JP2017220500A

JP2017220500A - アバランシェ受光器

Info

Publication number: JP2017220500A
Application number: JP2016112422A
Authority: JP
Inventors: 土澤　泰; Yasushi Tsuchizawa; 泰土澤; 達郎開; Tatsuro Hiraki; 功太岡崎; Kota Okazaki; 靖彦石川; Yasuhiko Ishikawa; 一実和田; Kazumi Wada
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2016-06-06
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2036-06-06
Also published as: JP6699055B2

Abstract

【課題】低電界・低電圧、かつ低ノイズで動作するＳｉフォトニクス用アバランシェ受光器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係るアバランシェ受光器は、本発明に係るアバランシェ受光器は、キャリア増幅層としてＳｉを用いている。Ｇｅのキャリア増幅層に比べＳｉのキャリア増幅層は過剰雑音が小さい。また、ＳｉＧｅの傾斜組成層とＧｅの光吸収層との接合面における伝導帯のバンドオフセットが小さく、光吸収層から傾斜組成層へ電子が移動しやすい。一方、ＳｉＧｅの傾斜組成層とＳｉのキャリア増幅層とのヘテロ接合面における伝導帯のバンドオフセットが大きい。このため、傾斜組成層からキャリア増幅層へ移動する電子はヘテロ接合面で大きな運動エネルギーを得、キャリア増幅層で衝突イオン化するキャリア数が増大する。これにより、低電界・低電圧でも受光感度が高い受光器とすることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、光信号を電気信号に変換する際になだれ増幅を利用するアバランシェ受光器（ＡＰＤ：ＡｖａｌａｎｃｈｅＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）に関する。

受光器（以下、フォトダイオード又はＰＤと記載することがある。）は光信号を電気信号に変換するデバイスである。ゲルマニウム（以下Ｇｅ）を光吸収層とした光通信波長帯（１．３−１．６ミクロン）のＰＤ（Ｇｅ−ＰＤ）は、Ｇｅがシリコン（以下Ｓｉ）基板上にエピタキシャル成長できるため、Ｓｉ光電子集積回路技術「Ｓｉフォトニクス」におけるＰＤとして応用されている（例えば、非特許文献１を参照。）。通信用途で用いられるＧｅ−ＰＤでは、１０ＧＨｚ程度以上の高速動作に加えて、できる限り小さな強度の光を電流として検出することが要求される。すなわち最小受光感度を向上する必要がある。

最小受光感度を向上する有効な方法として、高電界下でのキャリアの衝突イオン化（大きな運動エネルギーをもったキャリアがエネルギーを失う際に新たな電子−正孔対を発生する現象）を利用する、すなわちアバランシェ（なだれ）増幅を利用する方法がある。図１は、アバランシェ増幅を説明する図である。バンドギャップが大きい層（例えばＳｉＧｅ）とバンドギャップが小さい層（例えばＧｅ）を接合すると、接合面においてバンド不連続部が生ずる。この接合面においては、電子や正孔がポテンシャルエネルギーの大きい側から接合界面を通過する際、バンド不連続量（ΔＥｃ、ΔＥｖ）の大きさに相当する運動エネルギーを瞬時に得る。そして、運動エネルギーの増大により、ポテンシャルエネルギーが小さい層におけるキャリアの衝突イオン化が増大する。本明細書では、ポテンシャルエネルギーが小さくキャリアの衝突イオン化が発生する層を「キャリア増幅層」と呼ぶ。ＡＰＤはキャリア増幅層を有し、アバランシェ増幅によって、微弱な光によって発生した電流を増大でき、受光感度が向上する。なお、ポテンシャルエネルギーの小さい側からキャリアを入射する際にはエネルギー障壁となるため、キャリアの移動を阻害する悪影響があり、この悪影響を排除する研究も多くなされている。

このようなＡＰＤのキャリア増幅層としてＧｅを利用すると、キャリアのイオン化係数が比較的大きいため、１００−２００ｋＶ／ｃｍ程度の比較的小さな印加電界で動作するＡＰＤを作製できる。

Ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｉｌｉｃｏｎｐｈｏｔｏｎｉｃｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（ＫＹａｍａｄａｅｔａｌ、ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．１５（２０１４）０２４６０３（１０ｐｐ））Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃｇｅｒｍａｎｉｕｍ／ｓｉｌｉｃｏｎａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓｗｉｔｈ３４０ＧＨｚｇａｉｎ−ｂａｎｄｗｉｄｔｈｐｒｏｄｕｃｔ（Ｙ．Ｋａｎｇｅｔａｌ．，ＮａｔｕｒｅＰｈｏｔｏｎｉｃｓ．Ｖｏｌ．３（２００９）５９）

しかしながら、キャリア増幅層としてＧｅを利用するＡＰＤは、大きな増幅率を得られる一方、電子及びホールとも衝突イオン化を起こしやすいため（電子及びホールの衝突イオン化係数が同程度）、過剰雑音と呼ばれるノイズが大きくなるという課題があった。

一方、キャリア増幅層にＳｉを利用するＡＰＤは、電子のイオン化係数がホールよりも大きく、主に加速された電子のみが増幅に寄与する結果、過剰雑音を低減できる。しかし、キャリア増幅層にＳｉを利用するＡＰＤは、Ｓｉのイオン化係数がＧｅのイオン化係数より小さく、印加電界（＞３００ｋＶ／ｃｍ）や印加電圧を大きくしなければならないという課題あった（例えば、非特許文献２を参照。）。

本発明は、このような課題を解決するため、低電界・低電圧、かつ低ノイズで動作するＳｉフォトニクス用アバランシェ受光器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るアバランシェ受光器は、Ｓｉのキャリア増幅層を利用することとし、ＳｉとＧｅの傾斜組成層でキャリア増幅層と傾斜組成層との間に大きなバンド不連続を生じさせ、当該バンド不連続量の大きさに相当する運動エネルギーを電子に与えることとした。

具体的には、本発明に係るアバランシェ受光器は、
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。

本発明に係るアバランシェ受光器をエネルギーバンドの点で説明する。伝導帯について説明する。ＳｉＧｅの傾斜組成層とＧｅの光吸収層との接合面における伝導帯のバンドオフセットが小さく、光吸収層から傾斜組成層へ電子が移動しやすい。一方、ＳｉＧｅの傾斜組成層とＳｉのキャリア増幅層とのヘテロ接合面における伝導帯のバンドオフセットが大きい。このため、傾斜組成層からキャリア増幅層へ移動する電子はヘテロ接合面で大きな運動エネルギーを得、キャリア増幅層で衝突イオン化するキャリア数が増大する。これにより、低電界・低電圧でも受光感度が高い受光器とすることができる。

また、本発明に係るアバランシェ受光器は、キャリア増幅層としてＳｉを用いている。Ｇｅのキャリア増幅層に比べＳｉのキャリア増幅層は過剰雑音が小さい。

従って、本発明は、低電界・低電圧、かつ低ノイズで動作するＳｉフォトニクス用アバランシェ受光器を提供することができる。

本発明に係るアバランシェ受光器は、前記傾斜組成層と前記光吸収層との間に配置され、前記傾斜組成層と前記光吸収層の双方と接合するｐ型ゲルマニウム（ｐ−Ｇｅ）の電界制御層をさらに備えることを特徴とする。特に、前記電界制御層の不純物濃度は１×１０^１７ｃｍ^−３以上であることが好ましい。電界制御層に電荷が蓄えられ、キャリア増幅層の電界傾斜がより大きくなり、なだれ増幅がより効果的に発生することになる。

本発明に係るアバランシェ受光器の前記傾斜組成層は、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。伝導帯のバンド不連続量が０．１ｅＶ以上となり、なだれ増幅がより効果的に発生することになる。

本発明に係るアバランシェ受光器の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。キャリア増幅層で発生した電子を衝突イオン化させやすくし、キャリア数の増大に効果がある。

本発明に係るアバランシェ受光器の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。傾斜組成層の伝導帯のエネルギーを光吸収層側からキャリア増幅層側へ一様に低減することができ電子の移動を円滑にすることができる。

本発明に係るアバランシェ受光器は、
シリコンとＳｉＯ_２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。

