）を有するメサ型ＡＰＤとしている。ｐ型のドーパントとしては、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃなどが適用可能である。各層のドーピング濃度は５×１０17ｃｍ-3以上であり、１×１０18ｃｍ-3程度が好適である。
【0146】
＜実施の形態１の変形例５の作用＞
格子状の２次元周期構造７０に対して光を垂直方向から入射した場合、水平方向に進行する光９２が発生する。水平方向に進行する光９２はｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５で吸収され、徐々に減衰する。実施の形態１に係る半導体受光素子１００の場合は、水平方向に進行する光９２の一部がＺｎ拡散ｐ型領域１２の境界１３の外部に到達する可能性がある。この場合、Ｚｎ拡散ｐ型領域１２の境界１３の外部に到達した光も吸収されて、電子及び正孔のキャリアが発生する。
格子状の２次元周期構造７０に対して光を垂直方向から入射した場合、水平方向に進行する光９２が発生する。水平方向に進行する光９２はｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５で吸収され、徐々に減衰する。実施の形態１に係る半導体受光素子１００の場合は、水平方向に進行する光９２の一部がＺｎ拡散ｐ型領域１２の境界１３の外部に到達する可能性がある。この場合、Ｚｎ拡散ｐ型領域１２の境界１３の外部に到達した光も吸収されて、電子及び正孔のキャリアが発生する。
【0147】
Ｚｎ拡散ｐ型領域１２の境界１３の外部では電界が印加されていないため、発生したキャリアはゆっくりと拡散してＺｎ拡散ｐ型領域１２へ戻ってきて電流信号として取り出される。電界が印加されていない領域をキャリアが拡散する時間は、電界が印加されている領域と比べて長いため、周波数応答が劣化する。この結果、ＡＰＤのパルス応答波形において、すそ引きが発生するという不具合が発生するおそれがある。
【0148】
一方、図１９に示す実施の形態１の変形例５に係る半導体受光素子１５０の一例である裏面入射型ＡＰＤでは、メサ型の素子構造であるので、メサ構造内部の全領域に渡って電界が印加されるため、パルス応答波形にすそ引きが発生しないので、周波数応答は劣化しない。
【0149】
＜実施の形態１の変形例５の効果＞
以上、実施の形態１の変形例５に係る半導体受光素子によると、メサ型の素子構造であり、メサ構造の内部の全領域に渡って電界が印加され、パルス応答波形にすそ引きが発生しないので周波数応答は劣化しないため、高受信感度であり低雑音かつ広帯域化が可能な半導体受光素子が実現できるという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においてもＳＮ比に優れたパルス応答波形が得られ、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
以上、実施の形態１の変形例５に係る半導体受光素子によると、メサ型の素子構造であり、メサ構造の内部の全領域に渡って電界が印加され、パルス応答波形にすそ引きが発生しないので周波数応答は劣化しないため、高受信感度であり低雑音かつ広帯域化が可能な半導体受光素子が実現できるという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においてもＳＮ比に優れたパルス応答波形が得られ、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
【0150】
実施の形態１の変形例６．
＜実施の形態１の変形例６に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
図２０は、実施の形態１の変形例６に係る半導体受光素子１６０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。
＜実施の形態１の変形例６に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の特徴＞
図２０は、実施の形態１の変形例６に係る半導体受光素子１６０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。
【0151】
＜実施の形態１の変形例６に係る半導体受光素子の構造＞
実施の形態１の変形例６に係る半導体受光素子１６０の一例である裏面入射型ＡＰＤ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０．１～１．０μｍであるｎ型ＩｎＰバッファ層２ａと、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ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３と、キャリア濃度が０．１～５０×１０17ｃｍ-3であり層厚が１０～７０ｎｍであるｐ型ＩｎＰ電界緩和層４と、層厚が０．１～２．０μｍであるｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５と、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６と、層厚が０．１～３．０μｍであるｐ型ＩｎＰ第１窓層７ｄと、層厚が０．１～３．０μｍであり２次元周期構造７０を有するｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８と、リング状を呈するｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９と、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８に２次元的に配置された複数の孔部１１と、孔部１１の底面に露出したｐ型ＩｎＰ第１窓層７ｄ、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８の表面、及び各層の側面部上に形成されたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａと、表面に露出したｎ型ＩｎＰバッファ層２ａ及び側面部に形成されたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａ上に形成されたｎ型電極３１ａと、リング状を呈するｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９上及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９に囲まれたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａ上に形成されたｐ型電極３２と、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に形成された反射防止膜４０と、で構成される。
実施の形態１の変形例６に係る半導体受光素子１６０の一例である裏面入射型ＡＰＤ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０．１～１．０μｍであるｎ型ＩｎＰバッファ層２ａと、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ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３と、キャリア濃度が０．１～５０×１０17ｃｍ-3であり層厚が１０～７０ｎｍであるｐ型ＩｎＰ電界緩和層４と、層厚が０．１～２．０μｍであるｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５と、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６と、層厚が０．１～３．０μｍであるｐ型ＩｎＰ第１窓層７ｄと、層厚が０．１～３．０μｍであり２次元周期構造７０を有するｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８と、リング状を呈するｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９と、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８に２次元的に配置された複数の孔部１１と、孔部１１の底面に露出したｐ型ＩｎＰ第１窓層７ｄ、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８の表面、及び各層の側面部上に形成されたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａと、表面に露出したｎ型ＩｎＰバッファ層２ａ及び側面部に形成されたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａ上に形成されたｎ型電極３１ａと、リング状を呈するｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９上及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９に囲まれたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａ上に形成されたｐ型電極３２と、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に形成された反射防止膜４０と、で構成される。
【0152】
＜実施の形態１の変形例６に係る半導体受光素子の製造方法＞
ＦｅドープＩｎＰ基板１ａの上に、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２ａを成長する。ｎ型ＩｎＰバッファ層２ａは導電層とコンタクト層の両方の機能を兼ねている。実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同様に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２ａ上にｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６の各層を順次、結晶成長する。
ＦｅドープＩｎＰ基板１ａの上に、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２ａを成長する。ｎ型ＩｎＰバッファ層２ａは導電層とコンタクト層の両方の機能を兼ねている。実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同様に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２ａ上にｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６の各層を順次、結晶成長する。
【0153】
ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６上に、実施の形態１の変形例５に係る半導体受光素子１５０と同様に、ｐ型ＩｎＰ第１窓層７ｄを結晶成長する。さらに、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同様に、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９の各層を順次、結晶成長する。
【0154】
次に、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９をリング状に加工し、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８に複数の孔部１１が格子状に配置されるように形成することにより、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８に２次元周期構造７０を設ける。リング状に加工したｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９の外周部の外側を、底面がｎ型ＩｎＰバッファ層２ａに到達するまでエッチングして除去する。
