(57)【要約】【課題】短波長の光に対応する受光素子において、高感度と高速応答とを両立する。【解決手段】受光素子２０は、半導体基板１と、半導体基板１上に形成され、低濃度不純物層を含み且つ所定の波長帯の光を吸収する光吸収層と、光吸収層上に形成され且つ低濃度不純物層よりも不純物濃度が高い高濃度不純物層４とを備える。少なくとも高濃度不純物層中に、高濃度不純物層よりも光に関する屈折率が小さい複数の低屈折率領域６が一定の間隔をもって配列され、半導体基板１の主面方向に周期的な屈折率分布を有することにより所定の波長帯の光を透過させるフォトニック結晶部２１が構成されている。【選択図】図１
2008311562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、低濃度不純物層を含み且つ所定の波長帯の光を吸収する光吸収層と、
前記光吸収層上に形成され且つ前記低濃度不純物層よりも不純物濃度が高い高濃度不純物層とを備え、
少なくとも前記高濃度不純物層中に、前記高濃度不純物層よりも前記所定の波長帯の光に関する屈折率が小さい複数の低屈折率領域が一定の間隔をもって配列され、それによって、前記半導体基板の主面方向に周期的な屈折率分布を有することにより前記所定の波長帯の光を透過させるフォトニック結晶部が構成されていることを特徴とする受光素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記複数の低屈折率領域が前記高濃度不純物層を貫通して前記光吸収層に達するように形成されていることにより、前記フォトニック結晶部が前記光吸収層に達していることを特徴とする受光素子。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記複数の低屈折率領域は、少なくとも前記高濃度不純物層に設けられた複数の空洞部であることを特徴とする受光素子。
【請求項４】
請求項１又は２において、
前記複数の低屈折率領域は、少なくとも前記高濃度不純物層に設けられた複数の凹部が前記高濃度不純物層よりも前記所定の波長帯の光に関する屈折率の低い材料によって埋め込まれた構造を有することを特徴とする受光素子。
【請求項５】
請求項４において、
前記高濃度不純物層上に、前記複数の凹部を埋め込む前記材料から成る反射防止膜が形成されていることを特徴とする受光素子。
【請求項６】
請求項１又は２において、
前記複数の低屈折率領域は、前記高濃度領域と同じ導電型であり且つ前記高濃度領域よりも不純物濃度が低い領域であることを特徴とする受光素子
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一つにおいて、
前記複数の低屈折率領域は、それぞれ円状の平面形状を有することを特徴とする受光素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一つにおいて、
前記光吸収層は、前記低濃度不純物層として第１導電型低濃度不純物層及びその上に形成された第２導電型低濃度不純物層を含み、
前記高濃度不純物層は、第２導電型であることを特徴とする受光素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一つにおいて、
前記複数の低屈折率領域は、前記所定の波長帯の光の波長に相当する寸法の平面形状を有することを特徴とする受光素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一つにおいて、
前記高濃度不純物層の前記所定の波長帯の光に対する屈折率をｎ1 、
前記複数の低屈折率領域の前記所定の波長帯の光に対する屈折率をｎ2 、
前記所定の波長帯の中心波長をλ、
前記複数の低屈折率領域同士の間隔をＤとするとき、次式
Ｄ＝（λ／２ｎ1 ）＋（λ／２ｎ2 ）
が成立することを特徴とする受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ピックアップ装置等に用いられる受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＣＤ−Ｒ（Compact Disk-Recordable）ドライブ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk ）ドライブ等に代表される光ディスク装置において用いられる光ピックアップ用受光素子は、主に、光ディスクにより反射されて戻って来たレーザ光を受光するためのフォトダイオードと、受光したレーザ光に基づいてフォトダイオード等の受光素子によって生成された電気信号を処理するための信号処理回路領域とから構成されている。
【０００３】
近年では、光ディスク装置の高速動作化、記憶容量の大容量化の要望がある。このため、ＤＶＤの光ピックアップシステムにおいても、光ディスクの記憶容量の大容量化を目的として、光源となる半導体レーザの短波長化が進んでいる。つまり、従来は６５０ｎｍの波長の光を放出する赤色半導体レーザが用いられていたのに対し、４０５ｎｍの波長を放出する青色半導体レーザを使用したシステムへと変わりつつある。
【０００４】
光源の短波長化に伴い、受光素子についても青色の波長に合った特性が必要となる。受光する光の波長が短波長であるほど、シリコンによる光の吸収係数は大きくなる。このため、フォトダイオードに照射された光が短波長であるほど、半導体層の表面近傍において吸収されて光キャリアが発生するようになる。
【０００５】
半導体層への光の侵入長、例えば半導体表面からレーザ光の光強度が光吸収によって６０％減衰する位置までの距離は、従来の赤色光（波長６５０ｎｍ）の場合に約４．０μｍであるのに対し、青色光（波長４０５ｎｍ）の場合には約０．３μｍである。つまり、青色光の大部分は、半導体のより浅い領域において吸収される。
【０００６】
