WO2017038072A1 - 光検出器 - Google Patents

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silicon
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福田　浩
亀井　新
都築　健
真 地蔵堂
清史 菊池
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a photodetector used in optical communication, and more particularly to a photodetector using germanium formed on a silicon wafer.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of a conventional waveguide-coupled germanium photodetector.
  • 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
  • the cladding layer 103 and the electrodes 116 to 118 shown in FIG. 2 are omitted, and the electrodes 116 to 118 are in contact with the p ++ silicon electrode portions 112 and 113 and the n-type germanium region 115. Only a two-dot chain line is shown.
  • the germanium photodetector 100 is formed on a SOI (Silicon On On Insulator) substrate composed of a silicon substrate, a silicon oxide film, and a surface silicon layer using a lithography technique or the like.
  • the germanium photodetector 100 includes a silicon substrate 101, a lower cladding layer 102 made of a silicon oxide film on the silicon substrate, a core layer 110 that guides signal light, and a germanium layer that absorbs light formed on the core layer 110. 114 and an upper cladding layer 103 formed on the core layer 110 and the germanium layer 114.
  • the core layer 110 is formed with a p-type silicon slab 111 doped with p-type impurity ions and p ++ silicon electrode portions 112 and 113 which are doped with p-type impurities at a high concentration and function as electrodes.
  • the germanium layer 114 is laminated by epitaxial growth or the like, and an n-type germanium region 115 doped with an n-type impurity is formed thereon. Electrodes 116 to 118 are provided on the p ++ silicon electrode portions 112 and 113 and the n-type germanium region 115 so as to be in contact therewith.
  • the germanium photodetector when light is incident on the core layer 110 and absorbed by the germanium layer 114, a photocurrent flows between the electrode 117 and the electrodes 116 and 118. Detect light.
  • the conventional germanium photodetector has a problem that current or dark current is large in the absence of light incidence.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a germanium photodetector in which dark current is reduced without impairing photocurrent.
  • the invention according to claim 1 is a photodetector, which is formed on a silicon substrate, a lower cladding layer formed on the silicon substrate, and the lower cladding layer.
  • the germanium layer has a plurality of n-type germanium regions corresponding to a plurality of surfaces in contact with the p-type silicon slab, and the electrode is common to the plurality of n-type germanium regions. It comprises a set of electrodes including at least one first electrode connected to a p-type silicon slab and one second electrode connected to the plurality of n-type germanium regions.
  • the core layer includes a plurality of input waveguide portions.
  • Another aspect of the present invention is characterized in that the plurality of surfaces of the germanium layer in contact with the p-type silicon slab have different areas.
  • the p-type silicon slab is a p ++ silicon electrode doped with a high concentration of p-type impurities on both sides of the germanium layer. And the electrode connected to the p-type silicon slab is in contact with the p ++ silicon electrode portion.
  • Another aspect of the present invention is characterized in that the surface of the germanium layer in contact with the p-type silicon slab is arranged in series with respect to the light traveling direction.
  • Another aspect of the present invention is characterized in that the surface of the germanium layer in contact with the p-type silicon slab is arranged in parallel with the light traveling direction.
  • the present invention has the effect of reducing only the dark current without impairing the photocurrent of the germanium photodetector.
  • the S / N ratio can be increased and the reception sensitivity can be increased, so that the power consumption of the transmitter can be reduced and the transmission distance can be extended.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. It is a figure which shows the dark current of the germanium photodetector from which the bottom face dimension of a germanium layer differs, and made the horizontal axis the bottom area. It is a figure which shows the dark current of the germanium photodetector from which the bottom face dimension of a germanium layer differs, and made the horizontal axis the bottom periphery length. It is a top view which shows only the core layer 210 and the germanium layers 241 and 242 of the germanium photodetector which concerns on Embodiment 1 of this invention.
  • FIG. 1 shows typically the structure of the conventional waveguide coupling type germanium photodetector.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. It is a figure which shows the dark current of the germanium photodetector from which the bottom face dimension of a germanium layer differs, and made the horizontal axis the bottom area
  • FIG. 6 is a sectional view taken along line VI-VI in FIG. 5.
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line VII-VII in FIG. 5.
  • FIG. 6 is a sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. 5. It is a top view which shows only the core layer 210 and the germanium layers 241 and 242 of the germanium photodetector which concerns on Embodiment 2 of this invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG. 9.
  • FIG. 6 is a plan view showing only a core layer 210 and germanium layers 241 to 2 mn of a germanium photodetector according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view showing only a core layer 210 and germanium layers 251 to 25n of a germanium photodetector according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a sectional view taken along line XIII-XIII in FIG. It is a top view which shows only the core layer 210 and germanium layers 241-24n of the germanium photodetector which concerns on Embodiment 5 of this invention.
