WO2013160968A1 - フォトダイオード - Google Patents

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electrode
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light receiving
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三郎 麻生
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パイオニア株式会社
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/108—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the Schottky type
    • H01L31/1085—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the Schottky type the devices being of the Metal-Semiconductor-Metal [MSM] Schottky barrier type

Definitions

  • the present invention relates to a photodiode that forms a Schottky-type potential barrier.
  • the semiconductor layer is arranged on the surface of the semiconductor layer at a distance smaller than the wavelength ( ⁇ ) of the incident light, and the lower end portion has a depth smaller than ⁇ / 2n (n is the refractive index of the semiconductor layer).
  • ⁇ the wavelength of the incident light
  • n the refractive index of the semiconductor layer
  • a metal electrode that induces surface plasmon is embedded in a semiconductor layer by a distance smaller than ⁇ / 2n, which is the thickness through which near-field light oozes, and the region where the optical electric field intensity is maximum and light absorption
  • ⁇ / 2n the thickness through which near-field light oozes
  • the region where the optical electric field intensity is maximum and light absorption By matching the semiconductor depletion layer region, which is a layer, the light absorption layer is thinned to shorten the carrier transit time (high-speed response) and to obtain highly efficient sensitivity characteristics.
  • An object of the present invention is to provide a photodiode capable of obtaining high photosensitivity.
  • the photodiode of the present invention has a semiconductor layer and transparency to incident light, and is arranged on the surface of the semiconductor layer at a pitch less than or equal to the wavelength of the incident light, and at least a part of the depth direction is in the semiconductor layer And a light receiving electrode which is buried and forms a Schottky junction with the semiconductor layer.
  • the optical near field generated by the light receiving electrodes arranged at a pitch equal to or smaller than the wavelength of the incident light is transmitted between the end surface of the light receiving electrode and the semiconductor layer because the light receiving electrode is transparent to the incident light. It is formed not only at the interface but also at the interface between the surface of the light receiving electrode opposite to the light incident side and the semiconductor layer. Furthermore, by embedding a part or the whole of the light receiving electrode in the semiconductor layer, it is possible to increase the electric field strength of the generated optical near field and suppress dark current. Thus, high photosensitivity can be obtained by forming a large optical near field to increase photoexcited carriers and suppressing dark current.
  • the embedding depth of the light receiving electrode in the semiconductor layer is preferably 50 nm or less.
  • the semiconductor layer is preferably composed of SiC.
  • the electric field strength of the generated optical near field can be increased more effectively.
  • the incident light is preferably light in the deep ultraviolet wavelength region to the ultraviolet wavelength region.
  • the light receiving electrode has a concentric polygonal shape or a concentric circular structure.
  • the first electrode and the second electrode which are light receiving electrodes, form an MSM structure in which the first and second electrodes are alternately arranged on the surface of the semiconductor layer.
  • the generated carriers are transferred to the electrode on the back surface side. Since it does not disappear before it is pulled out, a high photocurrent can be obtained.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the MSM photodiode taken along line AA in FIG. 1. It is a figure which shows the manufacturing method of a MSM photodiode. It is a figure which shows the other manufacturing method of a MSM photodiode. It is a figure which shows the image of the optical near field formed in a MSM photodiode. It is sectional drawing which shows the structure of the 1st modification of the MSM photodiode which concerns on 1st Embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of an MSM photodiode according to a third modification, taken along the line BB in FIG. It is a figure which shows the structure of the Schottky barrier type
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a Schottky barrier type photodiode taken along line CC in FIG. 10.
  • the MSM photodiode 100 includes a semiconductor layer 110 and a light receiving electrode 120 formed on the surface (light incident surface) of the semiconductor layer 110.
  • the semiconductor layer 110 is composed of an n-type semiconductor or a p-type semiconductor.
  • the n-type semiconductor or p-type semiconductor is composed of, for example, a compound semiconductor such as SiC, GaN, or ZnO, or a single semiconductor such as Si, Ge, or diamond, and is preferably composed of SiC.
  • incident light is light in the deep ultraviolet wavelength region to the ultraviolet wavelength region (about 200 to 400 nm). ) Is preferable.
  • the light receiving electrode 120 is composed of a first electrode 121 and a second electrode 122 that are transmissive to incident light and that form a Schottky junction with the semiconductor layer 110.
  • the first electrode 121 serves as a cathode electrode
  • the second electrode 122 serves as an anode electrode, but the reverse is also possible.
  • the first electrode 121 and the second electrode 122 are made of a conductive material, such as metals such as Au, Ag, Pt, Al, Rh, and Os, ITO (Indium Tin Oxide), IZO (Indium Zinc Oxide).
  • An oxide such as GZO (Gallium-doped Zinc Oxide) can be used.
  • the thickness of the first electrode 121 and the second electrode 122 (tm, see FIG. 2) may be any thickness that can transmit incident light, and depends on the material, but is preferably 100 nm or less, and 50 nm. The following is more preferable.
  • the first electrode 121 has a plurality of (three in the figure) first rectangular portions 121a arranged in a concentric rectangular shape at equal intervals, and has a structure in which the plurality of first rectangular portions 121a are connected to each other. is doing.
  • the second electrode 122 has a plurality (double in the drawing) of second rectangular portions 122a arranged in a concentric rectangular shape at equal intervals, and the plurality of second rectangular portions 122a are connected to each other. It has a structure.
