JP2021009892A - 半導体受光素子、光電融合モジュール及びアバランシェフォトダイオードの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
R=eη/(hν)
図1は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子の平面図であり、図2は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子のA−A断面図である。図1は、光がz方向に伝搬する場合の基板面(xz平面)であり、図2は、そのxy面を示している。
図14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光軸に平行なy−z断面図であり、図15は、光軸に垂直なx−y断面図である。
図15に示すように、半導体受光素子100は、吸収領域としてのi−Ge吸収領域109と、チャージ領域としてのp−−Siチャージ領域105と、増倍領域としてのi−Si増倍領域108aとが分離しているのでSACM構造と呼ぶことができる。
図16は、本発明の比較例である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なx−y断面図である。この比較例は、特願2018−178219の図6に記載されているものである。半導体受光素子150のSiスラブ導波路103は、n−Si低濃度領域104cと、増倍領域としてのi−Si増倍領域108aと、p−−Siチャージ領域105と、p−Si低濃度領域106cと、p+−Siコンタクト領域107cとがこの順に接合されている。また、半導体受光素子150は、Al電極110cを有していない。つまり、半導体受光素子200のp−−Siチャージ領域105は、p−−Siチャージ領域105とp−Si低濃度領域106cとに接合されているのみである。
前記第1実施形態の半導体受光素子100は、Siスラブ導波路103の上面、つまり、n−Si低濃度領域104bとi−Si増倍領域108aとの上面と同一面内にi−Ge吸収領域109を堆積する非リセス構造であったが、Siスラブ導波路103にリセスを形成し、その上にi−Ge吸収領域109を堆積しても構わない。
図17は、本発明の第2実施形態である半導体受光素子の平面図であり、図18は、そのB−B断面図である。
半導体受光素子200のSiスラブ導波路203は、n+−Siコンタクト領域104aと、n−Si低濃度領域104bと、増倍領域としてのi−Si増倍領域108aと、p−−Siチャージ領域205と、i−Si絶縁領域108cと、p−Si低濃度領域206aと、p+−Siコンタクト領域107aとがこの順に接合されている。また、p−−Siチャージ領域205と、i−Si絶縁領域108cと、p−Si低濃度領域206aとの上面にリセス217が形成されている。そのリセス217の上に、厚みt9=170[nm]のi−Ge吸収領域209が堆積されている。つまり、i−Si絶縁領域108cの厚みは、t3−t9=220[nm]−170[nm]=50[nm]である。なお、i−Si絶縁領域108cは、i−Ge吸収領域209を堆積するときの下地として必要である。また、p−−Siチャージ領域205は、p−Si低濃度領域106b、p+−Siコンタクト領域107bを介してAl電極110cに接続されている。
図24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光軸に平行なy−z断面図であり、図25は、その光軸に垂直なx−y断面図である。
以上説明したように、第2実施形態の半導体受光素子200によれば、前記第1実施形態の半導体受光素子100と同様の効果が得られる。さらに、半導体受光素子200は、Siスラブ導波路203(i−Si絶縁領域108c(図25))を伝搬してきた信号光がi−Ge吸収領域209とバットジョイント結合するので、エバネッセント結合する半導体受光素子100と比べると結合効率が高くなるだけではなく、結合の偏波依存性を低減することができる。
前記第1,2実施形態の半導体受光素子100,200は、p型電極とn型電極とを横方向に配設する横型であったが、上下方向(垂直方向)に配設する縦型にすることもできる。
図26は、本発明の第3実施形態である半導体受光素子の平面図であり、図27は、そのC−C断面図である。
図27の断面図において、半導体受光素子300は、Si基板101、下部クラッド102、Siスラブ導波路303、i−Ge吸収領域308、第3コンタクト領域としてのp+−Geコンタクト領域309が、この順で垂直方向(上下方向)に配置している。Siスラブ導波路303は、n+−Siコンタクト領域305a、第2低濃度領域としてのn−Si低濃度領域304a、n+−Siコンタクト領域305aと、i−Si増倍領域306と、p−−Siチャージ領域307とから構成され、y方向に積層する3層構造を成している。
