半导体受光元件、半导体受光元件的制造方法、光线路终端装置、多级强度调制收发装置、数字相干接收装置、光纤无线系统、SPAD传感器系统以及激光雷达装置与流程

本公开涉及半导体受光元件、半导体受光元件的制造方法、光线路终端装置、多级强度调制收发装置、数字相干接收装置、光纤无线系统、spad传感器系统以及激光雷达装置。

背景技术：

1、随着灵活利用数字信息的数字化转型的发展，对数字信息相互进行通信的通信网络和进行数据积累处理的数据中心的发展显著。通信网络及数据中心内通信可采用光通信。近年来，光通信在高速化及大容量化方面取得了令人瞩目的进展。在光通信的发展中，作为光通信的接收器，需要能够获得高接收灵敏度的光电二极管（photo diode: pd）和雪崩光电二极管（avalanche photo diode: apd）。

2、在连接至光通信的用户的接入网中，无源光网络（passive optical network:pon）被作为主要方式采用。pon系统始于传输1～2gbps信号的g（e）－pon系统，预计今后传输10gbps信号的10g－epon系统、xg－pon系统将会逐渐增加。

3、并且，在itu－t（international telecommunication union telecommunicationstandardization sector：国际电信联盟电信标准化部门）中，正在研究作为下一代高速pon系统的50g－pon系统，能够期待今后在接入网中也能够将50gbps级的传输实用化。

4、专利文献1：日本专利第4609430号公报

5、专利文献2：日本专利第4985298号公报

6、专利文献3：日本专利第5025330号公报

7、专利文献4：日本特开平11－354827号公报

8、专利文献5：日本特开平3－050875号公报

9、专利文献6：日本特开2002－324911号公报

10、非专利文献1：jiyuan zheng, et al., “digital alloy inalas avalanchephotodiodes”, journal of lightwave technology, vol.36, no.17, september 1,pp.3580－3585, 2018

11、（1）关于apd中的倍增层的课题

12、对于作为pon系统所使用的半导体受光元件的apd而言，作为元件结构而由光吸收层（ingaas）、电场缓和层（inp或inalas）、倍增层（inp或inalas）各层构成。通过对倍增层施加约800kv/cm的高电场来使在光吸收层中产生的电子及空穴倍增、即电离。电场缓和层为了倍增层的高电场不被施加于光吸收层而以减弱电场的方式发挥作用。其中，电子的电离系数记为α，空穴的电离系数记为β。

13、在apd中，电子及空穴的电离系数之差越大，则在倍增时产生的过剩噪声越小、接收灵敏度越高。并且，由于电子与空穴的电离系数之差越大，则倍增层中的倍增时间越短，所以响应频带变得越宽。

14、电子与空穴的电离系数比k由k=β/α定义。在电子被注入至倍增层的情况下，电离系数比k越小，则apd的性能越提高。光通信用的apd的倍增层可使用inalas或inp之类的化合物半导体材料。

15、在选择了inalas作为倍增层的构成材料的情况下，与inp相比，电子与空穴的电离系数之差变大。其中，在inp中空穴的电离系数大于电子的电离系数，空穴的电离系数约为电子的电离系数的两倍。另一方面，在选择了inalas作为倍增层的构成材料的情况下，电子的电离系数大于空穴的电离系数，电子的电离系数约为空穴的电离系数的五倍。因此，由于若使用inalas作为倍增层，则接收灵敏度会更高，所以作为apd的倍增层的构成材料，inalas比inp更合适。

16、在pon系统中，如上所述，作为半导体受光元件的apd被要求具有宽的响应频带和高的接收灵敏度。但是，在apd中与pd不同，由于倍增所需的时间、即倍增时间随着提高倍增率而变长，所以有在高的倍增率下响应频带降低这一问题。

17、光通信中使用的具有将inalas作为构成材料的倍增层的apd虽然响应频带比由其他半导体材料构成的apd宽，但在倍增率为6以上时，响应频带约停留在20ghz。即，有在应用了现有的apd的情况下难以实现50g－pon系统被要求的37.5ghz以上的宽响应频带这一问题。

18、如上所述，作为光通信所使用的半导体受光元件的apd被要求在更宽的响应频带下动作。在专利文献5中记载了将超晶格用于倍增层的apd，但由于超晶格的各层的层厚为5～10nm，所以作为反映了各层的带隙的量子阱发挥作用。若被层叠的各层的层厚为几nm以上，则由于形成反映了各层的带隙的能量凹凸所以会阻碍载流子的渡越，存在渡越速度下降这一问题。

