(57)【要約】      （修正有）【課題】種々のアビオニクスネットワーク及びセンサで使用される全ての種類の光ファイバと共に使用されるために設計された広いスペクトル帯域幅の光検出器、並びにそのような光検出器を製造するためのプロセスが開示される。ゲルマニウムを含むショットキーバリヤ光検出器を提供する。【解決手段】ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０は、ｎ＋型ドーピングを有するゲルマニウム基板４２と、ｎ型ドーピングを有する結晶性ゲルマニウムのエピタキシャル上層から成るメサ構造４４（活性層）とを含む。メサ構造４４の上面上に堆積した金属膜４６と金属パッド４８を更に含む。【選択図】図３
2020053679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドープされたゲルマニウムから作製された基板、
前記基板の上端上で成長したドープされたエピタキシャルゲルマニウムから作製されたメサ構造であって、前記ドープされたエピタキシャルゲルマニウムのドーピング密度が、前記ドープされたゲルマニウムのドーピング密度未満である、メサ構造、
前記メサ構造の上端上に堆積した金属から作製された金属膜、
前記メサ構造の上端上に堆積した金属から作製され且つ前記膜と接触した金属パッド、及び
前記基板の底部上に堆積した金属から作製されたオーミック接触層を備える、光検出器。
【請求項２】
前記金属膜及び前記金属パッドが、金、銀、アルミニウム、銅、及びインジウムから成る群から選択された金属から作製されている、請求項１に記載の光検出器。
【請求項３】
前記金属膜及び前記メサ構造が、０．５４から０．６４ボルトの範囲内のショットキーバリヤ高さを有する接合を形成する、請求項２に記載の光検出器。
【請求項４】
前記金属パッド及び前記オーミック接触層に接続された電圧源を更に備え、前記金属膜及び前記メサ構造が、前記メサ構造内の且つ前記金属膜に隣接した空乏領域を生成するように構成され、前記空乏領域が、前記金属膜上への光子の衝突中に前記電圧源によって逆バイアス電圧が印加されたときに、増加する幅を有する、請求項１に記載の光検出器。
【請求項５】
前記金属膜が、４５０から６００ミクロンの範囲内の直径を有する、請求項４に記載の光検出器。
【請求項６】
有効リチャードソン定数が、１２８から１３５A/cm2‐゜K2の範囲内である、請求項４又は５に記載の光検出器。
【請求項７】
前記膜上に付着した反射防止コーティングを更に備える、請求項１に記載の光検出器。
【請求項８】
前記メサ構造の露出した表面をカバーする誘電体パッシベーション層を更に備える、請求項１に記載の光検出器。
【請求項９】
端部を有する光ファイバ、
ベース、前記ベースに取り付けられたレンズキャップ、及び前記レンズキャップの上端上の開口部内に設置されたガラスボールレンズを備えた、密封金属ケース、並びに
前記金属ケースの内側に配置された光検出器を備える、光ファイバデバイスであって、
前記光検出器が、ドープされたゲルマニウムから作製された基板、前記基板の上端上で成長した低ドープされたエピタキシャルゲルマニウムから作製されたメサ構造であって、前記ドープされたエピタキシャルゲルマニウムのドーピング密度が、前記ドープされたゲルマニウムのドーピング密度よりかなり低い、メサ構造、前記メサ構造の上端上に堆積した金属から作製された金属膜、前記メサ構造の上端上に堆積した金属から作製され且つ前記膜と接触した金属パッド、及び前記基板の底部上に堆積した金属から作製されたオーミック接触層を備え、
前記光ファイバ、前記ガラスボールレンズ、及び前記金属膜が整列している、光ファイバデバイス。
【請求項１０】
前記金属膜及び前記金属パッドが、金、銀、アルミニウム、銅、及びインジウムから成る群から選択された金属から作製されており、
前記金属膜及び前記メサ構造が、０．５４から０．６４ボルトの範囲内のショットキーバリヤ高さを有する接合を形成し、
前記金属膜及び前記メサ構造が、前記メサ構造内の且つ前記金属膜に隣接した空乏領域を生成するように構成され、前記空乏領域が、前記金属膜上への光子の衝突中に前記金属パッドと前記オーミック接触層とを両端として前記両端に逆バイアス電圧が印加されたときに、増加する幅を有し、
前記金属膜が、４５０から６００ミクロンの範囲内の直径を有し、前記ガラスボールレンズが、２mmの直径を有し、
前記光検出器が、前記メサ構造の露出した表面をカバーする誘電体パッシベーション層を更に備える、請求項９に記載の光ファイバデバイス。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本明細書で開示される技術は、広くは、電気部品間の通信を可能にする光ファイバネットワークに関する。光ファイバネットワークは、銅ネットワークに比べて、より高速であり、より軽量であり、電磁干渉に対する耐性という利点を有する。民間飛行機の多くのモデルは、サイズ、重量、及び電力の低減のために、光ファイバネットワークを有する。
【０００２】
プラスチック光ファイバ（POF）を使用する光ネットワークは、重量、サイズ、帯域幅、電力、及び電磁環境耐性において、銅配線より有利である。プラスチック光ファイバは、取り扱い、設置、及び保守の容易さにおいて、ガラス光ファイバ（GOF）より有利である。POFを使用することにより、かなりの重量を節約することができる。その重量節約は、飛行機などの輸送体に搭載されるネットワークにとって重要であり得る。すなわち、重量節約は、低減された燃料消費及びより低いエミッションをもたらし得る。
【０００３】
POFネットワークが、完全にGOFに取って代わる前に、GOFを使用するレガシーアビオニクスシステムも、多くの古いモデル及び新しいモデルの民間飛行機において使用されることになる。ガラス光ファイバは、１５５０nmの波長で最小損失を有する。ガラス光ファイバは、１３００nmにおいて最小分散も有する。短距離マルチモードガラス光ファイバネットワークは、８５０nmの波長も使用する。何故ならば、広く利用可能な成熟した低費用の垂直キャビティ面発光レーザー送信器は、８５０nmの波長で動作するからである。したがって、幾つかのレガシーアビオニクスGOFネットワークは、８５０nm、１３００nm、及び１５５０nmで動作する。これらのレガシーGOFネットワークは、多くの飛行機システムにおいてPOFネットワークと共存することになる。
【０００４】
既存の解決策は、種々の光ファイバネットワーク又はセンサに対して種々の光検出器を使用することである。例えば、ポリ（メチルメタクリレート）から作製されたPOFを使用する低データレートのPOFネットワーク（例えば、コントローラエリアネットワーク（CAN）バス）の場合、シリコン光検出器が、可視波長範囲（４５０、５５０、及び６５０nm）内で、受信器の動作のために使用される。高速ギガビットPOFネットワーク（例えば、ARINC 664, ギガビットイーサネット）の場合、InGaAs 光検出器が、１２００から１５５０nmの波長の範囲内で、受信器の動作のために使用される。GOFネットワークの場合、GaAs光検出器が波長８５０nmで使用され、InGaAs光検出器が、１３００nm又は１５５０nmの何れかの波長のネットワークで使用される。以上の解決策の欠点は、マニフォールドである。
【０００５】
第１に、種々の光ファイバネットワーク及びセンサを有する飛行機システムでは、種々の受信器が必要とされる。複数の受信器用の部品の供給、貯蔵、及び設置は、飛行機アビオニクスシステムの生産費用を増加させる。
【０００６】
