(57)【要約】【課題】本発明は、光検出器に関し、特に、光通信システムや光情報処理システムにおいて用いられる光検出器に関する。【解決手段】本発明の光検出器は、シリコン基板（１０１）と、前記シリコン基板上に形成された下部クラッド層（１０２）と、前記下部クラッド層上に形成されたシリコンコア層（１１０）と、前記シリコンコア層に接続され、検出対象光を前記シリコンコア層（１１０）へ導波するシリコン導波路（１２０）と、を有し、前記シリコンコア層（１１０）上に形成されたゲルマニウム層（１１４）を持つ光検出器が、シリコン導波路（１２０）から入力される光に対して直列に並ぶように少なくとも二つ以上配置され、各光検出回路からの出力信号を受ける増幅器を有することを特徴とする光検出器である。【選択図】図６
2018195654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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たシリコンコア層と、
前記シリコンコア層に接続され、検出対象光を前記シリコンコア層へ導波するシリコン導波路と、
を有し、
前記シリコンコア層上に形成されたゲルマニウム層を有する光検出回路は、前記シリコン導波路から入力される光に対して直列に並ぶように少なくとも二つ以上配置され、
各光検出回路からの出力信号を受ける増幅器を有する、
ことを特徴とする光検出器。
【請求項２】
請求項１に記載の光検出器において、
前記直列に配置された光検出回路の内、最もシリコン導波路に近い光検出回路のカソードまたはアノードが、
抵抗体と容量とトランジスタのゲートまたはベース端子に接続し、
抵抗体の他方の端子は電源に接続し、
容量は他方の端子を接地し、
前記直列に配置された光検出回路の内、前記最もシリコン導波路に近い光検出回路以外の光検出回路のカソードまたはアノードが、
トランジスタのドレインまたはコレクタ端子と容量とに接続し、
前記トランジスタのソースまたはエミッタ端子は電源に接続し、
前記容量は他方の端子を接地し、
前記直列に配置された光検出回路の全ての他方の極が増幅器に接続し、
前記最もシリコン導波路に近い光検出回路の抵抗体と容量とゲート、又は前記最もシリコン導波路に近い光検出回路以外の光検出回路のドレインと容量に接続したのがアノードの場合、前記直列に配置された光検出回路の全ての他方の極はカソードであり、
前記抵抗体と容量とゲート、またはドレインと容量に接続したのがカソードの場合、前記直列に配置された光検出回路の全ての他方の極はアノードである
ことを特徴とする光検出器。
【請求項３】
請求項１に記載の光検出器において、
前記直列に配置された光検出回路の全てのアノードまたはカソードが容量と電源に接続し、
容量はもう一方の端子を接地し、
前記直列に配置された光検出回路の他方の極が各々増幅器に接続しており、
前記容量と前記電源に接続したのがアノードの場合、前記他方の極は、カソードであり、
前記容量と前記電源に接続したのがカソードの場合、前記他方の極は、アノードであり、
増幅器は第一の電極から入力される信号を選択的に受信できるスイッチを有し、
前記スイッチは受信した信号の強度を判定するモニタを有し、
モニタが判定した強度によって、前記光検出回路の第一の電極の内、どの電極から入る信号を受信するかをスイッチで選択する、
ことを特徴とする光検出器。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれか一項に記載の光検出器において、
前記下部クラッド層上に形成され、第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域を含むシリコンコア層と、
前記シリコンコア層上に、第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域を含むゲルマニウム層を二つ以上形成し、
前記第１の領域に接続された１つ以上の第１の電極、および、前記第２の領域に接続された２つ以上の第２の電極を有する光検出器。
【請求項５】
請求項１乃至３いずれか一項に記載の光検出器において、
前記下部クラッド層上に形成され、第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域を含むシリコンコア層と、
前記シリコンコア層上に、第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域を少なくとも二つ以上含むゲルマニウム層を形成し、
前記シリコン基板の基板面に垂直な方向を見たとき、前記第１の領域と前記第２の領域の内１つ以上が重複し、１つ以上が概ね重複していないことを特徴とする光検出器。
【請求項６】
請求項５に記載の光検出器において、
２つ以上の第二の領域の間に、第二の領域を作る際にドープしたドーピング材料と極性を逆に持つドーピング材料をドープした第三の領域を有する、
ことを特徴とする光検出器。
