JPWO2005098966A1 - フォトダイオードとその製造方法 - Google Patents

Abstract

ショットキーフォトダイオードは、半導体層と、半導体層に接して設けられた導電膜と、を有する。導電膜は、穴と、穴の周囲に設けられ、導電膜の膜面に対する入射光によって、励起された表面プラズモンによる共鳴状態を膜面に生じさせる周期構造とを有する。フォトダイオードは、励起された表面プラズモンによって導電膜と半導体層との界面に発生する近接場光を検出する。穴は、入射光の波長より小さな直径を有する。

Description

本発明は、赤外光などの非可視光を含む光の信号を高速に電気信号に変換するフォトダイオードと、その製造方法に関する。

光信号を電気信号に高速に変換するデバイスとして、フォトダイオードが多く用いられている。フォトダイオードは、情報処理分野および通信分野において必須のデバイスとなっている。

いくつかの種類のフォトダイオードが知られているが、高速に動作するフォトダイオードとして代表的なものに、ｐｉｎ型フォトダイオードがある。ｐｉｎ型フォトダイオードは、図１に示すように、シリコンなどの半導体によって構成されており、ｉ層（真性半導体層）５１をｐ層（ｐ型半導体層）５２およびｎ層（ｎ型半導体層）５３ではさんだ構造になっている。ｐ層５２は、ｉ層５１の表面の一部に薄く形成されており、ｐ層５２の周縁部を囲んでｐ層５２に接するように、中央部にも窓５９が形成された第１の電極（アノード電極）５４が設けられている。ｎ層５３のｉ層５１側でない表面には、第２の電極（カソード電極）５５が設けられ、窓５９の底面にはｐ層５２が露出するとともに、ｐ層５２の露出表面には反射防止膜５８が設けられている。

バイアス電源５６に対して負荷抵抗５０とこのｐｉｎ型フォトダイオードとが直列に接続しており、第１の電極５４側が負、第２の電極５５側が正になるように、バイアス電源５６によりフォトダイオードに逆バイアス電圧を加えると、高抵抗のｉ層５１のほぼ全域が電荷キャリアの空乏層になる。この状態で窓５９を介して入射光５７がフォトダイオード内に入射すると、入射光５７のフォトンは主にｉ層５１で吸収されて電子−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の方向にドリフトして電流を生じ、負荷抵抗５０の両端で信号電圧として検出される。

このようなｐｉｎ型フォトダイオードで光電変換の応答速度を制限する要因の主なものは、負荷抵抗５０と空乏層が作る電気容量との積で決まる回路時定数と、空乏層を電子および正孔が通過するのに要するキャリア走行時間である。したがって、応答時間を向上させるためには、回路時定数を小さくするか、キャリア走行時間を短くすればよいことになる。

キャリア走行時間を短くして応答速度を向上させるために、ショットキー型のフォトダイオードが用いられる場合がある。ショットキーフォトダイオードは、図２に示すように、シリコンなどの半導体からなり、ｎ^＋型半導体層６０上にｎ⁻型半導体層６１が形成され、さらに、ｎ⁻型半導体層６１の表面の一部に、ｎ⁻型半導体層６１に接するように半透明金属膜６６が設けられている。半透明金属膜６６は、入射光６７が透過する程度に薄い金属膜である。半透明金属膜６６の周縁部を囲んで半透明金属膜６６に接するように、中央部にも窓６９が形成された第１の電極６２が設けられている。ｎ^＋型半導体層６０のｎ⁻型半導体層６１側でない表面には、第２の電極６３が設けられ、窓６９の底面には半透明金属膜６６が露出するとともに、半透明金属膜６６の露出表面には反射防止膜６８が設けられている。第１の電極６２及び第２の電極６３には、図１に示したｐｉｎ型フォトダイオードの場合と同様に、バイアス電源６４及び負荷抵抗６５を介して、逆バイアス電圧が印加される。

このようなショットキーフォトダイオードでは、ｎ⁻型半導体層６１の半透明金属膜６６に接する界面付近にはショットキー障壁ができる。このショットキー障壁付近では、半透明金属膜６６からｎ⁻型半導体層６１に向かって電子が拡散して空乏層になる。この状態で入射光６７が照射されると、ｎ⁻型半導体層６１に電子が生成され、この電子は逆バイアス電圧により空乏層内をドリフトする。電子が空乏層内をドリフトすることによって電流が生じ、負荷抵抗６５の両端で信号電圧として検出される。

図１に示したようなｐｉｎ型フォトダイオードでは、フォトン吸収のためのｉ層５１すなわち空乏層に十分な厚みを持たせる必要があるのに対し、ショットキーフォトダイオードでは空乏層を薄くすることが可能であるため、キャリア走行時間を短くすることができる。また、ショットキーフォトダイオードでは、素子表面層での光吸収を有効に利用することができる。

一方、光電変換の応答速度を向上させるために回路時定数を小さくする場合、負荷抵抗値を小さくするか、空乏層の電気容量を小さくすればよいことになる。しかしながら、回路時定数を短くするため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レベルが低下し、熱雑音その他の雑音の影響を受けやすくなってＳＮ比（信号対雑音比）が悪化する。そのため、空乏層の電気容量を減らすことが、再生信号のＳＮ比を良くして読み取りエラーを減らすために必要なことがらである。特に、キャリア走行時間を短くするために空乏層を薄くすると電気容量は増加することから、高速化のためには空乏層ある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、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ため、これまた、再生信号のＳＮ比を劣化させるという問題を生ずる。信号光の利用効率を向上させるために、レンズ等を用いて集光することも可能であるが、レンズを設けることは光電変換デバイス自体のサイズを大きくしてしまい、また、レンズとフォトダイオードとの位置合わせや、レンズと光ファイバなどとの位置合わせの作業が煩雑である、という問題点を生じる。

これらの課題に対し、近年の技術の発展に伴い、この種の光電変換デバイスにおいて、金属表面プラズモンを利用して従来よりもデバイスを高速化・小型化するための種々の試みが行われている。

特開昭５９−１０８３７６号公報（特許文献１）には、半導体の同一面上に２つの電極を設置した金属／半導体／金属（ＭＳＭ）デバイスからなる光検出器が開示されている。このＭＳＭ型光検出器は、一般に、２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フォトダイオードの一種である。電極を透過した光の一部は半導体で吸収されて自由電子を生成する。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電子の伝播距離が増すために動作速度が低下するという問題が現れる。この動作速度低下を防ぐため、特開昭５９−１０８３７６号公報では、金属の電極を周期的な凹凸に沿って設けることで、入射光を金属電極の表面プラズモンと効率よく結合させて光検出器内に伝播させる仕組みが開示されている。上述したようなＭＳＭ型受光素子の製造に適する方法として、特開平８−２０４２２５号（特許文献２）には、半導体上に金属膜を形成し、その一部を酸化して光透過性絶縁パターンを形成する方法が開示されている。

近接場光を検出するようにした受光素子が提案されている。特開平８−２０４２２６号公報（特許文献３）には、半導体の同一面上に一対の導電性電圧印加部材を有するＭＳＭ型受光素子において、一対の導電性電圧印加部材を隔てる光透過性の絶縁パターンの幅を波長以下の寸法にし、光透過性絶縁パターンの両脇にある導電性電圧印加部材の端部から発生する近接場光を利用することで、光検出の応答速度を高めることが開示されている。導電性電圧印加部材は、一般に、金属膜で構成されている。この構成では、近接場光を発生させるための開口の幅が効率を決定し、空乏層における電子が電子がドリフトする距離は応答速度を決定するが、光透過性絶縁パターンの幅がそのままショットキーダイオードとしての空乏層の幅となってしまうので、開口の幅と電子がドリフトする距離とを独立に設定することができず、受光素子における高効率と高速性を同時に得ることはできない。

特表平１０−５０９８０６号公報（特許文献４）には、表面プラズモン現象を利用した光電子カプラが開示されている。この光電子カプラでは、半導体上に、規則的な間隔を持って並ぶ交差指型の金属電極を正極と負極が入れ子になって向かい合うように配置するデバイス構造が用いられている。このようなデバイス構造により、入射光と透過光、反射光、表面プラズモンなどが相互に共振により結合する。光電子カプラ技術を用いたこの種のＭＳＭ型受光素子では、入射光によって生成する自由電子が入射光と表面プラズモンとの結合により強められるが、空乏層の電気容量を減らすため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ＳＮ比が低下する。

