CN107924961B - 光检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种降低暗电流而不会有损光电流的锗光检测器。具备：硅基板、形成于硅基板上的下部包层、形成于下部包层上的芯层、形成于芯层的一部分的掺杂了p型杂质离子的p型硅板、高浓度地掺杂了p型杂质并起到作为电极的作用的p++硅电极部、以及吸收光的锗层。还具备：上部包层、锗层的上部的掺杂了n型杂质的n型锗区域、以及电极。本发明在p型硅板上具备两个锗层，由此，能通过使各锗层的与p型硅板相接的面积小型化，来削弱由穿透位错导致的暗电流。

Description

光检测器
技术领域
本发明涉及一种在光通信中使用的光检测器，更详细而言，涉及一种使用了在硅片上形成的锗的光检测器。
背景技术
伴随着近年来光通信的普及，要求光通信装置的低成本化。作为其解决方案之一，存在使用硅光子(silicon photonics)之类的微小光电路技术来在硅片(silicon wafer)之类的大口径晶片上形成构成光通信装置的光电路的方法。由此，使每片的材料费急剧下降，能谋求光通信装置的低成本化。
作为使用了这样的技术的在硅基板上形成的代表性的光检测器，存在能单片集成的锗光检测器。图1是示意地示出以往的波导结合型的锗光检测器的构造的图。图2是图1的II-II剖面图。需要说明的是，为了使构造易于理解，图1中省略了图2所示的包层103、电极116～118，并仅以双点划线示出了电极116～118与p++硅电极部112、113以及n型锗区域115相接的位置。
锗光检测器100使用光刻技术等而形成于包含硅基板、硅氧化膜、表面硅层的SOI(Silicon On Insulator)基板。锗光检测器100具备：硅基板101、由硅基板上的硅氧化膜形成的下部包层102、传导信号光的芯层110、形成于芯层110上且吸收光的锗层114、以及形成于芯层110以及锗层114上的上部包层103。
芯层110形成有掺杂了p型杂质离子的p型硅板111、以及高浓度地掺杂了p型杂质并起到作为电极的作用的p++硅电极部112、113。锗层114通过外延生长等而层叠，在其上部形成有掺杂了n型杂质的n型锗区域115。然后，在p++硅电极部112、113以及n型锗区域115上，以与其相接的方式具备电极116～118。
在锗光检测器，当光射入至芯层110并由锗层114来吸收光时，会在电极117与电极116、118之间流过光电流，因此通过检测此电流来检测光。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本发明专利5370857号公报
发明内容
但是，以往的锗光检测器存在在没有光射入的状态下的电流或者暗电流大这一问题。
本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于提供一种减弱暗电流而不会有损光电流的锗光检测器。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，方案一所述的发明是一种光检测器，其特征在于，具备：硅基板；下部包层，形成于所述硅基板上；芯层，形成于所述下部包层上，包含掺杂了p型杂质离子的p型硅板；锗层，形成于所述p型硅板上，包含掺杂了n型杂质的n型锗区域；上部包层，形成于所述芯层以及所述锗层上；以及电极，分别与所述p型硅板以及所述n型锗区域连接，所述锗层具有多个与所述p型硅板相接的面。
本发明的另一方案的特征在于，所述锗层具有多个对应于与所述p型硅板相接的多个面的所述n型锗区域，所述电极包含一组电极，该一组电极包含与所述多个n型锗区域共用的所述p型硅板连接的至少一个第一电极和与所述多个n型锗区域连接的一个第二电极。
本发明的另一方案的特征在于，所述芯层包含多个输入波导部。
本发明的另一方案的特征在于，所述锗层的与所述p型硅板相接的多个面的面积各不相同。
本发明的另一方案的特征在于，在方案一至三中任一项所述的光检测器中，所述p型硅板在所述锗层的两侧包含高浓度地掺杂了p型杂质的p++硅电极部，连接于所述p型硅板的电极与所述p++硅电极部相接。
本发明的另一方案的特征在于，所述锗层的与所述p型硅板相接的面相对于光的行进方向串行配置。
本发明的另一方案的特征在于，所述锗层的与所述p型硅板相接的面相对于光的行进方向并行配置。
发明效果
本发明实现仅削弱暗电流而不会有损锗光检测器的光电流的效果。能通过减小暗电流来增大SN比，由于接收灵敏度提高，因此能实现发射器的低功耗化、传输距离的延长化。
附图说明
图1是示意地示出以往的波导结合型锗光检测器的构造的图。
