(57)【要約】【課題】入射光を効率良く光電変換することができる面型光電変換素子を提供する。【解決手段】光電変換層の一方の面を受光面とする光電変換素子において、光電変換層１０２の受光面の反対側に入射光を反射する反射層１０３を設ける。このため、受光面から入射し、光電変換層１０２でエネルギー吸収されずに光電変換層１０２の底部に到達した入射光を反射層１０３によって反射し、入射光の光路長を長くすることができ、もって光電変換効率を高めることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換層を有し、前記光電変換層の一方の面を受光面とする光電変換素子であって、
前記光電変換層の受光面の反対側に、入射光を反射する第１の反射層を有することを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
前記第１の反射層は、前記入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶からなることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記フォトニック結晶は、前記第１の反射層の層厚方向に周期的屈折率分布構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記フォトニック結晶は、前記第１の反射層の面内方向に周期的屈折率分布構造を有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光電変換素子。
【請求項５】
前記フォトニック結晶は、誘電体柱を周期的に配置してなる周期的屈折率分布構造を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光電変換素子。
【請求項６】
前記フォトニック結晶は、誘電体微粒子球を周期的に配置してなる周期的屈折率分布構造を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光電変換素子。
【請求項７】
さらに、前記光電変換層の受光面側に、入射光の少なくとも一部を透過するとともに、前記第１の反射層で反射された入射光を反射する第２の反射層を設けてな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光電変換素子。
【請求項８】
前記第２の反射層は、前記入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶からなることを特徴とする請求項７に記載の光電変換素子。
【請求項９】
前記第１の反射層と前記第２の反射層とが共振器を構成していることを特徴とする請求項７または８に記載の光電変換素子。
【請求項１０】
前記第１の反射層は、
前記入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶層を、少なくとも２層以上、相互に間隙を設けて積層してなる積層構造を有しており、
前記積層構造中に含まれる隣接するフォトニック結晶層同士がそれぞれ共振器を構成していることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項１１】
さらに、前記光電変換層の受光面側に、入射光の少なくとも一部を透過するとともに、前記第１の反射層で反射された入射光を反射する第２の反射層を有し、
当該第２の反射層は、
前記入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶層を、少なくとも２層以上、相互に間隙を設けて積層してなる積層構造を有しており、
前記積層構造中に含まれる隣接するフォトニック結晶層同士がそれぞれ共振器を構成していることを特徴とする請求項１０に記載の光電変換素子。
【請求項１２】
前記光電変換層の端面周囲に隣接して、前記入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を有し、
当該フォトニック結晶は、前記光電変換層の面内方向に向かって周期的屈折率分布構造
を有す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光電変換素子。
【請求項１３】
前記第１の反射層は、反射光の反射方向を変化させ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光電変換素子。
【請求項１４】
前記光電変換層の受光面側に、光の進行方向を変化させる偏向層を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光インターコネクションにおける受光素子として好適に使用される光電変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通信容量の増大とともに光インターコネクションによる高速伝送が期待されている。光インターコネクションの基本構成は、半導体レーザ(ＬＤ: Laser Diode)や発光ダイオード(Light Emitting Diode)といった発光素子と、光導波路や光ファイバといった光伝達部と、フォトダイオード(Photodiode)やアバランシェダイオード(ＡＰＤ: Avalanche Photo Diode)といった受光素子とからなる。
【０００３】
光インターコネクションの伝送スピードがＧｂｐｓのオーダになってくると、発光源や受光源に単純なレーザやフォトダイオードを使うことは困難になってくる。発光源として期待されている面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は平面内に大量にレーザを構成することができ、また、微小共振器レーザであるために、１０Ｇｂｐｓを越える直接変調を可能としている。ＶＣＳＥＬに対応する受光素子としては、シリコンで構成されるフォトダイオードでは応答速度が間に合わないため、ガリウム砒素などの直接遷移型の材料が用いられている。
【０００４】
しかし、ガリウム砒素等の直接遷移型材料を用いた受光素子は、材料自体のコストが高く、また、シリコンによる受光素子と比較して電子回路を構成するシリコンとの整合性も劣るといった問題がある。
【０００５】
