JP2017059601A

JP2017059601A - ゲルマニウム受光器

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Publication number: JP2017059601A
Application number: JP2015181320A
Authority: JP
Inventors: 浩太郎武田; Kotaro Takeda; 泰土澤; Yasushi Tsuchizawa; 功太岡崎; Kota Okazaki; 達郎開; Tatsuro Hiraki; 一実和田; Kazumi Wada; 靖彦石川; Yasuhiko Ishikawa
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2017-03-23
Anticipated expiration: 2035-09-15
Also published as: JP6362142B2

Abstract

【課題】Ｌバンドの光吸収係数を上昇させて、ＯバンドからＬバンドまでの光信号を受信することができるゲルマニウム受光器を提供する。【解決手段】ｎ型Ｓｉ層１１と、ｎ型Ｓｉ層１１に接して形成されたｉ型Ｓｉ層１２と、ｉ型Ｓｉ層１２のｎ型Ｓｉ層１１と接する面とは異なる面に接して形成されたｐ型Ｓｉ層１３と、ｐ型Ｓｉ層１３のｉ型Ｓｉ層１２と接する面とは異なる面に接して形成されたｉ型Ｇｅ層１４と、ｉ型Ｇｅ層１４のｐ型Ｓｉ層１３と接する面とは異なる面に接して形成されたｐ型Ｇｅ層１５と、ｎ型Ｓｉ層１１からｐ型Ｇｅ層１５の間に電圧を印加して、ｉ型Ｇｅ層１４に印加される電界を３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下とする電極とを有するゲルマニウム受光器。【選択図】図１

Description

本発明は、ゲルマニウムを受光層に、シリコン又はシリコンゲルマニウム又はゲルマニウムを増幅層に用いたゲルマニウム受光器に関する。

アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ）は電子雪崩による増幅を利用したフォトダイオードであり、通常のフォトダイオードより高い感度を示すことが知られている。特にゲルマニウム（以下、Ｇｅ）を受光層に、シリコン（以下、Ｓｉ）を増幅層に用いたＡＰＤ（以下、ＧｅＡＰＤ）は、Ｇｅ、Ｓｉの両材料がＳｉ基板上にエピタキシャル成長可能であるため、Ｓｉ基板上で電子回路と光回路を集積する技術であるＳｉフォトニクスにおいて注目されている（非特許文献１）。

N. Duan, et al., "High Speed Waveguide-Integrated Ge/Si Avalanche Photodetector", in Proc. IEEE int. conf. The Opt. Fiber Comm. Conf. and Expo., no OM3K.3, 2013 C. T. DeRose, et al., "Ultra compact 45 GHz CMOS compatible Germanium waveguide photodiode with low dark current", Opt. Exp., vol. 19, no. 25, pp 24897-24904, 2011

Ｓｉフォトニクスによるデバイスは通信で用いられることも期待されているため、上記ＧｅＡＰＤは広い波長帯の信号を受信できなければならない。ＧｅＡＰＤの受信可能波長は、受光層であるＧｅの各波長における光吸収係数によって決まる。通信波長帯にはＯバンド（１２６０−１３６０ｎｍ）、Ｃバンド（１５３０−１５６５ｎｍ）、Ｌバンド（１５６５−１６２５ｎｍ）などがある。ＧｅはＯ、Ｃバンドでは高い光吸収係数を示すが、Ｌバンドでは光吸収係数を落とす（非特許文献２）ため、ＧｅＡＰＤを全通信波長帯で受信機として用いることは困難である。

図８に従来のＧｅＡＰＤの基本構造を示し、図９に従来のＧｅＡＰＤの光吸収層周りの構造を示す。図８及び図９に示すように、従来のＧｅＡＰＤは、ｎ型Ｓｉ層７１と、ｎ型Ｓｉ層７１の上面に形成されたｉ型Ｓｉ層７２と、ｉ型Ｓｉ層７２の上面に形成されたｐ型Ｓｉ層７３と、ｐ型Ｓｉ層７３の上面に形成されたｉ型Ｇｅ層７４と、ｉ型Ｇｅ層７４の上面に形成されたｐ型Ｇｅ層７５とを有する積層構造となっている。そして、ｎ型Ｓｉ層７１における積層構造がない部分の上面に電極７６が形成され、ｐ型Ｇｅ層７５の上面に電極７７が形成され、ｎ型Ｓｉ層７１におけるｉ型Ｇｅ層７４の真下部分の端面に、光が入力されるＳｉ導波路７８が接続されている。なお、図９に示した断面図は、図８に示したＧｅＡＰＤの積層部分の断面に該当する。

