JP7115305B2 - 光検査回路 - Google Patents

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Description

本発明は、光回路の検査を行うための光検査回路に関する。
光回路の検査では、光回路に光を入力し、入力した光に対する光回路からの応答を測定する。この種の技術として、ウエハレベル検査が提案されている(特許文献1参照)。ところで、デバイスの経済化のために、光回路においてもシリコンフォトニクスデバイスが注目されている。シリコンフォトニクスの導入により製造コストは低減できる。しかしながら、抜本的にコストを下げるためには、検査コストの低減が必要であり、光回路におけるウエハレベル検査の高度化が求められている。
米国特許出願公開第2015/0214122号明細書
ウエハレベル検査において、光ファイバから光回路への光導入に時間を要するため、抜本的な価格低減が困難になっている。この時間を短縮するためには、光回路が形成されているウエハに、光源となる素子を集積すれば良い。しかしながら、光源となる素子は、一般には、直接遷移の化合物半導体から構成されており、シリコンウエハ上に集積して形成することは、それ自体が技術課題である。このように、従来では、光回路のウエハレベル検査に要する時間を短縮することが容易ではないという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光回路のウエハレベル検査に要する時間が短縮することを目的とする。
本発明に係る光検査回路は、基板の上に形成された、シリコンからなるコアを有する光導波路から構成された複数の光回路と、シリコンからなるコアを有する光導波路から構成されて複数の光回路の各々に光学的に接続する複数の第1光導波路と、シリコンからなるコアを有する光導波路から構成されて複数の光回路の各々に光学的に接続する複数の第2光導波路と、複数の第1光導波路に光学的に接続され、ゲルマニウムからなる活性層を備える1つの発光ダイオードと、複数の第2光導波路に光学的に接続され、ゲルマニウムからなる光吸収層を備える1つのフォトダイオードとを備える。
上記光検査回路の一構成例において、基板の上に形成された、複数の第1光導波路の各々のコアに連続する第1シリコン層を備え、活性層は、第1シリコン層の上に形成されている。
上記光検査回路の一構成例において、発光ダイオードは、第1シリコン層に形成された第1導電型の第1領域と、活性層と、活性層の上に形成された第2導電型の第1半導体層とを有し、活性層は、第1領域の上に形成されている。
上記光検査回路の一構成例において、第1半導体層は、第2導電型のゲルマニウムから構成されている。
上記光検査回路の一構成例において、基板の上に形成された、複数の第2光導波路のコアに連続する第2シリコン層を備え、光吸収層は、第2シリコン層の上に形成されている。
上記光検査回路の一構成例において、フォトダイオードは、第2シリコン層に形成された第1導電型の第2領域と、光吸収層と、光吸収層の上に形成された第2導電型の第2半導体層とを有し、光吸収層は、第2領域の上に形成されている。
上記光検査回路の一構成例において、光吸収層は、ゲルマニウムから構成されている。
上記光検査回路の一構成例において、第2半導体層は、第2導電型のゲルマニウムから構成されている。
以上説明したように、本発明によれば、第1光導波路に、ゲルマニウムからなる活性層を備える発光ダイオードを光学的に接続し、第2光導波路に、フォトダイオードを光学的に接続したので、光ファイバから光回路への光導入を省くことにより、光回路のウエハレベル検査に要する時間が短縮できる。
図1は、本発明の実施の形態1に係る光検査回路の構成を示す構成図である。 図2Aは、本発明の実施の形態1に係る光検査回路の一部構成を示す断面図である。 図2Bは、本発明の実施の形態1に係る光検査回路の一部構成を示す断面図である。 図3は、活性層151の平面視の寸法を8μm×25μmとした場合の、発光ダイオード105の光/電流特性を示す特性図である。 図4は、ゲルマニウムダイオードを受光器として用いる場合の電流電圧特性を示す特性図である。 図5は、本発明の実施の形態2に係る光検査回路の構成を示す構成図である。 図6は、本発明の実施の形態3に係る光検査回路の構成を示す構成図である。 図7は、本発明の実施の形態4に係る光検査回路の構成を示す構成図である。
以下、本発明の実施の形態に係る光検査回路について説明する。
