WO2008075542A1 - フォトダイオード、光通信デバイスおよび光インタコネクションモジュール - Google Patents

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WO2008075542A1
WO2008075542A1 PCT/JP2007/072904 JP2007072904W WO2008075542A1 WO 2008075542 A1 WO2008075542 A1 WO 2008075542A1 JP 2007072904 W JP2007072904 W JP 2007072904W WO 2008075542 A1 WO2008075542 A1 WO 2008075542A1
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photodiode
layer
light
semiconductor
metal
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PCT/JP2007/072904
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Junichi Fujikata
Daisuke Okamoto
Kikuo Makita
Kenichi Nishi
Keishi Ohashi
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Nec Corporation
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    • H01L31/0224—Electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a photodiode.
  • the present invention relates to a photodiode that converts light (including infrared light) signals necessary for information processing and communication fields into electric signals at high speed.
  • the present invention also relates to an optical communication device and an optical interconnection module using the photodiode.
  • Monolithically integrating photodetectors is very attractive in terms of cost and yield.
  • Silicon photodiodes monolithically integrated on the same chip as the CMOS circuits, ie silicon photodiodes, are an attractive alternative to hybrid light receivers (eg, InGaAs photodiodes bonded to CMOS circuits or GaAs circuits). It is an alternative.
  • Monolithically integrated receivers can be manufactured using standard silicon processes and are expected to be cheaper to manufacture than hybrid designs.
  • the typical one is a pin type photodiode.
  • the pin type photodiode has a structure in which an i layer of an intrinsic semiconductor is sandwiched between ap layer of a p type semiconductor and an n layer of an n type semiconductor. Then, when a reverse bias voltage is applied by a bias power supply, almost the entire high-resistance i layer becomes a charge carrier depletion layer. The photons of the incident light are mainly absorbed in the i-layer to generate electron 'hole pairs.
  • the generated electrons and holes respectively drift in opposite directions in the depletion layer by reverse bias voltage to generate current, and are detected as signal voltage by the load resistance.
  • a factor that limits the response speed of this photoelectric conversion is a circuit time constant that is determined by the product of the load resistance and the electric capacity formed by the depletion layer. Further, as the factor, the carrier transit time required for electrons and holes to pass through the depletion layer can be mentioned.
  • a Schottky type photodiode As a photodiode having a short carrier travel time, there is a Schottky type photodiode. It has a structure in which a semitransparent metal film is in contact with the n layer (or n_ layer) of the semiconductor. One. A Schottky barrier is formed near the interface where the n layer (or n_ layer) and the semitransparent metal film are in contact. In the vicinity of the Schottky barrier, electrons diffuse from the semitransparent metal film to the n layer (or n_ layer) to form a depletion layer. In this state, when incident light is irradiated, electrons are generated in the n layer (or n_ layer). The generated electrons drift in the depletion layer due to the reverse bias voltage. And, it is possible to effectively utilize the light absorption in the element surface layer.
  • the pin type photodiode it is necessary for the pin type photodiode to have a sufficient thickness in the i layer, that is, the depletion layer, in order to absorb photons.
  • the Schottky type photodiodes can make the depletion layer thinner. Therefore, the Schottky photodiode can shorten the carrier travel time.
  • the value of the load resistance is reduced in order to shorten the circuit time constant, the voltage of the reproduction signal that can be taken out drops. Therefore, in order to increase the S / N of the reproduction signal and to reduce the read error, it is necessary to reduce the capacitance of the depletion layer. In particular, if the depletion layer is thinned to shorten the carrier transit time, the electric capacity increases. Therefore, for speeding up, it is necessary to reduce the depletion layer (or the area of the Schottky junction). Although the force is reduced, the reduction of the joint area reduces the utilization efficiency of the signal light. As a result, the S / N of the reproduction signal is degraded.
  • MSM metal / semiconductor / metal
  • Patent Document 1 a metal / semiconductor / metal (MSM) device (photodetector) in which two electrodes are disposed on the same surface of a semiconductor has been proposed (Patent Document 1).
  • This MSM photodetector is a type of Schottky photodiode with a Schottky barrier near two electrodes. That is, part of the light transmitted through the electrode surface is absorbed by the semiconductor layer (semiconductor absorption layer) to generate photocarriers. In such MSM photodetectors, the quantum efficiency is increased. If the semiconductor is made thicker for this purpose, the operating speed decreases because the propagation distance of photo carriers increases. In order to prevent the decrease in the operating speed, the photodetector described in Patent Document 1 is provided with metal electrodes along the periodic unevenness. In this way, incident light efficiently couples with surface plasmons of the metal electrode and propagates into the light detector.
  • Patent Document 2 a method of manufacturing a MSM type light receiving device in which a metal film provided on a semiconductor is partially oxidized to form a light transmitting insulating film has been proposed.
  • a MSM-type light receiving element uses near-field light generated from the end of a metal film on both sides of a light transmitting insulating pattern (the pattern width is a dimension smaller than the wavelength of transmitted light). Article 3). And, it is described that the response speed of this MSM type light receiving element is increased.
  • Patent Document 4 discloses a technique for coupling the incident light with the transmitted light, the reflected light, the surface plasmon polariton and the like by resonance. Further, Patent Document 4 states that the photocarrier force S generated and the coupling between the incident light and the surface plus' are strengthened. However, in these light receiving elements, if the irradiation area of the incident light is reduced to reduce the capacitance of the depletion layer, the intensity of the detection signal decreases and the S / N decreases.
  • a photovoltaic device (light using solar energy) is provided with an aperture (or a recess) periodically arranged on one of two electrodes sandwiching a plurality of spherical semiconductors having a pn junction.
  • An electromotive force device is proposed (Patent Document 5)! This photovoltaic device utilizes the resonance of the surface plasmon with the incident light. While this patent document 5 describes thinning the depletion layer and shortening the area for speeding up the photoelectric conversion! // ,.
  • Patent Document 7 an MSM type light receiving element in which the light absorbing layer has a multilayer film structure in which a photonic band is formed has been proposed. It has been reported that this MSM light receiving element has high light receiving efficiency. However, even in this structure, it has not been realized to reduce the junction area in the MSM junction and to reduce the element capacitance.
  • pin type photodiode pin type photodiode using InGaAs
  • a micro lens is provided on the back surface of the substrate, and a mirror is provided to reflect light reflected from the back surface again from the back surface.
  • Patent Document 8 It has been reported that this photodiode can improve the tolerance of the light coupling alignment with the external light and can reduce the device junction area. Even in this structure, the diameter of the light spot collected by the micro lens is on the order of several tens of meters in this structure, and there is a limit to achieving high frequency response by reducing the element capacity.
  • Non-Patent Document 1 SJ Koester, G. Dehlinger, JD Schaub J. O. Chu, QC Ouyang, a. A. A. Grill, "Germanium-on-Insulator Photodetectors, 2nd International Conferencing Group IV Photonics, FB I 2005, (No. 172) Page, Fig. 3)
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-108376 (page 4-16, FIG. 1-3)
  • Patent Document 2 Patent No. 2666888 (page 3-4, FIG. 2)
  • Patent Document 3 Patent No. 2705757 (Page 6, Fig. 1)
  • Patent Document 4 JP-A-10-509806 (page 26-33, FIG. 1)
  • Patent Document 5 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-76410 (Page 6-9, FIG. 1)
  • Patent Document 6 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-171763 (Pages 7-10, FIGS. 10 and 17)
  • Patent Document 7 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-150291 (page 5, FIG. 1)
  • Patent Document 8 Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-77518 (Page 2, FIGS. 1, 2)
  • Metal-Semiconductor Metal (MSM) photodiodes provide planarity and compatibility with silicon LSIs.
  • photodetectors using Si are generally slow due to long carrier lifetime (1 to 10 3) and low light absorptivity (10 to 100 / cm). Indicates responsiveness.
  • the Schottky barrier photodiode exhibits a high-speed response.
  • the metal electrode reduces the effective light receiving area. Therefore, the sensitivity decreases.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a device structure that achieves both the light receiving sensitivity of the photodiode and the high speed.
  • the subject is a Schottky barrier type photodiode in which a conductive layer is provided on the surface of a semiconductor layer,
  • the photodiode is configured to allow light to be incident from the back surface side of the semiconductor layer, and light incident from the back surface side of the semiconductor layer causes surface plasmon resonance around the Schottky junction of the photodiode. It is solved by a photodiode characterized in that a periodic structure is formed. [0027] Moreover, the photodiode is a PIN type photodiode provided on the surface of the semiconductor layer, and the photodiode is configured to allow light to be incident from the back surface side of the semiconductor layer. A conductive layer is provided around the pin junction, and a periodic structure in which light incident from the back surface side of the semiconductor layer causes surface plasmon resonance is configured.
  • the problem is solved by the photodiode characterized in that.
  • the photodiode is provided with a metal-semiconductor-metal junction arranged at intervals on the surface of the semiconductor layer,
  • the photodiode is configured to allow light to enter from the back surface side of the semiconductor layer, and a conductive layer is provided around the metal-semiconductor metal junction of the photodiode, and the light incident from the back surface side of the semiconductor layer Periodic structure in which the emitted light causes surface plasmon resonance
  • the problem is solved by the photodiode characterized in that.
  • an optical communication device characterized in that the above-mentioned photodiode is provided in the light receiving section.
  • the present invention solves an optical interconnection module including the photodiode and an LSI electronic circuit monolithically formed on the Si substrate. Effect of the invention
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a photodiode according to a first embodiment.
  • FIG. 2 A sectional view of the photodiode according to the second embodiment
  • FIG. 3 A sectional view of the photodiode of the third embodiment
  • FIG. 4 A sectional view of the photodiode of the fourth embodiment
  • FIG. 11 A graph showing the characteristics of the photodiode of the first embodiment
  • FIG. 13 A graph showing the characteristics of the photodiode of the second embodiment
  • FIG. 14 A graph showing the characteristics of the photodiode of the third embodiment
  • FIG. 15 A plan view of the photodiode of the fourth embodiment
  • FIG. 16 A graph showing the characteristics of the photodiode of the fourth embodiment
  • FIG. 17 A sectional view of the photodiode of the fifth embodiment
  • FIG. 18 Cross sectional view of the photodiode according to the sixth embodiment
  • FIG. 19 A sectional view of the photodiode of the seventh embodiment
  • FIG. 20 A sectional view of the photodiode of the eighth embodiment
  • FIG. 21 A schematic view of a transmission light receiving module equipped with a Schottky type photodiode according to the present invention
  • FIG. 22 Schematic diagram of the optical interconnect between LSI chips on which the photodiode of the present invention is mounted
  • Optical signal output fiber 34 Optical signal input fiber
  • the first photodiode according to the present invention is a semiconductor key barrier type photodiode in which a conductive layer is provided on the surface of a semiconductor layer.
  • the photodiode is configured to allow light to be incident from the back side of the semiconductor layer.
  • a periodic structure in which light incident from the back surface side of the semiconductor layer causes surface plasmon resonance is formed around the Schottky junction of the photodiode !.
  • the second photodiode according to the present invention is a p-i n -type photodiode provided on the surface of the semiconductor layer.
  • the photodiode is configured such that light can be incident from the back side of the semiconductor layer.
  • a conductive layer is provided around the p-i junction of the photodiode, and a periodic structure in which light incident from the back side of the semiconductor layer causes surface plasmon resonance is configured.
  • a third photodiode according to the present invention is a photodiode provided with metal-semiconductor semiconductor junctions spaced on the surface of the semiconductor layer.
  • the photodiode is configured to allow light to enter from the back surface side of the semiconductor layer.
  • a conductive layer is provided around the metal-semiconductor-metal junction of the photodiode, and a periodic structure in which light incident from the back side of the semiconductor layer causes surface plasmon resonance is configured.
  • a fourth photodiode according to the present invention is, in particular, configured as follows in the third photodiode.
  • the distance between the metal and the semiconductor metal junction disposed on the front surface of the semiconductor layer is equal to or less than ⁇ / ⁇ (where ⁇ is the wavelength of light incident from the back surface side of the semiconductor layer and ⁇ is the refractive index of light in the semiconductor layer) .
  • the metal layer is formed by laminating a metal layer which forms a Schottky junction with the semiconductor, and a layer made of a conductive material capable of inducing surface plasmon. Alternatively, the metal layer can form a Si key-junction with the semiconductor and can induce surface plasmons. Metal layer.
  • the fifth photodiode according to the present invention is, in particular, configured as follows in the third or fourth photodiode.
  • the metal-semiconductor-metal junction at least one of the opposing metal-semiconductor junctions is a Schottky barrier junction.
  • a sixth photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any of the first to fifth photodiodes.
  • the periodic structure causing the surface plasmon resonance is a structure in which a conductive layer capable of inducing surface plasmon is laminated on the surface of the semiconductor layer in which the unevenness is formed.
  • the seventh photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any of the first to sixth photodiodes.
  • the periodic structure causing surface plasmon resonance is a structure in which a conductive layer capable of inducing surface plasmon is laminated on the surface of the dielectric layer on which the unevenness is formed.
  • the eighth photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any of the first to seventh photodiodes.
  • the surface plasmon resonance is not generated on the outside of the periodic structure that generates surface plasmon resonance! /,
  • the periodic structure is configured.
  • a ninth photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any one of the first to eighth photodiodes.
  • a stepped structure for reflecting surface plasmons is formed outside the periodic structure that causes surface plasmon resonance.
  • the tenth photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in the ninth photodiode.
  • the step structure is ⁇ / ((where ⁇ is adjacent to the conductive film)
  • the eleventh photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in the ninth or tenth photodiode.
  • the step structure has ⁇ / ((where ⁇ is
  • the twelfth photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any one of the ninth to eleventh photodiodes.
