WO2007105593A1 - フォトダイオード、およびその製造方法、ならびに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、およびその製造方法、ならびに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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WO2007105593A1
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metal
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Junichi Fujikata
Keishi Ohashi
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Nec Corporation
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
    • H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H10F30/22—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes
    • H10F30/227—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier being a Schottky barrier
    • H10F30/2275—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having only one potential barrier, e.g. photodiodes the potential barrier being a Schottky barrier being a metal-semiconductor-metal [MSM] Schottky barrier
    • H—ELECTRICITY
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    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/20—Electrodes
    • H10F77/206—Electrodes for devices having potential barriers

Definitions

  • Photodiode manufacturing method thereof, optical communication device, and optical interconnection module
  • the present invention relates to a photodiode that converts an optical signal including infrared light into an electrical signal at high speed, which is necessary in the information processing and communication fields.
  • Silicon receivers, or silicon photodiodes, monolithically integrated on the same chip as the CMOS circuit, or silicon photodiodes, are one attractive alternative to hybrid receivers such as InGaAs photodiodes joined to CMOS or GaAs circuits. is there.
  • An optical receiver integrated into a monolithic integrated circuit can be manufactured using a standard silicon process, and is expected to be manufactured at a lower cost than a hybrid design.
  • a photodiode is often used as means for converting an optical signal into an electric signal at high speed.
  • a typical example is a pin-type photodiode.
  • a pin-type photodiode has a structure in which an intrinsic semiconductor i layer is sandwiched between a p-type semiconductor p-layer and an n-type semiconductor n-layer.
  • the reverse bias voltage is controlled by the bias power supply, almost the entire area of the high-resistance i layer becomes the depletion layer of the charge carrier. Incident light photons are mainly absorbed by the i layer to generate electron-hole pairs.
  • the generated electrons and holes drift in the depletion layer in opposite directions due to the reverse bias voltage to generate currents, which are detected as signal voltages by the load resistance.
  • the main factors that limit the response speed of photoelectric conversion are the circuit time constant determined by the product of the load resistance and the capacitance generated by the depletion layer, and the carrier travel time required for electrons and holes to pass through the depletion layer. It is.
  • a photodiode having a short carrier travel time includes a Schottky photodiode.
  • This has a structure in which a semi-transparent metal film is in contact with an n-layer or an n-layer of a semiconductor.
  • a Schottky barrier is formed in the vicinity of the interface between the n-layer or n-layer and the semitransparent metal film. Near this Schottky barrier, there are n layers from a semi-transparent metal film. When incident light is irradiated in this state, electrons are generated in the n-layer or n-layer, and drift in the depletion layer due to the reverse noise voltage.
  • this type of photoelectric conversion device uses a metal surface plasmon or a photonic crystal structure to speed up the device.
  • Various attempts have been made to reduce the size.
  • Patent Document 1 describes a photodetector using a metal Z semiconductor Z metal (MSM) device in which two electrodes are installed on the same surface of a semiconductor.
  • MSM metal Z semiconductor Z metal
  • This MSM photodetector is a type of Schottky photodiode that generally has a Schottky barrier near two electrodes. Part of the light transmitted through the electrode surface is absorbed by the semiconductor layer to generate a photo carrier.
  • MSM photodetector there is a problem that if the thickness of the semiconductor is increased for the purpose of increasing quantum efficiency, the propagation speed of the photocarrier increases and the operating speed decreases.
  • a metal electrode is provided along the periodic unevenness, and incident light is transmitted to the surface plasmon of the metal electrode. It can be efficiently coupled and propagated in the photodetector.
  • Patent Document 2 describes a method of manufacturing an MSM type light receiving element by forming a metal film on a semiconductor and oxidizing a part thereof to form a light-transmissive insulating pattern.
  • the width of the light-transmitting insulating pattern is set to a dimension equal to or smaller than the wavelength, and the near-field light generated by the edge force of the metal film on both sides of the light-transmitting insulating pattern is used. It is stated that the response of the MSM type light receiving element is fast.
  • Patent Document 4 describes an optoelectronic power bra in which cross-finger metal electrodes arranged at regular intervals on a semiconductor are arranged so that the positive electrode and the negative electrode are nested so that the forces are aligned. Yes.
  • a technique for coupling incident light and transmitted light, reflected light, surface plasmon polariton, etc. by resonance is described.
  • photocarriers generated by incident light are strengthened by coupling of incident light and surface plasmons.
  • the intensity of the detection signal is lowered and the SN ratio is lowered.
  • Patent Document 5 describes a photovoltaic device using solar energy.
  • one of two electrodes sandwiching a plurality of spherical semiconductors having pn junctions is provided with periodically arranged openings or recesses.
  • the depletion layer is made thinner and the area is reduced for high-speed photoelectric conversion.
  • Patent Document 6 even if a single opening is provided, a row of periodic grooves is provided around it, so that there is no row of periodic grooves!
  • An optical transmission device that can be enhanced in comparison is described.
  • the total energy of transmitted light is attenuated compared to the incident light energy
  • the literature Tineke Thio, HJ Lezec, TW Ebbesen, KM Pellerin, GD Lewen, A. Nahata, RA Linke, According to Giant optical transmission of sub-wavelength apertures: physics and applications, Nanotechnology, vol. 13, pp. 429-432, Figure 4
  • the total energy of light transmitted through an aperture with a diameter of 40% or less of the wavelength is incident. Attenuates to less than 1% of light energy. So this optical transmission A high signal-to-noise ratio cannot be obtained even if the light receiving element is irradiated with light propagated from the device.
  • Patent Document 7 describes that the thickness of the physical absorption layer is reduced by reducing the group velocity of light that is absorbed and transmitted by using a multilayer film structure so that a photonic band is formed.
  • An MSM light-receiving element structure is described that reduces the thickness and increases the light-receiving efficiency.
  • Non-Patent Literature l SJKOESTER, G. DehlingerJ.D. Schaub, JOChu, QCOuyang, and A. Grill, 'Germanium- on-Insulator Photodetectors ", 2nd International Conference on Group 4 Photonics.FBl 2005, (p. 172 ( Figure 3)
  • Patent Document 1 JP 59-108376 (Page 4-16, Fig. 3)
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 2666888 (Page 3-4, Fig. 2)
  • Patent Document 3 Japanese Patent No. 2705757 (Page 6, Figure 1)
  • Patent Document 4 Japanese Patent Publication No. 10-509806 (Pages 26-33, Fig. 1)
  • Patent Document 5 JP-A-2002-76410 (Pages 6-9, Fig. 1)
  • Patent Document 6 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-171763 (Page 7-10, Fig. 10, Fig. 17)
  • Patent Document 7 JP-A-2005-150291 (Page 5, Figure 1)
  • MSM photodiodes provide planarity and compatibility with silicon LSIs.
  • photodetectors using Si or SiGe generally exhibit slow response due to long carrier lifetime (: ⁇ 1-10 s) and low light absorption ( ⁇ : L0-100 / cm) .
  • ⁇ 1-10 s long carrier lifetime
  • ⁇ : L0-100 / cm low light absorption
  • Schottky barrier photodiodes exhibit a high-speed response, but there is a problem that the effective light receiving area is reduced by the metal electrode, and the sensitivity is lowered. It was.
  • a lateral electrode structure has been proposed for thinning the depletion layer in pin-type photodiodes, but although it is possible to obtain high speed by reducing the distance between the electrodes, it is difficult to achieve high sensitivity. There was a problem.
  • the light absorption layer is thinned to shorten the carrier travel time, and the light receiving area, that is, the junction capacitance is reduced to reduce the circuit time constant. It is necessary to That is, in general, the light receiving sensitivity and high speed are in a trade-off relationship.
  • the photodiode of the present invention has a semiconductor layer and a pair of metal electrodes that are arranged on the surface of the semiconductor layer with a distance d therebetween to form an MSM junction.
  • the distance d satisfies the relationship of ⁇ > d> ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ when the wavelength of incident light is used.
  • the pair of metal electrodes can induce surface plasmon, and at least one of them forms a Schottky junction with the semiconductor layer, and the lower end portion is smaller than ⁇ / 2 ⁇ when the refractive index of the semiconductor layer is ⁇ . It is buried in the semiconductor layer up to the depth.
  • the metal electrode is embedded in the semiconductor layer by a distance smaller than / 2 ⁇ , which is the thickness that the near-field light oozes from the surface of the semiconductor layer! /, So that surface plasmon resonance can be generated.
  • This makes it possible to match the region where the optical electric field intensity is maximum with the semiconductor depletion layer region serving as the light absorption layer. Therefore, a highly efficient sensitivity characteristic can be obtained even with a very thin light absorption layer.
  • the distance d between the metal electrodes is small, high-speed and high-sensitivity operation is possible even at low bias voltages.
  • a photodiode includes a semiconductor layer, a pair of metal electrodes disposed on the surface of the semiconductor layer at a distance d from each other, and a surface opposite to the surface of the semiconductor layer. And a counter electrode provided in contact with the side surface.
  • the distance d satisfies the relationship of ⁇ >d> ⁇ / 100 when the wavelength of the incident light is taken into account, and the pair of metal electrodes has a surface plasmo
  • the semiconductor layer to a position where the lower end is less than ⁇ / 2 ⁇ when at least one forms a Schottky junction with the semiconductor layer and the refractive index of the semiconductor layer is n Embedded in!
  • a photodiode includes a semiconductor layer, a pair of ⁇ electrode and ⁇ electrode that are spaced apart from each other inside the semiconductor layer and form a pin junction, On the surface of the semiconductor layer, there is a pair of metal films stacked on each of the p electrode and the n electrode at a distance d from each other.
  • the distance d satisfies the relationship of ⁇ > d> ⁇ ⁇ when the wavelength of incident light is taken into account, and the pair of metal films can induce surface plasmons, and the refractive index of the semiconductor layer can be expressed as ⁇
  • the lower end is embedded in the semiconductor layer up to a position where the depth is smaller than ⁇ / 2 ⁇ .
  • the optical confinement structure is provided at a position separated from the surface of the pair of metal electrodes by a distance of ⁇ / 2 or less, and the optical confinement structure is optically coupled to a region sandwiched between the pair of metal electrodes.
  • the incident light may be confined in a minute region having an inner diameter ⁇ or less or an area of 10 ⁇ m 2 or less.
  • the optical confinement structure is provided at a position separated from the surfaces of the pair of metal films by a distance of ⁇ / 2 or less, and the optical confinement structure is optically coupled with a region sandwiched between the pair of metal films.
  • the incident light may be confined in a minute region having an inner diameter ⁇ or less or an area of 10 ⁇ m 2 or less.
  • the method for producing a photodiode of the present invention further includes a step of laminating a conductive material that induces surface plasmon at an interval on a metal electrode, and sandwiching the conductive material between a pair of metal electrodes.
  • An optical communication device of the present invention includes the photodiode described above in a light receiving section.
  • An optical interconnection module of the present invention includes a silicon substrate, the photodiode formed on the silicon substrate, and an LSI electronic circuit monolithically formed on the silicon substrate with the photodiode. ing.
  • a high-speed and high-efficiency photodetector capable of condensing light energy in a region below the wavelength and efficiently converting it into photocarriers to obtain an electrical signal is realized.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a photodiode according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a photodiode according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view of a surface plasmon resonance structure.
  • FIG. 4 is a plan view of a surface plasmon resonance structure provided with a metal protrusion.
  • FIG. 5 is a schematic view of a photodiode having a surface plasmon resonance structure.
  • FIG. 6 is a plan view of a photonic crystal line defect waveguide.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an MSM photodiode according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view of the MSM photodiode shown in FIG.
  • FIG. 9 is a graph showing the sensitivity characteristics of the photodiode shown in FIG.
  • FIG. 10 is a sectional view of a photodiode according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a sectional view of a photodiode according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a surface plasmon resonance structure.
  • FIG. 13 is a graph showing a comparison of sensitivity characteristics of MSM photodiodes with and without a grating.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing an example of a method for producing a photodiode of the present invention.
  • FIG. 15 is a conceptual diagram of an optical confinement structure provided with minute protrusions.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of a photodiode according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing the structure of another photodiode using a line defect type photonic crystal optical waveguide.
  • FIG. 18 is a graph showing the sensitivity characteristic of the photodiode shown in FIG.
  • FIG. 19 is a sectional view of a photodiode according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing the optical waveguide of the photodiode shown in FIG.
  • FIG. 21 is a graph showing sensitivity characteristics of the photodiode shown in FIG.
  • FIG. 22 is a sectional view of a photodiode according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic cross-sectional view of a 40 Gbps transmission optical receiver module equipped with a photodiode according to the present invention.
  • FIG. 24 is a schematic cross-sectional view of an optical interconnection module between LSI chips on which the photodiode of the present invention is mounted.
  • the photodiode of the present invention has an MSM (metal-semiconductor-metal) junction arranged on the semiconductor surface with a gap d or a pin junction formed on the semiconductor surface with a gap d and a gap d on the pin junction. And a metal film laminated with a gap.
  • the distance d is smaller than the incident light wavelength ⁇ and larger than 1 / 100th of the light wavelength.
  • the metal film used for the MSM junction or the pin junction is a conductive material force capable of inducing surface plasmon, and when n is the refractive index of the semiconductor layer, the lower end thereof is the semiconductor surface force. It is at a position embedded in the semiconductor by a distance smaller than 2n.
  • This is optically coupled to the MSM photodiode or pin photodiode.
