JP5282887B2 - フォトダイオード、光通信デバイスおよび光インタコネクションモジュール - Google Patents

フォトダイオード、光通信デバイスおよび光インタコネクションモジュール Download PDF

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Description

本発明は、フォトダイオードに関する。特に、情報処理や通信分野において必要な光（赤外光を含む）信号を電気信号に高速で変換するフォトダイオードに関する。又、前記フォトダイオードを用いた光通信デバイスや光インタコネクションモジュールに関する。
光検出器をモノリシック集積回路化することは、コスト及び歩留まりの観点から、非常に魅力的である。ＣＭＯＳ回路と同じチップ上にモノリシック集積回路化されたシリコン受光器、即ち、シリコンフォトダイオードは、ハイブリッド受光器（例えば、ＣＭＯＳ回路またはＧａＡｓ回路に接合されたＩｎＧａＡｓフォトダイオード）に対する一つの魅力的な代替物である。モノリシック集積回路化された受光器は、標準的シリコンプロセスを用いて製造することが出来、ハイブリッド設計よりも低コストで製造出来ることが期待される。
ところで、光信号を電気信号に高速変換する手段として、フォトダイオードが多く用いられる。その代表的なものはｐｉｎ型フォトダイオードである。ｐｉｎ型フォトダイオードは、真性半導体のｉ層をｐ型半導体のｐ層とｎ型半導体のｎ層とで挟んだ構造を有する。そして、バイアス電源により逆バイアス電圧を加えると、高抵抗のｉ層ほぼ全域が電荷キャリアの空乏層になる。入射光のフォトンは、主に、ｉ層で吸収され、電子・正孔対を生成する。発生した電子および正孔は、逆バイアス電圧により空乏層内を、各々、反対方向にドリフトして電流を生じ、負荷抵抗で信号電圧として検出される。この光電変換の応答速度を制限する要因として、負荷抵抗と空乏層が作る電気容量との積で決まる回路時定数が挙げられる。又、前記要因として、電子および正孔が空乏層を通過するのに要するキャリア走行時間が挙げられる。
さて、キャリア走行時間の短いフォトダイオードとして、ショットキー型のフォトダイオードがある。これは、半導体のｎ層（或いはｎ−層）に半透明金属膜が接した構造を持つ。ｎ層（或いはｎ−層）と半透明金属膜とが接する界面付近にはショットキー障壁が形成される。このショットキー障壁付近は、半透明金属膜からｎ層（或いはｎ−層）に電子が拡散し、空乏層となる。この状態で入射光が照射されると、ｎ層（或いはｎ−層）に電子が生成する。この生成した電子は、逆バイアス電圧により、空乏層内をドリフトする。そして、素子表面層での光吸収を有効に利用することが可能である。
ところで、ｐｉｎ型フォトダイオードは、フォトン吸収の為、ｉ層、即ち、空乏層に十分な厚みを持たせる必要がある。これに対して、ショットキー型フォトダイオードは、空乏層を薄くすることが可能である。従って、ショットキー型フォトダイオードは、キャリア走行時間を短くすることが出来る。
さて、ｐｉｎ型フォトダイオードにあっては、空乏層を薄くする為にラテラル電極構造を採用し、電極間隔を小さくすることが試みられている（非特許文献1参照）。しかしながら、この手法は、半導体表面層での光吸収効率が悪い。従って、高速化は可能になるものの、高感度化が難しい。
一方、回路時定数を短くする為に、負荷抵抗の値を小さくすると、取り出せる再生信号の電圧が下がる。従って、再生信号のＳ／Ｎを大きくし、かつ、読取りエラーを減らす為に、空乏層の電気容量を減らすことが必要である。特に、キャリア走行時間を短くする為に、空乏層を薄くすると、電気容量が増加する。従って、高速化の為には、空乏層（或いはショットキー接合の面積）を減らす必要がある。しかしながら、前記接合面積を減らすことは、信号光の利用効率を低下させる。この結果、再生信号のＳ／Ｎが劣化する。
このようなことから、この種の光電変換デバイスにおいては、金属表面プラズモンあるいはフォトニック結晶構造を利用し、高速化・小型化する為の開発が進められている。
例えば、半導体の同一面上に二つの電極を設置した金属／半導体／金属（ＭＳＭ）デバイス（光検出器）が提案（特許文献１）されている。このＭＳＭ型光検出器は、二つの電極付近にショットキー障壁を持ったショットキー型フォトダイオードの一種である。すなわち、電極面を透過した光の一部が半導体層（半導体吸収層）で吸収され、フォトキャリアが生成する。このようなＭＳＭ型光検出器においては、量子効率を上げる目的で半導体を厚くすると、フォトキャリアの伝播距離が増すことから、動作速度が低下する。この動作速度の低下を防ぐ為、特許文献1に記載の光検出器には、金属の電極が周期的な凹凸に沿って設けられている。これによって、入射光が、金属電極の表面プラズモンと効率よく結合し、光検出器内に伝播するようになっている。
又、半導体上に設けた金属膜を一部酸化により光透過性絶縁膜としたＭＳＭ型受光素子を製造する方法が提案（特許文献２）されている。
又、光透過性絶縁パターン（パターン幅は透過光の波長以下の寸法）の両脇にある金属膜の端部から発生する近接場光を利用したＭＳＭ型受光素子が提案（特許文献３）されている。そして、このＭＳＭ型受光素子の応答速度は高速化であることが述べられている。
又、正極（金属電極）と負極（金属電極）とを指交差型（入れ子型）となるよう半導体上に配置したデバイス構造が提案（特許文献４）されている。この特許文献４には、入射光と透過光、反射光、表面プラズモンポラリトン等との間を共振により結合させる技術が開示されている。更に、特許文献４には、生成するフォトキャリアが、入射光と表面プラズモンとの結合により、強められることが述べられている。しかしながら、これらの受光素子においては、空乏層の電気容量を減らす為に入射光の照射面積を減らすと、検出信号の強度が低下し、Ｓ／Ｎが低下する。
又、ｐｎ接合を持つ複数の球形上の半導体を挟んだ二つの電極の一方に周期的に配列させた開口（或いは凹部）を設けた光起電力デバイス（太陽光エネルギーを利用した光起電力デバイス）が提案（特許文献５）されている。この光起電力デバイスは、表面プラズモンと入射光とを共鳴させることを利用したものである。しかしながら、この特許文献５には、光電変換の高速化の為に空乏層を薄くすること、かつ、面積を小さくすることは述べられていない。
又、開口の周囲に周期的な溝の列を設けた光伝送装置が提案（特許文献６）されている。そして、周期的な溝の列を設けた光伝送装置は、周期的な溝の列が無い光伝送装置に比べて、伝播する光が増強すると報告されている。但し、透過する光の総エネルギーは入射光エネルギーに比較して減衰することが知られている（文献： Tineke Thio, H. J. Lezec, T. W. Ebbesen, K. M. Pellerin, G. D.
