(57)【要約】【課題】本願発明では、Ｓｉ集積回路の作製プロセスとの整合がよく、１μｍ以上の波長でも感度を有し、高速で動作する光検出器を提供することを目的とする。【解決手段】本願発明は、光吸収層をＧｅとし、真性半導体層をＳｉで構成するＰＩＮ構造の光検出器とした。具体的には、極性のあるＳｉ半導体層１１と、真性Ｓｉ半導体層１２と、前記Ｓｉ半導体層１１と逆極性のＧｅ半導体層１３と、が順に積層されている光検出器１である。  【選択図】図１
2008140808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極性のあるＳｉ半導体層と、
真性Ｓｉ半導体層と、
前記Ｓｉ半導体層と逆極性のＧｅ半導体層と、
が順に積層されている光検出器。
【請求項２】
Ｓｉ半導体基板をさらに備え、前記極性のあるＳｉ半導体層又は前記Ｓｉ半導体層と逆極性のＧｅ半導体層が前記Ｓｉ半導体基板の側に積層され、かつ、前記Ｓｉ半導体基板の側に積層された前記極性のあるＳｉ半導体層又は前記Ｓｉ半導体層と逆極性のＧｅ半導体層が前記Ｓｉ半導体基板と同じ極性で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】
極性のあるＳｉ半導体層と、
前記Ｓｉ半導体層と同極性のＧｅ半導体層と、
真性Ｓｉ半導体層と、
前記Ｇｅ半導体層と逆極性のＳｉ半導体層と、
が順に積層されている光検出器。
【請求項４】
Ｓｉ半導体基板をさらに備え、前記極性のあるＳｉ半導体層又は前記Ｇｅ半導体層と逆極性のＳｉ半導体層が前記Ｓｉ半導体基板の側に積層され、かつ、前記Ｓｉ半導体基板の側に積層された前記極性のあるＳｉ半導体層又は前記Ｇｅ半導体層と逆極性のＳｉ半導体層が前記Ｓｉ半導体基板と同じ極性であ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】
酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンのいずれかからなるクラッド層と、
前記クラッド層の上面にＳｉ光導波路と、をさらに備え、
前記極性のあるＳｉ半導体層の側の面又は前記極性のあるＳｉ半導体層の端面に、前記Ｓｉ光導波路が結合していることを特徴とする請求項１又は３に記載の光検出器。
【請求項６】
酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンのいずれかが、さらに上面又は側面に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、高速動作の可能な光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体内部への進入長が大きい１μｍ帯では、生体内部を１ｍｍ程度の深さ分解能をもって３次元像として解析するために、１０ｐｓｅｃ程度の光パルスを照射して反射波を受信する必要がある。このため、反射波を受信する光検出器には１００ＧＨｚ程度の高速動作が要求される。
【０００３】
また、Ｓｉ集積回路のチップの内部やチップ間において、金属配線による信号転送速度の制限が深刻になっており、近赤外光によるチップの内部やチップ間の信号転送が期待されている。
【０００４】
これらの要望に対して、Ｓｉ集積回路の作製プロセスとの整合がよいことから、Ｓｉ半導体基板上にＳｉ−ＰＩＮ光検出器を形成する開発が行われている。Ｓｉ−ＰＩＮ構造の光検出器を高速動作させるためには、光吸収により発生したキャリアの素子通過時間を減少させる必要がある。キャリアの素子通過時間を減少させるためには、光吸収層を薄く形成することが効果的であるが、Ｓｉ−ＰＩＮ構造の光検出器を１μｍ以上の波長で使用する場合はＳｉの吸収係数が小さいため、光吸収層を厚くせざるを得ない。
【０００５】
一方、１μｍ以上の波長で感度のよいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＰＩＮ光検出器は、高速動作はするものの、Ｓｉ集積回路の作製プロセスと整合せず、モノリシック集積化は困難である。
【０００６】
１μｍ以上の波長でも感度を得るために、Ｇｅを利用する研究も行われている（特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−８０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
