(57)【要約】  モノリシック集積光ネットワークデバイスは、シリコン基板に形成され、光子を放出するようにアバランシェ状態にバイアス可能なバイポーラトランジスタ、及びバイポーラトランジスタによって発生された光子に対する光導波路として機能するようにバイポーラトランジスタとモノリシックに集積されたフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板に形成され、光子を放出するようにアバランシェ状態にバイアス可能なバイポーラトランジスタ；及び該バイポーラトランジスタによって放出された光子に対する光導波路として機能するように該バイポーラトランジスタとモノリシックに集積されたフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造；を有するモノリシック集積光ネットワークデバイス。
【請求項２】
前記バイポーラトランジスタが、反射性部材で覆われた表面を含み、該反射性部材が該表面からの光子の放出を阻止する、ところの請求項１に記載のモノリシック集積光ネットワークデバイス。
【請求項３】
前記表面が光学窓を含み、該光学窓が前記バイポーラトランジスタから周囲の前記シリコン基板に光子が通ることを可能にする、ところの請求項２に記載のモノリシック集積光ネットワークデバイス。
【請求項４】
前記反射性部材が半波長層を有する、ところの請求項２に記載のモノリシック集積光ネットワークデバイス。
【請求項５】
前記ＰＢＧ構造が、前記バイポーラトランジスタの表面に定められた前記光学窓に隣接して前記シリコン基板に形成された複数の多孔性柱状部を含む、ところの請求項３に記載のモノリシック集積光ネットワークデバイス。
【請求項６】
前記複数の多孔性柱状部が、前記光学窓から放出された光子に対する導波路となるチャネルを定めるように配置されている、ところの請求項５に記載のモノリシック集積光ネットワークデバイス。
【請求項７】
前記バイポーラトランジスタからの発光が制御システムによって安定化される、ところの請求項１に記載のモノリシック集積光ネットワークデバイス。
【請求項８】
前記バイポーラトランジスタが、SiGe、SiGeC、InP及びGaAsから成るグループから選択された部材から製造されている、ところの請求項１に記載のモノリシック集積光ネットワークデバイス。
【請求項９】
前記シリコン基板が、CMOS、SiGe、SiGeC及びBiCMOSから成るグループから選択された部材から製造されている、ところの請求項１に記載のモノリシック集積光ネットワークデバイス。
【請求項１０】
シリコン基板に形成され、光子パルスを放出するようにアバランシェ状態にバイアス可能なバイポーラトランジスタ；前記シリコン基板に前記バイポーラトランジスタとモノリシックに集積されたフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造であって前記バイポーラトランジスタによって発生された光子パルスに対する光導波路として機能するＰＢＧ構造；及び前記バイポーラトランジスタによって発生された光子パルスを受け取るために、前記光導波路の末端部に近接して形成された受信デバイス；を有するモノリシック集積光ネットワーク。
【請求項１１】
前記バイポーラトランジスタからの光子パルスの放出を安定化する制御システムをさらに有する、請求項１０に記載のモノリシック集積光ネットワーク。
【請求項１２】
前記受信デバイスがフォトダイオードを有する、ところの請求項１０に記載のモノリシック集積光ネットワーク。
【請求項１３】
前記バイポーラトランジスタが、反射性部材で覆われた表面を含み、該反射性部材が該表面からの光子パルスの放出を阻止する、ところの請求項１０に記載のモノリシック集積光ネットワーク。
【請求項１４】
前記表面が光学窓を含み、該光学窓が前記バイポーラトランジスタから周囲の前記シリコン基板に光子パルスが通ることを可能にする、ところの請求項１３に記載のモノリシック集積光ネットワーク。
【請求項１５】
前記ＰＢＧ構造が、前記バイポーラトランジスタの表面に定められた前記光学窓に隣接して前記シリコン基板に形成された複数の多孔性柱状部を含む、ところの請求項１４に記載のモノリシック集積光ネットワーク。
【請求項１６】
前記複数の多孔性柱状部が、前記光学窓から放出された光子に対する導波路となるチャネルを定めるように配置されている、ところの請求項１５に記載のモノリシック集積光ネットワーク。
