JPWO2010021073A1 - 半導体受光素子、光通信デバイス、光インターコネクトモジュール、光電変換方法 - Google Patents
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Abstract
高速・高効率かつ入射光偏光方向に対する依存性が小さい半導体受光素子を提供する。本発明の一態様に係る半導体受光素子は、光吸収層４を含む半導体層と、半導体層上に設けられ、当該半導体層とショットキー接合を形成する、スリット状開口を有するＭＳＭ電極１と、半導体層とＭＳＭ電極１上に形成された反射防止膜２と、半導体層の下部に設けられたブラッグ反射多層膜６とを備え、ＭＳＭ電極１は、ＴＭ偏光の入射光に対して表面プラズモンを誘起することが可能な周期と、ＴＥ偏光の入射光に対して十分な透過率が得られる厚さを有する。
Description
本発明は、半導体受光素子、光通信デバイス、光インターコネクトモジュール、光電変換方法に関し、特に通信分野及び情報処理において必要となる、赤外および紫外を含む光の信号を高速かつ高効率に電気信号へ変換する半導体受光素子およびこれを用いた光通信デバイス、光インターコネクトモジュール、光電変換方法に関する。
光信号を電気信号に高速変換するために、半導体内での光電変換現象を利用したフォトダイオードが多く用いられている。フォトダイオードには、ｐｎ型、ｐｉｎ型、ショットキー型、ＭＳＭ（金属−半導体−金属）型などの種類が存在する。フォトダイオードにおける光電変換の応答速度を制限する主な要因は、負荷抵抗と空乏層が作る電気容量の積で決まる回路時定数と、空乏層をキャリアが通過するのに要するキャリア走行時間である。フォトダイオードの応答性を高めるためには、回路時定数およびキャリア走行時間を小さくすることが求められる。また、フォトダイオードには高速性の他に、高効率であること、入射光偏光方向に対する依存性が小さいことなどが要求される。
高速応答が可能なフォトダイオードの１つにＭＳＭ型がある。これは、情報処理および通信分野で使用される光電変換素子として期待されている。このＭＳＭ型フォトダイオードは、一般に、２つの電極付近にそれぞれ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。ＭＳＭ型フォトダイオードでは、櫛型の構造を有する電極を用いることにより、低電圧で高い電界を光吸収層に印加することができてキャリアの走行時間を短くでき、比較的速い応答速度を達成することができる。
一方で、受光表面の電極により入射光が反射されるために、量子効率が低くなるという問題があった。また、応答性を高めるために光吸収層を薄くしてキャリア走行時間を短くすると、効率が低下するというトレードオフの関係があった。近年、金属表面プラズモンを利用してＭＳＭ型フォトダイオードを従来よりも高速化・高効率化するための種々の試みが行われている。
例えば、特許文献１に記載されている光電子カプラにおいては、平坦な半導体表面上に周期的に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。この特許文献１では、入射光と表面プラズモンの間を共振により結合させたＭＳＭ型フォトダイオードが説明されている。また、金属電極により生成される回折波を局部波に結合させて、導波路に閉じ込めることが述べられている。しかし、表面プラズモン共鳴によって回折光を効率良く発生させる金属電極の構造については述べられていない。
また、光吸収層が形成する導波路に回折光を結合させる方法については波数整合条件が書かれているのみで、結合効率を向上させるための導波路構造や金属電極との位置関係は述べられていない。したがって、この特許文献１に記載されているＭＳＭ型フォトダイオードでは、所望の次数の回折光を生成する効率は低く、光吸収層が形成する導波路との結合効率は低くなるため、その結果量子効率は低くなる。加えて、この特許文献１に記載されているＭＳＭ型フォトダイオードでは、入射光偏光方向に対する依存性が大きく、表面プラズモンを励起できない偏光方向に対しては効率が著しく低下する。
