JP3826129B2

JP3826129B2 - アバランシェ光検出器

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Publication number: JP3826129B2
Application number: JP2003389150A
Authority: JP
Inventors: 晉▲い▼ 許; 致為劉
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2023-11-19
Also published as: US20050051861A1; JP2005086192A; TWI228320B; US6963089B2; TW200511596A

Description

本発明は一種の光検出器に係り、特に高速長距離光ファイバ通信に適用されるアバランシェ光検出器（ＡｖａｌａｎｃｈｅＰｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ；ＡＰＤ）に関する。

アバランシェ光検出器は近年２．５ＧＨｚ或いは１０ＧＨｚ周波数帯域の光ファイバ通信における光受信器市場の主流であり、高速ｐ−ｉ−ｎ検出器を有して要求される周波数帯域下で高い感度、利得、応答性の特徴を具備する。利得を有するホトトランジスタに較べ、ＡＰＤは高い速度表現潜力を有し、且つ比較的小さいパルス応答下降時間（ｆａｌｌｔｉｍｅ）によりアイダイアグラムテスト（ｅｙｅ−ｄｉａｇｒａｍｔｅｓｔ）と光ファイバ通信商品化の応用上、いずれもはるかにホトトランジスタよりも実用性がある。高速長距離光ファイバ通信の市場にあって、高出力パワー−帯域幅積、及び高効率−帯域幅積は高速光検出器の発展にあって達成しなければならない二つの指標である。しかし、前述のアバランシェ光検出器はいずれも同時にこの二つの指標を達成できない。

また一方、高速長距離光ファイバ通信の市場にあって三五族半導体を材料とする素子がこれまでの市場の主流である。シリコン結晶工業は電子工業の基礎であり、高歩留り、低コスト、整合が容易な長所を有しているが、そのエネルギーバンド幅、非間接エネルギーバンドの低電子移動度は却ってその光電素子の光ファイバ通信の長波長付近（１．３〜１．５５μｍ）特性表現を三五族素子に較べて低くする。一般に三五族材料中にアバランシェブレークダウンが発生する時、電子、正孔の遊離速度は全体的にあまり低くならないが、シリコン結晶材料中にあって９９％以上の発生キャリアはいずれも電子とされる。この特性によりシリコンベース（Ｓｉｂａｓｅｄ）のアバランシェ光検出器は素子の帯域幅、騒音、利得等の表現のいずれにおいても三五族を基板とするアバランシェ光検出器よりも優秀である。しかし、シリコンのバンド幅は却ってシリコンを材料とするアバランシェ光検出器を光通信長波に対して反応不能とする。この問題を解決するため、ＩｎＧａＡｓを光吸収層としさらにウエハボンディング（ＷａｆｅｒＢｏｎｄｉｎｇ）技術を利用してＳｉアバランシェ層を接合した分離式ブレークダウン吸収アバランシェ光検出器が発表された。例えば特許文献１には、ＩｎＧａＡｓにＳｉを接合したアバランシェ光検出器（ＩｎＧａＡｓｆｕｓｅｄＳｉＡＰＤ）が記載されている。しかしこのようなウエハボンディングの装置の欠点として、高い製造コスト、高暗電流、ＳｉとＩｎＧａＡｓの熱拡張係数の違いによるウエハの破裂しやすさの特性が挙げられ、このような問題は解決に至っていない。またシリコンゲルマニウム合金を光吸収層材料とし並びにシリコンを増倍層材料として、光通信長波長に応用したアバランシェ光検出器の構造が特許文献２に記載されている。それは新規なＳｉＧｅＣを光吸収層とした長波長のアバランシェ光検出器である。しかし、このアバランシェ光検出器は高い操作電圧と高いシステムキャパシタンスを有しており、且つＳｉＧｅＣは直接に厚い光吸収層を成長させることができず、実際の応用と製造上、困難である。

米国特許第６４６５８０３号明細書米国特許第６４５９１０７号明細書

本発明の主要な目的は、四族或いは三五族材料を用いて実現でき、キャパシタンスを減らし、操作電圧を下げ、光励起キャリア伝送速度を高め、反応速度を高め、暗電流を減らし、出力パワーを高め、利得−バンド幅積を増したアバランシェ光検出器を提供することにある。