  • FIG. 10 is a plan view showing only a core layer 210 and germanium layers 241 to 2 mn of another germanium photodetector according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the other is dark current generated in threading dislocations existing inside the germanium layer 114 crystal. This is due to the lattice mismatch between silicon and germanium, the difference in thermal expansion coefficient, and the like.
  • the size of the surface is the area where the germanium layer 114 and the core layer 110 are in contact and the area where the germanium layer 114 and the electrode 117 are in contact. There is a correlation.
  • the surface where the germanium layer 114 and the core layer 110 are in contact refers to the bottom surface of the germanium layer 114 that absorbs light, and the surface where the germanium layer 114 and the electrode 117 are in contact is the germanium layer.
  • the upper surface of 114 is indicated.
  • FIG. 3 is a diagram showing the dark current of the germanium photodetector with respect to the area of the bottom surface in contact with the core layer of the germanium layer.
  • the vertical axis represents dark current
  • the horizontal axis represents the area of the bottom surface in contact with the core layer of the germanium layer.
  • the equation in the figure is the result of fitting with a linear equation, and the correlation between the area and dark current is very high, and it can be seen that the dark current is dark current due to threading dislocations.
  • the linear expression obtained by fitting has a negative intercept, which is considered to be because the dark current becomes 0 when the upper surface of the germanium layer becomes 0.
  • the intercept of the relational expression between the area of the bottom surface and the dark current is smaller. This means that even if the bottom surface has the same area, the dark current also decreases as the top surface area decreases. That is, it is considered that the dark current can be reduced by reducing the area of the upper surface of the germanium layer, that is, the area in contact with the electrode of the germanium layer.
  • FIG. 4 is a diagram showing the dark current of the germanium photodetector with respect to the bottom peripheral length of the germanium layer.
  • the vertical axis is the dark current
  • the horizontal axis is the bottom peripheral length of the germanium layer. It can be seen that the correlation coefficient when approximated by the linear equation is small and is not a dark current due to the peripheral length.
  • FIG. 5 is a plan view in which the upper cladding layer of the germanium photodetector 200 according to the first embodiment of the present invention, the p-type germanium region doped with the n-type impurity on the germanium layer, and the electrode are omitted.
  • 6 is a sectional view taken along line VI-VI in FIG. 5
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line VII-VII in FIG. 5
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
  • the core layer 210, the p-type silicon slab 211 doped with p-type impurity ions formed in a part of the core layer 210, and the p-type impurity are doped at a high concentration.
  • Only p ++ silicon electrode portions 212 and 213 acting as electrodes, germanium layers 241 and 242 for absorbing light, and n-type germanium regions 215-1 and 215-2 are shown, and the upper cladding layer and the electrodes are omitted.
  • the positions where the electrodes are in contact with the p ++ silicon electrode portions 212 and 213 and the n-type germanium regions 215-1 and 215-2 are indicated by two-dot chain lines.
  • the germanium photodetector 200 is formed on a SOI substrate including a silicon substrate, a silicon oxide film, and a surface silicon layer by using a lithography technique or the like.
  • the germanium photodetector 200 includes a silicon substrate 201, a lower cladding layer 202 made of a silicon oxide film on the silicon substrate, a core layer 210 that guides signal light, and a germanium layer that absorbs light formed on the core layer 210. 241 and 242, and an upper clad layer 203 formed on the core layer 210 and the germanium layers 241 and 242.
  • the core layer 210 is formed with a p-type silicon slab 211 doped with p-type impurity ions and p ++ silicon electrode portions 212 and 213 which are doped with p-type impurities at a high concentration and function as electrodes.
  • the germanium layers 241 and 242 are stacked by epitaxial growth or the like, and an n-type germanium region 215 doped with an n-type impurity is formed thereon. Electrodes 216 to 218 are provided on the p ++ silicon electrode portions 212 and 213 and the n-type germanium region 215 so as to be in contact therewith.
  • the cross sections at the respective positions of the germanium layers 241 and 242 of the germanium photodetector 200 have the same structure as FIG. 2 as shown in FIG.
  • the cross section between the germanium layers 241 and 242 is the same as the structure shown in FIG. It has a structure without only.
  • the germanium layer is downsized, the light absorption region becomes small, and there is a possibility that a sufficient photocurrent cannot be obtained. Therefore, as shown in FIG. 5, the two germanium layers 241 and 242 are arranged in series with respect to the light traveling direction to ensure a sufficient light absorption region.
  • FIG. 9 is a plan view in which the upper cladding layer of the germanium photodetector 300 according to the second embodiment of the present invention, the n-type germanium region doped with the n-type impurity on the germanium layer, and the electrode are omitted.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line XX in FIG.
