JP6534888B2 - Planar light detector - Google Patents
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Description
本発明は、面型光検出器に関する。 The present invention relates to a surface light detector.
近年、データセンターにおけるサーバラック間の通信の高速化や、複数のCPU(中央演算処理装置)が搭載されたサーバボード内でのCPU間、或はCPUとメモリの間の通信の高速化のために、光通信が用いられるようになってきた。これらの短距離光通信は、光インターコネクトと呼ばれ、遠距離の光通信とは区別される。遠距離通信用の通信機器では大量の通信需要を支えるために伝送速度が高いことが最も重要視されるが、光インターコネクト用の通信機器では、ある程度の通信速度を備えながらも、安価であることが求められるのである。 In recent years, for speeding up communication between server racks in a data center, and speeding up communication between CPUs or between a CPU and a memory in a server board on which a plurality of CPUs (central processing units) are mounted. Optical communication has come to be used. These short distance optical communications are called optical interconnects and are distinguished from long distance optical communications. In communication equipment for long distance communication, high transmission speed is regarded as the most important in order to support a large amount of communication demand, but in communication equipment for optical interconnects, it is inexpensive while providing some communication speed Is required.
光インターコネクト用通信機器に対するこのような要求に応えるため、シリコンフォトニクスによる光送信器と光受信器の開発が活発化している。シリコンフォトニクスは、既に成熟しているCMOS LSI(相補型金属酸化膜半導体 大規模集積回路)の製造技術を活用することによって、シリコン(Si)の基板上に光集積回路を形成する技術である。III−V属化合物半導体などを用いる単体光デバイスの製造技術とは異なり、シリコンフォトニクスでは、CMOS技術の高い微細加工精度と量産性によって、複数の光機能素子を集積化した光集積回路を比較的安価に製造することを目指している。 In order to meet such requirements for optical interconnect communication devices, development of silicon photonics optical transmitters and optical receivers has been activated. Silicon photonics is a technology for forming an optical integrated circuit on a silicon (Si) substrate by utilizing the already matured CMOS LSI (complementary metal oxide semiconductor large scale integrated circuit) manufacturing technology. Unlike single optical device manufacturing technology using III-V group compound semiconductors etc., silicon photonics has a relatively high optical processing accuracy and mass productivity of CMOS technology, and it is relatively large in optical integrated circuit where multiple optical functional devices are integrated. It aims at manufacturing cheaply.
しかし、シリコンは間接遷移半導体であるために、効率の良い光源技術が未だ確立されていない。そのため、シリコンフォトニクスで光送信器を構成するには、例えば、直接遷移型のIII−V属化合物半導体を用いた光源用のレーザチップを、光変調器を形成したシリコンチップに実装する、といったことがよく行われる。 However, since silicon is an indirect transition semiconductor, efficient light source technology has not been established yet. Therefore, to construct an optical transmitter using silicon photonics, for example, a laser chip for a light source using a direct transition type III-V compound semiconductor is mounted on a silicon chip on which an optical modulator is formed. Is often done.
一方、光受信器の場合は、受信した光を電気信号に変換する光検出器が主要な光デバイスでああり、シリコン上にエピタキシャル成長したゲルマニウム(Ge)を光検出器用の光電気変換媒質として用いることが主流となっている。ゲルマニウムは光源用発光媒質としては効率が低いが、波長をうまく選べば、光検出器用光吸収媒質として高い効率を示すことができる。ゲルマニウムのバンドギャップエネルギーは0.66eVであり、波長が約1880nm以下の光を吸収して電子に変換する。しかし、ゲルマニウムはシリコンと同じく間接遷移半導体であるため、光吸収係数が小さい。ただし、エネルギーが0.8eV程度以上の光、すなわち、真空中の波長が1550nm以下の光を入射すると、間接遷移と同時に直接遷移による吸収も生じるため、高い吸収係数を示す。従って、特に波長が1550nmよりも十分に短いO(オー)バンドと呼ばれる通信波長帯、すなわち、波長範囲が1260〜1360nmの光を受光する場合は、シリコン上に成長させたゲルマニウムを用いることによって効率的に光信号を受信することができる。 On the other hand, in the case of an optical receiver, a photodetector that converts received light into an electrical signal is the main optical device, and germanium (Ge) epitaxially grown on silicon is used as a photoelectric conversion medium for the photodetector. Is the mainstream. Germanium is low in efficiency as a light emitting medium for a light source, but if the wavelength is properly selected, high efficiency can be shown as a light absorbing medium for a photodetector. Germanium has a band gap energy of 0.66 eV and absorbs light of a wavelength of about 1880 nm or less to convert it into electrons. However, since germanium is an indirect transition semiconductor like silicon, it has a small light absorption coefficient. However, when light having energy of about 0.8 eV or more, that is, light having a wavelength in vacuum of 1550 nm or less is incident, absorption due to direct transition occurs simultaneously with indirect transition, and thus a high absorption coefficient is exhibited. Therefore, the efficiency is achieved by using germanium grown on silicon, especially in the case of receiving light of a communication wavelength band called the O (o) band whose wavelength is sufficiently shorter than 1550 nm, that is, the wavelength range 1260 to 1360 nm. Light signal can be received.