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1に係る光検査回路について、図1,図2A,図2B,を参照して説明する。この光検査回路は、基板101の上に形成された光回路102a,光回路102bと、光回路102a,光回路102bに光学的に接続する第1光導波路103と、光回路102a,光回路102bに光学的に接続する第2光導波路104とを備える。本実施の形態に係る光検査回路においては、第1光導波路103および第2光導波路104も、基板101の上に形成されている。
光回路102a,光回路102b、第1光導波路103、第2光導波路104の各々は、基板101の上に形成されたシリコンからなるコアを有する、例えばリブ型の光導波路から構成されている。例えば、基板101は、よく知られたSOI(Silicon on Insulator)基板であり、基部211の上に埋め込み絶縁層212を備える。このSOI基板の表面シリコン層に上述したコアを形成することで、光回路102a,光回路102b、第1光導波路103、第2光導波路104の光導波路を構成することができる。
第1光導波路103に入力された光は、光分岐回路111により、光導波路112a,光導波路112bに分岐され、光減衰器113a,光減衰器113bおよび光導波路114a,光導波路114bを経由して、光回路102a,光回路102bに入力される。光回路102a,光回路102bより出力された光の各々は、光導波路115a,光導波路115bを経由して光合波回路116で合波され、第2光導波路104より出力される。
光回路102a,光回路102bは、例えば、互いに長さが異なる2つの光導波路である。光分岐回路111,光合波回路116は、例えば、マルチモード干渉計、または方向性結合器から構成できる。光回路102a,光回路102b、光分岐回路111、光減衰器113a,光減衰器113b、および上述した光導波路のコアは、SOI基板である基板101の上の表面シリコン層を、よく知られたフォトリソグラフィー技術、およびドライエッチング技術によるパターニングで形成することができる。
光減衰器113a,光減衰器113bは、例えば電流注入型の光減衰器である。この光減衰器は、例えばリブ型の光導波路構造とされ、このコアを挾むp型の領域およびn型の領域を備える横構造のpinダイオードから構成できる。これらの構造は、公知のフォトリソグラフィー技術、およびドライエッチング技術により、SOI基板である基板101の上の表面シリコン層をパターニングすることで作製することができる。また、p型の領域およびn型の領域は、イオン注入技術で作製できる。
また、光減衰器113aおよび光減衰器113bは、それぞれヒータ装荷マッハツェンダ干渉計型の光減衰器とすることもできる。マッハツェンダ干渉計は、公知のフォトリソグラフィー技術、およびドライエッチング技術による表面シリコン層のパターニングで作製できる。ヒータは、金属薄膜の堆積技術と、堆積した金属薄膜をフォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術でパターニングすることで作製できる。
また、この光検査回路は、第1光導波路103に光学的に接続された発光ダイオード105と、第2光導波路104に光学的に接続されたフォトダイオード106とを備える。
基板101の上には、第1光導波路103のコアに連続する第1シリコン層107を備え、この上に、発光ダイオード105が形成されている(図2A)。したがって、発光ダイオード105は、第1光導波路103に連続する光導波路の上に形成されていることになる。例えば、SOI基板から構成された基板101の表面シリコン層より、第1シリコン層107が形成できる。
より詳細に説明すると、発光ダイオード105は、第1シリコン層107に形成された第1導電型の第1領域150と、第1領域150の上に形成されたゲルマニウムからなる活性層151と、活性層151の上に形成された第2導電型の第1半導体層152とを有する。第1半導体層152は、第2導電型のゲルマニウム、または、第2導電型のシリコンから構成することができる。また、第1半導体層152は、シリコンゲルマニウム混晶層から構成することもできる。例えば、第1導電型は、p型であり、第2導電型は、n型である。また、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型とすることもできる。
