JP2016178234A - 半導体受光デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】 基板側から光が入射可能で、かつ光吸収層での入射光の吸収効率を向上させることが可能な受光デバイスを提供する。
【解決手段】 基板と、前記基板上に配置された光吸収層を含む半導体層と、前記基板と前記半導体層の間に配置され、光が前記基板側から入射される、屈折率が周期的に変化する第１の構造体層と、前記半導体層上に配置された反射層と、前記光吸収層に電圧を印加する一対の電極と、を備えることを特徴とする半導体受光デバイス。
【選択図】図１

Description

実施形態は、半導体受光デバイスに関する。
周知のように半導体受光デバイスは、入射した光を光電変換して光を検知する半導体デバイスである。半導体受光デバイスは、半導体層の光吸収層の端面で光を受光する端面受光デバイスと、半導体層の光吸収層の面で光を受光する面受光デバイスとに分類される。
端面受光デバイスは、光吸収層の端面から光が入射し、光が光吸収層の面に沿って拡散するため、光吸収層での光吸収効率が高く、高い光電変換性能を有する。しかしながら、端面受光デバイスは受光部である端面において高い精度で光カップリングを実現することが難しく、構造が複雑化する。
他方、面受光デバイスは例えば特許文献１に開示されている。当該面受光デバイスは、例えばIII−V族半導体から作られる基板と、この基板上に形成され、波長選択性を有するフィルタ部と、このフィルタ部上に形成され、光吸収層を有する光検知部とを備える。この受光デバイスは、光が基板側からフィルタ部を通して光検知部に入射されるため、光カップリングが容易になる。
特開２００３−２３４４９４号公報
実施形態は、基板側から光が入射可能で、かつ光吸収層での入射光の吸収効率を向上させることが可能な半導体受光デバイスを提供する。
前記課題を解決するために、実施形態によると、基板と、前記基板上に配置された光吸収層を含む半導体層と、前記基板と前記半導体層の間に配置され、光が前記基板側から入射される、屈折率が周期的に変化する第１の構造体層と、前記半導体層上に配置された反射層と、前記光吸収層に電圧を印加する一対の電極とを備えることを特徴とする半導体受光デバイスが提供される。
実施形態に係る半導体受光デバイスを示す断面図である。 実施形態に係る半導体受光デバイスの製造工程を示す断面図である。 実施形態に係る半導体受光デバイスの製造工程を示す断面図である。 実施形態に係る半導体受光デバイスの製造工程を示す断面図である。 実施形態に係る別の半導体受光デバイスを示す断面図である。 実施形態に係る別の半導体受光デバイスの製造工程を示す断面図である。 実施形態に係る別の半導体受光デバイスの製造工程を示す断面図である。 実施形態に係る別の半導体受光デバイスの製造工程を示す断面図である。 実施形態に係る別の半導体受光デバイスの製造工程を示す断面図である。 互いに周期の異なる第１、第２の構造体層を組込んだ実施形態の半導体受光デバイスにおいて、光を基板を通して第１の構造体層に入射したときの、伝播光、反射光および透過光の出力比を示す特性図である。
以下、実施形態に係る半導体受光デバイスを詳細に説明する。
実施形態に係る半導体受光デバイスは、基板を備える。光吸収層を含む半導体層は、基板の主面に配置されている。屈折率が周期的に変化する第１の構造体層は、基板と半導体層の間に配置されている。第１の構造体層には、光が基板側から例えばスポットとして入射される。反射層は、半導体層上に配置されている。光吸収層に電圧を印加する一対の電極を備えている。
前記基板は、例えば光透過性の高いシリコン基板を用いることができる。
前記半導体層の光吸収層は、入射される前記光の一波長分の厚さを有することが好ましい。光吸収層を含む半導体層は、例えばIII−V族の半導体から作られる。III−V族の半導体は、例えばＩｎＰ系半導体、ＧａＡｓ系半導体、またはＧａＮ系半導体を挙げることができる。
前記ＩｎＰ系半導体から作られる光吸収層を含む半導体層は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸層（光吸収層）を中心にして上下にＩｎＧａＡｓＰの光閉じ込め層、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＰのクラッド層、ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓのコンタクト層がそれぞれ形成された構造を有する。
別のＩｎＰ系半導体から作られる光吸収層を含む半導体層は、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓの多重量子井戸層（光吸収層）を中心にして上下にＩｎＧａＡｌＡｓの光閉じ込め層、ＩｎＧａＡｌＡｓまたはＩｎＰのクラッド層、ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓのコンタクト層がそれぞれ形成された構造を有する。