光検出器には大きく分けて導波路型と面型がある。導波路型は、光吸収を行う導波路を長くすることによって容易に十分な受光感度を得ることができる。その替わりに、光ファイバと光結合するには、導波路と光ファイバの異なるモード径を変換するためのスポットサイズ変換器を取り付けなければならず、そのスポットサイズ変換器で生じる光損失によって、実質的な受光感度が低下する場合がある。それに対し、面型光検出器は、受光面を大きくすることが容易なため、光ファイバとの直接光結合が可能である。ただし、必要な受光感度を得るためには、光吸収媒体を十分に厚くしておく必要がある。 There are roughly two types of photodetectors: waveguide type and surface type. The waveguide type can easily obtain sufficient light receiving sensitivity by lengthening the waveguide for light absorption. Instead, to optically couple with the optical fiber, a spot size converter must be attached to convert the different mode diameters of the waveguide and the optical fiber, and the light loss caused by the spot size converter substantially Light reception sensitivity may decrease. On the other hand, the surface light detector is capable of direct light coupling with an optical fiber because the light receiving surface can be easily enlarged. However, in order to obtain the required light reception sensitivity, it is necessary to make the light absorbing medium sufficiently thick.
近年のシリコンフォトニクスによる光回路チップは、ほとんどがSOIウエハ(silicon−on−insulator wafer)を使用して製造されている。そのため、ゲルマニウム光検出器もSOIウエハを使用する前提で設計することが求められる。図1は、SOIウエハにゲルマニウムを積層した面型光検出器の基本的な層構造の模式図である。加工前の元々のSOIウエハは、シリコン基板4と、二酸化ケイ素からなる埋め込み酸化膜層(BOX層)3と、シリコンであるSOI層2とから成る。そして、SOI層2上に吸収媒質層であるゲルマニウム層1をエピタキシャル成長し、更にゲルマニウム層1上に表面保護用の二酸化珪素からなる酸化膜層5を堆積することによって、面型光検出器が構成される。
Most optical circuit chips based on silicon photonics in recent years are manufactured using a silicon-on-insulator wafer. Therefore, it is also required to design a germanium photodetector on the premise of using an SOI wafer. FIG. 1 is a schematic view of a basic layer structure of a surface light detector in which germanium is stacked on an SOI wafer. The original SOI wafer before processing consists of a silicon substrate 4, a buried oxide film layer (BOX layer) 3 made of silicon dioxide, and an
ゲルマニウム層1を十分に厚くできる場合、上から酸化膜層5を通ってゲルマニウム層1に入射する光は、一旦ゲルマニウム層1に入りさえすれば、ほとんどがゲルマニウム層1で吸収され、電子に変換される。この場合、光検出器の主要な損失発生要因は、ゲルマニウム層1の入射側界面15における光反射損である。そのため、従来技術では、ゲルマニウム層1を十分厚くできる場合、ゲルマニウム層1の上に反射防止膜を形成することが行われている。
If the germanium layer 1 can be made sufficiently thick, most of the light incident on the germanium layer 1 from above through the
しかし、ゲルマニウム層を厚くし、更に反射防止膜を積層すると、ゲルマニウム層と反射防止膜層を合わせた厚さは、数μm程度になる。その結果として、同時に複数の光機能素子が集積化された光回路の中で光検出器だけが厚くなると、光検出器とその周囲のデバイスとでは表面の高さが大きく異なることになり、ウエハ表面の一定の平坦性が求められるリソグラフィ工程や配線形成工程が困難になるという問題が生じる。 However, when the germanium layer is thickened and further an antireflective film is laminated, the total thickness of the germanium layer and the antireflective film layer becomes about several μm. As a result, if only the photodetector becomes thick in the optical circuit in which a plurality of optical functional devices are integrated at the same time, the height of the surface of the photodetector and that of the surrounding devices will be largely different. The problem arises that the lithography process and the wiring formation process that require a certain level of flatness on the surface become difficult.
