(57)【要約】ＭＳＭ型のフォトダイオードは、入射光に対して透明な半導体からなる上部スペーサ層と、上部スペーサ層上に設けられて表面プラズモンを誘起することが可能なように構成された金属周期構造体であって、交互配置している部分を有する第１及び第２の電極を有する金属周期構造体と、上部スペーサ層の下に設けられ、上部スペーサ層の屈折率よりも高い屈折率を有する半導体からなる光吸収層と、光吸収層の下に設けられ、光吸収層の屈折率よりも小さい屈折率を有する下部スペーサ層と、を有する。第１及び第２の電極は、いずれも、上部スペーサ層とショットキー接合を形成する。
2008072688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に対して透明な半導体からなる上部スペーサ層と、
前記上部スペーサ層上に設けられて表面プラズモンを誘起することが可能なように構成された金属周期構造体であって、前記上部スペーサ層上において相互に交互配置している部分を有する第１及び第２の電極を有する金属周期構造体と、
前記上部スペーサ層の下に設けられ、前記上部スペーサ層の屈折率よりも高い屈折率を有する半導体からなる光吸収層と、
前記光吸収層の下に設けられ、前記光吸収層の屈折率よりも小さい屈折率を有する下部スペーサ層と、
を有し、
前記第１及び第２の電極はいずれも前記上部スペーサ層とショットキー接合を形成する、フォトダイオード。
【請求項２】
前記上部スペーサ層と前記光吸収層と前記下部スペーサ層とによって、前記金属周期構造体により回折された光が結合する光導波路が構成されている、請求項１に記載のフォトダイオード。
【請求項３】
前記金属周期構造体の導波部分において、前記光吸収層に垂直な方向に表面プラズモンポラリトンのキャビティが形成されている、請求項２に記載のフォトダイオード。
【請求項４】
前記入射光の真空中での波長をλ、前記入射光が前記フォトダイオードに入射する入射部分の屈折率をｎ１、前記金属周期構造体の厚さをＴ１としたときに、ｍを０以上の整数として、０．１＋０．５ｍ＜ｎ１Ｔ１／λ＜０．３＋０．５ｍの条件が成立する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項５】
前記入射光の真空中での波長をλ、前記上部スペーサ層の屈折率をｎ２としたときに、前記金属周期構造体における周期構造の周期Ｐがλ／ｎ２または２λ／ｎ２に実質的に等しい、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項６】
前記入射光の真空中での波長をλ、前記上部スペーサ層の屈折率をｎ２、前記金属周期構造体における周期構造の周期をＰとしたときに、以下の条件（ａ）及び（ｂ）：
（ａ）    ０．８８＜ｎ２Ｐ／λ＜１．１２，
（ｂ）    １．８５＜ｎ２Ｐ／λ＜２．１５
のいずれかが成立する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項７】
前記入射光の真空中での波長をλ、前記上部スペーサ層の屈折率をｎ２としたときに、前記上部スペーサ層の厚さＴ２がλ／４ｎ２に実質的に等しい、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項８】
前記入射光の真空中での波長をλ、前記上部スペーサ層の屈折率をｎ２、前記上部スペーサ層の厚さをＴ２としたときに、ｎ２Ｔ２／λ＜０．５の条件が成立する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項９】
前記入射光の真空中での波長をλ、前記光吸収層の屈折率をｎ３としたときに、前記光吸収層を厚さＴ３がλ／２ｎ３に実質的に等しい、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項１０】
前記入射光の真空中での波長をλ、前記光吸収層の屈折率をｎ３、前記光吸収層の厚さをＴ３としたときに、ｍを０以上の整数として、０．４＋ｍ＜ｎ３Ｔ３／λ＜０．６＋ｍの条件が成立する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項１１】
前記金属周期構造体は、櫛型または同心円状の周期構造を有する、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項１２】
前記下部スペーサ層の下に設けられたブラッグ反射多層膜を有する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項１３】
前記下部スペーサ層の下に設けられて前記下部スペーサ層を支持する基板を備え、前記基板は、前記入射光が吸収される領域に対応して、前記基板を貫通する開口が形成されている、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項１４】
前記開口の位置において前記光吸収層側から前記下部スペーサ層を透過してきた光を反射するためのミラーが設けられている、請求項１３に記載のフォトダイオード。
【請求項１５】
前記下部スペーサ層側から前記光吸収層に入射し前記光吸収層及び前記金属周期構造体を透過してきた光を反射させるためのミラー構造が、前記金属周期構造体の上方に設けられている、請求項１乃至１１のいずか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項１６】
前記上部スペーサ層、前記光吸収層及び前記下部スペーサ層のうちの少なくとも１つの層が、グレーデッド層を含む複数の材料からなる積層構造を有する、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のフォトダイオード。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のフォトダイオードを受光部に備える光通信デバイス。
