(57)【要約】【課題】アッテネータやスイッチなどの追加の光学部品を必要とせず、高パワー入力にも耐えられるＧｅＰＤを提供すること。【解決手段】シリコン（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、信号光を導くシリコン（Ｓｉ）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（Ｇｅ）層１１４と、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、および電極１１６〜１１８を備える。さらに、Ｓｉコア層１１０の上に、電極１１６、１１８を囲むように金属層１２１、１２２が配置される。金属層１２１、１２２は、上部クラッド１０３の高さ分だけ厚みが有り、Ｓｉコア層１１０と接している。【選択図】図４
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【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、第一の不純物イオンがドーピングされたシリコン領域を含むスラブ領域と前記スラブ領域と接続された導波路領域とを含むシリコンコア層と、
前記シリコンコア層上に形成され、第二の不純物イオンがドーピングされたゲルマニウム領域を含むゲルマニウム層と、
前記シリコンコア層の前記シリコン領域を含む前記スラブ領域、前記導波路領域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、
前記シリコン領域および前記ゲルマニウム領域上にそれぞれ離間して形成された複数の電極と、
前記シリコンコア層の前前記スラブ領域上の前記複数の電極間以外に形成された金属層と、
を備えたことを特徴する光検出器。
【請求項２】
前記金属層は、前記電極と絶縁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。
【請求項３】
前記金属層は、前記ゲルマニウム領域の前記導波路領域側付近の前記上部クラッド層上にも形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光検出器。
【請求項４】
前記金属層は、前記電極と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。
【請求項５】
前記金属層は、前記シリコン基板および前記下部クラッド層にも接していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光検出器。
【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を提供するための構造に関するものである。
【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。
【０００４】
図１は、このような従来のシリコン基板上にモノリシック集積された導波路結合型の縦型ゲルマニウム光検出器（ＧｅＰＤ）１００の構造を模式的に示す平面図である。
【０００５】
図２は、図１のＧｅＰＤ１００のＩＩ−ＩＩ部分の断面図である。
【０００６】
ＧｅＰＤ１００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の断面図に示すＧｅＰＤ１００は、シリコン（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、信号光を導くシリコン（Ｓｉ）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（Ｇｅ）層１１４と、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、および電極１１６〜１１８を備える。
【０００７】
なお、図１以下において、ＧｅＰＤ１００の示す四角で囲まれた部分は、ＧｅＰＤに対応する機能的な領域部分を示すものであって、かならずしも物理的なチップ構造などの境界を示すものではない。また、構造を分かり易くするために、図１の平面図では、図２に示すクラッド層１０３と電極１１６〜１１８の内部形状を示す線を省き、クラッド層１０３表面の電極１１６〜１１８の形状を長方形の領域の実線で示している。また、基板内部のｐ＋＋Ｓｉ電極部１１２、１１３およびｎ型Ｇｅ領域１１５の境界線などは、点線で示している。
【０００８】
図１を見るとわかるように、Ｓｉコア層１１０は導波路１１０１とＳｉスラブ１１０２に分けられ、導波路１１０１の左端より検出対象となる光が入射して、Ｓｉスラブ１１０２に到達する。
【０００９】
