(57)【要約】【課題】 光導波路と光検出器が一体型に結合された光デバイス及びその製造方法を提供する。【解決手段】 基板と、基板上に成長された第１単結晶成長層と、単結晶成長層上に形成されたクラッド層とコア層とを備える光導波路及び光導波路を進行する所定帯域の波長を有する光を吸収するためにクラッド層が露出されたコア層の所定部分に成長された第２単結晶成長層とを含む光ディバイスである。これにより、整列工程及びフリップ−チップボンディング等の付加工程が不要になって光デバイスのコストを低減することができる。又、光導波路と光検出器とが短絡されておらず、光導波路のコア部を光検出器にそのまま用いることにより製造工程が簡単であるだけではなく、光結合効率を向上させ得る。【選択図】図２
2005182030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に成長された第１単結晶成長層と、
前記第１単結晶成長層上に形成されたクラッド層とコア層とを備える光導波路と、
前記光導波路を進行する所定帯域の波長を有する光を吸水するために前記クラッド層の一部が除去された前記コア層の所定部分に形成されたアンドーピング層と、
前記アンドーピング層上に成長された第２単結晶成長層と、
前記基板の一側面に形成されたｎ−型電極と、
前記第２単結晶層に電気的に連結されたｐ−型電極とを含むことを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記基板がシリコンである場合、前記第１単結晶成長層及び前記第２単結晶成長層がシリコンゲルマニウム層であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記シリコンゲルマニウム層はシリコン−ゲルマニウム混合物（ＳｉＸＧＥ１−Ｘ）より成り、前記基板から遠くなる程ｘ値が１から０に漸進的に減少して、前記光導波路の露出された前記コア層と隣接する部分ではゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウム（ｘ＝０）から構成されることを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記アンドーピング層はゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウムから構成されることを特徴とする請求項３に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記基板がＩｎＰより成った場合に、前記単結晶成長層がＩｎxＧａ(1-x)Ａｓより成ったことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記コア層と前記クラッド層との屈折率差が大きくて小さいコア断面積を有することができることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項７】
前記コア層は窒化シリコンより成り、前記クラッド層は二酸化シリコンより成ることを特徴とする請求項６に記載の光デバイス。
【請求項８】
前記コア層はシリコンより成り、前記クラッド層は二酸化シリコンより成ることを特徴とする請求項６に記載の光デバイス。
【請求項９】
前記第１単結晶成長層の露出された前記コア層と隣接して光検出器を形成する部分の下に絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項１０】
所定の波長帯域を有する光信号を検出するための光デバイスにおいて、
シリコン基板と、
前記光信号を伝達するためにクラッド層及びコア層を備える光導波路と、
前記光信号を検出するために光吸収領域を含む光検出器と、
前記基板の一側面に形成されたｎ−型電極と、
前記光検出器に電気的に連結されたｐ−型電極とを含み、
前記光検出器の前記光吸収領域と前記光導波路の前記コア層とが隣接することを特徴とする光デバイス。
【請求項１１】
前記光吸収領域が単結晶成長層であってシリコンゲルマニウム層であることを特徴とする請求項１０に記載の光デバイス。
【請求項１２】
前記シリコンゲルマニウム層はシリコン−ゲルマニウム混合物（ＳｉＸＧＥ１−Ｘ）より成り、前記コア層から遠くなる程ｘ値が０から１に漸進的に増加して、前記コア層と隣接する部分ではゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウム（ｘ＝０）から構成されることを特徴とする請求項１１に記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記コア層と前記クラッド層との屈折率差が大きくて狭いコア断面積を有することができることを特徴とする請求項１０に記載の光デバイス。
【請求項１４】
前記コア層は窒化シリコンより成り、前記クラッド層は二酸化シリコンより成ることを特徴とする請求項１３に記載の光デバイス。
【請求項１５】
前記コア層はシリコンより成り、前記クラッド層は二酸化シリコンより成ることを特徴とする請求項１３に記載の光デバイス。
【請求項１６】
前記光検出器と前記基板との間に光吸収層が形成され、前記光検出器が形成する部分の周りの下に絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の光デバイス。
