JP6115566B2 - 導波路結合ｍｓｍ型フォトダイオード - Google Patents
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Description
本発明は、導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードに関するものであり、特に、ＬＳＩチップ内あるいはチップ間の光配線を用いた情報処理において必要とされる、赤外を含む光信号を高速に電気信号に変換するフォトダイオードに関する。
光検出器をシリコン電子技術によりモノリシック集積回路化することは、コストおよび歩留まりの観点から非常に魅力的である。ＣＭＯＳ回路と同じチップ上にモノリシック集積回路化されたシリコン−ゲルマニウム受光器、すなわちシリコン−ゲルマニウムフォトダイオードは、ＣＭＯＳ回路またはＧａＡｓ回路に接続されたＩｎＧａＡｓフォトダイオードのようなハイブリッド受光器に対する１つの魅力的な代替物である。モノリシック集積回路化された受光器は、標準的なシリコン加工プロセスを用いて製造することが出来るため、ハイブリッド受光器よりも低コストで製造可能になることが期待される。
光信号を電気信号に高速変換するデバイスとして、フォトダイオードが広く用いられている。その代表的なものはｐｉｎ型フォトダイオードである。ｐｉｎ型フォトダイオードは、真性半導体からなるｉ層を、ｐ型半導体からなるｐ層、およびn型半導体からなるｎ層で挟んだ構造となっている。この積層構造に対して、バイアス電源により逆バイアス電圧を加えると、高抵抗のｉ層のほぼ全域が電荷キャリアの空乏層になる。入射光のフォトンは、主にｉ層で吸収され、電子−正孔対を生成する。発生した電子および正孔は、逆バイアス電圧により空乏層内を各々反対方向にドリフトして電流を生じさせ、負荷抵抗で信号電圧として検出される。この光電変換の応答速度を制限する主な要因は、負荷抵抗と空乏層が作る電気容量の積で決まる回路時定数と、空乏層を電子および正孔が通過するのに要するキャリア走行時間である。
キャリア走行時間の短いフォトダイオードとしては、ショットキー型のフォトダイオードが挙げられる。ショットキー型フォトダイオードは、半導体のｎ層あるいはｎ−層に半透明金属膜が接する構造を備えている。ｎ層あるいはｎ−層と半透明金属膜が接する界面付近にはショットキー障壁が形成される。このショットキー障壁付近は、半透明金属膜からｎ層あるいはｎ−層の電子が拡散して空乏層となる。この状態で入射光が照射されると、ｎ層あるいはｎ−層に電子が生成され、逆バイアス電圧により空乏層内がドリフトされる。また、電子の生成により、素子表面層での光吸収を有効に利用することが可能である。
ｐｉｎ型フォトダイオードでは、フォトン吸収のためにｉ層すなわち空乏層に十分な厚みを持たせる必要があるのに対し、ショットキー型フォトダイオードでは空乏層を薄くすることが可能である。そのため、前述のようにショットキー型フォトダイオードを用いることにより、キャリア走行時間を短くすることが出来る。また、非特許文献１に開示されているように、ｐｉｎ型フォトダイオードにおいて、空乏層を薄くするためにラテラル電極構造にして、電極間隔を小さくする試みが行われているが、半導体表面層での光吸収効率が悪く、高速化が可能になるものの、高感度化は困難である。
一方、ｐｉｎ型およびショットキー型のフォトダイオードにおける回路時定数を短くするために、付加抵抗の値を小さくすると、取り出せる再生信号の電圧が下がる。従って、空乏層の電気容量の低減は、再生信号のＳＮ比を良くして読み取りエラーを減らすために重要である。特に、キャリア走行時間を短くするために空乏層を薄くすると、電気容量が増加することから、高速化のためには空乏層あるいはショットキー接合の面積を減らす必要がある。しかしながら、ショットキー接合の面積を減らすと、信号光の利用効率が低下し、結果的に再生信号のＳＮ比が劣化してしまう問題がある。
これらの問題を解決するために、半導体の同一平面上に２つの電極を周期的に配置した、金属−半導体−金属（ＭＳＭ）型フォトダイオードが提案されている。ＭＳＭ型フォトダイオードは、２つの電極間の実効的な対向面積が小さく、電気容量が小さいフォトダイオードを実現することが可能である。また、一方の電極はショットキー障壁に対して、順方向に電流が流れるため、ｐｉｎ型フォトダイオードに比較して、付加抵抗を小さくすることが可能であり、回路時定数の小さいフォトダイオードの実現が可能である。
ＭＳＭ型フォトダイオードでは、上記のように隣接する２つの電極間に印加する電圧により、キャリア空乏層が形成され、内部電場によりフォトキャリアが電極に掃引される。
従って、高速性を実現するためには、隣接する２つの電極間隔を小さくすると共に、半導体光吸収層の膜厚を小さくし、フォトキャリアの走行時間を短くすることが重要である。
従って、高速性を実現するためには、隣接する２つの電極間隔を小さくすると共に、半導体光吸収層の膜厚を小さくし、フォトキャリアの走行時間を短くすることが重要である。
Ｓ．Ｊ．Ｋｏｅｓｔｅｒ，Ｇ．Ｄｅｈｌｉｎｇｅｒ，Ｊ．Ｄ．Ｓｃｈａｕｂ，Ｊ．Ｏ．Ｃｈｕ，Ｑ．Ｃ．Ｏｕｙａｎｇ，Ａ．Ｇｒｉｌｌ，"Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ"，２００５年，２ｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｇｒｏｕｐ ＩＶ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，ＦＢ１，ｐ．１７２，Ｆｉｇ．３
ＭＳＭ型フォトダイオードは、平面性およびシリコンＬＳＩとの互換性を提供する。しかしながら、光導波路と共に集積化して光結合させるためには、ＭＳＭ電極による光反射を低減すると共に、高速性および高効率を実現する必要がある。
ＭＳＭ型フォトダイオードの応答を高速化するためには、ＭＳＭ電極間のスペーシングを小さくすると共に光吸収層を薄くすること、さらに印加する電圧を大きくしてキャリアの走行時間を短くすること、および受光面積すなわち接合容量を小さくして回路時定数を小さくすることが必要である。しかしながら、一般的には受光感度と高速性はトレードオフの関係になっており、受光感度と高速性の両方を満たすことは困難であった。
