JP2021052035A - 面受光型の半導体受光素子、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明の第1実施形態である面受光型の半導体受光素子の平面図(a)、A−A断面図(b)、及びB−B断面図(c)である。
信号光は、平面図において、紙面の手前から裏面の方向に照射されて、半導体受光素子100の上面から入射する。半導体受光素子100は、支持基板としてのSOI基板113と、SOI基板113の上に堆積された複数のi−Ge吸収領域109と、i−Ge吸収領域109を凸レンズ状に覆う上部クラッド111と、n+−Siコンタクト領域105と、p+−Siコンタクト領域107と、2つのAl電極110a,110bとから構成される。複数のi−Ge吸収領域109及び上部クラッド111に形成される凸レンズは、二次元配列される。
cosφ=(h1・h2+k1・k2+l1・l2)/√{(h12+k12+l12)・(h22+k22+l22)}
但し、φは、(h1,k1,l1)面と(h2,k2,l2)面のなす角である。
具体的には、i−Ge吸収領域109は、4つの三角状の(311)面201(図1(c))と、4つの台形状(矩形状)の(111)面202(図1(c))とで形成されたものである。
cosφ1=(3+0+0)/√{(1+0+0)・(9+1+1)}=3/√(11)
φ1≒25.2394[deg]
である。同様に、Si層103の(100)面103aとi−Ge吸収領域109の(111)面202とのなす角φ2(図1(c))は、
cosφ2=(1+0+0)/√{(1+0+0)・(1+1+1)}=1/√3
φ2≒54.73561[deg]
である。
図2乃至図12は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子を作製する作製方法を説明する説明図である。図2乃至図12は、ステップSP1乃至ステップSP11の内容を示す。また、各図の(a)は、平面図であり、(b)は、A−A断面図であり、(c)はB−B断面図である。本実施形態にかかる半導体受光素子は、よく知られた一般的な方法で作製してよい。
図9は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子の光学的な動作を説明する説明図である。
なお、Ge(311)面201に入射させるためには、Si層103の表面(つまりGe(100)面)に対して、8.9946度傾斜させる必要がある(不図示)。
半導体受光素子100は、Geを光吸収領域とした横型PIN−PDである。n+−Siコンタクト領域105(図1)が高電位、p+−Siコンタクト領域107(図1)が低電位となるような逆バイアスを印加する。つまり、バイアス電源Eの正極をn−Si低濃度領域104に接続し、負極をp−Si低濃度領域106に接続する。
以上説明したように、本実施形態の半導体受光素子100によれば、i−Ge吸収領域109を通過した光がSi層103を伝搬して、隣接するi−Ge吸収領域109にエバネッセント結合する。言い換えれば、i−Ge吸収領域109は、隣接するi−Ge吸収領域109を通過した光の一部を吸収するので、光を電流に変換する変換効率が高くなる。
前記第1実施形態は、PIN−PDとしたが、SAM(Separated Absorption and Multiplication)構造のアバランシェフォトダイオード(APD:Avalanche Photodiode)にも適用することができる。
本実施形態の半導体受光素子200は、横型SAM構造のアバランシェフォトダイオードであり、SOI基板113のSi層123の上に複数のi−Ge吸収領域109が二次元配列され、各々のi−Ge吸収領域109の上に凸レンズが形成された上部クラッド111を有する点で前記第1実施形態の半導体受光素子100と略一致する。
前記第1実施形態は、PIN構造のPDとしたが、SACM(Separated Absorption Charge and Multiplication)構造のAPDとすることもできる。
本実施形態の半導体受光素子210は、横型SACM構造のアバランシェフォトダイオードであり、SOI基板113のSi層124の上に複数のi−Ge吸収領域109が二次元配列され、各々のi−Ge吸収領域109の上に凸レンズが形成された上部クラッド111を有する点で前記第1実施形態の半導体受光素子100と略一致する。
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100,200,210は、Al電極を用いたが、SiやGeとオーミック接触を形成できる金属材料であればこれに限らない。例えば、Cuなども可能である。半導体受光素子100,200,210は、上部クラッド111の材料にSiO2を用いたが、使用波長範囲でSi及びGeよりも屈折率の小さな透明材料であればこれに限らない。例えば、SiONなども可能である。