そこで、シリコンを用いた受光素子の光利用効率を上げるため、特許文献１は、入射光を効率良く電気信号に変換する光電変換装置を開示している。図１２は特許文献１に示されている実施例である。特許文献１では、端面受光型の光電変換素子と、その光電変換素子の受光面を除く端面を覆う漏光防止部材とで構成されており、この漏光防止部材により光が反射されるために、光利用効率を向上させてことができる。この構成は端面受光型の光電変換素子を用いているので、例えば光利用効率を上げるために、光導波路型の光電変換素子を用いても同様な効果が得られると考えられる。
【０００６】
このように、特許文献１では、光電変換素子の受光面を除く端面を、フォトニック結晶からなる漏光防止部材で覆うことにより、光電変換素子の面内方向の光閉じ込めを実現している。しかし、面垂直方向の光閉じ込め効果はないので、光利用効率には限界がある。また、発光源にＶＣＳＥＬを用いる場合、面垂直方向での光信号の送受信を行うので、素子の実装や伝送路との接続を容易にすべく、受光素子側でも、面方向での信号のやり取りが可能な面型光電変換素子が望まれる。
【０００７】
ところで、高速伝送用の面型光電変換素子に関して、電子ドリフト時間を小さくするために光電変換層の吸収長幅を小さくすることが行われている。このため、実装時に高精度の位置合せが必要となり、位置合せの精度が低いと光電変換効率が小さくなってしまう。さらに入射光の斜め成分に対して、透過帯域が変化するので、強くビームが絞られた斜め成分を多く含む入射光源に対しては、光利用効率が低下してしまう。高速の光信号を検出するためには、電気回路としての時定数を抑える必要があり、そのためには受光面積を小さくする必要がある。将来的に４０Ｇｂｐｓを超える光信号を処理するときには、例えば受光面が円形の場合、受光面の直径は４０μｍ以下になり、その受光面積に光を絞ることになれば、光ビームの角度成分はさらに増えると予想され、入射光の斜め成分に対する対応が必要となる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３５８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、入射光を効率良く光電変換することができる面型光電変換素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる光電変換素子は、光電変換層を有し、前記光電変換層の一方の面を受光面とする光電変換素子であって、前記光電変換層の受光面の反対側に、入射光を反射する第１の反射層を有することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の光電変換素子において、前記第１の反射層は、前記入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶からなることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３にかかる発明は、請求項１または２に記載の光電変換素子において、前記フォトニック結晶は、前記第１の反射層の層厚方向に周期的屈折率分布構造を有することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４にかかる発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の光電変換素子において、前記フォトニック結晶は、前記第１の反射層の面内方向に周期的屈折率分布構造を有することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５にかかる発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の光電変換素子において、前記フォトニック結晶は、誘電体柱を周期的に配置してなる周期的屈折率分布構造を有することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６にかかる発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の光電変換素子において、前記フォトニック結晶は、誘電体微粒子球を周期的に配置してなる周期的屈折率分布構造を有することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７にかかる発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の光電変換素子において、さらに、前記光電変換層の受光面側に、入射光の少なくとも一部を透過するとともに、前記第１の反射層で反射された入射光を反射する第２の反射層を設けてなることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項８にかかる発明は、請求項７に記載の光電変換素子において、前記第２の反射層は、前記入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶からなることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項９にかかる発明は、請求項７または８に記載の光電変換素子において、前記第１の反射層と前記第２の反射層とが共振器を構成していることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項１０にかかる発明は、請求項１に記載の光電変換素子において、前記第１の反射層は、前記入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶層を、少なくとも２層以上、相互に間隙を設けて積層してなる積層構造を有しており、前記積層構造中に含まれる隣接するフォトニック結晶層同士がそれぞれ共振器を構成していることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項１１にかかる発明は、請求項１０に記載の光電変換素子において、さらに、前記光電変換層の受光面側に、入射光の少なくとも一部を透過するとともに、前記第１の反射層で反射された入射光を反射する第２の反射層を有し、当該第２の反射層は、前記入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶層を、少なくとも２層以上、相互に間隙を設けて積層してなる積層構造を有しており、前記積層構造中に含まれる隣接するフォトニック結晶層同士がそれぞれ共振器を構成していることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１２にかかる発明は、請求項１〜１１のいずれかに記載の光電変換素子において