JP2018078193A - 光検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】縦型のＧｅＰＤにおいては、貫通転位の発生による暗電流の増加が避けられない問題があった。貫通転位が存在しているＧｅを用いたＧｅＰＤは、貫通転位を通る電流分だけ暗電流が増加する。暗電流の大きなＧｅＰＤでは、対象とする検出光の最小受光感度が低下し、また長期信頼性試験においても性能が悪くなる。【解決手段】ＰＤのＧｅ層の内部側に構成され第１のドーピング材料（ｐ型またはｎ型）がドープされた第１の領域と、ＰＤのＧｅ層の表面側に構成され第２のドーピング材料（ｎ型またはｐ型）がドープされた第２の領域とが、ＰＤの基板面に垂直な方向（Ｚ軸）を見て、概ね重複しないように配置される。ＰＤの基板面に垂直な方向を見たときに、第１の領域および第２の領域が、２つの領域全体のマクロ的な位置関係の点で、または、２つの領域のミクロ的な形状自体の点で、概ね重複しないよう配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、光検出器（Photo Detector：ＰＤ）に関する。より詳細には、光通信システムや光情報処理システムにおいて用いられる光検出器の構造に関する。

様々な分野において、情報通信の大規模高速化・大容量化が進んでいる。近年、光通信が基幹ネットワークから一般家庭の領域にまで広く普及するのに伴い、光通信装置のさらなる低コスト化が求められている。低コスト化を実現するための手段の１つとして、シリコンウエハのような大口径ウエハ上に、光通信装置を構成する光回路をシリコンフォトニクスのような微小光回路技術を用いて形成する方法が注目されている。この方法により、１つの光検出器を構成する１チップあたりの材料費を劇的に下げ、光通信装置の低コスト化を実現することができる。このような微小光回路技術を用いて、シリコン（Ｓｉ）基板上に形成する代表的な光検出器として、モノリシック集積が可能なゲルマニウム光検出器(ＧｅＰＤ)がある。

図１は、従来技術の導波路結合型の縦型ＧｅＰＤの構造を模式的に示した図である。図１のＧｅＰＤ１００は、光回路が作製されるシリコン基板面を見た上面図であって、後述する図２の断面図および斜視図で示す上部クラッド層を省略し、電極の表面の一部のみが描かれている点に留意されたい。図１の２点鎖線で囲って示したＧｅＰＤ１００は、シリコンウエハ上に多数アレイ状に作製されるＧｅＰＤの内の１つのＧｅＰＤ機能部分を概念的に表したものである。従って２点鎖線の区画は、デバイスを切り出したチップ端面を意味するものではない。また、図１の左端からの検出対象の光を導く導波路コア層１１０−１は、実際のデバイスでは、図１に描かれていないデバイス端面にまでさらに続いている点に留意されたい。また、電極１１６、１１８および電極１１７は、それぞれが接続されるｐ＋＋Ｓｉ電極部１１２、１１３およびｎ型Ｇｅ領域１１５と接している部分のみを「矩形」で描いてある。実際のデバイスでは、各電極はデバイス外部とのバイアス電圧等の入出力のために、各矩形電極部分からＧｅＰＤ１００の外側に向かって延長され、電極パッドなどに接続される。図１では、左端より入力される検出光が進む方向、すなわち導波路コア層１１０−１の導波路形成方向をｘ軸として、直交座標軸を定義している。以後のすべての図面において、ＰＤの基板面を垂直に見た上面図および断面図は、共通の座標軸を使用する。

導波路コア層１１０−１はテーパコア層１１０−２に接続され、さらに矩形状のコア層１１０−３に接続されている。これら３つのコア層１１０−１〜１１０−３は、後述のＳＩＯ基板のＳｉ層を利用してエッチング等により一体的に形成される。コア層１１０−３上に、さらに次に説明するＰＤを構成するための各層・領域が形成される。

図２は、図１に示した従来技術のＧｅＰＤを電極長手方向に垂直に切った断面図および斜視図を示した図である。図２の（ａ）は、図１のＧｅＰＤ１００をＩＩ−ＩＩ線で切って、ＹＺ面を見た断面図を示す。図２の（ａ）は、ＹＺ面においてコア層１１０−３が存在する範囲を切り出して描いた図であって、左右の端部は実際の構造的な端面ではない点に留意されたい。また、図２の（ｂ）は、（ａ）に示したＹＺ面の断面を含み、ＧｅＰＤ１００のコア層１１０−３が存在する範囲を斜め上方から見た斜視図である。

図１並びに図２の（ａ）および（ｂ）を参照しながら、従来技術のＧｅＰＤ１００の構造をさらに説明する。ＧｅＰＤ１００は、Ｓｉ基板、Ｓｉ酸化膜および表面Ｓｉ層からなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板にリソグラフィ技術等を用いて形成される。具体的には、図２の（ａ）に示したＧｅＰＤ１００は、Ｓｉ基板１０１と、Ｓｉ基板上のＳｉ酸化膜からなる下部クラッド層１０２と、テーパコア層１１０−２から信号光が導かれるコア層１１０−３とからなるＳＩＯ基板上に構成される。矩形状のコア層１１０−３上には、断面形状が概略台形で光を吸収するＧｅ層１１４が形成され、コア層１１０−３およびＧｅ層１１４の全体を覆うように、上部クラッド層１０３がさらに形成される。上述のように、図２の（ａ）は、矩形状のコア層１１０−３が存在する範囲を示した断面図であるので、Ｓｉ基板１０１および下部クラッド層１０２は、断面両端のさらに外側（Ｙ軸方向）にそれぞれそのまま連続して存在している。一方、コア層１１０−３および上部クラッド層１０３については、断面両端の外側は上部クラッド層１０３で覆われていることになる。したがってＰＤの機能部分は、全体が上下のクラッド層１０２、１０３によって囲まれていることになる。導波路コア層１１０−１から導かれた検出対象である光は、図１に示したようにＳＯＩ基板面上で矩形状に区画されたコア層１１０−３の内部に閉じ込められる。

