(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-12
(54)【発明の名称】光検出器
(51)【国際特許分類】
H01L 31/10 20060101AFI20220104BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 D
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021517465
(86)(22)【出願日】2019-09-30
(85)【翻訳文提出日】2021-05-21
(86)【国際出願番号】 GB2019052759
(87)【国際公開番号】W WO2020065356
(87)【国際公開日】2020-04-02
(31)【優先権主張番号】1815847.7
(32)【優先日】2018-09-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】501484851
【氏名又は名称】ケンブリッジ・エンタープライズ・リミテッド
【氏名又は名称原語表記】ＣＡＭＢＲＩＤＧＥ ＥＮＴＥＲＰＲＩＳＥ ＬＩＭＩＴＥＤ
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】アンドレア・カルロ・フェラーリ
(72)【発明者】
【氏名】ルイージ・オキピンティ
(72)【発明者】
【氏名】アルフォンソ・ルオッコ
【テーマコード（参考）】
5F849
【Ｆターム（参考）】
5F849AA14
5F849AB02
5F849BA09
5F849DA12
5F849FA11
5F849LA01
5F849LA02
5F849LA09
5F849XB15
5F849XB43
(57)【要約】
光検出器は、スロットが少なくとも３つのストライプのうち２つの隣接するストライプのそれぞれの間に存在するように、互いに対して間隔を開けられた少なくとも３つのストライプを含む光学導波路構造を含む。グラフェン吸収層は、少なくとも３つのストライプの上または下に提供される。各ストライプに関して、グラフェン吸収層の上または下に電極が存在する。２つの隣接する電極が、グラフェン吸収層の一部にｐ－ｎ接合効果を生じるように反対の極性を用いてバイアスされるように、光検出器が構成される。具体的に、グラフェン吸収層の一部は、これら２つの隣接するストライプのそれぞれの間の各スロットの上または下に配置される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに対して間隔を開けられた少なくとも３つのストライプを含む光学導波路構造であって、スロットが前記少なくとも３つのストライプのうちそれぞれ２つの隣接するストライプの間に存在する、光学導波路構造と、前記少なくとも３つのストライプの上または下に提供されたグラフェン吸収層と、
前記グラフェン吸収層の上または下に配置された、各ストライプに関する電極と、を含む光検出器であって、
前記グラフェン吸収層の一部にｐ－ｎ接合効果を生じさせるために、２つの隣接する電極が反対の極性を用いてバイアスされるように、前記光検出器が構成され、
前記グラフェン吸収層の一部が、前記それぞれ２つの隣接するストライプの間の各スロットの上または下に配置される、光検出器。
【請求項2】
前記光学導波路構造が少なくとも４つのストライプを含み、第１のスロットが、第１のストライプと第２のストライプとの間に存在し、
第２のスロットが、前記第１のストライプと第３のストライプとの間であって、前記第１のスロットの一方の側に存在し、
第３のスロットが、前記第２のストライプと第４のストライプとの間であって、前記第２のスロットの反対側に存在する、請求項１に記載の光検出器。
【請求項3】
前記第１のスロットが前記第２のスロットと前記第３のスロットとの間に配置され、前記第２のスロット及び前記第３のスロットの幅が、前記第１のスロットの幅より大きい、請求項２に記載の光検出器。
【請求項4】
前記第３のストライプ及び前記第４のストライプがそれぞれ、前記第１のストライプ及び前記第２のストライプよりも幅広い、請求項３に記載の光検出器。
【請求項5】
前記第１のストライプ及び前記第３のストライプの配置が、前記第２のストライプ及び前記第４のストライプの配置に対して対称的である、請求項２から４のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項6】
光熱電効果（ＰＴＥ）が各スロットにおいて生じるように、前記光検出器が構成された、請求項１から５のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項7】
前記グラフェン吸収層の外に電気信号を取り出すために、各スロットの上または下に配置された前記グラフェン吸収層の各部分と動作可能に接続された、一対のコンタクトをさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項8】
前記光学導波路の前記ストライプが窒化シリコンを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項9】
前記複数の電極の少なくともいくつかが金属電極である、請求項１から８のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項10】