特開２００２−７６４１０号公報（特許文献５）には、太陽光エネルギーなどを電気エネルギーに変換する光起電力デバイスにおいて、ｐｎ接合を持つ複数の球形状または半球状の微細な半導体を用い、各半導体球をそれぞれ１対の電極で挟み、１対の電極の一方には周期的に配列させた開口あるいは凹部を設けたものが開示されている。一方の電極に設けられた周期的な形状によって、入射光と表面プラズモンとが共鳴し、それによって光起電力デバイス全体としての光電変換効率が向上する。しかしながら、この技術は、光電変換の応答速度における高速性が要求されない光起電力デバイスすなわち太陽電池に関するものである。したがって、光電変換の高速化のために空乏層を薄くするとか、光電変換領域の面積を小さくするといったことについての検討はなされていない。

入射光と表面プラズモンとの相互作用を用いたデバイスとして、さらに、特開２０００−１７１７６３号公報（特許文献６）には、開口部と周期的に変化する表面形状を有する金属フィルムとを利用して、開口部を伝播する光の強度を大幅に増大させた光伝送装置が開示されている。この公報には、単一の開口であってもその周囲に周期的な溝の列を設けることで、周期的な溝の列がない場合と比較して、開口を伝播する光を増強できることが述べられている。ただし、表面プラズモン共鳴においては、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。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（非特許文献１）によれば、波長の４０％以下の直径を有する開口において透過する光の総エネルギーは、表面プラズモン共鳴を利用したとしても、入射光エネルギーの１％以下に減衰する。したがって、特開２０００−１７１７６３号に開示の光伝送装置を用い、その光伝送装置の開口から伝播してきた光を受光素子に照射したとしても、光電変換における高いＳＮ比は得られない。

特開２００１−２９１２６５号公報（特許文献７）には、光データ記憶媒体における記録密度の向上のために近視野光学系を使用することとして、波長以下の直径を有する開口を介して光記録媒体に光を照射するとともに、上述したような表面プラズモン共鳴によって開口を透過する光の強度を強めた、光データ記憶媒体用の読み出し／書き込みヘッドが開示されている。特開２００４−６１８８０号公報（特許文献８）には、上述した特開２００１−２９１２６５号公報に開示の読み出し／書き込みヘッドは、開口を透過して遠方まで伝播する透過光を利用しているのではなく、開口に近接して形成される、近接場光（エバネッセント光）による微小な光スポットを用いていることが示されている。光データ記憶媒体の場合、記憶媒体での光の吸収係数を高くすることができ、したがって、記憶媒体では、近接場光による光スポットのような微小な範囲で全てのフォトンを吸収でき、微小な記録ピットを形成できるものと考えられる。しかしながら、近接場光をフォトダイオードに導入した場合、フォトダイオードを構成する材料の光吸収係数が比較的小さいので、フォトダイオード中の深い位置まで光が入射しない場合には、十分な光検出電流が観測されないものと考えられていた。

以下、本明細書中で引用した参考文献を列挙する。
特開昭５９−１０８３７６号公報 特開平８−２０４２２５号公報 特開平８−２０４２２６号公報 特表平１０−５０９８０６号公報 特開２００２−７６４１０号公報 特開２０００−１７１７６３号公報 特開２００１−２９１２６５号公報 特開２００４−６１８８０号公報 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

フォトダイオードの応答を高速化するためには、空乏層を薄くしてキャリア走行時間を短くすること、および空乏層の面積を小さくして回路時定数を小さくすることが必要となる。しかし、これらの方策を採用した場合には、入射光のフォトンを電子−正孔対に変換する量子効率、すなわち信号光の利用効率が低下するため、ＳＮ比の低下を伴うという問題が生ずる。特に、空乏層の面積を小さくするために光の入射窓の大きさを波長程度以下のサイズにすると、回折限界により透過する光の強度は大幅に減衰してしまう。このため、フォトダイオードの接合面積を１μｍ^２以下にすることはほとんど不可能であった。金属膜に開口を設けるとともに、開口の周辺の金属膜に周期構造を設け、表面プラズモン共鳴を利用して開口を透過する光の強度を向上させ、このようにして強度が高められた光をフォトダイオードに導入することとしても、十分な光強度は得られず、ＳＮ比の低下を伴うことになる。金属膜に設けられた開口の近傍に形成される近接場光を検出しようとしても、フォトダイオードを構成する半導体材料の光吸収係数が比較的小さいため、十分な光強度が得られないものと考えられている。

この種の受光素子においては、信号光がない場合にも流れる暗電流が、ノイズ源として問題になる。暗電流は、熱による電荷キャリアの生成などにより流れるため、温度依存性が大きい。電子−正孔対を生成する領域の体積が大きいほど、暗電流は多くなる。さらに、ショットキー型のフォトダイオードでは、金属と半導体とを格子整合させることができないため、ある種の格子欠陥が空乏層に生ずる。この欠陥は、電荷キャリアの生成中心となり、暗電流を増やす方向に作用する。

本発明の目的は、フォトダイオードの信号強度を確保しながら応答速度を高速化するためのデバイス構造を提供することにある。

本発明の別の目的は、従来に比べてデバイスを大幅に小型化することによって集積化が容易な構造を与えるとともに、高速化、低消費電力化、および低ノイズ化が可能なフォトダイオードを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、フォトダイオードは、入射光の波長よりも小さな直径を有する穴と、穴の周囲に設けられ導電膜の膜面に対する入射光によって、励起された表面プラズモンによる共鳴状態を膜面に生じさせる周期構造と、を有する導電膜と、導電膜の穴近傍に導電膜と接して設けられた半導体層と、を有し、励起された表面プラズモンによって導電膜と半導体層との界面において発生した近接場光を検出することを特徴とする。このフォトダイオードにおいて、穴の直径は、好ましくは、入射光の波長の１／１０以上１／２以下である。好ましくは、導電膜と半導体層によって形成されるショットキー障壁が現れる領域は、近接場光の発生領域とがほぼ一致する。周期構造は、好ましくは、穴から遠ざかる方向に周期を有する凹凸からなる。

本発明の第２の態様によれば、フォトダイオードは、第１の面と第２の面とを有する導電膜であって、第１の面側から形成された入射光の波長より小さな直径を有する穴と、穴から遠ざかる方向に周期を有する凹凸からなる周期構造とを有する導電膜と、導電膜の穴近傍に導電膜の第２の面と接して設けられた一導電型の第１の半導体層と、第１の半導体層の導電膜の第２の面と接している面と反対側の面に接し、一導電型であって、第１の半導体層より不純物濃度が高い第２の半導体層と、からなることを特徴とする。

さらにフォトダイオードは、第２の半導体層の導電膜との接合部の近傍にショットキー障壁を形成するための逆バイアス電圧を印加するために、第１の半導体層に電気的に接続する第１の電極と、導電膜に電気的に接続する第２の電極とを有してもよい。また、第１の半導体層と導電膜とに挟まれた第２の半導体層の厚さは、第２の面から導電膜に光が照射されたときに穴の位置で第１の面側に現れる近接場光の滲み出しの長さ以下とすることが好ましい。具体的には、第２の半導体層の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

このフォトダイオードにおいて、導電膜は好ましくは金属膜からなり、凹凸は好ましくは第１の面に形成される。周期構造は、例えば、穴を中心とする同心円状の溝部からなる。穴は、入射光の波長の１／１０以上１／２以下の直径を有することが好ましい。

本発明のフォトダイオードでは、第２の半導体層と導電膜とからなるショットキー接合から入射光の波長より短い距離だけ離れた場所に、入射光の波長より小さな寸法を持つ導電性の部材を有しても良い。

本発明のフォトダイオードは、導電膜の第１の面に、第２の半導体層とほぼ同じ屈折率を有する透明膜を備えてもよく、さらに、入射光に対する反射防止膜を備えていてもよい。

周期構造の周期は、入射光の波長以下とすることが好ましく、あるいは、入射光によって導電膜に励起される表面プラズモンの共鳴波長に設定されることが好ましい。

金属膜は、周期構造の凹部において、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の膜厚を有し、周期構造における凹凸の深さは、例えば、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

本発明において、導電膜に形成される穴の平面形状は、円、楕円、長円、あるいは中央部がくびれた亜鈴型やスリット形状であってもよい。穴が楕円である場合には、その楕円の短径が入射光の波長以下となるようにすればよい。スリット状の穴を用いる場合には、スリットの対向する２辺間の距離が波長以下となるようにすればよい。

さらに本発明において、導電膜と半導体層とによって形成されるショットキー接合の界面には、フォトダイオードの動作を妨げない範囲の絶縁物、例えば直径が２ｎｍ程度以下の膜状あるいはクラスタ状などの酸化物が存在してもよい。

