特許第6793786号(P6793786)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特許6793786半導体受光素子、光電融合モジュール及びアバランシェフォトダイオードの製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】6793786
(24)【登録日】2020年11月12日
(45)【発行日】2020年12月2日
(54)【発明の名称】半導体受光素子、光電融合モジュール及びアバランシェフォトダイオードの製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01L 31/107 20060101AFI20201119BHJP
【FI】
   H01L31/10 B
【請求項の数】8
【全頁数】28
(21)【出願番号】特願2019-122007(P2019-122007)
(22)【出願日】2019年6月28日
【審査請求日】2019年6月28日
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)国等の委託研究の成果に係る特許出願(平成30年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」委託研究、産業技術力強化法第17条の適用を受ける特許出願)
(73)【特許権者】
【識別番号】000000295
【氏名又は名称】沖電気工業株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】513065077
【氏名又は名称】技術研究組合光電子融合基盤技術研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100129067
【弁理士】
【氏名又は名称】町田 能章
(74)【代理人】
【識別番号】100183162
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 義文
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】小野 英輝
【審査官】 桂城 厚
(56)【参考文献】
【文献】 米国特許第09391225(US,B1)
【文献】 特開2003−023174(JP,A)
【文献】 特許第6527611(JP,B1)
【文献】 特開2019−024091(JP,A)
【文献】 特開2018−152489(JP,A)
【文献】 特開2006−339413(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 31/00−31/0392
H01L 31/08−31/119
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
支持基板上に形成された光導波路を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子であって、
前記信号光を吸収する吸収領域と前記吸収領域への印加電界を低減するチャージ領域と前記吸収領域で生成された電子を雪崩増倍させる増倍領域とが機能的に分離しているSACM構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記チャージ領域に接合する第1低濃度領域と、
前記第1低濃度領域に接合する第1コンタクト領域とを備え、
前記チャージ領域、前記第1低濃度領域及び前記第1コンタクト領域は、それぞれ導電型が等しい第1導電型であり、
前記チャージ領域には、電源が接続される
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項2】
請求項1に記載の半導体受光素子であって、
前記アバランシェフォトダイオードは、第2コンタクト領域、第2低濃度領域、絶縁領域、前記チャージ領域、前記増倍領域、第3低濃度領域及び第3コンタクト領域がこの順に接合されており、
前記吸収領域と前記チャージ領域とが接合しており、
前記電源は、前記第1コンタクト領域と前記第2コンタクト領域又は第3コンタクト領域との間に接続される
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項3】
請求項1に記載の半導体受光素子であって、
前記アバランシェフォトダイオードは、第2コンタクト領域、第2低濃度領域、絶縁領域、前記チャージ領域、前記増倍領域、第3低濃度領域及び第3コンタクト領域がこの順に接合されており、
前記吸収領域は、前記チャージ領域及び前記第2低濃度領域のそれぞれと接合して形成され、
前記第1低濃度領域は、前記チャージ領域に接合しており、
前記第1低濃度領域及び前記チャージ領域の何れか一方又は双方は、前記チャージ領域と前記増倍領域との接合面に沿って、延在しており、
前記第2コンタクト領域及び第2低濃度領域は、前記第1導電型であり、
前記第3低濃度領域及び前記第3コンタクト領域は、前記第1導電型とは異なる第2導電型であり、
前記第1コンタクト領域の電位と前記第2コンタクト領域の電位と前記第3コンタクト領域の電位とは、個別に与えられる
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項4】
請求項3に記載の半導体受光素子であって、
前記吸収領域は、前記絶縁領域に形成されたリセスの上に堆積されたものである
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項5】
請求項1に記載の半導体受光素子であって、
前記光導波路は、第2コンタクト領域と第2低濃度領域とが接合した層と、該第2低濃度領域の上に積層した前記増倍領域と、前記増倍領域の上に積層した前記チャージ領域とから形成されたものであり、
前記チャージ領域の上に積層した前記吸収領域と、
前記吸収領域の上に積層した第3コンタクト領域とをさらに備え、
前記第3コンタクト領域は、前記第1導電型であり、
前記第2コンタクト領域及び前記第2低濃度領域は、前記第1導電型とは異なる第2導電型であり、
前記第1コンタクト領域と前記第2コンタクト領域と前記第3コンタクト領域とは、電圧が個別に印加されている
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項6】
請求項3乃至請求項5の何れか一項に記載の半導体受光素子であって、
前記第1導電型は、p型であり、
前記第2導電型は、n型である
ことを特徴とする半導体受光素子。
【請求項7】
信号光を受光する導波路が形成されている導波路型の半導体受光素子と、前記信号光を前記導波路まで導光する光導波路との双方が支持基板上に一体形成された光電融合モジュールであって、
前記半導体受光素子は、前記信号光を吸収する吸収領域と前記吸収領域への印加電界を低減するチャージ領域と前記吸収領域で生成された電子を雪崩増倍させる増倍領域とが機能的に分離しているSACM構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、
前記チャージ領域は、一端に第1低濃度領域が接合され、
前記第1低濃度領域は、前記チャージ領域との接合面に対向する一端に第1コンタクト領域が接合され、
前記チャージ領域、前記第1低濃度領域及び前記第1コンタクト領域は、それぞれ導電型が等しい第1導電型であり、
前記チャージ領域にバイアス電圧が印加可能であり、
前記光導波路は、コアが前記増倍領域と一体形成されている
ことを特徴とする光電融合モジュール。
【請求項8】
支持基板上に形成された光導波路を通じて信号光を受光する導波路型のアバランシェフォトダイオードの製造方法であって、
前記信号光を吸収する吸収領域と、前記吸収領域への印加電界を低減する第1導電型のチャージ領域と前記吸収領域で生成された電子を雪崩増倍させる増倍領域とが機能的に分離しているSACM構造を作製する作製工程を有し、
前記作製工程では、前記チャージ領域に接合する第1導電型の第1低濃度領域を形成する第一工程と、
前記第1低濃度領域の一部に対してイオン注入し、第1導電型の第1コンタクト領域を形成する第二工程とを備える
