JP2007273832A - フォトダイオードとその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体層3の表面に櫛形の周期的凹凸構造8を設け、周期的凹凸構造8の凸部の上面上に第1の電極1を配置し、凹部の底面上に第2の電極2を配置する。周期的かつ立体的に配置された第1および第2の電極によって入射光により表面プラズモン共鳴が励起され、励起された表面プラズモンによって第1および第2の電極の少なくとも一方と半導体との界面に近接場光を含むフォトンが励起される。この近接場光によって、第1の電極1および第2の電極2近傍の半導体層3内の空乏層において電子・正孔対が発生するので、光電流を得ることができる。
【選択図】図1
Description
図1は本発明の第1の実施形態のMSM型フォトダイオードの斜視図であり、図2は図1のA−A’線に沿った断面図である。
[1] 0.12<nsP/λ<0.47かつnsd/λ<0.35;
[2] 0.12<nsP/λ<0.44かつ0.65<nsd/λ<1.15;
[3] 0.12<nsP/λ<0.44かつ1.48<nsd/λ<1.98;
[4] 0.80<nsP/λ<0.90かつ0.44<nsd/λ<0.64;
[5] 4.28<2nsP/λ+nsd/λ<4.60かつ1.08<nsd/λ<1.48;
[6] 1.37<nsP/λ<1.70かつnsd/λ<0.20;
[7] 1.70<nsP/λ<1.95かつ0.12<nsd/λ<0.50;
[8] 3.24<nsP/λ+nsd/λ<3.50かつ1.76<nsP/λ<2.25;
[9] 2.45<nsP/λ<2.52かつ1.80<nsd/λ<1.96
のいずれかが満たされるようにすべきことが分かる。
[10] 0.28<nsP/λ<0.40かつ0.12<nsd/λ<0.24;
[11] 0.28<nsP/λ<0.40かつ0.80<nsd/λ<1.00;
[12] 0.28<nsP/λ<0.40かつ1.64<nsd/λ<1.80;
[13] 1.74<nsP/λ<1.90かつ0.20<nsd/λ<0.44;
[14] 3.33<nsP/λ+nsd/λ<3.44かつ1.83<nsP/λ<1.97
のいずれかが満たされるようにする。
[構造]
図7は、第1の実施形態に基づくMSM型フォトダイオードの一例の断面図である。基板4上に半導体層としてn型Si層9が設けられており、n型Si層9の表面には周期的凹凸構造8が形成されている。n型Si層9の周期的凹凸表面には、いずれもCr膜12とAg膜11の積層構造からなる第1の電極1および第2の電極2が設けられている。Cr膜12は、Ag膜11をn型Si層9上に形成する際のいわゆる密着層として設けられている。基板4としては、通常のSi基板が用いられている。第1の電極1および第2の電極2の表面も含めて周期的凹凸構造8の表面の全面に、保護膜あるいは反射防止膜としてSiO2層10が設けられている。さらに、SiO2層10の表面には、第1の電極1および第2の電極2と負荷抵抗やバイアス電源などの周辺回路とを電気的に接続するための第1の電極パッド13および第2の電極パッド14が設けられている。第1の電極パッド13は、SiO2層10を貫通する穴によって第1の電極1と電気的に接続し、第2の電極パッド14は、SiO2層10を貫通する穴によって第1の電極2と電気的に接続している。
次に、実施例1のフォトダイオードの動作を説明する。入射光7は、周期的凹凸構造8の上に周期的に配置された第1の電極1および第2の電極2に入射する。入射光7は第1の電極1および第2の電極2における表面プラズモンと結合し、周期構造によって表面プラズモンとの共鳴状態をつくる。この共鳴状態の生成によって、第1の電極1および第2の電極2とn型Si層9との界面近傍に強い近接場光が発生する。この近接場光は、第1の電極1および第2の電極2近傍のn型Si層9内に生じるショットキー障壁に伴う空乏層において電子・正孔対を発生することによって光起電力を生じさせ、その結果、入射光7の強度は負荷抵抗5の両端の電位差に変換される。
次に、実施例1のMSM型フォトダイオードの製造プロセスについて、図10および図11を参照して説明する。