図８及び図９に示したＧｅＡＰＤにおいて、ｉ型Ｇｅ層７４が光吸収層にあたり、ｉ型Ｓｉ層７２が増幅層に相当する。ｐ型Ｓｉ層７３／ｉ型Ｓｉ層７２／ｎ型Ｓｉ層７１の部分がｐｉｎ構造を持ち、電界を掛けるとｉ型Ｓｉ層７２を中心に空乏層が広がる。このとき、ｐ型Ｓｉ層７３のドーピング濃度を調整することで、空乏層の一部をｉ型Ｇｅ層７４にまで入り込ませている。すなわち、電界はｉ型Ｓｉ層７２に集中する一方で、一部はｉ型Ｇｅ層７４にも掛かるように設計されている（図９中の左側のグラフ参照）。

そして、ｉ型Ｇｅ層７４で光吸収によって発生したキャリアは電界によって引っ張られ、ｉ型Ｓｉ層７２に流れ込み、ここで雪崩増幅を受ける。ｉ型Ｇｅ層７４に掛かる電界はｐ型Ｓｉ層７３のドーピング濃度とＧｅＡＰＤに印加するバイアス電圧の値で決定され、従来は、ｉ型Ｇｅ層７４には０〜２ｋＶ／ｍｍ程度の電界が掛かるように設計されている。例えば、図９に示すように、ｎ型Ｓｉ層７１のドーピング濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3〜１０²¹ｃｍ^-3の高濃度ドーピングとし、ｐ型Ｓｉ層７３のドーピング濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3〜１０¹⁹ｃｍ^-3の中濃度ドーピングとし、ｐ型Ｇｅ層７５のドーピング濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3〜１０²¹ｃｍ^-3の高濃度ドーピングとしている。また、ドーパントはｎ型ならばリンやアンチモン、ｐ型ならばボロンやヒ素を用いている。

以上のような構成において、ＧｅＡＰＤの光吸収特性は、ｉ型Ｇｅ層７４が決定しており、ｉ型Ｇｅ層７４に０〜２ｋＶ／ｍｍ程度の電界が掛かる従来のＧｅＡＰＤ構造では、後述の図２に示すように、Ｌバンドの光信号を受信することは困難である。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、Ｌバンドの光吸収係数を上昇させて、ＯバンドからＬバンドまでの光信号を受信することができるゲルマニウム受光器を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係るゲルマニウム受光器は、
ｎ型又はｐ型のいずれか一方のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第１層と、
前記第１層に接して形成されたｉ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第２層と、
前記第２層の前記第１層と接する面とは異なる面に接して形成されたｎ型又はｐ型のいずれか他方のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第３層と、
前記第３層の前記第２層と接する面とは異なる面に接して形成されたｉ型の第１Ｇｅ層と、
前記第１Ｇｅ層の前記第３層と接する面とは異なる面に接して形成されたｎ型又はｐ型のいずれか他方の第２Ｇｅ層と、
前記第１層から前記第２Ｇｅ層の間に電圧を印加して、前記第１Ｇｅ層に印加される電界を３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下とする電極とを有する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るゲルマニウム受光器は、
上記第１の発明に記載のゲルマニウム受光器において、
前記第２層は、前記第１層の上面に接して形成され、
前記第３層は、前記第２層の上面に接して形成され、
前記第１Ｇｅ層は、前記第３層の上面に接して形成され、
前記第２Ｇｅ層は、前記第１Ｇｅ層の上面に接して形成され、
前記電極は、前記第１層と前記第２Ｇｅ層の上面に接して各々形成され、
端面に光が入力される前記第１層と共に、前記第２層、前記第３層、前記第１Ｇｅ層、前記第２Ｇｅ層及び前記電極は、前記光の光導波方向に延在されている
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係るゲルマニウム受光器は、
上記第１の発明に記載のゲルマニウム受光器において、
前記第１層は、前記第２層の側面に接して形成され、
前記第２層は、前記第３層の側面に接して形成され、
前記第１Ｇｅ層は、前記第３層の上面に接して形成され、
前記第２Ｇｅ層は、前記第１Ｇｅ層の上面に接して形成され、
前記電極は、前記第１層と前記第２Ｇｅ層の上面に接して各々形成され、
端面に光が入力される前記第３層と共に、前記第１層、前記第２層、前記第１Ｇｅ層、前記第２Ｇｅ層及び前記電極は、前記光の光導波方向に延在されている
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係るゲルマニウム受光器は、
前記第２層は、前記第１層の上面に接して形成され、
前記第３層は、前記第２層の上面に接して形成され、
前記第１Ｇｅ層は、前記第３層の上面に接して形成され、
前記第２Ｇｅ層は、前記第１Ｇｅ層の上面に接して形成され、
前記電極は、前記第１層と前記第２Ｇｅ層の上面に接して各々形成され、
前記第２Ｇｅ層の上面に光が入力される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係るゲルマニウム受光器は、
上記第１の発明に記載のゲルマニウム受光器において、
前記第１層は、前記第２層の側面に接して形成され、
前記第２層は、前記第３層の側面に接して形成され、
前記第１Ｇｅ層は、前記第３層の上面に接して形成され、
前記第２Ｇｅ層は、前記第１Ｇｅ層の上面に接して形成され、
前記電極は、前記第１層と前記第２Ｇｅ層の上面に接して各々形成され、
前記第２Ｇｅ層の上面に光が入力される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係るゲルマニウム受光器は、
上記第１〜第５のいずれか１つの発明に記載のゲルマニウム受光器において、
前記第３層のドーピング濃度を１０¹⁶ｃｍ^-3以上、１０¹⁸ｃｍ^-3以下の範囲から、前記第１層及び前記第２Ｇｅ層のドーピング濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１０²¹ｃｍ^-3以下の範囲から、前記電圧を１０Ｖ以上、３０Ｖ以下の範囲から、各々選択して、３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界を前記第１Ｇｅ層に印加する
ことを特徴とする。