第２に、将来の民間飛行機アビオニクスシステムにおける全ての光ファイバ（POF及びGOF）ネットワークの広いスペクトル範囲及び高い量子効率の要件を満たす、ブロードバンドスペクトル特性を有する民生品（COTS）の光検出器は今のところ存在しない。例えば、幾つかのCOTS受信器は、大きな直径のPOFに接続するように最適化されていない光検出器のサイズを有する。結果として、不整合な光検出器のサイズを有するPOFネットワークは、より低い受信器感度を有し、今度は、それがより低い光リンクマージン及び短いリンク距離を提供する。
【０００７】
第３に、COTS POF受信器は、受信器に、期待される光出力レベルより低い余剰な光パルスを生成させる、光検出器構造を有する。この問題は、本明細書で、「任意パルス現象」（APP）と呼ばれる。APP問題の結果として、光ファイバネットワークのダイナミックレンジが低減される。
【発明の概要】
【０００８】
以下で幾らか詳細に開示される技術は、上述の問題を軽減するために設計される。種々のアビオニクスネットワーク及びセンサで使用される全ての種類の光ファイバ用の非常に広いスペクトル帯域幅の光検出器の設計及び製造プロセスが、以下で幾らか詳細に開示される。本明細書で提示される解決策は、ゲルマニウムを含むショットキーバリヤ光検出器（本明細書で、以下に「ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器」）を提供する。それは、紫外線から近赤外線（２２０から１６００nm）までの範囲内の光に対して広いスペクトル応答を有する。広いスペクトル応答を有する光検出器を提供することにより、種々の光ファイバネットワーク及びセンサを有するアビオニクスプラットフォーム内で、複数の異なる種類の光検出器及び受信器の使用を避けることができる。
【０００９】
ゲルマニウムは、２２０から１６００nmの波長範囲をカバーする広いスペクトル応答を有する。このスペクトル範囲は、低データレートPOF、GbPOF、シングルモードGOF、及びマルチモードGOFのネットワークを含む、全ての種類のPOF及びGOFのネットワーク又はセンサの最小損失波長の全てに及ぶ。更に、本明細書で開示されるゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器の構造は、光検出器の量子効率を最大化するように設計される。幾つかの実施形態によるショットキーバリヤ光検出器は、厚い活性層並びに最適化された光検出器のサイズ及び空乏幅も含み、幾つかのCOTS受信器内の光検出器によって生じるAPP問題を取り除く。本明細書で開示されるショットキーバリヤ光検出器は、シリコン及びInGaAs光検出器と比べて、低い製造費用を有する。
【００１０】
幾つかの実施形態によれば、ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器は、以下の特徴を有するように設計される。すなわち、（ａ）異なる種類の光ファイバネットワーク及びセンサにおいて使用されるように最適化された金属層の厚さ及びエピタキシャル層の厚さ、（ｂ）エピタキシャル層内の低バックグラウンドドーピング密度、（ｃ）全てのアビオニクス光ファイバネットワーク用に最適化された検出面積、及び（ｄ）光ファイバ受信器内のショットノイズの主たる源である、暗電流を低減させるための誘電体パッシベーション層を有するメサ構造である。ショットノイズを低くすることによって、受信器感度が高められる。ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器は、航空宇宙以外の電気通信ネットワークでも使用されてよい。
【００１１】
ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器及びそのような光検出器を製造するためのプロセスの様々な実施形態が、以下で幾らか詳細に説明されることとなるが、それらの実施形態のうちの１以上は、以下の態様のうちの１以上によって特徴付けられ得る。
【００１２】
以下で詳細に開示される主題の一態様は、光検出器であって、ドープされたゲルマニウムから作製された基板、基板の上端上で成長したドープされたエピタキシャルゲルマニウムから作製されたメサ構造であって、ドープされたエピタキシャルゲルマニウムのドーピング密度が、ドープされたゲルマニウムのドーピング密度未満である、メサ構造、メサ構造の上端上に堆積した金属から作製された金属膜、メサ構造の上端上に堆積した金属から作製され且つ膜と接触した金属パッド、基板の底部上に堆積した金属から作製されたオーミック接触層、膜上に付着した反射防止コーティング、及びメサ構造の露出した表面をカバーする誘電体パッシベーション層を備える、光検出器である。金属膜及び金属パッドが、以下の群から選択された金属から作製される。すなわち、金、銀、アルミニウム、銅、及びインジウムである。金属膜及びメサ構造は、メサ構造内の且つ金属膜と隣接する空乏領域を形成するように構成される。金属膜への光子の衝突中に、電圧源によって適切な逆バイアス電圧が印加されたときに、エピタキシャル層の中へ侵入する全ての光子が、空乏領域の内側で吸収される。
【００１３】
以下で詳細に開示される主題の別の一態様では、光ファイバデバイスであって、端部を有する光ファイバ、ベース、ベースに取り付けられたレンズキャップ、及びレンズキャップの上端上の開口部内に設置されたガラスボールレンズを備えた、金属ケース、並びに金属ケースの内側に配置された光検出器を備える、光ファイバデバイスである。該光検出器は、ドープされたゲルマニウムから作製された基板、基板の上端上で成長したドープされたエピタキシャルゲルマニウムから作製されたメサ構造であって、ドープされたエピタキシャルゲルマニウムのドーピング密度が、ドープされたゲルマニウムのドーピング密度未満である、メサ構造、メサ構造の上端上に堆積した金属から作製された金属膜、メサ構造の上端上に堆積した金属から作製され且つ膜と接触した金属パッド、及び基板の底部上に堆積した金属から作製されたオーミック接触層を備える。光ファイバ、ガラスボールレンズ、及び金属膜は整列している。
【００１４】
以下で詳細に開示される主体の更なる一態様は、光検出器を製造するための方法である。該方法は、１００から１５０ミクロンの範囲内の厚さを有するゲルマニウム基板が形成されるまで、ドープされたゲルマニウムウエハを研磨し、ラッピングすること、ゲルマニウム基板の上端上に約１５ミクロンの厚さで、ドープされたゲルマニウムエピタキシャル層を成長させること、ゲルマニウム基板の底部上にオーミック接触金属層を堆積させること、金属パッドが金属膜と接触するように、ゲルマニウムエピタキシャル層の上端上に金属膜と金属パッドを堆積させること、ゲルマニウムエピタキシャル層の一部を除去することによって、メサ構造を形成すること、メサ構造の露出した表面上に誘電体パッシベーション層を堆積させること、及び金属膜の上端上に反射防止コーティングを付着させることを含む。
【００１５】
ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器及びそのような光検出器を製造するためのプロセスの他の態様が、以下で開示される。
【００１６】
前述の特徴、機能、及び利点は、様々な実施形態において個別に実施することが可能であるか、又は更に別の実施形態において組み合わせることが可能である。先述の態様及び他の態様を示すために、図面を参照して、様々な実施形態が以下で説明される。このセクションで短く説明される図面の何れも、縮尺通りに描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】低データレートPOF、GbPOF、及びGOFの波長に対する減衰を示すグラフである。
【図２】種々の半導体材料の波長に対する吸収係数を示すグラフである。
