(57)【要約】  広光帯域をとり該広光帯域内で高効率の光検出器を有する単一受光器であって、前記光検出器は：光を受ける第1ドーピング型の第1ダイオード領域；第2厚さである第2ドーピング型の第2ダイオード領域；前記第1ダイオード領域と前記第2ダイオード領域との間に存在して、前記の受けた光を電子信号に変換する第3厚さの活性領域；並びに、前記第2ダイオード領域と結合して、第5厚さのシリコン酸化物層の間に存在する第4厚さのシリコン層を有する反射体を有し、前記活性領域は900nm未満の波長の光を吸収し、前記反射体は1260nm乃至1380nmの範囲の波長の光を反射する、単一受光器。
2013532902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を受光する第1ドーピング型の第1ダイオード領域；
第2厚さである第2ドーピング型の第2ダイオード領域；
前記第1ダイオード領域と前記第2ダイオード領域との間に存在して、前記の受光した光を電子信号に変換する第3厚さの活性領域；並びに、
前記第2ダイオード領域と結合して、第5厚さのシリコン酸化物層の間に存在する第4厚さのシリコン層を有する反射体；
を有し、
前記活性領域は900nm未満の波長の光を吸収し、前記第4厚さと第5厚さの反射体は、1260nm乃至1380nmの範囲の波長の光を反射する、
光検出器。
【請求項２】
前記活性領域と前記第1ダイオード領域の一部を取り囲む第6厚さの保護層；及び、
前記保護層と結合して、第1厚さの反射防止コーティング(ARC)を有する界面層；
を有する請求項1に記載の光検出器であって、
前記保護層の一部は、前記第1ドーピング型であって、かつ、前記界面層と結合する、
光検出器。
【請求項３】
前記保護層がSiを含む、請求項2に記載の光検出器。
【請求項４】
前記第1厚さが500nm乃至521nmで、かつ、
前記第6厚さが184nm乃至192nmである、
請求項2に記載の光検出器。
【請求項５】
前記第5厚さが、シリコン酸化物(SiO2)の屈折率によって規格化された光の波長の1/4の奇数倍である、請求項1に記載の光検出器。
【請求項６】
前記第2厚さが529nm乃至551nmで、
前記第3厚さが1078nm乃至1122nmで、
前記第4厚さが276nm乃至288nmで、かつ、
前記第5厚さが223nm乃至233nmである、
請求項1に記載の光検出器。
【請求項７】
前記第1ダイオード領域及び前記第2ダイオード領域と結合して、前記の受光した光から生成される電子信号を供する電気コンタクトをさらに有する、請求項1に記載の光検出器。
【請求項８】
前記第1ダイオード領域がゲルマニウムを含み、
前記第2ダイオード領域がシリコンを含み、かつ、
前記第1ダイオード領域と前記第2ダイオード領域は互いに反対の極性であり、
前記反対の極性のうちの一はn型で、前記反対の極性のうちの他はp型である、
請求項1に記載の光検出器。
【請求項９】
前記反射体が二重シリコン・オン・インシュレータ(DSOI)反射体である、請求項1に記載の光検出器。
【請求項１０】
前記反射体が分布型ブラッグ反射体(DBR)である、請求項1に記載の光検出器。
【請求項１１】
光導波路を介して光信号を送光する送光器と、光検出器を有して前記光信号を受光する受光器を有するシステムであって、
当該光検出器は：
光を受光する第1ドーピング型の第1ダイオード領域；
第2厚さである第2ドーピング型の第2ダイオード領域；
前記第1ダイオード領域と前記第2ダイオード領域との間に存在して、前記の受光した光を電子信号に変換する第3厚さの活性領域；並びに、
前記第2ダイオード領域と結合して、第5厚さのシリコン酸化物層の間に存在する第4厚さのシリコン層を有する反射体；
を有し、
前記活性領域は900nm未満の波長の光を吸収し、前記第4厚さと第5厚さの反射体は、1260nm乃至1380nmの範囲の波長の光を反射する、
システム。
【請求項１２】
前記活性領域と前記第1ダイオード領域の一部を取り囲む第6厚さの保護層；及び、
前記保護層と結合して、第1厚さの反射防止コーティング(ARC)を有する界面層；
を有する請求項11に記載のシステムであって、
前記保護層の一部は、前記第1ドーピング型であって、かつ、前記界面層と結合する、