前記ＧａＡｓ系半導体から作られる光吸収層を含む半導体層は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸層（光吸収層）を中心にして上下にＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓの光閉じ込め層、ＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓのクラッド層、ＧａＡｓのコンタクト層がそれぞれ形成された構造を有する。
別のＧａＡｓ系半導体から作られる光吸収層を含む半導体層は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸層（光吸収層）を中心にして上下にＡｌＧａＡｓの光閉じ込め層、ＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓのクラッド層、ＧａＡｓのコンタクト層がそれぞれ形成された構造を有する。
さらに別のＧａＡｓ系半導体から作られる光吸収層を含む半導体層は、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓの多重量子井戸層（光吸収層）を中心にして上下にＡｌＧａＩｎＰの光閉じ込め層、ＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＡｓのクラッド層、ＧａＡｓのコンタクト層がそれぞれ形成された構造を有する。
前記ＧａＮ系半導体から作られる光吸収層を含む半導体層は、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮの多重量子井戸層（光吸収層）を中心にして上下にＡｌＧａＮまたはＧａＮの光閉じ込め層、ＡｌＧａＮまたはＧａＮのクラッド層、ＧａＮまたはＩｎＧａＮのコンタクト層がそれぞれ形成された構造を有する。
なお、前記各III−V系半導体から作られる半導体層において、基板側に配置されるクラッド層およびコンタクト層は１つの層（コンタクト層を兼ねるクラッド層）で形成し、上層側のクラッド層およびコンタクト層は１つのクラッド層のみで形成してもよい。
また、光吸収層を含む半導体層は例えばII−VI族の半導体（ＣｄＺｎＳＳｅのようなＺｎＳｅ系半導体）から作ることもできる。
前記第１の構造体層は、例えばフォトニック結晶から作られる。フォトニック結晶は、母材層に当該母材層と異なる屈折率を持つ複数の領域を一次元方向または二次元方向に周期的に配置した構造を有する。具体的には、フォトニック結晶は例えばアモルファスシリコンのような母材層に複数の帯状孔を一次元方向に周期的に開口するか、または複数の円形、矩形の孔を二次元方向に周期的に開口し、これらの孔に母材に比べて低屈折率の誘電体層を埋め込んだ構造を有する。低屈折率の誘電体は、例えばＳｉＯ2、ＳｉＮ，ＡｌＮ，Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＯx（ｘは１＜ｘ＜１．５）を挙げることができる。
ここで、光の入射側である第１の構造体層の周期は入射される光の波長により選択される。例えば、入射される光の波長が長い場合には第１の構造体層の周期を長くし、入射される光の波長が短い場合には第１の構造体層の周期を短くする。
反射層は、例えば金属ミラーを含む。金属ミラーを用いる形態において、光が可視光の場合には金属ミラーは例えばＡｇから作ることができる。光が近赤外の場合には、金属ミラーは例えばＡｕ，Ａｌ，Ｃｕから作ることができる。
反射層は、斜め方向から入射される光に対する吸収性が金属ミラー比べて低い多層反射膜を含むことが好ましい。多層反射膜は、例えば高屈折率半導体層と低屈折率半導体層を交互に積層した分布反射型（Distributed Bragg Reflector: DBR)のミラーを挙げることができる。高屈折率半導体層と低屈折率半導体層は、例えばｐ型またはｎ型ＩｎＰ層とｐ型またはｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ層の組合せ、ｐ型またはｎ型ＩｎＰ層とｐ型またはｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層の組み合わせ、ｐ型またはｎ型ＧａＡｓ層とｐ型またはｎ型ＡｌＧａＡｓ層の組合せ等を挙げることができる。
反射層は、前記半導体層に多層反射膜および金属ミラーをこの順序で積層した構造であってもよい。
反射層は、前記半導体層に屈折率が周期的に変化する第２の構造体層および金属ミラーをこの順序で積層した構造にしてもよい。第２の構造体層は、半導体層に対して直接接して配置されるか、または絶縁層を間に挟んで配置される。
第１、第２の構造体層は、互いに異なる周期を有することが好ましい。
一対の電極は、前述した複数のIII−V族（またはII−VI族）の半導体層のうちの最下層および最上層に位置する層（例えばコンタクト層）にそれぞれ接続される。コンタクトされる層がＩｎＰ系である場合、第２導電型（例えばｐ型）側の電極にはＴｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＺｎ／Ａｕを用いることができ、第１導電型（例えばｎ型）側の電極にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いることができる。コンタクトされる層がＧａＡｓ系である場合、第２導電型（例えばｐ型）側の電極にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いることができ、第１導電型（例えばｎ型）側の電極にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを用いることができる。