  • the above region means the light spot size on the surface of the semiconductor layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a photodiode according to the first embodiment of the present invention.
  • a buried oxide layer 3 is formed on a support substrate 8, and a semiconductor layer 1 as a light absorption layer is formed thereon.
  • the periphery of the semiconductor layer 1 is an oxide film 7.
  • a metal electrode 2 is formed on the surface of the semiconductor layer 1.
  • the pair of metal electrodes 2 are arranged with an interval d smaller than the wavelength of the incident light, and form an MSM junction.
  • the refractive index of the semiconductor layer 1 is n
  • the metal electrode 2 is embedded in the semiconductor layer 1 by a distance f smaller than ⁇ / 2 ⁇ .
  • the metal electrode 2 includes a first metal film 51 that forms a Schottky junction with the semiconductor layer 1 and a second metal film 52 that also has a conductive material force capable of inducing surface plasmons.
  • the first metal film 51 and the second metal film 52 can be formed of one kind of film. In this case, the metal electrode 2 has a single layer configuration.
  • the metal electrode formed on the surface of the semiconductor layer obstructs the light receiving surface of the photodiode, resulting in a problem that the light receiving sensitivity is deteriorated. Or, when the electrode spacing that causes surface plasmon resonance is taken! However, the intensity of the optical electric field is strong! The region is outside the semiconductor, and it is impossible to generate photocarriers efficiently. was there.
  • a metal electrode is embedded in the semiconductor layer by a distance smaller than 2n, which is the thickness that the near-field light oozes from the surface of the semiconductor layer, and plasmon resonance is generated by light incidence by TM wave
  • the drift time between the photocarrier electrodes is several ps. It is estimated that. Even when the thickness of the semiconductor layer 1 is 1 m or less, the drift time can be 20 ps or less.
  • the junction capacitance is 10 fF or less by setting the MSM junction area to 10 m 2 or less, and even when it is 100 m 2 or less, it is 100 fF or less. It becomes.
  • the circuit time constants are lps and lOps, respectively, and a very fast response is realized.
  • the bonding area is the area of the region from the end to the end of a plurality of MSM electrodes arranged.
  • the present invention assumes a lateral pin structure, it means the area of a plurality of P electrodes and n electrodes.
  • the present invention can also be applied to the case where one metal-semiconductor junction has a Schottky barrier-type junction force and the other metal-semiconductor junction is an ohmic junction. Even in this case, the interval If d is formed smaller than the light wavelength ⁇ and the electrode that is also a conductive material capable of inducing surface plasmon is embedded in the semiconductor by a distance smaller than ⁇ / 2 ⁇ , high efficiency and high speed can be achieved. Can be obtained.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a photodiode according to the second embodiment of the present invention.
  • a ⁇ electrode 9 and a ⁇ electrode 10 are provided at predetermined intervals to form a pin junction.
  • 11 metal films that also have a conductive material force capable of inducing surface plasmons and are exposed on the surface of the semiconductor layer 1 are formed.
  • the distance d between the metal films 11 stacked on the p-electrode 9 or the n-electrode 10 is smaller than the incident light wavelength and larger than 1 / 100th of the distance.
  • n is the refractive index of the semiconductor layer 1
  • the metal film 11 is embedded in the semiconductor layer 1 by a distance f smaller than ⁇ / 2 ⁇ from the surface of the semiconductor layer 1.
  • the metal film 11 that is embedded in the semiconductor layer by a distance f smaller than ⁇ / 2 ⁇ from the surface of the semiconductor layer 1 is also used in a pin photodiode having a lateral electrode structure as shown in FIG. It is possible to confine optical energy by surface plasmon in a region between 1 p-electrode 9 and n-electrode 10 and to generate a strong optical electric field distribution locally. Conventionally, it has been reported that, in a pin photodiode having a lateral electrode structure, it is possible to increase the speed by reducing the distance between the electrodes.
  • a metal film 11 capable of inducing surface plasmon is further laminated on the p electrode 9 and the n electrode 10, and the metal film 11 is formed on the surface of the semiconductor layer 1 which is a light absorption layer.
  • a conductive material capable of inducing surface plasmon generally has a material strength having a high conductivity, and is therefore very effective in reducing the impedance in the high frequency range of a miniaturized photodiode. Therefore, a photodiode that can achieve both high-speed and high-sensitivity and a high SN ratio in the high-frequency range is realized.
  • FIG. 3 is a plan view of a surface plasmon resonance structure that functions as a light confinement structure that confines incident light to a size (inner diameter) that is equal to or smaller than the light wavelength.
  • a surface plasmon resonance structure that functions as a light confinement structure that confines incident light to a size (inner diameter) that is equal to or smaller than the light wavelength.
  • FIG. 3 by providing periodic irregularities 13 around the micro-openings 14 formed in the metal film 12 that is a conductive film, incident light is made to enter the surface of the metal film 12.
  • the plasmon enhancement effect By combining with the induced surface plasmon, it becomes possible to condense light energy as a surface plasmon to the micro-aperture 14, and the transmitted light intensity can be greatly amplified. This effect is called the surface plasmon enhancement effect.
  • ⁇ and ⁇ are the dielectrics of the metal that produces the surface plasmon and the dielectric adjacent to it.
  • Equation 2 the propagation length of surface plasmon is expressed by Equation 2 below.
  • LSPP c / ⁇ ((e m + E D) / & M Roh ⁇ s m 2 / e m where the complex dielectric constant epsilon of metal was expressed as ⁇ '+ ⁇ ⁇ ".
  • the optical loss of surface plasmons largely depends on the ratio of the square of the imaginary part and the real part of the dielectric constant of the metal film.
  • the metal film 12 is desirably aluminum, silver, gold, or copper, or an alloy layer force that includes at least two kinds of forces of aluminum, silver, gold, and copper.
  • an alloy layer force that includes at least two kinds of forces of aluminum, silver, gold, and copper.
  • random irregularities on the metal surface It is very important to make it smaller. For this reason, it is also effective to use Ta, Cr, Ti, Zr or the like as the underlayer or to add an element such as Nb to the metal film 12 to form an alloy.
  • the near-field light intensity can be increased in a smaller region by forming the metal protrusions 15 to be at least one pair of protrusion structures facing each other.
  • Such metal protrusions 15 cause localized plasmon resonance and are preferably made of aluminum, silver, gold, or copper from the same viewpoint as the optical loss of surface plasmons.
  • the metal protrusion 15 may be an alloy layer including at least two of aluminum, silver, gold, and copper.
  • FIG. 5 is a schematic view of a photodiode having a surface plasmon resonance structure.
  • FIGS. 5A and 5B are a plan view and a cross-sectional view, respectively.
  • a metal electrode 2 is formed at a position separated by a distance g of ⁇ / 2 or less from the exit of the minute aperture 14 and is optically coupled to the minute aperture 14. For this reason, both the near-field component and the propagating light component at the exit of the minute opening 14 can be localized as surface plasmons in a region below the wavelength of the surface of the semiconductor layer 1.
  • the intensity distribution of the near-field light due to the surface plasmon is affected by the arrangement of the MSM electrode and the refractive index and absorption coefficient of the semiconductor layer, and the intensity and the extent of the leaching change.
  • This makes it possible to generate electron-hole pairs (photocarriers) in a very small region of the semiconductor layer. Therefore, the depletion region in the semiconductor layer formed by the MSM electrode can coincide with the photocarrier generation region by the near field.
  • efficient photocarrier formation and local photocarrier travel can be realized, and a photodiode having high quantum efficiency and high-speed response characteristics can be realized.
  • the junction region of the metal electrode for generating and sweeping photocarriers can have a size of 10 m 2 or less.
  • the junction capacitance can be made extremely small. Therefore, the circuit time constant when the photodiode is operated at a high frequency can be reduced to several picoseconds or less, and a high frequency operation of several tens of GHz or more can be realized.
  • a two-dimensional photonic crystal to confine light in a size (inner diameter) that is less than or equal to the light wavelength.
  • This two-dimensional photonic crystal has a structure in which holes of a photonic crystal with a small diameter are arranged in a triangular lattice or square lattice in a high dielectric constant medium.
  • a semiconductor mostly a relative dielectric constant of about 12 is usually used.
  • the standard of the combination of hole pitch (lattice constant) and hole diameter that can provide a photonic band gap is, for example, “Photonic 'crystals' modeling the flow Pp. 125-126 (“JD Joannopoulos, RD Meade and JN Winn, Photonicrys, Modeling the Flow of Light” Princeton University Press, pp. 125-126).
  • the pitch of the holes in the photonic crystal is a
  • the angular frequency of light is ⁇
  • the speed of light in vacuum is c
  • a dielectric substrate with a dielectric constant of 11.4 is placed on a triangular lattice on a triangular lattice.
  • circular holes are arranged, when (r / a) is 0.48 and ⁇ ( ⁇ ⁇ ) / (2 ⁇ X c) ⁇ is about 0.5, the vibration direction of the electric field and the direction in which the holes extend Regardless of the relationship, a photonic band gap occurs.
  • FIG. 6 is a plan view of a photonic crystal line defect waveguide fabricated using a two-dimensional triangular lattice photonic crystal structure.
  • the photonic crystal line defect optical waveguide 20 is formed by arranging two two-dimensional triangular lattice photonic crystal structures close to each other.
  • a large number of holes 18 are arranged in a triangular lattice pattern in the high dielectric constant medium 17.
  • One row of non-hole portions, that is, line defect portions 19 are formed in the middle portion of many holes 18.
  • the line defect portion 19 functions as an optical waveguide in which the optical electric field distribution is confined to a size equal to or smaller than the wavelength.
  • an MSM photodiode adjacent to such a highly confined optical waveguide at a distance of 1/2 or less of the optical wavelength, optical coupling in a very small area becomes possible, and high sensitivity is achieved. Both high speed and high speed can be realized.
  • an optical waveguide having a refractive index difference between the core and the cladding layer of 5% or more can be used.
  • Such a channel-type optical waveguide has a structure in which the core is surrounded by a medium having a lower refractive index, and propagates while repeating total reflection due to the difference in refractive index between the core and the cladding layer. It is known that In this case, if the refractive index difference between the core and the clad layer is large, the light is strongly confined in the core, and even if the waveguide is bent sharply with a small curvature, the light is guided along it.
  • the optical waveguide can be manufactured from a dielectric material, an organic compound, or a semiconductor material.
  • the refractive index of the waveguide core is assumed to be 3.4 assuming a semiconductor such as Si, the cross-sectional size is about 0.3 m ⁇ 0.3 / zm, and the surrounding area is covered with a clad layer having a refractive index of about 1.5 such as SiO.
  • the mode size of light can be reduced to almost the same size as the waveguide core.
  • the wavelength of light to be guided is about 850 nm
  • SiON which exhibits light transmission characteristics with negligible loss over a wide wavelength range.
  • the refractive index difference can be made 5% or more.
  • the light spot diameter is about 1 to 4111.
  • the waveguide is arranged so that the guided light is incident on the MSM junction from the vertical direction. Sufficient optical coupling can be achieved even when the end surfaces are bent by slanting cuts or are adjacent in the horizontal direction. In this case, it is desirable that the light propagation mode be arranged at almost the same height as the light absorption layer in the MSM photodiode.
  • the group velocity of guided light can be reduced, and at a distance of 1/2 or less of the optical wavelength.
  • the ring-type optical resonator structure be optically coupled by placing it in the upper direction of the MSM photodiode or in the lateral direction.
  • a dielectric film serving as a medium for optical coupling may be provided between the metal electrode and the optical confinement structure.
  • a gas cluster ion beam is a beam in which Ar or a reactive gas is ionized as a cluster having several hundred to several thousand atoms or molecular force.
  • the etched metal residue is released in a vacuum or adheres to the side wall of the resist mask, so that the residue can be efficiently removed simultaneously with the resist removal. Therefore, when applied to an LSI process, the yield in a highly integrated process is improved and a low-cost device can be realized.
  • the wavelength range of light used in the present invention covers a wide wavelength range including visible light, near infrared light, and infrared light.
  • the photonic crystal optical waveguide that efficiently confines and transmits light, the channel optical waveguide, or the ring optical waveguide, and the MSM electrode the wavelength can be adjusted.
  • a high-speed photo detector that efficiently generates photo carriers and obtains electrical signals in the following areas can be obtained.
  • FIGS. 7 and 8 are a sectional view and a plan view of an MSM photodiode according to the first embodiment of the present invention.
  • An MSM type photodiode forms a metal-to-semiconductor metal (MSM) junction formed on a part of a semiconductor layer 1 whose surface is insulated, such as SOI (Silicon-on-Insulator).
  • MSM metal-to-semiconductor metal
  • SOI Silicon-on-Insulator
  • the distance d between the metal electrodes 2 is smaller than the incident light wavelength ⁇ and ⁇ 100 Greater than a minute.
  • n is the refractive index of the semiconductor layer 1
  • the metal electrode 2 is embedded in the semiconductor layer 1 by a distance f smaller than ⁇ / 2 ⁇ from the surface of the semiconductor layer 1.
  • the metal electrode 2 (or at least the second metal film 52) is made of aluminum, silver, gold, or copper, or at least aluminum, silver, gold, or copper to induce surface plasmon. It is desirable to use two types of alloys. In order to form a Schottky junction, a base film such as Cr, Ta, or Ni can be used. Furthermore, an ohmic junction can be formed by using Ti or the like as the underlying electrode film. A protective layer 4 such as SiO may be formed on the metal electrode 2, which is used as an optical antireflection film.