【請求項１７】
前記反射性部材が半波長層を有する、ところの請求項１３に記載のモノリシック集積光ネットワーク。
【請求項１８】
前記バイポーラトランジスタが、SiGe、SiGeC、InP及びGaAsから成るグループから選択された部材から製造されている、ところの請求項１０に記載のモノリシック集積光ネットワーク。
【請求項１９】
前記シリコン基板が、CMOS、SiGe、SiGeC及びBiCMOSから成るグループから選択された部材から製造されている、ところの請求項１０に記載のモノリシック集積光ネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してシリコンレベルでのデータ伝送に関し、より具体的にはバイポーラトランジスタによって発生された光を導くための、バイポーラトランジスタと一体化された導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータチップ技術が継続的に進展するに連れ、シリコンレベルでのデータ処理及び伝送性能をさらに向上させられることが継続的挑戦事項となっている。情報は、伝統的に、例えばトランジスタ及び／又はその他の電気部品等の、シリコンに基づくデバイス間を相互接続する小さい金属配線上で電気的に処理、伝送されている。しかしながら、金属線上で電気を伝送することは、限られた伝送速度や電磁干渉等を含む、ある種の制約を免れることができない。
【０００３】
この送電における制約の一部を克服するために取り得る１つの解決策は、情報を運ぶためにパルス光を用いることである。しかしながら、このような光ネットワークを実現するためには、シリコンレベルで光を発生するシステム、及びシリコンに基づくデバイス間で光を伝送するシステムが必要である。
【０００４】
技術的に、バイポーラトランジスタが電子雪崩（アバランシェ）が発生するまでバイアスされるとき、逆バイアスされたコレクタ・ベース間ダイオードで光が発生されることが知られている。（一般的に用いられるアバランシェダイオードと異なり）コレクタ・ベース間電圧及びデバイスを流れる電流の双方によって光量を調節することが可能である。これにより、非常に低い電流密度での発光が可能になる。基板電流は発光量の指標となり得る。典型的な発光波長はλ＜1μm（すなわち、低濃度にドープされたシリコンの近赤外光）である。図１はバイポーラトランジスタからの発光モデルを表している。ここで、Ｅはエミッタ、Ｃはコレクタ、Ｂはベースであり、ＳＵＢは基板電流の指標である。このような実施形態の詳細は、例えば非特許文献１に記載されており、参照することによりここに組み込まれる。
【０００５】
残念ながら、バイポーラトランジスタからの光をシリコン内の他の位置に導く効果的な解決策は存在しない。従って、バイポーラトランジスタからシリコン内の他のデバイスにシリコンレベルで光を導くシステムに対してニーズが存在する。
【非特許文献１】J.H.Klootwijk、J.W.Slotboom、M.S.Peter「Photo  Carrier  Generation  in  Bipolar  Transistor  」、IEEE  Trans.  Electron  Devices  Vol.49  No.9、2002年9月、1628頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、バイポーラトランジスタによって発生された光を導く集積光導波路を設けることにより、上述の問題及びその他の問題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様に従ったモノリシック集積光ネットワークデバイスは：シリコン基板に形成され、光子を放出するようにアバランシェ状態にバイアス可能なバイポーラトランジスタ；及び該バイポーラトランジスタによって放出された光子に対する光導波路として機能するように該バイポーラトランジスタとモノリシックに集積されたフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造；を有する。
【０００８】