特許文献２には、光吸収層の下部にブラッグ反射鏡を設けて、電極を上部ミラーとするキャビティ構造にして０次透過光を閉じ込めることで、薄い光吸収層の場合でも効率を向上させたＭＳＭ型フォトダイオードが記載されている。
特許文献２に記載のＭＳＭ型フォトダイオードでは、十分な効率を得るためにはキャビティのＱ値を高くする必要がある。しかしながら、そもそもＱ値の高いキャビティに光を入れることは難しく、入射光は上部ミラーとして機能する電極によってキャビティに入る前に反射されてしまう。その結果、十分な量子効率を得るのは困難である。
特許文献３には、コア層としての多重量子井戸層が上下のクラッド層に挟まれて光導波路を形成し、多重量子井戸層で光が吸収されることを述べている。しかし、回折光を利用してＭＳＭ型フォトダイオードの効率を向上させることについては述べていない。
上述したように、表面プラズモン共鳴を用いないＭＳＭ型の受光素子またはフォトダイオードでは、金属電極による反射のために量子効率が高くない上に、量子効率の向上と応答速度の向上とがトレードオフの関係にあるという問題点がある。また、回折光を光導波路に結合させて高効率化を図ったＭＳＭ型フォトダイオードにおいても、単に金属電極と光導波路を組み合わせただけでは、回折光の発生効率は低く、回折光と光導波路との結合効率は悪いために、十分な量子効率が得られないという問題がある上に、入射光偏光方向に対する依存性が大きいという問題がある。
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、高速・高効率かつ入射光偏光方向に対する依存性が小さい半導体受光素子、光電変換方法を提供することにある。
本発明の一態様に係る半導体受光素子は、光吸収層を含む半導体層と、前記半導体層上に設けられ、当該半導体層とショットキー接合を形成する、スリット状開口を有する金属周期構造体と、前記半導体層と前記金属周期構造体上に形成された反射防止膜と、前記半導体層の下部に設けられた半導体多層反射膜とを備え、前記金属周期構造体は、前記スリット状開口の長軸方向に垂直な偏光の入射光に対して表面プラズモンを誘起することが可能な周期と、前記スリット状開口の長軸方向に平行な偏光の入射光に対して十分な透過率が得られる厚さを有するものである。
本発明の一態様に係る光電変換方法は、半導体層上に設けられ、当該半導体層とショットキー接合を形成し、スリット状開口を有し、前記スリット状開口の長軸方向に垂直な偏光の入射光に対して表面プラズモンを誘起することが可能な周期と、前記スリット状開口の長軸方向に平行な偏光の入射光に対して十分な透過率が得られる厚さを有する金属周期構造体により光を回折し、前記金属周期構造体と、前記半導体層の下部に設けられた半導体多層反射膜との間で、前記金属周期構造体により回折された光を共振させ、前記金属周期構造体により回折された光を、前記半導体層に含まれる光吸収層に結合する。
本発明によれば、高速・高効率かつ入射光偏光方向に対する依存性が小さい半導体受光素子、光電変換方法を実現することができる。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
第１の実施の形態
本発明の第１の実施の形態に係る半導体受光素子について、図１を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態に係る半導体受光素子の構成を示す断面図である。ここでは、半導体受光素子として、ＭＳＭ型フォトダイオードについて説明する。
第１の実施の形態
本発明の第１の実施の形態に係る半導体受光素子について、図１を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態に係る半導体受光素子の構成を示す断面図である。ここでは、半導体受光素子として、ＭＳＭ型フォトダイオードについて説明する。
図１に示すように、本実施の形態に係るＭＳＭ型フォトダイオードは、ＭＳＭ電極１、反射防止膜２、上部スペーサ層３、光吸収層４、下部スペーサ層５、ブラッグ反射多層膜６、基板７を備える。基板７の上には、ブラッグ反射多層膜６が設けられている。ブラッグ反射多層膜６は、半導体反射多層膜である。
