JP4902637B2 - 半導体反射器内の統合された光検出器 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、光学装置に関し、より具体的には、本発明は、光検出器に関する。

電気装置を近距離で接続するときには、銅基の電気インターコネクトが一般的に使用される。何故ならば、銅基の電気インターコネクトは、単純で、安価で、良く理解され、且つ、信頼性があるからである。しかしながら、インターコネクトの帯域幅の要求が増大し続けると、信号減衰、電磁インターフェース（ＥＭＩ）、及び、漏話のような問題の故に、プリント回路板（ＰＣＢ）上の銅基の電気インターコネクトのための帯域幅の制限が増大する。

レーザは、誘導発光を通じて光を発光する周知の装置であり、赤外線から紫外線に及ぶ周波数スペクトルを備えるコヒーレント光ビームを生成し、広範囲の用途において使用され得る。光通信又はネットワーキング用途では、データ又は他の情報を符号化し且つ送信し得る光又は光学ビームを生成するために、半導体レーザが使用され得る。

本発明は従来技術の問題点を解決することを目的とする。

本発明は、添付の図面において、限定としてではなく、一例として例証される。

半導体材料内に定められる光反射器の内部及び／又は周りに一体的に統合される光検出器を提供する方法及び装置が開示される。以下の記載においては、本発明の完全な理解をもたらすために、数多くの具体的な詳細が示される。しかしながら、本発明を実施するために具体的な詳細が採用される必要がないことは、当業者に明らかであろう。他の場合には、本発明を不明瞭にすることを避けるために、周知の材料又は方法は詳細に記載されていない。

この明細書を通じた「１つの実施態様」又は「実施態様」への言及は、実施態様に関連して記載される具体的な特徴、構造、又は、特性が本発明の少なくとも１つの実施態様に含まれることを意味する。よって、この明細書を通じた様々な場所での「１つの実施態様において」又は「実施態様において」の言い回しへの言及は、必ずしも全て同一の実施態様に言及しているわけではない。さらに、具体的な特徴、構造、又は、特性は、1つ又はそれよりも多くの実施態様に如何なる適切な方法でも組み合わせられ得る。

図１は、本発明の教示に従った光検出器１０７の内部に並びに／或いは周りに一体的に統合された光検出器の実施態様を含む結合装置１０１の１つの実施態様を示す断面図である。描写されている実施態様に示されるように、結合装置１０１は、半導体材料１０３内に定められた第一トレンチ１０５を含む。１つの実施態様において、半導体材料１０３は、Ｃ４ボールグリッドアレイ又は類似物を用いて実装され得るシリコン半導体基板である。描写されている実施態様に示されるように、光検出器１０７は、半導体材料１０３内の第一トレンチ１０５の第一端部に定められている。１つの実施態様において、光反射器１０７は、第一トレンチ１０５の軸に対して傾斜されている。例えば、例証されている実施態様では、光反射器１０７が本発明の教示に従って入射光学ビームを反射し或いは方向変更するよう、光反射器１０７は第一トレンチ１０５の軸に対して約４５度に例証されるよう示されている。

１つの実施態様において、光ファイバ１０９の第一端部１０９は、第一トレンチ１０５内に配置されている。１つの実施態様において、光ファイバ１０９がトレンチ１０５内に配置され或いは受容されるときに、光ファイバ１０９の第一端部１５７が、トレンチ１０５内に受動的に整列されるよう、第一トレンチは、例えば、Ｖ溝、Ｕ溝、又は、類似物のような半導体材料１０３中にエッチング処理され或いは定められるトレンチ又は溝である。