ことを特徴とするアバランシェフォトダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体受光素子、光電融合モジュール及びアバランシェフォトダイオードの製造方法に関し、例えば、光ファイバ通信で使用される半導体受光素子や、光回路及び電気回路を融合した光電融合モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
現在、導入が進展しているFTTH(Fiber to the Home)システム、特にPON(Passive Optical Network)システムは、1本の光ファイバで双方向通信を行う一芯双方向通信モジュールを使用することが多い。この一芯双方向通信モジュールは、従来、個別に実装していたLD(Laser Diode)やPD(Photo Diode)等の電子デバイスを、光回路の基板表面に実装することにより小型化を実現している。
【0003】
光回路は、Siを材料として用いる光導波路を採用している。例えば、Siをコアとして用い、且つSiよりも極めて屈折率が小さいSiO2をクラッドとして用いたSi細線導波路が知られている。Si細線導波路は、コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きいために、光をコアに強く閉じ込めることが可能である。その結果、Si細線導波路を用いた光学装置は、例えば、曲げ半径を1μm程度まで小さくした、小型の曲線導波路等、非常に微細なサブミクロンオーダの導波路を形成することが可能である。そのため、Si細線導波路は、Si電子デバイスと光デバイスとを同一のチップ上で融合することができる可能性を秘めた技術として注目されている。
【0004】
ところで、半導体受光素子は、Si細線導波路と共に集積することが好ましい。つまり、Si細線導波路が形成されるSOI(Silicon On Insulator)基板の上に半導体受光素子を形成することが好ましい。非特許文献1には、SOI基板のトップSi層を半導体プロセスにより成形したSiコアに対して不純物添加し、p型の導電型を持たせ、そのp型のSiコア上に、例えばGeの吸収領域を積層した長波長用(1550nm用)の半導体受光素子が開示されている。この半導体受光素子は、Ge表面に不純物添加することでSiコアと逆の導電型(つまり、n型)を持たせ、p型領域とn型領域の中間にi型領域が存在する導波路のPIN構造のフォトダイオード(以下、PIN−PDとも称する)を構成している。
【0005】
PIN−PDの受光感度R(PDへの入力光パワーPinで発生電流Iphを除した値[A/W])は、一般に、電子素量をe[C]、外部量子効率をη、プランク定数をh[mkg/s]、光の振動数をν[/s]とすると、次式で表される。
R=eη/(hν)
【0006】
上式から、波長1490nmの光を受光する場合、外部量子効率を理想状態の1にまで高めることができたとしても、PIN−PDでは受光感度は約1.2[A/W]が上限であることがわかる。そこで、非特許文献2には、ダイオードの雪崩降伏現象を利用し、PIN−PDよりも高い受光感度を得ることができる導波路型のアバランシェフォトダイオード(以下、APDとも称する)が開示されている。
【0007】
非特許文献2に開示されているAPDは、前記したPIN−PDに高い逆バイアス電圧を印加し、Ge吸収層内で、且つ、光吸収によりキャリアが発生する領域外でキャリアが増倍する構造になっている。この構造のAPDは、簡易に作製できるメリットを有するものの、Ge吸収領域に高い電界が印加されるためGe吸収領域でトンネル電流による暗電流が増加する上、Geが絶縁破壊されやすいデメリットがある。
【0008】
次に、非特許文献3に開示されているAPDは、非特許文献2に開示されているAPDのデメリットを克服されるために考案されたAPDであり、一般にSAM構造のAPDと呼ばれている。SAM構造は、ノンドープGe層からなる吸収(Absorption)領域と、ノンドープSi層からなる増倍(Multiplication)領域とが分離(Separate)していることが特徴である。この特徴により、高い逆バイアス電圧による内部電界は、ノンドープGe層からなる吸収領域の電気抵抗と、ノンドープSi層からなる増倍領域の電気抵抗との比に従い、ノンドープSi層からなる増倍領域に効率的に印加される。Geよりもバンドギャップの大きいSiではトンネル電流が発生しにくいため、非特許文献3に開示されているAPDは、非特許文献2に開示されているPIN構造のAPDよりも暗電流を抑えることができる上に、Geが絶縁破壊されにくくなっている。
【0009】
さらに、非特許文献4に開示されているAPDの構造は、一般にSACM構造と呼ばれ、SAM構造にチャージ(Charge)領域が追加された構造となっている。SACM構造では、p−Si層からなるチャージ領域によって、ノンドープGe層からなる吸収領域に印加される電界を、ノンドープGe層からなる吸収領域とノンドープSi層からなる増倍領域の電気抵抗の比よりも低く抑えることができる。これにより、SACM構造では、ノンドープSi層からなる増倍領域に集中的に電界を印加することができる。つまり、SACM構造のAPDでは、SAM構造のAPDよりも、さらにGeが絶縁破壊されにくくなり、低い印加電圧で高い電界を増倍領域に印加することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【非特許文献1】Tao Yin, Rami Cohen, Mike M. Morse, Gadi Sarid, Yoel Chetrit, Doron Rubin,and Mario J. Paniccia,“31GHz Ge n-i-p waveguide photodetectors on Silicone-on-Insulator substrate”,OPTICS EXPRESS,Vol.15,No.21,2007,pp.13965-13971
【非特許文献2】H. T. Chen, J. Verbist, P. Verheyen, P. De Heyn, G. Lepage, J. De Coster, P.Absil, X. Yin, J. Bauwelinck, J. Van Campenhout, and G. Roelkens,”High sensitivity 10Gb/s Si photonic receiver based on a low-voltage waveguide-coupled Ge avalanche photodetector”,OPTICS EXPRESS,Vol.23,No.2,2015,pp.815
【非特許文献3】M. S. Carroll, K. Childs, R. Jarecki, T. Bauer, and K. Saiz,”Ge-Si separate absorption and multiplication avalanche photodiode for Geiger mode single photon detection”,Applied physics letters,Vol.93,2008,pp.183511
【非特許文献4】Y. Kang, Z. Huang, Y. Saado, J. Campbell, A. Pauchard, J. Bowers, M.J. Paniccia,“High Performance Ge/Si Avalanche Photodiodes Development in Intel”,OSA/OFC/NFOEC 2011,OWZ1.pdf
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
しかしながら、非特許文献4のSACM構造のAPDでは、APDに印加される逆バイアス電圧が増加すれば、Ge吸収領域に発生する内部電界もそれに伴い増加する。APDに印加される逆バイアス電圧を一定以上高くし、且つAPDに入射する入射光の光パワーが増加した場合、Ge吸収領域で発生するキャリアが多くなり、Ge吸収領域の内部電界が絶縁破壊電界を超え、APDが破損してしまう。逆に、逆バイアス電圧を低くすると、Ge吸収領域の絶縁破壊が生じ難くなるが、増倍領域の増倍率が小さくなり、所望のフォトカレント(出力電流)が得られなくなる問題が生じる。