Lewen, A. Nahata, R. A. Linke, “Giant optical
transmission of sub-wavelength apertures: physics and applications, “ Nanotechnology, vol. 13, pp. 429-432, Figure 4）。例えば、波長の４０％以下の直径の開口において透過する光の総エネルギーは入射光エネルギーの１％以下に減衰する。従って、この光伝送装置からの伝播光を受光素子に照射しても高いＳ／Ｎは得られない。
又、光吸収層をフォトニックバンドが形成される多層膜構造としたＭＳＭ型受光素子が提案（特許文献７）されている。このＭＳＭ型受光素子は受光効率が高いと報告されている。しかしながら、この構造においても、ＭＳＭ接合における接合面積を低減し、素子容量を小さくすることは実現されていない。
又、基板裏面にマイクロレンズを設け、更に裏面から入射した光の素子表面での反射光を再反射するミラーを設けたｐｉｎ型フォトダイオード（ＩｎＧａＡｓを用いたｐｉｎ型フォトダイオード）が提案（特許文献８）されている。このフォトダイオードは、外部光との光結合アラインメントのトレランスが改善され、素子接合面積を小さくすることが可能と報告されている。しかしながら、この構造においても、マイクロレンズで集光される光スポット径は数十μｍのオーダーであり、素子容量を低減して高周波応答を実現するには限界がある。
S. J. Koester, G. Dehlinger, J. D. Schaub,J. O. Chu, Q. C. Ouyang, and A. Grill, "Germanium-on-InsulatorPhotodetectors", 2nd International Conference on GroupIV Photonics, FB1 2005, (第172頁、Fig.3) 特開昭５９−１０８３７６号公報 (第４−１６頁、図１−３) 特許第２６６６８８８号公報（第３−４頁、図２) 特許第２７０５７５７号公報（第６頁、図１) 特表平１０−５０９８０６号公報（第２６−３３頁、図１) 特開２００２−７６４１０号公報（第６−９頁、図１) 特開２０００−１７１７６３号公報（第７−１０頁、図１０，１７） 特開２００５−１５０２９１号公報（第５頁、図１) 特開平６−７７５１８号公報（第２頁、図１，２）
金属−半導体−金属（ＭＳＭ）フォトダイオードは、平面性およびシリコンＬＳＩとの互換性を提供する。
しかしながら、Ｓｉ（或いはＳｉＧｅ）を用いた光検出器は、長いキャリアライフタイム（１〜１０μｓ)や低い光吸収率（１０〜１００／ｃｍ）の為、一般的に、遅い応答性を示す。
又、化合物系半導体を用いた場合において、ショットキー障壁型フォトダイオードは、高速応答を示す。
しかしながら、金属電極により実効的な受光面積が小さくなる。従って、感度が低下する。
又、ｐｉｎ型フォトダイオードにおいて、空乏層を薄層化する為に、ラテラル電極構造が提案されている。
しかしながら、電極間距離を小さくして高速性を得ることは出来ても、高感度化が難しい。
そして、フォトダイオードの応答を高速化する為には、光吸収層を薄くしてキャリア走行時間を短くすること、又、受光面積、即ち、接合容量を小さくして回路時定数を小さくすることが必要である。
しかしながら、一般的には、受光感度と高速性とはトレードオフの関係にある。
従って、本発明が解決しようとする課題は、フォトダイオードの受光感度と高速性を両立させるデバイス構造を提供することにある。特に、従来に比べて、二桁以上小さい体積の光吸収層を可能とすることにより、高集積化および低消費電力化を実現するフォトダイオードを提供することにある。
前記の課題は、半導体層の表面に導電層が設けられたショットキー障壁型のフォトダイオードであって、
前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成され、
前記フォトダイオードのショットキー接合部の周囲には、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が構成されてなる
ことを特徴とするフォトダイオードによって解決される。
又、半導体層の表面に設けられたｐ−ｉ−ｎ型のフォトダイオードであって、
前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成され、
前記フォトダイオードのｐ−ｉ−ｎ接合部の周囲には、導電層が設けられ、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が構成されてなる
ことを特徴とするフォトダイオードによって解決される。
又、半導体層の表面に間隔をおいて配置された金属−半導体−金属接合を備えたフォトダイオードであって、
前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成され、
前記フォトダイオードの金属−半導体−金属接合部の周囲には、導電層が設けられ、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が構成されてなる
ことを特徴とするフォトダイオードによって解決される。
又、上記のフォトダイオードが受光部に設けられてなることを特徴とする光通信デバイスによって解決される。
又、上記のフォトダイオードが構成された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
とを具備することを特徴とする光インタコネクションモジュールによって解決される。
フォトダイオードの応答を高速化する為には、電荷キャリア吸収層を薄くしてキャリア走行時間を短くすること、かつ、電荷キャリア吸収層の面積を小さくして回路時定数を小さくする必要がある。しかしながら、従来にあっては、感度と高速化の両立が困難であった。
これに対して、本発明によれば、波長以下の領域に光エネルギーを集光させ、これを効率的にフォトキャリアに変換して電気信号が得られる。その結果、感度と高速化の両立が図れた。そして、高速で、かつ、高効率なフォトディテクタが実現される。
第１実施例のフォトダイオードの断面図 第２実施例のフォトダイオードの断面図 第３実施例のフォトダイオードの断面図 第４実施例のフォトダイオードの断面図 フォトダイオードの平面図 フォトダイオードの平面図 フォトダイオードの平面図 フォトダイオードの平面図 フォトダイオードの平面図 フォトダイオードの平面図 第１実施例のフォトダイオードの特性を示すグラフ フォトダイオードの製造工程図 第２実施例のフォトダイオードの特性を示すグラフ 第３実施例のフォトダイオードの特性を示すグラフ 第４実施例のフォトダイオードの平面図 第４実施例のフォトダイオードの特性を示すグラフ 第５実施例のフォトダイオードの断面図 第６実施例のフォトダイオードの断面図 第７実施例のフォトダイオードの断面図 第８実施例のフォトダイオードの断面図 本発明のショットキー型フォトダイオードを搭載した伝送用光受信モジュールの概略図 本発明のフォトダイオードを搭載したＬＳＩチップ間光インターコネクトの概略図
符号の説明
１ 半導体吸収層
２ 導電膜
３ 下部電極層
４ 埋め込み酸化層
５ 負荷抵抗
６ バイアス電源
７ 酸化膜
８ 支持基板
９ 周期的な凹凸
１０ ショットキーコンタクト層
１１ 金属膜
１２ ｎ＋電極層
１３ ＭＳＭ電極
１４ プラズモン共鳴を生じさせない禁制帯グレーティング
１５ 突起形状
１６ 溝形状
１７ 周期的なスリットアレイあるいは微小開口アレイ
１８ ショットキーコンタクト層
１９ 電極パッド
２０ 光ファイバー
２１ 信号光
２２ 本発明のォトダイオード
２３ モジュール筐体
２４ 電気配線
２５ プリアンプＩＣ
２６ チップキャリア
２７ ＶＣＳＥＬ光源
２８ 光源および変調用電気配線ビア
２９ フォトダイオード用電気配線ビア
３０ ＬＳＩパーケージ
３１ 光源変調用電気配線層
３２ フォトダイオード用電気配線層
３３ 光信号出力ファイバー
３４ 光信号入力ファイバー
３５ ＬＳＩ搭載ボード
３６ 凹面鏡
３７ フォトダイオード／光源搭載ボード
本発明になる第１のフォトダイオードは、半導体層の表面に導電層が設けられたショットキー障壁型のフォトダイオードである。前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成されている。前記フォトダイオードのショットキー接合部の周囲には、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が構成されている。
