(57)【要約】      （修正有）【課題】帯域幅と応答性との間の関係を分離することにより、より柔軟かつ広範な光検出器設計空間を提供する。【解決手段】光検出器デバイスは、第１の鏡２２０と、第２の鏡２３０と、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に配置された光吸収領域２１０とを含む。例えば、第１の鏡は低反射率鏡であり得、第２の鏡は高反射率鏡であり得る。光吸収領域は、第１の鏡を通過して第１の鏡と第２の鏡との間で反射された入射光を吸収するように、配置される。第１の鏡は、光が第２の鏡によって反射された後に第１の鏡から逃げる光エネルギーの量がゼロまたはほぼゼロとなるような反射率を示すように、構成される。【選択図】図２
2015130504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出器デバイスであって、
第１の反射率を有する第１の反射領域であって、前記第１の反射領域は第１の誘電層を含む、第１の反射領域と、
（１）ゲルマニウムを含む光吸収層および（２）ケイ素を含むバッファ層を含む空洞領域であって、前記バッファ層の寸法は、選択帯域幅に合った入射光の波長に基づいて適合される、空洞領域と、
前記第１の反射率よりも高い第２の反射率を有する第２の反射領域であって、前記第２の反射領域は、（１）反射層および（２）前記反射層と前記空洞領域との間に配置された第２の誘電層を含み、前記第２の誘電層の厚さは、前記第２の反射率を、前記第２の誘電層を持たない前記第２の反射領域の反射率に比べて増加させるように適合される、第２の反射領域と、
を含み、
前記空洞領域は、前記第１の誘電層を通過して前記第１の誘電層と前記反射層との間で反射された光を保持するように、前記第１の誘電層と前記第２の誘電層との間に配置され、
前記第１の反射率は、１循環の減衰係数と実質的に等しくなるように構成され、
前記１循環の減衰係数は、１循環における残余光エネルギーの進入光エネルギーに対する比を示す、
デバイス。
【請求項２】
前記入射光は、前記空洞に進入し、前記第１の反射領域と前記第２の反射領域との間において反射され、前記入射光は前記空洞内において共振し、（ａ）前記第１の反射率、（ｂ）前記第２の反射率および（ｃ）前記空洞の減衰係数は、前記第１の反射率が前記第２の反射率よりも低くなるように集合的に構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１の反射率は、前記入射光が前記第２の反射領域によって反射された後に前記第１の反射領域から逃げる光エネルギーの量が、実質的にゼロとなるように構成される、請求項１〜２のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１の誘電層は、交互の高屈折率および低屈折率の対を含む複数の層を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１の誘電層は酸化物を含み、前記第１の誘電層の厚さは１００ｎｍよりも大きい、請求項１〜４のうちいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記空洞領域内の前記光吸収層は１．５μｍよりも薄く、前記バッファ層は１０ｎｍよりも厚い、請求項１〜５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記入射光と前記第１の誘電層との間にケイ素の層をさらに含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記ケイ素層と前記入射光との間に反射防止コーティング層をさらに含む、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第１の反射領域および前記第２の反射領域は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、金属反射器、誘電層、誘電金属層、ループ鏡、コーナー反射鏡および反射トレンチを含む群からそれぞれ選択される、請求項１〜８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記空洞領域の構造は、ｐ−ｎドーピングプロファイル、ｐ−ｉ−ｎドーピングプロファイル、ｐ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎドーピングプロファイルまたはｎ−ｉ−ｎ−ｉ−ｐドーピングプロファイルのうち１つ以上を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記空洞または前記第１の反射領域または前記第２の反射領域は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ケイ素、ゲルマニウム、有機材料またはこれらの組み合わせを含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記入射光を誘導するように前記第１の反射領域へ結合された導波路をさらに含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第２の反射領域内の前記反射層は金属を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
【０００２】
本出願は、米国仮特許出願第６１／９２１，４１２号（名称：「ＰＨＯＴＯＮＩＣ  ＬＯＣＫ  ＢＡＳＥＤ  ＨＩＧＨ  ＢＡＮＤＷＩＤＴＨ  ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲ」、出願日：２０１３年１２月２８日）および米国仮特許出願第６１／９２９，１１２号（名称「ＰＨＯＴＯＮＩＣ  ＬＯＣＫ  ＢＡＳＥＤ  ＨＩＧＨ  ＢＡＮＤＷＩＤＴＨ  ＰＨＯＴＯＤＥＴＥＣＴＯＲ  ＷＩＴＨ  ＶＡＲＩＯＵＳ  ＲＥＦＬＥＣＴＯＲ  ＤＥＳＩＧＮＳ」、出願日：２０１４年１月１９日）の恩恵を主張する。同文献双方の全体を参照することで本明細書中に組み込まれる。
【０００３】
本開示の少なくとも１つの態様は、光検出器設計に関し、より詳細には、フォトニックロックベースの高帯域光検出器に関する。
【背景技術】
【０００４】
高速通信への要求がかつて無いほど高まる中、コンピューティングシステムにおける光学素子の使用も大幅に増加している。半導体フォトニックは、公知の作製技術により集積回路内において実行することができ、光学素子の使用増加に伴って利用が増加している。その結果得られた半導体光検出器は、形状因子が低く、また、検出帯域幅を極めて高くすることができる。これらの特徴により、光ファイバーを用いた高速電気通信およびデータセンターの相互接続用途に半導体光検出器を適切に利用することが可能になる。
【０００５】
しかし、従来の光検出器設計の場合、応答性と帯域幅との間に固有のトレードオフがある。従来、応答性は、光吸収材料（例えば、ゲルマニウム）中を光が移動する経路長さに直接比例する。従来の通常の垂直入射光検出器を一例として考えると、吸収層が肉厚になるほど、応答性も高くなる。残念なことに、吸収層がより肉厚になると、キャリア移動時間が長くなるという欠陥が常についてまわるため、光検出器の帯域幅の低下に繋がる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した従来の光検出器設計における応答性と帯域幅との間のトレードオフは望ましくないことが分かっている。この欠陥を解消するための従来の１つの試みとして、光吸収領域に隣接する鏡構造（または反射領域）を配置して、光吸収領域へ再度反射させる試みがある。図１Ａ〜図１Ｂは、３つの異なる光検出器構造の断面図を示す。これら３つの異なる光検出器構造は全て、この従来のアプローチを実行する。なお、本議論の多数の部分において、入射光は全て光吸収領域中にほとんど完全に結合されることを想定しており、実際には、反射防止コーティング層を付加することにより、この想定を実質的に満たすことができる。図１Ａ〜図１Ｂおよび本開示全体の他の図に示す構造はひとえに例示目的のためのものであるため、特定の周知の構造（例えば、基板、接点、ドーピングプロファイル、および入射光のための反射防止コーティング（単数または複数））を１つ以上の図において簡潔さのために省略する場合もある点に留意されたい。これらの３つの異なる種類の光検出器は、突き合わせ結合光検出器１００、垂直入射光検出器１０２、およびエバネッセント結合光検出器１０４を含む。
【０００７】
