(57)【要約】  大受光面積・高速・高効率の半導体受光素子及び該半導体受光素子を備える光通信デバイスを提供する。半導体受光素子は、基板と、基板上に形成されている第１導電型半導体層と、第１導電型半導体層上に形成されているノンドープ型半導体光吸収層と、ノンドープ型半導体光吸収層上に形成されている第２導電型半導体層と、第２導電型半導体層上に形成されている導電層と、を備える。導電層、第２導電型半導体層及びノンドープ型半導体光吸収層からなる積層体には、周期的に配列された複数の開口が形成されている。開口の幅は、入射光の波長以下であり、開口は、導電層及び第２導電型半導体層を貫通し、ノンドープ型半導体光吸収層に達する。複数の開口は、導電層と第２導電型半導体層との界面における表面プラズモン共鳴を生じさせるような周期的配列を有する。（図２）
2009088071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成されている第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層上に形成されているノンドープ型半導体光吸収層と、
前記ノンドープ型半導体光吸収層上に形成されている第２導電型半導体層と、
前記第２導電型半導体層上に形成されている導電層と、を備え、
前記導電層、前記第２導電型半導体層及び前記ノンドープ型半導体光吸収層からなる積層体には、周期的に配列された複数の開口が形成され、
前記開口の幅は、入射光の波長以下であり、
前記開口は、前記導電層及び前記第２導電型半導体層を貫通し、前記ノンドープ型半導体光吸収層に達することを特徴とする半導体受光素子。
【請求項２】
前記複数の開口は、前記導電層と前記第２導電型半導体層との界面における表面プラズモン共鳴を生じさせるような周期的配列を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体受光素子。
【請求項３】
前記開口の深さをｄ、前記導電層の厚さをｔ１、前記第２導電型半導体層の厚さをｔ２、前記ノンドープ型半導体光吸収層の厚さをｔ３としたとき、前記開口の深さｄは、
ｔ１＋ｔ２≦ｄ≦ｔ１＋ｔ２＋ｔ３／２
の条件を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体受光素子。
【請求項４】
前記第１導電型半導体上に形成されると共に、前記第１導電型半導体層と電気的に接続されている第１電極をさらに備え、
前記導電層は、前記第２導電型半導体層と電気的に接続され、第２電極としても機能することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項５】
前記第１導電型半導体上に形成されると共に、前記第１導電型半導体層と電気的に接続されている第１電極と、
前記第２導電型半導体上に形成されると共に、前記第２導電型半導体層と電気的に接続されている第２電極と、をさらに備え、
前記導電層は、前記第２電極が形成されていない領域に、絶縁層を介して第２導電型半導体層上に形成されており、
前記導電層と前記第２電極とは電気的に接続されていないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項６】
前記第１導電型半導体層が形成されている面とは反対側の前記基板面の少なくとも一部は、レンズ状に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項７】
前記複数の開口は、三角格子状または正方格子状に周期的に配列され、
前記開口の表面形状は、円形、楕円形又は多角形であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項８】
前記導電層の上面の面積（前記開口の面積含む）に対する前記複数の開口の総面積の割合は、５０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項９】
入射光の波長をλ、前記第２導電型半導体層の屈折率をｎ、隣接する前記開口の中心間距離である前記開口の周期をＰとしたとき、ｎＰ／λは、
０．９＜ｎＰ／λ＜１．１、又は１．２＜ｎＰ／λ＜１．５の条件を満たすことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項１０】
前記第１導電型半導体層の下層にブラッグ反射多層膜をさらに備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項１１】
前記導電層が、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、及びＣｕのうちの少なくとも１つの金属材料を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項１２】
前記ノンドープ型半導体光吸収層は、Ｓｉ、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（但し、ｘは１未満の正数）、Ｇｅ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、及びＩｎＰの群の中から選ばれる少なくとも１つで形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項１３】
