(57)【要約】      （修正有）【課題】静電気放電による破壊を防ぐことができ、１００Ｖ以上の耐圧の向上が見込める光検出器を提供する。【解決手段】光検出器は、ゲルマニウムフォトダイオード（ＧｅＰＤ３００）にゲルマニウムとシリコンで構成されるツェナーダイオード３０１を備え、光検出器は、ＧｅＰＤ３００と、ツェナーダイオード３０１は、シリコン基板、下部クラッド層、シリコンコア層１１０、上部クラッド層を共有し、電極１１６がアノード電極、電極１１７、１１８はカソード電極となり、ＧｅＰＤ３００とツェナーダイオード３０１を接続する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードとツェナーダイオードとを備えた光検出器において、
前記フォトダイオードはアノード電極とカソード電極とを備え、
前記ツェナーダイオードは、
シリコン基板と、
前記シリコン基板上の下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上の、第一型不純物イオンがドーピングされた第一型シリコン領域及び第二型不純物イオンがドーピングされた第二型シリコン領域を含むシリコンコア層と、
前記シリコンコア層上のゲルマニウム層と、
前記ゲルマニウム層上の上部クラッド層と、
前記第一型シリコン領域および前記第二型シリコン領域のそれぞれどちらかに接続されたアノード電極とカソード電極と、
を備え、
前記ツェナーダイオードのアノード電極と前記フォトダイオードのアノード電極とが接続し、
前記ツェナーダイオードのカソード電極と前記フォトダイオードのカソード電極とが接続していることを特徴とする光検出器。
【請求項２】
前記ツェナーダイオードにおいて、
前記第二型シリコン領域は、前記ゲルマニウム層の直下にあり、
前記ゲルマニウム層の底面と前記第一型シリコン領域の間には、真性シリコン領域があり、
前記第一型シリコン領域と前記第二型シリコン領域との間に前記真性シリコン領域があ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】
前記フォトダイオードは、
シリコン基板と、
前記シリコン基板上の下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上の、第一型不純物イオンがドーピングされた第一型シリコンスラブを含むシリコンコア層と、
前記シリコンコア層に接続されたシリコン導波路層と、
前記シリコンコア層上の、第二型不純物がドーピングされた第二型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および前記ゲルマニウム層上の上部クラッド層と、
前記第一型シリコンスラブおよび前記第二型ゲルマニウム領域にそれぞれ接続された電極を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光検出器。
【請求項４】
前記フォトダイオードと、前記ツェナーダイオードとが備えたシリコン基板、下部クラッド層、シリコンコア層、上部クラッド層を共有すること
を特徴とする請求項３に記載の光検出器。
【請求項５】
前記フォトダイオードと前記ツェナーダイオードとが、前記フォトダイオードが備えた前記シリコン導波路層を通過する光の入射方向に並ぶことを特徴とする請求項４に記載の光検出器。
【請求項６】
前記フォトダイオードと前記ツェナーダイオードとが、
前記フォトダイオードが備えた前記シリコン導波路層を通過する光の入射方向に対して垂直方向に並ぶことを特徴とする請求項４に記載の光検出器。
【請求項７】
前記フォトダイオードに対して、前記ツェナーダイオードが複数接続されていることを特徴とする請求項１乃至６いずれか一項に記載の光検出器。
【請求項８】
前記第一型不純物イオンは、ｐ型不純物イオンであり、前記第二型不純物イオンは、ｎ型不純物イオンであることを特徴とする請求項１乃至７いずれか一項に記載の光検出器。
【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し、特に静電気放電に対する耐性の優れた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（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ；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ＩＩ−ＩＩ’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に示す上部クラッド層１０３、電極１１６〜１１８を省き、電極１１６〜１１８がｐ++シリコン電極部１１２、ｐ++シリコン電極部１１３およびｎ型Ｇｅ領域１１５に接する位置のみ四角で示している。この四角は電極１１６〜１１８の接続面を示している。ｐ++シリコン電極部１１２は、ｐ++Ｓｉ電極部、ｐ型シリコン電極部ともいう。