図示のように、入射光は、光吸収領域１１０の一端にある光検出器１００、１０２および１０４の光吸収領域１１０に進入する。鏡構造（または反射領域）１３０を光吸収領域１１０の他端に配置して、入射光を再度光吸収領域１１０へ反射させることができる。このアプローチの場合、入射光の移動経路が２倍になるため応答性が向上するが、向上に限界がある。また、鏡１３０を付加した場合、反射防止コーティングが相互構造であることに起因して、周知の背面反射問題も発生し得る。知られていることであるが、反射防止コーティングの機能は、最大光エネルギーを２つの媒体間において（ここでは、入射光を搬送する媒体から光吸収領域中に、またはその逆に）移動させることである。
【０００８】
さらに、従来の光検出器設計におけるこの帯域幅および応答性のトレードオフの１つの重要な理由は、光が光吸収領域１１０内に閉じ込められないことに起因するため、限られた量の光が通過した場合のみに光吸収が発生し得ることが分かっている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ここで導入されるのは、帯域幅の犠牲無く高応答性に到達するための入射光を光吸収領域１１０内に閉じ込めるための方法を提供することにより、このようなトレードオフを解消する技術である。より詳細には、入射光を拘束することにより、光吸収材料の全体積（例えば、厚さ）を（応答性の大幅な犠牲無くまたは応答性の犠牲が全く無く）大幅に低減することができる。なぜならば、光吸収材料によって光が吸収されるまで、光が光吸収領域１１０（または光吸収空洞（例えば、図１Ｂの空洞層１１２））内に留まるからである。このようなより小さなサイズにより、帯域幅がより高くなるという恩恵が得られる。
【００１０】
さらに以下に述べるように、本明細書中において導入される装置および技術によれば、帯域幅と応答性との間の従来の関係を分離することにより、次世代の高速光検出器用途のためのより柔軟かつ広範な光検出器設計空間が得られる。特定の例において、光検出器デバイスは、第１の鏡と、第２の鏡と、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に配置された光吸収領域とを含む。例えば、第１の鏡は部分反射鏡であり得、第２の鏡は高反射率鏡であり得る。入射光を導波路から誘導し、第１の鏡を通過させた後、光吸収領域へ進入させることができる。光吸収領域は、第１の鏡を通過した後第１の鏡と第２の鏡との間において反射された入射光を吸収するように、配置される。第１の鏡は、第２の鏡によって反射された後に第１の鏡から逃げる一定量の光エネルギーがゼロまたはほぼゼロになるような反射率を示すように、構成され得る。すなわち、本明細書中議論される方法において、本技術は、第１の鏡および第２の鏡ならびに光吸収領域の光学パラメータを、実質的な量の入射光のエネルギーを光吸収領域により捕獲または光吸収領域内に閉じ込めることができるように、構成することができる。このようにして、本技術を用いた例において、高帯域および高応答性の両方を享受することができる。本技術を用いたいくつかの光検出器は、従来の光検出器の１０〜２５Ｇｂｉｔ／ｓと比較して、４０Ｇｂｉｔ／ｓを超える帯域幅を達成することができる。また、光吸収領域の（例えば、垂直入射光検出器における）厚さまたは（例えば、突き合わせ結合光検出器における）長さを、３μｍ以上〜約５００ｎｍ以下まで低減することができる。
【００１１】
さらに、フォトニックロックベースの光検出器の設計方法について以下に述べる。この方法は、電子設計自動化（ＥＤＡ）ソフトウェアアプリケーションによって例示される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本開示の１つ以上の態様を非限定的に例示的に添付図面中に示す。図面中、類似の参照符号は類似の要素を指す。これらの図面は、必ずしも縮尺通りではない。
【００１３】
【図１Ａ】従来の光検出器構造の断面図である。
【図１Ｂ】従来の光検出器構造の断面図である。
【図２】いくつかの例によるフォトニックロックベースの光検出器の実行の関連詳細を示す断面図である。
【図３】フォトニックロックベースの光検出器の設計のための電子設計自動化（ＥＤＡ）ソフトウェアアプリケーションによって実行することが可能な設計プロセスの一例を示すフロー図である。
【図４】本明細書において導入される技術を用いた突き合わせ結合光検出器の実行例の断面図である。
【図５】本明細書において導入される技術を用いたエバネッセント結合光検出器の実行例の断面図である。
【図６Ａ】本明細書において導入される技術を用いた垂直入射光検出器の例示的実施形態の断面図である。
【図６Ｂ】本明細書において導入される技術を用いた垂直入射光検出器の例示的実施形態の断面図である。
【図６Ｃ】本明細書において導入される技術を用いた垂直入射光検出器の例示的実施形態の断面図である。
【図６Ｄ】本明細書において導入される技術を用いた垂直入射光検出器の例示的実施形態の断面図である。
【図６Ｅ】本明細書において導入される技術を用いた垂直入射光検出器の例示的実施形態の断面図である。
【図７Ａ】フォトニックロックベースの光検出器において適合することが可能な鏡設計の多様な例を示す。
【図７Ｂ】フォトニックロックベースの光検出器において適合することが可能な鏡設計の多様な例を示す。
【図７Ｃ】フォトニックロックベースの光検出器において適合することが可能な鏡設計の多様な例を示す。
【図７Ｄ】フォトニックロックベースの光検出器において適合することが可能な鏡設計の多様な例を示す。
【図７Ｅ】フォトニックロックベースの光検出器において適合することが可能な鏡設計の多様な例を示す。
【図７Ｆ】フォトニックロックベースの光検出器において適合することが可能な鏡設計の多様な例を示す。
【図７Ｇ】フォトニックロックベースの光検出器において適合することが可能な鏡設計の多様な例を示す。
【図７Ｈ】フォトニックロックベースの光検出器において適合することが可能な鏡設計の多様な例を示す。
【図８】コンピューティングシステムの一例を示す高レベルブロック図であり、図３の設計プロセスのうち少なくとも一部を実行することができるかまたは本明細書中において導入されるフォトニックロックベースの光検出器の一例を実行することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の記載において、本開示の深い理解のために、多数の特定の詳細について述べる。当業者にとって、ここで導入される技術はこれらの特定の詳細無しに実行することが可能であることが明らかである。他の場合において、周知の特徴（例えば、特定の作製技術）については、本開示を不必要に不明瞭にしないために詳述を控える。本記載において「例」「一例」などに言及した場合、記載の特定の特徴、構造、材料または特性が本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。よって、本明細書中においてそのような文言がある場合、当該例そのもののみを必ずしも指さない。一方、そのような言及は、必ずしも相互に排他的ではない。さらに、特定の特徴、構造、材料または特性を１つ以上の例において任意の適切な様態で組み合わせることも可能である。また、図示される多様な例示的な実施形態はひとえに例示であり、必ずしも縮尺通りではないことも理解されるべきである。
【００１５】
「結合（couple）」および「接続（connect）」ならびにその派生語は、本明細書中において構成要素間の構造関係の記述に用いられる。これらの用語は相互に類義語として意図されていないことが理解されるべきである。すなわち、特定の例において、「接続」という用語は、２つ以上の要素が直接的に物理的に相互接続されているかまたは電気接点により相互接続されている様子を示す。「結合」という用語は、２つ以上の要素が直接的または（両者間に介在要素を挟んで）間接的に接続されている様子を示し、かつ／またはこれら２つ以上の要素が（例えば、因果関係のように）相互に協働または相互作用する様子を示す。
【００１６】
本明細書中において用いられる「〜の上方（over）」、「〜の下方（under）」、「〜の間（between）」および「〜上（on）」などの用語は、１つの材料層の他の材料層に対する相互位置を指す。よって、例えば、１つの層が別の層の上方または下方に配置された場合、その１つの層は他方の層と直接接触している場合もあるし、あるいは１つ以上の介在層を挟む場合もある。さらに、１つの層が２つの層の間に配置された場合、その１つの層は、これら２つの層と直接接触している場合もあるし、あるいは１つ以上の介在層を挟む場合もある。これと対照的に、第１の層が第２の層「上」に設けられた場合、その第２の層と接触している。さらに、１つの層の他方の層との相対位置は、基板の絶対的方向を考慮せずに作業が基板に行われることを前提としている。
