(57)【要約】  金属によるゲルマニウムのドーピングまたは接触なしに構成されるＧｅオンＳｉ光検出器について説明する。製造工程簡素化にもかかわらず、デバイスは、量子効率９９．２％に対応する、１．２４Ａ／Ｗの応答度を有する。暗電流は、−４Ｖ逆バイアス時に４０ｎＡであり、３−ｄＢ帯域幅は、３０ＧＨｚである。
2017508295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のドープされた半導体コンタクト(contact)と、
第２のドープされた半導体コンタクトと、
前記第１のドープされた半導体コンタクトに電気的に接触し、前記第２のドープされた半導体コンタクトに電気的に接触している真性ゲルマニウム体(body)であって、前記第１のドープされた半導体コンタクトおよび前記第２のドープされた半導体コンタクトが、前記真性ゲルマニウム体の同じ側に配設され(disposed om)、前記真性ゲルマニウム体が、金属コンタクトとの直接的な機械的接触がない、真性ゲルマニウム体と
を備えるゲルマニウム光検出器であって、
それぞれの金属端子と電気的連通(electrical communication)する前記第１のドープされた半導体コンタクトおよび前記第２のドープされた半導体コンタクトが、電磁放射(electromagnetic radiation)の吸収によって前記ゲルマニウム光検出器の中に生成された電気信号を前記ゲルマニウム光検出器の外部の回路に供給するように構成されている、
ゲルマニウム光検出器。
【請求項２】
前記第１のドープされた半導体コンタクトおよび前記第２のドープされた半導体コンタクトのうちの少なくとも一方が、ドープされたシリコンコンタクトである、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項３】
前記第１のドープされた半導体コンタクトおよび前記第２のドープされた半導体コンタクトのうちの少なくとも一方には、ｐ型ドーパントがドープされている、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項４】
前記第１のドープされた半導体コンタクトおよび前記第２のドープされた半導体コンタクトのうちの少なくとも一方には、ｎ型ドーパントがドープされている、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項５】
第３のドープされた半導体コンタクトをさらに備える、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項６】
前記真性ゲルマニウム体が、三角形の横断面(cross section)を有する、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項７】
前記真性ゲルマニウム体が、（１１１）結晶面(crystallographic face)において終端処理(terminated)される、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項８】
前記真性ゲルマニウム体が、平坦化される(planaraized)、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項９】
結晶ファセットが、シリコンウェハの表面に対して、実質的に１５度から７５度の間の角度において配向される(oriented)、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項１０】
測定された量子効率(quantum efficiency)が、実質的に６５％よりも高い、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項１１】
測定された量子効率が、実質的に７５％よりも高い、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項１２】
測定された量子効率が、実質的に８５％よりも高い、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項１３】
測定された量子効率が、実質的に９５％よりも高い、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項１４】
ｐｉｎ接合部を含む、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項１５】
前記電磁放射が、自由空間において、実質的に１２８０〜１６００ｎｍの波長範囲にある、請求項１に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項１６】
ゲルマニウム光検出器により電磁放射を検出する方法であって、
ゲルマニウム光検出器を用意するステップであって、前記ゲルマニウム光検出器が、
第１のドープされた半導体コンタクト、
第２のドープされた半導体コンタクト、ならびに
前記第１のドープされた半導体コンタクトに電気的に接触し、前記第２のドープされた半導体コンタクトに電気的に接触している真性ゲルマニウム体であって、前記第１のドープされた半導体コンタクトおよび前記第２のドープされた半導体コンタクトが、前記真性ゲルマニウム体の同じ側に配設され、前記真性ゲルマニウム体が、金属コンタクトとの直接的な機械的接触がない、真性ゲルマニウム体を備え、
それぞれの金属端子と電気的連通する前記第１のドープされた半導体コンタクトおよび前記第２のドープされた半導体コンタクトが、電磁放射の吸収によって前記ゲルマニウム光検出器の中に生成された電気信号を前記ゲルマニウム光検出器の外部の回路に供給するように構成されている、
ゲルマニウム光検出器を用意するステップと、
前記ゲルマニウム光検出器によって電磁放射を受け取るステップと、
前記電磁放射の強度を表す、または前記電磁放射内の符号化されたデータを表す電気信号を生成するステップと、
前記電気信号をユーザに表示すること、および前記電気信号を不揮発性の形態にある機械可読メモリの中に記録することのうちの少なくとも一方を行うステップと
を含む、電磁放射を検出する方法。
【請求項１７】
前記ゲルマニウム光検出器が、単一光学モード動作をサポートする、請求項１６に記載の電磁放射を検出する方法。
【請求項１８】
前記電磁放射が、自由空間において、実質的に１２８０〜１６００ｎｍの波長範囲にある、請求項１６に記載のゲルマニウム光検出器。
【請求項１９】
前記ゲルマニウム光検出器が、導通モード(conduction mode)動作をサポートする、請求項１６に記載の電磁放射を検出する方法。
【請求項２０】
前記ゲルマニウム光検出器が、アバランシェフォトダイオードモードにおける動作をサポートする、請求項１６に記載の電磁放射を検出する方法。
【請求項２１】
ゲルマニウム光検出器を製造する方法であって、
リソグラフィによって、表面を有するシリコンのウェハをパターニングし、前記表面に導波路を作製するためにエッチングするステップと、
注入(implantation)によって、前記シリコンをドープし、前記シリコンのウェハの前記表面における層の中にｐ型コンタクトおよびｎ型コンタクトを形成するためにアニーリングするステップと、
前記ｎ型コンタクトおよび前記ｐ型コンタクトに接触している意図的に添加されたドーパントを全く有しない真性ゲルマニウム体を生成するためにゲルマニウムエピタキシを行うステップであって、前記ゲルマニウム体が、前記シリコンのウェハの前記表面に対して、ある角度において配向された結晶(crystallographic)ファセット(facets)によって境界付けられた(bounded)形をしている、ゲルマニウムエピタキシを行うステップと、
メタライゼーションを施して、コンタクト端子を形成するステップと
を含む、ゲルマニウム光検出器を製造する方法。
【請求項２２】
前記光検出器が、自由空間において、実質的に１２８０〜１６００ｎｍの波長範囲にある電磁放射に感応する、請求項２１に記載のゲルマニウム光検出器を製造する方法。
【請求項２３】