本発明のフォトダイオードの製造方法は、穴と穴を中心とした周期的な凹凸とを有する導電膜と、穴の底部の位置で導電膜と接合する半導体層とを有するフォトダイオードの製造方法であって、光電変換を行う領域が穴の底部に対応する位置に限定されるように半導体層を画定して形成する段階と、導電膜を形成する段階と、領域に整合させて導電膜に穴および凹凸を形成する段階と、を有する。

一般に、波長以下の微小な穴を持つ金属膜に入射した光は、その開口をほとんど透過することができない。しかし上述したように、微小な穴の周囲に周期的な凹凸を設け、入射光と金属膜の表面プラズモンとが結合して共鳴状態を作ることができるようにすることにより、透過光強度を増強させることが可能であることが知られている。この効果はプラズモン増強と呼ばれる。ただし、前出のＴｉｎｅｋｅ Ｔｈｉｏらの文献（非特許文献１）によれば、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％以下に減衰するため、微小な穴からの透過光を半導体に照射しただけでは実用的な高いＳＮ比は得られない。

一方、微小な穴の出口付近には近接場光（エバネッセント光）と呼ばれるフォトンの滲み出し状態が現れる。周期的な凹凸によるプラズモン増強は透過光の他にこの近接場光も大幅に増強することが考えられる。その結果、微小な穴の出口付近には、平面的な広がりでは穴の面積と同程度の範囲であって、滲み出し長（すなわち出口位置からの距離）としては１００ｎｍ程度以下の狭い範囲で指数関数的に減衰する強い近接場光を生ずると予想される。この場合、微小な穴は貫通している必要はなく、底部に十ｎｍ程度の金属層が残っていてもよく、この金属層を超えて出口側に近接場光が生じる。極薄い金属層が残っている場合の穴の出口とは、金属層の表面のうち、穴の底面でない方の表面における、穴の位置に対応する位置のことを指す。この近接場光は、金属膜の周期構造や金属膜に接する物質の屈折率の影響を受けてその強度及び滲み出しの範囲が変化するが、出口側に半導体などの物質が存在する場合にも現れる。微小な穴付近に局在化した近接場光は半導体中においては通常の伝播光と同様に吸収されて電子−正孔対を生成すると考えられる。この近接場光に基づく電子−正孔対の生成は局在化された近接場光領域のみで行われるもので、通常の伝播光による光電流に足されるものである。従って、この近接場光からの電子−正孔対発生を伝播光による電子−正孔対よりも多くできれば、入射光エネルギーの大半を深さ１００ｎｍ程度以下の極めて狭い近接場光領域において、光電流を発生することが可能になる。

そこで本発明者らは、プラズモン増強された近接場光を検出するショットキーフォトダイオードを作成し、波長８３０ｎｍの光を入射した時の光電流を調べた。フォトダイオードでは、Ｓｉ基板の表面に直径３００ｎｍの穴を有する厚さ２００ｎｍのＡｇ膜が形成されるとともに、その穴の位置が光検出部となるようにした。Ａｇ膜においては、穴の周囲に周期５６０ｎｍ、深さ５０ｎｍの同心円状の溝を設け、入射光がＡｇ膜に入射したことによって表面プラズモンが励起し、表面プラズモン共鳴が生起するようにした。また、Ｓｉ基板とＡｇ膜との界面には、両者を密着させるために、厚さ１０ｎｍのＣｒ層を介在させた。また、比較のため、Ａｇ膜に同心円状の周期構造が設けられていないフォトダイオードも作成した。

図３は、このフォトダイオードの逆バイアス電流と光電流との観測された関係を示している。図３において、破線Ａは、Ａｇ膜において同心円状の周期構造を有しないフォトダイオードについての光電流の実測値である。点線Ｂは、Ａｇ膜において同心円状の周期構造を有するフォトダイオードにおける光電流の計算による予測値である。この予測値は、穴を通る透過光の強度について、表面プラズモン共鳴による増強率を推定し、その増強率から見積もられたものである。このとき、穴の直径は入射光の波長の３６％であるとして、上述のＴｉｎｅｋｅ Ｔｈｉｏらの文献（非特許文献１）のデータに基づき、表面プラズモン共鳴による増強率は約２０倍であると推定した。実線Ｃは、Ａｇ膜において同心円状の周期構造を有するフォトダイオードにおける光電流の実測値を示している。

図３に示した結果から明らかなように、金属膜に波長より小さい穴が形成されている場合に、その周辺の金属膜において同心円状の周期構造がある場合の光電流の実測値は、透過光に対する増強率から見積もった値より大きい。特に、逆バイアス電圧が小さい場合には、表面プラズモン増強率よりも１桁以上大きな光電流が流れることが判明した。逆バイアス電圧が小さい場合に、光電流が予想よりも著しく大きくなることから、この現象は、Ａｇ膜と半導体層との界面に形成される空乏層の厚さが小さいときに顕著になるといえ、そのような界面近傍に集中するフォトン場によるものと考えられる。すなわち、この大きな光電流の原因は、Ｔｉｎｅｋｅ Ｔｈｉｏらが見積もりに含めていなかった近接場光の影響であると考えられる。このように本発明者らは、実験により、微小な開口を用いた場合には、近接場光の寄与が透過光の寄与よりも予想以上に大きくなることを見出した。

従来は、フォトンによって電子−正孔対が生成される半導体材料の光吸収係数が比較的小さく、そのため、近接場光ができる程度の領域内では、十分な数の電子−正孔対が形成されない、と考えられていた。これに対し、本発明者らによる実験結果から、図３に示されたように、プラズモン増強された微小開口付近の近接場光を利用することで、十分に光電変換効率が高く、かつ、極めて小さなフォトダイオードを作成することができることがわかる。

すなわち、近接場光の領域と空乏層領域とが重なるように、半導体基板上の金属膜の形状および半導体基板でのキャリア濃度を調整することで、近接場光の広がり程度の極めて狭い領域で、フォトンによる電子−正孔対生成を十分に行うことができることになる。この場合、空乏層の面積あるいは接合面積としては近接場光の広がり程度のものでよく、また、空乏層の厚さとしても、近接場光の滲み出し長程度のものでよいので、高い量子効率を維持しながら、空乏層の面積、厚さとも従来のフォトダイオードに比べて劇的に小さくすることが可能になる。これにより、高い量子効率と高速な応答および暗電流の低減を同時に実現するフォトダイオードが得られることになる。

フォトダイオードを用いた光検出回路の通常の構成では、図１や図２に示したように、信号電圧を検出するためにフォトダイオードに接続される負荷抵抗と、フォトダイオード内の接合部の電気容量の積が、ほぼ、回路の時定数になる。本発明のフォトダイオードは、接合面積を小さくすることで電気容量を大幅に低減でき、その分、回路の時定数を小さくすることができて高速動作が可能になる。

半導体としてｎ型Ｓｉを用いる場合、不純物濃度を１０^１７ｃｍ^−３とすれば空乏層の長さは約１００ｎｍとなり、不純物濃度５×１０^１５ｃｍ^−３とすれば空乏層の長さは３００ｎｍ以上となる。Ｓｉの比誘電率が約１２なので、ショットキー接合を挟む一対の電極の間隔を、空乏層の長さ以下の１００ｎｍとすれば、直径３００ｎｍの円形のショットキー接合を設けた場合の接合容量は０．１ｆＦとなる。配線パターンに伴う寄生電気容量が、接合容量の約１００倍あると見込んだとしても、負荷抵抗５０Ωの場合、フォトダイオード回路のＲＣ時定数は、０．５ｐｓ程度となり、このことから、３００ＧＨｚ以上という高速な応答が可能になることが見積もられる。

一方、１００ｎｍの空乏層を通過するキャリアの走行時間から求められる応答周波数は、Ｓｉで期待される最高のドリフト速度１０^７ｃｍ／ｓを用いた場合、約１６０ＧＨｚとなる。

以上の見積もりから明らかなように、本発明のフォトダイオードを用いた回路は、光の吸収係数が比較的小さいＳｉを用いた場合であっても、１００ＧＨｚ以上の極めて高速な応答を可能にすることがわかる。また、従来のフォトダイオードを用いた回路と同一の時定数でよいとするのであれば、接合容量が小さい分だけ負荷抵抗を大きくできることから、より大きな信号電圧を得ることができる。さらに、本発明のフォトダイオードでは、空乏層の体積が小さいことにより、暗電流に基づくノイズも少なくなる。