ここで、半導体層の不純物領域では、不純物濃度が高いほど光キャリアのライフタイムが短くなる。つまり、光吸収によって光キャリアが生じたとしても、再結合によって消滅し、外部電流として取り出される光電流には寄与しにくくなる。よって、入射光に対する感度が低下する。前記の通り、入射光の波長が短いほど半導体基板の表面近傍において吸収されるため、表面近傍における不純物濃度が高いことによる感度の低下は入射光が短波長であるほど顕著になる。
【０００７】
これに対し、半導体基板表面近傍における不純物濃度が低いほど寄生抵抗が大きくなる。このことは、受光素子の応答速度が低下する原因となることが知られている。
【０００８】
このように、感度の向上及び応答速度の向上は、受光素子の半導体層における不純物濃度に関して実現のための要求が相反するものになっている。
【０００９】
これに対応する技術の例として、低濃度領域と高濃度領域とが格子状に一定間隔をおいて周期的に形成された受光素子等が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１５８２５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１の受光素子において、一部の光は高濃度領域に入射し、そのような光は受光感度の低い領域に吸収されることになる。このため、受光素子全体として考えると、依然として感度の低下が発生している。逆に、低濃度領域に照射される光は受光感度の高い領域に吸収されることになるが、基板表面に低濃度領域が存在するのであるから、基板表面において寄生抵抗が増大し、これによる応答速度の遅延が発生している。このように、高感度化と高速応答との両立は十分には実現されていない。
【００１１】
従って、本発明は、このような課題を解決しようとなされたものであって、特に青色レーザに対して高感度且つ高速応答の両特性を満足させる受光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】
【００１２】
前記の目的を達成するため、本願発明者らは、再結合による光キャリアの消滅を防ぐために不純物濃度を低くした光吸収層の上に、寄生抵抗を低減するために不純物濃度を高くした高濃度不純物層を形成し、更に、該高濃度不純物層中に入射光を透過するフォトニック結晶を構成することにより高濃度不純物層における入射光の吸収を抑えることを着想した。
【００１３】
具体的には、本発明の受光素子は、半導体基板と、半導体基板上に形成され、低濃度不純物層を含み且つ所定の波長帯の光を吸収する光吸収層と、光吸収層上に形成され且つ低濃度不純物層よりも不純物濃度が高い高濃度不純物層とを備え、少なくとも高濃度不純物層中に、高濃度不純物層よりも所定の波長帯の光に関する屈折率が小さい複数の低屈折率領域が一定の間隔をもって配列され、それによって、半導体基板の主面方向に周期的な屈折率分布を有することにより所定の波長帯の光を透過させるフォトニック結晶部が構成されている。
【００１４】
本発明の受光素子によると、光吸収層の上に形成された高濃度不純物層に、所定の波長帯の光を透過するフォトニック結晶が構成されている。このため、受光素子に入射した所定の波長の光は、高濃度不純物層のフォトニック結晶部において周期的な屈折率分布によりブラッグ反射を受け、吸収されない。つまり、入射光はフォトニック結晶部において減衰することなく透過し、その結果として、より多く光吸収層に達する。
【００１５】
光吸収層に達した光は吸収され、光キャリア（電子及び正孔）を生じる。このとき、低濃度不純物層においては不純物濃度が低いために再結合による光キャリアの消滅は少なく、高感度である（これを実現するように低濃度不純物層の不純物濃度を設定する）。更に、受光素子の表面近傍には不純物濃度が高いことから寄生抵抗の小さい高濃度不純物層が設けられているため、高速応答である（これを実現するように、低濃度不純物層に比べて高い不純物濃度として高濃度不純物層の不純物濃度を設定する）。このように、本発明の受光素子は高感度と高速応答との両立を実現している。
【００１６】
尚、複数の低屈折率領域が高濃度不純物層を貫通して光吸収層に達するように形成されていることにより、フォトニック結晶部が光吸収層に達していることが好ましい。
【００１７】
このようにすると、受光素子に入射した光は、フォトニック結晶部が構成されていない部分の高濃度不純物層を通ることなく光吸収層に達することができる。これにより、応答速度及び光感度の更なる向上が実現する。
【００１８】
まず、応答速度の更なる向上について説明する。
【００１９】
光の入射によって光キャリアである電子及び正孔が生じると、電子はカソードに、正孔はアノードに移動し、光電流に寄与する。光吸収層において電子及び正孔が生じた場合、これら電子及び正孔は電界ドリフトによって速やかに光吸収層外まで運ばれ、その後、それぞれカソード及びアノードまで移動する。
【００２０】
これに対し、光吸収層の上に設けられている高濃度不純物層において光キャリアが生じた場合、電子、正孔のいずれか一方は拡散によって光吸収層まで移動した後に前記と同様にしてカソード又はアノードに運ばれる。ことのき、高濃度不純物層における拡散による光キャリアの移動は、光吸収層における電界ドリフトによる移動に比べて大幅に遅い。この結果、高濃度不純物層において対として発生した光キャリアである電子・正孔の両方がカソード・アノードに到達するまでの時間は、光吸収層において発生した光キャリアの場合に比べて長くなる。つまり、高濃度不純物層において生じる光キャリアは、応答速度が低下する原因となる。
【００２１】
そこで、前記の通り光吸収層に達するようにフォトニック結晶部を設けることにより、高濃度不純物層における光キャリアの発生を防ぎ、応答速度を向上することができる。
【００２２】