コア層１１０−３内の最上部には、ｐ型不純物イオンがドーピングされたｐ型Ｓｉ領域１１１が形成される。さらにｐ型Ｓｉ領域１１１内の上部に、ｐ型不純物が高濃度にドーピングされ電極として作用するｐ＋＋Ｓｉ電極部１１２、１１３が形成される。Ｇｅ層１１４は、エピタキシャル成長によって積層され、その上部にｎ型不純物がドーピングされたｎ型Ｇｅ領域１１５が形成されている。ｐ＋＋Ｓｉ電極部１１２、１１３上には、これらに接するように電極１１６、１１８をそれぞれ備える。またｎ型Ｇｅ領域１１５上にも、接するように電極１１７を備える。尚、以下に示すすべての断面図では、全体の構成を理解しやすいように、基板面に垂直な方向（Ｚ軸方向）の縮尺を非常に拡大して示されている点に留意されたい。従って、実際のデバイスのＺ軸を含む断面の形状はＺ軸方向に極端に圧縮したものとなる。

図１および図２に示したＧｅＰＤ１００では、導波路コア層１１０−１へ検出対象である光が入射すると、入射光はテーパ状のコア層１１０−２の中を広がりながら伝搬する。さらにコア層１１０−３内に入った光がＧｅ層１１４において吸収されると、Ｇｅ層１１４内でキャリア（電荷）が発生する。電極１１７と電極１１６、１１８との間には、Ｇｅ層１１４内で発生したキャリアによる光電流が流れるので、その光電流を検出することで光を検出することができる。

特許５３７０８５７号公報 明細書

しかしながら、図１および図２で説明した縦型のＧｅＰＤにおいては、貫通転位の発生による暗電流の増加が避けられない問題があった。縦型のＧｅＰＤでは、空乏層がＧｅ層１１４の成長方向１１９（Ｚ軸方向）に対して垂直にＸＹ面に沿って広がる。Ｇｅ層１１４は不純物がドープされておらず真性半導体となるため、よく知られているように、ｎ型Ｇｅ領域１１５を除いてＧｅ層１１４の全体が概ね空乏層となる。従って光入力によってＧｅ層１１４で生成されたキャリアは、Ｇｅの成長方向１１９に沿って流れる。

Ｇｅ層１１４はＳｉコア層１１０−３からエピタキシャル成長して形成されている。ＧｅとＳｉは結晶格子定数が異なるため、Ｓｉコア層１１０−３上に成長したＧｅ層１１４には、格子欠陥による転位が生まれる。転位とは、結晶格子中にある原子が欠損して生まれる欠陥が、線状または面状に配列した状態のことを言う。転位は、電圧を掛けたり応力を掛けたりすると成長することが知られており、欠陥の配列が伸びたり、ばらばらだった欠陥が一か所に集まって長い転位になり得る。この成長した転位の長さが結晶の厚さに到達し、結晶を貫いた状態のものは、貫通転位と呼ばれる。ＧｅＰＤでも、転位はＧｅの成長方向１１９（Ｚ軸方向）に平行に進む。転位が、Ｇｅ層１１４の底面から上面まで繋がる貫通転位となった場合、Ｇｅの成長方向（Ｚ軸方向）に電場を掛けた時には、この貫通転位を通り電流が流れる。すなわち図２に示したような縦型のＧｅＰＤでは、貫通転位を通って流れる電流の方向と、検出対象の光入力によって生成されたキャリアの流れる方向とが一致する。

貫通転位を流れる電流は、ＧｅＰＤに光が入射していない時に流れる暗電流に寄与する。従って、貫通転位が存在しているＧｅ層を用いたＧｅＰＤは、貫通転位を流れる電流分だけ暗電流が大きくなる。暗電流の大きなＧｅＰＤでは、対象とする検出光の最小受光感度が低下し、また長期信頼性試験においても性能が悪くなる。このように、縦型のＧｅＰＤでは貫通転位による暗電流の増加、および、暗電流の増加に起因する性能低下を避けられないという問題を抱えていた。

この問題を解決するための手段の１つとして、Ｇｅ層の厚膜化が知られている。Ｇｅ層１１４が成長方向（Ｚ軸方向）に厚くなれば貫通転位の発生確率が減少し、貫通転位の数は減少するため、暗電流を小さく抑えることができる。しかしながらＧｅ層の厚膜化は光入力によって発生したキャリアの走行距離の長距離化を招くため、ＧｅＰＤの高速特性を逆に低下させてしまう問題があった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、Ｇｅ層を厚くすることを必要とせずに、Ｇｅの貫通転位による暗電流の増加を抑えたＧｅＰＤの新規な構造を提供することにある。従来技術におけるデバイスの高速特性が低下することなしに、周波数特性に優れ、暗電流が小さい光検出器を提供する。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成され、第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域（１１１）を含むシリコンコア層（１１０−３）と、前記シリコンコア層に接続され、検出対象光を前記シリコンコア層へ導波するシリコン導波路層（１１０−１）と、前記シリコンコア層上に形成され、第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域（１１５）を含むゲルマニウム層（１１４）と、前記第１の領域に接続された１つ以上の第１の電極、および、前記第２の領域に接続された第２の電極とを備え、前記シリコン基板の基板面に垂直な方向を見たとき、前記第１の領域および前記第２の領域が概ね重複していないことを特徴とする光検出器である。ここで、基板面はＸＹ面に対応し、基板面に垂直な方向はＺ軸方向に対応する。

請求項２に記載の発明は、請求項１の光検出器であって、前記第１の領域および前記第２の領域の間を流れる、前記検出対象光に起因したキャリアの走行方向は、前記基板面に垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とする。すなわち、縦型ＧｅＰＤの貫通転位の方向（Ｚ軸）方向に対して、キャリアの走行方向が傾斜するように第１の領域および第２の領域が構成される。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２の光検出器であって、前記シリコン導波路層から前記シリコンコア層への前記検出対象光の入射方向において、前記シリコン導波路層、前記第１の領域および前記第２の領域の順で配置されていることを特徴とする。この発明は実施例１に対応し、入射方向はＸ軸方向である。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２の光検出器であって、前記シリコン導波路層から前記シリコンコア層への前記検出対象光の入射方向において、前記シリコン導波路層、前記第２の領域および前記第１の領域の順で配置されていることを特徴とする。この発明は実施例２に対応し、入射方向はＸ軸方向である。

