(57)【要約】  半導体基板と；前記半導体基板中または前記半導体基板上に形成された光導波路と；そして、作動中に光導波路からの光信号を受信するために光導波路に沿って配列され、前記半導体基板中または前記半導体基板上に形成された光検出器と；を備え、前記光検出器は、第１電極と；第２電極と；前記第１電極及び第２電極との間の中間層とを備え、前記中間層は、伝導帯、価電子帯、伝導帯及び価電子帯間に導入された深い準位のエネルギー状態で特徴づけられる半導体材料を備える、光回路。
2007503130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と；
前記半導体基板中または前記半導体基板上に形成された光導波路と；
作動中に光導波路からの光信号を受信するために光導波路に沿って配列され、前記半導体基板中または前記半導体基板上に形成された光検出器と；を備え、
前記光検出器は、
第１電極と；
第２電極と；
前記第１電極及び第２電極との間の中間層とを備え、
前記中間層は、伝導帯、前記伝導帯よりも低いエネルギー準位での価電子帯、伝導帯及び価電子帯間に導入された深い準位のエネルギー状態で特徴づけられる半導体材料を備える、光回路。
【請求項２】
前記光検出器は、導波路中に形成されている、請求項１に記載の光回路。
【請求項３】
前記導波路は、前記基板中のトレンチの中に形成されている、請求項２に記載の光回路。
【請求項４】
前記光検出器は、前記トレンチの中にも形成されている、請求項３に記載の光回路。
【請求項５】
前記基板は、シリコンを有している、請求項１に記載の光回路。
【請求項６】
前記光導波路は、ＳｉＧｅ合金で作られるコアを備えている、請求項５に記載の光回路。
【請求項７】
前記第１電極は第１ドープ半導体材料を有し、前記第２電極は第２ドープ半導体材料を有し、前記第１ドープ半導体材料及び前記第２ドープ半導体材料とは同一の導電型である、請求項６に記載の光回路。
【請求項８】
前記第１ドープ半導体材料は第１ドープシリコンを有し、前記第２ドープ半導体材料は第２ドープシリコンを有する、請求項７に記載の光回路。
【請求項９】
前記第１ドープシリコンと前記第２ドープシリコンとは逆の導電型である、請求項８に記載の光回路。
【請求項１０】
前記第１ドープシリコンと前記第２ドープシリコンとは同一の導電型である、請求項８に記載の光回路。
【請求項１１】
前記第１ドープ半導体材料及び第２ドープ半導体材料は、Ｎ型である、請求項１０に記載の光回路。
【請求項１２】
前記第１ドープ半導体材料及び第２ドープ半導体材料は、Ｐ型である、請求項１０に記載の光回路。
【請求項１３】
前記第１ドープ半導体材料及び第２ドープ半導体材料のドーピング量は、前記中間層からの距離の関数で増大する、請求項７に記載の光回路。
【請求項１４】
前記半導体材料は、ＳｉＧｅ合金である、請求項１に記載の光回路。
【請求項１５】
前記半導体材料は、Ｓｉ０．９５Ｇｅ０．０５である、請求項１４に記載の光回路。
【請求項１６】
前記半導体材料は、深い準位のエネルギー状態を生じるためにインジウム及びタリウムの少なくともいずれか一つでドープされる、請求項１４に記載の光回路。
【請求項１７】
前記半導体材料は、前記深い準位のエネルギー状態を実質的に占有準位にするか、若しくは空準位にするか、または、前記深い準位のエネルギー状態における光活性を向上するように機能する、共ドーパントをも含む、請求項１４に記載の光回路。
【請求項１８】
前記共ドーパントは、カーボンである、請求項１７に記載の光回路。
【請求項１９】
前記共ドーパントは、ヒ素、リン、及びカーボンからなる群から選択される、請求項１７に記載の光回路。
【請求項２０】
第１電極と；
第２電極と；
前記第１電極及び第２電極との間の中間層とを備え、
前記中間層は、伝導帯、前記伝導帯よりも低いエネルギー準位での価電子帯、伝導帯及び価電子帯間に導入された深い準位のエネルギー状態で特徴づけられる半導体材料を備え、
前記半導体材料は、前記深い準位のエネルギー状態を実質的に占有準位にするか、若しくは空準位にするか、または、前記深い準位のエネルギー状態における光活性を向上するように機能する、共ドーパントをも含む、光検出器。
【請求項２１】
前記第１電極は、第１半導体材料を有する、請求項２０に記載の光検出器。
【請求項２２】
前記第２電極は、第２半導体材料を有する、請求項２１に記載の光検出器。
【請求項２３】
前記第１電極への第１接触領域と、前記第２電極への第２接触領域と、をさらに備える、請求項２０に記載の光検出器。
【請求項２４】
最初に言及した半導体材料は、ＳｉＧｅ合金を有する、請求項２２に記載の光検出器。
【請求項２５】
前記最初に言及した半導体材料は、Ｓｉ０．９５Ｇｅ０．０５である、請求項２４に記載の光検出器。
【請求項２６】
前記第１半導体材料は、深い準位のエネルギー状態を生じるためにインジウム及びタリウムの少なくともいずれか一つでドープされる、請求項２４に記載の光検出器。
【請求項２７】
前記半導体材料は、前記深い準位のエネルギー状態を実質的に占有準位にするか、若しくは空準位にするか、または、前記深い準位のエネルギー状態における光活性を向上するように機能する、共ドーパントをも含む、請求項３１に記載の光検出器。
【請求項２８】
前記第１半導体材料は第１ドープシリコンを有し、前記第２ドープ半導体材料は第２ドープシリコンを有する、請求項２４に記載の光検出器。
【請求項２９】
前記第１ドープシリコンと前記第２ドープシリコンとは逆の導電型である、請求項２８に記載の光検出器。
【請求項３０】
前記第１ドープシリコンと前記第２ドープシリコンとは同一の導電型である、請求項２８に記載の光検出器。
【請求項３１】
前記第１ドープ半導体材料及び第２ドープ半導体材料は、Ｎ型である、請求項３０に記載の光検出器。
【請求項３２】
前記第１ドープ半導体材料及び第２ドープ半導体材料は、Ｐ型である、請求項３０に記載の光検出器。
【請求項３３】
前記第１ドープシリコン及び第２ドープシリコンのドーピング量は、前記中間層からの距離の関数で増大する、請求項２８に記載の光検出器。
【請求項３４】
基板上または基板中に導波路を作製する処理と；
前記導波路における選択された部分に亘って光検出器を作製する処理と；を有し、
前記導波路を作製する処理は、
第１被覆加工材料を堆積する処理と；
伝導帯と、前記伝導帯よりも低いエネルギー準位での価電子帯とで特徴づけられる、半導体材料であるコア材料を、前記第１被覆加工材料上に堆積する処理と；
前記コア材料上に第２被覆加工材料を堆積する処理と；を有し、
前記光検出器を作製する処理は、
前記第１被覆加工材料から第１伝導電極を製造する処理と；
半導体材料における伝導帯及び価電子帯間に深い準位のエネルギー状態を導入する処理を有する、前記コア材料から中間層を製造する処理と；
前記中間層上の前記第２被覆加工材料から第２伝導電極を製造する処理と；を有する、光回路の作製方法。
【請求項３５】
前記中間層を製造する処理は、
前記深い準位のエネルギー状態を実質的に占有準位にするか、若しくは空準位にするか、または、前記深い準位のエネルギー状態における光活性を向上するように機能する共ドーパントを、最初に言及した半導体材料に導入する処理をも含む、請求項３４に記載の光回路の作製方法。
【請求項３６】
第１伝導電極を製造する処理と；
伝導帯と、前記伝導帯よりも低いエネルギー準位での価電子帯とで特徴づけられる、半導体材料を有する中間層を、前記第１伝導電極の頂部上に製造する処理と；
前記中間層上に第２電極を製造する処理と有し、
前記中間層を製造する処理は、
伝導帯及び価電子帯間の半導体材料中に深い準位のエネルギー状態を導入する処理と、