また、発光ダイオード105は、第1領域150の、活性層151が形成されている箇所の両脇に、より高濃度に第1導電型不純物が導入された第1コンタクト領域153を有する。また、第1シリコン層107の上には、活性層151を埋め込むように絶縁層154が形成されている。
また、第1コンタクト領域153には、絶縁層154を貫通する第1貫通電極155が電気的に接続し、第1貫通電極155に電気的に接続する第1電極156が、絶縁層154の上に形成されている。また、第1半導体層152には、絶縁層154を貫通する第2貫通電極157が電気的に接続し、第2貫通電極157に電気的に接続する第2電極158が、絶縁層154の上に形成されている。第1貫通電極155,第2貫通電極157は、金属から構成されている。
基板101の上には、第2光導波路104のコアに連続する第2シリコン層108を備え、この上にフォトダイオード106が形成されている(図2B)。したがって、フォトダイオード106は、第2光導波路104に連続する光導波路の上に形成されていることになる。例えば、SOI基板から構成された基板101の表面シリコン層より、第2シリコン層108が形成できる。
詳細に説明すると、フォトダイオード106は、第2シリコン層108に形成された第1導電型の第2領域160と、第2領域160の上に形成された光吸収層161と、光吸収層161の上に形成された第2導電型の第2半導体層162とを有する。光吸収層161は、ゲルマニウムから構成することができる。第2半導体層162は、光吸収層161の上部に形成された第2導電型のゲルマニウム、または、光吸収層161の上に形成された第2導電型のシリコンから構成することができる。
また、フォトダイオード106は、第2領域160の、光吸収層161が形成されている箇所の両脇に、より高濃度に第1導電型不純物が導入された第2コンタクト領域163を有する。また、第2シリコン層108の上には、光吸収層161を埋め込むように絶縁層164が形成されている。
また、第2コンタクト領域163には、絶縁層164を貫通する第3貫通電極165が電気的に接続し、第3貫通電極165に電気的に接続する第3電極166が、絶縁層164の上に形成されている。また、第2半導体層162には、絶縁層164を貫通する第4貫通電極167が電気的に接続し、第4貫通電極167に電気的に接続する第4電極168が、絶縁層164の上に形成されている。
発光ダイオード105およびフォトダイオード106は、両者共に、ゲルマニウム層をi型とするpin型のゲルマニウムダイオードである。ゲルマニウムダイオードを光源(発光ダイオード105)として用いる場合、順方向に電流を注入する。一方、ゲルマニウムダイオードを受光器(フォトダイオード106)として用いる場合、逆方向に、バイアス電圧を印加し、光入射により光電変換された電流を取り出す。
実施の形態1における光検査回路において、発光ダイオード105から出射された光は、まず、光分岐回路111で分岐され、分岐された各々の光は、光減衰器113a,光減衰器113bに入射する。光減衰器113a,光減衰器113bから出射された光の各々は、光回路102a,光回路102bに入射される。光回路102a,光回路102bより出射した光は、光合波回路116で合波されて第2光導波路104より出力され、フォトダイオード106に入射する。
例えば、光減衰器113aでは、通過する光が減衰され、光減衰器113bでは、通過する光が減衰されない場合を考える。この場合、フォトダイオード106に入射する光は、光回路102aを通過した光となる。一方、光減衰器113aでは、通過する光が減衰されず、光減衰器113bでは、通過する光が減衰される場合を考える。この場合、フォトダイオード106に入射する光は、光回路102bを通過した光となる。光減衰器113aもしくは光減衰器113bのいずれかを減衰状態とし、他方を減衰状態としないことで、光回路102aと光回路102bとの透過特性の比が、フォトダイオード106より出力される電流比として測定(検査)できる。
上述した光検査回路は、検査対象となる複数の光回路に対し、単一の光源と単一の光検出器を用いている。ゲルマニウムダイオードを発光ダイオードとして用いる場合、電流/光特性が、個々のゲルマニウムダイオードで異なる。このため、複数のゲルマニウムダイオードを光検査回路の光源とすると、各々の光源の間の光出力の差異が大きく、検査結果における誤差が大きくなる。実施の形態1では、1つの発光ダイオード105を用い、この出射光を光分岐回路111により分岐することで、2つの光回路の検査を実現している。
