JP5150216B2

JP5150216B2 - 導波路型光検出装置およびその製造方法

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Publication number: JP5150216B2
Application number: JP2007290957A
Authority: JP
Inventors: 和哉大平; 瑞仙江崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2027-11-08
Also published as: JP2009117708A

Description

本発明は、導波路型光検出装置およびその製造方法に関するものである。

近年のＬＳＩの高集積化に伴い、ＬＳＩ内部の回路の微細化が進んでいる。この微細化により、配線断面積は減少し、隣接する配線間の距離が狭くなる。従って、ＬＳＩ内部の配線抵抗が増大し、配線間の容量が増大する。その結果、配線抵抗と配線容量で決定される配線遅延時間が増大し、更なるＬＳＩの高速化が困難となってくる。

このようなＬＳＩの高集積化に伴う配線遅延の問題を解決する技術として、光配線技術が注目されている。光配線技術は、光導波路を用いて光信号を伝送する方式であり、上記のような微細化に伴う配線抵抗や配線間容量の増大が発生せず、更なる動作速度の高速化が期待できる。このような光配線を用いて信号伝送を行うＬＳＩとして、光電気混載ＬＳＩが提案されている。

光電気混載ＬＳＩとは、各機能ブロックによる信号処理は電気で行われ、これらの機能ブロック間は光信号で伝送する方式を用いたＬＳＩである。このような光電気混載ＬＳＩにおいては、伝送する光信号を電気信号に変換する素子および、信号処理が行われた電気信号を光信号に変換する素子が必要である。

電気信号を光信号に変換する素子としては、端面発光レーザや面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ）が用いられており、ＧＨｚ帯での動作の報告例もある。

これに対して、光信号を電気信号に変換する素子として用いられる光検出装置も多数の報告例がある。この装置は、光吸収領域のバンドギャップエネルギーより大きいエネルギーを持つ光が光吸収領域に入射された場合、電子−正孔対が生成され、これらは内部電界および外部から印加された電界により各電極へとドリフトし、光電流として検出されるものである。

このような光検出装置には、受光素子外部に光導波路が配置される面型光検出装置及び、受光素子と光導波路が一体で構成される導波路型光検出装置がある。しかし現在は、高速性を維持しつつ高い受光感度を達成すための設計及び作成の容易さから、導波路型光検出装置の開発が主流である。

現在知られている導波路型光検出装置は、基本的には下記の２通りの構造に分類される。すなわち、光導波路の上部または下部に光吸収領域を配置し、このうち少なくとも光吸収領域の上下にそれぞれｐ型半導体層またはｎ型半導体層を介して電極が配置される構成（以下、縦型構造と呼ぶ）と、半導体基板上に形成された光導波路の周囲を光吸収領域で囲い、光吸収領域の両側面にそれぞれｐ型半導体層またはｎ型半導体層を介して電極が配置される構成（以下、横型構造と呼ぶ）に分類される。

縦型構造の光検出装置においては、光吸収領域および光導波路の上下に電極を配置する構成（特許文献１）及び、光導波路上に配置される光吸収領域の上下に電極を配置する構成（特許文献２）が知られている。しかし、特許文献１に記載された縦型構造の光検出装置を動作させるためには、光導波路層にも電界を生じさせる必要がある。このため光導波路に不純物をドーピングし、光導波路を導電帯にする必要がある。しかし、このような不純物は光を散乱させる要因となり、光検出装置内部の光導波路で光の損失が起こるため、変換効率が低下するという問題がある。一方、特許文献２に記載された縦型構造の光検出装置を動作させるときには、光導波路に電界を生じさせる必要がないため上記の問題は解決されるが、光導波路上にｎ型半導体層またはｐ型半導体層を介して光吸収領域が配置されるため、光導波路から光吸収領域へ光エネルギーが移動するまでにある程度の導波路長が必要であり、装置が大型化するという問題がある。さらに、光導波路から光吸収領域に光エネルギーが移動するときにｎ型半導体層またはｐ型半導体層を通過するため、この部分でも光の損失が生じ、変換効率が低下するという問題もある。