一対の電極のうちの一方の電極が前記半導体層を覆う形態において、当該一方の電極は前記金属ミラーを兼ねることができる。
次に、実施形態に係る半導体受光デバイスを図１を参照してより具体的に説明する。
図１は、実施形態に係る半導体受光デバイスの断面図である。半導体受光デバイスは、例えば光透過性の高いシリコンから作られる例えば矩形状の基板１を備える。基板１の主面には、絶縁膜２および屈折率が周期的に変化する、フォトニック結晶からなる第１の構造体層３が部分的に形成されている。すなわち、絶縁膜２および第１の構造体層３は所望の形状、例えば円形状にパターン化されている。フォトニック結晶は、例えば母材層３ａに複数の帯状孔を一次元方向に周期的に開口し、これらの孔に母材に比べて低屈折率の誘電体層３ｂをそれぞれ埋め込んだ構造を有する。円形状の絶縁膜２および第１の構造体層３を除く基板１には、基板と同材質の層、例えばアモルファスシリコン層４が第１の構造体層３表面と面一になるように形成されている。つまり、第１の構造体層３はアモルファスシリコン層４にその表面が当該アモルファスシリコン層４表面と面一になるように埋め込まれている。
第１の構造体層３を含むアモルファスシリコン層４の表面には、第１導電型半導体（例えばｎ型ＩｎＰ半導体）からなるコンタクトを兼ねるクラッド層５が形成されている。クラッド層５上には、第１導電型半導体からなる光閉じ込め層６、半導体からなる光吸収層７、第２導電型半導体（例えばｐ型ＩｎＰ半導体）からなる光閉じ込め層８、第２導電型半導体からなるクラッド層９がこの順序で積層されている。なお、コンタクトを兼ねるクラッド層５、光閉じ込め層６、光吸収層７、光閉じ込め層８およびクラッド層９により半導体層１０を構成している。
半導体層１０の最上層に位置するクラッド層９の表面には、反射層としての多層反射膜１１が形成されている。多層反射膜１１は、高屈折率半導体層と低屈折率半導体層を交互に積層した分布反射型（Distributed Bragg Reflector: DBR)ミラーである。高屈折率半導体層と低屈折率半導体層は、例えばｐ型ＩｎＰ層１１ｂとｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ層１１ａとである。半導体層１０の最下層に位置するクラッド層５の所望深さの表層から最上層のクラッド層９および多層反射膜１１は、メサ形成により円錐台形の積層体構造をなし、この積層体構造の周辺に最下層に位置するクラッド層５が露出している。
例えばＳｉ3Ｎ4からなる絶縁膜（パッシベーション膜）１２は、前記円錐台形の積層体構造の表面および露出した最下層に位置するクラッド層５表面を被覆している。多層反射膜１１の上面に位置し、かつその上面周縁を除く絶縁膜１２部分には、例えば円形の電極コンタクト穴１３が開口されている。露出した最下層に位置するクラッド層５上に位置する絶縁膜１２部分には、例えばリング状の電極コンタクト穴１４が前記円錐台形の積層体構造に対して同心円状に開口されている。円形キャップ状の第２導電型用電極（例えばｐ型用電極）１５は、絶縁膜１２表面に前記円錐台形の積層体構造を覆うように設けられている。また、ｐ型用電極１５は円形の電極コンタクト穴１３を通して多層反射膜１１の最上層に位置するｐ型ＩｎＰ層１１ａに接続されている。このようなｐ型用電極１５は、多層反射膜１０１含む円錐台形の積層体構造を覆っているため、反射層の金属ミラーを兼ねることができる。リング状の第１導電型用電極（例えばｎ型用電極）１６は、露出した最下層のクラッド層５上に位置する絶縁膜１２表面にｐ型用電極１５に対して同心円状に設けられている。また、ｎ型用電極１６はリング状の電極コンタクト穴１４を通して半導体層１０の最下層に位置するクラッド層５に接続されている。
次に、前述した図１に示す半導体受光デバイスの製造方法を図２〜図４を参照して説明する。
まず、図２の（Ａ）に示すように基板１表面に絶縁層２、母材層３ａ，絶縁層２１をこの順序で堆積する。つづいて、絶縁層２１上にフォトリソグラフィ技術により例えば複数の帯状孔が一次元方向に周期的に開口されたレジストパターン（図示せず）を形成する。当該レジストパターンをマスクとして絶縁層２１を選択的にエッチングして複数の帯状孔２１ａを一次元方向に周期的に形成する。パターニングされた絶縁層２１をマスクとして母材層３ａを選択的にエッチングすることにより、当該母材層３ａに複数の帯状孔３ｃを一次元方向に周期的に形成する（図２の（Ｂ）図示）。