本発明になる第２のフォトダイオードは、半導体層の表面に設けられたｐ−ｉ−ｎ型のフォトダイオードである。前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成されている。前記フォトダイオードのｐ−ｉ−ｎ接合部の周囲には、導電層が設けられ、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が構成されている。
本発明になる第３のフォトダイオードは、半導体層の表面に間隔をおいて配置された金属−半導体−金属接合を備えたフォトダイオードである。前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成されている。前記フォトダイオードの金属−半導体−金属接合部の周囲には、導電層が設けられ、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が構成されている。
本発明になる第４のフォトダイオードは、上記第３のフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。半導体層の表面に配置された金属−半導体−金属接合の間隔が、λ／ｎ（但し、λは半導体層の裏面側から入射する光の波長、ｎは半導体層における光の屈折率）以下である。前記金属の層は、前記半導体とショットキー接合を形成する金属の層と、表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材料からなる層とが積層されたものである。或いは、前記金属の層は、前記半導体とショットキー接合を形成することが可能で、かつ、表面プラズモンを誘起することが可能な金属の層である。
本発明になる第５のフォトダイオードは、上記第３又は第４のフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。前記金属−半導体−金属接合は、対向する少なくとも一方の金属−半導体接合がショットキー障壁型の接合である。
本発明になる第６のフォトダイオードは、上記第１〜第５何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が、凹凸が形成された半導体層の表面に表面プラズモンを誘起することが可能な導電性層を積層した構造である。
本発明になる第７のフォトダイオードは、上記第１〜第６何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が、凹凸が形成された誘電体層の表面に表面プラズモンを誘起することが可能な導電性層を積層した構造である
本発明になる第８のフォトダイオードは、上記第１〜第７何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造の外側に、表面プラズモン共鳴を生じさせない周期構造が構成されたものである。
本発明になる第９のフォトダイオードは、上記第１〜第８何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造の外側に、表面プラズモンを反射させるための段差構造が構成されたものである。
本発明になる第１０のフォトダイオードは、上記第９のフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。段差構造が、λ／ｎｄ（但し、ｎｄは導電膜に隣接する半導体層あるいは誘電体層における光の屈折率、λは光の波長。）よりも高い突起形状からなる。
本発明になる第１１のフォトダイオードは、上記第９又は第１０のフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。段差構造が、λ／ｎｄ（但し、ｎｄは導電膜に隣接する半導体層あるいは誘電体層における光の屈折率、λは光の波長。）よりも深い溝形状からなる。
本発明になる第１２のフォトダイオードは、上記第９〜第１１何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。段差構造が、導電性材料に設けられた入射光の波長以下の径の孔を配列した形状からなる。
本発明になる第１３のフォトダイオードは、上記第９〜第１２何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。段差構造が、導電性材料に設けられた入射光の波長以下の幅のスリットを配列した形状からなる。
本発明になる第１４のフォトダイオードは、上記第９〜第１３何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。導電性層が、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕの群の中から選ばれる少なくとも一つの金属（或いは合金）で出来ている。
本発明になる第１５のフォトダイオードは、上記第１〜第１４何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける接合面積が、１００平方μｍ以下である。
本発明になる第１６のフォトダイオードは、上記第１〜第１４何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける接合面積が、１０平方μｍ以下である。
本発明になる第１７のフォトダイオードは、上記第１〜第１４何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける接合面積が、１平方μｍ以下である。
本発明になる第１８のフォトダイオードは、上記第１〜第１７何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける半導体吸収層の厚みが、１μｍ以下である。
本発明になる第１９のフォトダイオードは、上記第１〜第１７何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける半導体吸収層の厚みが、２００ｎｍ以下である。
本発明になる第２０のフォトダイオードは、上記第１〜第１９何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける半導体吸収層が、Ｓｉ，ＳｉｘＧｅ１−ｘ（但し、ｘは１未満の正数），Ｇｅ，ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＩｎＰの群の中から選ばれる少なくとも一つで出来ている。
本発明になる第２１のフォトダイオードは、上記第１〜第２０何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける半導体吸収層が、Ｇｅ，ＳｉｘＧｅ１−ｘ（但し、ｘは１未満の正数）の群の中から選ばれる少なくとも一つで出来ている。そして、前記半導体吸収層と導電層との間にＮｉとＧｅとの合金で構成されてなる層が設けられている。
本発明になる第２２のフォトダイオードは、上記第１〜第２１何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードが半導体からなる光導波路上に構成されている。
本発明になる第２３のフォトダイオードは、上記第１〜第２１何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードが、基板側に形成された光導波路からミラーにより反射された光を受光できるよう構成されたものである。
本発明になる第２４のフォトダイオードは、上記第１〜第２３何れかのフォトダイオードにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードの基板が入射光に対して透明な材料で構成されたものである。
本発明になるフォトダイオードについて、更に、詳しく説明する。
本発明の第１のフォトダイオードは、半導体層表面に導電膜を備えたショットキー障壁型のフォトダイオードである。そして、半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成されている。前記ショットキー接合の周囲は、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる為の周期構造を有する。これにより、半導体層の裏側から入射した光との光結合効率が増大する。この構造が図１に示される。すなわち、図１に示される通り、半導体層（半導体吸収層）１の表面上に導電膜２が設けられている。これによって、ショットキー接合が構成される。このショットキー接合部の周囲に、半導体層（半導体吸収層）１の裏面側（支持基板８側）から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる為の周期構造、即ち、周期的な凹凸構造９が構成されている。
