JP4840062B2

JP4840062B2 - 半導体装置および光検出方法

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Publication number: JP4840062B2
Application number: JP2006274751A
Authority: JP
Inventors: 公一朗木島
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-10-06
Also published as: JP2008096133A; US7671323B2; CN101201434A; US20080073489A1; CN100589001C

Description

本発明は、高い周波数の光を検出することが容易な半導体装置および光検出方法に関するものである。

２光子吸収（ＴＰＡ：Two Photon Absorption）により発生するキャリアをＭＯＳトランジスタのボディに蓄積し、その蓄積量を検出することにより光の有無を検出する光検出器は、デバイスを「消去（クリア）状態」、「データ取り込み状態」、「データ検出状態」の３状態を切り替えることにより光の検出を行う原理となっている（例えば、非特許文献１参照。）。したがって、デバイスの上記状態の繰り返しサイクルよりも検出しようとする光信号の周波数が高い場合には、データのカケなどが生じる危険性があった。

野沢哲生著「筐体内に浸透始める光伝送ルータや携帯電話機が先行」日経エレクトロニクス、２００５年６月６日号、ｐ５９〜ｐ７０および図１１

解決しようとする問題点は、デバイスの「消去状態」、「データ取り込み状態」、「データ検出状態」の３状態の繰り返しサイクルよりも検出しようとする光信号の周波数が高い場合には、データの欠けなどが生じる点である。

本発明は、デバイスの「消去状態」、「データ取り込み状態」、「データ検出状態」の３状態の繰り返しサイクルよりも高い周波数の光信号を検出することを可能にすることを課題とする。

本発明の半導体装置は、絶縁層上の半導体領域中に形成された光導波路と、前記光導波路の導波方向に沿って形成され、前記半導体領域中に残る電荷量で光検出を行う光検出器としてそれぞれが機能する複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタと、を備え、前記複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電圧が非読み出し状態の期間内でドレイン電圧の変化タイミングを制御することで、複数の前記検出器でデータ取り込みのタイミングを変えることを特徴とする。

上記半導体装置では、複数の光検出器を備え、光検出器のそれぞれについてデータ取り込み時間を変えていることから、各光検出器の出力を比較することで、前記データの取り込み時間差の有無により前記光導波路を導波する光の検出が行える。

本発明の光検出方法は、絶縁層上の半導体領域中に形成された光導波路と、前記光導波路上の前記半導体領域に導波方向に沿って形成され、前記半導体領域中に残る電荷量で光検出を行う光検出器としてそれぞれが機能する複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタと、を備える半導体装置を用い、複数の前記光検出器におけるデータの消去状態、データの取り込み状態、データの検出状態の３状態を順に切り替え、前記複数の光検出器ついて前記データ取り込み状態に対応するデータ取り込み時間の開始タイミングを変えて、前記複数の光検出器の出力を比較することで、前記データ取り込み時間の差の部分で前記光導波路を導波する光の検出を行うことを特徴とする。

上記光検出方法では、複数の光検出器のそれぞれについてデータ取り込み時間を変えて、各光検出器の出力を比較することで、データの取り込み時間差の有無により光導波路を導波する光の検出を行うことから、従来検出することができなかったデバイスの上記３状態の繰り返しサイクルよりも高い周波数の光信号が検出されるようになる。

本発明の半導体装置によれば、従来検出することができなかったデバイスの上記３状態の繰り返しサイクルよりも高い周波数の光信号が検出できるので、光通信等の光導波の高速化が可能になるという利点がある。

本発明の光検出方法によれば、従来検出することができなかったデバイスの上記３状態の繰り返しサイクルよりも高い周波数の光信号が検出できるので、光通信等の光導波の高速化が可能になるという利点がある。