【図３】一実施形態による、ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器の構造を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａから図４Ｅは、図３で描かれた種類のゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器を製造するためのプロセスにおける様々なステップを示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａから図４Ｅは、図３で描かれた種類のゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器を製造するためのプロセスにおける様々なステップを示す図である。
【図４Ｃ】図４Ａから図４Ｅは、図３で描かれた種類のゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器を製造するためのプロセスにおける様々なステップを示す図である。
【図４Ｄ】図４Ａから図４Ｅは、図３で描かれた種類のゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器を製造するためのプロセスにおける様々なステップを示す図である。
【図４Ｅ】図４Ａから図４Ｅは、図３で描かれた種類のゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器を製造するためのプロセスにおける様々なステップを示す図である。
【図５】一実施形態による、エピタキシャル層の上端上に堆積した金属膜と金属パッドの上面図を表す図である。
【図６】図３で描かれた種類のゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器内の光電流生成の原理を示す図である。電子は黒丸（●）によって示され、孔は白丸（○）によって示されている。
【図７】図６で描かれたゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器内の空乏幅最適化の原理を示す図である。電子は黒丸（●）によって示され、孔は白丸（○）によって示されている。
【図８Ａ】時間の関数としての、通常の光検出器によって光ファイバから受け取った光出力を示すグラフである。
【図８Ｂ】全ての光子が空乏領域内で吸収された場合の、時間の関数としての、通常の光検出器によって生成された一連の光生成電流パルスを示すグラフである。
【図８Ｃ】光子が空乏領域の外側で吸収された場合の、時間の関数としての、通常の光検出器によって生成された一連の光生成電流パルスを示すグラフである。この場合、光パルスに対する応答が拡散テールを有し得る。
【図９】時間の関数としての、（余剰パルスを含む）光生成電流パルスと受信器電流パルス応答とをそれぞれ示す、上側と下側のグラフを含む。
【図１０】２つのピン構成を使用したガラスボールレンズを有する密封パッケージに内に設置されたゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器を示す図である。
【図１１】３つのピン構成を使用したガラスボールレンズを有する密封パッケージに内に設置されたゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器を示す図である。
【図１２】本明細書で開示される種類のゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器を含む、光データ伝送システムの一部の構成要素を示し且つ一部の特徴を特定する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下で図を参照する。異なる図中の類似の要素に同一の参照番号が付されている。
【００１９】
ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器の例示的な実施形態が、以下で幾らか詳細に説明される。しかし、実際の実施態様の全ての特徴が本明細書に記載されているわけではない。当業者であれば、そのような実際の実施形態の開発においては、それぞれの実施態様によって異なるシステム関連の制約の遵守、ビジネスに関連した制約の遵守などの、開発者のそれぞれの目的を達成するためには、多数の実施態様に特化した判断を行う必要があることを理解するだろう。更に、このような開発のための労力は複雑であり、時間がかかるものであるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、取り組むべき所定の事柄であることを理解されたい。
【００２０】
将来、民間飛行機アビオニクスネットワーク及びセンサシステム内で、種々のPOFファイバが使用されることになる。CANバス、ARINC 629データバス、又は燃料品質インジケータセンサなどの、低データレートネットワークでは、低データレートPOFが、PMMAから作製された大きい直径（１mm）の光ファイバであるが、高データレートネットワークでは、GbPOFが使用されることになる。GbPOFは、５００ミクロンのクラッディング及び５５ミクロンのコア径を有する過フッ素化ポリマー（per-fluorinated polymer）である。低データレートPOFと高データレートGbPOFは、異なる動作波長を有する。何故ならば、PMMAと過フッ素化ポリマーは、異なる光損失特性を有するからである。図１は、低データレートPOF、GbPOF、及びGOFの波長に対する減衰を示している。このスペクトル特性における最小減衰波長のこれらの差異は、過去において、低データレートのPOF、GbPOF、及びGOFネットワーク用に異なる受信器の使用を必要としてきた。
【００２１】
レガシーGOFネットワークは、多くの飛行機アビオニクスにおいてPOFネットワークと共存することが予期されている。通常、GOFネットワークは、８５０、１３００、及び１５５０nmの動作波長を有する。今のところ、全ての低データレートPOF、GbPOF、及びGOFネットワーク用の広いスペクトル帯域幅を有する光検出器は存在しない。低データレートPOF、GbPOF、及びGOFネットワークを有する飛行機システムでは、これらのネットワークが、多数の受信器を使用する大きなスケールのネットワークである。飛行機ネットワークで使用される種々の受信器は、飛行機生産のための設置及び部品保守の費用を増加させるだろう。広いスペクトルの光応答を有するユニバーサル光検出器の設計は、全ての低データレートPOF、GbPOF、及びGOFネットワークが同じ受信器を使用することを可能にし、それによって、飛行機生産における設置及び保守費用を大幅に低減させる。それは、殊に、ネットワークが数百ものネットワークノードを有する即ちネットワークのスケールが大きい民間飛行機において言えることである。
【００２２】
光ファイバ光検出器の光応答は、光検出器の材料の選択に依存する。GOFネットワークでは、通常、光検出器が、InGaAs III-V 複合材料から作製される。この材料は、GbPOFネットワーク用の光検出器を作製することもできる。しかし、GOFネットワーク用のCOTS InGaAs 光検出器は、光検出器の表面積が非常に小さく、シングルモード又はマルチモードGOFの小さい直径に適合するように設計されている。例えば、シングルモードGOFは、約８ミクロンのコア径を有し、一方、マルチモードGOFは、５０と６２．５ミクロンの典型的な直径を有する。通常、GOF光検出器の表面直径は、７５ミクロン以下である。GbPOFの直径は約５５又は８５ミクロンであり、マルチモードGOFの直径にぴったり適合するので、これらの小さい直径のInGaAs 光検出器は、GbPOFネットワークに適用可能であるが、約１mmのコア径を有する低データレートPOFにとって、GOF InGaAs 光検出器は小さ過ぎる。直径の制約に加えて、低データレートPOFは、InGaAs 光検出器が優れた光応答を有さない可視波長範囲で動作する。低データレートPOFネットワーク用の民生品光検出器は、GOF及びGbPOFが動作する近赤外線波長範囲に対して優れた光応答を有さない、シリコンから作製されている。
