JPH06323900A - 共鳴キャビティを有する光ディテクタ - Google Patents
共鳴キャビティを有する光ディテクタInfo
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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- H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 所望の波長に対してのみ共鳴キャビティを有
する光検知器を提供する。 【構成】 本発明の共鳴キャビティｐ−ｉ−ｎ（ＲＣ−
ＰＩＮ）光ディテクタは、市販の光ディテクタの集光面
に電子ビーム堆積した屈折率の異なる非エピタキシャル
のアモルファス層を有するファブリペローキャビティを
透過、あるいは、反射することに基づいている。このフ
ァブリペローキャビティの材料は、広範囲の屈折率を有
する材料から、そして、好ましくはアモルファス状態で
堆積されるような材料から選択される。この材料の組み
合わせは、キャビティモードと共鳴する波長のみが検知
できるようにする。ＲＣ−ＰＩＮのマイクロキャビティ
は既存の如何なるディテクタ構造の上にも電子ビーム蒸
着により半導体の成長を修正せずに堆積することができ
る。このような光ディテクタは、波長分離化（demultip
lexing）に対しては有効である。
する光検知器を提供する。 【構成】 本発明の共鳴キャビティｐ−ｉ−ｎ（ＲＣ−
ＰＩＮ）光ディテクタは、市販の光ディテクタの集光面
に電子ビーム堆積した屈折率の異なる非エピタキシャル
のアモルファス層を有するファブリペローキャビティを
透過、あるいは、反射することに基づいている。このフ
ァブリペローキャビティの材料は、広範囲の屈折率を有
する材料から、そして、好ましくはアモルファス状態で
堆積されるような材料から選択される。この材料の組み
合わせは、キャビティモードと共鳴する波長のみが検知
できるようにする。ＲＣ−ＰＩＮのマイクロキャビティ
は既存の如何なるディテクタ構造の上にも電子ビーム蒸
着により半導体の成長を修正せずに堆積することができ
る。このような光ディテクタは、波長分離化（demultip
lexing）に対しては有効である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、共鳴キャビティを有す
る光ディテクタに関する。
る光ディテクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】波長選択性のディテクタは波長分割多重
化装置において利用される。異なる波長の個別の信号を
光ファイバを介して送信し、この波長を個別に検知する
ことにより、通信システムの情報のキャパシティを増加
させることができる。この光源は半導体レーザ、あるい
は狭スペクトル発光ダイオード（ＬＥＤ）や共鳴キャビ
ティＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）からなる。この検知システム
は信号を多重化できなければならない。すなわち、異な
る波長の信号を個別に検知できなければならない。分離
（demultiplexing）システムにおいては、各検知器は高
効率でもって、その意図した波長から光を検知できなけ
ればならない。そして、チャネル間のクロストークを最
小にするために、他の波長のすべてに対し、感受性を有
してはならない。
化装置において利用される。異なる波長の個別の信号を
光ファイバを介して送信し、この波長を個別に検知する
ことにより、通信システムの情報のキャパシティを増加
させることができる。この光源は半導体レーザ、あるい
は狭スペクトル発光ダイオード（ＬＥＤ）や共鳴キャビ
ティＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）からなる。この検知システム
は信号を多重化できなければならない。すなわち、異な
る波長の信号を個別に検知できなければならない。分離
（demultiplexing）システムにおいては、各検知器は高
効率でもって、その意図した波長から光を検知できなけ
ればならない。そして、チャネル間のクロストークを最
小にするために、他の波長のすべてに対し、感受性を有
してはならない。
【０００３】近年、共鳴キャビティ強化（ＲＣＥ）光デ
ィテクタが波長分割多重化システムで使用するために研
究されている。その構成はエピタキシャル半導体層から
なるファブリペロー共鳴キャビティ内に光ディテクタの
吸収領域を配置することである。このような装置は高速
度で動作し、薄い吸収領域を有し、そして、非共鳴の波
長を反射しながら、キャビティの共鳴波長に対し、最も
強く光を検知する。これらの素子は、エピタキシャルの
分散型ブラグリフレクタの半導体ミラーを活性領域の下
と上に成長させる必要がある。これに関しては、K.Kish
ino et al.,「Resonant Cavity-Enhanced (RCE) Photod
etectors」IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.
27,No.8,August 1991,pages 2025-2026. を参照のこ
と。
ィテクタが波長分割多重化システムで使用するために研
究されている。その構成はエピタキシャル半導体層から
なるファブリペロー共鳴キャビティ内に光ディテクタの
吸収領域を配置することである。このような装置は高速
度で動作し、薄い吸収領域を有し、そして、非共鳴の波
長を反射しながら、キャビティの共鳴波長に対し、最も
強く光を検知する。これらの素子は、エピタキシャルの
分散型ブラグリフレクタの半導体ミラーを活性領域の下
と上に成長させる必要がある。これに関しては、K.Kish
ino et al.,「Resonant Cavity-Enhanced (RCE) Photod
etectors」IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.
