JP7192979B2 - 光デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、プラズモニック導波路型の光デバイスに関する。
超高速光通信やテラヘルツ波通信への応用を志向した超小型高速光導波路型デバイスの実現に向けて、サブ波長のサイズに光を閉じ込められるプラズモニック導波路が注目されている。例えば、プラズモニック導波路型のフォトディテクタ（ＰＤ）がある。このＰＤは、従来のＰＤと比較して簡便なデバイス構造を有し、作製が比較的容易で、かつ超小型で低い容量・抵抗（ＣＲ）積を有している。このような特徴を活かし、プラズモニック導波路型のＰＤにより、４０Ｇｂｐｓを超える信号受信を可能にする高速ＰＤや、テラヘルツ波を生成するフォトミキサが実現されている（非特許文献１、非特許文献２）。
非特許文献１には、金属－半導体－金属構造、いわゆるＭＳＭ構造からなるプラズモニック導波路を用いたＰＤが開示されている。このＰＤは、図６に示すように、ＳｉＯ2からなる基板３０１の上に形成されたＳｉからなるコア３０２と、コア３０２を挟んで配置された第１金属電極３０３，第２金属電極３０４と、コア３０２の上に絶縁層３０５を介して形成された上部電極３０６とを備える。第１金属電極３０３は、金から構成されてドレイン電極となる。第２金属電極３０４は、チタンから構成されてソース電極となる。また、第２金属電極３０４には、金から構成された第３電極３０７が接続されている。第１金属電極３０３と第２金属電極３０４と、これらに挾まれたコア３０２とで、プラズモニック導波路が構成される。
コア３０２および。第１金属電極３０３，第２金属電極３０４によるプラズモニック導波路に波長１．５μｍの光通信波長帯の光を伝搬させると、図７に示すように、金属の表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）励起によってコア３０２（Ｓｉ）と第１金属電極３０３（Ａｕ）との界面、およびコア３０２（Ｓｉ）と第２金属電極３０４（Ｔｉ）との界面において、強度が強く分布する光伝搬モード（以下、「プラズモニック導波路の伝搬モード」ということがある）となる。コア３０２の左右両側の金属表面で励起されるＳＰＰに対して、半導体であるコア３０２内の光強度分布において、互いに反対側の金属で閉じ込めあうことで、従来、誘電体導波路では実現できなかったサブ波長サイズに光閉じ込めることが可能となり、超小型デバイス構造が得られる。
コア３０２の左右それぞれの金属表面に励起されるＳＰＰによって、第１金属電極３０３、第２金属電極３０４の内部で電荷キャリアのエネルギーが励起される。この、励起された波長（１．５μｍ）に対応するエネルギーが、コア３０２と第１金属電極３０３との界面、およびコア３０２と第２金属電極３０４のショットキー障壁高さを超える場合、第１金属電極３０３、第２金属電極３０４内で励起された電荷キャリアは、コア３０２へと侵入可能になる。こうした光検出の原理は、内部光電子放出効果（ＩＰＥ）と呼ばれる。
非特許文献１の技術では、まず、第１金属電極３０３と第２金属電極３０４の間にバイアス電圧を印加し、コア３０２と第２金属電極３０４とのショットキー障壁に対しては逆バイアス状態とし、コア３０２と第１金属電極３０３との界面では順バイアス状態とする（図８参照）。逆バイアスとすることで、第２金属電極３０４内の励起電子をコア３０２の伝導帯へと流入しやすくさせ、順バイアス状態とすることで、第１金属電極３０３に低抵抗に電子を引き抜く。このようにして、非特許文献１の技術では、光電流を得てＰＤ動作を実現している。
S. Muehlbrandt et al., "Silicon-plasmonic internal-photoemission detector for 40 Gbit/s data reception", Optical Society of America, vol. 3, no. 7, pp. 741-747, 2016.
T. Harter et al., "Silicon-Plasmonic Photomixer for Generation and Homodyne Reception of Continuous-Wave THz Radiation", Conference on Lasers and Electro-Optics, SM4E.5, 16542210, 2016.
H. Nishi et al., "Deep-subwavelength Si core plasmonic waveguide monolithically integrated with Si photonic waveguide", Conference on Lasers and Electro-Optics, FF1B.6, 16543044, 2016.
H. Nishi et al., "High-speed Si plasmonic photodetector based on internal photoemission and two-photon absorption", Conference on Lasers and Electro-Optics, SM2I.5, 18024143, 2018.
