JP5250165B2 - 端面視光検出器 - Google Patents

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Description

本願は、ＰＣＴ国際特許出願として、ジョージア・テック・リサーチ・コーポレーション（米国企業、米国を除く全ての指定国の出願人）、およびダニエル・グィドッティ（イタリア国籍）、ジー−クン・チャン（米国国籍）、ジェ−ヒュン・リョウ（韓国国籍）、ラッセル・ディーン・デュピュイ（米国国籍）（米国のみの出願人）の名義で２００６年２月２２日に提出されたものであり、米国仮出願第６０／６５５，６２３号（２００５年２月２３日提出）に基づき優先権を主張し、この参照により全文を本開示に含むものとする。
光検出器（ＰＤ）は、光の存在を測定するのに用いられる物理的装置であり、測定・増幅・定量がより容易な電気の形態に、光量子（すなわち光子）に含まれるエネルギーを変換して測定するものである。間接的なエネルギー変換過程では、多くの光子が時間をかけて検出可能な熱量を発生し、発生した熱は、熱電対接合または抵抗ボロメータまたは他の熱力学的過程によって電気信号に変換される。これに対して直接的なエネルギー変換過程では、化学結合状態から電子を除去して自由真空状態とすることによって、一個の光量子または光子が一時的な物質イオン化を起こす。損傷結合は、隣接原子間での移動を繰り返したのち、次第に完全な結合状態を回復する。ただしハロゲン化物塩におけるＦ中心のように、例外も存在する。
ＰＤが真空光電子増倍管であり入射光子が十分なエネルギーを有している場合、陽極表面から電子が放出され、真空中で加速電位により収集される。加速電子は、他の陽極表面と衝突して、電荷量として電気的に記録される電子雪崩を起こす。これら荷電量子の多くが移動する正味の方向によって、情報として解釈可能な電流が生じる。
ＰＤが半導体素子である場合、イオン化過程は内的なものであり、イオン化電子と損傷結合との両方が可動性を有しており、整列した結晶格子内で１個の原子から別の原子へと拡散することによって移動することができると考えられている。電子状態と損傷結合状態とは、必ず反対の電荷を有するので、電場内で反対方向へとドリフトする。これらのそれぞれが、イオン化光子の入射流により発生する電流に寄与する。損傷結合は正電荷を有しており、「正孔」と称される。電子は負電荷を有している。「正孔」電流と電子電流には特徴的な傾向がある。
現在市販されている迅速情報輸送用ＰＤは、半導体型のものである。半導体ＰＤは、上記した量子エネルギー変換の原理に基づいて作用するものであり、増幅、光検出効率、光子のバーストに対する反応速度を向上させるように改変が加えられている。例えば不均一半導体接合部は、光で発生した電子正孔電流を効果的に分離し集電するのに十分であるが、最適化されていない。アバランシェ光ダイオード（ＡＰＤ）は、十分なエネルギーを有する入射光子によって発生した最初のイオン化電荷を、上記した真空光電子増倍管で起こる過程に似た半導体内での電場加速・電荷増幅過程を用いて増幅するので、より優れた感度を提供する。空洞共振増幅（ＲＣＥ）ＰＤは、なるべく多くの光を記録するように、増強した後方反射構造を利用するものである。半導体金属接合部は、一般に「ショットキー」接合と呼ばれる不均一半導体接合部であり、半導体基板内で発生した光イオン化電流を集電するのに有効である。金属−半導体−金属（ＭＳＭ）ＰＤは、ショットキー接合の原理に基づいて作用し、主に高速が得られるように設計されているものである。
Ｐ−Ｉ−Ｎ構造は、光通信において現在普及している基本的な半導体接合構造であり、高速と良好な検出効率とが得られるように最良のバランスがとられている。Ｐ−Ｉ−Ｎ構造を有するＰＤは、Ｐ−Ｉ−Ｎ ＰＤと称される。Ｐ−Ｉ−Ｎ ＰＤにおいて、半導体イオン化および電子正孔生成過程は、化学的に純粋なあるいは真性型の第１の半導体層において起こる。第２の半導体層には、全ての原子に共有される余分な可動電子を放出することで、同一または類似の半導体結晶格子内で平衡になる原子を、意図的に混入させてある。この余分な原子は、伝導帯内の状態を占めると考えられている。この第２の半導体層は、「ｎ型」層と称される。第３の半導体層には、安定結合を形成するために結晶格子の原子から電子をトラップすることで、同一または類似の半導体結晶格子内で平衡になる原子を、意図的に混入させてある。その結果生じる不対結合は、全ての原子に共有される正電荷を有しており、価電子帯の状態を占めると考えられている。第２の半導体層は、ｐ型層と称される。
結晶ポテンシャルの周期的性質により、結晶性半導体、金属および絶縁体は、エネルギーと運動量のわずかな増分によってのみ区別されるバンド状態によって特徴付けられる。さらに、結晶ポテンシャルは、安定状態の禁制されたエネルギー領域を出現させ易い。このエネルギー分布は、分離された原子におけるエネルギー状態の離散的特質とは著しい対照をなしている。結合状態は価電子帯を占め、未結合電子は伝導帯を占める。この２本のバンドを分離しているのが、安定状態の存在しないバンドギャップである。金属では電子状態が伝導帯とエネルギー的に重なっており、導電性がある。半導体では、電子状態が伝導帯と重なる場合、ｎ型となる。正孔状態または共有不対結合が価電子帯とエネルギー的に重なる場合、半導体はｐ型となる。半導体が真性あるいは混入のないものである場合、試料温度で熱力学的に発生するものを除いて可動電子および正孔はほとんど存在せず、半導体は良好な導体にならない。結晶性絶縁体は、エネルギー的に高い伝導帯を有するものとして特徴付けられる。