27,No.8,August 1991,pages 2025-2026. を参照のこ
と。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、所望の波長に対してのみ共鳴するキャビティを有す
る光検知器を提供する。
は、所望の波長に対してのみ共鳴するキャビティを有す
る光検知器を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の共鳴キャビティ
ｐ−ｉ−ｎ光ディテクタは、市販の光ディテクタの集光
面に電子ビーム堆積した屈折率の異なる非エピタキシャ
ルのアモルファス層を有するファブリペローキャビティ
を透過、あるいは、反射することに基づいている。この
ファブリペローキャビティの材料は、広い範囲（ＣａＦ
2に対してはｎ＝１．２６、Ｓｉに対してはｎ＝３．
５）にわたる屈折率を有する材料から、そして、好まし
くはアモルファス状態で堆積されるような材料から選択
される。この材料の組み合わせは、キャビティモードと
共鳴する波長のみが検知できるようにする。ＲＣ−ＰＩ
Ｎのマイクロキャビティは既存の如何なるディテクタ構
造の上にも電子ビーム蒸着により半導体の成長を修正せ
ずに堆積することができる。このような光ディテクタ
は、波長分離化（demultiplexing）に対しては有効であ
る。堆積層の容易さ及びスペクトル位置の形成の程度、
スペクトル検知の幅及び効率的な検知のための最大開口
数により波長分離化の応用に対しては、ＲＣ−ＰＩＮが
有効なものとなる。代表的なＲＣ−ＰＩＮ光ディテクタ
は市販のＩｎＧａＡｓ光ディテクタのＩｎＰ基板の上に
電子ビーム堆積したＳｉ／ＳｉＯ2ファビルペルーキャ
ビティを有する。標準的な素子に対する検知効率は１３
５０ｎｍ共鳴波長で５２％で、共鳴幅は１４ｎｍで、１
１００−１７００ｎｍの範囲の共鳴から外れた波長に対
しては、４％の応答である。
ｐ−ｉ−ｎ光ディテクタは、市販の光ディテクタの集光
面に電子ビーム堆積した屈折率の異なる非エピタキシャ
ルのアモルファス層を有するファブリペローキャビティ
を透過、あるいは、反射することに基づいている。この
ファブリペローキャビティの材料は、広い範囲（ＣａＦ
2に対してはｎ＝１．２６、Ｓｉに対してはｎ＝３．
５）にわたる屈折率を有する材料から、そして、好まし
くはアモルファス状態で堆積されるような材料から選択
される。この材料の組み合わせは、キャビティモードと
共鳴する波長のみが検知できるようにする。ＲＣ−ＰＩ
Ｎのマイクロキャビティは既存の如何なるディテクタ構
造の上にも電子ビーム蒸着により半導体の成長を修正せ
ずに堆積することができる。このような光ディテクタ
は、波長分離化（demultiplexing）に対しては有効であ
る。堆積層の容易さ及びスペクトル位置の形成の程度、
スペクトル検知の幅及び効率的な検知のための最大開口
数により波長分離化の応用に対しては、ＲＣ−ＰＩＮが
有効なものとなる。代表的なＲＣ−ＰＩＮ光ディテクタ
は市販のＩｎＧａＡｓ光ディテクタのＩｎＰ基板の上に
電子ビーム堆積したＳｉ／ＳｉＯ2ファビルペルーキャ
ビティを有する。標準的な素子に対する検知効率は１３
５０ｎｍ共鳴波長で５２％で、共鳴幅は１４ｎｍで、１
１００−１７００ｎｍの範囲の共鳴から外れた波長に対
しては、４％の応答である。
【０００６】
【実施例】本発明の波長選択性光ディテクタは、ｐ−ｉ
−ｎ半導体構造体と活性領域と一対のＤＢＲミラーによ
り形成される隣接する共鳴光キャビティから形成され
る。このマイクロキャビティは複数の堆積技術により堆
積された様々な透過材料の組み合わせからなる。これら
の組み合わせは、このキャビティと共鳴する波長のみ検
出されるように選択される。
−ｎ半導体構造体と活性領域と一対のＤＢＲミラーによ
り形成される隣接する共鳴光キャビティから形成され
る。このマイクロキャビティは複数の堆積技術により堆
積された様々な透過材料の組み合わせからなる。これら
の組み合わせは、このキャビティと共鳴する波長のみ検
出されるように選択される。
【０００７】図１において、光ディテクタ１０は光ディ
テクタ構造体１１と半導体基板１２と吸収領域１３と電
極１４と１５とからなり、この電極１４と１５はそれそ
れ半導体基板１２と吸収領域１３に接続されている。さ
らに、光ディテクタ１０は半導体基板１２の上に成長し
たマイクロキャビティ１６を有する。このマイクロキャ
ビティ１６は底部分散型ブラグリフレクタミラー１７と
活性領域１８と上部分散型ブラグリフレクタミラー１９
とを有する。
テクタ構造体１１と半導体基板１２と吸収領域１３と電
極１４と１５とからなり、この電極１４と１５はそれそ
れ半導体基板１２と吸収領域１３に接続されている。さ
らに、光ディテクタ１０は半導体基板１２の上に成長し
たマイクロキャビティ１６を有する。このマイクロキャ
ビティ１６は底部分散型ブラグリフレクタミラー１７と
活性領域１８と上部分散型ブラグリフレクタミラー１９
とを有する。
【０００８】各底部分散型ブラグリフレクタミラー１７