【請求項７】
請求項１乃至３いずれか一項に記載の光検出器において、
前記シリコンコア層上に、第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域と、第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域を各々少なくとも二つ以上含むゲルマニウム層を形成し、
前記第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域は、第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域に対して、前記シリコン導波路から入力される光の進行方向軸に対して線対称になるように配置され、
前記シリコン導波路から最も近い第１の領域と第２の領域との距離は、
前記シリコン導波路から二番目に近い第１の領域と第２の領域との距離より長い、
ことを特徴とする光検出器。
【請求項８】
請求項１乃至３いずれか一項に記載の光検出器において、
前記下部クラッド層上に形成され、第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域と第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域を各々少なくとも二つ以上含むシリコンコア層を形成し、
前記第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域は、第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域に対して、前記シリコン導波路から入力される光の進行方向軸に対して線対称になるように配置され、
前記シリコン導波路から最も近い第１の領域と第２の領域との距離は、
前記シリコン導波路から二番目に近い第１の領域と第２の領域との距離より長い、
ことを特徴とする光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出器に関し、特に、光通信システムや光情報処理システムにおいて用いられる光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
このような技術を用いたシリコン（Ｓｉ）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(ＧｅＰＤ)がある。図１は、従来の導波路結合型の縦型ＧｅＰＤの構造を模式的に示す図である。図２は、図１のＩ−Ｉ’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＋＋Ｓｉ電極部１１２、１１３およびｎ型Ｇｅ領域１１５に接する位置のみ四角１１６〜１１８で示している。
【０００４】
ＧｅＰＤは、Ｓｉ基板、Ｓｉ酸化膜、表面Ｓｉ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。図２に示すＧｅＰＤ１００は、Ｓｉ基板１０１と、Ｓｉ基板上のＳｉ酸化膜からなる下部クラッド層１０２と、シリコンコア層１１０と、シリコンコア層１１０上に形成された光を吸収するＧｅ層１１４と、シリコンコア層１１０およびＧｅ層１１４上に形成された上部クラッド層１０３を備える。
【０００５】
図１の上面図をみてわかるように、コア層１１０は、光が導波する導波路１２０とＧｅ層１１４等の下層にあるシリコンスラブ層１２１とに分けられる。
【０００６】
シリコンスラブ層１２１へはｐ型不純物イオンがドーピングされたｐ型Ｓｉ領域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。Ｇｅ層１１４は、エピタキシャル成長によって積層され、その上部にｎ型不純物がドーピングされたｎ型Ｇｅ領域１１５が形成されている。そして、ｐ＋＋Ｓｉ電極部１１２、１１３およびｎ型Ｇｅ領域１１５上には、それらに接するように電極１１６〜１１８を備える。
【０００７】
図１のＧｅＰＤ１００は、導波路１２０からシリコンスラブ層１２１に光が入射されてＧｅ層１１４で光が吸収されると、電極１１７と電極１１６との間、電極１１７と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。
【０００８】