次に、光感度の更なる向上は、光キャリアが再結合により消滅しやすい高濃度不純物層における吸収を避けることができるため、感度の低下を防ぐことができることによる。このようにして、応答速度及び光感度の更なる向上が実現する。
【００２３】
また、本発明の受光素子において、複数の低屈折率領域は、少なくとも高濃度不純物層に設けられた複数の空洞部であることが好ましい。
【００２４】
シリコン等により形成された高濃度不純物層に比べ、空洞部の屈折率は小さい。そのため、高濃度不純物層に複数の空洞部を配置することにより周期的な屈折率分布を実現し、フォトニック結晶部とすることができる。
【００２５】
また、複数の低屈折率領域は、少なくとも高濃度不純物層に設けられた複数の凹部が高濃度不純物層よりも所定の波長帯の光に関する屈折率の低い材料によって埋め込まれた構造を有することが好ましい。
【００２６】
このようにすると、高濃度不純物層を構成する材料とそれよりも屈折率の低い材料との屈折率の違いにより周期的な屈折率分布を実現し、フォトニック結晶部とすることができる。このとき、望みの屈折率を有する材料を選択して凹部を埋め込むことにより任意の屈折率差を発生させることができるため、より容易に所定の波長帯の光を透過させるフォトニック結晶部を得ることができる。
【００２７】
また、このような構造において、高濃度不純物層上に、複数の凹部を埋め込む材料から成る反射防止膜が形成されていることが好ましい。
【００２８】
このようにすると、凹部を低屈折率の材料により埋め込んだ構造の低屈折率領域を設ける前記の効果に加え、反射防止膜より受光素子の表面における光の反射を抑制し、入射する光を増加することにより受光素子の感度を向上することができる。特に、長波長の光に対する反射防止性と、短波長の光に対するフォトニック結晶部の光透過性とを同時に実現し、広範囲の波長域に対して高感度と高速応答とを両立することができる。
【００２９】
また、複数の低屈折率領域は、高濃度領域と同じ導電型であり且つ高濃度領域よりも不純物濃度が低い領域であることが好ましい。
【００３０】
つまり、同一導電型の不純物の濃度差によって屈折率に差が生まれることを利用して周期的な屈折率分布を実現し、フォトニック結晶部とすることが好ましい。ここで、不純物濃度の差を設定することにより屈折率の差を設定することができ、望みの波長帯の光を透過するフォトニック結晶部とすることができる。
【００３１】
複数の低屈折率領域は、それぞれ円状の平面形状を有することが好ましい。
【００３２】
円状の低屈折率領域とすると、均一なパターン成形の再現性が高く、また、対称性も高い。このことが、望みの波長帯の光を透過するフォトニック結晶部を実現するために望ましい。
【００３３】
また、光吸収層は、低濃度不純物層として第１導電型低濃度不純物層及びその上に形成された第２導電型低濃度不純物層を含み、高濃度不純物層は、第２導電型であることが好ましい。
【００３４】
このようにすると、第１導電型低濃度不純物層と第２導電型低濃度不純物層との界面に構成される空乏層において光吸収を行うことができる。
【００３５】
また、複数の低屈折率領域は、所定の波長帯の光の波長に相当する寸法の平面形状を有することが好ましい。更に、高濃度不純物層の所定の波長帯の光に対する屈折率をｎ1 、複数の低屈折率領域の所定の波長帯の光に対する屈折率をｎ2 、所定の波長帯の中心波長をλ、複数の低屈折率領域同士の間隔をＤとするとき、次式Ｄ＝（λ／２ｎ1 ）＋（λ／２ｎ2 ）が成立することが好ましい。
【００３６】
このようにすると、高濃度不純物層と低屈折率領域とによって、所定の波長帯の光を透過させるフォトニック結晶部が確実に構成される。
【発明の効果】
【００３７】
以上説明したように、本発明に係る受光素子によると、受光素子の表面近傍に形成された高濃度不純物層中に所定の波長帯の光を透過するフォトニック結晶部が構成されていることにより、入射光は高濃度不純物層において吸収されることなくその下の低濃度不純物層を含む光吸収層に達する。これにより、高濃度不純物層におけるキャリアの再結合及び受光素子の表面近傍における寄生抵抗をいずれも抑制し、高感度と高速応答とを両立した受光素子となっている。特に、素子の表面近傍にて吸収されやすい短波長の光、例えば青色レーザに適した高性能な受光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下に、本発明の各実施形態に係る受光素子について図面を参照しながら説明する。尚、複数の図面に渡って現れる同様の構成要素には同じ符号を付し、それによって詳しい説明を省略する場合もある。
【００３９】
（第１の実施形態）
図１（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態に係る受光素子の要部を模式的に示す図であり、順に平面及び断面図である。尚、図１（ａ）は、図１（ｂ）におけるIa-Ia'線による断面である。
【００４０】
図１（ａ）に示す通り、本実施形態の受光素子２０はＰＩＮフォトダイオードとして構成されている。具体的に述べると、受光素子２０は高濃度Ｐ＋型シリコン基板１を用いて形成されており、高濃度Ｐ＋型シリコン基板１上に、低濃度Ｐ型シリコン層２（膜厚１５μｍ）、低濃度Ｎ型シリコン層３（膜厚５μｍ）、高濃度Ｎ＋型シリコン層４及びシリコン酸化膜５が下からこの順に積層されている。また、シリコン酸化膜５を貫通して高濃度Ｎ＋型シリコン層４に達するようにカソード電極配線７が設けられると共に、高濃度Ｐ＋型シリコン基板１の裏面（低濃度Ｐ型シリコン層２等が形成されている面の反対側の面）にはアノード電極配線８が設けられている。
【００４１】
Ｎ型である層とＰ型である層の界面、つまり、低濃度Ｐ型シリコン層２と低濃度Ｎ型シリコン層３との界面はＰＮ接合を構成するから、この部分に空乏層が形成される。主に該空乏層が光吸収層として機能する。
【００４２】