と上部分散型ブラグリフレクタミラー１９は複数の対の
層を有する。各層はλ／４の厚さで、各対のある層は他
の層の屈折率とは異なる屈折率を有する。各層の材料と
それぞれの屈折率と層の対の数（周期）は予め選択され
て、各ミラーに対し、所望の反射特性を有し、上部分散
型ブラグリフレクタミラー１９の上部層に入射する光の
通過を引き起こし、そして、この光ディテクタの半導体
基板１２内、あるいは半導体基板１２の上に通過及び到
達する。
と上部分散型ブラグリフレクタミラー１９は複数の対の
層を有する。各層はλ／４の厚さで、各対のある層は他
の層の屈折率とは異なる屈折率を有する。各層の材料と
それぞれの屈折率と層の対の数（周期）は予め選択され
て、各ミラーに対し、所望の反射特性を有し、上部分散
型ブラグリフレクタミラー１９の上部層に入射する光の
通過を引き起こし、そして、この光ディテクタの半導体
基板１２内、あるいは半導体基板１２の上に通過及び到
達する。
【０００９】本発明のマイクロキャビティ１６は低屈折
率と高屈折率の層のシーケンスから形成される。すなわ
ち、活性領域１８は低屈折率で、Ｓｉ層２０は高屈折率
である。これらの材料は、それが堆積する時にはアモル
ファスとなるような材料から選択される。電子ビーム蒸
着を使用することにより、このような材料を容易に堆積
することができる。実施例においては、高屈折率材料は
Ｓｉ（ｎ＝３．５）で、低屈折率材料はＳｉＯ2（ｎ＝
１．４６）である。基板には低屈折率材料のＳｉＮx層
２１が半導体基板１２の上に反射防止コーティングとし
て堆積される。このＳｉＮx層２１の上に電子ビーム堆
積されたＳｉ層２０とＳｉＯ2層２２が交互に形成され
て、ＳｉＯ2製の活性領域１８はＳｉ層２０により挟ま
れている。最上部層２３はＳｉＯ2とは異なる低屈折率
層である。この実施例においては、最上部層２３はＡｌ
2Ｏ3（ｎ＝１．６４）製である。この低屈折率材料製の
最上部層２３は、空気層（別の低屈折率材料）に隣接す
る。このような構成は高屈折率と低屈折率が交互の層を
形成するという規則には合致しないが、この系の上部反
射特性と底部反射特性の間でマッチするためには許され
ることである。
率と高屈折率の層のシーケンスから形成される。すなわ
ち、活性領域１８は低屈折率で、Ｓｉ層２０は高屈折率
である。これらの材料は、それが堆積する時にはアモル
ファスとなるような材料から選択される。電子ビーム蒸
着を使用することにより、このような材料を容易に堆積
することができる。実施例においては、高屈折率材料は
Ｓｉ（ｎ＝３．５）で、低屈折率材料はＳｉＯ2（ｎ＝
１．４６）である。基板には低屈折率材料のＳｉＮx層
２１が半導体基板１２の上に反射防止コーティングとし
て堆積される。このＳｉＮx層２１の上に電子ビーム堆
積されたＳｉ層２０とＳｉＯ2層２２が交互に形成され
て、ＳｉＯ2製の活性領域１８はＳｉ層２０により挟ま
れている。最上部層２３はＳｉＯ2とは異なる低屈折率
層である。この実施例においては、最上部層２３はＡｌ
2Ｏ3（ｎ＝１．６４）製である。この低屈折率材料製の
最上部層２３は、空気層（別の低屈折率材料）に隣接す
る。このような構成は高屈折率と低屈折率が交互の層を
形成するという規則には合致しないが、この系の上部反
射特性と底部反射特性の間でマッチするためには許され
ることである。
【００１０】本発明の光ディテクタ１０はＩｎＰ製の半
導体基板１２の上に成長した市販のｐ−ｉ−ｎ ＩｎＧ
ａＡｓ製の光ディテクタ構造体１１を有する。そして、
光はこの半導体基板１２を介して集光する。この表面の
集光構造は、本発明の光ディテクタ１０でも可能であ
る。λ／４のＳｉＮX層が基板の上に堆積により形成さ
れた後、マイクロキャビティ１６の残りの部分は基板の
温度を１００℃にして、底部分散型ブラグリフレクタミ
ラー１７と活性領域１８と上部分散型ブラグリフレクタ
ミラー１９を電子ビーム蒸着により成長させる。底部分
散型ブラグリフレクタミラー１７はＳｉＮX層の上にλ
／４（９６５ｎｍ厚）のＳｉとλ／４厚（１１５５ｎｍ
厚）のＳｉＯ2層を交互に積み重ねて、最後はＳｉ層と
なるように形成される。次に、ＳｉＯ2製の活性領域１
８がλ／２＝（２３１０ｎｍ）に対応する厚さで堆積さ
れる。この後、λ／４厚のＳｉ層とλ／４厚のＳｉＯ2
層を交互に重ねた中央半導体領域の上に堆積して、活性
領域１８を形成する。この活性領域１８の最終層は、λ
／４厚のＡｌ2Ｏ3の最上部層２３で、活性領域１８の最
上部の高屈折率層（Ｓｉ）の上部に形成されて、１３５
０ｎｍの共鳴真空波長λ0で、最大透過率を有する上部
ミラーの反射特性に同調する。この実施例においては、
ＳｉＮx層２１は高屈折率層と低屈折率層の３回の周期
で形成され、その１つはＳｉＮX層を含む。最上部層２
３もまたＡｌ2Ｏ3層を含む低屈折率層と高屈折率層の３
回の周期で形成される。
導体基板１２の上に成長した市販のｐ−ｉ−ｎ ＩｎＧ
ａＡｓ製の光ディテクタ構造体１１を有する。そして、
光はこの半導体基板１２を介して集光する。この表面の
集光構造は、本発明の光ディテクタ１０でも可能であ