【請求項１８】
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のフォトダイオードが形成された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電子回路とを備える光インターコネクションモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体受光素子に関し、赤外光、可視光及び紫外光を含む光信号を電気信号へ変換することができるフォトダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
光信号を電気信号に高速かつ高い効率で変換するために、半導体内での光電変換現象を利用したフォトダイオードが多く用いられている。フォトダイオードは、例えば、通信分野及び情報処理分野において、赤外光、可視光及び紫外光を含む光信号を電気信号へ変換する目的のために用いられている。フォトダイオードには、その構造に基づいて、ｐｎ型、ｐｉｎ型、ショットキー型、ＭＳＭ（金属−半導体−金属）型などの種類が存在する。フォトダイオードにおける光電変換の応答速度を制限する主な要因は、フォトダイオードに接続する負荷抵抗とフォトダイオードにおける空乏層が作る電気容量との積で決まる回路時定数と、空乏層をキャリアが通過するのに要するキャリア走行時間とであり、フォトダイオードの高速応答性を高めるためには、回路時定数及びキャリア走行時間を小さくすることが求められる。【０００３】
高速応答が可能なフォトダイオードの１つとしてＭＳＭ型があり、情報処理及び通信分野で使用される光電変換素子として期待されている。ＭＳＭ型フォトダイオードは、ショットキーフォトダイオードの一種である。ＭＳＭ型フォトダイオードでは、一般に、光吸収層として機能する半導体層の表面に１対の電極が設けられるとともに、これらの電極付近にそれぞれショットキー障壁が形成されている。ＥＰ０６５１４４８Ａ１に対応する特開平７−１５３９８９号公報（特許文献１）には、典型的なＭＳＭ型フォトダイオードの一例が開示されている。ＭＳＭ型フォトダイオードでは、それぞれが櫛型の構造を有する２つの電極を用い、これらの電極を交叉指状に（インターディジタルに）配置することによって、フォトダイオード自体に印加される電圧が低い場合であっても高い電界を光吸収層に印加することができてキャリアの走行時間を短くでき、比較的速い応答速度を達成することができる。その一方で、受光表面に設けられている電極によって入射光が反射されるために、量子効率が低くなるという問題があった。また、高速応答性を高めるために光吸収層を薄くしてキャリア走行時間を短くすると、効率が低下するというトレードオフの関係があった。【０００４】
近年、ＭＳＭ型フォトダイオードにおいて動作速度をさらに高め、また、量子効率をさらに高めるために、金属表面プラズモン現象を利用する種々の試みが行われている。【０００５】
例えば、ＷＯ９６／０５５３６に対応する特表平１０−５０９８０６号公報（特許文献２）には、表面プラスモン現象を利用した光電子カプラ（ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｃｏｕｐｌｅｒ）が開示されている。この光電子カプラでは、規則的な間隔を有して並ぶ交差指型の金属電極を、正極と負極とが入れ子になって向かい合うように、半導体基板上に配置したデバイス構造が用いられている。またこの特表平１０−５０９８０６号公報（ＷＯ９６／０５５３６）には、入射光と表面プラズモンとの間を共振により結合させたＭＳＭ型フォトダイオードが説明されるとともに、金属電極により生成される回折波を局部波に結合させて、導波路に閉じ込めることが述べられている。しかしながら、この文献には、表面プラズモン共鳴によって回折光を効率良く発生させる金属電極の構造については述べられていない。また、光吸収層が形成する導波路に回折光を結合させる方法については、波数整合条件が示されているのみであり、結合効率を向上させるための導波路構造や金属電極との位置関係は述べられていない。したがって、特表平１０−５０９８０６号公報（ＷＯ９６／０５５３６）に開示されたＭＳＭ型フォトダイオードでは、所望の次数の回折光を生成する効率が低く、光吸収層が形成する導波路への回折光の結合効率が低くなるため、量子効率は低くなる。【０００６】
ＷＯ２００４／０１２２７５に対応する特表２００６−５０１６３８号公報（特許文献３）には、光吸収層の下部にブラッグ反射鏡を設けるとともに電極を上部ミラーとすることによってキャビティ構造を形成し、このキャビティ構造内に０次透過光を閉じ込めることで、光吸収層の厚さが薄い場合であっても効率を向上させることができるＭＳＭ型フォトダイオードが記載されている。しかしながらこのＭＳＭ型フォトダイオードでは、十分な効率を得るためにはキャビティのＱ値を高くする必要があるが、そもそもＱ値の高いキャビティ内に光を入射させることは難しく、キャビティの上部ミラーとして機能する電極によって、入射光はキャビティに入る前に反射されてしまう。その結果、この構成では、十分な量子効率を得るのは困難である。【０００７】
特開平９−２３０２２号公報（特許文献４）には、コア層としての多重量子井戸層を上下のクラッド層に挟むことによって光導波路が形成され、多重量子井戸層で光が吸収されるようにした光電変換装置が開示されている。しかしながらこの特開平９−２３０２２号公報には、回折光を利用してＭＳＭ型フォトダイオードの効率を向上させることは、述べられていない。
【特許文献１】特開平７−１５３９８９号公報
【特許文献２】特表平１０−５０９８０６号公報
【特許文献３】特表２００６−５０１６３８号公報