非特許文献１では、図７に示すように、プラズモニック導波路を伝搬する光の５０％以上は、ＭＳＭ構造における一方のＡｕとＳｉとの界面に分布しており、プラズモニック導波路に入射した光の電子へのエネルギー変換（光電変換）の５０％以上が、ＡｕとＳｉとの界面付近で主に行われる。このため、非特許文献１で示されているようなバイアス条件、すなわち、他方のＴｉとＳｉとの界面付近で行われたエネルギー変換によって励起された電子を流入させるバイアス条件で駆動すると、ＡｕとＳｉとの界面付近で励起された電子は、光電変換には寄与せず、原理的に光電変換の効率が５０％以下になるという大きな問題があった。
非特許文献１の技術では、逆に、ＡｕとＳｉとの界面から電子を流入させるようなバイアス条件で駆動すれば、原理的には５０％以上の光電変換の効率を得ることが可能である。さらに非特許文献１の技術において、金属電極の材料を変更し、プラズモニック導波路の伝搬モードを最適化することで、励起電子を流入させる側の金属界面により多くの電磁界が存在するようにできれば、さらに高い光電変換の効率が得られるようになると考えられる。
しかし、これらの場合、プラズモニック導波路の伝搬モードにおける電磁界分布の左右対称性が低くなる。非特許文献１では、入出力にＳｉ導波路を用いており、テーパー構造を有するモード変換器を介してプラズモニック導波路へと結合させているが、Ｓｉ導波路は極めて対称性の高い伝搬モードを有するため、対称性の低いプラズモニック導波路モードへ結合させるには、非特許文献１のようなテーパー構造型のモード変換器では結合損失が大きくなり、結果的に変換効率が低下することが問題であった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、プラズモニック導波路の伝搬モードの対称性を低下させることなく、入射光から電子へのエネルギー変換をより高くすることを目的とする。
本発明に係る光デバイスは、基板の上に形成された半導体からなるコアと、コアを挾んでコアの両方の側面に接して形成された、金属からなる第１ソース電極および第２ソース電極と、コアの上面に接して形成された、金属からなるドレイン電極とを備え、コア、第１ソース電極、第２ソース電極によりプラズモニック導波路が構成されている。
上記光デバイスの一構成例において、第１ソース電極および第２ソース電極は、コアにショットキー接続している。
上記光デバイスの一構成例において、第１ソース電極と第２ソース電極とは、互いに異なる金属から構成されている。
上記光デバイスの一構成例において、基板の上でコアの一端に連結し、コアから離れるほど暫時に太くなる変換コアを備えるモード変換器をさらに備える。
以上説明したように、本発明によれば、半導体からなるコアを挾んでコアの両方の側面に、金属からなる第１ソース電極および第２ソース電極を接して設け、コアの上面にドレイン電極を配置したので、プラズモニック導波路の伝搬モードの対称性を低下させることなく、入射光から電子へのエネルギー変換をより高くすることができる。
以下、本発明の実施の形態に係る光デバイスについて図１，図２を参照して説明する。この光デバイスは、基板１０１の上に形成されたコア１０３と、コア１０３を挾んでコア１０３の両方の側面に接して形成された、第１ソース電極１０４および第２ソース電極１０５と、コア１０３の上面に接して形成された、ドレイン電極１０７とを備える。コア１０３、第１ソース電極１０４、および第２ソース電極１０５は、プラズモニック導波路を構成している。
第１ソース電極１０４および第２ソース電極１０５は、コア１０３にショットキー接続している。また、本実施の形態において、コア１０３は、スラブ１０２に立設されたリブ型の導波路構造とされている。また、実施の形態では、第１ソース電極１０４および第２ソース電極１０５の上に絶縁層１０６が形成され、コア１０３および絶縁層１０６の上にドレイン電極１０７が形成されている。図１は、プラズモニック導波路の導波方向に垂直な断面を示している。
基板１０１は、例えば、酸化シリコンなどの絶縁体から構成されている。コア１０３は、半導体、例えば、Ｓｉから構成されている。また、コア１０３の、導波方向に垂直な断面の形状は、幅２００ｎｍ、高さ４００ｎｍとされている。第１ソース電極１０４および第２ソース電極１０５は、金属、例えば、Ａｌから構成されている。また、第１ソース電極１０４および第２ソース電極１０５は、厚さ４０ｎｍとされている。ドレイン電極１０７は、Ａｌなどの金属から構成され、コア１０３に電気的に接続している。絶縁層１０６は、絶縁体、例えば、酸化シリコンから構成されている。なお、第１ソース電極１０４と第２ソース電極１０５とは、プラズモニック導波路の伝搬モードの対称性が高くなるような異種金属の組み合わせ、例えば、金とチタンとの組み合わせなどの互いに異なる金属から構成することもできる。