【0155】
エッチング後、全面をＳｉＮ絶縁膜で覆い、オーミックコンタクト部を形成する部分のＳｉＮ絶縁膜を除去し、ｐ型電極３２及びｎ型電極３１ａを形成する。ｐ型電極３２は、リング状を呈するｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９上及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９に囲まれたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａ上に形成される。
【0156】
ｎ型電極３１ａは、ｎ型ＩｎＰバッファ層２ａに到達するまでエッチングすることにより形成されたメサの側面部を、各半導体層の側面部に設けられたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａを介して覆うように形成される。あるいは、メサの側面部を覆う電極は、ｎ型ＩｎＰバッファ層２ａ上に形成されたｎ型電極３１ａとは接続せず、互いに独立した電極としても良い。また、メサの側面部の電極は、ｐ型電極３２と同時に形成しても良い。
【0157】
＜実施の形態１の変形例６の作用＞
実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子１６０では、格子状の２次元周期構造７０に対して光を垂直方向から入射した場合、水平方向に進行する光が発生する。この水平方向に進行する光に対して、メサの側面部はＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａ及びｎ型電極３１ａによって被覆されているため、反射ミラーとして機能する。したがって、水平方向に進行する光は、メサの側面部で内部側に反射して戻され、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５によって吸収されるため、受信感度が向上する。
実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子１６０では、格子状の２次元周期構造７０に対して光を垂直方向から入射した場合、水平方向に進行する光が発生する。この水平方向に進行する光に対して、メサの側面部はＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａ及びｎ型電極３１ａによって被覆されているため、反射ミラーとして機能する。したがって、水平方向に進行する光は、メサの側面部で内部側に反射して戻され、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５によって吸収されるため、受信感度が向上する。
【0158】
なお、実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子１６０では、ｎ型ＩｎＰ基板１よりも光吸収損失の小さいＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａを使用するため、さらに受信感度が向上する。
【0159】
＜実施の形態１の変形例６の効果＞
以上、実施の形態１の変形例６に係る半導体受光素子によると、メサの側面部にＳｉＮ表面保護絶縁膜及びｎ型電極からなる反射ミラーを設けたので、水平方向に進行する光を内部に戻すことが可能となるため、半導体受光素子の受信感度がより向上するという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
以上、実施の形態１の変形例６に係る半導体受光素子によると、メサの側面部にＳｉＮ表面保護絶縁膜及びｎ型電極からなる反射ミラーを設けたので、水平方向に進行する光を内部に戻すことが可能となるため、半導体受光素子の受信感度がより向上するという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
【0160】
実施の形態１の変形例７．
図２１は、実施の形態１の変形例７に係る半導体受光素子１７０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１及び実施の形態１の変形例１から６では、裏面から光を入射する構成としている。一方、図２１に示す実施の形態１の変形例７に係る半導体受光素子１７０では、メサの側面部の端面の全面に反射防止膜４１が設けられ、端面から入射光９０が入射することを特徴とする。
図２１は、実施の形態１の変形例７に係る半導体受光素子１７０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１及び実施の形態１の変形例１から６では、裏面から光を入射する構成としている。一方、図２１に示す実施の形態１の変形例７に係る半導体受光素子１７０では、メサの側面部の端面の全面に反射防止膜４１が設けられ、端面から入射光９０が入射することを特徴とする。
【0161】
＜実施の形態１の変形例７の効果＞
実施の形態１の変形例７に係る半導体受光素子によると、第２窓層に２次元周期構造を設け、さらに、増倍層にＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を適用することによって光吸収層への光の閉じ込め量が増大する結果、複合共振によって広い波長範囲において高受信感度化が可能となる効果に加えて、端面の全面に反射防止膜を設けたので、一層、高受信感度化が可能となり、さらに低雑音化及び広帯域化が可能となる端面入射型の半導体受光素子が得られるという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
実施の形態１の変形例７に係る半導体受光素子によると、第２窓層に２次元周期構造を設け、さらに、増倍層にＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を適用することによって光吸収層への光の閉じ込め量が増大する結果、複合共振によって広い波長範囲において高受信感度化が可能となる効果に加えて、端面の全面に反射防止膜を設けたので、一層、高受信感度化が可能となり、さらに低雑音化及び広帯域化が可能となる端面入射型の半導体受光素子が得られるという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
【0162】
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２２は、実施の形態２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。実施の形態２に係る半導体受光素子１８０は、ｎ型ＩｎＰバッファ層２とｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３との間に、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であるｎ型ＩｎＡｌＧａＡｓ層及びｎ型ＩｎＰ層を、この順序で交互に積層したｎ型ＤＢＲ層１４（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）を設けている点に特徴がある。ｎ型ＤＢＲ層１４以外の構成は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００とほぼ同一である。
＜実施の形態２に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）の素子構造＞
図２２は、実施の形態２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。実施の形態２に係る半導体受光素子１８０は、ｎ型ＩｎＰバッファ層２とｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３との間に、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であるｎ型ＩｎＡｌＧａＡｓ層及びｎ型ＩｎＰ層を、この順序で交互に積層したｎ型ＤＢＲ層１４（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）を設けている点に特徴がある。ｎ型ＤＢＲ層１４以外の構成は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００とほぼ同一である。
【0163】
ｎ型ＤＢＲ層１４はバッファ層としても機能する。したがって、ｎ型ＩｎＰバッファ層２は無くても良い。ｎ型ＤＢＲ層１４は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥなどの結晶成長方法により形成される。ｎ型ＤＢＲ層１４を、ｎ型半導体層とも呼ぶ。
【0164】
ｉ型ＩｎＰ第１窓層７の代りに、ｉ型ＩｎＡｌＡｓ第１窓層としても良い。また、逆にｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８の代わりにｐ型ＩｎＰ第２窓層としても良い。
【0165】
ｎ型ＤＢＲ層１４を構成する各層の層厚ｔは、各層の屈折率をｎ、入射光の波長をλとすると、下記の式（３）を満たすように設定すれば良い。
ｔ＝λ／（４・ｎ） （３）
ｔ＝λ／（４・ｎ） （３）
【0166】
また、ｎ型ＤＢＲ層１４を構成する各層の層厚を層厚ｔの奇数倍、つまり１ｔ、３ｔ、５ｔ、・・・という構成としても良い。ＩｎＡｌＧａＡｓ層の組成及びＩｎＡｌＧａＡｓ層／ＩｎＰ層のペア数によって、ｎ型ＤＢＲ層１４の反射率を変化させることができる。
【0167】
たとえば、入射光の波長を１３００ｎｍ、ＩｎＡｌＧａＡｓの組成波長λｇを１１００ｎｍとすると、屈折率ｎは３．３８となり、ｎ型ＤＢＲ層１４の1ペアを構成するＩｎＡｌＧａＡｓ層の層厚は９６．２ｎｍとなる。ＩｎＰの屈折率ｎは３．２０であるので、ｎ型ＤＢＲ層１４の1ペアを構成するＩｎＰ層の層厚は１０１．６ｎｍとなる。したがって、ｎ型ＤＢＲ層１４の１ペアの層厚は、両者を合計した１９７．８ｎｍとなる。
【0168】
ｎ型ＤＢＲ層１４のＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＰのペア数は２以上２０以下が好適であり、ｎ型ＤＢＲ層１４の全体の層厚は０．４μｍ以上４μｍ以下が好適である。しかしながら、のペア数は積層する各層の屈折率に依存し、積層する２種類の層の屈折率差が小さくほど、より多くのペア数が必要となる。
【0169】
ｎ型ＤＢＲ層１４は、上述したＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＰのペア以外に、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの各ペアでも良い。
【0170】
＜実施の形態２の作用＞
実施の形態２に係る半導体受光素子１８０は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同じ作用及び効果を奏することに加えて、より受信感度が向上するという作用及び効果を奏する。ｎ型ＤＢＲ層１４の作用について、図２３に基づき、以下に説明する。
実施の形態２に係る半導体受光素子１８０は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００と同じ作用及び効果を奏することに加えて、より受信感度が向上するという作用及び効果を奏する。ｎ型ＤＢＲ層１４の作用について、図２３に基づき、以下に説明する。
【0171】
図２２に示すように、反射防止膜４０から入射した入射光９０は、ｎ型ＤＢＲ層１４に到達する。ｎ型ＤＢＲ層１４は光を反射するが、ｎ型ＤＢＲ層１４よりも上側に位置する各層の共振条件を満たす波長は透過する。このため、ｎ型ＤＢＲ層１４とｐ型電極３２との間に垂直方向のキャビティが形成され、光の共振が発生する。
【0172】
