JP7846415B2 - 光検出器 - Google Patents

Description

本発明は、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に関し、特に静電気放電に対する耐性のあ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下げ、光通信装置の低コスト化を図ることが出来る。

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（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ｐｈｏｔｏｄ
ｅｔｅｃｔｏｒ；以下、ＧｅＰＤとも言う）がある（特許文献１）。しかし、この光検出器は、保護回路を備えておらず、そのため、静電気放電に弱いという問題がある。

これに対し、特許文献２には、保護回路（保護用ツェナーダイオード）を備えた光検出器が開示されている。この光検出器の保護用ツェナーダイオードは、Ｇｅ層とＳｉ層の両方を用いて形成されている。

特許第５３７０８５７号公報 特許第６９８１３６５号公報

しかしながら、特許文献２の保護用ツェナーダイオードを備えた光検出器は、Ｇｅ層とＳｉ層それぞれを形成するために、マスクを用いたイオン注入（ドーピング工程）を行う。その際に、製造誤差によって、保護回路用のツェナーダイオードは，Ｓｉコア層上のｐ型半導体部、ｎ型半導体部（ｐｎ接合)、又はｐ型半導体部、真性半導体部及びｎ型半導
体部（ｐｉｎ接合) と、吸光層（Ｇｅ層）との間に位置ずれを生じることがある。そして、この位置ずれは、光検出器の整流特性に影響を及ぼすという問題がある。

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、保護用ツェナーダイオードにおける位置ずれに起因した整流特性に対する影響を排除可能な光検出器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、フォトダイオードと保護ダイオードとを備えた光検出器において、前記フォトダイオードと前記保護ダイオードは同一半導体基板上に集積され，前記フォトダイオードは、少なくともの一種類以上の半導体材料から成る半導体部と，アノード電極と，カソード電極とを備え、前記保護ダイオードは，コア層と、前記コア層に備えられた第一型不純物イオンがドーピングされた第一型半導体領域及び第二型不純物イオンがドーピングされた第二型半導体領域を含む半導体部と，アノード電極と，カソード電極とを備え、前記保護ダイオードの半導体部は，前記フォトダイオードの半導体部に用いられている半導体材料のうち一種類のみで構成され、前記保護ダイオードのアノード電極と前記フォトダイオードのアノード電極とが接続し、前記保護ダイオードのカソード電極と前記フォトダイオードのカソード電極とが接続していることを特徴とする。

本発明の光検出器は、保護用ツェナーダイオードにおける位置ずれに起因した整流特性に対する影響を排除することが可能となる。

本発明の実施形態１に係る上面図を示す図である。 本発明の実施形態１に係る光検出器が備えたツェナーダイオードの断面構造を示す図である。 本発明の実施形態２に係る光検出器の上面図を示す図である。 比較例の光検出器の上面図を示す図である。 比較例の光検出器が備えたツェナーダイオードの断面構造を示す図である。

以下、本発明の光検出器の形態について、実施形態及び図面を用いて詳細に説明する。なお、図面においては同一の機能を有する部分は同一の番号を付することで、説明の明瞭化を図っている。但し、本発明は以下に示す実施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。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態に係る光検出器の構成を示す上面図である。

本発明の一実施形態に係る光検出器は、ＧｅＰＤ３００と保護用のツェナーダイオード３０１とを電気的に並列に接続して構成される。

ＧｅＰＤ３００は、第一型不純物（ｎ型不純物）がドーピングされたコア層１１０と、コア層１１０に接続された（光）導波路１０９と、コア層１１０上の第二型不純物がドーピングされた吸光層（Ｇｅ層）１１４と、コア層１１０下の下部クラッド層１０２（図２参照）と、下部クラッド層１０２下の半導体基板１０１（図２参照）と、コア層１１０および吸光層上の上部クラッド層１０３（図２参照）と、を備える。コア層１１０には、ｐ型シリコンスラブ１１１ａ、ｐ++シリコンコンタクト領域１１２、１１３が形成されている。また、吸光層１１４には、ｎ型Ｇｅ領域１１５が形成されている。そして、ｐ++シリコンコンタクト領域１１２、１１３およびｎ型Ｇｅ領域１１５には、それらにそれぞれ接続された電極１１６、１１７および１１８を備える。ＧｅＰＤ３００は、コア層１１０に光が入射されて吸光層１１４で光が吸収されると、電極１１７と電極１１６、１１８との間に電流が流れ、それを検出することで光を検出することができる。