ブラッグ反射多層膜６の上には、下部スペーサ層５、光吸収層４、上部スペーサ層３が順次積層して設けられている。すなわち、光吸収層４の上下には、上部スペーサ層３、下部スペーサ層５がそれぞれ設けられている。ここでは、半導体層は、下部スペーサ層５、光吸収層４、上部スペーサ層３からなる。上部スペーサ層３上には、ＭＳＭ電極１が設けられている。ＭＳＭ電極１及び半導体層上には、絶縁体からなる反射防止膜２が設けられている。
ＭＳＭ電極１が上部スペーサ層３と接する部位にショットキー接合が形成され、光吸収層４が空乏化されて、発生したフォトキャリアが光電流として外部回路に取り出され、電気信号に変換される。ＭＳＭ電極１は、負荷抵抗やバイアス電源などの外部回路と接続されている。
ＭＳＭ型フォトダイオードの場合、ＭＳＭ電極１は櫛型構造にするのが一般的である。この場合、受光部分では、電極はスリットアレイあるいはストライプ構造になっている。すなわち、ＭＳＭ電極１は、スリット状開口を有する金属周期構造体である。スリット状開口の長軸方向に垂直な偏光をＴＭ（Transverse Magnetic）偏光とし、スリット状開口の長軸方向に平行な偏光をＴＥ（Transverse Electric）偏光とする。ＭＳＭ電極１は周期的な構造を持ち、ＴＭ偏光に対して表面プラズモン共鳴を誘起することが可能であり、ＴＥ偏光に対しても十分な透過率を有する構造になっている。
しかし、必ずしも櫛型構造である必要はなく、同心円状の金属電極が入れ子になっているような構造であっても良い。また、ＭＳＭ電極１は複数の周期方向、複数の周期、または複数の幅間隔比率（Ｄｕｔｙ比）から形成されていても良い。
上部スペーサ層３は、入射光に対して透明な半導体から成り、ＭＳＭ電極１により回折された光が光吸収層４に結合する効率を高める機能を有する。また、下部スペーサ層５は入射光に対して透明な半導体から成り、ファブリ・ペロー共振器内の位相を調節する機能を有する。光吸収層４は、上部スペーサ層３よりも屈折率の高い半導体からなる。また、下部スペーサ層５は、光吸収層４よりも屈折率の小さい半導体からなる。このように、光吸収層４の屈折率を上部スペーサ層３および下部スペーサ層５の屈折率よりも高くすることにより、光吸収層４への強い光閉じ込め効果が得られ、より高い効率が得られる。なお、入射光は基板側から入射しても良い。
ＭＳＭ電極１の材料としては、導電性の金属が好ましい。具体的には、ＡｇあるいはＡｕなどの電気抵抗が小さく表面プラズモン損失の少ない材料が特に好ましい。しかし、これらの金属に限定されるものではなく、半導体デバイスに広く用いられており、多くの加工技術が確立されているＡｌあるいはＣｕを用いてもよい。
ＭＳＭ電極１に用いる金属と上部スペーサ層３との密着性が悪い場合は、密着層としてＴｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、ＮｉなどをＭＳＭ電極１の下に設けることもできる。この密着層の膜厚は光学的損失が少なくなるように１０ｎｍ以下であることが特に好ましい。反射防止膜２の材料としては、成膜が容易で安定な膜を得られるＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮなどが特に好ましい。
光吸収層４には、ＳｉｘＧｅ１−ｘ、Ｇｅ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどの半導体材料を用いることができる。また、上部スペーサ層３には、Ｓｉ、ＩｎＡｌＡｓなどの半導体材料を用いることで良好なショットキー接合が得られ、特に好ましい。下部スペーサ層５は、ＳｉＯ２などの絶縁体であっても、Ｓｉ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＰなどの半導体であっても良い。ブラッグ反射多層膜６には、Ｓｉ／ＳｉＯ２、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＡｌＡｓなどの組合せを用いることができる。
