WO2025079193A1 - Semiconductor light receiving element, optical line terminating device, multi-value intensity modulation transmitting/receiving device, digital coherent receiving device, radio-over-fiber system, spad sensor system, and lidar device - Google Patents
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- WO2025079193A1 WO2025079193A1 PCT/JP2023/036960 JP2023036960W WO2025079193A1 WO 2025079193 A1 WO2025079193 A1 WO 2025079193A1 JP 2023036960 W JP2023036960 W JP 2023036960W WO 2025079193 A1 WO2025079193 A1 WO 2025079193A1
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- This disclosure relates to semiconductor photodetectors, optical line termination devices, multilevel intensity modulation transceivers, digital coherent receivers, radio-over-fiber systems, SPAD sensor systems, and lidar devices.
- Optical communication is used for communication networks and communication within data centers.
- optical communication has made remarkable progress in increasing speed and capacity.
- avalanche photodiodes which provide high receiving sensitivity, are used as optical communication receivers.
- the greater the ratio of the ionization rates of electrons and holes the smaller the excess noise generated during multiplication and the higher the receiving sensitivity. Furthermore, the greater the ratio of the ionization rates of electrons and holes, the shorter the multiplication time in the multiplication layer, resulting in a wider bandwidth.
- k ⁇ / ⁇ .
- Compound semiconductor materials such as InAlAs or InP are used for the multiplication layer of APDs for optical communications.
- InAlAs is selected as the material for the multiplication layer, the difference in the ionization rates of electrons and holes will be greater than in InP. Note that in InP, the ionization rate of holes is greater than that of electrons, and the ionization rate of holes is approximately twice that of electrons. On the other hand, if InAlAs is selected as the material for the multiplication layer, the ionization rate of electrons is greater than that of holes, and the ionization rate of electrons is approximately five times that of holes. Therefore, since the reception sensitivity is higher when InAlAs is used as the multiplication layer, InAlAs is more suitable than InP as the material for the multiplication layer of an APD.
- APDs which are semiconductor light receiving elements, are required to have a wide response bandwidth and high receiving sensitivity.
- APDs have a problem in that the time required for multiplication, that is, the multiplication time, becomes longer as the multiplication factor increases, resulting in a decrease in bandwidth at high multiplication factors.
- APDs with a multiplication layer made of InAlAs, which is used in optical communications have a wider bandwidth than APDs made of other semiconductor materials, but when the multiplication factor is 6 or more, the bandwidth remains at around 20 GHz. In other words, there is a problem in that the bandwidth of around 37.5 GHz or more required for 50G-PON systems is difficult to achieve when conventional APDs are used.
- the Optical Line Terminal i.e. the receiving device on the central office side
- SOA Semiconductor Optical Amplifier
- EML electro-absorption modulated laser diode
- DSPs and SOAs consume very large amounts of power, which is a factor in increasing costs, and it is feared that the replacement of existing PON systems with 50G-PON systems will not progress.
- transceivers are designed that incorporate expensive and power-hungry DSPs and SOAs into the ONU or OLT, but this creates problems such as increased power consumption and costs.
- This disclosure has been made to resolve the above-mentioned problems, and aims to provide a semiconductor light-receiving element that has high reception sensitivity, a wide response band, and operates with low power consumption.
- the semiconductor light receiving element comprises: An InP substrate; an n-type semiconductor layer formed on the InP substrate; a multiplication layer formed on the n-type semiconductor layer and having a digital alloy structure with a layer thickness of 40 nm or more and 170 nm or less; a p-type electric field buffer layer formed on the multiplication layer; an InGaAs light absorption layer formed on the p-type electric field buffer layer; Equipped with.
- the optical line terminal comprises: The semiconductor light receiving element described above, an optical multiplexer/demultiplexer that inputs an optical signal to the semiconductor light receiving element; an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element; a clock data recovery circuit connected to the amplifier circuit and configured to recover clock data from the amplified electrical signal; a forward error correction circuit connected to the clock data recovery circuit for correcting an error in the clock data; Equipped with.
- the radio-over-fiber system comprises: a light source that emits an analog modulated optical signal; The semiconductor light receiving element described above for receiving the analog-modulated optical signal; a transmission path for transmitting the analog electrical signal output from the semiconductor light receiving element to an antenna; an antenna connected to the transmission line and configured to radiate the analog electrical signal as a radio wave signal; Equipped with.
- a digital coherent receiving device includes: The semiconductor light receiving element described above, a polarization splitter that splits the polarization of the intensity- and phase-modulated polarization multiplexed optical signal; a 90-degree hybrid that splits and combines the optical signals output from the polarization splitter; a digital signal processing circuit connected to the 90-degree hybrid device and processing a digital signal; Equipped with.
- the SPAD sensor system comprises: A SPAD sensor constituted by the semiconductor light receiving element described above; a quenching circuit for repeatedly applying a voltage equal to or greater than a breakdown voltage and a voltage equal to or less than the breakdown voltage to the SPAD sensor; an optoelectronic measurement circuit for measuring an electrical signal output from the SPAD sensor; Equipped with.
- the LIDAR device comprises: A light source that emits light in a pulsed manner; the semiconductor light receiving element described above for receiving light emitted from the light source and reflected by an object; an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element; a distance measuring circuit for calculating a distance based on the electrical signal amplified by the amplifier circuit; Equipped with.
- optical line termination device multilevel intensity modulation transceiver device, digital coherent receiver device, optical fiber radio system, SPAD sensor system, and LIDAR device disclosed herein use the semiconductor light receiving element disclosed herein as the semiconductor light receiving element, and therefore have the effect of providing devices and systems with excellent performance.
- FIG. 13 is a diagram showing the electric field dependence of the electron dead space in an InAlAs multiplication layer. 4A to 4C are diagrams showing the ionization rates of electrons and holes. FIG. 13 is a graph showing the dependence of the ionization rate ratio and the tunnel current on the thickness of the multiplication layer.
- FIG. 6A to 6D are diagrams showing the ionization rates in the multiplication layer and the electric field relaxation layer, with FIG. 6A showing the ionization rate in the case of a random alloy structure multiplication layer, FIG. 6B showing the ionization rate in the case of a digital alloy structure multiplication layer, FIG. 6C showing the ionization rate in the case of a partially disordered digital alloy structure multiplication layer, and FIG. 6D showing the ionization rate in the case of a combination of a thick electric field relaxation layer and a digital alloy structure multiplication layer.
- FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a comparative example of an optical line terminal (ONU and OLT) of a 50G-PON system.
- FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an OLT in a 50G-PON system using a semiconductor photodetector according to a first embodiment.
- FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a 50G-PON system and an OLT/ONU as a comparative example.
- FIG. 11 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a second embodiment.
- FIG. 11 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a second embodiment.
- FIG. 11 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a third embodiment.
- FIG. 11 is a cross-sectional view showing the element structure of a back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a fourth embodiment.
- FIG. 13 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a fifth embodiment.
- FIG. 13 is a cross-sectional view showing another element structure of a front-illuminated APD which is an example of a semiconductor light receiving element according to the fifth embodiment.
- FIG. 13 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a sixth embodiment.
- FIG. 13 is a cross-sectional view showing the element structure of a back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a seventh embodiment.
- FIG. 13 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to a fifth embodiment.
- FIG. 13 is a cross-sectional
- FIG. 13 is a cross-sectional view showing the element structure of a back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element according to an eighth embodiment.
- FIG. FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of a multilevel intensity modulation transmitting/receiving device according to a ninth embodiment.
- 23A and 23B are diagrams illustrating received waveforms of a multilevel intensity modulation transmitting/receiving device according to embodiment 9.
- FIG. 24A and 24B are diagrams for explaining the operation of a PD when a high optical input is applied.
- FIG. 1 is a diagram illustrating the operation of an APD when a high optical input is applied.
- FIG. 2 is a diagram showing the residence times of electrons and holes for each material constituting the multiplication layer.
- FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of a radio-on-fiber system according to a tenth embodiment.
- FIG. 1 illustrates a configuration of a radio-on-fiber system as a comparative example.
- FIG. 30A is a diagram illustrating waveforms of a digital coherent receiving device that is a comparative example
- FIG. 30B is a diagram illustrating waveforms of a digital coherent receiving device according to embodiment 11.
- FIG. 23 is a diagram showing the configuration of a SAPD sensor system according to a twelfth embodiment.
- FIG. 32A is a diagram showing waveforms of a SAPD sensor system which is a comparative example
- FIG. 32B is a diagram showing waveforms of a SAPD sensor system according to embodiment 12.
- FIG. 13 is a diagram showing the calculated difference between the quenching electric field and the Geiger mode electric field for each multiplication layer configuration.
- FIG. 35A is a diagram showing a received waveform of an APD of a LIDAR device which is a comparative example
- FIG. 35B is a diagram showing a received waveform of an APD of a LIDAR device according to embodiment 13.
- Fig. 1 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element 100 according to the first embodiment.
- Fig. 2 is a cross-sectional view showing the element structure of an edge-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element 110 according to the first embodiment.
- the semiconductor light receiving element 100 comprises an n-type InP substrate 1, an n-type InAlAs buffer layer 2 having a carrier concentration of 1 to 5 ⁇ 10 cm and a layer thickness of 0.1 to 1.0 ⁇ m, which are successively formed on the n-type InP substrate 1, an InAlAs multiplication layer 3 (hereinafter referred to as an InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3, and may also be abbreviated as a DA multiplication layer) having a digital alloy structure in which an i-type AlAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) and an i-type InAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) are alternately laminated a plurality of times, and
- the n-type InP substrate 1 is made up of a p-type InP electric field relaxation layer 4 having a thickness of 10 to
- the number of atomic layers in each layer of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 is preferably 2 to 4 atomic layers, with 2 atomic layers being optimal. The reason for this is that the thinner the atomic layer thickness of each layer is, the greater the effect of reducing the ionization rate ratio k due to the digital alloy structure.
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 may be stacked by alternately forming InAs layers and AlAs layers in that order.
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 has an i-type conductivity and an example of a carrier concentration of 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less. However, the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 may have a p-type or n-type conductivity with a carrier concentration of 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
- the thickness of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 is preferably in the range of 40 nm to 170 nm. However, considering the typical degree of variation in layer thickness during the manufacture of the semiconductor light receiving element 100 of 20%, the thickness of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 is preferably in the range of 50 nm to 140 nm.
- an InAlGaAs digital alloy structure in which InAlyGa(1-y)As (layer thickness of 2 to 6 atomic layers, Al composition ratio Y) and InAlzGa(1-z)As (layer thickness of 2 to 6 atomic layers, Al composition ratio Z) are alternately stacked can also be applied as the multiplication layer of this disclosure.
- a digital alloy structure made of InAlAsSb, a material system containing antimony (Sb) can also be applied as the multiplication layer of this disclosure.
- the p-type InP electric field buffer layer 4 preferably has a carrier concentration of 0.1 to 50 ⁇ 10 cm and a layer thickness in the range of 10 nm to 70 nm.
- Examples of p-type dopants for the p-type InP electric field buffer layer 4 include beryllium (Be), zinc (Zn), and carbon (C).
- the electric field relaxation layer does not necessarily have to be made of p-type InP.
- the electric field relaxation layer may be a p-type InAlAs digital alloy structure or a p-type InAlAs random alloy structure.
- the dopant contained in the p-type InP electric field relaxation layer 4 diffuses into the adjacent InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3, the digital alloy structure may become disordered and may change to a random alloy structure of InAlAs.
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 has a thin layer thickness of about 100 nm, it may be significantly affected by disorder caused by dopant diffusion.
- a layer made of InAlGaAs or InGaAsP having an intermediate band gap between the i-type InGaAs light absorption layer 5 and the p-type InAlAs layer and having a thickness of 0.1 ⁇ m or less may be provided.
- the p-type InGaAs contact layer 8 has an outer periphery that is smaller in area than the multiplication layer.
- two types of i-type InAlGaAs layers with different compositions are alternately stacked multiple times on an i-type InGaAs light absorption layer 5 to form an InAlGaAs/InAlAs graded layer 6.
- the conductivity type of the InAlGaAs/InAlAs graded layer 6 may be p-type or n-type.
- a p-type InAlAs window layer may be used instead of the p-type InP window layer 7.
- the response bandwidth is as follows: (1) RC time constant (R is the element resistance, C is the element capacitance) (2) Carrier transit time (the time it takes for an electron or hole to travel through the depletion layer) In APD, the (3) It is also limited by the multiplication time (the time it takes for electrons and holes to multiply in a chain reaction in the multiplication layer, which increases in proportion to the multiplication factor).
- Multiplication time TM Multiplication rate M/GB product (1)
- GB product 1/(2 ⁇ Nk ⁇ av) (2)
- Multiplication time TM 2 ⁇ NkM ⁇ av (3) It becomes.
- GB product is the product of the multiplication factor and the bandwidth
- k is the ionization rate ratio
- N is a coefficient that is loosely dependent on the ionization rate ratio k
- ⁇ av is the average time it takes for electrons and holes to travel through the multiplication layer. Therefore, by reducing the ionization rate ratio k, it is possible to shorten the multiplication time TM. In particular, to realize a high-speed PON system, it is necessary to make the multiplication time TM approach zero, in other words, to make the ionization rate ratio k approach zero.
- Non-Patent Document 1 In order to make the ionization rate ratio k zero, various compound semiconductors have been proposed as materials for the multiplication layer. In addition, in order to reduce the ionization rate ratio k, a digital alloy structure (also called ALSL: Atomic Layer Super Lattice) has been proposed in which semiconductor layers of different compositions are alternately stacked at a period of about 1 to 6 atomic layers. However, even with the digital alloy structure, it is difficult to make the ionization rate ratio k zero unless the structure is optimized. The digital alloy structure is described in Non-Patent Document 1.
- the inventors therefore fabricated an APD with a digital alloy structure multiplication layer using a multiplication layer in which two-atom InAs layers and two-atom AlAs layers are alternately stacked in order to reduce the ionization rate ratio k of the digital alloy structure.
- a multiplication layer made of normal InAlAs made of bulk crystal, that is, an InAlAs random alloy structure multiplication layer.
- the distance that carriers travel in the multiplication layer until they are ionized is called the dead space.
- a front-illuminated APD which is an example of the semiconductor light-receiving element 100 according to the first embodiment, can be realized by using metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) or molecular beam epitaxy (MBE) on an n-type InP substrate 1.
- MOVPE metal organic vapor phase epitaxy
- MBE molecular beam epitaxy
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 is grown by crystal growth on the n-type InAlAs buffer layer 2.
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 is formed by alternately growing crystals of an AlAs layer (layer thickness: 2 atomic layers, approximately 0.6 nm) and an InAs layer (layer thickness: 2 atomic layers, approximately 0.6 nm) from the n-type InAlAs buffer layer 2.
- an i-type InGaAs light absorption layer 5 having a thickness of 0.1 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less, an i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 6, a p-type InP window layer 7 having a thickness of 0.1 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less, and a p-type InGaAs contact layer 8 are successively crystal-grown.
- the InAlGaAs/InAlAs graded layer may be n-type or p-type.
- a p-type InAlAs window layer may be used instead of the p-type InP window layer 7.
- incident light 90 is incident perpendicularly to the i-type InGaAs light absorption layer 5.
- the diameter of the light receiving part of the APD is circular, or the size of the long side of the light receiving part of the APD is rectangular, is within the range of 5 ⁇ m to 1 mm.
- the incident surface of the APD is coated with an anti-reflective coating (not shown).
- incident light 90 is incident from a direction parallel to the i-type InGaAs light absorption layer 5.
- the edge portion is covered with an insulating film, an organic film, or a semiconductor layer.
- an Fe-doped semi-insulating InP buried layer 20 is formed on the edge.
- the layer thickness of the Fe-doped semi-insulating InP buried layer 20 is in the range of 100 nm to 5 ⁇ m in the incident direction.
- the APD according to the first embodiment Ti and Au are used as the electrode materials for the p-type electrode 32.
- the amount of electric field relaxation is adjusted so that tunnel breakdown does not occur at a voltage lower than avalanche breakdown.
- the operating voltage is 15V to 90V
- the electric field in the multiplication layer during APD operation is 500kV/cm to 900kV/cm.
- the electric field of the i-type InGaAs light absorption layer 5 is set to 300kV/cm or less.
- the multiplication factor is used within the range of 3 to 30, but is 100 or more when operating in Geiger mode.
- the dead space is highly dependent on the applied electric field, and when the reciprocal of the applied electric field is 1.27 ⁇ 10 ⁇ 6 cm/V, the dead space length is about 50 nm, as shown in the graph in Fig. 3, so the multiplication layer needs to be thinned to 75 nm.
- the thickness of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer can be made thicker than the thickness of the InAlAs random alloy structure multiplication layer.
- FIG. 5 is a diagram showing the dependence of the ionization rate ratio and the tunnel current on the thickness of the multiplication layer.
- the inventors fabricated APDs having an InAlAs digital alloy structure multiplication layer and an InAlAs random alloy structure multiplication layer, respectively, measured the ionization rate ratio k, and further plotted the results in FIG. 5 together with the measurement results in References 1 and 2 described in FIG. 5.
- documents 1 and 2 in FIG. 5 are as follows. (1) Reference 1 Yuan Yuan, et al “Temperature dependence of the ionization coefficients of InAlAs and AlGaAs digital alloys”pp. 794, Vol. 6, No.
- the optimal thickness range for an InAlAs digital alloy structure multiplication layer is 40 nm to 170 nm, and layer thicknesses within this range can be fabricated with sufficient reproducibility.
- the thickness of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer at which the dead space effect is sufficient to reduce the ionization rate ratio k is considered to be approximately twice the dead space length when the reciprocal of the applied electric field is 1.47 x 10-6 cm/V. Considering that the dead space length is 85 nm as shown in Figure 3, therefore, 170 nm, which is twice the dead space length, is a suitable upper limit for the thickness of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer.
- the length of the dead space is preferably 50 nm to 90 nm.
- the ratio of the length of the dead space to the thickness of the multiplication layer is preferably 29% or more, which is the minimum dead space length of 50 nm divided by the maximum multiplication layer thickness of 170 nm. As the ratio increases, the ionization rate ratio k becomes smaller, but it cannot exceed 100%. This is because multiplication does not occur when the ionization rate ratio k exceeds 100%. Therefore, the ratio of the dead space length to the thickness of the multiplication layer is preferably 29% or more and less than 100%.
- Tmin is the minimum thickness of the multiplication layer at which the tunnel current becomes small enough that it does not affect noise, and the thicker the multiplication layer, the more the tunnel current decreases.
- Figures 6A to 6D show the ionization rates in the multiplication layer and the electric field relaxation layer.
- Figure 6A shows the ionization rate in the case of an InAlAs random alloy structure multiplication layer
- Figure 6B shows the ionization rate in the case of an InAlAs digital alloy structure multiplication layer
- Figure 6C shows the ionization rate in the case of a partially disordered InAlAs digital alloy structure multiplication layer
- Figure 6D shows the ionization rate in the case of a combination of a thick electric field relaxation layer and an InAlAs digital alloy structure multiplication layer.
- the dead space length of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer shown in Figure 6B is longer, but due to dopant diffusion from the electric field relaxation layer, the dead space length is shorter in the partially disordered InAlAs digital alloy structure multiplication layer, as shown in Figure 6C.
- N is the impurity concentration
- t is time
- D is the diffusion constant
- x is position
- F is the external force acting on the diffusion.
- materials for the electric field buffer layer include InP, InAlAs random alloy structure, and InAlAs digital alloy structure.
- p-type dopants for the electric field buffer layer include Be and Zn. Considering the p-type dopant, a combination of a Be-doped p-type InP electric field buffer layer and an InAlAs digital alloy structure multiplication layer is preferable. This is because Be has a small diffusion constant D and also forms a potential barrier with the InAlAs digital alloy structure multiplication layer. The potential barrier corresponds to F in formula (6).
- the carrier concentration of the electric field relaxation layer is preferably 2 ⁇ 10 18 cm -3 or less .
- Zn doping is optimal, and the carrier concentration is optimally 2 ⁇ 10 18 cm -3 or less. Note that if the impurity concentration is higher than 2 ⁇ 10 18 cm -3 , the amount of inactive impurities increases and diffusion is likely to occur, so the carrier concentration must be 5 ⁇ 10 18 cm -3 or less.
- the thickness of the electric field relaxation layer is about 10 nm.
- the carrier concentration of the electric field relaxation layer is controlled to be 5 ⁇ 10 18 cm -3 or less.
