JP2018085454A

JP2018085454A - 光検出器

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Publication number: JP2018085454A
Application number: JP2016228112A
Authority: JP
Inventors: 浩太郎武田; Kotaro Takeda; 小熊　学; Manabu Oguma; 学小熊
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-11-24
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2018-05-31
Anticipated expiration: 2036-11-24
Also published as: JP6691470B2

Abstract

【課題】Ｇｅ層での局所的な光集中を抑制してＧｅ層で発生する熱を抑えることにより、高パワー入力を受けることができるＧｅＰＤを提供すること。【解決手段】光検出器は、基板の上に形成され、光を伝搬する導波路とｐ型ドープ領域を含むスラブとを備えたコア層と、導波路とスラブとの間に形成される多モード干渉導波路と、スラブおよび多モード干渉導波路の上に形成され、ｐ型ドーピングされたＧｅ領域を含むＧｅ層と、ドープ領域およびゲルマニウム領域にそれぞれ接続された電極とを含み、Ｇｅ層は、多モード干渉導波路によって拡散された光を吸収するように構成される。【選択図】図６

Description

本発明は、光通信システムや光情報処理システム等において用いられる光検出器に関する。

近年、光通信の普及に伴い、光通信装置の低コスト化が求められている。その解決策の１つとして、光通信装置を構成する光回路を、シリコンウエハのような大口径ウエハ上に、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ある。これにより、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図ることが出来る。

このような技術を用いたシリコン（Ｓｉ）基板上に形成する代表的な光検出器としては、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（例えば、特許文献１）。

図１は、従来のＧｅＰＤ１００の構造を模式的に表した平面図であって、Ｓｉ基板上にモノリシック集積された導波路結合型の縦型のＧｅＰＤを示している。図２は、図１のＧｅＰＤ１００のII−II断面構造を示す図である。なお、図１では、説明の容易のため、後述するクラッド層１０３および電極１１６，１１７，１１８を適宜省略して図示している。

図１および図２において、ＧｅＰＤ１００は、Ｓｉ基板１０１を備えており、Ｓｉ基板１０１上に、基板側から、下部クラッド層１０２、Ｓｉコア層１１０、Ｇｅ層１１４、および上部クラッド層１０３が順次積層されている。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。

上述したＳｉコア層１１０は、光が伝搬する導波路１２０と、Ｓｉスラブ１２１とに分けられる。以下の説明では、導波路１２０とＳｉスラブ１１１とを総称して、Ｓｉコア層１１０と呼ぶ。なお、図２では、Ｓｉコア層１１０が図示されているが、これは、Ｓｉスラブ１２１を意味する。

Ｓｉスラブ１２１は、導波路１２０と接続され、矩形状（四辺形）の領域を有する。Ｓｉスラブ１２１には、ｐ型の不純物イオンがドーピングされているｐ型Ｓｉ領域（ｐ型ドープ領域）１１１と、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とが形成されている。

ｐ型Ｓｉ領域（ｐ型ドープ領域）１１１は、Ｓｉスラブ１２１の一部にｐ型ドープを行ってｐ型半導体にした領域であり、Ｓｉスラブ１２１の一部になっている。

Ｇｅ層１１４は、ｐ型Ｓｉ１１１上でエピタキシャル成長によって積層され、かつＧｅ層１１４の上部でｎ型の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、およびｎ型Ｇｅ領域１１５上には、それぞれ、対応する電極１１６，１１７，１１８が設けられる。

ＧｅＰＤ１００では、導波路１２０からＳｉスラブ１２１に向けて光が入射されて、Ｇｅ層１１４で光が吸収される。そして、電極１１７と電極１１６，１１８との間に光電流が流れる。ＧｅＰＤ１００では、その電流を検出することにより光を検出する。

特許５３７０８５７号公報

図２に示したＧｅＰＤ１００は、光を検出するものの、高パワーの光入力に耐えられないという問題があった。以下、図１〜図３を参照して詳述する。

図３は、ＧｅＰＤ１００のＧｅ層１１４の底面を熱源とみなし、その熱源のパワー（ｍＷ）を変化させて熱解析を行った場合に、Ｇｅ層１１４の温度をプロットで表したグラフｄ１００を示している。図３において、上述した熱源のパワーは、光入力パワーである。