【００２３】
図２は、シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）、及びInGaAs 材料の波長に対する、光吸収係数を示している。このグラフは、Si及びInGaAsが、低データレートPOF、GbPOF、及びGOFに対してシステムが動作する、０．４ミクロン（４００nm）から１．５５ミクロン（１５５０nm）の波長範囲をカバーできないことを示している。同様な問題が、リン化インジウム（InP）とヒ化ガリウム（GaAs）に対して存在する。それらの両方は、同じ波長範囲に対して優れたブロードバンド光吸収係数を有さない。しかし、ゲルマニウムは、４００から１５５０nmの波長をカバーする、優れた吸収係数を有する。
【００２４】
上述の分析に基づいて、ゲルマニウムが、低データレートPOF、GbPOF、及びGOFアビオニクスネットワーク及びセンサで使用されるように設計されたブロードバンド光検出器用の半導体材料として選択された。より具体的には、ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器が、低データレートPOF、GbPOF、及びGOFアビオニクスネットワーク及びセンサを含む、全ての光ファイバネットワーク及びセンサに対して最適化された光検出直径を有する。
【００２５】
一実施形態による、ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０の構造が、図３で示されている。ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０は、ｎ＋型ドーピングを有するゲルマニウム基板４２と、ｎ型ドーピングを有する結晶性ゲルマニウムのエピタキシャル上層から成るメサ構造４４（活性層）とを含む。本明細書で使用される際に、「メサ構造」という用語は、平坦な上端（上面）と、閉じた輪郭を有する周縁に沿って平坦な上端と交差する周囲側面とを有する構造を指す。
【００２６】
ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０は、メサ構造４４の上面上のそれぞれの連続エリア内に堆積した金属膜４６と金属パッド４８を更に含む。金属膜４６と金属パッド４８は、以下でより詳細に説明されるように、厚さと面積が異なる。反射防止コーティング５４が、金属膜４６上に付着している。誘電体パッシベーション層５２が、メサ構造４４の周縁の露出した表面をカバーするように堆積している。金属膜４６によって提供される光検出表面エリアは、反射防止コーティング５４によってカバーされているが、誘電体パッシベーション層５２によってカバーされていない。
【００２７】
多くの異なる金属が使用されて、ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０を作製することができる。デバイス物理学の理論に基づいて、ゲルマニウムに対する全ての金属接触が、光ダイオードを作製することになる。金が好適である。というのも、金は、優れた環境耐性を有するからである（湿気、塩、及びほこり状態による腐食がない）。金は、デバイス製造プロセスに対して優れた材料である。というのも、金は、他の金属と比べて堆積させることが容易であり、パッケージングの際の配線接続に適しているからである。しかし、理論に基づいて、銀、アルミニウム、銅、及びインジウムは、金に対する代替物の優れた候補である。以下で説明される計算の全ては、金属膜４６及び金属パッド４８が金から作製されていることを想定している。
【００２８】
再び図３を参照すると、ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０が、ゲルマニウム基板４２の底部上に堆積したオーミック接触金属層５０を更に含む。オーミック接触は、理論的にはオームの法則に従って線形な電流‐電圧曲線を有する２つの導体間の非整流電気接合である。低抵抗のオーミック接触を使用することによって、整流によるブロッキングや電圧閾値による余剰な電力消散なしに、２つの導体間で両方向に電荷が容易に流れることが可能になる。対照的に、ショットキーバリヤは、線形な電流‐電圧曲線を有さない整流接合又は接触である。本明細書で使用されるように、「オーミック接触」という用語は、半導体に対する金属のオーミック接触を指す。
【００２９】
図３は、金属膜４６の下方の活性層内に形成され得る空乏領域５６も示している。金属パッド４８及びオーミック接触金属層５０を両端として電圧が印加されたときに、空乏領域の幅が変動する。本明細書で使用される際に、「空乏領域」という用語は、高い電界を有する領域を形成するように大部分の電荷キャリアが拡散してしまった、ドープされた半導体材料内の絶縁領域を意味する。
【００３０】
図３で描かれているゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０の幾つかの特徴及び特性が次に説明されることになる。先ず図４Ａ〜図４Ｅにおいて部分的に描かれている製造プロセスを参照し、次いで図６及び図７で部分的に描かれている光検出器の動作の物理を参照する。その後で、APP問題の除去が、図８Ａ〜図８Ｃ及び図９を参照しながら説明されることになる。最後に、最大光ファイバ結合効率のためのゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０のパッケージングが、図１０及び図１１を参照しながら説明されることになる。
【００３１】
一実施形態による製造プロセスの幾つかのステップが、図４Ａから図４Ｅで示されている。図４Ａで示されているように、最初のステップは、１００から１５０ミクロンの範囲内の厚さを有するゲルマニウム基板４２が形成されるまで、高度にドープされた（ｎ＋型）ゲルマニウムウエハを研磨及びラッピングして、ゲルマニウム基板４２の上側及び底側の両方が、クリーンであり、滑らかであり、且つ艶やかであることを確実にする。
【００３２】
次のステップは、（図４Ｂで示されている）軽度にドープされた（ｎ型）ゲルマニウムエピタキシャル層４５を、高度にドープされたゲルマニウム基板４０の上端上に約１５ミクロンの厚さで成長させることを含む。これは、気相エピタキシャル成長プロセス又は有機金属化学蒸着プロセスの何れかによって実現される。ゲルマニウムエピタキシャル層４５は、ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０の主要な光吸収層である。したがって、本明細書で開示される光検出器の設計には、適切な層の厚さの高品質なエピタキシャル成長プロセスが望ましい。「高度にドープされた」と「低度にドープされた」という用語の前述の使用法から理解されるべきことは、ゲルマニウムエピタキシャル層４５のドーピング密度が、ゲルマニウム基板４２のドーピング密度よりかなり低いということである。
【００３３】
製造プロセスのもう一つのステップは、ゲルマニウム基板４２の底部上のオーミック接触金属層５０（図４Ｂ参照）の堆積を含む。オーミック接触金属層５０は、１ミクロンを超える厚さを有するインジウム又は他の適切な金属接触から作製されることが好適である。
【００３４】
ゲルマニウムエピタキシャル層４５が、ゲルマニウム基板４２上に堆積した後で、金属膜４６及び金属パッド４８が、ゲルマニウムエピタキシャル層４５の上端上に堆積する。図４Ｃは、ゲルマニウムエピタキシャル層４５上の金属（好適には金）の堆積から生じた金属‐半導体構造の側面図である。