  • the step structure has a shape in which holes having a diameter equal to or smaller than the wavelength of incident light provided in the conductive material are arranged.
  • the thirteenth photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any of the ninth to twelfth photodiodes.
  • the step structure has a shape in which slits having a width equal to or smaller than the wavelength of incident light provided in the conductive material are arranged.
  • the fourteenth photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any of the ninth to thirteenth photodiodes.
  • the conductive layer is made of at least one metal (or alloy) selected from the group of Al, Ag, Au and Cu.
  • the fifteenth photodiode according to the present invention in any one of the first to fourteenth photodiodes, is particularly configured as follows.
  • the junction area in the photodiode is less than 100 square meters.
  • the sixteenth photodiode according to the present invention is especially configured as follows in any of the first to fourteenth photodiodes.
  • the junction area in the photodiode is less than 10 square meters.
  • the seventeenth photodiode according to the present invention is especially configured as follows in any of the first to fourteenth photodiodes.
  • the junction area in the photodiode is less than one square meter.
  • the eighteenth photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any one of the first to seventeenth photodiodes.
  • the thickness of the semiconductor absorption layer in the photodiode is 1 m or less.
  • the nineteenth photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any one of the first to seventeenth photodiodes.
  • the thickness of the semiconductor absorption layer in the photodiode is 200 nm or less.
  • the twentieth photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any of the first to nineteenth photodiodes.
  • the semiconductor absorption layer in the photodiode is Si, SixGel-x (where X is a positive number less than 1), Ge, GaN, GaAs, GalnAs,
  • the twenty first photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any of the above first to twentieth photodiodes.
  • the semiconductor absorption layer in the photodiode is made of at least one selected from the group of Ge, SixGel-x (where x is a positive number less than 1). And, a layer composed of an alloy of Ni and Ge is provided between the semiconductor absorption layer and the conductive layer.
  • the twenty-second photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any of the first to twenty-first photodiodes.
  • a photodiode is configured on a semiconductor optical waveguide.
  • the twenty-third photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any of the first to twenty-first photodiodes.
  • the photodiode is configured to receive light reflected by the mirror from the optical waveguide formed on the substrate side.
  • the twenty-fourth photodiode according to the present invention is particularly configured as follows in any of the first to twenty-third photodiodes.
  • the substrate of the photodiode is made of a material transparent to incident light.
  • the first photodiode of the present invention is a Schottky barrier wall photodiode having a conductive film on the surface of a semiconductor layer. Then, light can be incident from the back side of the semiconductor layer.
  • the periphery of the Schottky junction has a periodic structure for causing light incident from the back surface side of the semiconductor layer to cause surface plasmon resonance. This increases the light coupling efficiency with light incident from the back side of the semiconductor layer.
  • This structure is shown in FIG. That is, as shown in FIG. 1, a conductive film 2 is provided on the surface of the semiconductor layer (semiconductor absorption layer) 1. This constitutes a Schottky junction.
  • a periodic structure in which light incident from the back surface side (support substrate 8 side) of the semiconductor layer (semiconductor absorption layer) 1 causes surface plasmon resonance around the Schottky junction, that is, a periodic uneven structure 9 is configured.
  • the periphery of the semiconductor absorption layer 1 was made to be a semiconductor layer (or dielectric layer) having a refractive index lower than that of the semiconductor absorption layer 1. This refractive index difference confines light. That is, the light confinement effect allows the light power incident on the semiconductor absorption layer 1 to be localized to the minute Si-Key junction region. As a result, efficient photoelectric conversion is achieved in a semiconductor absorption layer of very small volume.
  • FIG. 2 shows that a Schottky contact layer (semiconductor layer for Schottky junction (or a metal layer for realizing sufficient Schottky barrier energy)) 10 is provided on the surface of the semiconductor layer (semiconductor absorption layer) 1, In the photodiode in which the conductive film 2 is provided on the Schottky contact layer 10
  • a Schottky contact layer semiconductor layer for Schottky junction (or a metal layer for realizing sufficient Schottky barrier energy)
  • periodic concave / convex structure (semiconductor layer (semiconductor absorption layer) 1) around the Schottky junction is for light incident from the back surface side to cause surface plasmon resonance.
  • Periodic structure 9 is configured!
  • the second photodiode of the present invention is a photodiode in which a pn junction is provided on the surface of a semiconductor layer. And, it is configured such that light can be incident from the back side of the semiconductor layer.
  • a conductive layer is provided around the p ⁇ i ⁇ n junction of the photodiode, and a periodic structure in which light incident from the back side of the semiconductor layer causes surface plasmon resonance.
  • This periodic structure 9 is, for example, periodic for light incident from the back surface side (n + electrode layer 12: support substrate 8 side) of the semiconductor layer (semiconductor absorption layer: i layer) 1 to cause surface plasmon resonance. Uneven structure. This increases the light coupling efficiency with light incident from the back side of the semiconductor layer.
  • This structure is shown in FIG. That is, as shown in FIG. 3, the conductive film 2 is provided on the surface of the semiconductor layer (semiconductor absorption layer: i layer) 1. And The light incident from the back side of the carrier substrate 8 is converted to surface plasmons by the concavo-convex structure 9 provided around the pin junction, and is collected at the pin junction at the center. Ru.
  • the periphery of the semiconductor absorption layer 1 is preferably a semiconductor layer (or dielectric layer) having a refractive index lower than that of the semiconductor absorption layer 1.
  • This refractive index difference confines light. That is, the light confinement effect allows the incident light power to be localized at the central pin junction. Thereby, efficient photoelectric conversion is achieved in the semiconductor absorption layer 1 of very small volume.
  • the conductive film 2 can be used as an antenna and an electrode for plasmon resonance.
  • the electrode layer 11 can be constructed using a semiconductor having a band gap larger than the light energy received by the semiconductor absorption layer (i layer) 1, the electrode The light absorption loss in the layer 11 (12) can be reduced. As a result, the photoelectric conversion efficiency can be further improved.
  • the third photodiode of the present invention is a photodiode provided with a metal-semiconductor metal (MSM) junction spaced apart on the surface of the semiconductor layer. And, it is configured such that light can be incident from the back side of the semiconductor layer.
  • a conductive layer is provided around the MSM junction, and a periodic structure in which light incident from the back surface side of the semiconductor layer causes surface plasmon resonance is configured. This increases the light coupling efficiency with light incident from the back side of the semiconductor layer.
  • This structure is shown in FIG. That is, the MSM electrode 13 is provided on the surface of the semiconductor layer (semiconductor absorption layer) 1.
  • a conductive film 2 is provided around the MSM electrode 13. And, periodic uneven structure (periodic structure for light incident from the back surface side of the semiconductor layer (semiconductor absorption layer) 1 (support substrate 8 side) to cause surface plasmon resonance around the MSM electrode 13) 9 Is configured!
  • the metal electrode formed on the semiconductor surface blocks the light receiving surface of the photodiode, thereby reducing the light receiving sensitivity. Even in the case of providing an electrode spacing that causes surface plasmon resonance, the region where the optical electric field strength is strong is in the region outside the semiconductor. Therefore, efficient photo carrier generation can not be performed.
  • the semiconductor absorption layer 1 is a semiconductor layer (or dielectric layer) having a refractive index lower than that of the semiconductor absorption layer 1. This refractive index difference confines light. This results in very efficient photoelectric conversion.
  • a depletion layer region of 200 nm or more is formed even at zero bias at a doping concentration of 1 ⁇ 10 15 to 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3. Be done. Therefore, by reducing the distance between the electrodes, high speed and high sensitivity photodiode operation can be performed even at a low bias voltage.
  • the drift time between electrodes of photocarriers is several ps even in the case of a semiconductor material (for example, Si) having a mobility of 10 7 cm / s It is considered to be.
  • the drift time can be made to be 20 ps or less.
  • the distance between MSM electrodes is about 100 nm
  • the junction capacitance is less than 10 fF.
  • the junction capacitance is less than 100 fF. That is, assuming that the load resistance is 50 ⁇ , the circuit time constant is lps in the former case and 10 ps in the latter case. Therefore, very fast response is realized.
  • FIG. 5 is an example showing a surface plasmon resonance structure which enables light to be confined to a size equal to or smaller than the light wavelength when light is incident from the back side of the light absorption layer. That is, the periodic uneven structure 9 is provided around the center minute Schottky contact portion 18. This makes it possible to couple incident light with surface plasmons induced on the surface of the conductive film (metal film) 2 and to condense light energy on the Schottky contact portion as a surface plasmon.
  • the periphery of the semiconductor light absorption layer 1 disposed in the Schottky contact portion is a semiconductor layer (or dielectric layer) having a refractive index lower than that of the semiconductor absorption layer 1. This refractive index difference confines light. That is, due to the light confinement effect, the light power incident on the semiconductor absorption layer 1 can be localized in the minute Schottky junction region. As a result, efficient photoelectric conversion is achieved in a semiconductor absorption layer of very small volume.
  • FIG. 6 shows an example of a structure in which a forbidden band grating 14 which does not cause plasmon resonance is formed on the outside of the surface plasmon resonance structure (concave and convex structure 9). Due to the periodic uneven structure 9 formed in the conductive film 2, light incident from the back side of the semiconductor absorption layer 1 Are converted to surface plasmons. Although there is a force, the converted surface plasmon includes a component collected on the central portion (Schottky contact portion 18) and a component propagating to the outside of the light irradiation area. The component propagating to the outside causes a loss in improving the light receiving sensitivity.
  • a structure 14 in which the periodic asperity structure 9 is larger than the light irradiation area and in which the propagation mode of surface plasmon does not exist is provided outside the periodic asperity structure 9.
  • a forbidden band grating 14 is realized by forming a grating structure having a period of about 1/2 of the grating period obtained from the dispersion relation of surface plasmons.
  • FIGS. 7, 8, 9 and 10 have periods for the same purpose as arranging the forbidden band grating 14 when causing light to be incident from the back side of the semiconductor absorption layer 1 to cause plasmon resonance.
  • An example of the structure (projection shape 15, groove shape 16, slit array 17, and through hole 17) of reflecting the surface plasmon propagating to the outside of the typical unevenness is shown. That is, a protrusion shape 15 higher than ⁇ / ⁇ ( ⁇ : refractive index of induced d d collector layer, ⁇ : wavelength of light), and a groove shape 16 d deeper than ⁇ / ⁇
  • a periodic slit 17 penetrating the conductive film 2 or a minute open lower ray 17 having a wavelength equal to or less than the wavelength is disposed outside the periodic asperity 9 that causes surface plasmon resonance.
  • the same effect as the forbidden band grating 14 can be realized.
  • the minute open array 17 having a wavelength or less at a period of about 1/2 of the plasmon resonance period radially from the central portion reflection of surface plasmon can be effectively generated.
  • the phase relationship between the surface plasmon to be reflected and the resonance mode is important. For example, by matching the resonance mode with the reflection phase, maximum light receiving sensitivity can be obtained.
  • ⁇ and ⁇ are the induction m d of the metal generating the surface plasmon and the dielectric in contact therewith
  • the propagation length of the surface plasmon is represented by the following equation 2.
  • the complex dielectric constant ⁇ of the metal is expressed as ⁇ ′ + ⁇ ′ ′.
  • the optical loss of surface plasmons largely depends on the ratio of the imaginary part of the dielectric constant of the metal film to the square of the real part. Therefore, the conductive layer of the present invention is desirably made of at least one metal (or an alloy selected from these) selected from Al, Ag, Au and Cu. Also, from the viewpoint of reducing the propagation loss of surface plasmons, it is very important to reduce the random unevenness of the metal surface. Therefore, it is preferable to provide an underlayer such as Ta, Cr, Ti, or Zr. Alternatively, even when a small amount of an element such as Nb is added to form an alloy, it is effective.
  • the intensity distribution of near-field light due to surface plasmons is affected by the periodic uneven structure, the refractive index of the adjacent dielectric layer, the arrangement of the MSM electrode, and the refractive index and absorption coefficient of the semiconductor absorption layer. Change.
  • the structure of the present invention which localizes light energy in a very small area of a semiconductor, it becomes possible to generate electron-hole pairs (photocarriers). Therefore, efficient photocarrier formation and local photocarrier travel are realized by matching the depletion region formed in the semiconductor absorption layer with the Schottky junction and the photocarrier generation region by the near field. it can. As a result, a photodiode having high quantum efficiency and fast response characteristics can be obtained.
  • a Schottky junction or pin junction area for generating and sweeping photocarriers can be made smaller than 10 squares ⁇ .
  • the junction capacitance can be made extremely small. Therefore, the circuit time constant for operating the photodiode at high frequency can be reduced to several picoseconds or less, and high frequency operation of several tens of GHz or more can be realized.
  • an optical waveguide in which the difference in refractive index between the core and the cladding is 5% or more.
  • a channel-type optical waveguide has a structure in which the core is surrounded by a medium having a smaller refractive index than the core. ing. Then, due to the difference in refractive index between the core and the cladding layer, light propagates while repeating total reflection. In this case, if the difference in refractive index between the core and the cladding layer is large, light is strongly confined to the core. Thus, even if the waveguide is sharply bent with a small curvature, light is guided along it.
  • the refractive index difference is 5% or more, it is possible to realize a light spot diameter of 10 m or less. Furthermore, when the difference in refractive index between the core and the cladding is about 10 to 40%, it is possible to realize a light spot diameter of a size equal to or less than the wavelength.
  • a waveguide core with a cross-sectional size of approximately 0 ⁇ S ⁇ m X O. 3 m is made of Si (refractive index is approximately 3 ⁇ 4), and the circumference (cladding layer) of this waveguide core is SiO (refractive index In the case of a structure covered by about 1.5)
  • the mode size of light is reduced to a size substantially equal to that of the waveguide core.