前記導電体層上に、反射防止膜又は保護膜をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の半導体受光素子。
【請求項１４】
半導体受光素子を備える光通信デバイスであって、
前記半導体受光素子は、基板と、
前記基板上に形成されている第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層上に形成されているノンドープ型半導体光吸収層と、
前記ノンドープ型半導体光吸収層上に形成されている第２導電型半導体層と、
前記第２導電型半導体層上に形成されている導電層と、を備え、
前記導電層、前記第２導電型半導体層及び前記ノンドープ型半導体光吸収層からなる積層体には、周期的に配列された複数の開口が形成され、
前記開口の幅は、入射光の波長以下であり、
前記開口は、前記導電層及び前記第２導電型半導体層を貫通し、前記ノンドープ型半導体光吸収層に達することを特徴とする光通信デバイス。
【請求項１５】
前記半導体受光素子は、前記基板側から光が入射するように配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の光通信デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の記載］
本発明は、日本国特許出願：特願２００８−００３１８２号（２００８年  １月１０日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、半導体受光素子及び該半導体受光素子を備える光通信デバイスに関し、特に、通信分野及び情報処理分野において使用される光信号を電気信号へ変換する半導体受光素子及びに該半導体受光素子を備える光通信デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信、光情報、及び光計測の分野において、光電変換素子として半導体受光素子が多く用いられている。半導体受光素子における光電変換の応答速度を制限する主な要因は、負荷抵抗と空乏層が作る電気容量の積で決まる回路時定数、及び空乏層をキャリアが通過するのに要するキャリア走行時間であり、半導体受光素子の高速応答性を高めるためには、回路時定数およびキャリア走行時間を小さくすることが求められる。【０００３】
回路時定数を小さくする手段としては、例えば、受光面積を小さくして、素子容量を下げる手段が挙げられる。特許文献１に記載の半導体受光素子においては、ｎ−型半導体基板層上に、ｉ−型半導体光吸収層及びｐ−型半導体層をこの順で積層した構造を有する半導体受光素子において、ｐ−型半導体層からｉ−型半導体光吸収層に達する複数個の開口領域を形成することにより、受光面積を低減することなく実効的なｐｎ接合面積を低減し、容量低減を図っている。【０００４】
また、近年、金属表面プラズモンやフォトニック結晶構造を利用して半導体受光素子を従来よりも高速化・高効率化するための種々の試みが行われている（例えば特許文献２〜４参照）。【０００５】
特許文献２に記載の、表面プラズモンを利用したショットキーフォトダイオードは、入射光の波長よりも小さな直径を有する穴と、穴の周囲に設けられた導電膜の膜面に対する入射光によって、励起された表面プラズモンによる共鳴状態を膜面に生じさせる周期構造と、を有する導電膜と、導電膜の穴近傍に導電膜と接して設けられた半導体層と、を有する。周期構造に入射した光は、表面プラズモンを励起して、表面プラズモンとの共鳴状態を生成し、導電膜と半導体層との界面において近接場光を発生させて、光電変換される。【０００６】
特許文献３に記載の表面プラズモン強化光起電力デバイスは、入射光に照明された表面及び照明されていない表面を有し、該照明された表面及び照明されていない表面の少なくとも１つは、入射光の波長以下の直径を有するアパーチャーを備え、それらが周期的な表面トポグラフィーを有し、入射光と表面上の表面プラズモンとの共鳴相互作用を生ずる強化特性を有するアパーチャーの配列を有する第１の金属電極と、第１の金属電極から間隔を置いて配置された第２の電極と、アパーチャーの配列に対応し第１の金属電極と第２の電極の間に配置された複数の球と、を有し、各球は、第１及び第２の部分の間の接合部にｐ−ｎ接合が形成されるように、ｐドープト材料の第１の部分及び、ｎドープト材料の第２の部分を有し、個々の球は、第１あるいは第２の部分の一方が第１の金属電極と電気的に接触し、第１あるいは第２の部分の他方が第２の電極と電気的に接触しているようにアパーチャー内に配置されている。入射光は、表面トポグラフィー上の表面プラズモンと共鳴する。【０００７】
また、受光感度を高めるために、特許文献４に記載の受光素子は、半導体基板と、半導体基板の上方に配置されるｎ型半導体層と、ｎ型コンタクト層の上方に配置され、所与の波長帯の光を吸収するｉ型半導体光吸収層と、ｉ型半導体光吸収層の上方に配置されるｐ型半導体層と、を含み、ｐ型半導体層は、周期的に配列された溝、穴又は柱状突起を有し、光の入射方向と交差する面内に周期的な屈折率分布を有する１次元又は２次元のフォトニック結晶部を含み、フォトニック結晶部は、入射光の少なくとも一部が偶数次の回折光となって光吸収層の面内に分布して伝搬するように形成されている。【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１６５３５９号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／０９８９６６号パンフレット