なお本発明では図１の上下方向をｘ軸、左右方向をｙ軸と呼び、図２の上下方向をｚ軸、左右方向をｘ軸と呼ぶ。図１の紙面はｘｙ面、図２の紙面はｘｚ面となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許５３７０８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一般にＰＤは入力される光のパワーに対して光電流が線形応答する。この比例定数を感度と呼び、単位はＡ／Ｗである。光電流と入力光パワーの関係が線形でなくなると、光電流の値から入力光パワーの値を一意に決める事が出来なくなるため、両者の関係は常に線形であることが望ましい。一方で図３に示すようにＧｅＰＤは光入力パワーが−１０ 〜 １０ ｄＢｍ程度の高パワー時に線形性を落とすことが知られている。線形性を落とし始める光パワーはＧｅＰＤに印加している逆バイアスの値によって異なる。また、ＧｅＰＤは光が入力されていない時にも流れるいわゆる暗電流を持つため、光入力パワーが−７０ 〜 −４０ ｄＢｍ程度の低パワー時にも線形性が崩れてしまう。この線形性の崩れは、光入力によって生まれる光電流が暗電流に対して等倍からそれ以下程度になる領域で見られる。印加する逆バイアスの値によって暗電流が異なるため、線形性が崩れ始める光入力パワーの値が異なる。これらの関係をまとめて、光電流と光入力パワーとの線形性が９０％から落ちた時を閾値と定め、逆バイアス毎に線形性を保てる領域をプロットしたものが図４である。プロット３０１が高パワー入力時に線形性を９０％落とす境界をプロットしたもの、プロット３０２が低パワー入力時に線形性を９０％落とす境界をプロットしたものである。このプロット３０１と３０２に挟まれた領域では、光入力パワーと光電流は９０％以上の線形性を保つことを意味する。各バイアスに対して線形性を保っている領域３００をダイナミックレンジと本稿では呼ぶ。一般に逆バイアスが０ Ｖに近づくと暗電流が減少するため、ダイナミックレンジの下限は低光パワー側へ広がる。一方で、逆バイアスが小さいと、図３が示す通り高光パワーの入力に対して線形性を維持できなくなるため、ダイナミックレンジの上限は狭まる。結果としてダイナミックレンジの上限と下限は印加する逆バイアスの値に大きく依存し、ＧｅＰＤを使用するときはデバイスの最大、最小光入力を考慮し、逆バイアスの値を決めなければならない。一方で、通信デバイス等に採用されるＧｅＰＤは、最大が１０ ｄＢｍ程度、最小が−５０ ｄＢｍ程度と、どの逆バイアスを選んでも満たすことが出来ない程、広い範囲をカバーする事を求められる。
【００１１】
ダイナミックレンジを広げるためには、光入力に対してバイアスが可変する機構を付ける、入力パワーを絞るアッテネータを付加する等の対策があるが、バイアス可変の機構やアッテネータ制御の電子回路が必要となるため、回路規模が大きくなりコストの上昇が問題となる。
【００１２】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、入力パワーを絞るアッテネータなどの追加部品を必要とせず、また、広がったダイナミックレンジを有するＰＤを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
【００１４】
図５のように２つのＧｅＰＤ２００と２０１をアンプ１３６に繋ぐ。ＧｅＰＤ２００,ＧｅＰＤ２０１は図１に示した従来のＧｅＰＤと同じ設計になっている。図を見やすくするため導波路１２０以外の図へのキャプションは省いた。ＧｅＰＤ２００は導波路１２０から来る入力光に対して、ＧｅＰＤ２０１より前に配置されている。このときＧｅＰＤ２００はＧｅＰＤ２０１より暗電流が小さく、低光パワー時のダイナミックレンジが広くなるように設計する。例えばＧｅＰＤ２００のゲルマニウムの面積をＧｅＰＤ２０１より小さくする、ＧｅＰＤ２００のゲルマニウムの厚さをＧｅＰＤ２０１より厚くする、後述のようにＧｅＰＤ２００のＰとＮインプラ位置を遠ざける、など暗電流が小さくなるように設計する。逆にＧｅＰＤ２０１は暗電流が大きくなっても高光入力パワー時のダイナミックレンジが広くなるように設計する。例えばＧｅＰＤ２０１のゲルマニウムの厚さをＧｅＰＤ２００より薄くする、後述のようにＧｅＰＤ２０１のＰとＮインプラ位置を近づける、などである。
【００１５】
本発明の光検出器の一様態は、
シリコン基板（１０１）と、
前記シリコン基板上に形成された下部クラッド層（１０２）と、
前記下部クラッド層上に形成されたシリコンコア層（１１０）と、
前記シリコンコア層に接続され、検出対象光を前記シリコンコア層（１１０）へ導波するシリコン導波路（１２０）と、
を有し、
前記シリコンコア層（１１０）上に形成されたゲルマニウム層（１１４）を有する光検出回路が、前記シリコン導波路（１２０）から入力される光に対して直列に並ぶように少なくとも二つ以上配置され、
各光検出回路からの出力信号を受ける増幅器を有する、
ことを特徴とする光検出器である。
【００１６】
前記光検出器において、
前記直列に配置された光検出回路の内、最もシリコン導波路に近い光検出回路のカソードまたはアノードが、
抵抗体と容量とトランジスタのゲートまたはベース端子に接続し、
抵抗体の他方の端子は電源に接続し、
容量は他方の端子を接地し、
前記直列に配置された光検出回路の内、前記最もシリコン導波路に近い光検出回路以外の光検出回路のカソードまたはアノードが、
トランジスタのドレインまたはコレクタ端子と容量とに接続し、
前記トランジスタのソースまたはエミッタ端子は電源に接続し、
前記容量は他方の端子を接地し、