图2是图1的II-II剖面图。
图3是示出锗层的底面尺寸不同的锗光检测器的暗电流的图，是将横轴作为底面积的图。
图4是示出锗层的底面尺寸不同的锗光检测器的暗电流的图，是将横轴作为底面周长的图。
图5是仅示出本发明的实施方式一的锗光检测器的芯层210和锗层241、242的俯视图。
图6是图5的VI-VI剖面图。
图7是图5的VII-VII剖面图。
图8是图5的VIII-VIII剖面图。
图9是仅示出本发明的实施方式二的锗光检测器的芯层210和锗层241、242的俯视图。
图10是图9的X-X剖面图。
图11是仅示出本发明的实施方式三的锗光检测器的芯层210和锗层241～2mn的俯视图。
图12是仅示出本发明的实施方式四的锗光检测器的芯层210和锗层251～25n的俯视图。
图13是图12的XIII-XIII剖面图。
图14A是仅示出本发明的实施方式五的锗光检测器的芯层210和锗层241～24n的俯视图。
图14B是仅示出本发明的实施方式五的其他锗光检测器的芯层210和锗层241～2mn的俯视图。
图15是示出串行配置两个锗层来减小与硅板相接的面积的情况(有SEG)下和以往的具有一个锗层的情况(无SEG)下的暗电流的测定结果的图。
图16是示出串行配置两个锗层来减小与硅板相接的面积的情况(有SEG)下和以往的具有一个锗层的情况(无SEG)下的光电流的测定结果的图。
具体实施方式
作为锗光检测器的暗电流的原因，可以想到以下两种。
其一是在锗层114与作为硅层的芯层110相接的面的周边产生的暗电流。这是由周边部分的晶体不完整性(crystal imperfection)等引起的，其大小和锗光检测器与硅基板相接的面的周长有关。
其二是在存在于锗层114的结晶内部的穿透位错(threading dislocation)部产生的暗电流。这是由硅和锗的晶格失配、热膨胀系数差等引起的，其大小和锗层114与芯层110相接的面以及锗层114与电极117相接的面的面积有关。
在图1、2所示的构成的情况下，锗层114与芯层110相接的面是指吸收光的锗层114的底面，锗层114与电极117相接的面是指锗层114的上表面。
图3是示出锗光检测器的暗电流相对于锗层的与芯层相接的底面的面积的图。纵轴为暗电流，横轴为锗层的与芯层相接的底面的面积。图中的公式是通过一次式拟合后的结果，可知面积与暗电流的相关性非常高，暗电流是由穿透位错产生的暗电流。此外，拟合得到的一次式具有负的截距，可以认为这是由于在锗层的上表面为零时，暗电流为零。因此，可以认为，如果上表面相对于锗层的底面变得更小，则底面的面积和暗电流的关系式的截距也会变得更小。这意味着，即使底面面积相同，当上表面的面积变小时，暗电流也会变小。就是说，可以认为，能通过减小锗层的上表面的面积，即减小锗层的与电极相接的面积来使暗电流减小。
需要说明的是，图4是示出锗光检测器的暗电流相对于锗层的底面周长的图。纵轴为暗电流，横轴为锗层的底面周长。通过一次式近似时的相关系数较小，可知暗电流不是由周长引起的。
如此，由图3以及图4所示的结果可知，只要能使由面积引起的穿透位错减少即可削弱锗光检测器的暗电流。以下，对本发明的实施方式进行详细说明。
(实施方式一)
图5是本发明的实施方式一的锗光检测器200的省略了上部包层、锗层的上部的掺杂了n型杂质的n型锗区域、以及电极的俯视图。此外，图6是图5的VI-VI剖面图，图7是图5的VII-VII剖面图，图8是图5的VIII-VIII剖面图。
图5中，为了易于理解，仅示出了：芯层210；形成于芯层210的一部分的掺杂了p型杂质离子的p型硅板211；高浓度地掺杂了p型杂质并起到作为电极的作用的p++硅电极部212、213；吸收光的锗层241、242；以及n型锗区域215-1、215-2，省略了上部包层和电极。图5中，以双点划线示出了电极与p++硅电极部212、213以及n型锗区域215-1、215-2相接的位置。
锗光检测器200使用光刻技术等而形成于包含硅基板、硅氧化膜、以及表面硅层的SOI基板。锗光检测器200具备：硅基板201、由硅基板上的硅氧化膜形成的下部包层202、传导信号光的芯层210、形成于芯层210上的吸收光的锗层241、242、以及形成于芯层210以及锗层241、242上的上部包层203。
芯层210形成有掺杂了p型杂质离子的p型硅板211、以及高浓度地掺杂了p型杂质并起到作为电极的作用的p++硅电极部212、213。锗层241、242通过外延生长等而层叠(积层)，在其上部形成有掺杂了n型杂质的n型锗区域215。然后，在p++硅电极部212、213以及n型锗区域215上，以与其相接的方式具备电极216～218。
