(57)【要約】  検出する光信号が一定の方向（Ｘ）に移動して閉じ込められるシリコンベースの導波路（２）と、導波路（２）を伝搬する光信号のエバネッセントテールがゲルマニウム層（４）に結合するように、シリコンベースの導波路（２）の一部に接して配置されたゲルマニウム層（４）とを備える光検出器構造体（１、１’、１”）を説明する。また、ゲルマニウム層（４）は、信号の伝搬方向（Ｘ）に沿う長さ（Ｌ）と伝搬方向（Ｘ）に実質的に直交する方向（Ｚ）にある幅（Ｗ）とを有するメサ（１０）を含み、メサ（１０）の幅（Ｗ）はその長さ（Ｌ）よりも小さい。光検出器（１、１’、１”）はまた、第１の金属コンタクト（７）と第２の金属コンタクト（９ａ、９ｂ）とを備え、第１の金属コンタクト（７）はゲルマニウム層（４）の上に位置し、第２の金属コンタクト（９ａ、９ｂ）はシリコンベースの導波路（２）の上に位置し、第１のコンタクトおよび第２のコンタクトは光吸収によって発生した電子を集めて出力電気信号を得るのに用いられる。
2008526003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出する光信号を一定の方向（Ｘ）に移動させ閉じ込めるシリコンベースの導波路（２）と、
ゲルマニウム層（４）であって、前記シリコンベースの導波路（２）内を伝搬する光信号のエバネッセントテールがゲルマニウム層（４）と結合するように、前記導波路（２）の一部上に配置されたゲルマニウム層（４）と、
第１の金属コンタクト（７）および第２の金属コンタクト（９ａ、９ｂ）と、
を含む光検出器構造体（１、１’、１”）であって、
前記ゲルマニウム層（４）が前記信号の伝搬方向（Ｘ）に沿う長さ（Ｌ）と前記伝搬方向（Ｘ）と実質的に直交する方向（Ｚ）にある幅（Ｗ）とを有するメサ（１０）を含み、前記メサ（１０）の幅（Ｗ）がその長さ（Ｌ）よりも小さいものであり、
前記第１の金属コンタクト（７）が前記ゲルマニウム層（４）の上に位置し、前記第２の金属コンタクト（９ａ、９ｂ）が前記シリコンベースの導波路（２）の上に位置し、前記第１のコンタクトおよび前記第２のコンタクトが光吸収により発生した電子を集めて出力電気信号を得るために使用される光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項２】
前記ゲルマニウム層（４）が多結晶ゲルマニウム層である請求項１に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項３】
前記ゲルマニウム層（４）が前記シリコンベースの導波路（２）の一部と直に接して配置されている請求項１または２に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項４】
前記第１の金属コンタクト（７）が前記シリコンベースの導波路（２）の上部に位置している金属ストリップ（１５）を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項５】
前記第１のコンタクト（７）の前記金属ストリップ（１５）が前記伝搬方向（Ｘ）と平行に配置され、前記ゲルマニウムメサ（１０）の長さ（Ｌ）と実質的に等しい、前記伝搬方向に沿う長さを有する請求項４に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項６】
前記ゲルマニウムメサ（１０）の長さ（Ｌ）が１０μｍ≦Ｌ≦２０００μｍである請求項２〜６のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項７】
前記ゲルマニウムメサ（１０）の長さ（Ｌ）が４００μｍ≦Ｌ≦１０００μｍである請求項６に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項８】
前記第２の金属コンタクト（９ａ、９ｂ）が前記シリコンベースの導波路（２）の上部に位置する金属ストリップ（９ａ、９ｂ）を含む請求項１〜７のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項９】
前記第２の金属コンタクト（９ａ、９ｂ）が、前記シリコンベースの導波路（２）の上部に位置しかつ前記ゲルマニウム層（４）を軸に対称に配置された二つの金属ストリップ（９ａ、９ｂ）を含む請求項１〜８のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項１０】
層（８）を含み、前記シリコンベースの導波路（２）が基板（３）の上に実現された前記層（８）の上部に位置し、前記導波路（２）、前記層（８）、前記基板（３）がシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造を形成している請求項１〜９のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項１１】
前記層（８）がＳｉＯ２層である請求項１０に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項１２】
前記基板（３）がシリコンを含む請求項１０または１１に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項１３】
前記シリコンベースの導波路（２）がｎ型である請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項１４】
前記ゲルマニウム層（４）がｐ型である請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項１５】
前記シリコンベースの導波路（２）の膜厚が２μｍから３μｍの間である請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項１６】
前記ゲルマニウムメサ（１０）の幅（Ｗ）が１０μｍ≦Ｗ≦５０μｍである請求項２〜１５のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項１７】
前記第１のコンタクト（７）の前記金属ストリップ（１５）が前記多結晶ゲルマニウム層（４）の幅（Ｗ）と実質的に等しい幅を有する請求項４〜１６のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１）。
【請求項１８】
前記ゲルマニウムメサ（１０）の膜厚（Ｔ）が１００ｎｍ≦Ｔ≦１６０ｎｍである請求項２〜１７のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１）。
【請求項１９】
前記第１のコンタクト（７）の前記金属ストリップ（１５）が前記ゲルマニウム層（４）の幅（Ｗ）よりも狭い幅を有する請求項４〜１８に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項２０】
前記第１の金属コンタクト（７）が、前記ゲルマニウム層（４）に配置された第１の金属ストリップおよび第２の金属ストリップ（１６ａ、１６ｂ）を含む請求項２〜１５のいずれか一項に記載の光検出器構造体 （１’、１”）。
【請求項２１】
前記第１の金属ストリップおよび第２の金属ストリップ（１６ａ、１６ｂ）が相互に平行に位置している請求項２０に記載の光検出器構造体（１’、１”）。
【請求項２２】
前記第１の金属ストリップおよび前記第２の金属ストリップ（１６ａ、１６ｂ）がいずれも前記ゲルマニウムメサ（１０）と実質的に同一の長さ（Ｌ）を有する請求項２０または２１に記載の光検出器構造体（１’、１”）。
【請求項２３】
前記第１のストリップおよび前記第２のストリップ（１６ａ、１６ｂ）が２μｍ≦Ｗ≦１０μｍの幅（ｗ）を有する請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１’、１”）。
【請求項２４】