【請求項１７】
前記単結晶成長層が前記コア層と前記基板との間ではシリコンゲルマニウム層より成り、前記コア層と前記ｐ−型電極との間ではゲルマニウム層及びシリコンゲルマニウム層から構成されることを特徴とする請求項１５に記載の光デバイス。
【請求項１８】
光信号を検出するための光デバイスを形成する方法において、
基板上に第１単結晶成長層を成長させる段階と、
前記第１単結晶成長層に第１クラッド層を形成する段階と、
前記第１クラッド層を傾斜面を有するようにパターニングする段階と、
前記パターニングされた第１クラッド層及び前記露出された第１単結晶成長層上にコア層を形成する段階と、
前記コア層上に第２クラッド層を形成する段階と、
前記第２クラッド層を所定形状にパターニングして前記コア層の所定領域を露出させる段階と、
前記露出されたコア層上に第２単結晶成長層を形成する段階とを含むことを特徴とする光デバイスを製造する方法。
【請求項１９】
前記基板の一側面にｎ−型電極を形成する段階と、
前記第２単結晶成長層にｐ−型電極を形成する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の光デバイスを製造する方法。
【請求項２０】
前記第２単結晶成長層の周りの下に位置する前記第１単結晶成長層内にイオン注入を実施して絶縁層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の光デバイスを製造する方法。
【請求項２１】
前記第１単結晶成長層はシリコン−ゲルマニウム混合物（ＳｉＸＧＥ１−Ｘ）より成り、前記基板から遠くなる程ｘ値が１から０に漸進的に減少することを特徴とする請求項１８に記載の光デバイスを製造する方法。
【請求項２２】
前記第１単結晶成長層が前記シリコン−ゲルマニウム混合物より成る層の上部にゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウム（ｘ＝０）から構成される層をさらに形成することを特徴とする請求項２１に記載の光デバイスを製造する方法。
【請求項２３】
前記第２単結晶層は
前記コア層と隣接する部分ではゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウム（ｘ＝０）から構成する段階と、
前記コア層から遠くなる程ｘ値が０から１に漸進的に増加するシリコン−ゲルマニウム混合物（ＳｉＸＧＥ１−Ｘ）から構成する段階とを含むことを特徴とする請求項２１又は請求項２２に記載の光デバイスを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光デバイスに係り、より詳しくは光を伝達する光導波路と前記光を感知する光検出器とが一体型に結合された光デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年に入って、光通信網の高速化のために、加入者端末まで光ファイバを連結する光通信網に対する研究が至る所で活発に進められている。又、一部地域では光通信網の普及化のため光加入者試験網を構築して運営している。
【０００３】
こうした光通信網を構築するには、ディジタル化された電気的信号を任意の波長帯の光信号に変換して光ファイバに伝送し、光ファイバを通じて受信される任意の波長帯の光信号を検出してディジタル化された電気的信号に逆変換する光送受信機が必須である。
【０００４】
図１はこうした光送受信機の受信部を構成する一部分である光導波路と光検出器とが結合された従来の光デバイスを説明するための断面図である。
【０００５】
図１に示したように、光導波路と光検出器とが結合された従来の光デバイス１０は、シリコン基板１２と、シリコン基板１２の所定領域上に順次的に形成されたＳｉＯ2より成る第１クラッド層１４と、ＳｉＯ2：Ｇｅより成るコア層１６及びＳｉＯ２より成る第２クラッド層１８を備える光導波路１５及びＩｎＧａＡｓより成った光検出器２０を含む。
【０００６】
こうした従来の光デバイス１０は光導波路１５が完成されたシリコン基板１２の所定位置に、フリップ−チップボンディング技術を用いて光検出器２０を精密に接着するハイブリッド集積化方法で製作される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、こうしたハイブリッド集積化方法は全体の製作工程を複雑にし、特に光導波路のコア層と光検出器間の誤整列により生産収率が低下される問題が発生する。
【０００８】
又、結果的にこうした問題を部分的に解決するための精密な整列に多くの時間と努力とが必要であるだけではなく、高価な装備が必要になって低価格化に限界がある。
【０００９】
さらに、別途に製作される光検出器は、主に使用される波長帯域に適した化合物半導体を用いて作られるが、これに使用される基板自体が高価であるだけではなく、大口径化に伴う大量生産にも限界があり低コスト化が不可能な短所がある。
【００１０】