前記深い準位のエネルギー状態を実質的に占有準位にするか、若しくは空準位にするか、または、前記深い準位のエネルギー状態における光活性を向上するように機能する共ドーパントを、前記半導体材料中に導入する処理と、を含む、光検出器の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、光検出器及びかかる検出器の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光信号分配ネットワークを半導体基板内に構築するためには、光信号を分配する良好な光導波路を作製する必要があり、他の回路と連動するための電気信号に光信号を変換させるエレメントを作製する必要がある。光信号の抽出は、２つの方法で達成できる。一つは、光信号自体を導波管から抽出して、必要な形態に変換しうる他の回路に搬送するものである。また、もう一つは、光信号を電気的な形態に導波路中で変換して、該電気信号を他の回路に搬送するものである。光信号を光信号として抽出するには、導波路内における鏡、格子、またはカプラー、または、これらの機器のように機能する他のエレメントを用いることが含まれる。このような機器の構築に使用し得る技術例が科学文献に記載され、その数は益々増大している。光信号を電気信号として抽出するには、導波路内の検出器、すなわち、光信号を電気的な形態に変換する回路エレメントを用いることが含まれる。このことを達成するために用いられ得る検出器設計の例も、科学文献に記載され、その数も益々増大している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特定の光信号分配ネットワーク設計の枠組みが制限されて、いかなるこの種の設計も比較的作製が容易で経済的であるべきという実用性が考慮される場合に、許容できる光分配ネットワークを製造するエレメントの組み合わせを見出す試みが増大してきている。
【０００４】
シリコンおよびＳｉＧｅ合金（例えば、ＳｉｘＧｅ１−ｘ）の組み合わせは、容易かつ経済的に光信号分配ネットワークを作製しうることから、有用な材料の組み合わせとして注目されている。ＳｉＧｅ合金を用いることで、シリコン基板中に導波路を作製することが可能となる。ＳｉＧｅ合金の屈折率は、シリコンのそれよりもわずかに高い。例えば、５％のＧｅを有するＳｉＧｅ合金（すなわち、Ｓｉ０．９５Ｇｅ０．０５）は約３．５２の屈折率を有するが、シリコン結晶は、例えば、約３．５０未満の屈折率を有する。故に、ＳｉＧｅ合金核がシリコン基板中に形成されている場合、これらの屈折率の違いにより、ＳｉＧｅ合金核に内部反射を通して光信号を収容することが十分に可能となる。さらに、この特有な材料の結合は、光回路を作製するために半導体作製技術に基づいた従来型のシリコンの使用に好適である。
【０００５】
もちろん、このようなシステムを光信号分散ネットワークとして作動させるために、光信号は、Ｓｉ及びＳｉＧｅのいずれをも透過する波長を有していなければならない。これらの材料のバンドギャップエネルギーは約１．１ｅＶであるので、これらは１１５０ｎｍより大きい波長を有する光波長を透過する。純粋なシリコンよりもＳｉＧｅ合金の使用により生じるバンドギャップエネルギーが減少すると、吸収損失を極低にするために（約１ｄｂ／ｃｍまたはこれ未満）、１２５℃より高い温度操作が、１２００ｎｍ、またはさらに１２５０ｎｍよりも長い波長でさらに必要となり得る。しかし、このような波長を有する光信号に対するこれらの材料における透過性によって、別な問題がもたらされる。これらの材料は、一般的に光信号を電気的形式に変換し得る検出器を構築するのに適していない。良好な検出器であるためには、その材料は、電気的に検出され得る有用な電荷を生成するために光をある程度吸収可能でなければならない。すなわち、光信号は、電気的出力信号を生み出すために検出器内において価電子帯から伝導帯への電子遷移を発生可能でなければならない。しかし、１１５０ｎｍより大きい波長では、シリコンまたはＳｉ０．９５Ｇｅ０．０５合金において室温で電子遷移によって有用な吸収を行うには長すぎる。１３００ｎｍの波長では、対応するフォトンエネルギーは約０．９５ｅＶであり、シリコン及びＳｉ０．９５Ｇｅ０．０５における室温でのバンドギャップをはるかに下回り、その結果、価電子帯から伝導帯への遷移を引き起こすのに必要な量をはるかに下回る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
全般に、本発明の一面において、光回路を特徴とする。前記光回路は、半導体基板と；前記半導体基板中または前記半導体基板上に形成された光導波路と；そして、作動中に光導波路からの光信号を受信するために光導波路に沿って配列され、前記半導体基板中または前記半導体基板上に形成された光検出器と；を備える。前記光検出器は、第１電極と；第２電極と；前記第１電極及び第２電極との間の中間層とを備える。前記中間層は、伝導帯、前記伝導帯よりも低いエネルギー準位での価電子帯、伝導帯及び価電子帯間に導入された深い準位のエネルギー状態で特徴づけられる半導体材料を備える。
【０００７】
他の実施の形態では、１または２以上の以下の特徴を備える。前記光検出器は、導波路中に形成され、前記導波路は、前記基板中のトレンチの中に形成されている。前記基板は、シリコンを有している。前記光導波路は、ＳｉＧｅ合金で作られるコアを備えている。前記第１電極は第１ドープ半導体材料を有し、前記第２電極は第２ドープ半導体材料を有し、前記第１ドープ半導体材料及び前記第２ドープ半導体材料とは同一の導電型である。前記第１ドープ半導体材料は第１ドープシリコンを有し、前記第２ドープ半導体材料は第２ドープシリコンを有する。前記第１ドープシリコンと前記第２ドープシリコンとは逆の導電型であるか、あるいは、前記第１ドープシリコンと前記第２ドープシリコンとは同一の導電型である。前記第１ドープ半導体材料及び第２ドープ半導体材料は、いずれもＮ型であるか、いずれもＰ型である。前記第１ドープ半導体材料及び第２ドープ半導体材料のドーピング量は、前記中間層からの距離の関数で増大する。前記半導体材料は、ＳｉＧｅ合金であり、例えばＳｉ０．９５Ｇｅ０．０５である。前記半導体材料は、深い準位のエネルギー状態を生じるためにインジウム及びタリウムの少なくともいずれか一つでドープされる。前記半導体材料は、前記深い準位のエネルギー状態を実質的に占有準位にするか、若しくは空準位にするか、または、前記深い準位のエネルギー状態における光活性を向上するように機能する、共ドーパントをも含む。前記共ドーパントは、カーボンであるか、ヒ素、リン、及びカーボンからなる群から選択される。
【０００８】
全般に、他の面において、本発明は、光回路を特徴とする。前記光回路は、第１電極と；第２電極と；前記第１電極及び第２電極との間の中間層とを備え、前記中間層は、伝導帯、前記伝導帯よりも低いエネルギー準位での価電子帯、伝導帯及び価電子帯間に導入された深い準位のエネルギー状態で特徴づけられる半導体材料を備え、前記半導体材料は、前記深い準位のエネルギー状態を実質的に占有準位にするか、若しくは空準位にするか、または、前記深い準位のエネルギー状態における光活性を向上するように機能する、共ドーパントをも含む。
【０００９】
全般に、さらに他の面において、本発明は以下を含む光回路の作製方法を特徴とする。前記光回路の作製方法は、基板上または基板中に導波路を作製する処理と；前記導波路における選択された部分に亘って光検出器を作製する処理と；を有し、前記導波路を作製する処理は、第１被覆加工材料を堆積する処理と；伝導帯と、前記伝導帯よりも低いエネルギー準位での価電子帯とで特徴づけられる、半導体材料であるコア材料を、前記第１被覆加工材料上に堆積する処理と；前記コア材料上に第２被覆加工材料を堆積する処理と；を有する。前記光検出器を作製する処理は、前記第１被覆加工材料から第１伝導電極を製造する処理と；半導体材料における伝導帯及び価電子帯間に深い準位のエネルギー状態を導入する処理を有する、前記コア材料から中間層を製造する処理と；前記中間層上の前記第２被覆加工材料から第２伝導電極を製造する処理と；を有する。