また、光吸収媒質のゲルマニウム層単体で考えても、ゲルマニウム層が厚すぎると、応答速度が低下するという問題もある。光を吸収した時に発生する電子と正孔は、ゲルマニウム層の表面側と裏面側に走行するが、その走行時間がゲルマニウム層の厚さに比例して長くなる。その結果、応答速度が低下し、高速な光信号を精度よく電流に変換する能力が低下する。受光感度を多少犠牲にしてもよいならば、光吸収媒質のゲルマニウム層を薄くすることが対策として考えられる。しかし、単純にゲルマニウム層を薄くしてしまうと、ゲルマニウム層で吸収しきれなかった光の一部がゲルマニウム層の下面で反射して入射側に戻り、送信器にまで戻ることによって、光信号を発する側の光送信器の動作を不安定にする危険性がある。 Further, even when considering the germanium layer as the light absorbing medium alone, there is also a problem that the response speed is lowered if the germanium layer is too thick. Electrons and holes generated when light is absorbed travel to the front side and the back side of the germanium layer, but the traveling time becomes longer in proportion to the thickness of the germanium layer. As a result, the response speed is reduced, and the ability to convert a high-speed optical signal into current accurately is reduced. If the photosensitivity may be sacrificed to some extent, thinning the germanium layer of the light absorbing medium is considered as a countermeasure. However, if the germanium layer is simply thinned, part of the light that can not be absorbed by the germanium layer is reflected by the lower surface of the germanium layer and returned to the incident side, and then returned to the transmitter, There is a risk of destabilizing the operation of the emitting optical transmitter.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の1つは、ゲルマニウム層が薄く、反射防止膜を要さず、入射光をほとんど反射しない高感度の光検出器を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described point, and one of its objects is to provide a highly sensitive photodetector which has a thin germanium layer, does not require an anti-reflection film, and hardly reflects incident light. It is to do.
上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、光吸収層と、前記光吸収層の下に位置し、シリコンリッチ層およびゲルマニウムリッチ層からなる少なくとも1層のペア層と、前記ペア層の下に位置する第1のシリコン層と、前記第1のシリコン層の下に位置する酸化膜層と、前記酸化膜層の下に位置する第2のシリコン層とを備える面型光検出器であって、前記光吸収層は、シリコンの組成比が0〜0.1のゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム化合物であり、前記シリコンリッチ層は、シリコンの組成比が0.9〜1のシリコン−ゲルマニウム化合物またはシリコンであり、前記ゲルマニウムリッチ層は、シリコンの組成比が0〜0.1のゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム化合物であり、前記光吸収層の厚みは、前記光吸収層を成す材料中の光の波長の(m/4±1/8)倍(mは正の整数)の範囲内であり、前記シリコンリッチ層の厚みは、前記シリコンリッチ層を成す材料中の光の波長の((2r−1)/4±1/8)倍(rは正の整数)の範囲内であり、前記ゲルマニウムリッチ層の厚みは、前記ゲルマニウムリッチ層を成す材料中の光の波長の((2s−1)/4±1/8)倍(sは正の整数)の範囲内であり、前記第1のシリコン層の厚みは、シリコン中の光の波長の(p/2±1/8)倍(pは正の整数)の範囲内であり、前記酸化膜層の厚みは、前記酸化膜層を成す材料中の光の波長の((2q−1)/4±1/8)倍(qは正の整数)の範囲内である、ことを特徴とする面型光検出器である。 In order to solve the problems described above, one aspect of the present invention is a light absorption layer, and at least one pair layer of a silicon rich layer and a germanium rich layer located under the light absorption layer, and the pair Planar light detection comprising a first silicon layer located below the layer, an oxide layer located below the first silicon layer, and a second silicon layer located below the oxide layer The light absorbing layer is a germanium or silicon-germanium compound having a composition ratio of silicon of 0 to 0.1, and the silicon rich layer is a silicon of silicon having a composition ratio of 0.9 to 1. A germanium compound or silicon, and the germanium rich layer is a germanium or silicon-germanium compound having a composition ratio of silicon of 0 to 0.1, and a thickness of the light absorption layer is The material is in the range of (m / 4 ± 1/8) times (m is a positive integer) times the wavelength of light in the material forming the light absorbing layer, and the thickness of the silicon rich layer is the material forming the silicon rich layer And the thickness of the germanium-rich layer is in the material forming the germanium-rich layer. The wavelength of light is within the range of ((2s-1) / 4 ± 1/8) times (s is a positive integer), and the thickness of the first silicon layer is / 2 ± 1/8 times (p is a positive integer), and the thickness of the oxide film layer is ((2q-1) / 4) of the wavelength of light in the material forming the oxide film layer. The surface light detector is characterized in that it is within a range of ± 1/8 times (q is a positive integer).
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記ペア層が奇数層積層され、mが偶数であることを特徴とする面型光検出器である。 Further, according to another aspect of the present invention, in the above-mentioned one aspect, the paired layers are stacked in an odd number, and m is an even number.