本発明によれば、光吸収層である第１Ｇｅ層に印加される電界を３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下とするので、第１Ｇｅ層でのＬバンドの光吸収係数を上昇させることができる。その結果、ＯバンドからＬバンドまでの光信号を受信することができ、その応用先を拡大することができる。また、Ｌバンド通信のデバイスにＳｉフォトニクスを適用できるようになり、Ｓｉフォトニクスの適用により、Ｌバンド通信のデバイスにおける消費電力の減少が可能となる。

本発明に係るゲルマニウム受光器の構造を説明する図である。Ｇｅに掛かる電界とＧｅの光吸収係数との関係を示すグラフである。本発明に係るゲルマニウム受光器の実施形態の一例（実施例１）を示す斜視図である。本発明に係るゲルマニウム受光器の実施形態の他の一例（実施例２）を示す斜視図である。本発明に係るゲルマニウム受光器の実施形態の他の一例（実施例３）を示す斜視図である。本発明に係るゲルマニウム受光器の実施形態の他の一例（実施例４）を示す斜視図である。本発明に係るゲルマニウム受光器の実施形態の他の一例（実施例５）を示す斜視図である。従来のゲルマニウム受光器の基本構造を示す斜視図である。従来のゲルマニウム受光器の構造を説明する図である。

本発明に係るゲルマニウム受光器（以下、ＧｅＡＰＤ）は、ゲルマニウム（Ｇｅ）を受光層に、シリコン（Ｓｉ）又はシリコンゲルマニウム（以下、ＳｉＧｅ）又はゲルマニウム（Ｇｅ）を増幅層に用いたＡＰＤである。Ｇｅ、Ｓｉ、ＳｉＧｅの材料がＳｉ基板上にエピタキシャル成長可能であるため、Ｓｉフォトニクス技術が適用可能である。

本発明に係るＧｅＡＰＤは、図１に示すように、ｎ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第１層（ここでは、一例として、ｎ型Ｓｉ層１１）と、ｎ型Ｓｉ層１１に接して形成されたｉ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第２層（増幅層；ここでは、一例として、ｉ型Ｓｉ層１２）と、ｉ型Ｓｉ層１２のｎ型Ｓｉ層１１と接する面とは異なる面に接して形成されたｐ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第３層（調整層；ここでは、一例として、ｐ型Ｓｉ層１３）と、ｐ型Ｓｉ層１３のｉ型Ｓｉ層１２と接する面とは異なる面に接して形成されたｉ型Ｇｅ層１４（第１Ｇｅ層）と、ｉ型Ｇｅ層１４のｐ型Ｓｉ層１３と接する面とは異なる面に接して形成されたｐ型Ｇｅ層１５（第２Ｇｅ層）とを有する積層構造となっている。図１においては、図示を省略しているが、ｎ型Ｓｉ層１１からｐ型Ｇｅ層１５の間にバイアス電圧を印加する電極が設けられている。

つまり、図１に示す本発明に係るＧｅＡＰＤは、基本的には、図８及び図９に示した従来のＧｅＡＰＤの構造と略同等であるが、従来のＧｅＡＰＤとは異なり、ｉ型Ｇｅ層１４に３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界を印加する構造としている。