図２の断面図にあるように、Ｓｉスラブ１１０２のＳｉコア層１１０には、第一の導電型（例えばｐ型）の不純物イオンがドーピングされたｐ型Ｓｉスラブ１１１（シリコン領域）、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（Ｓｉ）電極部１１２、１１３が形成されている。Ｇｅ層１１４は、ｐ型Ｓｉスラブ１１１上にエピタキシャル成長によって積層され、その上部に第二の導電型（例えばｎ型）の不純物がドーピングされたｎ型Ｇｅ領域１１５（ゲルマニウム領域）が形成されて、フォトダイオードを構成している。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。
【００１０】
ＧｅＰＤ１００は、Ｓｉコア層１１０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、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【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】
【００１２】
図２に示すＧｅＰＤ１００は高パワーの光入力に耐えられないという課題がある。
【００１３】
図３に、一般的なＧｅＰＤの熱解析結果を示す。図３（ａ）は、ＧｅＰＤのＧｅ層１１４の底面を熱源２０２とした熱解析モデル２００の断面図を示し、図３（ｂ）は、熱源２０２の電力を変化させていった時のＧｅ層１１４の温度をプロットしたグラフである。計算を簡単にするため、図２のｐ型Ｓｉスラブ１１１、ｐ＋＋Ｓｉ電極部１１２、１１３、ｎ型Ｇｅ領域１１５、電極１１６、１１８の構造は取り除いてある。残りの構造は図２と等しい。
【００１４】
光入力パワーはそのまま図３の２００の熱源２０２と言い換えてよい。シリコン上に成長したゲルマニウムは実験から６００〜８００℃程度で融解しフォトダイオードとしての機能を失うことがわかっている。特に図１、２のような導波路型ＧｅＰＤ１００はＧｅ層１１４の内、導波路に近い部分が集中的に光吸収するため、図１の領域１１９付近が融解してしまう。図３の２０１では７５〜１００ｍＷ程度の入力で当該融解温度にゲルマニウムは達する。一方でメトロ系ネットワークの受信機では上記の範囲の光入力パワーを受ける可能性がある。
【００１５】
高パワーの光入力に耐えられないＧｅＰＤを光通信システムに組込もうとすると、パワーを減衰させたり切り替えたりする可変アッテネータや光スイッチなどが必要となるため、製造コストが上がる。
【００１６】
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、アッテネータやスイッチなどの追加の光学部品を必要とせず、高パワー入力にも耐えられるＧｅＰＤを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するために、本発明は、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、第一の不純物イオンがドーピングされたシリコン領域を含むスラブ領域と前記スラブ領域と接続された導波路領域とを含むシリコンコア層と、前記シリコンコア層上に形成され、第二の不純物イオンがドーピングされたゲルマニウム領域を含むゲルマニウム層と、前記シリコンコア層の前記シリコン領域を含む前記スラブ領域、前記導波路領域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、前記シリコン領域および前記ゲルマニウム領域上にそれぞれ離間して形成された複数の電極と、前記シリコンコア層の前前記スラブ領域上の前記複数の電極間以外に形成された金属層と、を備えたことを特徴する。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光検出器において、前記金属層は、前記電極と絶縁されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光検出器において、前記金属層は、前記ゲルマニウム領域の前記導波路領域側付近の前記上部クラッド層上にも形成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の光検出器において、前記金属層は、前記電極と接していることを特徴とする。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光検出器において、前記金属層は、前記シリコン基板および前記下部クラッド層にも接していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、Ｇｅ層と接している熱伝導率の高いＳｉコア層を拡大して放熱用に金属層を形成することで、Ｇｅ層の温度上昇を抑制し、追加の光学部品無しに入力パワー耐性改善の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来のシリコン基板上にモノリシック集積された導波路結合型の縦型ＧｅＰＤ１００の構造を模式的に示す平面図である。