本実施の形態に係る光デバイスは、基板１０１の平面方向に第１ソース電極１０４、コア１０３、第２ソース電極１０５が、この順で配置された横型ＭＳＭ構造とされている。本実施の形態に係る光デバイスでは、コア１０３を構成する半導体と、第１ソース電極１０４および第２ソース電極１０５をそれぞれ構成する金属との間に形成されるショットキー障壁に対して、逆バイアス状況となるように、第１ソース電極１０４および第２ソース電極１０５に電圧を印加する。これにより、コア１０３と、第１ソース電極１０４または第２ソース電極１０５との界面において励起された電荷キャリアが、コア１０３内へと供給されるようになる。さらに、ドレイン電極１０７に電圧を印加して、コア１０３内へと供給された電荷キャリアを、ドレイン電極１０７から引き抜く。
上述したことにより、本実施の形態に係る光デバイスでは、コア１０３と第１ソース電極１０４との界面、およびコア１０３と第２ソース電極１０５との界面付近から光励起キャリアが供給される。このため、従来の内部光電子放出効果（ＩＰＥ）を動作原理とするプラズモニック導波路型のフォトディテクタ（ＰＤ）では、コアの内部へと供給されず無駄になっていた光励起キャリアを光電流として取り出すことが可能となる。このように、本実施の形態によれば、単純な光学的構造で、高い変換効率が得られるプラズモニック導波路型のＰＤが得られる。また既存の一般的なＰＤと異なり、コアとなる半導体が、受光したい光波長を吸収する材料である必要がなく、例えばＳｉのような一般的な電子デバイスで用いられる半導体材料とＳｉ電子回路で用いられる電極材料を適用することで、高性能なＰＤが作製可能となる。
本実施の形態に係る光デバイスにおいては、図２に示すように、プラズモニック導波路１２１にモード変換器１２２を光接続することができる。モード変換器１２２には、シリコンコアによるＳｉ導波路１２３が光接続する。モード変換器１２２の変換コアは、基板１０１の上でコア１０３の一端に連結し、この変換コアは、コア１０３から離れるにつれて太くなっている。なお、図２では、ドレイン電極を省略している。
Ｓｉ導波路１２３から入射された光は、モード変換器１２２を介して、プラズモニック導波路１２１に入射される。Ｓｉ導波路１２３のコア断面サイズは、従来、設計されている一般的なものであり、一例として２００×４５０ｎｍである。作製プロセスを考慮し、コア両側に２０ｎｍ厚のスラブが存在している。モード変換器１２２では、コア幅が４５０ｎｍから、プラズモニック導波路１２１のコア幅へと線形テーパー状に狭められる。
プラズモニック導波路１２１のコア幅は、一例として１００ｎｍであり、またモード変換器１２２の導波方向の長さは例えば５００ｎｍである。また、スラブ１０２の厚さは、一例として２０ｎｍである。モード変換器１２２は、非特許文献３や非特許文献４に示されるように、テーパー状に幅を狭められるＳｉコアの両側面には、プラズモニック導波路１２１において横型ＭＳＭ構造を形成する第１ソース電極１０４および第２ソース電極１０５が、接して配置される。
Ｓｉ導波路１２３から入射した光（入射光）がモード変換器１２２を伝搬した後、プラズモニック導波路１２１に至ると、図３に示すように、光は、Ｓｉからなるコア１０３と、Ａｌからなる第１ソース電極１０４および第２ソース電極１０５との界面に強く局在するようになる。すなわち、この例では、コア幅１００ｎｍ、電極厚さ４０ｎｍ程度の極めて小さな領域に光が閉じ込められるようになる。
モード変換器１２２を伝搬した入射光が、プラズモニック導波路１２１の伝搬モードへと変換されて導波しているプラズモニック導波路１２１には、コア１０３の上にドレイン電極１０７が配置されている。この、プラズモニック導波路１２１の伝搬モードは、図３に示すように、横型ＭＳＭ構造に強く閉じ込められており、ドレイン電極１０７が存在しても、プラズモニック導波路１２１の伝搬モード自体が受ける影響は小さい。言い換えれば、横型ＭＳＭ構造によって光閉じ込め構造を規定し、ドレイン電極１０７は、横型ＭＳＭ構造における伝搬モードに対して与える影響がなるべく小さくなるように、コア１０３の高さ（ドレイン電極１０７までの距離）を設計する。
図４に、有限要素法によって計算を行った、ソース電極内部の光強度（∫Ｐsauce electloadｄＡ）とプラズモニック伝搬モード全光強度（∫ＰtotalｄＡ）の比（Ｒsource/total）と、コア１０３の幅との関係を示す。この計算において、コア１０３の高さ（コア高）は１００，２００，３００ｎｍとし、第１ソース電極１０４，第２ソース電極１０５の厚さ（ｈmetal）は２０ｎｍとした。