本発明は、低電界・低電圧、かつ低ノイズで動作するＳｉフォトニクス用アバランシェ受光器を提供することができる。

アバランシェ増幅を説明する図である。本発明に関連するアバランシェ受光器を説明する図である。（Ａ）は半導体の層構造を説明する図である。（Ｂ）は半導体のエネルギーバンドを説明する図である。本発明に係るアバランシェ受光器を説明する図である。（Ａ）は半導体の層構造を説明する図である。（Ｂ）は半導体のエネルギーバンドを説明する図である。本発明に係るアバランシェ受光器の傾斜組成層のエネルギーバンドを説明する図である。（Ａ）はＧｅ組成比に対する各エネルギーバンドを説明する図である。（Ｂ）はキャリア増幅層と傾斜組成層とのヘテロ接合面における、Ｇｅ組成比に対する伝導帯のバンドオフセットを説明する図である。本発明に係るアバランシェ受光器において、電界の逆数に対する衝突イオン化係数の変化を伝導帯のバンドオフセット毎に示した図である。本発明に係るアバランシェ受光器において、電界に対する利得の変化を伝導帯のバンドオフセット毎に示した図である。キャリア増幅層（ｉ型Ｓｉ）の厚みが５００ｎｍであるときの計算結果である。本発明に係るアバランシェ受光器を説明する図である。（Ａ）は半導体の層構造を説明する図である。（Ｂ）は半導体のエネルギーバンドを説明する図である。本発明に係るアバランシェ受光器の傾斜組成層を説明する図である。本発明に係るアバランシェ受光器を説明する図である。本発明に係るアバランシェ受光器を説明する図である。本発明に係るアバランシェ受光器を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施形態であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（関連する実施形態）
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。

Ｇｅのバンドギャップが約０．６ｅＶに対して、Ｓｉのバンドギャップは約１．１ｅＶである。光吸収層３０からキャリア増幅層５０までのバンドギャップは図２（Ｂ）のように、光吸収層３０とキャリア増幅層５０との間において主に価電子帯Ｅｖにバンドオフセットが存在する。

光入射により光吸収層３０で価電子帯にホール、伝導帯に電子が発生する。光吸収層３０で伝導帯に発生した電子は、電界あるいは拡散によりキャリア増幅層５０へ移動する。伝導帯ではキャリア増幅層と光吸収層と境界のバンドオフセットが小さく、円滑にキャリア増幅層５０へ入るが、キャリア増幅層５０へ移動した際に得られる運動エネルギーが小さく、衝突イオン化の増大効果は得られにくい。このため、ＡＰＤ３００では、キャリア増幅層５０内での衝突イオン化の頻度を増大させるため、高電界・高電圧の動作が必要である。なお、価電子帯にはバンドオフセットが存在するため、光入射により光吸収層３０で価電子帯に発生したホールはキャリア増幅層５０へ入ることが困難である。

（実施形態１）
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３（Ｂ）は逆バイアスを印加した時のＡＰＤ３０１のバンドギャップを説明する図である。傾斜組成層４０は、Ｇｅである光吸収層３０との境界における伝導帯のエネルギーにバンドオフセットはない（図３（Ｂ）のＥｃ参照）。

一方、傾斜組成層４０は、キャリア増幅層５０へ近づくにつれてＳｉ比率が増えてバンドギャップが広がっていく。ここでＳｉであるキャリア増幅層５０と傾斜組成層４０とのヘテロ接合面における伝導帯のエネルギーにバンドオフセット（ΔＥｃ）が発生する（図３（Ｂ）のＥｃ参照）。このヘテロ接合面における価電子帯のバンドオフセット量は、傾斜組成層４０のキャリア増幅層５０側でのＧｅとＳｉの組成比率で決定する。

ここで、ＳｉＧｅの組成が変化した時の価電子帯の変化を図４（Ａ）を用いて説明する。図４（Ａ）はＳｉＧｅの組成に対する、価電子帯のエネルギーＥｖ（Γ）、伝導帯のエネルギーＥｃ（Δ）、Ｅｃ（Ｌ）、Ｅｃ（Γ）の推移を説明する図である。なお、Γ、Δ、Ｌとは、逆格子空間におけるブリルアン域の境界面上の対称点の名称である。図４（Ａ）の横軸はＳｉＧｅの組成比率であり、左端はＳｉが１００％であり、右へ進むにつれてＧｅ量が多くなり、右端はＧｅが１００％である。つまり、傾斜組成層４０は光吸収層３０側がＧｅ１００％であり、キャリア増幅層５０へ近づくにつれてＳｉ比率が増加する。価電子帯のエネルギーＥｖ（Γ）は、Ｓｉ比率が増加するにつれて一様に減少する。