具体的には、３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界をｉ型Ｇｅ層１４に印加するため、この条件を満たす組み合わせを、ｐ型Ｓｉ層１３のドーピング濃度を１０¹⁶ｃｍ^-3以上、１０¹⁸ｃｍ^-3以下の低濃度ドーピングの範囲から、ｎ型Ｓｉ層１１及びｐ型Ｇｅ層１５のドーピング濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１０²¹ｃｍ^-3以下の高濃度ドーピングの範囲から、バイアス電圧を１０Ｖ以上、３０Ｖ以下の範囲から、各々選択している。このように、ｐ型Ｓｉ層１３のドーピング濃度を従来よりも低い低濃度ドーピングとしている。

一例として、ｐ型Ｓｉ層１３のドーピング濃度を３×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、ｐ型Ｇｅ層１５及びｎ型Ｓｉ層１１のドーピング濃度を１０²⁰ｃｍ^-3とし、１５Ｖのバイアス電圧をかけると、ｉ型Ｇｅ層１４に約９ｋＶ／ｍｍの電界が掛かることになる。なお、ドーパントはｎ型ならばリンやアンチモン、ｐ型ならばボロンを用いる。

ｉ型Ｇｅ層１４に３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界を印加すると、フランツケルディッシュ効果が起こり、図２に示すように、ＧｅのＬバンドにおける光吸収係数を上昇させることができる。例えば、波長１６２５ｎｍに着目してみると、電界０ｋＶ／ｍｍ及び１ｋＶ／ｍｍでは、光吸収係数が百未満であるのに対して、電界３ｋＶ／ｍｍ、６ｋＶ／ｍｍ及び９ｋＶ／ｍｍでは、光吸収係数が数百〜千数百まで上昇している。このように、ＧｅのＬバンドにおける光吸収係数が上昇するため、本発明に係るＧｅＡＰＤは、Ｏ〜Ｌバンドまでの受信機として用いることが可能となる。

なお、ｉ型Ｇｅ層１４に９ｋＶ／ｍｍより大きい電界が印加されると、暗電流が増え、雑音の発生源となるので、ｉ型Ｇｅ層１４に印加する電界の上限としては、９ｋＶ／ｍｍ以下とすることが望ましい。

上述した構造とすることにより、本発明に係るＧｅＡＰＤを用いて、ＯバンドからＬバンドまでの光信号を受信することができ、その応用先を拡大することができる。また、Ｌバンド通信のデバイスにＳｉフォトニクスを適用できるようになり、Ｓｉフォトニクスの適用により、Ｌバンド通信のデバイスにおける消費電力の減少が可能となる。

上述した構造を有する本発明に係るＧｅＡＰＤの実施形態について、図３〜図７を参照して、以下に具体的な説明を行う。

［実施例１］
図３は、本実施例のＧｅＡＰＤの構造を示す斜視図である。本実施例のＧｅＡＰＤは、図３に示すように、ｎ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第１層（ここでは、一例として、ｎ型Ｓｉ層２１）と、ｎ型Ｓｉ層２１の上面に接して形成されたｉ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第２層（増幅層；ここでは、一例として、ｉ型Ｓｉ層２２）と、ｉ型Ｓｉ層２２の上面に接して形成されたｐ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第３層（調整層；ここでは、一例として、ｐ型Ｓｉ層２３）と、ｐ型Ｓｉ層２３の上面に接して形成されたｉ型Ｇｅ層２４（第１Ｇｅ層）と、ｉ型Ｇｅ層２４の上面に接して形成されたｐ型Ｇｅ層２５（第２Ｇｅ層）とを有する積層構造となっている。そして、ｎ型Ｓｉ層２１における積層構造がない部分の上面に電極２６が形成され、ｐ型Ｇｅ層２５の上面に電極２７が形成され、ｎ型Ｓｉ層２１におけるｉ型Ｇｅ層２４の真下部分の端面に、光が入力されるＳｉ導波路２８が接続されている。電極２６及び電極２７を用いて、ｎ型Ｓｉ層２１からｐ型Ｇｅ層２５の間にバイアス電圧が印加される構成である。

また、光が入力されるｎ型Ｓｉ層２１と共に、ｉ型Ｓｉ層２２、ｐ型Ｓｉ層２３、ｉ型Ｇｅ層２４、ｐ型Ｇｅ層２５及び電極２６、２７は、光の光導波方向に延在されている。

そして、本実施例においても、３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界をｉ型Ｇｅ層２４に印加するため、この条件を満たす組み合わせを、ｐ型Ｓｉ層２３のドーピング濃度を１０¹⁶ｃｍ^-3以上、１０¹⁸ｃｍ^-3以下の範囲から、ｎ型Ｓｉ層２１及びｐ型Ｇｅ層２５のドーピング濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１０²¹ｃｍ^-3以下の範囲から、バイアス電圧を１０Ｖ以上、３０Ｖ以下の範囲から、各々選択している。