  • the wavelength of light to be guided is about 850 nm
  • a waveguide loss is generated due to light absorption. Therefore, when the waveguide core is made of SiO N or the like, which exhibits negligible light transmission characteristics over a wide wavelength range, and the cladding is covered with SiO clad, the refractive index difference is
  • the light spot diameter is about 1 to 4 Hm, because the light confinement becomes weaker as compared with the case of using the semiconductor core (Si).
  • the wavelength range of light for which the present invention is effective covers a wide wavelength range including visible light, near infrared light, and infrared light.
  • the refractive index of the metal periodic structure that induces surface plasmon resonance By adjusting the refractive index of the metal periodic structure that induces surface plasmon resonance, the laminated structure of the semiconductor absorption layer that efficiently confines and transmits light, and the dielectric layer adjacent to the semiconductor absorption layer, A high-speed photodetector that efficiently generates photocarriers and obtains electrical signals can be obtained.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a Si Schottky type photodiode according to a first embodiment of the present invention.
  • the Schottky photodiode of the present invention has a surface such as SOI (Silicon-on-Insulator).
  • a metal semiconductor Schottky junction is provided on a part of the insulated semiconductor absorption layer 1.
  • a conductive film 2 for producing surface plasmons is formed on the periphery of this Schottky junction. Then, around the Schottky junction and on the lower surface side of the laminated conductive film 2, the light having entered the periodic uneven structure (the back surface side of the semiconductor absorption layer 1 (support substrate 8 side) is A periodic uneven structure 9 for generating surface plasmon resonance is configured.
  • FIG. 1 Silicon-on-Insulator
  • reference numeral 3 denotes a lower electrode layer of the semiconductor absorption layer 1
  • reference numeral 4 denotes a buried oxide layer provided on a support substrate 8.
  • 5 is a load resistance and 6 is a bias power supply.
  • An oxide film 7 is provided on the buried oxide layer 4, and a conductive film 2 is provided on the oxide film 7.
  • the conductive film 2 provided to induce surface plasmons is a metal such as Al, Ag, Au, or Cu.
  • a base film made of a metal such as Cr, Ta or Ni may be provided.
  • an n + Si layer in which the dopant concentration of P or the like is 1 ⁇ 10 2 ° cm ⁇ 3 or higher can be used as a substrate.
  • the n_Si layer which is the semiconductor absorption layer (light absorption layer) 1
  • the dopant concentration of the light absorption layer becomes high due to the thermal diffusion of the dopant element.
  • the depletion voltage increases, and the thickness of the depletion layer when the Schottky junction is formed decreases. That is, it becomes difficult to drive at high speed with low voltage.
  • n-S leak semiconductor absorption layer (light absorption layer) 1 on the n + Si layer 23
  • a technique of epitaxial growth at a low temperature of 600 ° C. or less is required.
  • the Si semiconductor supporting substrate 8 is thinned to about 50 to 100 m by CMP (chemical mechanical polishing) or the like. Further, the support substrate 8 on the back surface of the photodiode is dissolved and removed with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid, to form a light incident window having a diameter of about 10 to 50 ⁇ m.
  • the light incident from the back surface side of the support substrate 8 is converted into surface plasmons by the periodic concavo-convex structure 9 that generates surface plasmon resonance, and is collected at the Schottky junction in the center.
  • a semiconductor layer having a refractive index lower than that of the semiconductor absorption layer 1 Alternatively, it is composed of a dielectric layer (oxide film 7)). Therefore, the light power incident on the semiconductor absorption layer 1 is localized in a minute Schottky junction region due to the confinement effect due to the refractive index difference. Thus, efficient photoelectric conversion is achieved in a semiconductor absorption layer of very small volume.
  • FIG. 11 is a graph showing the characteristics of the photodiode when light is irradiated around the Schottky junction. That is, in a photodiode formed by arranging an Ag electrode of 120 nm thickness on the surface of a Si semiconductor with a diameter of 200 nm, periodic structure causing plasmon resonance (for example, calculation of electromagnetic field by finite difference time domain method) The sensitivity characteristics are compared in the case of forming the 560 nm period, 50 nm high uneven structure) and the case where there is no periodic uneven structure.
  • laser light (wavelength: 850 nm, intensity: lmW) was vertically incident from the back side of the substrate 8 to observe the photocurrent. It can be understood from FIG. 11 that when the periodic concavo-convex structure 9 causing the plasmon resonance is formed, a photocurrant larger by two digits or more is obtained. The quantum efficiency at this time was about 50%.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing the photodiode of the present example.
  • the n-type doped SOI substrate shown in FIG. 12 (a) is used.
  • a semiconductor absorption layer 1 having a thickness of about 20 Onm was epitaxially grown thereon.
  • the resistivity of the semiconductor absorption layer 1 is about 1 to 10 ⁇ ′cm, and the doping concentration is about 1 ⁇ 10 15 to 1 ⁇ 10 16 cm o
  • the n-type semiconductor absorption layer 1 was patterned as shown in FIG. 12 (b) to define the junction size. That is, patterning was performed by reactive etching using a silicon nitride SiN film as a mask. A mixed gas of CF 4 gas and SF gas was used as the reaction raw gas. And
  • the SiN film as shown in FIG. 12 (c) was removed by placing it in hot phosphoric acid at about 130 ° C. for about 1 hour. At this time, a relatively flat surface can be obtained by optimizing the mesa shape and the thermal oxidation process. Further, by applying a CMP process, the one having a flatness of several nm was obtained. Now, a metal layer (conductive film) for forming a Schottky junction is formed on the surface of the mesa shape. At this time, a periodic groove pattern (concave and convex pattern 9) was formed on the surface of the Si oxide film 7 around the semiconductor mesa structure by reactive etching as shown in FIG. 12 (d).
  • the conductive film 2 is provided by depositing the alloy having the metal element as a constituent element.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a Ge Schottky type photodiode showing a second embodiment of the present invention.
  • the Schottky photodiode of the present invention has a metal-semiconductor Schottky junction formed on a part of the semiconductor absorption layer 1 whose surface is insulated, such as SOI (Silicon-on-Insulator). Since the Ge layer has a lattice mismatch with the Si layer, a suitable buffer layer such as Si 2 Ge was formed to about 10 nm by gas source MBE on the SOI layer with a thickness of 100 nm or less. Buffer
  • n-Ge layer was grown on the layer to form a high-quality Ge semiconductor absorption layer 1 with a low threading transition density.
  • a Ni underlayer is deposited by vapor deposition or the like.
  • 2 is a conductive film
  • 3 is a lower electrode layer of the semiconductor absorption layer 1.
  • 5 is a load resistance and 6 is a bias power supply.
  • An oxide film 7 is provided on the support substrate 8 and a conductive film 2 is provided on the oxide film 7.
  • a conductive film 2 for generating surface plasmons is laminated and formed around the Schottky junction.
  • a periodic concavo-convex structure 9 is formed so that light incident from the back surface side (support substrate 8 side) of the semiconductor absorption layer 1 causes surface plasmon resonance.
  • the conductive film 2 provided to induce surface plasmons is a metal such as Al, Ag, Au, or Cu.
  • the underlayer provided to form the Schottky junction may be made of Cr or Ta.
  • the lower electrode layer 3 is formed by doping P (phosphorus) in advance to the SOI layer which is a substrate of the Ge growth layer, and has sufficient conductivity.
  • Si semiconductor support since light is incident from the back surface side of the support substrate 8, when light having a wavelength of 1 rn or less, which is affected by light absorption of Si, is incident, as in the first embodiment, Si semiconductor support
  • the substrate 8 is thinned to about 50 to 100 m by CMP or the like. Then, using a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid, the supporting substrate 8 on the back surface of the photodiode is dissolved and removed to form a light incident window having a diameter of about 10 to 50 111.
  • the light incident from the back surface side of the substrate 8 is converted into surface plasmons by the periodic concave-convex structure 9 that generates surface plasmon resonance, and is collected at the Schottky junction in the center.
  • the periphery of the semiconductor absorption layer 1 is formed of a semiconductor layer (or a dielectric layer (oxide film 7)) having a refractive index lower than that of the semiconductor absorption layer 1. Therefore, the optical power incident on the semiconductor absorption layer 1 is localized in the minute Schottky junction region due to the confinement effect due to the refractive index difference. This achieves efficient photoelectric conversion in a semiconductor absorption layer of very small volume.
  • FIG. 13 is a graph showing the characteristics of the photodiode when light is irradiated around the Schottky junction. That is, in a photodiode formed by arranging an Ag electrode of 120 nm in thickness on the surface of a Ge semiconductor with a diameter of 200 nm, periodic structure causing plasmon resonance (for example, calculation of electromagnetic field by finite difference time domain method) The sensitivity characteristics are compared in the case of forming the 560 nm period, 50 nm high uneven structure) and the case where there is no periodic uneven structure.
  • laser light (wavelength: 850 nm, intensity: lmW) was vertically incident from the back side of the substrate 8 to observe the photocurrent. It can be understood from FIG. 13 that when the periodic uneven structure 9 causing the plasmon resonance is formed, a photocurrant larger by two digits or more is obtained. The quantum efficiency at this time was about 80%.
  • the Si support substrate 8 can be treated as a transparent substrate. Therefore, even if the processing process such as removal of the support substrate is not performed, the quantum efficiency is about 60% and sufficient light receiving sensitivity can be obtained only by making the back surface of the substrate a mirror surface.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a pin photodiode according to a third embodiment of the present invention.
  • the p-in type photodiode of the present invention is formed by depositing a portion of the semiconductor absorption layer 1 whose surface is insulated such as SOI (Silicon-on-Insulator) by CVD (Chemical Vapor D marking) or the like. It has a formed structure.
  • a conductive film 2 for generating surface plasmons is laminated and formed around the pin junction.
  • a periodic concavo-convex structure 9 is formed in order for light incident from the back surface side (support substrate 8 side) to generate surface plasmon resonance.
  • 4 is a buried oxide layer provided on the support substrate 8
  • 5 is a load resistance
  • 6 is a bias power supply.
  • An oxide film 7 is provided on the buried oxide layer 4
  • a conductive film 2 is provided on the oxide film 7.
  • a conductive film 2 for generating surface plasmons is laminated on the p + electrode layer 11 on the semiconductor absorption layer 1. Therefore, the conductive film 2 and the p + electrode layer 11 are electrically connected.
  • the conductive film 2 provided to induce surface plasmons is made of a metal such as Al, Ag, Au or Cu (or an alloy containing at least one of the metals as an essential constituent element).
  • FIG. 14 is a graph showing the characteristics of the photodiode when light is irradiated around the pin junction. That is, in a photodiode formed by arranging a 120 nm thick Ag electrode on a Si semiconductor surface with a diameter of 200 nm, a periodic structure causing plasmon resonance (for example, 560 nm determined by calculating an electromagnetic field by a finite difference time domain method) The sensitivity characteristics are compared in the case where the uneven structure having a period of 50 nm height is formed and the case where there is no periodic uneven structure. In the experiment, laser light (wavelength: 850 nm, power: lm W) was vertically incident from the back side of the substrate 8 to observe the photocurrent. It can be understood from FIG. 14 that when the periodic uneven structure 9 causing the plasmon resonance is formed, a photocurrent larger by two digits or more is obtained. The quantum efficiency at this time was about 40%.
  • FIGS. 4 and 15 are a cross-sectional view and a plan view of an MSM type photodiode showing a fourth embodiment of the present invention.
  • the MSM type photodiode has a structure of metal semiconductor metal (MSM) junction on a part of the semiconductor absorption layer 1 whose surface is insulated such as SOI (Silicon-on-Insulator). Then, the distance between the metal electrodes is set to be smaller than ⁇ / ⁇ ( ⁇ : wavelength of incident light, n: refractive index of semiconductor layer). Thus, light incident from the back surface side of the semiconductor absorption layer 1 is confined in the semiconductor absorption layer 1.
  • 4 is a buried oxide layer provided on the support substrate 8
  • 5 is a load resistance
  • 6 is a bias power supply.
  • An oxide film 7 is provided on the buried oxide layer 4
  • a conductive film 2 is provided on the oxide film 7.
  • 14 is Do not generate plasmon resonance! /, Forbidden band grating.
  • the forbidden band grating 14 is provided outside the periodic uneven structure 9.
  • 21 is an electrode pad.
  • the MSM electrode 13 is made of a metal such as Al, Ag, Au, or Cu (or an alloy containing at least one of the metals as an essential constituent element) to induce surface plasmons. .
  • a metal such as Al, Ag, Au, or Cu (or an alloy containing at least one of the metals as an essential constituent element) to induce surface plasmons.
  • an undercoat film made of a metal such as Cr, Ta or Ni may be provided.
  • Ti or the like as the underlying film as the opposing electrode film, it is possible to form an ohmic junction.
  • a conductive film 2 capable of generating surface plasmons is provided adjacent to the periphery of the MSM junction. And, in order to cause surface plasmon resonance, a periodic uneven structure 9 is formed.
  • FIG. 16 is a graph showing the characteristics of the MSM photodiode. That is, in a photodiode formed by arranging an Ag electrode of 120 nm in thickness on the surface of a Si semiconductor with a diameter of 200 nm, periodic structure causing plasmon resonance (for example, calculation of electromagnetic field by finite difference time domain method) The sensitivity characteristics are compared in the case of forming the 560 nm period, 50 nm height uneven structure) and the case where there is no periodic uneven structure.