また、横型構造の光検出装置においては、光導波路の周囲を覆うように光吸収領域が形成され、その両側面に電極を配置するため、両電極間の距離が長くなり、さらには内部の電界が導波路を避けるように発生するという問題がある。このため、以下に示すように、いくつかの問題が生じることになる。第１に、光吸収領域で発生する電子と正孔がそれぞれ各電極に到達するまでにかかる時間が長くなるため、高速動作が制限される。第２に、電子と正孔が各電極にドリフトする途中で多数キャリアと再結合する確率が高くなり、変換効率が低下する。第３に、この光検出装置を動作させるために必要な電圧が大きくなってしまい、消費電力が増大する。第４に、この光検出装置の動作速度を最適化するためには、光吸収領域の両側部に形成されるｐ型半導体層とｎ型半導体層の配置精度が重要であるが、この精度は素子作成時のパターン作成精度に制限されるため、高精度なアライメントが必要である。（特許文献３）
特開２００６−１７１１５７号公報特開平９−１３９５２０号公報特表２００６−５２２４６５号公報

本発明の課題は、低消費電力で高速動作が可能な光検出装置を提供することにある。

本発明による光検出装置は、半導体基板上に形成された、ノンドープ層からなる光導波路と、これを囲むように形成された光吸収領域と、この光吸収領域の上部に形成された第１の電極と、前記光吸収領域の下部または両側部に形成された第２の電極と、を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明による光検出装置においては、前記光吸収領域の上部において、前記第１の電極に接触形成された第１導電型半導体層と、前記光吸収領域の下部または両側部において、前記第２の電極に接触形成された第２導電型半導体層と、をさらに備えることを特徴とするものである。

さらに、本発明による光検出装置においては、前記光吸収領域の下部に形成された第２の電極は、前記光吸収領域の外部でかつ、光の伝搬方向に対して前方または後方の位置の前記半導体基板上に形成されることを特徴とするものである。

さらに、本発明による光検出装置においては、前記光吸収領域は、真性半導体領域であるか、または、第１導電型半導体層およびこれに接合する第２導電型半導体層を含んでいることを特徴とするものである。

さらに、本発明による光検出装置においては、前記第１導電型半導体層の導電型がｐ型のとき前記第２導電型半導体層の導電型はｎ型であり、または、前記第１導電型半導体層の導電型がｎ型のとき前記第２導電型半導体層の導電型はｐ型であることを特徴とするものである。

さらに、本発明による光検出装置においては、前記光導波路の底部の両側に光導波路層が延長形成され、この光導波路層の膜厚は30nm以下であることを特徴とするものである。

さらに、本発明による光検出装置においては、前記光吸収領域を形成する半導体は、Ｇｅ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＳｂ、ＩｎＧａＳｂ，ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂのいずれかであり、前記光導波路および前記光導波路層の材料は、Ｓi、ＳiＮ、ＳiＯＮ, ＳiＯＣ, ＳiＣＮのいずれかであることを特徴とするものである。

さらに、本発明による光検出装置においては、前記第１の電極と前記第２の電極との間に、外部から逆方向に電界をかけることを特徴とするものである。

また、本発明による光検出装置の製造方法においては、半導体基板上に、ノンドープ層からなる光導波路を形成する工程と、これを囲むように光吸収領域を形成する工程と、この光吸収領域の上部に第１導電型半導体層を形成する工程と、この第１導電型半導体層に第１の電極を形成する工程と、前記光吸収領域の両側部または下部に第２導電型半導体層を形成する工程と、この第２導電型半導体層に第２の電極を形成する工程と、を具備することを特徴とするものである。

さらに、本発明による光検出装置の製造方法においては、前記光導波路を形成する工程は、前記光導波路の底部の両側に３０nｍ以下の厚さの光導波路層を延長形成するようにエッチングする工程を含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、光吸収領域の上部と下部もしくは、上部と両側部に電極を配置するため、内部の電界を光導波路を回避するように最短距離で発生させることができる。このため、低消費電力で高速動作が可能な光検出装置が得られる。

以下に、本発明の実施の形態を図１〜図５を用いて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態を示す図であり、同図（ａ）は上面図であり、（ｂ）は同図（a）に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。

図１に示すように、本実施形態１の光検出装置は、半導体基板１１上にクラッド層１２が形成され、このクラッド層１２上に光導波路１４が形成される。この光導波路１４の底部の両側には光導波路層１３が形成され、これら光導波路層１３および光導波路１４の上部には、光導波路１４の両側および上面を覆い囲むように真性半導体で光吸収領域１５が形成される。この光吸収領域１５の上部にはｎ型半導体層１６が形成され、両側部にはｐ型半導体層１７が形成される。すなわち、光吸収領域１５とｎ型半導体層１６、ｐ型半導体層１７によって、pin構造が形成される。これらｎ型半導体層１６およびｐ型半導体層１７の上部にはそれぞれ電極１８、１９が接触形成される。また、ｐ型半導体層１７の上部のうち、電極１９が接触形成されない部分はＳｉＯ_２絶縁体マスク２０で覆われ、さらにこのＳｉＯ_２絶縁体マスク２０および光吸収領域１５の上部のうち電極１８が接触形成される部分以外は、絶縁膜２１で覆われている。