前記直列に配置された光検出回路の全ての他方の極が増幅器に接続し、
前記最もシリコン導波路に近い光検出回路の抵抗体と容量とゲート、又は前記最もシリコン導波路に近い光検出回路以外の光検出回路のドレインと容量に接続したのがアノードの場合、前記直列に配置された光検出回路の全ての他方の極はカソードであり、
前記抵抗体と容量とゲート、またはドレインと容量に接続したのがカソードの場合、前記直列に配置された光検出回路の全ての他方の極はアノードである
ことを特徴とする光検出器である。
【００１７】
前記光検出器であって、
前記直列に配置された光検出回路の全てのアノードまたはカソードが容量と電源に接続し、
容量はもう一方の端子を接地し、
前記直列に配置された光検出回路の他方の極が各々増幅器に接続しており、
前記容量と前記電源に接続したのがアノードの場合、前記他方の極は、カソードであり、
前記容量と前記電源に接続したのがカソードの場合、前記他方の極は、アノードであり、
増幅器は前記第一の電極から入力される信号を選択的に受信できるスイッチを有し、
前記スイッチは受信した信号の強度を判定するモニタを有し、
モニタが判定した強度によって、前記光検出回路の第一の電極の内、どの電極から入る信号を受信するかをスイッチで選択する、
ことを特徴とする光検出器である。
【００１８】
前記光検出器において、
前記下部クラッド層（１０２）上に形成され、第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域（１１１）を含むシリコンコア層（１１０）と、
前記シリコンコア層上に、第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域（１１５１、１１５２）を含むゲルマニウム層（１１４１，１１４２）を二つ以上形成し、
前記第１の領域に接続された１つ以上の第１の電極、及び、前記第２の領域に接続された２つ以上の第２の電極を備えた光検出器である。
【００１９】
前記光検出器において、
前記下部クラッド層上に形成され、第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域（１１１）を含むシリコンコア層（１１０）と、
前記シリコンコア層上に、第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域（１１５１、１１５２）を少なくとも二つ以上含むゲルマニウム層（１１４）を形成し、
前記シリコン基板の基板面に垂直な方向を見たとき、前記第１の領域と前記第２の領域の内１つ以上が重複し、１つ以上が概ね重複していないことを特徴とする光検出器である。
【００２０】
前記光検出器において、
２つ以上の第二の領域の間に、第二の領域を作る際にドープしたドーピング材料と極性を逆に持つドーピング材料をドープした第三の領域を有する、
ことを特徴とする光検出器である。
【００２１】
前記光検出器において、
前記シリコンコア層上に、第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域（１１５１、１１５２）と、第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域（１１５３、１１５３）を各々少なくとも二つ以上含むゲルマニウム層（１１４）を形成し、
前記第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域（１１５１、１１５２）は、第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域（１１５３、１１５３）に対して、前記シリコン導波路から入力される光の進行方向軸に対して線対称になるように配置され、
前記シリコン導波路から最も近い第１の領域と第２の領域との距離は、
前記シリコン導波路から二番目に近い第１の領域と第２の領域との距離より長い、
ことを特徴とする光検出器である。
【００２２】
前記光検出器において、
前記下部クラッド層上に形成され、第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域（１１９１、１１９２）と第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域（１１１１、１１１２）を各々少なくとも二つ以上含むシリコンコア層（１１０）を形成し、
前記第１のドーピング材料がドーピングされた第１の領域（１１９１、１１９２）は、第２のドーピング材料がドーピングされた第２の領域（１１１１、１１１２）に対して、前記シリコン導波路から入力される光の進行方向軸に対して線対称になるように配置され、
前記シリコン導波路から最も近い第１の領域と第２の領域との距離は、
前記シリコン導波路から二番目に近い第１の領域と第２の領域との距離より長い、