また、高濃度Ｎ＋型シリコン層４（及びシリコン酸化膜５）をそれぞれ貫通して低濃度Ｎ型シリコン層３に達する複数の空洞部６が形成されている。空洞部６は高濃度Ｎ＋型シリコン層の下面よりも深く形成されていても良い。図１（ａ）の受光素子２０はそのような例であり、シリコン酸化膜５の膜厚が１００ｎｍ程度であるのに対して空洞部６の深さは５００ｎｍ程度である。
【００４３】
図１（ｂ）に示す通り、空洞部６は円状の平面形状を有すると共に、等間隔に規則的に設けられている。尚、図１（ｂ）においてシリコン酸化膜５の図示は省略している。
【００４４】
空洞部６の屈折率（１．０）は高濃度Ｎ＋型シリコン層４の屈折率（５．６）よりも低く、また、それぞれ同じ直径Ａ１を有する複数の空洞部６は等間隔に設けられている。このため、高濃度Ｎ＋型シリコン層４と複数の空洞部６とにより、高濃度Ｐ＋型シリコン基板１の主面方向に周期的な屈折率分布が生じてフォトニック結晶部２１を構成している。
【００４５】
本実施形態の受光素子２０は、青色レーザ（波長４０５ｎｍ）を受光するためのものである。そこで、空洞部６の直径Ａ１は入射光（レーザ光）の波長とほぼ同じ４００ｎｍとしている。また、空洞部６同士の間隔Ｄ１は２４０ｎｍであり、それぞれ独立して配列されている。このように、フォトニック結晶として機能させるためには、入射光の波長と同等サイズのパターンとして複数の低屈折率の空洞部６を配置する。
【００４６】
このような構成の本実施形態の受光素子２０において、例えば光ディスクにより反射されたレーザ光が受光素子２０の表面に照射されると、フォトニック結晶部２１において、主面方向（入射方向に交差する方向）の周期的な屈折率分布のためにブラッグ反射を受ける。この結果、レーザ光の光波長域に光学的バンドギャップをもつフォトニック結晶部２１中では吸収されず、レーザ光はフォトニック結晶を構成する空洞部６又はＮ＋型シリコン層４を透過する。この結果、高濃度Ｎ＋型シリコン層４よりも深い領域に形成された、不純物濃度の低い低濃度Ｎ型シリコン層３までレーザ光が減衰することなく到達する。
【００４７】
その後、光吸収係数の大きい青色光は低濃度Ｎ型シリコン層３及び低濃度Ｐ型シリコン層２において吸収され、これらの界面における空乏層内にて光キャリア（電子及び正孔）に変換される。発生した光キャリアのうちの電子は、電界ドリフトによって速やかに受光素子表面側の高濃度Ｎ＋型シリコン層４へと吸い上げられる。図１（ｂ）に示す通り、複数の空洞部６が互いに独立している（接続されていない）ため、高濃度Ｎ＋型シリコン層４は受光素子２０の主面方向について連続しており、吸い上げられた電子は高濃度Ｎ＋型シリコン層４内を通って容易にカソード電極配線７に到達することができる。尚、発生した光キャリアのうちの正孔は、アノード電極配線８の側に移動して光電流に寄与する。
【００４８】
このように、本実施形態の受光素子２０によると、フォトニック結晶部２１が構成されていることにより、その光学的バンドギャップに相当する波長の光は高濃度Ｎ＋型シリコン層４においては吸収されず、その下方の低濃度Ｎ型シリコン層３及び低濃度Ｐ型シリコン層２に到達する。つまり、再結合が顕著であって感度低下の原因となる高濃度の不純物層における光の吸収を避け、低濃度の不純物層において光を吸収させることができる。
【００４９】
更に、受光素子２０表面近傍には寄生抵抗の小さい高濃度Ｎ＋型シリコン層４が設けられており、発生した光キャリアは該高濃度Ｎ＋型シリコン層４を通して拡散するため、応答速度は向上している。
【００５０】
よって、本実施形態の受光素子２０は高感度と高速応答との両立を実現し、シリコンに関する吸収係数が大きくなる短波長の光である青色レーザ（波長４０５ｎｍ）に適した受光素子となっている。
【００５１】
具体例として、受光素子２０では入射光の波長λ＝４０５ｎｍに対して感度が０．３Ａ／Ｗ、周波数が−１ｄＢにおいて２２０ＭＨｚの特性を示す受光素子２０が得られた。従来の受光素子の場合、同じ入射光の波長λ＝４０５ｎｍに対し、例えば感度が０．２６Ａ／Ｗ、周波数特性が−１ｄＢにおいて２００ＭＨｚであった。このように、本実施形態の受光素子２０は確かに高感度と高速応答とを両立している。
【００５２】
尚、低屈折率領域のパターンサイズとして、空洞部６の直径Ａ１を入射光の波長（レーザ光の波長、４０５ｎｍ）と同等の４００ｎｍとした本実施形態の例は望ましい構成である。しかし、レーザ光に波長分布が存在することを考慮すると、入射光の中心波長に対して±５０ｎｍ程度の寸法に空洞部６の直径を設定するのがよい。このように、波長４０５ｎｍ等の単一波長の入射光の場合に限るわけではなく、入射光の波長分布を考慮して、ばらつきを考慮した様々な波長の光に適する構成とすることもできる。
【００５３】
また、本実施形態では、高濃度Ｐ＋型シリコン基板１を用いる例を説明しているが、これには限らず、各構成要素についていずれも逆の導電型を有する構成とすることもできる。更に、アノード電極配線８を高濃度Ｐ＋型シリコン基板１の裏面に形成する例を説明しているが、これには限らない。例えば、アノード・カソード間に絶縁分離層を設け、高濃度Ｐ＋型シリコン基板１に接続するコンタクト層を表面（受光素子２０のシリコン酸化膜５の形成されている側）の側から形成し、表面にアノード電極を引き出す構成とすることも可能である。
【００５４】
次に、本実施形態の受光素子２０の製造方法について図面を参照して説明する。図２（ａ）〜（ｆ）は、受光素子２０の製造方法、中でも受光領域を形成する工程を説明するための断面図である。
【００５５】
まず、図２（ａ）に示す通り、不純物濃度が１×１０19／ｃｍ3 程度の高濃度Ｐ＋型シリコン基板１上に、エピタキシャル成長法により、比抵抗１００Ωｃｍ程度で且つ厚みが２０μｍ程度の低濃度Ｐ型シリコン層２を形成する。続いて、低濃度Ｐ型シリコン層２上に、同じくエピタキシャル成長法を用い、比抵抗が１００Ωｃｍ程度で且つ膜厚が１０μｍ程度の低濃度Ｎ型シリコン層３を形成する。尚、低濃度Ｐ型シリコン層２及び低濃度Ｎ型シリコン層３の不純物濃度は、両者が空乏化することにより発生した光キャリアが再結合によって消失するのを避けられるように設定する。