如图6所示，锗光检测器200的锗层241、242的各自的位置处的剖面是与图2相同的构造。另一方面，如图7所示，相对于图6所示的构造，锗层241、242之间的剖面构造为：电极216、218保持不变，只是没有电极217的上部包层203中的部分以及锗层241。
本实施方式中，在p型硅板211上具备两个锗层241、242，由此，能通过减小锗结晶来使穿透位错难以产生，并且，通过使各锗层的与电极217相接的面积小型化来削弱由穿透位错引起的暗电流。
不过，当使锗层小型化时，由于光吸收区域变小，所以恐怕无法得到充足的光电流。因此，如图5，通过相对于光的行进方向串行排列两个锗层241、242来确保充足的光吸收区域。
(实施方式二)
图9是本发明的实施方式二的锗光检测器300的省略了上部包层、锗层的上部的掺杂了n型杂质的n型锗区域、以及电极的俯视图。此外，图10是图9的X-X剖面图。
图9中，为了易于理解，仅示出了：芯层210；形成于芯层210的一部分的掺杂了p型杂质离子的p型硅板211；高浓度地掺杂了p型杂质并起到作为电极的作用的p++硅电极部212、213；吸收光的锗层241、242、……、24n(n：正整数)；以及n型锗区域215-1、215-2、……、215-n，省略了上部包层和电极。需要说明的是，锗光检测器300的锗层241、242、……、24n(n：正整数)的各自的位置处的剖面是与图6相同的构造。此外，图9中，以双点划线示出了电极与p++硅电极部212、213以及n型锗区域215-1、215-2、……、215-n相接的位置。
本实施方式中，在p型硅板211上具备多个锗层241、242、……、24n，由此，能通过减小锗结晶来使穿透位错难以产生，并且，通过使各锗层的与电极217相接的面积小型化来削弱由穿透位错引起的暗电流。如图9，与实施方式一相同，通过相对于光的行进方向串行排列多个锗层241、242、……、24n来确保充足的光吸收区域。
(实施方式三)
图11是本发明的实施方式三的锗光检测器400的省略了上部包层、锗层的上部的掺杂了n型杂质的n型锗区域、以及电极的俯视图。
图11中，为了易于理解，仅示出了：芯层210；形成于芯层210的一部分的掺杂了p型杂质离子的p型硅板211；高浓度地掺杂了p型杂质并起到作为电极的作用的p++硅电极部212、213；吸收光的锗层241、242、……、24n、……、2m1、2m2、……、2mn(n、m：正整数)；以及n型锗区域215-1、215-2、……、215-(n×m)。需要说明的是，锗光检测器400的锗层241、242、……、24n、……、2m1、2m2、……、2mn的各自位置处的剖面是与图6相同的构造。此外，图11中以双点划线示出了电极与p++硅电极部212、213以及n型锗区域215-1、215-2、……、215-(n×m)相接的位置。
本实施方式中，在p型硅板211上具备多个锗层241、242、……、24n、……、2m1、2m2、……、2mn，由此，能通过减小锗结晶来使穿透位错难以产生，并且，通过使各锗层的与电极相接的面积小型化来削弱由穿透位错引起的暗电流。在此，通过相对于光的行进方向串行以及并行排列多个锗层241、242、……、24n、……、2m1、2m2、……、2mn来确保充足的光吸收区域。
(实施方式四)
图12是本发明的实施方式四的锗光检测器500的省略了上部包层、锗层的上部的掺杂了n型杂质的n型锗区域、以及电极的俯视图。图13中示出了图12的XIII-XIII剖面。本实施方式相对于实施方式二的特征在于，构成为：锗层251、252、……、25n(n：正整数)以及n型锗区域225-1、225-2、……、225-n的大小不均匀。图12、13中，作为一例示出了锗层251、252，……、25n以及n型锗区域225-1、225-2、……、225-n从输入端侧逐渐变小的构成。
图12中，为了易于理解，仅示出了：芯层210；形成于芯层210的一部分的掺杂了p型杂质离子的p型硅板211；高浓度地掺杂了p型杂质并起到作为电极的作用的p++硅电极部212、213；吸收光的锗层251、252、……、25n；以及n型锗区域225-1、225-2、……、225-n，省略了上部包层和电极。需要说明的是，锗光检测器500的锗层251、252、……、25n的各自的位置处的剖面是与图6相同的构造。此外，图12中，以双点划线示出了电极与p++硅电极部212、213以及n型锗区域225-1、225-2、……、225-n相接的位置。
本实施方式中，在p型硅板211上逐渐减小多个锗层251、252、……、25n，由此，能通过降低由锗层的规则性引起的光学干渉来得到更均匀的波长特性。