【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、コア層１１０と、信号光を導く導波路（シリコン導波路層）１０９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を備える。
【０００５】
コア層１１０は、ｐ型不純物イオンがドーピングされたｐ型シリコン（Ｓｉ）スラブ１１１ａ、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、ｐ++シリコン電極部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++シリコン電極部１１２、ｐ++シリコン電極部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。
【０００６】
ＧｅＰＤは、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】
【０００７】
【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】
【０００８】
図１，図２に示す一般的なＧｅＰＤは静電気放電に弱いという課題を持つ。静電気放電は瞬間的に高電圧パルスがデバイスに印加される現象であり、一般的な静電気放電の規格モデルとして、帯電デバイスモデル、マシンモデル、人型モデルがある。例えば一般的なＧｅＰＤは人型モデルにおいて５０〜１５０Ｖ程度の耐圧を持つ。一般的なデバイスに求められる人型モデルにおける耐圧は２５０~５００Ｖ程度であり、ＧｅＰＤの耐圧は不足している。静電気放電の耐圧を上げる一般的な手段としては、並列に容量を付加する、直列に抵抗を付加する、並列にバリスタやツェナーダイオードを付加するなどがあるが、抵抗や容量の付加は、ＧｅＰＤの高速特性を低下させるという課題があり、一般的なバリスタやツェナーダイオードは、適切な保護をする動作閾値を示せない、バリスタやツェナーダイオード自体の容量がＧｅＰＤの高速特性を低下させる要因となる、シリコン基板上にモノリシック集積することが難しく外付け部品となってしまうため回路規模が増大する、といった課題がある。
【０００９】
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、静電気放電による破壊を防ぐことができ、１００Ｖ以上の耐圧の向上が見込める光検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、このような課題を解決するためにあるものであり、一般的なＧｅＰＤにシリコンフォトニクス技術でモノリシックに集積可能なツェナーダイオードを備えた光検出器である。本発明で備えたツェナーダイオードは極低容量かつ低直列抵抗であり、また動作電圧は０．５〜−７ＶとＧｅＰＤの一般的な動作電圧である０〜３Ｖをカバーしながら、−７Ｖと低い閾値電圧により、ＧｅＰＤを保護する。このためＧｅＰＤの高速特性を劣化させることなく、またモノリシック集積により回路規模および作製プロセスの工程数を増大することを抑制する。
【００１１】
本発明の光検出器は以下のような構成を備えたことを特徴とする。図３のように一般的なＧｅＰＤ３００に並列にゲルマニウムとシリコンで構成されるツェナーダイオード３０１を接続する。本発明で接続されるツェナーダイオードは図４の様な断面構成をしている。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、フォトダイオードとツェナーダイオードとを備えた光検出器において、前記フォトダイオードはアノード電極とカソード電極とを備え、前記ツェナーダイオードは、シリコン基板と、前記シリコン基板上の下部クラッド層と、前記下部クラッド層上の、第一型不純物イオンがドーピングされた第一型シリコン領域及び第二型不純物イオンがドーピングされた第二型シリコン領域及びを含むシリコンコア層と、前記シリコンコア層に接続されたシリコン導波路層と、前記シリコンコア層上のゲルマニウム層と、前記ゲルマニウム層上の上部クラッド層と、前記第一型シリコン領域および前記第二型シリコン領域のそれぞれどちらかに接続されているアノード電極とカソード電極と、を備え、前記ツェナーダイオードのアノード電極と前記フォトダイオードのアノード電極とが接続し、前記ツェナーダイオードのカソード電極と前記フォトダイオードのカソード電極とが接続することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様の光検出器であって、前記ツェナーダイオードにおいて、前記第二型シリコン領域は、前記ゲルマニウム層の直下にあり、前記ゲルマニウム層の底面と前記第一型シリコン領域の間には、真性シリコン領域があり、前記第一型シリコン領域と前記第二型シリコン領域との間に前記真性シリコン領域があることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第３の態様は、第１の態様又は第２の態様の光検出器であって、前記フォトダイオードは、シリコン基板と、前記シリコン基板上の下部クラッド層と、前記下部クラッド層上の、第一型不純物イオンがドーピングされた第一型シリコンスラブを含むシリコンコア層と、前記シリコンコア層に接続されたシリコン導波路層と、前記シリコンコア層上の、第二型不純物がドーピングされた第二型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および前記ゲルマニウム層上の上部クラッド層と、前記第一型シリコンスラブおよび前記第二型ゲルマニウム領域にそれぞれ接続された電極を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第４の態様は、第３の態様の光検出器であって、前記フォトダイオードと、前記ツェナーダイオードとが備えたシリコン基板、下部クラッド層、シリコンコア層、及び上部クラッド層を共有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第５の態様は、第４の態様の光検出器であって、前記フォトダイオードと前記ツェナーダイオードとが、前記フォトダイオードが備えた前記シリコン導波路層を通過する光の入射方向に並ぶことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の第６の態様は、第４の態様の光検出器であって、前記フォトダイオードと前記ツェナーダイオードとが、前記フォトダイオードが備えた前記シリコン導波路層を通過する光の入射方向に対して垂直方向に並ぶことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の第７の態様は、第１から第６の態様のいずれか一に記載の光検出器であって、前記フォトダイオードに対して、前記ツェナーダイオードが複数接続されていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の第８の態様は、第１から第７の態様のいずれか一に記載の光検出器であって、前記第一型不純物イオンは、ｐ型不純物イオンであり、前記第二型不純物イオンは、ｎ型不純物イオンであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の光検出器は、ツェナーダイオードが破壊されるまではＧｅＰＤに掛かる電圧は一定であり保護されるため、静電気放電による破壊を防ぐことが出来る。また、本発明の光検出器は、一般的なＧｅＰＤに比べて１００Ｖ以上の耐圧の向上が見込めるため、人型モデルにおける一般的に求められる耐圧に到達し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の縦型ＧｅＰＤを示す図である。
【図２】図１のＧｅＰＤの断面構造を示す図である。
【図３】本発明の光検出器の構成を示す図である。
【図４】本発明の光検出器が備えたツェナーダイオードの断面構造を示す図である。
【図５】本発明の光検出器、一般的な縦型ＧｅＰＤ、および本発明の光検出器が備えたツェナーダイオードの電流電圧曲線を示す図である。
【図６】本発明の光検出器が備えたツェナーダイオードの電圧抵抗曲線を示す図である。
【図７】本発明の光検出器が備えたツェナーダイオードの電圧容量曲線を示す図である。
【図８】本発明の実施例２に係る光検出器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の光変調器の形態について、実施例及び図面を用いて詳細に説明する。なお、図面においては同一の機能を有する部分は同一の番号を付することで、説明の明瞭化を図っている。但し、本発明は以下に示す実施形態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。