図39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光軸に平行なy−z断面図であり、図40は、その光軸に垂直なx−y断面図である。
Si細線導波路115を伝搬してきた信号光116は、Siスラブ導波路303(具体的には、n−Si低濃度領域304a、i−Si増倍領域306及びp−−Siチャージ領域307)を経由して、i−Ge吸収領域308にエバネッセント結合する。
言い換えれば、p−−Siチャージ領域307には、p−Si低濃度領域304b、p+−Siコンタクト領域305b及びAl電極110cを介して、電圧VCの直流電源の負極が接続される。また、p−−Siチャージ領域307に接合するi−Ge吸収領域308には、p−−Geコンタクト領域309及びAl電極310を介して、電圧VPの直流電源の負極が接続される。また、p−−Siチャージ領域307に接合するi−Si増倍領域306には、n−Si低濃度領域304a、n+−Siコンタクト領域305a及びAl電極110bを介して、双方の直流電源の正極が接続される。つまり、p+−Siコンタクト領域305bの電位と、p−−Geコンタクト領域309の電位と、n+−Siコンタクト領域305aの電位とは、個別に与えられる。また、(p−−Geコンタクト領域309の電位)<(p+−Siコンタクト領域305bの電位)<(n+−Siコンタクト領域305a)の条件の下、各電位は、無相間に設定できる。
以上説明したように第3実施形態の半導体受光素子300によれば、第1実施形態の半導体受光素子100と同様の効果が得られる。ところで、一般の半導体プロセスでは、基板表面に対して水平方向の寸法制御よりも垂直方向の寸法制御の方がより細かくより精密にできる。この点、半導体受光素子300においても、i−Ge吸収領域308とp−−Siチャージ領域307とi−Si増倍領域306とが基板表面に対して垂直方向に配置されている。このため、半導体受光素子300の各領域の厚さは、第1,2実施形態の半導体受光素子100,200の各領域の幅よりも薄くすることができる。このため、半導体受光素子300は、半導体受光素子100,200よりも、発生したキャリアの移動距離が短くなるので、デバイスの高速化が期待できる。
図41は、本発明の各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500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213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(又は、半導体受光素子200,300)と、半導体発光素子としてのレーザダイオード222と、電子回路としての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500は、前記したSi細線導波路115と半導体受光素子100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)前記各実施形態の半導体受光素子100,200は、チャージ領域が第1導電型としてのp型であったが、n型にすることもできる。このときには、チャージ領域、第1コンタクト領域、低濃度領域がn型になり、第2コンタクト領域がp型になる。
101 Si基板(支持基板)
102 下部クラッド
103,203,303 Siスラブ導波路(導波路)
104a n+−Siコンタクト領域(第3コンタクト領域)
104b n−Si低濃度領域(第3低濃度領域)
104c n−Si低濃度領域
105,205 p−−Siチャージ領域(チャージ領域)
106a,206a p−Si低濃度領域(第2低濃度領域)
106b p−Si低濃度領域(第1低濃度領域)
106c p−Si低濃度領域
107a,107b,107c p+−Siコンタクト領域
108a,306 i−Si増倍領域(増倍領域)
108b,108c i−Si絶縁領域
109,209,308 i−Ge吸収領域
110a,110b,110c,310 Al電極
115 Si細線導波路(光導波路)
217 リセス
304a n−Si低濃度領域(第2低濃度領域)
304b p−Si低濃度領域
305b p+−Siコンタクト領域
307 p−−Siチャージ領域
309 p+−Geコンタクト領域(第3コンタクト領域)
316 イオン不注入領域
317 i−Si膜
318 i−Ge膜
500 光電融合モジュール
Claims (8)
- 支持基板上に形成された光導波路を通じて信号光を受光す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前記吸収領域への印加電界を低減するチャージ領域と前記吸収領域で生成された電子を雪崩増倍させる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、