光信号がこの装置の紙面に対して垂直な方向から光導波路１４を伝搬すると、光導波路１４を覆い囲むように形成された光吸収領域１５で光吸収が起こる。光信号が光吸収領域１５に吸収されると、この内部で正孔−電子対が発生する。ここで、電極１８が正、電極１９が負になるように電圧を印加すると、これら正孔と電子は、光導波路１４の左側で発生した場合は左側のｐ型半導体層１７とｎ型半導体層１６の間に発生する電界によりドリフトし、電流として検出される。また、光導波路１４の右側で発生した場合は右側のｐ型半導体層１７とｎ型半導体層１６の間に発生する電界によりドリフトし、電流として検出される。ここで、光の伝搬方向に対する垂直面において斜め方向にpin構造が形成されるため、従来の縦型構造および横型構造の両欠点が回避された光検出が可能となる。すなわち、縦型構造の光検出装置と比べて、光導波路１４内に電界を生じさせる必要がないため光導波路１４に不純物をドーピングする必要がなく、光信号の損失を小さくできる。さらに、光導波路１４と光吸収領域１５が接合されているため、光信号を吸収するために必要な導波路長を短くでき、装置の小型化・低消費電力化が実現できる。また、横型構造の光検出装置と比べて、両電極１８、１９間の距離が短くでき、さらに光導波路１４を避けるように電界をかけることができるので、高速化、低消費電力化が実現でき、光吸収領域１５で生成された正孔−電子対と多数キャリアとの再結合確率を低くできるため、変換効率が向上できる。さらには、ｐ型半導体層１７とｎ型半導体層１６は横型構造と同様の配置ではないため、アライメントの精度が緩和される。

つぎに、本発明の実施形態である図１に示す導波路型光検出装置の製造工程を、図２Ａ〜図２Dの（a）〜（l）を用いて説明する。なお図２Ａ〜図２Ｄの各図は、図１（a）に示す導波路型光検出装置の破線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。

本実施例では、図２Ａ(a)に示すように、半導体基板１１としてSi基板、クラッド層１２として埋め込み酸化膜層、光導波路層１３としてＳｉ層が積層構造となるＳＯＩ基板を用いた場合における作製プロセスを示す。

まず図２Ａ(b)に示すように、光導波路層１３上部に導電性領域形成用マスク２２を形成する。

次に図２Ａ(c)に示すように、イオン注入や熱拡散などを用いてｐ型半導体層１７を形成する。

次に図２Ｂ(d)に示すように、導電性領域形成用マスク２２を除去した後、光導波路１４を形成するためにＳｉＯ_２絶縁体マスク２０を形成する。

次に図２Ｂ(e)に示すように、ドライエッチングを用いて光導波路層１３をエッチングし、光導波路１４を形成する。このとき、図２Ｃ(g)に示す工程においてエッチングされた部分を領域選択結晶成長の基部とするために、クラッド層１２と光導波路層１３の境界の上部に３０ｎｍ以下の光導波路層１３を残すようエッチングする。

次に図２Ｂ(ｆ)に示すように、光導波路１４の上部に形成されたＳｉＯ_２絶縁体マスク２０のみを除去する。

次に図２Ｃ(g)に示すように、結晶成長により光導波路１４の周囲に光吸収領域１５を形成する。このとき、ＳｉＯ_２絶縁体マスク２０の上には結晶は成長されず、薄く残した光導波路層１３を基部として、光吸収領域１５が形成される。この光吸収領域１５は、入射される光のエネルギー以下のバンドギャップエネルギーを持つ真性半導体で形成され、例えば、Ｇｅ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂのいずれかで形成される。