【0012】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、光パワーの大小にかかわらず、適切な増倍率を得ることができる半導体受光素子、光電融合モジュール及びアバランシェフォトダイオードの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
前記目的を達成するために、本発明は、支持基板(101)上に形成された光導波路(103,203,303)を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子であって、前記信号光を吸収する吸収領域(109,308)と前記吸収領域への印加電界を低減するチャージ領域(105,307)と前記吸収領域で生成された電子を雪崩増倍させる増倍領域(108a)とが機能的に分離しているSACM構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、前記チャージ領域(105,307)に接合する第1低濃度領域(106b)と、前記第1低濃度領域に接合する第1コンタクト領域(107b,305b)とを備え、前記チャージ領域、前記第1低濃度領域及び前記第1コンタクト領域は、それぞれ導電型が等しい第1導電型(例えば、p型)であり、前記チャージ領域には、電源が接続されることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。
【0014】
これによれば、チャージ領域に電源が接続されるので、吸収領域の内部電界と増倍領域の内部電界とを独立して設定することができる。このため、光パワーを大きい場合には、吸収領域の印加電圧を下げて、吸収領域の内部電界が絶縁破壊電圧未満にすることができる。また、吸収領域の印加電圧を下げたときであっても、増倍領域に印加する電圧を上げて、所定の増倍率を維持することができる。逆に、光パワーが小さい場合には、増倍領域の印加電圧を上げて、増倍率を上げることができる。つまり、光パワーの大小にかかわらず、適切な増倍率や出力電流を得ることができる。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、光パワーの大小にかかわらず、適切な増倍率を得ることができる。つまり、光パワーの大小にかかわらず、適切な出力電流を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の平面図である。
図2】本発明の第1実施形態である半導体受光素子のA−A断面図である。
図3】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(1)である。
図4】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(2)である。
図5】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(3)である。
図6】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(4)である。
図7】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(5)である。
図8】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(6)である。
図9】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(7)である。
図10】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(8)である。
図11】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(9)である。
図12】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(10)である。
図13】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(11)である。
図14】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なy−z断面図である。
図15】本発明の第1実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なx−y断面図である。
図16】本発明の比較例である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なx−y断面図である。
図17】本発明の第2実施形態である半導体受光素子の平面図である。
図18】本発明の第2実施形態である半導体受光素子のB−B断面図である。
図19】本発明の第2実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(1)である。
図20】本発明の第2実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(2)である。
図21】本発明の第2実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(3)である。
図22】本発明の第2実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(4)である。
図23】本発明の第2実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(5)である。
図24】本発明の第2実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なy−z断面図である。
図25】本発明の第2実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なx−y断面図である。
図26】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の平面図である。
図27】本発明の第3実施形態である半導体受光素子のC−C断面図である。
図28】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(1)である。
図29】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(2)である。
図30】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(3)である。
図31】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(4)である。
図32】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(5)である。
図33】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(6)である。
図34】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(7)である。
図35】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(8)である。
図36】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(9)である。
図37】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(10)である。
図38】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図(11)である。
図39】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なy−z断面図である。
図40】本発明の第3実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なx−y断面図である。