  • laser light (wavelength: 850 nm, power: lmW) was vertically incident from the back side of the substrate 8 to observe the photocurrent. It can be seen from FIG. 16 that when the periodic uneven structure 9 causing the plasmon resonance is formed, a photocurrent larger by two digits or more is obtained. The quantum efficiency at this time was about 50%.
  • FIGS. 17, 18, 19, and 20 show surface plasmons of Example 1 (FIG. 1), Example 2 (FIG. 2), Example 3 (FIG. 3), and Example 4 (FIG. 4).
  • a Schottky type in which a forbidden band grating 14 having a reflection function of surface plasmons, a protrusion shape 15, a groove shape 16, a periodic slit array or a minute aperture array 17 is formed outside the periodic uneven structure 9 causing resonance.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a photodiode.
  • any of the structures a quantum efficiency of about 2 to 3 times is obtained as compared with the case of the periodic uneven structure 9 alone. Then, the surface plasmons are efficiently reflected to condense the light to the Schottky junction and to localize the light energy to the semiconductor absorption layer.
  • FIG. 21 is a schematic view showing an optical receiving module for 40 Gbps (gigabit per second) transmission equipped with the Schottky photodiode 22 according to the present invention.
  • the photodiode is a Schottky type photodiode in which a substrate obtained by epitaxially growing a Ge film on an SOI substrate is used, and a Ni / Au electrode is provided thereon.
  • a conductive film having a concavo-convex structure (a concavo-convex structure made of Ag (or Au) that enables light coupling and focusing by surface plasmon resonance) is provided around the photodiode.
  • the concavo-convex cycle of the concavo-convex structure of the conductive film (metal film) is about 1.2 111, and in the case of using eight concavo-convex irregularities
  • the outer diameter is about 20 m.
  • the depth of the unevenness at this time was about 0.;! ⁇ 0.4 m.
  • the diameter of the Schottky junction was about 0.3 to 0 ⁇ 7 m.
  • the photodiode is mounted on a chip carrier 26. Then, an optical coupling force is made by the optical fiber 120 and the lens, and an electrical connection is made to the preamplifier IC 25 in the subsequent stage.
  • a side-incidence waveguide type photodiode is often used for the mounted photodiode. This is the surface where light is incident on the semiconductor surface This is because in the incident type photodiode, high quantum efficiency can not be obtained if the absorption layer is thinned to reduce charge carrier transit time.
  • the waveguide photodiode can achieve high quantum efficiency while keeping the charge carrier transit time short.
  • the semiconductor absorption layer thickness is usually 1 m or less. In this case, the coupling tolerance with respect to the position of the optical fiber needs to be about ⁇ 1 ⁇ m, which is a major problem in both the mounting design and the manufacturing cost.
  • the photodiode according to the present invention has an effective effective diameter of 20 am. For this reason, it is possible to set the bonding tolerance to ⁇ 2 m or more. As a result, optical coupling can be performed only by simple lens coupling. This makes it possible to reduce the cost of the optical transmission receiver module.
  • Figure 22 shows the optical interconnect configuration between LSI chips on which the photodiode of the present invention is mounted.
  • the light signal from the light signal input fiber 33 is irradiated by the concave mirror 36 to the photodiode 22 according to the present invention.
  • the semiconductor material of the photodiode is Si
  • the asperity period of the metal periodic structure at this time is 600 to 700 nm.
  • a photodiode made of Si generates a photocurrent by further optically coupling near-field light generated by the metal periodic structure with the semiconductor absorption layer.
  • a current corresponding to the optical signal is supplied to the LSI through the photodiode wiring layer 29.
  • coupling tolerance regarding the position of the concave mirror and the photodiode can be taken to be ⁇ 1 ⁇ m or more.
  • the photodiode wiring layer 32 is electrically connected to the photodiode wiring via 29 of the LSI.
  • a planar optical waveguide or the like is Other methods can be used.
  • a condensing mechanism such as a convex lens can be used.
  • An electrical signal from the LSI is converted into an optical signal by a VCSEL (surface emitting laser) light source 27 having an electrical modulation mechanism from the light source and modulation electrical signal via 28 through the light source and modulation electrical wiring layer 31. Be done.
  • the light signal is reflected by the concave mirror 36 and sent to the light signal output fiber 33.
  • the VCSEL light source 27 equipped with an electrical modulation mechanism is replaced by another mechanism known to modulate light by electricity, such as a Mach-Zehnder modulator that modulates light from an external light source by electro-optical effect or thermo-optical effect. Can do.
  • the mounted photodiode is a compound such as InGaAs grown on an InP substrate in order to speed up the response.
  • a semiconductor material or the like is used.
  • compound semiconductors have high costs that are not compatible with the manufacturing process of Si semiconductor devices.
  • the photodiode of the present invention can use Si, the manufacturing cost can be reduced. Then, in the optical interconnect according to the present invention shown in FIG. 22, a high-speed photoelectric conversion operation of about 40 GHz was confirmed.

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Abstract

　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。半導体層の表面に導電層が設けられたショットキー障壁型のフォトダイオードであって、前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成され、前記フォトダイオードのショットキー接合部の周囲には、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が構成されてなる。  

Description

明 細 書
フォトダイオード、光通信デバイスおよび光インタコネクションモジュール 技術分野
[0001] 本発明は、フォトダイオードに関する。特に、情報処理や通信分野において必要な 光（赤外光を含む)信号を電気信号に高速で変換するフォトダイオードに関する。又 、前記フォトダイオードを用いた光通信デバイスや光インタコネクションモジュールに 関する。
背景技術
[0002] 光検出器をモノリシック集積回路化することは、コスト及び歩留まりの観点から、非 常に魅力的である。 CMOS回路と同じチップ上にモノリシック集積回路化されたシリ コン受光器、即ち、シリコンフォトダイオードは、ハイブリッド受光器 (例えば、 CMOS 回路または GaAs回路に接合された InGaAsフォトダイオード）に対する一つの魅力 的な代替物である。モノリシック集積回路化された受光器は、標準的シリコンプロセス を用いて製造することが出来、ハイブリッド設計よりも低コストで製造出来ることが期待 される。
[0003] ところで、光信号を電気信号に高速変換する手段として、フォトダイオードが多く用 いられる。その代表的なものは pin型フォトダイオードである。 pin型フォトダイオードは 、真性半導体の i層を p型半導体の p層と n型半導体の n層とで挟んだ構造を有する。 そして、バイアス電源により逆バイアス電圧を加えると、高抵抗の i層ほぼ全域が電荷 キャリアの空乏層になる。入射光のフォトンは、主に、 i層で吸収され、電子'正孔対を 生成する。発生した電子および正孔は、逆バイアス電圧により空乏層内を、各々、反 対方向にドリフトして電流を生じ、負荷抵抗で信号電圧として検出される。この光電変 換の応答速度を制限する要因として、負荷抵抗と空乏層が作る電気容量との積で決 まる回路時定数が挙げられる。又、前記要因として、電子および正孔が空乏層を通 過するのに要するキャリア走行時間が挙げられる。
[0004] さて、キャリア走行時間の短いフォトダイオードとして、ショットキー型のフォトダイォ ードがある。これは、半導体の n層（或いは n_層）に半透明金属膜が接した構造を持 つ。 n層（或いは n_層）と半透明金属膜とが接する界面付近にはショットキー障壁が 形成される。このショットキー障壁付近は、半透明金属膜から n層（或いは n_層）に電 子が拡散し、空乏層となる。この状態で入射光が照射されると、 n層（或いは n_層）に 電子が生成する。この生成した電子は、逆バイアス電圧により、空乏層内をドリフトす る。そして、素子表面層での光吸収を有効に利用することが可能である。
[0005] ところで、 pin型フォトダイオードは、フオトン吸収の為、 i層、即ち、空乏層に十分な 厚みを持たせる必要がある。これに対して、ショットキー型フォトダイオードは、空乏層 を薄くすることが可能である。従って、ショットキー型フォトダイオードは、キャリア走行 時間を短くすることが出来る。