本発明のフォトダイオードを用いて検出可能な光の周波数範囲は、フォトンのエネルギーが半導体のエネルギーギャップよりも小さく、かつ、金属膜中の自由電子のプラズマ周波数以上である領域である。使用する半導体や金属膜の材質、表面周期構造の形状、金属膜の穴の直径などを選択することにより、可視光、近赤外光、遠赤外光を含む全ての電磁波領域の光の検出に、本発明のフォトダイオードを使用することが可能である。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、接合電気容量が極めて小さいフォトダイオードを得ることができ、このフォトダイオードを使用することによって、高速応答する光電変換回路を作ることができる。また、フォトダイオードに直列に接続される負荷抵抗を大きくすることできるので、従来のものに比べて高い信号出力電圧を得ることが可能になる。高い信号出力電圧が得られるため、光電変換回路において後段側に設けられる増幅器の増幅率を小さくすることができ、あるいは増幅器を用いないですむようになり、これにより、光電変換回路の構成を簡素化して製造コストを低減するとともに、消費電力の少ない光電変換回路を実現することができる。

図１は、従来のｐｉｎ型フォトダイオードの構造の一例を示す断面図である。 図２は、従来のショットキーフォトダイオードの構造の一例を示す断面図である。 図３は、表面プラズモン共鳴によって増強された近接場光を検出するように構成されたフォトダイオードにおける逆バイアス電圧と光電流との関係を示すグラフである。 図４は、本発明の第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの構造を示す一部破断斜視図である。 図５は、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの構造を示す拡大断面図である。 図６は、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの電極配置の例を示す平面図である。 図７Ａ〜図７Ｊは、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの製造工程を、順を追って示す図である。 図８は、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの第２の例を示す拡大断面図である。 図９は、図８に示した電極配置の平面図である。 図１０は、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの第３の例を示す平面図である。 図１１は、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの第４の例を示す拡大断面図である。 図１２は、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの第５の例を示す拡大断面図である。 図１３は、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの第６の例を示す拡大断面図である。 図１４は、第１の実施形態のプレーナ型ショットキーフォトダイオードの第７の例を示す拡大断面図である。 図１５は、本発明の第２の実施形態のショットキーフォトダイオードの構造を示す断面斜視図である。 図１６は、本発明の第３の実施形態のショットキーフォトダイオードの構造を示す拡大断面図である。 図１７は、第３の実施形態のショットキーフォトダイオードの第２の例を示す拡大断面図である。 図１８は、本発明の第４の実施形態の光受信モジュールの構成を示す模式断面図である。 図１９は、本発明の第５の実施形態の光インターコネクトモジュールの構成を示す模式断面図である。

符号の説明

１，１６，２４ 基板
２，１４，２５，６０ ｎ^＋型半導体層
３，１５，２６，６１ ｎ⁻型半導体層
４，１７ 金属周期構造体
５，１９，２９，５４，６２ 第１の電極
８，２０，３１，５５，６３ 第２の電極
６，１８，２７ 穴
７，３０ 絶縁層
９，２１，３２，５６，６４ バイアス電源
１０，２２，３３，５０，６５ 負荷抵抗
１１，２３，５７，６７ 入射光
１２ スリット
１３ 反射防止膜
２８ 金属構造体
４０ 散乱体
５１ ｉ層
５２ ｐ層
５３ ｎ層
５９，６９ 窓
６６ 半透明金属膜

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態のショットキーフォトダイオードを説明する。第１の実施形態のショットキーフォトダイオードは、プレーナ型のフォトダイオードとして構成されている。図４はこのフォトダイオードの全体構成を示す一部破断斜視図であり、図５は、その断面を拡大して示す図である。

図示されるショットキーフォトダイオードは、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）など表面が絶縁性である基板１の一部の上に形成されたｎ^＋型半導体層２と、ｎ^＋型半導体層２の一部の上に設けたｎ⁻型半導体層３と、ｎ⁻型半導体層３に接し導電性を有する金属周期構造体４と、金属周期構造体４に接続する第１の電極（アノード電極）５と、第１の電極５に対向しｎ^＋型半導体層２に接する第２の電極（カソード電極）８と、第１及び第２の電極５，８間に逆バイアス電位を印加するバイアス電源９と、バイアス電源９と第１の電極５との間に挿入された負荷抵抗１０と、を備えている。

金属周期構造体４には、穴６が設けられている。後述するように穴６は貫通しておらず、金属周期構造体４がｎ⁻型半導体層３に接しているのは穴６及びその近傍の位置のみにおいてであり、また、ｎ⁻型半導体層３は、穴６及びその近傍の位置においてのみ、ｎ^＋型半導体層２上に形成されている。その他の箇所では、金属周期構造体４と、ｎ^＋型半導体層２や基板１との間には、絶縁層７が設けられている。第１の電極５は、絶縁層７上に設けられて金属周期構造体４と接続している。また、第２の電極８も絶縁層７上に設けられている。ｎ^＋型半導体層２は、その一部が絶縁層７を貫通して絶縁層７の上面にまで現れており、その位置で、第２の電極８と接合している。

この構成では、入射光１１は、ほぼ光を通さない金属膜としての金属周期構造体４に入射する。入射光１１は、金属周期構造体４における表面プラズモンを励起してこの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、金属周期構造体４の中心に位置する穴６の光入射面と反対側の半導体表面付近に強い近接場光を発生する。この近接場光は、穴６の付近の半導体側の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ずる。入射光１１の強度は、負荷抵抗１０の両端の電位差に変換される。

上述したように、金属周期構造体４の下部にある半導体部分は、基板１、電気伝導度の高いｎ^＋型半導体層２、およびｎ^＋型半導体層２の上の一部に形成されたｎ⁻型半導体層３から構成されている。ｎ^＋型半導体層２は、例えば、Ｓｉに対して１×１０^２０ｃｍ^−３以上の不純物イオンを注入することにより得られる。ｎ⁻型半導体層２は、不純物イオンを１×１０^１７ｃｍ^−３程度含む半導体結晶をｎ^＋型半導体基板２の上にエピタキシャル成長させることにより形成できる。具体的な製造工程については後述する。

金属周期構造体４は、ＡｇあるいはＡｕなどのプラズモン損失の少ない材料によって形成されている。穴６は金属周期構造体４の中心部に設けられているが、金属周期構造体４には、この穴を中心として、同心円状の凹凸による周期構造が形成されている。金属周期構造体４の凹凸の周期は、表面プラズモンの共鳴波長であり、入射光すなわち信号光の周期より若干短い値に設定される。例えば８００ｎｍの光波長の場合、凹凸の周期は６００ｎｍ程度である。凹凸の深さを２０ｎｍ〜２００ｎｍ程度とすることで、表面プラズモン共鳴による効果が現れる。金属周期構造体４の膜厚は、最も薄くなる凹部でも光の透過がほとんどない１００ｎｍ以上であることが好ましいが、厚くなりすぎると穴６付近の近接場光が弱くなるため、１０００ｎｍ以下にする必要がある。第１の電極５は、絶縁層７上で金属周期構造体４と接続しているから、金属周期構造体４と同じ材料を用いて金属周期構造体４と同時に形成されるようにすればよい。

金属周期構造体４における凹凸の形状は、図２に示した矩形断面のものに限るものではなく、凸部の頂上が尖っており断面が三角形状をしたもの、あるいは側面が曲面を持ったものや角が丸いものなどであってもよく、そのような形状のものであっても、同様に表面プラズモン共鳴による効果が見られる。また、凹部の長さと凸部の長さの比も任意のものが可能である。この同心円状の凹凸は、１周期だけ設けても、すなわち穴６を囲む一重の円環構造を形成するだけも、ある程度の効果が見られる。しかしながら、３周期以上、すなわち三重以上の同心円構造として設けることで、より大きな表面プラズモン共鳴の効果を得ることができる。入射光１１は、金属周期構造体４の全体あるいは一部に照射される。

金属周期構造体４にｎ⁻型半導体層３が接する領域は、穴６の領域とほぼ重なるように設定される。微小開口付近に現れる近接場光の発生領域は、穴６の径よりもやや広がることが多い。このため、通常は、金属周期構造体４とｎ−型搬送体層との接合領域は、穴６の直径に対し、リソグラフィ位置決め誤差程度、すなわち片側で１０ｎｍ〜５００ｎｍ程度大きく設定される。逆に穴６が接合領域からはみ出して形成され近接場光の一部がｎ⁻型半導体層３の外側に現れても、フォトダイオードとしての動作は可能である。