  • Fig. 9 compares the sensitivity characteristics when an Ag electrode with a thickness of 30 nm is formed without being embedded in the Si semiconductor surface and when embedded with a distance smaller than ⁇ / 2n from the semiconductor surface. .
  • the width of the metal electrodes constituting the MSM junction and the spacing between the electrodes were set to 100 nm, and the embedding depth of the metal electrodes was set to 30 nm. Since the resonance wavelength of the surface plasmon obtained from the electromagnetic field calculation is 850 nm, a photocurrent was observed by entering a laser beam of 850 nm wavelength and power lmW. It was found that by using a structure in which the Ag electrode was embedded in the Si semiconductor, a photocurrent of two digits or more was obtained, and the quantum efficiency at this time was about 30%.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a photodiode according to the second embodiment of the present invention.
  • a Schottky electrode 22 that forms a Schottky junction is disposed on the surface of the semiconductor layer 1 at a distance d.
  • Schottky electrode 22 is formed of a conductive material capable of inducing surface plasmons.
  • a counter electrode layer 23 is formed on the support substrate 8 side through a depletion layer (semiconductor layer 1) which is a light absorption layer.
  • the distance d between the Schottky electrodes 22 is made smaller than the optical wavelength.
  • n is the refractive index of the semiconductor layer 1
  • the Schottky electrode 22 is embedded in the semiconductor layer 1 by a distance f smaller than ⁇ / 2 ⁇ !
  • an n + -Si layer having a dopant concentration such as P of 1 ⁇ 10 2 cm 3 or more is used, and as the semiconductor layer 1, an n-Si layer that is a light absorption layer is used. Can do.
  • Semiconductor layer 1 is a force that must be epitaxially grown on the counter electrode layer 23.
  • the dopant concentration in the light absorption layer increases due to thermal diffusion of the dopant element, the depletion voltage increases, and the thickness force of the depletion layer when the Schottky junction is formed is reduced. That is, it becomes difficult to drive at high speed with a low voltage. Therefore, when a thin light absorption layer is formed on the n + -Si layer, a technique for epitaxial growth at a low temperature of 600 ° C. or lower is necessary.
  • the photoelectric field enhancement effect by surface plasmon resonance can be generated not only in the horizontal direction between the electrodes but also below the electrodes.
  • the design was made so that the photoelectric field enhancement by surface plasmon occurs at the Schottky junction interface below the electrode, and the region where the photocarrier was generated and the region depleted by bias voltage application were matched. .
  • Example 3
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a photodiode according to the third embodiment of the present invention.
  • a p-electrode 9 or a laminate in which a metal film 11 is laminated on an n-electrode 10 is disposed to form at least one P-to-n junction.
  • the distance d between the metal films 11 laminated on the p-electrode 9 or the n-electrode 10 is set to be smaller than the incident light wavelength and larger than 1/100 of the length!
  • the metal film 11 is made of a conductive material capable of inducing surface plasmons, and when n is the refractive index of the semiconductor layer 1, the metal film 11 is a distance f smaller than ⁇ / 2 ⁇ from the surface of the semiconductor layer 1. Only embedded in the semiconductor layer 1.
  • the metal film 11 is preferably made of an alloy having any of aluminum, silver, gold, and copper, or at least two kinds of forces of aluminum, silver, gold, and copper.
  • a trench structure having an interval smaller than the optical wavelength is formed on a SOI (Silicon-on-Insulator) substrate, and a reactive etch using CF and SF.
  • SOI Silicon-on-Insulator
  • p-type and n-type polysilicon layers are selectively grown in the trench structure by metal organic vapor phase epitaxy.
  • metal organic vapor phase epitaxy aluminum, gold, silver, or copper, which is a conductive material capable of stopping selective growth in the middle of the trench structure and inducing surface plasmons.
  • an insulating layer such as SiO may be inserted about several nanometers in order to suppress the galvanic current.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a surface plasmon resonance structure that functions as an optical confinement structure.
  • FIG. 12 (a) is a plan view and FIG. 12 (b) is a cross-sectional view.
  • the surface plasmon resonance structure 16 includes a metal film 12 having an Ag isotropic force having a grating shape (concave convex portion 13) that causes surface plasmon resonance and a minute opening 14 having a diameter ⁇ or less formed in the center portion thereof.
  • the surface plasmon resonance structure 16 is provided at a position away from the MSM junction by a distance of ⁇ 2 or less, and confines incident light in a region below the wavelength.
  • the period of the grating structure is set so that plasmon resonance occurs with respect to the incident light wavelength.
  • the shape of the grating can be a triangular shape or a sine wave shape as shown in Fig. 12 (b). In these shapes, the resonance wavelength shifts to the short wavelength side compared to the rectangular cross section.
  • a multilayer film structure in which two or more types of media having different dielectric functions are periodically arranged can be used.
  • FIG. 13 compares the sensitivity characteristics of MSM photodiodes with and without a grating shape that causes plasmon resonance.
  • the incident light wavelength was 840 nm, and the wavelength was lmW.
  • a photocurrent of 2 digits or more was obtained, and a quantum efficiency of 50% or more was obtained.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the photodiode of the present invention.
  • an n-type doped SOI substrate as shown in FIG. 14 (a) was prepared. That is, the buried oxide layer 3 is formed on the Si support substrate 8.
  • the resistivity of the support substrate 8 was about 1 to 10 ⁇ ′cm, and the doping concentration was about 10 15 to 10 16 cm ⁇ 3 .
  • the n-type SOI layer (semiconductor layer 1) was patterned by reactive etching using the SiNx film as a mask 61 to define the junction size.
  • reactive gas A mixture of CF and SF gas was used. Furthermore, this is steamed at 1000 ° C for about 140 minutes.
  • the mask 61 was removed by placing it in hot phosphoric acid at about 130 ° C. for about 1 hour. At this time, it is possible to realize a relatively flat surface by optimizing the mesa shape and thermal oxidation treatment. Furthermore, by applying chemical polishing (CMP) treatment, a flatness of several nanometers can be achieved.
  • CMP chemical polishing
  • a metal layer for forming a Schottky junction was formed on the fabricated mesa-shaped surface. That is, as shown in FIG. 14 (d), a groove pattern 62 with an interval d was formed on the surface of the semiconductor mesa by reactive etching, and the metal electrode 2 was laminated as shown in FIG. 14 (e). Specifically, a metal layer is stacked on the semiconductor layer 1 in which the groove pattern 62 is formed, a resist pattern (not shown) is formed on the upper portion of the groove pattern 62, and then Ar gas cluster is used. The metal layer other than the portion covered with the resist pattern was removed by etching, and the metal electrode 2 was formed in the groove pattern 62.
  • the protective film 4 is a layer serving as a medium when the optical confinement structure formed in the subsequent process on the MSM photodiode and the MSM photodiode are optically coupled.
  • the refractive index is n, it is desirable that the film thickness be less than ⁇ / ⁇ pas pas.
  • a periodic groove 63 is formed in the protective film 4 by reactive etching.
  • a metal film 12 made of Ag or Au serving as a surface plasmon excitation medium was laminated by sputtering or vapor deposition. At this time, it is possible to improve the crystallinity and smoothness of the Ag and Au films by forming a base such as Cr or Ti.
  • the size of the sub-wavelength or smaller is obtained by etching using Ar gas cluster ions at the center of the fabricated grating shape (position facing the metal electrode 2).
  • a microscopic aperture 14 was formed.
  • As a mask like resist mask or SiO
  • the same manufacturing method can be used for the p-i-n junction as in the second embodiment or the third embodiment, which is an example of the manufacturing method of the MSM photodiode.
  • a p-electrode layer or an n-electrode layer is selectively stacked in each groove, and a metal layer is further provided above the p-electrode layer and the n-electrode layer.
  • a p-electrode layer, an n-electrode layer, and a metal layer are stacked on the semiconductor layer having the groove pattern so as to be stacked.
  • FIG. 15 is a conceptual diagram of an optical confinement structure provided with minute protrusions.
  • a metal projection 15 that causes dipole resonance due to plasmons is provided in a minute opening 14 formed in the central portion of the uneven portion 13 that causes surface plasmon resonance.
  • the peripheral force of the minute opening 14 also projects into the minute opening 14.
  • the metal projection shape 15 can be configured as at least a pair of metal projections facing each other. This greatly improves the polarization dependence of incident light.
  • Ge, Si Ge, S instead of Si is used as the semiconductor layer.
  • group IV element semiconductors such as ⁇ 1- ⁇ iGe can also be used.
  • III-V compound semiconductors such as GaN, GaAs, Gain As, GalnP, and InP can also be used. These materials are selected based on wavelength limits limited by the band gap and absorption coefficient.
  • Si 400 to 900 nm
  • Ge 400 to 1400 nm
  • GaAs grown on InP excellent photodiode characteristics can be obtained at wavelengths near 1300 to 1600 nm.
  • a GOI (Germanium On Insulator) substrate is used instead of the SOI substrate.
  • the absorption layer is formed by growing a highly crystalline Ge layer on Si using metal organic chemical vapor deposition or molecular beam epitaxy. It is known that Schottky junction is difficult to form when Ge is used. Therefore, it is desirable to form a Schottky junction by forming a NiGe alloy layer by depositing Ni or the like on Ge and annealing at a temperature of about 400 to 600 ° C. Furthermore, by forming a film with small surface plasmon propagation loss, such as Ag or Au, on this alloy layer, it is possible to improve the coupling efficiency with near-field light with a small aperture force.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of a structure in which an MSM photodiode and a photonic crystal optical waveguide are coupled.
  • the photonic crystal optical waveguide was formed using an SOI substrate with a Si layer thickness of 200-400 nm.
  • a resist for electron beam exposure is applied to the substrate surface.
  • a resist pattern in which cylindrical holes were arranged in a matrix was formed using an electron beam exposure apparatus. This resist pattern had a cylindrical diameter of 200-240 nm and an array pitch of 340-380 nm.
  • a cylindrical hole having the same shape as the resist mask pattern was formed in the Si layer on the surface of the SOI substrate by reactive ion etching, and the resist was removed.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing the structure of another photodiode using a line defect type photonic crystal optical waveguide, where FIG. 17 (a) is a plan view and FIG. 17 (b) is a cross-sectional view. It is.
  • the MSM photodiode is formed by etching the Si layer to make it thinner, and on the thinned Si, there is a buffer layer 25 that relaxes lattice distortion, and SiGe that serves as a light absorption layer. Is grown by an organic metal chemical vapor synthesis method.
  • the MSM photodiode is provided at the end of the photonic crystal optical waveguide 20.
  • the distance between the optical waveguide end and the MSM electrode is less than the wavelength.
  • the growth position of the SiGe layer or Ge layer is controlled by selective vapor deposition so that the distance is lower.
  • FIG. 18 shows the bias voltage dependence of photocurrent when a 1330 nm wavelength laser beam is incident at a power of lmW. Although there was an effect of optical waveguide loss in the photonic crystal line defect optical waveguide, a value of about 30% was obtained in terms of quantum efficiency.
  • Example 7
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of a structure in which an MSM photodiode and a channel type optical waveguide are coupled.
  • the channel-type optical waveguide has an optical waveguide core 26 having a SiON force, and a cladding layer 27 having a large refractive index difference from the optical waveguide core 26.
  • This channel type optical waveguide is manufactured as follows. First, as shown in FIG. 20 (a), the Si layer (SOI layer 28) where the optical waveguide on the SOI substrate is to be formed is etched by reactive etching to expose the SiO layer that becomes the cladding layer. . Furthermore, as shown in FIG.
  • the SiON core is deposited by plasma CVD using SiH, NH and O by plasma CVD so that the refractive index difference between the core and cladding is 5% or more.
  • the SiON core layer 29 is etched into a rectangle of 0.7-4 m width by reactive etching.
  • a raw material gas in which TEOS (tetraethyl orthosilicate) and O mixed with a large amount of Ar are mixed by plasma CVD as an upper cladding layer.
  • An optical waveguide was obtained by growing a SiO layer with a thickness of several tens of zm using a glass.
  • the end surface of the optical waveguide 29 formed as described above is etched at a predetermined angle, and the positional force at which the MSM photodiode is formed is also determined by the wavelength.
  • An optical waveguide structure was formed in which the MSM photodiode was irradiated with light with a spot diameter of about several zm at a position that was less than 1/2 of the distance. After that, reactive etching was used to fabricate an MSM photodiode by covering the surface of the Si layer on the SOI substrate next to the optical waveguide layer, thereby realizing coupling with light from the SiON optical waveguide.
  • FIG. 21 shows the bias voltage dependence of the photocurrent when a laser beam having a wavelength of 850 nm is incident at a power of lmW.
  • an SiO layer is formed between the SiON optical waveguide and the MSM photodiode.
  • FIG. 22 is a conceptual diagram of a photodiode using a ring-type channel optical waveguide.
  • a channel-type optical waveguide using a Si core has a ring-type optical resonator structure 30.
  • the optical resonator structure 30 is disposed at a distance of ⁇ / 2 or less with respect to the MSM photodiode using the light absorption layer having the SiGe layer force.
  • the group velocity of light can be reduced to 1/6 or less, and a quantum efficiency of 70% or more is obtained for a laser beam having a wavelength of 1330 nm.