導波路型Ｐ−Ｉ−Ｎの構造については、Vincent Magnin他による文献（Journal of LightwaveTechnology, Vol. 20, p.477 (2002)）に記載がある。これらの構造は、真性型領域が非常に薄い（一般に厚さ１／２〜１μｍ）場合に、迅速に反応する。残念なことにこれは、検出ｉ型領域へ光を通す半導体導波路が同じ厚さになり、コアサイズが一般に９μｍ〜５０μｍの光ファイバまたはポリマー導波路から十分に集光できないことを意味する。この場合、ほとんどの光が失われる。この構造型は高速時に低い感度しか示さない。検出ｉ型領域へより多くの光を通すために、より厚い半導体導波路が用いられる場合、導波路型Ｐ−Ｉ−Ｎ構造の感度は増加するが、時間応答が非常に遅くなる。これは、真性または非ドープ型層で光から発生した電子および正孔の電界ドリフト速度に限界があり、ｐ型およびｎ型側へ移動するのに時間がかかり、これが電流として記録されることが理由である。
屈折型Ｐ−Ｉ−Ｎ構造は、深野秀樹他による文献（Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, p.894 (1997)）に記載がある。この構造では、異なる面に位置するＰ−Ｉ−Ｎ光イオン化領域と電荷収集領域とに光を導くために、傾斜した光進入面とスネルの法則とを利用している。傾斜面は進入光の進行方向と、Ｐ−Ｉ−Ｎ層構造を含む平坦面および電気接点パッドを含む平坦面とに対してある程度の角度をなしている。一般に入射光は、半導体レーザ、光ファイバ、または光導波路から発せられ、発散性を有する。従って傾斜面は、活性領域と称されるＰ−Ｉ−Ｎ層を含む領域に近接している必要がある。キャパシタンスを最小化し迅速な時間応答を促進するために活性領域を小さくすれば、屈折面に入射する光の多くが活性領域から外れて記録されず、屈折型構造の感度が低下してしまう。屈折光をより多く集光するために活性領域を大きくすれば、ＰＤの速度が低下してしまう。
端面視（edge viewing）ＰＤが提供される。ここに記す概要は、選択した概念を単純化して紹介するために提供されるものであり、詳細な説明でさらに詳しく説明する。この概要は請求の範囲に記載された対象の持つ重要な特徴や本質的な特徴を特定するものではない。あるいはこの概要は、請求の範囲に記載された対象の範囲を限定するものではない。
一態様によると、基板層、ｐ型層、真性層及びｎ型層が連接した半導体ボリューム（Ｖ）（Contiguous semiconductor volume）と、光学活性領域（ＯＡ）を１つ以上備える光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）を少なくとも１つと、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の少なくとも１つに隣接する隣接表面領域セグメント（Ｓ２）を少なくとも１つ備える前記連接した半導体ボリューム（Ｖ）上の複数の表面領域セグメント（Ｓ）と、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の備える光進入面（ＬＥＦ）において、前記ｐ型層又は前記ｎ型層を介して、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の備える前記光学活性領域（ＯＡ）の少なくとも１つに接続し、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の少なくとも１つに隣接する前記少なくとも１つの隣接表面領域セグメント（Ｓ２）へ延長する１本以上の導電線（Ｌ）と、を備え、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）は、前記光進入面（ＬＥＦ）と、外部加速電場を印加可能な前記ｐ型層、真性層及びｎ型層とを備え、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の少なくとも１つと前記隣接表面領域セグメント（Ｓ２）の少なくとも１つとがなす１つ以上の交角（Ａ）は、０°、９０°および１８０°のいずれにも実質的に等しくないことを特徴とするシステムが提供される。
別の態様によると、コア領域とそれを囲むクラッド領域とを含むポリマー導波路導管を通じて光を伝達するステップ；活性領域を備える半導体光検出器で前記光を受容するステップ（ここで前記活性領域は第１の平面内に実質的に含まれ、前記半導体光検出器は前記活性領域に接続された導電性接点パッドを更に備え、前記接点パッドは複数の平面内に実質的に含まれ、前記第１の平面は前記複数の平面の正方向に対して実質的に傾斜した正方向を有し、前記第１の平面は前記活性領域に入射する前記受光された光の方向に対して実質的に傾斜した正方向を更に有する）；および前記パッドからの、前記伝達光に対応する信号を受容するステップを含む光測定方法が提供される。