19、在50g－pon系统中，半导体发光元件和半导体受光元件的响应频带、以及半导体发光元件的光输出及半导体受光元件的接收灵敏度不足。因此，可考虑在光线路终端装置（optical network unit：onu）、即用户侧的接收装置中，在apd的后级设置由数字信号处理器（digital signal processor：dsp）构成的数字频带补偿电路。

20、另外，在光线路终端装置（optical line terminal：olt）、即局端侧的接收装置中，为了弥补半导体受光元件的接收灵敏度不足而需要半导体光放大器（semiconductoroptical amplifier：soa）、或者需要在onu的发送侧的电吸收调制器集成激光二极管（electro－absorption modulated laser diode：eml）集成soa来使光输出增加。

21、但是，由于dsp和soa的功耗非常大、成为成本上升的主要原因，所以担忧从现有的pon系统向50g－pon系统的替换难以进展。

22、在下一代高速pon系统以外的现有的pon系统中，也正在研究为了低成本化而使从olt输出的光信号的分支数增加。但是，在该情况下，也需要在olt和onu的发送侧的eml集成soa来使光输出增加，存在产生发送器的功耗增大和成本增加这一问题。

23、如上所述，为了弥补半导体受光元件的接收灵敏度和响应频带的极限而进行了将昂贵且功耗大的dsp和soa并入onu和olt的收发器的设计，但存在产生功耗增大和成本增加这一问题。

24、为了解决上述那样的与apd中的倍增层相关的课题，如非专利文献1那样正在研究将电离系数比k相比于随机合金结构大幅降低的数字合金结构应用于倍增层。但是，为了将数字合金结构倍增层应用于可靠性高的p型杂质扩散结构的apd而存在应解决的课题。

25、（2）具有p型杂质扩散结构的apd中的与p型杂质区域形成相关的课题

26、在专利文献1等中记载了具有p型杂质扩散结构的apd。在具有p型杂质扩散结构的apd中，通过在下侧形成凸型的p型杂质扩散区域、即p型区域来使电场集中于受光区域，抑制在受光区域的外周部处的局部倍增（边缘击穿）。具有p型杂质扩散结构的apd由于不发生边缘击穿，所以是具有低暗电流且可靠性高的元件特性的优异结构。在具有p型杂质扩散结构的apd中，通过zn扩散而在i型inp窗口层中形成p型区域，形成pn结来施加反向偏压，从而对光吸收层、电场缓和层以及倍增层施加电场。通过被施加的电场而从p型区域的最深部到n型半导体层之间成为耗尽层。

27、在宽响应频带的apd中，在耗尽层渡越的载流子的渡越时间短是必要条件。由载流子在光吸收层内的耗尽层渡越的时间决定的3db频带ftr由以下式（1）表示。

28、ftr=3.5vav/（2πw） （1）

29、在式（1）中，w是形成在光吸收层内的耗尽层的层厚，vav是电子和空穴的平均饱和漂移速度。除了在上述光吸收层内形成的耗尽层渡越的时间之外，还根据rc时间常数、倍增时间、载流子在光吸收层内的p型区域扩散的时间等来决定apd整体的响应频带。根据式（1）可知，由于ftr与耗尽层的层厚成反比，所以为了实现宽响应频带，需要到光吸收层内的中途为止成为p型区域来使耗尽层的层厚变薄。

30、因此，需要在高温下长时间进行zn等p型杂质的热扩散，并以p型杂质扩散区域的最深部到达光吸收层内的方式进行热扩散。但是，在高温下的zn的扩散时间长的情况下，包含于p型inp电场缓和层的掺杂剂向上下方向的各层热扩散而无法得到所需的电场缓和量。其结果是，对光吸收层施加高电场而产生隧道击穿，会产生不再倍增这一不良情况。或者，即使产生倍增也会产生流过高的暗电流这一不良情况。特别是在倍增层为数字合金结构的情况下，由于p型杂质向倍增层的热扩散而数字合金结构发生无序化，产生倍增噪声增加这一不良情况。

31、这样，若为了缩短载流子的渡越时间而长时间进行p型杂质的热扩散、使p型杂质扩散区域的最深部形成于光吸收层的内部，则产生不再倍增、暗电流增加、或者倍增噪声增加这一问题。

