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公開番号2025149869
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-08
出願番号2024231867,2024550682
出願日2024-12-27,2024-03-26
発明の名称半導体受光素子、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
出願人三菱電機株式会社
代理人弁理士法人ぱるも特許事務所
主分類H10F 30/225 20250101AFI20251001BHJP()
要約【課題】広い応答帯域で動作し、かつ高い受信感度を有する半導体受光素子を得る。
【解決手段】本開示の半導体受光素子130は、裏面入射型の半導体受光素子130であって、基板1と、基板1上に順次形成されたn型半導体層2と、増倍層4と、電界緩和層5と、を少なくとも有する第1メサ構造30と、第1メサ構造30上に形成され、光吸収層6と、光吸収層6よりもバンドギャップが大きい窓層9と、及びリング状を呈するp型コンタクト層10を少なくとも有する第2メサ構造31と、第2メサ構造31の外周側に露出する第1メサ構造30の最表面からなるテラス部40と、p型コンタクト層10の内周側の窓層9、及び光吸収層6の窓層9側の面から基板方向の一部の領域に設けられたp型不純物拡散領域20と、を備える。
【選択図】図18
特許請求の範囲【請求項１】
裏面入射型の半導体受光素子であって、
基板と、
前記基板上に順次形成されたｎ型半導体層と、増倍層と、電界緩和層と、を少なくとも有する第１メサ構造と、
前記第１メサ構造上に形成され、光吸収層と、前記光吸収層よりもバンドギャップが大きい窓層、及びリング状を呈するｐ型コンタクト層を少なくとも有する第２メサ構造と、
前記第２メサ構造の外周側に露出する前記第１メサ構造の最表面からなるテラス部と、
前記リング状を呈するｐ型コンタクト層の内周側の前記窓層、及び前記光吸収層の前記窓層側の面から基板方向の一部の領域に設けられたｐ型不純物拡散領域と、
を備える半導体受光素子。
続きを表示（約 740 文字）【請求項２】
前記光吸収層は、前記第１メサ構造に接する側から、ｉ型第１光吸収層及びｐ型第２光吸収層の２層で構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記電界緩和層は、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ層で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記電界緩和層は、ｐ型ＩｎＰ層で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記ｐ型不純物拡散領域よりも下側の前記光吸収層の内部の空乏層の層厚は、前記リング状を呈するｐ型コンタクト層の下側の前記光吸収層の内部の空乏層の層厚よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項６】
前記ｐ型不純物拡散領域の前記光吸収層の内部における層厚が０．１μｍ以上０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体受光素子。
【請求項７】
前記ｐ型不純物拡散領域に含まれるｐ型不純物は、亜鉛、カドミウム、マグネシウム、及びベリリウムのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の半導体受光素子。
【請求項８】
前記窓層の導電型はｐ型であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項９】
前記増倍層は、デジタルアロイ構造からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子。
【請求項１０】
前記デジタルアロイ構造は、ＩｎＡｓ層とＡｌＡｓ層を交互に積層した構造であることを特徴とする請求項９に記載の半導体受光素子。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体受光素子、半導体受光素子の製造方法、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。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
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フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）及びアバランシェフォトダイオード（ＡｖａｌａｎｃｈｅＰｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＡＰＤ）が必要とされる。
【０００３】
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（ＰａｓｓｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋ：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。
【０００４】
さらに、ＩＴＵ－Ｔ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＵｎｉｏｎＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎＳｅｃｔｏｒ）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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特許第４６０９４３０号公報
特許第４９８５２９８号公報
特許第５０２５３３０号公報
特開平１１－３５４８２７号公報
特開平３－０５０８７５号公報
特開２００２－３２４９１１号公報
【非特許文献】
【０００６】
ＪｉｙｕａｎＺｈｅｎｇ，ｅｔａｌ．，“ＤｉｇｉｔａｌＡｌｌｏｙＩｎＡｌＡｓＡｖａｌａｎｃｈｅＰｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ”，ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＩＧＨＴＷＡＶＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯＬ．３６，ＮＯ．１７，ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ１，ｐｐ．３５８０－３５８５，２０１８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
（１）ＡＰＤにおける増倍層に関する課題
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。増倍層に約８００ｋＶ／ｃｍ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。
【０００８】
ＡＰＤでは、電子及び正孔のイオン化率の差が大きいほど、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差が大きいほど、増倍層における増倍時間が短くなるため、応答帯域が広帯域となる。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
（【００１１】以降は省略されています）

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