  • FIG. 9 shows a core layer 210, a p-type silicon slab 211 doped with p-type impurity ions formed in a part of the core layer 210, and a p-type impurity doped at a high concentration.
  • the cross section in each position of the germanium layer 241, 242, ..., 24n (n: positive integer) of the germanium photodetector 300 is the same structure as FIG. Further, in FIG. 9, positions where the electrodes are in contact with the p ++ silicon electrode portions 212 and 213 and the n-type germanium regions 215-1, 215-2,.
  • FIG. 11 is a plan view in which the upper cladding layer of the germanium photodetector 400 according to the third embodiment of the present invention, the n-type germanium region doped with the n-type impurity on the germanium layer, and the electrode are omitted.
  • FIG. 11 shows a core layer 210, a p-type silicon slab 211 doped with p-type impurity ions formed in a part of the core layer 210, and a p-type impurity doped at a high concentration.
  • the positions where the electrodes are in contact with the p ++ silicon electrode portions 212 and 213 and the n-type germanium regions 215-1, 215-2,..., 215- (n ⁇ m) are indicated by two-dot chain lines.
  • the germanium crystal is made smaller by providing a plurality of germanium layers 241, 242,..., 24n,..., 2m1, 2m2,. Therefore, threading dislocations are less likely to occur, and the dark current caused by threading dislocations can be reduced by reducing the area of each germanium layer in contact with the electrodes.
  • a plurality of germanium layers 241, 242,..., 24 n,..., 2 m 1, 2 m 2,. Is secured.
  • FIG. 12 is a plan view in which the upper cladding layer of the germanium photodetector 500 according to the fourth embodiment of the present invention, the n-type germanium region doped with the n-type impurity on the germanium layer, and the electrode are omitted.
  • FIG. 13 shows a cross section taken along line XIII-XIII in FIG. In this embodiment, germanium layers 251, 252,..., 25n (n: positive integer) and n-type germanium regions 225-1, 225-2,. The feature is that the size of each is not uniform. In FIGS. 12 and 13, as an example, the germanium layers 251, 252,..., 25n and the n-type germanium regions 225-1, 225-2,. Is shown.
  • FIG. 12 shows a core layer 210, a p-type silicon slab 211 doped with p-type impurity ions formed in a part of the core layer 210, and a p-type impurity doped at a high concentration.
  • the upper cladding layer and the electrode were omitted.
  • the cross section in each position of the germanium layers 251, 252,..., 25n of the germanium photodetector 500 has the same structure as FIG. In FIG. 12, positions where the electrodes are in contact with the p ++ silicon electrode portions 212 and 213 and the n-type germanium regions 225-1, 225-2,.
  • the optical interference due to the regularity of the germanium layer is reduced, More uniform wavelength characteristics can be obtained.
  • threading dislocations are less likely to occur by reducing the germanium crystal, and the area of each germanium layer in contact with the p-type silicon slab 211 is reduced, resulting in threading dislocations.
  • 24n are arranged in series with respect to the light traveling direction, and a sufficient light absorption region is secured.
  • FIGS. 14A and 14B are plan views from which the upper cladding layer of the germanium photodetectors 600 and 700 according to the fifth embodiment of the present invention, the n-type germanium region doped with the n-type impurity on the germanium layer, and the electrode are omitted.
  • FIG. The present embodiment is characterized in that the core layer 210 includes a plurality of input waveguide portions, and the incident light is branched and incident from the plurality of input waveguide portions.
  • the configuration of the present embodiment is the same as that of the second and third embodiments except that the core layer 210 includes a plurality of input waveguide portions.
  • the germanium photodetector according to the present embodiment is a lumped constant circuit that does not require a circuit for speed matching between an electric signal and an optical signal unlike the distributed constant circuit.
  • this embodiment can improve the maximum light input intensity due to the photocurrent dispersion effect, and can reduce the size of the device by effectively increasing the effective germanium region.
  • FIG. 15 shows the measurement of dark current when two germanium layers are arranged in series as shown in FIG. 5 to reduce the area in contact with the silicon slab (with SEG) and when there is one conventional germanium layer (without SEG). It is a figure which shows a result.
  • the width in the short direction of the germanium layer is 8 ⁇ m
  • the length in the long direction of each germanium layer with SEG is 9 ⁇ m
  • the length in the long direction of the germanium layer without SEG is 20 ⁇ m.
  • the dark current can be greatly reduced by downsizing the area of the germanium layer in contact with the electrode.
  • FIG. 16 shows the photocurrent measurement results when two germanium layers are arranged in series as shown in FIG. 5 to reduce the area in contact with the electrode (with SEG) and when there is one conventional germanium layer (without SEG).
  • FIG. 15 the width in the short direction of the germanium layer is 8 ⁇ m, the length in the long direction of each germanium layer with SEG is 9 ⁇ m, and the length in the long direction of the germanium layer without SEG. The length is 20 ⁇ m.