【特許文献３】特許第３７２６８８７号公報
【特許文献４】特開２００５−１５９００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上の特許文献１〜４の全開示内容は、本書に引用をもって繰り込み記載されているものとする。
以下の分析は、本発明の観点から与えられる。【００１０】
半導体受光素子において、受光面積を小さくして素子容量を下げれば、回路時定数が小さくなり、高速動作を確保することができる。しかしながら、その場合には、受光面積が小さくなるので、光ファイバ等と高効率に光結合させることが困難になるという問題が生じる。【００１１】
そこで、特許文献１に記載の半導体受光素子においては、ｐ−型半導体層からｉ−型半導体光吸収層に貫通する複数個の開口領域を形成することにより、受光面積を低減させることなく素子容量を低減させている。しかしながら、より高速な動作を得るために、半導体光吸収層を薄くしてキャリア走行時間を小さくすると、量子効率が低下するというトレードオフの問題が存在する。【００１２】
特許文献２及び特許文献３に記載の装置においては、表面の金属層（電極）側から光を入射させる構造となっているが、この構造では、光は吸収層に至る前に電極で反射される割合が大きく、高い光電効率は得られない。また、特許文献３に記載の装置の製造においては、半導体基板上に高品位の結晶を成長させることが困難である。そのため、特許文献３に記載の装置は、光通信等の高速動作が要求される用途に適用することが困難である。【００１３】
特許文献４に記載の受光素子においては、フォトニック結晶部を形成する溝はｐ型半導体層の途中までしか形成されていないので、十分な容量低減の効果を得ることができない。【００１４】
本発明の目的は、大受光面積・高速・高効率の半導体受光素子及び該半導体受光素子を備える光通信デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１視点によれば、基板と、基板上に形成されている第１導電型半導体層と、第１導電型半導体層上に形成されているノンドープ型半導体光吸収層と、ノンドープ型半導体光吸収層上に形成されている第２導電型半導体層と、第２導電型半導体層上に形成されている導電層と、を備える半導体受講素子が提供される。導電層、第２導電型半導体層及びノンドープ型半導体光吸収層からなる積層体には、周期的に配列された複数の開口が形成される。開口の幅は、入射光の波長以下である。開口は、導電層及び第２導電型半導体層を貫通し、ノンドープ型半導体光吸収層に達する。【００１６】
上記第１視点の好ましい形態によれば、複数の開口は、導電層と第２導電型半導体層との界面における表面プラズモン共鳴を生じさせるような周期的配列を有する。【００１７】
上記第１視点の好ましい形態によれば、開口の深さをｄ、導電層の厚さをｔ１、第２導電型半導体層の厚さをｔ２、ノンドープ型半導体光吸収層の厚さをｔ３としたとき、開口の深さｄは、ｔ１＋ｔ２≦ｄ≦ｔ１＋ｔ２＋ｔ３／２の条件を満たす。【００１８】
上記第１視点の好ましい形態によれば、半導体受光素子は、第１導電型半導体上に形成されると共に、第１導電型半導体層と電気的に接続されている第１電極をさらに備える。導電層は、第２導電型半導体層と電気的に接続され、第２電極としても機能する。【００１９】
上記第１視点の好ましい形態によれば、半導体受光素子は、第１導電型半導体上に形成されると共に、第１導電型半導体層と電気的に接続されている第１電極と、第２導電型半導体上に形成されると共に、第２導電型半導体層と電気的に接続されている第２電極と、をさらに備える。導電層は、第２電極が形成されていない領域に、絶縁層を介して第２導電型半導体層上に形成されており、導電層と第２電極とは電気的に接続されていない。【００２０】
上記第１視点の好ましい形態によれば、第１導電型半導体層が形成されている面とは反対側の基板面の少なくとも一部は、レンズ状に形成されている。【００２１】
上記第１視点の好ましい形態によれば、複数の開口は、三角格子状または正方格子状に周期的に配列され、開口の表面形状は、円形、楕円形又は多角形である。【００２２】
上記第１視点の好ましい形態によれば、導電層の上面の面積（開口の面積含む）に対する複数の開口の総面積の割合は、５０％以上８０％以下である。【００２３】
上記第１視点の好ましい形態によれば、入射光の波長をλ、第２導電型半導体層の屈折率をｎ、隣接する開口の中心間距離である開口の周期をＰとしたとき、ｎＰ／λは、０．９＜ｎＰ／λ＜１．１、又は１．２＜ｎＰ／λ＜１．５のいずれかの条件を満たす。【００２４】
上記第１視点の好ましい形態によれば、半導体受光素子は、第１導電型半導体層の下層にブラッグ反射多層膜をさらに備える。【００２５】
上記第１視点の好ましい形態によれば、導電層が、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、及びＣｕのうちの少なくとも１つの金属材料を含む。【００２６】
