JP2007504659A

JP2007504659A - 埋め込み酸化物層による金属−半導体−金属（ｍｓｍ）光検出器を有するシステムおよび方法

Info

Publication number: JP2007504659A
Application number: JP2006525218A
Authority: JP
Inventors: ウイピエジュウスキ，トルステン
Original assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Current assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2007-03-01
Also published as: US20070057299A1; WO2005024897A2; US20050161695A1; WO2005024897A3

Abstract

デバイス静電容量を減少させ、それによって、光検出器帯域幅を増加させるために、誘電体層が吸収層と基板層の間に配置されるＭＳＭ光検出器デバイスが本明細書に記載される。誘電体層は、光検出器効率を増加させ、高いフィールド・ドリフト領域からゆっくり移動するキャリアを遮断する。誘電体層は、ＡｌＧａＡｓの湿式熱酸化、イオン注入、またはウェハ・ボンディングとそれに続く基板除去のうちの１つによって形成される酸化物層であってよい。

Description

本出願は、２００３年９月５日に出願された「ＭＥＴＡＬ−ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ−ＭＥＴＡＬ（ＭＳＭ）ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲＷＩＴＨＢＵＲＩＥＤＯＸＩＤＥＬＡＹＥＲ」という名称の米国特許出願第６０／５００，６５６号に対する優先権を主張し、「ＦＲＥＥＳＰＡＣＥＭＳＭＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲＡＳＳＥＭＢＬＹ」という名称の、その開示が参照により本明細書に組み込まれる、同時係属中で、かつ、同一譲受人に譲渡された米国特許出願番号［代理人書類番号６７２６９−Ｐ００２ＵＳ−１０４１００８３］に関連する。

本出願は、一般に、光通信に関し、特に、ＭＳＭ光検出器を含むシステムおよび方法に関する。

金属−半導体−金属（ＭＳＭ）光検出器［ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｍｅｔａｌ（ＭＳＭ）ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ］は、ファイバ光学システム（ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｓｙｓｔｅｍ）の光検出のために従来は採用されてきた。図１は、ＭＳＭ光検出器１００の典型的な設計を断面図で示す。厚みｔの吸収層１０１は、基板１０２の上部に配置される。吸収層は、通常、ドーピングされない半導体材料を含み、基板は、通常、半絶縁性半導体材料を含む。８５０ｎｍ波長範囲以下のアプリケーションの場合、アプリケーションは、通常、両方の層についてＧａＡｓの変形を使用するであろう。金属電極線またはフィンガーの１０３は、吸収層１０１の上部に堆積する。光１０４は、光検出器１００に入射し、金属線１０３の間の吸収層に達し、吸収層１０１内で電子−正孔対１０５を生成する。電極１０３間、すなわち、（Ｖ＋からＶ−）に電圧が印加される場合、キャリアは、電極１０３間の電界で加速される。キャリア１０５が、電極１０３間の半導体内を進むと、キャリア１０５は、外部電気回路１０６の電流に影響を与えることになる。そのため、到来する光１０４は、回路１０６内の電流に変換される。

電極１０３間の電界は、通常動作下では、十分に高いため、キャリア１０５は、飽和ドリフト速度τ_ｓで進む。ＧａＡｓのような典型的なＩＩＩ−Ｖ族半導体の場合、τ_ｓは、約τ_ｓ＝１０^７ｃｍ／ｓである。電極は、個々の幅ｗおよび両者間の間隔ｓを有し、結果として得られる構造はコンデンサを形成することになる。その構造の静電容量は、ｈ_ｅｆｆのプレート分離を有する理想的な平行プレート・コンデンサと等価である。

