JP2006522465A - 薄膜シリコン・オン・インシュレータ（ｓｏｉ）プラットフォーム上に集積した多結晶ゲルマニウム・ベースの導波路検出器 - Google Patents

薄膜シリコン・オン・インシュレータ（ｓｏｉ）プラットフォーム上に集積した多結晶ゲルマニウム・ベースの導波路検出器 Download PDF

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Abstract

シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造体に形成された比較的薄い（すなわちサブミクロンの）シリコン光導波路と共に使用される光検出器は、シリコン光導波路に沿って伝搬する光信号の少なくとも一部分と結合するように配設されたポリゲルマニウムの層を含む。この導波路構造体内に光信号をしっかりと閉じ込めることによって、ポリゲルマニウム検出器へ効果的にエバネセント結合することが可能となる。このシリコン光導波路は任意の所望の形状を取ることができ、ポリゲルマニウム検出器は導波路の一部分を被覆するか、または導波路の端部部分とバット・カップリングされるように形成される。導波路の一部分を被覆する場合、ポリゲルマニウム検出器は、検出器の両端にコンタクトが形成された状態で、光導波路の側面および上面を被覆する「巻き付け」形状を含み得る。

Description

本願は２００３年３月３１日に出願された仮出願第６０／４５９３４８号の利益を主張するものである。
本発明は光検出器に関し、さらに特には、薄膜シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）プラットフォーム上に集積した多結晶ゲルマニウム・ベースの導波路検出器に関する。
ＳＯＩベースの光電子プラットフォームでは、比較的薄い（例えば＜１μｍ）シリコン導波路を用いてチップ全体にわたって光が分散され、多数の光学的機能（例えば、分割／結合、変調、スイッチング、波長多重化／逆多重化、アド／ドロップ、等化、および分散補償）が提供される。ＳＯＩプラットフォームにおける光の結合および操作の能力によって、単一のシリコン・チップ上での光学およびマイクロエレクトロニクスの真の集積化が可能となる。光通信産業において光学コンポーネント／サブシステムのコストおよび消費電力が高く、フォーム・ファクタが大きくなる原因の１つは、利用可能なコンポーネントの集積方法がないからである。今日の光電子産業は個別のビルディング・ブロックおよび種々のコンポーネントのハイブリッド集積化に依存している。１９６０年代のＩＣ産業と同じく、このような個別コンポーネントはオープン・ループであり、後で（例えば、外的な光学および電子機器を用いて）外的にクローズド・ループにされるので、歩留りが低くなるとともにコストが高くなる。オン・チップ・フィードバック制御技術を用いれば、アナログＩＣは非常に低いコストで極めて高い精度の仕様を満たすが、動作条件の変動は大きくなる。
マイクロフォトニクスをマイクロエレクトロニクスと上手く集積化するためには、光子を電子に変換することが不可欠である。ＩｎＧａＡｓベースのＰＩＮ光検出器は反応度が高く速度が速いので、一般に通信用途に使用される。ＩｎＧａＡｓベースの検出器の大半は直角入射検出器であり、そのようなデバイスをシリコン表面に集積化するにはコストが高くつく。また高速ＩｎＧａＡｓ検出器を集積化するには、光を小さな活性領域に集束させるために特別な光学が必要となり、これはデバイス性能に影響を及ぼすことがわかっている。
当該分野ではゲルマニウム・ベースの検出器がよく知られている。ゲルマニウム検出器はＩｎＧａＡｓベースの検出器よりも高い暗電流を呈するので、通信産業における用途が制限される。近年、このような用途のために多結晶ゲルマニウム・ベースの検出器性能を改善しようとする試みがなされている。先行技術のポリゲルマニウム検出器の１つが、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７６巻、１２３１頁〜、２０００年に掲載されたＬ．Ｃｏｌａｃｅらの「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｇｅ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｎ Ｓｉ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」と題する論文で考察されている。