- the electric field relaxation layer needs to have a thickness of 10 nm or more.
- the dead space length is 45 nm or less, so the layer thickness of the random alloy electric field buffer layer needs to be 70 nm or less.
- the dead space length is 85 nm or less, so the layer thickness of the digital alloy electric field buffer layer needs to be 130 nm or less.
- the 3 dB bandwidth f c of the APD having the InAlAs digital alloy structure multiplication layer according to the first embodiment is limited only by the RC time constant and the carrier transit time according to equations (1), (2), and (3) because the ionization rate ratio k is close to zero, and therefore can be expressed by the following equation (9).
- fc 1/((1/frc) 2 +(1/ftr) 2 ) 0.5 (9)
- the transit time ftr of a carrier includes the transit time through the light absorption layer plus the transit time through the multiplication layer.
- Vav is the average saturation transit velocity of electrons and holes
- Wt is the total thickness of the light absorption layer and the multiplication layer.
- FIG. 7 is a configuration diagram showing an optical line terminal (OLT) 250 of a 50G-PON system as a comparative example.
- the optical line terminal 250 as a comparative example includes a forward error correction (FEC) circuit FEC251, a driver amplifier 252, a light source 253, an optical multiplexer/demultiplexer WDM254 (Wavelength Division Multiplexing: WDM), a digital signal processing circuit DSP255, an analog-to-digital converter (ADC256), an analog-to-digital conversion circuit ADC256, a burst TIA (Trans Impedance Amplifier) 257, and a conventional APD258.
- FEC forward error correction
- FEC251 driver amplifier
- WDM254 Widelength Division Multiplexing: WDM
- DSP255 digital signal processing circuit
- ADC256 analog-to-digital converter
- ADC256 analog-to-digital conversion circuit ADC256
- burst TIA Trans Impedance Amplifier
- Iph is the photocurrent of the APD
- M is the multiplication factor
- q is the unit charge
- Id is the dark current to be multiplied
- F is the excess noise factor of the APD
- B is the bandwidth
- Kb is the Boltzmann constant
- T is the absolute temperature
- Ft is the noise figure of the amplifier
- Rt is the input resistance.
- the term on the left of the denominator represents the shot noise of the APD, and the term on the right of the denominator represents the thermal noise of the amplifier.
- the system is designed with the ionization rate ratio k for an unthinned InAlAs multiplication layer set to 0.2.
- an APD with an InAlAs digital alloy structure as a multiplication layer that is, the DA-APD of the present disclosure
- the dead space effect works even with a layer thickness of 100 nm or more, so it can be applied to APDs.
- the signal-to-noise ratio is improved by 3 dB when the DA-APD of the present disclosure is applied.
- FIG. 11 is a diagram showing the configuration of a 50G-PON system 282 and an OLT/ONU according to the first embodiment.
- the OLT of the 50G-PON system 282 includes an FEC 261, a driver amplifier 262, a light source 263, a WDM 264, a DSP 265a, an ADC 266a, a burst TIA 267, and a DA-APD 268 of the present disclosure.
- the OLT of the 50G-PON system 282 includes an FEC 261, a driver amplifier 262, a light source 263, a WDM 264, a DSP 265a, an ADC 266a, a TIA 267a, and a DA-APD 268 of the present disclosure.
- the number of branches which is 32 in the 50G-PON system 280 shown in FIG. 10 as a comparative example, can be doubled to 64 branches as in the 50G-PON system 282 according to the first embodiment shown in FIG. 11, making it possible to achieve a dramatic improvement. Furthermore, since it is possible to double the number of branches in PON systems other than the 50G-PON system 282, it is also possible to reduce the driving current of the transmitter laser.
- the use of SOAs in the ONU and OLT, which are optical line terminals, is being considered to compensate for the lack of sensitivity, but it is possible to configure the ONU and OLT without using SOAs, as in the 50G-PON system 284 according to embodiment 1 shown in Figure 12.
- the DA-APD of the present disclosure has an InAlAs digital alloy structure multiplication layer, and by controlling the thickness of the multiplication layer within a predetermined range to make the ionization rate ratio k zero, the multiplication time in formula (1) becomes almost zero. As a result, the response band of the APD does not deteriorate even if the multiplication factor is increased. In other words, in the DA-APD of the present disclosure, the band is limited only by the RC time constant and the carrier travel time, as in the conventional PD. Therefore, the wide band required for the 50G-PON system is possible, and reception is possible without digital band compensation by a DSP.
- the semiconductor photodetector according to the first embodiment has a digital alloy structure multiplication layer whose layer thickness is controlled within a predetermined range, and thus has the effect of providing a semiconductor photodetector that is highly reliable and has excellent broadband and low noise characteristics.
- the semiconductor light receiving element 120 includes an n-type InP substrate 1, an n-type InAlAs buffer layer 2 having a carrier concentration of 1 to 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 and a thickness of 0.1 to 1.0 ⁇ m, which are successively formed on the n-type InP substrate 1, an InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 in which an i-type AlAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) and an i-type InAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) are alternately laminated multiple times, a p-type InP electric field relaxation layer 4 having a carrier concentration of 0.1 to 50 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 and a layer thickness of 10 to 70 nm, an i-type InGaAs light absorption layer 5 having a layer thickness of 0.1 to 2.0 ⁇ m, an i-
- the p-type diffusion region 15 is formed by partially selectively diffusing a p-type dopant such as Zn in a solid or gas phase.
- the carrier concentration of the p-type diffusion region 15 is 5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more.
- the tip of the p-type diffusion region 15 may be located at a depth up to the middle of the n-type InP window layer 11, at a depth reaching the i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 6, or at a depth reaching the i-type InGaAs light absorption layer 5.
- the p-type diffusion region 15 has a depth reaching the i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 6.
- a p-type InGaAs contact layer 8 is provided on the p-type diffusion region 15.
- the electric field is several tens of percent higher than in the conventional InAlAs random alloy structure, and the effect of the side portions may shorten the life of the semiconductor light receiving element.
- the portion of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 to which an electric field is applied that is, the portion directly below the p-type diffusion region 15, is not exposed to the outside of the crystal layer, which has the effect of preventing deterioration of the dead space length in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 in which each layer is highly distorted.
- the use of Be-doped p-type InP for the p-type InP electric field relaxation layer 4 suppresses the diffusion of Be into the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3, and prevents the intrusion of Zn and vacancies into the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 due to interdiffusion, thereby preventing the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 from becoming disordered.
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 can be prevented from becoming disordered, so that the dead space length does not shorten as shown in FIG. 6C, for example, and it is possible to maintain a long dead space length as shown in FIG. 6B.
- the semiconductor light receiving elements 120 and 130 according to the second embodiment it is possible to maintain the ionization rate ratio k at approximately zero, even though Zn diffusion is performed to form the p-type diffusion region 15.
- the front-illuminated APD which is an example of the semiconductor photodetector 140 according to the third embodiment, is characterized in that, in addition to the element structure of the front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor photodetector 120 according to the second embodiment, a separation groove 17 is provided along the outer periphery of the p-type diffusion region 15 formed in the n-type InP window layer 11.
- the inside of the separation groove 17 and the surface of the n-type InP window layer 11 are protected by a surface protective film 18 made of an insulating film made of an oxide film such as SiN or SiO2 .
- the surface protective film 18 also serves as an anti-reflective coating for the light receiving section.
- the thickness of the surface protective film 18 is preferably within a range of 50 nm to 5000 nm.
- the surface protective film 18 may also be an organic film such as benzocyclobutene (BCB).
- each layer of the InAlAs digital alloy structure is highly strained, so that the InAlAs digital alloy structure is easily disordered when stress is applied from the outside. Therefore, as in the semiconductor light receiving element 140 according to the third embodiment, by providing the separation groove 17 along the outer periphery of the p-type diffusion region 15, the stress that affects the entire wafer during the manufacturing process can be alleviated. Even in the state of individual semiconductor light receiving elements 140, the stress is alleviated by the presence of the separation groove 17, so that the stress concentration in the light receiving part at the center of the semiconductor light receiving element 140 can be alleviated.
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 is exposed in the separation groove 17, it is desirable that the above-mentioned surface protection film 18 covers the surface of the separation groove 17. Note that a high electric field is not applied to the separation groove 17, so it does not become a starting point of deterioration.
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 can be prevented from becoming disordered, so that it is possible to maintain a long dead space length as shown in FIG. 6B, for example, without the dead space length becoming shorter as shown in FIG. 6C. As a result, it is possible to maintain the ionization rate ratio k at approximately zero, even though Zn diffusion is performed in the manufacturing process.
- the semiconductor light receiving element 140 of the third embodiment can achieve high reliability by maintaining a wide bandwidth and low noise for a long period of time.
- FIG. 16 is a cross-sectional view showing the element structure of a back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element 150 according to the fourth embodiment.
- the back-illuminated APD which is an example of the semiconductor light receiving element 150 according to the fourth embodiment, can prevent the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 from becoming disordered, even if a high-temperature heat treatment is performed to diffuse Zn in the diffusion process for forming the p-type diffusion region 15, just like the semiconductor light receiving element 140 according to the third embodiment. Therefore, for example, the dead space length does not become shorter as shown in FIG. 6C, and it is possible to maintain a long dead space length as shown in FIG. 6B.
- the area of the p-type diffusion region 15 can be formed smaller in a back-illuminated APD such as the semiconductor light receiving element 150 than in a front-illuminated APD such as the semiconductor light receiving element 120, it is possible to further reduce the stress generated during p-type diffusion, and therefore it is possible to further prevent disordering of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3.
- disordering of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 can be prevented, so it is possible to maintain the ionization rate ratio k at almost zero, and the stress can be further reduced, resulting in the effect of obtaining a semiconductor light receiving element that is highly reliable and has excellent wideband and low noise characteristics.
- the element structure is a back-illuminated APD, and therefore the area of the p-type diffusion region can be made smaller than that of a front-illuminated APD. This makes it possible to maintain the ionization rate ratio k at approximately zero, and further reduces stress, thereby providing an advantageous effect of providing a semiconductor light-receiving element that is highly reliable and has excellent broadband and low-noise characteristics.
- Fig. 17 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor light receiving element 160 according to the fifth embodiment.
- Fig. 18 is a cross-sectional view showing another element structure of a front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor light receiving element 170 according to the fifth embodiment.
- the semiconductor light receiving element 160 comprises an n-type InP substrate 1, an n-type InAlAs buffer layer 2 having a carrier concentration of 1 to 5 ⁇ 10 cm and a thickness of 0.1 to 1.0 ⁇ m, which are successively formed on the n-type InP substrate 1, an InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 in which an i-type AlAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) and an i-type InAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm ) are alternately laminated multiple times, and
- the n-type InP substrate 1 is made up of a p-type InP electric field relaxation layer 4 having a thickness of 10 to 70 nm and a thickness of 300 nm, an i-type InGaAs light absorption layer 5 having a thickness of 0.1 to 2.0 ⁇ m, an i
- the manufacturing method of the semiconductor light receiving element 160 according to the fifth embodiment is characterized in that the p-type InAlAs conductive layer 25 is crystal-grown on the n-type InP window layer 11 by MOCVD or the like, and then the p-type InGaAs contact layer 8 is crystal-grown, after which the p-type InAlAs conductive layer 25 is removed, leaving the light receiving portion.
- the semiconductor light receiving element 160 shown in FIG. 17 has an n-type electrode 31 on the back side
- the semiconductor light receiving element 170 shown in FIG. 18 has an n-type electrode 31a on the front side. That is, in the semiconductor light receiving element 170, an n-type InP conductive layer 2a is provided on an Fe-doped semi-insulating InP substrate 1a, and after crystal growth, the layers above the n-type InP conductive layer 2a are partially removed, and then the n-type electrode 31a is formed on the n-type InP conductive layer 2a.
- a p-type InP substrate or an n-type InP substrate may be used.
- the semiconductor light receiving element of the fifth embodiment as in the semiconductor light receiving element of the second embodiment, the region of the multiplication layer directly below the light receiving portion to which a high electric field is applied is separated from the side portion of the element, and therefore high reliability is obtained. As a result, a semiconductor light receiving element having high reliability, wide bandwidth, and low noise characteristics is obtained.
- FIG. 19 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element 180 according to the sixth embodiment.
- the depth of the separation groove 17 is preferably within the range of 2 ⁇ m to 5 ⁇ m.
- the opening width of the separation groove 17 is preferably within the range of 0.5 ⁇ m to 100 ⁇ m.
- the bottom of the separation groove 17 reaches at least the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3.
- FIG. 19 shows an example in which the bottom of the separation groove 17 reaches halfway through the n-type InAlAs buffer layer 2.
- Either dry etching or wet etching may be used to form the separation groove 17. However, it is preferable to add wet etching to remove the damaged layer caused by the dry etching after dry etching, which has excellent depth control.
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 is exposed in the separation groove 17, it is desirable that the above-mentioned surface protection film 18 covers the surface of the separation groove 17. Note that a high electric field is not applied to the separation groove 17, so that it does not become a starting point of deterioration.
- the separation groove can relieve stress due to heat treatment or the like in the manufacturing process, and therefore disordering of the digital alloy structure multiplication layer can be prevented. This makes it possible to maintain the ionization rate ratio k at approximately zero, and provides the effect of providing a semiconductor photodetector that is highly reliable and has excellent broadband and low noise characteristics.
- FIG. 20 is a cross-sectional view showing the element structure of a back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element 190 according to the seventh embodiment.
- a front-illuminated APD which is an example of a semiconductor light-receiving element 180 according to the sixth embodiment, receives light from the front side as shown in Fig. 19
- a back-illuminated APD which is an example of a semiconductor light-receiving element 190 according to the seventh embodiment, is characterized in that, as shown in Fig. 20, a part of the n-type electrode 31b on the back side is removed to provide an opening 33, and light is made incident on the n-type InP substrate 1 exposed in the opening 33.
- the opening 33 which is an incident region for incident light 90, is provided on the back side of the n-type InP substrate 1 opposite the p-type electrode 32.
- the area of the mesa-shaped p-type InAlAs conductive layer 25 can be reduced compared to that of a front-illuminated APD, so the effect of stress from the mesa portion of the p-type InAlAs conductive layer 25 is reduced, and the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 does not become disordered.
- the semiconductor photodetector 190 according to the seventh embodiment can maintain a wide bandwidth and low noise for a long period of time.
- FIG. 21 is a cross-sectional view showing the element structure of a back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving element 200 according to the eighth embodiment.
- the semiconductor light receiving element 200 comprises an Fe-doped semi-insulating InP substrate 1a, and a p-type InGaAlAs contact layer 40 having a carrier concentration of 1 to 5 ⁇ 10 cm ⁇ 3 and a layer thickness of 0.1 to 1 ⁇ m, which are successively formed on the Fe-doped semi-insulating InP substrate 1a, a p-type InGaAlAs contact layer 40 having a carrier concentration of 1 to 5 ⁇ 10 cm ⁇ 3 and a layer thickness of 0.1 to 1 ⁇ m, a p-type InP conductive layer 41 having a carrier concentration of 1 to 5 ⁇ 10 cm ⁇ 3 and a layer thickness of 0.1 to 1 ⁇ m, a p-type or low carrier concentration (5 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less) n-type or i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 42, an i-type InGaA
- a p-type InP conductive layer 41 having a carrier concentration of 1 to 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 and a thickness of 0.1 to 1 ⁇ m is grown by crystal growth on the p-type InGaAlAs contact layer 40.
- the p-type InP conductive layer 41 may be p-type InGaAsP or p-type InAlGaAs instead of p-type InP.
- an i-type, n-type or p-type InAlAs layer with a small barrier against holes may be provided on the p-type InP conductive layer 41. Furthermore, after the p-type or low carrier concentration (5 ⁇ 10 17 cm -3 or less) n-type or i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 42 is crystal-grown, the i-type InGaAs light absorbing layer 43 is crystal-grown to a thickness of 0.1 to 2 ⁇ m.
- the i-type InGaAs light absorbing layer 43 may be an n-type or p-type with a low carrier concentration (5 ⁇ 10 17 cm -3 or less) instead of an i-type.
- either or both of the p-type InP conductive layer 41 and the n-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 42 are not necessarily required.
- the p-type InP electric field buffer layer 44 having a carrier concentration of 1 to 50 ⁇ 10 17 cm -3 is crystal-grown to a thickness of 10 to 100 nm.
- Examples of p-type dopants for the p-type InP electric field buffer layer 44 include Be, Zn, and C.
- the p-type InP electric field buffer layer 44 does not necessarily have to be p-type InP, and may be p-type InAlAs or a p-type InAlAs digital alloy structure.
- an InAlGaAs/InAlAs graded layer with a thickness of 10 to 100 nm, which has an intermediate band gap value, such as InAlGaAs or InGaAsP, may be provided.
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 45 is crystal-grown as a multiplication layer on the p-type InP electric field relaxation layer 44.
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 45 is composed of semiconductor layers that are alternately stacked in the order of an AlAs layer (layer thickness of two atomic layers, approximately 0.6 nm) and an InAs layer (layer thickness of two atomic layers, approximately 0.6 nm) from the side of the Fe-doped semi-insulating InP substrate 1a.
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 45 may be formed in the order of an InAs layer and an AlAs layer.
- the number of atomic layers in each layer of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 45 is preferably 2 to 4 atomic layers, with 2 atomic layers being optimal. The reason for this is that the thinner the atomic layer thickness of each layer, the greater the effect of reducing the ionization rate ratio k due to the digital alloy structure.
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 45 may have an i-type conductivity with a carrier concentration of 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or less, but may also have a p-type or n-type conductivity with a carrier concentration of 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or less.
- the thickness of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 45 is preferably in the range of 40 nm to 170 nm. However, considering the typical variation of 20% in the layer thickness during the fabrication of the semiconductor light receiving element 190, the thickness of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 45 is preferably in the range of 50 nm to 140 nm.
- the n-type InAlAs field adjustment layer 46 is crystal-grown to a thickness of 10 to 50 nm, and then the n-type InP window layer 47 is crystal-grown to a thickness of 0.1 to 2 ⁇ m.
- the n-type InP window layer 47 also functions as a field adjustment layer and an electron transit layer, but is not necessarily required.
- the n-type InAlAs field adjustment layer 46 and the n-type InP window layer 47 are layers for adjusting the electric field at the outermost surface, and preferably have a carrier concentration in the range of 1 to 500 ⁇ 10 16 cm -3 . Weakening the electric field at the outermost surface has the effect of suppressing local breakdown and improving reliability.
- n-type InAlAs conductive layer 48 is grown as an n-type conductive layer, and an n-type InGaAs contact layer 49 is grown as an n-type contact layer, on the n-type InP window layer 47.
- the n-type InAlAs conductive layer 48 and the n-type InGaAs contact layer 49 each have a thickness of 0.1 to 2 ⁇ m and a carrier concentration of 5 ⁇ 10 cm ⁇ 3 to 8 ⁇ 10 cm ⁇ 3 .
- the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 45 is held at a high temperature for a long time during epitaxial crystal growth, it may become disordered and become an InAlAs random alloy structure.
- the total layer thickness of each semiconductor layer above the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 45 is about one-third thinner than that of the semiconductor light receiving element 190 according to the seventh embodiment.
- the crystal growth time required for epitaxially growing each remaining semiconductor layer after the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 45 is crystal grown is about one-third shorter than that of the semiconductor light receiving element 190 according to the seventh embodiment, so that the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 45 is less likely to become disordered.
- the dead space length is increased, and the state in which the ionization rate ratio k is zero can be more reliably realized.
- the upper electrode i.e., the n-type electrode 50
- the n-type electrode 50 is in contact with an n-type semiconductor, so the ohmic resistance is reduced to one tenth compared to contact with a p-type semiconductor. This allows the area of the n-type electrode 50 to be reduced, which has the effect of reducing stress from the electrode and making disorder less likely to occur in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer 45.
- a state in which the ionization rate ratio k is zero can be more easily achieved, which has the effect of reducing the bandwidth compensation circuit in the PON system, doubling the number of branches, omitting the SOA, and reducing the operating current of the transmitter laser.
- the crystal growth time required for epitaxial crystal growth of the remaining semiconductor layers after the InAlAs digital alloy structure multiplication layer is crystal grown is about one-third shorter than that of the semiconductor photodetector of the seventh embodiment, so that disordering of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer is less likely to occur.