【特許文献４】特開平９−２３０２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、表面プラズモン共鳴を用いないＭＳＭ型の受光素子またはフォトダイオードでは、金属電極による反射のために量子効率が高くない上に、量子効率の向上と応答速度の向上とがトレードオフの関係にあるという課題がある。また、回折光を光導波路に結合させて高効率化を図ったＭＳＭ型フォトダイオードにおいても、単に金属電極と光導波路を組み合わせただけでは、回折光の発生効率が低く、回折光と光導波路との結合効率が悪いために、十分な量子効率が得られないという課題がある。【０００９】
そこで本発明の目的は、金属電極による反射を低減し、回折光を効率良く発生させて光導波路と高効率で結合させることにより、薄い光吸収層でも高い量子効率を実現し、さらなる高効率と高速応答とを両立させたＭＳＭ（金属−半導体−金属）型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】
【００１０】
本発明の例示態様によれば、フォトダイオードは、入射光に対して透明な半導体からなる上部スペーサ層と、上部スペーサ層上に設けられて表面プラズモンを誘起することが可能なように構成された金属周期構造体であって、上部スペーサ層上において相互に交互配置している部分を有する第１及び第２の電極を有する金属周期構造体と、上部スペーサ層の下に設けられ、上部スペーサ層の屈折率よりも高い屈折率を有する半導体からなる光吸収層と、光吸収層の下に設けられ、光吸収層の屈折率よりも小さい屈折率を有する下部スペーサ層と、を有する。このフォトダイオードでは、第１及び第２の電極は、いずれも、上部スペーサ層とショットキー接合を形成する。【００１１】
このフォトダイオードでは、金属周期構造体を構成する第１及び第２の電極は、上部スペーサ層を形成する半導体層とショットキー接合を形成するので、光吸収層において発生したフォトキャリアから電気信号を得ることができる。また、入射光は、金属周期構造体の導波部分に沿って伝搬する表面プラズモンと結合する。ここで金属周期構造体の厚さを調整し、導波部分の入射端と出射端との間において表面プラズモンポラリトンのキャビティが形成される構造にすることで、入射光の反射を低減することが可能となり、入射光の光エネルギーを効率良く半導体層中に導くことができる。したがってこのフォトダイオードでは、金属電極による反射が低減され、高速動作を得るために光吸収層を薄くした場合においても、光吸収層が形成する光導波路に回折光を結合させることで高い量子効率が得られ、高効率と高速応答とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の第１の例示実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図２】量子効率のＭＳＭ電極周期Ｐに対する依存性を示すグラフである。
【図３】量子効率のＭＳＭ電極厚さＴ１に対する依存性を示すグラフである。
【図４】量子効率の上部スペーサ層厚さＴ２に対する依存性を示すグラフである。
【図５】量子効率の光吸収層厚さＴ３に対する依存性を示すグラフである。
【図６】実施例１のＭＳＭ型フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図７】実施例１のＭＳＭ型フォトダイオードの構成を示す平面図である。
【図８】実施例２のＭＳＭ型フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図９】実施例３のＭＳＭ型フォトダイオードの構成を示す平面図である。
【図１０】本発明の第２の例示実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図１１】実施例４のＭＳＭ型フォトダイオードの構成を示す平面図である。
【図１２】本発明の第３の例示実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードの構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の第４の例示実施形態における、本発明に基づくフォトダイオードを搭載した４０Ｇｂｐｓ伝送用光受信モジュールを示す断面図である。
【図１４】本発明の第５の例示実施形態における、本発明に基づくフォトダイオードを搭載したＬＳＩチップ間インターコネクトモジュールを示す断面図である。
【符号の説明】
【００１３】
１ａ，１ｂ    ＭＳＭ電極
２    上部スペーサ層
３    光吸収層
４    下部スペーサ層
５    基板
６    ＳｉＯ２膜
７    Ｔｉ／Ａｕ電極
８    ＩｎＡｌＡｓ層
９    グレーデッド層
１０    ＩｎＧａＡｓ層
１１    ＩｎＰ基板
１２    Ｃｒ／Ａｇ電極
１３    Ｓｉ層
１４    ＳｉＧｅバッファ層
１５    Ｇｅ層
１６    埋め込み酸化層
１７    Ｓｉ基板
１８    ブラッグ反射多層膜
１９    くり抜き窓
２０    金属ミラー
２１    レンズ
２２    電気配線
２３    プリアンプＩＣ
２４    チップキャリア
２５，３４，３９    光ファイバ
２６    信号光
２７    フォトダイオード
２８    モジュール筐体
２９    ＬＳＩパッケージ
３０，３２，３３    電気配線ビア
３１    ＶＣＳＥＬ光源
３５，３７    搭載ボード
３６    凹面鏡
３８    電気配線層
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明の例示実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。【００１５】
《第１の例示実施形態》