ことを特徴とする光検出器である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の光検出器に入った光はまずＧｅＰＤ２００によって光電流に変換される。ＧｅＰＤ２００から流れる光電流はアンプ１３６に流れ、信号増幅される。ＧｅＰＤ２００は暗電流を小さめに設計しているため、低い光パワーでも光電流を検出できる。ＧｅＰＤ２００のダイナミックレンジの上限に相当する高パワーの光が入力された時には、ＧｅＰＤ２０１が光を検出し、アンプ１３６へ光電流を入力する。ＧｅＰＤ２０１はＧｅＰＤ２００より高光パワー入力時におけるダイナミックレンジが広くなるように設計してあるため、高い光パワーでも光電流を検出できる。従って本発明の光検出器はＧｅＰＤ２００とＧｅＰＤ２０１のダイナミックレンジの下限と上限を併せ持つ光検出器となり、従来の光検出器と比べて２つ分のダイナミックレンジを併せ持つ光検出器となる。なお、ＧｅＰＤは２つ以上並んでも良く、ＧｅＰＤが並んだ分だけ、本発明の光検出器のダイナミックレンジは広がる。
【００２４】
ゲルマニウム層をダイナミックレンジが異なる２つ以上の検出部に分けた構成により、入力される光パワーに応じて２つ以上あるゲルマニウム層が光を検出するため、通常のＧｅＰＤと比較して新しい機構を取り付けることなくダイナミックレンジを広げることが出来る。
【００２５】
また、単一のＧｅ結晶において２つのドーピング領域に分けることにより２つの検出部を構成する手法を取ることで、ＧｅＰＤに特有の解題である暗電流の増加を抑えつつダイナミックレンジを広げることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】公知の縦型ＧｅＰＤを示す図である。
【図２】図１のＧｅＰＤの断面構造である。
【図３】逆バイアス毎の入力光パワーと光電流の関係である。
【図４】ＧｅＰＤのダイナミックレンジ例である。
【図５】本発明の光検出器である。
【図６】本発明の光検出器の実施例１である。
【図７】（a）本発明の光検出器の実施例１の回路図である。（ｂ）本発明の光検出器の実施例１の回路図である。
【図８】本発明の光検出器の実施例２である。
【図９】本発明の光検出器の実施例２の回路図である。
【図１０】本発明の光検出器の実施例３である。
【図１１】本発明の光検出器の実施例３の断面図である。
【図１２】本発明の光検出器の実施例３、４の断面図である。
【図１３】本発明の光検出器の実施例３の断面図である。
【図１４】本発明の光検出器の実施例３の配線図である。
【図１５】本発明の光検出器の実施例４である。
【図１６】本発明の光検出器の実施例４の断面図である。
【図１７】本発明の光検出器の実施例５である。
【図１８】本発明の光検出器の実施例６である。
【図１９】本発明の光検出器の実施例６の配線図である。
【図２０】本発明の光検出器の実施例７である。
【図２１】本発明の光検出器の実施例７の配線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の光検出器の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施例の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施例に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００２８】
図６はＧｅ層１１４１,１１４２と二つのゲルマニウムを配置し、導波路１２０から入る光の進行方向に平行になるように並べ、これらゲルマニウムに対して図１の従来の光検出器と同じようにインプラや電極を配置し、更にこれらＧｅ層１１４１,１１４２に掛かる配線を施した例である。Ｇｅ層１１４１が作るダイオードが本発明の図５のＧｅＰＤ２００に、Ｇｅ層１１４２が作るダイオードがＧｅＰＤ２０１に相当する。ｘｚ面の断面は図２と同じようになっている。電極１１７１には抵抗１３１と容量１３０が繋がれており、抵抗１３１はトランジスタ１３４のゲート電極に繋がる。なお、図６中ではトランジスタ１３４をＭＯＳトランジスタで表記したが、バイポーラトランジスタを用いても良い。トランジスタ１３４のドレイン端子には電極１１７２と容量１３２がつながっている。図番号１３５は電極交差をさせるための立体配線である。トランジスタ１３４のソース端子はアンプ１３６の電源１３７とつながっている。図６の構成を回路図にしたものが図７である。図番号は図６と共通であり、ダイオード１４０がＰ型電極１１２１をカソードとし、Ｎ型電極１１５１をアノードとして、キャリアがＧｅ層１１４１のＩ層中を１１２１から１１５１の方向に向かって走行するＰＩＮダイオード、ダイオード１４１がＰ型電極１１２２をカソードとし、Ｇｅ層１１５２をアノードとして、キャリアがＧｅ層１１４２のI層中を１１２２から１１５２の方向に向かって走行するＰＩＮダイオードを示す。抵抗１３１、容量１３０，１３２、トランジスタ１３４はシリコンスラブ領域１２１の上にインプラや金属蒸着を用いて作製しても良いし、チップを実装しても良い。電極１１６，１１８の片方は信号増幅用のアンプ１３６に繋がれており、もう片方はＰ型電極１１２１，１１２２とＰ型電極１１３１，１１３２に繋がれている。ゲルマニウムは図６のように二つであっても良いし、３つ以上であっても良い。