る。λ／４のＳｉＮX層が基板の上に堆積により形成さ
れた後、マイクロキャビティ１６の残りの部分は基板の
温度を１００℃にして、底部分散型ブラグリフレクタミ
ラー１７と活性領域１８と上部分散型ブラグリフレクタ
ミラー１９を電子ビーム蒸着により成長させる。底部分
散型ブラグリフレクタミラー１７はＳｉＮX層の上にλ
／４（９６５ｎｍ厚）のＳｉとλ／４厚（１１５５ｎｍ
厚）のＳｉＯ2層を交互に積み重ねて、最後はＳｉ層と
なるように形成される。次に、ＳｉＯ2製の活性領域１
８がλ／２＝（２３１０ｎｍ）に対応する厚さで堆積さ
れる。この後、λ／４厚のＳｉ層とλ／４厚のＳｉＯ2
層を交互に重ねた中央半導体領域の上に堆積して、活性
領域１８を形成する。この活性領域１８の最終層は、λ
／４厚のＡｌ2Ｏ3の最上部層２３で、活性領域１８の最
上部の高屈折率層（Ｓｉ）の上部に形成されて、１３５
０ｎｍの共鳴真空波長λ0で、最大透過率を有する上部
ミラーの反射特性に同調する。この実施例においては、
ＳｉＮx層２１は高屈折率層と低屈折率層の３回の周期
で形成され、その１つはＳｉＮX層を含む。最上部層２
３もまたＡｌ2Ｏ3層を含む低屈折率層と高屈折率層の３
回の周期で形成される。
【００１１】この実施例においては、ＳｉとＳｉＯ2を
それぞれ高屈折率材料及び低屈折率材料として用いた
が、このような材料は高屈折率材料としては、Ｓｉ（ｎ
＝３．５）、ＧａＰ（ｎ＝３．５）、ＺｎＳ（ｎ＝２．
３）、ＴｉＯ2（ｎ＝２．２）、ＳｉＮX（ｎ＝１．
９）、立方ジルコニア（ｎ＝１．９）からなる材料群か
ら選択でき、そして、低屈折率材料としては、ＴｉＯ2
（ｎ＝２．２）、ＳｉＮX（ｎ＝１．９）、立方ジルコ
ニア（ｎ＝１．９）、Ａｌ2Ｏ3（ｎ＝１．６４）、チタ
ンシリカガラス（ｎ＝１．５４）、リンシリカガラス
（ｎ＝１．５）、ボロシリケートガラス（ｎ＝１．４
６）、ＳｉＯ2（ｎ＝１．４６）、ＭｇＦ2（ｎ＝１．３
８）、ＣａＦ2（ｎ＝１．３）からなる材料群から選択
できる。高屈折率を有する材料が低屈折率のグループに
含まれている場合、例えば、立方ジルコニア（ｎ＝１．
９）、またはＴｉＯ2（ｎ＝２．２）はＣａＦ2（ｎ＝
１．３）、ＭｇＦ2（ｎ＝１．３８）、ボロシリケート
ガラス（ｎ＝１．４６）のような低屈折率材料と組み合
わせて使用することができる。
それぞれ高屈折率材料及び低屈折率材料として用いた
が、このような材料は高屈折率材料としては、Ｓｉ（ｎ
＝３．５）、ＧａＰ（ｎ＝３．５）、ＺｎＳ（ｎ＝２．
３）、ＴｉＯ2（ｎ＝２．２）、ＳｉＮX（ｎ＝１．
９）、立方ジルコニア（ｎ＝１．９）からなる材料群か
ら選択でき、そして、低屈折率材料としては、ＴｉＯ2
（ｎ＝２．２）、ＳｉＮX（ｎ＝１．９）、立方ジルコ
ニア（ｎ＝１．９）、Ａｌ2Ｏ3（ｎ＝１．６４）、チタ
ンシリカガラス（ｎ＝１．５４）、リンシリカガラス
（ｎ＝１．５）、ボロシリケートガラス（ｎ＝１．４
６）、ＳｉＯ2（ｎ＝１．４６）、ＭｇＦ2（ｎ＝１．３
８）、ＣａＦ2（ｎ＝１．３）からなる材料群から選択
できる。高屈折率を有する材料が低屈折率のグループに
含まれている場合、例えば、立方ジルコニア（ｎ＝１．
９）、またはＴｉＯ2（ｎ＝２．２）はＣａＦ2（ｎ＝
１．３）、ＭｇＦ2（ｎ＝１．３８）、ボロシリケート
ガラス（ｎ＝１．４６）のような低屈折率材料と組み合
わせて使用することができる。
【００１２】このキャビティが共鳴状態においては、以
下の共鳴条件を満たす時に光を透過する。
下の共鳴条件を満たす時に光を透過する。
【数１】 ここで、φR1とφR2は活性領域１８と底部分散型ブラグ
リフレクタミラー１７との間及び活性領域１８と上部分
散型ブラグリフレクタミラー１９との間のインタフェー
スにおける反射位相である。ｎactは活性領域１８の屈
折率で、Ｌactは活性領域１８の厚さである。λ0＝１３
５０ｎｍに対しては、φR1＝πとφR2＝πとＬact＝λ0
／（２ｎact）＝λ／２となる。ＤＢＲ形成層または活
性層またはその両方に対し、厚さが異なると、設計波長
がシフトする。活性領域１８の厚さがλ以上であると、
複数の共鳴波長がＤＢＲミラーの高屈折率領域内に存在
する。
リフレクタミラー１７との間及び活性領域１８と上部分
散型ブラグリフレクタミラー１９との間のインタフェー
スにおける反射位相である。ｎactは活性領域１８の屈
折率で、Ｌactは活性領域１８の厚さである。λ0＝１３
５０ｎｍに対しては、φR1＝πとφR2＝πとＬact＝λ0
／（２ｎact）＝λ／２となる。ＤＢＲ形成層または活
性層またはその両方に対し、厚さが異なると、設計波長
がシフトする。活性領域１８の厚さがλ以上であると、
複数の共鳴波長がＤＢＲミラーの高屈折率領域内に存在
する。
【００１３】マイクロキャビティを有する基準ウェーハ
の反射スペクトルを図２に示す。高反射領域は１０００
ｎｍから１８００ｎｍにわたり、１３５０ｎｍのキャビ
ティ共鳴において、反射ディップが１５ｎｍの幅で存在
する。この反射ディップがマイクロキャビティの伝送共
鳴に相当する。この反射ディップは１０％落ち、そし