さらに別の態様によると、コア領域とそれを囲むクラッド領域とを含む光ファイバ導管（Ｖ字型またはＵ字型溝により導き固定される）を通じて光を伝達するステップ；活性領域を備える半導体光検出器で前記光を受容するステップ（ここで前記活性領域は第１の平面内に実質的に含まれ、前記半導体光検出器は前記活性領域に接続された導電性接点パッドを更に備え、前記接点パッドは複数の平面内に実質的に含まれ、前記第１の平面は前記複数の平面の正方向に対して実質的に傾斜した正方向を有し、前記第１の平面は前記活性領域に入射する前記受光された光の方向に対して実質的に傾斜した正方向を更に有する）；および前記パッドからの、前記伝達光に対応する信号を受容するステップを含む光測定方法が提供される。
さらに別の態様によると、異極半導体；活性領域；前記活性領域が備えられる前記異極半導体上の少なくとも１個の偏光面；および前記活性領域に対する電気接点をなす電気接点パッドを含む光検出器が提供される。
上記の一般的な記述および下記の詳細な記述は、具体例を提示し説明するものに過ぎない。従って上記の一般的な記述と下記の詳細な記述は、本発明を限定するものではない。さらに本明細書の記載に加えて、様々な特徴または改変が可能である。例えば、詳細な説明に記載する特徴の様々な組合せ、副組合せの態様を用いることができる。
以下の詳細な説明は、付属の図面を参照する。図面と下記の説明において、同一または類似の構成要素に言及する場合は、可能な限り同一の参照番号を用いた。本発明の実施形態を説明するが、改変、調節、その他の実施が可能である。例えば図に説明する構成要素を置き換えたり、構成要素に追加したり、構成要素を改変したりすることができる。また本発明の方法は、開示の方法の工程を置き換えたり、順序を変えたり、工程を加えたりすることで改変することができる。従って、以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。本発明の最適な範囲は、付属の請求の範囲によって定義される。
端面視ＰＤが提供される。本発明の実施形態によると、ＰＤの電気接点パッドを含む平面に平行な平面内を伝播する光を検出する方法が提供される。光進入・検知面上のまたはＰ−Ｉ−Ｎ層構造を含む面上の光進入領域は、所望の寸法に作成することができ、電気接点パッドを含む平面に対して実質的に効果のある方向に向けることができる。
本発明の実施形態によると、Ｐ−Ｉ−Ｎ層構造を含む光進入・検知面が、例えば半導体基板に形成された「メサ」構造側壁上に形成される、新規な端面視ＰＤ（ＥＶＰＤ）類が提供される。メサ構造は、異方性液体エッチング法により輪郭を定めることが可能であり、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）によるヘテロ接合エピタキシャル層成長に好適な原子表面を形成することができる。側壁の形状をしていることで、例えばポリマー光波回路にＥＶＰＤをはめ込むのに特に有用であり、光ファイバとの位置合わせを更に有利に行うことができる。電気通信産業用の光工学パッケージングでは、ＥＶＰＤを例えば下部メサの「Ｖ字溝」にフィットさせることで、鏡やレンズなどの追加部品を用いることなく、容易に光ファイバを直接結合させることができる。
従って本発明の実施形態は、例えば、ＥＶＰＤの感度および時間応答を大きく向上させる方法を提供する。さらに本発明の実施形態は、光波回路におけるポリマー光導波路について、迅速且つ正確にＥＶＰＤを位置合わせする方法を提供する。また本発明の実施形態は、光ファイバとＰＤとの光学パッケージングおよび位置合わせを単純化する方法を提供する。その上さらに本発明の実施形態は、ＰＤからレーザ導波路内への後方反射光により起こりうるフィードバック雑音を低減させる方法を提供する。
図１は、従来技術である光イオン化電流発生用Ｐ−Ｉ−Ｎ層構造１００の断面図であり、電気接点パッドの平面とＰ−Ｉ−Ｎ層構造１００の平面とに平行な平面内に形成された光進入面の断面を示す。図１に示すように、第１層１３はｐ型層であってもよく、第２層１５はｎ型層であってもよい。これらの層を用いて真性層１４に静電場を発生することで、入射する十分なエネルギー光子により主に真性層１４で起こる光イオン化過程によって発生する電子（ｅ）および正孔（ｈ）電荷電流を促進し効果的に集めることができる。入射光を、進入面１８に入射する４本の矢印１９で表す。Ｐ−Ｉ−Ｎ層は非常に薄いため、一般に第２層１５と同様の化学ドープ型の基板１６上に形成される。反射防止層１２を第１層１３および真性層１４の上に形成してもよく、この反射防止層１２を用いると、適切な半導体合金化で半導体バンドギャップを調節することで、スペクトル検出幅を調整することもできる。金属電気接点１１および１７を用いて外部装置に接続して外部加速電場を印加し、様々な方法でイオン電流を検出することができる。光電流Ｉｅｈを測定する１方法として、電位Ｖを測定する抵抗器Ｒを用いるものを図１に示す。
Ｐ−Ｉ−Ｎ ＰＤの用途は多岐にわたるので、特定の用途について良好な光検出効率に合わせて様々な改変が試みられてきた。従って、図１の構造１００は「上方視の」光進入面を備えるが、構造１００が「下方視の」光進入面の構成となるように容易に改変することができる。どちらの場合においても、光進入面は、Ｐ−Ｉ−Ｎ層構造の平面と、電気接点の平面とに平行とすることができる。