前記光検出器が、ｐｉｎ接合部を含む、請求項２１に記載のゲルマニウム光検出器を製造する方法。
【請求項２４】
結晶ファセットが、前記シリコンのウェハの前記表面に対して、実質的に１５度から７５度の間の角度において配向される、請求項２１に記載のゲルマニウム光検出器を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、全体的に参照することによって本明細書に組み込まれている２０１４年３月１０日出願の同時係属中の米国特許仮出願第６１／９５０，８１６号に対する優先権およびその便益を主張するものである。
【０００２】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
[0002]本発明は、ＡＦＯＳＲによって与えられた付与ＦＡ９５５０−１３−１−００２７およびＦＡ９５５０−１０−１−０４３９の下、政府支援によりなされたものである。政府は、本発明における一定の権利を有する。
【０００３】
[0003]本発明は、一般に、光検出器に関し、詳細には、ゲルマニウム光検出器に関する。
【背景技術】
【０００４】
[0004]Ｉｎｔｅｒｎｅｔにおけるトラフィックは、モバイルデバイス、ストリーミングメディアサービス、クラウドコンピューティング、およびビッグデータ解析からの需要が増大してきていることを主な理由として、成長し続けている。シリコンフォトニックスは、高速、低エネルギー消費、および低コストの次世代データ通信システムを提供することが有望である。この１０年間に、シリコンフォトニックスデバイスは、劇的な改善および成熟を見せてきた。４０Ｇｂ／ｓ以上のデータレートをサポートする、サブＭＨｚ線幅を含む高品質ハイブリッド集積レーザ、変調器、および光検出器はすべて、実証されている。Ｔ．Ｃｒｅａｚｚｏ、Ｅ．Ｍａｒｃｈｅｎａ、Ｓ．Ｂ．Ｋｒａｓｕｌｉｃｋ、Ｐ．Ｋ．−Ｌ．Ｙｕ、Ｄ．Ｖａｎ  Ｏｒｄｅｎ、Ｊ．Ｙ．Ｓｐａｎｎ、Ｃ．Ｃ．Ｂｌｉｖｉｎ、Ｌ．Ｈｅ、Ｈ．Ｃａｉ、Ｊ．Ｍ．Ｄａｌｌｅｓａｓｓｅ、Ｒ．Ｊ．Ｓｔｏｎｅ、およびＡ．Ｍｉｚｒａｈｉ、「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｔｕｎａｂｌｅ  ＣＭＯＳ  ｌａｓｅｒ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ２１（２３）、２８０４８−２８０５３（２０１３）、Ｓ．Ｙａｎｇ、Ｙ．Ｚｈａｎｇ、Ｄ．Ｗ．Ｇｒｕｎｄ、Ｇ．Ａ．Ｅｊｚａｋ、Ｙ．Ｌｉｕ、Ａ．Ｎｏｖａｃｋ、Ｄ．Ｐｒａｔｈｅｒ、Ａ．Ｅ．−Ｊ．Ｌｉｍ、Ｇ．−Ｑ．Ｌｏ、Ｔ．Ｂａｅｈｒ−Ｊｏｎｅｓ、およびＭ．Ｈｏｃｈｂｅｒｇ、「Ａ  ｓｉｎｇｌｅ  ａｄｉａｂａｔｉｃ  ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ−ｂａｓｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｉｎ  ２２０  ｎｍ  ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ２２（１）、１１７２−１１８０（２０１４）、Ｄ．Ｊ．Ｔｈｏｍｓｏｎ、Ｆ．Ｙ．Ｇａｒｄｅｓ、Ｊ．−Ｍ．Ｆｅｄｅｌｉ、Ｓ．Ｚｌａｔａｎｏｖｉｃ、Ｙ．Ｈｕ、Ｂ．Ｐ．−Ｐ．Ｋｕｏ、Ｅ．Ｍｙｓｌｉｖｅｔｓ、Ｎ．Ａｌｉｃ、Ｓ．Ｒａｄｉｃ、Ｇ．Ｚ．Ｍａｓｈａｎｏｖｉｃｈ、およびＧ．Ｔ．Ｒｅｅｄ、「５０−Ｇｂ／ｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ」、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．２４（４）、２３４−２３６（２０１２）、Ｔ．Ｂａｂａ、Ｓ．Ａｋｉｙａｍａ、Ｍ．Ｉｍａｉ、Ｎ．Ｈｉｒａｙａｍａ、Ｈ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ、Ｙ．Ｎｏｇｕｃｈｉ、Ｔ．Ｈｏｒｉｋａｗａ、およびＴ．Ｕｓｕｋｉ、「５０−Ｇｂ／ｓ  ｒｉｎｇ−ｒｅｓｏｎａｔｏｒ−ｂａｓｅｄ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ２１（１０）、１１８６９−１１８７６（２０１３）、Ｃ．Ｔ．ＤｅＲｏｓｅ、Ｄ．Ｃ．Ｔｒｏｔｔｅｒ、Ｗ．Ａ．Ｚｏｒｔｍａｎ、Ａ．Ｌ．Ｓｔａｒｂｕｃｋ、Ｍ．Ｆｉｓｈｅｒ、Ｍ．Ｒ．Ｗａｔｔｓ、およびＰ．Ｓ．Ｄａｖｉｄｓ、「Ｕｌｔｒａ  ｃｏｍｐａｃｔ  ４５  ＧＨｚ  ＣＭＯＳ  ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ  Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ  ｗｉｔｈ  ｌｏｗ  ｄａｒｋ  ｃｕｒｒｅｎｔ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ１９（２５）、２４８９７−２４９０４（２０１１）、ならびにＬ．Ｖｉｖｉｅｎ、Ａ．Ｐｏｌｚｅｒ、Ｄ．Ｍａｒｒｉｓ−Ｍｏｒｉｎｉ、Ｊ．Ｏｓｍｏｎｄ、Ｊ．Ｍ．Ｈａｒｔｍａｎｎ、Ｐ．Ｃｒｏｚａｔ、Ｅ．Ｃａｓｓａｎ、Ｃ．Ｋｏｐｐ、Ｈ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ、およびＪ．Ｍ．Ｆｅｄｅｌｉ、「Ｚ���ｒｏ−ｂｉａｓ  ４０Ｇｂｉｔ／ｓ  ｇｅｒｍａｎｉｕｍ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ,」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ２０（２）、１０９６−１１０１（２０１２）を参照されたい。
【０００５】
[0005]電子回路とともにモノリシック集積された送受信機およびスイッチ機構が報告されている。Ｂ．Ａｎａｌｕｉ、Ｄ．Ｇｕｃｋｅｎｂｅｒｇｅｒ、Ｄ．Ｋｕｃｈａｒｓｋｉ、およびＡ．Ｎａｒａｓｉｍｈａ、「Ａ  ｆｕｌｌｙ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ２０−Ｇｂ／ｓ  ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ  ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ  ｉｎ  ａ  ｓｔａｎｄａｒｄ  ０．１３−μｍ  ＣＭＯＳ  ＳＯＩ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ４１（１２）、２９４５−２９５５（２００６）、Ｊ．Ｆ．Ｂｕｃｋｗａｌｔｅｒ、Ｘ．Ｚｈｅｎｇ、Ｇ．Ｌｉ、Ｋ．Ｒａｊ、およびＡ．Ｖ．Ｋｒｉｓｈｎａｍｏｏｒｔｈｙ、「Ａ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ２５−Ｇｂ／ｓ  ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ  ｗｉｔｈ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｒｉｎｇ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｇｅ  ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ｉｎ  ａ  １３０−ｎｍ  ＣＭＯＳ  ＳＯＩ  ｐｒｏｃｅｓｓ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ４７（６）、１３０９−１３２２（２０１２）、ならびにＢ．Ｇ．Ｌｅｅ、Ａ．Ｖ．Ｒｙｌｙａｋｏｖ、Ｗ．Ｍ．Ｊ．Ｇｒｅｅｎ、Ｓ．Ａｓｓｅｆａ、Ｃ．Ｗ．Ｂａｋｓ、Ｒ．Ｒｉｍｏｌｏ−Ｄｏｎａｄｉｏ、Ｄ．Ｍ．Ｋｕｃｈｔａ、Ｍ．Ｈ．Ｋｈａｔｅｒ、Ｔ．Ｂａｒｗｉｃｚ、Ｃ．Ｒｅｉｎｈｏｌｍ、Ｅ．Ｋｉｅｗｒａ、Ｓ．Ｍ．Ｓｈａｎｋ、Ｃ．Ｌ．Ｓｃｈｏｗ、およびＹ．Ａ．