- This makes it possible to more reliably realize a state in which the dead space length is longer and the ionization rate ratio k is zero, and also makes it possible to further reduce stress, thereby providing an advantageous effect of providing a semiconductor photodetector that is highly reliable and has excellent wideband and low noise characteristics.
- FIG. 22 is a diagram showing a configuration of a multi-level intensity modulation transmitting/receiving apparatus 300 according to embodiment 9.
- Fig. 23A and Fig. 23B are diagrams showing received waveforms of the multi-level intensity modulation transmitting/receiving apparatus 300 according to embodiment 9.
- TDECQ Transmitter Dispersion and Eye Closure Quaternary
- the optical modulation amplitude is the total amplitude from level 0 to level 3
- Qt is a value dependent on the SER (Symbol Error Rate) defined by the IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
- R is the additional noise value required to achieve the SER value.
- TDECQ (dB) is defined as, for example, 3 dB or less. In order to reduce TDECQ (dB), (1) The eye opening at each level must be uniform. (2) The noise at each level must be low.
- the semiconductor light receiving element In order for the eye opening at each of the four levels, which have different optical signal strengths, to be uniform, the semiconductor light receiving element must have excellent linearity.
- a semiconductor light receiving element has good linearity when the photocurrent Iph increases in proportion to the optical input power Pin. In other words, even if the optical input power Pin changes, if Iph/Pin is constant, it can be said to have good linearity.
- PAM needs to receive signals with a wide range of strengths, from low to high, it needs to have an excellent dynamic range. In other words, even if the optical input power Pin increases, if the drop in Iph/Pin is small, the dynamic range can be said to be good. As in the received waveform in Figure 23B, if the linearity and dynamic range deteriorate, the eye opening formed between levels 2 and 3 deteriorates.
- Rsc is the resistance due to the space charge effect
- Rd is the element resistance
- Rlo is the load resistance.
- Rd and the load resistance are usually several tens of ohms, but Rsc can be several hundreds of ohms or more.
- FIG. 25 is a diagram for explaining the operation of the APD at high light input.
- the electric field in the multiplication layer of the APD changes, that is, the so-called space charge effect occurs. Due to the occurrence of this space charge effect, the multiplication factor of the APD decreases and the linearity deteriorates.
- the residence time Td of the electrons and holes in the depletion layer since the deterioration of the linearity of the APD is caused by the series resistance Rsc, it is necessary to reduce the residence time Td of the electrons and holes in the depletion layer.
- the residence time Tdm in the multiplication layer increases. Tdm is the same as the so-called multiplication time, and is expressed by the following formula (18).
- N is the Emmons coefficient (which depends gently on the ionization rate ratio k)
- M is the multiplication factor
- ⁇ av is the time it takes for the carrier to travel through the multiplication layer.
- the residence time Tdm excludes the one-way transit time it takes for the carrier to cross the multiplication layer.
- Figure 26 shows the residence time Tdm of electrons and holes for each material that makes up the multiplication layer.
- the residence time Tdm within the multiplication layer is dramatically reduced. In other words, electrons and holes are quickly discharged from the multiplication layer, suppressing the space charge effect in the multiplication layer, resulting in improved linearity and dynamic range in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer.
- the eye opening of PAM4 was non-uniform as shown in FIG. 23B, but with the DA-APD disclosed herein, the eye opening is uniform as shown in FIG. 23A, making it possible for TDECQ to satisfy the specified value. Therefore, when the DA-APD disclosed herein is used, an APD can be used in a PAM transceiver, which makes it possible to increase the transmission distance of optical signals and reduce the drive current of the transmitting laser.
- the multi-level intensity modulation transmitting/receiving device uses the DA-APD of the present disclosure as the semiconductor light receiving element, and thus has the effect of providing a multi-level intensity modulation transmitting/receiving device that can increase the transmission distance of an optical signal and reduce power consumption.
- Fig. 27 is a schematic diagram showing the configuration of a radio on fiber system 400 (Radio on fiber: RoF) according to a tenth embodiment.
- Fig. 28 is a schematic diagram showing the configuration of a radio on fiber system 450, which is a comparative example.
- the radio on fiber system 400 includes a light source 401, a transmission line 402 such as an optical fiber cable, a DA-APD 403 of the present disclosure, and an antenna 404.
- an analog electrical amplitude signal is input to a light source 401 such as an LD and converted into an optical amplitude signal.
- the converted optical amplitude signal is transmitted through an optical fiber cable, i.e., a transmission path 402.
- the transmitted optical amplitude signal is multiplied and converted into an electrical amplitude signal using a DA-APD 403 of the present disclosure.
- the converted electrical amplitude signal is transmitted to an antenna 404 and radiated as a radio wave signal.
- the multiplication factor of the DA-APD403 disclosed herein can be in the range of 1.2 to 10 times. However, as the multiplication factor increases, the signal becomes distorted, so it is desirable to use a multiplication factor in the range of 1.2 to 5 times. Also, considering that the multiplication factor is about 80% and not 100% due to the loss of the optical fiber, it is optimal to use a multiplication factor of 2 to 3 times to compensate for such losses.
- the DA-APD of the present disclosure is used to configure the radio-on-fiber system, which has the effect of making it possible to output a strong radio signal even if the optical transmission distance is long.
- Embodiment 11 29 is a schematic diagram illustrating a configuration of a digital coherent receiving apparatus 500 according to an eleventh embodiment.
- the digital coherent receiving apparatus 500 according to the eleventh embodiment is characterized in that it uses the DA-APD 505a of the present disclosure.
- optical signals with both phase and intensity modulated are polarization multiplexed and transmitted through optical fiber.
- digital coherent receiving device 500 the optical signal input from optical fiber cable 501 is first polarized and separated by polarization separator 502. After polarization separation, each polarized signal light is input to 90-degree hybrid device 503a and 90-degree hybrid device 503b, respectively. Meanwhile, the laser light locally emitted from semiconductor laser 504 is separated into two signals with a phase shift of 90 degrees from each other.
- the DA-APD of the present disclosure is applied as a semiconductor photodetector for receiving an optical signal, and therefore it is possible to reduce the drive current of the local light (laser), that is, to reduce the power consumption of the digital coherent receiving device.
- Embodiment 12. 31 is a schematic diagram showing the configuration of a SPAD sensor (Single Photon Avalanche Diode) system according to embodiment 12.
- the SPAD sensor system 600 includes a photoelectron measurement circuit 601, a SPAD sensor 602 including the DA-APD of the present disclosure, and a quenching circuit 603.
- the SPAD sensor system 600 uses the DA-APD of the present disclosure. Photons incident on the SPAD sensor system 600 are absorbed in the light absorption layer of the SPAD sensor 602, which is made of the DA-APD of the present disclosure, generating pairs of electrons and holes, and the electrons flow into the multiplication layer. An electric field about 10% higher than the avalanche breakdown electric field is applied to the multiplication layer.
- This state is called the Geiger mode.
- the electrons are multiplied by approximately 106.
- the generated electrons flow as a current and flow into the photoelectron measurement circuit 601. If the current generated by one photon is known in advance, it is possible to count the number of photons incident on the SPAD sensor system 600.
- the voltage is reduced from B: Geiger mode voltage to A: quenching voltage to stop the chain multiplication, and then the voltage is increased again from A: quenching voltage to B: Geiger mode voltage to make it possible to receive incident photons with high sensitivity.
- the SPAD sensor system 600 according to the twelfth embodiment can be used not only for counting the number of photons but also as a highly sensitive semiconductor light receiving element. However, it is necessary to constantly repeat the voltage from B: Geiger mode voltage to A: quenching voltage. The repetition period is on the order of nanoseconds to microseconds. If the difference between A: quenching voltage and B: Geiger mode voltage can be reduced, the repetition period can be shortened and the response speed of the SPAD sensor system 600 can be increased.
- the passive quenching circuit 603 it is possible to reduce the resistance value connected in series to the SPAD sensor 602, which increases the response speed of the SPAD sensor 602.
- the voltage amplitude is reduced, which allows for simplification of the drive circuit and power saving, and also makes it possible to widen the response band.
- the dead space length is long, so multiplication does not occur at low electric fields. However, as the electric field is increased, the dead space length becomes shorter, so the multiplication factor increases rapidly and leads to breakdown.
- the APD of the InAlAs random alloy multiplication layer and the APD having the digital alloy InAlAs multiplication layer with a thick multiplication layer if the voltage at which the dark current exceeds 10 ⁇ A is set as the breakdown voltage, the multiplication factor at 90% of the breakdown voltage exceeds 10 times.
- the multiplication factor at a voltage of 90% of the breakdown voltage is 10 times or less.
- Figure 33 shows the calculated difference between the quenching electric field and the Geiger mode electric field for each material constituting the multiplication layer. It can be seen that in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer disclosed herein, the difference between the quenching electric field and the Geiger mode electric field for each multiplication layer is 170 kV/cm, which is exceptionally low. The electric field is 120 kV/cm lower than that of an InAlAs digital alloy structure multiplication layer having a superlattice structure similar to the InAlAs digital alloy structure multiplication layer disclosed herein but a layer thickness of 200 nm or more that has not been thinned.
- the DA-APD of the present disclosure is used in the SPAD sensor, and therefore the difference between the quenching electric field and the Geiger mode electric field, that is, the applied voltage difference, can be reduced, thereby achieving the effect of obtaining a SPAD sensor system that enables an improved response band, a simplified quenching circuit, and reduced power consumption.
- Fig. 34 is a diagram showing the configuration of a LIDAR (Light Detection and Ranging: LiDAR) device according to embodiment 13.
- Fig. 35A is a diagram showing the received waveform of the APD of the LIDAR device which is a comparative example, and
- Fig. 35B is a diagram showing the received waveform of the APD of the LIDAR device according to embodiment 13.
- the tunnel current does not increase, making it easy to identify weak light.
- the residence time in the multiplication layer is short, and therefore, as shown in FIG. 35B, a current pulse with a large peak intensity is obtained, resulting in high identification sensitivity.
- the light output of the light source can be reduced, thereby saving power and further improving safety for the eyes.
- this includes modifying, adding, or omitting at least one component, and even extracting at least one component and combining it with a component of another embodiment.
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Description
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。 This disclosure relates to semiconductor photodetectors, optical line termination devices, multilevel intensity modulation transceivers, digital coherent receivers, radio-over-fiber systems, SPAD sensor systems, and lidar devices.
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アバランシェフォトダイオード(Avalanche Photodiode:APD)が使用されている。 Along with the progress of digital transformation that utilizes digital information, there has been remarkable development of communication networks that communicate digital information with each other and data centers that store and process data. Optical communication is used for communication networks and communication within data centers. In recent years, optical communication has made remarkable progress in increasing speed and capacity. As optical communication advances, avalanche photodiodes (APDs), which provide high receiving sensitivity, are used as optical communication receivers.
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。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。 In the access network that connects optical communication subscribers, the Passive Optical Network (PON) is the main system used. PON systems started with the G(E)-PON system that transmits signals of 1 to 2 Gbps, and in the future, 10G-EPON systems and XG-PON systems that transmit signals of 10 Gbps are expected to increase. Furthermore, the International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector (ITU-T) is considering the 50G-PON system, a next-generation high-speed PON system, and it is expected that 50 Gbps-class transmission will also be put into practical use in access networks in the future.
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800kV/cm程度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。 APDs, which are semiconductor light receiving elements used in PON systems, have an element structure consisting of a light absorption layer (InGaAs), an electric field relaxation layer (InP or InAlAs), and a multiplication layer (InP or InAlAs). A high electric field of about 800 kV/cm is applied to the multiplication layer to multiply, or ionize, the electrons and holes generated in the light absorption layer. The electric field relaxation layer functions to weaken the electric field so that the high electric field of the multiplication layer is not applied to the light absorption layer. Incidentally, the ionization rate of electrons is expressed as α, and the ionization rate of holes as β.
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。 In an APD, the greater the ratio of the ionization rates of electrons and holes, the smaller the excess noise generated during multiplication and the higher the receiving sensitivity. Furthermore, the greater the ratio of the ionization rates of electrons and holes, the shorter the multiplication time in the multiplication layer, resulting in a wider bandwidth.
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。 The ionization rate ratio k of electrons and holes is defined as k = β/α. When electrons are injected into the multiplication layer, the smaller the ionization rate ratio k, the better the performance of the APD. Compound semiconductor materials such as InAlAs or InP are used for the multiplication layer of APDs for optical communications.
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。 If InAlAs is selected as the material for the multiplication layer, the difference in the ionization rates of electrons and holes will be greater than in InP. Note that in InP, the ionization rate of holes is greater than that of electrons, and the ionization rate of holes is approximately twice that of electrons. On the other hand, if InAlAs is selected as the material for the multiplication layer, the ionization rate of electrons is greater than that of holes, and the ionization rate of electrons is approximately five times that of holes. Therefore, since the reception sensitivity is higher when InAlAs is used as the multiplication layer, InAlAs is more suitable than InP as the material for the multiplication layer of an APD.
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帯域が低下するという問題があった。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よりも広帯域であるものの、増倍率が6以上では帯域は20GHz程度にとどまる。つまり、50G-PONシステムに要求される37.5GHz程度以上の帯域は、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。 As mentioned above, in a PON system, APDs, which are semiconductor light receiving elements, are required to have a wide response bandwidth and high receiving sensitivity. However, unlike PDs, APDs have a problem in that the time required for multiplication, that is, the multiplication time, becomes longer as the multiplication factor increases, resulting in a decrease in bandwidth at high multiplication factors. APDs with a multiplication layer made of InAlAs, which is used in optical communications, have a wider bandwidth than APDs made of other semiconductor materials, but when the multiplication factor is 6 or more, the bandwidth remains at around 20 GHz. In other words, there is a problem in that the bandwidth of around 37.5 GHz or more required for 50G-PON systems is difficult to achieve when conventional APDs are used.
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、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。 In 50G-PON systems, the response bands of the semiconductor light-emitting elements and semiconductor light-receiving elements, the optical output of the semiconductor light-emitting elements, and the receiving sensitivity of the semiconductor light-receiving elements are insufficient. For this reason, it is being considered to provide a digital bandwidth compensation circuit using a digital signal processor (DSP) after the APD in the optical network unit (ONU), i.e., the receiving device on the subscriber's side.
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。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。 In addition, the Optical Line Terminal (OLT), i.e. the receiving device on the central office side, requires a Semiconductor Optical Amplifier (SOA) to compensate for the lack of receiving sensitivity of the semiconductor light receiving element, and it is necessary to integrate an SOA into the electro-absorption modulated laser diode (EML) on the transmitting side of the ONU to increase the optical output. However, DSPs and SOAs consume very large amounts of power, which is a factor in increasing costs, and it is feared that the replacement of existing PON systems with 50G-PON systems will not progress.
また、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または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。 Also, in existing PON systems other than the next-generation high-speed PON system, it is being considered to increase the number of branches of the optical signal output from the OLT in order to reduce costs. However, even in this case, it is necessary to integrate an SOA in the EML on the transmitting side of the OLT or ONU to increase the optical output, which causes problems such as increased power consumption of the transmitter and increased costs.
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または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。 As described above, to compensate for the limitations of the receiving sensitivity and response bandwidth of semiconductor light receiving elements, transceivers are designed that incorporate expensive and power-hungry DSPs and SOAs into the ONU or OLT, but this creates problems such as increased power consumption and costs.
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、受信感度が高く、応答帯域が広く、かつ低消費電力で動作する半導体受光素子を得ることを目的とする。 This disclosure has been made to resolve the above-mentioned problems, and aims to provide a semiconductor light-receiving element that has high reception sensitivity, a wide response band, and operates with low power consumption.
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、層厚が40nm以上170nm以下であるデジタルアロイ構造からなる増倍層と、
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InGaAs光吸収層と、
を備える。
The semiconductor light receiving element according to the present disclosure comprises:
An InP substrate;
an n-type semiconductor layer formed on the InP substrate;
a multiplication layer formed on the n-type semiconductor layer and having a digital alloy structure with a layer thickness of 40 nm or more and 170 nm or less;
a p-type electric field buffer layer formed on the multiplication layer;
an InGaAs light absorption layer formed on the p-type electric field buffer layer;
Equipped with.
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。
The optical line terminal according to the present disclosure comprises:
The semiconductor light receiving element described above,
an optical multiplexer/demultiplexer that inputs an optical signal to the semiconductor light receiving element;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
a clock data recovery circuit connected to the amplifier circuit and configured to recover clock data from the amplified electrical signal;
a forward error correction circuit connected to the clock data recovery circuit for correcting an error in the clock data;
Equipped with.
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。
A multi-level intensity modulation transmitting/receiving device according to the present disclosure comprises:
The semiconductor light receiving element described above for receiving an optical signal intensity-modulated into multiple values;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
an analog/digital conversion circuit connected to the amplifier circuit and converting the amplified electrical signal into a digital signal;
a digital signal processing circuit connected to the analog/digital conversion circuit and processing the digital signal;
Equipped with.
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。
The radio-over-fiber system according to the present disclosure comprises:
a light source that emits an analog modulated optical signal;
The semiconductor light receiving element described above for receiving the analog-modulated optical signal;
a transmission path for transmitting the analog electrical signal output from the semiconductor light receiving element to an antenna;
an antenna connected to the transmission line and configured to radiate the analog electrical signal as a radio wave signal;
Equipped with.
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。
A digital coherent receiving device according to the present disclosure includes:
The semiconductor light receiving element described above,
a polarization splitter that splits the polarization of the intensity- and phase-modulated polarization multiplexed optical signal;
a 90-degree hybrid that splits and combines the optical signals output from the polarization splitter;
a digital signal processing circuit connected to the 90-degree hybrid device and processing a digital signal;
Equipped with.
本開示に係るSPAD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。
The SPAD sensor system according to the present disclosure comprises:
A SPAD sensor constituted by the semiconductor light receiving element described above;
a quenching circuit for repeatedly applying a voltage equal to or greater than a breakdown voltage and a voltage equal to or less than the breakdown voltage to the SPAD sensor;
an optoelectronic measurement circuit for measuring an electrical signal output from the SPAD sensor;
Equipped with.
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。
The LIDAR device according to the present disclosure comprises:
A light source that emits light in a pulsed manner;
the semiconductor light receiving element described above for receiving light emitted from the light source and reflected by an object;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
a distance measuring circuit for calculating a distance based on the electrical signal amplified by the amplifier circuit;
Equipped with.
本開示に係る半導体受光素子によれば、増倍層をデジタルアロイ構造で構成し、かつ増倍層の層厚を所定の範囲内となるように設定したので、受信感度が高く、かつ応答帯域が広い半導体受光素子が得られるという効果を奏する。 In the semiconductor light receiving element according to the present disclosure, the multiplication layer is configured with a digital alloy structure, and the thickness of the multiplication layer is set to be within a predetermined range, which has the effect of providing a semiconductor light receiving element with high reception sensitivity and a wide response band.
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等が得られるという効果を奏する。 The optical line termination device, multilevel intensity modulation transceiver device, digital coherent receiver device, optical fiber radio system, SPAD sensor system, and LIDAR device disclosed herein use the semiconductor light receiving element disclosed herein as the semiconductor light receiving element, and therefore have the effect of providing devices and systems with excellent performance.
実施の形態1.