図２は、従来技術である光イオン化電流発生用Ｐ−Ｉ−Ｎ層構造２００の断面図であり、ここで層構造は、光進入面から電流検出領域へと光を導く役割をさらに果たす。光進入面は、電気接点パッドの平面とＰ−Ｉ−Ｎ層構造の平面とに実質的に垂直な平面内に形成されていてもよい。図２に示すように、光進入面は平坦であり、Ｐ−Ｉ−Ｎ構造の平面と電気接点の平面とに垂直であってもよい。半導体層構造は、構造１００のものと同様であってもよい。すなわち層２２、２４、２５はそれぞれｐ型層、真性層、ｎ型層であってもよく、層２６は基板である。２３および２７は金属電気接点であり、図１について上記した方法で、光電流を記録するものであってもよい。反射防止膜２１を、側部光進入面２８上に形成してもよく、４本の矢印２９で表される光は、層２２、２４および２５（ならびに場合により更に幾つかの層）で画定される導波構造によって、金属接点２３の下方の電流収集領域へ導かれる。層２４内を通過する間に、光は吸収されるか、可動電子および正孔を生成する。この種のＰＤは「導波路Ｐ−Ｉ−Ｎ ＰＤ」と称される。導波路Ｐ−Ｉ−Ｎ ＰＤは、光がＰ−Ｉ−Ｎ層構造の平面に平行な平面内を伝播する場合の用途を企図している。上方視または下方視ＰＤの進入面に光を再配向または誘導することに利点はない。
図３は、従来技術である光イオン化電流発生用Ｐ−Ｉ−Ｎ層構造３００の断面図であり、電気接点パッドの平面とＰ−Ｉ−Ｎ層構造の平面とに対して傾斜した平面に形成された傾斜した光進入面の断面を示す。図３に示すように、構造３００はＥＶＰＤを含んでいてもよい。ここでも目的は、上方視または下方視ＰＤの進入面に光を再配向または誘導することに利点がない場合、Ｐ−Ｉ−Ｎ層構造の平面に平行な平面内を伝播する光を検出することである。図３に示すように、反射防止膜３７を備える屈折進入面３８によって、光を真性層光イオン化領域および電荷収集領域へ誘導する。入射光経路を４本の矢印３９で表す。Ｐ−Ｉ−Ｎ光イオン化・電荷検出構造は、図１に示したものと同様である。層３２、３３、３４は、それぞれｐ型層、真性層、ｎ型層であってもよい。３１および３６は、それぞれ上部および下部金属接点である。基板３５は、層３４と同じ種類のものであってもよい。
図４（ａ）は、電気接点パッドの平面に対して傾斜した平面内に形成された光進入面とＰ−Ｉ−Ｎ層構造とを有するＥＶＰＤ構造４００の断面図である。 図４（ｂ）は、図４（ａ）のＥＶＰＤ構造４００の上面図を示す。図４（ａ）および４（ｂ）は、意図的に製作されたメサ構造の側壁上に形成された、光イオン化電流発生用Ｐ−Ｉ−Ｎ層構造と光進入面とを図解する。メサ壁は、溶液中での異方性化学エッチングにより形成することができ、電気接点パッドの平面に対して傾斜させることができる。従って本発明の実施形態では、Ｐ−Ｉ−Ｎ層構造の平面が光進入面の平面に平行である。例えば、従来技術とは対照的に、両平面が入射光の方向に対して傾斜していてもよく、また電気接点パッドの平面に対して傾斜していてもよい。層４５、４４、４０は、それぞれｐ型層、真性型層、ｎ型層であってもよい。層４６は反射防止層である。基板４３もｎ型であってもよい。Ｐ−Ｉ−Ｎ層は、上部メサ４８、メサ壁４１および下部メサ４９部分で連続的に延長する。４本の矢印４７で表される光は、メサ壁４１上の光進入面４０１に当る。光イオン化のほとんどは真性層４４で起こる。図４（ｂ）に示すように、上部電気接点パッド４２は、上部メサ４８、メサ壁４１および下部メサ４９上で、ｐ型層の周囲全体（その周囲に沿った任意の位置に設けることのできる開部分４０２を除く）と電気接点を形成している。４０３は下部ｎ型接点である。メサ壁４１の角度θは、異方性液体エッチング条件で決めることができ、一般に約５４．７°の範囲内であるが、この数値に限定されるものではない。イオン電流Ｉｅｈ検出用の外部電気回路は、図１に示すものと同様のものであってもよい。
図５（ａ）は、電気接点パッドの平面に対して傾斜した平面内に形成された光進入面とＰ−Ｉ−Ｎ層構造とを有するＥＶＰＤ構造５００の断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＥＶＰＤ構造５００の上面図を示す。本発明の実施形態によると、電気接点５４と５１の両方が上部メサ５０上に形成される。層５９、５８および５７はそれぞれ本実施形態のＰ−Ｉ−Ｎ構造をなすｐ型、ｉ型およびｎ型半導体層であってもよい。上記したＰ−Ｉ−Ｎ層は、上部メサ５０、メサ壁５６および下部メサ５０２部分で連続的に延長する。電気接点パッド５１が、上部メサ５０、メサ側壁５６およびメサ下部５０２上で、ｐ型層５９の周囲全体と金属接点を形成している。絶縁間隙５０３が、接点冶金５１に形成されている。同様に、電気接点パッド５４が、上部メサ５０、メサ側壁５６およびメサ下部５０２上で、ｎ型層５７の周囲全体と金属接点を形成している。絶縁間隙５０１が、接点冶金５４に形成されている。絶縁層５０７によって２つの上部電気接点パッドが確実に離間される。４本の矢印５０５で表される光は、メサ壁５６上の光進入面５０６に当り、光イオン化のほとんどが真性層５８で起こる。反射防止層５３は、反射損を最小限に抑えることができる。角度θは図４（ａ）の場合と同じ意味を持つ。