  • the first electrode 121 and the second electrode 122 are arranged in such a manner that the first rectangular portions 121a and the second rectangular portions 122a are alternately arranged in a concentric rectangular shape and at a constant arrangement pitch (P, see FIG. 2).
  • the light receiving electrode 120 has a concentric rectangular shape as a whole. Since the light receiving electrode 120 has a concentric rectangular structure, a portion where the light receiving electrode 120 extends so as to be as perpendicular as possible to an arbitrary polarization direction of incident light is formed as compared with a case where the light receiving electrode 120 has a comb structure. Therefore, a substantially constant light receiving efficiency can be exhibited regardless of the polarization direction of the incident light.
  • the light receiving electrode 120 has a concentric rectangular shape, but the same effect can be obtained even if it has a concentric polygonal shape such as a hexagonal shape or an octagonal shape or a concentric circular shape.
  • the arrangement pitch (P) between the first electrode 121 (first rectangular portion 121a) and the second electrode 122 (second rectangular portion 122a) is equal to or less than the wavelength ( ⁇ ) of incident light.
  • the gap (S) between the first electrode 121 (first rectangular portion 121a) and the second electrode 122 (first rectangular portion 121a) is 1 ⁇ 2 or less of the wavelength ( ⁇ ) of incident light.
  • first electrode 121 and the second electrode 122 in the depth direction is embedded in the semiconductor layer 110. That is, in the semiconductor layer 110, a portion where the first electrode 121 and the second electrode 122 are embedded is a concentric rectangular groove 111.
  • This embedding depth (h) is preferably 50 nm or less, whereby dark current can be effectively suppressed.
  • the MSM photodiode 100 can be manufactured using a known semiconductor manufacturing technique, and can be manufactured, for example, as follows.
  • FIG. 3 shows a manufacturing method in the case where a part of the light receiving electrode 120 in the depth direction is embedded in the semiconductor layer 110.
  • a pattern of a photoresist 133 corresponding to the pattern of the light receiving electrode 120 is formed on a substrate 131 made of an n-type semiconductor or a p-type semiconductor to be the semiconductor layer 110 (FIG. 3B).
  • the substrate 131 is etched using this resist pattern as a protective film (FIG. 3C).
  • an electrode material 132 to be the light receiving electrode 120 is formed by vacuum deposition or sputtering (FIG. 3D).
  • the photoresist 133 is removed (lifted off) by ultrasonic cleaning using a resist stripping solution (FIG. 3E).
  • FIG. 4 shows a manufacturing method in the case where the entire light receiving electrode 120 is embedded in the semiconductor layer 110.
  • a pattern of a photoresist 133 corresponding to the pattern of the light receiving electrode 120 is formed on a substrate 131 made of an n-type semiconductor or a p-type semiconductor to be the semiconductor layer 110 (FIG. 3B).
  • the substrate 131 is etched using this resist pattern as a protective film (FIG. 3C).
  • the photoresist 133 is removed by plasma ashing or ultrasonic cleaning (FIG. 3D).
  • an electrode material 132 to be the light receiving electrode 120 is formed by vacuum deposition or sputtering (FIG. 3E).
  • the electrode material 132 is polished by chemical mechanical polishing (FIG. 3F).
  • the MSM photodiode 100 configured as described above can form a large optical near field N as compared with the conventional MSM photodiode 100.
  • the optical near field N is not only on the interface between the end face of the first electrode 121 or the end face of the second electrode 122 and the semiconductor layer 110 but also on the side opposite to the light incident side of the first electrode 121 or the second electrode 122. It is also formed at the interface between the surface and the semiconductor layer 110.
  • the MSM photodiode 100 of the present embodiment does not disappear before the generated carriers are extracted by the back side electrode. High photocurrent can be obtained.
  • each modification has substantially the same configuration as that of the MSM photodiode 100 described above, and the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
  • the groove 111 of the semiconductor layer 110 is tapered, that is, the groove bottom portion is larger than the groove width at the upper portion of the groove opening in order to suppress the leakage current.
  • the groove width is narrowed.
  • the MSM photodiode 100 according to the second modification is not embedded in the semiconductor layer 110 in the light receiving electrode 120 (the first electrode 121 and the second electrode 122) in order to suppress leakage current.
  • the upper width end is formed in an eaves shape extending outward in the width direction.
  • the MSM photodiode 100 of the third modification is embedded in the semiconductor layer 110 in the light receiving electrode 120 (the first electrode 121 and the second electrode 122) in order to suppress the leakage current.
  • a non-embedded portion 123 may be provided.
  • the groove 111 formed in the semiconductor layer 110 is a combination of the linear grooves 111. If the light receiving electrode 120 has a concentric structure, the groove 111 of the semiconductor layer 110 may be a combination of the grooves 111 on the arc.
  • the Schottky barrier photodiode has substantially the same configuration as the MSM photodiode of the first embodiment described above, and will be described below with a focus on differences from the first embodiment, with the same components as the first embodiment. The detailed description is omitted. Moreover, the modification applied about the component similar to 1st Embodiment is applied similarly about 2nd Embodiment.