図１は、第１の例示実施形態に基づくＭＳＭ（金属−半導体−金属）型フォトダイオードの断面構成を示している。このフォトダイオードでは、入射光を吸収してフォトキャリアを生成する半導体層である光吸収層３が設けられ、光吸収層３の上には、入射光に対して透明な半導体からなる上部スペーサ層２が設けられ、光吸収層３の下には、下部スペーサ層４が設けられている。ここで上部スペーサ層２及び下部スペーサ層４は、いずれも、光吸収層３に比べて低い屈折率を有する。下部スペーサ層４は、基板５の上に設けられており、基板５、下部スペーサ層４、光吸収層３及び上部スペーサ層２がこの順で積層している。下部スペーサ層４、光吸収層３及び上部スペーサ層２によって、光導波路が構成されている。【００１６】
上部スペーサ層２の表面には、金属周期構造体を構成する１対のＭＳＭ電極１ａ，１ｂが設けられている。後述するように、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂは、相互に交互配置している部分を有する。ＭＳＭ電極１ａ，１ｂが上部スペーサ層２と接する部位にはショットキー接合が形成されており、これによって光吸収層３は空乏領域とされ、光吸収層３で発生したフォトキャリアは、光電流としてＭＳＭ電極１ａ，１ｂを介して外部回路に取り出され電気信号に変換される。ＭＳＭ電極１ａ，１ｂは、負荷抵抗やバイアス電源などの外部回路と接続されている。【００１７】
ＭＳＭ電極１ａ，１ｂは、周期的な構造を持ち、表面プラズモン共鳴を誘起することが可能な構造になっている。ＭＳＭ型フォトダイオードの場合、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂはそれぞれ櫛型構造とし、双方のＭＳＭ電極１ａ，１ｂの櫛の歯の部分が互い違いになるように、すなわち、双方のＭＳＭ電極１ａ，１ｂの電極指が上部スペーサ２の表面上で交互に配列するようにすることが一般的である。この場合、受光部分では、電極は、スリットアレイ状あるいはストライプ構造になっている。しかしながらＭＳＭ電極１ａ，１ｂは、必ずしも櫛型構造である必要はなく、同心円状の金属電極が相互に入れ子になって配置しているような構造であってもよい。【００１８】
ＭＳＭ電極１ａ，１ｂの材料としては、導電性の金属が好ましく、具体的には、ＡｇあるいはＡｕなどの電気抵抗が小さく表面プラズモン損失の少ない材料が特に好ましい。金属を用いてＭＳＭ電極１ａ，１ｂを形成することにより、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂが少なくとも受光領域において金属周期構造体として機能することになる。しかしながら、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂを構成する金属はこれらの金属に限定されるものではなく、例えば、半導体装置において広く用いられており、多くの加工技術が確立されているＡｌあるいはＣｕを用いてもよい。ＭＳＭ電極１ａ，１ｂに用いる金属材料と上部スペーサ層２との密着性が悪い場合には、密着層としてＴｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｉなどの層を電極の下に設けることもできる。密着層の膜厚は、光学的損失が少なくなるように、１０ｎｍ以下であることが特に好ましい。また、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂの表面に、絶縁体からなる反射防止膜あるいは保護膜を設けてもよい。反射防止膜あるいは保護膜の材料としては、成膜が容易で安定な膜を得られるＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮなどが特に好ましい。【００１９】
光吸収層３には、ＳｉｘＧｅ１−ｘ、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓなどの半導体材料を用いることができる。また、上部スペーサ層２にはＳｉ、ＩｎＡｌＡｓなどの半導体材料を用いることできる。上部スペーサ層２へのこのような半導体材料の使用は、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂとの間で良好なショットキー接合が得られるので、特に好ましい。下部スペーサ層４は、ＳｉＯ２などの絶縁体であっても、Ｓｉ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＰなどの半導体であってもよい。【００２０】
上部スペーサ層２、光吸収層３及び下部スペーサ層４は、いずれも、複数の半導体材料による積層構造で構成されていてもよい。これらの層２〜４を構成する材料は、フォトダイオードを作製するために用いる基板５に応じて、あるいは入射光の波長に応じて、最適なものを選ぶことができる。例えば、基板５の材料としてＳｉを用いた場合、上部スペーサ層２にＳｉ、光吸収層３にＳｉＧｅまたはＧｅ、下部スペーサ層４にＳｉＯ２を用いることができる。また、例えば、基板５の材料としてＩｎＰを用いた場合、上部スペーサ層２にＩｎＡｌＡｓ、光吸収層３にＩｎＧａＡｓ、下部スペーサ層４にＩｎＡｌＡｓを用いることができる。【００２１】
ＭＳＭ電極１ａ，１ｂによる入射光の反射を低減し回折光を効率よく発生させ、上部スペーサ層２と光吸収層３と下部スペーサ層４とによって形成される光導波路にこの回折光を効率よく結合させて、フォトダイオードの量子効率を高めるためには、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂの周期及び厚さ、上部スペーサ層２の厚さ、光吸収層３の厚さなどが非常に重要なパラメータとなる。ここで、これらのパラメータの最適な値を求めるとともに、上部スペーサ層２を設けることで量子効率が向上することを示すために、本発明者らが行った電磁界シミュレーション計算の結果を記載する。【００２２】