[0006] さて、 pin型フォトダイオードにあっては、空乏層を薄くする為にラテラル電極構造を 採用し、電極間隔を小さくすることが試みられている（非特許文献 1参照）。し力もなが ら、この手法は、半導体表面層での光吸収効率が悪い。従って、高速化は可能にな るものの、高感度化が難しい。
[0007] 一方、回路時定数を短くする為に、負荷抵抗の値を小さくすると、取り出せる再生 信号の電圧が下がる。従って、再生信号の S/Nを大きくし、かつ、読取りエラーを減 らす為に、空乏層の電気容量を減らすことが必要である。特に、キャリア走行時間を 短くする為に、空乏層を薄くすると、電気容量が増加する。従って、高速化の為には 、空乏層（或いはショットキー接合の面積）を減らす必要がある。し力もながら、前記接 合面積を減らすことは、信号光の利用効率を低下させる。この結果、再生信号の S/ Nが劣化する。
[0008] このようなこと力、ら、この種の光電変換デバイスにおいては、金属表面プラズモンあ るいはフォトニック結晶構造を利用し、高速化'小型化する為の開発が進められてい
[0009] 例えば、半導体の同一面上に二つの電極を設置した金属/半導体/金属（MSM )デバイス（光検出器）が提案（特許文献 1)されている。この MSM型光検出器は、二 つの電極付近にショットキー障壁を持ったショットキー型フォトダイオードの一種であ る。すなわち、電極面を透過した光の一部が半導体層（半導体吸収層）で吸収され、 フォトキャリアが生成する。このような MSM型光検出器においては、量子効率を上げ る目的で半導体を厚くすると、フォトキャリアの伝播距離が増すことから、動作速度が 低下する。この動作速度の低下を防ぐ為、特許文献 1に記載の光検出器には、金属 の電極が周期的な凹凸に沿って設けられている。これによつて、入射光が、金属電 極の表面プラズモンと効率よく結合し、光検出器内に伝播するようになっている。
[0010] 又、半導体上に設けた金属膜を一部酸化により光透過性絶縁膜とした MSM型受 光素子を製造する方法が提案 (特許文献 2)されて!/、る。
[0011] 又、光透過性絶縁パターン (パターン幅は透過光の波長以下の寸法）の両脇にあ る金属膜の端部から発生する近接場光を利用した MSM型受光素子が提案 (特許文 献 3)されている。そして、この MSM型受光素子の応答速度は高速化であることが述 ベられている。
[0012] 又、正極 (金属電極）と負極 (金属電極）とを指交差型 (入れ子型）となるよう半導体 上に配置したデバイス構造が提案（特許文献 4)されている。この特許文献 4には、入 射光と透過光、反射光、表面プラズモンポラリトン等との間を共振により結合させる技 術が開示されている。更に、特許文献 4には、生成するフォトキャリア力 S、入射光と表 面プラス 'モンとの結合により、強められることが述べられている。しかしながら、これら の受光素子においては、空乏層の電気容量を減らす為に入射光の照射面積を減ら すと、検出信号の強度が低下し、 S/Nが低下する。
[0013] 又、 pn接合を持つ複数の球形上の半導体を挟んだ二つの電極の一方に周期的に 配列させた開口（或いは凹部）を設けた光起電力デバイス（太陽光エネルギーを利用 した光起電力デバイス）が提案 (特許文献 5)されて!/、る。この光起電力デバイスは、 表面プラス 'モンと入射光とを共鳴させることを利用したものである。し力、しながら、この 特許文献 5には、光電変換の高速化の為に空乏層を薄くすること、かつ、面積を小さ くすることは述べられて!/、なレ、。
[0014] 又、開口の周囲に周期的な溝の列を設けた光伝送装置が提案 (特許文献 6)され ている。そして、周期的な溝の列を設けた光伝送装置は、周期的な溝の列が無い光 伝送装置に比べて、伝播する光が増強すると報告されている。但し、透過する光の 総エネルギーは入射光エネルギーに比較して減衰することが知られている（文献： Ti neke Thio, H. J. Lezec, T. W. Ebbesen, . M. Pellerin, G. D. Lewen, A. Nahata, R. A. Linke, "Giant optical
transmission of sub-wavelength apertures: physics and applications, " Nanotechnolo gy, vol. 13， pp. 429-432， Figure 4)。例えば、波長の 40%以下の直径の開口におい て透過する光の総エネルギーは入射光エネルギーの 1 %以下に減衰する。従って、 この光伝送装置からの伝播光を受光素子に照射しても高い S/Nは得られない。
[0015] 又、光吸収層をフォトニックバンドが形成される多層膜構造とした MSM型受光素子 が提案（特許文献 7)されて!/、る。この MSM型受光素子は受光効率が高レ、と報告さ れている。し力、しながら、この構造においても、 MSM接合における接合面積を低減 し、素子容量を小さくすることは実現されていない。
[0016] 又、基板裏面にマイクロレンズを設け、更に裏面から入射した光の素子表面での反 射光を再反射するミラーを設けた pin型フォトダイオード（InGaAsを用いた pin型フォ トダイオード）が提案（特許文献 8)されている。このフォトダイオードは、外部光との光 結合アラインメントのトレランスが改善され、素子接合面積を小さくすることが可能と報 告されている。し力もながら、この構造においても、マイクロレンズで集光される光スポ ット径は数十 mのオーダーであり、素子容量を低減して高周波応答を実現するに は限界がある。
非特許文献 1 : S. J. Koester, G. Dehlinger, J. D. SchaubJ. O. Chu, Q. C. Ouyang, a nd A. Grill, "Germanium-on-InsulatorPhotodetectors ， 2nd International Conferenc e on GroupIV Photonics, FB I 2005，（第 172頁、 Fig.3)
特許文献 1：特開昭 59— 108376号公報（第 4— 16頁、図 1— 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, 17)
特許文献 7：特開 2005— 150291号公報（第 5頁、図 1)
特許文献 8 :特開平 6— 77518号公報 (第 2頁、図 1 , 2)
発明の開示 発明が解決しょうとする課題
[0017] 金属一半導体 金属（MSM)フォトダイオードは、平面性およびシリコン LSIとの互 換性を提供する。
[0018] しかしながら、 Si (或いは SiGe)を用いた光検出器は、長いキャリアライフタイム（1 〜； 10 3)や低い光吸収率（10〜； 100/cm)の為、一般的に、遅い応答性を示す。
[0019] 又、化合物系半導体を用いた場合において、ショットキー障壁型フォトダイオードは 、高速応答を示す。
[0020] しかしながら、金属電極により実効的な受光面積が小さくなる。従って、感度が低下 する。
[0021] 又、 pin型フォトダイオードにおいて、空乏層を薄層化する為に、ラテラル電極構造 が提案されている。
[0022] しかしながら、電極間距離を小さくして高速性を得ることは出来ても、高感度化が難 しい。
[0023] そして、フォトダイオードの応答を高速化する為には、光吸収層を薄くしてキャリア 走行時間を短くすること、又、受光面積、即ち、接合容量を小さくして回路時定数を 小さくすることが必要である。
[0024] しかしながら、一般的には、受光感度と高速性とはトレードオフの関係にある。
[0025] 従って、本発明が解決しょうとする課題は、フォトダイオードの受光感度と高速性を 両立させるデバイス構造を提供することにある。特に、従来に比べて、二桁以上小さ い体積の光吸収層を可能とすることにより、高集積化および低消費電力化を実現す るフォトダイオードを提供することにある。
課題を解決するための手段
[0026] 前記の課題は、半導体層の表面に導電層が設けられたショットキー障壁型のフォト ダイオードであって、
前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成され、 前記フォトダイオードのショットキー接合部の周囲には、前記半導体層の裏面側か ら入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が構成されてなる ことを特徴とするフォトダイオードによって解決される。 [0027] 又、半導体層の表面に設けられた p— i— n型のフォトダイオードであって、 前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成され、 前記フォトダイオードの p— i— n接合部の周囲には、導電層が設けられ、前記半導 体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が構成さ れてなる
ことを特徴とするフォトダイオードによって解決される。
[0028] 又、半導体層の表面に間隔をおいて配置された金属一半導体 金属接合を備え たフォトダイオードであって、
前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成され、 前記フォトダイオードの金属一半導体 金属接合部の周囲には、導電層が設けら れ、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期 構造が構成されてなる
ことを特徴とするフォトダイオードによって解決される。
[0029] 又、上記のフォトダイオードが受光部に設けられてなることを特徴とする光通信デバ イスによって解決される。
[0030] 又、上記のフォトダイオードが構成された Si基板と、
前記 Si基板上に前記フォトダイオードとモノリシックに形成された LSI電子回路 とを具備することを特徴とする光インタコネクションモジュールによって解決される。 発明の効果
[0031] フォトダイオードの応答を高速化する為には、電荷キャリア吸収層を薄くしてキャリア 走行時間を短くすること、かつ、電荷キャリア吸収層の面積を小さくして回路時定数を 小さくする必要がある。し力もながら、従来にあっては、感度と高速化の両立が困難 であった。
[0032] これに対して、本発明によれば、波長以下の領域に光エネルギーを集光させ、これ を効率的にフォトキャリアに変換して電気信号が得られる。その結果、感度と高速化 の両立が図れた。そして、高速で、かつ、高効率なフォトディテクタが実現される。 図面の簡単な説明
[0033] [図 1]第 1実施例のフォトダイオードの断面図 [図 2]第 2実施例のフォトダイオードの断面図
[図 3]第 3実施例のフォトダイオードの断面図
[図 4]第 4実施例のフォトダイオードの断面図
[図 5]フォトダイオードの平面図
[図 6]フォトダイオードの平面図
[図 7]フォトダイオードの平面図
[図 8]フォトダイオードの平面図
[図 9]フォトダイオードの平面図
[図 10]フォトダイオードの平面図
[図 11]第 1実施例のフォトダイオードの特性を示すグラフ
[図 12]フォトダイオードの製造工程図
[図 13]第 2実施例のフォトダイオードの特性を示すグラフ
[図 14]第 3実施例のフォトダイオードの特性を示すグラフ
[図 15]第 4実施例のフォトダイオードの平面図
[図 16]第 4実施例のフォトダイオードの特性を示すグラフ
[図 17]第 5実施例のフォトダイオードの断面図
[図 18]第 6実施例のフォトダイオードの断面図
[図 19]第 7実施例のフォトダイオードの断面図
[図 20]第 8実施例のフォトダイオードの断面図
[図 21]本発明のショットキー型フォトダイオードを搭載した伝送用光受信モジュール の概略図
[図 22]本発明のフォトダイオードを搭載した LSIチップ間光インターコネクトの概略図 符号の説明
1 半導体吸収層
2 導電膜
3 下部電極層
4 埋め込み酸化層
5 負荷抵抗 バイアス電源
酸化膜
支持基板
周期的な凹凸
ショットキーコンタクト層
金属膜
n +電極層
MSM電極
プラズモン共鳴を生じさせなレ、禁制帯グレーティング 突起形状
溝形状
周期的なスリットアレイあるいは微小開口アレイ ショットキーコンタクト層
電極パッド
光ファイバ一
信号光
本発明のオトダイオード
モジュール筐体
電気配線
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パーケージ
光源変調用電気配線層
フォトダイオード用電気配線層
光信号出力ファイバー 34 光信号入力ファイバー
35 LSI搭載ボード
36 凹面鏡
37 フォトダイオード/光源搭載ボード
発明を実施するための最良の形態
[0035] 本発明になる第 1のフォトダイオードは、半導体層の表面に導電層が設けられたシ ヨットキー障壁型のフォトダイオードである。前記フォトダイオードは、前記半導体層の 裏面側から光が入射できるよう構成されて!/、る。前記フォトダイオードのショットキー接 合部の周囲には、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を 生じさせる周期構造が構成されて!/、る。
[0036] 本発明になる第 2のフォトダイオードは、半導体層の表面に設けられた p— i n型 のフォトダイオードである。前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が 入射できるよう構成されている。前記フォトダイオードの p— i n接合部の周囲には、 導電層が設けられ、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を 生じさせる周期構造が構成されて!/、る。
[0037] 本発明になる第 3のフォトダイオードは、半導体層の表面に間隔をおいて配置され た金属一半導体 金属接合を備えたフォトダイオードである。前記フォトダイオード は、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成されている。前記フォトダイ オードの金属一半導体 金属接合部の周囲には、導電層が設けられ、前記半導体 層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が構成され ている。
[0038] 本発明になる第 4のフォトダイオードは、上記第 3のフォトダイオードにおいて、特に 、次のように構成されたものである。半導体層の表面に配置された金属一半導体 金属接合の間隔が、 λ /η (但し、 λは半導体層の裏面側から入射する光の波長、 η は半導体層における光の屈折率）以下である。前記金属の層は、前記半導体とショッ トキ一接合を形成する金属の層と、表面プラズモンを誘起することが可能な導電性材 料からなる層とが積層されたものである。或いは、前記金属の層は、前記半導体とシ ヨットキー接合を形成することが可能で、かつ、表面プラズモンを誘起することが可能 な金属の層である。
[0039] 本発明になる第 5のフォトダイオードは、上記第 3又は第 4のフォトダイオードにおい て、特に、次のように構成されたものである。前記金属—半導体—金属接合は、対向 する少なくとも一方の金属—半導体接合がショットキー障壁型の接合である。
[0040] 本発明になる第 6のフォトダイオードは、上記第 1〜第 5何れかのフォトダイオードに おいて、特に、次のように構成されたものである。表面プラズモン共鳴を生じさせる周 期構造が、凹凸が形成された半導体層の表面に表面プラズモンを誘起することが可 能な導電性層を積層した構造である。
[0041] 本発明になる第 7のフォトダイオードは、上記第 1〜第 6何れかのフォトダイオードに おいて、特に、次のように構成されたものである。表面プラズモン共鳴を生じさせる周 期構造が、凹凸が形成された誘電体層の表面に表面プラズモンを誘起することが可 能な導電性層を積層した構造である
本発明になる第 8のフォトダイオードは、上記第 1〜第 7何れかのフォトダイオードに おいて、特に、次のように構成されたものである。表面プラズモン共鳴を生じさせる周 期構造の外側に、表面プラズモン共鳴を生じさせな!/、周期構造が構成されたもので ある。