前記第１のストリップおよび前記第２のストリップ（１６ａ、１６ｂ）が等しい幅（ｗ）を有する請求項２３に記載の光検出器構造体（１’、１”）。
【請求項２５】
前記ゲルマニウムメサ（１０）の幅（Ｗ’）が２０μｍ≦Ｗ’≦５０μｍである請求項２０〜２４のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１’、１”）。
【請求項２６】
前記ゲルマニウムメサ（１０）が上面（１０ａ）を含み、前記第１のストリップおよび前記第２のストリップ（１６ａ、１６ｂ）が前記上面に対称に配置されている請求項２０〜２５のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１’、１”）。
【請求項２７】
前記ゲルマニウムメサ（１０）が上面（１０ａ）を含み、前記第１のストリップおよび前記第２のストリップ（１６ａ、１６ｂ）が前記上面（１０ａ）の横方向端部から一定の距離を置いて位置している請求項２０〜２６のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１’、１”）。
【請求項２８】
前記一定の距離が１μｍのオーダである請求項２７に記載の光検出器構造体（１’、１”）。
【請求項２９】
前記ゲルマニウムメサ（１０）の膜厚（Ｔ’）が６０ｎｍ≦Ｔ’≦２００ｎｍである請求項２０〜２８のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１’、１”）。
【請求項３０】
前記ゲルマニウムメサ（１０）の膜厚（Ｔ’）が８０ｎｍ≦Ｔ’≦１８０ｎｍである請求項２９に記載の光検出器構造体（１’、１”）。
【請求項３１】
前記第１の金属コンタクト（７）と前記第２の金属コンタクト（９ａ、９ｂ）との間の距離（ｄ）が１０μｍ≦ｄ≦２０μｍである請求項１〜３０のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項３２】
前記ゲルマニウム層（４）がパッド（１２）を含み、前記パッド（１２）から前記メサ（１０）が延びている請求項１〜３１のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項３３】
前記ゲルマニウム層（４）内に実現した前記パッド（１２）の上方に金属パッド（１１）が位置している請求項３２に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項３４】
前記金属パッド（１１）が四角形である請求項３３に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項３５】
前記第１の金属コンタクト（７）および前記第２の金属コンタクト（９ａ、９ｂ）が金を含む請求項１〜３４のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項３６】
前記第１の金属コンタクト（７）および前記第２の金属コンタクト（９ａ、９ｂ）が銀を含む請求項１〜３４のいずれか一項に記載の光検出器構造体（１、１’、１”）。
【請求項３７】
請求項１〜３６のいずれか一項により実現した前記光検出器構造体（１、１’、１”）を含む光ファイバ通信受信機（１００）。
【請求項３８】
請求項１〜３６のいずれか一項により実現した前記光検出器構造体（１、１’、１”）を含む光学フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本発明は、ゲルマニウムオンシリコンで実現した光検出器、特に近赤外用の光検出器に関する。選択された光検出器の形状（geometries）により、装置全体の良好な応答性と優れた速度とを達成することができる。
【背景技術】
【０００２】
技術背景
ファイバをベースとした光通信の導入により、長距離の電気通信が大幅に拡大した。ファイバ固有のコストの低さ、帯域幅の広さ、減衰の少なさは、銅線よりも普及していることの主な要因である。しかし、短距離のアクセスネットワークにおいては、光トランシーバの時価の高さによってファイバの特性が取って代わられている。これらの構成部品は通常、レーザ、変調器、フォトダイオード、導波路などのＩＩＩ−Ｖ装置のハイブリッドアセンブリである。
【０００３】
成功するために、トランシーバの製造について斬新なアプローチが必要とされている。特に、シリコンをベースとしたオプトエレクトロニクスは、コストが低く、拡張性、信頼性があり、十分に発達した最高のシリコンＶＬＳＩ技術と統合できる可能性があるため、魅力あるものである。
【０００４】
また、近赤外（ＮＩＲ）領域における光検出は、光電気通信において、特に高ビットレートおよび低電力レベルを含める場合、非常に重要である。このため、対象のスペクトル領域について高感度および高速度を示すだけでなく、駆動／バイアス及び増幅電子回路と相互に密接に連結することができるＮＩＲ検出器を採用することが極めて重大となる。最も一般に普及している信号電子処理用のプラットフォームはシリコンをベースとしたものであるため、光信号処理用のコンパクトな半導体マイクロシステムへの高まる要求に向けた実用的かつ低コスト、高効率の解決策として、ＮＩＲフォトダイオードの標準のシリコンプラットフォームへの統合が過去２０年間追及されてきた。
【０００５】
ＩＩＩ−Ｖベースの装置（シリコン光学ベンチＳＩＯＢ）のハイブリッド集積化またはＩｎＧａＡｓのシリコンへのモノリシック集積などの方法が数種類提案されている。
【０００６】
シリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）は、ＮＩＲにおける吸収係数が高く、キャリア輸送特性が良好であるため、ＩｎＧａＡｓの有望な代替手段として考えられてきた。しかし、相対的な格子ずれのため、ＳｉＧｅのエピタキシーには、適切な緩衝層または他の技術を使用する必要があり、これらはＣＭＯＳ・Ｓｉ−電子機器とのシームレスインテグレーションを妨げる可能性がある。しかし、これまでのところ、好結果となった試みが多く報告されている。
【０００７】
１９９４年６月に発行されたＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙの第１２巻第６号の９３０〜９３５頁に発表されたＢ．Ｊａｌａｌｉ著の「Ｓｉ−ｂａｓｅｄ  Ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄａｔａ  Ｌｉｎｋ」に、高速の熱化学気相成長により成長させたＧｅｘＳｉ１−ｘ導波路ｐｉｎ検出器が公開されている。典型の装置構成は、ＧｅｘＳｉ１−ｘ／Ｓｉ多重量子井戸吸収層と、約１μｍ厚のＳｉクラッド層と、ｎ＋コンタクト層と、ｐ＋コンタクト層とからなる。
【０００８】
標準の半導体技術を統合できるＮＩＲ光検出器を設計する最も魅力ある試みの一つは、多結晶Ｇｅをベースにすることである。これは、主に、装置の製造に必要とされる熱収支が低いためである。多結晶膜は、標準のＳｉ処理との良好な適合性を保証するような低い温度で成膜される。成膜された膜は単結晶Ｇｅと同様の吸収スペクトルを示すが、移動度および寿命が低下する。
【０００９】