【００２３】
（実施例１）
図３に本発明の光検出器の構成を示す。ＧｅＰＤは図１の一般的なＧｅＰＤ１００と同じ構成である。本実施例では導波路１０９から見てＧｅＰＤ３００とツェナーダイオード３０１が、直線状に並ぶ構成であり、導波路１０９からの光の入射方向に配列する構成である。図３の破線II-II’における断面図及び破線IＶ-IＶ’における断面図は、それぞれ、図２及び図４に対応する。
【００２４】
図３のツェナーダイオード３０１はシリコンからなるコア層１１０（シリコンコア層とも言う）の上に、ｐ型不純物イオンがドーピングされたｐ型シリコンスラブ１１１ａ、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、ｎ型不純物イオンがドーピングされたｎ型シリコンスラブ１１９、およびｎ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ｎ++シリコン電極部１２０が形成されている。ｎ型シリコンスラブは、ｎ型Ｓｉスラブ又はｎ型シリコン領域ともいう。ｎ++シリコン電極部は、ｎ部シリコン電極部又はｎ型電極部ともいう。Ｇｅ層１１４は、エピタキシャル成長によって積層されている。そして、ｐ++シリコン電極部１１２、およびｎ++シリコン電極部１２０上には、それらに接するように電極１１６と電極１１７を備える。この電極１１６と電極１１７はＧｅＰＤ３００の電極と接続している。
【００２５】
Ｇｅ層１１４は、ｎ型シリコンスラブ１１９の上に形成され、ｐ型シリコン（Ｓｉ）領域１１１ｂの上には形成されない。ｐ型シリコン領域１１１ｂとｎ型シリコンスラブ１１９の間にはギャップがあり、真性シリコン領域１２５が設けてある。このギャップのサイズによってツェナーダイオードの逆バイアス側の閾値が決まる。
【００２６】
ツェナーダイオード３０１のアノード電極とＧｅＰＤ３００のアノード電極とが接続し、ツェナーダイオード３０１のカソード電極とＧｅＰＤ３００のカソード電極とが接続する。
【００２７】
電極１１６がアノード電極として機能する場合、電極１１７、１１８はカソード電極として機能する。また、電極１１６がカソード電極として機能する場合、電極１１７、１１８はアノード電極として機能する。
【００２８】
図４は本発明のツェナーダイオード３０１のIII-III’での断面図である。コア層１１０にかかるｐ型シリコン領域１１１ｂはＧｅ層１１４の直下には無く、ｎ型シリコンスラブ１１９がＧｅ層１１４の下に有る。ｐ++シリコン電極部１１２はｐ型シリコン領域１１１ｂ上にあり、ｎ++シリコン電極部１２０はｎ型シリコンスラブ１１９上にあり、ｐ++シリコン電極部１１２は、電極１１６と接続している。また、ｎ++シリコン電極部１２０は、電極１１７と接続されている。ｐ型シリコン領域１１１ｂ、ｎ型シリコンスラブ１１９の間にはインプラの無い真性シリコン領域１２５がある。この真性シリコン領域１２５の大きさ、およびｐ型シリコン領域１１１ｂ、ｎ型シリコンスラブ１１９のドーピング濃度でツェナーダイオードの動作閾値は決定される。動作閾値を調整するため、真性シリコン領域１２５を無くし、ｐ型シリコン領域１１１ｂ、ｎ型シリコンスラブ１１９を接触させても良い。この時、ｐ型シリコン領域１１１ｂはＧｅ層１１４の直下に入っても良い。
【００２９】
本実施例では、図５を用い、本発明の光検出器、一般的な縦型ＧｅＰＤ、および本発明の光検出器が備えたツェナーダイオードの電流電圧の関係について説明する。
【００３０】
本発明の光検出器に備えられているツェナーダイオードは図５の（１）のような電流電圧特性を示す。図５の（２）は一般的なＧｅＰＤの電流電圧特性である。また、図５の（３）は実施例１の構成であるＧｅＰＤにツェナーダイオードを備えた図３の構成の光検出器の電流電圧特性である。
【００３１】
図５の（１）が示すように本発明のツェナーダイオードは逆バイアス側では−７Ｖ程度から一気に電流を上げ、また順バイアス側では０．５Ｖ程度から一気に電流を上げる。更に０．５Ｖ〜−７Ｖの間で流れる電流は数ｎＡ程度であり、典型的なツェナーダイオードの動作をしている。図５の（３）にある本発明の構成の光検出器の電流電圧特性を見ると、図５の（２）のような通常のＧｅＰＤの電流電圧特性とは異なり、７Ｖ程度から一気に電流を上げる図５の（１）のツェナーダイオードの電流電圧特性を重ね合わせたような挙動を示している。静電気放電による瞬間的な電圧の上昇が有った時には、このツェナーダイオードの急激な電流増加によってＧｅＰＤにかかる電圧を７Ｖ程度に保持する役割を果たす。このため、ツェナーダイオードが破壊されるまではＧｅＰＤに掛かる電圧は一定であり保護されるため、静電気放電による破壊を防ぐことが出来る。本発明の光検出器は、一般的なＧｅＰＤに比べて１００Ｖ以上の耐圧の向上が見込めるため、人型モデルにおける一般的に求められる耐圧に到達し得る。
