JP7435786B2 - 受光器 - Google Patents

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Description

本発明は、導波路型の受光器に関する。
Ｓｉをベースに構成された光集積回路（Ｓｉ光集積回路）は、近赤外光を用いた光信号処理回路を安価なＳｉ基板上に実現する技術であり、光通信や光コンピューティング分野のキー技術である。Ｓｉ光集積回路の要素部品の１つは受光器であり、ｐ－ｉ－ｎフォトダイオードが広く使われている。光導波路が形成されているであるＳｉの層は、近赤外を透過する物性であるため、フォトダイオードの吸収層にはＧｅが広く用いられてきた。
フォトダイオードは、入力光強度と光電流の比で定義される感度（Ａ／Ｗ）が性能指標の一つであり、高感度化が要求される。しかし、従来のｐ－ｉ－ｎフォトダイオードは、量子効率限界（波長１．５５μｍに対して１．２Ａ／Ｗ程度）を有するため、高感度が難しい。アバランシェ増幅により感度を増大させることも可能であるが、動作電圧が大きく、低消費電力化が難しい。
これらに対して、ＳｉチャネルによるＭＯＳＦＥＴのゲートを光吸収層とすることで、高い利得を有する受光器を実現する技術が報告されている（非特許文献１参照）。この受光器は、ゲートの下側に構成されている光導波路を導波する光が、ゲートで吸収されると、この光の強度に応じてゲート電圧が変化し、ソース・ドレイン間に流れる電流（ドレイン電流）も変化する。ＭＯＳＦＥＴの高い利得により、わずかな入射光強度の変化に対して大きなドレイン電流の変化が生じるため、高感度動作が可能となる。ＳｉチャネルＭＯＳＦＥＴは、成熟した微細化技術による高感度化と低電圧化の両立が可能である。この受光器の帯域は、ｐ－ｉ－ｎフォトダイオードよりも小さいが、ギガヘルツ級の動作と１００Ａ／Ｗを超える高感度が実現されている。
R. W. Going et al., "Germanium Gate PhotoMOSFET Integrated to Silicon Photonics", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 20, no. 4, 8201607, 2014.
従来技術では、通信波長帯である近赤外光の吸収層（ゲート材料）としてＧｅを用いている。しかし、Ｇｅは、１．５μｍ帯以上の長波長域における吸収係数が小さい。このため、十分な光吸収を得るために吸収長を長くすることになり、ＭＯＳＦＥＴのサイズが大きくなってしまう。また、移動度が高い電子をチャネルとする場合、Ｇｅゲートもｎ型半導体とする必要があるが、一般的にｎ型Ｇｅと金属とのコンタクトはフェルミレベルピニングなどによりコンタクト抵抗の低減が難しい。これらは、素子の小型化と低抵抗化を妨げる要因となっている。
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、ＭＯＳＦＥＴのゲートを光吸収層とした受光器の、小型化および低抵抗化を目的とする。
本発明に係る受光器は、クラッド層の上に形成されたｐ型のシリコンからなり、導波方向の一端側に光導波路が光学的に接続される第１半導体層と、第１半導体層を挟んでクラッド層の上に形成されたｎ型のシリコンからなる第２半導体層および第３半導体層と、第１半導体層の上に絶縁層を介して形成されたｎ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる光吸収層と、第１半導体層の上の領域以外で光吸収層に電気的に接続する第１電極と、第２半導体層に電気的に接続する第２電極と、第３半導体層に電気的に接続する第３電極とを備える。
以上説明したように、本発明によれば、光吸収層をｎ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成したので、ＭＯＳＦＥＴのゲートを光吸収層とした受光器の、小型化および低抵抗化が実現できる。
図１Ａは、本発明の実施の形態に係る受光器の構成を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る受光器の構成を示す平面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る他の受光器の構成を示す断面図である。 図３は、受光器１００の感度の計算結果を示す特性図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る他の受光器の構成を示す平面図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る他の受光器の構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態に係る受光器１００について図１Ａ，図１Ｂを参照して説明する。受光器１００は、まず、基板１０１の上に形成されたクラッド層１０２と、クラッド層１０２の上に形成された第１半導体層１０３と、第１半導体層１０３を挟んでクラッド層１０２の上に形成された第２半導体層１０４および第３半導体層１０５とを備える。