<実施の形態1に係る半導体受光素子の素子構造>
図1は、実施の形態1に係る半導体受光素子100の一例である表面入射型APDの素子構造を表す断面図である。また、図2は、実施の形態1に係る半導体受光素子110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。
<Element structure of semiconductor light receiving element according to the first embodiment>
Fig. 1 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving
<実施の形態1に係る半導体受光素子の素子構造>
実施の形態1に係る半導体受光素子100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InAlAs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InAlAs増倍層3(以下、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3と呼ぶ。また、DA増倍層と略す場合もある。)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窓層7と、p型InGaAsコンタクト層8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8上に形成されたp型電極32と、で構成される。なお、n型InAlAsバッファ層2を、n型半導体層とも呼ぶ。
<Element structure of semiconductor light receiving element according to the first embodiment>
The semiconductor light receiving element 100 according to the first embodiment comprises an n-type InP substrate 1, an n-type InAlAs buffer layer 2 having a carrier concentration of 1 to 5× 10 cm and a layer thickness of 0.1 to 1.0 μm, which are successively formed on the n-type InP substrate 1, an InAlAs multiplication layer 3 (hereinafter referred to as an InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3, and may also be abbreviated as a DA multiplication layer) having a digital alloy structure in which an i-type AlAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) and an i-type InAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) are alternately laminated a plurality of times, and The n-type InP substrate 1 is made up of a p-type InP electric field relaxation layer 4 having a thickness of 10 to 70 nm and a thickness of 300 nm, an i-type InGaAs light absorption layer 5 having a thickness of 0.1 to 2.0 μm, an i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 6, a p-type InP window layer 7 having a thickness of 0.1 to 3.0 μm, a p-type InGaAs contact layer 8, an n-type electrode 31 formed on the back surface side of the n-type InP substrate 1, and a p-type electrode 32 formed on the p-type InGaAs contact layer 8. The n-type
実施の形態1に係る半導体受光素子110は、半導体受光素子100と同様の層構成を有するが、さらに、少なくとも入射光90が入射する端面には、Feドープ半絶縁性InP埋込層20が形成されている。
The semiconductor
n型InAlAsバッファ層2は、ランダムアロイ構造とデジタルアロイ構造のいずれの構造でも良い。n型InAlAsバッファ層2のn型ドーパントとしては、シリコン(Si)が最適である。n型InAlAsバッファ層2からi型InAlAs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。
The n-type
InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3は、上述のように、AlAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)とInAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)の順番で交互に積層した半導体層で構成されることとした。しかしながら、AlAs層及びInAs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、AlAs層とInAs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。
As described above, the InAlAs digital alloy
さらに、InAlAs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。
Furthermore, the number of atomic layers in each layer of the InAlAs digital alloy
n型InAlAsバッファ層2を構成するInAlAsとの親和性を考慮して、InAlAs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、InAlAs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。
In consideration of the affinity with InAlAs constituting the n-type
InAlAs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、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の導電型として、キャリア濃度が5×1018cm-3以下であるp型またはn型であっても良い。
The InAlAs digital alloy
InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3におけるデッドスペース効果(Dead Space Effect)を増大させるために、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の層厚は、40nm以上170nm以下の範囲が好適である。しかしながら、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、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の層厚は、50nm以上140nm以下の範囲が好適である。
In order to increase the dead space effect in the InAlAs digital alloy
InAlAsデジタルアロイ構造で構成された増倍層以外にも、InAlyGa(1-y)As(層厚が2~6原子層,Al組成比Y)とInAlzGa(1-z)As(層厚が2~6原子層,Al組成比Z)を交互に積層したInAlGaAsデジタルアロイ構造も同様に本開示の増倍層として適用が可能である。さらに、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増倍層として適用が可能である。 In addition to the multiplication layer composed of an InAlAs digital alloy structure, an InAlGaAs digital alloy structure in which InAlyGa(1-y)As (layer thickness of 2 to 6 atomic layers, Al composition ratio Y) and InAlzGa(1-z)As (layer thickness of 2 to 6 atomic layers, Al composition ratio Z) are alternately stacked can also be applied as the multiplication layer of this disclosure. Furthermore, a digital alloy structure made of InAlAsSb, a material system containing antimony (Sb), can also be applied as the multiplication layer of this disclosure.
p型InP電界緩和層4は、上述したように、キャリア濃度は0.1~50×1017cm-3であり、層厚は10nm以上70nm以下の範囲が好適である。p型InP電界緩和層4のp型ドーパントとして、ベリリウム(Be)、亜鉛(Zn)、炭素(C)などが挙げられる。
As described above, the p-type InP electric
なお、電界緩和層は必ずしもp型InPで構成する必要はない。つまり、電界緩和層はp型InAlAsデジタルアロイ構造またはp型InAlAsランダムアロイ構造でも良い。しかしながら、近接するInAlAsデジタルアロイ構造増倍層3にp型InP電界緩和層4に含まれるドーパントが拡散すると、デジタルアロイ構造が無秩序化してInAlAsのランダムアロイ構造に変質してしまうおそれがある。上述したように、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3は、層厚が100nm程度と薄いため、ドーパント拡散による無秩序化の影響を大きく受ける可能性がある。したがって、p型InP電界緩和層4の場合は、拡散が発生しにくいBeをp型ドーパントすることが最適である。一方、p型InAlAsを電界緩和層の構成材料とする場合は、p型ドーパントとしてZnが最適である。
The electric field relaxation layer does not necessarily have to be made of p-type InP. In other words, the electric field relaxation layer may be a p-type InAlAs digital alloy structure or a p-type InAlAs random alloy structure. However, if the dopant contained in the p-type InP electric
p型InP電界緩和層4とi型InGaAs光吸収層5との間に、両者の中間的なバンドギャップ値を有するInAlGaAsまたはInGaAsPなどからなり、0.1μm以下の層厚の層を設けることにより、ヘテロ接合界面での電子及び正孔の蓄積を防止することが可能となる。なお、InGaAs光吸収層の導電型は、n型またはp型であっても良い。
By providing a layer with a thickness of 0.1 μm or less between the p-type InP electric
また、同様の目的でi型InGaAs光吸収層5とp型InAlAs層との間にも、両者の中間的なバンドギャップ値を有するInAlGaAsまたはInGaAsPなどからなり、0.1μm以下の層厚の層を設けても良い。p型InGaAsコンタクト層8は、増倍層よりも面積が小さくなるように設けられた外周部を有する。
For the same purpose, a layer made of InAlGaAs or InGaAsP having an intermediate band gap between the i-type InGaAs
図1に示す半導体受光素子100の素子構造の一例では、i型InGaAs光吸収層5上に、i型で組成の異なる2種類のInAlGaAs層を複数回、交互に積層することにより、InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6を形成している。なお、InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6の導電型は、p型またはn型でも良い。また、p型InP窓層7の代りに、p型InAlAs窓層としても良い。
In one example of the device structure of the
<実施の形態1に係る半導体受光素子の動作原理>
実施の形態1に係る半導体受光素子100の動作原理を以下に説明する。
37.5GHz程度以上の広帯域の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。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。
<Operation Principle of Semiconductor Light-Receiving Element According to First Embodiment>
The operating principle of the semiconductor
If a wideband APD of about 37.5 GHz or more can be realized, a next-generation high-speed PON system can be realized without using a DSP or an SOA. In the case of a PD, which is relatively easy to make into a wideband APD, the response bandwidth is as follows:
(1) RC time constant (R is the element resistance, C is the element capacitance)
(2) Carrier transit time (the time it takes for an electron or hole to travel through the depletion layer)
In APD, the
(3) It is also limited by the multiplication time (the time it takes for electrons and holes to multiply in a chain reaction in the multiplication layer, which increases in proportion to the multiplication factor).
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(1)~(3)で表される。
増倍時間TM=増倍率M/GB積 (1)
GB積=1/(2πNkτav) (2)
つまり、
増倍時間TM=2πNkMτav (3)
となる。
Although a PD can realize the above-mentioned 37.5 GHz band, an APD requires a multiplication time, so if the multiplication factor is increased, it becomes difficult to realize the desired band. The multiplication time TM is expressed by the following equations (1) to (3).
Multiplication time TM = Multiplication rate M/GB product (1)
GB product = 1/(2πNkτav) (2)
In other words,
Multiplication time TM = 2πNkMτav (3)
It becomes.
ここで、GB積は増倍率と帯域の積、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。 Here, GB product is the product of the multiplication factor and the bandwidth, k is the ionization rate ratio, N is a coefficient that is loosely dependent on the ionization rate ratio k, and τav is the average time it takes for electrons and holes to travel through the multiplication layer. Therefore, by reducing the ionization rate ratio k, it is possible to shorten the multiplication time TM. In particular, to realize a high-speed PON system, it is necessary to make the multiplication time TM approach zero, in other words, to make the ionization rate ratio k approach zero.
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原子層程度の周期で交互に繰り返し積層したデジタルアロイ構造(ALSLとも呼ばれる:Atomic Layer Super Lattice)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った。なお、デジタルアロイ構造については、非特許文献1に記載されている。
In order to make the ionization rate ratio k zero, various compound semiconductors have been proposed as materials for the multiplication layer. In addition, in order to reduce the ionization rate ratio k, a digital alloy structure (also called ALSL: Atomic Layer Super Lattice) has been proposed in which semiconductor layers of different compositions are alternately stacked at a period of about 1 to 6 atomic layers. However, even with the digital alloy structure, it is difficult to make the ionization rate ratio k zero unless the structure is optimized. The digital alloy structure is described in
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(Dead Space)と呼ばれる。 The inventors therefore fabricated an APD with a digital alloy structure multiplication layer using a multiplication layer in which two-atom InAs layers and two-atom AlAs layers are alternately stacked in order to reduce the ionization rate ratio k of the digital alloy structure. As a result of analyzing the multiplication characteristics, they discovered that the distance that carriers travel in the multiplication layer until they are ionized is longer than that of an APD with a multiplication layer made of normal InAlAs made of bulk crystal, that is, an InAlAs random alloy structure multiplication layer. The distance that carriers travel in the multiplication layer until they are ionized is called the dead space.
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程度まで薄くしていくと、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程度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。 The length of the dead space (hereinafter referred to as the dead space length) is longer for holes than for electrons, so in the case of an InAlAs random alloy structure made of a normal bulk crystal, if the thickness of the multiplication layer is thinned to about tens of nm, the ionization rate ratio k decreases because the holes cannot be ionized. However, when the thickness of the multiplication layer is thinned to about tens of nm, a new problem occurs in that leakage currents such as tunnel currents increase because a higher electric field must be applied to the multiplication layer to obtain the desired multiplication factor. In other words, an increase in the tunnel current increases the noise generated by the APD. On the other hand, the inventors' analysis discovered that the ionization rate ratio k = 0 in a digital alloy structure, even with a multiplication layer with a thickness of 100 nm or more, because the dead space is unusually large in the digital alloy structure compared to the random alloy structure.
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60~130nm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。 In other words, the inventors have found for the first time that by constructing the multiplication layer of an APD with a digital alloy structure, it is possible to achieve an ionization rate ratio k = 0 while suppressing the tunnel current. Specifically, they have found that in a multiplication layer made of the digital alloy structure of the present disclosure, the ionization rate ratio k drops sharply at a layer thickness of 170 nm or less, and that the dead space effect improves dramatically when the multiplication layer has a layer thickness in the range of 60 to 130 nm. In other words, the inventors have demonstrated that the ionization rate ratio k = 0, which was impossible to achieve with a multiplication layer made of a random alloy structure or a multiplication layer made of a thick digital alloy structure, can be achieved by applying the multiplication layer made of the digital alloy structure of the present disclosure. At present, no research institute has reported that thinning the multiplication layer of an APD with a digital alloy structure has a greater effect of reducing the ionization rate ratio k than thinning the multiplication layer of an APD made of conventional materials.
<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の一例である表面入射型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)または分子線エピタキシャル成長法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)など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。
<Method of Manufacturing Semiconductor Light-Receiving Element According to First Embodiment>
A front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor light-receiving
MOVPE法またはMBE法を用いて、n型InP基板1上に、0.1~1μmの層厚でキャリア濃度が1~5×1018cm-3であるn型InAlAsバッファ層2を結晶成長する。
An n-type
n型InAlAsバッファ層2上に、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3を結晶成長する。つまり、n型InAlAsバッファ層2上からAlAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)とInAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)の順番で交互に結晶成長することにより、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3を形成する。
The InAlAs digital alloy
InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3上に、層厚が10nm以上70nm以下であり、キャリア濃度が0.1~50×1017cm-3であるp型InP電界緩和層4を結晶成長する。
On the InAlAs digital alloy
p型InP電界緩和層4上に、層厚が0.1μm以上2μm以下であるi型InGaAs光吸収層5、i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6、層厚が0.1μm以上3μm以下であるp型InP窓層7、及びp型InGaAsコンタクト層8を、順次結晶成長する。なお、InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層はn型またはp型であっても良い。また、p型InP窓層7の代りに、p型InAlAs窓層としても良い。
On the p-type InP electric
結晶成長の終了後、p型InGaAsコンタクト層8の表面にp型電極32を、n型InP基板1の裏面にn型電極31をそれぞれ形成する。
After the crystal growth is completed, a p-
図1に示す表面入射型APDの場合は、i型InGaAs光吸収層5に対して垂直方向から入射光90が入射する。APDの受光部が円形の場合の直径、またはAPDの受光部が矩形の場合の長辺の大きさは5μm~1mmの範囲内である。APDの入射面には無反射コーティング(図示せず)を施している。
In the case of the surface-illuminated APD shown in Figure 1,
図2に示す端面入射型APDの場合は、i型InGaAs光吸収層5に対して平行方向から入射光90が入射する。信頼性の観点から、端面部分は、絶縁膜、有機膜、または半導体層で覆う。図2に示す端面入射型APDでは、端面にFeドープ半絶縁性InP埋込層20が形成されている。Feドープ半絶縁性InP埋込層20の層厚は、入射方向に対して100nm~5μmの範囲内である。
In the case of the edge-illuminated APD shown in FIG. 2,
実施の形態1に係るAPDでは、p型電極32の電極材料として、Ti及びAuが用いられている。実施の形態1に係るAPDでは、トンネルブレークダウンがアバランシェブレークダウンよりも低い電圧で発生しないように電界緩和量が調整されている。実施の形態1に係るAPDでは動作電圧は15V~90Vであり、APD動作時の増倍層内の電界は500kV/cm~900kV/cmである。また、実施の形態1に係るAPDでは、i型InGaAs光吸収層5の電界は300kV/cm以下に設定している。実施の形態1に係るAPDでは増倍率は3~30の範囲内で使用するが、ガイガーモードで動作する場合は100以上となる。
In the APD according to the first embodiment, Ti and Au are used as the electrode materials for the p-
<実施の形態1の半導体受光素子の作用>
図1及び図2に示した実施の形態1に係るAPDの作用について、以下に説明する。実施の形態1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3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3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InAlAs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。
<Function of the semiconductor light receiving element according to the first embodiment>
The operation of the APD according to the first embodiment shown in Figures 1 and 2 will be described below. The inventors have found that the use of a digital alloy structure multiplication layer as in the APD according to the first embodiment enhances the dead space effect, that is, the effect of reducing the ionization rate ratio k. Figure 3 is a diagram showing the electric field dependence of the electron dead space in an InAlAs multiplication layer. As a result of analyzing the electron multiplication characteristics in a digital alloy structure multiplication layer, the inventors have clarified that, as shown in the graph of Figure 3, the InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the present disclosure has a longer dead space than the conventional InAlAs random alloy structure multiplication layer.
図4Aから図4Cは電子及び正孔のイオン化率をそれぞれ表す図であり、図4Aは電子のイオン化の場合、図4Bは正孔のイオン化の場合、図4C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図である。従来のInAlAsランダムアロイ構造増倍層では、図3のグラフに示すように、デッドスペース長は45nm程度であるため、増倍層の層厚はデッドスペースの1.5倍程度(70nm程度)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、良好な受信感度のAPDを得ることは困難である。 Figures 4A to 4C show the ionization rates of electrons and holes, respectively, with Figure 4A showing the case of electron ionization, Figure 4B showing the case of hole ionization, and Figure 4C showing the ionization rate when the multiplication layer is thinned. In a conventional InAlAs random alloy structure multiplication layer, as shown in the graph in Figure 3, the dead space length is about 45 nm, so the thickness of the multiplication layer needs to be thinned to about 1.5 times the dead space (about 70 nm). However, thinning the multiplication layer to 70 nm increases the electric field in the multiplication layer, and a sudden increase in the tunnel current increases noise, making it difficult to obtain an APD with good reception sensitivity.
一方、実施の形態1に係るAPDのInAlAsデジタルアロイ構造増倍層3では、図3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85nm程度であるため、増倍層の層厚はデッドスペースの1.5倍程度(130nm程度)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に係るAPDではトンネル電流の影響は小さい。
On the other hand, in the InAlAs digital alloy
また、InAlAs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く、印加電界の逆数が1.27×10-6cm/Vの場合は、図3のグラフに示すように、デッドスペース長は50nm程度であるため、増倍層を75nmまで薄層化する必要がある。つまり、InAlAs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。 Furthermore, in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer, the dead space is highly dependent on the applied electric field, and when the reciprocal of the applied electric field is 1.27×10 −6 cm/V, the dead space length is about 50 nm, as shown in the graph in Fig. 3, so the multiplication layer needs to be thinned to 75 nm. In other words, the thickness of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer can be made thicker than the thickness of the InAlAs random alloy structure multiplication layer.
図5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、InAlAs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5中に記載した文献1及び2の測定結果と合わせて図5中にプロットした。
なお、図5中の文献1及び2は、下記のとおりである。
(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
5 is a diagram showing the dependence of the ionization rate ratio and the tunnel current on the thickness of the multiplication layer. The inventors fabricated APDs having an InAlAs digital alloy structure multiplication layer and an InAlAs random alloy structure multiplication layer, respectively, measured the ionization rate ratio k, and further plotted the results in FIG. 5 together with the measurement results in
In addition,
(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)
Wenyang Wang, et al “Characteristics of thin InAlAs digital alloy avalanche photodiodes” pp. 3841, Vol. 46, No. 16/15 August 2021/Optics Letters
図5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。 As shown in Figure 5, in an InAlAs random alloy structure multiplication layer, the effect of reducing the ionization rate ratio k due to the dead space does not appear unless the thickness of the multiplication layer is 80 nm or less. On the other hand, if the thickness of the multiplication layer is made thinner than 80 nm, the tunnel current increases sharply and tunnel breakdown occurs. When the multiplication layer is about 60 nm thick, it is barely possible to reduce the ionization rate ratio k and limit the tunnel current, but the margin for the layer thickness is only a few nm, making it extremely difficult to stably manufacture APDs. In addition, the ionization rate ratio k is also large at 0.12. In other words, with the conventional InAlAs random alloy structure multiplication layer, it is difficult to apply the effect of reducing the ionization rate ratio k by making the layer thinner to APDs.
一方、本開示のInAlAs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5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、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の層厚は2倍以上となる。
On the other hand, in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer disclosed herein, as discovered by the inventors, the dead space is large, and as shown in FIG. 5, as the multiplication layer is made thinner, the ionization rate ratio k starts to decrease to 0.1 or less at a layer thickness of 170 nm. Here, the ionization rate ratio k is determined from the measured value of the multiplication noise, and is the minimum value of the ionization rate ratio in the range of
図5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InAlAs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。 As shown in the graph in Figure 5, in an APD with a pn junction diameter of 20 μm, if the thickness of the multiplication layer at which the tunnel current becomes 1 μA is limited to 40 nm, the optimal thickness range for an InAlAs digital alloy structure multiplication layer is 40 nm to 170 nm, and layer thicknesses within this range can be fabricated with sufficient reproducibility.
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InAlAs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2倍程度と考えられるため、図3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InAlAs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。 The thickness of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer at which the dead space effect is sufficient to reduce the ionization rate ratio k is considered to be approximately twice the dead space length when the reciprocal of the applied electric field is 1.47 x 10-6 cm/V. Considering that the dead space length is 85 nm as shown in Figure 3, therefore, 170 nm, which is twice the dead space length, is a suitable upper limit for the thickness of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer.
また、InAlAs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5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。 Furthermore, in order to control the ionization rate ratio k in an InAlAs digital alloy structure multiplication layer to 0.05 or less, the graph in Figure 5 shows that the thickness of the multiplication layer is preferably 150 nm or less. Furthermore, in order to achieve a tunnel current of 1 μA or less and an ionization rate ratio k of approximately zero, the optimal thickness of the multiplication layer is in the range of 60 nm to 130 nm. If a margin of 10 nm is allowed when fabricating an APD, the thickness of the multiplication layer is preferably set in the range of 70 nm to 120 nm.
また、デッドスペースの長さとしては、図3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長の比率は、29%以上100%未満が好適である。さらに、本開示のDA-APDで増倍層の層厚が120nmである一例を作製したところ、増倍層の層厚に対するデッドスペース長の比率として、42%(=50nm/120nm)から75%(=90nm/120nm)が実験的に確かめられた最適な範囲である。 In addition, as shown in FIG. 3, the length of the dead space is preferably 50 nm to 90 nm. The ratio of the length of the dead space to the thickness of the multiplication layer is preferably 29% or more, which is the minimum dead space length of 50 nm divided by the maximum multiplication layer thickness of 170 nm. As the ratio increases, the ionization rate ratio k becomes smaller, but it cannot exceed 100%. This is because multiplication does not occur when the ionization rate ratio k exceeds 100%. Therefore, the ratio of the dead space length to the thickness of the multiplication layer is preferably 29% or more and less than 100%. Furthermore, when an example of the DA-APD disclosed herein with a multiplication layer thickness of 120 nm was produced, the optimal range of the ratio of the dead space length to the multiplication layer thickness experimentally confirmed to be 42% (= 50 nm/120 nm) to 75% (= 90 nm/120 nm).