Ｇｅ−ＰＩＮ構造の光検出器は、１．５μｍ程度の波長でも高感度検出が可能であるが、１００ＧＨｚを超える動作速度を得ようとすると、Ｇｅ真性半導体層の厚さを０．１μｍ以下にする必要がある。
【０００８】
しかし、Ｇｅはエネルギーバンドギャップが狭いため、厚さを０．１μｍ以下にすると内蔵電界が破壊電界を超えてしまい、Ｇｅ真性半導体層が破壊されやすく、光検出器としての利用が困難となる。
【０００９】
そこで、本願発明では、Ｓｉ集積回路の作製プロセスとの整合がよく、Ｓｉでは感度のない１μｍ以上の波長で感度を有し、高速で動作する光検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、光吸収層をＧｅとし、真性半導体層をＳｉで構成するＰＩＮ構造の光検出器とした。
【００１１】
具体的には、本願発明は、極性のあるＳｉ半導体層と、真性Ｓｉ半導体層と、前記Ｓｉ半導体層と逆極性のＧｅ半導体層と、が順に積層されている光検出器である。
【００１２】
光吸収層をＧｅとすることによって、Ｓｉでは感度のない１μｍ以上の波長でも感度を有する。また、真性半導体層をＳｉで構成することによって厚さを薄くすることができ、高速動作が可能となる。このようなＰＩＮ構造の光検出器はＳｉ集積回路の作製プロセスとの整合もよい。
【００１３】
Ｓｉ半導体層とＧｅ半導体層が逆極性になり、その間に真性のＳｉ半導体層が挟まれていればよく、Ｓｉ半導体層がｐ型でＧｅ半導体層がｎ型か、Ｓｉ半導体層がｎ型でＧｅ半導体層がｐ型でもよい。
【００１４】
上記光検出器は、Ｓｉ半導体基板をさらに備え、前記極性のあるＳｉ半導体層又は前記Ｓｉ半導体層と逆極性のＧｅ半導体層が前記Ｓｉ半導体基板の側に積層され、かつ、前記Ｓｉ半導体基板の側に積層された前記極性のあるＳｉ半導体層又は前記Ｓｉ半導体層と逆極性のＧｅ半導体層が前記Ｓｉ半導体基板と同じ極性としてもよい。
【００１５】
Ｓｉ半導体基板を備えることによって、同じＳｉ半導体基板上にＳｉ集積回路を形成することができる。
【００１６】
Ｓｉ半導体基板上に、極性のあるＳｉ半導体層と、真性Ｓｉ半導体層と、前記Ｓｉ半導体層と逆極性のＧｅ半導体層と、がこの順番で積層されてもよい。また、Ｓｉ半導体基板上に、極性のあるＧｅ半導体層と、真性Ｓｉ半導体層と、前記Ｇｅ半導体層と逆極性のＳｉ半導体層と、がこの順番で積層されてもよい。
【００１７】
本願他の発明は、極性のあるＳｉ半導体層と、前記Ｓｉ半導体層と同極性のＧｅ半導体層と、真性Ｓｉ半導体層と、前記Ｇｅ半導体層と逆極性のＳｉ半導体層と、が順に積層されている光検出器である。
【００１８】
光吸収層をＧｅとすることによって、Ｓｉでは感度のない１μｍ以上の波長でも感度を有する。また、真性半導体層をＳｉで構成することによって厚さを薄くすることができ、高速動作が可能となる。このようなＰＩＮ構造の光検出器はＳｉ集積回路の作製プロセスとの整合もよい。
【００１９】
Ｇｅ半導体層と当該Ｇｅ半導体層と逆極性のＳｉ半導体層との間に真性のＳｉ半導体層が挟まれ、Ｇｅ半導体層の真性のＳｉ半導体層と反対側に隣接して、Ｇｅ半導体層と同極性のＳｉ半導体が積層されていればよく、Ｇｅ半導体層がｎ型でもｐ型でもよい。
【００２０】
上記光検出器は、Ｓｉ半導体基板をさらに備え、前記極性のあるＳｉ半導体層又は前記Ｇｅ半導体層と逆極性のＳｉ半導体層が前記Ｓｉ半導体基板の側に積層され、かつ、前記Ｓｉ半導体基板の側に積層された前記極性のあるＳｉ半導体層又は前記Ｇｅ半導体層と逆極性のＳｉ半導体層が前記Ｓｉ半導体基板と同じ極性としてもよい。
【００２１】
Ｓｉ半導体基板を備えることによって、同じＳｉ半導体基板上にＳｉ集積回路を形成することができる。
【００２２】
Ｓｉ半導体基板上に、極性のあるＳｉ半導体層と、前記Ｓｉ半導体層と同極性のＧｅ半導体層と、真性Ｓｉ半導体層と、前記Ｇｅ半導体層と逆極性のＳｉ半導体層と、がこの順番で積層されてもよい。また、Ｓｉ半導体基板上に、極性のあるＳｉ半導体層と、真性Ｓｉ半導体層と、前記極性のあるＳｉ半導体層と逆極性のＧｅ半導体層と、前記Ｇｅ半導体層と同極性のＳｉ半導体層がこの順番で積層されてもよい。
【００２３】
本願発明には、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンのいずれかからなるクラッド層と、前記クラッド層の上面にＳｉ光導波路と、をさらに備え、前記極性のあるＳｉ半導体層の側の面又は前記極性のあるＳｉ半導体層の端面に、前記Ｓｉ光導波路が結合している光検出器も含まれる。