図12に示した実施例2のMSM型フォトダイオードは、本発明の第1の実施形態に基づくものであるが、図7に示す実施例1のフォトダイオードとは、n型Si層9の上にSiGe層16を設けている点で異なっている。SiGe層16は、n型Si層9の表面に形成された周期的凹凸構造において、凸部の上面と第1の電極1との間、および凹部の底面と第2の電極2との間に位置している。周期的凹凸構造8の側面の位置にもSiGe層16が設けられていてもよい。このような構造は、SiGe層16は、n型Si層9の表面に周期的凹凸構造8を形成した後、n型Si層9の表面にSiGeをエピタキシャル成長させ、その後、実施例1の場合と同様に電極形成を行うことにより得られる。
図13に示した実施例3のMSM型フォトダイオードは、本発明の第1の実施形態に基づくものであるが、図7に示す実施例1のフォトダイオードとは、基板4の上に埋め込み酸化層17が設けられている点で異なっている。n型Si層9は、周期的凹凸構造8における凸部の位置にだけ設けられており、周期的凹凸構造8における凹部の位置では、埋め込み酸化層(埋め込みSiO2層)17上に第2の電極2が直接設けられている。第2の電極2は、その側面がn型Si層9に接合している。このフォトダイオードでは、n型Si層9と埋め込み酸化層17との屈折率差による共振構造を設けることで、透過光成分をさらに減らすことが可能であり、より効率を高めることができる。すなわち、Siの屈折率がほぼ3.4であり、埋め込み酸化層18を構成するSiO2の屈折率がほぼ1.5であるので、ファブリー・ペロー型の共振構造が得られ、n型Si層9と埋め込み酸化層17との界面で光が反射されるようになり、入射光がn型Si層9内に閉じ込められるようになる。このような効果を得るためには、n型Si層9の厚みは、Si層中における光の波長の半分の整数倍であることが好ましい。また、埋め込み酸化層17の上のn型Si層9内においてのみキャリアが発生するので、n型Si層9の表面から深い領域で発生するキャリアを無くすことができ、より高速な応答を得ることができる。
図14は、実施例4のMSM型フォトダイオードを示しており、図15は図14のC−C’線に沿った断面図である。この実施例4のフォトダイオードも本発明の第1の実施形態に基づくものである。実施例4のフォトダイオードは、上述の各実施例のものとは異なって、n型Si層9に表面に同心円状の周期的凹凸構造8を備えている。
図16は、実施例5のMSM型フォトダイオードを示しており、図17は図16のD−D’線に沿った断面図である。このフォトダイオードも、第1の実施形態に基づくものである。n型Si層9の表面には、円柱状の凸部(突起)が周期的に配列されて周期的凹凸構造8を形成し、凹部(すなわち円柱状の突起以外の部位)に第2の電極2がそれぞれ配置されている。円柱状の凸部を囲むように、第2の電極2上には絶縁体層18が設けられている。円柱状の凸部の上面には、第1の電極1が形成されている。この場合、円柱状の凸部はその1つ1つが孤立しているので、例えば列方向に並ぶ各凸部の第1の電極1が連結するように、絶縁体層18上にも橋架け状に第1の電極1が形成されている。円柱列は、図示されるように正方格子で周期的に並んでいてもよいし、三角格子で周期的に並んでいてもよい。このような構成では、隣接する円柱間のピッチを周期的凹凸構造における周期Pと定義する。このフォトダイオードでは、周期Pは図3〜図5を用いて説明したものと同様の値とする。また、円柱状の突起の直径は、例えば、周期Pの半分程度とする。絶縁体層18を構成する材料としては、成膜が容易でかつ安定した膜が得られるものが用いられ、例えば、SiO2、SiON、SiNなどを用いることができる。
図18は、本発明の第2の実施形態のMSM型フォトダイオードを示している。図18に示すフォトダイオードは、図2に示す第1の実施形態のものと同様のものであるが、周期的凹凸構造8の凸部の少なくとも一部分が、第1の電極1と接している上部と比較して細くなっている点で、第1の実施形態のものと相違している。図18に示したものでは、凸部の断面形状が逆台形となっている。このような構造は、フォトダイオード製造時に、第1の電極1と第2の電極2とが短絡し難くなるという長所を有する。
図19に示した実施例6のMSM型フォトダイオードは、本発明の第2の実施形態に基づくものである。このフォトダイオードでは、周期的凹凸構造8の凸部の形状が、基板4側の相対的に幅が狭い部分と、上面側の相対的に幅が広い部分との2段構造となっており、断面形状はT字型になっている。この構造は、周期的凹凸構造8を作製するときに、2段階のエッチングを行うことで得られる。