て、その幅は１０ｎｍ（８ｍｅＶ）である。上部分散型
ブラグリフレクタミラー１９の反射率を微妙に調整する
ことにより、共鳴点における反射を理論的にはゼロにで
きる。波長位置λ0における反射ディップのスペクトル
幅Δλ0は以下の式で与えられる。
の反射スペクトルを図２に示す。高反射領域は１０００
ｎｍから１８００ｎｍにわたり、１３５０ｎｍのキャビ
ティ共鳴において、反射ディップが１５ｎｍの幅で存在
する。この反射ディップがマイクロキャビティの伝送共
鳴に相当する。この反射ディップは１０％落ち、そし
て、その幅は１０ｎｍ（８ｍｅＶ）である。上部分散型
ブラグリフレクタミラー１９の反射率を微妙に調整する
ことにより、共鳴点における反射を理論的にはゼロにで
きる。波長位置λ0における反射ディップのスペクトル
幅Δλ0は以下の式で与えられる。
【数２】 ここで、Ｒ1とＲ2はそれぞれ上部分散型ブラグリフレク
タミラー１９と底部分散型ブラグリフレクタミラー１７
の反射率で、ＬCavは有効キャビティ長で、この有効キ
ャビティ長ＬCavは、キャビティ内の光の波長λの倍数
である。０．５λ厚の中央ＳｉＯ2領域と０．２λの各
ＤＢＲミラーへの有効深度からなる構造においては、Ｌ
Cav＝０．９λである。このＬCavは半導体ＲＣＥディテ
クタで得られる値よりも遥かに短く、ミラーの深度が遥
かに大きいために、一般的には、２．５λである。この
ＲＣ−ＰＩＮ素子のより小さなＬCavと高反射率の広い
スペクトルはＳｉ層（ｎ＝３．５）とＳｉＯ2層（ｎ＝
１．４６）の大きな屈折率の差に起因する。このミラー
の理論的反射率は約０．９６で、その理論状の幅は約１
１ｎｍで、これは観測されたものにほぼ等しい。広い範
囲の屈折率を有する様々な材料からミラー層用の材料を
選択することによりスペクトル幅と反射幅は、全体のミ
ラーの反射率から独立して形成できる。
タミラー１９と底部分散型ブラグリフレクタミラー１７
の反射率で、ＬCavは有効キャビティ長で、この有効キ
ャビティ長ＬCavは、キャビティ内の光の波長λの倍数
である。０．５λ厚の中央ＳｉＯ2領域と０．２λの各
ＤＢＲミラーへの有効深度からなる構造においては、Ｌ
Cav＝０．９λである。このＬCavは半導体ＲＣＥディテ
クタで得られる値よりも遥かに短く、ミラーの深度が遥
かに大きいために、一般的には、２．５λである。この
ＲＣ−ＰＩＮ素子のより小さなＬCavと高反射率の広い
スペクトルはＳｉ層（ｎ＝３．５）とＳｉＯ2層（ｎ＝
１．４６）の大きな屈折率の差に起因する。このミラー
の理論的反射率は約０．９６で、その理論状の幅は約１
１ｎｍで、これは観測されたものにほぼ等しい。広い範
囲の屈折率を有する様々な材料からミラー層用の材料を
選択することによりスペクトル幅と反射幅は、全体のミ
ラーの反射率から独立して形成できる。
【００１４】無損失のマイクロキャビティフィルタは上
部ＤＢＲミラーと底部ＤＢＲミラーが同一の反射率、す
なわち、Ｒ1＝Ｒ2の場合には、共鳴点においては、光の
１００％を透過する。同様なミラー反射の条件は、共鳴
キャビティ強化型（ＲＣＥ：resonant cavity enhance
d）の光ディテクタでも観測できる。このＲＣＥ光ディ
テクタは、シングルパス伝送Ｔを有する活性媒体を有し
（アンティノード（波腹）効果を含む）、検知効率はＲ
1＝Ｒ2Ｔ2の時に最大となり、Ｒ2＝１の時のみ１００％
の値となる。ＲＣ−ＰＩＮ光ディテクタのマイクロキャ
ビティの等ミラー反射率の条件は、ＲＣＥディテクタに
必要とされる二重の条件よりも簡単に実現できる。最適
化された素子の両方の場合には、共鳴検知と非共鳴検知
との間の最大な理論的な比は（１＋Ｒ1 2）／（１−
Ｒ1）2で与えられる。
部ＤＢＲミラーと底部ＤＢＲミラーが同一の反射率、す
なわち、Ｒ1＝Ｒ2の場合には、共鳴点においては、光の
１００％を透過する。同様なミラー反射の条件は、共鳴
キャビティ強化型（ＲＣＥ：resonant cavity enhance
d）の光ディテクタでも観測できる。このＲＣＥ光ディ
テクタは、シングルパス伝送Ｔを有する活性媒体を有し
（アンティノード（波腹）効果を含む）、検知効率はＲ
1＝Ｒ2Ｔ2の時に最大となり、Ｒ2＝１の時のみ１００％
の値となる。ＲＣ−ＰＩＮ光ディテクタのマイクロキャ
ビティの等ミラー反射率の条件は、ＲＣＥディテクタに
必要とされる二重の条件よりも簡単に実現できる。最適
化された素子の両方の場合には、共鳴検知と非共鳴検知
との間の最大な理論的な比は（１＋Ｒ1 2）／（１−
Ｒ1）2で与えられる。
【００１５】キャビティ対波長のディテクタと反射防止
コーティングを有するディテクタとに対する応答が図３
に示されている。この図は、光は１３５０ｎｍの共鳴波
長でのみ検知され、このディテクタは他の波長に対して
は応答しない。この光の検知能力は１１００ｎｍから１
８００ｎｍにわたって低いが、但し、１３５０ｎｍで１
４ｎｍの幅の共鳴点においては、その相対的な検知能力
は５０％上がる。反射光は理論的には他のＲＣ−ＰＩＮ
光ディテクタにより検知され、これらは波長分割多重化