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記ペア層の積層数が1であり、mが8または10または12であることを特徴とする面型光検出器である。 Moreover, the other one aspect of this invention is a planar type | mold photodetector characterized by the lamination | stacking number of the said pair layer being 1 and m being 8 or 10 or 12 in the said one aspect.
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記ペア層が偶数層積層され、mが奇数であることを特徴とする面型光検出器である。 Another embodiment of the present invention is the surface type photodetector according to the above-mentioned embodiment, characterized in that the paired layers are stacked in even layers, and m is an odd number.
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記ペア層の積層数が2であり、mが7または9または11であることを特徴とする面型光検出器である。 In addition, according to another aspect of the present invention, in the above-mentioned one aspect, the number of stacked layers of the pair layer is 2, and m is 7 or 9 or 11.
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記光吸収層の上に位置するキャップ層を更に備え、前記キャップ層は、シリコンの組成比が0.9〜1のシリコン−ゲルマニウム化合物またはシリコンであり、前記キャップ層の厚みは、前記キャップ層を成す材料中の光の波長の(f/4±1/8)倍(fは0または正の整数)の範囲内である、ことを特徴とする面型光検出器である。 Moreover, the other one aspect of this invention is further provided with the cap layer located on the said light absorption layer in the said one aspect, and the said cap layer is a silicon-germanium with a composition ratio of 0.9-1 of silicon. The thickness of the cap layer is in the range of (f / 4 ± 1/8) times (f is 0 or a positive integer) times the wavelength of light in the material forming the cap layer; It is a surface-type light detector characterized in that.
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、fが0または偶数であることを特徴とする面型光検出器である。 Another aspect of the present invention is the planar light detector characterized in that f is 0 or an even number in the above one aspect.
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、fが0または2であることを特徴とする面型光検出器である。 Another aspect of the present invention is the planar light detector characterized in that f is 0 or 2 in the above one aspect.
また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、fが奇数であることを特徴とする面型光検出器である。 Another embodiment of the present invention is the surface type photodetector characterized in that f is an odd number in the above one embodiment.
本発明によれば、ゲルマニウム層が薄く、反射防止膜を要さず、入射光をほとんど反射しない高感度の光検出器を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a highly sensitive photodetector which has a thin germanium layer, which does not require an antireflective film, and which hardly reflects incident light.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は、本発明の第1の実施形態による面型光検出器20の構成を示す模式的な断面図である。図2に示すように、本実施形態の面型光検出器20は、光吸収層21と、その下のシリコンリッチ層28と、その下のゲルマニウムリッチ層27と、その下の第1のシリコン層22と、その下の酸化膜層23と、その下の第2のシリコン層24とを備える。第2のシリコン層24と酸化膜層23と第1のシリコン層22は、いわゆるSOIウエハの層構造を成す。面型光検出器20は、光吸収層21の上に上部クラッド層25を備えてもよい。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