【００１０】
他の実施の形態では、前記中間層を製造する処理は、前記深い準位のエネルギー状態を実質的に占有準位にするか、若しくは空準位にするか、または、前記深い準位のエネルギー状態における光活性を向上するように機能する共ドーパントを、最初に言及した半導体材料に導入する処理をも含む。
【００１１】
全般に、さらに他の面において、本発明は以下を含む光検出器の作製方法を特徴とする。前記光検出器の作製方法は、第１伝導電極を製造する処理と；伝導帯と、前記伝導帯よりも低いエネルギー準位での価電子帯とで特徴づけられる、半導体材料を有する中間層を、前記第１伝導電極の頂部上に製造する処理と；前記中間層上に第２電極を製造する処理と有する。前記中間層を製造する処理は、伝導帯及び価電子帯間の半導体材料中に深い準位のエネルギー状態を導入する処理と、前記深い準位のエネルギー状態を実質的に占有準位にするか、若しくは空準位にするか、または、前記深い準位のエネルギー状態における光活性を向上するように機能する共ドーパントを、前記半導体材料中に導入する処理と、を含む。
【００１２】
本発明における少なくともいくつかの実施の形態における重要な利益の一つは、本発明の位検出器は特に熱的に強固であるということである。すなわち、検出器は、後のトランジスタ作製の間のウエハにおける一連の熱サイクルに耐えることができる。それ故、検出器は、微小電子部材を作製するためのさらなる処理を経ることが予定される光学的に準備された基板または半導体ウエハにおいて使用することができる。
【００１３】
本発明のいくつかの実施の形態は、後述する光学的に準備された基板における使用に特に好適である。他の実施の形態は、電気通信のような領域におけるさらに一般的な領域に適用される。
【００１４】
本発明の他の特徴や利益は、以下の説明及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［不純物に基づく検出器］
本発明の一実施の形態において、不純物に基づく検出器は、シリコン及びＳｉＧｅ合金から成り、１１５０ｎｍよりも長い波長での光信号を含むシリコン及びＳｉＧｅ合金の吸収限界に対応する波長よりも長い波長の光信号を十分に検出する。前記検出器は、ＳｉＧｅ合金のバンドギャップエネルギー領域内に深いエネルギー準位を生成する材料でドープすることによって導波路の核を形成するＧｅを典型的に約５％でＳｉＧｅ合金中に有する導波路内に作製される。すなわち、ドーパントは、１１５０ｎｍよりも大きい波長の光信号が、このドーパント注入状態といずれかの帯との間で、電子の遷移を引き起こす伝導帯または価電子帯から十分に離れたエネルギー状態を生み出し、電流用に自由電荷を生成し、それにより光信号を検出するという特徴を有する。
【００１６】
周期表内において、半導体内で深いエネルギー準位を生じる多数の元素が存在している。特に、２つの元素が、シリコン半導体製造産業において典型的に見出される従来の作製処理に組み込まれ得る検出器を構築するために重要な多くの特性を共有している。これら２つの元素は、タリウムとインジウムである。図１を参照すると、このタリウムとインジウムは深いアクセプタ状態２を生成する。そしてこのことは、これらのエネルギー状態が伝導帯６よりも価電子帯４に近く、しかし、１２００ｎｍより長い波長が効率的に吸収できるように価電子帯から上方に十分に離れていることを意味している。インジウムは、価電子帯より上方の約１６０ｍｅＶでアクセプタ状態となり、タリウムは、価電子帯より上方の約２６０ｍｅＶでアクセプタ状態となる。これらの元素のいずれも、他の超小型電子機器が後に作製される光学的処理の準備された基板において使用された場合に、検出器が経験し得る通常の作製及び動作温度下で実質的に留まる十分に遅い拡散率を有している。すなわち、このタリウム及びインジウムは、ウエハが露光される一連の熱サイクルの間に、検出器の外部に拡散しない。
【００１７】
不純物状態は、Ｓｉ又はＳｉＧｅ合金中に組み込まれた時に、バンド端でのより複雑な相互作用を通して、深いエネルギー準位での幅広い又は滑らかな分布を発生し得るということもまた注意すべきである。従って、幅広い不純物吸収スペクトルは、バンド吸収の延長またはテイリングとして現れる、バンド端付近で発生し得る。この幅広いスペクトルは、光量子エネルギーから吸収エネルギーを非共鳴に移動させて温度変化に伴う吸収に悪影響を与える虞のあるバンドギャップにおける温度シフトを知る目的で検出器の許容範囲を助けるのに、全体的に有用である。
【００１８】
説明する実施の形態において興味のある、不純物に基づいた検出器のＳｉＧｅ合金における遷移には、不純物の効果によるエネルギーギャップで延長され又は追尾されたエネルギー状態を経由した価電子帯から伝導帯への遷移、または、より離れた帯域の深いアクセプタ状態から伝導帯への遷移がある。電気的検出信号を生成するのがこれらの遷移である。ＳｉＧｅ合金がインジウム又はタリウムにドープされたとき、原子価状態の多くがイオン化されて、ｐ型半導体材料を特徴づけるホールを生成する。深いアクセプタ状態における電子群を増大させるために、すなわち、利用可能なアクセプタ部位を充填するために、ＳｉＧｅ合金は例えばＡｓ又はＰなどのドナー材料でもドープされる。ドナードーパントからの電子により、アクセプタ部位が充填され、これにより電子の伝導帯への遷移を助けるために利用可能なアクセプタ部位の数が増加する。このアクセプタ部位の充填により、後述するＰＮダイオード構造内における隣接するＮ型領域中のドナーから電子の遷移も発生し得る。
【００１９】
共ドーパントの使用により、後述する光伝導型検出器モードにおける他の利益がもたらされる。前記深い準位のアクセプタドーパントにより発生したホールを充填していくと、このアクセプタドーパントの材料を介して伝導を促進する自由電子及び／又はホールの数が減少して、それ故その材料の抵抗が増大する。光伝導型検出器において、不純物に基づくＳｉＧｅ合金は２つの同一の型の電極（Ｎ型又はＰ型）間における固有の又は低電荷領域用の材料として用いられる。この領域における抵抗が低くなるにつれて、光信号の欠落した機器で生じる暗電流が高くなる。この暗電流は出来るだけ低く抑えることが望ましい。深い準位の状態に沿って共ドーパントと反対の型を導入することで、この目的の達成に役立つ。共ドーパントが固有材料の作製に必要以上、または電荷平衡の形成に必要以上に増大した場合、前記材料は他の帯域において異符号の電荷を有し得る。これにより、帯域幅又は速度を犠牲にして、より大きいゲインを発生しうる光トランジスタ効果が導かれる。この機器は、後でより詳細に説明する。
【００２０】
共ドーパントを用いることでホール及び電子の集団が増大することで、他にも利益がもたらされる。この集団の増大により、自由電荷における再結合の時間の減少に役立つ。この再結合の時間は、光信号を感知した後に復帰するための検出器にとって必要な時間であり、光伝導型検出器においては必須である。つまり、この集団の増大は、電子及びホールの再結合比を増大させ、それにより、より多くの電子及びホールを一緒にすることで機器の速度を増大させる。
インジウム及びタリウムのいずれも、Ｓｉ及びＳｉＧｅ合金における低い固溶度を有するという特徴がある。このことは、シリコン格子がもはや許容できなくなる前に前記シリコン格子にそれぞれの材料をどれだけ添加し得るかの上限の存在を意味している。最適なドーピングレベルは、約１０１６ｃｍ−３から１０１８ｃｍ−３の範囲であるように思われる。タリウムの場合、最高のドーピングレベルは、典型的に約２×１０１７ｃｍ−３である。この有効密度を増大させて、これにより前記材料から作製される検出器の効率を増大させるためには、シリコン格子中における前記材料の固溶度を増大させる共ドーパントを添加すればよい。本質的に、共ドーパントは、格子中の部位において深い準位のドーパントを保持しており、このドーパントが前記格子の外に出ることを抑制する。インジウムの場合、かかる機能を達成する共ドーパントの例としては、カーボンがある。インジウム及びタリウムの活性化に役立ち得る他の共ドーパントには、ヒ素、リン、及びアクセプタ部位を単に満たすのに必要な濃度より高い他のＮ型ドーパントが含まれる。