【００１７】
例えば、本明細書中では、図１Ｂ中の光吸収領域１１０は、光吸収領域１１０の全部位（例えば、光吸収層１１４）が入射光および鏡１３０と同じ平面上（例えば、基板上）に直接配置されていない場合でも、図示のような入射光と鏡１３０との「間」に配置されたものとして記述され得る。別の例において、図１Ｂ中の光吸収層１１４は、光吸収層１１４が空洞層１１２と直接接触していない（例えば、界面層（図１Ｂ中図示せず）が光吸収層１１４と空洞層１１２との間に配置されている場合）でも、本明細書中では空洞層１１２の「上方に」配置されたものとして記述され得る。
【００１８】
また、他に明記無き限りまたは文脈から明らかでない限り、本明細書中において用いられる用語のうちいくつかは、同義に用いられ得る。例えば、「往復（round-trip）」または「１循環（one-circulation）」とは、光が第１の端部（例えば、光吸収領域の端部）から第２の端部へ移動した後、（例えば反射されて）第２の端部から第１の端部へ戻ることを指し得る。光吸収領域の「減衰係数（attenuation coefficient）」または「吸収係数（absorption coefficient）」とは、光が光吸収領域内において移動する際の、光吸収領域内において光が減衰した後の光エネルギーの残量（光の初期入射エネルギーに対するパーセンテージ）を示す係数または定数である。
【００１９】
「反射（reflect）」という用語は、少なくとも１つの特定の波長範囲（例えば、近赤外線領域）内における入射光ビームの反射率が０％を超えることを意味する。
【００２０】
図２は、本技術のいくつかの態様によるフォトニックロックベースの光検出器２００の実施に関連する詳細を示す断面図である。光検出器２００は、光吸収領域２１０と、第１の鏡（または反射領域）２２０と、第２の鏡２３０とを含む。説明目的のため、以下の説明において、光検出器２００は突き合わせ結合型光検出器であると仮定するが、ここで導入される技術は、任意の適切な半導体光検出器に適用可能である。
【００２１】
上記したように、従来の光検出器の場合、十分な光を吸収するためには、その光吸収領域が入射光の移動方向について十分に長い必要がある。そのような制限は、このような従来の光検出器が到達し得る帯域幅において妨げとなる。そのため、光検出器２００は、フォトニックロック機構を含む。このフォトニックロック機構は、光が光吸収材料によって完全にまたはほぼ完全に吸収されるまで光が光吸収領域２１０内に留まるように、光を光吸収領域２１０内に閉じ込める。この目的のため、本技術の一態様において、２つの鏡（例えば、第１の鏡２２０および第２の鏡２３０）が配置される。各鏡は光吸収領域２１０の各側に配置されて、フォトニックロックを形成する。フォトニックロックは光を光吸収領域２１０内に閉じ込めるため、入射光は、ほとんど全ての光が吸収されるように、光吸収領域２１０内において（鏡２２０および２３０間を反射されることにより）複数回移動することができる。
【００２２】
より詳細には、光を光吸収領域２１０内に「ロック」するために、フォトニックロックは、第２の鏡２３０によって反射された後に第１の鏡２２０から逃げる一定量の光エネルギーがゼロまたはほぼゼロとなるように、構成される。このようなロック状態に到達するために、第１の鏡２２０の光学パラメータならびに第２の鏡２３０および光吸収領域２１０の光学パラメータは、入射光の実質的な量のエネルギーが光吸収領域２１０内に捕獲または閉じ込められるように、構成される。１つ以上の例において、（ａ）第１の鏡２２０の反射率、（ｂ）第２の鏡２３０の反射率および（ｃ）光吸収領域２１０の減衰係数の構成は、入射光が光吸収領域２１０に進入し第１の鏡２２０と第２の鏡２３０との間で反射された場合に、光が共振し、光吸収領域２１０内に実質的にロックされるような、構成である。この光検出器の１つの構成方法として、第２の鏡２３０の反射率をできるだけ高く（１００％に近く）設計した後、帯域幅要求に基づいて空洞（図２中の光吸収領域）の寸法を設計する方法がある。空洞の寸法および他の材料パラメータに基づいて、空洞の１循環の減衰係数が得られ、その後、第１の鏡２２０の反射率を１循環の減衰係数と相関付けることができる。
【００２３】
図２を参照して、以下、フォトニックロック光検出器を実施するためにフォトニックロック状態の背後で作用しているいくつかの物理的原理について述べる。図２に示すように、入射光が第１の鏡２２０を通じて光吸収領域２１０に進入すると仮定する。特定の態様によれば、第１の鏡２２０は部分的反射であるかまたは光の一部（およびそのエネルギー）を空洞中へ透過させるものであり、第２の鏡２３０は全反射であるかまたは光の大部分（およびそのエネルギー）を光吸収領域２１０中へ反射させるものである点に留意されたい。よって、光検出器２００の１つ以上の例において、第１の鏡２２０の反射率は、第２の鏡２３０の反射率よりも低い。以下の記載において、簡潔さのため、第２の鏡２３０は完全反射器である（すなわち、反射率が１００％に達する）と仮定する。第２の鏡２３０の反射率が完全なものよりも低い場合も、ここで導入される技術は有効であるが、第２の鏡２３０の不完全性に起因して、効率が低下し得る。また、図２中には示していないが、光吸収領域２１０は、１つ以上の材料および／または構造点を含み得るに留意されたい。例えば、特定の例において、光吸収領域２１０は、フォトダイオード構造、横または垂直ｐ−ｉ−ｎドーピングプロファイル、またはアバランシェフォトダイオード構造であり得る。
【００２４】
ここで、第１の鏡２２０の透過率はＴであり、第１の鏡２２０の反射率はＲ１であると仮定した場合、入射光の進入時における上記構造の定常状態を表す散乱行列（または「Ｓ行列」）を用いることができる。
【数１】
2015130504.tif 000003
式中、Ａ１、Ａ２、Ｂ１およびＢ２はそれぞれ、図２に示すように異なる段階における入射光の光強度（または強度）を示す。
【００２５】
さらに、エネルギー保存の法則に起因して、Ｒ１およびＴは、以下の関係を有する。
【数２】
2015130504.tif 000004
【００２６】
以下、αは、光吸収領域２１０の１循環の減衰係数を示すものとする。本明細書中において用いられる光吸収領域２１０の１循環の減衰係数は、光吸収領域２１０に進入した後光吸収領域２１０から退出しその後第２の鏡２３０によって反射された場合の光吸収領域２１０中の光残量を示す（入射光の退出ポイントは進入ポイントと同じであると仮定する）。
【００２７】
さらに、Ａ２は、光が光吸収領域２１０中へ送られた後に光吸収領域２１０を通じて第２の鏡２３０へ送られ、第２の鏡２３０から反射され、記光吸収領域２１０を再度通過した直後に光吸収領域２１０から出ていった後の入射光の光強度を示すものとする。この場合、Ａ２は、以下によって表される。
【数３】
2015130504.tif 000005
換言すれば、光が光吸収領域２１０に進入する際において、αは、１回の循環における残余光エネルギーＡ２の進入光エネルギーＢ２に対する比を示す。
【００２８】
いくつかの例において、αは、第２の鏡２３０の反射率であるＲ２の関数として表すことができる点に留意されたい。
【数４】
2015130504.tif 000006
式中、ｎiは、空洞屈折率の虚数部であり、ｋ0は自由空間波数であり、ｄは空洞長さ（すなわち、第１の鏡２２０と第２の鏡２３０との間の距離）である。
【００２９】
しかし、式（４）は、光吸収領域２１０のサイズが入射光の光学波長より小さいかまたは近似する特定の場合を完全に示さない場合がある点に留意されたい。これらの場合、光吸収領域２１０の（光学波長と比較した場合の）サイズおよび（空洞電場の波腹または節に相対する）光吸収領域２１０の位置により、有効な光吸収係数を決定することができる。（「節」とは、定在波中において振幅がゼロに留まる位置であり、「波腹」とは、定在波において振幅が最も変化する位置である。）
【００３０】
例えば、光吸収領域２１０のサイズが光学波長よりもずっと小さくかつ光吸収領域２１０の位置が空洞電場の波腹にあるいくつかの特定の場合において、バルク吸収係数の値の２倍である有効吸収係数が観察され得る。（「バルク」という用語は、材料の一般的材料特性を指し、材料物理的サイズが小さ過ぎる場合（例えば、ここで述べる状態）に逸脱し得る。）逆に、光吸収領域２１０のサイズが光学波長よりもずっと小さくかつ光吸収領域２１０の位置が空洞電場の節にある場合、ゼロの有効吸収係数が観察され得る。
【００３１】