描写される実施態様に示されるように、光源１１１が、半導体材料１０３に取り付けられ、且つ／或いは、第一トレンチ１０５内の光反射器１０７の近傍に配置される。１つの実施態様において、光源１１１は、例えば、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）又は他の適切な光源のような、レーザを含む。１つの実施態様において、光源１１１は、光ファイバ１０９の第一端部１５７が、本発明の実施態様に従って光源１１１から向けられ且つ光反射器１０７から反射される光ビーム１１３の光学目的地であるよう、光ビーム１１３を出力する。他の実施態様において、光源１１１は、複数の或いは配列の光源の１つであり得るし、1つ又はそれよりも多くの光ビームを出力し得る。さらに他の実施態様では、複数のトレンチ１０５が半導体材料１０３内に定められ、対応する光ファイバ１０９がそれぞれのトレンチ１０５内に配置され、対応する光源１１１が、光ビーム１１３がそれぞれの光ファイバ１０９を通じて送信されるよう、対応するトレンチ１０５の近傍に配置される。

図１の実施態様に示されるように、光検出器１５５が、本発明の教示に従った半導体材料１０３に含まれている。１つの実施態様において、光検出器１５５は、光ビーム１１３を検出するために、半導体１０３の光反射器１０７内への製造中に一体的に統合される活性装置である。光検出器１５５の実施態様を使用する光ビーム１１３の検出は、本発明の教示に従って、光ビーム１１３の光パワー監視或いは例えば光ビーム１１３の消光率の測定のような機能を可能にする。複数の光源１１１及びトレンチ１０５を含む他の実施態様では、本発明の教示に従って、それぞれの光ビーム１１３を個別に検出し、監視し、或いは、測定するために、複数のそれぞれの光検出器１５５が、光反射器１０７内に一体的に統合され得る。各光ビーム１１３の個別の検出及び監視は、本発明の教示に従って、装置非均一性、温度変化、寿命変化等を補償するために、駆動電流の個別の制御を可能にする。

図１の実施態様に示されるように、半導体材料１０３は、プリント回路板（ＰＣＢ）１１５上に取り付けられる。１つの実施態様において、ＰＣＢは、例えば、ＦＲ４材料又は他の適切な材料のような、ガラス繊維エポキシ薄層から成る。１つの実施態様において、ＰＣＢ１１５は、半導体材料１０３に電気的に結合された接点１１７を含む。１つの実施態様において、接点１１７は、導体１２１及びソルダバンプ１２３又は他の適切な電気接続を通じて半導体材料１０３に電気的に結合される。１つの実施態様において、接点１１７は、エッジコネクタを提供するようＰＣＢ１１５上に配置され、エッジコネクタは、１つの実施態様では、電気信号１１９を送受信するために結合される。

例証されている実施態様において、結合装置１０１は、半導体材料１２７中に含まれる回路１２５をさらに含み、半導体材料は、１つの実施態様では、半導体材料１０３に取り付けられるシリコン半導体基板である。描写されている実施態様に示されるように、回路１２５は、導体１２９及び接点１３１を通じて、光源１１１、光検出器１５５、及び、ＰＣＢ１１５に電気的に結合されている。１つの実施態様において、回路１２５は、例えば、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デバイス及び／又は光検出器１５５を監視する制御回路構成のような回路構成を含み、相応して、光源を駆動し且つ／或いは制御する。

１つの実施態様において、回路１２５は、電気信号１１９を受信し、光源１１１が電気信号１１９から光ビーム適切なパワーレベルへ電気−光変換を行うのを助ける。１つの実施態様において、回路１２５は、光検出器１５５を用いて、光反射器１０７から反射される光ビーム１１３のパワー又は消光率も監視し、相応して、光ビーム１１３を制御する。そのようにすることで、光源１１１は、電気信号１１９及び／又は監視光ビーム１１３に関して光検出器１５５から受信するフィードバックに応答して光ビーム１１３を出力する。１つの実施態様において、光ビーム１１３は、光源１１１から反射器１０７に向けられ、反射器１０７は、トレンチ１０５の端部で半導体材料１０３内に定められる。次に、光ビーム１１３は、反射器１０７から光学標的に向けられ、光学標的は、光ファイバ１０９の第一端部１５７として図１に例証されている。１つの実施態様において、光ビーム１１３を受光するために、光受信機１５３が、光ファイバ１０９の他端１５９に光学的に結合される。