図20に示した実施例7のMSM型フォトダイオードは、本発明の第2の実施形態に基づくものである。このフォトダイオードでは、周期的凹凸構造8の凸部の形状が下部がくびれており、凸部の断面形状がワイングラス型となっている。この構造は、周期的凹凸構造8を作製するときに、2段階のエッチングを行うことで得られる。
図21は、本発明の第3の実施形態のMSM型フォトダイオードを示している。図21に示すフォトダイオードは、第1の実施形態のものと同様のものであるが、周期的凹凸構造8を覆うように設けられた絶縁体層18上に、レンズ19などの集光構造が設けられた点で相違する。レンズ19は、フォトダイオードの受光面に入射光を収束させるものである。この構造では、レンズ19などの集光構造によって入射光7を集光するため、フォトダイオードの電気容量を小さく保ったまま、実効的な受光面積を大きくすることができるという長所を有する。したがって、大受光面積、高効率、高速応答なフォトダイオードを得ることができる。
図22に示した実施例8のMSM型フォトダイオードは、本発明の第3の実施形態に基づくものである。絶縁体層としてのSiO2層10の上面に、レンズに代わるものとして回折格子20が形成されており、この回折格子20によってによって入射光7をフォトダイオードの受光部分に集光させて、表面プラズモン共鳴状態を形成することができる。
図23は、本発明の第4の実施形態のMSM型フォトダイオードを示している。図23に示すフォトダイオードは、第1の実施形態のものと同様のものであるが、半導体光吸収層の下部側に、反射ミラー22などの反射構造を設けた点で相違している。ここでは、曲率を有するように基板4自体を研磨し、基板4の表面に金属膜を蒸着して反射ミラー22を形成している。このような構造の反射ミラー22を設けることは、化合物半導体を用いた一般の光電変換素子において、既に知られている技術である。
図24に示した実施例9のMSM型フォトダイオードは、本発明の第4の実施形態に基づくものであり、図7に示す実施例1のフォトダイオードにおいて、基板4とn型Si層9の間に反射多層膜21を備えた構成のものである。例えば、図9に示した計算例では、入射光7の4%程度が透過光となっているが、反射多層膜21によりこの透過光を再び受光層に戻すことで、より高効率なフォトダイオードが得られる。反射多層膜21は屈折率の異なる材料、例えばSiとSiO2を周期的に積層することで得られる。
図25は、本発明の第5の実施形態のMSM型フォトダイオードを示している。このフォトダイオードは、半導体光吸収層の周辺に集光構造を設けた構成のものである。図13に示す埋め込み酸化膜17を有するフォトダイオードにおいて、周期的凹凸構造8の形成領域の外側の位置で埋め込み酸化膜17上に金属周期構造体23が形成されている。すなわち、金属周期構造体23は、第2の電極2の外周部に沿って形成されている。さらにこの金属周期構造体23の外周に沿うように、ブラッグ反射体24も形成されている。このフォトダイオードでは、金属周期構造体23に入射した光は、金属周期構造体23における表面プラズモンと結合し、外周部に向けて散逸する表面プラズモンはブラッグ反射体24により反射されて半導体層3の受光部分に集められる。したがって、このフォトダイオードは、その電気容量を小さく保ったまま、実効的な受光面積を大きくすることができるという長所を有する。
本発明は、MSM型フォトダイオードのみに適用されるものではなく、他の種類のフォトダイオードにも適用できるものである。図26は、本発明の第6の実施形態に基づくトンネル接合型フォトダイオードの断面図である。このフォトダイオードは、構造的には図2に示す第1の実施形態のものと類似しているが、第1の電極1および第2の電極2の一方あるいは両方と、半導体層3との間に薄い絶縁体層18Aが設けられ、トンネル接合を形成している点で、第1の実施形態のものと異なっている。絶縁体層18Aを設けることで電極金属の密着性を良くすることもできる。また、暗電流を減らすこともできるという長所を有する。トンネル接合を構成するための絶縁体層18Aは、例えばSiO2からなってその厚さは1〜2nm程度のものである。