システム。
【請求項１３】
前記保護層がSiを含む、請求項12に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第1厚さが500nm乃至521nmで、かつ、
前記第6厚さが184nm乃至192nmである、
請求項12に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第5厚さが、シリコン酸化物(SiO2)の屈折率によって規格化された光の波長の1/4の奇数倍である、請求項11に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第2厚さが529nm乃至551nmで、
前記第3厚さが1078nm乃至1122nmで、
前記第4厚さが276nm乃至288nmで、かつ、
前記第5厚さが223nm乃至233nmである、
請求項11に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第1ダイオード領域及び前記第2ダイオード領域と結合して、前記の受光した光から生成される電子信号を供する電気コンタクトをさらに有する、請求項11に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第1ダイオード領域がゲルマニウムを含み、
前記第2ダイオード領域がシリコンを含み、かつ、
前記第1ダイオード領域と前記第2ダイオード領域は互いに反対の極性であり、
前記反対の極性のうちの一はn型で、前記反対の極性のうちの他はp型である、
請求項11に記載のシステム。
【請求項１９】
前記反射体が二重シリコン・オン・インシュレータ(DSOI)反射体である、請求項11に記載のシステム。
【請求項２０】
前記光検出器が光検出器のアレイである、請求項11に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施例は概して光検出器の分野に関する。より詳細には本発明の実施例は、広光帯域をとり該広光帯域内で高効率の光検出器を有する単一の光検出器用の装置及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高速データ転送（たとえばチャネル当たり25Gb/s）の要求が高まっていることで、光検出器を有する光学系が、高速データを受光するのに用いられている。係る光検出器は、特定の通信波長範囲用の受光器内で効率的に動作するように設計される。たとえば一の光検出器の組は、短波長（たとえば850nm）の入射光を検出するように設計される。他の光検出器の組は、Oバンド波長（たとえば1260nm〜1380nm）の入射光を検出するように設計される。他の組の光検出器は、大陸間通信（たとえば1550nm）に用いられる長波長の入射光を検出するように設計される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、光学系に用いられる入射光の周波数（又は波長）範囲に依存して、特定の（すなわち用途に合わせて設計された）光検出器を備える特定の受光器は、その範囲の入射光を検出するように動作するように設計される。従って用途に合わせて設計された受光器は、チャネル当たり25Gb/sのデータ転送速度を供しながら広波長範囲の光−たとえば900nm未満の範囲の波長と1260nm〜1380nmの範囲の波長−を検出するのに用いることができない。そのため複数の用途に合わせて設計された受光器が、広波長範囲の光を受光/検出するのに光学系内で用いられる。その結果、その光学系は費用のかかるものとなる恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様による光検出器は、光を受光する第1ドーピング型の第1ダイオード領域と、第2厚さである第2ドーピング型の第2ダイオード領域と、前記第1ダイオード領域と前記第2ダイオード領域との間に存在して、前記の受光した光を電子信号に変換する第3厚さの活性領域と、前記第2ダイオード領域と結合して、第5厚さのシリコン酸化物層の間に存在する第4厚さのシリコン層を有する反射体を有する。前記活性領域は900nm未満の波長の光を吸収し、前記第4厚さと第5厚さの反射体は、1260nm乃至1380nmの範囲の波長の光を反射する。