結合装置１０１は、図１の例示的な実施態様では、１つの光源１１１、１つのトレンチ１０５、及び、１つの光ファイバ１０９を備えて例証されているが、他の実施態様では、複数の対応する光源１１１、光検出器１５５、トレンチ１０５、及び、光ファイバ１０９が結合装置１０１内に含まれ得る。光反射器１０７内の一体的に統合された光検出器１５５は、本発明の教示に従って、それぞれの光ビーム１１３を個別に検出し、監視し、或いは、測定し得る。各光ビーム１１３の個別の検出及び監視は、本発明の教示に従って装置非均一性、温度変化、寿命変化等を補償するために、駆動電流の個別の制御を可能にする。

図２は、本発明の教示に従った結合装置２０１の他の実施態様を示す断面図である。図２に例証されている結合装置２０１の実施態様は、図１に例証されている結合装置１０１の実施態様と類似性を共有している。例えば、図２に示されるように、結合装置２０１は、半導体材料１０３内に定められた第一トレンチ１０５を含む。第一反射器１０７が、半導体材料１０３内の第一トレンチ１０５内に定められている。第一光ファイバ１０９が、第一トレンチ１０５内に配置されている。１つの実施態様において、光ファイバ１０９は、光ファイバ１０９がトレンチ１０５内に配置され或いは収容されるときに、トレンチ１０５内で受動的に整列される。

１つの実施態様では、光源１１１が第一反射器１０７を介して第一光ファイバ１０９に光学的に結合されるよう、光源１１１は半導体材料１０３内に取り付けられる。１つの実施態様において、光源１１１は、反射器１０７を介して、光ビーム１１３を光ファイバ１０９に出力する。他の実施態様において、光源１１１は、複数の或いは配列の光源のうちの１つであり得るし、１つ又はそれよりも多くの光ビームを出力し得る。さらに他の実施態様では、複数のトレンチ１０５が、半導体材料１０３内に定められ、対応する光ファイバ１０９が、それぞれのトレンチ１０５内に配置され、対応する光源１１１が、光ビーム１１３がそれぞれの光ファイバ１０９を通じて送信されるよう、対応するトレンチ１０５の近傍に配置される。図２に描写されている実施態様に示されるように、光検出器１５５が半導体材料１０３内に含まれ、光ビーム１１３を検出するために、半導体材料１０３の光反射器１０７内への製造中に一体的に統合される活性装置である。

１つの実施態様において、半導体材料１０３はＰＣＢ１１５上に取り付けられる。１つの実施態様において、ＰＣＢ１１５は、導体１２１及びソルダバンプ１２３を通じて半導体材料１０３に電気的に結合される接点１１７を含む。１つの実施態様において、接点１１７は、１つの実施態様において、電気信号１１９を送受信するために結合されるコネクタを提供する。１つの実施態様において、結合装置２０１は、半導体材料１０３内に含まれる回路２２５をさらに含む。例証されている実施態様において、回路２２５は、本発明の教示に従って、一体的に統合された光検出器１５５を含む同一の半導体材料内に直接的に一体的に統合されている。図２に示された実施態様に示されるように、回路２２５は、導体１２９及び接点１２３を通じて光源１１１とＰＣＢ１１５との間に電気的に結合されている。１つの実施態様において、回路２２５は、電気信号１１９及び／又は光検出器１５５からのフィードバックに応答して光学装置２１１を駆動し且つ／或いは制御する回路構成を含む。

図３は、本発明の教示に従って一体的に統合された光受信機を含む反射器３０７又は３０８を介して光ファイバ３０９に光学的に結合される光源３１１の実施態様を詳細に例証している図面である。描写されている実施態様に示されるように、トレンチ３０５が半導体材料１０３内に定められている。１つの実施態様では、実質的に平面的な反射器３０７が、トレンチ３０５の端部に定められる。他の実施態様では、湾曲を有する或いは非平面的である反射器３０８が、トレンチ３０５の第一端部に定められる。１つの実施態様では、例えばメタライゼーション及び／又は他の適切な材料のような反射材料が、反射器３０７又は３０８の反射率を向上するために、反射器３０７又は３０８上にパターン化されている。