そこで、本発明の技術的課題は、光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイス及びその製造方法を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記技術的課題を達成するために、本願第１発明は、基板と、前記基板上に成長された第１単結晶成長層と、単結晶成長層上に形成されたクラッド層とコア層とを備える光導波路と、光導波路を進行する所定帯域の波長を有する光を吸収するためにクラッド層が露出されたコア層の所定部分に形成された第２単結晶成長層とを含む光デバイスを提供する。
【００１２】
光導波路と光検出器とを一体型に備えることにより、整列工程及びフリップ−チップボンディング等の付加工程が不要になって光デバイスのコストを低減することができる。
【００１３】
又、本発明の望ましい実施例によると、光導波路と光検出器とが短絡されておらず、光導波路のコア部を光検出器にそのまま用いることにより、製造工程が簡単であるだけではなく、光結合効率を向上させ得る。
【００１４】
本願第２発明は、第１発明において、前記基板がシリコンである場合、前記第１単結晶成長層及び前記第２単結晶成長層がシリコンゲルマニウム層であることを特徴とする光デバイスを提供する。
【００１５】
低価のシリコン系列の単一物質及び既存の大口径シリコン量産工程を用いることができるので、結果的に光送受信素子の革新的な低価格化が可能となる。
【００１６】
本願第３発明は、第２発明において、前記シリコンゲルマニウム層はシリコン−ゲルマニウム混合物（ＳｉＸＧＥ１−Ｘ）より成り、前記基板から遠くなる程ｘ値が１から０に漸進的に減少して、前記光導波路の露出された前記コア層と隣接する部分ではゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウム（ｘ＝０）から構成されることを特徴とする光デバイスを提供する。
【００１７】
シリコンゲルマニウム層からなる第１単結晶成長層及び前記第２単結晶成長層において、ＳｉxＧｅ(1-x)のＸの値を１から０に漸進的に減少させながら、つまりゲルマニウムの量を徐々に増加させることで、ゲルマニウム又はゲルマニウム成分が多く含有されたシリコン−ゲルマニウム混合物の成長を容易にすることができる。また、コア層と隣接する部分において、前記シリコンゲルマニウム層のゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウム（ｘ＝０）から構成されることで、光通信帯域で使用される１．３μｍ〜１．５μｍ波長帯域の光を、コア層の所定部分に形成されたアンドーピング層において吸収することができる。
【００１８】
本願第４発明は、第３発明において、前記アンドーピング層はゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウムから構成されることを特徴とする光デバイスを提供する。
【００１９】
ゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウム（ｘ＝０）から構成されることで、光通信帯域で使用される１．３μｍ〜１．５μｍ波長帯域の光を、アンドーピング層において吸収することができる。
【００２０】
本願第５発明は、第１発明において、前記基板がＩｎＰより成った場合に、前記単結晶成長層がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓより成ったことを特徴とする光デバイスを提供する。
【００２１】
本願第６発明は、第１発明において、前記コア層と前記クラッド層との屈折率差が大きくて狭いコア断面積を有することができることを特徴とする光デバイスを提供する。
【００２２】
屈折率差を大きくすることで、コア層内への光の閉じこめを強くすることができ、曲がった領域での損失も小さくてベンディング半径（ｂｅｎｄｉｎｇ  ｒａｄｉｕｓ）を小さくすることができる。よって、小さなベンディング半径で光路を曲げることができるので、結果的に素子のサイズを小さくできる。
【００２３】
本願第７発明は、第６発明において、前記コア層は窒化シリコンより成り、前記クラッド層は二酸化シリコンより成ることを特徴とする記載の光デバイスを提供する。
【００２４】
窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）は屈折率が約２であり、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）は屈折率が約１．５であることから、コア層とクラッド層との屈折率差が３０％以上になるため、コア層のサイズをミクロン以下に具現することが可能である。
【００２５】
本願第８発明は、第６発明において、前記コア層はシリコンより成り、前記クラッド層は二酸化シリコンより成ることを特徴とする光デバイスを提供する。
【００２６】
本願第９発明は、第１発明において、前記第１単結晶成長層の露出された前記コア層と隣接して光検出器を形成する部分の下に絶縁層をさらに含むことを特徴とする光デバイスを提供する。
【００２７】
絶縁層は、光導波路のコア層を通じて伝達された光信号がアンドーピング層で吸収されて電子−正孔対に変換された後で、電子−正孔対を光検出器の領域に限定されるようにすることにより、さらに効率的に光検出器を動作させうる。
【００２８】