光吸収層21を成す材料は、シリコンの組成比が0〜0.1のゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム化合物である。シリコンリッチ層28の材料は、シリコンの組成比が0.9〜1のシリコン−ゲルマニウム化合物またはシリコンである。ゲルマニウムリッチ層27の材料は、シリコンの組成比が0〜0.1のゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム化合物である。酸化膜層23の材料は、二酸化珪素である。
The material forming the
光吸収層21の厚みt21は、光吸収層21を成す材料中の光の波長の(m/4±1/8)倍(mは正の整数)の範囲内である。シリコンリッチ層28の厚みt28は、シリコンリッチ層28を成す材料中の光の波長の((2r−1)/4±1/8)倍(rは正の整数)の範囲内である。ゲルマニウムリッチ層27の厚みt27は、ゲルマニウムリッチ層27を成す材料中の光の波長の((2s−1)/4±1/8)倍(sは正の整数)の範囲内である。第1のシリコン層22の厚みt22は、第1のシリコン層22中の光の波長の(p/2±1/8)倍(pは正の整数)の範囲内である。酸化膜層23の厚みt23は、酸化膜層23を成す材料中の光の波長の((2q−1)/4±1/8)倍(qは正の整数)の範囲内である。ただし、「a±bの範囲内」とは、a−bより大きくa+bより小さい数値範囲を意味する。
The thickness t 21 of the
第1の実施形態による面型光検出器20の動作は次の通りである。
The operation of the
シリコンリッチ層28とゲルマニウムリッチ層27と第1のシリコン層22と酸化膜層23は、光吸収層21の中から第2のシリコン層24に向かって伝搬する光に対して、高反射膜の働きをする。この高反射膜が最も高い反射率を示すのは、シリコンリッチ層28の材料がシリコンであり、ゲルマニウムリッチ層27の材料がゲルマニウムであり、更に各層の厚さが、上記の各式において誤差を表す項である(±1/8)倍の項を含まない丁度の値をとる場合であって、その場合の光の電力反射率は、0.69となる。シリコンリッチ層28とゲルマニウムリッチ層27は、本発明において新たに導入された層である。真空中の光の波長を1310nm、当該波長におけるシリコンおよびゲルマニウムの屈折率をそれぞれ3.505および4.3とし、またr=1、s=1とすると、上記の最大反射率を与える条件の下では、シリコンリッチ層28の厚さt28とゲルマニウムリッチ層27の厚さt27はそれぞれ93nm、76nmであり、両者を合わせた厚さ(t28+t27)は170nm(93nmと76nmの合計である169nmとの差は、四捨五入の操作による)である。シリコンリッチ層28とゲルマニウムリッチ層27を有さない場合の電力反射率は0.57であるので、0.12だけ反射率が向上している。
The silicon
このように、シリコンリッチ層28とゲルマニウムリッチ層27を導入することによって、光吸収層21の裏面(すなわち光吸収層21とシリコンリッチ層28との境界面)側の反射率を向上させることができる。裏面反射率の向上は、光吸収層21の裏面側に抜けて損失となる光を低減する効果がある。また、シリコンリッチ層とゲルマニウムリッチ層のペア(以降、「反射層ペア」と呼ぶことにする)の数を増やすと、更に裏面反射率を向上させることが可能である。ただし、ペアの数の分だけシリコンリッチ層とゲルマニウムリッチ層を合わせた厚さが増加することに注意しなければならない。1つのペアだけならば、2層の厚さの合計の170nmだけ増える。
Thus, by introducing the silicon
さて、このように光吸収層21の裏面側の反射率を高めることによって、裏面透過光による損失は低減するが、ただ裏面透過光を減らすだけでは、光吸収層21の裏面で反射され光吸収層21を通って戻る光が、入射側(すなわち上部クラッド層25の側)に通り抜けてしまう。そこで、この通り抜けた光の位相と、光吸収層21の表面(すなわち光吸収層21と上部クラッド層25との境界面)で反射されて入射側に戻る光の位相とが逆位相となるように、光吸収層21の厚みt21を設定する。光吸収層21の裏面と表面からの2つの反射戻り光の位相を逆位相にすることによって、両者の間で破壊的な干渉が起こり、光吸収層21の表面から入射側に戻る最終的な反射光が減る。光吸収層21の表面からの最終的な反射光が最小になるのは、破壊的な干渉をする2つの反射戻り光の強度が等しい場合であるが、それは、光吸収層21の表面および裏面の反射率と、光吸収層21を成す光吸収媒体(すなわち、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム化合物)の吸収係数とに依存する。
By increasing the reflectance on the back surface side of the
上部クラッド層25が二酸化珪素であるとして理論解析と有限差分時間領域(FDTD)電磁界シミュレーション行った結果、真空中の光の波長が1310nmである場合には、光吸収層21の厚みt21を表す上記式における整数mが偶数、特にm=8,10,12といった値をとるときに、光受信器として良好な結果が得られることが分かった。波長1310nmにおけるゲルマニウムの屈折率は4.3であり、したがって光吸収層21の中での光の波長は305nmであるから、波長のm/4倍に対応する光吸収層21の厚みt21は、m=8,10,12のそれぞれに対し609nm,762nm,914nmと計算される。尚、光吸収層21の厚みt21は、前述の式で表されるように、波長のm/4倍に対応する厚みを基準として波長の1/8倍に相当する±76nmの偏差を有してもよい。
As a result of theoretical analysis and finite difference time domain (FDTD) electromagnetic field simulation conducted that the