穴６は金属周期構造体４を完全には貫通しておらず、穴６の底には厚さ約１０ｎｍあるいはそれ以下の厚さの金属層が残されている。この金属層は、金属周期構造体４を形成する材料であるＡｇ、Ａｕなどの表面プラズモン損失の少ない材料、あるいはＣｒなどの密着層、あるいは両者の積層構造などからなる。また、この金属層は、部分的にピンホールなどの穴の開いた不完全な膜であってもかまわない。金属周期構造体４とｎ⁻型半導体層３の間に界面に沿ってショットキー障壁が現れる。近接場光の伝播距離は１００ｎｍ程度以下であり、かつ最も強度の強い領域は、ｎ⁻型半導体層３の深さ１０ｎｍ程度の位置に局在化している。ショットキー障壁による計算上の空乏層幅は、ドナー不純物濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３にしたＳｉの場合、１００ｎｍ程度になるため、ドナー不純物濃度をさらに上げてｎ⁻型半導体層３の厚さを５０ｎｍ以下にすることが可能である。

ｎ^＋型半導体層２は、不純物のドーピング濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３以上と高く、第２の電極とオーミック接触している。ただし、ｎ^＋型半導体層２におけるドーピング濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３より若干低い場合であっても、ｎ^＋型半導体層２と第２の電極とで形成されるショットキー障壁高さが金属周期構造体４とｎ⁻型半導体層３の間のショットキー障壁よりも相対的に低ければ、上述したものと類似のフォトダイオード動作が得られる。

第１の電極５と第２の電極８は、バイアス電源９を介して負荷抵抗１０に接続されているので、この回路構成では、入射光１１の強度は負荷抵抗１０の両端の電位差に変換される。

図６は、絶縁層７上での金属周期構造体４、第１の電極５及び第２の電極８の相互の位置関係の一例を示している。ここに示す例では、第１の電極と第２の電極８は同一平面上に存在し、第２の電極８は、金属周期構造体４の同心円状の凹凸の一部を切り欠いた箇所に入り込む形で配置されている。しかしながら、第１の電極５と第２の電極８は同一平面に形成されている必要なない。また、第２の電極８は、プラズモン増強を起こす必要がないため、ＡｇやＡｕなどの第１の電極５と同じ材料を用いる必要はなく、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ａｌなどを使用することができる。

表面プラズモンにより近接場光が顕著に増強されるのは、穴６の形状が円形である場合には、穴６の直径が入射光の波長の半分から１／１０の間程度の範囲にある時である。これは、穴６が波長と同程度あるいはそれより大きい場合には、フォトンエネルギーの大半が伝播光として穴６を通過するので、近接場光としてエネルギーを閉じ込めることができないからである。また穴６の直径が入射光の波長の１／１０より小さいと、プラズモン増強を用いても、穴６の反対側へのエネルギー伝播が少なく、フォトンエネルギーの大半は反射されてしまう。したがって、例えば８００ｎｍの波長の入射光を用いる場合、穴の直径は、８０ｎｍ〜４００ｎｍ程度であることが好ましい。穴６としては、円形のほかに、例えば、四角形、六角形、楕円形などの形状のものを使用することができる。

上述したように金属周期構造体４がｎ⁻型半導体層３に接しているのは穴６の近傍のみにおいてであり、その他の箇所では、金属周期構造体４と各半導体層と間に絶縁層７が存在する。これは、光が届かない範囲にある空乏層は、光起電力には寄与せずに暗電流のみに寄与するからである。絶縁層７としては、ＳｉＯ_２など通常の半導体プロセスで使われる材料を用いることができる。また、金属周期構造体４とｎ⁻型半導体層３とが空乏層の外側で不必要な寄生容量を形成して全体としての電気容量を増加させると、これにより、回路の応答速度が遅くなる。したがって暗電流を下げ応答速度を高めるためには、絶縁層７はなるべく厚く設定する必要がある。好ましくは、５００ｎｍ以上の厚さにして寄生容量を１ｆＦ以下の値にすることが望まれる。絶縁層７の材料として、ＳｉＯ_２にＦやＣなどをドーピングしたＳｉＯＦやＳｉＯＣなどの低誘電率絶縁膜を用いることも、寄生容量を小さくするためには有効である。

［製造方法］
次に、上述したフォトダイオードの製造方法について、半導体材料としてＳｉを用いる場合について説明する。図７Ａ〜図７Ｊは、第１の実施形態のフォトダイオードの製造方法を順を追って示している。

まず、図７Ａに示すように、例えばＳｉＯ_２からなる基板層１の一方の主面の全面にｎ^＋型半導体層２が形成され、さらにｎ^＋型半導体層２の表面の全面にｎ⁻型半導体層３が形成された基板を用意する。ｎ^＋型半導体層２は、Ｓｉ層に大してＰイオンを１×１０^２０ｃｍ^−３以上注入して、電気抵抗率を１０^−４Ωｃｍ台にしたものである。ｎ⁻型半導体層３は、化学気相法により、Ｐが１×１０^１７ｃｍ^−３程度含まれるｎ型Ｓｉをｎ^＋型半導体層２上に約１００ｎｍの厚さで堆積させたものである。

次に、図７Ｂに示すように、完成したフォトダイオードにおいてｎ^＋型半導体層２が形成されているべき領域に合わせ、ｎ⁻型半導体層３の上にマスク７０１を形成する。マスク７０１は、化学気相法などで成膜した厚さ１００ｎｍ〜１５０ｎｍの窒化シリコン上に所望の形状のフォトレジストを設け、その後、窒化シリコンをイオンエッチングすることなどにより得られる。続いて、図７Ｃに示すように、マスク７０１を用いてｎ⁻型半導体層３およびｎ^＋型半導体層２をエッチングする。このとき、マスク７０１が設けれていない領域ではｎ⁻型半導体層３が完全に除去され、ｎ^＋型半導体層２は大半が除去されて厚さが減じるようにすればよい。エッチングには半導体製造プロセスで良く知られた化学的ドライエッチングが用いられ、反応性ガスにはＣＦ_４あるいはＣＦ_４とＯ_２の混合ガスが用いられる。

次に、図７Ｄに示すように、マスク７０１をさらにパターニングして、穴６に対応するショットキー接続用の約１μｍ径のマスク７０２と、ｎ^＋型半導体層２のオーミック接続用のそれよりも大きなマスク７０３とする。マスク７０２、７０３は、イオンエッチングなどにより形成される。続いて図７Ｅに示すように、マスク７０１，７０２を用いてｎ⁻型半導体層３およびｎ^＋型半導体層２をエッチングすることで、ショットキー接続用のメサ７０４およびオーミック接続用のメサ７０５を形成する。その結果、ｎ^＋型半導体層２およびｎ⁻型半導体層３は、完成したフォトダイオードにおけるものと同じ形状になる。言い換えれば、ショットキー接続用のメサ７０４の領域、オーミック接続用のメサ７０５の領域、および両方のメサ７０４，７０５を結ぶ領域以外では、ｎ^＋型半導体層２は完全に除去される。エッチングには半導体製造プロセスで良く知られた化学的ドライエッチングが用いられ、反応性ガスにはＣＦ_４あるいはＣＦ_４とＯ_２の混合ガスが用いられる。

次に、ｎ⁻型半導体層３およびｎ^＋型半導体層２を絶縁層７で埋め込む。絶縁層７は、例えばＳｉＯ_２からなり、段差を埋め込むために基板側にイオンが引き込まれるようにしたプラズマ化学気相法であるバイアスＣＶＤにより成膜される。ＳｉＯ_２の成膜後、基板を約１３０℃の熱リン酸中に約１時間置くことで、マスク７０２，７０３を除去する。図７Ｆは、マスク７０２，７０３を除去した後の基板を示している。メサの形状や酸化プロセスを最適化することでかなり平坦な表面を得ることができるが、メカノケミカルポリッシング（ＣＭＰ）等による研磨技術を用いることによって、より平坦な表面にすることも可能である。

次に、図７Ｇに示すように、オーミック接続のメサ７０５の上のｎ⁻型半導体層３を化学的イオンエッチング等により除去する。引き続き、図７Ｈに示すように、金属周期構造体４、第１の電極５および第２の電極８となるべき位置に、金属層パターン７０６を設ける。この金属層パターン７０６は、電気抵抗率の低い材料からなることが好ましい。また、金属周期構造体４の穴６における信号光の透過率が高く保たれ、また表面プラズモンによる増強効果を妨げないようにするために、２００ｎｍ以下の膜厚であることが好ましい。Ａｇなど、Ｓｉとの密着が悪い材料を金属層パターン７０６に用いる場合は、密着層として厚さ１０ｎｍ以下より好ましくは３ｎｍ以下のＣｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｉなどを、金属層パターン７０６に対する下地層として設けることもできる。金属層パターン７０６は、ショットキー接続メサ全体を覆うパターンとオーミック接続メサの一部を覆うパターンに分けて形成され、両者は電気的に分離されている。