第１半導体層１０３は、ｐ型のシリコンから構成されている。第１半導体層１０３は、例えば、厚さ２２０ｎｍとされている。第１半導体層１０３の導波方向の一端側には、光導波路１２０が光学的に接続されるものとなる。第２半導体層１０４および第３半導体層１０５は、ｎ型のシリコンから構成されている。第２半導体層１０４および第３半導体層１０５は、第１半導体層１０３に連続して形成され、例えば、厚さ２２０ｎｍとされている。
また、受光器１００は、第１半導体層１０３の上に絶縁層１０６を介して形成されたｎ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる光吸収層１０７を備える。光吸収層１０７は、例えば、ＩｎＧａＡｓなどの、近赤外光を吸収するバンドギャップエネルギーのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。なお、光吸収層１０７は、１．３μｍ帯以上の通信波長帯近赤外光を吸収できるＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することが望ましく、例えば、ＩｎＡｓから構成することもできる。ＩｎＡｓは、ＩｎＧａＡｓよりも高い吸収係数を有する。光吸収層１０７は、厚さが２００ｎｍとされている。
また、光吸収層１０７は、導波方向に垂直な断面において、クラッド層１０２の平面に平行な方向の幅が、光導波路１２０のシングルモード条件と概ね整合する寸法（例えば４００ｎｍ）とされている。この幅は、後述するＭＯＳＦＥＴ構造のゲート長に対応するものである。絶縁層１０６は、例えば、ＳｉＯ2から構成することができる。また、絶縁層１０６は、厚さ１０ｎｍ程度とすることができる。なお、後述するようにゲート絶縁層とする絶縁層１０６は、１０ｎｍより薄くし、または、より高い誘電率の材料から構成することで、より低いゲート電圧で、より高いゲート電界を得ることができ、後述するように、低い電圧で、受光器１００の高い感度を得ることができる。
受光器１００は、第１半導体層１０３をチャネル層とし、第２半導体層１０４をソースとし、第３半導体層１０５をドレインとし、光吸収層１０７をゲートとする、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ構造とされている。絶縁層１０６は、ゲート絶縁層となる。また、光吸収層１０７が上部に配置された第１半導体層１０３と、第２半導体層１０４、第３半導体層１０５により、いわゆるリブ型の光導波路が構成されている。クラッド層１０２から見て厚さ方向に、第１半導体層１０３と光吸収層１０７との距離は、互いに光結合可能とされ、また、光吸収層１０７からの電界が第１半導体層１０３に印加可能とされることが重要である。
なお、上述した構成の光導波路において、例えば、図２に示すように、光吸収層１０７の導波方向両脇に、溝１３１を形成し、この部分における第２半導体層１０４，第３半導体層１０５を薄くすることで、第１半導体層１０３に対する高い光閉じ込めが可能となる。また、このような構造にすることで、導波方向に垂直な断面において、第１半導体層１０３の両脇の溝１３１と、光吸収層１０７との位置ずれによる特性ばらつきを低減できる。
なお、受光器１００は、第１半導体層１０３の上の領域以外のコンタクト領域１１１で光吸収層１０７に電気的に接続する第１電極１１２と、第２半導体層１０４に電気的に接続する第２電極１０８と、第３半導体層１０５に電気的に接続する第３電極１０９とを備える。第１電極１１２，第２電極１０８，第３電極１０９は、金属から構成されている。なお、第１半導体層１０３は、電位が固定されない（フローティング）状態となり得る。このため、第１半導体層１０３に、図示しない領域で電気的に接続する電極を設け、第１半導体層１０３の電位を固定することもできる。
また、実施の形態では、第１半導体層１０３の導波方向の一端側に、シリコン（Ｓｉ）からなるコア１２１による光導波路１２０が、光学的に接続されている。コア１２１は、例えば、第１半導体層１０３に連続して形成され、厚さ２２０ｎｍとされ、コア幅が４００ｎｍとされている。この寸法のコア１２１による光導波路１２０は、シングルモードとすることができる。受光器１００における第１半導体層１０３による光導波路は、シングルモードとした光導波路１２０に、光学的に結合することが可能である。