本願第１０発明は、所定の波長帯域を有する光信号を検出するための光デバイスにおいて、シリコン基板と、前記光信号を伝達するためにクラッド層及びコア層を備える光導波路と、前記光信号を検出するために光吸収領域を含む光検出器と、前記基板の一側面に形成されたｎ−型電極と、前記光検出器に電気的に連結されたｐ−型電極とを含み、前記光検出器の前記光吸収領域と前記光導波路の前記コア層とが隣接することを特徴とする光デバイスを提供する。
【００２９】
本願第１１発明は、第１０発明において、前記光吸収領域が単結晶成長層であってシリコンゲルマニウム層であることを特徴とする光デバイスを提供する。
【００３０】
本願第１２発明は、第１１発明において、前記シリコンゲルマニウム層はシリコン−ゲルマニウム混合物（ＳｉＸＧＥ１−Ｘ）より成り、前記コア層から遠くなる程ｘ値が０から１に漸進的に増加して、前記コア層と隣接する部分ではゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウム（ｘ＝０）から構成されることを特徴とする光デバイスを提供する。
【００３１】
本願第１３発明は、第１０発明において、前記コア層と前記クラッド層との屈折率差が大きくて狭いコア断面積を有することができることを特徴とする記載の光デバイスを提供する。
【００３２】
本願第１４発明は、第１３発明において、前記コア層は窒化シリコンより成り、前記クラッド層は二酸化シリコンより成ることを特徴とする光デバイスを提供する。
【００３３】
本願第１５発明は、第１３発明において、前記コア層はシリコンより成り、前記クラッド層は二酸化シリコンより成ることを特徴とする光デバイスを提供する。
【００３４】
本願第１６発明は、第１５発明において、前記光検出器と前記基板との間に光吸収層が形成され、前記光検出器が形成する部分の周りの下に絶縁層をさらに含むことを特徴とする光デバイスを提供する。
【００３５】
本願第１７発明は、第１５発明において、前記単結晶成長層が前記コア層と前記基板との間ではシリコンゲルマニウム層より成り、前記コア層と前記ｐ−型電極との間ではゲルマニウム層及びシリコンゲルマニウム層から構成されることを特徴とする光デバイスを提供する。
【００３６】
前記技術的課題を達成するために、の本願第１８発明は、光信号を検出するための光デバイスを形成する方法において、基板上に第１単結晶成長層を成長させる段階と、第１単結晶成長層に第１クラッド層を形成する段階と、第１クラッド層を傾斜面を有するようにパターニングする段階と、パターニングされた第１クラッド層及び前記露出された第１単結晶成長層上にコア層を形成する段階と、コア層上に第２クラッド層を形成する段階と、第２クラッド層を所定形状にパターニングして前記コア層の所定領域を露出させる段階と、露出されたコア層上に第２単結晶成長層を形成する段階とを含むことを特徴とする光デバイスを製造する方法を提供する。
【００３７】
本願第１９発明は、第１８発明において、前記基板の一側面にｎ−型電極を形成する段階と、
前記第２単結晶成長層にｐ−型電極を形成する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の光デバイスを製造する方法を提供する。
【００３８】
本願第２０発明は、第１８発明において、前記第２単結晶成長層の周りの下に位置する前記第１単結晶成長層内にイオン注入を実施して絶縁層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の光デバイスを製造する方法を提供する。
【００３９】
本願第２１発明は、第１８発明において、前記第１単結晶成長層はシリコン−ゲルマニウム混合物（ＳｉＸＧＥ１−Ｘ）より成り、前記基板から遠くなる程ｘ値が１から０に漸進的に減少することを特徴とする請求項１８に記載の光デバイスを製造する方法を提供する。
【００４０】
本願第２２発明は、第２１発明において、  前記第１単結晶成長層が前記シリコン−ゲルマニウム混合物より成る層の上部にゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウム（ｘ＝０）から構成される層をさらに形成することを特徴とする請求項２１に記載の光デバイスを製造する方法を提供する。
【００４１】
本願第２３発明は、第２２発明において、前記第２単結晶層は
前記コア層と隣接する部分ではゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウム（ｘ＝０）から構成する段階と、
前記コア層から遠くなる程ｘ値が０から１に漸進的に増加するシリコン−ゲルマニウム混合物（ＳｉＸＧＥ１−Ｘ）から構成する段階とを含むことを特徴とする請求項２１又は請求項２２に記載の光デバイスを製造する方法を提供する。
【００４２】