図６は、ポリマー導波路へのＥＶＰＤ構造６５の直接末端結合を示す。例えば本発明の実施形態は、ＥＶＰＤをポリマー導波路へ直接結合する方法に用いることのできる方法を含む。図６は、ＥＶＰＤ６５をポリマー導波路へ結合する、本発明の実施形態による断面６００を示す。ＥＶＰＤ６５は、下部電気接点４０３を介して基板電気回路６４に電気的に接続される。緩衝層６３が、基板６４上に形成される。下部クラッド層６２、導波路コア６１、および上部クラッド層６０が、緩衝層６３上に形成される。コア６１により誘導される光は、傾斜した光進入面４０１に当る。本発明の実施形態によると、ＥＶＰＤ６５の表面で反射された光は、光導波路コア６１から逸れて、導波路コア６１を通じてレーザ光源へ戻ることはない。さもなくば、反射光はレーザ導波路キャビティに入ってレーザ不安定性を増し、ノイズを生じてしまう。その上さらに、本発明の実施形態によると、光偏向鏡や光コリメーティングレンズまたは集束レンズを設ける必要が無い。
図７は、例えばＰＤ上に直接または間接的に形成された「Ｖ字型」または「Ｕ字型」の溝またはキャビティにより、光ファイバへＥＶＰＤ構造７８を直接末端結合する様子を示す。「Ｖ字型」および「Ｕ字型」は例であり、他の形状を用いてもよい。Ｖ字型またはＵ字型溝は、ＰＤを結合する別の基板に製作してもよい。図７の斜視７００は、本発明の実施形態による光ファイバ７６へＥＶＰＤ７８を結合する様子を示す。ＥＶＰＤ７８は、下部接点７４を介して基板７７に電気的に接続される。上部電気接点７１は、上部メサ７０上に形成される。接点７１は、Ｐ−Ｉ−Ｎ光イオン化領域の真上の光進入表面領域７３を取り囲むようにメサ壁７２上で延長して、ｐ層の周囲で電気接点を形成している。キャビティ７５（例えばＶ字型またはＵ字型）を下部メサ７９に形成してもよい。あるいはＥＶＰＤ７８を、予めキャビティを設けた基板に、リソグラフィーにより一直線上に合わせて取付けてもよい。光ファイバ７６は、例えばＶ字型またはＵ字型キャビティ７５によって所定の位置に合わせられる。ファイバコア７０１は、光進入表面領域７３に直接向けられる。本発明の実施形態によると、ＥＶＰＤ７８の表面で反射された光は、光ファイバコア７０１から逸れる。その結果この光は、ファイバを通じてレーザ光源へ戻ってレーザ不安定性を増してノイズを生じることはない。本発明の実施形態によると、光偏向鏡や光コリメーティングレンズまたは集束レンズを設ける必要が無い。
図８はＥＶＰＤ構造製作用の半導体基板の方向付けを示す。本発明の実施形態によるＥＶＰＤの作成方法は、まず、リソグラフィックマスクに対する、結晶性半導体基板材料ウエハの主な結晶方向を配向することから始める。図８に示すように、半導体材料をウエハの形状に形成してもよい。半導体材料は、例えばヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）およびケイ素を含んでいてもよいが、これらに限定されるものではない。上記３種の半導体はいずれも立方結晶構造を有していてもよい。表面配向および平坦端８０の情報から主な立方結晶方向を定められるように、ウエハ８１を作成することができる。この場合、まず［１００］結晶方向を向く表面を有するウエハを用い、ウエハの平坦部分を［１１０］結晶方向に配向させる。矩形のリソグラフィックマスクの一辺を、［１１０］方向に平行となるように整列させることができる。
図９は、本発明の実施形態による、ＥＶＰＤ構造製作の第１段階を示す。例えば、主な立方方向に対する矩形のリソグラフィックの配向を図９に示す。ハードマスク９１をｎ型半導体の半導体基板９３上に形成する。矩形開口部９２をハードマスクに形成する。半導体エッチング液に接触する結晶面に物質除去速度が依存するように、ハードマスクと矩形開口部とを備えた半導体基板を、エッチング液に接触させる。エッチングは、多くの文献や記事で論じられているように、例えばまず［１１０］方向に、次いで［１００］方向に、次いで［１１１］方向に行うことで、より迅速に行うことができる（特にSadao Adachi およびKunishige Oeによる「Chemical etching characteristics of (001) GaAs」、the Journal the Electrochemical Society（米国）、Solid State Science and Technology, Volume 130, No. 12, pp. 2427-2435（1983）発行参照）。
図１０（ａ）は、ＥＶＰＤ構造製作の第２段階を示す。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）と同じ構造の上面図を示す。この第２段階の結果を図１０（ａ）の断面図および図１０（ｂ）の上面図に示す。矩形のメサ開口部１００４は、上部メサ１００５、下部メサ１００６および複数のメサ壁（それぞれメサ壁１００２として示す）を有するように形成される。メサ壁に対して垂直な表面は［１１１］方向に平行であり、例えば約５４．７°の角度で［１００］方向と交差する。従って異極半導体にエッチングされたメサ壁は偏光面であり、表面近くの双極子層を支持することができる。下部メサ１００６の面積は実質的に矩形マスク開口部の面積と等しい。メサ構造の深さは、半導体基板９３をエッチング液に接触させた時間、温度、およびエッチング溶液の組成によって決めることができる。メサエッチング過程に続いて、マスク除去、Ｐ−Ｉ−Ｎ構造のエピタキシャル成長を行う。