、前記光電変換層の端面周囲に隣接して、前記入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶を有し、当該フォトニック結晶は、前記光電変換層の面内方向に向かって周期的屈折率分布構造を有することを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１３にかかる発明は、請求項１〜１２のいずれかに記載の光電変換素子において、前記第１の反射層は、反射光の反射方向を変化させることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１４にかかる発明は、請求項１〜１３のいずれかに記載の光電変換素子において、前記光電変換層の受光面側に、光の進行方向を変化させる偏向層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１にかかる発明によれば、光電変換層の一方の面を受光面とする光電変換素子において、受光面の反対側に、入射光を反射する第１の反射層を設けているため、光電変換層に入射した入射光のうち、光電変換層でエネルギー吸収されずに光電変換層の底部に到達した入射光を、第１の反射層で反射し、入射光の光路長を長くすることができ、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【００２５】
また、請求項２にかかる発明によれば、第１の反射層を前記入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶によって形成するため、光電変換層でエネルギー吸収されずに光電変換層の底部に到達した入射光を、効率良く反射することができ、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【００２６】
また、請求項３にかかる発明によれば、層厚方向に周期的屈折率分布構造を有するフォトニック結晶を用いるため、垂直方向から入射する光を効率良く反射することができ、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【００２７】
また、請求項４にかかる発明によれば、面内方向に周期的屈折率分布構造を有するフォトニック結晶を用いるため、垂直方向以外から入射する光も効率良く反射することができ、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【００２８】
また、請求項５にかかる発明によれば、誘電体柱を周期的に配置してなる周期的屈折率分布構造によって、反射効率の高い反射層を簡単に構成することができるため、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【００２９】
また、請求項６にかかる発明によれば、誘電体微粒子球を周期的に配置してなる周期的屈折率分布構造によって、反射効率の高い反射層を簡単に構成することができるため、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【００３０】
また、請求項７にかかる発明によれば、光電変換層の受光面側に、第２の反射層を設けることにより、第１の反射層で反射された反射光のうち、光電変換層でエネルギー吸収されずに光電変換層の受光面に到達した入射光を、第２の反射層で反射し、入射光の光路長をさらに長くすることができるため、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【００３１】
また、請求項８にかかる発明によれば、第２の反射層を前記入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶によって形成するため、光電変換層でエネルギー吸収されずに光電変換層の受光面に到達した反射光を、効率良く反射することができ、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【００３２】
また、請求項９にかかる発明によれば、第１の反射層と前記第２の反射層によって共振器を構成することにより、入射光を光電変換層内部に長く閉じ込めることが可能となり、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【００３３】
また、請求項１０にかかる発明によれば、第１の反射層を、前記入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶層を、少なくとも２層以上、相互に間隙を設けて積層してなる積層構造とし、多重共振器を形成することによって、共振帯域を広げることができ、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【００３４】
また、請求項１１にかかる発明によれば、さらに、多重共振器構造を有する第２の反射層を受光面側に設けることにより、共振帯域を広げることができ、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【００３５】
また、請求項１２にかかる発明によれば、光電変換層の端面周囲に隣接して、前記光電変換層の面内方向に周期的屈折率分布構造を有するフォトニック結晶を配設することにより、光電変換層の面内で広がって光電変換層の端面に到達した光を、光電変換層の端面周囲に隣接するフォトニック結晶によって反射して光電変換層内に戻すことができ、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【００３６】
また、請求項１３にかかる発明によれば、第１の反射層が、反射光の反射方向を変化させるため、垂直に入射した光は、光電変換層内で閉じ込められて、反射を繰り返し、実効的な光路長が長くなり、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【００３７】
また、請求項１４にかかる発明によれば、光電変換層の受光面側に、光の進行方向を変化させる偏向層を設けることにより、垂直に入射した光は、光電変換層内で閉じ込められて、反射を繰り返し、実効的な光路長が長くなり、もって光電変換効率を高めることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光電変換素子の最良な実施の形態を詳細に説明する。
