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めぐのしどり
5 years ago
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1 光検出器 pin-pd 数 GHzまでの高速応答する光検出器に pin-フォトダイオードとアバランシェフォトダイオードがある pin-フォトダイオードは図 1に示すように n + 基板と低ドーピングi 層と 0.3μm 程度に薄くした p + 層からなる逆バイアスを印加して空乏層を i 層全体に広げ接合容量を小さくしながら光吸収領域を拡大して高感度にする表面より入射した光は光吸収係数 αによって指数関数的に減衰しながら光励起キャリアを生成する空乏層内で生成した光励起キャリアは空乏層電界 (Ε>10 3 V/cm) で飽和ドリフト速度 (~10 7 cm/s) まで加速されこの速度で走行するこの領域をドリフト領域という空乏層以外の p + および n + 層で生成されたキャリア拡散によって移動する為走行速度は ~10 4 cm/s とドリフト速度と比較して3 桁小さいこの拡散電流は応答速度を低下させる原因となるパルス光を受光した場合それはパルス応答のすそ引きとなって観測されるまたこの光生成キャリアは拡散長ほど移動すると再結合により消滅するため受光素子の量子効率が低下するそこで応答と量子効率の両方の観点から光吸収層は空乏層にする必要があり p + 層はできる限り薄くして i 層の厚さは光の侵入長 (1/α) 程度以上に設計する光の侵入長は Si で 0.8 μm 波長帯で 10~20μm 程度となるまた動作電圧は空乏層を広げるための電圧であり 20V の比較的低い電圧でよい図 1 pinフォトダイオード (P D) の構造図 2pinフォトダイオード (PD) のバンド図と動作

2 APD の構造図 3にシリコンのアバランシェフォトダイオード (APD) の構造を図 4にAPDのバンド図と動作の概要を示す APDでは逆バイアスにより光吸収領域を空乏層にする必要がある光生成キャリアにより衝突電離をおこさせるために pn 接合に隣接して 10 5 V/cm 以上の高電界領域をもうけこの領域をなだれ領域とするドリフト領域で発生した光生成キャリアがなだれ領域に注入されるそのためなだれ領域では注入されたキャリアが衝突電離を繰り返しなだれ効果により光生成キャリアの増倍が生じる APDはこの増倍効果によりPDより高いS/Nでの受光が可能である増倍率 Mはバイアス電圧をV 降伏電圧をV B とすると近似的にミラーの経験式で与えられる (1) 増倍率 Mはバイアス電圧により変えられる VがV B に近いとき温度上昇にともない増倍率は急激に増加し M=1000 程度の大きな値が得られるその反面電圧や温度の変動にともない増倍率が大きく変化する欠点がある降伏電圧の温度係数は~0.2%/ であるしたがって APD のバイアス回路にはこれらの影響を除去する設計が必要である図 3 アバランシェフォトダイオード (APD) の構造図 4アバランシェフォトダイオード (APD) のバンド図と動作

3 APD や pin-pd では半導体材料により構造が大きく異なる全ての受光素子で反射防止膜をつけているガードリングとは pn 接合周辺部を低ドーピングとして降伏電圧を上げたもので局部的なだれ降伏 ( マイクロプラズマ ) を防ぎ一様ななだれ増倍を行わせることが目的であるシリコン APD では空乏層を 20μm 以上の幅に広げながら動作電圧を下げる為に空乏層とする領域は低濃度な p-(π 層 ) とし高電界の必要ななだれ領域は高濃度の p 層とする ( リーチスルー型 ) n + πpπp + の low-high-low 構造や n + pπp + の high-low 構造が用いられる low-high-low 構造ではなだれ領域の電界を適度に抑え低雑音としながら高い量子効率の為に広い空乏層にできる前者の方が降伏電圧は低く応答速度が速いちなみに V B = V 応答速度は 300ps 程度であるゲルマニウムでは波長 1.5μm 以下では光吸収係数が 10 4 cm -1 と大きく ( 図 7) 光の侵入長は数 μm 以下となるそのため Ge-APD では Si のように広い空乏層を必要としないので図 5のような簡単な構造で良いしかし 1.55μm 付近では光吸収係数小さくなるために空乏層を広げる必要があり p + pπ n + 構造とする降伏電圧は 30V 程度でよく応答速度は 200~250ps と高速である InGaAs-APD では InGaAs の光吸収領域と pn 接合 (InP) を分離している InGaAs 光吸収層の光生成キャリアを InP の pn 接合でなだれ増倍するこの構造をとる理由は InGaAs では逆バイアス条件でトンネル効果による降伏が起こりやすいことである受光波長領域は 0.95~1.65μm で量子効率は約 70~80% である増倍領域光吸収領域基板図 5 ゲルマニウムアバランシェフォトダイオード (APD) の構造図 6 InGaAs アバランシェフォトダイオード (APD) の構造

4 分光感度特性入射した光子数は光電力を P 0 とすれば P 0 /hνであるこの光子により励起された光生成キャリア数は光電流を I po とすれば I po /e である従って量子効率をηとするとの関係があるここで量子効率 η は簡単に (2) (3) で与えられる L a は光吸収領域の幅であるここで (1-R) は結晶に侵入する入射光の割合を示し (1-exp(αL a )) は光の吸収率をあらわしている結晶表面での反射率 Rを小さくして吸収領域の幅を光の侵入長に比べて大きくするほど高い量子効率が得られる分光感度の例を図 8に示す長波長の感度の限界は半導体のバンドギャップできまる短波長での感度の低下は光の侵入長が短くなり表面付近で光生成キャリアが発生するためにキャリアが表面再結合により失われることによる損失である InGaAs-PD のような表面にバンドギャップの大きな窓層があるヘテロ接合の場合は光吸収層のバンドギャップから窓層のバンドギャップまでほぼ平坦な感度が得られるこれを窓効果という図 7 半導体の光吸収係数スペクトル図 8 光検出器の分光感度スペクトル

