JP2017220500A - アバランシェ受光器 - Google Patents
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Abstract
Description
入力光でキャリアを発生させる真性ゲルマニウム(i−Ge)の光吸収層と、
前記光吸収層で発生したキャリアでアバランシェ増幅する真性シリコン(i−Si)のキャリア増幅層と、
前記光吸収層に接合するように前記光吸収層と前記キャリア増幅層との間に配置され、ゲルマニウムが100%である前記光吸収層側から前記キャリア増幅層側へ向かってシリコンの組成比が増加する傾斜組成層と、
を備える。
また、本発明に係るアバランシェ受光器は、前記光吸収層の前記傾斜組成層と反対側にp型ゲルマニウム層をさらに備えることが好ましい。
シリコンとSiO2で形成された光導波路が表面に配置されたシリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された前記光導波路の一部と前記光吸収層の前記キャリア増幅層と反対側に接合するp型ゲルマニウムの接続層と、
をさらに備えることを特徴とする。
前述のp型ゲルマニウム層を前記接続層とすることができる。本アバランシェ受光器は、シリコン基板(光導波路)からのエバネッセント光が接続層を経由して光吸収層へ入射する。本アバランシェ受光器は、光導波路から光をタップする構造が不要なため、Siフォトニクスの構造を簡易とすることができる。
図2は、本発明に関連する実施形態のAPD300を説明する図である。図2(A)はAPD300の層構成を説明する図であり、図2(B)はバイアスを印加した時のAPD300のバンドギャップを説明する図である。APD300は、光吸収層30が真性ゲルマニウム、キャリア増幅層50が真性シリコンであるAPDである。
図3は、本実施形態のAPD301を説明する図である。図3(A)はAPD301の層構成を説明する図である。APD301は、
入力光でキャリアを発生させる真性ゲルマニウム(i−Ge)の光吸収層30と、
光吸収層30で発生したキャリアでアバランシェ増幅する真性シリコン(i−Si)のキャリア増幅層50と、
光吸収層30に接合するように光吸収層30とキャリア増幅層40との間に配置され、ゲルマニウムが100%である光吸収層側からキャリア増幅層側へ向かってシリコンの組成比が増加する傾斜組成層40と、
を備える。
図7(A)は、本実施形態のAPD302の構造を説明する図である。APD302は、図3(A)で説明したAPD301と比較し、傾斜組成層40と光吸収層30との間に配置され、傾斜組成層40と光吸収層30の双方と接合するp型ゲルマニウム(p−Ge)の電界制御層60をさらに備える。そして、電界制御層60の不純物濃度は1×1017cm−3以上であることが好ましい。
図9、図10、図11は、本実施形態のAPD303の構成を説明する図である。図9は図11のA−A断面、図10は図11のB−B断面を表している。図10では電極や表面のSiO2を省略して記載している。
図9、図10、図11において、APD303は、図7で説明したAPD302に、
シリコンとSiO2で形成された光導波路が表面に配置されたシリコン基板10と、
シリコン基板10上に形成された前記光導波路の一部と光吸収層30のキャリア増幅層50と反対側に接合するp型ゲルマニウムの接続層20と、
キャリア増幅層50の光吸収層30と反対側にあるn型シリコンのコンタクト層70と、
をさらに備える。
接続層20:50nm
光吸収層30:100〜1000nm
電界制御層60:50nm
傾斜組成層40:30nm(0.2eV/350kV/cm>5.7nm時の例)
キャリア増幅層50:500nm
コンタクト層70:50nm
Siコア:厚み400nm、幅600nm
コンタクト層70は、リン(P)の不純物が添加されたn型Si層である。コンタクト層70とキャリア増幅層50とはホモ接合である。コンタクト層70のSiに添加されるリンの濃度は例えば1×1019(cm−3)である。
上記実施形態では傾斜組成層40のSiとGeの組成比率が一様に変化することで説明してきた。本実施形態のAPDは、ゲルマニウムが100%である光吸収層30側からキャリア増幅層50側へ向かってシリコンの組成比が階段状に増加する傾斜組成層40を備える。傾斜組成層40の組成比が階段状に変化していても実施形態1〜3で説明したAPDと同じ効果を有する。
