JP2007248141A - 受光素子及び光配線ｌｓｉ - Google Patents

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Abstract

【課題】 表面プラズモンを伝送するための開口における表面プラズモンの透過光量の低下を招くことなく、高速応答性の向上をはかる。
【解決手段】 入射光を表面プラズモンに変換するための結合周期構造１２が表面に設けられ、該結合周期構造１２中に表裏面を貫通する開口１３が設けられた導電性薄膜１１と、開口１３の結合周期構造１２が設けられた面と反対面の端部に配置された受光部とを有した受光素子であって、開口１３の形状はスリット状であり、入射光の特定の偏光方向と直交する方向の開口幅が表面プラズモン波長の１／２より長く、且つ偏光方向と平行な方向の開口幅が表面プラズモン波長の１／２より短い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズモン集光アンテナを有する受光素子、及びそれを用いた光配線ＬＳＩに関する。
近年、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ等の電子デバイスの性能向上により、大規模集積回路（ＬＳＩ）の飛躍的な動作速度向上が図られてきている。しかしながら、トランジスタの微細化による性能向上の一方で、それを接続する電気配線は微細化により配線抵抗や配線間容量の増大が深刻な問題となり、これがＬＳＩ性能向上のボトルネックになりつつある。
このような電気配線の問題を鑑み、ＬＳＩ内を光で接続する光配線ＬＳＩが幾つか提案されている。光配線は、直流から１００ＧＨｚ以上の周波数で損失の周波数依存性が殆ど無く、配線路の電磁障害なども無いため数１０Ｇｂｐｓ以上の配線が容易に実現できる。
この種のＬＳＩ内光配線には、ＬＳＩの基板材料であるシリコン（Ｓｉ）からなる高速受光素子が必要である。一般に、Ｓｉは間接遷移半導体であるため光吸収効率が低く、光受光効率と高速性を両立するのが難しい。これを解決するため、金属などの導電性材料の表面を伝わる表面プラズモンを利用した集光アンテナ型受光素子が知られている（例えば、非特許文献１参照）。さらに、この表面プラズモンによる集光と微小開口の光透過も公知となっている（例えば、非特許文献２参照）。一方、プラズモン集光アンテナ型受光素子とは異なるが、レーザ素子においては微小開口の光伝達効率を改善するため、非対称の開口を用いる手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１８９５１９号公報 Japanese Journal of Applied Physics Vol.44, No.12, p.L364 (2005) Optics Letters Vol.26, No.24, p.1972 (2001)
非特許文献１のような技術では、プラズモン集光アンテナにより集光した光が微小開口を通過した直後、即ち微小開口の出口にＳｉ受光層を配して光電変換する必要がある。また、微小開口長さ（導電性薄膜厚さに相当）が長いと、開口を通過する光が大幅に減衰してしまうため、プラズモン集光アンテナを形成する導電性薄膜は光が透過しない程度に薄く形成する必要がある。
このため、ＬＳＩ配線に光を適用する場合、集光アンテナ型受光素子をトランジスタ形成面（Ｓｉ基板表面）に形成する方法、集光アンテナ型受光素子を別基板に形成して張り合わせ、又はＬＳＩの多層配線上にプラズモンアンテナとポリＳｉ受光層を配置し、多層配線上で光電変換してトランジスタ形成面まで電気配線により信号伝達する方法、の何れかを用いる必要がある。