ｎ型ＤＢＲ層１４及びｐ型電極３２によって閉じ込められた垂直方向の共振光は、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８に格子状に配列された複数の孔部１１によって形成された２次元周期構造７０によって生じる光の共振、すなわち図２２に示された共振光を増強する。この結果、半導体受光素子１８０の受信感度が向上する。
【0173】
図２３は、実施の形態２に係る半導体受光素子１８０の一例である裏面入射型ＡＰＤにおける、ＤＢＲ層の反射率及び量子効率の、ＤＢＲ層のペア数依存性を表す図である。ここで、入射光の波長を１３００ｎｍ、ＩｎＡｌＧａＡｓ層の屈折率ｎを３．３８、層厚を９６．２ｎｍ、ＩｎＰ層の屈折率ｎを３．２０、層厚を１０１．６ｎｍとした。ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５の屈折率を３．５９５、層厚を５４２ｎｍ、吸収係数を１２７１６／ｃｍとした。また、２次元周期構造７０及びｐ型電極３２による反射率は８０％とした。つまり、２次元周期構造７０及びｐ型電極３２は、反射率８０％のミラーとして機能する。
【0174】
ｎ型ＤＢＲ層１４と反射率８０％のミラーとの間に、ＩｎＧａＡｓ光吸収層、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層、ＩｎＰ窓層があるモデルで、計算により、キャビティ共振によって吸収される効率（量子効率）を算出した。図２３において、縦軸はｎ型ＤＢＲ層１４の反射率、及びＩｎＧａＡｓ光吸収層において吸収される光の量子効率を表し、横軸はｎ型ＤＢＲ層１４のペア数を表している。
【0175】
図２３に示すように、ｎ型ＤＢＲ層１４のペア数の増加にともない、ｎ型ＤＢＲ層１４の反射率は単調に増加する。一方、量子効率は、８ペアまでは増加するものの、８ペアを超えると減少する。これは、ｎ型ＤＢＲ層１４を構成するペア数が８ペアを超えるとｎ型ＤＢＲ層１４を透過する光が減少するため、ｎ型ＤＢＲ層１４と２次元周期構造７０及びｐ型電極３２からなるキャビティにおいて共振する光の量が減少するためである。
【0176】
８０％以上の量子効率を得るためには、ｎ型ＤＢＲ層１４の反射率として１％以上４０％以下が好適である。また、ｎ型ＤＢＲ層１４を構成するペアのペア数としては、２ペア以上１４ペア以下が好適である。より高い８５％以上の量子効率を得るためには、ｎ型ＤＢＲ層１４の反射率として５％以上３３％以下が好適であり、ｎ型ＤＢＲ層１４を構成するペアのペア数としては４ペア以上１２ペア以下がさらに好適である。
【0177】
特許文献２ではフォトニック結晶及びＤＢＲ層を用いた半導体受光素子が開示されているが、ＤＢＲ層は表面から入射した光のうち光吸収層では吸収されずに透過した光を戻す役割のみ機能する。したがって、特許文献２に記載の半導体受光素子では、本開示のような２次元周期構造７０並びにｐ型電極３２及びｎ型ＤＢＲ層１４からなる垂直方向のキャビティは形成されていないので、垂直方向における光の共振による受信感度の向上は得られない。
【0178】
＜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、増倍層の下側にｎ型ＤＢＲ層を設け、第２窓層に２次元周期構造を設け、２次元周期構造をＳｉＮ表面保護絶縁膜及びｐ型電極で覆い垂直方向のキャビティを形成したので、半導体基板側から光を入射することで、高い受信感度の半導体受光素子が得られるという効果を奏する。加えて、さらに、増倍層にＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を適用することによって光吸収層への光の閉じ込め量が増大する結果、複合共振によって広い波長範囲における高受信感度化が可能となり、さらに低雑音化及び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。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
以上、実施の形態２に係る半導体受光素子によると、増倍層の下側にｎ型ＤＢＲ層を設け、第２窓層に２次元周期構造を設け、２次元周期構造をＳｉＮ表面保護絶縁膜及びｐ型電極で覆い垂直方向のキャビティを形成したので、半導体基板側から光を入射することで、高い受信感度の半導体受光素子が得られるという効果を奏する。加えて、さらに、増倍層にＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造を適用することによって光吸収層への光の閉じ込め量が増大する結果、複合共振によって広い波長範囲における高受信感度化が可能となり、さらに低雑音化及び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。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
【0179】
実施の形態２の変形例１．
図２４は、実施の形態２の変形例１に係る半導体受光素子１９０の一例である裏面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。ｎ型ＤＢＲ層１４を増倍層３の下側に設ける構成は、実施の形態１の変形例１から６でも可能であり、同じ作用及び効果が得られる。実施の形態２の変形例１に係る半導体受光素子１９０は、実施の形態２に係る半導体受光素子１８０からｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３及びｐ型ＩｎＰ電界緩和層４を除去してＰＤとする点に特徴がある。実施の形態２の変形例１に係る半導体受光素子１９０においても、実施の形態２に係る半導体受光素子１８０とほぼ同様の効果が得られる。
図２４は、実施の形態２の変形例１に係る半導体受光素子１９０の一例である裏面入射型ＰＤの素子構造を表す断面図である。ｎ型ＤＢＲ層１４を増倍層３の下側に設ける構成は、実施の形態１の変形例１から６でも可能であり、同じ作用及び効果が得られる。実施の形態２の変形例１に係る半導体受光素子１９０は、実施の形態２に係る半導体受光素子１８０からｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３及びｐ型ＩｎＰ電界緩和層４を除去してＰＤとする点に特徴がある。実施の形態２の変形例１に係る半導体受光素子１９０においても、実施の形態２に係る半導体受光素子１８０とほぼ同様の効果が得られる。
【0180】
実施の形態２の変形例２．
図２５は、実施の形態２の変形例２に係る半導体受光素子２００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。実施の形態２の変形例２に係る半導体受光素子２００は、図２０に示す実施の形態１の変形例６に係る半導体受光素子１６０におけるｎ型ＩｎＰバッファ層２ａを、ｎ型ＤＢＲ層１４ａに置き換えた構成である。水平方向と垂直方向に光を閉じ込めることによって、より高い受信感度が得られる。
図２５は、実施の形態２の変形例２に係る半導体受光素子２００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。実施の形態２の変形例２に係る半導体受光素子２００は、図２０に示す実施の形態１の変形例６に係る半導体受光素子１６０におけるｎ型ＩｎＰバッファ層２ａを、ｎ型ＤＢＲ層１４ａに置き換えた構成である。水平方向と垂直方向に光を閉じ込めることによって、より高い受信感度が得られる。
【0181】
実施の形態２の変形例３．
図２６は、実施の形態２の変形例３に係る半導体受光素子２１０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。実施の形態２の変形例３に係る半導体受光素子２１０は、実施の形態２の変形例２に係る半導体受光素子２００に関して、基板側をｐ型、表面側をｎ型と、導電型を反転させた点に特徴がある。
図２６は、実施の形態２の変形例３に係る半導体受光素子２１０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。実施の形態２の変形例３に係る半導体受光素子２１０は、実施の形態２の変形例２に係る半導体受光素子２００に関して、基板側をｐ型、表面側をｎ型と、導電型を反転させた点に特徴がある。
【0182】
＜実施の形態２の変形例３に係る半導体受光素子の構造＞
実施の形態２の変形例３に係る半導体受光素子２１０の一例である裏面入射型ＡＰＤ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、層厚が０．１～１．０μｍであるｐ型ＩｎＰバッファ層２ｂと、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3でありｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ層とｐ型ＩｎＰ層が交互に積層されたｐ型ＤＢＲ層１４ｂと、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６と、層厚が０．１～２．０μｍであるｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５と、キャリア濃度が０．１～５０×１０17ｃｍ-3であり層厚が１０～７０ｎｍであるｐ型ＩｎＰ電界緩和層４と、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ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３と、層厚が０．１～３．０μｍであるｎ型ＩｎＰ第１窓層７ｅと、層厚が０．１～３．０μｍであり２次元周期構造７０ｄを有するｎ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８ｃと、リング状を呈するｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｃと、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８ｃに２次元的に配置された複数の孔部１１ｄと、孔部１１ｄの底面に露出したｎ型ＩｎＰ第１窓層７ｅ、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８ｃの表面、及び各層の側面部上に形成されたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａと、表面に露出したｐ型ＤＢＲ層１４ｂ及び側面部に形成されたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａ上に形成されたｐ型電極３２ｂと、リング状を呈するｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｃ上及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｃに囲まれたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａ上に形成されたｎ型電極３１ｂと、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａの裏面側に形成された反射防止膜４０と、で構成される。