仮出願第６０／４５９３４８号 Ｌ．Ｃｏｌａｃｅら、「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｇｅ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｎ Ｓｉ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７６巻、１２３１頁〜
上記すべてに関し、光学機能および電子的機能を単一のシリコン・ベースチップ上に集積化することを容易にする低コストで効果的な光−電子変換機構を提供する必要性が依然として存在する。
先行技術に依然としてある要求は、光検出器、より特には薄膜シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）に集積した多結晶ゲルマニウム・ベースの導波路検出器に関連する本発明によって対処される。
特に本発明は、ＳＯＩプラットフォームに形成された比較的薄いシリコン導波路とモノリシック集積される種々のポリゲルマニウムベースの光検出器構造体に関する。ポリゲルマニウムは物理蒸着（ＰＶＤ）法または化学蒸着（ＣＶＤ）法などの種々の技術を用いてポリゲルマニウム層が形成され得るが、このような方法に限定するものではない。ＳＯＩベースの薄膜シリコン導波路では、指数の対比が大きい（ｎｓｉ＝３．５およびｎｓｉｏ２＝１．５）ので、光モードはしっかりと閉じ込められる。本発明によれば、シリコン導波路を伝搬する光は、重なり合うポリゲルマニウム層の領域に達すると、ポリゲルマニウムに吸収されてしまう。ゲルマニウムのバンド・ギャップ（〜０．７２ｅＶ）によって、近赤外線波長光を効果的に吸収することができる。この光の吸収によって生成された電子正孔対は、ポリゲルマニウム層上に形成された適した電極構造体を用いて効果的に収集され得る。このポリゲルマニウム層の物理的寸法（すなわち、高さ、幅、および長さ）を用いて吸収される光の量が制御される。
本発明のポリゲルマニウム検出器のある好適な実施形態では、検出器層はＳＯＩプラットフォーム上に形成したシリコン・ストリップ導波路上に巻き付けられた形状として形成され、コンタクトは検出器をバイアスするストリップのいずれかの側に形成されている。導波路の側方寸法が狭い（〜１μｍ）ことによって、直角入射検出器と比較して面積は著しく小さくなるので、高い反応度で高速、低暗電流の操作が可能となる。
別の実施形態では、ポリゲルマニウム層はスラブ・シリコン導波路上に直接形成され、シリコン層に形成した集束要素（例えば、ミラー、レンズ、または凹面格子）を用いて、光はポリゲルマニウム検出器に集束される。その高い屈折率によりシリコン内で達成可能な焦点の大きさは次式のようになる：
Figure 2006522465
上式中、Ｗｍｉｎは最小のビーム径、λＳｉはシリコン内の光の波長、ＮＡは集束要素の開口率である。シリコン内の光の波長は自由空間の光の波長よりも著しく小さいので、薄いシリコン導波路では非常に狭い光の集束が可能となる。次に、検出器の面積は非常に小さく（例えば、１０μｍ２）なり得るので、検出器を高速で操作できるようになる。さらに、ポリゲルマニウム検出器層の形状を調整して、反射損を最小化することおよび／または光を検出器に適切に集束させることができる。
本発明の別の実施形態では、リブ導波路に沿って伝搬する光が導波路の長さ全体に沿ってポリゲルマニウム層と相互作用するように、ポリゲルマニウム検出器は狭いシリコン・リブ導波路上に形成される。これによって、光は完全に吸収されるので、（直角入射検出器の場合のように）吸収長およびキャリア収集長が同じになるという欠点がなくなる。本発明のこの配置では、光の吸収がポリゲルマニウム検出器の長さによって独立して制御される間、キャリア収集長は同じままである。
ここで図面を参照する。