図１１は、ＥＶＰＤ構造製作の第３段階を示す。図１１に示す断面図は、ｎ型材料９３におけるメサ構造の断面を示す。メサ構造上には、ｎ型層１１０１、真性層１１０２およびｐ型層１１０３が形成されている。特に、一連の層をメサ壁１００２上にも作成する。一連の層における間隙１１０４は、下部メサ１００６上に設けられる。
図１２は、ＥＶＰＤ構造製作の第４段階を示す。図１２は、一連の製作工程が完了したときの構造の断面１２００を示す。反射損を最小限にするために、反射防止膜層１２０６を追加してもよいし、装置の利便性を増すために、上部電気接点１２０５および下部電気接点１２０７を追加してもよい。最終段階では、下部メサを劈開して、個々のＥＶＰＤまたは直線配列のＥＶＰＤを作成する。
本発明の実施形態によると、半導体ＰＤの活性領域が有する領域内で、十分なエネルギーを有する入射光量が、内的イオン化過程によって半導体材料の一部をイオン化し、可動電子正孔対を生じ、対応する導電性電極によってそれが収集され測定される。その上更に、異極半導体の偏光面は、例えば、異極半導体結晶格子を含む１個の原子種によって装着されうる平面を含む。
本発明の実施形態を、例えば、ブロック図および／または本発明の実施形態による方法、システム、コンピュータプログラム製品などの実行可能な例示を参照して説明した。ブロックに記載した機能／作用はフローチャートの順序通りに実施されるとは限らない。例えば、連続して記載された２ブロックは実際には、実質的に同時に実施されうるし、あるいは必要とする機能／作用に応じて逆の順序で実施されうる。
本発明の特定の実施形態を説明したが、他の実施形態も可能である。また明細書では実施例を説明したが、発明の範囲は請求項に記載する。さらに、明細書では構造的特色／方法論的作用に特有の用語で説明したが、請求項は上記したこれらの用語や作用に限定されるものではない。特有の特徴や作用は、本発明の実施形態の実施例として開示されるものである。
従来技術である光イオン化電流発生用Ｐ−Ｉ−Ｎ層構造の断面図であり、電気接点パッドの平面とＰ−Ｉ−Ｎ層構造の平面とに平行な平面内に形成された光進入面の断面を示す。 従来技術である光イオン化電流発生用Ｐ−Ｉ−Ｎ層構造の断面図であり、ここで層構造は、電気接点パッドの平面とＰ−Ｉ−Ｎ層構造の平面とに実質的に垂直な平面内に形成された光進入面から電流検出領域へ光を導く役割をさらに果たす。 従来技術である光イオン化電流発生用Ｐ−Ｉ−Ｎ層構造の断面図であり、電気接点パッドの平面とＰ−Ｉ−Ｎ層構造の平面とに対して傾斜した平面に形成された傾斜した光進入面の断面を示す。 （ａ）電気接点パッドの平面に対して傾斜した平面内に形成された光進入面とＰ−Ｉ−Ｎ層構造とを有するＥＶＰＤ構造の断面図である。（ｂ）図４（ａ）と同じＥＶＰＤ構造の上面図を示す。 （ａ）電気接点パッドの平面に対して傾斜した平面内に形成された光進入面とＰ−Ｉ−Ｎ層構造とを有するＥＶＰＤ構造の断面図である。（ｂ）図５（ａ）の同じＥＶＰＤ構造の上面図を示す。 ポリマー導波路へのＥＶＰＤ構造の直接末端結合を示す。 ＰＤ上に直接形成されたまたはＰＤに取付けた「Ｖ字溝」により、光ファイバへＥＶＰＤ構造を直接末端結合する様子を示す。 ＥＶＰＤ構造製作用の半導体基板の方向を示す。 ＥＶＰＤ構造製作の第１段階を示す。 （ａ）ＥＶＰＤ構造製作の第２段階を示す。（ｂ）図１０（ａ）と同じ構造の上面図を示す。 ＥＶＰＤ構造製作の第３段階を示す。 ＥＶＰＤ構造製作の第４段階を示す。

Claims (31)

  1. 基板層、ｐ型層、真性層及びｎ型層が連接した半導体ボリューム（Ｖ）と、
    光学活性領域（ＯＡ）を１つ以上備える光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）を少なくとも１つと、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の少なくとも１つに隣接する隣接表面領域セグメント（Ｓ２）を少なくとも１つ備える前記連接した半導体ボリューム（Ｖ）上の複数の表面領域セグメント（Ｓ）と、
    前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の備える光進入面（ＬＥＦ）において、前記ｐ型層又は前記ｎ型層を介して、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の備える前記光学活性領域（ＯＡ）の少なくとも１つに接続し、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の少なくとも１つに隣接する前記少なくとも１つの隣接表面領域セグメント（Ｓ２）へ延長する１本以上の導電線（Ｌ）と、
    を備え、
    前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）は、前記光進入面（ＬＥＦ）と、外部加速電場を印加可能な前記ｐ型層、真性層及びｎ型層とを備え、
    前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の少なくとも１つと前記隣接表面領域セグメント（Ｓ２）の少なくとも１つとがなす１つ以上の交角（Ａ）は、０°、９０°および１８０°のいずれにも実質的に等しくないことを特徴とするシステム。