一般に、Ｓｉ上に成長したＧｅは、実験結果から、６００℃〜８００℃程度で融解してフォトダイオードとして機能しないことがわかっている。

特に、前述の図１および図２に示した導波路型ＧｅＰＤ１００の場合、Ｇｅ層１１４のうちの導波路１２０に近い部分で集中的に光吸収が行われるため、図１に示した領域１１９付近が融解してしまう。

一方、図３に示したグラフｄ１００では、７５〜１００ｍＷ程度の熱源のパワー（光入力パワー）で、Ｇｅは、融解温度に達する。しかし、ＧｅＰＤ１００が適用され得るメトロ系ネットワークの受信機では、上記７５〜１００ｍＷ程度の光入力パワーが与えられることがあるため、Ｇｅ層１１４上の領域１１９（図１）への光集中を避ける必要がある。

図４は、光入力パワーのＧｅ層１１４上の領域１１９（図１）への集中を避けるようにした従来のＧｅＰＤ２００の平面図であって、Ｓｉスラブ１２１に、テーパー形状を備えた導波路１２０を接続するようにした構成を示している。なお、図４において、符号Ｗは、Ｙ方向におけるＧｅ層１１４の幅を示す。

ＧｅＰＤ２００の構成は、導波路１２０がテーパーを備える点以外は、図１に示したものと同一である。図４では、図１および図２の説明で用いた符号等をそのまま用いている。

ここで、図４のＧｅＰＤ２００のテーパー導波路での光の広がりは、図５に示すようになる。

図５は、ＧｅＰＤ２００におけるＧＥ層１１４の幅ｗと光強度との対応関係ｄ２００を示す図である。

この図５に示す対応関係ｄ２００では、光導波路１２０を伝搬する光がＧｅ層１１４に到達した時点で、Ｇｅ層１１４の幅ｗに対して光強度が均一な分布とならない。

すなわち、Ｇｅ層１１４において最も光強度が大きくなるのは、幅ｗ方向（Ｙ方向）の中央となる。このような局所的に大きい光強度を有することから、上述したＧｅ層１１４上の領域１１９（図４）への光集中は、図１に示したものに比べて抑制されるものの、完全には解消されないことがわかる。

仮に、高パワーの光入力に耐えられないＧｅＰＤを光通信システムに組み込んだ場合、光パワーを減衰させたり切り替えたりするための可変アッテネータまたは光スイッチなどの追加部品が必要となり、ＧｅＰＤの製造コストが上がる。

本発明は、このような状況の下においてなされたもので、Ｇｅ層での局所的な光集中を抑制してＧｅ層で発生する熱を抑えることにより、高パワー入力を受けることができるＧｅＰＤを提供することを目的とする。

上記の課題を達成するため、本発明は、基板と、前記基板の上に形成され、光を伝搬する導波路層とｐ型またはｎ型のいずれかのドープ領域を含むスラブ層とを備えたコア層と、前記導波路層と前記スラブ層との間に形成される多モード干渉導波路と、前記スラブ層および前記多モード干渉導波路の上に形成され、ｎ型またはｐ型のいずれかにドーピングされたゲルマニウム領域を含むゲルマニウム層と、前記ドープ領域および前記ゲルマニウム領域にそれぞれ接続された電極とを含み、前記ゲルマニウム層は、前記多モード干渉導波路によって拡散された前記光を吸収するように構成される。

前記ゲルマニウム層は、前記導波路層側からみて、前記多モード干渉導波路中の光干渉により生じる複数の光強度のピークが全て同程度の強度を持つ位置に配置されるようにしてもよい。

前記ゲルマニウム層が少なくとも２つ以上ある場合には、前記少なくとも２つ以上のゲルマニウム層は、各ゲルマニウム層が吸収する光強度が同等になるように、配置されているようにしてもよい。