ここで導入される技術によれば、実質的な量のエネルギーの入射光を（上記フォトニックロック状態に到達するように）光吸収領域２１０内において捕獲または閉じ込める必要がある。本明細書中の議論の目的のため、第１の鏡および第２の鏡によって相変化は発生しないと仮定した場合、光吸収領域２１０中において光が共振すると、１つの循環相変化θは２ｍπに等しい（ここでｍは整数）ため、式（２）および式（３）を組み合わせて式（１）中のＳ行列とすることにより、以下の式が得られる。
【数５】
2015130504.tif 000007
【００３２】
式（５）から、Ｒ１＝αである場合、Ｂ１＝０となることが分かる。その結果、ここで述べるようなフォトニックロック状態に到達するためには、光が第２の反射領域によって反射された後に第１の反射領域から逃げる光（例えば、Ｂ１）のエネルギーの量は、実質的にゼロとなるはずである。すなわち、実質的な量のエネルギーの入射光は、光吸収領域２１０内に捕獲または閉じ込められる。従って、第１の鏡２２０の１つ以上の例は、光吸収領域αの１循環の減衰係数に実質的に等しい反射率Ｒ１を示すように、構成される。
【００３３】
上記の定常状態の記載を念頭において、以下において、フォトニックロック光検出器の背後の物理的原理をさらに示すために、過渡状態の例について説明する。Ｒ１が１０％であるとすると、１循環の減衰係数αが１０％となるように設計された場合、光検出器２００は動作時において上記フォトニックロック状態「α＝Ｒ１」に到達し得る。以下のシナリオを考えると、入射光が第１の鏡２２０を通過して９０％になると、それは領域２１０によって吸収されつつ光吸収領域２１０を通過し、第２の鏡２３０から反射され、領域２１０をさらに通過する。αは１０％となるように設計されているため、この光が領域２１０から退出して第１の鏡２２０と再度出会う前に、光の１循環の光強度は、９０％×１０％＝９％となる。第１の鏡２２０は相互構造であるため、この光が第１の鏡２２０と出会うと、光のうち（９％×１０％である）０．９％が領域２１０内に再度反射されるようにみえ、光のうち８．１％が（空洞によって吸収されること無く）第１の鏡２２０を通過するようにみえる。
【００３４】
しかし、第１の鏡２２０から漏洩するかまたは逃げるようにみえる光のエネルギーの量が（例えば「ゼロ通過」後に）１０％であり、（例えば「第１の通過」に）８．１％であるのにも関わらず、これらの光は異なる段階において逃げることが分かる。より詳細には、これらの逃げた光は、相互に相殺的干渉を発生させるため、光吸収領域２１０の外部において実際に漏洩するエネルギーは、上記計算（例えば、１０％および８．１％の合計）中の結果よりも小さい場合がある。
【００３５】
ここで開示される技術によれば、光検出器２００が動作時においてフォトニックロック状態（すなわち、「α＝Ｒ１」）に到達し得るように第１の鏡２２０、光吸収領域２１０および第２の鏡２３０の光学パラメータが共に構成される場合、多数回の光通過の後、漏洩した光本質的に全てが相殺的干渉により相互に打ち消し合う。すなわち、元々の入射光Ａ１の出力のうちほとんどは、光吸収領域２１０内において吸収される。
【００３６】
多数の非理想因子（例えば、プロセス状態および変動）が存在し得るものの、ここで導入する技術によれば、理想的な「α＝Ｒ１」の場合からのわずかな逸脱がある場合でも同様の恩恵が得られ、閉じ込め効率のみが低下し得る点に留意されたい。
【００３７】
図３は、フォトニックロックベースの光検出器（例えば、光検出器２００）の設計のための電子設計自動化（ＥＤＡ）ソフトウェアアプリケーションによって実行され得る設計プロセス３００の一例を示すフロー図である。本明細書中に記載の方法は、特定の順序で行われるものとして記載かつ／または図示された複数のステップまたは動作を含むが、これらの方法は、逐次的または並列的に行われ得るより多数または少数のステップを含んでもよい点に留意されたい。また、２つ以上のステップの順序を変更することができ、２つ以上のステップの機能が重複し得、２つ以上のステップを組み合わせて単一のステップにしてもよい。
【００３８】
先ず、複数の設計要素に基づいて、光吸収領域の寸法および材料を決定することができる（３１０）。これらの設計要素を挙げると、標的光の波長、そのスポットサイズ、および導波路または結合デバイスの特性（例えば、光ファイバーを上側に配置するかまたは導波路を第１の鏡に結合するなど）。
【００３９】
次に、第２の鏡のための反射器設計を選択することができる（３２０）。第２の鏡は、光のほとんどを光吸収領域中へ反射させるためのものである。１つ以上の例において、第２の鏡は、可能なだけの高反射率（すなわち、できるだけ１００％に近い反射率）を作製プロセスによって持つように、設計される。第２の鏡のいくつかの例を挙げると、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）鏡、テーパーＤＢＲ鏡、ループ鏡、コーナー反射鏡、金属鏡、酸化ケイ素鏡、窒化ケイ素鏡、またはこれらの適切な組み合わせがある。特定の例によれば、第２の鏡の反射率は、５０％よりも高い。第２の鏡の材料組成中に、第２の鏡中に貫通する空洞から延びるエバネッセント光学電場を吸収する光吸収材料を含めてもよい点に留意されたい。
【００４０】
次に、ステップ３１０および３２０の結果に基づいて、光吸収領域の１循環の減衰係数（α）を決定することができる（３３０）。１循環の減衰係数は、（退出ポイントが進入ポイントと同じ光吸収領域の同一端部上にある場合に）第２の反射領域によって反射された光が光吸収領域に進入した後光吸収領域から退出したときの、光吸収領域中の残留光を（光強度によって）示す。
【００４１】
その後、第１の鏡のための反射器設計を選択することができる（３４０）。上記したように、第１の鏡の反射率は、光吸収領域の１循環の減衰係数（α）と実質的に等しくなるように、構成される。第２の鏡と同様に、第１の鏡の設計を挙げると、ＤＢＲ鏡、テーパーＤＢＲ鏡、ループ鏡、コーナー反射鏡、金属鏡、酸化ケイ素鏡、窒化ケイ素鏡またはこれらの適切な組み合わせがある。特定の例によれば、第１の鏡の反射率は、５０％よりも低いかまたは第２の鏡の反射率よりも低い。第１の鏡の材料組成中に、第１の鏡中に貫通する空洞から延びるエバネッセント光学電場を吸収する光吸収材料を含めてもよい点に留意されたい。光を光吸収空洞内に捕獲することができるため、光吸収空洞そのものの長さまたは厚さを従来の光検出器点よりも比較的小さくすることができる点にも留意されたい。さらに、従来の光検出器において必要な場合が多い反射防止コーティング層をフォトニックロックベースの設計において不要にすることができる点に留意されたい。一例において、光吸収領域の長さは、１μｍよりも短い。他の例において、長さを百ナノメートル範囲まで低減することができ、それでも高帯域における高応答性が可能となる。
【００４２】
図３において図示していないが、設計者（またはＥＤＡソフトウェアアプリケーション）は、検証のためのシミュレーションを実行することができ、必要があれば、用途の要求により多く応えるために上記のステップを繰り返して多様な設計パラメータを調節または最適化することができる。
【００４３】
また、フォトニックロックベースの光検出器における多様な構成要素の正確な寸法（例えば、長さ、幅および厚さ）を上記フォトニックロック状態に適合させる（少なくともできるだけ近づける）必要がある点に留意されたい。このような状態は、多様な要素に依存する（例えば、入射光のスポットサイズ、光モード、光波長、吸収空洞領域の材料、鏡の材料および反射率）。これらの選択に起因して、閉じ込め効率（以降応答性および帯域幅と呼ぶ）に影響が出る場合がある。しかし、これらの設計選択は、フォトニックロックの動作原理を変化させない最適化プロセスの一部である。よって、当業者であれば、本明細書中に記載される技術を用いて、設計最適化を行うことができる。
【００４４】
図４は、本明細書中において導入される技術を用いた突き合わせ結合光検出器４００の例示的実施形態の断面図である。光検出器４００は、基板４０７と、導波路４０５と、第１の鏡領域（または反射領域）４２０と、光吸収領域４１０と、第２の鏡領域４３０とを含む。図４に示す構成要素を参照して、光検出器４００を形成する方法を導入する。
【００４５】
先ず、基板４０７が設けられる。基板４０７は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または他の適切な酸化物であり得る。改変例において、基板４０７は、他の材料を含み得る（例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ガラス、ポリマーまたはオキシ窒化物）。
【００４６】