  • FIG. 23 is a schematic cross-sectional view of a 40 Gbps (gigabit per second) optical receiver module equipped with the MSM type photodiode of the present invention.
  • the photodiode 34 is an MS M photodiode in which an Au electrode is formed on a substrate in which a Ge film is epitaxially grown on an SOI substrate.
  • the photodiode 34 is separated by a distance of ⁇ / 2 or less, and is either Ag or Au.
  • An optical confinement structure with a metal periodic structure is arranged.
  • the metal periodic structure When used for transmission by near-infrared light with a wavelength of 1.55 m, the metal periodic structure has a concavo-convex period of about 1.2 m, and when eight concentric concavo-convex structures are used, the outer diameter is about 20 m. Become. The depth of the unevenness was about 0.1-0.4 ⁇ m. The hole diameter is about 0.3-0.7 ⁇ m.
  • the photodiode 34 is mounted on a chip carrier 38 and is optically coupled by an optical fiber 32 and a lens. The photodiode 34 is also electrically connected to the preamplifier IC 37 via the electric wiring 36.
  • a side incident waveguide type is often used for the photodiode mounted therein. This is because in the plane incidence type in which light is incident on the semiconductor surface, high quantum efficiency cannot be obtained if the absorption layer is thin in order to reduce the charge carrier transit time.
  • the waveguide type absorbs light in the in-plane direction of the absorption layer, so that high quantum efficiency can be obtained with a short charge carrier transit time.
  • the absorption layer thickness is usually 1 m or less, and the coupling tolerance regarding the position with the optical fiber in this case needs to be about ⁇ 1 ⁇ m. And it was a big problem in terms of both manufacturing costs.
  • the photodiode according to the present invention has an effective effective diameter of 20 m, and therefore, the coupling tolerance can be set to ⁇ 2 / z m or more. As a result, it is possible to perform optical coupling only with simple lens coupling, which enables low cost reduction of the optical transmission receiving module.
  • the 40 Gbps optical receiver module according to the present invention shown in FIG. 23 has a minimum receiving sensitivity of 12 dBm at a wavelength of 1.55 m and has a characteristic comparable to that of a 40 Gbps receiver module equipped with a normal waveguide photodiode. It was confirmed that the level could be realized.
  • FIG. 24 is a schematic cross-sectional view of an optical interconnection module between LSI chips on which the photodiode of the present invention is mounted.
  • the optical signal from the optical signal input fiber 46 is irradiated to the photodiode 34 according to the present invention by the concave mirror 48.
  • the semiconductor material of the photodiode 34 is Si
  • the irregular period of the metal periodic structure at this time is 600 to 700 nm.
  • the Si photodiode generates a photocurrent by optically coupling the near-field light generated by the metal periodic structure with the MSM junction, thereby generating a current corresponding to the optical signal in the LSI 42 through the photodiode wiring layer 44. Shed.
  • the coupling tolerance regarding the positions of the concave mirror 48 and the photodiode 34 can be set to ⁇ 1 m or more.
  • the photodiode wiring layer 44 is electrically connected to the photodiode wiring via 41 of the LSI 42.
  • other well-known methods such as a planar optical waveguide can be used for optical signal input instead of the optical fiber.
  • a condensing mechanism such as a convex lens can be used instead of the concave mirror 48.
  • a preamplifier for electric signal amplification can be placed in the middle of the photodiode wiring layer immediately after the photodiode 34.
  • the electric signal from the LSI 42 is converted into an optical signal by a VCSEL (surface emitting laser) light source 39 having an electric modulation mechanism from the light source and modulation electric signal via 40 through the light source and modulation electric wiring layer 43.
  • the optical signal is reflected by the concave mirror 48 and sent to the optical signal output fiber 45.
  • the VCSEL light source 39 with an electric modulation mechanism is another mechanism that modulates light by electricity, for example, the light from an external light source by the electro-optic effect or the thermo-optic effect. It can be replaced by a Mach-Zehnder type modulator that modulates.
  • the photodiode mounted inside is a compound semiconductor material such as InGaAs grown on an InP substrate for high-speed response when aiming at high-speed operation at 20 GHz or higher. Etc. are used.
  • Compound semiconductors have the disadvantage of high cost due to poor consistency with the manufacturing process of Si semiconductor elements.
  • the photodiode according to the present invention uses Si, the manufacturing cost can be reduced.
  • high-speed photoelectric conversion operation of about 40 GHz was confirmed.

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  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

　フォトダイオードの受光感度と高速性を両立させる。 　フォトダイオードは、半導体層１と、半導体層１の表面に互いに間隔ｄをおいて配置され、ＭＳＭ接合を形成する一対の金属電極２と、を有している。間隔ｄは、入射光の波長をλとしたときに、λ＞ｄ＞λ／１００の関係を満たしている。一対の金属電極２は、表面プラズモンを誘起することが可能で、少なくとも一方が半導体１層とショットキー接合を形成し、半導体層１の屈折率をｎとしたときに、下端部がλ/２ｎより小さい深さとなる位置まで半導体層１に埋め込まれている。

Description

明 細 書
フォトダイオード、およびその製造方法、ならびに光通信デバイスおよび 光インタコネクションモジユーノレ
技術分野
[0001] 本発明は、情報処理および通信分野において必要となる、赤外を含む光の信号を 高速に電気信号に変換するフォトダイオードに関する。
背景技術
[0002] 光検出器をシリコン電子技術によりモノリシック集積回路化することは、コストおよび 歩留まりの観点力も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、すなわちシリコンフォトダイオードは、 CMOS回路 または GaAs回路に接合された InGaAsフォトダイオードのようなハイブリッド受光器 に対する 1つの魅力的な代替物である。
[0003] 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 ことができ、ハイブリッド設計よりも低コストで製造できることが期待される。
[0004] 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層および n型半導体の n層で挟んだ構造となって 、る。これ に対してバイアス電源により逆バイアス電圧をカ卩えると、高抵抗の i層のほぼ全域が電 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の主なものは、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。
[0005] キャリア走行時間の短いフォトダイオードには、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層あるいは n—層に半透明金属膜が接した構造を持つ。 n層 あるいは n-層と半透明金属膜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層ある 、は n-層に電子が拡散して 空乏層となる。この状態で入射光が照射されると n層あるいは n-層に電子が生成され 、逆ノィァス電圧により空乏層内をドリフトする。また、ショットキー型のフォトダイォー ドでは、素子表面層での光吸収を有効に利用することが可能である。 pin型フォトダイ オードではフオトン吸収のため i層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、非特許文献 1にあるように、 pin型フ オトダイオードにおいて、空乏層を薄くするためにラテラル電極構造にして、電極間 隔を小さくする試みが行われているが、半導体表面層での光吸収効率が悪ぐ高速 化は可能になるものの、高感度化は難 U、課題となって 、る。
[0006] 一方、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 信号の電圧が下がる。したがって、空乏層の電気容量を減らすことは、再生信号の S N比を良くして読み取りエラーを減らすために必要である。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、結果的に再生信号の SN比を劣化させると いう問題を生じる。
[0007] これらの課題に対し、近年の技術の発展に伴 、、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 、る。
[0008] 例えば、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 Z半導 体 Z金属 (MSM)デバイスを用いた光検出器が述べられて 、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オトダイォ ードの一種である。電極面を透過した光の一部は半導体層で吸収されてフォトキヤリ ァを生成する。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 導体を厚くするとフォトキャリアの伝播距離が増すために動作速度が低下するという 問題がある。この動作速度低下を防ぐため、特許文献 1に記載の光検出器では、金 属の電極が周期的な凹凸に沿って設けられ、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ことができる。
[0009] 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ことで MSM型受光素子を製造する方法が述べられている。