  • the Schottky barrier photodiode 200 includes a semiconductor layer 210, a light receiving electrode 220 formed on the front surface (light incident surface) of the semiconductor, and a back surface (light) of the semiconductor layer 210. And an electrode layer 230 formed on the surface opposite to the incident surface.
  • the light receiving electrode 220 serves as an anode electrode
  • the electrode layer 230 serves as a cathode electrode.
  • the light receiving electrode 220 is transmissive to incident light and forms a Schottky junction with the semiconductor layer 210.
  • the light receiving electrode 220 has a concentric rectangular structure.
  • the light receiving electrode 220 has a plurality (5 layers in FIG. 10) of rectangular portions arranged in a concentric rectangular shape and at a constant arrangement pitch (P, see FIG. 11), and the plurality of rectangular portions are connected to each other. Has a structured.
  • the arrangement pitch (P) of the light receiving electrodes 220 is equal to or less than the wavelength ( ⁇ ) of incident light, and the gap between the rectangular portions ( S) is 1 ⁇ 2 or less of the wavelength ( ⁇ ) of the incident light. Furthermore, at least a part of the light receiving electrode 220 in the depth direction is embedded in the semiconductor layer 210. That is, in the semiconductor layer 210, the portion where the light receiving electrode 220 is embedded is a groove 211. This embedding depth (h) is preferably 50 nm or less.
  • the electrode layer 230 is formed on the entire back surface of the semiconductor layer 210 and forms an ohmic junction with the semiconductor layer 210.
  • the electrode layer 230 is made of a conductive material, and the same material as the light receiving electrode 220 can be used.
  • the Schottky barrier photodiode 200 configured as described above can be manufactured in the same manner as the MSM photodiode manufacturing method of the first embodiment described above.
  • the Schottky barrier photodiode 200 can form a larger optical near field N as compared with the conventional Schottky barrier photodiode 200, similarly to the MSM photodiode of the first embodiment.
  • FIG. 12A shows a conventional MSM photodiode 300 (type A)
  • FIG. 12B shows an MSM photodiode 100 (type B) according to this embodiment
  • the semiconductor layers 310, 110, and 410 are all n-type 4H—SiC having a thickness of 0.3 ⁇ m.
  • the light receiving electrodes 320, 120, and 420 were made of Al having a thickness (tm) of 8 nm for all three types.
  • the arrangement pitch (P) of the light receiving electrodes 320 and 120 was 200 nm, and the gap (S) between the light receiving electrodes 320 and 120 was 150 nm.
  • the entire light incident surface is the light receiving electrode 420.
  • reference numerals 341, 141, and 441 are periodic boundaries
  • reference numerals 342, 142, and 442 are absorption boundaries
  • reference numerals 343, 143, and 443 are calculated electric field positions
  • the distance from the boundaries 341, 141, 441 is a position of 20 nm.
  • the wavelength ( ⁇ ) of the incident light was 300 nm.
  • the penetration depth of incident light having a wavelength ( ⁇ ) of 300 nm is about 100 nm or less in SiC. Since the number of excited carriers is small outside this intrusion region, all of them are recombined at the trap site and do not contribute to the photocurrent, and only the photoexcited carrier in this region becomes an effective photocurrent.
  • FIG. 13 shows a simulation result for the optical electric field distribution E (y).
  • the optical electric field immediately below the light receiving electrodes 320, 120, and 420 includes the optical electric field E ONF (region of ONF_SiC in FIG. 13) in the optical near field N and the optical electric field E OF in the semiconductor layers 310, 110, and 410 (of OF_SiC in FIG. 13). Area).
  • the optical electric field in the semiconductor layers 310, 110, and 410 is not so different between the type B according to the present embodiment and the conventional type A or type C, but the optical electric field in the optical near field N is type B. Compared with type A and type C, the value was high.
  • the optical sensitivity is estimated from the optical electric field Eopt obtained from the simulation result by the FDTD method.
  • the optical power density W is obtained from the optical electric field Eopt by the following equation.
  • W ⁇
  • Gopt ⁇ ⁇ W / Eph ( ⁇ : quantum yield, Eph: photon energy) Therefore, the optical sensitivity is ideally approximated as follows: Photosensitivity ⁇ Number of excited carriers ⁇
  • the optical electric field immediately below the light receiving electrodes 320, 120, 420 is considered to be divided into an optical electric field in the optical near field N and an optical electric field in the semiconductor layers 310, 110, 410, and the number of excited carriers in the optical near field N is considered.
  • N Number of excited carriers in optical near field N ⁇ ⁇ E ONF 2 ⁇ ( ⁇ E ONF 2 / ⁇ y) ( ⁇ : index conversion coefficient)
  • the photosensitivity is expressed as follows. Photosensitivity ⁇ Total number of excited carriers ⁇ E OF 2 + ⁇ ⁇ E ONF 2 ⁇ ( ⁇ E ONF 2 / ⁇ y)
  • the type B according to the present embodiment has a photosensitivity that is twice or more that of the conventional type A, and a photosensitivity that is four times or more that of the conventional type C. It was done.
  • FIG. 15A shows a conventional Schottky barrier photodiode 500 (type D), and FIG. 15B shows a Schottky barrier photodiode 200 (type E) according to the present embodiment.
  • FIG. 15C shows a conventional Schottky barrier photodiode 600 (type F).