図２は、図１のＭＳＭ光検出器の上から見下ろした図２００を示す。アクティブ・エリアの径はＤであり、組み合わせたすべての金属電極１０３の全長はＬｓである。金属電極１０３は、アクティブ・エリアを覆う櫛歯フィンガー構造（ｉｎｔｅｒ−ｄｉｇｉｔｆｉｎｇｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成し、各電極１０３が電極ボンドパッド２０１、２０２の一方に取り付けられるように、正電極２０１および負電極２０２に交互に接続される。金属電極１０３上に当たる光は、吸収層に達せず、検出されないことになる。幅の狭い電極１０３は、到来光の遮断が少ないという利点を提供するが、作製するのが難しいことが多い。

光検出器１００の典型的な作製プロセスは、吸収層１０１を基板１０２上にエピタキシャル成長させることを含んでもよい。吸収層１０１は、低いバイアス電圧を使用して金属電極間に自由キャリア空乏領域を作るために、低いバックグラウンド・ドーピング濃度を有するべきある。エピタキシャル成長プロセスは、分子ビーム・エピタキシ（ＭＢＥ）［ｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｍｅｐｉｔａｘｙ］、金属有機気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）［ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｖａｐｏｒｐｈａｓｅｅｐｉｔａｘｙ］、化学蒸着法（ＣＶＤ）［ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ］、または他の同様なプロセスであってよい。従来のリフトオフ技法は、吸収層１０１に対してショットキー障壁を形成する金属電極１０３の堆積のために使用することができる。典型的な光検出器１００は、容易な接合のために上部（すなわち、吸収層１０１から離れた面）に金層（厚み１００ｎｍ）を、半導体に対する粘着性を改善するために下側（すなわち、吸収層１０１に隣接する面）に薄い（１０ｎｍ）チタン層を有するプラチナ電極１０３（厚み１００ｎｍ）を有するであろう。電極２０１および２０２用のより大きな面積のボンドパッドが、別の金属堆積プロセスで形成されてもよい。

誘電体絶縁層（図示せず）はまた、漏れ電流を減らすために、ボンドパッド金属化２０１、２０２と吸収層１０１の間に堆積されることができる。最後に、光検出器１００は、半導体−空気界面における光反射を減らすために、反射防止（ＡＲ）皮膜（図示せず）でコーティングされることができる。ＡＲ皮膜の屈折率は、半導体の屈折率の平方根であり、４分の１波長厚を有するべきである。ＧａＡｓのために使用する一般的なＡＲ材料は、Ｓｉ_３Ｎ_４であり、約１．９の屈折率を有する。

上記は、以下に続く本発明の詳細な説明がよりよく理解することができるように、本発明の特徴および技術的利点を、ある程度広く概説する。本発明のさらなる特徴および利点は、以降で述べられることになり、本発明の特許請求項の主題を形成する。開示される概念および特定の実施形態は、本発明の同じ目的を実行するために、他の構造を変更するか、または、設計するための基礎として容易に利用することができることが当業者によって理解されるべきである。こうした等価な構成は、添付特許請求項で記載される本発明の精神および範囲から逸脱しないことも、当業者によって認識されるべきである。さらなる目的および利点と共に、本発明の編成と動作方法の両方について、本発明に特有であると考えられる新規な特徴は、添付図に関連して考えられると、以下の説明からよりよく理解されるであろう。しかし、図はそれぞれ、具体的に示し、説明するためにだけ提供されており、本発明の制限の規定として意図されないことが、明白に理解される。

本発明のより完全な理解のために、添付図面と共に考えられる以下の説明が、ここで、参照される。

ＭＳＭ光検出器を使用するシステムの帯域幅は、光検出器の速度および感度によって制限されるであろう。図１の光検出器１００の速度は、光生成キャリア１０５のドリフト時間ならびにデバイス自体に関連する静電容量によって制限される。電極１０３と光検出器１００のエリアの間隔は、部分的に、ドリフト時間と静電容量を決定し、システムにとってできる限り広い帯域幅を達成するために、両者が最適化される必要がある。