このように、電極２６及び電極２７にバイアス電圧を印加することで、ｉ型Ｓｉ層２２とｉ型Ｇｅ層２４に電界を印加しており、ｉ型Ｇｅ層２４については、３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界を印加するようにしている。その結果、Ｓｉ導波路２８から入力された光が、ｎ型Ｓｉ層２１〜ｐ型Ｓｉ層２３を伝搬して、ｉ型Ｇｅ層２４で吸収されることになるが、ｉ型Ｇｅ層２４におけるＬバンドの光吸収係数を上昇させているので、ＯバンドからＬバンドまでの光信号を受信することが可能となる。

［実施例２］
図４は、本実施例のＧｅＡＰＤの構造を示す斜視図である。本実施例のＧｅＡＰＤは、図４に示すように、ｎ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第１層（ここでは、一例として、ｎ型Ｓｉ層３１）と、ｎ型Ｓｉ層３１の側面に接して形成されたｉ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第２層（増幅層；ここでは、一例として、ｉ型Ｓｉ層３２）と、ｉ型Ｓｉ層３２の側面に接して形成されたｐ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第３層（調整層；ここでは、一例として、ｐ型Ｓｉ層３３）と、ｐ型Ｓｉ層３３の上面に接して形成されたｉ型Ｇｅ層３４（第１Ｇｅ層）と、ｉ型Ｇｅ層３４の上面に接して形成されたｐ型Ｇｅ層３５（第２Ｇｅ層）とを有する層構造となっている。そして、ｎ型Ｓｉ層３１の上面に電極３６が形成され、ｐ型Ｇｅ層３５の上面に電極３７が形成され、ｐ型Ｓｉ層３３におけるｉ型Ｇｅ層３４の真下部分の端面に、光が入力されるＳｉ導波路３８が接続されている。電極３６及び電極３７を用いて、ｎ型Ｓｉ層３１からｐ型Ｇｅ層３５の間にバイアス電圧が印加される構成である。

また、光が入力されるｐ型Ｓｉ層３３と共に、ｎ型Ｓｉ層３１、ｉ型Ｓｉ層３２、ｉ型Ｇｅ層３４、ｐ型Ｇｅ層３５及び電極３６、３７は、光の光導波方向に延在されている。

本実施例においても、３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界をｉ型Ｇｅ層３４に印加するため、この条件を満たす組み合わせを、ｐ型Ｓｉ層３３のドーピング濃度を１０¹⁶ｃｍ^-3以上、１０¹⁸ｃｍ^-3以下の範囲から、ｎ型Ｓｉ層３１及びｐ型Ｇｅ層３５のドーピング濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１０²¹ｃｍ^-3以下の範囲から、バイアス電圧を１０Ｖ以上、３０Ｖ以下の範囲から、各々選択している。

このように、電極３６及び電極３７にバイアス電圧を印加することで、ｉ型Ｓｉ層３２とｉ型Ｇｅ層３４に電界を印加しており、ｉ型Ｇｅ層３４については、３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界を印加するようにしている。その結果、Ｓｉ導波路３８から入力された光が、ｐ型Ｓｉ層３３を伝搬して、ｉ型Ｇｅ層３４で吸収されることになるが、ｉ型Ｇｅ層３４におけるＬバンドの光吸収係数を上昇させているので、ＯバンドからＬバンドまでの光信号を受信することが可能となる。

本実施例では、ｎ型Ｓｉ層３１、ｉ型Ｓｉ層３２及びｐ型Ｓｉ層３３の部分が、Ｓｉ導波路３８と同じ高さであるため、図３に示したＧｅＡＰＤの構造と比べて、Ｓｉ層の積層プロセスを減らすことができる。これは、ｎ型Ｓｉ層３１、ｉ型Ｓｉ層３２及びｐ型Ｓｉ層３３の材料を、全てＳｉＧｅに、又は、全てＧｅに変更した場合も同様である。