  2. 前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の少なくとも１つと、前記隣接表面領域セグメント（Ｓ２）の少なくとも２つとが、実質的に平坦であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  3. 前記隣接表面領域セグメント（Ｓ２）の前記少なくとも２つが、実質的に水平であることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
  4. 前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の前記少なくとも１つが、前記隣接表面領域セグメント（Ｓ２）の前記少なくとも２つに対して実質的に傾斜していることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
  5. 電気接点が、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の第１のセグメント上の、第１の光学活性領域（ＯＡ−１）から、第１の隣接表面領域セグメント（Ｓ２−１）と、前記第一の隣接表面領域セグメント（Ｓ２−１）よりも前記第１の光学活性領域（ＯＡ−１）からの距離が遠い第２の隣接表面領域セグメント（Ｓ２−２）とに延長することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  6. 前記光学活性表面領域セグメント（Ｓ１）のうちの第１のセグメント上の、前記光学活性領域（ＯＡ）の前記少なくとも１つと、電気接点とが、互いに平行でない表面領域セグメント（Ｓ）上に形成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  7. 前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の少なくとも１つと前記隣接表面領域セグメント（Ｓ２）との交角（Ａ）が、前記半導体ボリューム（Ｖ）を構成する実質的単結晶格子の結晶面同士の交差により形成されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  8. コア領域とそれを囲むクラッド領域とを含む光ファイバ導管を通じて光を伝達するステップ；
    活性領域を備える半導体光検出器で前記光を受容するステップであって、前記活性領域は第１の平面内に実質的に含まれ、前記半導体光検出器は前記活性領域に接続された導電性接点パッドを更に備え、前記接点パッドは複数の平面内に実質的に含まれ、前記第１の平面は前記複数の平面の正方向に対して実質的に傾斜した正方向を有し、前記第１の平面は前記活性領域に入射する前記受光された光の方向に対して実質的に傾斜した正方向を更に有するステップ；および
    前記パッドからの、前記受容光に対応する信号を受容するステップ
    を含む光測定方法であって、
    前記半導体光検出器は、
    基板層、ｐ型層、真性層及びｎ型層が連接した半導体ボリューム（Ｖ）と、
    光学活性領域（ＯＡ）を１つ以上備える光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）を少なくとも１つと、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の少なくとも１つに隣接する隣接表面領域セグメント（Ｓ２）を少なくとも１つ備える前記連接した半導体ボリューム（Ｖ）上の複数の表面領域セグメント（Ｓ）と、
    前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の備える光進入面（ＬＥＦ）において、前記ｐ型層又は前記ｎ型層を介して、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の備える前記光学活性領域（ＯＡ）の少なくとも１つに接続し、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の少なくとも１つに隣接する前記少なくとも１つの隣接表面領域セグメント（Ｓ２）へ延長する１本以上の導電線（Ｌ）と、
    を備え、
    前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）は、前記光進入面（ＬＥＦ）と、外部加速電場を印加可能な前記ｐ型層、真性層及びｎ型層とを備え、
    前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の少なくとも１つと前記隣接表面領域セグメント（Ｓ２）の少なくとも１つとがなす１つ以上の交角（Ａ）は、０°、９０°および１８０°のいずれにも実質的に等しくない半導体光検出器であることを特徴とする方法。
  9. 前記光学活性な表面領域セグメント(Ｓ１)の１つと、前記隣接表面領域セグメント(Ｓ２)の少なくとも２つとが、実質的に平坦であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 前記隣接表面領域セグメント（Ｓ２）の少なくとも２つが、実質的に水平であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の前記少なくとも１つが、前記隣接表面領域セグメント（Ｓ２）の少なくとも２つに対して実質的に傾斜していることを特徴とする請求項９に記載の方法。