【００３５】
（縮尺通りに描かれていない）図５で示されているように、金属膜４６の上面はエリアＡを有し、一方で、金属パッド４８の上面はエリアＡより小さい。金属膜４６及び金属パッド４８が金から作製されたゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０の例示的な構造によれば、金属膜４６は、４５０から６００ミクロンの範囲内の直径、及び約５０オングストロームの厚さを有し得る。金属膜４６は、光検出器用の整流接合を形成する。金属膜４６は、光検出器の活性領域の中への光結合を最大化するために非常に薄い層になっている。金属パッド４８は、金の場合、約２５ミクロンの直径及び約４０ミクロンの厚さを有し、めっきプロセスによって堆積される。図５で示されているように、金属パッド４８は、金属膜４６のエリアのほとんどが、光ファイバからの光信号に曝露されるように、金属膜４６の縁部に対してオフセットされている。金属パッド４８は、ワイヤー接合用のかなり厚い層であり、また金属パッド４８は、光生成電流を伝導するために金属膜４６とも電気接触している。
【００３６】
ゲルマニウムエピタキシャル層４５の上面への金属の堆積に続いて、ゲルマニウムエピタキシャル層４５（図４Ｃに示す）の一部を除去することによって、メサ構造４４（図４Ｄに示す）が形成される。一実施形態によれば、図４Ｄで描かれているように、メサ構造４４の外縁周面が、窪んだ曲線プロファイルを有する。例えば、メサ構造４４の外縁周面の幾何学的形状は、検出器の中央にある垂直軸の周りで三次元空間において円弧を回転させることによって生成され得る、回転表面に類似していてよい。代替的に、メサ構造４４の外周は、円錐状であってよい。好適には、メサ構造４４が、金属膜４６と金属パッド４８（図５に示す）によって形成される金属構造の境界を越えて延在する境界を有する上面を有する。例えば、メサ構造４４は、約６００ミクロンの直径Ｄを有する円形上面を有してよい。その円形上面には、金属膜４６と金属パッド４８が載置されている。メサ構造４４は、湿式化学又はプラズマエッチングプロセスによって作製することができる。メサ構造４４の目的は、光検出器の逆バイアス暗（又は漏れ）電流を低減させることである。
【００３７】
メサ構造４４を形成した後で、光ファイバ（図４Ａ〜図４Ｅでは示されていないが、図６の光ファイバ６４を参照せよ）からの光信号の反射を低減させるために、金属膜４６の上端上に反射防止コーティング５４（図４Ｅ参照）を付着させる。反射防止コーティング５４は、プラズマ蒸着若しくは高真空蒸着又はスパッタリングプロセスによって形成された窒化ケイ素から作製されてよい。反射防止コーティング５４の厚さは、光ファイバから光検出器の活性領域への光結合を最大化するように設計される。活性領域は、メサ構造４４の内側の金属‐ゲルマニウム（例えば、Au‐GE）接合の直下の領域である。
【００３８】
更に、光検出器の暗（又は漏れ）電流を低減させるために、メサ構造４４の露出した表面上にパッシベーション層５２を堆積させる。この層も、光検出器の活性層に対する物理的且つ環境的保護を提供する。図４Ｅは、反射防止コーティング５４及びパッシベーション層５２の堆積から生じた金属‐半導体構造の側面図を表している図である。
【００３９】
上述のゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０は、フォトリソグラフィプロセスを使用して製造されてよい。製造プロセスが完了すると、金属‐ゲルマニウム（例えば、Au‐Ge）接合の下方の空乏領域５６の幅を増加させるために、金属パッド４８とオーミック接触金属層５０によって形成された両端子間に電圧が印加されてよい。
【００４０】
次に、更に図６を参照しながら、ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器の物理が、短く説明されることになる。図６で示されているように、金属膜４６がメサ構造４４を有するエピタキシャル層の上端上に堆積したときに、光検出器の空乏領域５６が形成される。空乏領域５６は、光ファイバ６４からの光が吸収され、（複数の）電子‐孔の対が生成される場所である。金属パッド４８とオーミック接触金属層５０との間で電気回路が作製されたときに、電子‐孔の対の流れの方向は互いに逆になる。
【００４１】
より具体的には、電気伝導体５８により電圧源６２の負極を金属パッド４８に電気的に接続し、電気伝導体６０により電圧源６２の正極をオーミック接触金属層５０に電気的に接続することによって、逆バイアス電圧Ｖ１が印加される。結果として、（図６の水平方向の矢印によって示されている）光電流Ｉｐｈが、電気伝導体５８及び６０によって形成された回路上に生成される。
【００４２】
優れた光検出器にとってキーとなる技術的要件は、光電流生成プロセスの量子効率を最大化することである。量子効率は、入射光子当たりの生成される電子の割合として表され、最小損失で入射光子をキャプチャする能力を有する光検出器を設計するために使用される尺度である。
【００４３】
図６で示されているように、金属接触（又は膜）がGeエピタキシャル層の上端上に堆積したときに、メサ構造４４の部分内で金属膜４６の直下に空乏領域５６が形成される。金属‐ゲルマニウム（例えば、Au‐Ge）整流接合の両側の電荷キャリアは、いわゆるビルトイン電界を生成する。空乏領域５６の（厚さ方向に測定される）幅Ｗは、メサ構造４４を形成するエピタキシャルゲルマニウムのドーピング密度Ｎｄと光検出器への外部バイアス電圧Ｖ１にも依存する。より低いドーピング密度及びより高い逆バイアスは、光検出器の空乏幅を拡大する。より低いドーピング密度は、エピタキシャル層のより高い純度を意味する。理想的には、優れた光検出器は、不純物がなく、真正層としてラベル付け（分類）されるべきである。（本明細書で使用される際に、「真正層」は、その特性が本質的にドープされていない材料のもの（特性）である、半導体材料の層である。）
【００４４】
メサ構造４４を有する軽度にドープされたエピタキシャルゲルマニウム層が重要である理由が、図６から明らかになるはずである。光ファイバ６４からの光子の貫通の深さは、光信号の波長に依存する。光が、光ファイバ６４からゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０の中に結合されたときに、光子が、金属膜４６の表面から移動し、活性（エピタキシャル）層の下側部分の中へ貫通する。より長い波長の光子は、より短い波長の光子より深く移動する。これは、図２で示されている吸収係数と波長との関係によって示される。より長い波長の光子は、より低い吸収係数を有し、空乏領域５６を越えて移動する可能性が高く、そこで電子‐孔の対が形成される。図６で、電子は黒丸（●）によって示され、孔は白丸（○）によって示されている。
【００４５】
高性能光検出器の設計の第１のパラメータは、光検出器の空乏幅Ｗである。ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０の空乏領域５６は、接合ビルトイン電界が最も高い高電界領域とも呼ばれる。高性能光検出器は、高速及び高量子効率を実現するために、空乏領域５６内で全ての光子が吸収されることを必要とする。これは、光生成電荷キャリア（電子）が、空乏領域５６の内側を高速で移動するからである。空乏領域５６を越えて生成された光生成電荷キャリア（電子）は、拡散プロセスによって空乏領域５６の中へ移動し、次いで、光電流Ｉｐｈを生成するために空乏領域５６内の電界によって掃引される必要がある。このプロセスは、光検出器の応答の速度を下げ、APP問題をもたらす。これについては、以下でより詳細に説明されることになる。
【００４６】