次に、ＳｉＧｅの組成が変化した時の伝導帯の変化を図４（Ａ）を用いて説明する。伝導帯のエネルギーは、Ｇｅ中のＳｉが増加しても一様に変化しない。具体的には、Ｇｅ１００％からＳｉ比率を増加させていくと、初めは波数空間におけるＬ点の伝導帯のエネルギーが最小となっており、Ｅｃ（Ｌ）で示す伝導帯に従いエネルギーが増加するが、Ｓｉ比率が約１５％以上（Ｇｅが約８５％以下）では波数空間におけるΔ点の伝導帯のエネルギーが最小となり、Ｅｃ（Δ）で示す伝導帯に従うようになる。

図４（Ｂ）は、ＳｉＧｅの組成変化に伴う伝導帯の推移を拡大して説明する図である。図４（Ｂ）では、縦軸をΔＥｃで表している。上述のように、Ｓｉ比率が約１５％（Ｇｅが約８５％）で波数空間の点が変わるため、ＳｉとＧｅの組成比に対してΔＥｃは図４（Ｂ）のように山形状となる。具体的には、傾斜組成層４０は、キャリア増幅層５０へ近づくにつれてＳｉ比率が増える。Ｓｉ比率が１５％までは伝導帯のエネルギーが増加するが、Ｓｉ比率が１５％で変曲点を迎え（ΔＥｃ＝０．２ｅＶ）、Ｓｉ比率が１５％を超えると伝導帯のエネルギーは減少し始める。

ここで、衝突イオン化係数について説明する。衝突イオン化の頻度はキャリアの進行速度に対して増大する。１個のキャリアが高電界で衝突イオン化を起こす単位時間当たりの回数は、衝突イオン化係数とドリフト速度の積で与えられる。図５は、電界の逆数に対する衝突イオン化係数の変化を示した図である。電子の衝突イオン化係数は伝導帯のバンドオフセットΔＥｃに応じて変化するためΔＥｃ毎に実線で示している。ΔＥｃ＝０ｅＶとはキャリア増幅層側の傾斜組成層のＧｅが１００％であり、傾斜組成層がない図２のＡＰＤ３００である（比較例）。ΔＥｃ＝０．１ｅＶとは図４（Ｂ）のようにキャリア増幅層側の傾斜組成層のＧｅが４２．５％又は９５％、ΔＥｃ＝０．２ｅＶとはキャリア増幅層側の傾斜組成層のＧｅが８５％で図４（Ｂ）の実線の変曲点の位置である。図５より、キャリア増幅層側の傾斜組成層のＧｅとＳｉの比率を調整することで、同一印加電界であればキャリア増幅層中のイオン化係数を向上でき、同一イオン化係数であれば印加電界を低減することができる。

ΔＥｃ≧０．１ｅＶで衝突イオン化係数の向上に効果があるとすれば、傾斜組成層４０のキャリア増幅層５０側でＧｅ比率を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％以下としておくとよい。

続いて、図３（Ｂ）を用いてＡＰＤ３０１の具体的動作を説明する。光の入射で光吸収層３０で発生した電子は、電界あるいは拡散によりキャリア増幅層５０方向へ進む。前述のように光吸収層３０と傾斜組成層４０との境界における伝導帯にバンドオフセットはないので、電子は円滑に傾斜組成層４０に入る。そして、電子は、キャリア増幅層５０と傾斜組成層４０とのヘテロ接合における伝導帯のバンドオフセット（ΔＥｃ）から運動エネルギーを得て、キャリア増幅層５０で衝突イオン化を発生する。

なお、効果的に衝突イオン化を発生させるために、キャリア増幅層５０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が好ましい。ただし、キャリア増幅層５０の膜厚を厚くし過ぎると光応答性が悪化するので、ＡＰＤの高速応答性も考慮してキャリア増幅層５０の膜厚を決定する。例えば、キャリア増幅層５０の膜厚は４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下に設定する。

図３（Ｂ）のように、バンドオフセットΔＥｃの大きさを傾斜組成層４０のＳｉとＧｅの比率で制御でき、Ｓｉのキャリア増幅層の衝突イオン化を促進できる。このため、ノイズは少なかったが、衝突イオン化係数が小さかったＳｉのキャリア増幅層でも効果的に衝突イオン化を発生させことができるので衝突イオン化係数を向上させることができる。