なお、第１半導体層１０３、第２半導体層１０４、第３半導体層１０５、およびコア１２１の上の第２電極１０８，第３電極１０９以外の領域は、絶縁層１１０で覆われている。絶縁層１１０は、絶縁層１０６に連続して形成されている。また、光導波路１２０においては、コア１２１の上に、絶縁層１１０を介して上部のクラッド層（不図示）を設けることもできる。また、光導波路１２０の領域では、絶縁層１１０を厚くすることで、上部のクラッド層とすることもできる。なお、コア１２１の厚さは２２０ｎｍに限るものではなく、光導波路１２０がシングルモードとなる１００～３００ｎｍ膜厚の範囲とすることができる。コア１２１の寸法（厚さ）に応じて、光導波路１２０と低損失な結合が可能となる光吸収層１０７の幅および厚さを決定する。
受光器１００の製造について簡単に説明すると、まず、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用意する。ＳＯＩ基板の基体部が基板１０１となり、埋め込み絶縁層がクラッド層１０２となる。ＳＯＩ基板の表面シリコン層を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、第１半導体層１０３、第２半導体層１０４、第３半導体層１０５、およびコア１２１の部分を形成する。
次に、よく知られたイオン注入法などにより、第２半導体層１０４および第３半導体層１０５に、リンやヒ素などの不純物を導入し、第２半導体層１０４および第３半導体層１０５をｎ型とする。次に、第１半導体層１０３、第２半導体層１０４、第３半導体層１０５、およびコア１２１の上に、例えば、よく知られたＣＶＤ法などにより酸化シリコンなどの絶縁材料を堆積することで、絶縁層１０６および絶縁層１１０を形成する。
一方、例えば、ＩｎＰなどから構成された他基板を用意し、この上に、ｎ型のＩｎＧａＡｓからなる化合物半導体層を形成する。これらの形成は、公知の有機金属気相成長法やは分子線エピタキシャル成長法により、エピタキシャル成長させることで実施できる。
次に、化合物半導体層の表面と絶縁層１１０（絶縁層１０６）の表面とを、例えば表面活性化接合法により接合させることで、基板１０１に他基板を貼り合わせる。次に、例えば、よく知られた研磨法などにより、他基板を裏面側から薄層化し、次いで、他基板を取り除き、絶縁層１１０（絶縁層１０６）の上に、化合物半導体層が形成された状態とする。
次に、上述した化合物半導体層を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、光吸収層１０７、コンタクト領域１１１を形成する。次に、第２電極１０８、第３電極１０９を形成する箇所の絶縁層１１０に、コンタクトホールを形成する。この後、所定の電極材料のスパッタ法や蒸着法などによる堆積と、リフトオフ法などにより、第１電極１１２、第２電極１０８、第３電極１０９を形成する。
次に、受光器１００の動作について説明する。例えば、光導波路１２０を導波して受光器１００に入射された光は、断面視で第１半導体層１０３をモードの中心として導波する過程で、光吸収層１０７に吸収される。光吸収層１０７をゲートとし、第３半導体層１０５をドレインとし、これらの間に正の電圧が印加されていると、上述したＭＯＳＦＥＴ構造のチャネルが形成される第１半導体層１０３と絶縁層１０６との界面に反転層が形成される。ここに、ゲート電圧が印加された光吸収層１０７によるゲート電界が作用すると、ソースとなる第２半導体層１０４とドレインとなる第３半導体層１０５との間のチャネル抵抗が変化する。
一定のゲート電圧が光吸収層１０７に印加されている状態で、上述したように光吸収層１０７で光が吸収されると、吸収された光の強度に応じてゲート電圧が変化する。この結果、第２半導体層１０４とドレインとなる第３半導体層１０５との間のチャネル抵抗が変化してドレイン電流も変化する。ＭＯＳＦＥＴの高い利得により、光吸収層１０７で吸収される光強度の変化に対して大きなドレイン電流の変化が生じるため、受光器１００では、高感度動作が可能となる。
また、受光器１００では、Ｇｅよりも高い吸収係数を有するＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から光吸収層１０７を構成しているので、短い吸収長（ゲート幅）で吸収可能である。また、光吸収層１０７がＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成されているので、Ｇｅの場合に比較して、より低抵抗なコンタクトを形成することが容易である。このような、電極と半導体層とのコンタクト形成技術は、半導体レーザで一般的に用いられている。これらの特長により、受光器１００は、ｎ－Ｇｅを用いたＭＯＳＦＥＴを受光器として用いる従来の技術に比べて、小型化と低抵抗化が容易な構造である。