図３は、図１のＭＳＭ光検出器１００用の電極間隔の関数としての、ドリフト時定数とＲＣ時定数のグラフを示す。ドリフト時間は、キャリアが飽和ドリフト速度ν_ｓで進まなければならない長い距離のために、電極分離が増加すると共に（線形に）増加する。電極の狭い間隔、例えば、１ミクロンについて、平均ドリフト時間は、吸収層の厚さと共に増加する。図３では、それぞれ、０．５μｍと１μｍの吸収層の厚みについての結果が示される。時定数は、電極フィンガー幅ｗとは独立であるが、面積に依存する。そのため、より大きなフィンガー間隔は、ドリフト時間に関連する速度制限をもたらし、同様に、より大きなバイアス電圧を必要とする。

より狭いフィンガー間隔の場合、静電容量は、ＭＳＭ光検出器の速度制限因子である。さらに、ＲＣ時定数は、静電容量が間隔または分離と共に減少するため、電極分離と共に減少する。図３を見てわかるように、それぞれ、Ｄ＝２００μｍおよびＤ＝３００μｍについて示すように、ＲＣ時定数は、より大きな径のデバイスについて大きい。そのため、ドリフト時間およびＲＣ時間の幾何学的平均から決定される結果として得られる時定数は、ＭＳＭ光検出器の速度を決定し、ある間隔について最小を示す。

図４は、図１のＭＳＭ光検出器１００における電界線４０１を示す。電界１０４は、吸収層１０１を通って基板１０２内に延びる。半導体層１０１の上の空間４０２は、空気（またはＡＲ皮膜）の誘電率が吸収層１０１の誘電率（ε_Ｒ）と比較して非常に低いため、弱い磁界のみ示す。例えば、ＧａＡｓの誘電率は、空気の誘電率と比較して約１３である。

電極１０３のサイズおよび間隔における帯域幅制限因子を最小にすることは、電極１０３間の距離を最小にすることによって、金属電極間の光生成キャリアのドリフト時間を最小にすることをもたらす。しかし、金属電極間の間隔が小さくなればなるほど、静電容量が大きくなり、大きな静電容量は、電気回路において、光検出器の速度を制限するであろう。いわゆる、ＲＣ時定数は、ｔ_ｃ＝（Ｒ_Ｌεε_０Ａ^＊）／ｓを使用して計算され、ここで、ＲＬは外部回路の電気負荷抵抗（通常、５０オーム）であり、εは電極間の材料の平均誘電率であり、ε_０は固有誘電率であり、Ａ^＊は電極間の有効面積であり、ｓは電極間隔である．ＭＳＭ光検出器１００用のＲＣ時定数の計算は、Ａの代わりに有効面積Ａ^＊を使用することによって、他の時定数計算から修正される。ＭＳＭ光検出器のすべてのフィンガーの全長はＬｓであり、径はＤである。有効面積は、Ａ^＊＝ｈｅｆｆ・Ｌｓ＝（ｈｅｆｆ／（ｓ＋ｗ））・（π／４）・Ｄ^２＝（ｈｅｆｆ／（ｓ＋ｗ））・Ａとして規定される。そのため、有効面積は、係数ｈｅｆｆ／（ｓ＋ｗ）だけ減少した実際の物理的面積である。ＲＣ時定数は、ｔ_ｃ＝（（Ｒ_Ｌεε_０）／ｓ）・（ｈｅｆｆ／（ｓ＋ｗ））・Ａとして書き直すことができる。有効高さｈｅｆｆは、ＭＳＭ電極構成と同じ静電容量Ｃを有することになる平行プレート・コンデンサに対応し、数値的に計算することができる。幅ｗ以上の間隔ｓ（ｓ≧ｗ）の場合、結果はｈｅｆｆ／（ｓ＋ｗ）＝０．２８である。そのため、ＭＳＭ検出器の静電容量は、同じ径を有するｐｉｎダイオードの静電容量の０．２８倍に過ぎない。これは、ＭＳＭ光検出器に、より大きな面積についての速度の利点を与え、速度は、ＲＣ時定数によって主に制限される。

