JP2019140153A - 半導体受光素子、光電融合モジュール、半導体受光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(構成の説明)
図1は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子の光軸に対して垂直な断面を示す断面図であり、図2は、その平面図である。つまり、図1は、z軸を光の進行方向にしたときの(図2参照)、x−y断面図である。また、図2は、x−z平面図であるが、i−Ge吸収領域108a、及び上部クラッド111を除いた状態の平面図である。
図3,4は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための断面図であり、特に、図3は、光軸に平行なy−z断面図であり、図4は、光軸に垂直なx−y断面図である。
本実施形態の半導体受光素子100aは、SACM構造を有する導波路型アバランシェフォトダイオードと同様の動作原理である。
本実施形態の半導体受光素子100aは、SACM構造を有し、i−Ge吸収領域108aの内部電界が低く抑えられる。このため、半導体受光素子100aは、逆バイアス電圧を高くしても、主に電界はi−Siの増倍領域106aに印加されるので、i−Ge吸収領域108aでは雪崩増倍が発生しにくく、絶縁破壊し難い特徴がある。
図6は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。
製造者又は製造装置は、まず、SOI基板を準備し(S1)、Siスラブ導波路を形成し(S3)、n−Siコンタクト領域を形成し(S5)、p−Siチャージ領域を形成し(S7)、p−Siコンタクト領域を形成する(S9)。次に、製造者又は製造装置は、形成されたSOI基板のトップSi層に対して、i−Ge吸収領域を選択成長する(S11)。次に、製造者又は製造装置は、上部クラッド層を堆積し(S13)、コンタクトホール形成後(S15)、n−Siコンタクト領域104a及びp−Siコンタクト領域117にAl電極を接合する(S17)。
まず、製造者又は製造装置は、Si基板101の表面にSiO2による下部クラッド102とトップSi層112とを積層したSOI基板113を準備する(図7A、S1)。次に、SOI基板113に対して、フォトリソグラフィ、及びドライエッチングによって、トップSi層112をパターニングして、Siスラブ導波路103を形成する(図7B、S3)。
次に、製造者又は製造装置は、化学気相成長法により、例えば、SiO2膜を厚さt9=1μmに堆積させて上部クラッド111とする(図7G、S13)。次に、製造者又は製造装置は、フォトリソグラフィ、及びドライエッチングにより、上部クラッド111をパターニングして、n−Siコンタクト領域104a及びp−Siコンタクト領域117上にコンタクトホール114を形成する(図7H、S15)。
以上説明したように、本実施形態の半導体受光素子100a(SACM構造を有する導波路型のアバランシェフォトダイオード)は、i−Ge吸収領域108aと、Siスラブ導波路103及びp−Si領域107とが接合している。また、p−Si領域107のイオン注入濃度は、キャリア濃度1×1019cm−3で形成されている。p−Siコンタクト領域117は、キャリア濃度1×1020cm−3で形成されている。つまり、p−Si領域107のイオン注入濃度は、p−Siコンタクト領域117よりも低く設定されており、真性半導体(Siスラブ導波路103)に近い。
1.i−Ge吸収領域108aで発生したキャリアがp−Siチャージ領域105をドリフトして通過するので、通過に時間を要することなく、動作速度が速い。つまり、キャリア(電子)は、p−Siチャージ領域105に流れるので、実効的な電流経路が短い。
2.p−Siチャージ領域105での電圧降下が小さいので、増倍に必要な印加電圧を低く抑えられる。
3.キャリア(電子)がp−Siチャージ領域105をドリフトする間の再結合確率が小さいため、所望の受光感度を得やすい。
第1実施形態の半導体受光素子100aは、SACM構造のAPDとしたが、p−Siチャージ領域105を省略して、SAM構造のAPDとすることができる。
(構成の説明)
図8は、本発明の第2実施形態である半導体受光素子の光軸に対して垂直な断面図である。つまり、図8は、信号光の方向をz方向としたときのx−y断面図である。
図10は、本発明の第2実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための断面図であり、光軸に垂直なx−y断面図である。
本実施形態の半導体受光素子100bは、SAM構造を有する導波路型アバランシェフォトダイオードと同様の動作原理である。
i−Ge吸収領域108aとi−Si増倍領域106bとの抵抗率の差によって、電界強度は、i−Siの増倍領域106bの方が大きい。このため、増倍領域106bに到達した電子は、増倍領域106bの高い内部電界によりドリフトが加速し、これにより雪崩増倍が発生して多数の電子が発生する。増倍領域106bで増倍した電子は、そのままドリフトしてn−Siコンタクト領域104aまで到達し、Al電極110aを介して発生電流として外部回路に出力される。一方、i−Ge吸収領域108aで発生した正孔は、i−Ge吸収領域108aの内部電界によりドリフトして、p−Si領域107まで到達し、p−Siコンタクト領域117、及びAl電極110aを通じて発生電流として外部回路に出力される。
図12A乃至図12Hは、第2実施形態の半導体受光素子の製造方法の一例を説明するための工程図である。半導体受光素子100bは、通常の半導体製造プロセスで作成することができる。