本発明の半導体装置に係る実施の形態（第１実施例）を、図１の概略斜視図、図２の光検出器のゲート長方向における断面図、および図３の光導波路の断面図によって説明する。

図１〜図３に示すように、半導体基板１１と、この半導体基板１１上に第１絶縁層１２を介して形成されたもので、光導波路２１となる領域が他の領域よりも厚く形成された第１半導体層１３と、この第１半導体層１３上に第２絶縁層１４を介して形成された第２半導体層１５とが形成されている。上記半導体基板１１には、例えばシリコン基板を用いる。そして、上記第１絶縁層１２、第２絶縁層１４は、その間の第１半導体層１３に光を閉じ込めて第１半導体層１３中をその光が導波することが可能な材料で形成され、例えば酸化シリコン膜で形成されている。そして、第１絶縁層１２は第１半導体層１３側が平坦に形成され、第２絶縁層１４は第１半導体層１２の光導波路２１となる部分が厚くなるように、第２半導体層１５側に凹ました状態に形成されている。また、上記第１半導体層１３、第２半導体層１５にはシリコン層が用いられる。

上記第１絶縁層１２、第１半導体層１３、第２絶縁層１４については、図示はしないが、第１絶縁層１２は、第１半導体層１２の光導波路２１となる部分が厚くなるように、半導体基板１１側に凹ました状態に形成され、第２絶縁層１４は第１半導体層１２側が平坦に形成されていてもよい。

すなわち、上記半導体基板１１、第１半導体層１３および第２半導体層１５により半導体領域１６が形成されている。また、第１半導体層１３と第２半導体層１５とは同一の半導体層で形成され、この半導体層に上記第２絶縁層１４は、ＳＩＭＯＸ法などにより、例えば酸素のイオン注入により、酸化シリコンで形成されている。さらに、上記光導波路２１は、リッジ型の光導波路となっている。

上記光導波路２１上の半導体領域１６（上記第２半導体層１５）には、複数の光検出器３１（３１Ａ、３１Ｂ）が備えられている。本実施例では二つの光検出器３１Ａ、３２Ｂの構成を一例として示したが、次の第２実施例で説明するように、光検出器３１は３個であってもよく、さらに４個以上としてもよい。光検出器３１の個数を多くすることにより、分解能を高めることができる。この光検出器３１Ａ、３２Ｂは、共に絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（例えばｎｐｎＭＩＳトランジスタ）からなり、この絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、光導波路２１の光の導波方向（例えば矢印方向）に対して直交する方向がゲート長方向となるように形成されている。そして、ゲートにゲート電圧ＶＧ、ドレインにドレイン電圧ＶＤが印加され、ソースＳは接地されている。

また、上記光検出器３１で光を検出するには、光検出器３１を構成する上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタのボディーの残るホールの量によって判断するので、光導波路２１が形成される第１半導体層１３は、電子（エレクトロン）のモビリティーと正孔（ホール）のモビリティーとに差があることが求められ、例えば２倍程度以上の差を有することが好ましい。例えば、濃度を１×１０¹⁸ atoms／ｃｍ³とすると、電子のモビリティーが２５２ｃｍ²／Ｖ・ｓであり、正孔のモビリティーが１７８ｃｍ²／Ｖ・ｓとなり、およそ１．５倍の差があり、この程度の濃度までは光検出が可能で許容される。さらに濃度を１×１０¹⁷ atoms／ｃｍ³とする、電子のモビリティーが６７５ｃｍ²／Ｖ・ｓとなり、正孔のモビリティーが３３１．５ｃｍ²／Ｖ・ｓとなって、電子と正孔のモビリティーに２倍程度以上の差が生じる。したがって、濃度を１×１０¹⁷ atoms／ｃｍ³以下とすることが好ましい。また光の導波損失が低損失（例えば１ｄＢ／ｃｍ〜２ｄＢ／ｃｍ程度以下の損失）であることも必要である。上記点を考慮して、本実施例では、濃度を１０¹² atoms／ｃｍ³とした。なお、濃度が１×１０¹⁸ atoms／ｃｍ³より高くなると、電子と正孔のモビリティーの差が小さくなり、濃度を２×１０²⁰ atoms／ｃｍ³とすると、電子のモビリティーが５２．０ｃｍ²／Ｖ・ｓとなり、正孔のモビリティーが５０．８ｃｍ²／Ｖ・ｓとなって、ほとんど差がなくなる。このような状態では光検出ができない。

また、光検出器３１の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート長は短くなると応答速度が速くなる。さらに光検出器３１の面積が小さければ、光検出器３１を通るキャリア密度が高くなるので検出し易くなる。