本発明のポリゲルマニウムＳＯＩベースの光検出器を詳細に説明するに先立って、従来の直角入射光検出器を簡単に記載することが有用である。図１はそのような従来のある先行技術の検出器１の断面図を示している。入射光ビームの方向がこの場合はＡＲコーティング層２である衝突層に対して直角であるので、検出器１は「直角」入射光検出器と考えられる。検出器１はｐ型ドープ・ポリゲルマニウム層３、イントリンシック・ドープ層４、およびｎ型ドープ層５を備えたＰＩＮ検出器である。図示のように、底部コンタクト６およびリング状上部コンタクト７を有する電気コンタクトが検出器１の両側に形成されている。層３，４、および５の厚さおよびドーピングが吸収される光の量および検出器１の反応の速度を決定する。ｐ型ドープ層３内の吸収面積は典型的には約１００μｍ２である（光を検出器１に集束させる低コストの方法がないために吸収面積が大きくなる）。このような従来の先行技術の検出器は吸収面積が比較的大きいので、その適用範囲は結果として生じるより高い暗電流に耐え得る用途に限られる。ある場合には、（吸収が低いことに起因する）応答度を犠牲にして、反応の速度を改善するために、このＰＩＮ層の厚さが縮小される。
図２は本発明の教示によるポリゲルマニウム層が上に配置されかつ光検出器として使用され得る例示的なＳＯＩ構造体１０の断面図を含んでいる。図示のように、ＳＯＩ構造体１０はシリコン基板１２を含んでおり、その上に二酸化シリコン埋め込み酸化物層１４が形成されている。比較的薄いスラブ・シリコン導波路層１６を埋め込み酸化物層１４の上に配設した状態で示しており、このスラブ・シリコン導波路１６を用いてこの導波路の長さに沿って光信号が伝搬される。ポリゲルマニウム層１８が導波路層１６の一部分の上に配設されている。以下に記載するように、本発明のすべての実施形態の基本となるのは、実施形態が近赤外線波長光（すなわち、１．１〜１．７μｍ）と共に働くＳＯＩベースの光−電子プラットフォームに形成された比較的薄い（サブミクロン）シリコン導波路に関連するモノリシック集積型のポリゲルマニウム検出器を備えるということである。種々の実施形態において以下に詳細に記載するように、両方の電気コンタクトがデバイス（すなわち、平面コンタクト形状）の「上部」の上に形成されており、これは先行技術が「上部」および「底部」のコンタクトを必要とするのに比べて、製造およびパッケージングの点で作業がより容易であると考えられる。
図２に戻ると、比較的薄い（すなわち、＜１μｍ）シリコン導波路１６を使用すれば、伝搬する光信号を垂直寸法に閉じ込めるように機能する。信号が導波路を伝搬するとき、信号はポリゲルマニウム層１８に結合されて、電子正孔対を形成する。（以下に詳細に記載するように）離れた金属コンタクト間の距離を非常に短く、例えばほぼ導波路の寸法にすることができ、反応度を犠牲にすることなく高速操作が保証される。以下に詳細に示すように、本発明の導波路検出器配置内の光の吸収はポリゲルマニウム検出器層１８の長さおよびドーピングによって制御される。
導波路層１６の形状がサブミクロンであるために、光学モードのエバネセント波の尾部はシリコン導波路層を超えて延び、導波路の上面および底面に対して非常に反応し易くなる。本発明の基礎となるのは、ポリゲルマニウム層をシリコン導波路の上に形成して導波路を伝搬する光を吸収することにある。
図１７に示したように、ゲルマニウムのバンド・ギャップ（〜０．７２ｅＶ）によって、近赤外線波長光を効果的に吸収することができる。物理蒸着（ＰＶＤ）法または化学蒸着（ＣＶＤ）法などの従来の種々の技術を用いてポリゲルマニウム層が形成され得るが、このような方法に限定するものではない。
本発明は非常に狭い寸法（例えば、高さ＜１μｍ、幅が〜１μｍ）のシリコン導波路へ光を閉じ込めることを伴う。光をしっかりと閉じ込めることによって、非常に小さい寸法の検出器の製造が可能となる。狭い導波路形状はまた、図１の先行技術の配置などの先行技術の大面積検出器に関連する制限を緩和する。スレッディングのずれおよび粒径が小さいことなどの材料欠陥は、先行技術の検出器の性能に悪影響を及ぼす。より良い電気的および光学的性能を達成するために、サイクル焼鈍およびレーザ焼鈍などの薄膜トランジスタ産業の技術を用いてポリゲルマニウム材料の品質を改善することができる。本発明のポリゲルマニウム検出器の形成中の工程を適切に制御することによって、粒径およびスレッディングのずれを変化させて、暗電流の低さ、キャリア寿命の拡大、および移動度の高さの点で検出器の性能を改善することが可能となる。