前記ゲルマニウム層は、４側面から同時に光を入射するように、各側面で対応する多モード干渉導波路と接続されているようにしてもよい。

前記基板、前記導波路、および前記スラブ層は、シリコンで形成されているようにしてもよい。

本発明によれば、Ｇｅ層での局所的な光集中を抑制してＧｅ層で発生する熱を抑えることにより、高パワー入力を受けることができる。

従来の縦型ＧｅＰＤの構成を示す平面図である。図１のＧｅＰＤのII−II断面構造を示す図である。図１のＧｅＰＤにおいて、熱計算の解析結果を示す図である。入力導波路にテーパーが設けられた一般的な縦型ＧｅＰＤの構成を示す平面図である。図４のＧｅＰＤにおいて、テーパー導波路からＧｅ層への光入力の強度分布を示す図である。本発明の第１実施形態におけるＧｅＰＤの構成例を示す平面図である。図７のＧｅＰＤにおいて、多モード干渉導波路中の光強度分布の一例を示す図である。図７の多モード干渉導波路のある長さにおけるＧｅ層の幅に応じた光強度の一例を示す図である。第２実施形態のＧｅＰＤの構成例を示す平面図である。図９のＧｅＰＤのＧｅ層中の光強度分布の一例を、従来のＧｅＰＤと比較するための図である。第３実施形態のＧｅＰＤの構成例を示す平面図である。第４実施形態のＧｅＰＤの構成例を示す平面図である。

＜第１実施形態＞
図６は、本発明の第１実施形態であるＧｅＰＤ１０の構成例を示す平面図である。なお、本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、図１および図２の説明で用いた符号等をそのまま用いる。

図６において、ＧｅＰＤ１０は、図１および図２に示したものと同様に、Ｓｉ基板１０１を備えており、Ｓｉ基板１０１上に、基板側から、下部クラッド層１０２、Ｓｉコア層１１０、Ｇｅ層１１４、および上部クラッド層１０３が順次積層されている。そして、Ｇｅ層１１４は、ｎ型の不純物がドーピングされたｎ型Ｇｅ領域１１５を含む。

ＧｅＰＤ１０でも、コア層１１０は、光が伝搬する導波路（導波路層）１２０と、ｐ型ドープ領域を含むＳｉスラブ１２１とに分けられる。

一方、図１および図２に示したものと異なり、ＧｅＰＤ１０はさらに、導波路１２０とＳｉスラブ１２１との間に、多モード干渉導波路１２２を備える。

この実施形態では、多モード干渉導波路１２２のＸ方向の長さｌは、幅ｗ１の方向（図６のＹ方向）に対して光強度が均等になるように設定される。

図７は、多モード干渉導波路１２２の長さｌおよび幅ｗに対応する光強度が例示されている。

図７において、領域３０１は、図６に示した導波路１２０に対応する。また、領域３０５，３０６，３０７は、多モード干渉導波路１２２のＸ方向の長さｌ（ｌ＝３０３）における３つの領域を表し、領域３０８，３０９は、多モード干渉導波路１２２のＸ方向の長さｌ（＝３０４）における２つの領域を表す。

図７に示す例では、例えば、多モード干渉導波路１２２の長さｌ＝３０２より短い位置では、多モード干渉による光強度が変化しない。これは、Ｇｅ層１１４を長さｌ＝３０２よりも短い位置に配置してはいけないことを意味する。

一般に、多モード干渉導波路１２２のＹ方向の幅Ｗ１は、Ｇｅ層１１４のＹ方向の幅よりも大きくするのが良いが、図７に例示するように、幅Ｗ１が大きくなるほど、中央部から離れた外側の光強度は下がってしまう。そのため、多モード干渉導波路１２２の幅Ｗ１は、Ｇｅ層１１４の幅と同じにするのが好ましい。