［実施例３］
図５は、本実施例のＧｅＡＰＤの構造を示す斜視図である。本実施例のＧｅＡＰＤは、図５に示すように、ｐ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第１層（ここでは、一例として、ｐ型Ｓｉ層４１）と、ｐ型Ｓｉ層４１の上面に接して形成されたｉ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第２層（増幅層；ここでは、一例として、ｉ型Ｓｉ層４２）と、ｉ型Ｓｉ層４２の上面に接して形成されたｎ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第３層（調整層；ここでは、一例として、ｎ型Ｓｉ層４３）と、ｎ型Ｓｉ層４３の上面に接して形成されたｉ型Ｇｅ層４４（第１Ｇｅ層）と、ｉ型Ｇｅ層４４の上面に接して形成されたｎ型Ｇｅ層４５（第２Ｇｅ層）とを有する積層構造となっている。そして、ｐ型Ｓｉ層４１における積層構造がない部分の上面に電極４６が形成され、ｎ型Ｇｅ層４５の上面に電極４７が形成され、ｐ型Ｓｉ層４１におけるｉ型Ｇｅ層４４の真下部分の端面に、光が入力されるＳｉ導波路４８が接続されている。電極４６及び電極４７を用いて、ｐ型Ｓｉ層４１からｎ型Ｇｅ層４５の間にバイアス電圧が印加される構成である。

つまり、図５に示す本実施例のＧｅＡＰＤの構造は、図３に示したＧｅＡＰＤの構造におけるｐ型及びｎ型の導電型を反転させたものである。図３に示したＧｅＡＰＤは、メジャーキャリアが電子であったのに対し、本実施例のＧｅＡＰＤは、ｐｉｎ接合を反転させたため、メジャーキャリアが正孔（ホール）になっている。従って、本実施例のＧｅＡＰＤは、ホール増幅型のＧｅＡＰＤとして用いることができる。

また、光が入力されるｐ型Ｓｉ層４１と共に、ｉ型Ｓｉ層４２、ｎ型Ｓｉ層４３、ｉ型Ｇｅ層４４、ｎ型Ｇｅ層４５及び電極４６、４７は、光の光導波方向に延在されている。

本実施例においても、３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界をｉ型Ｇｅ層４４に印加するため、この条件を満たす組み合わせを、ｎ型Ｓｉ層４３のドーピング濃度を１０¹⁶ｃｍ^-3以上、１０¹⁸ｃｍ^-3以下の範囲から、ｐ型Ｓｉ層４１及びｎ型Ｇｅ層４５のドーピング濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１０²¹ｃｍ^-3以下の範囲から、バイアス電圧を１０Ｖ以上、３０Ｖ以下の範囲から、各々選択している。

このように、電極４６及び電極４７にバイアス電圧を印加することで、ｉ型Ｓｉ層４２とｉ型Ｇｅ層４４に電界を印加しており、ｉ型Ｇｅ層４４については、３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界を印加するようにしている。その結果、Ｓｉ導波路４８から入力された光が、ｐ型Ｓｉ層４１〜ｎ型Ｓｉ層４３を伝搬して、ｉ型Ｇｅ層４４で吸収されることになるが、ｉ型Ｇｅ層４４におけるＬバンドの光吸収係数を上昇させているので、ＯバンドからＬバンドまでの光信号を受信することが可能となる。

［実施例４］
図６は、本実施例のＧｅＡＰＤの構造を示す斜視図である。本実施例のＧｅＡＰＤは、図６に示すように、ｎ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第１層（ここでは、一例として、ｎ型Ｓｉ層５１）と、ｎ型Ｓｉ層５１の上面に接して形成されたｉ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第２層（増幅層；ここでは、一例として、ｉ型Ｓｉ層５２）と、ｉ型Ｓｉ層５２の上面に接して形成されたｐ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第３層（調整層；ここでは、一例として、ｐ型Ｓｉ層５３）と、ｐ型Ｓｉ層５３の上面に接して形成されたｉ型Ｇｅ層５４（第１Ｇｅ層）と、ｉ型Ｇｅ層５４の上面に接して形成されたｐ型Ｇｅ層５５（第２Ｇｅ層）とを有する積層構造となっている。そして、ｎ型Ｓｉ層５１における積層構造がない部分の上面に電極５６が形成され、ｐ型Ｇｅ層５５の上面に電極５７が形成されている。電極５６及び電極５７を用いて、ｎ型Ｓｉ層５１からｐ型Ｇｅ層５５の間にバイアス電圧が印加される。また、ｐ型Ｇｅ層５５の上面に上方からの光が入力される構成である。

つまり、図６に示す本実施例のＧｅＡＰＤは、図３に示したＧｅＡＰＤとは、光の入力方向が相違し、本実施例では、ｐ型Ｇｅ層５５の上面に上方からの光が入力される構成であるため、図３に示したＳｉ導波路２８が不要な構造となっている。入力される光は、ｐ型Ｇｅ層５５の上面に垂直に入力されることが望ましいが、ｐ型Ｇｅ層５５の上面と平行でなければ、垂直でなくても良い。