上述したように、実施の形態1によれば、検査対象の光回路102a,光回路102bが形成されている基板101の上に、発光ダイオード105およびフォトダイオード106を備えるようにしたので、光回路への光導入に、光回路から出力される光の取り出しに時間をかけることがなく、光回路のウエハレベル検査に要する時間が短縮できるようになる。
ところで、ゲルマニウムダイオードにより発光ダイオード105は、光出力がpWレベルであり、一般的なレーザダイオードと比べ小さい。このため、フォトダイオード106における光電流と暗電流の信号強度比を大きく保つために、フォトダイオード106に印加するバイアス電圧は、十分に小さくする必要がある。
図3に、活性層151の平面視の寸法を8μm×25μmとした場合の、発光ダイオード105の光/電流特性を示す。この例では、100mAの電流注入時の光出力は、おおよそ100pWである。活性層151の平面視の寸法を40μm×55μmとすれば、1nW程度の光出力が見込める。
図4は、ゲルマニウムダイオードを受光器として用いる場合の電流電圧特性である。光電流変換効率は、概ね1A/Wである。また、ゼロバイアス時の暗電流は、50pA程度である。光分岐回路111の分岐損を3.5dB, 光減衰器113a,光減衰器113bの過剰損失を1dB、光回路102a,光回路102bの挿入損失を1~10dBとすると、フォトダイオード106からの光電流は28pA~280pAの範囲となり、検査に必要な測定範囲を得ることができる。
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2に係る光検査回路について、図5を参照して説明する。この光検査回路は、基板101aの上に形成された光回路202a,光回路202bと、光回路202a,光回路202bに光学的に接続する第1光導波路103と、光回路202a,光回路202bに光学的に接続する第2光導波路104とを有する。光回路202aは、導波長がより短い光導波路であり、光回路202bは、導波長がより長い光導波路である。光回路202a,光回路202bは、基板101aの上の表面シリコン層を、よく知られたフォトリソグラフィー技術、およびドライエッチング技術によるパターニングで形成することができる。
検査対象となる光回路202a,光回路202b以外は、前述した実施の形態1と同様であり、詳細な説明は省略する。
実施の形態2における光検査回路において、発光ダイオード105から出射された光は、まず、光分岐回路111で分岐され、分岐された各々の光は、光減衰器113a,光減衰器113bに入射する。光減衰器113a,光減衰器113bから出射された光の各々は、光回路202a,光回路202bに入射される。光回路202a,光回路202bより出射した光は、光合波回路116で合波されて第2光導波路104より出力され、フォトダイオード106に入射する。
例えば、光減衰器113aでは、通過する光が減衰され、光減衰器113bでは、通過する光が減衰されない場合を考える。この場合、フォトダイオード106に入射する光は、光回路202aを通過した光となる。一方、光減衰器113aでは、通過する光が減衰されず、光減衰器113bでは、通過する光が減衰される場合を考える。この場合、フォトダイオード106に入射する光は、光回路202bを通過した光となる。光減衰器113aもしくは光減衰器113bのいずれかを減衰状態とし、他方を減衰状態としないことで、光回路202aと光回路202bとの透過特性の比が、フォトダイオード106より出力される電流比として測定(検査)できる。この電流比から、光回路202a,光回路202bを構成する光導波路の単位長さ当たりの損失を見積もることができる。
上述したように、実施の形態2においても、検査対象の光回路202a,光回路202bが形成されている基板101aの上に、発光ダイオード105およびフォトダイオード106を備えるようにしたので、光回路への光導入に、光回路から出力される光の取り出しに時間をかけることがなく、光回路のウエハレベル検査に要する時間が短縮できるようになる。
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3に係る光検査回路について、図6を参照して説明する。この光検査回路は、基板101bの上に形成された光回路102a,光回路102bと、光回路102a,光回路102bに光学的に接続する第1光導波路103a,第1光導波路103bと、光回路102a,光回路102bに光学的に接続する第2光導波路104a,第2光導波路104bとを有する。