２００２年５月に発行されたＡｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓの第８０巻第１８号の３２６８〜３２７０頁に掲載されたＧ．Ｍａｓｉｎｉら著の「Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｇｅ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｓｉ  ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｒｅａｄｏｕｔ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」では、Ｓｉ相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）電子機器に近赤外Ｇｅフォトダイオードをモノリシック集積により配列したものが報告されている。標準の超大規模集積シリコン技術により実現されたこのチップは、８画素のうち１画素を選択するのに用いられる８個のＣＭＯＳスイッチを抱えている。選択された光電性の画素によって発生した光電流は、外部のフィードバック抵抗Ｒによってトランスインピーダンス増幅器に送られる。出力は、リニア配列の応答した検出器（the interrogated detector in the linear array）の光強度（light intensity）に相当する電圧である。後者は、８個の多結晶Ｇｅ／Ｓｉヘテロ接合フォトダイオードを含み、これらはそれぞれ、蒸着した多結晶ＧｅとＳｉ基板内に露出したｎ−ウェルとの間に実現されている。Ｓｉ領域は、金属パッドと接続されている。また、多結晶Ｇｅの中央部に銀が蒸着され、リソグラフィにより薄いフィンガー形状に形成されており、直列抵抗を低下させている。
【００１０】
２００３年４月のＡｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓの第８２巻第１５号に公開されたＧ．Ｍａｓｉｎｉら著の「２．５  Ｇｂｉｔ／ｓ  ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｇｅｒｍａｎｉｕｍ−ｏｎ−ｓｉｌｉｃｏｎ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｆｒｏｍ  １．３  ｔｏ  １．５５  μｍ」において、近赤外用の多結晶ゲルマニウムオンシリコンヘテロ接合高速光検出器が記載されている。この多結晶ＧｅオンＳｉフォトダイオードは、３００℃に保たれたｎ型シリコン基板にゲルマニウムを熱蒸着することにより製造される。その結果完成したＧｅ膜の膜厚は１２０ｎｍである。成膜後、検出器領域がウェットエッチングにより２００×２００μｍ２の大きさの四角形のメサ（mesa）に形作られる。Ａｇコンタクトの成膜およびリソグラフィ成形により製造が完了する。対象の波長に透明である基板を介して、光が能動検出器領域に結合される。このため、この装置は垂直入射検出用に製造されており、１．３μｍにおいて１６ｍＡ／Ｗの応答性、２ｍＡ／ｃｍ２を下回る暗電流、２．５Ｇｂｉｔ／ｓよりも高い動作速度を示す。
【００１１】
出願人は、この装置の応答性の低さは小さい能動領域（つまり、一拡散長を加えた空乏層）に原因があると考えており、この能動領域は多結晶ゲルマニウム固有のアクセプタのような高い欠陥密度（defect-density）によりＧｅオンＳｉ内で５０ｎｍであることが典型である。出願人は、吸収効率（absorption efficiency）が能動層（垂直入射検出器内にあるような）の膜厚よりもむしろ検出器の長さによって決まるという導波路の形状において（in waveguide geometry）応答性の高まりが期待されると考えている。
【００１２】
Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  １７（２００１）の２４３〜２４６頁のＧ．Ｍａｓｉｎｉら著の「Ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｇｅ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」において、多結晶Ｇｅ光検出器を導波構造に統合することが示されている。この方法により、多結晶Ｇｅ／Ｓｉヘテロ接合の薄膜感知層（thin sensitive layer）に入射する光の分散吸収が可能となるため、有効吸収長および効率が増大する。２μｍ厚のｎ型シリコンと１．５μｍ厚のＳｉＯ２絶縁体とを有するボンディングおよびエッチバックによるシリコンオンインシュレータ基板が基板として選ばれている。多結晶Ｇｅ膜は、純度９９．９９９％の市販のソースを用いて熱蒸着により成長される。膜厚には１２０ｎｍが選ばれている。装置の応答性は、垂直入射（基板から照射する）と導波路構造内とで計測された。いずれの場合にも、１．３μｍで５ｍＷを発光する半導体レーザが用いられた。実験から、垂直入射に対して、導波路構造において因子８の応答性の増大が示された。
【００１３】
出願人は、この論文において、平面状の導波路構造のフォトダイオードが用いられており、光が横方向に閉じ込められていないことに注目した。導波路内を移動する光信号は、導波路の面内で素早く分散し、閉じ込めが起こらない。この分散のために、光強度（Ｗａｔｔ／ｃｍ２）が低下し、良好な効率を維持するために光検出器の領域を拡大する必要がある。しかし、光検出器の領域を拡大することにより、装置全体の速度が低下する可能性がある。
【００１４】
Ｐｒａｋａｓｈ  Ｇｏｔｈｏｓｋａｒらによる米国特許出願公開第２００４／０１８８７９４号明細書において、シリコンオンインシュレータ構造に形成された、比較的薄い（つまり、サブミクロンの）シリコン光導波路とともに用いるための光検出器が開示されている。光検出器は、シリコン光導波路に沿って伝搬する光信号の少なくとも一部と結合するように配置された多結晶ゲルマニウム層を有する。シリコン光導波路は、任意の所望の形状を有することができ、多結晶ゲルマニウム検出器が導波路の一部を覆うかまたは導波路の端部にバットカップリング（butt-coupled）するように形成されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
出願人は、引用した特許出願のすべての実施形態では、検出器の対向し合う端部に電気的なコンタクトが形成されていること、つまり、これらはいずれも多結晶ゲルマニウム層と接しているということに注目した。また、多結晶Ｇｅ層はｐ−ｉ−ｎ構造を有し、ｐドープ多結晶ゲルマニウム層と、真性ドープ層と、ｎドープ層とを有している。出願人は、比較的低い温度を採用する成膜技術を用いる際には特に、多結晶Ｇｅによるｐ−ｉ−ｎ構造の実現が難しいことを観測した。標準のシリコンＣＭＯＳ技術との適合性を維持するためには、比較的低い成膜温度、つまり、３５０〜４００℃以下の温度が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
発明の概要
本発明は、導波路光検出器構造に関し、ゲルマニウム層、好ましくはシリコン基板に成膜した多結晶ゲルマニウム層（以下、「多結晶Ｇｅ」層と略す）を有するものである。特に、選択された光検出器の形状により、装置の性能、特にその応答速度および応答性を最善にしたものである。
【００１７】
本発明の光検出器は、多結晶Ｇｅ層とシリコン層との間にヘテロ接合を有する。このヘテロ接合は、ｐ型多結晶Ｇｅ層とｎ型シリコン層との間のｐｎ接合であることが好ましい。ｐｎ接合の近辺では、電子が拡散してホールと結合し、「空乏層」と呼ばれるものを形成する。ｐｎ接合が存在する面（つまり、空乏層に相当する領域）を、光検出器構造の「能動領域（active area）」と呼ぶ。
【００１８】
出願人は、垂直入射の検出における多結晶Ｇｅ光検出器の主な欠点の一つは、多結晶Ｇｅヘテロ接合の能動層の膜厚が比較的薄いことであるということに気づいた。例えば、熱蒸着された結晶Ｇｅについては約５０ｎｍである。この薄い膜厚は、多結晶Ｇｅ層の全膜厚に関係なく、垂直入射の検出における装置の応答性を所定（低い）値に制限してしまう。用語「垂直入射検出」は、検出されることになる光がヘテロ接合によって範囲の定まった面（つまり、この接合を形成している二つの異なる物質の境界線により範囲の定まった面）に対して実質的に直交して入射することを意味するものである。
【００１９】