本発明の第２の態様に従ったモノリシック集積光ネットワークは：シリコン基板に形成され、光子パルスを放出するようにアバランシェ状態にバイアス可能なバイポーラトランジスタ；前記シリコン基板に前記バイポーラトランジスタとモノリシックに集積されたフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造であって前記バイポーラトランジスタによって発生された光子パルスに対する光導波路として機能するＰＢＧ構造；及び前記バイポーラトランジスタによって発生された光子パルスを受け取るために、前記光導波路の末端部に近接して形成された受信デバイス；を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、バイポーラデバイスと結合されモノリシックに集積された光導波路構造を提供し、それにより集積光導波路を備えた低電流密度光源を実現するものである。このようにして、バイポーラトランジスタで発生された光は、シリコンウェハを介して運ばれ、光ネットワークの基本素子／構造としての役割を果たす。
【００１０】
具体的には、本発明は、モノリシック集積バイポーラデバイスによって発生された光についての光導波路として機能するために、“フォトニック・バンドギャップ（photonic  bandgap；ＰＢＧ）”構造を利用する。ＰＢＧ構造は波型の（corrugated）チャネルケージ構造を有し、この構造はシリコンにドライエッチングされたものでもよい。例示的な実施形態では、ＰＢＧ構造は、容易にサブミクロン長に実現され得る平行な円柱部（又は素子）から成る２次元（２Ｄ）結晶として実施される。あるいは、技術が進展するに連れ、３次元（３Ｄ）の周期性を有するフォトニック結晶が同様に利用可能になるであろう。ＰＢＧ構造のより具体的な議論は米国特許第５９８７２０８号明細書に記載されており、参照することによりここに組み込まれる。
【００１１】
図２は、シリコン基板11内に形成された光ネットワーク13の上面図を示している。シリコン基板11にエッチングされたモノリシック集積光ネットワークデバイス20を用いて光通信が実現される。デバイス20は：（１）ベース・コレクタ接合24から光信号12、すなわち光子ビーム、を放射可能なバイポーラトランジスタ10、及び（２）導波路チャネル16を定める複数のＰＢＧ素子14を有するＰＢＧ構造22、を含む。図示されるように、光信号12は導波路チャネル16を通って“曲げられ”、そして“分割される”ことができ、それにより、光源がシリコン基板11の任意の１つ又は複数の点に導かれることが可能にされている。ＰＢＧ素子14は、必要に応じてシリコン基板11全体に戦略的に配置されており、所望の導波路構成を作り出している。複数の分岐（ビームスプリッタ）を備える導波路チャネル、シリコン基板11の内部でデバイスを相互接続するチャネル、デバイスを外部デバイスと相互接続するチャネル等を含む構成が取られ得る。
【００１２】
図２に示される例示的な実施形態では、導波路は、バイポーラトランジスタ10からのパルス光源を受け取る複数の受信デバイス27a乃至27d（例えば、フォトダイオード）に接続されている。ネットワーク13の制御は制御システム29によってもたらされ得る。制御システム29は、例えば、バイポーラトランジスタ10から光が伝送されるべきときに命令するマイクロプロセッサ又はその他のロジックを含んでもよい。制御システム29はシリコン基板11の内部にあってもよく、且つ／或いは、基板の外部にあってもよい。
【００１３】
上述のように、適当な条件の下で、バイポーラトランジスタは周囲の基板に光子（すなわち、光）を放出する。この条件は具体的には、トランジスタのコレクタ・ベースダイオードがアバランシェの発生まで逆バイアスされるとき満たされる。アバランシェ状態を実現する如何なるバイアス値が用いられてもよい。例えば、典型的なｎ-ｐ-ｎ型デバイスに対してはVBE=0.82V、VCB=3V、且つVCS=-1Vとし得る。
【００１４】
放射された光の有効性を増すため、バイポーラトランジスタ10は光子の放出を阻止するように１つ以上の表面を反射性部材25で形成され、それにより光源12が1つ以上の表面から放射されるように方向付けられてもよい。さらに、光源12が光学窓24を通って収束されるような光学窓24を形作るために、反射性部材25がトランジスタ表面に選択的に配置されてもよい。例示的な実施形態では、反射性部材25は、反射とそれによる放射光12の閉じ込めを引き起こすのに適切な光学特性（屈折率及び光学的厚さ）を有する、いわゆる半波長（1/2λ）層を有することが可能である。このため、光反射層はバイポーラ光源の周囲に最初にエッチングされる垂直なトレンチ（図示せず）内に堆積され得る。それに続く堆積が、例えばＬＰＣＶＤ、低圧化学堆積法により実行され得る。トレンチ幅は、光反射層内で放射光の半波長（1/2λ）に一致する幅とされるべきである。