この実施形態のＧｅＰＤ１０において、多モード干渉導波路１２２よりも幅の広いＳｉスラブ１２１は、多モード干渉導波路１２２と同じ層に形成されている。このため、仮に多モード干渉導波路１２２の後方（導波路１２０からみて離れる方の側）にＧｅ層１１４を配置した場合、すなわちＧｅ層１１４をＳｉスラブ１２１上にのみ配置した場合には、多モード干渉導波路１２２からＧｅ層１１４へ光が入射するまでの間に、光が、Ｓｉスラブ１２１に拡散し、その結果、Ｇｅ層１１４での光吸収効率が低下してしまう。このことから、Ｇｅ層１１４は、多モード干渉導波路１２２の上に配置される必要がある。

以上説明したように、本実施形態のＧｅＰＤ１０によれば、基板１０１の上に形成され、光を伝搬する導波路１２０とドープ領域を含むスラブ１２１とを備えたコア層１１０と、導波路１２０とスラブ１２１との間に形成される多モード干渉導波路１２２と、スラブ１２１および多モード干渉導波路１２２の上に形成され、ｐ型ドーピングされたＧｅ領域１１５を含むＧｅ層１１４と、ドープ領域およびＧｅ領域１１５にそれぞれ接続された電極１１６〜１１８とを含む。ここで、Ｇｅ層１４１は、多モード干渉導波路１２２によって拡散された光を吸収するように構成されるので、Ｇｅ層１４１は、拡散された均等な光強度を吸収する。これにより、Ｇｅ層１１４上での領域１１９への光集中が抑制され、Ｇｅ層１１４で発生する熱を抑えることにより、例えば１００ｍＷ程度の高パワー入力を受けることができる。

＜第２実施形態＞
図９は、本発明の第２実施形態であるＧｅＰＤ１０Ａの構成例を示す平面図である。なお、本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、図６〜図８の説明で用いた符号等をそのまま用いる。

図９において、ＧｅＰＤ１０Ａは、図６に示したものと同様に、Ｓｉ基板１０１を備えており、Ｓｉ基板１０１上に、基板側から、下部クラッド層１０２、Ｓｉコア層１１０、Ｇｅ層１１４、および上部クラッド層１０３が順次積層されている。そして、Ｇｅ層１１４は、ｎ型の不純物がドーピングされたｎ型Ｇｅ領域１１５を含む。

この実施形態でも、ＧｅＰＤ１０Ａ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。そして、コア層１１０は、光が伝搬する導波路１２０と、ｐ型ドープ領域を含むＳｉスラブ１２１とに分けられる。

一方、図６に示したものと異なり、ＧｅＰＤ１０Ａは、Ｓｉスラブ１２１および多モード干渉導波路１２２の両方の上に、３つのＧｅ層１４０，１４１，１４２を備える。そして、Ｇｅ層１４０，１４１，１４２上には、それぞれ、ｎ型不純物がドーピングされたｎ型Ｇｅ領域１４３，１４４，１４５が形成され、それらのＧｅ領域１４３〜１４５上には、電極１１７が形成されている。

なお、図６では、３つのＧｅ層１４３，１４４，１４５が例示してあるが、２つまたは４つ以上のＧｅ層を備えるようにしてもよい。

上述したＧｅ層１４０〜１４２の各々は、光が均等に吸収するように配置される。例えば、図９の例では、Ｇｅ層１４０〜１４２は、図７に示したＸ方向の長さｌ（ｌ＝３０３、またはｌ＝３０４）の位置に配置される。このときのＧｅ層１４０〜１４２中の光強度は、後述する図１０に示してある。

図１０では、Ｇｅ層１４０〜１４２中の光強度分布の一例を、従来のＧｅＰＤ１００と比較するための図であって、（ａ）従来のＧｅＰＤ１００のＧｅ層１１４の配置と、（ｂ）上記（ａ）のＧｅ層１１４の長さｌに応じたＧｅ層１１４中の光強度と、（ｃ）ＧｅＰＤ１０ＡのＧｅ層１４０〜１４２の配置と、（ｄ）上記（ｃ）のＧｅ層１４０〜１４２の長さｌに応じたＧｅ層１１４中の光強度とを示す。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示したＧｅ層１１４では、光強度は、Ｇｅ層１１４の長さが大きくなるにつれ小さくなる。