本発明の目的は、光導波路と高効率に結合したＭＳＭ型フォトダイオードを実現し、低電圧で受光感度と高速性の両方を満たすデバイス構造を提供することにある。また、差動型フォトダイオードへの適用により、高集積化および低消費電力化を実現するフォトダイオードを提供することを目的とする。
本発明の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードは、半導体光吸収層と光導波路コア層が隣接して光結合された構造からなり、前記半導体光吸収層上に間隔をおいて配置されたＭＳＭ電極を複数形成したフォトダイオードであり、前記間隔をおいて配置された複数のＭＳＭ電極のうち、最も光入射側に配置された前記ＭＳＭ電極に逆バイアスがかかるように電圧設定され、前記半導体光吸収層上に間隔をおいて配置された複数のＭＳＭ電極のうち最も光入射側に配置された前記ＭＳＭ電極と前記半導体吸収層の端部との距離が、入射される光波長をλ、前記半導体光吸収層中の光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎ ｅｆｆ とした時、λ／ｎ ｅｆｆ 以下であることを特徴とする。
ここで、逆バイアスとは、半導体光吸収層がｎ型半導体である場合は負の電圧を設定した状態、また、ｐ型半導体である場合は正の電圧を印加した状態を指す。また、真性半導体の場合は、正・負のいずれかのバイアス印加でも良いが、実際には、不純物濃度を１０１４／ｃｍ３以下程度にすることは極めて困難であるため、通常はｎ型あるいはｐ型の導電タイプを示す。
ここで、逆バイアスとは、半導体光吸収層がｎ型半導体である場合は負の電圧を設定した状態、また、ｐ型半導体である場合は正の電圧を印加した状態を指す。また、真性半導体の場合は、正・負のいずれかのバイアス印加でも良いが、実際には、不純物濃度を１０１４／ｃｍ３以下程度にすることは極めて困難であるため、通常はｎ型あるいはｐ型の導電タイプを示す。
本発明によれば、集積化された光導波路と光結合したＭＳＭ型フォトダイオードにおいて、フォトキャリアを高速・高効率に掃引することが可能となり、低電圧で高速かつ高効率なフォトダイオードが実現される。
以下、本発明の実施形態である導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードについて、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
（第１実施形態）
図１および図２は、本発明の第１実施形態であるＭＳＭ型フォトダイオード（導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード）５１の構造例を示している。
図１に示すように、ＭＳＭ型フォトダイオード５１は、隣接する光導波路コア層１と光結合した半導体光吸収層２上に形成されている。光導波路コア層１は、支持基板１１に積層された埋め込み酸化層１２上に形成されている。また、ＭＳＭ型フォトダイオード５１は、半導体光吸収層２上に間隔をおいて配置されたＭＳＭ接合を形成したフォトダイオードである。間隔をおいて配置されたＭＳＭ電極３，４のうち、光入射側（入力光信号５側）に配置されたＭＳＭ電極３に逆バイアスが印加されるように、電圧設定されている。
以下、本明細書では、配置された複数のＭＳＭ電極のうち、最も光入射側に配置された１つのＭＳＭ電極を「ＭＳＭ電極（１）」と記載する。また、ＭＳＭ型フォトダイオードが複数ある場合は、例えば１番目のＭＳＭ型フォトダイオードに配置された複数のＭＳＭ電極のうち、最も光入射側に配置された１つのＭＳＭ電極を「ＭＳＭ電極（１−１）」と記載し、２番目のＭＳＭ型フォトダイオードに配置された複数のＭＳＭ電極のうち、最も光入射側に配置された１つのＭＳＭ電極を「ＭＳＭ電極（１−２）」と記載する。
図１および図２は、本発明の第１実施形態であるＭＳＭ型フォトダイオード（導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード）５１の構造例を示している。
図１に示すように、ＭＳＭ型フォトダイオード５１は、隣接する光導波路コア層１と光結合した半導体光吸収層２上に形成されている。光導波路コア層１は、支持基板１１に積層された埋め込み酸化層１２上に形成されている。また、ＭＳＭ型フォトダイオード５１は、半導体光吸収層２上に間隔をおいて配置されたＭＳＭ接合を形成したフォトダイオードである。間隔をおいて配置されたＭＳＭ電極３，４のうち、光入射側（入力光信号５側）に配置されたＭＳＭ電極３に逆バイアスが印加されるように、電圧設定されている。
以下、本明細書では、配置された複数のＭＳＭ電極のうち、最も光入射側に配置された１つのＭＳＭ電極を「ＭＳＭ電極（１）」と記載する。また、ＭＳＭ型フォトダイオードが複数ある場合は、例えば１番目のＭＳＭ型フォトダイオードに配置された複数のＭＳＭ電極のうち、最も光入射側に配置された１つのＭＳＭ電極を「ＭＳＭ電極（１−１）」と記載し、２番目のＭＳＭ型フォトダイオードに配置された複数のＭＳＭ電極のうち、最も光入射側に配置された１つのＭＳＭ電極を「ＭＳＭ電極（１−２）」と記載する。
また上記において、光導波路コア層１と半導体光吸収層２は、基板に対して垂直方向に積層されて形成されており、エバネッセント光結合している。これにより、光導波路コア層１を伝搬する光は、半導体光吸収層２との屈折率差に応じた周期で、光導波路コア層１と半導体光吸収層２の間で、光モードフィールドが交互に移ることになる。
（第２実施形態）
図３および図４は、本発明の第２実施形態であるＭＳＭ型フォトダイオード５２の構造例を示している。なお、以下で説明する第２〜第４の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードの構成要素において、第１実施形態のＭＳＭ型フォトダイオード５１と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