実施の形態２の変形例３に係る半導体受光素子２１０の一例である裏面入射型ＡＰＤ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、層厚が０．１～１．０μｍであるｐ型ＩｎＰバッファ層２ｂと、キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3でありｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ層とｐ型ＩｎＰ層が交互に積層されたｐ型ＤＢＲ層１４ｂと、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６と、層厚が０．１～２．０μｍであるｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５と、キャリア濃度が０．１～５０×１０17ｃｍ-3であり層厚が１０～７０ｎｍであるｐ型ＩｎＰ電界緩和層４と、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ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３と、層厚が０．１～３．０μｍであるｎ型ＩｎＰ第１窓層７ｅと、層厚が０．１～３．０μｍであり２次元周期構造７０ｄを有するｎ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８ｃと、リング状を呈するｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｃと、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８ｃに２次元的に配置された複数の孔部１１ｄと、孔部１１ｄの底面に露出したｎ型ＩｎＰ第１窓層７ｅ、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８ｃの表面、及び各層の側面部上に形成されたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａと、表面に露出したｐ型ＤＢＲ層１４ｂ及び側面部に形成されたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａ上に形成されたｐ型電極３２ｂと、リング状を呈するｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｃ上及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｃに囲まれたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａ上に形成されたｎ型電極３１ｂと、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａの裏面側に形成された反射防止膜４０と、で構成される。
【0183】
なお、ｐ型ＩｎＰバッファ層２ｂの代りに、ｎ型またはｉ型のＩｎＰバッファ層を設けても良い。しかしながら、ＩｎＰバッファ層は必ずしも必要ではない。
【0184】
＜実施の形態２の変形例３に係る半導体受光素子の製造方法＞
Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａ上に、ｐ型ＩｎＰバッファ層２ｂを０．１～１μｍ、結晶成長する。キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であるｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ層及びｐ型ＩｎＰ層の順序で交互に積層したｐ型ＤＢＲ層１４ｂを結晶成長する。ｐ型ＤＢＲ層１４ｂ上に、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３、ｎ型ＩｎＰ第１窓層７ｅ、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８ｃ、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｃの各層を順次、結晶成長する。
Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板１ａ上に、ｐ型ＩｎＰバッファ層２ｂを０．１～１μｍ、結晶成長する。キャリア濃度が１～５×１０18ｃｍ-3であるｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓ層及びｐ型ＩｎＰ層の順序で交互に積層したｐ型ＤＢＲ層１４ｂを結晶成長する。ｐ型ＤＢＲ層１４ｂ上に、ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層６、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５、ｐ型ＩｎＰ電界緩和層４、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３、ｎ型ＩｎＰ第１窓層７ｅ、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８ｃ、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｃの各層を順次、結晶成長する。
【0185】
ｐ型ＤＢＲ層１４ｂは、実施の形態２に係る半導体受光素子２００のｎ型ＤＢＲ層１４と導電型が異なるだけであり、ペアの各層の層厚及び構成材料は同一である。また、ｎ型ＩｎＰ第１窓層７ｅ、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８ｃ、及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｃは実施の形態１の変形例５に係る半導体受光素子１５０と導電型が異なるが、各層の層厚及びキャリア濃度は同一である。
【0186】
次に、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｃをリング状に加工し、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８ｃに複数の孔部１１ｄが格子状に配置されるように形成して、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８ｃに２次元周期構造７０ｄを設ける。リング状に加工したｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｃの外周部の外側を、底面がｐ型ＤＢＲ層１４ｂに到達するまでエッチングして除去する。
【0187】
エッチング除去後、全面をＳｉＮ膜で覆い、オーミックコンタクト部を形成する部分のＳｉＮ膜を除去し、ｐ型電極３２ａ及びｎ型電極３１ｂを形成する。ｎ型電極３１ｂは、リング状のｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ｃ上に形成される。
【0188】
ｐ型電極３２ａは、ｐ型ＤＢＲ層１４ｂに到達するまでエッチングすることにより形成されたメサの側面部、つまり各半導体層の側面部を、同じく各半導体層の側面部に設けられたＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａを介して覆うように配置される。あるいは、メサの側面部を覆う電極は、ｐ型電極３２ａと接続せず独立した電極としても良い。また、メサの側面部の電極はｎ型電極３１ｂと同時に形成しても良い。
【0189】
＜実施の形態２の変形例３の作用＞
ｎ型半導体は、ｐ型半導体よりも光の吸収損失が少ない。実施の形態２の変形例３に係る半導体受光素子２１０は、実施の形態２の変形例２に係る半導体受光素子２００に対して、導電型を上下反転させている。このため、共振点が形成される第１窓層が、ｐ型ではなくｎ型となるため、ｎ型ＩｎＰ第１窓層７ｅにおける光の吸収損失を低減できるという優れた効果を奏する。
ｎ型半導体は、ｐ型半導体よりも光の吸収損失が少ない。実施の形態２の変形例３に係る半導体受光素子２１０は、実施の形態２の変形例２に係る半導体受光素子２００に対して、導電型を上下反転させている。このため、共振点が形成される第１窓層が、ｐ型ではなくｎ型となるため、ｎ型ＩｎＰ第１窓層７ｅにおける光の吸収損失を低減できるという優れた効果を奏する。
【0190】
＜実施の形態２の変形例３の効果＞
以上、実施の形態２の変形例３に係る半導体受光素子によると、共振点が形成される第１窓層の導電型がｐ型ではなくｎ型となるので、第１窓層による光の吸収損失が低減できるため、高受信感度の半導体受光素子が実現できるという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
以上、実施の形態２の変形例３に係る半導体受光素子によると、共振点が形成される第１窓層の導電型がｐ型ではなくｎ型となるので、第１窓層による光の吸収損失が低減できるため、高受信感度の半導体受光素子が実現できるという効果を奏する。したがって、２５Ｇｂｐｓ以上の応答帯域を必要とする用途においても、十分な受信感度を有するＡＰＤを得ることが可能となる。
【0191】
以上の各実施の形態及び各実施の形態の変形例では、いずれも増倍層が、ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造で構成されている例を説明した。以下では、上述の各半導体受光素子の構造上の特徴の一つであるデジタルアロイ構造増倍層について、さらに詳述する。
【0192】
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。
【0193】
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（４）から（６）で表される。
増倍時間ＴＭ＝増倍率Ｍ／ＧＢ積 （４）
ＧＢ積＝１／（２πＮｋτａｖ） （５）
つまり、
増倍時間ＴＭ＝２πＮｋＭτａｖ （６）
となる。
増倍時間ＴＭ＝増倍率Ｍ／ＧＢ積 （４）
ＧＢ積＝１／（２πＮｋτａｖ） （５）
つまり、
増倍時間ＴＭ＝２πＮｋＭτａｖ （６）
となる。
【0194】
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。
【0195】
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る。なお、デジタルアロイ構造については、非特許文献２に記載されている。
【0196】
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。
【0197】
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。
【0198】
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。
【0199】
実施の形態１及び２に係る半導体受光素子の一例であるＡＰＤについて、以下に説明する。実施の形態１及び２に係る半導体受光素子は、デジタルアロイ構造で増倍層を構成する点に特徴の一つがある。
【0200】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造の一例として、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。
【0201】
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以下の範囲内としても良い。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以下の範囲内がより好適である。
【0202】
ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を有するＡＰＤの作用について、以下に説明する。実施の形態１及び２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２７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２７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。
【0203】
図２８Ａから図２８Ｃは電子及び正孔のイオン化率をそれぞれ表す概念図であり、図２８Ａは電子のイオン化の場合、図２８Ｂは正孔のイオン化の場合、図２８Ｃ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概念図である。従来のＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層では、図２７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しまう。
【0204】