【００５６】
次に、図２（ｂ）に示す通り、低濃度Ｎ型シリコン層３上にシリコン酸化膜５（例えば熱酸化膜）を形成する。
【００５７】
この後、図２（ｃ）に示す通り、マスキング処理を用いて必要な範囲の低濃度Ｎ型シリコン層３に対して不純物注入を行う。これにより、低濃度Ｎ型シリコン層３の上部に高濃度Ｎ＋型シリコン層４を形成する。この際、例えば、不純物としてＡｓ（ヒ素）を用い、イオン注入エネルギー２０ｋｅＶで且つイオン注入量５×１０14／ｃｍ2 のドーピング条件とする。このようなドーピング条件（高濃度Ｎ＋型シリコン層４の不純物濃度）は、受光素子の高速応答を実現するため、高濃度Ｎ＋型シリコン層４の寄生抵抗が十分小さくなるように設定する。
【００５８】
次に、図２（ｄ）に示す通り、高濃度Ｎ＋型シリコン層４上に形成したシリコン酸化膜５にコンタクトホールを設ける。該コンタクトホールを介して高濃度Ｎ＋型シリコン層４に接続するように、カソード電極配線７を形成する。
【００５９】
また、図２（ｅ）に示す通り、高濃度Ｐ＋型シリコン基板１の裏面にアノード電極配線８を形成する。
【００６０】
次に、図２（ｆ）に示す工程を行う。つまり、アノード電極配線８及びカソード電極配線７の形成の後、リソグラフィ技術を用いて所定のパターンのマスクを形成し、異方性のドライエッチングにより、高濃度Ｎ＋型シリコン層４を貫通するように複数の空洞部６を形成する。
【００６１】
ここで、複数の空洞部６は、図１（ｂ）に示すように、互いに接することなく高濃度Ｎ＋型シリコン層４中に配列して形成する。また、空洞部６はそれぞれ入射光の波長とほぼ同じ４００ｎｍの直径Ａ１を有する円形の平面形状とする。空洞部６同士の間隔Ｄ１は２４０ｎｍである。
【００６２】
また、空洞部６の深さはシリコン酸化膜５の表面から５００ｎｍ程度としている。これは、高濃度Ｎ＋型シリコン層４の深さは４００ｎｍ程度であるから、図２（ｆ）の通り、空洞部６はこれよりも深く形成されている。後に説明する通り、フォトニック結晶部２１は低濃度Ｎ型シリコン層３に達していることが望ましく、また、空洞部６が低濃度Ｎ型シリコン層３の上面よりも深く形成されていることに大きな問題は無い。このため、加工精度等の観点から、空洞部６は低濃度Ｎ型シリコン層３の上面よりも深く形成するのがよい。
【００６３】
空洞部６を形成することにより、相対的に屈折率の高い高濃度Ｎ＋型シリコン層４中に相対的に屈折率の低い空洞部６が入射光の波長と同等サイズのパターンをもって規則配列されることになる。これによりフォトニック結晶部２１が構成され、先に説明したように、レーザ光はフォトニック結晶部２１部分を吸収されずに通過し、不純物濃度の低い低濃度Ｎ型シリコン層３に到達した後に吸収される。このように、青色レーザの受光に関して高感度と高速応答とを両立させた受光素子２０を製造することができる。
【００６４】
尚、ここでは高濃度Ｎ＋型シリコン層４上にシリコン酸化膜５が形成されている状態において空洞部６を形成した。しかし、シリコン酸化膜５上に積層する別の膜、例えばＳｉＮ膜等が形成されていても良いし、更に別の膜が形成されていても構わない。
【００６５】
また、本実施形態において、空洞部６はいずれも高濃度Ｎ＋型シリコン層４を貫通して低濃度Ｎ型シリコン層３に達しており、これによってフォトニック結晶部２１も低濃度Ｎ型シリコン層３に達している。これは、受光素子の感度向上及び応答速度向上のためには望ましい構成である。しかし、空洞部６が高濃度Ｎ＋型シリコン層４を貫通しておらず、つまり、高濃度Ｎ＋型シリコン層４内に納まるように形成されている構成とすることも可能である。
【００６６】
この場合、空洞部６が形成されている範囲にフォトニック結晶部が構成され、当該フォトニック結晶部の範囲において入射光の吸収が防がれる。フォトニック結晶部の範囲外の部分の高濃度Ｎ＋型シリコン層４においては、再結合によって光キャリアが減少する。また、再結合によって消滅せず光電流に寄与する光キャリアについても、応答速度を低下させる原因となる。
【００６７】
先に述べた通り、低濃度Ｎ型シリコン層３と低濃度Ｐ型シリコン層２との界面に生じる空乏層において生じた光キャリアは、電界ドリフトによって速やかに移動する。この際、光キャリアのうちの正孔はアノード電極配線８の側に移動する。これに対し、フォトニック結晶部２１の範囲外の部分の高濃度Ｎ＋型シリコン層４において光キャリアが生じた場合、そのうちの正孔は、拡散によって前記の空乏層まで移動する必要がある。この際の移動速度は、電界ドリフトによる移動に比べて大幅に遅い。そのため、空乏層内において生じた正孔に比べてアノード電極配線８に到達するまでの時間が遅く、このことは、応答速度を低下させる原因となる。
【００６８】
このようなことから、空洞部６が低濃度Ｎ型シリコン層３に達していない構造であっても感度向上の効果は発揮されるが、より望ましくは、図１（ａ）に示したように空洞部６が低濃度Ｎ型シリコン層３に達している構造とするのがよい。
【００６９】
（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態に係る受光素子２０ａについて、図面を参照しながら説明する。図３（ａ）〜（ｆ）は、受光素子２０ａ、特にその受光領域を製造する工程を示す断面図である。
【００７０】
本実施形態の受光素子２０ａの断面は、図３（ｆ）に示されている。これは、図１（ａ）に示す第１実施形態の受光素子２０において、空洞部６がＳＯＧ（Spin on Glass）等の低屈折率材料によって埋め込まれた複数の低屈折率部９ａとなっている構成と考えれば良い。よって、低屈折率部９ａは、図１（ｂ）に示すのと同様に円形の平面形状を有し且つ互いに独立して等間隔に配列されている。尚、低屈折率材料とは、高濃度Ｎ＋型シリコン層４に比べて入射光に対する屈折率が低い材料であることを言う。