本実施例においても、３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界をｉ型Ｇｅ層５４に印加するため、この条件を満たす組み合わせを、ｐ型Ｓｉ層５３のドーピング濃度を１０¹⁶ｃｍ^-3以上、１０¹⁸ｃｍ^-3以下の範囲から、ｎ型Ｓｉ層５１及びｐ型Ｇｅ層５５のドーピング濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１０²¹ｃｍ^-3以下の範囲から、バイアス電圧を１０Ｖ以上、３０Ｖ以下の範囲から、各々選択している。

このように、電極５６及び電極５７にバイアス電圧を印加することで、ｉ型Ｓｉ層５２とｉ型Ｇｅ層５４に電界を印加しており、ｉ型Ｇｅ層５４については、３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界を印加するようにしている。その結果、ｐ型Ｇｅ層５５の上方から入力された光が、ｐ型Ｇｅ層５５を伝搬して、ｉ型Ｇｅ層５４で吸収されることになるが、ｉ型Ｇｅ層５４におけるＬバンドの光吸収係数を上昇させているので、ＯバンドからＬバンドまでの光信号を受信することが可能となる。

［実施例５］
図７は、本実施例のＧｅＡＰＤの構造を示す斜視図である。本実施例のＧｅＡＰＤは、図７に示すように、ｎ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第１層（ここでは、一例として、ｎ型Ｓｉ層６１）と、ｎ型Ｓｉ層６１の側面に接して形成されたｉ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第２層（増幅層；ここでは、一例として、ｉ型Ｓｉ層６２）と、ｉ型Ｓｉ層６２の側面に接して形成されたｐ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第３層（調整層；ここでは、一例として、ｐ型Ｓｉ層６３）と、ｐ型Ｓｉ層６３の上面に接して形成されたｉ型Ｇｅ層６４（第１Ｇｅ層）と、ｉ型Ｇｅ層６４の上面に接して形成されたｐ型Ｇｅ層６５（第２Ｇｅ層）とを有する層構造となっている。そして、ｎ型Ｓｉ層６１の上面に電極６６が形成され、ｐ型Ｇｅ層６５の上面に電極６７が形成されている。電極６６及び電極６７を用いて、ｎ型Ｓｉ層６１からｐ型Ｇｅ層６５の間にバイアス電圧が印加される。また、ｐ型Ｇｅ層６５の上面に上方からの光が入力される構成である。

つまり、図７に示す本実施例のＧｅＡＰＤは、図４に示したＧｅＡＰＤとは、光の入力方向が相違し、本実施例では、ｐ型Ｇｅ層６５の上面に上方からの光が入力される構成であるため、図４に示したＳｉ導波路３８が不要な構造となっている。入力される光は、ｐ型Ｇｅ層６５の上面に垂直に入力されることが望ましいが、ｐ型Ｇｅ層６５の上面と平行でなければ、垂直でなくても良い。

本実施例においても、３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界をｉ型Ｇｅ層６４に印加するため、この条件を満たす組み合わせを、ｐ型Ｓｉ層６３のドーピング濃度を１０¹⁶ｃｍ^-3以上、１０¹⁸ｃｍ^-3以下の範囲から、ｎ型Ｓｉ層６１及びｐ型Ｇｅ層６５のドーピング濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１０²¹ｃｍ^-3以下の範囲から、バイアス電圧を１０Ｖ以上、３０Ｖ以下の範囲から、各々選択している。

このように、電極６６及び電極６７にバイアス電圧を印加することで、ｉＳｉ層６２とｉ型Ｇｅ層６４に電界を印加しており、ｉ型Ｇｅ層６４については、３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界を印加するようにしている。その結果、ｐ型Ｇｅ層６５の上方から入力された光が、ｐ型Ｇｅ層６５を伝搬して、ｉ型Ｇｅ層６４で吸収されることになるが、ｉ型Ｇｅ層６４におけるＬバンドの光吸収係数を上昇させているので、ＯバンドからＬバンドまでの光信号を受信することが可能となる。

本実施例では、ｎ型Ｓｉ層６１、ｉ型Ｓｉ層６２及びｐ型Ｓｉ層６３の部分が同じ高さであるため、図６に示したＧｅＡＰＤの構造と比べて、Ｓｉ層の積層プロセスを減らすことができる。これは、ｎ型Ｓｉ層３１、ｉ型Ｓｉ層３２及びｐ型Ｓｉ層３３の材料を、全てＳｉＧｅに、又は、全てＧｅに変更した場合も同様である。