請求項５に記載の発明は、請求項１または２の光検出器であって、前記シリコン導波路層から前記シリコンコア層への前記検出対象光の入射方向に垂直な方向において、前記第１の領域および前記第２の領域が重複せずに配置されていることを特徴とする。この発明は実施例４に対応し、入射方向に垂直な方向はＹ軸方向である。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかの光検出器であって、前記第１の領域の概形の一部および前記第２の領域の概形の一部は、前記第１の領域および前記第２の領域の概ね中間位置において重複しており、前記第１の領域の概形の前記一部および前記第２の領域の概形の前記一部はそれぞれ櫛形形状をしており、前記基板面に垂直に見たとき、前記第１の領域の前記櫛形形状の各々の歯の部分と前記第２の領域の前記櫛形形状の各々の歯の部分とは重複しておらず、前記第１の領域および前記第２の領域の前記櫛形形状の繰り返しピッチＰおよび前記ゲルマニウム層の厚さｔは、Ｐ≧ｔの関係にあることを特徴とする。この発明は、実施例５または実施例６に対応する。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかの光検出器であって、前記第１の領域の前記第１のドーピング材料はｐ型不純物であって、前記第１の領域はｐ型シリコン領域であり、前記第２の領域の前記第２のドーピング材料はｎ型不純物であって、前記第２の領域はｎ型ゲルマニウム領域であるか、または、前記第１の領域の前記第１のドーピング材料はｎ型不純物であって、前記第１の領域はｎ型シリコン領域であり、前記第２の領域の前記第２のドーピング材料はｐ型不純物であって、前記第２の領域はｐ型ゲルマニウム領域であるか（実施例３に対応）のいずれか一方であることを特徴とする。

本発明の別の態様は、シリコン基板（１０１）と、前記シリコン基板上に形成された下部クラッド層（１０２）と、前記下部クラッド層上に形成され、ｐ型不純物がドーピングされたｐ型シリコン領域（１１１）を含むシリコンコア層（１１０−３）と、前記シリコンコア層に接続されたシリコン導波路層（１１０−１）と、前記シリコンコア層上に形成され、ｎ型不純物がドーピングされたｎ型ゲルマニウム領域（１１５）を含むゲルマニウム層（１１４）と、前記シリコンコア層および前記ゲルマニウム層上に形成された上部クラッド層（１０３）と、前記ｐ型シリコン領域（１１１）に接続された電極（１１６、１１８）および前記ｎ型ゲルマニウム領域（１１５）に接続された電極（１１７）とを備え、前記シリコン基板の基板面に垂直な方向を見たとき、前記ｎ型ゲルマニウム領域（１１５）および前記ｐ型シリコン領域（１１１）は、重複しないことを特徴とする光検出器である。

本発明により、Ｇｅ層を厚くすることを必要とせずに、Ｇｅの貫通転位による暗電流の増加を抑えたＧｅＰＤを提供することができる。従来技術のようにデバイスの高速特性が低下させることなしに、周波数特性に優れ、暗電流が小さい光検出器を提供できる。

図１は、従来技術の導波路結合型の縦型ＧｅＰＤの構造を模式的に示した図である。 図２は、図１に示した従来技術のＧｅＰＤを電極長手方向に垂直に切って見た断面図および斜視図を示した図である。 図３は、本発明の実施例１のＰＤの構成を示した上面図である。 図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線を含みコア層の在る範囲のＺＸ面を見た実施例１のＰＤの断面図である。 図５は、図３のＶ−Ｖ線を含みコア層の在る範囲のＹＺ面を見た実施例１のＰＤの断面図である。 図６は、図３のＶＩ−ＶＩ線を含みコア層の在る範囲のＹＺ面を見た実施例１のＰＤの断面図である。 図７は、本発明の実施例２のＰＤの構成を示した上面図である。 図８は、本発明の実施例３のＰＤの構成を示した上面図である。 図９は、本発明の実施例４のＰＤの構成を示した上面図である。 図１０は、図９のＸ−Ｘ線を含みコア層の在る範囲のＹＺ面を見た実施例４のＰＤの断面図である。 図１１は、本発明の実施例５のＰＤの構成を示した上面図である。 図１２は、本発明の実施例６のＰＤの構成を示した上面図である。 図１３は、図１１における櫛形形状の部分を拡大してＹＺ面を見た断面図である。

本発明の光検出器（以下ＰＤと略する）は、後述するように、ＰＤのＧｅ層の内部側に構成され第１のドーピング材料（ｐ型またはｎ型）がドープされた第１の領域と、ＰＤのＧｅ層の表面側に構成され第２のドーピング材料（ｎ型またはｐ型）がドープされた第２の領域とが、ＰＤの基板面に垂直な方向（Ｚ軸）を見て、概ね重複しないように配置される。すなわち、ＰＤの基板面に垂直な方向を見たときに、第１の領域および第２の領域が、２つの領域全体のマクロ的な位置関係の点で、または、２つの領域のミクロ的な形状自体の点で、概ね重複しないように配置されている。すなわち、２つの領域の基板面（ＸＹ面）上への射影が、概ね重複しないように配置されている。この構成によって、２つの領域間に生じる空乏層の電界方向は、Ｇｅ層の成長方向（基板面に垂直な方向）と異なるようになる。このため、貫通転位の生じる方向と、光入力によってＧｅ層で発生したキャリアの走行する方向が一致せず、Ｇｅ層を厚膜化しなくても貫通転位による暗電流の増加が抑えられる。この点において本発明のＰＤの構成は、従来技術のＧｅＰＤにおいてＰＤの表面側にある第２の領域の射影が、ＰＤの内部側にある第１の領域の射影の内に含まれていたのと対照的である。２つの領域は全く重複していないのが好ましいが、キャリアの走行方向が基板面に垂直な方向（Ｚ軸方向）に対して傾いている限り、一部が重複していても、貫通転位による暗電流の増加を抑えることができる。