【００２１】
言い換えれば、タリウム又はインジウムに伴って一または二以上の適切な共ドーパントを用いるのには、少なくとも４つの理由がある。第１に、これらは、空のホールを満たしてこれにより光信号を吸収するために使用可能な電子の数を増大させることで（すなわち検出器の感度を増大させることで）、アクセプタ不純物を帯電させるために用いられ得る。第２に、これらは、自由電荷の数を減少させることで高い暗抵抗を得るために用いられ得る。第３に、これらは、自由電荷の再結合の時間を減少させるのに役立たせるために（すなわち、再結合の比率を増大させるために）用いられ得る。そして第４に、これらは、光学的に活性化するために格子間の部位に換えて深い水準のアクセプタ元素が格子を占有する可能性を高めるのに役立たせるために用いられ得る。すなわち、これら共ドーパントは、シリコン格子上でより優れた活性化をもたらし得る。
【００２２】
加えて、共ドーパントはまた、この状況において、他の有用な機能を供し得る。例えば、これら共ドーパントは、他の共ドーパントの拡散係数を抑制するために用いることができ、または、熱サイクル或いは高温での操作によりホスト格子中において非活性化する前記深い水準のアクセプタドーパントの非活性化を抑制させる目的で前記アクセプタドーパントの熱的安定性を増大するために用いることができる。
【００２３】
ここで記述した通りの機能を１または２以上供する多くの共ドーパントが存在する。例えば、インジウムの場合には、カーボン、ＩＶ族元素が、シリコン格子中におけるインジウムの固溶度を増大するように作用する。幅広く用いられるヒ素やリンを含む、多数のＶ族元素は、多くの機能を供する。例えば、ヒ素は、伝導帯から約１４ｍｅＶのエネルギー状態を生じるドーパントである。インジウムまたはタリウムと共に使用される場合に、ホールを電子で充填して、これにより伝導帯への遷移を経ることのできる電子の集団を増大させることにより、インジウム又はタリウムの性能を著しく増大させる。ヒ素は、より多くのインジウムまたはタリウムを格子中に入り込むことを可能にすることにより、役立つと考えられる。そして、インジウムの場合、より幅広いスペクトルを生じるインジウムを伴ったより複雑な微細構造が現れる。
【００２４】
Ｖ族元素のアンチモン（Ｓｂ）はＴｌの固溶度を増大させるために有効な共ドーパントであり、Ｖ族元素のビスマス（Ｂｉ）はＩｎの固溶度を増大させるために有効な共ドーパントであることもまた、報告されている（例えば、１９７０年、Mayer,Eriksson,and Davies著、“Ion Implantation in Semiconductors”参照）。
【００２５】
［検出器の作製方法］
不純物に基づいた検出器を製作するための例示的方法が、図２Ａにおける流れシーケンス説明図に示されている。この例では、検出器はシリコン基板３００中に製作される。しかし、例えばＳＯＩ基板、絶縁材料、又は低指数材料、同様の名称のもの、といったものに製作され得る導波路中に、他に類似の任意に選択された基板上に検出器は製作され得る。この製造工程は、例えばエッチングによって、トレンチ３０２を形成することで開始される。このトレンチ３０２は、検出器の外側の境界線を画定するものである（図２Ａ）。トレンチ３０２のエッチングは、例えばプラズマエッチングのような、半導体製作技術において広く用いられる多数のエッチング技術を用いて行われる。
【００２６】
トレンチ３０２が作製された後、下部電極層３０４が基板３００の表面上及びトレンチ３０２の中に堆積する（図２Ｂ）。この下部電極は、低い電気抵抗のため高い伝導性を有する。電極層３０４では、例えば、ドーパントがリン、ヒ素、アンチモン、又はビスマスであるｎ型で高ドープされたシリコンからの電子を用いて、通電がなされ得る。あるいは、電極では、ドーパントがボロン、アルミニウム、ガリウム、又はインジウムであるｐ型で高ドープされたシリコンでのホールを用いて、通電がなされ得る。この堆積の目的は、トレンチに適合させるがトレンチを充填しない伝導層を形成することである。むしろ、この堆積で、後述のいくつかの追加される層が堆積するのを許容する十分に大きなサイズでトレンチを小型化して残存させる。
【００２７】
この層は、この電極の抵抗によって電極からの電流が外部の感知回路に効率的に流れることを妨げられない十分なレベルでドープされるべきである。このことは、全ての電極の直列抵抗が、感知回路の抵抗と同等かそれ未満であるべきことを意味する。他方では、過剰なドープにより、検出器の効率を低減する自由電子の散乱及び吸収を引き起こすおそれがある。電極におけるドーピングの有用な範囲は、１０１６ｃｍー３から１０１９ｃｍー３であり、最適値は設計上必要な損失や抵抗に依存する。さらに、改良された設計においては、高い光出力の領域では低いドーピングがされ、低く見えるまたは光出力の無い領域における抵抗を低くするために高いレベルで電極がドーピングされた、非均一でのドーピングがされた電極が使用されるであろう。その一方、不純物ドーパントによって生じる有用な吸収は、高い光出力の領域において最適に位置される。このドーパントの厚さが増大すると、検出された光により照射される長さで吸収が増大する。しかし、ドーパントの領域が厚くなると、検出器の反応速度が減少する。例えば、２０ピコ秒より早い反応速度を有する検出器を作製するためには、ドーパントは約３０ｎｍ厚さ未満に位置させるべきである。
【００２８】
下部電極層３０４が堆積した後、ＳｉＧｅ合金の第１中間層３０６がその頂部に堆積する（図２Ｃ）。第１中間層３０６は、連続する処理で１または２以上の共ドーパントを収容し、検出器構造における中間部分の片方を現すホスト材料である。この材料は、光を保持する導波路構造として機能するために、シリコン電極よりも高い屈折率が必要である。それ故、Ｇｅのパーセンテージは、例えば、少なくとも約２％程度、でほぼ選択されたものが必要となる。
【００２９】
インジウム又はタリウムのような、ドーパント３０８を含有する深い水準のエネルギー状態では、次の工程の間中間層から外に気化しない十分な深さで、第１中間層３０６に埋め込まれる（図２Ｄ）。１または２以上の共ドーパントもまた、第１中間層３０６に埋め込まれる。この埋込は、深い水準でアクセプタのドーパントを埋め込む前、間、または後に行ってもよい。前記共ドーパント材料が複数の機能を有する場合には、単一の共ドーパントだけを使用するようにしてもよい。共ドーパント材料が１つの機能しか供しない場合（例えば、シリコン格子での深い準位のアクセプタにおける固溶度の増大）、複数の共ドーパント材料を用いることが適切であろう。言い換えれば、このフェイズ中に選択される共ドーパントの種類及び数は、達成したい結果に依存する。
【００３０】
適切な複数のドーパント材料３０８を第１中間層３０６に共に埋め込みした後、シリコン又はＳｉＧｅ合金における第２中間層３１０が第１中間層３０６上に堆積する（図２Ｅ）。再度の堆積の量は、直前の堆積後に残存するトレンチを充填しないように選択される。これは、電極における最終堆積のための余地を残すためである。
【００３１】
最終的に、上部電極層３１２が第２中間層３１０の上に堆積される。下部電極３０４と同様に、上部電極３１２は、ドーパントがリン、またはヒ素、アンチモン、またはビスマスであるｎ型に高ドープされたシリコンであっても良い。あるいは、前記電極は、ドーパントがボロン、アルミニウム、ガリウム又はインジウムであるｐ型に高ドープされたシリコンでホールを用いて通電を行うようにしても良い。