【００２４】
Ｓｉ半導体基板上に光導波路を形成することにより、Ｓｉ集積回路のチップの内部やチップ間の信号転送の光検出器として利用することができる。
【００２５】
前述のいずれかの本願発明には、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンのいずれかが、さらに上面又は側面に形成されている光検出器も含まれる。
【００２６】
酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンによって半導体層の劣化や誤接触を防止することができる。酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンのいずれかの上面から入射した光の反射を防止することもできる。また、Ｇｅ半導体層に歪みを印加することもできる。
【発明の効果】
【００２７】
本願発明に係る光検出器は、Ｓｉ集積回路の作製プロセスとの整合がよく、Ｓｉでは感度のない１μｍ以上の波長で感度を有し、高速で動作することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本願発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本願発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。また、本明細書及び図面において、符号が同一の構成要素は相互に同一のものを示すものとする。
【００２９】
本願発明の光検出器の構造を図１から図８に示す。図１から図８において、光検出器への給電や信号出力のための電極及び配線は省略している。
【００３０】
図１は、ｎ型Ｓｉ半導体基板（ｎ−Ｓｉ半導体基板）１０の上面にｎ型Ｓｉ半導体層（ｎ−Ｓｉ半導体層）１１、真性Ｓｉ半導体層（ｉ−Ｓｉ半導体層）１２、ｐ型Ｇｅ半導体層（ｐ−Ｇｅ半導体層）１３を順次積層したＰＩＮ構造の光検出器１である。図１において、光吸収層としてｐ型Ｇｅ半導体層１３が用いられている。ｐ型Ｇｅ半導体層１３の上面に、ｐ型Ｓｉ半導体層がさらに積層されていてもよい。
【００３１】
図１とは逆に、ｎ型Ｓｉ半導体基板１０の上面にｎ型Ｇｅ半導体層、真性Ｓｉ半導体層、ｐ型Ｓｉ半導体層を順次積層したＰＩＮ構造の光検出器としてもよい。この場合は、ｎ型Ｇｅ半導体層が光吸収層となる。
【００３２】
また、ｎ型Ｓｉ半導体基板１０に替えてｐ型Ｓｉ半導体基板を使用すると、ｐ型Ｓｉ半導体基板の上面にｐ型Ｓｉ半導体層、真性Ｓｉ半導体層、ｎ型Ｇｅ半導体層を順次積層したＰＩＮ構造の光検出器としてもよい。この場合は、ｎ型Ｇｅ半導体層が光吸収層となる。ｎ型Ｇｅ半導体層の上面に、さらにｎ型Ｓｉ半導体層が積層されていてもよい。
【００３３】
これとは逆に、ｐ型Ｓｉ半導体基板の上面にｐ型Ｇｅ半導体層、真性Ｓｉ半導体層、ｎ型Ｓｉ半導体層を順次積層したＰＩＮ構造の光検出器としてもよい。この場合は、ｐ型Ｇｅ半導体層が光吸収層となる。
【００３４】
いずれの場合も、光吸収層としてｐ型Ｇｅ半導体層又はｎ型Ｇｅ半導体層を用いているため、Ｓｉでは感度のない１μｍ以上の波長でも感度を有することになる。また、光検出器の真性領域に破壊電界が大きいＳｉを用いることにより、真性Ｓｉ半導体層を薄くすることができ、高速で動作することが可能となる。
【００３５】
図２に示すように、ｎ型Ｓｉ半導体基板１０の一部をｎ型Ｓｉ半導体層１１として利用してもよい。ｐ型Ｓｉ半導体基板の場合は、ｐ型Ｓｉ半導体基板の一部をｐ型Ｓｉ半導体層として利用してもよい。
【００３６】
図１及び図２において、ｐ型Ｇｅ半導体層１３の側から入射した光は、ｐ型Ｇｅ半導体層１３で吸収され、電子−正孔対を発生する。ｎ型Ｇｅ半導体層を用いる場合は、ｎ型Ｇｅ半導体層で光が吸収され、電子−正孔対を発生する。ｐ型Ｇｅ半導体層をｐ型Ｓｉ半導体基板の側に積層した場合又はｎ型Ｇｅ半導体層をｎ型Ｓｉ半導体基板の側に積層した場合も同様に、ｐ型Ｇｅ半導体層又はｎ型Ｇｅ半導体層で光が吸収され、電子−正孔対を発生する。発生した電子と正孔のうち、ｐ型Ｇｅ半導体層では電子が、ｎ型Ｇｅ半導体層では正孔が、拡散により真性Ｓｉ半導体層に流入し、電流として光検出器から出力される。
【００３７】