本発明のＰＤでは、キャリアの走行方向が基板面に垂直な方向に対して斜めになることによって走行距離が伸びてしまうが、Ｇｅ層を薄くしても貫通転位増加の影響を受けにくい。このため、従来技術のＧｅＰＤが暗電流増加の対策のためにＧｅ層を厚膜化していたのとは逆に、薄層化することによって上述の走行距離の増加を打ち消すことができる。すなわち従来技術の縦型ＧｅＰＤと比較し、高速特性を損なうことなく、暗電流の低減を達成することができる。また、暗電流を減らすことで検出出力信号のＳＮ比を大きくすることができ、本発明のＰＤを受信機に使ったときの受信感度が高まることから、送信機の低消費電力化や伝送距離の長延化も可能になる。以下、様々な実施例とともに、本発明のＰＤの構成および動作並びに様々な変形例を示す。最初に、実施例１の構成を使って、本発明のＰＤの基本的な構成を説明する。

図３は、本発明の最も基本的な形態である実施例１のＰＤの構成を示す上面図である。後述する図４〜図６は、いずれも実施例１のＰＤ２００を異なる面で切って見た断面図である。図３は、基板面（ＸＹ面）を垂直に見た本発明のＧｅＰＤ２００の上面図である。本発明のＰＤでは、基本的に図１〜図２で説明した従来技術のＰＤに準じたデバイス構成であるので、以下、従来技術との相違点に絞って説明する。図３においては、図１の従来技術のＧｅＰＤの構成要素と同一または対応するものは、同一の符合を付けてある。従来技術のＧｅＰＤ１００との大きな相違点は、ＰＤの内部側のコア層１１０−３の上に構成されたｐ型Ｓｉ領域１１１（第１の領域）と、ＰＤの表面側のＧｅ層１１４の上に構成されたｎ型Ｇｅ領域１１５（第２の領域）の位置関係にある。図３に示したように基板面（ＸＹ面）に垂直な方向を見たときに、コア層１１０−３上に構成されているｐ型Ｓｉ領域１１１の位置が、Ｇｅ層１１４上のｎ型Ｇｅ領域１１５と重複しない。また、図３のように２つの領域に対応する電極１１６、１１８および電極１１７の長手方向が、直交する２の座標軸の内の１つの軸（ｘ軸）と一致している場合、２つの電極はＹＸ座標軸に対して相互に斜めの位置関係にある。従って、検出対象の入射光によりＧｅ層１１４で生じるキャリアは、ｎ型Ｇｅ領域１１５とｐ型Ｓｉ領域１１１との間を走行するとき、矢印１２０で示したようにＸＹ面内を座標軸に斜めに走行する。したがって、貫通転位の方向（Ｚ軸方向）とキャリアの走行する方向が一致せず、Ｇｅ層１１４を厚膜化せずに薄いままとしても暗電流の増加が無い。貫通転位の方向とキャリアの走行する方向が一致しないことは、Ｚ軸を含む断面図からさらに良く理解できるだろう。

図４は、図３のＸ軸に沿ってＩＶ−ＩＶ線を含みコア層が存在する範囲のＺＸ面を見た実施例１のＰＤの断面図である。図４では、手前に電極として作用するｐ＋＋シリコン電極部１１３を点線で示している。コア層１１０−３の上に構成されたｐ型Ｓｉ領域１１１（第１の領域）と、Ｇｅ層１１４の上に構成されたｎ型Ｇｅ領域１１５（第２の領域）の位置は、Ｘ軸方向について見ても重複せずにずれている。従って、２つの領域間（１１１、１１５）にバイアス電圧を掛けると、検出光に起因してＧｅ層１１４で生じ、２つの領域間を流れるキャリアの走行する方向１２０は、ＹＺ面内でも座標軸に対して斜めとなっている。このキャリアの走行する方向１２０は、貫通転位の方向１１９と異なる方向である。このため、２つの領域間にバイアス電圧を掛けても、貫通転位による暗電流の増加は起こらず、Ｇｅ層１１４を厚膜化せずに薄いままとしても暗電流の増加が無い。

図５は、図３のＶ−Ｖ線を含みコア層１１０−３が存在する範囲のＹＺ面を見た実施例１のＰＤの断面図である。ｐ型Ｓｉ領域１１１が存在する近傍の断面には、ｎ型Ｇｅ領域１１５は存在していない。従って、貫通転位の方向（Ｚ軸）に沿ってキャリアは流れ得ない。

図６は、図３のＶＩ−ＶＩ線を含みコア層１１０−３が存在する範囲のＹＺ面を見た実施例１のＰＤの断面図である。ｎ型Ｇｅ領域１１５が存在する近傍の断面には、ｐ型Ｓｉ領域１１１は存在しておらず、ｐ＋＋Ｓｉ電極部１１２、１１３も存在しない。従って、貫通転位の方向（Ｚ軸）に沿ってキャリアは流れ得ない。

ここでより具体的な構成の一例を示せば、コア層１１０−３は厚さ０．２μｍ、２０×２５μｍの矩形状とした。Ｇｅ層の厚さは０．５μｍとした。またｎ型Ｇｅ領域１１５は４×６μｍの矩形状、ｐ型Ｓｉ領域１１１は１８×８μｍの矩形状とし、２つの領域のＸ軸方向の間隔は１μｍとした。