図４に示すように、導波路４０５は、基板４０７の上方に形成される。導波路４０５は、（例えば、光ファイバーからの光信号（図４中図示せず）であり得る）入射光を受信し、この入射光を第１の反射領域４２０を通じて光吸収領域４１０中へと送るように、構成される。一例において、導波路４０５の材料は、ケイ素（Ｓｉ）を含む。追加的にまたは代替的に、他の適切な材料も利用可能である（例えば、インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ）、ドープガラス、ポリマーまたは窒化物）。いくつかの例において、導波路４０５は、単一モードまたは多モードのケイ素導波路である。一般的に、導波路材料は、意図される動作波長において吸収層そのものよりも吸収率が低くないといけない点に留意されたい。いくつかの例において、導波路層の材料は、吸収層と比較してバンドギャップが大きい。
【００４７】
第１の反射領域４２０および第２の反射領域４３０は、基板４０７の上方に形成され得る。図示のように、第１の反射領域４２０および第２の反射領域４３０は、同一平面上に形成され得る。第１の反射領域４２０および第２の反射領域４３０が導波路４０５と同じ材料で構成されているいくつかの例において、３つの構造全てを（例えば基板４０７上または基板４０７の上方に）同一のステップ（単数または複数）を用いて形成することができる。
【００４８】
次に、光吸収領域４１０を第１の反射領域４２０と第２の反射領域４３０との間に形成する。例えば、光吸収材料（例えば、ケイ素、ゲルマニウム、ケイ素−ゲルマニウム、有機材料、または他のＩＩＩ−Ｖ族材料）を第１の反射領域４２０および第２の反射領域４３０と実質的に同じ平面上に（例えば基板４０７の上方に）配置するかまたは化学的に蒸着させることができる。光吸収領域４１０は、第１の反射領域４２０を通過して第１の反射領域４２０と第２の反射領域４３０との間で反射された光を吸収するように、配置される。図４の突き合わせ結合の例において、光吸収材料は、第１の反射領域４２０および第２の反射領域４３０と実質的に同じ平面上に形成される。これは、１つ以上の公知のエッチングおよび化学的蒸着プロセスによって実行することができる。光吸収領域４１０は、第１の反射領域４２０および第２の反射領域４３０の形成前に形成してもよい点に留意されたい。
【００４９】
上記したように、第１の反射領域４２０は、第２の反射領域から反射された後に第１の反射領域から逃げる光のエネルギー量が実質的にゼロとなるような反射率を有するように、構成される。１つ以上の例において、第１の反射領域４２０の反射率は、光吸収領域４１０の１循環の減衰係数と実質的に等しくなるように、構成される。図５は、導入される技術を用いたエバネッセント結合光検出器５００の例示的実施形態の断面図である。光検出器４００と同様に、光検出器５００は、基板５０７、導波路５０５、第１の反射領域５２０、光吸収領域５１０および第２の反射領域５３０を含む。導波路、基板ならびに光検出器５００の第１の反射領域および第２の反射領域の構造および製造プロセスは、上記した光検出器４００の場合と同様である。
【００５０】
光吸収領域５１０について、エバネッセント結合光検出器５００と突き合わせ結合光検出器４００との違いとして、（必ずしも光吸収材料ではない）空洞層５１２を先ず第１の反射領域５２０および第２の反射領域５３０と実質的に同じ平面上に配置する点がある。これは、第１の反射領域５２０および第２の反射領域５３０を形成するステップ時に形成することができる。いくつかの例において、作製を容易にするため、空洞層５１２は、第１の反射領域５２０および第２の反射領域５３０と同じ材料を含む。
【００５１】
次に、任意選択的に、１つ以上の界面層（例えば、エバネッセント結合向上のためのバッファ層または結晶格子定数の整合向上のためのいくつかの材料スタック）を空洞層５１２の上方に配置することにより、空洞層５１２と光吸収層５１４との間の界面の光学特性を向上させることができる。
【００５２】
その後、光吸収材料を含む光吸収層５１４を空洞層５１２の上方に配置することができる。この光検出器５００の作製プロセスは、（基板５０７の上方よりも空洞層５１２の上方に光吸収層５１４の材料をより容易に配置することが可能な）特定の実施形態における例えば４００におけるような他の構造の光検出器の作製プロセスよりも有利であり得る点に留意されたい。
【００５３】
図５中では図示していないが、別の例において、入射光は、吸収層５１４の上部から進入し得る。本明細書中において導入される技術によれば、第１の通過中において吸収されない量の光を、吸収層５１４によりエバネッセント吸収しつつ空洞層５１２中に閉じ込める（または「ロック」する）ことができる。また、吸収層５１４は、第１の反射領域５２０および第２の反射領域５３０の一部を被覆して、第１の反射領域５２０および第２の反射領域５３０中に貫通する空洞層５１２から延びるエバネッセント光学電場をさらに吸収することができる点に留意されたい。
【００５４】
図６Ａは、本明細書中導入される技術を用いた垂直入射光検出器６００の例示的実施形態の断面図である。光検出器４００と同様に、光検出器６００は、第１の反射領域６２０、光吸収領域６１０および第２の反射領域６３０を含む。光検出器６００の第１の反射領域および第２の反射領域の構造は、上記した光検出器４００と同様である。図６Ａに示す構成要素を参照して、光検出器６００の形成方法が記載される。
【００５５】
先ず、基板が設けられる。この基板は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）または他の適切な酸化物であり得る。改変例において、基板は、他の材料を含み得る（例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）またはリン化インジウム（ＩｎＰ））。特定の例において、反射構造および吸収構造を形成した後、基板をエッチングプロセスによって除去することができるため、図６Ａ中において基板を図示していない点に留意されたい。
【００５６】
次に、第２の反射領域６３０を基板の上方に形成する。上記したように、第２の反射領域６３０のいくつかの例を挙げると、ＤＢＲ鏡、テーパーＤＢＲ鏡、金属鏡、酸化ケイ素鏡、窒化ケイ素鏡、酸化物−金属鏡、窒化物−金属鏡、またはこれらの適切な組み合わせがある。特定の例によれば、第２の反射領域６３０の反射率は５０％よりも高い。１つ以上の例において、第２の反射領域６３０は、できるだけ高反射率を持つように（すなわち、できるだけ１００％に近づくように）作製プロセスによって設計される。
【００５７】
次に、光吸収領域６１０を第２の反射領域６３０の上方に形成する。例えば、光吸収材料（例えば、ケイ素、ゲルマニウム、ケイ素ゲルマニウム、有機材料、または他のＩＩＩ−Ｖ族材料）を第２の反射領域６３０の上方に配置、接合、取り付けまたは他の場合に化学的に蒸着することができる。
【００５８】
その後、第１の反射領域６２０を光吸収領域６１０の上方に形成する。上記したように、第１の反射領域６２０は、第２の反射領域６３０によって反射された後に第１の反射領域６２０から逃げる光のエネルギー量が実質的にゼロとなるような反射率を示すように、構成される。１つ以上の例において、第１の反射領域６２０の反射率は、光吸収領域６１０の１循環の減衰係数と実質的に等しいように、構成される。第１の反射領域６２０のいくつかの例を挙げると、ＤＢＲ鏡、テーパーＤＢＲ鏡、酸化ケイ素鏡、窒化ケイ素鏡、複数の高／低屈折率対を含む異常分散鏡またはこれらの適切な組み合わせがある。
【００５９】
上記の例示的なプロセスは、垂直入射光検出器６００を形成する一例に過ぎない点に留意されたい。改変例として、第２の反射領域６３０を形成するには、先ず光吸収構造６１０の真下の基板の部分を除去した後、エッチングされた開口部を反射材料でコーティングして上記記載において述べたような第２の反射領域６３０として機能させる。この作製プロセスは、第１の反射領域の形成後に行うことができる。
【００６０】
１つの改変例において、第１の反射領域６２０を基板上に形成した後、光吸収領域６１０を第１の反射領域６２０の上部に配置する。その後、第２の反射領域６３０を光吸収領域６１０上に配置して、図６Ａに示すような構造６００を形成する。その後、基板を一体型レンズとして用いてもよいし、あるいは基板を除去して入射光のための第１の反射領域を露出させてもよい。
【００６１】
別の改変例において、第１の反射領域６２０を形成するには、先ず光吸収領域６１０の真下の基板部分を除去し、その後エッチングされた開口部を１つ以上の反射材料でコーティングして第１の反射領域６２０として機能させる。いくつかの例において、このエッチングプロセスおよびコーティング作製プロセスは、第２の反射領域６３０の作成後に行うことができる。