技术实现思路

1、本公开是为了解决上述那样的问题点而完成的，其目的在于，得到具有在宽响应频带下动作等优异的元件特性的半导体受光元件及其制造方法、以及使用了半导体受光元件的设备。

2、本公开所涉及的半导体受光元件具备：

3、基板；

4、第一台面结构，至少具有在上述基板上依次形成的n型半导体层、倍增层、p型电场缓和层、光吸收层、以及带隙比上述光吸收层大的i型半导体层；

5、第二台面结构，形成在上述第一台面结构上，至少具有带隙比上述光吸收层大的窗口层；以及

6、台阶部，由在上述第二台面结构的外周侧露出的上述第一台面结构的最表面构成。

7、本公开所涉及的半导体受光元件的制造方法具备：

8、在基板上至少依次外延晶体生长n型半导体层、倍增层、p型电场缓和层、光吸收层、带隙比上述光吸收层大的i型半导体层、带隙比上述光吸收层大的窗口层、以及p型接触层的工序；

9、在上述p型接触层的表面，使由设置了大致圆形状的开口部的绝缘膜构成的选择扩散掩模成膜的工序；

10、从上述开口部形成底部至少到达上述光吸收层的内部的p型杂质扩散区域的工序；

11、除去上述选择扩散掩模的工序；

12、将上述p型接触层加工成沿着受光区域的外周部的环状的工序；

13、通过对上述受光区域的外周部进行蚀刻直到至少在表面露出上述i型半导体层为止来形成第二台面结构的工序；以及

14、通过从上述第二台面结构的外周侧将除了预先设定的区域以外的部分蚀刻来形成第一台面结构的工序。

15、本公开所涉及的光线路终端装置具备：

16、上述的半导体受光元件；

17、光合分波器，使光信号入射到上述半导体受光元件；

18、放大电路，放大从上述半导体受光元件输出的电信号；

19、时钟数据恢复电路，与上述放大电路连接，从被放大的上述电信号恢复时钟数据；以及

20、前向纠错电路，与上述时钟数据恢复电路连接，纠正上述时钟数据的错误。

21、本公开所涉及的多级强度调制收发装置具备：

22、上述的半导体受光元件，接收被多级强度调制的光信号；

23、放大电路，放大从上述半导体受光元件输出的电信号；

24、模拟/数字转换电路，与上述放大电路连接，将被放大的上述电信号转换为数字信号；以及

25、数字信号处理电路，与上述模拟/数字转换电路连接，对上述数字信号进行处理。

26、本公开所涉及的光纤无线系统具备：

27、光源，射出被模拟调制后的光信号；

28、上述的半导体受光元件，接收被模拟调制后的上述光信号；

29、传输路径，将从上述半导体受光元件输出的模拟电信号传输至天线；以及

30、天线，与上述传输路径连接，将上述模拟电信号作为电波信号进行辐射。

31、本公开所涉及的数字相干接收装置具备：

32、上述的半导体受光元件；

33、偏振分离器，对被调制了强度和相位后的偏振复用光信号进行偏振分离；

34、90度混合器，对从上述偏振分离器输出的光信号进行分波和合成；以及

35、数字信号处理电路，与上述90度混合器连接，对数字信号进行处理。

36、本公开所涉及的spad（single photon avalanche diode：单光子雪崩二极管）传感器系统具备：

37、spad传感器，由上述的半导体受光元件构成；

38、淬灭电路，对上述spad传感器反复施加击穿电压以上的电压和小于击穿电压的电压；以及

39、光电子测量电路，测量从上述spad传感器输出的电信号。

40、本公开所涉及的激光雷达装置具备：

41、光源，以脉冲状进行发光；

42、上述的半导体受光元件，接收从上述光源射出的光被物体反射而返回的光；

43、放大电路，放大从上述半导体受光元件输出的电信号；以及

44、测距电路，基于由上述放大电路放大后的电信号来计算距离。

45、根据本公开所涉及的半导体受光元件及半导体受光元件的制造方法，由于设置了台阶部，所以起到能够得到具有在宽的响应频带下动作等优异的元件特性的半导体受光元件及半导体受光元件的制造方法这一效果。

46、根据本公开所涉及的光线路终端装置、多级强度调制收发装置、数字相干接收装置、光纤无线系统、spad传感器系统以及激光雷达装置，由于使用了本公开的半导体受光元件作为半导体受光元件，所以起到能够得到具有优异的性能的各装置及各系统这一效果。