実施例１のＰＤによれば、キャリアの走行方向が従来技術のように基板面に垂直な方向（Ｚ軸）ではなく、基板面（ＸＹ面）および電極の長手方向（Ｘ軸方向）などから決定される直交座標軸に対して斜めになることによって、キャリアの走行距離が伸びる。しかしながら、本発明のＰＤの構造ではＧｅ層を薄くしても貫通転位の影響を受け難いため、Ｇｅ層１１４を薄くすることによって、走行方向の傾斜によるキャリア走行距離の増加を打ち消すことが可能となる。すなわち従来技術の縦型ＧｅＰＤと比較し、高速特性を損なうことなく、暗電流を減らすことができる。暗電流を減らすことで検出出力信号のＳＮ比を大きできるため、本発明のＰＤを受信機に使ったときの受信感度を高めることができ、送信機の低消費電力化や伝送距離の長延化も可能になる。

したがって本発明は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成され、第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域（１１１）を含むシリコンコア層（１１０−３）と、前記シリコンコア層に接続され、検出対象光を前記シリコンコア層へ導波するシリコン導波路層（１１０−１）と、前記シリコンコア層上に形成され、第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域（１１５）を含むゲルマニウム層（１１４）と、前記第１の領域に接続された１つ以上の第１の電極、および、前記第２の領域に接続された第２の電極とを備え、前記シリコン基板の基板面に垂直な方向を見たとき、前記第１の領域および前記第２の領域が概ね重複していないことを特徴とする光検出器として実施できる。

さらに、前記第１の領域および前記第２の領域の間を流れる、前記検出対象光に起因したキャリアの走行方向は、前記基板面に垂直な方向に対して傾斜している。

図３から明らかなように本実施例のＰＤでは、検出対象の光が入射する導波路コア部１１０−１から見て、ｐ型Ｓｉ領域１１１を手前（前方）に、ｎ型Ｇｅ領域１１５を奥（後方）に配置して、２つの領域（１１１、１１５）が重複しない構成とした。ｐ型Ｓｉ領域１１１のＸＹ面上の大きさは、コア層１１０−３に対して、どのような面積比であっても良い。また、ｎ型Ｇｅ領域１１５のＸＹ面上の大きさも、Ｇｅ層１１４のトップ面に対して、どのような面積比であっても良い。貫通転位の影響を最小化するために、基板面を垂直に見たときに２つの領域（１１１、１１５）が全く重複しない構成とするのが好ましい。２つの領域（１１１、１１５）のＸＹ面への射影に一部重複が有っても良いが、できる限り重複しないようにした方が貫通転位の影響をより効果的に回避できる。

２つの領域（１１１、１１５）が重複しない配置は、本実施例の構成だけに限られない。次に、Ｘ軸方向において２つの領域の位置を入れ替えた実施例を示す。

図７は、本発明の実施例２のＰＤの構成を示す上面図である。本実施例のＰＤ３００は、ｐ型Ｓｉ領域１１１およびｎ型Ｇｅ領域１１５の位置関係が、Ｘ軸方向について実施例１の構成とは逆になっている点でのみ、実施例１と相違する。すなわち、検出対象の光が入射する導波路コア部１１０−１から見て、Ｇｅ層１１４の表面側に構成されたｎ型Ｇｅ領域１１５を手前（前方）に、Ｇｅ層１１４の内部側に構成されたｐ型Ｓｉ領域１１１を奥（後方）に配置して、２つの領域（１１１、１１５）が重複しない構成とした例である。本実施例でも、２つの領域（１１１、１１５）にバイアス電圧を掛けると、検出光に起因してＧｅ層１１４で生じ、２つの領域間を流れるキャリアの走行する方向１３０は、基板面（ＸＹ面）および電極の長手方向（Ｘ軸方向）などから決定される直交座標軸に対して、ＸＹ面内でも、ＹＺ面内でも斜めとなっている。このキャリアの走行する方向１３０は、貫通転位の方向（Ｚ軸方向）とは異なる。このため、２つの領域間にバイアス電圧を掛けても、貫通転位による暗電流の増加は生じず、Ｇｅ層１１４を厚膜化せずに薄いままとしても暗電流の増加が無い。本実施例のＰＤでも、実施例１の場合と全く同様の本発明に特有の効果が得られる。

したがって本発明は、前記シリコン導波路層から前記シリコンコア層への前記検出対象光の入射方向（Ｘ軸方向）おいて、前記シリコン導波路層１１０−１、前記第１の領域１１１および前記第２の領域１１５の順で配置されていることもできる（実施例１）。また、前記シリコン導波路層から前記シリコンコア層への前記検出対象光の入射方向（Ｘ軸方向）おいて、前記シリコン導波路層１１０−１、前記第２の領域１１５および前記第１の領域１１１の順で配置されていることもできる（実施例２）。

以下全ての実施例は、導波路コア部１１０−１から見て、Ｇｅ層１１４の内部側に構成されたｐ型Ｓｉ領域１１１を手前（前方）に、Ｇｅ層１１４の表面側に構成されたｎ型Ｇｅ領域１１５を奥（後方）に置いた実施例１の構成をベースに示すが、特に断りが無い限り、本実施例のように２つの領域（１１１、１１５）のＸ軸に関する相対位置を反転させても良い。本実施例の構成では、導波路コア１１０−１から導入された光が、最初に不純物ドープされたｐ型Ｓｉ領域１１１を通過しないため、実施例１と比べて光の導波損失を減らす効果がある。

図８は、本発明の実施例３のＰＤの構成を示す上面図である。本実施例のＰＤは、実施例１の構成と外形は同一であるが、２つの領域のドーピング材料のタイプ（ｎ型、ｐ型）逆になっている点で、実施例１と相違している。すなわち本実施例のＰＤ４００では、コア層１１０−３上にはｎ型Ｓｉスラブ１２１が構成され、ｎ型Ｓｉスラブ１２１上にさらにｎ＋＋Ｓｉ電極部１２２、１２３が構成される。コア層１１０−３上には、断面が概略台形のＧｅ層１１４が構成され、Ｇｅ層１１４の最上部にはｐ型Ｇｅ領域１２５が構成される。ＹＺ面の断面構成は、ドーピング材料のタイプが反転している点を除いて、図５および図６と全く同じである。