しかし、集光アンテナ型受光素子をトランジスタ形成面に形成する方法は、ＬＳＩのトランジスタ集積数を激減させてしまい、ＬＳＩの本質的機能を損なわせてしまうため現実的でない。また、ＬＳＩ多層配線上に集光アンテナ型受光素子を形成し、そこからＳｉ基板面まで電気配線する方法は、電気配線部分の寄生ＬＣＲによる信号劣化や雑音の増加、他の電気配線へのクロストーク発生などの問題を生じ易く、光配線による高速性が損なわれ易いという問題があった。
また、非特許文献２の方法では、高速応答のためには開口を小さくした方が望ましいが、開口を小さくすると表面プラズモンの透過光量の低下を招く問題があった。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、表面プラズモンを伝送するための開口における表面プラズモンの透過光量の低下を招くことなく、高速応答性の向上をはかり得る受光素子を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、ＬＳＩチップ上で高速光配線を実現することができ、構成が簡潔で信号の劣化やクロストークなどの問題がなく、またＬＳＩ集積度や光配線の高速性を損なうことのない光配線ＬＳＩを提供することにある。
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
即ち、本発明の一態様は、入射光を表面プラズモンに変換するための結合周期構造が表面に設けられ、該結合周期構造中に表裏面を貫通する開口が設けられた導電性薄膜と、前記開口の前記結合周期構造が設けられた面と反対面の端部に配置された受光部とを有した受光素子であって、前記開口の形状はスリット状であり、前記入射光の偏光方向と直交する方向の開口幅が前記表面プラズモン波長の１／２より長く、且つ前記偏光方向と平行な方向の開口幅が前記表面プラズモン波長の１／２より短いことを特徴とする。
また、本発明の別の一態様は、入射光を表面プラズモンに変換するための結合周期構造が表面に設けられ、該結合周期構造中に表裏面を貫通する開口が設けられた導電性薄膜と、前記開口の前記結合周期構造が設けられた面と反対面の端部に配置された受光部とを有した受光素子であって、前記開口の形状は、２つのスリットを直交交差させた十字形であり、各々のスリットの長辺方向が前記表面プラズモン波長の１／２より長く、短辺方向が前記表面プラズモン波長の１／２より短いことを特徴とする。
また、本発明の更に別の一態様は、光配線ＬＳＩにおいて、半導体基板上に集積形成されたトランジスタ素子と、前記トランジスタ素子上に設けられた多層配線構造部と、前記多層配線構造部上に設けられ、入射光を表面プラズモンに変換するための結合周期構造が上面に形成され、且つ該結合周期構造中に上下面を貫通する開口が形成された導電性薄膜と、前記多層配線構造部の上下面を貫通して設けられ、前記導電性薄膜の開口と連続する導波開口が内部に形成された導電性柱と、前記導電性柱の導波開口の端部に位置するように前記半導体基板の表面に設けられた半導体受光部と、を具備したことを特徴とする。
本発明によれば、表面プラズモンを透過させるための開口をスリット又は十字形に形成することにより、同じ径の円形開口に比べて、透過光量の低下を招くことなく開口面積を小さくすることができる。従って、表面プラズモンを伝送するための開口における表面プラズモンの透過光量の低下を招くことなく、高速応答性の向上をはかることができる。
また、本発明の受光素子を光配線ＬＳＩに適用することにより、ＬＳＩチップ上で高速光配線を実現することができ、構成が簡潔で信号の劣化やクロストークなどの問題がない光配線ＬＳＩを実現することができる。
本発明の骨子は、光を受光するためのプラズモン集光アンテナをＬＳＩの多層配線の上又はＬＳＩの多層配線中に設け、そこで集光された表面プラズモンを微小開口導波路によりＳｉ基板面まで伝送して受光（光電変換）するようにしたことにある。一般に、光の波長以下の開口を透過する光は開口サイズ縮小に応じて劇的に透過光量が低下してしまうため、本発明では入射する光のうち一定の偏光方向を選択的に集光して非対称開口による偏光選択伝送を行う、又は偏光方向を非選択的に集光して直交する非対称開口の合成開口により偏光分離伝送を行うものである。