【図２】図１のＧｅＰＤ１００のＩＩ−ＩＩ部分の断面図である。
【図３】（ａ）はＧｅＰＤのＧｅ層１１４の底面を熱源２０２とした熱解析モデル２００の断面図であり、（ｂ）は熱源２０２の電力を変化させていった時のＧｅ層１１４の温度をプロットしたグラフである。
【図４】本発明の実施形態１に係るＧｅＰＤ１００の構造を模式的に示す平面図である
【図５】図４のＧｅＰＤ１００のＶ−Ｖ部分の断面である。
【図６】（ａ）は図１の従来のＧｅＰＤのＩＩ−ＩＩ断面におけるＧｅ層１１４の直下に同一の熱源を与えた時の温度変化を示す図であり、（ｂ）は図４の本発明のＧｅＰＤのＶ−Ｖ断面におけるＧｅ層１１４の直下に同一の熱源を与えた時の温度変化を示す図である。
【図７】本発明の実施形態２に係るＧｅＰＤ１００の構造を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態３に係るＧｅＰＤ１００の構造を模式的に示す平面図である。
【図９】図８のＧｅＰＤ１００のＩＸ−ＩＸ部分の断面である。
【図１０】本発明の実施形態４に係るＧｅＰＤ１００の構造を模式的に示す平面図である。
【図１１】図１０のＧｅＰＤ１００のＸＩ−ＸＩ部分の断面である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２５】
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。
【００２６】
（実施形態１）
図４は、本発明の実施形態１に係るＧｅＰＤ１００の構造を模式的に示す平面図である。図５は、図４のＧｅＰＤ１００のＶ−Ｖ部分の断面である。
【００２７】
本実施形態１のＧｅＰＤ１００は、図５の断面図に示すように、シリコン（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、信号光を導くシリコン（Ｓｉ）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（Ｇｅ）層１１４と、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、および電極１１６〜１１８を備える。さらに、図４、５に示すようにＳｉコア層１１０の上に、電極１１６、１１８を囲むように金属層１２１、１２２が配置される。金属層１２１、１２２は、図５に示されるように、上部クラッド１０３の高さ分だけ厚みが有り、Ｓｉコア層１１０と接している。
【００２８】
なお、構造を分かり易くするために、図４の平面図では、図１と同様に、図５に示すクラッド層１０３と電極１１６〜１１８の内部形状を示す線を省き、クラッド層１０３表面の電極１１６〜１１８の形状を長方形の領域の実線で示している。また、基板内部のｐ＋＋Ｓｉ電極部１１２、１１３およびｎ型Ｇｅ領域１１５の境界線などは、点線で示している。
【００２９】
金属層１２１、１２２およびＳｉコア層１１０は、下部クラッド層１０２、上部クラッド層１０３に比べ格段に熱伝導率が高い。従って、Ｇｅ層１１４で発生した熱をＳｉコア層１１０に沿って図４の紙面上下左右方向へ熱を拡散させる。拡散した熱は、金属層１２１、１２２および下部クラッド層１０２、Ｓｉ基板層１０１を通して緩やかに放熱されてゆく。
【００３０】
従来のＧｅＰＤ１００におけるＳｉコア層１１０のＳｉスラブ１１０２は、ｐ型Ｓｉスラブ１１１よりも一回り大きい程度であったが、本発明では、Ｓｉコア層１１０のＳｉスラブ１１０２部分を、導波路１１０１とその出射端以外で接触せず、かつ導波路１１０１と光学的に干渉しない程度まで離すようにして下部クラッド層１０２上に広げている。拡大したＳｉコア層１１０上には、電極１１６〜１１８と接触しないように金属層１２１、１２２を形成している。金属層１２１、１２２は、電極１１６、１１８と電極１１７とを短絡させることがないよう、電極１１６〜１１８間には形成しない。
【００３１】
Ｓｉコア層１１０および金属層１２１、１２２は、大きいほど放熱効果が高い。したがって、Ｓｉコア層１１０は導波路１１０１に光学的に干渉しない領域であれば最大限広く形成されて良い。金属層１２１、１２２はＳｉコア層１１０上のＧｅＰＤの主要な構造のない領域、すなわちＳｉコア層１１０の導波路１１０１、ｐ型Ｓｉスラブ１１１に干渉しない領域を覆うように形成されていても良い。
【００３２】
電極１１６、１１８と金属層１２１、１２２が接続されていると、設計によっては高周波信号が伝播しなくなる恐れがある。したがって、本実施形態１では、電極１１６と金属層１２１は絶縁している。