システムを形成する。１３５０ｎｍの波長での最大相対
応答性は５２％で、一方、非共鳴の応答性とは約４％で
ある。１０％反射と５２％応答との間の不一致は理論的
には、アモルファスシリコンにおける吸収係数が１５０
ｃｍ-1であることにより説明できる。高温における成
長、すなわち、ＣＶＤ堆積によれば、シリコン層は吸収
率を減少させ、それ故に、より高い検知効率を有する。
他の高屈折率材料、例えば、ＴｉＯ2は吸収損失はない
が、抑止の波長範囲は狭くなる。効率の損失の他の原因
は、フィルムにおける光の散乱、あるいは若干の凹凸を
有する基板表面で、その結果、マイクロキャビティ透過
ピークのスメア（にじみ）となる。４％の非共鳴応答は
ミラー反射率が９６％を有する完全な層構造に対して計
算される０．１％よりも大きい。この原因は、周囲のデ
ィテクタマントから、あるいは層そのものの内部から、
あるいはディテクタの遠端からの散乱光である。ディテ
クタの遠端からの如何なる反射はスペキュラ（反映）ま
たは拡散の何れでも、共鳴点における検知信号を減少さ
せ、非共鳴点においては、検知信号を増加させる。
コーティングを有するディテクタとに対する応答が図３
に示されている。この図は、光は１３５０ｎｍの共鳴波
長でのみ検知され、このディテクタは他の波長に対して
は応答しない。この光の検知能力は１１００ｎｍから１
８００ｎｍにわたって低いが、但し、１３５０ｎｍで１
４ｎｍの幅の共鳴点においては、その相対的な検知能力
は５０％上がる。反射光は理論的には他のＲＣ−ＰＩＮ
光ディテクタにより検知され、これらは波長分割多重化
システムを形成する。１３５０ｎｍの波長での最大相対
応答性は５２％で、一方、非共鳴の応答性とは約４％で
ある。１０％反射と５２％応答との間の不一致は理論的
には、アモルファスシリコンにおける吸収係数が１５０
ｃｍ-1であることにより説明できる。高温における成
長、すなわち、ＣＶＤ堆積によれば、シリコン層は吸収
率を減少させ、それ故に、より高い検知効率を有する。
他の高屈折率材料、例えば、ＴｉＯ2は吸収損失はない
が、抑止の波長範囲は狭くなる。効率の損失の他の原因
は、フィルムにおける光の散乱、あるいは若干の凹凸を
有する基板表面で、その結果、マイクロキャビティ透過
ピークのスメア（にじみ）となる。４％の非共鳴応答は
ミラー反射率が９６％を有する完全な層構造に対して計
算される０．１％よりも大きい。この原因は、周囲のデ
ィテクタマントから、あるいは層そのものの内部から、
あるいはディテクタの遠端からの散乱光である。ディテ
クタの遠端からの如何なる反射はスペキュラ（反映）ま
たは拡散の何れでも、共鳴点における検知信号を減少さ
せ、非共鳴点においては、検知信号を増加させる。
【００１６】共鳴波長は放線から少しずれた入射角に対
しては、感度は鋭くないが、より高い角においては急速
にシフトする。共鳴波長対入射角θ0との関係は以下の
式により与えられる。
しては、感度は鋭くないが、より高い角においては急速
にシフトする。共鳴波長対入射角θ0との関係は以下の
式により与えられる。
【数３】 ここで、ｎcはマイクロキャビティに対する有効屈折率
で、この式を測定、あるいは計算による角のシフトに当
てはめることにより計算される。代表的なＲＣ−ＰＩＮ
素子においては、ｎcは約１．７５である。単色入射光
の角度の範囲は、全ての光線が共鳴ピーク内に入るよう
に制限する必要がある。狭い共鳴ピークを有する素子、
あるいは低ｎcを有する素子は、最大検知効率に対して
は、よりコリメートされた入力ビームが必要である。Ｒ
Ｃ−ＰＩＮディテクタ構造においては、共鳴幅は１３５
０ｎｍの波長で、１４ｎｍである。種々の部分線幅に対
する開口数ＮA＝ｓｉｎ（θ0,max）の光コーンから有効
屈折率ｎcを有するキャビティを介して透過する理想波
長の単色光に対する最大結合効率は次式で与えられる。
で、この式を測定、あるいは計算による角のシフトに当
てはめることにより計算される。代表的なＲＣ−ＰＩＮ
素子においては、ｎcは約１．７５である。単色入射光
の角度の範囲は、全ての光線が共鳴ピーク内に入るよう
に制限する必要がある。狭い共鳴ピークを有する素子、
あるいは低ｎcを有する素子は、最大検知効率に対して
は、よりコリメートされた入力ビームが必要である。Ｒ
Ｃ−ＰＩＮディテクタ構造においては、共鳴幅は１３５
０ｎｍの波長で、１４ｎｍである。種々の部分線幅に対
する開口数ＮA＝ｓｉｎ（θ0,max）の光コーンから有効
屈折率ｎcを有するキャビティを介して透過する理想波
長の単色光に対する最大結合効率は次式で与えられる。
【数４】 ここでの計算は光コーン内の全ての立体角にわたって、
光の強度は均一で、角度に対し、共鳴シフトの影響のみ
を有し、角度に対してはピーク検知効率は変化しないも
のとした。様々な部分線幅に対する平行ビームに対する
有効効率を図４に示す。ｔ＝０．０１、ｎc＝１．７５
の素子については、ＮA＜０．２９の光コーンに対する
相対結合効率は０．６９以上で、ＮA＜０．２０の相対
結合効率は０．８９以上である。