また、シミュレーションの結果、光吸収層21の表面における最終的な反射損失は、m=8のときに0.2%と最も小さくなったが、透過損失は25%であったので、全体の光損失は約25%であった。一方、m=12のときには、反射損失は1.9%となってm=8の場合の約10倍に増えるが、透過損失は17%に減り全体の光損失は約19%となって、全体の光損失ではm=8の場合よりも6%低下した。従って、反射光を最小にするためにはm=8を選択するのがよく、また、光送信器の反射戻り光に対する耐性が高い場合には、m=12を選択することで光受信器としての受光感度を高くすることができる。
In addition, as a result of simulation, the final reflection loss on the surface of the
上述したようにシリコンリッチ層28の厚さt28は93nm、ゲルマニウムリッチ層27の厚さt27は76nmであり、m=8の場合には光吸収層21(ゲルマニウム層)の厚さt21は609nmであるので、これら3層の厚さの合計(t21+t27+t28)は、778nmとなる。またm=10及び12の場合には、光吸収層21の厚さはそれぞれ762nm、914nmであるので、これら3層の厚さの合計は、それぞれ931nm,1083nmとなる。
As described above, the thickness t 28 of the silicon
シリコンリッチ層28とゲルマニウムリッチ層27による反射層ペアを1組だけではなく、2組以上としてもよい。ただし、反射層ペアの数が偶数の場合には、光吸収層21の表面からの最終的な反射光が小さくなるのはmが奇数のときであることが、理論解析とFDTDシミュレーションによる確認で分かった。反射層ペアが2組でありかつm=7の場合、反射損失および透過損失はそれぞれ0.2%,25%であり、それらを合わせた全体損失は約25%であり、2組の反射層ペアと光吸収層21の総厚は871nmであった。同様にm=9の場合には、反射損失および透過損失はそれぞれ0.7%,20%であり、それらを合わせた全体損失は約21%であり、2組の反射層ペアと光吸収層21の総厚は1023nmであった。更にm=11の場合には、反射損失および透過損失はそれぞれ1.9%,17%であり、全体損失は約19%であり、2組の反射層ペアと光吸収層21の総厚は1176nmであった。
The reflective layer pair of the silicon
尚、上部クラッド層25の材料は二酸化珪素だけでなく、窒化珪素や酸化窒化ケイ素や他の材料であってもよく、利用できる成膜装置に応じて、適宜選択されるべきである。
The material of the
次に、図3を参照し、第1の実施形態による層構造を適用した具体的な実施例である面型光検出器30の製造方法について説明する。図3は完成した面型光検出器30の断面構造を示す。図3において、面型光検出器30の基本的な積層構造は図2に示した面型光検出器20の積層構造と同じであるが、面型光検出器30は、面型光検出器20の構成に加えて更にp電極(31a,31b)とn電極(32a,32b)を備えている。
Next, with reference to FIG. 3, a method of manufacturing the planar
面型光検出器30を作製するためのウエハとして、第1のシリコン層(SOI層)32と酸化膜層(BOX層)33と第2のシリコン層34とから成るSOIウエハを使用した。SOIウエハの各層の厚さは、酸化膜層33の厚みを2942nm、第1のシリコン層32の厚さを187nmとした。作製工程では、初めに、SOI層32の一部領域(次工程でゲルマニウムとシリコンの多層膜を選択エピタキシャル成長させることになる領域)にp型イオン注入を行い、活性化アニールを行った。次に、SOIウエハ上に100nmの厚さの酸化膜(不図示)を堆積し、酸化膜上にリソグラフィによって上記一部領域にだけ穴の開いたマスクパターン(不図示)を形成し、このマスクパターンを利用して酸化膜に穴をあけるエッチング加工を行った。次に、酸化膜の穴の部分において、SOI層32上にゲルマニウムとシリコンの多層膜を選択エピタキシャル成長させることにより、ゲルマニウムリッチ層37、シリコンリッチ層38、および光吸収層31を順次形成した。次に、エピタキシャル成長層の領域にn型イオン注入を行い、活性化アニールを行った。次に、SOI層32およびエピタキシャル成長層(ゲルマニウムリッチ層37、シリコンリッチ層38、および光吸収層31)を覆うように、二酸化珪素からなる上部クラッド層35を堆積した。次に、エピタキシャル成長層の内側の外周部と外側の近傍にコンタクトホール(不図示)を形成し、コンタクトホール内部にアルミ電極(31a,31b,32a,32b)を形成した。最後に保護膜として酸化膜35を堆積した。
As a wafer for producing the planar
第1の実施形態では、光吸収層であるゲルマニウムの直上に酸化膜を堆積する構造とした。しかし、CMOS製造ラインによっては、ゲルマニウム成長装置以外の製造装置へのゲルマニウムによる汚染を防ぐために、ゲルマニウムのエピタキシャル成長から連続してシリコンの成長を行い、ゲルマニウムが直接外部に晒されるような状況を作らないことを求められることがある。そのような場合に光受信器の受光感度が低下する問題を解決することが可能な、他の実施形態について次に説明する。 In the first embodiment, an oxide film is deposited directly on the light absorption layer germanium. However, some CMOS production lines do not create a situation where silicon is grown continuously from epitaxial growth of germanium in order to prevent contamination of germanium with production equipment other than germanium growth equipment, and germanium is directly exposed to the outside. You may be asked to Next, another embodiment capable of solving the problem that the light receiving sensitivity of the light receiver decreases in such a case will be described below.