Ｖｌａｓｏｖ、「Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｃａｌｅｄ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｓｗｉｔｃｈ  ｆａｂｒｉｃｓ，  ＣＭＯＳ  ｌｏｇｉｃ，  ａｎｄ  ｄｅｖｉｃｅ  ｄｒｉｖｅｒ  ｃｉｒｃｕｉｔｓ」、Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．３２（４）、７４３−７５１（２０１４）を参照されたい。１１２Ｇｂ／ｓにおけるコヒーレントな長距離通信も実証された。Ｐ．Ｄｏｎｇ、Ｘ．Ｌｉｕ、Ｓ．Ｃｈａｎｄｒａｓｅｋｈａｒ、Ｌ．Ｌ．Ｂｕｈｌ、Ｒ．Ａｒｏｃａ、Ｙ．Ｂａｅｙｅｎｓ、およびＹ．−Ｋ．Ｃｈｅｎ、「Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔｓ  ｆｏｒ  ｃｏｍｐａｃｔ  １００＋  Ｇｂ／ｓ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ  ａｎｄ  ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐｉｃｓ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２０（４）、６１００１０８（２０１４）を参照されたい。ファンドリサービスが、学術研究所および新規事業に対して高度な製造ノードのアクセスを開き、そのことは、シリコン上のフォトニック集積化の研究および開発の速度をさらに上げることになる。たとえば、Ｍ．ＨｏｃｈｂｅｒｇおよびＴ．Ｂａｅｈｒ−Ｊｏｎｅｓ、「Ｔｏｗａｒｄｓ  ｆａｂｌｅｓｓ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ」、Ｎａｔ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ４、４９２−４９４（２０１０）、ならびにＡ．Ｅ．−Ｊ．Ｌｉｍ、Ｊ．Ｓｏｎｇ、Ｑ．Ｆａｎｇ、Ｃ．Ｌｉ、Ｘ．Ｔｕ、Ｎ．Ｄｕａｎ、Ｋ．Ｋ．Ｃｈｅｎ、Ｒ．Ｐ．−Ｃ．Ｔｅｒｎ、およびＴ．−Ｙ．Ｌｉｏｗ、「Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ｆｏｕｎｄｒｙ  ｅｆｆｏｒｔｓ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐｉｃｓ  Ｑｕａ���ｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２０（４）、８３００１１２（２０１１）を参照されたい。
【０００６】
[0006]シリコンフォトニックスベースのデータリンクの設計中に生じる１つのボトルネックは、リンクパワーバジェットにおける制約である。通常のリンクパワーバジェットは、約９ｄＢである。たとえば、ＩＥＥＥ８０２．３の４０ＧＢＡＳＥ−ＬＲ４プロトコルは、チャネル挿入損失に６．７ｄＢ、およびペナルティに２．３ｄＢが割り当てられる。ガラスファイバおよびサブミクロンシリコンの導波路のモード不整合が大きいことにより、オンおよびオフのチップ結合損失は、普通、非常に高い。損失は、成熟した工業用工程において１ｄＢを超え得る。Ａ．Ｍｅｋｉｓ、Ｓ．Ｇｌｏｅｃｋｎｅｒ、Ｇ．Ｍａｓｉｎｉ、Ａ．Ｎａｒａｓｉｍｈａ、Ｔ．Ｐｉｎｇｕｅｔ、Ｓ．Ｓａｈｎｉ、およびＰ．ＤｅＤｏｂｂｅｌａｅｒｅ、「Ａ  ｇｒａｔｉｎｇ−ｃｏｕｐｌｅｒ−ｅｎａｂｌｅｄ  ＣＭＯＳ  ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ｐｌａｔｆｏｒｍ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐｉｃｓ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．１７（３）、５９７−６０８（２０１１）を参照されたい。オンチップデバイスは、同様に、損失し易い傾向がある。たとえば、最先端技術のシリコン変調器の挿入損失は、５ｄＢよりも大きい。いくつかの事例においては、デバイス挿入損失は、ｙ接合部、導波路交差などの設計最適化によって、および格子結合器によって有意に低減される可能性があり得る。Ｙ．Ｚｈａｎｇ、Ｓ．Ｙａｎｇ、Ａ．Ｅ．−Ｊ．Ｌｉｍ、Ｇ．−Ｑ．Ｌｏ、Ｃ．Ｇａｌｌａｎｄ、Ｔ．Ｂａｅｈｒ−Ｊｏｎｅｓ、およびＭ．Ｈｏｃｈｂｅｒｇ、「Ａ  ｃｏｍｐａｃｔ  ａｎｄ  ｌｏｗ  ｌｏｓｓ  Ｙ−ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ２１（１）、１３１０−１３１６（２０１３）、Ｙ．Ｍａ、Ｙ．Ｚｈａｎｇ、Ｓ．Ｙａｎｇ、Ａ．Ｎｏｖａｃｋ、Ｒ．Ｄｉｎｇ、Ａ．Ｅ．−Ｊ．Ｌｉｍ、Ｇ．−Ｑ．Ｌｏ、Ｔ．Ｂａｅｈｒ−Ｊｏｎｅｓ、およびＭ．Ｈｏｃｈｂｅｒｇ、「Ｕｌｔｒａｌｏｗ  ｌｏｓｓ  ｓｉｎｇｌｅ  ｌａｙｅｒ  ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｃｒｏｓｓｉｎｇ  ｆｏｒ  ＳＯＩ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ２１（２４）、２９３７４−２９３８２（２０１３）、ならびにＷ．Ｓ．Ｚａｏｕｉ、Ａ．Ｋｕｎｚｅ、Ｗ．Ｖｏｇｅｌ、Ｍ．Ｂｅｒｒｏｔｈ、Ｊ．Ｂｕｔｓｃｈｋｅ、Ｆ．Ｌｅｔｚｋｕｓ、およびＪ．Ｂｕｒｇｈａｒｔｚ、「Ｂｒｉｄｇｉｎｇ  ｔｈｅ  ｇａｐ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ  ａｎｄ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔｓ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ２２（２）、１２７７−１２８６（２０１４）を参照されたい。しかしながら、他の事例においては、挿入損失およびデバイス効率は直交し、たとえば、より高いドーピングは、結果的に、より高い変調効率をもたらすが、同時に、高い挿入損失へとつながる。
【０００７】
[0007]高い応答度を有する光検出器は、チャネル挿入損失を補償し、所要のリンクパワーバジェットを満たすのに役立つことになる。ゲルマニウムは、シリコン上にエピタキシャル成長させることができ、そのＣＭＯＳ互換性のために好ましい吸収体材料である。金属／半導体／金属（ＭＳＭ）およびアバランシェ光検出器（ａｖａｌａｎｃｈｅ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＡＰＤ）は、光導電性利得およびアバランシェ増倍（ａｖａｌａｎｃｈｅ  ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ）によって、高い応答度を提供することが可能になるが、その利益には、高暗電流および（または）高バイアス電圧という犠牲が伴う。導波路結合型ｐｉｎ検出器は、それらの帯域幅が高く、応答度に優れ、暗電流が低いことにより、大きな注目を引き付ける。横方向と縦方向のｐｉｎ接合構成を備えるＧｅオンＳｉ検出器は、図１Ａおよび図１Ｂに例示されている。応答度が、通常、約０．８Ａ／Ｗ、および帯域幅が、４０Ｇｂ／ｓ動作に十分な高さの、魅力的なＧｅオンＳｉ検出器性能が、報告されている。たとえば、先に述べた論文のうちの一部だけでなく、Ｔ．Ｙｉｎ、Ｒ．Ｃｏｈｅｎ、Ｍ．Ｍ．Ｍｏｒｓｅ、Ｇ．Ｓａｒｉｄ、Ｙ．Ｃｈｅｔｒｉｔ、Ｄ．Ｒｕｂｉｎ、およびＭ．Ｊ．Ｐａｎｉｃｃｉａ、「３  １ＧＨｚ  Ｇｅ  ｎ−ｉ−ｐ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ１５（２１）、１３９６５−１３９７１（２００７）、ならびにＡ．Ｎｏｖａｃｋ、Ｍ．Ｇｏｕｌｄ、Ｙ．Ｙａｎｇ、Ｚ．Ｘｕａｎ、Ｍ．Ｓｔｒｅｓｈｉｎｓｋｙ、Ｙ．Ｌｉｕ、Ｇ．Ｃａｐｅｌｌｉｎｉ、Ａ．Ｅ．−Ｊ．Ｌｉｍ、Ｇ．−Ｑ．Ｌｏ、Ｔ．Ｂａｅｈｒ−Ｊｏｎｅｓ、およびＭ．Ｈｏｃｈｂｅｒｇ、「Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ  ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ６０  ＧＨｚ  ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｕｓｉｎｇ  ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｇａｉｎ  ｐｅａｋｉｎｇ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ２１（２３）、２８３８７−２８３９３（２０１３）も参照されたい。