【００６２】
その後、光学結合装置（図６Ａ中図示せず）を第１の反射領域６２０へ結合することができる。これは、（例えば光ファイバーからの光学信号（図６Ａ中図示せず）であり得る）入射光を受信し、入射光を第１の反射領域６２０を通過させて光吸収領域６１０内へ入らせるように、構成される。
【００６３】
本明細書中において導入される技術を用いた垂直入射光検出器６０１の特定の例を図６Ｂに示す。図６Ｂ中、光は、ウェーハ上部から誘電層６２１を通じて入射する。誘電層６２１は、第１の反射器として機能し、所望の反射率へ調節された厚さを有する単一の酸化物層として実行され得る。他の例において、誘電層６２１を高／低屈折率対を形成する複数の層として実行させて、異常分散鏡として機能させることができる点に留意されたい。一般的に、異常分散鏡設計は、空洞中の波長分散の補償およびより大型の動作波長窓を補償する際に有利であり得る。
【００６４】
光は、誘電層６２１を通過した後、光を吸収するゲルマニウム層６１１を含む空洞領域へ進入する。ゲルマニウム層６１１の厚さは、所望の吸収率が得られるように選択される。所望の吸収率は、上記したような１循環の減衰係数に関連する。例えば光検出器６０１などのいくつかの実施形態において、空洞領域は、ケイ素層６１２をさらに含み得る。ケイ素層６１２は、バッファ層として機能し、その厚さは、選択された帯域幅に合った入射光の波長に基づいて適合される。この空洞領域の合計厚さ（すなわち、図６Ｂ中の層６２１および６２２）を用いて、ここで導入されるフォトニックロック状態に到達するように光の相を調節することもできる。例えば、ゲルマニウム層６１１の厚さは、１００ｎｍ〜１．５μｍであり得、ケイ素層６１２の厚さは、０〜１．５μｍであり得る。また、ケイ素層６１２を部分的にドープしてもよい。
【００６５】
図６Ｂに示すように、光検出器６０１の第２の反射器は、酸化物層６３１およびアルミニウム層６３２によって形成される。酸化物層６３１の厚さを所望の反射率および位相シフトに合わせて調節することにより、第２の反射器の全反射率を（単一のアルミニウム層６３２と比較して）さらに増加させる。誘電層６２１と同様に、酸化物層６３１の反射率も厚さと共に周期的に変化し、ここでもその期間は異なる光波長によって異なる点に留意されたい。ここで、アルミニウム層６３２は、主要反射材料として機能し、その反射率は、酸化物層６３１の厚さに基づいて微調整される。例えば、アルミニウム層６３２をケイ素層６１２と間接的に接触させる必要がある場合、アルミニウム層６３２の反射率は典型的には約９０％であるが、酸化物層６３１の厚さを適切に調節した場合、酸化物層６３１の付加により、第２の反射器の合計有効反射率を約９９％まで増加することができる。いくつかの例において、酸化物層６３１の厚さは、０ｎｍ〜５μｍである。
【００６６】
図６Ｃは、光検出器６０２を示す。光検出器６０２は、より詳細な実施形態と共に示される光検出器６０１の一例である。図６Ｃにおいて、空洞領域内に電場を提供することが可能な接点が図示される。光検出器６０２において、ビア６５０をケイ素層６４１上にさらに含める。ビア６５０それぞれとケイ素層６４１との間の接点領域は、導電性向上のためのケイ化物を含み得る。ビア６５０を形成するには、先ず肉薄ライナー層を用いて適切なトレンチを形成し、その後トレンチに金属を充填する。同様に、ビア６５１をケイ素層６１２上に形成することができ、接点領域もケイ化物を有する。いくつかの実施形態において、ビア６５０へ付加される電圧レベルは、ビア６５１へ付加される電圧レベルよりも低く、ビア６５０はＰ型接点を形成し、ビア６５１はＮ型接点を形成する。
【００６７】
図６Ｄ中、光検出器６０３を示す。光検出器６０３は、垂直入射光検出器の例示的実施形態である。光検出器６０３において、光は、ウェーハ下部から酸化物層６２２およびケイ素基板層６２３を通じて入射する。この例において、基板は、エッチングまたは研磨プロセスによって完全に除去されない。酸化物層６２２は例えば、埋設酸化物層として実行され得、初期シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハの一部として形成され、層６２２の厚さは、所望の反射率に合わせて調節される。例えば、酸化物層６２２は、１００ｎｍよりも肉厚であり得る。上記したように、層の反射率は、厚さと共に周期的に変化する。酸化物層６２２は、異常分散鏡として機能する高／低屈折率対を形成する複数の層として実行され得る。ケイ素層６２３は任意選択的層であり、ケイ素層６２３が設けられる場合、ケイ素層６２３を一体型レンズとして用いて、入射光をコリメートまたは集束させた後、光を酸化物層６２２に進入させることができる。このケイ素層６２３は、元々のＳＯＩウェーハ基板の一部であり得、あるいは酸化物層６２２の厚さを設定した後に付加してもよい。いくつかの例において、酸化物層６２２およびケイ素層６２３の合計厚さは、３００μｍ未満であり得る。さらに、いくつかの実施形態において、反射防止コーティング（ＡＲＣ）層６２４（例えば、窒化物層）をケイ素基板層６２３の上方に配置することができる。
【００６８】
光検出器６０３の空洞領域は、光を吸収するゲルマニウム層６１３を含む。ゲルマニウム層６１３の厚さは、所望の吸収率が得られるように適合される。吸収率は、上記したように１循環の減衰係数に関連する。この空洞領域の合計厚さを用いて、フォトニックロック状態に到達するように光の位相を調節することもできる。１つ以上の実施形態において、ゲルマニウム層６１３の厚さは１００ｎｍ〜１．５μｍであり得、ケイ素層６１４の厚さは０〜１．５μｍであり得る。ケイ素層６１４は、部分的にドープすることができる。
【００６９】
アルミニウム層６３４に加えて、光検出器６０３の第２の反射器は誘電層６３３と共に形成され、誘電層６３３の厚さは、第２の反射器の全反射率を（単一のアルミニウム層６３４と比較して）さらに増加させるように、所望の反射率および位相シフトに合わせて適合される。反射率および位相シフトの変化も、厚さの周期的関数であり、その周期は異なる光波長によって異なる。誘電層６３３は、例えば、所望の反射率に合わせて調節される厚さ（反射率は厚さに伴って周期的に変化する）の単一の酸化物層であってもよく、あるいは酸化物および窒化物層の組み合わせであってもよく、ここで、窒化物層をエッチングまたは研磨停止層として用いることができる。アルミニウム層６３４は主要反射材料であり、その反射率は、誘電層６３３の厚さに基づいて微調整される。例えば、アルミニウム層６３４がゲルマニウム層６１３と直接的に接触することになる場合、アルミニウム層６３４の反射率は典型的には、約９０％未満である。しかし、誘電層６３３がある場合、誘電層６３３の厚さが適切に調節されたものと仮定して、（アルミニウム層６３４および誘電層６３３を含む）第２の反射器の合計有効反射率を約９９％まで増加することができる。いくつかの例において、誘電層６３１の厚さは、０ｎｍ〜５μｍであり得る。
【００７０】
図６Ｅ中には、光検出器６０４を示す。光検出器６０４は、光検出器６０３の適用例である。図６Ｅにおいて、空洞領域内に電場を提供することが可能な接点が図示される。光検出器６０４において、ビア６５２がケイ素層６４２上にさらに設けられる。ビア６５２それぞれとケイ素層６４２との間の接点領域は、導電性向上のためのケイ化物を含み得る。ビア６５２を形成するには、先ず肉薄ライナー層を用いて適切なトレンチを生成し、その後金属でトレンチを充填する。同様に、ビア６５３をケイ素層６１４上に形成することができ、接点領域もケイ化物を有する。いくつかの実施形態において、ビア６５２へ付加される電圧レベルは、ビア６５３へ付加される電圧レベルよりも低い。ビア６５２はＰ型接点を形成し、ビア６５３はＮ型接点を形成する。
【００７１】
図７Ａ〜図７Ｈは、ここで記載されるフォトニックロックベースの光検出器において適合される鏡設計の多様な例を示す。簡潔さのため、図７Ａ〜図７Ｈ中、突き合わせ結合光検出器の例のみを示す。しかし、類似の技術を異なる種類の光検出器に適用することが可能である。加えて、図７Ａ〜図７Ｈ中の第１の鏡および第２の鏡を鏡設計の特定の組み合わせの例示として示しているが、本明細書中に示される鏡設計全てと、他の周知の鏡設計とを、本開示中に記載される任意の鏡領域（または反射領域）の実行のために適合させることが可能である。
【００７２】
図７Ａは、突き合わせ結合光検出器７００Ａの例示的実施形態の断面図である。第１の鏡７２０は高反射テーパーＤＢＲまたは低反射トレンチであり得、第２の鏡７３０は高反射テーパーＤＢＲであり得る。
【００７３】