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InAlAs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。
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(4)及び式(5)で表される。なお、式(4)がデッドスペース長の差の条件を表し、式(5)がトンネル電流の条件を表している。
Dhe=Dh―De>0 (4)
Dh>Tmin (5)
The inventors have considered the reason why the ionization rate ratio k=0 could not be achieved with a conventional InAlAs random alloy structure multiplication layer, but the ionization rate ratio k=0 could be achieved with the InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the present disclosure.
If the dead space length of electrons is De and the dead space length of holes is Dh, the conditions for achieving an ionization rate ratio k = 0 are expressed by the following formulas (4) and (5). Note that formula (4) represents the condition for the difference in the dead space lengths, and formula (5) represents the condition for the tunnel current.
Dhe=Dh-De>0 (4)
Dh>Tmin (5)
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4C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(5)のように設定されている。 Here, Dhe is the difference in the dead space length between holes and electrons. Tmin is the minimum thickness of the multiplication layer at which the tunnel current becomes small enough that it does not affect noise, and the thicker the multiplication layer, the more the tunnel current decreases. As shown in Figure 4C, when the thickness of the multiplication layer becomes equal to or smaller than the dead space length of holes, holes are no longer multiplied and the ionization rate ratio k = 0, so the condition for the difference in dead space length is set as shown in formula (5) above.
InAlAsランダムアロイ構造増倍層の場合は、図3及び図5から、増倍層を薄くしていくとイオン化率比kが低下し始める値はDe~40nm、Dh~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。 In the case of an InAlAs random alloy structure multiplication layer, as can be seen from Figures 3 and 5, the value at which the ionization rate ratio k begins to decrease as the multiplication layer is made thinner is De ~ 40 nm, and Dh ~ 80 nm. When the pn junction diameter is 20 μm in diameter and the tunnel current is 100 nA or less, the minimum layer thickness Tmin = 90 nm, so the InAlAs random alloy structure does not satisfy the tunnel current conditions, and it is therefore impossible to achieve an ionization rate ratio k = 0.
一方、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の場合は、増倍層を薄くしていくとイオン化率比kが低下し始める値はDe~80nm、Dh~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、InAlAs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。 On the other hand, in the case of an InAlAs digital alloy structure multiplication layer, the ionization rate ratio k starts to decrease when the multiplication layer is made thinner at values De ~ 80 nm and Dh ~ 170 nm, and when the pn junction diameter is 20 μm in diameter and the tunnel current is 100 nA or less, the minimum layer thickness Tmin = 90 nm, so there is a multiplication layer thickness that satisfies the condition of ionization rate ratio k = 0. Note that the minimum layer thickness Tmin is the same for the InAlAs digital alloy structure multiplication layer and the InAlAs random alloy structure multiplication layer because the band gap of both is the same.
具体的には、ランダムアロイ構造の場合は、Deは40nm程度、Dhは80nm程度である。これに対してデジタルアロイ構造の場合は、Deは80nm程度、Dhは170nm程度であることを発明者らは見出した。 Specifically, in the case of a random alloy structure, De is about 40 nm and Dh is about 80 nm. In contrast, the inventors found that in the case of a digital alloy structure, De is about 80 nm and Dh is about 170 nm.
InAlAs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InAlAs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。 In the InAlAs digital alloy structure multiplication layer, the difference in lattice constant between the InAs (lattice constant = 0.606 nm) and AlAs (lattice constant = 0.566 nm) that make up the superlattice is very large at 6.55%. For this reason, dopants in the electric field relaxation layer, that is, impurities, may diffuse into the InAlAs digital alloy structure multiplication layer during the manufacturing process, causing disorder within the multiplication layer.
図6Aから図6Dは、増倍層及び電界緩和層におけるイオン化率を表す図であり、図6AはInAlAsランダムアロイ構造増倍層の場合、図6BはInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の場合、図6Cは部分的に無秩序化したInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の場合、図6Dは層厚の厚い電界緩和層とInAlAs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図である。図6Aに示すInAlAsランダムアロイ構造増倍層に比べて、図6Bに示すInAlAs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InAlAsデジタルアロイ構造増倍層では、図6Cに示すように、デッドスペース長が短くなってしまう。 Figures 6A to 6D show the ionization rates in the multiplication layer and the electric field relaxation layer. Figure 6A shows the ionization rate in the case of an InAlAs random alloy structure multiplication layer, Figure 6B shows the ionization rate in the case of an InAlAs digital alloy structure multiplication layer, Figure 6C shows the ionization rate in the case of a partially disordered InAlAs digital alloy structure multiplication layer, and Figure 6D shows the ionization rate in the case of a combination of a thick electric field relaxation layer and an InAlAs digital alloy structure multiplication layer. Compared to the InAlAs random alloy structure multiplication layer shown in Figure 6A, the dead space length of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer shown in Figure 6B is longer, but due to dopant diffusion from the electric field relaxation layer, the dead space length is shorter in the partially disordered InAlAs digital alloy structure multiplication layer, as shown in Figure 6C.
InAlAs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(6)で表させる。
dN/dt=D(d2N/d2x)-F (6)
In order to avoid the influence of disorder in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer, the selection of the material and dopant of the electric field relaxation layer and the doping concentration are important. The impurity diffusion equation is expressed by the following equation (6).
dN/dt=D(d 2 N/d 2 x)-F (6)
式(6)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、InAlAs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InAlAs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、InAlAs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(6)のFに相当する。 In formula (6), N is the impurity concentration, t is time, D is the diffusion constant, x is position, and F is the external force acting on the diffusion. Examples of materials for the electric field buffer layer include InP, InAlAs random alloy structure, and InAlAs digital alloy structure. Examples of p-type dopants for the electric field buffer layer include Be and Zn. Considering the p-type dopant, a combination of a Be-doped p-type InP electric field buffer layer and an InAlAs digital alloy structure multiplication layer is preferable. This is because Be has a small diffusion constant D and also forms a potential barrier with the InAlAs digital alloy structure multiplication layer. The potential barrier corresponds to F in formula (6).
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。 In order to prevent the variation in the amount of electric field relaxation, that is, the product of the layer thickness and the carrier concentration, from increasing when the thickness of the electric field relaxation layer varies, the carrier concentration of the electric field relaxation layer is preferably 2× 10 18 cm -3 or less . When InAlAs is used as the constituent material of the electric field relaxation layer, Zn doping is optimal, and the carrier concentration is optimally 2×10 18 cm -3 or less. Note that if the impurity concentration is higher than 2×10 18 cm -3 , the amount of inactive impurities increases and diffusion is likely to occur, so the carrier concentration must be 5×10 18 cm -3 or less.
電界緩和量ΔEは、以下の式(7)で表される。
ΔE=W・q・N/ε (7)
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。ここで、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。
The electric field relaxation amount ΔE is expressed by the following formula (7).
ΔE=W・q・N/ε (7)
When the electric field relaxation amount ΔE is constant, if the carrier concentration of the electric field relaxation layer is increased, the thickness of the electric field relaxation layer must be reduced in inverse proportion to the carrier concentration, where W is the layer thickness of the electric field relaxation layer, q is the elementary charge, N is the carrier concentration of the electric field relaxation layer, and ε is the dielectric constant.
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。 When the carrier concentration N of the electric field relaxation layer is about 5×10 18 cm -3 , the thickness of the electric field relaxation layer is about 10 nm. In order to prevent the shortening of the dead space length due to impurity diffusion into the multiplication layer, the carrier concentration of the electric field relaxation layer is controlled to be 5×10 18 cm -3 or less. In addition, the electric field relaxation layer needs to have a thickness of 10 nm or more.
一方、図6D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3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、InAlAs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、デジタルアロイ電界緩和層の層厚は130nm以下とすることが必要である。 On the other hand, as shown in Figure 6D, when the electric field buffer layer becomes thicker than 1.5 times the dead space length of the electric field buffer layer, multiplication occurs in the electric field buffer layer. As shown in Figure 3, in the random alloy structure, the dead space length is 45 nm or less, so the layer thickness of the random alloy electric field buffer layer needs to be 70 nm or less. On the other hand, in the InAlAs digital alloy structure, the dead space length is 85 nm or less, so the layer thickness of the digital alloy electric field buffer layer needs to be 130 nm or less.
なお、図6Aから図6Dに示す各デッドスペース長は、デッドスペース(図6A)<デッドスペース(図6D)<デッドスペース(図6C)<デッドスペース(図6B)、の関係となる。 Note that the length of each dead space shown in Figures 6A to 6D has the following relationship: dead space (Figure 6A) < dead space (Figure 6D) < dead space (Figure 6C) < dead space (Figure 6B).
<実施の形態1に係る半導体受光素子の効果について>
まず、実施の形態1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(8)で表される。
fc=1/((1/frc)2+(1/ftr)2+(1/fm)2)0.5 (8)
<Effects of the semiconductor light receiving element according to the first embodiment>
First, a first effect of the semiconductor light receiving element according to the first embodiment will be quantitatively described below.
The 3 dB bandwidth fc of a conventional APD is expressed by the following equation (8), where the bandwidth limit due to the RC time constant is frc, the bandwidth limited by the carrier transit time is ftr, and the bandwidth limit due to the multiplication time is fm.
fc=1/((1/frc) 2 +(1/ftr) 2 +(1/fm) 2 ) 0.5 (8)
一方、実施の形態1に係るInAlAs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(1)、式(2)、及び式(3)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(9)で表すことが可能である。
fc=1/((1/frc)2+(1/ftr)2)0.5 (9)
式(9)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。
On the other hand, the 3 dB bandwidth f c of the APD having the InAlAs digital alloy structure multiplication layer according to the first embodiment is limited only by the RC time constant and the carrier transit time according to equations (1), (2), and (3) because the ionization rate ratio k is close to zero, and therefore can be expressed by the following equation (9).
fc=1/((1/frc) 2 +(1/ftr) 2 ) 0.5 (9)
In formula (9), the transit time ftr of a carrier includes the transit time through the light absorption layer plus the transit time through the multiplication layer.
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(9)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(9)は、以下の式(10)で表される。
fc=ftr/√2 (10)
また、走行時間で決定される3dB帯域ftrは、以下の式(11)で表される。
ftr=3.5Vav/(2πWt) (11)
Since the RC time constant is inversely proportional to the sum of the thickness of the light absorbing layer and the thickness of the multiplication layer, while the transit time is directly proportional, Equation (9) has a maximum value. That is, the maximum bandwidth occurs when frc=ftr. Substituting frc=ftr, Equation (9) is expressed as the following Equation (10).
fc=ftr/√2 (10)
Moreover, the 3 dB bandwidth ftr determined by the transit time is expressed by the following equation (11).
ftr=3.5Vav/(2πWt) (11)
式(11)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。 In formula (11), Vav is the average saturation transit velocity of electrons and holes, and Wt is the total thickness of the light absorption layer and the multiplication layer. For example, in the case of InGaAs, Vav is 5.35×10 6 cm/s. If the thickness of the multiplication layer is 100 nm and the thickness of the light absorption layer is 400 nm, then Wt=500 nm.
Vav=5.35×106cm/s、及びWt=500nmを式(11)に代入すると、ftr=59.6GHzとなる。さらに、式(10)に代入すると、実施の形態1に係るInAlAs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に係るInAlAsデジタルアロイ構造増倍層3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、本開示に係るInAlAs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。
Substituting Vav=5.35×10 6 cm/s and Wt=500 nm into formula (11) gives ftr=59.6 GHz. Substituting this into formula (10) gives the 3 dB bandwidth of the APD having the InAlAs digital alloy multiplication layer according to the first embodiment at 42.2 GHz. Therefore, it is clear from the above considerations that the APD having the InAlAs digital
図7は、比較例である50G-PONシステムの光回線終端装置(OLT)250を表す構成図である。比較例である光回線終端装置250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。
Figure 7 is a configuration diagram showing an optical line terminal (OLT) 250 of a 50G-PON system as a comparative example. The
図8は、実施の形態1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と、ドライバーアンプ262と、光源263と、WDM264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。
FIG. 8 is a configuration diagram showing an optical line terminal (OLT) 260 of a 50G-PON system according to the first embodiment. The
図9は、実施の形態1に係る50G-PONシステムの光回線終端装置(ONU)270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。
FIG. 9 is a configuration diagram showing an optical line terminal (ONU) 270 of a 50G-PON system according to the first embodiment. The
図7に示す比較例である50G-PONシステムの光回線終端装置(OLT)250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。この結果、図8に示す光回線終端装置260及び図9に示す光回線終端装置270の各構成中のDSPが省略できるため、消費電力の低減及びコスト低減が可能となる。
As shown in the optical line terminal (OLT) 250 of the 50G-PON system in the comparative example shown in FIG. 7, the comparative 50G-PON system required digital bandwidth compensation, i.e., a
次に、実施の形態1に係る半導体受光素子の第2の効果を説明する。
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(12)で表される。
SN比=Iph2・M2/(2q(Iph+Id)M2・F・B
+4Kb・T・Ft・B/Rt) (12)
Next, a second effect of the semiconductor light receiving element according to the first embodiment will be described.
In order to increase the number of branches in a PON system and eliminate the need for an SOA, it is necessary to improve the signal-to-noise ratio of the receiver and increase the receiving sensitivity. For example, if an optical demultiplexer is added to increase the number of branches from the current level, the amount of light will be halved, so the signal-to-noise ratio must be improved by at least 3 dB. The signal-to-noise ratio of a receiver using an APD is expressed by the following equation (12).
SN ratio=Iph 2・M 2 /(2q(Iph+Id)M 2・F・B
+4Kb・T・Ft・B/Rt) (12)
式(12)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。 In equation (12), Iph is the photocurrent of the APD, M is the multiplication factor, q is the unit charge, Id is the dark current to be multiplied, F is the excess noise factor of the APD, B is the bandwidth, Kb is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, Ft is the noise figure of the amplifier, and Rt is the input resistance. The term on the left of the denominator represents the shot noise of the APD, and the term on the right of the denominator represents the thermal noise of the amplifier.
式(12)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(13)で表わされる。
SN比=Iph/(4q・F・B) (13)
In order to simplify equation (12), it is assumed that Id is sufficiently smaller than Iph, and that the APD shot noise term and the amplifier thermal noise term are equal when the multiplication factor is set to maximize the SNR. If the amplifier thermal noise term is replaced with the APD shot noise term, the SNR can be expressed by the following equation (13).
SN ratio = Iph/(4q・F・B) (13)
また、過剰雑音係数Fは、以下の式(14)で与えられる。
F=M(1-(1-k)・((M-1)2/M2))) (14)
Moreover, the excess noise factor F is given by the following equation (14).
F=M(1-(1-k)・((M-1) 2 /M 2 ))) (14)
従来のInAlAsランダムアロイ構造増倍層の場合は、上述のようにトンネル電流の影響により、デッドスペース効果が発現するまでの薄層化(~70nm)が困難であるため、APDへの適用例は無い。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。 In the case of conventional InAlAs random alloy structure multiplication layers, as mentioned above, it is difficult to thin the layer (up to 70 nm) to the point where the dead space effect appears due to the influence of tunnel current, so there are no examples of application to APDs. For this reason, the system is designed with the ionization rate ratio k for an unthinned InAlAs multiplication layer set to 0.2. When the ionization rate ratio k = 0.2 and the multiplication factor is 12 times, the excess noise factor F = 3.9.
一方、実施の形態1に係る50G-PONシステムでは、InAlAs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InAlAs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。 On the other hand, in the 50G-PON system according to the first embodiment, an APD with an InAlAs digital alloy structure as a multiplication layer, that is, the DA-APD of the present disclosure, is applied as a semiconductor light receiving element. In the case of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the present disclosure, the dead space effect works even with a layer thickness of 100 nm or more, so it can be applied to APDs. In this case, the ionization rate ratio k = 0, and when the multiplication factor is 12 times, the excess noise factor F = 1.9. Therefore, the excess noise is about half that of a conventional APD. As a result, the signal-to-noise ratio is improved by 3 dB when the DA-APD of the present disclosure is applied.
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。 In general, in a 50G-PON system, inserting one stage of a 2-way splitter to increase the number of branches increases the loss by 3 dB. Therefore, by applying the DA-APD disclosed herein as a semiconductor light receiving element, it becomes possible to insert one more stage of splitter into a 50G-PON system.
図10は比較例である50G-PONシステム280及びOLT/ONUの構成を表す図である。50G-PONシステム280のOLTは、FEC251と、ドライバーアンプ252と、光源253と、WDM254と、DSP255と、ADC256と、バーストTIA257と、従来のAPD258と、を備える。50G-PONシステム280のONUは、FEC251と、ドライバーアンプ252と、光源253と、WDM254と、DSP255と、ADC256と、TIA257aと、従来のAPD258と、を備える。
FIG. 10 shows the configuration of a 50G-
図11は実施の形態1に係る50G-PONシステム282及びOLT/ONUの構成を表す図である。50G-PONシステム282のOLT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。50G-PONシステム282のOLT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。
FIG. 11 is a diagram showing the configuration of a 50G-
図10に示す比較例である50G-PONシステム280の32分岐という分岐数が、本開示のDA-APDを適用することにより、図11に示す実施の形態1に係る50G-PONシステム282のように、64分岐へと分岐数が2倍となるので、画期的な改善を図ることが可能となる。さらに、50G-PONシステム282以外のPONシステムにおいても分岐数を2倍にすることが可能となるため、送信器のレーザの駆動電流の低減も可能となる。
By applying the DA-APD of the present disclosure, the number of branches, which is 32 in the 50G-
図12は実施の形態1に係る50G-PONシステム284及びOLT/ONUの構成を表す図である。50G-PONシステム284のOLT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、バーストTIA276と、制限アンプ277と、CDR278と、を備える。50G-PONシステム284のONU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、TIA276aと、制限アンプ277と、CDR278と、を備える。
FIG. 12 shows the configuration of a 50G-
比較例である50G-PONシステム280では、感度不足を補うため、光回線終端装置であるONU及びOLTにSOAを用いることも検討されているが、図12に示す実施の形態1に係る50G-PONシステム284のように、SOAを用いなくともONUとOLTを構成することが可能となる。
In the comparative example 50G-
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DA-APDはInAlAsデジタルアロイ構造増倍層を有し、増倍層の層厚を所定の範囲内に制御してイオン化率比kをゼロとすることで、式(1)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広帯域が可能となり、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。
The effects of the semiconductor light receiving element according to the present disclosure will be further described.
The DA-APD of the present disclosure has an InAlAs digital alloy structure multiplication layer, and by controlling the thickness of the multiplication layer within a predetermined range to make the ionization rate ratio k zero, the multiplication time in formula (1) becomes almost zero. As a result, the response band of the APD does not deteriorate even if the multiplication factor is increased. In other words, in the DA-APD of the present disclosure, the band is limited only by the RC time constant and the carrier travel time, as in the conventional PD. Therefore, the wide band required for the 50G-PON system is possible, and reception is possible without digital band compensation by a DSP.
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。その結果、PONシステムの低コストと省電力化が実現できる。 In addition, when the ionization rate ratio k approaches zero, excess noise that deteriorates reception sensitivity is suppressed, making it unnecessary to amplify the optical signal using an SOA. Furthermore, even in PON systems other than 50G-PON systems, it becomes possible to achieve more branching than before. As a result, it is possible to achieve low cost and power saving for PON systems.
<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、層厚が所定の範囲内に制御されたデジタルアロイ構造増倍層を有しているので、信頼性が高く、かつ広帯域及び低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of First Embodiment>
As described above, the semiconductor photodetector according to the first embodiment has a digital alloy structure multiplication layer whose layer thickness is controlled within a predetermined range, and thus has the effect of providing a semiconductor photodetector that is highly reliable and has excellent broadband and low noise characteristics.
実施の形態2.