【００３９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。第１の実施の形態にかかる光電変換素子は、基板１０１、光電変換層１０２、反射層１０３、正極側電極１０５、負極側電極１０６、スルーホール１１０、絶縁層１１１からなる。
【００４０】
図１に示すように、基板１０１の上面には反射層１０３が積層されており、この反射層１０３の上面には光電変換層１０２が積層されており、光電変換層１０２の上方から入射光が入射する構成となっている。すなわち、反射層１０３は、光電変換層１０２の受光面の反対側に設けられた層構成となっている。かかる層構成により、光電変換層１０２に入射した入射光のうち、光電変換層１０２でエネルギー吸収されずに光電変換層１０２の底部に到達した入射光は、当該反射層１０３で反射され、光電変換層１０２内に戻される。
【００４１】
光電変換層１０２は、入射光を受けて電子ホール対を形成できる材料からなる。例えば、最も一般的な材料は半導体であり、シリコン、ガリウム砒素、インジウム燐もしくはそれらを母体とした化合物半導体を用いて光電変換層１０２を形成することができる。光電変換層１０２は、入射面側の面にｐ側高濃度ドープ層１０２ａを有し、また、入射面と反対側にｎ側高濃度ドープ層１０２ｂを有している。ｐ側高濃度ドープ層１０２ａは、光電変換層１０２を構成する半導体材料にドナーを、ｎ側高濃度ドープ層１０２ｂは、光電変換層１０２を構成する半導体材料にアクセプタを、それぞれイオン注入やイオン拡散によって高濃度ドープすることによって形成される。
【００４２】
正極側電極１０５および負極側電極１０６は、それぞれ、ｐ側高濃度ドープ層１０２ａおよびｎ側高濃度ドープ層１０２ｂと導通しており、光電変換層１０２で発生した電流を取り出すことができる。取り出された電流は、電気信号として外部回路に送られる。図１において、正極側電極１０５は、絶縁層１１１を介して、ｐ側高濃度ドープ層１０２ａ上に形成されている。また、負極側電極１０６は、光電変換層１０２に形成されたスルーホール１１０を通じてｎ側高濃度ドープ層１０２ｂと電気的に接触している。スルーホール１１０は、負極側の導通を取ることが目的であるので、ｎ側高濃度ドープ層１０２ｂと電気的な接触ができる大きさであればよい。つまり、デバイス設計の自由度に応じて、スルーホール１１０の大きさを適宜設定することができる。
【００４３】
反射層１０３は、入射光の波長範囲（例えば２０ｎｍ以上の波長範囲）で反射率が高く、かつ、光吸収率材料が低い材料であれば、特に限定はなく、誘電体材料でも金属でも良い。反射層１０３として、望ましい反射率は、入射光の波長範囲で、９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９９％以上である。例えば、入射光の波長が８５０ｎｍ帯であれば、銅、金、銀の金属膜が高い反射率と低い光吸収率を有するので、これらの金属膜を用いることで、光電変換層１０２を透過した光を再び光電変換層１０２にフィードバックすることができ、光利用効率を上げることが可能となる。
【００４４】
ｐ側の受光面から入ってきた入射光は、光電変換層１０２にてそのエネルギーが吸収されて電子ホール対になる。電子ホール対は、逆バイアスを加えることによって生じた電界により、電子が正極側電極１０５に、ホールが負極側電極１０６に移動し、電流を発生させる。
【００４５】
光電変換素子の光電変換量は、入射光が光電変換層１０２の内部を通過する長さ、つまり光路長に比例するため、光路長を長くすることにより、入射した光の光利用効率を向上することができる。通常、面受光型の光電変換素子では、光路長を長くするために、光電変換層１０２を厚く設計している。しかし、光電変換層１０２を厚くすると逆バイアス電圧を大きくする必要があるなどの電気的な制約が出てくるという問題があった。そのため、逆バイアスの電圧を低く抑えながら光路長を長くして光利用効率を向上させる方式として、光導波路型のデバイスが提案されているが、光導波路に光を入射するためにアライメント調整をする必要があり、極めて薄い光吸収層に光を入射するためのアライメント調整は非常に困難である。
【００４６】
第１の実施の形態によれば、光電変換層１０２の入射面の反対側に、反射層１０３を設け、ｐ側の受光面から光電変換層１０２に入ってきた光を反射層１０３で反射させることにより、光路長を長くすることができる。このため、光電変換層１０２を厚くしたり、光導波路型の光電変換素子のように高精度のアライメント調整したりすることなく、簡単な構成で、光利用効率を向上させることが可能となる。
【００４７】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する構成要素には同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００４８】
第２の実施の形態は、反射層２０１として、入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップ（光伝搬禁止帯）を有するフォトニック結晶を用いることを特徴とする。フォトニック結晶は、屈折率の違う物質を光の波長程度の周期で組み合わせることによって、その内部に屈折率の周期的な分布を持たせた結晶であり、伝播できない光のエネルギー帯、すなわちフォトニックバンドギャップを有するものである。第２の実施の形態は、特定の波長の光を伝搬できないというフォトニック結晶の性質を利用して、これを反射層として利用するものである。
【００４９】
第２の実施の形態では、として、低屈折率媒質層と高屈折率媒質層とのペアーを多数積層することによって、層厚方向に入射光の波長程度の周期的屈折率分布構造（以下、周期構造と略す場合がある）を付与した多層膜からなる一次元フォトニック結晶を用いる。多層膜を構成する各膜の膜厚を入射光の１／４波長の光学厚さで設計することにより、分布ブラッグ反射鏡として高い反射率を得ることができる。第２の実施の形態においては、低屈折率媒質層と高屈折率媒質層とのペアーを、少なくとも５ペア以上積層することが好ましく、積層数を多くすることで反射率を高めることができる。このような多層膜は、スパッタリング等の公知の手法を用いて作成することができる。
【００５０】
フォトニック結晶においては、低屈折率媒質層と高屈折率媒質層との屈折率差が大きい程、反射率を向上させることができるため、低屈折率媒質と高屈折率媒質の組合せを選択する際、両者の屈折率差が、好ましくは１％以上、より好ましくは３％以上となるような組合せを選択することが好ましい。多層膜の材質としては、低屈折率媒質層と高屈折率媒質層との屈折率差を十分に確保できる材質であれば特に限定されず公知の材質を利用することができ、例えば、半導体多層膜、誘電体多層膜、あるいは、半導体層と誘電体層を組み合わせた複合多層膜などを例示することができる。