上記第１視点の好ましい形態によれば、ノンドープ型半導体光吸収層は、Ｓｉ、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（但し、ｘは１未満の正数）、Ｇｅ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、及びＩｎＰの群の中から選ばれる少なくとも１つで形成されている。【００２７】
上記第１視点の好ましい形態によれば、半導体受光素子は、導電体層上に、反射防止膜又は保護膜をさらに備える。【００２８】
本発明の第２視点によれば、半導体受光素子を備える光通信デバイスが提供される。半導体受光素子は、基板と、基板上に形成されている第１導電型半導体層と、第１導電型半導体層上に形成されているノンドープ型半導体光吸収層と、ノンドープ型半導体光吸収層上に形成されている第２導電型半導体層と、第２導電型半導体層上に形成されている導電層と、を備える。導電層、第２導電型半導体層及びノンドープ型半導体光吸収層からなる積層体には、周期的に配列された複数の開口が形成される。開口の幅は、入射光の波長以下である。開口は、導電層及び第２導電型半導体層を貫通し、ノンドープ型半導体光吸収層に達する。【００２９】
上記第２視点の好ましい形態によれば、半導体受光素子は、基板側から光が入射するように配置されている。
【発明の効果】
【００３０】
本発明は、以下の効果のうち少なくとも１つを有する。【００３１】
本発明においては、周期的な開口を有する導電層（又は第２電極）に入射した光は、導電層と半導体界面における表面プラズモンを励起し、共鳴状態を形成する。その結果、ノンドープ型半導体光吸収層内に強い電場が発生し、薄いノンドープ型半導体光吸収層に対しても効率良く吸収が行われる。これにより、光吸収層を薄くした場合においても高い量子効率を得ることができる。また、複数の開口が設けられているため、単位面積当たりの素子容量を小さくすることができる。これにより、高速性を高めることができる。さらに、素子容量を低下させても受光面積を維持できるので、光ファイバ等とのアライメントを容易にすることができる。したがって、本発明によれば、高効率・高速・高適用性の半導体受光素子及び光通信デバイスが実現される。【００３２】
また、本発明によれば、ＳｉのＣＭＯＳプロセスと相性の良いＧｅを用いて高速・高効率の半導体受光素子が実現できるので、高集積化及び量産が容易であり製造コストを引き下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体受光素子の概略斜視図。
【図２】図１のII−II線における概略断面図。
【図３】開口の別の形態を示す概略平面図。
【図４】開口の別の形態を示す概略平面図。
【図５】本発明の第１実施形態に係る一態様を示す概略断面図。
【図６】図２の概略部分断面図。
【図７】本発明の第１実施形態に係る半導体素子の第２例の概略断面図。
【図８】本発明の第２実施形態に係る半導体受光素子の概略断面図。
【図９】本発明の第３実施形態に係る半導体受光素子の概略断面図。
【図１０】第４実施形態に係る光通信デバイスの概略断面図。
【図１１】第５実施形態に係る光通信デバイスの概略断面図。
【図１２】実施例１における比較例に係る半導体受光素子の概略断面図。
【図１３】実施例１における電磁界シミュレーション結果。
【符号の説明】
【００３４】
１，１１，２１，３１    半導体受光素子
２                      基板
２ａ                    凸部
３                      第１導電型半導体層
４                      ノンドープ型半導体光吸収層
５                      第２導電型半導体層
６                      第２電極（導電層）
７                      第１電極
８                      開口
１２                    埋め込み酸化層
１３，１４              バッファ層
２２                    絶縁層
２３                    導電層
２４                    第２電極
３２                    ブラッグ反射多層膜
４１                    光通信デバイス
４２                    半導体受光素子
４３                    電気配線
４４                    プリアンプＩＣ
４５                    チップキャリア
４６                    レンズ
４７                    光ファイバ
４８                    モジュール筐体
４９                    信号光
５１                    光通信デバイス
５２                    半導体受光素子
５３                    ＶＣＳＥＬ光源
５４                    ＬＳＩパッケージ
５５                    半導体受光素子／光源搭載ボード
５６                    ＬＳＩ搭載ボード
５７                    光源・変調用電気配線ビア
５８                    電気配線ビア
５９                    光源・変調用電気配線層