【００２９】
本構成の動作を図７(a)の回路図を用いて説明する。光検出器に入った光はまずダイオード１４０によって光電流に変換される。ダイオード１４０から流れる光電流はアンプ１３６に流れ、信号増幅される。また、抵抗１３１にも光電流は流れるため、電圧降下し、電源１３７の設定した電圧より抵抗値と光電流値の積を引いた電圧が逆バイアスとしてダイオード１４０に印加される。ダイオード１４０は暗電流を小さめに設計しているため、低い光パワーでも光電流を検出できる。この時トランジスタ１３４のゲートとソース間の電圧は、電源１３７の電圧とダイオード１４０に掛かる電圧の差となる。ダイオード１４０から流れる電流が小さい、すなわち入力光パワーが小さいうちは、ゲート-ソース間の電圧が小さいため、トランジスタ１３４は飽和領域には達せずドレイン-ソース間は高抵抗になっている。従ってダイオード１４１には電圧がほぼかからない状態となる。ダイオード１４１はダイオード１４０より暗電流が大きいため、低光パワー側のダイナミックレンジが狭く、またダイオード１４１の暗電流がアンプ１３６に流れ込めば、ダイオード１４０から出る光電流と混在してしまう。トランジスタ１３４はこのダイオード１４１からの暗電流の流れ込みを防ぐために配置されている。入力光パワーが大きくなると、抵抗１３１での電圧降下が大きくなり、トランジスタ１３４のゲート-ソース間電圧が高くなり飽和領域を迎えるため、ダイオード１４１にも電圧がかかる。この時の入力光パワーをダイオード１４０の光電流が線形性を失う光パワーになるように設計すれば、ダイオード１４０が光電流の線形性を失った直後にダイオード１４１が光電流を流し始めることになる。ダイオード１４１は１４０より高光パワー入力時におけるダイナミックレンジが広いため、本発明の光検出器はダイオード１４０と１４１のダイナミックレンジの下限と上限を併せ持つ光検出器となる。ダイオード１４０は光電流の線形性は失っても一定の光電流を流し続けるため、トランジスタ１３４が飽和領域を下回ることは無い。トランジスタ１３４のオンオフは光入力によって流れる光電流が引き起こす電圧降下で起きるため、制御用の電子回路などの追加は必要ないというメリットがある。容量１３０、１３２は高速信号の通路として配置してある。ダイオード１４０や１４１から流れる電流は抵抗１３１やトランジスタ１３４を通るため、高速信号を通したい時は抵抗１３１の値を小さくしたり、トランジスタ１３４の信号通過特性を高速に設計する必要がある。しかしながら、容量１３０と１３２があれば、高速信号は両容量を通って接地されるため、抵抗１３１やトランジスタ１３４を通らなくなるため上記の設計は不要となる。入力光信号に高速応答性を求めない場合は容量１３０、１３２を配置しなくても良い。３つ以上のダイオードを接続する場合は、図７(b)のようにトランジスタとダイオードを並列に増設すればよい。
【実施例２】
【００３０】
図８は図６の実施例１とは異なる配線を施した場合の例である。電極１１７１と電極１１７２はつながっており、さらに容量１３０、アンプ１３８０の電源１３７に接続している。Ｐ型電極領域１１２１, １１２２の上には電極１１６１,１１６２を、Ｐ型電極１１３１，１１３２の上には電極１１８１，１１８２を新たに設置し、両電極をアンプ１３８０に繋いだ。図番号１３５は電極を交差させるための立体配線である。容量１３０はシリコンスラブ領域１２１の上にインプラや金属蒸着を用いて作製しても良いし、チップを実装しても良い。
【００３１】
本構成の動作を図８の構造を回路図にした図９を用いて説明する。アンプ１３８０はスイッチ１３８１と増幅部１３８２、モニタ部１３８３とで構成されており、ダイオード１４０、１４１からの入力をスイッチ１３８１で切り替えて増幅部１３８２へ送る機構が付いている。低光パワー入力時はダイオード１４０からの信号を受け、高光パワー入力時にはダイオード１４１からの信号を受ける。光パワーの判別はモニタ部１３８３が行い、スイッチ１３８１の切り替えも制御する。低光パワーが入力されているとき、すなわち光電流が小さいとモニタ１３８３が判断した時は、ダイオード１４０から、逆に高光パワーが入力されているときはダイオード１４１から光電流を受け取るようにモニタ１３８３はスイッチ１３８１を切り替える。
【実施例３】
【００３２】