一方、実施の形態１及び２に係るＡＰＤのＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層では、図２７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１及び２に係るＡＰＤではトンネル電流の影響は小さい。
【0205】
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２７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。
【0206】
図２９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２９中に記載した文献１及び２の測定結果と合わせて図２９中にプロットした。なお、図２９中の文献１及び２は、下記のとおりである。
【0207】
（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
【0208】
図２９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。
【0209】
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２９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以下へと低下を始める。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。
【0210】
図２９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。
【0211】
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２９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。
【0212】
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２９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。
【0213】
また、デッドスペースの長さとしては、図２７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。
【0214】
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。
【0215】
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（７）及び式（８）で表される。なお、式（７）がデッドスペース長の差の条件を表し、式（８）がトンネル電流の条件を表している。
Ｄｈｅ＝Ｄｈ―Ｄｅ＞０ （７）
Ｄｈ＞Ｔｍｉｎ （８）
Ｄｈｅ＝Ｄｈ―Ｄｅ＞０ （７）
Ｄｈ＞Ｔｍｉｎ （８）
【0216】
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２８Ｃの概念図に示すように、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（８）のように設定されている。
【0217】
ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層の場合は、図２７及び図２９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。
【0218】
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。
【0219】
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。
【0220】
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。
【0221】
図３０Ａから図３０Ｄは、増倍層及び電界緩和層におけるイオン化率を表す概念図であり、図３０ＡはＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層の場合、図３０ＢはＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層の場合、図３０Ｃ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３０Ｄ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概念図である。図３０Ａに示すＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層に比べて、図３０Ｂ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３０Ｃに示すように、デッドスペース長が短くなってしまう。
【0222】
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（９）で表させる。
ｄＮ／ｄｔ＝Ｄ（ｄ2Ｎ／ｄ2ｘ）－Ｆ （９）
ｄＮ／ｄｔ＝Ｄ（ｄ2Ｎ／ｄ2ｘ）－Ｆ （９）
【0223】
式（９）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（９）のＦに相当する。
【0224】
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。
【0225】
電界緩和量ΔＥは、以下の式（１０）で表される。
ΔＥ＝Ｗ・ｑ・Ｎ／ε （１０）
式（１０）において、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。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。
ΔＥ＝Ｗ・ｑ・Ｎ／ε （１０）
式（１０）において、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。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。
【0226】
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。
【0227】
一方、図３０Ｄ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２７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からなる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、デジタルアロイ構造からなる電界緩和層の層厚は１３０ｎｍ以下とすることが必要である。
【0228】
【0229】
＜実施の形態１及び２に係る半導体受光素子（ＡＰＤ）のデジタルアロイ構造増倍層の効果について＞
まず、実施の形態１及び２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（１１）で表される。
ｆｃ＿ＡＰＤ＝１/((１／ｆｒｃ)2+(１/ｆｔｒ)2+(１/ｆｍ）2)0.5 （１１）
まず、実施の形態１及び２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（１１）で表される。
ｆｃ＿ＡＰＤ＝１/((１／ｆｒｃ)2+(１/ｆｔｒ)2+(１/ｆｍ）2)0.5 （１１）
【0230】
一方、実施の形態１及び２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（４）、式（５）、及び式（６）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（１２）で表すことが可能である。
ｆｃ＿ＡＰＤ＝１／（（１／ｆｒｃ）2＋（１／ｆｔｒ）2）0.5 （１２）
式（１２）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 （１２）
式（１２）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。
【0231】
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（１２）は、以下の式（１３）で表される。
ｆｃ＝ｆｔｒ／√２ （１３）
ｆｃ＝ｆｔｒ／√２ （１３）
【0232】
また、走行時間で決定される３ｄＢ帯域ｆｔｒは、以下の式（１４）で表される。
ｆｔｒ＝３．５Ｖａｖ／（２πＷｔ） （１４）
ｆｔｒ＝３．５Ｖａｖ／（２πＷｔ） （１４）
【0233】
式（１４）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。
【0234】
Ｖａｖ＝５．３５×１０6ｃｍ／ｓ、及びＷｔ＝５００ｎｍを式（１４）に代入すると、ｆｔｒ＝５９．６ＧＨｚとなる。さらに、算出されたｆｔｒを式（１３）に代入すると、実施の形態１及び２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１及び２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、本開示の実施の形態１及び２に係る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。
【0235】
以上、実施の形態１及び２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する半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0236】
実施の形態３．
実施の形態１及び２では、半導体受光素子の一例として、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を有するＡＰＤについて説明した。しかしながら、実施の形態１及び２に係る半導体受光素子は、増倍層がＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造の場合でも、半導体受光素子として優れた素子特性を発揮する。
実施の形態１及び２では、半導体受光素子の一例として、ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層を有するＡＰＤについて説明した。しかしながら、実施の形態１及び２に係る半導体受光素子は、増倍層がＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造の場合でも、半導体受光素子として優れた素子特性を発揮する。
【0237】
図３１は、実施の形態３に係る半導体受光素子２２０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。実施の形態３に係る半導体受光素子２２０は、実施の形態１に係る半導体受光素子１００のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３が、ｉ型ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層３ａである点のみが異なる。
【0238】
実施の形態３に係る半導体受光素子２２０は、増倍層がＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造で構成されているものの、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８に２次元周期構造７０を設け、半導体基板側から光を入射し、ＳｉＮ表面保護絶縁膜１０及びｐ型電極３２によって半導体層を覆うことにより光を内部に反射させるので、ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層５への光の閉じ込め量が増大する結果、複合共振による広い波長範囲において高受信感度化が可能となり、さらに低雑音化及び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。