【００１５】
図３は、モノリシック集積光ネットワークデバイス20の断面側面図を示している。今日の典型的な実施においては、バイポーラトランジスタは深いトレンチ分離によって横方向に分離される。本発明に従って、深いトレンチを分離目的でエッチングする代わりに、光導波路を形成する波型のチャネルケージ構造が、例えばシリコン基板11のドライエッチングプロセスを用いてパターン形成される。ＰＢＧ構造22はバイポーラトランジスタ10のベース・コレクタ接合24に近接してエッチングされることが可能であるので、光導波路は光源に近接して作成され、バイポーラ光源の効率を一層向上させることができる。
【００１６】
本発明の例示的な実施形態に従った、モノリシック集積光ネットワークデバイス20の形成に含まれる工程は以下のとおりである：（１）バイポーラトランジスタ10を形成する；且つ（２）トランジスタ10がＰＢＧ導波路構造22とモノリシックに集積されるように、バイポーラトランジスタ10の配置領域に隣接するＰＢＧ導波路構造22をエッチングする。
【００１７】
図４Ａ乃至４Ｄは、マスクを用いてドライエッチングした後のシリコンウェハにおける例示的なフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造の４つの断面顕微鏡写真を表している。各々の円柱素子は本質的に、シリコン内を通る“ポア（pore）”を有する。これら４つの実施形態では、マスク孔の直径及びピッチは（ａ）2μm及び10μm、（ｂ）1.5μm及び3.5μm、（ｃ）並びに（ｄ）3μm及び5μmである。ＰＢＧ構造22の詳細な直径及びピッチは個々の用途に従って異なり得ることは明らかである。なお、ＰＢＧ構造22はウェット化学的エッチングプロセスを用いて形成されてもよい。
【００１８】
一般に、ＰＢＧ構造22のポアは円形断面を有し、偏光及び非偏光をそれぞれ導くのに適した構造を成すように四角形又は六角形の配列状に配置される。例示的なポアの直径は1μm程度であり、ポア間のピッチaは僅かに大きい。波長λは、ピッチaとλの関係がa/λで0.2から0.5になるように、aを設定することによって調整可能である。このことは、例えば0.9μm（典型的なSiGeバンドギャップ）及び1.1μm（Siバンドギャップ）から約100μmまでの、近赤外から遠赤外までの全波長域がカバーされ得ることを意味する。例えば、λが5から6μmでは、ピッチaは1.5から2.5μmである。ＰＢＧ構造に特有な典型的なポアの直径及びピッチの値は、導かれる光の波長に応じて、（可視光の導波での）300nmから（赤外光の導波での）数μmの程度である。
【００１９】
ＰＢＧ構造22を実現するために如何なる手順が用いられてもよい。ＰＢＧ構造の１つの製造方法は電気化学エッチングによる。例えば、シリコンウェハを陽極として接続し、且つシリコンウェハに微小窪みの配列を予備エッチングしておいて、ｎ型低濃度シリコンを光電気化学エッチングする。この微小窪みは、微小窪みの後にエッチングされるポア配列の起点として機能する。電気化学エッチング中にウェハ裏面の光照射強度、すなわち電流密度、を変化させることにより、ポアの半径を周期的に変化させることが可能である。また、ＰＢＧ構造22を構成するポア配列はドライエッチング、すなわち反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、によっても実現され得る。加えて、ＰＢＧ構造22は、残存させた波型ピラーを用いて、故に、ポアの代わりにピラーの配列から成る逆構造を作成することによっても実現され得る。
【００２０】
必要な波型のポア配列構造を作成するドライエッチング技術の１つに、いわゆる“ボッシュ法”がある。このプロセスは、高アスペクト比のトレンチ及びポアを可能にするドライエッチングプロセスである。エッチングは、C4F8化学作用で為されるパッシベーションとは対照的に、SF6化学作用にて為される。異方性から等方性エッチングへとプロセスウィンドウに入っては出ていくように処理パラメータを変化させることにより、これらの波型構造が形成され得る。シリコンエッチングプロセスは、エッチングとパッシベーションとを素早く切替えることによりポア、トレンチ等の形成が可能なプラズマエッチングに基づく。