  • the semiconductor layers 510, 210, and 610 are all n-type 4H—SiC having a thickness of 0.3 ⁇ m.
  • the light receiving electrodes 520, 220, and 620 (anode electrodes) were all made of Al having a thickness (tm) of 8 nm.
  • the arrangement pitch (P) of the light receiving electrodes 520 and 220 is 200 nm, and the gap (S) between the light receiving electrodes 520 and 220 is 150 nm.
  • the entire light incident surface is the light receiving electrode 620.
  • electric field layers 530, 230, and 630 cathode electrodes) are formed on the surface opposite to the light incident side.
  • a standard physical model (such as Barrier lowering) was adopted for the Schottky contact current.
  • DESSIS SiC model considering doping SRH (Shockley-Read-Hall), Auger effect, avalanche effect and the like was used.
  • FIG. 16 shows a simulation result of reverse current IV characteristics of dark current in the MSM photodiodes 100 and 300.
  • dark current leakage current
  • FIG. 17 shows a simulation result of reverse current IV characteristics of dark current in the Schottky barrier photodiodes 200, 500, and 600.
  • the MSM photodiode 100 and the Schottky barrier photodiode 200 of this embodiment form a large optical near field N to increase photoexcited carriers and suppress dark current, thereby achieving high photosensitivity. Can be obtained.

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Abstract

　本発明は、高い光感度を得ることができるフォトダイオードを提供することを課題としている。　上記課題の解決手段として、半導体層１１０と、入射光に対して透過性を有すると共に、半導体層１１０の表面に、入射光の波長（λ）以下のピッチ（Ｐ）で配列され、深さ方向の少なくとも一部が半導体層１１０に埋め込まれ、半導体層１１０とショットキー接合を形成する受光電極１２０とを備え、好ましくは、半導体層１１０に対する受光電極１２０の埋込み深さ（ｈ）を、５０ｎｍ以下とする。

Description

フォトダイオード
　本発明は、ショットキー型の電位障壁を形成するフォトダイオードに関するものである。
　従来、半導体層と、半導体層の表面に、入射光の波長（λ）より小さい間隔で配列され、下端部がλ／２ｎ（ｎは半導体層の屈折率）より小さい深さとなる位置まで半導体層に埋め込まれ、半導体層とショットキー接合を形成する金属電極と、を備えたフォトダイオードが知られている（特許文献１参照）。このフォトダイオードは、表面プラズモンを誘起する金属電極を、近接場光が浸み出す厚さであるλ/２ｎよりも小さい距離だけ半導体層中に埋め込み、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で、光吸収層を薄くしてキャリア走行時間を短く（高速応答性）しつつ、高効率な感度特性を得ようとしたものである。
再公表特許ＷＯ２００７／１０５５９３号
　しかしながら、従来のフォトダイオードでは、入射光により金属電極の表面に表面プラズモンが誘起されるものの、金属電極が入射光を透過するものではないため、それによって形成される光近接場は小さく、光励起光率が低くなってしまい、十分な光感度を得ることができないという問題があった。すなわち、図１８に示すように、従来のフォトダイオード７００では、大きな光近接場Ｎが、金属電極７０２の端面と半導体層７０１との界面にしか形成されず、金属電極７０２の光入射側とは反対側の面と半導体層７０１との界面に形成されるものではなかった。
　本発明は、高い光感度を得ることができるフォトダイオードを提供することを目的とする。
　本発明のフォトダイオードは、半導体層と、入射光に対して透過性を有すると共に、半導体層の表面に、入射光の波長以下のピッチで配列され、深さ方向の少なくとも一部が半導体層に埋め込まれ、半導体層とショットキー接合を形成する受光電極と、を備えたことを特徴とする。