  • Germanium photodetector 101 201 Silicon substrate 102, 202 Lower clad layer 103, 203 Upper clad layer 110, 210 Core layer 111, 211 p-type silicon slab 112, 113, 212, 213 p ++ silicon electrode portion 114, 241-2mn, 251-25n germanium layer 115, 215-1-215 (n ⁇ m), 225-1-225-n n-type germanium region 116-118, 216-218 electrode

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Abstract

本発明は、光電流を損なうことなく、暗電流を低減したゲルマニウム光検出器を提供する。シリコン基板と、シリコン基板上に形成された下部クラッド層と、下部クラッド層上に形成されたコア層（２１０）と、コア層（２１０）の一部に形成された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（２１１）、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（２１２、２１３）と、光を吸収するゲルマニウム層（２４１、２４２）を備える。さらに、上部クラッド層、ゲルマニウム層の上部のｎ型不純物がドーピングされたｎ型ゲルマニウム領域、および電極を備える。本発明は、ｐ型シリコンスラブ（２１１）上に２つのゲルマニウム層（２４１、２４２）を備えることにより、個々のゲルマニウム層のｐ型シリコンスラブ（２１１）と接する面積を小型化することで、貫通転位に起因する暗電流を削減することが出来る。

Description

光検出器
　本発明は、光通信において用いる光検出器に関し、より詳細にはシリコンウエハ上に形成したゲルマニウムを用いた光検出器に関する。
　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出来る。
　このような技術を用いたシリコン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がある。図１は、従来の導波路結合型のゲルマニウム光検出器の構造を模式的に示す図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩの断面図である。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、電極１１６～１１８を省き、電極１１６～１１８がｐ＋＋シリコン電極部１１２、１１３およびｎ型ゲルマニウム領域１１５に接する位置のみ２点鎖線で示している。
　ゲルマニウム光検出器１００は、シリコン基板、シリコン酸化膜、表面シリコン層からなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板にリソグラフィ技術等を用いて形成される。ゲルマニウム光検出器１００は、シリコン基板１０１と、シリコン基板上のシリコン酸化膜からなる下部クラッド層１０２と、信号光を導くコア層１１０と、コア層１１０上に形成された光を吸収するゲルマニウム層１１４と、コア層１１０およびゲルマニウム層１１４上に形成された上部クラッド層１０３を備える。
　コア層１１０は、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。ゲルマニウム層１１４は、エピタキシャル成長等によって積層され、その上部にｎ型不純物がドーピングされたｎ型ゲルマニウム領域１１５が形成されている。そして、ｐ＋＋シリコン電極部１１２、１１３およびｎ型ゲルマニウム領域１１５上には、それらに接するように電極１１６～１１８を備える。
　ゲルマニウム光検出器は、コア層１１０に光が入射されてゲルマニウム層１１４で光が吸収されると、電極１１７と電極１１６、１１８との間に光電流が流れるので、その電流を検出することで光を検出する。
特許５３７０８５７号公報
　しかしながら、従来のゲルマニウム光検出器は、光入射が無い状態での電流あるいは暗電流が大きいという課題がある。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光電流を損なうことなく、暗電流を低減したゲルマニウム光検出器を提供することにある。
　上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光検出器であって、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成され、ｐ型不純物イオンがドーピングされたｐ型シリコンスラブを含むコア層と、前記ｐ型シリコンスラブ上に形成され、ｎ型不純物がドーピングされたｎ型領域を含むゲルマニウム層と、前記コア層および前記ゲルマニウム層上に形成された上部クラッド層と、前記ｐ型シリコンスラブおよび前記ｎ型ゲルマニウム層にそれぞれ接続された電極とを備え、前記ゲルマニウム層は、前記ｐ型シリコンスラブと接する面が複数あることを特徴する。