上記の問題を克服するため、ある導波路の形状を本発明に採用した。「導波路の形状」では、検出される光信号が、任意の好ましい形状を有する導波路内を移動し、その中に縦方向に閉じ込められる（vertically confined therein）。導波路の寸法は、導波路内を伝搬する光学モードが導波路層を超えて延びるエバネッセントテール（evanescent tail）を有しているような寸法であるために、モード自体は導波路の表面に最終的に配置された追加層の存在に影響を受けやすくなっている。
【００２０】
上記の多結晶Ｇｅ層は、上記のｐ−ｎ接合を形成するためにシリコンベースの導波路である導波路を覆って直に成膜される。信号が導波路に沿って伝搬すると、この信号は多結晶Ｇｅ層に結合して吸収され、電子−ホール対を作る。多結晶Ｇｅ層とＳｉ導波路との間に緩衝層を存在させることは、Ｓｉに多結晶Ｇｅを直に成膜することほど好ましいものではないが、除外されるものではない。例えば、Ｓｉ導波路とはわずかに異なるドーピングを行ったＳｉの緩衝層を光検出器構造に含めることもできる。
【００２１】
このように、「導波路の形状」を有する光検出器構造体は、検出される光信号が、多結晶Ｇｅと導波路との間の界面、つまり、ｐ−ｎ接合と、実質的に同一の方向に沿って移動し、光検出器の能動領域と、導波路内を移動するモードの誘導モードプロファイル（the guided mode profile of the mode travelling in the waveguide）とが重複する領域内の光の伝搬路に沿って光吸収が行われることを意味するものである。つまり、光は、光生成キャリアのドリフトの方向に対して実質的に直交するように移動する。
【００２２】
このように、光は、伝搬中、多結晶Ｇｅ／Ｓｉヘテロ接合の薄膜感知層の中に分散するように吸収される。これは、吸収効率を最大限にするための１／α超という装置厚さの厳しい制限を解除するものである（αは吸収係数である）。
【００２３】
ゲルマニウムのバンドギャップは、近赤外（ＮＩＲ）線の効率的な吸収を確実なものとする。このため、本発明の光検出器構造体はＮＩＲ線検出用に用いることが好ましい。
【００２４】
また、光の結合用の導波路を使用することは、信号が光ファイバ／導波路に沿って移動する電気通信の適用にとって魅力がある。本発明によれば、光検出器構造体は、多結晶Ｇｅ層の特別の形状を有しているため、光信号がこの中に縦方向かつ横方向に閉じ込められる。詳細には、光検出器はリブ状の構造を備え、つまり、多結晶Ｇｅ層は、以下に簡略して「メサ」と呼ぶメサ構造を備えており、メサは、所定の長さＬ、幅Ｗ、膜厚Ｔを有し、Ｗ＜Ｌである。なお、本文では、メサ構造またはメサは多結晶Ｇｅの平面状の上面を必ずしも意味するものではないことに言及しておく（好ましくはあるが）。例えば、リブ形状またはリッジ形状の多結晶Ｇｅ層が考えられる。
【００２５】
このメサは、導波路の面、好ましくはその上面に接しており、領域Ｗ×Ｌが光検出器の能動領域の範囲を定めており、光が吸収される領域となっている。このメサは、長さＬが導波路内の信号伝搬方向に沿う長さとなるように位置しており、Ｗは、Ｌと実質的に直交する方向にあるメサの幅である。吸収領域の光は、縦方向および横方向の両方に閉じ込められる。特に、下層よりも高い屈折率を有する平面状の導波路によって光が縦方向に閉じ込められるが、多結晶Ｇｅのメサに対応する（つまり、実質的にメサの幅に対応する）横領域が高屈折率であることにより横方向の導波が可能となる。二次元の閉じ込めにより、高光強度（Ｗａｔｔ／ｃｍ２）が保たれ、接合容量（junction capacitance）が低下することにより速度に利益を得て、さらに小さい面積の装置が可能となる。好適な実施形態において、シリコン導波路は、下層とともにシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造を形成している。
【００２６】
光吸収によって発生した電子−ホール対は、本発明の教示に従って製造された適切な金属コンタクト構造を用いて効率的に集めることができる。
【００２７】
好適な実施形態において、多結晶Ｇｅ層、つまりメサの膜厚Ｔは、多結晶Ｇｅ層の膜厚の好ましい下限を示唆する上部金属コンタクトによる損失と、層の膜厚の好ましい上限を示唆する一拡散長超のＧｅ領域で発生する損失（the losses present in the Ge-region above one diffusion-length）との間で、適当な妥協が見出されるように選択する。すなわち、多結晶Ｇｅの膜厚を大きくすると光の吸収量が増大するが、コンタクトで光電流に変換されない。しかし、金属コンタクトの存在により、金属損失（metal losses）が増大するためにＴを任意に低下させることができない。
【００２８】
一方、多結晶Ｇｅ層の長さＬは、低容量を達成することで帯域幅を確保するために、極力短くしておくことが好ましい。他方では、この長さＬは、ほぼ完全な吸収を得るために吸収長よりも長いことが好ましい。本発明の光検出器における多結晶Ｇｅメサの長さの好ましい範囲は、１０μｍ≦Ｌ≦２０００μｍであり、さらに好ましいＬは４００μｍ≦Ｌ≦１０００μｍである。
【００２９】
多結晶Ｇｅ層の幅Ｗは比較的小さいことが好ましく、一般には、伝搬モードの数を制限しかつ光強度を最大にするために最小限に抑えられる。しかし、計算によると、Ｗ＜１０μｍについては、カソードの金属コンタクト（シリコン導波路を覆う金属コンタクト）による損失が無視できないものであることが示されている。このため、幅Ｗは１０μｍよりも大きいことが好ましく、これはコンタクト自体の形状により決まる。
【００３０】
本発明によれば、光検出器は、第１の金属コンタクトおよび第２の金属コンタクトを含み、第１の金属コンタクト（アノード）は多結晶Ｇｅメサの上方に位置し、第２の金属コンタクト（カソード）はこのメサの両側にシリコン導波路の上に位置している。
【００３１】
第１の金属コンタクトは、光検出器の能動領域の長さＬと等しい長さを有することが好ましい。また、第１の金属コンタクトは、メサの上面にメサ自体の長手軸に対して対称に位置することがさらに好ましい。
【００３２】
第１の好適な実施形態によれば、第１のコンタクトは、多結晶Ｇｅメサを完全に覆っており、つまり、長さＬおよび幅Ｗを有している。第１の金属コンタクトが比較的広いと、金属損失の関連性が高まる（metallic losses can be relevant）。第１の実施形態によれば、多結晶Ｇｅ層の膜厚Ｔについては、光検出器内の損失を低下させるために１００ｎｍ≦Ｔ≦１６０ｎｍである。また、第１の好適な実施形態によれば、多結晶Ｇｅの幅Ｗは１０μｍ≦Ｗ≦５０μｍであることが好ましい。
【００３３】
光検出器の直列抵抗を最小限に抑えるため、第１の金属コンタクトと第２の金属コンタクトとの距離ｄを最小限に抑えることが好ましい。しかし、金属コンタクトは、寄生容量を防ぐために相互に横方向に近づきすぎないようにする必要がある。１０μｍ≦ｄ≦２０μｍが好ましい。
【００３４】
本発明の第２の実施形態によれば、第１の好適な実施形態との違いは第１の金属コンタクトの形状のみであるが、後者は多結晶Ｇｅメサの上部に位置する（on top of the poly-Ge mesa）二つの金属ストリップを備えている。第１の金属コンタクトは、多結晶Ｇｅ層に対して対称に位置し、これを取り囲む二つの金属ストリップを備えることが好ましい。二つのストリップは、多結晶Ｇｅの上部でＵ形状の金属構造体となるように相互に接続されている。
【００３５】
第１のストリップおよび第２のストリップは幅ｗを有しており、メサの長手軸に対して対称に配置されていることが好ましい。また、二つの金属ストリップは、メサの上面の端部から比較的短い距離を置いた位置にあることがさらに好ましい。
【００３６】
金属損失を最小限に抑えるために、二つの金属ストリップの幅ｗを最小限に抑えることが好ましい。２μｍ≦ｗ≦１０μｍが好ましい。
【００３７】