そして、支持基板８の裏面から入射した光は、表面プラズモン共鳴を発生させる周期的な凹凸構造９により表面プラズモンに変換され、中心部のショットキー接合部に集光される。更に、半導体吸収層１の周囲を、半導体吸収層１よりも屈折率の低い半導体層（或いは誘電体層）とした。この屈折率差によって、光が閉じ込められる。すなわち、光の閉じ込め効果により、半導体吸収層１に入射される光パワーを、微小なショットキー接合領域に局在させられる。この結果、非常に小さい体積の半導体吸収層において、効率的な光電変換が達成される。
図２は、半導体層（半導体吸収層）１の表面上にショットキーコンタクト層（ショットキー接合用の半導体層（或いは十分なショットキー障壁エネルギーを実現する金属層））１０を設け、このショットキーコンタクト層１０上に導電膜２を設けたフォトダイオードの構造を示すものである。
このフォトダイオードにあっては、ショットキー接合部の周囲に、周期的な凹凸構造（半導体層（半導体吸収層）１の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる為の周期構造）９が構成されている。
ここで、半導体層（半導体吸収層）１の材料にＧｅやＩｎＧａＡｓ化合物半導体を用いた場合、導電膜としてＡｇ，Ａｕを直接に積層すると、ショットキー接合が形成されない。従って、リーク電流が大きくなる。そこで、これ等の材料、例えばＧｅ半導体吸収層を用いる場合においては、ショットキー障壁エネルギーの高い接合が得られるＮｉなどの金属層（或いはＳｉ層）を、導電膜と半導体吸収層（例えば、Ｇｅ層）との界面に挿入することが望ましい。ＩｎＧａＡｓを半導体吸収層１の材料として用いる場合には、ＩｎＡｌＡｓ半導体層を挿入すると、リーク電流の少ないショットキー接合を形成できる。
本発明の第２のフォトダイオードは、半導体層の表面にｐ−ｉ−ｎ型の接合が設けられたフォトダイオードである。そして、半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成されている。前記フォトダイオードのｐ−ｉ−ｎ接合部の周囲には、導電層が設けられ、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造９が構成されている。この周期構造９は、例えば半導体層（半導体吸収層：ｉ層）１の裏面側（ｎ＋電極層１２：支持基板８側）から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる為の周期的な凹凸構造である。これによって、半導体層の裏側から入射した光との光結合効率が増大する。この構造が図３に示される。すなわち、図３に示される通り、半導体層（半導体吸収層：ｉ層）１の表面上に導電膜２が設けられている。そして、支持基板８の裏面側から入射した光は、ｐ−ｉ−ｎ接合部の周囲に設けられた凹凸構造９により、表面プラズモンに変換され、中心部のｐ−ｉ−ｎ接合部に集光される。更に、半導体吸収層１の周囲を、好ましくは、半導体吸収層１よりも屈折率の低い半導体層（或いは誘電体層）とした。この屈折率差によって、光が閉じ込められる。すなわち、光の閉じ込め効果により、入射される光パワーを、中心部のｐ−ｉ−ｎ接合部に局在させることが出来る。これにより、非常に小さい体積の半導体吸収層１において、効率的な光電変換が達成される。更に、ｐ＋電極層１１と導電膜２とを積層することにより、導電膜２をプラズモン共鳴用のアンテナ及び電極として兼用できる。かつ、ｐ＋電極層１１（及び／又はｎ＋電極層１２）を、半導体吸収層（ｉ層）１で受光する光エネルギーよりも大きなバンドギャップを有する半導体を用いて構成することにより、電極層１１（１２）における光吸収損失を低減できる。その結果、光電変換効率を更に改善できる。
本発明の第３のフォトダイオードは、半導体層の表面に間隔をおいて配置された金属−半導体−金属（ＭＳＭ）接合を備えたフォトダイオードである。そして、半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成されている。前記ＭＳＭ接合部の周囲には、導電層が設けられ、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が構成されている。これにより、半導体層の裏側から入射した光との光結合効率が増大する。この構造が図４に示される。すなわち、半導体層（半導体吸収層）１の表面上にＭＳＭ電極１３が設けられている。このＭＳＭ電極１３の周囲に、導電膜２が設けられている。かつ、ＭＳＭ電極１３の周囲に、周期的な凹凸構造（半導体層（半導体吸収層）１の裏面側（支持基板８側）から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる為の周期構造）９が構成されている。
従来、半導体表面に形成された金属電極は、フォトダイオードの受光面を遮ることから、受光感度を低下させる。表面プラズモン共鳴を生じさせる電極間隔を設けた場合でも、光電界強度の強い領域は半導体の外の領域に在る。従って、効率的なフォトキャリアの生成が出来ない。
これに対して、半導体吸収層１の裏面側から光を入射させる構造にすると共に、ＭＳＭ接合部（ＭＳＭ電極１３）の周囲に周期的な凹凸構造９を有する構造とすることによって、微小なＭＳＭ接合部に光が効果的に集光される。更に、半導体吸収層１の周囲を半導体吸収層１よりも屈折率の低い半導体層（或いは誘電体層）とした。この屈折率差によって、光が閉じ込められる。これによって、非常に効率的な光電変換が得られる。
又、金属と半導体との間にショットキー接合を形成した場合、１×１０１５〜１×１０１６ｃｍ−３のドーピング濃度において、ゼロバイアスでも、２００ｎｍ以上の空乏層領域が形成される。従って、電極間距離を小さくすることにより、低バイアス電圧においても、高速・高感度なフォトダイオード動作が可能となる。この時、半導体吸収層の厚みを２００ｎｍ以下とした場合、フォトキャリアの易動度が１０７ｃｍ／ｓの半導体材料（例えば、Ｓｉ）においても、フォトキャリアの電極間のドリフト時間は数ｐｓであると考えられる。そして、半導体吸収層の厚みを１μｍ以下にした場合でも、ドリフト時間を２０ｐｓ以下に出来る。又、ＭＳＭ電極間距離を１００ｎｍ程度とした時、ＭＳＭ接合面積を１０平方μｍ以下とした場合、接合電気容量は１０ｆＦ以下となる。ＭＳＭ接合面積を１００平方μｍ以下とした場合でも、接合電気容量は１００ｆＦ以下となる。すなわち、負荷抵抗を５０Ωと仮定すると、回路時定数は、前者の場合が１ｐｓ、後者の場合が１０ｐｓとなる。従って、非常に高速な応答が実現される。
図５は、光吸収層の裏面側から光入射した時、光波長以下のサイズに光を閉じ込めることを可能とする表面プラズモン共鳴構造を示す例である。すなわち、中心の微小なショットキーコンタクト部１８の周囲に周期的な凹凸構造９を設けた。これにより、入射光を導電膜（金属膜）２表面に誘起される表面プラズモンと結合させ、かつ、表面プラズモンとして光エネルギーをショットキーコンタクト部に集光することが可能となる。更に、ショットキーコンタクト部に配置される半導体光吸収層１の周囲を、半導体吸収層１よりも屈折率の低い半導体層（或いは誘電体層）とした。この屈折率差によって、光が閉じ込められる。すなわち、光の閉じ込め効果により、半導体吸収層１に入射される光パワーを、微小なショットキー接合領域に局在させられる。この結果、非常に小さい体積の半導体吸収層において、効率的な光電変換が達成される。
図６は、前記表面プラズモン共鳴構造（凹凸構造９）の外側に、プラズモン共鳴を生じさせない禁制帯グレーティング１４を形成した構造例を示すものである。導電膜２に形成された周期的な凹凸構造９により、半導体吸収層１の裏面側から入射された光は、表面プラズモンに変換される。しかしながら、変換された表面プラズモンには、中心部（ショットキーコンタクト部１８）に集光される成分と、光照射エリアの外側に伝播する成分とが有る。この外側に伝播する成分が受光感度を向上させる上で損失となる。そこで、周期的な凹凸構造９を光照射エリアよりも大きくし、かつ、周期的な凹凸構造９の外側に表面プラズモンの伝播モードが存在しない構造１４を設けた。これによって、光照射エリアの外側に伝播する表面プラズモンをブラッグ反射させることが出来る。従って、表面プラズモンの集光効率を向上させることが可能となる。このような禁制帯グレーティング１４は、表面プラズモンの分散関係から求められるグレーティング周期の１／２程度の周期のグレーティング構造を形成することにより実現される。