[0010] 特許文献 3には、光透過性の絶縁パターンの幅を波長以下の寸法にして光透過性 絶縁パターンの両脇にある金属膜の端部力 発生する近接場光を利用することで M SM型受光素子の応答を高速ィ匕することが述べられて 、る。
[0011] 特許文献 4には、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力 、合うように配置する光電子力ブラが述べられて いる。このようなデバイス構造を用いて、入射光と透過光、反射光、表面プラズモンポ ラリトンなどの間を、共振により結合させる技術について述べられている。光電子カブ ラ技術を用いたこの文献の MSM型受光素子では、入射光が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、 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比が低下するという問題がある。
[0012] 特許文献 5には、太陽光エネルギーを用いた光起電力デバイスが述べられている。
この光起電力デバイスでは、 pn接合を持つ複数の球形上の半導体を挟んだ 2つの 電極の一方に、周期的に配列された開口あるいは凹部が設けられている。ここでは、 周期的な形状を持つ電極における表面プラズモンと入射光とを共鳴させることを利用 している。しかし、この技術においては、光電変換の高速ィ匕のために空乏層を薄くす ること、および面積を小さくすることにつ 、ては述べられて 、な!/、。
[0013] さらに、特許文献 6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、伝播する光を周期的な溝の列がな!、場合と比較して増強できる光伝送装 置が述べられている。ただし、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おり、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)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。したがって、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 SN比は得られない。
[0014] さらに、特許文献 7には、光吸収層をフォトニックバンドが形成されるよう多層膜構造 として、吸収されて透過される光の群速度を小さくすることにより、物理的な吸収層厚 を薄くして、受光効率を高める MSM受光素子構造が述べられている。しかし、この 構造にお 、ても、 MSM接合における接合面積を低減して素子容量を小さくすること は実現されていない。
非特許文献 l : S.J.KOESTER, G.DehlingerJ.D.Schaub, J.O.Chu, Q.C.Ouyang, and A. Grill, 'Germanium- on- InsulatorPhotodetectors", 2nd International Conference on Group 4 Photonics.FBl 2005, (第 172頁、図 3)
特許文献 1 :特開昭 59- 108376号公報 （第 4- 16頁、図卜 3)
特許文献 2 :特許第 2666888号公報 （第 3— 4頁、図 2)
特許文献 3 :特許第 2705757号公報 （第 6頁、図 1)
特許文献 4:特表平 10- 509806号公報 （第 26— 33頁、図 1)
特許文献 5 :特開 2002- 76410号公報 （第 6— 9頁、図 1)
特許文献 6 :特開 2000- 171763号公報 （第 7— 10頁、図 10、図 17)
特許文献 7 :特開 2005- 150291号公報 （第 5頁、図 1)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0015] 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 、 Siあるいは SiGeを用いた光検出器は長いキャリアライフタイム (：〜 1— 10 s)および 低い光吸収率 (〜： L0— 100/cm)のために、一般的に遅い応答性を示す。また、化合 物系半導体を用いた場合においても、ショットキー障壁型フォトダイオードは高速応 答を示すものの、金属電極により実効的な受光面積が小さくなり、感度が低下してし まうという問題があった。また、 pin型フォトダイオードにおいて、空乏層を薄層化する ためにラテラル電極構造が提案されているが、電極間距離を小さくして高速性を得る ことは可能であるものの、高感度化が難し ヽと 、う問題があった。
[0016] フォトダイオードの応答を高速ィ匕するためには、光吸収層を薄くしてキャリア走行時 間を短くすること、および受光面積すなわち接合容量を小さくして回路時定数を小さ くすることが必要となる。すなわち、一般的には受光感度と高速性とはトレードオフの 関係となる。
[0017] また、ショットキーフォトダイオードにおける電極形成においては、一般的にレジスト マスクを用 、たリフトオフプロセスが用 ヽられる力 これによりデバイス作製プロセスに おける歩留まり低下およびリフトオフ残渣による電極間の電気的短絡が生じやすいこ とが問題である。
[0018] 本発明の目的は、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。また、本発明は、従来に比較して 2桁以上小さい体積の光吸 収層を可能とすることにより、高集積ィ匕および低消費電力化を実現するフォトダイォ ードを提供することを目的とする。さらに、本発明は、量産化および高集積化に適し たフォトダイオードの製造方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0019] 本発明のフォトダイオードは、半導体層と、半導体層の表面に互いに間隔 dをおい て配置され、 MSM接合を形成する一対の金属電極と、を有している。間隔 dは、入 射光の波長をえとしたときに、 λ >d> λ ΖΐΟΟの関係を満たしている。一対の金属 電極は、表面プラズモンを誘起することが可能で、少なくとも一方が半導体層とショッ トキ一接合を形成し、半導体層の屈折率を ηとしたときに、下端部が λ /2ηより小さい 深さとなる位置まで半導体層に埋め込まれて 、る。
[0020] 半導体層の表面から、近接場光が浸み出す厚さであるえ /2ηよりも小さい距離だけ 金属電極を半導体層中に埋め込んで!/、るので、表面プラズモン共鳴を発生させるこ とにより、光電界強度が最大となる領域と光吸収層となる半導体空乏層領域とを一致 させることが可能となる。したがって、非常に薄い光吸収層においても、高効率な感 度特性が得られる。また、金属電極間の距離 dが小さいため、低バイアス電圧におい ても高速，高感度な作動が可能となる。
[0021] 本発明の他の実施態様によれば、フォトダイオードは、半導体層と、半導体層の表 面に互いに間隔 dをおいて配置された一対の金属電極と、半導体層の、表面と反対 側の面に接して設けられた対向電極と、を有している。間隔 dは、入射光の波長をえ としたときに、 λ >d> λ /100の関係を満たし、一対の金属電極は、表面プラズモ ンを誘起することが可能で、少なくとも一方が半導体層とショットキー接合を形成し、 半導体層の屈折率を nとしたときに、下端部が λ /2ηより小さい深さとなる位置まで半 導体層に埋め込まれて!/、る。
[0022] 本発明のさらに別の実施態様によれば、フォトダイオードは、半導体層と、半導体 層の内部に互いに間隔をおいて配置され、 pin接合を形成する一対の ρ電極および η 電極と、半導体層の表面に、互いに間隔 dをおいて、 p電極および n電極の各々の上 に積層された、一対の金属膜と、を有している。間隔 dは、入射光の波長をえとしたと きに、 λ >d> λ ΖΐΟΟの関係を満たし、一対の金属膜は、表面プラズモンを誘起す ることが可能で、半導体層の屈折率を ηとしたときに、下端部が λ /2ηより小さい深さ となる位置まで半導体層に埋め込まれて ヽる。
[0023] 一対の金属電極の表面から λ /2以下の距離だけ離れた位置に設けられた光閉じ 込め構造を有し、光閉じ込め構造は、一対の金属電極で挟まれる領域と光結合する 、内径 λ以下または面積 10 μ m2以下の微小領域に入射光を閉じ込めるものであつ てもよい。
[0024] 同様に、一対の金属膜の表面から λ /2以下の距離だけ離れた位置に設けられた 光閉じ込め構造を有し、光閉じ込め構造は、一対の金属膜で挟まれる領域と光結合 する、内径 λ以下または面積 10 μ m2以下の微小領域に入射光を閉じ込めるもので あってもよい。
[0025] 本発明のフォトダイオードの製造方法は、基板上に形成された半導体層の表面に、 エッチングによって、間隔 dの一対の溝を形成するステップと、溝の形成された半導 体層に金属層を積層するステップと、金属層をイオンビームによってエッチングし、溝 のみに、 λ /2ηより小さい深さの金属電極（λは入射光の波長、 ηは半導体層の屈折 率)を形成するステップと、を有している。
[0026] 本発明のフォトダイオードの製造方法は、さらに、金属電極の上に、間隔をおいて 表面プラズモンを誘起させる導電性材料を積層するステップと、導電性材料の、一対 の金属電極に挟まれる領域と対向する位置に、イオンビームエッチングによって、微 小開口を設けるステップと、を有していてもよい。
[0027] 本発明の光通信デバイスは、上記のフォトダイオードを受光部に備えている。 [0028] 本発明の光インタコネクションモジュールは、シリコン基板と、シリコン基板上に形成 された上記のフォトダイオードと、シリコン基板上に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、を有している。
発明の効果
[0029] 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 オトキャリアに変換して電気信号が得られる、高速でかつ高効率なフォトディテクター が実現される。また、高集積ィ匕した場合においても、歩留まりの高い低コストなフォト ダイオード作製プロセスが実現される。
図面の簡単な説明
[0030] [図 1]図 1は本発明の第 1の実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。
[図 2]図 2は本発明の第 2の実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。
[図 3]図 3は表面プラズモン共鳴構造の平面図である。
[図 4]図 4は金属突起を備えた表面プラズモン共鳴構造の平面図である。
[図 5]図 5は表面プラズモン共鳴構造を備えたフォトダイオードの概略図である。
[図 6]図 6はフォトニック結晶線欠陥導波路の平面図である。
[図 7]図 7は本発明の第 1の実施例である MSMフォトダイオードの断面図である。
[図 8]図 8は図 7に示す MSMフォトダイオードの平面図である。
[図 9]図 9は図 7に示すフォトダイオードの感度特性を示すグラフである。
[図 10]図 10は本発明の第 2の実施例のフォトダイオードの断面図である。
[図 11]図 11は本発明の第 3の実施例のフォトダイオードの断面図である。
[図 12]図 12は表面プラズモン共鳴構造の概略構成図である。
[図 13]図 13はグレーティングの有無による MSMフォトダイオードの感度特性の比較 を示すグラフである。
[図 14]図 14は本発明フォトダイオードの製造方法の一例を示す断面図である。
[図 15]図 15は微小突起を備えた光閉じ込め構造の概念図である。
[図 16]図 16は本発明の第 6の実施例のフォトダイオードの断面図である。
[図 17]図 17は線欠陥型のフォトニック結晶光導波路を用いた他のフォトダイオードの 構造を示す模式図である。 [図 18]図 18は図 17に示すフォトダイオードの感度特性の感度特性を示すグラフであ る。
[図 19]図 19は本発明の第 7の実施例のフォトダイオードの断面図である。
[図 20]図 20は図 19に示すフォトダイオードの光導波路の製造方法を示す断面図で ある。
[図 21]図 21は図 19に示すフォトダイオードの感度特性を示すグラフである。
[図 22]図 22は本発明の第 8の実施例のフォトダイオードの断面図である。
[図 23]図 23は本発明によるフォトダイオードを搭載した 40Gbps伝送用光受信モジュ ールの概略断面図である。
[図 24]図 24は本発明のフォトダイオードを搭載した LSIチップ間光インタコネクション モジュールの概略断面図である。
符号の説明
1 半導体層
2 金属電極
3 埋め込み酸化層
4 保護層
5 負荷抵抗
6 バイアス電源
7 酸化膜
8 支持基板
9 ρ電極
10 π電極
11 金属膜
12 金属膜
13 凹凸部
14 微小開口
15 金属突起
16 表面プラズモン共鳴構造 高誘電率媒質
孔
線欠陥部
フォトニック結晶線欠陥光導波路 電極ノッド
ショットキー電極
対向電極層
Ge選択成長層
ノ ッファ層
光導波路コア
クラッド層
SOI層
SiONコア層
リング型光共振器
光導波路コア
光ファイバ
信号光
フォトダイオード
モジユーノレ筐体
¾気目 t線
プリアンプ IC
チップキャリア
VCSEL光源
光源および変調用電気配線ビア フォトダイオード用電気配線ビア
LSI
光源変調用電気配線層 フォトダイオード用電気配線層 45 光信号出力ファイバ
46 光信号入力ファイバ
47 LSI搭載ボード
48 凹面鏡
49 フォトダイオード/光源搭載ボード
51 第 1の金属膜
52 第 2の金属膜
発明を実施するための最良の形態
[0032] 本発明のフォトダイオードは、半導体表面に間隔 dをおいて配置された MSM (金属 —半導体—金属)接合、あるいは半導体表面に間隔をおいて形成された pin接合と その上に間隔 dをおいて積層された金属膜とを備えたフォトダイオードである。間隔 d は、入射する光波長 λより小さぐかつ光波長えの 100分の 1より大きくされている。 MSM接合ある 、は pin接合にぉ 、て用いられる金属膜は、表面プラズモンを誘起 することが可能な導電性材料力 なり、 nを半導体層の屈折率とした時、その下端が 、半導体表面力もえ /2nより小さい距離だけ半導体中に埋込まれた位置にある。さら に、 MSM接合あるいは pin接合にぉ 、て用いられる金属膜の表面から λ /2以下の 距離だけ離れた位置に、光波長 λ以下の領域あるいは 10 m2以下の領域に光を 閉じ込める構造が設けられ、これと MSMフォトダイオードまたは pinフォトダイオード が光結合している。ここで、上記の領域は、半導体層の表面における光スポットサイ ズを意味する。
[0033] 図 1は、本発明の第 1の実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。支持基 板 8の上に埋め込み酸化層 3が形成され、その上に光吸収層である半導体層 1が形 成されている。半導体層 1の周囲は酸ィ匕膜 7となっている。半導体層 1の表面には、 金属電極 2が形成されている。一対の金属電極 2は、入射する光の波長えより小さい 間隔 dをおいて配置されており、 MSM接合を形成している。半導体層 1の屈折率を n とした時に、金属電極 2は、 λ /2ηより小さい距離 fだけ半導体層 1の中に埋め込まれ ている。金属電極 2は、半導体層 1とショットキー接合を形成する第 1の金属膜 51と、 表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材料力もなる第 2の金属膜 52とからな る。ただし、第 1の金属膜 51と第 2の金属膜 52を一種類の膜で構成することもできる 。この場合は、金属電極 2は一層構成となる。
[0034] 従来、半導体層の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 ため、受光感度が悪くなるという課題があった。あるいは表面プラズモン共鳴を生じさ せる電極間隔を取った場合にお!、ても、光電界強度の強!、領域は半導体の外の領 域にあり、効率的なフォトキャリアの生成ができないという問題があった。これに対し、 半導体層の表面から、近接場光が浸み出す厚さであるえ /2nよりも小さい距離だけ 金属電極を半導体層中に埋め込み、 TM波による光入射を行ってプラズモン共鳴を 発生させることにより、光電界強度が最大となる領域と光吸収層となる半導体空乏層 領域とを一致させることが可能となる。したがって、非常に薄い光吸収層においても、 高効率な感度特性が得られることになる。