図３および図４は、本発明の第２実施形態であるＭＳＭ型フォトダイオード５２の構造例を示している。なお、以下で説明する第２〜第４の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードの構成要素において、第１実施形態のＭＳＭ型フォトダイオード５１と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
ＭＳＭ型フォトダイオード５２においては、光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３の幅が、他のＭＳＭ電極４の幅に対して大きくなるように、ＭＳＭ電極３，４が形成されている。ＭＳＭ電極（１）３の幅を大きくすることにより、光結合によるフォトキャリア発生領域において、内部電場強度が大きい領域が拡大され、受信感度および周波数帯域が改善される。
（第３実施形態）
図５および図６は、第３実施形態であるＭＳＭ型フォトダイオード５３の構造例を示している。
ＭＳＭ型フォトダイオード５３においては、光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３と隣接するＭＳＭ電極４との間隔が、他の隣接するＭＳＭ電極４間の間隔に対して小さくなるように、ＭＳＭ電極３，４が形成されている。ＭＳＭ電極（１）３と隣接するＭＳＭ電極との間隔を小さくすることにより、光結合によるフォトキャリア発生領域における内部電場強度が大きくなり、受信感度および周波数帯域が改善される。
図５および図６は、第３実施形態であるＭＳＭ型フォトダイオード５３の構造例を示している。
ＭＳＭ型フォトダイオード５３においては、光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３と隣接するＭＳＭ電極４との間隔が、他の隣接するＭＳＭ電極４間の間隔に対して小さくなるように、ＭＳＭ電極３，４が形成されている。ＭＳＭ電極（１）３と隣接するＭＳＭ電極との間隔を小さくすることにより、光結合によるフォトキャリア発生領域における内部電場強度が大きくなり、受信感度および周波数帯域が改善される。
図７および図８は、第４実施形態であるＭＳＭ型フォトダイオード５４の構造例を示している。
ＭＳＭ型フォトダイオード５４においては、半導体光吸収層２と光導波路コア層１が支持基板（図示略）に対して水平方向に隣接して光結合しており、ＭＳＭ電極（１）に逆バイアスが印加されるように、電圧設定されている。このような素子構造により、光結合によるフォトキャリア発生領域における内部電場強度が大きくなり、受信感度および周波数帯域が改善される。
ＭＳＭ型フォトダイオード５４においては、半導体光吸収層２と光導波路コア層１が支持基板（図示略）に対して水平方向に隣接して光結合しており、ＭＳＭ電極（１）に逆バイアスが印加されるように、電圧設定されている。このような素子構造により、光結合によるフォトキャリア発生領域における内部電場強度が大きくなり、受信感度および周波数帯域が改善される。
また、上記のＭＳＭ型フォトダイオード５１，５２，５３，５４において、半導体光吸収層２上に間隔をおいて配置されたＭＳＭ電極のうち光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３と半導体光吸収層２の端部２９との距離は、入射される光の波長をλ、半導体光吸収層２中の光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎｅｆｆとした時、λ／ｎｅｆｆ以下であることが好ましい。この条件を満たすことにより、光導波路コア層１と半導体光吸収層２間で光がモード結合して、フォトキャリアが最も多く発生する領域において、内部電場強度を大きくすることができる。その結果、ＭＳＭ型フォトダイオードの受信感度および周波数帯域が著しく改善される。
上記のＭＳＭ型フォトダイオード５１，５２，５３，５４においては、光導波路コア層１として、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、多結晶シリコン、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０．０１〜０．９とし、以降では単に「Ｓｉ１−ｘＧｅｘ」と記載する）、窒化シリコン、酸窒化シリコンからなる群から選択される少なくとも一層を用いることができる。一方、半導体光吸収層２としては、Ｇｅ、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ、Ｓｉ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＰからなる群から選択される少なくとも一層を用いることができる。また、ＭＳＭ電極３，４には、アルミニウム、銀、金、銅、タングステン、チタン、窒化チタン、ニッケルから選ばれる少なくとも一層あるいは少なくとも二種類からなる合金層を用いることができる。
図９および図１０は、２本の光導波路を伝送される差動光信号と、本発明の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードが光結合していることを特徴とする光受信回路の構成図である。図９は本発明の第５実施形態であるバランス型差動受光器５５の受信回路構成を示しており、図１０は本発明の第６実施形態であるデュアル型差動受光器５６の受信回路構成を示している。
バランス型差動受光器５５においては、図９に示すように、２つのＭＳＭ型フォトダイオードが電気的に並列接続されているため、２つのＭＳＭ型フォトダイオードにおける光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１−１）７とＭＳＭ電極（１−２）８に逆バイアスが印加されるように電圧設定される。差動受光器においては、一般的に２つのフォトダイオード間の特性差が性能向上の妨げとなる。本発明の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードでは、２つのフォトダイオードにおける光入射側（差動光信号６側）のＭＳＭ電極（１−１）７とＭＳＭ電極（１−２）８に印加するバイアス電圧を逆バイアスとなるように設定することにより、周波数特性および受光感度を一致させることが可能となり、良好な差動出力波形を得ることができる。