【００３２】
上部電極３１２が堆積された後、この構造物は、前記共埋め込み物が第１及び第２中間層３０６、３１０中に拡散が生じるように、十分な高温かつ十分長い時間で、熱処理（例えばアニール）される。通常のアニールは、典型的で１０５０℃で行われる。必要とされるアニール時間及び温度は、ドーパントの拡散係数と、第１及び第２中間層の厚さとで、決定される。このアニールは、上部電極が堆積された後における任意の適切な時間に発生させることができ、上部電極の形成の直後に行う必要はない。
【００３３】
最終的に、不純物型の検出器が、シリコン基板中にも製作された導波路構造の一部である場合、及び／又は、片側から接続がなされる光学的処理の準備された基板の一部である場合、前記構造物は平坦化される（図２Ｇ）。この平坦化処理は、化学機械研磨（ＣＭＰ）を用いて行われ得るが、シリコン基板３００の表面より上側の堆積層を除去することを意味する。これにより、下部及び上部電極層３０４、３１２に対する接触部３１４、３１６がそれぞれ露出される。
【００３４】
前述したように、不純物に基づいた検出器は、前記導波路の作製作製工程の間にも前記導波路の内部及び一部として形成され得る。例えば、シリコン基板が使用される場合には、トレンチは導波路が形成される位置を画定する。このトレンチ内に堆積されるＳｉＧｅは、検出器が形成されるトレンチに沿う領域または位置を除いて、主に導波路として機能する。この場合、層３０８に導入されたドーパントは、標準的なフォトリソグラフィックなパターニングの使用によって検出器が要求される領域のみに選択的に埋め込まれる。この導波路の領域におけるパターニングされた区域は、大部分の導波路が光の透過に用いられる光回路において特に有用であり、導波路における選択された領域は、層３０８をこれらの領域に選択的に埋め込むことによって、光の吸収に用いられる。電極ドーパントも、導波路の透過領域における自由電子の散乱及び吸収からの非生産的な光学的損失を低減するために、検出器内のみに埋め込まれ得る。
【００３５】
吸収される不純物または伝導される電極ドーパントの導入は、前述したような層の成長後に高エネルギーで埋め込むことにより、またはＳｉ及びＳｉＧｅ合金のエピタキシャル成長の間にこれらの元素の付加的なガスまたは流体を用いることによって代換的に組み込むことにより、行われ得る。後者の場合には、ドーパントの選択的なパターンは、選択的なエピタキシャル成長によって行われ得る。これは、シリコンまたはドープされたシリコンの成長が要求されない領域における酸化シリコンまたは窒化シリコンのようなマスク材料のパターニングを必要とする。そして、エピタキシャル成長が露出したＳｉＧｅ合金表面上だけで発生して、マスク材料上では発生しないように、基板温度及び成長率が調整される。
【００３６】
上述した導波路は、導波路及び含有した不純物に基づいた検出器を形成するためのトレンチを用いる例に示されている。導波路及び検出器を製作するために、トレンチの代わりに稜構造にも用いることができる。例えば、類似の機能を有する導波路検出器は、光導波路の通路を描くシリコンの稜線を基板上に形成することによって実現される。そして、３つの層は、不純物に基づいた検出器において２つの電極及び中間の不純物ドープ領域で示されているが、シリコンの稜線に適合して覆うために、基板上に堆積される。この最適な材料をエッチングで除去した後に、前記３つの層は、光導波路を形成し、上述したようにドーピングが適切に修正される領域内において、導波路内で不純物に基づく検出器を形成する。他の物理的な実施の形態において、前記複数の層は、平坦な表面上に成長することができ、そして、導波路になる一片の片側上の材料はエッチングで除去される。エッチングで除去された２つの片の間の材料は、導波路、及び、検出器の配置が要求される領域を示し、導波路を作製する層のドーピングは、上述の位置で不純物に基づく検出器を備えるための製作期間によって修正される。充填材料も、導波路の側壁及び不純物に基づく検出器を確定する目的で導波路の片側上のエッチングされた部分を充填するために堆積され得る。これらの部分を充填するために使用される材料の性質は、前記材料が光信号の制限に役立つように設計されるか、前記検出器に電気的に接続されるか、のいずれかによる。例えば、水平方向における光信号の制限に役立たせることが目的の場合、充填材料は、検出器及び導波路を作製する材料よりも平均的に低い屈折率を有しているべきである。
【００３７】
もちろん、検出器が独立した機器として使用されるか、いくつかの他の環境下で使用される場合、上述したような、下部電極用の接触部を露出するために前記検出器の構造を平坦化させる必要はないであろう。むしろ、一つの接触部を上方から上部電極へ作製して、他の接触部を前記構造の裏側を介して下方から下部電極へ作製してもよい。さらに他の代換として、頂部から下部電極を接触するために絶縁されたコンタクトホールを形成することである。
【００３８】
一つの実施の形態における、任意の場合では、最終ステップに、前記構造全体に亘って絶縁層３１８を堆積して、前記絶縁層３１８を介して前記下部及び上部電極のそれぞれの上部の接触部３１４、３１６にコンタクトビア３２０、３２２を形成し、前記ビアの底部でオーム接触を形成するために、例えばアルミニウムなどの金属を前記ビア内に堆積し、そして、前記ビアの底部でオーム接触に電気的接続を供する金属（例えば、タングステンプラグ）でビア３２０及び３２２を充填する、処理を含む。もちろん、この機器が埋め込まれる回路に依存して、前記構造の頂部上に他の多くの層が堆積してもよい。であるから、前記コンタクトビアの形成過程は、さらに多くの作製過程を含んだ後に行われ得る。加えて、前記機器が光学的に準備されたウエハの一部である場合、下部及び上部電極への最終接続は、光学層の上に超小型電子半導体を作製する会社のような他者によって行われ得る。
【００３９】
図３を参照すると、上述したように検出器を作製する時には留意すべき多くの考慮すべき事項が存在する。一例を挙げると、検出器が導波路と接続される場合、導波路からの光エネルギーは、検出領域４００に伝播させる必要がある。それ故、このエネルギーの結合を最適化するために、導波路のモードを検出器のモードに注意して一致させることは重要である。
【００４０】
１３００ｎｍの光信号を伝えるように設計されたＳｉＧｅ合金の導波路の場合、約１μｍの深さと３μｍの広さのコアが良好に作動することを、我々は見いだしている。この設計の導波路に対して、検出器にとっての良好な配置が図２に示され、その寸法は以下の通りである。上部電極の広さ“ａ”は約１．０μｍであり；上部電極の深さは約０．２５μｍであり、検出領域の広さ“ｂ”は約０．７５μｍであり；検出領域の深さ“Ｈ”は約１．０μｍであり；下部電極の広さ“Ｗ”は約１．０μｍである。高速の性能のためには、検出器の直列抵抗を出来るだけ抑制することが好ましい。５０オームインピーダンスの伝送回線を通したプロービングを伴う高速の操作のためには、前記表面上の接触部への下部電極における抵抗Ｒの上限を約１０Ω未満に維持することが望ましい。トランジスタのような高抵抗の局部的なセンサで高速の操作をするには、有用な抵抗は、検出器の長さ全体に亘ってマイクロメータで１０００オームから３０００オームの範囲より大きくても良い。この抵抗の限界値により、製品機器の容量が上述した配列のＰＮダイオードに対してミクロン毎に約２フェムトファラッドとなり、直列抵抗が、上述した高抵抗に対して２から６ピコ秒の反応速度での充電時間を与える。前記広さ“Ｗ”を大きくするとともに前記高さ“Ｈ”を短くすることによって、直列抵抗をより小さくすることができる。また、前記光によって見える領域の外側の付加的な高いドーピングは、自由なキャリアからの光の吸収を増大することなしに、直列抵抗を小さくすることができる。
【００４１】