【００５１】
フォトニック結晶として使用できる半導体多層膜としては、例えば、ガリウム砒素／アルミニウムガリウム砒素、インジウム燐／ガリウムインジウム砒素燐等の材質を例示することができる。半導体多層膜によってフォトニック結晶を形成する場合、公知の結晶成長技術によって、低屈折率媒質層と高屈折率媒質層を順次積層すればよい。結晶成長技術により成長できる材料は、材料原子の格子間隔が整合する材料で形成する必要がある。そのため、半導体多層膜では、低屈折率媒質層と高屈折率媒質層との材料の性質が近くなってしまい、十分な屈折率差をとることが難しい場合がある。一般的には、半導体多層膜で反射層２０１を構成する場合、十分な反射率を実現するためには、低屈折率媒質層と高屈折率媒質層とのペアーを数１０ペアー積層することが好ましい。
【００５２】
誘電体多層膜としては、例えば、材料と二酸化シリコン/酸化マグネシウム、二酸化シリコン/二酸化ジルコニアなどといった材質を例示することができる。誘電体多層膜の場合、低屈折率媒質層と高屈折率媒質層として、屈折率差は大きい組合せを選択することができるために、１０ペアー程度の積層数で９９％以上の反射率を得ることができる。
【００５３】
以上説明したように、第２の実施の形態によれば、反射層２０１を、入射光の波長に対してフォトニックバンドギャップを有する一次元フォトニック結晶によって形成するため、光電変換層１０２でエネルギー吸収されずに光電変換層の底部に到達した入射光を、効率良く反射することができ、光電変換効率を高めることができる。
【００５４】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。なお、第３の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する構成要素には同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００５５】
第３の実施の形態は、反射層３０１として、層厚方向および面内方向に入射光の波長程度の周期構造を有する三次元フォトニック結晶を用いることを特徴とする。三次元フォトニック結晶は、低屈折率媒質および高屈折率媒質の個々の薄膜を、リソグラフィーとドライエッチングで加工し、それらを交互に張り合わせることによって、層厚方向および面内方向に周期構造を付与することで形成できる。
【００５６】
三次元フォトニック結晶からなる反射層３０１は、基板と光電変換層との間の全面に設ける必要はなく、受光面より若干大きい面積、例えば、受光面の１．５倍程度の面積があれば十分である。
【００５７】
以上説明したように、第３の実施の形態によれば、反射層３０１に三次元フォトニック結晶を用いることで、一次元フォトニック結晶では得られない広帯域での高い反射率を実現することができるとともに、入射角度による反射率低下を防止することが可能となる。
【００５８】
（第４の実施の形態）
図４は、本発明の第４の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。なお、第４の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する構成要素には同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００５９】
第４の実施の形態は、反射層４０１を構成する三次元フォトニック結晶を、誘電体柱４０１ａを規則的に積み重ねることによって形成したことを特徴とする。
【００６０】
第４の実施の形態の三次元フォトニック結晶は、非対称面心立方構造により構成される。非対称面心立方構造は、あらゆる方向にフォトニックバンドギャップを与える完全三次元構造である。このように、波数空間の全方向に対してフォトニックバンドギャップが開く構造を有する三次元フォトニック結晶を用いて反射層を形成することにより、垂直入射ではない入射角度を持つ入射光源に対しても高い反射率を実現することができる。
【００６１】
非対称面心立方構造を形成するために用いる誘電体柱４０１ａの形状は、四角柱でも良いし、円柱でもよい。誘電体の誘電率は高いほうが好ましく、誘電体柱とそれを囲む媒質との誘電率差は大きければ、フォトニックバンドギャップが大きく開き、広帯域で高い反射率が得られる。例えば、空気中にシリコン柱でフォトニック結晶を形成すれば、屈折率差が大きくすることができ、５０ｎｍ程度の広帯域で、高い反射率が得ることが可能となる。
【００６２】
この誘電体柱４０１ａの材料は受光する光の波長で透明である材料が好ましい。例えば、波長１．３μｍであれば、ガラス材料、半導体材料であるシリコンやガリウム砒素、インジウム燐などが上げられる。
【００６３】
非対称面心立方構造は、誘電体柱４０３ａを交互に積み重ねることによって形成することができる。まず、基板１０１上に、一定のピッチで誘電体柱４０１ａを並行に配列し、第１層を形成する。次いで、第１層の上に、９０度回転して同様のピッチで誘電体柱４０１ａを並行に配列させることによって、第２層を形成する。次に第２層の上に、第１層の配列と半ピッチずらして誘電体柱４０１ａを並行に配列することによって、第３層を形成する。さらに第３層の上に、第２層の配列と半ピッチずらして誘電体柱４０１ａを並行に配列することによって、第４層を形成する。これらの積層工程を繰り返すことにより非対称面心立方構造の三次元フォトニック結晶を形成することができる。
【００６４】
例えば、半導体からなる誘電体柱４０１ａを用いる場合、半導体融着技術によって非対称面心立方構造を形成可能である。半導体融着技術とは、同種もしくは異種の半導体に表面処理を施して表面に水酸基を導入し、水酸基の水素結合により半導体表面を貼り合せ、水素雰囲気中で高温加熱により、水分子を除去することで、基板面の分子結合を得るプロセスである。リソグラフィーとエッチングで基板１０１上にサブミクロンの半導体柱構造を形成し、それらを高精度に位置合せをして融着し、基板１０１を除去する操作を繰り返すことで形成できる。また、例えば、誘電体柱４０１ａをシリコンとすれば、光電変換層１０２と三次元フォトニック結晶からなる反射層４０１とを同じ材料で構成することができるため、半導体融着を繰り返すことで反射層４０１および光電変換層１０２を製作可能である。
【００６５】