【００７１】
但し、低屈折率部９ａのパターンの直径Ａ２は受光素子２０の空洞部６と同じ４００ｎｍ（想定する入射光の波長４０５ｎｍと同等）であるが、受光素子２０の空洞部６の間隔Ｄ１は２４０ｎｍであるのに対し、低屈折率部９ａの間隔Ｄ２は１８０ｎｍとなっている。
【００７２】
受光素子２０ａにおいても、高濃度Ｎ＋型シリコン層４とそこに規則配置された低屈折率部９ａとによって、レーザ光の入射方向に交差する方向に周期的な屈折率分布が生じ、フォトニック結晶部２１が構成されている。このため、第１の実施形態の場合と同様に、入射光の光波長域に光学的バンドギャップを持つフォトニック結晶部２１において入射光はブラッグ反射を受け、吸収されることなく透過されて低濃度Ｎ型シリコン層３に到達する。この後、低濃度Ｎ型シリコン層３と低濃度Ｐ型シリコン層２との界面から構成される空乏層において入射光が吸収されて光キャリアが生じる。
【００７３】
このことから受光素子２０ａの感度向上が実現すると共に、低濃度Ｎ型シリコン層３上に形成されている高濃度Ｎ＋型シリコン層４のために寄生抵抗が小さくなっている結果として応答速度が向上している点については、第１の実施形態の場合と同様である。
【００７４】
尚、空洞部６に充填する低屈折率材料は、ＳＯＧには限定されず、入射光の波長及び周期パターンの間隔に応じて選択すればよい。逆に、屈折率の決まった材料を用いることにより、フォトニック結晶部２１のパターン間隔を設定することができる。例えば、波長４０５ｎｍの光に対して高濃度Ｎ＋型シリコン層４の屈折率ｎ＝５．４２よりも小さい屈折率を有すると共に、波長４０５ｎｍの光を透過する材料であれば良い。このような材料を用いると、フォトニック結晶部２１を構成して光学的バンドギャップを発生させることができる。
【００７５】
フォトニック結晶において、材料の屈折率とパターン間隔とは次のような関係を有する。つまり、入射光の波長（入射光の波長分布を考えるのであれば、中心波長）をλ、該入射光に対する高屈折率材料及び低屈折率材料の屈折率を順にｎ1 及びｎ2 、周期間隔（ここでは、低屈折率部９ａ同士の間隔）をＤとするとき、次式（１）
Ｄ＝（λ／２ｎ1 ）＋（λ／２ｎ2 ）  （ｎ1 ＞  ｎ2 ）  ……（１）
の関係を満たすのであれば、フォトニック結晶を実現し、光学的バンドギャップを発生させることができる。本実施形態の場合、ＳＯＧの屈折率は１．４２程度であり、式（１）から、先に示した通り間隔Ｄ２を１８０ｎｍとしている。
【００７６】
尚、この式（１）の関係から、低屈折率の材料を用いるほど周期間隔Ｄを大きくすることができる。周期間隔Ｄが大きい方がパターン形成は容易であるから、より低屈折率の材料を用いることが望ましい。
【００７７】
本実施形態の受光素子２０ａは、例えば次のようにして製造することができる。まず、図３（ａ）に示す構造は、第１の実施形態において図２（ｃ）に示した構造と同様であり、図２（ａ）及び（ｂ）に示す工程によって形成される。
【００７８】
次に、図３（ｂ）に示すように、低濃度Ｎ型シリコン層３を貫通する複数の空洞部６を形成する。このためには、リソグラフィによってマスキング処理し、異方性ドライエッチング処理を行った。平面形状及び配置は図１（ｂ）と同様であり、但し前記の通り空洞部６の直径Ａ２が４００ｎｍで且つその間隔Ｄ２は１８０ｎｍである。
【００７９】
次に、図３（ｃ）に示す通り、空洞部６を充填し且つシリコン酸化膜５上を覆うＳＯＧ層９をスピンコート法によって形成する。
【００８０】
次に、図３（ｄ）に示す通り、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いて、空洞部６からはみ出している部分のＳＯＧを除去する。これにより、空洞部６がＳＯＧによって充填された低屈折率部９ａを形成する。
【００８１】
次に、図３（ｅ）に示すように、シリコン酸化膜５を貫通するコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールを介して高濃度Ｎ＋型シリコン層４に接続するカソード電極配線７を形成する。その後、図３（ｆ）に示すように、高濃度Ｐ＋型シリコン基板１の裏面にアノード電極配線８を形成する。
【００８２】
（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態に係る受光素子２０ｂについて、図面を参照しながら説明する。図４（ａ）〜（ｆ）は、受光素子２０ｂ、特にその受光領域を製造する工程を示す断面図である。
【００８３】
本実施形態の受光素子２０ｂの断面は、図４（ｆ）に示されている。これは、図１（ａ）に示す第１実施形態の受光素子２０において、空洞部６がＳｉＮによって埋め込まれて低屈折率部１０ａとなっていると共に、同じＳｉＮによってＳｉＮ膜１０ｂが形成されている構造と考えることができる。但し、ここでも波長４０５ｎｍの光を受光することを想定し、低屈折率部１０ａのパターンの直径Ａ３は受光素子２０と同じ４００ｎｍであるが、低屈折率部１０ａ同士の間隔Ｄ３は１４０ｎｍとしている。このような間隔Ｄ３の値は、ＳｉＮの屈折率が２．００であることから、前記の式（１）を用いて決定される。
【００８４】
ＳｉＮは高濃度Ｎ＋型シリコン層４に比べて低屈折率であるから、空洞部６をＳｉＮによって充填した構成の低屈折率部１０ａが入射光の波長と同等サイズのパターンに規則的に配置されることにより、入射光と交差する方向に周期的な屈折率分布が生じている。これにより、入射光の光波長域に光学的バンドギャップを有するフォトニック結晶部２１が構成され、入射光はブラッグ反射を受けるために吸収されることなく透過して低濃度Ｎ型シリコン層３に到達する。この後は、先の実施形態においても説明した通りに光キャリアの発生と移動が起こり、感度向上及び応答速度向上が共に実現した受光素子２０ｂとなっている。