上部スペーサ層３、光吸収層４、下部スペーサ層５はそれぞれ複数の半導体材料の積層構造でも良く、フォトダイオードを作製する基板または入射光波長によって最適な材料を選ぶことができる。例えば、基板７の材料としてＳｉを用いた場合、上部スペーサ層３にＳｉ、光吸収層４にＳｉＧｅまたはＧｅ、下部スペーサ層５にＳｉＯ２を用いることができる。また、例えば、基板７の材料としてＩｎＰを用いた場合、上部スペーサ層３にＩｎＡｌＡｓ、光吸収層４にＩｎＧａＡｓ、下部スペーサ層５にＩｎＡｌＡｓを用いることができる。
電極による反射を低減し回折光を効率良く発生させ、ＴＭ偏光とＴＥ偏光のいずれに対しても効率の良いファブリ・ペロー共振器を形成し、フォトダイオードの量子効率を高めるためには、ＭＳＭ電極１の周期、厚さ、Ｄｕｔｙ比などが非常に重要なパラメータとなる。次に、これらのパラメータに対する電磁界シミュレーション計算の結果を記載する。
ここで、入射光の真空中での波長をλ、反射防止膜２の屈折率をｎ１、上部スペーサ層３の屈折率をｎ２、ＭＳＭ電極１の周期をＰ、幅をＷ、厚さをＴとする。また、Ｄｕｔｙ比Ｒは、Ｗ／Ｐとして定義される。
図２は、ＴＭ偏光とＴＥ偏光に対する量子効率の、ＭＳＭ電極１の厚さＴ依存性を示す図である。図２において、横軸にＭＳＭ電極１の厚さＴをλ／ｎ１で規格化した値をとり、縦軸に量子効率をとっている。ここでは、入射光波長λを１５５０ｎｍ、ＭＳＭ電極１をＡｕ、反射防止膜２をＳｉＮ、上部スペーサ層３をＩｎＡｌＡｓ、光吸収層４をＩｎＧａＡｓ、下部スペーサ層５をＩｎＡｌＡｓ、ＭＳＭ電極１の周期Ｐを４８０ｎｍとしている。
図２に示すように、ＴＭ偏光の場合のピークとＴＥ偏光の場合のピークは一致していないが、ＴＭ偏光とＴＥ偏光のいずれに対しても５０％程度以上の高い量子効率を得るためには、０．０５＜ｎ１Ｔ／λ＜０．２０の関係を満たすのが良いことがわかる。これは、反射防止膜２を設け、厚さをｎ１Ｔ／λ＜０．２０を満たすようにすることで、ＴＥ偏光に対して、金属電極であるＭＳＭ電極１が十分な透過率を有し、ブラッグ反射多層膜６との間において効率の良いファブリ・ペロー共振器が形成されることを示している。
また、金属電極厚さＴとともに、Ｄｕｔｙ比Ｒが両偏光に対して高効率化する上で重要である。図３は、ＴＭ偏光とＴＥ偏光に対する量子効率のＤｕｔｙ比Ｒ依存性を示す図である。図３に示すように、ＴＭ偏光の場合のピークとＴＥ偏光の場合のピークは一致していないが、ＴＭ偏光とＴＥ偏光のいずれに対しても５０％程度以上の高い量子効率を得るためには、０．４＜Ｒ＜０．７の関係を満たすのが良いことがわかる。
つまり、０．０５＜ｎ１Ｔ／λ＜０．２０かつ０．４＜Ｒ＜０．７を同時に満たすことにより、表面プラズモンが効率良く励起されるＴＭ偏光の方が高い量子効率が得られるものの、ＴＥ偏光に対しても５０％程度以上の量子効率が得られ、その結果偏光依存性が低減される。
図４は、ＴＭ偏光とＴＥ偏光に対する量子効率の周期Ｐ依存性を示した図である。図４において、横軸に周期Ｐをλ／ｎ２で規格化した値をとり、縦軸に量子効率をとっている。図４に示すように、０．９０＜ｎ２Ｐ／λ＜１．０５の関係を満たすことで、回折の効果により高い量子効率が得られ、ＴＭ偏光とＴＥ偏光のいずれに対しても５０％程度以上の高い量子効率が得られることがわかる。
本発明では、入射光がスリット状開口の長軸方向に垂直な偏光（ＴＭ偏光）の場合、入射光はＭＳＭ電極１の導波部分に沿って伝搬する表面プラズモンと結合する。ＭＳＭ電極１の周期を調整することにより、光吸収層４が形成する光導波路と結合する波数を持った回折光の発生効率を高めることができる。加えて、ＭＳＭ電極１と光吸収層４との間に、光を吸収しない上部スペーサ層３を設け、その厚さを調整することで、回折光と光導波路の結合効率を高めることができる。
また、入射光がスリット状開口の長軸方向に平行な偏光（ＴＥ偏光）の場合、ＭＳＭ電極１の周期を波長以下にすると、その開口部分において導波モードが存在しなくなる。しかし、ＭＳＭ電極１の厚さを調整し、反射防止膜２を設けることで十分な透過率が得られる。
さらに、直交するいずれの偏光方向に対しても、金属周期構造体とブラッグ反射多層膜の間でファブリ・ペロー共振器が形成され、効率が向上する。その結果、いずれの偏光に対しても高い効率が得られ、偏光依存性が低減される。
このように、本発明によれば、回折光を効率良く発生させ、光吸収層と高効率で結合させることで薄い光吸収層でも高い量子効率を実現するができる。このため、高効率と高速応答の両立を可能とし、なおかつ入射光偏光方向に対する依存性が小さい半導体受光素子を実現することが可能となる。