次に図２Ｃ(ｈ)に示すように、素子全面に絶縁膜２１を堆積させる。

次に図２Ｃ(i)に示すように、推積された絶縁膜２１のうち、光吸収領域１５の上部の一部をエッチングにより除去し、電極１８を形成するための窓構造２３を形成する。

次に図２Ｄ(j)に示すように、絶縁膜２１をマスクに用いて、n型半導体層１６を形成する。

次に図２Ｄ(k)に示すように、図２Ｃ(i)で形成した窓構造２３に電極金属を蒸着してｎ側の電極１８を形成する。

次に図２Ｄ(l)に示すように、ｐ型半導体層１７の上部に堆積している絶縁膜２１およびＳｉＯ_２絶縁体マスク２０の一部を除去し、電極１９を形成するための窓構造２４を形成する。

最後に、図２Ｄ(l)で形成した窓構造２４に電極金属を蒸着してｐ側の電極１９を形成し、図１に示す導波路型光検出装置が完成する。

（実施形態２）
図３は本発明の他の実施形態を示す図であり、同図（ａ）は上面図であり、（ｂ）は同図（a）に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。

図３に示すように、本実施形態２の光検出装置は、ｐ型半導体層１７をクラッド層１２上かつ光導波路１４の左右に形成したことを特徴とする。このような構造であっても、実施形態１に示す構造と同様に、従来の縦型構造および横型構造の欠点を回避することができる。また、図３に示す構造は、生成キャリアの走行距離を光吸収領域１５の厚さで決定することができ、この膜厚を薄くすることで、より高速動作が可能な導波路型光検出装置を実現することができる。

なお、実施形態２に示す導波路型光検出装置の製造工程は、図２Ａ〜図２Ｄに示した製造工程の一部を適時変更することで実現可能である。

（実施形態３）
図４は本発明の他の実施形態を示す図であり、同図（ａ）は上面図であり、（ｂ）は同図（a）に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。

図４に示すように、本実施形態３の光検出装置は、光吸収領域１５の上部の一部にｎ型半導体層１６を含み、さらに光吸収領域１５の両側部の一部にｐ型半導体層１７を含むことを特徴とする。この構造は、選択成長で形成した光吸収領域１５において、ｐ型半導体層１７とｎ型半導体層１６を選択的にドーピングして形成するため、これらの層間に存在する生成キャリアが走行するノンドープ領域の距離を選択成長直後の構造より短縮することができるため、さらに高速な応答が可能な導波路型光検出装置を実現することができる。

なお、実施形態３に示す導波路型光検出装置の製造工程の技術的特徴は図２Ａ〜図２Ｄに示した製造工程と同様であり、この製造工程の一部を適時変更することで、本実施形態に示す導波路型光検出装置が実現可能である。

（実施形態４）
図５は本発明の他の実施形態を示す図であり、同図（ａ）は上面図であり、（ｂ）は同図（a）に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、（ｃ）は同図（a）に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。

図５に示すように、本実施形態４の光検出装置は、ｐ型半導体層１７に接触形成された電極１９を、前記光吸収領域１５の外部かつ、光の進行方向に対して前方または後方に形成したことを特徴とする。

この構造においても図３同様に、生成キャリアの走行距離を光吸収領域１５の厚さで決定することができ、膜厚を薄くすることで、高速動作が可能な光検出装置が実現可能となる。また、光吸収領域１５を光導波路１４の周囲に選択的に結晶成長させて形成する工程において、光吸収領域１５の下部はドーピングしたｐ型半導体層１７を結晶成長させ、この上に光吸収領域１５を結晶成長させることで形成するため、不純物半導体層と光吸収領域１５を別の工程で形成する必要がなく、製造工程の簡易化が可能である。その他の製造工程においては、図２Ａ〜図２Ｄに示した製造工程の一部を適時変更することで、本実施形態に示す導波路型光検出装置が実現可能である。

以上に本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施の形態は、これらに限るものではない。

例えば、上述した各実施形態において、ｎ型半導体層１６およびｐ型半導体層１７はそれぞれ、これらより不純物濃度が高いｎ＋型半導体層およびｐ＋型半導体層としてもよくまた、それぞれ不純物濃度が異なり同じ導電型の半導体層が接合された導電型の半導体層であってもよく、ｐ型半導体層１７およびｎ型半導体層１６が存在しない場合であってもよい。さらに、これらの半導体層１６、１７および、これらより不純物濃度が高い半導体層の配置は図示したものと逆としても同様の効果が得られる。

また、上述した各実施形態におけるｐ型半導体層１７とｎ型半導体層１６の形成方法および、これらより不純物濃度が高い不純物半導体層の形成方法は、光吸収領域１５を選択的にドーピングしても、光導波路層１３を選択的にドーピングしても、ドーピングした層を光吸収領域１５に隣接した位置に選択成長させても、これらの組み合わせを用いても、どのような形成方法を用いた場合であっても同様の効果を得ることができる。