ここで入射光の真空中での波長をλ、入射部分の屈折率をｎ１、上部スペーサ層２の屈折率をｎ２、光吸収層３の屈折率をｎ３、下部スペーサ層４の屈折率をｎ４、受光部分におけるＭＳＭ電極１ａ，１ｂの周期をＰ、ＭＳＭ電極１１，１ｂの厚さをＴ１、上部スペーサ層２の厚さをＴ２、光吸収層３の厚さをＴ３とする。入射部分の屈折率ｎ１とは、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮなどからなる反射防止膜あるいは保護膜を設けているときはそれらの屈折率を、設けていないときは空気の屈折率ｎａｉｒを指す（ｎａｉｒ≒１）。また、一方のＭＳＭ電極１ａの電極指と他方のＭＳＭ電極１ｂの電極指が一様な間隔で交互に配列しているものとして、周期Ｐは、いずれのＭＳＭ電極に属しているかを区別しない場合におけるこれらの電極指の配列の周期のことである。【００２３】
図２は、フォトダイオードの量子効率における、周期Ｐによる依存性を示したグラフであり、その横軸は周期Ｐをλ／ｎ２で規格化した値を表し、縦軸は量子効率を表している。ここでは、入射光波長λを１５５０ｎｍ、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂを構成する金属をＡｕ、入射部分の屈折率ｎ１を１、上部スペーサ層２を構成する材料をＩｎＡｌＡｓ（この場合、ｎ２＝３．２１）、光吸収層３を構成する材料をＩｎＧａＡｓ（この場合、ｎ３＝３．５９）、下部スペーサ層４を構成する材料をＩｎＡｌＡｓ（この場合、ｎ４＝３．２１）、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂの厚さＴ１を３００ｎｍ、上部スペーサ層２の厚さＴ２を１００ｎｍ、光吸収層３の厚さＴ３を２５０ｎｍとしている。図２には量子効率において２つのピークが存在するが、それぞれ、１次と２次の回折光によるものである。ピーク位置での量子効率は、５３％、３３％程度になっている。ｎ２Ｐ／λ＜３．０の範囲において、ピークから外れた部分における１５％程度の量子効率は、主に０次の透過光の寄与によるものである。したがって、回折光を利用することにより量子効率を向上させるためには、図２から、金属周期構造体における周期Ｐをλ／ｎ２または２λ／ｎ２に実質的に等しくすべきであることがわかる。より具体的には、１次の回折光を利用するときには０．８８＜ｎ２Ｐ／λ＜１．１２という関係が、２次の回折光を利用するときには１．８５＜ｎ２Ｐ／λ＜２．１５の関係が成り立つようにすることが好ましい。ｎ２Ｐ／λ＞３．２の範囲においては量子効率は５％程度になっているが、一般的なＭＳＭ型フォトダイオードでは、ｎ２Ｐ／λの値は、概ね、３．２以上となっているので、量子効率も５％程度となっている。つまり、本例示実施形態のフォトダイオードにおいて１次の回折光を利用することで、一般的なＭＳＭ型フォトダイオードに比べ、１０倍程度の量子効率の改善効果が得られることになる。【００２４】
図３は、フォトダイオードの量子効率における、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂの厚さＴ１による依存性を示したグラフであり、その横軸は厚さＴ１をλ／ｎ１で規格化した値を表し、縦軸は量子効率を表している。ここでは、各層を構成する材料や屈折率の設定は図２に示した例の場合と同じとし、周期Ｐを４８０ｎｍ、上部スペーサ層２の厚さＴ２を１００ｎｍ、光吸収層３の厚さＴ３を２５０ｎｍとしている。図３から、電極の厚さＴ１に応じて量子効率は周期的に変化することが分かる。量子効率におけるこの周期性は、ＭＳＭ電極１ａ、１ｂの導波部分において垂直方向すなわち上部スペーサ層２の膜面に垂直な方向に、表面プラズモンポラリトンのためのキャビティが形成されることによって、電極部分での光の反射率及び透過率が周期的に変化するためであると考えられる。このようなキャビティは、導波部分の入射端すなわち入射光が入射してくる側の電極の表面の位置と、導波部分の出射端すなわち電極と上部スペーサ層２との界面の位置との間に形成される。【００２５】
図３から、ｍを０以上の整数（すなわちｍ＝０，１，２，…）として、
０．１＋０．５ｍ＜ｎ１Ｔ１／λ＜０．３＋０．５ｍ
の関係が満たされるときに電極部分での光の反射率が小さくなり、３０％程度以上の量子効率が得られ、望ましい構造となることがわかる。ただし、製作プロセスの観点からは、電極の厚さＴ１は薄い方が製作が容易であり、そのため、０．１＜ｎ１Ｔ１／λ＜０．３の関係、すなわち上記式においてｍ＝０とした関係を満たすようにすることが特に好ましい。【００２６】
図４は、フォトダイオードの量子効率における、上部スペーサ層２の厚さＴ２による依存性を示したグラフであり、その横軸は厚さＴ２をλ／ｎ２で規格化した値を表し、縦軸は量子効率を表している。ここでは、各層を構成する材料や屈折率の設定は図２に示した例の場合と同じとし、周期Ｐを４８０ｎｍ、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂの厚さＴ１を３００ｎｍ、光吸収層３の厚さＴ３を２５０ｎｍとしている。図４から、
ｎ２Ｔ２／λ＜０．５
の関係を満たすときに３５％程度以上の量子効率が得られ、望ましい構造となることがわかる。上部スペーサ層２の厚さＴ２がλ／４ｎ２に実質的に等しいときに、最も量子効率が高くなり、５３％程度の量子効率となる。このとき、上部スペーサ層２がない場合すなわちＴ２＝０の場合に比べて、２０％程度の量子効率の改善効果が得られていることがわかる。【００２７】
図５は、フォトダイオードの量子効率における、光吸収層３の厚さＴ３による依存性を示したグラフであり、その横軸は厚さＴ３をλ／ｎ３で規格化した値を表し、縦軸は量子効率を表している。ここでは、各層を構成する材料や屈折率の設定は図２に示した例の場合と同じとし、周期Ｐを４８０ｎｍ、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂの厚さＴ１を３００ｎｍ、上部スペーサ層２の厚さＴ２を１００ｎｍとしている。図５から、ｍを０以上の整数として、