他に考慮すべきことは、光信号の光を高ドープされた電極領域３０４及び３１２における電子から離しておくことである。これは、下部電極３０４及び上部電極３１２の両方において、検出器を通して伝搬する光のモードからドーピングをぼかすことにより達成され得る。下部電極３０４においてこれを行う１つの方法は、層が堆積されるときに層のドーピングを変化させることである。例えば、堆積の前半部分では、ＮＤ＝１０１８ｃｍ−３でドープされたシリコン層を蓄積していき、堆積の後半部分では、ＮＤ＝１０１７ｃｍ−３で層を蓄積していく。それ故、検出器の中央（すなわち、図２における吸収領域４００）を介して伝搬する前記光に最も接近した電極３０４の領域は、低いドーピングレベルを有し、それ故、散乱を介した光を吸収する電子を供給し難い。同様の手法は、上部電極３１２を堆積するためにも使用でき、接触部が形成される表面知覚の上部電極３１２のより高ドープされる部分に適用される。
【００４２】
これらのドーピングプロファイルは、単一の二項関数よりもさらに複雑であり得る。例えば、これらのドーピングプロファイルは、電極の片側からもう片側に向けて、より連続的な方法で、勾配が形成されている。生成されるこのプロファイルは、層が堆積されるときにドーパントがシステムに対して供給されるという単純な方法である。最終的なドーピングプロファイルは、任意のアニール周期の間におけるドーパントの動作または拡散にさらに依存する。このアニール周期は、任意の設計の最適化において、考慮しなければならない。
【００４３】
全体的に、不純物に基づいた検出器の作製工程の段階中において（すなわち、深い準位のエネルギー状態で埋め込まれた中間層を形成する工程で）、到達点は、特に光／固体相互作用領域内において、及び、好ましくは光の強度が最大になる領域において、検出領域を深い準位のエネルギー状態で重点的にドープするために、イオン注入におけるエネルギー、線量、時間及び温度を選択することである。タリウムまたはインジウムを第１中間層に埋め込む典型的なエネルギーは、１００ｋＶから２００ｋＶの間であり、このエネルギー範囲で多くの商業的に利用可能な注入システムが作動する。一般に、イオンエネルギーは、次の工程間にドーパントをホスト材料中に残存させる目的で、ホストＳｉＧｅ合金（例えば、少なくとも約０．１μｍ）適切な投影範囲を得るために十分な量を必要とする。経済的に有用な注入エネルギーでは、浅い埋込層で、ＳｉＧｅ合金のミクロン厚さよりも小さいミクロン厚さだけしか許容されないために、前記導波路内で光の強度が最大となる地点で不純物を生成するように導波路の成長を抑制することが必要となり得る。
【００４４】
埋込の代換案としては、不純物はＣＶＤまたはＭＢＥによるＳｉＧｅ成長過程のときに組み入れられてもよい。しかし、不純物の配置が所望される領域で成長する期間においてのみ、組み込みが許容される。このインサイチュな不純物成長技術は、ボロン、ヒ素、及びリンの非常に類似な種を用いた異なる層にＰ及びＮ領域のドーピングプロファイルを形成することで、良く知られている。
【００４５】
実際には、注入エネルギーは、数百ＫｅＶ程度の低さでも良いし、または数ＭｅＶ程度の高さでもよい。低い注入エネルギーが使用される場合、浅い注入材料がホスト材料中に拡散可能となる前に、前記使用後の工程中に前記注入材料が脱することを抑制する目的で、他の既存の技術が用いられ易いであろう。この問題に対応するために一般的に使用される良く知られた技術には、ホスト材料中への拡散が発生するまでに適所に注入物を保持する目的でキャッピング層（例えば、ＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４）を用いるものがある。
【００４６】
注入期間中におけるインジウムまたはタリウムのためのターゲット線量は、約０．１μｍの深さに対して、概略的には約１０１２から５×１０１５ｃｍ−２であり、より具体的には約１０１３から１０１４ｃｍ−２である。この注入ドーパントが後に２つの中間層内に拡散したときに、これにより１０１７から１０１８ｃｍ−３の範囲でドーピングされ、もちろん共ドーパントが高濃度に達するように使用されるか否かに依存する。上述したように、ドーピングの増大によって、吸収が増加するとともにそれによる検出器の効率も増加するが、光伝導型検出器における暗電流も増加してしまう。そこで、最適なレベルは、検出器を使用するためのシステムに対する設計の到達点に依存して、これら２つの考慮事項間のトレードオフとなる。
【００４７】
［光学的に準備された基板上での電気回路の作製］
上述したように、不純物に基づいた検出器は、光学的に準備された基板中における半導体電気回路が後に作製される部位に形成することができる。光学的に準備された基板上の電気回路の作製のための一連の工程ステップは、全体的に図４Ａ−Ｊに示されている。
【００４８】
図１Ｆに示された前記構造が例えばＣＭＰを用いて平坦化された後、その結果得られる構造が図４Ａに示されている。前記基板は、電気信号から光信号を生成するレーザーエレメント、光信号を分配する光導波路、導波路上部で作製された回路に光信号を導入するための、または上方からの光信号を受信してこれらの信号を導波路内に導入するための、鏡または他の反射エレメント、といった、図示しない他の光学的部材をも備えている、と考えられる。
【００４９】
光回路上方に形成された平坦化された表面の頂部上には、シリコン層４０２が堆積される（図４Ｂ参照）。この堆積は、例えば、化学気相堆積工程を介したものを含む多くの代換的な方法において行われ得る。結果として得られる層は、ＳＯＩ（silicon-on-insulator）構造を形成するための既知の工程を用いることで、前記層の上部にシリコンウエハが接着され得る表面を備える。ＳＯＩ構造は、絶縁層４０４（例えば、ＳｉＯ２）と、その上方にシリコン層４０６を備え、このシリコン層４０６は、電子回路が作製される基板を備える（図４ｃ参照）。
【００５０】
次に、硬質保護層４０８（例えば、窒化シリコン）が前記表面に亘って堆積し、電気的に隔離されたシリコン島４１２（図４Ｄ参照）を形成する分離開口４１０を形成するためにパターニングされる。適切なマスクを用いた後で、内在する不純物に基づく検出器（図４Ｅ参照）を露出するために、絶縁層４０４及びシリコン層４０２の両方を介してより深い分離開口４１４がエッチングされる。
【００５１】
電子回路をシリコン島中に作製する目的で滑らかかつ平坦な表面を供するために、酸化層４１６（例えば、ＳｉＯ２）は、ウエハの表面に亘って堆積される。そして、ＣＭＰは、工程中に前記堆積した酸化層を平坦化して保護層４０８を除去するために用いられ、それによりシリコン島４１２の上部表面を露出する（図４Ｆ参照）。
【００５２】
前記工程の残りには、内在する不純物に基づいた検出器に電気的に接続することに関する場合を除き、一般の標準的な半導体回路作製過程が含まれる。言い換えれば、トランジスタ４１８及び他の電子部材（図示せず）は、例えば、ＣＭＯＳ作製技術（図４Ｇ参照）などの既知の作製技術を用いてシリコン島に形成される。その後、厚い酸化膜４２０がウエハ全体に亘って堆積されて平坦化される（図４Ｈ参照）。その後に、前記酸化膜の下側の前記部材にコンタクト開口４２２がエッチングされる。この段階においてなされるエッチングは、選択された領域において電子部材（図４Ｉ参照）より低い高さに位置する検出器に開口４２４が深く到達するように、従来のエッチング工程に対して修正される。コンタクト開口が形成された後、要求される相互接続を形成するために、金属４２６が堆積されてパターニングされる（図４Ｊ参照）。このメタライゼーション（金属化）は、全て単一の層中に備わっているように図示されているが、光学的に準備された基板を使用するためにより複雑な回路の場合には、例えばＳｉＯ２などの絶縁層でそれぞれが分離されたメタライゼーションは複数の層を占める。
【００５３】