（実施例１）
図５は本発明の第１の実施の形態に係るＭＳＭ型フォトダイオードの実施例１を示す断面図であり、図６はその平面図である。実施例１のＭＳＭ型フォトダイオードは、ＩｎＰ基板１３、ＩｎＡｌＡｓ層１０、グレーデッド層１１、ＩｎＧａＡｓ層１２、Ｔｉ／Ａｕ電極９、ＳｉＮ膜８を備える。
図５は本発明の第１の実施の形態に係るＭＳＭ型フォトダイオードの実施例１を示す断面図であり、図６はその平面図である。実施例１のＭＳＭ型フォトダイオードは、ＩｎＰ基板１３、ＩｎＡｌＡｓ層１０、グレーデッド層１１、ＩｎＧａＡｓ層１２、Ｔｉ／Ａｕ電極９、ＳｉＮ膜８を備える。
ＩｎＰ基板１３の上には、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰから成るブラッグ反射多層膜６が設けられている。ブラッグ反射多層膜６上には、下部スペーサ層となるＩｎＡｌＡｓ層１０が設けられている。その上にはグレーデッド層１１を挟んで、光吸収層となるＩｎＧａＡｓ層１２が設けられている。さらにその上には、グレーデッド層１１を挟んで、上部スペーサ層となるＩｎＡｌＡｓ層１０が設けられている。ＩｎＡｌＡｓ層１０の上には、密着層９ａを挟んでＴｉ／Ａｕ電極９が形成されており、反射防止膜としてＳｉＮ膜８が形成されている。
これらの化合物半導体層は、有機金属気相成長法または分子線エピタキシー法を用いて成長させることができる。ＩｎＡｌＡｓ層１０とＴｉ／Ａｕ電極９との界面では、良好なショットキー接合が形成され、ＩｎＧａＡｓ層１２が空乏化される。入射光波長を、例えば光通信に用いられる１．３μｍあるいは１．５５μｍとしたとき、ＩｎＧｅＡｓは十分大きな吸収係数を持ち、高効率のフォトダイオードを実現することが可能である。本実施例では、図６に示すような櫛型の電極を用いている。
（実施例２）
図７は本発明の第１の実施の形態に係るＭＳＭ型フォトダイオードの実施例２を示す平面図である。図７に示すように、実施例２のＭＳＭ型フォトダイオードは、第１の実施形態に基づくものであるが、図６に示す実施例１のフォトダイオードとは、ＭＳＭ電極１の平面構造が同心円状の周期構造となっている点で異なっている。
図７は本発明の第１の実施の形態に係るＭＳＭ型フォトダイオードの実施例２を示す平面図である。図７に示すように、実施例２のＭＳＭ型フォトダイオードは、第１の実施形態に基づくものであるが、図６に示す実施例１のフォトダイオードとは、ＭＳＭ電極１の平面構造が同心円状の周期構造となっている点で異なっている。
本発明においてはＭＳＭ電極１の構造を調整することにより、いずれの偏光方向に対しても高い量子効率が得られるが、それに加えて本実施例では同心円状の周期構造となっている。このため、偏光依存性をなくすことができる。その結果、例えば光ファイバからの出射光などの、無偏光の入射光に対して高い量子効率を得ることが可能となる。本実施例における量子効率の周期Ｐ依存性を図８に示す。この図から、広い周期範囲に対して高い量子効率が得られるため、作製プロセスマージンが広く、また波長帯域が広くなることがわかる。
（第２の実施の形態）
本発明のフォトダイオードを応用した例について、図９を参照して説明する。図９は、本発明によるフォトダイオード２０を搭載した４０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）伝送用光受信モジュールの構成を示す断面図である。
本発明のフォトダイオードを応用した例について、図９を参照して説明する。図９は、本発明によるフォトダイオード２０を搭載した４０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）伝送用光受信モジュールの構成を示す断面図である。
図９に示すように、本実施の形態に係る光受信モジュールは、レンズ１４、電気配線１５、プリアンプＩＣ１６、チップキャリア１７、光ファイバ１８、信号光１９、フォトダイオード２０、モジュール筐体２１を備える。