【０００５】
本発明の他の態様による発明は、従属請求項及び以下の発明の詳細な説明に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の実施例による900nm未満の範囲の波長と1260nm〜1380nmの範囲の波長の光を吸収するように動作可能な光検出器の断面を表している。
【図２】本発明の一の実施例による図1の光検出器の上面を表している。
【図３】本発明の一の実施例による図1と図2の光検出器に基づく光検出器のアレイを表している。
【図４】本発明の一の実施例による受光器内に図1の光検出器を有する光学系を表している。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明の実施例は以降の発明の詳細な説明と本発明の様々な実施例の図面から十分にわかるだろう。しかし図面は、本発明を特定の実施例に限定するものと解されてはならず、説明と理解を目的とするに過ぎない。
【０００８】
本発明の実施例は、広光帯域をとり該広光帯域内で高効率である1つ以上の共振空洞感度増強(RCE)光検出器を備える単一の受光器用の装置及びシステムについて記載している。
【０００９】
本明細書においてチャネル当たりの高いデータ速度とは、チャネル当たり約25Gb/sのデータ速度を意味する。本明細書において広光帯域とは、900nm未満の範囲の波長と1260nm〜1380nmの範囲の波長の光を吸収することが可能なことを意味する。
【００１０】
一の実施例では、RCE光検出器内での層の厚さは、900nm未満の範囲の波長と1260nm〜1380nmの範囲の波長の光を吸収するように構成される。係る実施例では、RCE光検出器を有する単一の受光器は、900nm未満の範囲の波長又は1260nm〜1380nmの範囲の波長の光を検出するのに特別な/用途に合わせて設計された受光器を必要とすることなく、チャネル当たり約25Gb/sのデータ速度を維持しながら広範囲の波長の入射光に対して動作可能である。
【００１１】
以降では、本発明の実施例をより完全に説明するように論じられる。しかし本発明の実施例がこれらの特定の詳細が与えられなくても実施可能であることは当業者には自明である。他の場合では、本発明の実施例が不明確になるのを回避するため、周知構造及びデバイスは、詳細に示すのではなくブロック図で表されている。以降の説明では、RCE光検出器とは、光検出器と同義に用いられる。
【００１２】
図1は、本発明の一の実施例による入射光101を検出する光検出器100の断面を表している。一の実施例では、光検出器100は、入射光101を受光する第1ドーピング型の第1ダイオード領域106を有する。一の実施例では、第1ダイオード領域106はゲルマニウム(Ge)又はシリコン(Si)で構成される。第1ドーピング型はn型又はp型である。一の実施例では、燐がn型ドーピングに用いられる一方で、ホウ素がp型ドーピングに用いられる。他の実施例では、他の化学物質（元素及び/又は化合物）が、Ge及びSiにn型又はp型ドーピングを生成するのに用いられて良い。
【００１３】
光検出器100は、第2ドーピング型の第2ダイオード領域108をさらに有する。一の実施例では、第2ダイオード領域108はSiで構成される。第2ドーピング型は第1ダイオード領域106とは反対の極性である。たとえば第1ドーピング型がn型である場合には第2ドーピング型はp型であり、逆に第1ドーピング型がp型である場合には第2ドーピング型はn型である。一の実施例では、第2ダイオード領域108の厚さは529nm〜551nmの範囲である。一の実施例では、第2ダイオード領域108の厚さは540nmである。
【００１４】
光検出器100は、受光した光を電子信号へ変換する活性領域105をさらに有する。一の実施例では、活性領域105は、第1ダイオード領域106と第2ダイオード領域108との間に存在するように構成される。一の実施例では、活性領域105はGeで構成される。一の実施例では、活性領域105の厚さは、高い光学応答で900nm未満の波長の光を吸収する1078nm〜1122nmの範囲である。一の実施例では、活性領域105の厚さは、高速光応答で900nm未満の波長の光を吸収する1100nmである。