一方、図１０（ｃ）および図１０（ｄ）に示したＧｅ層１４０〜１４２では、光強度は、Ｇｅ層１１４の長さが大きくなるにつれ小さくなるものの、それぞれの周辺でピーク値（極値）をもつ。

なお、図１０（ｄ）では、Ｇｅ層１４０周辺の光強度のピーク値は、図７に示した位置３０７に対応し、Ｇｅ層１４１周辺の光強度のピーク位置は、図７に示した位置３０９に対応している。

この実施形態のＧｅＰＤ１０Ａでは、Ｇｅ層１４０〜１４２の位置は、Ｇｅ層１４０〜１４２によって吸収される光強度のピークが全て同程度（均等）の強度を持つように設定（配置）される。例えば、図１０（ｃ）および図１０（ｄ）では、導波路１２０の後段に最初に備えられる１段目のＧｅ層１４０は、図７に示した位置３０３よりも後方に（導波路１２０からみて遠ざかる側に）距離４０１分ずらして位置７０１に配置される。また、２段目のＧｅ層１４１は、図７に示した位置３０９よりも後方に（導波路１２０からみて遠ざかる側に）距離４０２分ずらして位置７０２に配置される。

この場合、位置３０７での光強度は、導波路１２０からの伝搬光を最初に受けることになるため、最も強いピーク値を有する。Ｇｅ１４０層では、位置７０１において、そのピークを有する光強度の一部を吸収する。そのため、次の位置３０９での光強度のピークは、前述の位置３０７のピーク値よりも弱くなるが、Ｇｅ層１４１でも、Ｇｅ層１４０と同等の光を吸収できるように、距離４０２の間隔は、距離４０１よりも小さくして、Ｇｅ層１４１の位置７０２が設定される。

同様に、Ｇｅ層１４２でも、Ｇｅ層１４０と同等の光を吸収するように、位置３１０が設定される。その結果、Ｇｅ層１４０〜１４２で吸収される光吸収量は、等しくなるので、Ｇｅ層での局所的な光の集中が抑制される。これにより、第１実施形態で説明したものと同様に、ＧｅＰＤ１０Ａでは、Ｇｅ層での局所的な高熱状態を防止し、高パワーの入力を受けることができる。

＜第３実施形態＞
第２実施形態のＧｅＰＤ１０Ｂでは３つのＧｅ層を備える場合について説明したが、それぞれのＧｅ層を分割して配置するようにしてもよい。

図１１は、図９と類似のＧｅＰＤ１０Ｂの平面図であって、Ｇｅ層が分割される構成の一例を示している。なお、本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、図６〜図１０の説明で用いた符号等をそのまま用いる。

図１１において、Ｇｅ層６００，６０１，６０２，６０３，６０４，６１０，６１１，６１２には、それぞれ、ｎ型不純物がドーピングされたｎ型Ｇｅ領域６０５，６０６，６０７，６０８，６０９，６１３，６１４，６１５が形成されている。なお、図１１では、電極１１７は、理解の容易のため、破線で示してある。

Ｇｅ層６００〜６０２は、それぞれ、図７に示した位置３０５〜３０７に配置され、Ｇｅ層６０３，６０４は、それぞれ、図７に示した位置３０８，３０９に配置される。そして、Ｇｅ層６１０〜６１２は、Ｇｅ層６００〜６０７と同等の光を吸収するように、多モード干渉導波路１２２上に配置される。これにより、このＧｅＰＤ１０Ｂでも、Ｇｅ層６００〜６０４，６１０〜６１２で吸収される光吸収量は、等しくなる（すなわちＧｅ層は、導波路層側からみて、多モード干渉導波路中の光干渉により生じる複数の光強度のピークが全て同程度の強度を持つ位置に配置される）ので、Ｇｅ層での局所的な光の集中が抑制される。これにより、Ｇｅ層での局所的な高熱状態を防止し、高パワーの入力を受けることができる。