受光器１００の感度の計算結果について、図３に示す。絶縁層１０６の厚さは、１０ｎｍとし、入射される光の波長は、１．５５μｍとしている。光電流は、光入射時のドレイン電流から暗状態のドレイン電流を除いた電流値である。また、入射光強度は、光導波路１２０に入射された光強度としており、光導波路１２０とＭＯＳＦＥＴ構造（受光器１００）における光導波路と間の結合損失を含んだ感度の見積もりとなっている。なお、この計算において、トンネル効果によるゲートリーク電流は考慮していない。
光吸収層１０７に印加される電圧（ゲート電圧）、第２半導体層１０４と第３半導体層１０５との間に印加される電圧（ドレイン電圧）はいずれも４Ｖである。光吸収層１０７の導波方向の長さである吸収長（ゲート幅）は、５μｍ、１０μｍ、および２０μｍの３種類を設定した。計算結果では、光入力の増大に伴い感度が減少するが、これは光起電力の非線形性に由来する。光パワーが低い域においては、５μｍ程度の吸収長においても１００Ａ／Ｗに近い感度が達成されていることがわかる。
ところで、図４に示すように、光導波路１２０の領域（コア１２１の上部）に、光吸収層１０７に連続して形成されたテーパ部１１３を設けることができる。テーパ部１１３は、光吸収層１０７と同一の厚さとする。また、テーパ部１１３は、光吸収層１０７から離れるほど、平面視の幅が細くなる形状とされている。テーパ部１１３は、光導波路１２０と、受光器１００との間の、より低損失な光結合を実現することができる。テーパ部１１３は、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。テーパ部１１３は、光吸収層１０７と同じＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体である必要はなく、光吸収層１０７に格子整合する異なるＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。テーパ部１１３は、対象とする入射光を吸収しないバンドギャップエネルギーのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することが好ましい。
また、光吸収層１０７は、厚さ方向に、クラッド層１０２の側から離れるほど不純物（ドナー）の密度（濃度）が高い状態とすることができる。例えば、ドナー密度は、第１電極１１２とのコンタクト抵抗、および光吸収層１０７におけるゲート抵抗の低減のために、高い方が良い。一方、有効質量が小さなＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体では、ドナー密度が高くなると顕著なバンドフィリングが生じ、実効的にバンドギャップが広がり、光吸収係数が小さくなる。このため、高い光吸収係数を維持するために、第１電極１１２とのコンタクトを形成する最上層以外は、低いドナー密度と濃度とすることができる。この構成は、光吸収層１０７における不純物の密度を、厚さ方向に、クラッド層１０２の側から離れるほど高くすることで実現できる。
なお、光吸収層１０７の絶縁層１０６と付近のドナー密度により、ゲート電圧印加時の空乏層の厚さ、ＭＯＳＦＥＴの閾値が変わるが、これらは受光器１００の感度に影響を与える。クラッド層１０２の側のドナー、アクセプタ濃度や動作電圧を考慮して、絶縁層１０６膜付近の光吸収層１０７のドナー密度を決定する。
また、光吸収層１０７は、クラッド層１０２の側から離れるほどバンドギャップエネルギーが大きい状態とすることができる。これは、光吸収層１０７を、ＩｎＧａＡｓなどの３元系のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することで、実現できる。光吸収層１０７を構成する化合物半導体の組成を、例えばＩｎＰ系材料と格子整合する範囲で変化さることで、上述したバンドギャップエネルギーの分布を形成することができる。このようなバンドギャップエネルギーの分布制御により、吸収係数を制御することが可能となる。
例えば、絶縁層１０６の付近には、高い吸収係数のバンドギャップエネルギーの組成とし、これより上層は、低い吸収係数のバンドギャップエネルギーとした積層構造とすることができる。バンドギャップエネルギーが小さい方が、光吸収係数が高いので、上述した構成とすることで、絶縁層１０６付近の光吸収層１０７は低いバンドギャップエネルギーとなり、これより上層の領域は高いバンドギャップエネルギーとなる。この構成とすることで、空乏化する絶縁層１０６付近だけにキャリアを発生させるが可能である。このように、複数バンドギャップを有するＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の積層構造により、フォトキャリア分布を制御することが可能となる。また、光吸収層１０７の一部に多重量子井戸を有する構成とすることできる。量子閉じ込め効果や歪の導入により、光吸収層１０７の光吸収係数を制御することが可能となる。当然、ドナー密度、バンドギャップの両方を、厚さ方向に変化させて、光吸収係数を制御することもできる。