図７，８，９，１０は、半導体吸収層１の裏面側から光を入射させてプラズモン共鳴を生じさせる際、上記の禁制帯グレーティング１４を配置するのと同様の目的から、周期的な凹凸の外側に伝播する表面プラズモンを反射させる構造の例（突起形状１５、溝形状１６、スリットアレイ１７、貫通穴１７）を示したものである。すなわち、λ／ｎｄ（ｎｄ：誘電体層の屈折率、λ：光の波長）よりも高い突起形状１５、λ／ｎｄよりも深い溝形状１６、或いは導電膜２を貫通させた周期的なスリット１７、若しくは波長以下の微小開口アレイ１７を、表面プラズモン共鳴を生じさせる周期的な凹凸９の外側に配置した。これにより、禁制帯グレーティング１４と同様の効果を実現できる。又、波長以下の微小開口アレイ１７を、中心部から放射状にプラズモン共鳴周期の１／２程度の周期で形成することにより、表面プラズモンの反射を効果的に生じさせることが出来る。
尚、反射される表面プラズモンの共鳴モードとの位相関係は重要である。例えば、共鳴モードと反射位相とを一致させることにより、最大の受光感度が得られる。
表面プラズモンの分散関係は以下の式１で表される。
［式１］
ｋＳＰ＝ω／ｃ｛（εｍ・εｄ）／（εｍ＋εｄ）｝１／２
ここで、εｍとεｄは表面プラズモンを生ずる金属とこれに接している誘電体の誘電率である。
更に、表面プラズモンの伝播長は以下の式２で表される。
［式２］
ＬＳＰＰ＝ｃ／ω｛（εｍ’＋εｄ）／εｍ’｝３／２・εｍ’２／εｍ’’
ここで、金属の複素誘電率εｍをεｍ’＋ｉεｍ’’と表した。
すなわち、表面プラズモンの光学損失は、金属膜の誘電率の虚数部と実数部の二乗の比に大きく依存している。従って、本発明の導電層は、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕから選ばれる少なくとも一つの金属（或いは、これ等から選ばれる合金）からなることが望ましい。又、表面プラズモンの伝播損失の低減の観点から、金属表面のランダムな凹凸を小さくすることは非常に重要である。従って、Ｔａ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｚｒ等の下地層を設けることは好ましい。或いは、Ｎｂ等の元素を微量添加して合金化しても効果がある。
表面プラズモンによる近接場光の強度分布は、周期的な凹凸構造、隣接する誘電体層の屈折率、ＭＳＭ電極の配置、半導体吸収層の屈折率や吸収係数の影響を受けて、変化する。
そして、半導体の非常に小さい領域において光エネルギーを局在させる本発明の構造を採用することにより、電子・正孔対(フォトキャリア)を生成することが可能となる。従って、ショットキー接合により半導体吸収層中に形成される空乏化領域と近接場によるフォトキャリアの生成領域を一致させることにより、効率的なフォトキャリア形成と局所的なフォトキャリアの走行が実現できる。この結果、高い量子効率と高速応答特性とを具備したフォトダイオードが得られる。
ｐ−ｉ−ｎ接合構造を利用する場合、接合周囲に形成した周期的凹凸による表面プラズモンの集光と、半導体吸収層と隣接する誘電体層との屈折率差を利用した光閉じ込め効果とにより、１μｍの微小領域においても効率的なフォトキャリアの生成が可能となる。
この時、フォトキャリアを生成して掃引する為のショットキー接合あるいはｐ−ｉ−ｎ接合領域は、１０平方μｍ以下のサイズに出来る。この結果、接合電気容量を極めて小さく出来る。従って、フォトダイオードを高周波動作させる場合の回路時定数を数ピコ秒以下にすることが可能となり、数十ＧＨｚ以上の高周波動作が実現される。
光を波長以下（或いは１０平方μｍ以下）のサイズに閉じ込める為に、コアとクラッドとの屈折率差を５％以上にした光導波路を利用することが出来る。このようなチャネル型光導波路は、コアの周りをコアよりも屈折率の小さい媒質で取り囲んだ構造を有している。そして、コアとクラッド層との間での屈折率の差によって、光は、全反射を繰り返しながら、伝播する。この場合、コアとクラッド層との屈折率差が大きければ、光はコアに強く閉じ込められる。従って、導波路を小さな曲率で急激に曲げても、光はそれに沿って導波される。そして、屈折率差を５％以上にした場合、１０μｍ以下のサイズの光スポット径を実現できる。更に、コアとクラッドとの屈折率差を約１０〜４０％とした場合、波長以下のサイズの光スポット径を実現できる。
断面サイズが約０．３μｍ×０．３μｍの導波路コアをＳｉ（屈折率は約３．４）で作製し、この導波路コアの周囲（クラッド層）をＳｉＯ２（屈折率は約１．５）で覆った構造の場合、光のモードサイズが導波路コアとほぼ同等のサイズにまで小さくなる。導波させる光の波長が８５０ｎｍ程度の場合においては、Ｓｉ導波路では光吸収による導波損失が発生する。そこで、広い波長範囲に亘って損失の無視できる光透過特性を示すＳｉＯＮなどを導波路コアとし、その周りをＳｉＯ２からなるクラッドで覆った場合、屈折率差は５％以上になる。この場合には、光の閉じ込めが半導体コア（Ｓｉ）を用いた場合に比較して弱くなる為、光スポット径は約１〜４μｍになる。
光閉じ込めの強い光導波路からの光信号光を４５°ミラー（或いは回折格子）を利用して光路を垂直方向に跳ね上げ、上記フォトダイオード構造で光結合させた場合、非常に小さい領域での光結合が可能となる。その結果、高感度化と高速化の両立が実現される。
本発明が有効な光の波長領域は、可視光、近赤外光、及び赤外光を含む広い波長域に亘る。表面プラズモン共鳴を誘起する金属周期構造、光を効率的に閉じ込めて伝送させる半導体吸収層の積層構造、更に半導体吸収層に隣接する誘電体層の屈折率を調整することにより、波長以下の領域において効率的にフォトキャリアを生成して電気信号を得る高速なフォトディテクタが得られる。
以下、具体的な実施例を図面を参照しながら説明する。
［実施例１］
図１は、本発明の第１実施形態を示すＳｉショットキー型フォトダイオードの断面図である。
本発明のショットキー型フォトダイオードは、ＳＯＩ(Silicon-on-Insulator)など表面が絶縁された半導体吸収層１の一部の上に、金属−半導体ショットキー接合を有する。このショットキー接合部の周囲には、表面プラズモンを生じさせる為の導電膜２が積層形成されている。そして、ショットキー接合部の周囲で、かつ、積層形成された導電膜２の下面側には、周期的な凹凸構造（半導体吸収層１の裏面側（支持基板８側）から入射した光が表面プラズモン共鳴を発生させる為の周期的な凹凸構造）９が構成されている。尚、図１中、３は半導体吸収層１の下部電極層、４は支持基板８の上に設けられた埋め込み酸化層である。５は負荷抵抗、６はバイアス電源である。７は埋め込み酸化層４の上に設けられた酸化膜であり、酸化膜７の上に導電膜２が設けられている。
表面プラズモンを誘起する為に設けられる導電膜２は、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ等の金属（又は、前記金属の少なくとも一つを必須の構成元素とする合金）によって構成される。ショットキー接合を形成する為に、Ｃｒ，Ｔａ或いはＮｉ等の金属からなる下地膜を設けても良い。
下部電極層３としては、Ｐ等のドーパント濃度を１×１０２０ｃｍ−３以上としたｎ＋Ｓｉ層を基板として使用することが出来る。この場合、半導体吸収層（光吸収層）１であるｎ−Ｓｉ層は、ｎ＋Ｓｉ層２３上にエピタキシャル成長させる必要がある。但し、成長温度を８００℃以上に上昇させると、ドーパント元素の熱拡散により、光吸収層のドーパント濃度が高くなる。そして、空乏化電圧が増大し、ショットキー接合を形成した時の空乏層の厚さが小さくなる。すなわち、低電圧で高速駆動することが難しくなる。従って、ｎ＋Ｓｉ層２３上に薄いｎ−Ｓｉ層（半導体吸収層（光吸収層））１を形成する場合は、６００℃以下の低温でのエピタキシャル成長の技術が必要である。
本実施例においては、基板８裏面から光入射を行う為、Ｓｉ半導体支持基板８をＣＭＰ（化学的機械的研磨）等により約５０〜１００μｍに薄層化した。更に、フッ酸と硝酸との混合溶液により、フォトダイオードの裏面部の支持基板８を溶解させて除去し、約１０〜５０μｍ径の光入射用窓を形成した。
支持基板８の裏面側から入射した光は、表面プラズモン共鳴を発生させる周期的な凹凸構造９により表面プラズモンに変換され、中心部のショットキー接合部に集光される。又、半導体吸収層１の周囲が半導体吸収層１よりも屈折率の低い半導体層（或いは誘電体層（酸化膜７））で構成されている。従って、半導体吸収層１に入射される光パワーは、屈折率差による閉じ込め効果により、微小なショットキー接合領域に局在させられる。従って、非常に小さい体積の半導体吸収層において、効率的な光電変換が達成される。