図13は、実施の形態2に係る半導体受光素子120の一例である表面入射型APDの素子構造を表す断面図である。また、図14は、実施の形態2に係る半導体受光素子130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。
Fig. 13 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor
<実施の形態2に係る半導体受光素子の素子構造>
実施の形態2に係る半導体受光素子120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InAlAs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InAlAs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でありキャリア濃度が5×1017cm-3以下であるn型InP窓層11と、n型InP窓層11の中に設けられたp型拡散領域15と、p型拡散領域15上に設けられたp型InGaAsコンタクト層8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8上に形成されたp型電極32と、で構成される。なお、n型InAlAsバッファ層2は、n型半導体層とも呼ぶ。
<Element structure of semiconductor light receiving element according to the second embodiment>
The semiconductor light receiving element 120 according to the second embodiment includes an n-type InP substrate 1, an n-type InAlAs buffer layer 2 having a carrier concentration of 1 to 5×10 18 cm −3 and a thickness of 0.1 to 1.0 μm, which are successively formed on the n-type InP substrate 1, an InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 in which an i-type AlAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) and an i-type InAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) are alternately laminated multiple times, a p-type InP electric field relaxation layer 4 having a carrier concentration of 0.1 to 50×10 17 cm −3 and a layer thickness of 10 to 70 nm, an i-type InGaAs light absorption layer 5 having a layer thickness of 0.1 to 2.0 μm, an i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 6, a layer thickness of 0.1 to 3.0 μm and a carrier concentration of 5×10 The n-type InAlAs buffer layer 2 is composed of an n-type InP window layer 11 having a density of 17 cm -3 or less, a p-type diffusion region 15 provided in the n-type InP window layer 11, a p-type InGaAs contact layer 8 provided on the p-type diffusion region 15, an n-type electrode 31 formed on the back surface side of the n-type InP substrate 1, and a p-type electrode 32 formed on the p-type InGaAs contact layer 8. The n-type
図14に示される実施の形態2に係る半導体受光素子130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n型InP導電層2aと、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InAlAs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InAlAs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でありキャリア濃度が5×1017cm-3以下であるn型InP窓層11と、n型InP窓層11の中に設けられたp型拡散領域15と、p型拡散領域15上に設けられたp型InGaAsコンタクト層8と、n型InP導電層2aの表面側に形成されたn型電極31aと、p型InGaAsコンタクト層8上に形成されたp型電極32と、で構成される。なお、n型InP導電層2aは、n型InGaAsで構成しても良い。また、n型InAlAsバッファ層2及びn型InP導電層2aは、n型半導体層とも呼ぶ。
The semiconductor light receiving element 130 according to the second embodiment shown in FIG. 14 comprises an Fe-doped semi-insulating InP substrate 1a, an n-type InP conductive layer 2a successively formed on the Fe-doped semi-insulating InP substrate 1a , an n-type InAlAs buffer layer 2 having a carrier concentration of 1 to 5× 10 cm and a layer thickness of 0.1 to 1.0 μm, an InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 in which an i-type AlAs layer (e.g., a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) and an i-type InAs layer (e.g., a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm ) are alternately laminated multiple times, and The n-type InP conductive layer 2a is made of a p-type InP electric field relaxation layer 4 having a thickness of 10 to 70 nm, an i-type InGaAs light absorption layer 5 having a thickness of 0.1 to 2.0 μm, an i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 6, an n-type InP window layer 11 having a thickness of 0.1 to 3.0 μm and a carrier concentration of 5×10 17 cm −3 or less, a p-type diffusion region 15 provided in the n-type InP window layer 11, a p-type InGaAs contact layer 8 provided on the p-type diffusion region 15, an n-type electrode 31a formed on the front side of the n-type InP conductive layer 2a, and a p-type electrode 32 formed on the p-type InGaAs contact layer 8. The n-type InP
実施の形態2に係る半導体受光素子120及び130と、実施の形態1に係る半導体受光素子100及び110が異なる点は、n型InP窓層11を構成するn型InPがアンドープ(i型)または低キャリア濃度である点、及びn型InP窓層11の中にp型拡散領域15を設けている点である。半導体受光素子120及び130のn型InP窓層11の層厚は0.1μm以上3μm以下であり、キャリア濃度は5×1017cm-3以下である。また、n型InP窓層11は、InPの代りにInAlAs、またはInP及びInAlAsの積層構造を用いても良い。
The
p型拡散領域15は、Znなどのp型ドーパントを固相または気相で部分的に選択拡散して形成されている。p型拡散領域15のキャリア濃度は5×1017cm-3以上である。p型拡散領域15の先端は、n型InP窓層11の途中までの深さ、i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6に到達する深さ、またはi型InGaAs光吸収層5に到達する深さにそれぞれ位置しても良い。なお、図13及び図14に示す素子構造では、p型拡散領域15はi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層6に到達する深さを有している。p型拡散領域15上にp型InGaAsコンタクト層8を設けている。
The p-
図13に示す半導体受光素子120の一例である表面入射型APDでは裏面側にn型電極31を設けている。一方、図14に示す半導体受光素子130の一例である表面入射型APDでは、表面側にn型電極31aを設けている。つまり、半導体受光素子130ではFeドープ半絶縁性InP基板1a上にn型InP導電層2aを設けて、結晶成長後、n型InP導電層2aの上側の各半導体層を部分的に除去した後に、n型InP導電層2a上にn型電極31aを形成している。半導体受光素子130では、Feドープ半絶縁性InP基板1aの代りに、p型InP基板またはn型InP基板を用いても良い。
In the front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor light-receiving
<実施の形態2に係る半導体受光素子の作用>
図1に示す実施の形態1に係る半導体受光素子100の一例である表面入射型APDのようなメサ型構造では、電界が印加される増倍層の側面部は外部に露出しているため劣化しやすい。特に、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3を増倍層とする場合は、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の各層に高歪がかかっているため、露出部分から内部側へ向かって転位欠陥及び無秩序化が発生しやすく、この結果、デッドスペース長が短くなるという不具合が発生するおそれがある。
<Function of the semiconductor light receiving element according to the second embodiment>
In a mesa structure such as a front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor light-receiving
さらに、実施の形態1に係る半導体受光素子100及び110のように、InAlAsデジタルアロイ構造を薄層化した増倍層の場合は、従来のInAlAsランダムアロイ構造と比較して電界が数10%高くなるため側面部の影響により、半導体受光素子としての寿命が短くなるおそれがある。
Furthermore, in the case of a multiplication layer in which an InAlAs digital alloy structure is thinned, as in the semiconductor
一方、図13に示す半導体受光素子120のようにp型拡散領域15を設ける場合は、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3において電界が印加される部分、つまりp型拡散領域15の直下の部分が結晶層の外部に露出していないため、各層が高歪となっているInAlAsデジタルアロイ構造増倍層3において、デッドスペース長の劣化が防止できるという効果を奏する。
On the other hand, when a p-
しかしながら、図13に示す半導体受光素子120のように熱拡散によりp型拡散領域15を形成する場合は、拡散工程において熱処理温度が400℃以上の高温に達するため、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3において無秩序化が発生しやすい。また、n型InP窓層11にZnを拡散すると、拡散速度の早い成分及びZn拡散によって生じる空孔がInAlAsデジタルアロイ構造増倍層3に到達して無秩序化が発生する。特に、p型InP電界緩和層4のp型ドーパントと相互拡散が生じた場合は、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の無秩序化が促進されてしまうおそれがある。
However, when the p-
そこで、実施の形態2に係る半導体受光素子120、130では、p型InP電界緩和層4にBeドープのp型InPを用いることにより、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3へのBeの拡散を抑制して、相互拡散によるZn及び空孔のInAlAsデジタルアロイ構造増倍層3への侵入を防止することにより、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の無秩序化を防止できるという効果を奏する。
In the semiconductor
したがって、実施の形態2に係る半導体受光素子120、130では、p型拡散領域15を形成する際の拡散工程においてZnを拡散するために高温の熱処理を実施しても、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の無秩序化を防止できるので、例えば図6Cに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図6Bに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、実施の形態2に係る半導体受光素子120、130では、p型拡散領域15の形成のためにZn拡散を実施しているにも関わらず、イオン化率比kをほぼゼロに保つことが可能となる。
Therefore, in the semiconductor
<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、素子構造形成の際にp型拡散領域を形成するためにZn拡散を実施するにも関わらずInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、イオン化率比kをほぼゼロを保持することが可能となるため、信頼性が高く、かつ広帯域及び低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Second Embodiment>
As described above, according to the semiconductor light-receiving element of the second embodiment, even though Zn diffusion is performed to form a p-type diffusion region during the formation of the element structure, disordering of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer can be prevented, and the ionization rate ratio k can be maintained at approximately zero, thereby providing an effect of providing a semiconductor light-receiving element that is highly reliable and has excellent wideband and low-noise characteristics.
実施の形態3.
図15は、実施の形態3に係る半導体受光素子140の一例である表面入射型APDの素子構造を表す断面図である。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving
<実施の形態3に係る半導体受光素子の素子構造>
実施の形態3に係る半導体受光素子140の一例である表面入射型APDは、実施の形態2に係る半導体受光素子120の一例である表面入射型APDの素子構造に、さらに、n型InP窓層11の中に形成したp型拡散領域15の外周部分に沿って分離溝17を設けている点に特徴がある。
<Element structure of semiconductor light receiving element according to the third embodiment>
The front-illuminated APD, which is an example of the
分離溝17の深さは、2μm以上5μm以下の範囲内が好適である。また、分離溝17の開口幅は、0.5μm以上100μm以下の範囲内が好適である。分離溝17の底部は、少なくともInAlAsデジタルアロイ構造増倍層3にまで到達している。なお、図15では、分離溝17の底部がn型InAlAsバッファ層2の途中にまで到達している一例を示している。分離溝17の形成方法としては、ドライエッチング及びウエットエッチングのいずれでも良い。しかしながら、深さ制御に優れたドライエッチングの後に、ドライエッチングによって発生したダメージ層を除去するためにウエットエッチングを追加する方法が好適である。
The depth of the
分離溝17の内部及びn型InP窓層11の表面は、SiNまたはSiO2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜18によって保護されている。表面保護膜18は、受光部の無反射コーティングも兼ねている。表面保護膜18の膜厚として、50nm以上5000nm以下の範囲内が好適である。また、表面保護膜18は、ベンゾシクロブテン(Benzocyclobutene:BCB)などの有機膜であっても良い。
The inside of the
<実施の形態3に係る半導体受光素子の作用>
InAlAsデジタルアロイ構造を増倍層とする場合は、InAlAsデジタルアロイ構造の各層に高歪がかかっているため、外部から応力が加わるとInAlAsデジタルアロイ構造の無秩序化が発生しやすい。そこで、実施の形態3に係る半導体受光素子140のように、p型拡散領域15の外周部分に沿って分離溝17を設けることで、製造工程の過程でのウエハ全体におよぶ応力が緩和できる。また、個々の半導体受光素子140の状態になっても、分離溝17の存在によって応力が緩和されるため、半導体受光素子140の中央の受光部での応力集中が緩和できる。さらに、分離溝17ではInAlAsデジタルアロイ構造増倍層3が露出するため、上述の表面保護膜18が分離溝17の表面を覆っていることが望ましい。なお、分離溝17には高電界が印加されないため、劣化の起点とはならない。
<Function of the semiconductor light receiving element according to the third embodiment>
When the InAlAs digital alloy structure is used as the multiplication layer, each layer of the InAlAs digital alloy structure is highly strained, so that the InAlAs digital alloy structure is easily disordered when stress is applied from the outside. Therefore, as in the semiconductor
上述のように、実施の形態3の半導体受光素子140では、p型拡散領域15を形成する際の拡散工程においてZnを拡散するために高温の熱処理を実施しても、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の無秩序化を防止できるので、例えば図6Cに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図6Bに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、製造工程においてZn拡散を実施するにも関わらず、イオン化率比kをほぼゼロに保つことが可能となる。
As described above, in the semiconductor
さらに、半導体受光素子140の動作時も分離溝17によって応力が緩和されているため、半導体受光素子140を長期間使用しても無秩序化が発生しない。つまり、実施の形態3の半導体受光素子140では、長期間にわたって広帯域及び低雑音を保持することが可能となるという高信頼性を実現できる。
Furthermore, because the stress is relieved by the
<実施の形態3の効果>
以上、実施の形態3に係る半導体受光素子によると、素子構造形成の際にp型拡散領域15を形成するためZn拡散を実施するにも関わらずInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、イオン化率比kをほぼゼロに保持することが可能となるとともに、分離溝の存在によって応力を緩和できるため、信頼性が高く、かつ広帯域及び低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of Third Embodiment>
As described above, according to the semiconductor light-receiving element of the third embodiment, even though Zn diffusion is performed to form the p-
実施の形態4.
図16は、実施の形態4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。
FIG. 16 is a cross-sectional view showing the element structure of a back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving
<実施の形態4に係る半導体受光素子の素子構造>
実施の形態3に係る半導体受光素子140の一例である表面入射型APDが表面側から光を受光するのに対して、実施の形態4に係る半導体受光素子150の一例である裏面入射型APDは、裏面側のn型電極31bの一部を除去して開口部33を設け、開口部33に露出したn型InP基板1に光を入射する素子構造を有する点に特徴がある。つまり、p型電極32と相対するn型InP基板1の裏面に、入射光90の入射領域である開口部33が設けられている。
<Element structure of semiconductor light receiving element according to the fourth embodiment>
While the front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor light-receiving
実施の形態4に係る半導体受光素子150の一例である裏面入射型APDは、実施の形態3に係る半導体受光素子140と同様、p型拡散領域15を形成する際の拡散工程においてZnを拡散するために高温の熱処理を実施しても、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の無秩序化を防止できるので、例えば図6Cに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図6Bに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。
The back-illuminated APD, which is an example of the semiconductor
また、半導体受光素子150のような裏面入射型APDの方が、半導体受光素子120のような表面入射型APDよりもp型拡散領域15の面積を小さく形成できるため、p型拡散時に発生する応力をさらに小さくすることが可能となるので、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の無秩序化のさらなる防止が図られる。この結果、素子構造形成の際にZn拡散を実施するにも関わらずInAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の無秩序化を防止できるので、イオン化率比kをほぼゼロに保持することが可能となるとともに、応力をさらに小さくできるため、信頼性が高く、かつ広帯域及び低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
Furthermore, since the area of the p-
<実施の形態4の効果>
以上、実施の形態4に係る半導体受光素子によると、素子構造を裏面入射型APDとしたため、表面入射型APDよりもp型拡散領域の面積を小さく形成できるので、イオン化率比kをほぼゼロに保持することが可能となるとともに、応力をさらに緩和できるため、信頼性が高く、かつ広帯域及び低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Fourth Embodiment>
As described above, according to the semiconductor light-receiving element of the fourth embodiment, the element structure is a back-illuminated APD, and therefore the area of the p-type diffusion region can be made smaller than that of a front-illuminated APD. This makes it possible to maintain the ionization rate ratio k at approximately zero, and further reduces stress, thereby providing an advantageous effect of providing a semiconductor light-receiving element that is highly reliable and has excellent broadband and low-noise characteristics.
実施の形態5.
図17は、実施の形態5に係る半導体受光素子160の一例である表面入射型APDの素子構造を表す断面図である。また、図18は、実施の形態5に係る半導体受光素子170の一例である表面入射型APDの他の素子構造を表す断面図である。
Fig. 17 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor
<実施の形態5に係る半導体受光素子の素子構造>
実施の形態5に係る半導体受光素子160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InAlAs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InAlAs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n型InP窓層11と、p型InAlAs導電層25と、p型InGaAsコンタクト層8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8上に形成されたp型電極32と、で構成される。なお、n型InAlAsバッファ層2は、n型半導体層とも呼ぶ。
<Element structure of semiconductor light receiving element according to the fifth embodiment>
The semiconductor light receiving element 160 according to the fifth embodiment comprises an n-type InP substrate 1, an n-type InAlAs buffer layer 2 having a carrier concentration of 1 to 5× 10 cm and a thickness of 0.1 to 1.0 μm, which are successively formed on the n-type InP substrate 1, an InAlAs digital alloy structure multiplication layer 3 in which an i-type AlAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) and an i-type InAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm ) are alternately laminated multiple times, and The n-type InP substrate 1 is made up of a p-type InP electric field relaxation layer 4 having a thickness of 10 to 70 nm and a thickness of 300 nm, an i-type InGaAs light absorption layer 5 having a thickness of 0.1 to 2.0 μm, an i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 6, an n-type InP window layer 11 having a thickness of 0.1 to 3.0 μm, a p-type InAlAs conductive layer 25, a p-type InGaAs contact layer 8, an n-type electrode 31 formed on the back surface side of the n-type InP substrate 1, and a p-type electrode 32 formed on the p-type InGaAs contact layer 8. The n-type
実施の形態5に係る半導体受光素子160が実施の形態1に係る半導体受光素子100と異なる点は、半導体受光素子160ではn型InP窓層11の上に形成されたp型InAlAs導電層25をメサ型に形成し、p型InAlAs導電層25上にp型InGaAsコンタクト層8及びp型電極32を設けた点にある。n型InP窓層11は50nm以上の層厚があれば良いが、キャリアの走行時間を長くしないためには200nm以下の層厚が望ましい。また、n型InP窓層11の導電型は、n型の代りにアンドープでも良い。n型の場合のキャリア濃度は、5.0×1017cm-3以下が望ましい。
The semiconductor
実施の形態5に係る半導体受光素子160の製造方法として、n型InP窓層11上にp型InAlAs導電層25をMOCVDなどにより結晶成長し、さらに、p型InGaAsコンタクト層8を結晶成長した後に、受光部の部分を残して、p型InAlAs導電層25を除去する点が特徴的である。
The manufacturing method of the semiconductor
p型InAlAs導電層25の層厚は、100nm以上3000nm以下が望ましい。p型InAlAs導電層25のキャリア濃度は、素子抵抗を低減するために高キャリア濃度、つまり5.0×1017cm-3以上であることが望ましい。p型InAlAs導電層25は、p型InAlAsの代りに、p型InP、p型InGaAs、p型InGaAsP、またはp型InAlGaAsの積層構造などでも良い。
The thickness of the p-type InAlAs
また、図17に示す半導体受光素子160が裏面側にn型電極31が設けられているのに対して、図18に示す半導体受光素子170では表面側にn型電極31aを設けている。つまり、半導体受光素子170では、Feドープ半絶縁性InP基板1a上にn型InP導電層2aを設けて、結晶成長後、n型InP導電層2aの上側の各層を部分的に除去した後に、n型InP導電層2a上にn型電極31aを形成している。Feドープ半絶縁性InP基板1aの代りに、p型InP基板、n型InP基板を用いても良い。
Also, while the semiconductor
<実施の形態5に係る半導体受光素子の作用>
実施の形態5に係る半導体受光素子160、170の作用について、以下に説明する。
電圧を印加するp型InAlAs導電層25を形成する際は、図14に示す実施の形態2に係る半導体受光素子120に比べて、400℃以上の高温となる熱処理をともなうp型拡散工程を経ないことから、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の無秩序化を防止できるので、例えば図6Cに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図6Bに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。この結果、イオン化率比kをほぼゼロに保つことが可能となる。
<Function of the semiconductor light receiving element according to the fifth embodiment>
The operation of the semiconductor
When forming the p-type InAlAs
<実施の形態5の効果>
以上、実施の形態5に係る半導体受光素子によると、実施の形態2に係る半導体受光素子と同様、高電界が印加される受光部直下の増倍層の領域は素子の側面部から離れているため、高い信頼性が得られる。このため、信頼性が高く、かつ広帯域及び低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られる。
<Effects of the Fifth Embodiment>
As described above, according to the semiconductor light receiving element of the fifth embodiment, as in the semiconductor light receiving element of the second embodiment, the region of the multiplication layer directly below the light receiving portion to which a high electric field is applied is separated from the side portion of the element, and therefore high reliability is obtained. As a result, a semiconductor light receiving element having high reliability, wide bandwidth, and low noise characteristics is obtained.
実施の形態6.