６０                    半導体受光素子用電気配線層
６１                    光信号出力ファイバ
６２                    光信号入力ファイバ
６３                    凹面鏡
７１                    半導体受光素子（比較例）
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明の第１実施形態に係る半導体受光素子について説明する。図１に、本発明の第１実施形態に係る半導体受光素子の概略斜視図を示す。図２に、図１のII−II線における概略断面図を示す。【００３６】
本発明の半導体受光素子１は、下層から順に、基板２、第１導電型半導体層３、ノンドープ型半導体光吸収層４、及び第２導電型半導体層５を有し、第１導電型半導体層３、ノンドープ型半導体光吸収層４、及び第２導電型半導体層５はｐｉｎ（またはｎｉｐ）半導体積層構造を形成する。また、半導体受光素子１は、第２導電型半導体層５上に第２導電型半導体層５と電気的に接続された第２電極（導電層）６、及び第１導電型半導体層３上に第１導電型半導体層３と電気的に接続された第１電極７を有する。第２電極６は、第２導電型半導体層５の上部に形成されており、表面プラズモン共鳴を誘起する導電層の役割も果たす。第１電極７及び第２電極６に逆バイアス電圧を印加すると、ノンドープ型半導体光吸収層４が空乏化され、ノンドープ型半導体光吸収層４で発生したフォトキャリアは、光電流として外部回路に取り出され、電気信号に変換されることになる。【００３７】
さらに、半導体受光素子１は、第２電極６及び第２導電型半導体層５を貫通し、ノンドープ型半導体光吸収層４に達する複数の開口８を有する。開口８は、周期的に配列されている。図１に示す形態においては、第２電極６面の平面投影における開口８の形状は正方形であり、開口８は正方格子状に周期的に配列されている。周期的に配された開口８により、第２電極６に光を入射させると、第２電極６と第２導電型半導体層５との界面における表面プラズモン共鳴を誘起させることができる。【００３８】
図３及び図４に、開口８の別の形態を示す概略平面図を示す。開口８の平面形状は、正方形以外の多角形であってもよいし、例えば、図３に示すような円形もしくは楕円形であってもよい。また、開口８の配列形態は、図１及び図３に示すような正方格子状の他にも、例えば、図４に示すような三角格子状の周期的配列であってもよい。【００３９】
平面投影における個々の開口８の大きさは、入射波長以下の大きさになるようにする。開口８の大きさとなる部分は、好ましくは、開口の一番幅広の（長い）部分であり、例えば、正方形開口の場合は対角線であり、円形開口であれば直径であると好ましい。また、素子容量を下げるために、第２電極６平面における開口８が占める総面積の割合は、第２電極６の面積に対して大きくするほど好ましい。例えば、第２電極の面積（開口８含む）に対して開口８が占める総面積の割合を５０％以上にすると、顕著な素子容量低減の効果を得ることができる。開口８の面積割合を増加させることによる量子効率の低下は、第２電極６による表面プラズモン共鳴の効果を利用することによって、防ぐことが可能であるが、開口８の面積割合の上限は、所望の量子効率と素子容量に応じて適宜設定すると好ましく、例えば８０％以下に設定することができる。【００４０】
開口８は一般的な加工方法、例えばウェットエッチング又はドライエッチング、により形成することができる。例えば、半導体積層構造３，４，５の上にリフトオフプロセスを用いて開口パターンを有する第２電極６を形成し、形成した第２電極６をマスクとして第２導電型半導体層５及びノンドープ型半導体光吸収層４にも開口を形成することができる。【００４１】
半導体受光素子１に対する光の入射方向は、第２電極６面側からの入射であっても、基板２面側からの入射であってもよく、いずれの場合においても同様の表面プラズモン共鳴の効果を得ることができる。特に、基板２面側からの入射の場合においては、入射光は波長以下の大きさの開口８をほとんど透過せず、また第２電極６がミラーとしての役割も果たすため、より高い効率が得られ、特に好ましい。基板２面側から光を入射させる場合には、後述の第４実施形態のように用に別途レンズを用いて集光させてもよいし、または、図５に示すように半導体層３〜５とは反対側の基板２面に凸部２ａ（レンズ形状）を形成して基板２自体にレンズ機能を持たせてもよい。【００４２】
第２電極６に入射した光が表面プラズモンと効率良く結合するためには、開口８の周期Ｐが非常に重要なパラメータとなる。図６に、図２に示す半導体受光素子１のノンドープ型半導体光吸収層４、第２導電型半導体層５及び第２電極６部分の概略部分断面図を示す。ここで、隣接する開口８の中心間の距離を周期Ｐ、入射光の真空中での波長をλ、第２導電型半導体層５の屈折率をｎとすると、ｎＰ／λは、０．９＜ｎＰ／λ＜１．１又は１．２＜ｎＰ／λ＜１．５の条件を満たすと好ましい。ｎＰ／λがこの範囲内にあると高い量子効率を得ることが可能となる。【００４３】