次に、図７Ｉに示すように、ショットキー接続用のメサ７０４の中央部の位置において金属層パターン７０６に穴６を形成する。さらに、金属層パターン７０６の上に、金属周期構造体４、第１の電極５および第２の電極８を成膜する。この時、金属層パターン７０６の形成位置以外には金属膜が成膜されないように、あらかじめフォトレジストのマスクを設けておく。電極を成膜したのち、不要の金属とともにフォトレジストマスクを除去する周知のリフトオフ法を実施することにより、金属周期構造体４、第１の電極５および第２の電極８が形成される。ＡｇあるいはＡｕなど光領域での電気抵抗が小さく表面プラズモン損失の少ない材料を金属周期構造体および電極に用いることが好ましいが、第２の電極８に関しては、導電体であれば必ずしもＡｇあるいはＡｕである必要はない。

引き続き、図７Ｊに示すように、リフトオフ法などで、電極と同じＡｇあるいはＡｕを付加金属層７０７として追加形成することにより、金属周期構造体４の表面にピッチＰの周期的な凹凸を形成する。

以上のプロセスによって、図４〜図６に示したフォトダイオードが完成する。

上述した第１の実施の形態において、フォトダイオードを構成する半導体材料として、Ｓｉの代わりに、Ｇｅ、ＳｉＧｅなど他のＩＶ族元素半導体を用いることができる。また、ＧａＡｓ系やＩｎＰ系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体などを用いることができる。これらの材料の選択は、バンドギャップと光の吸収係数とにより制限される波長限界に基づいて決められる。Ｓｉを用いた場合は、８００ｎｍ〜９００ｎｍ付近の波長で、Ｇｅを用いた場合は１３００ｎｍ〜１５００ｎｍ付近の波長で、ＩｎＰ上に成長させたＩｎＧａＡｓを用いた場合には１３００ｎｍ〜１６００ｎｍ付近の波長で、それぞれ優れたフォトダイオード特性が得られる。Ｇｅを用いる場合は、ＳＯＩ基板の代わりに超高真空化学気相法や分子ビームエピタキシー法などを用いて製造されたＧＯＩ（Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などが用いられる。なお、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いてフォトダイオードを構成する場合には、絶縁性基板の代わりに半絶縁性基板を用い、半絶縁性基板上にｎ^＋型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成したものを用いることができる。たとえば半絶縁性半導体であるＧａＡｓ基板の上にｎ^＋型ＧａＡｓ層を形成し、さらにその表面の一部にｎ⁻型ＧａＡｓ層を形成する。そのｎ⁻型ＧａＡｓ層に接してＡｇ製の金属周期構造体が設置される。

次に、上述した第１の実施形態のフォトダイオードの別の構成例を説明する。

図８および図９は、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの第２の例を示している。このフォトダイオードは、図４〜図６に示したフォトダイオードと同様のものであるが、同心円状の凹凸を有する金属周期構造体４に、第２の電極８が食い込んで設けられるための部分的な切り欠き部が設けられていない点で、図４〜図６に示したフォトダイオードと相違する。

図１０は、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの第３の例を示している。このフォトダイオードは、図４〜図６に示したフォトダイオードと同様のものであるが、金属周期構造体４が、図４〜図６に示したものにおける金属周期構造体を帯状に切り取った形状を有し、このような帯状の金属周期構造体４を囲むように、金属周期構造体４の３辺に沿うように第２の電極８が形成されている点で、図４〜図６に示したフォトダイオードと異なっている。

図１１は、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの第４の例を示している。このフォトダイオードは、図１０に示すものと同様のものであるが、穴６の代わりに、細長いスリット１２が形成されており、金属周期構造体の凹凸が同心円状ではなく平行な溝として形成されている点で、図１０に示すフォトダイオードとは異なっている。スリット１２の間隙は、入射光の波長の半分以下とすることが好ましく、スリット１２の長手方向の長さは、入射光の波長以下とすることが好ましい。

図１２は、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの第５の例を示している。このフォトダイオードは、図４〜図６に示したフォトダイオードとほぼ同じ構造を有するが、金属周期構造体４がｎ⁻型半導体層３と接する界面と、金属周期構造体４が絶縁層７と接する界面とが、ほぼ同一平面上にある点で相違する。ここでほぼ同一平面とは、二つの界面の段差が、光の波長に対し十分小さいこと、具体的には波長の１／３０以下の大きさであることを意味する。このような構造を有するフォトダイオードは、ショットキー接続用のメサとオーミック接続用のメサを形成する際に、ｎ^＋型半導体層の第１の電極に接する箇所と第２の電極に接する箇所とに別々のマスクを用いて、分子線エピタキシーあるいは超高真空化学気相法などにより、それぞれ、ｎ⁻型半導体層およびｎ^＋型半導体層を堆積することで製造することができる。この構造は、金属周期構造体４、第１の電極５、および第２の電極８の同時形成を容易にするという長所を有する。

図１３は、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの第６の例を示している。このフォトダイオードでは、上述した各例のフォトダイオードとは異なって、金属周期構造体４に設けられた穴６が完全に貫通し、穴６の底部にｎ⁻型半導体層３が露出しており、ｎ⁻型半導体層３に金属周期構造体４が接するのは穴の周囲であるという点である。穴６の直径が入射光の波長の半分以下であれば、穴６を透過する光の量は極めて少なく、穴６の反対側に現れるフォトンはほとんど近接場光の状態である。したがって、この場合においても、穴６の底に金属層が存在する場合と同様の動作をするフォトダイオードを得ることができる。

図１４は、第１の実施形態のショットキーフォトダイオードの第７の例を示している。このフォトダイオードは、図１３に示したフォトダイオードと同様のものであるが、金属周期構造体４の上に、金属周期構造体４の表面の周期構造を全面的に覆うように、ｎ⁻型半導体層３とほぼ同じ屈折率を有する透明膜１４が設けられている点で相違する。透明膜１４を設けたことにより、穴６の出口側における光の反射を少なくしている。例えば、波長１３００ｎｍの信号光に対応したフォトダイオードを構成する場合、ｎ⁻型半導体層３として、ＳｂをドープしたＧｅを用い、透明膜１４として、ＳｉあるいはＳｉＧｅを用いることで、このような構成を実現することができる。さらに図１４に示したものでは、透明膜１４上を反射防止膜１３で覆ってさらに反射を減らしている。反射防止膜１３には、透明膜１４の屈折率の平方根に近い屈折率を有する材料を用いることが好ましい。透明膜１４としてＳｉを用いた場合、反射防止膜１３には、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）などを用いることができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態のショットキーフォトダイオードについて説明する。第１の実施形態のフォトダイオードは、プレーナ型のものであったが、この第２の実施形態のフォトダイオードは、絶縁性の基板を用い、基板の表面に第１の電極、裏面に第２の電極を配したものである。図１５は、第２の実施形態であるフォトダイオードの構成を示している。

絶縁性の基板１６の表面には、第１の実施形態の場合と同様に、中心に穴１８が設けられているとともに、穴１８の周りに同心円状の凹凸による周期構造を有する金属周期構造体１７が形成されている。図４〜図６に示したフォトダイオードと同様に、穴１８は金属周期構造体１７を完全には貫通していない。基板１６の表面には、さらに、金属周期構造体１７と電気的に接続する第１の電極（アノード電極）１９が設けられている。

穴１６の位置に対応して、基板１６には貫通孔が形成されており、この貫通孔を挟んで基板１６の反対側の表面には、第２の電極（カソード電極）２０が設けられている。基板１６に形成された貫通孔内には、第２の電極２０とオーミックに接合するｎ^＋型半導体層１４と、ｎ^＋型半導体層１４上に形成されたｎ⁻型半導体層１５とが設けられている。ｎ⁻型半導体層１５は、基板１６の表面に達し、金属周期構造体１７と接している。

このフォトダイオードにおいては、金属周期構造体１７や各電極１９、２０としては、第１の実施形態での第２の例から第７の例までで述べた構造や形状のものを使用することができる。

第１の電極１９と第２の電極２０は、負荷抵抗２２を介してバイアス電源２１に接続しており、バイアス電源２１からはこのフォトダイオードに対して逆バイアス電位が印加される。