[0035] また、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、ドーピング濃度が 10 15〜1016cm 3の条件で、 200nm以上の空乏層領域がゼロバイアスにおいても形成 される。したがって、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。
[0036] 半導体層 1の厚みを 200nm以下とすることにより、 Siのようなフォトキャリアの易動 度が 107cm/s程度の半導体材料においても、フォトキャリアの電極間のドリフト時間 は数 psであると見積られる。半導体層 1の厚みを 1 m以下にした場合でも、ドリフト 時間を 20ps以下にすることが可能である。また、金属電極 2の距離 dを lOOnm程度 とした時、 MSM接合面積を 10 m2以下とすることにより、接合電気容量は 10 fF以 下となり、 100 m2以下とした場合においても 100 fF以下となる。すなわち、負荷抵 抗を 50 Ωと仮定すると、回路時定数はそれぞれ lpsおよび lOpsとなり、非常に高速 な応答が実現される。ここで、接合面積とは、 MSM接合の場合、複数配置された M SM電極の端カゝら端までの領域の面積である。 pin接合の場合、本発明ではラテラル ピン構造を想定していることから、複数の P電極、 n電極の端力 端までの領域の面積 を意味する。
[0037] 本発明は、一方の金属一半導体接合がショットキー障壁型の接合力 なり、もう一 方の金属一半導体接合がォーミック接合の場合にも適用できる。この場合でも、間隔 dが光波長 λより小さく形成され、表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材 料力もなる電極が λ /2ηより小さい距離だけ半導体中に埋め込まれていれば、高効 率と高速ィ匕を両立させるフォトダイオード特性を得ることができる。半導体表面に間隔 をお ヽてショットキー接合を配置して、光吸収層である空乏層を介して基板側に対向 電極を形成した構造の場合も同様である。
[0038] 図 2は、本発明の第 2の実施形態に係るフォトダイオードの断面図である。半導体 層 1の内部には、 ρ電極 9と η電極 10が所定の間隔で設けられ、 pin接合を形成して いる。その上に、表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材料力もなる金属膜 11カ、半導体層 1の表面に露出して形成されている。 p電極 9あるいは n電極 10上に 積層された金属膜 11の間隔 dは、入射する光波長えより小さぐかつえの 100分の 1 より大きくされている。 nを半導体層 1の屈折率とした時、金属膜 11は、半導体層 1の 表面から λ /2ηより小さ 、距離 fだけ、半導体層 1の中に埋め込まれて 、る。
[0039] 半導体層 1の表面から λ /2ηより小さ 、距離 fだけ半導体層中に埋め込んで配置さ れた金属膜 11は、図 2のようなラテラル電極構造の pinフォトダイオードにおいても、 半導体層 1の p電極 9と n電極 10とに挟まれた領域に、表面プラズモンにより光ェネル ギーを閉じ込め、局所的に強い光学電場分布を生じさせることを可能とする。従来か ら、ラテラル電極構造の pinフォトダイオードにおいて、電極間距離を小さくすることに より高速ィ匕が可能となることが報告されている。しかし、本発明ではさらに、 p電極 9お よび n電極 10の上に表面プラズモンを誘起することが可能な金属膜 11を積層し、金 属膜 11を、光吸収層である半導体層 1の表面力もえ /2nより小さい距離 fだけ埋め込 んだ構造とすることにより、高速性と高効率な感度特性を併せ持つフォトダイオードを 実現することが可能となる。また、表面プラズモンを誘起可能な導電性材料は、一般 的に高い導電率を有する材料力もなるため、小型化したフォトダイオードの高周波域 におけるインピーダンスを小さくするためにも非常に有効である。したがって、高速高 感度と、高周波域における高 SN比を両立できるフォトダイオードが実現される。
[0040] 図 3は、入射光を光波長以下のサイズ（内径）に閉じ込める光閉じ込め構造として機 能する、表面プラズモン共鳴構造の平面図である。一般的に、金属膜に形成された 波長以下の微小な開口には、光の伝播モードが存在しないため、光を入射させた場 合には非常に小さい透過効率し力、得られない。これに対し、図 3に示すように、導電 性膜である金属膜 12に形成された微小開口 14の周囲に周期的な凹凸部 13を設け ることにより、入射光を金属膜 12の表面に誘起される表面プラズモンと結合させ、さら に表面プラズモンとして光エネルギーを微小開口 14に集光することが可能となり、透 過光強度を大幅に増幅することができる。この効果は表面プラズモン増強効果と呼 ばれる。周期的とは、微小開口 14を中心として凹部と凸部が同心円状に交互に分布 することをいう。
[0041] 金属膜 12の表面に発生した表面プラズモンが集光されることにより、微小開口 14 を介して、微小開口 14の出射側に強い近接場が誘起される。誘起される近接場は、 入射側で集光された表面プラズモンが微小開口 14のエッジにおいて散乱されること により生じるものであり、近接場として局在する成分と散乱されて伝播光へと変換され る成分とが存在する。
[0042] 表面プラズモンの分散関係は以下の数式 1で表される。
[0043] [数 1]
Figure imgf000015_0001
ここで、 ε と ε は、表面プラズモンを生じる金属とこれに隣接している誘電体の誘電
m d
率である。
さら〖こ、表面プラズモンの伝播長は以下の数式 2で表される。
[0044] [数 2]
LSPP = c/ω ((em + ED) /& M ノ · sm 2/em ここで、金属の複素誘電率 ε を ε ' +ί ε "と表した。
m m m
[0045] 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。金属膜 12は、アルミニウム、銀、金、銅のいずれか、あ るいはアルミニウム、銀、金、銅の少なくとも二種類力もなる合金層力もなることが望ま しい。また、表面プラズモンの伝播損失の低減として、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。このため、下地層として Ta、 Cr、 Ti、 Zrなどを使 用するか、あるいは Nbなどの元素を金属膜 12に微量添加して合金化することも効果 がある。
[0046] また、微小開口 14に少なくとも一つの金属突起を形成することにより、表面ブラズモ ンによるダイポール共鳴が励起され、微小開口 14の出口から、より強い近接場光を 出射することが可能である。図 4に示すように、金属突起 15を互いに対向する少なく とも一組の突起構造とすることにより、さらに小さい領域において近接場光強度を強 めることが可能となる。
[0047] このような金属突起 15は、局在したプラズモン共鳴を生じさせるものであり、表面プ ラズモンの光学損失と同様の観点から、アルミニウム、銀、金、または銅力 なること が望ましい。あるいは、金属突起 15は、アルミニウム、銀、金、および銅のうち、少なく とも二種類を含む合金層であってもよ 、。
[0048] 図 5は、表面プラズモン共鳴構造を備えたフォトダイオードの概略図であり、同図（a ) , (b)に各々平面図と断面図を示して 、る。微小開口 14の出口から λ /2以下の距 離 gだけ離れた位置に金属電極 2が形成されており、微小開口 14と光結合されてい る。このため、微小開口 14の出口における近接場成分と伝播光成分の両方を、表面 プラズモンとして、半導体層 1の表面の波長以下の領域に局在させることができる。
[0049] この表面プラズモンによる近接場光の強度分布は、 MSM電極配置や半導体層の 屈折率および吸収係数の影響を受けて、その強度および浸み出しの範囲が変化す る。これにより、半導体層の非常に小さい領域において、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。したがって、 MSM電極により形成される半導体層中に おけ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ができる 。それによつて、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、高い量子効率と高速応答特性を具備したフォトダイオードが可能となる。また、フ オトキャリアを生成して掃引するための金属電極の接合領域は、 10 m2以下のサイ ズ〖こすることができる。その結果、接合電気容量を極めて小さくすることが可能となる 。したがって、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。 [0050] 光波長以下のサイズ（内径）に光を閉じ込めるために、 2次元フォトニック結晶を利 用することも有効である。この 2次元フォトニック結晶体は、高誘電率媒質の中に微細 径のフォトニック結晶の孔を三角格子状あるいは正方格子状に配列した構造を有し ている。高誘電率媒質には、通常半導体 (その多くは比誘電率が約 12)が用いられる 。この 2次元三角格子フォトニック結晶の場合、フォトニックバンドギャップが得られる 孔のピッチ (格子定数)と孔径の組み合わせの目安は、例えば、「フォトニック'クリスタ ルズ 'モデリング ·ザ'フロ^ ~·ォブ 'ライト」の 125〜126頁（「J. D. Joannopoulos, R. D. Meade and J. N. Winn, Photonicし rystals, Modeling the Flow of LightJ Princeton U niversity Press, pp. 125〜126)に開示されている。孔の半径を！:、フォトニック結晶の 円孔のピッチを a、光の角周波数を ω、真空中の光速を cとするとき、例えば、誘電率 11.4の誘電体基板に三角格子上にフォトニック結晶の円孔を配列する場合であれ ば、（r/a)が 0.48で、 {( ω Χ )/(2 π X c)}が 0.5程度の時に、電界の振動方向と孔が 延びている向きの関係に依らず、フォトニックバンドギャップが生じる。
[0051] 図 6は、 2次元三角格子フォトニック結晶構造を用いて作られたフォトニック結晶線 欠陥導波路の平面図である。フォトニック結晶線欠陥光導波路 20は、 2次元三角格 子フォトニック結晶構造を 2枚近接配置して形成されている。高誘電率媒質 17の中 には、多数の孔 18が三角格子状に配列されている。多数の孔 18の中間部に 1列の 無孔部分、すなわち、線欠陥部 19が形成されている。これにより、フォトニックバンド ギャップ内の角振動数の光は、線欠陥部 19以外の完全結晶部分を伝播することは できないが、線欠陥部 19の部分は伝播できるようになる。すなわち、線欠陥部 19は 波長以下のサイズに光電界分布を閉じ込めた光導波路として機能することになる。本 発明においては、このような閉じ込めの強い光導波路に光波長の 1/2以下の距離で 隣接して MSMフォトダイオードを配置することにより、非常に小さい領域での光結合 が可能となり、高感度化と高速ィヒの両立が実現される。
[0052] 光を波長以下あるいは 10 m2以下のサイズに閉じ込めるために、コアとクラッド層 との屈折率差を 5%以上にした光導波路を利用することも可能である。このようなチヤ ネル型光導波路は、コアの周りをそれよりも屈折率の小さい媒質で取り囲んだ構造を 有しており、コアとクラッド層間の屈折率の差によって全反射を繰り返しながら伝播す ることが知られている。この場合、コアとクラッド層の屈折率差が大きければ、光はコア に強く閉じ込められ、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。屈折率差を 5%以上とすることにより、 10 m以下のサイズの光スポット径 を実現することが可能となる。さらに、コアとクラッド層との屈折率差を 10〜40%程度 とすることにより、波長以下のサイズの光スポット径を実現することが可能となる。なお 、光導波路は、誘電体材料、有機化合物、または半導体材料から製作することがで きる。
[0053] 導波路コアの屈折率を Siなどの半導体を仮定して 3.4とし、断面サイズを 0.3 m X 0.3 /z m程度とし、その周りを屈折率が 1.5程度の SiOなど力もなるクラッド層で覆つ
2
た構造において、光のモードサイズは導波路コアとほぼ同等のサイズにまで小さくす ることが可能となる。また、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してしまうため、広い波長範囲に渡って損 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 SiOから
2 なるクラッドで覆うことにより、屈折率差を 5%以上にすることが可能となる。この場合 は、光の閉じ込めが半導体コアを用いた場合に比較して弱くなるため、光スポット径 は 1〜4 111程度になる。
[0054] このような閉じ込めの強い光導波路に隣接して、光波長の 1/2以下の距離で隣接し て MSMフォトダイオードを配置することにより、非常に小さい領域での光結合が可能 となり、高感度化と高速ィ匕の両立が実現される。
[0055] また、このようなフォトニック結晶型光導波路あるいは閉じ込めの強いチャネル型光 導波路と MSMフォトダイオードを結合させる場合、 MSM接合に対して導波光を垂 直方向から入射させるよう、導波路端面を斜めカットなどして曲げるか、あるいは水平 方向に隣接させた場合においても、十分な光結合を実現することが可能である。この 場合、光の伝播モードは MSMフォトダイオードにおける光吸収層とほぼ同じ高さに 配置されることが望ましい。
[0056] さらに、閉じ込めの強いチャネル型光導波路をリング構造として、共振器構造を取 ることにより、導波光の群速度を小さくすることが可能となり、光波長の 1/2以下の距 離において MSM接合を近接させることにより、さらに効率的に光エネルギーをフォト カレントに変換することが可能となる。この時、リング型光共振器構造は、 MSMフォト ダイオードの上方に配置する力、あるいは横方向に配置して光結合させることが望ま しい。
[0057] なお、金属電極と光閉じ込め構造との間には、光結合の媒体となる誘電膜を設けて ちょい。
[0058] MSM接合を利用したショットキー障壁型フォトダイオードの金属電極 2、あるいはラ テラル pin接合上に電極 9, 10および金属膜 11を作製する際、ガスクラスターイオン ビームを用いることが望ましい。表面プラズモン共鳴構造に微小開口 14を作成する 場合も同様である。ガスクラスターイオンビームは、 Arあるいは反応性ガスを数百から 数千個の原子ある 、は分子力もなるクラスタ一としてイオンィ匕したビームである。レジ ストマスクを用いたリフトオフプロセスではなぐガスクラスターイオンビームを用いるこ とにより、加工精度が上がると共に、イオンビームエッチングを用いた場合に比較して 低ダメージの加工プロセスが実現される。エッチングされた金属残渣は真空中に放 出されるかあるいはレジストマスクの側壁に付着するため、レジスト除去と同時に残渣 を効率よく除去することができる。したがって、 LSIプロセスに適用した際、高集積プロ セスにおける歩留まりが向上し、低コストのデバイスが実現できる。
[0059] 本発明において用いられる光の波長領域は、可視光、近赤外光、および赤外光を 含む広い波長域に渡る。しかし、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フォトニック結晶光導波路、チャネル型光導波路、 あるいはリング型光導波路、および MSM電極のサイズ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 ィテクターが得られる。
[0060] 次に、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
実施例 1