　この構成によれば、入射光の波長以下のピッチで配列された受光電極により発生する光近接場は、受光電極が入射光に対して透過性を有するため、受光電極の端面と半導体層との界面のみならず、受光電極の光入射側とは反対側の面と半導体層との界面にも形成される。さらに、受光電極の一部または全体を半導体層に埋め込んだことで、発生する光近接場の電界強度を高めると共に、暗電流を抑制することができる。このように、大きな光近接場を形成して光励起キャリアを増大させると共に、暗電流を抑制することで、高い光感度を得ることができる。
　この場合、半導体層に対する受光電極の埋込み深さが、５０ｎｍ以下であることが好ましい。
　この構成によれば、暗電流をより効果的に抑制することができる。
　この場合、半導体層が、ＳｉＣから構成されることが好ましい。
　この構成によれば、発生する光近接場の電界強度をより効果的に高めることができる。
　また、この場合、入射光は、深紫外波長領域から紫外波長領域の光であることが好ましい。
　この場合、受光電極が、同心多角形状または同心円状の構造を有することが好ましい。
　この構成によれば、入射光の任意の偏光方向に対して、受光電極がなるべく直交するように延在する箇所を形成することができるため、入射光の偏光方向によらず、略一定の受光効率を示すようにすることができる。
　この場合、受光電極である第１電極および第２電極が、半導体層の表面に交互に配列されたＭＳＭ構造を形成していることが好ましい。
　この構成によれば、第１電極および第２電極のうち一方の電極を半導体層の表面に設け、他方の電極を半導体層の裏面に設けた場合に比べ、発生したキャリアが裏面側の電極に引き抜かれる前に消滅してしまうことがないため、高い光電流を得ることができる。
本発明の第１実施形態に係るＭＳＭフォトダイオードの構造を示す図である。 図１のＡ－Ａ線に沿って切断した、ＭＳＭフォトダイオードの断面図である。 ＭＳＭフォトダイオードの製造方法を示す図である。 ＭＳＭフォトダイオードの他の製造方法を示す図である。 ＭＳＭフォトダイオードにおいて形成される光近接場のイメージを示す図である。 第１実施形態に係るＭＳＭフォトダイオードの第１変形例の構造を示す断面図である。 第１実施形態に係るＭＳＭフォトダイオードの第２変形例の構造を示す断面図である。 第１実施形態に係るＭＳＭフォトダイオードの第３変形例の構造を示す図である。 図８のＢ－Ｂ線に沿って切断した、第３変形例のＭＳＭフォトダイオードの断面図である。 本発明の第２実施形態に係るショットキーバリア型フォトダイオードの構造を示す図である。 図１０のＣ－Ｃ線に沿って切断した、ショットキーバリア型フォトダイオードの断面図である。 光電界分布に関するＦＤＴＤ法シミュレーションに用いたフォトダイオードの構造を示す図であり、（ａ）は、従来型のＭＳＭフォトダイオード（タイプＡ）、（ｂ）は、本実施形態に係るＭＳＭフォトダイオード（タイプＢ）、（ｃ）は、従来型のショットキーバリア型フォトダイオード（タイプＣ）である。 ＦＤＴＤ法シミュレーションにより得られた光電界分布を示すグラフである。 ＦＤＴＤ法シミュレーションにより得られた光電界分布から光感度を推算した結果を示す表である。 暗電流に関するシミュレーションに用いたフォトダイオードの構造を示す図であり、（ａ）は、従来型のショットキーバリア型フォトダイオード（タイプＤ）、（ｂ）は、本実施形態に係るショットキーバリア型フォトダイオード（タイプＥ）、（ｃ）は、従来型のショットキーバリア型フォトダイオード（タイプＦ）である。 シミュレーションにより得られたＭＳＭフォトダイオードの暗電流の逆方向Ｉ－Ｖ特性を示すグラフである。 シミュレーションにより得られたショットキーバリア型フォトダイオードの暗電流の逆方向Ｉ－Ｖ特性を示すグラフである。 従来技術に係るＭＳＭフォトダイオードにおいて形成される光近接場のイメージを示す図である。
　以下、添付の図面を参照して、本発明の第１実施形態に係るＭＳＭ（金属－半導体－金属）フォトダイオード（フォトディテクター）について説明する。図１に示すように、ＭＳＭフォトダイオード１００は、半導体層１１０と、半導体層１１０の表面（光入射面）に形成された受光電極１２０とを備えている。
　半導体層１１０は、ｎ型半導体またはｐ型半導体で構成されている。ｎ型半導体またはｐ型半導体は、例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＺｎＯなどの化合物半導体、またはＳｉ、Ｇｅ、ダイヤモンドなどの単体半導体から構成され、ＳｉＣから構成されることが好ましい。
　半導体層１１０がＳｉＣから構成されている場合、後述する光近接場Ｎ（図５参照）の電界強度を高めるために、入射光は、深紫外波長領域から紫外波長領域の光（２００～４００ｎｍ程度）であることが好ましい。
　受光電極１２０は、入射光に対して透過性を有すると共に、半導体層１１０とショットキー接合を形成する第１電極１２１および第２電極１２２から構成されている。第１電極１２１がカソード電極、第２電極１２２がアノード電極となるが、その逆でもよい。第１電極１２１および第２電極１２２は、導電性を有する材料で構成されており、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｏｓなどの金属、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）、ＧＺＯ（Gallium-doped Zinc Oxide）などの酸化物を用いることができる。第１電極１２１および第２電極１２２の厚さ（ｔｍ、図２参照）は、入射光を透過可能な厚さであればよく、その材料にもよるが、１００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがより好ましい。