次いで、複数の帯状孔２１ａを含む絶縁層２１表面に図示しない誘電体層（例えば絶縁層２１と同じ材料）を堆積して、母材層３ａの複数の帯状孔３ｃおよび絶縁層２１の複数の帯状孔２１ａ内を誘電体で埋め込む。その後、誘電体層および絶縁層２１を化学機械研磨（ＣＭＰ）により研磨および表面平坦化を行う。このＣＭＰにより、図２の（Ｃ）に示すように母材層３ａと、当該母材層３ａの複数の帯状孔３ｃ内に埋込まれ、母材に比べて低屈折率の誘電体層３ｂとを含むフォトフォトニック結晶からなる第１の構造体層３が形成される。つづいて、第１の構造体層３を除く母材層３ａおよびその下層の絶縁層２を選択的にエッチング除去する。エッチング部を含む全面に例えばアモルファスシリコン層を当該エッチング部に十分に埋まる程度の厚さで堆積する。その後、アモルファスシリコン層をＣＭＰにより研磨および表面平坦化を行って、図３の（Ｄ）に示すように当該エッチング部にアモルファスシリコン層４を第１の構造体層３表面と面一になるように埋め込む。すなわち、第１の構造体層３はアモルファスシリコン層４にその表面が当該アモルファスシリコン層４表面と面一になるように埋め込まれる。
また、III−V族半導体からなる基板５０の表面に例えば高屈折率半導体層と低屈折率半導体層（例えばｐ型ＩｎＰ層１１ａとｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ層１１ｂ）を交互に積層した分布反射型（Distributed Bragg Reflector: DBR)ミラーである多層反射膜１１をエピタキシャル成長（有機金属化学気相成長法：ＭＯＣＶＤまたは分子線エピタキシャル成長法：ＭＢＥ）により形成する。つづいて、第２導電型半導体（例えばｐ型ＩｎＰ半導体）からなるクラッド層９、第２導電型半導体からなる光閉じ込め層８、半導体からなる光吸収層７、第１導電型半導体（例えばｎ型ＩｎＰ半導体）からなる光閉じ込め層６および第１導電型半導体からなるコンタクトを兼ねるクラッド層５をエピタキシャル成長（有機金属化学気相成長法：ＭＯＣＶＤまたは分子線エピタキシャル成長法：ＭＢＥ）によりこの順序で積層して半導体層１０を形成する（図３（Ｅ）図示）。
次いで、III−V族半導体からなる基板５０を反転させ、最下層に位置する第１導電型半導体（例えばｎ型ＩｎＰ半導体）からなるコンタクトを兼ねるクラッド層５を基板１の最上層に位置する第１の構造体層３を含むアモルファスシリコン層４の表面に当接させ、接合を行う（図３の（Ｆ）図示）。このとき、第１の構造体層３を含むアモルファスシリコン層４上には第１導電型半導体（例えばｎ型ＩｎＰ半導体）からなるコンタクトを兼ねるクラッド層５が形成される。クラッド層５上には、第１導電型半導体からなる光閉じ込め層６、半導体からなる光吸収層７、第２導電型半導体（例えばｐ型ＩｎＰ半導体）からなる光閉じ込め層８、第２導電型半導体からなるクラッド層９がこの順序で積層され、さらにこれらの層からなる半導体層１０上に多層反射膜１１が積層される。つづいて、上部側位置するIII−V族半導体からなる基板５０をＣＭＰまたはウェットエッチングにより全て除去する（図４の（Ｇ）図示）。
次いで、多層反射膜１１から半導体層１０の最下層に位置するクラッド層５の所望深さの表層に亘ってメサエッチングを施すことにより、図４の（Ｈ）に示すように円錐台形の積層体構造を形成すると共に、当該積層体構造の周辺に半導体層１０の最下層に位置するクラッド層５を露出させる。
次いで、積層体構造を含む全面に例えばＳｉ3Ｎ4からなる絶縁膜（パッシベーション膜）１２を堆積する。つづいて、多層反射膜１１の上面に位置し、かつその上面周縁を除く絶縁膜１２部分を選択的にエッチング除去して例えば円形の電極コンタクト穴１３を開口する。同時に、露出した最下層のクラッド層５上に位置する絶縁膜１２部分を選択的にエッチング除去して、例えばリング状の電極コンタクト穴１４を円錐台形の積層体構造に対して同心円状に開口する。ひきつづき、全面に所望厚さの第２導電型用電極材料膜（例えばｐ型用電極材料膜）を堆積する。当該電極材料膜をパターニングすることにより、円錐台形の積層体構造を覆い、円形の電極コンタクト穴１３を通して多層反射膜１１の最上層に位置するｐ型ＩｎＰ層１１ａと接続する円形キャップ状の第２導電型用電極（例えばｐ型用電極）１５を形成する。その後、全面に所望厚さの第１導電型用電極材料膜（例えばｎ型用電極材料膜）を堆積する。当該電極材料膜をパターニングすることにより、露出した最下層のクラッド層５上に位置する絶縁膜１２表面にｐ型用電極１５に対して同心円状で、リング状の電極コンタクト穴１４を通して最下層のクラッド層５と接続するリング状の第１導電型用電極（例えばｎ型用電極）１６を形成する（図４の（Ｉ）図示）。その後、外形加工を施して前述した図１に示す半導体受光デバイスを製造する。
以上説明した図１に示す実施形態に係る半導体受光デバイスは、光吸収層７を含む半導体層１０と基板１の間に屈折率が周期的に変化する、例えばフォトニック結晶からなる第１の構造体層３が配置している。このような構成において、半導体層１０中の光吸収層７にｐ型用電極１５およびｎ型用電極１６から電圧を印加して逆バイアスを加えた状態で、半導体層１０にその下方の基板１側から光を入射させると、入射光は第１の構造体層３で屈折して光吸収層７に向かい、光吸収層７内を層方向に拡散する。
また、半導体層１０上に反射層である多層反射膜１１を配置することによって、前記光吸収層７内を層方向に拡散する光のうち、その上方（外部）に放出する光は前記多層反射膜１１で反射されて光吸収層に戻される。戻った光は、前記第１の構造体層３で屈折して半導体層１０の光吸収層７に向かい、光吸収層７内を層方向に拡散する。