以下は、本実施形態で説明したAPDを説明したものである。
<課題>
Ge/Si近赤外アバランシェ受光器において、光吸収層であるGeとキャリア増幅層であるSiの界面に傾斜組成のSiGe混晶を挿入し、低い過剰雑音を維持したまま、動作電界・動作電圧を低減する。
<構成>
(1)i型Ge層を光吸収層とする。Si基板との熱膨張係数差等に起因して発生する引っ張り格子ひずみを有していても良い。入射した光を吸収するため、i型Ge層の厚さは、100nm〜1μm程度とする。Ge光吸収層の上下にp型Geのコンタクト層と電界制御層が形成されている。
(2)i型Ge光吸収層は、p型Geコンタクト層と反対側で、p型のGe電界制御層あるいはi型のSiGe混晶層と接続されている。
(3)上記SiGe層の混晶組成はGe光吸収層から徐々に変化した傾斜組成を有し、Si(Ge)組成が0(100)%から徐々に増加(減少)していくものとする。最終的なSi(Ge)組成は15(85)%程度が望ましい。
(4)上記傾斜組成SiGe層は、Ge光吸収層と反対側にi型Siとのヘテロ接合を有する。SiGe層はSiと格子整合している必要はない。Si増幅層との界面では急峻に組成が変化する。
(5)上記i型Si層の厚さは、電子に対する衝突イオン化係数の逆数(イオン化の発生する特性長)程度以上が望ましい。
(6)i型Si増幅層は、SiGe層と反対側にn型Si層を有する。
<効果>
この構造により、接合界面で電子がバンド連続量の大きさの運動エネルギーを得ることで、Si増幅層中での電子の衝突イオン化係数が増大するので、Si増幅層のもつ低ノイズ特性を維持したまま、低電界・低電圧での動作するアバランシェ受光器が実現可能となる。
20:接続層
30:光吸収層
40:傾斜組成層
50:キャリア増幅層
70:コンタクト層
110、120:電極
300、301、302、303:APD
Claims (7)
- 入力光でキャリアを発生させる真性ゲルマニウム(i−Ge)の光吸収層と、
前記光吸収層で発生したキャリアでアバランシェ増幅する真性シリコン(i−Si)のキャリア増幅層と、
前記光吸収層に接合するように前記光吸収層と前記キャリア増幅層との間に配置され、ゲルマニウムが100%である前記光吸収層側から前記キャリア増幅層側へ向かってシリコンの組成比が増加する傾斜組成層と、
を備えるアバランシェ受光器。 - 前記傾斜組成層と前記キャリア増幅層との間に配置され、前記傾斜組成層と前記キャリア増幅層の双方と接合するp型シリコン(p−Si)の電界制御層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のアバランシェ受光器。
- 前記電界制御層の不純物濃度は1×1017cm−3以上であることを特徴とする請求項2に記載のアバランシェ受光器。
- 前記傾斜組成層は、前記キャリア増幅層側のゲルマニウムの組成比が42.5%以上95%以下、好ましくは57.5%以上91%以下、さらに好ましくは75%以上87.5%以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のアバランシェ受光器。
- 前記キャリア増幅層の膜厚は、電子の衝突イオン化係数の逆数以上であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のアバランシェ受光器。
- 前記傾斜組成層の膜厚は、前記傾斜組成層と前記キャリア増幅層との界面に生ずる伝導帯のバンド不連続量ΔEcを前記キャリア増幅層に印加される電界Fで除した値より大きいことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のアバランシェ受光器。
- シリコンとSiO2で形成された光導波路が表面に配置されたシリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された前記光導波路の一部と前記光吸収層の前記キャリア増幅層と反対側に接合するp型ゲルマニウムの接続層と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のアバランシェ受光器。
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