モジュール筐体２１内に、外部から光ファイバ１８が引き込まれている。モジュール筐体２１内では、光ファイバ１８の端面に対向して、本発明によるフォトダイオード２０が配置されている。光ファイバ１８の端面とフォトダイオード２０との間には、レンズ１４が設けられている。レンズ１４は、光ファイバ１８とフォトダイオード２０とを光学的に結合させ、光ファイバ１８から出射した光信号をフォトダイオード２０の受光面に集光させる。
フォトダイオード２０はチップキャリア１７の側面に搭載され、電気配線１５を介して、チップキャリア１７の上面に設けられた後段のプリアンプＩＣ１６に接続されている。フォトダイオード２０は光信号を電気信号に変換し、電気配線１５を介して、その電気信号をプリアンプＩＣ１６に出力する。プリアンプＩＣ１６は、入力された電気信号を増幅する。
ＭＳＭ型フォトダイオードは、一般にｐｉｎ型よりも素子容量が小さくなる。このため、ｐｉｎ型の場合よりも高速性を保ったまま、受光面積を大きくすることができる。その結果、結合トレランスを広くすることができるという利点がある。
（第３の実施の形態）
本発明のフォトダイオードを応用した別の例について、図１０を参照して説明する。図１０は、本発明のフォトダイオード２０を搭載したＬＳＩチップ間光インターコネクトモジュールの構成を示す断面図である。
本発明のフォトダイオードを応用した別の例について、図１０を参照して説明する。図１０は、本発明のフォトダイオード２０を搭載したＬＳＩチップ間光インターコネクトモジュールの構成を示す断面図である。
図１０に示すように、本実施の形態に係る光インターコネクトモジュールは、フォトダイオード２０、ＬＳＩパッケージ２２、光源および変調用電気配線ビア２３、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）光源２４、フォトダイオード用電気配線ビア２５、光源および変調用電気配線ビア２６、光信号出力ファイバ２７、ＬＳＩ搭載ボード２８、凹面鏡２９、フォトダイオード／光源搭載ボード３０、フォトダイオード用電気配線層３１、光信号入力ファイバ３２を備える。
光インターコネクトモジュールは、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ものである。
フォトダイオード／光源搭載ボード３０の一方の表面には、フォトダイオード２０、ＶＣＳＥＬ光源２４が搭載されている。フォトダイオード２０の受光面には、上述したような金属周期構造体が形成されている。
フォトダイオード／光源搭載ボード３０には、フォトダイオード用電気配線層３１、光源および変調用電気配線ビア２６が形成されている。フォトダイオード２０はフォトダイオード用電気配線層３１に接続されており、ＶＣＳＥＬ光源２４は光源および変調用電気配線ビア２６に接続されている。
フォトダイオード／光源搭載ボード３０は、ＬＳＩチップを内蔵するＬＳＩパッケージ２２の表面に取り付けられている。ＬＳＩパッケージ２２には、光源および変調用電気配線ビア２３、フォトダイオード用電気配線ビア２５が形成されている。光源および変調用電気配線ビア２３は、光源および変調用電気配線ビア２６に接続されている。また、フォトダイオード用電気配線ビア２５は、フォトダイオード用電気配線層３１に接続されている。
このようなフォトダイオード／光源搭載ボード３０に対向するように、ＬＳＩ搭載ボード２８が配置されている。ＬＳＩ搭載ボード２８の表面には、光信号入力ファイバ３２、光信号出力ファイバ２７、凹面鏡２９ａ、２９ｂが配置されている。凹面鏡２９ａは、光信号入力ファイバ３２からの光信号をフォトダイオード２０に向けるように配置されている。
凹面鏡２９ｂは、ＶＣＳＥＬ光源２４からの信号を、光信号出力ファイバ２７に入射させるように配置されている。凹面鏡２９ａは、光信号入力ファイバ３２とフォトダイオード２０とを光結合させ、凹面鏡２９ｂは、光信号出力ファイバ２７とＶＣＳＥＬ光源２４とを光結合させる。
光信号入力ファイバ３２からの光信号は、凹面鏡２９ａにより本発明によるフォトダイオード２０に照射されて、フォトダイオード用電気配線層３１を通してＬＳＩに光信号に対応した電流を流す。フォトダイオード用電気配線層３１はＬＳＩのフォトダイオード用電気配線ビア２５に電気的に接続されている。