０．４＋ｍ＜ｎ３Ｔ３／λ＜０．６＋ｍ
の関係が満たされるときに、高い量子効率が得られ、望ましい構造となることがわかる。より望ましくは、光吸収層の厚さＴ３がλ／２ｎ３に実質的に等しいときに５０％程度の量子効率が得られ、かつこのときには光吸収層３が薄く、フォトキャリアの走行時間を短くできるため、高速・高効率のフォトダイオードが得られる。【００２８】
以上説明したように、この例示実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードでは、半導体からなる光吸収層３の上下に上部スペーサ層２と下部スペーサ層４とをそれぞれ設けて光導波路が構成されるとともに、上部スペーサ層２の表面に、表面プラズモンを誘起することが可能な金属周期構造体を構成し相互に交互配置している部分を有するＭＳＭ電極１ａ，１ｂが設けられている。入射光は、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂの導波部分に沿って伝搬する表面プラズモンと結合する。ＭＳＭ電極１ａ，１ｂの入射端と出射端との間において表面プラズモンポラリトンのキャビティを形成することで反射を低減することが可能となり、入射光の光エネルギーを効率良く光吸収層３中に導くことができる。上部スペーサ層２を設けたことにより、回折光と光導波路との結合効率が高められている。【００２９】
以下、第１の例示実施形態に基づくＭＳＭ型フォトダイオードの例を説明する。【００３０】
［実施例１］
図６及び図７は、それぞれ、第１の実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードの一例の構成を示す断面図及び平面図である。このＭＳＭ型フォトダイオードでは、ＩｎＰ基板１１の上に、下部スペーサ層となるＩｎＡｌＡｓ層８が設けられ、ＩｎＡｌＡｓ層８上には、グレーデッド（ｇｒａｄｅｄ）層９を挟んで光吸収層となるＩｎＧａＡｓ層１０が設けられ、さらにグレーデッド層９を挟んで上部スペーサ層となるＩｎＡｌＡｓ層８が設けられ、その表面に、金属周期構造体である１対のＭＳＭ電極としてＴｉ／Ａｕ電極７が設けられている。そしてＴｉ／Ａｕ電極７と上部スペーサ層であるＩｎＡｌＡｓ層８との全体を覆うように、反射防止膜としてＳｉＯ２膜６が設けられている。グレーデッド層９は、ＩｎＡｌＡｓ層８とＩｎＧａＡｓ層１０との整合をとるために、これら層８，１０の間に設けられて組成が階段状に変化する層のことである。化合物半導体からなるこれらの層８〜１０は、全て、分子線エピタキシーを用いてＩｎＰ基板１１上に成長させることができる。上側のＩｎＡｌＡｓ層８とＴｉ／Ａｕ電極７との界面では良好なショットキー接合が形成され、これにより、光吸収層であるＩｎＧａＡｓ層１０が空乏化される。入射光波長を、例えば光通信に用いられる１．３μｍあるいは１．５５μｍとしたとき、ＩｎＧａＡｓは十分大きな吸収係数を持ち、したがって、この構成によれば、高効率のフォトダイオードを実現可能である。【００３１】
なお実施例１のフォトダイオードでは、図７に示すような櫛型の電極を用いており、このフォトダイオードの量子効率は入射光の偏光方向に依存する。この偏光依存性を利用して、特定の偏光の入射光を検出する偏光選択受光を行うことも可能である。【００３２】
［実施例２］
図８に示した実施例２のＭＳＭ型フォトダイオードは、第１の例示実施形態に基づくものであるが、図６に示す実施例１のフォトダイオードとは、使用する半導体材料が異なっている。このフォトダイオードでは、埋め込み酸化層１６を含むＳｉ基板１７の上に、下部スペーサ層となるＳｉ層１３が設けられ、このＳｉ層１３上に、ＳｉＧｅバッファ層１４を挟んで光吸収層となるＧｅ層１５が設けられ、さらにＳｉＧｅバッファ層１４を挟んで上部スペーサ層となるＳｉ層１３が設けられ、その表面に、金属周期構造体である１対のＭＳＭ電極としてＣｒ／Ａｇ電極１２を設けられている。そして、Ｃｒ／Ａｇ電極１２と上部スペーサ層であるＳｉ層１３との全体を覆うように、反射防止膜としてＳｉＯ２膜６が設けられている。一般にはＳｉ層上にＧｅ層をエピタキシャル成長によって直接形成することは難しいが、この実施例では、Ｓｉ層１３上にまずＳｉＧｅバッファ層１４を設けることによって、Ｇｅ層をエピタキシャル成長させることができる。上部スペーサ層となるＳｉ層１３とＣｒ／Ａｇ電極１２との界面には良好なショットキー接合が形成され、Ｇｅ層１５が空乏化される。このように光吸収層としてＧｅ層１５を用いたフォトダイオードも、波長が１．３μｍあるいは１．５５μｍである入射光に対して動作する。この波長帯ではＳｉは、吸収のない透明材料となる。光吸収層としてＧｅ層１５を用いることにより、フォトダイオードの作製において、Ｓｉ半導体装置製造プロセスとの整合性が良くなるという利点が得られる。【００３３】
［実施例３］
図９に示した実施例３のＭＳＭ型フォトダイオードは、第１の例示実施形態に基づくものであって、図７に示した実施例１のフォトダイオードと同様の積層構造を有するものであるが、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂの平面構造の点において、実施例１のものと異なっている。すなわち実施例３のフォトダイオードでは、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂは、同心円状の周期構造を有するように形成されている。【００３４】
