JP6660338B2

JP6660338B2 - 光検出器

Info

Publication number: JP6660338B2
Application number: JP2017074695A
Authority: JP
Inventors: 浩太郎武田; 高橋　雅之; 雅之高橋; 健太郎本田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2020-03-11
Anticipated expiration: 2037-04-04
Also published as: JP2018181918A

Description

本発明は、光検出器に関し、特に、光通信システムや光情報処理システムにおいて用いられる光検出器を提供するための構造に関する。

近年の光通信の普及に伴い、光通信装置の低コスト化が求められている。その解決策の１つとして、光通信装置を構成する光回路を、シリコンウエハのような大口径ウエハ上に、シリコンフォトニクスのような微小光回路技術を用いて形成する方法がある。これにより、１チップあたりの材料費を劇的に下げ、光通信装置の低コスト化を図ることができる。

このような技術を用いたシリコン（Ｓｉ）基板上に形成する代表的な光検出器としては、モノリシック集積が可能なゲルマニウム光検出器（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ、以下、ＧｅＰＤと呼ぶ)がある。図１に、従来の導波路結合型の縦型ＧｅＰＤの構造を模式的に示す。図２に、図１の導波路結合型の縦型ＧｅＰＤの構造における点線Ｉ−Ｉ’の断面図を示す。尚、構造を分かり易くするために、図１では、図２に示すクラッド層１０３を省略し、電極１１６〜１１８がｐ＋＋Ｓｉ電極部１１２、ｐ＋＋Ｓｉ１１３およびｎ型Ｇｅ領域１１５に接する位置のみ四角で示している。

特許５３７０８５７号公報

ＧｅＰＤは、Ｓｉ基板、Ｓｉ酸化膜、表面Ｓｉ層からなるＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板にリソグラフィ技術等を用いて形成される。図２に示すＧｅＰＤ１００は、Ｓｉ基板１０１と、Ｓｉ基板上のＳｉ酸化膜からなる下部クラッド層１０２と、シリコンコア層１１０と、シリコンコア層１１０上に形成された光を吸収するＧｅ層１１４と、シリコンコア層１１０およびＧｅ層１１４上に形成された、絶縁物からなる上部クラッド層１０３を備える。

図１の上面図のように、シリコンコア層１１０は、光が導波するシリコン導波路層１２０とＧｅ層１１４等の下層にあるシリコンスラブ層１２１とに分けられる。

シリコンスラブ層１２１へはｐ型不純物イオンがドーピングされたｐ型Ｓｉ領域１１１、およびｐ型不純物が高濃度にドーピングされ、電極として作用するｐ＋＋シリコン電極部１１２、１１３が形成されている。Ｇｅ層１１４は、エピタキシャル成長によって積層され、その上部にｎ型不純物がドーピングされたｎ型Ｇｅ領域１１５が形成されている。そして、ｐ＋＋シリコン電極部１１２、ｐ＋＋シリコン電極部１１３およびｎ型Ｇｅ領域１１５上には、上部クラッド層１０３内のコンタクトホールを介してそれらに接するように電極１１６〜１１８を備える。

図１のＧｅＰＤ１００は、シリコン導波路層１２０からシリコンスラブ層１２１に光が入射されてＧｅ層１１４で光が吸収されると、電極１１７と電極１１６、電極１１７と電極１１８との間に、それぞれ、光電流が流れる。そうして、その電流を検出することで光を検出することができる。

図２にＧｅＰＤ１００を示す。このＧｅＰＤ１００は、高パワーの光入力に耐えられないという課題を有している。図３のグラフ２００はＧｅＰＤ１００のＧｅ層１１４の底面を熱源としてパワーを変化させていく熱解析を行った時のＧｅ層１１４の温度をプロットしたグラフである。光入力によってＧｅＰＤに与えられるパワーは、図３のグラフ２００の熱源のパワーであると言える。シリコン上に成長したゲルマニウムは実験から６００〜８００（６００以上８００以下）℃程度で融解しフォトダイオードとしての機能を失うことがわかっている。特に図１，図２のような導波路型ＧｅＰＤはＧｅ層１１４のうち、導波路に近い部分が集中的に光吸収するため、図１の領域１１９付近が融解してしまう。図３のグラフ２００では７５〜１００（７５以上１００以下）ｍＷ程度のパワーをＧｅＰＤに与えると、Ｇｅ層１１４は当該融解温度に達する。一方でメトロ系ネットワークの受信機では上記の範囲のパワーがＧｅＰＤに与えられる可能性がある。