図３は、ｎ型Ｓｉ半導体基板（ｎ−Ｓｉ半導体基板）１０の上面に、ｎ型Ｓｉ半導体層（ｎ−Ｓｉ半導体層）１１、ｎ型Ｇｅ半導体層（ｎ−Ｇｅ半導体層）１５、真性Ｓｉ半導体層（ｉ−Ｓｉ半導体層）１２、ｐ型Ｓｉ半導体層（ｐ−Ｓｉ半導体層）１６を順次積層したＰＩＮ構造の光検出器２である。図３において、光吸収層としてｎ型Ｇｅ半導体層１５が用いられている。
【００３８】
図３とは逆に、ｎ型Ｓｉ半導体基板１０の上面にｎ型Ｓｉ半導体層、真性Ｓｉ半導体層、ｐ型Ｇｅ半導体層、ｐ型Ｓｉ半導体層を順次積層したＰＩＮ構造の光検出器としてもよい。この場合は、ｐ型Ｇｅ半導体層が光吸収層となる。
【００３９】
また、ｎ型Ｓｉ半導体基板１０に替えてｐ型Ｓｉ半導体基板を使用すると、ｐ型Ｓｉ半導体基板の上面にｐ型Ｓｉ半導体層、ｐ型Ｇｅ半導体層、真性Ｓｉ半導体層、ｎ型Ｓｉ半導体層を順次積層したＰＩＮ構造の光検出器としてもよい。この場合は、ｐ型Ｇｅ半導体層が光吸収層となる。
【００４０】
これとは逆に、ｐ型Ｓｉ半導体基板の上面にｐ型Ｓｉ半導体層、真性Ｓｉ半導体層、ｎ型Ｇｅ半導体層、ｎ型Ｓｉ半導体層を順次積層したＰＩＮ構造の光検出器としてもよい。この場合は、ｎ型Ｇｅ半導体層が光吸収層となる。
【００４１】
いずれの場合も、光吸収層としてｐ型Ｇｅ半導体層又はｎ型Ｇｅ半導体層を用いているため、Ｓｉでは感度のない１μｍ以上の波長でも感度を有することになる。また、光検出器の真性領域に破壊電界の大きいＳｉを用いることにより、真性Ｓｉ半導体層を薄くすることができ、高速で動作することが可能となる。
【００４２】
図４に示すように、ｎ型Ｓｉ半導体基板１０の一部をｎ型Ｓｉ半導体層１１として利用してもよい。ｐ型Ｓｉ半導体基板の場合は、ｐ型Ｓｉ半導体基板の一部をｐ型Ｓｉ半導体層として利用してもよい。
【００４３】
図３及び図４において、ｐ型Ｓｉ半導体層１６の側から入射した光は、ｎ型Ｇｅ半導体層１５で吸収され、電子−正孔対を発生する。ｎ型Ｇｅ半導体層を用いる場合は、ｎ型Ｇｅ半導体層で光が吸収され、電子−正孔対を発生する。積層方向を逆にした場合も同様に、ｐ型Ｇｅ半導体層又はｎ型Ｇｅ半導体層で光が吸収され、電子−正孔対を発生する。発生した電子と正孔のうち、ｐ型Ｇｅ半導体層では電子が、ｎ型Ｇｅ半導体層では正孔が、拡散により真性Ｓｉ半導体層に流入し、電流として光検出器から出力される。
【００４４】
図１から図４に示す構造の光検出器ではＳｉ半導体基板上に光検出機構が搭載されているため、Ｓｉ集積回路の作製プロセスとの整合がよく、また、ＣＭＯＳ等のＳｉ集積回路を同じＳｉ半導体基板上に形成することができる。
【００４５】
図５は、Ｓｉ半導体基板３０の上面に、酸化シリコンからなるクラッド層（ＳｉＯ２クラッド層）２０を備え、クラッド層の上面にＳｉ光導波路２１を備え、Ｓｉ光導波路２１の上面にｎ型Ｓｉ半導体層（ｎ−Ｓｉ半導体層）１１、真性Ｓｉ半導体層（ｉ−Ｓｉ半導体層）１２、ｐ型Ｇｅ半導体層（ｐ−Ｇｅ半導体層）１３からなるＰＩＮ構造を備えている。Ｓｉ光導波路２１は、下面にＳｉより屈折率の低い酸化シリコンからなるクラッド層２０を備え、他を大気で囲まれているため、光導波路の機能を有する。Ｓｉ光導波路２１を伝搬してきた光は、ｎ型Ｓｉ半導体層１１の下面から結合し、光吸収層としてのｐ型Ｇｅ半導体層１３で吸収され、電子−正孔対を発生する。発生した電子と正孔のうち、電子が拡散により真性Ｓｉ半導体層１２に流入し、電流として光検出器から出力される。光吸収層としてｐ型Ｇｅ半導体層１３を用いることにより、Ｓｉでは感度のない１μｍ以上の波長でも感度を有することになる。
【００４６】
ｎ型Ｓｉ半導体層１１に替えてｐ型Ｓｉ半導体層を使用すると、ｐ型Ｓｉ半導体層の上面に真性Ｓｉ半導体層、ｎ型Ｇｅ半導体層を順次積層したＰＩＮ構造の光検出器としてもよい。この場合は、ｎ型Ｇｅ半導体層が光吸収層となり、Ｓｉでは感度のない１μｍ以上の波長でも感度を有することになる。
【００４７】
いずれも光検出器の真性領域に破壊電界が大きいＳｉを用いることにより、真性Ｓｉ半導体層を薄くすることができ、高速で動作することが可能となる。
【００４８】
図６に示すように、Ｓｉ光導波路２１の一部をｎ型Ｓｉ半導体層１１として、ｎ型Ｓｉ半導体層１１の端面にＳｉ光導波路２１を結合させてもよい。ｎ型Ｇｅ半導体層を使用する場合は、Ｓｉ光導波路２１の一部をｐ型Ｓｉ半導体層としてもよい。
【００４９】
図６において、Ｓｉ光導波路２１を伝搬してきた光は、ｎ型Ｓｉ半導体層１１の端面から結合し、光吸収層としてのｐ型Ｇｅ半導体層１３で吸収され、電子−正孔対を発生する。発生した電子と正孔のうち、電子が拡散により真性Ｓｉ半導体層１２に流入し、電流として光検出器から出力される。