光学的に準備された基板上に電子回路を作製する工程の上述した記述は、当業者にとって周知である多くの軽微な段階を省略したことに留意すべきである。この説明は、所望の構造を得るための一連の作製ステップの例における高レベルな単なる記述であることを意味している。読み手に関連する全ての工程ステップにおけるさらなる詳細な説明のためには、公的文献において利用可能な他の公的な資料が参照される。
【００５４】
［検出器機器における吸収の用法］
検出器における吸収の方法は多数存在する。吸収領域における極性荷電に対する吸収領域周囲の被覆加工電極層中の半導体ドーピング次第で、検出器機器は、光伝導型検出器、ＰＩＮダイオード検出器、又は光トランジスタであっても良い。
【００５５】
［光伝導型検出器］
不純物領域における被覆加工電極層が不純物領域で同一の多数キャリアを有している場合、前記検出器は光伝導型である。例えば、タリウムまたはインジウムが不純物として用いられる場合には、これらは過多のホールを有するＰ型半導体を形成しがちである。頂部及び底部の被覆加工電極層のいずれもが、ホールを形成するボロンのようなＰ型のアクセプタでドープされている場合にも、機器は光伝導器である。Ｐ型のドーピング及びＰ型電極のドーピングをされている狭いバンドギャップ材料もまた、光伝導器である。光伝導器は、光の吸収によりキャリアが生じたときに、電気抵抗が変化する特性を有している。不純物からの遷移、または不純物への遷移によって生じるキャリアの数が増減する場合、抵抗は変化する。暗電流を低下させるためには、中間の不純物領域は、正味の自由電荷を減少させるために共ドープされ得る。例えば、タリウムまたはインジウムのドーピングは、電子を生成するヒ素で共ドープされ得る。電子が各ホールを埋めるために生成されるが余剰の電子が多く生じないようにヒ素の共ドープが適正にバランスしている場合、不純物領域は電子またはホールからの余分な電荷を低くなるように作られる。この余分な電荷は、抵抗を増大させて、明かりのない、又は暗い光伝導器を通して、電流を低下させてしまう。
【００５６】
［Ｐ−Ｉ−Ｎダイオード検出器］
Ｐ−Ｉ−Ｎダイオード検出器の製作により、光伝導型検出器を特徴づける傾向にある比較的大きい暗電流の問題を解決することができる。前記Ｐ−Ｉ−Ｎ構造は、一方の電極がボロンのようなＰ型アクセプタでドープされて他のバッファ電極がヒ素またはリンのようなドナーでドープされている点を除き、上述した光伝導型検出器と基本的に同一である。この検出器が逆の電気的バイアスで作動した場合、良品質のダイオードを介して低い電流がリークするが、それでも効率的な高速での光の検出を行うことができる。
【００５７】
［光トランジスタ検出器］
さらに他の種類の検出器には、光トランジスタがある。吸収領域の被覆加工電極層は、吸収領域のドーピングによって逆の極性の多数のキャリアを有し、これにより検出器が光トランジスタとなる。例えば、タリウム又はインジウムが不純物として用いられた場合、過多なホールを有するＰ型半導体を形成しがちである。頂部及び底部の被覆加工した電極層のいずれもが、電子を生成するヒ素またはリンのような逆の極性のＮ型アクセプタでドーピングされる場合、前記機器は光トランジスタとなる。光トランジスタは、光吸収により生じた電流を増幅する特性を有している。この増幅は、良く知られたバイポーラＮＰＮトランジスタによる効果であるが、この場合トランジスタのベース電流は、第３の連結ワイヤよりむしろ光吸収により供給される。
【００５８】
光伝導器、光ダイオード、及び光トランジスタについて説明してきたが、これらは、より一般的には光伝導型検出器及び光ダイオード検出器としてそれぞれ参照され得る単に特別な例であることが理解されるべきである。言い換えれば、前記電極は、Ｎ型またはＰ型に制限されず、金属電極であってもよい。加えて、吸収領域（すなわち、Ｉ−領域）は、絶縁体、弱伝導領域、または、高伝導領域であってもよい。
【００５９】
上述した埋込式のＳｉＧｅ合金に基づく検出器は、光学的に準備された基板の作製において特に有用であると考えられる。この種の基板としては、２００２年１０月２５日に提出されて“Optical Ready Substrates”という名称の米国特許出願第１０／２８０，５０５号明細書、及び、２００２年１０月２５日に提出されて“Optical Ready Wafers”という名称の米国特許出願第１０／２８０，４９２号明細書において詳細に記載されているようなものがあり、これらの文献は参照として本出願に組み込まれる。光学的に準備された基板に関連して言及されている導波路の幾つかは、ＳｉＧｅ合金導波路である。このような導波路を作成する方法は、公的に利用可能な文献に記載されている。この種の文献には、２００１年５月２４日に提出されて“Method for Fabricating Waveguides”という名称の米国特許出願第０９／８６６，１７２号明細書、及び、２００１年１２月１１日に提出されて“Waveguides Such as SiGeC alloy Waveguides and Method of Fabricating Same”という名称の米国特許出願第１０／０１４，４６６号明細書において記載されているものが含まれており、これらのいずれも参照として本出願に組み込まれる。
【００６０】
前記埋込式の検出器は、ＳｉＧｅ合金導波路が製作された後に製作されてもよく、あるいは、その前に製作されてもよい。また、前記検出器は、光導波路の一部であってもよく、あるいは、光導波路の末端として形成されてもよい。
【００６１】
加えて、例えば、ダイオード、自由空間検出器、変調器、トランジスタ、及びさらに複雑な回路エレメントといった光変換を用いる多数の異なる回路部材において、本明細書で上述した原理により利益が得られる。すなわち、本発明は、導波路中またはこれに隣接して作成された光検出器だけに限定されるものではない。
【００６２】
［他の実施の形態］
上述した前記実施の形態では、ＳｉＧｅ合金を半導体として用いている。他の別の半導体では、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＳｉＧｅＣにおけるＩＶ族合金と、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、及び、ＩｎＧａＡｓＰのようなこれらの組み合わせ、におけるIII−Ｖ合金を含むが、これらに限定されずに用いることができる。他の材料の利用可能性により、この検出器が約６５０ｎｍから少なくとも約１５００ｎｍで使用できるような波長の範囲が拡大する。より具体的には、上述した概念は、１５００ｎｍを十分に超えた波長で作動する検出器の製作に使用できる。例えば、１０μｍ及びこれを超える波長領域、すなわち遠赤外における波長領域において検出器を作製するために、このような概念を用いることができる。
【００６３】
上述した以外の方法が中間検出器領域の作製に使用され得るということも理解されるべきである。上述した方法には、深い準位のアクセプタ材料を注入しつつ前記層の半分を成長させて、そして他の半分を成長させることが含まれる。あるいは、中間層全体をエピタキシャル成長をさせて、高エネルギーを用いてより深い準位の材料を注入してもよい。または、エピタキシャルな方法、物理蒸着堆積（ＰＶＤ）、化学蒸着堆積（ＣＶＤ）、または他の既知の堆積方法によって中間層が堆積するときに、中間層におけるインサイチュのドーパントを用いても良い。
【００６４】