図41】本発明の各実施形態である半導体受光素子を適用した光電融合モジュールの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態(以下、「実施形態」と称する)につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
【0018】
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子の平面図であり、図2は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子のA−A断面図である。図1は、光がz方向に伝搬する場合の基板面(xz平面)であり、図2は、そのxy面を示している。
【0019】
まず、図2の断面図において、半導体受光素子100は、支持基板としてのSi基板101と、下部クラッド102と、Siスラブ導波路103と、i−Ge吸収領域109と、3つのAl電極110a,110b,110cとを備えて構成される。Siスラブ導波路103は、n−Siコンタクト領域104aと、n−Si低濃度領域104bと、増倍領域としてのi−Si増倍領域108aと、p−Siチャージ領域105と、i−Si絶縁領域108bと、p−Si低濃度領域106aと、p−Siコンタクト領域107aとがこの順に接合されたものである。なお、n型領域は、例えばP(リン)をイオン注入して形成し、p型領域は、例えばB(ホウ素)をイオン注入して形成している。
【0020】
そして、i−Ge吸収領域109は、i−Si絶縁領域108bの上面に形成されており、且つp−Siチャージ領域105の一部上面とp−Si低濃度領域106aの一部上面とに接合されている。さらに、Al電極110a,110bは、n−Siコンタクト領域104aとp−Siコンタクト領域107aとの上に形成されている。また、Al電極110c(図1)は、p−Siコンタクト領域107bの上に形成されている。上部クラッド111は、Siスラブ導波路103とi−Ge吸収領域109とを覆い、Al電極110a,110bが露出するように形成されている。
【0021】
また、Al電極110a及びp−Siコンタクト領域107aの接触面と、Al電極110b及びn−Siコンタクト領域104aの接触面と、i−Ge吸収領域109及びp−Si低濃度領域106aの接触面と、i−Ge吸収領域109及びi−Si絶縁領域108bの接触面と、i−Ge吸収領域109及びp−Siチャージ領域105の接触面とは同一面である。
【0022】
Si基板101は、厚みt=775[μm]である。下部クラッド102は、Si基板101の全面に堆積されており、厚みt=3[μm]のSiOである。Siスラブ導波路103、及びSi細線導波路115は、下部クラッド102の上に厚みt=220[nm]で形成されている。Al電極110a,110bは、厚みt=1μmである。i−Ge吸収領域109は、厚みt=500nmである。上部クラッド111は、厚みt=1μmのSiOである。
【0023】
−Siコンタクト領域104aのキャリア濃度は、1×1020cm−3であり、n−Si低濃度領域104bのキャリア濃度は4×1019cm−3であり、p−Siチャージ領域105のキャリア濃度は、4×1017cm−3であり、p−Si低濃度領域106aのキャリア濃度は、4×1019cm−3であり、p−Siコンタクト領域107aのキャリア濃度は、1×1020cm−3である。また、i−Si増倍領域108aとi−Si絶縁領域108bとは、ノンドープのSiである。
【0024】
次に、図1の平面図において、p−Siチャージ領域105は、i−Si増倍領域108aとの接合面に沿った方向(具体的には、接合面(yz面)に対して垂直な光軸方向(z方向))に延在している。延在したp−Siチャージ領域105は、p−Si低濃度領域106bを介してp−Siコンタクト領域107bに接続されている。なお、p−Siチャージ領域105を延在させることなく、p−Si低濃度領域106bをp−Siチャージ領域105及びi−Si増倍領域108aの接合部まで延在させても構わない。これにより、半導体受光素子100は、p−Siチャージ領域105に個別のバイアス電圧やバイアス電界を印加できるようになっている点が従来のSACM構造のAPDと異なる特徴である。なお、Siスラブ導波路103のi−Si絶縁領域108bは、光導波路としてのSi細線導波路115に接続されている。
【0025】
図3乃至図13は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子の製造方法を説明する説明図である。各図において、図3(a)〜図13(a)は各工程の平面図であり、図3(b)〜図13(b)は、図1におけるA−A断面図である。
【0026】
まず、図3(S1)において、製造者は、例えば、厚みt=775[μm]のSi基板101の表面に積層した、厚みt=3[μm]のSiOによる下部クラッド102と、その下部クラッド102の表面に積層した、厚みt=220[nm]のトップSi層112とからなるSOI(Silicon On Insulator)基板113を準備する。
【0027】
図4(S2)においては、フォトリソグラフィ及びドライエッチングを用いて、トップSi層112(図3)をパターニングして、Si細線導波路115及びSiスラブ導波路103を形成する。これにより、下部クラッド102の一部が露出する。
【0028】
図5(S3)においては、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、Siスラブ導波路103中に部分的に、例えばP(リン)をイオン注入してn−Si低濃度領域104bを形成する。
【0029】
図6(S4)においては、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、Siスラブ導波路103中に部分的に、例えばB(ホウ素)をイオン注入してp−Siチャージ領域105を形成する。これにより、p−Siチャージ領域105とn−Si低濃度領域104bとの間に、ノンドープのi−Si増倍領域108aが同時形成される。また、p−Siチャージ領域105は、i−Si増倍領域108aとの接合面(y−z面)の垂線方向(x方向)と異なる方向(具体的には、x方向に対して垂直なz方向)に長く形成されている。
【0030】
図7(S5)においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、Siスラブ導波路103中に部分的に、例えばB(ホウ素)をイオン注入してp−Si低濃度領域106a及びp−Si低濃度領域106b(図7(a))を形成する。これにより、ノンドープのi−Si絶縁領域108bが同時形成される。このとき、p−Si低濃度領域106bはp−Siチャージ領域105と接するように配置する。
【0031】
図8(S6)においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、n−Si低濃度領域104b中に部分的に、例えばP(リン)をイオン注入してn−Siコンタクト領域104aを形成する。
【0032】
図9(S7)においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、p−Si低濃度領域106a及びp−Si低濃度領域106b中に部分的に、例えばP(リン)をイオン注入してp−Siコンタクト領域107a及びp−Siコンタクト領域107b(図9(a))を形成する。これにより、Siスラブ導波路103の形成が完了する。
【0033】
図10(S8)においては、製造者は、p−Siチャージ領域105の一部とi−Si絶縁領域108bとp−Si低濃度領域106bの一部にわたる領域に、厚みt=500nmのi−Ge吸収領域109を選択成長させる。
【0034】
図11(S9)においては、例えば、厚みt=1μmのSiO膜を、例えば、化学気相成長法によって、堆積させて上部クラッド111を形成する。次に、図12(S10)においては、製造者は、フォトリソグラフィとドライエッチングによって、上部クラッド111をパターニングして、n−Siコンタクト領域104aとp−Siコンタクト領域107aとp−Siコンタクト領域107bとの上にコンタクトホール114を形成する。