【００１５】
本明細書において光学応答とは、量子効率（η）としても知られ、光検出器による入射光の吸収率を表す。本明細書において高ηとは、光検出器による入射光の吸収が80%以上であることを意味する。
【００１６】
図1内の矢印112は、単一経路−つまり（ほとんど）入射光が反射されないことで、ほぼ全て（80%以上）の入射光101が活性領域105によって吸収される状態−での波長900nm未満の光の吸収を表す。一の実施例では、活性領域105の厚さは、波長1310nmの光を吸収するように設計された典型的な主としてGeから構成される法線入射光検出器で用いられる厚さの約半分である。
【００１７】
当業者は、入射光を受光する際に電子と正孔が活性領域内に生成されることを理解する。これらの電子/正孔は入射光を表す電気信号を生成する。
【００１８】
一の実施例では、反射体109は、第2ダイオード領域108及び基板110と結合する。一の実施例では、反射体109は、Si酸化物(SiO2)層113と115との間に挟まれたSi層114の二重埋め込み酸化層を有する。一の実施例では、Si層114は276nm〜288nmの厚さを有する一方で、SiO2層113と115は223nm〜233nmの範囲の厚さを有する。一の実施例では、Si層114の厚さは282nmである。一の実施例では、SiO2層の厚さは228nmである。一の実施例では、反射体109の層の厚さは、入射光101の多重光路を生成することによって、（実際に厚さを増大させることなく）Ge活性領域105の厚さを実効的に増大させるように構成される。係る実施例では、典型的な光検出器よりは薄いGe活性領域105が薄くなればなるほど、高い量子効率を維持しながら典型的な光検出器に匹敵するほどの高速となる。
【００１９】
当業者は、活性領域が厚くなればなるほど量子効率が高くなって光検出器が遅くなることを理解している。薄い活性領域については反対のことが言える。活性領域が厚くなることで、光検出器が遅くなる。なぜなら光検出器の遷移時間が長くなるからである。
【００２０】
本明細書において遷移時間とは、最も遅い担体が活性領域の一端から他端へ進行するのに要する時間−つまり一旦活性領域105が入射光101を受光してから活性領域105内の最も遅い担体が金属コンタクト107へ到達するまでの時間−を意味する。
【００２１】
上述したように、本発明の実施例は、薄いGe活性領域105によって、典型的なGe活性領域よりも高い量子効率を実現するので、チャネル当たり25Gb/sのデータ転送に必要な高い遷移回数を実現する。
【００２２】
一の実施例では、反射体109は、1260nm〜1380nmの範囲の波長の光を反射するように構成される。この反射光は矢印111によって示されている。一の実施例では、反射体109によって反射される光はまた、界面層103によっても一部が反射される。それにより波長1260nm〜1380nmの入射光がかなりの割合で、活性領域105内での多重反射を経て吸収される。一の実施例では、反射体109は二重シリコン・オン・インシュレータ(DSOI)反射体である。他の実施例では、反射体109は分布型ブラッグ反射体(DBR)である。
【００２３】
一の実施例では、Si層114の厚さは、Siの屈折率によって規格化された光の波長の1/4の奇数倍である一方、第2ダイオード領域108の厚さは、典型的なDBR構造において見られるような光の波長の1/4の奇数倍である必要はない。本発明の実施例では、第2ダイオード領域108の厚さは、光検出器100の量子効率を最大化するように構成され、かつ、光の波長の1/4の整数倍ではない。係る実施例では、この共振空洞光検出器100の全体的な量子効率は、広い1260nm〜1380nmの波長範囲にわたって、典型的な共振空洞光検出器の量子効率よりも高い。
【００２４】
上述したように、光検出器100は、反射防止層(ARC)を有して保護層104と結合する界面層103をさらに有する。一の実施例では、保護層104は、活性領域105と第1ダイオード領域106の一部を取り囲む。一の実施例では、ARCはシリコン窒化物(Si3N4)で構成される。他の実施例では、ARCはシリコン酸化物(SiO2)で構成される。一の実施例では、Si3N4で構成されるARCを有する界面層103の厚さは500nm〜521nmの範囲である。一の実施例では、Si3N4で構成されるARCを有する界面層103の厚さは511nmである。