このように基板１側からの入射光は、屈折率が周期的に変化する第１の構造体層３で屈折して半導体層１０の光吸収層７に向かい、光吸収層７内を層方向に拡散し、かつ光吸収層７の外部に放出する光は前記多層反射膜１１で反射されて光吸収層７に戻され、戻った光は記第１の構造体層３で屈折して半導体層１０の光吸収層７に向かい、光吸収層７内を層方向に再び拡散する、屈折、反射を繰り返す。その結果、光が基板１側から光吸収層７に入射、つまり光吸収層７の面に入射、しても前記第１の構造体層３と多層反射膜１１による作用によって、入射光を光吸収層７内にその層方向に沿って拡散できる。すなわち、入射光に対する光吸収層７での光吸収効率の増大によって、光吸収層７での光結合効率が増大して高い効率で光電変換がなされる。従って、一対の電極１５，１６から大きな電流を取出すことができるため、高感度の光検出が可能な半導体受光デバイスを提供できる。
なお、図１に示す反射層としての多層反射膜の代わりに金属ミラーを用いても同様な効果を奏する。しかし、金属ミラーは傾斜して入射した光に対して吸収する性質を有する。これに対し、多層反射膜は傾斜して入射した光に対する吸収が低く、大部分の光を反射するため、金属ミラーを用いた場合に比べて入射光に対する光吸収層７での光吸収効率をより増大できる。
さらに、図２〜図４に示す実施形態に係る半導体受光デバイスの製造方法によれば、予め基板（例えばシリコン基板）１の最上層に屈折率が周期的に変化する第１の構造体層３をアモルファスシリコン層４内に埋め込んで形成し、一方III−V族半導体基板５０の最上層に例えばｎ型ＩｎＰ半導体からなるコンタクトを兼ねるクラッド層５を形成し、アモルファスシリコン層４とｎ型ＩｎＰ半導体からなるクラッド層５とを互いに当接させることにより、Ｓｉ−ＩｎＰの良好な結合性によって強固に貼り合せることが可能になる。その結果、その後のIII−V族半導体基板５０を除去することによって、シリコン基板１に対するIII−V族の半導体層１０の格子不整合を考慮せずに、シリコン基板１上に高品質のIII−V族の半導体層１０を形成することが可能になる。
次に、実施形態に係る別の半導体受光デバイスを図５を参照してより具体的に説明する。
図５は、実施形態に係る別の半導体受光デバイスの断面図である。半導体受光デバイスは、例えば光透過性の高いシリコンから作られる例えば矩形状の基板１０１を備える。基板１０１の主面には、絶縁層１０２、屈折率が周期的に変化する、フォトニック結晶からなる第１の構造体層１０３および絶縁層１０４がこの順序で積層されている。フォトニック結晶は、例えば母材層１０３ａに複数の帯状孔を一次元方向に周期的に開口し、これらの孔に母材に比べて低屈折率の誘電体層１０３ｂをそれぞれ埋め込んだ構造を有する。
絶縁層１０４の表面には、円形の第１導電型半導体からなるコンタクト層１０５が形成されている。コンタクト層１０５上には、第１導電型半導体からなるクラッド層１０６、第１導電型半導体からなる光閉じ込め層１０７、半導体からなる光吸収層１０８、第２導電型半導体からなる光閉じ込め層１０９、第２導電型半導体からなるクラッド層１１０、および第２導電型半導体からなるコンタクト層１１１がこの順序で積層されている。第１導電型のコンタクト層１０５から第２導電型のコンタクト層１１１までの積層体により半導体層１６０を構成している。第１導電型半導体からなるクラッド層１０６から最上層のコンタクト層１１１までの各層は、互いに同じ径を有し、円形の第１導電型半導体からなるコンタクト層１０５より小さい径の円形であり、かつ第１導電型半導体からなるコンタクト層１０５上に当該第１導電型半導体からなるコンタクト層１０５に対して同心円状に積層されている。このため、クラッド層１０６から最上層のコンタクト層１１１までの積層体の周縁に位置する当該第１導電型半導体からなるコンタクト層１０５部分は、リング状に露出される。
半導体層１６０の最上層に位置するコンタクト層１１１の表面には、絶縁層１１２、屈折率が周期的に変化する、フォトニック結晶からなる第２の構造体層１１３および絶縁層１１４がこの順序で積層されている。フォトニック結晶は、例えば母材層１１３ａに複数の円形孔を二次元方向に周期的に開口し、これらの孔に母材に比べて低屈折率の誘電体層１１３ｂをそれぞれ埋め込んだ構造を有する。絶縁層１１２、第２の構造体層１１３および絶縁層１１４の各層は、互いに同じ径を有し、円形のコンタクト層１１１より小さい径を持つ円形であり、かつコンタクト層１１１上に当該コンタクト層１１１に対して同心円状に積層されている。このため、絶縁層１１２、第２の構造体層１１３および絶縁層１１４の積層体の周縁に位置するコンタクト層１１１部分は、リング状に露出される。
円形キャップ状の第２導電型用電極１１５は、第２導電型半導体からなるコンタクト層１１１の露出部分に絶縁層１１２、第２の構造体層１１３および絶縁層１１４の各層を覆うように設けている。電極１１５は、絶縁層１１４の表面と、絶縁層１１２、第２の構造体層１１３および絶縁層１１４の各層の側面とに接触して配置されている。リング状の第１導電型用電極１１６は、第１導電型半導体からなるコンタクト層１０５の露出部分に円形キャップ状の第２導電型用電極１１５に対して同心円状に設けている。
次に、前述した図５に示す半導体受光デバイスの製造方法を図６〜図９を参照して説明する。