請求項１の発明は、第１半導体で形成され入射光を吸収してキャリアに変換し且つグレーデッドドープされるか或いはヘビードープされた光吸収層と、
アンドープの第２半導体で形成されてキャリアを受け取り電流を増倍する増倍層と、
第３半導体で形成されると共に該光吸収層と該増倍層に間に位置してバイアス電圧が印加される時に電場を該増倍層に集中させるフィールドバッファ層と、
アンドープの第４半導体で形成されると共に、該フィールドバッファ層と該光吸収層の間に置かれてキャパシタンスを減らすドリフト層と、
を具えたことを特徴とするアバランシェ光検出器としている。
請求項２の発明は、請求項１記載のアバランシェ光検出器において、第１導体層と第２導体層を更に具え、前記光吸収層が該第１導体層と前記ドリフト層の間に位置し、前記増倍層が該第２導体層と前記フィールドバッファ層の間に位置したことを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項３の発明は、請求項１記載のアバランシェ光検出器において、第１波導被覆層と第２波導被覆層を更に具え、前記光吸収層が該第１波導被覆層と前記ドリフト層の間に位置し、且つ前記増倍層が該第２波導被覆層と前記フィールドバッファ層の間に位置したことを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項４の発明は、請求項１記載のアバランシェ光検出器において、第１多層反射鏡セットと第２層反射鏡セットを更に具え、前記光吸収層及び前記増倍層が該第１多層反射鏡セットと第２層反射鏡セットの間に置かれたことを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項５の発明は、請求項２記載のアバランシェ光検出器において、一側辺被覆式の正孔緩和層を更に具え、該正孔緩和層が前記光吸収層に環状に接触すると共に、該光吸収層及び前記第１導体層に接続されて、該光吸収層の正孔を捕捉並びに緩和して該第１導体層に至らしめることを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項６の発明は、請求項１記載のアバランシェ光検出器において、光吸収層が重複して交錯する多層応力平衡超格子とされたことを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項７の発明は、請求項１記載のアバランシェ光検出器において、光吸収層、増倍層、フィールドバッファ層、ドリフト層が四族半導体或いは四族半導体合金で形成されたことを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項８の発明は、請求項１記載のアバランシェ光検出器において、光吸収層、増倍層、フィールドバッファ層、ドリフト層が三五族半導体或いは三五族半導体合金で形成されたことを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項９の発明は、請求項１記載のアバランシェ光検出器において、光吸収層がｐ型或いはｎ型のグレーデッドドープ或いはヘビードープされたＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＣ／ＳｉＧｅ超格子、、Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子、Ｓｉ／Ｇｅ量子点とされたことを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項１０の発明は、請求項１記載のアバランシェ光検出器において、増倍層がアンドープのシリコン層で形成され、ドリフト層がアンドープのシリコン層で形成され、且つフィールドバッファ層がｐ型或いはｎ型のヘビードープされたシリコン層で形成されたことを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項１１の発明は、請求項１記載のアバランシェ光検出器において、光吸収層がｐ型ＩｎＧａＡｓ、ドリフト層がアンドープのＩｎＰ、フィールドバッファ層がｐ型ＩｎＡｌＡｓ、増倍層がアンドープのＩｎＡｌＡｓでそれぞれ形成されたことを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項１２の発明は、請求項４記載のアバランシェ光検出器において、第１多層反射鏡セット及び第２層反射鏡層セットが分布式ブラッグ反射板ミラーとされたことを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項１３の発明は、請求項５記載のアバランシェ光検出器において、正孔緩和層がＰ⁺ −Ｇｅ、Ｐ⁺ −ＳｉＧｅで形成されたことを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項１４の発明は、請求項３記載のアバランシェ光検出器において、光入射方向が光キャリア伝送平均方向に対して垂直或いはほぼ垂直とされたことを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項１５の発明は、請求項２、４、５のいずれかに記載のアバランシェ光検出器において、光入射方向が光キャリア伝送平均方向に対して平行或いはほぼ平行とされたことを特徴とする、アバランシェ光検出器としている。
請求項１６の発明は、超真空化学気相成長法（ＵＨＶ−ＣＶＤ）、低圧化学気相成長法（ＬＰ−ＣＶＤ）、或いは分子ビームエピタキシーで形成されたことを特徴とする、請求項１記載のアバランシェ光検出器としている。
請求項１７の発明は、超真空化学気相成長法（ＵＨＶ−ＣＶＤ）、低圧化学気相成長法（ＬＰ−ＣＶＤ）、或いは分子ビームエピタキシーでＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の上に形成されたことを特徴とする、請求項１記載のアバランシェ光検出器としている。
請求項１８の発明は、光吸収層、増倍層、第１及び第２波導被覆層が整合されて光波導管が形成され、その電極構造が電波導管をなすことを特徴とする、請求項３記載のアバランシェ光検出器としている。