なお、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一般的に知られた他の方法を用いることもできる。また、凹面鏡２９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。また、フォトダイオード２０の直後のフォトダイオード用電気配線層３１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できる。
ＬＳＩからの電気信号は光源および変調用電気配線ビア２３から光源および変調用電気配線層２６を通って、電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ光源２４により光信号に変換される。光信号は凹面鏡２９ｂで反射されて光信号出力ファイバ２７に送られる。
電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ光源２４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置き換えることができる。
本発明によれば、ＳｉのＣＭＯＳプロセスと相性の良いＧｅを用いて高速・高効率のフォトダイオードが実現できるので、高集積化および量産が容易であり製造コストを引き下げることができる。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２００８年８月１８日に出願された日本出願特願２００８―２０９４５５を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
本発明は、通信分野及び情報処理において必要となる、赤外および紫外を含む光の信号を高速かつ高効率に電気信号へ変換する素子及び方法に適用可能である。
１ ＭＳＭ電極
２ 反射防止膜
３ 上部スペーサ層
４ 光吸収層
５ 下部スペーサ層
６ ブラッグ反射多層膜
７ 基板
８ ＳｉＮ膜
９ Ｔｉ／Ａｕ電極
９ａ 密着層
１０ ＩｎＡｌＡｓ層
１１ グレーデッド層
１２ ＩｎＧａＡｓ層
１３ ＩｎＰ基板
１４ レンズ
１５ 電気配線
１６ プリアンプＩＣ
１７ チップキャリア
１８ 光ファイバ
１９ 信号光
２０ フォトダイオード
２１ モジュール筐体
２２ ＬＳＩパッケージ
２３ 光源および変調用電気配線ビア
２４ ＶＣＳＥＬ光源
２５ フォトダイオード用電気配線ビア
２６ 光源および変調用電気配線ビア
２７ 光信号出力ファイバ
２８ ＬＳＩ搭載ボード
２９ａ、２９ｂ 凹面鏡
３０ フォトダイオード／光源搭載ボード
３１ フォトダイオード用電気配線層
３２ 光信号入力ファイバ
２ 反射防止膜
３ 上部スペーサ層
４ 光吸収層
５ 下部スペーサ層
６ ブラッグ反射多層膜
７ 基板
８ ＳｉＮ膜
９ Ｔｉ／Ａｕ電極
９ａ 密着層
１０ ＩｎＡｌＡｓ層
１１ グレーデッド層
１２ ＩｎＧａＡｓ層
１３ ＩｎＰ基板
１４ レンズ
１５ 電気配線
１６ プリアンプＩＣ
１７ チップキャリア
１８ 光ファイバ
１９ 信号光
２０ フォトダイオード
２１ モジュール筐体
２２ ＬＳＩパッケージ
２３ 光源および変調用電気配線ビア
２４ ＶＣＳＥＬ光源
２５ フォトダイオード用電気配線ビア
２６ 光源および変調用電気配線ビア
２７ 光信号出力ファイバ
２８ ＬＳＩ搭載ボード
２９ａ、２９ｂ 凹面鏡
３０ フォトダイオード／光源搭載ボード
３１ フォトダイオード用電気配線層
３２ 光信号入力ファイバ
Claims (14)
- 光吸収層を含む半導体層と、
前記半導体層上に設けられ、当該半導体層とショットキー接合を形成し、スリット状開口を有し、前記スリット状開口の長軸方向に垂直な偏光の入射光に対して表面プラズモンを誘起することが可能な周期と、前記スリット状開口の長軸方向に平行な偏光の入射光に対して十分な透過率が得られる厚さを有する金属周期構造体と、
前記半導体層と前記金属周期構造体上に形成された反射防止膜と、
前記半導体層の下部に設けられた半導体多層反射膜と、
を備える半導体受光素子。 - 前記スリット状開口の長軸方向に垂直な偏光と水平な偏光のいずれの入射光に対しても、前記金属周期構造体と前記半導体多層膜の間でファブリ・ペロー共振器が形成され、