まず、図６の（Ａ）に示すように基板１０１表面に絶縁層１０２、母材層１０３ａ，絶縁層１４１をこの順序で堆積する。つづいて、絶縁層１４１上にフォトリソグラフィ技術により例えば複数の帯状孔が一次元方向に周期的に開口されたレジストパターン（図示せず）を形成する。当該レジストパターンをマスクとして絶縁層１４１を選択的にエッチングして複数の帯状孔１４１ａを一次元方向に周期的に形成する。パターニングされた絶縁層１４１をマスクとして母材層１０３ａを選択的にエッチングすることにより、当該母材層１０３ａに複数の帯状孔１０３ｃを一次元方向に周期的に形成する（図６の（Ｂ）図示）。ひきつづき、複数の帯状孔１４１ａを含む絶縁層１４１表面に図示しない誘電体層（例えば絶縁層１４１と同じ材料）を堆積して、母材層１０３ａの複数の帯状孔１０３ｃおよび絶縁層１４１の複数の帯状孔１４１ａ内を誘電体で埋め込む。その後、絶縁層１４１表面の誘電体層を化学機械研磨（ＣＭＰ）により研磨および表面平坦化を行う。このＣＭＰにより、図６の（Ｃ）に示すように母材層１０３ａと、当該母材層１０３ａの複数の帯状孔１０３ｃ内に埋込まれた、母材に比べて低屈折率の誘電体層１０３ｂとを含むフォトフォトニック結晶からなる第１の構造体層１０３が形成される。なお、絶縁層１４１の複数の帯状孔１４１ａも絶縁層１４１と同材料の誘電体層で埋込まれる。
また、III−V族半導体からなる基板１５０の表面に第２導電型半導体からなるコンタクト層１１１、第２導電型半導体からなるクラッド層１１０、第２導電型半導体からなる光閉じ込め層１０９、半導体からなる光吸収層１０８、第１導電型半導体からなる光閉じ込め層１０７、第１導電型半導体からなるクラッド層１０６および第１導電型半導体からなるコンタクト層１０５をエピタキシャル成長（有機金属化学気相成長法：ＭＯＣＶＤまたは分子線エピタキシャル成長法：ＭＢＥ）によりこの順序で積層して半導体層１６０を形成する。つづいて、最上層のコンタクト層１０５表面に絶縁層１５１（絶縁層１４１と同材料）を堆積する（図７の（Ｄ）図示）。
次いで、III−V族半導体からなる基板１５０を反転させ、最下層に位置する絶縁層１５１を前記基板１０１の最上層に位置する絶縁層１４１表面に当接させ、絶縁層（例えばＳｉＯ2層）同士の接合、貼り合せを行う（図７の（Ｅ）図示）。このとき、絶縁層１５１と絶縁層１４１とは接合して厚い絶縁層１０４になる。また、絶縁層１０４上には第１導電型半導体からなるコンタクト層１０５、第１導電型半導体からなるクラッド層１０６、第１導電型半導体からなる光閉じ込め層１０７、半導体からなる光吸収層１０８、第２導電型半導体からなる光閉じ込め層１０９、第２導電型半導体からなるクラッド層１１０および第２導電型半導体からなるコンタクト層１１１がこの順序で積層した半導体層１６０が形成される。つづいて、上部側に位置するIII−V族半導体からなる基板１５０をＣＭＰまたはウェットエッチングにより全て除去する（図７の（Ｆ）図示）。
次いで、半導体層１６０の最上層に位置するコンタクト層１１１の表面に絶縁層１１２、母材層１１３ａ，絶縁層１１４をこの順序で堆積する（図７の（Ｇ）図示）。つづいて、絶縁層１１４上にフォトリソグラフィ技術により例えば複数の円形孔を二次元方向に周期的に開口したレジストパターン（図示せず）を形成する。当該レジストパターンをマスクとして絶縁層１１４の所望領域を選択的にエッチングして複数の円形孔１１４ａを二次元方向に周期的に形成する。複数の円形孔１１４ａを有する絶縁層１１４をマスクとして母材層１１３ａを選択的にエッチングすることにより、当該母材層１１３ａの一部に複数の円形孔１１３ｃを二次元方向に周期的に形成する（図８の（Ｈ）図示）。ひきつづき、複数の円形孔１１４ａを含む絶縁層１１４表面に図示しない誘電体層（例えば絶縁層１１４と同じ材料）を堆積して、母材層１１３ａの複数の円形孔１１３ｃおよび絶縁層１１４の複数の円形孔１１４ａ内を誘電体で埋め込む。その後、絶縁層１１４表面の誘電体層を化学機械研磨（ＣＭＰ）により研磨および表面平坦化を行う。このＣＭＰにより、図８の（Ｉ）に示すように母材層１１３ａと、当該母材層１１３ａの複数の円形孔内に埋込まれた、母材に比べて低屈折率の誘電体層１１３ｂとを含むフォトフォトニック結晶からなる第２の構造体層１１３を形成する。絶縁層１１４の複数の円形孔１１４ａも絶縁層１１４と同材料の誘電体層で埋込まれる。
次いで、絶縁層１１２、第２の構造体層１１３および絶縁層１１４をパターニングして最上層のコンタクト層１１１表面に絶縁層１１２、第２の構造体層１１３および絶縁層１１４からなる円柱状の積層体を形成する。つづいて、第１導電型半導体からなるコンタクト層１０５を除く、第１導電型半導体からなるクラッド層１０６、第１導電型半導体からなる光閉じ込め層１０７、半導体からなる光吸収層１０８、第２導電型半導体からなる光閉じ込め層１０９、第２導電型半導体からなるクラッド層１１０および第２導電型半導体からなるコンタクト層１１１を選択的にエッチングして前記円柱状の積層体より径の大きいメサ形成を行う。このメサ形成は、図８の（Ｊ）に示すようにクラッド層１０６からコンタクト層１１１までの各層を前記円柱状の積層体に対して同心円状で、同積層体より径の大きい円柱状にエッチングする。このようなエッチングおよびメサ形成において、クラッド層１０６から最上層のコンタクト層１１１までの円柱状の積層体の周縁に位置する第１導電型のコンタクト層１０５部分が露出される。また、絶縁層１１２、第２の構造体層１１３および絶縁層１１４からなる前記積層体の周縁に位置する最上層のコンタクト層１１１部分がリング状に露出される。
