図面 (/)

技術 アバランシェ受光器

出願人 日本電信電話株式会社国立大学法人東京大学
発明者 土澤泰開達郎岡崎功太石川靖彦和田一実
出願日 2016年6月6日 (4年6ヶ月経過) 出願番号 2016-112422
公開日 2017年12月14日 (3年0ヶ月経過) 公開番号 2017-220500
状態 特許登録済
技術分野 受光素子3(フォトダイオード・Tr)
主要キーワード 電界傾斜 Siコア イオン化係数 動作電界 特性長 過剰雑音 対称点 アバランシェ増幅
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年12月14日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (12)

課題

電界低電圧、かつ低ノイズで動作するSiフォトニクス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。

概要

背景

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。

概要

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。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。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

入力光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

請求項2

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。

請求項3

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。

請求項4

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。

請求項5

前記キャリア増幅層の膜厚は、電子衝突イオン化係数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。

請求項6

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。

請求項7

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。

技術分野

0001

本発明は、光信号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:Avalanche PhotoDiode)に関する。

背景技術

0002

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。

0003

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。

0004

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。

先行技術

0005

High−performance silicon photonics technology for telecommunications applications (K Yamada et al、National Institute for Materials Science. Sci. Technol. Adv. Mater. 15 (2014) 024603 (10pp))
Monolithic germanium/silicon avalanche photodiodes with 340GHz gain−bandwidth product (Y. Kang et al., Nature Photonics. Vol.3 (2009) 59)

発明が解決しようとする課題

0006

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。

0007

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。)。

0008

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。

課題を解決するための手段

0009

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。

0010

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。

0011

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。

0012

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。

0013

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。

0014

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1×1017cm−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。

0015

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。

0016

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。

0017

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。

0018

本発明に係るアバランシェ受光器は、
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。

発明の効果

0019

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。

図面の簡単な説明

0020

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。

実施例

0021

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。

0022

(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。

0023

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。

0024

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。

0025

(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。

0026

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)。

0027

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。

0028

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。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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。

0037

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。

0038

(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1×1017cm−3以上であることが好ましい。

0039

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。

0040

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。

0041

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))。

0042

(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図11のA−A断面、図10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。

0043

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

0044

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1×1019(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1×1019(cm−3)である。

0045

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SiO2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。

0046

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。

0047

(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。

0048

[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。

0049

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

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

  • パナソニックIPマネジメント株式会社の「 固体撮像装置およびその製造方法」が 公開されました。( 2020/02/27)

    【課題】長波長(特に、赤外光)においても感度が高く、光の混色が抑制された、積層型の固体撮像装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】固体撮像装置100は、撮像光学系からの入射光を光電変換する受光部... 詳細

  • シャープ株式会社の「 アバランシェフォトダイオード」が 公開されました。( 2020/01/16)

    【課題】光感度が安定して高く、しかも、内部抵抗が低くて最大増幅電流を大きくできるアバランシェフォトダイオードを提供すること。【解決手段】この発明のアバランシェフォトダイオードは、第1導電型で均一な不純... 詳細

  • シャープ株式会社の「 アバランシェフォトダイオード」が 公開されました。( 2019/12/05)

    【課題】均一な電界強度分布を得ることで均一動作が可能なアバランシェフォトダイオードを提供する。【解決手段】アバランシェフォトダイオードは、第1導電型の半導体基板(1)内に形成された第1導電型半導体層(... 詳細

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