前記技術的課題を達成するために、本願発明は、所定の波長帯域を有する光信号を検出するための光デバイスにおいて、光信号を伝達するためにクラッド層及びコア層を備える光導波路と、光信号を検出するために光吸収領域を含む光検出器とを含み、光検出器の前記光吸収領域と前記光導波路の前記コア層が隣接することを特徴とする光デバイスを提供する。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の望ましい実施例によると、光導波路と光検出器とを一体型に備えることにより、低コスト化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、添付した図面に基づき本発明に係る光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイス及びその製造方法の望ましい実施例を詳細に説明する。以下の図面で同一な参照符号は同一な構成要素を示す。
【００４５】
図２は本発明の望ましい実施例により製造された光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスを説明するための断面図であり、図３は図２に示された光デバイスを線分Ａ−Ａ’に沿って切断した断面図である。
【００４６】
図２及び図３に示したように、本発明の望ましい実施例による光デバイス１００は、光導波路１４０、第１シリコンゲルマニウム層１０４、第１アンドーピング層１０６及び光検出器１５０を含む。光導波路１４０は、第１及び第２クラッド層１０８、１１２とコア層１１０とを備える。光検出器１５０は、第２アンドーピング層１２０と第２シリコンゲルマニウム層１２２とを備える。
【００４７】
第１シリコンゲルマニウム層１０４は、シリコン基板１０２の第１面の所定領域上に形成され、第１アンドーピング層１０６は第１シリコンゲルマニウム層１０４上に形成される。そして、第１及び第２クラッド層１０８、１１２により取り囲まれたコア層１１０を有する光導波路１４０が第１アンドーピング層１０６上に形成される。又、光検出器１５０は、光導波路１４０の露出されたコア層１１０の所定領域上に第２アンドーピング層１２０及び第２シリコンゲルマニウム層１２２を順次形成することにより完成される。
【００４８】
又、光デバイス１００は、電気的に連結されるようにシリコン基板１０２の第２面の所定領域に形成されたｎ−型電極１１６及び第２シリコンゲルマニウム層１２２の所定領域に形成されて電気的に連結されたｐ−型電極１１８をさらに含む。
【００４９】
本発明の望ましい第１実施例によると、光デバイス１００は、外部から受信された光信号を、光導波路１４０のコア層１１０を通じて伝達して光検出器１５０の第２アンドーピング層１２０で吸収させることにより電子−正孔対に変換した後、電極１１６、１１８を通じて電気信号に出力する。
【００５０】
本発明の望ましい実施例によると、光導波路１４０は相対的に屈折率が大きい中心部のコア層１１０とその周囲を取り囲む相対的に屈折率が小さい第１及び第２クラッド層１０８、１１２から構成される。従って、光は光の全反射現象によりコア層１１０に伝播される。この際、使用される波長の光のうち特定条件を満足する光のみが伝播が可能であるが、こうした条件を満足する特定光をモードという。通常、外部からの信号伝達用としては単一モード光ファイバを主に使用するため、光導波路１４０も又単一モード伝送が可能なように設計することが望ましい。
【００５１】
一方、コア層１１０と第１及び第２クラッド層１０８、１１２との屈折率差が大きくなるように光導波路１４０を形成するのが望ましい。なぜならば、コア層１１０と第１及び第２クラッド層１０８、１１２との屈折率差が大きい程モードのサイズが狭くなるため、小さい断面積を有するコア層１１０の設計が可能であるからである。又、屈折率差を大きくすることで、コア層１１０内への光の閉じこめを強くすることができ、曲がった領域での損失も小さくてベンディング半径（ｂｅｎｄｉｎｇ  ｒａｄｉｕｓ）を小さくすることができる。よって、小さなベンディング半径で光路を曲げることができるので、結果的に素子のサイズを小さくできる。例えば、コア層１１０を屈折率が約３〜４のシリコン（Ｓｉ）で形成し、第１及び第２クラッド層１０８、１１２は屈折率が約１．５である二酸化シリコン（ＳｉＯ2）で形成する。
【００５２】
本発明の望ましい実施例で、コア層１１０は、屈折率が約２の窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）を使用し、第１及び第２クラッド層１０８、１１２は屈折率が約１．５である二酸化シリコン（ＳｉＯ2）を使用した。この場合、屈折率差が３０％以上になるため、コア層１１０のサイズをミクロン以下に具現することが可能である。
【００５３】
一方、光検出器１５０の場合、光導波路１４０から伝送された光は、真ん中の第１アンドーピング層１０６及び第２アンドーピング層１２０に吸収される。この際、光吸収が可能なためには、第１アンドーピング層１０６及び第２アンドーピング１２０のバンドギャップが、使用された波長のバンドギャップより狭くなければならない。従って、使用可能な物質に制限が加えられる。より詳しく説明すれば、たとえば光通信帯域で使用される１．３μｍ〜１．５μｍ波長帯域の光を吸収するためには、シリコン−ゲルマニウム混合物（ＳｉｘＧｅ１−ｘ）でゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウム（ｘ＝０、Ｇｅ）から構成されなければならない。しかし、純粋ゲルマニウムの場合、シリコンとの格子不整合が４％以上と大きいので、シリコン層上にすぐにゲルマニウムを結晶成長する場合、欠陥密度が非常に高くなって良質の結晶成長が不可能である。従って、シリコン基板上にシリコン−ゲルマニウムバッファ層を備えることが望ましい。