[0042] 本発明になる第 9のフォトダイオードは、上記第 1〜第 8何れかのフォトダイオードに おいて、特に、次のように構成されたものである。表面プラズモン共鳴を生じさせる周 期構造の外側に、表面プラズモンを反射させるための段差構造が構成されたもので ある。
[0043] 本発明になる第 10のフォトダイオードは、上記第 9のフォトダイオードにおいて、特 に、次のように構成されたものである。段差構造が、 λ /η (但し、 ηは導電膜に隣接
d d
する半導体層あるいは誘電体層における光の屈折率、 λは光の波長。）よりも高い突 起形状からなる。
[0044] 本発明になる第 11のフォトダイオードは、上記第 9又は第 10のフォトダイオードに おいて、特に、次のように構成されたものである。段差構造が、 λ /η (但し、 ηは導
d d 電膜に隣接する半導体層あるいは誘電体層における光の屈折率、 λは光の波長。 ) よりも深い溝形状力 なる。 [0045] 本発明になる第 12のフォトダイオードは、上記第 9〜第 11何れかのフォトダイォー ドにおいて、特に、次のように構成されたものである。段差構造が、導電性材料に設 けられた入射光の波長以下の径の孔を配列した形状からなる。
[0046] 本発明になる第 13のフォトダイオードは、上記第 9〜第 12何れかのフォトダイォー ドにおいて、特に、次のように構成されたものである。段差構造が、導電性材料に設 けられた入射光の波長以下の幅のスリットを配列した形状からなる。
[0047] 本発明になる第 14のフォトダイオードは、上記第 9〜第 13何れかのフォトダイォー ドにおいて、特に、次のように構成されたものである。導電性層が、 Al, Ag, Au, Cu の群の中から選ばれる少なくとも一つの金属（或いは合金）で出来てレ、る。
[0048] 本発明になる第 15のフォトダイオードは、上記第 1〜第 14何れかのフォトダイォー ドにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける接合面 積力 100平方 m以下である。
[0049] 本発明になる第 16のフォトダイオードは、上記第 1〜第 14何れかのフォトダイォー ドにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける接合面 積が、 10平方 m以下である。
[0050] 本発明になる第 17のフォトダイオードは、上記第 1〜第 14何れかのフォトダイォー ドにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける接合面 積が、 1平方 m以下である。
[0051] 本発明になる第 18のフォトダイオードは、上記第 1〜第 17何れかのフォトダイォー ドにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける半導体 吸収層の厚みが、 1 m以下である。
[0052] 本発明になる第 19のフォトダイオードは、上記第 1〜第 17何れかのフォトダイォー ドにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける半導体 吸収層の厚みが、 200nm以下である。
[0053] 本発明になる第 20のフォトダイオードは、上記第 1〜第 19何れかのフォトダイォー ドにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける半導体 吸収層が、 Si, SixGel— x (但し、 Xは 1未満の正数）， Ge, GaN, GaAs, GalnAs,
GalnP, InPの群の中力、ら選ばれる少なくとも一つで出来ている。 [0054] 本発明になる第 21のフォトダイオードは、上記第 1〜第 20何れかのフォトダイォー ドにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードにおける半導体 吸収層が、 Ge, SixGel— x (但し、 xは 1未満の正数）の群の中から選ばれる少なくと も一つで出来ている。そして、前記半導体吸収層と導電層との間に Niと Geとの合金 で構成されてなる層が設けられている。
[0055] 本発明になる第 22のフォトダイオードは、上記第 1〜第 21何れかのフォトダイォー ドにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードが半導体からな る光導波路上に構成されてレ、る。
[0056] 本発明になる第 23のフォトダイオードは、上記第 1〜第 21何れかのフォトダイォー ドにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードが、基板側に形 成された光導波路からミラーにより反射された光を受光できるよう構成されたものであ
[0057] 本発明になる第 24のフォトダイオードは、上記第 1〜第 23何れかのフォトダイォー ドにおいて、特に、次のように構成されたものである。フォトダイオードの基板が入射 光に対して透明な材料で構成されたものである。
[0058] 本発明になるフォトダイオードについて、更に、詳しく説明する。
[0059] 本発明の第 1のフォトダイオードは、半導体層表面に導電膜を備えたショットキー障 壁型のフォトダイオードである。そして、半導体層の裏面側から光が入射できるよう構 成されている。前記ショットキー接合の周囲は、前記半導体層の裏面側から入射した 光が表面プラズモン共鳴を生じさせる為の周期構造を有する。これにより、半導体層 の裏側から入射した光との光結合効率が増大する。この構造が図 1に示される。すな わち、図 1に示される通り、半導体層（半導体吸収層） 1の表面上に導電膜 2が設けら れている。これによつて、ショットキー接合が構成される。このショットキー接合部の周 囲に、半導体層（半導体吸収層） 1の裏面側（支持基板 8側）から入射した光が表面 プラズモン共鳴を生じさせる為の周期構造、即ち、周期的な凹凸構造 9が構成されて いる。
[0060] そして、支持基板 8の裏面から入射した光は、表面プラズモン共鳴を発生させる周 期的な凹凸構造 9により表面プラズモンに変換され、中心部のショットキー接合部に 集光される。更に、半導体吸収層 1の周囲を、半導体吸収層 1よりも屈折率の低い半 導体層（或いは誘電体層）とした。この屈折率差によって、光が閉じ込められる。すな わち、光の閉じ込め効果により、半導体吸収層 1に入射される光パワーを、微小なシ ヨットキー接合領域に局在させられる。この結果、非常に小さい体積の半導体吸収層 において、効率的な光電変換が達成される。
[0061] 図 2は、半導体層（半導体吸収層） 1の表面上にショットキーコンタクト層（ショットキ 一接合用の半導体層（或いは十分なショットキー障壁エネルギーを実現する金属層） ) 10を設け、このショットキーコンタクト層 10上に導電膜 2を設けたフォトダイオードの
[0062] このフォトダイオードにあっては、ショットキー接合部の周囲に、周期的な凹凸構造（ 半導体層（半導体吸収層） 1の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさ せる為の周期構造） 9が構成されて!/、る。
[0063] ここで、半導体層（半導体吸収層） 1の材料に Geや InGaAs化合物半導体を用いた 場合、導電膜として Ag, Auを直接に積層すると、ショットキー接合が形成されない。 従って、リーク電流が大きくなる。そこで、これ等の材料、例えば Ge半導体吸収層を 用いる場合にぉレ、ては、ショットキー障壁エネルギーの高!/、接合が得られる Niなどの 金属層（或いは Si層）を、導電膜と半導体吸収層（例えば、 Ge層）との界面に揷入す ることが望ましい。 InGaAsを半導体吸収層 1の材料として用いる場合には、 InAlAs 半導体層を揷入すると、リーク電流の少ないショットキー接合を形成できる。
[0064] 本発明の第 2のフォトダイオードは、半導体層の表面に p— i— n型の接合が設けら れたフォトダイオードである。そして、半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成 されている。前記フォトダイオードの p— i— n接合部の周囲には、導電層が設けられ、 前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造
9が構成されている。この周期構造 9は、例えば半導体層（半導体吸収層： i層） 1の裏 面側 (n+電極層 12：支持基板 8側）から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせ る為の周期的な凹凸構造である。これによつて、半導体層の裏側から入射した光との 光結合効率が増大する。この構造が図 3に示される。すなわち、図 3に示される通り、 半導体層（半導体吸収層： i層） 1の表面上に導電膜 2が設けられている。そして、支 持基板 8の裏面側から入射した光は、 p— i— n接合部の周囲に設けられた凹凸構造 9により、表面プラズモンに変換され、中心部の p— i— n接合部に集光される。更に、 半導体吸収層 1の周囲を、好ましくは、半導体吸収層 1よりも屈折率の低い半導体層 (或いは誘電体層）とした。この屈折率差によって、光が閉じ込められる。すなわち、 光の閉じ込め効果により、入射される光パワーを、中心部の p— i— n接合部に局在さ せることが出来る。これにより、非常に小さい体積の半導体吸収層 1において、効率 的な光電変換が達成される。更に、 p+電極層 11と導電膜 2とを積層することにより、 導電膜 2をプラズモン共鳴用のアンテナ及び電極として兼用できる。かつ、 p+電極層 11 (及び/又は n+電極層 12)を、半導体吸収層（i層） 1で受光する光エネルギーよ りも大きなバンドギャップを有する半導体を用いて構成することにより、電極層 11 (12 )における光吸収損失を低減できる。その結果、光電変換効率を更に改善できる。
[0065] 本発明の第 3のフォトダイオードは、半導体層の表面に間隔をおいて配置された金 属—半導体 金属（MSM)接合を備えたフォトダイオードである。そして、半導体層 の裏面側から光が入射できるよう構成されている。前記 MSM接合部の周囲には、導 電層が設けられ、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生 じさせる周期構造が構成されている。これにより、半導体層の裏側から入射した光と の光結合効率が増大する。この構造が図 4に示される。すなわち、半導体層（半導体 吸収層） 1の表面上に MSM電極 13が設けられている。この MSM電極 13の周囲に 、導電膜 2が設けられている。かつ、 MSM電極 13の周囲に、周期的な凹凸構造（半 導体層（半導体吸収層） 1の裏面側 (支持基板 8側)から入射した光が表面プラズモン 共鳴を生じさせる為の周期構造） 9が構成されて!/、る。
[0066] 従来、半導体表面に形成された金属電極は、フォトダイオードの受光面を遮ること から、受光感度を低下させる。表面プラズモン共鳴を生じさせる電極間隔を設けた場 合でも、光電界強度の強い領域は半導体の外の領域に在る。従って、効率的なフォ トキャリアの生成が出来ない。
[0067] これに対して、半導体吸収層 1の裏面側から光を入射させる構造にすると共に、 M SM接合部（MSM電極 13)の周囲に周期的な凹凸構造 9を有する構造とすることに よって、微小な MSM接合部に光が効果的に集光される。更に、半導体吸収層 1の 周囲を半導体吸収層 1よりも屈折率の低い半導体層（或いは誘電体層）とした。この 屈折率差によって、光が閉じ込められる。これによつて、非常に効率的な光電変換が 得られる。
[0068] 又、金属と半導体との間にショットキー接合を形成した場合、 1 X 1015〜1 X 1016c m_3のドーピング濃度において、ゼロバイアスでも、 200nm以上の空乏層領域が形 成される。従って、電極間距離を小さくすることにより、低バイアス電圧においても、高 速-高感度なフォトダイオード動作が可能となる。この時、半導体吸収層の厚みを 20 Onm以下とした場合、フォトキャリアの易動度が 107cm/sの半導体材料 (例えば、 Si )においても、フォトキャリアの電極間のドリフト時間は数 psであると考えられる。そして 、半導体吸収層の厚みを 以下にした場合でも、ドリフト時間を 20ps以下に出来 る。又、 MSM電極間距離を lOOnm程度とした時、 MSM接合面積を 10平方 m以 下とした場合、接合電気容量は 10fF以下となる。 MSM接合面積を 100平方 in以 下とした場合でも、接合電気容量は lOOfF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、前者の場合が lps、後者の場合が 10psとなる。従って、 非常に高速な応答が実現される。
[0069] 図 5は、光吸収層の裏面側から光入射した時、光波長以下のサイズに光を閉じ込 めることを可能とする表面プラズモン共鳴構造を示す例である。すなわち、中心の微 小なショットキーコンタクト部 18の周囲に周期的な凹凸構造 9を設けた。これにより、 入射光を導電膜 (金属膜) 2表面に誘起される表面プラズモンと結合させ、かつ、表 面プラス 'モンとして光エネルギーをショットキーコンタクト部に集光することが可能とな る。更に、ショットキーコンタクト部に配置される半導体光吸収層 1の周囲を、半導体 吸収層 1よりも屈折率の低い半導体層（或いは誘電体層）とした。この屈折率差によ つて、光が閉じ込められる。すなわち、光の閉じ込め効果により、半導体吸収層 1に 入射される光パワーを、微小なショットキー接合領域に局在させられる。この結果、非 常に小さい体積の半導体吸収層において、効率的な光電変換が達成される。
[0070] 図 6は、前記表面プラズモン共鳴構造（凹凸構造 9)の外側に、プラズモン共鳴を生 じさせない禁制帯グレーティング 14を形成した構造例を示すものである。導電膜 2に 形成された周期的な凹凸構造 9により、半導体吸収層 1の裏面側から入射された光 は、表面プラズモンに変換される。し力もながら、変換された表面プラズモンには、中 心部（ショットキーコンタクト部 18)に集光される成分と、光照射エリアの外側に伝播す る成分とが有る。この外側に伝播する成分が受光感度を向上させる上で損失となる。 そこで、周期的な凹凸構造 9を光照射エリアよりも大きくし、かつ、周期的な凹凸構造 9の外側に表面プラズモンの伝播モードが存在しない構造 14を設けた。これによつて 、光照射エリアの外側に伝播する表面プラズモンをブラッグ反射させることが出来る。 従って、表面プラズモンの集光効率を向上させることが可能となる。このような禁制帯 グレーティング 14は、表面プラズモンの分散関係から求められるグレーティング周期 の 1 /2程度の周期のグレーティング構造を形成することにより実現される。
[0071] 図 7 , 8 , 9 , 10は、半導体吸収層 1の裏面側から光を入射させてプラズモン共鳴を 生じさせる際、上記の禁制帯グレーティング 14を配置するのと同様の目的から、周期 的な凹凸の外側に伝播する表面プラズモンを反射させる構造の例（突起形状 1 5、溝 形状 16、スリットアレイ 1 7、貫通穴 1 7)を示したものである。すなわち、 λ /η (η ：誘 d d 電体層の屈折率、 λ：光の波長）よりも高い突起形状 1 5、 λ /ηよりも深い溝形状 16 d
、或いは導電膜 2を貫通させた周期的なスリット 1 7、若しくは波長以下の微小開ロア レイ 1 7を、表面プラズモン共鳴を生じさせる周期的な凹凸 9の外側に配置した。これ により、禁制帯グレーティング 14と同様の効果を実現できる。又、波長以下の微小開 ロアレイ 1 7を、中心部から放射状にプラズモン共鳴周期の 1 /2程度の周期で形成 することにより、表面プラズモンの反射を効果的に生じさせることが出来る。
[0072] 尚、反射される表面プラズモンの共鳴モードとの位相関係は重要である。例えば、 共鳴モードと反射位相とを一致させることにより、最大の受光感度が得られる。
[0073] 表面プラズモンの分散関係は以下の式 1で表される。
1コ
k = ω /ο { ( ε · e + ε ) } 1/2
SP m d m d
ここで、 ε と ε は表面プラズモンを生ずる金属とこれに接している誘電体の誘 m d