　本発明の別の態様は、前記ゲルマニウム層は、前記ｐ型シリコンスラブと接する複数の面に対応する前記ｎ型ゲルマニウム領域が複数あり、前記電極は、前記複数のｎ型ゲルマニウム領域に共通する前記ｐ型シリコンスラブと接続された少なくとも１つの第１の電極と、前記複数のｎ型ゲルマニウム領域と接続された１つの第２の電極とを含む１組の電極からなることを特徴とする。
　本発明の別の態様は、前記コア層は、複数の入力導波路部を含むことを特徴とする。
　本発明の別の態様は、前記ゲルマニウム層の前記ｐ型シリコンスラブと接する複数の面は、それぞれ面積が異なることを特徴とする。
　本発明の別の態様は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光検出器において、前記ｐ型シリコンスラブは、前記ゲルマニウム層の両側にｐ型不純物が高濃度にドーピングされたｐ＋＋シリコン電極部を含み、前記ｐ型シリコンスラブに接続された電極は、前記ｐ＋＋シリコン電極部に接していることを特徴とする。
　本発明の別の態様は、前記ゲルマニウム層の前記ｐ型シリコンスラブと接する面は、光の進行方向に対して直列に配置されていることを特徴とする。
　本発明の別の態様は、前記ゲルマニウム層の前記ｐ型シリコンスラブと接する面は、光の進行方向に対して並列に配置されていることを特徴とする。
　本発明は、ゲルマニウム光検出器の光電流を損なうことなく、暗電流のみを低減する効果を奏する。暗電流を小さくすることでＳＮ比を大きくすることができ、受信感度が高まることから、送信機の低消費電力化や伝送距離の長延化が可能になる。
従来の導波路結合型のゲルマニウム光検出器の構造を模式的に示す図である。 図１のＩＩ－ＩＩの断面図である。 ゲルマニウム層の底面寸法が異なるゲルマニウム光検出器の暗電流を示したものであるが、横軸を底面積とした図である。 ゲルマニウム層の底面寸法が異なるゲルマニウム光検出器の暗電流を示したものであるが、横軸を底面周辺長とした図である。 本発明の実施形態１に係るゲルマニウム光検出器のコア層２１０とゲルマニウム層２４１、２４２のみを示す平面図である。 図５のＶＩ－ＶＩの断面図である。 図５のＶＩＩ－ＶＩＩの断面図である。 図５のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩの断面図である。 本発明の実施形態２に係るゲルマニウム光検出器のコア層２１０とゲルマニウム層２４１、２４２のみを示す平面図である。 図９のＸ－Ｘの断面図である。 本発明の実施形態３に係るゲルマニウム光検出器のコア層２１０とゲルマニウム層２４１～２ｍｎのみを示す平面図である。 本発明の実施形態４に係るゲルマニウム光検出器のコア層２１０とゲルマニウム層２５１～２５ｎのみを示す平面図である。 図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩの断面図である。 本発明の実施形態５に係るゲルマニウム光検出器のコア層２１０とゲルマニウム層２４１～２４ｎのみを示す平面図である。 本発明の実施形態５に係る別のゲルマニウム光検出器のコア層２１０とゲルマニウム層２４１～２ｍｎのみを示す平面図である。 ゲルマニウム層を２つ直列に配置してシリコンスラブと接する面積を低減した場合（ＳＥＧ有）と従来のゲルマニウム層が１つの場合（ＳＥＧ無）の暗電流の測定結果を示す図である。 ゲルマニウム層を２つ直列に配置してシリコンスラブと接する面積を低減した場合（ＳＥＧ有）と従来のゲルマニウム層が１つの場合（ＳＥＧ無）の光電流の測定結果を示す図である。
　ゲルマニウム光検出器の暗電流の原因としては、下記２種類が考えられる。
　１つは、ゲルマニウム層１１４とシリコン層であるコア層１１０とが接する面の周辺において生じる暗電流である。これは周辺部分の結晶不完全性等に起因しており、その大きさは、ゲルマニウム光検出器とシリコン基板が接する面の周辺長と相関がある。
　もう１つは、ゲルマニウム層１１４の結晶内部に存在する貫通転位部において生じる暗電流である。これはシリコンとゲルマニウムの格子不整合、熱膨張係数差等に起因しており、その大きさは、ゲルマニウム層１１４とコア層１１０とが接する面およびゲルマニウム層１１４と電極１１７とが接する面の面積と相関がある。
　図１、２に示す構成の場合、ゲルマニウム層１１４とコア層１１０が接する面とは、光を吸収するゲルマニウム層１１４の底面を指し、ゲルマニウム層１１４と電極１１７とが接する面とは、ゲルマニウム層１１４の上面を指す。
　図３は、ゲルマニウム層のコア層と接する底面の面積に対するゲルマニウム光検出器の暗電流を示した図である。縦軸が暗電流、横軸がゲルマニウム層のコア層と接する底面の面積である。図中の式は、１次式でフィッティングした結果であり、面積と暗電流の相関は非常に高く、暗電流が貫通転位による暗電流であることがわかる。また、フィッティングして得られた１次式は、負の切片を有するが、これはゲルマニウム層の上面が０となったときに暗電流が０となるためであると考えられる。このことから、ゲルマニウム層の底面に対して上面がより小さくなれば、底面の面積と暗電流の関係式の切片はより小さくなると考えられる。これは底面が同じ面積であっても上面の面積が小さくなると暗電流も小さくなることを意味する。つまり、ゲルマニウム層の上面の面積、すなわちゲルマニウム層の電極と接する面積を小さくすることで暗電流を小さくすることができると考えられる。