本実施形態では導波路１０９から見てＧｅＰＤ３００とツェナーダイオード３０１が、直線状に並ぶ構成であり、導波路１０９からの光の入射方向に配列する構成である。

ツェナーダイオード３０１は、ＧｅＰＤ３００から連なるコア層１１０に、ｐ型不純物イオンがドーピングされたｐ型シリコンスラブ(領域)１１１ｂ、およびｐ型不純物が高濃度にドーピングされ、電極１１６とオーミック接触をとる役割をするｐ++シリコンコンタクト領域１１２、ｎ型不純物イオンがドーピングされたｎ型シリコンスラブ１１９、およびｎ型不純物が高濃度にドーピングされ、電極１１７とオーミック接触をとる役割をするｎ++シリコンコンタクト領域１２０が形成されている。ｎ型シリコンスラブ１１９は、ｎ型Ｓｉスラブ又はｎ型シリコン領域ともいう。ｎ++シリコンコンタクト領域は、ｎ型シリコンコンタクト領域又はｎ型電極部ともいう。ｐ++シリコンコンタクト領域１１２、およびｎ++シリコンコンタクト領域１２０上には、同じくＧｅＰＤ３００から連なる上部クラッド層１０３（図２参照）が形成され、上部クラッド層１０３に形成された複数の開口部を介して、ｐ++シリコンコンタクト領域１１２、およびｎ++シリコンコンタクト領域１２０に接するように、それぞれ、電極１１６と電極１１７が形成される。この電極１１６および１１７はＧｅＰＤ３００の電極１１６および１１７と連なっている。

図２は、ツェナーダイオード３０１のII-II’での断面図である。コア層１１０におい
て、ｐ++シリコンコンタクト領域１１２はｐ型シリコン領域１１１ｂ上に位置し、ｎ++シリコンコンタクト領域１２０はｎ型シリコンスラブ１１９上に位置する。そして、ｐ++シリコンコンタクト領域１１２は、電極１１６と接続し、また、ｎ++シリコンコンタクト領域１２０は、電極１１７と接続されている。ｐ型シリコン領域１１１ｂとｎ型シリコンスラブ１１９の間にはイオン注入の無い真性シリコン領域１２５が存在する。図２において、矢印で示される真性シリコン領域１２５の大きさ、およびｐ型シリコン領域１１１ｂ、ｎ型シリコンスラブ１１９のドーピング濃度によってツェナーダイオードの動作閾値は決定される。動作閾値を調整するため、真性シリコン領域１２５を無くし、ｐ型シリコン領域１１１ｂ、ｎ型シリコンスラブ１１９を接触させＰＮ接合としても良い。

上部クラッド層１０３は、p型半導体部（ｐ型シリコン領域１１１ｂ及びｐ++シリコンコンタクト領域１１２）, I型半導体部（真性シリコン領域１２５）及びｎ型半導体部（ｎ型シリコンスラブ１１９及びｎ++シリコンコンタクト領域１２０）の上に直接形成される。図４、図５に示す比較例との対比で後述されるように、コア層１１０に接したＧｅ層は形成されていない。すなわち、本実施形態の光検出器は、ｐ型半導体部及びｎ型半導体部上に直接、上部クラッド層１０３が形成され、ｐ型半導体部及びｎ型半導体部に接続した電極間は、上部クラッド層のみである。保護ダイオードの半導体部は，前記フォトダイオードの半導体部に用いられている半導体材料のうち一種類のみで構成される。これにより、ｐ型半導体部及びｎ型半導体部からなるｐｎ接合と、吸光層（Ｇｅ層）の位置ずれを生じる余地はなく、その結果、フォトダイオードの整流特性が影響を受けることを排除できる。

本実施形態の光検出器が駆動可能となった理由は、光検出器本体のアバランシェ降伏よりも保護ダイオードのツェナー降伏の電圧が小さいような不純物ドーピング濃度設定になっているためと出願人は推測している。

ツェナーダイオード３０１のアノード電極とＧｅＰＤ３００のアノード電極とが接続し、ツェナーダイオード３０１のカソード電極とＧｅＰＤ３００のカソード電極とが接続する。

電極１１６がアノード電極として機能する場合、電極１１７、１１８はカソード電極として機能する。また、電極１１６がカソード電極として機能する場合、電極１１７、１１８はアノード電極として機能する。電極１１６、１１７間には、上部クラッド層１０３のみある。

ＧｅＰＤ３００のコア層１１０と保護ダイオード３０１の半導体部（ｎ型シリコンスラブ１１９、およびｎ++シリコンコンタクト領域１２０）が同一材料である。

ＧｅＰＤ３００のコア層１１０は、保護ダイオード３０１の半導体部（ｎ型シリコンスラブ１１９、およびｎ++シリコンコンタクト領域１２０）と同一の層であることは上述のとおりである。