ｐ型ドーピングにはホウ素またはｎ型ドーピングにはＡｓまたはＰなどの適したドーパントを用いて、ポリゲルマニウム材料をドープして側方にＰＩＮ構造を形成することもできる。ＰＩＮベースの光検出器は適切に位置決めしたコンタクト（電極）を用いて形成することもできる。例えば、ゲルマニウムの未ドープの吸収層が、ｐ型に高濃度ドープしたコンタクト層とｎ型に高濃度ドープしたコンタクト層との間に配設されてよい。光検出器に逆バイアスを印加すると、空乏領域の幅が縮小されて、キャリアの移動時間が短縮される。ＳＯＩ構造体のシリコン導波路を伝搬する光モードは、ポリゲルマニウム領域と相互に作用するときに電子正孔対を作る。この電子正孔対は適切に位置決めした電極によって収集される。この収集効率は２つの電極間の距離のほかポリゲルマニウム材料の品質にも左右される。
吸収された光子のどれもが１つの電子正孔対を生成するので、電子正孔対の生成は光の吸収に直接関連する。光学的生成速度ｇＯＰは次式で示される：
Figure 2006522465
上式中、Ａはフォトダイオードの被照射面積、Ｐｉｎは放射電力、αは吸収係数、ｈはプランク定数、ｃは真空中の光の速度、λは光の波長である。一例として寸法が１μｍ×１０μｍ×０．２μｍのポリゲルマニウム検出器を用いると、λ＝１．５５μｍおよび出力１μＷの入力光信号がこの検出器に吸収される場合、検出器の体積内に生成される電子正孔対の数は約８×１０１３／ｃｍ−３に等しい。したがって、熱的に生成された電子正孔対の濃度は約２０に等しい。光がしっかりと閉じ込められるので、かなりの量の電力がポリゲルマニウム検出器まで運ばれ、その結果、熱的な生成と比べて少なくとも２桁多い電子正孔対が得られる。
生成されたすべての電子正孔対が光電流の一因となっていると仮定すると、この光電流は次の積分で表すことができる：
Figure 2006522465
上式中、ｄは（空乏になる）未ドープ領域の厚さ、ｑは電子電荷であり、この積分は空乏領域の幅に適用される。すべての場合において、この積分は次のように約分され得る：
Figure 2006522465
上式中、Ｒは導波路と検出器との界面の反射を表す。λ＝１．５５μｍ、Ｐｉｎ＝１μＷ、およびα＝１０３／ｃｍ−１の近赤外線波長光は、長さ１０μｍの検出器については１μＡとなる。図１に示したように、先行技術では、直角入射検出器については従来の暗電流は１０−３Ａ／ｃｍ２であることが報告されている。対照的に、本発明のポリゲルマニウムベースの導波路検出器（〜１０μｍ２）について予想される暗電流は約１ｎＡとなり、より高い信号対雑音比となる。
本発明の実施形態の大半では、導波路層１６は３種類の形状、（１）スラブ、（２）ストリップ、または（３）リブの１つを含む。図３（ａ）および（ｂ）はスラブ導波路ＳＯＩベースの構造体の断面図および等角図をそれぞれ示している。この例では、上部シリコン導波路層を１６ｓｌａｂで示している。図３（ａ）の断面図はスラブ導波路１６ｓｌａｂに沿って伝搬する信号の例示的な光モードも示している。シリコン・スラブ導波路１６ｓｌａｂの厚さがサブミクロンであるために、光学モードのエバネセント波の尾部は導波路層１６ｓｌａｂを超えて延び、そのモードは導波路層１６ｓｌａｂの上面１７および底面１９の両方に対して非常に反応し易くなる。有利には、ポリゲルマニウム検出器を導波路層１６ｓｌａｂの上面１７の上に配設して、層１６の上面１７の上に延びる光モードのその部分を捕捉し得る。
図４（ａ）および４（ｂ）はスラブ導波路と共に使用される本発明の例示的な光検出器を示しており、ポリゲルマニウム層１８は図３のＳＯＩベースの構造体１０の上面１７の上に配設されている。図２も参照すると、光モードはポリゲルマニウム層１８に結合されて、吸収が起こるようになることは図４（ａ）に明白に示されている。図示のように、１対の電気コンタクト２０１、２０２が層１８の両側に沿って形成されており、吸収の量は構造体１０の側方寸法に沿った層１８の長さによって制御されるであろう。図示していないある配置では、このような検出器のアレイを同じ導波路層１６ｓｌａｂの上に配置することができ、これを用いて（例えば、波長分割多重化（ＷＤＭ）通信システムの場合などの）同じ層１６ｓｌａｂに沿って伝搬する種々の波長を吸収することができる。