光の強度は均一で、角度に対し、共鳴シフトの影響のみ
を有し、角度に対してはピーク検知効率は変化しないも
のとした。様々な部分線幅に対する平行ビームに対する
有効効率を図４に示す。ｔ＝０．０１、ｎc＝１．７５
の素子については、ＮA＜０．２９の光コーンに対する
相対結合効率は０．６９以上で、ＮA＜０．２０の相対
結合効率は０．８９以上である。
【００１７】共鳴幅の値までの共鳴波長シフトを有する
光線の入射ビームは、相対効率は７８．５％である。よ
り大きなＮAに対しては、相対効率は急速に低下する。
そのため、マイクロキャビティは光源の所定のＮAに対
しては、７８．５％以上の相対効率を有するよう設計す
る必要がある。開口数が０．２５以下に対しては、この
キャビティはこの条件を満たす。より大きなＮAの値
は、若干広いスペクトル幅、または同様なスペクトル
幅、及びより大きなｎcにすることにより達成できる。
キャビティ屈折率ｎcは中央ＳｉＯ2領域、あるいは、さ
らに全てのＳｉＯ2層を高屈折率材料で置換することに
より増加させることができる。
光線の入射ビームは、相対効率は７８．５％である。よ
り大きなＮAに対しては、相対効率は急速に低下する。
そのため、マイクロキャビティは光源の所定のＮAに対
しては、７８．５％以上の相対効率を有するよう設計す
る必要がある。開口数が０．２５以下に対しては、この
キャビティはこの条件を満たす。より大きなＮAの値
は、若干広いスペクトル幅、または同様なスペクトル
幅、及びより大きなｎcにすることにより達成できる。
キャビティ屈折率ｎcは中央ＳｉＯ2領域、あるいは、さ
らに全てのＳｉＯ2層を高屈折率材料で置換することに
より増加させることができる。
【００１８】高屈折率の活性層をこの活性層に隣接する
低屈折率のＤＢＲミラーにより狭持するような組み合わ
せにより透過のキャビティも形成することができる。重
要な要件は、中央の層を光放射に対し、透明にすること
である。
低屈折率のＤＢＲミラーにより狭持するような組み合わ
せにより透過のキャビティも形成することができる。重
要な要件は、中央の層を光放射に対し、透明にすること
である。
【００１９】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、達成領
域とそれを狭持する低屈折率の活性領域と高屈折率の一
対のＤＢＲミラー構成により、波長選択の互い光ディテ
クタが提供できる。
域とそれを狭持する低屈折率の活性領域と高屈折率の一
対のＤＢＲミラー構成により、波長選択の互い光ディテ
クタが提供できる。
【図１】標準のｐ−ｉ−ｎ光ディテクタの集光表面に形
成されたファブリペロー共鳴マイクロキャビティの構造
を表す図。
成されたファブリペロー共鳴マイクロキャビティの構造
を表す図。
【図２】ファブリペローマイクロキャビティが光ディテ
クタの上に同時に成長したテスト用ウェーハの反射スペ
クトルを表すグラフ。
クタの上に同時に成長したテスト用ウェーハの反射スペ
クトルを表すグラフ。
【図３】堆積したファブリペローキャビティを有する共
鳴キャビティｐ−ｉ−ｎ光ディテクタからの検知光電流
の反射防止コートを有するか、キャビティの存在しない
基準ディテクタからの光電流で割った相対応答と波長と
の関係を表すグラフ。
鳴キャビティｐ−ｉ−ｎ光ディテクタからの検知光電流
の反射防止コートを有するか、キャビティの存在しない
基準ディテクタからの光電流で割った相対応答と波長と
の関係を表すグラフ。
【図４】種々の部分共鳴幅（ｔ）に対する共鳴キャビテ
ィｐ−ｉ−ｎ光ディテクタのファブリペローキャビティ
の最大相対応答と、入射光の開口数をキャビティの有効
屈折率で割ったＮA／ｎcとの関係を表すグラフ。
ィｐ−ｉ−ｎ光ディテクタのファブリペローキャビティ
の最大相対応答と、入射光の開口数をキャビティの有効
屈折率で割ったＮA／ｎcとの関係を表すグラフ。
１０ 光ディテクタ １１ 光ディテクタ構造体 １２ 半導体基板 １３ 吸収領域 １４、１５ 電極 １６ マイクロキャビティ １７ 底部分散型ブラグリフレクタミラー １８ 活性領域 １９ 上部分散型ブラグリフレクタミラー ２０ Ｓｉ層 ２１ ＳｉＮX層 ２２ ＳｉＯ2層 ２３ 最上部層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ネイル エドマンド ジェイムズ ハント アメリカ合衆国、ニュージャージー、スコ ッチ プレインズ、マウンテン アベニュ ー 2214 (72)発明者 エードマン フレデリック シューベルト アメリカ合衆国、ニュージャージー、ニュ ー プロビデンス、ウッドランド ロード 70 (72)発明者 ジョージ ジョン ザイドジック アメリカ合衆国、ニュージャージー、コロ ンビア、パイン ツリー レイン 17
Claims (8)
- 【請求項１】 基板（１２）と、光吸収領域（１３）
と、前記基板と光吸収領域に接続された電極（１４、１
５）とを有する光ダイオードとを有する光ディテクタ
（１０）において、 前記光ダイオードは、集光表面を有し、前記集光表面上