上記半導体装置１では、複数の光検出器３１を備え、光検出器３１のそれぞれについてデータ取り込み時間を変化させていることから、各光検出器３１の出力を比較することで、データの取り込み時間差の有無により光導波路２１を導波する光の検出が行える。すなわち、半導体装置１は二光子吸収（ＴＰＡ）により発生するキャリアを各光検出器３１の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのボディに蓄積し、その蓄積量を検出することにより光の有無を検出する。これによって、従来検出することができなかった、検出デバイスの「クリア状態」、「データ取り込み状態」、「データ検出状態」という３状態の繰り返しサイクルよりも高い周波数の光信号を検出することが可能になるので、光通信等の光導波の高速化が可能になるという利点がある。

次に、本発明の光検出方法に係る実施の形態（第１実施例）を、図４〜図６のタイミングチャートによって説明する。まず、検出しようとするデータの周波数が、検出デバイスの「クリア状態」、「データ取り込み状態」、「データ検出状態」という３状態のデータ取り込み時間よりも早い周波数である場合のデータ検出方法の説明を行う。

第１実施例では、図４（１）に示すデータに対して、図４（２）に示す光検出器３１（３１Ａ）の感度を有する時間と、図４（３）に示す光検出器３１（３１Ｂ）の感度を有する時間とをずらすことにより、データ取り込み時間よりも短い信号を受光するものである。つまり、光検出器３１（３１Ａ）および光検出器３１（３１Ｂ）のデータ取り込み時間、すなわち感度を有する時間を変化させることにより、光検出器３１（３１Ａ）および光検出器３１（３１Ｂ）に取り込まれるデータを、図５に示すように、変化させることができる。例えば、図５（１）に示すようなデータに対して、図５（２）に示すように、光検出器３１（３１Ａ）により、斜線で示す部分のデータが検出される。また、図５（３）に示すように、光検出器３１（３１Ｂ）により、斜線で示す部分のデータが検出される。

したがって、光検出器３１（３１Ａ）および光検出器３１（３１Ｂ）の出力を比較することにより、図６に示すように、光検出器３１（３１Ａ）と光検出器３１（３１Ｂ）とのデータ取り込み時間の差の部分（図面斜線で示す部分）にデータが存在していたことを知ることができる。

また図示しないが、光検出器３１（３１Ａ）と光検出器３１（３１Ｂ）との出力に差がなかった場合には、光検出器３１（３１Ａ）と光検出器３１（３１Ｂ）とのデータ取り込み時間の差の部分にはデータが存在していなかったことを知ることができる。

光検出器３１（３１Ａ）と光検出器３１（３１Ｂ）との各端子に入力する電圧の波形例を、図７のタイミングチャートによって説明する。図７は、（１）に光検出器３１（３１Ａ）の駆動波形を示し、（２）に光検出器３１（３１Ｂ）の駆動波形を示し、データ取り込み時間を変化させる具体例を示している。図中、ＶＧはゲート電圧を示し、ＶＤはドレイン電圧を示す。

図７に示すように、光検出器３１（３１Ａ）および光検出器３１（３１Ｂ）の動作は、「消去（クリア）」工程、「取り込み」工程、「検出」工程の３工程からなり、光検出器３１の応答周波数の一桁落ち以上の動作周波数を有する潜在能力がある。したがって、光検出器３１を構成する絶縁ゲート型電界効果トランジスタが１０ＧＨｚ程度の動作周波数性能を有していれば、ギガヘルツ（ＧＨｚ）台の動作周波数が可能となる。

次に、本発明の半導体装置に係る実施の形態（第２実施例）を、図８の概略斜視図および図９のタイミングチャートによって説明する。

第２実施例では、検出しようとするデータの周波数が、光検出器の「クリア状態」、「データ取り込み状態」、「データ検出状態」という３状態よりなる１サイクルの時間よりも多少早い周波数である場合のデータ検出方法の説明を行う。

図８に示すように、半導体基板１１と、この半導体基板１１上に第１絶縁層１２を介して形成されたもので、光導波路２１となる領域が他の領域よりも厚く形成された第１半導体層１３と、この第１半導体層１３上に第２絶縁層１４を介して形成された第２半導体層１５とが形成されている。上記半導体基板１１には、例えばシリコン基板を用いる。そして、上記第１絶縁層１２、第２絶縁層１４は、その間の第１半導体層１３に光を閉じ込めて第１半導体層１３中をその光が導波することが可能な材料で形成され、例えば酸化シリコン膜で形成されている。そして、第１絶縁層１２は第１半導体層１３側が平坦に形成され、第２絶縁層１４は第１半導体層１２の光導波路２１となる部分が厚くなるように、第２半導体層１５側に凹ました状態に形成されている。また、上記第１半導体層１３、第２半導体層１５にはシリコン層が用いられる。