なお、図１１では、Ｇｅ層６０３〜６０４と、Ｇｅ層６１０〜６１２との間のＧｅ層の配置態様について具体的に示されていないが、Ｇｅ層での光吸収量が同等になるのであれば、上記Ｇｅ層間に、Ｇｅ層を分割して配置するようにしてもよい。また、Ｇｅ層の分割数は、図１１に示した例に限られず、変更することができる。

＜第４実施形態＞
以上では、図６〜図１１を参照して、Ｇｅ層の１つ側面からの光を入射する場合について説明した。これとは別に、Ｇｅ層の１つ側面から光を入射するのではなく、４つの側面から同時に光を入射するようにすることもできる。なお、本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、図６〜図１１の説明で用いた符号等をそのまま用いる。

図１２は、かかる４つの導波路１２０，１２９，１３０，１３１を備えるＧｅＰＤ１０Ｃの構成例を示す平面図である。

図１２において、ＧｅＰＤ１０Ｃは、図６に示した多モード干渉導波路１２２に加えて、３つの多モード干渉導波路１２５，１２６，１２７を備える。

多モード干渉導波路１２０，１２５，１２６，１２７の各々には、４分岐導波路１２８から分岐する導波路１２０，１２９，１３０，１３１と接続される。４分岐導波路１２８から多モード干渉導波路１２０，１２５，１２６，１２７までの導波路１２０〜１３１の各長さは、同じになるように設定されている。これにより、Ｇｅ層１１４には、４つの導波路１２０，１２９〜１３１を介して、同時に、同位相および同強度の光が入射されて吸収される。このとき、Ｇｅ層１１４に入射する光の強度は、第１実施形態に示したものに比べて１／４になるので、Ｇｅ層での局所的な光の集中が抑制され、Ｇｅ層１１４での局所的な高熱状態を防止することができる。

＜変更例＞
以上、第１〜第４の実施形態のＧｅＰＤについて説明してきたが、適宜変更することもできる。例えば、基板などの各構成要素の材料は、シリコン以外の材料を採用することもできる。

また、ドープ領域、Ｇｅ領域または／および電極は、ｐ型またはｎ型のいずれの組み合わせとしてもよい。

第４実施形態では、第１実施形態に示したものと類似する構成について説明したが、第２または／および第３実施形態に示したものと類似する構成としてもよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃゲルマニウム光検出器（ＧｅＰＤ）
１０２下部クラッド層
１０３上部クラッド層
１１０Ｓｉコア層
１１１Ｐ型Ｓｉ領域
１２１Ｓｉスラブ
１１４，６００〜６０４，６１０〜６１２Ｇｅ層
１２０，１２９〜１３１導波路
１２２，１２５〜１２７多モード干渉導波路

Claims

基板と、
前記基板の上に形成され、光を伝搬する導波路層とｐ型またはｎ型のいずれかのドープ領域を含むスラブ層とを備えたコア層と、
前記導波路層と前記スラブ層との間に形成される多モード干渉導波路と、
前記スラブ層および前記多モード干渉導波路の上に形成され、ｎ型またはｐ型のいずれかにドーピングされたゲルマニウム領域を含むゲルマニウム層と、
前記ドープ領域および前記ゲルマニウム領域にそれぞれ接続された電極と
を含み
前記ゲルマニウム層は、前記多モード干渉導波路によって拡散された前記光を吸収するように構成される
ことを特徴する光検出器。
前記ゲルマニウム層は、前記導波路層側からみて、前記多モード干渉導波路中の光干渉により生じる複数の光強度のピークが全て同程度の強度を持つ位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光検出器
前記ゲルマニウム層が少なくとも２つ以上ある場合には、前記少なくとも２つ以上のゲルマニウム層は、各ゲルマニウム層が吸収する光強度が同等になるように、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。
前記ゲルマニウム層は、４側面から同時に光を入射するように、各側面で対応する多モード干渉導波路と接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出器。
前記基板、前記導波路、および前記スラブ層は、シリコンで形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光検出器。