[0061] 図 7, 8は、本発明の第 1の実施例である MSM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 縁された半導体層 1の一部の上に形成された、金属一半導体 金属 (MSM)接合を 形成している。金属電極 2間の間隔 dは入射する光波長 λより小さぐかつ λの 100 分の 1より大きい。 nを半導体層 1の屈折率とした時、金属電極 2は、半導体層 1の表 面から λ /2ηより小さ 、距離 fだけ半導体層 1中に埋め込まれて 、る。金属電極 2 (ま たは、少なくとも第 2の金属膜 52)は、表面プラズモンを誘起するために、アルミ-ゥ ム、銀、金、銅のいずれ力、あるいはアルミニウム、銀、金、銅の少なくとも二種類から なる合金を使用することが望ましい。ショットキー接合を形成するために、 Cr, Ta, Ni 等の下地膜を用いることも可能である。さらに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、ォーミック接合を形成することも可能である。金属電極 2の 上には、 SiOなどの保護層 4が形成されていてもよぐこれを光学的反射防止膜とし
2
て利用することも可能である。
[0062] 図 9は、厚さ 30nmの Ag電極を Si半導体表面に埋め込みなしで形成した場合と、 半導体表面から λ /2nより小さい距離だけ埋め込んだ場合における、感度特性を比 較したものである。 MSM接合を構成する金属電極の幅および電極間のスぺーシン グは 100nm、金属電極の埋め込み深さは 30nmとした。電磁界計算から得られる表 面プラズモンの共鳴波長は 850nmであることから、 850nm波長、パワー lmWのレ 一ザ光を入射してフォトカレントを観測した。 Ag電極を Si半導体中に埋め込んだ構 成とすることにより、 2桁以上のフォトカレントが得られることが分かり、この時の量子効 率は 30%程度であった。
実施例 2
[0063] 図 10は、本発明の第 2の実施例のフォトダイオードの断面図である。半導体層 1の 表面には、間隔 dをおいて、ショットキー接合を形成するショットキー電極 22が配置さ れている。ショットキー電極 22は、表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材 料から形成されている。光吸収層である空乏層 (半導体層 1)を介した支持基板 8側に は、対向電極層 23が形成されている。ショットキー電極 22の間隔 dは光波長えより小 さくされている。 nを半導体層 1の屈折率とした時、ショットキー電極 22は、 λ /2ηより 小さ ヽ距離 fだけ半導体層 1中に埋め込まれて!/ヽる。
[0064] 対向電極層 23としては、 Pなどのドーパント濃度を 1 X 102 cm 3以上とした n+— Si 層を、半導体層 1としては、光吸収層である n-Si層を使用することができる。半導体 層 1は対向電極層 23上にェピタキシャル成長させる必要がある力 成長温度を 800 °c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 高くなり、空乏化電圧が増大し、さらにショットキー接合を形成した時の空乏層の厚さ 力 、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。したがって、 n+— S i層上に薄 、光吸収層を形成する場合は、 600°C以下の低温でェピタキシャル成長 させる技術が必要である。
[0065] 表面プラズモン共鳴による光電場増強効果は、電極間の水平方向だけではなぐ 電極下方に生じさせることが可能である。本実施例では、表面プラズモンによる光電 場増強が、電極下方のショットキー接合界面に生じるような設計を行い、フォトキヤリ ァが生成される領域とバイアス電圧印加により空乏化される領域とを一致させた。 実施例 3
[0066] 図 11は、本発明の第 3の実施例のフォトダイオードの断面図である。半導体層 1の 表面には、 p電極 9ある 、は n電極 10上に金属膜 11が積層した積層体が配置され、 少なくとも一つの P-ト n接合を形成している。 p電極 9あるいは n電極 10上に積層され た金属膜 11の間隔 dは、入射する光波長えより小さぐかつえの 100分の 1より大きく なるようにされて!、る。金属膜 11は表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材 料からなり、 nを半導体層 1の屈折率とした時、金属膜 11は、半導体層 1の表面から λ /2ηより小さい距離 fだけ半導体層 1中に埋め込まれている。金属膜 11は、表面プ ラズモンを誘起するために、アルミニウム、銀、金、銅のいずれ力、あるいはアルミ-ゥ ム、銀、金、銅の少なくとも二種類力もなる合金を使用することが望ましい。
[0067] 本実施例のフォトダイオードを製作するには、まず、 SOI(Silicon-on-Insulator)基板 に、光波長えより小さい間隔のトレンチ構造を、 C Fおよび SFを用いた反応性エツ
4 8 6
チングにより形成する。次に、トレンチ構造内に有機金属気相成長法により、 p型およ び n型のポリシリコン層を選択的に成長させる。トレンチ構造の途中で選択成長をスト ップさせ、表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材料であるアルミニウム、金 、銀、あるいは銅などを、ポリシリコン層との密着性を改善するための Tiなどの下地層 を介して積層する。導電性材料と光吸収層である i-層（半導体層 1)との間には、喑電 流を抑えるために、 SiOなどの絶縁層が数 nm程度挿入されていてもよい。表面ブラ
2
ズモンによる近接場光増強が、金属電極間に挟まれた光吸収層である i-層中で生じ るように設計することにより、 Siフォトダイオードにおいても、 50%以上の量子効率が 実現可能である。さらに、 Ge層を吸収層として成長させたフォトダイオードでは、 90 %以上の量子効率を得ることが可能である。
実施例 4
[0068] 本発明の第 4の実施例として、上記の MSM接合と組み合わされる表面プラズモン 共鳴構造について述べる。図 12は、光閉じ込め構造として機能する表面プラズモン 共鳴構造の概略構成図であり、同図 (a)が平面図、同図 (b)が断面図である。表面 プラズモン共鳴構造 16は、表面プラズモン共鳴を生じさせるグレーティング形状（凹 凸部 13)と、その中心部に形成された直径 λ以下の微小開口 14とを備えた、 Ag等 力もなる金属膜 12を有している。表面プラズモン共鳴構造 16は、 MSM接合から λ Ζ2以下の距離だけ離れた位置に設けられ、入射光を波長以下の領域に閉じ込める 。グレーティング構造の周期は、入射光波長に対してプラズモン共鳴が生じるよう設 定される。グレーティングの形状は図 12 (b)に示す矩形断面だけでなぐ三角形状や 正弦波形状などを取ることもできる。これらの形状では、共鳴波長は矩形断面に比較 して短波長側にシフトする。また、グレーティング形状の代わりに、互いに誘電関数の 異なる 2種類以上の媒質を周期的に配列してなる多層膜構造を用いることもできる。
[0069] 図 13は、プラズモン共鳴を生じさせるグレーティング形状がある場合とない場合の MSMフォトダイオードの感度特性を比較したものである。入射光波長は 840nm、パ ヮ一は lmWとした。グレーティング構造を形成することにより、 2桁以上のフォトカレン トが得られ、 50%以上の量子効率が得られた。
[0070] (製法）
次に、以上説明したフォトダイオードの製造方法を、第 1および第 4の実施例を例に 説明する。図 14は、本発明のフォトダイオードの製造工程を示す断面図である。
[0071] まず、図 14(a)に示すような n型ドープされた SOI基板を準備した。すなわち、 Siの 支持基板 8の上に埋め込み酸化層 3を形成する。支持基板 8の抵抗率は 1〜10 Ω 'c m程度であり、ドーピング濃度は 1015〜1016 cm— 3程度とした。
[0072] 次に、図 14(b)に示すように、 n型 SOI層（半導体層 1)を、 SiNx膜をマスク 61として 反応性エッチングによりパター-ングし、接合サイズを規定した。反応性ガスとして、 C Fおよび SFガスを混合して用いた。さらに、これを 1000°Cで 140分程度の水蒸
4 8 6
気中熱処理をおこなうことにより、 MSM接合を作製するための土台となるメサ構造を 形成した。なお、半導体層 1の側方は酸ィ匕膜 7で覆われる。
[0073] 次に、図 14(c)に示すように、マスク 61を約 130°C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 坦な表面を実現することが可能である。さらに化学的ポリツシング (CMP)処理を施す ことにより、数 nm程度の平坦性を実現できる。
[0074] 次に、作製されたメサ形状の表面に、ショットキー接合を形成するための金属層を 成膜した。すなわち、図 14(d)に示すように、反応性エッチングにより半導体メサ表面 に、間隔 dの溝パターン 62を形成し、さらに図 14(e)に示すように、金属電極 2を積層 した。具体的には、溝パターン 62が形成された半導体層 1に金属層を積層し、溝パ ターン 62の上部にレジストパターン（図示せず)を形成した後、 Arガスクラスターィォ ンを用いたエッチングにより、レジストパターンで覆われた部位以外の金属層を除去 し、溝パターン 62内に金属電極 2を形成した。これによつて、半導体層 1中に金属電 極 2が埋め込まれた構造が形成された。溝パターン 62に形成された金属電極 2の距 離 dを調整することにより、任意の波長でプラズモン共鳴を発生させることが可能であ り、 MSMフォトダイオードの受光効率を 2〜3桁程度改善することが可能となる。
[0075] 次に、図 14(f)に示すように、作製した MSMフォトダイオード上に、 SiOなどの、光
2 学吸収を無視できる保護膜 4を形成した。保護膜 4は、 MSMフォトダイオード上に後 工程で形成される光閉じ込め構造と、 MSMフォトダイオードとが光結合する際の媒 体となる層であり、検出する光波長をえ、保護膜 4の屈折率を n とした時、 λ /η 以 pas pas 下の膜厚であることが望まし 、。
[0076] 次に、図 14(g)に示すように、保護膜 4上に表面プラズモン共鳴を生じさせるグレー ティングを形成するために、反応性エッチングにより保護膜 4に周期的な溝 63を形成 した。さらに、図 14(h)に示すように、表面プラズモンの励起媒体となる Agあるいは A uからなる金属膜 12をスパッタリング法あるいは蒸着法により積層した。この時 Crある いは Tiのような下地を形成して、 Ag膜および Au膜の結晶性および平滑性を改善す ることち可會である。 [0077] 最後に、図 14(i)に示すように、作製したグレーティング形状の中央部 (金属電極 2と 対向する位置）に Arガスクラスターイオンを用いたエッチングカ卩ェにより、波長以下 のサイズの微小開口 14を形成した。マスクとして、レジストマスクあるいは SiOのよう
2 なハードマスクを用いた。さらに、エッチング量をモニターするために、質量分析器を エッチング装置に装着し、 O. lnm以下の精度でエッチングの終端検出を行った。
[0078] なお、以上は、 MSMフォトダイオードの製造方法の一例である力 第 2の実施例、 あるいは第 3の実施例のような p-i-n接合においても同様の製造方法を用いることが できる。第 3の実施例の場合、図 14(e)に示すステップにおいて、各溝に p電極層また は n電極層を選択的に積層され、さらに p電極層および n電極層の上方に金属層を 積層されるように、溝パターンの形成された半導体層に、 p電極層、 n電極層、および 金属層を積層する。
実施例 5
[0079] 図 15は、微小突起を備えた光閉じ込め構造の概念図である。同図 (a)に示すように 、表面プラズモン共鳴を生じさせる凹凸部 13の中央部に形成された微小開口部 14 に、プラズモンによるダイポール共鳴を生じさせる金属突起 15が設けられている。金 属突起 15は、微小開口 14の周縁部力も微小開口 14内に張り出している。このような 金属突起形状を設けることにより、光波長の 1/4以下の領域に光エネルギーを閉じ 込めることが可能となり、これと光結合する MSM接合をさらに小さくすることができ、 1 OOGHz相当の高速応答を得ることが可能となる。また、図 15(b), (c)に示すように金 属突起形状 15を互いに対向する少なくとも一対の金属突起として構成することもでき る。これによつて、入射光の偏光依存性が大きく改善される。
[0080] 上記の第 1〜3の実施例において、半導体層として、 Siの代わりに Ge, Si Ge , S
χ 1-χ iGeなど他の IV族元素半導体を用いることもできる。また、 GaN系， GaAs系， Gain As系， GalnP系， InP系など、 III-V族化合粒半導体を用いることもできる。これらの 材料は、バンドギャップと吸収係数により制限される波長限界に基づいて選択される 。 Siの場合は 400〜900nm、 Geの場合は 400〜1400nm、 InP上に成長させた In GaAsでは 1300〜1600nm付近の波長で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 GOI(Germanium On Insulator)基板を用い る力、 Si上に金属有機化学気相合成法や分子ビームエピタキシー法などを用いて、 結晶性の良い Ge層を成長させることにより吸収層を形成する。 Geを用いる場合、ショ ットキー接合の形成が難しいことが知られている。したがって、 Ge上に Niなどを蒸着 して 400〜600°C程度の温度でァニールすることにより NiGe合金層を形成して、ショ ットキー接合を形成することが望ましい。さらに、この合金層上に Agあるいは Auなど の、表面プラズモンの伝播損失の小さい膜を形成することにより、微小開口力 の近 接場光との結合効率を改善することができる。
実施例 6
[0081] 図 16は、 MSMフォトダイオードとフォトニック結晶光導波路とを結合した構造の断 面図である。フォトニック結晶光導波路は、 Si層の厚みが 200— 400nmの SOI基板 を用いて形成した。まず、基板表面に電子ビーム露光用のレジストを塗布する。次い で、電子ビーム露光装置を使用して、円筒形の孔がマトリクス状に配列したレジストパ ターンを形成した。このレジストパターンは、円筒形状の直径を 200— 240nm、配列 ピッチを 340— 380nmとした。そして、このようなレジストマスクを形成した後、反応性 イオンエッチング法により SOI基板表面の Si層にレジストマスクパターンと同じ形状の 円筒形の孔を形成して、レジスト除去を行った。
[0082] このような周期的に配列する孔形状によって、フォトニックバンドギャップが形成され 、バンドギャップに相当する角周波数の光の伝播モードが存在しないことが知られて いる。したがって、図 16に示すように、このようなフォトニックバンドギャップを線状の 光導波路の横に隣接して配置した、線欠陥型フォトニック結晶導波路 20により、波長 以下のサイズに光電界分布を閉じ込めることができる。
[0083] 図 17は、線欠陥型のフォトニック結晶光導波路を用いた他のフォトダイオードの構 造を示す模式図であり、同図（a)は平面図、同図（b)は断面図である。 MSMフォトダ ィオードは、 Si層をエッチングして薄層化し、薄層化された Si上に、格子歪を緩和す るバッファ層 25、さらに光吸収層となる SiGeある ヽは Geの選択成長層 24を有機金 属化学気相合成法により成長させて形成されている。 MSMフォトダイオードは、フォ トニック結晶光導波路 20の端部に設けられている。 MSMフォトダイオードとフォト-ッ ク結晶線欠陥光導波路 20とが光結合するよう、光導波路端と MSM電極間が波長以 下の距離になるよう、 SiGe層あるいは Ge層の成長位置を選択気相成長法により制 御する。
[0084] 図 18は、 1330nm波長のレーザ光を lmWのパワーで入射した時のフォトカレント のバイアス電圧依存性を示したものである。フォトニック結晶線欠陥光導波路におけ る光導波損失の影響もあるが、量子効率に換算して 30%程度の値が得られた。 実施例 7
[0085] 図 19は、 MSMフォトダイオードとチャネル型光導波路が結合した構造の断面図で ある。チャネル型光導波路は、 SiON力もなる光導波路コア 26と、光導波路コア 26と の屈折率差の大きいクラッド層 27とを有している。このチャネル型光導波路は以下の ようにして製作される。まず、図 20(a)に示すように、 SOI基板上の光導波路を形成す る部分の Si層 (SOI層 28)を反応性エッチングによりエッチングして、クラッド層となる S iO層を露出させる。さらに、図 20(b)に示すように、この上にクラッドとなる SiO層 (保