図27は、本発明の第7の実施形態に基づくショットキー型フォトダイオードの断面図である。このフォトダイオードは、構造的には図2に示す第1の実施形態のものと類似しているが、半導体層が、基板4の全面に形成されたn+型半導体層26と、周期的凹凸構造の凸部のみに形成されたn型半導体層25の2層構成であり、第1の電極1とn型半導体層25との間にショットキー接合が形成され、第2の電極2とn+型半導体層26との間にオーミック接合形成され、ショットキー型フォトダイオードとなっている点で、第1の実施形態のもものと異なっている。このように、n型半導体層25とn+型半導体層26の積層構造を持った半導体基板に対しても本発明のフォトダイオードを作りこむことが可能であり、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
図28は、本発明の第8の実施形態に基づくpin型フォトダイオードの断面図である。このフォトダイオードは、構造的には図2に示す第1の実施形態のものと類似しているが、半導体層として、p+型半導体層28とi型半導体層27とn+型半導体層26とが積層構造になった半導体基板を用い、pin接合を得ている点である、第1の実施形態のものとは異なっている。基板4の全面にn+半導体層26が形成され、周期的凹凸構造の凸部の部分にのみi+半導体層27とp+半導体層28が設けられている。したがって、第2の電極2はn+半導体層26と接合し、第1の電極1はp+半導体層28と接合する。
本発明によるフォトダイオードは、情報処理あるいは光通信の分野で高速に光信号を検出する場合に好ましく利用できるものである。以下、本発明のフォトダイオードを利用した機器の例について説明する。
図30は、本発明の第10の実施形態として、本発明によるフォトダイオードを搭載したLSI(大規模集積回路)チップ間インターコネクトを示している。
2 第2の電極
3 半導体
4 基板
5 負荷抵抗
6 バイアス電源
7 入射光
8 周期的凹凸構造
9 n型Si層
10 SiO2層
11 Ag膜
12 Cr膜
13 第1の電極パッド
14 第2の電極パッド
15 レジスト
16 SiGe層
17 埋め込み酸化層
18,18A 絶縁体層
19,19A レンズ
20 回折格子
21 反射多層膜
22 反射ミラー
23 金属周期構造体
24 ブラッグ反射体
25 n型半導体層
26 n+型半導体層
27 i型半導体層
28 p+型半導体層
29 光ファイバ
30 信号光
31 フォトダイオード
32 モジュール筐体
33 電気配線
34 プリアンプIC
35 チップキャリア
36 VCSEL光源
37 光源および変調用電気配線ビア
38 フォトダイオード用電気配線ビア
39 LSIパッケージ
40 光源および変調用電気配線層
41 フォトダイオード用電気配線層
42 光信号出力ファイバ
43 光信号入力ファイバ
44 LSI搭載ボード
45A,45B 凹面鏡
46 フォトダイオード/光源搭載ボード
Claims (15)
- 周期的凹凸を表面に有し、少なくとも前記周期的凹凸の凸部が半導体で形成されている構造体と、
前記周期的凹凸の前記凸部の上面上に配置された第1の電極と、
前記周期的凹凸の凹部の底面上に配置され前記半導体と電気的に接続する第2の電極と、
を有し、
周期的かつ立体的に配置された前記第1および第2の電極によって入射光により表面プラズモン共鳴が励起され、励起された表面プラズモンによって前記第1および第2の電極の少なくとも一方と前記半導体との界面に近接場光を含むフォトンが励起される、フォトダイオード。 - 周期的凹凸を表面に有し、少なくとも前記周期的凹凸の凸部が半導体で形成されている構造体と、
前記周期的凹凸の前記凸部の上面上に配置された第1の電極と、
前記周期的凹凸の凹部の底面上に配置され前記半導体と電気的に接続する第2の電極と、
を有し、
入射光の波長をλとし、前記半導体の屈折率をnsとし、前記半導体の周期的凹凸の周期をPとし、前記周期的凹凸における高さ方向での前記第1の電極と前記第2の電極の電極間距離をdとして、以下の条件[1]〜[9]:
[1] 0.12<nsP/λ<0.47かつnsd/λ<0.35;
[2] 0.12<nsP/λ<0.44かつ0.65<nsd/λ<1.15;
[3] 0.12<nsP/λ<0.44かつ1.48<nsd/λ<1.98;
[4] 0.80<nsP/λ<0.90かつ0.44<nsd/λ<0.64;
[5] 4.28<2nsP/λ+nsd/λ<4.60かつ1.08<nsd/λ<1.48;
[6] 1.37<nsP/λ<1.70かつnsd/λ<0.20;