また、上述した各実施形態において、絶縁膜２１は必ずしも必要ではなく、絶縁膜２１がなくても、光吸収領域１５の上部を選択的にドーピングする工程やこれよって形成された構造、および選択的にドーピングした領域に電極を接触形成することのできる構造、さらに電極が他の領域と電気的に絶縁されている構造を適用すれば、同様の効果が得られる。

また、実施形態４に示したｐ型半導体層１７に接触形成された電極１９の配置は、上記のどの実施形態に対しても適用可能である。

このように、本発明の実施の形態は、趣旨を逸脱しない範囲内において種々に変形して実施することが可能である。

本発明の実施形態１を示す構造図であり、同図（ａ）は上面図であり、（ｂ）は同図（a）に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。本発明の実施形態１の製造工程を示す断面図である。本発明の実施形態１の製造工程を示す断面図である。本発明の実施形態１の製造工程を示す断面図である。本発明の実施形態１の製造工程を示す断面図である。本発明の実施形態２を示す構造図であり、同図（ａ）は上面図であり、（ｂ）は同図（a）に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。本発明の実施形態３を示す構造図であり、同図（ａ）は上面図であり、（ｂ）は同図（a）に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図である。本発明の実施形態４を示す構造図であり、同図（ａ）は上面図であり、（ｂ）は同図（a）に示す破線Ａ−Ａ’に沿った断面図であり、(c）は同図（a）に示す破線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図である。

符号の説明

１１：半導体基板
１２：クラッド層
１３：光導波路層
１４：光導波路
１５：光吸収領域
１６：ｎ型半導体層
１７：ｐ型半導体層
１８，１９：電極
２０：ＳｉＯ_２絶縁体マスク
２１：絶縁膜
２２：導電性領域形成用マスク
２３，２４：窓構造

Claims

半導体基板上に形成された、ノンドープ層からなる光導波路と、これを囲むように形成された光吸収領域と、この光吸収領域の上部に形成された第１の電極と、前記光吸収領域の下部または両側部に形成された第２の電極と、を備えることを特徴とする導波路型光検出装置。
前記光吸収領域の上部において、前記第１の電極に接触形成された第１導電型半導体層と、前記光吸収領域の下部または両側部において、前記第２の電極に接触形成された第２導電型半導体層と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の導波路型光検出装置。
前記光吸収領域の下部に形成された第２の電極は、前記光吸収領域の外部でかつ、光の伝搬方向に対して前方または後方の位置の前記半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の導波路型光検出装置。
前記光吸収領域は、真性半導体領域であることを特徴とする請求項２に記載の導波路型光検出装置。
前記光吸収領域は、第１導電型半導体層およびこれに接合する第２導電型半導体層を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の導波路型光検出装置。
前記第１導電型半導体層の導電型がｐ型のとき前記第２導電型半導体層の導電型はｎ型であり、または、前記第１導電型半導体層の導電型がｎ型のとき前記第２導電型半導体層の導電型はｐ型であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の導波路型光検出装置。
前記光導波路の底部の両側に光導波路層が延長形成され、この光導波路層の膜厚は30nm以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の導波路型光検出装置。
前記光吸収領域を形成する半導体は、Ｇｅ、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＳｂ、ＩｎＧａＳｂ，ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の導波路型光検出装置。
前記光導波路および前記光導波路層の材料は、Ｓi、ＳiＮ、ＳiＯＮ, ＳiＯＣ, ＳiＣＮのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の導波路型光検出装置。
前記第１の電極と前記第２の電極との間に、外部から逆方向に電界をかけることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の導波路型光検出装置。
半導体基板上に、ノンドープ層からなる光導波路を形成する工程と、これを囲むように光吸収領域を形成する工程と、この光吸収領域の上部に第１導電型半導体層を形成する工程と、この第１導電型半導体層に第１の電極を形成する工程と、前記光吸収領域の両側部または下部に第２導電型半導体層を形成する工程と、この第２導電型半導体層に第２の電極を形成する工程と、を具備することを特徴とする導波路型光検出装置の製造方法。
前記光導波路を形成する工程は、前記光導波路の底部の両側に３０nｍ以下の厚さの光導波路層を延長形成するようにエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載の導波路型光検出装置の製造方法。