本発明は、四族或いは三五族材料を用いて実現でき、キャパシタンスを減らし、操作電圧を下げ、光励起キャリア伝送速度を高め、反応速度を高め、暗電流を減らし、出力パワーを高め、利得−バンド幅積を増したアバランシェ光検出器を提供している。

本発明のアバランシェ光検出器は、ドープ第１半導体とされて入射光を吸収してキャリアに変換する光吸収層、アンドープ第４半導体とされてキャリアを受け取り増幅電流を増倍する増倍層、ドープ第３半導体とされて該光吸収層と該増倍層の間に置かれてバイアス時に電場を該増倍層に集中させるフィールドバッファ層、アンドープ第２半導体とされ、該フィールドバッファ層と該光吸収層の間に置かれてキャパシタンスを減らすドリフト層を具えたものとされる。

本発明の第１半導体、第２半導体、第３半導体及び第４半導体は共に三五族、三五族合金、四族、或いは四族合金半導体材料とされうる。好ましくは、第１半導体、第２半導体、第３半導体及び第４半導体がいずれも四族半導体材料或いは三五族半導体材料とされる。本発明の第１半導体の光吸収層、第３半導体のフィールドバッファ層は好ましくは第１導電型（例えばｐ型）とされ、増倍層に接続された基板は第２導電型（例えばｎ型）とされ、第２半導体の増倍層、及び第４半導体のドリフト層はノンドープとされる。

本発明のアバランシェ光検出器は光吸収層或いは増倍層に接続される第１導体層と第２導体層を選択的に具えたものとされ得て、そのうち光吸収層（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）は第１導体層及びドリフト層（ｄｒｉｆｔ）の間に位置し、且つ増倍層は第２半導体層とフィールドバッファ層（ｆｉｅｌｄｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒ）の間に位置する。本発明のアバランシェ光検出器の光吸収層はグレーデッドドープされて内部の電場を形成する。ｐ型シリコンの光吸収層を例に挙げると、ドープの濃度がエピタキシャル層表面に近い方向からエピタキシャル層底部に近い方向に向けて低減する。本発明のアバランシェ光検出器は選択的に第１波導層及び第２波導層を具え、該光吸収層は第１波導層とドリフト層の間に位置し、且つ該増倍層は第２波導層とフィールドバッファ層の間に位置する。本発明のアバランシェ光検出器は選択的に更に第１多層反射鏡セットと第２層反射鏡セットを具え、光吸収層と増倍層が第１多層反射鏡セットと第２層反射鏡セットの間に位置し、第１多層反射鏡セットと第２層反射鏡セットは分布式ブラッグ反射板ミラーとされる。本発明のアバランシェ光検出器は更に選択的に側辺被覆式の正孔緩和層３２２（ｒｅｌａｘａｔｉｏｎｌａｙｅｒ）を具え、それは光吸収層に環状に接触し、並びに光吸収層と第１導体層に接続されて、該光吸収層の正孔を捕捉して第１導体層に至らしめる。好ましくはこの正孔緩和層はＰ⁺ −Ｇｅ、Ｐ⁺ −ＳｉＧｅとされる。本発明のアバランシェ光検出器の光吸収層はヘビードープ或いはグレーデッドドープにより内部電場を形成し、電子伝送を加速し、電子の光吸収層無いの伝送時間を短縮する。本発明のアバランシェ光検出器は任意の三五族、三五族合金、四族、或いは四族合金半導体材料で実現される。シリコン結晶を基板とし、低製造コストの長所を達成するため、該光吸収層は好ましくはＳｉ或いはＳｉ_x Ｃ_1-x をエネルギー障壁としＳｉ_x Ｇｅ_1-x をエネルギ−井戸とする量子井戸或いは超格子とされるか、或いはＳｉ或いはＳｉ_x Ｃ_1-x をエネルギー障壁或いはキャップ層（ｃａｐｌａｙｅｒ）としＧｅを材料の量子点とし、そのうち０＜ｘ＜１とする。本発明のアバランシェ光検出器の光吸収層、該増倍層、該フィールドバッファ層、該ドリフト層は共に四族半導体或いは四族半導体合金とされるか、或いは共に三五族半導体或いは三五族半導体合金とされうる。例えば、本発明のアバランシェ光検出器の増倍層はアンドープのシリコン層とされ、ドリフト層もアンドープのシリコン層とされ、且つフィールドバッファ層がｐ型或いはｎ型ドープのシリコン層とされるか、或いは、該光吸収層がｐ型ＩｎＧａＡｓとされ、且つドリフト層がアンドープのＩｎＰ、フィールドバッファ層がｐ型ＩｎＧａＡｓとされ、増倍層がアンドープのＩｎＧａＡｓとされ、基板がｎ型のＩｎＰとされるか、或いはｎ型のＩｎＰ半導体層に半絶縁のＩｎＰ基板を加えたものとされる。本発明のアバランシェ光検出器の光入射方向に制限はないが、好ましくは該光入射方向は光キャリア伝送平均方向と垂直或いはほぼ垂直、平行或いはほぼ平行とされる。本発明のアバランシェ光検出器の要求するエピタキシャル層構造の形成方法に制限はなく、任意のエピタキシャル層成長方法を使用できるが、好ましくは超真空化学気相成長法ＵＨＶ−ＣＶＤ、低圧化学気相成長法ＬＰ−ＣＶＤ、或いは分子ビームエピタキシーＭＢＥで半導体基板上に成長させるものとする。