一方、デュアル型差動受光器５６に関しては、図１０に示すように、２つのＭＳＭ型フォトダイオードが電気的に直列接続されている。また、光入射側に配置されるＭＳＭ電極（１−３）９およびＭＳＭ電極（１−４）１０に逆バイアスが印加されるように、電極配置がなされ、バイアス電圧が設定されている。このような構成により、２つのＭＳＭ型フォトダイオードにおける周波数特性および受光感度を一致させることが可能となり、良好な差動出力波形が得られる。
上記説明した受信回路の他に、各実施形態のＭＳＭ型フォトダイオード５１，５２，５３，５４を受光部に備えたＬＳＩ上の光配線システムを構成することができる。
図１１は、第７実施形態である光インタコネクションモジュール６７の構成を示している。
光インタコネクションモジュール６７は、図１１に示すように、本発明の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード１７が形成されたフォトダイオード／光源搭載ボード（Ｓｉ基板）２８と、フォトダイオード／光源搭載ボード２８上に導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード１７とモノリシックに形成されたＬＳＩ電子回路とを備えている。このＬＳＩ電子回路には、光インタコネクションモジュール６７の光源であるＶＣＳＥＬ光源１８、光源変調用電気配線層２２、フォトダイオード用電気配線層２３等が含まれる。
光インタコネクションモジュール６７は、図１１に示すように、本発明の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード１７が形成されたフォトダイオード／光源搭載ボード（Ｓｉ基板）２８と、フォトダイオード／光源搭載ボード２８上に導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード１７とモノリシックに形成されたＬＳＩ電子回路とを備えている。このＬＳＩ電子回路には、光インタコネクションモジュール６７の光源であるＶＣＳＥＬ光源１８、光源変調用電気配線層２２、フォトダイオード用電気配線層２３等が含まれる。
具体的には、光インタコネクションモジュール６７は、図１１に示すように、上記説明したフォトダイオード／光源搭載ボード２８と、ＬＳＩパッケージ２１と、ＬＳＩ搭載ボード２６とを有する。ＬＳＩパッケージ２１は、光源変調用電気配線ビア１９と、フォトダイオード用電気配線ビア２０と、を有する。また、ＬＳＩ搭載ボード２６は、光信号入力ファイバー２５と、光信号出力ファイバー２４と、凹面鏡２７と、を有する。
光インタコネクションモジュール６７において、光源変調用電気配線層２２は、光源変調用電気配線ビア１９に電気的に接続されている。ＬＳＩからの電気信号は、光源変調用電気配線ビア１９から光源変調用電気配線層２２を通って、電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ光源１８により光信号に変換される。光信号は凹面鏡２７で反射されて光信号出力ファイバー２４に送られる。ＶＣＳＥＬ光源１８は、電気により光を変調する公知の他の発光機構、例えば外部光源からの光を電気光学効果または熱光学効果により変調するマッハツェンダー型の変調器に置き換えることが出来る。
光信号の入力には、光信号入力ファイバー２５の代わりに平面光導波路など公知の光デバイスを用いることが出来る。また、凹面鏡２７のかわりに凸レンズなどの集光機構を用いることが出来る。また、導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード１７の後段のフォトダイオード用電気配線層２３の途中に電気信号増幅のためのプリアンプを配置することも出来る。
光信号入力ファイバー２５からの光信号は、凹面鏡２７と図示略のグレーティング・カップラーにより導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード１７に照射される。導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード１７に当接するフォトダイオード用電気配線層２３は、ＬＳＩのフォトダイオード用電気配線ビア２０に電気的に接続されている。そのため、導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード１７で受光した光信号は、電気信号に変換され、ＬＳＩに送られる。
光信号入力ファイバー２５からの光信号は、凹面鏡２７と図示略のグレーティング・カップラーにより導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード１７に照射される。導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード１７に当接するフォトダイオード用電気配線層２３は、ＬＳＩのフォトダイオード用電気配線ビア２０に電気的に接続されている。そのため、導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード１７で受光した光信号は、電気信号に変換され、ＬＳＩに送られる。
関連のＬＳＩチップ間インターコネクトでは、２０ＧＨｚ以上の高速動作を目的とする場合、高速応答化を実現するために、モジュールに搭載されるフォトダイオードに、ＩｎＰ基板上に成長されたＩｎＧａＡｓなどの化合物半導体材料などが用いられる。しかしながら、化合物半導体はＳｉ半導体素子の製造プロセスとの整合性が悪く、コストが高くなるという課題があった。
本実施形態によれば、導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード１７を備えることにより、光インタコネクションモジュール６７の高速応答化を可能にすると共に、製造コストを引き下げることができる。