図７に示した実施例１のフォトダイオードでは、その受光部分においてＭＳＭ電極がスリットアレイ構造すなわちストライプ構造となっているために偏光依存性が生ずるが、この実施例３のフォトダイオードでは、ＭＳＭ電極が同心円状の周期構造を有するように配列しているため、偏光依存性をなくすことができる。したがって、実施例３のフォトダイオードは、例えば光ファイバからの出射光などの、無偏光の入射光に対して高い量子効率を得ることが可能となる。【００３５】
《第２の例示実施形態》
図１０は、第２の例示実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードの断面構成を示している。図１０に示すフォトダイオードが図１に示した第１の例示実施形態のフォトダイオードと異なるところは、光吸収層３の下部に、具体的には下部スペーサ層４と基板５との積層面に、ブラッグ反射多層膜１８などの反射構造が設けられている点である。【００３６】
本明細書で説明するＭＳＭ型フォトダイオードは、金属周期構造体によって回折した回折光を光吸収層３に閉じ込めることで量子効率を向上させるものであるが、実際には、光吸収層３に入射する光には、回折光だけではなく０次のすなわち無回折の透過光も存在する。第２の例示実施形態のフォトダイオードでは、光吸収層３の下側にブラッグ反射多層膜１８などの反射構造を設けることによって、光吸収層３を透過した０次透過成分が反射構造によって反射されて再び光吸収層３に戻され、さらにＭＳＭ電極１ａ，１ｂにより回折効果を受けて、導波路層に閉じ込められるようになっている。その結果、第２の例示実施形態によれば、第１の例示実施形態の場合に比べ、さらにフォトダイオードの量子効率を高めることができる。このとき、ブラッグ反射多層膜１８の反射率が１００％であれば、フォトダイオードの量子効率は、９０％程度以上になる。【００３７】
［実施例４］
図１１に示した実施例４のＭＳＭ型フォトダイオードは、第２の例示実施形態に基づくものである。このフォトダイオードは、図１０に示す構成においてブラッグ反射多層膜１８を設ける代わりに、フォトダイオードの少なくとも受光部分に対応する領域において、基板５の裏面側すなわち図示下側をエッチングし、くり抜き窓１９を設けたものである。くり抜き窓１９の形成位置において、下部スペーサ層４の下面が露出している。くり抜き窓１９では、基板のくり抜かれた部分は空気層となるため、下部スペーサ層４との屈折率の差が大きくなり、この界面において反射率が高くなる。したがって、くり抜き窓による反射構造によって、フォトダイオードの量子効率を高めることができる。また、くり抜き窓１９内において、下部スペーサ層４に接するように図示下側から金属ミラーを設けることで、さらに反射率を高めることができる。【００３８】
《第３の例示実施形態》
図１２は、本発明の第３の例示実施形態のＭＳＭ型フォトダイオードの断面構成を示している。図１２に示すフォトダイオードが図１に示した第１の例示実施形態のフォトダイオードと異なるところは、入射光に対して透明な基板５を用いるとして、光を基板５側から入射させるようにするとともに、ＭＳＭ電極１ａ，１ｂの上方に金属ミラー２０を設けている点である。光を基板５側から入射させることにより、入射光が光吸収層３に至る前に電極１ａ，１ｂにより反射されて量子効率が低下することを防ぐことができる。さらに、光吸収層３で吸収されずにＭＳＭ電極１ａ，１ｂを透過した成分も、金属ミラー２０によって反射されて再び光吸収層３に戻すことができるので、９０％程度以上まで量子効率を向上させることが可能である。金属ミラー２０を設ける代わりに、ブラッグ反射多層膜をＭＳＭ電極１ａ，１ｂの上に設けるようにしてもよい。【００３９】
《第４の例示実施形態》
次に、本発明に基づくＭＳＭ型フォトダイオードを各種の用途に応用した例について説明する。図１３は、フォトダイオードを用いた４０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）伝送用の光受信モジュールを示している。【００４０】
モジュール筐体２８内に外部から光ファイバ２５が引き込まれている。モジュール筐体２８内では、光ファイバ２５の端面に対向して、フォトダイオード２７が配置するとともに、光ファイバ２５の端面とフォトダイオード２７の間には、光ファイバ２５とフォトダイオード２７とを光学的に結合させ、光ファイバ２５から出射した信号光２６をフォトダイオード２７の受光面に集光させるためのレンズ２１が設けられている。フォトダイオード２７としては、例えば、上述した各例示実施形態に基づくものを使用することができる。フォトダイオード２７は、チップキャリア２４の側面に設けられており、電気配線２２を介して、チップキャリア２４の上面に設けられたプリアンプＩＣ（集積回路）２３と接続している。フォトダイオード２７は、信号光２６を電気信号に変換し、電気配線２２を介してその電気信号をプリアンプＩＣ２３に出力する。プリアンプＩＣ２３は、入力された電気信号を増幅する。【００４１】
このような光受信モジュールを波長１．５５μｍの近赤外光による信号伝送に用いる場合、フォトダイオード２７には、Ｓｉの上にＧｅをエピタキシャル成長させた半導体基板または化合物半導体基板を用いる形成されたものを用いることができる。ＭＳＭ型フォトダイオードは一般にｐｉｎ型よりも素子容量が小さいため、上述したフォトダイオードを用いることによって、ｐｉｎ型フォトダイオードを用いる場合に比べ、高速応答性を保ったまま受光面積を大きくすることができる。その結果、光ファイバとフォトダイオードとの光学結合における結合トレランスを大きくすることが可能になる。【００４２】
《第５の例示実施形態》
次に、本発明に基づくＭＳＭ型フォトダイオードを応用した別の例について説明する。図１４は、本発明に基づくフォトダイオードを搭載した光インターコネクトモジュールを示している。この光インターコネクトモジュールは、ＬＳＩ（大規模集積回路）チップ間での光信号による信号伝送を行うために使用されるものである。【００４３】