図７Ｂは、突き合わせ結合光検出器７００Ｂの例示的実施形態の断面図である。第２の鏡７３１は、金属のコーティングによって実行され、第１の鏡７２１は、テーパーＤＢＲを用いて実行される。
【００７４】
図７Ｃは、突き合わせ結合光検出器７００Ｃの例示的実施形態の断面図である。第２の鏡７３２は、金属コーティングへ接続され得る誘電層（例えば、１／４波長酸化物層）を含む。第１の鏡７２２は、高反射テーパーＤＢＲまたは低反射トレンチを用いて実行される。
【００７５】
図７Ｄは、突き合わせ結合光検出器７００Ｄの例示的実施形態の断面図である。第２の鏡７３３は、金属コーティングへ接続され得るトレンチ（例えば１／４波長空気層）を含む。第１の鏡７２３は、テーパーＤＢＲを用いて実行される。
【００７６】
図７Ｅは、突き合わせ結合光検出器７００Ｅの例示的実施形態の斜視図である。第２の鏡７３４は、光吸収領域７１４と同じ材料で形成されたコーナー反射鏡を含む。図７Ｅに示すように、第１の鏡７２４は、高反射テーパーＤＢＲまたは低反射トレンチを用いて実行される。
【００７７】
図７Ｆは、突き合わせ結合光検出器７００Ｆの例示的実施形態の斜視図である。第２の鏡７３５は、光吸収領域７１５と異なる材料で形成されたコーナー反射鏡を含む。図７Ｆに示すように、第１の鏡７２５は、テーパーＤＢＲを用いて実行される。
【００７８】
図７Ｇは、突き合わせ結合光検出器７００Ｇの例示的実施形態の斜視図である。図７Ｇに示すように、光検出器７００Ｇの構造は、導波路７０５と光吸収領域７１６との間の界面が第１の鏡７２６と本質的に同様に機能するように、設計される。
【００７９】
図７Ｈは、突き合わせ結合光検出器７００Ｈの例示的実施形態の斜視図である。図７Ｈに示すように、光検出器７００Ｈの構造は、第１の鏡７２７から遠位方向にある光吸収領域７１７の端部が本質的に第２の鏡７３７として機能するように、設計される。すなわち、光吸収領域７１７と光吸収領域７１７の遠位端（すなわち、第２の鏡７３７が図示されている箇所）に配置された何らかの材料（これは、例えば図７Ｈに示すような空洞であり得る）との間の材料の違いに起因する反射率により、光吸収材料７１７の遠位端を第２の鏡７３７として機能させることができる。図７Ｈに示すように、第１の鏡７２７は、テーパーＤＢＲを用いて実行される。
【００８０】
上記したように、本明細書中において導入される技術および装置により提供されるフォトニックロック機構入射光を光検出器の光吸収領域内に閉じ込めることにより、高応答性および高帯域双方を達成することができる。本明細書中において導入される技術は、光検出器の全体的サイズの小型化も支援する。
【００８１】
図８に示す高レベルブロック図は、図３の設計プロセス３００の少なくとも一部を実行することが可能なコンピューティングデバイス８００の一例を示す。追加的にまたは代替的に、コンピューティングデバイス８００は、本明細書中において導入されるフォトニックロックベースの光検出器の例を実行することが可能な環境を示し得る。
【００８２】
図示の例において、コンピューティングシステム８００は、１つ以上のプロセッサ８１０と、メモリ８１１と、通信デバイス８１２と、１つ以上の入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイス８１３とを含む。これらの構成要素は全て、相互接続８１４を通じて相互結合される。相互接続８１４は、１つ以上の導電性トレース、バス、ポイントツーポイント接続、コントローラ、アダプタおよび／または他の従来の接続デバイス（例えば、本明細書中において導入されるフォトニックロックベースの光検出器を含み得る光学通信要素）であってもよいし、あるいはそのようなものを含んでもよい。プロセッサ（単数または複数）８１０は、例えば、１つ以上の汎用プログラマブルマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブルゲートアレイなど、あるいはこのようなデバイスの組み合わせであってもよいし、あるいはそのようなものを含んでもよい。プロセッサ（単数または複数）８１０は、コンピューティングデバイス８００の動作全体を制御する。メモリ８１１は、１つ以上の物理的記憶デバイスであってもよいし、あるいはそのようなものを含んでもよい。物理的記憶デバイスは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）（これは、消去可能かつプログラマブルであり得る）、フラッシュメモリ、小型ハードディスクドライブ、または他の適切な種類の記憶デバイス、またはこのようなデバイスの形態をとり得る。メモリ８１１は、上記した技術による動作を実行するようにプロセッサ（単数または複数）８１０を構成するデータおよび命令を保存し得る。通信デバイス８１２は、例えばイーサネットアダプタ、ケーブルモデム、Ｗｉ−Ｆｉアダプタ、セルラートランシーバ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈトランシーバなどであってもよいし、あるいはそのようなものを含んでもよい。通信デバイス８１２は、光学通信要素または光感知要素（例えば、フォトニックロックベースの光検出器）も含み得る。処理デバイス８００の特定の性質および目的に応じて、Ｉ／Ｏデバイス８１３は、デバイスを含み得る（例えば、ディスプレイ（例えば、タッチスクリーンディスプレイ）、オーディオスピーカ、キーボード、マウスまたは他のポインティングデバイス、マイクロフォン、カメラ）。本明細書中において導入されるフォトニックロックベースの光検出器は、Ｉ／Ｏデバイス８１３のうち１つ以上に設けられた（例えば、光感知）構成要素として含まれ得る。
【００８３】
物理的可能性に背かない限り、（ｉ）上記した方法／ステップは、任意の順序および／または任意の組み合わせで実行可能であり、（ｉｉ）各例の構成要素も任意の様態で組み合わせることが可能であることが考えられる。
【００８４】
上記において導入される技術は、ソフトウェアおよび／またはファームウェアによってプログラム／構成されたプログラマブル回路によって実行してもよいし、あるいは特殊目的回路によって全て実行してもよいし、あるいはこのような形態の組み合わせによって実行してもよい。このような特殊目的回路は、（少しでも存在する場合において）例えば１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などの形態をとり得る。
【００８５】
本明細書中において導入される技術を実行するためのソフトウェアまたはファームウェアは、機械可読記憶媒体上に保存され得、１つ以上の汎用または特殊目的プログラマブルマイクロプロセッサによって実行され得る。本明細書中において用いられる「機械可読媒体」という用語は、機械（機械は、例えば、コンピュータ、ネットワークデバイス、セルラー電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、製造ツール、１つ以上のプロセッサを含む任意のデバイスなどである）によってアクセス可能な形態の情報を保存し得る任意の機構を含む。例えば、機械によるアクセスが可能な媒体を挙げると、記録可能な／記録不可能な媒体（例えば、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスク記憶媒体、光学記憶媒体、フラッシュメモリデバイスなど）がある。
【００８６】
上記において他に記述され得る範囲または任意のこのような例が機能および／または構造において相互に排他的であり得る範囲を除いて、上記した例のうちいずれかおよび全てを相互に組み合わせることが可能である点に留意されたい。
【００８７】
本発明について特定の例示的例を参照しながら述べてきたが、本発明は上記の例に限定されず、添付の特許請求の範囲の改変および変更と共に実行することが可能であることが認識される。従って、本明細書および図面は、限定的なものとしてではなく例示的なものとしてみなされるべきである。
【００８８】
特定の実施形態の例
【００８９】
従って、本明細書中に導入される技術の特定の実施形態の概要を示すために、以下の番号付与された例を示す。
【００９０】
１．光検出器デバイスであって、
第１の反射率を有する第１の反射領域と、
第２の反射率を有する第２の反射領域と、
光吸収材料を含む空洞であって、第１の反射領域を通過して第１の反射領域と第２の反射領域との間で反射した光を保持するように第１の反射領域と第２の反射領域との間に配置された空洞と、
を含み、
第１の反射率は、光が第２の反射領域によって反射された後に第１の反射領域から逃げる光エネルギーの量を実質的にゼロにさせるように、構成される、
デバイス。
【００９１】
２．光は、空洞に進入し、第１の反射領域と第２の反射領域との間で反射され、光は空洞内において共振する、例１のデバイス。