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
ここでは、具体的受光材料としてＳｉを用いて説明を行っていくが、これは例えば、Ｇｅ，ＳｉＧｅ，ＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓなど、光受信可能な材料が光受信部（光電変換部）にあれば同様に実施可能であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、ここでは１つの受光素子（光配線受信部）を抽出した形で示していくが、これは勿論、多数の受光素子を集積すること、ＬＳＩチップ上に集積することを意図しており、集積する受光素子や光配線の数は任意である。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる受光素子におけるプラズモン集光アンテナ部の概略構成を示す平面図である。
図中の１１は導電性薄膜、１２は同心円状周期構造（部分掘り込みパターン）、１３は開口である。開口１３は、導電性薄膜１１の表面から裏面まで貫通して設けられている。同心円状周期構造１２は、導電性薄膜の表面の一部をエッチングした部分堀り込みパターンである。同心円状周期構造１２の内側領域（Ａ）は、紙面と垂直方向に入射する光を表面プラズモンに結合させる結合周期構造であり、外側領域（Ｂ）は、結合周期構造（Ａ）で結合された表面プラズモンのうち素子の外側方向に発散する成分をブラッグ反射して内側へ戻す反射周期構造である。
導電性薄膜１１には、例えばＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｗ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏなどの金属を用い、スパッタや加熱蒸着などの手法を用いて形成すれば良い。ここでは、導電性薄膜１１としてＡｇ用いることとし、後述する受光素子を形成するためのＳｉ基板の表面に例えば１００ｎｍの厚さに形成する。
同心円状周期構造１２は、受光する光の波長に合わせた周期を形成する必要がある。受光波長をλ、導電性薄膜１１の誘電率をε１、導電性薄膜に接する物質の誘電率をε２とすると、結合周期構造（Ａ）の周期Ｐｃは、
Ｐｃ〜λ（１／ε１＋１／ε２）1/2
という値で近似される。反射周期構造（Ｂ）の周期Ｐｂは、
Ｐｂ＝Ｐｃ／２
とすれば良い。
例として、導電性薄膜１１（Ａｇ厚１００ｎｍ）表面に集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置を用いて５０ｎｍの深さで、図１に示すような同心円状の周期構造を形成し、導電性薄膜１１の表面が空気の場合にＰｃを８４０ｎｍ（Ｐｂ＝４２０ｎｍ）、導電性薄膜１１の表面に厚さ１μｍ程度のＳｉＯ2 パッシベーション膜を形成した場合にＰｃを５６０ｎｍ（Ｐｂ＝２８０ｎｍ）とすると、何れも受光可能な中心波長λが８５０ｎｍ近傍になる。このとき、同心円状周期構造１２は、図１に示すように開口１３を中心とする対称な扇形とし、その扇形の開き角を例えば４５°とする。この形状は、同心円状周期構造１２を中心対称に４分割し、それを１つおきに切り取って２つ残したときの形状に相当している。
こうすることにより、扇形の中心軸方向（紙面左右方向）に偏光した光は表面プラズモンに変換して集光し、それに直交する偏光成分は集光しない構造となる。このことは、中央の開口１３を通して受光する光成分が扇形の中心軸方向に偏光した光になり、偏光選択受光が可能になることを意味している。偏光成分の分離をより確実にするためには、扇角度で４５°近傍で受光する光を切り捨てればよく、例えば図１の扇形の開き角を３０°とすればより確実である。