また、この光検査回路は、第1光導波路103a,第1光導波路103bに光学的に接続された発光ダイオード105と、第2光導波路104a,第2光導波路104bに光学的に接続されたフォトダイオード106とを有する。実施の形態3では、光分岐回路および光合波回路を用いていない。発光ダイオード105,フォトダイオード106は、前述した実施の形態1と同様である。
実施の形態3において、基板101bの上には、第1光導波路103aのコアおよび第1光導波路103bのコアの各々に連続する第1シリコン層107aを備え、この上に、発光ダイオード105が形成されている。実施の形態3では、発光ダイオード105が、2つの出力ポートを備える構成となっている。実施の形態3によれば、光分岐回路を用いることなく、同じ光出力を第1光導波路103aおよび第1光導波路103bに出力できる。
また、基板101bの上には、第2光導波路104のコアおよび第2光導波路104bのコアの各々に連続する第2シリコン層108aを備え、この上にフォトダイオード106が形成されている。実施の形態3では、フォトダイオード106が、2つの入力ポートを備える構成となっている。実施の形態3によれば、光合波回路を用いることなく、光回路102aおよび光回路102bから出力された光をフォトダイオード106に入射することができる。
このため、実施の形態3によれば、光合波回路を用いることなく、光回路102aおよび光回路102bの特性を、別々に評価することができる。実施の形態3によれば、光分岐回路および光合波回路を必要とせず、回路構成が単純化できる。また、実施の形態3によれば、光分岐回路や光合波回路による光の過剰損失が除去できるようになる。
実施の形態3においても、検査対象の光回路102a,光回路102bが形成されている基板101bの上に、発光ダイオード105およびフォトダイオード106を備えるようにしたので、光回路への光導入に、光回路から出力される光の取り出しに時間をかけることがなく、光回路のウエハレベル検査に要する時間が短縮できるようになる。
[実施の形態4]
次に、本発明の実施の形態4に係る光検査回路について、図7を参照して説明する。この光検査回路は、基板101cの上に形成された光回路102a,光回路102b,光回路102c,光回路102dと、光回路102a,光回路102b,光回路102c,光回路102dに光学的に接続する第1光導波路103a,第1光導波路103b,第1光導波路103c,第1光導波路103dとを有する。また、この光検査回路は、光回路102a,光回路102b,光回路102c,光回路102dに光学的に接続する第2光導波路104a,第2光導波路104b,第2光導波路104c,第2光導波路104dを有する。
また、この光検査回路は、第1光導波路103a,第1光導波路103b,第1光導波路103c,第1光導波路103dに光学的に接続された発光ダイオード105を有する。また、この光検査回路は、第2光導波路104a,第2光導波路104b,第2光導波路104c,第2光導波路104dに光学的に接続されたフォトダイオード106を有する。実施の形態4では、前述した実施の形態3と同様に、光分岐回路および光合波回路を用いていない。また、実施の形態4では、新たに、光回路102c,光回路102dを備え、また、これらの各々に対応して光減衰器113c,光減衰器113dを有する。発光ダイオード105,フォトダイオード106は、前述した実施の形態1と同様である。
実施の形態4において、基板101cの上には、第1光導波路103aのコア、第1光導波路103bのコア,第1光導波路103cのコア,および第1光導波路103dの各々に連続する第1シリコン層107bを備え、この上に、発光ダイオード105が形成されている。実施の形態4では、発光ダイオード105が、4つの出力ポートを備える構成となっている。実施の形態4によれば、光分岐回路を用いることなく、同じ光出力を第1光導波路103a,第1光導波路103b,第1光導波路103c,第1光導波路103dに出力できる。
また、基板101cの上には、第2光導波路104のコア,第2光導波路104bのコア,第2光導波路104cのコア,第2光導波路104dの各々に連続する第2シリコン層108bを備え、この上にフォトダイオード106が形成されている。実施の形態4では、フォトダイオード106が、4つの入力ポートを備える構成となっている。実施の形態4によれば、光合波回路を用いることなく、光回路102a,光回路102b,光回路102c,光回路102dから出力された光をフォトダイオード106に入射することができる。