上記光導波路２１上の半導体領域１６（上記第２半導体層１５）には、複数の光検出器３１（３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ）が備えられている。この光検出器３１Ａ、３２Ｂ、３１Ｃは、共に絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（例えばｎｐｎＭＩＳトランジスタ）からなり、この絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、光導波路２１の光の導波方向（例えば矢印方向）に対して直交する方向がゲート長方向となるように形成されている。そして、ゲートにゲート電圧ＶＧ、ドレインにドレイン電圧ＶＤが印加され、ソースＳは接地されている。

上記半導体装置２では、複数（３つ）の光検出器３１を備え、光検出器３１のそれぞれについてデータ取り込み時間を変化させていることから、各光検出器３１の出力を比較することで、データの取り込み時間差の有無により光導波路２１を導波する光の検出が行える。すなわち、半導体装置２は二光子吸収（ＴＰＡ）により発生するキャリアを各光検出器３１の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのボディに蓄積し、その蓄積量を検出することにより光の有無を検出する。これによって、従来検出することができなかった、検出デバイスの「クリア状態」、「データ取り込み状態」、「データ検出状態」という３状態の繰り返しサイクルよりも高い周波数の光信号を検出することが可能になるので、光通信等の光導波の高速化が可能になるという利点がある。

次に、本発明の光検出方法に係る実施の形態（第２実施例）を、図９のタイミングチャートによって説明する。

第２実施例では、図９に示すように、光検出器３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃによって、１サイクルの期間の全期間に感度が有するようになる。ここでは一例として、１サイクルの１／３ずつを各光検出器３１が感度を有するようにしてある。すなわち、光検出器３１（３１Ａ）、光検出器３１（３１Ｂ）および光検出器３１（３１Ｃ）のデータ取り込み時間、すなわち感度を有する時間（タイミング）を変化させることにより、光検出器３１（３１Ａ）、光検出器３１（３１Ｂ）および光検出器３１（３１Ｃ）に取り込まれるデータを、前記第１実施例で説明したのと同様に変化させることができる。

したがって、光検出器３１（３１Ａ）、光検出器３１（３１Ｂ）および光検出器３１（３１Ｃ）の出力を比較することにより、光検出器３１（３１Ａ）と光検出器３１（３１Ｂ）と光検出器３１（３１Ｃ）との出力に差があった場合には、データ取り込み時間の差の部分にデータが存在していたことを知ることができる。

一方、光検出器３１（３１Ａ）、光検出器３１（３１Ｂ）および光検出器３１（３１Ｃ）との出力に差がなかった場合には、光検出器３１（３１Ａ）、光検出器３１（３１Ｂ）および光検出器３１（３１Ｃ）とのデータ取り込み時間の差の部分にはデータが存在していなかったことを知ることができる。

しかも、この第２実施例では、光検出器３１（３１Ａ）、光検出器３１（３１Ｂ）および光検出器３１（３１Ｃ）のデータ取り込み時間がサイクル時間を網羅するようにしたことにより、データの取りこぼしをなくすことができる。

なお、本発明の実施例の説明において、光検出器３１の長さは、１μｍ〜２０μｍ程度を想定しており、それぞれの光検出器３１の間隔は、信号の独立性が保つ素子分離（isolation）に必要な長さ程度離れていればよいので、数μｍ以下にすることが可能である。光導波路２１中の光の導波速度は、光導波路の有効屈折率を約３として計算すると、１ＧＨｚの信号クロックである１×１０^-9ｓｅｃ＝１ｎｓｅｃにおいて導波する距離は、約３３ｃｍとなる。したがって、デバイスを光導波路に対して上述した位置に配置しても光の導波時間は無視できることとなる。