例証されている実施態様に示されるように、光ファイバ３０９が、トレンチ３０５の第二端部でトレンチ３０５内に配置されている。１つの実施態様において、トレンチ３０５は、光ファイバ３０９がトレンチ３０５内に配置されるときに、光ファイバ３０９がトレンチ３０５と受動的に整列されるよう、半導体材料３０３内に定められる。１つの実施態様では、例えば、ＶＣＳＥＬのような光源３１１が、光ビーム３１３を反射器３０７又は３０８に向け、次に、光ビームは反射器３０７又は３０８から光ファイバ３０９の端部である光学標的３５７に向けられる。図示されるように、光検出器３５５は、光ビーム３１３を検出し且つ／或いは監視するために、半導体材料３０３の光反射器３０７又は３０８内に一体的に統合される。図３の実施態様に示されるように、反射器３０７及び／又は３０８からそれぞれ反射される光ビーム３１３及び／又は３１４は、本発明の教示に従って光ファイバ３０９に向けられる。１つの実施態様において、非平面的な形状の反射器３０８は、本発明の教示に従って光結合損失を削減するために、より多くの光ビーム３１４を光ファイバ３０９の端部３５７に配置された光学標的に集束するのに役立つ。

図３に示される実施態様では、光ビーム３１３は自由空間を通じてトレンチ３０５をトレンチ３０５を通じて向けられるように例証されていることが留意されよう。他の実施態様では、トレンチ３０５は１つ又はそれよりも多くのレンズ及び／又は導波管及び／又は他の適切な光学素子を選択的に含み得ることが留意されよう。

図４は、本発明の教示に従って半導体材料内に定められる光反射器４０７内に一体的に統合された光検出器の実施態様を例証する図面である。１つの実施態様において、光反射器４０７は、半導体材料内のトレンチによって形成されるＶ溝の故にＶ形状を有するように示されている。図４に描写されている実施態様において、光検出器４５５は、本発明の教示に従って高い抵抗率を有する半導体材料内に定められるＰ型ドープ領域４６１とＮ型ドープ領域４６３とを含む光検出器を含む。接点４６９がＰ型ドープ領域４６１に電気的に結合されるように示され、接点４７１がＮ型ドープ領域４６３に電気的に結合されるように示されている。１つの実施態様において、接点４６９及び４７１は、例えば、図１及び２中の導体１２９に電気的に結合され、本発明の教示に従って回路１２５又は２２５への結合をもたらす。

図４に示される実施例において、Ｐ型及びＮ型のドープ領域４６１及び４６３は、光検出器の中心領域の周りの外側領域内に配置されている。動作中、光検出器は、中心領域が光ビーム４１３のスポットの中心に向かうのに対し、吸収領域が光反射器４０７から反射される光ビーム４１３のスポットの外側領域に向かって配置されるよう、入射光ビーム４１３によって照明される。１つの実施態様において、光検出器の中心領域は、反射性材料４６５を含み、反射性材料は、例えば、スパッタリングされた金又は他の適切な反射性材料を含み得る。反射性材料４６５を含む中心領域の反射特性は、光源１１１から光ファイバ１０９へ低損失光結合をもたらすのに役立つのに対し、外側吸収領域４６７は、本発明の教示に従って光検出器４５５の検出器機能を含む。他の実施態様では、ｐ型及びｎ型吸収領域、並びに、反射器及び電極の様々な並びに他の向き及び配置が、本発明の教示に従って可能であることが留意されよう。実施態様の特性に依存して、光ビーム４１３の光強度プロファイルは、本発明の教示に従った図４中の実施例に示されるものよりも一層望ましくあり得る。