本実施形態によれば、導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード１７を備えることにより、光インタコネクションモジュール６７の高速応答化を可能にすると共に、製造コストを引き下げることができる。
（製造方法）
次いで、本発明の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードの製造方法に関して、Ｇｅを半導体光吸収層に用いた場合を例として説明する。図１２（ａ）〜（ｇ）は、本発明の第1実施形態である導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード５１の製造方法を示す断面図である。
次いで、本発明の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードの製造方法に関して、Ｇｅを半導体光吸収層に用いた場合を例として説明する。図１２（ａ）〜（ｇ）は、本発明の第1実施形態である導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード５１の製造方法を示す断面図である。
まず、図１２（ａ）に示すような、支持基板１１、埋め込み酸化層１２、ノンドープ半導体シリコン１３が積層されたノンドープのＳＯＩ基板を用意する。このＳＯＩ基板は、ドーピング濃度が十分低い基板であれば良く、本実施形態においては、例えば抵抗率が１〜１０ｏΩ・ｃｍ、ドーピング濃度が１０１５〜１０１６／ｃｍ３のｐ型ＳＯＩ基板を用いるものとする。
次に、図１２（ｂ）に示すように、電子線リソグラフィあるいは光露光により、レジストパターニングおよび反応性イオンエッチングを行い、光導波路コア層１を形成する。
次に、図１２（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２膜を低圧化学気相合成（低圧ＣＶＤ）法などにより成膜する。その後、反応性イオンエッチングにより、Ｇｅ成長エリアに開口を形成し、ＳＯＩ層表面を露出させ、Ｇｅ選択成長のための酸化膜マスク１４を形成する。
次に、図１２（ｄ）に示すように、超高真空化学気相合成（ＵＨＶ−ＣＶＤ）法あるいは低圧ＣＶＤ法などにより、１μm程度の厚さになるように、Ｇｅを酸化膜マスク１４の開口部に成膜する。この時、ＭＳＭ電極を形成した時のリーク電流を低減するため、Ｇｅ層上にはＳｉ層を１０−５０ｎｍ積層し、半導体光吸収層２を形成する。
次に、図１２（ｅ）に示すように、酸化膜マスク１４および半導体光吸収層２を覆う酸化膜クラッド１５を１μｍの厚みで積層する。引き続き、図１１（ｆ）に示すように、ＭＳＭ電極とＧｅ／Ｓｉ層が電気的にコンタクトする領域に、光リソグラフィおよび反応性イオンエッチングによりコンタクトホール１６を形成する。コンタクトホール１６の大きさは、例えば１μｍ×５μｍとする。また、コンタクトホール間のスペーシングは、０．８μｍ程度とする。
最後に、図１２（ｇ）に示すように、コンタクトホールが充填されるように、スパッタ法などにより、ＭＳＭ電極材料であるＴｉ／ＴｉＮ／Ａｌ膜を厚み１μｍ程度で成膜する。その後、光リソグラフィおよび反応性イオンエッチングにより、ＭＳＭ電極として機能するようにＴｉ／ＴｉＮ／Ａｌ膜（１μｍ）を加工する。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
以下、具体例を示す。
（実施例１）
図１２（ａ）〜（ｇ）の工程を行い、本発明の第１実施形態である導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード５１を作製した。
本実施例では、光導波路コア層1から半導体光吸収層２に光モードフィールドが最初に移る領域となるＭＳＭ電極（１）３に、逆バイアスが印加されるようにバイアス電圧を設定した。これにより、光吸収によりフォトキャリアが最も多く発生する領域と、逆バイアス電圧により内部電場が大きい領域を一致することが可能となり、−３Ｖ程度の比較的低いバイアス電圧で、２０ＧＨｚの高速性と８０％程度の高受信効率が得られた。
（実施例１）
図１２（ａ）〜（ｇ）の工程を行い、本発明の第１実施形態である導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード５１を作製した。
本実施例では、光導波路コア層1から半導体光吸収層２に光モードフィールドが最初に移る領域となるＭＳＭ電極（１）３に、逆バイアスが印加されるようにバイアス電圧を設定した。これにより、光吸収によりフォトキャリアが最も多く発生する領域と、逆バイアス電圧により内部電場が大きい領域を一致することが可能となり、−３Ｖ程度の比較的低いバイアス電圧で、２０ＧＨｚの高速性と８０％程度の高受信効率が得られた。
また、本実施例においては、光導波路コア層１としてはＳｉを用い、半導体光吸収層２としてはＧｅを用いた。選択成長によりＳｉ層上にＳｉ１−ｘＧｅｘやＧｅを形成した場合、ファセットと呼ばれるテーパ形状が生じることが知られている。本実施例においては、入射される光波長をλ、前記半導体光吸収層中の光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎｅｆｆとした時に、半導体光吸収層２上に間隔をおいて配置されたＭＳＭ電極３，４のうち光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３と半導体光吸収層２の端部２９との距離が、λ／ｎｅｆｆ以下になるようにした。これにより、ファセット上に電極を配置することによって増加するリーク電流を軽減すると共に、光フィールド分布と電界分布の重なりを改善することが可能となり、高速性と受信効率がさらに改善された。また、リーク電流をさらに低減するために、Ｇｅ、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ上にＳｉ１−ｙＧｅｙ（ｙ＝０〜０．９）層を形成することにより、Ｇｅ、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ上の結晶欠陥が低減されることを確認した。