　第１電極１２１は、同心矩形状に且つ等間隔に配列された複数（図示では３重）の第１矩形部１２１ａを有し、複数の第１矩形部１２１ａが相互に接続された構造を有している。同様に、第２電極１２２は、同心矩形状に且つ等間隔に配列された複数（図示では２重）の第２矩形部１２２ａを有し、複数の第２矩形部１２２ａが相互に接続された構造を有している。第１電極１２１および第２電極１２２は、第１矩形部１２１ａおよび第２矩形部１２２ａが交互に同心矩形状に且つ一定の配列ピッチ（Ｐ、図２参照）で配列するようにして、半導体層１１０の表面に形成されており、受光電極１２０は、全体として同心矩形状の構造となっている。受光電極１２０が同心矩形状の構造を有することで、櫛形の構造とした場合に比べ、入射光の任意の偏光方向に対して、受光電極１２０がなるべく直交するように延在する箇所を形成することができるため、入射光の偏光方向によらず、略一定の受光効率を示すようにすることができる。
　なお、本実施形態では、受光電極１２０を同心矩形状としたが、六角形、八角形などの同心多角形状や、同心円状であっても同様の効果を得ることができる。
　図２に示すように、第１電極１２１（第１矩形部１２１ａ）と第２電極１２２（第２矩形部１２２ａ）との配列ピッチ（Ｐ）が、入射光の波長（λ）以下となると共に、第１電極１２１（第１矩形部１２１ａ）と第２電極１２２（第１矩形部１２１ａ）との間隙（Ｓ）は、入射光の波長（λ）の１／２以下となっている。これにより、半導体層１１０に入射する入射光は、光近接場Ｎを形成するものとなる。
　さらに、第１電極１２１および第２電極１２２は、深さ方向における少なくとも一部が、半導体層１１０に埋め込まれている。すなわち、半導体層１１０において、第１電極１２１および第２電極１２２が埋め込まれた部分は、同心矩形状の溝１１１となっている。この埋込み深さ（ｈ）は、５０ｎｍ以下であることが好ましく、これにより、暗電流を効果的に抑制することができる。
　続いて、ＭＳＭフォトダイオード１００の製造方法について簡単に説明する。ＭＳＭフォトダイオード１００は、公知の半導体製造技術を用いて製造可能であり、例えば、以下のようにして製造することができる。
　図３に、受光電極１２０の深さ方向の一部を半導体層１１０に埋め込む場合の製造方法を示す。まず、半導体層１１０となるｎ型半導体またはｐ型半導体で構成された基板１３１上に、受光電極１２０のパターンに対応したフォトレジスト１３３のパターンを形成する（図３（ｂ））。次に、このレジストパターンを保護膜として、基板１３１をエッチングする（図３（ｃ））。続いて、真空蒸着またはスパッタ成膜により、受光電極１２０となる電極材料１３２を成膜する（図３（ｄ））。そして、レジスト剥離液を用いた超音波洗浄により、フォトレジスト１３３を除去（リフトオフ）する（図３（ｅ））。
　図４に、受光電極１２０の全体を半導体層１１０に埋め込む場合の製造方法を示す。まず、半導体層１１０となるｎ型半導体またはｐ型半導体で構成された基板１３１上に、受光電極１２０のパターンに対応したフォトレジスト１３３のパターンを形成する（図３（ｂ））。次に、このレジストパターンを保護膜として、基板１３１をエッチングする（図３（ｃ））。続いて、プラズマアッシングまたは超音波洗浄により、フォトレジスト１３３を除去する（図３（ｄ））。その上で、真空蒸着またはスパッタ成膜により、受光電極１２０となる電極材料１３２を成膜する（図３（ｅ））。そして、化学機械研磨により、電極材料１３２を研磨する（図３（ｆ））。
　図５に示すように、以上のように構成されたＭＳＭフォトダイオード１００は、従来型のＭＳＭフォトダイオード１００に比べ、大きな光近接場Ｎを形成することができる。すなわち、光近接場Ｎが、第１電極１２１の端面や第２電極１２２の端面と半導体層１１０との界面のみならず、第１電極１２１や第２電極１２２の光入射側とは反対側の面と半導体層１１０との界面にも形成される。また、本実施形態のＭＳＭフォトダイオード１００は、後述する第２実施形態のショットキーバリア型フォトダイオードとは異なり、発生したキャリアが裏面側の電極に引き抜かれる前に消滅してしまうことがないため、高い光電流を得ることができる。
　続いて、第１実施形態に係るＭＳＭフォトダイオード１００の変形例について説明する。各変形例は、上記のＭＳＭフォトダイオード１００と略同様の構成であり、第１実施形態と同様の構成部分については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
　図６に示すように、第１変形例のＭＳＭフォトダイオード１００は、リーク電流の抑制のために、半導体層１１０の溝１１１をテーパー形状に、すなわち、溝開口上部の溝幅よりも溝底部の溝幅を狭くしたものである。
　図７に示すように、第２変形例のＭＳＭフォトダイオード１００は、リーク電流の抑制のために、受光電極１２０（第１電極１２１および第２電極１２２）において、半導体層１１０に埋め込まれていない上部の幅端を、幅方向外側に延びた、ひさし状に形成したものである。