第２の実施形態では金属損失が低下するため、Ｔ’の上限および下限についての上述の制限が大幅に緩和でき、第２の実施形態の多結晶Ｇｅ層の膜厚Ｔ’については第１の実施形態のものよりも広い範囲で選択することができ、６０ｎｍ≦Ｔ’≦２００ｎｍが好ましく、８０ｎｍ≦Ｔ’≦１８０ｎｍがさらに好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
発明の好適な実施形態
本発明によるゲルマニウムオンシリコンの光検出器の特徴および利点は添付の図面を参照した以下の詳細な説明によりさらに明らかになる。
【００３９】
初めに図５ａを参照すると、１は本発明の教示に従って実現した光検出器構造体を示している。
【００４０】
光検出器構造体１は、シリコンベースの導波路２を備え、ここで光信号が一定の方向Ｘ（これは導波路の軸でもある）に沿って移動し閉じ込められる。
【００４１】
特に、光信号は導波路内に縦方向に閉じ込められる。
【００４２】
用語「シリコンベースの」導波路は、シリコン、好ましくはｎ型シリコン材料で実現された導波路を意味するものである。好ましくは、導波路の寸法は、その中を移動するモードが導波路自体に縦方向に完全には閉じ込められないが、モードが導波路の面上の追加層の位置によって影響を受ける可能性があるように、モードのエバネッセントテールが導波路の外側に延びるようなものである。また、導波路の形状は任意であり、つまり、スラブ型導波路、リブ型導波路、あるいはリッジ型導波路であり、光検出器構造体１の最終的な所望のアプリケーション次第で選択的に使用してよい。例えば、図５ｃに表した光検出器では、異なる導波路の形状を使用している。
【００４３】
導波路２は、導波路よりも低い屈折率を有する層８の上に実現することが好ましい。層８は、ＳｉＯ２層であることが好ましい。ＳｉＯ２層８は、基板３の上に実現することがさらに好ましい。基板３、層８、導波路２はシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）構造を形成し、基板３はシリコンで作られ、導波路（ＳＯＩ上層）はｎドープのＳｉであることが好ましい。
【００４４】
導波路２の膜厚は、適当な縦方向の閉じ込めを確保するため、かつ損失を最小にするために（つまり、基本縦モードのみを結合するため、かつ光結合を容易にするため）２μｍから３μｍの間である。
【００４５】
そして、多結晶Ｇｅ層４をシリコンベースの導波路２の上部に成長させる。適切な技術は、熱蒸着、スパッタリング、化学気相成長であるが、固有にシリコン技術との適合性があるため初めの二つが好ましい。成膜されたゲルマニウム層が多結晶構造を有するように、多結晶Ｇｅの成膜時の基板の温度を２５０℃よりも高く維持することが好ましい（例えば、約３００〜３５０℃）。この場合、その吸収スペクトルは純（バルク）結晶ゲルマニウムと非常に似たものである。多結晶Ｇｅを成膜する間、基板の温度を比較的低く保つと、基板の上にすでに存在する適切な追加Ｓｉ電子機器の機能性および性能のいずれにも悪影響を与えることなく、成膜を制御することが可能となる。
【００４６】
以下に詳細に説明する本発明の好適な実施形態は多結晶ゲルマニウムに関するものであるが、（単）結晶構造、つまり、ｃ−Ｇｅを有するゲルマニウム層またはＳｉＧｅの結晶層を有する光検出器についても本発明の範囲に含まれる。結晶ゲルマニウムまたはＳｉＧｅは、シリコンの上にエピタキシャル成長することができる。ＳｉＧｅは、数％から１００％の範囲のＧｅ濃度を有してよいが、５０％を下回らないのが好ましい。しかし、結晶ＧｅまたはＳｉＧｅは、標準の半導体技術との適合性が求められる場合には、あまり好ましいものではない。これは、これらの製造には一般に比較的高い成長温度が求められるためである。
【００４７】
成膜後、多結晶Ｇｅ層４は所望の形状を得るためにエッチングされる。本発明によれば、多結晶Ｇｅ層４は、導波路内の信号伝搬方向Ｘにある長さＬと、この伝搬方向と実質的に直交する同一面内の方向Ｚにある幅Ｗとを有するメサ１０を形成するようにエッチングされる。従って、これを光吸収が起こるＬ×Ｗの「検出器領域」または「能動領域」とする。
【００４８】
また、多結晶Ｇｅメサ１０の膜厚を以下ではＴとする。
【００４９】
シリコンベースの導波路２と、これに接する多結晶Ｇｅ層４との組み合わせにより、ｐ−ｎヘテロ接合が形成される。多結晶Ｇｅ層はｐ型であり、Ｓｉ−導波路はｎ型であることが好ましいが、逆ドーピングもまた本発明に含まれる（つまり、ｐ型Ｓｉの上にｎ型多結晶Ｇｅ）。層４の形成に熱蒸着が採用された場合には、ｐ型ゲルマニウムが好ましい。これは、成長したＧｅ層が、（例えば、拡散またはイオン注入による）ドーピング工程を追加する必要なくｐ型となるためである。逆に言えば、熱蒸着および一般には化学気相成長などの他の標準の成長技術によって成長させたｎ型Ｇｅ層は、追加のドーピング工程を必要とする。
【００５０】
導波路内を伝搬する光信号の吸収は、多結晶Ｇｅ層、特にメサ１０が存在する光伝搬路に沿って行われる。多結晶Ｇｅ／Ｓｉの界面には、能動層６（図５ａ〜５ｃに概略して表した）が形成される。入射した光子はこの領域に達した際、導波路２内を伝搬するモードのエバネッセントテールが多結晶Ｇｅ層４に結合するという事実があるために、電子−ホール対に「分裂」する。光子の吸収により発生した電子は、以下に説明するように、例えばｐ−ｎ接合に印加された電界によって（逆バイアス）、伝搬モードのベクトルに対して直交するように集められる。
【００５１】
光子吸収が信号伝搬路に沿って起こるという事実のために、吸収効率は主に、能動層の膜厚よりもむしろ検出器の長さによって（つまり、多結晶Ｇｅメサの長さＬによって）決まる。
【００５２】
本発明の第１の特徴によれば、導波路２内を移動する光信号を、多結晶Ｇｅ層４内に横方向かつ縦方向に閉じ込めなければならない。特に、多結晶Ｇｅメサの寸法は、Ｗ＜Ｌとなるように選択される。すでに言及したように、二次元の閉じ込めにより、高光強度（Ｗａｔｔ／ｃｍ２）が維持され、さらに小さい面積の装置でも、接合容量が低下したことにより改善した速度から利益が得られる。
【００５３】
光の横方向の閉じ込めは、多結晶Ｇｅメサの形状によるものと考えられるが、シリコン導波路２の形状も光の横方向の閉じ込めに影響を及ぼすことができる。図５ｃに１’’として図示した本発明の光検出器構造体の他の実施形態において、導波路２は多結晶Ｇｅメサ１０の下方にリッジを形成するためにエッチングされているため、横方向の閉じ込めを高めている。
【００５４】
多結晶Ｇｅメサ１０の長さＬは、１０μｍ≦Ｌ≦２０００μｍであることが好ましく、４００μｍ≦Ｌ≦１０００μｍであることがさらに好ましい。特にメサのＷ、Ｌ、膜厚Ｔによって決まる、装置の所望の効率と速度との間で最良の妥協を図ることにより、特定のアプリケーションに望ましいＬが選ばれる。
【００５５】
光吸収により発生した電子は、光検出器の上に適切に位置させた電極またはコンタクトを介して集められる。
【００５６】
本発明の第１の好適な実施形態において、図１、図３、図５ａに示すように、第１の金属コンタクト７が多結晶Ｇｅメサ１０の上面１０ａに配置されている。
【００５７】
第１のコンタクト７（アノード）は、光信号の伝搬方向Ｘと実質的に平行に配置された金属ストリップ１５を備えることが好ましい（図において、Ｘ軸はメサ１０の縦軸と一致させて示してある）。金属ストリップ１５は、多結晶Ｇｅメサ１０の長さＬと等しい長さを有することがさらに好ましい。特に、この第１の好適な実施形態によれば、第１の金属コンタクトは多結晶Ｇｅ層４を完全に覆っており、その上面１０ａの外形に沿って、幅Ｗおよび長さＬの金属ストリップの外形を定めている。
【００５８】
第２の金属コンタクト（カソード）はシリコンベースの導波路２の上部に位置している。第１のコンタクトおよび第２のコンタクトは、能動領域Ｌ×Ｗにおける光子吸収により発生した電子を集めるものである。第２のコンタクトはストリップ形状を有することが好ましい。第２のコンタクトは、導波路２の上に多結晶Ｇｅ層４に対して対称に位置した二つの金属ストリップ９ａ、９ｂを備えることがさらに好ましい。つまり、これらは多結晶Ｇｅメサ１０を「取り囲み」、これと平行に配置されている。また、この二つの対称的な金属ストリップ９ａ、９ｂは相互に接続されている。