101 Si基板
102 下部クラッド(BOX層)
103,123,124 Si層(光伝搬層)
104 n−Si低濃度領域
104a,104b n−Siコンタクト領域
105 n+−Siコンタクト領域
106 p−Si低濃度領域
106a,106b p−Si領域
107 p+−Siコンタクト領域
108,108a,108b,108c i−Si絶縁領域
109 i−Ge吸収領域
111 上部クラッド
112 p−Siチャージ領域
113 SOI基板(支持基板)
120 非接合領域
201 (311)面
202 (111)面
Claims (9)
- 第1導電型領域及び導電型が異なる第2導電型領域が面方向に互いに非接合で形成されている支持基板と、
前記第1導電型領域、及び前記第2導電型領域と接合し、前記支持基板上に形成されている吸収領域と、
前記吸収領域を覆い、凸レンズ状に形成された上部クラッドと
で構成されていることを特徴とする面受光型の半導体受光素子。 - 請求項1に記載の面受光型の半導体受光素子であって、
前記吸収領域は、複数の三角面を含む多面体形状である
ことを特徴とする面受光型の半導体受光素子。 - 請求項1に記載の面受光型の半導体受光素子であって、
前記吸収領域は、複数の矩形面からなる形状である
ことを特徴とする面受光型の半導体受光素子。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の面受光型の半導体受光素子であって、
第1導電型領域及び前記第2導電型領域を非接合にするi−Si絶縁領域がさらに形成されており、
前記上部クラッドは、前記第1導電型領域、前記第2導電型領域、及び前記i−Si絶縁領域を覆う
ことを特徴とする面受光型の半導体受光素子。 - 光を吸収する吸収領域と増倍領域とが分離しているSAM構造の半導体受光素子であって、
第1導電型領域及び導電型が異なる第2導電型領域が前記増倍領域としてのi−Si絶縁領域を介して、形成されている支持基板と、
前記支持基板上に形成され、前記第1導電型領域、及び第2導電型領域の何れか一方の領域と接合し、他方の領域が前記i−Si絶縁領域に接合する吸収領域と、
前記吸収領域、及び前記i−Si絶縁領域を覆い、前記吸収領域上が凸レンズ状に形成された上部クラッドと
で構成される面受光型の半導体受光素子。 - 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構造の半導体受光素子であって、
前記増倍領域と前記チャージ領域とi−Si絶縁領域及び前記チャージ領域と同一導電型の領域とが上面に形成されている支持基板と、
前記支持基板上に形成され、前記チャージ領域と前記i−Si絶縁領域及び前記チャージ領域と同一導電型の領域に接合する前記吸収領域と、
前記吸収領域、前記増倍領域、前記チャージ領域、及び前記i−Si絶縁領域を覆い、前記吸収領域上が凸レンズ状に形成された上部クラッドと
で構成される面受光型の半導体受光素子。 - 請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の面受光型の半導体受光素子であって、
前記支持基板は、Si基板と、SiO2層と、複数の第1導電型領域、及び複数の第2導電型領域が形成されたSi層とから構成されており、
前記Si層の上には、前記吸収領域及び前記凸レンズ状に形成された上部クラッドが、前記Si層の構成に対応して複数形成されている
ことを特徴とする面受光型の半導体受光素子。 - 請求項7に記載の面受光型の半導体受光素子であって、
前記上部クラッドを介して前記吸収領域を通過した光は、前記Si層を伝搬し、隣接する吸収領域に吸収される
ことを特徴とする面受光型の半導体受光素子。 - 第1導電型領域及び導電型が異なる第2導電型領域が面方向に互いに非接合で形成されている支持基板を作製する第1工程と、
前記第1導電型領域、及び前記第2導電型領域と接合するように、複数の三角面を含む多面体形状である吸収領域を前記支持基板上に形成する第2工程と、
前記吸収領域を覆い、最表面が凸レンズ状に形成されるまで上部クラッドを堆積する第3工程と
を有することを特徴とする面受光型の半導体受光素子の製造方法。
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MICHAL CADA AND JAROMIR PISTORA: ""Design of a New Terahertz Nanowaveguide Amplifier"", IEEE PHOTONICS JOURNAL, vol. 9, no. 3, JPN6020040123, 2017, pages 2200905 - 1, XP011651159, ISSN: 0004371510, DOI: 10.1109/JPHOT.2017.2704020 * |
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