また、非対称面心立方構造は、基板１０１上に紫外線硬化樹脂層を形成し、この紫外線硬化樹脂に短パルスのレーザを照射することで紫外線硬化樹脂の一部を硬化させ、柱形状を形成する方法で製作しても良い。この方法を用いるとレーザの集光位置を変化させるだけで、周期構造の製作が可能である。また、リソグラフィーとエッチングにより、基板１０１に受光半径よりも大きな溝を形成し、その溝に紫外線硬化樹脂を埋め込み、レーザ照射により、フォトニック結晶構造を形成してもよい。
【００６６】
三次元フォトニック結晶からなる反射層４０１を形成した後、反射層４０１の上に光電変換層１０２を接着し、電極を形成する。なお、電極を形成する時、および、受光面の近傍にスルーホール１１０を開孔する時に、反射層４０１と受光面との位置合せが必要となるが、光電変換層１０２は１０ミクロン程度ときわめて薄いので、反射層４０１の上に光電変換層１０２を貼り合せる工程の前に、位置合せ用マークを反射層４０１にパターンニングして形成しておけば、位置合せが容易となる。
【００６７】
非対称面心立方構造を有する三次元フォトニック結晶からなる反射層４０１は、基板と光電変換層との間の全面に設ける必要はなく、受光面より若干大きい面積、例えば、受光面の１．５倍程度の面積があれば十分である。
【００６８】
第４の実施の形態によれば、反射層４０１に、あらゆる方向にフォトニックバンドギャップを与える完全三次元構造を有するフォトニック結晶を用いることで、広帯域での高い反射率を実現することができるとともに、入射角度による反射率低下を防止することが可能となる。
【００６９】
（第５の実施の形態）
図５は、本発明の第５の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。なお、第５の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する構成要素には同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００７０】
第５の実施の形態は、反射層５０１を構成する三次元フォトニック結晶を、サブミクロンサイズの誘電体球５０１ａを規則的に積み重ねることによって形成したことを特徴とする。第５の実施の形態では、誘電体球５０１ａを周期的に配列することによって、ダイヤモンド構造からなる三次元フォトニック結晶を形成している。
【００７１】
誘電体球５０１ａの周期配列は、均一な粒径を有する微粒子球を積み重ねることで形成できる。誘電体球５０１ａの直径としては、例えば、５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度である。微粒子球の材料としては、ポリスチレン、二酸化シリコン、二酸化チタンなどがある。
【００７２】
ダイヤモンド構造を有する三次元フォトニック結晶は、基板１０１上に受光径以上の面積をもつ溝をリソグラフィーとエッチングで形成し、当該溝に、均一な粒径を持つ誘電体球５０１ａを液体中に分散した誘電体球分散溶液を液滴し、誘電体球が分散している液体を蒸発させることにより形成することができる。
【００７３】
誘電体球５０１ａの構成材料は、入射光の波長に対して透明である材料が好ましく、屈折率が大きな材料であればより好ましい。ダイヤモンド構造を有する三次元フォトニック結晶からなる反射層５０１を形成した後、反射層５０１の上に光電変換層１０２を貼り合わせ、光電変換層１０２の上に電極を形成する。
【００７４】
以上説明したように、第５の実施の形態によれば、反射層５０１に、あらゆる方向にフォトニックバンドギャップを与える完全三次元構造を有するフォトニック結晶を用いることで、広帯域での高い反射率を実現することができるとともに、入射角度による反射率低下を防止することが可能となる。
【００７５】
（第６の実施の形態）
図６は、本発明の第６の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。なお、第６の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する構成要素には同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００７６】
第６の実施の形態は、第５の実施の形態の応用例であり、高屈折率の充填材６０１ｂ中に、空気球６０１ａが周期的に配列することによって、反射層５０１を構成することを特徴とする。すなわち、第５の実施の形態では、空気の中に誘電体球５０１ａが配置されており、空気より球部分の屈折率が大きい構造となっているが、第６の実施の形態はこの屈折率分布を逆転させた構造の例である。つまり、空気球６０１ａの誘電率が周囲の充填材６０１ｂ屈折率よりも低い構造とすることによって、フォトニック結晶を形成している。製作方法としては図５に示した誘電体球による構造を製作した後、誘電体球間に屈折率が高い材料を埋め込み、エッチングで誘電体球の配列を除去することで空気球を形成する方法等がある。
【００７７】
以上説明したように、第６の実施の形態によれば、反射層６０１に、空気球６０１ａを周期的に配置した周期構造とし、空気球６０１ａの誘電率よりも高い誘電率をもつ媒質で空気球６０１ａの周囲を満たすことによっても、フォトニック結晶を構成することができ、光利用効率を向上させることが可能となる。
【００７８】
（第７の実施の形態）
図７は、本発明の第７の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。なお、第７の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する構成要素には同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００７９】
第７の実施の形態は、光電変換層１０２の受光面の反対側に、入射光を反射する第１の反射層７０１を設けるとともに、さらに、光電変換層１０２の受光面側に、入射光の少なくとも一部を透過するとともに、第１の反射層７０１で反射された入射光を反射する第２の反射層７０３を設けたことを特徴とする。
【００８０】
図７では、第１の反射層７０１および第２の反射層７０３は、第５の実施の形態と同様、サブミクロンサイズの誘電体球５０１ａを用いたフォトニック結晶によって構成されている。
【００８１】
第７の実施の形態では、第１の反射層７０１については、反射膜として高い光反射率を実現できるよう層厚を厚くし、第２の反射層７０３については、第１の反射層７０１より層厚を薄くすることによって、光透過率を高めることで、光電変換層１０２への光の結合量を増やしている。
【００８２】