[7] 1.70<nsP/λ<1.95かつ0.12<nsd/λ<0.50;
[8] 3.24<nsP/λ+nsd/λ<3.50かつ1.76<nsP/λ<2.25;および
[9] 2.45<nsP/λ<2.52かつ1.80<nsd/λ<1.9
のいずれかが成立するフォトダイオード。 - 周期的凹凸を表面に有し、少なくとも前記周期的凹凸の凸部が半導体で形成されている構造体と、
前記周期的凹凸の前記凸部の上面上に配置された第1の電極と、
前記周期的凹凸の凹部の底面上に配置され前記半導体と電気的に接続する第2の電極と、
を有し、
入射光の波長をλとし、前記半導体の屈折率をnsとし、前記周期的凹凸において前記周期的凹凸の周期の方向に沿った前記第1の電極と前記第2の電極との間の間隙の幅をWとして、nsW/λ<0.2を満たす、フォトダイオード。 - 周期的凹凸を表面に有し、少なくとも前記周期的凹凸の凸部が半導体で形成されている構造体と、
前記周期的凹凸の前記凸部の上面上に配置された第1の電極と、
前記周期的凹凸の凹部の底面上に配置され前記半導体と電気的に接続する第2の電極と、
を有し、
受光面における前記第1の電極または第2の電極で覆われている部分の割合を被覆率Rとして、R≧0.8を満たす、フォトダイオード。 - 前記構造体は前記半導体からなり、前記半導体の表面の凹凸形状として前記周期的凹凸が形成されている、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
- 前記構造体は、絶縁層と、前記絶縁層の表面上に前記凸部として設けられる前記半導体とを有する、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
- 前記第1および第2の電極がそれぞれ前記半導体とショットキー接合を形成し、MSM型フォトダイオードとして構成された、請求項1乃至6のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
- 前記第1および第2の電極のいずれか一方が前記半導体と接する部位でショットキー接合を形成し、前記第1または第2の電極のもう一方が前記半導体と接する部位でオーミック接合を形成し、ショットキー型フォトダイオードとして構成された、請求項1乃至6のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
- 前記半導体がp型半導体およびi型半導体およびn型半導体の積層構造を有し、前記第1の電極が前記p型半導体およびn型半導体のいずれか一方と接し、前記第2の電極が前記p型半導体およびn型半導体のもう一方と接し、pin型フォトダイオードとして構成された、請求項1乃至6のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
- 前記第1および第2の電極の一方あるいは両方と、前記半導体との間に薄い絶縁体層が設けられトンネル接合を形成している、請求項1乃至9のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
- 前記周期的凹凸の凸部の断面形状の少なくとも一部分が、上部よりも細くなっている、請求項1乃至10のいずれか1項に記載のフォトダイオード。
- 半導体表面に周期的凹凸を形成する工程と、
前記周期的凹凸上に導電膜を形成する工程と、
前記周期的凹凸の凸部の側壁に付着した導電膜を取り除くことにより、前記導電膜の前記周期的凹凸の凸部上に形成された部分と前記周期的凹凸の凹部に形成された部分とを分離し、前記周期的凹凸の凸部に配置された第1の電極と前記周期的凹凸の凹部に配置された第2の電極とを得る電極形成工程と、
を有するフォトダイオードの製造方法。 - 前記電極形成工程において、ウェットエッチング加工を用いて前記周期的凹凸の凸部の側壁に付着した導電膜を取り除く、請求項12に記載のフォトダイオードの製造方法。
- 請求項1乃至11のいずれかに記載のフォトダイオードを受光部に備える光通信デバイス。
- 請求項1乃至11のいずれかに記載のフォトダイオードが形成されたSi基板と、前記Si基板上に前記フォトダイオードとモノリシックに形成されたLSI電子回路とを備える光インターコネクション。
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