まず、製造者又は製造装置は、Si基板101と、その表面にSiO2による下部クラッド102と、トップSi層112とを積層したSOI基板113を準備する(図12A)。次に、SOI基板113に対して、フォトリソグラフィ、及びドライエッチングによって、トップSi層112をパターニングして、Siスラブ導波路103を形成する(図12B)。
以上説明したように、本実施形態の半導体受光素子100b(SAM構造を有する導波路型のアバランシェフォトダイオード)は、前記第1実施形態の半導体受光素子100aと同様に、i−Ge吸収領域108aに結晶転位が生じない。このため、低暗電流で高光電変換効率のSAM構造を得ることができる。
第1実施形態の半導体受光素子100aは、SACM構造のAPDとし、第2実施形態の半導体受光素子100bは、SAM構造のAPDとした。本実施形態では、PINフォトダイオードとして構成する。
図13は、本発明の第3実施形態である半導体受光素子の光軸に対して垂直な断面を示す断面図であり、図14は、その平面図である。つまり、図13は、z軸を光の進行方向にしたときの(図14参照)、x−y断面図である。また、図14は、x−z平面図であるが、i−Ge吸収領域108a、及び上部クラッド111を除いた状態の平面図である。
図15は、本発明の第3実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための断面図であり、光軸に垂直なx−y断面図である。なお、光軸に平行なy−z断面図については、図3と同様なので、説明を省略する。
図16A乃至図16Hは、第3実施形態の半導体受光素子の製造方法の一例を説明するための工程図である。半導体受光素子100cは、通常の半導体製造プロセスで作成することができる。
まず、製造者又は製造装置は、Si基板101と、その表面にSiO2による下部クラッド102と、トップSi層112とを積層したSOI基板113を準備する(図16A)。次に、SOI基板113に対して、フォトリソグラフィ、及びドライエッチングによって、トップSi層112をパターニングして、Siスラブ導波路103を形成する(図16B)。
以上説明したように、本実施形態の半導体受光素子100c(導波路型のPIN−フォトダイオード)は、前記第1,2実施形態の半導体受光素子100a,100bと同様に、i−Ge吸収領域108aに結晶転位が生じない。このため、低暗電流で高光電変換効率のPIN−フォトダイオードを得ることができる。
ここで、PIN−PDとAPD(例えば、SACM構造のAPD)とを比較する。
PIN−PDの受光感度R(PDへの入力光パワーPinで発生電流Iphを除した値[A/W])は、一般に、電子素量をe[C]、外部量子効率をη、プランク定数をh[m2kg/s]、光の振動数をν[/s]とすると、次式で表される。
R=eη/hν
上式から、波長1490nmの光を受光する場合、外部量子効率を理想状態の1にまで高めることができたとしても、PIN−PDでは受光感度は約1.2[A/W]が上限である。
図17は、本発明の比較例である半導体受光素子の光軸に対して垂直な断面を示す断面図である。
半導体受光素子100dは、Si基板101と、Si基板101の表面に堆積された下部クラッド102と、下部クラッド102の表面に形成されたSiスラブ導波路103、n−Si領域104b、ノンドープの増倍領域106dと、p−Si領域107と、Siスラブ導波路103、及びp−Si領域107の上に積層されたi−Ge吸収領域108bと、p型Ge層121と、p−Si領域107の内部に積層されたp−Siコンタクト領域117と、これらを覆う上部クラッド111と、n−Si領域104b、及びp−Siコンタクト領域に接触する2箇所のAl電極110aとを備える。
図18は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子を適用した光電融合モジュールの構成図である。
光電融合モジュール200は、例えば、PONシステムに使用される一芯双方向通信モジュールであり、Si基板101に積層された下部クラッド102の表面に光回路210、及び電気回路220とが形成されている。ここで、光回路210は、スポットサイズ変換器211と波長合分波器212とから構成されており、波長合分波器212は、光導波路としてのSi細線導波路115から構成されている。また、電気回路220は、半導体受光素子100と半導体発光素子としてのレーザダイオード222とトランスインピーダンスアンプ221とモニタ用フォトダイオード223とを備えている。つまり、光電融合モジュール200は、前記したSi細線導波路115と半導体受光素子100(100a,100b,100c)とが結合された構成になっており、光回路210、及び電気回路220とが一体化されている。
モニタ用フォトダイオード223は、レーザダイオード222の光出力をモニタして帰還制御するためのものであり、レーザダイオード222と近接配置されている。
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
(1)前記第1実施形態の半導体受光素子100aは、p−Siコンタクト領域117/p−Si領域107/i−Ge吸収領域108a/p−Siチャージ領域105/i−Siの増倍領域106a/n−Siコンタクト領域104aの構成である。この構成は、Siは、真性キャリア濃度がGeよりも低く、抵抗率が高いので、Siを増倍領域に用い、Geを吸収領域に用いた方が、より高い電界を印加できるから採用している。また、Siの増倍率は、電子の方が正孔よりも10倍程度高いことが知られており、増倍領域106aが電子を増倍できるように、Ge側をp型にし、Si側をn型にしているからである。言い換えれば、Siを吸収領域に用い、Geを増倍領域に用いることが可能である。また、p型、n型の導電型を入れ替えることも可能である。また、チャージ層をn型にすることも可能である。
101 Si基板(支持基板)
102 下部クラッド
103 Siスラブ導波路(真性半導体領域)