此外，与实施方式一～实施方式三相同，能通过减小锗结晶来使穿透位错难以产生，并且，通过使各锗层的与p型硅板211相接的面积小型化来削弱由穿透位错引起的暗电流，同时，通过相对于光的行进方向串行排列多个锗层251、252、……、25n来确保充足的光吸收区域。
(实施方式五)
图14A、图14B是本发明的实施方式五的锗光检测器600、700的省略了上部包层、锗层的上部的掺杂了n型杂质的n型锗区域、以及电极的俯视图。本实施方式的特征在于，构成为：芯层210具备多个输入波导部，将入射光分支并从多个输入波导部射入。本实施方式的构成除了芯层210具备多个输入波导部这点以外，其他与实施方式二、实施方式三相同。图14A、图14B示出了具备多个输入波导部的构成的一例，多个输入波导部的位置不限于此，可以设置于任意的位置。需要说明的是，本实施方式的锗光检测器是集总常数电路，不像分布常数电路那样需要用于在电信号与光信号之间实现速度匹配的电路。
除了实施方式二、实施方式三所实现的效果，本实施方式还能实现由光电流的分散效果带来的最大光输入强度的改善、以及由有效的有效锗区域增大带来的装置的小型化。
图15是示出如图5那样串行配置两个锗层来减小与硅板相接的面积的情况(有SEG)下和以往的具有一个锗层的情况(无SEG)下的暗电流的测定结果的图。锗层的短尺寸方向的宽度为8μm，有SEG的情况下的各锗层的长尺寸方向的长度为9μm，无SEG的情况下的锗层的长尺寸方向的长度为20μm。
如此，通过使锗层的与电极相接的面积小型化，能大幅削弱暗电流。
图16是示出如图5那样串行配置两个锗层来减小与电极相接的面积的情况(有SEG)下和以往的具有一个锗层的情况(无SEG)下的光电流的测定结果的图。与图15的情况相同，锗层的短尺寸方向的宽度为8μm，有SEG的情况下的各锗层的长尺寸方向的长度为9μm，无SEG的情况下的锗层的长尺寸方向的长度为20μm。
如此，通过相对于光的行进方向串行排列多个锗光检测器来确保与以往同等的充足的光电流。
综上，根据本发明，能仅削弱暗电流而不会有损锗光检测器的光电流。
附图标记说明：
100、200、300、400、500、600、700 锗光检测器
101、201 硅基板
102、202 下部包层
103、203 上部包层
110、210 芯层
111、211 p型硅板
112、113、212、213 p++硅电极部
114、241～2mn、251～25n 锗层
115、215-1～215(n×m)、225-1～225-n n型锗区域
116～118、216～218 电极

Claims (7)

1.一种光检测器，其特征在于，具备：
硅基板；
下部包层，形成于所述硅基板上；
芯层，形成于所述下部包层上，包含掺杂了p型杂质离子的p型硅板；
锗层，形成于所述p型硅板上，包含掺杂了n型杂质的n型锗区域；
上部包层，形成于所述芯层以及所述锗层上；以及
电极，分别与所述p型硅板以及所述n型锗区域连接，
所述锗层被小片化为相互隔断的多个区域，具有多个与所述p型硅板相接的相互隔断的面。
2.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，
所述锗层具有多个对应于与所述p型硅板相接的多个面的所述n型锗区域，
所述电极包含一组电极，该一组电极包含与所述多个n型锗区域共用的所述p型硅板连接的至少一个第一电极和与所述多个n型锗区域连接的一个第二电极。
3.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，
所述芯层包含多个输入波导部。
4.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，
所述锗层的与所述p型硅板相接的多个面的面积各不相同。
5.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，
所述p型硅板在所述锗层的两侧包含高浓度地掺杂了p型杂质的p++硅电极部，
连接于所述p型硅板的电极与所述p++硅电极部相接。
6.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，
所述锗层的与所述p型硅板相接的面相对于光的行进方向串行配置。
7.根据权利要求1所述的光检测器，其特征在于，
所述锗层的与所述p型硅板相接的面相对于光的行进方向并行配置。
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