本発明の実施形態は、光検出器の機能を改善するために、基板と吸収層の間に中間層を設置することによって、先に議論した態様を利用する。一実施形態は、吸収層の誘電率より低い誘電率を有する中間層を使用することによって、光検出器の静電容量を減少させ、より大きな帯域幅を可能にする。誘電率の差は、電界線を吸収層に集中させ、光検出器の静電容量を減少させるであろう。

図５は、ＭＳＭ光検出器５００が、本発明の実施形態による中間層５０４を有する例の実施形態を示す。中間層は、吸収層５０１と基板５０２の間に配置される。電極１０３は、吸収層５０１上に配置され、幅ｗおよび間隔ｓを有する。図５には示されないが、交互の電極は、電圧源の正電極と負電極の一方に接続されることになる。低い誘電率の中間層５０４によって囲まれた高い誘電率の吸収層５０１によって、電界５０５が吸収層５０１に集中される。

中間層の誘電率は、好ましくは、吸収層の誘電率より著しく低い。典型的な実施形態では、中間層は、吸収層の誘電率の０．２５〜０．７５倍である誘電率、すなわち、０．２５ε_Ｒ≦ε_Ｉ≦０．７５ε_Ｒを有し、ここで、ε_Ｒは吸収層の誘電率であり、ε_Ｉは中間層の誘電率である。例えば、吸収層が、約１３の誘電率を有するＧａＡｓを含む場合、中間層は、約４〜８の誘電率を有するべきである。中間層５０４によって、電界５０５が、（図４の）電界４０１に比べてより一様になり、金属電極間の平均総誘電率の減少をもたらす。低い平均誘電率は、低い総静電容量、したがって、より高速のＭＳＭ光検出器デバイスを生成する。

従来の設計から、付加的な問題も生じる可能性がある。例えば、半導体材料内の深いところで生成されるキャリアは、半導体表面に近い電極間の高電界領域に達するのに長い時間を必要とする可能性がある。これらの深いキャリアは、光検出器のインパルス応答において低速テール部を生成し、したがって、望ましくない。吸収層と基板の間に高いバンドギャップ・エネルギーを有する材料を挿入することによって、深い低速キャリアが、高電界領域に達するのを防止することができる。しかし、この解決策は、吸収層の厚みを制限し、吸収層１０１に吸収されない光が、基板に侵入することを可能にする。これらの光子によって生成したキャリアは、高いバンドギャップ材料によって吸収層に達することが防止される場合がある。代替の実施形態は、吸収層の屈折率より低い屈折率を有する中間層を使用する。屈折率のこの差によって、吸収層を通過した任意の光が、層境界から反射されて戻るであろう。反射光は、その後、吸収層と反応するさらなる機会を与えられ、それによって、光検出器効率が増加する。

図６は、ＭＳＭ光検出器６００が、本発明の実施形態による中間層６０３を有する代替の実施形態を示す。中間層６０３は、吸収層６０１と基板６０２の間に配置され、厚みｔを有する。電極６０５は吸収層６０１の上に配置され、交互の電極は、電圧源６０６の正電極と負電極の一方に接続されることになる。この例の実施形態では、中間層６０３は、吸収層６０１の屈折率より低い屈折率を有する。屈折率のこの差は、吸収層６０１と中間層６０３の境界に反射面６０７を形成する。反射面６０７は、吸収層６０１を通過した光を、吸収層６０１に戻るように反射する。反射光は、その後、吸収層６０１と相互作用して、回路６０６と相互作用するキャリアを形成する別の機会を有してもよい。これは、全体の光検出器効率を改善し、光検出器を所与の光量についてより敏感にさせる。

中間層の屈折率は、吸収層の屈折率より著しく低くあるべきである。一般に、中間層６０３は、吸収層６０１の屈折率が０．３〜０．７である屈折率、すなわち、０．３ｎ_Ｒ≦ｎ_Ｉ≦０．７ｎ_Ｒを有するべきであり、ここで、ｎ_Ｒは吸収層６０１の屈折率であり、ｎ_Ｉは中間層６０３の屈折率である。例えば、吸収層６０１が、約３．５の屈折率を有するＧａＡｓを含む場合、中間層６０３は、約１．５〜２の範囲の屈折率を有するべきである。