図１及び図４を参照されたい。図１は本発明のアバランシェ光検出器のシリコンとシリコンゲルマニウム合金を材料としたエネルギーバンド分布を示している。図４は本発明の具体的実施例のアバランシェ光検出器の横断面図である。本発明のアバランシェ光検出器は、ｐ型金属導電層１１０、４１０、光吸収層１２０、４２０、ドリフト層１３０、４３０、フィールドバッファ層１４０、４４０、上下の波導被覆層１６０、１８０、増倍層１５０、４５０及びｎ型金属導電層１７０、４７０を具えている。本発明のアバランシェ光検出器は応力補償方法及びグレーデッドドープ（即ち結晶成長時に結晶の厚さの改変によりドープ濃度を改変する）成長させた光吸収層１２０、４２０を採用している。本実施例ではＳｉＣをシリコン基板成長時の延伸（ｔｅｎｓｉｌｅ）応力層１２２として採用し、ＳｉＧｅをシリコン基板成長時の収縮（ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ）応力層１２１として採用し、この二層のエピタキシャル層を成長させて交錯し重畳する超格子を形成し、これにより応力平衡の効果を達成してエピタキシャル層を厚く成長させる。グレーデッドドープ成長させた光吸収層１２０は、内部電場を形成して電子伝送を加速でき、ゆえに電子の光吸収層１２０にあっての伝送時間を短縮できる。また一方で、ＳｉＣ／ＳｉＧｅ量子井戸或いは超格子ベースの検出器のバンドギャップ差は小さく、電子伝送を妨げないため、比較的短い電子伝送時間が予想されうる。図１の素子と伝統的な量子井戸或いは超格子をシリコン結晶をベースとする光検出器と比較すると、本発明の図１の素子は大幅にその速度表現が改善されている。本発明の図１の素子中の光吸収層はｐ型グレーデッドドープされ、さらに適当な設計の超格子構造が加えられ、光励起で発生するキャリアがサブミクロン秒の時間で直接緩和して接点表面に至り、素子反応速度を制限することがない。さらに、本発明の図１の素子の設計は正孔の一般のＳｉＣ／ＳｉＧｅ量子井戸或いは超格子ベース検出器における大きな価電子帯差による累積の欠点を解決するのに有効である。このほか、光吸収層のグレーデッドドープはブレークダウン時の暗電流増加の欠点を解決する。本発明の図１の素子はグレーデッドドープ構造で内部電場を形成し、ゆえに電子伝送を加速し、キャリア伝送問題を徹底的に解決し、これにより本発明は低利得操作時に超高速表現（＞４０ＧＨｚ）を有する。本発明の図１の素子は電子の伝送過程に関係し、これにより素子の最大出力パワーを増す長所を有している。さらに、本発明の図１の素子のエピタキシャル層構造はエミッタのＳｉＧｅベースＤＨＢＴと相当に類似し、共同で同一基板上に構築可能で、ゆえにＳｉベースＯＥＩＣ構築の可能性を有している。