【0035】
最後に、図13(S11)においては、製造者は、3つのコンタクトホール114を覆うようにAl膜をスパッタにて形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、パターニングして、3つのAl電極110a,110b,110cを形成する。これにより、半導体受光素子100が作製される。
【0036】
(動作の説明)
図14は、本発明の第1実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なy−z断面図であり、図15は、光軸に垂直なx−y断面図である。
図15に示すように、半導体受光素子100は、吸収領域としてのi−Ge吸収領域109と、チャージ領域としてのp−Siチャージ領域105と、増倍領域としてのi−Si増倍領域108aとが分離しているのでSACM構造と呼ぶことができる。
【0037】
図14に示す通り、光導波路としてのSi細線導波路115及びi−Si絶縁領域108bを伝搬してきた信号光116は、i−Ge吸収領域109にエバネッセント結合し、i−Ge吸収領域109を伝搬する。次に、図15に示す通り、i−Ge吸収領域109は、信号光を吸収し、キャリアである電子及び正孔を発生させる。
【0038】
ここで、図15に示す通り、電圧Vの直流電源がAl電極110bとAl電極110aとの間に接続され、電圧V(V<V)の直流電源がAl電極110bとAl電極110cとの間に接続される。言い換えれば、p−Siチャージ領域105には、p−Si低濃度領域106b、p−Siコンタクト領域107b(図1)及びAl電極110cを介して、電圧Vの直流電源の負極が接続される。また、p−Siチャージ領域105に接合するi−Ge吸収領域109には、p−Si低濃度領域106a、p−Siコンタクト領域107a及びAl電極110aを介して、電圧Vの直流電源の負極が接続される。また、p−Siチャージ領域105に接合するi−Si増倍領域108aには、n−Si低濃度領域104b、n−Siコンタクト領域104a及びAl電極110bを介して、双方の直流電源の正極が接続される。つまり、p−Siコンタクト領域107aの電位と、n−Siコンタクト領域104aの電位と、p−Siコンタクト領域107b(図1)の電位とは、個別に与えれる。また、(p−Siコンタクト領域107aの電位)<(p−Siコンタクト領域107bの電位)<(n−Siコンタクト領域104a)の条件の下、各電位は、無相間に設定できる。
【0039】
この電源接続により、p−Siチャージ領域105と、p−Si低濃度領域106aとの間に電位差(V−V)が生じる。i−Ge吸収領域109では、この電位差(V−V)がもたらす内部電界に沿って、電子がp−Siチャージ領域105の方向にドリフトし、正孔がp−Si低濃度領域106aの方向にドリフトする。
【0040】
そして、p−Siチャージ領域105に達した電子は、直流電源の負極には向かわないので、p−Siチャージ領域105をドリフトして通り抜け、i−Si増倍領域108aに到達する。i−Si増倍領域108aに到達した電子は、p−Siチャージ領域105に印加されている電圧Vによるi−Si増倍領域108aの高い内部電界によりドリフトが加速し、雪崩増倍による多数のキャリア(電子及び正孔)が発生する。
【0041】
i−Si増倍領域108aで増倍した電子は、そのままドリフトしてn−Siコンタクト領域104aへ到達し、Al電極110bを介して発生電流として外部回路へ出力される。同時に、i−Si増倍領域108aで発生した正孔は、電子とは逆方向にドリフトしてp−Siチャージ領域105へ到達した後、i−Si絶縁領域108bを通過することなく、電圧Vの直流電源の負極へ発生電流として出力される。一方、i−Ge吸収領域109で発生し、p−Si低濃度領域106aに達した正孔は、p−Si低濃度領域106a内部をドリフトしてp−Siコンタクト領域107aへ到達し、Al電極110aを介して発生電流として電圧Vの直流電源の負極に出力される。
【0042】
このように、半導体受光素子100は、i−Ge吸収領域109の内部電界と、i−Si増倍領域108aの内部電界とを独立に制御可能である。また、半導体受光素子100では、i−Si増倍領域108aで発生した正孔がp−Siチャージ領域105へ到達した後、i−Si絶縁領域108bを通過することなく、発生電流として電圧Vを印加している直流電源の負極に出力されることが特徴である。
【0043】
(比較例)
図16は、本発明の比較例である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に垂直なx−y断面図である。この比較例は、特願2018−178219の図6に記載されているものである。半導体受光素子150のSiスラブ導波路103は、n−Si低濃度領域104cと、増倍領域としてのi−Si増倍領域108aと、p−Siチャージ領域105と、p−Si低濃度領域106cと、p−Siコンタクト領域107cとがこの順に接合されている。また、半導体受光素子150は、Al電極110cを有していない。つまり、半導体受光素子200のp−Siチャージ領域105は、p−Siチャージ領域105とp−Si低濃度領域106cとに接合されているのみである。
【0044】
このため、半導体受光素子150のi−Si増倍領域108aで発生した正孔は、p−Siチャージ領域105、p−Si低濃度領域106c、p−Siコンタクト領域107c及びAl電極110aを介して直流電源の負極に出力される。つまり、半導体受光素子150のi−Si増倍領域108aで発生した正孔は、p−Siチャージ領域105及びp−Si低濃度領域106cの長い距離を移動する。
【0045】
比較例の半導体受光素子150に対して、前記第1実施形態の半導体受光素子100のp−Si低濃度領域106aに達した正孔は、p−Si低濃度領域106a内部をドリフトしてp−Siコンタクト領域107aに到達する。つまり、半導体受光素子100は、より移動度が小さい正孔が長い距離を移動する半導体受光素子150よりも動作スピードが速い。
【0046】
また、半導体受光素子100は、i−Ge吸収領域109の内部電界と、p−Siチャージ領域105の内部電界とを独立して制御できる。これにより、APDに入射する入射光のパワーが増加してGe吸収領域で発生するキャリアが多くなったとき、i−Ge吸収領域109の内部電界が低くなるように電源電圧Vを調整し、Geの絶縁破壊を抑制することができる。また、i−Ge吸収領域109の内部電界を低く制御した場合でも、i−Si増倍領域108aの内部電界は別の電源(電圧Vの直流電源)で制御しているので、i−Si増倍領域108aの内部電界を一定に保つことができる。このためi−Si増倍領域108aの増倍率も一定に保たれる。
【0047】
(第2実施形態)
前記第1実施形態の半導体受光素子100は、Siスラブ導波路103の上面、つまり、n−Si低濃度領域104bとi−Si増倍領域108aとの上面と同一面内にi−Ge吸収領域109を堆積する非リセス構造であったが、Siスラブ導波路103にリセスを形成し、その上にi−Ge吸収領域109を堆積しても構わない。
【0048】
(構成の説明)
図17は、本発明の第2実施形態である半導体受光素子の平面図であり、図18は、そのB−B断面図である。
半導体受光素子200のSiスラブ導波路203は、n−Siコンタクト領域104aと、n−Si低濃度領域104bと、増倍領域としてのi−Si増倍領域108aと、p−Siチャージ領域205と、i−Si絶縁領域108cと、p−Si低濃度領域206aと、p−Siコンタクト領域107aとがこの順に接合されている。また、p−Siチャージ領域205と、i−Si絶縁領域108cと、p−Si低濃度領域206aとの上面にリセス217が形成されている。そのリセス217の上に、厚みt=170[nm]のi−Ge吸収領域209が堆積されている。つまり、i−Si絶縁領域108cの厚みは、t−t=220[nm]−170[nm]=50[nm]である。なお、i−Si絶縁領域108cは、i−Ge吸収領域209を堆積するときの下地として必要である。また、p−Siチャージ領域205は、p−Si低濃度領域106b、p−Siコンタクト領域107bを介してAl電極110cに接続されている。