　尚、図４は、ゲルマニウム層の底面周辺長に対するゲルマニウム光検出器の暗電流を示した図である。縦軸が暗電流、横軸がゲルマニウム層の底面周辺長である。１次式で近似した時の相関係数は小さく、周辺長起因の暗電流でないことがわかる。
　このように、図３および図４に示す結果から、ゲルマニウム光検出器の暗電流を低減するためには、面積起因の貫通転位を減少させることが出来れば良いことがわかる。以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
　（実施形態１）
　図５は、本発明の実施形態１に係るゲルマニウム光検出器２００の上部クラッド層、ゲルマニウム層の上部のｎ型不純物がドーピングされたｐ型ゲルマニウム領域、および電極を省いた平面図である。また図６は図５のＶＩ－ＶＩの断面図であり、図７は図５のＶＩＩ－ＶＩＩの断面図であり、図８は図５のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩの断面図である。
　図５には、分かり易くするために、コア層２１０と、コア層２１０の一部に形成された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２１１、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２１２、２１３と、光を吸収するゲルマニウム層２４１、２４２、ｎ型ゲルマニウム領域２１５－１、２１５－２のみ示し、上部クラッド層と電極は省いた。図５では、電極がｐ＋＋シリコン電極部２１２、２１３およびｎ型ゲルマニウム領域２１５－１、２１５－２に接する位置を２点鎖線で示している。
　ゲルマニウム光検出器２００は、シリコン基板、シリコン酸化膜、表面シリコン層からなるＳＯＩ基板にリソグラフィ技術等を用いて形成される。ゲルマニウム光検出器２００は、シリコン基板２０１と、シリコン基板上のシリコン酸化膜からなる下部クラッド層２０２と、信号光を導くコア層２１０と、コア層２１０上に形成された光を吸収するゲルマニウム層２４１、２４２と、コア層２１０およびゲルマニウム層２４１、２４２上に形成された上部クラッド層２０３を備える。
　コア層２１０は、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２１１、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２１２、２１３が形成されている。ゲルマニウム層２４１、２４２は、エピタキシャル成長等によって積層され、その上部にｎ型不純物がドーピングされたｎ型ゲルマニウム領域２１５が形成されている。そして、ｐ＋＋シリコン電極部２１２、２１３およびｎ型ゲルマニウム領域２１５上には、それらに接するように電極２１６～２１８を備える。
　ゲルマニウム光検出器２００のゲルマニウム層２４１、２４２のそれぞれの位置における断面は、図６に示すように、図２と同じ構造である。一方、ゲルマニウム層２４１、２４２の間における断面は、図７に示すように、図６に示す構造に対して電極２１６、２１８はそのままで、電極２１７の上部クラッド層２０３中の部分およびゲルマニウム層２４１のみが無い構造となっている。
　本実施形態では、ｐ型シリコンスラブ２１１上に２つのゲルマニウム層２４１、２４２を備えることにより、ゲルマニウム結晶を小さくすることで貫通転位が生じにくくなり、かつ、個々のゲルマニウム層の電極２１７と接する面積を小型化することで、貫通転位に起因する暗電流を削減することが出来る。
　但し、ゲルマニウム層を小型化すると、光吸収領域が小さくなるため、十分な光電流を得ることが出来なくなる恐れがある。そのため、図５のように、２つのゲルマニウム層２４１、２４２を光の進行方向に対し直列に並べることで、十分な光吸収領域を確保している。
　（実施形態２）
　図９は、本発明の実施形態２に係るゲルマニウム光検出器３００の上部クラッド層、ゲルマニウム層の上部のｎ型不純物がドーピングされたｎ型ゲルマニウム領域、および電極を省いた平面図である。また図１０は、図９のＸ－Ｘの断面図である。
　図９は、分かり易くするために、コア層２１０と、コア層２１０の一部に形成された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２１１、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２１２、２１３と、光を吸収するゲルマニウム層２４１、２４２、・・・、２４ｎ（ｎ：正の整数）、ｎ型ゲルマニウム領域２１５－１、２１５－２、・・・、２１５－ｎのみ示し、上部クラッド層と電極は省いた。尚、ゲルマニウム光検出器３００のゲルマニウム層２４１、２４２、・・・、２４ｎ（ｎ：正の整数）のそれぞれの位置における断面は、図６と同じ構造である。また図９では、電極がｐ＋＋シリコン電極部２１２、２１３およびｎ型ゲルマニウム領域２１５－１、２１５－２、・・・、２１５－ｎに接する位置を２点鎖線で示している。