光入力によってＧｅＰＤに直接与えられるパワーは、厳密には光吸収によってＧｅＰＤ内に流れる電流（入力光パワーと感度の掛け算）と、ＧｅＰＤに掛かっている電圧とを用いた以下の式１で算出される。
Ｗ₀ ＝ＰＶ_gｒ・・・（式１）
Ｗ₀: ＧｅＰＤに与えられるパワー、Ｐ: 入力光パワー、ｒ: ＧｅＰＤの感度、Ｖ_g:ＧｅＰＤに掛かっている電圧

従ってＧｅＰＤに掛かっている電圧が大きいほど、より弱い入力光パワーを与えられた時でも、ＧｅＰＤに与えられるパワーが７５〜１００（７５以上１００以下）ｍＷといった値に達しゲルマニウムは融解しフォトダイオードとしての機能を失ってしまう。このため、高い光入力パワーを与えられるＧｅＰＤには、掛ける電圧を抑えて運用することが一般的である。

一方で、複数の電源を用意することは回路規模を増大させることに繋がるため、小型集積された光デバイスではＰＤに掛ける電圧を他の電子デバイスの電源電圧と共通化することがある。この時、ＰＤに掛かる電圧は最大の入力光パワーの値を考慮して設計された値から外れるため、運用によってはＧｅＰＤに与えられるパワーが７５〜１００（７５以上１００以下）ｍＷといった値に達し、ゲルマニウムが融解し機能を損失することがある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、アッテネータやスイッチなどの追加部品を必要とせず、また、ＧｅＰＤに掛かる電圧がどんな値であったとしても、１００ｍＷ程度までの高パワー入力にも耐えられるＧｅＰＤを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。図４に示すように、ＧｅＰＤ１００の電極１１７に電圧降下手段１３０を備える。電圧降下手段１３０はＧｅＰＤのアノードかカソードのどちらかについていればよいので、電極１１６や電極１１８に接続されていても良い。

また、電圧降下手段は結果的に電圧が降下する素子であればどのような手段を用いても良いため、単一の抵抗などに限定されない。電圧降下手段が何等かの機能を有していても良い。

本発明の光検出器の一様態は、シリコン基板と、前記シリコン基板上の下部クラッド層と、前記下部クラッド層上の第一の導電型不純物を含むシリコン領域を含むシリコンスラブ層と、前記シリコンスラブ層に接続されたシリコン導波路層と、前記シリコンスラブ層上の第二の導電型不純物を含むゲルマニウム領域を含むゲルマニウム層と、前記シリコンスラブ層及び前記ゲルマニウム層上の上部クラッド層と、前記シリコン領域又は前記ゲルマニウム領域に、それぞれ、前記上部クラッド層中のコンタクトホールを介して接続された電極と、を有する光検出器において、前記シリコン領域又はゲルマニウム領域に、それぞれ、接続した電極のうちいずれか一方に、電圧降下手段が直列に接続されていることを特徴する光検出器である。

前記電圧降下手段は、抵抗体であってもよい。

前記抵抗体は、金属、金属化合物または不純物を含んでいてもよい。

また、前記シリコン領域またはゲルマニウム領域に電気的に接続した前記電極のうち他方に、トランスインピーダンスアンプを接続してもよい。

さらに、前記電圧降下手段と電極の間に容量が電気的に接続され、前記電圧降下手段は接地されていてもよい。

従来の縦型ＧｅＰＤと比較し、高パワー入力（１００ｍＷ程度）にも耐えられるＧｅＰＤを提供できる。

従来の縦型ＧｅＰＤの上面図である。図１、図４及び図５の点線Ｉ−Ｉ’におけるＧｅＰＤの断面図である。図１及び図２で示した一般的な縦型ＧｅＰＤの熱計算モデルと解析結果である。本発明の光検出器の上面図である。本発明の実施例１の光検出器の上面図である。本発明の実施例１の光検出器において抵抗体を不純物ドーピングで作製した時のＩＩ―ＩＩ’面での断面図である。本発明の実施例１の光検出器において抵抗体を金属または金属酸化物で作製した時のＩＩ―ＩＩ’面での断面図である。本発明の実施例２の光検出器の構成を示す上面図である。本発明の実施例３の光検出器の構成を示す上面図である。本発明の実施例３の光検出器の回路図である。

以下、本発明の光変調器の形態について、図を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施の形態に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。