【００５４】
一般に、光導波路１４０と光検出器１５０とを一体型に作ることにおいて最も重要なことは簡単な構造で高い光結合効率（以下、高光結合効率）を得ることである。即ち、光導波路１４０を通じて伝播された光量を、損失を最小化して光検出器１５０が吸収するようにしなければならない。
【００５５】
本発明の望ましい実施例によると、光導波路１４０のコア層１１０が光検出器１５０の部分にそのまま使用されるため、光導波路１４０及び光検出器１５０の結合部分での反射損失を無くすことができるだけではなく、光導波路１４０の光の方向を光検出器１５０へ曲げたりするための付加的な工程や装置が不要になって簡単に高光結合効率を得ることができる。
【００５６】
なお、特許請求の範囲の基板はシリコン基板１０２に相当し、特許請求の範囲の第１単結晶成長層は第１シリコンゲルマニウム層１０４に相当し、特許請求の範囲の第２単結晶成長層は第２シリコンゲルマニウム層１２２に相当する。
【００５７】
図４Ａ乃至図４Ｈは、本発明の望ましい実施例により導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスを製造する方法を説明するための断面図である。
【００５８】
先ず、図４Ａに示したように、シリコン基板１０２上に不純物がドーピングされた第１シリコンゲルマニウム層１０４を結晶成長する。本発明の望ましい実施例によると、シリコン基板１０２はｎ−型にドーピングされたシリコンウェーハを使用した。従って、以下では第１シリコンゲルマニウム層１０４はｎ−型にドーピングして使用する場合を主として説明する。ただし、ｐ−型にドーピングされたシリコン基板を使用する場合には、ｐとｎとの順序のみ変えられば良く、基本原理は同一である。
【００５９】
この際、以後の第１アンドーピング層１０６として使用されるゲルマニウム又はゲルマニウム成分が多く含有されたシリコン−ゲルマニウム混合物の成長を容易にするために、不純物がドーピングされた第１シリコンゲルマニウム層１０４は、シリコン基板１０２から遠くなるほどゲルマニウムの量を徐々に増加させながら、即ちＳｉxＧｅ(1-x)のＸの値を１から０に漸進的に減少させながら成長させることが望ましい。このようにすることで、ゲルマニウム又はゲルマニウム成分が多く含有されたシリコン−ゲルマニウム混合物の成長を容易にすることができる。このとき、光導波路１４０の露出されたコア層１１０と隣接する部分の第１シリコンゲルマニウム層１０４は、ゲルマニウムの比重が相当に高いか、或いは純粋ゲルマニウム（ｘ＝０）から構成される。このように構成することで光通信帯域で使用される１．３μｍ〜１．５μｍ波長帯域の光を、第１アンドーピング層１０６において吸収可能である。
【００６０】
次いで、不純物がドーピングされていないゲルマニウム又はゲルマニウム成分が多く含有されたシリコン−ゲルマニウム混合物より成る第１アンドーピング層１０６を第１シリコンゲルマニウム層１０４上に連続して成長する。
【００６１】
その後、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法を用いて、第１アンドーピング層１０６上に第１クラッド層１０８を所定厚さに形成する。本このように発明の望ましい実施例で、シリコン基板上に第１シリコンゲルマニウム層１０４及び第１アンドーピング層１０６を結晶成長させて光検出器１５０を形成することに用いているが、ＩｎＰ又はＧａＡｓより成る基板上に単一結晶成長が可能な物質を用いて光検出器を形成することもできる。ＩｎＰで基板を形成した場合には、ＩｎxＧａ(1-x)Ａｓより成る単結晶成長層を用いることができる。
【００６２】
次に、図４Ｂ及び図４Ｃに示したように、グレースケールマスクを用いたフォトリソグラフィ工程等を用いて傾斜を有する不均一な高さの第１フォトレジスト層１２４を第１クラッド層１０８上に形成した後、乾式エッチングを行うことにより、傾斜面を有する第１クラッド層１０８を得る。
【００６３】
次いで、図４Ｄに示したように、傾斜面を有する第１クラッド層１０８及び前記第１クラッド層１０８により覆われていない第１アンドーピング層１０６の部分上にコア層１１０として用いる物質を蒸着する。その後、フォトリソグラフィ及びエッチング工程を通じて特定断面積を有するコア層１１０のみを残し、残りの部分は全て除去する。本発明の望ましい実施例によると、コア層１１０をＳｉ3Ｎ4で蒸着し、この際形成されるコア層の断面積は幅と高さとがそれぞれ０．３μｍ程度である。
【００６４】
続いて、図４Ｅに示したように、フォトリソグラフィ方法を用いて光検出器が形成される領域にのみ第２フォトレジスト層１２８を形成した後、スパッタリング等の方法を用いて第２クラッド層１１２を形成する。そして、光検出器領域の第２フォトレジスト層１２８を除去した後、光導波路１４０のコア層１１０を除外した第１アンドーピング層１０６の表面を化学反応等を用いて表面処理することにより以後の結晶成長を容易にする。
【００６５】