ｐ側の受光面から入ってきた入射光は、第２の反射層７０３を透過し、光電変換層１０２にてそのエネルギーが吸収されて電流を発生させる。入射光のうち、光電変換層１０２でエネルギー吸収されずに光電変換層１０２の底部に到達した入射光は、第１の反射層７０１によって反射されて光電変換層１０２に戻され、電流を発生させる。第１の反射層７０１によって反射された反射光のうち、光電変換層１０２でエネルギー吸収されずに光電変換層１０２の表面に到達した入射光は、第２の反射層７０３によって反射されて再び光電変換層１０２に戻され、電流を発生させる。このように、第１の反射層７０１と第２の反射層７０３の間で、光反射を反復させることにより、光路長をより一層長くすることができ、光利用効率を向上させることが可能となる。
【００８３】
なお、第７の実施の形態では、第１の反射層７０１および第２の反射層７０３を、サブミクロンサイズの誘電体球５０１ａを用いて構成したが、入射光を反射できるものであれば、反射層の構成は特に限定されない。また、第１の反射層７０１および第２の反射層７０３は、必ずしも同じ構成である必要はなく、例えば、第１の反射層７０１を金属層とし、第２の反射層７０３をフォトニック結晶によって構成することも可能である。
【００８４】
以上説明したように、第７の実施の形態によれば、光電変換層１０２の両面に、反射層を設けることにより、２つの反射層の間で光反射を反復させ、光路長をより一層長くすることができるため、光利用効率を向上させることが可能となる。
【００８５】
（第８の実施の形態）
図８は、本発明の第８の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。なお、第８の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する構成要素には同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００８６】
第８の実施の形態では、光電変換層１０２の受光面の反対側および受光面側に、それぞれ第１の反射層８０１および第２の反射層８０３を設けたものであり、第１の反射層８０１と第２の反射層８０３のフォトニック結晶の３次元周期構造を調整することによって、第１の反射層８０１と第２の反射層８０３とが共振器を構成していることを特徴とする。
【００８７】
第１の反射層８０１と第２の反射層８０３の３次元周期構造を調整することで、共振器の共振状態を制御することができ、注目波長帯での光の透過率と、Ｑ値を制御することが可能となる。このＱ値とは、共振器の性質をあらわす値であり、Ｑ値が大きいと光が共振器内部に長く閉じ込めることが可能であり、実効的な共振器長を長くすることができる。そのため、光利用効率を向上することが可能である。
【００８８】
以上説明したように、第８の実施の形態によれば、第１の反射層８０１と第２の反射層８０３によって共振器を構成することにより、入射光を光電変換層１０２内部に長く閉じ込めることが可能となり、もって光電変換効率を高めることができる。
【００８９】
（第９の実施の形態）
図９は、本発明の第９の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。なお、第９の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する構成要素には同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００９０】
図９に示すように、光電変換層１０２の受光面の反対側および受光面側には、それぞれ第１の反射層９０１および第２の反射層９０３が設けられている。
【００９１】
第９の実施の形態において、第１の反射層９０１は、少なくとも２層以上のフォトニック結晶層９０１ａを積層した積層構造からなる。また、第２の反射層９０３も、少なくとも２層以上のフォトニック結晶層９０３ａを積層した積層構造からなる。各フォトニック結晶層９０１ａ、９０３ａの間に、スペーサ層９０１ｂ、９０３ｂを介在させることによって、各フォトニック結晶層９０１ａ、９０３ａの間に間隙を設けた構造となっている。
【００９２】
第９の実施の形態は、各フォトニック結晶層９０１ａおよび９０３ａの膜厚等の周期構造を調整することによって、隣接するフォトニック結晶層間で共振器を構成させたことを特徴とする。隣接するフォトニック結晶層９０１ａ間、および、隣接するフォトニック結晶層９０３ａ間で、共振器を形成させることによって、第１の反射層９０１、光電変換層１０２および第２の反射層９０３の間で多重共振器を形成することができ、共振帯域をより一層広げることができる。共振帯域を広げられれば、ＶＣＳＥＬの発振波長ぶれをカバーすることが可能であり、光利用効率を向上させることができる。
【００９３】
このような、第１の反射層９０１および第２の反射層９０３は、フォトニック結晶層９０１ａ、９０３ａの周期構造を形成し、その上に光電変換層１０２と同じ材質からなるスペーサ層９０１ｂ、９０３ｂを形成し、さらにスペーサ層９０１ｂ、９０３ｂの上にフォトニック結晶層９０１ａ、９０３ａの周期構造を形成することによって製造することが可能である。この製造工程を繰り返すことにより、多重共振器を形成できる。
【００９４】
隣接するフォトニック結晶層９０１ａ、９０３ａ間で構成される共振器は、フォトニック結晶層９０１ａ、９０３ａの周期構造を形成する誘電体微粒子球の大きさを調整することで、注目波長帯での光の透過率と、Ｑ値を制御することが可能となる。
【００９５】
以上説明したように、第９の実施の形態によれば、第１の反射層９０１、光電変換層１０２および第２の反射層９０３の間で多重共振器を形成させることによって、共振帯域をより一層広げることができるため、もって光電変換効率を高めることができる。
【００９６】
（第１０の実施の形態）
図１０は、本発明の第１０の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。なお、第１０の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する構成要素には同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００９７】
第１０の実施の形態では、光電変換層１０２の受光面の反対側および受光面側に、それぞれ第１の反射層１００１および第２の反射層１００３を設けるとともに、光電変換層１０２の端面周囲に隣接して、光電変換層１０２の面内方向に周期的屈折率分布構造を有するフォトニック結晶１００４を配設したことを特徴とする。