電率である。
[0074] 更に、表面プラズモンの伝播長は以下の式 2で表される。
[式 2] L =α/ ω { ( ε ' + ε ) / ε ，} 3/2 · ε ' ε "
SPP m d m m m
ここで、金属の複素誘電率 ε を ε ' + ί ε ' 'と表した。
m m m
[0075] すなわち、表面プラズモンの光学損失は、金属膜の誘電率の虚数部と実数部の二 乗の比に大きく依存している。従って、本発明の導電層は、 Al, Ag, Au, Cuから選 ばれる少なくとも一つの金属（或いは、これ等から選ばれる合金)からなることが望まし い。又、表面プラズモンの伝播損失の低減の観点から、金属表面のランダムな凹凸 を小さくすることは非常に重要である。従って、 Ta, Cr, Ti, Zr等の下地層を設けるこ とは好ましい。或いは、 Nb等の元素を微量添加して合金化しても効果がある。
[0076] 表面プラズモンによる近接場光の強度分布は、周期的な凹凸構造、隣接する誘電 体層の屈折率、 MSM電極の配置、半導体吸収層の屈折率や吸収係数の影響を受 けて、変化する。
[0077] そして、半導体の非常に小さい領域において光エネルギーを局在させる本発明の 構造を採用することにより、電子 ·正孔対 (フォトキヤリァ)を生成することが可能となる。 従って、ショットキー接合により半導体吸収層中に形成される空乏化領域と近接場に よるフォトキャリアの生成領域を一致させることにより、効率的なフォトキャリア形成と局 所的なフォトキャリアの走行が実現できる。この結果、高い量子効率と高速応答特性 とを具備したフォトダイオードが得られる。
[0078] p— i n接合構造を利用する場合、接合周囲に形成した周期的凹凸による表面プ ラズモンの集光と、半導体吸収層と隣接する誘電体層との屈折率差を利用した光閉 じ込め効果とにより、 1 mの微小領域においても効率的なフォトキャリアの生成が可 能となる。
[0079] この時、フォトキャリアを生成して掃引する為のショットキー接合あるいは p— i— n接 合領域は、 10平方 πι以下のサイズに出来る。この結果、接合電気容量を極めて小 さく出来る。従って、フォトダイオードを高周波動作させる場合の回路時定数を数ピコ 秒以下にすることが可能となり、数十 GHz以上の高周波動作が実現される。
[0080] 光を波長以下（或いは 10平方 in以下）のサイズに閉じ込める為に、コアとクラッド との屈折率差を 5%以上にした光導波路を利用することが出来る。このようなチャネル 型光導波路は、コアの周りをコアよりも屈折率の小さい媒質で取り囲んだ構造を有し ている。そして、コアとクラッド層との間での屈折率の差によって、光は、全反射を繰り 返しながら、伝播する。この場合、コアとクラッド層との屈折率差が大きければ、光はコ ァに強く閉じ込められる。従って、導波路を小さな曲率で急激に曲げても、光はそれ に沿って導波される。そして、屈折率差を 5%以上にした場合、 10 m以下のサイズ の光スポット径を実現できる。更に、コアとクラッドとの屈折率差を約 10〜40%とした 場合、波長以下のサイズの光スポット径を実現できる。
[0081] 断面サイズが約 0· S ^ m X O. 3 mの導波路コアを Si (屈折率は約 3· 4)で作製し 、この導波路コアの周囲（クラッド層）を SiO (屈折率は約 1. 5)で覆った構造の場合
2
、光のモードサイズが導波路コアとほぼ同等のサイズにまで小さくなる。導波させる光 の波長が 850nm程度の場合においては、 Si導波路では光吸収による導波損失が 発生する。そこで、広い波長範囲に亘つて損失の無視できる光透過特性を示す SiO Nなどを導波路コアとし、その周りを SiO力、らなるクラッドで覆った場合、屈折率差は
2
5%以上になる。この場合には、光の閉じ込めが半導体コア（Si)を用いた場合に比 較して弱くなる為、光スポット径は約 1〜4 H mになる。
[0082] 光閉じ込めの強い光導波路からの光信号光を 45° ミラー（或いは回折格子）を利 用して光路を垂直方向に跳ね上げ、上記フォトダイオード構造で光結合させた場合 、非常に小さい領域での光結合が可能となる。その結果、高感度化と高速化の両立 が実現される。
[0083] 本発明が有効な光の波長領域は、可視光、近赤外光、及び赤外光を含む広い波 長域に亘る。表面プラズモン共鳴を誘起する金属周期構造、光を効率的に閉じ込め て伝送させる半導体吸収層の積層構造、更に半導体吸収層に隣接する誘電体層の 屈折率を調整することにより、波長以下の領域において効率的にフォトキャリアを生 成して電気信号を得る高速なフォトディテクタが得られる。
[0084] 以下、具体的な実施例を図面を参照しながら説明する。
[0085] [実施例 1]
図 1は、本発明の第 1実施形態を示す Siショットキー型フォトダイオードの断面図で ある。
[0086] 本発明のショットキー型フォトダイオードは、 SOI(Silicon-on-Insulator)など表面が 絶縁された半導体吸収層 1の一部の上に、金属 半導体ショットキー接合を有する。 このショットキー接合部の周囲には、表面プラズモンを生じさせる為の導電膜 2が積 層形成されている。そして、ショットキー接合部の周囲で、かつ、積層形成された導電 膜 2の下面側には、周期的な凹凸構造 (半導体吸収層 1の裏面側 (支持基板 8側)か ら入射した光が表面プラズモン共鳴を発生させる為の周期的な凹凸構造） 9が構成さ れている。尚、図 1中、 3は半導体吸収層 1の下部電極層、 4は支持基板 8の上に設 けられた埋め込み酸化層である。 5は負荷抵抗、 6はバイアス電源である。 7は埋め込 み酸化層 4の上に設けられた酸化膜であり、酸化膜 7の上に導電膜 2が設けられてい
[0087] 表面プラズモンを誘起する為に設けられる導電膜 2は、 Al, Ag, Au, Cu等の金属
(又は、前記金属の少なくとも一つを必須の構成元素とする合金）によって構成される 。ショットキー接合を形成する為に、 Cr, Ta或いは Ni等の金属からなる下地膜を設け ても良い。
[0088] 下部電極層 3としては、 P等のドーパント濃度を 1 X 102°cm_3以上とした n+Si層を 基板として使用することが出来る。この場合、半導体吸収層（光吸収層） 1である n_Si 層は、 n+Si層 23上にェピタキシャル成長させる必要がある。但し、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 が高くなる。そして、空乏化電圧が増大し、ショットキー接合を形成した時の空乏層の 厚さが小さくなる。すなわち、低電圧で高速駆動することが難しくなる。従って、 n+Si 層 23上に薄い n—S漏（半導体吸収層（光吸収層）） 1を形成する場合は、 600°C以 下の低温でのェピタキシャル成長の技術が必要である。
[0089] 本実施例においては、基板 8裏面から光入射を行う為、 Si半導体支持基板 8を CM P (化学的機械的研磨）等により約 50〜； 100 mに薄層化した。更に、フッ酸と硝酸と の混合溶液により、フォトダイオードの裏面部の支持基板 8を溶解させて除去し、約 1 0〜50 μ m径の光入射用窓を形成した。
[0090] 支持基板 8の裏面側から入射した光は、表面プラズモン共鳴を発生させる周期的 な凹凸構造 9により表面プラズモンに変換され、中心部のショットキー接合部に集光 される。又、半導体吸収層 1の周囲が半導体吸収層 1よりも屈折率の低い半導体層（ 或いは誘電体層（酸化膜 7) )で構成されている。従って、半導体吸収層 1に入射され る光パワーは、屈折率差による閉じ込め効果により、微小なショットキー接合領域に 局在させられる。従って、非常に小さい体積の半導体吸収層において、効率的な光 電変換が達成される。
[0091] 図 11は、ショットキー接合部の周囲に光を照射した場合におけるフォトダイオードの 特性を示すグラフである。すなわち、厚さ 120nmの Ag電極を直径 200nmの Si半導 体表面に配置して形成したフォトダイオードにおいて、プラズモン共鳴を生じさせる周 期構造 (例えば、有限差分時間領域法により電磁界計算をして求めた 560nm周期、 50nm高さの凹凸構造)を形成した場合と、前記周期的な凹凸構造がない場合とに ついて、感度特性を比較したものである。実験では、レーザ光（波長： 850nm、パヮ 一： lmW)を基板 8の裏面側より垂直入射してフォトカレントを観測した。プラズモン 共鳴を生じさせる周期的な凹凸構造 9を形成した場合、二桁以上大きなフォトカレン トの得られていること力 図 11から判る。尚、この時の量子効率は約 50%であった。
[0092] 次に、製造方法を Si半導体の場合で説明する。
[0093] 図 12は、本実施例のフォトダイオードの製造方法を示す断面図である。
[0094] 先ず、図 12 (a)に示される如ぐ n型ドープされた SOI基板を用いる。この上に、 20 Onm程度の厚さの半導体吸収層 1をェピタキシャル成長させた。この時の半導体吸 収層 1の抵抗率は 1〜； 10 Ω 'cm程度であり、ドーピング濃度は約 1 X 1015~1 X 1016 cm である o
[0095] 次に、図 12 (b)に示される如ぐ n型半導体吸収層 1をパターユングし、接合サイズ を規定した。すなわち、窒化シリコン SiN膜をマスクとして反応性エッチングによりパ ターニングした。反応十生ガスには C Fガスと SFガスとの混合ガスを用いた。そして、
4 8 6
1000°Cで約 140分の水蒸気中熱処理を行った。これにより、ショットキー接合を作製 するための土台となるメサ構造が形成された。
[0096] この後、図 12 (c)に示される如ぐ SiN膜を約 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 的平坦な表面が得られる。更に、 CMP処理を施すことにより数 nm程度の平坦性のも のが得られた。 [0097] さて、メサ形状の表面には、ショットキー接合を形成する為の金属層（導電膜）が成 膜される。この時、図 12 (d)に示される如ぐ反応性エッチングにより、半導体メサ構 造の周囲の Si酸化膜 7表面に周期的な溝パターン（凹凸パターン 9)を形成した。
[0098] そして、図 12 (e)に示される如ぐ表面プラズモンを生じさせる為、かつ、金属電極 としての機能を奏させる為、 Al, Ag, Au, Cuの群の中力も選ばれる金属（或いは、 前記金属元素を構成元素とする合金)を堆積させ、導電膜 2を設けた。
[0099] [実施例 2]
図 2は、本発明の第 2実施形態を示す Geショットキー型フォトダイオードの断面図で ある。
[0100] 本発明のショットキー型フォトダイオードは、 SOI(Silicon-on-Insulator)など表面が 絶縁された半導体吸収層 1の一部の上に形成された金属一半導体ショットキー接合 を持つ。 Ge層は Si層との格子不整合の為、 lOOnm以下の厚さの SOI層上にガスソ ース MBE法により、 Si Ge 等の適当なバッファ層を約 10nm形成した。バッファ
0. 5 0. 5
層の上に、 n— Ge層を成長させ、貫通転移密度の低い高品質な Ge半導体吸収層 1 を形成した。尚、ショットキー接合を形成する為に、 Ni下地層が蒸着法などにより積 層されている。図 2中、 2は導電膜、 3は半導体吸収層 1の下部電極層である。 5は負 荷抵抗、 6はバイアス電源である。 7は支持基板 8の上に設けられた酸化膜であり、酸 化膜 7の上に導電膜 2が設けられて!/、る。
[0101] ショットキー接合部の周囲には、表面プラズモンを生じさせる為の導電膜 2が積層 形成されている。かつ、半導体吸収層 1の裏面側（支持基板 8側）から入射した光が 表面プラズモン共鳴を発生させる為の周期的な凹凸構造 9が構成されている。
[0102] 表面プラズモンを誘起する為に設けられる導電膜 2は、 Al, Ag, Au, Cu等の金属
(或いは、前記金属の少なくとも一つを必須の構成元素とする合金）によって構成さ れる。尚、ショットキー接合を形成する為に設けられた下地膜は Cr, Taで構成されて も良い。下部電極層 3は、 Ge成長層の基板となる SOI層へ予め P (燐）のドーピングを 行うことで構成されたものであり、十分な導電率が有る。
[0103] 本実施例においては、支持基板 8の裏面側から光入射を行う為、 Siの光吸収の影 響を受ける 1 rn以下の波長の光入射を行う際には、実施例 1と同様、 Si半導体支 持基板 8は CMP等により約 50〜； 100 mに薄層化されている。そして、フッ酸と硝酸 との混合溶液を用いて、フォトダイオードの裏面部の支持基板 8を溶解させて除去し 、約 10〜50 111径の光入射用窓を形成した。
[0104] 基板 8の裏面側から入射した光は、表面プラズモン共鳴を発生させる周期的な凹 凸構造 9により表面プラズモンに変換され、中心部のショットキー接合部に集光される 。又、半導体吸収層 1の周囲が半導体吸収層 1よりも屈折率の低い半導体層（或い は、誘電体層（酸化膜 7) )で構成されている。従って、半導体吸収層 1に入射される 光パワーは、屈折率差による閉じ込め効果により、微小なショットキー接合領域に局 在させられる。これにより、非常に小さい体積の半導体吸収層において、効率的な光 電変換が達成される。
[0105] 図 13は、ショットキー接合部の周囲に光を照射した場合におけるフォトダイオードの 特性を示すグラフである。すなわち、厚さ 120nmの Ag電極を直径 200nmの Ge半導 体表面に配置して形成したフォトダイオードにおいて、プラズモン共鳴を生じさせる周 期構造 (例えば、有限差分時間領域法により電磁界計算をして求めた 560nm周期、 50nm高さの凹凸構造)を形成した場合と、前記周期的な凹凸構造がない場合とに ついて、感度特性を比較したものである。実験では、レーザ光（波長： 850nm、パヮ 一： lmW)を基板 8の裏面側より垂直入射してフォトカレントを観測した。プラズモン 共鳴を生じさせる周期的な凹凸構造 9を形成した場合、二桁以上大きなフォトカレン トの得られていること力 図 13から判る。尚、この時の量子効率は約 80%であった。
[0106] 波長 1. 3〜； 1. 6 mの光通信波長帯においては、 Si支持基板 8は透明基板として 扱うことが可能である。従って、支持基板除去などの加工プロセスを行わずとも、基板 裏面を鏡面とするのみで、量子効率は約 60%となり、十分な受光感度が得られる。
[0107] [実施例 3]
図 3は、本発明の第 3実施形態を示す p— i— n型フォトダイオードの断面図である。
[0108] 本発明の p— i n型フォトダイオードは、 SOI(Silicon-on-Insulator)など表面が絶縁 された半導体吸収層 1の一部の上に CVD (Chemical Vapor D印 osition)などにより積 層形成された構造を持つ。 p— i— n接合部の周囲には、表面プラズモンを生じさせる 為の導電膜 2が積層形成されている。かつ、周期的な凹凸構造 (半導体吸収層 1の 裏面側 (支持基板 8側)から入射した光が表面プラズモン共鳴を発生させる為の周期 的な凹凸構造） 9が構成されている。尚、図 3中、 4は支持基板 8の上に設けられた埋 め込み酸化層、 5は負荷抵抗、 6はバイアス電源である。 7は埋め込み酸化層 4の上 に設けられた酸化膜であり、酸化膜 7の上に導電膜 2が設けられている。
[0109] 表面プラズモンを生じさせる為の導電膜 2は、半導体吸収層 1上の p+電極層 11上 に積層形成されている。従って、導電膜 2と p+電極層 11とは電気的に接続されてい る。又、表面プラズモンを誘起する為に設けられる導電膜 2は、 Al, Ag, Au, Cu等 の金属（或いは、前記金属の少なくとも一つを必須の構成元素とする合金）によって 構成されている。
[0110] 図 14は、 pin接合部の周囲に光を照射した場合におけるフォトダイオードの特性を 示すグラフである。すなわち、厚さ 120nmの Ag電極を直径 200nmの Si半導体表面 に配置して形成したフォトダイオードにおいて、プラズモン共鳴を生じさせる周期構造 (例えば、有限差分時間領域法により電磁界計算をして求めた 560nm周期、 50nm 高さの凹凸構造)を形成した場合と、前記周期的な凹凸構造がない場合とについて 、感度特性を比較したものである。実験では、レーザ光（波長： 850nm、パワー： lm W)を基板 8の裏面側より垂直入射してフォトカレントを観測した。プラズモン共鳴を生 じさせる周期的な凹凸構造 9を形成した場合、二桁以上大きなフォトカレントの得られ ていること力 図 14から判る。尚、この時の量子効率は約 40%であった。