このフォトダイオードにおいて、半導体材料としてＳｉを用いた場合、ｎ^＋型半導体層１４およびｎ⁻型半導体層１５は、そこにドープするＡｓの濃度を調整することで作成される。電極１９、２０には、例えばＡｇを用いることができる。このフォトダイオードにおいても、金属周期構造体１７の同心円状凹凸の周期を７００ｎｍに設定することにより、入射する信号光の波長が８００ｎｍ近辺の時に顕著なプラズモン共鳴が発生し、穴１８付近からｎ⁻型半導体層１５側に現れる近接場光は、その強度が飛躍的に高められるとともに、穴１８の出口側の近傍に小さく閉じ込められるようになる。その結果、第２の実施形態においても、第１の実施形態の場合と同様に、量子効率の高いフォトダイオードを得ることができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態のショットキーフォトダイオードについて説明する。図１６に示す第３の実施形態のフォトダイオードは、第１の実施形態のフォトダイオードと同様のものであるが、金属周期構造体４に設けられた穴６の底面に、光を散乱するための微小な散乱体４０を設けた点で相違する。この散乱体４０には、光波長領域での電気抵抗が小さい材料が適しており、金属周期構造体４と同じ金属材料、例えばＡｇあるいはＡｕなどを用いることができる。散乱体４０の体積および形状は、表面プラズモン共鳴の状態に影響を及ぼすが、散乱体４０として、そのサイズが５ｎｍ角程度から入射光の波長と同程度のものまでが、幅広い範囲で効果を発揮する。形状としては、散乱体４０は、例えば、円柱状、あるいは角柱状のものとすることができる。

散乱体４０を穴６の底面に設けることにより、穴６の直径を大きくしながら、穴６の出口側での伝播光成分を減らして近接場光を増加させることが可能になる。具体的には、散乱体４０と穴６の内壁との距離が入射光の波長の半分を超えない範囲で穴６を大きくすることができる。また、散乱体４０と穴６の底面とは必ずしも接している必要はなく、入射光の波長以下の微小な距離だけ離れていてもよい。図示したものでは、穴６の底面を構成する金属層の上に、薄い誘電体層４１を介して散乱体４０が配置している。また穴は導電体を貫通していてもよく、図１３に示した構造にも貫通穴の形態を適用することができる。

図１７は、第３の実施形態におけるフォトダイオードの第２の例を示している。このフォトダイオードは、図１６に示したものと異なり、微小な散乱体４０がｎ⁻型半導体層３の最表面中に埋め込まれて存在する点である。この散乱体４０にも光波長領域での電気抵抗が小さい材料が適しており、金属周期構造体４と同じ金属材料、例えばＡｇあるいはＡｕなどを用いることができる。この例においても、散乱体４０の体積および形状は、表面プラズモン共鳴の状態に影響を及ぼすが、散乱体４０として、そのサイズが５ｎｍ角程度から入射光の波長と同程度のものまでが、幅広い範囲で効果を発揮する。このフォトダイオードでは、ｎ⁻型半導体層３において散乱体４０を穴６の底面の金属層に接して設けることで、伝播光成分を減らすと、同時にショットキー接合付近の半導体層内により強い近接場光を作り出すことが可能になる。

なお、金属周期構造体４において穴６が貫通している構造のフォトダイオードに対しても、その穴６の内部に散乱体４０を配置したり、あるいはｎ⁻型半導体層３の最表面に散乱体４０を埋め込むことで、上述したものと同様の効果を得ることができる。

［第４の実施形態］
次に、本発明のショットキーフォトダイオードを応用した例について説明する。図１８は、本発明のショットキーフォトダイオードを用いた４０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）伝送用の光受信モジュールを示している。

モジュール筐体７８内に外部から光ファイバ７３が引き込まれている。モジュール筐体７８内では、光ファイバ７３の端面に対向して、本発明に基づくフォトダイオード７１が配置するとともに、光ファイバ７３の端面とフォトダイオード７１の間には、光ファイバ７３とフォトダイオード７１とを光学的に結合させ、光ファイバ７３から出射した信号光７７をフォトダイオード７１の受光面に集光させるためのレンズ７４が設けられている。フォトダイオード７１は、チップキャリア７２の側面に設けられており、電気配線７６を介して、チップキャリア７２の上面に設けられたプリアンプＩＣ（集積回路）７５と接続している。フォトダイオード７１は信号光７７を電気信号に変換し、電気配線７６を介してその電気信号をプリアンプＩＣ７５に出力する。プリアンプＩＣ７５は、入力された電気信号を増幅する。

フォトダイオード７１は、ＩｎＰ上にＩｎＧａＡｓ膜をエピタキシャル成長させた基板を用いて形成されており、ＩｎＧａＡｓ膜上にＡｇまたはＡｕからなる金属周期構造体を有する。このフォトダイオードを波長１．５５μｍの赤外光による伝送に用いる場合、金属周期構造体における凹凸周期は約１．２μｍとすればよく、同心円状に８周期のリング状凹凸を形成した場合には、その外周の直径は約２０μｍとなる。金属周期構造体における凹凸の深さは０．１〜０．４μｍ程度であることが好まく、穴の直径は０．３〜０．７μｍ程度であることが好ましい。

従来の４０Ｇｂｐｓ伝送用の光受信モジュールでは、モジュール筐体内に搭載されるフォトダイオードとして、側面入射導波路型のものが多く用いられている。これは、半導体面に光を入射する面入射型のフォトダイオードでは、電荷キャリア走行時間を減らすために吸収層を薄くすると高い吸収効率が得られないからである。一方、導波路型は、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吸収効率が得られる。しかし、４０Ｇｂｐｓ用導波型素子においては、吸収層厚は、通常、１μｍ以下であり、フォトダイオードと光ファイバとの位置合わせに関する結合トレランスを±１μｍ程度にする必要がある。したがって、従来のフォトダイオードを用いた光受信モジュールは、実装設計および製造コストの両面で大きな問題点を有している。

これに対し、本発明によるフォトダイオードは、受光面において２０μｍの有効実効直径を有しており、このために結合トレランスを±２μｍ以上にと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ファイバとフォトダイオードとの光結合を行うことができ、これにより伝送用光受信モジュールの低コスト化が可能になる。図１８に示した４０Ｇｂｐｓ伝送用の光受信モジュールでは、波長１．５５μｍを伝送する場合において最小受信感度−１２ｄＢｍが得られた。本発明のフォトダイオードを用いることにより、導波路型フォトダイオードを搭載した従来の４０Ｇｂｐｓ伝送用の光受信モジュールと特性的にも何等遜色がないレベルの光受信モジュールを実現できることが確認された。

［第５の実施形態］
次に、本発明のショットキーフォトダイオードを応用した別の例について説明する。図１９は、本発明のショットキフォトダイオードを搭載したＬＳＩ（大規模集積回路）チップ間光インターコネクトモジュールを示している。

配線ボード上に登載されたＬＳＩ間で高速で信号伝送を行うために、ＬＳＩ間を光ファイバで接続し、光信号で信号を伝送することが検討されている。ＬＳＩ内での信号処理は電気信号を対象として行われるので、光ファイバと個々のＬＳＩチップとの接続のために、光ファイバからの信号光を電気信号に変換してＬＳＩチップ内に供給し、またＬＳＩチップから出力する電気信号を光信号に変換してファイバに導入する光インターコネクトモジュールが必要となる。

搭載ボード８９の一方の表面には、本発明に基づくフォトダイオード８１と電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ（面発光型半導体レーザ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）光源８２とが設けられており、フォトダイオード８１の受光面には、表面プラズモン共鳴によって近接場光の強度を増強するための金属周期構造体９０が形成されている。搭載ボード８９は、ＬＳＩチップを内蔵するＬＳＩパッケージ８７の表面に取り付けられている。ＬＳＩパッケージ８７には、光源および変調用の電気配線のためのビア８５と、フォトダイオード用の電気配線のためのビア８６とが形成されている。ビア８５は、搭載ボード８９に形成され、ＶＣＳＥＬ光源８２に接続した電気配線層９１と接続する。ビア８６は、搭載ボード８９に形成され、フォトダイオード８１に接続した電気配線層９２と接続する。

このような搭載ボード８９に対向するように、ＬＳＩ搭載ボード８８が配置している。ＬＳＩ搭載ボード８８の表面は、光信号入力用の光ファイバ８３と光信号出力用の光ファイバ８４と、光ファイバ８３の端面から出射した信号光をフォトダイオード８１に向ける凹面鏡９３と、ＶＣＳＥＬ光源８２からの信号光を光ファイバ８４に入射させる凹面鏡９４とが設けられている。凹面鏡９３は、光ファイバ８３とフォトダイオード８１とを光結合させ、凹面鏡９４は、光ファイバ８４とＶＣＳＥＬ光源８２とを光結合させる。