また、開口深さｄ（第２電極６からノンドープ型半導体光吸収層４まで達する開口８の深さ）は、本発明の半導体受光素子１における量子効率及び高周波特性に対して重要なパラメータである。開口８の部分においては電界が小さくなるため、この部分で発生したキャリアの走行時間は長くなり、高速応答を妨げる。したがって、高速応答を得るためには、ノンドープ型半導体光吸収層４にも開口８を形成したほうが有利である。ただし、その場合には量子効率がやや低下するので、効率と高速性を両立させるためには、開口８の深さはノンドープ型半導体光吸収層４の中間程度よりも浅くするのが良い。つまり、開口８の深さをｄ、第２電極６の厚さをｔ１、第２導電型半導体層５の厚さをｔ２、ノンドープ型半導体光吸収層４の厚さをｔ３としたとき、開口８の深さｄは、ｔ１＋ｔ２≦ｄ≦ｔ１＋ｔ２＋ｔ３／２を満たすと好ましい。なお、後述の第２実施形態のように絶縁層等がさらに介在する場合には、開口の深さｄには絶縁層等の厚さも加味させる。【００４４】
第２電極６の材料としては、導電性の金属が好ましく、例えば、半導体デバイスに広く用いられており、多くの加工技術が確立されているＡｌあるいはＣｕ等の金属を用いることができるが、特に、電気抵抗が小さく表面プラズモン損失の少ないＡｕあるいはＡｇ等の金属が特に好ましい。【００４５】
第２電極６と第２導電型半導体層５の間には、密着層あるいはバリア層として、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔなどの金属層を設けることもできる。これらの密着層またはバリア層の膜厚は光学的損失が少なくなるように２０ｎｍ以下にすると好ましい。また、第２電極６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良い（開口８内面に形成されてもよい）。この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などが好ましい。【００４６】
第２導電型半導体層５、ノンドープ型半導体光吸収層４、第１導電型半導体層３は複数の半導体材料の積層構造として構成しても良く、半導体受光素子１を作製する基板または入射光波長によって最適な材料を選ぶことができる。例えば、ノンドープ型半導体光吸収層４としては、Ｓｉ、ＳｉｘＧｅ１−ｘ（但し、ｘは１未満の正数）、Ｇｅ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、及びＩｎＰの群の中から選ばれる少なくとも１つの半導体材料を選択することができる。例えば、基板２の材料としてＩｎＰを用いた場合、第１導電型半導体層３にＩｎＰ、ノンドープ型半導体光吸収層４にＩｎＧａＡｓ、第２導電型半導体層５にＩｎＡｌＡｓを用いることができる。また、例えば、基板２の材料としてＳｉを用いた場合、第１導電型半導体層３および第２導電型半導体層５にＳｉ、ノンドープ型半導体光吸収層４にＳｉｘＧｅ１−ｘまたはＧｅを用いることができる。【００４７】
本発明においては、第１導電型及び第２導電型の組み合わせとしては、第１導電型半導体層３をｎ型半導体及び第２導電型半導体層５をｐ型半導体とするｐ−ｉ−ｎ型構造でもよいし、第１導電型半導体層３をｐ型半導体及び第２導電型半導体層５をｎ型半導体とするｎ−ｉ−ｐ型構造でもよい。【００４８】
次に、本発明の第１実施形態に係る半導体受光素子１の第１例について図１及び図２を用いて説明する。基板としてのＩｎＰ基板２の上に、第１導電型半導体層としてｎ型ＩｎＰ層３、ノンドープ型半導体光吸収層としてｉ型ＩｎＧａＡｓ層４、第２導電型半導体層としてｐ型ＩｎＡｌＡｓ層５が積層されている。これらの半導体層３，４，５は全て分子線エピタキシー又は有機金属気相成長法を用いて成長させることができる。ｐ型ＩｎＡｌＡｓ層５の表面には、第２電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ−ｐ電極６が形成されている。また、エッチングによりｎ型ＩｎＰ層３の表面の一部を露出させ、該露出面に、第１電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ−ｎ電極７が形成されている。電極７，６と半導体層３，５との間には、良好なオーミック接合が形成されている。Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ−ｐ電極６、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ層５及びｉ型ＩｎＧａＡｓ層４には、周期的に配列した複数の開口８が形成されている。開口８は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ−ｐ電極６及びｐ型ＩｎＡｌＡｓ層５を貫通し、ｉ型ＩｎＧａＡｓ層４の半ばにまで達している。半導体受光素子１に逆バイアス電圧を印加すると、ｉ型ＩｎＧａＡｓ層４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、ｉ型ＩｎＧａＡｓ層４は十分大きな吸収係数を持ち、高効率の半導体受光素子が可能となる。また、ＩｎＰは該波長に対して吸収のない透明材料であり、ＩｎＰ基板２側から光入射させることができる。【００４９】