104a n−Siコンタクト領域
104b n−Si領域
105 p−Siチャージ領域
106a,106b,106d 増倍領域
107 p−Si領域
108a,108b i−Ge吸収領域
110a,110b Al電極
111 上部クラッド
114 コンタクトホール
115 Si細線導波路(光導波路)
116 テーパ導波路(光導波路)
117 p−Siコンタクト領域
118 n−Si領域
119 n−Siコンタクト領域
121 p型Ge層
200 光電融合モジュール
Claims (10)
- 信号光を受光する導波路が形成されている導波路型の半導体受光素子であって、
前記信号光を吸収する吸収領域と増倍領域とが分離しているSAM構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記吸収領域と接合する第1導電型領域と、
前記増倍領域に接合する第2導電型のコンタクト領域とを備え、
前記吸収領域は、前記増倍領域を包含する前記導波路、及び前記第1導電型領域の上面に積層されており、
前記増倍領域、及び前記吸収領域は、真性半導体で形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項1に記載の半導体受光素子であって、
第2導電型のコンタクト領域は、第1電極に接触しており、
前記第1導電型領域は、前記第2導電型のコンタクト領域よりもキャリア濃度が低く、第1導電型のコンタクト領域を介して第1電極に接触している
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項1又は請求項2に記載の半導体受光素子であって、
前記アバランシェフォトダイオードは、前記吸収領域と前記増倍領域との間にチャージ領域が介挿されているSACM構造を成しており、
前記導波路は、前記チャージ領域と前記増倍領域とが互いに隣接して形成されており、
前記チャージ領域は、前記第1導電型領域の極性を有している
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項3に記載の半導体受光素子であって、
前記チャージ領域のキャリア濃度は、前記第1導電型領域のキャリア濃度よりも低い
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項3又は請求項4に記載の半導体受光素子であって、
前記第1導電型領域は、p型領域であり、
前記第2導電型は、n型である
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の半導体受光素子であって、
前記吸収領域は、真性のGeで形成されており、
前記増倍領域は、真性のSiで形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 信号光を受光する導波路が形成されている導波路型の半導体受光素子であって、
前記信号光を吸収する吸収領域を含むPINフォトダイオードとして形成されており、
前記吸収領域と接合する第1導電型領域と、
前記吸収領域に接合する第2導電型領域とを備え、
前記吸収領域は、前記第2導電型領域を包含する前記導波路、及び前記第1導電型領域の上面に積層されており、
前記吸収領域は、真性半導体で形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 信号光を受光する導波路が形成されている導波路型の半導体受光素子であって、
前記信号光を吸収する吸収領域とチャージ領域と増倍領域とが分離しているSACM構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記吸収領域と接合する第1導電型領域と、
前記増倍領域に接合する第2導電型のコンタクト領域とを備え、
前記チャージ領域は、前記第1導電型領域の極性を有しており、
前記導波路は、前記チャージ領域と前記増倍領域とが互いに隣接して形成されており、
前記吸収領域は、前記増倍領域を包含する前記導波路、及び前記第1導電型領域の上面に積層されており、
前記増倍領域、及び前記吸収領域は、真性半導体で形成されている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 信号光を受光する導波路が形成されている導波路型の半導体受光素子と、前記信号光を前記導波路まで導光する光導波路との双方が支持基板上に一体形成された光電融合モジュールであって、
前記信号光を吸収する吸収領域と増倍領域とが分離しているSAM構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記吸収領域と接合する第1導電型領域と、
前記増倍領域に接合する第2導電型のコンタクト領域とを備え、
前記吸収領域は、前記増倍領域を包含する前記導波路、及び前記第1導電型領域の上面に積層されており、
前記増倍領域、及び前記吸収領域は、真性半導体で形成されており、
前記光導波路は、コアが前記増倍領域と一体形成されている
ことを特徴とする光電融合モジュール。 - 光導波路を介して、信号光を受光する導波路がSOI基板に形成されている導波路型の半導体受光素子の製造方法であって、
前記半導体受光素子は、前記信号光を吸収する吸収領域と増倍領域とが分離しているSAM構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記光導波路と前記増倍領域とを、前記SOI基板のSi層に形成するSi層形成過程と、
p−Si領域、及びn−Siコンタクト領域を形成する工程と、
前記増倍領域、及び前記p−Si領域の上にGeの吸収領域を、真性半導体で成長する吸収領域成長過程とを備える
ことを特徴とする半導体受光素子の製造方法。
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