図１の開口１３は、光を光電変換する受光層が十分小さな領域に限定されるよう最小限の大きさとする。その基準として、図１の扇形の中心軸に直交する方向はプラズモン波長の１／２よりやや大きくし、扇形の中心軸に平行な方向はプラズモン波長の１／２より小さく設定する。即ち、開口１３は入射光の偏光方向に関連したスリット状の開口とする。プラズモン波長λｐは、厳密には開口内部でのプラズモン波長であるが、前述したＰｃ（プラズモン集光アンテナ表面でのプラズモン波長に相当）とほぼ同程度の大きさとなるため、開口１３は長辺（偏光方向に直交）をＰｃ／２以上とすれば、短辺（偏光方向）はＰｃ／２よりかなり小さな値でも構わない。
例えば、前記したλ〜８５０ｎｍの場合で導電性薄膜１１の表面に厚さ１μｍ程度のＳｉＯ2 パッシベーション膜を形成した場合に、開口１３の長辺（偏光方向に直交）を２８０ｎｍ以上（例えば４００ｎｍ）、短辺（偏光方向）を２８０ｎｍ以下（例えば１００ｎｍ）とする。勿論、開口１３は導電性薄膜１１を貫通する穴であり、前述の例（Ａｇ厚１００ｎｍ）ではＦＩＢを用いて長さ４００ｎｍ、幅１００ｎｍの溝として深さ１００ｎｍ以上の掘り込み加工を行えばよい。
このように構成することで、（特許文献１）に示されている原理により、開口１３の伝播損失を低減でき、開口１３の部分だけ厚く形成しても開口１３の中でのプラズモン減衰を大幅に低減可能になる。例として、開口１３の部分の厚さ（開口長）を１μｍとし、４００ｎｍ×１００ｎｍのスリット状開口の長辺に直交する偏光の透過率を見積もると、約４１％の透過率となる。一方、上記スリット状開口の長辺に平行な偏光の透過率は実質ゼロ（〜１×１０-18）であった。また、開口１３の厚さ（開口長）を１０μｍとしても、４００ｎｍ×１００ｎｍのスリット状開口の長辺に直交する方向の偏光の透過率は、約６％が確保可能である。
参考までに、上記のスリット状開口と同じ面積の円開口（直径２２６ｎｍ）で透過率を見積もると２×１０-9とこれもゼロに近く、従来技術では開口部の厚さを非常に薄くするか、開口径を大きくする必要があることが分かる。例えば、上記の円形開口で開口部分の厚さを１００ｎｍとすると透過率は１６％程度となる。また、開口部厚さを１μｍとして開口径を５００ｎｍとすれば８０％程度の透過率が可能であるが、その開口面積は本実施形態のスリット状開口の５倍程度に大きくなってしまう。
また、５００ｎｍもの大きな円形開口を用意するためには、それより大きな導電性円柱（例えば直径８００ｎｍ）が必要であり、後述のＬＳＩへの搭載において多層膜配線のレイアウト制限やトランジスタ配置に影響が大きく、更に受光素子部でのトランジスタ集積数減少によりＬＳＩのトランジスタ集積数が低下する問題がある。さらに、開口系の増大に伴い受光素子の面積が大きくなり、例えばｐｎ接合でフォトダイオードを形成した場合、接合容量が大きいことから高速応答が難しくなる。
ここで、本実施形態（図１）の開口１３の長辺は入射光の偏光方向に直交していることが必要であるが、その条件を満たすため前述したように扇形のプラズモン集光アンテナを用いている。上述したスリット形開口１３に対し、従来例のような完全同心円のプラズモン集光アンテナを適用すると、スリット形開口の長辺に平行な偏光成分が開口１３の中に入ることができず、プラズモン集光アンテナ上で散乱又は吸収により減衰するまで反射周期構造（Ｂ）により多重反射して閉じ込められてしまう。その際、散乱された表面プラズモンの一部がスリット状開口１３に入射可能な成分となり、遅延入射光となって受信波形の劣化や雑音の増加を引き起こしてしまう問題がある。
次に、図１に示したプラズモン集光アンテナを適用した受光素子の詳細を、図２〜図４に示す。図２及び図３は、図１の平面図のＩ−１３−Ｉ’部分で１／４領域を切り取った斜視図であり、１４はｎ型Ｓｉ基板、１５は裏面電極（例えばＡｌ）、１６は受光のための低濃度Ｓｉ層、１７は受光領域規定のためのＳｉＯ2 熱酸化膜である。図４は、図１の平面図のＩ−Ｉ”部分で切った断面図である。