【００３３】
図６（ａ）は、図１の従来のＧｅＰＤのＩＩ−ＩＩ断面におけるＧｅ層１１４の直下に同一の熱源を与えた時の温度変化を示し、図６（ｂ）は、図４の本発明のＧｅＰＤのＶ−Ｖ断面におけるＧｅ層１１４の直下に同一の熱源を与えた時の温度変化を示している。図６（ａ）の従来のＧｅＰＤ１００においてＧｅ層１１４が熱源によって６００℃程度まで加熱されるが、図６（ｂ）の本発明のＧｅＰＤ１００のＧｅ層１１４では５００℃以下に抑えられている。
【００３４】
この温度低下と図３（ｂ）のグラフからから、本願発明は１３ｍＷ程度の入力パワー耐性改善があったことになる。すなわち従来の縦型ＧｅＰＤと比較し、本発明のＧｅＰＤの構造は、より高パワーな入力にも耐えられるＧｅＰＤである。
【００３５】
（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２に係るＧｅＰＤ１００の構造を模式的に示す断面図である。
【００３６】
実施形態２のＧｅＰＤ１００は、実施形態１のＧｅＰＤ１００に対し、Ｓｉコア層１１０および下部クラッド層１０２を貫通し、Ｓｉ基板１０１の一部をエッチングしてビアを作り、このビアを金属層１２１、１２２で埋めたものである。
【００３７】
断熱性の高い下部クラッド層１０２を貫通してＳｉ基板層１０１まで金属層１２１、１２２が達しているため、この金属層１２１、１２２を通って熱がＳｉ基板層１０１まで拡散しやすくなる。
【００３８】
（実施形態３）
図８は、本発明の実施形態３に係るＧｅＰＤ１００の構造を模式的に示す平面図である。図９は、図８のＧｅＰＤ１００のＩＸ−ＩＸ部分の断面である。
【００３９】
実施形態３のＧｅＰＤ１００は、実施形態１のＧｅＰＤ１００の電極１１６、１１８を放熱用の金属層１２１、１２２に接続させた構成である。電極１１６、１１８と放熱用の金属層１２１、１２２の間にあった絶縁用の上部クラッド層１０３が無くなったため、実施形態１より金属層１２１、１２２への熱伝導性が高くなる。
【００４０】
一方で、ＧｅＰＤ１００で高速信号を受信するためには、電極１１６、１１８は、集中定数的に扱うことが出来る波長の１／１０〜１／２０程度のサイズまでに制限される。
【００４１】
実施形態３はさらに、実施形態２のように、Ｓｉ基板層１０１まで達するビアを形成してビアに金属層１２１、１２２を埋め、金属層１２１、１２２がＳｉ基板層１０１に接する構成とすることもできる。
【００４２】
（実施形態４）
図１０は、本発明の実施形態４に係るＧｅＰＤ１００の構造を模式的に示す平面図である。図１１は、図１０のＧｅＰＤ１００のＸＩ−ＸＩ部分の断面である。
【００４３】
実施形態４のＧｅＰＤ１００は、実施形態１のＧｅＰＤ１００に対して、金属層１２１、１２２を、導波路１１０１とＳｉスラブ１１０２との接続部付近、すなわちＧｅ層１１４の導波路１１０１側付近上の上部クラッド層１０３上において金属層１２３で接続した構成である。金属層１２３は、金属層１２１、１２３より薄く、上部クラッド層１０３上に形成され、電極１１６〜１１８と接触しないよう配置されている。このように金属層１２１〜１２３が電極１１６〜１１８と絶縁されている場合、金属層１２１〜１２３の大きさは任意である。
【００４４】
熱が集中する領域１１９に近い位置に熱伝導性の高い金属層１２３があることでより、金属層１２１、１２２への熱伝導性、放熱性が高まる。
【００４５】
実施形態４は、実施形態２のように、Ｓｉ基板層１０１まで達するビアを形成してビアに金属層１２１、１２２を埋め、金属層１２１、１２２がＳｉ基板層１０１に接する構成とすることもできる。
【００４６】
また、実施形態４は、実施形態３のように、電極１１６、１１８を放熱用の金属層１２１、１２２に接続させた構成とすることもできる。但し、ＧｅＰＤ１００で高速信号を受信するためには、実施形態３と同様に、電極１１６、１１８および金属層１２１、１２２は、集中定数的に扱うことが出来る波長の１／１０〜１／２０程度のサイズまでに制限される。
【符号の説明】
【００４７】
１００  ＧｅＰＤ
１０１  Ｓｉ基板
１０２  下部クラッド層
１０３  上部クラッド層
１１０  Ｓｉコア層
１１１  ｐ型Ｓｉスラブ
１１２、１１３  ｐ＋＋Ｓｉ電極部
１１４  Ｇｅ層
１１５  ｎ型Ｇｅ領域
１１６〜１１８  電極
１２１、１２２  金属層
１１０１  導波路
１１０２  Ｓｉスラブ
【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】
2018078236.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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