シリコン導波路層１６ｓｌａｂから検出器を電気的に絶縁することが望ましい場合、（例えばＳｉＯ２などの）誘電体層２２を配設して導波路層１６ｓｌａｂの上面層１７が被覆され得る。図５（ａ）および（ｂ）はそのような構造体の断面図および等角図をそれぞれ示している。ほとんどの場合、この層は下にあるシリコン導波路層１６ｓｌａｂの上で成長され得る。別の場合には、層２２が堆積され得る。本発明の光検出器構造体内に誘電体層２２を含んで、シリコン導波路層１６と共にポリゲルマニウム検出器層１８を導入するプロセス統合が簡素化されることがわかっている。
図６（ａ）および（ｂ）はストリップ導波路ＳＯＩベースの構造体の断面図および等角図をそれぞれ示している。この例では、上部のシリコン・ストリップ導波路層を１６ｓｔｒｉｐで示している。図６（ａ）の断面図はまた、ストリップ導波路１６ｓｔｒｉｐに沿って伝搬する信号の例示的な光モードを示している。シリコン・ストリップ導波路１６ｓｔｒｉｐの厚さおよび幅がサブミクロンである結果、光モードは水平寸法および垂直寸法内に十分に閉じ込められるので、図３のスラブ導波路形状よりも高い信号電力が側方寸法の関数として示される。
図７（ａ）および（ｂ）は図６に示したストリップ導波路形状を利用した本発明の例示的なポリゲルマニウム光検出器配置を示している。図７に明らかなように、ポリゲルマニウム検出器層１８はシリコン・ストリップ導波路層１６ｓｔｒｉｐの上面および両側面を共に完全に被覆するように「巻付き」形状を含むように形成される。図７（ａ）および（ｂ）に共に明白に示すように、特に検出器層１８は、導波路層１６ｓｔｒｉｐの一方の側の埋め込み酸化物層１４の上面と接する第１の側部１８１および導波路層１６ｓｔｒｉｐの反対側にある埋め込み酸化物層１４の上面と接する第２の側部１８２を含むように形成される。この場合、第１の電気コンタクト２０１はポリゲルマニウム層１８の第１の部分１８１の上に配設され、第２の電気コンタクト２０２はポリゲルマニウム層１８の第２の部分１８２の上に配設されている。ストリップ導波路層１６ｓｔｒｉｐを矩形の断面で示しているが、他の形状が可能である。また、Ｙスプリッタ、リング共振器および／または結合器を含む種々のストリップ導波路構成が、種々の導波路部分に沿って同様の巻き付け構成で別個の検出器を配設した状態で形成されてよい。
図８に示したように、上記のスラブ構成と同様、誘電体層２２はシリコン・ストリップ導波路層１６ｓｔｒｉｐとポリゲルマニウム光検出器層１８との間に配設され得る。この層２２を用いて導波路層１６とポリゲルマニウム検出器１８に関連する電気コンタクト２０との間に電気的絶縁が提供される。適した材料から選択される場合、誘電体層２２はポリゲルマニウム層１８を従来のＳＯＩ構造体１０と統合する工程を簡素化することもできる。
図９（ａ）および（ｂ）はリブ導波路構造体の断面図および等角図をそれぞれ示している。この例では、ポリシリコン・リブ導波路層１６ｒｉｂはスラブ・シリコン導波路層１６ｓｌａｂの一部分の上に形成されている。スラブ導波路層１６ｓｌａｂと組み合わせてポリシリコン・リブ１６ｒｉｂを使用すれば、光モードをリブセクションまで引き上げるように機能し、これによってスラブ導波路形状のための側方閉じ込めが可能となる。図９（ａ）の断面図は例示的な光モードのリブ導波路層１６ｒｉｂへの結合をはっきりと示している。シリコン・リブ導波路１６ｒｉｂの厚さおよび幅がサブミクロンである結果、光学モードのエバネセント波の尾部は導波路層１６ｒｉｂを超えて延び、リブ導波路層１６ｒｉｂの上面１７および底面１９に対して非常に反応し易くなる。有利には、ポリゲルマニウム検出器を導波路層１６ｓｌａｂの上面１７の上に配設して、層１６の上面１７の上に延びる光モードのその部分を捕捉し得る。