図２〜図４では図示していないが、導電性薄膜１１の上にＳｉＯ2 パッシベーション膜が形成されていても良く、その場合、同心円状周期構造１２の周期を変更することで機能は同等になる。
プラズモン集光アンテナは、例えば低濃度Ｓｉ層１６とのショットキー電極及びＳｉＯ2 熱酸化膜１７との密着金属としてＴｉ膜（図示せず）を１０ｎｍ設けた上に、導電性薄膜１１としてＡｇを１００ｎｍ設ける。そして、スリット形開口１３を４００ｎｍ×１００ｎｍとし、同心円状周期構造１２を深さ５０ｎｍで、図１と同様に結合周期構造Ａ（例えば１０周期）、その外側に反射周期構造Ｂ（例えば５周期）を配置する。
このとき、受光波長を８５０ｎｍとすると、ＳｉＯ2 パッシベーション型の素子（Ｐｃ＝５６０ｎｍ）で約１４μｍφの周期構造径となる。また、受光径は約１１μｍφとなり、単一モード光ファイバで伝送された光をバットジョイント結合で受光することが可能になる。受光層１６は例えば厚さを２μｍとし、受光領域規定の熱酸化ＳｉＯ2 膜１７を２μｍ形成する。これにより、受光部（開口１３下部）以外の低濃度Ｓｉ層１６は約１μｍほどが熱酸化ＳｉＯ2 膜１７に変化し、残厚が約１μｍになる。
このような構成とすることにより、受光効率約１０％（光電変換係数０．０８Ａ／Ｗ）、応答速度１５ＧＨｚ以上といった特性の受光素子が得られた。
このように本実施形態によれば、受光素子の光電変換面積が受光アンテナ（プラズモン集光アンテナ）面積より遥かに小さく、受光波長を直径とする円よりも大幅に小さくすることができる。しかも、表面プラズモンを透過させるための開口１３をスリット状に形成することにより、同じ径の円形開口に比べて、透過光量の低下を招くことなく開口面積を小さくすることができ、高速応答性の向上をはかることができる。即ち、受光効率及び応答速度の優れた受光素子を実現することができる。
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係わる受光素子のプラズモン集光アンテナ部の概略構成を示す平面図である。なお、図５中の２１〜２３は図１中の１１〜１３に相当している。
前述した第１の実施形態では、入射する光のうち一定の偏光方向を選択的に集光して非対称開口（スリット）による偏光選択伝送を行ったが、本実施形態では、偏光方向を非選択的に集光し、直交する非対称開口（スリット状開口）の合成開口により偏光分離伝送を行っている。
即ち、図１の偏光選択型プラズモン集光アンテナ及びスリット状開口の組み合わせを２つ用意し、スリット状開口の中心を重ねて直交配置したものが、図５である。その結果、本実施形態では、プラズモン集光アンテナは、従来技術と同様な同心円型周期構造となるが、中央の開口２３は従来例と異なる十字型開口になっている。ここで、十字形開口２３の各々のスリットの長辺方向が表面プラズモン波長の１／２より長く、短辺方向が表面プラズモン波長の１／２より短くなっている。
十字型開口２３の特徴はスリット型開口１３と同様であり、十字型の頂点間距離（頂部長さ、即ちスリットの長辺方向）をプラズモン波長の１／２以上とすることで、十字型の溝幅（線幅、即ちスリットの短辺方向）をプラズモン波長の１／２よりかなり狭くしても開口の透過率を高く保つことができる。
その原理はスリット状開口と基本的に同じであり、十字型を分離して２つのスリット開口に分けて考えれば理解し易い。即ち、それぞれのスリットは特定方向の偏光に対して透過率が高く、それに直交する偏光の透過率が低い。ところが、各スリットが直交配置される結果、何れの方向の偏光が入ってきても、それぞれのスリットの透過率が高い方向成分に分割され、２つスリットが各成分を透過するため、結果として偏光方向に関係なく開口透過するようになる。