次に、本発明の第１実施形態に係る半導体受光素子の第２例について説明する。図７に、本発明の第１実施形態に係る半導体素子の第２例の概略断面図を示す。半導体受光素子１１は、本発明の第１実施形態に基づくものであるが、第１例に係る半導体受光素子とは半導体材料が異なっている。基板としての、埋め込み酸化層１２を含むＳｉ基板２の上に、第２導電型半導体層としてｎ型Ｓｉ層３を形成し、その上にＳｉＧｅバッファ層１３を形成し、その上にノンドープ半導体光吸収層としてｉ型Ｇｅ層４を設け、その上にＳｉＧｅバッファ層１４を形成し、その上に第２導電型半導体層としてｐ型Ｓｉ層５を形成している。ｎ型Ｓｉ層３及びｉ型Ｇｅ層４の上にＳｉＧｅバッファ層１３，１４を設けることにより、結晶欠陥の少ないｉ型Ｇｅ層４及びｐ型Ｓｉ層５をエピタキシャル成長させることができる。ｐ型Ｓｉ層５の表面には、第２電極としてＣｒ／Ａｇ−ｐ電極６が、ｎ型Ｓｉ層３の表面には、第１電極としてＣｒ／Ａｇ−ｎ電極７が形成されている。Ｃｒ／Ａｇ−ｐ電極６、ｐ型Ｓｉ層５、ＳｉＧｅバッファ層１３及びｉ型Ｇｅ層４には、周期的に配列した複数の開口８が形成されている。開口８は、Ｃｒ／Ａｇ−ｐ電極６、ｐ型Ｓｉ層５、及びＳｉＧｅバッファ層１３を貫通し、ｉ型ＩｎＧａＡｓ層４の半ばにまで達している。ノンドープ半導体光吸収層としてｉ型Ｇｅ層４を用いた場合においても、１．３μｍあるいは１．５５μｍの入射光に対して本発明の半導体受光素子１１は動作し、この波長帯ではＳｉは吸収のない透明材料となる。第２例においては、光ノンドープ半導体吸収層としてｉ型Ｇｅ層１７を用いることにより、作製上Ｓｉプロセスと整合性が良くなるという利点がある。【００５０】
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体受光素子について説明する。図８に、本発明の第２実施形態に係る半導体受光素子の概略断面図を示す。図１及び図２に示す第１実施形態においては、第２電極６が表面プラズモン共鳴を誘起する周期構造を有する導電層としての役割も兼ねる構造となっている（第２電極と導電層とを併せて「第２電極」と表記している）が、第２実施形態においては、第２電極２４と、表面プラズモン共鳴を誘起する周期構造を有する導電層２３とを別々の構成としている。【００５１】
第２電極２４は、第２導電型半導体層５の一部の上に形成され、導電層２３は、第２電極２４が形成されていない第２導電型半導体層５上に、絶縁層２２を介して形成されている。すなわち、第２電極２４と導電層２３とは電気的に接続されていない。絶縁層２２の材料としては、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ等が好ましい。絶縁層２２の厚さは、プロセスの適合性、入射光波長、その他設計上の様々なパラメータによって適宜設定されるが、例えば、好ましくは１０ｎｍ〜１００ｎｍ、より好ましくは５０ｎｍ程度である。開口８は、導電層２３、絶縁層２２及び第２導電型半導体層５を貫通し、ノンドープ型半導体光吸収層４の半ばまで達している。このような第２実施形態に係る構成においても、第１実施形態と同様の表面プラズモン共鳴効果を得ることができる。【００５２】
次に、本発明の第３実施形態に係る半導体受光素子について説明する。図９に、本発明の第３実施形態に係る半導体受光素子の概略断面図を示す。第１実施形態との差異は、第３実施形態においては、基板２と第１導電型半導体層３との間にブラッグ反射多層膜３２を設けている点である。それ以外の点については、半導体受光素子３１は、図１及び図２に示す第１実施形態に係る半導体受光素子１と同様である。【００５３】
本発明の半導体受光素子では表面プラズモン共鳴を利用してノンドープ型半導体光吸収層に光を閉じ込めることができるが、それでもなお透過あるいは反射していく成分が存在する。本実施形態によれば、ブラッグ反射多層膜３２を設けることにより、第２電極６とブラッグ反射多層膜３２との間にファブリ・ペロー共振器が形成され、さらに量子効率を高めることができる（例えば９０％以上の量子効率が可能になる）。【００５４】
なお、ここでは、第２電極６が、周期構造を有する導電層を兼ねる第１実施形態を基に第３実施形態を説明したが、第３実施形態は、第２電極が導電層と別々の構成となる第２実施形態にも適用可能であることはいうまでもない。【００５５】
次に、本発明の第４実施形態に係る光通信デバイスとして、本発明の半導体受光素子を搭載した光通信デバイスについて説明する。図１０に、第４実施形態に係る光通信デバイスの概略断面図を示す。光通信デバイス４１は、光受信モジュールであり、例えば４０Ｇｂｐｓ伝送用光受信モジュールとすることができる。光通信デバイス４１は、本発明の半導体受光素子４２、電気配線４３、プリアンプＩＣ４４、チップキャリア４５、レンズ４６及び光ファイバ４７をモジュール筐体４８内に有する。半導体受光素子４１はチップキャリア４５上に搭載され、光ファイバ４７およびレンズ４６により光結合がなされている。また、半導体受光素子４１は、電気配線４３により後段のプリアンプＩＣ４４との電気接続が形成されている。本発明の半導体受光素子４１は、基板側から光が照射されるように配置すると効率よく光電変換することができる。なお、第２電極又は導電層側から光が照射されるように配置することも可能である。波長１．５５μｍの近赤外光による伝送に用いる場合、本発明による半導体受光素子４１には化合物半導体基板またはＳｉの上にＧｅをエピタキシャル成長させた基板を用いることができる。本実施形態において、本発明による半導体受光素子４１を用いれば、受光面積を大きくすることができるので結合トレランスを広くすることができるという利点がある。【００５６】