本発明の半導体装置に係る実施の形態（第１実施例）を示した概略斜視図である。本発明の半導体装置に係る実施の形態（第１実施例）の光検出器のゲート長方向を示した断面図である。本発明の半導体装置に係る実施の形態（第１実施例）の光導波路を示した断面図である。本発明の光検出方法に係る実施の形態（第１実施例）を示したタイミングチャートである。本発明の光検出方法に係る実施の形態（第１実施例）を示したタイミングチャートである。本発明の光検出方法に係る実施の形態（第１実施例）を示したタイミングチャートである。各光検出器の各端子に入力する電圧の波形例を示したタイミングチャートである。本発明の半導体装置に係る実施の形態（第２実施例）を示した概略斜視図である。本発明の光検出方法に係る実施の形態（第２実施例）を示したタイミングチャートである。

符号の説明

１…半導体装置、１２…第１絶縁層、１３…第１半導体層、１６…半導体領域、２１…光導波路、３１…光検出器

Claims

絶縁層上の半導体領域中に形成された光導波路と、
前記光導波路の導波方向に沿って形成され、前記半導体領域中に残る電荷量で光検出を行う光検出器としてそれぞれが機能する複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタと、
を備え、
前記複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電圧が非読み出し状態の期間内でドレイン電圧の変化タイミングを制御することで、複数の前記検出器でデータ取り込みのタイミングを変える
半導体装置。
前記複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電圧が非読み出し状態の期間内でドレイン電圧をデータの消去レベルから取り込みレベルに変化させ、当該変化のタイミングを前記複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタで時間的にずらすことで、複数の前記検出器でデータ取り込みのタイミング、または、当該タイミングとデータ取り込みの時間長を変える
請求項１に記載の半導体装置。
前記絶縁層は半導体基板上に形成された第１絶縁層からなり、
前記半導体領域は第２絶縁層により分離された第１半導体層と第２半導体層とからなり、
前記光導波路は、前記第１絶縁層を前記半導体基板側に凹ませて形成されていることによって前記第１半導体層が厚く形成された領域、もしくは前記第２絶縁層を前記第２半導体層側に凹ませて形成されていることによって前記第１半導体層が厚く形成された領域に形成されている
請求項１または２に記載の半導体装置。
前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタは前記光導波路を導波する光の電界が及ぶ前記半導体領域に形成されている
請求項１から３の何れか一項に記載の半導体装置。
前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前記光導波路の光の導波方向に対して直交する方向がゲート長方向となるように形成されている
請求項４に記載の半導体装置。
前記絶縁ゲート電界効果トランジスタは、
前記第１半導体層が厚く形成された領域に形成され、前記光導波路の導波方向と直交する向きに互いに離間するソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域とドレイン領域間の前記第１半導体層の領域に対しゲート絶縁膜を介して積層されたゲート電極と、
を備える請求項３に記載の半導体装置。
前記絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、ＮチャネルＭＩＳトランジスタからなる
請求項１から６の何れか一項に記載の半導体装置。
絶縁層上の半導体領域中に形成された光導波路と、
前記光導波路の導波方向に沿って形成され、前記半導体領域中に残る電荷量で光検出を行う光検出器としてそれぞれが機能する複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタと、
を備え、
前記絶縁層は半導体基板上に形成された第１絶縁層からなり、
前記半導体領域は第２絶縁層により分離された第１半導体層と第２半導体層とからなり、
前記光導波路は、前記第１絶縁層を前記半導体基板側に凹ませて形成されていることによって前記第１半導体層が厚く形成された領域、もしくは前記第２絶縁層を前記第２半導体層側に凹ませて形成されていることによって前記第１半導体層が厚く形成された領域に形成され、
複数の前記光検出器でデータ取り込みのタイミングを変える
半導体装置。
絶縁層上の半導体領域中に形成された光導波路と、
前記光導波路上の前記半導体領域に導波方向に沿って形成され、前記半導体領域中に残る電荷量で光検出を行う光検出器としてそれぞれが機能する複数の絶縁ゲート電界効果トランジスタと、
を備える半導体装置を用い、
複数の前記光検出器におけるデータの消去状態、データの取り込み状態、データの検出状態の３状態を順に切り替え、
前記複数の光検出器について前記データ取り込み状態に対応するデータ取り込み時間の開始タイミングを変えて、前記複数の光検出器の出力を比較することで、前記データ取り込み時間の差の部分で前記光導波路を導波する光の検出を行う
ことを特徴とする光検出方法。