中間層が上述した屈折率を有する時、約１０％のフレネル反射が反射面６０７で起こる。中間層６０３と基板６０２の境界に、第２反射面６０８が形成される。中間層６０３を通過する光の約１０％は、中間層６０３に戻るように反射され、第１反射面６０７に入射するであろう。その後、２つの反射面の相互作用によって、光の１８％が吸収層６０１へ戻るように反射されることになる。複数の界面は、この作用をさらに増大することができる。したがって、第１パスで吸収層６０１に吸収されない光の約１８％以上は、吸収層へ戻るように反射される。

本発明の別の実施形態は、図５および図６に示す実施形態の態様を有する中間層を含む。換言すれば、中間層は、吸収層の誘電率より低い誘電率と、吸収層の屈折率より低い屈折率の両方を有する。

本発明の別の実施形態は、非導電性の中間層を有してもよい。この中間層は、基板内で生成された任意の自由キャリアのための良好な障壁を提供することになり、したがって、自由キャリアが電極間の高電界領域に達することを防止する。これは、従来技術の従来の光検出器のインパルス応答における低速テール部を防止する。中間層における当該のことは酸化物層を含んでもよい。

中間層を作製するのに種々の方法が使用されてもよい。例えば、中間層が酸化物層である場合、１つの手法は、吸収層と基板の間でエピタキシャル成長プロセス中に成長するＡｌＧａＡｓ層を酸化することであってもよい。この手法では、作製は、金属電極の堆積およびＡＲコーティングで始まる。その後、埋め込みＡｌＧａＡｓ層にアクセスするために、光検出器エリアの周りにメサ構造がエッチングされる。ＡｌＧａＡｓ層は、約４００℃の湿った窒素雰囲気中で横方向に酸化される。窒素は、水蒸気で飽和する。プロセスは、ＡｌＧａＡｓをアルミニウム−ガリウム−酸化物に変換する。酸化する温度および距離に応じて、プロセスは、数分から数時間かかるであろう。９０％以上の高いアルミニウム含有量を有するＡｌＧａＡｓは、ＧａＡｓより反応性がずっと高いため、吸収層は、基本的に酸化されないままになる。そのため、中間酸化物層は、９８％〜１００％のアルミニウム含有量を有するＡｌＧａＡｓを含んでもよい。

別の手法では、金属電極とボンドパッドを最初に形成する代わりに、プロセス順序の反転もまた可能である。この場合、ＡｌＧａＡｓ層は、金属電極が堆積される前に酸化される。酸化プロセス中に吸収層を保護するために、付加的な誘電体層が、最初に、ウェハに堆積される。

別の手法では、メサ・タイプ構造を形成する代わりに、埋め込みＡｌＧａＡｓにアクセスするために、半導体吸収層に穴がエッチングされてもよい。

別の手法は、半導体ウェハ内への酸素のイオン注入によって、埋め込み酸化物層を作ることであってよい。これは、シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）回路を形成するために、電子業界において使用される。

酸化物層を形成する別の手法は、半導体層を形成し、その後、ウェハを別の基板に接合することである。エポキシ接合、陽極接合、またはウェハ接合を含む、接合のための種々の方法が存在する。その後、元のウェハの基板は除去され、新しい基板に接合した酸化物層の上部に吸収層が残る。このステージにおいて、光検出器デバイス（複数可）を作るために、通常のＭＳＭ光検出器ウェハ処理が採用される。

本発明およびその利点が詳細に述べられたが、添付特許請求項によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書で、種々の変更、置換、および代替を行うことができることが理解されるべきである。さらに、本アプリケーションの範囲は、本明細書に述べる、プロセス、機械装置、製造、物質の組成、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることが意図されない。本発明の開示から当業者が容易に理解するように、本明細書で述べる対応する実施形態と実質的に同じ機能を実施するか、または、実質的に同じ結果を達成する、現在存在するか、または、後で開発される、プロセス、機械装置、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップが利用されてもよい。したがって、添付特許請求項は、その範囲内に、こうしたプロセス、機械装置、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップを含むことを意図される。