図１０は図６にある本発明の実施例１の内、配線を取り除き、ＧｅＰＤ部分のみを示した図である。実施例１では従来のＧｅＰＤを２つ並べた形を取っていたが、本実施例ではこのＧｅＰＤに特徴がある。図１０のＧｅＰＤ１００１は、図１のＧｅＰＤにおけるＧｅ上のＮ型インプラ領域１１５と上部電極１１７が、Ｎ型インプラ領域１１５１とＮ型インプラ領域１１５２、電極１１７１と電極１１７２に分割され、Ｐ型インプラ領域１１１とＰ型電極１１２，１１３がＮ型インプラ領域１１５１のＳｉスラブ領域１２１への射影に重ならないように配置される。図１１は図１０のＧｅＰＤ１００１をII-II’面で切断した断面図である。また、図１２は図１０のＧｅＰＤ１００１をIII-III’面で切断した断面図である。図１３は図１０のＧｅＰＤ１００１をIＶ- IＶ’面で切断した断面図である。特にＰ型インプラ領域１１１はＮ型インプラ領域１１５１のＳｉスラブ領域１２１への射影には重ならず、Ｎ型インプラ領域１１５２のＳｉスラブ領域１２１への射影には重なることが特徴となる。電極１１７１、電極１１７２と電極１１６，電極１１８に流れる電流で光パワー検出を行う。図７(a),(b)におけるダイオード１４０が１１１をカソードとし、１１５１をアノードとして、キャリアが１１４のI層中を１１１から１１５１の方向に向かってｚｙ方向に走行するＰＩＮダイオード、ダイオード１４１が１１１をカソードとし、１１５２をアノードとして、キャリアが１１４のI層中を１１１から１１５２のｚ方向に向かって走行するＰＩＮダイオードを示す。
【００３３】
Ｎ型インプラ領域１１５１とＰ型インプラ領域１１１の間にあるダイオードは空乏層が両インプラを繋ぐｙｚ軸方向に斜め方向に広がっているため、Ｎ型インプラ領域１１５２とＰ型インプラ領域１１１の間にある空乏層より距離が長い。従ってＮ型インプラ領域１１５１と１１５２に同じ電圧を掛けたとしても、電界はＮ型インプラ領域１１５１とＰ型インプラ領域１１１の間に掛かる方が小さく、高光パワー側のダイナミックレンジは狭くなる。逆に暗電流は小さくなるため、低光パワー側のダイナミックレンジは広くなる。一方でＮ型インプラ領域１１５２とＰ型インプラ領域１１１の間に出来るダイオードでは逆に低光パワー側のダイナミックレンジが狭く、高光パワー側のダイナミックレンジが大きくなる。従って、二つのダイオードの組合せでダイナミックレンジを広げる事が可能となる。
【００３４】
本発明のＧｅＰＤに光が導波路１２０から入力された時、光はＮ型インプラ領域１１５１とＰ型インプラ領域１１１の間にあるダイオードに最初に光電流が流れる。入力光パワーが大きくなってゆくと、Ｎ型インプラ領域１１５１とＰ型インプラ領域１１１の間にあるダイオードで吸収しきれず光電流が線形性を失い飽和してゆく。この時、吸収しきれなかった光はＮ型インプラ領域１１５２とＰ型インプラ領域１１１の間にあるダイオードにまで伝搬してゆく。Ｎ型インプラ領域１１５２とＰ型インプラ領域１１１の間にあるダイオードはＮ型インプラ領域１１５１とＰ型インプラ領域１１１の間にあるダイオードより高い電界が掛かっており、高光パワーまでダイナミックレンジがあるため、線形性を保ったまま光電流を出力することが可能となる。
【００３５】
Ｎ型インプラ領域１１５１とＰ型インプラ領域１１１の間にあるダイオードとＮ型インプラ領域１１５２とＰ型インプラ領域１１１の間にあるダイオードの出力を合わせることで、大きなダイナミックレンジを持つ光検出器が達成される。このＧｅＰＤ１００１に図６の配線を組み合わせた図が図１４であり、実施例１と同じ効果を持つ光検出器が出来る。
【００３６】
ＧｅＰＤは他のＰＤに比べＧｅの結晶性が良くないため暗電流が大きい傾向が有り、これを回避するためには一般にＧｅの底面積を小さくしたり、Ｇｅの厚さを厚くしたりする必要がある。しかしながらＧｅはＳｉ基板上に台形に成長するので、底面積を小さくし過ぎると三角錐形状になってしまうため、底面積の大きさには限界がある。また、Ｇｅの厚さも厚くすると、Ｇｅ中のキャリアの移動時間が長くなってしまうため、ＧｅＰＤの速度が遅くなるという問題がある。本実施例（図１０）の構成はこれを回避するもので、ＧｅトップのインプラをＧｅボトムのインプラから離せば、Ｇｅの厚さや底面積を変えることなく暗電流を任意の値まで小さくできる。 したがって本実施例によれば、一般的に結晶性が悪いＧｅのＰＤにおいても、暗電流の低減によりローパワー側のダイナミックレンジを広げる効果がある。
【実施例４】
【００３７】
図１５は実施例３のＧｅＰＤ１００１に対して、Ｎ型Ｇｅ領域１１５１を囲むようにＰ型Ｓｉ領域１１１を配置した例である。図を見やすくするため、Ｇｅ層１１４を点線で描いている。実施例３のＧｅＰＤ１００１に比べ、Ｎ型Ｇｅ領域１１５１とＰ型Ｓｉ領域１１１が作る空乏層の面積が大きくなる。これを図１５のＶ−Ｖ’面での断面図である図１６を用いて説明する。図１６のＮ型Ｇｅ領域１１５１とＰ型Ｓｉ領域１１１はｚｘ方向に空乏層を形成する。従って、ｘ軸方向に平行に広がる空乏層しかもたなかった実施例３に比べて、本実施例のＧｅＰＤ１００２はｙ軸方向に平行に広がる空乏層を加えて持つ。この空乏層は導波路１２０から入力された光の進行方向と平行に広がるため、実施例３より効率的に光を吸収することが可能となる。なお、図１５のIII−III’面での断面図が図１２である。
【実施例５】
【００３８】