【００５９】
本発明の好適な実施形態によれば、光検出器１は、第１の金属コンタクト７を外部回路（不図示）にワイヤボンディングによりさらに容易に接続するための金属パッド１１を備える。多結晶Ｇｅ層４は、多結晶Ｇｅパッド１２を備え、ここからメサ１０が突出しており、その上部に金属パッド１１が配置され、図３から明らかにわかるように、金属が多結晶Ｇｅ層４の上面を完全に覆っていることがさらに好ましい。この図では多結晶Ｇｅ層は見えず、コンタクト７によって完全に覆われている。多結晶Ｇｅパッド１２（および上記のように金属パッド１１）は四角形であることが好ましく、その寸法は例えば少なくとも６０×６０μｍ２である。金属パッド１１が存在する場合、光検出器１の能動領域はＬ×Ｗの領域にパッド領域を加えたものとなる。
【００６０】
多結晶Ｇｅメサ１０を覆う第１の金属コンタクト７とシリコンベースの導波路２を覆う第２の金属コンタクト９ａまたは９ｂとの距離ｄは、フォトダイオード１の直列抵抗を最小限に抑えるために極力短くすることが好ましく、これによりその光帯域幅が増大する。出願人の計算では、１０μｍから２０μｍまでの範囲のコンタクト間の距離については、直列抵抗は第２の金属コンタクト９ａ、９ｂの接触抵抗によって支配されることが示されている。このため、第１の金属コンタクトと第２の金属コンタクトとの間の好ましい距離は、１０μｍ≦ｄ≦２０μｍである。
【００６１】
出願人は、特に図１、図５ａ、図３の好適な実施形態において、光検出器の応答性については、多結晶Ｇｅ層４の膜厚が適切なパラメータとなることを観測した。多結晶Ｇｅ層内の能動層の最大膜厚は約５０ｎｍである。この膜厚を超えると、吸収された光が失われる（つまり、検出に寄与しなくなる）。確かに、空乏化領域から遠く離れて発生した電子対は、主に拡散効果により移動し、（コンタクト７、９ａ、９ｂを介して光検出器と接続された）外部回路において電流を発生させることなく再結合する可能性がある。これにより光検出器１の効率が低下する。
【００６２】
反対に、多結晶Ｇｅ膜厚が薄すぎると、上部の金属コンタクト７における損失が増大する結果となる。損失は、金属および一拡散長超の多結晶Ｇｅ層での吸収に起因するものであるため、トレードオフが起こると思われる。
【００６３】
図１、図３、図５ａに示した本発明の第１の実施形態による、多結晶Ｇｅメサ１０がＷ＝１０μｍおよび吸収長よりも長いＬを有する装置について、出願人はシミュレーションを行った。
【００６４】
シミュレーションの結果を図６に示す。左側の縦座標は吸収長を表し、右側の縦座標は吸収効率を表している。多結晶Ｇｅメサの膜厚Ｔ（図６のグラフの横座標であって、膜厚はｎｍで与えられる）のそれぞれ選ばれた値に対して、これに対応する光検出器１の最大吸収効率を計算し、図６のグラフに点により視覚化している。同一のＴ値に対して、吸収長（１０ｄＢで）を計算し（計算された吸収長は、ほぼ完全な吸収を達成するのに必要な最短の長さとして考えられる。）、これを上記のグラフにおいて四角で示した。多結晶Ｇｅメサ膜厚Ｔが薄いほど、吸収長が長いことが明らかにわかる（つまり、ＬはＴに反比例する）。
【００６５】
長すぎる吸収長はそれ程必要ではない。これは、装置が大きくなるため、集積回路技術に典型的に求められるような小型の装置の実現には適さないためである。Ｌはまた、低容量を保有することで帯域幅を確保するために短くしておくことが好ましい。総吸収（−１０ｄＢ）までかつ帯域幅１０ＧＨｚまで及ぶことができるように、提案する好ましい長さの範囲として、４００μｍ≦Ｌ≦１０００μｍが選択された。
【００６６】
多結晶Ｇｅ層４の上部に金属アノードが存在することによる上記の損失によって起こると思われるトレードオフは、図６のＴに対する効率の曲線においてみることができ、約１２０ｎｍにおいて最大値を有している。さらに一般に、光検出器の特定のアプリケーションによって決まる好ましい効率値またはその範囲を選択した後、多結晶Ｇｅメサに適した膜厚の範囲が得られる。シミュレーションによれば、選択された好ましい多結晶Ｇｅ膜厚Ｔは、１００ｎｍから１６０ｎｍまでの間である。
【００６７】
また、本発明の第１の実施形態において、多結晶Ｇｅメサ１０の好ましい幅Ｗは、１０μｍ≦Ｗ≦５０μｍである。Ｗは、多結晶Ｇｅ層４への伝搬モード数を制限し、光強度を高く保つために、最小限に抑えるのが実に好ましい。しかし、金属コンタクト７における損失は、Ｗ＜１０μｍの場合増大するため、これを下限として考えることができる。シミュレーションにより、図１、図３、図５ａの光検出器１が金属損失に対して比較的影響を受けやすいことが示唆されている。このため、第１のコンタクトおよび第２のコンタクトの実現には、低損失の金属を用いることが好ましい。好ましい金属は、ＡｇまたはＡｕである。図１２において、ＳｉＯ２基板３上のシリコンベースの導波路２の上に金属コンタクト９ａ、９ｂが存在することによる伝搬損失を、種々のコンタクト金属について示してある。
【００６８】
本発明の別の実施形態によれば、図示はしていないが、第１の金属コンタクト７は長さＬの金属ストリップ形状であってもよく、その幅は多結晶Ｇｅメサ１０の幅Ｗよりも狭くてよい。特に、コンタクト７は、信号の伝搬方向Ｘと平行にかつ長さＬに沿って延びた多結晶Ｇｅメサ１０の上部に配置されたストリップ形状を有していてよく、メサの上面の境界線に近接して位置している。つまり、これは、矩形Ｗ×Ｌの境界線に接していてもよく、又は、この境界から一定の距離を置いて位置していてもよい。しかし、単一の中央のストリップを存在させると、伝搬する光学モードにその最大値のあたりで摂動を起こさせ、金属ストリップから離れた所に光場を追いやり、効率を低下させる。
【００６９】
フォトダイオード１の暗電流の値は、全体の電力損失およびこれに伴うショット雑音による雑音特性において重要な意味を持つ。図１、図３、図５ａの光検出器１の典型的な計測された暗電流密度／逆バイアス（ヘテロ接合に印加されたもの）特性を図８に示す。実線は、問題としている第１の好適な実施形態における暗電流密度を表している。従って、本実施形態の光検出器は良好な逆バイアス作用を示し、標準偏差＜１０％において、１Ｖ、１０Ｖでそれぞれ０．６ｍＡ／ｃｍ２、１ｍＡ／ｃｍ２という暗電流密度Ｉｄを示す。これに対応するショット雑音は、ｉｓ＝（２ｑＩｄＢ）１／２に基づき、計測したＩｄから評価した。ここで、ｑは電子電荷であり、Ｂは帯域幅（この計算では１ＧＨｚに等しいと考える）である。Ｗ＝９μｍ、Ｌ＝１ｍｍ、Ｔ＝１２０ｎｍ（ボンディングパッドが１０−３ｃｍ２である）を有する第１の実施形態の光検出器についての典型値を表１に表す。
【００７０】
【表１】
2008526003.tif 000003
【００７１】
本実施形態の光検出器の応答性については、４０倍の対物レンズおよび偏光用の半波長板を介した半導体レーザからのバットカップリングによる光によって計測した。光電流を電圧に変換した後、逆バイアスに対してロックイン増幅器により計測した。レンズ入射でのパワー（power at the lens input）（つまり、レンズの透過、反射、様式の不一致について修正を加えない）と光電流との比率によって定義されるウォールプラグ応答性を計測した。水平偏光（実線）および垂直偏光（破線）の両方について、Ｔ＝１２０ｎｍ、Ｗ＝８μｍ、Ｌ＝６００μｍを有する光検出器の１．５５μｍにおける逆バイアスに対する典型の応答性を図９に示す。ウォールプラグ応答性は、１０〜１５ｍＡ／Ｗの範囲であることがわかる。
【００７２】