本実施例と伝統的なアバランシェ光検出器は構造上、相当に大きな差異を有する。その最大の差異は、アバランシェ層中の多くがアンドープのドリフト層１３０（例えばシリコンエピタキシャル層或いはグレーデッドバンドギャップのＳｉＧｅエピタキシャル層）であることである。ドリフト層１３０はノンドープでエピタキシャル層成長させられるが、バンド幅が比較的広い半導体材料層によりシステム容量が下げられ、並びに十分な電場を提供して伝送電子を急速にスイープし、大幅に素子の操作速度を増す。本実施例中、ドリフト層１３０はアンドープのシリコン層とされる。フィールドバッファ層１４０は、エピタキシャル層成長ドープか、或いはイオンレイアウト方式で同様にヘビードープ態（ｐ型或いはｎ型）とされるが、ただしバンド幅が比較的広い半導体材料層（電界バッファ層）により光吸収層１２０とドリフト層のブレークダウンを防止する。本実施例では、フィールドバッファ層１４０はｐ型（或いはｎ型）ドープのシリコン層とされる。図１の素子を操作する時、電場はフィールドバッファ層１４０の関係から比較的薄い増倍層１５０に集中し、操作電圧が下げられる。総合すると、光吸収層と増倍層構造上の革命的な突破により、図１或いは図４中の素子が低操作電圧、高操作速度、高飽和パワー、高利得バンド幅積、低暗電流、騒音等の表現を具備するものとされる。

図２及び図４を参照されたい。図２は本発明のアバランシェ光検出器の別の実施例のエネルギーバンド分布図である。図２に示される三五族材料の本発明のアバランシェ光検出器は、ｐ型波導被覆層２１０、光吸収層２２０、ドリフト層２３０、フィールドバッファ層２４０、増倍層２５０及びｎ型波導被覆層２６０、ｎ型金属コンタクト２８０、ｐ型金属コンタクト２７０を具えている。本発明の三五族材料のアバランシェ光検出器の実施例によると、ＩｎＡｌＡｓをアバランシェ層（増倍層２５０）とし、これはＩｎＡｌＡｓはアバランシェ発生時に、その電子数がはるかに正孔数より多いためである。この優れた特性はシリコン材料に類似し、ゆえにＩｎＡｌＡｓを増倍層２５０材料として選択している。本実施例中、伝送層（ドリフト層２３０）はアンドープＩｎＰ材料を使用し、それは光通信波長に対して反応せず且つ極めて高い電子移動度を具備することから、素子容量を減らし電子伝送速度を高めるのに有効である。本実施例中、光吸収層２２０に使用されるのはＩｎＧａＡｓ材料であり、これはＩｎＧａＡｓをＳｉＧｅ材料を比較すると、ＩｎＧａＡｓが光通信操作波長に対して極めて強い吸収と非常に大きな電子移動度を有するためである。本実施例中の光吸収層２２０のＩｎＧａＡｓ材料も、グレーデッドドープされ、内部電場を形成し、キャリア（例えば電子）スイープを加速する。本実施例中、電子隔離層２１２はＩｎＧａＡｓＰとされ、これはＩｎＧａＡｓＰは電子のｐ型波導被覆層２１０への逆方向拡散を防止できるためである。フィールドバッファ層２４０はエピタキシャル層成長ドープ或いはイオンレイアウト方式を利用してヘビードープ態（ｐ型或いはｎ型）とされるが、バンド幅が比較的広い半導体材料層ＩｎＡｌＡｓ（電界バッファ層）により光吸収層２２０とドリフト層２３０のブレークダウンが防止される。光波導の目的のため、本実施例では屈折率がＩｎＧａＡｓとＩｎＰより低いＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓが使用されるか、或いはＩｎＧａＡｓＰを光波導被覆層２１０、２６０となしている。本発明の本実施例の構造と操作方式は先の実施例と類似するが、材料として三五族半導体材料を主に使用している。