【００９８】
光電変換層１０２の端面周囲に面内方向に周期的屈折率分布構造を有するフォトニック結晶１００４を設けることにより、光電変換層１０２の面内で広がって光電変換層１０２の端面に到達した光を、端面周囲のフォトニック結晶１００４によって反射して光電変換層１０２内に戻すことができる。
【００９９】
光電変換層１０２の端面周囲のフォトニック結晶１００４は、光電変換層の面内で広がった光を反射することで光電変換層１０２に戻し、光利用効率を向上させるために設けられる。フォトニック結晶１００４は、光電変換層１０２の受光領域の周囲に形成されるものであり、受光領域には形成する必要はない。
【０１００】
このようなフォトニック結晶１００４は、基板１０１の全面に光電変換層１０２を形成した後、光電変換層１０２の受光領域の周囲に、リソグラフィーとエッチングによって、光電変換層１０２の面内方向に周期構造を形成することによって作成することができる。
【０１０１】
以上説明したように、第１０の実施の形態によれば、光電変換層１０２の端面周囲に、光電変換層１０２の面内方向に周期的屈折率分布構造を有するフォトニック結晶１００４を設けることにより、光電変換層１０２の面内で広がって光電変換層１０２の端面に到達した光を、端面周囲のフォトニック結晶１００４によって反射して光電変換層１０２内に戻すことができるため、もって光電変換効率を高めることができる。
【０１０２】
（第１１の実施の形態）
図１１は、本発明の第１１の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。なお、第１１の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する構成要素には同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【０１０３】
第１１の実施の形態は、光電変換層１０２と基板１０１との間に、入射面に対して、傾きを有する反射層１１０１を設けたことを特徴とする。反射層１１０１を傾斜面とすることによって、図１１に示すように、反射層１１０１で反射された光の反射方向を変化させることができる。反射層１１０１は金属層でも、フォトニック結晶層でも良く、入力光源の波長に対して高い反射率があればよい。
【０１０４】
光電変換層１０２と、反射層１１０１との間の屈折率、および反射層１１０１の傾きを調整することにより、ｐ側の受光面から垂直に入射した光は、光電変換層１０２内で閉じ込められて、反射を繰り返す。このため、実効的な光路長が長くなり、光利用効率が向上する。
【０１０５】
以上説明したように、第１１の実施の形態によれば、入射面に対して、傾きを有する反射層１１０１を設けることにより、反射光の反射方向を変化させることができ、実効的な光路長が長くなるため、光利用効率を向上させることができる。
【０１０６】
なお、図示はしていないが、光電変換層１０２の上にも、入射光の進行方向を変化させる層を設けることにより、垂直に入射した光は、光電変換層内で閉じ込められて、反射を繰り返し、実効的な光路長が長くなり、光利用効率が向上する。このような入射光の進行方向を変化させる層としては、偏向作用を有する偏向層や、入射面に対して非平行の層や、回折格子構造を有する層等を例示することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
以上説明したように、本発明の光電変換素子は、入射光を効率良く光電変換することができる面型光電変換素子であるため、発光源にＶＣＳＥＬを用いる場合の受光素子として好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】第１の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。
【図２】第２の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。
【図３】第３の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。
【図４】第４の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。
【図５】第５の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。
【図６】第６の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。
【図７】第７の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。
【図８】第８の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。
【図９】第９の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。
【図１０】第１０の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。
【図１１】第１１の実施の形態にかかる光電変換素子の断面図である。
【図１２】従来技術の光電変換素子の断面図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１０１  基板
１０２  光電変換層
１０２ａ  ｐ側高濃度ドープ層
１０２ｂ  ｎ側高濃度ドープ層
１０３  反射層
１０５  正極
１０６  負極
１１０  スルーホール
１１１  絶縁膜
２０１  反射層
３０１  反射層
４０１  反射層
４０１ａ  柱状体
５０１  反射層
５０１ａ  微粒子球
６０１  反射層
６０１ａ  空気球
６０１ｂ  充填材
７０１  第１の反射層
７０３  第２の反射層
８０１  第１の反射層
８０３  第２の反射層
９０１  第１の反射層
９０１ａ  フォトニック結晶層
９０１ｂ  スペーサ層
９０３  第２の反射層
９０３ａ  フォトニック結晶層
９０３ｂ  スペーサ層
１００１  第１の反射層
１００３  第２の反射層
１００４  フォトニック結晶
１１０１  反射層
【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】
2006032787.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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