【００２１】
例示的なプロセスは以下の工程を用いる：
（１）最初のしわ（corrugation）が所望深さになるまで、ボッシュプロセスのようにエッチング及びパッシベーションする工程；
（２）工程１がエッチングサイクルで終了する。これは、次の等方性エッチング工程を可能にするためにポアの底部にあるパッシベーションのポリマーが除去されなければならないために必要である；
（３）SF6／O2化学作用を用いることによる等方性エッチング工程。等方性工程の間、イオンアシストエッチングを抑制し、ラジカルと中性粒子によって化学的にアシストされたエッチングを最大化するため、故にシリコンの等方性エッチングを改善するため、プラテンパワー（ウェハ支持チャックへのバイアス電圧）がオフに切り替えられる；
（４）等方性エッチング工程後、プロセスは次工程に切り替わり、今度はパッシベーションサイクルが開始される。これは、これまでにエッチングされた構造全体を保護層で覆って保護するためである。次に、プロセスは工程１を再開し、幾度か繰り返され得る。
【００２２】
一般的に言えば、光導波路は高屈折率の中心部（コア）とコアより低屈折率のクラッディングから構成されてもよい。使用可能な典型的な組み合わせには以下が含まれる：TiO2コアとSiO2クラッディング；Si3N4コアとSiO2クラッディング；SiONコアとSiO2クラッディング；PMMAコアとCrクラッディング；ポリSiコアとSiO2クラッディング；及びInGaAsPコアとInPクラッディング。
【００２３】
シリコン基板は、例えばSiGe及びSiGeC等の、二元又は三元のシリコン化合物半導体合金を有してもよい。この化合物はより厳密には、Si1-xGex及びSi1-x-yGexCyと記述される。ここで、xは典型的に0.2<x<0.3の配分範囲であり、yは典型的に0.01未満である。適切な合金組成を選択することにより、半導体のバンドギャップを一層広いバンドギャップ範囲、故に一層広い放射波長域で調節することが可能である（バンドギャップ工学と呼ばれる）。
【００２４】
本発明の好適な実施形態について例示及び説明のために述べてきた。これらの実施形態は網羅的であることを意図したものではなく、開示された厳密な形態に本発明を限定するものでもない。上述の教示に照らし合わせれば、多くの変更及び変形が可能であることは明らかである。このような当業者に明らかである変更及び変形は、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に従って光子を放射するようにアバランシェ条件に逆バイアスされたバイポーラトランジスタを示す図である。
【図２】本発明に従ったシリコンに基づく光ネットワークを示す図である。
【図３】本発明に従ったモノリシック集積光ネットワークデバイスの側面図である。
【図４Ａ】マスクを用いてドライエッチングした後のシリコンウェハにおけるフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造を例示する断面顕微鏡写真である。
【図４Ｂ】マスクを用いてドライエッチングした後のシリコンウェハにおけるフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造を例示する断面顕微鏡写真である。
【図４Ｃ】マスクを用いてドライエッチングした後のシリコンウェハにおけるフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造を例示する断面顕微鏡写真である。
【図４Ｄ】マスクを用いてドライエッチングした後のシリコンウェハにおけるフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造を例示する断面顕微鏡写真である。
【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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【国際調査報告】
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2007522669.tif 000012