例えば、十字型を分割した１つのスリットの長手方向に対し、４５°傾いた偏光の光を入射する場合、スリット開口が１つの場合は１／２の成分の光が開口入射し、残りの１／２分は前述したようにプラズモン集光アンテナ内で多重反射して、やがて散乱や吸収で消滅する。ところが、もう一つの直交するスリット開口がある場合、上記の残り１／２分は速やかにもう一方のスリット開口に入射する。結果として、十字型開口の反対側にはそれぞれ直交する成分の表面プラズモンが別々のスリットを通ってきた如く現われ、十字開口の出口で合成されて元の表面プラズモンが復元される。
以上の結果、十字型スリットの頂部長さはプラズモン波長の１／２以上に設定し、その溝幅を十分狭くすることで、開口面積を縮小しながら、プラズモン波長の１／２よりも十分大きな円形開口と同様な高い透過率特性が得られる。しかも、入射光の偏光方向依存のない微小受光面積の高速受光素子が実現可能になる。
図６及び図７は、図５の平面図のII−２３−II’部分で１／４領域を切り取った斜視図であり、図６，図７中の２１〜２５は図２，図３の１１〜１５に相当している。
この場合のプラズモン集光アンテナは、例えば低濃度Ｓｉ層２６とのショットキー電極及びＳｉＯ2 膜２７との密着金属としてＴｉを１０ｎｍ設けた上に、導電性薄膜２１としてＡｇを１００ｎｍ設ける。そして、十字開口２３の頂部長さをそれぞれ４００ｎｍ、十字開口２３の溝幅（線幅）を１００ｎｍとし、同心円状周期構造２２を深さ５０ｎｍで図１と同様に結合周期構造Ａ（例えば１０周期）、その外側に反射周期構造Ｂ（例えば５周期）を、図５のように同心円状に配置する。
このとき、受光波長を８５０ｎｍとすると、ＳｉＯ2 パッシベーション型の素子（Ｐｃ＝５６０ｎｍ）で約１４μｍφの周期構造径となる。また、受光径は約１１μｍφとなり、単一モード光ファイバで伝送された光をバットジョイント結合で受光することが可能になる。受光層２６は例えば厚さを２μｍとし、受光領域規定の熱酸化ＳｉＯ2 膜２７を２μｍ形成する。これにより、受光部（開口２３下部）以外の低濃度Ｓｉ層２６は約１μｍ程が熱酸化ＳｉＯ2 膜２７に変化し、残厚が約１μｍになる。
このような構成とすることにより、受光効率約１０％（光電変換係数０．０８Ａ／Ｗ）、応答速度１５ＧＨｚ以上といった特性で、入射光の偏光方向依存がない受光素子が得られた。この場合、開口２３の断面積が第１の実施形態の約２倍になっており、受光面積も約２倍になっているが、素子の寄生容量は十分小さく、受光素子応答特性がＳｉ層２６をキャリアが通過する時間で支配されるため、第１の実施形態と同等な応答速度が得られている。
（第３の実施形態）
図８及び図９は、本発明の第３の実施形態に係わる光配線ＬＳＩの概略構成を示す断面斜視図である。なお、図８、図９の中で、図６、図７と同じ番号は同様であり、その説明を省略する。
図８中の３１は半導体受光部、３２はＣＭＯＳトランジスタ、３３はＣｕ配線、３４は層間絶縁膜、３５は多層配線構造、３６は円柱導電体（金属柱）である。ここでは、図６、図７で示した偏光依存のない十字型開口の受光素子を用いて光配線ＬＳＩを構成した例を示している。図９において、３１ａはｐ型ウェル、３１ｂはｎ型受光層であり、ｐ型ウェル３１ａはｎ型基板２４と電気的に分離可能にするための反転導電ウェルである。
また、開口（十字型）２３は、多層配線構造部３５上のプラズモン集光アンテナからの表面プラズモンを多層配線構造部３５中を貫いて伝送するため、集光アンテナ部分より厚い金属柱（導電性柱）３６がＳｉ基板面まで延長されている。なお、開口部２３が十字型であることから、多層配線構造部３５を貫く延長部での金属柱３６の外形も十字型とすることで、円筒金属柱のように大きなレイアウト面積を占有することなく、多層配線構造部３５及びトランジスタレイアウトのセクション（四角領域）間境界の隙間などに埋め込むことが可能になる。
多層配線構造部３５中の十字型金属柱３６は多層配線金属であるＣｕを用いても良いが、吸収損失がやや大きいため、可能であればＡｇを用いることが望ましい。その場合、例えば多層配線の工程終了後、多層配線の層間絶縁膜３４及び一部Ｃｕ配線３３（受光素子のバイアスラインなど）を貫く十字溝を設け、メッキによりＡｇ充填を行って十字型金属柱３６を形成する。その後、プラズモン集光アンテナの形成とドライエッチングによる十字開口の形成を行えばよい。