（実施例１）
本実施例では、図５に、本発明の電圧降下手段１３０としてシリコンスラブ層１２１の上に形成された抵抗１３２を用いた例を示す。抵抗１３２はシリコンスラブ層１２１に不純物をドープして作製した抵抗体や、金属を塗布して作製した金属抵抗体である。抵抗値は目的とする最大入力光パワーＰ₁ ＝Ｗ／ r(Ｖ_go ― Ｖ_g1) に対して決まる。Ｐ₁：最大光入力定格の値など、目的となる最大光入力パワー。Ｗ：最大入力パワー。（今回であれば７５〜１００（７５以上１００以下）ｍＷ）。Ｖ_go：ＧｅＰＤに掛けているバイアス。ｒ：ＧｅＰＤの感度。Ｖ_g1：Ｒ r Ｐ₀。Ｒ：抵抗１３２の抵抗値。Ｐ₀: 入力光パワー。ただし抵抗値は光パワーＰ₀を入力した時の電圧降下値Ｖ_g1 = ＲrＰ₀の値とＶ_goの差の値が、光パワーに対して感度ｒが線形性を保てるバイアス電圧Ｖ_thより小さくならないようにする必要がある（Ｖ_go ― Ｖ_g1 ＞Ｖ_th）。一般にＧｅＰＤではＶ_thは０ｄＢｍ程度までの入力に対しては１〜１．５ V程度になる。従って、抵抗１３２の抵抗値は最大入力光パワーＰ₁と感度ｒが線形性を保てるバイアス電圧Ｖ_thが示す設計条件を満たす値である必要がある。

図６に抵抗１３２をシリコンスラブ層１２１に不純物をドープして作った抵抗体としたときの図５のＩＩ−ＩＩ’面での断面図を示す。また、図７に抵抗１３２をシリコンスラブ層１２１に金属抵抗体を塗布して作った抵抗体としたときの図５のＩＩ−ＩＩ’面での断面図を示す。

本実施例では、電圧降下手段１３０を備えた本発明の光検出器に光が入力された時、電流は電極１１６，電極１１８と電極１３１の間に流れる。同時に電圧降下手段１３０にも電流が流れるため、電圧降下手段１３０では電圧降下が起こる。電圧降下が起こると、ＧｅＰＤ１００に掛かる電圧Ｖ_gも下がるため、ＧｅＰＤに与えられるパワーＷは下がる。

例えば、ある電圧Ｖ_goを電極１３１と電極１１６，電極１１８との間に与えた時、式１に従い、ゲルマニウムが融解するパワーに到達するための入力光パワーＰ₀（＝Ｗ／ r Ｖ_go）が決まる。しかしながら実際に入力光パワーがＰ₀に近づくと、光電流が増大し、これに伴い電圧降下手段１３０によって電圧降下（Ｖ_g1と定める。Ｖ_g1 ＝Ｒ r Ｐ₀）が起きる。

電圧降下が起きた後の状態での式１から求められるゲルマニウムが融解する入力光パワーＰ₁（＝Ｗ／ r（Ｖ_go−Ｖ_g1））は、Ｐ₀より大きくなる。

光入力パワーがＰ₁に近づくと同様の現象が起き、ゲルマニウムが融解する入力光パワーはＰ₁より大きくなる。すなわち、入力光パワーがどれだけ大きくなろうと、電圧降下手段１３０による電圧降下によってＧｅＰＤに掛かる電圧が下がってゆくため、ゲルマニウムが融解する入力光パワーには到達しない。この現象は電圧降下手段１３０の電圧降下によってＧｅＰＤに掛かる電圧が０になるまで（Ｖ_go−Ｖ_g1 ＝０）継続する。従って、本発明の光検出器は、ＧｅＰＤにどんな値の電圧を掛けていようと、入力光パワー耐性をＧｅＰＤに掛ける電圧が０の時の値にまで伸ばすことが出来る。ＧｅＰＤに掛かる電圧が０の場合は、式１；Ｗ＝ＰＶ_g ｒ（Ｗ: ＧｅＰＤに与えられるパワー、Ｐ: 入力光パワー、ｒ: ＧｅＰＤの感度、Ｖ_g:ＧｅＰＤに掛かっている電圧）からＧｅＰＤに与えられるパワーが限りなく小さくなるため、ＧｅＰＤが入力光パワーに対して非常に高い耐性を持つこととなる。

本実施例を用いて、高パワー入力（１００ｍＷ程度）にも耐えられるＧｅＰＤを提供できる。

（実施例２）
本実施例では、図８は本発明の抵抗１３２を回路１３６の中に集積した例を示している。回路１３６は信号増幅のためのトランスインピーダンスアンプ１３３と抵抗１３５で形成されている。電源１３４はトランスインピーダンスアンプ１３３に電力供給するためと、ＧｅＰＤ１００にバイアスを掛けるためにある。この電源１３４と電極１１７を繋ぐ配線の間に抵抗１３５を配置することで本発明の電圧降下手段１３０と同じ効果が望める。抵抗１３５は回路の内部抵抗で形成されていても良いし、チップコンデンサのように集積されていても良い。ＧｅＰＤの高速特性を保つために、トランスインピーダンスアンプ１３３が電極１１６、１１８に接続されているときは抵抗１３５は電極１１７に、トランスインピーダンスアンプ１３３が電極１１７に接続されているときは抵抗１３５は電極１１６及び電極１１８に接続される必要がある。また、抵抗１３５の抵抗値は実施例１と同じ条件を満たす必要がある。