本実施形態では、吸光層１１４の主材料にＧｅを用いたが，ＧｅＳｎ，ＩｎＧａＡｓ, ＩｎＧａＡｓＰなど，他の半導体材料を用いてもよい。

図２に、ＧｅＰＤ３００と保護ダイオード３０１は連続したコア層１１０上にあるが、必ずしもその必要はなく、それぞれ分離されたＳｉスラブの上に作製されてもよい。Ｓｉスラブとして使用する層の高さと材料はいずれもコア層１１０と概略同じであるが，それぞれ分離されていてもよい。

本実施形態では、コア層１１０の主材料にＳｉを用いたが，ＩｎＰ, ＳｉＣなど，他の半導体材料を用いてもよい。また、ｐ型半導体部の位置とｎ型半導体部の位置とは逆になってもよい。上述の通り、保護ダイオード３０１はｐｉｎ接合を採用してもよいし、ｐｎ接合を採用してもよい。さらに、保護ダイオード３０１は、上述の通り、単数でもよいし、複数個並列に装荷されてもよい。

（実施形態２）
本発明の一実施形態に係る光検出器は、図３の通り、ＧｅＰＤ３００と保護回路としてのツェナーダイオード３０１とを電気的に直列に接続して構成される。

ＧｅＰＤ３００は、図１の実施形態１では導波路１０９から見てＧｅＰＤ３００とツェナーダイオード３０１が直線状に並ぶ構成であるが、図３の実施形態２では導波路１０９から見てＧｅＰＤ３００とツェナーダイオード３０１が一直線状に並んではおらず、導波路１０９からの光の入射方向に直交する方向に配列する構成である。ＧｅＰＤ３００のＧｅ層１１４の長手方向と、ツェナーダイオード３０１のｐ++シリコンコンタクト領域１１２及びｎ++シリコンコンタクト領域１２０の長手方向とが概略平行の関係にある。図３の破線II-II’における断面図は、図２に対応する。

図３の構成では導波路１０９から直進する光はツェナーダイオード３０１に入ることがないため、光電流をツェナーダイオードが検出することはない。

本実施形態においても、保護ダイオード３０１の半導体部は，フォトダイオード３００の半導体部に用いられている半導体材料のうち一種類のみで構成される。よって、本実施形態の光検出器の整流特性が、ｐ型半導体部及びｎ型半導体部からなるｐｎ接合又はｐ型半導体部、I型半導体部、ｎ型半導体部（ｐｉｎ接合)と吸光層（Ｇｅ層）との位置ずれに影響を受けない保護回路を有する光検出器を提供できる。

また、図３ではＧｅＰＤ３００に対してツェナーダイオード（保護ダイオード）３０１を１つ接続しているが、ツェナーダイオード３０１を複数接続しても良い。その場合はＧｅＰＤの高速動作特性に影響を与えるものの、高い静電気放電に対する耐性を得ることができる。

（比較例）
図４、図５は、比較例の光検出器の構成を示す。ＧｅＰＤ３００は、実施形態１～２のＧｅＰＤ３００と同じ構成である。比較例では導波路１０９から見てＧｅＰＤ３００とツェナーダイオード４０１が、直線状に並ぶ構成であり、導波路１０９からの光の入射方向に配列する構成である。図４のＶ-Ｖ’における断面図は、図５に対応する。

本比較例のツェナーダイオード４０１が上記実施形態１、２のツェナーダイオード３０１と異なる点は、保護回路用のツェナーダイオードにおいて、Ｇｅ層１１４がある点である。このＧｅ層と、Ｓｉコア層上のｐ型半導体部、ｎ型半導体部（ｐｎ接合)、又はｐ型
半導体部、真性半導体部及びn型半導体部（ｐｉｎ接合)と、の間に位置ずれを生じることがあり、この位置ずれが光検出器の整流特性に影響を及ぼすという問題がある。

図５は比較例のツェナーダイオード４０１のV-V’での断面図である。Ｇｅ層１１４は、ｎ型シリコンスラブ１１９の上に形成され、ｐ型シリコン（Ｓｉ）領域１１１ｂの上には形成されていない。また、電極１１６、１１７間に、Ｇｅ層１１４がある。

コア層１１０にかかるｐ型シリコン領域１１１ｂはＧｅ層１１４の直下には無く、ｎ型シリコンスラブ１１９がＧｅ層１１４の下に有る。また、ｐ型シリコン領域１１１ｂはＧｅ層１１４の直下に入っても良い。