【０００８】
[0008]図１Ａおよび図１Ｂに示されているように、どちらのタイプのデバイスにも、金属ビアプラグに対するゲルマニウムの接合部および直接的コンタクトを形成するために、高濃度にドープされたゲルマニウムが必要である。第１のトランジスタは、ゲルマニウムを使用して実証されたが、シリコンがすぐに取って代わり、圧倒的に優位な基板材料になった。ゲルマニウム加工は、ゲルマニウム、およびシリコン／ゲルマニウムのトランジスタへの関心を理由に、近年、注目を引き付けている。Ｓ．Ｂｒｏｔｚｍａｎｎ、およびＨ．Ｂｒａｃｈｔ、「Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  ａｎｄ  ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｏｆ  ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ，  ａｒｓｅｎｉｃ，  ａｎｄ  ａｎｔｉｍｏｎｙ  ｉｎ  ｇｅｒｍａｎｉｕｍ」、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０３、０３３５０８（２００８）、Ａ．Ｃｌａｖｅｒｉｅ、Ｓ．Ｋｏｆｆｅｌ、Ｎ．Ｃｈｅｒｋａｓｈｉｎ、Ｇ．Ｂｅｎａｓｓａｙａｇ、およびＰ．Ｓｃｈｅｉｂｌｉｎ、「Ａｍｏｒｐｈｉｚａｔｉｏｎ，  ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｅｎｄ  ｏｆ  ｒａｎｇｅ  ｄｅｆｅｃｔｓ  ｉｎ  ｇｅｒｍａｎｉｕｍ」、Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ５１８（９）、２３０７−２３１３（２０１０）、ならびにＨ．Ｂｒａｃｈｔ、Ｓ．Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ、およびＲ．Ｋｕｂｅ、「Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ａｎｄ  ｄｏｐｉｎｇ  ｉｓｓｕｅｓ  ｉｎ  ｇｅｒｍａｎｉｕｍ」、Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｅｎｇ．８８（４）、４５２−４５７（２０１１）を参照されたい。ゲルマニウムは、シリコンと比較して、それほどよく理解されておらず、特徴付けられていない。シリコン変調器は、効率化に向けて最適化されてきてはいるが（Ｙ．Ｌｉｕ、Ｓ．Ｄｕｎｈａｍ、Ｔ．Ｂａｅｈｒ−Ｊｏｎｅｓ、Ａ．Ｅ．−Ｊ．Ｌｉｍ、Ｇ．−Ｑ．Ｌｏ、およびＭ．Ｈｏｃｈｂｅｒｇ、「Ｕｌｔｒａ−ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ  ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔｅｒｓ  ｆｏｒ  ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ  ｍｏｄｅ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ」、Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．３１（２３）、３７８７−３７９３（２０１３）を参照されたい）、同様のＴＣＡＤモデルは、依然として、ゲルマニウム検出器には見られない。ポリシリコンは、時として、接触抵抗率および漏洩電流を低減させるために、ゲルマニウムの上面に沈着された。たとえば、Ｃ．−Ｋ．Ｔｓｅｎｇ、Ｗ．−Ｔ．Ｃｈｅｎ、Ｋ．−Ｈ．Ｃｈｅｎ、Ｈ．−Ｄ．Ｌｉｕ、Ｙ．Ｋａｎｇ、Ｎ．Ｎａ、およびＭ．−Ｃ．Ｍ．Ｌｅｅ、「Ａ  ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  ｍｉｃｒｏｂｏｎｄｅｄ  ｇｅｒｍａｎｉｕｍ／ｓｉｌｉｃｏｎ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ  ｆｏｒ  ２５  Ｇｂ／ｓ  ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ」、Ｓｃｉ．Ｒｅｐ．３、３２２５（２０１３）、ならびにＫ．Ｔａｋｅｄａ、Ｔ．Ｈｉｒａｋｉ、Ｔ．Ｔｓｕｃｈｉｚａｗａ、Ｈ．Ｎｉｓｈｉ、Ｒ．Ｋｏｕ、Ｈ．Ｆｕｋｕｄａ、Ｔ．Ｙａｍａｍｏｔｏ、Ｙ．Ｉｓｈｉｋａｗａ、Ｋ．Ｗａｄａ、およびＫ．Ｙａｍａｄａ、「Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ  ａｎｄ  ａｖａｌａｎｃｈｅ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ｔｏ  ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｉｔｙ  ���ｆ  ａ  ｇｅｒｍａｎｉｕｍ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｌ−ｂａｎｄ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐｉｃｓ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２０（４）、３８００５０７（２０１４）を参照されたい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
[0009]ゲルマニウムを使用して作製される光検出器のために改善された設計および構造体が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
[0010]１つの態様によれば、本発明は、フローティングゲルマニウム体（ｆｌｏａｔｉｎｇ  ｇｅｒｍａｎｉｕｍ  ｂｏｄｙ）を有するゲルマニウムｐｉｎ光検出器を特徴とする。この検出器はまた、金属非接触光検出器とも称される。
【００１１】
[0011]ゲルマニウム光検出器は、第１のドープされた半導体コンタクト、第２のドープされた半導体コンタクト、ならびに第１のドープされた半導体コンタクトに電気的に接触し、第２のドープされた半導体コンタクトに電気的に接触している真性ゲルマニウム体であって、第１のドープされた半導体コンタクトおよび第２のドープされた半導体コンタクトが、真性ゲルマニウム体の同じ側に配設され、真性ゲルマニウム体が、金属コンタクトとの直接的な機械的接触がない、真性ゲルマニウム体を備え、それぞれの金属端子と電気的連通する第１のドープされた半導体コンタクトおよび第２のドープされた半導体コンタクトは、電磁放射の吸収によってゲルマニウム光検出器の中に生成された電気信号をゲルマニウム光検出器の外部の回路に供給するように構成されている。
【００１２】
[0012]１つの実施形態においては、第１のドープされた半導体コンタクトおよび第２のドープされた半導体コンタクトのうちの少なくとも一方は、ドープされたシリコンコンタクトである。
【００１３】
[0013]１つの実施形態においては、第１のドープされた半導体コンタクトおよび第２のドープされた半導体コンタクトのうちの少なくとも一方には、ｐ型ドーパントがドープされている。
【００１４】
[0014]１つの実施形態においては、第１のドープされた半導体コンタクトおよび第２のドープされた半導体コンタクトのうちの少なくとも一方には、ｎ型ドーパントがドープされている。