このような光インターコネクトモジュールでは、光信号入力用のファイバ８３からの信号光は、凹面鏡９３により金属周期構造体９０に照射される。信号光として波長８５０ｎｍの光を用いる場合には、フォトダイオード８１に用いる半導体材料としてＳｉを使用し、金属周期構造体９０における凹凸の周期は６００ｎｍ〜７００ｎｍとする。Ｓｉ製のフォトダイオード８１は、金属周期構造体９０が作り出す近接場光により光電流を発生することで、フォトダイオード用の電気配線層９２およびビア８６を通して、光信号に対応した電流をＬＳＩに流す。金属周期構造体９０の働きにより、凹面鏡９３とフォトダイオードの位置に関する結合トレランスは±１μｍ以上にとることが可能となる。ここで、フォトダイオード８１の直後の位置において、電気配線層９２の途中に、電気信号増幅のためのプリアンプを設けることもできる。

ＬＳＩからの電気信号は、ビア８５から電気配線層９１を通って、電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ光源８２により光信号に変換される。光信号は、凹面鏡９４で反射され、光信号出力用の光ファイバ８４に導かれる。電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ光源８２は、電気信号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ェンダー型の変調器により、置き換えることができる。

以上説明した光インターコネクトモジュールにおいて、光信号の入力には、光ファイバの代わりに、平面光導波路など良く知られた他の構成を用いることができる。また凹面鏡９３の代わりに凸レンズなどの集光機構を用いることもできる。

ここで、ＬＳＩチップ間の接続に用いられる従来の光インターコネクトモジュールでは、２０ＧＨｚ以上の高速動作を目的とする場合、受光用のフォトダイオードとしては、高速応答のために、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。このような化合物半導体は、Ｓｉ半導体装置の製造プロセスとの整合性が悪いため、従来の光インターコネクトモジュールでは製造コストが高くなるという問題点がある。

これに対し本実施形態の光インターコネクトモジュールでは、半導体材料としてＳｉを用いる本発明によるフォトダイオードを使用するため製造コストを引き下げることができる。図１９に示した光インターコネクトモジュールを実際に製作したところ、約４０ＧＨｚの高速光電気変換動作を実現することが確認された。

［他の実施形態］
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、上述した各実施形態において、入射光をレンズで集光してから金属周期構造体上に照射するなど、従来良く知られた技術と本発明の技術とを組み合わせることができることは、当然のことである。

金属周期構造体に設けられる穴の平面形状は、必ずしも円形やスリット形状に限定するものではなく、楕円、長円、亜鈴型さらには、正方形や長方形であってもよく、これらの形状を有する穴を用いても、上述と同様の効果を得ることができる。さらに、単一の穴を設ける代わりに、近接して複数の穴を配置することも可能である。

穴の深さ方向に沿った断面の形状について、上述の実施形態では、金属周期構造体を貫通せずに穴の底面に金属層が残るものや、穴の底面の近傍に導電性の光散乱体を有するもの、底面がなく金属周期構造体を貫通するものなどを説明した。しかしながら穴の断面形状はこれらに限られるものではなく、上述の各例においてそれぞれ別の断面形状の穴を選ぶこともできる。したがって、穴の平面形状と断面形状の組み合わせは、例示したものを含めて任意の組み合わせが可能である。

Claims (25)

1. 入射光の波長よりも小さな直径を有する穴と、前記穴の周囲に設けられ前記導電膜の膜面に対する入射光によって、励起された表面プラズモンによる共鳴状態を前記膜面に生じさせる周期構造と、を有する導電膜と、
   前記導電膜の前記穴近傍に前記導電膜と接して設けられた半導体層と、
   を有し、前記励起された表面プラズモンによって前記導電膜と前記半導体層との界面において発生した近接場光を検出することを特徴とする、フォトダイオード。
2. 前記導電膜は、前記穴以外の場所では前記入射光を通さない金属膜である、請求項１に記載のフォトダイオード。
3. 前記導電膜と前記半導体層によって形成されるショットキー障壁が現れる領域は、前記近接場光の発生領域とほぼ一致する、請求項１または２に記載のフォトダイオード。
4. 前記周期構造は、前記穴から遠ざかる方向に周期を有する凹凸からなる、請求項１または２に記載のフォトダイオード。
5. 第１の面と第２の面とを有する導電膜であって、前記第１の面側から形成された入射光の波長より小さな直径を有する穴と、前記穴から遠ざかる方向に周期を有する凹凸からなる周期構造とを有する導電膜と、
   前記導電膜の前記穴近傍に前記導電膜の第２の面と接して設けられた一導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層の前記導電膜の第２の面と接している面と反対側の面に接し、前記一導電型であって、前記第１の半導体層より不純物濃度が高い第２の半導体層と、
   からなることを特徴とするフォトダイオード。
6. 前記導電膜は金属膜からなり、前記凹凸は前記第１の面に形成されている、請求項５に記載のフォトダイオード。
7. 前記周期構造は、前記穴を中心とする同心円状の溝部からなる、請求項５に記載のフォトダイオード。
8. 前記第２の半導体層の前記導電膜との接合部の近傍にショットキー障壁を形成するための逆バイアス電圧を印加するために、前記第１の半導体層に電気的に接続する第１の電極と、前記導電膜に電気的に接続する第２の電極とを有し、
   前記第１の半導体層と前記導電膜とに挟まれた前記第２の半導体層の厚さは、前記第２の面から前記導電膜に光が照射されたときに前記穴の位置で前記第１の面側に現れる近接場光の滲み出しの長さ以下である、請求項５乃至７のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
9. 前記穴は、前記導電膜の一部である底面部を有する、請求項５乃至７のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
10. 前記穴内に、導電性物質からなり光を散乱する散乱体が配置している、請求項５乃至７のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
11. 前記穴の位置に対応して、前記底面部と前記第２の半導体層との界面から前記第２の半導体層側に埋め込まれた、導電性物質からなり光を散乱する散乱体を有する、請求項９に記載のフォトダイオード。
12. 前記穴は前記導電膜を貫通して前記第２の半導体層に達し、前記導電膜のうち前記穴の周縁部が前記第２の半導体層と接する、請求項５乃至７のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
13. 前記穴の位置に対応し、前記第２の半導体層の表面に、導電性物質からなり光を散乱する散乱体が埋め込まれている、請求項１２に記載のフォトダイオード。
14. 前記導電膜の前記第１の面に、前記第２の半導体層とほぼ同じ屈折率を有する透明膜を備える、請求項５乃至７のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
15. 前記透明膜上に設けられた、入射光に対する反射防止膜をさらに有する、請求項１４に記載のフォトダイオード。
16. 前記導電膜は金属膜であって、前記穴の直径は前記入射光の波長の１／１０以上１／２以下である、請求項５乃至７のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
17. 前記周期構造の周期は前記入射光の波長以下である、請求項１６に記載のフォトダイオード。
18. 前記周期構造の周期は、前記入射光によって前記導電膜に励起される表面プラズモンの共鳴波長に設定される、請求項１６に記載のフォトダイオード。
19. 前記金属膜は、前記周期構造の凹部において１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の膜厚を有し、前記凹凸の深さは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、請求項１６に記載のフォトダイオード。
20. 前記第１の半導体層と前記導電膜とに挟まれた前記第２の半導体層の厚さは、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項８に記載のフォトダイオード。
21. 穴と前記穴を中心とした周期的な凹凸とを有する導電膜と、前記穴の底部の位置で前記導電膜と接合する半導体層とを有するフォトダイオードの製造方法であって、
    光電変換を行う領域が前記穴の底部に対応する位置に限定されるように前記半導体層を画定して形成する段階と、
    前記導電膜を形成する段階と、
    前記領域に整合させて前記導電膜に前記穴および前記凹凸を形成する段階と、
    を有するフォトダイオードの製造方法。
22. 光ファイバから出射した信号光を検出して電気信号として出力する請求項１または５に記載のフォトダイオードと、
    前記電気信号を増幅するプリアンプと、
    を有することを特徴とする、光モジュール。
23. 筐体と、
    前記光ファイバと前記フォトダイオードとを光結合させる手段と、
    を有し、
    前記フォトダイオードと前記プリアンプとが前記筐体内に収容されている、請求項２３に記載の光モジュール。
24. 第１の光ファイバから出射した光が入射して第１の信号電流を発生する請求項１または５に記載のフォトダイオードと、
    第２の光ファイバに入射される信号光を発生する光源と、
    前記フォトダイオードおよび前記光源が配置した搭載ボードと、
    を有し、前記第１の信号電流がＬＳＩに供給され、前記ＬＳＩからの第２の信号電流に応じて前記光源が信号光を発生することを特徴とする、光インターコネクトモジュール。
25. 前記第１の光ファイバと前記フォトダイオードとを光結合させる第１の結合手段と、前記光源と前記第２の光ファイバとを光結合させる第２の結合手段とを有する、請求項２４に記載の光インターコネクトモジュール。
    

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