図１３Ａおよび図１３Ｂは、上記の条件での作製により、隣接する光導波路コア層１と光結合した半導体光吸収層２上に形成された導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードにおいて、図１３Ａに示すように光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３に＋１Ｖの正バイアスを印加した場合と、図１３Ｂに示すように−１Ｖ逆バイアスを印加した場合の半導体光吸収層中の電界分布を示している。このとき、ＭＳＭ電極間の距離を１．０μｍとし、光結合長を３０μｍ、Ｇｅ層厚を１μｍとした。
図１３Ａからわかるように、正バイアスを印加した際には、半導体光吸収層中の光結合部において、順方向に電流が流れるため、内部電場は小さくなった。一方、図１３Ｂに示すように、逆バイアスを印加した際には、ショットキーバリアがエンハンスされ、内部電場も大きくなった。この時、半導体光吸収層中の光結合部において、光吸収が最も多く生じ、フォトキャリアが多く発生する。従って、本発明においては、このフォトキャリア発生領域における内部電場強度を大きくすることにより、フォトキャリアの走行時間を短くし、高速に動作するフォトダイオードを実現すると共に、より低い電圧印加で、高い光受信感度を得られることを確認した。
図１４Ａおよび図１４Ｂは、上記の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードにおいて、光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３に、正バイアスを印加した場合（図１４Ａ）と逆バイアスを印加した場合（図１４Ｂ）の受信感度の周波数特性を示している。正バイアスを印加した際には、５Ｖの印加に対して周波数帯域が６〜７ＧＨｚであるのに対し、−５Ｖの逆バイアスを印加した際には、受信感度の周波数帯域が１０ＧＨｚまで改善された。すなわち、導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードにおいて、光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３に逆バイアスが印加されるような電圧設定にすることにより、フォトキャリア発生領域における内部電場強度が大きくなり、周波数帯域が改善されることを確認した。
（実施例２）
本発明の第２の実施形態である導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード５２において、光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３のサイズを大きくし、逆バイアスが印加されるようバイアス電圧を設定した。その結果、光結合によるフォトキャリア発生領域において、内部電場強度が大きい領域が拡大され、受信感度および周波数帯域が改善されることを確認した。
本発明の第２の実施形態である導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード５２において、光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３のサイズを大きくし、逆バイアスが印加されるようバイアス電圧を設定した。その結果、光結合によるフォトキャリア発生領域において、内部電場強度が大きい領域が拡大され、受信感度および周波数帯域が改善されることを確認した。
導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード５２の周波数帯域は、ＭＳＭ電極４間の距離と半導体光吸収層２の膜厚をそれぞれ小さくすることにより、拡大することができる。しかしながら、光インターコネクションで要求される１０ＧＨｚ以上の周波数帯域を実現するためには、電極間スペーシングを１μｍ以下にする必要があり、微細加工や高い作製精度が要求される。本実施例においては、電極間スペーシングを０．８〜１．０μｍに固定し、かつ、光入射側に配置されるＭＳＭ電極（１）３のサイズを１．２〜１．５μｍにすることにより、２０ＧＨｚ以上の周波数帯域が得られることを確認した。
（実施例３）
本発明の第３の実施形態である導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード５３においては、前述のように光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３と隣接するＭＳＭ電極４との間隔を小さくすることにより、光結合によるフォトキャリア発生領域における内部電場強度が大きくなり、受信感度および周波数帯域が改善される。本実施例においては、ＭＳＭ電極４間の距離を０．８μｍとし、光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３と隣接するＭＳＭ電極４との間隔を０．６μｍとした。これにより、周波数帯域が１２ＧＨｚから１５ＧＨｚまで改善されると共に、バイアス電圧が−３Ｖから−２Ｖに低減され、高速化と低消費電力化を実現できることを確認した。
本発明の第３の実施形態である導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード５３においては、前述のように光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３と隣接するＭＳＭ電極４との間隔を小さくすることにより、光結合によるフォトキャリア発生領域における内部電場強度が大きくなり、受信感度および周波数帯域が改善される。本実施例においては、ＭＳＭ電極４間の距離を０．８μｍとし、光入射側に配置されたＭＳＭ電極（１）３と隣接するＭＳＭ電極４との間隔を０．６μｍとした。これにより、周波数帯域が１２ＧＨｚから１５ＧＨｚまで改善されると共に、バイアス電圧が−３Ｖから−２Ｖに低減され、高速化と低消費電力化を実現できることを確認した。
（実施例４）