【００１５】
[0015]１つの実施形態においては、ゲルマニウム光検出器は、第３のドープされた半導体コンタクトをさらに備える。
[0016]１つの実施形態においては、真性ゲルマニウム体は、三角形の横断面を有する。
【００１６】
[0017]１つの実施形態においては、真性ゲルマニウム体は、（１１１）結晶面において終端処理される。さらなる別の実施形態においては、真性ゲルマニウム体は、平坦化される。
【００１７】
[0018]別の実施形態においては、結晶ファセットが、シリコンウェハの表面に対して、実質的に１５度から７５度の間の角度において配向される。
[0019]別の実施形態においては、測定された量子効率が、実質的に６５％よりも高い。
【００１８】
[0020]さらなる別の実施形態においては、測定された量子効率が、実質的に７５％よりも高い。
[0021]さらなる別の実施形態においては、測定された量子効率が、実質的に８５％よりも高い。
【００１９】
[0022]さらなる実施形態においては、測定された量子効率が、実質的に９５％よりも高い。
[0023]さらなる別の実施形態においては、電磁放射は、自由空間において、実質的に１２８０〜１６００ｎｍの波長範囲にある。
【００２０】
[0024]別の実施形態においては、光検出器は、ｐｉｎ接合部を含む。
[0025]別の態様によれば、本発明は、ゲルマニウム光検出器により電磁放射を検出する方法に関する。この方法は、ゲルマニウム光検出器を用意するステップであって、ゲルマニウム光検出器が、第１のドープされた半導体コンタクト、第２のドープされた半導体コンタクト、ならびに第１のドープされた半導体コンタクトに電気的に接触し、第２のドープされた半導体コンタクトに電気的に接触している真性ゲルマニウム体であって、第１のドープされた半導体コンタクトおよび第２のドープされた半導体コンタクトが、真性ゲルマニウム体の同じ側に配設され、真性ゲルマニウム体が、金属コンタクトとの直接的な機械的接触がない、真性ゲルマニウム体を備え、それぞれの金属端子と電気的連通する第１のドープされた半導体コンタクトおよび第２のドープされた半導体コンタクトが、電磁放射の吸収によってゲルマニウム光検出器の中に生成された電気信号をゲルマニウム光検出器の外部の回路に供給するように構成されている、ゲルマニウム光検出器を用意するステップと、ゲルマニウム光検出器によって電磁放射を受け取るステップと、電磁放射の強度を表す、または電磁放射内の符号化されたデータを表す電気信号を生成するステップと、電気信号をユーザに表示すること、および電気信号を不揮発性の形態にある機械可読メモリの中に記録することのうちの少なくとも一方を行うステップとを含む。
【００２１】
[0026]１つの実施形態においては、ゲルマニウム光検出器は、単一光学モード動作をサポートする。
[0027]別の実施形態においては、電磁放射は、自由空間において、実質的に１２８０〜１６００ｎｍの波長範囲にある。
【００２２】
[0028]さらなる別の実施形態においては、ゲルマニウム光検出器は、導通モード動作をサポートする。
[0029]さらなる別の実施形態においては、ゲルマニウム光検出器は、アバランシェフォトダイオードモードにおける動作をサポートする。
【００２３】
[0030]さらに、さらなる態様においては、本発明は、ゲルマニウム光検出器を製造する方法を提供する。この方法は、リソグラフィによって、表面を有するドープされた半導体のウェハをパターニングし、表面に導波路を作製するためにエッチングするステップと、注入によって、ドープされた半導体をドープし、ドープされた半導体のウェハの表面における層の中にｐ型コンタクトおよびｎ型コンタクトを形成するためにアニーリングする（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）ステップと、ｎ型コンタクトおよびｐ型コンタクトに接触している意図的に添加されたドーパントを全く有しない真性ゲルマニウム体を生成するためにゲルマニウムエピタキシを行うステップであって、ゲルマニウム体が、ドープされた半導体のウェハの表面に対して、ある角度において配向された結晶ファセットによって境界付けられた形をしている、ゲルマニウムエピタキシを行うステップと、メタライゼーションを施して、コンタクト端子を形成するステップとを含む。
【００２４】
[0031]１つの実施形態においては、光検出器は、自由空間において、実質的に１２８０〜１６００ｎｍの波長範囲にある電磁放射に感応する。
[0032]別の実施形態においては、光検出器は、ｐｉｎ接合部を含む。
【００２５】
[0033]さらなる実施形態においては、結晶ファセットが、シリコンウェハの表面に対して、実質的に１５度から７５度の間の角度において配向される。
[0034]本発明の前述ならびに他の目的、態様、特徴、および利点は、以下の説明および特許請求の範囲からより明らかになろう。
【００２６】
[0035]本発明の目的および特徴は、後述される図面、および特許請求の範囲を参照してより良く理解され得る。図面は、必ずしも縮尺通りというわけではなく、それよりむしろ、本発明の原理を例示することに大まかに重きが置かれる。図面においては、同様の数字は、様々な図全体を通じて、同様の部品を示すために使用される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】[0036]図１Ａは、従来技術の横方向ｐｉｎのＧｅオンＳｉ光検出器の概略的横断面図である。[0037]図１Ｂは、従来技術の縦方向ｐｉｎのＧｅオンＳｉ光検出器の概略的横断面図である。
【図２Ａ】[0038]本発明の原理によるフローティングゲルマニウム検出器のある実施形態の概略的横断面図である。
【図２Ｂ】[0039]製造されたフローティングゲルマニウム検出器の別の実施形態にある真性ゲルマニウム体および周囲構造体の走査電子顕微鏡写真である。
【図３】[0040]図３Ａは、−４Ｖ逆バイアス時の図２Ａのフローティングゲルマニウム検出器の光学モードプロファイルのグラフである。[0041]図３Ｂは、−４Ｖ逆バイアス時の図２Ａのフローティングゲルマニウム体検出器の電界のグラフである。
【図４】[0042]フローティングゲルマニウム検出器および参照格子結合器（ＧＣ）の透過スペクトルを示すグラフである。
【図５Ａ】[0043]暗所におけるデバイスＩＶ曲線のグラフである。
【図５Ｂ】[0044]レーザオンの場合のデバイスＩＶ曲線のグラフである。
【図５Ｃ】[0045]逆バイアス電圧の関数としてのデバイス応答度のグラフである。
【図６】[0046]異なる逆バイアス電圧対周波数におけるデバイスＳ２１のグラフである。
【図７】[0047]図７Ａは、本発明の態様を具現化するデバイスに製造されているときのウェハの横断面を示す図である。図７Ｂは、本発明の態様を具現化するデバイスに製造されているときのウェハの横断面を示す図である。図７Ｃは、本発明の態様を具現化するデバイスに製造されているときのウェハの横断面を示す図である。図７Ｄは、本発明の態様を具現化するデバイスに製造されているときのウェハの横断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
[0048]ゲルマニウムをドープする、およびゲルマニウムと接触させることの必要性をなくすことによって、ＧｅオンＳｉ検出器製造工程を有意に簡素化する新規のフローティングゲルマニウム光検出器について説明する。エピタキシャルＧｅは、意図的にドープされない。それは、ゲルマニウムを損傷を受けない状態に保ち、エピタキシ後の結晶品質を維持する。デバイスは、量子効率９９．２％に対応する、波長１５５０ｎｍにおける１．２４Ａ／Ｗの応答度を有すると測定された。知る限りでは、これは、ｐｉｎゲルマニウム検出器について報告された最も高い応答度である。−４Ｖ逆バイアス時には、暗電流は、ほんの４０ｎＡにすぎない。測定された３−ｄＢ帯域幅は、３０ＧＨｚであり、静電容量は、８ｆＦである。検出器は、１２８０〜１６００ｎｍからの自由空間波長を伴う光学放射について機能する。
【００２９】
