光検出器

(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>10³

V/cm)で飽和ドリフ

ト速度(～10⁷

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

～10⁴

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２ｐｉｎフォトダイオード（ＰＤ）

のバンド図と動作図１ｐｉｎフォトダイオード（Ｐ

Ｄ）の構造

(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４アバランシェフォトダイオード

（ＡＰＤ）のバンド図と動作図３アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）

の構造

(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

=100-150V

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。

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

増倍領域

光吸収領域

基板増倍領域

光吸収領域

基板

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、

(2)

の関係がある。ここで量子効率ηは簡単に、

(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(αLa

))

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

50-100ps

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τeffにより応答速度が制限され、増倍率

M(f)は

(4)

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、

(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、τeff

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

s

2は,

(6)

図９光検出器の暗電流の実測値と光吸収材料の

(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

10

^-12

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より小さく、低雑音の長波長ＰＤに向いている。

図１０

F(M)の増倍率Ｍ依存性

図１１イオン化率とイオン化率比の電界依存性

(7)

S/N

比

信号電圧の最大値は(2Ipo

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１３光検出器の最低受信レベルの伝送速度依存性

図１２

APD

の信号電力と雑音電力の増倍率Ｍ依存性