前記複数の電極の少なくともいくつかが半導体材料からなる、請求項１から８のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項11】
前記グラフェン吸収層が前記ストライプの上部に配置され、各電極が前記グラフェン吸収層の上部に形成された、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項12】
前記グラフェン吸収層が前記ストライプの上に配置され、各電極が、前記グラフェン吸収層と前記光学導波路構造の各ストライプとの間に形成された、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項13】
前記グラフェン吸収層が前記ストライプの下に配置され、各電極が、前記グラフェン吸収層と、前記光学導波路構造の各ストライプとの間に形成された、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項14】
前記グラフェン吸収層が前記ストライプの下に配置され、各電極が、前記グラフェン吸収層の下に形成された、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項15】
前記グラフェン吸収層が前記ストライプの下に配置され、各電極が各ストライプの上部に形成された、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項16】
前記導波路構造の前記ストライプがドープされたシリコンを含む、請求項１５に記載の光検出器。
【請求項17】
前記電極が前記ストライプの端部を覆う、請求項１から１６のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項18】
前記ストライプが、動作波長において前記スロットよりも低い屈折率を有する、請求項１から１７のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項19】
第１のスロットを間に画定する第１の対の長手方向ストライプを含む第１のスロット導波路構造と、前記第１のスロット導波路構造のそれぞれの側に配置された第２の対の長手方向ストライプであって、前記第１のスロット導波路構造が前記第１のストライプと前記第２のストライプの１つの間にそれぞれ一対の第２のスロットを確定し、前記第２のスロットが前記第１のスロットよりも幅広い、第２の対の長手方向ストライプと、
を含む広帯域光学導波路構造と、
前記第１のスロット及び前記第２のスロットを橋渡しするグラフェンの層と、
前記スロットの上または下のグラフェンの領域内にｐ－ｎ接合を生成するために電極をバイアスするために、前記長手方向ストライプのそれぞれの上または下に配置された電極のセットと、を含む、グラフェン光検出器。
【請求項20】
請求項１から１９のいずれか一項に記載の光検出器を製造する方法であって、前記方法が、ＣＭＯＳまたはＣＭＯＳ互換のプロセスを使用する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、該して光検出器に関し、例として集積グラフェン広帯域光検出器に関する。
【0002】
本出願につながるプロジェクトは、欧州連合のＨｏｒｉｚｅｎ２０２０研究イノベーションプログラムの助成金（助成承認番号第６４９９５３号）を受けている。
【背景技術】
【0003】
ＰＮ接合導波路集積グラフェン光検出器が知られている。そのような光検出器は、非特許文献１に開示され、図１に示されている。この構成１００において、２つの導波路部１３０ａ、１３０ｂを有する導波路構造が、基板１１０上に形成される。導波路部１３０ａ、１３０ｂの間にはスロット１３５が形成される。グラフェン１１５の層が、導波路構造上に形成される。各導波路部１３０ａ、１３０ｂは、光熱効果（Ｐｈｏｔｏ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｆｆｅｃｔ，ＰＴＥ）が発生し、ｐ－ｎ接合効果がグラフェン層１１５内で実現されるように交互にバイアスされうる。ソースコンタクト１２５及びドレインコンタクト１２０は、グラフェン層１１５と結合される。図１の構造の欠点は、１５５０ｎｍの波長でしか機能できないことである。構造は、シリコンの透過窓及び導波路断面によって制限される。
【0004】
さらなる背景となる先行技術は、特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１５／０３７２１５９号明細書
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】Schuler et al., “Controlled Generation of a p-n Junction in a waveguide Integrated Graphene Photodetector”, Nano Letters 2016