図１０（ａ）および（ｂ）は図９に示したリブ導波路形状を利用した本発明の例示的なポリゲルマニウム光検出器配置を示している。図１０に明らかなように、また図７に関して上に記載した配置と同様に、ポリゲルマニウム検出器層１８はポリシリコン・リブ導波路層１６ｒｉｂの上面および両側面を共に完全に被覆するように「巻付き」形状を含むように形成される。図１０（ａ）および（ｂ）に共に明白に示すように、特に検出器層１８は、リブ導波路層１６ｒｉｂの一方の側のシリコン・スラブ導波路層１６ｓｌａｂの上面と接する第１の側部１８１およびリブ導波路層１６ｒｉｂの反対側にあるシリコン・スラブ導波路層１６ｓｌａｂの上面と接する第２の側部１８２を含むように形成される。この場合、第１の電気コンタクト２０１はポリゲルマニウム層１８の第１の部分１８１の上に配設され、第２の電気コンタクト２０２はポリゲルマニウム層１８の第２の部分１８２の上に配設されている。リブ導波路１６ｒｉｂを矩形の断面で示しているが、他の形状が可能である。また、Ｙスプリッタ、リング共振器および／または結合器を含む種々のリブ導波路構成が、種々の導波路部分に沿って同様の巻き付け構成で別個の検出器を配設した状態で形成されてよい。
図１１に示したように、上記のスラブおよびストリップの構成と同様、誘電体層２２はシリコン・スラブ導波路層１６ｓｌａｂとポリシリコン・リブ導波路層１６ｒｉｂとの間に配設され得る。この層２２を用いて導波路層１６とポリゲルマニウム検出器１８に関連する電気コンタクト２０との間に電気的絶縁が提供される。適した材料から選択される場合、誘電体層２２はポリゲルマニウム層１８を従来のＳＯＩ構造体１０と統合する工程を簡素化することもできる。
図１２は共面構造体として形成されたシリコン・ストリップ導波路層１６ｓｔｒｉｐおよびポリゲルマニウム検出器層１８を用いて形成された、本発明の別の実施形態の等角図を含んでいる。特に、図１２に示したように、ポリゲルマニウム検出器層１８はシリコン・ストリップ導波路層１６ｓｔｒｉｐの端子領域Ｔに配設されている。上記のように、１対の電気コンタクト２０１および２０２は検出器層１８の両側に配設されている。ストリップ導波路層１６ｓｔｒｉｐに沿って伝搬する光モードはポリゲルマニウム層１８に完全に吸収されて電子正孔対を生成するので、完全な光−電気変換を必要とする場合、本発明のこの特定の実施形態が使用されてよい。図１３は図１２の配置の別の実施形態を示しており、シリコン・ストリップ導波路層１６ｓｔｒｉｐとシリコン・リブ導波路層１６ｒｉｂとの間に誘電体層２２を組み込んでいる。図１２の配置と同様、伝搬する光信号はすべてポリゲルマニウム検出器層１８によって吸収される。図１３はシリコン・ストリップ導波路の上に配設されている誘電体層２２上に形成されたポリシリコン・リブ導波路構造体の等角図を示している。ポリゲルマニウム検出器１８はポリシリコン・リブ層およびシリコン・ストリップ導波路層の両方の端子に配設されている。
図１４の配置は、ゲルマニウム層１８が埋め込み酸化物層１４上に直接形成されずに、ポリシリコン装填ストリップ導波路層１６ｓｔｒｉｐのあるセクションの上に配設されているという点で異なっている。上記配置と同様、図１５に示したように、誘電体層２２はポリシリコン装填ストリップ導波路層１６ｓｔｒｉｐとポリシリコン・リブ導波路層１６ｒｉｂとの間に配設され得る。
図１５の配置は、ゲルマニウム層１８が埋め込み酸化物層１４上に直接形成されずに、シリコン装填ストリップ導波路層１６ｓｔｒｉｐのあるセクションの上に配設されているという点で少しだけ異なっている。上記配置と同様、図１５に示したように、誘電体層２２はシリコン装填ストリップ導波路層１６ｓｔｒｉｐとポリシリコン・リブ導波路層１６ｒｉｂとの間に配設され得る。
図１６（ａ）〜（ｅ）は本発明のＳＯＩベースの共面ポリゲルマニウム検出器を利用し得る種々のシステムをハイ・レベル形態で示している。図１に関して上記で考察したように、従来の直角入射検出器に比べ、本発明の配置を使用することにはいくつかの利点がある。第１に、別個のＩｎＧａＡｓ検出器を使用することは、ポリゲルマニウム検出器はＳＯＩ構造体の狭い導波路上に直接形成される本発明と比べてあまり実用的なアプローチではない。さらに、図１６（ａ）に示したように、結合された導波路ベースのタップを用いて伝達／反射された出力を監視することができる。