図３は本発明のまた別の実施例を示す。その層状構造は図１に示されるものと同じであるが、量子井戸の側面に再成長（ｒｅ−ｇｒｏｗｔｈ）の方法でエネルギーバンドバンドギャップの等しいか或いは量子井戸中のエネルギー井戸材料より小さいバンドギャップの正孔緩和層３２２を成長させ、これにより横向き緩和伝導して正孔を表面まで緩和させる。これにより図１中の光吸収層の量子井戸障壁層を非常に厚くしなければならない時に、正孔を捕捉して外面接触点に至らしめることができない問題を解決する。本実施例中、正孔緩和層３２２はＰ⁺ −Ｇｅ、Ｐ⁺ −ＳｉＧｅとされる。

図４は本発明の実施例を示し、その層状構造は図１に示されるものと類似するが、波導被覆層１６０、１８０がない。本実施例は、エッチングベース上にエッチメサ（ｅｔｃｈｍｅｓａ）構造を加えてｎ⁺ −Ｓｉ基板４９０上に実現される。図４の実施例のアバランシェ光検出器はｐ型環形金属（ｐ型金属導電層４１０）、光吸収層４２０、ドリフト層４３０、フィールドバッファ層４４０、増倍層４５０及びｎ型環形金属（ｎ型金属導電層４７０）を具えている。図４のアバランシェ光検出器の必要とするエピタキシャル層構造は超真空化学気相成長法ＵＨＶ−ＣＶＤ、低圧化学気相成長法ＬＰ−ＣＶＤ、或いは分子ビームエピタキシーでｎ⁺ −Ｓｉ基板４９０の上に成長させられる。エッチングベースの素子側面には選択的にＳｉＯ₂ 或いは高分子重合物ＰＭＧＩ保護層（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）４８０を使用して暗電流を減らすか、或いは側辺ブレークダウンの可能性を軽減する。本実施例中、ｎ⁺ 或いはｐ⁺ の環形金属（ｐ型金属導電層４１０或いはｎ型金属導電層４７０）はいずれも同一平面上にあって素子高速測定が行なえる。入射する光信号は素子正面（或いは上面）の円孔４１１より入射する（ｐ型の環形金属コンタクトを通過する）。

図５は本発明のまた別の実施例を示す。図５の実施例のアバランシェ光検出器は、ｐ型金属導電層５１０、多層分布式ブラッグ反射板ミラー（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）５１１、光吸収層５２０、ドリフト層５３０、フィールドバッファ層５４０、増倍層５５０、ｎ型金属導電層５７０を具えている。その層状構造は図１或いは図４に示されるものと同じであるが、ただし必要なエピタキシャル層と素子構造がＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板５９０の上に製作され、さらに光吸収層５２０の上にＣＶＤ或いは電子ビーム蒸着の方法で、光波長を操作して高反射率を具備させる多層分布式ブラッグ反射板（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラー５１１が形成されている。これにより入射する光信号はＳＯＩ基板５９０底部より入射して半反射のＳｉＯ₂ 層を通過した後、光学共振形成の関係により、光が共振空洞内で光吸収層５２０に十分に吸収され、検出器の量子効果もこれにより増加する。素子のエピタキシャル層の厚さは必ず共振光の二分の１光波長の整数倍とされる。

図６及び図７は本発明のさらにまた別の実施例を示す。その層状構造は図４のものと類似するが、進行波式検出器の構造により複数の波導被覆層１６０、１８０、２１０、２６０を実現している。図６の実施例のアバランシェ光検出器はｐ型波導被覆層６１０、光吸収層６２０、ドリフト層６３０、フィールドバッファ層６４０、増倍層６５０及びｎ型金属導電層６７０を具えている。図７の実施例は三五族アバランシェ光検出器を示し、ｐ型波導被覆層７１０、ｐ型金属コンタクト７００、光吸収層７２０、ドリフト層７３０、フィールドバッファ層７４０、増倍層７５０、ｎ型波導被覆層７６０、及びｎ型導電層７７０、ｐ型電子隔離層７８０を具えている。その使用する波導構造は素子長さを適当に調整することで最良の利得バンド幅積を得られる。この発明のアバランシェ光検出器は一般の垂直入射器構造とされて光励起キャリアの伝送方向と入射光方向は平行で、並びに素子の活性領域エピタキシャル層（光吸収層、フィールドバッファ層、ドリフト層、増倍層）の表面と底部に、エピタキシー、ＣＶＤ、或いは蒸着の方式で操作波長に対して共振反射を有する多層ブラッグ反射板ミラーを製作し、並びにＳＯＩ基板上に製作している。この発明のもう一つの構造は進行波式構造とされ、その素子のエピタキシャル層は入射光に対し波導する光波導管を形成し、電極はマイクロ波電気信号を波導できる電極構造をなすよう配列される。