図１７は、図１０の光検出器のIＶ-IＶ’面の断面図であり、また、図１５の光検出器のＶＩ-ＶＩ’面の断面図である。Ｇｅ層１１４中にＰ型インプラ領域１１５３を加えてある。Ｐ型インプラ領域１１５３はＮ型インプラ領域１１５１とＮ型インプラ領域１１５２の間のリーク電流を防ぐ役割がある。Ｎ型インプラ領域１１５１とＮ型インプラ領域１１５２の間にはＮ／Ｐ／Ｎのインプラ領域が出来るためどちらのＮ型インプラ領域から見ても必ず逆方向ダイオードが出来る。従って両Ｎインプラ領域間のリーク電流は逆方向電流程度にまで抑えられる。
【実施例６】
【００３９】
図１８は図６にある本発明の実施例１の内、配線を取り除き、ＧｅＰＤ部分のみを示した図である。実施例１では従来のＧｅＰＤを２つ並べた形を取っていたが、本実施例ではこのＧｅＰＤに横型ＧｅＰＤを用いた。ＧｅＰＤ１１０３はＧｅ層１１４の上にＮ型Ｇｅ領域１１５１，１１５２とＰ型Ｇｅ領域１１５３，１１５４を形成し、各々電極１１７１，１１７２と１１７３，１１７４を接続した例である。Ｎ型Ｇｅ領域１１５１とＰ型Ｇｅ領域１１５３が作るＰＩＮダイオードが、図７(a),(b)におけるダイオード１４０に、Ｎ型Ｇｅ領域１１５２とＰ型Ｇｅ領域１１５４が作るＰＩＮダイオードが、図７(a),(b)におけるダイオード１４１に対応する。導波路１２０から入力される光に対して前に配置されているＮ型Ｇｅ領域１１５１とＰ型Ｇｅ領域１１５３が作るＰＩＮダイオードは暗電流を小さくするために、Ｎ型Ｇｅ領域１１５１とＰ型Ｇｅ領域１１５３の距離を、Ｎ型Ｇｅ領域１１５２とＰ型Ｇｅ領域１１５４の距離より長くしている。
【００４０】
図１８のＧｅＰＤ１００３を用いて実施例１の配線を施した例が図１９である。
【実施例７】
【００４１】
図２０は図６にある本発明の実施例１の内、配線を取り除き、ＧｅＰＤ部分のみを示した図である。実施例１では従来のＧｅＰＤを２つ並べた形を取っていたが、本実施例ではこのＧｅＰＤにシリコンスラブ１２１にのみインプラをして作製したＧｅＰＤを用いた。図を見やすくするため、Ｇｅ層１１４は破線で示した。ＧｅＰＤ１１０４はシリコンスラブ１２１の上にＮ型シリコン領域１１９１，１１９２とＰ型シリコン領域１１１１，１１１２を形成し、各々Ｎ型電極１１９３，１１９４、Ｐ型電極１１３１，１１３２、電極１１６１，１１６２と電極１１８１，１１８２を接続した例である。Ｎ型シリコン領域１１９１とＰ型シリコン領域１１１１が作るＰＩＮダイオードが、図７(a),(b)におけるダイオード１４０に、Ｎ型シリコン領域１１９２とＰ型シリコン領域１１１２が作るＰＩＮダイオードが、図７(a),(b)におけるダイオード１４１に対応する。導波路１２０から入力される光に対して前に配置されているＮ型シリコン領域１１９１とＰ型シリコン領域１１１１が作るＰＩＮダイオードは暗電流を小さくするために、Ｎ型シリコン領域１１９１とＰ型シリコン領域１１１１の距離を、Ｎ型シリコン領域１１９２とＰ型シリコン領域１１１２の距離より長くしている。
【００４２】
図２０のＧｅＰＤ１００４を用いて実施例１の配線を施した例が図２１である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、光受信器に搭載される受光素子（フォトダイオード）に適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１００  ＧｅＰＤ
１０１  Ｓｉ基板
１０２  下部クラッド層
１０３  （上部）クラッド層
１１０  シリコンコア層
１１１  ｐ型Ｓｉ領域（Ｐ型インプラ領域）
１１２  ｐ＋＋シリコン（Ｓｉ）電極部 （Ｐ型電極）
１１３  Ｐ型電極
１１４  Ｇｅ層
１１５  ｎ型Ｇｅ領域（Ｎ型インプラ領域）
１１６  電極
１１７  電極（上部電極）
１１８  電極
１２０  （シリコン）導波路（層）（Ｓｉスラブ領域）
１２１  シリコンスラブ層（領域）
１３０  容量
１３１  抵抗
１３２  容量
１３４  トランジスタ
１３５  立体配線
１３６  アンプ
１３７  電源
１４０，１４１  ダイオード
２００，２０１  ＧｅＰＤ
３００  各バイアスに対して線形性を保っている領域
３０１，３０２  プロット
１００１，１００２，１００４，１１０３，１１０４  ＧｅＰＤ
１１１１，１１１２  （Ｐ型シリコン）領域
１１２１，１１２２, １１３１，１１３２  Ｐ型電極（領域）
１１４１, １１４２  Ｇｅ層,
１１５１  Ｎ型電極（Ｎ型インプラ領域、Ｎ型Ｇｅ領域）
１１５２  Ｎ型インプラ領域（Ｇｅ層、Ｎ型Ｇｅ領域）
１１５３  Ｐ型インプラ領域（Ｐ型Ｇｅ領域）
１１６１, １１６２, １１７１, １１７２, １１７３, １１７４, １１８１,１１８２  電極
１１９１, １１９２  Ｎ型シリコン領域
１１９３, １１９４  Ｎ型電極
１３８０  アンプ
１３８１  スイッチ
１３８２  増幅部
１３８３  モニタ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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