最後に、速度の計測を行った。装置が適切にバイアスされている場合、空乏層の交差に伴う伝播時間は１００ピコ秒よりも短いと推測され、光検出器１の帯域幅はＲＣで制限されると考えられる。ここで、Ｒは、負荷抵抗ＲＬを加えた直列抵抗（ＲＳ）であり、Ｃは接合容量である。１０Ｖの逆バイアスを超えると、シリコン導波路（上記の計測で２μｍの膜厚を有する）は完全に空乏化すると思われ、推定の接合容量は、４００μｍから１２００μｍまでの間のＬと６０×６０μｍ２の金属パッドを有する装置について、０．８ｐＦから２．０ｐＦの間である。この容量の範囲により、１００Ｏｈｍの負荷抵抗および直列抵抗を考慮に入れると、０．５ＧＨｚから２ＧＨｚの帯域幅が予測される。図１１は図１、図３、図５ａの光検出器１（Ｗ＝１０μｍ、Ｌ＝１００μｍ、Ｔ＝１２０ｎｍ、ボンディングパッドが６０×６０μｍ２である）について計測された典型的な応答を示すものであり、プロットした曲線は約５００ｐｓの上昇時間および下降時間を示している。５００ｐｓの上昇時間は予測範囲内である約０．７ＧＨｚの帯域幅に相当する。それでも、計測した直列抵抗Ｒｓは５００Ｏｈｍを上回り、これを最小限に抑えることができ（このため装置速度が上がり、）カソードコンタクトのオーム特性を最適にすることができた。
【実施例】
【００７３】
実施例１
２μｍ厚のｎ型Ｓｉ上層（２〜３Ωｃｍ）および１．５μｍ厚のＳｉＯ２絶縁体を有するボンディングおよびエッチバックによるＳＯＩ基板を使用した。サンプルを切り取り、入射破断面の研磨は行わなかった。
【００７４】
多結晶Ｇｅ膜は、９９．９９９％の純度の市販のソースと、タングステンのるつぼを用い、真空で１０−６〜１０−７Ｔｏｒｒのバックグラウンド圧力で熱蒸着によって成長させた。この基板を重厚な銅板によって加圧し、熱同軸ケーブル（thermo-coaxial cable）によって温度を３００℃に安定させた。Ｇｅ膜の膜厚Ｔは、１２０ｎｍと等しくなるように選んだ。真空チャンバに導入する前に、これらをバッファードフッ酸溶液（ＢＨＦ）に１０秒浸すことによりＳＯＩ基板を室温で化学的に洗浄した。多結晶Ｇｅメサ１０をリソグラフィおよび選択ウェットエッチングによって画定した。
【００７５】
続けて、アルミニウムコンタクトを熱蒸着により成膜し、標準のリソグラフィにより画定した。ワイヤボンディング用の四角形のパッドは約６０×６０μｍ２である。
【００７６】
４００μｍから２４００μｍまでの異なる長さを有する数種の装置を製造した。
【００７７】
図に１’で示した本発明の光検出器の第２の好適な実施形態を図２、図４、図５ｂに示す。本実施形態の追加の変型を図５ｃに示すが、ここでは導波路２の形状が図５ｂに示した形状とは異なっている。ただし、図５ｃのリッジ型導波路を、第１の実施形態の光検出器の構造に代わりに採用してもよい。図２、図４、図５ｂ／５ｃにおける同一の参照番号は、図１、３、５ａの１によって示した第１の好適な実施形態のものと機能的に同一の部分を指したものである。
【００７８】
光検出器１と光検出器１’との違いは、多結晶Ｇｅ層４を覆って成膜した第１の金属コンタクトの形状および面積が異なっていることである。第２の好適な実施形態による光検出器１’において、多結晶Ｇｅメサ上の第１の金属コンタクトは、二つの金属ストリップ１６ａ、１６ｂを備えており、いずれも長さＬを有していることが好ましく、互いに平行に配置され、伝搬方向Ｘにも平行に配置されていることが好ましい。二つのストリップ１６ａ、１６ｂは、メサ１０の上部の長手軸Ｘに対して対称に配置されていることが好ましい。これらのストリップの幅はｗで示してあり、Ｗ／２よりも小さい。二つのストリップは、同一の横寸法を有することがさらに好ましい。
【００７９】
メサ上面１０ａの中央に対して対称に位置した二つのストリップ１６ａ、１６ｂを有する光検出器構造体１’のこの第２の実施形態は好ましいものである。第１の実施形態（つまり、光検出器１）の金属損失の方が、コンタクト寸法が大きいため、第２の実施形態のものよりも、非常に関連性がある（much more relevant）ことに言及しておく。単一の横方向のストライプは使用可能であるが、結果として起こる電界分布は光キャリアの収集について最適なものとはならず、直列抵抗が増大する可能性がある。
【００８０】
二つのストリップ１６ａ、１６ｂは、例えば、金属パッド１１によって相互に接続されている（図４）。
【００８１】
シリコンベースの導波路２上の第２の金属コンタクト９ａ、９ｂは、第１の好適な実施形態のものと変わらないままである。
【００８２】
二つのストリップ１６ａ、１６ｂは、メサ１０の境界に隣接しておらず、各ストリップの端部とメサ１０の端部との間に最小限の距離があり、第１の金属コンタクト７の金属部がシリコン導波路２に誤って接することによるショートカットの危険を防いでいる。この最小限の距離は、約１μｍであることが好ましい。
【００８３】
本発明の光検出器の第１の実施形態において、金属コンタクトによる損失は比較的関連性があることが示されており（図６を参照）、このため多結晶Ｇｅ層４の膜厚Ｔはあまり薄すぎないことが好ましい（つまり、約１００ｎｍよりも厚い）。この第２の好適な実施形態において、多結晶Ｇｅ層４の上に存在する金属の量は第１の実施形態と比べると少なくなっているため、コンタクト内の損失が無視できるほど小さいものであるか、または少なくとも低下していることが予測される。
【００８４】
図７に表したように、第１の好適な実施形態１について図６に表した曲線と類似する第２の実施形態１’についての曲線が示されている。特に、Ｗ＝３０μｍの多結晶Ｇｅメサ１０と、それぞれがｗ＝５μｍである二つの金属ストリップ１６ａ、１６ｂの幅とを有する光検出器１’の挙動のシミュレーションが示されている。コンタクト７、９ａ、９ｂは、アルミニウムで実現されている。金属損失が低下したため、光検出器１’の効率は、多結晶Ｇｅ層の膜厚Ｔ’に対して単調な挙動を示している（第１の実施形態では、この曲線は最大値を有する）。このため、この後者のパラメータＴ’は、ほぼ完全な吸収を確保するために、層の粗さとしての製造制限と、Ｇｅ／Ｓｉ界面に隣接した能動層と等しい最小値（約５０ｎｍ）とによってのみ制限される。
【００８５】
このため、この第２の好適な実施形態における多結晶Ｇｅ層４の好ましい膜厚Ｔ’は６０ｎｍ≦Ｔ’≦２００ｎｍであり、８０ｎｍ≦Ｔ’≦１８０ｎｍであることがさらに好ましい。多結晶Ｇｅ層の好ましい適切な膜厚をこのように比較的広い範囲とすることにより、設計がさらに自由になり、応答性の期待した改善が可能となる。ここでもまた、応答性と速度との間のトレードオフが通常選択される。
【００８６】
一方、形状がさらに複雑になり、多結晶Ｇｅメサ１０の同一面に二つの平行な小さい金属ストリップを実現することによる技術的制限があるため、多結晶Ｇｅメサ１０は２０μｍよりも広いかまたはこれと等しい幅Ｗ’を有することが好ましい。本実施形態のメサの幅は２０μｍ≦Ｗ’≦５０μｍであることがさらに好ましい。
【００８７】
ストリップ１６ａ、１６ｂの幅ｗについては最小限に抑え、高い被覆−非被覆比率を有することが好ましく、これはまたリソグラフィの解像度によっても制限される。２μｍ≦ｗ≦１０μｍが好ましい。
【００８８】
この第２の実施形態の光検出器１’の他の好ましい設計パラメータは、第２の金属コンタクト９ａ、９ｂの長さＬおよび形状の値など、第１の実施形態１について言及したパラメータと等しい。
【００８９】
表１にリストした値の、第２の実施形態のために算出したものを、特にＷ＝３０μｍ、ｗ＝５μｍ、Ｌ＝５００μｍ、Ｔ＝１２０ｎｍを有する光検出器１’について、以下の表２に示す。
【００９０】
【表２】
2008526003.tif 000004
【００９１】
光検出器１’の第２の実施形態について計測された典型的な電流−電圧特性を図８に示し、第２の実施形態についての曲線を破線を用いてプロットした。
【００９２】
光検出器１’について、１．５５μｍにおける水平偏光（実線）および垂直偏光（破線）の両方についてバイアス電圧に対して計測した典型的なウォールプラグ応答性を図１０に示す。差し込み図は、応答性および偏光の独立性に関して最良の結果を示したものである。ウォールプラグ応答性は、Ｗ＝３０μｍ、ｗ＝５μｍ、Ｌ＞５００μｍ、Ｔ＝１２０ｎｍの検出器については、８〜１２ｍＡ／Ｗの範囲にある。