システム整合方面では、本発明の光検出器の構造は、再成長の方法で、或いは予め光吸収層の上方に下方の光吸収層のドープ形態と相反するように、並びにバンド幅が光吸収層の幅より広い半導体層を成長させ、ダブルヘテロ接合トランジスタのエミッタ或いはコレクタとなし、これによりＤＨＢＴトランジスタ或いはＤＨＢＴトランジスタで構成された回路をシングルチップに集積化することができる。アバランシェ光検出器中のフィールドバッファ層はイオンレイアウトの方式で達成できる。このようなＤＨＢＴ、アバランシェ光検出器整合技術は全ての三五族、三五族合金、四族、或いは四族合金半導体材料を用いて実現できる。図８及び図９の方法は、シリコン結晶と四族合金半導体材料を使用した垂直入射器の構造と共振式垂直入射器構造であり、アバランシェ光検出器８０１、９０１及びバイポーラトランジスタＤＨＢＴ８０２、９０２はヘビードープされたシリコン基板或いはＳＯＩ基板の上に実現される。

以上の実施例は本発明の実施範囲を限定するものではなく、本発明に基づきなしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。

本発明の四族合金材料を使用した実施例のエネルギーバンド分布図である。本発明の三五族合金材料を使用した実施例のエネルギーバンド分布図である。本発明の実施例の横断面図である。本発明の別の実施例の横断面図である。本発明のまた別の実施例の横断面図である。本発明の四族合金材料を使用した実施例の横断面図である。本発明の三五族合金材料を使用した実施例の横断面図である。本発明の実施例とバイポーラトランジスタをＳＯＩ基板に整合させた横断面図である。本発明の別の実施例とバイポーラトランジスタをＳＯＩ基板に整合させた横断面図である。

符号の説明

１１０ｐ型金属導電層１２０光吸収層
１２１収縮応力層１２２延伸応力層
１３０ドリフト層１４０フィールドバッファ層
１５０増倍層１６０ｎ型波導被覆層
１７０ｎ型金属導電層１８０ｐ型波導被覆層
２１０ｐ型波導被覆層２１２電子隔離層
２６０ｎ型波導被覆層２２０光吸収層
２３０ドリフト層２７０ｎ型金属コンタクト
２４０フィールドバッファ層２５０増倍層
２８０ｐ型金属コンタクト
３１０ｐ型金属導電層３２０光吸収層
３２２正孔緩和層４１０ｐ型金属導電層
４１１円孔４２０光吸収層
４３０ドリフト層４４０フィールドバッファ層
４５０増倍層４７０ｎ型金属導電層
４８０保護層４９０基板
５１０ｐ型金属導電層５１１ブラッグ反射板ミラー
５２０光吸収層５３０ドリフト層
５４０フィールドバッファ層５５０増倍層
５７０ｎ型金属導電層５８０保護層
５９０基板
６１０ｐ型波導被覆層６２０光吸収層
６３０ドリフト層６４０フィールドバッファ層
６５０増倍層６７０ｎ型金属導電層
７１０ｐ型波導被覆層７００ｐ型金属コンタクト
７６０ｎ型波導被覆層７２０光吸収層
７３０ドリフト層７８０電子隔離層
７４０フィールドバッファ層７５０増倍層
７７０ｎ型金属コンタクト８０１アバランシェ光検出器
８０２バイポーラトランジスタ９０１アバランシェ光検出器
９０２バイポーラトランジスタ