【００２５】
一の実施例では、界面層103と第1ダイオード領域106の両方と結合する保護層104の一部は第1ドーピング型である。一の実施例では、保護層104はSiで構成される。一の実施例では、保護層104はアモルファスシリコンで構成される。他の実施例では、保護層104は多結晶シリコンで構成される。保護層104の厚さは、暗電流を抑制しながらデバイスの光吸収を最大にするようなものである。一の実施例では、保護層104の厚さは30nm未満であるか、又は184nm〜192nmの範囲である。一の実施例では、保護層104の厚さは188nmである。光検出器100は、高抵抗Siで構成される基板110をさらに有する。一の実施例では、基板の高抵抗は、光検出器の速度に悪影響を及ぼす恐れのある寄生効果を抑制する約100[Ω・cm]である。
【００２６】
本発明の一の実施例によると、入射光により生成される電流は、電気コンタクト102と107を介して収集される。一の実施例では、コンタクト102が第1ダイオード領域106と結合する一方で、コンタクト107は第2ダイオード領域108と結合する。
【００２７】
図2は、本発明による図1の光検出器100の上面200を表している。図1を参照しながら図2を説明することにする。上面200の中央の円103は、光検出器100の界面層103である。金属コンタクト102と107は、光検出器100によって入射光101から生成される電流を運ぶ光検出器100への接続を供する。円103は、光検出器100のサイズを表す直径201である。一の実施例では、光検出器100の直径201は30μm以下である。直径が大きくなることは、入射光を受光する界面が大きくなることを意味する。
【００２８】
図3は、本発明の一の実施例による図1と図2の光検出器に基づく光検出器1001-Nのアレイ300を表している。一の実施例では、Nは2である。他の実施例では、Nは6である。他の実施例では、Nは2と6以外であっても良い。一の実施例では、アレイ300は図4に図示された受光器内に存在する。
【００２９】
図4は、本発明の一の実施例による受光器300内に図1の光検出器を有する光学系400を表している。一の実施例では、システム400は1つ以上の送光器4011-Nを有する。送光器4011-Nからの各送光器は、送信器407と結合する電気−光変換装置406を有する。一の実施例では、送信器407は、900nm未満の波長又は1260nm〜1380nmの範囲の波長を有する光信号を、マルチプレクサ405、光導波路403、及びデマルチプレクサ404を介して受光器4021-Nへ送光する。
【００３０】
一の実施例では、受光器4021-Nからの各受光器は、光−電気変換装置408と結合する受信器300を有する。一の実施例では、受信器300は光検出器のアレイ300を有する。一の実施例では、デマルチプレクサ404は、送光器4011-Nからの送光器を、受光器4021-Nからの対応する受光器と結合する。一の実施例では、光導波路は、光ユニバーサルシリアルバス(USB)ケーブルである。一の実施例では、送光器4011-Nと受光器4021-Nは、各対応するコンピュータシステム（図示されていない）内に存在する。
【００３１】
一の実施例では、各送信器407は、特定の波長で中心をとる狭帯域光信号を受光器4021-Nへ送光する。従来、用途に合わせて設計された受信器は、送信器によって送光される特定の波長で中心をとる光を受光/吸収する必要がある。しかし本明細書で述べた実施例では、受信器300は、広範囲の波長−つまり900nm未満の波長又は1260nm〜1380nmの範囲の波長−を吸収するように構成される。よって用途に合わせて設計された受信器はもはや必要なくなる。
【図１】
2013532902.tif 000003
【図２】
2013532902.tif 000004
【図３】
2013532902.tif 000005
【図４】
2013532902.tif 000006
【国際調査報告】
2013532902.tif 000007
2013532902.tif 000008