図６は、ＡＰＤ３０１に印加する電界と利得の関係を説明する図である。横軸が印加電界、縦軸が利得である。傾斜組成層のキャリア増幅層側のＧｅの比率を変化させ、ΔＥｃ＝０．１ｅＶとしたＡＰＤ３０１、ΔＥｃ＝０．２ｅＶとしたＡＰＤ３０１を計算した。また、比較例として傾斜組成層を形成しないＡＰＤ（ΔＥｃ＝０ｅＶ）も計算している。

図６のように、同一印加電界であればΔＥｃが大きいほど大きな利得を得ることができ、同一利得であれば印加電界を低減することができる。例えば、ΔＥｃ＝０．２ｅＶとし、キャリア増幅層の膜厚が５００ｎｍのＡＰＤ３０１は、傾斜組成層のない比較例のＡＰＤと比べて動作電界が約２割減少する。

（実施形態２）
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１×１０^１７ｃｍ^−３以上であることが好ましい。

図７（Ｂ）は、電界制御層６０の効果を説明する図である。電界制御層６０は、ｐ型であり、電荷が多く存在する。このため、逆バイアスを印加した時、電界制御層６０が無いＡＰＤ３０１の伝導帯（破線）と比較してＡＰＤ３０２の伝導帯（実線）は電界制御層６０の位置でエネルギーが高くなる。これは、逆バイアス印加時にキャリア増幅層５０により強い電界が印加されることになる。キャリア増幅層５０に印加される電界が強まれば電子の加速が進み、衝突イオン化係数が高くなる。従って、電界制御層６０を形成することでより低電界・低電圧、かつ低ノイズで動作するＳｉフォトニクス用ＡＰＤを提供することができる。

なお、本実施形態のＡＰＤ３０２及び実施形態１のＡＰＤ３０１の傾斜組成層４０の膜厚は、傾斜組成層４０とキャリア増幅層５０との界面に生ずる伝導帯のバンド不連続量ΔＥｃをキャリア増幅層５０に印加される電界Ｆで除した値より大きくしておく。この理由を図８を用いて説明する。

傾斜組成層４０の膜厚がΔＥｃ／Ｆより小さい場合（図８（Ａ））、傾斜組成層４０の伝導帯は光吸収層３０側からキャリア増幅層５０側へエネルギーが増加することになる。このような状態では傾斜組成層が電子の障壁となってしまい、電子が吸収層３０からキャリア増幅層５０へ円滑に移動できなくなる。つまり、光吸収層３０からキャリア増幅層５０への電子の円滑な移動のためには、傾斜組成層４０の伝導帯は光吸収層３０側からキャリア増幅層５０側へエネルギーを減少させておく必要があり、傾斜組成層４０の膜厚をΔＥｃ／Ｆより大きくしておく必要がある（図８（Ｂ））。

（実施形態３）
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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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。

各層の膜厚（設計値）は次の通りである。
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

接続層２０は、ホウ素（Ｂ）等の不純物が添加されたｐ型Ｇｅ層である。不純物の濃度は例えば１×１０^１９（ｃｍ^−３）である。
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１×１０^１９（ｃｍ^−３）である。

図９、図１０、図１１のような構造のＡＰＤ３０３はＣＶＤやイオン注入を用いてシリコン基板から各層を連続して形成することができる。各層を形成した後にＳｉＯ_２で表面を覆い、エッチングで電極を形成するための孔を形成する。そして、窒化チタンやアルミニウム等の金属を当該孔に埋め込み電極（１１０、１２０）を形成する。図９のＡＰＤ３０１では電極１１０がアノード、電極１２０がカソードである。

図９、図１０、図１１において、光導波路のＳｉコアを伝搬してきた光信号は接続層２０の下に到達すると、ＳｉコアとＧｅとの屈折率の違いから一部がエバネッセント光として接続層へ放出される。この光信号は光吸収層３０へ到達し、伝導帯に電子を発生させる。電極間に逆バイアスが印加されているので、その電界に従って電子は移動し、実施形態１と２で説明したようになだれ増幅が行われる。

（他の実施形態）
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。

［付記］
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。

１０：シリコン基板
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

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１×１０^１７ｃｍ^−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ＳｉＯ_２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。