にファブリペローキャビティ（１６）が形成され、 前記ファブリペローキャビティは、前記集光表面から昇
順に複数の周期からなる底部分散型ブラグリフレクタミ
ラー（１７）と、活性領域（１８）と、複数の周期から
なる上部分散型ブラグリフレクタミラー（１９）とを有
し、 各周期は、高屈折率材料層（２０）と低屈折率材料層
（２２）とからなり、一周期の高屈折率材料層は、前記
ミラーの他の周期の低屈折率材料層に隣接し、前記ミラ
ー内の前記層は、λ／４の厚さを有し、 前記活性領域（１８）は、光吸収領域に隣接する層の屈
折率とは異なる屈折率を有し、その厚さはλ／２である
ことを特徴とする共鳴キャビティを有する光ディテク
タ。 - 【請求項２】 前記高屈折率の材料は、Ｓｉ、ＺｎＳ、
ＴｉＯ2、ＧａＰ、立方ジルコニア、ＳｉＮXからなるグ
ループから選択され、 前記低屈折率材料は、ＴｉＯ2、ＳｉＮX、立方ジルコニ
ア、Ａｌ2Ｏ3、リンシリカガラス、チタンシリカガラ
ス、ボロシリンケートガラス、ＳｉＯ2、ＭｇＦ2、Ｃａ
Ｆ2からなるグループから選択されることを特徴とする
請求項１の光ディテクタ。 - 【請求項３】 前記高屈折率材料はＳｉで、前記低屈折
率材料はＳｉＯ2であることを特徴とする請求項１の光
ディテクタ。 - 【請求項４】 前記基板（１２）の表面は、集光表面を
形成することを特徴とする請求項１の光ディテクタ。 - 【請求項５】 前記光吸収領域（１３）の表面は、集光
表面を形成することを特徴とする請求項１の光ディテク
タ。 - 【請求項６】 前記光ダイオードは、ＩｎＰ製基板の上
に成長したＩｎＧａＡｓ光吸収領域を有し、 前記高屈折率領域はＳｉを有し、前記低屈折率領域はＳ
ｉＯ2を有し、前記活性領域はＳｉＯ2を有することを特
徴とする請求項１の光ディテクタ。 - 【請求項７】 光ダイオードの集光表面に隣接する前記
底部ＤＢＲミラーの最低層は、ＳｉＮXを含むことを特
徴とする請求項６の光ディテクタ。 - 【請求項８】 前記上部ＤＢＲミラーの最上層は、Ａｌ
2Ｏ3を含むことを特徴とする請求項６の光ディテクタ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/054,947 US5315128A (en) | 1993-04-30 | 1993-04-30 | Photodetector with a resonant cavity |
| US054947 | 1993-04-30 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06323900A true JPH06323900A (ja) | 1994-11-25 |
| JP2894950B2 JP2894950B2 (ja) | 1999-05-24 |
Family
ID=21994557
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6101639A Expired - Lifetime JP2894950B2 (ja) | 1993-04-30 | 1994-04-15 | 共鳴キャビティを有する光ディテクタ |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5315128A (ja) |
| EP (1) | EP0622857B1 (ja) |
| JP (1) | JP2894950B2 (ja) |
| KR (1) | KR100335709B1 (ja) |
| CA (1) | CA2116257C (ja) |
| DE (1) | DE69405147T2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005057273A (ja) * | 2003-07-31 | 2005-03-03 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | 放射受光用半導体基体 |
| JP2006504111A (ja) * | 2002-10-22 | 2006-02-02 | ユニヴァーシティー カレッジ カーディフ コンサルタンツ リミテッド | 半導体光学装置 |
| JP2007101695A (ja) * | 2005-09-30 | 2007-04-19 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | フォトニック結晶及びその製造方法 |
| WO2023037510A1 (ja) * | 2021-09-10 | 2023-03-16 | 三菱電機株式会社 | 波長ロッカー、モニタフォトダイオード、ビームスプリッタおよび波長ロッカーの調芯方法 |
Families Citing this family (62)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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