特定の波長を取り出す従来の先行技術のアプローチには、高価な光ファイバおよび正確な光学的位置合わせが必要となる。本発明によれば、単純なリング共振器構成（図１６（ｂ））を用いて、監視または完全な下降のいずれかの目的で特定の波長を取り出すことができる。次に、複数の別個の導波路と共に多数の「タップ」を用いて種々の波長を監視することができる（図１６（ｃ）を参照）。波長多重化／逆多重化の一般的な方法には、高価な多層狭帯域誘電体薄膜フィルタの使用を伴うが、これには正確な光学的配置が必要となり、低コストとは考えられない。本発明によれば、（図１６（ｄ）に示したように）シリコンにエッチングした凹面格子を用いて、別個のポリゲルマニウム検出器が各導波路に関連付けられた別個のシリコン導波路に種々の波長を逆多重化することができる。直列型の検出では、図１６（ｅ）に示したように、別の有用な監視機能も本発明のポリゲルマニウム検出器を用いることによって単純化される。
本発明の上記実施形態は単なる例示であると考えられ、添付の特許請求の範囲によって定められるような、本発明の範囲を定めるか、または制限するものと考えられるべきではないことを理解されたい。
従来の先行技術の直角入射光検出器を示す断面図である。 本発明のポリゲルマニウム光検出器が形成され得る例示的なＳＯＩ構造体を示す断面図である。 スラブ導波路を含んだ例示的なＳＯＩ構造体を示す断面図である。 スラブ導波路を含んだ例示的なＳＯＩ構造体を示す等角図である。 図３ａ及びｂのスラブ導波路ＳＯＩ構造体上に形成されたポリゲルマニウム検出器を示す断面図である。 図３ａ及びｂのスラブ導波路ＳＯＩ構造体上に形成されたポリゲルマニウム検出器を示す等角図である。 導波路と検出器との間に誘電体層が挿置された、図４ａ及びｂの配置の別の実施形態を示す断面図である。 導波路と検出器との間に誘電体層が挿置された、図４ａ及びｂの配置の別の実施形態を示す等角図である。 ストリップ導波路を含んだ例示的なＳＯＩ構造体を示す断面図である。 ストリップ導波路を含んだ例示的なＳＯＩ構造体を示す等角図である。 図６ａ及びｂのストリップ導波路ＳＯＩ構造体上に形成されたポリゲルマニウム検出器を示す断面図である。 図６ａ及びｂのストリップ導波路ＳＯＩ構造体上に形成されたポリゲルマニウム検出器を示す等角図である。 導波路と検出器との間に誘電体層が挿置された図７ａ及びｂの配置の別の実施形態を示す断面図である。 導波路と検出器との間に誘電体層が挿置された図７ａ及びｂの配置の別の実施形態を示す等角図である。 リブ導波路を含んだ例示的なＳＯＩ構造体を示す断面図である。 リブ導波路を含んだ例示的なＳＯＩ構造体を示す等角図である。 図９ａ及びｂのリブ導波路ＳＯＩ構造体上に形成されたポリゲルマニウム検出器を示す断面図である。 図９ａ及びｂのリブ導波路ＳＯＩ構造体上に形成されたポリゲルマニウム検出器を示す等角図である。 スラブ導波路層とリブ導波路構造体との間に誘電体層が挿置された、図１０の別の実施形態を示す断面図である。 スラブ導波路層とリブ導波路構造体との間に誘電体層が挿置された、図１０の別の実施形態を示す等角図である。 ＳＯＩ構造体の上面に沿ってストリップ導波路の端子に形成された、本発明のポリゲルマニウム検出器のＳＯＩベースのストリップ導波路配置を示す側面図である。 ＳＯＩ構造体の上面に沿ってリブ導波路の端子に形成された、本発明のポリゲルマニウム検出器のＳＯＩベースのリブ導波路配置を示す側面図である。 ポリゲルマニウム検出器がストリップ導波路に結合された導波路の端部に形成されたコンタクトを有する、誘電体絶縁層によって分離されたポリシリコン・ストリップ導波路上に形成されたポリシリコン・リブ導波路を示す側面図である。 ポリゲルマニウム検出器が導波路の端部のシリコン・ストリップ導波路上に形成された、誘電体絶縁層によって分離されたシリコン・ストリップ導波路上に形成されたポリシリコン・リブ導波路を示す側面図である。 本発明のポリゲルマニウム検出器を用いた光電子システムを示す略図である。 本発明のポリゲルマニウム検出器を用いた光電子システムを示す略図である。 本発明のポリゲルマニウム検出器を用いた光電子システムを示す略図である。 本発明のポリゲルマニウム検出器を用いた光電子システムを示す略図である。 本発明のポリゲルマニウム検出器を用いた光電子システムを示す略図である。 ゲルマニウムの吸収の性質を示すグラフである。