【００５０】
図５及び図６において、酸化シリコンからなるクラッド層２０に替えて酸窒化シリコン、窒化シリコンのいずれかからなるクラッド層としてもよい。Ｓｉ光導波路２１に対してクラッドとしての機能および絶縁体としての機能を持てば足りる。
【００５１】
図７は、Ｓｉ半導体基板３０の上面に、酸化シリコンからなるクラッド層（ＳｉＯ２クラッド層）２０を備え、クラッド層２０の上面にＳｉ光導波路２１を備え、Ｓｉ光導波路２１の上面にｎ型Ｓｉ半導体層（ｎ−Ｓｉ半導体層）１１、ｎ型Ｇｅ半導体層（ｎ−Ｇｅ半導体層）１５、真性Ｓｉ半導体層（ｉ−Ｓｉ半導体層）１２、ｐ型Ｓｉ半導体層（ｐ−Ｓｉ半導体層）１６からなるＰＩＮ構造を備えている。Ｓｉ光導波路２１は、下面にＳｉより屈折率の低い酸化シリコンからなるクラッド層２０を備え、他を大気で囲まれているため、光導波路の機能を有する。Ｓｉ光導波路２１を伝搬してきた光は、ｎ型Ｓｉ半導体層１１の下面から結合し、光吸収層としてのｎ型Ｇｅ半導体層１５で吸収され、電子−正孔対を発生する。発生した電子と正孔のうち、正孔が拡散により真性Ｓｉ半導体層１２に流入し、電流として光検出器から出力される。光吸収層としてｎ型Ｇｅ半導体層１５を用いることにより、Ｓｉでは感度のない１μｍ以上の波長でも感度を有することになる。
【００５２】
ｎ型Ｓｉ半導体層１１に替えてｐ型Ｓｉ半導体層を使用すると、ｐ型Ｓｉ半導体層の上面にｐ型Ｇｅ半導体層、真性Ｓｉ半導体層、ｎ型Ｓｉ半導体層を順次積層したＰＩＮ構造の光検出器としてもよい。この場合は、ｐ型Ｇｅ半導体層が光吸収層となり、発生した電子と正孔のうち、電子が拡散により真性Ｓｉ半導体層１２に流入し、電流として光検出器から出力される。Ｓｉでは感度のない１μｍ以上の波長でも感度を有することになる。
【００５３】
いずれも、光検出器の真性領域に破壊電界の大きいＳｉを用いることにより、真性Ｓｉ半導体層を薄くすることができ、高速で動作することが可能となる。
【００５４】
図８に示すように、Ｓｉ光導波路２１の一部をｎ型Ｓｉ半導体層１１として、ｎ型Ｓｉ半導体層１１の端面にＳｉ光導波路２１を結合させてもよい。ｎ型Ｇｅ半導体層を使用する場合は、Ｓｉ光導波路の一部をｐ型Ｓｉ半導体層としてもよい。
【００５５】
図８において、Ｓｉ光導波路２１を伝搬してきた光は、ｎ型Ｓｉ半導体層１１の端面から結合し、光吸収層としてのｎ型Ｇｅ半導体層１５で吸収され、電子−正孔対を発生する。発生した電子と正孔のうち、電子が拡散により真性Ｓｉ半導体層１２に流入し、電流として光検出器から出力される。
【００５６】
図７及び図８において、酸化シリコンからなるクラッド層２０に替えて酸窒化シリコン、窒化シリコンのいずれかからなるクラッド層としてもよい。Ｓｉ光導波路２１に対してクラッドとしての機能および絶縁体としての機能を持てば足りる。
【００５７】
図５から図８に示す構造の光検出器では、Ｓｉ半導体基板上に光検出機構が搭載されているため、Ｓｉ集積回路の作製プロセスとの整合がよく、また、ＣＭＯＳ等のＳｉ集積回路を同じＳｉ半導体基板上に形成することができる。
【００５８】
図１から図８で説明した光検出器において、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンのいずれかが、さらに上面又は側面に形成されていてもよい。半導体層の劣化や誤接触を防止することができる。
【００５９】
本願発明の光検出器の原理について説明する。従来のＧｅ−ＰＩＮ構造の光検出器に対応させて、本願発明の光検出器のエネルギーバンド図を図９に示す。図９（ａ）は従来のＧｅ−ＰＩＮ構造の光検出器のエネルギーバンド図、図９（ｂ）は、本願発明の一つであるｐ型Ｇｅ半導体層−真性Ｓｉ半導体層−ｎ型Ｓｉ半導体層を備える光検出器のエネルギーバンド図を示す。ｐ型Ｇｅ半導体層の厚さは０．１μｍ、真性Ｓｉ半導体層の厚さを０．２μｍとして計算した。
【００６０】