したがって本発明は、前記第１の領域の前記第１のドーピング材料はｐ型不純物であって、前記第１の領域１１１はｐ型シリコン領域であり、前記第２の領域の前記第２のドーピング材料はｎ型不純物であって、前記第２の領域１１５はｎ型ゲルマニウム領域であるか（実施例１、実施例２）、または、前記第１の領域の前記第１のドーピング材料はｎ型不純物であって、前記第１の領域はｎ型シリコン領域１２１であり、前記第２の領域の前記第２のドーピング材料はｐ型不純物であって、前記第２の領域１２５はｐ型ゲルマニウム領域であるか（実施例３）のいずれか一方である光検出器として実施できる。

本実施例ではドーピング材料の種類が反転しているので、コア層１１０−３へ入射した検出対象の光によりＧｅ層１１４において生じたキャリアの走行方向も、実施例１とは逆になる。しかし、２つの領域（１２１、１２５）間を流れるキャリアの走行する方向および貫通転位の方向（Ｚ軸方向）の関係は、実施例１〜２と全く同様である。以下全ての実施例では、Ｇｅ層の内部側にｐ型Ｓｉ領域１１１を、Ｇｅ層の表面側にｎ型Ｇｅ領域１１５を用いた実施例１のドーピング材料のタイプ組み合わせの構成をベースに示すが、特に断りが無い限り、本実施例のようにドーピング材料の種類（インプラ種）を反転させても良い。

図９は、本発明の実施例４のＰＤの構成を示す上面図である。これまでの実施例では、ＰＤのＧｅ層よりも内部側に構成され第２のドーピング材料（ｐ型またはｎ型）がドープされた第１の領域とｍＰＤのＧｅ層の表面側に構成され第１のドーピング材料（ｎ型またはｐ型）がドープされた第２の領域とが、各電極の長手方向（Ｘ軸方向）について、重複しないように配置されていた。すなわちＰＤの基板面（ＸＹ面）への２つの領域の射影を見たときに、導波路コア層１１０−１から見て、前後の方向（Ｘ軸方向）に２つの領域（１１１、１１５）を重複させずにずらして配置した構成であった。しかし、２つの領域の配置は様々に変更が可能であって、入射光によってＧｅ層で生じるキャリアの走行方向が、貫通転位の方向（Ｚ軸方向）と一致しないようにできる限り、基板面内（ＸＹ面内）で任意の位置に２つの領域（１１１、１１５）を配置することができる。本実施例では、各電極の長手方向またはシリコン導波路層１１０−１からシリコンコア層１１０−３への検出対象光の入射方向（Ｘ軸）に垂直な方向（Ｙ軸方向）にずらして２つの領域を配置した場合の構成例を示す。

図９の上面図に示したように、本実施例のＰＤ５００では、実施例１の構成と比較して、ｐ型Ｓｉ領域を２つのｐ型Ｓｉ領域１１１−１、１１１−２に分割し、ｎ型Ｇｅ領域１１５の射影面でｐ型Ｓｉ領域を除去した構成となっている。各電極１１６〜１１８の長手方向（Ｘ軸方向）については、矩形状のコア層１１０−３の全体に電極を形成することができるため、実施例１と比べて空乏層の面積を大きくすることができる。従来技術のＰＤと同様の空乏層面積を維持したままで、本願発明の効果を得ることができる。

したがって本発明は、前記シリコン導波路層から前記シリコンコア層への前記検出対象光の入射方向（Ｘ軸方向）に垂直な方向（Ｙ軸方向）において、前記第１の領域および前記第２の領域が重複せずに配置されているものとしても実施できる。そして、前記第１の領域は、前記検出対象光の入射方向に垂直な方向において、前記第２の領域を間に置いて２つの領域１１１−１、１１１−２に分離することができる。

図１０は、図９のＸ−Ｘ線を含みコア層１１０−３の存在する範囲のＹＺ面を見た実施例４のＰＤの断面図である。ＹＺ面を見たとき、キャリアの走行する方向１３１は座標軸に対して斜めとなっており、貫通転位の方向（Ｚ軸方向）と異なっている。このため、２つの領域（１１１−１、１１−２と１１５）間にバイアス電圧を掛けても、貫通転位による暗電流増加は生じず、Ｇｅ層１１４を厚膜化せずに薄いままとしても暗電流の増加が無い。実施例１〜３と同様に、高速特性を損なうことなく、暗電流を減らすことができる。また、送信機の低消費電力化や伝送距離の長延化が可能になる効果も得られる。

ｐ型Ｓｉ領域１１１−１、１１１−２のＸＹ面上の大きさは、コア層１１０−３に対して、どのような面積比であっても良い。また、ｎ型Ｇｅ領域１１５のＸＹ面上の大きさも、Ｇｅ層１１４のトップ面に対して、どのような面積比であっても良い。貫通転位の影響を最小化するために、基板面に垂直に見たときに２つの領域（１１１−１１１−２と１１５）が全く重複しない構成とするのが好ましい。２つの領域（１１１−１１１−２と１１５）のＸＹ面への射影に一部重複が有っても良いが、できる限り重複しないようにした方が貫通転位の影響をより効果的に回避できる。

本実施例のＰＤの構成は、空乏層がＸＹ面に沿って、すなわち光の伝播方向（Ｘ軸方向）に対して平行に作られるため、実施例１のＰＤと比べて、Ｇｅ層１１４で発生したキャリアをより効率良く吸収することが可能となる。