図１１は、ショットキー接合部の周囲に光を照射した場合におけるフォトダイオードの特性を示すグラフである。すなわち、厚さ１２０ｎｍのＡｇ電極を直径２００ｎｍのＳｉ半導体表面に配置して形成したフォトダイオードにおいて、プラズモン共鳴を生じさせる周期構造（例えば、有限差分時間領域法により電磁界計算をして求めた５６０ｎｍ周期、５０ｎｍ高さの凹凸構造）を形成した場合と、前記周期的な凹凸構造がない場合とについて、感度特性を比較したものである。実験では、レーザ光（波長：８５０ｎｍ、パワー：１ｍＷ）を基板８の裏面側より垂直入射してフォトカレントを観測した。プラズモン共鳴を生じさせる周期的な凹凸構造９を形成した場合、二桁以上大きなフォトカレントの得られていることが、図１１から判る。尚、この時の量子効率は約５０％であった。
次に、製造方法をＳｉ半導体の場合で説明する。
図１２は、本実施例のフォトダイオードの製造方法を示す断面図である。
先ず、図１２（ａ）に示される如く、ｎ型ドープされたＳＯＩ基板を用いる。この上に、２００ｎｍ程度の厚さの半導体吸収層１をエピタキシャル成長させた。この時の半導体吸収層１の抵抗率は１〜１０Ω・ｃｍ程度であり、ドーピング濃度は約１×１０１５〜１×１０１６ｃｍ−３である。
次に、図１２（ｂ）に示される如く、ｎ型半導体吸収層１をパターニングし、接合サイズを規定した。すなわち、窒化シリコンＳｉＮｘ膜をマスクとして反応性エッチングによりパターニングした。反応性ガスにはＣ４Ｆ８ガスとＳＦ６ガスとの混合ガスを用いた。そして、１０００℃で約１４０分の水蒸気中熱処理を行った。これにより、ショットキー接合を作製するための土台となるメサ構造が形成された。
この後、図１２（ｃ）に示される如く、ＳｉＮｘ膜を約１３０℃の熱燐酸中に約１時間置くことにより除去した。この時、メサ形状および熱酸化処理を最適化することにより、比較的平坦な表面が得られる。更に、ＣＭＰ処理を施すことにより数ｎｍ程度の平坦性のものが得られた。
さて、メサ形状の表面には、ショットキー接合を形成する為の金属層（導電膜）が成膜される。この時、図１２（ｄ）に示される如く、反応性エッチングにより、半導体メサ構造の周囲のＳｉ酸化膜７表面に周期的な溝パターン（凹凸パターン９）を形成した。
そして、図１２（ｅ）に示される如く、表面プラズモンを生じさせる為、かつ、金属電極としての機能を奏させる為、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕの群の中から選ばれる金属（或いは、前記金属元素を構成元素とする合金）を堆積させ、導電膜２を設けた。
［実施例２］
図２は、本発明の第２実施形態を示すＧｅショットキー型フォトダイオードの断面図である。
本発明のショットキー型フォトダイオードは、ＳＯＩ(Silicon-on-Insulator)など表面が絶縁された半導体吸収層１の一部の上に形成された金属−半導体ショットキー接合を持つ。Ｇｅ層はＳｉ層との格子不整合の為、１００ｎｍ以下の厚さのＳＯＩ層上にガスソースＭＢＥ法により、Ｓｉ０．５Ｇｅ０．５等の適当なバッファ層を約１０ｎｍ形成した。バッファ層の上に、ｎ−Ｇｅ層を成長させ、貫通転移密度の低い高品質なＧｅ半導体吸収層１を形成した。尚、ショットキー接合を形成する為に、Ｎｉ下地層が蒸着法などにより積層されている。図２中、２は導電膜、３は半導体吸収層１の下部電極層である。５は負荷抵抗、６はバイアス電源である。７は支持基板８の上に設けられた酸化膜であり、酸化膜７の上に導電膜２が設けられている。
ショットキー接合部の周囲には、表面プラズモンを生じさせる為の導電膜２が積層形成されている。かつ、半導体吸収層１の裏面側（支持基板８側）から入射した光が表面プラズモン共鳴を発生させる為の周期的な凹凸構造９が構成されている。
表面プラズモンを誘起する為に設けられる導電膜２は、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ等の金属（或いは、前記金属の少なくとも一つを必須の構成元素とする合金）によって構成される。尚、ショットキー接合を形成する為に設けられた下地膜はＣｒ，Ｔａで構成されても良い。下部電極層３は、Ｇｅ成長層の基板となるＳＯＩ層へ予めＰ（燐）のドーピングを行うことで構成されたものであり、十分な導電率が有る。
本実施例においては、支持基板８の裏面側から光入射を行う為、Ｓｉの光吸収の影響を受ける１μｍ以下の波長の光入射を行う際には、実施例１と同様、Ｓｉ半導体支持基板８はＣＭＰ等により約５０〜１００μｍに薄層化されている。そして、フッ酸と硝酸との混合溶液を用いて、フォトダイオードの裏面部の支持基板８を溶解させて除去し、約１０〜５０μｍ径の光入射用窓を形成した。
基板８の裏面側から入射した光は、表面プラズモン共鳴を発生させる周期的な凹凸構造９により表面プラズモンに変換され、中心部のショットキー接合部に集光される。又、半導体吸収層１の周囲が半導体吸収層１よりも屈折率の低い半導体層（或いは、誘電体層（酸化膜７））で構成されている。従って、半導体吸収層１に入射される光パワーは、屈折率差による閉じ込め効果により、微小なショットキー接合領域に局在させられる。これにより、非常に小さい体積の半導体吸収層において、効率的な光電変換が達成される。
図１３は、ショットキー接合部の周囲に光を照射した場合におけるフォトダイオードの特性を示すグラフである。すなわち、厚さ１２０ｎｍのＡｇ電極を直径２００ｎｍのＧｅ半導体表面に配置して形成したフォトダイオードにおいて、プラズモン共鳴を生じさせる周期構造（例えば、有限差分時間領域法により電磁界計算をして求めた５６０ｎｍ周期、５０ｎｍ高さの凹凸構造）を形成した場合と、前記周期的な凹凸構造がない場合とについて、感度特性を比較したものである。実験では、レーザ光（波長：８５０ｎｍ、パワー：１ｍＷ）を基板８の裏面側より垂直入射してフォトカレントを観測した。プラズモン共鳴を生じさせる周期的な凹凸構造９を形成した場合、二桁以上大きなフォトカレントの得られていることが、図１３から判る。尚、この時の量子効率は約８０％であった。
波長１．３〜１．６μｍの光通信波長帯においては、Ｓｉ支持基板８は透明基板として扱うことが可能である。従って、支持基板除去などの加工プロセスを行わずとも、基板裏面を鏡面とするのみで、量子効率は約６０％となり、十分な受光感度が得られる。
［実施例３］
図３は、本発明の第３実施形態を示すｐ−ｉ−ｎ型フォトダイオードの断面図である。
本発明のｐ−ｉ−ｎ型フォトダイオードは、ＳＯＩ(Silicon-on-Insulator)など表面が絶縁された半導体吸収層１の一部の上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などにより積層形成された構造を持つ。ｐ−ｉ−ｎ接合部の周囲には、表面プラズモンを生じさせる為の導電膜２が積層形成されている。かつ、周期的な凹凸構造（半導体吸収層１の裏面側（支持基板８側）から入射した光が表面プラズモン共鳴を発生させる為の周期的な凹凸構造）９が構成されている。尚、図３中、４は支持基板８の上に設けられた埋め込み酸化層、５は負荷抵抗、６はバイアス電源である。７は埋め込み酸化層４の上に設けられた酸化膜であり、酸化膜７の上に導電膜２が設けられている。
表面プラズモンを生じさせる為の導電膜２は、半導体吸収層１上のｐ＋電極層１１上に積層形成されている。従って、導電膜２とｐ＋電極層１１とは電気的に接続されている。又、表面プラズモンを誘起する為に設けられる導電膜２は、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ等の金属（或いは、前記金属の少なくとも一つを必須の構成元素とする合金）によって構成されている。
図１４は、ｐｉｎ接合部の周囲に光を照射した場合におけるフォトダイオードの特性を示すグラフである。すなわち、厚さ１２０ｎｍのＡｇ電極を直径２００ｎｍのＳｉ半導体表面に配置して形成したフォトダイオードにおいて、プラズモン共鳴を生じさせる周期構造（例えば、有限差分時間領域法により電磁界計算をして求めた５６０ｎｍ周期、５０ｎｍ高さの凹凸構造）を形成した場合と、前記周期的な凹凸構造がない場合とについて、感度特性を比較したものである。実験では、レーザ光（波長：８５０ｎｍ、パワー：１ｍＷ）を基板８の裏面側より垂直入射してフォトカレントを観測した。プラズモン共鳴を生じさせる周期的な凹凸構造９を形成した場合、二桁以上大きなフォトカレントの得られていることが、図１４から判る。尚、この時の量子効率は約４０％であった。
［実施例４］
図４および図１５は、本発明の第４実施形態を示すＭＳＭ型フォトダイオードの断面図および平面図である。