図19は、実施の形態6に係る半導体受光素子180の一例である表面入射型APDの素子構造を表す断面図である。
FIG. 19 is a cross-sectional view showing the element structure of a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving
<実施の形態6に係る半導体受光素子の素子構造>
実施の形態6に係る半導体受光素子180の一例である表面入射型APDは、実施の形態5に係る半導体受光素子160の一例である表面入射型APDの素子構造に、さらに、p型InAlAs導電層25の外周部分に沿って分離溝17を設けている点に特徴がある。
<Element structure of semiconductor light receiving element according to the sixth embodiment>
The front-illuminated APD, which is an example of the semiconductor light-receiving
分離溝17の深さは、2μm以上5μm以下の範囲内が好適である。分離溝17の開口幅は、0.5μm以上100μm以下の範囲内が好適である。分離溝17の底部は、少なくともInAlAsデジタルアロイ構造増倍層3にまで到達している。なお、図19では、分離溝17の底部がn型InAlAsバッファ層2の途中にまで到達している一例を示している。分離溝17の形成方法としては、ドライエッチング及びウエットエッチングのいずれでも良い。しかしながら、深さ制御に優れたドライエッチングの後に、ドライエッチングによって発生したダメージ層を除去するためにウエットエッチングを追加する方法が好適である。
The depth of the
分離溝17の内部及びn型InP窓層11の表面は、SiNまたはSiO2などの酸化膜からなる絶縁膜で構成された表面保護膜18によって保護されている。表面保護膜18は、受光部の無反射コーティングも兼ねている。表面保護膜18の膜厚として、50nm以上5000nm以下の範囲内が好適である。また、表面保護膜18はBCBなどの有機膜であっても良い。
The inside of the
<実施の形態6に係る半導体受光素子の作用>
InAlAsデジタルアロイ構造を増倍層とする場合は、InAlAsデジタルアロイ構造の各層に高歪がかかっているため、外部から応力が加わると無秩序化が発生しやすい。そこで、実施の形態6に係る半導体受光素子180のように、p型InAlAs導電層25の外周に沿って分離溝17を設けることで、製造工程の過程でのウエハ全体におよぶ応力が緩和できる。また、個々の半導体受光素子180の状態になっても、分離溝17の存在によって応力が緩和されるため、半導体受光素子180の中央の受光部での応力集中が緩和できる。また、分離溝17ではInAlAsデジタルアロイ構造増倍層3が露出するため、上述の表面保護膜18が分離溝17の表面を覆っていることが望ましい。なお、分離溝17には高電界が印加されないため、劣化の起点とはならない。
<Function of the semiconductor light receiving element according to the sixth embodiment>
When the InAlAs digital alloy structure is used as the multiplication layer, each layer of the InAlAs digital alloy structure is highly strained, so that when stress is applied from the outside, disordering is likely to occur. Therefore, as in the semiconductor
<実施の形態6の効果>
以上、実施の形態6に係る半導体受光素子によると、分離溝によって製造工程の熱処理などによる応力を緩和できるため、デジタルアロイ構造増倍層の無秩序化を防止できるので、イオン化率比kをほぼゼロに保持することが可能となるとともに、信頼性が高く、かつ広帯域及び低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of Sixth Embodiment>
As described above, according to the semiconductor photodetector of the sixth embodiment, the separation groove can relieve stress due to heat treatment or the like in the manufacturing process, and therefore disordering of the digital alloy structure multiplication layer can be prevented. This makes it possible to maintain the ionization rate ratio k at approximately zero, and provides the effect of providing a semiconductor photodetector that is highly reliable and has excellent broadband and low noise characteristics.
実施の形態7.
図20は、実施の形態7に係る半導体受光素子190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。
FIG. 20 is a cross-sectional view showing the element structure of a back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving
<実施の形態7に係る半導体受光素子の素子構造>
実施の形態6に係る半導体受光素子180の一例である表面入射型APDが図19に示すように表面側から光を受光するのに対して、実施の形態7に係る半導体受光素子190の一例である裏面入射型APDは、図20に示すように、裏面側のn型電極31bの一部を除去して開口部33を設け、開口部33に露出したn型InP基板1に光を入射する素子構造を有する点に特徴がある。つまり、p型電極32と相対するn型InP基板1の裏面に、入射光90の入射領域である開口部33が設けられている。
<Element structure of semiconductor light receiving element according to seventh embodiment>
While a front-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving
実施の形態7に係る半導体受光素子190の一例である裏面入射型APDは、実施の形態6に係る半導体受光素子180と同様、分離溝によって製造工程の熱処理などによる応力を緩和できるため、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の無秩序化を防止できるので、例えば図6Cに示すようにデッドスペース長は短くならずに、図6Bに示すようなデッドスペース長が長い状態を保持することが可能となる。
The back-illuminated APD, which is an example of the semiconductor
また、半導体受光素子190のような裏面入射型APDの方が表面入射型APDよりもp型InAlAs導電層25の面積を小さく形成できるため、製造工程の熱処理などによる応力をさらに小さくすることが可能となるので、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の無秩序化のさらなる防止が図られる。この結果、素子構造形成の際に熱処理工程を実施するにも関わらずInAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の無秩序化を防止できるので、イオン化率比kをほぼゼロに保持することが可能となるとともに、応力をさらに小さくできるため、信頼性が高く、かつ広帯域及び低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
Furthermore, since the area of the p-type InAlAs
また、半導体受光素子190のような裏面入射型APDではメサ型に形成されたp型InAlAs導電層25の面積を表面入射型APDの場合よりも縮小できることから、p型InAlAs導電層25のメサ部分からの応力の影響が小さくなるため、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の無秩序化が発生しない。また、半導体受光素子190の動作時も応力が緩和されているため、長期間を経てもInAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化が発生しない。つまり、実施の形態7に係る半導体受光素子190は、長期間にわたって広帯域及び低雑音を保持することが可能となる。
In addition, in a back-illuminated APD such as the
<実施の形態7の効果>
以上、実施の形態7に係る半導体受光素子によると、p型導電層の面積を小さく形成できるため、熱処理工程で発生する応力をさらに小さくすることが可能となるので、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層3の無秩序化のさらなる防止が図られるため、イオン化率比kをほぼゼロに保持することが可能となるとともに、応力をさらに小さくできるため、信頼性が高く、かつ広帯域及び低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Seventh Embodiment>
As described above, according to the semiconductor light-receiving element of the seventh embodiment, since the area of the p-type conductive layer can be made small, it is possible to further reduce the stress generated in the heat treatment process, and therefore it is possible to further prevent disordering of the InAlAs digital alloy
実施の形態8.
図21は、実施の形態8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。
FIG. 21 is a cross-sectional view showing the element structure of a back-illuminated APD, which is an example of a semiconductor light-receiving
<実施の形態8に係る半導体受光素子の素子構造>
実施の形態8に係る半導体受光素子200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0.1~1μmであるp型InGaAlAsコンタクト層40と、キャリア濃度が1~5×1018cm-3であり層厚が0.1~1μmであるp型InP導電層41と、p型または低キャリア濃度(5×1017cm-3以下)のn型またはi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層42と、層厚が0.1~2.0μmであるi型InGaAs光吸収層43と、層厚が10~100nmでありキャリア濃度が1~50×1017cm-3であるp型InP電界緩和層44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InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45と、層厚が10~50nmであるn型InAlAs電界調整層46と、層厚が0.1~2μmであるn型InP窓層47と、層厚が0.1~2μmでありキャリア濃度が5×1017~8×1018cm-3であるn型InAlAs導電層48と、層厚が0.1~2μmでありキャリア濃度が5×1017~8×1018cm-3であるn型InGaAsコンタクト層49と、n型InGaAsコンタクト層49上に形成されたn型電極50と、p型InGaAlAsコンタクト層40上に形成されたp型電極51と、Feドープ半絶縁性InP基板1aの裏面側に形成された金属膜53と、で構成される。なお、p型InP導電層41は、p型半導体層とも呼ぶ。
<Element structure of semiconductor light receiving element according to the eighth embodiment>
The semiconductor light receiving element 200 according to the eighth embodiment comprises an Fe-doped semi-insulating InP substrate 1a, and a p-type InGaAlAs contact layer 40 having a carrier concentration of 1 to 5× 10 cm −3 and a layer thickness of 0.1 to 1 μm, which are successively formed on the Fe-doped semi-insulating InP substrate 1a, a p-type InGaAlAs contact layer 40 having a carrier concentration of 1 to 5× 10 cm −3 and a layer thickness of 0.1 to 1 μm, a p-type InP conductive layer 41 having a carrier concentration of 1 to 5×10 cm −3 and a layer thickness of 0.1 to 1 μm, a p-type or low carrier concentration (5×10 17 cm −3 or less) n-type or i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer 42, an i-type InGaAs light absorbing layer 43 having a layer thickness of 0.1 to 2.0 μm, and a p-type InGaAs/InAlAs layer 44 having a layer thickness of 10 to 100 nm and a carrier concentration of 1 to 50×10 17 cm a p-type InP field relaxation layer 44 having a thickness of 1000 nm; an InAlAs digital alloy structure multiplication layer 45 having a digital alloy structure in which an i-type AlAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) and an i-type InAs layer (for example, a layer thickness of two atomic layers, about 0.6 nm) are alternately laminated a plurality of times; an n-type InAlAs field adjustment layer 46 having a thickness of 10 to 50 nm; an n-type InP window layer 47 having a thickness of 0.1 to 2 μm ; an n-type InAlAs conductive layer 48 having a thickness of 0.1 to 2 μm and a carrier concentration of 5×10 17 to 8×10 18 cm −3 , an n-type electrode 50 formed on the n-type InGaAs contact layer 49, a p-type electrode 51 formed on the p-type InGaAlAs contact layer 40, and a metal film 53 formed on the back side of the Fe-doped semi-insulating InP substrate 1a. The p-type InP
<実施の形態8に係る半導体受光素子の製造方法>
実施の形態8に係る半導体受光素子200の製造方法を、以下に説明する。
MOVPE法あるいはMBE法を用いて、Feドープ半絶縁性InP基板1a上に、キャリア濃度が1~5×1018cm-3であるp型InGaAlAsコンタクト層40を0.1~1μmの層厚で結晶成長する。ここで、Feドープ半絶縁性InP基板1aの代りに、n型InP基板を用いても良い。また、p型InGaAsコンタクト層40は、p型InGaAlAsの代りに、p型InP、p型InGaAsP、またはp型InGaAsでも良い。
<Method of Manufacturing Semiconductor Light-Receiving Element According to Eighth Embodiment>
A method for manufacturing the semiconductor
Using MOVPE or MBE, a p-type
p型InGaAlAsコンタクト層40上に、キャリア濃度が1~5×1018cm-3であるp型InP導電層41を0.1~1μmの層厚で結晶成長する。ここで、p型InP導電層41は、p型InPの代りに、p型InGaAsPまたはp型InAlGaAsでも良い。
A p-type InP
次に、p型InP導電層41の上に正孔に対する障壁の小さいi型、n型またはp型のInAlAs層を設けても良い。さらに、p型または低キャリア濃度(5×1017cm-3以下)のn型またはi型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層42を結晶成長した後、i型InGaAs光吸収層43を0.1~2μmの層厚で結晶成長する。また、i型InGaAs光吸収層43は、i型の代りに低キャリア濃度(5×1017cm-3以下)のn型またはp型でも良い。ここで、p型InP導電層41とn型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層42のいずれか一方、もしくは両方は必ずしも必要ではない。
Next, an i-type, n-type or p-type InAlAs layer with a small barrier against holes may be provided on the p-type InP
次に、キャリア濃度が1~50×1017cm-3であるp型InP電界緩和層44を10~100nmの層厚で結晶成長する。p型InP電界緩和層44のp型ドーパントとしてはBe、Zn、Cなどが挙げられる。p型InP電界緩和層44は必ずしもp型InPとする必要がなく、p型InAlAsまたはp型InAlAsデジタルアロイ構造でも良い。
Next, the p-type InP electric
近接するInAlAsデジタルアロイ構造増倍層45の中にp型InP電界緩和層44の中のドーパントが拡散するとInAlAsデジタルアロイ構造が無秩序化してInAlAsランダムアロイ構造に変質してしまう。特に、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45の層厚は100nm程度と薄いため、ドーパント拡散による無秩序化の影響が大きい。したがって、p型InP電界緩和層44のp型ドーパントとしては、拡散が生じにくいBeとすることが最適である。一方、p型InAlAs電界緩和層とする場合は、p型ドーパントとしてZnが最適である。
If the dopants in the p-type InP electric
また、i型InGaAs光吸収層43とp型InP電界緩和層44との間に、InAlGaAsまたはInGaAsPなど、中間のバンドギャップ値となる10~100nmの層厚のInAlGaAs/InAlAsグレーディッド層を設けても良い。
Also, between the i-type InGaAs
p型InP電界緩和層44上に、増倍層として、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45を結晶成長する。InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45は、Feドープ半絶縁性InP基板1a側からAlAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)とInAs層(層厚が2原子層、約0.6nm)の順番で交互に積層した半導体層で構成される。InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45を、InAs層、AlAs層の順で形成しても良い。
The InAlAs digital alloy
InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45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るが、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。
The number of atomic layers in each layer of the InAlAs digital alloy
InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45の導電型としてi型が挙げられ、キャリア濃度が1×1017cm-3以下が挙げられる。しかしながら、キャリア濃度が5×1018cm-3以下であるp型またはn型であっても良い。
The InAlAs digital alloy
InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45におけるデッドスペース効果を増大させるために、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45の層厚は、40nm以上170nm以下の範囲内が好適である。しかしながら、半導体受光素子190の作製時の層厚の典型的なばらつきである20%を考慮すると、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45の層厚は、50nm以上140nm以下の範囲内が好適である。
In order to increase the dead space effect in the InAlAs digital alloy
次に、n型InAlAs電界調整層46を10~50nmの層厚で結晶成長した後、さらにn型InP窓層47を0.1~2μmの層厚で結晶成長する。ここで、n型InP窓層47は電界調整層及び電子走行層としての機能も兼ねるが、必ずしも必要ではない。n型InAlAs電界調整層46及びn型InP窓層47は最表面の電界を調整する層として、キャリア濃度が1~500×1016cm-3の範囲が好適である。最表面の電界を弱めることで局所ブレークダウンを抑制し信頼性を向上させる効果を奏する。
Next, the n-type InAlAs
n型InP窓層47上に、n型導電層としてn型InAlAs導電層48を結晶成長し、n型コンタクト層としてn型InGaAsコンタクト層49を結晶成長する。n型InAlAs導電層48とn型InGaAsコンタクト層49の層厚は0.1~2μm、キャリア濃度は5×1017cm-3~8×1018cm-3である。
An n-type InAlAs
n型InGaAsコンタクト層49の結晶成長後に、n型InAlAs導電層48及びn型InGaAsコンタクト層49をメサ状にエッチングすることにより、第1メサを形成する。その後、第1メサの外側に第1メサを含むように、p型InGaAsコンタクト層40に達するようにエッチングして、第2メサを形成する。第2メサはp型InGaAsコンタクト層40に達していなくても、i型InGaAs光吸収層43が電気的に分離できれば良い。第1メサと第2メサとの間隔は、1μm以上離れていることが好適である。また、第2メサを先に形成した後に、第1メサを形成しても良い。
After the crystal growth of the n-type
p型電極51はp型InGaAsコンタクト層40上に形成し、n型電極50はn型InGaAsコンタクト層49上に形成する。なお、n型半導体の場合、オーミック抵抗がp型半導体よりも1桁小さいため、バンドギャップの小さいn型InGaAsコンタクト層49を必ずしも用いる必要がなく、n型InP、n型InGaAlAsまたはn型InGsAsPを用いても良い。あるいは、n型InAlAs導電層48に直接コンタクトを取っても良い。
以上の各工程を経て、実施の形態8に係る半導体受光素子200が完成する。
The p-
Through the above steps, the semiconductor
<実施の形態8に係る半導体受光素子の作用及び効果>
実施の形態8に係る半導体受光素子200は、実施の形態7に係る半導体受光素子180においてn型をp型に、p型をn型にそれぞれ導電型を反転させ、上面側の導電型をn型とした点に特徴がある。
<Functions and Effects of Semiconductor Light-Receiving Element According to Eighth Embodiment>
The semiconductor
実施の形態8に係る半導体受光素子200の第1の作用及び効果を、以下に説明する。
InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45は、エピタキシャル結晶成長中に高温で長時間保持すると無秩序化して、InAlAsランダムアロイ構造となってしまうおそれがある。実施の形態8に係る半導体受光素子200では、実施の形態7に係る半導体受光素子190と比べて、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45の上側の半導体各層の層厚の合計が約3分の1と薄い。つまり、実施の形態8に係る半導体受光素子200において、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、実施の形態7に係る半導体受光素子190と比べて3分の1程度と短いため、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層45の無秩序化が発生しにくい。この結果、デッドスペース長が長くなりイオン化率比kがゼロとなる状態をより確実に実現することができる。
A first function and effect of the semiconductor
If the InAlAs digital alloy
実施の形態8に係る半導体受光素子200の第2の作用及び効果を、以下に説明する。
半導体受光素子の上側の電極、つまり表面側の電極は、図20に示す裏面入射型APDではp型電極32、図21に示す裏面入射型APDではn型電極50である。高速化のためには表面側の電極の電極面積をより縮小して電気容量を低減する必要がある。しかしながら、上側の電極の電極面積を縮小すると、電極と半導体層との間のコンタクト抵抗が上昇するため、RC時定数が増加して応答帯域が狭くなるという問題が発生する。
A second function and effect of the semiconductor
The upper electrode of the semiconductor light receiving element, that is, the electrode on the front side, is a p-
実施の形態8に係る半導体受光素子200では、上側の電極、つまりn型電極50はn型半導体とコンタクトするため、p型半導体とのコンタクトに比べてオーミック抵抗が10分の1に低減される。このため、n型電極50の面積を小さくできるので、電極からの応力が減少しInAlAsデジタルアロイ構造増倍層45において無秩序化が発生しにくくなるという効果を奏する。この結果、実施の形態8に係る半導体受光素子200では、イオン化率比kがゼロである状態をより容易に実現できるので、PONシステムでの帯域補正回路の削減、分岐数の2倍化、SOAの省略、送信器のレーザの動作電流の削減などといった効果を奏する。
In the semiconductor
<実施の形態8の効果>
以上、実施の形態8に係る半導体受光素子によると、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層を結晶成長した後の残余の半導体各層をエピタキシャル結晶成長するために要する結晶成長時間が、実施の形態7に係る半導体受光素子と比べて3分の1程度と短いため、InAlAsデジタルアロイ構造増倍層の無秩序化がさらに発生しにくいので、デッドスペース長が長くなりイオン化率比kがゼロとなる状態をより確実に実現することができるとともに、応力をさらに小さくできるため、信頼性が高く、かつ広帯域及び低雑音特性に優れた半導体受光素子が得られるという効果を奏する。
<Effects of the Eighth Embodiment>
As described above, according to the semiconductor photodetector of the eighth embodiment, the crystal growth time required for epitaxial crystal growth of the remaining semiconductor layers after the InAlAs digital alloy structure multiplication layer is crystal grown is about one-third shorter than that of the semiconductor photodetector of the seventh embodiment, so that disordering of the InAlAs digital alloy structure multiplication layer is less likely to occur. This makes it possible to more reliably realize a state in which the dead space length is longer and the ionization rate ratio k is zero, and also makes it possible to further reduce stress, thereby providing an advantageous effect of providing a semiconductor photodetector that is highly reliable and has excellent wideband and low noise characteristics.
実施の形態9.
図22は、実施の形態9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23A及び図23Bは、実施の形態9に係る多値強度変調送受信装置300の受信波形を示す図である。
Embodiment 9.
Fig. 22 is a diagram showing a configuration of a multi-level intensity modulation transmitting/receiving
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。
The multilevel intensity modulation transmitter/
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へ変換して、DSP301により信号処理を行う。
Meanwhile, in the receiving section, the light passes through the
<実施の形態9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23A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(15)によって算出される。
TDECQ(dB)=10log(OMA/(6・Qt・R)) (15)
<Functions and Effects of the Multilevel Intensity Modulation Transmitter/Receiver According to the Ninth Embodiment>
In the PAM type multi-level intensity modulation transmitting/
TDECQ (dB) = 10log (OMA/(6・Qt・R)) (15)
式(15)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。
In formula (15), the optical modulation amplitude (OMA) is the total amplitude from
(1) The eye opening at each level must be uniform. (2) The noise at each level must be low.
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。 In order for the eye opening at each of the four levels, which have different optical signal strengths, to be uniform, the semiconductor light receiving element must have excellent linearity. Here, a semiconductor light receiving element has good linearity when the photocurrent Iph increases in proportion to the optical input power Pin. In other words, even if the optical input power Pin changes, if Iph/Pin is constant, it can be said to have good linearity.
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23Bの受信波形のように、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。
Also, since PAM needs to receive signals with a wide range of strengths, from low to high, it needs to have an excellent dynamic range. In other words, even if the optical input power Pin increases, if the drop in Iph/Pin is small, the dynamic range can be said to be good. As in the received waveform in Figure 23B, if the linearity and dynamic range deteriorate, the eye opening formed between
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。 In the case of APDs, one of the reasons for the degradation of linearity is that when the photocurrent increases with an increase in optical input, the number of holes and electrons traveling in the multiplication layer and the light absorption layer increases, causing a change in the electric field distribution in the multiplication layer and the light absorption layer. This phenomenon is called the space charge effect.