また、ドーパントとしての深い準位における注入は、インジウムやタリウムに限られない。これらは、例えば、元素、同位体、分子、または化合物といった任意の材料を含み、この材料には深い準位のエネルギー状態が生じる。概して、深い準位のエネルギー状態は、伝導帯または価電子帯から少なくとも約１００ｍｅＶのエネルギー状態であり、一方で浅い準位のドーパントには、バンド端から約２０−４０ｍｅＶより小さいエネルギーを生じる。かかる深い準位のアクセプタ状態を生じる他の元素または同位体には、２〜３例を挙げると、亜鉛、鉄、スズ、硫黄が含まれてもよい。もちろん、これらの機器を作製するために用いられ得る選択の範囲は、前記機器が配置される他の必要性によって大幅に制限される。例えば、１０００℃ほどの高温での一連の熱サイクルに耐えられることを機器に期待する場合、高拡散率を有して熱的安定性が十分でない材料は除外されがちであるので、選択肢は減少する。
【００６５】
実際、深い準位のエネルギー状態は、材料へのドーパントの導入を介する以外の方法においても生じ得る。例えば、材料中に結晶欠陥を生じさせることで、または周期的な多層構造を生じさせることで、または材料中に微小構造を生じさせることで、このような状態を生じることができる。エネルギーバンド中に低い準位のエネルギー状態を生じる任意のメカニズムが許容され得るということが理解されるべきである。
【００６６】
加えて、２または３以上の共インプラントまたは共ドーパントは、１または２以上の前述した有益な目的を達成するために、深い準位のドーパントで使用され得る。例えば、カーボン及びヒ素のいずれもインジウムとともに用いられ得る。または、ヒ素及びリンは、深い準位のアクセプタのドーパントに伴って用いられ得る。または、所望の目的に応じて、３以上の共ドーパントを用いてもよい。実際、他の機器における経験則で示されているように、性能を最適化するために複数の共ドーパントを導入することが有利な場合がある。
【００６７】
不純物に基づく検出器について記載した実施の形態において、一つの特定の遷移、すなわち、充填された深い準位のアクセプタ状態から伝導帯への電子の遷移、に焦点を当てた。しかしながら、潜在的に興味ある少なくとも２つの他の遷移が存在する。第１のものは、価電子帯の深部から中性アクセプタへの電子の遷移である。第２のものは、イオン化されたドナーの部位への価電子帯からの電子の遷移である。これらの遷移のいずれも、電気信号に寄与し得る余剰のキャリアを生成する。深いアクセプタ状態のイオン化準位を操作することによって、これらの遷移における１または他の遷移を強めることが望ましい。
【００６８】
このイオン化準位を操作する一つの方法としては、上述したように、共ドーパントを伴うものがある。共ドーパントなしでは、略半分のインジウムのアクセプタが中性になり、約９０％を超えるタリウムアクセプタが中性になるであろう。アクセプタのイオン化準位を操作する他の方法には、（光ダイオード検出器において）Ｐ−Ｎ接合を用いるものがある。この場合、Ｐ−Ｎ接合の空乏領域における実質的なアクセプタの全てがイオン化されて、アクセプタの伝導帯遷移が行われる。
【００６９】
検出対象の波長に対する光学的感知手段中に不純物型の検出器を配置したことが改良されており、これにより、所与のまたは低下した光出力での吸収及び光電流を増大することが許容される。例えば、建設的干渉を通して共振させるための光を生じさせる間隔で吸収体における対向側面同士に配置した２つの鏡を用いて、キャビティを形成することができる。これらの鏡は、薄い金属、誘電体スタック、または、ブラッグ格子にあるような導波路に沿った周期的パターンで形成することができる。ブラッグ格子は、共振器のバンド幅よりも狭い場合でさえ、波長の非常に狭い帯域を作ることができるという特別な利益を有している。であるから、光が増幅されなければ、該光は反射されないであろう。
【００７０】
検出器用の他の共振器は、直列の導波路に近接して連結される導波路リングで作製され得る。前記共振器は、共振波長での光だけを検出して、他の波長の光を透過させる。共振器には、温度全体に亘って十分に安定でなければならず、光源との干渉を引き起こすのに十分な光を導波路に反射させてはならない、という制限がある。上述したいずれの共振器でも、この用件を優れた技術で達成し得る。
【００７１】
最後に、図３に示した構造は、２端子の検出器として接続されていることに留意すべきである。しかしながら、ここで説明した思想は、３または４以上の端子を有する機器で具体化することができる。例えば、３端子のバイポーラトランジスタにおいて使用される場合、不純物ドープ領域は、機器のベース領域であり得る。
【００７２】
他の実施の形態は、上述した特許請求の範囲において存在している。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】深い準位のアクセプタでドープされたシリコンのバンド構造を示す。
【図２Ａ】不純物に基づく検出器の作製方法を現す。
【図２Ｂ】不純物に基づく検出器の作製方法を現す。
【図２Ｃ】不純物に基づく検出器の作製方法を現す。
【図２Ｄ】不純物に基づく検出器の作製方法を現す。
【図２Ｅ】不純物に基づく検出器の作製方法を現す。
【図２Ｆ】不純物に基づく検出器の作製方法を現す。
【図２Ｇ】不純物に基づく検出器の作製方法を現す。
【図３】不純物に基づくＳｉＧｅ合金検出器の概略図を表す。
【図４Ａ】光学的処理の準備された基板上への半導体回路の作製方法を現す。
【図４Ｂ】光学的処理の準備された基板上への半導体回路の作製方法を現す。
【図４Ｃ】光学的処理の準備された基板上への半導体回路の作製方法を現す。
【図４Ｄ】光学的処理の準備された基板上への半導体回路の作製方法を現す。
【図４Ｅ】光学的処理の準備された基板上への半導体回路の作製方法を現す。
【図４Ｆ】光学的処理の準備された基板上への半導体回路の作製方法を現す。
【図４Ｇ】光学的処理の準備された基板上への半導体回路の作製方法を現す。
【図４Ｈ】光学的処理の準備された基板上への半導体回路の作製方法を現す。
【図４Ｉ】光学的処理の準備された基板上への半導体回路の作製方法を現す。
【図４Ｊ】光学的処理の準備された基板上への半導体回路の作製方法を現す。
【符号の説明】
【００７４】
２  アクセプタ状態
４  価電子帯
６  伝導帯
３００  シリコン基板
３０２  トレンチ
３０４  下部電極層
３０６  第１中間層
３０８  ドーパント
３１０  第２中間層
３１２  上部電極層
３１４  接触部
３１６  接触部
３１８  絶縁層
３２０  コンタクトビア
３２２  コンタクトビア
４００  検出領域
４０２  シリコン層
４０４  絶縁層
４０６  シリコン層
４０８  硬質保護層
４１０  分離開口
４１２  シリコン島
４１４  分離開口
４１６  酸化層
４１８  トランジスタ
４２０  厚い酸化膜
４２２  コンタクト開口
４２４  開口
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2007503130.tif 000007
【図２Ｅ】
2007503130.tif 000008
【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2007503130.tif 000013
【図４Ｃ】
2007503130.tif 000014
【図４Ｄ】
2007503130.tif 000015
【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
2007503130.tif 000018
【図４Ｈ】
2007503130.tif 000019
【図４Ｉ】
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【図４Ｊ】
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【国際調査報告】
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2007503130.tif 000023
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