[0049]検出器幾何学的形状により、組み合わせられたＧｅ／シリコン検出器幾何学的形状内で、光学放射の単一モードへの圧倒的な結合が可能になり、したがって、吸収の可能性が最大限に高められる。光学モードは、Ｇｅの屈折率が高いことにより、シリコンコンタクトへの漏出が妨げられると考えられる。
【００３０】
【表１】
2017508295.tif 000003
【００３１】
[0050]検出器幾何学的形状は、金属または導電性合金（ＡｌもしくはＴａＮなど）をＧｅに直接、接触させるという要件を回避するのに有用であり、したがって、製造工程が簡素化される。検出器性能は、金属が光学モードとそれほど接近していないので、改善されると考えられる。
【００３２】
[0051]検出器幾何学的形状は、ドーパント種をＧｅに注入するという要件を回避するのに有用であり、したがって、不純物によって吸収が低減されるおかげで、光学性能が改善される。Ｇｅのドーピングをなくすことにより、やはり、製造が簡素化され、費用が低減される。
【００３３】
デバイス設計
[0052]フローティングゲルマニウム光検出器の概略的例示が、図２Ａに示されている。図２Ａに例示されているように、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハなど、シリコンウェハが、採用される。埋込み酸化物（ｂｕｒｉｅｄ  ｏｘｉｄｅ：ＢＯＸ）層が、ハンドルとして働くシリコンウェハ上に存在する。ＢＯＸ層は、シリコンを絶縁し、その上に、デバイスがシリコンハンドルから製造される。図２Ａにおいては、真性ゲルマニウム体は、三角形の横断面を有するように示されている。図２Ａにおけるゲルマニウムの三角形状は、化学蒸着（ＣＶＤ）を使用して、実際のデバイス製造において実現されている。製造に関しては、プラズマ助長（ＰＥ）ＤＶＤと超高真空（ＵＨＶ）ＣＶＤとの両方が採用されている。一般に、ドープされていない半導体ｉ型半導体とも呼ばれる真性半導体（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）は、有意なドーパント種が何ら存在しない純粋な半導体である。そのため、電荷キャリアの数は、不純物の量ではなく、材料それ自体の特性によって確定される。具体的には、真性ゲルマニウムなど、真性半導体は、一般には、意図的に添付されたドーパントをほとんど、または全く有しないと理解されるが、ある量のドーパントまたは不純物が存在することはよくあり得ることであると理解される。
【００３４】
[0053]図２Ａに例示されたデバイスは、ゲルマニウム三角体の対向端部と電気的連通するシリコンｎ型およびｐ型のコンタクトを有する。シリコンｎ型およびｐ型のコンタクトはそれぞれ、光検出器の中で生成された電気信号を光検出器の外部の回路に供給するように働く金属端子と電気的連通する。
【００３５】
[0054]図２Ｂは、製造されたフローティングゲルマニウム検出器の別の実施形態にある真性ゲルマニウム体および周囲構造体の走査電子顕微鏡写真である。図２Ｂは、真性ゲルマニウム体の代替の形状を示し、ここでは、真性ゲルマニウム体は、非平面のファセット化された形状を共にもたらすいくつかのファセットによって画定される横断面を有する。形状は、平行六面体横断面でも、三角形横断面でも、図１Ｂに例示されている切頂プリズム横断面でもない。図２Ｂに例示された形状は、図２Ａに例示された三角形状を生み出すのに使用されるものとは沈着条件を異にするＰＥＣＶＤまたはＵＨＶＣＶＤを使用して製造される。
【００３６】
[0055]いくつかの実施形態においては、ゲルマニウム体は、たとえば、機械的、または化学機械的研磨（ＣＭＰ）工程にさらされることによって、平坦化され得る。いくつかの実施形態においては、平坦化されたゲルマニウム体は、平坦化工程において生み出された平坦面と電気的連通する第３の電気コンタクトを有し得る。
【００３７】
[0056]いくつかの実施形態においては、ゲルマニウム光検出器デバイスは、導通デバイスとして動作可能であることが期待され、ここでは、ゲルマニウムの導電性特性は、照射の下で変化する。
【００３８】
[0057]いくつかの実施形態においては、ゲルマニウム光検出器は、アバランシェ光検出器（ＡＰＤ）として動作可能であることが期待される。光増倍（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ）が、ゲルマニウムまたはシリコンのいずれかにおいて行われ得ることが期待される。
【００３９】
[0058]いくつかの実施形態においては、（抵抗性ヒータなどの）外部ヒータが、性能改善に向けて、検出器を高くされた温度に保つために設置可能であることが企図される。
[0059]図１Ａおよび図１Ｂにおける従来の検出器構成と比較すると、ゲルマニウムは、イオン注入の損傷およびメタライゼーションによって生じる欠陥から保護される。金属ビアプラグの作製は、注入およびアニーリングのステップに加えて、コンタクトホール開通、シリサイド形成、拡散障壁沈着、ならびに最終的には、金属の沈着、パターニング、および平坦化を必要とする複雑な工程であることに留意されたい。工程は、Ｊ．Ｄ．Ｐｌｕｍｍｅｒ、Ｍ．Ｄｅａｌ、Ｐ．Ｄ．Ｇｒｉｆｆｉｎ、「Ｓｉｌｉｃｏｎ  ＶＬＳＩ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，  ｐｒａｃｔｉｃｅ，  ａｎｄ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ」、（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ  Ｈａｌｌ、２０００）において記載されている。フローティングゲルマニウム検出器構成は、シリコンフォトニクス工程フローを有意に簡素化し、シリコンベースのフォトニクス集積回路（ＰＩＣ）を構築するための費用を低減させる。それは、シリコン変調器の同じドーピングレベルおよびメタライゼーション手順を正確に共有するので、変調器を構成する工程に存在するものに加えて、ゲルマニウムエピタキシが、デバイスを構築する唯一の追加のステップである。
【００４０】
[0060]次に、図２Ａに例示されたゲルマニウムの三角形状について論じる。結晶性ゲルマニウムの成長速度は、種々の方向において異なり、それは、シリコンの異方性ウェットエッチングに類似し、エッチング速度がはるかにより遅いことにより（１１１）面において自然に止まる。ゲルマニウム幾何学的形状はまた、酸化物ハードマスクのトレンチ角度によって決まり、Ｗｕｌｆｆ構築モデルによって投影可能になる。Ｊ．Ｌｉｕ、Ｒ．Ｃａｍａｃｈｏ−Ａｇｕｉｌｅｒａ、Ｊ．Ｔ．Ｂｅｓｓｅｔｔｅ、Ｘ．Ｓｕｎ、Ｘ．Ｗａｎｇ、Ｙ．Ｃａｉ、Ｌ．Ｃ．Ｋｉｍｅｒｌｉｎｇ、およびＪ．Ｍｉｃｈｅｌ、「Ｇｅ−ｏｎ−Ｓｉ  ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」、Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ５２０（８）、３３５４−３３６０（２０１２）を参照されたい。１つの実施形態においては、エピタキシャルゲルマニウムは、本デバイスを構築する工程におけるシリコン表面に対して２５°側壁角度を有すると測定された。ゲルマニウムの底幅１．５μｍの場合、三角形の高さは、０．３５μｍである。
【００４１】
[0061]製造簡素化にもかかわらず、フローティングゲルマニウム検出器は、金属電極から導入される金属の原子またはイオンによる吸収、および高濃度コンタクトドーピングからの自由キャリア吸収がなくされるので、図１Ａおよび図１Ｂに示されている従来のゲルマニウム検出器よりも高い応答度を有するように期待される。暗電流はまた、エピタキシ後の結晶品質が維持されるので、より低いように期待される。高い応答度を達成するために、光子は、真性ゲルマニウム吸収体の中に閉じ込められるべきであり、散乱は、最小限に抑えられる必要がある。図２Ａのゲルマニウムシリコンハイブリッド導波路構造体の基本モードが、図３Ａに描画されている。閉込め係数（ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  ｆａｃｔｏｒ）が８８％のゲルマニウムの緊密モード閉込めは、効率的な吸収を確保し、検出器長さ、したがって、静電容量を最小限に抑える。幅０．２２μｍから１．５μｍまでの、長さ３μｍのゲルマニウムテーパが、入力シリコン導波路からハイブリッド導波路に光を断熱的に変換するのに使用される。