図4は、本発明の第2の実施形態による面型光検出器40の構成を示す模式的な断面図である。図4に示すように、本実施形態の面型光検出器40の層構造は、図2に示した面型光検出器20の層構造とほとんど同じである。すなわち、図4における光吸収層41、シリコンリッチ層48、ゲルマニウムリッチ層47、第1のシリコン層42、酸化膜層43、第2のシリコン層44、および上部クラッド層45は、それぞれ図2における光吸収層21、シリコンリッチ層28、ゲルマニウムリッチ層27、第1のシリコン層22、酸化膜層23、第2のシリコン層24、および上部クラッド層25に対応する。本実施形態の面型光検出器40は、面型光検出器20の構成に加えて更に、光吸収層41の上にキャップ層46を備える。キャップ層46を成す材料は、シリコンの組成比が0.9〜1のシリコン−ゲルマニウム化合物またはシリコンである。キャップ層46が光吸収層41の構成材料であるゲルマニウムの直接暴露を防ぐことを目的としている場合、キャップ層46はシリコンであることが望ましい。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a
キャップ層46の厚みt46は、キャップ層46を成す材料中の光の波長の(f/4±1/8)倍(fは0または正の整数)の範囲内である。理論解析とFDTDシミュレーションの結果、fが0または偶数であれば、キャップ層46は面型光検出器40(光吸収層41)の反射率や透過率にほとんど影響を及ぼさないことが確認された。ここで、キャップ層46を構成するシリコンが光吸収に寄与しないことを考慮すれば、fは0または2であることが望ましい。例えば、真空中の光の波長を1310nmとすると、当該波長におけるシリコンの屈折率は3.505であり、したがってキャップ層46の中での光の波長は374nmであるから、f=0の場合には、上記式における波長の(1/8)倍の誤差項により、キャップ層46は最大で47nmの厚みとなる。また、f=2の場合には、キャップ層46は140〜234nmの間の厚みとなる。
The thickness t 46 of the
一方、理論解析とFDTDシミュレーションから、fが奇数であれば、キャップ層46が無い構造よりも全体の光損失を低減できるということが分かった。キャップ層46の材料がシリコンでありかつf=1であるとすると、キャップ層46の厚さは93nmとなる。図5はこの場合における、面型光検出器40の層構造に入射した光の電力透過率および電力反射率の時間変化のFDTDシミュレーション結果を示している。図示されるように、十分に時間が経過した後では、入射光の反射率は0.2%、透過率は12%であり、全体の光損失は約12%まで下がった。ただし、光吸収層41の厚さは1588nm(m=17)であり、この光吸収層41と1組の反射層ペアとを合わせた厚さは、1757nmとやや厚くなった。それでも、この面型光検出器40は、更に反射防止膜を積層する必要が無いため、他の光機能素子への影響を気にしなくてよい、というメリットを有する。
On the other hand, it was found from theoretical analysis and FDTD simulation that if f is an odd number, the overall light loss can be reduced as compared with the structure without the
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, A various change is possible in the range which does not deviate from the summary.
20、30、40 面型光検出器
21、31、41 光吸収層
22、32、42 第1のシリコン層
23、33、43 酸化膜層
24、34、44 第2のシリコン層
25、35、45 上部クラッド層
27、37、47 ゲルマニウムリッチ層
28、38、48 シリコンリッチ層
31a、31b p電極
32a、32b n電極
46 キャップ層
20, 30, 40
Claims (6)
前記光吸収層は、シリコンの組成比が0〜0.1のゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム化合物であり、
前記シリコンリッチ層は、シリコンの組成比が0.9〜1のシリコン−ゲルマニウム化合物またはシリコンであり、
前記ゲルマニウムリッチ層は、シリコンの組成比が0〜0.1のゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム化合物であり、
前記光吸収層の厚みは、前記光吸収層を成す材料中の光の波長の(m/4±1/8)倍(mは正の整数)の範囲内であり、
前記シリコンリッチ層の厚みは、前記シリコンリッチ層を成す材料中の光の波長の((2r−1)/4±1/8)倍(rは正の整数)の範囲内であり、
前記ゲルマニウムリッチ層の厚みは、前記ゲルマニウムリッチ層を成す材料中の光の波長の((2s−1)/4±1/8)倍(sは正の整数)の範囲内であり、
前記第1のシリコン層の厚みは、シリコン中の光の波長の(p/2±1/8)倍(pは正の整数)の範囲内であり、
前記酸化膜層の厚みは、前記酸化膜層を成す材料中の光の波長の((2q−1)/4±1/8)倍(qは正の整数)の範囲内であり、
前記ペア層が奇数層積層され、mが8または10または12である、
ことを特徴とする面型光検出器。 A light absorbing layer, at least one pair of layers located under the light absorbing layer and comprising a silicon rich layer and a germanium rich layer, a first silicon layer located under the pair layer, and A surface light detector comprising an oxide film layer located under the silicon layer of the second layer and a second silicon layer located under the oxide film layer,
The light absorbing layer is germanium or a silicon-germanium compound having a composition ratio of silicon of 0 to 0.1,
The silicon rich layer is a silicon-germanium compound having a composition ratio of silicon of 0.9 to 1, or silicon.