【００９２】
３．第１の反射率は、空洞の１循環の減衰係数と実質的に等しくなるように構成され、１循環の減衰係数は、１循環における残余光エネルギーの進入光エネルギーに対する比を示す、例１〜２のうちいずれか１つのデバイス。
【００９３】
４．第１の反射領域および第２の反射領域は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、金属反射器、ループ鏡、コーナー反射鏡および反射トレンチからなる群から選択される、例１〜３のうちいずれか１つのデバイス。
【００９４】
５．空洞の構造は、フォトダイオードまたはｐ−ｉ−ｎドーピングプロファイル、またはアバランシェフォトダイオード層構造を含む、例１〜４のうちいずれか１つのデバイス。
【００９５】
６．空洞または第１の反射領域または第２の反射領域は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ケイ素、ゲルマニウム、有機材料、またはこれらの組み合わせを含む、例１〜５のうちいずれか１つのデバイス。
【００９６】
７．第１の反射率は第２の反射率よりも低い、例７〜８のうちいずれか１つのデバイス。
【００９７】
８．光検出器デバイスであって、
第１の反射率を有する第１の反射領域と、
第２の反射率を有する第２の反射領域と、
第１の反射領域と第２の反射領域との間に配置された空洞と、
第１の反射領域へ結合された導波路と、
空洞を通過する光を吸収するように空洞の少なくとも一部の上方に配置された光吸収領域と、
を含み、
第１の反射率は、光が第２の反射領域によって反射された後に第１の反射領域から導波路へと逃げる光のエネルギー量が実質的にゼロとなるように、さらに構成される、
デバイス。
【００９８】
９．光は空洞に進入し、第１の反射領域と第２の反射領域との間において反射され、光は空洞内において共振する、例８のうちいずれか１つのデバイス。
【００９９】
１０．第１の反射率は第２の反射率よりも低い、例８〜９のうちいずれか１つのデバイス。
【０１００】
１１．光吸収領域または第１の反射領域または第２の反射領域は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ケイ素、ゲルマニウム、有機材料またはこれらの組み合わせを含む、例８〜１０のうちいずれか１つのデバイス。
【０１０１】
１２．光吸収領域および空洞の複合構造は、フォトダイオードまたはｐ−ｉ−ｎドーピングプロファイルまたはアバランシェフォトダイオード層構造を含む、例８〜１１のうちいずれか１つのデバイス。
【０１０２】
１３．光検出器デバイスの形成方法であって、
空洞、第１の反射領域および第２の反射領域を基板の上方に形成することであって、空洞は、第１の反射領域と第２の反射領域との間に形成される、こと、
を含み、
第１の反射領域の反射率は、光が第２の反射領域によって反射された後に第１の反射領域から逃げる入射光エネルギーの量が実質的にゼロとなり、これにより光が空洞内において共振するように、構成される、
方法。
【０１０３】
１４．空洞内の光を吸収するように空洞に隣接して光吸収領域を形成すること、
をさらに含む、例１３の方法。
【０１０４】
１５．第１の反射領域の反射率は、第２の反射領域の反射率よりも低い、例１３〜１４のうちいずれか１つの方法。
【０１０５】
１６．空洞、第１の反射領域、第２の反射領域または光吸収領域の材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ケイ素、ゲルマニウム、有機材料またはこれらの組み合わせのうち１つ以上から選択される、例１３〜１５のうちいずれか１つの方法。
【０１０６】
１７．光検出器デバイスの形成手段であって、
空洞、第１の反射領域および第２の反射領域を基板の上方に形成する手段であって、空洞は第１の反射領域と第２の反射領域との間に形成される、手段、
を含み、
第１の反射領域の反射率は、光が第２の反射領域によって反射された後に第１の反射領域から逃げる入射光エネルギーの量が実質的にゼロとなり、これにより光が空洞内において共振するように、構成される、
手段。
【０１０７】
１８．光を吸収するように光吸収領域を空洞に隣接して形成する手段、
をさらに含む、例１７の手段。
【０１０８】
１９．第１の反射領域の反射率は、第２の反射領域の反射率よりも低い、例１７〜１８のうちいずれか１つの手段。
【０１０９】
２０．空洞、第１の反射領域、第２の反射領域または光吸収領域の材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物、ケイ素、ゲルマニウム、有機材料またはこれらの組み合わせのうち１つ以上から選択される、例１７〜１９のうちいずれか１つの手段。
【０１１０】
２１．光検出器デバイスであって、
第１の反射率を有する第１の反射領域であって、第１の反射領域は第１の誘電層を含む、第１の反射領域と、
（１）ゲルマニウムを含む光吸収層、および（２）ケイ素を含むバッファ層を含む空洞領域であって、バッファ層の寸法は、選択帯域幅に合った入射光の波長に基づいて適合される、空洞領域と、
第１の反射率よりも高い第２の反射率を有する第２の反射領域であって、第２の反射領域は、（１）反射層と、（２）反射層と空洞領域との間に配置された第２の誘電層とを含み、第２の誘電層の厚さは、第２の反射率を、第２の誘電層を持たない第２の反射領域の反射率に比べて増加させるように適合される、第２の反射領域と、
を含み、
空洞領域は、第１の誘電層を通過して第１の誘電層と反射層との間で反射された光を保持するように、第１の誘電層と第２の誘電層との間に配置され、
第１の反射率は、１循環の減衰係数と実質的に等しくなるように構成され、
１循環の減衰係数は、１循環における残余光エネルギーの進入光エネルギーに対する比を示す、
デバイス。
【図１Ａ】
2015130504.tif 000008
【図１Ｂ】
2015130504.tif 000009
【図２】
2015130504.tif 000010
【図３】
2015130504.tif 000011
【図４】
2015130504.tif 000012
【図５】
2015130504.tif 000013
【図６Ａ】
2015130504.tif 000014
【図６Ｂ】
2015130504.tif 000015
【図６Ｃ】
2015130504.tif 000016
【図６Ｄ】
2015130504.tif 000017
【図６Ｅ】
2015130504.tif 000018
【図７Ａ】
2015130504.tif 000019
【図７Ｂ】
2015130504.tif 000020
【図７Ｃ】
2015130504.tif 000021
【図７Ｄ】
2015130504.tif 000022
【図７Ｅ】
2015130504.tif 000023
【図７Ｆ】
2015130504.tif 000024
【図７Ｇ】
2015130504.tif 000025
【図７Ｈ】
2015130504.tif 000026
【図８】
2015130504.tif 000027
【外国語明細書】
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2015130504.tif 000063
【Ｆｉｇ１Ａ】
2015130504.tif 000064
【Ｆｉｇ１Ｂ】
2015130504.tif 000065
【Ｆｉｇ２】
2015130504.tif 000066
【Ｆｉｇ３】
2015130504.tif 000067
【Ｆｉｇ４】
2015130504.tif 000068
【Ｆｉｇ５】
2015130504.tif 000069
【Ｆｉｇ６Ａ】
2015130504.tif 000070
【Ｆｉｇ６Ｂ】
2015130504.tif 000071
【Ｆｉｇ６Ｃ】
2015130504.tif 000072
【Ｆｉｇ６Ｄ】
2015130504.tif 000073
【Ｆｉｇ６Ｅ】
2015130504.tif 000074
【Ｆｉｇ７Ａ】
2015130504.tif 000075
【Ｆｉｇ７Ｂ】
2015130504.tif 000076
【Ｆｉｇ７Ｃ】
2015130504.tif 000077
【Ｆｉｇ７Ｄ】
2015130504.tif 000078
【Ｆｉｇ７Ｅ】
2015130504.tif 000079
【Ｆｉｇ７Ｆ】
2015130504.tif 000080
【Ｆｉｇ７Ｇ】
2015130504.tif 000081
【Ｆｉｇ７Ｈ】
2015130504.tif 000082
【Ｆｉｇ８】
2015130504.tif 000083