【００９３】
偏光応答性の比率（the polarization responsivity ratio）は、通常、５．５（第１の実施形態の光検出器１、図９を参照）から１．６（第２の実施形態の光検出器１’、図１０を参照）に低下することにもまた言及しておく。これは、実質的にＵ形状の二重のコンタクトを有する多結晶Ｇｅ層４の大部分に上部金属がないことによるものである。
【００９４】
多結晶Ｇｅ層４の導電率が高いため、コンタクトの面積が異なるものであっても、この第２の実施形態の光検出器１’の接合容量は第１の実施形態の光検出器の接合容量と実質的に等しい。このため、二つの装置はほぼ同一の速度を示す（第１の実施形態の光検出器１の速度についての図１１を参照のこと）。
【００９５】
本発明の光検出器１、１’、１”は、光ファイバ通信受信機の個別部品として使用してもよい。装置１、１’、１”は、光ファイバ５１（図１３ａ）と直接連結するか、または入射光を伝送し（routing）屈折させることを可能にする導波路５０の一片を介して連結できる（図１３ｂを参照）。これらはまた、様々な高水準のシステムの一部として使用可能である。標準のＶＬＳＩシリコン技術との適合性により、図１４に示す受信機１００のような、シリコンベースのオプトエレクトロニクス集積回路の製造が可能となる。受信機１００は、光検出器１（または１’、または１”）と、アナログフロントエンド（トランスインピーダンス増幅器）５２と、数個のプロセシング／アドレシング混合信号電子機器５３とを備える。
【００９６】
本発明の光検出器を用いて別のシステムを採用し、モニタリングの目的のためまたは完全なドロップオフのために、入射する光信号から特定の波長をタップオフ（tap off）できる。この光計測は、広帯域、狭帯域のいずれにも行うことができる（波長は選択可能）。
【００９７】
図１５ａ〜１５ｅは、本発明の光検出器を利用可能な別の構成を示したものである。図１５ａは、広帯域、狭帯域のいずれのタップオフ用にも設計できる従来の構成を示したものである。図１５ｂは、サンプリングに基づく、波長が選択可能なリング共振器を示し、図１５ｃは、インライン構造を示し、これは信号を実質的に同一なものとしておく光モニタリングを可能とするものであり、図１５ｄは、波長分割多重伝送方式（ＷＤＭ）の多重タップオフ／検出を示し、図１５ｅは、波長選択度を大幅に改善するフォトニック結晶をベースとしたＷＤＭ受信機／モニタの改良型を示したものである。上述の図において、簡潔にするために光検出器は１によって示されているが、本発明の第１の実施形態による光検出器１、第２の実施形態による光検出器１’、１”のうちいずれでも選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の光検出器の第１の実施形態の概略斜視図である。
【図２】本発明の光検出器の第２の実施形態の概略斜視図である。
【図３】図１の光検出器の上面図である。
【図４】図２の光検出器の上面図である。
【図５ａ】本発明の図１の光検出器の横断面図（５ａ）であり、導波路内を移動するモードのモードプロファイルの概略図および能動層との重複を示すものである。
【図５ｂ】本発明の図２の光検出器の横断面図（５ｂ）であり、導波路内を移動するモードのモードプロファイルの概略図および能動層との重複を示すものである。
【図５ｃ】本発明の光検出器の追加の実施形態の横断面図であり、導波路内を移動するモードのモードプロファイルの概略図および能動層との重複を示すものである。
【図６】図１の光検出器におけるＷ＝１０μｍの多結晶Ｇｅ層について、多結晶ゲルマニウム層の膜厚に対して算出した吸収効率（右）および長さ（左）を示すグラフである。コンタクトがＡｕで作られている。
【図７】図２の光検出器におけるＷ＝３０μｍの多結晶Ｇｅ層について、多結晶ゲルマニウム層の膜厚に対して算出した吸収効率（右）および長さ（左）を示すグラフである。コンタクトがＡｌで作られており、幅ｗ＝５μｍである。
【図８】図１の光検出器の典型的な電流−電圧特性のグラフ（実線）および図２の光検出器の典型的な電流−電圧特性のグラフ（破線）である。
【図９】図１の光検出器の水平偏光（実線）および垂直偏光（破線）の両方について、バイアスに対する典型的なウォールプラグ応答性を示すグラフである。
【図１０】図２の光検出器の水平偏光（実線）および垂直偏光（破線）の両方について、バイアスに対する典型的なウォールプラグ応答性を示すグラフである。差し込み図は、応答性および偏光独立性の両方について最良の結果を表している。
【図１１】１．５５μｍにおいて変調された光入射に対する装置１の光応答を示すグラフである。
【図１２】コンタクトに使用した異なる金属についての導波路の金属損失のグラフである。
【図１３ａ】光ファイバとバットカップリングされた本発明の光検出器の概略構成である。図５ｂの実施形態における受動導波路も一つ含まれている。
【図１３ｂ】光ファイバとバットカップリングされた本発明の光検出器の概略構成である。図５ｂの実施形態における受動導波路も一つ含まれている。
【図１４】光検出器と、トランスインピーダンスフロントエンドと、プロセシング電子機器とを備えるシリコン集積回路の概略図を示す図である。
【図１５ａ−１５ｅ】本発明の光検出器の数種類の応用の概略図を示すものである。特に、図１５ａは、従来の分波構造、図１５ｂは波長選択型リング共振器をベースにしたサンプリング、図１５ｃはインライン検出／モニタリング、図１５ｄは波長分割多重方式（ＷＤＭ）の多重分波、図１５ｅはフォトニック結晶をベースとしたＷＤＭ多重分波の選択性を改善した型である。
【図１５ａ】本発明の光検出器の数種類の応用の概略図を示すものである。特に、図１５ａは、従来のタップオフ構造である。
【図１５ｂ】本発明の光検出器の数種類の応用の概略図を示すものである。特に、図１５ｂは、サンプリングに基づく、波長選択型リング共振器である。
【図１５ｃ】本発明の光検出器の数種類の応用の概略図を示すものである。特に、図１５ｃはインライン検出／モニタリンである。
【図１５ｄ】本発明の光検出器の数種類の応用の概略図を示すものである。特に、図１５ｄは波長分割多重方式（ＷＤＭ）の多重タップオフである。
【図１５ｅ】本発明の光検出器の数種類の応用の概略図を示すものである。特に、図１５ｅはフォトニック結晶をベースとしたＷＤＭ多重タップオフの選択性を改善した型である。
【図１】
2008526003.tif 000005
【図２】
2008526003.tif 000006
【図３】
2008526003.tif 000007
【図４】
2008526003.tif 000008
【図５ａ】
2008526003.tif 000009
【図５ｂ】
2008526003.tif 000010
【図５ｃ】
2008526003.tif 000011
【図６】
2008526003.tif 000012
【図７】
2008526003.tif 000013
【図８】
2008526003.tif 000014
【図９】
2008526003.tif 000015
【図１０】
2008526003.tif 000016
【図１１】
2008526003.tif 000017
【図１２】
2008526003.tif 000018
【図１３ａ】
2008526003.tif 000019
【図１３ｂ】
2008526003.tif 000020
【図１４】
2008526003.tif 000021
【図１５ａ】
2008526003.tif 000022
【図１５ｂ】
2008526003.tif 000023
【図１５】
2008526003.tif 000024
【図１５ｄ】
2008526003.tif 000025
【図１５ｅ】
2008526003.tif 000026
【国際調査報告】
2008526003.tif 000027
2008526003.tif 000028
2008526003.tif 000029