Ｇｅ−ＰＩＮ構造では、図９（ａ）に示すように、光吸収により電子−正孔対が主に真性領域で発生し、ｎ型及びｐ型のＧｅ半導体層にそれぞれ電流として流れる。本願発明のｐ型Ｇｅ半導体層−真性Ｓｉ半導体層−ｎ型Ｓｉ半導体層を備える光検出器では、図９（ｂ）に示すように、Ｓｉのバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの波長（波長が１μｍ以上）の光はｐ型Ｇｅ半導体層のみが光吸収層となり、電子−正孔対を発生する。発生した電子と正孔のうち、少数キャリアである電子が拡散により真性Ｓｉ半導体層に流入し、電流として光検出器から出力される。ｎ型Ｇｅ半導体層−真性Ｓｉ半導体層−ｐ型Ｓｉ半導体層を備える光検出器では、Ｓｉのバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの波長（波長が１μｍ以上）の光はｎ型Ｇｅ半導体層のみが光吸収層となり、電子−正孔対を発生する。発生した電子と正孔のうち、少数キャリアである正孔が拡散により真性Ｓｉ半導体層に流入し、電流として光検出器から出力される。
【００６１】
Ｓｉのバンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーの波長（波長が１μｍ以下）の光はＧｅ半導体層に加え、Ｓｉ半導体層も光吸収層となり、電子−正孔対を発生する。ｐ型Ｇｅ半導体層−真性Ｓｉ半導体層−ｎ型Ｓｉ半導体層を備える光検出器では、ｐ型Ｇｅ半導体層で発生した電子と正孔のうち、少数キャリアである電子が拡散により真性Ｓｉ半導体層に流入し、電流として光検出器から出力される。加えて、真性Ｓｉ半導体層で発生した電子と正孔による電流、およびｎ型Ｓｉ半導体層の少数キャリアである正孔の拡散による電流が光検出器から出力されるが、０．７〜１．０μｍの近赤外域では、Ｓｉの光吸収係数はＧｅの１／１０以下であり、真性Ｓｉ半導体層およびｎ型Ｓｉ半導体層の厚さがｐ型Ｇｅ半導体層の厚さ０．１μｍと同程度であれば、電流の９０％以上はｐ型Ｇｅ半導体層から拡散した正孔によるものになる。波長が１μｍ以上の光の場合と同様、ｐ型Ｇｅ半導体層のみが光吸収層であると見なすことができる。ｎ型Ｇｅ半導体層−真性Ｓｉ半導体層−ｐ型Ｓｉ半導体層を備える光検出器でも、ｎ型Ｇｅ半導体層のみが光吸収層であると見なすことができる。図１から図４のｎ型Ｓｉ半導体基板１０のうち、Ｓｉ半導体層又はＧｅ半導体層と接触する周辺を、真性Ｓｉ又は接触する半導体層と逆極性のＳｉにし、電気的に分離すると、Ｓｉ半導体基板の奥深くで発生した電子又は正孔は電流に寄与しない。
【００６２】
次に動作速度の限界について説明する。ＳｉはＧｅに比較して高電界下における電子・正孔のドリフト速度が速く、真性領域をＳｉとすることにより、真性領域の通過時間を短くすることができるため高速で動作する。また、ＳｉはＧｅに比較して比誘電率が小さく、低容量化することができるため、高速で動作する。さらに、ＳｉはＧｅに比較して破壊電界強度が大きいため、内蔵電界強度が高くなる薄い真性領域を使用でき、高速動作に適している。従って、真性領域をＳｉとすることの特長として高速動作が挙げられる。
【００６３】
真性領域の厚さおよび素子面積をパラメータとして、従来のＧｅ−ＰＩＮ構造の光検出器に対応させた、本願発明のｐ型Ｇｅ半導体層−真性Ｓｉ半導体層−ｎ型Ｓｉ半導体層を備える光検出器の動作速度の限界を図１０に示す。図１０は、ｐ型Ｇｅ半導体層の厚さを０．１μｍ、光検出器の負荷抵抗を５０Ωとしたときの３ｄＢ減衰のカットオフ周波数を計算したものである。
【００６４】
Ｇｅ−ＰＩＮ構造の光検出器ではカットオフ周波数を１００ＧＨｚとするためには、真性Ｇｅ半導体層を０．１μｍ以下とする必要があり、Ｇｅの破壊電圧（図１０のＧｅ  ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）に近くなる。
【００６５】
一方、本願発明のように真性Ｓｉ半導体層とすると、真性Ｓｉ半導体層の厚さを０．１μｍ以下としてもＳｉの破壊電圧（図１０のＳｉ  ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）に達しないため、高速動作が可能となる。真性Ｓｉ半導体層の厚さは０．３μｍ以下が望ましく、また破壊電圧に達しないように０．０３μｍ以上が望ましい。
【００６６】
真性Ｓｉ半導体層の厚さをパラメータとして、本願発明のｐ型Ｇｅ半導体層−真性Ｓｉ半導体層−ｎ型Ｓｉ半導体層を備える光検出器の動作速度の限界を図１１に示す。図１１は、光検出器の負荷抵抗を５０Ωとしたときの３ｄＢ減衰のカットオフ周波数を計算したものである。ｐ型Ｇｅ半導体層を薄くすると電子拡散輸送が大きくなり、さらに、高速動作が可能となる。また、真性Ｓｉ半導体層の厚さを薄くする程、ｐ型Ｇｅ半導体層の厚さを薄くする効果が高くなる。ｐ型Ｇｅ半導体層の厚さは、電子拡散輸送を大きくするために０．２μｍ以下が望ましい。
【００６７】