【0239】
実施の形態３の変形例１．
図３２は、実施の形態３の変形例１に係る半導体受光素子２３０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。実施の形態３の変形例１に係る半導体受光素子２３０は、実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子１２０のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３が、ｉ型ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層３ａである点のみが異なる。
図３２は、実施の形態３の変形例１に係る半導体受光素子２３０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。実施の形態３の変形例１に係る半導体受光素子２３０は、実施の形態１の変形例２に係る半導体受光素子１２０のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３が、ｉ型ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層３ａである点のみが異なる。
【0240】
実施の形態３の変形例１に係る半導体受光素子２３０は、増倍層がＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造で構成されているものの、ｉ型ＩｎＰ窓層７ｃ上のＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａに格子状の２次元周期構造７０ａを設け、半導体基板側から光を入射し、ＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａ及びｐ型電極３２によって半導体層を覆うことによって光を内部に反射するので、複合共振によって広い波長範囲において半導体受光素子の高受信感度化が可能となり、さらに低雑音化及び広帯域化が可能となる。加えて、実施の形態３に係る半導体受光素子２２０よりも、ＳｉＮ表面保護絶縁膜１０ａに設けられた孔部１１ａの深さ（孔部を残部とする場合は高さ）が均一になり、かつ屈折率差も大きくできることから光の共振が発生しやすくなるので、光の吸収効率が向上する。この結果、高受信感度であり低雑音かつ広帯域化が可能な半導体受光素子が実現できるという効果を奏する。
【0241】
実施の形態３の変形例２．
図３３は、実施の形態３の変形例２に係る半導体受光素子２４０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。実施の形態３の変形例２に係る半導体受光素子２４０は、実施の形態１の変形例３に係る半導体受光素子１３０のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３が、ｉ型ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層３ａである点のみが異なる。
図３３は、実施の形態３の変形例２に係る半導体受光素子２４０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。実施の形態３の変形例２に係る半導体受光素子２４０は、実施の形態１の変形例３に係る半導体受光素子１３０のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３が、ｉ型ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層３ａである点のみが異なる。
【0242】
実施の形態３の変形例２に係る半導体受光素子２４０は、増倍層がＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造で構成されているものの、ＳｉＮ表面保護絶縁膜１０上のｐ型電極３２ａに格子状の２次元周期構造７０ｂを設け、半導体基板側から光を入射するので、複合共振によって広い波長範囲において半導体受光素子の高受信感度化が向上する。加えて、実施の形態３に係る半導体受光素子２２０よりも、ｐ型電極３２ａに設けられた孔部１１ｂの深さ（孔部を残部とする場合は高さ）が均一になり、かつ屈折率差も大きくできることから光の共振が発生しやすくなるため、光の吸収効率が向上する。この結果、高受信感度であり低雑音かつ広帯域化が可能な半導体受光素子が実現できるという効果を奏する。
【0243】
実施の形態３の変形例３．
図３４は、実施の形態３の変形例３に係る半導体受光素子２４５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。実施の形態３の変形例３に係る半導体受光素子２４５は、実施の形態１の変形例４に係る半導体受光素子１４０のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３が、ｉ型ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層３ａである点のみが異なる。
図３４は、実施の形態３の変形例３に係る半導体受光素子２４５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。実施の形態３の変形例３に係る半導体受光素子２４５は、実施の形態１の変形例４に係る半導体受光素子１４０のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３が、ｉ型ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層３ａである点のみが異なる。
【0244】
実施の形態３の変形例３に係る半導体受光素子２４５は、増倍層がＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造で構成されているものの、ｉ型ＩｎＰ窓層７ｃ上のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａに格子状の２次元周期構造７０ｃを設け、半導体基板側から光を入射するので、複合共振によって広い波長範囲において半導体受光素子の高受信感度化が可能となり、さらに低雑音化及び広帯域化が可能となる。加えて、実施の形態３に係る半導体受光素子２２０よりも、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９ａに設けられた孔部１１ｃの深さ（孔部を残部とする場合は高さ）が均一になるので、共振が発生しやすくなるため、光の吸収効率が向上する。この結果、高受信感度であり低雑音かつ広帯域化が可能な半導体受光素子が実現できるという効果を奏する。
【0245】
実施の形態３の変形例４．
図３５は、実施の形態３の変形例４に係る半導体受光素子２４７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。実施の形態３の変形例４に係る半導体受光素子２４７は、実施の形態２に係る半導体受光素子１８０のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３が、ｉ型ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層３ａである点のみが異なる。
図３５は、実施の形態３の変形例４に係る半導体受光素子２４７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。実施の形態３の変形例４に係る半導体受光素子２４７は、実施の形態２に係る半導体受光素子１８０のｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層３が、ｉ型ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層３ａである点のみが異なる。
【0246】
実施の形態３の変形例４に係る半導体受光素子２４７は、増倍層がＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造で構成されているものの、増倍層の下側にｎ型ＤＢＲ層１４を設けて、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層８に２次元周期構造７０を設け、２次元周期構造７０をＳｉＮ表面保護絶縁膜１０及びｐ型電極３２で覆い垂直方向のキャビティを形成したので、半導体基板側から光を入射することにより、高い受信感度の半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
【0247】
実施の形態４．
図３６は、実施の形態４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。
図３６は、実施の形態４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。
【0248】
なお、本開示のＤＡ－ＡＰＤとは、上述の実施の形態１、実施の形態１の変形例１から７、実施の形態２、実施の形態２の変形例２及び３で説明された、光吸収層の上側に格子状の２次元周期構造を設け、増倍層がＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造であるＡＰＤを指す。
【0249】
図３７は、実施の形態４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。
【0250】
図３８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。
【0251】
図３８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３７に示す実施の形態４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－ＡＰＤ２７５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の出力パワーの低減が可能となる。
【0252】
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（１５）で表される。
ＳＮ比＝Ｉｐｈ2・Ｍ2／（２ｑ（Ｉｐｈ＋Ｉｄ）Ｍ2・Ｆ・Ｂ
＋４Ｋｂ・Ｔ・Ｆｔ・Ｂ／Ｒｔ） （１５）
ＳＮ比＝Ｉｐｈ2・Ｍ2／（２ｑ（Ｉｐｈ＋Ｉｄ）Ｍ2・Ｆ・Ｂ
＋４Ｋｂ・Ｔ・Ｆｔ・Ｂ／Ｒｔ） （１５）
【0253】
式（１５）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。
【0254】
式（１５）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（１６）で表わされる。
ＳＮ比＝Ｉｐｈ／（４ｑ・Ｆ・Ｂ） （１６）
ＳＮ比＝Ｉｐｈ／（４ｑ・Ｆ・Ｂ） （１６）
【0255】
また、過剰雑音係数Ｆは、以下の式（１７）で与えられる。
Ｆ＝Ｍ（１－（１－ｋ）・（（Ｍ－１）2／Ｍ2）） （１７）
Ｆ＝Ｍ（１－（１－ｋ）・（（Ｍ－１）2／Ｍ2）） （１７）
【0256】
従来のＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層の場合は、デッドスペース効果が発現するまでの薄層化（約７０ｎｍ）をすると、上述のようにトンネル電流が増加して雑音特性が悪化する。トンネル電流をできるだけ小さくするためは、ｐｎ接合径を数μｍ以下に小さくする必要があるが、この場合、ＡＰＤへ集光する際の位置合わせ精度が厳しくなる。デジタルアロイ構造増倍層の雑音特性よりは劣るが、このように増倍層の薄膜化によりランダムアロイ構造増倍層でもある程度の雑音低減は可能ではある一方、ｐｎ接合径が小径となるために生産性などの観点からは制約が発生してしまう。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。
【0257】
一方、実施の形態４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。