　本実施形態では、ｐ型シリコンスラブ２１１上に複数のゲルマニウム層２４１、２４２、・・・、２４ｎを備えることにより、ゲルマニウム結晶を小さくすることで貫通転位が生じにくくなり、かつ、個々のゲルマニウム層の電極２１７と接する面積を小型化することで、貫通転位に起因する暗電流を削減することが出来る。実施形態１と同様に、図９のように、複数のゲルマニウム層２４１、２４２、・・・、２４ｎを光の進行方向に対し直列に並べることで、十分な光吸収領域を確保している。
　（実施形態３）
　図１１は、本発明の実施形態３に係るゲルマニウム光検出器４００の上部クラッド層、ゲルマニウム層の上部のｎ型不純物がドーピングされたｎ型ゲルマニウム領域、および電極を省いた平面図である。
　図１１は、分かり易くするために、コア層２１０と、コア層２１０の一部に形成された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２１１、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２１２、２１３と、光を吸収するゲルマニウム層２４１、２４２、・・・、２４ｎ、・・・、２ｍ１、２ｍ２、・・・、２ｍｎ（ｎ、ｍ：正の整数）、ｎ型ゲルマニウム領域２１５－１、２１５－２、・・・、２１５－（ｎ×ｍ）のみ示している。尚、ゲルマニウム光検出器４００のゲルマニウム層２４１、２４２、・・・、２４ｎ、・・・、２ｍ１、２ｍ２、・・・、２ｍｎのそれぞれの位置における断面は、図６と同じ構造である。また図１１では、電極がｐ＋＋シリコン電極部２１２、２１３およびｎ型ゲルマニウム領域２１５－１、２１５－２、・・・、２１５－（ｎ×ｍ）に接する位置を２点鎖線で示している。
　本実施形態では、ｐ型シリコンスラブ２１１上に複数のゲルマニウム層２４１、２４２、・・・、２４ｎ、・・・、２ｍ１、２ｍ２、・・・、２ｍｎを備えることにより、ゲルマニウム結晶を小さくすることで貫通転位が生じにくくなり、かつ、個々のゲルマニウム層の電極と接する面積を小型化することで、貫通転位に起因する暗電流を削減することが出来る。ここでは、複数のゲルマニウム層２４１、２４２、・・・、２４ｎ、・・・、２ｍ１、２ｍ２、・・・、２ｍｎを光の進行方向に対し直列および並列に並べることで、十分な光吸収領域を確保している。
　（実施形態４）
　図１２は、本発明の実施形態４に係るゲルマニウム光検出器５００の上部クラッド層、ゲルマニウム層の上部のｎ型不純物がドーピングされたｎ型ゲルマニウム領域、および電極を省いた平面図である。図１３に、図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩの断面を示す。本実施形態は、実施形態２に対して、ゲルマニウム層２５１、２５２、・・・、２５ｎ（ｎ：正の整数）およびｎ型ゲルマニウム領域２２５－１、２２５－２、・・・、２２５－ｎの大きさが均一でない構成を特徴としている。図１２，１３には、一例としてゲルマニウム層２５１、２５２、・・・、２５ｎおよびｎ型ゲルマニウム領域２２５－１、２２５－２、・・・、２２５－ｎが入力端側から徐々に小さくなる構成を示している。
　図１２は、分かり易くするために、コア層２１０と、コア層２１０の一部に形成された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２１１、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２１２、２１３と、光を吸収するゲルマニウム層２５１、２５２、・・・、２５ｎ、ｎ型ゲルマニウム領域２２５－１、２２５－２、・・・、２２５－ｎのみ示し、上部クラッド層と電極は省いた。尚、ゲルマニウム光検出器５００のゲルマニウム層２５１、２５２、・・・、２５ｎのそれぞれの位置における断面は、図６と同じ構造である。また図１２では、電極がｐ＋＋シリコン電極部２１２、２１３およびｎ型ゲルマニウム領域２２５－１、２２５－２、・・・、２２５－ｎに接する位置を２点鎖線で示している。
　本実施形態では、ｐ型シリコンスラブ２１１上に複数のゲルマニウム層２５１、２５２、・・・、２５ｎを徐々に小さくしてくことにより、ゲルマニウム層の規則性に起因する光学干渉を低減することで、より均一な波長特性を得ることができる。
　また実施形態１～３と同様に、ゲルマニウム結晶を小さくすることで貫通転位が生じにくくなり、かつ、個々のゲルマニウム層のｐ型シリコンスラブ２１１と接する面積を小型化することで、貫通転位に起因する暗電流を削減し、同時に、複数のゲルマニウム層２４１、２４２、・・・、２４ｎを光の進行方向に対し直列に並べることで、十分な光吸収領域を確保している。
　（実施形態５）