真性領域の厚さおよび素子面積をパラメータとして、本願発明のｎ型Ｇｅ半導体層−真性Ｓｉ半導体層−ｐ型Ｓｉ半導体層を備える光検出器の動作速度の限界を図１２に示す。図１２は、ｎ型Ｇｅ半導体層の厚さを０．１μｍ、光検出器の負荷抵抗を５０Ωとしたときの３ｄＢ減衰のカットオフ周波数を計算したものである。図１２（ａ）は格子歪みを与えない場合、図１２（ｂ）はＧｅ半導体層に引っ張り歪みを与えた場合である。格子歪みを与えないｎ型Ｇｅ半導体層を光吸収層にすると素子面積が大きい場合は、Ｇｅ−ＰＩＮ構造の光検出器に対して本願発明のｎ型Ｇｅ半導体層−真性Ｓｉ半導体層−ｐ型Ｓｉ半導体層を備える光検出器は高速動作に１０ＧＨｚ程度の優位性がある。
【００６８】
室温よりも高い温度でＳｉ上にＧｅを積層すると、Ｓｉの熱膨張係数がＧｅの熱膨張係数より小さいために、室温ではｎ型Ｇｅ半導体層に引っ張り格子歪みが発生する。酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン等の膜をＳｉ半導体層の上面に形成したり、酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコン等の膜を形成してからＳｉ半導体層を形成しても、ｎ型Ｇｅ半導体層に引っ張り格子歪みが発生する。軽い正孔のみが電流に寄与するため、高速動作が可能になる。図１２（ｂ）はｎ型Ｇｅ半導体層に歪みを与えた場合である。
【００６９】
本願発明のように真性Ｓｉ半導体層とすると、真性Ｓｉ半導体層の厚さを０．１μｍ以下としてもＳｉの破壊電圧（図１２のＳｉ  ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）に達しないため、高速動作が可能となる。ｎ型Ｇｅ半導体層を薄くすると電子拡散輸送が大きくなり、さらに、高速動作が可能となる。真性Ｓｉ半導体層の厚さは０．３μｍ以下が望ましく、また破壊電圧に達しないように０．０４μｍ以上が望ましい。ｎ型Ｇｅ半導体層の厚さは、電子拡散輸送を大きくするために０．２μｍ以下が望ましい。
【００７０】
従来のＧｅ−ＰＩＮ構造の光検出器に対応させた、本願発明のｐ型Ｇｅ半導体層−真性Ｓｉ半導体層−ｎ型Ｓｉ半導体層を備える光検出器及びｎ型Ｇｅ半導体層−真性Ｓｉ半導体層−ｐ型Ｓｉ半導体層を備える光検出器の分光感度を図１３に示す。図１３は、図１から図４に示す構造の光検出器に対して、図上で上側から素子表面に垂直な方向から光照射した場合の分光感度である。最表面には、酸化シリコン膜が形成されており、表面での反射及びキャリアの再結合がないものとしている。本願発明の光検出器は１．５５μｍ程度までは感度を有している。Ｇｅ−ＰＩＮ構造の光検出器に感度が劣っているのは、光吸収層としてのｐ型Ｇｅ半導体層又はｎ型Ｇｅ半導体層の厚さを０．１μｍとしたためで、入射した光に対して１０％程度の光吸収率となっている。
【００７１】
Ｇｅ半導体層の光導波路方向の長さおよびＧｅ半導体層の厚さをパラメータに、図５から図８に示す構造の光吸収率を図１４に示す。Ｓｉ光導波路２１を伝搬した光はｎ型Ｓｉ半導体層１１から結合し、ｐ型Ｇｅ半導体層１３又はｎ型Ｇｅ半導体層１５で吸収される。ｐ型Ｇｅ半導体層１３又はｎ型Ｇｅ半導体層１５の厚さが厚い方が感度は高くなる。ｐ型Ｇｅ半導体層１３又はｎ型Ｇｅ半導体層１５の厚さが０．１μｍ程度であっても、光の伝搬方向の長さが１μｍ以上であれば、５０％以上の光吸収率とすることができ、Ｇｅ−ＰＩＮ構造の光検出器と同等又はそれ以上の感度を有することになる。
【００７２】
人体などの生体中への進入長が長い波長０．８〜１．１μｍの光に対する分光感度を図１５に示す。図１から図４に示す構造の光検出器に対して、図上で上側から素子表面に垂直な方向から光照射でも感度を高くすることができる。Ｓｉ−ＰＩＮ構造の光検出器では、１μｍ以上の波長の光に対して感度が大きく低下するが、本願発明の光検出器のようにｐ型Ｇｅ半導体層又はｎ型Ｇｅ半導体層を光吸収層として用いると、１μｍ以上の波長の光に対しても感度を維持することができる。
【００７３】
特に、波長１μｍ以上の光が入射するとｐ型Ｇｅ半導体層又はｎ型Ｇｅ半導体層でのみ光吸収が起こり、Ｓｉ半導体層では光吸収が起こらないため、Ｓｉ半導体層でキャリアは発生せず、電流にも寄与しないため、高速動作が可能となる。
【００７４】