【００４２】
[0062]ゲルマニウムの中に形成されるｐｉｎ接合部がない場合、デバイスは、光生成キャリアを掃き出すために、シリコン接合部のフリンジ電界に依存する。フリンジ電界および対応する静電容量は、２２０ｎｍ厚さのシリコンｐｎ接合部の無視できない一部であり、変調器設計において明らかにされる必要があることが報告されている。Ｈ．Ｊ．Ｗｅｓｌｅｙ、Ｄ．Ｓａｃｈｅｒ、およびＪ．Ｋ．Ｓ．Ｐｏｏｎ、「Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  ｍｏｄｅｌ  ａｎｄ  ｆｒｉｎｇｉｎｇ−ｆｉｅｌｄ  ｐａｒａｓｉｔｉｃｓ  ｏｆ  ｃａｒｒｉｅｒ−ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｄｉｏｄｅｓ」、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｊ．５（１）、２２００２１１（２０１３）を参照されたい。ゲルマニウムは、シリコン窒化物または二酸化シリコンなど、通常のＣＭＯＳ誘電体よりもはるかに高い誘電率を有するので、フリンジ電界および静電容量の部分は、同じシリコン接合部についてもより高くなる。図３Ｂにおける接合部真性領域幅は、図３Ａにおけるモードフィールド径（ｍｏｄｅ  ｆｉｅｌｄ  ｄｉａｍｅｔｅｒ）に一致するように選定される。Ｐｏｉｓｓｏｎの方程式が数値的に解かれ、図３Ｂにおける電界分布が描写された。ゲルマニウムの大部分における電界は、１０４Ｖ／ｃｍよりも高く、それは、飽和速度時にキャリアがドリフトする十分な高さである。Ｃ．Ｊａｃｏｂｏｎｉ、Ｆ．Ｎａｖａ、Ｃ．Ｃａｎａｌｉ、およびＧ．Ｏｔｔａｖｉａｎｉ、「Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｄｒｉｆｔ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ａｎｄ  ｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ  ｉｎ  ｇｅｒｍａｎｉｕｍ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ２４（２）、１０１４−１０２６（１９８１）を参照されたい。
【００４３】
デバイス製造
[0063]デバイスのプロトタイプが生産された。フローティングゲルマニウム検出器は、厚さが０．５μｍのゲルマニウムスラブの従来のｐｉｎ検出器を作製するために標準的な工程を使用して製造され、追加の工程分割は、ゲルマニウムの異方性エピタキシャル成長のおかげで、全く加えられなかった。開始基板は、２２０ｎｍで、１０オームｃｍのｐ型上面シリコン膜で、高抵抗性シリコンハンドルの上面に２μｍ埋込み酸化物を含む８インチシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハであった。導波路および格子結合器は、ドライエッチングが後に続く２４８ｎｍＵＶリソグラフィを使用してパターニングされた。次いで、ホウ素イオンおよびリンイオンが、シリコンに注入され、高速熱アニーリングによって活性化された。次にゲルマニウムエピタキシが続いた。２層のアルミニウム金属相互接続により、製造工程が完了した。
【００４４】
[0064]図７Ａから図７Ｄは、本発明の態様を具現化するデバイスに製造されているときのウェハの横断面を示している。図７Ａは、リソグラフィによってシリコンをパターニングし、導波路を作製するためにエッチングするステップを例示している。図７Ｂは、注入によってシリコンをドープすること、ならびにｐ型コンタクトおよびｎ型コンタクトを形成するためにアニーリングすることに関わるステップを例示している。図７Ｃは、ゲルマニウムエピタキシを行うステップを例示している。図７Ｄは、メタライゼーションを施して、コンタクト端子を形成するステップを例示している。必要に応じて、コンタクト端子が、完成した構造体の自由表面においてアクセス可能なように貫通できるようにするために、ビアが構造体の層の中に画定され得る。いくつかのステップは、特定の順序において行われることが必要であり、いくつかのステップは、代替の順序において（または何らかの順番において）行われ得ることもある。たとえば、ホウ素イオンおよびリンイオンの注入は、いずれかの順番において行われ得る。
【００４５】
デバイス特徴付け
光学スペクトル
[0065]図２Ａにおけるデバイス横断面に対応する２つの組の特徴付け構造体が設計された。格子結合器は、両方の事例において、ファイバ配列に対する光学Ｉ／Ｏとして使用された。Ｓｅｔ  Ａにおいては、ゲルマニウム吸収体の後の透過光は、別の格子結合器に誘導され、それは、ゲルマニウム効率性を特徴付けるため、およびデバイス長さを確定するために使用された。Ｓｅｔ  Ｂにおいては、貫通ポート（ｔｈｒｏｕｇｈ  ｐｏｒｔ）は、その２つの分岐が一緒に結ばれているｙ結合部に接続され、それは、広帯域ミラーとして効果的に機能した。まず、ファイバ配列が、Ｓｅｔ  Ａにおける格子結合器に位置合わせされ、デバイスは、チューナブルレーザ（Ａｇｉｌｅｎｔの８１６００Ｂ）を使用して測定された。ゲルマニウム長さが異なる２つのデバイス、ならびに参照格子結合器のスペクトルが、図４に描写されている。放物線形状が、格子結合器スペクトル応答によって確定された。パワーレベルの低減は、ゲルマニウムストリップによって加えられた追加損失を示している。干渉フリンジは、スペクトルにおいて全く観察されず、光が、構造体全体にわたってその基本モードの状態を維持したことが確認された。単一モード動作は、散乱または発散による光子の損失または浪費を防止し、また光が、ゲルマニウム吸収体の中に緊密に閉じ込められたことから、単位長さ当たりの吸収を改善させた。光をゲルマニウム中へと上方に結合し、シリコン中へと下方に結合する能力は、同様に、ゲルマニウム吸収変調器を構成するのに有用である。図４に示されているように測定された２つの検出器の長さは、テーパの６μｍを含んで、それぞれ１１μｍおよび１６μｍであった。より短い波長に向かうより強い吸収は、より短い波長がゲルマニウムのバンド端からさらに深いので、明瞭に例示される。１５５０ｎｍにおいては、１６μｍ長のゲルマニウムは、２６ｄＢ減衰をもたらした。透過光子を再吸収に向けて後方に反射するｙ接合部ループミラーがある場合、デバイスＳｅｔ  Ｂにおける１６μｍ長検出器は、すべての光生成キャリアが、電極によって効果的に収集される場合、ほぼ１００％の量子効率を達成することができることになる。
【００４６】
ＩＶ掃き出し
[0066]光学特性に加えて、デバイス性能はまた、図３Ｂに示されたｐｉｎ接合部に依存する。図５Ａおよび図５Ｂに示されているように、暗所の中、かつレーザがオンである両方の状態で、半導体デバイスアナライザ（ＡｇｉｌｅｎｔのＢ１５００Ａ）を使用して、デバイスが精査され、ＩＶ曲線が特徴付けられた。図５Ａにおいては、暗電流は、−４Ｖ時にほんの４０ｎＡにすぎず、−８Ｖの逆バイアスに至るまで、９０ｎＡより下に維持し、それは、同じ工程において製造された従来の縦方向ｐｉｎ検出器の暗電流よりも大きさが１桁小さい。この改善は、接合部面積をより小さくすることに寄与し、エピタキシ後のゲルマニウム結晶品質が維持された。レーザがオンにされ、１５５０ｎｍに設定されたとき、検出器入力ポートに衝突した光は、格子結合器挿入損失からの正常化後、０．４８ｍＷであった。光電流は、逆バイアス電圧として増大し、約−２Ｖ時に飽和する。−２Ｖより下では、フリンジ電界は、光生成キャリアを、それらが再結合する前に掃き出すには不十分な強度である。−２Ｖより上では、すべての光生成キャリアが、それらの寿命内で掃き出され、電極によって収集される。したがって、光電流は、−６Ｖを超えるまで、飽和し、比較的、平らな状態を維持し、ただし、それは、アバランシェ利得の発現により、わずかに尻上がりである。