次いで、全面に所望厚さの第２導電型用電極材料膜を堆積する。当該電極材料膜をパターニングすることによりコンタクト層１１１の露出部分に円形キャップ状の第２導電型用電極１１５を絶縁層１１２、第２の構造体層１１３および絶縁層１１４の各層を覆うように形成する。つづいて、第２導電型用の電極１１５を含む全面に第１導電型用電極材料膜を堆積する。当該電極材料膜をパターニングすることにより第１導電型半導体からなるコンタクト層１０５の露出部分にリング状の第１導電型用電極１１６を円形キャップ状の第１導電型用の電極１１５に対して同心円状に形成する（図９の（Ｋ）図示）。その後、外形加工を施して前述した図５に示す半導体受光デバイスを製造する。
以上説明した図５に示す実施形態に係る半導体受光デバイスは、光吸収層１０８を含む半導体層１６０と基板１０１の間に屈折率が周期的に変化する、例えばフォトニック結晶からなる第１の構造体層１０３を配置し、かつ半導体層１６０と金属ミラーとしても作用する第２導電型用電極１１５の間に屈折率が周期的に変化する、例えばフォトニック結晶からなる第２の構造体層１１３を配置している。このような構成において、半導体層１６０中の光吸収層１０８にｐ型用電極１１５およびｎ型用電極１１６から電圧を印加して逆バイアスを掛けた状態で、半導体層１６０にその下方の基板１０１側から光を入射させると、入射光は第１の構造体層１０３で屈折して光吸収層１０８に向かい、光吸収層１０８内を層方向に拡散する。この拡散過程で、光吸収層１０８の上方（第２の構造体層１１３側）に向かう光は、第２の構造体層１１３で屈折して半導体層１６０の光吸収層１０８に戻され、再び、光吸収層１０８内を層方向に拡散する。
従って、基板１０１側からの入射光は屈折率が周期的に変化する第１の構造体層１０３で屈折して半導体層１６０の光吸収層１０８に向かい、光吸収層１０８内を層方向に拡散し、かつ光吸収層１０８の上方（第２の構造体層１１３側）に向かう光は第２の構造体層１１３で屈折して半導体層１６０の光吸収層１０８に戻され、再び、光吸収層１０８内を層方向に拡散し、さらに第２の構造体層１１３を透過した光は第２の構造体層１１３の上方の金属ミラーを兼ねる第２導電型用電極１１５で反射され、第２の構造体層１１３で屈折して光吸収層１０８に戻され、光吸収層１０８内を層方向に拡散する、第１、第２の構造体層１０３，１１３の間での屈折、および金属ミラーを兼ねる第２導電型用電極１１５での反射を繰り返す。その結果、光が基板１０１側から光吸収層１０８に入射、つまり光吸収層１０８の面に入射、しても前記第１の構造層１０３と第２の構造体層１１３と金属ミラーを兼ねる第２導電型用電極１１５による作用によって、入射光は光吸収層１０８内をその層方向に沿ってより広い領域で拡散できる。すなわち、入射光に対する光吸収層１０８での光吸収効率をより一層増加し、光吸収層１０８での光結合効率が一層増大してより高い効率で光電変換がなされるため、ｐ型用電極１１５およびｎ型用電極１１６からより大きな電流を取出すことができる。従って、より高感度の光検出が可能な半導体受光デバイスを提供できる。
反射層として第２の構造体層１１３を備える形態において、第１、第２の構造体層は互いに異なる周期を有することが好ましい。この効果を前述した図５を参照して説明する。
図５に示す基板１０１をシリコンから作り、絶縁層１０２，１０４，１１２，１１４をＳｉＯ2から作った。絶縁層１０２上の第１の構造体層１０３は、アモルファスシリコンからなる母材層１０３ａと、母材層１０３ａに複数の帯状孔を一次元方向に周期的に開口し、これらの帯状孔をアモルファスシリコンに比べて低屈折率の誘電体層であるＳｉＯ2層１０３ｂを埋め込んだフォトニック結晶から作った。なお、母材層１０３ａは３００ｎｍの厚さにし、かつＳｉＯ2層１０３ｂの間隔（周期）は７００ｎｍに一定とした。
絶縁層１０４の表面に厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０５を形成した。ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０５上には、厚さ０．５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０６、厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＡｓ光閉じ込め層１０７、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸層（光吸収層）１０８、厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＡｓ光閉じ込め層１０９、厚さ０．５μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１０、および厚さ０．２μｍのｎ型ＧａＡｓコンタクト層１１１をこの順序で積層した。
絶縁層１１２上の第２構造体層１１３は、アモルファスシリコンからなる母材層１１３ａと、母材層１１３ａに複数の円形孔を二次元方向に周期的に開口し、これらの円形孔をアモルファスシリコンに比べて低屈折率の誘電体層であるＳｉＯ2層１１３ｂを埋め込んだフォトニック結晶から作った。なお、母材層１０３ａは３００ｎｍの厚さにし、かつ円形孔のＳｉＯ2層１１３ｂの二次元方向の間隔（周期）は６８０ｎｍから１０ｎｍ毎、増加して７５０ｎｍまで変化させた。