【0258】
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。
【0259】
図３９は、実施の形態４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。
【0260】
図４０は、実施の形態４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。
【0261】
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（６）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。
【0262】
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。この結果、ＰＯＮシステムの低コスト及び省電力化が実現できる。
【0263】
＜実施の形態４の効果＞
以上、実施の形態４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４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。
【0264】
実施の形態５．
図４１は、実施の形態５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４２Ａ及び図４２Ｂは、実施の形態５に係る多値強度変調送受信装置３００の受信波形を示す概念図である。
図４１は、実施の形態５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４２Ａ及び図４２Ｂは、実施の形態５に係る多値強度変調送受信装置３００の受信波形を示す概念図である。
【0265】
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。
【0266】
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。
【0267】
＜実施の形態５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４２Ａの概念図に示す。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（１８）によって算出される。
ＴＤＥＣＱ(ｄＢ)＝１０・ｌｏｇ(ＯＭＡ／(６・Ｑｔ・Ｒ)) （１８）
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４２Ａの概念図に示す。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（１８）によって算出される。
ＴＤＥＣＱ(ｄＢ)＝１０・ｌｏｇ(ＯＭＡ／(６・Ｑｔ・Ｒ)) （１８）
【0268】
式（１８）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。
【0269】
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。
【0270】
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４２Ｂの概念図に示す受信波形のように、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。
【0271】
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。
【0272】
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４３Ａ及び図４３Ｂは、高光入力時のＰＤの動作を説明する概念図である。図４３Ａの概念図に示すように、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４３Ｂの概念図に示すように、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（１９）のように表される。
Ｒｌｉ＝Ｒｓｃ＋Ｒｄ＋Ｒｌｏ （１９）
Ｒｌｉ＝Ｒｓｃ＋Ｒｄ＋Ｒｌｏ （１９）
【0273】
式（１９）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。
【0274】
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（２０）で表されることを発明者らは見出した。
Ｒｓｃ＝Ｗ・Ｔｄ／（２εＳ） （２０）
Ｒｓｃ＝Ｗ・Ｔｄ／（２εＳ） （２０）
【0275】
式（２０）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を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。
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を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。
【0276】
本開示のＤＡ－ＡＰＤでは、光の共振により光吸収層の吸収量が高いため、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。
【0277】
本開示のＤＡ－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４４は、高光入力時のＡＰＤの動作を説明する概念図である。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（２１）で表される。
滞留時間Ｔｄｍ＝増倍時間＝２πＮｋＭτａｖ （２１）
滞留時間Ｔｄｍ＝増倍時間＝２πＮｋＭτａｖ （２１）
【0278】
式（２１）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。
【0279】
図４５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。
【0280】
この結果、従来のＡＰＤでは図４２Ｂの概念図に示すようにＰＡＭ４のアイ開口が不均一であったが、本開示のＤＡ－ＡＰＤでは、図４２Ａの概念図に示す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。
【0281】
＜実施の形態５の効果＞
以上、実施の形態５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５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。
【0282】
実施の形態６．
図４６は、実施の形態６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４７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。
図４６は、実施の形態６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４７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。
【0283】
実施の形態６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。
【0284】
実施の形態６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。
【0285】
＜実施の形態６に係る光ファイバ無線システムの作用及び効果＞
図４７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４７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。
【0286】
また、従来のＡＰＤを用いると、図４３Ａ及び図４３Ｂの概念図に示されるように、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。
【0287】
一方、実施の形態６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ＤＡ－ＡＰＤでは、光の共振により光吸収層による光吸収量が多いため、光吸収層を薄層化することが可能となるので、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良い応答が得られ、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－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。
【0288】
さらに、本開示の光の共振を利用したＤＡ－ＡＰＤ４０３では、図４５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を用いて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。
【0289】
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％ではなく約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。
【0290】
＜実施の形態６の効果＞
以上、実施の形態６に係る光ファイバ無線システムによると、本開示のＤＡ－ＡＰＤ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という効果を奏する。
以上、実施の形態６に係る光ファイバ無線システムによると、本開示のＤＡ－ＡＰＤ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という効果を奏する。
【0291】
実施の形態７．
図４８は、実施の形態７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７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。
図４８は、実施の形態７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７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。
【0292】
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。
【0293】
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。４つの光信号、つまり各偏波について、直交するＩ成分及びＱ成分で合計４つの光信号は、本開示のＤＡ－ＡＰＤ５０５ａの２つが直列に一対に接続され９０度ハイブリッド器５０３ａ、５０３ｂ内に配置された４個のバランスド・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をＤＳＰ５０６へ入力する。実施の形態７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。
【0294】
＜実施の形態７に係るデジタルコヒーレント受信装置の作用＞
図４９Ａ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概念図であり、図４９Ｂは実施の形態７に係るデジタルコヒーレント受信装置の波形を表す概念図である。
図４９Ａ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概念図であり、図４９Ｂは実施の形態７に係るデジタルコヒーレント受信装置の波形を表す概念図である。
【0295】