ところで、受光器１００において、光吸収層１０７内で発生したフォトキャリアは引き抜くことができないため、キャリアの再結合を待つ必要がある。これが応答速度を制限する。光吸収層１０７におけるフォトキャリアの再結合レートが大きくなるほど、応答速度が向上する。この再結合レートは、光吸収層１０７内のキャリア濃度分布により制御可能である。例えば、光吸収層１０７をＩｎＰ系材料から構成する場合、キャリア濃度が高いほどオージェ再結合が顕著になり、再結合レートが増大する。
また、図５に示すように、光吸収層１０７を覆う絶縁層１１６を設け、光吸収層１０７と絶縁層１１６との界面に形成された高欠陥密度層１１７を導入する構成とすることもできる。高欠陥密度層１１７は、欠陥密度が光吸収層１０７の内部より多い領域となる。高欠陥密度層１１７を用いることで、光吸収層１０７の表面における再結合レートを増大させることが可能となる。
例えば、ＩｎＰ系半導体材料は、ＳｉＯ2との間に高い欠陥密度を存在させることが可能であり、光吸収層１０７を、ＳｉＯ2などから構成した絶縁層１１６で被覆することで、高欠陥密度層１１７が導入でき、再結合レートの増大に有効である。これにより、動作速度の向上が可能である。なお、再結合レートの増大は、感度を劣化させる要因となるため、感度と速度がトレードオフとなることを考慮して設計される。感度を向上するために再結合レートを低減したい場合は、光吸収層１０７に接して設けられる絶縁層１１６の材料や形成方法を設計する必要がある。例えば、原子層成長法で成膜されたＡｌ2Ｏ3の層と、ＩｎＰ系半導体の層との界面は、欠陥密度が小さいことが知られており、これら材料を用いることで、光吸収層１０７の表面再結合レートを低減させることができる。
以上に説明したように、本発明によれば、光吸収層をｎ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成したので、ＭＯＳＦＥＴのゲートを光吸収層とした受光器の、小型化および低抵抗化が実現できる。
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。
１００…受光器、１０１…基板、１０２…クラッド層、１０３…第１半導体層、１０４…第２半導体層、１０５…第３半導体層、１０６…絶縁層、１０７…光吸収層、１０８…第２電極、１０９…第３電極、１１０…絶縁層、１１１…コンタクト領域、１１２…第１電極、１２０…光導波路、１２１…コア。

Claims (5)

  1. クラッド層の上に形成されたｐ型のシリコンからなり、導波方向の一端側に光導波路が光学的に接続される第１半導体層と、
    前記第１半導体層を挟んで前記クラッド層の上に形成されたｎ型のシリコンからなる第２半導体層および第３半導体層と、
    前記第１半導体層の上に絶縁層を介して形成されたｎ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる光吸収層と、
    前記第１半導体層の上の領域以外で前記光吸収層に電気的に接続する第１電極と、
    前記第２半導体層に電気的に接続する第２電極と、
    前記第３半導体層に電気的に接続する第３電極と
    を備える受光器。
  2. 請求項１記載の受光器において、
    前記第１半導体層の一端側に光学的に接続する光導波路を備えることを特徴とする受光器。
  3. 請求項１または２記載の受光器において、
    前記光吸収層は、前記クラッド層の側から離れるほど不純物の密度が高い状態とされていることを特徴とする受光器。
  4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の受光器において、
    前記光吸収層は、３元系のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成され、前記クラッド層の側から離れるほどバンドギャップエネルギーが大きい状態とされていることを特徴とする受光器。
  5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の受光器において、
    前記光吸収層を覆って形成された絶縁層と、
    前記光吸収層と前記絶縁層との界面に形成された、欠陥密度が前記光吸収層の内部より多い高欠陥密度層と
    を備えることを特徴とする受光器。
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