[0111] [実施例 4]
図 4および図 15は、本発明の第 4実施形態を示す MSM型フォトダイオードの断面 図および平面図である。
[0112] MSM型のフォトダイオードは、 SOI(Silicon-on-Insulator)など表面が絶縁された半 導体吸収層 1の一部の上に金属 半導体 金属（MSM)接合の構造を持つ。そし て、金属電極間の間隔を λ /η ( λ：入射光の波長、 n :半導体層の光屈折率）より小 さい距離としている。これにより、半導体吸収層 1の裏面側から入射した光が半導体 吸収層 1に閉じ込められる構造となる。尚、図 4, 15中、 4は支持基板 8の上に設けら れた埋め込み酸化層、 5は負荷抵抗、 6はバイアス電源である。 7は埋め込み酸化層 4の上に設けられた酸化膜であり、酸化膜 7の上に導電膜 2が設けられている。 14は プラズモン共鳴を生じさせな!/、禁制帯グレーティングである。禁制帯グレーティング 1 4は、周期的な凹凸構造 9の外側に設けられたものである。 21は電極パッドである。
[0113] MSM電極 13は、表面プラズモンを誘起する為、 Al, Ag, Au, Cu等の金属（或い は、前記金属の少なくとも一つを必須の構成元素とする合金）によって構成されてい る。尚、ショットキー接合を形成する為に、 Cr, Ta或いは Ni等の金属からなる下地膜 を設けても良い。又、対向する電極膜として Tiなどを下地膜として使用することにより 、ォーミック接合を形成することも可能である。
[0114] MSM接合の周囲には、表面プラズモンを生じさせることが可能な導電膜 2が隣接 して設けられている。そして、表面プラズモン共鳴を生じさせる為に、周期的な凹凸 構造 9が構成されている。
[0115] 図 16は、 MSM型フォトダイオードの特性を示すグラフである。すなわち、厚さ 120 nmの Ag電極を直径 200nmの Si半導体表面に配置して形成したフォトダイオードに おいて、プラズモン共鳴を生じさせる周期構造 (例えば、有限差分時間領域法により 電磁界計算をして求めた 560nm周期、 50nm高さの凹凸構造)を形成した場合と、 前記周期的な凹凸構造がない場合とについて、感度特性を比較したものである。実 験では、レーザ光（波長： 850nm、パワー： lmW)を基板 8の裏面側より垂直入射し てフォトカレントを観測した。プラズモン共鳴を生じさせる周期的な凹凸構造 9を形成 した場合、二桁以上大きなフォトカレントの得られていることが、図 16から判る。尚、こ の時の量子効率は約 50 %であつた。
[0116] [実施例 5〜実施例 8]
図 17、図 18、図 19、及び図 20は、上記実施例 1 (図 1)、実施例 2 (図 2)、実施例 3 (図 3)、及び実施例 4 (図 4)の表面プラズモン共鳴を生じさせる周期的な凹凸構造 9 の外側に、表面プラズモンの反射機能を有する禁制帯グレーティング 14、突起形状 15、溝形状 16、周期的なスリットアレイあるいは微小開口アレイ 17を形成したショット キー型フォトダイオードの断面図を示すものである。
[0117] この場合における量子効率を表 1に示す。
表 1 表面プラズモン共鳴構造 量子効率 (％)
周期的な凹凸のみ 32
周期的な凹凸 +禁制帯グ 75
レーティング
周期的な凹凸 +突起形状 80
周期的な凹凸 +溝形状 45
周期的な凹凸 +周期的 89
スリットアレイ
周期的な凹凸 +微小開口 78
アレイ
[0118] 何れの構造においても、周期的な凹凸構造 9のみの場合と比較して、 2〜3倍程度 の量子効率が得られている。そして、表面プラズモンの反射を効率的に行うことになり 、ショットキー接合部への集光、更に半導体吸収層への光エネルギーの局在化が図 れていること力 S半 IJる。
[0119] [実施例 9]
図 21は、本発明のショットキー型フォトダイオード 22を搭載した 40Gbps (ギガビット 毎秒)伝送用光受信モジュールを示す概略図である。
[0120] 本実施例においては、フォトダイオードは、 SOI基板上に Ge膜をェピタキシャル成 長させた基板を用い、その上に Ni/Au電極が設けられたショットキー型フォトダイォ ードである。このフォトダイオードの周囲に、凹凸構造 (表面プラズモン共鳴により光 結合および集光を可能とする Ag (又は Au)からなる凹凸構造)を有する導電膜を設 けたものである。そして、波長 1 · 55 mの近赤外光による伝送に用いる場合、導電 膜 (金属膜）の凹凸構造の凹凸周期は約 1. 2 111であり、 8周期の同心円上凹凸を 用いた場合、その外周の直径は約 20 mとなる。この時の凹凸の深さは 0. ；!〜 0. 4 m程度とした。ショットキー接合部の径は 0. 3〜0· 7 m程度とした。フォトダイォ ードは、チップキャリア 26上に搭載されている。そして、光ファイバ一 20およびレンズ により光結合力 又、後段のプリアンプ IC25に電気接続がなされている。
[0121] 通常、 40Gbpsの光受信モジュールでは、搭載されるフォトダイオードには側面入 射導波路型フォトダイオードが多く用いられる。これは、半導体面に光を入射する面 入射型フォトダイオードでは、電荷キャリア走行時間を減らす為に吸収層を薄くすると 、高い量子効率が得られないからである。一方、導波路型フォトダイオードは吸収層 の面内方向で光を吸収することにより、電荷キャリア走行時間が短いままで高い量子 効率が得られる。し力もながら、 40Gbps用導波路型素子においては、半導体吸収 層厚は、通常、 1 m以下である。この場合の光ファイバ一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レヽた。
[0122] これに対して、本発明によるフォトダイオードは、有効実効直径 20 a mを有してレ、る 。この為、結合トレランスを ± 2 m以上に取ることが可能となる。その結果、簡易なレ ンズ結合のみで光結合を行うことが出来る。これにより、光伝送用受信モジュールの 低コスト化が可能になる。
[0123] 因みに、図 21に示した本発明による 40Gbps光受信モジュールでは、波長 1. 55
伝送において、最小受信感度 12dBmが得られた。従って、通常の導波型フ オトダイオードを搭載した 40Gbps受信モジュールと特性的にも遜色の無いレベルが 実現出来てレ、ることが確認された。
[0124] [実施例 10]
図 22は、本発明のフォトダイオードを搭載した LSIチップ間光インターコネクト構成
[0125] 図 22中、光信号入力ファイバー 33からの光信号は凹面鏡 36により本発明によるフ オトダイオード 22に照射される。 850nmの波長の光を用いる場合、フォトダイオード の半導体材料は Siであり、この時の金属周期構造の凹凸周期は 600〜700nmであ る。 Si製のフォトダイオードは、金属周期構造体が作り出す近接場光を更に半導体 吸収層と光結合させることにより、光電流を発生する。これにより、フォトダイオード配 線層 29を通して LSIに光信号に対応した電流を流す。又、表面プラズモン共鳴を惹 き起こす金属周期構造を設けることにより、凹面鏡とフォトダイオードの位置に関する 結合トレランスを ± 1 μ m以上に取ることが出来る。
[0126] フォトダイオード配線層 32は LSIのフォトダイオード配線用ビア 29に電気的に接続 される。ここで、光信号の入力には光ファイバ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出来る。又、凹面鏡の代わりに凸レンズなどの集光機 構を用いることも出来る。又、フォトダイオードの直後のフォトダイオード配線層の途中 に電気信号増幅のためのプリアンプを置くことも出来る。
[0127] LSIからの電気信号は光源および変調用電気信号ビア 28から光源および変調用 電気配線層 31を通って電気変調機構を備えた VCSEL (面発光レーザ)光源 27によ り光信号に変換される。光信号は凹面鏡 36で反射されて光信号出力ファイバー 33 に送られる。電気変調機構を備えた VCSEL光源 27は、電気により光を変調する周 知の他の機構、例えば外部光源からの光を電気光学効果または熱光学効果により 変調するマッハツェンダー型の変調器により置き換えることが出来る。
[0128] ここで、通常の LSIチップ間インターコネクトにおいては、 20GHz以上の高速動作 を目的とする場合、搭載されるフォトダイオードは、応答高速化の為、 InP基板上に 成長させた InGaAs等の化合物半導体材料などが用いられる。しかしながら、化合物 半導体は Si半導体素子の製造プロセスとの整合性が悪ぐコストが高くなる。
[0129] これに対して、本発明のフォトダイオードは、 Siを用いることが出来る為、製造コスト を引き下げることが出来る。そして、図 22に示した本発明による光インターコネクトで は、約 40GHzの高速光電気変換動作が確認された。
[0130] この出願は、 2006年 12月 20曰に出願された曰本出願特願 2006— 342336を基 礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

請求の範囲
[1] 半導体層の表面に導電層が設けられたショットキー障壁型のフォトダイオードであ つて、
前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成され、 前記フォトダイオードのショットキー接合部の周囲には、前記半導体層の裏面側か ら入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が構成されてなる ことを特徴とするフォトダイオード。
[2] 半導体層の表面に設けられた p— i— n型のフォトダイオードであって、
前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成され、 前記フォトダイオードの p— i— n接合部の周囲には、導電層が設けられ、前記半導 体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が構成さ れてなる
ことを特徴とするフォトダイオード。
[3] 半導体層の表面に間隔をおいて配置された金属一半導体 金属接合を備えたフ オトダイオードであって、
前記フォトダイオードは、前記半導体層の裏面側から光が入射できるよう構成され、 前記フォトダイオードの金属一半導体 金属接合部の周囲には、導電層が設けら れ、前記半導体層の裏面側から入射した光が表面プラズモン共鳴を生じさせる周期 構造が構成されてなる
ことを特徴とするフォトダイオード。
[4] 半導体層の表面に配置された金属一半導体 金属接合の間隔は、 λ /η (但し、 λ：半導体層の裏面側から入射する光の波長、 η :半導体層における光の屈折率）以 下であり、
前記金属の層は、前記半導体とショットキー接合を形成する金属の層と表面プラズ モンを誘起することが可能な導電性材料からなる層とが積層されてなる層、又は前記 半導体とショットキー接合を形成することが可能で、かつ、表面プラズモンを誘起する ことが可能な金属の層からなる
ことを特徴とする請求項 3のフォトダイオード。
[5] 金属一半導体 金属接合は、対向する少なくとも一方の金属一半導体接合がショ ットキー障壁型の接合である
ことを特徴とする請求項 3又は請求項 4のフォトダイオード。
[6] 表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造が、凹凸が形成された半導体層の表面 に表面プラズモンを誘起することが可能な導電性層を積層した構造である ことを特徴とする請求項 1〜請求項 5いずれかのフォトダイオード。
[7] 表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造力、凹凸が形成された誘電体層の表面 に表面プラズモンを誘起することが可能な導電性層を積層した構造である ことを特徴とする請求項 1〜請求項 6いずれかのフォトダイオード。
[8] 表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造の外側に、表面プラズモン共鳴を生じさ せな!/、周期構造が構成されてなる
ことを特徴とする請求項 1〜請求項 7いずれかのフォトダイオード。
[9] 表面プラズモン共鳴を生じさせる周期構造の外側に、表面プラズモンを反射させる ための段差構造が構成されてなる
ことを特徴とする請求項 1〜請求項 8いずれかのフォトダイオード。
[10] 段差構造が、 λ /η (但し、 ηは導電膜に隣接する半導体層あるいは誘電体層に
d d
おける光の屈折率、 λは光の波長。）よりも高い突起形状からなる
ことを特徴とする請求項 9のフォトダイオード。
[11] 段差構造が、 λ /η (但し、 ηは導電膜に隣接する半導体層あるいは誘電体層に
d d
おける光の屈折率、 λは光の波長。）よりも深い溝形状からなる
ことを特徴とする請求項 9又は請求項 10のフォトダイオード。
[12] 段差構造が、導電性材料に設けられた入射光の波長以下の径の孔を配列した形 状からなる
ことを特徴とする請求項 9〜請求項 11いずれかのフォトダイオード。
[13] 段差構造が、導電性材料に設けられた入射光の波長以下の幅のスリットを配列した 形状からなる
ことを特徴とする請求項 9〜請求項 12いずれかのフォトダイオード。
[14] 導電性層が、 Al, Ag, Au, Cuの群の中から選ばれる少なくとも一つの金属あるい は合金で構成されてなる
ことを特徴とする請求項 9〜請求項 13いずれかのフォトダイオード。
[15] フォトダイオードにおける接合面積力 S、 100平方 m以下である
ことを特徴とする請求項 1〜； 14いずれかのフォトダイオード。
[16] フォトダイオードにおける接合面積力 10平方 m以下である
ことを特徴とする請求項 1〜； 14いずれかのフォトダイオード。
[17] フォトダイオードにおける接合面積力 S、 1平方 m以下である
ことを特徴とする請求項 1〜； 14いずれかのフォトダイオード。
[18] フォトダイオードにおける半導体吸収層の厚みが、 1 a m以下である
ことを特徴とする請求項 1〜； 17いずれかのフォトダイオード。
[19] フォトダイオードにおける半導体吸収層の厚みが、 200nm以下である
ことを特徴とする請求項 1〜； 17いずれかのフォトダイオード。
[20] フォトダイオードにおける半導体吸収層力 S、 Si, SixGel— x (但し、 xは 1未満の正 数）， Ge, GaN, GaAs, GalnAs, GalnP, InPの群の中から選ばれる少なくとも一 つで構成されてなる
ことを特徴とする請求項 1〜 19レ、ずれかのフォトダイオード。
[21] フォトダイオードにおける半導体吸収層が Ge, SixGel—x (但し、 Xは 1未満の正 数）の群の中から選ばれる少なくとも一つで構成されてなり、
前記半導体吸収層と導電層との間に Niと Geとの合金で構成されてなる層が設けら れてなる
ことを特徴とする請求項 1〜20いずれかのフォトダイオード。
[22] フォトダイオードが半導体からなる光導波路上に構成されてなる
ことを特徴とする請求項;!〜 21いずれかのフォトダイオード。
[23] 基板側に形成された光導波路からミラーにより反射された光をフォトダイオードが受 光できるよう構成されてなる
ことを特徴とする請求項;!〜 21いずれかのフォトダイオード。
[24] フォトダイオードの基板が入射光に対して透明な材料で構成されてなる
ことを特徴とする請求項 1〜23いずれかのフォトダイオード。
[25] 請求項 1〜24いずれかのフォトダイオードが受光部に設けられてなる ことを特徴とする光通信デバイス。
[26] 請求項 1〜24いずれかのフォトダイオードが構成された Si基板と、
前記 Si基板上に前記フォトダイオードとモノリシックに形成された LSI電子回路 とを具備することを特徴とする光インタコネクションモジュール。
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