5 応答速度応答速度は (1) 光生成キャリアの走行時間と (2)CR 時定数によって制限されるドリフト領域では飽和ドリフト速度 10 7 cm/s で走行するので走行時間は空乏層の幅を 100 μm としても 1 ns と小さい普通では数十 μm 以下であるので数 GHz の応答周波数で動作する静電容量は受光経と空乏層できまる接合容量とパッケージの浮遊容量の和となり通常 1-2pF であるしたがって CR 時定数は負荷抵抗を 50 オームとすれば ps であるが S/N 比を高めようとして負荷抵抗を大きくすれば応答速度が低下する APD ではなだれ領域走行時間 τ eff により応答速度が制限され増倍率 M(f) はとなる Mo は直流増幅率である上式より M 2 (f)=m 0 /2 になる帯域幅 f c は (4) (5) となり帯域幅は増倍率に反比例して減少する Si-APD では M=100 のとき f c は 1.5GHz 程度になるまた τ eff M o は衝突電離を繰り返しながら増倍率 Mo に達する増倍立ち上がり時間と考えられる暗電流と増倍雑音光電流によらず光検出器を流れる電流を暗電流という暗電流は接合を流れる逆方向飽和電流 I d や表面漏れ電流 I SL などの和であるこれらはショット雑音を誘起して S/N 比の劣化をまねくのでこれらは小さい方が望ましい図 9は光検出器の暗電流の実測値と光吸収材料のバンドギャップの関係を示しているバンドギャップが広くなると I d が減少するため暗電流は急速に小さくな図 9 光検出器の暗電流の実測値と光吸収材料のることがわかるショット雑音は光子によるキャリアの生成過程および APD の増幅過程で生じるそこで光検出器の全ショット雑音の2 乗平均値 i 2 s は, (6)

6 であり F(M) は増倍雑音指であり McIntyre の式 (7) で与えられるまた B f は増幅器の帯域 k は電子と正孔のイオン化率の比である k ではなだれ領域に注入される方のキャリアのイオン化率 ( 衝突電離係数 ) を分母にとる通常の PD (pin) の場合 (7) で M=1 とおく光キャリアの増倍過程では有限の衝突回数である増倍率に達するため衝突回数の統計的なゆらぎがショット雑音 ( 増倍雑音 ) となって現れる増倍雑音の大きさは F(M) で表される (7) 式から計算した F(M) の特性を図 10 に示す F(M) は増倍率の増加とともに大きくなるまたイオン化率比 k の図 10 F(M) の増倍率 M 依存性小さい半導体では F(M) は小さいそこで低雑音にするためには電子のイオン化率 αと正孔のイオン化率 βの差がなるべく大きい方が良くなだれ領域への注入キャリアはイオン化率が大きい方のキャリアとする必要がある図 11に Si, Ge, および InP のイオン化率 α, β およびイオン化率比 k の電界依存性を示す Si ではα>βでなだれ領域は p 形にして電子注入とするさらにイオン化率 α, βは電界に強く依存し電界が低くなるほどαとβの差が大きくなる従って低雑音のためにはなだれ領域の電界は適度に低いことが望ましい Si は暗電流が A と小さく k が 0.05~0.1 で増倍雑音が小さい長波長用の Ge-APD では暗電流が大きく k がほぼ1であり増倍雑音が大きく低雑音用に向いていないそのため InGaAs-APD では増倍部の InP のkの値が1よ図 11イオン化率とイオン化率比の電り小さく低雑音の長波長 PDに向いている界依存性

7 S/N 比信号電圧の最大値は (2I po M) 2 R となるため増幅器の雑音指数を F t とすれば S/N 比は (8) で与えられるここで 4kTB f F i は熱雑音である図 12は信号電力と雑音電力の増倍率 Mによる変化を示す増倍率が小さい範囲では増倍ショット雑音が熱雑音より小さいため増倍率を増加させると信号は増大するが雑音はほとんど増えないため増倍率の増加により S/N 比が増加する増倍率が高くなり増倍ショット雑音が熱雑音より大きくなれば信号雑音よりショット雑音が F(M) 倍大きくなるショット雑音は増倍率 Mの増加にともない増加するため像倍率を増加させると S/N 比は減少するショット雑音と熱雑音がほぼ一致する付近に S/N 比を最大にする最適な増倍率 M opt が存在する APD では M= M opt になるようにバイアス電圧を調整して用いられる APD の最低受信レベルは S/N 比 21.59dB( 誤り率 10-9 ) を得るために必要な平均光電力として定義する図 13は最低受信レベルを示す Ge-APD は雑音レベルが高いために受信レベルも大きいまた pin-pd と低雑音の FET を組み合わせた InGaAs pin-fet では数百 MHz の領域で Ge-APD をしのぐ最低受信レベルが得られる図 12 APD の信号電力と雑音電力の増倍率 M 依存性図 13 光検出器の最低受信レベルの伝送速度依存性

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<4D F736F F D208CF595A890AB F C1985F8BB389C88F913791BE977A E646F63> 1. 光伝導効果と光伝導素子 2. 光起電力効果と太陽電池 3. 通信用フォトダイオード 1 1. 光伝導効果と光伝導素子半導体に禁制帯幅以上のエネルギーを持つ光子が入射した場合価電子帯の電子が伝導帯に励起されるこの結果価電子帯に正孔が伝導帯に電子が一対光生成される光生成したキャリアは半導体の外部から電界をかけることにより移動し電流として寄与するこれを光導電効果 ( あるいは内部光電効果