典型的なＭＳＭ光検出器の側部断面図である。図１のＭＳＭ光検出器の平面図である。図１のＭＳＭ光検出器についての、電極間隔の関数としてのドリフト時定数とＲＣ時定数のグラフである。図１のＭＳＭ光検出器の電界線の図である。本発明の実施形態による中間層を有するＭＳＭ光検出器の例を示す図である。本発明の実施形態による中間層を有するＭＳＭ光検出器の別の例を示す図である。

Claims

光を検出する光電子デバイスであって、
吸収層に固着した少なくとも２つの金属電気接点の間に電位を設けることによって空乏領域を生成することができる吸収層、および前記吸収層より導電性が低い基板層を有する半導体材料と、
前記吸収層と前記基板層の間に誘電体層とを備えるデバイス。
前記誘電体層は酸化したアルミニウム−ガリウム−ヒ素で形成される請求項１に記載のデバイス。
前記誘電体層はイオン注入によって形成される請求項１に記載のデバイス。
前記誘電体層は、前記吸収層の上部に形成され、その後、前記半導体材料がさらなる半導体材料に接合される請求項１に記載のデバイス。
前記デバイスのアクティブ・エリアは、径が１００ミクロンより大きい請求項１に記載のデバイス。
前記誘電体層は、前記吸収層の屈折率より低い屈折率を有する請求項１に記載のデバイス。
デバイスであって、
基板と、
吸収層と、
前記吸収層の第１側面上に配置される複数の金属線と、
前記吸収層の第２側面と前記基板の間に配置される誘電体層とを備え、
前記誘電体層は、前記吸収層の誘電率より低い誘電率を有するデバイス。
前記誘電体層は、デバイスの静電容量を減少させる請求項６に記載のデバイス。
金属−半導体−金属（ＭＳＭ）光検出器である請求項６に記載のデバイス。
前記酸化物層は、デバイスに入射し、前記吸収層を通過する光のある部分が前記吸収層に反射されて戻るように、前記吸収層と異なる屈折率を有する請求項６に記載のデバイス。
前記誘電体層は酸化物層を含む請求項６に記載のデバイス。
金属−半導体−金属（ＭＳＭ）光検出器を製造する方法であって、
半導体内で、光検出器の基板と吸収層の間に酸化する層を設けることであって、前記酸化する層は、前記基板と、前記吸収層のいずれよりも迅速に酸化する、設けること、
前記迅速に酸化する層を露出するためにエッチングすること、および、
前記迅速に酸化する層を酸化させることを含む方法。
前記迅速に酸化する層は、前記吸収層のエピタキシャル成長中に生成される請求項１２に記載の方法。
前記半導体内にメサ構造をエッチングすることであって、前記迅速に酸化する層を露出する、エッチングすること、および
前記迅速に酸化する層を横方向に酸化することをさらに含む請求項１２に記載の方法。
前記半導体材料はＧａＡｓである請求項１２に記載の方法。
前記迅速に酸化する層はＡｌＧａＡｓを含む請求項１５に記載の方法。
金属−半導体−金属光検出器の静電容量を減少させる方法であって、
前記光検出器の吸収層を、前記光検出器の半導体基板層の上に成長させること、および、
前記吸収層と前記基板層の間に誘電体層を設けることを含み、前記誘電体層は、前記吸収層より低い誘電率を有する方法。
前記誘電体層は酸化物である請求項１７に記載の方法。
前記成長させることは、分子ビーム・エピタキシ、化学気相成長法、または金属有機気相エピタキシのうちの１つである請求項１７に記載の方法。
前記誘電体層は前記吸収層より低い屈折率を有する請求項１７に記載の方法。