配線ボード上に搭載されたＬＳＩ間で高速で信号伝送を行うために、ＬＳＩ間を光ファイバで接続し、光信号で信号を伝送することが検討されている。ＬＳＩ内での信号処理は電気信号を対象として行われるので、光ファイバと個々のＬＳＩチップとの接続のために、光ファイバからの信号光を電気信号に変換してＬＳＩチップ内に供給し、またＬＳＩチップから出力する電気信号を光信号に変換してファイバに導入する光インターコネクトモジュールが必要となる。【００４４】
フォトダイオードと光源とを搭載するための搭載ボード３７の一方の表面には、フォトダイオード２７と電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ（面発光型半導体レーザ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）光源３１とが設けられている。フォトダイオード２７としては、例えば、上述した各例示実施形態に基づくものを使用することができる。搭載ボード３７は、ＬＳＩチップを内蔵するＬＳＩパッケージ２９の表面に取り付けられている。ＬＳＩパッケージ２９には、光源及び変調のための電気配線ビア３０と、フォトダイオードのための電気配線ビア３２とが形成されている。光源及び変調のための電気配線ビア３０は、搭載ボード３７に形成され、ＶＣＳＥＬ光源３１に接続した電気配線層３３と接続する。フォトダイオード用の電気配線ビア３２も搭載ボード３７に形成され、フォトダイオード２７に接続した電気配線層３８と接続する。【００４５】
このようなフォトダイオード及び光源を搭載した搭載ボード３７に対向するように、ＬＳＩが搭載された搭載ボード３５が配置している。搭載ボード３５の表面には、光信号の入力に用いられる光ファイバ３９と光信号の出力に用いられる光ファイバ３４と、入力用光ファイバ３９の端面から出射した信号光をフォトダイオード２７に向ける凹面鏡３６と、ＶＣＳＥＬ光源３１からの信号光を出力用光ファイバ３４に入射させる凹面鏡３６とが設けられている。これらの凹面鏡３６は、光ファイバ３９とフォトダイオード２７とを光結合させ、光ファイバ３４とＶＣＳＥＬ光源３１とを光結合させる。【００４６】
このような構成では、光ファイバ３９からの光信号は、凹面鏡３６によりフォトダイオード２７に照射されて、電気配線層３８を通してＬＳＩに光信号に対応した電流を流す。ここで光信号の入力には、光ファイバの代わりに、平面光導波路など一般的に知られた他の方法を用いることもできる。また、凹面鏡３６の代わりに凸レンズなどの集光機構を用いることもできる。また、フォトダイオード２７の直後の電気配線層３８の途中に電気信号増幅のためのプリアンプを置くこともできる。【００４７】
ＬＳＩからの電気信号は、電気配線ビア３０から電気配線層３３を通って、ＶＣＳＥＬ光源３１により光信号に変換される。光信号は、凹面鏡３６で反射されて光ファイバ３４に送られる。ＶＣＳＥＬ光源３１は、電気により光を変調する周知の他の機構、例えば外部光源からの光を電気光学効果または熱光学効果により変調するマッハツエンダー型の変調器に置き換えることができる。【００４８】
第５の例示実施形態によれば、Ｓｉ半導体装置におけるＣＭＯＳプロセスとの相性が良いＧｅを用いて高速・高効率のフォトダイオードが実現できるので、集積度を高めることができるとともに、量産が容易になって製造コストを引き下げることができる。すなわち、光インターコネクションモジュールにおいて、フォトダイオードが形成されたＳｉ基板に対し、モノリシックにＬＳＩ電子回路を形成することが容易に行えるようになる。【００４９】
本発明の別の例示実施形態では、フォトダイオードにおいて、上部スペーサ層と光吸収層と下部スペーサ層とによって、金属周期構造体により回折された光が結合する光導波路が構成されるようにすることが好ましい。このような構成によって、回折光の発生効率を増強することができる。【００５０】
さらに別の例示実施形態のフォトダイオードにおいて、金属周期構造体からなる第１及び第２の電極は、例えば、それぞれ櫛形の電極であってその電極指部分が交互に配置しているものや、同心円状の電極であって、その弧状の電極指部分が交互に配置しているものを用いることができる。これらの場合において、第１の電極の電極指と第２の電極の電極指との間隔は均一であることが好ましく、このような交互配列における電極指の周期を金属周期構造体における周期Ｐとする。したがって、第１の電極の電極指のみに注目した場合における周期、あるいは第２の電極の電極指のみに注目した場合における周期は、２Ｐとなる。【００５１】
上述した各例示実施形態のフォトダイオードにおいて、入射光は、金属周期構造体の導波部分に沿って伝搬する表面プラズモンと結合する。金属周期構造体の厚さを調整し、導波部分の入射端と出射端との間において表面プラズモンポラリトンのキャビティが形成される構造にすることで、入射光の反射を低減することが可能となり、入射光の光エネルギーを効率良く半導体層中に導くことができる。さらに、金属周期構造体における周期を調整することにより、光吸収層によって構成される光導波路に対して結合する波数を有する回折光の発生効率を高めることができる。加えて、第１及び第２の電極と光吸収層との間に、光を吸収しない半導体層からなる上部スペーサ層を設け、その厚さを後述する最適な値にすることで、回折光と光導波路との結合効率をさらに高めることができる。【００５２】
この出願は、２００６年１２月１４日に出願された日本国特許出願：特願２００６−３３７０３５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てを参照としてここに取り込む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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