【００８５】
更に、本実施形態の受光素子２０ｂにおいて、シリコン酸化膜５及び低屈折率部１０ａを覆うように、低屈折率部１０ａと同じＳｉＮによってＳｉＮ膜１０ｂが形成されている。ＳｉＮ膜１０ｂとシリコン酸化膜５との積層膜は、赤色〜赤外光に対する反射防止膜として機能する。このため、受光素子２０ｂは、フォトニック結晶部２１のために短波長光に対して透過性に優れると共に、長波長光に対して反射防止性に優れる。
【００８６】
従って、受光素子２０ｂは、青色光等の短波長から赤外光等の長波長までに亘る広範囲の波長を効率良く受光することができると共に、高感度と高速応答とを両立する高性能な特性を示すものとなっている。
【００８７】
尚、高濃度Ｎ＋型シリコン層４内に形成されている低屈折率部１０ａ同士は互いに独立しているため、高濃度Ｎ＋型シリコン層４は受光素子の主面方向に連続している。よって、低屈折率部１０ａ同士が同じ材料により形成されたＳｉＮ膜１０ｂを介して繋がっていると考えることはできるが、このことに関わりなく、キャリアが高濃度Ｎ＋型シリコン層４内を主面方向に移動する経路は確保されている。
【００８８】
本実施形態の受光素子２０ａは、例えば次のようにして製造することができる。まず、図４（ａ）に示す構造は、第１の実施形態において図２（ｃ）に示した構造と同様であり、図２（ａ）及び（ｂ）に示す工程によって形成される。
【００８９】
次に、図４（ｂ）に示すように、低濃度Ｎ型シリコン層３を貫通する複数の空洞部６を形成する。このためには、リソグラフィによってマスキング処理し、異方性ドライエッチング処理を行った。平面形状及び配置は図１（ｂ）と同様であり、但し前記の通り空洞部６の直径Ａ３が４００ｎｍで且つその間隔Ｄ３は１４０ｎｍである。
【００９０】
次に、図４（ｃ）に示すように、空洞部６を充填し且つシリコン酸化膜５上を覆うＳｉＮ膜１０をプラズマＣＶＤ法等により形成する。これにより、空洞部６がＳｉＮによって充填された低屈折率部１０ａが形成される。この後、図４（ｄ）に示すように、ＣＭＰ法によりＳｉＮ膜１０を研磨して望みの厚さにＳｉＮ膜１０ｂを残す。これにより、ＳｉＮ膜１０ｂとシリコン酸化膜５との積層膜が反射防止膜として機能する。
【００９１】
このように、低屈折率部１０ａと反射防止膜を得るためのＳｉＮ膜１０ｂとを同じ材料によって形成することにより、受光素子２０ｂの製造工程を簡略化することができる。
【００９２】
この後、図４（ｅ）に示すようにＳｉＮ膜１０ｂ及びシリコン酸化膜５を貫通して高濃度Ｎ＋型シリコン層４に接続するカソード電極配線７を形成する。更に、図４（ｆ）に示すように、高濃度Ｐ＋型シリコン基板１の裏面にアノード電極配線８を形成する。
【００９３】
以上により、本実施形態の受光素子２０ｂが製造される。尚、ＳｉＮを材料として低屈折率部１０ａを構成すると共に反射防止膜の一部となるＳｉＮ膜１０ｂを形成したが、これに限定するわけではない。
【００９４】
（第４の実施形態）
続いて、本発明の第４の実施形態に係る受光素子２０ｃについて、図面を参照しながら説明する。図５（ａ）及び（ｂ）は、受光素子２０ｃ、特にその受光領域を製造する工程を示す断面図である。また、図５（ｃ）には、受光素子２０ｃの平面図が示されている。
【００９５】
本実施形態の受光素子２０ｃの断面は、図５（ｂ）に示されている。ここで、高濃度Ｐ＋型シリコン基板１、低濃度Ｐ型シリコン層２、低濃度Ｎ型シリコン層３、シリコン酸化膜５、カソード電極配線７及びアノード電極配線８については、第１の実施形態の受光素子２０と同様である。低濃度Ｎ型シリコン層３中に、より不純物濃度の高い高濃度Ｎ＋型シリコン層４ａが図５（ｃ）に示すパターンとして形成されている。
【００９６】
受光素子２０ｃにおいて、フォトニック結晶部２１は、低濃度Ｎ型シリコン層３と、高濃度Ｎ＋型シリコン層４ａとは不純物濃度に違いにより屈折率が異なることを利用して構成されている。つまり、図４（ｂ）及び（ｃ）に示す通り、円形の平面形状を有し且つ規則的に配列するパターンとして低濃度Ｎ型シリコン層３を残すように高濃度Ｎ＋型シリコン層４ａが形成され、高濃度Ｎ＋型シリコン層４ａの間に残された部分の低濃度Ｎ型シリコン層３が低屈折率部３ａとなっている。これにより、光の入射方向に対して交差する方向に、周期的な屈折率分布が生じており、フォトニック結晶として機能する。尚、屈折率の具体例を挙げると、高濃度Ｎ＋型シリコン層４ａは５．６、低濃度Ｎ型シリコン層３（低屈折率部３ａ）は５．４２である。
【００９７】
また、低屈折率部３ａの直径Ａ４は、本実施形態においても入射光として波長４０５ｎｍの光を想定していることからそれと同等の４００ｎｍである。また、低屈折率部３ａ同士の間隔Ｄ４は、前記の屈折率と式（１）とから、７３．５ｎｍとしている。
【００９８】
受光素子２０ｃにおいても、入射した光は、ブラッグ反射を受けるためにフォトニック結晶部２１を吸収されることなく透過する。つまり、受光素子２０ｃの表面近傍（シリコン酸化膜５に接する部分）において、高濃度Ｎ＋型シリコン層４ａと低濃度Ｎ型シリコン層３の一部である低屈折率部３ａとが配置されているが、この部分において入射光は吸収されず、そのため光キャリアも生じない。
【００９９】
吸収されないため減衰することなくフォトニック結晶部２１を透過した光は、その後、フォトニック結晶部２１の下方に構成されている光吸収層において吸収され、光キャリアを生じる。光吸収層として機能するのは、主に、低濃度Ｎ型シリコン層３と低濃度Ｐ型シリコン層２との界面に構成される空乏層である。
【０１００】
以上から、本発明の第１〜第３の実施形態において説明したのと同様に、高感度と高速応答とを両立した受光素子２０ｃとなっている。特に、青色レーザーに適した受光素子となっている。
【０１０１】
受光素子２０ｃは、例えば次のようにして製造することができる。
【０１０２】