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の１つの態様によれば、光検出器が提供される。光検出器は、互いに対して間隔を開けられた少なくとも３つのストライプまたは指部を含む光学導波路構造であって、スロットが少なくとも３つのストライプのうちそれぞれ２つの隣接するストライプまたは指部の間に存在する、光学導波路構造を含むグラフェン光検出器である。光検出器はまた、少なくとも３つのストライプまたは指部の上または下に提供されたグラフェン吸収層と、グラフェン吸収層の上または下に配置された、各ストライプに関する電極と、を含む。光検出器は、グラフェン吸収層の一部にｐ－ｎ接合効果を生じさせるために、２つの隣接する電極が反対の極性を有してバイアスされるように構成される。具体的に、グラフェン吸収層の一部が、それぞれ２つの隣接するストライプの間の各スロットの上または下に配置される。実施例において、電極のバイアスは、一般に、光検出器または光検出器装置の一部でありうる電圧発生器によって提供される。
【0008】
光学導波路構造のストライプまたは指部は、２つの隣接するストライプの間のスロットを有する個別のストライプであることが理解されるであろう。１つの例において、スロットはエアスロットである。代替的な例において、スロットは、適切な材料で充填されうる。導波路のための電極は、導波路の上または下のグラフェン層と直接接続され、またはグラフェン層と導波路に関する電極との間に絶縁層が存在しうる。
【0009】
有利には、開示された光検出器は、大きなスペクトルにわたって、好適には全てのテレコム波長に関して高い性能を有する単一のデバイスである。デバイスは、同様にセンシング及び分光分析にも使用されうる。導波路に関する複数指部構成は、３つのテレコムウィンドウに関して高い効率及び高速度を提供することに関して有利である。開示されたデバイスは、可視光から短波赤外線（ＳＷＩＲ）波長まで改善された性能を提供する。
【0010】
開示された広帯域光導波路は、可視光から始めてＳＷＩＲまで、すなわち３つの透過ウィンドウを含む全ての波長において働く、集積通信受信器について使用されうる。
【0011】
グラフェンとともに集積された窒化シリコンフォトニックプラットフォームを使用するのが有利である。第１の態様は、対象とする範囲全体にわたって透過性を有し、第２の態様は、対象とする範囲全体にわたって定常的に吸収性である。案内構造の断面は、ガイドモードと吸収材料との間の定量的に一定の相互作用を保証する透過有効屈折率技術でモデル化される。その結果、可視光からＳＷＩＲまで一定の応答性及び高速性能を有する開示された集積光検出器が得られる。狭帯域吸収材料によって、及び波長に強く依存する案内構造の断面によって制限される従来の技術に対して有利である。従来の技術では、一般に、１つの波長のみを検出することが可能な１つのスロット導波路が存在し、その結果、これらは広帯域波長の範囲全体に対しては適切ではない。複数のスロットを有する複数指部導波路の導入により、デバイスは、確実に広帯域用途において波長全てについて使用可能である（複数のスロットは、必要に応じてより多くの波長範囲に対応可能である）。
【0012】
本開示において、異なる波長における光は、準独立モード形状を呈する。これによって、グラフェン（吸収媒体）との定常的な相互作用を確保し、波長独立応答性を結果的に得る。開示されるデバイスは、広帯域光検出を必要とする全ての用途における場合と同様に、集積光学通信受信器において使用可能である。
【0013】
光学導波路構造は、少なくとも４つのストライプを含んでもよく、第１のスロットが、第１のストライプと第２のストライプとの間に存在し、第２のスロットが、第１のストライプと第３のストライプとの間であって、第１のスロットの一方の（または第１の）側に存在し、第３のスロットが、第２のストライプと第４のストライプとの間であって、第２のスロットの（第２の）横方向反対側に（第１の側に対して）存在する。第１のスロットが第２のスロットと第３のスロットとの間に配置されてもよく、第２のスロット及び第３のスロットの幅が、第１のスロットの幅より大きくてもよい。第３のストライプ及び第４のストライプが、第１のストライプ及び第２のストライプよりも幅広くてもよい。ストライプ及びスロットの幅は、波長範囲に依存する。第１のストライプ及び第３のストライプの配置が、第２のストライプ及び第４のストライプの配置に対して対称的でありうる。導波路に関して非対称の構成も可能であることは了解されるであろう。
【0014】
一般的に、導波路構造は、第１のスロット導波路を有し、さらなるスロット導波路が第１のスロットの第１の側に配置され、またさらなるスロット導波路が、第１のスロット導波路の第２の横方向反対側に配置される。同様に、より多くのスロット導波路が、第１のスロット導波路の両側に提供されうる。追加的なスロット導波路は、全体的な導波路構造の一部を形成する。
【0015】
光熱電効果（ＰＴＥ）が各スロットにおいて生じるように、光検出器が構成されうる。
【0016】
光検出器は、グラフェン吸収層の外に電気信号を取り出すために、各スロットの上または下に配置されたグラフェン吸収層の各部分と動作可能に接続された、一対のコンタクトをさらに含みうる。１つのコンタクトはｐ領域から信号を引き出し、もう一方のコンタクトは、グラフェン吸収層内のｐ－ｎ接合のｎ領域から信号を引き出す。
【0017】
光学導波路のストライプが窒化シリコンを含みうる。
【0018】
複数の電極の少なくともいくつかが金属電極でありうる。
【0019】
複数の電極の少なくともいくつかが半導体材料からなりうる。
【0020】
グラフェン吸収層がストライプの上部に配置され、各電極がグラフェン吸収層の上部に形成されうる。
【0021】