図５は、本発明の教示に従って半導体材料内に定められる光反射器５０７内に一体的に統合された光検出器５５５の他の実施態様を例証する図面である。図５に描写されている実施態様において、光検出器５５５は、金属−半導体−金属（ＭＳＭ）型光検出器を含む光検出器を含む。具体的には、光検出器は、本発明の教示に従って光検出器５５５の半導体材料内は位置された外側金属領域５７５によって取り囲まれる中心金属領域５７３を含む。本発明の教示に従って回路１２５又は２２５に結合をもたらすよう、電気結合を例えば図１及び２に従った導体１２９にもたらすために、接点５６９及び５７１が、金属領域５７３及び５７５に電気的に結合されているように示されている。１つの実施態様において、金属５７３及び金属５７５は、Ｔｉ／Ａｕ又は金属と半導体との間にショットキー障壁をもたらす他の材料から成る。動作中、光検出器は、中心金属領域５７３が光ビーム５１３のスポットの中心に向くのに対し、外側金属領域５７５が光反射器５０７から反射される光ビーム５１３のスポットの外側領域に向かって配置されるよう、入射光ビーム５１３で照明される。１つの実施態様において、光検出器の金属領域５７３及び５７５は、本発明の教示に従って光源１１１から光ファイバ１０９へ低損失光結合をもたらすのに役立つよう反射的である。他の実施態様では、ｐ型及びｎ型吸収領域並びに反射器及び電極の様々な並びに他の向き及び配置が、本発明の教示に従って可能であることが留意されよう。実施態様の特性に依存して、光ビーム５１３の光強度プロファイルは、本発明の教示に従った図５中の実施例に示されるものよりも一層望ましくあり得る。

図６は、本発明の教示に従って光反射器６０７内に一体的に統合された光検出器を含む光検出器６５５のさらに他の実施態様を例証する断面図である。描写されている実施態様に示されるように、Ｐ型ドープ領域６６１が、光検出器の外側領域に向かって定められたＮ型ドープ領域６６３によって取り囲まれた光検出器の中心領域内に配置されている。１つの実施態様において、Ｎ型ドープ領域６６３は、Ｐ型ドープ領域６６１を取り囲むリング配置内の高抵抗率半導体材料内に定められる単一ドープ領域又は複数ドープ領域であり得る。例証されている実施態様において、反射材料６６５は、光反射器６０７の反射表面上の光検出器の中心領域の上にパターン化されているように例証されている。従って、入射光ビーム６１３は、光検出器６０７の反射表面から反射されるのに対し、光ビーム６１３は、本発明の教示に従って光検出器によって検出され且つ／或いは監視される。他の実施態様では、Ｐ型及びＮ型のドープ領域６６１及び６６３の極性は本発明の教示に従って反転され得ることが留意されよう。

例証されている実施態様において、Ｐ型及びＮ型のドープ領域６６１及び６６３は、Ｘの距離だけ半導体材料６０３内で分離されている。光ビーム６１３の光吸収深度は、Ｙとして例証され、Ｐ型及びＮ型のドープ領域６６１及び６６３の間の電界は、図６中にＥとして例証されている。１つの実施態様において、光検出器６５５の速度は、Ｘ及びＹを含む要因によって決定され或いは影響される。１つの実施態様では、本発明の教示に従って、Ｘは約２０μｍであり、Ｙは約８５０ｎｍである。

前記の詳細な記載において、本発明の方法及び装置が、その具体的な例示的な実施態様を参照して記載された。しかしながら、本発明のより広い精神及び範囲から逸脱せずに、様々な修正及び変更がそれらになされ得ることが明らかであろう。従って、本明細書及び図面は、制限的であるというよりも、むしろ例証的であると考えられるべきである。

本発明の教示に従って統合された光検出器を含む結合装置の１つの実施態様を示す断面図である。 本発明の教示に従って統合された光検出器を含む結合装置の他の実施態様を示す断面図である。 本発明の教示に従って様々な実施態様の統合された光検出器を含む反射器を介して光ファイバに光学的に結合される光源の実施態様を示す詳細図である。 本発明の教示に従って半導体材料内に定められる光反射器の内部に並びに／或いは周りに一体的に統合される光検出器の実施態様を示す概略図である。 本発明の教示に従って半導体材料内に定められる光反射器の内部に並びに／或いは周りに一体的に統合される光検出器の他の実施態様を示す概略図である。 本発明の教示に従って半導体材料内に定められる光反射器の内部に並びに／或いは周りに一体的に統合される光検出器を示す断面図である。

Claims (20)