ＭＳＭ型のフォトダイオードは、ＳＯＩ(Silicon-on-Insulator)など表面が絶縁された半導体吸収層１の一部の上に金属−半導体−金属（ＭＳＭ）接合の構造を持つ。そして、金属電極間の間隔をλ／ｎ（λ：入射光の波長、ｎ：半導体層の光屈折率）より小さい距離としている。これにより、半導体吸収層１の裏面側から入射した光が半導体吸収層１に閉じ込められる構造となる。尚、図４，１５中、４は支持基板８の上に設けられた埋め込み酸化層、５は負荷抵抗、６はバイアス電源である。７は埋め込み酸化層４の上に設けられた酸化膜であり、酸化膜７の上に導電膜２が設けられている。１４はプラズモン共鳴を生じさせない禁制帯グレーティングである。禁制帯グレーティング１４は、周期的な凹凸構造９の外側に設けられたものである。２１は電極パッドである。
ＭＳＭ電極１３は、表面プラズモンを誘起する為、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ等の金属（或いは、前記金属の少なくとも一つを必須の構成元素とする合金）によって構成されている。尚、ショットキー接合を形成する為に、Ｃｒ，Ｔａ或いはＮｉ等の金属からなる下地膜を設けても良い。又、対向する電極膜としてＴｉなどを下地膜として使用することにより、オーミック接合を形成することも可能である。
ＭＳＭ接合の周囲には、表面プラズモンを生じさせることが可能な導電膜２が隣接して設けられている。そして、表面プラズモン共鳴を生じさせる為に、周期的な凹凸構造９が構成されている。
図１６は、ＭＳＭ型フォトダイオードの特性を示すグラフである。すなわち、厚さ１２０ｎｍのＡｇ電極を直径２００ｎｍのＳｉ半導体表面に配置して形成したフォトダイオードにおいて、プラズモン共鳴を生じさせる周期構造（例えば、有限差分時間領域法により電磁界計算をして求めた５６０ｎｍ周期、５０ｎｍ高さの凹凸構造）を形成した場合と、前記周期的な凹凸構造がない場合とについて、感度特性を比較したものである。実験では、レーザ光（波長：８５０ｎｍ、パワー：１ｍＷ）を基板８の裏面側より垂直入射してフォトカレントを観測した。プラズモン共鳴を生じさせる周期的な凹凸構造９を形成した場合、二桁以上大きなフォトカレントの得られていることが、図１６から判る。尚、この時の量子効率は約５０％であった。
［実施例５〜実施例８］
図１７、図１８、図１９、及び図２０は、上記実施例１（図１）、実施例２（図２）、実施例３（図３）、及び実施例４（図４）の表面プラズモン共鳴を生じさせる周期的な凹凸構造９の外側に、表面プラズモンの反射機能を有する禁制帯グレーティング１４、突起形状１５、溝形状１６、周期的なスリットアレイあるいは微小開口アレイ１７を形成したショットキー型フォトダイオードの断面図を示すものである。
この場合における量子効率を表−１に示す。
表−１
Figure 0005282887
何れの構造においても、周期的な凹凸構造９のみの場合と比較して、２〜３倍程度の量子効率が得られている。そして、表面プラズモンの反射を効率的に行うことになり、ショットキー接合部への集光、更に半導体吸収層への光エネルギーの局在化が図れていることが判る。
［実施例９］
図２１は、本発明のショットキー型フォトダイオード２２を搭載した４０Ｇｂｐｓ(ギガビット毎秒)伝送用光受信モジュールを示す概略図である。
本実施例においては、フォトダイオードは、ＳＯＩ基板上にＧｅ膜をエピタキシャル成長させた基板を用い、その上にＮｉ／Ａｕ電極が設けられたショットキー型フォトダイオードである。このフォトダイオードの周囲に、凹凸構造（表面プラズモン共鳴により光結合および集光を可能とするＡｇ（又はＡｕ）からなる凹凸構造）を有する導電膜を設けたものである。そして、波長１．５５μｍの近赤外光による伝送に用いる場合、導電膜（金属膜）の凹凸構造の凹凸周期は約１．２μｍであり、８周期の同心円上凹凸を用いた場合、その外周の直径は約２０μｍとなる。この時の凹凸の深さは０．１〜０．４μｍ程度とした。ショットキー接合部の径は０．３〜０．７μｍ程度とした。フォトダイオードは、チップキャリア２６上に搭載されている。そして、光ファイバー２０およびレンズにより光結合が、又、後段のプリアンプＩＣ２５に電気接続がなされている。
通常、４０Ｇｂｐｓの光受信モジュールでは、搭載されるフォトダイオードには側面入射導波路型フォトダイオードが多く用いられる。これは、半導体面に光を入射する面入射型フォトダイオードでは、電荷キャリア走行時間を減らす為に吸収層を薄くすると、高い量子効率が得られないからである。一方、導波路型フォトダイオードは吸収層の面内方向で光を吸収することにより、電荷キャリア走行時間が短いままで高い量子効率が得られる。しかしながら、４０Ｇｂｐｓ用導波路型素子においては、半導体吸収層厚は、通常、１μｍ以下である。この場合の光ファイバーとの位置に関する結合トレランスは±１μｍ程度にする必要があることから、実装設計および製造コストの両面で大きな問題となっていた。
これに対して、本発明によるフォトダイオードは、有効実効直径２０μｍを有している。この為、結合トレランスを±２μｍ以上に取ることが可能となる。その結果、簡易なレンズ結合のみで光結合を行うことが出来る。これにより、光伝送用受信モジュールの低コスト化が可能になる。
因みに、図２１に示した本発明による４０Ｇｂｐｓ光受信モジュールでは、波長１．５５μｍ伝送において、最小受信感度−１２ｄＢｍが得られた。従って、通常の導波型フォトダイオードを搭載した４０Ｇｂｐｓ受信モジュールと特性的にも遜色の無いレベルが実現出来ていることが確認された。
［実施例１０］
図２２は、本発明のフォトダイオードを搭載したＬＳＩチップ間光インターコネクト構成を示すものである。
図２２中、光信号入力ファイバー３３からの光信号は凹面鏡３６により本発明によるフォトダイオード２２に照射される。８５０ｎｍの波長の光を用いる場合、フォトダイオードの半導体材料はＳｉであり、この時の金属周期構造の凹凸周期は６００〜７００ｎｍである。Ｓｉ製のフォトダイオードは、金属周期構造体が作り出す近接場光を更に半導体吸収層と光結合させることにより、光電流を発生する。これにより、フォトダイオード配線層２９を通してＬＳＩに光信号に対応した電流を流す。又、表面プラズモン共鳴を惹き起こす金属周期構造を設けることにより、凹面鏡とフォトダイオードの位置に関する結合トレランスを±１μｍ以上に取ることが出来る。
フォトダイオード配線層３２はＬＳＩのフォトダイオード配線用ビア２９に電気的に接続される。ここで、光信号の入力には光ファイバーの代わりに平面光導波路など良く知られた他の方法を用いることが出来る。又、凹面鏡の代わりに凸レンズなどの集光機構を用いることも出来る。又、フォトダイオードの直後のフォトダイオード配線層の途中に電気信号増幅のためのプリアンプを置くことも出来る。
ＬＳＩからの電気信号は光源および変調用電気信号ビア２８から光源および変調用電気配線層３１を通って電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ(面発光レーザ)光源２７により光信号に変換される。光信号は凹面鏡３６で反射されて光信号出力ファイバー３３に送られる。電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ光源２７は、電気により光を変調する周知の他の機構、例えば外部光源からの光を電気光学効果または熱光学効果により変調するマッハツエンダー型の変調器により置き換えることが出来る。
ここで、通常のＬＳＩチップ間インターコネクトにおいては、２０ＧＨｚ以上の高速動作を目的とする場合、搭載されるフォトダイオードは、応答高速化の為、ＩｎＰ基板上に成長させたＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体材料などが用いられる。しかしながら、化合物半導体はＳｉ半導体素子の製造プロセスとの整合性が悪く、コストが高くなる。
これに対して、本発明のフォトダイオードは、Ｓｉを用いることが出来る為、製造コストを引き下げることが出来る。そして、図２２に示した本発明による光インターコネクトでは、約４０ＧＨｚの高速光電気変換動作が確認された。
この出願は、２００６年１２月２０日に出願された日本出願特願２００６−３４２３３６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (26)

  1. 半導体層の表面に導電層が設けられたショットキー障壁型のフォトダイオードであって、
    前記フォトダイオードのショットキー接合部の周囲には、表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が前記導電層に接して設けられ、