　図８および図９に示すように、第３変形例のＭＳＭフォトダイオード１００は、リーク電流の抑制のために、受光電極１２０（第１電極１２１および第２電極１２２）において、半導体層１１０に埋め込まない部分（非埋込み部１２３）を設けてもよく、例えば、同心矩形状の角部を非埋込み部１２３とする。この場合、半導体層１１０に形成される溝１１１は、直線状の溝１１１を組み合わせたものとなる。なお、受光電極１２０が同心円状の構造を有する場合は、半導体層１１０の溝１１１を、円弧上の溝１１１の組み合わせとすればよい。
　次に、本発明の第２実施形態に係るショットキーバリア型フォトダイオードについて説明する。ショットキーバリア型フォトダイオードは、上記の第１実施形態のＭＳＭフォトダイオードと略同様の構成であり、以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成部分については詳細な説明を省略する。また、第１実施形態と同様の構成部分について適用される変形例は、第２実施形態についても同様に適用される。
　図１０に示すように、第２実施形態のショットキーバリア型フォトダイオード２００は、半導体層２１０と、半導体の表面（光入射面）に形成された受光電極２２０と、半導体層２１０の裏面（光入射面とは反対側の面）に形成された電極層２３０とを備えている。受光電極２２０は、アノード電極となり、電極層２３０は、カソード電極となる。
　受光電極２２０は、入射光に対して透過性を有すると共に、半導体層２１０とショットキー接合を形成する。受光電極２２０は、同心矩形状の構造となっている。すなわち、受光電極２２０は、同心矩形状に且つ一定の配列ピッチ（Ｐ、図１１参照）で配列された複数（図１０では５重）の矩形部を有し、複数の矩形部が相互に接続された構造を有している。
　図１１に示すように、ショットキーバリア型フォトダイオード２００は、受光電極２２０（矩形部）の配列ピッチ（Ｐ）が、入射光の波長（λ）以下となると共に、矩形部相互間の間隙（Ｓ）は、入射光の波長（λ）の１／２以下となっている。さらに、受光電極２２０は、深さ方向における少なくとも一部が、半導体層２１０に埋め込まれている。すなわち、半導体層２１０において、受光電極２２０が埋め込まれた部分は、溝２１１となっている。この埋込み深さ（ｈ）は、５０ｎｍ以下であることが好ましい。
　一方、電極層２３０は、半導体層２１０の裏面全体に形成され、半導体層２１０とオーミック接合を形成する。電極層２３０は、導電性を有する材料で構成されており、受光電極２２０と同様のものを用いることができる。
　以上のように構成されたショットキーバリア型フォトダイオード２００は、上述した第１実施形態のＭＳＭフォトダイオードの製造方法と同様にして、製造することができる。そして、ショットキーバリア型フォトダイオード２００は、第１実施形態のＭＳＭフォトダイオードと同様に、従来型のショットキーバリア型フォトダイオード２００に比べ、大きな光近接場Ｎを形成することができる。
　続いて、本実施形態のＭＳＭフォトダイオード１００およびショットキーバリア型フォトダイオード２００が形成する光電界に関して、ＦＤＴＤ法（Finite Difference Time Domain method）によるシミュレーションを行った結果について説明する。シミュレーションは、図１２に示した３タイプのフォトダイオードについて行った。図１２（ａ）は、従来型のＭＳＭフォトダイオード３００（タイプＡ）であり、図１２（ｂ）は、本実施形態に係るＭＳＭフォトダイオード１００（タイプＢ）であり、図１２（ｃ）は、従来型のショットキーバリア型フォトダイオード４００（タイプＣ）である。半導体層３１０，１１０，４１０は、３タイプのいずれも、厚さ０．３μｍのｎ型４Ｈ－ＳｉＣとした。受光電極３２０，１２０，４２０は、３タイプのいずれも、厚さ（ｔｍ）が８ｎｍのＡｌとした。タイプＡおよびタイプＢでは、受光電極３２０，１２０の配列ピッチ（Ｐ）を２００ｎｍ、受光電極３２０，１２０相互間の間隙（Ｓ）を１５０ｎｍとした。タイプＡでは、受光電極３２０が半導体層３１０に埋め込まれておらず（埋込み深さ：ｈ＝０ｎｍ）、タイプＢでは、受光電極１２０の全体が半導体層１１０に埋め込まれている（埋込み深さ：ｈ＝８ｎｍ）。一方、タイプＣは、光入射面の全面が受光電極４２０である。
　図１２（ａ）～（ｃ）において、符号３４１、１４１，４４１は周期境界であり、符号３４２、１４２，４４２は吸収境界であり、符号３４３、１４３，４４３は計算電界位置であって、周期境界３４１、１４１，４４１からの距離が２０ｎｍの位置である。また、入射光の波長（λ）は３００ｎｍとした。なお、波長（λ）が３００ｎｍの入射光の侵入深さは、ＳｉＣでは１００ｎｍ以下程度である。この侵入領域外では励起キャリア数が少ないためにトラップサイトですべて再結合し光電流には寄与せず、この領域内の光励起キャリアのみが有効な光電流になる。
　図１３に、光電界分布Ｅ（ｙ）についてのシミュレーション結果を示す。受光電極３２０，１２０，４２０直下の光電界は、光近接場Ｎの光電界ＥＯＮＦ（図１３のONF_SiCの領域）と半導体層３１０，１１０，４１０内の光電界ＥＯＦ（図１３のOF_SiCの領域）とに区分される。半導体層３１０，１１０，４１０内の光電界は、本実施形態に係るタイプＢと、従来型のタイプＡやタイプＣとで、あまり変わらないが、光近接場Ｎの光電界については、タイプＢは、タイプＡやタイプＣに比較して、高い値を示した。
　続いて、ＦＤＴＤ法によるシミュレーション結果から得られた光電界Ｅｏｐｔから光感度を推算する。まず、光パワー密度Ｗは光電界Ｅｏｐｔから次式により求められる。
　　Ｗ＝σ｜Ｅｏｐｔ｜２　（σ：nonzero conductivity）