2 2 護層 4)を積層した後、さらにコアとクラッドの屈折率差が 5%以上となるように、プラズ マ CVD法により SiH、 NHおよび Oを使用したプラズマ CVD法により、 SiONコア
4 3 2
層 29の成長を行う。そして、 O-H基あるいは N-H基による吸収を低減し結晶性を改 善するために、 700〜1300°Cにてァニール処理を施す。次に、コア形状を形成する ため反応性エッチング法により、 0.7— 4 m幅の矩形状に SiONコア層 29のエッチ ング加工を施す。そして、さらに上部クラッド層としてプラズマ CVD法により、多量の Arでパブリングした TEOS (テトラェチルオルソシリケート)および Oを混合した原料ガ
2
スを使用して SiO層を数/ z m程度の厚みで成長させて光導波路とした。
2
[0086] 次に、図 20(c)に示すように、上記のように形成した光導波路 29の端面を所定の角 度にエッチングカ卩ェして、 MSMフォトダイオードが形成される位置力も波長の 1/2以 下の距離だけ離れた位置において、 MSMフォトダイオードに数/ z m程度のスポット 径で光照射される光導波路構造を形成した。その後、反応性エッチングにより光導 波路層の横にある SOI基板における Si層表面をカ卩ェして MSMフォトダイオードを作 製し、 SiON光導波路からの光との結合を実現した。
[0087] 図 21は 850nm波長のレーザ光を lmWのパワーで入射した時のフォトカレントのバ ィァス電圧依存性を示したものである。 MSMフォトダイオードとの光結合効率を改善 するため、 SiON光導波路と MSMフォトダイオードの間に SiO層を形成することによ
2
り、量子効率に換算して 50%程度の値が得られた。
実施例 8
[0088] 図 22は、リング型のチャネル型光導波路を用いたフォトダイオードの概念図である 。 Siコアを用いたチャネル型光導波路は、リング型の光共振器構造 30を備えている。 光共振器構造 30は、 SiGe層力もなる光吸収層を用いた MSMフォトダイオードに対 して、 λ /2以下の距離で配置されている。このような光共振器構造を用いることにより 、光の群速度を 1/6以下にすることが可能となり、 1330nm波長のレーザ光に対して 70%以上の量子効率が得られた。
実施例 9
[0089] 図 23は、本発明の MSM型フォトダイオードを搭載した、 40Gbps (ギガビット毎秒） 伝送用光受信モジュールの概略断面図を示す。フォトダイオード 34は、 SOI基板上 に Ge膜をェピタキシャル成長させた基板を用い、その上に Au電極が形成された MS Mフォトダイオードであり、 λ /2以下の距離だけ離れて、 Agまたは Auの金属周期構 造を備えた光閉じ込め構造が配置されている。波長 1.55 mの近赤外光による伝送 に用いる場合、金属周期構造の凹凸周期は約 1.2 mであり、 8周期分の同心円状 凹凸構造を用いた場合、その外周の直径は、約 20 mとなる。凹凸の深さは 0.1— 0 .4 μ m程度とした。また、孔の直径は 0.3— 0.7 μ m程度である。フォトダイオード 34 は、チップキャリア 38上に搭載され、光ファイバ一 32およびレンズにより光結合され ている。フォトダイオード 34はまた、電気配線 36を介してプリアンプ IC37に電気的に 接続されている。
[0090] 通常、 40Gbps光受信モジュールでは、内部に搭載されるフォトダイオードには側 面入射導波路型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 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量子効率が得ら れないためである。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量子効率が得られる。しかし、 40Gbps用導 波路型素子においては、吸収層厚は通常 1 m以下であり、この場合の光ファイバと の位置に関する結合トレランスは ± 1 μ m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。
[0091] これに対し、本発明によるフォトダイオードは、有効実効直径 20 mを有しており、 このために結合トレランスを ± 2 /z m以上にとることが可能となる。その結果、簡易なレ ンズ結合のみで光結合を行うことができ、これにより光伝送用受信モジュールの低コ ストイ匕が可能になる。図 23に示した本発明による 40Gbps光受信モジュールでは、波 長 1.55 m伝送において最小受信感度— 12dBmが得られ、通常の導波型フォトダ ィオードを搭載した 40Gbps受信モジュールと特性的にも遜色の無 、レベルが実現 できることが確認された。
実施例 10
[0092] 図 24は、本発明のフォトダイオードを搭載した LSIチップ間光インタコネクションモ ジュールの概略断面図である。光信号入力ファイバー 46からの光信号は凹面鏡 48 により本発明によるフォトダイオード 34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 34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 接場光をさらに MSM接合と光結合させることにより、光電流を発生することで、フォト ダイオード配線層 44を通して LSI42に光信号に対応した電流を流す。また、表面プ ラズモン共鳴を引き起こす金属周期構造を配置することにより、凹面鏡 48とフォトダイ オード 34の位置に関する結合トレランスは、 ± 1 m以上にとることが可能である。
[0093] フォトダイオード配線層 44は LSI42のフォトダイオード配線用ビア 41に電気的に接 続されている。ここで、光信号の入力には光ファイバ一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できる。また、凹面鏡 48のか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 34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できる。
[0094] LSI42からの電気信号は光源および変調用電気信号ビア 40から光源および変調 用電気配線層 43を通って電気変調機構を備えた VCSEL (面発光レーザ)光源 39に より光信号に変換される。光信号は凹面鏡 48で反射されて光信号出力ファイバー 45 に送られる。電気変調機構を備えた VCSEL光源 39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 変調するマッハツェンダー型の変調器により置き換えることができる。
ここで、通常の LSIチップ間インターコネクトでは、 20GHz以上の高速動作を目的 とする場合、内部に搭載されるフォトダイオードは応答高速ィ匕のため 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。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ぐコストが高くなるという欠点があった。こ れに対し、本発明によるフォトダイオードは、 Siを用いるため製造コストを引き下げるこ とができる。また、実際図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。

Claims

請求の範囲
[1] 半導体層と、
前記半導体層の表面に互いに間隔 dをお ヽて配置され、 MSM接合を形成する一 対の金属電極と、
を有し、
前記間隔 dは、入射光の波長をえとしたときに、 λ > d > λ ΖΐΟΟの関係を満たし、 前記一対の金属電極は、表面プラズモンを誘起することが可能で、少なくとも一方 が前記半導体層とショットキー接合を形成し、該半導体層の屈折率を ηとしたときに、 下端部が λ /2ηより小さ 、深さとなる位置まで該半導体層に埋め込まれて 、る、 フォトダイオード。
[2] 前記一対の金属電極は、一方の前記金属電極と前記半導体層とがショットキー障 壁型の接合を形成し、他方の前記金属電極と前記半導体層とがォーミック接合を形 成している、請求項 1に記載のフォトダイオード。
[3] 半導体層と、
前記半導体層の表面に互いに間隔 dをお 、て配置された一対の金属電極と、 前記半導体層の、前記表面と反対側の面に接して設けられた対向電極と、 を有し、
前記間隔 dは、入射光の波長をえとしたときに、 λ > d > λ ΖΐΟΟの関係を満たし、 前記一対の金属電極は、表面プラズモンを誘起することが可能で、少なくとも一方 が前記半導体層とショットキー接合を形成し、該半導体層の屈折率を ηとしたときに、 下端部が λ /2ηより小さ 、深さとなる位置まで該半導体層に埋め込まれて 、る、 フォトダイオード。
[4] 前記金属電極は、
前記半導体層とショットキー接合を形成する第一の金属膜と、
前記第一の金属膜の上部に積層された、表面プラズモンを誘起することが可能な 第二の金属膜と、
を有している、請求項 1から 3のいずれか 1項に記載のフォトダイオード。
[5] 前記第二の金属膜は、アルミニウム、銀、金、もしくは銅、または、アルミニウム、銀、 金、および銅の少なくとも 2つを含む合金カゝらなる、請求項 4に記載のフォトダイォー ド、。
[6] 半導体層と、
前記半導体層の内部に互いに間隔をお ヽて配置され、 pin接合を形成する一対の ρ電極および ϋ電極と、
前記半導体層の表面に、互いに間隔 dをおいて、前記 p電極および前記 n電極の 各々の上に積層された、一対の金属膜と、
を有し、
前記間隔 dは、入射光の波長をえとしたときに、 λ >d> λ ΖΐΟΟの関係を満たし、 前記一対の金属膜は、表面プラズモンを誘起することが可能で、前記半導体層の 屈折率を ηとしたときに、下端部が λ /2ηより小さ 、深さとなる位置まで該半導体層に 埋め込まれている、フォトダイオード。
[7] 前記金属膜は、アルミニウム、銀、金、もしくは銅、または、アルミニウム、銀、金、お よび銅の少なくとも 2つを含む合金力もなる、請求項 6に記載のフォトダイオード。
[8] 前記一対の金属電極の表面から λ /2以下の距離だけ離れた位置に設けられた光 閉じ込め構造を有し、
前記光閉じ込め構造は、前記一対の金属電極で挟まれる領域と光結合する、内径 λ以下または面積 10 μ m2以下の微小領域に入射光を閉じ込める、請求項 1から 5 の！、ずれ力 1項に記載のフォトダイオード。
[9] 前記一対の金属膜の表面力 λ /2以下の距離だけ離れた位置に設けられた光閉 じ込め構造を有し、
前記光閉じ込め構造は、前記一対の金属膜で挟まれる領域と光結合する、内径え 以下または面積 10 m2以下の微小領域に入射光を閉じ込める、請求項 6または 7 に記載のフォトダイオード。
[10] 前記光閉じ込め構造は、表面プラズモン共鳴を誘起する導電性膜を有し、
前記導電性膜は、前記微小領域を形成する微小開口と、該微小開口を中心として 凹部と凸部が同心円状に交互に分布する凹凸構造とを備えている、請求項 8または 9に記載のフォトダイオード。
[11] 前記導電性膜は、アルミニウム、銀、金、もしくは銅力もなり、または、アルミニウム、 銀、金、および銅のうち少なくとも 2つを含む合金力もなる、請求項 10に記載のフォト ダイオード。
[12] 前記微小開口には、該微小開口の周縁部から該微小開口内に張り出す、少なくと も一つの金属突起が設けられている、請求項 10または 11に記載のフォトダイオード。
[13] 前記金属突起は、互いに対向する少なくとも一対の金属突起である、請求項 12に 記載のフォトダイオード。
[14] 前記金属突起は、アルミニウム、銀、金、もしくは銅力もなり、または、アルミニウム、 銀、金、および銅のうち少なくとも 2つを含む合金力もなる、請求項 12または 13に記 載のフォトダイオード。
[15] 前記光閉じ込め構造は、互いに誘電関数の異なる 2種類以上の媒質を周期的に配 列してなる多層膜構造またはフォトニック結晶構造力もなる、請求項 8または 9に記載 のフォトダイオード。
[16] 前記光閉じ込め構造は、誘電体材料、有機化合物、または半導体材料力 なる光 導波路を含んで 、る、請求項 8または 9に記載のフォトダイオード。
[17] 前記光導波路は、リング型の共振器構造を有している、請求項 16に記載のフォトダ ィオード。
[18] 前記金属電極と前記光閉じ込め構造との間に、光結合の媒体となる誘電膜が挿入 されている、請求項 8に記載のフォトダイオード。
[19] 前記金属膜と前記光閉じ込め構造との間に、光結合の媒体となる誘電膜が挿入さ れている、請求項 9に記載のフォトダイオード。
[20] 前記フォトダイオードの接合面積は 100 m2以下である、請求項 1から 7のいずれ 力 1項に記載のフォトダイオード。
[21] 前記フォトダイオードの接合面積は 10 μ m2以下である、請求項 1から 7のいずれか
1項に記載のフォトダイオード。
[22] 前記半導体層の厚みは 1 μ m以下である、請求項 1から 21のいずれか 1項に記載 のフォトダイオード。
[23] 前記半導体層の厚みは 200nm以下である、請求項 1から 21のいずれ力 1項に記 載のフォトダイオード。
[24] 前記半導体層は、 Si, Si Ge , Ge, GaN, GaAs, GalnAs, GalnP,または InP x 1-x
力もなる層を少なくとも 1層有している、請求項 1から 7のいずれか 1項に記載のフォト ダイオード。
[25] 前記半導体層は Si Ge または Geなる層を有し、前記金属電極の各々と前記半導
X 1-x
体層との接合部に Niと Geとからなる合金層が形成されて!ヽる、請求項 1から 5の 、ず れカ 1項に記載のフォトダイオード。
[26] 基板上に形成された半導体層の表面に、エッチングによって、間隔 dの一対の溝を 形成するステップと、
前記溝の形成された前記半導体層に金属層を積層するステップと、
前記金属層をイオンビームによってエッチングし、前記溝のみに、 λ /2ηより小さい 深さの金属電極（λは入射光の波長、 ηは前記半導体層の屈折率)を形成するステツ プと、
を有する、フォトダイオードの製造方法。
[27] 前記金属電極の上に、間隔をおいて表面プラズモンを誘起させる導電性材料を積 層するステップと、
前記導電性材料の、前記一対の金属電極に挟まれる領域と対向する位置に、ィォ ンビームエッチングによって、微小開口を設けるステップと、
を有する、請求項 26に記載のフォトダイオードの製造方法。
[28] 基板上に形成された半導体層の表面に、エッチングによって、間隔 dの一対の溝を 形成するステップと、
各溝に p電極層または n電極層が選択的に積層され、さらに該 p電極層および n電 極層の上方に金属層が積層されるように、前記溝の形成された前記半導体層に、該 P電極層、該 n電極層、および該金属層を積層するステップと、
前記 p電極層、前記 n電極層、および前記金属層をイオンビームによってエツチン グし、一方の前記溝のみに、前記 p電極層と、 λ /2ηより小さい深さの金属膜（λは入 射光の波長、 ηは前記半導体層の屈折率)の積層体を、他方の前記溝に、前記 η電 極層と、 λ /2ηより小さい深さの金属膜の積層体を形成するステップと、 を有する、フォトダイオードの製造方法。
[29] 前記金属膜の上に、間隔をお ヽて表面プラズモンを誘起させる導電性材料を積層 するステップと、
前記導電性材料の、前記一対の金属膜に挟まれる領域と対向する位置に、イオン ビームエッチングによって、微小開口を設けるステップと、
を有する、請求項 28に記載のフォトダイオードの製造方法。
[30] 前記イオンビームは、原子あるいは分子力 なるクラスターを電離させたガスクラス ターイオン力もなる、請求項 26から 29のいずれか 1項に記載のフォトダイオードの製 造方法。
[31] 前記微小開口のエッチングにおいて、エッチング装置内に配置された質量分析器 によってエッチング量を検出する、請求項 27または 29に記載のフォトダイオードの製 造方法。
[32] 請求項 1から 25のいずれ力 1項に記載のフォトダイオードを受光部に備えた光通信 デバイス。
[33] シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された請求項 1から 25のいずれか 1項に記載のフォトダ ィオードと、
前記シリコン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、
を有する光インタコネクションモジュール。
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