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０５に接続させた電極１１６は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕで作り、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層１１１に接続させた電極１１５はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕで作った。
このように第１の構造体層１０３の周期を７００ｎｍと一定にし、第２の構造体層１１３の周期を６８０〜７５０ｎｍに変化させた半導体受光デバイスにおいて、光を基板を通して第１の構造体層１０３に入射したときの、伝播光、反射光および透過光の出力比の変化を図１０に示す。図１０中のＧは伝播光、Ｒは反射光、およびＴは透過光、をそれぞれ示す。
図１０から明らかなように第２の構造体層１１３の周期が第１の構造体層１０３のそれと同等であると、伝播光の出力比が小さくなり、逆に反射光の出力比が増大する。
他方、第２の構造体層１１３の周期が第１の構造体層１０３のそれより、小さくする、または大きくする、すなわち第１の構造体層１０３のそれと異ならせると、伝播光の出力比が大きくなり、逆に反射光の出力比が減少する。その結果、より高感度の光検出が可能な半導体受光デバイスを提供できる。
特に、第１、第２の構造体層１０３，１１３の周期を互いに異なるせる場合、第２の構造体層１１３の周期を第１の構造体層１０３のそれより大きくすることによって、伝播光の出力比をより大きくできるため、好ましい。
さらに、前述した図６〜図９に示す実施形態に係る別の半導体受光デバイスの製造方法によれば、予め基板（例えばシリコン基板）１０１上に屈折率が周期的に変化する第１の構造体層１０３を形成し、最上層にＳｉＯ2からなる絶縁層１４１を形成し、一方III−V族半導体基板１５０上に光吸収層１０８を含むIII−V族の半導体層１６０を形成し、最上層にＳｉＯ2からなる絶縁層１５１を形成し、各基板１０１，１５０の絶縁層１４１と絶縁層１５１とを互いに当接させることにより、ＳｉＯ2−ＳｉＯ2の良好な結合性によって強固に貼り合せることが可能になる。その結果、その後のIII−V族半導体基板の除去することによって、シリコン基板１０１に対するIII−V族の半導体層１６０の格子不整合を考慮せずに、シリコン基板１０１上に高品質のIII−V族の半導体層１６０を形成することが可能になる。
本発明のいつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の種々の形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１，１０１…基板、３，１０３…第１の構造体層、７，１０８…光吸収層、１０，１６０…半導体層、１１…多層反射膜、１５，１６，１１５，１１６…電極、１１３…第２の構造体層。

Claims (10)

  1. 基板と、
    前記基板上に配置された光吸収層を含む半導体層と、
    前記基板と前記半導体層の間に配置され、光が前記基板側から入射される、屈折率が周期的に変化する第１の構造体層と、
    前記半導体層上に配置された反射層と、
    前記光吸収層に電圧を印加する一対の電極と
    を備えることを特徴とする半導体受光デバイス。
  2. 前記光吸収層を含む前記半導体層はIII−V族半導体から作られることを特徴とする請求項１記載の半導体受光デバイス。
  3. 前記半導体層の前記光吸収層は、入射される前記光の一波長分の厚さを有することを特徴とする請求項１記載の半導体受光デバイス。
  4. 前記反射層は、金属ミラーを含むことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の半導体受光デバイス。
  5. 前記反射層は、多層反射膜を含むことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の半導体受光デバイス。
  6. 前記反射層は、前記半導体層に前記多層反射膜および金属ミラーを順次積層した構造を有することを特徴とする請求項５記載の半導体受光デバイス。
  7. 前記反射層は、前記半導体層に屈折率が周期的に変化する第２の構造体層および前記金属ミラーを順次積層した構造を有することを特徴とする請求項４記載の半導体受光デバイス。
  8. 前記第１、第２の構造体層は、フォトニック結晶から作られることを特徴とする請求項７記載の半導体受光デバイス。
  9. 前記第１、第２の構造体層は、互いに異なる周期を有することを特徴とする請求項７または８記載の半導体受光デバイス。
  10. 前記一対の電極のうちの一方の電極が前記半導体層を覆う形態において、当該一方の電極は前記金属ミラーを兼ねることを特徴とする請求項４，６または７いずれか１項記載の半導体受光デバイス。
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