次に、本発明の第５実施形態に係る光通信デバイスとして、本発明の半導体受光素子と半導体装置との接続形態を説明する。図１１に、第５実施形態に係る光通信デバイス（特に、ＬＳＩチップ間インターコネクト）の概略断面図を示す。光通信デバイス５１は、半導体装置としてＬＳＩパッケージ５４と、本発明の半導体受光素子５２及びＶＣＳＥＬ光源を搭載した半導体受光素子・光源搭載ボード５５と、凹面鏡６３及び光信号ファイバ６１，６２を搭載したＬＳＩ搭載ボード５６とを備える。光信号入力ファイバ６２からの光信号は凹面鏡６３により半導体受光素子５２に照射される。半導体受光素子５２は、半導体受光素子用電気配線層６０及び半導体受光素子用電気配線層６０に電気的に接続された半導体受光素子用電気配線ビア５８を介してＬＳＩパッケージ５４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信号入力ファイバ６２の代わりに平面光導波路など一般的に知られた他の手段を用いることもできる。また、凹面鏡６３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、半導体受光素子用電気配線層６０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。【００５７】
ＬＳＩパッケージ５４からの電気信号は、光源・変調用電気配線ビア５７から光源・変調用電気配線層５９を通って、電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）光源５３により光信号に変換される。光信号は凹面鏡６３で反射されて光信号出力ファイバ６１に送られる。電気変調機構を備えたＶＣＳＥＬ光源５３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。【００５８】
なお、第５実施形態においても、半導体受光素子に対する光照射は、基板側から、及び第２電極もしくは導電層側から行うことができるが、基板側から照射するほうが効率よく光電変換することができる。
【実施例１】
【００５９】
開口の周期Ｐの好適な範囲を求め、表面プラズモン共鳴を利用することで量子効率が向上することを示すために、電磁界シミュレーションを実施した。本発明の半導体受光素子のシミュレーションモデルは、図２及び図６に示すような第１実施形態に係るモデルであり、入射光の真空中の波長λを１５５０ｎｍとし、ノンドープ型半導体光吸収層の厚さを２５０ｎｍと比較的薄くして、開口の形状を正方形、開口の一辺の幅（長さ）ｗを周期Ｐの半分、第２電極の面積（開口含む）に対する開口の総面積の割合を２５％として、基板側から光を入射させる設定でシミュレーションを実施した。また、比較例として、図１２に示すような、表面プラズモン共鳴を誘起する周期構造を有する導電層が存在しない半導体受光素子７１についてもシミュレーションを実施した。なお、比較例において、第２電極（不図示）は、受光部分には存在せず、受光部分から少し離れた場所に設けられている。また、比較例における設定も基板側からの光入射である。【００６０】
図１３に、電磁界シミュレーションの結果を示す。図１３は、第２導電型半導体層の屈折率をｎとし、横軸に周期Ｐをλ／ｎで規格化した値をとり、縦軸に量子効率をとっている。なお、周期Ｐを大きくしていくとき、開口の総面積割合は一定にし、開口の一辺の長さｗを周期Ｐに比例させて大きくさせている。【００６１】
シミュレーション結果によれば、表面プラズモン共鳴によるピークが２つ存在し、０．９＜ｎＰ／λ＜１．１又は１．２＜ｎＰ／λ＜１．５の条件を満たすときに量子効率において顕著な効果が得られ、比較例と比較して３倍程度の量子効率が可能になることが分かる。また、共鳴ピーク以外の部分においても比較例よりも高い効率が得られている。これは、基板側から光を入射した場合、波長以下の大きさの開口を光がほとんど透過しないため、第２電極がミラーとしての役割も同時に果たしているためである。【００６２】
本発明は、上記実施形態を基に説明したが、上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において種々の変更、変形、改良等を含むことはいうまでもない。また、本発明の範囲内において、開示した要素の多様な組み合わせ、置換ないし選択が可能である。【００６３】
本発明のさらなる課題・目的及び展開形態は、特許請求の範囲を含む本発明の全開示事項からも明らかにされる。
【図１】
2009088071.tif 000003
【図２】
2009088071.tif 000004
【図３】
2009088071.tif 000005
【図４】
2009088071.tif 000006
【図５】
2009088071.tif 000007
【図６】
2009088071.tif 000008
【図７】
2009088071.tif 000009
【図８】
2009088071.tif 000010
【図９】
2009088071.tif 000011
【図１０】
2009088071.tif 000012
【図１１】
2009088071.tif 000013
【図１２】
2009088071.tif 000014
【図１３】
2009088071.tif 000015
【国際調査報告】
2009088071.tif 000016
2009088071.tif 000017
2009088071.tif 000018
2009088071.tif 000019