　図１４Ａ、図１４Ｂは、本発明の実施形態５に係るゲルマニウム光検出器６００、７００の上部クラッド層、ゲルマニウム層の上部のｎ型不純物がドーピングされたｎ型ゲルマニウム領域、および電極を省いた平面図である。本実施形態は、コア層２１０が複数の入力導波路部を備え、入射光を分岐して複数の入力導波路部から入射する構成を特徴としている。本実施形態の構成は、コア層２１０が複数の入力導波路部を備えている点以外は実施形態２，３と同じである。図１４Ａ、図１４Ｂには複数の入力導波路部を備えた構成の一例を示しているが、複数の入力導波路部の位置はこれらに限らず、任意の位置に設けることが可能である。尚、本実施形態に係るゲルマニウム光検出器は、分布定数回路のように電気信号と光信号の間で速度整合を取るための回路を必要としない、集中定数回路である。
　本実施形態は、実施形態２、３が奏する効果に加え、光電流の分散効果による最大光入力強度の改善、および実効的な有効ゲルマニウム領域の増大によるデバイスの小型化が可能になる。
　図１５は、図５のようにゲルマニウム層を２つ直列に配置してシリコンスラブと接する面積を低減した場合（ＳＥＧ有）と従来のゲルマニウム層が１つの場合（ＳＥＧ無）の暗電流の測定結果を示す図である。ゲルマニウム層の短尺方向の幅は８μｍであり、ＳＥＧ有の場合の各ゲルマニウム層の長尺方向の長さは９μｍ、ＳＥＧ無の場合のゲルマニウム層の長尺方向の長さは２０μｍである。
　このように、ゲルマニウム層の電極と接する面積を小型化することで、暗電流を大きく低減できる。
　図１６は、図５のようにゲルマニウム層を２つ直列に配置して電極と接する面積を低減した場合（ＳＥＧ有）と従来のゲルマニウム層が１つの場合（ＳＥＧ無）の光電流の測定結果を示す図である。図１５のときと同様に、ゲルマニウム層の短尺方向の幅は８μｍであり、ＳＥＧ有の場合の各ゲルマニウム層の長尺方向の長さは９μｍ、ＳＥＧ無の場合のゲルマニウム層の長尺方向の長さは２０μｍである。
　このように、複数のゲルマニウム光検出器を光の進行方向に対し直列に並べることで、従来と同等の十分な光電流を確保している。
　以上のことから、本発明によれば、ゲルマニウム光検出器の光電流を損なうことなく、暗電流のみを低減することが出来る。
　１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００　ゲルマニウム光検出器
　１０１、２０１　シリコン基板
　１０２、２０２　下部クラッド層
　１０３、２０３　上部クラッド層
　１１０、２１０　コア層
　１１１、２１１　ｐ型シリコンスラブ
　１１２、１１３、２１２、２１３　ｐ＋＋シリコン電極部
　１１４、２４１～２ｍｎ、２５１～２５ｎ　ゲルマニウム層
　１１５、２１５－１～２１５（ｎ×ｍ）、２２５－１～２２５－ｎ　ｎ型ゲルマニウム領域
　１１６～１１８、２１６～２１８　電極
　

Claims (7)

  1. 　シリコン基板と、
    　前記シリコン基板上に形成された下部クラッド層と、
    　前記下部クラッド層上に形成され、ｐ型不純物イオンがドーピングされたｐ型シリコンスラブを含むコア層と、
    　前記ｐ型シリコンスラブ上に形成され、ｎ型不純物がドーピングされたｎ型ゲルマニウム領域を含むゲルマニウム層と、
    　前記コア層および前記ゲルマニウム層上に形成された上部クラッド層と、
    　前記ｐ型シリコンスラブおよび前記ｎ型シリコン領域にそれぞれ接続された電極と
    を備え、前記ゲルマニウム層は、前記ｐ型シリコンスラブと接する面が複数あることを特徴する光検出器。
  2. 　前記ゲルマニウム層は、前記ｐ型シリコンスラブと接する複数の面に対応する前記ｎ型ゲルマニウム領域が複数あり、
    　前記電極は、前記複数のｎ型ゲルマニウム領域に共通する前記ｐ型シリコンスラブと接続された少なくとも１つの第１の電極と、前記複数のｎ型ゲルマニウム領域と接続された１つの第２の電極とを含む１組の電極からなることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  3. 　前記コア層は、複数の入力導波路部を含むことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  4. 　前記ゲルマニウム層の前記ｐ型シリコンスラブと接する複数の面は、それぞれ面積が異なることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  5. 　前記ｐ型シリコンスラブは、前記ゲルマニウム層の両側にｐ型不純物が高濃度にドーピングされたｐ＋＋シリコン電極部を含み、
    　前記ｐ型シリコンスラブに接続された電極は、前記ｐ＋＋シリコン電極部に接していることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  6. 　前記ゲルマニウム層の前記ｐ型シリコンスラブと接する面は、光の進行方向に対して直列に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  7. 　前記ゲルマニウム層の前記ｐ型シリコンスラブと接する面は、光の進行方向に対して並列に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
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