Claims (13)

  1. シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）プラットフォームに基づいた光検出器構造体であって、該構造体は、
    上部主表面を含むシリコン基板と、
    前記シリコン基板の上部主表面を被覆するように配設され、上部主表面を含んだ埋め込み酸化物層と、
    前記埋め込み酸化物の上部主表面の少なくとも一部分を被覆するように配設されたサブミクロンの厚さのシリコン光導波路層と、
    前記シリコン光導波路層の一部分と接するように配設されたポリゲルマニウム検出器層と、
    前記ポリゲルマニウム検出器層の両側の端子上に配設された１対の電気コンタクトとを備え、
    前記ポリゲルマニウム検出器層は、前記サブミクロンの厚さのシリコン光導波路層に沿って伝搬する光信号を吸収し、かつ前記１対の電気コンタクトの間で電気的出力信号を生成するのに適したバンド・ギャップを呈する光検出器構造体。
  2. 前記構造体は、前記サブミクロンの厚さのシリコン光導波路層と前記ポリゲルマニウム検出器層との間に配設された誘電体層をさらに備える請求項１に記載の光検出器構造体。
  3. 前記サブミクロンの厚さのシリコン光導波路層はスラブ形状を含み、該スラブ導波路層の上部主表面を被覆するように前記ポリゲルマニウム検出器層が配設された請求項１に記載の光検出器構造体。
  4. 前記サブミクロンの厚さのシリコン光導波路層はストリップ形状を含み、前記埋め込み酸化物層の上部主表面の一部分のほか、前記シリコン・ストリップ導波路層の側面および上面も共形的に被覆するように前記ポリゲルマニウム検出器層が配設された請求項１に記載の光検出器構造体。
  5. 前記１対の電気コンタクトは、下側の埋め込み酸化物層と直接接した状態で、前記ポリゲルマニウム層の前記分上に配設された請求項４に記載の光検出器構造体。
  6. 前記構造体は前記サブミクロンの厚さのシリコン光ストリップ導波路層と前記ポリゲルマニウム層との間に配設された誘電体層をさらに備える請求項５に記載の光検出器構造体。
  7. 前記サブミクロンの厚さのシリコン光導波路層はスラブ層を含み、該スラブの上部主表面の一部分を被覆するようにポリシリコン・リブ層が配設され、かつ前記リブ導波路層の上部主表面の一部分のほか、前記シリコン・リブ導波路層の側面および上面も共形的に被覆するように前記ポリゲルマニウム検出器層が配設された請求項１に記載の光検出器構造体。
  8. 誘電体層が前記シリコン・スラブ導波路層と前記ポリシリコン・リブ導波路層との間に配設された請求項７に記載の光検出器構造体。
  9. 前記サブミクロンの厚さのシリコン光導波路層はシリコン・ストリップ層を含み、該ストリップの上部主表面の一部分を被覆するようにポリシリコン・リブ導波路層が配設され、かつ該ストリップ導波路層の上部主表面の一部分のほか、前記シリコン・ストリップ導波路層の側面および上面も共形的に被覆するように前記ポリゲルマニウム検出器層が配設された請求項１に記載の光検出器構造体。
  10. 前記サブミクロンの厚さのシリコン光導波路層はポリシリコン・ストリップ導波路層を含み、該ポリシリコン・ストリップ導波路層の上部主表面の一部分を被覆するようにポリシリコン・リブ導波路層が配設された請求項９に記載の光検出器構造体。
  11. ポリゲルマニウム検出器層が、該ポリシリコン・ストリップ導波路層の上部主表面の一部分のほか、前記ポリシリコン・リブ導波路層の端部端子のシリコン・ストリップ導波路層の側面および上面も共形的に被覆するように配設された請求項１０に記載の光検出器構造体。
  12. 前記ポリゲルマニウム検出器層は、該検出器においてＰＮ接合を形成するようにｐ型およびｎ型ドーピングの側方領域を含む請求項１に記載の光検出器構造体。
  13. 前記ポリゲルマニウム検出器層は、ＰＩＮ構造光検出器を形成するように、ｐ型およびｎ型ドーピングの別個の側方領域を含む請求項１に記載の光検出器構造体。
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