まず、第１の実施形態において説明した図２（ａ）及び（ｂ）の工程を行う。これにより、高濃度Ｐ＋型シリコン基板１、低濃度Ｐ型シリコン層２、低濃度Ｎ型シリコン層３及びシリコン酸化膜５が積層された構造が得られる。
【０１０３】
次に、図５（ａ）に示すように、フォトレジスト１１をマスクとして設けた後に不純物の注入を行い、高濃度Ｎ＋型シリコン層４ａを形成する。この際、低屈折率部３ａとして低濃度Ｎ型シリコン層３のままに残す部分を覆うようにフォトレジスト１１を形成しておく。また、不純物としては例えばＡｓ（ヒ素）を用い、イオン注入エネルギーを２０ｋｅＶ、イオン注入量を５×１０14／ｃｍ2 とする。これにより、図５（ｂ）に示すように、低濃度Ｎ型シリコン層３よりも屈折率の高い高濃度Ｎ＋型シリコン層４ａが形成される。
【０１０４】
この後、他の実施形態と同様にしてカソード電極配線７及びアノード電極配線８を形成すると、本実施形態の受光素子２０ｃが形成される。
【０１０５】
（第５の実施形態）
以下に、本発明の第５の実施形態に係る受光素子２０ｄについて図面を参照しながら説明する。図６（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態に係る受光素子の要部を模式的に示す図であり、順に平面を及び断面図である。尚、図６（ａ）は、図６（ｂ）におけるVIa-VIa'線による断面である。
【０１０６】
受光素子２０ｄは、第１の実施形態に係る受光素子２０の空洞部６が円形の平面形状を有するのに対し、正方形状の平面形状を有する空洞部６ｂとした構造である。正方形の辺の寸法Ａ５は、ここでも想定している入射光の波長４０５ｎｍと同等の４００ｎｍであり、また、空洞部６ｂ同士の間隔Ｄ５は前記の式（１）を用いて２４０ｎｍとしている。
【０１０７】
本実施形態の受光素子２０ｄも、第１の実施形態の受光素子２０と同様に、高感度と高速応答とを両立する受光素子となっている。つまり、空洞部６ｂと高濃度Ｎ＋型シリコン層４とによって周期的な屈折率分布が生じ、入射光の光波長域に相当する光学的バンドギャップを有するフォトニック結晶部２１が構成され、入射光はフォトニック結晶部２１部分を吸収されることなく透過する。光吸収はフォトニック結晶部２１の下方の不純物濃度の低い層によって行われるために光感度が高く、また、受光素子２０ｄの表面近傍には高濃度Ｎ＋型シリコン層４が配置されているために高速応答が実現している。
【０１０８】
尚、本実施形態では円状に代える空洞部６ｂの平面形状として正方形状を例としたが、これに限定されることもない。円状の他の例としては、多角形状であることがフォトニック結晶としての機能をえるために望ましい。但し、均一なパターン形成及び加工の際の再現性、対称性等の観点からは、円状であることが望ましい。
【０１０９】
また、第１の実施形態に限らず、第２〜第４の実施形態に係るそれぞれの受光素子についても、低屈折率部の平面形状を円状以外の形状とすることは当然可能である。
【０１１０】
また、以上に説明した第１〜第５の実施形態について、受光素子の部分だけを説明してきたが、これに加えてトランジスタ等をモノシリックに同一基板上に集積した光電子集積回路、いわゆるＯＥＩＣに適用することもできる。
【０１１１】
また、シリコン系のフォトダイオードについて説明してきたが、その他、化合物半導体材料に適用することも可能である。更に、ＰＩＮ型の受光素子には限らず、アバランシェフォトダイオード等のその他の受光素子に用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明の受光素子は、高感度と高速応答とを両立すると共に、短波長の入射光にも対応し、光ピックアップ装置に用いられる受光素子、光通信素子に用いる受光素子等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る受光素子２０の断面図及び平面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｆ）は、受光素子２０の製造工程を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施形態に係る受光素子２０ａと、その製造工程を説明する図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第３の実施形態に係る受光素子２０ｂと、その製造工程を説明する図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係る受光素子２０ｃと、その製造工程を説明するための図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係る受光素子２０ｄの断面図及び平面図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１        高濃度Ｐ＋型シリコン基板
２        低濃度Ｐ型シリコン層
３        低濃度Ｎ型シリコン層
３ａ      低屈折率部
４        高濃度Ｎ＋型シリコン層
４ａ      型シリコン層
５        シリコン酸化膜
６、６ａ  空洞部
７        カソード電極配線
８        アノード電極配線
９        ＳＯＧ層
９ａ      低屈折率部
１０      ＳｉＮ膜
１０ａ    低屈折率部
１０ｂ    ＳｉＮ膜
１１      フォトレジスト
２０      受光素子
２０ａ    受光素子
２０ｂ    受光素子
２０ｃ    受光素子
２０ｄ    受光素子
２１      フォトニック結晶部
【図１】
2008311562.tif 000003
【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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