グラフェン吸収層がストライプの上に配置され、各電極が、グラフェン吸収層と光学導波路構造の各ストライプとの間に形成されうる。
【0022】
グラフェン吸収層がストライプの下に配置され、各電極が、グラフェン吸収層と、光学導波路構造の各ストライプとの間に形成されうる。
【0023】
グラフェン吸収層がストライプの下に配置され、各電極が、グラフェン吸収層の下に形成されうる。
【0024】
グラフェン吸収層がストライプの下に配置され、各電極が各ストライプの上部に形成されうる。そのような構成において、導波路構造のストライプがドープされたシリコンを含みうる。
【0025】
電極がストライプの端部を覆いうる。ストライプが、動作波長においてスロットよりも低い屈折率を有しうる。
【0026】
グラフェン層は、複数の指部またはストライプを有するスロット導波路の間に垂直にサンドイッチ可能であることは了解されるであろう。
【0027】
本開示のさらなる態様によれば、第１のスロットを間に画定する第１の対の長手方向ストライプを含む第１のスロット導波路構造と、第１のスロット導波路構造のそれぞれの側に配置された第２の対の長手方向ストライプであって、第１のスロット導波路構造が第１のストライプと第２のストライプの１つの間に一対の第２のスロットを確定し、第２のスロットが第１のスロットよりも幅広い、第２の対の長手方向ストライプと、を含む広帯域光学導波路構造を含む、グラフェン光検出器が提供される。光検出器はまた、第１のスロット及び第２のスロットを橋渡しするグラフェンの層と、スロットの上または下のグラフェンの領域内にｐ－ｎ接合を生成するために電極をバイアスするために、長手方向ストライプのそれぞれの上または下に配置された電極のセットと、を含む。
【0028】
本明細書において、前述のような光検出器を製造する方法を開示する。本方法は、ＣＭＯＳまたはＣＭＯＳ互換のプロセスを使用しうる。
【0029】
本発明のこれらの、及びその他の態様が、これから、添付する図面を参照して単に例示としてさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【発明を実施するための形態】
【0031】
図２は、１つの例に従う、提案される光検出器２００を示す。光検出器は、複数の指部またはストライプ２３０ａ～ｆを含み、ストライプ２３０ａ～ｆの間に複数のスロットを有する。電極２３５ａ～ｆは、各ストライプ２３０ａ～ｆについて提供される。グラフェン層（図示されない）は、ストライプ２３０ａ～ｆの上に提供される。１つの例において、グラフェン層は、電極とストライプとの間でありうる。別の例において、グラフェン層は、電極２３５ａ～ｆの上部にあってもよく、電極は直接、導波路ストライプ２３０ａ～ｆの上にある。代替的な例において、電極及びグラフェン層は、導波路ストライプ２３０ａ～ｆの下にありうる。
【0032】
図１の構成において、導波路の対称的なストライプは、ストライプ２３０ｃの隣に導波路ストライプ２３０ｂを追加し、ストライプ２３０ｄの隣にストライプ２３０ｅを追加することによって形成される。ストライプ２３０ｅ、２３０ｄの間の横方向距離は、ストライプ２３０ｂ、２３０ｃの間の横方向距離と同じである。さらに、ストライプ２３０ａは、２３０ｂの一方の側に配置され、ストライプ２３０ｆは２３０ｅの他方の側に配置される。ストライプ２３０ｆとストライプ２３０ｅとの間の横方向距離（またはそれらの間のスロットの幅）は、ストライプ２３０ｂと２３０ａとの間の横方向距離と同じである。１つの例において、ストライプ２３０ｃ、ｄの幅は同じである。ストライプ２３０ｂ、ｅの幅は同じである。ストライプ２３０ａ、ｆの幅は同じである。この種類の対称構造が好ましいものでありうるが、本発明は、そのような対称構造に限定されない。２つのスロットを有する任意の３つの導波路ストライプが、提案された構造の動作に関して適している。
【0033】
１つの例において、導波路ストライプはシリコンまたは窒化シリコンからなる。電極材料は、金属またはその他任意の適切な電極材料でありうる。
【0034】
図３は、図２の光検出器の導波路間の高電場強度を示す。図３で使用される参照符号は、図２のものと同じである。バイアスが交互に電極２３５ａ～ｆに印加されると、高電場強度がストライプ２３０ａ～ｆ間のスロットに生じる。
【0035】
図４は、３つのテレコム波長（例えば８５０ｎｍ、１３００ｎｍ、１５５０ｎｍ）及び２０００ｎｍにおける導波路間の高電場強度を示すシミュレーション結果を示す。
【0036】
疑いもなく、その他多くの有効な代替例が当業者には理解されるであろう。本発明は説明された実施形態に限定されるのではなく、添付された特許請求の範囲の思想及び範囲内にある、当業者には明らかな改変を含むことが理解されるであろう。
【符号の説明】
【0037】
１００ 光検出器の構成
１１０ 基板
１１５ グラフェン
１２０ ドレインコンタクト
１２５ ソースコンタクト
１３０ａ、１３０ｂ 導波路部
１３５ スロット
２００ 光検出器
２３０ａ～ｆ ストライプ
２３５ａ～ｆ 電極
１１０ 基板
１１５ グラフェン
１２０ ドレインコンタクト
１２５ ソースコンタクト
１３０ａ、１３０ｂ 導波路部
１３５ スロット
２００ 光検出器
２３０ａ～ｆ ストライプ
２３５ａ～ｆ 電極
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【国際調査報告】