図７で示されているように、高性能光検出器の設計は、光ファイバ６４から来る全ての光子を閉じ込め且つ吸収するために、大きな空乏幅Ｗを提供するべきである。空乏幅Ｗは、ドーピング密度Ｎｄ及び光検出器への逆バイアス電圧Ｖに依存する。活性層内のより低いドーピング密度（又はより高い純度）及びより高い逆バイアス電圧Ｖ２（Ｖ２＞Ｖ１）は、図７で示されているように空乏幅Ｗを増加させることになる。本明細書で提示されるゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器の設計パラメータは、高速及び高量子効率用に最適化された空乏幅を提供する。空乏幅Ｗとドーピング密度Ｎｄ及びバイアス電圧Ｖとの関係は、以下の数式（１）から数式（３）で示される。すなわち、
2020053679.tif 000003
2020053679.tif 000004
2020053679.tif 000005
ここで、εはGeの誘電率＝１６であり、ε０は真空透過率＝8.85418E-14F/cmであり、ＶｂｉはGeショットキーバリヤ検出器のビルトイン電圧（又は電位）であり、ＮｄはGeショットキーバリヤ検出器の（メサ構造４４内の）活性層の背景ドーピング密度であり、Ｋはボルツマン定数＝1.38066E-23J/゜Kであり、Ｔは絶対温度（゜Ｋ）であり、ｑは電子の電荷＝1.60218E-19Cであり、KT/qは３００゜Ｋ（室温）における熱電圧＝0.0259Vである。
【００４７】
最適化される光検出器用の第２の光検出器のパラメータは、低いキャパシタンスである。光検出器のキャパシタンスは、光検出器の表面積Ａとともに増加し、ドーピング密度が低くなると減少する。８ミクロンから１ミクロンの範囲内の直径を有する光ファイバに結合することが必要なユニバーサル光ファイバ光検出器では、直径５５０ミクロンを有する光検出器の表面積が本明細書で提案される。というのも、以下で幾らか詳細に説明されるように、この直径では、１mmのPOFがレンズパッケージに接続され得るからである。光検出器のキャパシタンスの設計は、数式（４）で示される。すなわち、
2020053679.tif 000006
ここで、Ａは、Geショットキーバリヤ検出器の面積である。
【００４８】
最適化される光検出器の設計の第３のパラメータは、光検出器の暗電流である。光検出器の暗電流は、光検出器と相互作用する受信器の電子回路のショットノイズの主たる源である。光検出器の暗電流は、光検出器の光検出面積Ａ、光検出器の材料、及び光検出器の電気接合の種類に比例する。本明細書で開示されるゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０は、暗電流を最小化する直径を有し、アビオニクスの用途で使用される種々のサイズの光ファイバの光子吸収を最大化する表面積を提供する。ｎドープされたエピタキシャルゲルマニウムから作製されたメサ構造４４は、平坦な光検出器構造内で生じる表面漏れによる更なる暗電流を取り除く。光検出器の面積Ａ及び光検出器の接合パラメータに対する暗電流の関係は、以下の数式（５）で示される。すなわち、
2020053679.tif 000007
ここで、Ａ＊は有効リチャードソン定数であり、φｂはGeショットキーバリヤ検出器のバリヤ高さである。有効リチャードソン定数（Ａ＊）の値は、金属膜の厚さ、金属の種類、堆積の方法、及び金属堆積の前の半導体の状態の関数である。暗電流に影響を与える有効リチャードソン定数Ａ＊は、１２８から１３５A/cm2/゜K2の範囲内にあることが好適である。ショットキーバリヤの主要な特性のうちの１つは、φｂで指定されるショットキーバリヤ高さである。φｂの値は、金属及び半導体の組み合わせに依存し、０．５４から０．６４Vの範囲内にあることが好適である。
【００４９】
高性能光検出器の設計用の第４のパラメータは、量子効率である。光生成電流に対する量子効率の関係は、以下の数式（６）で示される。すなわち、
2020053679.tif 000008
ここで、ηQEは、Geショットキーバリヤ検出器の量子効率であり、Ｐiは、Geショットキーバリヤ検出器の入射電力であり、λは、Geショットキーバリヤ検出器への入射光子の波長（ミクロン単位における）である。
【００５０】
より高い量子効率は、より高い光生成電流を生成し、今度は、より高い光生成電流が、より高い受信器感度をもたらす。本明細書で開示される光検出器の面積及びパッケージデザインは、８μmから１mmの直径の多様な光ファイバサイズに対して最大量子効率を提供する。
【００５１】
ショットキーバリヤ検出器用の設計式及びパラメータは、S.M.Szeによる「Physics of Semiconductor Device」の第５章Metal−Semiconductor Contacts, ページ 245-311, 出版者John Wiley and Son, 1981年で見つけることができる。
【００５２】
検出器の直径は、光検出器のサイズを決定する。その直径は、検出器の光応答にも影響を与える。したがって、直径は、検出器の最適化された暗電流、キャパシタンス、及び光応答を提供する。これらの３つの特性のうちで、キャパシタンス及び暗電流は、より小さい検出器の直径で優れているが、検出器の光応答は、大きな直径の検出器を必要とする。これらの３つの特性を最適化する検出器の直径が計算され得る。適切な検出器の直径の範囲は、４５０から６００ミクロンである。
【００５３】
上述の最適な設計は、幾つかのCOTS POF光検出器におけるAPP問題にも対処しようとする。APP問題は、光検出器の活性領域内の空乏幅が小さ過ぎることによる。図６で示されているように、空乏幅が小さ過ぎる場合、空乏領域５６の外側で大量の光子が吸収されることになる。光生成電荷キャリア（電子）は、高電界空乏領域に到達する前に、拡散プロセスを経る必要があることになる。このプロセスは、光検出器から第１の光パルスが生じた後で、特定のレベルの光電力で且つ特定の応答時間で電気パルスを生成する、自動利得制御（AGC）回路を有する受信器が設計されたときに、光検出器の光応答パルスに「拡散テール」を生成する。AGCの目的は、受信器のダイナミックレンジを増加させることである。入力光信号が特定の電力レベルより高い場合、AGCは、自動的に受信器の利得を低減させる。入力光信号が、指定された光電力レベル未満である場合、AGCは、受信器の利得を低減させる。例えば、１つのバーストモードの光受信器設計によれば、AGCは、光パルスが生じた後で指定された時間内に、光パルスの開始より３０dB低い信号を検出する必要がある。光検出器の光応答に大きな「拡散テール」が生じた場合、受信器は、意図しない光応答パルスを生成させられる。これらの意図しない光パルスは、受信器内にビットエラーをもたらす可能性がある。APPの物理的な問題が、図８A〜図８C及び図９で示されている。本明細書で開示されるGeショットキーバリヤ光検出器の設計は、アビオニクスシステムの用途におけるAPP問題を除去する。
【００５４】
図８Ａは、時間の関数としての、通常の光検出器によって光ファイバから受け取った光出力を示している。図８Ｂは、全ての光子が空乏領域内で吸収された場合の、時間の関数としての、通常の光検出器によって生成された一連の光生成電流パルスを示す。図８Ｃは、光子が空乏領域の外側で吸収された場合の、時間の関数としての、通常の光検出器によって生成された一連の光生成電流パルスを示す。この場合、光パルスに対する応答が拡散テールを有し得る。
【００５５】
図９は、時間の関数としての、（余剰パルスを含む）光生成電流パルスと受信器パルス応答とをそれぞれ示す、上側と下側のグラフを含む。前述の受信器AGCは、光信号パルスの開始より低い（図９の上側のグラフ内の水平線によって示されている）特定のレベルで応答をトリガするように設計されている。長い「拡散テール」が、AGCのトリガ時間においてAGCによって検出され、受信器に、図９の下側のグラフで描かれている応答パルスなどの、（電圧の）余剰の応答パルスを出力させる。