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24A及び図24Bは、高光入力時のPDの動作を説明する図である。図24A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24B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(16)のように表される。
Rli=Rsc+Rd+Rlo (16)
The inventors have studied a model of degradation of the linearity of an APD. Figures 24A and 24B are diagrams for explaining the operation of a PD when a high optical input is applied. As shown in Figure 24A, when the optical input increases and the photocurrent increases, a space charge effect acts as if a voltage drop occurs due to the series resistance and no voltage is applied to the pn junction. This voltage drop reduces the multiplication factor. This is because the generated electrons and holes affect the electric field distribution as shown in Figure 24B. The series resistance Rli that degrades the linearity of an APD is expressed by the following formula (16).
Rli=Rsc+Rd+Rlo (16)
式(16)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。 In equation (16), Rsc is the resistance due to the space charge effect, Rd is the element resistance, and Rlo is the load resistance. Rd and the load resistance are usually several tens of ohms, but Rsc can be several hundreds of ohms or more.
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(17)で表されることを見出した。
Rsc=W・Td/(2εS) (17)
式(17)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。
It has been found that, when the time it takes for electrons and holes generated by light absorption to pass through the depletion layer is Td, Rsc can be expressed by the following formula (17).
Rsc=W・Td/(2εS) (17)
In equation (17), W is the thickness of the depletion layer, ε is the dielectric constant, and S is the pn junction area.
次に、高光入力時におけるAPDの動作の場合を説明する。図25は、高光入力時のAPDの動作を説明する図である。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Td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じであり、以下の式(18)で表される。
滞留時間Tdm=増倍時間=2π・N・k・M・τav (18)
Next, the operation of the APD at high light input will be described. FIG. 25 is a diagram for explaining the operation of the APD at high light input. When a large number of electrons and holes are generated in the multiplication layer, the electric field in the multiplication layer of the APD changes, that is, the so-called space charge effect occurs. Due to the occurrence of this space charge effect, the multiplication factor of the APD decreases and the linearity deteriorates. As described above, since the deterioration of the linearity of the APD is caused by the series resistance Rsc, it is necessary to reduce the residence time Td of the electrons and holes in the depletion layer. In particular, when the multiplication factor increases, the residence time Tdm in the multiplication layer increases. Tdm is the same as the so-called multiplication time, and is expressed by the following formula (18).
Residence time Tdm = Multiplication time = 2π・N・k・M・τav (18)
式(18)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は増倍層を走行する時間である。滞留時間Tdmからは、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。増倍率Nは、イオン化率比k=0.5(InP)、0.2(InAlAs)、0.1(Si)、0~0.001(InAlAs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。 In equation (18), N is the Emmons coefficient (which depends gently on the ionization rate ratio k), M is the multiplication factor, and τav is the time it takes for the carrier to travel through the multiplication layer. The residence time Tdm excludes the one-way transit time it takes for the carrier to cross the multiplication layer. The multiplication factor N is 0.55, 0.83, 1.1, and 2.0 when the ionization rate ratio k = 0.5 (InP), 0.2 (InAlAs), 0.1 (Si), and 0 to 0.001 (InAlAs digital alloy structure), respectively.
図26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。InAlAs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、InAlAs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。 Figure 26 shows the residence time Tdm of electrons and holes for each material that makes up the multiplication layer. In the InAlAs digital alloy structure multiplication layer, the residence time Tdm within the multiplication layer is dramatically reduced. In other words, electrons and holes are quickly discharged from the multiplication layer, suppressing the space charge effect in the multiplication layer, resulting in improved linearity and dynamic range in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer.
この結果、従来のAPDでは図23BのようにPAM4のアイ開口が不均一であったが、本開示のDA-APDでは、図23Aの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下げたりすることが可能となる。 As a result, with a conventional APD, the eye opening of PAM4 was non-uniform as shown in FIG. 23B, but with the DA-APD disclosed herein, the eye opening is uniform as shown in FIG. 23A, making it possible for TDECQ to satisfy the specified value. Therefore, when the DA-APD disclosed herein is used, an APD can be used in a PAM transceiver, which makes it possible to increase the transmission distance of optical signals and reduce the drive current of the transmitting laser.
<実施の形態9の効果>
以上、実施の形態9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。。
<Effects of the 9th embodiment>
As described above, the multi-level intensity modulation transmitting/receiving device according to the ninth embodiment uses the DA-APD of the present disclosure as the semiconductor light receiving element, and thus has the effect of providing a multi-level intensity modulation transmitting/receiving device that can increase the transmission distance of an optical signal and reduce power consumption.
実施の形態10.
図27は、実施の形態10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28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。
Fig. 27 is a schematic diagram showing the configuration of a radio on fiber system 400 (Radio on fiber: RoF) according to a tenth embodiment. Fig. 28 is a schematic diagram showing the configuration of a radio on
実施の形態10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。
In a radio-on-
実施の形態10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。
The radio-on-
<実施の形態10に係る光ファイバ無線システムの作用及び効果>
図28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。
<Functions and Effects of Radio-on-Fiber System According to Tenth Embodiment>
In the comparative example radio-on-
また、従来のAPDを用いると、図24A及び図24B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。
Furthermore, when a conventional APD is used, as shown in Figures 24A and 24B, an increase in the number of electrons and holes in the multiplication layer changes the electric field distribution, causing the multiplication factor to saturate and making it impossible to ensure the dynamic range. This causes problems not only in that a sufficient amplitude of the electrical signal cannot be obtained, but also in that the analog signal is distorted. As a result, it is difficult to apply a conventional APD to a radio-on-
一方、実施の形態10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-APD403では、図26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で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。
On the other hand, in the DA-
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%でなく80%程度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。 The multiplication factor of the DA-APD403 disclosed herein can be in the range of 1.2 to 10 times. However, as the multiplication factor increases, the signal becomes distorted, so it is desirable to use a multiplication factor in the range of 1.2 to 5 times. Also, considering that the multiplication factor is about 80% and not 100% due to the loss of the optical fiber, it is optimal to use a multiplication factor of 2 to 3 times to compensate for such losses.
<実施の形態10の効果>
以上、実施の形態10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となるという効果を奏する。
<Effects of the Tenth Embodiment>
As described above, according to the radio-on-fiber system of the tenth embodiment, the DA-APD of the present disclosure is used to configure the radio-on-fiber system, which has the effect of making it possible to output a strong radio signal even if the optical transmission distance is long.
実施の形態11.
図29は、実施の形態11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11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。
29 is a schematic diagram illustrating a configuration of a digital
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。
In digital coherent communication, optical signals with both phase and intensity modulated are polarization multiplexed and transmitted through optical fiber. In digital
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11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。
The signal light and the laser light are multiplexed, and the signal light is further separated into orthogonal components (I, Q) and output. The four optical signals, i.e., the orthogonal I and Q components for each polarization, totaling four optical signals, are each incident on four
<実施の形態11に係るデジタルコヒーレント受信装置の作用>
図30A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図であり、図30Bは実施の形態11に係るデジタルコヒーレント受信装置の波形を表す図である。
<Operation of the digital coherent receiving device according to the eleventh embodiment>
FIG. 30A is a diagram illustrating waveforms of a digital coherent receiving device that is a comparative example, and FIG. 30B is a diagram illustrating waveforms of a digital coherent receiving device according to
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25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30A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。
In conventional balanced detectors, a PD was used as a semiconductor light receiving element that receives signal light. On the other hand, when the DA-
一方、本開示のDA-APD505aでは、図26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。その結果、図30B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。
On the other hand, in the DA-
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。 The multiplication factor of the DA-APD505a disclosed herein can be within the range of 1.2 to 10 times. However, as the signal becomes distorted as the multiplication factor increases, it is preferable to use a multiplication factor within the range of 1.2 to 5 times.
<実施の形態11の効果>
以上、実施の形態11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。
<Effects of Eleventh Embodiment>
As described above, according to the digital coherent receiving device of
実施の形態12.
図31は、実施の形態12に係るSPADセンサー(Single Photon Avalanche Diode)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。
Embodiment 12.
31 is a schematic diagram showing the configuration of a SPAD sensor (Single Photon Avalanche Diode) system according to embodiment 12. The
SPADセンサーシステム600は、本開示のDA-APDを用いている。SPADセンサーシステム600に入射した光子(Photon)は、本開示の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10%程度高い電界が印加されている。
The
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倍程度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。
This state is called the Geiger mode. In the Geiger mode, the electrons are multiplied by approximately 106. The generated electrons flow as a current and flow into the
図32Aは比較例であるSAPDセンサーシステムの波形を表す図であり、図32Bは実施の形態12に係るSAPDセンサーシステムの波形を表す図である。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32A及び図32Bの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て連鎖増倍を止め、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。
FIG. 32A shows the waveform of a SAPD sensor system as a comparative example, and FIG. 32B shows the waveform of a SAPD sensor system according to embodiment 12. If an electric field equal to or greater than the avalanche breakdown electric field is continuously applied to the multiplication layer, excessive current will flow, so the voltage applied to the
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、SPAD602センサー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。
The
<実施の形態12に係るSPADセンサーシステムの作用と効果>
実施の形態12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たり、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。
<Actions and Effects of the SPAD Sensor System According to the Twelfth Embodiment>
The
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。
In the
本開示のInAlAs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InAlAsデジタルアロイ構造増倍層では、図4A及び図6B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ランダムアロイ増倍層のAPD、及び増倍層が厚いデジタルアロイInAlAs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InAlAs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。
The effect of using the InAlAs digital alloy structure of the present disclosure as a multiplication layer will be described below.
In the InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the present disclosure, as shown in Figures 4A and 6B, the dead space length is long, so multiplication does not occur at low electric fields. However, as the electric field is increased, the dead space length becomes shorter, so the multiplication factor increases rapidly and leads to breakdown. In the APD of the InAlAs random alloy multiplication layer and the APD having the digital alloy InAlAs multiplication layer with a thick multiplication layer, if the voltage at which the dark current exceeds 10 μA is set as the breakdown voltage, the multiplication factor at 90% of the breakdown voltage exceeds 10 times. On the other hand, in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer of the present disclosure, the multiplication factor at a voltage of 90% of the breakdown voltage is 10 times or less.
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。
The voltage required for breakdown depends on the device structure, such as the thickness of the light absorption layer and the carrier concentration of the electric field buffer layer, so here we verify the effect using the quantifiable electric field of the multiplication layer. Note that above the reach-through voltage (up to 12 V), the voltage applied to the
図33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InAlAs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InAlAs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InAlAsデジタルアロイ構造増倍層に対して、電界は120kV/cmも低い。 Figure 33 shows the calculated difference between the quenching electric field and the Geiger mode electric field for each material constituting the multiplication layer. It can be seen that in the InAlAs digital alloy structure multiplication layer disclosed herein, the difference between the quenching electric field and the Geiger mode electric field for each multiplication layer is 170 kV/cm, which is exceptionally low. The electric field is 120 kV/cm lower than that of an InAlAs digital alloy structure multiplication layer having a superlattice structure similar to the InAlAs digital alloy structure multiplication layer disclosed herein but a layer thickness of 200 nm or more that has not been thinned.
<実施の形態12の効果>
以上、実施の形態12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。
<Effects of the twelfth embodiment>
As described above, according to the SPAD sensor system of the twelfth embodiment, the DA-APD of the present disclosure is used in the SPAD sensor, and therefore the difference between the quenching electric field and the Geiger mode electric field, that is, the applied voltage difference, can be reduced, thereby achieving the effect of obtaining a SPAD sensor system that enables an improved response band, a simplified quenching circuit, and reduced power consumption.
実施の形態13.
図34は、実施の形態13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35Aは比較例であるライダー装置のAPDの受信波形を表す図であり、図35Bは実施の形態13に係るライダー装置のAPDの受信波形を表す図である。
Embodiment 13.
Fig. 34 is a diagram showing the configuration of a LIDAR (Light Detection and Ranging: LiDAR) device according to embodiment 13. Fig. 35A is a diagram showing the received waveform of the APD of the LIDAR device which is a comparative example, and Fig. 35B is a diagram showing the received waveform of the APD of the LIDAR device according to embodiment 13.
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。
The
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、半導体受光素子の感度を高める必要がある。そこで、実施の形態13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を高増倍で使用する。
The
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35A及び図35B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。
The detected light pulse is multiplied by the DA-
<実施の形態13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35A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。
<Actions and Effects of the LIDAR Device According to the Thirteenth Embodiment>
Since the reflectance of the
一方、本開示のDA-APD702の増倍層では、20倍以上の高増倍でも実施の形態1の作用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26に示すように、増倍層での滞留時間が短いため、図35B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。
On the other hand, in the multiplication layer of the DA-APD702 disclosed herein, as described in the explanation of the operation of
<実施の形態13の効果>
以上、実施の形態13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。
<Effects of Thirteenth Embodiment>
As described above, according to the LIDAR device of embodiment 13, the reflected light from an object is received by the DA-APD of the present disclosure, which makes it possible to measure the distance to a distant object, reduces the power consumption of the light source, and provides a LIDAR device that is also safer for the eyes.
本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例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。 Although this disclosure describes various exemplary embodiments and examples, the various features, aspects, and functions described in one or more embodiments are not limited to application to a particular embodiment, but may be applied to the embodiments alone or in various combinations.
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。 Therefore, countless variations not illustrated are contemplated within the scope of the technology of this disclosure. For example, this includes modifying, adding, or omitting at least one component, and even extracting at least one component and combining it with a component of another embodiment.
1 n型InP基板、1a Feドープ半絶縁性InP基板、2 n型InAlAsバッファ層、2a n型InP導電層、3、45 InAlAsデジタルアロイ構造増倍層、4、44 p型InP電界緩和層、5、43 i型InGaAs光吸収層、6 i型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層、7 p型InP窓層、8 p型InGaAsコンタクト層、11、47 n型InP窓層、15 p型拡散領域、17 分離溝、18 表面保護膜、20 Feドープ半絶縁性InP埋込層、25 p型InAlAs導電層、31、31a、31b、50 n型電極、32、51 p型電極、33 開口部、40 p型InGaAlAsコンタクト層、41 p型InP導電層、42 n型InAlGaAs/InAlAsグレーディッド層、46 n型InAlAs電界調整層、48 n型InAlAs導電層、49 n型InGaAsコンタクト層、53 金属膜、90 入射光、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200 半導体受光素子、250、260、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、276 バーストTIA、265、278 CDR、266、277 制限アンプ、257a、267a、276a、703 TIA、268、275、305、403、505a、702 DA-APD、280、282、284 50G-PONシステム、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、300 多値強度変調送受信装置、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 1 n-type InP substrate, 1a Fe-doped semi-insulating InP substrate, 2 n-type InAlAs buffer layer, 2a n-type InP conductive layer, 3, 45 InAlAs digital alloy structure multiplication layer, 4, 44 p-type InP field relaxation layer, 5, 43 i-type InGaAs light absorption layer, 6 i-type InAlGaAs/InAlAs graded layer, 7 p-type InP window layer, 8 p-type InGaAs contact layer, 11, 47 n-type InP window layer, 15 p-type diffusion region, 17 isolation groove, 18 surface protection film, 20 Fe-doped semi-insulating InP buried layer, 25 p-type InAlAs conductive layer, 31, 31a, 31 b, 50 n-type electrode, 32, 51 p-type electrode, 33 opening, 40 p-type InGaAlAs contact layer, 41 p-type InP conductive layer, 42 n-type InAlGaAs/InAlAs graded layer, 46 n-type InAlAs field adjustment layer, 48 n-type InAlAs conductive layer, 49 n-type InGaAs contact layer, 53 metal film, 90 incident light, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200 semiconductor light receiving element, 250, 260, 270 optical line termination device, 251, 261, 274 FEC, 252, 262, 273 ,303 Driver amplifier,253,263,272,304,401,701 Light source,254,264,271 WDM,255,265a,301,506 DSP,256,266a,302b ADC,258 APD,257,267,276 Burst TIA,265,278 CDR,266,277 Limiting amplifier,257a,267a,276a,703 TIA,268,275,305,403,505a,702 DA-APD,280,282,284 50G-PON system,302a DAC,310,501 Optical fiber cable cable, 306 Linear-TIA, 400, 450 Radio-on-fiber system, 402 Transmission line, 404 Antenna, 406 PD, 300 Multi-level intensity modulation transmitter/receiver, 500 Digital coherent receiver, 501 Optical fiber cable, 502 Polarization separator, 503a, 503b 90-degree hybrid, 504 Semiconductor laser, 505 Balanced detector, 600 SPAD sensor system, 601 Photoelectron measurement circuit, 602 SPAD sensor, 603 Quenching circuit, 700 Lidar device, 704 Distance measurement circuit, 705 Object
Claims (26)
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、層厚が40nm以上170nm以下であるデジタルアロイ構造からなる増倍層と、
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InGaAs光吸収層と、
を備える半導体受光素子。 An InP substrate;
an n-type semiconductor layer formed on the InP substrate;
a multiplication layer formed on the n-type semiconductor layer and having a digital alloy structure with a layer thickness of 40 nm or more and 170 nm or less;
a p-type electric field buffer layer formed on the multiplication layer;
an InGaAs light absorption layer formed on the p-type electric field buffer layer;
A semiconductor light receiving element comprising:
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InGaAs光吸収層と、
前記InGaAs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、層厚が40nm以上170nm以下であるデジタルアロイ構造からなる増倍層と、
を備える半導体受光素子。 An InP substrate;
a p-type semiconductor layer formed on the InP substrate;
an InGaAs light absorption layer formed on the p-type semiconductor layer;
a p-type electric field relaxation layer formed on the InGaAs light absorption layer;
a multiplication layer having a digital alloy structure formed on the p-type electric field buffer layer and having a layer thickness of 40 nm or more and 170 nm or less;
A semiconductor light receiving element comprising:
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。 A semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 19,
an optical multiplexer/demultiplexer that inputs an optical signal to the semiconductor light receiving element;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
a clock data recovery circuit connected to the amplifier circuit and configured to recover clock data from the amplified electrical signal;
a forward error correction circuit connected to the clock data recovery circuit for correcting an error in the clock data;
An optical line terminal comprising:
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。 A semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 19,
an optical multiplexer/demultiplexer that inputs an optical signal to the semiconductor light receiving element;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
an analog/digital conversion circuit connected to the amplifier circuit and converting the amplified electrical signal into a digital signal;
a digital signal processing circuit connected to the analog/digital conversion circuit and processing the digital signal;
a forward error correction circuit connected to the digital signal processing circuit for correcting errors in the digital signal;
An optical line terminal comprising:
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19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。 a light source that emits an analog modulated optical signal;
A semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 19, which receives the optical signal that has been analog-modulated;
a transmission path for transmitting an analog electrical signal output from the semiconductor light receiving element to an antenna;
an antenna connected to the transmission line and configured to radiate the analog electrical signal as a radio wave signal;
A radio-on-fiber system comprising:
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。 A semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 19, which receives a multi-level intensity modulated optical signal;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
an analog/digital conversion circuit connected to the amplifier circuit and converting the amplified electrical signal into a digital signal;
a digital signal processing circuit connected to the analog/digital conversion circuit and processing the digital signal;
A multilevel intensity modulation transmitting/receiving device comprising:
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。 A semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 19,
a polarization splitter that splits the polarization of the intensity- and phase-modulated polarization multiplexed optical signal;
a 90-degree hybrid that splits and combines the optical signals output from the polarization splitter;
a digital signal processing circuit connected to the 90-degree hybrid device and processing a digital signal;
A digital coherent receiving device comprising:
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。 A SPAD sensor constituted by the semiconductor light receiving element according to any one of claims 1 to 19;
a quenching circuit for repeatedly applying a voltage equal to or greater than a breakdown voltage and a voltage equal to or less than the breakdown voltage to the SPAD sensor;
an optoelectronic measurement circuit for measuring an electrical signal output from the SPAD sensor;
A SPAD sensor system comprising:
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19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。 A light source that emits light in a pulsed manner;
a semiconductor light receiving element according to claim 1 , which receives light emitted from the light source and reflected by an object;
an amplifier circuit for amplifying an electrical signal output from the semiconductor light receiving element;
a distance measuring circuit for calculating a distance based on the electrical signal amplified by the amplifier circuit;
A lidar device comprising:
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2023
- 2023-10-12 WO PCT/JP2023/036960 patent/WO2025079193A1/en active Pending
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