The germanium rich layer is germanium or a silicon-germanium compound having a composition ratio of silicon of 0 to 0.1,
The thickness of the light absorbing layer is in the range of (m / 4 ± 1/8) times (m is a positive integer) the wavelength of light in the material forming the light absorbing layer,
The thickness of the silicon rich layer is in the range of ((2r-1) / 4 ± 1/8) times (r is a positive integer) the wavelength of light in the material forming the silicon rich layer,
The thickness of the germanium rich layer is in the range of ((2s-1) / 4 ± 1/8) times (s is a positive integer) the wavelength of light in the material forming the germanium rich layer,
The thickness of the first silicon layer is in the range of (p / 2 ± 1/8) times (p is a positive integer) times the wavelength of light in silicon,
The thickness of the oxide layer, Ri range der of the wavelength of light in the material constituting the oxide film layer ((2q-1) / 4 ± 1/8) times (q is a positive integer),
The paired layers are stacked in odd layers, and m is 8 or 10 or 12.
A planar light detector characterized by
前記光吸収層は、シリコンの組成比が0〜0.1のゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム化合物であり、The light absorbing layer is germanium or a silicon-germanium compound having a composition ratio of silicon of 0 to 0.1,
前記シリコンリッチ層は、シリコンの組成比が0.9〜1のシリコン−ゲルマニウム化合物またはシリコンであり、The silicon rich layer is a silicon-germanium compound having a composition ratio of silicon of 0.9 to 1, or silicon.
前記ゲルマニウムリッチ層は、シリコンの組成比が0〜0.1のゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム化合物であり、The germanium rich layer is germanium or a silicon-germanium compound having a composition ratio of silicon of 0 to 0.1,
前記光吸収層の厚みは、前記光吸収層を成す材料中の光の波長の(m/4±1/8)倍(mは正の整数)の範囲内であり、The thickness of the light absorbing layer is in the range of (m / 4 ± 1/8) times (m is a positive integer) the wavelength of light in the material forming the light absorbing layer,
前記シリコンリッチ層の厚みは、前記シリコンリッチ層を成す材料中の光の波長の((2r−1)/4±1/8)倍(rは正の整数)の範囲内であり、The thickness of the silicon rich layer is in the range of ((2r-1) / 4 ± 1/8) times (r is a positive integer) the wavelength of light in the material forming the silicon rich layer,
前記ゲルマニウムリッチ層の厚みは、前記ゲルマニウムリッチ層を成す材料中の光の波長の((2s−1)/4±1/8)倍(sは正の整数)の範囲内であり、The thickness of the germanium rich layer is in the range of ((2s-1) / 4 ± 1/8) times (s is a positive integer) the wavelength of light in the material forming the germanium rich layer,
前記第1のシリコン層の厚みは、シリコン中の光の波長の(p/2±1/8)倍(pは正の整数)の範囲内であり、The thickness of the first silicon layer is in the range of (p / 2 ± 1/8) times (p is a positive integer) times the wavelength of light in silicon,
前記酸化膜層の厚みは、前記酸化膜層を成す材料中の光の波長の((2q−1)/4±1/8)倍(qは正の整数)の範囲内であり、The thickness of the oxide film layer is in the range of ((2q-1) / 4 ± 1/8) times (q is a positive integer) the wavelength of light in the material forming the oxide film layer,
前記ペア層が偶数層積層され、mが7または9または11である、The paired layers are stacked in even layers, and m is 7 or 9 or 11,
ことを特徴とする面型光検出器。A planar light detector characterized by
前記キャップ層は、シリコンの組成比が0.9〜1のシリコン−ゲルマニウム化合物またはシリコンであり、
前記キャップ層の厚みは、前記キャップ層を成す材料中の光の波長の(f/4±1/8)倍(fは0または正の整数)の範囲内である、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の面型光検出器。 Further comprising a cap layer located on the light absorbing layer,
The cap layer is a silicon-germanium compound or silicon having a composition ratio of silicon of 0.9 to 1,
The thickness of the cap layer is in the range of (f / 4 ± 1/8) times (f is 0 or a positive integer) the wavelength of light in the material forming the cap layer.
The planar light detector according to claim 1 or 2 , wherein
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