【００５６】
図９で示されている上側のグラフは、図８Cで描かれたのと同じ光生成電流パルスを示しているが、幾つかのCOTS受信器に組み込まれた自動利得制御回路の様々なパラメータ（すなわち、AGC応答時間とAGC応答レベル）に関するものである。一方、下側のグラフは、図８Cで描かれた拡散テールを有する（検出器からの）光生成電流に応答した、時間の関数としてCOTS受信器によって生成され得る、（検出器の余剰電流パルスによってもたらされた）一連の受信器応答パルスを示している。
【００５７】
本開示のゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０は、様々なやり方でパッケージされてよい。図１０は、ベース８０、ベース８０によって支持された（「蓋」とも呼ばれる）レンズキャップ７０、及びレンズキャップ７０の上端上の開口部内に設置された（例えば、BK7ガラスから作製された）２mmの直径のガラスボールレンズ７２を有する、密封された金属缶６６（例えば、TO-18又はTO-46などのトランジスタアウトライン（TO）パッケージ）内にパッケージされた光検出器を示している。図１０で見られるように、光ファイバ６４の端部、ガラスボールレンズ７２、及び金属膜４６は互いに整列している。理想的には、光ファイバ６４及び金属膜４６の端面が円形であり、ガラスボールレンズ７２が球面である場合、円と球の中心は同一線上にあるだろう。光ファイバ６４を出る光子は、ガラスボールレンズ７２を通過し、次いで、金属膜４６に衝突して、その結果、検出器の光生成電流を最大化する。１つの提案された実施態様によれば、金属膜４６は、ガラスボールレンズ７２の後方焦点距離に位置決めされる。
【００５８】
光検出器のパッケージ用の２つの電気リードが必要である。１つのリード（パッケージベース８０から絶縁された検出器前方接触ピン８４）が、ワイヤー７４の一端を金属パッド４８に接合し、ワイヤー７４の他端を検出器前方接触ピン８４に接合することによって、ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０の表面上の金属パッド４８に電気的に接続される。他のリード（検出器後方接触ピン８２）が、接地のために金属ケース６６のベース８０に接続されている。光検出器の裏側のオーミック接触金属層５０が、金属ケース６６のベース８０に接合されている。したがって、検出器後方接触ピン８２は、光検出器の裏側とも接触していることになる。
【００５９】
用途が、光検出器がパッケージから完全に絶縁されていることを必要とする場合、３つのリードのTO缶パッケージが採用されてよい。図１１は、３つのピン構成を使用する、密封された金属ケース６８内にパッケージされたゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０を示している。光検出器の裏側の下方に絶縁層８８（絶縁材料から作製された層）及び金属層７８（金属から作製された層）を置くことによって、この絶縁が実現される。金属層７８は、光検出器のオーミック接触金属層５０に接触している。絶縁層８８は、金属層７８をベース８０から電気的に孤立させる。次いで、金属層７８は、ワイヤー７６の両端を接合することによって（パッケージベース８０から絶縁された）検出器後方接触ピン８２と電気的に接続される。接地ピン８６が、接地目的で金属ケース６８のベース８０と接触している。
【００６０】
本明細書で開示されるゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器４０は、８ミクロンから１mmの範囲内の直径の光ファイバと共に使用されるように設計されているので、最適化された直径は、約５５０ミクロンであると計算される。したがって、ガラスボールレンズ７２の後方焦点距離と略等しい距離に位置決めされた光検出器と共に、レンズキャップ７０上の２mmの直径のガラスボールレンズ７２を使用して、８ミクロンから１mmの範囲内の直径の光ファイバの光結合が最適化されることになる。
【００６１】
前述されたように、本明細書で開示される種類のゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器が、飛行機に搭載された光ファイバネットワーク内で採用されてよい。次に、飛行機上のライン交換可能ユニット間の光通信を可能にするためのそのような光ファイバネットワークの一実施形態が、例示目的で以下で幾らか詳細に説明されることになる。しかし、本明細書で開示される種類のゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器の使用は、飛行機の環境のみに限定されるものではなく、むしろ、他の種類の輸送体又は他の種類の光ファイバネットワーク（例えば、長距離地上、データセンター、インターネットオブシングス、及び家庭／オフィスまでの光ファイバ）内で利用されてよい。
【００６２】
図１２は、同じ波長の光をそれぞれ送受信する１対のデュアルファイバ双方向トランシーバ２ａ及び２ｂを備えた、双方向全二重データ伝送システム３０の幾つかの特徴を特定する図である。そのそれぞれの単一波長デュアルファイバ双方向トランシーバ２ａ及び２ｂは、レーザー４及び光検出器８を含む。この実施例では、各光検出器８が、図３で描かれている種類のゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器である。レーザー４は、それぞれ、送信電気信号線１２ａ及び１２ｂを介した、関連するライン交換可能ユニット（図示せず）からの差動送信信号Ｔｘ＋及びＴｘ−の受信に応答して、レーザードライバ及び送信回路６によって波長λ１の光を放出するように駆動される。レーザードライバ及び送信回路６は、これらの電気差動信号を、レーザー４によって送信されるデータを表す電気デジタル信号に変換する電気回路を備える。逆に、光検出器８は、波長λ１の光を受信し、その検出した光を検出器・増幅器及び受信回路１０に提供される電気デジタル信号に変換する。今度は、検出器・増幅器及び受信回路１０が、それらの電気デジタル信号を受信されたデータを表す電気差動信号Ｒｘ＋及びＲｘ−に変換する電気回路を備える。電気差動受信信号Ｒｘ＋及びＲｘ−は、それぞれ、受信電気信号ライン１４ａ及び１４ｂを介して、ライン交換可能ユニット（図面では示されていない）内の他の回路に送信される。単一波長デュアルファイバ双方向トランシーバ２は、トランシーバ電力供給ライン１６を介して、電圧Ｖccを有する電力を受け取る。
【００６３】
図１２で描かれている実施例では、単一波長デュアルファイバ双方向トランシーバ２ａのレーザー４は、光学的に結合されており、光ケーブル３２を介して、単一波長デュアルファイバ双方向トランシーバ２ｂの光検出器８に向けて光を放出する。光ケーブル３２は、光ファイバジャンパ１８ａ、パッチパネル２３ａに取り付けられたコネクタ２２ａ、プラスチック又はガラス光ファイバ２４ａ、パッチパネル２３ｂに取り付けられたコネクタ２２ｂ、及び直列に接続された光ファイバジャンパ１８ｃを備える。同様に、単一波長デュアルファイバ双方向トランシーバ２ｂのレーザー４は、光学的に結合されており、光ケーブル３４を介して、単一波長デュアルファイバ双方向トランシーバ２ｂの光検出器８に向けて光を放出する。光ケーブル３４は、光ファイバジャンパ１８ｄ、パッチパネル２３ｂに取り付けられたコネクタ２２ｃ、プラスチック又はガラス光ファイバ２４ｂ、パッチパネル２３ａに取り付けられたコネクタ２２ｄ、及び直列に接続された光ファイバジャンパ１８ｂを備える。両方の単一波長デュアルファイバ双方向トランシーバ２ａ及び２ｂは、波長λ１を有する光を送受信する。光ケーブル３２と３４は、構造が同一であってよい。任意選択的に、光ファイバ２４ａ及び２４ｂは、高データレート（＞１Gbits／秒）の双方向全二重データ伝送を可能にするためのGbPOFであってよい。