【0049】
図19乃至図23は、本発明の第2実施形態である半導体受光素子の製造方法(ステップS8〜S11)を説明する説明図である。ここで、ステップS1〜S7は、前記第1実施形態の図3乃至図9と同一であるので、説明を省略する。また、図19(a)〜図23(a)は、平面図であり、図19(b)〜図23(b)は、図17におけるB−B断面図である。なお、図9(S7)においては、Siスラブ導波路103(n−Siコンタクト領域104aと、n−Si低濃度領域104bと、i−Si増倍領域108aと、p−Siチャージ領域105と、i−Si絶縁領域108bと、p−Si低濃度領域106aと、p−Siコンタクト領域107a)が形成されている。
【0050】
図19(S8)においては、製造者は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、p−Siチャージ領域105とi−Si絶縁領域108bとp−Si低濃度領域106bにわたる領域を深さt=170[nm]までエッチングしてリセス217を形成する。これにより、p−Siチャージ領域205とi−Si絶縁領域108cとp−Si低濃度領域206aが形成される。つまり、n−Siコンタクト領域104aと、n−Si低濃度領域104bと、増倍領域としてのi−Si増倍領域108aと、p−Siチャージ領域205と、i−Si絶縁領域108cと、p−Si低濃度領域206aと、p−Siコンタクト領域107aとからなるSiスラブ導波路203が形成される。
【0051】
図20(S9)においては、製造者は、Siリセス217にi−Ge吸収領域209を選択成長させる。これにより、厚みt=170[nm]のi−Ge吸収領域209が形成される。そして、図21(S10)においては、製造者は、例えば化学気相成長法により、例えばSiO膜を堆積させて、上部クラッド211を形成する。
【0052】
図22(S11)においては、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、上部クラッド211をパターニングして、n−Siコンタクト領域104aとp−Siコンタクト領域107aとp−Siコンタクト領域107bとの上にコンタクトホール214,214,214を形成する。
【0053】
図23(S12)においては、製造者は、3つのコンタクトホール214,214,214を覆うようにAl膜をスパッタにて形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、パターニングしてAl電極110a,110b,110cを形成する。これにより、第2実施形態の半導体受光素子200が作製される。
【0054】
(動作の説明)
図24は、本発明の第2実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なy−z断面図であり、図25は、その光軸に垂直なx−y断面図である。
【0055】
図24において、前記第1実施形態の半導体受光素子100に入射する信号光116は、i−Ge吸収領域109にエバネッセント結合し、i−Ge吸収領域109を伝搬していたが、本実施形態の半導体受光素子100に入射する信号光116は、Siスラブ導波路203(具体的には、i−Si絶縁領域108c(図25))からi−Ge吸収領域209にバットジョイント結合し、i−Ge吸収領域209を伝搬する点で相違する。
【0056】
図25に示す通り、前記第1実施形態の半導体受光素子100と同様に、電圧Vの直流電源がAl電極110bとAl電極110aとの間に接続され、電圧Vの直流電源がAl電極110bとAl電極110cとの間に接続される。
【0057】
i−Ge吸収領域209は、信号光116を吸収し、キャリアである電子及び正孔を発生させる。i−Ge吸収領域209は、電位差(V−V)がもたらす内部電界に沿って、電子はp−Siチャージ領域205の方向へ、正孔はp−Si低濃度領域206aの方向にドリフトする。そして、p−Siチャージ領域205に達した電子は、p−Siチャージ領域205をドリフトして通り抜け、i−Si増倍領域108aに到達する。
【0058】
i−Si増倍領域108aに到達した電子は、電圧Vによるi−Si増倍領域108aの高い内部電界によりドリフトが加速し、これにより雪崩増倍が発生して多数のキャリア(電子及び正孔)が発生する。
【0059】
i−Si増倍領域108aで増倍した電子は、そのままドリフトしてn−Siコンタクト領域104aに到達し、Al電極110bを介して、発生電流として外部回路に流れる。同時に、i−Si増倍領域108aで発生した正孔は、電子とは逆方向にドリフトしてp−Siチャージ領域205まで到達した後、発生電流として電圧Vを供給している直流電源の負極に出力される。一方、i−Ge吸収領域209で発生し、p−Si低濃度領域206aに達した正孔は、p−Si低濃度領域206a内部をドリフトしてp−Siコンタクト領域107aに到達し、Al電極110aを介して発生電流として電圧Vを印加している直流電源の負極に出力される。
【0060】
(効果の説明)
以上説明したように、第2実施形態の半導体受光素子200によれば、前記第1実施形態の半導体受光素子100と同様の効果が得られる。さらに、半導体受光素子200は、Siスラブ導波路203(i−Si絶縁領域108c(図25))を伝搬してきた信号光がi−Ge吸収領域209とバットジョイント結合するので、エバネッセント結合する半導体受光素子100と比べると結合効率が高くなるだけではなく、結合の偏波依存性を低減することができる。
【0061】
(第3実施形態)
前記第1,2実施形態の半導体受光素子100,200は、p型電極とn型電極とを横方向に配設する横型であったが、上下方向(垂直方向)に配設する縦型にすることもできる。
【0062】
(構成の説明)
図26は、本発明の第3実施形態である半導体受光素子の平面図であり、図27は、そのC−C断面図である。
図27の断面図において、半導体受光素子300は、Si基板101、下部クラッド102、Siスラブ導波路303、i−Ge吸収領域308、第3コンタクト領域としてのp−Geコンタクト領域309が、この順で垂直方向(上下方向)に配置している。Siスラブ導波路303は、n−Siコンタクト領域305a、第2低濃度領域としてのn−Si低濃度領域304a、n−Siコンタクト領域305aと、i−Si増倍領域306と、p−Siチャージ領域307とから構成され、y方向に積層する3層構造を成している。
【0063】
Siスラブ導波路303の第1層は、n−Siコンタクト領域305a、第2低濃度領域としてのn−Si低濃度領域304a、n−Siコンタクト領域305aとがこの順に水平方向(左右方向)に接合している。i−Si増倍領域306は、第2層として、n−Si低濃度領域304aの上に積層する。p−Siチャージ領域307は、第3層として、i−Si増倍領域306の上に積層する。
【0064】
図26の平面図において、p−Siチャージ領域307には、p−Si低濃度領域304bが接合されており、そのp−Si低濃度領域304bには、p−Siコンタクト領域305bが接合されている。また、2つのn−Siコンタクト領域305a,305aと、p−Siコンタクト領域305bと、p−Geコンタクト領域309には、Al電極110a,110b,110c,310が接続されている。これにより、Al電極110cとp−Siチャージ領域307とが電気的に接続される。なお、2つのAl電極110a,110bには、同一電位が与えられる。
【0065】
図28乃至図38は、本発明の第3実施形態である半導体受光素子の製造方法(S3〜S13)を説明する説明図である。ここで、S1,S2は、前記第1実施形態の図3図4と同一なので、説明を省略している。また、図28(a)、図29(a)、図34(a)〜図36(a)は、平面図であり、図28(b)、図29(b)、図34(b)〜図36(b)は、C−C断面図である。また、図30(a)〜図33(a),図37(a),図38(a)は、平面図であり、図30(b)〜図33(b),図37(b),図38(b)は、C−C断面図であり、図30(c)〜図33(c),図37(c),図38(c)は、D−D断面図である。
【0066】