Ｇｅ層１１４は、製造工程時に、マスクを使ってＧｅ材料を打ち込んで形成しているため、ｐ半導体部及びｎ型半導体部に相当するＰＮ接合又はｐ型半導体部、ｉ型半導体部、ｎ型半導体部（ｐｉｎ接合)との位置ずれを生じることがあり、この位置ずれが光検出器
の整流特性に影響を及ぼすという問題がある。これに対し、図１～図３にて上述した本発明の実施形態にかかる検出器は、上部クラッド層１０３下にＧｅ層が存在しないので、位置ずれを生じる余地がなく、これが光検出器の整流特性に対する影響を排除可能とする。また、本発明の実施形態にかかる検出器は、Ｇｅ層１１４が存在したときに起きていた課題を解消できる、という利点がある。具体的には，ＧｅとＳｉの界面がリーク電流経路となり、ＰＮ接合とＧｅ層１１４の位置合わせ精度が良くない場合に逆方向電流のばらつきの原因になっていたが，本発明の実施形態にかかる検出器は、このばらつきを抑制することができる。

本発明は、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に関し、特に静電気放電に対する耐性のある光検出器に適用することができる。

１０１ 半導体基板,１０２ 下部クラッド層,１０３ 上部クラッド層,１０９ 導波路,１１０ コア層,１１１ａ ｐ型シリコンスラブ,１１１ｂ ｐ型シリコンスラブ（領域）,１１２ シリコンコンタクト領域,１１３ ｐ++シリコンコンタクト領域,１１４ 吸光
層（Ｇｅ層）,１１５ ｎ型Ｇｅ領域,１１６ 電極,１１７ 電極,１１８ 電極,１１９
ｎ型シリコンスラブ,１２０ シリコンコンタクト領域,１２５ 真性シリコン領域,３
００ ＧｅＰＤ,３０１ 保護（ツェナー）ダイオード,４０１ 保護（ツェナー）ダイオード

Claims (8)

1. フォトダイオードと保護ダイオードとを備えた光検出器において、
   前記フォトダイオードと前記保護ダイオードは同一半導体基板上に集積され、
   前記フォトダイオードは、
   少なくとも一種類以上の半導体材料から成る半導体部と、
   アノード電極と、
   カソード電極と、を備え、
   前記保護ダイオードは、
   コア層と、
   前記コア層に備えられた第一型不純物イオンがドーピングされた第一型半導体領域、第二型不純物イオンがドーピングされた第二型半導体領域、及び真性半導体領域を含む半導体部と、
   アノード電極と、
   カソード電極と、を備え、
   前記保護ダイオードの半導体部は、前記フォトダイオードの半導体部に用いられている半導体材料のうち一種類のみで構成され、
   前記保護ダイオードの半導体部上に接して、かつ、前記保護ダイオードの前記アノード電極と前記カソード電極との間には上部クラッド層のみが形成され、
   前記保護ダイオードのアノード電極と前記フォトダイオードのアノード電極とが接続し、
   前記保護ダイオードのカソード電極と前記フォトダイオードのカソード電極とが接続していることを特徴とする光検出器。
2. 前記フォトダイオードの半導体部は、
   第一型不純物がドーピングされたコア層と、
   前記コア層に接続された光導波路と、
   前記コア層上の第二型不純物がドーピングされた吸光層と、
   前記コア層下の下部クラッド層と、
   前記コア層および前記吸光層上の上部クラッド層と、
   前記コア層および前記吸光層にそれぞれ接続された前記フォトダイオードのアノード電極及び前記フォトダイオードのカソード電極と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
3. 前記フォトダイオードのコア層と前記保護ダイオードの半導体部が同一材料であることを特徴とする請求項２に記載の光検出器。
4. 前記フォトダイオードのコア層と前記保護ダイオードの半導体部が同一の層を共有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光検出器。
5. 前記フォトダイオードのコア層の主材料がシリコンであり、前記吸光層の主材料がゲルマニウムである請求項２に記載の光検出器。
6. 前記フォトダイオードと前記保護ダイオードとが、前記フォトダイオードが備えたシリコン導波路層を通過する光の入射方向に並ぶことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光検出器。
7. 前記フォトダイオードと前記保護ダイオードとが、
   前記フォトダイオードが備えたシリコン導波路層を通過する光の入射方向に対して垂直方向に並ぶことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光検出器。
8. 前記フォトダイオードに対して、前記保護ダイオードが複数接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光検出器。