次段階で、図４Ｆに示したように、光検出器領域に第２アンドーピング層１２０を結晶成長させた後、連続して第２シリコン−ゲルマニウム層１２２を形成する。本発明の望ましい実施例で、第２アンドーピング層１２０は第１アンドーピング層１０６と同一な物質で形成し、第２シリコン−ゲルマニウム層１２２はｐ−型不純物がドーピングされたシリコン−ゲルマニウムで形成した。
【００６６】
続く段階で、図４Ｇに示したように、光検出器１５０の電気的な絶縁を確保するために、光検出器の周辺部分を除外した全領域に第３フォトレジスト層１３０を保護層として形成した後、イオン注入を用いて電気的絶縁層１１４を形成する。前記電気的絶縁層１１４は、光導波路１４０のコア層１１０を通じて伝達された光信号が第２アンドーピング層１２０で吸収されて電子−正孔対に変換された後で、電子−正孔対を光検出器１５０の領域に限定されるようにすることにより、さらに効率的に光検出器１５０を動作させうる。
【００６７】
最後段階で、図４Ｈに示したように、第３フォトレジスト層１３０を除去した後、第２シリコン−ゲルマニウム層１２２の所定領域に形成されて電気的に連結されたｐ−型電極１１８及びシリコン基板１０２の第２面の所定領域に形成されて電気的に連結されたｎ−型電極１１６を形成する。
【００６８】
外部から受信された光信号は光導波路１４０のコア層１１０を通じて伝達され、光検出器１４０の第１アンドーピング層１０６及び第２アンドーピング層１２０で吸収されて電子−正孔対に変換された後、電極１１６、１１８を通じて電気信号として出力される。
【００６９】
上記の通り、光導波路と光検出器とを一体型に備えることにより、整列工程及びフリップ−チップボンディング等の付加工程が不要になって光デバイスのコストを低減することができる。
【００７０】
又、本発明の望ましい実施例によると、光導波路と光検出器とが短絡されておらず、光導波路のコア部を光検出器にそのまま用いることにより、製造工程が簡単であるだけではなく、光結合効率を向上させ得る。
【００７１】
又、本発明の望ましい実施例によると、低価のシリコン系列の単一物質及び既存の大口径シリコン量産工程を用いることができるので、結果的に光送受信素子の革新的な低価格化が可能となる。
【００７２】
又、本発明の製造方法は追加的な光デバイス結合に容易に拡張適用可能なので、これを活用すれば光デバイスの単一結合を用いた複合素子製造を低価に具現することができる。
【００７３】
図５は本発明の望ましい第２実施例により形成された導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスを説明するための断面図であり、図６は図５に示された光デバイスを線分Ｂ−Ｂ’に沿って切断した断面図である。
【００７４】
本発明の望ましい第２実施例は第１実施例とは違って、第１実施例での光検出器１４０の第１アンドーピング層１０６がなく、第２アンドーピング層１２０のみから構成されたという点で異なる。
【００７５】
より詳しく記述すれば、光検出器２５０で光導波路２４０のコア層２１０の下部には光を吸収するためのアンドーピング層がなく、光導波路２３０のコア層２１０を取り囲んだ上部にのみアンドーピング層２２０が結晶成長される。
【００７６】
本発明の望ましい第２実施例による光デバイス２００の製造方法では、第１アンドーピング層１０６を結晶成長する工程がない。光導波路２４０では、第１シリコンゲルマニウム層２０４上に第１クラッド層２０８が形成され、光検出器２５０では第１シリコンゲルマニウム層２０４上に直ちにコア層２１０が形成されたという点を除外すれば、残りは図４Ａ乃至図４Ｈに示した本発明の望ましい第１実施例と殆ど同一である。
【００７７】
本発明の望ましい第１実施例では、第１及び第２アンドーピング層１０６、１１２が光導波路１４０のコア層１１０の上下に備えられる。よって、光導波路１４０のコア層１１０に伝達される殆ど全ての光量を吸収することができる長所がある。しかし、第１アンドーピング層１０６を結晶成長、絶縁物蒸着、フォトリソグラフィ及びエッチング工程の終了後、第２アンドーピング層１１２を結晶成長する工程中において、第１及び第２アンドーピング層１０６、１１２への不純物介入等による欠陥が発生する可能性がある。
【００７８】
従って、本発明の望ましい第２実施例はこうした短所を補完するために、アンドーピング層２２０を光導波路２４０の製作工程が終わった後に、光検出器２５０にのみ結晶成長することにより、アンドーピング層２２０に不要な欠陥が発生されることを遮断することにその特徴がある。その結果、本発明の望ましい第１実施例と比較して本発明の望ましい第２実施例はアンドーピング層２２０が欠陥なしに連続的に成長することにより光信号を検出するのに十分な光量を吸収することが可能なので、光検出器２５０の光電変換性能が向上される効果がある。
【００７９】
図７Ａ及び図７Ｂは本発明の望ましい第１実施例による導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスで導波路から光検出器に吸収される光量の程度を示すシミュレーション結果を説明するためのグラフである。
図７Ａに示したグラフで、ｘ軸はアンドーピング層の厚さを示し、ｙ軸はモニタ出力を示す。又、□は第２アンドーピング層１２０に吸収される光量を表示し、◇は第１アンドーピング層１０６に吸収される光量を示し、○は反射される量を示す。グラフで分かるように、第１及び第２アンドーピング層の厚さが０．２μｍ以上でありさえすれば、４０％以上の光吸収がそれぞれ可能になって全体的に８０％以上の光吸収が可能であるということが分かる。