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４４の概念図に示すように、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４９Ａの概念図に示すように、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。
【0296】
一方、実施の形態７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光の共振を利用したＤＡ－ＡＰＤでは、光吸収層の吸収量が多いため、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。
【0297】
さらに、本開示の光の共振を利用したＤＡ－ＡＰＤ５０５ａでは、図４５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、図４９Ｂの概念図に示すように、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。
【0298】
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。
【0299】
＜実施の形態７の効果＞
以上、実施の形態７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７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。
【0300】
実施の形態８．
図５０は、実施の形態８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５０は、実施の形態８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。
【0301】
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。
【0302】
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。
【0303】
さらに、ＳＰＡＤセンサーシステム６００に本開示の共振を利用した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、本開示の共振を利用したＤＡ－ＡＰＤからなるＳＰＡＤセンサー６０２が有す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。
【0304】
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。１個の光子により発生する電流があらかじめ分かっていれば、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。
【0305】
図５１Ａは比較例であるＳＡＰＤセンサーシステムの増倍特性を表す概念図であり、図５１Ｂは実施の形態８に係るＳＡＰＤセンサーシステムの増倍特性を表す概念図である。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５１Ａ及び図５１Ｂの概念図による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。
【0306】
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。
【0307】
＜実施の形態８に係るＳＰＡＤセンサーシステムの作用と効果＞
実施の形態８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受信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８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受信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。
【0308】
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。
【0309】
本開示の共振を利用したＤＡ－ＡＰＤでは、光吸収層の吸収量が多いため、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。
【0310】
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２８Ａ及び図２８Ｂの概念図に示すように、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、及び増倍層の層厚が厚い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。
【0311】
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。
【0312】
図５２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（薄層化ＤＡ）は、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。
【0313】
＜実施の形態８の効果＞
以上、実施の形態８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８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。
【0314】
実施の形態９．
図５３は、実施の形態９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５４Ａは比較例であるライダー装置のＡＰＤの受信波形を表す概念図であり、図５４Ｂは実施の形態９に係るライダー装置７００のＡＰＤの受信波形を表す概念図である。
図５３は、実施の形態９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５４Ａは比較例であるライダー装置のＡＰＤの受信波形を表す概念図であり、図５４Ｂは実施の形態９に係るライダー装置７００のＡＰＤの受信波形を表す概念図である。
【0315】
実施の形態９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。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。
【0316】
実施の形態９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、半導体受光素子の受信感度を高める必要がある。そこで、実施の形態９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を高増倍率で使用する。
【0317】
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５４Ａ及び図５４Ｂの概念図に示すように、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。
【0318】
＜実施の形態９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５４Ａの概念図に示すように、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５４Ａの概念図に示すように、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。
【0319】
一方、実施の形態９に係るライダー装置７００で使用される本開示の光の共振を利用したＤＡ－ＡＰＤでは、従来のＡＰＤでは受信感度が不足する場合であっても、高い受信感度が得られる。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。
【0320】
さらに、本開示の光の共振を利用したＤＡ－ＡＰＤ５０５ａでは、２０倍以上の高い増倍率でも図２９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４５に示すように、増倍層での滞留時間が短いため、図５４Ｂの概念図に示すように、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。
【0321】
＜実施の形態９の効果＞
以上、実施の形態９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９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。
【0322】
本開示は、様々な例示的な実施の形態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。
【0323】
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】
【0324】
１ ｎ型ＩｎＰ基板、１ａ Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板、２、２ａ ｎ型ＩｎＰバッファ層、２ｂ ｐ型ＩｎＰバッファ層、３ ｉ型ＩｎＡｓ／ＡｌＡｓデジタルアロイ構造増倍層、３ａ ｉ型ＩｎＡｌＡｓランダムアロイ構造増倍層、４ ｐ型ＩｎＰ電界緩和層、４ ｐ型ＩｎＰ電界緩和層、５ ｉ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層、６ ｉ型ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓグレーディッド層、７、７ａ ｉ型ＩｎＰ第１窓層、７ｂ ｉ型ＩｎＡｌＡｓ第１窓層、７ｃ ｉ型ＩｎＰ窓層、７ｄ ｐ型ＩｎＰ第１窓層、７ｅ ｎ型ＩｎＰ第１窓層、８、８ｂ ｐ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層、８ａ ｉ型ＩｎＰ第２窓層、８ｃ ｎ型ＩｎＡｌＡｓ第２窓層、８ｓ 残部、９、９ａ、９ｂ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、９ｃ ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１０、１０ａ、１０ｂ ＳｉＮ表面保護絶縁膜、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 孔部、１２ Ｚｎ拡散ｐ型領域、１３ 境界、１４、１４ａ ｎ型ＤＢＲ層、１４ｂ ｐ型ＤＢＲ層、３１、３１ａ、３１ｂ ｎ型電極、３２、３２ａ、３２ｂ ｐ型電極、４０、４１ 反射防止膜、７０、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ ２次元周期構造、９０ 入射光、９１ 光の共振、９２ 水平方向に進行する光、１００、１０１、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２４５、２４７ 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】
本開示の半導体受光素子（１００）は、基板（１）と、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）上に形成された増倍層（３）と、増倍層（３）上に形成されたｐ型電界緩和層（４）と、ｐ型電界緩和層（４）上に形成された光吸収層（５）と、光吸収層（５）上に形成された第１窓層（７）と、第１窓層（７）上に形成され、複数の孔部（１１）または残部（８ｓ）が一定の周期で２次元的に配列された２次元周期構造（７０）を有する第２窓層（８）と、２次元周期構造（７０）上に少なくとも形成された表面保護絶縁膜（１０）と、表面保護絶縁膜（１０）上に少なくとも形成された表面電極（３２）と、を備える。
【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】
【図44】
【図45】
【図46】
【図47】
【図48】
【図49】
【図50】
【図51】
【図52】
【図53】
【図54】