本発明の第４の実施形態である導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード５４において、フォトキャリアが非常に多く発生する光入射部のＭＳＭ電極（１）３に−５Ｖの逆バイアスを印加することにより、４０ＧＨｚ程度の高速動作が得られた。このとき、ＭＳＭ電極間隔を０．５μｍとした。
本発明の第４の実施形態である導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード５４において、フォトキャリアが非常に多く発生する光入射部のＭＳＭ電極（１）３に−５Ｖの逆バイアスを印加することにより、４０ＧＨｚ程度の高速動作が得られた。このとき、ＭＳＭ電極間隔を０．５μｍとした。
（実施例５）
本発明の第５の実施形態であるバランス型差動受光器５５において、２つの導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードが電気的に並列接続されるため、ＭＳＭ電極（１−１）７とＭＳＭ電極（１−２）８に−３Ｖの逆バイアス電圧を設定した。前述のように、差動受光器においては、一般的に２つのフォトダイオード間の特性差が課題となる。本実施例の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードにおいて、２つのフォトダイオードにおける光入射側のＭＳＭ電極（１−１）７とＭＳＭ電極（１−２）８に印加するバイアス電圧を逆バイアスとなるように設定することにより、周波数特性および受光感度を一致させることが可能となり、良好な差動出力波形が得られた。また、変調器などの他の光アクティブデバイスと集積化した際、同相ノイズ成分が低減され、１Ｔｂｐｓ／ｃｍ２〜１０Ｔｂｐｓ／ｃｍ２程度の高集積化が可能であることを確認した。
本発明の第５の実施形態であるバランス型差動受光器５５において、２つの導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードが電気的に並列接続されるため、ＭＳＭ電極（１−１）７とＭＳＭ電極（１−２）８に−３Ｖの逆バイアス電圧を設定した。前述のように、差動受光器においては、一般的に２つのフォトダイオード間の特性差が課題となる。本実施例の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードにおいて、２つのフォトダイオードにおける光入射側のＭＳＭ電極（１−１）７とＭＳＭ電極（１−２）８に印加するバイアス電圧を逆バイアスとなるように設定することにより、周波数特性および受光感度を一致させることが可能となり、良好な差動出力波形が得られた。また、変調器などの他の光アクティブデバイスと集積化した際、同相ノイズ成分が低減され、１Ｔｂｐｓ／ｃｍ２〜１０Ｔｂｐｓ／ｃｍ２程度の高集積化が可能であることを確認した。
（実施例６）
本発明の第６の実施形態であるデュアル型差動受光器５６において、光入射側に配置されるＭＳＭ電極（１−３）９およびＭＳＭ電極（１−４）１０に逆バイアスが印加されるように電極配置を行い、−６Ｖのバイアス電圧を設定した。これにより、２つのフォトダイオードにおける周波数特性が１２．３ＧＨｚと１２．５ＧＨｚとほぼ一致し、受光感度も０．８Ａ／Ｗ程度と一致させることが可能であった。また、良好な差動出力波形を得られた。さらに、インバータ型トランスインピーダンス回路との組合せにより、１０Ｇｐｂｓの良好なアイパターンが得られた。
本発明の第６の実施形態であるデュアル型差動受光器５６において、光入射側に配置されるＭＳＭ電極（１−３）９およびＭＳＭ電極（１−４）１０に逆バイアスが印加されるように電極配置を行い、−６Ｖのバイアス電圧を設定した。これにより、２つのフォトダイオードにおける周波数特性が１２．３ＧＨｚと１２．５ＧＨｚとほぼ一致し、受光感度も０．８Ａ／Ｗ程度と一致させることが可能であった。また、良好な差動出力波形を得られた。さらに、インバータ型トランスインピーダンス回路との組合せにより、１０Ｇｐｂｓの良好なアイパターンが得られた。
（実施例７）
本発明の第７の実施形態である光インタコネクションモジュール６７では、−５Ｖの逆バイアス電圧に対し、約４０ＧＨｚの高速光電気変換動作が確認された。
本発明の第７の実施形態である光インタコネクションモジュール６７では、−５Ｖの逆バイアス電圧に対し、約４０ＧＨｚの高速光電気変換動作が確認された。
本願は、２０１２年３月３０日に、日本に出願された特願２０１２−０８０５９１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本発明に係わる導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードによれば、光導波路と高効率に結合したフォトダイオードを実現し、低電圧で受光感度と高速性を両立させるデバイス構造を提供することができる。
１ 光導波路コア層
２ 半導体光吸収層
３ ＭＳＭ電極（１）
４ ＭＳＭ電極
５ 入力光信号
６ 差動光信号
７ ＭＳＭ電極（１−１）
８ ＭＳＭ電極（１−２）
９ ＭＳＭ電極（１−３）
１０ ＭＳＭ電極（１−４）
１１ 支持基板
１２ 埋め込み酸化層
１３ ノンドープ半導体シリコン
１４ 酸化膜マスク
１５ 酸化膜クラッド
１６ コンタクトホール
１７ 導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード
１８ ＶＣＳＥＬ光源
１９ 光源および変調用電気配線ビア
２０ フォトダイオード用電気配線ビア
２１ ＬＳＩパッケージ
２２ 光源変調用電気配線層
２３ フォトダイオード用電気配線層
２４ 光信号出力ファイバー
２５ 光信号入力ファイバー
２６ ＬＳＩ搭載ボード
２７ 凹面鏡
２８ フォトダイオード／光源搭載ボード
２９ 端部
５１ ＭＳＭ型フォトダイオード
５２ ＭＳＭ型フォトダイオード
５３ ＭＳＭ型フォトダイオード
５４ ＭＳＭ型フォトダイオード
５５ バランス型差動受光器
５６ デュアル型差動受光器
６７ 光インタコネクションモジュール
２ 半導体光吸収層
３ ＭＳＭ電極（１）
４ ＭＳＭ電極
５ 入力光信号
６ 差動光信号
７ ＭＳＭ電極（１−１）
８ ＭＳＭ電極（１−２）
９ ＭＳＭ電極（１−３）
１０ ＭＳＭ電極（１−４）