このため、実施の形態4によれば、光合波回路を用いることなく、光回路102a,光回路102b,光回路102c,および光回路102dの特性を、別々に評価することができる。実施の形態4によれば、光分岐回路および光合波回路を必要とせず、回路構成が単純化できる。また、実施の形態4によれば、光分岐回路や光合波回路による光の過剰損失が除去できるようになる。
実施の形態4においても、検査対象の光回路102a,光回路102b,光回路102c,光回路102dが形成されている基板101cの上に、発光ダイオード105およびフォトダイオード106を備えるようにしたので、光回路への光導入に、光回路から出力される光の取り出しに時間をかけることがなく、光回路のウエハレベル検査に要する時間が短縮できるようになる。
以上に説明したように、本発明によれば、第1光導波路に、ゲルマニウムからなる活性層を備える発光ダイオードを光学的に接続し、第2光導波路に、フォトダイオードを光学的に接続したので、光ファイバから光回路への光導入を省くことにより、光回路のウエハレベル検査に要する時間が短縮できる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
101…基板、102a,102b…光回路、103…第1光導波路、104…第2光導波路、105…発光ダイオード、106…フォトダイオード、107…第1シリコン層、108…第2シリコン層、111…光分岐回路、112a,112b…光導波路、113a,113b…光減衰器、114a,114b…光導波路、115a,115b…光導波路、116…光合波回路、150…第1領域、151…活性層、152…第1半導体層、153…第1コンタクト領域、154…絶縁層、155…第1貫通電極、156…第1電極、157…第2貫通電極、158…第2電極、211…基部、212…埋め込み絶縁層。

Claims (7)

  1. 基板の上に形成された、シリコンからなるコアを有する光導波路から構成された複数の光回路と、
    シリコンからなるコアを有する光導波路から構成されて前記複数の光回路の各々に光学的に接続する複数の第1光導波路と、
    シリコンからなるコアを有する光導波路から構成されて前記複数の光回路の各々に光学的に接続する複数の第2光導波路と、
    前記複数の第1光導波路に光学的に接続され、ゲルマニウムからなる活性層を備える1つの発光ダイオードと、
    前記複数の第2光導波路に光学的に接続され、ゲルマニウムからなる光吸収層を備える1つのフォトダイオードと
    を備える光検査回路。
  2. 請求項1記載の光検査回路において、
    前記基板の上に形成された、前記複数の第1光導波路の各々のコアに連続する第1シリコン層を備え、
    前記活性層は、前記第1シリコン層の上に形成されていることを特徴とする光検査回路。
  3. 請求項2記載の光検査回路において、
    前記発光ダイオードは、
    前記第1シリコン層に形成された第1導電型の第1領域と、
    前記活性層と、
    前記活性層の上に形成された第2導電型の第1半導体層と
    を有し、
    前記活性層は、前記第1領域の上に形成されている
    ことを特徴とする光検査回路。
  4. 請求項3記載の光検査回路において、
    前記第1半導体層は、第2導電型のゲルマニウムから構成されていることを特徴とする光検査回路。
  5. 請求項1~4のいずれか1項に記載の光検査回路において、
    前記基板の上に形成された、前記複数の第2光導波路のコアに連続する第2シリコン層を備え、
    前記光吸収層は、前記第2シリコン層の上に形成されていることを特徴とする光検査回路。
  6. 請求項5記載の光検査回路において、
    前記フォトダイオードは、
    前記第2シリコン層に形成された第1導電型の第2領域と、
    前記光吸収層と、
    前記光吸収層の上に形成された第2導電型の第2半導体層と
    を有し、
    前記光吸収層は、前記第2領域の上に形成されている
    ことを特徴とする光検査回路。
  7. 請求項6記載の光検査回路において、
    前記第2半導体層は、第2導電型のゲルマニウムから構成されていることを特徴とする光検査回路。
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