図28(S3)においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、Siスラブ導波路103(図4)中に部分的に、例えばP(リン)をイオン注入してn−Si低濃度領域304aを形成する。
【0067】
図29(S4)においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、n−Si低濃度領域304aの両側に、例えばP(リン)をイオン注入して、2つのn−Siコンタクト領域305aを形成する。
【0068】
図30(S5)において、Siスラブ導波路103(図4)上で、n−Si低濃度領域304aからSiスラブ導波路103のイオン不注入領域316にわたって、i−Si膜317を選択成長させる(図30(a))。つまり、D−D断面図(図30(c))において、i−Si膜317は、n−Si低濃度領域304a及びイオン不注入領域316の上に選択成長される。
【0069】
図31(S6)においては、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、i−Si膜317中に部分的に、例えばB(ホウ素)をイオン注入してp−Siチャージ領域307を形成する。これにより、ノンドープのi−Si増倍領域306が形成されると共に、B(ホウ素)をイオン注入しない不注入領域がi−Si膜317として残存する。このi−Si膜317は、Si細線導波路115の反対方向(z方向)に延在している(図31(a))。なお、図31(c)において、i−Si増倍領域306とi−Si膜317との境界は、破線で示している。
【0070】
図32(S7)において、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、i−Si膜317(図31(c))中に部分的に、例えばB(ホウ素)をイオン注入して、p−Siチャージ領域307の端部に接合するp−Si低濃度領域304bを形成する。なお、イオン注入によって、i−Si増倍領域306とp−Si低濃度領域304bとの間に境界(実線)が生じる。つまり、p−Si低濃度領域304bは、i−Si増倍領域306の端部にも接合する。
【0071】
図33(S8)において、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、p−Si低濃度領域304b中に部分的に、例えばB(ホウ素)をイオン注入してp−Siコンタクト領域305bを形成する。これにより、n−Siコンタクト領域305aと、第2低濃度領域としてのn−Si低濃度領域304aと、n−Siコンタクト領域305aとが水平方向(左右方向)に接合する層と、i−Si増倍領域306の層と、p−Siチャージ領域307の層とが積層されたSiスラブ導波路303が形成される。
【0072】
図34(S9)において、製造者は、p−Siチャージ領域307の上に部分的に、i−Ge膜318を堆積させる。
【0073】
図35(S10)において、製造者は、フォトリソグラフィによるレジストマスクを用いて、i−Ge膜318(図34)の上面に部分的に、例えばB(ホウ素)をイオン注入して、p−Geコンタクト領域309を形成する。これにより同時にノンドープのi−Ge吸収領域308が形成される。
【0074】
図36(S11)において、製造者は、例えば化学気相成長法により、例えばSiO膜を堆積させて上部クラッド311を形成する。
【0075】
図37(S12)において、製造者は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、上部クラッド311をパターニングして、p−Geコンタクト領域309と、2つのn−Siコンタクト領域305a,305aと、p−Siコンタクト領域305bとの上に、コンタクトホール314,314,314,314を形成する。
【0076】
図38(S13)において、製造者は、4つのコンタクトホール314,314,314,314を覆うようにAl膜をスパッタにて形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチングでパターニングして、4つのAl電極110a,110b,110c,310を形成する。これにより、半導体受光素子300が作製される。
【0077】
(動作の説明)
図39は、本発明の第3実施形態である半導体受光素子の動作を説明するための光軸に平行なy−z断面図であり、図40は、その光軸に垂直なx−y断面図である。
Si細線導波路115を伝搬してきた信号光116は、Siスラブ導波路303(具体的には、n−Si低濃度領域304a、i−Si増倍領域306及びp−Siチャージ領域307)を経由して、i−Ge吸収領域308にエバネッセント結合する。
【0078】
図40に示す通り、前記第1,2実施形態の半導体受光素子100,200と同様に、Al電極110bとAl電極310との間に電圧Vの直流電源が接続され、Al電極110bとAl電極110cとの間に電圧Vの直流電源が接続される。なお、Al電極110aは、Al電極110bと同電位である。
言い換えれば、p−Siチャージ領域307には、p−Si低濃度領域304b、p−Siコンタクト領域305b及びAl電極110cを介して、電圧Vの直流電源の負極が接続される。また、p−Siチャージ領域307に接合するi−Ge吸収領域308には、p−Geコンタクト領域309及びAl電極310を介して、電圧Vの直流電源の負極が接続される。また、p−Siチャージ領域307に接合するi−Si増倍領域306には、n−Si低濃度領域304a、n−Siコンタクト領域305a及びAl電極110bを介して、双方の直流電源の正極が接続される。つまり、p−Siコンタクト領域305bの電位と、p−Geコンタクト領域309の電位と、n−Siコンタクト領域305aの電位とは、個別に与えられる。また、(p−Geコンタクト領域309の電位)<(p−Siコンタクト領域305bの電位)<(n−Siコンタクト領域305a)の条件の下、各電位は、無相間に設定できる。
【0079】
この電源接続により、i−Si増倍領域306には、電圧Vが印加され、内部電界が発生する。また、i−Ge吸収領域308には、電位差(V−V)がもたらす内部電界が発生する。
【0080】
i−Ge吸収領域308は、信号光116を吸収し、キャリアである電子及び正孔が発生する。i−Ge吸収領域308では、電子はp−Siチャージ領域307の方向にドリフトし、正孔はp−Geコンタクト領域309の方向にドリフトする。そして、p−−Siチャージ領域307に達した電子は、直流電源の負極へは向かわないので、p−Siチャージ領域307をドリフトして通り抜け、i−Si増倍領域306に到達する。
【0081】
i−Si増倍領域306に到達した電子は、直流電圧Vによるi−Si増倍領域306の高い内部電界によりドリフトが加速し、雪崩増倍による多数のキャリア(電子及び正孔)が発生する。i−Si増倍領域306で増倍した電子は、そのままドリフトしてn−Si低濃度領域304aを介して、n−Siコンタクト領域305aへ到達し、Al電極110a,110bを介して発生電流として外部回路へ出力される。
【0082】
また、i−Si増倍領域306で発生した正孔は、電子とは逆方向にドリフトしてp−−Siチャージ領域307へ到達した後、p−Si低濃度領域304b、p−Siコンタクト領域305b、Al電極110cを介して、発生電流として電圧Vを印加している直流電源の負極に出力される。一方、i−Ge吸収領域308で発生し、p−Geコンタクト領域309に達した正孔は、Al電極310を通じて発生電流として電圧Vを印加している直流電源の負極に出力される。
【0083】
(効果の説明)
以上説明したように第3実施形態の半導体受光素子300によれば、第1実施形態の半導体受光素子100と同様の効果が得られる。ところで、一般の半導体プロセスでは、基板表面に対して水平方向の寸法制御よりも垂直方向の寸法制御の方がより細かくより精密にできる。この点、半導体受光素子300においても、i−Ge吸収領域308とp−Siチャージ領域307とi−Si増倍領域306とが基板表面に対して垂直方向に配置されている。このため、半導体受光素子300の各領域の厚さは、第1,2実施形態の半導体受光素子100,200の各領域の幅よりも薄くすることができる。このため、半導体受光素子300は、半導体受光素子100,200よりも、発生したキャリアの移動距離が短くなるので、デバイスの高速化が期待できる。