ＬＳＩの多層配線は、一般的に１０μｍ程度の厚さを有しており、十字型開口のプラズモン伝送距離は１０μｍ前後となる。これは、前述した第２の実施形態の導電性薄膜２１を貫くだけの伝送とは異なり、やや余裕を持ったサイズで開口を用意することが伝送損失低減のため望ましい。例えば、十字型開口２３として頂部長さ４５０ｎｍ、十字溝幅２００ｎｍといったＡｇ導波路で１０μｍ伝送すると、波長８５０ｎｍの入射光で約２０％の伝送効率を得ることができる。このときの開口面積（受光面積）は直径４２０ｎｍの円形開口程度の面積であり、受光素子の応答速度を１５ＧＨｚ程度から低下させる程の面積にはならない。
従って本実施形態では、ＬＳＩ多層配線の上部からＳｉ基板面まで表面プラズモンのまま伝送しても−７ｄＢ程度の損失で、僅か１〜２個のトランジスタを用いた利得で十分回復可能であり、逆に光配線による高速動作（例えば１０ＧＨｚクロック）が波形の劣化や過剰ジッタの増加がない状態で実現できるという効果を持っている。
このように本実施形態によれば、先の第２の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、受光アンテナがＬＳＩのトランジスタ集積面から離れた位置に形成可能であるため、トランジスタ集積度を殆ど低下することなく光配線が導入でき、多層配線のレイアウトも制限を非常に小さくすることができる。これにより、受光素子光電変換部をＬＳＩのトランジスタ集積面（Ｓｉ基板）の僅かな隙間領域に形成可能で、トランジスタにほぼ直結して配線可能なため電気配線による劣化や雑音増加が殆ど生じない、などの特徴を有する。従って、ＬＳＩチップ内の高速光配線が効果的に構築可能になり、ＬＳＩの高速化、高性能化を促進して情報通信機器などの高度化に大きく貢献可能である。
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した本発明実施形態はいくつかの具体例を示しているが、これはあくまで構成例であり、本発明の主旨に従い個々の要素に他の手段（材料、寸法など）を用いても構わないものである。また、実施形態に示された材料、形状、配置などはあくまで一例であり、また、各実施形態を組み合わせて実施することも可能である。例えば、第１の実施形態では受光素子が偏光依存性を強く持ち、偏光面のずれに敏感となってしまうが、これを逆に利用し、２つの第１の実施形態による受光素子を用意し、それぞれ直交する配置とすることにより、偏光多重した一括照射の光に対し光を偏光分離して受信できるようにすることができる。
また、開口内は必ずしも空洞にする必要はなく、ＳｉＯ2 やＳｉＮ等の誘電体を埋め込んでも良い。また、受光部はフォトダイオードに限るものではなく、フォトトランジスタを用いることもできる。さらに、光を電気信号に変換する光電変換材料を設けるようにしても良い。
その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができるものである。
第１の実施形態に係わる受光素子におけるプラズモン集光アンテナの概略構成を示す平面図。 第１の実施形態に係わる受光素子の概略構成を一部切欠して示す斜視図。 第１の実施形態に係わる受光素子の要部を拡大して示す斜視図。 第１の実施形態に係わる受光素子の概略構成を示す断面図。 第２の実施形態に係わる受光素子におけるプラズモン集光アンテナの概略構成を示す平面。 第２の実施形態に係わる受光素子の概略構成を一部切欠して示す斜視図。 第２の実施形態に係わる受光素子の要部を拡大して示す斜視図。 第３の実施形態に係わる光配線ＬＳＩの概略構成を一部切欠して示す斜視図。 第３の実施形態に係わる光配線ＬＳＩの要部を拡大して示す斜視図。