実施例１〜４の各実施例からわかるように、本発明のＰＤでは、ＰＤのＧｅ層の内部側に構成され第１のドーピング材料（ｐ型またはｎ型）がドープされた第１の領域と、ＰＤのＧｅ層の表面側に構成され第２のドーピング材料（ｎ型またはｐ型）がドープされた第２の領域とが、ＰＤの基板面に垂直な方向（Ｚ軸）を見て、概ね重複しないように配置される。２つの領域をどのように重複しないように配置するかは、上述の実施例だけに限られない。すなわち、図３〜図１０で説明のために定義したＸＹＺ座標軸において、２つの領域の相対位置を電極の長手方向（Ｘ軸方向）または長手方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）に沿ってずらして配置するだけに限られず、ＰＤとして効率的に光を検出することができる限り、ＸＹ軸に対して斜めの方向にずらして配置しても良いのは言うまでもない。２つの領域（１１１、１１５）間のキャリアの走行方向を傾斜させ、縦型ＧｅＰＤにおける貫通転位の生じる方向、すなわち基板面に垂直な方向（Ｚ軸方向）とは異なる方向にすることができれば、ＰＤの高速特性を損なうことなく暗電流を減らすことができる本発明の効果が得られる点に留意されたい。

上述の実施例においてキャリアの走行方向を傾斜させることは、Ｇｅ層の表面側および内部側に形成された異なるドーピング材料がドープされた２つの領域（１１１、１１５）が重複しないように、２つの領域全体の相対位置をマクロ的にずらすことで実現していた。しかしながら、２つの領域（１１１、１１５）を重複しないよう配置する方法として、２つの領域の形状自体を、よりミクロ的に修正することでも実現できる。以下の実施例では、２つの領域の一部を櫛形形状にした構成例を示す。

図１１は、本発明の実施例５のＰＤの構成を示した上面図である。Ｇｅ層の表面側および内部側にそれぞれ形成された異なるドーピング材料がドープされた２つの領域の相対位置に関しては、本実施例の構成は実施例２と同様である。本実施例のＰＤは、実施例２の構成に加えて、Ｇｅ層１１４の表面側に構成されたｎ型Ｇｅ領域１１５、および、Ｇｅ層１１４の内部側に構成されたｐ型Ｓｉ領域１１１を、概ね中間位置で一部重複させて、重複部分１３２を櫛形形状に構成している。図１１では、櫛形構造部分１３２が見えやすいようＧｅ層１１４の最も外側を点線で表しているが、基本構成は実施例２と同じである。

本実施例では、ｎ型Ｇｅ領域１１５およびｐ型Ｓｉ領域１１１をそれぞれ中央付近に向かって延長し、２つの領域の概ね中間位置において、２つの領域の各々の概形の一部の領域１３２が重複している。この重複部分１３２は、基板面（ＸＹ面）を見れば各々の領域を見れば、も櫛形形状となっている。基板面を見れば、２つの領域（１１１、１１５）の櫛の歯の部分はＹ方向に交互に並んでおり、各領域の形状をミクロ的に見れば２つの領域は依然として重複していない点に留意されたい。

図１３は、図１１における櫛形形状の部分を拡大してＹＺ面を見た断面図である。図１３から明らかなように、Ｙ軸方向に沿って２つの領域が交互に並んでいるため、空乏層も櫛形形状の各領域間で生じる。キャリアの走行方向１３２は座標軸（Ｙ−Ｚ軸）に対して斜めとなり、貫通転位の方向（Ｚ軸）と異なる。尚、本実施例のような櫛形の構造部分を利用する場合、櫛の繰り返しピッチＰとＧｅ層１１４の厚さｔが概ねＰ≧ｔの関係にある必要がある。櫛の繰り返しピッチＰがＧｅ層１１４の厚さｔに比べて著しく小さければ（Ｐ＜ｔ）、実質的にキャリアの走行方向が基板面に垂直な方向（Ｚ軸方向）に一致して、暗電流が増加してしまうからである。

既に述べたように、本明細書における全ての図面は、Ｚ軸方向を拡大して示されている。また、図１１の櫛形形状部分の繰り返しピッチも説明の便宜上拡大して描いてあることに留意されたい。櫛形形状部分の歯の数について一例を挙げれば、例えばｎ型Ｇｅ領域１１５のサイズが４μｍ（Ｙ軸方向）×６μｍ（Ｘ軸方向）の場合、櫛の幅が１μｍ、Ｇｅ層１１４の厚さが０．５μｍとすると、Ｐ≧ｔを満たす櫛の繰り返しピッチＰは０．５〜２μｍとすることができる。このとき、櫛の歯の数は、概ね２〜８個となる。したがって、櫛の繰り返しピッチＰとＧｅ層１１４の厚さｔが、概ねＰ≧ｔの関係を満たすことに何ら問題はない。

したがって本発明は、前記第１の領域１１１の概形の一部および前記第２の領域１１５の概形の一部は、前記第１の領域および前記第２の領域の概ね中間位置において重複しており、前記第１の領域の概形の前記一部および前記第２の領域の概形の前記一部はそれぞれ櫛形形状をしており、前記基板面に垂直（Ｚ軸方向）に見たとき、前記第１の領域の前記櫛形形状の各々の歯の部分と前記第２の領域の前記櫛形形状の各々の歯の部分とは重複しておらず、前記第１の領域および前記第２の領域の前記櫛形形状の繰り返しピッチＰおよび前記ゲルマニウム層の厚さｔは、Ｐ≧ｔの関係にあるものとしても実施できる。

櫛形上の部分を作るメリットは、空乏層面積を増加させることにある。本発明のＰＤでは、図３（実施例１）、図７（実施例２）、図９（実施例４）のいずれの構成でも、従来技術の設計に対して空乏層の面積が小さくなる点で、光検出器としての効率低下の懸念がある。空乏層面積の減少は、一般にＰＤの光／電気変換効率（感度）の減少を招くからである。そこで、２つの領域（１１１、１１５）を、重複せずに配置するだけ（実施例１）でなく、本実施例のように２つの領域の一部の形状をそれぞれ櫛形形状にして接近させ、櫛形分の各々の櫛の部分間で空乏層の面積を拡大することで、光検出器の感度低下を補償できる。櫛形形状にすることによって空乏層の面積が実施例１の構成に比べて大きくなり、光入力によって発生したキャリアの収集効率を高くすることができる。櫛形形状の構成は、実施例１以外の他の実施例にも適用できる。