前記半導体層は、
前記光吸収層と前記金属周期構造体との間に形成され、入射光に対して透明な半導体からなる上部スペーサ層と、
前記光吸収層の下部に設けられ、前記ファブリ・ペロー共振器内の位相を調整する、入射光に対して透明な半導体からなる下部スペーサ層を有し、
前記金属周期構造体において回折された光は前記光吸収層に結合することを特徴とする、請求項１に記載の半導体受光素子。 - 前記金属周期構造体の周期をＰ、前記上部スペーサ層の屈折率をｎ２として、
０．９０＜ｎ２Ｐ／λ＜１．０５を満たすことを特徴とする、請求項２に記載の半導体受光素子。 - 前記金属周期構造体の厚さをＴ、幅間隔比率をＲ、入射光波長をλ、前記反射防止膜の屈折率をｎ１として、
０．０５＜ｎ１Ｔ／λ＜０．２０かつ０．４＜Ｒ＜０．７を満たすことを特徴とする、請求項１、２または３に記載の半導体受光素子。 - 前記金属周期構造体が、櫛型または同心円状の周期構造を持つことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
- 受光部分において、前記金属周期構造体が複数の周期方向、複数の周期または複数の幅間隔比率から構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
- 前記半導体多層膜の下部に設けられた基板を備え、
前記基板側から光が入射できるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体受光素子。 - 前記金属周期構造体は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕのうち少なくとも１つの金属材料を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
- 前記光吸収層は、Ｓｉ、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（但し、ｘは１未満の正数）、Ｇｅ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、の中から選ばれる少なくとも１つで構成されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
- 前記半導体層は、グレーデッド層を含む複数の材料からなる積層構造を持つことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体受光素子。
- 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体受光素子を受光部に備える光通信デバイス。
- 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体受光素子が形成された基板と、
前記基板上に前記半導体受光素子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トモジュール。 - 半導体層上に設けられ、当該半導体層とショットキー接合を形成し、スリット状開口を有し、前記スリット状開口の長軸方向に垂直な偏光の入射光に対して表面プラズモンを誘起することが可能な周期と、前記スリット状開口の長軸方向に平行な偏光の入射光に対して十分な透過率が得られる厚さを有する金属周期構造体により光を回折し、
前記金属周期構造体と、前記半導体層の下部に設けられた半導体多層反射膜との間で、前記金属周期構造体により回折された光を共振させ、
前記金属周期構造体により回折された光を、前記半導体層に含まれる光吸収層に結合する光電変換方法。 - 前記スリット状開口の長軸方向に垂直な偏光と水平な偏光のいずれの入射光に対しても、前記金属周期構造体と前記半導体多層膜の間でファブリ・ペロー共振器が形成され、
前記半導体層において、前記光吸収層の下部に設けられた入射光に対して透明な半導体からなる下部スペーサ層により、前記ファブリ・ペロー共振器内の位相を調整する請求項１３に記載の光電変換方法。
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