【００４７】
[0067]バイアス電圧の関数としての応答度が、照射の下、ＩＶカーブから抽出されて、図５Ｃとして描写されている。応答度は、量子効率９９．２％に対応する、−４Ｖ時に１．２４Ａ／Ｗであり、それは、同じ工程において製造された従来の検出器において達成された０．７５Ａ／Ｗに比較して有意な改善である。１５５０ｎｍ波長においては、検出器が提供することができる理論的最大応答度は、
【００４８】
【数１】
2017508295.tif 000004
【００４９】
によって与えられ、ただし、ｅは、電子電荷であり、ｈは、Ｐｌａｎｃｋの定数であり、ｖは、光学周波数である。知る限りでは、これは、光導電性またはアバランシェ利得がない場合の、ＧｅオンＳｉのｐｉｎ光検出器について報告された最も高い応答度または量子効率である。このデバイスの高い応答度または量子効率は、維持された結晶品質、光電流を生成しない金属および自由キャリア吸収の除去、単一モード誘導による散乱および発散の最小化、ならびに接合フリンジ電界を使用する光生成キャリアの効果的な収集を含む、多数の因子の組合せによるものである。
【００５０】
帯域幅および静電容量
[0068]優れた性能は、ＤＣにおいて達成された。次に、デバイス帯域幅および静電容量について論じる。光電流ロールオフは、ＶＮＡ（ＡｇｉｌｅｎｔのＥ８３６１Ｃ）およびＬｉＮＯ３変調器（ＴｈｏｒｌａｂのＬＮ０５Ｓ）を使用してｓパラメータを測定することによって特徴付けられた。異なるバイアス電圧におけるＳ２１トレースが、図６に描写された。−２Ｖにおいては、キャリアは、たとえフリンジ電界が光生成キャリアを掃き出すほど十分な強度であっても、比較的低速で移動し、それは、デバイス帯域幅をほんの５ＧＨｚ超に限定する。−４Ｖおよび−６Ｖにおいては、キャリアは、それらの飽和速度に近づき、デバイス帯域幅は、３０ＧＨｚ超に増大し、それは、４０Ｇｂ／ｓデータレートをサポートするのには十分である。
【００５１】
[0069]概して、光検出器帯域幅は、キャリア通過時間またはデバイスＲＣ時間定数のいずれかによって確定される。飽和速度を６．５×１０６ｃｍ／ｓ、およびモードフィールド径を０．８５μｍであると考えると、通過時間は、
【００５２】
【数２】
2017508295.tif 000005
【００５３】
であると推定され、それは、測定された帯域幅に近い。通過時間有限帯域幅は、より狭いゲルマニウムストリップを使用することによって改善可能になり、それは、図４に示されているように、ゲルマニウムの強い吸収を所与として検出器効率を低下させないことになる。
【００５４】
[0070]デバイス静電容量は、ｓパラメータの位相情報から計算されて、８ｆＦであると確定済みであり、それは、最先端技術と比較して遜色がない。低い静電容量は、デバイスがシリコンチップに対する光学相互接続部において使用されるのに有利である。５０Ω負荷インピーダンスを仮定すると、直列抵抗の主要要因は、ゲルマニウムおよび金属ビアの下でシリコンを接続するｐ＋およびｎ＋のドープされた９０ｎｍシリコンスラブである。この中間ドーピングレベルにおけるシート抵抗は、ｐ＋およびｎ＋のシリコンスラブそれぞれについて、３７５０Ω／□（オームパースクエア）および１４９０Ω／□である。それらは、１．５μｍ幅および１６μｍ長であり、約４９０Ω直列抵抗につながる。したがって、ＲＣ時間有限帯域幅は、
【００５５】
【数３】
2017508295.tif 000006
【００５６】
によって与えられる。
[0071]光はゲルマニウムの中に緊密に閉じ込められることから、自由キャリア吸収から顕著な光学損失を導入せず、これらの接続スラブにおけるより高いドーピングを使用することが安全である。ｐ＋＋およびｎ＋＋ドープスラブのためのシート抵抗は、１３７Ω／□および６０Ω／□であり、それは、ｐ＋およびｎ＋スラブのものよりも大きさが１桁小さく、デバイスが動作する帯域幅に対するＲＣ時間制限を全体的に取り除くことになる。
【００５７】
定義
[0072]本明細書において別段の明示的な列挙がない限り、電子信号または電磁信号（あるいはそれらの均等物）に対するいずれの参照も、不揮発性の電子信号または不揮発性の電磁信号を示していると理解すべきである。
【００５８】
[0073]本明細書において別段の明示的な列挙がない限り、「記録」または「記録すること」に対するいずれの参照も、不揮発性のもしくは非一時的な記録、または不揮発性のもしくは非一時的な記録することを示していると理解すべきである。
【００５９】
[0074]演算またはデータ取得からの結果を記録すること、たとえば、具体的な周波数もしくは波長を有する電気信号などの結果を記録すること、または画像もしくはその一部分を記録することは、記憶素子、機械可読記憶媒体、または記憶デバイスに、出力データを不揮発性または非一時的な方式で書き込むことであると、意味付けられように理解され、本明細書においては定義される。本明細書の中で使用可能な不揮発性のまたは非一時的な機械可読記憶媒体は、磁気フロッピディスクおよびハードディスクなど、電子、磁気、および／または光学の記憶媒体と、いくつかの実施形態においてはＤＶＤディスク、ＣＤ−ＲＯＭディスク（すなわち、読取り専用の光学記憶ディスク）、ＣＤ−Ｒディスク（すなわち、書込みは１回限り、読取りは何回でもできる光学記憶ディスク）、およびＣＤ−ＲＷディスク（すなわち、書換え可能な光学記憶ディスク）のうちのいずれかを採用することが可能なＤＶＤドライブ、ＣＤドライブと、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、コンパクトフラッシュ（登録商標）カード、ＰＣＭＣＩＡカード、または代替としてＳＤもしくはＳＤＩＯメモリなどの電子記憶媒体、ならびに記憶媒体に対応し、記憶媒体から読み取り、および／または記憶媒体に書き込む電子構成要素（たとえば、フロッピディスクドライブ、ＤＶＤドライブ、ＣＤ／ＣＤ−Ｒ／ＣＤ−ＲＷドライブ、もしくはコンパクトフラッシュ／ＰＣＭＣＩＡ／ＳＤアダプタ）とを含む。
【００６０】
理論的検討
[0075]本明細書に与えられた理論的説明は、正しいと考えられるが、本明細書において説明され、特許請求されるデバイスの動作は、理論的説明の正確性または妥当性に依存していない。つまり、本明細書において提示される理論とは異なる基準において観察された結果を説明することができる後の理論的展開は、本明細書において説明される本発明を損なうことはない。
【００６１】
[0076]いずれの特許、特許出願、特許出願公開、雑誌論文、書籍、発行紙、または本明細書の中で特定された他の公的に利用可能な情報は、全体的に参照することによって本明細書に組み込まれている。参照することによって本明細書に組み込まれていると言われるが、本明細書において明示的に説明された既存の定義、記載、または他の開示情報と矛盾するいずれかの情報、またはその一部分は、組み込まれている情報と本開示の情報との間に全く矛盾が発生しない範囲に組み込まれているにすぎない。矛盾の場合には、矛盾は、本開示を好ましい開示として支持して解決すべきである。
【００６２】
[0077]本発明は、図面に例示されている好ましいモードを参照して具体的に示され、説明されてきたが、細部における様々な変更が、特許請求の範囲によって定義されている本発明の精神および範囲から逸脱することなく、その中で影響され得ることが当業者には理解されよう。
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図１】
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【図２Ａ】
2017508295.tif 000018
【図４】
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【図６】
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【国際調査報告】
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