いずれのコア高さにおいてもコア幅が狭くなるほどＲsource/totalが大きくなり、すなわちＩＰＥが生じるソース電極内部に、より多くの光が存在するようになり、より高い感度が得られる。また、コア幅を５０ｎｍ以下に小さく設定した場合、コア高さ１００，２００，３００ｎｍいずれにおいてもＲsource/totalに大きな差は見られず、コア高さ１００ｎｍまで小さくしても、ドレイン電極１０７の存在が、プラズモニック導波路１２１の伝搬モードにほとんど影響を及ぼさない。
図５に、同じく有限要素法によって計算を行ったＲsource/totalと、コア幅との関係を示す。図４に示した計算とは異なり、コア高さは２００ｎｍとし、ｈmetalを１０，２０，３０，４０ｎｍとした場合の計算結果を示している。いずれのｈmetalにおいてもコア幅が狭くなるほどＲsource/totalが大きくなり、すなわちＩＰＥが生じるソース電極内部に、より多くの光が存在するようになり、より高い感度が得られる。
これらの計算結果に示されるように、本発明に係る構造においてなるべく高い変換効率を実現するためには、可能な限り高いＲsource/totalが得られるように、可能な限り小さいコア幅と、ｈmetalとすればよい。
上述した本実施の形態においては、第１ソース電極および第２ソース電極、ドレイン電極ともに同じ金属材料としたが、その限りではなく、各々別の金属材料から構成することもできる。この場合、プラズモニック導波路の伝搬モードとしてなるべく高いＲsource/totalが得られるように、第１ソース電極および第２ソース電極の材料には、半導体によるコアとの界面でＳＰＰが励起可能で、かつコアとの間でショットキー障壁が形成可能で、かつその障壁高さが検出波長以下となる材料を選択する。また、ドレイン電極材料には、コアと順バイアス状況下でなるべく低抵抗なショットキー接合が得られるか、あるいはオーミック接合が得られる材料を選択する。金属材料は、単一組成のものに限らず、上記条件を満たすシリサイド材料などを選択することもできる。また、コアは、高抵抗なＳｉから構成することが好ましい。
さらに検出効率を上げるために、コアを、検出対象波長の光を吸収可能な材料（半導体）から構成することもできる。例えば、波長が１．３μｍ帯や１．５μｍ帯の光を吸収するために、ＧｅやＩｎＧａＡｓなどからコアを構成し、前述した条件を同様に満たす金属から、ソース電極を構成することができる。また、プラズモニック導波路構造の特徴となる極微小領域への光閉じ込めによって、コア内で極めて高い電界強度が得られることを活かし、半導体によるコア内での多光子吸収プロセスを利用できれば、対象波長に対して線形吸収が不可能な材料を用いた場合でも、コア内で光キャリアを生成可能で、検出効率を向上させることが可能である。
本実施の形態においては、作製プロセスを考慮し、便宜上、コア両側にスラブを配置した構造としたが、これに限るものではなく、スラブがないコアとすることもできる。
以上に説明したように、本発明によれば、半導体からなるコアを挾んでコアの両方の側面に、金属からなる第１ソース電極および第２ソース電極を接して設け、コアの上面にドレイン電極を配置したので、プラズモニック導波路の伝搬モードの対称性を低下させることなく、入射光から電子へのエネルギー変換をより高くすることができる。本発明によれば、単純なテーパー構造型モード変換器の適用が可能な状態で、従来の技術より高い変換効率を有するプラズモニック導波路型ＰＤが得られる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
１０１…基板、１０２…スラブ、１０３…コア、１０４…第１ソース電極、１０５…第２ソース電極、１０６…絶縁層、１０７…ドレイン電極。
Claims (4)
- 基板の上に形成された半導体からなるコアと、
前記コアを挾んで前記コアの両方の側面に接して形成された、金属からなる第１ソース電極および第２ソース電極と、
前記コアの上面に接して形成された、金属からなるドレイン電極と
を備え、
前記コア、前記第１ソース電極、および前記第２ソース電極は、プラズモニック導波路を構成することを特徴とする光デバイス。 - 請求項１記載の光デバイスにおいて、
前記第１ソース電極および前記第２ソース電極は、前記コアにショットキー接続していることを特徴とする光デバイス。 - 請求項１または２記載の光デバイスにおいて、
前記第１ソース電極と前記第２ソース電極とは、互いに異なる金属から構成されていることを特徴とする光デバイス。 - 請求項１～３のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、
前記基板の上で前記コアの一端に連結し、前記コアから離れるほど暫時に太くなる変換コアを備えるモード変換器をさらに備えることを特徴とする光デバイス。
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