【0084】
(光電融合モジュール)
図41は、本発明の各実施形態である半導体受光素子を適用した光電融合モジュールの構成図である。
光電融合モジュール500は、例えば、PONシステムに使用される一芯双方向通信モジュールであり、Si基板101に積層された下部クラッド102の表面に光回路210、及び電気回路220が形成されている。ここで、光回路210は、スポットサイズ変換器213と波長合分波器212とから構成されており、波長合分波器212は、光導波路としてのSi細線導波路115から構成されている。また、電気回路220は、半導体受光素子100(又は、半導体受光素子200,300)と、半導体発光素子としてのレーザダイオード222と、電子回路としてのトランスインピーダンスアンプ221と、モニタ用フォトダイオード223とを備えている。つまり、光電融合モジュール500は、前記したSi細線導波路115と半導体受光素子100とが結合された構成になっており、光回路210及び電気回路220とが一体化されている。
【0085】
波長合分波器212は、レーザダイオード222が発光した信号光をスポットサイズ変換器213に導き、スポットサイズ変換器213から導かれた信号光を半導体受光素子100に入射させるものである。また、1本の光ファイバで、双方向通信を行うため、モニタ用フォトダイオード223が入射する光の波長は、光ファイバの他端に設けられているレーザダイオードが発光した光の波長を遮断するようにしている。例えば、レーザダイオード222の送信波長を1.310nmとし、半導体受光素子100の受信波長を1.55nmとした場合、半導体受光素子100が入射する光の波長は、光ファイバの他端に設けられているレーザダイオードが発光した光の波長1.310nmを遮断するようにしている。なお、Si細線導波路115は、コア材をシリコンとし、クラッド材を石英とする光導波路であり、従来から用いられる石英光導波路に比べて光の経路を鋭く曲げることができる。
【0086】
スポットサイズ変換器213は、図示しない光ファイバとシリコン細線導波路との間を結合するものであり、先細テーパ型を用いている。つまり、スポットサイズ変換器213は、光のビームスポットの大きさを変換する機能を持ち、光入出力における光パワー損失を低減するために設けられている。なお、レーザダイオード222と導波路との間は、テーパ型スポットサイズ変換を用い、半導体受光素子100と導波路との間は、グレーティング型を採用している。
【0087】
トランスインピーダンスアンプ221は、半導体受光素子100の両端電圧を仮想接地させつつ、半導体受光素子100が発生する電流を電圧に変換する電子回路である。
モニタ用フォトダイオード223は、レーザダイオード222の光出力をモニタして帰還制御するためのものであり、レーザダイオード222と近接配置されている。
【0088】
(変形例)
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
(1)前記各実施形態の半導体受光素子100,200は、チャージ領域が第1導電型としてのp型であったが、n型にすることもできる。このときには、チャージ領域、第1コンタクト領域、低濃度領域がn型になり、第2コンタクト領域がp型になる。
【0089】
(2)前記各実施形態の半導体受光素子100,200は、Al電極を用いたが、SiやGeとオーミック接触を形成できる金属材料であればこれに限らない。例えば、Cuなども可能である。半導体受光素子100,200は、上部クラッド111,211の材料にSiOを用いたが、使用波長範囲でSi及びGeよりも屈折率の小さな透明材料であればこれに限らない。例えば、SiONなども可能である。
【0090】
(3)前記各実施形態の半導体受光素子100,200は、Si層上に直接Ge層を選択成長させる構成及び製造方法を示したが、Si層とGe層との間にはSiGe混晶層等のバッファ層を介在させても構わない。同様に、Ge層上にSi層等の保護層を設けても構わない。
【0091】
(4)前記各実施形態の半導体受光素子100,200は、Si層上へのGe層選択成長について説明したが、材料の組み合わせはこれに限らない。例えば、Si層上へのSiGe混晶層選択成長等の他、下地材料上に選択成長できる材料を組み合わせることが可能である。
【0092】
(5)前記各実施形態の半導体受光素子100,200は、光導波路にSi、吸収領域にGeを用いた場合について説明したが、材料の組み合わせはこれに限らない。光導波路をInP、吸収領域をInGaAsとする等、III−V属化合物半導体、或いはII−VI属化合物半導体を利用することもできる。
【0093】
(6)前記第2実施形態の半導体受光素子200は、光導波路層内にチャージ領域と増倍領域とを備えている場合について、バットジョイント結合の構造を説明したが、基板表面に対して垂直方向にチャージ領域と増倍領域が配置されている場合についても、バットジョイント結合構造にすることも可能である。
【0094】
(7)前記第3実施形態の半導体受光素子300のn−Siコンタクト領域305a、n−Si低濃度領域304a、n−Siコンタクト領域305aは、矩形状に形成し、2つのAl電極110a,110bを形成していた。半導体受光素子300のAl電極110a,110bは、同電位であるので、例えば、n−Si低濃度領域304aを平面視円形に形成すると共に、n−Siコンタクト領域305aを、光軸を対称軸とする線対称の円弧状に形成しても構わない。
【符号の説明】
【0095】
100,150,200,300 半導体受光素子
101 Si基板(支持基板)
102 下部クラッド
103,203,303 Siスラブ導波路(導波路)
104a n−Siコンタクト領域(第3コンタクト領域)
104b n−Si低濃度領域(第3低濃度領域)
104c n−Si低濃度領域
105,205 p−Siチャージ領域(チャージ領域)
106a,206a p−Si低濃度領域(第2低濃度領域)
106b p−Si低濃度領域(第1低濃度領域)
106c p−Si低濃度領域
107a,107b,107c p−Siコンタクト領域
108a,306 i−Si増倍領域(増倍領域)
108b,108c i−Si絶縁領域
109,209,308 i−Ge吸収領域
110a,110b,110c,310 Al電極
115 Si細線導波路(光導波路)
217 リセス
304a n−Si低濃度領域(第2低濃度領域)
304b p−Si低濃度領域
305b p−Siコンタクト領域
307 p−Siチャージ領域
309 p−Geコンタクト領域(第3コンタクト領域)
316 イオン不注入領域
317 i−Si膜
318 i−Ge膜
500 光電融合モジュール
【要約】      (修正有)
【課題】光パワーの大小にかかわらず、適切な増倍率を得るアバランシェフォトダイオードを提供する。
【解決手段】支持基板上に形成された光導波路103を通じて信号光を受光する導波路型の半導体受光素子100であって、信号光を吸収する吸収領域109と吸収領域109への印加電界を低減するチャージ領域105と吸収領域109で生成された電子を雪崩増倍させる増倍領域108aとが分離しているSACM構造のアバランシェフォトダイオードとして形成されており、チャージ領域105に接合する第1低濃度領域106bと、第1低濃度領域106bに接合する第1コンタクト領域107bとを備え、チャージ領域105、第1低濃度領域106b及び第1コンタクト領域107bは、p型であり、チャージ領域105には、電源が接続される。
【選択図】図1
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
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図16
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図18
図19
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図40
図41