本発明は、ゲルマニウムを受光層に、シリコンを増幅層に用いたゲルマニウム受光器に好適なものである。

１１、２１、３１、５１、６１ｎ型Ｓｉ層
１２、２２、３２、５２、６２ｉ型Ｓｉ層
１３、２３、３３、５３、６３ｐ型Ｓｉ層
１４、２４、３４、５４、６４ｉ型Ｇｅ層
１５、２５、３５、５５、６５ｐ型Ｇｅ層
２６、２７、３６、３７、４６、４７、５６、５７、６６、６７電極
４１ｐ型Ｓｉ層
４２ｉ型Ｓｉ層
４３ｎ型Ｓｉ層
４４ｉ型Ｇｅ層
４５ｎ型Ｇｅ層

Claims

ｎ型又はｐ型のいずれか一方のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第１層と、
前記第１層に接して形成されたｉ型のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第２層と、
前記第２層の前記第１層と接する面とは異なる面に接して形成されたｎ型又はｐ型のいずれか他方のＳｉ又はＳｉＧｅ又はＧｅからなる第３層と、
前記第３層の前記第２層と接する面とは異なる面に接して形成されたｉ型の第１Ｇｅ層と、
前記第１Ｇｅ層の前記第３層と接する面とは異なる面に接して形成されたｎ型又はｐ型のいずれか他方の第２Ｇｅ層と、
前記第１層から前記第２Ｇｅ層の間に電圧を印加して、前記第１Ｇｅ層に印加される電界を３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下とする電極とを有する
ことを特徴とするゲルマニウム受光器。
請求項１に記載のゲルマニウム受光器において、
前記第２層は、前記第１層の上面に接して形成され、
前記第３層は、前記第２層の上面に接して形成され、
前記第１Ｇｅ層は、前記第３層の上面に接して形成され、
前記第２Ｇｅ層は、前記第１Ｇｅ層の上面に接して形成され、
前記電極は、前記第１層と前記第２Ｇｅ層の上面に接して各々形成され、
端面に光が入力される前記第１層と共に、前記第２層、前記第３層、前記第１Ｇｅ層、前記第２Ｇｅ層及び前記電極は、前記光の光導波方向に延在されている
ことを特徴とするゲルマニウム受光器。
請求項１に記載のゲルマニウム受光器において、
前記第１層は、前記第２層の側面に接して形成され、
前記第２層は、前記第３層の側面に接して形成され、
前記第１Ｇｅ層は、前記第３層の上面に接して形成され、
前記第２Ｇｅ層は、前記第１Ｇｅ層の上面に接して形成され、
前記電極は、前記第１層と前記第２Ｇｅ層の上面に接して各々形成され、
端面に光が入力される前記第３層と共に、前記第１層、前記第２層、前記第１Ｇｅ層、前記第２Ｇｅ層及び前記電極は、前記光の光導波方向に延在されている
ことを特徴とするゲルマニウム受光器。
請求項１に記載のゲルマニウム受光器において、
前記第２層は、前記第１層の上面に接して形成され、
前記第３層は、前記第２層の上面に接して形成され、
前記第１Ｇｅ層は、前記第３層の上面に接して形成され、
前記第２Ｇｅ層は、前記第１Ｇｅ層の上面に接して形成され、
前記電極は、前記第１層と前記第２Ｇｅ層の上面に接して各々形成され、
前記第２Ｇｅ層の上面に光が入力される
ことを特徴とするゲルマニウム受光器。
請求項１に記載のゲルマニウム受光器において、
前記第１層は、前記第２層の側面に接して形成され、
前記第２層は、前記第３層の側面に接して形成され、
前記第１Ｇｅ層は、前記第３層の上面に接して形成され、
前記第２Ｇｅ層は、前記第１Ｇｅ層の上面に接して形成され、
前記電極は、前記第１層と前記第２Ｇｅ層の上面に接して各々形成され、
前記第２Ｇｅ層の上面に光が入力される
ことを特徴とするゲルマニウム受光器。
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載のゲルマニウム受光器において、
前記第３層のドーピング濃度を１０¹⁶ｃｍ^-3以上、１０¹⁸ｃｍ^-3以下の範囲から、前記第１層及び前記第２Ｇｅ層のドーピング濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１０²¹ｃｍ^-3以下の範囲から、前記電圧を１０Ｖ以上、３０Ｖ以下の範囲から、各々選択して、３ｋＶ／ｍｍ以上、９ｋＶ／ｍｍ以下の電界を前記第１Ｇｅ層に印加する
ことを特徴とするゲルマニウム受光器。