【００３２】
図６は本発明のツェナーダイオードに順バイアスを掛けた時の抵抗の変化を示している。３０Ω程度で飽和しており、ツェナーダイオードの直列抵抗成分が３０Ω程度であることを示している。
【００３３】
図７は本発明のツェナーダイオードの容量の逆バイアスに対する変化を示している。８〜１５ｆＦ程度で推移している。
【００３４】
図６,７の容量と抵抗から算出されるＣＲ時定数は１００ＧＨｚを大きく超えており、ツェナーダイオードの付加によってＧｅＰＤの高速動作特性を低下させないことがわかる。ＧｅＰＤ３００は図１，図２にある縦型のＧｅＰＤだけではなく、シリコンフォトニクスで作製された他のフォトダイオードに変更しても良い。
【００３５】
図４は本発明のツェナーダイオード３０１のIII-III’での断面図であるコア層１１０にかかるｐ型シリコン領域１１１ｂはＧｅ層１１４の直下には無く、ｎ型シリコンスラブ１１９がＧｅ層１１４の下に有る。ｐ++シリコン電極部１１２はｐ型シリコン領域１１１ｂ上にあり、ｎ++シリコン電極部１２０はｎ型シリコンスラブ１１９上にあり、ｐ++シリコン電極部１１２は、電極１１６と接続している。また、ｎ++シリコン電極部１２０は、電極１１７と接続している。ｐ型シリコン領域１１１ｂ、ｎ型シリコンスラブ１１９の間にはインプラの無い真性シリコン領域１２５がある。この真性シリコン領域１２５の大きさ、およびｐ型シリコン領域１１１ｂ、ｎ型シリコンスラブ１１９のドーピング濃度でツェナーダイオードの動作閾値は決定される。動作閾値を調整するため、真性シリコン領域１２５を無くし、ｐ型シリコン領域１１１ｂ、ｎ型シリコンスラブ１１９を接触させても良い。この時、ｐ型シリコン領域１１１ｂはＧｅ層１１４の直下に入っても良い。
【００３６】
（実施例２）
図８は本発明のツェナーダイオード３０１をＧｅＰＤ３００の隣に配置した一例である。図３の実施例１では導波路１０９から見てＧｅＰＤ３００とツェナーダイオード３０１が直線状に並ぶ構成であるが、図８の実施例２では導波路１０９から見てＧｅＰＤ３００とツェナーダイオード３０１が一直線状に並ばず、導波路１０９からの光の入射方向に直交する方向に配列する構成である。ＧｅＰＤ３００のＧｅ層１１４の長手方向と、ツェナーダイオード３０１のＧｅ層１１４の長手方向とが概略平行の関係にある。図８の破線II-II’における断面図及び破線IＶ-IＶ’における断面図は、それぞれ、図２及び図４に対応する。
【００３７】
図８の構成では導波路１０９から直進する光はツェナーダイオード３０１に入ることがないため、光電流をツェナーダイオードが検出することはない。
【００３８】
また、図８ではＧｅＰＤ３００に対してツェナーダイオード３０１を１つ接続しているが、ツェナーダイオード３０１を複数接続しても良い。その場合はＧｅＰＤの高速動作特性に影響を与えるものの、より高い静電気放電に対する耐性を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、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し、特に静電気放電に対する耐性の優れた光検出器に適用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１００, ３００  ＧｅＰＤ
１０１  Ｓｉ基板
１０２  下部クラッド層
１０３  上部クラッド層
１０９  導波路
１１０  コア層  
１１１ａ  ｐ型シリコンスラブ
１１１ｂ  ｐ型シリコン領域
１１２  ｐ++シリコン電極部
１１３  p++シリコン電極部
１１４  Ｇｅ層
１１５  ｎ型Ｇｅ領域
１１６〜１１８  電極
１１９  ｎ型シリコンスラブ
１２０  ｎ++シリコン電極部
１２５  真性シリコン領域
３０１ ツェナーダイオード
【図１】
2019201133.tif 000003
【図２】
2019201133.tif 000004
【図３】
2019201133.tif 000005
【図４】
2019201133.tif 000006
【図５】
2019201133.tif 000007
【図６】
2019201133.tif 000008
【図７】
2019201133.tif 000009
【図８】
2019201133.tif 000010