１１ 支持基板
１２ 埋め込み酸化層
１３ ノンドープ半導体シリコン
１４ 酸化膜マスク
１５ 酸化膜クラッド
１６ コンタクトホール
１７ 導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード
１８ ＶＣＳＥＬ光源
１９ 光源および変調用電気配線ビア
２０ フォトダイオード用電気配線ビア
２１ ＬＳＩパッケージ
２２ 光源変調用電気配線層
２３ フォトダイオード用電気配線層
２４ 光信号出力ファイバー
２５ 光信号入力ファイバー
２６ ＬＳＩ搭載ボード
２７ 凹面鏡
２８ フォトダイオード／光源搭載ボード
２９ 端部
５１ ＭＳＭ型フォトダイオード
５２ ＭＳＭ型フォトダイオード
５３ ＭＳＭ型フォトダイオード
５４ ＭＳＭ型フォトダイオード
５５ バランス型差動受光器
５６ デュアル型差動受光器
６７ 光インタコネクションモジュール
Claims (14)
- 半導体光吸収層と光導波路コア層が隣接して光結合された構造からなり、前記半導体光吸収層上に間隔をおいて配置されたＭＳＭ電極を複数形成したフォトダイオードであり、前記間隔をおいて配置された複数のＭＳＭ電極のうち、最も光入射側に配置された前記ＭＳＭ電極に逆バイアスがかかるように電圧設定され、
前記半導体光吸収層上に間隔をおいて配置された複数のＭＳＭ電極のうち最も光入射側に配置された前記ＭＳＭ電極と前記半導体吸収層の端部との距離が、入射される光波長をλ、前記半導体光吸収層中の光信号電界が感じる実効的な屈折率をｎ ｅｆｆ とした時、λ／ｎ ｅｆｆ 以下であることを特徴とする導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード。 - 前記複数のＭＳＭ電極のうち最も光入射側に配置されたＭＳＭ電極のサイズが、他のＭＳＭ電極に対して幅が大きいことを特徴とする請求項１に記載の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード。
- 前記複数のＭＳＭ電極のうち最も光入射側に配置されたＭＳＭ電極と隣接するＭＳＭ電極との間隔が、他の隣接するＭＳＭ電極間の間隔に対して小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード。
- 前記半導体光吸収層と前記光導波路コア層が基板に対して垂直方向に積層されて光結合することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード。
- 前記半導体光吸収層と前記光導波路コア層が基板に対して水平方向に隣接して光結合することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード。
- 前記光導波路コア層が、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、歪シリコン、多結晶シリコン、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）、窒化シリコン、酸窒化シリコンからなる群から選択される少なくとも一層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード。
- 前記半導体光吸収層がＧｅ、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）、Ｓｉ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＰからなる群から選択される少なくとも一層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード。
- 前記フォトダイオードにおける半導体光吸収層がＧｅ、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）の時、ショットキー接合を形成するために、Ｇｅ、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（ｘ＝０．０１〜０．９）上にＳｉ１−ｙＧｅｙ（ｙ＝０〜０．９）層が積層されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード。
- 前記半導体光吸収層上に間隔をおいて配置された前記ＭＳＭ電極が、アルミニウム、銀、金、銅、タングステン、チタン、窒化チタン、ニッケルから選ばれる少なくとも一層あるいは少なくとも二種類からなる合金層からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオード。
- 二本の光導波路を伝送される差動光信号と、請求項１〜３のいずれか一項に記載の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードが光結合していることを特徴とする光受信回路。
- 前記差動光信号と光結合している前記導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードがバランス型差動フォトダイオードであることを特徴とする請求項１０に記載の光受信回路。
- 前記差動光信号と光結合している前記導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードがデュアル型差動フォトダイオードであることを特徴とする請求項１０に記載の光受信回路。
- 請求項１〜９のいずれか一項に記載の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードを受光部に備えるＬＳＩ上の光配線システム。
- 請求項１〜９のいずれか一項に記載の導波路結合ＭＳＭ型フォトダイオードが形成されたＳｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に前記フォトダイオードとモノリシックに形成されたＬＳＩ電子回路とを備える光インタコネクションモジュール。
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