波長が０．８から１．０μｍの光が入射すると、ｐ型Ｇｅ半導体層又はｎ型Ｇｅ半導体層に加え、Ｓｉ半導体層も光吸収層となり、電子−正孔対を発生する。Ｓｉの光吸収係数はＧｅの１／１０以下であるため、真性Ｓｉ半導体層およびＧｅと逆極性のＳｉ半導体層の厚さが０．１μｍ程度であれば、電流の９０％以上はＧｅ半導体層から拡散した電子又は正孔によるものになる。ｐ型Ｇｅ半導体層又はｎ型Ｇｅ半導体層のみで光吸収が発生すると見なすことができるため、高速動作が可能である。図１から図４のＳｉ半導体基板１０のうち、Ｓｉ半導体層又はＧｅ半導体層と接触する周辺を、真性Ｓｉ又は接触する半導体層と逆極性にし、電気的に分離すると、Ｓｉ半導体基板の奥深くで発生した電子又は正孔は電流に寄与しない。
【００７５】
ところで、ＳｉとＧｅは格子定数が４％異なる格子不整合系であるため、Ｓｉ半導体層の上に平坦かつ高品質のＧｅ半導体層を形成するのは、困難である。しかし、摂氏３７０度程度の低温でＧｅバッファ層を形成した後、摂氏６００度でＧｅ半導体層を成長させる２段階成長法により、平坦なＧｅ半導体層の形成が可能である。さらに、Ｇｅ半導体層の形成後に、摂氏８００度程度の高温でアニールすることにより、Ｇｅ半導体層の貫通転移を低減することができる。実際、発明者らの製法で確認したところ、摂氏８２０度で１時間のアニールによりＧｅ半導体層の貫通転移を低減することができたことを確認した。
【００７６】
図５から図８のＳｉ光導波路を伝搬してきた光の検出では、Ｇｅ半導体層の厚さを０．１μｍ以下に減少させても、Ｇｅ半導体層の長さを大きくすることで高い光吸収率が得られる。Ｓｉ光導波路の幅は、１μｍ以下であるため、Ｇｅ半導体層の長さを数１０μｍに増加させても、１００ＧＨｚ動作が可能な１０−７ｃｍ２程度の小さな素子面積に保つことが可能である。非常に薄いＧｅ半導体層の成長では、ＧｅはＳｉの結晶格子に合った疑似格子整合を起こし、貫通転位およびＳｉとの界面でのミスフィット転位の発生がないため、高品質結晶を形成できる。Ｇｅ成長後のアニールが不要のため、光検出器中の各層又はＳｉ半導体基板に形成されるＣＭＯＳ等のＳｉ集積回路素子のキャリア濃度の制御が容易になる。
【００７７】
生体内部観察のように波長が０．８から１．０μｍの光を利用する場合には、Ｇｅ半導体層をＳｉ１−ＸＧｅＸ混晶（０＜Ｘ＜１）に置き換えることができる。Ｓｉ１−ＸＧｅＸ混晶は、Ｇｅと比較すると光吸収係数が小さいが、Ｓｉより光吸収係数が大きいためである。組成Ｘや成長温度に依存するものの、臨界膜厚が大きいため、転位発生を抑制できる。また、混晶特有の固溶体強化と呼ばれる機械強度の増加効果のため、転位の発生が起こりにくく、波長０．８からＳｉ１−ＸＧｅＸ混晶のバンドギャップエネルギーに相当する波長までの光の利用に有効である。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本願発明に係る光検出器は、生体内部を３次元像として解析するための光パルスの受信回路や、Ｓｉ集積回路のチップの内部やチップ間において、近赤外光によるチップの内部やチップ間の転送に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本願発明の光検出器の構造図である。
【図２】本願発明の光検出器の構造図である。
【図３】本願発明の光検出器の構造図である。
【図４】本願発明の光検出器の構造図である。
【図５】本願発明の光検出器の構造図である。
【図６】本願発明の光検出器の構造図である。
【図７】本願発明の光検出器の構造図である。
【図８】本願発明の光検出器の構造図である。
【図９】本願発明の光検出器のエネルギーバンド図である。
【図１０】本願発明の光検出器の動作速度の限界図である。
【図１１】本願発明の光検出器の動作速度の限界図である。
【図１２】本願発明の光検出器の動作速度の限界図である。
【図１３】本願発明の光検出器の分光感度図である。
【図１４】本願発明の光検出器の光吸収率を説明する図である。
【図１５】本願発明の光検出器の分光感度図である。
【符号の説明】
【００８０】
１、２、３、４：光検出器
１０：ｎ型Ｓｉ半導体基板
１１：ｎ型Ｓｉ半導体層
１２：真性Ｓｉ半導体層
１３：ｐ型Ｇｅ半導体層
１５：ｎ型Ｇｅ半導体層
１６：ｐ型Ｓｉ半導体層
２０：酸化シリコンクラッド層
２１：Ｓｉ光導波路
３０：Ｓｉ半導体基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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