Claims

第１半導体で形成され入射光を吸収してキャリアに変換し且つグレーデッドドープされるか或いはヘビードープされた光吸収層と、
アンドープの第２半導体で形成されてキャリアを受け取り電流を増倍する増倍層と、
第３半導体で形成されると共に該光吸収層と該増倍層に間に位置してバイアス電圧が印加される時に電場を該増倍層に集中させるフィールドバッファ層と、
アンドープの第４半導体で形成されると共に、該フィールドバッファ層と該光吸収層の間に置かれてキャパシタンスを減らすドリフト層と、
を具えたことを特徴とするアバランシェ光検出器。
請求項１記載のアバランシェ光検出器において、第１導体層と第２導体層を更に具え、前記光吸収層が該第１導体層と前記ドリフト層の間に位置し、前記増倍層が該第２導体層と前記フィールドバッファ層の間に位置したことを特徴とする、アバランシェ光検出器。
請求項１記載のアバランシェ光検出器において、第１波導被覆層と第２波導被覆層を更に具え、前記光吸収層が該第１波導被覆層と前記ドリフト層の間に位置し、且つ前記増倍層が該第２波導被覆層と前記フィールドバッファ層の間に位置したことを特徴とする、アバランシェ光検出器。
請求項１記載のアバランシェ光検出器において、第１多層反射鏡セットと第２層反射鏡セットを更に具え、前記光吸収層及び前記増倍層が該第１多層反射鏡セットと第２層反射鏡セットの間に置かれたことを特徴とする、アバランシェ光検出器。
請求項２記載のアバランシェ光検出器において、一側辺被覆式の正孔緩和層を更に具え、該正孔緩和層が前記光吸収層に環状に接触すると共に、該光吸収層及び前記第１導体層に接続されて、該光吸収層の正孔を捕捉並びに緩和して該第１導体層に至らしめることを特徴とする、アバランシェ光検出器。
請求項１記載のアバランシェ光検出器において、光吸収層が重複して交錯する多層応力平衡超格子とされたことを特徴とする、アバランシェ光検出器。
請求項１記載のアバランシェ光検出器において、光吸収層、増倍層、フィールドバッファ層、ドリフト層が四族半導体或いは四族半導体合金で形成されたことを特徴とする、アバランシェ光検出器。
請求項１記載のアバランシェ光検出器において、光吸収層、増倍層、フィールドバッファ層、ドリフト層が三五族半導体或いは三五族半導体合金で形成されたことを特徴とする、アバランシェ光検出器。
請求項１記載のアバランシェ光検出器において、光吸収層がｐ型或いはｎ型のグレーデッドドープ或いはヘビードープされたＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＣ／ＳｉＧｅ超格子、、Ｓｉ／ＳｉＧｅ超格子、Ｓｉ／Ｇｅ量子点とされたことを特徴とする、アバランシェ光検出器。
請求項１記載のアバランシェ光検出器において、増倍層がアンドープのシリコン層で形成され、ドリフト層がアンドープのシリコン層で形成され、且つフィールドバッファ層がｐ型或いはｎ型のヘビードープされたシリコン層で形成されたことを特徴とする、アバランシェ光検出器。
請求項１記載のアバランシェ光検出器において、光吸収層がｐ型ＩｎＧａＡｓ、ドリフト層がアンドープのＩｎＰ、フィールドバッファ層がｐ型ＩｎＡｌＡｓ、増倍層がアンドープのＩｎＡｌＡｓでそれぞれ形成されたことを特徴とする、アバランシェ光検出器。
請求項４記載のアバランシェ光検出器において、第１多層反射鏡セット及び第２層反射鏡層セットが分布式ブラッグ反射板ミラーとされたことを特徴とする、アバランシェ光検出器。
請求項５記載のアバランシェ光検出器において、正孔緩和層がＰ⁺ −Ｇｅ、Ｐ⁺ −ＳｉＧｅで形成されたことを特徴とする、アバランシェ光検出器。
請求項３記載のアバランシェ光検出器において、光入射方向が光キャリア伝送平均方向に対して垂直或いはほぼ垂直とされたことを特徴とする、アバランシェ光検出器。
請求項２、４、５のいずれかに記載のアバランシェ光検出器において、光入射方向が光キャリア伝送平均方向に対して平行或いはほぼ平行とされたことを特徴とする、アバランシェ光検出器。
超真空化学気相成長法（ＵＨＶ−ＣＶＤ）、低圧化学気相成長法（ＬＰ−ＣＶＤ）、或いは分子ビームエピタキシーで形成されたことを特徴とする、請求項１記載のアバランシェ光検出器。
超真空化学気相成長法（ＵＨＶ−ＣＶＤ）、低圧化学気相成長法（ＬＰ−ＣＶＤ）、或いは分子ビームエピタキシーでＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の上に形成されたことを特徴とする、請求項１記載のアバランシェ光検出器。
光吸収層、増倍層、第１及び第２波導被覆層が整合されて光波導管が形成され、その電極構造が電波導管をなすことを特徴とする、請求項３記載のアバランシェ光検出器。