  12. 電気接点が、前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の第１のセグメント上の、第１の光学活性領域（ＯＡ−１）から、第１の隣接表面領域セグメント（Ｓ２−１）と、前記第一の隣接表面領域セグメント（Ｓ２−１）よりも前記第１の光学活性領域（ＯＡ−１）からの距離が遠い第２の隣接表面領域セグメント（Ｓ２−２）とに延長することを特徴とする請求項８に記載の方法。
  13. 前記光学活性表面領域セグメント（Ｓ１）のうちの第１のセグメント上の、前記光学活性領域（ＯＡ）の前記少なくとも１つと、電気接点とが、互いに平行でない表面領域セグメント（Ｓ）上に形成されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  14. 前記光学活性な表面領域セグメント（Ｓ１）の少なくとも１つと前記隣接表面領域セグメント（Ｓ２）との交角（Ａ）が、前記半導体ボリューム（Ｖ）を構成する実質的単結晶格子の結晶面同士の交差により形成されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  15. 前記半導体光検出器は、実質的にＶ字型溝およびＵ字型溝のいずれかの形状である構造をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  16. 前記溝は、前記入射光の方向と実質的に一直線上にあることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. 略円筒形状の前記光ファイバは、前記Ｖ字型キャビティおよび前記Ｕ字型キャビティのいずれかの機械的作用により、前記光検出器の活性領域の実質的に中心に位置する前記コアと位置合わせされることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. 前記光ファイバは、接着、ろう付けおよび溶接のいずれかによって、前記Ｖ字型キャビティおよび前記Ｕ字型キャビティのいずれかに固定されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
  19. 異極半導体；
    光学活性ボリューム；
    前記光学活性ボリュームの光学活性表面領域を備える、前記異極半導体上の少なくとも１個の極性面と、
    前記光学活性領域に隣接する少なくとも１つの表面領域であって、前記光学活性領域と、０°、９０°および１８０°の少なくとも１つと実質的に相違する角度で隣接する前記少なくとも１つの表面領域と、
    前記活性領域と電気接続する複数の電気接点パッドであって、前記光学活性ボリュームの光学活性表面領域に隣接する表面領域から前記光学活性領域まで延設されている少なくとも１個の前記複数の電気接点パッドと
    を含む光検出器。
  20. 光検出用装置であって、
    基板層、ｐ型層、真性層及びｎ型層を備える複数の層を備える半導体デバイスと、
    前記半導体デバイスの第一表面上に配置された第一電気接点と、
    前記第一電気接点とともに用いて外部加速電場を印加可能な第二電気接点と、
    前記第一電気接点の前記第一表面と、０°、９０°および１８０°のいずれでもない角度で配置されている第二表面内に形成された光進入面とを備え、
    前記第二電気接点は、前記半導体デバイスの第三表面から、第三表面に隣接する前記第二表面まで延設されるように配置され、前記第二表面内で前記光進入面と電気的に接触し、
    更に前記第一及び第三表面と平行な第四表面まで延設される
    光イオン化電流を生成可能な装置。
  21. スペクトル検出幅を調整可能な反射防止層を更に備える請求項２０記載の装置。
  22. 前記半導体デバイスが、異方性化学エッチングにより形成したメサ構造を備える請求項２０記載の装置。
  23. 前記装置が光学末端結合により導波路と直接結合可能である請求項２０記載の装置。
  24. 前記電気接点が前記真性層内に静電場を生成する請求項２０記載の装置。
  25. 前記第一及び第二表面の入射角が５４．７°である請求項２０記載の装置。
  26. 前記デバイス層内に形成した、光ファイバへ位置合わせ可能なキャビティを更に備える請求項２３記載の装置。
  27. 前記装置の表面が、前記光進入面を通して入射しない光は、光源から離れるように反射させる請求項２０記載の装置。
  28. 個別に光検出用に操作可能な複数の半導体デバイスを更に備える請求項２０記載の装置。
  29. 前記第一電気接点が、前記複数の半導体デバイスに亘って連続している請求項２８記載の装置。
  30. 前記基板層が、前記複数の半導体デバイスに亘って連続している請求項２８記載の装置。
  31. 前記複数の半導体デバイスが、少なくとも一対の向かい合う半導体デバイスを備え、少なくとも一対の向かい合う半導体デバイスの各々のｐ型層、真性層及びｎ型層を劈開により分離する請求項２８記載の装置。
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