　また、一般に、光励起キャリア生成率Ｇｏｐｔは、この光パワー密度に比例し、次式で求められる。
　　Ｇｏｐｔ＝η・Ｗ／Ｅｐｈ
　　（η：quantum yield、Ｅｐｈ：photon energy）
　したがって、光感度を次式のように理想近似する。
　　　光感度∝励起キャリア数∝｜Ｅｏｐｔ｜２
　ここで、受光電極３２０，１２０，４２０直下の光電界を、光近接場Ｎの光電界と半導体層３１０，１１０，４１０内の光電界とに区分して考え、光近接場Ｎの励起キャリア数については、次式を仮定する（米満広樹「非断熱過程を利用した近接場光リソグラフィとその応用」東京大学大学院工学系研究科電子工学専攻修士論文（２００７年）参照）
　　光近接場Ｎの励起キャリア数∝α・ＥＯＮＦ ２・（ΔＥＯＮＦ ２／Δｙ）
　　（α：指標換算係数）
　これを踏まえると、光感度は以下のように表される。
　　光感度∝全励起キャリア数∝ＥＯＦ ２＋α・ＥＯＮＦ ２・（ΔＥＯＮＦ ２／Δｙ）
　上記の式を用いて光電界分布Ｅ（ｙ）から光感度を推算した結果を図１４に示す。
　この結果から、本実施形態に係るタイプＢは、従来型であるタイプＡに比べ、２倍以上の光感度を、従来型であるタイプＣに比べ、４倍以上の光感度を有するものと推算された。
　続いて、暗電流に関するシミュレーションを行った。シミュレーションは、上述した、従来型のＭＳＭフォトダイオード３００（タイプＡ）および本実施形態に係るＭＳＭフォトダイオード１００（タイプＢ）について行うと共に、図１５に示した３タイプのショットキーバリア型フォトダイオード２００，５００，６００について行った。
　図１５（ａ）は、従来型のショットキーバリア型フォトダイオード５００（タイプＤ）であり、図１５（ｂ）は、本実施形態に係るショットキーバリア型フォトダイオード２００（タイプＥ）であり、図１５（ｃ）は、従来型のショットキーバリア型フォトダイオード６００（タイプＦ）である。半導体層５１０，２１０，６１０は、３タイプのいずれも、厚さ０．３μｍのｎ型４Ｈ－ＳｉＣとした。受光電極５２０，２２０，６２０（アノード電極）は、３タイプのいずれも、厚さ（ｔｍ）が８ｎｍのＡｌとした。タイプＤおよびタイプＥは、受光電極５２０，２２０の配列ピッチ（Ｐ）を２００ｎｍ、受光電極５２０，２２０相互間の間隙（Ｓ）を１５０ｎｍとした。タイプＤでは、受光電極５２０が半導体層５１０に埋め込まれておらず（埋込み深さ：ｈ＝０ｎｍ）、タイプＥでは、受光電極２２０の全体が半導体層２１０に埋め込まれている（埋込み深さ：ｈ＝８ｎｍ）。一方、タイプＦは、光入射面の全面が受光電極６２０である。そして、３タイプのいずれも、光入射側の反対側の面に、電界層５３０，２３０，６３０（カソード電極）が形成されているものとした。
　なお、シミュレーションにおいて、ショットキーコンタクト電流については、標準の物理モデル（Barrier loweringなど）を採用した。また、生成再結合モデルとしては、ドーピングＳＲＨ（Shockley-Read-Hall）、オージェ効果、アバランシェ効果などを考慮したDESSIS SiC Modelを用いた。
　図１６に、ＭＳＭフォトダイオード１００，３００における、暗電流の逆方向Ｉ－Ｖ特性のシミュレーション結果を示す。本実施形態に係るタイプＢでは、従来型のタイプＡに比べ、暗電流（リーク電流）が抑制された結果となった。
　図１７に、ショットキーバリア型フォトダイオード２００，５００，６００における、暗電流の逆方向Ｉ－Ｖ特性のシミュレーション結果を示す。本実施形態に係るタイプＥでは、従来型のタイプＤに比べ、暗電流が小さく、光入射面の全面を受光電極６２０としたタイプＦと同程度にまで、暗電流が抑制された結果となった。
　なお、図１６および図１７に示したシミュレーション結果では、低電圧の場合にアーティファクトな負性抵抗の電流挙動を示しているが、これはシミュレーションの収束性が十分ではなかったためであり、実際には、低電圧では暗電流が小さくなると推察される。
　以上のように、本実施形態のＭＳＭフォトダイオード１００やショットキーバリア型フォトダイオード２００は、大きな光近接場Ｎを形成して光励起キャリアを増大させると共に、暗電流を抑制することで、高い光感度を得ることができる。
　１００：ＭＳＭフォトダイオード、１１０：半導体層　１２０：受光電極　１２１：第１電極　１２２：第２電極　２００：ショットキーバリア型フォトダイオード、２１０：半導体層、２２０：受光電極

Claims (5)

  1. 　半導体層と、
    　入射光に対して透過性を有すると共に、前記半導体層の表面に、前記入射光の波長以下のピッチで配列され、深さ方向の少なくとも一部が前記半導体層に埋め込まれ、前記半導体層とショットキー接合を形成する受光電極と、
    を備えたことを特徴とするフォトダイオード。
  2. 　前記半導体層に対する前記受光電極の埋込み深さが、５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のフォトダイオード。
  3. 　前記半導体層が、ＳｉＣから構成されることを特徴とする請求項２に記載のフォトダイオード。
  4. 　前記受光電極が、同心多角形状または同心円状の構造を有することを特徴とする請求項３に記載のフォトダイオード。
  5. 　前記受光電極である第１電極および第２電極が、前記半導体層の表面に交互に配列されたＭＳＭ構造を形成していることを特徴とする請求項４に記載のフォトダイオード。
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