（実施例３）
本実施例では、図９は実施例１の抵抗を備えたＧｅＰＤの電圧降下手段１３０（抵抗１３２）と電極１１７の間に回路図的に容量１３７を挿入した例を示している。容量１３７は電極１３８を通じて接地される。本図で記されている容量１３７は紙面垂直方向上面に電極の一方を、紙面垂直横行した面に電極のもう一方を持つ容量を示している。電極１１７と容量１３７は、接続電極１３９を介して接続されている。図１０は、図９を回路図に表した例である。ＧｅＰＤ１００は抵抗１３２との間に容量１３７を備え、容量１３７は接地される。抵抗１３２はＧｅＰＤ１００の内部抵抗や、後段のトランスインピーダンスの入力抵抗値より小さくなるとは限らないため、実施例１では、ＣＲ時定数の関係から抵抗１３２を挿入したことによりＧｅＰＤ１００の高速特性を劣化させる場合がある。

本実施例では、ＧｅＰＤが受けた高速信号は容量１３７を通ってグランドへ結合することを特徴とする。そのため、高速信号から見た抵抗はＧｅＰＤの内部抵抗またはトランスインピーダンスアンプの入力抵抗値になるため、ＧｅＰＤの高速特性を劣化させることが無くなる。なお、容量１３７はチップコンデンサでもよいし、シリコンスラブ層１２１の上に不純物ドーピングで作られた容量でもよい。

（実施例４）
実施例１から実施例３に記載された光検出器は、電話機など電子機器に設けられた表示部へ適用することが可能である。

本発明は、フォトダイオードに掛かる電圧がどんな値であったとしても、１００ｍＷ程度までの高パワー入力にも耐えられるフォトダイオードを作製する技術に適用することができる。

１００ＧｅＰＤ
１０１Ｓｉ基板
１０２下部クラッド層
１０３上部クラッド層
１１０シリコンコア層
１１１ｐ型Ｓｉ領域
１１２ｐ＋＋Ｓｉシリコン電極部
１１３ｐ＋＋Ｓｉシリコン電極部
１１４光を吸収するＧｅ層
１１５ｎ型Ｇｅ領域
１１６〜１１８電極
１１９領域
１２０シリコン導波路層
１２１シリコンスラブ層
１３０電圧降下手段
１３１電極
１３２抵抗
１３３トランスインピーダンスアンプ
１３７容量
１３８電極
１３９接続電極
２００グラフ

Claims

シリコン基板と、
前記シリコン基板上の下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上の第一の導電型不純物を含むシリコン領域を含むシリコンスラブ層と、
前記シリコンスラブ層に接続されたシリコン導波路層と、
前記シリコンスラブ層上の第二の導電型不純物を含むゲルマニウム領域を含むゲルマニウム層と、
前記シリコンスラブ層及び前記ゲルマニウム層上の上部クラッド層と、
前記シリコン領域又は前記ゲルマニウム領域に、それぞれ、前記上部クラッド層中のコンタクトホールを介して接続された電極と、
を有する光検出器において、
前記シリコン領域または前記ゲルマニウム領域に、それぞれ、接続した電極のうちいずれか一方に、電圧降下手段が直列に接続され、かつ、
前記光検出器に掛けるバイアスをＶ _go とし、光パワーを前記光検出器に入力した時の電圧降下値をＶ _g1 とし、前記光パワーに対して感度が線形性を保つことができるバイアス電圧をＶ _th とすると、
式Ｖ _go― Ｖ _g1 ＞Ｖ _th
の関係が成り立つ、
ことを特徴する光検出器。
請求項１に記載の光検出器であって、
前記電圧降下手段は、抵抗体であることを特徴とする光検出器。
請求項２に記載の光検出器であって、
前記抵抗体は、金属、金属化合物または不純物を含むことを特徴とする光検出器。
請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の光検出器であって、
前記シリコン領域または前記ゲルマニウム領域にそれぞれ接続した前記電極のうち他方の電極に、トランスインピーダンスアンプが接続することを特徴とする光検出器。
請求項１乃至請求項４いずれか一項に記載の光検出器であって、
前記電圧降下手段と電極の間に容量が接続され、
前記容量は接地されている、
ことを特徴とする光検出器。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光検出器であって、
第一の導電型不純物は、ｐ型の不純物であり、
第二の導電型不純物は、ｎ型の不純物である、
ことを特徴とする光検出器。