【００６４】
図１２で示されている用途に加えて、本明細書で開示されるユニバーサルブロードバンド光ファイバ光検出器は、他のアビオニクスの用途を有する。開示された光検出器は、単一又は複数のアビオニクスプラットフォーム内に複数の光検出器及び受信器を必要とせず、飛行機、軍事システム、センサシステムの用途の部品管理と在庫プロセスを簡素化する。更に、光検出器の設計は、より優れた動作諸特性を有し、COTS受信器におけるAPP問題を取り除く。
【００６５】
更に本発明は、以下の条項による実施形態を含む。
条項１．
ドープされたゲルマニウムから作製された基板、
前記基板の上端上で成長したドープされたエピタキシャルゲルマニウムから作製されたメサ構造であって、前記ドープされたエピタキシャルゲルマニウムのドーピング密度が、前記ドープされたゲルマニウムのドーピング密度未満である、メサ構造、
前記メサ構造の上端上に堆積した金属から作製された金属膜、
前記メサ構造の上端上に堆積した金属から作製され且つ前記膜と接触した金属パッド、及び
前記基板の底部上に堆積した金属から作製されたオーミック接触層を備える、光検出器。
条項２．
前記金属膜及び前記金属パッドが、金、銀、アルミニウム、銅、及びインジウムから成る群から選択された金属から作製されている、条項１に記載の光検出器。
条項３．前記金属膜及び前記メサ構造が、０．５４から０．６４ボルトの範囲内のショットキーバリヤ高さを有する接合を形成する、条項２に記載の光検出器。
条項４．
前記金属パッド及び前記オーミック接触層に接続された電圧源を更に備え、前記金属膜及び前記メサ構造が、前記メサ構造内の且つ前記金属膜に隣接した空乏領域を生成するように構成され、前記空乏領域が、前記金属膜上への光子の衝突中に前記電圧源によって逆バイアス電圧が印加されたときに、増加する幅を有する、条項１に記載の光検出器。
条項５．
前記金属膜が、４５０から６００ミクロンの範囲内の直径を有する、条項４に記載の光検出器。
条項６．
有効リチャードソン定数が、１２８から１３５A/cm2‐゜K2の範囲内である、条項４に記載の光検出器。
条項７．
前記膜上に付着した反射防止コーティングを更に備える、条項１に記載の光検出器。
条項８．
前記メサ構造の露出した表面をカバーする誘電体パッシベーション層を更に備える、条項１に記載の光検出器。
条項９．
端部を有する光ファイバ、
ベース、前記ベースに取り付けられたレンズキャップ、及び前記レンズキャップの上端上の開口部内に設置されたガラスボールレンズを備えた、密封金属ケース、並びに
前記金属ケースの内側に配置された光検出器を備える、光ファイバデバイスであって、
前記光検出器が、ドープされたゲルマニウムから作製された基板、前記基板の上端上で成長した低ドープされたエピタキシャルゲルマニウムから作製されたメサ構造であって、前記ドープされたエピタキシャルゲルマニウムのドーピング密度が、前記ドープされたゲルマニウムのドーピング密度よりかなり低い、メサ構造、前記メサ構造の上端上に堆積した金属から作製された金属膜、前記メサ構造の上端上に堆積した金属から作製され且つ前記膜と接触した金属パッド、及び前記基板の底部上に堆積した金属から作製されたオーミック接触層を備え、
前記光ファイバ、前記ガラスボールレンズ、及び前記金属膜が整列している、光ファイバデバイス。
条項１０．
前記金属膜及び前記金属パッドが、金、銀、アルミニウム、銅、及びインジウムから成る群から選択された金属から作製されている、条項９に記載の光ファイバデバイス。
条項１１．
前記金属膜及び前記メサ構造が、０．５４から０．６４ボルトの範囲内のショットキーバリヤ高さを有する接合を形成する、条項９に記載の光ファイバデバイス。
条項１２．
前記金属膜及び前記メサ構造が、前記メサ構造内の且つ前記金属膜に隣接した空乏領域を生成するように構成され、前記空乏領域が、前記金属膜上への光子の衝突中に前記金属パッドと前記オーミック接触層とを両端として前記両端に逆バイアス電圧が印加されたときに、増加する幅を有する、条項９に記載の光ファイバデバイス。
条項１３．
前記金属膜が、４５０から６００ミクロンの範囲内の直径を有し、前記ガラスボールレンズが、２mmの直径を有する、条項９に記載の光ファイバデバイス。
条項１４．
前記金属膜が、前記ガラスボールレンズの後方焦点距離に位置決めされている、条項１３に記載の光ファイバデバイス。
条項１５．
前記オーミック接触金属層と接触した金属層、及び
前記金属層を前記ベースから電気的に孤立させる絶縁層を更に備える、条項９に記載の光ファイバデバイス。
条項１６．
前記光検出器が、前記メサ構造の露出した表面をカバーする誘電体パッシベーション層を更に備える、条項９に記載の光ファイバデバイス。
条項１７．
光検出器を製造するための方法であって、
１００から１５０ミクロンの範囲内の厚さを有するゲルマニウム基板が形成されるまで、ドープされたゲルマニウムウエハを研磨し、ラッピングすること、
前記ゲルマニウム基板の上端上に約１５ミクロンの厚さで、ドープされたゲルマニウムエピタキシャル層を成長させること、
前記ゲルマニウム基板の底部上にオーミック接触金属層を堆積させること、
金属パッドが金属膜と接触するように、前記ゲルマニウムエピタキシャル層の上端上に前記金属膜と前記金属パッドを堆積させること、
前記ゲルマニウムエピタキシャル層の一部を除去することによって、メサ構造を形成すること、及び
前記メサ構造の露出した表面上に誘電体パッシベーション層を堆積させることを含む、方法。
条項１８．
前記金属膜の上端上に反射防止コーティングを付着させることを更に含む、条項１７に記載の方法。
条項１９．
前記金属膜及び前記金属パッドが、金、銀、アルミニウム、銅、及びインジウムから成る群から選択された金属から作製されている、条項１７に記載の方法。
条項２０．
前記メサ構造の上面が、４５０から６００ミクロンの範囲内の直径を有する、条項１７に記載の方法。
【００６６】
ゲルマニウムショットキーバリヤ光検出器及びそのような光検出器を製造するためのプロセスが、様々な実施形態を参照しながら説明されてきたが、本明細書の教示の範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能であること、及びその要素を同等物に置換し得ることが当業者には理解されよう。加えて、その範囲から逸脱することなく、多数の修正を行って、本明細書の教示を特定の状況に適合させることができる。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に開示された特定の実施形態に限定されないことが意図されている。
【００６７】
請求項の文言が、請求項に列挙されているステップのうちの幾つか或いは全てを実施する特定の順序を示す条件を明確に特定又は言及していない限り、以下に記載される方法の請求項は、これらのステップを、アルファベット順（本明細書中の任意のアルファベット順は、既に列挙されたステップを参照するためにのみ使用される）又はこれらのステップが列挙されている順で、実施することを要求していると解釈すべきではない。また、プロセスの請求項が、同時に又は交互に実施される２つ以上のステップの任意の部分を除外すると解釈すべきではないが、請求項の文言がそのような解釈を排除する条件を明確に示している場合は例外である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
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