図１２は、本発明の実施例６のＰＤの構成を示した上面図である。本実施例のＰＤ７００は、実施例４のＹ軸方向に２つの領域（ｎ型Ｇｅ領域１１５およびｐ型Ｓｉ領域１１１−１、１１１−２）を配置した構成に加え、実施例５と同様に櫛形形状部分を備えている。すなわち、Ｇｅ層１１４の表面側に構成されたｎ型Ｇｅ領域１１５と、Ｇｅ層１１４の内部側に構成されたｐ型Ｓｉ領域１１１−１、１１１−２とを、一部重複させて、重複部分を櫛側形状に構成している。図１２でも、櫛形形状の部分の櫛の歯の繰り返しピッチは、拡大して描いてあり、櫛の歯の数を減らし簡略化して描いてある点に留意されたい。また図１２では、櫛形形状部分が見えやすいよう、断面が概ね台形の錐体であるＧｅ層１１４の最大範囲（底面）のみを点線で表しているが、その構成は他の実施例と同じである。

本実施例でも基板面を見れば、２つの領域（１１１−１および１１１−２、１１５）の櫛の歯の部分はＸ方向に交互に並んでおり、各領域の形状をミクロ的に見れば２つの領域は重複していない。また実施例５では、櫛形形状部分は検出対象光の入射方向に垂直なＹ軸方向に配列されていたのに対し、本実施例では櫛形形状部分は検出対象光の入射方向に沿ったＸ軸方向沿って配列されている。実施例５と比べて、本実施例では櫛形形状部分を構成する配列をより長くし、櫛の歯の数を増やすことができる。空乏層の面積の拡大効果が大きく、対象検出光によって発生したキャリアの収集効率をさらに高くすることができる。

上述の各実施例において、コア層１１０−３は矩形のものとして示したが、コア層は検出対象の光を効率よく閉じ込めることができれば、その形状は矩形だけに限られない。また、ｐ型Ｓｉ領域１１１およびｎ型Ｇｅ領域１１５のＸＹ面内の相対位置も、Ｘ軸またはＹ軸上に沿って配置されている必要性はなく、検出対象光によって生成されるキャリアの走行方向を、基板面に垂直な方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜するようにできる限り、ＸＹ座標軸に対して斜めの関係に配置しても良い。

以上詳細に説明したように、本発明のＰＤによって、Ｇｅ層を厚くすることを必要とせずに、Ｇｅの貫通転位による暗電流の増加を抑えたＧｅＰＤを提供することができる。従来技術のようにデバイスの高速特性が低下させることなしに、周波数特性に優れ、暗電流が小さい光検出器を提供できる。

本発明は、一般的に光通信システムや光情報処理システムに利用できる。特に、光通信システムの光検出器に利用できる。

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００ 光検出器（ＰＤ）
１００−１ 導波路コア層
１００−２ テーパコア層
１００−３ コア層
１０１ シリコン基板
１０２ 下部クラッド層
１０３ 上部クラッド層
１１１、１１１−１、１１１−２ ｐ型Ｓｉ領域
１１２、１１３ ｐ＋＋Ｓｉ電極部
１１４ Ｇｅ層
１１５ ｎ型Ｇｅ領域
１１６〜１１８ 電極
１１９ 成長方向
１２０、１３０、１３１、１３２ キャリア走行方向
１３３ 重複領域

Claims (7)

1. シリコン基板（１０１）と、
   前記シリコン基板上に形成された下部クラッド層（１０２）と、
   前記下部クラッド層上に形成され、第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域（１１１）を含むシリコンコア層（１１０−３）と、
   前記シリコンコア層に接続され、検出対象光を前記シリコンコア層へ導波するシリコン導波路層（１１０−１）と、
   前記シリコンコア層上に形成され、第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域（１１５）を含むゲルマニウム層（１１４）と、
   前記第１の領域に接続された１つ以上の第１の電極、および、前記第２の領域に接続された第２の電極と
   を備え、
   前記シリコン基板の基板面に垂直な方向を見たとき、前記第１の領域および前記第２の領域が概ね重複していないことを特徴とする光検出器。
2. 前記第１の領域および前記第２の領域の間を流れる、前記検出対象光に起因したキャリアの走行方向は、前記基板面に垂直な方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
3. 前記シリコン導波路層から前記シリコンコア層への前記検出対象光の入射方向において、前記シリコン導波路層、前記第１の領域および前記第２の領域の順で配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出器。
4. 前記シリコン導波路層から前記シリコンコア層への前記検出対象光の入射方向において、前記シリコン導波路層、前記第２の領域および前記第１の領域の順で配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出器。
5. 前記シリコン導波路層から前記シリコンコア層への前記検出対象光の入射方向に垂直な方向において、前記第１の領域および前記第２の領域が重複せずに配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出器。
6. 前記第１の領域の概形の一部および前記第２の領域の概形の一部は、前記第１の領域および前記第２の領域の概ね中間位置において重複しており、
   前記第１の領域の概形の前記一部および前記第２の領域の概形の前記一部はそれぞれ櫛形形状をしており、
   前記基板面に垂直に見たとき、前記第１の領域の前記櫛形形状の各々の歯の部分と前記第２の領域の前記櫛形形状の各々の歯の部分とは重複しておらず、
   前記第１の領域および前記第２の領域の前記櫛形形状の繰り返しピッチＰおよび前記ゲルマニウム層の厚さｔは、Ｐ≧ｔの関係にあること
   を特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の光検出器。
7. 前記第１の領域の前記第１のドーピング材料はｐ型不純物であって、前記第１の領域はｐ型シリコン領域であり、前記第２の領域の前記第２のドーピング材料はｎ型不純物であって、前記第２の領域はｎ型ゲルマニウム領域であるか、または、
   前記第１の領域の前記第１のドーピング材料はｎ型不純物であって、前記第１の領域はｎ型シリコン領域であり、前記第２の領域の前記第２のドーピング材料はｐ型不純物であって、前記第２の領域はｐ型ゲルマニウム領域であるか
   のいずれか一方であることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の光検出器。