1. 入射光ビームを光学目的地に向かって反射するために、半導体材料の上に定められる反射表面と、
   前記半導体材料の前記反射表面の内部及び／又は周りに一体的に統合され、且つ、前記入射光ビームを検出するために前記半導体材料の前記反射表面に配置される光検出器とを含み、
   該光検出器は、反射中央領域を取り囲む単一の円の円周に沿って位置付けられる４つの約９０度の円弧領域を含み、該円弧領域は、交互の導電型を有する、
   装置。
2. 前記入射光ビームを生成するために、面発光レーザをさらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記半導体材料は、集積回路チップに含まれるシリコン基板を含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記光学目的地に配置される光ファイバをさらに含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記光ファイバは、前記半導体材料内に定められるＶ溝内に配置される、請求項４に記載の装置。
6. 前記円弧領域は、実質的に吸収的である、請求項１に記載の装置。
7. 前記反射表面は、実質的に平面的である、請求項１に記載の装置。
8. 前記反射表面は、実質的に非平面的である、請求項１に記載の装置。
9. 前記光検出器は、前記半導体材料内に統合される複数の光検出器のうちの１つであり、前記複数の光検出器の各々は、その上に入射し且つそこから反射される複数の光ビームのそれぞれ１つを個別に検出するために、それぞれの反射表面上に配置される、請求項１に記載の装置。
10. 光ビームを半導体材料に向けて方向付けるステップと、
    前記光ビームを前記半導体材料内に定められる反射表面から実質的に反射するステップと、
    前記半導体材料の前記反射表面に一体的に統合される光検出器を用いて、前記半導体材料内に定められる前記反射表面上に入射する前記光ビームを検出するステップと、
    前記半導体材料から反射される前記光ビームを光学目的地に方向付けるステップとを含み、
    前記光検出器は、反射中央領域を取り囲む単一の円の円周に沿って位置付けられる４つの約９０度の円弧領域を含み、該円弧領域は、交互の導電型を有する、
    方法。
11. 前記半導体材料の前記反射表面に一体的に統合される前記光検出器を用いて、光源から受光する前記光ビームのパワーを監視するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記半導体材料の前記反射表面に一体的に統合される前記光検出器を用いて、前記光ビームを生成する光源によって生成される信号の消光率を測定するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記半導体材料から反射される前記光ビームを方向付けるステップは、前記光ビームを前記反射表面を用いて前記光学目的地に集束するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
14. 光ビームを生成する光源と、
    該光源から受光する前記光ビームを反射するために、半導体材料の上に定められる反射表面と、
    前記半導体材料の前記反射表面内に一体的に統合され、且つ、前記入射光ビームを検出するために前記半導体材料の前記反射表面内に配置される光検出器と、
    前記半導体材料内に配置される光ファイバと、
    前記光ビームを受光するために、前記光ファイバの他端に光学的に結合される光受信機とを含み、
    前記反射表面は、前記光源から受光する前記光ビームを前記光ファイバの一端に反射し、
    前記光検出器は、反射中央領域を取り囲む単一の円の円周に沿って位置付けられる４つの約９０度の円弧領域を含み、該円弧領域は、交互の導電型を有する、
    システム。
15. 前記光源は、面発光レーザを含む、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記半導体材料内に含まれ且つ前記光検出器に結合される集積回路をさらに含み、該集積回路は、前記光ビームを検出するために、前記光検出器からの電気信号を受信するよう結合される、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記半導体材料とは別個の半導体基板内に含まれ且つ前記光検出器に電気的に結合される集積回路をさらに含み、該集積回路は、前記光ビームを検出するために、前記光検出器からの電気信号を受信するよう結合される、請求項１４に記載のシステム。
18. 前記円弧領域は、非連続的であり、前記単一の円に沿う異なる円周の場所に位置付けられる、請求項１に記載の装置。
19. 前記円弧領域は、非連続的であり、前記単一の円に沿う異なる円周の場所に位置付けられる、請求項１０に記載の方法。
20. 前記円弧領域は、非連続的であり、前記単一の円に沿う異なる円周の場所に位置付けられる、請求項１４に記載のシステム。

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