符号の説明
１１，２１…導電性薄膜
１２，２２…周期構造
１３，２３…微小開口
１４，２４…Ｓｉ基板
１５，２５…電極
１６…低濃度ｉ層（受光層）
１７…ＳｉＯ2 熱酸化膜
３１…半導体受光部
３１ａ…ｐ型ウェル
３１ｂ…ｎ型受光層
３２…ＣＭＯＳトランジスタ
３３…Ｃｕ配線
３４…層間絶縁膜
３５…多層配線構造部
３６…金属柱（導電性柱）

Claims (9)

  1. 入射光を表面プラズモンに変換するための結合周期構造が表面に設けられ、該結合周期構造中に表裏面を貫通する開口が設けられた導電性薄膜と、前記開口の前記結合周期構造が設けられた面と反対面の端部に配置された受光部とを有した受光素子であって、
    前記開口の形状はスリット状であり、前記入射光の偏光方向と直交する方向の開口幅が前記表面プラズモン波長の１／２より長く、且つ前記偏光方向と平行な方向の開口幅が前記表面プラズモン波長の１／２より短いことを特徴とする受光素子。
  2. 前記結合周期構造は、前記開口を中心とする同心円状構造であり、且つ前記開口から対称に前記偏光方向に広がる扇形領域に選択的に設けられていることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
  3. 入射光を表面プラズモンに変換するための結合周期構造が表面に設けられ、該結合周期構造中に表裏面を貫通する開口が設けられた導電性薄膜と、前記開口の前記結合周期構造が設けられた面と反対面の端部に配置された受光部とを有した受光素子であって、
    前記開口の形状は、２つのスリットを直交交差させた十字形であり、各々のスリットの長辺方向が前記表面プラズモン波長の１／２より長く、短辺方向が前記表面プラズモン波長の１／２より短いことを特徴とする受光素子。
  4. 前記結合周期構造は、前記開口を中心とする同心円構造であることを特徴とする請求項３記載の受光素子。
  5. 前記導電性薄膜の表面で前記結合周期構造の外側に、前記表面プラズモンを反射して閉じ込めるための反射周期構造が更に形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の受光素子。
  6. 前記導電性薄膜は半導体基板上に形成され、前記受光部は前記半導体基板の表面にフォトダイオードを形成したものであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の受光素子。
  7. 半導体基板上に集積形成されたトランジスタ素子と、
    前記トランジスタ素子上に設けられた多層配線構造部と、
    前記多層配線構造部上に設けられ、入射光を表面プラズモンに変換するための結合周期構造が上面に形成され、且つ該結合周期構造中に上下面を貫通する開口が形成された導電性薄膜と、
    前記多層配線構造部の上下面を貫通して設けられ、前記導電性薄膜の開口と連続する導波開口が内部に形成された導電性柱と、
    前記導電性柱の導波開口の端部に位置するように前記半導体基板の表面に設けられた半導体受光部と、
    を具備したことを特徴とする光配線ＬＳＩ。
  8. 前記開口は、長辺が前記表面プラズモン波長の１／２より長くそれに直交する短辺が前記表面プラズモン波長の１／２より短いスリット状であり、前記結合周期構造が前記開口を中心とする同心円状構造であり、且つ前記開口から対称に該開口の短辺方向に広がる扇形領域に選択的に設けられていることを特徴とする請求項７記載の光配線ＬＳＩ。
  9. 前記開口は、長辺方向が前記表面プラズモン波長の１／２より長く、短辺方向が前記表面プラズモン波長の１／２より短い２つのスリットを直交交差させた十字形であり、前記結合周期構造が前記開口を中心とする同心円構造であることを特徴とする請求項７記載の光配線ＬＳＩ。
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