【００８０】
図７Ｂに示したグラフで、ｘ軸はアンドーピング層の長さを示し、ｙ軸はモニタ出力を示す。又、□は第２アンドーピング層１２０に吸収される光量を表示し、◇は第１アンドーピング層１０６に吸収される光量を示し、○は反射される量を示す。グラフで分かるように、第１及び第２アンドーピング層の長さが２μｍ以上でありさえすれば、それぞれ４０％以上の光吸収が可能になって全体的に８０％以上の光吸収が可能であるということが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の光デバイス及びその製造方法は、光通信網の構築に必要な光送受信機の製作において効果的な適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】従来のハイブリッド集積化方法で具現された光導波路と光検出器との結合素子を説明するための断面図である。
【図２】本発明の望ましい実施例により製造された光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスを説明するための断面図である。
【図３】図２に示された光デバイスを線分Ａ−Ａ`に沿って切断した断面図である。
【図４Ａ】本発明の望ましい実施例により光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスを製造する方法を説明するための断面図（１）。
【図４Ｂ】本発明の望ましい実施例により光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスを製造する方法を説明するための断面図（１）。
【図４Ｃ】本発明の望ましい実施例により光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスを製造する方法を説明するための断面図（２）。
【図４Ｄ】本発明の望ましい実施例により光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスを製造する方法を説明するための断面図（３）。
【図４Ｅ】本発明の望ましい実施例により光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスを製造する方法を説明するための断面図（４）。
【図４Ｆ】本発明の望ましい実施例により光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスを製造する方法を説明するための断面図（５）。
【図４Ｇ】本発明の望ましい実施例により光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスを製造する方法を説明するための断面図（６）。
【図４Ｈ】本発明の望ましい実施例により光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスを製造する方法を説明するための断面図（７）。
【図５】本発明の望ましい他の実施例により形成された光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスを説明するための断面図である。
【図６】図５に示された光デバイスを線分Ｂ−Ｂ’に沿って切断した断面図である。
【図７Ａ】光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスで、導波路から光検出器に吸収される光量の程度を示すシミュレーション結果を説明するためのグラフ（１）。
【図７Ｂ】光導波路と光検出器とが一体型に結合された光デバイスで、導波路から光検出器に吸収される光量の程度を示すシミュレーション結果を説明するためのグラフ（２）。
【符号の説明】
【００８３】
１００  光デバイス
１０２  シリコン基板
１０４、１２２  第１及び第２シリコンゲルマニウム層
１０６、１２０  第１及び第２アンドーピング層
１０８、１１２  第１及び第２クラッド層
１１０  コア層
１１４  絶縁層
１１６、１１８  電極
１２２  第２シリコンゲルマニウム層
１４０  光導波路
１５０  光検出器
【図１】
2005182030.tif 000003
【図２】
2005182030.tif 000004
【図３】
2005182030.tif 000005
【図４Ａ】
2005182030.tif 000006
【図４Ｂ】
2005182030.tif 000007
【図４Ｃ】
2005182030.tif 000008
【図４Ｄ】
2005182030.tif 000009
【図４Ｅ】
2005182030.tif 000010
【図４Ｆ】
2005182030.tif 000011
【図４Ｇ】
2005182030.tif 000012
【図４Ｈ】
2005182030.tif 000013
【図５】
2005182030.tif 000014
【図６】
2005182030.tif 000015
【図７Ａ】
2005182030.tif 000016
【図７Ｂ】
2005182030.tif 000017