前記チャージ領域に接合する第1低濃度領域と、
前記第1低濃度領域に接合する第1コンタクト領域とを備え、
前記チャージ領域、前記第1低濃度領域及び前記第1コンタクト領域は、それぞれ導電型が等しい第1導電型であり、
前記チャージ領域には、電源が接続される
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、
前記アバランシェフォトダイオードは、第2コンタクト領域、第2低濃度領域、絶縁領域、前記チャージ領域、前記増倍領域、第3低濃度領域及び第3コンタクト領域がこの順に接合されており、
前記吸収領域と前記チャージ領域とが接合しており、
前記電源は、前記第1コンタクト領域と前記第2コンタクト領域又は第3コンタクト領域との間に接続される
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、
前記アバランシェフォトダイオードは、第2コンタクト領域、第2低濃度領域、絶縁領域、前記チャージ領域、前記増倍領域、第3低濃度領域及び第3コンタクト領域がこの順に接合されており、
前記吸収領域は、前記チャージ領域及び前記第2低濃度領域のそれぞれと接合して形成され、
前記第1低濃度領域は、前記チャージ領域に接合しており、
前記第1低濃度領域及び前記チャージ領域の何れか一方又は双方は、前記チャージ領域と前記増倍領域との接合面に沿って、延在しており、
前記第2コンタクト領域及び第2低濃度領域は、前記第1導電型であり、
前記第3低濃度領域及び前記第3コンタクト領域は、前記第1導電型とは異なる第2導電型であり、
前記第1コンタクト領域の電位と前記第2コンタクト領域の電位と前記第3コンタクト領域の電位とは、個別に与えられる
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、
前記吸収領域は、前記絶縁領域に形成されたリセスの上に堆積されたものである
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、
前記光導波路は、第2コンタクト領域と第2低濃度領域とが接合した層と、該第2低濃度領域の上に積層した前記増倍領域と、前記増倍領域の上に積層した前記チャージ領域とから形成されたものであり、
前記チャージ領域の上に積層した前記吸収領域と、
前記吸収領域の上に積層した第3コンタクト領域とをさらに備え、
前記第3コンタクト領域は、前記第1導電型であり、
前記第2コンタクト領域及び前記第2低濃度領域は、前記第1導電型とは異なる第2導電型であり、
前記第1コンタクト領域)と前記第2コンタクト領域と前記第3コンタクト領域とは、電圧が個別に印加されている
ことを特徴とする半導体受光素子。 - 請求項3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、
前記第1導電型は、p型であり、
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。 - 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、
前記半導体受光素子は、前記信号光を吸収する吸収領域と前記吸収領域への印加電界を低減するチャージ領域と前記吸収領域で生成された電子を雪崩増倍させる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、
前記チャージ領域は、一端に第1低濃度領域が接合され、
前記第1低濃度領域は、前記チャージ領域との接合面に対向する一端に第1コンタクト領域が接合され、
前記チャージ領域、前記第1低濃度領域及び前記第1コンタクト領域は、それぞれ導電型が等しい第1導電型であり、
前記チャージ領域にバイアス電圧が印加可能であり、
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。 - 支持基板上に形成された光導波路を通じて信号光を受光する導波路型のアバランシェフォトダイオードの製造方法であって、
前記信号光を吸収する吸収領域と、前記吸収領域への印加電界を低減する第1導電型のチャージ領域と前記吸収領域で生成された電子を雪崩増倍させる増倍領域とが分離しているSACM構造を作製する作製工程を有し、
前記作製工程では、前記チャージ領域に接合する第1導電型の第1低濃度領域を形成する第一工程と、
前記第1低濃度領域の一部に対してイオン注入し、第1導電型の第1コンタクト領域を形成する第二工程とを備える
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオードの製造方法。
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