    前記半導体層は、前記導電層の前記周期構造が設けられている面に設けられ、
    前記半導体層の周囲には、前記半導体層よりも屈折率の低い誘電体層が設けられ、
    前記周期構造は凹凸面を有しており、
    前記周期構造の凹凸面が前記導電層とは反対側のフォトダイオード裏面側を向くように構成され、
    前記周期構造の凹凸面に向かう前記裏面側から前記フォトダイオードに光が入射されるよう構成されてなる
    ことを特徴とするフォトダイオード。
  2. 半導体層の表面に設けられたｐ−ｉ−ｎ型のフォトダイオードであって、
    前記フォトダイオードのｐ−ｉ−ｎ接合部の周囲には、導電層と、表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が前記導電層に接して設けられ、
    前記半導体層は、前記導電層の前記周期構造が設けられている面に設けられ、
    前記半導体層の周囲には、前記半導体層よりも屈折率の低い誘電体層が設けられ、
    前記周期構造は凹凸面を有しており、
    前記周期構造の凹凸面が前記導電層とは反対側のフォトダイオード裏面側を向くように構成され、
    前記周期構造の凹凸面に向かう前記裏面側から前記フォトダイオードに光が入射されるよう構成されてなる
    ことを特徴とするフォトダイオード。
  3. 半導体層の表面に間隔をおいて配置された金属−半導体−金属接合を備えたフォトダイオードであって、
    前記フォトダイオードの金属−半導体−金属接合部の周囲には、導電層と、表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が前記導電層に接して設けられ、
    前記半導体層は、前記導電層の前記周期構造が設けられている面に設けられ、
    前記半導体層の周囲には、前記半導体層よりも屈折率の低い誘電体層が設けられ、
    前記周期構造は凹凸面を有しており、
    前記周期構造の凹凸面が前記導電層とは反対側のフォトダイオード裏面側を向くように構成され、
    前記周期構造の凹凸面に向かう前記裏面側から前記フォトダイオードに光が入射されるよう構成されてなる
    ことを特徴とするフォトダイオード。
  4. 半導体層の表面に配置された金属−半導体−金属接合の間隔は、λ／ｎ（但し、λは半導体層の裏面側から入射する光の波長、ｎは半導体層における光の屈折率）以下であり、
    前記金属の層は、前記半導体とショットキー接合を形成する金属の層と表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材料からなる層とが積層されてなる層、又は前記半導体とショットキー接合を形成することが可能で、かつ、表面プラズモンを誘起することが可能な金属の層からなる
    ことを特徴とする請求項３のフォトダイオード。
  5. 金属−半導体−金属接合は、対向する少なくとも一方の金属−半導体接合がショットキー障壁型の接合である
    ことを特徴とする請求項３又は請求項４のフォトダイオード。
  6. 表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が、凹凸が形成された半導体層の表面に表面プラズモンを誘起することが可能な導電性層を積層した構造である
    ことを特徴とする請求項１〜請求項５いずれかのフォトダイオード。
  7. 表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が、凹凸が形成された誘電体層の表面に表面プラズモンを誘起することが可能な導電性層を積層した構造である
    ことを特徴とする請求項１〜請求項６いずれかのフォトダイオード。
  8. 表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造の外側に、表面プラズモン共鳴を生じさせない周期構造が構成されてなる
    ことを特徴とする請求項１〜請求項７いずれかのフォトダイオード。
  9. 表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造の外側に、表面プラズモンを反射させるための段差構造が構成されてなる
    ことを特徴とする請求項１〜請求項８いずれかのフォトダイオード。
  10. 段差構造が、λ／ｎｄ（但し、ｎｄは導電膜に隣接する半導体層あるいは誘電体層における光の屈折率、λは光の波長。）よりも高い突起形状からなる
    ことを特徴とする請求項９のフォトダイオード。
  11. 段差構造が、λ／ｎｄ（但し、ｎｄは導電膜に隣接する半導体層あるいは誘電体層における光の屈折率、λは光の波長。）よりも深い溝形状からなる
    ことを特徴とする請求項９又は請求項１０のフォトダイオード。
  12. 段差構造が、導電性材料に設けられた入射光の波長以下の径の孔を配列した形状からなる
    ことを特徴とする請求項９〜請求項１１いずれかのフォトダイオード。
  13. 段差構造が、導電性材料に設けられた入射光の波長以下の幅のスリットを配列した形状からなる
    ことを特徴とする請求項９〜請求項１２いずれかのフォトダイオード。
  14. 前記導電性層が、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕの群の中から選ばれる少なくとも一つの金属あるいは合金で構成されてなる
    ことを特徴とする請求項９〜請求項１３いずれかのフォトダイオード。
  15. フォトダイオードにおける接合面積が１００平方μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１４いずれかのフォトダイオード。
  16. フォトダイオードにおける接合面積が１０平方μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１４いずれかのフォトダイオード。
  17. フォトダイオードにおける接合面積が１平方μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１４いずれかのフォトダイオード。
  18. フォトダイオードにおける半導体吸収層の厚みが１μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１７いずれかのフォトダイオード。
  19. フォトダイオードにおける半導体吸収層の厚みが２００ｎｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１７いずれかのフォトダイオード。
  20. フォトダイオードにおける半導体吸収層が、Ｓｉ，ＳｉｘＧｅ１−ｘ（但し、ｘは１未満の正数），Ｇｅ，ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＩｎＰの群の中から選ばれる少なくとも一つで構成されてなる
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１９いずれかのフォトダイオード。
  21. フォトダイオードにおける半導体吸収層がＧｅ，ＳｉｘＧｅ１−ｘ（但し、ｘは１未満の正数）の群の中から選ばれる少なくとも一つで構成されてなり、
    前記半導体吸収層と前記導電層との間にＮｉとＧｅとの合金で構成されてなる層が設けられてなる
    ことを特徴とする請求項１〜請求項２０いずれかのフォトダイオード。
  22. フォトダイオードが半導体からなる光導波路上に構成されてなる
    ことを特徴とする請求項１〜請求項２１いずれかのフォトダイオード。
  23. 基板側に形成された光導波路からミラーにより反射された光をフォトダイオードが受光できるよう構成されてなる
    ことを特徴とする請求項１〜請求項２１いずれかのフォトダイオード。
  24. フォトダイオードの基板が入射光に対して透明な材料で構成されてなる
    ことを特徴とする請求項１〜請求項２３いずれかのフォトダイオード。
  25. 請求項１〜請求項２４いずれかのフォトダイオードが受光部に設けられてなる
    ことを特徴とする光通信デバイス。
  26. 請求項１〜請求項２４いずれかのフォトダイオードが構成された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電子回路とを具備する
    ことを特徴とする光インタコネクションモジュール。
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